CN117940821A - 光学扫描倍增器及其使用 - Google Patents

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CN117940821A CN202280061832.7A CN202280061832A CN117940821A CN 117940821 A CN117940821 A CN 117940821A CN 202280061832 A CN202280061832 A CN 202280061832A CN 117940821 A CN117940821 A CN 117940821A
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scanning
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肖胜
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Boston University
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Boston University
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    • G—PHYSICS
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Abstract

一种用于光学扫描的扫描倍增器系统，包括用于接收入射光束以及扫描入射光束以产生限定扫描线速率的扫描光束的惯性扫描单元，扫描倍增器单元从惯性扫描单元接收扫描光束，扫描倍增器单元包括一个或多个光学元件，用于将扫描光束再定向反向朝向惯性扫描单元，所述惯性扫描单元从所述光学元件接收所述反射光束并产生再扫描光束，所述再扫描光束定义不同于所述扫描线速率的再扫描线速率，该扫描倍增器系统可以与激光扫描显微镜系统一起使用，例如双光子显微镜系统，共聚焦显微镜系统或其它类似的显微镜系统。

Description

光学扫描倍增器及其使用
相关申请
本申请涉及2021年7月15日提交的美国临时申请号63/222,031的权益，其全部内容通过援引并入本文。
政府支持
本发明是在由国家卫生研究院授予的合同号为NS116139的政府支持下做出的。政府在本发明中拥有某些权利。
背景技术
1.技术领域
本公开涉及光学扫描设备及方法，并且更具体地，本公开涉及光学扫描倍增器设备及方法。
2.背景技术
基于反射镜的光学扫描器是广泛应用的最常见的激光束导向解决方案，例如激光扫描显微镜或LiDAR。它们通常具有成本效益，易于使用，具有高的光传输以及高的扫描处理能力(定义为每单位时间的可分辨扫描角/扫描光斑的最大数量)。然而，由于这样的扫描器依赖于扫描反射镜的物理移动，因此它们的最大扫描速率及扫描处理能力在根本上受惯性的限制。
[发明概要]
根据第一方面，本发明的技术针对一种用于光学扫描的扫描倍增器系统。扫描倍增器包括用于接收入射光束并扫描入射光束的惯性扫描单元以生成定义扫描线速率的扫描光束。扫描倍增器单元接收来自惯性扫描单元的扫描光束，所述扫描倍增器单元包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件用于将所扫描的光束再定向反向朝向所述惯性扫描单元，所述惯性扫描单元从所述光学元件接收所述反射光束并产生再扫描光束，所述再扫描光束定义再扫描线速率，所述再扫描线速率不同于所述扫描线速率。
根据一些示例性实施例，所述入射光束、扫描光束及再扫描光束是光学光束。
根据一些示例性实施例，所述再扫描光束的再扫描线扫描速率大于所述扫描线速率。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元包括扫描透镜及回射器阵列。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元中的光学元件包括反射元件。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元中的光学元件包括具有预设间距的多个反射元件。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元中的光学元件包括具有可变间距的多个反射元件。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元中的光学元件包括折射元件。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元中的光学元件包括具有预设间距的多个折射元件。
根据一些示例性实施例，所述扫描倍增器单元中的光学元件包括具有可变间距的多个折射元件。
根据一些示例性实施例，所述光学元件包括反射元件的一维阵列。
根据一些示例性实施例，所述光学元件包括折射元件的一维阵列。
根据一些示例性实施例，所述光学元件包括反射元件的一维倾斜阵列。
根据一些示例性实施例，所述光学元件包括折射元件的一维倾斜阵列。
根据一些示例性实施例，所述光学元件包括反射元件的二维阵列。
根据一些示例性实施例，所述光学元件包括折射元件的二维阵列。
根据一些示例性实施例，所述系统还包括用于从所述再扫描光束分离所述入射光束的多个光学元件。
