CN100585449C - 可适应性扫描光学显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种可适应性扫描光学显微镜。在这种可适应性扫描光学显微镜中装有一个扫描透镜组装部件，能够从目标平面的不同部分获取图像，然后形成更加合适的弯曲像场。在形成的像场中，至少会有一些像差，所述像差作为成像部位在目标平面上位置的函数变化。一个控制反射镜会对成像部位进行选择和将从目标平面来的光线进行控制转向，使其沿着一条从目标平面到成像平面的光路运行。一个可适应性光学元件会接收来自目标，经过控制转向的光线，并且会对取决于成像位置的像差进行补偿。在光路的至少部分位置上有附加的光学器件，所述光学器件在光线从控制反射镜，通过可适应性光学元件，最终到达成像平面的运行过程中，会对所述光线进行调节和聚焦。

Description

可适应性扫描光学显微镜

相关申请的交叉引用

本申请要求对2005年1月27号递交的美国临时专利申请号是60/647,572的优先权，在此以引用的方式将其并入本文中。

技术领域

本发明属于光学显微镜的相关领域，特别来讲，本发明涉及一种新的，具有应用价值的可适应性光学显微镜。本发明处理并改进了已知光学显微镜通常所具有的解析度与观测范围之间的平衡问题。

背景技术

为了解决光学显微镜通常所具有的解析度与观测范围之间的平衡问题，本发明人在2005年2月25号提出的美国专利申请号为10/525,422的申请中公开过一种解决方式。该申请要求对美国临时专利申请号是60/411,038及国际申请号是PCT/US2003/029332，公开号为WO2004/025331的优先权，上述申请在此以引用的方式将其并入本文中。

由于具有广泛的应用(例如，微装配，生物学观察，生物工艺学的观测与操作，医疗诊断，制造业，检查以及其他领域)，光学显微镜一直作为一种重要的观测工具，来进行一些肉眼所做不到的观测。尽管如此，它的传统应用方式一直受制于上述的平衡问题，也就是解析度与观测范围之间的矛盾。本发明是一种新的光学显微镜设计、把一个扫描透镜、一个控制反射镜、一个可适应性光学元件、可适应性光学调节装置、以及成像装置结合在一起，从而对获得的图像的观测范围进行放大的同时保持其分辨率。为了增加成像数量或者进行特定的时空观测，所述装置具有在高成像获取速率下运行的能力。

随着最近生物技术和微机电系统的发展，以及工业小型化的潮流，对肉眼所达不到范围的进行观测、双向结合以及检测的需要在不断地增长。为了满足这一需要，光学显微镜已重新得到了重视，而且由于这些相关领域的进一步发展，该装置会在将来继续作为一种关键工具来使用。尽管如此，基本的光学设计和操作原理在前面的一个世纪里都没有什么显著的改变，而且光学显微镜也一直受制于一个广为人知的固有问题，那就是观测范围和成像系统分辨率的矛盾。

本发明，随后会对其进行更加全面地介绍，通过把有效的光学元件，动态的控制和图像处理技术与传统的静态光学元件以一种紧密完整的方式结合在一起，成功地在保持高分辨率的同时拓展了观测的范围。

扩大观测范围的动机最初来自于发明人在微装配和精密制造方面的经验。通过视觉引导进行的微装配经常需要对相距比较远的零件在微米或小于微米的解析度进行接近同步的监控(例如，监控微镜的多重临界边和将光学传感器安装在基板上)。由于单独一个显微镜不能在要求的解析度下观测足够大的范围，多个显微镜同时使用和/或使用一个活动的平台提供了一个现成的可用解决方案。尽管如此，由于每秒活动次数的限制和活动平台引起的试样的抖动，以及针对每个新的组装任务进行重新定位和校准多个显微镜所要做的大量工作，促使发明人有必要进行一种新的光学显微镜设计来解决这些问题。

由于同样的原因，在生物学和医药成像，以及需要机器视觉的工业制造和检测领域，对这样一种显微镜同样具有很大的需求。发明人的第一个设计，也就是在前面提到的早期的美国PCT和美国临时专利申请中公开的，以及在B.Potsaid，Y.Bellouard，和J.T.Wen的文章中提到的，“用于微操作的光学扫描马赛克式仪器”(Int.Workshop on Micro-Factories(IWMF02)，R.Hollisand B.J.Neoson，eds.，pp.85-88(2002))中，该装置被称为扫描光学马赛克式仪器(SOMS)，而组装起这样一个装置的目的是为了能够证明一个后物镜扫描系统和实时马赛克组装技术的结合能够在微装配和生物学成像领域有所应用。前述SOMS最初的光学布局设计灵感来自于为形状记忆合金激光退火所制造的一个机器。见M.Hafez，Y.Bellouard，T.Sidler，R.Clavel，和R.P.Salathe，“使用激光扫描和电脑视觉的形状记忆合金局部退火”，LaserPrecision Microfabrication，I.Miyamoto，K.Sugioka，和T.Sigmon，eds.，Proc.SPIE 4088，pp.160-163(2000).这种方法采用了后物镜二维扫描反射镜的概念。这种结构也用在几种商业产品上，但其基本形式结构的观测范围，却由于扫描透镜中轴外相差的原因而受到一定程度的限制。通过处理这一问题，本发明提供了一个更大的观测范围。

宽观测范围和高解析度成像系统的设计的推动是基于以下考虑：(1)图像取样的问题；(2)图像质量的问题。首先，考虑具有完美光学器件的一个成像系统(也就是说，光学像差远远低于衍射极限)。这样一个系统将会对距离为d的两个点源进行成像，就像在一个成像领域中的两个交叠的艾里斑。随着两点之间的距离减少，会达到一个临界距离，r，这时，两个点就会重合起来，不能再被单独的辨认出来。根据瑞利定律，这个临界距离，也被称作解析度，会在一个艾里斑的中心落入另一艾里斑的第一个极小值的位置时发生。该临界距离取决于系统的数值孔径NA和光线的波长λ。系统的NA取决于传播介质的折射率n，以及从目标物接收的锥形光线所成角度的一半。

根据尼奎斯特取样标准，为了避免混淆现象，一个数码相机必须能够在单位艾里核半径内取样两个像素以上。对于一个固定的传感器阵列每条边像素数k，和解析度r，这种观测提供了一个目标物的最大理论宽度Wo。

虽然微观成像系统的设计的解析度经常能够在1/4微米到几微米的范围内，但是由于噪声效应，实际应用的CCD摄像头的像素大小会在6微米左右。因此，在给定传感器像素尺寸s的情况下，光学器件必须扩大艾里斑，从而得到具有所需的最小放大系数M的合适的采样。在这个临界放大率上，对应的成像尺寸Wi为：Wi＝ks。做到这一点的光学器件可以被认为是通常意义上的黑匣子。光学设计的任务就是对成像系统进行详细的说明，也就是详细介绍黑匣子内部采用的特定的透镜、反射镜的几何排列、透镜的类型、和间隔。

