專利名稱：將輻射源模塊光耦合到多焦點共聚焦顯微鏡的多模光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及多焦點共聚焦顯微鏡領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高分辨率共聚焦激光顯微鏡是現(xiàn)代成像和生物成像技術(shù)中已經(jīng)確立的領(lǐng)域。這 項技術(shù)通過非侵入性光學(xué)切割和抑制脫焦信息在亞微米級解決方案實現(xiàn)清晰的、高放大率 的、三維成像(參見T. Corle和G. Kino的“共聚焦掃描光學(xué)顯微鏡及相關(guān)的成像系統(tǒng)”，學(xué) 術(shù)出版社，San Diego, 1996)。美國專利號為No. 5，579，157的專利公開了一種共聚焦的光 學(xué)掃描儀。傳統(tǒng)的點掃描共聚焦系統(tǒng)將單一的衍射受限的光點投射到一個樣品上，通過將這 個光點成像到獨立的元件檢測器，就能夠檢測到源自該樣品中的光點的熒光或者是反射的 光。在樣品和檢測器之間的共軛像面上設(shè)置的一個獨立的針孔抑制了脫焦的光并產(chǎn)生共聚 焦效果。通過以設(shè)計的掃描光點的方法來照射焦平面，例如，通過光柵掃描，可以逐點創(chuàng)建 樣品的圖像。通過光學(xué)移動焦平面或者移動樣品，可以將多個焦平面成像，并可以創(chuàng)建3D 的圖像。使用光纖作為靈活的激光傳輸子系統(tǒng)已經(jīng)很多年了，并且事實證明在共聚焦顯微 鏡中這樣尤其有用。對于傳統(tǒng)的點掃描共聚焦顯微鏡，唯一可以被有效利用的光纖是單模 光纖。從單模光纖頂端發(fā)射的光被認為是相當于從一個衍射受限的光源發(fā)射出來的。該光 纖的末端在衍射受限尺寸或近似衍射受限尺寸時通過針孔在樣品上被重新成像。單模光纖是被設(shè)計用于作為傳輸單一空間模式光的載波的一種光纖。這種模式的 光可以包含多種不同的波長，盡管可以被傳輸?shù)牟ㄩL范圍是光纖纖心直徑的函數(shù)。典型的 單模光纖纖芯直徑僅比其傳輸?shù)墓獾牟ㄩL大一點，例如，傳輸波段在約488nm的光纖，其纖 芯直徑大約是3. 5微米。由單模光纖發(fā)射并能夠被耦合到該單模光纖的光錐角是由光纖的 數(shù)值孔徑(NA)表征的。單模光纖的數(shù)值孔徑NA是光纖纖芯和包層的折射率差的函數(shù)。從 單模光纖發(fā)出的光的分布與高斯形狀非常相似，其寬度由光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。由于光纖纖芯的直徑很小，單模光纖經(jīng)常與激光光源一起使用，其他輻射源很難 甚至不可能有效的耦合到單模光纖。共聚焦技術(shù)的并行應(yīng)用是最近發(fā)展的技術(shù)，通過使用各種不同的光學(xué)裝置，許多 近似衍射受限的光點被投射到樣品上或者是投射到樣品里。這些光點中的每一個都通過共 軛焦面上對應(yīng)的針孔成像到一個圖像傳感器，如CCD照相機鏡頭，實際上，該系統(tǒng)就像是很 多點掃描共聚焦系統(tǒng)同時并行操作。目前，市場上有一些基于這種概念的商業(yè)實現(xiàn)方式，一 般是指復(fù)共聚焦系統(tǒng)。復(fù)共聚焦系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方式是利用一個包括數(shù)千個針孔圖案的旋轉(zhuǎn)盤。這 種旋轉(zhuǎn)盤共聚焦系統(tǒng)的一個例子是包含尼普科夫(Nipkow)圓盤的系統(tǒng)。例如，采用了 尼普科夫圓盤方法帶有微透鏡的復(fù)共聚焦系統(tǒng)的使用已經(jīng)被Mikuriya等的公開號為 No. 2007/0096014的美國專利所公開。這些微透鏡產(chǎn)生許多焦點，利用微透鏡或者其他聚焦裝置產(chǎn)生多個焦點的共聚焦系統(tǒng)就是被提到的多焦點共聚焦系統(tǒng)，是復(fù)共聚焦系統(tǒng)的一個 子集。在公開號為No. 2007/0096014的美國專利披露的文件中，激發(fā)激光通過聚光透鏡 耦合到光纖入射端，并由光纖引導(dǎo)至共聚焦掃描單元的入口。由光纖頂端發(fā)射的發(fā)散激發(fā) 光束通過準直透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束射向帶有微透鏡陣列的盤，這個帶有微透鏡 陣列的盤將激發(fā)激光聚焦到與其在同一軸線上的針孔盤(尼普科夫圓盤)，這樣，每一個透 鏡將射在其上的光聚焦到對應(yīng)的針孔。多個激發(fā)光束由物鏡會聚到一個樣品，熒光和/或 來自樣品的反射光再次通過該物鏡，從相同的針孔返回，由位于微透鏡盤和尼普科夫圓盤 之間的分光鏡反射，之后，圖像通過中繼鏡聚焦到圖像傳感器。在這樣一個裝置中，尼普科夫圓盤與微透鏡盤以恒定的速度同步旋轉(zhuǎn)，樣品上的 會聚光點與旋轉(zhuǎn)帶動的針孔一起被掃描。尼普科夫圓盤平面、樣品中被觀測平面、和圖像 傳感器平面被排列成在光學(xué)上的相互連接，這樣，一個光學(xué)切面圖像，也就是樣品的共聚焦 圖像，在圖像傳感器上形成。像上述這樣的系統(tǒng)由日本的橫河電機株式會社生產(chǎn)并命名為 CSU-10, CSU-21,CSU-22 and CSU-Xl0還有其他使用微透鏡實現(xiàn)的多焦點共聚焦系統(tǒng)，他們主要的區(qū)別在于微透鏡款式 的幾何形狀和移動微透鏡及針孔的掃描機制。這樣的系統(tǒng)的一個例子是由英聯(lián)邦的森德蘭 VisiTech國際有限公司生產(chǎn)的叫做“Infinity”的系統(tǒng)。多焦點共聚焦系統(tǒng)的發(fā)光方法和傳統(tǒng)的點掃描系統(tǒng)類似，都是使用單模光纖，在 這種情況下，微透鏡將光纖末端成像到許多衍射極限或接近衍射極限的并行針孔。單模光 纖也會產(chǎn)生一個平滑的高斯光分布，以使得微透鏡之間的光分布得相對均勻。與共聚焦點 掃描系統(tǒng)一樣，多焦點共聚焦系統(tǒng)的典型輻射源是激光或者是通過單模光纖耦合多束激 光。還有一些將單模光纖耦合到多焦點共聚焦系統(tǒng)的其他方式。如果只將一個輻射源光學(xué)耦合到單模光纖，這個輻射源必須被改變以便利用不同 波長的光(來自激光器或者其他輻射源)來激發(fā)樣品。Miyai的專利號為No. 6，603，780的 美國專利描述了，例如，如何通過在不同波長的輻射源之間切換將激光輸入到單模光纖以 實現(xiàn)共聚焦顯微鏡的多波長操作。由于上述原因，傳統(tǒng)的裝置是有問題的，因為不可能同時 觀測到其他類型的激發(fā)輻射光產(chǎn)生的不同類型的熒光。另外一個問題是，將輻射源連接到 光纖相連或者將從光纖拆下都需要額外的時間，并且將輻射源連接光纖從光纖上拆下時引 起的振動還會造成樣品的移動。在公開號No. 2003-270543的日本專利中，另外一種方法是利用許多不同波長的 激光耦合到同樣多的單模光纖，每個單模光纖的頂端有一個單獨的耦合到激光束合成裝置 的校準儀，該合成裝置用于將許多激光束合成并使得這些多波長的激光束作為激發(fā)光入射 到共聚焦子系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的主要缺陷是激光束合成裝置過于龐大和復(fù)雜，并且整個基于 單模光纖的光傳輸系統(tǒng)及其各個組件和子系統(tǒng)的熱性能和時間性能的穩(wěn)定性需求也很高。在Mikuriya等的專利號為No. 7，190，514的美國專利中公開了現(xiàn)有技術(shù)的另外一 種實現(xiàn)方法，將許多激光耦合到數(shù)量與激光數(shù)量成一定比例的單模光纖，這些單模光纖被 捆綁在一起形成多芯光纖電纜。從多芯光纖電纜頂端出來的光由透鏡變成平行光并發(fā)射到 微透鏡盤上。緊密(125微米)捆綁在一起的光纖提供幾乎同時發(fā)出的不同波長的光點到針孔盤，這些光點的軸心差與針孔的50微米的的直徑相比要小得多。這樣，可以利用許多 類型的激發(fā)光和正如留下的傳統(tǒng)微透鏡來觀察熒光，而不需要再將輻射源連接到光纖或者 從光纖上拆下來。