專利名稱：用于光學掃描設備的二維輻射斑陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學掃描設備，其包括-斑生成器，用于在格點P = mTi+n^(m = 1 至 “，n = 1 至 L2)處生成二維輻射斑陣列，其中，是第一格矢量，T2是第二格矢量；以及-掃描裝置，用于沿掃描方向穿過輻射斑陣列掃描樣品，使得輻射斑相對于樣品示 蹤出基本上等距的線。本發(fā)明涉及一種光學掃描方法，其包括步驟-在格點P = mTi+n^ 其中(m = 1 至 L” n = 1 至 L2)處生成二維輻射斑陣列，其中，是第一格矢量，T2是第二格矢量；以及-沿掃描方向穿過輻射斑陣列掃描樣品，使得輻射斑相對于樣品示蹤出基本上等 距的線。
背景技術：
光學掃描顯微術是一種用于提供顯微樣品的高分辨率圖像的良好建立的技術。根 據(jù)該技術，在樣品中生成一個或若干個不同的高強度輻射斑。由于樣品調(diào)制輻射斑的輻射， 探測并分析來自輻射斑的輻射產(chǎn)生關于該輻射斑處的樣品的信息。通過掃描樣品相對于輻 射斑的相對位置，得到樣品的全二維或三維圖像。該技術應用于生命科學(生物標本的檢 驗和研究)、數(shù)字病理學(使用顯微鏡載玻片的數(shù)字化圖像的病理學)、基于診斷學的自動 圖像(例如用于子宮頸癌、瘧疾、結(jié)核病)以及工業(yè)計量學領域。可以從任何方向通過沿該方向收集離開輻射斑的輻射而對樣品中所生成的輻射 斑進行成像。具體地，可以以透射方式，即通過探測樣品遠側(cè)的輻射對輻射斑進行成像。可 替代地，可以以反射方式，即通過探測樣品近側(cè)的輻射對輻射斑進行成像。在共焦掃描顯微 術技術中，通常經(jīng)由生成輻射斑的光學器件，即斑生成器以反射方式對輻射斑進行成像。US 6，248，988提出一種多斑掃描光學顯微鏡，其特征在于以照明對象的多個分離 的聚焦光斑的二維陣列和針對每個分離的斑探測來自對象的光的對應的陣列探測器。于 是，與斑的行成微小的角度地對陣列和對象的相對位置進行掃描允許以像素細列對對象的 整個區(qū)域相繼地進行照明和成像。從而，掃描速度大幅度地增加。針對該目的而要求的輻射斑陣列一般由準直光束生成，該準直光束由斑生成器適 當?shù)卣{(diào)制，以便在離斑生成器一定距離處形成輻射斑。根據(jù)現(xiàn)有技術，斑生成器是折射類型 或衍射類型的。折射型斑生成器包括諸如微透鏡陣列的透鏡系統(tǒng)，而衍射型斑生成器包括 諸如在W02006/035393中提出的二元相結(jié)構(gòu)的相結(jié)構(gòu)。輻射斑陣列成像于其上的探測器通常具有不與一顯著不同的寬高比。換句話說， 敏感面積典型地是大約方形的?，F(xiàn)有的圖像傳感器典型地具有適合于在常規(guī)的顯示器上 查看圖像的寬高比3 4或4 5。為成本考慮，使用現(xiàn)有的部件是優(yōu)選的。而且，為了最
4大地使用圖像傳感器的敏感面積，輻射斑陣列的寬高比通常選擇為匹配圖像傳感器的寬高 比。本發(fā)明的目的在于提供用于使用二維斑陣列光學掃描樣品的裝置和方法，其中， 與現(xiàn)有技術相比，通量增加。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，掃描方向和第一格矢量1\之間的角Y最多與掃描方向和第二格矢 量T2之間的角一樣大，并且比L/h小于0. 6。因而，這兩個格矢量中的是比另一個格矢 量更與掃描方向?qū)实母袷噶?。如附錄B中所示，小于或等于0.6的寬高比y =V L2是對于給定幀率的光電探測器以及給定延伸量和分辨率的陣列而言使得掃描設備的通 量最大的必要條件。