CN102597845B - 分束器装置、光源装置和扫描观测装置 - Google Patents

分束器装置、光源装置和扫描观测装置 Download PDF

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Abstract

在将一个束分支为具有不同光学路径长度的多个束时，即使在所述束之间的相对角度不同时也能够利用简单结构将所述束沿光轴方向会聚于同一位置。提供一种分束器装置(1)，包括将输入脉冲束分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中的分束器(13)；设置在各自分支的光学路径(10，20)中并且中继所述光学路径(10，20)中的瞳孔的中继光学系统(16，17)；复用位于所述两个光学路径(10，20)中的中继的脉冲束的分束器(14)；以及对经由所述分束器(13)分支开的脉冲束赋予相对角度的反射光学系统(12)。

Description

分束器装置、光源装置和扫描观测装置
技术领域
本发明涉及分束器装置、光源装置和扫描观测装置。
背景技术
用于将从光源发射的一个激光束分支为多个激光束的分束器装置是已知的(例如参见专利文献1)。这种类型的分束器装置包括设置在与夹在其间的平坦半透明反射镜成相互不同距离处的至少两个高反射镜并且提供有在所述半透明反射镜上形成为全反射器或者防反射部件的部分。
根据该分束器装置，从所述半透明反射镜的一侧进入的激光束由所述半透明反射镜分支、由设置在所述半透明反射镜的任一侧的高反射镜反射、并且返回到所述半透明反射镜。经过重复该步骤，一个激光束被分支为具有不同光学路径长度的多个激光束。通过对所述高反射镜赋予微小角度，多个所产生的激光束能够被会聚于一个位置。
(引用文献列表)
(专利文献)
(PTL1)
日本专利No.3927513
发明内容
技术问题
然而，当专利文献1中公开的所述分束器装置将被应用到诸如扫描显微镜的扫描观测装置时，需要不仅有效地产生来自对象的光学响应，而且还通过对于每一个辐射位置对它们进行区分来检测这些光学响应。
更具体地说，在要利用多个光束照射对象时，如在专利文献1中描述的分束器装置，存在的缺点在于在不同辐射位置产生的光学响应由于光在对象的表面上和内部中的散射而在检测器上空间地彼此重叠，并且无法对于每一个辐射位置区分这些光学响应。要从其观测光学响应的对象中的位置越深，光的散射越强烈并且该空间重叠越显著。此外，需要调节待照射到对象上的光束以具有合适的间隔。然而，专利文献1中公开的分束器装置具有的缺点在于，当分支激光束将要仅通过高反射镜的角度设置而设置于不同的相对角度时，会聚点在光轴方向上偏移。对于激光束赋予不同相对角度而不在光轴方向上偏移会聚点而言，高反射镜的单独角度设置不能令人不满意，反而也需要偏移它们的位置。而且，在激光束被分支为多个激光束时，对于每一个束分支要求反射镜的精细角度设置。出于该原因，设置高反射镜的工作错综复杂并且装置的结构也变得复杂。
鉴于上述情形来构思本发明，并且其目的在于提供一种分束器装置和光源装置，其即使在由使用多个光束的照射产生的对象中的响应在检测器上空间地彼此重叠的情况下也能够通过在时间轴上分离响应来检测该响应，并且提供一种能够使用该分束器装置进行快速扫描的扫描观测装置。而且，本发明的另一目的在于提供一种分束器装置和光源装置，其能够将一个束分支为具有不同光学路径长度的多个束并且尽管在这些束之间具有不同相对角度，也能够利用简单的结构将这些激光束会聚在光轴方向上的同一位置，并且提供一种能够使用该分束器装置进行快速扫描的扫描观测装置。
技术方案
根据本发明的第一方面是一种由输入脉冲束生成待照射在对象上的多个脉冲束的分束器装置，并且所述分束器装置包括将所述输入脉冲束分支到两个光学路径中的至少一个分支部；对沿着经由所述分支部分支开的所述两个光学路径经过的脉冲束赋予相对时间延迟以充分分离由所述脉冲束引起的所述对象中的响应的至少一个延迟部；以及对由所述延迟部赋予了所述相对时间延迟的所述多个脉冲束赋予相对角度并且将所述多个脉冲束会聚在同一位置的束角度设定部。
根据本发明的该第一方面，所述输入脉冲束由所述分支部分支到两个光学路径中。已分支进入每一个光学路径中的所述脉冲束在沿着每一个光学路径经过的同时由所述延迟部赋予所述相对时间延迟。然而，由所述束角度设定部对赋予了所述相对时间延迟的所述两个脉冲束赋予所述相对角度，会聚在同一位置上并且照射在所述对象上。
由于所述脉冲束以其间的相对角度会聚在同一位置，因此通过将所述脉冲束的会聚位置设置在其下游的光学系统(例如物方光学系统)的瞳孔(pupil)位置处或者与其光学共轭的位置处，能够透射全部脉冲束。然后，所述脉冲束能够聚焦在所述光学系统的焦点位置并且以多个点的形式在空间上分隔开。
在这种情况下，由所述延迟部产生的所述相对时间延迟长于诸如对象中的荧光或者散射的响应的时间。然后，防止由所述脉冲束产生的所述对象中的响应混合并且能够通过在时间轴上对所述响应进行分离来进行检测。
在上述方面中，可以提供设置在经由所述分支部分支开的所述光学路径的每一个中并且延迟所述光学路径的每一个中的瞳孔的中继光学系统；以及复用由所述中继光学系统中继的所述多个脉冲束的至少一个复用部。所述束角度设定部可以对经由所述分支部分支开的所述脉冲束之一赋予角度以具有相对于其它脉冲束的相对角度。
通过这样做，所述输入脉冲束由所述分支部分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中，并且所述脉冲束由设置在各自光学路径中的所述中继光学系统中继且有所述复用部复用。此时，由所述束角度设定部对经由所述分支部分支到两个光学路径中的所述脉冲束之一赋予角度以具有相对于其它脉冲束的相对角度。通过这样做，在具有不同光学路径长度的两个光学路径中并且赋予了相对角度的所述脉冲束能够会聚于一个位置。
在这种情况下，由于经由所述分支部分支到两个光学路径中的所述脉冲束的瞳孔由设置在各自光学路径中的中继光学系统中继，即使在分支的脉冲束设定到不同相对角度时也能够防止所述脉冲束的会聚点在光轴方向上偏移。简而言之，根据该方面，即使在脉冲束的相对角度不同时，也能够利用中继光学系统形式的简单结构将所述多个脉冲束会聚于光轴方向上的同一瞳孔位置。
结果，即使在脉冲束的相对角度改变时，也能够使脉冲束在相同的入射条件下入射在设置在其下游的光学系统上。例如，通过将赋予了相对角度的多个脉冲束会聚在显微镜物镜的瞳孔位置，所述脉冲束能够辐射在所述物镜的焦平面上的不同位置。通过使相对角度不同，能够改变辐射位置的间隔，并且此时能够防止光量发生波动。
在上述的方面中，所述中继光学系统可以包括至少一对透镜，并且所述束角度设定部可以设置在所述一对透镜之间或者多对透镜之间。
通过这样做，即使在由所述束角度设定部对分支的脉冲束赋予了相对角度时，也能够通过所述一对透镜中继所述瞳孔，并且能够防止所述会聚点在光轴方向上偏移。而且，由于提供多对这样的透镜并且由该多对透镜中继两个光学路径中的瞳孔，因此能够减小透镜直径。
在上述的方面中，所述束角度设定部可以包括反射经由所述分支部分支开的脉冲束的第一反射镜；朝向所述复用部反射由所述第一反射镜反射的所述脉冲束的第二反射镜；以及在沿着第一反射镜与第二反射镜之间的光轴的方向上一起直线平移所述第一反射镜和所述第二反射镜的直线平移机构。
通过利用所述直线平移机构在位于第一反射镜和第二反射镜之间的光轴方向一起平行移动这些反射镜，能够对经由所述分支部分支开的脉冲束赋予相对角度。
在上述的方面中，所述束角度设定部可以包括朝向所述复用部反射经由所述分支部分支开的所述脉冲束的反射镜以及绕着与所述脉冲束的光轴正交的轴摆动所述反射镜的摆动机构。
通过利用所述摆动机构绕着与所述脉冲束的光轴正交的轴摆动所述反射镜，能够对经由所述分支部分支开的所述脉冲束赋予相对角度。
在上述的方面中，所述束角度设定部可以包括绕着与所述脉冲束的光轴正交的轴摆动所述分支部和所述复用部中的至少一个的摆动机构。
通过利用所述摆动机构绕着与所述脉冲束的光轴正交的轴摆动所述分支部和所述复用部中的至少一个，能够对经由所述分支部分支开的所述脉冲束赋予相对角度。
在上述的方面中，可以提供均包括所述分支部、所述复用部、所述中继光学系统以及所述束角度设定部的串行的多个单元，并且可以在各自分支部和各自复用部之间设置所述束角度设定部。
所述输入脉冲束能够分支到多个光学路径中，并且通过提供包括所述分支部、所述复用部、所述中继光学系统以及所述束角度设定部的串行的多个单元，能够由所述束角度设定部对所述分支脉冲束的每一个赋予相对角度。结果，在具有不同光学路径长度并且赋予了相对角度的多个光学路径中的脉冲束能够会聚在一个位置。
在上述的方面中，可以提供复用经由所述分支部分支开的所述两个光学路径中的所述脉冲束并且将两个所复用的脉冲束分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中的至少一个复用/分支部。所述中继光学系统可以设置在经由所述分支/复用部分支开的所述光学路径的每一个中，并且所述束角度设定部可以对经由所述复用/分支部分支开的脉冲束赋予相对角度。
由于提供了至少一个复用/分支部，通过所述分支部和所述复用/分支部能够将所述输入脉冲束分支到多个光学路径中，并且通过所述束角度设定部可以对分支的脉冲束的每一个赋予相对角度。结果，在具有不同光学路径长度并且被赋予了相对角度的多个光学路径中的脉冲束能够会聚在一个位置。
在上述的方面中，可以提供设置在所述复用部的上游的所述光学路径之一中并且使所述两个光学路径的偏振态彼此正交的偏振调制器。所述复用部可以是偏振分束器。
通过使所述偏振调制器能够使所述两个光学路径的偏振态彼此正交并且形成所述偏振分束器的所述复用部，经由分支部分支开的两个光学路径中的所述脉冲束之一能够被透射，同时另一个被反射。结果，能够通过所述复用部复用所述两个光学路径中的全部脉冲束，因而抑制这些脉冲束的光损失量，从而增加输入脉冲束的利用效率。
而且，根据本发明的第二方面是一种由输入脉冲束生成待照射在对象上的多个脉冲束的分束器装置，并且所述分束器装置包括将所述输入脉冲束分支到两个光学路径中的至少一个分支部；对沿着经由所述分支部分支开的所述两个光学路径经过的脉冲束赋予相对时间延迟以充分分离由所述脉冲束引起的所述对象中的响应的至少一个延迟部；复用由所述延迟部赋予了所述时间延迟的所述两个脉冲束的至少一个复用部；设置在经由所述分支部分支开的所述光学路径的每一个中、使由所述复用部复用的脉冲束入射在所述复用部的不同位置并且在最后复用部之后使所述脉冲束的主光线彼此平行的静止移位部；以及设置在所述最后复用部之后的至少一个透镜。
