專利名稱：：掃描共焦顯微術(shù)中的改進(jìn)以及與之相關(guān)的改進(jìn)的制作方法掃描共焦顯微術(shù)中的改進(jìn)以及與之相關(guān)的改進(jìn)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及掃描共焦顯微術(shù)，更特別地涉及對(duì)安裝在掃描共焦顯微系統(tǒng)中的樣本的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的選擇性照明(illustration)。發(fā)明背景共焦顯微鏡通常用于觀察半透明顯微物體的內(nèi)部細(xì)節(jié)，特別是在生物應(yīng)用中，其通常采用熒光照明。這種顯微鏡的基本特征是利用通過小孔(pinhole)聚焦的光照射樣本并且結(jié)合對(duì)通過相同小孔返回的光的觀察，結(jié)果是檢測(cè)到的光基本上與該小孔在樣本內(nèi)的特定像平面相關(guān)，而不是與樣本上方或下方的平面相關(guān)。這樣能夠在該樣本內(nèi)獲得準(zhǔn)確的深度分辨率。通常，將激光器用于在小孔處提供非常緊聚焦的強(qiáng)光束。如上所述，這種系統(tǒng)給出了有關(guān)該樣本中僅一個(gè)點(diǎn)的信息。然而，利用兩個(gè)可選的和全然不同的方法能夠擴(kuò)展這種原理，從而提供該樣本的擴(kuò)展像(image)。在第一種方法中，稱作'掃描光斑(scanningspot)，，在感興趣的區(qū)域上對(duì)小孔進(jìn)行光學(xué)掃描，記錄返回的強(qiáng)度，以便重建樣本的像。在第二種方法中，平行照射許多小孔，以同時(shí)給出整個(gè)感興趣區(qū)域的信息。一種這樣的配置是'Nipkow盤(disk)，，其中將小孔設(shè)置在盤中，然后使該盤旋轉(zhuǎn)以給出該區(qū)域的多次掃描的覆蓋。這種方法特別適合應(yīng)用于對(duì)活細(xì)胞的高速成像，這是目前生物學(xué)中相當(dāng)受關(guān)注的課題。然而，本發(fā)明與各種形式的共焦掃描有關(guān)，但尤其涉及采用多個(gè)小孔的共焦掃描。一些已知的分析技術(shù)涉及向樣本的選定區(qū)域投送強(qiáng)光束，以便改變?cè)撨x定區(qū)域中的樣本材料屬性。例如，在熒光顯微術(shù)中所使用的許多染料在暴露于非常強(qiáng)的光源時(shí)會(huì)'漂白(bleach)，。漂白特定的區(qū)域使該區(qū)域被'標(biāo)記，-使其與其他本來不可區(qū)分開的相鄰區(qū)域區(qū)分開，從而允許該區(qū)域在移動(dòng)和顯影時(shí)^皮追蹤。這種'光致漂白后的熒光恢復(fù)(FluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching)，(或者FRAP)允許細(xì)胞內(nèi)的傳送機(jī)能被監(jiān)視。通常，擴(kuò)散過程將使漂白斑在一時(shí)間段之后恢復(fù)，該時(shí)間段是由擴(kuò)散的速率決定的。對(duì)于粘性低的媒質(zhì)，這一過程會(huì)非?？?，在微秒數(shù)量級(jí)。目標(biāo)照射(targetedillumination)的第二個(gè)實(shí)例是光催化(photoactivation)。一些染料在被非常強(qiáng)的光源催化時(shí)會(huì)改變其熒光色。同樣，這使某一區(qū)域被'標(biāo)記，并且允許傳送機(jī)能一皮研究。掃描光斑共焦系統(tǒng)非常適于目標(biāo)照射應(yīng)用。單個(gè)掃描光斑覆蓋了樣本的所有部分，所以在光斑位于感興趣區(qū)域上方的同時(shí)提高激光功率產(chǎn)生了目標(biāo)照射。盡管這種方法較慢且低效，但是一些年來目標(biāo)照射已經(jīng)可用在掃描光斑系統(tǒng)中。然而，對(duì)于旋轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)并非如此，其中光學(xué)裝置的平行照射無法顯著提高指定區(qū)域上的光強(qiáng)度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用于將光束輸入到從掃描共焦顯微系統(tǒng)的共焦掃描頭延伸到顯微鏡的光路中以照射安裝在顯微鏡中的樣本的選定區(qū)域的組件，其中所述組件包括-光輸入端，用于接收來自光源的光束；-射束(beam)引導(dǎo)裝置，用于根據(jù)樣本的選定區(qū)域的形狀來控制光束的路徑；以及-射束耦合器，用于將光束選擇性地耦合到從共焦掃描頭到顯微鏡的光路中，其中由射束引導(dǎo)裝置來控制射束方向以便照射選定區(qū)域。特別地，光束的強(qiáng)度可足以漂白樣本選定區(qū)域的熒光部分或者以其它方式改變其光學(xué)屬性，使得例如FRAP或者光催化實(shí)^^能夠進(jìn)行。該顯微系統(tǒng)的安排(其中來自該組件的光束被選擇性地輸入到共焦頭所使用的相同端口中)是有益的，因?yàn)檫@允許耦合(切換)裝置被設(shè)置在顯微鏡外。因此，能夠在無需進(jìn)入顯微鏡內(nèi)部或者無需在顯微鏡內(nèi)容納附加部件的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。為了留有足夠空間供該組件插在共焦掃描頭與顯微鏡端口之間，該組件可以包括光中繼器(opticalrelay),用以將在共焦掃描頭與顯微鏡之間的光路上形成的樣本像從該組件的顯微鏡側(cè)中繼(relay)到該組件的掃描共焦頭側(cè)。因此共焦掃描頭的工作基本上不會(huì)因引入該組件而受到影響。優(yōu)選的是，該光中繼器包括在光路中限定了孔的擋板(baffle),用以減少雜散光的透射(transmission)?？梢栽谏涫詈掀髋c顯微鏡之間提供場(chǎng)鏡(fieldlens)以會(huì)聚光束。射束耦合器可以包括反射元件，該反射元件能被選擇性地插入在共焦掃描頭與顯微鏡之間的光路中，以促進(jìn)透射的光束注射(inject)到光路中。反射元件可以采用反射鏡(mirror)的形式。有利的是，反射元件可以是分束器，以允許樣本在該組件的照射期間^皮觀察。在優(yōu)選實(shí)施例中，該組件包括用于選擇性地改變所透射光束的直徑以調(diào)整在該樣本處生成的照射光斑尺寸的裝置。這可以通過在通過該組件的射束路徑中選擇性插入具有不同光學(xué)屬性的望遠(yuǎn)鏡來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的是，將前、后望遠(yuǎn)鏡透鏡安裝在各自的可旋轉(zhuǎn)支架上，以允許將每個(gè)支架上安裝的透鏡選擇性地插入光束路徑中。該組件還可以包括用于調(diào)整輸入到該組件中的光束的方向和4黃向位移的裝置。為此，可以安裝輸入射束準(zhǔn)直器(collimator),以便允許改變其定向(orientation)以實(shí)現(xiàn)這些調(diào)整。在優(yōu)選實(shí)施例中，該準(zhǔn)直器具有與每一端相鄰的圓柱形外表面，并且與這些表面中的每個(gè)表面相接觸地提供兩個(gè)螺紋調(diào)整器(adjuster)。所述調(diào)整器的軸優(yōu)選基本上平行，并且適當(dāng)操縱所述調(diào)整器以允許根據(jù)需要對(duì)光束路徑進(jìn)行調(diào)整。以平行配置(而不是以垂直調(diào)整器對(duì))提供所述調(diào)整器使它們能夠被安裝成使得都能夠由用戶從該組件的一側(cè)接近。在優(yōu)選實(shí)施例中，射束引導(dǎo)裝置包括兩個(gè)樞轉(zhuǎn)地(pivotably)安裝的反射鏡，它們的樞轉(zhuǎn)軸(pivotalaxes)基本上相互垂直，以允許在兩個(gè)正交方向(即在該樣本平面中的x和y方向)上改變射束的方向。此外，可以提供透鏡以將射束的這些角偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫猩涫灰?。該引?dǎo)裝置可操作來將射束朝著樣本上的一個(gè)或多個(gè)離散點(diǎn)引導(dǎo)，或者操縱射束以使得基本上均勻地照射預(yù)定區(qū)域。優(yōu)選的是，提供將樞轉(zhuǎn)地安裝的反射鏡之一成像到另一個(gè)反射鏡上的裝置，例如光中繼器。在一個(gè)實(shí)施例中，該中繼器包括兩個(gè)透鏡對(duì)?？梢栽谠摌修D(zhuǎn)地安裝的反射鏡之間的光路中提供附加的反射鏡，以減少其占用的空間的長(zhǎng)度。特別地，附加的反射鏡可以包括相互正交配置的一對(duì)平面反射鏡，以便使入射在它們之一上的射束的方向反轉(zhuǎn)。將它們安裝為使得能夠沿著平行于入射射束的線調(diào)整它們的位置，以提供聚焦調(diào)整。在優(yōu)選配置中，提供瞄準(zhǔn)透鏡以將射束引導(dǎo)裝置所引起的光束的角偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫猩涫灰?。可以如此安裝瞄準(zhǔn)透鏡，以使得能夠利用例如兩個(gè)相互正交的螺紋調(diào)整器相對(duì)于通過它的光路橫向調(diào)整其位置。這使得該組件所輸入的光束與來自共焦頭的觀察射束對(duì)準(zhǔn)(alignment)?？梢栽谠摻M件的顯微鏡側(cè)的像平面中的光路中選擇性地插入目標(biāo)(target),以輔助該組件的校準(zhǔn)。還提供了一種顯微系統(tǒng)，其包括本文中所描述的顯微鏡、照相機(jī)、共焦掃描頭、光輸入組件，以及與該組件相耦合的光源，其中該系統(tǒng)包括用于控制射束引導(dǎo)裝置和光源這二者的控制器，以便照射樣本的選定區(qū)域。在優(yōu)選實(shí)施例中，該控制器可操作來輸出控制信號(hào)到射束引導(dǎo)裝置，其將射束的運(yùn)動(dòng)限定為基本上等長(zhǎng)的步進(jìn)(step)序列。選定區(qū)i的照射基本l均勻。、而且，這可以簡(jiǎn)化所需步進(jìn)的計(jì)算。"'該控制器可以以大于該系統(tǒng)照相機(jī)分辨率的分辨率計(jì)算步進(jìn)，從而提供射束的更平滑、更準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的是，該分辨率大約是60倍或更大?？刂破髦锌梢园ù鎯?chǔ)器，其配置為將用于控制光源的指令集與用于控制射束引導(dǎo)裝置的指令集分開存儲(chǔ)，使得這兩個(gè)指令集能夠相互獨(dú)立地更新。在優(yōu)選實(shí)施例中，該控制器可操作來并行處理用于控制光源的指令和用于控制射束引導(dǎo)裝置的指令。該控制器可以包括FPGA,其被編程為計(jì)算將被輸出到引導(dǎo)裝置和光源的控制參數(shù)。特別地，其可以配置為并行運(yùn)行計(jì)算這些參數(shù)的程序。這相對(duì)于使用兩個(gè)或更多獨(dú)立處理器提高了控制參數(shù)之間的同步性，因?yàn)檫@些程序能夠根據(jù)公共時(shí)鐘在FPGA上運(yùn)行。本發(fā)明還提供了一種光開關(guān)，其用于在共焦頭的光輸入端與光束輸該光開關(guān)可以包括平面反射鏡和用于改變反射鏡定向的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器優(yōu)選為直接驅(qū)動(dòng)DC電機(jī)。其可以包括用于生成指示反射鏡定向的信號(hào)的旋轉(zhuǎn)編碼器。在一種實(shí)施方案中，反射鏡能夠在第一位置與第二位置之間切換，在第一位置處光束未入射在反射鏡上，而是直接穿過該開關(guān)到達(dá)共焦頭輸入端，在第二位置處光束轉(zhuǎn)向透射到光束輸入組件的光輸入端。