盡管已針對具有方形單位晶格的陣列推導出該比值(參見附錄B)，但 其還可以有利地應用于具有六角形單位晶格的陣列的情況，后者與具有方形單位晶格的陣 列非常相似，因為對于這兩種陣列類型，格矢量1\和1~2具有相同的量值(S卩，Tj = |T2|) 并定義具有可相比的量值的角。在方形單位晶格的情況下，1\和1~2定義直角，而在六角形 單位晶格的情況下，1\和1~2定義60°的角。延伸量D(陣列的較長對角線的長度)一般由 收集光學系統(tǒng)、即在與樣品相互作用之后收集斑陣列的光學系統(tǒng)的可用視場確定。對于給 定值的延伸量D和給定分辨率R，寬高比y和數(shù)量！^并不獨立(再次參見附錄B)。 因而，條件P <0.6隱含地對U設置上限。如從附錄A所看到的，由此改進了陣列的對準 容差。范圍< 0. 6也是優(yōu)選的，因為假設用于(使用例如像素化圖像傳感器)探測輻 射斑所要求的最小讀出周期(幀率的倒數(shù))與光斑陣列的圖像的尺寸成比例，則通量相對 于現(xiàn)有技術增加。在附錄A和B中進一步闡明這些方面。在該應用中同義地使用符號(Lx， Ly)和(Lpl^)。在提到具有方形單位晶格的陣列時，通常使用符號(Lx，Ly)。比IVL2可以小于0. 4。事實上，對于日=2D/R的足夠大的值和給定的幀率F，使 通量最大化要求1^/12 <0.4。比1^/12可以小于0. 2。事實上，對于日=2D/R的足夠大的值和給定的幀率F，使 通量最大化要求1^/12 <0.2。值！^可以有利地是2、3或4。假設探測器的幀率與敏感面積的尺寸成反比，如果用 于對輻射斑陣列進行成像的探測器的敏感面積與陣列的尺寸匹配，則這些值是有利的。而 且，對于U的這些值，對準容差尤其大。根據(jù)優(yōu)選實施例，在單位晶格的形狀、分辨率和格對角線的長度固定的約束下，乘 積LiL2是最大值或格單位晶格的面積是最小值，其中容差為10%。假設探測器的幀率是給 定的或幀率與輻射斑的面積的尺寸成反比，由此使掃描設備的通量最大化。格的單位晶格優(yōu)選為方形或六角形。具有方形單位晶格的格尤其易于實現(xiàn)。具有 六角形格晶格的格允許最緊密的輻射斑填塞，由此使單位面積的輻射斑數(shù)量最大化。根據(jù)優(yōu)選實施例，！^與A的不同小于1.0，或1^等于A，容差為10%，A由
= + 定義，D是格對角線的長度，R是分辨率。如附錄B中所示，對于具有固定 的幀率的任何給定的探測器，由此通量最佳。優(yōu)選地，光學掃描設備還包括探測器和用于在探測器上生成輻射斑陣列的光學圖像的成像光學器件。更優(yōu)選地，探測器是像素化圖像傳感器。優(yōu)選地，探測器具有基本上圓形的視場，并且，格對角線的圖像的測量值介于探測 器的視場的直徑的0. 9和1. 0倍之間。因而，輻射斑陣列的圖充裕地適配到視場中。探測器可以具有寬高比在3 4和4 3之間的敏感面積。盡管敏感面積的寬高 比不匹配輻射斑陣列的寬高比，但這樣的探測器容易獲得，且提供經(jīng)濟的解決方案。有利 地，敏感面積的未使用部分可以是無效的，以增加幀率。斑生成器優(yōu)選包括二元相結(jié)構(gòu)或微透鏡陣列。斑生成器因而允許調(diào)制入射輻射 束，以在離斑生成器期望的距離處形成期望的輻射斑陣列。光學掃描設備可以是顯微鏡。根據(jù)本發(fā)明的光學掃描方法的特征在于，掃描方向和第一格矢量1\之間的角、 最多與掃描方向和第二格矢量T2之間的角一樣大，并且比小于0. 6。該方法可以包括在探測器上生成輻射斑陣列的光學圖像的額外步驟。優(yōu)選地，探 測器是像素化圖像傳感器。優(yōu)選地，探測器的一部分敏感面積是無效的。如上所述，輻射斑的陣列的寬高比 優(yōu)選充分小于一。然而，標準的圖像傳感器具有大約方形的矩形敏感面積，寬高比不小于 3 4。因而，在將根據(jù)本發(fā)明的陣列投射到圖像傳感器上時，傳感器表面的大部分是多余 的。于是，通過使表面的未使用部分無效，即通過僅讀出被輻射斑陣列覆蓋的表面部分，可 以大幅度地增加傳感器的幀率。


