專利名稱：：可適應性掃描光學顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于光學顯微鏡的相關(guān)領(lǐng)域，特別來講，本發(fā)明涉及一種新的，具有應用價值的可適應性光學顯微鏡。本發(fā)明處理并改進了已知光學顯微鏡通常所具有的解析度與觀測范圍之間的平衡問題。
背景技術(shù)：
：為了解決光學顯微鏡通常所具有的解析度與觀測范圍之間的平衡問題，本發(fā)明人在2005年2月25號提出的美國專利申請?zhí)枮?0/525,422的申請中公開過一種解決方式。該申請要求對美國臨時專利申請?zhí)柺?0/411,038及國際申請?zhí)柺荘CT/US2003/029332，公開號為WO2004/025331的優(yōu)先權(quán)，上述申請在此以引用的方式將其并入本文中。由于具有廣泛的應用(例如，微裝配，生物學觀察，生物工藝學的觀測與操作，醫(yī)療診斷，制造業(yè)，檢査以及其他領(lǐng)域)，光學顯微鏡一直作為一種重要的觀測工具，來進行一些肉眼所做不到的觀測。盡管如此，它的傳統(tǒng)應用方式一直受制于上述的平衡問題，也就是解析度與觀測范圍之間的矛盾。本發(fā)明是一種新的光學顯微鏡設(shè)計、把一個掃描透鏡、一個控制反射鏡、一個可適應性光學元件、可適應性光學調(diào)節(jié)裝置、以及成像裝置結(jié)合在一起，從而對獲得的圖像的觀測范圍進行放大的同時保持其分辨率。為了增加成像數(shù)量或者進行特定的時空觀測，所述裝置具有在高成像獲取速率下運行的能力。隨著最近生物技術(shù)和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，以及工業(yè)小型化的潮流，對肉眼所達不到范圍的進行觀測、雙向結(jié)合以及檢測的需要在不斷地增長。為了滿足這一需要，光學顯微鏡己重新得到了重視，而且由于這些相關(guān)領(lǐng)域的進一步發(fā)展，該裝置會在將來繼續(xù)作為一種關(guān)鍵工具來使用。盡管如此，基本的光學設(shè)計和操作原理在前面的一個世紀里都沒有什么顯著的改變，而且光學顯微鏡也一直受制于一個廣為人知的固有問題，那就是觀測范圍和成像系統(tǒng)分辨率的矛盾。本發(fā)明，隨后會對其進行更加全面地介紹，通過把有效的光學元件，動態(tài)的控制和圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)的靜態(tài)光學元件以一種緊密完整的方式結(jié)合在一起，成功地在保持高分辨率的同時拓展了觀測的范圍。擴大觀測范圍的動機最初來自于發(fā)明人在微裝配和精密制造方面的經(jīng)驗。通過視覺引導進行的微裝配經(jīng)常需要對相距比較遠的零件在微米或小于微米的解析度進行接近同步的監(jiān)控(例如，監(jiān)控微鏡的多重臨界邊和將光學傳感器安裝在基板上)。由于單獨一個顯微鏡不能在要求的解析度下觀測足夠大的范圍，多個顯微鏡同時使用和/或使用一個活動的平臺提供了一個現(xiàn)成的可用解決方案。盡管如此，由于每秒活動次數(shù)的限制和活動平臺引起的試樣的抖動，以及針對每個新的組裝任務進行重新定位和校準多個顯微鏡所要做的大量工作，促使發(fā)明人有必要進行一種新的光學顯微鏡設(shè)計來解決這些問題。由于同樣的原因，在生物學和醫(yī)藥成像，以及需要機器視覺的工業(yè)制造和檢測領(lǐng)域，對這樣一種顯微鏡同樣具有很大的需求。發(fā)明人的第一個設(shè)計，也就是在前面提到的早期的美國PCT和美國臨時專利申請中公開的，以及在B.Potsaid,Y.Bellouard,和J.T.Wen的文章中提到的，"用于微操作的光學掃描馬賽克式儀器"(Int.WorkshoponMicro-Factories(IWMF02)，R.HollisandB丄Neoson,eds.,pp.85-88(2002))中，該裝置被稱為掃描光學馬賽克式儀器(SOMS)，而組裝起這樣一個裝置的目的是為了能夠證明一個后物鏡掃描系統(tǒng)和實時馬賽克組裝技術(shù)的結(jié)合能夠在微裝配和生物學成像領(lǐng)域有所應用。前述SOMS最初的光學布局設(shè)計靈感來自于為形狀記憶合金激光退火所制造的一個機器。見M.Hafez,Y.Bellouard,T.Sidler,R.Clavel，和R.P.Salathe，"使用激光掃描和電腦視覺的形狀記憶合金局部退火"，LaserPrecisionMicrofabrication,I.Miyamoto,K.Sugioka，禾口T.Sigmon,eds.，Proc.SPIE4088,pp.160-163(2000).這種方法采用了后物鏡二維掃描反射鏡的概念。這種結(jié)構(gòu)也用在幾種商業(yè)產(chǎn)品上，但其基本形式結(jié)構(gòu)的觀測范圍，卻由于掃描透鏡中軸外相差的原因而受到一定程度的限制。通過處理這一問題，本發(fā)明提供了一個更大的觀測范圍。寬觀測范圍和高解析度成像系統(tǒng)的設(shè)計的推動是基于以下考慮(1)圖像取樣的問題；(2)圖像質(zhì)量的問題。首先，考慮具有完美光學器件的一個成像系統(tǒng)(也就是說，光學像差遠遠低于衍射極限)。這樣一個系統(tǒng)將會對距離為d的兩個點源進行成像，就像在一個成像領(lǐng)域中的兩個交疊的艾里斑。隨著兩點之間的距離減少，會達到一個臨界距離，r，這時，兩個點就會重合起來，不能再被單獨的辨認出來。根據(jù)瑞利定律，這個臨界距離，也被稱作解析度，會在一個艾里斑的中心落入另一艾里斑的第一個極小值的位置時發(fā)生。該臨界距離取決于系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA和光線的波長入。系統(tǒng)的NA取決于傳播介質(zhì)的折射率n，以及從目標物接收的錐形光線所成角度的一半。根據(jù)尼奎斯特取樣標準，為了避免混淆現(xiàn)象，一個數(shù)碼相機必須能夠在單位艾里核半徑內(nèi)取樣兩個像素以上。對于一個固定的傳感器陣列每條邊像素數(shù)k,和解析度r，這種觀測提供了一個目標物的最大理論寬度Wo。雖然微觀成像系統(tǒng)的設(shè)計的解析度經(jīng)常能夠在1/4微米到幾微米的范圍內(nèi)，但是由于噪聲效應，實際應用的CCD攝像頭的像素大小會在6微米左右。因此，在給定傳感器像素尺寸s的情況下，光學器件必須擴大艾里斑，從而得到具有所需的最小放大系數(shù)M的合適的采樣。在這個臨界放大率上，對應的成像尺寸Wi為Wi-ks。做到這一點的光學器件可以被認為是通常意義上的黑匣子。光學設(shè)計的任務就是對成像系統(tǒng)進行詳細的說明，也就是詳細介紹黑匣子內(nèi)部采用的特定的透鏡、反射鏡的幾何排列、透鏡的類型、和間隔。為了設(shè)計一個觀測范圍大，像素高的成像系統(tǒng)，直覺上，往往會首先想到利用現(xiàn)有的顯微鏡設(shè)計，然后簡單地提高像素，同時對光學器件重新設(shè)計從而擴大觀測范圍。這種方式的確有可能達到要求，但是通常并不實用，這是因為其對場尺寸，平面場，以及數(shù)值孔徑的要求已經(jīng)很接近光刻透鏡的能力范圍。在1998年，尼康推出的NA值為0.65的光刻透鏡(例如美國專利5,805,344)就配有93.6毫米和23.4毫米兩種不同尺寸來分別滿足邊框圖像和膠片圖像的不同要求。光刻透鏡需要近乎完美的生產(chǎn)，而且要求能夠承受極小的裝配誤差(通常需要干涉測量的裝配過程)，成本也可能達到幾百萬美元。同時，在顯微鏡和光刻透鏡的窄光線區(qū)域都需要負放大倍數(shù)元件，而在寬光線區(qū)域則需要正放大倍數(shù)元件。