根据该方面，通过所述分支部将所述输入脉冲束分支到两个光学路径中。分支到所述光学路径的每一个中的所述脉冲束在沿着所述光学路径的每一个经过的同时由所述延迟部赋予相对时间延迟。然后，被赋予了相对时间延迟的所述两个脉冲束通过提供在所述光学路径中的所述静止移位部对其在所述复用部上的入射位置进行调节并且然后由所述复用部复用。所述脉冲束的主光线在最后复用部之后由所述静止移位部调节为彼此平行，并且所述脉冲束通过设置在其下游的透镜正确地会聚在同一位置。
在这种情况下，由于所述延迟部对所述两个脉冲束赋予了相对时间延迟以充分分离所述对象中的响应，防止了由所述脉冲束产生的所述对象中的响应混合并且能够通过将所述响应在时间轴上分离来进行检测。
在上述的方面中，可以提供设置在经由所述分支部分支开的所述光学路径的每一个中并且延迟所述光学路径的每一个中的瞳孔的中继光学系统。
通过这样做，能够通过所述中继光学系统使经由所述分支部分支开的所述脉冲束的所述束直径相同。结果，在将多个所生成的脉冲束应用于扫描观测装置时，能够防止解析度改变。
而且，在上述的方面中，所述静止移位部可以包括至少两个反射镜以及在与入射在所述反射镜上的脉冲束的光轴平行的平面中直线平移所述反射镜中的至少一个以改变所述反射镜之间的光学路径长度的直线平移机构。
所述反射镜之间的光学路径长度能够通过所述直线平移机构的操作改变，从而改变由所述复用部复用的两个脉冲束在所述复用部上的入射位置的间隔。
而且，在上述的方面中，所述直线平移机构可以在与所述反射镜之间的光轴平行的方向上移动所述两个反射镜。
通过这样做，能够改变由复用部复用的两个脉冲束在复用部上的入射位置的间隔，并且即使在这种情况下也能够防止光学路径长度改变。由于防止了光学路径长度改变，因此不必新设定所述光学路径长度。如果所述脉冲束是激光束，则其在传播的同时取决于所述束直径而以预定角度发散。由于此，如果光学路径长度改变，则传播后的束直径改变。由于防止了光学路径长度改变，能够防止束直径改变，从而在将该方面应用于扫描观测装置时防止了解析度改变。
而且，在上述的方面中，可以在所述静止移位部的下游提供至少一个透镜组以及与由所述静止移位部的所述光轴的移位同步地沿与所述光轴正交的方向将所述透镜组移动与所述光轴的移位量相同的量的透镜组移动机构。
通过这样做，即使在所述光轴由所述静止移位部移位时，也能够通过所述透镜组移动机构沿与所述光轴正交的方向将所述透镜组移动与所述光轴的移位量相同的量。结果，即使在通过所述静止移位部改变所述脉冲束的相对角度时，也能够在被复用之后将所述脉冲束的主光线保持彼此平行，从而防止会聚点沿所述光轴方向偏移。
而且，在上述静止移位部的下游和设置在上述最后复用部之后的至少一个透镜之间，可以设置至少一对透镜(36b：104c和37b：105a)以使得所述透镜的焦点位置彼此一致，如图19所示(简而言之，它们用作4f光学系统)。
通过这样做，即使在通过所述静止移位部移位所述光轴时，由于其下游的光学系统用作4f光学系统，能够将所述最后复用部之后的所述脉冲光束的主光线保持彼此平行，从而防止所述会聚点沿所述光轴方向偏移。
而且，根据本发明的第三方面是一种由输入脉冲束生成照射在对象上的多个脉冲束的分束器装置，并且所述分束器装置包括将所述输入脉冲束分支为两个的至少一个分支部；传播经由所述分支部分支开的所述脉冲束的具有不同光学路径长度的至少两个光导部件；以及对从所述多个光导部件的出射端发射的多个脉冲束赋予相对角度并且将所述多个脉冲束会聚在同一位置的束角度设定部。
根据上述的方面，通过所述分支部将所述输入脉冲束分支为两个，并且所述分支脉冲束沿着至少两个光导部件传播，从所述光导部件的出射端发射，由所述束角度设定部赋予了相对角度，并且被会聚在同一位置。由于所述至少两个光导部件具有彼此不同的光学路径长度，因此从所述出射端发射的脉冲束被赋予相对时间延迟。结果，通过仅调节所述光导部件的长度而不增加所述装置的尺寸，能够对所述脉冲束赋予足够的时间延迟，并且能够防止由所述脉冲束产生的所述对象中的响应混合并且能够通过在时间轴上分离所述响应来进行检测。
在这种情况下，可以通过设置所述出射端的方向来构建所述束角度设定部以使得所述光导部件的所述光轴彼此交叉在一个点处。可选地，如果设置所述光导部件以使得所述光轴平行，则所述束角度设定部可以是将从这些出射端发射的所述脉冲束会聚在同一位置的透镜形式。
而且，根据本发明第四方面是一种光源装置，包括：发射脉冲束的脉冲光源；以及接收从所述脉冲光源发射的所述脉冲束的上述分束器装置中的一个。
根据该光源装置，从所述脉冲光源发射的具有不同光学路径长度并且被赋予了相对角度的一扎多个脉冲束能够会聚在同一位置并且能够使其全部经过设置在其下游的光学系统的瞳孔位置。
在上述的方面中，可以提供空间扫描从所述分束器装置发射的多个脉冲束的扫描部。
通过这样做，在所述对象上形成多个点的同时，能够通过所述扫描部的操作在所述对象上的这些点上方扫描赋予了时间延迟的多个脉冲束。结果，能够利用脉冲束照射所述对象的更宽范围。
而且，根据本发明的第五方面是一种光源装置，包括发射脉冲束的脉冲光源；接收从所述脉冲光源发射的所述脉冲束的上述分束器装置之一；以及通过空间振动所述多个光导部件的出射端而空间扫描从所述分束器装置发射的多个脉冲束的扫描部。
根据本发明的第六方面是一种扫描观测装置，包括上述的分束器装置之一；在所述对象上方扫描来自所述分束器装置的多个脉冲的扫描部；将由所述扫描部扫描的所述脉冲束照射在所述对象上的观测光学系统；以及检测从所述对象收集的信号光的检测部。
在上述的方面中，可以提供使由所述检测部检测的所述信号光与所扫描的脉冲束同步的处理部；将由所述处理部同步的所述信号光重构为与所述对象上的部位相关联的二维信息或者三维信息的恢复部；以及显示所述二维信息或者三维信息的显示部。
根据该扫描观测装置，具有不同光学路径长度并且被赋予了相对角度的多个脉冲束能够由分束器装置会聚在一个位置并且辐射在对象的不同位置。然后，通过利用所述扫描部二维或者三维地扫描所述对象上的辐射位置并且利用所述检测部检测来自所述对象的光能够生成所述对象的图像。
发明的有益效果
本发明提供的优点在于，即使在束之间的相对角度不同时，也能够利用简单的结构将这些束会聚于光轴方向上的同一位置。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的分束器装置的示意性结构图。
图2是阐释图1的分束器装置的时间复用的图，其中(a)示出在反射光学系统中产生的时间延迟并且(b)示出光脉冲序列。
图3是根据图1的变型的分束器装置的示意性结构图。
图4是根据本发明的呈现为基准实施例的分束器装置的示意性结构图。
图5是阐释图4的分束器装置的时间复用的图，其中(a)示出由反射光学系统产生的时间延迟，(b)示出由反射光学系统产生的时间延迟，并且(c)示出光脉冲序列。
图6是根据本发明第二实施例的分束器装置的示意性结构图。
图7是阐释利用图6的分束器装置偏转脉冲束的方法的图，其中(a)示出不执行偏转的情况并且(b)示出执行偏转的情况。
图8是图6的变型的分束器装置的示意性结构图。
图9是根据本发明第三实施例的分束器装置的示意性结构图。
图10是根据本发明第四实施例的分束器装置的示意性结构图。
图11是图10的变型的分束器装置的示意性结构图。
图12是根据本发明第五实施例的分束器装置的示意性结构图。
图13是根据本发明第六实施例的分束器装置的示意性结构图。
图14是根据本发明第七实施例的扫描显微镜的示意性结构图。
图15是阐释图14的扫描显微镜的时间复用的图，其中(a)示出脉冲束的脉冲列并且(b)示出所检测的荧光的脉冲列。
图16是阐释根据本发明第八实施例的分束器装置的示意性结构图。
图17是阐释根据本发明第九实施例的分束器装置的示意性结构图。
图18是阐释根据本发明第十实施例的分束器装置的示意性结构图。
图19是阐释根据本发明第十一实施例的分束器装置的示意性结构图。
图20是图19的区域AA的放大视图。
图21是图19的区域AB的放大视图。
图22是阐释根据本发明第十二实施例的分束器装置的示意性结构图。
图23是阐释具有图22的分束器装置的光学路径长度的路径的图，其中(a)示出具有最小光学路径长度的路径，(b)示出具有第二最小光学路径长度的路径，(c)示出具有第二最大光学路径长度的路径，并且(d)以实线示出具有最大光学路径长度的路径。
图24是阐释由图22的分束器装置生成的四个脉冲束的时间间隔的图。
图25是阐释图24的脉冲束的间隔与相干时间之间的关系的图。
图26是阐释图22中的分束器装置的应用示例的变型的示意性结构图。
图27是阐释使用图23的分束器装置的荧光透视装置的一个示例的总体结构图。
图28是阐释由图27的荧光透视装置辐射到对象上的脉冲束与从所述对象发射的荧光之间关系的图。
图29是阐释根据本发明第十三实施例的分束器装置的示意性结构图。
图30是阐释图29的分束器装置的四个光纤的光纤束的截面图的图。
图31是阐释代替图30将四个光纤捆扎在一起而在熔融和集成的覆层中具有以方形设置的四个芯的光纤束的端部的一个示例性形态的截面图。
图32是图31中的芯的设置的变型的截面图。
图33是阐释提供有图29的分束器装置的荧光透视装置的一个示例的总体结构图。
具体实施方式
第一实施例
现在将参照图1到图3描述根据本发明第一实施例的分束器装置1。
如图1所示，根据该实施例的分束器装置1包括反射光学系统(束角度设定部)12、分束器(分支部)13、分束器(复用部)14以及中继光学系统(瞳孔传输光学系统)16和17。而且，该实施例的分束器装置1与脉冲光源11构成光源装置101。
在图1中，光轴IZ与分束器13和分束器14的反射表面的交叉点分别称为点A和点C。而且，点A和点C之间的中点称为点D，并且来自分束器13的脉冲束的光轴与反射光学系统12的交叉点称为点B。这里，三角形ABC是具有作为顶点的点B的等腰三角形，并且侧边AB和侧边BC具有相同的长度。
现在将描述上述部件的功能。
脉冲光源11以重复频率R振荡脉冲束。
分束器13是将脉冲束分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中的分支部，更具体地说为光学路径A-D-C(以下将其称为“光学路径10”)和光学路径A-B-C(以下将其称为“光学路径20”)。
反射光学系统12包括全反射来自分束器13的脉冲束的反射镜以及绕着与脉冲束的光轴正交的轴摆动该反射镜的摆动机构(图中未示出)。
反射光学系统12通过图中未示出的摆动机构绕着与脉冲束的光轴正交的轴摆动反射镜以改变经由分束器13分支出的脉冲束的光轴的角度。
结果，反射光学系统12用作通过其反射表面的倾斜对经由分束器13分支出的沿着光学路径20经过的脉冲束赋予偏转角度θ的静止偏转部。而且，反射光学系统12还用作延迟部，该延迟部延迟沿着光学路径20经过的脉冲束以使得在光学路径10和光学路径20之间产生光学路径长度差值L。