为了设计一个观测范围大，像素高的成像系统，直觉上，往往会首先想到利用现有的显微镜设计，然后简单地提高像素，同时对光学器件重新设计从而扩大观测范围。这种方式的确有可能达到要求，但是通常并不实用，这是因为其对场尺寸，平面场，以及数值孔径的要求已经很接近光刻透镜的能力范围。在1998年，尼康推出的NA值为0.65的光刻透镜(例如：美国专利5,805,344)就配有93.6毫米和23.4毫米两种不同尺寸来分别满足边框图像和胶片图像的不同要求。

光刻透镜需要近乎完美的生产，而且要求能够承受极小的装配误差(通常需要干涉测量的装配过程)，成本也可能达到几百万美元。同时，在显微镜和光刻透镜的窄光线区域都需要负放大倍数元件，而在宽光线区域则需要正放大倍数元件。这种技术可以用来得到平面像场(小珀兹伐和)，同时也会导致透镜数量和光学复杂性的增加。另外还需要考虑的一个方面就是成像传感器的尺寸，目前现有的商用大CCD镜头的像素也只有9216×9216左右(例如，FairchildCCD595)。小一点的CCD排列可以位于一马赛克感光面内，从而可以得到更大的像素，这样具有可以平行阅读成像芯片释放的数据的优点(得到芯片释放的成像数据的速率会成为决定最大刷新率的限制因素)，但是需要附加精密组装为代价。即使利用了现代科技和生产能力，由于需要高额的费用、巨大的尺寸、极小的装配误差、以及光学的复杂性，因此一个基于纯静态光学设计的具有大观测范围和高解析度的成像系统也只会有很有限的应用。

在表1中列举了一些目前为了解决范围尺寸和解析度的平衡问题而提出的可供选择的方法。表1同时也包含了本发明的性能表现，从而可以与其它方法做出比较。前面的五种方法(多重显微镜的多重等焦面物镜)已经得到了很好的发展，而且也比较常见。表中的“基本后物镜扫描法”可以参照在商业上现有的设备，该设备由于系统设计上的原因受到限制，只具有很低的数值孔径，并且具有很严重的轴外像差。会让人特别感兴趣的是图森公司销售的排列式显微镜。图森的产品具有多项专利，例如，有关多轴成像系统的均衡化的美国专利6,958,464；有关排列式显微镜的微型物镜的美国专利6,950,241；有关空气轴承输送带滑片馈路系统的美国专利6,905,300；有关具有单独调整元件的多轴成像系统的美国专利6,842,290。该系统使用了由80个微型显微镜(每个均采用三单元非球面设计)组成的一个阵列，通过平行作业从而快速成像。通过使显微镜阵列沿着显微镜滑片的长度缓慢地前移，可以得到一张大的合成图像。现在，发明人意识到通过利用平行成像的方式，该系统成为能够对静止物体进行医疗诊断级成像最快的区域扫描技术(在58秒内，在0.47微米每像素的级别，对一块225mm²的区域进行扫描、压缩、存储)。一个与此相关的技术是线扫描系统，该系统是将试样(通常通过一个显微镜物镜进行投射)扫过一个传感器像素的线性阵列。线扫描技术的一个主要缺点是图像是以一条线接一条线的方式(n×1像素)得到的，而不是以一个区域接一个区域的形式(n×n像素)得到的，后一种方式采用的是更加典型的以区域成像为基础的传感器。采用线扫描技术的一个后果就是线扫描系统通常需要非常短的曝光时间和/或需要使用明亮的照明来得到高的成像率。而在生物学应用中，基于对照片损害、漂白、以及荧光的考虑，这种方式很多时候都不能被采用。

具有平行成像和相对较低重新定位速率的DMetrix在静态和高填充系数的应用中更加具有优势。填充系数指的是根据当时的应用，感兴趣的和必须成像或者感应的区域占整个观测区域的比例。因为本发明的ASOM连续及时地成像，同时重新定位的速率也特别的快，因此本ASOM在动态和/或低填充系数的应用中优势更有优势。低填充系数的应用包括对大细胞群中偶发事件的生物学成像、对多样运动的有机体进行追踪、以及对通过针取样，偶然被放在显微镜滑片上的有机组织进行医疗诊断等等。大多数的制造工业的应用都要求低的填充系数，因为在装配过程中，只有一些物体或特征的特定的临界区域才会需要动态的追踪。

再通常一点来讲，本发明的ASOM特别适用于挑战观测范围和解析度都有很高要求的时空观测任务。基于对这些问题的考虑，从而对本ASOM的设计提供了动机和贡献。

表1、本发明(ASOM)与其他技术的定性比较

	扫描过程中试样无抖动	扩大观测范围的同时保持分辨率	在传送带传输中简单的生产组装	扫描速率(每秒活动次数或像数)	便于针对不同的观测任务重新安装	对照明亮度的要求
							多重等焦面物镜	×			低		普通
变焦透镜设计	×		×	中		普通
							活动平台	×	×		中	×	普通
活动显微镜	×	×	×	低	×	普通
							多重显微镜	×	×	×	高		普通
基本后物镜扫描	×		×	高	×	普通
							Dmetrix	×	×		高		普通
线扫描		×	×	高		很高
							ASOM本发明	×	×	×	高	×	普通

装有可变形反射镜的可适应性光学技术已经在人眼内的高解析度成像领域有所应用(见H.Hoffer，L.Chen，G.Y.Yoon，B.Singer，Y.Yamauchi和D.R.Williams，“采用眼像差动态纠正的对视网膜成像的改进”，Opt.Express 8，631-543(2001)，http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm？URI＝OPEX-8-11-631)，这是有显著挑战性的，因为人眼根据时间不同会产生不同的像差。与此相似的是，可变形反射镜也被用来纠正轴外像差和共焦显微镜法中取样引起的波阵面扰乱。扩大成像系统的观测范围也在先前的一个采用液体晶体空间光线调节器来成凹面像的系统中出现过(见D.Wick，T.Martinez，S.Restaino，和B.Stone，“凹面成像证明”，Opt.Express 10，60-65(2002)，http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm？URI＝OPEX-10-1-60)。

共焦显微镜设计的研究中，采用一个针孔屏风装置，所述针孔屏风装置位于在与目标平面共轭的一个平面上。这个装置会去掉不与焦平面在同一深度的光线，也会去掉不是位于区域中心的光线。这样，共焦显微镜就会在目标上一个点接一个点地取样。图像是一个点接一个点地建立起来的，同时也有一种方法可以扫描成像点在试样上的位置。关于共聚显微镜的基本介绍可以在下面的网址上看到：http://www.physics.emory.edu/～weeks/confocal。

