紧凑、低色散以及低像差自适应光学扫描系统.pdf

一种自适应光学扫描系统，使用具有四个或多个运动轴的光束投影模块，其可以对达到自适应光学元件或来自自适应光学元件的光束的位置和角度进行投影和控制。所述自适应光学扫描系统尺寸紧凑，克服了基于传统透镜和反光镜的光瞳转送器设计所带来的挑战。所述自适应光学扫描系统具有很少或几乎没有色散，色差以及离轴像差的改善的光学性能。描述了用于校准和优化所述系统的系统和方法。描述了扫描和对接自适应光学元件的模块化的自适应光学单元。

1.  一种自适应光学扫描系统，包含：
用于产生光的发射源(705)，所述光通过所述自适应光学扫描系统被引导到样本(710)；
一个或多个自适应光学元件(715)，所述自适应光学元件(715)影响光的波前，影响光的强度，或者影响所述波前和强度两者；
光束投影模块(720)，所述光束投影模块(720)利用四个或更多个运动轴进行操作并且控制光的角度和位置，以优选地通过在所述自适应光学元件上或附近创建或调节光束枢轴点来对接所述自适应光学元件(715)，同时横跨所述样本(710)来扫描所述光；
控制器(725)，用于控制在所述光束投影模块(720)中的所述轴的运动轨迹；
样本传送光学器件(730)，所述样本传送光学器件(730)适当地调节所述光并且将所述光引导到所述样本(710)上；
一个或多个检测器(735)，所述检测器(735)测量来自所述样本(710)的光。

2.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行所述样本(710)的成像。

3.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行所述样本(710)的处理。

4.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行所述样本(710)的轮廓分析。

5.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行所述样本(710)的光谱成像。

6.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中，所述自适应光学扫描成像系统执行光学相干断层扫描(OCT)。

7.  如权利要求6所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统为了获得干涉的OCT信号，进一步包括干涉仪(110)、样本路径(115)和参考路径(120)。

8.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中，所述自适应光学扫描系统执行光学相干显微(OCM)。

9.  如权利要求8所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统进一步包括用于获得相干的OCT/OCM信号的干涉仪(110)、样本路径(115)和参考路径(120)以及用于获得高分辨率样本数据的高数值孔径物镜(150)。

10.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行共焦成像。

11.  如权利要求10所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统进一步包括分束器(175)或分色镜和共焦点针孔(185)来获得深度切片荧光或反射成像。

12.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行双光子成像。

13.  如权利要求12所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统进一步包括在所述光路径中的分色镜(194)以及所述检测器(735)测量弹射并多次散射的荧光或来自所述样本(710)发射光。

14.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行多光子成像。

15.  如权利要求14所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统进一步包括在所述光路径中的分色镜(194)以及所述检测器(735)测量弹射并多次散射的荧光或来自所述样本(710)发射光。

16.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行二次谐波成像。

17.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行反射成像。

18.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行透射成像。

19.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行荧光成像。

20.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行光谱学成像。

21.  如权利要求20所述的自适应光学扫描系统，，其中所述自适应光学扫描系统进一步包括用于将来自所述样本的光的光谱含量进行分解的光谱仪。

22.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学扫描系统执行轮廓测定法成像。

23.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)包括：生物标本、动物、动物的一部分、人、人的一部分、植物、植物的一部分、组织、活组织、保存的组织、染色组织、生物器官、活检标本、眼睛、眼睛的一部分、大脑、大脑的一部分或皮肤。

24.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)包括：机械部件、电气部件、光学部件、装配部件、部件的组合、材料标本、半导体部件、半导体材料标本、金属部件、玻璃部件、塑料部件、无生命的有机标本、晶体标本或矿物标本。

25.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关空间的属性。

26.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关机械的属性。

27.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关光学的属性。

28.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关荧光的属性。

29.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关反射的属性。

30.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关透射的属性。

31.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关折射率。

32.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关散射的属性。

33.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关色散的属性。

34.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关光谱的属性。

35.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关偏振的属性。

36.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本(710)的特征在于有关热的属性。

37.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用二极管产生光。

38.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用激光器产生光。

39.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用脉冲激光器产生光。

40.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用可调谐激光器产生光。

41.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用波长扫频激光器产生光。

42.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用飞秒激光器产生光。

43.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用光纤激光器产生光。

44.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用垂直腔面发射激光器(VCSEL)产生光。

45.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用波长可调谐的VCSEL产生光。

46.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用等离子体光源、卤素灯或白炽灯产生光。

47.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)利用超连续源产生光。

48.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)产生了具有宽带光谱含量的光并且发射大于约2nm范围的波长。

49.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)产生了具有窄带光谱含量的光并且发射小于约2nm范围的波长。

50.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述发射源(705)包括用于将来自点源或小面积发射器的光进行校准的光学器件。

51.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光是已校准的。

52.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光是收敛的。

53.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光是发散的。

54.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光为具有主要为圆形横截面的光束。

55.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光为强度分布主要为高斯分布的光束。

56.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光是光纤耦合的。

57.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中来自所述发射源(705)的光被光纤耦合到单模光纤中。

58.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)是可变形反射镜。

59.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)是液晶空间光调制器。

60.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)是液晶设备。

61.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)是具有连续面板的可变形反射镜。

62.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)是分段的可变形反射镜。

63.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)是空间光调制器。

64.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件的数量是两个或更多个，以及自适应光学元件(715)的组合用于增加波前校正，强度校正，或波前校正和强度校正两者的范围。

65.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件的数量是两个或更多个，所述两个或更多个自适应光学元件(715)具有不同的校正范围，致动器或像素排列，致动器或像素间距，或时间响应来获得优于单独使用任何一个自适应光学元件的校正。

66.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)补偿在所述样本中的像差。

67.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)补偿在所述自适应光学扫描系统内的残余像差。

68.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)补偿来自样本保持器的像差。

69.  如权利要求65所述的自适应光学扫描系统，其中两个或更多个自适应光学元件(715)用于低频-高频配置中。

70.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)的至少一个轴是旋转的。

71.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)的至少一个轴是平移的。

72.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)使用旋转和平移轴的组合或自由度。

73.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)包含至少一个振镜驱动的反射镜。

74.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)包含四个振镜驱动的反射镜。

75.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)包含至少一个快速转向反射镜(FSM)。

76.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)包含两个快速转向反射镜，其中每个快速转向反射镜具有两个旋转轴。

77.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)包含至少一个转向反射镜，声光偏转器，旋转多面体、电光光束偏转器、电光棱镜、热光棱镜、衍射阵列。

78.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)被共轭到所述系统的光瞳平面。

79.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学元件(715)被共轭到所述系统光瞳平面的外部平面以改善自适应光学校正。

80.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)利用引起所述光束跟踪在所述样本(710)上的光栅扫描图案的轨迹来扫描所述反射镜。

81.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)将光引导到所述自适应光学元件，使得主要地保持所述光束的中心与所述自适应光学元件(715)的中心的对准，同时在光束转向操作期间，改变相对于所述自适应光学元件(715)的光束角度。

82.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)从自适应光学元件(715)中接收光并引导所述光，使得主要地保持所述光束的中心与在所述成像系统中的期望光瞳平面的中心的对准，同时在光束转向操作期间，改变相对于所述期望光瞳平面的光束角度。

83.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中两个或更多个光束投影模块(720)用于级联多个自适应光学元件(715)，每个光束投影模块(720)利用四个或更多个运动轴进行操作。

84.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本传送光学器件(730)利用数值孔径(NA)以收敛光束将所述光引向所述样本，以在所述样本(710)中获得所期望的分辨率。

85.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本传送光学器件(730)包含显微镜物镜。

86.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述样本传送光学器件(730)利用枢轴点以主要校准的光束将所述光引向所述样本(710)，所述枢轴点位于在所述样本内的光瞳平面上或在光瞳平面附近，使得所述样本(710)的光学性能聚焦于所期望成像平面上的光。

87.  如权利要求86所述的自适应光学扫描系统，其中所述主要校准的光束被引导入眼睛(170)，所述光束的枢轴点位于眼睛的光瞳上或在眼睛光瞳附近，使得光的焦点位于眼睛(170)的视网膜(245)上或在其附近。

88.  如权利要求6所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)是用于执行光谱/傅 立叶域OCT的行扫描相机。

89.  如权利要求6所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)包括实现失衡检测的高速光电二极管或实现均衡检测的两个光电二极管以用于执行扫频源/傅立叶域OCT。

90.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)包括光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管。

91.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)包括用于执行双光子、多光子或二次谐波成像的光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管。

92.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)包括用于执行共焦成像的光电倍增管(PMT)，光电二极管或雪崩光电二极管。

93.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)是用于将来自所述样本(710)的光的光谱含量进行分解的光谱仪。

94.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述检测器(735)测量来自所述样本(710)的光强度。

95.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)位于在所述系统中的所述自适应光学元件(715)之前。

96.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中在所述系统中的所述自适应光学元件(715)位于所述光束投影模块(720)之前。

97.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述系统包含用于调节所述样本(710)中焦点的装置。

98.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述系统包括通过将显微镜物镜，扫描透镜或物镜变换为所述样本传送光学器件(730)的部件来调节所述焦点的装置。

99.  如权利要求98所述的自适应光学扫描系统，其中改变所述控制器(725)的运动轨迹，以适应焦点的变化，同时保持所述光束和所述样本传送光学器件(730)光瞳的适当对准。

100.  如权利要求99所述的自适应光学扫描系统，其中移动在所述样本传送光学器件(730)内的光学元件，以适应焦点的变化，同时保持所述光束和所述样本传送光学器件(730)光瞳的适当对准。

101.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中利用所述自适应光学器件(715)产生散焦模式，以实现在所述样本(710)内的焦点位置控制。

102.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述系统包括波前传感器，所述波前传感器用于测量在来自所述样本(710)的光或在所述样本(710)中的点源的光中的像差。

103.  如权利要求102所述的自适应光学扫描系统，其中所述系统利用所述波前传感器而获得的像差的信息来确定适当的自适应光学校正。

104.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述系统通过使用无波前传感器的自适应光学的优化方法确定适当的自适应光学校正。

105.  如权利要求104所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学优化方法产生一系列自适应光学形状，将所述形状应用到所述成像系统中，通过计算基于来自所述检测器(735)的光的测量值的度量来评估所述形状的影响，并更新所述自适应光学元件(715)，以改善图像或信号质量。

106.  如权利要求105所述的自适应光学扫描系统，其中所述自适应光学器件的形状轮廓主要是正交的，以改善优化算法的收敛速度。

107.  如权利要求105所述的自适应光学扫描系统，其中产生所述自适应光学形状的轮廓，以避免包括活塞，尖端和倾斜模式的部分。

108.  如权利要求105所述的自适应光学扫描系统，其中产生所述自适应光学形状的轮廓，以避免包括散焦模式的部分。

109.  如权利要求105所述的自适应光学扫描系统，其中在所述样本中第一位置或多个位置的适当的自适应光学校正信息用于评估在所述样本(710)中新位置的适当的自适应光学校正的情况。

110.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中多个光束通过所述系统来执行平行光斑成像。

111.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中所述光束投影模块(720)包括机械扫描的反射镜、由电机驱动的机械扫描反射镜、由步进电机驱动的机械扫描反射镜、由振镜驱动的机械扫描反射镜、MEMS反射镜、声光调制器或液晶设备。

112.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中一个或多个位置传感或角度传感检测器被用来确定来自所述发射源的入射光束与所述光束投影模块对准的精度，和通过调整所述活动轴的扫描轨迹来确定关于所述光束对准以校正非对准所使用的信息。

113.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，进一步包括用于利用分束器来监控所述光束位置以测量光束对准质量的2D检测器，所述2D检测器为CCD阵列，CMOS阵列，位置传感二极管(PSD)，象限检测器或其他在二维中检测光束位置的装置。

114.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，进一步包括物镜，其中不同的物镜可以通过调整在所述光束投影模块中的所述扫描轨迹，通过调整或改变在所述样本传送光学器件中光学元件或者调整在所述光束投影模块中的所述扫描轨迹和在所述样本传送光学器件中的光学元件两者来适应不同光瞳位置。

115.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，进一步包括物镜，其中通过使用在恰当位置的物镜执行校准，来获悉所述物镜的光瞳位置。

116.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，进一步包括在所述样本传送光学器件中的物镜，其中在所述样本传送光学器件(730)中的元件是可改变的或可调节的，以适应不同的物镜光瞳直径，不同的物镜光瞳位置或不同的物镜光瞳直径和不同的物镜光瞳位置两者。

117.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，其中在所述样本传送光学器件(730)中使用变焦扩束器来适应不同的光瞳尺寸。

118.  如权利要求1所述的自适应光学扫描系统，进一步包括色散补偿单元，其中所述色散补偿单元用于补偿系统中的色散。

119.  一种模块化自适应光学单元，包含：
一个或多个入射口(3890)，所述入射口允许一个或多个光束进入所述模块化自适应光学单元；
一个或多个输出口(3895)，所述输出口沿着一个或多个光束路径进行定位，所述光束可在所述光束路径上传输或终止；
一个或多个自适应光学元件，所述自适应光学元件影响所述光束的所述波前，影响所述强度或影响波前和强度两者；
一组光束转向元件，所述光束转向元件创建4个或更多个运动轴，所述运动轴影响所述光的角度，或所述光的横断位置，所述光的传播路径，来优选地大约在所述光束枢轴转动时创建至少一个有效旋转点；
以及用于控制所述光束转向元件的轨迹以沿着优先路径引导光束的装置。

120.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的入射口(3890)包含光学窗。

121.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的入射口(3890)包含滤光器。

122.  如权利要求121所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的滤光器为带通滤波器。

123.  如权利要求121所述的模块化自适应光学单元，，其中一个或多个所述的滤光器为陷波滤波器。

124.  如权利要求121所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的滤光器为长通滤波器。

125.  如权利要求121所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的滤光器为短通滤波器。

126.  如权利要求120所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的光学窗是可去除的。

127.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述自适应光学元件是可变形反射镜。

128.  如权利要求127所述的模块化自适应光学单元，其中所述的可变形的反射镜包含连续的面板。

129.  如权利要求127所述的模块化自适应光学单元，其中所述的可变形的反射镜包含分段的面板。

130.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述自适应光学元件是空间光调制器。

131.  如权利要求130所述的模块化自适应光学单元，其中所述的空间光调制器为液晶设备。

132.  如权利要求130所述的模块化自适应光学单元，其中所述空间光调制器为分段的可变形反射镜。

133.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述自适应光学元件补偿在朝向至少一个输出口(3895)发送和通过至少一个输出口(3895)之后，通过光学介质或光学元件传播的所述光束引起的波前像差或强度变化或波前像差和强度变化，所述光学介质或光学元件包括气体，液体，光学窗，玻璃元件，组织，滤波器，透镜，反射镜，衍射光学元件，有源或无源的晶体。

134.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中使用具有不同设计的两个或更多个自适应光学元件，使得所述两个或更多个自适应光学元件具有不同的校正范围，或致动器排列，或间距，或时间响应，或者这些参数的任意组合来实现优于单独使用一个自适应光学元件的校正。

135.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述的运动轴包含至少一个旋转轴。

136.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述的运动轴包含至少一个平移轴。

137.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述的运动轴包含旋转轴和平移轴的组合。

138.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件包含至少一个振镜驱动的反射镜。

139.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件包含四个振镜驱动的反射镜。

140.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件包含至少一 个快速转向反射镜，其中所述快速转向反射镜具有两个旋转轴。

141.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件包含两个快速转向反射镜，其中所述两个快速转向反射镜具有两个旋转轴。

142.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件包含至少一个谐振扫描反射镜。

143.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件包括各自或如下的任意组合：转向反射镜，声光偏转器，旋转多面体、电光光束偏转器、电光棱镜、热光棱镜、衍射阵列。

144.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中用于控制所述轴移动轨迹的装置改变所述光束路径，使得其跟踪在至少一个输出口或者在通过至少一个输出口接收所述光束的光学系统的限定的平面上的光栅扫描图案。

145.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件将光束引导到所述自适应光学元件，使得所述光束的中心与所述自适应光学元件的中心主要保持对准，同时相对于所述自适应光学元件的光束的入射角由用于控制所述运动轴的轨迹的装置来改变。

146.  如权利要求119所述的模块化自适应光学单元，其中所述光束转向元件接收来自所述自适应光学元件的光，并引导所述光束，使得所述光束的明显的旋转中心相对于位于确定平面中的点保持主要对准，同时光束角由运动轴的轨迹来改变，其中所述确定平面沿着光束路径位于所述光束转向元件之后。

