CN1639608A

CN1639608A - 焦距光学扫描装置

Info

Publication number: CN1639608A
Application number: CN03804946.5A
Authority: CN
Inventors: 樊尚·洛埃
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: AU2003238149A1; FR2836727B1; CN1293404C; US20060245022A1; FR2836727A1; JP4160511B2; US7463396B2; ATE370435T1; DE60315604D1; EP1481277A1; DE60315604T2; WO2003075070A1; ES2292977T3; EP1481277B1; JP2005519324A

Abstract

本发明一种焦距光学扫描装置，由一个可移动的扫描镜组成，其在光线穿过一系列显微镜的小孔后，一侧101(b)的反射可补偿反面101(a)的反射。本发明可用在生物和材料研究的快速3D和2D显微镜中。

Description

焦距光学扫描装置

本发明涉及一个光学扫描装置，它用于同时间扫描观察面和镜像面。

编号为PCT/FR01/02890的专利，描述了一个用于同时扫描观察面和镜像面的光学扫描装置。

在该文件中记录了两种类型的扫描装置：

-使用一个微反光镜网来过滤光束，并只使用唯一一个活动反光镜面的装置。

-使用一个或多个显微镜孔作为空间过滤装置来过滤光束，还使用活动反光镜相对的两个面的装置。

第二类的扫描装置使用一个活动反光镜，它具有以下元件：

-一个被引向观察面的物面(因此引向显微镜的物镜)，它能够把观察物上固定一点的几何镜像移动到显微镜孔网面中。

-一个被引向探测装置的镜像面(例如，摄像机)，他能够把观察物上固定的一点的几何镜像引至探测装置的固定一点。因此物面能够靠扫描来表达，镜像面可以从扫描中得到补偿。

图1至图5能够比较好地理解补偿机制。图1(a)显示一个虚拟的构型，它具有对称的简单特性。水平到达物面01的光束被向上反射。垂直到镜像面02的光束被向右反射。图1(b)显示的是扫描补偿原理，它被运用到艺术中。光束水平到达物面然后被向上反射。光束水平到达镜像面然后被向下反射。

如果活动反光镜围绕正轴旋转，就像图2所显示的那样，那么从图1(a)处反射的光束就会承受图2(a)上显示的各个方向的旋转。通过光束方向的反转，在图1(b)的扫描补偿系统中，我们可以推断出，入射光束在活动反光镜的镜像面应该存在的光束方向，以便光束出来的方向是始终不变的。这个方向表现在图2(b)中。把光束从物面引导到活动反光镜的镜像面的透镜和反光镜光学系统应该可以被预知，以便光束由物面反射后，向图右偏斜的光束通过向上偏移到达镜像面。

如果活动反光镜经受小幅度地围绕一根处于图面的轴旋转的话，如图3所示，图2(a)和图2(b)的光束的方向会改变，正如图3(a)和图3(b)中所示那样。在这些图上，圆圈中一个十字代表光束远离观察者，圆圈中一点则表示光束接近观察者。

总之，图3中体现出来的情况只在一级补偿中有效。当活动反光镜的旋转角变得足够大时，二级补偿现象就会出现，它是由物面反射的光束向右方的一个旋转。因此图3上的图应该象图4上注明的那样修改。

为了补偿现象能够正确地在第一级别产生，把物面的光束向右镜像面引导的透镜和反光镜系统应该能够检查图2(b)和图3(b)描述的情况。因此，如图4(a)上显示的，由物面反射的光束回到如图5上显示的镜像面。除此之外，为了返回到恒定方向，光束应该象在图4(b)上所示那样返回。在反光镜运动的一级补偿和围绕图中一根轴做旋转运动的二级补偿之间存在不兼容的现象。为补偿效应应运而生的本系统能够正确地在一级中产生，但二级的偏斜不仅没能被补偿反而如图5中所示的那样增大。因此，在探测仪上获得的镜像是受到了二级的干扰，这是相对于反光镜围绕图上的一根轴旋转而产生的旋转运动的幅度而言的。