有利的是，可以在通過光開關(guān)的每個(gè)光路中提供光中繼器，以降低對(duì)于開關(guān)的角度失準(zhǔn)的敏感性。該中繼器把輸入到開關(guān)組件的光轉(zhuǎn)移(transfer)到其輸出端，并且將所輸入的射束聚焦到輸入端與輸出端之間的點(diǎn)。優(yōu)選的是，該點(diǎn)接近于該開關(guān)的反射鏡(當(dāng)處于第二位置時(shí))。該中繼器可以是位于開關(guān)組件的輸入端和兩個(gè)輸出端處的透鏡的形式。優(yōu)選的是，在輸入端和輸出端中的每一個(gè)處提供一對(duì)消色差透鏡(例如EdmundX08-050)。優(yōu)選的是，反射鏡能夠在兩個(gè)止端(endstop)之間切換并且控制裝置與驅(qū)動(dòng)器耦合，以使反射鏡在其止端之間的行程(travel)的第一部分期間加速并且在其行程的第二部分期間減速?？梢栽趩吸c(diǎn)共焦掃描顯微系統(tǒng)中采用該組件，但是其特別針對(duì)多點(diǎn)共焦掃描顯微系統(tǒng)。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種校準(zhǔn)包括本文所述的光輸入組件的顯微系統(tǒng)的方法，包括以下步驟(a)根據(jù)預(yù)定的射束引導(dǎo)裝置設(shè)置來依次照射至少六個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)；(b)利用照相機(jī)記錄每個(gè)點(diǎn)的位置；(c)確定每個(gè)點(diǎn)的照相機(jī)像素位置；以及(d)將像素位置(x,y)和射束引導(dǎo)裝置設(shè)置(u,v)對(duì)輸入到以下方程中v=氣2+ay+a,+"4,2x>)+ay2+"6,乂以及根據(jù)所得到的聯(lián)立方程來計(jì)算系數(shù)aw到a6,2。本發(fā)明還提供了一種照射安裝在包括共焦掃描頭和顯微鏡的掃描共焦顯微系統(tǒng)中的樣本的選定區(qū)域的方法，所述方法包括以下步驟(a)接收來自光源的光束；(b)根據(jù)樣本的選定區(qū)域的形狀來控制光束的路徑；以及(c)將光束選擇性地耦合到從共焦掃描頭到顯微鏡的光路中，其中由射束引導(dǎo)裝置來控制射束方向以便照射樣本的選定區(qū)域。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在，參照示意附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共焦顯微系統(tǒng)的框圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照射模式下的光輸入組件(或者目標(biāo)照射才莫塊)的光學(xué)元件的示意透視圖3是類似于圖2的示圖，其示出了校準(zhǔn)模式下的組件；圖4到8是與圖2中所示^t塊的選定光學(xué)元件相關(guān)的光線圖9是構(gòu)成圖2的光輸入組件一部分的電動(dòng)望遠(yuǎn)鏡組件；圖10和11是構(gòu)成圖9的望遠(yuǎn)鏡組件一部分的電動(dòng)透鏡架(lensmount)的相對(duì)側(cè)的透—見圖12和13是構(gòu)成圖2的光輸入組件一部分的電動(dòng)分束器組件的透視圖，其分別示出了將分束器插入光束中和從光束中移除；圖14A到C、15、16A、16B和17A到17B示出了說明調(diào)整光輸入組件光學(xué)器件以處理望遠(yuǎn)鏡透鏡的任何失準(zhǔn)的光線圖18和19是構(gòu)成圖2的光組件一部分的輸入射束調(diào)整機(jī)構(gòu)的透^見圖20A和20B以及圖21是分別是圖示出構(gòu)成圖2的光輸入組件一部分的f-theta透鏡的調(diào)整的兩個(gè)光線圖和透視圖22是圖示出與圖2的光輸入組件的射束引導(dǎo)裝置相關(guān)聯(lián)的光中繼器的光線圖23和24分別是圖1的系統(tǒng)的光開關(guān)的光線圖和透視圖；圖25是圖示出圖1所示的系統(tǒng)的目標(biāo)照射方面的電子部件的框圖；圖26是與圖25的控制單元相關(guān)的框圖；圖27是圖2所示的光輸入組件的射束引導(dǎo)裝置的透視圖；圖28和29是圖示出圖27的射束引導(dǎo)裝置的控制的示圖；圖30是圖26的FPGA以及其與圖26所示的控制單元的其他電子部件的接口的框圖。詳細(xì)i兌明圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的掃描共焦顯微系統(tǒng)的框圖。其包括體現(xiàn)了本文中所描述的光束輸入組件的目標(biāo)照射模塊。以下將該模塊也稱作"FRAP一莫塊"。在圖1的系統(tǒng)中，目標(biāo)照射^f莫塊位于共焦頭102與顯微鏡104之間。照相機(jī)106能夠通過共焦頭102和模塊IOO觀察安裝在顯微鏡中的樣本。激光引擎108與光開關(guān)IIO耦合，該光開關(guān)可操作來將來自激光引擎的激光引導(dǎo)到共焦頭102或者模塊100。根據(jù)用戶輸入通過PC112和同步器114來控制該系統(tǒng)的這些部件并且使它們同步。PC與共焦頭102、照相機(jī)106和同步器相耦合，而同步器又與模塊100、激光引擎108和光開關(guān)IIO相耦合。FRAP模塊FRAP模塊的功能是將緊聚焦的并且準(zhǔn)確定位的高功率激光輻射注射到顯微鏡視場(chǎng)中用戶選定的目標(biāo)上，同時(shí)允許以普通共焦方式在非常短的時(shí)間之后觀察該目標(biāo)。該模塊是接近共焦頭尺寸和形狀的盒體，其介于共焦頭與顯微鏡的輸出端口之間。圖2到8中示出了圖示FRAP才莫塊的光學(xué)元件的示圖。圖2示出了當(dāng)FRAP模塊處于樣本照射模式時(shí)從光輸入端到顯微鏡的、通過該模塊的射束路徑，其特征標(biāo)記如下1具有準(zhǔn)直器的單模輸入光纖2輸入調(diào)整筒(barrel)端3第一折疊反射鏡4擴(kuò)束器的第一透鏡(負(fù))5擴(kuò)束器的第二透鏡(正)6第二折疊反射鏡7中性濾光器(衰減器)8X^r流計(jì)反射鏡9第一檢流計(jì)中繼透鏡10屋脊型(roof)反射鏡對(duì)11第二檢流計(jì)中繼透鏡12Y檢流計(jì)反射鏡13第三折疊反射鏡14f-theta透4竟15第四折疊反射鏡16注射反射鏡(分束器)17樣本像平面18C架凸緣位置(顯微鏡耦合)19場(chǎng)鏡20到顯微鏡的輸出射束在典型的共焦顯微系統(tǒng)中，顯微鏡輸出端口的像平面非常接近于顯微鏡的主體，并且因此使共焦頭與該輸出端口緊密耦合。因此，供注射FRAP射束的空間受限。該FRAP模塊通過用于將樣本像從該模塊的前面中繼到后面的光學(xué)器件來解決這個(gè)問題，從而使共焦頭實(shí)際上以相同的方式工作，但是在中繼器的前面獲得了用于注射光學(xué)器件的空間。圖3中示出了中繼透鏡相對(duì)于圖2所示的FRAP^t塊的元件的位置。在該圖中，描繪了校準(zhǔn)模式下的模塊，其采用下面進(jìn)一步描述的校準(zhǔn)目標(biāo)或反射鏡21。圖3的其他特征如下22第一主中繼透鏡23中央中繼擋板(孔徑)24第二主中繼透鏡25中繼樣本像平面(在共焦頭內(nèi))該中繼器僅需處理來自顯微鏡的非常嚴(yán)#"的焦距比(f-number),并且具有相對(duì)小的孔的擋板23被放置在中繼器的中心以消除任何雜散光，特別是來自FRAP激光系統(tǒng)的雜散光。FRAP模塊的其他部分包括激光束調(diào)節(jié)和導(dǎo)引(steering)光學(xué)器件。圖4通過顯微鏡光學(xué)器件的簡(jiǎn)化表示而圖示了當(dāng)FRAP模塊處于觀察模式時(shí)來自樣本像平面25的光線路徑。透鏡26表示顯微鏡鏡筒透鏡(tubelens),而透鏡27表示顯微鏡復(fù)合物鏡。FRAP模塊的基本光學(xué)系統(tǒng)包括具有準(zhǔn)直器的輸入光纖1,用以提供準(zhǔn)直輸入射束；通過檢流計(jì)運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)可樞轉(zhuǎn)(pivotable)反射鏡8、12,用以使射束在水平方向(X)和垂直方向(Y)上偏轉(zhuǎn)(deflect),以便將射束引導(dǎo)到期望位置；'f-theta，透鏡14,用以將這些角偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫猩涫灰?，同時(shí)將射束聚焦成小光斑；以及電動(dòng)注射反射鏡16,其更似于上述的光開關(guān)，以便將FRAP射束注射到顯微4竟豐餘出端口。概念上，操作如下切換注射反射鏡16以注射激光束；同時(shí)，激活(activate)光開關(guān)110以將激光源轉(zhuǎn)向FRAP輸入光纖；移動(dòng)4企流計(jì)以將光束導(dǎo)引到期望目標(biāo)；然后打開激光器。在FRAP操作已經(jīng)完成之后，就立刻將注射反射鏡和光開關(guān)反射鏡返回到其原始位置，從而允許以普通方式觀察樣本。注意，檢流計(jì)非常快速地工作，因此利用編程控制可以瞄準(zhǔn)樣本的掃描區(qū)域而不僅僅是單獨(dú)的光斑。然而，為了最有效地起作用，該光學(xué)系統(tǒng)具有多個(gè)改進(jìn)。如上所述，基本系統(tǒng)投送聚焦在像平面中的期望目標(biāo)上并且平行于顯微系統(tǒng)的光軸傳播的輸出光束。這種平行稱作'遠(yuǎn)心性，。然而，對(duì)于大多數(shù)顯微鏡而言，最佳的耦合需要略微的不平行，通常是會(huì)聚的。因此可以將弱'場(chǎng)鏡，19添加到FRAP模塊前面來產(chǎn)生所需的會(huì)聚。同樣的問題通常也存在于已經(jīng)安裝了場(chǎng)鏡的共焦頭。因此，可以將場(chǎng)鏡從共焦頭移除并且用位于FRAP才莫塊前面的適當(dāng)場(chǎng)鏡來代替它。將場(chǎng)鏡從共焦頭移除略微移動(dòng)了其焦點(diǎn)，因此為了補(bǔ)償以及提供保護(hù)使之免于污染，可以用平面玻璃窗來代替該特定透鏡。然而，難以接近共焦頭中的該位置并且不方便的是該位置接近于焦平面，因此可以改為將玻璃窗放置在共焦頭與FRAP模塊之間耦合的C架中。出于類似的原因，優(yōu)選地將新的場(chǎng)鏡放置在FRAP^t塊與顯微鏡之間耦合的C架中。這是特別適當(dāng)?shù)?，因?yàn)閳?chǎng)鏡及其C架這二者對(duì)于所安裝的顯微鏡模型都是唯一的。未安裝或者安裝了錯(cuò)的場(chǎng)鏡的實(shí)際結(jié)果是，當(dāng)把目標(biāo)從視場(chǎng)的中心移開時(shí)，激光束實(shí)際上可能未擊中(miss)或者部分未擊中顯微鏡的后孔徑。略微不那么嚴(yán)重的是，光束可能偏心到達(dá)，造成樣本處的FRAP射束傾斜并且目標(biāo)區(qū)域隨著樣本Z深度改變而在視場(chǎng)中顯著移動(dòng)。當(dāng)光束沒有定心(centre)于物鏡后部時(shí)觀察出現(xiàn)了類似的問題。觀察射束應(yīng)當(dāng)與FRAP射束同時(shí)定心。通過利用與顯微鏡耦合的C架的傾斜(slope)調(diào)整整個(gè)共焦頭的指向來對(duì)觀察射束進(jìn)行定心。然而，出于穩(wěn)定性的原因，優(yōu)選使FRAP模塊硬安裝(hard-mount)到共焦頭，因此對(duì)于FRAP模塊來說需要獨(dú)立的瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。