CN112997103B - 对电子可调透镜光学路径的渐变式非球面校正 - Google Patents

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Abstract

一种用于对由光学路径内的电子可调透镜(ETL)引起的在光学路径上的球面像差进行校正的方法及相应的光学装置。该方法包括将非球面校正透镜放置在光学路径中并将该非球面校正透镜放置成与ETL处于工作关系，该非球面校正透镜的尺寸设定成且构造成使离开ETL的光束中的球面像差减小。

Description

对电子可调透镜光学路径的渐变式非球面校正
相关申请的交叉引用
本文要求2018年11月2日提交的系列号为62/755,149的临时申请的优先权，该临时申请通过参引并入本文中。
背景技术
电子可调透镜(ETL)是已知的，并可以在市场上购得。例如，OptotuneSwitzerland AG(瑞士，迪蒂孔)制造了在全球范围内销售的一系列电子可调透镜。图1是现有技术的一部分，该图描述了由Optotune制造的电子可调透镜的基本设计类型。如图1中所示，该透镜是由封闭光学流体的柔性膜或膜状件制成。透镜的曲率是通过对环绕透镜周缘的音圈或线轴施加电流来调节的。因此，可以借助于配套的控制器(也可以在市场上购得)使透镜的焦距非常快速地(在几毫秒内)改变，在几毫秒内，透镜的焦距便可以被调整到所需的值。
ETL是可满足需求的，因为ETL中只有几微米的半径变化，就能产生与将整个透镜移动几厘米相同的光学效果。这允许使光学设备设计紧凑，同时仍然保持广泛的功能和操作范围。因此，电子可调透镜所产生的光学系统更紧凑，通常需要更少的透镜总数量，以及更少的透镜平移运动。这减少了对高精度机械致动器以物理方式来重新定位透镜的需求。透镜在光学路径内的潜在运动减少，使得设计更加稳固。
ETL的缺点是，ETL的球面像差分量(spherical aberration component)随着ETL功率或曲率(即焦距的减小)的增加而成比例增加。当ETL被推动朝向ETL的焦距范围的短端部时，ETL球面像差的增加会降低样品平面的轴向点扩散函数(PSF)。这又会使光学设备可以生成的最终图像模糊。
发明内容
本文公开了以下内容：
1.一种光学装置，包括：
电子可调透镜，该电子可调透镜设置在光学路径中并与非球面校正透镜处于工作关系：
该非球面校正透镜设置在光学路径中，并且该非球面校正透镜的尺寸设定成且构造成用于使离开电子可调透镜的光束的球面像差减小。
2.根据条款1的光学装置，其中，非球面校正透镜包括限定球面表面的第一面和限定非球面表面的第二面。
3.根据条款1的光学装置，其中，非球面校正透镜包括限定第一非球面表面的第一面和限定第二非球面表面的第二面。
4.根据条款1至3中的任一项的光学装置，其中，一个或更多个非球面表面的形式是渐变的非球面。
5.根据条款4的光学装置，其中，非球面校正透镜的所述一个或更多个非球面表面的非球面度由以下公式限定：
其中：
z＝表面凹陷
c＝曲率(其是曲率半径的倒数)
r＝透镜单元中的径向光圈分量
k＝圆锥常数
α＝高阶非球面系数
6.根据条款1至5中的任何一项的光学装置，该光学装置为共聚焦显微镜。
7.根据条款1至5中的任何一项的光学装置，该光学装置是尺寸设定成且构造成执行双光子激发显微镜检查的显微镜。
8.根据条款1至5中的任一项的光学装置，该光学装置的尺寸设定成且构造成执行单色反射光共聚焦显微镜检查。
9.根据条款1至5中的任一项的光学装置，该光学装置的尺寸设定成且构造成执行单光子荧光显微镜检查。
10.一种对由光学路径中的电子可调透镜(ETL)引起的在光学路径上的球面像差进行校正的方法，该方法包括：
将非球面校正透镜防止在光学路径中并将非球面校正透镜放置成与ETL处于工作关系，该非球面校正透镜的尺寸设定成且构造成使离开ETL的光束中的球面像差减小。
附图说明
图1是Optotune Switzerland AG(瑞士，迪蒂孔)的商用电子可调透镜的现有技术示意图。
图2是本主题方法和装置的示例性光学路径的示意图。
图3A是一组成对的示意性光学路径，该图示出了在长焦距/低倍率的情况下(上面板)，ETL具有相对较小的球面像差和高质量的轴向PSF，而在短焦距/高倍率的情况下(下面板)，ETL具有增大的球面像差和模糊的轴向PSF。