在某些應(yīng)用中使用單模光纖是有缺點的，實際中，使用單模光纖的系統(tǒng)僅限于使 用以很小的集光率發(fā)光的輻射源，如光束質(zhì)量良好(例如，其光束質(zhì)量因素M2 < 1.2)的激 光器。具有良好光束質(zhì)量的激光源可以耦合到單模光纖，耦合的效率在45%到85%之間， 盡管實際中，這個效率經(jīng)常會更低，光束質(zhì)量較差的激光器的耦合效率甚至更低。單模光纖 只能在有限的光譜范圍之內(nèi)這樣操作，波長超過給定上限的光纖就太小了，以致于不能傳 輸光，波長低于下限時，光就不再以單模的方式傳輸了。對于需要均勻照明的系統(tǒng)，單模光 纖輸出強度的高斯分布比理想的要差，只有高斯光束的中間部分經(jīng)常用到，這樣，強度的變 化要小于某個數(shù)，例如20%。這樣的系統(tǒng)中，需要在整個像平面光分布的均勻性和光的利用 效率之間進行均衡，因為高斯光束的其他部分都被丟棄了。使用單模光纖的另外一個缺點是激光到光纖的對齊需要的熱性能、機械性能、時 間性能的穩(wěn)定性很高，并且這樣一個穩(wěn)定系統(tǒng)的生產(chǎn)造價很高。設(shè)計一種提供穩(wěn)定的從激 光到光纖的耦合方法和構(gòu)造耦合多個激光到單模光纖的系統(tǒng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。還有另外一類復(fù)共聚焦掃描儀，這類復(fù)共聚焦掃描儀不采用微透鏡來會聚透過相 應(yīng)針孔的光。這種系統(tǒng)將尼普科夫圓盤或者其他類似的針孔盤直接設(shè)置在平行光徑上，并 不將通過針孔的光聚焦。在某些這樣的系統(tǒng)中，針孔是一些小狹縫，這些系統(tǒng)的光利用率較 低，因為許多光被尼普科夫圓盤或類似盤的不透明部分擋住了，這樣的系統(tǒng)通常不用單模 光纖將光耦合到微透鏡，而是通常使用弧光燈作為輻射源。上述的應(yīng)用于復(fù)用系統(tǒng)的多焦點方式的主要優(yōu)點在于激發(fā)光中通過針孔的部分 更多，這樣會提供更高的效率，但是同時也會造成進入光系統(tǒng)的散射光更少，而這又是整個 系統(tǒng)性能的一個限制因素?！胺涓C結(jié)構(gòu)和裝置中基于汞弧燈的多色共聚焦實時成像系統(tǒng)”(蜂窩結(jié)構(gòu)和裝置， 第3卷，133-141頁，2008，Saito等)公開了使用纖芯直徑為Imm的多模光纖將弧光燈耦合 到橫河電機的(Yokogawa) CSU-10，報告稱從多模光纖末端耦合到該CSU的光的效率是1 %， 雖然并不清楚是怎樣測量的，但是這個數(shù)據(jù)卻顯示光的利用效率很低。Saito等沒有將該光 纖與激光器連接，而僅僅是跟寬帶弧光燈源相連。此外，使用這樣一個大光纖，大部分丟失 的光從針孔盤的背面被散射，這樣會導(dǎo)致對比度損失的可能性更高。

發(fā)明內(nèi)容
將光從輻射源模塊傳輸?shù)絾吸c掃描顯微鏡必須使用單模光纖。按照常規(guī)，單模光 纖已經(jīng)被用于將光從輻射源模塊傳輸?shù)蕉嘟裹c共聚焦顯微鏡的多焦點共聚焦子系統(tǒng)，因為 本領(lǐng)域的技術(shù)人員認為單模光纖是需要的。發(fā)明人已經(jīng)意識到單模光纖并不是必須的。本發(fā)明的一個目標是設(shè)計一個輻射光 傳輸模塊用于在多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)中以合理的效率將光從輻射源模塊傳輸?shù)斤@微 鏡。效率可通過比較從輻射光傳輸模塊發(fā)出的光的數(shù)量和實際上到達顯微鏡樣品的光的數(shù) 量來評估。多焦點共聚焦顯微鏡包括多個針孔，入射到多焦點共聚焦顯微鏡上的光被許多 聚焦元件聚焦，這些聚焦元件將入射光聚焦到針孔上。因此實際到達顯微鏡的光就是通過
6多個針孔傳輸?shù)墓獾目偤停c其相對的情形是點掃描共聚焦顯微鏡，點掃描共聚焦顯微鏡 中到達顯微鏡的光僅僅是透過一個針孔傳輸?shù)墓?。因此，可以使用一個包括含有纖芯直徑 比單模光纖大的光纖的輻射光傳輸模塊將光從輻射源模塊傳送到多焦點共聚焦顯微鏡。這 種光纖的使用將降低輻射光傳輸模塊和輻射源模塊的耦合對機械和溫度影響的敏感性，因 此能使多種輻射源和波長應(yīng)用在多焦點共聚焦顯微鏡里。集光率是光學(xué)系統(tǒng)中用于計量光的潛在流量的度量標準。只要從多模光纖發(fā)出并 入射到多焦點共聚焦子系統(tǒng)的光的集光率實質(zhì)上不超過(例如，1.5倍或更多)實際上通過 多個針孔的光的集光率，從多模光纖傳送到顯微鏡樣品的光就能夠達到一個合理的效率。 只有集光率等于通過多個針孔的光的集光率的光可被用于照射顯微鏡樣品。通過多個針孔 的光的集光率相對于多模光纖發(fā)出的光的集光率決定了效率。因此，光纖的纖芯直徑可以足夠大使得所述光纖對于在其內(nèi)傳輸?shù)牟ㄩL來說甚至 是一種多模光纖，但是為了達到合理的效率，纖芯直徑也不能太大。像這里描述的這樣，從輻射源模塊發(fā)出的光被引導(dǎo)通過多模光纖到多焦點共聚焦 顯微鏡。可以用一個相位隨機發(fā)生器使光的相位隨機化。輻射源模塊可以包括一個輻射源 或者任何輻射源的組合。一個輻射源大致包括激光器，固態(tài)輻射源，超級發(fā)光的二極管，發(fā) 光二極管和弧光燈。另外，該輻射源模塊還可以包括中間光纖或者光導(dǎo)，將光從輻射源傳送 到連接多焦點共聚焦顯微鏡的多模光纖。纖芯直徑小于800微米的多模光纖在考慮范圍之 內(nèi)，纖芯直徑實質(zhì)上不超過300微米的多模光纖在考慮范圍之內(nèi)，纖芯直徑實質(zhì)上為200微 米的多模光纖也在考慮范圍之內(nèi)。從多模光纖發(fā)出并入射到多焦點共聚焦子系統(tǒng)上的光的 集光率實質(zhì)上不超過實際上通過多焦點共聚焦子系統(tǒng)的多個針孔的光的集光率。


本發(fā)明公開的技術(shù)以例子的方式進行說明并且不限于附圖，附圖中相同的參考數(shù) 字表示對應(yīng)的、相同功能的或者相似的元件，其中圖1顯示了將光纖耦合到點掃描共聚焦顯微鏡內(nèi)的單個針孔的一系列光學(xué)器件 示例的原理；圖2顯示了將光纖耦合到多焦點共聚焦顯微鏡內(nèi)的多個針孔的一系列光學(xué)器件 示例的原理；圖3顯示了一個顯微鏡系統(tǒng)示例的簡化結(jié)構(gòu)圖，該顯微鏡系統(tǒng)包括一個通過輻射 光傳輸模塊耦合到多焦點共聚焦顯微鏡的輻射源模塊；圖4顯示了可被用于圖3所示顯微鏡系統(tǒng)示例的耦合到光纖的輻射源模塊示例的
原理；圖5-10顯示了可被用于圖3所示顯微鏡系統(tǒng)示例的輻射光傳輸模塊的不同示例 簡化結(jié)構(gòu)；圖11顯示了可被用于圖3所示顯微鏡系統(tǒng)示例的多焦點共聚焦顯微鏡示例原 理；圖12-14顯示了顯微鏡系統(tǒng)的不同示例的原理。應(yīng)該認識到，為了能夠簡潔清楚的說明，圖中所畫的組件不一定按比例描繪。例 如，為了清楚，一些元件的尺寸相對于其他組件可能被放大了。