光学路径10和光学路径20分别包括用于在其各自光学路径上中继脉冲束的瞳孔的中继光学系统16和17。
中继光学系统16由一对透镜16a和16b组成，并且邻近点A的瞳孔被中继的到点C附近。
中继光学系统17由两对透镜17a和17b以及17c和17d构成，并且反射光学系统12设置在透镜17b和透镜17c之间。透镜17a、17b、17c和17d具有相同的焦距。由于此，邻近点A设置的瞳孔通过透镜17a和透镜17b中继到反射光学系统12上方附近。而且，已经被中继到反射光学系统12上方附近的瞳孔通过透镜17c和透镜17d进一步中继到点C附近。
分束器14是对沿着光学路径10和光学路径20经过的脉冲束进行复用的复用部。
尽管在该实施例中分束器被用作分支部和复用部，但是可以替代地使用例如半反射镜或者二向色镜。这也适用于其它实施例。
现在将描述由具有上述结构的分束器装置1中的脉冲光源11振荡的脉冲束的时间复用和空间复用(空间调制)。
首先描述时间复用。
从由脉冲光源11振荡的脉冲束沿着其经过的点A到点Z，存在两个光学路径：光学路径10具有最短光学路径长度并且光学路径20具有比光学路径10大光学路径长度差值L的光学路径长度。这里，沿着光学路径10经过的脉冲束由P0指代，并且沿着光学路径20经过的脉冲束由P1指代。
由于光学路径20比光学路径10长光学路径长度差值L，因此沿着光学路径20经过的脉冲束P1以与沿着光学路径10经过的脉冲束P0相比较延迟L/c到达分束器14上的点C，其中c代表光速。换句话说，沿着光学路径20经过的脉冲束P1达到点Z时的时间t1表达为时间t1＝t0+L/c，其中t0代表沿着光学路径10经过的脉冲束P0到达点Z的时间(参照图2(a))。这里，如图2(b)所示，在选择光学路径长度差值L以使得与脉冲光源11的重复频率R相关地满足L＝c/2R，则生成以重复频率2R，即脉冲光源11的初始重复频率R的两倍，时间复用的光脉冲序列。
接下来，将描述上述时间复用的脉冲束被空间偏转的空间复用。
首先，下面的描述假定以下作为参考：在没有空间复用的情况下脉冲束P0和脉冲束P1在分束器14处被复用时这两个脉冲束之间的相对角度为0。
按照下面给出分束器13处的入射角度
其中侧边AB＝侧边BC＝L/2，侧边AC＝d，并且侧边AD＝侧边DC＝d/2。
此时，按照下面给出反射光学系统12的入射角度
此时，脉冲束P0相对于脉冲束P1在时间上偏移L/c但是在空间上未偏移。
之后，在反射光学系统12的反射表面处的入射角度由θ/2转换到入射角度时，沿着光学路径20经过的脉冲束P1由反射光学系统12偏转θ。由于邻近反射光学系统12上的点B设置的瞳孔由透镜17c和17d中继到点C，沿着光学路径20经过的脉冲束P1在分束器14上的点C处被反射同时维持偏转角度θ，与反射光学系统12不偏转的情况不同，并且然后朝向点Z′传播。此时，侧边CZ和侧边CZ′之间的偏转角度的差值为θ。换句话说，能够实现具有偏转角度0和θ的空间复用。
而且，沿着光学路径10经过的脉冲束P0的瞳孔由中继光学系统16中继。
根据目前为止的描述，由脉冲光源11振荡的脉冲束不仅以θ的偏转角度间隔被空间复用，而且还以L/c的时间间隔偏移而被时间复用。
由于上述的空间复用和时间复用在分束器装置1中同时发生，因此，通过利用多个光束照射空间产生的脉冲束，即使在检测侧彼此在空间上重叠，也能够在时间轴上分开。
如上所述，根据该实施例的分束器装置1，由脉冲光源11振荡的脉冲束由分束器13分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径10和20中，由设置在各自光学路径中的中继光学系统16和17中继，并且然后由分束器14复用。此时，由反射光学系统12对在经由分束器13彼此分支开的各自两个光学路径10和20中的脉冲束P0和P1赋予相对角度。通过这样做，位于具有不同光学路径长度并且还赋予有相对角度的两个光学路径10和20中的脉冲束P0和P1会聚于一个位置。
在这种情况下，经由分束器13彼此分支开的两个光学路径10和20中的脉冲束P0和P1的瞳孔由设置在其各自光学路径中的中继光学系统16和17中继。由于此，即使在所产生的脉冲束P0和P1被设置为具有不同的相对角度时，也能够防止会聚点沿光轴方向偏移。换句话说，根据该实施例的分束器装置1，即使具有脉冲束P0和P1的不同相对角度，脉冲束P0和P1也能够利用中继光学系统16和17的简单结构会聚于光轴方向上的相同瞳孔位置。
结果，即使在脉冲束P0和P1的相对角度改变时，也能够使它们在相同入射条件下入射到设置在其下游的光学系统上。例如，通过将赋予有相对角度的脉冲束P0和P1会聚于显微镜物镜的瞳孔位置，脉冲束P0和P1能够被发射到该物镜的焦平面上的不同位置。能够使辐射位置之间的间隔以不同的相对角度不同，并且此时能够防止光量波动。
而且，由于中继光学系统16提供有一对透镜16a和16b，中继光学系统17提供有两对透镜17a和17b以及17c和17d，并且反射光学系统12设置在两对中继透镜17a和17b以及17c和17d的每一对之间，即使在彼此分支开的脉冲束P0和P1由反射光学系统12赋予相对角度时，瞳孔也能够由两对透镜17a和17b以及17c和17d中继。因此，能够防止会聚点在光轴方向上偏移。此外，通过提供多对这样的透镜并且利用所述多对透镜中继两个光学路径10和20中的脉冲束P0和P1的瞳孔，能够减小透镜的直径。
而且，可以串行设置包括分束器13、分束器14、中继光学系统16和17以及反射光学系统12的多个单元，并且反射光学系统12可以设置在分束器13和分束器14之间。
通过这样做，由脉冲光源11振荡的脉冲束能够被分支到多个光学路径中，并且能够由反射光学系统12对所产生的脉冲束赋予相对角度。结果，位于具有不同光学路径长度的多个光学路径中并且赋予有相对角度的脉冲束能够会聚于一个位置。
此外，根据提供有这样的分束器装置1的光源装置101，能够使由脉冲光源11振荡的具有不同光学路径长度并且赋予有相对角度的一扎多个脉冲束全部经过设置在其下游的光学系统中的瞳孔位置。
变型
可选地，作为该实施例的变型，中继光学系统17可以由一对透镜17a和17b构成，并且可以由分束器13和分束器14中的至少一个，代替反射光学系统12，对沿着光学路径20经过的脉冲束P1赋予偏转角度。如图3所示，将假设由分束器14对沿着光学路径20经过的脉冲束P1赋予偏转角度来描述该变型。
在根据该变型的分束器装置1′中，分束器14包括透射沿着光学路径10经过的脉冲束P0并且反射沿着光学路径20经过的脉冲束P1的半反射镜以及绕着与脉冲束的光轴正交的轴摆动该半反射镜的摆动机构(图中未示出)。
分束器14通过图中未示出的摆动机构绕着与脉冲束P1的光轴正交的轴摆动半反射镜而偏转和反射由反射光学系统12反射的脉冲束P1。
在该变型中，从脉冲光源11发射并且入射于点A的准直束由分束器13分支为沿着光学路径10经过的光束以及沿着光学路径20经过的光束。沿着光学路径10经过的光束由中继光学系统16转换为准直束但是在这种情况下没有被赋予偏转角度。另一方面，沿着光学路径20经过的光束在所设置的反射光学系统12的点B处被反射并且由中继光学系统17转换为准直束。
分束器14在点C处复用沿着光学路径20经过的光束以及沿着光学路径10经过的光束。此时，分束器14被赋予有关于点C的偏转角度以使得沿着光学路径20经过的光束相对于沿着光学路径10经过的光束表现出有限角度。由于中继光学系统16和17使点A附近的瞳孔传播到点C，能够使两个光束在点C附近彼此在空间上重叠。
尽管以通过分束器14给出偏转角度的示例的方式描述了该变型，但是脉冲束P1可以替代地由分束器13或者分束器13和分束器14二者赋予偏转角度。
在该实施例中使用脉冲光源。然而，任何光源是可接受的，只要其发射脉冲束。例如，可以替代地使用诸如LED或者发射激光束的激光器光源的光源。
基准实施例
作为本发明的基准实施例，现在将参照图4和图5描述分束器装置2。在该基准实施例的描述中，将省略与根据第一实施例的分束器装置1的共同部分，并且将主要描述区别。
根据该基准实施例的分束器装置2与根据第一实施例的分束器装置1的不同之处在于：在分束器23和分束器25之间提供复用两个光学路径中的脉冲束并且将复用的脉冲束分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中的分束器24。
如图4所示，根据该基准实施例的分束器装置2包括反射光学系统21和22、分束器(分支部)23、分束器(复用/分支部)24以及分束器(复用部)25。而且，该基准实施例的分束器装置2与脉冲光源(激光器光源)11构成光源装置102。
从脉冲光源11振荡的脉冲束的光轴IZ与分束器23、分束器24以及分束器25的交叉点分别由点A、点C和点F指代。
在位于分束器23和分束器24之间通过分束器23彼此分支开的两个光学路径中，较短光学路径中的中点由点D指代，并且较长光学路径中的中点由点B指代。而且，在位于分束器24和分束器25之间通过分束器24彼此分支开的两个光学路径中，较短光学路径中的中点由点G指代，并且较长光学路径中的中点由点E指代。
现在将描述上述部件的功能。
脉冲光源11以重复频率R振荡脉冲束。
分束器23是将脉冲束分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中的分支部，更具体地说为光学路径A-D-C(以下称为“光学路径10”)和光学路径A-B-C(以下称为“光学路径20”)。
反射光学系统21由两个反射镜21a和21b构成并且对沿着由分束器23彼此分支开的两个光学路径10和20经过的脉冲束赋予相对角度2θ(偏转角度)。此外，反射光学系统21操作两个反射镜21a和21b以延迟沿着光学路径20经过的脉冲束，以使得在光学路径10和光学路径20之间生成光学路径长度差值L。
分束器24复用由分束器23彼此分支开的两个光学路径10和20中的脉冲束并且还将复用的脉冲束分支到具有不同光学路径长度的两个光学路径中：光学路径C-G-F(以下称为“光学路径30”)和光学路径C-E-F(以下称为“光学路径40”)。
与反射光学系统21类似，反射光学系统22由两个反射镜22a和22b构成并且对沿着由分束器24彼此分支开的两个光学路径30和40经过的脉冲束赋予相对角度θ(偏转角度)。此外，反射光学系统22操作两个反射镜22a和22b以延迟沿着光学路径40经过的脉冲束，以使得在光学路径30和光学路径40之间生成光学路径长度差值2L。
分束器25复用沿着四个光学路径10、20、30和40经过的脉冲束。
将描述由具有上述结构的分束器装置2中的脉冲光源11振荡的脉冲束的时间复用和空间复用(空间调制)。
将首先描述时间复用。