根据另一方面，本公开的技术涉及激光扫描显微镜系统。该系统包括用于产生入射光束的光源及用于接收入射光束并扫描入射光束以产生定义扫描线速率的扫描光束的惯性扫描单元。扫描倍增器单元接收来自惯性扫描单元的扫描光束，所述扫描倍增器单元包括用于将所扫描的光束再定向反向朝向所述惯性扫描单元的光学元件，所述惯性扫描单元接收来自所述光学元件的所述反射光束并产生再扫描光束，所述再扫描光束定义再扫描线速率，所述再扫描线速率不同于所述扫描线速率。
根据一些示例性实施例，所述系统还包括用于从所述再扫描光束分离所述入射光束的多个光学元件。
根据一些示例性实施例，所述系统还包括用于沿慢轴扫描所述再扫描光束的扫描器。
根据一些示例性实施例，所述系统还包括用于将所述再扫描光束聚焦到在样本上扫描的聚焦点上的物镜。
根据一些示例性实施例，该系统还包括用于检测来自样本的光的检测器。
根据一些示例性实施例，检测器包括检测器元件的二维阵列。
根据一些示例性实施例，检测器包括检测器元件的一维阵列。
根据一些示例性实施例，显微镜是共聚焦显微镜。
根据一些示例性实施例，显微镜是双光子显微镜。
附图说明
在下面的详细描述中进一步描述了本公开，通过本公开的实施例的非限制性示例的方式参考所述多个附图，在附图中，相同的附图标记表示类似的部件。
图1是根据一些示例性实施例的、具有使用一维(1D)回射器阵列的基于反射镜的激光束扫描器的扫描速率及处理能力增强的系统的示意图。
图2是根据一些示例性实施例的、作为时间的函数的扫描角的曲线图。
图3是根据一些示例性实施例的、用于扫描器的扫描速率及处理能力增强的另一系统的示意图，其双倍于使用单个回射器加倍扫描视场。
图4是根据一些示例性实施例的、用于扫描器的扫描速率及处理能力增强的另一系统的示意图，其采用单一方向回射器阵列。
图5是根据一些示例性实施例的、用于在二维(2D)扫描器中扫描帧速率改进的系统的示意图。
图6是根据一些示例性实施例的、用于利用1D扫描器实现2D激光束扫描的系统的示意图。
图7A是根据一些示例性实施例的、使用倾斜微透镜阵列的具有1D扫描器的2D激光束扫描的示意图，其包括扫描光束入射位置和回射光束的对应出射位置。图7B是根据一些示例性实施例的、具有1D扫描器的2D光束扫描的示意图，包括当使用1D扫描器时的2D扫描视场。
图8是示出根据一些示例性实施例的、用于分离入射光束及再扫描光束的方法的示意性功能图。
图9是根据一些示例性实施例的、图4所示系统的展开版本的示意图，其中扫描光束在单一前向路径中通过系统传输。
图10是根据一些示例性实施例的、使用扫描倍增器单元的、用于1kHz帧速率成像的双光子显微镜的示意图。
图11A-11C示出根据一些示例性实施例的、在三分钟记录时间内采用图10示的显微镜和对应的钙动力学生成的图像。
图12是根据一些示例性实施例的、使用具有倾斜小透镜阵列的扫描倍增器单元的、用于16kHz帧速率成像的双光子显微镜的示意图。
图13A-13G示出根据一些示例性实施例的、采用图12的显微镜的成像方面。
图14A及图14B示出根据一些示例性实施例的、用于从入射光束分离并输出再扫描光束的方法，该方法应用于共焦显微术。
图15是根据一些示例性实施例的、采用扫描倍增器单元(Scan Multiplier Unit，SMU)1002的共焦显微镜系统1000的示意图
详细描述
本文描述一种装置和方法，以使基于反射镜的机械扫描器的扫描速率倍增一个以上的量级，从而实现超过惯性限制的超快一维(One Dimension,1D)扫描，同时还使扫描处理能力加倍。扫描速率倍增是具灵活性的。该技术的变型也能够通过仅使用单个1D光学扫描器执行二维(2D)激光束扫描，从而以1D扫描的速度实现2D帧扫描速率。本文所述的技术可用于需要高速高通量激光扫描的一般应用。
光学扫描器的基本特性是其扫描处理能力Q，其可以被定义为每单位时间的可分辨扫描角/扫描光斑的数量。该特性与光束扫描角θ，扫描速率(扫描频率)R及光圈尺寸D的扫描器特性直接相关。为了获得光学扫描器的最大处理能力，假定波长为λ的入射激光束占满扫描器的最大光圈D)，光束的自然发散角(角分辨率)(1)为
在扫描角θ的最大值的情况下，在单次扫描过程中可分辨的扫描角的数量是
在扫描速率R，扫描器每秒扫描的独立角度的数量，即扫描处理能力，可以表示为
在一些应用中，具有焦距f的傅立叶变换透镜用于聚焦激光束并将角扫描转换为空间扫描。在近轴近(paraxial approximation)似下，横向扫描视场L为：
L＝fΘ (4)
根据阿贝准则(Abbe criterion)的聚焦激光束的光斑尺寸为
其中NA＝D/2f是聚焦光束(1)的数值光圈。根据以上公式，以可分辨光斑的数量表达的处理能力的表达式可以导出为：
因此，尽管傅立叶变换透镜的差异，但是公式(3)及(6)基本上等同且可互换。本说明书的其余部分中，对可分辨的角及可分辨的光斑这二者的定义不做明显区分。
基于反射镜的机械扫描器，例如压电端头/倾斜镜，微机电系统(Micro-ElectroMechanical System,MEMS)镜(2)，检流计扫描器(3)，共振扫描镜(3)及多边形扫描器(4)，是最常用的激光束导向解决方案。由于激光束被反射镜偏转，这些扫描器通常是低损耗的、高消色差(在宽波长上操作)的、与宽范围的激光源兼容的，并且可以容易地集成于现有系统中。
