擴展容積的高分辨率成像的制作方法
【專利摘要】一種光片光學系統，該系統包括用于使用無衍射或近似無衍射和/或傳播不變性的光束形成光片的裝置，所述光束具有垂直于傳播方向的非對稱強度光束分布，例如艾里光束。
【專利說明】擴展容積的高分辨率成像
【技術領域】
[0001]本發明涉及擴展容積的高分辨率成像的方法及系統。
【背景技術】
[0002]容積成像的應用可以在可以從醫療到制造業、基礎研究及防御的各行各業中找至IJ。通常，現有技術限制了能夠在給定的時間幀內捕捉的收集容積和分辨率。以光學顯微鏡為例，共焦掃描是直到最近的黃金標準，但是其收集時間受限于掃描速度，該掃描速度反過來受限于激光功率和樣本的損傷閾值。各種形式的光片顯微鏡如正交平面光學切片、選擇性平面照射顯微鏡(SPIM),超高倍顯微儀(ultramicroscopy)或數字掃描的激光片顯微鏡(DSLM)，解決了這一問題。通過以分段的方式照射待成像容積同時從被照射部分快速捕獲盡可能多的信息，例如，使用充足放置的檢測器陣列諸如電荷耦合器件相機(CCD)，防止了多余的背景信號和光損傷。隨著它的各種實現，這項技術使快速高反差四維光學切片成為可能，并且已經徹底改變活生物體的研究。
[0003]基于高斯光束的傳統光片顯微鏡的問題是高的各向同性分辨率需要嚴格聚焦的光片，因此具有高數值孔徑(NA)的照射。但是，這限制了嚴格聚焦的光片能夠保持的距離，從而限制了可用視場。因此，使用標準高斯光片的單一掃描有效地使大容積成像的能力與高分辨率成像是矛盾的。
[0004]以最大分率使大容積成像是許多研究領域的關鍵，諸如，生物學研究成像，無論這是原始細菌，原核生物還是真核生物，以及在亞細胞、細胞、組織以及在所有有機體中。示例包括在干細胞研究和在發育生物學中的胚胎學、細胞命運映射(cell fate mapping)、神經生物學、球狀體細胞。大容積的高分辨率成像也可以用在膠體物理學領域中，以及用于使納米結構(比如三維超材料)成像。
[0005]已經提出了若干解決方案。一般地，對于可能阻礙重復掃描的成像速度和光損傷的相關聯結果，這些是受限制的雙光子激發或需要大量樣本曝光。在光片顯微鏡中貝塞爾光束已經被用來擴展成像容積。零貝塞爾光束的橫向強度分布具有中心光斑和一系列遠離光束中心的同心圓環。這些圓環顯著惡化了軸向分辨率。
[0006]貝塞爾光束中心的共焦檢測可以改善軸向分辨率。但是，它優于常規的共焦顯微鏡的優點是很小的，因為通過光片光束的共焦檢測一大部分光被遮擋，并且由于圖像是逐行獲取而不是逐平面，掃描速度受限于相機。同時先前工作表明通過使用傳播不變性、無衍射貝塞爾光束掃描容積可以被擴展，對于單個光子激發，權衡是信噪比中的重大損失，并且分辨能力達到與生物成像相兼容的照射水平。
【發明內容】
[0007]本發明提供一種用于創建在掃描方向中具有非對稱強度分布的光片的裝置，例如，平方艾里函數。這種光片可以是非平面的并且可以用于光學操控或者用于擴展容積的高分辨率成像。該非對稱光片可以從無衍射、傳播不變性的光束中被創建，這里定義為在垂直于其傳播方向的平面保持幾乎相同的強度分布的任何光束。該分布可以垂直于傳播方向平移或加速。本發明的光片的無衍射性質可以被用于擴展視場，以及由此使光片顯微鏡的容積成像。
[0008]非對稱光片的使用能夠使高分辨率遍及整個成像容積。完全無衍射、傳播不變性的光束只存在于理論中。但是，足夠類似非衍射近似值的這種光束的存在仍然使得視場顯著擴展。例如，使用立方相位調制的傅里葉變換簡單地生成的非對稱艾里光束，能夠擴展一個數量級的視場，同時保持高各向同性分辨率。