這通過利用兩個(gè)螺釘調(diào)整使f-theta透鏡14向側(cè)面移動(dòng)從而在不影響觀察的情況下調(diào)整FRAP射束的指向來實(shí)現(xiàn)。非遠(yuǎn)心性的第二個(gè)原因在于檢流計(jì)反射鏡8、12與f-theta透鏡14之間的關(guān)系。該透鏡僅能對(duì)單偏轉(zhuǎn)中心有效地起作用，但是如果有兩個(gè)檢流計(jì)，則存在由于反射鏡的顯著物理間隔而移位的兩個(gè)這樣的中心。針對(duì)該問題的一種解決方案是將一個(gè)檢流計(jì)反射鏡成像到另一個(gè)檢流計(jì)反射鏡上。這樣，這兩個(gè)反射鏡呈現(xiàn)在相同的平面中。我們不希望影響激光束的其他屬性，因此利用位于檢流計(jì)之間的光中繼器9、11來完成該成像，這使射束其它方面未改變。檢流計(jì)之間的光中繼器具有非常長(zhǎng)的路徑，所以為了節(jié)省了空間，它已經(jīng)被折疊。折疊需要橫向位移以避免輸入與輸出射束之間的沖突，因此這利用90度的"屋脊型，，反射鏡對(duì)10來實(shí)現(xiàn)。這提供了引入系統(tǒng)聚焦調(diào)整的機(jī)會(huì)以確保激光光斑能夠聚焦在樣本像平面中。簡(jiǎn)單的螺釘驅(qū)動(dòng)滑片(slide)允許中繼透鏡之間的路徑長(zhǎng)度改變以便實(shí)現(xiàn)聚焦。通過改變FRAP;漢塊輸入端處的射束直徑實(shí)現(xiàn)了三個(gè)激光光斑尺寸的選擇。因?yàn)檫@是一種受高斯衍射限制的光學(xué)系統(tǒng)，所以更大的輸入射束直徑引起更小的聚焦光斑尺寸。最初，通過適當(dāng)選擇光纖末端的準(zhǔn)直器透鏡的焦距能夠確定輸入射束尺寸。例如，這可以是0.7mm。利用電動(dòng)擴(kuò)束器4、5,光束直徑可以自動(dòng)變化。這些擴(kuò)束器實(shí)際上是能夠擴(kuò)大或者縮小射束直徑的伽利略望遠(yuǎn)鏡。將前、后望遠(yuǎn)鏡透鏡分別安裝在三位置旋轉(zhuǎn)選擇器上，以給出兩個(gè)可選的透鏡或者'無透鏡，的選擇。組合在一起，這些透鏡提供了一種直通配置、一種3倍的擴(kuò)束器和一種3倍的縮束器(beamcontractor)。將每個(gè)透鏡對(duì)安裝在使用與光開關(guān)模塊中釆用的相同電機(jī)相對(duì)于止端而驅(qū)動(dòng)的軸上。額外注意保持該透鏡組件對(duì)稱，以使得透鏡準(zhǔn)確地并且可再現(xiàn)地定心。組織止端偏置以開始在聚焦方向上顯示(bear)傾斜，其是最不重要的。磁性制動(dòng)器使該組件在更不重要的直通配置中擺脫重力或者其他偏心力。即使在注意了望遠(yuǎn)鏡定心之后，激光束也未必到達(dá)中心。為此，輸入光纖的準(zhǔn)直器筒能夠在橫向位移和指向方向上調(diào)整。為此提供了可從模塊外接近的四螺釘調(diào)整。射束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡的定心(centration)不足主要影響了FRAP模塊出口處的射束指向并且f-theta透鏡對(duì)于此目的而言是不適當(dāng)?shù)?。本發(fā)明人已經(jīng)確定了，至少在考慮輸出指向的范圍內(nèi)，能夠調(diào)整輸入指向以便補(bǔ)償射束擴(kuò)展中的任何定心一致性的缺失。采取了細(xì)致的反復(fù)的程序來正確地對(duì)準(zhǔn)四個(gè)輸入調(diào)整器螺釘，以使得全部三種射束配置在顯微鏡物鏡的后面重合。這種調(diào)整對(duì)于維護(hù)工程師而言難以使用，因?yàn)槟壳靶枰獑为?dú)的照相機(jī)作為對(duì)準(zhǔn)的輔助工具。通過提供與才莫塊一體的光纖可以克服這個(gè)問題，以使得無需重新對(duì)準(zhǔn)。可替換地，可以提供測(cè)試軟件和簡(jiǎn)單的光學(xué)折返附件，以允許利用系統(tǒng)自身的照相機(jī)來更容易地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)4亍重新對(duì)準(zhǔn)。使用激光源控制FRAP射束功率相對(duì)粗略，因此可以提供3路切換衰減器(3-wayswitchedattenuator)7形式的附加控制。其工作類似于光束擴(kuò)展透鏡，但是無需這種可再現(xiàn)性，因?yàn)樗p器不具有光學(xué)中心。例如，可以使用1個(gè)和2個(gè)OD衰減器，或者更優(yōu)選的是2個(gè)和4個(gè)OD衰減器。在檢流計(jì)命令電壓和樣本像平面中激光光斑的位置之間的確切關(guān)系當(dāng)然取決于許多確立因素(buildfactor)。實(shí)際上，未必需要這兩者之間固定的物理關(guān)系而是，目標(biāo)位置優(yōu)選應(yīng)當(dāng)與根據(jù)觀察到的樣本像(WYSIWYG)指定的位置一致。這也必須使用觀察光學(xué)器件。然而，其沒有在第一級(jí)包含顯微鏡，這是因?yàn)镕RAP和觀察系統(tǒng)在FRAP才莫塊前面的像平面變得共同。因此，可以通過將目標(biāo)放置在該像平面處來校準(zhǔn)該系統(tǒng)，例如使用電動(dòng)的向下翻轉(zhuǎn)(flip-down)目標(biāo)21。優(yōu)點(diǎn)是無需用戶配合來進(jìn)行校準(zhǔn)，并且他的樣本不會(huì)受到校準(zhǔn)過程的影響。通過觀察系統(tǒng)可以同時(shí)觀察到我們的內(nèi)部目標(biāo)、目標(biāo)上的激光光斑，而不是FRAP。這要求注射反射鏡16實(shí)際上為分束器，以便允許輻射被返回。在原型中，已經(jīng)使用了50:50的分束器，但是優(yōu)選的是90:10的分束器。這保持了FRAP的高效率，同時(shí)仍獲得足夠的返回來進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，校準(zhǔn)目標(biāo)是反射鏡21。其優(yōu)點(diǎn)是健壯和可靠，但缺點(diǎn)是會(huì)返回與FRAP激光波長(zhǎng)相同的光。這有可能正是共焦頭旨在阻擋的波長(zhǎng)。在實(shí)際中，能夠檢測(cè)到足夠的穿透以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，不過為了確保萬無一失，也可以在需要時(shí)替換熒光屏。這可以是透明熒光塑料，也可以是不透明薄膜。在任一情況下，顏色以日光熒光(day-glo)橙為宜。熒光目標(biāo)的缺點(diǎn)是其向所有方向進(jìn)行發(fā)射，并且可以使激光束散射，從而導(dǎo)致返回光斑變得相當(dāng)^t糊，除此之外，熒光的長(zhǎng)期壽命有限，這也可能會(huì)帶來問題。校準(zhǔn)包括通過觀察系統(tǒng)來記錄由預(yù)設(shè)的檢流計(jì)驅(qū)動(dòng)值列表生成的光斑圖案(pattern)。然后能夠計(jì)算適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，以將檢流計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為照相機(jī)坐標(biāo)，或者反之亦然。將要考慮的典型因素包括X和Y偏移以及比例因子、軸旋轉(zhuǎn)以及非正交性。除了關(guān)心設(shè)計(jì)檢流計(jì)電壓與光斑位移之間的線性關(guān)系之外，觀察系統(tǒng)本身可以表現(xiàn)出一定的非線性光學(xué)畸變(桶形畸變)，并且在校準(zhǔn)過程中希望有二階非線性項(xiàng)以在瞄準(zhǔn)過程中給出子像素準(zhǔn)確度。軸旋轉(zhuǎn)可以包含在軟件校準(zhǔn)過程中，而非提供機(jī)械調(diào)整。然而，仍然存在的問題是FRAP單元能夠圍繞觀察軸旋轉(zhuǎn)。有利的是，優(yōu)先對(duì)準(zhǔn)X掃描矢量很大程度上促進(jìn)了光柵掃描。校準(zhǔn)可能隨時(shí)間而改變，因此可能需要重新校準(zhǔn)。在正常使用中，可能預(yù)期X和Y偏移發(fā)生漂移，因?yàn)闄z流計(jì)具有明顯的溫度系數(shù)。然而，比例因子和高階項(xiàng)應(yīng)當(dāng)保持相對(duì)穩(wěn)定，并且旋轉(zhuǎn)參數(shù)將僅受該系統(tǒng)的基本物理擾動(dòng)的影響。僅在儀器啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行完整的重新校準(zhǔn)就足夠了，并且在任何FRAP實(shí)驗(yàn)之前，僅應(yīng)重新測(cè)量X和Y偏移。這可能僅需要花費(fèi)大約1秒鐘來執(zhí)行。因此，該系統(tǒng)應(yīng)足夠穩(wěn)定以在典型實(shí)驗(yàn)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持其對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確。然而，這可能依賴于使該系統(tǒng)適當(dāng)?shù)丶訜?，并且環(huán)境溫度在合理控制下。如最初所述的，F(xiàn)RAP光學(xué)系統(tǒng)大，不方便。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，已經(jīng)使用四個(gè)平面反射鏡3、6、13、15,非常仔細(xì)地將其折疊，從而適于非常類似于共焦頭的尺寸和形狀的體積。所有電機(jī)的局部驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備以及單獨(dú)地檢流計(jì)可以被包含在該^t塊內(nèi)，并且所生成的熱量，特別是由檢流計(jì)生成的熱量可能需要?dú)んw上的散熱片來散熱。這些電機(jī)可能與光開關(guān)電機(jī)相同，并且以類似方式驅(qū)動(dòng)(但是注意3路選擇器上的磁制動(dòng)器)。該模塊的輔助裝置(service)-光纖、電能和控制信號(hào)-可以全部安排為從后面顯現(xiàn)。在該模塊的前面，存在著指示FRAP系統(tǒng)可能是激光激活(laser-active)的LED,以及還存在著為了安全原因遮擋激光束的手動(dòng)快門控制。該組件具有三個(gè)可調(diào)調(diào)平腳(levellingfeet)。注意，這些是出于安裝目的而使用的便利特征，并且能夠在安裝完成之后解除。然而，可以釆用它們來穩(wěn)定該FRAP模塊的任何旋轉(zhuǎn)趨向。所有的輔助裝置調(diào)整是可以從外部進(jìn)行的，并且包括四個(gè)輸入調(diào)整器以及對(duì)該單元的顯微鏡端的聚焦調(diào)整；以及f-theta透鏡的調(diào)整螺釘，一個(gè)在上、一個(gè)在后。圖5是主觀察中繼器的示意性光線圖。如果是l:l的中繼器，則第一和第二透鏡22、24這二者都具有相同的焦距f。在各重要方面，間隔為2f的透鏡共同將與輸入透鏡相距f的樣本像平面17處的光場(chǎng)復(fù)制到與輸出透鏡相距f的中繼樣本像平面25。圖6是主觀察中繼器的實(shí)施方式的光線圖。實(shí)際上，(球形表面)透鏡的像差限制了就準(zhǔn)確成像而言可獲得的折射度，結(jié)果是使用簡(jiǎn)單的透鏡，該中繼器必須具有長(zhǎng)焦距以便保持良好的像。利用透鏡對(duì)22、24來代替每個(gè)單獨(dú)透鏡，分擔(dān)了表面之間的折射，以便縮短該中繼器并且又保持良好的成像。