ES2289385T3 - Microscopio confocal de exploracion rapida por laser de lineas multiples. - Google Patents

Microscopio confocal de exploracion rapida por laser de lineas multiples. Download PDF

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Abstract

Un microscopio de exploración confocal por láser, que comprende: un medio, incluyendo una fuente (1) de luz de láser, para emitir haces de luz de láser en diferentes longitudes de onda; una trayectoria de haces para dirigir los citados haces de luz de láser desde el citado medio de emisión de haces de luz de láser a un portaobjetos que soporta un objeto, incluyendo la citada trayectoria: un primer deflector, incluyendo un deflector acústico - óptico (5) para efectuar la exploración de líneas, al menos un objetivo (9) para enfocar los haces de luz de láser sobre el objeto en el citado portaobjetos, un segundo deflector(7) situado entre el citado deflector acústico - óptico (5) y el citado al menos un objetivo (9), para efectuar la exploración de marcos, estando situados el citado segundo deflector (7) y el citado al menos un objetivo (9) de manera que los haces (19) de luz de retorno desde el objeto sigan la misma trayectoria que los haces de luz de láser enfocados sobre el objeto, hasta e incluyendo el segundo deflector (7), al menos un detector (15; 26) situado en la trayectoria de haces de luz de retorno aguas abajo del citado segundo deflector (7), para detectar los haces de luz de retorno desde el objeto, estando adaptado el objeto para ser explorado por los haces de luz de láser desde el medio de emisión de haces de luz de láser y estando adaptadas las mediciones para realizarse con el citado al menos un detector (15; 26) con los del fin de obtener imágenes del objeto, y un sistema electrónico de control y formación de imágenes adaptado para controlar el medio de emisión de haces de luz de láser para emitir haces de luz de láser individuales secuencialmente en longitudes de onda seleccionadas y adaptado para ajustar dinámicamente los parámetros de accionamiento del citado deflector acústico - óptico (5) controlando dinámicamente la frecuencia de inicio y la frecuencia final del deflector acústico - óptico de manera que mantenga una posición de exploración de líneas constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, y controlando dinámicamente la velocidad de cambio de frecuencia de la señal de accionamiento al deflector acústico - óptico de manera que se obtenga un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.

Description

Microscopio confocal de exploración rápida por láser de líneas múltiples.
Descripción de la técnica anterior
La inclusión de un deflector acústico-óptico para realizar la exploración de líneas de un punto de láser en un microscopio confocal de láser produce una unidad que puede funcionar con alta velocidad y flexibilidad, es decir, con amplitud de exploración variable y adecuada para los distintos tipos de microscopia confocal. Como resultado de la exploración rápida de líneas y marcos, será entonces posible en un espacio muy corto de tiempo, combinar electrónicamente un número de secciones delgadas de imágenes para formar una imagen con una profundidad focal incrementada. Tales colecciones de secciones de imágenes se pueden convertir fácilmente en una reconstrucción en tres dimensiones del volumen del objeto original, con lo cual las relaciones espaciales entre los componentes del objeto pueden ser visualizadas y medidas rápidamente.
La figura 1 muestra un ejemplo de un microscopio confocal de exploración por láser en el cual se utiliza un deflector acústico-óptico para proporcionar la exploración de líneas de un punto de láser. Tal microscopio de exploración confocal por láser se muestra en el documento EP-A-0 284 136.
Un haz 1 de luz de láser pasa por un sistema óptico 2 y 3 de expansión de haces, seguido por un divisor 4 de haces, un deflector 5 acústico-óptico que tiene una lente 5.1 cilíndrica plana y una lente 5.2 convexa plana, ambas en el lado de entrada y de salida, una lente 6, un deflector 7 que puede ser un galvanómetro de espejo, una lente 8, una placa 16 de cuarto de onda, y un objetivo 9 para enfocar el haz de láser 18 sobre un objeto. Es un plano 10 de objeto, un objeto, no mostrado, se coloca adicionalmente sobre un portaobjetos estacionario. La luz reflejada 19 recorre una trayectoria de retorno idéntica a la trayectoria hacia fuera hasta el divisor 4 de haces, después de lo cual se divide por un filtro 11 de polarización, un objetivo 13 adicional, un filtro espacial 14, una lente 17, un filtro 12 de paso de banda o de corte, y finalmente, un detector 15.
La figura 2 ilustra otro ejemplo. Un espejo 20 dicromático se ha incorporado en la trayectoria de luz entre la lente 5.1 plana cilíndrica y la lente 6. Tal espejo transmite la luz de láser (onda corta) y refleja la luz de retorno de onda larga, que se origina, por ejemplo, por fluorescencia. Se hace notar que un simple cambio en la geometría permitirá el uso de un espejo dicromático que refleje la luz de láser (onda corta) y transmita la luz de retorno de onda larga. Esta luz pasa a través de una lente 21 de corrección y es enfocada con un objetivo 22 en un filtro espacial 23 que es un filtro de ranura, como resultado de lo cual este sistema tiene características confocales. De esta manera, se forma un detector de líneas con una lente 24 posterior y un detector 26. Entre la lente 24 y el detector 26 se han incorporado uno o más filtros 25 de paso de banda o de corte que tienen la misma función que la del filtro 12 de paso de panda o de corte. Con esta realización, la luz de retorno que tiene una longitud de onda distinta a la de la luz saliente puede ser examinada ventajosamente si el detector acústico-óptico tiene una eficiencia demasiado baja para la citada luz, es decir, produce una atenuación demasiado grande.