具體實施例方式除了使用纖芯直徑Imm的多模光纖將弧光燈耦合到一個橫河電機的(Yokogawa) 旋轉(zhuǎn)盤這種已經(jīng)被Saito等介紹過并且將在下面詳細介紹的技術(shù)以外，使用單模光纖將激 發(fā)光從輻射源引導(dǎo)至共聚焦裝置已經(jīng)被專門實現(xiàn)了，單模光纖被本領(lǐng)域技術(shù)人員公認為是 唯一一種可以被有效的用于傳統(tǒng)點掃描共聚焦顯微鏡的光纖。因為本領(lǐng)域技術(shù)人員假設(shè)所 有共聚焦顯微鏡，包括最近剛剛發(fā)明的多焦點共聚焦系統(tǒng)，都必須使用單模光纖，因此，在 所有的共聚焦顯微鏡中都使用單模光纖的習(xí)慣就被延續(xù)下來，甚至包括最近剛發(fā)明的多焦 點共聚焦系統(tǒng)。盡管單模光纖的成本高，存在各種挑戰(zhàn)，也知道將由非激光輻射源發(fā)射的光 高效耦合到單模光纖的復(fù)雜性，仍舊沒有任何跡象表明努力以好的以至更合理的效率在多 焦點共聚焦應(yīng)用中使用多模光纖傳輸輻射光，也沒有任何跡象表明嘗試在多焦點共聚焦微 透鏡系統(tǒng)中將多模光纖與除了弧光燈以外的其他輻射源一起使用。Saito等報告了使用纖芯直徑Imm的多模光纖將一個弧光燈耦合到一個多焦點共 聚焦顯微鏡，這里，多模光纖被認為是用于將由弧光燈發(fā)出的寬帶光耦合到橫河電機旋轉(zhuǎn) 盤的3mm或者5mm的光導(dǎo)管的替代品。因為多模光纖的纖芯直徑很大，微透鏡并不將光有 效的聚焦通過針孔，而是在每個針孔產(chǎn)生一個比針孔大幾倍的大光點。因此，實際上只有一 小部分光經(jīng)過針孔傳輸，而大部分光都從針孔盤上散射掉了。在Saito等公開的系統(tǒng)中，光 的利用效率很低，散射的光很多，這就意味著喪失了多模光纖方式的主要優(yōu)點。發(fā)明人意識到，由于多焦點共聚焦系統(tǒng)使用多個聚焦的光點，這些系統(tǒng)不存在傳 統(tǒng)的點掃描系統(tǒng)中對光纖纖芯直徑的限制，因此，發(fā)明人提議使用多模光纖來傳輸輻射光 至多焦點共聚焦顯微鏡。輻射光傳輸系統(tǒng)的細節(jié)被提供，該系統(tǒng)通過纖芯直徑和數(shù)值孔徑適于合適的光利 用效率和圖像質(zhì)量的多模光纖將光射入多焦點共聚焦顯微鏡，這樣，共聚焦觀察可以適當 的效率通過使用許多類型的激發(fā)光和多模光纖來實現(xiàn)。輻射源的例子包括激光器、發(fā)光二 極管、固態(tài)輻射源、超發(fā)光二級光以及弧光燈，當然其他的輻射源也在考慮范圍之內(nèi)，這些 輻射源可以被有效的用于多焦點共聚焦顯微鏡。一種多焦點共聚焦顯微鏡的實現(xiàn)方式是使 用微透鏡將光聚焦到許多衍射受限或接近衍射受限的焦點。其他實現(xiàn)方式利用其它類型的 聚焦元件將光聚焦到許多衍射受限或接近衍射受限的焦點，例如，反射聚焦元件或衍射聚 焦元件。由于有多個聚焦的光點而不是一個光點，此處介紹的技術(shù)依據(jù)的物理原理是有作 用的。旋轉(zhuǎn)盤多焦點共聚焦系統(tǒng)在針孔盤平面上有多個聚焦的光點，這是與針孔盤平面上 只有一個單獨光點的傳統(tǒng)點掃描共聚焦顯微鏡相比。一個具有給定的接近衍射受限大小的 給定的共聚焦針孔或是有效的針孔，當利用幾何光學(xué)元件反射回輻射源時，有效的引起了 能夠耦合到系統(tǒng)的光源的幾何尺寸大小。利用更多并行的聚焦元件，如微透鏡陣列，必然減 少了聚焦元素的有效焦距并增加光源的幾何尺寸。如果輻射源是光纖，光源尺寸的增加對 應(yīng)于從需要單模光纖的尺寸到允許有效的利用多模光纖的尺寸的轉(zhuǎn)變。此處介紹的技術(shù)的一個方面是利用包含多模光纖的輻射光傳輸系統(tǒng)將光傳輸?shù)?多焦點共聚焦子系統(tǒng)，多模光纖是被設(shè)計用于在寬的波長范圍內(nèi)同時承載多種光線或模式 的一種光纖，可以被簡單的看成是長光管。多模光纖比單模光纖具有更高的“光聚集”容量。
8實際上，更大的光纖纖芯直徑簡化了從光源到光纖的耦合從而使得多種輻射源和波長都可 以被使用。另一方面是利用相位(或空間)隨機發(fā)生器消除在使用相干輻射光源(如激光 器)和多模光纖的時候引起的斑點的影響。相位隨機發(fā)生器的一種實現(xiàn)方式是包含一個通 過引起多模光纖的一部分的振動來消除由激發(fā)激光的時間相干屬性造成的斑點的機械振 動驅(qū)動器?？蛇x的或是此外，該相位隨機發(fā)生器還可以在多模光纖的輸入端或頂端附近或 者在多模光纖的末端的共軛像平面設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)散射器，也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知 的其他相位隨機化方式。采用非相干輻射光源如發(fā)光二極光時，相位隨機化的過程也可以 被省略。包含輻射源模塊和輻射光傳輸模塊的發(fā)光系統(tǒng)是一個對多焦點共聚焦顯微鏡尤 其有用的高效的基于光纖的光系統(tǒng)，該系統(tǒng)從激光器到光纖耦合時具有很高的效率(> 60 在一個寬的波長范圍內(nèi))，并且可被用在由多焦點共聚焦顯微鏡中用于傳輸輻射光的光纖 的材料確定的很寬的傳輸范圍。多模光纖輻射光傳輸系統(tǒng)對機械和溫度的影響的敏感度比單模光纖輻射光傳輸 系統(tǒng)要小。應(yīng)該提到的是，由于有多個聚焦的光點而不是一個單獨的光點，這里描述的技術(shù) 中包含的物理原理是能夠起作用的，光在衍射極限或者其附近入射到樣品上，這就要求針 孔也在衍射極限或其附近，針孔的大小由多焦點共聚焦顯微鏡的光學(xué)器件、光的波長和多 焦點共聚焦顯微鏡中使用的物鏡的數(shù)值孔徑及放大倍數(shù)共同決定，通常針孔直徑為10微 米到50微米。參考圖1和圖2，這兩個圖分別描述了將輻射源(如光纖)發(fā)出的光聚焦到一個點 和多個點的通常做法，其物理原理將被解釋。圖1中顯示，光學(xué)器件將光從纖芯直徑為Df、數(shù)值孔徑為NAf(與提到的半角相關(guān)) 的光纖102入射到單獨的直徑為Dp的針孔108。焦距為F1的透鏡104將從光纖102發(fā)出 的光變成平行光之后入射到焦距為F2的透鏡106，在透鏡106的焦點處設(shè)置針孔108，透過 針孔108的光的數(shù)值孔徑NAms與包含物鏡的顯微鏡的光學(xué)器件相匹配。理想情況下，透鏡 106的數(shù)值孔徑與從放置針孔108的像平面處測量得到的顯微鏡的最大數(shù)值孔徑相匹配。 透鏡106的數(shù)值孔徑將確定針孔108的入射光的衍射受限點的直徑。一般地，沒有損失的情況下，衍射受限點的直徑可被假設(shè)等于針孔108的直徑，如 果從相反的方向，即從針孔108到光纖102的方向考察這個系統(tǒng)，光纖102末端的針孔108 的圖像直徑Dpi將等于針孔108的直徑Dp乘以焦距&和焦距F2的比值，參見等式1
FDpi =-Dp(1)
F2任何具有定義的NAf且纖芯直徑不超過Dpi (即Df彡Dpi)的光纖102將光入射通過 非阻塞的針孔108，在這種情況下，Dpi是衍射受限直徑，因此，從光纖102發(fā)出的光應(yīng)該最好 被衍射限制，因此，單模光纖是適用的。圖2顯示了將光從光纖202經(jīng)過包含許多獨立的微透鏡208的微透鏡陣列206入 射到包含許多和圖1中一樣的獨立的針孔108的針孔陣列210的光學(xué)器件。光纖202的纖 芯直徑為D/和數(shù)值孔徑NA/。從光纖202發(fā)射的光經(jīng)過焦距為F3透鏡204變成平行光，變成平行光之后的光入射到微透鏡陣列206，每個微透鏡208的直徑是D4,焦距是F4。在每 個微透鏡的焦點處放置一個獨立的屬于針孔陣列210的針孔108。再一次，經(jīng)過每個針孔 108的光的數(shù)值孔徑NAms與包含物鏡的顯微鏡的光學(xué)器件相匹配。在與圖1中的單個微透 鏡106和單個針孔108 —樣的假設(shè)下，針孔陣列210中的針孔108可以被入射向光纖202， 與等式1相類似，光纖202末端的針孔108的圖像直徑為Dp廣，計算公式見等式2 Dtpi = 1^-Dp(2 )
