CN116745599A - 使用光管在倾斜屏幕上产生并整形平顶激光束 - Google Patents

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Abstract

通过一个或多个二极管激光器和两个或更多个光管在倾斜平面上产生高功率均匀光束。光管可以是梯形的，以使得照射区域是大致方形的。光管可以是椭圆形的，以使得照射区域是大致圆形的。

Description

使用光管在倾斜屏幕上产生并整形平顶激光束
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年6月26日提交的第63/215,438号美国专利申请的优先权，该申请通过引用并入本文。
背景技术
在高通量光学荧光应用中，系统通常由检测/观察模块、大样本区域和高功率光源构成。检测器可以是高分辨率显微镜光学器件。样本区域可以大于10mm×10mm。高功率光源是激光器。显微镜光学器件通常被定位在关于样本区域的正交方向上，以具有最优的光学图像质量。这使得来自激光器的光为避开物镜的阻碍而在偏离正交方向并且有时以陡峭的角度入射到样本上。大的入射角造成斜的强度分布。随着样本区域的增加，从上到下的强度高低比(HLR)变差，这限制了系统的取决于可接受HLR的样品处理量。因此有必要改善光束中的HLR以改善系统样品处理量。
总体目标是提供关注的样本所位于的样本区域。如所提及的，样本区域可以大至10mm×10mm或更大。样本区域可以是方形的。检测/观察模块对准样本区域。检测/观察模块可以是高分辨率显微镜。通常，非常期望将检测/观察模块径直指向样本区域，这意味着检测/观察模块的轴线正交于(垂直于)样本区域的平面。当然，有必要用适当的光照照射样本区域。通常期望样本区域被非常明亮地照射，其中极少的光会浪费到由检测/观察模块观察的样本区域之外。还经常期望非常均匀地照射样本区域，使得位于最强照射位置的照射强度与位于最弱照射位置的照射强度之间的差最小化。我们可以将品质因数定义为HLR或“高低比”，HLR或“高低比”表征了最小化横跨照射样本区域的强度的这种差的成功度。
然而，如上所述，在这种配置的设计中的一个约束是，通常几乎没有选择，而是只能从与检测/观察模块的轴线不同的一些轴线提供照射，并且实际上是从明显倾斜于检测/观察模块轴线的轴线来提供照射。对这种情况进行片刻思考会促成这样的认知：这种偏离轴线的照射可能会存在至少两种潜在不利的后果。第一种非常不利的后果是，被照射的样本区域的一些部分比被照射的样本区域的其它部分被更明亮地照射。第二种不期望的后果是光束轮廓的形状变形，其中由于光束轮廓的形状与由检测/观察模块的有效工作区域匹配不合，一些光将被浪费。
所期望的是，可以设计一种方法，通过这种方法能够利用横跨样本区域具有均匀强度的光束在平面上产生高功率的光束，尽管该平面倾斜于光束的轴线。换言之，所期望的是，HLR可以接近于一。还期望的是，所述方法可以提供光束形状与通过诸如显微镜的检测/观察模块的有效工作区域相匹配的照射。例如，如果通过检测/观察模块所寻址的区域是方形的，则期望高强度光束的形状同样可以是方形的。
发明内容
通过一个或多个二极管激光器和两个或更多个光管在倾斜平面上产生高功率的均匀光束。光管可以是梯形的，以使得照射区域是方形的。
附图说明
图1示出了光管正交于目标平面指向的图像投影。
图2示出了由图1的配置生成的投影光束轮廓。
图3示出了光管倾斜于目标平面指向的图像投影。
图4示出了由图3的配置生成的投影光束轮廓。
图5示出了穿过图4中的截面4A的强度截面。
图6示出了梯形光管截面，该梯形光管截面旨在倒转当以如图3所示的倾斜角度使用时图4中所见的失真。
图7示出了图6的梯形光管生成的模拟图像。
图8示出了两个梯形光管。
图9示出了由图8的光管配置生成的模拟图像。
图10示出了穿过图9中的截面9A的强度截面。
图11示出了四个梯形光管。
图12示出了由图11的光管配置生成的模拟图像。
图13示出了穿过图12中的截面12A的强度截面。
图14示出了穿过图12中的截面12B的强度截面。
具体实施方式
如将要描述的，本公开利用专门设计的光管生成HLR约为1的激光光束，该激光光束入射到相对于光管的轴线成倾斜角度的目标平面上。非均匀分布的激光光源首先被馈送至专门设计的光管内。在每个光管中，光被多个内反射扰乱，并且在光管的出射孔处以均匀的强度分布出射。在光路中位于光管之后，成像透镜被用于将出射孔的形状投影到倾斜平面上。
我们可以从对在采用诸如在图3中描绘的单个光管时出现的问题进行建模开始。由于倾斜入射角(α)，光分布不再均匀。在简单的计算中，在屏幕上的光强度与下述项成比例：～(L·cos(α)/cos(α+θ))-2，其中L是从透镜到屏幕中心的距离，α是自正交方向的屏幕倾斜角度，θ是从正交方向测量的光线角度。(由于在设置中使用了大的放大倍数，因此从光管出射面到透镜的距离可以被忽略。)如果屏幕相对于光管轴线自正交倾斜例如55度，则在角度θ＝10度的上边缘处的光强度将下降至中心强度的约55％。在角度θ＝-10度的下边缘处，强度增加到150％。因此，HLR约为1:0.37。
如将要描述的，通过选择具有不同形状的多个光管并注入特定比率的激光功率来改善HLR，本公开克服了以上问题。利用具有适当激光功率比率的至少两个光管，改善了倾斜成像平面上的光分布。
图1示出了标准图像投影，其中来自方形截面光管的输出光束入射到正交于该光束定位的屏幕上。应当理解，这种几何布置并不适用于实际的检测/观察情况中，因为在实际的检测/观察情况下，检测/观察模块占具正交于屏幕的轴线。我们讨论图1只是为了展示：如果能够将照射装置径直对准(正交于)屏幕会发生什么结果。