這種技術(shù)可以用來得到平面像場(小珀茲伐和)，同時也會導致透鏡數(shù)量和光學復雜性的增加。另外還需要考慮的一個方面就是成像傳感器的尺寸，目前現(xiàn)有的商用大CCD鏡頭的像素也只有9216X9216左右(例如，F(xiàn)airchildCCD595)。小一點的CCD排列可以位于一馬賽克感光面內(nèi)，從而可以得到更大的像素，這樣具有可以平行閱讀成像芯片釋放的數(shù)據(jù)的優(yōu)點(得到芯片釋放的成像數(shù)據(jù)的速率會成為決定最大刷新率的限制因素)，但是需要附加精密組裝為代價。即使利用了現(xiàn)代科技和生產(chǎn)能力，由于需要高額的費用、巨大的尺寸、極小的裝配誤差、以及光學的復雜性，因此一個基于純靜態(tài)光學設(shè)計的具有大觀測范圍和高解析度的成像系統(tǒng)也只會有很有限的應用。在表1中列舉了一些目前為了解決范圍尺寸和解析度的平衡問題而提出的可供選擇的方法。表l同時也包含了本發(fā)明的性能表現(xiàn)，從而可以與其它方法做出比較。前面的五種方法(多重顯微鏡的多重等焦面物鏡)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展，而且也比較常見。表中的"基本后物鏡掃描法"可以參照在商業(yè)上現(xiàn)有的設(shè)備，該設(shè)備由于系統(tǒng)設(shè)計上的原因受到限制，只具有很低的數(shù)值孔徑，并且具有很嚴重的軸外像差。會讓人特別感興趣的是圖森公司銷售的排列式顯微鏡。圖森的產(chǎn)品具有多項專利，例如，有關(guān)多軸成像系統(tǒng)的均衡化的美國專利6,958,464;有關(guān)排列式顯微鏡的微型物鏡的美國專利6，950，241;有關(guān)空氣軸承輸送帶滑片饋路系統(tǒng)的美國專利6，905，300;有關(guān)具有單獨調(diào)整元件的多軸成像系統(tǒng)的美國專利6,842,290。該系統(tǒng)使用了由80個微型顯微鏡(每個均采用三單元非球面設(shè)計)組成的一個陣列，通過平行作業(yè)從而快速成像。通過使顯微鏡陣列沿著顯微鏡滑片的長度緩慢地前移，可以得到一張大的合成圖像?，F(xiàn)在，發(fā)明人意識到通過利用平行成像的方式，該系統(tǒng)成為能夠?qū)o止物體進行醫(yī)療診斷級成像最快的區(qū)域掃描技術(shù)(在58秒內(nèi)，在0.47微米每像素的級別，對一塊225mi^的區(qū)域進行掃描、壓縮、存儲)。一個與此相關(guān)的技術(shù)是線掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將試樣(通常通過一個顯微鏡物鏡進行投射)掃過一個傳感器像素的線性陣列。線掃描技術(shù)的一個主要缺點是圖像是以一條線接一條線的方式(nXl像素)得到的，而不是以一個區(qū)域接一個區(qū)域的形式(nxn像素)得到的,后一種方式采用的是更加典型的以區(qū)域成像為基礎(chǔ)的傳感器。采用線掃描技術(shù)的一個后果就是線掃描系統(tǒng)通常需要非常短的曝光時間和/或需要使用明亮的照明來得到高的成像率。而在生物學應用中，基于對照片損害、漂白、以及熒光的考慮，這種方式很多時候都不能被采用。具有平行成像和相對較低重新定位速率的DMetrix在靜態(tài)和高填充系數(shù)的應用中更加具有優(yōu)勢。填充系數(shù)指的是根據(jù)當時的應用，感興趣的和必須成像或者感應的區(qū)域占整個觀測區(qū)域的比例。因為本發(fā)明的ASOM連續(xù)及時地成像，同時重新定位的速率也特別的快，因此本ASOM在動態(tài)和/或低填充系數(shù)的應用中優(yōu)勢更有優(yōu)勢。低填充系數(shù)的應用包括對大細胞群中偶發(fā)事件的生物學成像、對多樣運動的有機體進行追蹤、以及對通過針取樣，偶然被放在顯微鏡滑片上的有機組織進行醫(yī)療診斷等等。大多數(shù)的制造工業(yè)的應用都要求低的填充系數(shù)，因為在裝配過程中，只有一些物體或特征的特定的臨界區(qū)域才會需要動態(tài)的追蹤。再通常一點來講，本發(fā)明的ASOM特別適用于挑戰(zhàn)觀測范圍和解析度都有很高要求的時空觀測任務?；趯@些問題的考慮，從而對本ASOM的設(shè)計提供了動機和貢獻。表l、本發(fā)明(ASOM)與其他技術(shù)的定性比較掃描過程中試樣無抖動擴大觀測范圍的同時保持分辨率在傳送帶傳輸中簡單的生產(chǎn)組裝掃描速率(每秒活動次數(shù)或像數(shù))便于針對不同的觀測任務重新安裝對照明亮度的要求多重等焦面物鏡X低普通變焦透鏡設(shè)計XX中普通活動平臺XX中X普通活動顯微鏡XXX低X普通多重顯微鏡XXX高普通基本后物鏡掃描XX高X普通DmetrixXX高普通線掃描XX高很高ASOM本發(fā)明XXX高X普通裝有可變形反射鏡的可適應性光學技術(shù)已經(jīng)在人眼內(nèi)的高解析度成像領(lǐng)域有所應用(見H.Hoffer，L.Chen,G.Y.Yoon,B.Singer,Y.Yamauchi和D.R.Williams,"采用眼像差動態(tài)糾正的對視網(wǎng)膜成像的改進"，Opt.Express8,631-543(200l),http:〃www.opticsexpress.org/abstract.cfmURI=OPEX-8-l1-631),這是有顯著挑戰(zhàn)性的，因為人眼根據(jù)時間不同會產(chǎn)生不同的像差。與此相似的是，可變形反射鏡也被用來糾正軸外像差和共焦顯微鏡法中取樣引起的波陣面擾亂。擴大成像系統(tǒng)的觀測范圍也在先前的一個采用液體晶體空間光線調(diào)節(jié)器來成凹面像的系統(tǒng)中出現(xiàn)過(見D.Wick，T.Martinez,S.Restaino,和B.Stone,"凹面成像證明"，Opt.Express10,60-65(2002)，http:〃www.opticsex.press.org/abstract.cfmURI=OPEX-10-1-60)。共焦顯微鏡設(shè)計的研究中，采用一個針孔屏風裝置，所述針孔屏風裝置位于在與目標平面共軛的一個平面上。這個裝置會去掉不與焦平面在同一深度的光線，也會去掉不是位于區(qū)域中心的光線。這樣，共焦顯微鏡就會在目標上一個點接一個點地取樣。圖像是一個點接一個點地建立起來的，同時也有一種方法可以掃描成像點在試樣上的位置。關(guān)于共聚顯微鏡的基本介紹可以在下面的網(wǎng)址上看至!j:http:〃www.physics.emory.edu/weeks/confocal。本發(fā)明的ASOM通過有限的影像來成像(也就是說，整個一個二維圖像是通過一次曝光得到的，而不是通過一個點接一個點成像的方式)。有限影像對光學系統(tǒng)有一些特定的要求，而這些對點取樣技術(shù)(共焦顯微鏡法)是不必要的?；贏SOM的有限影像技術(shù)的一個優(yōu)點是目標的多個區(qū)域可以平行成像，從而獲得更快的成像速率。這一點對于低光線強度條件或者是目標物在運動中的情況下顯得尤為重要。在對于照明的要求方面，同樣也有一些優(yōu)點。盡管如此，以有限影像為基礎(chǔ)的系統(tǒng)并不能像共焦系統(tǒng)那樣能夠?qū)υ嚇舆M行豎直"切割"。美國專利6，771，417公開了一種包括可適應性光學器件的非共焦排列。美國專利6,555,826是關(guān)于包括可適應性光學器件的共焦排列，在美國專利6,381,074中則介紹了對像差控制和精確聚焦進行協(xié)助的，在掃描共聚顯微鏡中的可適應性光學元件。美國專利6,483,641公開了一種用在顯微鏡中的空間光線調(diào)節(jié)器。