然而，由于是通过物理地转动反射镜导向激光束，所以其性能在根本上受惯性的限制：增大扫描速率R通常需要减小扫描角θ及镜光圈(mirror aperture)尺寸D。对于高速扫描应用，这种取舍通常导致处理能力的降低(由公式(3)及(6)定义)。例如，在5mm光圈尺寸的情况下，虽然8kHz的Cambridge Technology型号共振扫描器(5)能够扫描26°视场，但较快的12kHz共振扫描器仅能够扫描10°视场，这相当于处理能力降低了42％。由于受到惯性的进一步限制，在不使用微尺寸反射镜的情况下，继续增大用于单面反射镜的扫描速率是困难的。对于使用多面镜的多边形扫描器，能够通过使用高面数多边形镜在约100kHz的条件下实现更快的速度。然而，上述取舍情况仍然存在：在固定的多边形镜半径及旋转速度的情况下，其处理能力随着扫描速率的增加而大致线性地降低。这是因为，为了实现N倍的扫描速率，需要在多边形镜上具有N倍数量的刻面，这将扫描角度θ和反射镜孔径D两者都减小了N倍，因此根据公式(3)及(6)的处理能力降低了N倍。尽管可以通过使用较大半径的多边形镜实现较大的镜光圈，但是镜的质量也将二次方地增大，这不可避免地导致降低的转动速度并且因此导致降低的扫描速率。因此，尽管许多应用可以受益于使用具有高扫描速率及高处理能力的扫描器，但是机械扫描器通常需要相互权衡这些因素之间的利弊。除了低处理能力之外，由于惯性，高速机械扫描器的最高扫描速率被限制为～100kHz。因此，基于反射镜的机械扫描器很少用于在＞100kHz的扫描速率下的超高速激光扫描应用。
机械扫描器的替代方案是固态扫描器，包括电光偏转器(Electro-OpticDeflectors，EOD)(6)及声光偏转器(Acousto-Optic Deflectors，AOD)(7，8)。这些光学扫描器不包含移动部件，因为它们所实现的光束偏转仅依赖于光学晶体的折射率调制。因此，它们是无惯性的，并且能够以数百kHz(9)的扫描速率运作。然而，由于固有的像差和色散，它们通常更昂贵且更复杂。例如，对于超快激光应用，通常需要使AOD与单独的激光脉冲同步运作，以避免柱面透镜效应。这样的特性使得AOD更适合于离散点的随机存取(randomaccess)扫描(10)而非连续线的平滑扫描。另外，由于声学填充时间或施加的高电压的限制，AOD及EOD两者都具有小的光圈尺寸及偏转角度，从而导致比机械扫描器低的处理能力。
所有上述技术通常用于1D扫描。对于需要2D扫描的应用，这通常通过使用具有2D运动的单个端头/倾斜反射镜或正交布置的两个光学扫描器实现。由于2D视场通常被逐行扫描覆盖，所以2D扫描速率不可避免地低于由沿快速扫描轴的镜面运动所确定的最高1D扫描速率。这意味着，对于具有N个独立线的2D区域，2D扫描速度仅是快轴扫描器的速率的1/N倍。
本发明涉及一种新的技术，即新的设备及方法，用于基于反光镜的光学扫描器的扫描速率及处理能力增强。在本文所描述的技术中，不是如通常在扫描应用中的那样通过扫描镜一次偏转实现光束扫描，而是采用双程技术实现，其中偏转光束被扫描倍增器单元反射回同一反射镜并且二次偏转。在本文所述技术的一些示例性实施例中，扫描倍增器单元是一个光学系统，该光学系统能够将角偏移引入偏转光束，并将其回射到扫描镜作二次偏转，其在本文中称为再扫描。
本技术的某些特征和元件将该技术与现有方法区分开，这些新颖的以及非显而易见的特征及元件包括至少：(1)超越惯性极限并将扫描器的扫描速率提升超过一个数量级(高达数百千赫或兆赫)的能力；(2)将扫描器的处理能力以二倍因子倍增的能力；(3)扫描速率增强是灵活的，特别是当增强等于1，即，没有增强时；即，使扫描角加倍并因此将扫描器的扫描视场加倍的能力；(4)仅使用1D扫描器进行2D激光扫描的能力，从而以1D线扫描的速率实现2D面扫描速率；(5)作为基于反光镜的技术，其共享基于反光镜的扫描器的所有优点，例如低损耗、不需要专门的激光源或光束特性；(6)与机械扫描器相反，本技术的益处是具有比任何机械扫描器快的高扫描速率，并且具有与中等或慢速机械扫描器相当的高处理能力。
激光束扫描器是在许多领域中使用的基础技术，诸如成像、生物医学、显示器、材料处理、导航。由于本技术能够提高激光束扫描器的扫描速率及处理能力，因此可以用于提高基本激光扫描单元的性能。当结合于现有产品中时，其可提高相应工艺的速度，例如成像及显示应用的帧率、材料处理应用的处理时间。它也可以增大所覆盖的面积，例如，用于成像或显示应用的视场。此外，由于消色性和与不同激光源和光束特性的兼容性的优点，本技术通常可应用于使用基于反光镜的扫描器的广泛的应用。
可以应用本技术的一些系统包括：
·基本激光扫描器。压电端头/倾斜镜，微机电系统(MEMS)扫描镜，检流计扫描器，共振扫描镜，多边形扫描器。
·成像。非视域成像，飞行时间(Time-of-Flight,ToF)成像。
·生物医学。激光扫描显微镜、眼科、激光扫描细胞术。
·遥感。光检测和测距(Light Detection And Ranging，LiDAR)系统，3D勘测，地面激光扫描。
·显示器。平视显示器(Head-Up Display，HUD)，激光扫描投影仪，近眼显示器。
·材料处理。三维(3D)打印，激光微加工，激光表面清洁，激光切割/焊接。
对于标准的基于反射镜的扫描器，激光束入射在反射镜表面上并且偏转至另一个方向，其中偏转角度取决于反射镜法线与入射光束之间的角度。通过物理转动扫描镜，偏转角度将改变，从而实现激光束扫描。在一些情况下，利用扫描透镜将该转角扫描转换为空间扫描，其中，激光束聚焦于光斑。