Fa由于F3和F4的典型取值，照射針孔陣列210的光纖202的纖芯直徑，比照射針孔 108的光纖102的纖芯直徑要大得多。任何具有定義的NA/并且纖芯直徑不超過Dpi* (即D/ ( Dpi*)的光纖202，將光入 射通過非阻塞的針孔陣列210的針孔108。例如，圖2中的元件具有如下的光幾何尺寸透 鏡204的焦距F3 = 90mm，每個微透鏡208的焦距F4 = 15mm，針孔陣列210的每個針孔108 的直徑Dp = 50微米?；谶@個幾何尺寸，光纖202末端的針孔108的圖像直徑Dpi* = 300 微米。因此，使用纖芯直徑D/不超過300微米的多模光纖的效率比較高。在這個例子中， 需要提到的是，使用纖芯直徑D/實質(zhì)上不超過(如，一個1. 5倍或更多)300微米的多模光 纖仍舊達到合理的效率?？蛇x的，如果針孔陣列210中的針孔108的焦點的估算直徑?jīng)]有超過每個針孔108 的實際直徑，也應(yīng)該能達到高的效率，參見等式3。但是，如果針孔陣列210中的針孔108的 焦點的估算直徑實質(zhì)上沒有超過(如，1.5倍或更多)針孔108的實際直徑依舊達到合理的效率。Df y^ DP(3〉上述計算方法應(yīng)用于特定的光學(xué)幾何尺寸，這個概念更通常地用集光率Ω來表 示。從光纖發(fā)出的光的集光率Ω ^皮定義為發(fā)射光對著的立體角(solid angle)和光纖末 端面積的乘積。嚴格的講，這個集光率應(yīng)該用整個光纖末端面積的二重積分來表示。這個 被積函數(shù)包含了極微小的立體角和極微小的元件面積的乘積，然而對于這里的目的來說， 這種簡化的表示方法已經(jīng)足夠了。光學(xué)器件的物理原理表明，如果以相同的折射率測量，光 的集光率將通過成像系統(tǒng)被保留。這種計算可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)不同的折射率進行 修改。同樣，能夠穿過針孔108的光的最大的集光率Ω ρ也可以表示為針孔108的面積和 通過針孔108的光的最大立體角的乘積。在點掃描共聚焦系統(tǒng)中，如果所有從光纖102末 端發(fā)出的光都將穿過針孔108，從光纖102發(fā)出的光的集光率Qf不能超過能夠從針孔108 通過的光的最大集光率Ωρ，或者是Ωρ。因此，從由光纖102發(fā)出的且能夠有效的傳 輸通過針孔108的光的集光率Ωρ的最大值就是Ω ρ。如果這個條件不滿足，那么從光纖102發(fā)出的光中，有一部分將不能通過針孔 108，并且，在點掃描共聚焦系統(tǒng)中，這些光就丟失了。實際通過針孔108的光的集光率被定 義為Ω/，在這種情況下，Ω/應(yīng)該小于Ωρ。如果Ω/<< ΩF，那么大部分光都丟失了。因 此，在點掃描共聚焦系統(tǒng)中使用纖芯直徑大的光纖將會導(dǎo)致很低的光利用效率。集光率的原理可以被運用到多焦點共聚焦系統(tǒng)中，能夠通過圖2中的針孔陣列
10210的針孔108的光的最大的集光率與圖1中的針對單針孔108的最大集光率是同一個集 光率Ωρ。在多針孔系統(tǒng)中，能夠采用大集光率發(fā)射光的光纖202的使用要求從光纖202發(fā) 出的光中只有部分通過針孔陣列210中任何給定的針孔108，然而，由于針孔陣列210有很 多針孔108，沒有從給定的針孔108中通過的光還可以從另外一個針孔中通過。通過整個 針孔陣列210的光的總集光率Ω /是相關(guān)的數(shù)量N · Ω ρ，其中N是針孔陣列210中被照射 的針孔108的總數(shù)。如果從光纖202末端發(fā)出的光全部通過針孔陣列210的針孔，從光纖 202發(fā)射的光的集光率Qf不能超過能夠通過針孔陣列210的所有針孔108的的光的總集 光率Ω/，參見等式4給定的情況。ΩΡ ^ N · Ωρ(4)因此，從光纖202發(fā)射并且能夠有效的傳輸通過針孔陣列210的光的最大集光率 Ω F是單針孔108的情況的N倍。針孔陣列210中眾多的獨立針孔108使得從光纖202發(fā) 出的光的集光率Ωρ比圖1中的單針孔系統(tǒng)大許多倍。考慮到光學(xué)設(shè)計經(jīng)常效率低下，實際 上，高的效率要求從光纖發(fā)出的光的集光率Qf稍大于(不是大幅度的)在理想情況下計算 出來的值，即Ωρ> Ω/，但不是Qf>> Ω/。透鏡陣列206的透鏡208之間的陰影部分是 效率低下的一個例子，其他一些效率低下的例子對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是很明顯的。圖2中描述的將從光纖202發(fā)出的光耦合到針孔陣列210的許多針孔108的方法 是一種實現(xiàn)方式，其他一些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的方法也是可能的。集光率原 理是最常規(guī)的用于解釋為什么從光纖發(fā)出的大集光率的光可以以合適的效率用于多焦點 共聚焦系統(tǒng)，但是，在特定的光學(xué)解決方案中使用的光纖的纖芯直徑經(jīng)常可以更容易的通 過可替代的計算公式(如等式3中用到的)計算得到。圖3是多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)300的簡化的結(jié)構(gòu)圖，包括經(jīng)過輻射光傳輸模塊 304耦合到多焦點共聚焦顯微鏡306的輻射源模塊302。輻射源模塊302產(chǎn)生并隨意調(diào)節(jié)輸入到輻射光傳輸模塊304的光，輻射源模塊302 可以產(chǎn)生多種用于在共聚焦顯微鏡中照射的不同波長的輻射光，可有效的被樣品反射或者 散射的特殊的輻射光，或者可以激發(fā)樣品中的熒光的輻射光。根據(jù)具體的應(yīng)用，為了實現(xiàn)這 個目的，輻射源模塊302可以有幾個輻射源和/或波長，例如圖4中詳細描述的一種輻射源 模塊。輻射光傳輸模塊304的一個作用是將從輻射源模塊302發(fā)射的光引導(dǎo)到多焦點共 聚焦顯微鏡306，該輻射光傳輸模塊304包含至少一根多模光纖。圖5-10詳細描述了幾種 輻射光傳輸模塊的例子。多焦點共聚焦顯微鏡306包含產(chǎn)生多焦點共聚焦效果的多焦點共聚焦子系統(tǒng) 308，顯微鏡310將從多焦點共聚焦子系統(tǒng)308中射出的輻射光聚焦到一個樣品并且引導(dǎo)從 樣品射出的輻射光返回到多焦點共聚焦子系統(tǒng)308，光檢測和成像單元312檢測由顯微鏡 310捕獲的來自多焦點共聚焦子系統(tǒng)308經(jīng)過傳輸?shù)妮椛涔?，并將這些光成像。圖11詳細 描述了多焦點共聚焦顯微鏡306的一個例子。圖4是輻射源模塊的原理圖，輻射源模塊402是輻射源模塊302的一個示例。示例的輻射源模塊402包含能夠發(fā)射一種或多種波長光的輻射源404，還包括光 控制和調(diào)節(jié)單元408、光合并單元416和光耦合單元422。輻射源404可以包含一個或多個獨立的輻射源406，輻射源406有一個或多個電源(圖中未畫出)并能產(chǎn)生各種不同的波長在UV-visible-NIR(紫外線-可見光-近紅外 線)的范圍內(nèi)的輻射光。多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方式是使用激光器作為輻 射源406，但是，其他的實現(xiàn)方式也可以使用任何能夠產(chǎn)生可以被耦合到多模光纖的光的光 源，例如發(fā)光二極管(LEDs)、固體元器件、超級發(fā)光二級光(SLDs)、弧光燈或者其他對于本 領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯合適的輻射源。光控制和調(diào)節(jié)單元408的光學(xué)器件被設(shè)計為用于提供由具有預(yù)定截面直徑的聚 光鏡424引導(dǎo)進入光纖428的輸入連接器426的輻射光束，該光控制和調(diào)節(jié)單元408可以 包含一個或多個光控制和調(diào)節(jié)子單元410，每一個光控制和調(diào)節(jié)子單元410對應(yīng)于一個獨 立的輻射源406，為了簡單起見，每一個光控制和調(diào)節(jié)子單元410以簡單的由正透鏡414和 負透鏡412構(gòu)造的伽利略可伸縮光束擴展器作為原理示意，光控制和調(diào)節(jié)子單元410另一 實施方式可以包含變形棱鏡或圓柱形的光學(xué)器件以提供一個橢圓形的具有圓形屬性的激 光束，和/或光束整形裝置以調(diào)整實現(xiàn)光強分布更均勻(例如US2007096014中公開的用于 以預(yù)定的光強分布將一束從光纖頂端出來的光轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€平行光束的裝置)。光控制和調(diào) 節(jié)子單元410可以包含附加的光束整形裝置以實現(xiàn)光強分布更均勻或者是在多焦點共聚 焦顯微鏡306包含的微透鏡陣列盤平面上獲得預(yù)定的強度概況。這種附加的光束整形裝置 將被本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。