根据本发明，这个问题通过一个焦点光学扫描装置就可以解决，这个装置包括：

-至少一个旋转活动反光镜，它包括一个物面，此物面用于引导来自观察物的光束。

-至少两个检查透镜，它们能够被活动反光镜的物面和镜像面之间的光束穿过，镜像面和物面相对。

-至少一个显微镜孔，它位于两个检查透镜之间的中间镜像面上。

-一些定向反光镜，它们能够重新把来自观察物并被物面反射的光束引向活动反光镜的镜像面，为了使光束能够返回到镜像面，也为了使向物面固定方向入射的光束能够脱离有固定方向的镜像面，这个固定方向独立于活动反光镜的位置，是用于活动反光镜所有有效的旋转角。

特征是通过定向反光镜和检查透镜的设置，其目的是为了从物面入射到镜像面的光束和离开物面朝镜像面去的同一光束是完全相同的方向和相同的向。

因此问题是可以通过一个扫描系统来解决，在这个扫描系统中，入射到物面的光束以如图6(a)上注明的一种方式被引向镜像面，要知道，由物面反射的光束仅在物面反射后，立即按完全相同的方向和相同的向再回到镜像面，在反射到镜像面后离开活动反光镜的光束和在反射到物面前入射到活动反光镜的光束有同样的方向和同样的向。活动反光镜的补偿运动就像图6(b)和图6(c)上显示的那样产生，而且在一级补偿和二级补偿中并没有不兼容现象。透镜和反光镜系统能够把物体正面反射的光束按照图6(c)上阐述了的方式引向镜像正面的方向，同时把图6(b)上由物体正面反射的光束引向镜像的正面，这些都如图6(b)所显示的那样。我们可以用一种普通的方式证明补偿对任何级别而言都是非常完善的。

如果活动反光镜有两根不同的旋转轴，在这种情况下，这种构型能够允许在两根轴的周围使用大量的旋转角。如果活动反光镜只有一根旋转轴，在这种情况下，相对于镜子不明确的位置而言，这个构型可以改善系统的坚固耐用性，而且考虑到体积方面的情况，它能够以最实用的方式来使用这个旋转轴。总的来说，这个构型能够扩大活动反光镜所使用的旋转轴的所有角。总之，这些旋转角仍是受到透镜象差的限制，并且受到另外一种现象的限制，这个现象就是如果让这束光穿过检查透镜，穿过转向镜，并穿过用显微镜才能看见的孔网，光束是不会从一个轨迹中出来的。

这一型构同样能够解决震荡问题，震荡问题将影响从扫描系统转向显微镜的物镜或者/和观察物的概貌。为此，根据本发明的一个特性，扫描装置的特性同样也体现在以下的元件中：

-至少包括一个可以被光束穿透的物透镜，其光束来自被引向活动反光镜的物面的观察物。

-至少包括一个可以被光束穿透的镜像透镜，其光束来自观察物，并且镜像透镜预先已经连续被活动反光镜镜像和物面反射了，并且使之引向一个水平面或者形成观察物的镜像。

-镜像透镜和物透镜都被固定在第一层框架上。

-活动反光镜和检查镜以及定向镜都被固定在第二层框架上。

-第一层框架和第二层框架可以相对移动位置，它们之间只是被一些变形连接相连。

这些变形的连接可以是典型的弹簧或者橡胶元件。整体是由活动反光镜和放射镜，透镜系统组成，反光镜和透镜系统能够把物面的光束引向镜像面，因此它组成了一个相互关联的，悬空的整体，以便能够机械地从显微镜装置(物透镜和镜像透镜)的余下部分分离出来。如果没有显微镜孔网，这个装置或其的运动几乎不影响所观察到的物体的镜像。如果有显微镜孔网，这个影响仍然很小，除非震荡的频率绝对小于扫描的频率。因此，

-连接到第一层框架的元件的光束穿过一个连接到第二层框架的元件，此元件对于第一层框架的元件而言是活动的，这个过程发生在非焦点的区域，它避免了在第二个框架对于第一个框架平移时，位置的相对移动对聚焦面的影响。