[0009]可選擇的，通過在光片生成后調制照射路徑，非對稱和/或傳播不變性的光片可以從任何對稱光片中被創建。調制元件的位置可以被放置在照射路徑中任意方便的地方，包含在任意光學組件中，照射物鏡、光片生成元件，或者激光源的形成部分中。通過時間調制對稱和/或傳播不變性的光片強度同時垂直于傳播方向掃描它，非對稱強度分布(profile)也可以被創建。
[0010]本發明的光片光學系統可以被配置用作光片成像系統和/或光片光譜學系統，例如拉曼光譜學系統，和/或光片顯微鏡系統和/或在諸如任何惰性的顆粒或生物的顆粒或細胞的顆粒上施加光作用力的光片系統，例如光學捕獲系統或光引導系統。
[0011]在照射或輻射圖案(pattern)或圖案集的一般意義下，術語“光片”用于本發明的描述。術語“光片顯微鏡”或“光片成像”被使用，與“光片”如何投入到容積中或信息從被輻射部分如何被采集無關，盡管這在微小范圍內是不必要的。
[0012]更可取的，傳播不變性、無衍射非對稱光束具有自愈性能，例如，在穿過障礙物后該光束可以自身修復(參見例如 “Optically mediated particle clearing using Airywavepackets，，by Baumgartl et al Nature Photonics, 2, November 2008)。理想地，在其調制傳遞函數(MTF)中，針對低空間頻率光束應該沒有或有最小數目零值。
[0013]光片具有非對稱的橫向強度分布，諸如平方艾里函數。傳播不變性、無衍射非對稱場可以具有包括相位項的傅里葉變換，該相位項在其多項式泰勒展開式中具有二階或更高階分量，例如三階或更高階分量。例如，艾里光束在其傅里葉變換中具有立方相位項。對稱強度分布應該具有實數光學傳遞函數，其在失焦下將變成震蕩的并通過零點。這些零點代表無法復原的圖像信息損失，從而限制了對稱光片的視場。與此相反，任何非對稱分布產生復數值的光學傳遞函數，使得實數和虛數部分同時為零很少發生，即使在失焦下傳遞函數變成震蕩的。
[0014]當用于成像時，本發明的光片可以增加缺少MTF零點的視場，從而保留盡可能多的信息。對于人類觀察者，記錄的圖像序列并不需要是清晰(sharp)的并且可以顯得模糊不清的。如果它包含必要的信息，通過數字裝置(諸如典型的實時處理的簡單的一維線性反卷積)可以重建清晰圖像。通過這個混合的光學數字方式給出的附加自由度可以被利用以設計光片，以使最終處理的圖像的質量最大化。圖象反卷積步驟只有當人類觀察者獲取圖像時必要。機器視覺應用，諸如樣本的自動化檢查，可以跳過圖像反卷積步驟而直接從記錄的數據中獲得需要的信息。
[0015]根據本發明的實施方式，于此提供一種用于使容積成像的光片顯微鏡，包括用于使用傳播不變性、無衍射非對稱光束諸如艾里光束形成光片的裝置。盡管多光子激發光片顯微鏡學可以得益于非對稱光束，更可取地是使用單個光子激發。
[0016]為光片成像使用艾里光束為單個光子激發提供高分辨率以及大視場。只需要每一圖像分段的單個曝光；但是，一組相鄰的記錄的圖像分段包含關于重建的圖像容積的每個二維薄片(slice)的信息。因此，最理想的清晰度只有通過使用數字反卷積獲得。該技術使得例如樣本以亞細胞分辨率被研究，同時提供交互的整體視圖。該技術的線性特性促進它的擴展超出熒光成像到其它成像形式，這種散射和光譜學如拉曼成像和相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。
