CN104115062A - 补偿角色散的补偿器系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散的补偿器系统，其中，每个偏转束的角色散取决于由所述声光偏转器的偏转声频获得的偏转角，其特征在于，所述补偿器系统包括：第一透镜组，用于通过将所述束基本上聚焦于焦平面上而在空间上分离具有不同偏转角和角色散的偏转束；补偿器元件，具有第一表面和第二表面，并布置成使所述补偿器元件的第一表面基本上位于所述第一透镜组的焦平面中，所述补偿器元件的第一和第二表面具有标称半径R₁和R₂，所述第一表面和第二表面一起充当具有倾角β和棱镜开口角α_p的棱镜，倾角β和棱镜开口角α_p随着离光轴的距离而变化，以补偿在空间上分离的偏转束的角色散；第二透镜组，布置成使从所述补偿器元件出射的每个偏转束的不同波长成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的束的角变化。本发明还涉及补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散的方法，其中，每个偏转束的角色散取决于由偏转声频获得的偏转角，其特征在于，通过经由第一透镜组将所述束基本上聚集于所述第一透镜组的焦平面上而在空间上分离具有不同偏转角和角色散的偏转束；根据指定束的角色散补偿在空间上分离的偏转束的角色散；使每个偏转束的频谱成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的束的角变化。

Description

补偿角色散的补偿器系统和方法

技术领域

本发明涉及一种适于补偿由光学系统的至少一对声光偏转器偏转的电磁束的角色散的补偿器系统和方法，其中，每个偏转束的角色散取决于由声光偏转器的偏转声频获得的偏转角。

背景技术

三维(3D)随机存取激光扫描技术在对生物标本执行测量(包括扫描、成像、检测、激发等)方面是很重要的，例如使生物结构成像或测定细胞表面受体的荧光标记或执行如释放/光模拟(photosimulation)、FRET(荧光共振能量转移)、FLIM(荧光寿命成像)等的测量。

常用3D激光扫描显微镜是共焦显微镜或多光子(双光子)显微镜。在共焦显微镜技术中，针孔布置在偏转器之前，以过滤出从除显微镜物镜的焦平面之外的任何其它平面反射的光。由此，可使位于样品(例如生物标本)不同深度的平面成像。

双光子激光扫描显微镜使用低能量的激光，其中，需要两个光子在量子事件中激发荧光，导致发射荧光光子，荧光光子随后由检测器检测。几乎同时吸收两个光子的可能性极其低，要求高通量的激发光子，因此，双光子激发实际上仅发生在激光束的焦斑(focal spot)中，在焦斑处，束强度超过双光子阈值。光子数量还可通过锁模激发激光使光子以高强度反弹到达样品而得以增加。通常，飞秒脉冲激光用于给双光子激发提供所需光子通量，同时保持平均激光束强度足够低以避免热样品恶化。

当应用上述任一技术时，通常通过经由例如步进电机移动样品台来实施3D扫描，然而，当使用浸没式标本室时或当用微电极对生物标本上进行电子记录时，这实施起来复杂。样品台的移动是缓慢过程，允许分钟量级的成像速度或十分低(像素)数量的测量点，从而导致低分辨率。相应地，在分析生物标本的情况下，通常优选地移动激光束的焦斑，而不是移动标本。这可通过偏转激光束以扫描焦平面(XY平面)中的不同点和通过经由例如压电定位器沿其光轴(Z轴)移动物镜以改变焦平面深度而实现。XY扫描通常通过经由机械光学偏转装置(比如安装在振镜扫描仪(galvanometricscanner)上的偏转镜)在指定焦平面(XY平面)内偏转激光束来实现。

机械扫描组件(即，扫描反射镜和显微镜物镜)的惯性(inertia)关于可实现的扫描速度具有一定局限性，因为扫描组件需要物理地移动以执行3D扫描。

已提出快速声光偏转器(AOD)作为常规机械光学方案的替代例。

Kaplan等人(“Acousto-optic lens with very fast focus scanning”,OPTICSLETTERS/Vol.26,No.14/July 15,(2001))提出了一种由两个AOD组成的声光透镜，具有相位锁定的反向传播的声波，以仅实现焦平面沿z轴的偏移，而不需要横向移动波束。通过由声光设备改变声频的扫描速率来改变声光透镜的焦点。