-与第二层框架相关的方位标中，无论入射到物面的方向是怎样的，离开镜像面的光束的方向和到达物面的光束是同样的方向。在与第二层框架相关的方位标中也是如此，无论相对于第一层而言的第二层的运动是怎样的，离开镜像面的光束和入射到物面的光束仍然是同样的方向。这意味着，当第二层框架相对于第一层框架呈旋转移动时，被观察物的固定一点的镜像面中的镜像(经透镜镜像过度后)仍是固定的。

根据本发明的特征，当振动在环境中不是很强烈时，一个简单可行的解决办法是由放置在一个抗振的桌面上的第一层框架和直接与地面相连的第二层框架组成。在这种情况下，变形连接是由抗振桌上的悬浮系统来构成的。如果振动太强烈，第一层框架放置在第一个抗振桌上，把第二层框架放置在第二个抗振桌上，此抗振桌独立于第一个抗振桌。

本发明同样也可以解决当我们力图在存在的显微镜的光路中加入本系统时碰到的体积可能增大的问题。因此，在这种情况下，活动反光镜应该被插入到光程中的非焦点的部分，而不是这个插入行为需要改变它的路径(例如方向的改变)，也不是本系统需要过度拉伸光程。所采用的构型能够保留光路在穿过装置时的方向，并且能够在光路上用活动反光镜的宽度来限制体积(例如扫描装置的余部在侧面)。

这样一种扫描装置能够以几种不同的方式来实现。本发明的一个目的就是能够通过减小体积优化传播来实现此装置。

本发明目的通过具备以下特征的扫描装置达到：

-准确地包括两组检查透镜。

-每一组隔开一个非焦点区和一个焦点区，活动反光镜便在非焦点区；显微镜孔网便在焦点区。

-准确地包括4个定位镜。

事实上，根据本发明，扫描装置至少包括两个透镜，用于穿过非焦点区或者是镜像图上活动反光镜的物面所处的位置，或者是显微镜孔网所处的位置，这两个透镜分别为了穿过显微镜孔网到达非焦点区或者是活动反光镜的镜像面存在的位置。另外，我们可以证明，通过正确地使用两个透镜，不可能把来自于活动反光镜物面的光束引向活动反光镜的镜像面；如果使用少于四个反光镜的话，也不可能产生补偿效应。因而使用四个反光镜及两个透镜的构型是最佳的。

总之，使用四个反光镜及两个透镜的事实，不会因此就能保证由物面到扫描镜像面可产生合适的补偿。为了使补偿是有效的，根据本发明的特征，此装置应该同时符合如下条件：

(AB×BC，BC×CD)_BC+(BC×CD，CD×DE)_CD+(CD×DE，DE×EF)_DE+(DE×EF，EF×BC)_EF＝π

或者(UV×VX，VX×XY)_VX表示向量UV和VX的向量积(UV×VX)以及向量VX和XY的向量积(VX×XY)之间的角，用向量VX定位，用于点U，V，X，Y的集合，和或者：

A是位于光学轴的活动反光镜物面上的点。

B是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及到第一个定位镜而形成的一点，活动反光镜位于光学轴上。

C是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及第二个定位镜而形成的一点，活动反光镜在光学轴上。

D是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及第三个定位镜而形成的一点，活动反光镜在光学轴上。

E是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及第四个定位镜而形成的一点，活动反光镜在光学轴上。

F是活动反光镜镜像面上的一点，活动反光镜在光学轴上。

这个条件特别包含A，B，C，D，E，F五个点是不共面的。

附图的简单描述

依照先前的技术，图1至图5用于帮助理解显微镜的不足之处。图1(a)，图2(a)，图3(a)，图4(a)，显示了一个对称的构型，它能够通过光束方向的反转来得到图1(b)，图2(b)，图3(b)，图4(b)，这些图形阐述了在技术中使用的补偿效应的原理。图1显示的是活动反光镜的中央位置。图2显示的是围绕图上正交轴旋转运动的效应。图3是围绕位于图上的轴旋转运动产生的一级效应。图4是这种运动产生的二级效应。图5显示的是当本系统活动反光镜旋转用于给一级补偿时，这种运动产生的二级效应。