[0017]Berry, M.V.& B a I a z s , N.L.Nonspreading wave packetsAm.J.Phys.47，264-267(1979)已經從理論上表明艾里波群是自由粒子的薛定諤方程的“無衍射”解決方法。在不存在任何外部電勢時，波群可以垂直于其傳播方向自由加速。如最近證明的，在光學領域，薛定諤方程和傍軸近似方程之間的數學類比可以被用于實現有限能量的艾里光束，參見 Siviloglou, G.A., Broky, J., Dogariu, A.&Christodoulides, D.N.“Observat1n of Accelerating Airy Beams’Thys.Rev.Lett.99，213901 (2007)。光束具有中央極大和多個表現出橫向運動的旁瓣的形式。
[0018]與直觀相反，艾里光束具有垂直于與其光場有關的傳播方向的加速[Berry, M.V.&Balazs, N.L.Nonspreading wave packets Am.J.Phys., 47, 264-267 (1979)]。相應于橫向加速，粒子軌跡可以被誘導以遵循拋物線軌跡。與艾里光束一樣，其它拋物線型的光束，或者光束/光束陣列/掃描光束的適當組合可以被使用。拋物線型的光束的示例在Davis, J.A.et al, Observat1n of accelerating parabolic beams.0pt.Express 16,12866-12871(2008)中被描述。
[0019]使用任何形式的靜態的或動態的折射、反射或衍射光學元件或者從特定激光中直接發出的光束，本發明的非對稱光片可以被形成。使用例如空間光調制器的動態調制提供附加優點，光片可以為系統或樣本校正誘發畸變；但是，靜態調制可低成本的以具有適當的表面/折射率調制或衍射光柵的傳播或反射的光學元件的形式獲得。調制元件可以執行多種功能，例如，其可以集成到光片生成元件、激光、透鏡、或其它任何被輻射的組件中。
[0020]可以提供用于移動和定位非對稱光片的裝置以遍及樣本容積在不同位置捕獲圖像，以及確保檢測物鏡的焦平面關于非對稱光束光片是放置好的。
[0021]光片可以由光片的橫向結構形成的多個光表面組成，使用檢測器陣列可以從其中并行收集信息。多個表面可以由諸如由艾里光片創建的非對稱光片的旁瓣形成。
[0022]為了有助于對準，第二物鏡和檢測器可以被放置在照射軸上的光片路徑中。
[0023]盡管選擇的光片可能是彎曲的，但擴展成像系統的視場是不必要的。但是，該彎曲可以被用于將光學‘彎曲’力施加至微觀體。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]本發明的各個方面現在將通過舉例的方式并參考附圖進行說明，其中:
[0025]圖1示出了艾里光束光片顯微鏡的簡單原理圖；
[0026]圖2例證了具有若干可選元件的艾里光束光片顯微鏡的可選擇的幾何結構；
[0027]圖3示出了不同光片類型的調制傳遞函數；
[0028]圖4同樣示出了四種不同的光片及由其各自的光片類型獲得的仿真的和實驗的圖像。該圖像示出了對于記錄的原始數據和反卷積數據量的y軸最大強度的投影；
[0029]圖5示出了由各種光片成像的一組人體胚胎腎臟細胞的熒光線粒體；以及
[0030]圖6示出了可以用于擴展光片顯微鏡的成像容積的各種可供選擇的非對稱光片類型。
【具體實施方式】
[0031]圖1是光片顯微鏡的操作原理的簡單原理圖。這示出了照射傳播方向(X)、光束被擴展以形成光片的方向(y)、以及檢測軸(z)。當光片相對于樣本被置換的時候，沿z軸放置的檢測器從被照平面記錄一系列的圖像。
[0032]激光器的輸出光束穿過透鏡L1和L2并且被可以是柱面透鏡或者掃描裝置諸如聲光偏轉器(AOD)的光片生成元件(LSG)轉換為光片。透鏡L1和L2針對LSG的直徑調整光束。之后光束穿過透鏡L3和L4并且借助于遮罩MK1形成擴展光片的成像容積。這可以是靜態的或動態的可移動的或可切換的空間光調制器(SLM)。這種調制可以在照射路徑中的任意點被引入，之前，之后，或者與諸如光片生成元件的其它光學元件結合。在這個特定配置中，透鏡L3和L4調整光束以適應遮罩MK1的尺寸。透鏡L5和L6調整遮罩MK1輸出的光束以適應物鏡OBJ1。