本技术基于机械反射镜扫描器，该技术不是用由反射镜偏转的单次光路导引入射光束，而是采用一种双光路方法，其中光束首先被反射镜扫描到扫描倍增器单元中，随后被同一反射镜重新扫描。虽然在诸如反射共焦显微术(13)的技术中已经使用再扫描，但是在这样的系统中的再扫描仅导致由于扫描角的消除而平行于入射光束的静态光束。相反地，在本技术中，扫描倍增器单元能够在被反射镜重新扫描之前用附加的角偏移Δθ回射初始扫描光束，生成相对于入射光束的再扫描光束的额外角偏移Δθ。如果该角偏移根据扫描角度而改变，则再扫描光束的角度也将相应地改变。另外，如果该改变的偏移角是周期性的，则重新扫描的光束将具有相同的周期性改变的角度，基本上在再扫描的光束上生成周期性的扫描图案。
在一些示例性实施例中，本公开的技术为1D扫描器提供扫描速率增强。图1是具有基于反射镜的激光束扫描器的扫描速率和处理能力增强的系统100的示意图。根据一些示例性实施例，使用1D回射器(retroreflector)阵列。在图l所示的实施例中，扫描倍增器单元110由远心扫描透镜(telecentric scan lens)L1 112及1D回射器阵列114的组合实现。入射光束B1被基于反射镜的扫描器116偏转，生成以角θ1∈[–θmax,θmax]扫描的、基于反光镜转动的扫描光束B2。这里，[–θmax,θmax]是以θ1＝0为中心的最大扫描范围。为简洁起见，在此假设扫描器在时间0≤t≤1/R内完成–θmax至θmax的单次1D扫描，并且B2的扫描角基于时间t作线性改变：
θ1(0≤t≤1/R)＝(2Rt-1)θmax (7)
其中R是扫描器的扫描速率(频率)。
扫描光束B2由位于距离基于反光镜的扫描器116的距离f1处的远心扫描透镜L1112接收，该远心扫描透镜L1 112的功能是将角扫描转换为空间扫描，生成经回射器阵列RA114横向扫描的聚焦光束B3。B3在RA 114上的入射位置由下式给出：
yi(t)＝f1tan(θ1)＝f1tan[(2Rt-1)θmax] (8)
这里f1是透镜L1 112的焦距.
根据定义，回射器沿着与入射光束平行的方向将光束反射回其光源。结果是，反射光束B4将平行于B3，但具有取决于B3的入射位置yi(t)的横向偏移d。在一些示例性实施例中，回射器阵列114是由具有间距p的中空屋脊棱镜制成的1D周期性回射器阵列114。在一些示例性实施例中，每个回射器的顶点的横向位置可以写为：
其中m∈{1，2，3，…}是阵列114内的单个回射器的数量，ΔyRA是阵列的总垂直偏移。在这种情况下，垂直偏移距离d取决于B3位置yi(t)到回射器的最接近顶点的垂直距离，其可以表示为：
d＝-2[(yi(t)+Δy(RA)-p/2) mod p]+p (10)
其中(a mod b)是取模算子。
回射光束B4然后到达透镜L1 112，透镜L1 112将其横向偏移d转换为相对于扫描光束B2的角度偏移θ2，其由下式给出：
θ2＝arctan[(yi(t)+d)/f1]-arctan[yi(r)/f1] (11)
假设d足够小，则可以简化为：
应注意，L1 112与RA 114之间的距离等于f1，使得生成的光束B5保持准直并且具有与入射光束B1相同的宽度。
在光束B5最终抵达基于反光镜的扫描器116中的扫描镜并且被再次扫描之后，光束B6将相对于原始入射光束B1具有相同的角偏移：
根据公式(8)及(13)，光束B6的再扫描角与原始扫描光束B2的扫描角的关系可以确定为：
θ3(θ1)＝(2[(f1tan(θ1)+ΔyRA-p/2)mod p]-p)/(f1/cosθ1) (14)
图2是根据一些示例性实施例的、作为时间的函数的扫描角的曲线图。图2示出在单个扫描器扫描t∈[0,1/R]期间作为时间的函数的扫描角θ1及再扫描角θ3。为简洁起见，如果回射器阵列114的间距及垂直偏移被选择为使得Mp＝2f1tan(θmax),andf1tan(θmax)+ΔyRA+p/2＝0,，其中m∈{1,2,3}为正整数，则θ1从-θmax至θmax扫描一次的单线扫描期间，根据公式(14)，再扫描角θ3从-p/f1至p/f1扫描M次。
基本上，扫描倍增器单元110的功能是根据扫描角θ1对具有周期性角偏移θ2的扫描光束B2进行回射，生成再扫描光束B6与入射光束Bl之间的周期性改变角θ3，因此导致光束B6的角扫描运动。根据覆盖原始扫描区域的回射器的数量，机械扫描器的扫描速率可以增大M＞1倍。
处理能力增强。根据公式(3)，对于光圈大小为D，扫描频率R及和最大扫描范围θ1∈[–θmax,θmax]的标准光学扫描器，其对于激光波长λ的最大处理能力为：
根据本发明，在扫描速率增加到具有再扫描角θ3从[-p/f1,p/f1]的MR的情况下，处理能力为：
在近轴近似(1)下，Mp≈2f1θmax,上述公式(16)可以进一步简化为：
这意味着本技术能够将机械扫描器的处理能力提高为2倍。
扫描视场增强。由于双倍扫描处理能力，当设置M＝1时，即回射器阵列RA114包括单个回射器，扫描器的最大扫描范围可以加倍。这可以从公式(11)中看出。通过将单个回射器的尺寸设定为等于最大扫描范围p＝2f1tan(θmax)，及适当的垂直偏移，使得回射器沿着光轴f1tan(θmax)+ΔyRA+p/2＝0居中：
θ3(θ1)＝-2θ1∈[-2θmax,2θmax] (18)
因此，采用本公开的技术，最大扫描视场可以从[-θmax,θmax]加倍至[-2θmax,2θmax]。本系统如图3所示，其为根据一些示例性实施例的用于扫描器的扫描速率和处理能力增强的、使用单个回射器使扫描视场加倍的系统200的示意图。
应注意，诸如非远心扫描透镜或非单元放大率4f系统的光学系统也可以用于调整扫描视场(θ或L)和激光束/光斑尺寸(Δθ或Δd)，然而，它们将不改变扫描器处理能力Q或扫描速率R。这里使用我们的技术的益处是与双视场共同实现的双倍处理能力。因此，与传统技术相比，本技术产生可分辨的角度/光斑的数量的两倍。应当理解，在本公开的本系统之后可以使用其他光学系统进一步调整扫描视场或激光束/光斑尺寸；然而，扫描处理能力将保持加倍。