Antecedentes de la invención
En los objetos biológicos que son auto fluorescentes, o que han sido etiquetados con sondas fluorescentes, un requisito frecuente es extraer imágenes de componentes multi espectrales del objeto que permitan que se estudien las relaciones espaciales entre los distintos componentes etiquetados que van a ser estudiados. Los objetos biológicos vivos contienen ciertos procesos dinámicos que puede ser etiquetados fluorescentemente, de manera que repitiendo la misma exploración multi espectral del objeto, las dinámicas temporales de estos procesos también puede ser estudiadas. En todos estos tipos de experimentos es importante tener la capacidad de conmutar rápidamente las longitudes de onda de excitación durante el proceso de exploración y la invención esta dirigida a proporcionar un procedimiento para conseguir la exploración rápida con longitudes de ondas múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico que proporciona la exploración rápida con múltiples longitudes de onda.
El documento US-B- 6.449.039 se refiere a un microscopio de exploración confocal por láser de dos fotones o multi fotón basado en la tecnología de exploración AOD que utiliza fuentes de láser de impulsos cortos. En este tipo de microscopios, la rotación del AOD (y del espejo/prisma) es requerida para conseguir una transferencia eficiente de la iluminación a través del AOD en las longitudes de onda próximas al IR requeridas para este tipo de microscopia confocal. Con los impulsos cortos utilizados en este tipo de de microscopio no son posibles la conmutación rápida o los cambios en longitudes de onda de entrada y como consecuencia, el efecto de lenticularidad no está solucionado en esta referencia.
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Sumario de la invención
La presente invención proporciona un microscopio de exploración confocal por láser como se define en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, y un procedimiento para conseguir la exploración rápida con múltiples longitudes de ondas en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico como se define en las reivindicaciones 18 ó 19. Realizaciones preferentes se definen en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un ejemplo de un microscopio confocal de exploración por láser de la técnica anterior, en el cual se utiliza un deflector acústico-óptico para proporcionar la exploración de líneas de un punto láser;
La figura 2 muestra otro ejemplo de un microscopio confocal de exploración por láser de la técnica anterior;
La figura 3 es un diagrama que explica el rango de ángulos de deflexión utilizables disponibles del deflector acústico-óptico (AOD) utilizado en un microscopio confocal de exploración por láser de acuerdo con la presente invención.
La figura 4 es un diagrama que explica la mejora en el rango de exploración angular cuando un deflector acústico-óptico es girado mecánicamente respecto a su eje central de acuerdo con la presente invención.
Descripción de realizaciones preferentes
Cuando se utiliza un deflector acústico-óptico como un elemento de deflexión en un sistema de exploración, hay un número de desventajas que deben ser consideradas.
Como resultado de la naturaleza dispersiva del deflector acústico-óptico, la luz de retorno de una longitud de onda (por ejemplo, fluorescente) distinta a la de la luz de láser ya no pasa a través el filtro espacial. El filtro espacial puede ser desplazado por tres cristales piezo eléctricos, uno para cada uno de los tres ejes de sistema de coordenadas XYZ y ser controlado de una manera que elimine este efecto.
Debido al tiempo de tránsito a través de la abertura del deflector acústico-óptico de un cambio en la frecuencia de la onda acústica, un deflector acústico-óptico produce un efecto de "lenticularidad" cilíndrica producida por la diferencia en los ángulos de deflexión de la longitud de onda incidente en los dos extremos de la abertura del deflector acústico-óptico. La diferencia en el ángulo de deflexión entre los extremos de la abertura del deflector acústico-óptico se incrementa con las velocidades de exploración por deflexión incrementadas puesto que el tiempo de tránsito a través de la abertura del deflector acústico-óptico es constante.
La ecuación de Bragg (longitud de onda = 2 x frecuencia acústica x sen(ángulo de deflexión)) describe como el ángulo de deflexión depende de la longitud de onda de un haz de luz que pasa a través de un deflector acústico-óptico. El ángulo de deflexión absoluto y la diferencia en los ángulos de deflexión del haz de luz en los extremos de la abertura del deflector acústico-óptico se incrementa con la longitud de onda creciente del haz de luz cuando un oscilador que acciona el deflector acústico-óptico sigue un patrón repetitivo constante de barridos de frecuencia.
Sin intención de corregir los efectos de la lenticularidad descritos más arriba, los cambios en la longitud de onda del haz de luz de iluminación y los cambios en la velocidad de exploración afectarán la posición y el tamaño del área barrida de la muestra y también degradarán la calidad de la imagen debido a la introducción de astigmatismo en la trayectoria óptica. La invención ofrece varios procedimientos para compensar el efecto de la lenticularidad.
De acuerdo con una primera realización, un procedimiento para conseguir una exploración rápida en longitudes de onda múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico de acuerdo con la invención comprende ajustar dinámicamente una trayectoria óptica del citado microscopio confocal basado en un deflector óptico acústico por medios mecánicos de acuerdo con una longitud de onda seleccionada de un haz de luz de láser, ajustando la posición de una lente de compensación de astigmatismo asociada con el deflector acústico-óptico y la posición de una lente de colimación, de manera que el movimiento de la lente de compensación de astigmatismo contrarreste el astigmatismo inducido por los cambios en la longitud de onda del haz de entrada o la velocidad de exploración por deflexión y el movimiento de la lente de colimación contrarreste cualquier cambio de foco debido al reposicionado de la lente de compensación de astigmatismo, compensando de esta manera el astigmatismo y los cambios de colimación producidos por el cambio de la longitud de onda del haz de entrada y modificando las imágenes detectadas de un objeto por medios electrónicos para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.
