CN104204898B - 光片光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种光片光学系统，该系统包括用于使用无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的光束形成光片的装置，所述光束具有垂直于传播方向的非对称强度光束分布，例如艾里光束。
Description
技术领域
本发明涉及扩展容积的高分辨率成像的方法及系统。
背景技术
容积成像的应用可以在可以从医疗到制造业、基础研究及防御的各行各业中找到。通常，现有技术限制了能够在给定的时间帧内捕捉的收集容积和分辨率。以光学显微镜为例，共焦扫描是直到最近的黄金标准，但是其收集时间受限于扫描速度，该扫描速度反过来受限于激光功率和样本的损伤阈值。各种形式的光片显微镜如正交平面光学切片、选择性平面照射显微镜(SPIM)，超高倍显微仪(ultramicroscopy)或数字扫描的激光片显微镜(DSLM)，解决了这一问题。通过以分段的方式照射待成像容积同时从被照射部分快速捕获尽可能多的信息，例如，使用充足放置的检测器阵列诸如电荷耦合器件相机(CCD)，防止了多余的背景信号和光损伤。随着它的各种实现，这项技术使快速高反差四维光学切片成为可能，并且已经彻底改变活生物体的研究。
基于高斯光束的传统光片显微镜的问题是高的各向同性分辨率需要严格聚焦的光片，因此具有高数值孔径(NA)的照射。但是，这限制了严格聚焦的光片能够保持的距离，从而限制了可用视场。因此，使用标准高斯光片的单一扫描有效地使大容积成像的能力与高分辨率成像是矛盾的。
以最大分率使大容积成像是许多研究领域的关键，诸如，生物学研究成像，无论这是原始细菌，原核生物还是真核生物，以及在亚细胞、细胞、组织以及在所有有机体中。示例包括在干细胞研究和在发育生物学中的胚胎学、细胞命运映射(cell fate mapping)、神经生物学、球状体细胞。大容积的高分辨率成像也可以用在胶体物理学领域中，以及用于使纳米结构(比如 三维超材料)成像。
已经提出了若干解决方案。一般地，对于可能阻碍重复扫描的成像速度和光损伤的相关联结果，这些是受限制的双光子激发或需要大量样本曝光。在光片显微镜中贝塞尔光束已经被用来扩展成像容积。零贝塞尔光束的横向强度分布具有中心光斑和一系列远离光束中心的同心圆环。这些圆环显著恶化了轴向分辨率。
贝塞尔光束中心的共焦检测可以改善轴向分辨率。但是，它优于常规的共焦显微镜的优点是很小的，因为通过光片光束的共焦检测一大部分光被遮挡，并且由于图像是逐行获取而不是逐平面，扫描速度受限于相机。同时先前工作表明通过使用传播不变性、无衍射贝塞尔光束扫描容积可以被扩展，对于单个光子激发，权衡是信噪比中的重大损失，并且分辨能力达到与生物成像相兼容的照射水平。
发明内容
本发明提供一种用于创建在扫描方向中具有非对称强度分布的光片的装置，例如，平方艾里函数。这种光片可以是非平面的并且可以用于光学操控或者用于扩展容积的高分辨率成像。该非对称光片可以从无衍射、传播不变性的光束中被创建，这里定义为在垂直于其传播方向的平面保持几乎相同的强度分布的任何光束。该分布可以垂直于传播方向平移或加速。本发明的光片的无衍射性质可以被用于扩展视场，以及由此使光片显微镜的容积成像。
非对称光片的使用能够使高分辨率遍及整个成像容积。完全无衍射、传播不变性的光束只存在于理论中。但是，足够类似非衍射近似值的这种光束的存在仍然使得视场显著扩展。例如，使用立方相位调制的傅里叶变换简单地生成的非对称艾里光束，能够扩展一个数量级的视场，同时保持高各向同 性分辨率。
可选择的，通过在光片生成后调制照射路径，非对称和/或传播不变性的光片可以从任何对称光片中被创建。调制元件的位置可以被放置在照射路径中任意方便的地方，包含在任意光学组件中，照射物镜、光片生成元件，或者激光源的形成部分中。通过时间调制对称和/或传播不变性的光片强度同时垂直于传播方向扫描它，非对称强度分布(profile)也可以被创建。
本发明的光片光学系统可以被配置用作光片成像系统和/或光片光谱学系统，例如拉曼光谱学系统，和/或光片显微镜系统和/或在诸如任何惰性的颗粒或生物的颗粒或细胞的颗粒上施加光作用力的光片系统，例如光学捕获系统或光引导系统。