每個(gè)透鏡本身是消色差對(duì)，除了校正色差之外，還趨向于改善像質(zhì)量。雖然如此，像質(zhì)量主要取決于遠(yuǎn)心輸入射束所呈現(xiàn)的數(shù)值孔徑。這能夠在中繼器輸入端的上游進(jìn)行控制，或者可替換地能夠由擋板23限定的中心孔徑來控制，如圖所示。該孔徑還可以用于限制雜散光通過中繼器傳播。圖7是擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的光線圖。右側(cè)進(jìn)入的窄平行射束(0.7mm直徑)被擴(kuò)展到是以前的3倍，成為左側(cè)的輸出平行射束。透鏡4和5分別具有-25mm和75mm的焦距，并且被放置成使得其焦點(diǎn)基本上重合。這些透鏡是用于顏色校正和改善像質(zhì)量的消色差透鏡。圖8是可替換的縮束望遠(yuǎn)鏡的光線圖。右側(cè)進(jìn)入的窄平行射束(0.7mm直徑)收縮到是以前的1/3,成為左側(cè)的輸出平行射束。透鏡4a和5a分別具有75mm和-25mm的焦距，并且凈皮放置成使得其焦點(diǎn)基本上重合。同樣，這些透鏡是用于顏色校正和改善像質(zhì)量的消色差透鏡。圖9到11中圖示了用于操縱望遠(yuǎn)鏡的電動(dòng)伸縮組件，其特征被表示為如下4、5;4a、5a望遠(yuǎn)鏡透鏡對(duì)6折疊反射鏡26DC電機(jī)27旋轉(zhuǎn)編碼器30子框架31夾板(clampplate)32透鏡架33磁體34止端35止端銷36夾板37V形底槽盡管提供了被設(shè)計(jì)成使射束重合的輸入對(duì)準(zhǔn)方法，但是擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡透鏡的定心對(duì)于實(shí)現(xiàn)顯微鏡物鏡后孔徑處三個(gè)激光束尺寸的重合仍是至關(guān)重要的。如果任何望遠(yuǎn)鏡透鏡的橫向位置誤差過大，則所生成的指向誤差會(huì)太大以至于不能容納在實(shí)際調(diào)整范圍內(nèi)。因此，透鏡安裝的對(duì)稱性非常重要，尤其是每個(gè)架上的每對(duì)透鏡(4、4a;5、5a)的光學(xué)中心應(yīng)當(dāng)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸等距。架32^皮設(shè)計(jì)成將定心誤差減到最小。具體講，透鏡和軸桿的安裝表面都是通過在無需改變機(jī)床設(shè)置的情況下從同側(cè)進(jìn)行研磨來加工的。這種策略充分利用了研磨機(jī)的固有準(zhǔn)確度。例如，通常情況是沿著該架的垂直軸向下鉆孔，以便容納電機(jī)軸。這需要使工件轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)引起額外的設(shè)置誤差，并且無論怎樣都會(huì)僅由于鉆頭偏移而引起偏心孔。取而代之，在優(yōu)選實(shí)施例中V形底槽37被研磨成容納該電機(jī)軸，利用板36將該軸夾在適當(dāng)位置，從而保證透鏡架極好的對(duì)稱性。一皮設(shè)計(jì)成促進(jìn)定心對(duì)稱性的另一特征是止端銷35。通過DC電機(jī)26中的精密(deliberate)轉(zhuǎn)矩使該銷抵靠子框架30保持在止端位置34(僅一個(gè)位置是可見的)，從而限定了望遠(yuǎn)鏡在其中是活動(dòng)的兩個(gè)位置。然后，對(duì)電機(jī)軸的反作用力使軸承在平行于透鏡光軸的方向上偏置。因此，在最不敏感的聚焦方向上容納了電機(jī)軸承的任何空轉(zhuǎn)。如果代之以將透鏡架的主體用作止端，那么對(duì)電機(jī)軸的反作用力將具有與光軸垂直的巨大分量，從而干擾定心。止端銷35還有第二用途。能夠?qū)㈦姍C(jī)驅(qū)動(dòng)到止端之間的中途位置，并且在這個(gè)位置，在射束中不存在透鏡。這給出了lx的射束擴(kuò)展選擇，并且射束中沒有望遠(yuǎn)鏡。然而，電機(jī)沒有制動(dòng)裝置，并且在重力或者任何其他不想要的力的影響下仍能夠自由旋轉(zhuǎn)離開該位置。然而，銷35是由磁性鋼制成的，并且在該中間位置時(shí)受到i茲體33的吸引，從而形成了將電機(jī)近似保持在適當(dāng)位置的微弱的制動(dòng)作用。在該系統(tǒng)中所使用的射束是具有高斯橫截面的單模激光束。在極大程度上，光學(xué)器件完全是受衍射限制的。公知的是，光不能聚焦成無窮小的光斑光斑的尺寸受到衍射的限制。極限光斑尺寸是由光的波長(zhǎng)結(jié)合聚焦光的會(huì)聚角來確定的。對(duì)于給定波長(zhǎng)，利用較大會(huì)聚角獲得較小光斑，反之亦然。如果簡(jiǎn)單的透鏡將平行光束聚焦成大約1焦距以外的光斑，則會(huì)聚角將隨著平行射束的直徑而增大。因此在這種系統(tǒng)中，假設(shè)其仍然受衍射限制，大直徑輸入射束會(huì)產(chǎn)生小聚焦光斑，反之亦然。在高斯激光束的情況下，文獻(xiàn)表明，光斑尺寸與會(huì)聚角的關(guān)系如下公式r/f=0=X/(7i*w0)此處r是平行射束半徑，f是透鏡焦距，e是會(huì)聚角半徑，人是波長(zhǎng)，并且wq是光斑半徑。無論如何，半徑是指高斯射束輪廓的1&2半徑。圖12和13示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高速電動(dòng)分束器組件，其中分別在光束中插入和移除了分束器。分束器16是l.lmm厚、對(duì)角線(across)長(zhǎng)16mm的正方形玻璃，在其第一表面上涂敷了具有大約90%反射率和10%透射率的介電涂層。后表面涂覆有抗反射涂層，以使得虛反射減少到可接受的程度。該分束器以45度插入主觀察射束(圖12)中，其將大部分目標(biāo)照射射束注射到顯微鏡中。然而，當(dāng)插入校準(zhǔn)反射鏡21時(shí)，一部分射束被反射回來通過該分束器。大約9%被透射回來通過共焦頭到達(dá)照相機(jī)，從而允許該系統(tǒng)校準(zhǔn)激光束的瞄準(zhǔn)。為了進(jìn)行普通觀察，分束器能夠旋轉(zhuǎn)離開射束，其中其對(duì)所觀察像的質(zhì)量或者強(qiáng)度沒有影響(圖13)。在某些情況下，目標(biāo)照射的作用可能非常短暫，因此從目標(biāo)照射轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄓ^察的速度非常重要。利用具有用于監(jiān)視其旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器27的DC電機(jī)26來驅(qū)動(dòng)分束器在下止端28與上止端29之間的旋轉(zhuǎn)。為了非?？斓剡M(jìn)行操作，以全電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而產(chǎn)生最大的加速度，直到分束器已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到其交替位置的中途為止。此時(shí)，觀察射束非常清晰以供觀察。接著，使驅(qū)動(dòng)電流反向以產(chǎn)生最大減速度。因此，在等于先前的加速周期的周期之后，旋轉(zhuǎn)速度非常低。相對(duì)小的殘余反向驅(qū)動(dòng)電流于是確保了分束器到達(dá)其止端，而沒有由于與止端的高速碰撞而造成嚴(yán)重?fù)p害的風(fēng)險(xiǎn)。可以利用目錄中的光學(xué)部件來構(gòu)建本文中所述的模塊光學(xué)器件的實(shí)施例(并且已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功)來自EdmundOptics的透鏡；來自Comar的介電反射鏡；以及來自Thor的吸收性中性濾光片。^t塊的主要供應(yīng)商是新加坡的QiOptiq(以前是Thales)。然而，涉及這種特定應(yīng)用的目錄部件的一些潛在缺陷表明使用定制(custom)光學(xué)部件是優(yōu)選的。目錄部件的主要缺陷如下。未針對(duì)為系統(tǒng)所指定的波長(zhǎng)范圍對(duì)透鏡進(jìn)行上色(chromatically)優(yōu)化，并且通用表面形狀引起了射束的一定橢圓畸變和模糊。透鏡中所使用的玻璃的光譜范圍不允許將來擴(kuò)展到UV,而且涂層在該范圍的端點(diǎn)處不是非常有效。適當(dāng)形式的90:10分束器不容易獲得，并且反射鏡和分束器可能表現(xiàn)出偶然的點(diǎn)缺陷，這會(huì)在場(chǎng)中的不同點(diǎn)處顯著影響射束質(zhì)量。因此，優(yōu)選地配置定制光學(xué)器件來解決這些可能的缺陷。可以選擇良好透射UV(至少350nm)的玻璃。可以嚴(yán)檔^見定所有部件的表面質(zhì)量。反射和AR涂層全都可以相當(dāng)有效地覆蓋期望范圍，并且透鏡具有被優(yōu)化成使射束的橢圓畸變和一般退化最小化的形狀?？梢杂梅瓷錇V光片取代中性濾光片(衰減器)。3個(gè)擴(kuò)展激光束的對(duì)準(zhǔn)全部三個(gè)不同尺寸的激光束應(yīng)當(dāng)穿過顯微鏡物鏡的后光學(xué)孔徑的中心。這確保了到達(dá)樣本的照射錐體在該位置平行于光軸，并且還保證了最大量的光進(jìn)入物鏡。f-theta透鏡14用于瞄準(zhǔn)來自目標(biāo)照射模塊的輸出射束；然而，這種一次調(diào)整必須能夠滿足全部三個(gè)射束尺寸選擇，因此重要的是全部三個(gè)射束在物鏡后面重合。在最佳構(gòu)建的系統(tǒng)中，將是如此情形。然而，望遠(yuǎn)鏡的定心誤差使得通過直接組件方法實(shí)現(xiàn)是不切實(shí)際的。然而，使用輸入激光束調(diào)整器中可用的全部4個(gè)自由度，可以找到基本上在物鏡后面實(shí)現(xiàn)射束重合的單一輸入路徑。利用如下的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件能夠證明這一點(diǎn)。在這里提出的適當(dāng)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)中，場(chǎng)鏡19保證了后物鏡孔徑相對(duì)于處于17的樣本像成像于無限遠(yuǎn)。通過系統(tǒng)逆向工作，f-theta透鏡14將該無限遠(yuǎn)共軛(infiniteconjugate)聚焦到Y(jié)檢流計(jì)反射鏡12上，由其中繼到X檢流計(jì)反射鏡8。因此，X檢流計(jì)位于物鏡后孔徑的像處，其作為目標(biāo)。因此，如果激光束在X檢流計(jì)反射鏡處重合，則它們?cè)谖?竟后面重合。能夠通過望遠(yuǎn)鏡組件逆向工作來觀察檢流計(jì)在哪里再成像。這對(duì)于三種射束擴(kuò)展可能是不同的，并且每種變化分別如圖14A到C所示，其中為了便于理解大致地夸大了射束擴(kuò)展。圖14A到C所示的反向光線軌跡指示X檢流計(jì)反射鏡8的中心的虛像的位置，如下38利用圖14A中的3x擴(kuò)束器的虛像位置39利用圖14B中的1/3x縮束器的虛像位置40利用圖14C中的1x光束擴(kuò)展(無望遠(yuǎn)鏡)的虛像位置圖15示出了來自圖14A到C所示的虛焦點(diǎn)38、39和40的光線軌跡。圖16A示出了望遠(yuǎn)鏡透鏡4的lmm偏移對(duì)于圖15的光線軌跡的影響，圖16B提供了圖16A的局部放大視圖。能夠看出，圖16A和16B中像點(diǎn)40發(fā)生了離軸移動(dòng)，并且因此像點(diǎn)38、39和40不再位于一條直線上。圖17A和B示出了使物體移動(dòng)的校正效果，從而4吏38、39和40再次共線。