光控制和調(diào)節(jié)子單元410可以隨意包含控制獨立的輻射源電源和/或波長的裝 置，以便優(yōu)化微成像條件(圖中未畫出)，例如，在輻射源406是激光器的情況下，相應(yīng)的光 控制和調(diào)節(jié)子單元410可以包含一個聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)，或者可以選擇一個機械快 門后面跟一個連續(xù)變化的中性濾光器輪。附加的光控制裝置將被本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。光合并單元416包含將從光控制和調(diào)節(jié)單元408出來的不同波長的平行光束合并 在一起的光學(xué)元件，并將合并后的光發(fā)射到光耦合單元422。光合并單元416可以包含任何 形式的光學(xué)器件并且可以包含，例如，一個或多個折疊式反射鏡418，分色鏡420，和任何其 他對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯合適的光學(xué)元件。光耦合單元422可以包含將預(yù)定直徑的多波長平行光束聚焦到光纖428的輸入連 接器426的輸入面的透鏡424，透鏡424可以有一個短焦距F，并可以是準直鏡、小型物鏡或 者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員認為明顯合適的透鏡。選擇或設(shè)計多色平行光束的截面直徑d和透 鏡424的焦距以獲得輸入聚焦光束一個特定的與由多模光纖頂端的輸出連接器發(fā)射的發(fā) 散光束生成的NA/成比例并且很接近的NAin(圖12中有詳細描述)。輻射源模塊302發(fā)出的光經(jīng)過輻射光傳輸模塊304耦合到多焦點共聚焦顯微鏡 306，圖5-10描述了輻射光傳輸模塊304的幾個例子。圖5-8中，示例的輻射光傳輸模塊包含多模光纖504，輸入連接器(圖中未畫出) 被連接到或者是可連接到多模光纖504的輸入端，輸出連接器(圖中未畫出)被連接到或 者可連接到所述多模光纖504的頂端。輸入連接器和輸出連接器可以有很多類型，如FC性 連接器或其他任何本領(lǐng)域技術(shù)人員認為明顯合適的連接器。圖5顯示了一個包含多模光纖504的示例性輻射光傳輸模塊502。在輻射源406是相干輻射光源(如激光器)的情況下，輻射光傳輸模塊可以進一 步包含相位隨機發(fā)生器用于抑制由于相干輻射光的時間相干屬性出現(xiàn)的斑點。例如，圖6中一個示例性的輻射光傳輸模塊602包含相位隨機發(fā)生器604和多模光纖504，相位隨機發(fā)生器604包含機械振動驅(qū)動器606用于在多模光纖504的某個部分產(chǎn) 生振動，機械振動驅(qū)動器606被機械耦合至光纖504的該產(chǎn)生振動的部分，例如，機械振動 驅(qū)動器606可以連接到多模光纖中被卷起來并且由可保持的夾子(圖中未畫出)松散的夾 住的那一部分，這樣使得多模光纖504的很長一段都能夠振動。由機械振動驅(qū)動器606引 起的振動可以導(dǎo)致多模光纖504中的獨立光線之間的光徑長度迅速變化，使光的相干效應(yīng) 隨機化，結(jié)果就抑制了樣品(斑點)圖像幅度的空間調(diào)制。機械振動驅(qū)動器606可以根據(jù) Ellis等(J.Cell Biol. 83 :303a, 1979)構(gòu)造和/或包括一個壓電傳動器，或任何本領(lǐng)域技 術(shù)人員認為能夠產(chǎn)生合適振動的電機裝置，例如，機械振動驅(qū)動器606可以通過在電動機 軸上固定不平衡的重量來實現(xiàn)，或者也可以采用音圈直線電機?？蛇x的或者附加的，相位隨機發(fā)生器還可以在多模光纖的輸入連接器或者輸出連 接器附近或者在多模光纖末端的共軛像面放置一個旋轉(zhuǎn)散射器，該旋轉(zhuǎn)散射器可以包含高 速電機來旋轉(zhuǎn)這個散射器。使用旋轉(zhuǎn)散射器時，為了避免高的光功率損耗，光從旋轉(zhuǎn)散射器到多模光纖的輸 入連接器末端或多模光纖的輸出連接器末端的傳輸距離zd應(yīng)該小于zd，參見等式5。zd < Df*/ θ d(5)在等式5中，D/是光纖的纖芯直徑，θ d是旋轉(zhuǎn)散射器的多角度光分布的半最大值 ^^ FffHM (full width at half maximum)。圖7描述了具有相位隨機發(fā)生器704的輻射光傳輸模塊702的一個實施例。該相 位隨機發(fā)生器包含一個在多模光纖504輸入端的輸入連接器附近的旋轉(zhuǎn)散射器706。在另一種輻射光傳輸模塊的實施方式中(圖中未畫出)，相位隨機發(fā)生器704的旋 轉(zhuǎn)散射器706可以被設(shè)置在多模光纖504頂端的輸出連接器末端附近。圖8顯示了一個示例性的包含多模光纖504和相位隨機發(fā)生器804的輻射光傳輸 模塊802，其中，相位隨機發(fā)生器804同時包含機械振動驅(qū)動器606和旋轉(zhuǎn)散射器706。和 上面一樣，機械振動驅(qū)動器606用于通過引發(fā)多模光纖504的一部分的振動將相干輻射光 的相位隨機化。多模光纖504輸入連接器末端附近的旋轉(zhuǎn)散射器706也用于將連續(xù)輻射光 的相位隨機化。在另外一種可選的輻射光傳輸模塊的實現(xiàn)方法中(圖中未畫出)，相位隨機發(fā)生 器804的旋轉(zhuǎn)散射器可以被設(shè)置在多模光纖504頂端輸出連接器末端附近。圖9和圖10中的示例性輻射光傳輸模塊包含光纖904和多模光纖504，光纖904 可以是多模光纖也可以是單模光纖。輸入連接器(圖中未畫出)連接到或可連接到光纖 904的輸入端，輸出連接器(圖中未畫出)連接到或可連接到光纖904的頂端。輸入連接器 (圖中未畫出)連接到或可連接到多模光纖504的輸入端，輸出連接器(圖中未畫出)連接 到或可連接到多模光纖504的頂端。輸入連接器和輸出連接器可以是任何類型，如FC類型 的連接器，或者其他任何對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯合適的連接器。圖9顯示了一個示例性的輻射光傳輸模塊902，在該輻射光傳輸模塊902中，從光 纖904發(fā)出的光經(jīng)過相位隨機發(fā)生器704的旋轉(zhuǎn)散射器706傳輸?shù)蕉嗄９饫w504。同上面 一樣，相位隨機發(fā)生器704用于在輻射光從光纖904傳輸?shù)蕉嗄９饫w504時，將相干輻射光 的相位隨機化。圖10顯示了一個示例性的輻射光傳輸模塊1002，在該輻射光傳輸模塊1002中，從
13光纖904發(fā)出的光經(jīng)過相位隨機發(fā)生器804中的旋轉(zhuǎn)散射器706傳輸?shù)蕉嗄９饫w504，同上 面一樣，相位隨機發(fā)生器804也包含機械振動驅(qū)動器606，在這種情況下，該機械振動驅(qū)動 器606用于引發(fā)多模光纖504的一部分發(fā)生振動。旋轉(zhuǎn)散射器706和機械振動驅(qū)動器606 都可用于將由輻射光傳輸模塊1002傳輸?shù)蕉嘟裹c共聚焦顯微鏡的光的相位隨機化。在另一種輻射光傳輸模塊的示例性實現(xiàn)方式中(圖中未畫出)，可以設(shè)置一個圖 10中描述的機械振動驅(qū)動器606用于引發(fā)光纖904的一部分發(fā)生振動。圖11是包含多焦點共聚焦子系統(tǒng)1104，顯微鏡1106，和光檢測和成像單元1108 的多焦點共聚焦顯微鏡1102的示意圖，其中多焦點共聚焦顯微鏡1102是多焦點共聚焦顯 微鏡306的一個示例，顯微鏡1106是顯微鏡310的一個示例，光檢測和成像單元1108是光 檢測和成像單元312的一個示例。多焦點共聚焦子系統(tǒng)1104包括光耦合器件1110，包括許多獨立的微透鏡1114的 微透鏡陣列盤1112，光切割器件1116，和包括許多針孔1120的針孔盤1118。此處的光耦合器件1110包括準直透鏡1122，還可以包括各種其他的光學(xué)元件。 光耦合器件1110包括的可替代的或者附加的元件示例大致包括一個單獨的透鏡，多個透 鏡，反射鏡，多個反射鏡或者多個對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯合適的光學(xué)器件的組合。