在图1中，具有高斯分布的二极管激光器(101)的光输出由长度为50mm的1平方毫米光管(102)收集。成像透镜(103)将光管的输出孔投影到正交于光路(105)的方向的屏幕(104)上。投影光束轮廓在图2中示出。在该示例中，使用了20X的放大倍数，并且在屏幕(104)上的图像是均匀的20mm×20mm的方形轮廓。在检测/观察模块被设计为寻址方形区域的情况下，这种方形照射区域对于照射样本区域而言是理想的。需要强调的是，横跨整个方形区域，照射是均匀的。HLR非常接近于一。但是不可能将检测/观察模块和照射装置放置在同一物理位置、位于同一轴线上。所以，图1的照射方法是不可行的。
因此，我们允许检测/观察模块相对于样本区域的平面保持(非常理想的)正交取向，并且我们将照射装置重新定位为相对于样本区域成倾斜角度。这在图3中描绘。刻画这种变化的另一种方式是：我们倾斜了屏幕(样本区域的平面)，以使得屏幕相对于照射装置的光路成角度。如果我们以这种方式刻画，那么我们当然会说：我们也相应地倾斜了检测/观察模块的轴线，用以保持检测/观察模块的轴线相对于样本区域的平面的正交取向。
如图3所示，当屏幕相对于光路(305)倾斜角度α时，屏幕(304)上的投影图像轮廓线如图4所示变得失真。这意味着，(图2中的)之前的照射方形区域变成了(图4中的)照射非方形区域。在图4中的x:y比率约为1/1.8或更差。
光线追踪模拟允许对穿过图4中的线4A的光强度截面进行高置信度建模。光强度在图5中示出。如图5所示，在y方向上(在x＝0处)的强度截面(4A)变成斜的。HLR约为1:0.45。简明而言，在图4的被照亮的梯形中，照射最弱处(朝向图4的顶部)的亮度仅为照射最强处(朝向图4的底部)的亮度的约45％。如我们所看到的，在上述对背景技术的讨论中提到的两种不良后果确实发生了。
我们现在可以讨论试图解决偏离正交轴线照射的不良后果的第一步。第一步是尝试获得方形的照射区域，使得其与由检测/观察模块寻址的区域的方形形状相匹配。
为了纠正形状失真，选择了具有梯形形状和特定尺寸的光管，如在图6中所见。图中示出了具有1.8mm的长边、1.5mm的短边和0.9mm的高度的梯形。在图6中的x:y比率约为1.8，被选择为在图4中的照射区域的失真轮廓中查明的值的倒数。通过如图6中所见的这种形状，在样本屏幕上的照射区域的图像轮廓恢复为接近方形。图7示出了来自这种光管的照射区域的模拟图像。
然而，机敏的读者可能会立即意识到HLR并非接近于一，因此HLR需要改进。机敏的读者注意到，在图7中，与朝向图7的顶部的照射区域相比，朝向图7的底部的照射区域被照射得更加明亮。描述这种情形的一种方式是：在图7中的y方向上存在斜的功率分布。
为了校正y方向上的斜的功率分布，使用了具有不同功率水平的多个光管。一个示例是使用两个平行的梯形光管，如图8所示。在图8中位于下方的较小的光管具有1.5mm的短边和1.65mm的长边。在图8中位于上方的较大的光管具有1.65mm的短边和1.8mm的长边。两个光管中的每一个光管具有0.45mm的高度。
在图8的示例中，功率(被泵入两个光管中的每一个光管的光的量)在上下梯形之间被仔细地调整到1:1.24的比率。
选择这种比率的一种方式是返回图4并且测量图中的在y＝0上方的区域和在y＝0下方的区域。这两个区域的比率约为1.24。
与上述图4和图5的讨论类似，光线追踪模拟允许对穿过图9中的线9A的光强度截面进行高置信度建模。光强度在图10中示出。观察到的是，如图10所示，HLR被改善到约1:0.75。与图5中所描绘的情况相比，这是显著的改善。
通过相对于光管平移光源可以实现激光功率分配。当光源位置初始对齐下梯形并且逐渐朝向上梯形移动时，上梯形中的激光功率从0％变化到100％。激光功率测量可以通过使用可以从许多制造商获得的激光相机监测图像平面来完成。用于实现适当激光功率比的另一种方法是使用两个分开的光源。每个光源使用自己的功率驱动器。
应当理解的是，如果期望进一步改善HLR，则可以增加光管的数量。图11示出了四梯形光管设计。起点是图8中示出的结构，维持整体外部尺寸。图8的两个梯形中的每一个梯形被分为两个梯形。从上到下注入每个部分的功率的比率为1:1.11:1.26:1.46。为了调整激光功率分布，每个部分具有独立的光源，例如具有独立的功率供应的光纤耦合二极管激光器。图12示出了通过上述提及的配置生成的模拟图像(样本平面上的照射区域)。照射区域非常接近方形，并且被几乎均匀地照射。图13是通过光线追踪建模的、沿着图像轮廓的竖向截面(在截面线12A处)的沿着x＝0的照射强度。结果显示出从上到下的几乎平的功率分布，在本文语境下，“平的”是有利的。如图13中所见，从上到下的HLR接近1:1。在屏幕上的x方向轮廓(在图14中示出)反映了在光管出射面上的光均匀性。由于x方向轮廓关于x＝0平面的对称性，因此x方向轮廓总是平均分布的。图14给出了来自图12B中y＝0时的这种分布的例子，同样来自光线追踪。
两个或更多个光管可以填充椭圆截面，在这种情况下，结果可以是圆形的照射形状。
因此应当理解，所提供的是利用非常均匀的光照照射样本区域的方式，尽管照射的光路的轴线相对于样本区域的平面倾斜。还应当理解，所提供的是一种照射样本区域与由例如高倍显微镜的检测/观察模块寻址的区域匹配的方式。基于本公开，机敏的读者将毫无困难地设计出大量明显的变体和改进，所有这些都将包括在所附的权利要求中。