為了使激光束在X檢流計(jì)處重合，能夠看到激光束實(shí)際上將穿過這三個(gè)虛焦點(diǎn)38、39和40。換句話il,在輸入端處，應(yīng)當(dāng)瞄準(zhǔn)激光器，以使得在沒有任何擴(kuò)束器的情況下，其經(jīng)過點(diǎn)38、39和40。當(dāng)然，這僅僅在三個(gè)點(diǎn)位于一條直線上的情況下才是可能的。不幸的是，能夠看到如果任何一個(gè)透鏡由于某種原因發(fā)生了橫向位移(如圖16A和B所例示的)，則這些點(diǎn)將不會(huì)位于一條直線上，并且因此不能實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)。然而，通過調(diào)整X檢流計(jì)上的目標(biāo)點(diǎn)能夠使情況恢復(fù)。在附圖中，這等同于使物體移動(dòng)，這又使全部三個(gè)像移動(dòng)。橫向放大率對(duì)于三種不同射束擴(kuò)展而言是不同的，因此像光斑38、39和40以不同速率移動(dòng)。因?yàn)橐话愣?，像的縱向間隔與放大率不成正比，因此光斑的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)也改變。這使得可以使三個(gè)光斑重新共線(如圖17A和B中所示)。在所示實(shí)例中，需要4吏物體移動(dòng)5mm來補(bǔ)償透鏡4的lmm移動(dòng)。幸運(yùn)的是，可能希望實(shí)現(xiàn)大約0.2mm的定心一致性，因此lmm的目標(biāo)移動(dòng)應(yīng)當(dāng)是合適的。注意，盡管在檢流計(jì)處重合，但是目前激光束偏心大約lmm。然而，通過使f-theta透鏡也調(diào)整lmm能夠很容易補(bǔ)償這種偏心。注意，盡管目前激光束在物鏡后面重合，但是它們^[艮可能在樣本像平面17處不再重合。然而，因?yàn)閄和Y檢流計(jì)反射鏡將光束引向樣本像平面中的任意期望位置，所以能夠通過軟件校正單獨(dú)射束來校正該問題。即使望遠(yuǎn)鏡透鏡完全定心，仍有使激光器與望遠(yuǎn)鏡的光軸準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)的問題。在不可避免的定心誤差的情況下，問題變?yōu)槊闇?zhǔn)激光器以穿過3個(gè)虛焦點(diǎn)。利用例如圖18和19所示的輸入射束調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠使用反復(fù)的調(diào)整方法，其中特征被表示如下41激光束準(zhǔn)直器筒42夾緊和回位彈簧43殼體壁內(nèi)側(cè)44推銷引導(dǎo)組件45調(diào)整螺釘(總共4個(gè))46球形末端銅推銷(總共4個(gè))首先，將所有調(diào)整裝置設(shè)為其額定中心4個(gè)輸入調(diào)整器45、X和Y檢流計(jì)、聚焦調(diào)整和f-theta橫向調(diào)整裝置。這確保了激光束干凈利落地近似沿著光軸穿過該系統(tǒng)。接著，觀察相對(duì)于樣本像平面17無限遠(yuǎn)的目標(biāo)照射模塊的激光輸出端。最容易的是通過使用聚焦在無限遠(yuǎn)的數(shù)字照相才;w見察C架18處的輸出端來進(jìn)行觀察。現(xiàn)在注意由lx擴(kuò)束器(無望遠(yuǎn)鏡，中間(medium)射束)生成的光斑以及由1/3x縮束器(小射束)生成的光斑的位置，并且觀察到它們相互位移。僅調(diào)整兩個(gè)遠(yuǎn)端輸入調(diào)整螺釘(相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡)，從而使小光斑與中間光斑重合。這需要一定的反復(fù)，因?yàn)檎{(diào)整也會(huì)影響中間光斑。現(xiàn)在觀察中間光斑和大光斑(來自3x擴(kuò)束器)的位置。僅利用近端輸入調(diào)整螺釘來調(diào)整它們重合。調(diào)整近端螺釘也會(huì)影響中間和小光斑的重合，并且將有必要重復(fù)整個(gè)程序直到全部三個(gè)光斑會(huì)聚到同一中心。重要的是，當(dāng)使小光斑和中間光斑對(duì)準(zhǔn)時(shí)，僅調(diào)整遠(yuǎn)端螺釘，并且當(dāng)使大光斑和中間光斑對(duì)準(zhǔn)時(shí)，僅應(yīng)當(dāng)調(diào)整近端螺釘。另外，對(duì)準(zhǔn)可以發(fā)散，而不是會(huì)聚以重合。在光斑已經(jīng)達(dá)到重合之后，能夠利用f-theta透鏡調(diào)整使它們都定心于顯微鏡物鏡的后孔徑中。乍看起來，遠(yuǎn)端螺釘似乎與近端螺釘.完全執(zhí)行相同的功能，即改變輸入角度，但是實(shí)際上，反復(fù)調(diào)整通常具有使激光束向側(cè)面移動(dòng)的效果。實(shí)際上，可以設(shè)計(jì)一種調(diào)整方法，其將這些調(diào)整改變?yōu)闄M向移動(dòng)和角移動(dòng)。還注意，無限遠(yuǎn)的小光斑對(duì)應(yīng)于低射束發(fā)散度(divergence),并因此樣本像平面17處的大光斑也是如此。類似的是，無限遠(yuǎn)的大光斑對(duì)應(yīng)于17處的小光斑。在目標(biāo)照射模塊的輸出端處能夠采用數(shù)字照相機(jī)來實(shí)現(xiàn)這種調(diào)整。有用的替換方式是將凹面反射鏡放置在與樣本像平面17相距一倍焦距處，從而將無限遠(yuǎn)聚焦到樣本像平面17。這允許將系統(tǒng)照相機(jī)用于調(diào)整。使用兩倍焦距并且背面為平面反射鏡的凸透鏡很容易模擬這種反射鏡。f-theta透鏡14具有三個(gè)分立的功能其將檢流計(jì)反射鏡處的射束的角偏差轉(zhuǎn)變?yōu)槟K輸出端處的平行位移(在C架凸緣18附近)；其將激光束聚焦在樣本像平面17處；以及其能夠被調(diào)整以引導(dǎo)輸出射束的方向，以使得射束直接穿過顯微鏡物鏡的后孔徑的中心。該最后的功能的原理如圖20A和20B所示。在圖20A中，f-theta透鏡14定心在激光束上，并且因此除了期望聚焦效果之外，激光束未偏轉(zhuǎn)地穿過透鏡。在圖20B中，該透鏡已經(jīng)垂直向下位移，從而引起輸出射束向下偏轉(zhuǎn)。明顯的是，這種動(dòng)作能夠被擴(kuò)展到引起水平偏轉(zhuǎn)，從而在輸出射束的指向上獲得兩個(gè)正交自由度。圖21示出了促進(jìn)在兩個(gè)正交方向上調(diào)整f-theta透鏡位置的調(diào)整機(jī)構(gòu)，其特征;故表示如下60殼體61回位彈簧62水平調(diào)整螺釘63垂直調(diào)整螺釘圖2中由透鏡9和11形成的檢流計(jì)中繼器的目的是將X檢流計(jì)反射鏡8成像到Y(jié)檢流計(jì)反射鏡12上。這具有使兩個(gè)反射鏡表現(xiàn)出共處一處(co-locate)的效果。、因此，該系統(tǒng)僅具有一個(gè)偏轉(zhuǎn)中心而不是兩個(gè)，從而使f-theta透鏡的工作容易得多。省略該中繼器的實(shí)際結(jié)果是對(duì)于所有檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)而言，不能保證輸出射束穿過顯微鏡物鏡的后孔徑中心。使用中繼器而不是僅單個(gè)透鏡的原因是使得激光束的平行性在該子系統(tǒng)的出口處未改變。該中繼器是具有標(biāo)準(zhǔn)lf:2f:lf間隔的1:1中繼器，但是其優(yōu)選地利用透鏡對(duì)來實(shí)現(xiàn)，以減少折射過程中的像差，如圖22所示。'屋脊型，配置中的平面反射鏡對(duì)IO使該系統(tǒng)折疊，從而使其在物理上變短。然而，其還用作系統(tǒng)聚焦調(diào)整裝置。當(dāng)橫向位移(圖22中的左-右)時(shí)，輸出射束的平行性從會(huì)聚經(jīng)過平行變?yōu)榘l(fā)散。這影響了樣本像平面17處的射束聚焦，并且對(duì)于大多數(shù)關(guān)鍵應(yīng)用而言，可以使光束準(zhǔn)確地聚焦，即利用生成最小光斑的3x擴(kuò)束器。其他射束選擇的聚焦不是如此準(zhǔn)確，但這不那么重要。可以通過簡(jiǎn)單的螺釘滑動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)該屋脊型對(duì)。光開關(guān)光開關(guān)(如圖1中的110所示)的功能是使激光束任意地從普通共焦頭觀察通道轉(zhuǎn)移到FRAP通道中。該開關(guān)位于激光源108中或者接近于激光源108,并且其輸出端通過帶包層(armoured)單模光纖與共焦頭102和FRAP模塊100耦合。在6線和3線激光源的情況下，該光開關(guān)^^莫塊實(shí)際上安裝在激光源模塊內(nèi)部，并且其輸入端直接與激光束耦合，因?yàn)檫@是最有效的布置。然而，在5線組合器的情況下，因?yàn)榭臻g問題，該開關(guān)安裝在外部，并且其輸入端通過端接在準(zhǔn)直器每一端的另一單模光纖與激光器耦合。圖23示意性地描繪了該開關(guān)的光學(xué)元件(為了說明將射束寬度夸大了)，同時(shí)圖24示出了該開關(guān)的實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)。特征被表示如下26，DC電機(jī)27'旋轉(zhuǎn)編碼器50輸入透鏡51輸出透鏡(當(dāng)沒有反射鏡時(shí))52電動(dòng)平面反射鏡(所示的是插入的情況)53可替換輸出透鏡(當(dāng)插入反射鏡時(shí))54輸入透鏡上的聚焦環(huán)55殼體56用于對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直輸出光纖的顯微操縱器該開關(guān)本身實(shí)質(zhì)上是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平面'標(biāo)記，反射鏡52，其使射束/人其針對(duì)共焦通道的普通直通路徑通過90度偏轉(zhuǎn)到FRAP通道。普通的準(zhǔn)直器筒終端連同用于對(duì)準(zhǔn)的顯微操縱器56將光耦合到每個(gè)輸出光纖中。在該基本配置中，為了實(shí)現(xiàn)良好的可再現(xiàn)透射效率，該開關(guān)反射鏡角必須能夠敏銳地再現(xiàn)。根本原因是此時(shí)激光束通常具有低于0.5毫弧度的發(fā)散度，并且緊密耦合到光纖中需要將角對(duì)準(zhǔn)保持在大約該角的1/10內(nèi)。通過提高反射鏡區(qū)域中的發(fā)散度來解決這個(gè)問題。為此，在輸入端處使用聚焦透鏡50并且在每個(gè)輸出端處使用準(zhǔn)直透鏡51、53。特別是對(duì)于直通模式下的共焦觀察而言，透射效率需要非常高，并且因?yàn)閬碜约す庠吹妮斎爰す馐拇_切特性略微不確定以及透鏡的焦距無法精確控制，所以在輸入透鏡上存在著螺釘動(dòng)作聚焦調(diào)整裝置54。電機(jī)26，是具有旋轉(zhuǎn)編碼器27，的直接驅(qū)動(dòng)DC型電機(jī)，其在大約90度間隔的兩個(gè)止端之間操作反射鏡。驅(qū)動(dòng)控制是放置在本地的電子卡，其具有微處理器來控制和監(jiān)視加速度。工作原理是全速加速45度，然后是相等并且相反的減速，以使得反射鏡相對(duì)緩和地到達(dá)其止端，而不會(huì)反彈太多。然后，有效的保持電流使反射鏡相對(duì)于適當(dāng)?shù)闹苟似?。注意，該力還使軸承偏置為可再現(xiàn)的配置，從而消除側(cè)向軸承間隙。