Un microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con esta realización de la invención comprende: un medio, que incluye una fuente de luz de láser, para emitir haces de luz de láser en diferentes longitudes de onda, una trayectoria de haces para dirigir los citados haces de luz de láser del citado medio de emisión de haz de luz de láser a un portaobjetos que soporta un objeto, incluyendo la citada trayectoria de haces un primer deflector que incluye un deflector acústico-óptico para efectuar la exploración de líneas y una lente de compensación de astigmatismo asociada con el deflector acústico-óptico, al menos un objetivo para enfocar los haces de luz de láser sobre el objeto en el citado portaobjetos, un segundo deflector situado entre el citado deflector acústico-óptico y el citado al menos un objetivo, para efectuar la exploración de marcos, estando situados el citado segundo deflector y el citado al menos un objetivo de manera que los haces de luz de retorno del objeto sigan la misma trayectoria de haces que los haces de luz de láser enfocados sobre el objeto hasta e incluyendo el segundo deflector, una lente de colimación situada entre el primer deflector y el segundo deflector, estando situado al menos un detector en la trayectoria de haces de luz de retorno aguas abajo del citado segundo deflector, para detectar la luz los haces de luz de retorno desde el objeto, estando adaptado el objeto para ser explorado por los haces de luz de láser desde el medio de emisión de haces de luz de láser y estando adaptadas las mediciones para realizarse con el citado al menos un detector con el fin de obtener imágenes del objeto, y un sistema electrónico de control y formación de imágenes adaptado para controlar el medio de emisión de haces de luz de láser para emitir haces de luz de láser de diferentes longitudes de onda seleccionadas y adaptado para ajustar dinámicamente la trayectoria óptica por medios mecánicos de acuerdo con la longitud de onda seleccionada de los haces de luz de láser ajustando la posición de la lente de compensación de astigmatismo y la posición de la lente de colimación, de manera que el movimiento de la lente de compensación de astigmatismo contrarreste el astigmatismo inducido por los cambios en la longitud de onda del haz de entrada o la velocidad de exploración por deflexión y el movimiento de la lente de colimación equilibre cualquier cambio de foco debido al posicionado de la lente de compensación de astigmatismo, contrarrestando de esta manera el astigmatismo y los cambios de colimación producidos por los cambios en la longitud de onda del haz de entrada y/o la velocidad de exploración por deflexión, y adaptado para modificar las imágenes obtenidas del objeto por medios electrónicos para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.
De esta manera, una primera realización describe la compensación del astigmatismo entre los efectos de enfoque que se han descrito previamente utilizando un medio mecánico para cambiar la posición de los componentes ópticos de corrección dentro de la trayectoria óptica. Una lente de astigmatismo se mueve a una posición para corregir los cambios de astigmatismo y una lente de colimación se mueve para asegurar que el haz que entra en un objetivo final está enfocado por ese objetivo al mismo plano focal en el objeto que está siendo explorado. Los cambios restantes en la posición de la imagen producidos por los cambios en la posición de la línea de exploración en el objeto, debido a los cambios de ángulos de deflexión con los cambios de la longitud de onda, son compensados utilizando desplazamiento, zoom y corte de software de los datos de la imagen registrada para mantener el tamaño y posición idénticos de las imágenes en todas las longitudes de onda.
La corrección del astigmatismo y de la colimación por medios mecánicos a menudo es demasiado lenta para permitir la conmutación rápida de las longitudes de onda del haz de entrada deseadas en la investigación biológica. Para el estudio de las dinámicas en los objetos biológicos es preferible realizar la conmutación de la longitud de onda en base a línea de exploración por línea de exploración, manteniéndose las frecuencias de la línea de exploración típicamente en el rango de las decenas de kilohercios.
De acuerdo con una secunda realización, un procedimiento para conseguir una exploración rápida en longitudes de onda múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico de acuerdo con la presente invención comprende controlar dinámicamente la frecuencia de inicio y la frecuencia final del deflector acústico-óptico de manera que mantenga una posición de exploración de líneas constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, y controlar dinámicamente la velocidad del cambio de frecuencia de la señal de accionamiento del deflector acústico-óptico de manera que se obtenga un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, para mantener la alineación de las líneas de exploración de una imagen de un objeto en todas las longitudes de onda.
Un microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con esta realización de la invención comprende: un medio, incluyendo una fuente de haces de luz de láser, para emitir haces de luz de láser en diferentes longitudes de onda, una trayectoria de haces para dirigir los citados haces de luz de láser desde el citado medio de emisión de haces de luz de láser a un portaobjetos que soporta un objeto, incluyendo la citada trayectoria de haces un primer deflector que incluye un deflector acústico-óptico para efectuar la exploración de líneas, al menos un objetivo para enfocar los haces de luz de láser sobre el objeto en el citado portaobjetos, un segundo deflector situado entre el citado deflector acústico-óptico y el citado al menos un objetivo, para efectuar la exploración de marcos, estando situados el citado segundo deflector y el citado al menos un objetivo de manera que los haces de luz de retorno del objeto sigan la misma trayectoria de haces que los haces de luz de láser enfocados sobre el objeto hasta e incluyendo el segundo deflector, al menos un detector situado en la trayectoria de haces de luz de retorno aguas abajo del citado segundo deflector, para detectar los haces de luz de retorno del objeto, estando adaptado el objeto para ser explorado por los haces de luz de láser desde el citado medio emisor de haces de luz de láser y estando adaptadas las mediciones para ser realizadas con el citado al menos un detector con el fin de obtener imágenes de ese objeto, y un sistema electrónico de control y formación de imágenes adaptado para controlar el medio de emisión de haces de luz de láser para emitir los haces de luz de láser individuales secuencialmente en unas longitudes de onda seleccionadas y adaptado para ajustar dinámicamente los parámetros de accionamiento del citado deflector acústico-óptico controlando dinámicamente la frecuencia de inicio y la frecuencia final del deflector acústico-óptico, de manera que mantenga una posición de exploración de líneas constante en todas las longitudes de onda de haces de entrada, y controlando dinámicamente la velocidad del cambio de frecuencia de la señal de accionamiento del deflector acústico-óptico de manera que se obtenga un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda de haces de entrada, para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.
La segunda realización descrita de esta manera describe un procedimiento para conseguir las correcciones rápidas del efecto de lenticularidad en un deflector acústico-óptico permitiendo la conmutación rápida de las longitudes de onda de los haces de entrada de manera que las exploraciones sucesivas a lo largo de una línea en el objeto podrán realizarse con diferentes longitudes de onda sin reducir la frecuencia de exploración.
El rango de deflexión para un haz de entrada particular depende de la longitud de onda, explorando las longitudes de onda más largas un rango más amplio de ángulos de deflexión de acuerdo con las ecuaciones de Bragg. Si un experimento requiere el uso de un rango amplio de longitudes de onda de iluminación, el campo de vista utilizable puede ser limitado por este efecto.
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De acuerdo con una tercera realización que está basada en las realizaciones primera y segunda, un procedimiento para realizar una exploración rápida en longitudes de onda múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico de acuerdo con la presente invención comprende un sistema electrónico de control y formación de imágenes adaptado para ajustar dinámicamente los parámetros de accionamiento del citado deflector acústico-óptico de acuerdo con una longitud de onda seleccionada de un haz de luz de láser, para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda, y un pivotamiento mecánico del deflector acústico-óptico respecto a su eje central para compensar los diferentes ángulos de deflexión y los rangos de las longitudes de onda de iluminación utilizadas.
Un microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con esta realización de la invención comprende, además de las características de las realizaciones primera y segunda, un espejo 27 situado para dirigir la luz incidente sobre la abertura de entrada del deflector acústico-óptico 5. El espejo 27 y el deflector acústico-óptico 5 están montados sobre una base común 28 y dispuestos de manera que puedan rotar conjuntamente respecto al eje central del deflector acústico-óptico 5 como se muestra en la figura 4. El eje central de pivotamiento del deflector acústico-óptico 5 es ortogonal al plano en el cual el haz de luz incidente es deflectado por el deflector acústico-óptico.
El sistema electrónico de control y formación de imágenes de esta realización está adaptado adicionalmente para controlar un medio mecánico para efectuar el pivotamiento del deflector acústico-óptico respecto al eje de pivotamiento central para realinear las exploraciones en longitudes de ondas diferentes.
De esta manera, la tercera realización describe un procedimiento para conseguir correcciones rápidas del efecto de lenticularidad en el deflector acústico-óptico que permite una conmutación rápida de las longitudes de onda del haz de entrada de manera que se podrán realizar exploraciones sucesivas a lo largo de una línea en el objeto en diferentes longitudes de onda sin reducir la frecuencia de exploración, y un procedimiento para incrementar el rango utilizable de deflexión del deflector acústico-óptico en un rango en longitudes de onda de iluminación pivotando el deflector acústico-óptico junto con el espejo 27.
En la primera realización se utilizan medios mecánicos para mover una lente de astigmatismo y de colimación a posiciones predeterminadas en cada longitud de onda del haz de entrada por medio del sistema electrónico de control. Tal medio mecánico puede estar provisto por motores eléctricos de distintos tipos, incluyendo tipos de CA, CC y escalonados, o por actuadores electromecánicos tales como cristales piezo eléctricos. La posición de la lente de astigmatismo tiene una relación casi lineal con la longitud de onda del haz de entrada cuando corrige el cambio en los ángulos de deflexión producidos por cambios en la longitud de onda del haz de entrada. La posición de la lente de colimación está determinada experimentalmente para cada longitud de onda puesto que esta lente compensa cualquier cambio en el enfoque de los cambios en la posición de los elementos de compensación óptica.
El sistema electrónico de control también puede calcular las señales de control adecuadas para sincronizar la selección de la longitud de onda del haz de entrada y también para sincronizar una modulación de intensidad y/o el vaciado del haz de entrada durante cualquier porción elegida del patrón de exploración. Los cambios posicionales en la imagen son corregidos por desplazamiento, zoom y corte de los datos de imágenes registrados por software del sistema asociado de formación de imágenes.
En la segunda realización, un sistema electrónico de control proporciona control dinámico de la frecuencia de inicio, frecuencia final y velocidad de cambio de frecuencia de la señal de accionamiento al deflector acústico-óptico, de manera que se mantenga la posición de exploración de líneas constante y un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada.
Por medio de la ecuación de Bragg se sabe que para mantener el mismo ángulo de deflexión en cualquier longitud de onda del haz de entrada la separación de la rejilla acústica debe cambiar proporcionalmente, esto se consigue cambiando la frecuencia de un oscilador que acciona el deflector acústico-óptico. La frecuencia del oscilador de accionamiento es barrida en un rango de valores para efectuar la exploración del haz de láser a lo largo de una línea. Ajustando el rango de frecuencias de exploración de acuerdo con la ecuación de Bragg en cada longitud de onda del haz de entrada permite una línea idéntica de posiciones de puntos que se van a explorar con cualquiera de estas longitudes de onda.
Las frecuencias de inicio y final del oscilador de accionamiento se calculan a partir de características de deflexión conocidas del deflector acústico-óptico en las longitudes de onda del haz de entrada y se eligen dinámicamente para mantener un exploración óptica idéntica en cada longitud de onda del haz de entrada, y por lo tanto mantienen un efecto de lenticularidad constante en cada longitud de onda de los haces de entrada. De esta manera, el sistema óptico se puede optimizar para una condición de lenticularidad, manteniéndose esta condición dinámicamente en todas las velocidades de exploración y longitudes de onda del haz de entrada por medio del control de software de ordenador de los parámetros de accionamiento del deflector acústico-óptico.
Para mantener una velocidad de exploración idéntica en cada pixel situado idénticamente en el objeto explorado en cualquier longitud de onda del haz de entrada, se requiere que los ángulos de deflexión de un deflector acústico-óptico al inicio y al final de cada exploración sean los mismos en todas las longitudes de onda del haz de entrada.
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A partir de la ecuación de Bragg es obvio que el ángulo de deflexión de la luz que pasa a través de un deflector acústico-óptico se incrementa directamente en proporción a las longitudes de onda de ese haz de luz cuando la frecuencia de accionamiento acústico, y por lo tanto la longitud de onda acústica, se mantienen constantes.
