可适应性扫描光学显微镜制造技术

本发明专利技术是关于一种可适应性扫描光学显微镜。在这种可适应性扫描光学显微镜中装有一个扫描透镜组装部件，能够从目标平面的不同部分获取图像，然后形成更加合适的弯曲像场。在形成的像场中，至少会有一些像差，所述像差作为成像部位在目标平面上位置的函数变化。一个控制反射镜会对成像部位进行选择和将从目标平面来的光线进行控制转向，使其沿着一条从目标平面到成像平面的光路运行。一个可适应性光学元件会接收来自目标，经过控制转向的光线，并且会对取决于成像位置的像差进行补偿。在光路的至少部分位置上有附加的光学器件，所述光学器件在光线从控制反射镜，通过可适应性光学元件，最终到达成像平面的运行过程中，会对所述光线进行调节和聚焦。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于光学显微镜的相关领域，特别来讲，本专利技术涉及一种新的， 具有应用价值的可适应性光学显微镜。本专利技术处理并改进了已知光学显微镜 通常所具有的解析度与观测范围之间的平衡问题。
技术介绍
为了解决光学显微镜通常所具有的解析度与观测范围之间的平衡问题， 本专利技术人在2005年2月25号提出的美国专利申请号为10/525,422的申请中 公开过一种解决方式。该申请要求对美国临时专利申请号是60/411,038及国 际申请号是PCT/US2003/029332，公开号为WO2004/025331的优先权，上 述申请在此以引用的方式将其并入本文中。由于具有广泛的应用(例如，微装配，生物学观察，生物工艺学的观测与 操作，医疗诊断，制造业，检査以及其他领域)，光学显微镜一直作为一种重 要的观测工具，来进行一些肉眼所做不到的观测。尽管如此，它的传统应用 方式一直受制于上述的平衡问题，也就是解析度与观测范围之间的矛盾。本 专利技术是一种新的光学显微镜设计、把一个扫描透镜、 一个控制反射镜、 一个 可适应性光学元件、可适应性光学调节装置、以及成像装置结合在一起，从 而对获得的图像的观测范围进行放大的同时保持其分辨率。为了增加成像数 量或者进行特定的时空观测，所述装置具有在高成像获取速率下运行的能 力。随着最近生物技术和微机电系统的发展，以及工业小型化的潮流，对肉眼所达不到范围的进行观测、双向结合以及检测的需要在不断地增长。为了 满足这一需要，光学显微镜己重新得到了重视，而且由于这些相关领域的进 一步发展，该装置会在将来继续作为一种关键工具来使用。尽管如此，基本 的光学设计和操作原理在前面的一个世纪里都没有什么显著的改变，而且光 学显微镜也一直受制于一个广为人知的固有问题，那就是观测范围和成像系 统分辨率的矛盾。本专利技术，随后会对其进行更加全面地介绍，通过把有效的光学元件，动 态的控制和图像处理技术与传统的静态光学元件以一种紧密完整的方式结 合在一起，成功地在保持高分辨率的同时拓展了观测的范围。扩大观测范围的动机最初来自于专利技术人在微装配和精密制造方面的经 验。通过视觉引导进行的微装配经常需要对相距比较远的零件在微米或小于 微米的解析度进行接近同步的监控(例如，监控微镜的多重临界边和将光学 传感器安装在基板上)。由于单独一个显微镜不能在要求的解析度下观测足 够大的范围，多个显微镜同时使用和/或使用一个活动的平台提供了一个现成 的可用解决方案。尽管如此，由于每秒活动次数的限制和活动平台引起的试 样的抖动，以及针对每个新的组装任务进行重新定位和校准多个显微镜所要 做的大量工作，促使专利技术人有必要进行一种新的光学显微镜设计来解决这些 问题。由于同样的原因，在生物学和医药成像，以及需要机器视觉的工业制造 和检测领域，对这样一种显微镜同样具有很大的需求。专利技术人的第一个设计，也就是在前面提到的早期的美国PCT和美国临时专利申请中公开的，以及在 B. Potsaid, Y. Bellouard,和J. T. Wen的文章中提到的，"用于微操作的光学 扫描马赛克式仪器"(Int. Workshop on Micro-Factories(IWMF02)， R.Hollis and B丄Neoson, eds., pp.85-88(2002))中，该装置被称为扫描光学马赛克式 仪器(SOMS)，而组装起这样一个装置的目的是为了能够证明一个后物镜 扫描系统和实时马赛克组装技术的结合能够在微装配和生物学成像领域有 所应用。前述SOMS最初的光学布局设计灵感来自于为形状记忆合金激光退 火所制造的一个机器。