本发明的ASOM通过有限的影像来成像(也就是说，整个一个二维图像是通过一次曝光得到的，而不是通过一个点接一个点成像的方式)。有限影像对光学系统有一些特定的要求，而这些对点取样技术(共焦显微镜法)是不必要的。基于ASOM的有限影像技术的一个优点是目标的多个区域可以平行成像，从而获得更快的成像速率。这一点对于低光线强度条件或者是目标物在运动中的情况下显得尤为重要。在对于照明的要求方面，同样也有一些优点。尽管如此，以有限影像为基础的系统并不能像共焦系统那样能够对试样进行竖直“切割”。

美国专利6,771,417公开了一种包括可适应性光学器件的非共焦排列。美国专利6,555,826是关于包括可适应性光学器件的共焦排列，在美国专利6,381,074中则介绍了对像差控制和精确聚焦进行协助的，在扫描共聚显微镜中的可适应性光学元件。美国专利6,483,641公开了一种用在显微镜中的空间光线调节器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种对以前的技术在很多不同方面的性能有所改进的可适应性扫描光学显微镜。

本发明的ASOM设计利用了SOMS的扫描和马赛克式构架的原理(美国专利申请号10/525,422的申请)，尽管如此，本发明的ASOM与SOMS和相关的进行有限成像的后物镜系统并不同，所述不同之处在于本ASOM采用了一个适应性光学元件来处理轴外像差，所述轴外相差是由定制设计的允许没有达到衍射极限的像差的扫描透镜引入的。另外，本ASOM与其他现有技术的不同是通过放松对平场的要求，转而专注在控制反射镜上，投射出一个可以围绕自身中心旋转的明显弯曲的中间成像区域，从而使扫描透镜得到了简化。利用这些想法，光学复杂性得到了简化，对生产和组装的要求也有所降低，而这种新颖的ASOM的根本目的是为了能够利用位于扫描透镜和成像光学器件之间的一个质量较小且移动迅速的控制反射镜来形成一个物镜后扫描结构。

在每个扫描位置都会得到一个像，然后通过马赛克成像技术，一个目标的大的合成图像就能很快地建立起来。这种排列组合的优点是：大的高分辨率的观测范围，没有对试样的干扰，以及能够达到每秒多次运动/成像。尽管如此，由于轴外成像的原因，这样的系统结构也导致了在设计和执行上的巨大挑战，对这些问题，本发明也作了相应的处理：

1、在设计中明确地结合了场的弯曲状况，从而大幅降低了扫描透镜的复杂性。

2、在一种操作模式下，得到了一次成像，相关联的光线则沿着包括有一个可适应性光学元件(例如，一个可变形反射镜、一个空间光线调节器、一个光学定相排列、一个可变形透镜、或者类似光学元件)的光学路径前进。所述可适应性光学元件会取决于扫描部位的残留的像差进行纠正。

3、去掉图像的扭曲变形的图像处理

本发明的ASOM在要求高产量，相对低光线强度，和/或在临界时空观测上具有优势，但是不提供通过活动平台对实际无限领域进行观测。

在生物学领域，ASOM有吸引力的应用包括观测一个大的活细胞群内的动态细胞事件(有丝分裂、病毒附着、运动性、细胞对化学应用的反应)或者是对试样上选定的有兴趣的区域进行观测。ASOM也可用于快速获取孔板上的图像，或者是为微观注射或操作提供视觉回馈。通过在光学路径上注入光线以及安装合适的过滤器，顶置式照明装置可以允许荧光成像。为了对统治性位相物体进行观测，可以通过在孔附近安装一个相位板得到相差图，这在生物学中很普遍。

在工业生产中，具有更高生产量潜能的ASOM能够允许视觉引导的微装配过程和对零件的快速检查。对医疗诊断而言，利用ASOM允许对生物学试样的快速成像。例如，对于利用针抽取进行的活组织切片检查，试样是偶尔放置在滑片上，而且只占滑片的一小部分。ASOM能够进行快速地背景扫描，然后只对感兴趣的活组织检查区域进行高质量的扫描。在不停止控制反射镜活动的情况下，可以高速地进行快速背景扫描。这些像会有轻微的模糊，但是可以用来确认组织试样的位置。随后，ASOM会计划一条扫描的轨线，从而抓住感兴趣的区域。随后，通过控制反射镜对每一次曝光都完全静止和固定而得到的成像，可以得到试样的高质量成像。

总而言之，本发明的更深一层的目标就是提供一种可适应性扫描光学显微镜。该显微镜包括一个能够从目标平面的不同部分获取图像，同时形成一个更合适的弯曲成像区域，而在该区域中根据所成像区域在目标平面上位置的不同至少会有一些像差的扫描透镜组装部件；一个用来将对从成像区域来的光线进行转向，使其沿着从一条从目标平面到最终成像平面的光路前进的控制反射镜；一个接受从目标平面到成像区域的转向光线，而且对相差进行动态补偿的可适应性光学元件；以及其他的至少在光路的部分位置上的，对从控制反射镜来，通过可适应性光学元件，到达最终成像平面的光线进行引导、调节和聚焦的光学器件。

描述本发明的新颖性的各种特征在附加的声明中会详细地指出，而且成为本次公开的一部分。为了更好地理解本发明，它的运行上的优势以及其使用所能够达到的特定目标，参照符号被指定给伴随的图画和描述材料，在其中队首选的本发明的具体实施方式进行了说明。

附图说明

图1为对本发明的可适应性扫描光学显微镜或者叫做ASOM的概念示意图；

图2为本发明的各种共轭图像和光圈平面的复合示意图；

图3为一个多部说明图。其中(a)是薄透镜的成像区域的形状示意图，(b)是考虑到人眼内的很简单的透镜的视网膜弯曲表面的示意图，(c)是通过允许弯曲成像而简化过的本发明的ASOM扫描透镜示意图；

图4为本发明的扫描透镜装配的弯曲成像区域的复合示意图；

图5为本发明扫描透镜装配的成像区域弯曲和成像光学器件的复合示意图；

图6为本发明的ASOM的初步设计的示意图；

图7为本发明的ASOM的一个40mm的实际观测范围，与采用1024×1024和4096×4096摄像头的传统显微镜(所有系统在0.21NA水平上操作)相比较，本图同时展示了采用512×512摄像头的0.38mm的ASOM分像场，采用此系统需要通过多次扫描来覆盖整个40mm的区域；