在US7227127中，使用上述原理来提供3D扫描。可以通过使用四个声光偏转器而在菱状体积的空间中移动波束焦点，两个声光偏转器用于两个横向方向(x和y)。横向扫描是在同一横向方向上衍射的两个AOD的声频差的结果，而深度调焦(即沿z轴的焦点偏移)通过改变相同AOD的声频的扫描速率而实现。因此，焦点可以准独立地在x-z和y-z平面中调节，其中，z是对应于设备光轴的纵向方向。当x和y偏转单元中的声频扫描速率没有完美匹配时，这还导致强像散。

然而，存在关于现有技术AOD 3D扫描技术的许多问题，比如空间和时间色散，尤其是当与多光子扫描技术结合应用时。

现有技术AOD系统通过在AOD之间应用各色散补偿元件或通过AOD对的特定布置而多少消除了空间色散，如WO2010/076579中所述。不过，现有技术光学布置不能充分地减少AOD角色散，主要是因为其空间非均匀性。

准直具有角色散的光束的已知方式是将棱镜10放置在光路中，如图1所示。入射束12b包括不同波长成分，其中表示出的是最长波长成分λ_长，中心波长成分λ_中心和最短波长成分λ_短。在所示光学布置中，入射束12b通过使原始束12a穿过第一棱镜10a使得原始束12a以布鲁斯特角α_布鲁斯特入射在第一棱镜10a上而产生。第一棱镜10a分开原始束12a的不同波长成分，从而引入角色散。第二棱镜10具有与第一棱镜10相同的棱镜开口角α_p。在具有角色散的第二束12b穿过第二棱镜10b后，不同波长成分λ_长、λ_中心和λ_短被准直，即第三折射束12c的波长成分λ_长、λ_中心和λ_短彼此平行地传播，但是具有取决于波长的位置。相应地，棱镜可用于补偿由AOD对引入的角色散，如Shaoqun Zeng等人在Analysis of the dispersioncompensation of acousto-optic deflectors used for multiphoton imaging(J.Biomed.Opt.12,024015(Mar 09,2007)；doi:10.1117/1.2714061)中所建议的。然而，实际上，角色散取决于所应用的声频，因此单个棱镜不足以补偿所有频率的角色散。

发明内容

本发明的目的是克服与现有技术激光扫描显微镜相关联及总体上与包括声光偏转器(将角色散引入偏转光束中)的任何光学系统相关联的问题。

特别地，本发明的目的是提供角色散补偿系统，其减少偏转光束的偏转角对波长的依赖性。

本发明人意识到，通过提供具有两个表面(一起充当具有变化的和匹配的入射角和开口角的棱镜)的补偿器，可在光学系统中利用棱镜的角色散补偿特性，在该光学系统中，电磁束的角色散取决于离光学系统的光轴的距离。本发明人还意识到，在激光扫描显微镜中(其中，声光偏转器(AOD)用于偏转扫描激光束)，第一透镜组可用于将偏转束聚焦于对应于这种补偿器的表面之一的焦平面，由此，不同角色散的束在空间上分离，允许针对每个波束通过适当成形的补偿器独立地补偿角色散。