见M. Hafez, Y. Bellouard, T. Sidler, R. Clavel，和R. P. Salathe，"使用激光扫描和电脑视觉的形状记忆合金局部退火"，Laser Precision Microfabrication, I. Miyamoto, K. Sugioka，禾口 T. Sigmon, eds.， Proc.SPIE 4088, pp. 160-163(2000).这种方法采用了后物镜二维扫描反射镜的概 念。这种结构也用在几种商业产品上，但其基本形式结构的观测范围，却由 于扫描透镜中轴外相差的原因而受到一定程度的限制。通过处理这一问题， 本专利技术提供了一个更大的观测范围。宽观测范围和高解析度成像系统的设计的推动是基于以下考虑(1) 图像取样的问题；(2)图像质量的问题。首先，考虑具有完美光学器件的 一个成像系统(也就是说，光学像差远远低于衍射极限)。这样一个系统将 会对距离为d的两个点源进行成像，就像在一个成像领域中的两个交叠的艾 里斑。随着两点之间的距离减少，会达到一个临界距离，r，这时，两个点就 会重合起来，不能再被单独的辨认出来。根据瑞利定律，这个临界距离，也 被称作解析度，会在一个艾里斑的中心落入另一艾里斑的第一个极小值的位 置时发生。该临界距离取决于系统的数值孔径NA和光线的波长入。系统的 NA取决于传播介质的折射率n，以及从目标物接收的锥形光线所成角度的 一半。根据尼奎斯特取样标准，为了避免混淆现象， 一个数码相机必须能够在 单位艾里核半径内取样两个像素以上。对于一个固定的传感器阵列每条边像 素数k,和解析度r，这种观测提供了一个目标物的最大理论宽度Wo。虽然微观成像系统的设计的解析度经常能够在1/4微米到几微米的范围 内，但是由于噪声效应，实际应用的CCD摄像头的像素大小会在6微米左 右。因此，在给定传感器像素尺寸s的情况下，光学器件必须扩大艾里斑， 从而得到具有所需的最小放大系数M的合适的采样。在这个临界放大率上， 对应的成像尺寸Wi为Wi-ks。做到这一点的光学器件可以被认为是通常意 义上的黑匣子。光学设计的任务就是对成像系统进行详细的说明，也就是详 细介绍黑匣子内部采用的特定的透镜、反射镜的几何排列、透镜的类型、和 间隔。为了设计一个观测范围大，像素高的成像系统，直觉上，往往会首先想 到利用现有的显微镜设计，然后简单地提高像素，同时对光学器件重新设计 从而扩大观测范围。这种方式的确有可能达到要求，但是通常并不实用，这 是因为其对场尺寸，平面场，以及数值孔径的要求已经很接近光刻透镜的能 力范围。在1998年，尼康推出的NA值为0.65的光刻透镜(例如美国专利5,805,344)就配有93.6毫米和23.4毫米两种不同尺寸来分别满足边框图 像和胶片图像的不同要求。光刻透镜需要近乎完美的生产，而且要求能够承受极小的装配误差(通 常需要干涉测量的装配过程)，成本也可能达到几百万美元。同时，在显微 镜和光刻透镜的窄光线区域都需要负放大倍数元件，而在宽光线区域则需要 正放大倍数元件。这种技术可以用来得到平面像场(小珀兹伐和)，同时也 会导致透镜数量和光学复杂性的增加。另外还需要考虑的一个方面就是成像 传感器的尺寸，目前现有的商用大CCD镜头的像素也只有9216X9216左右 (例如，FairchildCCD595)。小一点的CCD排列可以位于一马赛克感光面 内，从而可以得到更大的像素，这样具有可以平行阅读成像芯片释放的数据 的优点(得到芯片释放的成像数据的速率会成为决定最大刷新率的限制因 素)，但是需要附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可适应性扫描光学显微镜，其特征在于，包括：一个对不同的选定的场位置进行有限成像的一个扫描透镜组装部件，这样，光学像差就会成为场位置的函数，根据选定场位置的不同而变化，扫描透镜部件会形成一个像场；成像可控仪器，所述成像可控 仪器将来自每个场位置的光线进行可控转向，然后使光线沿着从目标到最终成像面的光路运行，沿着光路上的光线具有一个波阵面；一个可适应性光学元件，所述可适应性光学元件能够影响光路中波阵面的形状，从而对至少一部分的取决于场位置的光学像差进行补 偿，同时向光路中光波阵面引入选定的形状；附加成像光学器件，所述其它的成像光学器件在光路的至少部分位置上，能够对可适应性光学元件和最终成像平面的光线进行处理；以及最终成像光学器件，所述最终成像光学器件将图像投射到最终成像平面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明迈克尔波特赛德，伊夫贝鲁尔德，约翰T文，
申请(专利权)人：伦斯勒理工学院，
类型：发明
国别省市：US[美国]