图8为本发明的ASOM的不同操作模式的示意图；

图9为对(a)本发明不同像场位置，(b)每个特定像场位置的光学可变形反射镜的形状，(c)选定观测区域根据Strehl比取样的符合视点示意图；

图10为发明人用来证明本发明原理的最新的试验性结构的光学设计图。

具体实施方式

参照图示及其中说明同样或类似元件的数字，图1展示了可适应性扫描光学显微镜ASOM 10，其运行模式是通过连续地依次对目标12进行空间地移位成像，然后组合成一个大的复合像(马赛克法)或者是几个分离的或可能交叠的图像。

虽然一般概念上的扩大观测范围同时保持高分辨率的技术已经广为人知，而且已经在生物学成像(见J.Zemek，C.Monks，和B.Freiberg，“自动状态中的发现”，Biophotonics International 10，54-57(2003))和工业成像(见C.Guestrin，F.Cozman，和S.Godoy，“成像马赛克和稳定性的工业应用”，Proceedings of IEEE International Conference on Knowledge-Based IntelligentElectronic Systems-Institute of Electrical and Electronics Engineers，New York，1998，vol.2，pp.174-183)上有所应用，替代了通常使用的活动平台，其机械原理和扫描原理包括了一个与特别设计的扫描透镜组装部件16相互协作的高速二维可控反射镜14，一个可适应性光学(AO)元件18(例如，一个可变形反射镜、一个空间光线调节器、一个光频整相阵列、一个可变形透镜、或是类似的光学元件)，以及附加成像光学器件20。对图像进行取样最终会通过一个传感器22，例如，一个具有适当质量和速率的数码相机、一个分光计、或者光感设备。

附加成像光学器件20包括前置AO(可适应性光学器件)调整光学器件或者目镜32，反向AO调整光学器件或者目镜34，以及最终成像光学器件36，上述的每个器件都可能是由一个或以上的元件组成的。

图1也对控制可控反射镜转向的电子系统15和控制到达可适应性光学元件的传动信号的电子系统17进行了图解，所述电子系统至少有一个。至少一个电子系统19也会被用于从传感器(例如，摄像头22)阅读数据，同样也至少有一个电子系统会被用来显示、处理和/或储存在最终成像平面上得到的光线数据。

图2显示了本发明ASOM的共轭图像和光圈平面，将光学元件分解成了一个扫描透镜(SLA)16、前置目镜32、反向目镜34、以及最终成像光学器件36，所述后三种光学组装部件或元件构成了附加成像光学器件20。扫描透镜16会从目标12或者是目标平面1收集光线，同时位于光瞳映像位置的可控反射镜14会对准被投射的真实中间图像。光圈A1的首次成像在光路上紧接着SLA16，而SLA16被一第一中间成像平面2所紧挨。就像传统光学显微镜中的传统目镜的作用一样，所述ASOM10中的前置目镜32对首次中间成像2进行取样，然后将外光瞳投射到可变形反射镜的位置。

在本发明最初设计中，类似于中间成像2位置的Huygen目镜的前置AO调整光学器件32位于一个负向场镜33和一个正向目镜35之间。一个明显的区别就是负向场镜33的使用。这样会延长可适应性光学元件的缓冲距离(目镜35和可适应性光学元件18，例如，可变形反射镜，之间的距离)，但是由于需要更大的目镜35，会增加相应的成本。光圈A2的二次成像接着目镜35。反向AO调节光学器件34类似与Kellner目镜，但是有一个负向场镜37，该场镜位于正透镜和光圈A2的二次成像之后。负向场镜37同样会帮助增加成像光学器件的负向珀兹伐和，建立起一个二次中间成像平面。

为了检验本发明的有效性，发明人的确使用了Huygens’和Kellner目镜结构。尽管如此，许多目镜结构在这里都会有很好的效果。在实验室中试验性系统装配中，本发明采用包含有七个透镜的目镜结构。实际上，阐述ASOM时，目镜的类型并不重要，重要的是目镜的功能。由于这个原因，本发明中的前置和反向目镜被更好的描述为前置和反向AO调节光学器件。

这里很重要的一点就是同样也有很多不同的方法来构造前置目镜光瞳成像光学器件、反向目镜光瞳成像光学器件和最终成像光学器件。例如，这里讨论的模拟设计就针对目镜采用了两种透镜元件，针对最终成像光学器件采用了一种透镜元件。实验室的试验装置中，前置目镜有七个元件，反向目镜有三个元件，最终成像光学器件中有七个元件。在光学器件领域的技术人员，一旦理解了本发明的原理，就能够实现本发明的其它实施方式。

最终成像光学器件36将二次中间成像3传递到位于最终成像平面4的传感器上(例如，科学摄像头22-见图1)，通过适当的放大防止混淆现象。系统孔径光阑对成像系统接收的光束的边界进行了定义。最终，传感器的有效区域会提供一个视场光阑，但是附加的视场光阑也可以增加到首次和二次像场中，从而可以减少系统中的杂散光和不想要的光线。可以用来减少节流和杂散光的机构，例如在机械外罩中加工过的凹槽和应用于表面的黑色涂层也很可能在贯穿ASOM光学路径的各个位置上得到应用。

与显微镜物镜或光刻透镜不同，本发明有利地利用了弯曲场扫描设计。

在图3的(c)中，本发明ASOM10的扫描透镜16的设计目的是为了展示具有相对较大的珀兹伐和的明显场弯曲C。对平面场要求的降低使得本光学设计使用了少的多的透镜元件，从而大大地得到了简化，就像图3中关于薄透镜的(a)和关于人眼的图(b)中，透镜在自然情况下，所进行的弯曲成像一样。

由于正透镜元件会增加正的珀兹伐和，负透镜元件会增加负的珀兹伐和，因此平面场的设计就要求对正负透镜的小心使用，从而才能得到接近0的系统宽度的珀兹伐和。不统一放大可以通过把负透镜元件放在窄光束直径区域和把正透镜元件放在宽光束直径区域而得到。将图3中显示的允许弯曲像场的相对简单的ASOM扫描透镜与平面场显微镜物镜和光刻透镜进行比较。也发现由于大大地降低了重量和设计复杂性，弯曲场设计的优点在航空领域也得到了重视(见J.M.Rodgers，“弯曲焦点表面：通过对称性，而不是复杂性的设计最优化”，Photonics Tech Briefs-Online(2003)，http://www.ptbmagazine.com/content/040103ora.html)。