图6显示的是根据本发明用于进行扫描运动的补偿所使用的原理。图6(a)显示的是活动反光镜的中心位置。图6(b)显示的是图上围绕正交轴旋转产生的效应。图6(c)显示的是围绕图上的轴旋转产生的效应。

图7显示的是本发明实现的第一个实施例。图8显示的是图7中使用的光路，但由于定位镜，光路没有被折拢。图9显示的是由反光镜定位的原理，它确定A，B，C，D，E，F六点，这些点表明定位的特征。

图10至图15与实现本发明的第二个实施例有关。图10显示的是一个“打开的”光路，没有定位镜。图11显示的是一个由点A，B，C，D，E，F组成的三位立体图例，这些点确定了光路的折拢。

图12至图15与实现本发明的第二种模式的一个特殊的例子有关，完全按尺寸调整。图12显示的是所使用的透镜，它由两个相同的消色差物镜构成。图13至图15显示的是本装置几个不同角度的外观，图15是透视全貌。

实施例1

此实现模式体现在图7上。来自没有在图上标明的显微镜的镜像面112的光束穿透一个“物”透镜111，它的焦点面是面112。在图上标明了来自观察物上特殊一点的光束。在穿过透镜111后，光束在非焦点区上，也就是说，来自于面112一点的光束在穿过透镜111后变成平行的。接着到达扫描补偿机组120，它的入口和出口都在非焦点区上。光束在扫描装置中碰到的第一个元件是直流电测量镜的物面101(a)，它位于透镜111的焦点面上。这个直流电测量镜的面把光束向透镜102反射，它的一个焦点面在直流电测量镜的面101(a)上。在穿过透镜102后，光束到达反光镜103，它把光束向位于透镜102的焦曲面上的显微镜孔网104反射。已经穿过了显微镜孔网104的光束接着被反光镜105反射，然后穿过透镜106，它的焦曲面在显微镜孔网104上。它然后穿过透镜107，它的聚焦面与透镜106的另外一个聚焦面汇合在一起。它经反光镜108和109反射然后穿过透镜110，此透镜的一个聚焦面和透镜107的另一个聚焦面汇合在一起。光束经直流电测量镜的镜像面101(b)反射，从扫描装置120里出来。因此，光束经透镜“镜像”113聚焦于镜像面114。显然，发送器CDD置于面114上。透镜102，106，107，110之间都是完全相同的。在扫描装置或者在此装置外，被引向观察物光源光束能够注射在几个不同的点上。我们已经在这里介绍了当来自水银蒸气灯的光束115通过二相色镜100被射入本光学系统时的情况。我们还未介绍来自观察物的光束的方向；射向物体的光源的光束是反向的。我们核查在这种实现模式下，扫描的补偿效应是有效的：

-来自观察物的光束的方向与反射到直流电测量镜的物面之前及反射到直流电测量镜的物面之后的方向是相同的。

-因此，面112的固定一点的几何像是面114上固定的一点。根据没有考虑反光镜这种“展开的”介绍，图8阐述了在此实现模式中扫描补偿机组的光路。来自直流电测量镜的物面101(a)的光束连续穿过透镜102，显微镜孔网104，透镜106，透镜107和透镜110，然后回到直流电测量镜的镜像面101(b)。图7的图型通过定位镜103，105，108和109曲折光程可以获得。这些反光镜的位置及其光程曲折的特性能够通过反光镜的光轴上一些点的坐标来标明特征。在图9上我们已经介绍了这些反光镜和这些点。点A是直流电测量镜的物面101(a)的中点，位于光轴121上。B点是位于光轴121的反光镜103上的同样一点，点C，D，E，F是光束连续到达反光镜上的点，这些点都位于光轴上。本情况下的点：A，B，C，D，E，F是共面的。

光学系统可以分成两个部件440和441，它们能够机械地相互之间孤立。例如，部件441可以和一个抗振桌相连，部件440可以直接与地面相连。这两个部件之间同样能够被一些可以中断高频率振动的管筒状的零件相互连接，整体放置在一张抗振桌上。这种机械地把两个部件隔离可以避免直流电测量镜的振动传播，此镜影响干扰装置的运行。这种机械地隔离使本扫描系统在光学上的构型成为可能：即使是在部件440被挪动或者相对于部件441转向的情况下，入射到电流计反光镜面(a)的光束在向(b)面反射后，仍带有一个正确返回的相同方向。因此，两个部件位置的相对移动，如果它们挪动的幅度很小时，是不会改变物体401的一点在镜头430上的像的位置。因此，两个部件的相对移动是被允许的，它能够使它们在振动图上分开。