147.  如权利要求121所述的模块化自适应光学单元，其中一个或多个所述的滤光器是可去除的。

紧凑、低色散以及低像差自适应光学扫描系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年10月12日提交的美国临时申请No.61/713,478的权益，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及自适应光学束扫描的领域。
背景技术
大多数光学系统的设计仅考虑了系统内部的光学像差。结合了精确制造、谨慎装配和包含选择的几个可调参数(例如焦点，变焦或球面像差校正)的光学表面几何形状的谨慎选择使得所述光学系统获得规定标称水平的性能。然而，如果光学像差源存在于所述光学系统的外部，所述像差是未知的并且可能随时间变化，那么所述光学系统的性能可被显著降低。选择的几个光束扫描成像系统和像差源的示例分别在图1和图2中示出。自适应光学(AO)提供了一种减少由像差源所造成的波前失真的方法，以获得改善的性能。在大多数的AO系统中，波前校正设备(通常是可变形反射镜或液晶空间光调制器)包含几个到几千个单独可寻址的致动器或单元(像素)来影响所述波前，如图3所示。波前不希望的失真可被校正或使用集成在所述光学系统中所述波前校正设备来生成更优选的波前形状。自适应光学已经应用于望远镜观察时动态大气像差的校正、视网膜成像时在人类和动物眼睛中的像差的校正，显微成像时样本所引起的像差的校正、在激光材料处理中样本所引起的像差的校正、视线光通信时大气像差的校正以及波前校正是理想的其它应用。自适应光学的优点是在观察或成像应用中普遍改善分辨率和信号强度，在光束投影应用中更严密的聚焦和更高的功率密度，或在数据传输应用中提高通信速率。
“补偿天文视宁度的可能性”一文中，H.W.Babcock，太平洋天文学会出版物，卷65、No.386，第229页(1953年)第一次引入了利用地面望远镜进行天文观察的自适应光学概念。自适应光学系统迄今绝大多数已经使用了在Babcock的文章中提出的基本的AO框架，其中所述系统包括波前传感器410、自适应光学元件420和反馈控制系统430，所述系统由所述波前传感器产生输入，并产生控制信号以将所述自适应光学元件驱使为优选的波前校正形状，如图4(A)所示。所述波前传感器可能是夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)、四棱锥(pyramid)或者其他波前传感设计。替换物和最近实施的AO不使用波前传感器，而是使用关于所测量的信号质量的信息来代替，所述关于所测量的信号质量的信息通过作为输入的所述图像传感器440获得，以作为所述过程的部分，最优化运行在优化系统450上的算法，以为所述自适应光学元件460产生波前校正来改善其性能，如图4(B)中所示。当所述波前校正是现有技术未知的 且没有专用的波前传感器时，以这种方式实施AO通常被称为无传感器的AO。AO的第三变形使用了通过开环控制系统480，施加到所述自适应光学元件470的已存储或计算出的控制信号，称为开环的AO，如图4(C)所示。
由AO-SLO示例教导的AO系统像差挑战
管理系统像差的历史挑战在自适应光学扫描激光检眼镜(AO-SLO)的环境下描述。长期已经知道的是在人眼中的所述角膜周边和晶状体引入了以大光瞳直径降低分辨率的波前失真。由F.W.Campbell和R.W.Gubisch在《生理学杂志》186卷、no.3，558-578页(1966)的“人眼的光学质量”一文中，发现了2.4mm的光瞳直径使用直线排列分析产生了最高的光学分辨率。在由W.J.Donnelly III and A.Roorda在JOSA的20卷，第11期，2010-2015页(2003)的“人眼中用于轴向分辨率的最佳光瞳尺寸”的最近的文章中，类似的发现表明2.46mm的光瞳尺寸提供了最佳横向分辨率，4.6mm提供了用于传统(非AO)扫描激光检眼镜(SLO)成像的最佳的轴向分辨率。与较大光瞳尺寸相关联的像差比所述改善的分辨率预期增加的数值孔径和相关联的改善的衍射极限，在更大程度上支配和降低分辨率。自适应光学元件可以校正所述角膜周边和晶状体的像差，以允许将在所述衍射极限或接近所述衍射极限使用的较大光瞳直径获得显著改善的分辨率和成像性能。
在由Dreher，J.Bille和R.Weinreb在应用光学28，804-808(1989)的“激光断层扫描仪的自适应光学深度分辨率的改善”一文中，教导了以开环的方式使用可变形的反射镜，以校正在光瞳直径6mm人眼中的像差，来获得激光断层扫描仪中两倍的深度分辨率。此外，相同文章教导了使用转送器(relay)配置中的远焦4f透镜排列来将所述可变形反射镜的有源表面成像到眼睛的入射光瞳。附加的远焦4f透镜排列将振镜扫描仪的扫描光瞳成像到所述可变形反射镜的有源表面。这个基本排列和眼睛、AO元件和扫描仪之间的多个4f转送器的使用已成为几乎所有执行激光扫描眼成像的AO系统的标准，但是所述4f转送器中的光瞳平面和特定光学部件的排序可以有所不同。如果附加的振镜用于执行2D扫描，相关的附加4f转送器用于与所述其他扫描仪共轭恰当的光瞳、自适应光学元件和光瞳平面。所述4f光瞳转送器的设计已经面临挑战，因为在所述成像系统本身中的离轴像差可以引入显著波前失真。由于混合了多个4f光瞳转送器的像差串联级联，这个问题会更加严重。
早期的点扫描自适应光学成像系统使用在离轴配置中的球面反射镜来执行所述4f光瞳转送器并专注于优化所述图像平面性能，如在由A.Roorda，F.Romero-Borja，W.Donnelly，III等在光学快讯10，405-412(2002)的“自适应光学扫描激光检眼镜"”和相关的专利US6890076B2的文章中所描述的。然而，用在本文或专利中的平面内配置的光瞳转送器产生降低成像性能的相当大的残余散光像差在如今是已知的。
由S，Bums，R.Tumbar，A，Eisner等在美国光学学会杂志A辑(J.Opt.Soc，Am.A)24， 第1313-1326页(2007)的“大视场、模块化、稳定的基于自适应光学的扫描激光检眼镜”一文教导了即使在4f光瞳转送器中所述球面反射镜上具有小的离轴光束角，离轴散光随着所述系统中的多个连续镜面反射而积累。文章教导了设计的光学器件使得所述第二光瞳转送器相比于所述第一光瞳转送器，在所述平面之外构造，可以部分地抵消散光。由A.Gomez-Vieyra，A.Dubra，D.Malacara-Hernandez和D.Williams在光学快讯17，18906-18919页(2009)的”使用远焦望远镜的离轴反射眼科自适应光学系统的一阶设计“的文章，进一步研究了离轴像差并且开发了在所述视网膜(成像)和光瞳平面成像两者中最优化成像性能的相关理论。由A.Gomez-Vieyra和D.Malacara-Hernandez在应用光学的50，66-73页(2011)的“离轴球面反射镜中的波前像差的几何理论”后续的文章拓展了更高阶级光瞳转送器的像差理论，并作为改善眼科AO成像系统的基础，所述改善眼科AO成像系统在由A.Dubra和Y.Sulai，Biomed在光学快讯2，1757-1768页(2011)的“反射远焦宽带自适应光学扫描检眼镜”的文章中描述。
事实上，最小化像差，特别是散光以及同时最小化在成像平面和光瞳平面两者中的像差的重要性由两组独立地发布在文章中的所述难以捉摸的杆马赛克图像来示范，由A.Dubra，Y.Sulai，J，Norris，R.Cooper，A，Dubis，D，Williams，和J.Carroll，Biomed.在光学快讯2，1864-1876页(2011)的“采用共焦点自适应光学扫描检眼镜的人类视杆马赛克的无创成像”和由D.Merino，J.Duncan，P.Tiruveedhula，和A.Roorda Biomed.在光学快讯报2，2189-2201页(2011)的“采用新一代的自适应光学扫描激光检眼镜对正常人和患者的视锥和视杆的观察”。第二篇文章还教导了除了在所述图像和光瞳平面两者中引入取决于波前的扫描位置之外，光束漂移还发生在基于4f光瞳转送器系统的球面反射镜中。光束漂移可以使用所述平面外的转送器配置来改善。
在超过十年的过程中，基于SLO的AO成像已经从只能解决视网膜中比较大的锥周边马赛克到能够解决非常小的杆马赛克，具有长足的进步。密切关注所述像差和光瞳转送器质量的细节对不断改善成像性能具有巨大的贡献。然而，由于在高度最优化设计中使用的球面反射镜部件的长焦距，所得到的这些新的最优化的AO成像系统的尺寸是相当大的。例如，在前面提到的最优化设计中，因为长焦距反射镜用于减少离轴像差，远焦望远镜长度(Dubra，2011)在1.5米以上并且长度(Merino，2011)在0.4米以上。基于AO系统的大尺寸球面反射镜通过需要在所述AO系统中级联多个远焦转送器来合成，其中每个远焦转送器都具有各自的相当长的长度。
因为来自玻璃或透镜表面的少量背反射是显著的，并且可能干扰对从视网膜返回光的低色阶的测量，所以在AO-SLO系统中已经最常用正动力反射镜和反射表面。玻璃表面的背反射也可以产生使用波前传感器降低波前测量的漫射光效应和重影。由于这些原因，反射镜已经优选于透镜并且在高性能的AO-SLO系统中已经几乎全部使用反射镜，如在前面提到的文 章(Gomez-Vieyra，2009)中所描述的。
由F.Felberer，J.Kroisamer，C.Hitzenberger和M.Pircher在光学快讯20，17297-17310(2012)的“基于透镜的自适应光学扫描激光检眼镜”文章中教导了在AO-SLO系统中使用多个远焦光瞳转送器的基于全透镜的实施可以获得堪比基于更复杂平面外的球面反射镜的配置的等级像差。远焦光瞳转送器的长度在0.5米的量级上。来自玻璃表面的背反射干扰所述波前测量的问题通过在所述波前传感器之前引入偏振分束器和偏光器和在所述眼睛之前引入四分之一波片来解决，使得从玻璃表面反射的光被排斥，但是从眼睛反射的光穿过到所述波前传感器。来自透镜和玻璃表面的背反射干扰所述图像检测和形成的问题仍未解决。这篇文章示出了杆马赛克的结果，虽然图像的质量不像利用前面提到的Dubra 2011的文章中基于全透镜的平面外配置所获得的图像看起来那么好。
截止到目前的讨论专注于AO-SLO，因为这种技术是一种最有据可查并且谨慎分析的自适应光学系统之一。使用不同的成像模式或材料处理能力的其他AO系统也被示范并且已经面临相同的离轴像差和尺寸的挑战以及当使用短脉冲激光器时与玻璃元件中的色散相关的附加挑战。
具有自适应光学的显微镜成像
当在良好的控制和规定的成像条件下成像时，高性能的显微镜物镜获得最佳的性能。标称成像条件的小扰动可以导致信号强度的显著降低以及分辨率的下降。标称成像条件的不利扰动可能起因于使用不同厚度的盖玻片，在浸水成像的情况下使用浸油物镜，从成像到组织或其他样本，从成像通过样本容器，或从其他来源。由M.J.Booth，M.A.A.Neil和T.Wilson在显微镜杂志的192卷，第2期(1998)“折射率不匹配的媒介中共焦成像的像差校正”的文章分析了标本和样本引起的像差，教导了在共焦或双光子显微镜中使用可变形反射镜的可能性，以校正通过折射率不匹配媒介的深入成像引起的像差。
由M，A，A.Neil，R.Juskaitis，M J，Booth，T，Wilson，T.Tanaka和S，Kawata在显微镜杂志的200卷，Pt 2，105-108页(2000)“双光子显微镜中的自适应像差校正”文章描述了利用自适应光学的双光子成像的第一实验应用。所述自适应光学校正器，铁电液晶空间光调制器(FLCSLM)在商用激光扫描显微镜中位于所述扫描机构之前。
专利US6381074B2教导了一种激光扫描显微镜，包括波前变换元件以在所述光轴(深度)方向执行焦点扫描而不需要改变所述显微镜物镜和所述标本之间的距离。深度扫描期间发生的像差通过使用所述波前变换元件而抵消，以最小化由于在所述光轴方向扫描引起的聚光性能的劣化。在与所述物镜光瞳位置共轭的位置上或附近放置所述波前变换元件，使预定的条件得到满足。此外，所述波前变换元件和在扫描光学系统中扫描在垂直于所述光轴的方向上聚集光的位置和进一步的所述物镜的光瞳位置的两个振镜反射镜中的每个都通过所述中间光 学系统被彼此共轭放置或接近彼此共轭放置。所述扫描光学系统包括用于将所述波前变换元件和靠近所述波前变换元件的所述振镜反射镜共轭于彼此放置的光瞳投影透镜。
由O.Albert，L.Sherman，G.Mourou，T.Norris和G.Vdovin在光学快报25，52-54(2000)的“智能显微镜：用于像差校正的自适应光学学习系统”文章教导了使用可变形反射镜来校正在双光子成像系统中的离轴像差。所述物镜为离轴抛物面反射镜，双光子样本的强度被用于优化所述可变形反射镜的形状。
由M.J.Booth，M.A.A.Neil，R.Juskaitis和T.Wilson在美国国家科学院学报(Proc.Nat.Acad.Sci.)第99卷，No.9，30，第5788-5792页(2002)的“在共焦点显微镜中的自适应像差校正”的文章描述了在共焦点显微镜中自适应光学的第一示范。所述文章教导了使用在所述可变形反射镜和所述物镜之间的转送透镜(relay lenses)。
由Sherman L，Ye JY，Albert 0，Norris TB在显微镜杂志(J Microsc.)206(Pt 1):65-71(2002)的“在使用可变性反射镜的多光子扫描显微镜中的深度引入的像差的自适应校正”文章示范了在多光子扫描显微镜中使用可变形反射镜作为所述波前校正器。所述文章教导了使用4F望远镜系统直接将DM表面成像到所述显微镜物镜的入射光瞳上。
专利US6771417B1中教导了在显微镜的观察光束路径和/或照明光束路径中一个或多个波前调制器的使用。所述专利教导了将所述波前调制器放置在所述镜筒透镜和所述物镜之间。这种调制器可以适于改变光的相位和/或幅度，以这样的方式来进行在所述物体空间的所述焦点的位移和成形和可能的像差的校正。该发明的一个实施例允许聚焦到不同的深度而不改变从物镜到所述物体的距离。可能使用的范围包括共聚焦显微镜、激光辅助显微镜、传统光学显微镜和分析性显微镜。
专利US7733564B2(上述US6771417 B1中的延续专利)包括附属权利要求，其中将设计改变为在光瞳平面放置所述波前调制器的仪器的权利要求，但是没有描述其所述方法和机制。
专利US 7659993 B2中教导了一种在自适应光学显微镜体系结构内的波前传感设备。该发明的一个实施例描述了使用多光子和共焦点显微镜用于荧光成像的示例。波前传感器采用干涉技术，被称为相干门，以隔离样本中的感兴趣的深度。所述可变形反射镜适于预定的形状，以便形成行进光脉冲的所述期望波前。样本扫描是利用所述样本夹持设备的移动而获得的。
使用在显微镜中级联多个光瞳转送器的前面提到的传统的方法所面临的挑战已得到公认。专利US7002736 B2教导了使用波前变换元件来校正像差的扫描光学显微镜。援引日本专利HEI-11-1019424(1999)，其教导了期望的是所述波前变换元件应当放置在与所述光瞳共轭的位置，本专利强调了由于以下问题，很难实施光瞳转送器系统。第一个问题是在显微镜观察中使用各种各样的物镜，并且每个物镜的光瞳位置不同。因此，当在多个物镜中从一个 切换到另一个来执行观察时，难以始终保持所述物镜的光瞳与所述波前变换元件的共轭关系。此外，所述波前变换元件需要与激光扫描组件的位置共轭放置，并且还与所述物镜光瞳的位置共轭。因此，需要至少两个光瞳转送器光学系统。因此，所述装置的尺寸变大并且变得不利地复杂化。
除了校正光学像差的原因以外，自适应光学已经用在显微镜中。专利US8198604 B2教导了一种用于在厚组织中提供增强背景抑制的系统，其包含用于在激发束路径中引入可控外来空间像差的像差元件。相关的方法包括以下步骤：获取无外来像差的厚组织的双光子激发的荧光；将外来像差图案引入到激发束路径中；获取具有所述引入的外来像差图案的所述厚组织的双光子激发的荧光；以及从所获取的无外来像差的厚组织的标准双光子激发的荧光中减去具有外来像差的双光子激发的荧光。所述可变形反射镜被转送到所述光束扫描仪，依次被转送到所述物镜的所述背孔径。所述可变形反射镜位于与所述物镜的背孔径共轭的平面内。
利用自适应光学的OCT成像
类似于AO-SLO，自适应光学已经被应用到光学相干断层扫描(OCT)，用于自适应光学OCT(AO-OCT)。
专利US7364296 B2教导了光学成像的方法，包括：提供将要成像的样本，使用自适应光学器件测量和校正与所述样本相关的像差，以及通过光学相干断层扫描技术将所述样本成像。
专利US7942527 B2，教导了使用巴达尔视力仪以及旋转插入在AO-OCT系统中的柱面来校正大假相像差，例如近视，远视和散光，便于临床使用和减缓。类似于利用AO-SLO来实施，正交地旋转在望远镜中的球面反射镜(平面外)，以减少有所述扫描仪所造成的像差和光束位移。这产生了大大降低的AO配准误差和改善的AO性能，使能了患者眼睛的高阶像差校正。
专利US7896496 B2教导了可用于AO-SLO或AO-OCT中的物体跟踪系统。
专利申请W02005060823 A1教导了一种数据采集系统，其通过OCT获得测量值，其中通过在所述光束路径中排列有源光学元件来改善这些测量值的质量，所述系统还包括波前传感器。
专利申请US20120019780 A1教导了AO-SLO和AO-OCT。
专利申请US20110234978 A1教导了多功能光学装置，所述多功能光学装置包括能够以扫描激光检眼镜(SLO)模式和光学相干断层扫描(OCT)模式进行操作的光学元件的系统。多个扫描设备放置在所述光学部件系统中的光瞳共轭处。所述系统可以包括沿着一个或多个可选的自适应光学器件的光学跟踪。
专利申请US20120002165 A1教导了一种可以利用SLO或OCT进行成像的发明，其具有 多个测量光束并使用自适应光学器件，包括：波前像差检测器，用于检测在当在表面扫描到多个光束时，产生的反射光或反向散射光的波前像差；以及单个波前像差校正器，用于基于所述波前像差来校正多个光束中每个光束的波前像差，以及所述多个光束以不同的入射角进入所述单个波前像差校正器并且重叠于彼此。在一个实施例中，所述波前像差校正器设置在一位置上，在所述位置处获取转送光学器件的出射光瞳与所述单个位置光学共轭，在所述单个位置处所述多个光束彼此相交。