采用单向回射器阵列的实施。回射器通常被设计用于大的接收角，使得宽入射角上的光束可以沿着相同的方向被反射回来。然而，在本技术的情况下，入射光束B3限于回射器阵列的法线方向。这在后向反射器设计方面允许更大的灵活性，这仅需要对正常入射光束可操作。
图4是根据一些示例性实施例的、使用单向回射器阵列的扫描器的扫描速率和处理能力增强的另一系统300的示意图。图4示出具有单向回射器阵列316的实施方式，该单向回射器阵列316包括1D透镜阵列LA 314及平面镜(MR)315。应注意，术语“透镜”，“微透镜”及“小透镜”在本公开中可互换使用，以指透镜、微透镜及小透镜的阵列。这里假设LA 314包括垂直对齐的、间距为p的M个相同透镜317，并且每个单个透镜317的焦距是f2。透镜L1 318与LA 314之间的距离等于f1+f2，并且MR 315被放置在透镜阵列314后面的距离f2处。以这种方式，回射光束B5，以及其生成的B6将保持准直并且具有与入射光束B1相同的光束宽度。除了用透镜阵列314及平面反射镜MR 315的组合代替图1的后向反射器阵列RA 114之外，该实施方式在很大程度上类似于图1。因此，操作原理与上文关于图1所描述的操作原理相同：由于具有覆盖整个扫描区域的M个单个透镜317，对于单个扫描器从-θmax至θmax,的扫描θ1，再扫描光束将扫描M次，扫描角为-p/f1至p/f1。扫描器的处理能力也提高为2倍。
2D扫描器的扫描速率增强。虽然上面的详细描述涉及通过使用1D扫描器改进线性扫描速率，但是该技术也可以推广至2D扫描器，以提高2D面扫描速率。这对于诸如端头/倾斜压电反射镜，端头/倾斜MEMS反射镜或诸如检流计共振扫描器的双反射镜2D扫描系统的单反射镜2D扫描系统将是有用的。图5是根据一些示例性实施例的、用于二维(2D)扫描器的扫描帧速率改进的系统400的示意图。除了系统400包括2D扫描器416及2D透镜阵列414之外，图5所示的系统400基本上与图4的系统300相同。在图5的实施例中，示出单向回射器阵列415，尽管也可以使用其他2D阵列设计，例如角隅棱镜回射器阵列或猫眼回射器阵列。还假设2D透镜阵列414由间距为p及焦距为f2的、正交布置的M×M个单个正方形透镜417制成。
假设2D扫描器的扫描范围为θ1x,1y∈[-θmax,θmax]以及Mp＝2f1tan(θmax)，对于B2对最大正方形扫描范围的单次扫描，再扫描光束B6在由θ3x,3y∈[-p/f1,p/f1]定义的正方形区域上扫描M次。下标(*)xy分别表示沿x轴和y轴的偏移角，如图5所示。最大处理能力也在x和y两个方向上增大为2倍。
采用1D扫描器的2D扫描。图6是根据一些示例性实施例的采用1D扫描器实现2D激光束扫描的系统500的示意图。如图6所示，除了图6的1D透镜阵列LA 514沿光轴(z轴)转动角度φ之外，该系统500与图4的系统300相同。为了确定再扫描光束B6的位置，采用与先前系统描述中类似的符号：1D扫描器在单个扫描0≤t≤1/R下以恒定速度从-θmax至θmax扫描光束B2，其中R是扫描器的扫描频率。因此，作为时间的函数的透镜阵列514处的B3的扫描位置是：
xi(t)＝0 (19)
yi(t)＝f1tanθ1＝f1tan[2(Rt-1)θmac] (20)
假设1D透镜阵列包括M个单个的正方形透镜517，每个均具有间距p及焦距f2。每个单个的透镜517的中心位置可以表示为：
这里，ΔyRA是透镜阵列LA 514的总垂直移位，使得其相对于光轴为中心。
根据公式(20)及(21)，当B3位于第m个透镜的边界内时，回射光束B4相对于入射光束B3的水平(x轴)和垂直(y轴)偏移是：
dx＝2(mp+ΔyRA)sinφ (22)
dy＝2[-yi(t)+(mp+ΔyRA)cosφ] (23)
其中[*]是上取整函数(ceiling function)。这呈现于图7A，图7A是根据一些示例性实施例的、采用1D扫描器516的2D激光束扫描的示意图，包括采用倾斜的小透镜阵列514回射光束的扫描光束入射位置及对应的出射位置。图7B是根据一些示例性实施例的、采用1D扫描器515的2D激光束扫描的示意图，包括采用1D扫描器516的2D扫描视场。根据横向光束偏移dx,y及再扫描角θ3x y之间的关系：
θ3x＝-θ2x＝-arctan(dx/f1) (25)
对于dx/f1及dy/f1是较少值的情况，2D再扫描角作为1D扫描角θ1的函数是：
θ3x(θ1)＝-2[m(θ1)·p+ΔyRA]sinφ/f1 (27)
θ3y(θ1)＝2{f1tanθ1-[m(θ1)·p+ΔyRA]cosθ1cosφ}/f1 (28)
采用近轴近似并假设小转角cosφ≈1，并且附加地选择M,p,ΔyRA使得Mp＝2f1tan(θmax),f1tan(θmax)+ΔyRA+p/2＝0.。上述公式可以简化为：
由于θ1∈[-θmax,θmax]并且m(θ1)∈[1,M]，再扫描角的范围为：
结果是，在透镜阵列沿光轴转角φ的情况下，沿y轴扫描的1D扫描器将导致2D再扫描光束在由公式(33)及(34)定义的矩形区域上扫描，其中M个等距间隔的线被顺序扫描。因此，2D扫描帧率等于1D扫描器的线速率R。因为在视场内有M个单独的线被扫描，所以线扫描速率等于MR。该扫描视场如图7B所示。