在照射或辐射图案(pattern)或图案集的一般意义下，术语“光片”用于本发明的描述。术语“光片显微镜”或“光片成像”被使用，与“光片”如何投入到容积中或信息从被辐射部分如何被采集无关，尽管这在微小范围内是不必要的。
更可取的，传播不变性、无衍射非对称光束具有自愈性能，例如，在穿过障碍物后该光束可以自身修复(参见例如“Optically mediated particle clearing using Airywavepackets”by Baumgartl et al Nature Photonics，2，November 2008)。理想地，在其调制传递函数(MTF)中，针对低空间频率光束应该没有或有最小数目零值。
光片具有非对称的横向强度分布，诸如平方艾里函数。传播不变性、无衍射非对称场可以具有包括相位项的傅里叶变换，该相位项在其多项式泰勒展开式中具有二阶或更高阶分量，例如三阶或更高阶分量。例如，艾里光束在其傅里叶变换中具有立方相位项。对称强度分布应该具有实数光学传递函数，其在失焦下将变成震荡的并通过零点。这些零点代表无法复原的图像信息损失，从而限制了对称光片的视场。与此相反，任何非对称分布产生复数 值的光学传递函数，使得实数和虚数部分同时为零很少发生，即使在失焦下传递函数变成震荡的。
当用于成像时，本发明的光片可以增加缺少MTF零点的视场，从而保留尽可能多的信息。对于人类观察者，记录的图像序列并不需要是清晰(sharp)的并且可以显得模糊不清的。如果它包含必要的信息，通过数字装置(诸如典型的实时处理的简单的一维线性反卷积)可以重建清晰图像。通过这个混合的光学数字方式给出的附加自由度可以被利用以设计光片，以使最终处理的图像的质量最大化。图象反卷积步骤只有当人类观察者获取图像时必要。机器视觉应用，诸如样本的自动化检查，可以跳过图像反卷积步骤而直接从记录的数据中获得需要的信息。
根据本发明的实施方式，于此提供一种用于使容积成像的光片显微镜，包括用于使用传播不变性、无衍射非对称光束诸如艾里光束形成光片的装置。尽管多光子激发光片显微镜学可以得益于非对称光束，更可取地是使用单个光子激发。
为光片成像使用艾里光束为单个光子激发提供高分辨率以及大视场。只需要每一图像分段的单个曝光；但是，一组相邻的记录的图像分段包含关于重建的图像容积的每个二维薄片(slice)的信息。因此，最理想的清晰度只有通过使用数字反卷积获得。该技术使得例如样本以亚细胞分辨率被研究，同时提供交互的整体视图。该技术的线性特性促进它的扩展超出荧光成像到其它成像形式，这种散射和光谱学如拉曼成像和相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。
Berry,M.V.&Balazs,N.L.Nonspreading wave packets Am.J.Phys.47,264-267(1979)已经从理论上表明艾里波群是自由粒子的薛定谔方程的“无衍射”解决方法。在不存在任何外部电势时，波群可以垂直于其传播方向自由加速。如最近证明的，在光学领域，薛定谔方程和傍轴近似方程之间的数学 类比可以被用于实现有限能量的艾里光束，参见Siviloglou,G.A.,Broky,J.,Dogariu,A.&Christodoulides,D.N.“Observation ofAccelerating Airy Beams”Phys.Rev.Lett.99,213901(2007)。光束具有中央极大和多个表现出横向运动的旁瓣的形式。
与直观相反，艾里光束具有垂直于与其光场有关的传播方向的加速[Berry,M.V.&Balazs,N.L.Nonspreading wave packets Am.J.Phys.,47,264-267(1979)]。相应于横向加速，粒子轨迹可以被诱导以遵循抛物线轨迹。与艾里光束一样，其它抛物线型的光束，或者光束/光束阵列/扫描光束的适当组合可以被使用。抛物线型的光束的示例在Davis,J.A.et al，Observation of accelerating parabolic beams.Opt.Express 16，12866-12871(2008)中被描述。