图3B是对应于图3A的一组成对的横向扇形曲线图，该曲线图示出了ETL在长焦距(上面板)及短焦距(下面板)下的球面像差。左上部的曲线图示出了ETL在长焦距下的Y平面像差，并且右上部的曲线图示出了ETL在长焦距下的X平面像差。左下部的曲线图示出了ETL在短焦距下的Y平面像差，并且右下部的曲线图示出了ETL在短焦距下的X平面像差。
图3C是对应于图3A的一组成对的轴向PSF曲线图，该曲线图示出了作为ETL中的较长焦距(上面板)相对于较短焦距(下面板)的函数的轴向PSF。
图4是示意性的光学路径，该图示出了作为ETL焦距函数的焦点偏移，并且示出了非球面校正透镜2处的光束直径随着焦距的减小(从图的上部到下部)而增大。
图5A是根据本方法和装置的传递透镜的示意图。透镜的一个面是球形的，而透镜的另一个面被研磨成非球面的形式。图5B与图5A相同，除了图5B中透镜的两个面均是非球面的。
图6是在低ETL倍率(上面板)和高ETL倍率(下面板)(未示出ETL)的情况下非球面校正透镜2处的光束直径的放大图。
图7A和图7B是具有非球面校正透镜(图7A)的轴向PSF与不具有非球面校正透镜(图7B)的轴向PSF的对比。如通过对两幅图的对比可以看出，相比于图7B(不具有非球面校正透镜)中的轴向PSF，图7A(具有非球面校正透镜)中的轴向PSF被限定地更好。
具体实施方式
本文中公开了一种光学装置，该光学装置包括设置在光学路径内的与非球面校正透镜处于工作关系的电子可调透镜(ETL)。当ETL被调节时，ETL的球面像差发生变化。非球面校正透镜设置在与ETL相同的光学路径内，并且非球面校正透镜的尺寸设计成和构造成用于使离开ETL的光束中的球面像差减小。特别要指出的是，非球面校正透镜的一个或更多个非球面成形为使得在ETL的整个焦距范围内产生逐渐降低的球面像差，但特别是在ETL处于ETL焦距的下限或接近ETL焦距的下限时(即在ETL处于ETL的最大倍率或接近ETL的最大倍率时)产生逐渐降低的球面像差。
在图2中示出了光学装置和相应的方法以及工作原理。在此，上面板和下面板示出了在左侧以ETL开始的相同的光学路径。光学路径本身被示出为在其他常规的共聚焦显微镜的内容中。上面板中的ETL被示出为处于最小功率；而下面板中的ETL被示出为处于最大功率。在两个面板中的光学继电器1示出了与ETL的焦距变化相关的焦点偏移。在光学路径内的左侧共轭光瞳平面的正前方设置有非球面校正透镜。如在图2的上面板中可以看到的，在低倍率下，当ETL处于其最低倍率时，通过非球面校正透镜的光束直径相对较小。但是如在下面板中可以看到的，当ETL处于其最高倍率时，通过非球面校正透镜的光束直径要大得多。非球面校正透镜的非球面度是逐渐变化的，并与关于该非球面校正透镜的ETL的球面像差分量相匹配。因此，随着ETL的球面像差分量增大，穿过非球面校正透镜的光束直径也会增大，并且因此由校正透镜的非球面度所施加的校正也同样增大。也就是说，非球面校正透镜的非球面度所施加的校正越大，则光束距透镜的光轴的距离越远。
图2的其余部分是常规的。光束在离开校正透镜后，光束的球面像差减小，球面像差减小的光束穿过光学继电器#2、第二共轭光瞳平面、管透镜、物镜，并聚焦到样品上。然后改变ETL的焦距，以调节样品板平面内的z平面的焦点。
图3A、图3B和图3C单独示出了就短焦距下ETL的球面像差和下降的PSF而言的眼前的问题。在这三幅图中的每幅图中，上面板示出了在低电流/低倍率/长焦距的情况下的ETL。在图3A、图3B和图3C中的每幅图的下面板示出了在高电流/高倍率/短焦距的情况下的ETL。图3A是光束离开ETL并到达焦点的简单的示意性光线图。图3A中的上面板示出了在低电流/低倍率/长焦距情况下的ETL；图3A的下面板示出了在高电流/高倍率/短焦距情况下的ETL。
图3B示出了典型的商用ETL上降低焦距对透镜球面像差的影响。图3B中上部的两张曲线图记录了ETL在低倍率/长焦距下的球面像差。这里的像差很小并且通常是可以接受的。在低倍率下，球面像差足够小，以使得不会对轴向PSF产生显著的不利影响。图3B中下部的两张曲线图记录了ETL在高倍率/短焦距下的球面像差。此处的球面像差显著地大，且是不可接受的。ETL在高倍率下，球面像差显著降低了轴向PSF，因此降低了高倍率下可以生成的图像的清晰度。