脉冲光源11以重复频率R(Hz)振荡脉冲束。在某一时间点振荡的脉冲束P0由设置在点A的分束器23分支为两个脉冲束P0和P1，以使得脉冲束P0沿着光学路径10经过并且脉冲束P1沿着光学路径20经过。如图4所示，由于光学路径20具有比光学路径10大L的较大光学路径长度，因此脉冲束P0和P1在不同时间点到达点C。该概念在图5(a)到5(c)中示出。
图5(a)阐释由反射光学系统21产生的时间延迟，图5(b)阐释由反射光学系统22产生的时间延迟，并且图5(c)阐释光脉冲序列。
在图5(a)到5(c)中，脉冲束P0到达点C时的时刻由到达时刻t0指代。由于光学路径10和光学路径20之间的光学路径长度的差值为L，脉冲束P1在时刻t1到达点C，其中具有与时刻t0的L/c延迟，其中c代表光速。
脉冲束P0和P1二者均由设置在点C的分束器24复用，并且分束器24还分支脉冲束P0和P1。由于此，脉冲束P0和P1的每一个沿着用作光学路径30和光学路径40的两个光学路径传播。如图4所示，由于光学路径40具有比光学路径30大2L的较大光学路径长度，因此脉冲束P0和P1到达点F，其中在它们沿着光学路径40经过的情况与它们沿着光学路径30经过的情况之间具有时间差值2L/c。这里，沿着光学路径40经过的脉冲束P0和P1被分别重新命名为脉冲束P2和P3。
结果，存在从点A到点Z的四个路径，并且脉冲束P0到P3经由下面的光学路径之一到达点Z附近：
光学路径10(P0)：A-D-C-G-F-Z(最短光学路径长度)
光学路径20(P1)：A-B-C-G-F-Z
光学路径30(P2)：A-D-C-E-F-Z
光学路径40(P3)：A-B-C-E-F-Z
由于构成复用部的分束器25设置在点F，因此四个脉冲束P0到P3在它们的光轴朝向点Z取向的情况下被复用。因此，如图5(b)所示，在达到点Z的时刻实现时间轴上规则间隔处的脉冲束形式的时间复用。这里，如图5(c)所示，在选择光学路径长度差值L以使得关于脉冲光源11的重复频率R满足L＝c/4R时，生成以4R的重复频率时间复用的光脉冲序列。
接下来，将描述在空间上偏转上述时间复用的脉冲束的空间复用。
在该基准实施例中，分束器23、24和25以及反射光学系统21的两个反射镜21a和21b的反射表面设置为相对于光轴IZ具有45°角度。四边形ALMC是矩形，其中L和M分别代表反射光学系统21的反射镜21a和21b的中心。因此，在由分束器24将沿着光学路径20经过的脉冲束P1与脉冲束P0复用时，脉冲束P0和脉冲束P1之间的偏转角度相对于用作基准的完全同轴状态为0。另一方面，在反射光学系统21的至少一个反射镜相对于基准状态旋转θ的旋转角度时，如图4所示，脉冲束P1以2θ的偏转角度到达点C。图4示出仅旋转21b的情况。
因此，当脉冲束P0和P1在分束器24处复用时，这两个脉冲束在它们进入光学路径30和光学路径40之后立即表现出2θ的偏转角度。按照相同方式，在反射光学系统22的至少一个反射镜旋转θ/2的旋转角度时，相对于脉冲束P0和P1具有θ偏转角度的脉冲束P2和P3在分束器25处被复用。图4示出仅旋转22b的情况。
在脉冲束P0在点C处被分支之后，脉冲束P2由反射光学系统22偏转以具有偏转角度θ。另一方面，由于脉冲束P1在反射光学系统22处被赋予有偏转角度θ而产生脉冲束P3。由于脉冲束P3在反射光学系统21处被赋予有偏转角度2θ，因此具有3θ的总的偏转角度。结果，如图4所示，脉冲束P0、P1、P2和P3沿着相对于光轴IZ具有偏转角度0、2θ、θ和3θ的方向传播，因而实现空间复用。
在该基准实施例中，在延迟量(光学路径长度的差值)为L时偏转角度为2θ并且在延迟量为2L时偏转角度为θ。因此，在脉冲P0、P1、P2和P3的延迟量为0、L、2L和3L时，各自偏转角度为0、2θ、θ和3θ。
由于上述的空间复用和时间复用在分束器装置2中同时发生，从脉冲光源11发射的脉冲束表现出具有L/c时间间隔的时间复用以及具有θ偏转角度间隔的空间复用。
如上所述，根据该基准实施例的分束器装置2，提供分支和复用脉冲束的分束器24以使得输入脉冲束能够由分束器23和分束器24分支到多个光学路径中，并且所产生的脉冲束能够由反射光学系统21和22赋予相对角度。通过这样做，能够产生具有不同光学路径长度并且也被赋予有相对角度的多个光学路径中的脉冲束。
此外，由于在该基准实施例中一个脉冲束能够被复用为四个，因此增加了每单位时间的信号采集水平。这在将其应用于例如显微镜时有助于实现快速图像生成处理。
尽管以提供用于分支和复用脉冲束的一个分束器24的示例方式描述了该基准实施例，但是可以提供两个或者更多分束器。通过这样做，来自脉冲光源11的脉冲束能够被分支为更大数量的束，从而进一步增加图像生成处理的速度。
第二实施例
现在将参照图6到图8描述根据本发明第二实施例的分束器装置3。在该实施例的描述中，将省去与上述实施例的共同部分，并且将主要描述区别。
根据该实施例的分束器装置3与根据基准实施例的分束器装置2的区别在于提供了中继光学系统(瞳孔传输光学系统)36、37、38和39，用作用于传播瞳孔位置的装置。
如图6所示，根据该实施例的分束器装置3包括反射光学系统31和32；分束器(分支部)33；分束器(复用/分支部)34；分束器(复用部)35；以及用作用于传播瞳孔位置的装置的中继光学系统36、37、38和39。而且，该实施例的分束器装置3与脉冲光源11构成光源装置103。
中继光学系统36、37、38和39均包括一对透镜并且分别设置在分支光学路径中。中继光学系统36、37、38和39中继在其各自光学路径中的脉冲束的瞳孔。
更具体地说，中继光学系统36例如由一对透镜36a和36b构成以中继沿着经由分束器33分支开的光学路径20经过的脉冲束的瞳孔。按照相同方式，中继光学系统37、38和39分别包括一对透镜37a和37b、一对透镜38a和38b以及一对透镜39a和39b以中继沿着经由分束器33或者分束器34分支开的光学路径经过的脉冲束的瞳孔。
反射光学系统31包括反射经由分束器33分支开的脉冲束的反射镜(第一反射镜)31a；朝向分束器34反射在反射镜31a处反射的脉冲束的反射镜(第二反射镜)31b；以及在反射镜31a和31b之间沿光轴方向一起直线平移这些反射镜的平台(直线平移机构)31c。
反射光学系统31利用平台31c在反射镜31a和31b之间沿光轴方向一起直线平移反射镜31a和31b，以对经由分束器33分支开的脉冲束赋予光学路径长度的差值以及偏转角度。
按照相同方式，反射光学系统32包括反射经由分束器34分支开的脉冲束的反射镜(第一反射镜)32a；朝向分束器35反射在反射镜32a处反射的脉冲束的反射镜(第二反射镜)32b；以及在这些反射镜32a和32b之间沿光轴方向直线平移这些反射镜的平台(直线平移机构)32c。
反射光学系统32利用平台32c在反射镜32a和32b之间沿光轴方向直线平移这些反射镜，以对经由分束器34分支开的脉冲束赋予光学路径长度的差值以及偏转角度。
将描述通过具有上述结构的分束器装置3中的脉冲光源11振荡的脉冲束的时间复用和空间复用(空间调制)。
由于能够通过按照与前面的基准实施例中描述的类似的调节过程实现时间复用，因此将省去对其的描述。因而，下面将描述空间复用。
中继光学系统36、37、38和39均由包括具有相同焦距的两个透镜的透镜对构成，以在分束器34上的点C附近形成邻近分束器33的点A设置的瞳孔的图像。而且，它们在分束器35上的点F附近形成邻近分束器34上的点C设置的瞳孔的图像。这里，假设光学路径A-D-C(以下称为“光学路径10”)和光学路径C-G-F(以下称为“光学路径30”)具有相同的光学路径长度L1，则选择在中继光学系统38和39中使用的透镜对的透镜的焦距f1以满足f1＝L1/4。
图7(a)阐释脉冲束不偏转的布置。
参照图7(a)，将描述光学路径A-B-C(以下称为“光学路径20”)中的延迟量L与中继光学系统36中的透镜的焦距f1之间的关系。假设设置在中继光学系统36中的两个透镜36a和36b上的主光线的入射点由S和T指代，并且设置在反射光学系统31中的两个反射镜31a和31b处主光线的反射点分别由L和M指代。在不执行偏转时，通过连接这四个点形成的四边形ALMC是具有全部角度为90°的矩形。在这种情况下，由于侧边LM和侧边AC具有相同的长度，延迟L的给定量等于侧边AL和侧边MC之和并且因此等于2AL。更具体地说，透镜的焦距f1为f1＝(L1+L)/4，并且设置反射镜和透镜以使得两个给定光学路径满足AS＝SL+LB＝BM+MT＝TC＝f1。
在分束器33处反射的脉冲束经由透镜36a、反射镜31a、反射镜31b和透镜36b按照该顺序经过并且然后由分束器34将其与经过中继光学系统38的脉冲束复用。
图7(b)阐释脉冲束偏转的布置。
在反射光学系统31中，反射镜31a和反射镜31b彼此面对，以使得它们相对于光轴AZ倾斜45°角度并且被设置在能够沿与光轴AZ平行的方向移动的平台31c上。如图7(b)所示，在平台31c沿由箭头指示的方向移动时，通过连接反射镜31a和31b处的主光线的反射点形成的线段L′M′不仅相对于在不执行偏转时假设的线段LM朝向透镜移动，而且沿由箭头指示的方向偏移。结果，与不执行偏转的情况相比较，在反射镜31b的点M′处反射的脉冲束的主光线向左偏移，并且在经过透镜36b之后，被转换为相对于透镜的光轴MC偏转的准直束。由于光轴的位移是平台位移的两倍(即2ΔL1)，因此该偏转角度θ满足关系tanθ＝2ΔL1/f1，其中ΔL1代表平台31c的位移。
同样，在光学路径40中也保持延迟量2L与中继光学系统37中透镜的焦距f2之间的关系。更具体地说，根据f2＝(L1+2L)/4获得在中继光学系统37中使用的透镜的焦距f2，并且设置平台32c的位移ΔL2以满足tan2θ＝2ΔL2/f2。
根据到目前为止的描述，执行调节以使得光学路径20中的偏转角度为θ并且光学路径40中的偏转角度为2θ。
由于上述的空间复用和时间复用在分束器装置3中同时发生，因此从脉冲光源11发射的脉冲束表现出具有时间间隔L/c的时间复用以及具有偏转角度θ的空间复用。
根据该实施例的分束器装置3与根据基准实施例的分束器装置2的区别在于使用中继光学系统。当在该实施例中使用中继光学系统时，通过传播瞳孔位置的效果，能够在分支部或者复用部附近使具有四个偏转角度的脉冲束在空间上彼此重叠。结果，能够减小用于分支和复用的光学元件的尺寸。
而且，通过仅设置反射镜的光学路径形成的图形表现出作为矩形的变形的梯形形状。在偏转角度改变时，梯形的形状也改变，导致光学路径彼此不同。结果，由于复用脉冲束P0和P1时的时间差取决于偏转角度而不同，因此改变用于空间复用的间隔导致用于时间复用的间隔也改变。相比而言，由于在该实施例中由瞳孔传播部的透镜执行瞳孔图像的形成，因此瞳孔和瞳孔图像在光学上共轭。由于该原因，即使在偏转角度改变时，光学路径20也不改变。因此，在保持由脉冲束P0、P1、P2和P3形成的脉冲列的时间间隔固定的同时，通过仅调制偏转角度能够仅改变用于空间复用的间隔。