使用任何形式的静态的或动态的折射、反射或衍射光学元件或者从特定激光中直接发出的光束，本发明的非对称光片可以被形成。使用例如空间光调制器的动态调制提供附加优点，光片可以为系统或样本校正诱发畸变；但是，静态调制可低成本的以具有适当的表面/折射率调制或衍射光栅的传播或反射的光学元件的形式获得。调制元件可以执行多种功能，例如，其可以集成到光片生成元件、激光、透镜、或其它任何被辐射的组件中。
可以提供用于移动和定位非对称光片的装置以遍及样本容积在不同位置捕获图像，以及确保检测物镜的焦平面关于非对称光束光片是放置好的。
光片可以由光片的横向结构形成的多个光表面组成，使用检测器阵列可以从其中并行收集信息。多个表面可以由诸如由艾里光片创建的非对称光片的旁瓣形成。
为了有助于对准，第二物镜和检测器可以被放置在照射轴上的光片路径中。
尽管选择的光片可能是弯曲的，但扩展成像系统的视场是不必要的。但是，该弯曲可以被用于将光学‘弯曲’力施加至微观体。
附图说明
本发明的各个方面现在将通过举例的方式并参考附图进行说明，其中：
图1示出了艾里光束光片显微镜的简单原理图；
图2例证了具有若干可选元件的艾里光束光片显微镜的可选择的几何结构；
图3示出了不同光片类型的调制传递函数；
图4同样示出了四种不同的光片及由其各自的光片类型获得的仿真的和实验的图像。该图像示出了对于记录的原始数据和反卷积数据量的y轴最大强度的投影；
图5示出了由各种光片成像的一组人体胚胎肾脏细胞的荧光线粒体；以及
图6示出了可以用于扩展光片显微镜的成像容积的各种可供选择的非对称光片类型。
具体实施方式
图1是光片显微镜的操作原理的简单原理图。这示出了照射传播方向(x)、光束被扩展以形成光片的方向(y)、以及检测轴(z)。当光片相对于样本被置换的时候，沿z轴放置的检测器从被照平面记录一系列的图像。
激光器的输出光束穿过透镜L1和L2并且被可以是柱面透镜或者扫描装置诸如声光偏转器(AOD)的光片生成元件(LSG)转换为光片。透镜L1和L2针对LSG的直径调整光束。之后光束穿过透镜L3和L4并且借助于遮罩MK1形成扩展光片的成像容积。这可以是静态的或动态的可移动的或可切换的空间光调制器(SLM)。这种调制可以在照射路径中的任意点被引入，之前，之后，或者与诸如光片生成元件的其它光学元件结合。在这个特定配置中，透镜L3和L4调整光束以适应遮罩MK1的尺寸。透镜L5和L6调整遮 罩MK1输出的光束以适应物镜OBJ1。
通过空间光调制器M1传播的光照射样本，并通过物镜OBJ1被聚焦到特定的样本区域。使用相同的或第二物镜OBJ2和相机(CAM1)捕获样本的图像栈。可选择的，第三物镜OBJ3和第二相机(CAM2)可以被用于系统的校正。镜筒透镜(TL1和TL2)可以被用来使来自物镜(OBJ2和OBJ3)的光分别聚焦到相机(CAM1和CAM2)的有效区域(active area)。遮罩MK1创建例如艾里光束的光束，其为类似无衍射的(即传播不变性的)和自愈的(self healing)。相对于使用传统高斯光片实现的，这允许了沿着x轴的成像容积的至少一个数量级的扩展。
可选择的遮罩MK2，可以被插在或者靠近第二物镜OBJ2的后孔径以增加检测路径的景深，从而促进对准并且这可以使得制造成本减少。附加的光学元件也可以有意地引进焦平面曲率以改善光片的检测焦点的一致性。
图2描述了可供选择的几何结构的原理图，其允许在诸如标准显微镜载片或者载盘的水平表面上的浸入样本的水成像。如图2所示，通过相对于水平的样本台45度放置的照射和检测物镜，这是可行的。通过如箭头“扫描方向(scan dir.)”指示的对角地平移样本，三维容积成像可以如先前图1所描述的被记录。