分离入射光束及去扫描光束。在上述实施例中，入射光束B1与再扫描光束B6沿相反的方向但沿着相同的光轴行进。对于一些应用，在不引起损耗的情况下分离B1和B6是有益的。图8示出这样的策略之一，图8是根据一些示例性实施例的、用于分离入射光束及再扫描光束的方法的示意性功能图。参考图8，扫描系统600包括激光束扫描器16及扫描倍增器单元10，如上文结合各实施例所描述的，在图8中，入射激光束B1的偏振首先由半波片(λ/2)602旋转，使得其平行于偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)604的反射轴，偏振分束器604将光束在通过四分之一波片(λ/4)606之后反射到扫描系统600中，其中扫描系统600代表的本文所述的扫描系统的任何实施例。四分之一波片606将入射的线偏振光转换为圆偏振光，并且在扫描系统600中的回射时，圆偏振的自旋被反转。当光束离开扫描系统600时，光束再次通过四分之一波片606，转变为具有偏振轴垂直于原始入射光束B1的线性偏振光。结果是，再扫描光束B6透射通过偏振分束器604，从入射光束分离。
在其它实施例中，可以使用单个非偏振分束器代替PBS 604，入射光束与去扫描射束可以由刀口镜分开，前提是扫描范围不会导致入射光束与去扫描光束之间的重叠。
展开的几何形状。当使用透射光学器件(1D或2D透镜阵列)时，诸如上文结合图4、5、6所述的，系统可以被展开以允许单方向向前的光传播而不是前后双向的光传播。这种单向向前的光传播几何形状的优点在于，入射光束与去扫描光束是自然分离的，而无需采用上文结合图8示出和描述的偏振光学器件。这可以避免一些可能的光损失，特别是当通过系统的光不被偏振时。一个示例是共焦荧光成像，如果用本文所公开的扫描倍增器系统扫描激发光束，所产生的荧光信号也需要在反向方向上通过系统进行去扫描。由于荧光不是偏振的，通过图8所示的偏振光学器件的去扫描将导致50％的光损失。这样的光损失可以通过使用本文描述的单向正向光传播的几何形状得以避免。
图9是根据一些示例性实施例的、图4所示系统300的展开版本的、扫描光束通过系统700在单向向前方向传输的示意图，其中示出该单传输系统的示例。系统700从图4所示的系统300关于反射镜MR315的轴线展开。系统700具有两个相同的透镜L1 706及L2 708、两个相同的透镜阵列LA1 702和LA2 704，以及两个相同的扫描器S1716和S2 718。左侧透镜L1706及透镜阵列LA1 702构成4f成像系统，其将图像扫描器S1 716成像于中间虚拟图像平面VI 720。应注意，VI 720处于与图4中的反射镜MR 315相同的光学位置。在图9的系统700中，作为LA1 702、透镜L1 706及扫描器S1 716的镜像版本的透镜阵列LA2 704、透镜L2 708及扫描器S2 718的组合布置为取代反射镜315，即，透镜阵列LA1 702、透镜L1 706及扫描器S1716关于虚拟图像平面VI 720与透镜阵列LA2 704、透镜L2 708及扫描器S2 718镜像对称。这基本上使系统展开并允许光束以单方向传播，而不是被反射镜反射并且通过每个元件两次。由于在系统700中采用两个单独的扫描器716及718，两个扫描器716及718的运动是同步的。诸如图5及图6所示的其他设计也可以以类似的方式展开。
在此描述的实施例的许多变型在本公开的范围内。例如，回射器阵列可以具有不同的设计。图1及图3示出本发明的一个优选实施例。通过采用中空的屋脊棱镜的广角回射器阵列的设计。替代的阵列实施例，诸如使用直角棱镜，角立方棱镜或球透镜也是可能的。
在本文所述的任何实施例中，单独的回射器的数量M>1可以不同。
单个接受角回射器的一个实施方式包括透镜阵列和反射镜，如图5及图6所示。根据本技术，回射器阵列可具有宽的接受角或仅具有单个接受角。
作为回射器阵列的替代，能够用周期性或非周期性空间偏移回射正常入射光束的任何光学系统都可以用作扫描倍增器单元。
作为使用扫描透镜及回射器阵列的替代，可以使用能够根据入射角反射具有周期性角偏移的入射光束的任何光学系统。例如，可以使用诸如空间光调制器的可重新配置光学器件代替透镜阵列，以用于更灵活的扫描倍增控制。
对于1D回射器阵列，间距p可以是可变的而不是常数。对于2D回射器阵列，沿x轴的间距px及沿y的间距py也可以是可变的，并且不必满足px＝py。每个单独的元件也可以相对于彼此具有旋转角度。
对于2D回射器阵列，每个单独的回射器不需要正交地布置。阵列可以布置在诸如三面体或蜂窝的几何形状中，这将影响再扫描光束的扫描区域。每一行或每一列也可彼此横向偏移。
对于使用1D回射器阵列的2D扫描，代替倾斜透镜阵列，透镜阵列可以在x方向上横向偏移。它也可以用标准1D回射器阵列代替，其中每个元件在不同的旋转角度上。
本文对处理能力的描述限于高斯激光束(Gaussian laser beam)。然而，该技术也适用于具有诸如环形光束或贝塞尔光束(Bessel beam)的其他空间轮廓的激光束。
本文的描述适用于不同的激光束光源，例如连续激光器、脉冲激光器、多色激光源、频率梳源以及其它类似或相似的源。
图10是根据如本文所述的一些示例性实施例的使用扫描倍增器单元(ScanMultiplier Unit，SMU)802的用于1kHz帧速率成像的双光子显微镜系统800的示意图。本实施例中的特征是采用8kHz共振扫描器(16kHz双向线速率)及N＝16SMU 802的组合用于超快256kHz快轴扫描。通过一个用于1kHz慢轴扫描的附加线性检流计，能够以1kHz帧速率在2D区域上作光栅扫描。