保持電流的大小對(duì)于FRAP輸出配置中的反射鏡角度的可再現(xiàn)性是很關(guān)鍵的。用戶需要要求從FRAP才莫式到觀察沖莫式的優(yōu)化切換，并且因?yàn)閺纳涫幸瞥瓷溏R比將其準(zhǔn)確放置在止端上可能更快，所以將FRAP通道與該90度配置耦合。所需的切換時(shí)間在50毫秒以下，但是電機(jī)能夠在10毫秒以下清除射束。返回切換時(shí)間不那么重要并且在20-30毫秒范圍內(nèi)。需要光開關(guān)來將來自自由空間激光器或者準(zhǔn)直單模光纖的單模激光輻射耦合到兩個(gè)可替換輸出端之一，每個(gè)輸出端都是準(zhǔn)直單才莫光纖。這種系統(tǒng)中用以獲得良好轉(zhuǎn)移效率的對(duì)準(zhǔn)條件通常是非常嚴(yán)格的。例如，來自市售單模激光器的典型光束具有大約1毫孤度的發(fā)散度，并且為了保持良好的耦合效率，射束與準(zhǔn)直光纖的對(duì)準(zhǔn)必須為該角度的大約1/10或者大約30弧度秒。在機(jī)械系統(tǒng)中保持這種準(zhǔn)確度是困難的例如，30弧度秒的射束偏差對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)度為10mm的旋轉(zhuǎn)反射鏡中的僅0.5微米的偏轉(zhuǎn)。通過提高激光束的發(fā)散度，能夠提高角度失準(zhǔn)的容差。然而，與這種提高相關(guān)聯(lián)的是，由于單才莫激光束的受衍射限制的性質(zhì)而必須降低射束直徑。因此，不能無度地提高射束發(fā)散度，否則射束橫向定位的容差將變得難以控制。因?yàn)槭惺蹎蝆^莫激光束和準(zhǔn)直光纖似乎在大約lmm的直徑附近調(diào)整，所以已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種光學(xué)方案，其提高光開關(guān)內(nèi)的相關(guān)發(fā)散度，但是為了方便使其在輸入端和輸出端處未改變。輸入透鏡50和輸出透鏡51共同構(gòu)成了中繼器，其將輸入相對(duì)未改變地轉(zhuǎn)移到輸出，但是將該開關(guān)內(nèi)的射束聚焦在接近于反射鏡的點(diǎn)。這減少了對(duì)于該開關(guān)內(nèi)的角度失準(zhǔn)的敏感度，從而使電動(dòng)反射鏡52的機(jī)械設(shè)計(jì)容易得多，這樣當(dāng)輸出端通過透鏡53轉(zhuǎn)向時(shí)，能夠保持良好的效率，而不用顧及反射鏡位置的任何微小誤差。輸出光纖對(duì)準(zhǔn)仍然不變，因此仍需要靈敏的機(jī)構(gòu)，例如在直接輸出端上所示的并且通常也存在于可替換的輸出端上的4調(diào)整顯微操縱器56。在'直通，耦合效率是最重要的應(yīng)用中，為了對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并且補(bǔ)償構(gòu)造尺寸的任何變化，可以在簡(jiǎn)單的螺釘聚焦機(jī)構(gòu)54內(nèi)包含輸入透鏡。取代上述的光開關(guān)配置，可以利用基于鐵電偏振旋轉(zhuǎn)器和偏振分束器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)其功能。可替換地，能夠采用具有45度反射鏡的壓電激勵(lì)精密球形滑片(piezo-actuatedprecisionballslide)。電子器件現(xiàn)在描述用于在三個(gè)軸上控制樣本周圍的激光束的硬件實(shí)施方式?？梢栽诟信d趣的區(qū)域周圍以預(yù)定義的形狀或者徒手(freehand)操作(FRAP)來引導(dǎo)光束。還陳述了對(duì)X、Y軸和激光器接通/斷開的并行控制，以及非常具體的形狀圖。系統(tǒng)說明該系統(tǒng)的主要部件是控制單元(同步器114)、光學(xué)單元70(其包括目標(biāo)照射模塊100)、激光器108和PC112(參見圖25)。還可以由同步器來控制該顯微鏡系統(tǒng)的其他部件。該控制單元包括以下硬件(參見圖26):與PC的接口，在CypressFX2USB微處理器設(shè)備72(USB2.0接口)周圍。由Spartan3FPGA設(shè)備74驅(qū)動(dòng)的圖案繪制引擎(FRAP)。.用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)檢流計(jì)而增加的雙DAC76。將能夠讀回檢流計(jì)位置的串行4通道ADC78。用于控制七個(gè)光開關(guān)(未示出)的附加硬件。激光器控制硬件80。用于存儲(chǔ)激光器(LASER)事件的S—MM82。用于存儲(chǔ)檢流計(jì)(GALVO)矢量(運(yùn)動(dòng))的SRAM84。用于存儲(chǔ)實(shí)馬t狀態(tài)(STATES)的SRAM86。在該系統(tǒng)的工作過程中1.用戶在其PC屏幕上限定他希望在生物樣本周圍"利用激光束繪制"的形狀。2.將該區(qū)域"轉(zhuǎn)變"(在應(yīng)用軟件中)為檢流計(jì)矢量、激光器事件和控制(CONTROL)命令。該檢流計(jì)矢量提供移動(dòng)檢流計(jì)電機(jī)(檢流計(jì))所需的DAC值。激光器事件提供激光束的通/斷(ON/OFF)圖案。3.將以上信息下載(利用USB2.0)到控制單元。4.遵循該控制命令的FPGA通過移動(dòng)4全流計(jì)電才幾同時(shí)接通/斷開激光束來繪制圖案。FX2uProcessor(u處理器)72在PC112與控制單元114之間提供橋接。其還負(fù)責(zé)運(yùn)行存儲(chǔ)在狀態(tài)存儲(chǔ)器86內(nèi)的實(shí)驗(yàn)。典型的實(shí)驗(yàn)將包括在樣本的不同區(qū)域中繪制不同圖案。將檢流計(jì)矢量存儲(chǔ)在檢流計(jì)存儲(chǔ)器84內(nèi)，將激光器事件存儲(chǔ)在激光器存儲(chǔ)器82內(nèi)，并且將控制命令存儲(chǔ)在命令存儲(chǔ)器88內(nèi)。FPGA74從外部存儲(chǔ)器讀取矢量和激光器事件，然后驅(qū)動(dòng)檢流計(jì)并且使激光引擎同步。繪制圖案激光束分別落到安裝在具有X和Y控制電機(jī)90和92的兩個(gè)檢流計(jì)中的兩個(gè)反射鏡8、12上(參見圖27)。通過獨(dú)立地移動(dòng)這兩個(gè)反射鏡，能夠在兩個(gè)軸上控制激光束的反射。理論上，使激光束連續(xù)接通能夠準(zhǔn)確地繪出任意形狀。實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)殡姍C(jī)具有阻止其立刻改變方向的慣性。例如，考慮繪制方形；圖28中的粗線94是激光束的理論路徑，細(xì)線96是在驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)的情況下射束遵循的實(shí)際路徑。檢流計(jì)不能在點(diǎn)A、B、C和D處立刻改變方向，并且這就是射束路徑與粗線不相同的原因?？朔@個(gè)問題的一種方式是在超過了理想線的點(diǎn)(A、B、C、D)處斷開激光束，并且在其返回到理想路徑上時(shí)接通激光束。因此在圖29中的虛線98處，激光束斷開，并且當(dāng)檢流計(jì)處于理想位置時(shí)再次接通。FPGAFPGA74的主要功能是驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)和激光器通/斷事件。同時(shí)其用作用數(shù)據(jù)填充檢流計(jì)和激光器存儲(chǔ)器的橋接器(bridge),并且最重要的是在工作(圖案繪制)過程中使(命令結(jié)構(gòu)引擎)兩個(gè)主要的引擎(檢流計(jì)、激光器)同步。圖30表示了與FPGA相關(guān)聯(lián)的主要功能塊，并且在以下進(jìn)行描述。檢流計(jì)引擎才全流計(jì)引擎120通過設(shè)置雙DAC76的值來控制兩個(gè)4企流計(jì)電才幾。當(dāng)其運(yùn)行時(shí)，其從外部存儲(chǔ)器讀取矢量并且將這些值提供給DAC。當(dāng)其讀取了全部矢量(針對(duì)特定圖案)時(shí)，其生成至微處理器72的中斷信號(hào)。每個(gè)矢量需要三個(gè)字。因此，檢流計(jì)引擎必須在其更新DAC之前三次讀取外部檢流計(jì)存儲(chǔ)器。檢流計(jì)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)檢流計(jì)存儲(chǔ)器84用于存儲(chǔ)X和Y矢量。首先，微處理器72用矢量來填充檢流計(jì)存儲(chǔ)器，然后，在FRAP周期期間，檢流計(jì)引擎120讀取矢量并且以預(yù)定義值來加載DAC76。需要三個(gè)字來描述一組X和Y移動(dòng)。第一字是該矢量的步進(jìn)(step)數(shù)量。X和Y檢流計(jì)將執(zhí)行相同數(shù)量的步進(jìn)和不同數(shù)量的DAC水平。第二和第三字限定了X和Y檢流計(jì)的DAC水平的數(shù)量以及符號(hào)。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)能夠從任意的存儲(chǔ)位置開始。用戶能夠通過使用命令結(jié)構(gòu)中的指針指令(加載指針X)來限定起始地址(針對(duì)特定的FRAP周期)。這樣，檢流計(jì)存儲(chǔ)器能夠包含不同的FRAP區(qū)域，因此用戶能夠通過加載相應(yīng)的指針來選擇對(duì)哪個(gè)區(qū)域進(jìn)行FRAP。激光引擎激光引擎122控制8個(gè)激光器的通/斷狀態(tài)。該引擎從外部存儲(chǔ)器(激光器存儲(chǔ)器82)讀取事件，并且其相繼地執(zhí)行這些事件。激光引擎必須在其能夠接通/斷開激光器之前從激光器存儲(chǔ)器讀取兩個(gè)字。激光器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)激光器存儲(chǔ)器82與檢流計(jì)存儲(chǔ)器84在物理上不同，并且用于存儲(chǔ)激光器事件。微處理器將這些事件存儲(chǔ)在激光器存儲(chǔ)器中，然后激光引擎加載這些事件并且相應(yīng)地接通/斷開激光器。該激光器存儲(chǔ)器具有以下結(jié)構(gòu).停止操作的位^t式(數(shù)據(jù)結(jié)尾)，如果不存在則其照常繼續(xù)進(jìn)行。在激光器事件之間定時(shí)的定時(shí)器?？刂萍す馄魍?斷狀態(tài)的位模式。存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器接口塊124負(fù)責(zé)在FPGA74與微處理器72之間的連接。該過程負(fù)責(zé)對(duì)檢流計(jì)存儲(chǔ)器84的存取對(duì)激光器存儲(chǔ)器82的存取對(duì)狀態(tài)存儲(chǔ)器86(該存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的狀態(tài))的存取.對(duì)命令存儲(chǔ)器88(其是FPGA存儲(chǔ)器的內(nèi)部存儲(chǔ)器，將在后面進(jìn)行討論)的存取命令結(jié)構(gòu)引擎當(dāng)微處理器啟動(dòng)FRAP周期(繪制圖案)時(shí)，命令結(jié)構(gòu)引擎塊126接管對(duì)操作的控制。首先，其讀取存儲(chǔ)(通過PC下載)在內(nèi)部RAM(命令存儲(chǔ)器88)中的命令，然后相繼地執(zhí)行這些指令。存在七個(gè)能夠用于使激光器與檢流計(jì)引擎120、122同步的命令。