上述目的通过根据权利要求1的补偿器系统和根据权利要求5的方法来实现。

本发明的其它有利实施例在所附从属权利要求中限定。

附图说明

从附图和示例性实施例中会明白本发明的其它细节。

图1是分离和准直光束的不同波长成分的双棱镜光学布置的示意图。

图2是根据本发明的布置在AOD和物镜之间的补偿器系统的示意图。

图3是图2的截面A的放大图。

图4是图2的补偿器系统的补偿器元件的示意图。

图5是示出在不同声频，由AOD产生的偏转角与波长的关系曲线的示图。

图6是当单个偏转器用于在指定x-z或y-z平面中偏转束时，角色散(dθ₁/dλ)与偏转角(θ₁)的关系曲线的计算图。

图7是示出当两个连续的偏转器用于在指定x-z或y-z平面中偏转束时，角色散(dθ_def/dλ)与偏转角(θ_def)的关系曲线的示图。

具体实施方式

图2示出根据本发明的补偿器系统20，其布置在一对连续的AOD13、14的第二AOD 14与光学系统(比如激光扫描显微镜(未示出))的物镜16之间。光学系统可包括两个连续的AOD 13、14之间的各光学元件，如WO2010/076579所讨论的，另外，光学系统通常包括第二对AOD，使得第一对AOD用于在第一横向方向x上偏转电磁束18，而第二对AOD在垂直于第一横向方向x的第二横向方向y上偏转束18。为了简化起见，在下文中仅示出并讨论一对连续的AOD 13和14，然而，在对应于第二对AOD的横向方向上，可类似地计算出束偏转。

补偿器系统20包括第一透镜组22和第二透镜组24，它们沿对应于物镜16光轴的共用光轴Z布置成在AOD 14的下游彼此隔开。在图2中，为简化起见，第一透镜组22和第二透镜组24显示为单个透镜，然而，两个透镜组22和24可包括多于一个的透镜，形成消色差双合透镜或复消色差三合透镜。

补偿器元件26布置在第一透镜组22和第二透镜组24之间，使得补偿器元件26的第一表面26a基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中，而补偿器元件26的第二表面26b面向第二透镜组24。

举例来说，在图2中示出两个偏转束18和18'。由于所应用的偏转声频f₁、f₂，第一束18通过AOD 13、14对以关于光轴Z的角度θ_def偏转。第二所示束18'的偏转角θ_def'通过分别在两个连续的AOD 13和14中应用声频f₁'和f₂'来获得。

第一透镜组22将第一束18聚焦至基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中的、与光轴Z(以及第一透镜组22的焦点F)相距第一距离r的第一点P。第二束18'聚焦至基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中的、与光轴Z相距第二距离r'的第二点P'。离光轴Z的距离r、r'取决于从第二AOD 14出射的束18、18'的偏转角θ_def、θ_def'，因此，束18、18'在空间上根据它们的不同偏转角θ_def和θ_def'而分离。如稍后会清楚，不同的偏转角θ_def、θ_def'导致不同的角色散，因此束18、18'还关于它们的不同角色散在空间上扩散，由此，聚焦束18、18'的角色散随离光轴Z的距离r、r'而变化。因此，第一透镜组22有效地用于在空间上分离具有不同角色散的束18、18'。

如前面所提及的，补偿器元件26的第一表面26a基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中，所以束18、18'实际上聚焦于补偿器元件26的第一表面26a上。清楚的是，实际聚焦点P、P'与第一表面26a之间的偏差随着偏转角θ_def、θ_def'的增加而增加，然而，尽管有该偏差，但是通过根据本发明的补偿器系统20可显著地改善随后的视场，如从下面讨论中所明白的。

由于具有不同角色散(和偏转角θ_def、θ_def')的束18、18'实际上聚焦在补偿器系统26的第一表面26a的不同点P、P'上，所以可将补偿器元件26设计成比如局部地作用为棱镜，以补偿聚焦于指定局部表面区域上的束18、18'的角色散。如果放大焦点P，如图3所示，则可看出，尽管从上述讨论中明白存在小偏差，但是入射束18的不同波长成分18a、18b、18c(即，仅示出频谱成分中的三个)聚焦于不同点Pa、Pb、Pc(显示为位于补偿器系统26的第一表面26a上)。因此，可将补偿器元件26的第一表面26a和第二表面26b设计成比如具有标称半径R₁和R₂(见图4)，它们一起用作具有关于共用光轴z的旋转角β和棱镜开口角α_p(见图1)的局部棱镜，该旋转角β和棱镜开口角α_p随离光轴Z的距离而变化，以补偿在空间上分开的偏转束18、18'的角色散。

第二透镜组24布置成基本上使从补偿器元件26出射的每个偏转束18、18'的不同波长成分18a、18b、18c平行。由第一透镜组22、补偿器元件26和第二透镜组24构成的补偿器系统设计成具有角度放大率M，因此其将偏转角θ_def、θ_def'转换为M*θ_def、M*θ_def'，从而维持分别在不同声频f₁、f₂和f₁'、f₂'处偏转的束18、18'的角变化。第二透镜组24在物镜16的出瞳(未示出)处产生图像。系统的放大率设计成产生与物镜后孔径尺寸相同的声光偏转器孔径的图像。