[0033]通過空間光調制器M1傳播的光照射樣本，并通過物鏡OBJ1被聚焦到特定的樣本區域。使用相同的或第二物鏡OBJ2和相機(CAM1)捕獲樣本的圖像棧。可選擇的，第三物鏡OBJ3和第二相機(CAM2)可以被用于系統的校正。鏡筒透鏡(TL1和TL2)可以被用來使來自物鏡(OBJ2和OBJ3)的光分別聚焦到相機(CAMi和CAM2)的有效區域(active area)。遮罩MK1創建例如艾里光束的光束，其為類似無衍射的(即傳播不變性的)和自愈的(selfhealing)。相對于使用傳統高斯光片實現的,這允許了沿著x軸的成像容積的至少一個數量級的擴展。
[0034]可選擇的遮罩MK2，可以被插在或者靠近第二物鏡OBJ2的后孔徑以增加檢測路徑的景深，從而促進對準并且這可以使得制造成本減少。附加的光學元件也可以有意地引進焦平面曲率以改善光片的檢測焦點的一致性。
[0035]圖2描述了可供選擇的幾何結構的原理圖，其允許在諸如標準顯微鏡載片或者載盤的水平表面上的浸入樣本的水成像。如圖2所示，通過相對于水平的樣本臺45度放置的照射和檢測物鏡，這是可行的。通過如箭頭“掃描方向(scan dir.)”指示的對角地平移樣本，三維容積成像可以如先前圖1所描述的被記錄。
[0036]更具體地，圖2示出了發射光束通過透鏡L1和L2被擴展以匹配遮罩MK1 (在這個示例中沒有使用遮罩MK2)的激光器。如前，遮罩可以是靜態的或動態的可以移動或可切換的空間光調制器(SLM)。穿過遮罩MK1以后，之后光束穿過透鏡L3，在這聚焦到虹膜I1并穿過另一透鏡L4，在這使其適合于光片生成元件(LSG)的直徑形成。LSG可以是柱面透鏡或者掃描裝置，諸如聲光偏轉器(AOD)。之后被LSG形成的光片穿過透鏡L5，在這被聚焦到虹膜I2并穿過另一透鏡L6，透鏡L6使光片對準提供偏振控制的四分之一波片。從這，光片從第一反光鏡(HiiiT0r)M1被反射到第二反光鏡M2,并且從這反射到相對于水平樣本臺45度放置的照射物鏡OBJp已經穿過臺上樣本的光穿過檢測物鏡OBJ2到第三反光鏡M3,并且從這到第四反光鏡M4，其中直接到相機CAMp
[0037]平面鏡M1到仏可以被用來促進樣本的物鏡垂直對準。在以防萬一示例中，反光鏡M2和M3可以關于物鏡OBJ1和OBJ2的軸分別被固定。反光鏡M1和M4的適當對準使得物鏡OBJ1和OBJ2和反光鏡M2和M3相對于樣本臺垂直升降而不需要改變對準。
[0038]圖2的照射路徑是圖1所示的變形。各種可選擇的元件被包括以控制偏振并過濾光。在圖1和圖2中的MK1和LSG的不同順序說明許多光學元件的順序可以被重新排列。在圖2中的可選擇的虹膜I1和I2選擇了第一衍射級以使得更靈活并且阻止了樣本的不需要的照射。如圖1所示，透鏡L1至L6形成望遠鏡以傳遞不同組件之間的光。可選擇的偏振控制元件，λ/4，可以被引入以控制光的偏振，如，通過使線性偏振光轉換為圓偏振光，其產生更多相同的熒光激發。如用來阻擋激發光并選擇熒光發射的濾光片F可以被引入到OBJ2和相機CAM1之間。如果需要或者方便的話，照射路徑和檢測路徑的元件可以比反光鏡分別到OBJ1和OBJ2更接近。
[0039]圖3:為評價光片顯微鏡的各種光束類型的性能，已經執行了調制傳遞函數(MTF)的研究。MTF提供的相對條紋對比度作為空間頻率的函數，提供了對各種照射類型的對比和分辨率之間的關系的理解。MTF作為光學傳遞函數的絕對值被計算，這里定義為歸一化(normalise)光片強度的ζ軸部分的傅里葉變換。圖3示出了光片的各種類型的MTF，(a)在照射焦點位置，以及(b)在失焦平面(χ = 25μπι)。空間頻率(νζ)被歸一化為最高傳播空間頻率歸一化為:2ΝΑ/λ，其中λ和NA分別是照射波長和數值孔徑。貝塞爾光束的兩個近似值被比較:‘貝塞爾10%’和‘貝塞爾5%’，其可以使用具有10%和5%的半徑的相對開放的部分的環形孔徑被分別形成。