GALVONOWGALVONOW命令將值加載到檢流計(jì)X(DAC)以及將值加載到檢流計(jì)Y(DAC)。這兩個(gè)檢流計(jì)都將到達(dá)絕對(duì)位置。用戶能夠添加所需的延遲(DELAY)以留出檢流計(jì)的設(shè)置時(shí)間。該延遲命令應(yīng)當(dāng)總是在GALVONOW命令與STARTFRAP命令之間使用。LASERNOWLASERNOW命令用于啟用或者禁用激光線(laserline)。該命令控制AOTF激光器啟用。FPGA僅僅在FRAP周期期間驅(qū)動(dòng)激光器啟用。其它時(shí)間由微處理器驅(qū)動(dòng)激光器啟用。LOADPOINTERX(加載指4十X)該命令將把存儲(chǔ)器(檢流計(jì))地址指針提供給檢流計(jì)引擎。當(dāng)執(zhí)行STARTFRAP命令時(shí)，檢流計(jì)引擎將讀取(從外部檢流計(jì)存儲(chǔ)器)從該位置開始的矢量。LOADPOINTERLASER(加載指4H敫光器)該命令類似于LOADPOINTERX。將指針加載到激光引擎。當(dāng)執(zhí)行STARTFRAP時(shí)，激光引擎將從該位置讀取數(shù)據(jù)(從外部激光器存儲(chǔ)器)。STARTFRAP(開始FRAP)該命令將啟動(dòng)FRAP周期。檢流計(jì)引擎將在其停止之前執(zhí)行來自檢流計(jì)存儲(chǔ)器的多個(gè)矢量(將'矢量的數(shù)量，存儲(chǔ)在該命令中)。STOPFRAP(停止FRAP)應(yīng)當(dāng)在命令結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器塊結(jié)束時(shí)并且在STARTFRAP命令之后立刻使用該命令。這兩個(gè)命令共同啟動(dòng)和終止FRAP周期。DELAY(延遲)該命令將在執(zhí)行FRAP周期的過程中添加延遲。其能夠被用于在GALVONOW命令執(zhí)行之后留出檢流計(jì)電機(jī)的設(shè)置時(shí)間，以及還用于激光器與檢流計(jì)引擎之間的同步。實(shí)例以下的實(shí)例是典型圖案周期，并且其示范了內(nèi)部命令結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器塊的使用。命令_Galvonow設(shè)置檢流計(jì)XDAC位置設(shè)置檢流計(jì)YDAC位置FPGA將把這些值加載到DAC并且檢流計(jì)將立刻移動(dòng)到新的位置LoadPointerLaser_以激光器存儲(chǔ)器地址值來加載指針激光器。這指示其中用戶已經(jīng)存儲(chǔ)了激光器通/斷事件的激光器存儲(chǔ)器位置。能夠在不同存儲(chǔ)器位置存儲(chǔ)多個(gè)圖案。LoadPointerX_以激光器存儲(chǔ)器地址值來加載指針檢流計(jì)。這指示其中用戶已經(jīng)存儲(chǔ)了檢流計(jì)矢量(針對(duì)該特定圖案)的信息的檢流計(jì)存儲(chǔ)器位置。<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>FPGA實(shí)施方式執(zhí)行的速度FPGA的體系結(jié)構(gòu)允許并行執(zhí)行兩個(gè)主要過程，檢流計(jì)和激光引擎。因?yàn)樗鼈儶?dú)立工作，所以它們能夠?qū)崿F(xiàn)高速操作。因此檢流計(jì)能夠每10us更新一次，同時(shí)激光引擎能夠在100ns之內(nèi)從通狀態(tài)變?yōu)閿酄顟B(tài)。下載過程中的靈活性激光器和檢流計(jì)引擎的獨(dú)立外部存儲(chǔ)器允許用戶非?？斓貎H修改矢量或者激光器事件，即如果用戶希望繪制相同的形狀/圖案，但是僅改變激光器事件，則他不必重新下載圖案的矢量。他能夠僅更新激光器存儲(chǔ)器。因此，用戶的獲益是非?？斓牟僮?。cFRAP過程中的靈活性使用GALVONOW命令，用戶能夠?qū)z流計(jì)移動(dòng)到屏幕的任意點(diǎn)。因此，為了在生物樣本周圍繪制方框，必須下載激光器事件、檢流計(jì)矢量和命令存儲(chǔ)器。然后，微處理器啟動(dòng)FRAP周期(圖案繪制)。如果樣本移動(dòng)，并且希望重新繪制其周圍的區(qū)域，則不必重新填充上述存儲(chǔ)器。僅使用GALVONOW命令更新圖案的起始位置，并且啟動(dòng)FRAP周期。這允許其中用戶/應(yīng)用軟件能夠非?？斓乇O(jiān)視和FRAP任何生物樣本的cFRAP。命令結(jié)構(gòu)中的延遲命令該設(shè)計(jì)中的兩個(gè)主要可I擎彼此獨(dú)立地工作，因此在啟動(dòng)過程中必須使其同步。因此，盡管存在來自檢流計(jì)引擎的用于啟動(dòng)激光引擎的內(nèi)部信號(hào)，但是在該設(shè)備內(nèi)仍然存在必須在工作過程中進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膫鞑パ舆t。這是利用延遲命令來實(shí)現(xiàn)的。該延遲命令不僅為檢流計(jì)電機(jī)給出了移動(dòng)到(在GALVONOW期間)指定位置的足夠時(shí)間，而且用戶能夠消除該系統(tǒng)的傳播延遲時(shí)間。因此，利用一個(gè)命令就消除了檢流計(jì)/系統(tǒng)慣性和FPGA的傳播延遲時(shí)間。才全流計(jì)校準(zhǔn)軟件本文中描述的顯微系統(tǒng)包含兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)(共焦頭)用于對(duì)樣本進(jìn)行成像；另一個(gè)(FRAP^^莫塊)照射樣本的選定區(qū)域。所希望的是照射由樣本像(WYSIWYG)指定的樣本區(qū)域，因此希望具有一種使這兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的坐標(biāo)相關(guān)的方法。通常，可以將線性模型用于坐標(biāo)變換。例如，其可以解決偏移、縮放和旋轉(zhuǎn)。然而，光學(xué)器件中還存在其他畸變，例如枕形或者筒形畸變。顯著的未建模的畸變導(dǎo)致了光學(xué)系統(tǒng)的不良對(duì)準(zhǔn)。其影響是該系統(tǒng)不可能準(zhǔn)確地照射樣本的特定區(qū)域。本發(fā)明人已經(jīng)研發(fā)了一種使光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)的非線性模型。在該模型中，根據(jù)以下方程，二階多項(xiàng)式將像點(diǎn)(x,y)扭轉(zhuǎn)為檢流計(jì)點(diǎn)(u,v):v=氣2+a22x+w+"4,2^+o^2+a62y2參數(shù)au和a^控制u和v坐標(biāo)的零點(diǎn)偏移；參數(shù)a2;1到a3,2控制軸的線性縮放和旋轉(zhuǎn)；其他的二階參數(shù)基本解決了觀察系統(tǒng)和照明系統(tǒng)這二者的光學(xué)器件中線性度的任何輕微偏差。具有不同系數(shù)的類似方程組將產(chǎn)生相反的坐標(biāo)變換。通過記錄該觀察系統(tǒng)中在預(yù)選的檢流計(jì)坐標(biāo)處被照射的最少六個(gè)點(diǎn)的位置，能夠求解聯(lián)系這些系數(shù)值的聯(lián)立方程。利用多于六個(gè)點(diǎn)，優(yōu)選是均勻分布在視場(chǎng)周圍的點(diǎn)，能夠應(yīng)用公知的線性最小二乘法擬合方法來生成這些系數(shù)的最佳擬合值。校準(zhǔn)步驟1將分束器16和校準(zhǔn)反射鏡插入觀察射束中。2將開關(guān)反射鏡52插入激光束中以將射束引導(dǎo)到目標(biāo)照射模型。3將檢流計(jì)反射鏡旋轉(zhuǎn)到至少6個(gè)預(yù)設(shè)電驅(qū)動(dòng)條件之一。4如果需要?jiǎng)t接通激光束，并且利用系統(tǒng)照相機(jī)來記錄激光光斑的像。5確定光斑中心的像素位置(例如利用其重心或者高斯峰值擬合)。6針對(duì)近似均勻分布在視場(chǎng)周圍的至少另外5個(gè)預(yù)設(shè)檢流計(jì)位置重復(fù)步驟2到5。7使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)技術(shù)求解系數(shù)a的聯(lián)立方程。對(duì)于精確確定的情況(6個(gè)位置)使用消去(elimination);對(duì)于超定的(overdetermined)情況，這是優(yōu)選的(多于6個(gè)位置)，使用最小二乘法(求解'標(biāo)準(zhǔn)方程，)。可以理解，本文中所提及的透鏡包括組合使用多個(gè)透鏡或者用于相同用途的多元透鏡(multicomponentlens)。權(quán)利要求1.一種用于將光束輸入到從掃描共焦顯微系統(tǒng)的共焦掃描頭延伸到顯微鏡的光路中以照射安裝在顯微鏡中的樣本的選定區(qū)域的組件，其中所述組件包括-光輸入端，用于接收來自光源的光束；-射束引導(dǎo)裝置，用于根據(jù)樣本的選定區(qū)域的形狀來控制光束的路徑；以及-射束耦合器，用于將光束選擇性地耦合到從共焦掃描頭到顯微鏡的光路中，其中由射束引導(dǎo)裝置來控制射束方向以便照射選定區(qū)域。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，包括光中繼器，用以將在共焦掃描頭與顯微鏡之間的光路上形成的樣本像從所述組件的顯微鏡側(cè)中繼到所述組件的掃描共焦頭側(cè)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其中光中繼器包括在光路中限定了孔的擋板，用以減少雜散光的透射。4.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，包括位于射束耦合器與顯微鏡之間的場(chǎng)鏡，用以會(huì)聚光束。5.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，其中射束耦合器包括反射元件，所述反射元件能被選擇性地插入共焦掃描頭與顯微鏡之間的光路中，以促進(jìn)透射的光束注射到光路中。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件，其中反射元件是分束器，以允許借助共焦頭通過該分束器來觀察樣本。7.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，包括射束直徑調(diào)整裝置，用于選擇性地改變光束的直徑以調(diào)整在樣本處生成的照射光斑尺寸。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的組件，其中射束直徑調(diào)整裝置包括被安排成選擇性地插入光束中的望遠(yuǎn)鏡。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組件，其中多個(gè)具有不同光學(xué)屬性的望遠(yuǎn)鏡被選擇性地插入光束中，并且每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的前、后透鏡被安裝在各自的可旋轉(zhuǎn)支架上，以允許將每個(gè)支架上的透鏡選擇性插入光束中。10.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，包括輸入射束引導(dǎo)器，用于調(diào)整輸入到所述組件中的光束的方向和橫向位移。