準 直透鏡1122設(shè)置的位置應(yīng)該可以使得光從多模光纖1126的輸出連接器1124到準直透鏡 1122的傳輸距離實際上等于準直透鏡1122的焦距，這樣，射入其中的光能夠被轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫?光束照射到多焦點共聚焦子系統(tǒng)1104的微透鏡陣列盤上。針孔盤1118設(shè)置在微透鏡陣列盤1112同一軸線上且與微透鏡陣列盤的距離實際 上等于微透鏡1114的焦距，這樣，每個微透鏡1114將光聚焦到針孔盤1118的一個不同的 獨立的針孔1120。針孔盤1118與微透鏡陣列盤1112以恒定的速度同軸轉(zhuǎn)動。多焦點共聚焦子系統(tǒng)1104可選的其他實現(xiàn)方式中，可以使用其他對于本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說明顯合適的聚焦元件類型取代微透鏡1114，如可以使用反射聚焦元件或衍射聚 焦元件。多焦點共聚焦子系統(tǒng)1104可選的其他實現(xiàn)方式中，可以使用其他任意對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員來說明顯適合于多焦點共聚焦應(yīng)用的幾何體取代微透鏡陣列盤1112和針孔盤 1118，取代微透鏡陣列盤1112的幾何體應(yīng)該包括許多聚焦元件，取代針孔盤1118的幾何體 應(yīng)該包括許多孔(針孔、縫隙或者類似的孔)。在下文和權(quán)利要求中，術(shù)語“針孔”被定義為 任何適合在多焦點共聚焦顯微鏡中使用的發(fā)光孔。光切割器件1116設(shè)置在微透鏡陣列盤1112和針孔盤1118之間，用于經(jīng)過針孔盤 1118和顯微鏡1106將激發(fā)輻射光傳輸?shù)綐悠?128，并且將從樣品1128返回的光反射到光 檢測和成像單元1108。返回的光通常由熒光產(chǎn)生，但是也可以由反射、拉曼散射或者其他本 領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的彈性、非彈性光散射效果產(chǎn)生。一個示例性的光切割器件1116大致包括分色鏡，基于偏振的切割器，具有許多反 射面的反射鏡，或者其他對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯可以用于分割來自返回的光的激發(fā) 光的器件。顯微鏡1106包括將來自于針孔盤1118的光聚焦到樣品1128的物鏡1130，顯然， 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，任何合適的物鏡都可以使用，顯微鏡1106也可以包含附加的元 件。
光檢測和成像單元1108包括光檢測器件1132和高靈敏度成像照相機1134。光 檢測器件1132包括中繼鏡1136，并且可以包括另外的一些元素(圖中未顯示)，例如用于 多光譜成像的間歇濾波器和/或者窄帶濾波器。高靈敏度成像照像機1134的例子大致包 括電荷耦合設(shè)備(CCD)照像機，補充的金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)照像機，增強的CCD(ICCD 照相機)，以及任何其他對本領(lǐng)域人員來說是明顯合適的照像機。具有附加的窄帶過濾器的 3CXD照像機可以被用于多光譜同時成像。針孔盤1118，樣品1128，和高靈敏度照像機1134可以按照如下方式排列針孔盤 1118的平面，樣品1128里被觀測的平面，高靈敏度成像照像機1134的圖像傳感器的平面將 彼此光學(xué)連接，以便提供樣品1128的共聚焦圖像。圖12說明了包括輻射源模塊1202，輻射光傳輸模塊1204，以及多焦點共聚焦顯微 鏡1206的多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)1200的示例。輻射源模塊1202是輻射源模塊302的 一個例子。輻射光傳輸模塊1204是輻射光傳輸模塊304的一個例子。多焦點共聚焦顯微 鏡1206是多焦點共聚焦顯微鏡306的一個例子。輻射源模塊1202包括許多激光器1208，每一個都對應(yīng)于單獨的激光器1208的光 控制和調(diào)節(jié)子單元410，折疊式反光鏡418和兩個分色鏡420，以及聚光鏡424。輻射光傳輸模塊1204是圖7中說明的輻射光傳輸模塊702的一個例子。輻射光傳 輸模塊1204包括在射入端有輸入連接器1212、頂端有輸出連接器1214的多模光纖1210， 包含固定在高速電機1220軸上的散射器1218的旋轉(zhuǎn)散射器1216，旋轉(zhuǎn)散射器1216被設(shè)置 在多模光纖1210的輸入連接器1212的末端。多焦點共聚焦顯微鏡1206包括準直透鏡1122，微透鏡陣列盤1112，分色鏡1220， 尼普可夫圓盤1222，物鏡1130，中繼鏡1136，以及高靈敏度成像照像機1134。在運行中激光器1208產(chǎn)生在紫外線-可見光-紅外線的光譜范圍里不同波長的激光輻射。 光控制和調(diào)節(jié)子單元410的光學(xué)器件提供被聚光鏡424引導(dǎo)進入多模光纖1210的輸入連 接器1212的輻射光束，其中，聚光鏡424具有預(yù)定直徑d的合適的圓形截面。在激光器1208 產(chǎn)生圓形截面光束的情況下，光控制和調(diào)節(jié)子單元410可將從每個激光器1208發(fā)出的假定 直徑為d的光擴展。在激光器1208產(chǎn)生橢圓形截面的光束的情況下，光控制和調(diào)節(jié)子單元 410可補償光束的橢圓率并優(yōu)化光束直徑。折疊式反光鏡418和分色鏡420將耦合具有預(yù)定直徑d的激光束，從而提供入射 到聚光鏡424上的單個多色平行激發(fā)輻射光束。聚光鏡424將激光器1208發(fā)出的激發(fā)輻射光聚焦到多模光纖1210中的輸入連接 器1212上，經(jīng)由被高速電機1220帶動旋轉(zhuǎn)的散射器1218通道。設(shè)置在多模光纖1210的 輸入連接器1212末端的旋轉(zhuǎn)散射器1216在將從輻射源模塊1202發(fā)出的相干光傳輸?shù)蕉?模光纖1210之前先將相干光的相位隨機化。相位隨機化之后，光被從輸入連接器1212通過多模光纖1210引導(dǎo)至輸出連接器 1214。從多模光纖1210的輸出連接器1214發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成具有由多模光纖1210的數(shù) 字孔徑NA/決定的最大錐角的發(fā)散射線，然后射到準直透鏡1122上。準直透鏡1122是這 樣的光從多模光纖1210的輸出連接器1214到準直透鏡1122的傳輸距離實質(zhì)上等于準直
15透鏡1122的焦距，從而通過它的射線變?yōu)槠叫泄狻Ｔ从诩ぐl(fā)輻射光的平行光束射在微透鏡陣列盤1112上，并通過微透鏡陣列盤 1112上各個獨立的微透鏡1114轉(zhuǎn)變?yōu)闀酃馐?，通過分色鏡1220傳輸，再通過尼普 可夫圓盤1222上相應(yīng)的獨立針孔1120，然后由物鏡1130將激發(fā)光束會聚到樣品1128。當入射到樣品1128上的光束造成樣品1128發(fā)射出包括任何反射光、散射光和熒 光組合的信號時，該信號再次通過物鏡1130，并且會聚于尼普可夫圓盤1222的獨立針孔 1120。通過獨立針孔1120的信號被分色鏡1220反射，以便通過中繼鏡1136在高靈敏度成 像照像機1134的圖像傳感器上成像。尼普可夫圓盤1222以恒定的速度與微透鏡陣列磁盤1112共同旋轉(zhuǎn)，會聚在樣品 1128上的光點與旋轉(zhuǎn)帶動的尼普可夫磁盤1222上的針孔1120 —起被掃描。尼普可夫圓 盤1222的平面，樣品1128被檢測的平面，高靈敏度成像照像機1134的圖像傳感器的光接 收平面被排列成彼此光學(xué)連接，這樣，樣品1128的共聚焦圖像成像在高靈敏度成像照像機 1134的圖像傳感器上的。