图1中所示的ETL的轴向PSF在图3C中以低倍率(上面板)和高倍率(下面板)示出。此处，很容易看出高倍率下增大的球面像差对ETL的影响。上面板(低倍率)中的艾里函数(Airy function)平滑、对称且聚焦良好。相反，下面板(高倍率)中的艾里函数是扁平的，且“混乱”的。因此，使用该ETL在高倍率下收集的图像是模糊的。
现在参考图4，为了处理ETL的球面像差分量的改变，本方法使用非球面透镜2，非球面透镜2的非球面度随着距透镜2的光轴距离增加而逐渐增加。图2示出了ETL从上部的低倍率/长焦距到下部的高倍率/短焦距的一系列光线轨迹。向下指向的箭头示出了随着ETL倍率增加的焦点位置。如从图4可以看出，随着ETL从最低功率和最小球面像差(上面板)到最高功率和最高球面像差(下面板)，穿过非球面透镜2的光束直径大大增加。透镜2的渐变式非球面度的尺寸设置成和构造成用于在直径相对较大的光束通过该透镜时对球面像差进行校正。以这种方式，即使在ETL被驱动到其最高倍率时，非球面透镜2也会产生具有最小球面像差和高质量的轴向PSF的聚焦光束。也就是说，光学路径的偏离光线分布的严重程度与它们与光轴的距离增加成正比。因此，通过采用渐变式非球面透镜2，偏离量最大的光线(即距透镜2的光轴最远的光线)被最大程度地校正并因此重新聚焦。由此，该装置的轴向PSF得到了极大的改善。
透镜2的非球面度的尺寸设定成使得在从ETL的最低放大倍率到最高放大倍率对ETL进行扫描时对所增加的球面像差进行校正。透镜面中的至少一个透镜面是非球面的；透镜面中的两个透镜面也可以是非球面的。参见图5A和图5B。在图5A中，透镜的左侧面被研磨成常规的球面形式。透镜的右侧面被研磨成随着与光轴距离的增加而增加光线补偿的非球面形式。图5B示出了类似的透镜，其中两个面均被研磨成非球面形式。
优选地但非必须地，非球面被研磨成随着与光轴的距离增加而增加光线补偿的非球面形式。例如，非球面形式可以用4阶项1.22×10-5的平均非球面多项式来描述：
其中：
z＝表面凹陷
c＝曲率(其是曲率半径的倒数)
r＝透镜单元中的径向光圈分量
k＝圆锥常数
α＝高阶非球面系数
图6单独示出了ETL的球面像差问题。图6的上面板示出了在低功率/低倍率下从ETL发出的光线。光线从图中的左侧发出，且ETL本身未被描绘出。在图6的上面板中可以看到焦点接近于非球面透镜2。在ETL的这种低倍率状态下，通过非球面透镜2的光束直径较小。当光束通过非球面透镜2时，光束的整体球面像差同样很小，且只需要进行很小的校正。由于透镜2的非球面度在远离透镜的光轴的过程中是逐渐增大的，因此在图6的上面板中，施加至光束的球面校正是较小的。相反，在图6的下面板中，示出了在高功率/高倍率下从ETL发出的光线。在此，焦点足够短，以使得该焦点超出了图的左侧。因为在图6的下面板中，焦点远离非球面透镜2，所以光束在穿过非球面透镜2时的直径相当大。在距透镜2的光轴的距离最远处穿过透镜2的光线将具有非常显著的球面像差。因此，通过透镜2的渐变式非球面度来减小该像差。因此，离开ETL的偏离光线的渐变分布提供了向透镜2的曲率添加渐变校正(非球面度)的机会，该渐变校正补偿了给定的像差并使光线恢复到正确的对准状态。以这种方式校正球面像差会使样品平面上的轴向PSF在ETL的整个聚焦范围内得到改进。
如图7A和图7B中所示，非球面校正透镜对轴向SPF的影响是惊人的。这两张图示出了具有本文中所述的非球面校正透镜(图7A)和不具有非球面校正透镜(图7B)的商用ETL的轴向PSF。如通过对这两张图进行比较可以看出，相比于图7B中的轴向PSF，图7A中的轴向PSF被限定的更好。
非球面透镜2被研磨成可以使由ETL所呈现的任何球面像差(无论是积极的或消极的)减少的非球面形式。非球面透镜本身可以由常规材料制成，并被研磨成所需的非球面度。非球面透镜也可以以梯度指数透镜的形式制造，在这种情况下，透镜材料的折射率梯度与ETL的球面像差相匹配。非球面校正机制可以采取反射式或透射式空间光调制器或衍射光栅的形式而不是透镜本身。