圖1示意地圖示通用的多斑掃描顯微鏡；圖2示意地圖示現(xiàn)有技術的輻射斑陣列；圖3示意地圖示根據(jù)本發(fā)明的輻射斑陣列；圖4是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式在附圖中，不同的圖形中所出現(xiàn)的相同的或類似的特征被指定為使用相同的附圖 標記，并且不一定被描述不止一次。圖1示意地圖示通用的現(xiàn)有技術的多斑掃描顯微鏡。該顯微鏡包括激光器12、準 直器透鏡14、分束器16、前向感測光電探測器18、斑生成器20、樣品組件22、掃描臺30、成 像光學器件32、像素化光電探測器34、視頻處理集成電路(IC)36以及個人計算機(PC) 38。 樣品組件22由蓋玻片24、樣品層26和顯微鏡載玻片28構(gòu)成。樣品組件22放在耦合至電 動機(未示出)的掃描臺30上。成像光學器件32由用于制作光學圖像的第一物鏡透鏡 32a和第二透鏡32b構(gòu)成。物鏡透鏡32a和32b可以是復合物鏡透鏡。激光器12發(fā)射光 束，該光束由準直器透鏡14準直，并且入射在分束器16上。光束的透射部分由前向感測光 電探測器18捕獲，以用于測量激光器12的光輸出。激光器驅(qū)動器(未示出)使用該測量 的結(jié)果來控制激光器12的輸出。光束的反射部分入射在斑生成器20上。斑生成器20調(diào) 制入射光束，以在放于樣品層26中的樣品中產(chǎn)生光斑陣列。成像光學器件32在像素化光 電探測器34上生成由掃描斑陣列照明的樣品層26的光學圖像。所捕獲的圖像由視頻處理IC 36處理成數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像由PC 38顯示并可能進一步被處理。考慮到成本，光電 探測器34優(yōu)選為現(xiàn)有的圖像傳感器。有利地，如果應用開窗方法，則利用圖像傳感器34的 總帶寬。在該方法中，關閉行(和/或列)的部分，從而僅讀出“窗口”內(nèi)的像素。這給予 幀率的增加，并且因而給予通量的增加，該通量等于總傳感器面積與窗口面積之比。參考圖2，示意地顯示根據(jù)現(xiàn)有技術在樣品層26 (參見圖3)中生成的光斑的二維 陣列8。光斑形成具有間距p和單位晶格面積p2的方形基本晶格的二維格。該陣列由標記 (j，i)的LxXLy個斑組成，其中，i和j分別為1至Lx = 5和1至Ly = 4。所述格因而具有 寬高比Lx/Ly= 1.25。所述格的兩個主軸分別取為x方向和y方向。沿與x方向成斜交角 Y =arctan(l/Lx) =11.31°的方向穿過樣品掃描陣列。因而，每個斑沿x方向掃描線81、 82、83、84、85、86，相鄰的線之間的y間隔是R/2，其中R是分辨率，R/2是采樣距離。分辨率 以psinY =R/2和pcosy =LxR/2與角、有關。所掃描的“帶”的寬度是w = LR/2。通 量(每次掃描的面積)是5 = + ^ 2廠，其中，F(xiàn)是圖像傳感器的幀率。現(xiàn)在參考圖3，示意地顯示根據(jù)本發(fā)明的輻射斑的陣列8。該陣列包括Lx = 2列和 Ly = 7行，從而給予該陣列寬高比Lx/Ly = 0. 286。掃描角、是arctan (1/LX) = 26. 565°。
參數(shù)3 =2D/R的測量值為/ = 10力=萬(1 + 4)^,其中，D是陣列8的對角線的長度。對