尽管在该实施例中使用四个中继光学系统，但是可以使用一个中继光学系统。在这种情况下，该一个中继光学系统最有效地设置在中继光学系统37的位置处。原因如下所述。通常，脉冲束并不以完全准直束的形式传播而是以略微发散的角度传播。因此，在复用沿着具有不同光学路径长度的路径经过的束时，如在该实施例中的，将由于沿着最短到最长光学路径经过的束的发散而导致多样的束直径尺寸。为了防止此，将一个中继光学系统放置在最长光学路径中以校正由于发散而导致的散布是好主意。因此，将中继光学系统设置在中继光学系统37的位置处是最有效的。而且，期望将中继光学系统放置在所有光学路径中以使束直径严格一致。
变型
图8示出根据第二实施例的变型的分束器装置3′。
与根据第二实施例的分束器装置3相比较，采用偏振分束器35′代替分束器35，还附加提供λ/2板131作为偏振调制器，并且附加提供可移动反射镜132作为可变偏转部。而且，紧挨着偏振分束器35′的下游附加提供用作瞳孔传输部的中继光学系统133。
用于时间复用和空间复用的过程与第二实施例中的相同。在第二实施例中，尽管在分束器35上的点F处复用的脉冲束中的大多数朝向点Z行进，但是相同脉冲束中的一些沿着与光轴AZ正交的方向传播(图中未示出)。简而言之，脉冲束中的一些并未沿期望的方向前进。在该变型中，通过调节偏振能够最小化脉冲束的损失。
脉冲光源11′振荡p偏振的脉冲束。之后，p偏振的脉冲束按照与第二实施例相同的方式行进到刚好在偏振分束器35′之前。这里，沿着光学路径40经过的脉冲束由λ/2板131从p偏振光调制为s偏振光。结果，脉冲束P0和P1是p偏振光，而P2和P3是s偏振光。由于该原因，所有s偏振的脉冲束在偏振分束器35′处被反射，而所有p偏振的脉冲束经过偏振分束器35′，从而使全部脉冲束被导引到Z方向。
而且，在偏振分束器35′处复用的脉冲束由中继光学系统133中继到可移动反射镜132的反射表面。可移动反射镜132具有与图面正交的旋转轴，并且在利用该可移动反射镜将其从附图中的角度0连续偏转到θ时，能够在附图中从0到4θ的角度范围内执行扫描。
如上所述，根据该变型的分束器装置3′，能够通过λ/2板131使光学路径30和40的偏振状态彼此正交，并且由于复用部由偏振分束器35′形成而使得沿着两个光学路径30和40经过的全部脉冲束由偏振分束器35′复用，从而能够抑制这些脉冲束的强度损失，这增加了输入脉冲束的利用效率。
第三实施例
现在将参照图9描述根据本发明第三实施例的分束器装置4。在该实施例的描述中，将省去与上述实施例的共同部分，并且将主要描述区别。
在上述实施例的每一个中，脉冲束沿着组合的矩形光学路径和直光学路径的多个光学路径经过。另一方面，在该实施例中，对于脉冲束的光学路径使用迈克尔逊(Michelson)干涉光学路径。
如图9所示，根据该实施例的分束器装置4包括由一个反射镜构成的反射光学系统(束角度设定部)41和42；分束器(复用/分支部)43和44；中继光学系统(瞳孔传输光学系统)45、46、47和48；以及静止反射镜49和50。而且，该实施例的分束器装置4和脉冲光源11构成光源装置104。
在图9中，存在下面列出的四个光学路径：
光学路径10：A-C-A-B-D-B-Z
光学路径20：A-E-A-B-D-B-Z
光学路径30：A-C-A-B-F-B-Z
光学路径40：A-E-A-B-F-B-Z
光学路径A-E-A具有比光学路径A-C-A大L的光学路径长度，并且类似地，光学路径B-F-B具有比光学路径B-D-B大2L的光学路径长度。因此，沿着光学路径10到40直到点Z经过的脉冲束以L/c的时间差值被时间复用，如上述实施例中的每一个中的。而且，中继光学系统45、46、47和48用于分别在点A和C、点A和E、点B和E以及点B和F之间建立光学共轭关系，以使得瞳孔被传播。
在该实施例中，反射光学系统41和42作为静止偏转部工作。倾斜角度由反射光学系统41改变到θ/2并且由反射光学系统42改变到θ以实现反射光学系统分别对脉冲束赋予偏转角度θ和2θ。通过这样做，到达点E的四个脉冲束以偏转角度0、θ、2θ和3θ被空间复用。
根据该实施例的分束器装置4，由于在四个光学路径的每一个中沿着直线设置光学元件，因此能够容易地实现光学调节。
第四实施例
现在将参照图10描述根据本发明第四实施例的分束器装置5。在该实施例的描述中，将省略与上述实施例的共同部分，并且将主要描述区别。
如图10所示，根据该实施例的分束器装置5包括由两个反射镜构成的反射光学系统(束角度设定部)51和52；分束器(复用/分支部)53；中继光学系统(瞳孔传输光学系统)54、55、56、57和153；平台51c和52c；一对静止反射镜58和59；以及可移动反射镜151和152。而且，该实施例的分束器装置5以及脉冲光源11构成光源装置105。
将主要描述与上述第三实施例的区别。
在根据该实施例的分束器装置5中，同一分束器53用作用于执行分支和复用的全部装置。此外，通过在复用的脉冲束的各自光导方向上使用可移动反射镜151和152，能够实现二维扫描。
利用上述结构，由于仅利用一个分束器53实现所有分支和复用操作，因此能够减少部件的数量。
变型
可选地，与第二实施例的变型类似，通过偏振调节能够使脉冲束的损失最小化。在这种情况下，在图11的分束器装置5′中设置所示的偏振分束器154和155。此外，在四个各自光学路径中设置λ/2板156、157、158和159以在分支操作结束之后实现90°的偏振，而且，在偏振分束器154和155之间的光学路径中设置实现45°偏振的λ/2板160。
第五实施例
现在将参照图12描述根据本发明第五实施例的分束器装置6。在该实施例的描述中，将省略与上述实施例的共同部分，并且将主要描述区别。
根据该实施例的分束器装置6包括反射光学系统61和62；分束器63、64和65；以及中继光学系统66到69和161。
反射光学系统61指代设置在由分束器63产生的光学路径A-B-C-D中的反射光学系统(反射镜)61a到61f，并且反射光学系统62指代设置在由分束器64产生的光学路径D-E-F中的反射光学系统(反射镜)62a和62b。
中继光学系统68沿着由第一分支操作产生的光学路径A-G-D中继邻近点A的瞳孔。中继光学系统66和161沿着光学路径A-B-C-D中继邻近点A的瞳孔。
同样，中继光学系统69和67分别沿着光学路径D-H-F和光学路径D-E-F中继邻近点D的瞳孔。
在该实施例中，在两个延迟路径中的较长路径A-B-C-D中提供两组中继光学系统66和161。原因如下所述。假设偏转角度为θ并且中继光学系统的焦距为f，则有效传播被赋予偏转角度的准直束所需的中继光学系统的孔半径需要大于ftanθ与束半径之和。换句话说，在要通过一组中继光学系统沿着延迟路径传播瞳孔时，如在上述实施例的每一个中的，较大的焦距不可避免地要求中继光学系统的较大孔径。由于该原因，需要制备具有大孔径的光学系统。
在该实施例中，由具有非常大焦距的中继光学系统66以及具有小焦距的中继光学系统161中继邻近点A的瞳孔。通过在这些反射光学系统之间沿光轴方向移动反射光学系统61d和61e，产生偏转角度。由于对于中继光学系统161选择小焦距，因此能够防止中继光学系统66和161的孔径尺寸变大。
第六实施例
现在将参照图13描述根据本发明第六实施例的分束器装置7。在该实施例的描述中，将省略与上述实施例的共同部分，并且将主要描述区别。
根据该实施例的分束器装置7包括反射光学系统71和72；分束器73和74；以及由反射元件构成的中继光学系统75和76。这里示出的中继光学系统75和76由两个反射光学系统75a组成，这两个反射光学系统75a由两个非平坦反射表面形成以中继其各自光学路径中的脉冲束的瞳孔。
反射光学系统71利用平台71c在反射镜71a和71b之间沿光轴方向一起直线平移这些反射镜，以对经由分束器73分支开的脉冲束赋予光学路径长度的差值以及偏转角度。
反射光学系统72利用平台72c在反射镜72a和72b之间沿光轴方向一起直线平移这些反射镜，以对经由分束器73分支开的脉冲束赋予光学路径长度的差值以及偏转角度。
中继光学系统75和76不需要是透射(折射)的，如这里示出的，但是可以是反射的。而且，尽管提供具有正屈光力的两个光学系统作为用于沿着从点A到点B的路径中继的结构，但是可以组合正和负屈光力。
第七实施例
作为根据本发明的第七实施例，将参照图14和15描述将上述分束器装置应用于扫描显微镜的示例。
如图14所示，根据该实施例的扫描显微镜8包括具有与第二实施例相同的结构的分束器装置3；脉冲光源11；可移动反射镜81和82；中继透镜83；二向色镜84；物镜85；以及检测器86。尽管图中未示出，但是扫描显微镜8还包括用于将检测器86的检测时序与脉冲光源11同步的处理部；恢复部；以及显示部。
分束器装置3、脉冲光源11以及可移动反射镜81和82构成利用来自分束器装置3的多个脉冲束扫描对象的扫描光学系统(扫描部)87。
而且，中继透镜83、二向色镜84以及物镜85构成利用由扫描光学系统87扫描的脉冲束照射对象并且从该对象收集光的观测光学系统88。
检测器86是检测由观测光学系统88收集的光的检测部。
如在第二实施例中描述的，通过分束器装置3中的反射光学系统31和32对脉冲束赋予0、θ、2θ和3θ的各自偏转角度。按照这种方式，通过束角度设定部对每一个脉冲束分配偏转角度并且复用这些脉冲束以形成光脉冲序列(空间复用)。
在一个脉冲束转换为多个(四个)空间复用的脉冲束时，能够利用这些脉冲束照射对象上的多个部位，并且因此能够实现与利用单个脉冲束扫描对象时相比四倍高的扫描速度。
而且，尽管通过分支部分支以重复频率RHz从脉冲光源11发射的脉冲束，但是所产生的脉冲束沿着具有不同光学路径长度的光学路径经过。结果，脉冲束以规则时间间隔形成光脉冲序列(时间复用)。在分支处，例如在分束器装置3中，使光学路径长度彼此不同，以使得所形成的总的光脉冲序列具有4R的频率，如图15(a)所示。
在该光脉冲序列被辐射到对象的部位上时，通过多光子激发效应对于每一个脉冲束产生荧光。由于在辐射光脉冲序列的每一个脉冲束之后立即产生该荧光，因此如图15(b)所示产生具有频率4R的周期的荧光信号光。
该具有4R频率的荧光信号光(一维时间信息)由观测光学系统88收集作为来自对象的荧光信号光并且由检测器86检测。之后，所检测的荧光信号光由处理部(图中未示出)与光脉冲序列同步，相关联为对于对象的各自部位的荧光信号，并且通过恢复部(图中未示出)重构为二维信息。随后，当在显示部(图中未示出)上显示该二维信息时，能够对对象成像。尽管由于重构基于二维扫描的信号光而在该实施例中获得二维信息，但是能够通过执行三维扫描而获得三维信息。