在下面的描述部分中，提出了设计补偿器系统20，尤其是计算补偿器系统26的两个表面26a、26b的计算方法。

第一声光偏转器13中的偏转角θ₁由各向同性的布拉格方程与各向异性相互作用的狄克逊方程控制。

布拉格关系[方程(1)]表明偏转角的正弦与光学波长的线性关系：

${\mathrm{\θ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)=2\·\arcsin (\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\frac{f_1}{v_a})---\left(1\right)$

在此，λ是声光晶体中的光学波长，θ₁是由入射和衍射光波闭合(close)的角度，f₁是声频，v_a是材料中的声速。角色散是偏转角θ₁相对于光学波长λ的导数：

$\frac{{\mathrm{d\θ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{d\λ}}=\frac{f_1}{v_a}\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2/{4v}_a^2}}---\left(2\right)$

在各向异性情况下，狄克逊方程表明，偏转角θ₁取决于入射光束(未示出)和声波相对于晶体轴的传播方向，由入射光束的波矢与[100]晶体学轴之间的角度γ₁与由声波矢量和[1-10]轴闭合的角度α₀表示：

${\mathrm{\θ}}_1(\mathrm{\λ},f_1)={\mathrm{\γ}}_1-\arctan \left(\frac{\mathrm{ne}({\mathrm{\γ}}_1,\mathrm{\λ})\·\sin \left({\mathrm{\γ}}_1\right)-\frac{f_1\mathrm{\λ}}{v_a}\cos \left({\mathrm{\α}}_0\right)}{\mathrm{ne}({\mathrm{\γ}}_1,\mathrm{\λ})\·\cos \left({\mathrm{\γ}}_1\right)+\frac{f_1\mathrm{\λ}}{v_a}\sin \left({\mathrm{\α}}_0\right)}\right)---\left(3\right)$

当相互作用平面与由[001]和[110](或[1-10])晶体学轴确定的平面一致时，方程(3)对于声旋构造(acoustically rotated configuration)(α₀≠0)是有效的。

在该情况下，角色散也是(3)的函数相对于波长λ的导数。在不同声频f₁处，在第一AOD 13之外的偏转角θ₁与波长λ的关系曲线在图5中示出。与波长λ的关系曲线接近线性，而表示角色散的斜率dθ/dλ随着声频f₁增加而明显增加，并随着偏转角θ₁增加而增加，如图6所示。

如上所提及的，在先进的声光偏转系统中，在指定方向(垂直于光学系统的光轴Z)上的偏转利用两个连续的AOD 13、14来实现，以还提供具有可控聚焦的透镜效应。该布置还可补偿由两个AOD 13、14偏转的束18、18'的角色散。当使用有类似材料和相互作用构造的两个AOD 13、14时，角色散在指定偏转方向上被完全消除。该方向被便利地选择成与将偏转束18、18'引导至目标的随后光学系统(实际上为物镜16)的光轴Z一致。在不平行于该轴z的偏转方向上，角色散仅部分地消除，而且，当偏转角θ_def、θ_def'偏离轴z时，残余的色散增加。

基本上有两个构造可用在该设置(setup)中：所述对的第二AOD 14设定用于与第一AOD 13相同的输入和输出偏振。在该情况下，光的偏振必须通过两个AOD 13、14之间的半波片旋转90°，以在第二AOD 14中具有正确的进入偏振。而且，为了满足在调焦期间保持点在相同平面中的标准，在第二AOD 14中的声波方向必须与在第一AOD中的相反。

在第二AOD 14中，入射束18、18'已分散，所以入射角取决于波长，还取决于第一AOD 13的声频f₁―γ₁₂(λ,f₁)。如果第二AOD 14使用与第一AOD 13相同的构造，则可用新的入射角使用方程(3)。