于3的該特定值和圖像傳感器34的給定幀率，通量B因此最大(參見附錄B)。另一示范性的實施例(未示出)使用28X142斑陣列，所以有3946個斑和寬 高比0. 20。分辨率是0. 51 u m,間距是7. 20 u m,視場是1. 04mm(其適配安裝于成像側(cè)的 20X物鏡)。對準斜交角的精確度必須勝過1.3mrad，這是可行的。圖像傳感器可以具有 1024X1280像素(1. 3Mpix，寬高比4 5)，并具有標稱幀率500Hz。通過使用開窗，可以以 因子4增加幀率。通量為0. 53mm2/sec，這允許在大約7分鐘對典型的相關面積15mmX 15mm 的組織病理學載玻片進行成像。通過使用非方形的斑陣列，特別是使用六角形的斑陣列，可以獲得通量的進一步 增加。通常，陣列可以由按照R = np^+mp^給出的陣列中的斑的橫向位置表征，其中，n 和m是標記斑的整數(shù)，和E2是陣列的平面中的獨立的單位矢量，并且，Pl和p2是Ei和E2 方向上的間距。間距必須大于任意兩個斑之間的最小允許距離。如果？1 =巧= ，則得到 最緊密的斑填塞(并且因此得到最大數(shù)量的斑)。而且，單位矢量間的角a必 須大于^1/3 = 60°，以便維持最小斑分離P。經(jīng)證實，陣列L中的斑的總數(shù)獨立于a，并 且，斑陣列的寬高比與1/sina成比例。由此可見，對于六角形斑陣列(a = n/3)，得到 最小寬高比。因而，與方形陣列的情況相比，在圖像傳感器的讀出中使用開窗可以以因子 l/sin(7i/3) = 2/V3 = 1.15增加通量，即，以該方式可以實現(xiàn)通量增加15%。參考圖4，顯示根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。該方法包括同時發(fā)生的步驟生成輻 射斑陣列、穿過陣列掃描樣品和在像素化圖像傳感器上生成光學圖像。雖然在附圖和上述的說明書中詳細地圖示并描述了本發(fā)明，但附圖和說明書被認 為是示范性的且非限制性的。本發(fā)明不限于所公開的實施例。在不背離本發(fā)明的范圍的情 況下，還可以實現(xiàn)上面未描述的等同物、組合和修改。動詞“包括”及其派生詞不排除“包括”所指的實體的其他步驟或元件的存在。不 定冠詞“一”或“一個”不排除該冠詞所指的對象的多個。還注意到，單個單元可以提供權
7利要求書中所提到的若干個裝置的功能。在互不相同的從屬權利要求中記載某些特征的事 實上不表示不能有利地使用這些特征的組合。權利要求書中的附圖標記不應當被解釋為限 制其范圍。附錄A 斜交角容差斑陣列由“列和Ly行組成，并具有間距p。掃描方向與行成角度Y，從而這組斑 生成一組等距掃描線。線間隔是R/2，其中R是分辨率。該掃描方法意味著psin y = R/2pcos y = LxR/2在US 6，248，988中也給出這些關系。由此可見，x方向上的斑的數(shù)量由下式給出
權利要求
一種光學掃描設備(10)，包括 斑生成器(20)，其用于在格點Pmn＝mT1+nT2(m＝1至L1，n＝1至L2)處生成二維輻射斑陣列(8)，其中，T1是第一格矢量，T2是第二格矢量；以及 掃描裝置，其用于沿掃描方向穿過所述輻射斑陣列掃描樣品(26)，使得所述輻射斑相對于所述樣品示蹤出基本上等距的線(81、82、83)，其中，所述掃描方向和所述第一格矢量T1之間的角γ最多與所述掃描方向和所述第二格矢量T2之間的角一樣大，并且比L1/L2小于0.6。
2.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，所述比小于0.4。
3.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，所述比小于0.2。
