光学扫描器和被扫描的透镜光学探头制造技术

一种用于内窥镜或显微镜的透镜组，该透镜组包括一个或更多个透镜元件，每个透镜元件具有统一折射率，该透镜组适用于：i)利用高波前像差校正将从基本上抵靠透镜组的近端表面定位的光波导(诸如，光纤)的出口顶端接收的驱动光或激发光聚焦到超过所述透镜组的远端表面的具有窄的点扩散函数的点观测场(诸如在相对于远端表面远端定位的光学窗口外)；以及ii)利用高波前像差校正，将从所述点观测场(以及由荧光波长点扩散函数限定的其邻域)由远端表面接收的荧光或反射返回光以所述荧光波长透射回到所述光波导的所述出口顶端。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学扫描器和被扫描的透镜光学探头，具体地但是不排他地涉及作为显微镜、内窥镜或内窥显微镜的应用。
技术介绍
总体上，物体离光学系统的光轴的中心越远，成像系统的斯特列尔(Strehl)比越差，并且因此物体看上去越暗淡并且信噪比将越差。另外，在视场和数值孔径之间有折中：光学系统的数值孔径越高(即，能够分辨的物体越小)，视场越小，系统的斯特列尔比可接受地大(特别是对于体内(in vivo)系统)并且渐晕可接收地小。这个折中发源于随着物体的位置在视场中改变，成像光学装置、物体和物体的像的相对几何关系的改变。针对轴向成像进行了优化的实际光学系统没有针对离轴成像同时优化。系统的数值孔径越高，任何设计的对物体、成像系统和像之间的相对几何关系的改变的敏感性越大。像差，特别是球差，在离轴时增加。在驱动波长和荧光波长处的焦点位置必须相同以在仪器的横向和轴向分辨率内。例如，图1是
技术介绍
的多元件共焦聚光透镜的示意图、其在整个视场(FOV)上具有为0.3的NA、0.8的斯特列尔比、＜2mm的轴向色移以及＜150nm的横向色移。为了制造在整个视场上具有0.5或更大的斯特列尔比的这种透镜，必须考虑已有制造技术的局限性，以及制造缺陷的积累等，并且考虑在组织中成像表面的希望的曲率半径(在此示例中，＞3mm)。因此，要求在488nm的驱动波长和532nm的荧光发射峰值波长两者处为0.95的理论斯特列尔比的设计，以及在整个视场上在两个波长之间小于150nm的横向焦点色移和小于2μm的轴向焦点色移，在组织中的成像表面全部具有大于3mm的曲率半径。这是通过使用图1中所示的透镜的多元件设计来实现的。十个光学元件的连接接着使得实现所要求的严格光学质量和机械容差的成本高。假定来自每个表面的瑕疵的像差不相干地相加，十四个空气到玻璃界面的像差大约是由每个表面相加得到的像差的倍。针对最终组件中的每个表面的所要求的ISO 10110规范是3/0.5(0.5/-)RMSi＜0.05，λ＝６33nm并且4/5’。这些系统的进一步问题是纤维的输出场的低数值孔径。从单模450nm纤维输出的场的数值孔径(NA)是大约0.1。对于很多临床体内成像应用，需要0.2或更大的数值孔径。因此，如果要使用单模光纤的受约束本征场作为共焦针孔来将这个数值孔径提升至两倍或更大，则需要光学放大。这意味着光纤的扫描振幅必须是组织内的视场的扫描振幅的两倍或更大。具有2×的放大倍率的扫描系统必须实现为希望视场的扫描振幅的两倍的光纤的扫描振幅。具有较简单的光学构造的系统在美国专利申请公布No.2011/0211104中公开并且在“High-resolution resonant and nonresonant fiber-scanning confocal microscope”，J.Biomedical Optics 16(2)，026007(2011年2月)中进行探索。US 2011/0211104公开了用于共焦扫描内窥镜的光学探头。该探头包括光波导、安装在该光波导的远端部的用于汇聚来自光波导的光的第一透镜、用于使该远端部和该第一镜头移位以使得能够进行光学扫描的致动器、以及位于探头内用于从第一透镜接收辐射的第二透镜。包括负透镜的第二透镜使来自第一透镜的辐射在与由致动器引起的第一透镜的位移的方向对应的方向上偏折。该专利技术据说对增大廉价可丢弃的光学探头的视场(FOV)特别有用。因而，第一透镜机械耦接到光波导，这避免了视场和数值孔径之间的折中，允许这两种参数具有高值，并且还消除了横向色移，因为在整个扫描中，透镜、被成像的组织和盖玻片的相对几何尺寸保持与轴上几何尺寸相同。然而，US 2011/0211104的系统包括沿着扫描钢管行进的多个电通道(该扫描钢管将第一透镜耦接到光波导)，采用了大、重的透镜并且没有解决色差的问题(不同于计算针对多光子成像的脉冲扩展)。