圖13說明了另一個包括輻射源模塊1202，輻射光傳輸模塊1302和多焦點共聚焦 顯微鏡1304的焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)1300的例子，多焦點共聚焦顯微鏡1304是多焦點共 聚焦顯微鏡306的一個例子。輻射光傳輸模塊1302是在圖6中說明的輻射光傳送模塊602的一個例子。輻射 光傳送模塊1302包括具有輸入連接器1212和輸出連接器1214的多模光纖1210以及機 械振動驅(qū)動器1306。機械振動驅(qū)動器1306是機械振動驅(qū)動器606的一個例子，其被設(shè)計用 于引發(fā)多模光纖1210的一部分產(chǎn)生振動，從而在將從輻射源模塊1202發(fā)出的光傳送到多 焦點共聚焦顯微鏡1304之前先將其相位隨機化。在一個實施例中，機械振動驅(qū)動器1306 可被連接到多模光纖1210中被卷起來并且由可保持的夾子(圖中未畫出)松散的夾住的 那一部分，這樣使得多模光纖1210的很長一段都能夠振動。多焦點的共聚焦顯微鏡1304包括折疊式反射鏡1308，準直透鏡1122，透鏡陣列盤 1112，分色鏡1220，尼普可夫圓盤1222，物鏡1130，中繼鏡1136，以及高靈敏度成像照像機 1134。折疊式反射鏡將多模光纖1210的輸出連接器1214發(fā)出的光反射到準直透鏡1122上。在運行中在上述系統(tǒng)1200中，輻射源模塊1202產(chǎn)生激光，被輻光傳輸模塊1302接收。在 這種情況下，聚光透鏡424將從激光器1208發(fā)出的激發(fā)光聚焦的到多模光纖1210的輸入 連接器1212。在光被引導(dǎo)通過多模光纖1210時，機械振動驅(qū)動器1306在多模光纖1210的 一部分產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致多模光纖1210中的獨立光線之間的光徑長度迅速變化，振動使 光的相干效應(yīng)隨機化，結(jié)果就抑制了樣品(斑點)圖像幅度的空間調(diào)制。從多模光纖1210的輸出連接器1214發(fā)出的光被折疊式反射鏡1308反射，以便射 到準直透鏡1122上。多焦點共聚焦顯微鏡1304的準直透鏡1122所在的位置能夠使光從 多模光纖1210的輸出連接器1214到準直透鏡1122的傳輸距離實際上等于準直透鏡1122 的焦距。入射到準直透鏡1122上的射線被轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?。多焦點共聚焦顯微鏡1304的 其余元件按照圖12中關(guān)于系統(tǒng)1200的描述操作。圖14說明了另一個包括輻射源模塊1202，輻射光傳輸模塊1402，和多焦點共聚焦
16顯微鏡1206的多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)1400的例子。輻射光傳輸模塊1402是在圖10中說明的輻射傳送模塊1002的一個例子。輻射 光傳輸模塊1402包括包括輸入連接器1404和輸出連接器1408的光纖1406，包括由高速 電機1220旋轉(zhuǎn)帶動的擴散器1218的旋轉(zhuǎn)散射器1216，具有輸入連接器1212和輸出連接器 1214的多模光纖1210，以及機械振動驅(qū)動器1306。光纖1406可以是多模光纖或者單模光纖。在運行時在上述系統(tǒng)1200中，輻射源模塊1202產(chǎn)生激光，被輻光傳輸模塊1402接收。在 這種情況下，聚光透鏡424將從激光器1208發(fā)出的激發(fā)光聚焦的到光纖1406的輸入連接 器1404。在被引導(dǎo)通過光纖1406后，光從輸出連接器1408發(fā)出，經(jīng)由高速電機1220旋轉(zhuǎn) 帶動的散射器1218通道，然后被多模光纖1210的輸入連接器1212接收。被設(shè)置在多模光 纖1210的輸入連接器1212末端附近的旋轉(zhuǎn)散射器1216，在將從光纖1406發(fā)出的光傳輸?shù)?多模光纖1210之前將其相位隨機化。在光被引導(dǎo)通過多模光纖1210時，機械振動驅(qū)動器 1306在多模光纖1210的一部分產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致多模光纖1210中的獨立光線之間的光 徑長度迅速變化，振動進一步將被引導(dǎo)通過多模光纖1210的光的相位隨機化。與上述關(guān)于圖12描述一樣，在被引導(dǎo)通過多模光纖1210后，光從輸出連接器1214 發(fā)射到多焦點共聚焦顯微鏡1206上。多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)，例如1200，1300，和1400，設(shè)計時應(yīng)該考慮到下面的參 數(shù)·多模光纖1210的纖芯直徑D/ ；·從多模光纖1210發(fā)出的光束的發(fā)散度； 準直透鏡1122的焦距F3; 微透鏡1114的焦距F4; 平行光束的直徑d;和·尼普可夫圓盤1222的針孔1120的直徑DP。為了給使用具有放大倍數(shù)為M的物鏡1130的多焦點共聚焦顯微鏡1206(1304)的 樣品1128提供最大的分辨率和最亮的照射強度，參數(shù)可以這樣選擇 光從多模光纖1210的輸出連接器1214到準直透鏡1122的傳輸距離實質(zhì)上等于
F3;·光從微透鏡陣列盤1112到尼普可夫圓盤1222的傳輸距離實質(zhì)上等于F4 ；·從微透鏡陣列盤1112的單個微透鏡1114的焦點的直徑相當于或小于尼普可夫 圓盤1222的針孔1120的直徑Dp ；和·多模光纖1210的纖芯直徑D/實質(zhì)上等于或者小于Dp與焦距比F3/F4的乘積?，F(xiàn)在將列出一種具有包含多模光纖的輻射光傳輸模塊的多焦點共聚焦顯微鏡系 統(tǒng)的計算方法的例子?？紤]到多模光纖的纖芯直徑D/ = 200微米；包括許多獨立微透鏡的 微透鏡陣列盤，每個微透鏡的焦距F4 = 15mm ；以及焦距& = 60mm的準直透鏡。從焦距比可 以得到，從微透鏡陣列盤中獨立的微透鏡的焦點直徑是200微米X (15毫米/60微米)= 50微米，這個數(shù)據(jù)與包含在針孔盤中的許多針孔的直徑Dp = 50微米相匹配。也就是說，從 每個微透鏡到入射焦點的直徑與相應(yīng)針孔的直徑相匹配。
應(yīng)當指出，之前被特別顯示和描述的多焦點共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的特定例子，只是 為了解釋和說明這里公開的技術(shù)。因此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，各種顯而易見的變化、 修改或者改動都是可以的。例如，技術(shù)通過纖芯直徑是200微米的多模光纖作為例子被描述。發(fā)明人已經(jīng)考 慮到多模光纖的其他纖芯直徑。例如，如果多焦點共聚焦系統(tǒng)特定的光學(xué)幾何尺寸與計算 等式3基于的特定光學(xué)幾何尺寸類似或者相同，那么，只要能大致滿足公式3的限制條件， 可以使用纖芯直徑在技術(shù)上合理的大一點或者小一點的多模光纖。甚至在下面這種情況下 仍然能獲得合理的效率微透鏡陣列盤包括許多獨立的焦距F4 = 15mm的微透鏡，焦距F3 = 60mm的準直透鏡，包括許多直徑Dp = 50微米的針孔的針孔盤，纖芯直徑實質(zhì)上不超過200 微米(例如，1. 5倍或更多)的多模光纖。不考慮多焦點共聚焦系統(tǒng)的特定的光學(xué)幾何尺寸，上述的集光率原理是適用的。 只要由多模光纖發(fā)射并射入多焦點共聚焦子系統(tǒng)的光的集光率實質(zhì)上不超過(例如，1.5 倍或更多)實際上通過多個針孔的光的集光率，就能達到合理的效率。如上面解釋的那樣， 考慮到在光學(xué)設(shè)計中有各種各樣的使效率低的原因，實際上，Ω;< Ωρ，其中ΩF是從多模 光纖發(fā)出的光的集光率，Ω/是實際上通過多個針孔的光的集光率。如果多模光纖的纖芯 直徑太大，那么Ωρ將太大而不能獲得合理的效率。多模光纖的纖芯直徑可以由從多模光 纖發(fā)出的光的集光率期望值以及從多模光纖發(fā)出的光所對的立體角共同決定。發(fā)明人考慮 到，通常用于將輻射源模塊發(fā)出的光傳輸?shù)蕉嘟裹c共聚焦顯微鏡的多模光纖的合適的纖芯 直徑小于800微米，例如，實質(zhì)上不超過300微米。所舉的例子包括3個激光輻射源和3個對應(yīng)的光控制和調(diào)節(jié)單元?？蛇x的，還可 能包括一個或多個輻射源并提供同樣多的的不同波長的激發(fā)輻射光。如果選擇只有一種波 長的輻射源，并通過開關(guān)裝置使用，同時從樣品返回的光以時分方式接收，這樣還有可能提 高圖像的信噪比。這里已經(jīng)列舉并描述了技術(shù)的某些特征，很多修改，替換，改變，以及等同將由本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員產(chǎn)生。因此，應(yīng)當理解為附加的權(quán)利要求是為了覆蓋所有這樣修改和變 化。