4.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，k是2、3或4。
5.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，在單位晶格的形狀、分辨率和格對角線的 長度固定的約束下，乘積LiL2是最大值或格的單位晶格的面積是最小值，其中容差為10%。
6.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，所述格的單位晶格是方形或六角形。
7.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，k與A的不同小于1.0，或1^等于A，其 中容差為10%，A由下式定義V2￡)/i = (l + A2)A ’D是格對角線的長度，R是分辨率。
8.如權利要求1所述的光學掃描設備，還包括 -探測器(34)；以及-成像光學器件(32)，其用于在所述探測器上生成所述輻射斑陣列的光學圖像。
9.如權利要求8所述的光學掃描設備，其中，所述探測器具有基本上圓形的視場，并 且，格對角線圖像的測量值介于所述探測器的所述視場的直徑的0. 9和1. 0倍之間。
10.如權利要求8所述的光學掃描設備，其中，所述探測器具有寬高比在3 4和4 3 之間的敏感面積。
11.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，所述斑生成器包括二元相結(jié)構(gòu)或微透鏡 陣列。
12.如權利要求1所述的光學掃描設備，其中，所述光學掃描設備是顯微鏡。
13.一種光學掃描方法，包括以下步驟 -在格點Pmn = mTi+n^ (m = 1 至 L” n = 1 至 L2)處生成二維輻射斑陣列(8)，其中，是第一格矢量，T2是第二格矢量；以及 -沿掃描方向穿過所述輻射斑陣列掃描樣品(26)，使得所述輻射斑相對于所述樣品示 蹤出基本上等距的線(81、82、83)，其中，所述掃描方向和所述第一格矢量之間1\的角Y最多與所述掃描方向和所述第 二格矢量T2之間的角一樣大，并且比小于0. 6。
14.如權利要求13所述的光學掃描方法，其中，所述方法包括額外的步驟 -在探測器(34)上生成所述輻射斑陣列的光學圖像。
15.如權利要求13所述的光學掃描方法，其中，所述探測器的一部分敏感面積是無效的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學掃描設備(10)，其包括斑生成器(20)，用于在格點Pmn＝mT1+nT2(m＝1至L1，n＝1至L2)處生成二維輻射斑陣列(8)，其中，T1是第一格矢量，T2是第二格矢量；以及掃描裝置，用于沿掃描方向穿過輻射斑陣列掃描樣品(26)，使得輻射斑相對于樣品示蹤出基本上等距的線(81、82、83)。根據(jù)本發(fā)明，掃描方向和第一格矢量T1之間的角γ最多與掃描方向和第二格矢量T2之間的角一樣大，并且比L1/L2小于0.6。根據(jù)優(yōu)選的實施例，L1與Λ的不同小于1.0，或L1等于Λ，容差為10％，A由定義，D是格對角線的長度，R是分辨率。本發(fā)明還涉及一種光學掃描方法。
文檔編號G02B21/00GK101978303SQ200980110121
公開日2011年2月16日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權日2008年3月20日
發(fā)明者S·斯托林加 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司