典型光学设计所做不到的其它ASOM扫描系统所具有的特点包括：

1、场曲面的中心、二维可控反射镜的旋转中心、反射镜表面和一个光学光瞳平面是相互一致的。

2、投射像表面的形状是接近球形的，而不是更加典型的结合场弯曲的抛物线形的表面。这一点是通过高位像差的控制做到的。

在满足上述条件的情况下，随着可控反射镜角度的变化，投射弯曲像的表面会围绕它自己的中心旋转，就像图4所展示的一样。具有相匹配负向弯曲像场的静止成像光学器件通过与框挡协作，从而对成像表面的一部分进行取样，这样就提供了一种随着可控反射镜角度变化进行成像扫描和选择的机构。

这种设计是有优势的，因为它消除了对一个大的平面场成像系统的需要。而是像图5中所展示的，该系统显示了具有(1)一个与扫描透镜相关联的大的正向弯曲场，和(2)一个与成像光学器件相关联的小的负向弯曲场，这样，就避免了前面所讨论有關设计和生产大的连续平面场成像系统的困难。实际上，由于成像光学器件是低数值孔径、小的场尺寸和主要使用同轴，发明人已经发现当使用中等规模的传感器阵列(512×512像素)时，成品光学器件针对衍射极限的表现已经可以提供足够的像差纠正。更大的传感器阵列可能需要定制的成像光学器件。

图6会对本发明的可适应性光学元件的波阵面校正作出描述。

虽然扫描透镜16和整个系统的设计明确是为了控制场弯曲，其它的轴外像差(例如，彗形像差、散光像差、和其它高位像差)还是存在的。传统的解决方法就是通过增加透镜元件来平衡掉剩余的像差，但是要能够像ASOM那样具有极轴外成像，一个充分补偿透镜组装部件将会需要难以实现的大的透镜数量。

通过设计一个具有显著波阵面像差(接近于具有光路不同性的几个波)的“好”的扫描透镜，本发明避开了这个问题，然后利用一个作为可适应性光学元件18的可变形反射镜来对选定的特定观测范围的像差进行补偿。在贯穿扫描仪范围内的各个单独场位置间允许像差变化的存在。尽管如此，由于可变形反射镜一次只能实现一个特定形状，因此像差在各个场位置间的变化率必须要足够小从而在整个选定的分场观测范围内允许衍射极限成像。

这与大气中的等晕面元的概念相类似，这一点在可适应性光学望远镜领域是得到广泛公认的。从ASOM类推，扫描透镜的等晕面元必须大于选定的分场观测范围。不然，每个分场观测范围边缘的成像可能会模糊。

随后的模拟效果是基于高保真度ZEMAX模拟的，证明了与现有的显微镜技术相比，本ASOM能够有效地在保持解析度的前提下扩大观测范围。表2列出了所述特定ASOM设计的性能表现，但是经过了对设计适当的调整，场面积和数值孔径就可以适合手边的观测任务。尽管如此，一般情况下，随着场面积的增加，可实现的NA会因为物理和实际应用上的一些限制而降低。

表2、初步ASOM的性能说明

	说明
		有效观测范围直径	40mm
总可观测范围面积	1257mm<sup>2</sup>
		数值孔径	0.21
工作波长	510nm
		解析度	1.5μm
放大倍数	15.2
		摄像头像素	512×512
摄像头像素尺寸	10μm

图7将ASOM的可观测范围与装有4096×4096摄像头(考虑一装有标准显微镜物镜的全景摄像头)的固定显微镜以及装有更普遍的1024×1024摄像头的固定显微镜作出了比较。基于高保真度的模拟，ASOM对所有的场位置提供了衍射极限(Strehl比＞0.8)。固定显微镜设计的场尺寸采用完美成像和利用0.21的数值孔径，光线波长为0.510μm(对活性细胞成像而言，绿光相对理想，无破坏性)的情况下计算得出的。

图7同样显示了在这个ASOM实施方式中，512×512镜头的观测分场。在这个设计中，由于考虑到衍射极限性能，相对简单的成像光学器件将镜头传感器的直径限制到了6.0mm左右。这也只是显示了一种特定ASOM实施方式的性能。通过调节透镜的几何结构、透镜间隔、以及数码镜头的像素，可以使场尺寸和数值孔径适合手头的观测任务。尽管如此，一般情况下，最终会有一个最大观测范围和系统数值孔径之间的矛盾问题。

通过对成像光学器件的适当设计，其衍射极限场范围能够通过利用高像素镜头进行扩大。不过，即使使用小512×512镜头，表3中列出的扫描次数与现有技术相比还是很有竞争力的。该表显示了估计的100、250和500框每秒镜头速率与100％、50％和10％填充系数的扫描次数。这些计算中假设总的扫描运动次数的计算方式是：扫描次数＝总有效场面积/分场面积。

表3、不同镜头像素和扫描速率的估计扫描次数(/秒)

镜头框速率

100fps

250fps

500fps

填充系数(％)：	100	50	10	100	50	10	100	50	10
										512×512像素	87	44	8.7	35	17	3.50	17	8.74	1.7
1024×1024像素	22	11	2.2	8.7	4.4	0.87	4.4	2.18	0.44
										4096×4096像素	1.4	0.68	0.14	0.55	0.27	0.054	0.27	0.14	0.027

图8说明了本发明ASOM的不同运行模式，例如，对偶然事件的探测，对活动目标的及时追踪，只对有兴趣区域取像以及全景观测。

图9显示了DM如何对与每个场位置相关联的特定波阵面像差进行校正。在全场范围内和对所有的场位置而言，Strehl比要远大于0.8的衍射极限，导致几乎完美成像。图9(a)显示了五种不同的场位置，图9(b)显示了对应于各个场位置和区域的五种最佳的可变形反射镜形状，图9(c)显示了对整个选定观测范围的Strehl比取样。

这里描述的所有结果都是基于理想模拟，而忽略了透镜和光学外框总是受到制造和装配误差限制的事实。

为了证明本发明的扫描和马赛克式构架成像的原理，随后的试验硬件被作为第一代原型，也叫作扫描光学马赛克式显微镜(SOMS)被组装起来。该设计没有进行过正式的最优化，而且该原型使用的是ThorLabs的标准目录透镜，一个索尼XC-77BB CCD镜头，Matrox MeteorII抓框器，剑桥科技的检流器和伺服驱动器，以及一个以TI为基础的DSP平台。

它与更先进的ASOM设计的不同在于：(1)光学设计经过了简化，(2)没有可变形反射镜或者可适应性光学器件，(3)所有的透镜都是标准目录下现有的产品，(4)扫描透镜是单个标准的消色差双合透镜。这里也包括了SOMS的结果，目的是为了证明可能的运行方式，功能性，以及性能，上述内容同样可以通过ASOM来实现，只是使用ASOM设计会有更好的性能表现。