技术实现思路
在第一宽泛方面，本专利技术提供一种用于内窥镜或显微镜的透镜组，该透镜组包括：一个或更多个透镜元件，每个元件具有统一折射率，该一个或更多个元件适用于：i)利用高波前像差校正将从基本上抵靠透镜组的近端表面定位的光波导(诸如光纤)的出口顶端接收的驱动光或激发光聚焦到超过所述透镜组的远端表面的具有窄的点扩散函数的点观测场(诸如在相对于远端表面远端定位的光学窗口外)；以及ii)利用高波前像差校正，将从所述点观测场(以及由荧光波长点扩散函数限定的其邻域)由远端表面接收的荧光或反射返回光以所述荧光波长透射回到所述光波导的所述出口顶端。因而，透镜组击败了在视场和数值孔径之间的传统折中，因为其允许具有两者这些参数具有高值，并且通过在整个扫描期间保持所述透镜组、被成像的样品和盖玻片的相对几何关系与轴上几何关系相同，还允许最小化或消除横向色移。透镜组可以设置在非常小和轻的扫描器上，同时针对像差和色移两者高度光学校正(“主动”或“被动”，如以下描述)；裸光波导(例如，没有专门外壳或其它坚硬/惯性修改装置的全玻璃、传统光纤)可以被使用使得透镜系统可以被足够小型化并且被以高速度扫描(即，以比一些
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中提到的150Hz快一个数量级的谐振频率)。透镜组可以直接接合到(扫描)光波导，光波导和波导的第一元件之间基本上没有空气间隙，这使得构造简化并且允许容易进行主动对准。本专利技术允许构建“统一”探头，其允许利用有效地任意数量荧光团的同时单光子和双光子成像，同时使在450nm到850nm光谱的高达0.5NA的并且可能高达0.7NA的数值孔径的全部波长在2μm内到达同一焦点。另外，此色差校正提供比以上讨论的
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好的双光子成像性能。在一个实施例例中，荧光返回光和驱动或激发光具有相同波长(即，系统是反射模式成像系统)。在一个实施例中，透镜组还包括接合到所述远端表面的衍射光学元件。所述透镜组可以包括非聚焦玻璃棒，其中聚焦由所述衍射元件提供。在另一个实施例中，所述透镜组具有色移，该色移被高度校正使得所述透镜组将从所述光波导的出口顶端接收的荧光以小的误差边界聚焦到所述点观测场(并且因此驱动光和荧光两者聚焦到公共点观测场到该误差边界内)。在此上下文中，“小误差边界”表示当与轴向分辨率比较时的小。在一个实施例中，所述透镜组具有色移，该色移被高度校正使得小于皮秒脉冲宽度并且以驱动光的波长为中心的输入光波包当透过所述透镜组时在脉冲宽度上仅略微展宽(因此峰值脉冲强度和双光子耦合系数的损耗小)，因而使得系统特别适用于多光子成像。例如，小于1dB的损耗将是可期望的，但是具有2dB或3dB损耗的透镜组(或配备其的系统)也是有价值的。所述透镜组可以具有分辨率和像差校正准则使得：a)由所述透镜组聚焦的光的数值孔径是(i)0.15或更大，当所述透镜组从所述光波导在标称驱动光波长接收光时，以及(ii)0.15或更大，在峰值荧光发射的波长处；以及b)在所述点观测场处测量的第一和第二相应斯特列尔比的乘积大于或等于0.5或一般化的斯特列尔乘积： 算式1大于或等于0.5，无论哪个定义可应用于荧光成像模式。透镜组可以将脉冲展宽准则限定成使得以标称驱动波长为中心并且持续时间二十飞秒的输入光波包通过来自所述透镜组的多径贡献被展宽成相同中心波长处的并且小于一百飞秒持续时间的波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于内窥镜或显微镜的透镜组，该透镜组包括：一个或更多个元件，每个元件具有统一折射率，该一个或更多个元件适用于：i)利用高波前像差校正将从基本上抵靠所述透镜组的近端表面定位的光波导的出口顶端接收的驱动光或激发光聚焦到超过所述透镜组的远端表面的具有窄的点扩散函数的点观测场；以及ii)利用高波前像差校正，将从所述点观测场由所述远端表面接收的荧光或反射返回光以所述荧光波长透射回到所述光波导的所述出口顶端。