[發明專利]用于聚焦電磁束的包括聲光偏轉器的聚焦系統

有效

• 申請號: 200980157413.8
• 申請日: 2009-12-30
• 公開（公告）號: CN102334065A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: P.A.馬克;B.羅茲薩;G.卡托納;E.S.維齊;M.維雷斯;A.查卡尼;G.薩萊
• 申請（專利權）人: 菲托尼克斯公司
• 主分類號: G02F1/33
• 分類號: G02F1/33
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 邱軍

技術領域

本發明涉及一種在三維隨機訪問應用中用于聚焦電磁束的聚焦系統，所述系統包括用于在X-Z平面中聚焦電磁束的第一對聲光偏轉器以及用于在基本垂直于X-Z平面的Y-Z平面中聚焦電磁束的第二對聲光偏轉器。

背景技術

三維(3D)隨機訪問激光掃描技術在執行對生物樣本的測量(包括掃描、成像、檢測、激勵等)中非常重要，例如對生物結構成像，或勘查細胞表面受體的熒光標記，或者執行諸如釋放(uncaging)/光模擬(photosimulation)、FRET(熒光諧振能量傳輸；Fluorescence?resonance?energy?transfer)、FLIM(熒光壽命成像；Fluorescence?lifetime?imaging)等的測量。

通常使用的3D激光掃描顯微鏡要么是共焦顯微鏡要么是多光子(雙光子)顯微鏡。在共焦顯微鏡技術中，在探測器前布置針孔，以濾除從不是顯微物鏡的焦平面的任何其它平面反射的光。從而，可以成像位于樣品(例如生物樣本)內的不同深度上的平面。

雙光子激光掃描顯微鏡使用較低能量的激光，需要其中的兩個光子在量子事件中激勵熒光，從而導致熒光光子的發射，接著由探測器探測該所述熒光光子。兩個光子被近似同時吸收的可能性極低，其需要激勵光子的高通量，因此雙光子激勵實際上僅發生在激光光束的焦點中，即通常具有約300nm×300nm×1000nm的尺寸的小橢圓體積中。一般地，使用飛秒脈沖激光器來提供雙光子激勵所需要的光通量，同時保持平均激光束強度足夠低。

當應用上述技術中的任一個時，進行2D或3D掃描的傳統方式是移動樣品臺，例如通過步進馬達；然而，當使用浸沒的樣本腔是或者當利用微電極對生物樣本進行電記錄時，這樣實施很復雜。因此，在分析生物樣本的情況中，通常優選移動激光束的焦點而不是移動樣本。在共焦和多光子顯微鏡中，可以通過偏轉激光束來掃描焦平面(XY平面)的不同點，從而實現樣本的2D掃描。傳統上，通過經由機光偏轉裝置(諸如安裝在檢流計掃描器上的偏轉反射鏡)在給定的焦平面(XY平面)內偏轉激光束來實現此掃描。例如，可以通過將物鏡沿著其光軸(Z軸)(例如使用壓電定位器)位移來實現在測量期間改變焦深(或沿著z軸掃描)。

在傳統設置中使用的機械掃描組件(即掃描反射鏡和顯微物鏡)的慣性在可獲得的掃描速度方面表現出某些限制，這是因為掃描組件需要被物理地移動，以便進行3D掃描。

快速聲光偏轉器(AOD)已被提出作為對傳統機械方案的替代。

Kaplan等(“Acousto-optic?lens?with?very?fast?focus?scanning”，OPTICS?LETTERS/Vol.26，No.14/July?15，(2001))提出了由兩個AOD構成的一種聲光透鏡，其具有對向傳播的相位鎖定的聲波，以獲得沒有光束橫向移動的單純焦點移動。通過聲光裝置改變聲頻率的掃描速率來實現對聲光透鏡的焦點的改變。

在US?7,227,127中使用以上原理來提供3D掃描。通過使用4個聲光偏轉器在菱形狀的結構中在空間上移動光束的焦點，兩個橫向(X和Y)均有兩個聲光偏轉器。橫向掃描是兩個AOD在同一橫向上的衍射的聲頻差的結果，而通過改變相同AOD中的聲頻的掃描速率來獲得深度聚焦(即沿著顯微鏡光軸(稱為Z軸)的焦點位移)。因此，焦點可以在X-Z和Y-Z平面中準獨立地調節，其中，Z是對應于該裝置的光軸的縱向。當X和Y偏轉單元中的頻率掃描速率不完美匹配時，這也導致嚴重的像散。

此外，存在與當前水平的AOD?3D掃描技術關聯的各種問題，諸如空間和時間色散，特別是當與多光子掃描技術組合應用時。

在多光子技術中應用的短的飛秒脈沖必然隱含著，在更短的脈沖中存在更大的頻率寬度(即更大的波長范圍)，導致更大的空間色散(色差)。時間色散(即，脈沖在時間上的拉長)由如下事實導致：不同波長的光以不同的速度傳播通過AOD。

現有技術AOD系統通過應用復雜的色散補償元件一定程度上消除了空間和時間色散。