然而，如果在对象是散射体时待检查该对象的内部，则由所照射的部位产生的信号光广泛地散布，导致光在检测器86上广泛分布。因此，由于来自各种部位的信号束在不执行时间复用的情况下被混合，解析度将降低。
然而，根据该实施例的扫描显微镜8，由于对于分束器装置3中的各自脉冲束使光学路径长度彼此不同(时间复用)，如图15(b)所示，从各部位产生的荧光信号光束以与各自照射脉冲束相对应的不同频率到达检测器。
由于来自各部位的荧光信号光束与各自脉冲束相对应，因此能够由处理部通过同步在时间域中容易地分开，并且因此，解释了辐射在部位上的脉冲束与所产生的荧光信号光束之间的对应关系。由于对于来源于某一脉冲束的特定荧光信号光束能够识别利用该脉冲束照射了对象的哪个部位，因此能够由恢复部将该荧光信号光重构为二维信息。
根据该实施例的扫描显微镜8，即使在部位处的信号由于增加信号频率而受到对象的散射的不利影响，通过同步也能够容易地获得脉冲束和荧光信号光束之间的对应关系。因此，能够以高速度和高解析度进行成像。
如上所述，根据该实施例的扫描显微镜8，通过使用分束器装置3在一个位置会聚具有不同光学路径长度并且赋予有相对角度的多个脉冲束，能够同时实现时间复用和空间复用。在该扫描显微镜8中，通过空间复用，并行脉冲束能够被辐射到对象上的不同位置。而且，即使在辐射并行脉冲束时，也能够通过时间复用，使从对象返回的荧光信号光束与并行脉冲束同步并且能够彼此分离。由于该原因，能够防止由于一次照射多个脉冲束导致的解析度的降低并且因此能够实现快速扫描。
尽管通过将根据第二实施例的分束器装置3应用于扫描显微镜的示例方式描述了该实施例，但是通过应用根据另一实施例的分束器装置能够实现相同的效果。
第八实施例
现在将参照附图描述根据本发明第八实施例的分束器装置200。
对于该实施例的描述，与根据上述第二实施例的分束器装置3相同的结构由相同的附图标记指代，并且因而省略对其的描述。
根据该实施例的分束器装置200与根据上述第二实施例的分束器装置3的不同之处在于来自脉冲光源11的脉冲束的入射方向以及分束器33和34的安装角度。其它结构与根据第二实施例的分束器装置3相同。
更具体地说，在根据该实施例的分束器装置200中，如图16所示，从脉冲光源11发射并且入射在分束器33上的脉冲束B1的传播方向以相对于连接分束器33和34的中心的直线的延伸(由图中的虚线指示)的2θ角度沿一个方向(图中为逆时针)偏转。而且，在该实施例中，分束器33的安装角度沿与上面的相同方向旋转θ/2角度，并且分束器34的安装角度沿与上述的相反方向(顺时针)旋转θ角度。
结果，与根据第二实施例的分束器装置3相比较，脉冲束B1在分束器33的反射表面上的入射角度以1.5θ的角度逆时针增加。因此，由分束器33反射的脉冲束B12的传播方向相对于第二实施例中的脉冲束的传播方向(由图中的虚线指示)以角度θ顺时针倾斜。
另一方面，通过分束器33的脉冲束B11的传播方向设置在入射脉冲束B1的延伸上，而与分束器33的安装角度无关。对于进入光学路径10的脉冲束B11，其倾斜方向由一对透镜38a和38b构成的中继光学系统38反向，并且其被顺时针倾斜角度2θ并且入射在分束器34上。
对于进入光学路径20的脉冲束B12，其倾斜方向经由由一对透镜36a和36b构成的中继光学系统36以及包括一对反射镜31a和31b的反射光学系统31反向。结果，脉冲束B12以相对于第二实施例中的脉冲束的传播方向(图中由虚线指示)的逆时针角度θ入射在分束器34上。
脉冲束B11和B12在分束器34处均分支为两个。以角度2θ入射在分束器34上的脉冲束B11以与根据第二实施例的分束器3的情况相比较顺时针增加角度θ的入射角度入射在顺时针倾斜角度θ的分束器34的反射表面上。因此，在分束器34处被反射并且进入光学路径40的脉冲束B112的传播方向与第二实施例中的脉冲束的传播方向一致。
而且，以角度θ入射在分束器34上的脉冲束B12以与根据第二实施例的分束器3的情况相比较顺时针增加2θ的入射角度入射在以角度θ顺时针倾斜的分束器34的反射表面上。因此，在分束器34处被反射并且进入光学路径30的脉冲束B122的传播方向相对于第二实施例中的脉冲束的传播方向(图中由虚线指示)以角度3θ顺时针倾斜。
另一方面，通过分束器34的脉冲束B111和B121的传播方向被设置在入射脉冲束B11和B12的延伸上，而与分束器34的安装角度无关。
对于光学路径40中的脉冲束B121，其倾斜方向经由由一对透镜37a和37b构成的中继光学系统37以及由一对反射镜32a和32b构成的反射光学系统32反向。由于脉冲束B112没有被倾斜，因此即使在其经过了中继光学系统37和反射光学系统32之后，倾斜角度也不改变。
而且，对于进入光学路径30的脉冲束B111和B122，其倾斜方向经由由一对透镜39a和39b构成的中继光学系统39反向。
更具体地说，以相对于关于反射表面倾斜45°的入射轴以角度0°和θ顺时针倾斜的脉冲束B112和B121入射在分束器35上并且沿相对于关于反射表面倾斜45°的发射轴以角度0°和θ逆时针倾斜的方向发射。而且，分束器35在不改变倾斜角度的情况下透射相对于连接分束器34和35的直线逆时针倾斜角度2θ和3θ的脉冲束B111和B122。
结果，从分束器35发射由两个光学路径(延迟光学路径)20和40赋予彼此不同的时间延迟并且以相同的角度间隔θ分隔开的四个脉冲束B112、B121、B111和B122。
在这种情况下，根据该实施例的分束器装置，对于沿着提供有中继光学系统36和37以及反射光学系统31和32的延迟光学路径20和40经过的脉冲束B12、B121和B112，能够将其传播方向的倾斜角度控制到角度θ或者更小。因此，能够采用具有小孔径尺寸的透镜作为透镜36a、36b、37a和37b。这在防止孔径尺寸增加方面是有利的。
第九实施例
将参照附图描述根据本发明第九实施例的分束器装置201。
对于该实施例的描述，与根据上述第二实施例的分束器装置3相同的结构由相同的附图标记指代，并且因而省略对其的描述。
根据该实施例的分束器装置201与根据上述第二实施例的分束器装置3的不同之处在于分束器34和35的安装角度。其它结构与根据第二实施例的分束器装置3相同。
更具体地说，在根据该实施例的分束器装置201中，如图17所示，分束器34和35的安装角度相对于根据第二实施例的分束器装置3的分束器34和35以角度θ/2沿一个方向(图中为逆时针)倾斜。
通过这样做，沿着直到分束器34的光学路径经过的脉冲束B11和B12沿着具有倾斜角度0°的光轴传播，如根据第二实施例的分束器装置3中的那样。
另一方面，入射在分束器34上的脉冲束B11分支为以倾斜角度0°原样经过的脉冲束B111以及相对于与其方向正交的方向以角度θ逆时针倾斜的脉冲束B112。而且，入射在分束器34上的脉冲束B12分支为以倾斜角度0°原样经过的脉冲束B121以及相对于与其方向正交的方向以角度θ逆时针倾斜的脉冲束B122。
逆时针倾斜角度θ的脉冲束B112入射在分束器35上，其倾斜方向经由由一对透镜37a和37b构成的中继光学系统37以及由一对反射镜32a和32b构成的反射光学系统32顺时针反向。而且，脉冲束B122入射在分束器35上，其倾斜方向经由由一对透镜39a和39b构成的中继光学系统39顺时针反向。
由于分束器35逆时针倾斜角度θ/2，从分束器35沿分别逆时针倾斜角度2θ和θ的方向发射由该分束器35的反射表面反射的脉冲束B112和B121。另一方面，脉冲束B111和B122原样经过分束器35并且以沿顺时针倾斜角度θ的方向以倾斜角度0°发射。
结果，从分束器35发射由两个延迟光学路径20和40赋予彼此不同的时间延迟并且以θ的相同角度间隔分隔开的四个脉冲束B112、B121、B111和B122。
在这种情况下，根据该实施例的分束器装置，对于不只沿着延迟光学路径而且还沿着全部光学路径经过的脉冲束B11、B12、B111、B112、B121和B122，能够将其传播方向的倾斜角度控制到角度θ。因此，能够采用具有小孔径尺寸的透镜作为透镜36a、36b、37a、37b、38a、38b、39a和39b。这在防止孔径尺寸增加方面是有利的。
第十实施例
现在将参照附图描述根据本发明第十实施例的分束器装置202。
对于该实施例的描述，与根据上述第二实施例的分束器装置3相同的结构由相同的附图标记指代，并且因而省略对其的描述。
根据该实施例的分束器装置202与根据上述第二实施例的分束器装置3的不同之处在于来自脉冲光源11的脉冲束B1的入射方向以及分束器33和34的安装角度。其它结构与根据第二实施例的分束器装置3相同。
更具体地说，在根据该实施例的分束器装置202中，如图18所示，脉冲束B1从脉冲光源11到分束器33的入射方向被设置为沿与连接分束器33和34的直线正交的方向。
而且，分束器33的安装角度相对于根据第二实施例的分束器装置3的分束器33沿一个方向(图中为逆时针)倾斜角度θ/2。而且，分束器34的安装角度相对于根据第二实施例的分束器装置3的分束器34沿与分束器33的旋转相反的方向(图中为顺时针)倾斜角度θ。
通过这样做，经过分束器33进入延迟光学路径20的脉冲束B12沿着具有倾斜角度0°的光轴传播，如根据第二实施例的分束器装置3中的那样。
另一方面，在分束器33处反射的脉冲束B11相对于连接分束器33和34的直线以角度θ逆时针倾斜。
在脉冲束B1的倾斜方向经由由一对透镜38a和38b构成的中继光学系统38反向之后，该脉冲束B1入射在分束器34上。入射在分束器34上的脉冲束B11被分支为以倾斜角度θ原样经过其的脉冲束B111以及相对于与其方向正交的方向顺时针倾斜角度θ的脉冲束B112。
而且，入射在分束器34上的脉冲束B12被分支为以倾斜角度0°原样经过其的脉冲束B121以及相对于与其方向正交的方向顺时针倾斜角度2θ的脉冲束B122。
以角度θ顺时针倾斜的脉冲束B112入射在分束器35上，其倾斜方向经由由一对透镜37a和37b构成的中继光学系统37以及由一对反射镜32a和32b构成的反射光学系统32逆时针反向。而且，脉冲束B111和B122入射在分束器35上，其倾斜方向经由由一对透镜39a和39b构成的中继光学系统39逆时针反向。
从分束器35沿以角度θ顺时针倾斜并且以角度0°顺时针倾斜的方向发射由分束器35的反射表面反射的脉冲束B112和B121。另一方面，脉冲束B111和B122原样经过分束器35并且沿以倾斜角度θ和倾斜角度2θ逆时针倾斜的方向发射。
结果，从分束器35发射由两个延迟光学路径20和40赋予彼此不同的时间延迟并且以θ的相同角度间隔分隔开的四个脉冲束B112、B121、B111和B122。