${\mathrm{\θ}}_2(\mathrm{\λ}{,f}_1,f_2)={\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)-\arctan \left(\frac{\mathrm{ne}({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1),\mathrm{\λ})\·\sin \left({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)\right)-\frac{f_2\mathrm{\λ}}{v_a}\cos \left({\mathrm{\α}}_0\right)}{\mathrm{ne}({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1),\mathrm{\λ})\·\cos \left({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)\right)+\frac{f_2\mathrm{\λ}}{v_a}\sin \left({\mathrm{\α}}_0\right)}\right)---\left(4\right)$

新入射角可通过添加固定角度δ而从方程(3)中计算出，固定角度表示在用作参考的指定声频f₁处(其通常为声带的中心频率)第二AOD 14相对于由第一AOD 13的晶体偏转的束的取向。

γ₁₂(λ,f₁)＝θ(λ,f₁)-δ   (5)

在第二构造中，第二AOD 14以与第一AOD 13相比旋转90°的入射和输出偏振操作。因此，第一AOD 13的输出偏振不能旋转(半波片可以省略)。而且，第二AOD 14中的声波方向应当与第一AOD 13中的相同，其不应当旋转。第二AOD 14之后的偏转角θ₂可以通过解方程(6)来计算出。

角度θ₂可分析地表达为四次方程的根之一，但是其是复杂的。因此，我们提出在数字上解方程：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_2(\mathrm{\λ},f_1,f_2)=-{\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)+\\ +\mathrm{root}\left(\begin{array}{c}{n}_o^2\left(\mathrm{\λ}\right)-{\left(\frac{f_2\mathrm{\λ}}{v_a}\right)}^2-\frac{{n_e}^2\left(\mathrm{\λ}\right)\·{n_o}^2\left(\mathrm{\λ}\right)}{n_e\left(\mathrm{\λ}\right)\·\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)+n_0\left(\mathrm{\λ}\right)\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}\\ -\frac{n_o\left(\mathrm{\λ}\right)n_e\left(\mathrm{\λ}\right)}{\sqrt{{n_e}^2\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+{n_o}^2\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}}\cos ({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)-{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right)\end{array}---\left(6\right)$

另外，使用不同入射偏振和声光单元旋转的两个设置的操作是相当的，并可使用几乎相同的物理图来描述。

如果光学系统是显微镜，则偏转角θ₂通过光学链(optical chain)转换为目标上的焦点位置。该链的最后元件是显微镜物镜16。方便起见，位置坐标限定为与原点相距x、y和z距离。该原点是物镜16的光轴Z与主焦平面相交的点。需要选择与该光轴Z一致的偏转束方向。

第二AOD 14还具有中心声频，通常为工作声带的中心。在两个设置中，可以在两个连续的AOD 13、14中选择变化，尤其是声频f₁和f₂，使得偏转两次的束18、18'在第二AOD 14之后不会包含角色散，因为第二AOD 14精确地消除由第一AOD 13引入的色散。这在频率f₁和f₂几乎相等时发生。

不具有角色散的束容易被设定为与第二AOD 14后面的光学系统的光轴Z一致。

分别在第一和第二AOD 13、14中在其它声频f₁和f₂衍射的束18、18'的角色散不是零，并取决于频率差：

$\frac{{\∂\mathrm{\θ}}_2(\mathrm{\λ},f_1,f_2)}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{{\∂}_{{\mathrm{\γ}}_{12}}(\mathrm{\λ},f_1)}{\∂\mathrm{\λ}}-\frac{\∂}{\∂\mathrm{\λ}}\arctan \left(\frac{\mathrm{ne}({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1),\mathrm{\λ})\·\sin \left({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)\right)-\frac{f_2\mathrm{\λ}}{v_a}\cos \left({\mathrm{\α}}_0\right)}{\mathrm{ne}({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1),\mathrm{\λ})\·\cos \left({\mathrm{\γ}}_{12}(\mathrm{\λ},f_1)\right)+\frac{f_2\mathrm{\λ}}{v_a}\sin \left({\mathrm{\α}}_0\right)}\right)---\left(7\right)$

形式上，光轴z可存在于方程(7)的右侧等于零的地方。在δ＝0和相同的AOD 13、14的情况下，这在f₁＝f₂时发生。随着频率差f₁-f₂增加，角θ₂和角色散增加，遵循方程(6)的预期。