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種對以前的技術(shù)在很多不同方面的性能有所改進的可適應性掃描光學顯微鏡。本發(fā)明的ASOM設(shè)計利用了SOMS的掃描和馬賽克式構(gòu)架的原理(美國專利申請?zhí)?0/525,422的申請)，盡管如此，本發(fā)明的ASOM與SOMS和相關(guān)的進行有限成像的后物鏡系統(tǒng)并不同，所述不同之處在于本ASOM采用了一個適應性光學元件來處理軸外像差，所述軸外相差是由定制設(shè)計的允許沒有達到衍射極限的像差的掃描透鏡引入的。另外，本ASOM與其他現(xiàn)有技術(shù)的不同是通過放松對平場的要求，轉(zhuǎn)而專注在控制反射鏡上，投射出一個可以圍繞自身中心旋轉(zhuǎn)的明顯彎曲的中間成像區(qū)域，從而使掃描透鏡得到了簡化。利用這些想法，光學復雜性得到了簡化，對生產(chǎn)和組裝的要求也有所降低，而這種新穎的ASOM的根本目的是為了能夠利用位于掃描透鏡和成像光學器件之間的一個質(zhì)量較小且移動迅速的控制反射鏡來形成一個物鏡后掃描結(jié)構(gòu)。在每個掃描位置都會得到一個像，然后通過馬賽克成像技術(shù)，一個目標的大的合成圖像就能很快地建立起來。這種排列組合的優(yōu)點是大的高分辨率的觀測范圍，沒有對試樣的干擾，以及能夠達到每秒多次運動/成像。盡管如此，由于軸外成像的原因，這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也導致了在設(shè)計和執(zhí)行上的巨大挑戰(zhàn)，對這些問題，本發(fā)明也作了相應的處理1、在設(shè)計中明確地結(jié)合了場的彎曲狀況，從而大幅降低了掃描透鏡的復雜性。2、在一種操作模式下，得到了一次成像，相關(guān)聯(lián)的光線則沿著包括有一個可適應性光學元件(例如，一個可變形反射鏡、一個空間光線調(diào)節(jié)器、一個光學定相排列、一個可變形透鏡、或者類似光學元件)的光學路徑前進。所述可適應性光學元件會取決于掃描部位的殘留的像差進行糾正。3、去掉圖像的扭曲變形的圖像處理本發(fā)明的ASOM在要求高產(chǎn)量，相對低光線強度，和/或在臨界時空觀測上具有優(yōu)勢，但是不提供通過活動平臺對實際無限領(lǐng)域進行觀測。在生物學領(lǐng)域，ASOM有吸引力的應用包括觀測一個大的活細胞群內(nèi)的動態(tài)細胞事件(有絲分裂、病毒附著、運動性、細胞對化學應用的反應)或者是對試樣上選定的有興趣的區(qū)域進行觀測。ASOM也可用于快速獲取孔板上的圖像，或者是為微觀注射或操作提供視覺回饋。通過在光學路徑上注入光線以及安裝合適的過濾器，頂置式照明裝置可以允許熒光成像。為了對統(tǒng)治性位相物體進行觀測，可以通過在孔附近安裝一個相位板得到相差圖，這在生物學中很普遍。在工業(yè)生產(chǎn)中，具有更高生產(chǎn)量潛能的ASOM能夠允許視覺引導的微裝配過程和對零件的快速檢查。對醫(yī)療診斷而言，利用ASOM允許對生物學試樣的快速成像。例如，對于利用針抽取進行的活組織切片檢査，試樣是偶爾放置在滑片上，而且只占滑片的一小部分。ASOM能夠進行快速地背景掃描，然后只對感興趣的活組織檢査區(qū)域進行高質(zhì)量的掃描。在不停止控制反射鏡活動的情況下，可以高速地進行快速背景掃描。這些像會有輕微的模糊，但是可以用來確認組織試樣的位置。隨后，ASOM會計劃一條掃描的軌線，從而抓住感興趣的區(qū)域。隨后，通過控制反射鏡對每一次曝光都完全靜止和固定而得到的成像，可以得到試樣的高質(zhì)量成像?？偠灾?，本發(fā)明的更深一層的目標就是提供一種可適應性掃描光學顯微鏡。該顯微鏡包括一個能夠從目標平面的不同部分獲取圖像，同時形成一個更合適的彎曲成像區(qū)域，而在該區(qū)域中根據(jù)所成像區(qū)域在目標平面上位置的不同至少會有一些像差的掃描透鏡組裝部件；一個用來將對從成像區(qū)域來的光線進行轉(zhuǎn)向，使其沿著從一條從目標平面到最終成像平面的光路前進的控制反射鏡；一個接受從目標平面到成像區(qū)域的轉(zhuǎn)向光線，而且對相差進行動態(tài)補償?shù)目蛇m應性光學元件；以及其他的至少在光路的部分位置上的，對從控制反射鏡來，通過可適應性光學元件，到達最終成像平面的光線進行引導、調(diào)節(jié)和聚焦的光學器件。描述本發(fā)明的新穎性的各種特征在附加的聲明中會詳細地指出，而且成為本次公開的一部分。為了更好地理解本發(fā)明，它的運行上的優(yōu)勢以及其使用所能夠達到的特定目標，參照符號被指定給伴隨的圖畫和描述材料，在其中隊首選的本發(fā)明的具體實施方式進行了說明。圖1為對本發(fā)明的可適應性掃描光學顯微鏡或者叫做ASOM的概念示意圖；圖2為本發(fā)明的各種共軛圖像和光圈平面的復合示意圖；圖3為一個多部說明圖。其中(a)是薄透鏡的成像區(qū)域的形狀示意圖，(b)是考慮到人眼內(nèi)的很簡單的透鏡的視網(wǎng)膜彎曲表面的示意圖，(c)是通過允許彎曲成像而簡化過的本發(fā)明的ASOM掃描透鏡示意圖；圖4為本發(fā)明的掃描透鏡裝配的彎曲成像區(qū)域的復合示意圖；圖5為本發(fā)明掃描透鏡裝配的成像區(qū)域彎曲和成像光學器件的復合示意圖6為本發(fā)明的ASOM的初步設(shè)計的示意圖7為本發(fā)明的ASOM的一個40mm的實際觀測范圍，與采用1024X1024和4096X4096攝像頭的傳統(tǒng)顯微鏡(所有系統(tǒng)在0.21NA水平上操作)相比較，本圖同時展示了采用512X512攝像頭的0.38mm的ASOM分像場，釆用此系統(tǒng)需要通過多次掃描來覆蓋整個40mm的區(qū)域；圖8為本發(fā)明的ASOM的不同操作模式的示意圖9為對(a)本發(fā)明不同像場位置，(b)每個特定像場位置的光學可變形反射鏡的形狀，(c)選定觀測區(qū)域根據(jù)Strehl比取樣的符合視點示意圖IO為發(fā)明人用來證明本發(fā)明原理的最新的試驗性結(jié)構(gòu)的光學設(shè)計圖。具體實施例方式參照圖示及其中說明同樣或類似元件的數(shù)字，圖l展示了可適應性掃描光學顯微鏡ASOM10，其運行模式是通過連續(xù)地依次對目標12進行空間地移位成像，然后組合成一個大的復合像(馬賽克法)或者是幾個分離的或可能交疊的圖像。雖然一般概念上的擴大觀測范圍同時保持高分辨率的技術(shù)已經(jīng)廣為人知，而且已經(jīng)在生物學成像(見J.Zemek,C.Monks,和B.Freiberg,"自動狀態(tài)中的發(fā)現(xiàn)"，BiophotonicsInternational10,54-57(2003))和工業(yè)成像(見C.Guestrin,F.Cozman,禾卩S.Godoy，"成像馬賽克和穩(wěn)定性的工業(yè)應用"，ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonKnowledge-BasedIntelligentElectronicSystems——InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,NewYork,1998,vol.2，pp.174—183)上有所應用，替代了通常使用的活動平臺，其機械原理和掃描原理包括了一個與特別設(shè)計的掃描透鏡組裝部件16相互協(xié)作的高速二維可控反射鏡14，一個可適應性光學(AO)元件18(例如，一個可變形反射鏡、一個空間光線調(diào)節(jié)器、一個光頻整相陣列、一個可變形透鏡、或是類似的光學元件)，以及附加成像光學器件20。