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.19 AU 20139022281.一种用于内窥镜或显微镜的透镜组，该透镜组包括：一个或更多个元件，每个元件具有统一折射率，该一个或更多个元件适用于：i)利用高波前像差校正将从基本上抵靠所述透镜组的近端表面定位的光波导的出口顶端接收的驱动光或激发光聚焦到超过所述透镜组的远端表面的具有窄的点扩散函数的点观测场；以及ii)利用高波前像差校正，将从所述点观测场由所述远端表面接收的荧光或反射返回光以所述荧光波长透射回到所述光波导的所述出口顶端。2.根据权利要求1所述的透镜组，其中，所述荧光返回光和所述驱动光或激发光具有相同波长。3.根据权利要求1所述的透镜组，所述透镜组包括位于所述远端表面处并且构成所述远端表面的衍射光学元件。4.根据权利要求3所述的透镜组，其中，所述透镜组包括非聚焦玻璃棒，其中聚焦由所述衍射元件提供。5.根据权利要求1到4中任一项所述的透镜组，其中，所述透镜组具有色移，该色移被高度校正使得所述透镜组将从所述光波导的所述出口顶端接收的荧光以小的误差边界聚焦到所述点观测场。6.根据权利要求1到4中任一项所述的透镜组，其中，所述透镜组具有色移，该色移被高度校正使得小于皮秒脉冲宽度并且以所述驱动光的波长为中心的输入光波包当透过所述透镜组时在脉冲宽度上仅略微展宽。7.根据权利要求5所述的透镜组，具有分辨率和像差校正准则使得：a)由所述透镜组聚焦的光的数值孔径是(i)0.15或更大，当所述透镜组从所述光波导在标称驱动光波长接收光时，以及(ii)0.15或更大，在峰值荧光发射的波长处；以及b)在所述点观测场处测量的第一相应斯特列尔比和第二相应斯特列尔比的乘积大于或等于0.5或一般化的斯特列尔乘积：大于或等于0.5，无论哪个定义均适用于荧光成像模式。8.根据权利要求6所述的透镜组，将脉冲展宽准则限定成使得以标称驱动波长为中心并且持续时间二十飞秒的输入光波包通过来自所述透镜组的多径贡献被展宽成相同中心波长处的并且小于一百飞秒持续时间的波包。9.根据权利要求5到8中任一项所述的透镜组，其中，所述透镜组具有小于1mm的外直径，小于5mm的长度和小于20mg的质量。10.根据权利要求7或8所述的透镜组，其中，所述透镜组包括(i)在所述透镜组中的两个不类似的玻璃、(ii)在所述两个不类似的玻璃之间的球形界面，和(iii)远端表面，所述远端表面是非球面的，因而所述透镜组适用于波长450nm到850nm的展宽可见光谱中的驱动/荧光波长对。11.根据权利要求1所述的透镜组，所述透镜组包括一种类型的玻璃，其中，所述透镜组包括一些量的玻璃，使得传送的波场具有不充分的传送时间来色散到将产生小于0.5斯特列尔比的程度，因而所述透镜组适用于紧密间隔的驱动/荧光波长对。12.根据权利要求7或8所述的透镜组，所述透镜组包括多种超过一种类型的玻璃，其中，所述透镜组具有相消色散并且所述透镜组适用于450nm到850nm波长范围的所述展宽可见光谱中的任何驱动/荧光波长对。13.根据权利要求12所述的透镜组，其中，所述玻璃中的两个由中间间隔隔开。14.根据权利要求1所述的透镜组，所述透镜组包括均质圆柱棒和接合到该均质圆柱棒的远端的衍射光栅，其中该光栅将所述驱动光聚焦到所述点观测场并且将来自所述点观测场的所述返回光引导回到所述光波导的所述出口顶端中。15.根据权利要求1所述的透镜组，所述透镜组包括均质圆柱棒和接合到该均质圆柱棒的远端的衍射光栅，其中该光栅将所述驱动光聚焦到所述点观测场，所述光栅将所述返回光引导回到所述光波导的所述出口顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·W·C·万斯，
申请(专利权)人：优化扫描有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU