CN105518507B - 用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统 - Google Patents

用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统，所述光学系统包括光源装置(1、12a、12b、12c)、分束器(3)以及所述分束器(3)与所述对象(7)之间的透镜装置(4a、4b)，其中光束从所述光源装置(1、12a、12b、12c)传播到反射所述光束的对象(7)，所述分束器使从所述光源装置(1、12a、12b、12c)发出的光束朝所述对象(7)方向通过并且将由焦平面中的所述对象(7)反射的所述光束朝检测器(8)方向偏转，所述检测器具有用于检测所述对象(7)图像的检测器图案。具体地讲，所述光源装置(1、12a、12b、12c)具有至少一个光源(1)和装置(12a、12b、12c)，所述装置相对于由所述至少一个光源(1)所发出光束的偏振方向切换所述光束，从而无需移动具有投影仪图案(2)的掩模即可生成变化的所述投影仪图案(2)。

Description

用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学 系统
技术领域
本发明涉及用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统。
背景技术
存在各种类型的共聚焦显微镜，它们在聚焦于待扫描对象表面的基础上检测该表面。此类系统的例子为诸如从US2007/0109559 A1得知的激光共聚焦显微镜，或如在瑞士专利申请CH 01624/07中所述的pOFPT（即，平行焦点光学断层扫描）。
在pOFPT扫描器中，将移动图案投影到待扫描对象上。这是有利的，因为这是用于检测变化图案而非静态图案的更简单且更准确的信号技术。这种移动的实现使得具有该图案的掩模得以快速机械运动。这种移动为振荡的或连续的。
然而，这种机械运动存在一些明显缺点。这种机构需要空间，而这使紧凑设计变得不可能。这种机构还相对昂贵。此外，这种机械运动并不完全精确。具体地讲，变化率的精度受限，而这显著提高了分析成本。这甚至可能在机械运动中造成运行故障。
存在允许图案发生移动或变化的光学元件。这些元件（例如）用于投影仪中。然而，它们对于所需扫描而言过慢。例如，液晶显示投影仪的LCD允许每秒最多200张图像变化。然而，对于使用本文所述系统进行扫描的应用而言，每秒至少2,000张图像变化是必要的，甚至更好的是每秒20,000张图像变化。
因此，本发明的目的是为共聚焦显微镜提供一种光学系统及相关方法，在该光学系统及相关方法中尤其简化了图案的移动或变化，并且其变化非常精确地受时间控制，从而可与信号的后续评估完全同步。
发明内容
通过如下所述的光学系统和方法实现此目的。本申请中还规定了本发明的有利拓展。
根据本发明，提供了一种用于共聚焦显微镜的光学系统，该光学系统包括光源装置、分束器以及分束器与对象之间的透镜装置，其中光束从所述光源装置传播到反射该光束以产生反射光束的对象，分束器使从光源装置发出的光束朝对象方向通过并且将由焦平面中的对象反射的光束朝检测器方向偏转，该检测器具有用于检测对象图像的检测器图案。具体地讲，该光源装置具有用于产生所述光束的光源以及如下用于切换光源偏振方向的装置，该装置切换由所述光源所发出光束的偏振方向，从而无需移动具有投影仪图案的掩模即可生成变化的投影仪图案。
优选地，该分束器为偏振分束器。因此，可移动投影仪图案的光应始终具有相同的偏振方向。
因而，根据本发明，用固定的特殊光学装置和偏振方向变化的至少一个偏振光源代替上述机械运动。然后投影的图案或投影仪图案的变化与光源装置偏振方向的变化一样快。偏振方向可根据需要快速进行变化。
优选地，用于切换由所述光源所发出光束的偏振方向的装置相对于其偏振方向固定地布置在光源的下游并且是可控光学延迟片，该可控光学延迟片使偏振方向在两个不同偏振方向之间切换。因而偏振方向的快速切换和变化成为可能。
可控光学延迟片优选地为根据施加到电端子上的电压使偏振方向从入口到出口发生旋转的普克尔斯盒，所述电压以使延迟变化λ/2或其奇数倍的方式在两个电压V1和V2之间切换。快速且受到良好控制的切换是可能的。
作为另外一种选择，可控光学延迟片优选地为固定旋转的λ/4延迟片。使用这种λ/4延迟片也可实现快速简单的切换。
作为另外一种选择，光源装置优选地具有两个光源和一个切换设备，所述切换设备作为相对于由所述至少一个光源所发出光束的偏振方向切换所述光束的设备，两个光源的光路组合为单一光路，两个光源发出偏振光并且两个光源的相应偏振方向旋转90°，并且在每种情况下切换设备都只将两个光源中的一个切换为开启状态，从而改变组合光的相应偏振方向。
两个光源可紧邻彼此地并排提供，使得其光路组合为单一光路。漫射盘优选地连接在光源下游。这种漫射盘用于更好地聚焦入射光并将其以所需方向发射出去。
两个光源可偏移90°布置，然后合束器将其光路组合为单一光路。
通过上述具有两个光源和一个切换设备的实施例，可以特别准确地切换至相应偏振方向。
相应光源优选地为发出自然偏振光的激光二极管，或者带有下游偏振片的LED。将以简单方式使用此类光源。
优选地将光线性偏振，并且优选地将两个偏振方向相对于彼此旋转90°，使得仅使用结构化偏振的方向。
优选地，在光源装置下游设置λ/4延迟片，该延迟片将偏振方向转变成一个逆时针方向一个顺时针方向的两个圆形偏振方向。由于偏振方向的这种转变，可采用简单方式生成投影仪图案。
优选地，在λ/4延迟片下游的结构化延迟片和透镜装置之间设置线性偏振片，该线性偏振片阻隔从偏振旋转90°的位置发出的光，而允许从出现偏振方向的位置发出的光通过，使得这些位置处的照明图案为透明的。这一设置方式还可以简化投影仪图案的生成，并且它确保了射向后续分束器的光始终具有相同的偏振方向。
照明图案或投影仪图案优选地为可根据需要进行控制的图案、固定线状图案或固定棋盘状图案。这些图案在实践中易于使用。
可采用如在液晶显示投影仪中所用的透明LCD，来容易地实现可控图案。形成合适图像需要生成结构化延迟片。
优选地，提供了用于对齐投影仪图案和检测器图案的装置。必须将图案对齐，这样在将该光学系统用作扫描器时可产生良好图像。
优选地提供了一种滤波器作为评估接收信号的装置，该滤波器的切换频率与光源偏振方向的切换频率同步。优选地，将该滤波器实现为锁相放大器。同步使得在扫描期间获得易于检测的信号。
此外，本发明涉及使用根据本发明的用于共聚焦显微镜的光学系统进行扫描的方法，该方法具有以下步骤：将投影仪图案与检测器图案对齐，当投影仪图案随高切换频率变化时调整焦平面，获得频率对应于切换频率的信号，对接收信号进行窄带滤波并在窄带滤波后搜索信号的最大强度，然后搜索具有恒定宽度的信号峰。
根据本发明的光学系统由于设计紧凑而尤其适合用于测量牙齿用的口腔内扫描器。
附图说明
根据以下具体实施方式和基于例子描述本发明的特征的附图，本发明的具体和其他特征以及细节对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中
图1示出了根据本发明的用于共聚焦显微镜的光学系统的总体结构，
图2示出了经由根据本发明的普克尔斯盒而具有可切换偏振方向的光源装置，
图3示出了经由根据本发明的（固定旋转）波片而具有可切换偏振方向的光源装置，
图4示出了经由根据本发明的两个光源而具有可切换偏振方向的光源装置，
图5示出了经由根据本发明的两个光源而具有可切换偏振方向的另一个光源装置，
图6示出了根据本发明的用于生成交替条纹图案的装置，
图7示出了根据本发明的结构化延迟片，
图8为用于定位变化图案的示意图，
图9示出了投影仪图案，
图10示出了检测器图案，
图11示出了从具有正确取向的测量对象看到的投影仪图案和检测器图案，
图12示出了从具有不正确取向的测量对象看到的投影仪图案和检测器图案，
图13示出了在调整聚焦位置期间的像素处的信号，
图14示出了在窄带滤波后所得的像素处的信号，以及
图15示出了在进行窄带滤波来扫描自然牙齿后所得的像素处的信号。
具体实施方式
在下文中，将基于优选实施例并结合附图详细阐述本发明。
图1示出了根据本发明的用于共聚焦显微镜的光学系统的总体结构，其中提供了光源装置1，并且投影仪图案2为根据光源装置1的偏振态而变化的投影图案。图1的光源装置1在图2至图4中详细示出为具有可切换偏振态的光源装置1。此外，提供了分束器3，该分束器可为偏振分束器。就双箭头4而言，通过移动具有第一透镜4a和第二透镜4b的透镜装置的第二透镜4b来进行焦平面的移位。还示出了反射镜5、1/4波片6、对象7（诸如牙齿）、检测器图案8和传感器9。如果传感器的像素图案用作检测器图案，则不必使用检测器图案。该传感器可为（例如）用于pOCT的智能像素图像传感器。
来自投影仪图案2的光束穿过分束器3射向对象7，通过第一透镜4a和第二透镜4b到达对象7处的焦平面。对象7反射的光束通过透镜4a和4b以及分束器3往回射向传感器9，在此传感器处检测到对象7的图像。在激光共聚焦显微镜中，照明图案或投影仪图案包括至少一个点光源，也即激光器，并且在pOFPT设备中，照明图案包括由光源透照的图像。第二透镜4b处的双箭头4指示第二透镜4b的移动，所述移动引起对象7处焦平面的对应移动。为了移动第二透镜4b，提供了驱动装置，该驱动装置可为例如受控电机。
图2示出了经由普克尔斯盒12a而具有可切换偏振方向的光源装置1、12a，该光源装置具有电连接14、光束路径13、入光口15以及出光口16。
光源1发出偏振光。该光源可以是（例如）发出自然偏振光的激光二极管，或者带有下游偏振片的LED。普克尔斯盒12a为可控光学延迟片，该可控光学延迟片可根据施加到电连接14上的电压使偏振方向从入光口15到出光口16发生旋转。
该电压优选地以使延迟变化λ/2或其奇数倍的方式在两个电压V1和V2之间切换。因而，对于电压V1和V2，出光口16处的光具有两个不同偏振方向，例如，优选地旋转90°的两个线性偏振方向，或一个逆时针方向一个顺时针方向的两个圆形偏振方向，或二者的对应混合。
图3示出了一种光源装置，该光源装置包括光源1和固定旋转的λ/4延迟片12b、光束路径13、入光口15以及出光口16。根据图3所示的结构借助机械运动（这种情况下为旋转）而非图2所示的普克尔斯盒12a来延迟并因此改变出光口16处的偏振态。
图4示出了一种光源装置，该光源装置包括第一光源1a和第二光源1b。两个光源1a和1b并排布置。如果将这两个光源彼此紧邻地并排布置，那么第一光源1a光路的光束路径13a和第二光源1b光路的光束路径13b变为第一光源1a和第二光源1b的组合光路的光束路径20。
这时可经由切换设备12c在只接通光源1a和只接通光源1b间交替地切换，来切换组合光的偏振方向。
两个光源1a和1b发出偏振光，然后两个光源1a和1b的相应偏振方向旋转90°。在每种情况下，切换设备12都只将光源1a和光源1b中的一个切换为接通状态，从而改变组合光的相应偏振方向。
根据图4，漫射盘位于光源1a和1b的下游，以更好地使光聚焦并射向所需方向。
图5也示出了一种光源装置，该光源装置具有第一光源1a和第二光源1b。两个光源1a和1b偏移90°布置，偏振合束器/分束器30将其光路组合为单一光路。图5还示出了第一光源1a光路的光束路径13a、第二光源1b光路的光束路径13b以及第一光源1a和第二光源1b组合光路的光束路径20。
在图4和图5所示实施例中，光源1a和1b发出偏振光。这些光源可以是（例如）发出自然偏振光的激光二极管，或者带有下游偏振片的LED。两个光源1a和1b以偏振方向在它们之间旋转90°的方式配置。根据图5所示的实施例，合束器30将两个光源1a和1b的光路13a和13b组合为单一光路20。根据图4所示的实施例，通过彼此紧邻地并排布置两个光源1a和1b来产生单一光路20。可通过提供图示的漫射盘来改善这种集束和对齐。
这时可经由切换设备12c在只接通光源1a和只接通光源1b间交替地切换，来切换组合光的偏振方向。
在这种装置中，光是线性偏振的，两个偏振方向相对于彼此旋转90°。如有需要，通过在下游连接λ/4延迟片，可将偏振方向转变成一个逆时针方向一个顺时针方向的两个圆形偏振方向。
在下游使用结构化延迟片和线性偏振片可生成交替的图案；根据照明单元的偏振方向投影一种图案或其他图案。
图6示出了用于生成交替条纹图案的装置，其中具体示出了：光源1、非图案化λ/4延迟片21、结构化延迟片22、线性偏振片23、来自光源的光24、具有切换图案的光25、光源1的第一偏振方向26、该光源的第二偏振方向27以及具有所述图案的光的偏振方向28。
光源1发出具有变化的偏振方向26、27的光，诸如线性偏振光。λ/4延迟片21将线性偏振光转变成圆形偏振光，所述圆形偏振光在顺时针方向和逆时针方向之间切换。结构化延迟片22以这样一种方式构成：其在某些位置被延迟+λ/4，而在其他位置被延迟-λ/4。
因而，来自光源1的光在某些位置经历延迟λ/2，即从延迟片21延迟+λ/4并从结构化延迟片22延迟+λ/4，而在其他位置没有延迟，即从延迟片21延迟+λ/4并从结构化延迟片22延迟-λ/4。
在光经历延迟λ/2的位置，偏振方向旋转90°。在其他位置，偏振方向没有旋转。
如果接着以出现偏振方向26的方式切换光源1，那么该图案在没有发生偏振旋转的这些位置是透明的。来自偏振旋转90°的位置的光在线性偏振片23处被阻隔。反之，如果切换光源1以使得偏振方向27出现，那么图案的其他位置是透明的。
图6所示装置为一种可行且合理的装置，用于生成合适的投影仪图案。然而，所述延迟也能够以其他方式分布，而且非结构化λ/4延迟片21并不总是必要的，但也可将其布置在元件22和23之间。
然而，重要的是，在结构化延迟片22处的延迟之间的差值为至少约λ/2或其奇数倍，以使得线性偏振片23的上游出现偏振方向旋转90°的线性偏振光。
为了（例如）通过图5所示的装置生成交替条纹图案作为投影仪图案，图案化延迟片看起来（例如）如图7所示。在图7中可看到延迟+λ/4的点31和延迟-λ/4的点32。
这种结构化延迟片是现在最先进的，并用于（例如）3D电视中。也可以使用透明LCD，如用于（例如）投影仪的透明LCD。这也是一种结构化延迟片，在其中能够以LCD上的图像所对应的延迟切换区域。该结构化延迟片可具有任何图案。适用于根据本发明所述用途的图案为（例如）线状或棋盘状图案。
为了在使用根据本发明所述光学系统时获得良好的信号，必须相应地对齐和定位该系统的投影仪图案和检测器图案。现在将参考图8描述对变化图案的这种定位。在图8中，将投影仪图案2视为随光源的偏振变化的投影图案。该图还示出了：检测器图案8，将传感器的像素图案用作检测器图案时不能使用该检测器图案；传感器9，可为用于pOCT的智能像素图像传感器；分束器3，可为偏振分束器；以及测量对象7。
从测量对象7来看，投影仪图案2和检测器图案8一定在光学上被排布于同一位置。从投影仪图案2可直接看出对象，而从检测器图案8则需通过分束器3才能看出对象。但两种图案都出现在同一位置。
应当指出的是，投影仪图案2和检测器图案8的排列可以颠倒。在下文中一直以检测器图案8为参考，即使并非需要使用这类元件。理想的是，将传感器的像素结构直接用作检测器图案。
以下是侧向对齐投影仪图案和检测器图案的说明。在以下示例中，投影仪图案为条纹图案，检测器图案为图像传感器的像素结构，如可见于图9和图10。在此，投影仪图案41为条纹图案，检测器图案42为图像传感器的像素图案。图还示出了：第一区域类型44，如果光源1的偏振处于第一状态，则该区域类型是明亮的，而如果所述偏振处于第二状态，则该区域类型是暗的；以及第二区域类型45，如果光源1的偏振处于第二状态，则该区域类型是明亮的，而如果所述偏振处于第一状态，则该区域类型是暗的。
图11现在示出了正确对齐时从测量对象看到的投影仪图案和检测器图案，图12示出了未对齐时从测量对象看到的投影仪图案和检测器图案。
除了为条纹图案的投影仪图案41、为图像传感器像素图案的检测器图案42、图9和图10的第一区域类型44和第二区域类型45外，图11和图12还示出了像素43，该像素将不提供信号。
正确对齐时，如从图11中可以看出的，所有检测器像素将提供信号。在如从图12中可以看出的错误对齐的情况下，这种处在投影仪图案的过渡中的检测器像素43不提供信号，或者只提供微弱的信号。
侧向（侧面）互相对齐在某些情况下能够简化。如果将（例如）像素图案比检测器图案结构更精细的LCD显示器用于投影仪图案，那么可用软件将图案位置调整至检测器图案的位置。如果使用结构比所需横向分辨率更精细的检测器图案，如高分辨率图像传感器，那么可通过消除传递过弱信号的像素来省去对齐步骤。
信号评估的说明如下。在下面的说明中，应假定如图5所示的那样使用光源1a和光源1b。然而，通过适当的调整，该说明也适用于图2至图4的其他装置。
然后按如下方式用扫描仪进行扫描：调整焦平面的位置。调整过程中，（诸如）以频率f1连续切换光源的偏振态。如果待扫描对象距离投影仪图案的焦平面足够远，那么由单个检测器像素所见的投影仪图案为不聚焦的，使得来源于图8的两个表面类型44和45的相同量的光射入像素。照明单元的两个光源1a和1b（例如）通过应用电流来调整，这样可使实际测得的光量相等。
如果待扫描对象位于投影仪图案的焦平面中，那么根据实际上明亮的是表面类型44还是45，射入每个像素的光强度存在差异。
然后信号以一定程度上如图13所示的像素显示。
在图13的实例中，在对应的像素位置(5.15mm)处存在对象。该信号的频率对应于光源偏振态切换的频率f1。
为了找出该对象所处的位置，采用以下步骤：在频率f1下进行信号的窄带滤波，并搜索窄带滤波后的最大信号强度。
优选地，该切换频率相对较高，所以表面会产生许多交流信号周期。这允许进行交流信号的极窄频带滤波，从而也过滤掉信号的噪声和嗡嗡声。
理想情况下，该滤波实现为数字滤波器，其中该滤波器的切换频率与光源偏振方向的切换完全同步。为此，理想情况下使用锁相放大器。
因此，也可根据需要，通过在滤波中产生有意的不对称，补偿照明单元中的不对称：如果信号在两个偏振方向中的强度不完全相同，那么甚至在距焦点一定距离处也会产生特定的交流信号。这可通过相对于彼此调整光级或通过定向不对称滤波来校正。
理想情况下，使用用于OCT（OCT即光学相干断层扫描）应用的智能像素传感器来完成这种窄带滤波。在这种情况下，对传感器上的每个像素进行这种滤波。
窄带滤波后所得的像素处的信号看起来如图14显示的样子。
z位置是焦平面位置的量度。对应像素的表面位于局部最大值或最小值的位置。
较少配合的表面（诸如自然牙齿的材料）可产生类似（但较弱）的信号，如可见于图15。
理想情况下，z位置的信号将为恒定的，并且只有在图案清晰投影到对象上的点处才具有最大值或最小值。在实施过程中，该信号实际上并非在任何聚焦区均为恒定的。其原因是，由于具有相应不同偏振态的两个光源实际上并不完全相等，造成了叠加在信号上的噪声和信号的漂移。
然而，信号峰的宽度取决于测量设备的光学系统，而与测量对象的表面类型无关。因此，可通过搜索已知宽度的信号峰来找出表面的位置。因此，优选地通过搜索这种宽度的信号峰来计算表面。然后该表面位于这种峰的最大或最小强度的位置。