更具体地，图2示出了发射光束通过透镜L1和L2被扩展以匹配遮罩MK1(在这个示例中没有使用遮罩MK2)的激光器。如前，遮罩可以是静态的或动态的可以移动或可切换的空间光调制器(SLM)。穿过遮罩MK1以后，之后光束穿过透镜L3，在这聚焦到虹膜I1并穿过另一透镜L4，在这使其适合于光片生成元件(LSG)的直径形成。LSG可以是柱面透镜或者扫描装置，诸如声光偏转器(AOD)。之后被LSG形成的光片穿过透镜L5，在这被聚焦到虹膜I2并穿过另一透镜L6，透镜L6使光片对准提供偏振控制的四分之一波片。从这，光片从第一反光镜(mirror)M1被反射到第二反光镜M2，并 且从这反射到相对于水平样本台45度放置的照射物镜OBJ1。已经穿过台上样本的光穿过检测物镜OBJ2到第三反光镜M3，并且从这到第四反光镜M4，其中直接到相机CAM1。
平面镜M1到M4可以被用来促进样本的物镜垂直对准。在以防万一示例中，反光镜M2和M3可以关于物镜OBJ1和OBJ2的轴分别被固定。反光镜M1和M4的适当对准使得物镜OBJ1和OBJ2和反光镜M2和M3相对于样本台垂直升降而不需要改变对准。
图2的照射路径是图1所示的变形。各种可选择的元件被包括以控制偏振并过滤光。在图1和图2中的MK1和LSG的不同顺序说明许多光学元件的顺序可以被重新排列。在图2中的可选择的虹膜I1和I2选择了第一衍射级以使得更灵活并且阻止了样本的不需要的照射。如图1所示，透镜L1至L6形成望远镜以传递不同组件之间的光。可选择的偏振控制元件，λ/4，可以被引入以控制光的偏振，如，通过使线性偏振光转换为圆偏振光，其产生更多相同的荧光激发。如用来阻挡激发光并选择荧光发射的滤光片F可以被引入到OBJ2和相机CAM1之间。如果需要或者方便的话，照射路径和检测路径的元件可以比反光镜分别到OBJ1和OBJ2更接近。
图3：为评价光片显微镜的各种光束类型的性能，已经执行了调制传递函数(MTF)的研究。MTF提供的相对条纹对比度作为空间频率的函数，提供了对各种照射类型的对比和分辨率之间的关系的理解。MTF作为光学传递函数的绝对值被计算，这里定义为归一化(normalise)光片强度的z轴部分的傅里叶变换。图3示出了光片的各种类型的MTF，(a)在照射焦点位置，以及(b)在失焦平面(x＝25μm)。空间频率(νz)被归一化为最高传播空间频率归一化为：2NA/λ，其中λ和NA分别是照射波长和数值孔径。贝塞尔光束的两个近似值被比较：‘贝塞尔10％’和‘贝塞尔5％’，其可以使用具有10％和5％的半径的相对开放的部分的环形孔径被分别形成。
图3(a)示出了有孔径高斯的MTF在光片腰部(黑色的点划线)提供的最高对比度。但是，从图3(b)中可以看出对比度显著地下降而且甚至具有很多远离光片腰部的零值。因此，传统的孔径高斯光片只是在靠近光片腰部有值。贝塞尔和艾里光束示出了焦点对准和失焦的更小的变化，因此对于靠近光片腰部的成像是不受限制的，遵从于相关的视场增强。但是贝塞尔光束的MTF(蓝色实线和红色点线)显著地低于艾里光束(绿色实线)所关联的。此外，相比之下，具有5％的比较小的开放的部分的贝塞尔光束示出了按比例的减小，基本上限制了在实际中可以达到的分辨率；此外，可以示出理论的贝塞尔函数的对比度收敛为零。这是不成功的，因为由最窄的环产生的贝塞尔光束遵从于最大的视场。一般而言，大视场只可以使用贝塞尔光束光片通过权衡分辨率被获得。艾里光束免于这种限制性权衡。由于艾里光束的不对称，它的传递函数不是严格的实数并且具有依赖复自变量的空间频率。传递函数的复数特性使诱发变化的散焦引起它的实部和虚部同时变为零是非常不可能的。所以，对于非对称光束，低MTF值只针对大散焦和在高空间频率出现。与贝塞尔光束相关联的显著的对比度减小不同，相移不影响信噪比并且因此通过简单的线性反卷积很容易被解释。
在传播期间，在某种程度上甚至在障碍物(诸如散射物质)存在的情况下，艾里光束保持它的横向强度分布(“自愈”或“自修复”)。由于其具有旁瓣并且遵循抛物线轨迹，艾里光束可能不会出现光片成像的要求。但是，在实际中，已经发现使用传播不变性，无衍射艾里光束针对光片成像扩展了至少一个数量级的有效的视场，超出使用传统的孔径高斯光束可实现的。