[0040]圖3 (a)示出了有孔徑高斯的MTF在光片腰部(黑色的點劃線)提供的最高對比度。但是，從圖3(b)中可以看出對比度顯著地下降而且甚至具有很多遠離光片腰部的零值。因此，傳統的孔徑高斯光片只是在靠近光片腰部有值。貝塞爾和艾里光束示出了焦點對準和失焦的更小的變化，因此對于靠近光片腰部的成像是不受限制的，遵從于相關的視場增強。但是貝塞爾光束的MTF (藍色實線和紅色點線)顯著地低于艾里光束(綠色實線)所關聯的。此外，相比之下，具有5%的比較小的開放的部分的貝塞爾光束示出了按比例的減小，基本上限制了在實際中可以達到的分辨率；此外，可以示出理論的貝塞爾函數的對比度收斂為零。這是不成功的，因為由最窄的環產生的貝塞爾光束遵從于最大的視場。一般而言，大視場只可以使用貝塞爾光束光片通過權衡分辨率被獲得。艾里光束免于這種限制性權衡。由于艾里光束的不對稱，它的傳遞函數不是嚴格的實數并且具有依賴復自變量的空間頻率。傳遞函數的復數特性使誘發變化的散焦引起它的實部和虛部同時變為零是非常不可能的。所以，對于非對稱光束，低MTF值只針對大散焦和在高空間頻率出現。與貝塞爾光束相關聯的顯著的對比度減小不同，相移不影響信噪比并且因此通過簡單的線性反卷積很容易被解釋。
[0041]在傳播期間，在某種程度上甚至在障礙物(諸如散射物質)存在的情況下，艾里光束保持它的橫向強度分布(“自愈”或“自修復”)。由于其具有旁瓣并且遵循拋物線軌跡，艾里光束可能不會出現光片成像的要求。但是，在實際中，已經發現使用傳播不變性，無衍射艾里光束針對光片成像擴展了至少一個數量級的有效的視場，超出使用傳統的孔徑高斯光束可實現的。
[0042]在傳統光片顯微鏡的照射路徑中，通過簡單的合并立方相調制，如使用具有空間上變化的光學厚度的透明材料，可以完成將傳統的光片顯微鏡轉換為艾里光片顯微鏡。數學上的立方相調制可以被寫作《(W+//〗)，其中α是可調整光片的傳播不變性以匹配需要的視場的參數，而μy和μ 2是分別與y和Z軸對準的笛卡爾坐標的歸一化。通過確定遮罩的方向以使艾里光束的彎曲保持在光片的平面內使艾里光束光片成為平面的將是可能的。由于在y方向上，點擴展函數是由時間平均的光束強度形成，光片MTF是艾里光束的二維MTF通過原點的部分。可以計算出45度的遮罩旋轉以保持傳播路徑在光片平面內將在低空間頻率將對比度減少到幾乎為零。這并不是完全出乎意料的，因為盡管非對稱光束用于創建光片，但由于沿著y軸的時間平均光片本身將會是非對稱的。
[0043]各種實驗被實施以測試相比于其它光束類型的光片顯微鏡的艾里光束(或它的各種實現)的效果。在這些實驗中，傳統激光束(Coherent Verdi V6, 6W 532 nm)被擴大以填充聲光偏轉器(AOD，Neos AOBD 45035-3)的孔徑并且通過一段2s的周期沿y軸掃描激光焦點創建光片，比最短的收集時間(840s)大大縮短。其次，AOD孔徑是使用放大的望遠鏡再成像以超出空間光調制器(SLM，Hamamatsu LCOS X10468-04)的有效區域。在研究中SLM的使用使得各種光片類型之間的快速動態轉換實現并且使得針對各種光束類型被記錄的數據立方體并行，使圖片漂白和樣本移動的影響縮減到最小。這使得在系統中的剩余像差消除，保證光束很類似理論的描述。