专利申请US20120044455 A1教导了使用可变形反射镜和波前传感器的AO-SLO或AO-OCT成像装置。使用光瞳转送光学器件，以及所述专利申请教导了使用转送器透镜，使得所述角膜，所述XY扫描仪和所述波前传感器变为近似光学地彼此共轭。
利用自适应光学器件的材料处理和物体操纵
许多文章已经描述了使用在材料处理应用中用于光束成形的自适应光学器件，包括：由Heinz Haferkamp和Dirk Seebaum在国际光学工程学会2207，激光材料处理：工业和微电子应用，156(1994)中的“使用高功率的CO 2激光器通过用于材料处理应用的自适应光学器件的光束传送”和文章M.Geiger，激光材料处理和金属成型的协同，CIRP年刊-制造技术，第43卷，第2期，第563-570页(1994)。
自适应光学已被用来校正在材料处理中样本所引入的像差。由M.Neil，R.Juskaitis，M.Booth，T.Wilson，T.Tanaka和S.Kawata在光学应用41，1374-1379(2002)中“用于三维光存储设备写入的有源像差校正”的文章教导了当向三维光存储设备写入时，使用SLM来补偿样本所引入的像差。由C.Mauclair，A.Mermillod-Blondin，N.Huot，E.Audouard和R.Stoian在光学快讯16，5481-5492(2008)中“使用动态波前校正的眼镜中均质纵向波导的超快速激光写入”的文章教导了在激光处理系统中使用SLM来改善激光处理的质量。由G.Marshall，T.Wilson和M.Booth在光学快讯18，656-661(2010)的“利用等离子体发射像差传感用于直接激光写入的自适应光学”的文章教导了在等离子体发射直接激光写入系统中使用SLM。
自适应光学已经用于光学操纵。操纵小物体的一种方法是使用光学捕获，有时被称为光镊。使用光镊的大部分方法不包括基于振镜的扫描机制，正如下面文章所教导的：由M C Mullcnbroich，N McAlindcn和A J Wright，M C Mullenbroich等在光学学会杂志15 075305(2013)中的“在光学捕获系统中用于深度增强的横向阱刚度的自适应光学器件”，由KD.Wulff，DG.Cole，RL.Clark，RD Leonardo，J Leach，J Cooper，G Gibson，MJ.Padgett在国际光学工程学会6326，光学捕获和光学显微操纵术III 63262Y(2006)中的“采用无波前传感器的自适应光学器件的全息光镊像差校正”的文章和由S.Bowman(2009)，“采用自适应光学控制的光镊系统的设计和特征”的论文。
更先进的光学捕获设置包括扫描和/或分束的能力，例如由Richard D.L.Hanes，Matthew  C.Jenkins和Stefan U.Egelhaaf在科学仪器评论80，083703(2009)中的“结合全息机械的光镊：构建，优化和校正”的文章。在本文中，邻近所述物镜放置所SLM，并且所述SLM没有显而易见地共轭到所述孔径。所述SLM允许形成多次捕获，使得振镜可以进行光束的粗转向，以及所述SLM可以执行分束来产生多次捕获和光束的细转向。在所述装置中使用的可变形反射镜是通过优化所捕获物体上的振荡阻力来校准。
发明内容
本发明的一个实施例为自适应光学扫描系统以及用于其校准和操作的方法。本发明的一个实施例的自适应光学扫描系统的独特设计克服了在现有技术中有关大尺寸，色散，色差以及离轴像差的局限。本发明的一个实施例使得能够通过用有源光学元件代替在传统设计中使用的静态光学元件来减小尺寸，来获得相对于所述自适应光学部件的适当光束中心。本发明的一个实施例消除了在所述扫描反射镜之间对所述4f转送器(relays)的需要，而且同时增加了仪器的性能，灵活性和能力。本发明的一个实施例通过使用仅平坦或几乎平坦的反射表面克服了在大多数自适应光学系统中使用的与基于传统透镜和基于凹面镜的光瞳转送器配置相关联的离轴像差的挑战。本发明的一个实施例通过使用仅平坦的反射镜克服了与基于透镜的设计相关联的色散和色差的损害效应。本发明的一个实施例能够以小的形状因数获得改进的自适应光学性能。本发明的一个实施例能够获得用于调节不同样本传送光学器件的可编程的灵活性。此外，本发明的一个实施例与在生物，医学，工业成像和检查中使用的范围广泛的成像模式、处理方法和特征化方法兼容。可能使用的范围包括：医学成像，生物学成像，工业检查，材料处理，材料检查，次表面成像，表面轮廓分析，距离测距和测量，流体流动特征和分析，以及材料偏振特性的研究和特征化。
一个实施例提供一种自适应光学扫描系统，包括：用于产生光的发射源，所述光通过所述自适应光学扫描系统被引导到样本；一个或多个自适应光学元件，所述自适应光学元件影响所述光的所述波前，影响所述强度或影响波前和强度两者；光束投影模块，所述光束投影模块利用4个或更多个运动轴进行操作并且控制光的角度和位置，以优选地通过在所述自适应光学元件(多个)上或附近创建或适应光束枢轴点对接所述自适应光学元件，同时横跨所述样本来扫描所述光；用于控制在所述光束投影模块中的所述轴的运动轨迹的控制器；样本传送光学器件，所述样本传送光学器件适当地调节所述光并且将所述光引导到所述样本上；一个或多个检测器，所述检测器测量来自所述样本的光。
一个实施例提供一种模块化自适应光学单元，包括：一个或多个入射口，所述入射口允许一个或多个光束进入所述模块化自适应光学单元；一个或多个输出口，所述输出口被定位在沿着所述光束可以传输或终止的一个或多个光束路径上；一个或多个自适应光学元件，所述自适应光学元件影响所述光束的所述波前，影响所述强度或影响波前和强度两者；一组光 束转向元件，所述光束转向元件创建4个或更多个运动轴，影响所述光的角度，或所述光的横断位置，所述光的传播路径，来优选地大约在所述光束枢轴转动时创建至少一个有效旋转点；用于控制所述光束转向元件的轨迹以沿着优先路径引导光束的装置。
附图说明
图1示出了可以使用本发明的实施例的许多示例性光学系统和成像模式中的几个光学系统和成像模式的示意图的集合。
图2示出了使用本发明的实施例可以校正的许多可能的像差源中的几个像差源的示意图的集合。
图3示出了可以在本发明的实施例中使用的许多可能的自适应光学技术中的几个自适应光学技术的示意图的集合。
图4示出了自适应光学控制方法的框图集合。
图5示出了在光学系统中使用的光瞳转送器实施的示意图集合，其中附加的示意图示出了光束转向和自适应光学部件的相对排序可以如何变化。
图6示出了具有两个单独的单轴扫描反射镜或单个两轴的扫描反射镜的光瞳转送器系统的示意图集合。
图7示出了本发明实施例的子系统可能布局的框图集合，其中所述检测器位于不同的位置。
图8示出了可以在本发明的实施例中使用的所述发射源的可能特征的示意图集合。
图9示出了旋转反射镜如何转送或控制具有固定光束强度的平面的位置的一组示意图，正如本发明的实施例所期望的。
图10示出了两对旋转反射镜如何对准，来转送或控制在两个方向上具有固定光束强度的平面的位置的示意图。
图11示出可以转送或控制具有固定光束强度的平面的位置的双向光束转向系统视图的一对示意图，正如来自x和y轴的视图。
图12示出了可以转送或控制具有固定光束强度的平面的位置的系统的不同可能实施的示意图集合，包括由快速转向反射镜(FSMs)，旋转反射镜和平移反射镜组成的系统。
图13示出了所述当前发明的光束投影模块的示例性实施的示意图集合，其中示出了所述光束路径并且指示了输入和输出光束。
图14是呈现了在本发明实施例的所述光束投影模块的示例性实施中的所述元件和光束路径的一组实体模型。
图15是指示了在本发明实施例的所述光束投影模块中的光束转向反射镜的放置和定向的示意图的集合。
图16示出了本发明实施例的控制器的一组框图。
图17示出了本发明的实施例的扫描特征的一组曲线图。
图18示出了本发明实施例的示例性扫描图案和扫描轨迹的一组曲线图。
图19示出了集成在激光扫描显微镜中的所述光束投影模块的本发明的一个实施例的仿真ZEMAX光线跟踪。
图20示出了用于本发明实施例原型的透镜配方的示意图集合。
图21示出了用于本发明实施例原型的照片集合。
图22操作示出了所述自适应光学元件的最优化的当前发明一个实施例的软件程序的屏幕截图。
图23利用本发明实施例的原型获得的一对图像，示出了利用平坦且优化的可变形反射镜所获得样本的图像质量，示出了信号强度的改善和分辨率的改善。
图24示出了本发明实施例的OCT实施的一组图形。
图25示出了本发明实施例的OCT成像原理和光程长度变化的一组图形和曲线图。
图26示出了本发明实施例的光程长度变化效应的一组曲线图。
图27示出了人眼的光学仿真的示意图。
图28示出了在所述自适应光学元件与人眼的光瞳共轭的位置，一部分自适应光学成像系统的一组图形。
图29示出了在所述自适应光学元件位于所述人眼光瞳平面外的位置，一部分自适应光学成像系统的一组图形。
图30是在所述自适应光学元件位于所述人眼光瞳平面内的位置和位于所述人眼光瞳平面外的位置，将所述光学布局和成像性能进行比较的一组图形。
图31是在所述自适应光学元件位于所述显微镜系统的光瞳平面内的位置和位于所述显微镜系统光瞳平面外的位置，将显微镜成像进行比较的一组图形和曲线图。
图32示出了利用相对于所述光束投影模块不同排序的所述自适应光学元件的本发明实施例的可能系统布局的框图集合。
图33示出了在所述样本传送光学器件中如何调整光学元件来适应所述物镜的运动，同时保持所述物镜光瞳与自适应光学元件的适当共轭的示意图。
图34示出了可以在本发明的实施例中结合的许多不同结合的自适应光学技术中的几个自适应光学技术的示意图的集合。
图35是呈现了在本发明实施例中帮助所述仪器的对准而使用的光束对准模块的实体模型。
图36示出了本发明实施例的自适应光学控制算法的一组框图。
图37示出了具有缩小基组的自适应光学控制的屏幕截图的图像。
图38示出了光束切换，模块化自适应光学单元和本发明实施例的模块化自适应光学单元的多个光束入射口和输出口的示意图集合。
具体实施方式
根据本发明的原理的说明性实施例的描述旨在参考附图进行阅读，这是整个书面说明将要考虑的部分。在本文所公开的发明的实施例的描述中，任何参考取向或方向仅仅是为了描述的方便，而不是旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语如“低(lower)”、“高(upper)”、“水平(horizontal)”、“垂直(vertical)”“之上(above)”、“之下(below)”、“上(up)”、“下(down)”、“顶(top)”和“底(bottom)”以及其衍生物(如，“水平地(horizontally)”，“向下地(downwardly)”、“向上地(upwardly)”等)应被解释为指的是方向，正如然后在下面讨论的附图中描述或者示出的。这些相对术语是为了描述的方便，而不要求以特定的方向构造或操作所述装置，除非明确指明是这样。例如“附加(attached)”、“粘贴(affixed)”、“连接(connected)”、“耦合(coupled)”、“互连(interconnected)”和类似表示一种关系，其中结构直接地或间接地通过中间结构以及可移动地且刚性的附件或关系，被固定或附加到彼此，除非明确地描述别的方式。此外，本发明的特征和益处通过参照说明性实施例示出。因此，本发明明确地不应该限于这样的示例性实施例，所述实施例示出了一些可能的非限制性的特征的结合，所述特征的结合可单独存在或与其他特征结合；本发明的范围由所附的权利要求限定。
本公开描述了目前预期实践本发明的最佳一种或多种模式。这种描述并不旨在理解为限制，而是提供通过参考所述附图仅仅为了说明性目的而呈现的本发明的示例，以建议本领域普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，类似的参考符号表示相同的或相似的部分。
自适应光学的讨论
自适应光学(AO)使能光学像差的校正，以改善材料的光学成像、光学处理、光学轮廓测定法、光学检查和其他光学描述的性能，其中系统、样本或外部引起的光学像差降低了光学性能。自适应光学最初是利用望远镜为天文成像补偿由大气引入的像差。在闭环控制系统使用自适应光学元件(有时称为波前校正器)和波前传感器，可以测量在大气中的像差以及在所述自适应光学元件上产生校正形状，以实时减少像差的水平，得到改善的图像质量。图像质量普遍改善了信号强度和分辨率。自适应光学也已经被用在激光腔、激光束成形，生物医学成像，显微镜和材料处理中以优先地成形或校正所述波前。环境的影响、热效应、生物过程、样本保持器的材料和性能、样本本身以及其他来源的像差往往降低光学系统或仪器的性能。在光学系统或仪器中加入自适应光学元件的通常可以校正像差以获得改善的性能。
在天文成像中，普遍理解的是定位光学共轭于所述像差源的所述自适应光学元件是理想的，其普遍为大气的湍流层。在多共轭结构中使用多个自适应光学元件(不同的自适应光学元件共轭于不同的湍流大气层)，可能改善像差校正并获得比由自适应光学校正与改善所述等晕面元的尺寸相关的概念的特定集合瞬时可校正更大的视场。虽然等晕面元(isoplanatic patch)在文献中的定义不同，但是所述等晕面元描述了波前与场位置中变化的相似性，并且通常相对于利用"理想的"波前校正器或多个校正器校正像差而描述。大的等晕面元意味着所述波前随着场位置迟缓地变化，使得单个理想的自适应光学校正或在不同的自适应光学元件上的单个校正集合将能够在大视场上校正所述波前。小的等晕面元意味着所述波前随着场位置快速地变化，使得单个理想的自适应光学校正或在不同的自适应光学元件上的单个校正集合将能够在小视场上校正所述波前。然而，由于自适应光学元件可能具有或不具有产生足够的空间频率、行程或时间动态性能的波前校正的能力，所述等晕面元不会指示自适应光学系统实际上执行的程度。
在通过良好的校正(低像差)物镜的高数值孔径的激光扫描中，大多数现有文献教导在与物镜的光瞳平面共轭的平面中定位所述自适应光学元件。在眼科成像中，所述自适应光学元件大多数通常位于与眼睛的光瞳共轭的平面中。图5示出了示例性光瞳转送器的配置。远焦4f转送器(afocal 4f relay)505，或有时称为4f望远镜，是获得光瞳平面和自适应光学元件之间的共轭的最常用方法。所述4f转送器可使用透镜510、离轴抛物面反射镜515、球面反射镜520、透镜和反射镜的组合或其它光学器件。利用4F转送器，光束的波前扰动通常从所述自适应光学元件525被转送到所述物镜530的光瞳平面530中。利用4F转送器，正如期望的在所述两个平面之间保持所述相对的光强度分布。为了本专利申请讨论的目的，4F转送器根据所述组成部件的焦距，可以保持所述光束直径、扩大所述光束直径，或缩小所述光束直径。自适应光学扫描系统除了自适应光学校正之外，通常需要光束控制。由4F望远镜构成的附加光瞳转送器通常包括在自适应光学扫描系统中，以将所述光瞳从自适应光学元件525转送到转向反射镜(steering mirror)540。如果所述转向反射镜具有两个自由度，这正如快速转向反射镜(FSM)的情况，两个旋转轴可以使用一个附加的4f转送器来与所述光瞳平面重合。然而，FSM反射镜通常不与单轴振镜驱动反射镜一样快。因此，大多数AO光束扫描成像系统使用两个单独的振镜驱动反射镜(galvo driven mirror)。众所周知的是紧挨着放置两个单独的振镜驱动反射镜以获得x和Y扫描导致旋转轴被一距离分开。这个距离可以是小的，但其意味着不可能精确地在同一共轭光瞳平面内定位两个轴。在波前的小扰动能降低性能的自适应光学扫描系统中，其通常包括在两个单独的振镜驱动反射镜540和550之间附加的光瞳转送器545中。事实上，示范了到目前为止最成功的自适应光学扫描系统使用了由4f转送器分开的单独的振镜驱动反射镜。在x方向扫描振镜反射镜550和y方向扫描振镜反射镜540之间的所述 4f转送器将所述光束的中心与每一个所述扫描反射镜准确对准。在所述扫描反射镜540之一和所述自适应光学元件525之间的4f转送器实现了将适当的光束转向到所述自适应光学元件上。自适应光学元件和振镜反射镜的排序可以改变，如图5(E)和5(F)中所示。所述4f转送器可由透镜、反射镜或透镜和反射镜的组合构成。虽然有可能设计出具有良好的(衍射极限)离轴性能的单个4f转送器，普遍地所述4f转送器由具有主要正功率的光学元件组成，因此很难或不可能完全平衡像差。级联多个4F转送器导致正幂元件(positive powered element)对部件的像差贡献。因此，难以通过多个串联链接的4f转送器获得良好(衍射极限)的性能，正如通常实施的。其结果是大多数的自适应光学系统使用长工作距离的透镜或反射镜，以减少像差具有大尺寸的缺点。通过使用不便的平面外的光学配置已经获得附加的改善来减低像差的混合，如当使用离轴球面反射镜时已经示出的。所述串行链接的4f转送器已经是用于将所述自适应光学元件与所述物镜的光瞳平面共轭和用于适当地转向所述光束的常用方法。然而，当使用透镜或反射镜时，所述串行链接的4f转送器遭受大尺寸且离轴像差，以及当使用透镜时，遭受色差和色散。色散随着玻璃元件的厚度或数量的增加而增加。当使用短脉冲激光器时，色散是不确定的，因为所述脉冲在时间上分散地拓宽。本发明的一个实施例解决了现有技术设计的这些显著缺点。本发明的一个实施例使能非常紧凑且灵活的、几乎没有为了改善的光学和成像性能的色散、色差以及离轴像差的自适应光学扫描系统。
本发明实施例的应用
本发明的一个实施例是一种自适应光学扫描系统。在扫描光学系统中，横跨样本对光进行扫描。扫描光学系统可用于范围广泛的成像、处理、操纵或表征应用。
图1显示了可以用于本发明实施例的若干成像模式和系统。将理解的是也可以使用本发明实施例未示出的其他成像模式和系统。为了学习一些关于样本特性的事情或测量所述样本特性的目的，常见的应用横跨所述样本对光进行扫描。例如，在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本的成像。所述成像可通过共焦点、多光子、二次谐波、反射光、荧光、散射光或利用扫描的光束成像样本的任何其他方法来执行。所述成像可以是一维(1D)，二维(2D)，三维(3D)或可能1D，2D或3D作为时间对图像动态过程的函数。所述成像可以是波长选择性的和可能多色或多信道，例如通常在荧光成像中执行。更常见形式的成像设法获得有关样本的光谱信息。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本的光谱。通常扫描光学系统被用于获得有关所述样本的材料特定信息，例如生物细胞类型，其通常在荧光成像或样本的散射特性中执行，如通常使用光学相干断层扫描(OCT)执行。其他应用只关注所述样本的形状或轮廓。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行轮廓测定法。通常，期望的是样本的成像或表征是无损的并且不会改变样本本身。然而通常，光漂白、加热或其他样本变化现象以成像副产品的形式出现。其他应用设法具体地利用所述扫描的光束 改良或影响所述样本，例如在激光加工、烧蚀、激励、加热或光学操纵。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本的处理。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本的操纵。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本的轮廓分析。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本区域的激励。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本区域的加热。
图1(A)示出了用于光学相干断层扫描(OCT)系统的光学布局。在一个实施例中，所述自适应光学扫描成像系统执行光学相干断层扫描(OCT)。当执行OCT时，本发明的一个实施例为了从样本145获得干涉的OCT信号，进一步包括干涉仪110、样本路径115和参考路径120。扫描仪135和物镜140允许横跨所述样本145对光斑进行扫描。OCT可以使用多种方法来执行，包括时域、频谱/傅立叶域或扫频源/傅立叶域，有时也被称为光学频域成像(OFDI)。OCT还可以使用高数值孔径物镜150，被称为光学相干显微(OCM)来执行。在OCT中，低数值孔径物镜通常用于提供足够深度的场，因为信息通常沿着A扫描的相对长的深度范围而获得。高度与低数值孔径之比的定义有些主观。为了本应用目的，高数值孔径指的是通常在商业显微物镜中建立的孔径。图1(B)示出了用于将被连接到的OCT干涉仪的OCM系统的样本路径的光学布局。校准光被引导至扫描仪155，并通过扫描透镜160和镜筒透镜165到达所述物镜150。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行光学相干显微(OCM)。当执行OCM成像时，本发明的实施例进一步包括用于获得相干的OCT/OCM信号的干涉仪、样本路径和参考路径以及用于获得精细分辨率的样本数据的高数值孔径物镜150。OCT的一种常见的应用是将所述眼睛170成像，如图1(C)所示。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行眼睛170的OCT。所述视网膜是利用OCT来成像的所述眼睛的最常见的部分，然而还可以执行所述前侧眼睛、晶状体和角膜的成像。
在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行共焦点的成像。一个共焦成像系统的示例在图1(D)中示出。当执行共焦成像时，所述自适应光学扫描系统进一步包括分束器或分色镜175和检测器180和共焦点针孔185来获得深度切片的荧光或反射率成像。有时单模或多模光纤的端部被用作共焦点针孔。扫描激光检眼镜(SLO)是对于成像所述眼190有用的共焦成像的变体。一个SLO成像系统的示例在图1(E)中示出。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统为SLO系统。本发明的一个实施例还可以使用非线性成像模式。一个多光子/二次谐波成像系统在图1(F)中示出。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行两光子成像。当执行两光子成像时，所述成像系统进一步包括在所述光路径中的分色镜194以及所述检测器735测量弹射并多次散射的荧光或来自所述样本发射光。还可以类似地执行三光子和其它多光子成像。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行多光子成像。当执行多光子成像时，所述自适应光学扫描系统进一步包括在所述光路径中的分色镜194以及所述检测器735 测量弹射并多次散射的荧光或来自所述样本发射光。许多多光子成像系统也可用于二次谐波成像。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行二次谐波成像。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行荧光成像。更普遍地，本发明的一个实施例可用于广泛的应用中，其中在样本上或样本中，在关于通过从所述样本聚集光获得的所述样本的信息上或所述信息中扫描光束。除了荧光和非线性成像之外，可以执行更标准的反射和透射成像。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行反射成像。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行透射成像。大多数成像应用使用单通道的光谱检测或足够区分样本特性的少量光谱通道。其他应用程序设法使用光谱来光谱地分解所述样本的区域。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行光谱成像。当执行光谱成像时，所述自适应光学扫描系统进一步包括用于将来自所述样本的光的光谱含量进行分解的光谱仪。
存在许多可以从自适应光学受益而获得改善的性能的激光扫描应用。因此本发明的一个实施例可以在与生物学，医学，工业和研究领域相关的宽范围的样本上使用。一些示例样本包括：生物标本、动物、动物的一部分、人、人的一部分、植物、植物的一部分、组织、活组织、保存的组织、染色组织、生物器官、活检标本、眼睛、眼睛的一部分、大脑、大脑的一部分或皮肤。其他示例样本包括：机械的部件、电气部件、光学部件、装配部件、部件的组合、材料标本、半导体部件、半导体材料标本、金属部件、玻璃部件、塑料部件、无生命的有机标本、晶体标本或矿物标本。更普遍地，本发明的实施例中使用的样本的特征在于所述样本的属性。所述样本的特征在于有关空间的属性。所述样本的特征在于有关机械属性。所述样本的特征在于有关光学属性。所述样本的特征在于有关荧光的属性。所述样本的特征在于有关反射的属性。所述样本的特征在于有关透射的属性。所述样本的特征在于有关折射率。所述样本的特征在于有关散射的属性。所述样本的特征在于有关色散的属性。所述样本的特征在于有关光谱的属性。所述样本的特征在于有关偏振的属性。所述样本的特征在于有关热属性。
本发明的一个实施例中的所述像差源可以来自所述自适应光学扫描系统的内部源或所述自适应光学扫描系统的外部源，如图2所示。在一个实施例中，所述像差来自围绕部件210的封装205，所述部件210也就是所述样本，如图2(A)所示。所述像差可以来源于所述样本220之上的玻璃窗或盖玻片215，如图2(B)所示。所述像差可以来自所述样本或标本本身225，如图2(C)所示。所述像差可以来自眼睛230的一部分，包括角膜235或晶状体240，如图2(D)中所示。穿过例如在浮出流体、玻璃盖玻片或所述样本本身之间的界面的折射率失配的表面的聚焦收敛光，引入了球面像差。所述样本的不均匀性可能会引入其它像差。因此，像差可能随着深度变化，如图2(E-F)所示，或随着横向位置变化，如图2(G)所示。像差引起波前的失真。本发明的一个实施例使用自适应光学元件(多个)来补偿所述样本中的像差。本发明的 一个实施例使用所述自适应光学元件(多个)补偿来自样本保持器的像差，所述样本保持器可以是封装、盖玻片、窗口、管、容器或与所述样本和所述成像系统接触或在所述样本和所述成像系统之间的任何其他材料、物体、流体或表面。所述成像系统本身可以具有残余的系统像差。本发明的一个实施例使用所述自适应光学元件(多个)来补偿所述成像系统内的残余像差。
概述
本发明的一个实施例是一种自适应光学扫描系统。本发明的一个实施例的示意图在图7中示出。本发明的一个实施例包括用于产生光的发射源705，所述光通过所述自适应光学扫描系统引导到样本710；一个或多个自适应光学元件715，所述自适应光学元件715影响所述光的所述波前，影响所述强度或影响波前和强度两者；光束投影模块720，所述光束投影模块720利用4个或更多个运动轴进行操作并且控制光的角度和位置，以优选地通过在所述自适应光学元件上或附近创建或适应光束枢轴点对接所述自适应光学元件715，同时横跨所述样本710来扫描所述光；用于控制在所述光束投影模块720中的所述轴的运动轨迹的控制器725；样本传送光学器件730，所述样本传送光学器件730适当地调节所述光并且将所述光引导到所述样本710上；一个或多个检测器735，所述检测器735测量来自所述样本710的光。
图7(A)示出了示例实施例，其中所述检测器735位于所述样本传送光学器件730之后，或与所述样本传送光学器件730分开。在所述检测器735位于所述样本传送光学器件730之后的实施例的一个示例将是所述检测器735从所述样本710直接接收光的多光子成像系统，当成像薄样本时或当所述检测器布置在所述样本周围时，有时使用所述系统，但不与所述样本传送光学器件730共享光程。图7(A)中在所述样本710之后的所述检测器735的位置仅表示光的路径，并不表示所述检测器735相对于所述样本710和所述样本传送光学器件730的实际空间位置。其它实施例和成像模式还可以使用一种所述检测器735不与所述样本传送光学器件730共享光程的配置。图7(B)示出了示例实施例，其中所述检测器735从所述样本传送光学器件730的至少一部分接收光。所述检测器735从所述样本传送光学器件730的至少一部分接收光的示例实施例为多光子成像，其中通过所述显微镜物镜、病人界面光学器件、扫描透镜或其他样本传送光学器件730聚集所述光。图7(C)示出了示例实施例，其中所述检测器735从所述光束投影模块720接收光，可能在所述光束投影模块720和所述检测器735之间具有附加的部件。所述检测器735从所述光束投影模块720接收光的示例实施例可以是OCT、共焦成像、轮廓分析或光谱学的某些配置。也是可能是未示出的所述检测器735的其它位置。所述检测器735可以定位于沿着所述光程接收或截取光，或可以定位于将其从所述光学光传送系统分开。
如图7所示，本发明的一个实施例包括发射源705。将在所述自适应光学扫描系统中使用的发射源的类型选择为与所述扫描应用相兼容。根据所述成像模式，所述发射源705可以利用二极管、脉冲激光器、可调谐激光器、波长扫频激光器、飞秒激光器、光纤激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、波长可调谐的VCSEL、等离子体光源、卤素灯、汞灯、白炽灯或超连续源来生成光。其它发射源705也可能并且包括在本发明的实施例中。
关于从所述发射源705传送光的要求取决于所述应用。可能的发射源特性在图8中示出。例如，多光子成像系统可以优先使用来自所述发射源的校准光束，同时共焦成像或OCT系统可以优先使用从单模或多模光纤传送的光。本发明包括多个实施例，其中所述发射源包括用于将来自点源或小面积发射器的光校准的光学器件。在许多情况下，校准来自发射源的光。校准或主要校准光从其他光源之中的钛蓝宝石激光发出。发射校准光的发射源805在图8(A)中示出。在本发明的一个实施例中，校准来自所述发射源805的光。从点源发出的光穿过透镜，离开所述发射源，可以形成收敛光束。在本发明的另一个实施例中，收敛来自所述发射源810的光，如图8(B)所示。来自点源或小面积发射器的光可以形成发散光束，如图8(C)所示。在本发明的一个实施例中，发散来自所述发射源的光805。对于许多应用，例如OCT和共焦成像，期望使用光纤电缆来传送光，如图8(D)所示。在本发明的一个实施例中，光纤耦合来自所述发射源的光820。此外，时常期望所述光纤电缆825为单模，正如用于OCT的情况和共焦成像的实施。在本发明的一个实施例中，将来自所述发射源的光光纤耦合到单模光纤中。来自发射源的光可以具有非常多的形状和光强度分布，所有这些都包括在本发明的实施例中。常见的是来自激光器或点源的光具有主要为圆形的光束横截面830，如图8(E)中所示。在本发明的一个实施例包括来自所述发射源的光，所述光为具有主要为圆形横截面830的光束。来自激光源和其它源的光通常是总体上的高斯光分布，如图8(F)所示。在本发明的一个实施例中，来自所述发射源的光为强度分布主要为高斯分布的光束。不同的应用需要不同的性能规格的发射源。本发明的一个实施例包括所述发射源705产生了宽带光谱含量的光并且发射一定范围的波长(大于约2nm)的实施。通常使用宽带光源的应用包括OCT，多光子显微镜，共焦点显微镜，荧光显微镜(使用弧光灯、白炽灯或LED)，某些光谱学实施或其他。宽带光源包括发出连续或脉冲的宽带发射的扫频光源或光源。本发明的一个实施例包括所述发射源705产生了窄带光谱含量的光并且发射窄范围的波长(小于约2nm)的实施。通常使用窄带光源的应用为共焦点和荧光成像(使用激光光源)，某些类型的轮廓测定法，某些类型的光谱学或其他的实施。
本发明的一个实施例包括自适应光学元件，也等同地称为波前校正器。可能存在许多可以在本发明的一个实施例中使用的自适应光学元件，其子集在图3中示出。本发明的一个实施例可以使用可变形反射镜305、310、315、320、325、330和335的自适应光学元件，液晶 空间光调制器340和345，液晶设备340和345，具有连续面板305、315、320、325、330，335的可变形反射镜，分段的可变形反射镜310，空间光调制器340和345或其它可以影响所述波前、影响所述强度，或者影响波前和光强度两者的有源和多致动器或信道光学元件。在所述自适应光学元件中的所述致动器的排列根据所述自适应光学元件的设计而改变。常见的致动器布局为网格图案、蜂巢图案、同心圆、径向对准的致动器、圆形或弧形分段的致动器布局及其他。在本发明的一个实施例中，所述自适应光学元件(多个)715是可变形反射镜。在本发明的一个实施例中，所述自适应光学元件(多个)715为液晶空间光调制器。
如图5中示出的许多自适应光学系统使用光瞳转送器(pupil relay)来妥善管理相对于光学系统中扫描仪的位置的光束枢轴位置的要求。传统的光瞳转送器执行所述光瞳场的真实转送，并用作在大多数现有的自适应光学系统中的所述转向反射镜、所述自适应光学元件和所述样本传送光学器件或所述样本本身之间的所述光链路。本发明的优选实施例使用了不同的方法。因为在基于激光的成像系统中所述光束直径在0.5mm到若干厘米的量级上并且所述光束质量普遍相当好，所以所述仪器的路径长度期间所述光束和波前和强度分布的相关变化的发散是可以忽略的。事实上，许多现有的双光子显微镜使用商用的激光光源(例如Coherent)以及与其配合的商用的双光子显微镜(例如Prairie Technologies)来建造，这样，从所述激光源出现并且进入所述显微镜的所述校准光束便会横贯一定距离，所述距离与基于方便安装实验室或地点的布局和可用空间的安装方式不同而不同。所述光束保持了质量并且在从厘米到米的校准传播过程中，主要无变化，因此谨慎控制距离和平面是没有必要的。换言之，所述高质量的激光束利用在显微镜安装规模(厘米到若干米)距离内基本固定的(不变)强度和波前来传播。考虑到这一点，这对于重新审视标准的AO配置是有帮助的，其中光瞳转送器(远焦4F望远镜)用于将一个转向反射镜的所述光瞳平面605成像到另一个转向反射镜的光瞳平面610上，如图6所示。所述光瞳转送器(远焦4F望远镜)615的第一作用是在所述反射镜平面620上创建虚拟枢轴点，使得所述光束对于所有入射光束角和出射光束角总是朝向所述反射镜的中心。所述光瞳转送器的第二作用是在第一转向反射镜从一个光瞳平面605将所述光学场采样和转送到在第二转向反射镜的另一个光瞳平面610。以这种方式，所述光学波前和强度分布从第一光瞳平面605转送到所述第二光瞳平面610中，即使所述波前是不平坦的并且强度分布是复杂的。对于一个扫描自适应光学系统，创建虚拟枢轴点的第一作用是必要的，而转送所述波前和强度分布的第二作用不是必要的。如果所述光束直径足够大、主要校准、主要平坦的波前和主要高斯强度分布，那么所述光束在基本不变的平面镜反射之间传播。因此，没有必要在形式上转送所述光瞳平面，而理想的是简单地创建所述光束的虚拟枢轴点。当从第二光瞳平面610转送到所述自适应光学元件625的平面时，保持相同的推论，正如通常使用第二光瞳转送器630来执行的。考虑了光束的强度分布和波前，其 在从厘米到米的传播距离名义上保持主要恒定，例如所描述的光束。图9示出了可能使用创建具有固定位置的虚拟枢轴点的方法，但是使用一对旋转反射镜来代替透镜或凹面镜的可变光束角将在传统的4f设计中使用。在如图9(B)所示的中性(零)位置上，所述光束首先从左到右传播，由第一转向反射镜905反射。然后所述光束向上并向左传播，由第二转向反射镜910反射。所述第二转向反射镜引导光束向右传播，其在特定的位置与平面915相交。如图9(A)所示，通过适当地调整所述转向反射镜的角度，相同的光学配置可以创建在相同的位置与所述平面915相交的向下的光束角，如在图9(B)所示的所述中性位置。同样地，如图9(C)所示，一组不同的转向反射镜角度产生在相同的位置与所述平面915相交的向上的光束角。图9(D)叠加了图9(A-C)中所示的三种配置，并示出了所述转向反射镜角度的适当调整允许平面915的主要固定的光束强度由围绕枢轴点的可调整的光束角形成。在所述反射镜上设定适当的角度允许将产生中间光束角，所述中间光束角全部围绕着相同的枢轴点旋转。这种光学构成可以用来满足创建虚拟枢轴点的要求，所述虚拟枢轴点将在自适应光学扫描系统中，代替了所述更传统的光瞳转送器(远焦4f望远镜)，被用作所述光束转向机制和所述自适应光学元件之间的链路，但是所述光学构成具有无离轴像差、无色散和尺寸紧凑的显著优点。图9(D)示出了从左侧进入的光束，具有固定强度位置的光束，但是在平面915中的所述光束转向机制的右侧形成可变的角度。图9(E)示出了相同的光学构造也可以用于从具有固定光束强度但光束角可变的位置的平面920接受光，并生成具有固定光束强度位置的第二平面925，但是该第二平面925通过使用第一转向反射镜935和第二转向反射镜940，可变光束角以适当的角度定向到所述光束转向机制的右侧。另外，排列的灵活性允许任意且可编程的放置所述输出光束的位置和角度。例如，在图8(D)的平面945示出了随着变化光束角而改变光束位置。所述光束位置和光束角在所述反射镜的工作孔径内是完全可编程的，并且可以在不工作时预编程或重计算以在所述扫描期间创建任意的光束位置和光束角轨迹，这可能会或可能不会围绕所述相同点为中心旋转。在图9(D-E)中说明的2项基本功能可以作为在自适应光学扫描系统中紧凑扫描机制的构建块。大多数光束扫描系统横跨所述样本在X和Y两个方向进行扫描。图10示出了可以将由2个旋转反射镜组成的X光束扫描机制1005与Y光束扫描机制1010连接，所述Y光束扫描机制1010也可以由2个旋转反射镜组成。所述两个光束扫描机制以正交方向(旋转90度)定向，并且投影到平面1015内的相同固定点。在本示例中，第二对旋转反射镜1020和1025，以所述第一旋转反射镜对的输出变为所述第二旋转反射镜对的输出的方式，在所述平面1015内的所述固定点和所述第一对旋转反射镜1030和1035之间配合。图11示出了基于这个原理的示例配置，说明了使用四个振镜(galvo)来致动所述转向反射镜的x和y扫描。所述反射镜的其他相对排序和排列是可能的。产生光束的可编程位置和角度的反射镜和致动器的集合在本专利申请中被称为光束投影模块720。
本发明的一个实施例的自适应光学扫描系统包括用于在光学系统中的适当位置生成所述光束的枢轴位置的光束投影模块。所述光束投影模块具有影响反射镜适当地导引所述光束的四个或更多个运动轴。本发明的一个实施例使用所述光束投影模块的至少一个轴是旋转的排列。如图11所示，本发明的一个实施例包括具有四个振镜(galvanometer)驱动的反射镜的光束投影模块。所述振镜的排序可被优化为特定的成像应用。本发明的一个实施例使用一种光学布局，其中所述2个X轴振镜在所述Y轴振镜之前。在另一个实施例中，所述两个y轴振镜在所述两个X轴振镜之前。在另一个实施例中，将所述轴分开，使得第一x和y振镜在第二x和y振镜之前。其它反射镜和致动器配置也是可能的。例如，图12(A)示出了由两个快速转向反射镜(FSM)1205和1210组成的光束投影模块，以投影到一个外部枢轴点1215。图12(B)示出了由两个快速转向反射镜(FSM)1220和1225组成的光束投影模块，其从外部光束枢轴点1230接受光并且投影到外部光束枢轴点1235。也有可能是FSM和振镜的结合。本发明的一个实施例包括包含至少一个快速转向反射镜(FSM)的光束投影模块。本发明的另一个更具体的实施例包括使用两个快速转向反射镜的光束投影模块，其中每个快速转向反射镜具有两个旋转轴。还可以使用其他两个轴，单个反射镜光束转向元件，如用所述FSM，例如MEMS反射镜，万向反射镜，压电驱动的倾斜反射镜和其他倾斜反射镜机制。在另一个实施例中，所述光束投影模块包含至少一个振镜驱动的反射镜。不是所有的致动器和反射镜的运动都必须是旋转。可以将旋转的和平移的致动器和反射镜移动结合来完成所述目标或将光束投影到可编程的位置和光束角。图12(C)示出了第一旋转反射镜1240如何与第二平移反射镜1245结合来创建产生外部光束枢轴1250的光束投影模块。旋转轴到平移轴的排序可以不同。图12(D)示出了第一平移反射镜1255如何与第二旋转反射镜1260结合来创建产生外部光束枢轴1265的光束投影模块。更普遍地，本发明的一个实施例利用正在平移的光束投影模块的至少一个轴进行操作。本发明的另一个实施例包括使用旋转和平移轴的组合或自由度的光束投影模块。其它光束转向设计是可能的。本发明的一个实施例利用所述光束投影模块进行操作，其中所述光束投影模块包括如下列表中的至少一个：转向反射镜(steering mirror)、声光偏转器、旋转多面体、电光光束偏转器、电光棱镜、热光棱镜、衍射阵列、机械扫描的反射镜、由电机驱动的机械扫描反射镜、由步进电机驱动的机械扫描反射镜、由振镜驱动的机械扫描反射镜、MEMS反射镜、声光调制器或液晶设备。
必须控制所述反射镜的角度或位置，以产生所期望的光束投影输出。许多致动器具有相关的反馈控制系统，如此位置命令被用作命令所述致动器的输入，并且所述控制系统起到跟踪所述命令位置的作用。例如，振镜系统可以使用电容式或光学编码器来测量所述振镜角的位置。将所测量的位置与命令位置进行比较以产生位置误差。所述位置误差通过例如比例-微分积分(PID)控制器或全状态反馈控制器的反馈控制器进行处理，以产生将应用于所述振镜 中致动器的校正作用。以这种方式，执行给所述反射镜的命令，直到到达所述致动器和控制器的带宽、加速度和速度极限。这些本地化的反馈控制系统管理所述致动器的低电平位置控制。其它致动器对开环位置命令响应良好，例如MEMS设备和压电致动器。本发明的一个实施例使用用于所述光束投影模型中至少一个轴的闭环控制。本发明的另一个实施例使用用于所述光束投影模块中至少一个轴的开环控制。然而，无论所述本地化致动器的控制方案，谨慎协调在本发明的一个实施例中的所述不同致动器和反射镜之间的位置以产生所期望的光束转向效应。
通过用于控制所述光束投影模块中所述轴的所述运动轨迹，控制器725执行所述光束转向模块(beam steering module)中不同轴之间的坐标。所述控制器为各个致动器产生位置命令来协调所述运动。在优选的实施例中，通过可以执行代码、逻辑或指令的处理器或电路执行所述坐标，以产生所期望的位置命令。所述处理器可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或可以执行数字计算的任何其他处理器。优选数字处理器，因为可以执行非线性计算，计算中具有可调节性和灵活性，并且在许多成像系统中已经具有通常备用的处理器能力。然而，模拟电路也可以用于执行所述控制。根据是否以开环或闭环(反馈)的方式控制在所述光束投影模块中的用于所述反射镜的致动器，所述控制器除了在所述光束投影模块中为每个轴产生运动轨迹之外，还可以包括所述闭环控制器。在开环或闭环致动器控制方法的任一种情况下，所述控制器产生运动轨迹并用于控制所述光束投影模块中轴的运动轨迹。在本发明优选的实施例中，通过到所述致动器或有源元件的电子信号来控制在所述光束投影模块中的自由度之间的协调。在一个实施例中，耦合用于任何给定扫描轴的所述致动器，如此由单个输入参数确定每个各个轴的所期望的输出命令。在本发明的另一个实施例中，通过机械的链路来控制在所述光束投影模块中的自由度之间的坐标。成像系统普遍地扫描所述标本上的光斑，以及许多扫描轨迹都是可能的。本发明的一个实施例使用所述光束投影模块720来利用引起所述光束跟踪在所述样本710上的光栅扫描图案1705的轨迹来扫描所述反射镜。
本发明的一个实施例包括用于将光传送到所述样本710的光学器件，称为样本传送光学器件730。大多数样本要求物镜将所述光聚焦到所述样本或所述样本内。本发明的一个实施例包括具有显微镜物镜的样本传送光学器件。更普遍地，本发明一个实施例使用样本传送光学器件，所述样本传送光学器件利用数值孔径(NA)以收敛光束将所述光引向所述样本，以在所述样本中获得所期望的分辨率。其它样本包括其自身的光学器件或光学表面，例如所述生物眼或照相机系统，其根据所述光传送的特性具有不同的要求，使得优选校准或近似校准的光束为用于传送到所述样本的光。本发明的一个实施例使用了样本传送光学器件，所述样本传送光学器件利用枢轴点以主要校准的光束将所述光引向所述样本，所述枢轴点位于在所述 样本内的光瞳平面上或在光瞳平面附近，使得所述样本的光学性能聚焦于所期望成像平面上的光。更具体地，本发明的一个实施例使用引导入眼睛的主要校准的光束，位于眼睛的光瞳上或在眼睛光瞳附近的光束枢轴点，使得光的焦点位于眼睛的视网膜245上或在其附近。所述样本传送光学器件用于将所述光调节和引导到所述样本，其中调节是指产生所述光束的适当校准、收敛或发散，产生所述适当的光束直径，产生所述适当的数值孔径，产生所述适当的强度轮廓，产生适当的光斑大小，产生适当的光斑形状，产生适当的波前，或影响光束优先与所述样本相互作用的任何其他方式。
本发明的一个实施例包括用于检测来自所述样本710的光的检测器735。在本发明的一个实施例中，所述检测器735是用于执行光谱/傅立叶域OCT的行扫描相机。在本发明的另一个实施例中，所述检测器735包括用于执行扫频源/傅立叶域OCT的实现失衡检测的高速光电二极管或实现均衡检测的两个光电二极管。在本发明的另一个实施例中，所述检测器735包括光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管。更具体地，本发明的一个实施例使用了检测器，所述检测器包括用于执行双光子、多光子或二次谐波成像的光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管。本发明的另一个实施例使用了检测器735，所述检测器735包括用于执行共焦成像的光电倍增管(PMT)，光电二极管或雪崩光电二极管。在本发明的又一个实施例中，所述检测器是用于将来自所述样本的光的光谱含量进行分解的光谱仪。本发明的另一个实施例使用了检测器，所述检测器利用光化学反应，将信息记录在来自所述样本的光中，如在电影中所使用的。本发明的另一个实施例使用了检测器，所述检测器利用热敏传感器将信息记录在来自所述样本的光中，在光镊系统中，受操纵的物体通常利用相机来监控，例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物(CMOS)阵列。将光学力施加到受操纵的所述物体和利用相机监控所述物体的响应，可以指示所述光阱力的强度。所述光阱力的测量依赖于所述系统中的像差，以及自适应光学元件可以被优化以最大化光阱力。在本发明的一个实施例中，所述检测器735是相机。在本发明的另一个实施例中，所述检测器735是波前传感器。在本发明的另一个实施例中，所述检测器735测量来自所述样本的光强度。所述检测器735可以沿着所述光程，符合所述应用，位于不同的位置，或者可以与将光传送到所述样本的所述光学系统分开。
多光子显微镜的实施例
本发明的一个实施例可用于自适应光学多光子成像。图13-21教导了执行双光子显微镜的本发明的一个实施例，图22和23示出了实验自适应光学双光子的结果。在原型中的所述发射源705是商用的钛宝石飞秒激光器(Thorlabs公司Octavius-2P)，如图21(C)所示。在原型中的所述自适应光学元件715是商用的具有140致动器、镀金、网格致动器布局、静电致动以及4.4毫米的有源区域(Boston Micromachines公司，Multi-DM)2105的MEMS可变形的反射镜，如图21(B)中所示。在图13中图解的所述光束投影模块720包括四个商用的振镜(剑 桥科技621 OH XY扫描仪)。每一对X-Y扫描仪通过与执行所述振镜角位置的闭环控制的所述振镜一起售出的模拟控制器来控制。模拟电压信号被用作命令所期望的振镜位置角的所述控制器的输入。如在图13(A)中所示，光进入所示光束投影模块1305并且反射离开标记为X反射镜1的第一转向反射镜1310。光然后行进到标记为X反射镜2的第二转向反射镜1315。X反射镜1和X反射镜2一起工作，以控制在X扫描方向上的所述光束的角度和位置。光从X反射镜2行进到标记为Y反射镜1的转向反射镜1320，其反射光并将所述光引导到标记为Y反射镜2的转向反射镜1325。Y反射镜1和Y反射镜2一起工作，以控制在Y方向上的所述光束的角度和位置。注意选择X和Y方向是为了便于说明，X和Y的顺序是可互换的。所述商用的XY扫描仪套件包含具有小反射镜和大反射镜的一对振镜，因此2个套件包含具有小反射镜的2个振镜和具有大反射镜的2个振镜。具有小反射镜的所述振镜的动态性能与具有大反射镜的所述振镜的动态性能不同。因此，与每个扫描轴内的反射镜尺寸匹配的所述光束投影模块中的含量是理想的。在所示的具体实施例中，理想的是在所述光束投影模块的第一阶段使用所述两个小反射镜1310和1315(在图13中标记为X反射镜1和X反射镜2)以及在所述光束投影模块的第二阶段使用所述两个大反射镜1320和1325(在图13中标记为Y反射镜1和Y反射镜2)。在一个阶段内匹配反射镜的大小意味着简化在所述阶段内的扫描，因为所述两个振镜的动态性能是相似的，因此它们将对输入命令电压轨迹作出类似的响应。进一步，在所述两个大反射镜之前放置所述两个小反射镜是有利的，因为来自X反射镜1和X反射镜2的光束已经被引导离轴，需要更大的Y反射镜1和Y反射镜2表面来接收所述离轴光束，如图14(B)中所示。从Y反射镜2反射的光离开所述光束投影模块，并且行进到所述可变形的反射镜1330，其具有高反射性的表面以朝向所述光束转向模块的输出反射所述光。改变所述转向反射镜的角度允许所述光束角入射到将改变的所述可变形的反射镜1330上或从将改变的所述可变形的反射镜1330反射，同时保持光束在所述可变形反射镜1330的光轴性。在图13(B)中耗尽的标记为方向1，方向2和方向3的所述输出射线说明了光束转向的原理，所述原理使能到所述可变形反射镜1330的紧凑界面和在所述样本上的光束扫描。图13(A)和13(B)示出了图13(B)和图13(D)中投影视图，所述光束转向模块和自适应光学元件装配的等距视图。图14(A和B)示出了所述光束转向模块1405的实体模型图，其中所述转向反射镜和所述可变形反射镜表面相对于输入和输出光束而示出。图15示出了所述原型实施例的所述转向反射镜位置和角度。
在本实施例的光束投影模块720中用于控制所述轴的运动轨迹的所述控制器725包含在PC计算机(戴尔台式PC)上运行的软件代码1605，数字模拟转换器(DAC)电路板1610(美国国家仪器的PCIe-6323)和用于所述振镜的所述模似控制器1615和1620，如图16(A)中所示。所述PC计算机1605包含中央处理单元1625(CPU)。算法1630通过所述CPU 1625来执行来 为每个振镜产生反射镜角度的轨迹，以在所述成像场(成像平面)中完成扫描期望的光斑轨迹。所述反射镜角度轨迹在计算机存储器中作为阵列存储。为了执行所述扫描，代表所述反射镜角度轨迹的数字数据以100，000样本每秒的固定速率，在16比特的DAC分辨率，通过所述DAC板输出为在Ch1到Ch4的每四个信道上的模拟输出电压。Ch1到CH4的输出通过电气布线1635被连接到所述2个振镜控制器1615和1620的输入。所述2个振镜控制器1615和1620中的每个执行在所述光束投影模块1660中用于所述4个振镜1640，1645，1650和1655的两个信道的闭环控制。图16(B)示出了扫描轨迹是如何产生的，第一步通过扫描轨迹发生器1665参照所述成像场(成像平面)坐标系。基于所述光束投影模块的几何形状，在所述场中所需要产生期望的扫描图案的一组振镜角度可以通过反射镜角度计算1670来计算。所述X和Y场位置作为所述反射镜角度计算的输入，并且所述反射镜角度计算产生相应的X1振镜，X2振镜，Y1振镜和Y2振镜转向反射镜命令角。数字表示并存储在计算机存储器中的所述X1振镜，X2振镜，Y1振镜和Y2振镜命令被发送到将被转换为模拟信号从Ch1，Ch2，Ch3，和Ch4输出的所述DAC 1675中。
图17示出了所述实验装置在所述成像场中使用的扫描图案的细节。光栅扫描图案1705由从左到右成像路径的重复序列组成，其横跨所述样本在x方向以恒定速度扫描所述光斑，如图17(A)和图17(B)中所示。随着横跨所述样本扫描所述光斑，从所述PMT聚集的A/D转换器读出光强度测量来自所述样本的信号，所述数据用于产生最终双光子图像的一行数据。在所述成像路径1710的每个恒定速度x方向扫描的末端，所述扫描图案定义了快速回程运动或路径1715，以将所述光斑返回到新的恒定速度x方向扫描的开始。在所述回程的同时，所述扫描图案定义了在所述y方向上所述光斑的小幅向上移动，行的阶跃移动1720来扫描所述下一个邻近的行。实际上，当由适当平坦的轨迹命令且在可到达的运动极限内时，振镜只能在有限的闭环动态带宽内进行跟踪，并且经受振荡和振铃效应。图17B示出了用于原型实施例中光栅扫描的所述向前扫描和回程轨迹的细节。当在动态系统上存在加速度和速度约束时，所述轨迹在加速度上基于半正弦波轮廓，这是经过深入研究的以及在所述运动控制场和机器人学中来降低振动和谐振模式不期望的激发使用的常见轨迹。相对于所述半正弦加速度的时间导数是加加速度轮廓，其是有界值。相对于所述半正弦加速度轮廓的时间积分为所述速度轮廓。相对于所述速度轮廓的时间积分是所述位置轮廓，其被用作所述场参考坐标系的运动路径。图17(C)示出了在所述顶部曲线图中x方向扫描的所述成像路径和回程的扫描轨迹和在所述底部曲线图中所述相关的行-阶跃移动的扫描轨迹。所述行-阶跃移动1720也基于半正弦波加速轮廓。可以是其他扫描轨迹，以及其成像和优化是理想的。图17(D)示出了相对于场位置扫描的同心的恒定速度成像圆周，其中小的非成像路径分段加入到每个圆周中。所述相关的X和Y场位置和场速度在图17(E)中绘制。图17(F)中示出了由非成像转回分段结合的辐射 状十字形图案成像扫描，其是各自最佳关于振镜加速度和速度的约束。所述相关的X和Y场位置和场速度在图17(G)中示出。将在所述场参考平面中定义的扫描轨迹变换为用于执行的振镜坐标系轨迹。