在传统光片显微镜的照射路径中，通过简单的合并立方相调制，如使用具有空间上变化的光学厚度的透明材料，可以完成将传统的光片显微镜转换为艾里光片显微镜。数学上的立方相调制可以被写作其中α是可调整光片的传播不变性以匹配需要的视场的参数，而μy和μz是分别与y和z 轴对准的笛卡尔坐标的归一化。通过确定遮罩的方向以使艾里光束的弯曲保持在光片的平面内使艾里光束光片成为平面的将是可能的。由于在y方向上，点扩展函数是由时间平均的光束强度形成，光片MTF是艾里光束的二维MTF通过原点的部分。可以计算出45度的遮罩旋转以保持传播路径在光片平面内将在低空间频率将对比度减少到几乎为零。这并不是完全出乎意料的，因为尽管非对称光束用于创建光片，但由于沿着y轴的时间平均光片本身将会是非对称的。
各种实验被实施以测试相比于其它光束类型的光片显微镜的艾里光束(或它的各种实现)的效果。在这些实验中，传统激光束(Coherent Verdi V6,6W 532 nm)被扩大以填充声光偏转器(AOD，Neos AOBD 45035-3)的孔径并且通过一段2s的周期沿y轴扫描激光焦点创建光片，比最短的收集时间(840s)大大缩短。其次，AOD孔径是使用放大的望远镜再成像以超出空间光调制器(SLM,Hamamatsu LCOS X10468-04)的有效区域。在研究中SLM的使用使得各种光片类型之间的快速动态转换实现并且使得针对各种光束类型被记录的数据立方体并行，使图片漂白和样本移动的影响缩减到最小。这使得在系统中的剩余像差消除，保证光束很类似理论的描述。
使用在其焦点处具有狭缝孔径以选择第一衍射级的缩小的望远镜(0.5x)，SLM的有效区域被成像到照射物镜(Mitutoyo 20x/0.42，工作距离20mm)的后孔径上。光束被聚焦到样本之内，该样本被约束在正方形分布的硼硅玻璃毛细管中(Vitrocell 8250-100，边长1mm，壁厚200μm)。毛细管被固定在PDMS中的荧光聚苯乙烯粒(Duke R900)填充，并被安装在xyz压电式台上(Mad City Labs,Nano-LP200)以使样本关于光片和检测物镜的焦平面自动定位。
经由正交安装的具有适当的镜筒透镜和荧光滤光片的物镜(Newport20x/0.40)使用CCD相机(Basler piA640-210gm)检测荧光。注意到，正交 放置的物镜是典型的，但是，其它配置可能是更方便的诸如穿过检测透镜或相反放置的二级透镜或波导的斜照射。使用压电式台平移和具有SLM的全息偏转的组合，光片以100nm的步长通过样本被扫描。
数字后期处理经常受限于点扩展函数的有限知识，这可以引起图像偏移和边缘震荡效应，例如在到艾里光束焦平面的距离是不确定的时。但是，这在光片显微镜中并不是问题，因为侧面检测意味着直接关系存在于光片的传播距离和在检测器阵列的位置之间。因此线性反卷积可以精确地校正光学传递函数的振幅和相位，不但有效地消除艾里光束光片的弯曲，而且消除源于用于创建艾里光束的有限孔径的任何残余相位伪影。此外，精确的点扩展函数的知识意味着光片不必是传播不变性的，对于所需要的空间频率和视场MTF没有零点是足够的。所以，非对称光束的大家族可以用于扩展光片显微镜的视场。图6描述了几个示例。
图4示出了具有各种光束类型的光片显微镜的实验和仿真数据。光束在顶行被示出。对于(从左到右)孔径高斯，分别具有10％和5％的孔径半径的环形孔径宽度的两个贝塞尔光束光片，以及艾里光束光片，沿y轴的最大强度投影被示出。行2示出了如在实验中使用的具有相同参数的光片显微镜性能的仿真。行3示出了仿真数据的反卷积。行4示出了包含荧光微球粒的PDMS样本的实验数据。行5示出了实验数据的反卷积。所有的图像具有相同的尺寸和坐标系统，其中焦平面在x≡0处。为了清晰，伪彩色编码被用于实验图像和光片分布(profile)(反向刻度(inverted scale))。
图4表明相对于传统的和沿x轴的贝塞尔光束照射，对于传统的高斯光片，高分辨率和大视场可以使用艾里光束光片获得。对于传统的光片显微镜，距离光片腰部超过10μm的荧光微球粒不能被分解。远离焦平面，MTF(cf.图3b)中的空值导致不可改变的对比度损失和随之发生的反卷积伪影。贝塞尔光束光片有效地扩展视场到20μm或40μm，近似相反地依赖于环形宽 度，如果孔径用于创建光束。通过考虑在图4顶行描述的光束强度分布，可以理解在这个区域之外的分辨率的突然丢失。在大约20μm和40μm处，可以看到轴上强度如何快速地降低。此时，由于环形孔径内部和外部边缘之间的光路径差异，相消干涉导致光束的退化。环形宽度的减小导致视场的增加。但是，也要注意的是这对分辨率有不利影响。通过对比图3中示出的贝塞尔光束MTF曲线，这可以更多定量的被看到。