權(quán)利要求
一種將來自輻射源模塊(302，402，1202)的光傳輸?shù)蕉嘟裹c共聚焦顯微鏡(1102，1206，1304))的方法，該方法包括將從輻射源模塊(302，402，1202)發(fā)出的光經(jīng)過多模光纖(504，1126，1210)引導(dǎo)至多焦點共聚焦顯微鏡(1102，1206，1304)，其中，所述多模光纖的纖芯直徑不超過800微米。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述纖芯直徑實質(zhì)上不超過300微米。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述輻射源模塊包括一個或多個超級發(fā)光 二極管，或，一個或多個發(fā)光二極管，或，一個或多個固態(tài)輻射源，或，一個或多個激光器 (1208)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述輻射源模塊包括相干輻射光源，該方法進一 步包括將光引導(dǎo)經(jīng)過多模光纖之前，將光的相位隨機化。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述輻射源模塊包括相干輻射光源，該方法進一 步包括將光引導(dǎo)經(jīng)過多模光纖同時，將光的相位隨機化。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述輻射源模塊包括相干輻射光源，該方法進一 步包括在多模光纖發(fā)出的光入射到多焦點共聚焦顯微鏡之前，將光的相位隨機化。
7.一種將來自輻射源模塊(302，402，1202)的光引導(dǎo)至多焦點共聚焦顯微鏡(1102， 1206,1304)的多模光纖(504，1126，1210)的選擇方法，該方法包括選擇多模光纖使得將要從多模光纖發(fā)出的光的集光率實質(zhì)上不超過將要通過多焦點 共聚焦顯微鏡包含的許多針孔(1120)的光的總集光率。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，該方法進一步包括根據(jù)多模光纖發(fā)出的光的集光率和多模光纖發(fā)出的光對著的立體角確定多模光纖的 纖芯直徑。
9.一個系統(tǒng)，包括輻射源模塊(302，402，1202)；多焦點共聚焦顯微鏡(1102，1206，1304)；和將所述輻射源模塊發(fā)出的光引導(dǎo)至多焦點共聚焦顯微鏡的多模光纖(504，1126， 1210)；其中，所述多模光纖的纖芯直徑不超過800微米。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述纖芯直徑實質(zhì)上不超過300微米。
11.如權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，其中將要從多模光纖發(fā)出的光的集光率實質(zhì)上不 超過將要通過多焦點共聚焦顯微鏡包含的許多針孔(1120)的光的總集光率。
12.如權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，其中所述輻射源模塊包括一個或多個超級發(fā) 光二極管，或，一個或多個發(fā)光二極管，或，一個或多個固態(tài)輻射源，或，一個或多個激光器 (1208)。
13.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述輻射源模塊包括相干輻射光源，該系統(tǒng)進一步 包括相位隨機發(fā)生器(704)；和將所述輻射源模塊光學(xué)耦合到所述相位隨機發(fā)生器的光纖(904，1406)；其中所述多模光纖(504，1210)將所述相位隨機發(fā)生器光學(xué)耦合到多焦點共聚焦顯微^Ml O
14.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述輻射源模塊包括相干輻射光源，該系統(tǒng)進一步 包括相位隨機發(fā)生器(704)，其中從輻射源模塊發(fā)出的光在進入到多模光纖之前先通過該相位隨機發(fā)生器。
15.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述輻射源模塊包括相干輻射光源，該系統(tǒng)進一步 包括相位隨機發(fā)生器(704)，其中，從多模光纖發(fā)出的光在進入多焦點共聚焦顯微鏡之前先通過該相位隨機發(fā)生ο
16.如權(quán)利要求13-15所述任一系統(tǒng)，其中所述相位隨機發(fā)生器包括旋轉(zhuǎn)散射器(706， 1216)。
17.如權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，進一步包括機械耦合到多模光纖的機械振動驅(qū)動器(606，1306)。
18.如權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，其中多焦點共聚焦顯微鏡包括多焦點共聚焦子系 統(tǒng)(308，1104)和顯微鏡(310，1106)，其中多模光纖的頂端發(fā)射將被入射到多焦點共聚焦 子系統(tǒng)的光，其中多焦點共聚焦子系統(tǒng)包括準直透鏡(1122)，該準直透鏡所在的位置使得光從頂端到準直透鏡的傳輸距離實質(zhì)上 等于準直透鏡1122的焦距；包括許多獨立微透鏡(1114)的微透鏡陣列盤(1112)；和包括許多獨立針孔(1120)的針孔盤(1118)，該針孔盤所在的位置使得光從微透鏡陣 列盤到針孔盤的傳輸距離實質(zhì)上等于微透鏡的焦距；其中，來自多模光纖頂端的光在通過針孔之前先通過準直透鏡，接著通過微透鏡；和其中，多模光纖的纖芯直徑實質(zhì)上不超過一個獨立針孔的直徑與準直透鏡焦距和微透 鏡焦距比值的乘積。
19.一個系統(tǒng)，包括輻射源模塊(302，402，1202)，該輻射源模塊包括一個或多個激光器(1208)，或，一個 或多個固態(tài)輻射源，或，一個或多個發(fā)光二極管，或，一個或多個超級發(fā)光二極管；多焦點共聚焦顯微鏡(1102，1206，1304)；和將所述輻射源模塊發(fā)出的光引導(dǎo)至多焦點共聚焦顯微鏡的多模光纖(504，1126， 1210)。
全文摘要
多模光纖(504，1126，1210)以合理的效率將輻射源發(fā)出的光傳輸?shù)蕉嘟裹c共聚焦顯微鏡(1102，1206，1304)。選擇多模光纖的纖芯直徑，以使得從光纖發(fā)出的光的集光率實質(zhì)上不大于通過多焦點共聚焦顯微鏡的針孔陣列的多個針孔的光的總集光率。纖芯直徑的選擇考慮到了多焦點共聚焦顯微鏡的特定的光學(xué)幾何尺寸，包括針孔直徑和相關(guān)的光學(xué)元件的焦距。對相干輻射光源來說，還包括相位隨機化。多模光纖使得能夠在多焦點的共聚焦顯微鏡中利用多種輻射源和波長，因為輻射源到多模光纖的耦合對機械和溫度影響的敏感性要小于輻射源到單模光纖的耦合。
文檔編號G02B6/00GK101900873SQ20091025072
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者理查德·伯爾曼 申請人:光譜應(yīng)用研究公司