本发明的一个微装配实证是基于一个工作区中在两个固定目标间移动的形状记忆合金微架持器。一个基于初步关联性的匹配算法和Kalman滤光器的成像被用来追踪夹持器尖端的运动。通过一个3×3瓷砖马赛克成像对夹持器进行成像，同时扫描模式会自动调整到保持夹持器尖端始终处于中心线的位置。这种扫描模式也包括了工作区中的两个静止物体，证明了SOMS可以几乎同时观测工作区中的多重静止和运动目标。

对视频进行录像，特别是有关于活性生物细胞(端粒酶永生化hTERT-RPE1细胞)的。在没有扰乱细胞的前提下，通过一个3×3瓷砖马赛克成像监控一个大的细胞群。细胞是在一个控温营养液中保持活性的。在整个观测范围内，可以看到几次有丝分裂(细胞视觉)的发生。ASOM不仅提供了自动探测到有丝分裂开始和其它事件的可能性，同样也可以很容易地通过编程来同时追踪和记录多个事件。虽然通过使用活动平台进行自动定量细胞分析在最近被提议过，但是整个系统的带宽还是会受到平台的响应和细胞试样对运动的敏感度的限制。

本发明的ASOM可以处理这两个问题。

发明人同样已经建造了一个二代试验原型。

这个试验ASOM设备的目的是论证本ASOM设计中的基本的光学的几个方面，但是要求要低成本和缩短发展时间。

就其本身而言，为了避免以定制为基础的光学器件的高额花费，也为了能够利用能在几天内运到的现有库存，专门使用了现成的光学器件。尽管如此，多数的库存透镜是被设计成用特定方式(例如，具有有限的共轭)进行普通应用的，而且其焦距，透镜直径和玻璃选择都只具有粗略的一个范围。考虑到扫描透镜的非典型成像特点，使用了现成光学器件的试验性ASOM设计还远远没有达到最优化，而且就其本身而言，也显示了在一个对于额定的20mm的场尺寸上达到0.1NA时所需的高透镜数量。尽管如此，即便只使用了现成的光学器件，但是这个试验性装置通过谨慎地设计还是论证了能够定义本ASOM特征的关键光学特点，其中包括弯曲场光学扫描方式和采用可变形反射镜作为可适应性光学元件的波阵面校正光学器件。在这种实施方式中，可控反射镜是手动制动，这样就限制了显微镜观测静止或慢速运动的物体。商用版的可适应性扫描光学显微镜可能会使用定制光学器件，从而能够实现本ASOM概念所具有的潜力，达到更高的数值孔径和更大的工作空间，同时可以与被驱动的高速可控反射镜协作。

图10显示了本试验系统的光学设计。这个最初的原型使用了一个传输照明方案，而且由于目前的设计对色差非常敏感，一个510nm波长陷波滤波器被用来消除低于500nm和高于520nm的光谱。光线通过景物反差模式传输，然后通过焦阑的十二个基本扫描透镜组装部件进行收集，该组装部件将目标图像投射到一个球形弯曲像场上。一个可绕反射镜镀银前表面枢接旋转的手动可控反射镜被置于扫描透镜组装部件之后，通过与波阵面纠正光学器件中的视场光阑协作，选择球形弯曲像场的哪一部分会通过系统，在镜头上成像。这种扫描机构能够有效地允许工作空间内对分观测场的控制转向。尽管如此，由于扫描透镜没有很好的光学纠正，在这一点的光线会表现出明显的波阵面像差(请注意，允许纠正不足是ASOM设计的特点之一，因为这样可以显著的降低复杂性和扫描透镜组装部件中透镜的数量)。

来自可控反射镜的校正不足的光线会通过视场光阑，然后继续前进到波阵面纠正光学器件。在这种可适应性扫描光学显微镜的实施方式中使用了一个MEMS可变形反射镜。通过精确控制反射镜的反射表面，使其与波阵面错误的形状相反(但在其振幅的一半)，从而可变形反射镜可以把波阵面相差校正到衍射极限以内。这样，从可变形反射镜离开的光线能够得到很好的校正，而且会在镜头上形成几乎与完美的衍射极限成像没有分别的图像。在这个原型中使用的是波士顿微型机器公司的三层MEMS可变形反射镜。这个反射镜有32个静电制动器，制动器间距为400μm，一个2.5μm制动器冲程，以及一个直径为2.0mm的主动控制区域。所述2.5μm制动器冲程能够纠正多个波的像差，从而允许即使是轴外场位置也能得到高成像质量，从而使ASOM的观测区域能够显著地扩大。同时注意到在本设计中，针对可适应性光学元件的预处理平台和后处理平台是由正透镜和负透镜元件通过适当的组装方式构成的，从而能够对光线进行调节，使其能够符合可适应性光学元件2.0mm的有效直径。针对可适应性光学元件的预处理平台形成了光圈的一个图像，这样导致可控反射镜位于光圈成像的附近区域。将可控反射镜置于就在或者接近光圈成像的位置可以考虑到可控反射镜的直径，所述可控反射镜的直径可以控制在较小的范围，从而降低可控反射镜的惯性，使其具有更快的动态表现。另外，将可控反射镜置于就在或者接近光圈成像的位置是最可取的，因为这样可以方便扫描时对扫描透镜的系统使用(也就是说，对于所有场位置而言，主要的射线都是来自于光圈平面的同一位置)。使用单独一个可控反射镜的光学优势是广为人知的，但是由于各种原因，包括对成本和动态性能的考虑，可以想到这里描述的单独一个可控反射镜可能会被两个单独同轴可控反射镜代替。站在光学的角度上，这样做并不是很可取，但是经常是一种适合的方式，而且经常在实际应用中被采用。一个ASOM可以用两个或者更多的旋转反射镜构成。

像可控反射镜一样，可适应性光学元件也是置于光圈的像区域附近。将所述可适应性光学元件置于就在或者接近光圈像区域的位置使可适应性光学元件的有效区域能够得到有效地利用，这是因为所有的射线束都会在这个位置重叠(也就是说，主要射线会通过光轴)。将可适应性光学元件置于就在或者接近主要射相交的位置也可以使得一个可适应性光学波阵面纠正能够有效地纠正每个射线束的像差，因为他们都是以类似的方式通过每一个瞬间观测区域。