对照贝塞尔光束，使用艾里光片成像的相同样本具有覆盖整个感兴趣区域的视场，而同时遍及全视场保持高的轴向分辨率。此外，因为低峰值功率单个荧光团的4D追踪是可能的，由于艾里光片的旁瓣，通过多帧可以采集有用信号。因此，相比于传统的或贝塞尔光束光片成像，荧光饱和、漂白和光损伤是不太可能的。因此，艾里光片的使用可以扩展荧光团的使用寿命。
通过悬浮在琼脂糖胶中的人体胚胎肾脏细胞成像，本技术的对于生物样本的适用性可以被进一步证明。为了能够实现分辨率对比，细胞被转染以在线粒体中表现出红色(DsRed)荧光蛋白。使用预先混入琼脂糖胶的荧光微球体作为靠近感兴趣细胞的荧光探针来完成现场波前校正。图5示出了通过传统光片显微镜难以接近的容积传播的一组细胞。所有光束的x和y轴视图均被示出。虽然可以看出两个贝塞尔光束光片比孔径高斯光片分解更多的细胞，但是只有艾里光束光片显微镜可以分解全部细胞，并且以高分辨率完成。
图6示出了可以被用于扩展容积光片成像的不同的非对称光片的示例。左列：相位调制的等式，指定的弧度，作为归一化的瞳孔坐标函数u。如第一行中等式所描述的抛物线型的光束和艾里光束都具有立方相分布。第二行和第三行分别示出了分式和五分之一阶指数。第四和第五行示出了测角和指数函数，在其泰勒展开式具有无穷的分量。作为最后的示例，第六行示出了结合高斯振幅调制的二阶的多项式相位调制。
图6的第2列示出了相位(蓝色粗实线，[波长单位])、传播振幅(黑色 虚线，任意单位)。除了最后一个出于说明目的使用高斯切趾法被调制的类型，光束的振幅不被调制。图6的第3列示出了由于相应的调制引起的光束(以及因此的光片)的强度分布。第4列示出了在各自光片的腰部的MTF(蓝色粗实线)，以及用于对比的传统孔径高斯光片的MTF(红色虚线)。第5列示出了与引入两个波长的光路径差的散焦相一致的失焦MTF(W20＝2λ)。与传统孔径高斯MTF不同，在调制光片的MTF中没有空值可以被看见，并且对于多数空间频率在失焦平面的对比度是非常高的。尽管这个列表不是详尽的，很明显，用于扩展高分辨率成像容积的光片不必仅限于艾里光束光片。具体应用和实施方式可能受益于可选的非对称光片。
所属技术领域的人员将理解，不脱离本发明的范围的公开的布置的变化是可能的。尽管本发明关于有选择的平面照射显微镜被特别地描述，同样适用于使用光片的任何布置，例如成像、光谱学，诸如荧光或拉曼光谱学，或激发或发挥光势力，诸如诱导或引导。同样地，除了这里描述的光学辐射，辐射的类型可以被使用，如毫米波，太赫兹，x射线，雷达或声学。因此上述特定示例的描述只用于举例说明并不是为了限制。本领域的技术人员将清楚细微的改变对于所描述的操作并没有显著的改变。
Claims (26)
1.一种光片光学系统，该系统包括：
用于生成无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的光束的调制元件，所述光束具有垂直于传播方向的非对称强度光束分布；以及
用于使用所述光束形成光片的光片生成元件；
其中，所述调制元件包括任意形式的动态或静态的折射、反射或衍射的光学元件。
2.根据权利要求1所述的光片光学系统，其中所述光片或所述光束具有无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的非对称场，该场具有傅里叶变换，所述傅里叶变换包括相位项，该相位项在其多项式泰勒展开式中具有二阶或更高阶分量。
3.根据权利要求1所述的光片光学系统，其中所述光束为艾里光束。
4.根据权利要求1所述的光片光学系统，其中所述光片或所述光束具有近似无衍射和/或传播不变性的非对称场，该场具有傅里叶变换，所述傅里叶变换在其多项式泰勒展开式中包含三阶或更高阶分量。
5.根据权利要求4所述的光片光学系统，其中所述光束是在其傅里叶变换中具有立方相位项的艾里光束。
6.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，其中所述无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的非对称光束是自愈或自修复的。
