[发明专利]光片光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及扩展容积的高分辨率成像的方法及系统。

背景技术

容积成像的应用可以在可以从医疗到制造业、基础研究及防御的各行各业中找到。通常，现有技术限制了能够在给定的时间帧内捕捉的收集容积和分辨率。以光学显微镜为例，共焦扫描是直到最近的黄金标准，但是其收集时间受限于扫描速度，该扫描速度反过来受限于激光功率和样本的损伤阈值。各种形式的光片显微镜如正交平面光学切片、选择性平面照射显微镜(SPIM)，超高倍显微仪(ultramicroscopy)或数字扫描的激光片显微镜(DSLM)，解决了这一问题。通过以分段的方式照射待成像容积同时从被照射部分快速捕获尽可能多的信息，例如，使用充足放置的检测器阵列诸如电荷耦合器件相机(CCD)，防止了多余的背景信号和光损伤。随着它的各种实现，这项技术使快速高反差四维光学切片成为可能，并且已经彻底改变活生物体的研究。

基于高斯光束的传统光片显微镜的问题是高的各向同性分辨率需要严格聚焦的光片，因此具有高数值孔径(NA)的照射。但是，这限制了严格聚焦的光片能够保持的距离，从而限制了可用视场。因此，使用标准高斯光片的单一扫描有效地使大容积成像的能力与高分辨率成像是矛盾的。

以最大分率使大容积成像是许多研究领域的关键，诸如，生物学研究成像，无论这是原始细菌，原核生物还是真核生物，以及在亚细胞、细胞、组织以及在所有有机体中。示例包括在干细胞研究和在发育生物学中的胚胎学、细胞命运映射(cell fate mapping)、神经生物学、球状体细胞。大容积的高分辨率成像也可以用在胶体物理学领域中，以及用于使纳米结构(比如 三维超材料)成像。

已经提出了若干解决方案。一般地，对于可能阻碍重复扫描的成像速度和光损伤的相关联结果，这些是受限制的双光子激发或需要大量样本曝光。在光片显微镜中贝塞尔光束已经被用来扩展成像容积。零贝塞尔光束的横向强度分布具有中心光斑和一系列远离光束中心的同心圆环。这些圆环显著恶化了轴向分辨率。

贝塞尔光束中心的共焦检测可以改善轴向分辨率。但是，它优于常规的共焦显微镜的优点是很小的，因为通过光片光束的共焦检测一大部分光被遮挡，并且由于图像是逐行获取而不是逐平面，扫描速度受限于相机。同时先前工作表明通过使用传播不变性、无衍射贝塞尔光束扫描容积可以被扩展，对于单个光子激发，权衡是信噪比中的重大损失，并且分辨能力达到与生物成像相兼容的照射水平。

发明内容

本发明提供一种用于创建在扫描方向中具有非对称强度分布的光片的装置，例如，平方艾里函数。这种光片可以是非平面的并且可以用于光学操控或者用于扩展容积的高分辨率成像。该非对称光片可以从无衍射、传播不变性的光束中被创建，这里定义为在垂直于其传播方向的平面保持几乎相同的强度分布的任何光束。该分布可以垂直于传播方向平移或加速。本发明的光片的无衍射性质可以被用于扩展视场，以及由此使光片显微镜的容积成像。

非对称光片的使用能够使高分辨率遍及整个成像容积。完全无衍射、传播不变性的光束只存在于理论中。但是，足够类似非衍射近似值的这种光束的存在仍然使得视场显著扩展。例如，使用立方相位调制的傅里叶变换简单地生成的非对称艾里光束，能够扩展一个数量级的视场，同时保持高各向同 性分辨率。

可选择的，通过在光片生成后调制照射路径，非对称和/或传播不变性的光片可以从任何对称光片中被创建。调制元件的位置可以被放置在照射路径中任意方便的地方，包含在任意光学组件中，照射物镜、光片生成元件，或者激光源的形成部分中。通过时间调制对称和/或传播不变性的光片强度同时垂直于传播方向扫描它，非对称强度分布(profile)也可以被创建。

本发明的光片光学系统可以被配置用作光片成像系统和/或光片光谱学系统，例如拉曼光谱学系统，和/或光片显微镜系统和/或在诸如任何惰性的颗粒或生物的颗粒或细胞的颗粒上施加光作用力的光片系统，例如光学捕获系统或光引导系统。

在照射或辐射图案(pattern)或图案集的一般意义下，术语“光片”用于本发明的描述。术语“光片显微镜”或“光片成像”被使用，与“光片”如何投入到容积中或信息从被辐射部分如何被采集无关，尽管这在微小范围内是不必要的。