从以前开始，发明人也通过使用基于图像的性能度量标准和平行的随机梯度发展优化规则系统，进行过对于下一代原型的校准和在线优化。

可适应性扫描光学显微镜的最终成像质量取决于系统中剩余波阵面像差的大小和形状。另外，所述扫描透镜会对每个场位置(反射镜角度)引入特定的像差。这样，鉴于可适应性光学元件对波阵面形状的影响是由控制信号控制的，而且会对波阵面像差有直接的影响，因此应该对可适应性扫描光学显微镜进行一次初始的校准。这次校准的目的是为了能够找到一套控制信号，利用这套信号可以使不同场位置的波阵面像差最小化。一旦经过校正，正常操作期间的最优化控制信号可以被召回，信号可能来自路由器，然后使用内插法得到。这个校准能够对制造和装配过程中的误差，公差或者其它制造过程中的变量进行补偿，也可能会周期性地重复对环境温度的变化，光学元件的移动或者更换，或者系统中其它会造成像差的起因进行补偿。在操作期间，为了能够对成像过程中的光学像差进行有效地补偿，可控反射镜和可适应性光学元件可能会通过一个电子系统进行协调工作。

得到最优化可适应性光学器件控制信号的方法有很多种，包括使用一个波阵面传感器、波阵面评估试验方法和算法、基于干涉仪的方法、或者其它基于成像的技术。可以想到的是，所述可适应性扫描光学显微镜系统在运行期间可能会对可适应性光学元件的控制信号进行升级，所述升级利用了一个对波阵面像差实时测量和反馈控制的方式，所述方式与以前已经采用过使用导航星作为参照波阵面的可适应性光学望远镜的方式相类似。

在这个试验原型中，使用了一个性能度量和一个数字最优化的算法。一般情况下，性能度量，Q(u)，是可适应性光学器件控制信号u的一个非线性函数，而且Q(u)被证明会随着成像质量的增加而降低。最优化结果中的问题是同样受制于可适应性光学器件控制信号的上限和下限。一个基于高频率成像容量的度量方式和平行随机梯度演化最优化算法已经被证明能够有效地对系统进行校准。一般情况下，可适应性光学器件的控制信号最优化需要两个方面的内容，针对这两个方面的内容各种不同的选择和特定的结合方式：

1、一个用来表征成像质量Q(u)的度量方式；以及

2、一个将Q(u)最小化的最优化算法。

除了上述的ASOM，其它的改进方式还包括在镜头位置使用一个分光计。在接近光圈的位置引入一个相位板和/或通过利用适应性光学元件对波阵面引入一个相扰乱，ASOM可能能够进行相衬成像。作为对目标照明的一种方式，光线也会被注入到ASOM中，可能采取的方式是在光路上引入一个分光镜。

总而言之，本发明是一种新的显微镜概念，可以同时做到高解析度和大的有效观测范围，使得本发明在观测特定时空事件方面，相对于目前现有的技术，具有多个优势。本设计在光学、机械、运动控制和像处理设计的协同增效方面具有很大的优势。ZEMAX光学模拟显示了在非常扩大的一个观测范围内的衍射成像性能表现，同时，计算结果也显示了高速运动和成像操作的可能性。为了论证基于反射镜的扫描方式的基本效果，我们建造了一个降低了功能性的概念检验原型机，而且对微装配和生物学观测任务进行了论证。

本发明的扫描透镜组装部件，前置和后置调节光学器件和最终成像光学器件都可以由一个或多个玻璃透镜元件；塑胶透镜元件；GRIN(梯度折射率)元件；折射透镜元件；球面光学元件；非球面光学元件；表现出一外光瞳、一焦阑状态、一非焦阑状态的元件或者元件集成；一个针对所有场位置的统一的数值孔径，一个针对不同场位置的非统一数值孔径；充分服从一f-theta失真成像、一f-cosine-theta失真成像、一f-sine-theta失真成像的元件或是元件集合；在首次中间成像平面投射出一个弯曲像场、在完全是球面的首次中间成像平面投射出一个弯曲像场、以及在完全是抛物线形的首次中间成像平面投射出一个弯曲像场的元件或元件集合。

成像可控反射镜可以是一般意义上的任何一种成像可控仪器或者具有控制转向功能的对等物，这些仪器可以包括的控制转向仪器中包括至少一个检流计、音圈致动器、压电制动器、静电制动器、万向节机械装置、一个平行机械装置、一个弯曲机械装置、或者一个电磁悬浮装置。所述可控反射镜可能至少是平反射表面、弯曲反射表面、完全是球面的弯曲反射表面、完全是非球面的弯曲反射表面、或者旋转棱镜中的一个。在最终成像平面上接收光线的传感器中可能至少有一个下列配件：一个数码镜头、一个电荷耦合器件、一个CMOS传感器、一个分光计、或着人眼观测使用的目镜中的一个。

虽然为了对本发明的应用原理进行了解释说明，对本发明特定的实施方式已经进行过说明和详细的描述，但是应该明白，本发明在不背离该原理的情况下，也可以采取其它的实施方式。

Claims (27)

1.一种可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，包括：

一个对不同的选定的场位置进行有限成像的扫描透镜组装部件，这样，光学像差成为场位置的函数，根据选定场位置的不同而变化，扫描透镜组装部件形成一个像场；

成像可控仪器，所述成像可控仪器将来自每个场位置的光线进行可控转向，然后使光线沿着从目标到最终成像平面的光路运行，沿着光路上的光线具有一个波阵面；

一个可适应性光学元件，所述可适应性光学元件能够影响光路中波阵面的形状，从而对至少一部分的取决于场位置的光学像差进行补偿，同时向光路中光波阵面引入选定的形状；

附加成像光学器件，所述附加成像光学器件在光路的至少部分位置上，能够对可适应性光学元件和最终成像平面的光线进行处理，所述附加成像光学器件包括将图像投射到最终成像平面的最终成像光学器件。

2.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述扫描透镜组装部件形成的是弯曲像场。

3.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述成像可控仪器包括一个可控反射镜和控制反射镜转向的装置。

4.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述可适应性光学元件由一个可变形反射镜构成。

5.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述附加成像光学器件包括一个针对可适应性光学元件的预处理平台和一个对可适应性光学元件的后处理平台，所述预处理平台对沿着可见光光路的光线进行调节，从而使可适应性光学元件的光圈尺寸与扫描透镜组装部件的光学要求相配，目的是为了利用可适应性光学元件的有效区域；所述后处理平台对沿着光路的光线进行调节，从而使可适应性光学元件的光圈尺寸与最终成像光学器件的光学要求相配。

6.如权利要求5所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述针对可适应性光学元件的预处理平台和后处理平台都包括至少一个负透镜和至少一个正透镜。

7.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述可适应性扫描光学显微镜还包括一个孔径光阑，所述孔径光阑定义了由装置接收和投射到最终成像平面的光束的边界。

8.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述最终成像光学器件提供附加的放大和缩小，达到一个选定的整个系统的放大倍数，所述可适应性扫描光学显微镜进一步包括一感应最终图像的光传感器。

9.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述扫描透镜组装部件包括一个光电机械组装部件，所述光电机械组装部件包括一个或多个透镜或者反射镜元件，所述透镜或者反射镜元件包括至少一个下列配件：