图18(A)中，顶部示出了所述振镜角，需要为所述x方向产生所期望的输出角度，正如通过数值方法求解所述射线跟踪等式所确定的。所述扫描几何形状是由ZEMAX射线跟踪软件和用于计算所述转向反射镜角的所述非线性求解器(优化器)来确定的，所述转向反射镜角度产生所期望的输出光束位置和角度。图18(B)中，底部示出了所需要的振镜角，需要为所述y方向产生所期望的输出角度，正如通过数值方法求解所述射线跟踪等式所确定的。这些曲线图代表了校准曲线，使得所需要的振镜角度可以从在所述成像场坐标系中期望扫描角的输入来确定。所述曲线看起来主要是线性的，如在图18(B)中顶部所示，其中利用线性回归一阶多项式拟合到所述校准曲线数据。图18(B)的底部示出了在所述校准数据中的残余拟合误差和非线性。在所述校准曲线中的高线性度指示可以使用线性校准曲线运行本发明的一个实施例，虽然将有小误差。拟合以适应所述非线性的更高阶可以用于改善校准性能。图18(C)示出了用于1，3和5阶多项式拟合的所述残余误差，其中每个增加的阶示出了改善的校准曲线性能。其它参数和基可以用于代表所述校准曲线，包括内插方法或其它基本函数选择。在所述实验原型中使用线性校准，使得施加到每个振镜的所述电压为V_{galvo_xl}＝C₁θx+C₂，V_{galvo_x2}＝C₃θ_x+C₄,V_{galvo_yl}＝C₅θy+C_6,V_{galvo_y2}＝C₇θ_y+C₈，其中V是到所述振镜的所述命令电压，正如所述下标中所指示的，θ_x是所述x场位置，θy是所述y场位置，C的奇数索引系数为缩放因子，以及C的偶数索引系数为所述校准曲线的DC偏置值。因为在所述振镜的机器安装内的所述振镜的绝对旋转角不受控制(即在使用定位螺丝拧紧之前，所述振镜本身可能在所述机器安装的钻孔内旋转)，通过查找所述模拟输出电压来确定所述DC偏置值，所述模拟输出电压将所述光束集中在所有反射镜上并产生集中在所述可变形反射镜上的输出光束。用于所述缩放因子的电压转换角实验式地通过将激光引导进入所述光束投影模块中并且测量在投影屏幕上的光斑位置来确定，其中随着到所述振镜电压的变化，所述投影屏幕与所述光束投影模块的输出的距离为已知的。
所述光束投影模块1905和可变形反射镜1910与扫描透镜1915，镜筒透镜1920和物镜1925联合以形成双光子显微镜的所述样本传送光学器件730，如图19(A)所示。所述光束投影模块的放大示出了在图13-15中详细描述的所述光束投影模块的示意图。所述转向反射镜成角度，以利用图15(B)中的ZEMAX跟踪的射线来创建离轴的扫描位置。图20示出了所述双光子显微镜的所述透镜配方和透镜间距。长通分色镜(680nm-1600nm)2005被放置在所述激发路径上，以将所述激光源的长波长传递到所述样本，并且穿过滤波器集合2010将所述荧光信号反射到所述PMT检测器2020，所述滤波器集合2010包含发射分色滤波器和发射带通滤波 器2015，其中所述发射分色滤波器和发射带通滤波器根据正在成像的所述样本的所述荧光特性来选择。所述物镜2025是商用的水浸渍物镜(尼康LWD 16X 0.8NA)。所述检测器2020是商用的PMT(滨松H7422PA)。本发明实施例的实验原型的照片在图21中示出，其中所述四个振镜在图21(A)中用1-4表示以及所述可变形反射镜(DM)2105在图21(B)中表示。实验装置在图21(C)中示出。所述装置利用施加到所述盖玻片来产生像差的光学凝胶，用于将纸张样本710在显微镜载玻片上成像。所述凝胶的折射率与脑组织的折射率相似，以及所述凝胶表面纹理化以创建虚拟的大脑样本。图22示出了利用软件来控制所述原型的屏幕截图。示出了所述样本2205的图像。可以查看优化的可变形反射镜的形状2210。示出了表明所述优化的进展的曲线图2215。施加到所述可变形反射镜的基本函数所得到的幅度可以在曲线图2220中查看。图23示出了具有平坦的可变形反射镜2305和优化的可变形反射镜2310的样本的图像。所述平面镜图像2305遭受来自所述凝胶的像差。所述优化的反射镜图像2310示出了通过适当地将所述可变形反射镜成形来校正由所述凝胶产生的像差而增加的信号和改善的分辨率。
所述自适应光学收敛算法基于在由D.Debarre，M.Booth和T.Wilson在光学快讯15，8176-8190(2007)中的“通过低空间频率的优化的基于图像的自适应光学器件”和由D.Debarre，E.Botcherby，T.Watanabe，S.Srinivas，M.Booth和T.Wilson在光学快报34，2495-2497(2009)中“用于双光子显微镜的基于图像的自适应光学器件”中呈现的算法，其教导和示范了无传感器的自适应光学算法和用于自适应光学双光子优化的实施。
应注意的是通过适当选择发射滤波器和激发波长，与用于多光子成像相同的光学仪器还可以用于二次谐波成像。通过使用定制设计的光学器件代替成品光学器件，还可能减小本发明实施例的尺寸。
OCT成像的实施例
本发明的一个实施例可用于自适应光学OCT成像。图24示出了使用扫频源OCT(SS-OCT)检测的自适应光学OCT成像系统，有时被称为扫频源/傅立叶域OCT或者光频域成像(OFDI)。在图24(A)中示出的所述相同的基本干涉仪2405设计可以与不同的样本传送光学器件相连接。图24(B)示出了适合于成像眼睛2410的样本传送光学器件。图24(C)示出了适合于成像样本2415的样本传送光学器件，所述样本2415包括具有外部光瞳的聚焦物镜或扫描透镜2420。图24(D)示出了适合于利用具有内部光瞳的扫描透镜的显微镜物镜2425或其他类似的物镜来成像的样本传送光学器件。在扫频源OCT中，波长扫频光源2430利用按时扫频严密地调谐的波长的发射来产生光，如图25(A)中所示。来自所述发射源2430的光被光纤耦合到第一光纤耦合器2435，如图24(A)中所示。分离所述光的一部分并且引导所述光的一部分到参考路径或替换地称为参考臂2440。在所述光纤耦合器中分离所述光的另一部分，并将所述 光的另一部分引导到所述光束投影模块(BPM)，自适应光学元件(AOE)和样本光学器件2445。来自所述样本光学器件的光被引导到样本2410，2415，2450。来自所述样本2410，2415或2450的反向散射和反射光通过所述样本光学器件来聚集，并且穿过所述光纤返回。从所述样本2410，2415或2450返回的所述光的一部分穿过所述第一光纤耦合器2435到达第二光纤耦合器2455，其中所述第二光纤耦合器干扰来自参考臂2440的光。来自所述第二光纤耦合器2455的光被引导到均衡检测器2460，所述均衡检测器2460将所述光转换为用于每个信道的电信号，从所述信道中减去所述信号以及产生电压输出。通过模拟数字转换器(A/D)2465将所述电压输出数字化，以形成干涉图2505，如图25(A)中所示。对所述干涉图进行傅立叶变换，以产生所述反射率与深度之比的轮廓，称为轴向扫描或A-扫描2530。横跨所述样本扫描和装配邻近的A扫描可以形成二维横截面图像，B扫描2535。在所述样本上以光栅扫描图案扫描所述成像光斑和装配邻近的B扫描可以形成三维立体数据集2540。应注意的是还可能是除了扫频源OCT之外的OCT实施，包括光谱域OCT(SD-OCT)，有时也被称为光谱/傅立叶域OCT，其使用宽带光源和光谱仪；以及时域OCT(TD-OCT)，其使用宽带光源，单点检测器和在所述参考臂中的移动反射镜。OCT是已经良好开发的领域，以及存在大量教导了不同的OCT实施的文献，包括使用光纤部件的OCT系统，使用体光学部件的OCT系统，用于多普勒测量的OCT，用于偏振传感测量的OCT以及其他。在本发明的实施例中可以使用任何点扫描的OCT。然而，在本发明的实施方式的环境下，由于所述扫频源检测方法中的所述短时间积分和有效的采样，扫频源OCT提供了优于光谱域OCT和时域OCT的优点。
当使用用于OCT的本发明的一个实施例时出现的挑战是在扫描期间发生路径长度的变化。图25(E)示出了用于轴上场位置和离轴场位置的所述光束投影模块的射线轨迹。由于向前和向后反射离开所述反射镜，存在为了离轴扫描位置而引入的附加光程长度。此外，附加光程长度的变化量与场位置之比根据x和y轴而不同，因为不同的反射镜间距，如图25(F)中所示。因为OCT中的干涉图是参考臂和所述样本臂之间路径长度差的函数，在所述光束投影模块中光程长度变化的第一效应是在所述OCT图像中增加了失真。图26(E)示出了将从平面镜反射的OCT B-扫描横截面图像2650中预期什么，而图26(F)示出了由于在离轴扫描角的较长路径长度，所述图像2655的失真。在路径长度中所述变化的第二效应是改变了所述干涉图的形状，可能降低了OCT仪器的灵敏度，降低了轴向分辨率和引入了深度测量误差。这些效果可以通过查看与产生所述干涉图有关的等式更好地理解。参考下面的等式1，其中k_m是在采样点m时的波数，I[k_m]是在采样点m时的瞬时光电流，ρ[k_m]是在采样点m响应的检测器，S[k_m]是在采样点m时所述样本上的瞬时功率，R_R是所述参考反射镜的反射率，Rs是所述样本反射镜的反射率，z_r是所述参考反射镜的深度，以及z_s是所述样本臂反射镜的深度。等式(1)选自由J.A.Izatt和M.A.Choma，2.7节，W，Drexler和J.G.Fujimoto Ed的“光学相干断 层扫描技术：技术与应用”，2008年。实际上，普遍地通过A/D数字化之前的跨阻抗放大器，将所述光电流I变换为电压。波长扫频光源2510产生按时调谐所述波长的发射，如图25(A)中示出的所述波长与时间之比的曲线图。光穿过所述OCT干涉仪2515行进，其中光电二极管将所述光强度转换为电流I[k_m]，这通过检测器2520变换为电压输出信号。随着按时的波长扫频，所述A，D转换器2525将所述检测器2520的输出数字化，以产生所述OCT干涉图2505。
I[km]=ρ[km]2S[km](RR+RS+2RRRScos(2km(zr-zs))]]>  等式1
在余弦函数中的项表示OCT干涉图中的所述相位或替换地称为OCT条纹。随着相位的增加(或减少)，所述OCT条纹在全部振荡周期出现每个2*π弧度时振荡。波长扫频具有开始波数k_start和结束波数k_end。所述OCT条纹中振荡的数目与在所述扫频中所述总相位差的量ΔΦ成比例，是由下式给出：
ΔΦ＝2(k_end-k_start)(Z_r-Z_s)  等式2
等式2示出了随着成像深度(即在所述扫频期间存在许多振荡)的增加，增加所述条纹频率，因为在所述余弦函数内的(z_r-z_s)乘积项增加了总条纹相位。图26示出了利用从开始波长λ_start到结束波长λ_end的波长扫频由在所述样本中的固定反射镜反射造成的仿真干涉图，其中给定了k＝1/λ等于开始波数k_start和结束波数k_end，并且在所述干涉图中的采样点间隔相等的波数，其通常通过光学定时或数值校准方法在扫频源OCT中执行。图26(A)顶部示出了来自浅的深度反射镜的干涉图2605，以及图26(B)的底部示出了来自深的深度的干涉图2610。正如从等式1和2中预期的那样，所述深反射镜反射的振荡数目大于所述浅反射镜反射的振荡数目，由于全部相位的大多数由所述(z_r-z_s)项造成。图26(A)示出了在所述样本臂中的具有固定路径长度的固定反射镜的所述干涉图2615。在本发明的实施例的情况下，如果改变所述路径长度，同时所述波长扫频源正在扫频，在所述干涉图上的效应是所述干涉图的开始部分与所述开始光程长度相关以及所述干涉图的结束部分与所述结束光程长度相关，当与所述固定反射镜的情况比较时，这会导致所述干涉图2620啁啾，如在图26(B)中所示。图26(C)示出了用于所述浅条纹2605的所述OCT的点扩散函数2625，用于所述深条纹2610的所述OCT的点扩散函数2635和用于所述啁啾条纹2620的所述OCT的点扩散函数2630。图26(D)示出了用于所述浅条纹2605和所述重啁啾条纹2645的所述OCT点扩散函数。当傅里叶变换时，所述啁啾(chirping)在所述OCT轴点扩散函数上具有2种效应。第一，将所述反射的深度位置移位到一些标准或聚合的光程长度位置，以及第二，所述点扩散函数可能被扩大，因为其保护来自多重深度的信息。这两种效应都不利于OCT的成像性能。在扫频源OCT的情况下，采样频率普遍相当快，在几亿到500百万次样本每秒(MSPS)或利用现代的A/D卡采样频率更快，这导致在每个样本的纳秒量级上采样时间短。用于光谱域OCT的所述积分时间非常长， 因为所述相机暴露多重波长并且以几十千赫到几百千赫的速率运行，导致在微秒量级，数量级上的积分时间比用于扫频源OCT的长。对于光谱域OCT，随着时间变化的OCT干涉图导致可降低所述条纹对比度和危害OCT灵敏度的条纹消失效应。使用扫频源OCT，条纹消失效应将不显著，因为所述数量级使积分时间变短。尽管如此，目前的发明可以利用基于图像OCT的任何形式的点扫描OCT来实践。接下来描述目前的发明为了改善性能，用于解决所述光程长度变化的方法。
长的相干长度扫频源激光器使得长的OCT成像范围成为可能，以适应本发明的实施例中路径长度的变化。长的相干长度扫频激光器包括基于波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)，傅立叶域锁模激光(FDML)和色散均衡FDML激光器，短腔激光器和游标调谐分布式布拉格反射器(VT-DBR)激光器的技术。长的相干长度激光器与快速检测器相结合，以及高数字化率使得充足范围的OCT图像集合能够适应与离轴扫描位置相关联的较长的光程长度引起的所述图像失真。
可以对所述OCT图像数据施加校准(在对所述条纹进行傅立叶变换之后)，在轴向的方向上将所述数据移位，以便在所述深度方向上适当地对准所述数据，来表示所述样本的形态。施加到每个A扫描的所述移位量可以通过从所述扫描几何形状预期的所述标称路径长度的变化的计算或通过实验方法来确定，例如将已知的平面镜成像以及确定所需要在所述OCT图像数据中产生平面的轴向移位，如图26(E-F)中所示。对于许多应用，简单地移位所述OCT图像数据是足够的，因为与所述OCT干涉图的啁啾相关的轻微下降的OCT轴向分辨率是可以接受的。对于需要最高的OCT轴向分辨率性能的应用，通过数值校正所述OCT条纹来解决与所述OCT干涉图的啁啾相关的所述OCT PSF的下降的损耗也可以是有益的。可以使用基于所述OCT条纹的重采样和色散补偿，完善建立并且在OCT中实践的方法来获得适当的校准，例如在文章2.2节所教导的：由M.Gora，K.Karnowski，M.Szkulmowski，B.Kaluzny，R.Huber，A.Kowalczyk和M.Wojtkowski在光学快讯17，14880-14894(2009)的“以200kHz将人眼的眼前节进行具有可调节成像范围的超高速扫频源OCT成像”和在文章2.2节中的由Y，Yasuno，V，Madjarova，S.Makita，M.Akiba，A.Morosawa，C.Chong，T.Sakai，K.Chan，M.Itoh和T.Yatagai在光学快讯13，10652-10664(2005)中的“用于人眼眼前节活体调查的三维和高速扫频源光学相干断层扫描技术”。在这些方法中，反射镜反射或MZI用于生成OCT条纹以及数值方法用于创建间隔相等的波数k并适当色散补偿的校准。对于本发明的实施例，可以扫描平面镜的表面，获得用于每个A-扫描的校准。可以通过实现由于路径长度变化，到标称校准的所述扰动接近恒定速度，简化所述校准的存储。所以，在所述扫描的任何一个区域中，只有速度需要已知、存储的，并用于计算所述OCT条纹校正。
由所述光束投影模块引入的解决路径长度变化的可替换的方法，利用快速致动器调整所述光程长度，使得在所述扫描期间，所述参考臂和所述样本臂之间的所述路径长度相匹配。如果执行光谱域OCT，将优选这种方法，来降低比在扫频源OCT中更显著的条纹消失效应。可以通过使用快速灵活的延迟线或通过利用快速致动反射镜来调整所述路径长度来获得所述路径长度变化。所述延迟线或快速致动反射镜可以通过压电，电磁，或其它致动方式来致动。所述有源反射镜的位置将通过校准来自平面镜的反射，通过例如图25(F)所示的或其他方法的计算或仿真来确定。
其它AO系统的实施例
本发明的其它实施例是可能的。通过利用光束投影模块和自适应光学元件代替所述转向反射镜，可以实践本发明实施例中在图1中所示的任何成像系统。类似于图1(A)中所示，用于通用型OCT的成像系统将利用光束投影模块和自适应光学元件代替所述转向反射镜135来实现本发明一个实施例的自适应光学OCT成像系统。类似于图1(B)中所示，当与适当的干涉计，检测器和发射源结合时，成像系统将利用光束投影模块，自适应光学元件和控制器代替所述转向反射镜155来实现本发明一个实施例的自适应光学OCM成像系统。类似于图1(C)中所示，当与适当的干涉计发射源和检测器结合时，成像系统将利用光束投影模块，自适应光学元件代替所述转向反射镜172来实现本发明一个实施例的用于将所述眼睛成像的自适应光学OCT成像系统。类似于图1(D)中所示，当与适当的发射源和检测器结合时，成像系统将利用光束投影模块，自适应光学元件和控制器代替所述转向反射镜177来实现本发明一个实施例的自适应光学共焦成像系统。类似于图1(E)中所示，当与适当的发射源结合时，成像系统将利用光束投影模块，自适应光学元件和控制器代替所述转向反射镜192来实现本发明一个实施例的自适应光学激光扫描检眼镜。类似于图1(F)中所示，当与适当的发射源结合时，成像系统将利用光束投影模块，自适应光学元件和控制器代替所述转向反射镜199来实现本发明一个实施例的自适应光学多光子或二次谐波成像系统。通过利用光束投影模块，自适应光学元件和控制器代替光镊设置中的所述光束转向反射镜，还可以实现当前发明中的光镊实施。在光镊中，所述检测器通常为数码相机。
自适应光学元件的共轭
为了获得具有单个自适应光学校正的可校正的大视场，在光学系统中选择自适应光学元件的共轭平面是一个重要的考虑因素。因为随着横跨所述样本扫描所述光，所述光遍历了不同的光程，对每个场位置来说，所述像差改变。所述像差的变化率和与场位置相关的点扩散函数(PSF)取决于所述像差源和所述光学布局的细节的特性。所述等晕面元是所述PSF如何快速地随着场位置而改变的测量，有时定义为在所述面元中任何两个波前之间的所述均方根(RMS)波前差小于临界值的所述区域，尽管可替换的等晕面元的定义也已在文献中使用。在 本专利申请中，瞬时衍射极限视场的概念评估和比较自适应光学性能，其中衍射极限被定义为大于或等于0.8的斯太尔率，以及瞬时表示仅使用单个自适应光学校正。在某些应用中，成像性能的改善可以是显著的，但达不到所述衍射极限的性能。如果视场的尺寸处于关键的性能水平，在相似视场中所述性能的改善或增加也是有用的，并可以利用本发明的实施例来获得。