在这种情况下，根据该实施例的分束器装置202，对于沿着提供有中继光学系统36和37以及反射光学系统31和32的延迟光学路径20和40经过的脉冲束B12、B121和B112，能够将其传播方向的倾斜角度控制到角度θ或者更小。因此，能够采用具有小孔径尺寸的透镜作为透镜36a、36b、37a和37b。这在防止孔径尺寸增加方面是有利的。该实施例中的最后分支装置可以由偏振分束器形成。
第十一实施例
现在将参照附图描述根据本发明第十一实施例的分束器装置203。
对于该实施例的描述，与根据上述第二实施例的分束器装置3相同的结构由相同的附图标记指代，并且因而省略对其的描述。
根据该实施例的分束器装置203与根据上述第二实施例的分束器装置3的不同之处在于来自延迟光学路径20和40的脉冲束在分束器34和35上以及在中继光学系统104和105中的入射位置。
如图19所示，根据该实施例的分束器装置203包括中继起源于沿着经由分束器33彼此分支开的光学路径10和20传播的脉冲束B11和B12并且进入光学路径40的脉冲束B112和B121的瞳孔并且由透镜104a、104b和104c构成的中继光学系统104；以及由在分束器35之前和之后中继来自光学路径40的脉冲束B112和B121的瞳孔并且由透镜105a和105b构成的中继光学系统105。
而且，透镜104a和105b构成中继经过分束器34和35的脉冲束B111和B122的瞳孔的中继光学系统。
更具体地说，作为准直束入射在分束器33上的脉冲束B1由分束器33分支为由两个准直束构成的脉冲束B11和B12。
由准直束构成的脉冲束B11由透镜104a收集并且由分束器34部分反射。束B11的反射部分作为脉冲束B112进入延迟光学路径40。在延迟光学路径40中，脉冲束B112由透镜104b转换为由准直束构成的脉冲束B112。
然后，其经由中继光学系统37和反射光学系统32转换为准直束，由透镜105a收集，由分束器35反射并且由透镜105b再次以准直束形式发射。
经过分束器34和35的脉冲束B111由透镜105b再次以准直束的形式发射。
另一方面，由准直束构成的脉冲束B12被引入延迟光学路径20，经由中继光学系统36和反射光学系统31转换为准直束，由透镜104c收集，并且入射在分束器34上。脉冲束B12在分束器34处被分支为脉冲束B121和B122，并且与脉冲束B111类似，在其瞳孔被中继的同时，经过分束器34的脉冲束B121从透镜105b以准直束的形式发射。
而且，与脉冲束B111类似，在其瞳孔被中继的同时，在分束器34处反射的脉冲束B122从透镜105b以准直束的形式发射。
在这种情况下，在该实施例中，如图20所示，通过调节反射光学系统31和中继光学系统36的位置，入射在分束器34上的脉冲束B11和B12的光轴被偏移以不在分束器34的反射表面上重合。而且，通过调节反射光学系统32和中继光学系统37的位置，入射在分束器35上的脉冲束B111、B112、B121和B122的光轴在反射表面上被以规则间隔偏移分开。图20是图19中的区域AA的放大图。
然后，由分束器35复用的脉冲束B111、B112、B121和B122的主光线设置为变为彼此平行。而且，如图21所示，设置由分束器35复用的脉冲束B111、B112、B121和B122以在经过分束器35之后收集在同一平整表面上。通过这样做，透镜105b对于脉冲束B111、B112、B121和B122作为远心光学系统工作，并且通过透镜105b使脉冲束B111、B112、B121和B122具有不同的角度并且会聚在透镜105b的后焦点位置的相同位置。图21是图19的区域AB的放大图。
换句话说，从透镜105b的后焦点位置发射通过两个延迟光学路径20和40赋予彼此不同的时间延迟并且使其具有不同角度的四个脉冲束B111、B112、B121和B122。
这实现的优点在于，在由随后物镜收集对象上分隔开的不同地点处的脉冲束B111、B112、B121和B122以生成荧光时，由于光束B111、B112、B121和B122被赋予彼此不同的时间延迟，因此能够防止所生成的荧光混合并且能够实现具有高空间解析度的观测。
在该实施例中，可以调节光学路径长度并且可以通过直线平移设置在延迟光学路径20中的反射镜31a和31b中的至少一个以及设置在延迟光学路径40中的反射镜32a和32b中的至少一个，例如在与反射镜31a和31b或者反射镜32a和32b之间的光轴平行的平面上相对于透镜31a和32a直线平移反射镜31b和32b，可以调节入射在透镜105b上的脉冲束B111、B112、B121和B122的光轴之间的间隔。
而且，可以在沿着反射镜31a和31b；32a和32b之间的光轴的方向上直线平移反射光学系统31和32。通过这样做，能够在不必改变光学路径长度的情况下调节入射在透镜105b上的脉冲束B111、B112、B121和B122的光轴之间的间隔。因此，这实现的优点在于不必重新调节光学路径长度。
而且，如果通过移动反射光学系统31和32的反射镜31b和32b来偏移光轴，则优选的是沿着与光轴正交的方向以与光轴的位移相同的量移动透镜36b和104c以及37b和105a。这实现的优点是在由分束器35复用之后，脉冲束B111、B112、B121和B122的主光线保持平行以防止会聚点沿光轴方向偏移。
而且，在该实施例中，通过利用多个中继光学系统36、37、104和105中继瞳孔，可以使脉冲束B111、B112、B121和B122的束直径相同。这提供的优点是由于束直径不改变，因此在将该实施例应用于扫描观测装置时能够防止解析度改变。而且，可以将设置在光学路径10、20、30和40中的透镜36a、36b、37a、37b、104a、104b、104c和105a设置为具有相同的焦距。
此外，可以采用偏振分束器作为分束器34、35和36。通过这样做，能够没有损失地利用脉冲束。
而且，在该实施例中，由于沿着光学路径10、20、30和40传播的脉冲束B111、B112、B121和B122的光轴由于复用操作而以规则间隔设置，因此能够使对象上的脉冲束B111、B112、B121和B122的扫描间距一致，以在将该实施例应用于扫描观测装置时获取一致解析度的图像。
而且，在将该实施例应用于扫描观测装置时，优选的是脉冲束B111、B112、B121和B122的会聚位置或者与其光学共轭的位置设置在扫描器的摆动轴。这实现的优点是即使在摆动扫描器以扫描脉冲束时，扫描器上脉冲束的入射位置也不改变并且瞳孔被维持完整，实现无遗漏地对扫描区域进行扫描。
而且，在扫描器是光栅扫描扫描器的情况下，优选的是脉冲束的会聚位置或者与其光学共轭的位置设置在较慢扫描器的摆动轴上。这实现的优点是由于扫描区域通过产生多个脉冲束而进行了划分，因此能够在短时间内完成扫描而不必增加较快扫描器的扫描频率。
第十二实施例
现在将参照附图描述根据本发明第十二实施例的分束器装置204。
如图22所示，根据该实施例的分束器装置204包括引导从光源发射的脉冲束C1的光纤110；将在光纤110中传播的脉冲束C1分支为在光纤111和112中传播的脉冲束C11和C12的光纤耦合器113；将在光纤111中传播的脉冲束C11分支到光纤114和115中的光纤耦合器116；以及将在光纤112中传播的脉冲束C12分支到光纤117和118中的光纤耦合器119。通过调节光纤114和115、117、118(束角度设定部)的端角，从四个光纤114、115、117和118的端部发射的四个脉冲束C111、C112、C113和C114被赋予相对角度并且会聚在相同位置。
分别经由三个光纤耦合器113、116和119分支开的一组光纤111、114和117长于另一组光纤112、115和118，以使得四个脉冲束C111、C112、C113和C114沿着其传播直到它们从光纤114、115、117和118的端部发射的光学路径的长度彼此不同。在图22中，附图标记120指代通过光纤114、115、117和118收集会聚在相同位置的脉冲束C111、C112、C113和C114并且在对象上形成光纤114、115、117和118的出射端的图像的聚焦透镜。附图标记121指代利用脉冲束C111、C112、C113和C114扫描对象的扫描器。
图23(a)示出经由两个光纤耦合器113和119从光纤110到光纤118的出射端口的具有最短光学路径长度的路径。图23(b)示出经由两个光纤耦合器113和119从光纤110到光纤117的出射端口的具有第二最短光学路径长度的路径。图23(c)示出经由两个光纤耦合器113和116从光纤110到光纤115的出射端口的具有第二最长光学路径长度的路径。图23(d)示出经由两个光纤耦合器113和116从光纤110到光纤114的出射端口的具有最长光学路径长度的路径。
例如，如果光纤111和112之间的长度差值设置为2La并且光纤114和115之间以及117和118之间的差值设置为La，则路径长度与最短路径的差值为La，2La和3La。结果，在脉冲束C1入射在光纤110时，生成具有时间间隔nLa/c的光脉冲序列，如图24所示。这里，n表明光纤110、111、112、114、115、117和118的芯折射率，并且c表示光速，假设根据脉冲束C111、C112、C113和C114的脉冲宽度转换的空间长度足够小。
然后，利用具有上述结构的该实施例的分束器装置204，具有的优点在于在发射具有小时间相关性的光束作为脉冲束C1时，如图25所示，由于以nLa/c的时间间隔发射的四个脉冲束C111、C112、C113和C114彼此并不干涉，因此能够防止由于照明干涉导致的恶化。
此外，通过聚焦透镜120收集按照这种方式分支开的四个脉冲束C111、C112、C113和C114并且通过扫描器121在对象上进行扫描，如图22所示。聚焦透镜120经由扫描器121在对象上形成光纤114、115、117和118的出射端的图像。如图22所示，扫描器121是绕着与图面正交的轴摆动的反射镜并且在被摆动的同时沿与图面平行的方向扫描脉冲束C111、C112、C113和C114。
通过这样做，能够将利用脉冲束照射区域所需的时间降低到以单个脉冲束而不进行空间复用地扫描同一区域时的四分之一。具有的另一优点在于由于在脉冲束C111、C112、C113和C114之间提供时间延迟以使得能够进行时间复用，因此能够不受干涉的不利影响而获得所观测的图像。
在该实施例中，能够采用以下的变型。
更具体地说，如图26所示，代替利用单个聚焦透镜120收集四个脉冲束C111、C112、C113和C114，可以采用两个正透镜122和123。在这种情况下，光纤114、115、117和118的出射端口设置在正透镜122的前焦平面附近，扫描器121设置在正透镜122的后焦平面附近，而且，扫描器121设置在正透镜123的前焦平面附近。通过这样做，能够在物侧和像侧二者上实现远心设置，以使得即使在对象在光轴上来回移动时也能够实现放大倍数没有大改变的观测。