该校正技术可以用于使用ETL的任何光学装置中。该校正技术在双光子激发显微镜检查、单色反射光共聚焦显微镜检查、单光子荧光显微镜检查等分析中特别有益。

Claims (13)

1.一种光学装置，所述光学装置包括：
电子可调透镜，所述电子可调透镜设置在光学路径中并设置成与非球面校正透镜处于工作关系：
所述非球面校正透镜设置在所述光学路径中，并且所述非球面校正透镜的尺寸设定成且构造成使离开所述电子可调透镜的光束的球面像差减小；
其中，所述非球面校正透镜包括限定球面表面的第一面和限定非球面表面的第二面；以及
其特征在于，进入所述非球面校正透镜的光束直径随着所述电子可调透镜的焦距的减小而增大；
其中，所述非球面校正透镜的非球面成形为使得在所述电子可调透镜的整个焦距范围内产生逐渐降低的球面像差，并且所述非球面校正透镜的非球面度随着穿过所述非球面校正透镜的光束直径的增大而逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述非球面校正透镜的所述非球面表面的非球面度由下式限定：
其中：
z＝表面凹陷
c＝曲率(所述曲率是曲率半径的倒数)
r＝透镜单元中的径向光圈分量
k＝圆锥常数
α＝高阶非球面系数。
3.根据权利要求2所述的光学装置，所述光学装置是共聚焦显微镜。
4.根据权利要求2所述的光学装置，所述光学装置是尺寸设定成且构造成执行双光子激发显微镜检查的显微镜。
5.根据权利要求2所述的光学装置，所述光学装置的尺寸设定成且构造成执行单色反射光共聚焦显微镜检查。
6.根据权利要求2所述的光学装置，所述光学装置的尺寸设定成且构造成执行单光子荧光显微镜检查。
7.一种光学装置，所述光学装置包括：
电子可调透镜，所述电子可调透镜设置在光学路径中并设置成与非球面校正透镜处于工作关系：
所述非球面校正透镜设置在所述光学路径中，并且所述非球面校正透镜的尺寸设定成且构造成使离开所述电子可调透镜的光束的球面像差减小；
其中，所述非球面校正透镜包括限定球面表面的第一面和限定非球面表面的第二面；以及
其特征在于，进入所述非球面校正透镜的光束直径随着所述电子可调透镜的焦距的减小而增大；
其中，所述非球面校正透镜的非球面成形为使得在所述电子可调透镜的整个焦距范围内产生逐渐降低的球面像差，并且所述非球面校正透镜的非球面度随着穿过所述非球面校正透镜的光束直径的增大而逐渐增大；以及
其中，所述非球面校正透镜的所述非球面表面的非球面度由下式限定：
其中：
z＝表面凹陷
c＝曲率(所述曲率是曲率半径的倒数)
r＝透镜单元中的径向光圈分量
k＝圆锥常数
α＝高阶非球面系数。
8.根据权利要求7所述的光学装置，所述光学装置是共聚焦显微镜。
9.根据权利要求7所述的光学装置，所述光学装置是尺寸设定成且构造成执行双光子激发显微镜检查的显微镜。
10.根据权利要求7所述的光学装置，所述光学装置的尺寸设定成且构造成执行单色反射光共聚焦显微镜检查。
11.根据权利要求7所述的光学装置，所述光学装置的尺寸设定成且构造成执行单光子荧光显微镜检查。
12.一种对由光学路径中的电子可调透镜(ETL)引起的在所述光学路径上的球面像差进行校正的方法，所述方法包括：
将非球面校正透镜放置在所述光学路径中并将所述非球面校正透镜放置成与所述电子可调透镜处于工作关系，所述非球面校正透镜的尺寸设定成且构造成使离开所述电子可调透镜的光束中的球面像差减小，其中，进入所述非球面校正透镜的光束直径随着所述电子可调透镜的焦距的减小而增大；
其中，所述非球面校正透镜包括限定球面表面的第一面和限定非球面表面的第二面；以及；
其中，所述非球面校正透镜的非球面成形为使得在所述电子可调透镜的整个焦距范围内产生逐渐降低的球面像差，并且所述非球面校正透镜的非球面度随着穿过所述非球面校正透镜的光束直径的增大而逐渐增大。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述非球面校正透镜的所述非球面表面的非球面度由下式限定：
其中：
z＝表面凹陷
c＝曲率(所述曲率是曲率半径的倒数)
r＝透镜单元中的径向光圈分量
k＝圆锥常数
α＝高阶非球面系数。
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