大多数自适应光学成像系统的文献和说明教导了将所述自适应光学元件与所述系统的光瞳平面共轭。在自适应光学显微镜系统中，所述自适应光学元件通常共轭到所述显微镜物镜的光瞳平面，正如在文章中所教导的：由N.Ji，D.Milkie和E.Daniel在自然方法7，141-147(2009)的“通过光瞳分段用于生物组织中高分辨率成像的自适应光学器件”和由D.Debarre，E.Botcherby，T.Watanabe，S.Srinivas，M.Booth和T.Wilson在光学快报34，2495-2497(2009)中“用于双光子显微镜的基于图像的自适应光学器件”和其他文章。在自适应光学扫描激光检眼镜和自适应光学OCT系统中，所述自适应光学元件通常被共轭到眼睛的光瞳。为了扫描光学系统，将所述自适应光学元件共轭到所述光瞳最大化了横跨所述成像光束的致动器的数量，以及当扫描时导致固定光束位于所述自适应光学平面和所述光瞳平面两者的中央。由N，Doble，D.Miller，G.Yoon和D.Williams在光学应用46，4501-4514(2007)的“在两种大量的人眼中用于离散的致动器的要求和用于像差补偿的分段波前校正器”的文章研究了行程上的要求和在大量人眼中横跨所述光瞳的致动器的数量。由L.Thibos，X.Hong，A.Bradley和X.Cheng在美国光学学会杂志A 19，2329-2348(2002)的“在正态群体的健康眼中像差结构和图像质量的统计的变化”的不同的文章研究了在正态群体的人眼中像差的类型和像差量。在这两篇文章中，沿着所述视线执行波前测量，所以只对眼睛的单个场位置进行了研究。实用的自适应光学成像系统的图像不仅在单个点，而且在延伸的视野上。也期望的是所述自适应光学校正适用于尽可能大的场。可以通过仿真或实验法来确定所述最优自适应光学光瞳共轭。接下来通过光学仿真来示范所述自适应光学元件共轭的效应。
所述眼睛的Liou和Brennan模型是人眼开发迄今最准确的模型之一，并且包括与眼睛形态相似的表面轮廓，晶状体折射特性的梯度指数和类似于眼睛的偏置光瞳位置。所述模型已被示出来匹配生理上获得的实验数据，如在由MS de Almeida和LA Carvalho在巴西物理学杂志37，378-387页(2007)的“不同原理的眼睛和其活体眼睛的精度：定量比较研究”的文章中所描述的。图27(A)示出了基于所述Liou和Brennan模型的人眼模型的ZEMAX仿真射线轨迹，但是相对于实施光轴具有位于中央的光瞳。所述光瞳直径为4mm，由于残余像差，这比预期产生最佳横向成像分辨率的直径大。
眼睛老化过程的研究已经发现随着年龄而增加的折射误差的主要原因是由于晶状体的变化，而不是角膜的变化，如在由Esther Berrio，Juan Tabemero，Pablo Artal在视觉杂志 10(14)(2010)中的“随着年龄眼睛的光学像差和对准”的文章中所描述的。在正常且年轻的眼睛中，所述角膜2710的像差通过在所述晶状体2715中的像差来均衡。因此，在正常老化的眼睛中所述像差源不是位于所述光瞳平面本身，而是源自由于所述角膜2710和晶状体2715之间像差的不平衡。图27(B)示出了利用4f望远镜，共轭于眼睛的光瞳平面的可变形的反射镜2720的传统的自适应光学设计，其中所述望远镜由ZEMAX中第一2725和第二2730近轴透镜表面组成。所述近轴透镜表面起到类似理想透镜的作用，并且其自身不引入任何像差。能够引入相位误差(Zernike条纹相位表面)的表面紧挨着所述晶状体2735，并且起到创建附加的所述晶状体的角膜和背表面之间的不平衡像差的作用在本仿真中，来自所述可变形反射镜2720的光是二维的并且没有像差。来自所述可变形反射镜2720的校准光传播到远焦望远镜系统的第一透镜2725中，在所述远焦望远镜系统中光被聚焦为收敛光束，依次通过所述第二透镜2730来聚集和重校准入到所述眼睛模型2705中的投影。无像差的光进入所述眼睛模型2705，经受所述眼睛内的固有像差，另外经受由所述像差表面引入的所述像差，以及聚焦在所述视网膜上。所述像差表面2735被配置为产生散光相位误差2740。在视网膜处的光的波前分析2745表示结合了所述眼睛的自然像差的所述像差源的主导形状。
图28示出了关于将所述可变形反射镜共轭到眼睛中的所述光瞳的传统方法的附加信息。图28(A)示出了在系统中的共轭图像平面。图28(B)示出在系统中的所述共轭光瞳平面，其中可以看出所述可变形反射镜被成像到所述眼睛的光瞳平面中。图28(C)示出了在眼睛中所述变形反射镜和所述晶状体的放大射线轨迹，其中标记了主要的射线，所述边缘射线和辅助射线。正如预期的，所述主要射线和辅助射线以相对的排序从所述可变形反射镜成像到眼睛的光瞳，以及保持具有所述光束直径的规范化间隔。然而，在所述像差源的平面处，所述主要射线和所述辅助射线重叠和相交。这意味着在所述可变形反射镜上应用的校正将在像差源的平面上模糊，因此不太有效的补偿在此平面引入的像差。
图29示出了可替换的设计，其中已经调整了所述望远镜的透镜间距，使得目前所述可变形反射镜与大约位于像差源的平面处的平面共轭。图29(A)示出了所述共轭图像平面的射线轨迹。图29(B)示出了所述共轭光瞳平面的射线轨迹，其中可以看出所述可变形反射镜和所述像差源的近似平面间的共轭。图29(C)示出了所述主要射线，边缘射线和辅助射线的放大的射线轨迹。在此可替换的配置中，可以看出所述主要射线和辅助射线在所述可变形反射镜处相交，并且在所述像差源平面处相交。这意味着在可变形反射镜处的校正形状空间上位于所述像差源的平面内，并且有效消除在多于一个的场位置处的像差。
在尺寸超过4.5度乘以4.5度的场中成像，图30将图28中所示的所述光瞳共轭配置的性能与图29中所示的所述像差源共轭配置进行比较。在这些仿真中，利用Zemike方式4-27将所述可变形反射镜(Zemike条纹相位)参数化，以及利用ZEMAX优化来优化所述可变形反射 镜的形状，以在超过5个场位置(0，0)，(0，4.5)，(2.25，2.25)，(4.5，0)和(4.5，4.5)时同时最小化所述RMS波前误差。在所述光瞳共轭配置的情况下，固定所述可变形反射镜的位置，以便保持光瞳共轭。在所述像差共轭配置的情况下，所述可变形反射镜相对于所述远焦望远镜的第一透镜的位置被定义为变量并允许其在优化过程中发生变化。在所述像差共轭配置的情况下，强制所述可变形的反射镜的有效直径与在(4.5，4.5)场位置中的大多数极射线的所述位置相匹配。通过在所述两个不同的配置中使用相同的Zemike项，所述可变形反射镜的相对空间频率校正能力通过公平比较是相同的，即当自所述适应光学元件的直径规范化时，所述两个反射镜的致动器数量和影响函数是相同的。所述结果表明了在相同的场尺寸中，在所有场位置相对于斯太尔率，所述像差源共轭配置优于所述光瞳共轭配置。所述像差源共轭配置在整个4.5乘以4.5的视场中具有衍射极限性能(斯太尔率大于0.8)，同时所述光瞳共轭系统在整个视场中衍射不受限。这意味着由于邻近所述晶状体的背表面的折射误差，当眼睛中的像差为主要的像差时，所述自适应光学元件的最优位置在光瞳平面的外部并且是示出的在所述光瞳平面和所述像差平面之间的某处。应注意为了使这个光瞳外扫描方案工作，所述光束直径必须小于所述可变形反射镜的有源直径，以及光束中心必须移动到所述可变形反射镜的表面上，如图31(E)所示。这导致横跨所述光束时致动器密度的小损耗，但显示了共轭到像差源的优点胜过所述致动器密度的小损耗。
在眼睛中，可以将所述像差源的普遍区域定位且共轭到像差源，或大约将所述自适应光学元件共轭到所述像差源，因为所述像差源接近所述光瞳平面，并且在所述像差源和所述焦点平面之间存在足够的距离。在基于显微镜的成像系统中，所述像差源普遍非常接近所述焦点平面，这是由于邻近，触摸或接近所述样本和成像平面的所述样本本身或材料或光学界面的原因。因此，并不一定能完全将所述自适应光学元件与在显微镜系统中的像差源共轭。图31(A-C)示出了显微镜物镜，其中所述透镜的设计形式从专利US 6501603中描述的透镜配方中得到的。图31(A)中示出了正如从最后一个透镜中出现的，聚焦进入所述样本的射线的缩放图。所述物镜是浸水型的，以及所述物镜的光学性能ZEMAX仿真包含所述在所述物镜的最后一个玻璃元件之后的水层。然后所述水层跟随在交替的Zernike相位表面和在最后水层之前的薄水层之后，其中存在光学焦点。所述Zemike相位表面仿真了引入了通过所述样本的深度而发生的光学像差的更逼真效应的样本(即像差不包含在单个平面中)。由Zemike相位表面引入的相位误差的形状在图31(A)中示出，并且一起引入了大约1波峰-波谷的像差。可变形反射镜的校正由所述样本引入的像差的能力是通过定义可变形反射镜与使用Zemike项4-20和优化所述可变形反射镜的相位校正形状的Zemike相位表面进行比较，以同时最小化在0.0度，2.5度和5.0度输入角场位置的均方根(RMS)波前误差。将如图31(B)中所示的自适应光学元件被共轭到所述物镜的光瞳的配置，与图31(C)中示出的所述自适应光学元件移位远离所述光 瞳平面15mm的配置进行比较。所述自适应光学元件通过由具有50mm焦距的近轴透镜组成的望远镜，被共轭到显微镜物镜中的区域。所述光瞳共轭配置的最优化自适应光学校正在图31(B)中示出，以及所述光瞳外共轭的自适应光学配置在图31(C)中示出。在0.0，2.5和5.0度的场位置产生的斯太尔率所述光瞳共轭配置的为0.758，0.887，0.702，所述光瞳外共轭配置的为0.805，0.926，0.837。在相同的场位置，光瞳外共轭配置优于光瞳共轭的配置，表明利用所述光瞳外共轭配置获得了更大的衍射极限视场。
利用所述自适应光学元件的光瞳外共轭，在人眼中成像的示例和仿真和在通过在延伸的场尺寸中像差产生样本的双光子成像中已经示范更大的衍射极限视场。然而，重要的是实现将所述自适应光学元件放置在所述光瞳平面之外来降低横跨所述光束的致动器的有效数量。图31(D)示出了等于所述自适应光学元件的有源区域的光束大小，从而最大化横跨所述光束的致动器数量，正如当将所述自适应光学元件共轭到所述系统的光瞳平面时所获得的。在将所述自适应光学元件放置在光瞳平面外的情况下，所述光束尺寸必须比所述自适应光学元件的有源区域小，因为所述光束中心位置必须随着所述扫描角的函数来移动，如在图31(E)中所示。对于给定的自适应光学元件，这必然降低横跨所述光束的所述致动器的数量，这可能对波前校正具有不利影响。对于大尺寸的视场，通过将所述自适应光学元件放置在大视场中改善校正的所述光瞳平面外所提供的优点，胜过在所述光束中较低空间频率校正的缺点。随着期望视场尺寸减小，在所述视场中波前的变化量也减少了，以及非等晕效应变得不那么显著，使得增加横跨所述光束的致动器的数目相比于将所述自适应光学元件移动到光瞳平面外并且接近共轭于所述像差源，对于性能更有益处。在单点视场的界限内，所述波前不随视场而变化，以及最佳自适应光学性能将可能通过最大化横跨光束的致动器的数目通过将所述自适应光学器件共轭到所述系统的光瞳平面而获得。在本发明的一个实施例中，所述自适应光学元件715被共轭到所述系统的光瞳平面。在本发明的另一个实施例中，所述自适应光学元件715被共轭到所述系统光瞳平面的外部平面以改善自适应光学校正。改善的自适应光学校正在扩大的视场中将构成成像到特定的斯太尔率，或在类似尺寸视场成像，但是改善的斯太尔率在所述视场内。正如在图28(C)中可见，所述光束枢轴点位于所述自适应光学元件上。正如在图29(C)和31(C)中可见，所述光束枢轴点接近所述自适应光学元件，但是不在其上。正是从这个意义上说，所述光束投影模块利用4个或更多个运动轴进行操作并且控制光的角度和位置，以优选地通过在所述自适应光学元件(多个)上或附近创建或适应光束枢轴点对接所述自适应光学元件。
自适应光学元件的排序
可以改变所述光束投影模块和自适应光学的排序，同时仍保留了必要的功能性。在一个实施例中，所述光束投影模块3215位于系统中的自适应光学元件(多个)3205之前，如图32 (A)所示。这个实施例通常是优选的，因为所述自适应光学元件3205和所述样本传送光学器件3210之间的共轭不受所述光束投影模块3215内的路径长度的变化影响。在另一个实施例中，在光学系统中的所述自适应光学元件(多个)3220位于所述光束投影模块3225之前，如图32(B)中所示。在这种配置中，光束投影模块3225光程长度的微小变化可能导致在共轭于所述自适应光学元件的平面中的依赖于位置的轴向移位。另一个实施例将所述光束投影模块的轴分开，使得一组轴3235位于所述自适应光学元件3240之前，一组轴3245位于所述自适应光学元件3240之后。这种配置还遭受光程长度的变化，这种变化会影响在所述自适应光学元件和所述将与其共轭的平面之间的共轭。在所述自适应光学扫描系统的一个实施例中，所述光束投影模块720将光引导到所述自适应光学元件(多个)，使得主要地保持所述光束的中心与所述自适应光学元件715(多个)的中心的对准，同时在光束转向操作期间，改变相对于所述自适应光学元件(多个)715的光束角度。在所述扫描系统的另一个实施例中，所述光束投影模块720从自适应光学元件(多个)715中接收光并引导所述光，使得主要地保持所述光束的中心与在所述成像系统中的期望光瞳平面的中心的对准，同时在光束转向操作期间，改变相对于所述期望光瞳平面的光束角度。
焦点和共轭控制
在显微镜中常见的是所述物镜能够变换，以适应不同的标本高度和大小，以及聚焦到所述样本中的感兴趣的平面。一个实施例包括了一种用于在所述样本中调节焦点的装置，如在图33中所示。更具体地，本发明的实施例包括以下情况，其中所述成像系统包括通过将显微镜物镜，扫描透镜或物镜变换为所述样本传送光学器件的部件来调节所述焦点的装置。当所述物镜的位置变化时，仍然期望保持光束对准和与所述自适应光学元件的光瞳共轭。本发明的实施例包括改变所述控制器的运动轨迹，以适应焦点的变化，同时保持所述光束和所述样本传送光学器件光瞳的适当对准的情况。本发明的实施例也包括移动在所述样本传送光学器件内的光学元件，以适应焦点的变化，同时保持所述光束和所述样本传送光学器件光瞳的适当对准的情况。它也有可能影响焦点而不移动任何光学元件的位置。本发明的实施例包括利用所述自适应光学器件产生散焦模式，以实现在所述样本内的焦点位置控制的情况。
由于涉及分辨率，视场，场的深度，以及其它各种原因，也许理想的是改变所述样本传送光学器件或物镜。本发明的实施例包括不同的物镜可以通过调整在所述光束投影模块中的所述扫描轨迹，通过调整或改变在所述样本传送光学器件中光学元件或者调整在所述光束投影模块中的所述扫描轨迹和在所述样本传送光学器件中的光学元件两者来适应不同光瞳位置的情况。
通过监控从所述物镜出来的光，同时扫描，能够推断和评估光学对准的质量。本发明的实施例包括通过使用在恰当位置的物镜执行校准，来获悉所述物镜的光瞳位置的情况。另外， 本发明的实施例包括在所述样本传送光学器件中的元件是可改变的或可调节的，以适应不同的物镜光瞳直径，不同的物镜光瞳位置或不同的物镜光瞳直径和不同的物镜光瞳位置两者的情况。在一个可能的实施中，在所述样本传送光学器件中使用变焦扩束器来适应不同的光瞳尺寸。
可选的增强和替代实施例
不同的自适应光学技术和设计具有不同的性能特征。
在一个实施例中，所述自适应光学元件的数量是两个或更多个，以及自适应光学元件的组合用于增加波前校正，强度校正，或波前校正和强度校正两者的范围。在一个实施例中，所述自适应光学元件的数量是两个或更多个，以及所述两个或更多个自适应光学元件具有不同的校正范围，致动器或像素排列，致动器或像素间距，或时间响应来获得优于单独使用任何一个自适应光学元件的校正。在一个实施例中，在低频-高频(woofer-tweeter)配置中使用两个或更多个自适应光学元件，如图34所示。4F望远镜可以在两个自适应光学元件之间使用，或所述两个自适应光学元件可以彼此接近。在一个实施例中，液晶空间光调制器被安装在靠近可变形反射镜的反射表面。这种排列可以是理想的，因为它允许可变形反射镜和液晶空间光调制器几乎在同一平面共轭。在一个实施例中，液晶空间光调制器校正振幅大的像差，但不限于慢的动态性能，同时所述可变形反射镜校正振幅较小像差，但是利用快速动态性能进行操作。在本发明的另一个实施例中，两个或更多个光束投影模块720用于级联多个自适应光学元件715，每个光束投影模块720利用四个或更多个运动轴进行操作。
对于所述光学性能受色散影响的应用，本发明的实施方式可包括色散补偿单元来补偿系统中的色散。本发明的一个实施例包括色散补偿单元，所述色散补偿单元由如下任意的一个或多个组成：色散补偿反射镜(DCM)，棱镜，玻璃楔，光栅，或依靠有源可变形反射镜或空间光调制器的有源色散补偿。
可能以某些成像模式利用两个光束执行平行成像。所述两个光束可以源于两个间距小的光纤探针或来自具有不同传播角的两个光束。本发明的实施例包括便于在多个光束通过所述成像系统来执行平行光斑成像的情况。
利用所述光束投影模块720进行光束转向的方法已经以校准的光束示出。然而，同样的方法适用于收敛或发散光束，只要所述光束保持在所述反射镜的界限内。本发明的一个实施例在所述光束投影模块720中使用收敛或发散的光束。
在所述自适应光学扫描系统的设置和对准过程中，来自所述发射源的光束通常需要与所述光学系统的所述预期光轴准确对准。对准可能随着时间和温度而漂移。有可能通过监控所述光束的位置和使用传感器来确定对准的质量，如在图35中所示。本发明的实施例包括一个或多个位置传感或角度传感检测器被用来确定来自所述发射源的入射光束与所述光束投影模 块对准的精度，和通过调整所述活动轴的扫描轨迹来校正非对准的关于所述光束对准所使用的信息的情况。此外，用于监控光束位置和对准的传感器可以通过改变一个或多个在所述光束投影模块中的有源反射镜而包含在光程中，以将光从所述标准成像路径引导到所述对准检测器，如在图35中所示。本发明的一个实施例包括一个或多个1D或2D检测器，例如CCD阵列，CMOS阵列，或位置传感二极管(PSD)，或者可以测量光束位置，用于监控所述光束位置需要或不需要小分束器或附加反射镜的任何其他检测器，以检查光束对准的质量。
自适应光学控制