根据本发明，提供了一种用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统及相关方法，在该光学系统及相关方法中简化了投影仪图案的移动。

Claims (11)

1.一种用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统，所述光学系统包括光源装置(1、12a、12b、12c)、分束器(3)以及所述分束器(3)与对象(7)之间的透镜装置(4a、4b)，其中光束从所述光源装置(1、12a、12b、12c)传播到反射所述光束以产生反射光束的对象(7)，所述分束器使从所述光源装置(1、12a、12b、12c)发出的所述光束朝所述对象(7)方向通过并且将由焦平面中的所述对象(7)反射的所述光束朝检测器(8)方向偏转，所述检测器具有用于检测所述对象(7)图像的检测器图案，所述光学系统的特征在于：所述光源装置(1、12a、12b、12c)具有用于产生所述光束的唯一光源(1)和用于切换光源偏振方向的装置(12a、12b、12c)，所述用于切换光源偏振方向的装置切换由所述光源(1)所发出的所述光束的偏振方向，从而无需移动具有投影仪图案(2)的掩模即可生成变化的投影仪图案(2)。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述用于切换光源偏振方向的装置被固定在下游并且为可控光学延迟片(12a、12b)。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述可控光学延迟片为根据施加到电端子(14)上的电压，使偏振方向从入口(15)到出口(16)发生旋转的普克尔斯盒(12a)，所述电压以延迟变化λ/2或其奇数倍的方式在两个电压V1和V2之间切换。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述可控光学延迟片为固定旋转的λ/4延迟片(12b)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述相应光源(1、1a、1b)为发出自然偏振光的激光二极管，或者带有下游偏振片的LED。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述投影仪图案为可根据需要控制的图案、固定线状图案或固定棋盘状图案。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的光学系统，其特征在于，提供了用于对齐所述投影仪图案和检测器图案的装置。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的光学系统，其特征在于，提供了生成所述投影仪图案的透明LCD。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的光学系统，其特征在于，提供了一种滤波器作为用于评估接收信号的装置，所述滤波器的切换频率与所述光源偏振方向的切换频率同步。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述滤波器实现为锁相放大器。
11.一种使用根据权利要求1-10中任一项所述的光学系统来扫描对象表面的方法，所述方法包括以下步骤：
-对齐所述投影仪图案和所述检测器图案，
-在所述投影仪图案以高切换频率(f1)变化的过程中，调整所述焦平面，
-接收频率对应于所述切换频率的信号，
-对所述接收信号进行窄带滤波，并且在所述窄带滤波之后搜索所述信号的最大强度，以及
-搜索恒定宽度的信号峰。
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