而且，尽管以一个脉冲束C1被分支为四个脉冲束C111、C112、C113和C114的示例方式描述了该实施例，但是脉冲束C1可以分支为任何其它数量的脉冲束。
而且，尽管上述实施例讨论了作为扫描器121执行一维扫描的部件，诸如单个检流计反射镜，但是通过添加另一扫描器，可以执行二维扫描。
如图27所示，将描述该实施例应用于荧光透视装置205的示例。该荧光透视装置205包括根据该实施例的分束器装置204；产生进入该分束器装置204的脉冲束C1的脉冲光源124；收集从分束器装置204发射的脉冲束C111、C112、C113和C114的聚焦透镜122；提供有能够绕着彼此交叉的轴摆动的两个检流计反射镜的扫描器125；在对象上聚焦由扫描器125扫描的脉冲束C111、C112、C113和C114的物镜126；分支在对象处产生并且由物镜126收集的离开脉冲束C111、C112、C113和C114的光学路径的荧光(返回光)C2的二向色镜127；以及检测经由该二向色镜127分支开的荧光C2的光学检测器128。
根据该荧光透视装置205，在光束从脉冲光源124发射并且由分束器装置204分支为四个光束之后，由扫描器125进行二维扫描的所产生的脉冲束C111、C112、C113和C114通过物镜126聚焦在对象上，以使得能够在对象处产生荧光C2。之后，在对象中产生并且由物镜126收集的荧光C2由二向色镜127分支离开脉冲束C111、C112、C113和C114以由光学检测器128检测。在这种情况下，通过彼此相关联地存储扫描器125的扫描位置以及由光学检测器128检测的荧光C2的强度，能够获得二维荧光图像以执行对象的荧光透视检查。
由于通过分束器装置204在空间和时间二者上复用脉冲束C111、C112、C113和C114，因此所获得的荧光C2形成彼此不干涉的脉冲列，如图28所示，并且如果使用诸如具有足够高响应速度的光电倍增管的光学检测器128，则能够通过在时间域中分离荧光C2的四个脉冲而不必采用二维图像拾取元件，对其进行检测。
由于利用四个脉冲束C111、C112、C113和C114照射对象，能够以基于正常一点照射和一点检测技术的扫描四倍高的速度执行处理。简而言之，即使扫描器125的扫描速度改变到基于一点照射和一点检测技术的扫描的四分之一，也能够实现具有相同帧速率的图像采集。
更具体地说，在满足1/R＝4nLa/c时，其中R为脉冲光源124的脉冲振荡的重复频率并且nLa/c为取决于光纤114和115、117以及118的长度的脉冲间隔，由脉冲光源124振荡的脉冲束C1被复用为以规则间隔分隔开的四个束，并且能够以相同的重复时段获取由所产生的脉冲束C111、C112、C113和C114的线产生的荧光C2脉冲列，如图28所示。
第十三实施例
现在将参照附图描述根据本发明第十三实施例的分束器装置206。
如图29所示，在根据该实施例的分束器装置206中，根据第十二实施例的分束器装置204中的四个光纤114、115、117和118的出射端被捆扎在一起并且提供沿径向方向偏移所捆扎的光纤的光纤束129的扫描器130。
扫描器130能够沿径向方向一维或者二维地共振光纤束129并且能够通过设置在瞳孔位置处的聚焦透镜120收集从光纤114、115、117和118的出射端发射的脉冲束C111、C112、C113和C114以扫描设置在与该出射端光学共轭的位置处的对象。尽管图29和33中仅示出脉冲束C111，但是实际上在该C111附近还扫描C112、C113和C114。
与反射镜121被摆动以扫描脉冲束C111、C112、C113和C114的第十二实施例不同，能够减小尺寸并且能够简化调节。
如图30所示，在该实施例中，四个光纤114、115、117和118的出射端可以被捆扎在一起以使得全部光纤114、115、117和118相邻，或者可选地，四个光纤114、115、117和118的覆层可以熔融以使得芯114a、115a、117a和118a设置为使得它们彼此相邻。在这种情况下，芯114a、115a、117a和118a可以设置为矩形形状，如图31所示，或者成直线设置，如图32所示。
如图33所示，在荧光透视装置207中提供具有上述结构的根据该实施例的分束器装置206。该分束器装置206将来自连接到光纤110的一端的脉冲光源124的脉冲束C1分为从出射端发射并且由物镜120收集的四个脉冲束C111、C112、C113和C114。通过这样做，光纤114、115、117和118的出射端的图像能够形成在设置在与光纤114、115、117和118的出射端光学共轭的位置处的对象上，以辐射四个脉冲束C111、C112、C113和C114。
在图33中，提供其端部设置在物镜120周围的光纤131和132。在对象上利用脉冲束C111、C112、C113和C114照射的位置处生成的荧光C2入射在光纤131和132的端部上，在光纤131和132中引导，并且由连接到光纤131和132的另一端的光学检测器133检测。
尽管在图33中荧光C2在光纤131和132中引导，但是可以替代地在物镜120周围提供空间以设置三个或者更多光纤的端部。结果，能够获取具有高SN比的荧光图像。
本发明并不局限于激光器扫描荧光显微镜的上述实施例，而是可以应用于诸如激光器扫描内窥镜的任何其他类型的光束扫描观测装置，其能够实现诸如细胞或者组织的活性生物对象的实时观测。
本发明即使在多个束照明对象的小区域从而在其上分布高密度照明点时也能够实现高速光学扫描而不会使所检测的信号彼此干涉。因此，本发明在检测从对象发射的具有非常低强度的光学信号的情况下是有利的，对于传统扫描装置或者方法的检测上述情况将要求对检测部的长时间曝光。例如，在通过时间复用将扫描速度增加四倍的情况下，与不具有时间复用的情况下相比较曝光时间能够长四倍。而且，在本发明中，为了检测信号，所述装置仅需要诸如光电探测器(PD)或者光电倍增管(PMT)的单个检测设备，而不需要具有多个像素的诸如CCD或者CMOS的图像设备。而且，根据本发明，具有时间复用的脉冲光的强度能够比没有时间复用的脉冲光的强度弱，以便检测具有期望强度的信号。因此，根据本发明的装置能够优选用作显微镜或者内窥镜，以对包括诸如活性组织、神经细胞等等的脆弱物质的对象进行成像或者观测。
(附图标记列表)
1、2、3、3′、4、5、5′、6、7、200、201、202、203、204、206：分束器装置
8：扫描显微镜
10、20、30、40：光学路径
11、124：脉冲光源
12、21、22、31、32、41、42、51、52、61、62、71、72：反射光学系统(束角度设定部)
13、23、33、63：分束器(分支部)
14、25、35、65、74：分束器(复用部)
16、17、36、37、38、39、45、46、47、48、54、55、56、57、66、67、68、69、104、105、153、161：中继光学系统(瞳孔传输光学系统)
24、34、43、44、53、64、73、154、155：分束器(复用/分支部)
31a、32a：反射镜(第一反射镜)
31b、32b：反射镜(第二反射镜)
31c、32c、51c、52c：平台(直线平移机构)
35′：偏振分束器
49、50：静止反射镜
83：中继透镜
84、127：二向色镜
85、126：物镜
86：检测器(检测部)
87：扫描光学系统(扫描部)
88：观测光学系统
101、102、103、103′、104、105、105′：光源装置
205、207：荧光装置(扫描显微镜)
110、111、112、114、115、117、118：光纤
113、116、119：光纤耦合器
120：聚焦透镜
121、125、130：扫描器
122、123：正透镜
128：光学检测器
129：光纤束

Claims (12)

1.一种分束器装置，由输入脉冲束生成待照射在对象上的多个脉冲束，所述分束器装置包括：
第一分束器，被配置以将所述输入脉冲束分支成沿第一光学路径的第一分支脉冲束和沿第二光学路径的第二分支脉冲束；
第二分束器，被配置以对所述第一分支脉冲束和所述第二分支脉冲束进行复用；以及
反射光学系统，设置在所述第一光学路径中，所述反射光学系统被配置以：
将所述第一分支脉冲束反射至所述第二分束器，及
在所述第二分束器给所述第一分支脉冲束提供相对于所述第二分支脉冲束的一相对角度，
其中所述第一分束器和所述反射光学系统被配置以相比于沿所述第二光学路径，给所述输入脉冲束提供沿所述第一光学路径具有一相对时间延迟，所述相对时间延迟被配置成将由所述多个脉冲束导致的所述对象中的多个光学响应分开，
其中所述第二分束器被配置为输出所述多个脉冲束，所述多个脉冲束被准直且具有彼此相对的角度。
2.根据权利要求1所述的分束器装置，包括：
中继光学系统，设置在所述第一光学路径和所述第二光学路径中，且被配置以中继所述第一光学路径和所述第二光学路径中的瞳孔。
3.根据权利要求2所述的分束器装置，
其中，所述反射光学系统包括一摆动机构和一反射镜，所述反射镜将所述第一分支脉冲束朝向所述第二分束器反射；所述摆动机构绕着与所述第一分支脉冲束的光轴正交的轴移动所述反射镜。
4.根据权利要求1所述的分束器装置，还包括：
摆动机构，所述摆动机构绕着与所述第一分支脉冲束和所述第二分支脉冲束的光轴正交的轴移动所述第一分束器和所述第二分束器中的至少一个。
5.根据权利要求2所述的分束器装置，还包括：
串行的多个单元，均包括所述第一分束器、所述第二分束器、所述中继光学系统以及所述反射光学系统，其中
所述反射光学系统设置在相应第一分束器和相应所述第二分束器之间。
6.一种光源装置，包括：
发射脉冲束的脉冲光源；以及
根据权利要求1到5中的任一项所述的分束器装置，接收从所述脉冲光源发射的所述脉冲束。
7.根据权利要求6所述的光源装置，包括：
扫描部，空间扫描从所述分束器装置发射的多个脉冲束。
8.一种扫描观测装置，包括：
根据权利要求1到5中的任一项所述的分束器装置；
扫描部，在所述对象上方扫描来自所述分束器装置的多个脉冲束；
观测光学系统，将由所述扫描部扫描的所述脉冲束照射在所述对象上；以及
检测从所述对象收集的信号光的检测部。
9.根据权利要求8所述的扫描观测装置，包括：
处理部，使由所述检测部检测的所述信号光与所扫描的脉冲束同步；
恢复部，将由所述处理部同步的所述信号光重构为与所述对象上的部位相关联的二维信息或者三维信息；以及
显示所述二维信息或者三维信息的显示部。
10.根据权利要求8所述的扫描观测装置，还包括用于将所述束聚焦于所述对象上的物镜。
11.一种激光扫描显微镜，包括根据权利要求10所述的扫描观测装置。
12.一种激光扫描内窥镜，包括根据权利要求10所述的扫描观测装置。
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