Claims (25)

1.一种照射装置，用于与检测/观察模块一起使用、并且用于与限定平面的样本区域一起使用，所述照射装置具有光轴，所述光轴非正交于所述平面、并且相对于正交轴线限定倾斜角度，所述照射装置包括至少两个光管，所述光管中的每一个光管具有预定截面，所述光管中的每一个光管区别于所述光管中的其它任何光管被相应的功率水平的光照射，所述照射装置还包括设置在所述光管和所述样本区域之间的成像透镜。
2.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管的所述预定截面是梯形的，由此在所述平面上生成的照射区域是大致方形或矩形的。
3.根据权利要求2所述的照射装置，其中，所述光管的所述预定截面是梯形的，由此在所述平面上生成的照射区域是大致方形的。
4.根据权利要求2所述的照射装置，其中，所述光管的所述预定截面是梯形的，由此在所述平面上生成的照射区域是大致矩形的。
5.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管的所述预定截面是椭圆形的，由此在所述平面上生成的照射区域是大致圆形的。
6.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述倾斜角度在30度和90度之间。
7.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管由BK7玻璃、熔融石英玻璃或者其它合适的材料组成。
8.根据权利要求7所述的照射装置，其中，所述光管由BK7玻璃组成。
9.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管由熔融石英玻璃组成。
10.根据权利要求1所述的照射装置，其中，每个光管具有输入孔和出射孔，并且每个输入孔和出射孔被防反射涂覆。
11.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管中的每一个光管限定除了其输入孔和出射孔之外的表面，并且所述表面具有高反射涂层或全内反射。
12.根据权利要求所述的照射装置，其中，所述光管中的每一个光管限定除了其输入孔和出射孔之外的表面，并且所述表面具有高反射涂层。
13.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管中的每一个光管具有相应的光源，并且其中所述相应的光源是二极管激光器、光纤耦合二极管激光器，或者固态激光器。
14.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管中的每一个光管具有相应的光源，并且每个光源具有其自身相应的功率控制。
15.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述成像透镜是单元件透镜。
16.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述成像透镜由多个元件组成。
17.根据权利要求1所述的照射装置，其中，所述光管的数量至少为三。
18.根据权利要求17所述的照射装置，其中，所述光管的数量至少为四。
19.一种用于照射样本区域的方法，所述样本区域限定平面，所述方法包括将至少两个光管对准所述样本区域，所述光管限定光轴，所述光轴非正交于所述平面，所述光管中的每一个光管具有预定截面，所述方法还包括针对所述光管中的每一个光管、利用不同于针对所述光管中的其它任何光管的功率水平的相应的功率水平进行照射，所述方法还包括将成像透镜布置在所述光管和所述样本区域之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述光管的数量至少为三。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述光管的数量至少为四。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述预定截面是梯形的，由此照射区域是大致方形或矩形的。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述预定截面是梯形的，由此所述照射区域是大致方形的。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述预定截面是梯形的，由此所述照射区域是大致矩形的。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述预定截面是椭圆形的，由此照射区域是大致圆形的。
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