参考图10，激光源806(例如，具有80MHz重复率的Ti-蓝宝石激光器)由具有8kHz共振频率的共振扫描器815扫描，从而产生具有16kHz双向线速率的扫描激光束。该激光束被导向至SMU 802中，SMU 802包括透镜812、N＝16小透镜阵列818及反射镜820。反射的激光束在第二次通过谐振扫描器815之后将具有256kHz的倍增线扫描速率，其作为快轴扫描。采用半波片822、四分之一波片824及偏振分束器(PBS)826的组合分离入射光束和再扫描光束。4f系统将谐振扫描器815的表面成像到线性检流计814上，线性检流计814以1kHz线速率在正交轴上扫描激光束。接着通过物镜828将此聚焦到样本829上，从而产生在1kHz帧速率下在2D视场上扫描的聚焦点光栅。产生的信号(在这种情况下为双光子荧光)由相同的物镜828收集，由光电倍增管(PhotoMultiplier Tube,PMT)830检测，并由高速数字化仪记录。2D图像可以在计算机中重建。
图11A-11C示出根据一些示例性实施例的、采用图10的显微镜系统800生成的图像以及用于在三分钟记录时间内对1kHz帧速率进行体内钙成像的对应的钙动力学。具体地，图11A示出以1kHz采集的原始帧图像数据。图11B示出在记录周期期间包含31个活动神经元的形态图像。图11C示出在3分钟记录时间内对应的钙动力学。图11A及图11B的比例尺刻度条为20微米。
图12是根据一些示例性实施例的双光子显微镜900的16kHz帧速率成像示意图，其中采用具有倾斜小透镜阵列918的SMU 902。双光子显微镜900采用具有倾斜小透镜阵列918的SMU 902，用于16kHz帧速率超快双光子显微镜。激光源906，诸如具有80MHz重复率的Ti-蓝宝石激光器，提供入射光束至8kHz共振扫描器915(16kHz线扫描速率)的表面，该入射光被导向至SMU 902，SMU 902包括n＝37元件、0.85°倾斜角的倾斜小透镜阵列918、透镜912及反光镜920，生成快轴扫描速率Rx＝592kHz、慢轴扫描速率Ry＝16kHz(即帧速率)的再扫描光束。采用半波片922、四分之一波片924及偏振分束器(PBS)926的组合分离入射光束及再扫描光束。2D扫描光束通过物镜聚焦到样本上，其中焦斑在16khz帧速率下的2D视场光栅扫描。产生的信号由同一物镜收集，由光电倍增管检测，并由高速数字化仪(图12中未示出，但与图10所示的元件相同)记录。2D图像可以在计算机中重建。
图13A-13G示出根据一些示例性实施例的采用图12的显微镜的成像方面。具体地，图13A及13B示出以256kHz线速率扫描的10微米荧光珠的时间分辨信号。图13C及13D示出用于快速流动监测和体内钙成像的图像，即以不同速度流动荧光珠的16kHz成像。由于珠运动和双向扫描，在较高的流速下观察到图像剪切。图13E-13G示出在单个帧(图13E)中的16khz的体内钙成像的图像和六个活性神经元(图13F)的平均帧以及在三分钟记录时间内的钙迹线(图13G)
图14A及14B示出根据一些示例性实施例的用于从入射光束分离以及输出再扫描光束的方法，该方法应用于共焦显微术。这是图8所示的方法的替代方法。与图8所示的方法相比，图14A及14B的技术具有这样的优点：它不需要偏振光，并且因此可以应用于诸如共焦显微术的应用，其中再扫描的荧光光子是非偏振的。
在图14A和14B的实施例中，小透镜阵列1014的中心从扫描线垂直偏移。由于SMU的2D结构，当光束从小透镜1014离开时，它将以与初始1D扫描光束的高度不同的高度离开，如图14B所示。因此，再扫描光束也将处于不同的高度，并且它们可以容易地被腿部面涂覆的直角棱镜反射镜分离。
图15是根据如本文所述的一些示例性实施例的采用扫描倍增器单元1002的共焦显微镜系统1000的示意图。参考图15，激光源1006的输出光束经由直角棱镜镜(RightAngle Prism Mirror，RAP)1007的上腿面(upper leg)被导引至共振扫描器1016，RAP1007以预定线速率R0扫描。光束被传输到具有N个单个元件的SMU 1002，SMU 1002经过再扫描生成具有快轴线速率Rx＝NR0的激光束。再扫描光束1009经由RAP 1007的下腿面被导引朝向慢轴检流计扫描器1014(线速率Ry)，4f成像系统将谐振扫描器表面成像到检流计扫描器表面上，生成具有帧速率Ry的2D扫描光束。这然后通过附加的4f系统将其重新成像到物镜1028的后孔上，并且该激发光束聚焦到样本1029上。所获得的发射自样本1029的发射荧光束通过检流计扫描器1014，RAP 1007，共振扫描器1016及SMU模块1002沿激发光束的路径反向发回，在从RAP 1007的上腿面反射之后，通过分色镜(Dichromatic Mirror，DM)1018将荧光束从激发光束分离，然后将荧光束聚焦到针孔1020以进行背景滤除，并且剩余信号由光电倍增管(PMT)1030收集并且由高速数字转换器记录。2D图像可以在计算机中重建。
应注意，图15的系统1000是单点扫描共聚焦显微镜。将理解的是，本发明的技术还可以包括其他实施方式，例如多点扫描共焦或线扫描共焦显微镜。