Si se define la frecuencia acústica máxima disponible para accionar el deflector acústico-óptico (AOD) que proporciona la máxima deflexión (correspondiéndose a un borde, por ejemplo el derecha, del área explorada) para la longitud de onda de luz más corta que debe ser deflectada, y de manera similar se define la frecuencia acústica mínima disponible para accionar el AOD proporcionando la mínima deflexión (correspondiéndose al otro borde, por ejemplo el izquierdo, del área explorada) para la longitud de onda de luz más larga que debe ser deflectada, entonces cualquier rango de longitudes de líneas exploradas, entre los citados bordes izquierdo y derecho del área explorada, se pueden duplicar a estas o cualquier longitud de onda intermedias. Las frecuencias acústicas necesarias para proporcionar una longitud de línea de exploración requerida y una posición en el interior del citado rango en cualquier longitud de onda requerida se pueden calcular en proporción a la longitud de onda de la luz que va a ser deflectada.
Haciendo referencia a la figura 3, Lambda 1 es la longitud de onda de luz más larga que va a ser deflectada y Lambda 2 es la longitud de onda de luz más corta que va a ser deflectada. f1 es la frecuencia acústica máxima disponible para el oscilador de accionamiento AOD y f2 es la frecuencia acústica mínima disponible para el oscilador de accionamiento AOD.
En cualquier longitud de onda de luz intermedia que va a ser deflectada (Lambda N), el ángulo de deflexión para el borde derecho (a la frecuencia acústica f1) es proporcional a Lambda N/Lambda 2, y el ángulo de deflexión para el borde izquierdo (a la frecuencia acústica f2) es proporcional a Lambda N/Lambda 1.
El rango de ángulos de deflexión utilizables común al rango de longitudes de onda de luz se mantiene entre los ángulos de deflexión \Phi1 y \Phi2. Por lo tanto, la frecuencia acústica para accionar una longitud de onda de luz seleccionada Lambda N. al borde izquierdo es proporcional a la relación de (longitud de onda máxima Lambda 1/longitud de onda elegida Lambda N.).
De manera similar, la frecuencia acústica para accionar una longitud de onda de luz elegida al borde derecho es proporcional a la relación (longitud de onda mínima Lambda 2)/(longitud de onda elegida Lambda N).
El conocimiento del voltaje de control para accionar acústicamente las características de transferencia de frecuencias del oscilador de accionamiento para el AOD permite que el procesador electrónico calcule y produzca como salida los voltajes de control de exploración necesarios para crear los barridos de frecuencia requeridos que controlan la deflexión del haz de luz en el AOD. El procesador electrónico también puede calcular las señales de control adecuadas para sincronizar la selección de la longitud de onda del haz de entrada y también para sincronizar la modulación o vaciado del haz de entrada durante cualquier porción elegida de la forma de onda de exploración.
La invención ofrece la capacidad de controlar la posición de la exploración óptica de líneas muy rápidamente, permitiendo exploraciones de marcos sucesivos e incluso exploraciones de líneas sucesivas que se realizan en diferentes longitudes de onda del haz de entrada. Esto permite que se realicen exploraciones multicolores rápidas cuando las longitudes de onda del haz de entrada se conmutan secuencialmente en exploraciones repetitivas de la misma línea de exploración, y a continuación repitiendo la misma, o diferente, secuencia en longitudes de onda del haz de entrada en las líneas de exploración siguiente y posteriores. Para vistas incluso más rápidas de la muestra bajo la exploración del haz de entrada multicolor, las longitudes de onda del haz de entrada pueden conmutar secuencialmente las líneas de exploración adyacentes, sin embargo este incremento adicional en la velocidad de captura de imágenes se obtiene con la pérdida de la resolución espacial y del registro de las imágenes en cada longitud de onda del haz de entrada.
En una realización ventajosa, un generador programable de rampa del voltaje acciona una entrada de control de un oscilador de frecuencia controlada por voltaje que acciona el deflector acústico-óptico. De esta manera, definiendo el voltaje de entrada, el voltaje de salida y la velocidad de cambio de voltaje de (típicamente) una forma de onda en dientes de tierra clásica, el generador programable de rampa de voltaje proporciona la señal apropiada de oscilador al deflector acústico-óptico para explorar con el haz de láser un objeto. Estos parámetros de voltaje pueden ser alterados dinámicamente en cualquier momento de manera que los cambios de deflexión debidos a los cambios en la longitud de onda del haz de entrada se puedan compensar en el tiempo práctico más corto, solamente limitado por la velocidad de propagación de la onda acústica en el deflector acústico-óptico y por las dimensiones de la abertura del deflector acústico-óptico. Estos cambios pueden sincronizarse, o pueden ser sincronizados por sucesos externos tales como la conmutación de la longitud de onda del haz de entrada. Por ejemplo, un filtro sintonizable óptico acústico (AOTF) en la salida de un láser de líneas múltiples puede estar sincronizado con el período de retorno de la forma de onda en dientes de sierra. La utilización de un AOTF también proporciona un medio simple y eficiente de modular o vaciar la intensidad del láser durante el periodo de tiempo durante el cual la señal de accionamiento del deflector acústico-óptico está cambiando a una nueva condición de exploración, típicamente pero no exclusivamente durante el tiempo de retorno del inicio de una nueva línea de exploración o de un nuevo marco de exploración. Puesto que los tres sectores acústico-ópticos (AOD) también tienen la capacidad de modular la intensidad del haz de luz de entrada cuando pasa a través del AOD, el AOD también se puede utilizar como un medio para modular y vaciar la intensidad del haz de entrada.