7.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，其中在系统的调制传递函数中所述无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的光束导致没有或有最小数目的零值。
8.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，其中所述调制元件包括遮罩或静态或动态的空间光调制器以形成所述无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的非对称光束。
9.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，所述系统包括用于移动或定位所述光片以遍及样本容积在不同位置处捕获图像，以及确保检测物镜的焦平面关于所述光片放置良好的装置。
10.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，所述系统包括用于引进焦平面曲率以改善所述光片的检测焦点的一致性的附加的光学元件。
11.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，所述系统被布置以使用单个光子激发。
12.根据权利要求1或2所述的光片光学系统，其中所述系统是以下中的一者或多者：光片成像系统；光谱学系统；显微镜系统；在颗粒上施加光学作用力的系统。
13.根据权利要求12所述的光片光学系统，其中所述光谱学系统为拉曼光谱学系统。
14.根据权利要求12所述的光片光学系统，其中所述在颗粒上施加光学作用力的系统为光学捕获系统或光学引导系统。
15.根据权利要求12所述的光片光学系统，其中所述颗粒为任意惰性的颗粒或生物颗粒。
16.根据权利要求12所述的光片光学系统，其中所述颗粒为细胞。
17.一种光片光学系统，该系统包括光片生成元件和调制元件，其中所述光片生成元件和所述调制元件沿着所述光片光学系统的照射路径被放置，以使所述光片生成元件和所述调制元件一起被配置用于创建具有垂直于传播方向的非对称强度分布的光片，其中所述调制元件被放置在所述光片生成元件之前或之后的所述照射路径上，或所述调制元件被合并至所述光片生成元件，并且其中所述调制元件包括任意形式的动态或静态的折射、反射或衍射的光学元件。
18.根据权利要求17所述的光片光学系统，其中所述光片生成元件被配置用于形成对称光片以及所述调制元件被配置用于将所述对称光片转换为具有所述非对称强度分布的光片。
19.根据权利要求18所述的光片光学系统，其中具有所述非对称强度分布的光片具有无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的非对称场，该场具有傅里叶变换，该傅里叶变换包括相位项，该相位项在其多项式泰勒展开式中具有二阶或更高阶分量。
20.根据权利要求18或19所述的光片光学系统，其中具有所述非对称强度分布的光片具有无衍射或近似无衍射和/或传播不变性的非对称场，该场具有傅里叶变换，该傅里叶变换在其多项式泰勒展开式中包含三阶或更高阶分量。
21.根据权利要求17或18所述的光片光学系统，其中所述调制元件包括在所述对称光片传播的照射路径中的遮罩或静态或动态的空间光调制器。
22.根据权利要求17或18所述的光片光学系统，其中所述系统是以下中的一者或多者：光片成像系统；光谱学系统；显微镜系统；在颗粒上施加光学作用力的系统。
23.根据权利要求22所述的光片光学系统，其中所述光谱学系统为拉曼光谱学系统。
24.根据权利要求22所述的光片光学系统，其中所述在颗粒上施加光学作用力的系统为光学捕获系统或光学引导系统。
25.根据权利要求22所述的光片光学系统，其中所述颗粒为任意惰性的颗粒或生物颗粒。
26.根据权利要求22所述的光片光学系统，其中所述颗粒为细胞。
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