在阅读了前文的描述之后，本公开的许多改变和修改对于本领域的普通技术人员将变得明显清晰，然而应当理解，通过说明的方式示出和描述的特定实施例不旨在被认为是限制性的。此外，已经参考特定实施例描述了本主题，但是在本公开的灵感和范围内的各种变化将是本领域技术人员能够设想到的。以上实施例仅仅是为了说明的目的，而不应理解为对本发明的限制。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出和描述了本发明构思，本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求定义的本发明构思的灵感和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
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Claims (26)

1.一种用于光学扫描的扫描倍增器系统，包括：
惯性扫描单元，其用于接收入射光束以及扫描所述入射光束以生成扫描光束；所述扫描光束定义扫描线速率，以及
扫描倍增器单元，其用于从所述惯性扫描单元接收所述扫描光束，所述扫描倍增器单元包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件用于将所述扫描光束再定向反向朝向所述惯性扫描单元，所述惯性扫描单元从所述光学元件接收所述反射光束并生成再扫描光束，所述再扫描光束定义再扫描线速率，所述再扫描线速率不同于所述扫描线速率。
2.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述入射光束、所述扫描光束及所述再扫描光束是光学光束。
3.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述再扫描光束的所述再扫描线扫描速率大于所述扫描线速率。
4.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元包括扫描透镜及回射器阵列。
5.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元中的所述光学元件包括反射元件。
6.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元中的所述光学元件包括具有预设间距的多个反射元件。
7.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元中的所述光学元件包括具有可变间距的多个反射元件。
8.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元中的所述光学元件包括折射元件。
9.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元中的所述光学元件包括具有预设间距的多个折射元件。
10.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述扫描倍增器单元中的所述光学元件包括具有可变间距的多个折射元件。
11.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述光学元件包括反射元件的一维阵列。
12.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述光学元件包括折射元件的一维阵列。
13.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述光学元件包括反射元件的一维倾斜阵列。
14.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述光学元件包括折射元件的一维倾斜阵列。
15.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述光学元件包括反射元件的二维阵列。
16.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，其中所述光学元件包括折射元件的二维阵列。
17.根据权利要求1所述的扫描倍增器系统，还包括用于将所述入射光束从所述再扫描光束分离的多个光学元件。
18.一种激光扫描显微镜系统，包括：
光源，其用于生成入射光束；
惯性扫描单元，其用于接收所述入射光束并对所述入射光束进行扫描以生成定义扫描线速率的扫描光束；以及
扫描倍增器单元，其用于从所述惯性扫描单元接收所述扫描光束，所述扫描倍增器单元包括用于将所述扫描光束再定向反向朝向所述惯性扫描单元的光学元件，所述惯性扫描单元从所述光学元件接收所述反射光束并生成再扫描光束，所述再扫描光束定义再扫描线速率，所述再扫描线速率不同于所述扫描线速率。
19.根据权利要求18所述的激光扫描显微镜，还包括用于将所述入射光束从所述再扫描光束分离的多个光学元件。
20.根据权利要求18所述的激光扫描显微镜，还包括用于沿慢轴扫描所述再扫描光束的扫描器。
21.根据权利要求18所述的激光扫描显微镜，还包括用于将所述再扫描光束聚焦于在样本上扫描的聚焦点上的物镜。
22.根据权利要求18所述的激光扫描显微镜，还包括用于检测来自样本的光的检测器。
23.根据权利要求22所述的激光扫描显微镜，其中所述检测器包括检测器元件的二维阵列。
24.根据权利要求22所述的激光扫描显微镜，其中所述检测器包括检测器元件的一维阵列。
25.根据权利要求18所述的激光扫描显微镜，其中所述显微镜是共聚焦显微镜。
26.根据权利要求18所述的激光扫描显微镜，其中所述显微镜是双光子显微镜。
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