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組件，其中輸入射束引導(dǎo)器包括輸入射束準(zhǔn)直器，其被如此安裝以使得能夠改變其定向以調(diào)整輸入到所述組件中的光束的方向和橫向位移。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組件，其中準(zhǔn)直器具有與每一端相鄰的圓柱形外表面，并且與這些表面中的每個(gè)表面相接觸地提供一對(duì)線性調(diào)整器，其中所述調(diào)整器的軸基本上平行。13.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，其中射束引導(dǎo)裝置包括兩個(gè)樞轉(zhuǎn)地安裝的反射鏡，它們的樞轉(zhuǎn)軸基本上相互垂直以允許在兩個(gè)正交方向上4空制光束的方向。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的組件，其中每個(gè)反射鏡被安裝在檢流計(jì)中。15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的組件，其中提供用于將樞轉(zhuǎn)地安裝的反射鏡之一成像到另一個(gè)上的成像裝置。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的組件，其中成像裝置包括光中繼器。17.根據(jù)權(quán)利要求13到16中任一項(xiàng)所述的組件，其中在樞轉(zhuǎn)地安裝的反射鏡之間的光路中提供附加的反射鏡，以減少其占用的空間的長(zhǎng)度。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的組件，其中所述附加的反射鏡包括相互正交配置的一對(duì)平面反射鏡，以便使入射在它們之一上的射束的方向反轉(zhuǎn)。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的組件，其中該對(duì)平面反射鏡被安裝成使得能夠沿著平行于入射射束的線調(diào)整它們的位置，以提供聚焦調(diào)整。20.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，其中提供瞄準(zhǔn)透鏡以將射束引導(dǎo)裝置所引起的光束的角偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫猩涫灰啤?1.根據(jù)權(quán)利要求20所述的組件，其中瞄準(zhǔn)透鏡被安裝成使得其位置能祐^黃向調(diào)整，以調(diào)整光束的瞄準(zhǔn)。22.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件，包括能被選擇性地插入所述組件的顯微鏡側(cè)上的像平面中的光路中的目標(biāo)，用以輔助所述組件的校準(zhǔn)。23.—種顯微系統(tǒng)，包括-顯微鏡；-照相才幾；-共焦掃描頭，借助它使用照相機(jī)來觀察顯微鏡中安裝的樣本；-根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組件；以及-與所述組件相耦合的光源；>其中所述系統(tǒng)包括控制器，用于控制射束引導(dǎo)裝置和光源這二者以便照射樣本的選定區(qū)域。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中射束引導(dǎo)裝置可操作來與光源協(xié)同以將射束朝著樣本上的一個(gè)或多個(gè)離散點(diǎn)引導(dǎo)。25.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的系統(tǒng)，其中射束引導(dǎo)裝置可操作來操縱射束以使得基本上均勻地照射樣本的預(yù)定區(qū)域。26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中控制器可操作來根據(jù)選定區(qū)域的形狀來輸出控制信號(hào)到射束引導(dǎo)裝置，其將射束在樣本上的運(yùn)動(dòng)限定為基本上等長(zhǎng)的步進(jìn)序列。27.根據(jù)權(quán)利要求23到26中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中控制器可操作來控制射束引導(dǎo)裝置以使得光束以基本上恒定的速度在樣本上移動(dòng)。28.根據(jù)權(quán)利要求23到27中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中控制器包括存儲(chǔ)裝置，其被配置為將用于控制光源的指令集與用于控制射束引導(dǎo)裝置的指令集分開存儲(chǔ)，使得這兩個(gè)指令集能夠相互獨(dú)立地更新。29.根據(jù)權(quán)利要求23到28中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中控制器可操作來并行處理用于控制光源的指令和用于控制射束引導(dǎo)裝置的指令。30.根據(jù)權(quán)利要求23到29中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中控制器包括FPGA,其被編程為計(jì)算將被輸出到射束引導(dǎo)裝置和光源的控制參數(shù)。31.根據(jù)從屬于權(quán)利要求29的權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中FPGA被配置為運(yùn)行計(jì)算所述參數(shù)的并行程序。32.根據(jù)權(quán)利要求23到31中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括光開關(guān)，用由光源輸出的光束。33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中光開關(guān)包括能夠在第一位置與第二位置之間切換的反射鏡，其中在第一位置處光束未入射在反射鏡上，而是直接穿過開關(guān)到達(dá)掃描共焦頭，在第二位置處光束轉(zhuǎn)向透射到所述組件的光輸入端，并且包括用于在第一與第二位置之間移動(dòng)反射鏡的驅(qū)動(dòng)器。34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中在通過光開關(guān)的每個(gè)光路中提供光中繼器，以減少對(duì)于開關(guān)的角度失準(zhǔn)的敏感性，并且中繼器被安排為將輸入到開關(guān)組件的光轉(zhuǎn)移到相應(yīng)輸出端，并且將所輸入的射束聚焦到輸入端與輸出端之間接近于反射鏡的點(diǎn)。35.—種光開關(guān)，用于在路徑之間選擇性地切換光束，其包括用于接收來自光源的光束的光輸入端，至少兩個(gè)輸出路徑，用于選擇性插入光束中以將光束引導(dǎo)到選定輸出路徑的平面反射鏡，用于改變反射鏡的定向的驅(qū)動(dòng)器，以及在通過光開關(guān)的每個(gè)光路中提供的光中繼器，以減少對(duì)于開關(guān)中的角度失準(zhǔn)的敏感性，其中每個(gè)中繼器被安排為將輸入到開關(guān)的光轉(zhuǎn)移到相應(yīng)選定輸出路徑，并且將輸入射束聚焦到輸入端與輸出端之間接近于反射鏡的點(diǎn)。36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)或者根據(jù)權(quán)利要求35所述的光開關(guān)，其中在輸入端和輸出端中的每一個(gè)處提供一對(duì)消色差透鏡。37.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的系統(tǒng)或者根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的光開關(guān)，其中驅(qū)動(dòng)器包括直接驅(qū)動(dòng)DC電機(jī)。38.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的系統(tǒng)或者根據(jù)權(quán)利要求35到37中任一項(xiàng)所述的光開關(guān)，其中光開關(guān)包括用于生成指示反射鏡定向的信號(hào)的旋轉(zhuǎn)編碼器。39.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的系統(tǒng)或者根據(jù)權(quán)利要求35到38中任一項(xiàng)所述的光開關(guān)，其中反射鏡能夠在兩個(gè)止端之間切換，并且控制裝置與驅(qū)動(dòng)器耦合以使反射鏡在其止端之間的行程的第一部分期間加速并且在其行程的第二部分期間減速。40.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的系統(tǒng)或者根據(jù)權(quán)利要求35到39中任一項(xiàng)所述的光開關(guān)，其中通過驅(qū)動(dòng)器使反射鏡相對(duì)于每個(gè)止端偏置。41.一種校準(zhǔn)根據(jù)權(quán)利要求23到34或者36到40中任一項(xiàng)所述的顯微系統(tǒng)的方法，包括以下步驟(a)根據(jù)預(yù)定射束引導(dǎo)裝置設(shè)置來依次照射至少六個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)；(b)利用照相機(jī)記錄每個(gè)點(diǎn)的位置；(c)確定每個(gè)點(diǎn)的照相機(jī)像素位置；以及(d)將像素位置(x,y)和射束引導(dǎo)裝置設(shè)置(u,v)對(duì)輸入到以下方程中v=q2+%jX+qw+a42砂+a5jX2+<36^2以及根據(jù)所得到的聯(lián)立方程來計(jì)算系數(shù)au到a6,2。42.—種照射安裝在包括共焦掃描頭和顯微鏡的掃描共焦顯微系統(tǒng)中的樣本的選定區(qū)域的方法，所述方法包括以下步驟(a)接收來自光源的光束；(b)根據(jù)樣本的選定區(qū)域的形狀來控制光束的路徑；以及(c)將光束選擇性地耦合到從共焦掃描頭到顯微鏡的光路中，其中由射束引導(dǎo)裝置來控制射束方向以便照射樣本的選定區(qū)域。全文摘要本發(fā)明提供了用于將光束輸入到從掃描共焦顯微系統(tǒng)的共焦掃描頭(102)延伸到顯微鏡(104)的光路中以照射安裝在顯微鏡中的樣本的選定區(qū)域的組件(100)和方法。所述組件包括光輸入端，用于接收來自光源的光束；射束引導(dǎo)裝置(8、12)，用于根據(jù)樣本的選定區(qū)域的形狀來控制光束的路徑；以及射束耦合器(16)，用于將光束選擇性地耦合到從共焦掃描頭(102)到顯微鏡(104)的光路中，其中由射束引導(dǎo)裝置來控制射束方向以便照射選定區(qū)域。本發(fā)明還描述了一種包括這種組件的掃描共焦顯微系統(tǒng)，以及校準(zhǔn)該系統(tǒng)的方法。此外，公開了一種用于在兩個(gè)路徑之間選擇性地切換光束的光開關(guān)。文檔編號(hào)G02B21/00GK101595414SQ200780042095公開日2009年12月2日申請(qǐng)日期2007年9月14日優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日發(fā)明者D·科倫特奇斯,G·R·西利,R·A·霍爾特,S·M·布什申請(qǐng)人:珀金埃爾默新加坡私人有限公司