對圖像進行取樣最終會通過一個傳感器22，例如，一個具有適當質(zhì)量和速率的數(shù)碼相機、一個分光計、或者光感設(shè)備。附加成像光學器件20包括前置AO(可適應性光學器件)調(diào)整光學器件或者目鏡32，反向AO調(diào)整光學器件或者目鏡34，以及最終成像光學器件36，上述的每個器件都可能是由一個或以上的元件組成的。圖1也對控制可控反射鏡轉(zhuǎn)向的電子系統(tǒng)15和控制到達可適應性光學元件的傳動信號的電子系統(tǒng)17進行了圖解，所述電子系統(tǒng)至少有一個。至少一個電子系統(tǒng)19也會被用于從傳感器(例如，攝像頭22)閱讀數(shù)據(jù)，同樣也至少有一個電子系統(tǒng)會被用來顯示、處理和/或儲存在最終成像平面上得到的光線數(shù)據(jù)。圖2顯示了本發(fā)明ASOM的共軛圖像和光圈平面，將光學元件分解成了一個掃描透鏡(SLA)16、前置目鏡32、反向目鏡34、以及最終成像光學器件36，所述后三種光學組裝部件或元件構(gòu)成了附加成像光學器件20。掃描透鏡16會從目標12或者是目標平面1收集光線，同時位于光瞳映像位置的可控反射鏡14會對準被投射的真實中間圖像。光圈Al的首次成像在光路上緊接著SLA16，而SLA16被一第一中間成像平面2所緊挨。就像傳統(tǒng)光學顯微鏡中的傳統(tǒng)目鏡的作用一樣，所述ASOM10中的前置目鏡32對首次中間成像2進行取樣，然后將外光瞳投射到可變形反射鏡的位置。在本發(fā)明最初設(shè)計中，類似于中間成像2位置的Huygen目鏡的前置AO調(diào)整光學器件32位于一個負向場鏡33和一個正向目鏡35之間。一個明顯的區(qū)別就是負向場鏡33的使用。這樣會延長可適應性光學元件的緩沖距離(目鏡35和可適應性光學元件18，例如，可變形反射鏡，之間的距離)，但是由于需要更大的目鏡35，會增加相應的成本。光圈A2的二次成像接著目鏡35。反向AO調(diào)節(jié)光學器件34類似與Kdlner目鏡，但是有一個負向場鏡37，該場鏡位于正透鏡和光圈A2的二次成像之后。負向場鏡37同樣會幫助增加成像光學器件的負向珀茲伐和，建立起一個二次中間成像平面。為了檢驗本發(fā)明的有效性，發(fā)明人的確使用了Huygens，和Kdlner目鏡結(jié)構(gòu)。盡管如此，許多目鏡結(jié)構(gòu)在這里都會有很好的效果。在實驗室中試驗性系統(tǒng)裝配中，本發(fā)明采用包含有七個透鏡的目鏡結(jié)構(gòu)。實際上，闡述ASOM時，目鏡的類型并不重要，重要的是目鏡的功能。由于這個原因，本發(fā)明中的前置和反向目鏡被更好的描述為前置和反向AO調(diào)節(jié)光學器件。這里很重要的一點就是同樣也有很多不同的方法來構(gòu)造前置目鏡光瞳成像光學器件、反向目鏡光瞳成像光學器件和最終成像光學器件。例如，這里討論的模擬設(shè)計就針對目鏡采用了兩種透鏡元件，針對最終成像光學器件采用了一種透鏡元件。實驗室的試驗裝置中，前置目鏡有七個元件，反向目鏡有三個元件，最終成像光學器件中有七個元件。在光學器件領(lǐng)域的技術(shù)人員，一旦理解了本發(fā)明的原理，就能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的其它實施方式。最終成像光學器件36將二次中間成像3傳遞到位于最終成像平面4的傳感器上(例如，科學攝像頭22—見圖1)，通過適當?shù)姆糯蠓乐够煜F(xiàn)象。系統(tǒng)孔徑光闌對成像系統(tǒng)接收的光束的邊界進行了定義。最終，傳感器的有效區(qū)域會提供一個視場光闌，但是附加的視場光闌也可以增加到首次和二次像場中，從而可以減少系統(tǒng)中的雜散光和不想要的光線?？梢杂脕頊p少節(jié)流和雜散光的機構(gòu)，例如在機械外罩中加工過的凹槽和應用于表面的黑色涂層也很可能在貫穿ASOM光學路徑的各個位置上得到應用。與顯微鏡物鏡或光刻透鏡不同，本發(fā)明有利地利用了彎曲場掃描設(shè)計。在圖3的(c)中，本發(fā)明ASOM10的掃描透鏡16的設(shè)計目的是為了展示具有相對較大的珀茲伐和的明顯場彎曲C。對平面場要求的降低使得本光學設(shè)計使用了少的多的透鏡元件，從而大大地得到了簡化，就像圖3中關(guān)于薄透鏡的(a)和關(guān)于人眼的圖(b)中，透鏡在自然情況下，所進行的彎曲成像一樣。由于正透鏡元件會增加正的珀茲伐和，負透鏡元件會增加負的珀茲伐和，因此平面場的設(shè)計就要求對正負透鏡的小心使用，從而才能得到接近0的系統(tǒng)寬度的珀茲伐和。不統(tǒng)一放大可以通過把負透鏡元件放在窄光束直徑區(qū)域和把正透鏡元件放在寬光束直徑區(qū)域而得到。將圖3中顯示的允許彎曲像場的相對簡單的ASOM掃描透鏡與平面場顯微鏡物鏡和光刻透鏡進行比較。也發(fā)現(xiàn)由于大大地降低了重量和設(shè)計復雜性，彎曲場設(shè)計的優(yōu)點在航空領(lǐng)域也得到了重視(見J.M.Rodgers,"彎曲焦點表面通過對稱性，而不是復雜性的設(shè)計最優(yōu)化"，PhotonicsTechBriefs—Online(2003),http:〃www.ptbmagazine.com/content/040103ora.html)。典型光學設(shè)計所做不到的其它ASOM掃描系統(tǒng)所具有的特點包括-1、場曲面的中心、二維可控反射鏡的旋轉(zhuǎn)中心、反射鏡表面和一個光學光瞳平面是相互一致的。2、投射像表面的形狀是接近球形的，而不是更加典型的結(jié)合場彎曲的拋物線形的表面。這一點是通過高位像差的控制做到的。在滿足上述條件的情況下，隨著可控反射鏡角度的變化，投射彎曲像的表面會圍繞它自己的中心旋轉(zhuǎn)，就像圖4所展示的一樣。具有相匹配負向彎曲像場的靜止成像光學器件通過與框擋協(xié)作，從而對成像表面的一部分進行取樣，這樣就提供了一種隨著可控反射鏡角度變化進行成像掃描和選擇的機A這種設(shè)計是有優(yōu)勢的，因為它消除了對一個大的平面場成像系統(tǒng)的需要。而是像圖5中所展示的，該系統(tǒng)顯示了具有(1)一個與掃描透鏡相關(guān)聯(lián)的大的正向彎曲場，和(2)—個與成像光學器件相關(guān)聯(lián)的小的負向彎曲場，這樣，就避免了前面所討論有關(guān)設(shè)計和生產(chǎn)大的連續(xù)平面場成像系統(tǒng)的困難。實際上，由于成像光學器件是低數(shù)值孔徑、小的場尺寸和主要使用同軸，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當使用中等規(guī)模的傳感器陣列(512X512像素)時，成品光學器件針對衍射極限的表現(xiàn)巳經(jīng)可以提供足夠的像差糾正。更大的傳感器陣列可能需要定制的成像光學器件。圖6會對本發(fā)明的可適應性光學元件的波陣面校正作出描述。雖然掃描透鏡16和整個系統(tǒng)的設(shè)計明確是為了控制場彎曲，其它的軸外像差(例如，彗形像差、散光像差、和其它高位像差)還是存在的。傳統(tǒng)的解決方法就是通過增加透鏡元件來平衡掉剩余的像差，但是要能夠像ASOM那樣具有極軸外成像，一個充分補償透鏡組裝部件將會需要難以實現(xiàn)的大的透鏡數(shù)量。通過設(shè)計一個具有顯著波陣面像差(接近于具有光路不同性的幾個波)的"好"的掃描透鏡，本發(fā)明避開了這個問題，然后利用一個作為可適應性光學元件18的可變形反射鏡來對選定的特定觀測范圍的像差進行補償。在貫穿掃描儀范圍內(nèi)的各個單獨場位置間允許像差變化的存在。