实施例2

此种实现模式不是象在前面的例子中提到的那样使用与非焦点区分开的4个透镜以及镜像，而只是两个透镜或者一组透镜，每个透镜都与镜像的非焦点区隔开。

根据与图8一样的原理，图10展示的是此种“展开的”实现模式。经电流计反光镜的物面201(a)反射的光束穿过透镜L1，显微镜孔网204和透镜L2，到达电流计反光镜的镜像面201(b)。透镜L1和透镜L2是一样的，而且它们各自在显微镜孔网204上拥有一个聚焦镜头，并在电流计反光镜面上拥有一个聚焦镜头。光程通过4个反光镜被曲折，如前面的例子中提到的。总之，一个简单折叠的构型如在图9中阐述的是不适合的，因为它并不能够使光束返回到电流计反光镜，根据图6(b)和图6(c)上表明的方向，它对于获得合理补偿是必不可少的。

为了在这种情况下获得合适的扫描补偿，光线的曲折应该以最合适的方式来进行。为了光线的曲折能够正确进行，需要符合的条件如下：(AB×BC，BC×CD)_BC+(BC×CD，CD×DE)_CD+(CD×DE，DE×EF)_DE+(DE×EF，EF×BC)_EF＝π或者例如(AB×BC，BC×CD)_BC代表向量的向量积(AB×BC)以及向量积(BC×CD)之间的角，用向量BC定位。

如果点A，B，C，D，E，F不共面的话，此条件将不会被证实。因此，有必要使用一个光程，光程中的扫描装置的元件不是所有的都在相同的面上。例如，在多个视角下，用标记指示，光程ABCDEF可以是图11阐述的类型。一般而言，光程通过点ABCDEF的三维坐标来表明其特征，因而反光镜的方向被推断出来。例如，通过B点的反光镜趋向是以该反光镜的法线是角BA，BC的角平分线来确定方向的。其他的反光镜也以同样的方式确定趋向，为了使光轴根据光程ABCDEF能够折叠/合拢。符合此条件的系统能够被计算，例如，通过使用空白表格程序的“目标值”函数来调整这些点的位置，通过由对透镜的选择产生的一个值来维持光路的总长度，以便能够获得以上角之和的理想值。

图12至图15介绍了一个特例。图12阐述了所使用的透镜。它由两个同样的消色差物镜组成。点P和点Q用来标明透镜的位置。透镜L1和透镜L2是一样的，我们将用点P根据对应的透镜L1和透镜L2来标记P1，P2，同样用点Q根据对应的透镜L1和透镜L2来标记Q1，Q2。

透镜特征如下：

玻璃V1	SF10，指标1,73366143(至550nm)
玻璃V1	SF10，指标1,73366143(至550nm)	玻璃V2	BAK4指标n＝1,57099293(至550nm)
R1	483.71mm	玻璃V2	BAK4指标n＝1,57099293(至550nm)
R1	483.71mm	d1	4,1mm
R2	184,27mm	d1	4,1mm
R2	184,27mm	d2	9mm
R3	-194,96mm	d2	9mm
R3	-194,96mm	d3	12mm
PQ	38,2mm	d3	12mm

所使用的电流计反光镜的厚度是6毫米。图13至图15阐述了不同视角下光束的光程。构型用坐标点A，B，C，D，E，F在一个规格化正交的定位中来标明其特征，以毫米为单位：

点/坐标	A	B	C	D	E	F
点/坐标	A	B	C	D	E	F	X	0,0000	219,9341	219,9341	-39,2426	-39,2426	-4,2426
Y	0,0000	0,0000	68,7576	4,2426	4,2426	4,2426	X	0,0000	219,9341	219,9341	-39,2426	-39,2426	-4,2426
Y	0,0000	0,0000	68,7576	4,2426	4,2426	4,2426	Z	0,0000	0,0000	13,1298	45,0000	0,0000	0,0000