第二AOD 14之外的可见偏转角θ_def、θ_def'可以使用其依赖于波长的折射率而计算出，其在两种情况下因不同的偏振状态而略有不同。

θ_def(λ,f₁,f₂)＝asin[n(λ)·(θ₂(λ,f₁,f₂)-θ₂(λ_c,f_c1,f_c2))]   (8)

在此，λ_c、f_c1、f_c2分别是中心光学波长和声频，它们确定AOD 13、14之后的光轴Z。

通过概括基于棱镜10的角色散补偿方法，可将最佳补偿器系统20设计成补偿上述空间上可变的角色散。该补偿器系统20由球面和非球面透镜构成，并符合下列标准：

·该补偿器系统在指定平面中产生AOD对的第二AOD 14的图像：在不同声频偏转的束18、18'会在该平面中彼此重叠，但是在该平面处，每个束会具有不同传播角M*θ_def、M*θ_def'。理想地，在显微镜系统中，该平面与显微镜物镜16的入瞳一致。

·每个偏转束18中的不同波长成分18a、18b、18c在补偿器系统20的最后透镜组24之后尽可能平行，但是维持在不同声频f₁、f₂和f₁'、f₂'偏转的束18、18'的角变化。

如上所讨论的，补偿器系统20包括三个主要部分：第一透镜组22，其将偏转束18、18'聚焦于第一透镜组22的焦平面FP；补偿器元件26，其补偿偏转束18、18'的角色散；以及第三透镜组24，其使频谱成分18a、18b、18c平行，并在物镜16的出瞳处产生图像。

补偿器元件26可制造为具有半径R₁的第一表面26a和半径R₂的第二表面26b的玻璃片。

如上所说明的，第一透镜组22将偏转束18、18'聚焦于其焦平面FP，在焦平面，偏转束18、18'在空间上分离，每个偏转束18中的波长成分18a、18b、18c也分离，但是有至少约一个数量级的减少量，通常为1至2个数量级的减少量。具有焦距foc₁的第一透镜组22将偏转角θ_def、θ_def'转换为在焦平面FP中从光轴Z测量的空间距离r、r'：

r(λ,f₁,f₂)＝θ_def(λ,f₁,f₂)·foc₁   (9)

频谱成分18a、18b、18c的空间扩散中的角色散如下描述：

Δr(λ₁,λ₂,f₁,f₂)＝(θ_def(λ₁,f₁,f₂)-θ_def(λ₂,f₁,f₂))·foc₁   (10)

频谱成分18a、18b、18c的角距随着离光轴Z的距离r的增加而增加。与频率成分相关联的主角度为r(λ)/foc₁。

为了有效地补偿角色散，棱镜10是最有利的解决方案。可以通过恰当地选择入射角α₁和棱镜开口角α_P来使棱镜10可补偿的角色散的量与指定色散值相配。棱镜之后的输出角被指定为：

${\mathrm{\α}}_2({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_P,\mathrm{\λ})=a\sin \left(n\left(\mathrm{\λ}\right)\sin ({\mathrm{\α}}_P-a\sin \left(\frac{\sin \left({\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\right)}{n\left(\mathrm{\λ}\right)}\right))\right)---\left(11\right)$

取决于波长的入射角α₁可由棱镜10的倾角β(即，光轴Z与入射角之间的角度)和传播的取决于波长的角θ_def确定：

α₁(λ)＝θ_def(λ,f₁,f₂)-β   (12)

棱镜10的总偏转角：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\α}({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_P,\mathrm{\λ},f_1,f_2)={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{def}}(\mathrm{\λ},f_1,f_2)+\mathrm{\β}-\\ -a\sin \left(n\left(\mathrm{\λ}\right)\sin ({\mathrm{\α}}_P-a\sin \left(\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{def}}(\mathrm{\λ},f_1,f_2)-\mathrm{\β})}{n\left(\mathrm{\λ}\right)}\right)\right))-{\mathrm{\α}}_P\end{array}---\left(13\right)$

棱镜之后的零角色散要求可表述为：

$\frac{\∂\left[\mathrm{\Δ\α}({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_P,\mathrm{\λ},f_1,f_2)\right]}{\∂\mathrm{\λ}}=0---\left(14\right)$