盡管如此，由于可變形反射鏡一次只能實現(xiàn)一個特定形狀，因此像差在各個場位置間的變化率必須要足夠小從而在整個選定的分場觀測范圍內(nèi)允許衍射極限成像。這與大氣中的等暈面元的概念相類似，這一點在可適應性光學望遠鏡領(lǐng)域是得到廣泛公認的。從ASOM類推，掃描透鏡的等暈面元必須大于選定的分場觀測范圍。不然，每個分場觀測范圍邊緣的成像可能會模糊。隨后的模擬效果是基于高保真度ZEMAX模擬的，證明了與現(xiàn)有的顯微鏡技術(shù)相比，本ASOM能夠有效地在保持解析度的前提下擴大觀測范圍。表2列出了所述特定ASOM設(shè)計的性能表現(xiàn)，但是經(jīng)過了對設(shè)計適當?shù)恼{(diào)整，場面積和數(shù)值孔徑就可以適合手邊的觀測任務。盡管如此，一般情況下，隨著場面積的增加，可實現(xiàn)的NA會因為物理和實際應用上的一些限制而降低。表2、初步ASOM的性能說明<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>圖7將ASOM的可觀測范圍與裝有4096X4096攝像頭(考慮一裝有標準顯微鏡物鏡的全景攝像頭)的固定顯微鏡以及裝有更普遍的1024X1024攝像頭的固定顯微鏡作出了比較?；诟弑Ｕ娑鹊哪M，ASOM對所有的場位置提供了衍射極限(Strehl比>0.8)。固定顯微鏡設(shè)計的場尺寸采用完美成像和利用0.21的數(shù)值孔徑，光線波長為0.510pm(對活性細胞成像而言，綠光相對理想，無破壞性)的情況下計算得出的。圖7同樣顯示了在這個ASOM實施方式中，512X512鏡頭的觀測分場。在這個設(shè)計中，由于考慮到衍射極限性能，相對簡單的成像光學器件將鏡頭傳感器的直徑限制到了6.0mm左右。這也只是顯示了一種特定ASOM實施方式的性能。通過調(diào)節(jié)透鏡的幾何結(jié)構(gòu)、透鏡間隔、以及數(shù)碼鏡頭的像素，可以使場尺寸和數(shù)值孔徑適合手頭的觀測任務。盡管如此，一般情況下，最終會有一個最大觀測范圍和系統(tǒng)數(shù)值孔徑之間的矛盾問題。通過對成像光學器件的適當設(shè)計，其衍射極限場范圍能夠通過利用高像素鏡頭進行擴大。不過，即使使用小512X512鏡頭，表3中列出的掃描次數(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比還是很有競爭力的。該表顯示了估計的100、250和500框每秒鏡頭速率與100%、50%和10%填充系數(shù)的掃描次數(shù)。這些計算中假設(shè)總的掃描運動次數(shù)的計算方式是掃描次數(shù)=總有效場面積/分場面積。表3、不同鏡頭像素和掃描速率的估計掃描次數(shù)(/秒)<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>圖8說明了本發(fā)明ASOM的不同運行模式，例如，對偶然事件的探測，對活動目標的及時追蹤，只對有興趣區(qū)域取像以及全景觀測。圖9顯示了DM如何對與每個場位置相關(guān)聯(lián)的特定波陣面像差進行校正。在全場范圍內(nèi)和對所有的場位置而言,Strehl比要遠大于0.8的衍射極限，導致幾乎完美成像。圖9(a)顯示了五種不同的場位置，圖9(b)顯示了對應于各個場位置和區(qū)域的五種最佳的可變形反射鏡形狀，圖9(c)顯示了對整個選定觀測范圍的Strehl比取樣。這里描述的所有結(jié)果都是基于理想模擬，而忽略了透鏡和光學外框總是受到制造和裝配誤差限制的事實。為了證明本發(fā)明的掃描和馬賽克式構(gòu)架成像的原理，隨后的試驗硬件被作為第一代原型，也叫作掃描光學馬賽克式顯微鏡(SOMS)被組裝起來。該設(shè)計沒有進行過正式的最優(yōu)化，而且該原型使用的是ThorLabs的標準目錄透鏡，一個索尼XC-77BBCCD鏡頭，MatroxMeteorII抓框器，劍橋科技的檢流器和伺服驅(qū)動器，以及一個以TI為基礎(chǔ)的DSP平臺。它與更先進的ASOM設(shè)計的不同在于(l)光學設(shè)計經(jīng)過了簡化，(2)沒有可變形反射鏡或者可適應性光學器件，(3)所有的透鏡都是標準目錄下現(xiàn)有的產(chǎn)品，(4)掃描透鏡是單個標準的消色差雙合透鏡。這里也包括了SOMS的結(jié)果，目的是為了證明可能的運行方式，功能性，以及性能，上述內(nèi)容同樣可以通過ASOM來實現(xiàn)，只是使用ASOM設(shè)計會有更好的性能表現(xiàn)。本發(fā)明的一個微裝配實證是基于一個工作區(qū)中在兩個固定目標間移動的形狀記憶合金微架持器。一個基于初步關(guān)聯(lián)性的匹配算法和Kalman濾光器的成像被用來追蹤夾持器尖端的運動。通過一個3X3瓷磚馬賽克成像對夾持器進行成像，同時掃描模式會自動調(diào)整到保持夾持器尖端始終處于中心線的位置。這種掃描模式也包括了工作區(qū)中的兩個靜止物體，證明了SOMS可以幾乎同時觀測工作區(qū)中的多重靜止和運動目標。對視頻進行錄像，特別是有關(guān)于活性生物細胞(端粒酶永生化hTERT-RPEl細胞)的。在沒有擾亂細胞的前提下，通過一個3X3瓷磚馬賽克成像監(jiān)控一個大的細胞群。細胞是在一個控溫營養(yǎng)液中保持活性的。在整個觀測范圍內(nèi)，可以看到幾次有絲分裂(細胞視覺)的發(fā)生。ASOM不僅提供了自動探測到有絲分裂開始和其它事件的可能性，同樣也可以很容易地通過編程來同時追蹤和記錄多個事件。雖然通過使用活動平臺進行自動定量細胞分析在最近被提議過，但是整個系統(tǒng)的帶寬還是會受到平臺的響應和細胞試樣對運動的敏感度的限制。本發(fā)明的ASOM可以處理這兩個問題。發(fā)明人同樣已經(jīng)建造了一個二代試驗原型。這個試驗ASOM設(shè)備的目的是論證本ASOM設(shè)計中的基本的光學的幾個方面，但是要求要低成本和縮短發(fā)展時間。就其本身而言，為了避免以定制為基礎(chǔ)的光學器件的高額花費，也為了能夠利用能在幾天內(nèi)運到的現(xiàn)有庫存，專門使用了現(xiàn)成的光學器件。盡管如此，多數(shù)的庫存透鏡是被設(shè)計成用特定方式(例如，具有有限的共軛)進行普通應用的，而且其焦距，透鏡直徑和玻璃選擇都只具有粗略的一個范圍。考慮到掃描透鏡的非典型成像特點，使用了現(xiàn)成光學器件的試驗性ASOM設(shè)計還遠遠沒有達到最優(yōu)化，而且就其本身而言，也顯示了在一個對于額定的20mm的場尺寸上達到0.1NA時所需的高透鏡數(shù)量。盡管如此，即便只使用了現(xiàn)成的光學器件，但是這個試驗性裝置通過謹慎地設(shè)計還是論證了能夠定義本ASOM特征的關(guān)鍵光學特點，其中包括彎曲場光學掃描方式和采用可變形反射鏡作為可適應性光學元件的波陣面校正光學器件。在這種實施方式中，可控反射鏡是手動制動，這樣就限制了顯微鏡觀測靜止或慢速運動的物體。商用版的可適應性掃描光學顯微鏡可能會使用定制光學器件，從而能夠?qū)崿F(xiàn)本ASOM概念所具有的潛力，達到更高的數(shù)值孔徑和更大的工作空間，同時可以與被驅(qū)動的高速可控反射鏡協(xié)作。圖10顯示了本試驗系統(tǒng)的光學設(shè)計。這個最初的原型使用了一個傳輸照明方案，而且由于目前的設(shè)計對色差非常敏感，一個510nm波長陷波濾波器被用來消除低于500nm和高于520nm的光譜。光線通過景物反差模式傳輸，然后通過焦闌的十二個基本掃描透鏡組裝部件進行收集，該組裝部件將目標圖像投射到一個球形彎曲像場上。一個可繞反射鏡鍍銀前表面樞接旋轉(zhuǎn)的手動可控反射鏡被置于掃描透鏡組裝部件之后，通過與波陣面糾正光學器件中的視場光闌協(xié)作，選擇球形彎曲像場的哪一部分會通過系統(tǒng)，在鏡頭上成像。這種掃描機構(gòu)能夠有效地允許工作空間內(nèi)對分觀測場的控制轉(zhuǎn)向。盡管如此，由于掃描透鏡沒有很好的光學糾正，在這一點的光線會表現(xiàn)出明顯的波陣面像差(請注意，允許糾正不足是ASOM設(shè)計的特點之一，因為這樣可以顯著的降低復雜性和掃描透鏡組裝部件中透鏡的數(shù)量)。來自可控反射鏡的校正不足的光線會通過視場光闌，然后繼續(xù)前進到波陣面糾正光學器件。在這種可適應性掃描光學顯微鏡的實施方式中使用了一個MEMS可變形反射鏡。通過精確控制反射鏡的反射表面，使其與波陣面錯誤的形狀相反(但在其振幅的一半)，從而可變形反射鏡可以把波陣面相差校正到衍射極限以內(nèi)。這樣，從可變形反射鏡離開的光線能夠得到很好的校正，而且會在鏡頭上形成幾乎與完美的衍射極限成像沒有分別的圖像。在這個原型中使用的是波士頓微型機器公司的三層MEMS可變形反射鏡。這個反射鏡有32個靜電制動器，制動器間距為40(Him，一個2.5pm制動器沖程，以及一個直徑為2.0mm的主動控制區(qū)域。所述2.5pm制動器沖程能夠糾正多個波的像差，從而允許即使是軸外場位置也能得到高成像質(zhì)量，從而使ASOM的觀測區(qū)域能夠顯著地擴大。同時注意到在本設(shè)計中，針對可適應性光學元件的預處理平臺和后處理平臺是由正透鏡和負透鏡元件通過適當?shù)慕M裝方式構(gòu)成的，從而能夠?qū)饩€進行調(diào)節(jié)，使其能夠符合可適應性光學元件2.0mm的有效直徑。針對可適應性光學元件的預處理平臺形成了光圈的一個圖像，這樣導致可控反射鏡位于光圈成像的附近區(qū)域。將可控反射鏡置于就在或者接近光圈成像的位置可以考慮到可控反射鏡的直徑，所述可控反射鏡的直徑可以控制在較小的范圍，從而降低可控反射鏡的慣性，使其具有更快的動態(tài)表現(xiàn)。另外，將可控反射鏡置于就在或者接近光圈成像的位置是最可取的，因為這樣可以方便掃描時對掃描透鏡的系統(tǒng)使用(也就是說，對于所有場位置而言，主要的射線都是來自于光圈平面的同一位置)。使用單獨一個可控反射鏡的光學優(yōu)勢是廣為人知的，但是由于各種原因，包括對成本和動態(tài)性能的考慮，可以想到這里描述的單獨一個可控反射鏡可能會被兩個單獨同軸可控反射鏡代替。站在光學的角度上，這樣做并不是很可取，但是經(jīng)常是一種適合的方式，而且經(jīng)常在實際應用中被采用。一個ASOM可以用兩個或者更多的旋轉(zhuǎn)反射鏡構(gòu)成。像可控反射鏡一樣，可適應性光學元件也是置于光圈的像區(qū)域附近。將所述可適應性光學元件置于就在或者接近光圈像區(qū)域的位置使可適應性光學元件的有效區(qū)域能夠得到有效地利用，這是因為所有的射線束都會在這個位置重疊(也就是說，主要射線會通過光軸)。將可適應性光學元件置于就在或者接近主要射相交的位置也可以使得一個可適應性光學波陣面糾正能夠有效地糾正每個射線束的像差，因為他們都是以類似的方式通過每一個瞬間觀測區(qū)域。從以前開始，發(fā)明人也通過使用基于圖像的性能度量標準和平行的隨機梯度發(fā)展優(yōu)化規(guī)則系統(tǒng)，進行過對于下一代原型的校準和在線優(yōu)化?？蛇m應性掃描光學顯微鏡的最終成像質(zhì)量取決于系統(tǒng)中剩余波陣面像差的大小和形狀。另外，所述掃描透鏡會對每個場位置(反射鏡角度)引入特定的像差。這樣，鑒于可適應性光學元件對波陣面形狀的影響是由控制信號控制的，而且會對波陣面像差有直接的影響，因此應該對可適應性掃描光學顯微鏡進行一次初始的校準。這次校準的目的是為了能夠找到一套控制信號，利用這套信號可以使不同場位置的波陣面像差最小化。一旦經(jīng)過校正，正常操作期間的最優(yōu)化控制信號可以被召回，信號可能來自路由器，然后使用內(nèi)插法得到。這個校準能夠?qū)χ圃旌脱b配過程中的誤差，公差或者其它制造過程中的變量進行補償，也可能會周期性地重復對環(huán)境溫度的變化，光學元件的移動或者更換，或者系統(tǒng)中其它會造成像差的起因進行補償。在操作期間，為了能夠?qū)Τ上襁^程中的光學像差進行有效地補償，可控反射鏡和可適應性光學元件可能會通過一個電子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)工作。得到最優(yōu)化可適應性光學器件控制信號的方法有很多種，包括使用一個波陣面?zhèn)鞲衅?、波陣面評估試驗方法和算法、基于干涉儀的方法、或者其它基于成像的技術(shù)?？梢韵氲降氖?，所述可適應性掃描光學顯微鏡系統(tǒng)在運行期間可能會對可適應性光學元件的控制信號進行升級，所述升級利用了一個對波陣面像差實時測量和反饋控制的方式，所述方式與以前已經(jīng)采用過使用導航星作為參照波陣面的可適應性光學望遠鏡的方式相類似。在這個試驗原型中，使用了一個性能度量和一個數(shù)字最優(yōu)化的算法。一般情況下，性能度量，Q(ll)，是可適應性光學器件控制信號U的一個非線性函數(shù)，而且Q(u)被證明會隨著成像質(zhì)量的增加而降低。最優(yōu)化結(jié)果中的問題是同樣受制于可適應性光學器件控制信號的上限和下限。一個基于高頻率成像容量的度量方式和平行隨機梯度演化最優(yōu)化算法已經(jīng)被證明能夠有效地對系統(tǒng)進行校準。一般情況下，可適應性光學器件的控制信號最優(yōu)化需要兩個方面的內(nèi)容，針對這兩個方面的內(nèi)容各種不同的選擇和特定的結(jié)合方式-1、一個用來表征成像質(zhì)量Q(U)的度量方式；以及2、一個將Q(u)最小化的最優(yōu)化算法。除了上述的ASOM，其它的改進方式還包括在鏡頭位置使用一個分光計。在接近光圈的位置引入一個相位板和/或通過利用適應性光學元件對波陣面引入一個相擾亂，ASOM可能能夠進行相襯成像。作為對目標照明的一種方式，光線也會被注入到ASOM中，可能采取的方式是在光路上引入一個分光鏡?？偠灾景l(fā)明是一種新的顯微鏡概念，可以同時做到高解析度和大的有效觀測范圍，使得本發(fā)明在觀測特定時空事件方面，相對于目前現(xiàn)有的技術(shù)，具有多個優(yōu)勢。本設(shè)計在光學、機械、運動控制和像處理設(shè)計的協(xié)同增效方面具有很大的優(yōu)勢。ZEMAX光學模擬顯示了在非常擴大的一個觀測范圍內(nèi)的衍射成像性能表現(xiàn)，同時，計算結(jié)果也顯示了高速運動和成像操作的可能性。為了論證基于反射鏡的掃描方式的基本效果，我們建造了一個降低了功能性的概念檢驗原型機，而且對微裝配和生物學觀測任務進行了論證。本發(fā)明的掃描透鏡組裝部件，前置和后置調(diào)節(jié)光學器件和最終成像光學器件都可以由一個或多個玻璃透鏡元件；塑膠透鏡元件；GRIN(梯度折射率)元件；折射透鏡元件；球面光學元件；非球面光學元件；表現(xiàn)出一外光瞳、一焦闌狀態(tài)、一非焦闌狀態(tài)的元件或者元件集成；一個針對所有場位置的統(tǒng)一的數(shù)值孔徑，一個針對不同場位置的非統(tǒng)一數(shù)值孔徑；充分服從一f-theta失真成像、一f-cosine-theta失真成像、一f-sine-theta失真成像的元件或是元件集合；在首次中間成像平面投射出一個彎曲像場、在完全是球面的首次中間成像平面投射出一個彎曲像場、以及在完全是拋物線形的首次中間成像平面投射出一個彎曲像場的元件或元件集合。成像可控反射鏡可以是一般意義上的任何一種成像可控儀器或者具有控制轉(zhuǎn)向功能的對等物，這些儀器可以包括的控制轉(zhuǎn)向儀器中包括至少一個檢流計、音圈致動器、壓電制動器、靜電制動器、萬向節(jié)機械裝置、一個平行機械裝置、一個彎曲機械裝置、或者一個電磁懸浮裝置。所述可控反射鏡可能至少是平反射表面、彎曲反射表面、完全是球面的彎曲反射表面、完全是非球面的彎曲反射表面、或者旋轉(zhuǎn)棱鏡中的一個。在最終成像平面上接收光線的傳感器中可能至少有一個下列配件一個數(shù)碼鏡頭、一個電荷耦合器件、一個CMOS傳感器、一個分光計、或著人眼觀測使用的目鏡中的一個。雖然為了對本發(fā)明的應用原理進行了解釋說明，對本發(fā)明特定的實施方式已經(jīng)進行過說明和詳細的描述，但是應該明白，本發(fā)明在不背離該原理的情況下，也可以采取其它的實施方式。權(quán)利要求1.一種可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，包括一個對不同的選定的場位置進行有限成像的一個掃描透鏡組裝部件，這樣，光學像差就會成為場位置的函數(shù)，根據(jù)選定場位置的不同而變化，掃描透鏡部件會形成一個像場；成像可控儀器，所述成像可控儀器將來自每個場位置的光線進行可控轉(zhuǎn)向，然后使光線沿著從目標到最終成像面的光路運行，沿著光路上的光線具有一個波陣面；一個可適應性光學元件，所述可適應性光學元件能夠影響光路中波陣面的形狀，從而對至少一部分的取決于場位置的光學像差進行補償，同時向光路中光波陣面引入選定的形狀；附加成像光學器件，所述其它的成像光學器件在光路的至少部分位置上，能夠?qū)蛇m應性光學元件和最終成像平面的光線進行處理；以及最終成像光學器件，所述最終成像光學器件將圖像投射到最終成像平面。2.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述掃描透鏡組裝部件形成的是彎曲像場。3.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述成像可控儀器包括一個可控反射鏡和控制反射鏡轉(zhuǎn)向的裝置。4.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述可適應性光學元件由一個可變形反射鏡構(gòu)成。5.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述附加成像光學器件包括一個針對可適應性光學元件的預處理平臺和一個對可適應性光學元件的后處理平臺，所述預處理平臺對沿著可見光光路的光線進行調(diào)節(jié)，從而使可適應性光學元件的光圈尺寸與掃描透鏡組裝部件的光學要求相配，目的是為了利用可適應性光學元件的有效區(qū)域；所述后處理平臺對沿著光路的光線進行調(diào)節(jié)，從而使可適應性光學元件的光圈尺寸與最終成像光學器件的光學要求相配。6.如權(quán)利要求5所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述針對可適應性光學元件的預處理平臺和后處理平臺都包括至少一個負透鏡和至少一個正透鏡。7.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述可適應性掃描光學顯微鏡還包括一個孔徑光闌，所述孔徑光闌定義了由裝置接收和投射到最終成像平面的光束的邊界。8.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述可適應性掃描光學顯微鏡進一步包括最終成像光學器件和一個光傳感器，所述最終成像光學器件提供附加的放大和縮小，達到一個選定的整個系統(tǒng)的放大倍數(shù)，所述最終成像光學器件同時會將最終圖像投射到最終成像平面上，所述光傳感器會感應最終圖像。9.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述掃描透鏡組裝部件包括一個光電機械組裝部件，所述光電機械組裝部件包括一個或多個透鏡或者反射鏡元件，所述透鏡或者反射鏡元件包括至少一個下列配件玻璃透鏡元件；塑膠透鏡元件；GRIN(梯度折射率)元件；折射透鏡元件；球面光學元件；非球面光學元件；至少一個表現(xiàn)出一外光瞳、一焦闌狀態(tài)、一非焦闌狀態(tài)的元件；一個針對所有場位置的統(tǒng)一的數(shù)值孔徑，一個針對不同場位置的非統(tǒng)一數(shù)值孔徑;至少一個充分服從一f-theta像差成像、一f-cosine-theta像差成像、一f-sine-theta像差成像的元件；至少一個在首次中間成像平面投射出一彎曲像場、在完全是球面的首次中間成像平面投射出一彎曲像場、以及在完全是拋物線形的首次中間成像平面投射出一彎曲像場的元件。10.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述成像可控儀器包括一個可控反射鏡和控制可控反射鏡轉(zhuǎn)向的裝置，所述控制可控反射鏡進行轉(zhuǎn)向的裝置包括至少一個檢流計，音圈制動器，壓電制動器，靜電制動器，萬向節(jié)機械裝置，一個平行機械裝置，一個彎曲機械裝置，或者一個電磁懸浮裝置，可控反射鏡具有平反射表面，彎曲反射表面，完全球面的彎曲反射表面，完全非球面的彎曲反射表面，或者旋轉(zhuǎn)棱鏡中的至少一個面。11.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述可適應性光學元件至少包括可變形反射鏡，空間光線調(diào)節(jié)器，一個光學定相排列，一個可變形透鏡，以及一個光電元件中的一個。12.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述附加成像光學器件包括一個針對可適應性光學元件的前置調(diào)節(jié)光學器件，反向調(diào)節(jié)光學器件和最終成像光學器件，所述前置調(diào)節(jié)光學器件包括至少一個下列配件玻璃透鏡元件，塑膠透鏡元件，GRIN(梯度折射率)元件，衍射透鏡元件，球面光學元件，非球面光學元件；所述反向調(diào)節(jié)光學器件包括至少一個下列配件玻璃透鏡元件，塑膠透鏡元件，GRIN(梯度折射率)元件，衍射透鏡元件，球面光學元件，非球面光學元件；所述最終成像光學器件包括至少一個下列配件玻璃透鏡元件，塑膠透鏡元件，GRIN(梯度折射率)元件，衍射透鏡元件，球面光學元件，非球面光學元件。13.如權(quán)利要求1所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述可適應性掃描光學顯微鏡包括一個最終成像平面上接收光線的傳感器，所述傳感器包括至少一個下列配件數(shù)碼鏡頭，電荷耦合器件，CMOS傳感器，分光計，人眼觀測使用的目鏡中的一個。14.一種可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，包括一個掃描透鏡組裝部件，所述掃描透鏡部件從目標平面的不同位置獲取圖像，形成一個彎曲像場。所述彎曲像場至少存在一些像差，所述像差作為目標平面軸外區(qū)域位置的函數(shù)變化；一個可控反射鏡，所述可控反射鏡將來自成像場的光線進行可控轉(zhuǎn)向，然后使光線沿著一條光路從目標平面運行到最終成像面；一個可變形反射鏡，所述可變形反射鏡接收從目標到像場的控制轉(zhuǎn)向光線，對至少一些像差進行動態(tài)的補償；以及附加成像光學器件，所述其它的成像光學器件在光路的至少部分位置上，將光線進行引導，使其從可控反射鏡，通過可變形反射鏡，到達運行到最終成像平面。所述附加成像光學器件包括一個位于光路上可控反射鏡和可變形反射鏡之間的前置目鏡，一個位于光路上可變形反射鏡和一個顯微鏡的系統(tǒng)光圈之間的反向目鏡，以及一個位于反向目鏡和最終成像平面之間的最終成像光學元件。15.如權(quán)利要求14所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述前置目鏡包括至少一個負場透鏡和至少一個正透鏡，所述反向目鏡包括至少一個負向場透鏡和至少一個正透鏡，所述最終成像光學器件包括至少一個正透鏡。