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En la tercera realización, el sistema electrónico de control proporciona control dinámico de la frecuencia de inicio, frecuencia final y velocidad de cambio de frecuencia de la señal de accionamiento al deflector óptico acústico, de tal manera que mantenga un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada. El deflector acústico-óptico y el haz incidente sobre su cara son girados respecto al eje central del deflector acústico-óptico, incrementando de esta manera el solapamiento en las exploraciones entre diferentes longitudes de onda de iluminación.
Con referencia a la figura 3, se puede ver que la exploración resultante para las longitudes de onda Lambda 1 explora un rango más amplio de ángulos y tiene una desviación angular cuando se compara con la relación resultante de las longitudes de onda Lambda 2 sobre el mismo rango de frecuencia acústica. Si un experimento requiere el uso de un rango amplio en longitudes de onda de iluminación, se debe utilizar el rango de exploración común en todas las longitudes de onda de iluminación, produciendo de esta manera un rango total de exploración reducido.
Con el fin de incrementar el rango de exploración solapada, la trayectoria del haz a través del deflector acústico-óptico puede ser girada respecto a su eje central. Con el fin de conseguir esta rotación, la luz incidente sobre el deflector acústico-óptico 5 es dirigida por un espejo 27 orientado con un ángulo de 45 grados respecto a la abertura de entrada del deflector acústico-óptico. Este espejo está unido a la misma montura 28 que el deflector acústico-óptico 5 o conectado directamente o articulado de otra manera al deflector y ambos pueden ser pivotados respecto al eje central del deflector acústico-óptico.
Con referencia a la figura 4, la parte (a) ilustra el problema original cuando luz de dos longitudes de onda diferentes está deflectada por el mismo rango de frecuencias acústicas, produciendo dos rangos de deflexión que están desplazados y que difieren en rango angular uno con respecto al otro. La parte (b) ilustra un sistema en el que la luz incidente sobre el deflector acústico-óptico está dirigida por un espejo. La rotación de la montura que incorpora este espejo y el deflector acústico-óptico produce una desviación angular de la luz que sale del deflector acústico-óptico. Un medio mecánico de este tipo está proporcionado por motores eléctricos de varios tipos, incluyendo tipos de CA, CC y escalonado, o por actuadores electromecánicos tales como cristales piezo eléctricos. La parte 26 (c) ilustra como se puede utilizar esta rotación para incrementar la región solapada de las dos longitudes de onda diferentes ilustradas en la parte (a).
Con referencia a la figura 4, parte (c), se puede ver que la rotación mecánica del espejo y del deflector acústico-óptico produce un incremento en la región solapada de las dos longitudes de onda de iluminación, sin embargo, el rango total de exploración de cada longitud de onda no es el mismo, por lo tanto una combinación de rotación mecánica y un ajuste de los barridos de frecuencia en cada longitud de onda, como se utiliza en la segunda realización, son requeridos para ejecutar la misma exploración en cada longitud de onda de iluminación.
Cualquiera de las tres realizaciones descritas puede ser adaptada adicionalmente aguas abajo desde la separación de la trayectoria del haz de retorno desde la trayectoria de haces de entrada por el divisor (4) de haces, o el espejo (20) dicromático, para dividir la trayectoria del haz de luz de retorno por medio de divisores de haces (4) adicionales o del espejo (20) dicromático, o combinaciones de ambos. Cada haz resultante está adaptado para dirigirse a uno de una pluralidad de detectores, teniendo cada detector un filtro espacial, un objetivo, y una lente que duplica la trayectoria de haz único del detector que se muestra en las figuras 1 y 2, excepto porque un filtro de paso de banda o de corte puede ser diferente para cada trayectoria del detector, por lo tanto esta pluralidad de detectores puede utilizarse para extraer información espectral del haz de luz de retorno.
Ventajas adicionales esta intención también pueden incluir las que siguen:
el área explorada de un objeto es idéntica en todas las longitudes de onda, de manera que no hay exploración del objeto fuera del área de interés para producir foto-decoloración en las áreas adyacentes del objeto.
los píxeles tomados del mismo objeto en diferentes longitudes de onda del haz de entrada tienen idénticas posiciones y tiempos de permanencia, lo cual simplifica la aplicación de la microscopia confocal a técnicas tales como FRET (Transferencia de Energía de Resonancia Fluorescente), FLIM (Formación de Imágenes de Vida Fluorescente), FRAP (Fotodecoloración Después de la Recuperación Fluorescente), racionamiento de imágenes, etc.

Claims (20)

1. Un microscopio de exploración confocal por láser, que comprende: un medio, incluyendo una fuente (1) de luz de láser, para emitir haces de luz de láser en diferentes longitudes de onda;
una trayectoria de haces para dirigir los citados haces de luz de láser desde el citado medio de emisión de haces de luz de láser a un portaobjetos que soporta un objeto, incluyendo la citada trayectoria:
un primer deflector, incluyendo un deflector acústico-óptico (5) para efectuar la exploración de líneas,
al menos un objetivo (9) para enfocar los haces de luz de láser sobre el objeto en el citado portaobjetos,
un segundo deflector(7) situado entre el citado deflector acústico-óptico (5) y el citado al menos un objetivo (9), para efectuar la exploración de marcos,
estando situados el citado segundo deflector (7) y el citado al menos un objetivo (9) de manera que los haces (19) de luz de retorno desde el objeto sigan la misma trayectoria que los haces de luz de láser enfocados sobre el objeto, hasta e incluyendo el segundo deflector (7),
al menos un detector (15; 26) situado en la trayectoria de haces de luz de retorno aguas abajo del citado segundo deflector (7), para detectar los haces de luz de retorno desde el objeto, estando adaptado el objeto para ser explorado por los haces de luz de láser desde el medio de emisión de haces de luz de láser y estando adaptadas las mediciones para realizarse con el citado al menos un detector (15; 26) con los del fin de obtener imágenes del objeto, y
un sistema electrónico de control y formación de imágenes adaptado para controlar el medio de emisión de haces de luz de láser para emitir haces de luz de láser individuales secuencialmente en longitudes de onda seleccionadas y adaptado para ajustar dinámicamente los parámetros de accionamiento del citado deflector acústico-óptico (5) controlando dinámicamente la frecuencia de inicio y la frecuencia final del deflector acústico-óptico de manera que mantenga una posición de exploración de líneas constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, y controlando dinámicamente la velocidad de cambio de frecuencia de la señal de accionamiento al deflector acústico-óptico de manera que se obtenga un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.
2. Un microscopio de exploración confocal por láser que comprende: un medio, incluyendo una fuente (1) de luz de láser para emitir haces de luz de láser en diferentes longitudes de onda;
una trayectoria de haces para dirigir los citados haces de luz de láser desde el citado medio de emisión de haces de luz de láser a un portaobjetos que soporta un objeto, incluyendo la citada trayectoria de haces
un primer deflector, incluyendo un deflector acústico-óptico (5) para efectuar la exploración de líneas y una lente (5.2) de compensación de astigmatismo asociada con el deflector acústico-óptico(5),
al menos un objetivo (9) para enfocar los haces de luz de láser sobre el objeto en el citado portaobjetos,
un segundo deflector (7) situado entre el citado deflector acústico-óptico (5) y el citado al menos un objetivo (9), para efectuar la exploración de marcos,
estando situados el citado segundo deflector (7) y el citado al menos un objetivo (9) de manera que los haces(19) de luz de retorno desde el objeto sigan la misma trayectoria de haces que los haces de luz de láser enfocados sobre el objeto hasta e incluyendo el segundo deflector (7),
una lente (6) de colimación situada entre el primer deflector y el segundo deflector (7);
al menos un detector (15; 26) situado en la trayectoria de haces de luz de retorno aguas abajo del citado segundo detector (7) para detectar los haces de luz de retorno desde el objeto, estando adaptado el objeto para ser explorado por los haces de luz de láser desde el medio de emisión de haces de luz de láser, y estando adaptadas las mediciones para ser realizadas con el citado al menos un detector (15; 26) con el fin de obtener imágenes del objeto, y
un sistema electrónico de control y formación de imágenes adaptado para controlar el medio de emisión de haces de luz de láser para emitir haces de luz de láser en diferentes longitudes de onda seleccionadas y adaptado para ajustar dinámicamente la trayectoria óptica por medios mecánicos de acuerdo con la longitud de onda seleccionada de los haces de luz de láser ajustando la posición de la lente (5.2) de compensación de astigmatismo y la posición de la lente (6) de colimación, de manera que el movimiento de la lente (5.2) de compensación de astigmatismo contrarreste el astigmatismo inducido por cambios en la longitud de onda del haz de entrada o en la velocidad de exploración por deflexión y movimiento de la lente (6) de colimación contrarreste cualquier cambio de enfoque debido al reposicionamiento de la lente (5.2) de compensación de astigmatismo, compensando de esta manera el astigmatismo y los cambios de colimación debidos a cambios en la longitud de onda del haz de entrada y/o la velocidad de exploración por deflexión, y adaptados para modificar las imágenes obtenidas del objeto por medios electrónicos para mantener la alineación de las líneas exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.
3. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con la reivindicación1 ó la 2, que comprende, además:
un espejo (27) situado para dirigir la luz incidente dentro de la abertura de entrada del citado deflector acústico-óptico (5), estando montados y dispuestos el espejo (27) y el deflector acústico-óptico (5) de manera que puedan girar respecto al eje central del deflector acústico-óptico (5), y el citado sistema electrónico de control y formación de imágenes está adaptado adicionalmente parar pivotar el citado espejo (27) y el citado deflector acústico-óptico (5) de acuerdo con la longitud de onda seleccionada de los haces de luz de láser, para incrementar el solapamiento en los ángulos de deflexión entre diferentes longitudes de onda de iluminación.
4. El microscopio de relación confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, incluyendo adicionalmente la citada trayectoria:
una lente (8) situada entre el citado objetivo (9) y el citado deflector (7) para dirigir los haces de luz desde el citado objetivo (9) sobre el citado segundo deflector (7), y
al menos un filtro espacial (14; 23) situado en la trayectoria de haces de luz de retorno entre el citado segundo deflector (7) y el citado al menos un detector (15; 26) para efectuar la formación de imágenes confocal,
por medio de lo cual que un movimiento de exploración de marcos introducido por el citado segundo deflector (7) está adaptado para ser eliminado como resultado de lo cual la luz de retorno puede ser enfocada sobre el citado al menos un filtro espacial (14; 23).
5. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que un primer divisor (4) de haces o un espejo dicromático está incorporado en la trayectoria de haces entre el citado deflector acústico-óptico (5) y el citado medio emisor de haces de luz de láser, para dividirle el haz de luz de retorno y para dirigirlo al citado al menos un detector (15), en el que la citada trayectoria de haces está construida de manera que el haz de luz de retorno siga la misma trayectoria óptica que el haz de luz de láser hasta el citado primer divisor (4) de haces o espejo dicromático, con lo cual el movimiento de exploración de líneas introducido por el citado deflector acústico-óptico (5) es eliminado.
6. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para utilizarse en microscopia fluorescente u otras formas de microscopia en las cuales la longitud de onda del haz de retorno (19) es diferente de aquella de los haces de luz de láser (18) emitidos por el citado medio de emisión de haces de luz de láser, en el que se monta un filtro espacial (14) en un conjunto de tres cristales piezo eléctricos y como consecuencia se puede mover en un sistema de coordenadas de tres dimensiones, como resultado de lo cual el efecto de la naturaleza dispersiva del deflector acústico-óptico (5) en la luz de retorno en una longitud de onda diferente, que está reflectada en un ángulo distinto de la luz de láser reflejada, es eliminada y en el que un filtro de paso de banda o de corte (12) correspondiente se incorpora en la trayectoria de haces de luz de retorno para filtrar la luz de láser reflejada.
7. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de la reivindicación 1 a 6 para utilizarse en microscopia fluorescente u otras formas de microscopia, en el cual la longitud de onda del haz de retorno (19) es diferente de aquella del haz de luz de láser (18), en el que se incorpora un espejo (20) dicromático en la trayectoria de haces entre el deflector acústico-óptico (5) y el segundo deflector (7) con el fin de deflectar el haz de luz de retorno de diferentes longitudes de onda aguas abajo del segundo deflector y dirigirlo por medio de un objetivo (22) y un filtro espacial posterior (23) a un detector (26) posterior, siendo el filtro espacial posterior (23) un filtro de ranura que forma un detector de líneas con el detector posterior (26).
8. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con las reivindicaciones 5 ó 7, en el que el haz de luz de retorno está adaptado para ser dividido en una pluralidad de haces de luz por medio de un divisor de haces adicional o espejo dicromático o por una pluralidad de divisores de haces adicionales o espejos dicromáticos insertados en la trayectoria de haces de retorno después de que la trayectoria de haces de retorno se haya separado de la trayectoria de haces de entrada por el primer divisor (4) de haces o espejo dicromático (20), estando adaptado cada haz resultante para ser dirigido a uno o más detectores, teniendo cada detector un filtro espacial, objetivo y lente que duplica la trayectoria de haz de detector único, excepto porque un filtro de paso de banda o de corte puede ser diferente en cada detector.
9. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el citado sistema electrónico de control y formación de imágenes está adaptado para proporcionar sincronización de la longitud de onda del haz de luz de láser seleccionado a un punto de tiempo de retorno u otro punto de tiempo seleccionado en las exploraciones de líneas aplicando señales de control a un medio de selección de longitud de onda montado aguas abajo de la citada fuente (1) de luz de láser, de manera que los haces de luz de láser que pasan a través del citado medio de selección de longitud de onda en su paso al interior o a través de la trayectoria del haz están controlados de manera que solamente se permite que la longitud de onda seleccionada pase a través de la trayectoria de haces.
10. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el citado sistema electrónico de control y formación de imágenes está adaptado para proporcionar sincronización de la modulación de intensidad o el vaciado del haz de la fuente de luz del láser al retorno inversa u otro punto de tiempo seleccionado en las exploraciones de líneas aplicando señales de control a un medio de modulación de intensidad montado aguas abajo de la citada fuente (1) de luz de láser, de manera que los haces de luz de láser que pasan a través de citado medio de modulación de intensidad en su paso dentro o a través de la trayectoria de haces estén controlados de manera que la intensidad de los haces de luz pueda ser modulada o vaciada.
11. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el citado medio de selección de longitud de onda comprende un filtro acústico-óptico sintonizable (AOTF).
12. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el citado medio de modulación de intensidad comprende un filtro (AOTF) acústico-óptico sintonizable y/o el citado deflector acústico-óptico (5).
13. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el citado sistema electrónico de control y formación de imágenes está compuesto por una lógica cableada, un procesador digital de señales, un microprocesador, un ordenador o sistema similar de computación.
14. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de la reivindicación 1 a 13, en el que la citada fuente (1) de luz de láser incluye un láser de líneas múltiples, un láser sintonizable y/o una agrupación de láseres que emiten en longitudes de onda distintas y una configuración óptica que proporciona haces de láser colineales.
15. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que el citado segundo deflector (7) comprende un galvanómetro de espejo.
16. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que los haces de luz están acoplados a la trayectoria de haces por medio de una guía óptica flexible de luz.
17. El microscopio de exploración confocal por láser de acuerdo con la reivindicación 16, en el que la guía óptica de luz es una fibra óptica.
18. Un procedimiento para conseguir exploración rápida en longitudes de onda múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el procedimiento los pasos de:
controlar dinámicamente la frecuencia de inicio y la frecuencia final del deflector acústico-óptico de manera que se mantenga una posición de exploración de líneas constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada y controlar dinámicamente la velocidad del cambio de frecuencia de la señal de accionamiento al deflector acústico-óptico de manera que se obtenga un efecto de lenticularidad constante en todas las longitudes de onda del haz de entrada, para mantener la alineación de las líneas de exploración de una imagen de un objeto en todas las longitudes de onda.
19. Un procedimiento para conseguir exploración rápida en longitudes de onda múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el procedimiento los pasos de:
ajustar dinámicamente una trayectoria óptica del citado un microscopio confocal basado en un deflector acústico-óptico por medios mecánicos de acuerdo con una longitud de onda seleccionada de un haz de luz de láser, ajustando la posición de una lente (5.2) de compensación de astigmatismo asociada con el deflector acústico-óptico y la posición de una lente (6) de colimación, de manera que el movimiento de la lente (5.2) de compensación de astigmatismo contrarreste el astigmatismo inducido por los cambios en la longitud de onda del haz de entrada o en la velocidad de exploración por deflexión y los movimientos de la lente (6) de colimación contrarrestan cualquier cambio de enfoque debido al reposicionamiento de la lente (5.2) de compensación de astigmatismo, compensando de esta manera el astigmatismo y los cambios de colimación producidos por el cambio en la longitud de onda del haz de entrada y modificando las imágenes detectadas de un objeto por medios electrónicos para mantener la alineación de las líneas de exploración de la imagen en todas las longitudes de onda.
20. Un procedimiento para conseguir la exploración rápida en longitudes de onda múltiples en un microscopio de exploración confocal por láser basado en un deflector acústico-óptico de acuerdo con la reivindicación 18 ó 19, que comprende, además:
pivotar mecánicamente el deflector acústico-óptico respecto a su eje central para compensar los diferentes ángulos de deflexión y los rangos de las longitudes de onda de iluminación utilizadas.
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