为了补偿随离光轴Z的距离r增加的角色散，倾角β和棱镜开口角α_P应当改变：可计算出两个函数β(r)和α_P(r)。

从这些关系中，可以计算出一起充当具有变化和匹配的倾角(或入射角)和开口角的棱镜的第一表面26a和第二表面26b的标称半径R₁和R₂。

在第一方法中，设想这些表面26a、26b为绕上述限定光轴完美对称的球面，第一表面26a的半径R₁可表述为：

R₁＝r/sin[β(r)]   (15)

第二表面26b的半径R₂可表述为： $R_2=r/\sin [{\mathrm{\α}}_P\left(r\right)-a\sin \left(\frac{r}{R_1}\right)]=r/\sin [{\mathrm{\α}}_P\left(r\right)-\mathrm{\β}\left(r\right)]---\left(16\right).$

然而，最佳表面26a、26b不是球面，它们可表述为非球面或圆锥表面，具有由方程(15)和(16)给出的主半径：

$z=\frac{\frac{1}{R_1}{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_1)\frac{r^2}{R_1}}}+\underset{n=1:6}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{r}^n---\left(17\right)$

圆锥和非球面参数(图4所示)通过适当的优化来确定。半径R₁、R₂和光轴Z处的最小玻璃厚度d的值也可使用Zemax的优化算法通过优化来确定。连续地使用两个评价函数，一个包含物镜16之前的角色散和孔径，第二个指向样品平面(物镜16的焦平面)中的最小光斑大小。这两个的叠代导致指定材料的最优表面26a、26b以及补偿器系统20的其它光学参数：透镜之间的距离和焦距。补偿器元件26可由任何高度色散的玻璃制成，比如SF10、SF11等。对于每个材料，需要单独的优化。

设置的第二透镜组24通常包括单个透镜，其用于将偏转束18、18'成像至物镜16的后孔径上，并用于以每个偏转角M*θ_def、M*θ_def'填充物镜孔径。第二透镜组的焦距和位置也得到优化。例如，当补偿器系统20与LumPlan 20x Olympus物镜结合使用时，在该位置可使用210mm焦距的Olympus扫描镜头。从上面方程中明白的是，对于预选用于角补偿器系统20的第二透镜组24的许多商用透镜，可优化补偿器元件26的定制表面(custom surfaces)26a、26b的参数。优化和分析必须针对每个组合执行，以在指定角分辨率范围内给出最高视场。

当与使用简单望远透镜系统而不是创造性的补偿器系统20的常规设置比较时，我们发现，在相同的聚焦光斑大小和该区域边缘的色散情况下，

使用创造性补偿器系统20可获得700μm的横向视场，而使用常规望远透镜系统仅获得420μm的横向视场。

清楚的是，如果第二对AOD用于在垂直于由第一对AOD 13、14引起(occasion)的偏转方向(x)的横向方向(y)上偏转束18、18'，则相同方程可用于在垂直于x的方向，即y方向上计算补偿器元件26的表面26a、26b。

类似于图2和3所示的布置可用于补偿由单个偏转器13或14引入的角色散。当比较包含一个和两个偏转器13、14的布置的偏转角依赖性时(图6和7)，明显的是，在两种情况下依赖性是线性的，具有一些差别：

1、在一个偏转器情况下，曲线不会穿过原点，所以在所有偏转角处存在非零角色散。

2、在单个偏转器情况下，曲线的斜率是在双偏转器情况下的两倍。

第一差别表明，色散补偿器20的布置不是绕轴Z柱形对称的，如图2，补偿器元件26必须相应地倾斜和偏移，以补偿x-z和y-z平面中的非零角色散。两个布置之间的第二差别表明，补偿元件26的形状(尤其是曲率半径)在单个偏转器情况下和在双偏转器情况下是不同的。可使用上面针对双偏转器/偏转平面构造详细给出的方法精确地计算倾角β和曲率半径。补偿器元件26的表面26a、26b不会垂直于由两个透镜组22和24的共用轴形成的轴，两个透镜组还应当布置成与物镜16具有共用轴。