16.如權(quán)利要求14所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述前置目鏡包括至少一個負場透鏡和至少一個正透鏡，所述反向目鏡包括至少一個負場透鏡和至少一個正透鏡，最終成像光學器件包括至少一個正透鏡，所述顯微鏡包括一個在最終成像平面上接收光線的鏡頭。17.—種可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，包括一個掃描透鏡組裝部件，所述掃描透鏡部件從目標平面的不同位置獲取圖像，形成一個彎曲像場。所述彎曲像場至少存在一些像差，所述像差作為目標平面區(qū)域位置的函數(shù)而變化；一個可控反射鏡，所述可控反射鏡將來自成像場的光線進行可控轉(zhuǎn)向，然后使光線沿著一條光路從目標平面運行到最終成像面；一個可變形反射鏡，所述可變形反射鏡接收從目標到像場的控制轉(zhuǎn)向光線，對至少一些像差進行動態(tài)的補償；附加成像光學器件，所述附加成像光學器件在光路的至少部分位置上，將光線進行引導，使其從可控反射鏡，通過可變形反射鏡，到達運行到最終成像平面。所述其它的成像光學器件包括一個位于光路上可控反射鏡和可變形反射鏡之間的前置目鏡，一個位于光路上可變形反射鏡和一個顯微鏡的系統(tǒng)光圈之間的反向目鏡，以及一個位于反向目鏡和最終成像平面之間的最終成像光學元件；以及一個在最終成像平面上接收光線的科學鏡頭。18.如權(quán)利要求17所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，所述前置目鏡包括至少一個負場透鏡和至少一個正透鏡，所述反向目鏡包括至少一個負場透鏡和至少一個正透鏡，所述最終成像光學器件包括至少一個正透鏡。19.一種對目標平面進行可適應性掃描，將圖像進行放大的方法，其特征在于，包括獲得并放大目標平面不同部分的有限圖像，然后形成一個至少有一些作為被成像的目標平面區(qū)域位置的函數(shù)變化的像差的像場，利用一個掃描透鏡組裝部件；對從掃描透鏡組裝部件來的光線進行控制轉(zhuǎn)向，使其沿著從目標平面到最終成像平面的光路運行；通過對從目標到像場的控制轉(zhuǎn)向的光線的波陣面進行變形處理，對至少一些像差進行動態(tài)補償；以及光線從控制轉(zhuǎn)向階段，通過變形階段，到達最終成像平面的過程中，通過利用在光路至少部分位置上的附加成像光學器件，使光線聚焦。20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述利用掃描透鏡組裝部件形成的像場是彎曲的。21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述附加成像光學器件包括一個前置目鏡，一個可變形反射鏡，一個反向目鏡，以及最終成像光學器件。所述前置目鏡位于一個可控反射鏡之后，用來影響控制轉(zhuǎn)向階段；所述可變形反射鏡位于光路上，用來影響的變形階段；所述反向目鏡位于光路上可變形反射鏡和顯微鏡的系統(tǒng)光圈之間；所述最終成像光學器件位于反向目鏡和最終成像平面之間。22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，至少一個所述目鏡包括一個負透鏡。23.如權(quán)利要求22所述的方法，包括一個在光路上的顯微鏡的系統(tǒng)光圈，和位于反向目鏡和最終成像平面之間的最終成像光學器件，前置和反向目鏡都包括一個負透鏡和一個正透鏡。24.—種可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，包括一個掃描透鏡組裝部件，所述掃描透鏡部件在目標的不同選定場位置進行取像，以致像差作為選定場位置的函數(shù)而變化，所述掃描透鏡組裝部件形成一個第一中間圖像；成像可控儀器，所述儀器將每個場位置的首次光圈成像的光線進行控制轉(zhuǎn)向，然后使光線沿著從目標到最終成像面的光路運行，沿著光路上的光線具有一個波陣面和一個首次中間成像平面；一個影響光路中波陣面形狀的可適應性光學元件，所述可適應性光學元件對至少一些由場位置依賴的光學像差進行補償，同時向沿著光路的光線的波陣面引入一個選定的形狀。所述可適應性光學元件位于一個光圈的二次成像的位置；一個針對可適應性光學元件的預處理平臺，所述預處理平臺對沿著光路的光線進行調(diào)節(jié)，從而使可適應性光學元件的光圈尺寸與掃描透鏡組裝部件的光學要求相配，目的是為了利用可適應性光學元件的有效區(qū)域；一個對可適應性光學元件的后處理平臺，所述后處理平臺對沿著光路的光線進行調(diào)節(jié)，從而使可適應性光學元件的光圈尺寸與最終成像光學器件和在二次中間成像平面投射光線的要求相配；以及最終成像光學器件，所述最終成像光學器件將圖像投射到最終成像平面，所述圖像來自二次中間成像平面。25.如權(quán)利要求24所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，還包括一個孔徑光闌，所述孔徑光闌對貫穿成像系統(tǒng)、投射到最終成像平面的光束的邊界進行了定義。26.如權(quán)利要求24所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，還包括至少一個傳感器，所述傳感器對最終圖像進行取樣，同時將光信息轉(zhuǎn)化成一種可測量量。27.如權(quán)利要求26所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其包括至少一個電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)控制可控反射鏡的位置，以及控制到可適應性光學元件的制動器信號。28.如權(quán)利要求27所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，還包括至少一個電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)從傳感器讀取信號。29.如權(quán)利要求27所述的可適應性掃描光學顯微鏡，其特征在于，還包括至少一個電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)的作用至少是在最終成像平面進行顯示，處理和儲存光的所得數(shù)據(jù)三個功能之一。全文摘要本發(fā)明是關(guān)于一種可適應性掃描光學顯微鏡。在這種可適應性掃描光學顯微鏡中裝有一個掃描透鏡組裝部件，能夠從目標平面的不同部分獲取圖像，然后形成更加合適的彎曲像場。在形成的像場中，至少會有一些像差，所述像差作為成像部位在目標平面上位置的函數(shù)變化。一個控制反射鏡會對成像部位進行選擇和將從目標平面來的光線進行控制轉(zhuǎn)向，使其沿著一條從目標平面到成像平面的光路運行。一個可適應性光學元件會接收來自目標，經(jīng)過控制轉(zhuǎn)向的光線，并且會對取決于成像位置的像差進行補償。在光路的至少部分位置上有附加的光學器件，所述光學器件在光線從控制反射鏡，通過可適應性光學元件，最終到達成像平面的運行過程中，會對所述光線進行調(diào)節(jié)和聚焦。文檔編號G02B21/06GK101116023SQ200580045412公開日2008年1月30日申請日期2005年12月29日優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日發(fā)明者伊夫·貝魯爾德,本杰明·邁克爾·波特賽德,約翰·T·文申請人:倫斯勒理工學院