经证实等式：

根据光轴，光距用毫米表示如下，字母R意味着显微镜孔网204的位置：

AP1	142,881
AP1	142,881	P1Q1	38,2
Q1B	38,852	P1Q1	38,2
Q1B	38,852	BC	70
CR	29,523	BC	70
CR	29,523	RQ2	138,375
Q2P2	38,2	RQ2	138,375
Q2P2	38,2	P2D	62,882
DE	45	P2D	62,882
DE	45	EF	35

图13至图15阐述了不同视角下实现的例子。在图15的透视角度上，只是标注了合拢点A，B，C，D，E，F。在其他的两个视角，标注了如上表格所示的所有的点。物透镜和像透镜(也就是图7上的透镜111和透镜114)都还没有被介绍，因此是直接介绍扫描补偿机组，也就是图7上的120机组。在一个完整的扫描装置中，物透镜和像透镜应该以图7中同样的方式添加进去。在图13至图15中介绍的扫描补偿机组能够被固定在直接与地面相连的单一框架上，因此，物，像透镜和所使用的显微镜被固定在同样的光学桌上。

工业应用

本扫描装装置能够用于扫描式焦距显微镜中，例如细胞生物学。

Claims

1.一种聚焦光学扫描装置，其包括：

-至少一个旋转的活动反光镜，它包括一个用于引导来自于观察物的光线光束的物面；

-至少两个检查透镜，它们能够被活动反光镜的物面和镜像面之间的光束穿过，镜像面和物面相对；

-至少一个显微镜孔，它位于两个检查透镜之间的中间镜像面上；

-一些定向反光镜，它们能够重新把来自观察物并被物面反射的光束引向活动反光镜的镜像面，为了使光束能够返回到镜像面，也为了使向物面的固定方向入射的光束能够脱离有固定方向的镜像面，这个固定方向独立于活动反光镜的位置，是用于活动反光镜所有有效的旋转角；

事实表明，上述定向反光镜和检查透镜的设置，其目的是为了从物面入射到镜像面的光束和离开物面朝镜像面去的同一光束是完全相同的方向和相同的向。

2.如权利要求1所述的聚焦光学扫描装置，其特征在于，包括：

-至少包括一个可以被光束穿透的物透镜，其光束来自被引向活动反光镜的物面的观察物；

-至少包括一个可以被光束穿透的镜像透镜，其光束来自观察物，并且在镜像透镜前预先已经连续被活动反光镜的镜像面和物面反射了，并且使之引向一个水平面或者形成观察物的镜像；

-镜像透镜和物透镜都被固定在第一层框架上。

-活动反光镜和检查镜以及定向镜都被固定在第二层框架上；

-第一层框架和第二层框架可以相对移动位置，它们之间只是被一些变形联接相连。

3.如权利要求2所述的聚焦光学扫描装置，其特征在于，所述第一层框架被放置在抗振桌上，而第二层框架直接与地面相连。

4.如权利要求2所述的聚焦光学扫描装置，其特征在于，所述第一层框架被放置在第一张抗振桌上，而第二层框架被放置在第二张抗振桌上，两张抗振桌相对独立。

5.如权利要求1至4所述的聚焦光学扫描装置，其特征在于，包括：

-准确地包括两组检查透镜；

-每一组隔开一个非焦点区和一个焦点区，活动反光镜便在非焦点区，显微镜孔网便在焦点区；

-准确地包括4个定位镜。

6.如权利要求5所述的聚焦光学扫描装置，其特征在于，还需要符合以下条件：

A是位于光学轴的活动反光镜物面上的点；

B是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及到第一个定位镜而形成的一点，活动反光镜位于光学轴上；

C是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及第二个定位镜而形成的一点，活动反光镜在光学轴上；

D是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及第三个定位镜而形成的一点，活动反光镜在光学轴上；

E是从物面射向活动反光镜的镜像面的光束触及第四个定位镜而形成的一点，活动反光镜在光学轴上；

F是活动反光镜镜像面上的一点，活动反光镜在光学轴上。