上述实施例仅作为说明性示例，并不应当认为是限制本发明。在不脱离由所附权利要求确定的保护范围的情况下，各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1.一种补偿器系统，适于补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散，其中，每个偏转束的角色散取决于由所述声光偏转器的偏转声频获得的所述偏转角，其特征在于，所述补偿器系统包括：

-第一透镜组，通过将所述束基本上聚焦于所述焦平面上而在空间上分离具有不同偏转角和角色散的所述偏转束；

-补偿器元件，具有第一表面和第二表面，并布置成使所述补偿器元件的第一表面基本上位于所述第一透镜组的焦平面中，所述补偿器元件的第一和第二表面具有标称半径R₁和R₂，所述第一表面和第二表面一起充当具有倾角β和棱镜开口角α_p的棱镜，所述倾角β和棱镜开口角α_p随着离所述光轴的距离而变化，以补偿所述在空间上分离的偏转束的角色散；

-第二透镜组，布置成使从所述补偿器元件出射的每个偏转束的不同波长成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的束的角变化。

2.如权利要求1所述的补偿器系统，其中，所述补偿器元件适于补偿由至少一对声光偏转器偏转的束的角色散。

3.如权利要求2所述的补偿器系统，其中，所述补偿器元件适于补偿由在第一横向方向(x)上偏转所述束的第一对声光偏转器以及在第二横向方向(y)上偏转所述束的第二对声光偏转器偏转的束的角色散。

4.如权利要求1至3任一项所述的补偿器系统，其中，所述第一透镜组(22)由双透镜构成，所述第二透镜组(24)由单个透镜构成。

5.一种补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散的方法，其中，每个偏转束的角色散取决于由所述偏转声频获得的所述偏转角，其特征在于，

-通过经由第一透镜组将所述束基本上聚集于所述第一透镜组的焦平面上而在空间上分离具有不同偏转角和角色散的所述偏转束；

-根据所述指定束的角色散，补偿所述在空间上分离的偏转束的角色散；

-使每个偏转束的频谱成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的所述束的角变化。

6.如权利要求5所述的方法，其中，补偿所述在空间上分离的偏转束的角色散的步骤包括提供补偿器元件，所述补偿器元件具有第一表面和第二表面，并布置成使所述补偿器元件的第一表面基本上位于所述第一透镜组的焦平面中，所述补偿器元件的第一和第二表面具有标称半径R₁和R₂，所述第一表面和第二表面一起充当具有倾角β和棱镜开口角α_p的棱镜，所述倾角β和棱镜开口角α_p随着离所述光轴的距离而变化，以补偿所述在空间上分离的偏转束的角色散。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中，通过所述光学系统的至少声光偏转器对使所述束偏转。

8.如权利要求7所述的方法，其中，通过在第一横向方向(x)上偏转所述束的第一对声光偏转器和在第二横向方向(y)上偏转所述束的第二对声光偏转器使所述束偏转。

9.一种光学系统，包括至少一个声光偏转器，其特征在于包括如权利要求1所述的补偿器系统。

10.如权利要求9所述的光学系统，其中，所述光学系统包括两个连续的声光偏转器，补偿器系统布置在每个声光偏转器之后。

11.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述光学系统至少包括声光偏转器对，所述补偿器系统的补偿器元件适于补偿由至少所述声光偏转器对偏转的束的角色散。

12.如权利要求11所述的光学系统，其中，所述光学系统至少包括在第一横向方向(x)上偏转所述束的第一对声光偏转器和在第二横向方向(y)上偏转所述束的第二对声光偏转器，所述补偿器系统的补偿器元件适于补偿由所述第一和第二声光偏转器偏转的束的角色散。

13.如权利要求1至4任一项所述的补偿器系统，其中，取代所述声光偏转器，适于电光偏转器或全息空间调制器或这些偏转器的组合的要补偿的角色散。

14.如权利要求5至8任一项所述的方法，其中，取代所述声光偏转器，适于电光偏转器或全息空间调制器或这些偏转器的组合的要补偿的角色散。

15.如权利要求9至12任一项所述的光学系统，其中，取代所述声光偏转器，适于电光偏转器或全息空间调制器或这些偏转器的组合的要补偿的角色散。