梯度折射率元件；

折射透镜元件；

至少一个表现出一外光瞳、一焦阑状态或一非焦阑状态的元件；

一个针对所有场位置的统一的数值孔径或一个针对不同场位置的非统一数值孔径；

至少一个充分服从一f-theta像差成像、一f-cosine-theta像差成像或一f-sine-theta像差成像的元件；

至少一个在首次中间成像平面投射出一弯曲像场的元件。

10.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述成像可控仪器包括一个可控反射镜和控制可控反射镜转向的装置，所述控制可控反射镜进行转向的装置包括至少一个检流计，音圈制动器，压电制动器，静电制动器，万向节机械装置，一个平行机械装置，一个弯曲机械装置，或者一个电磁悬浮装置；所述可控反射镜是平反射表面、弯曲反射表面、或者旋转棱镜中的一个面，所述弯曲反射表面为完全球面的或完全非球面的。

11.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述可适应性光学元件至少包括可变形反射镜，空间光线调节器，一个光频整相阵列，一个可变形透镜，以及一个光电元件中的一个。

12.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述附加成像光学器件包括一个针对可适应性光学元件的前置调节光学器件，反向调节光学器件和最终成像光学器件，

所述前置调节光学器件包括至少一个下列配件：梯度折射率元件；衍射透镜元件；

所述反向调节光学器件包括至少一个下列配件：梯度折射率元件；衍射透镜元件；

所述最终成像光学器件包括至少一个下列配件：梯度折射率元件；衍射透镜元件。

13.如权利要求1所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述可适应性扫描光学显微镜包括一个最终成像平面上接收光线的传感器，所述传感器包括至少一个下列配件：数码镜头，电荷耦合器件，CMOS传感器，分光计，人眼观测使用的目镜。

14.一种可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，包括：

一个扫描透镜组装部件，所述扫描透镜组装部件从目标平面的不同位置获取图像，形成一个弯曲像场，所述弯曲像场至少存在一些像差，所述像差作为目标平面轴外区域位置的函数变化；

一个可控反射镜，所述可控反射镜将来自成像场的光线进行可控转向，然后使光线沿着一条光路从目标平面运行到最终成像平面；

一个可变形反射镜，所述可变形反射镜接收从目标到像场的控制转向光线，对至少一些像差进行动态的补偿；以及

附加成像光学器件，所述附加成像光学器件在光路的至少部分位置上，将光线进行引导，使其从可控反射镜，通过可变形反射镜，到达运行到最终成像平面；所述附加成像光学器件包括一个位于光路上可控反射镜和可变形反射镜之间的前置目镜、一个位于光路上可变形反射镜和一个显微镜的系统光圈之间的反向目镜、以及一个位于反向目镜和最终成像平面之间的最终成像光学器件。

15.如权利要求14所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述前置目镜包括至少一个负场透镜和至少一个正透镜，所述反向目镜包括至少一个负向场透镜和至少一个正透镜，所述最终成像光学器件包括至少一个正透镜。

16.如权利要求14所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述前置目镜包括至少一个负场透镜和至少一个正透镜，所述反向目镜包括至少一个负场透镜和至少一个正透镜，最终成像光学器件包括至少一个正透镜，所述显微镜包括一个在最终成像平面上接收光线的镜头。

17.一种可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，包括：

一个扫描透镜组装部件，所述扫描透镜组装部件从目标平面的不同位置获取图像，形成一个弯曲像场，所述弯曲像场至少存在一些像差，所述像差作为目标平面区域位置的函数而变化；

一个可控反射镜，所述可控反射镜将来自成像场的光线进行可控转向，然后使光线沿着一条光路从目标平面运行到最终成像平面；

一个可变形反射镜，所述可变形反射镜接收从目标到像场的控制转向光线，对至少一些像差进行动态的补偿；

附加成像光学器件，所述附加成像光学器件在光路的至少部分位置上，将光线进行引导，使其从可控反射镜，通过可变形反射镜，到达运行到最终成像平面，所述附加成像光学器件包括一个位于光路上可控反射镜和可变形反射镜之间的前置目镜，一个位于光路上可变形反射镜和一个显微镜的系统光圈之间的反向目镜，以及一个位于反向目镜和最终成像平面之间的最终成像光学器件；以及

一个在最终成像平面上接收光线的科学镜头。

18.如权利要求17所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，所述前置目镜包括至少一个负场透镜和至少一个正透镜，所述反向目镜包括至少一个负场透镜和至少一个正透镜，所述最终成像光学器件包括至少一个正透镜。

19.一种对目标平面进行可适应性扫描，将图像进行放大的方法，其特征在于，包括：

获得并放大目标平面不同部分的有限图像，然后利用一个扫描透镜组装部件形成一个至少有一些作为被成像的目标平面区域位置的函数变化的像差的像场；

对从扫描透镜组装部件来的光线进行控制转向，使其沿着从目标平面到最终成像平面的光路运行；

通过对从目标到像场的控制转向的光线的波阵面进行变形处理，对至少一些像差进行动态补偿；以及

光线从控制转向阶段，通过变形阶段，到达最终成像平面的过程中，通过利用在光路至少部分位置上的附加成像光学器件，使光线聚焦。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述利用扫描透镜组装部件形成的像场是弯曲的。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述附加成像光学器件包括一个前置目镜，一个可变形反射镜，一个反向目镜，以及最终成像光学器件，所述前置目镜位于一个可控反射镜之后，用来影响控制转向阶段；所述可变形反射镜位于光路上，用来影响的变形阶段；所述反向目镜位于光路上可变形反射镜和显微镜的系统光圈之间；所述最终成像光学器件位于反向目镜和最终成像平面之间。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，至少一个所述目镜包括一个负透镜。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，前置和反向目镜都包括一个负透镜和一个正透镜。

24.如权利要求5所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，包括：

所述扫描透镜组装部件形成一个第一中间图像；

沿着光路上的光线具有一个波阵面和一个首次中间成像平面；

所述可适应性光学元件位于一个光圈的二次成像的位置；

所述后处理平台对沿着光路的光线进行调节；以及

所述最终成像光学器件将来自二次中间成像平面的图像投射到最终成像平面。

25.如权利要求3所述的可适应性扫描光学显微镜，其包括至少一个电子系统，所述电子系统控制可控反射镜的位置，以及控制到可适应性光学元件的制动器信号。

26.如权利8所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，还包括至少一个电子系统，所述电子系统从传感器读取信号。

27.如权利要求24所述的可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，还包括至少一个电子系统，所述电子系统的作用至少是在最终成像平面进行显示，处理和储存光的所得数据三个功能之一。

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