在自适应光学系统中，常见的是来自点源(导引星)的光用来评估所述光学象差。本发明的一个实施例包括用于测量在来自所述样本光或在所述样本中的点源的光中的像差的波前传感器。在本实施例中，所述成像系统可以通过使用使用关于利用所述波前传感器而获得的像差的信息来确定适当的自适应光学校正，如在图36(A)中所示。当使用波前传感器时，通常在实践中使用的用于调节所述可变形反射镜的算法将执行测量所述波前3605，计算自适应光学校正3610，并且将所述校正应用到自适应光学元件3615的步骤。大多数自适应光学系统将波前传感器放置在所述扫描仪之前，使得进入所述波前传感器的光束与正在引导到所述样本的激发光束是共线的。分色镜或分束器和用于所述信标的光源在本发明实施例中将位于所述发射源705和光束投影模块720之间，以为所述波前传感器产生导引星，正如在前面提到的Dubra 2011的文章中所教导的。可替代地，所述波前传感器可以位于所述光束投影模块720之后，分色镜或分束器包括作为所述样本传送光学器件730部件的适当光瞳转送器。将所述波前传感器定位于所述光束投影模块之后的优点在于所述波前传感器与所述光瞳的共轭不随着光束转向位置而变化，然而，所述激发光束必须精确地居中，以便不引入明显的倾斜模式进入所述波前传感器的测量。将所述波前传感器定位于所述光束投影模块之前的优点在于在扫描的同时没有引入明显的倾斜模式，然而在扫描期间，可能存在微小的路径长度变化，这影响所述波前到所述共轭平面的共轭。
其他方法用于确定适当的自适应光学校正的存在。一种通常被称为无波前传感器的自适应光学技术，使用来自单独图像或样本的信息优化所述自适应光学部件。教导了无传感器的自适应光学算法的文章包括：由D.Debarre，M.Booth和T.Wilson在光学快讯15，8176-8190(2007)中的“通过低空间频率优化的基于图像的自适应光学”，由D.Debarre，E.Botcherby，T.Watanabe，S.Srinivas，M.Booth和T.Wilson在光学快报34，2495-2497(2009)，中的“用于双光子显微镜的基于图像的自适应光学”以及其他由N.Ji，D.Milkie和E.Daniel在自然的方法7，141-147(2009)中的“通过生物组织中高分辨率成像的光瞳分割的自适应光学”。在无波前传感器的自适应光学控制中，通常存在扰动所述自适应光学元件的迭代循环，以获得所述自适应光学元件和信号之间的输入/输出数据，如在图36(B)中所示。所述内循环包括以下 步骤：将形状(基本函数，或有时被称为模式)应用到所述自适应光学元件3620中以及测量和存储所述信号响应3625。内循环的结果用于计算自适应光学校正3630，然后接着将所述校正应用到所述自适应光学元件3635中。本发明的一个实施例通过使用无波前传感器的自适应光学的优化方法确定适当的自适应光学校正。许多无波前传感器的方法将一系列形状或替代地被称为基本函数，或模式应用到所述自适应光学元件中作为优化过程的一部分。校正的质量可以通过计算与利用检测器从所述样本返回光的测量相关联的度量来评估。本发明的实施例包括所述自适应光学优化方法产生一系列自适应光学形状，将所述形状应用到所述成像系统中，通过计算基于来自所述检测器的光的测量值的度量来评估所述形状的影响，并更新所述自适应光学元件，以改善图像或信号质量的情况。所述度量通常是信号质量，对比度，或空间频率含量的测量，如在前面提到的文章(Debarre，2007，Debarre 2009，Ji，2009)中所教导的。所述优化算法可以是许多在本领域已知的优化算法中的任意一个，包括牛顿方法，拟牛顿方法，梯度下降，共轭梯度，遗传算法，模拟退火，爬山算法，多项式插值，或在数值优化领域中的其他已知的优化算法。可以通过分区或模式控制方法执行所述自适应光学的优化。在分区方法中，所述自适应光学致动器或像素的局部区域是分别控制的。在模式控制方法中，利用一组基本形状同时控制多个致动器或像素。当使用模式技术时，本发明的实施例使用主要是正交的自适应光学模式的形状轮廓，来改善优化算法的收敛速度。像差校正的某些模式不会提高图像质量。例如，活塞改变了所述波前的绝对相位，但是不能改变得到的点扩散函数(PSF)。尖端和倾斜转向所述光束，但不影响图像质量。因此，有时期望从控制所述自适应光学元件的模式中去除活塞，尖端和倾斜。本发明的实施例包括产生所述自适应光学形状的轮廓，以避免包括活塞，尖端和倾斜模式的部分的情况。在一些情况下，某些模式形状比其他更重要。可以对模式的子集来执行优化，如图37中所示。在优化中只使用了三个基本形状(模式)，如由示出了基本振幅的曲线图3705所示出的。所述收敛曲线图3710示出了优化算法的进展。将具有可变形反射镜平面3715的样本图像与具有可变形反射镜的优化3720的样本图像进行比较。当与具有可变形反射镜平面3715的样本图像比较时，具有可变形反射镜优化3720的样本图像显示出了增加的信号和改善的分辨率。
许多成像模式是深度切片的成像模式，例如共焦，多光子和其他。对于切片的成像模式，理想的是在所述样本中以特定的焦点深度来校正图像劣化像差。在这种情况下，理想的是从控制所述自适应光学元件的基组中去除任何散焦模式。本发明的实施例包括产生所述自适应光学校正的所述轮廓，以避免包括其散焦模式部分的情况。给定了在样本的特定区域的优化的自适应光学状态，很可能附近的区域将具有类似的像差。因此，可以利用附近的区域初始化所述自适应光学状态，以减少达到收敛所需要的时间。关于来自多于一个的区域的适当的自适应光学校正信息可与在所述样本中的新区域的评估的改进目标相结合。本发明的实施例 包括关于在所述样本中第一位置或多个位置的适当的自适应光学校正信息用于评估在所述样本中新位置的适当的自适应光学校正的情况。
当执行OCT成像时，包含在所述OCT条纹内的频率和相位信息包含了关于从所述样本即将发出的光的路径长度的信息。编码在OCT条纹内的所述信息可被用于评估波前。在共焦点或多光子成像中，例如盲解卷积的方法可以用来评估点扩散函数，物体和波前。本发明的一个实施例使用从OCT数据或从例如盲解卷积的图像处理方法中估算的波前，作为用于确定所述自适应光学元件715的校正的优化过程的一部分。
在光镊系统中，可以利用例如在下列文章中教导的算法进行优化所述自适应光学，由KD.Wulff，DG.Cole，RL.Clark，RD Leonardo，J Leach，J Cooper，G Gibson，MJ Padgett国际光学工程学会6326光学捕获和光学显微操纵术III 63262Y(2006)中的“采用无波前传感器的自适应光学器件的全息光镊像差校正”和由RDL Hanes，MC Jenkins和SU.Egelhaaf，在科学仪器评论80，083703(2009)中的“结合全息机械的光镊：构建，优化和校正”的文章。
光束切换
图38(A)示出了沿着x轴观察光束投影模块的示意图，图38(B)示出了沿着y轴观察相同的光束投影模块的示意图。三种不同的输入光束3805，3810和3815旨在使得它们相交在与转向反射镜3820相一致的点。所述入射光束之间的角度足够小，使得所述转向反射镜3820的旋转能够选择3805，3810，或3815哪个输入光束通过光学系统传输。如果所述入射光束3805，3810和3815之间的角度过小，则有可能是非预期的部分的非现用光束也通过所述光学系统传输。通过所述光学系统的光束的非预期透射可以通过确保光束之间的角度足够大，使得在反射镜3825的光束边缘之间的距离大于所述反射镜表面来防止。通过所述光学系统的光束的非预期透射可以通过确保光束之间的角度足够大，使得在所述光学系统内的视场光阑阻挡所述非预期光束的透射来防止。当执行多模式成像时，输入光束间的切换能力可能是理想的。单个仪器可以通过在发射源和其他相关系统之间的切换来执行不同的成像模式。例如，组合的双光子和OCT成像系统可能使用集中于850nm的钛蓝宝石激光器和集中于850nm，1050nm或1310nm的OCT成像系统。来自钛蓝宝石激光器3830的光产生被引导至所述光束投影模块3840的光束3835。来自所述OCT系统的光通过光纤电缆3845被传送，并且校准进入还被引导到所述光束投影模块3840的光束3850。所述光束投影模块使能所述两个输入光束间的切换，以将所述光通过样本传送光学器件3855引导到样本3860。在双光子成像模式中，激发光通过长通滤波器3865传输，而来自所述样本的荧光发射光从所述长通滤波器3865反射离开并且被引导到PMT检测器3870。在OCT成像模式中，集中于850nm，1050nm或1310nm的光以朝向所述样本的方向通过所述长通滤波器3860传输，以及还通过所述长通滤波器传输来自所述样本3860的反向散射光和反射光并且通过所述光束投影模块返回到所 述OCT干涉仪。使用多模式成像系统时，可以收集关于所述样本的附加信息，以及设备可以紧凑的安装分时用于不同的成像模式。
模块化自适应光学单元
如前所述的光束转向模块和如自适应光学元件的基本概念可以被认为是用于适配到其它仪器的模块化自适应光学单元。所述模块化自适应光学单元可以作为与自身的光学系统集成的用户独立模块，作为原始设备制造商(OEM)的模块，或作为集成系统的一部分出售。模块化自适应光学单元的所述光束转向模块和自适应光学元件部分的一个实施例在图13-15中示出。如图38(D)中所示，模块化自适应光学单元的一个实施例由以下组成：一个或多个入射口，所述入射口允许一个或多个光束进入所述模块化自适应光学单元，如图38(A)所示，一个或多个输出口，所述输出口被定位在沿着所述光束可以传输或终止的一个或多个光束路径上；一个或多个自适应光学元件，所述自适应光学元件影响所述光束的所述波前，影响所述强度或影响波前和强度两者；一组光束转向元件，所述光束转向元件创建4个或更多个运动轴，影响所述光的角度，或所述光的横断位置，所述光的传播路径，来优选地大约在所述光束枢轴转动时创建至少一个有效旋转点，以及用于控制所述光束转向元件的轨迹以沿着优先路径引导光束的装置。所述入射口和输出口可以是物理端口或简单地不同的光路。用于控制所述轨迹的装置包括如上面讨论的所述控制器725用于控制所述轨迹的所有装置。
在图38(D)中，模块化自适应光学单元3875的实施例从第一光束3880和第二光束3885接收光，并将光引导到光学子系统3887中。
在光学系统中，可能希望调节光束或保护某些光学元件免于污染或通过限制访问这些元件。为实现这一目标，所述模块化自适应光学单元3875的一个实施例的一个或多个入射口3890和输出口3895包含以下任意的组合：光学窗，滤光器，带通滤波器，陷波滤波器，长通滤波器，短通滤波器。所述列表不应被认为是可以在这些端口中使用的可能的光学元件的完整列表，这仅仅是可以使用的常见元件的取样。这些元件可以是固定的或可去除的。在所述模块化自适应光学单元的一个实施例中，一个或多个滤光器是可去除的。
所述模块化自适应光学单元3875的一个实施例的自适应光学元件可以包括一个或多个可变形反射镜。模块化自适应光学单元的一个实施例包括是可变形反射镜的自适应光学元件。所述模块化自适应光学单元的实施例的可变形反射镜可包括连续面板或分段面板，静电致动器，压电致动器，单晶片压电致动器，双晶片压电致动器，气动致动器或其它等效装置来使所述面板变形。这些可变形反射镜元件的示例示于图3中。在所述模块化自适应光学单元的一个实施例中的可变形反射镜可以是MEMs型结构，薄膜型结构，层叠压电型结构，尖端/倾斜/活塞或尖端/倾斜元件型结构，或能够反复改变所述反射镜表面的形状，方向或形状和方向的其它类型的结构。
所述模块化自适应光学单元3875的一个实施例的自适应光学元件可以包括一个或更多个空间光调制器。模块化自适应光学单元的一个实施例使用是空间光调制器的自适应光学元件。空间光调制器可以基于液晶元件或其他方法来调制强度，调制相位，或调制相位和强度两者。示例示于图3中。空间光调制器可以用于补偿所述自适应光学元件之前或之后的光束引起的波前像差或强度变化。光束的波前和强度通过光学系统的传播可能受通过其传播的介质的影响。这些介质包括但不限于，气体，液体，光学窗，玻璃元件，组织，滤波器，透镜，反射镜，衍射光学元件，有源或无源的晶体。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用的自适应光学元件来补偿在朝向至少一个输出口3895发送和通过至少一个输出口3895之后，通过光学介质或光学元件传播的所述光束引起的波前像差或强度变化或波前像差和强度变化，所述光学介质或光学元件包括气体，液体，光学窗，玻璃元件，组织，滤波器，透镜，反射镜，衍射光学元件，有源或无源的晶体。
根据在光束中的波前或强度变化，两个或多个自适应光学元件可以用于增加这些可被校正的变化量。所述自适应光学元件可以或可以不基本上彼此相似。它们可用于静态地补偿所述变化或补偿可以瞬时变化。例如，在所述模块化自适应光学单元的一个实施例中，可以使用具有不同设计的两个或更多个自适应光学元件，使得所述两个或更多个自适应光学元件具有不同的校正范围，或致动器排列，或间距，或时间响应，或者这些参数的任意组合来实现优于单独使用一个自适应光学元件的校正。
许多自适应光学系统使用如图6中所示的光学转送器来妥善管理光学系统中光束枢轴位置的要求。所述模块化自适应光学单元包括用于在光学系统中适当的位置产生用于所述光束的枢轴位置的光束投影模块。所述光束投影模块具有影响反射镜适当地导引所述光束的四个或更多个运动轴。所述模块化自适应光学单元的一个实施例包括运动轴包括至少一个旋转轴的情况。一个模块化自适应光学单元的实施例包括运动轴包括至少一个平移轴的情况。一个模块化自适应光学单元包括运动轴包括转动轴和平移轴组合的情况。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用包括至少一个振镜驱动的反射镜的光束转向元件。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用包括四个振镜驱动的反射镜的光束转向元件。所述模块化自适应光学单元的一个实施例包括使用包含至少一个快速转向反射镜的光束转向元件，其中所述快速转向反射镜具有两个旋转轴。所述模块化自适应光学单元的一个实施例包括使用包含两个快速转向反射镜的光束转向元件，所述两个快速转向反射镜具有两个旋转轴。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用包括至少一个谐振扫描反射镜的光束转向元件。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用光束转向元件，所述光束转向元件包括各自或如下的任意组合：转向反射镜，声光偏转器，旋转多面体、电光光束偏转器、电光棱镜、热光棱镜、衍射阵列。
所述模块化自适应光学单元一个实施例利用通过到达所述致动器或有源元件的电子信号控制的所述多个运动轴之间的坐标进行操作。所述模块化自适应光学单元实施例的一个实施例利用通过机械链路控制的这些运动轴之间的坐标进行操作。沿着一个希望控制所述运动轴来引导所述光束的轨迹是不同的。所述模块化自适应光学单元实施例的一个实施例利用用于控制改变所述光束路径的运动轴的轨迹的装置进行操作，使得其跟踪在至少一个输出口或者在通过至少一个输出口接收所述光束的光学系统的限定的平面上的光栅扫描图案。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用光束转向元件来将光束引导到所述自适应光学元件，使得所述光束的中心与所述自适应光学元件的中心主要保持对准，同时相对于所述自适应光学元件的光束的入射角由用于控制所述运动轴的轨迹的装置来改变。所述模块化自适应光学单元的一个实施例使用光束转向元件来接受来自所述自适应光学元件的光，并引导所述光束，使得所述光束的明显的旋转中心相对于位于确定平面中的点保持主要对准，同时光束角由运动轴的轨迹来改变，其中所述确定平面沿着光束路径位于所述光束转向元件之后。
正如前面提到的，可能需要多个自适应光学元件来补偿波前或强度或波前和强度两者的变化。一个模块化自适应光学单元的实施方式包括两个或更多个光束投影模块用于级联多个自适应光学元件，使得每个光束投影模块利用四个或更多个运动轴进行操作的情况。
所述自适应光学扫描系统的一个模块化自适应光学单元的实施例包括如下情况，其中，4f光学转送器用于将所述集成自适应光学元件的有源区域与从自适应扫描系统接收所述光束的光学系统相匹配。一个模块化自适应光学单元实施例包括4f光学转送器用于将入射在所述自适应光学元件的波前转送到共轭平面，所述共轭平面在至少一个所述输出口之前，基本在其上或之后，以使得所述自适应光学扫描系统对接到从至少一个所述输出口接收所述光束的光学系统的情况。图6示出了典型的将用于将波前从一个平面转送到另一个的4f转送器。
一个模块化自适应光学单元的实施方式包括所述4f光学转送器包括反射光学元件，折射光学元件，或者反射和折射光学元件的组合的情况。一种模块化自适应光学单元的实施例包括所述4f光学转送器具有可变放大倍率的情况。一个模块化自适应光学单元的实施例包括一个或多个的4f光学转送器可以用于将所述自适应光学扫描系统对接到从所述自适应光学扫描系统的至少一个输出口接收光束的光学系统，其中所述4f光学转送器有助于克服与在所述光学系统中的光瞳平面和所述自适应光学扫描系统的第一光学元件之间的短距离有关的空间约束的情况。
许多扫描激光系统用在需要脉冲激光器作为光源的应用中。短脉冲激光器提供了将光能的短脉冲串输入到具有相对高的峰值功率的系统中的能力，其中所述光波长范围基本上比CW激光更广泛并且集中在或接近期望的波长。通过脉冲激光器发射的波长谱在某些操作参数的界限之内可根据所述应用定制。如果所述应用需要在光束终止点的脉冲持续时间基本上 接近某些值时，可能需要色散补偿元件或系统来补偿光学材料对所述光学脉冲持续时间的有害影响，从而获得光谱。所述自适应光学扫描系统的一个模块化自适应光学单元的实施例包括可以使用色散补偿元件或系统以补偿在所述色散补偿元件或系统之前通过所述光束“看到”的由光学材料引起的在所述光束中的色散，其或者以预补偿在所述色散补偿元件或系统之后通过所述光束“看到”的由光学材料引起的在所述光束中的色散的情况。一个模块化自适应光学单元的实施例包括所述色散补偿元件或系统可以包括，但不限于多层介电反射镜，光学棱镜，衍射光学元件，全息光学元件，液晶光学元件，可编程衍射光学元件，可编程脉冲整形器，可以作为独立的色散补偿元件或作为组合来获得色散补偿的期望量的情况。
虽然本发明已经描述了一些长度和相对于所描述的几个实施例的一些的特质，这并不意味着应限制于任何这样的细节或实施例或任何特定实施例，但是参考所附的权利要求进行解释，以提供在考虑到现有技术的和这些权利要求，最宽的可能解释，以有效地包含在本发明的预期范围内。另外，前面由发明人以可预见的实施例的形式使说明书起到作用描述了本发明，尽管本发明的非实质性的修改不是目前可预见的，仍然可以代表其等同物。