[0044]使用在其焦點處具有狹縫孔徑以選擇第一衍射級的縮小的望遠鏡(0.5x)，SLM的有效區域被成像到照射物鏡(Mitutoyo 20χ/0.42，工作距離20mm)的后孔徑上。光束被聚焦到樣本之內，該樣本被約束在正方形分布的硼硅玻璃毛細管中(Vitrocell 8250-100，邊長1mm，壁厚200 μ m)。毛細管被固定在PDMS中的熒光聚苯乙烯粒(Duke R900)填充，并被安裝在xyz壓電式臺上(Mad City Labs, Nano_LP200)以使樣本關于光片和檢測物鏡的焦平面自動定位。
[0045]經由正交安裝的具有適當的鏡筒透鏡和熒光濾光片的物鏡(NeWpOrt20X/U 40)使用C⑶相機(Basler piA640_210gm)檢測熒光。注意到，正交放置的物鏡是典型的，但是，其它配置可能是更方便的諸如穿過檢測透鏡或相反放置的二級透鏡或波導的斜照射。使用壓電式臺平移和具有SLM的全息偏轉的組合，光片以10nm的步長通過樣本被掃描。
[0046]數字后期處理經常受限于點擴展函數的有限知識，這可以引起圖像偏移和邊緣震蕩效應，例如在到艾里光束焦平面的距離是不確定的時。但是，這在光片顯微鏡中并不是問題，因為側面檢測意味著直接關系存在于光片的傳播距離和在檢測器陣列的位置之間。因此線性反卷積可以精確地校正光學傳遞函數的振幅和相位，不但有效地消除艾里光束光片的彎曲，而且消除源于用于創建艾里光束的有限孔徑的任何殘余相位偽影。此外，精確的點擴展函數的知識意味著光片不必是傳播不變性的，對于所需要的空間頻率和視場MTF沒有零點是足夠的。所以，非對稱光束的大家族可以用于擴展光片顯微鏡的視場。圖6描述了幾個示例。
[0047]圖4示出了具有各種光束類型的光片顯微鏡的實驗和仿真數據。光束在頂行被示出。對于(從左到右)孔徑高斯，分別具有10%和5%的孔徑半徑的環形孔徑寬度的兩個貝塞爾光束光片，以及艾里光束光片，沿y軸的最大強度投影被示出。行2示出了如在實驗中使用的具有相同參數的光片顯微鏡性能的仿真。行3示出了仿真數據的反卷積。行4示出了包含熒光微球粒的PDMS樣本的實驗數據。行5示出了實驗數據的反卷積。所有的圖像具有相同的尺寸和坐標系統，其中焦平面在X = O處。為了清晰，偽彩色編碼被用于實驗圖像和光片分布(profile)(反向刻度(inverted scale))。
[0048]圖4表明相對于傳統的和沿X軸的貝塞爾光束照射，對于傳統的高斯光片，高分辨率和大視場可以使用艾里光束光片獲得。對于傳統的光片顯微鏡，距離光片腰部超過10 μ m的熒光微球粒不能被分解。遠離焦平面，MTF(cf.圖3b)中的空值導致不可改變的對比度損失和隨之發生的反卷積偽影。貝塞爾光束光片有效地擴展視場到20 μ m或40 μ m，近似相反地依賴于環形寬度，如果孔徑用于創建光束。通過考慮在圖4頂行描述的光束強度分布，可以理解在這個區域之外的分辨率的突然丟失。在大約20μπι和40 μ m處，可以看到軸上強度如何快速地降低。此時，由于環形孔徑內部和外部邊緣之間的光路徑差異，相消干涉導致光束的退化。環形寬度的減小導致視場的增加。但是，也要注意的是這對分辨率有不利影響。通過對比圖3中示出的貝塞爾光束MTF曲線，這可以更多定量的被看到。
[0049]對照貝塞爾光束，使用艾里光片成像的相同樣本具有覆蓋整個感興趣區域的視場，而同時遍及全視場保持高的軸向分辨率。此外，因為低峰值功率單個熒光團的4D追蹤是可能的，由于艾里光片的旁瓣，通過多幀可以采集有用信號。因此，相比于傳統的或貝塞爾光束光片成像，熒光飽和、漂白和光損傷是不太可能的。因此，艾里光片的使用可以擴展熒光團的使用壽命。
[0050]通過懸浮在瓊脂糖膠中的人體胚胎腎臟細胞成像，本技術的對于生物樣本的適用性可以被進一步證明。為了能夠實現分辨率對比，細胞被轉染以在線粒體中表現出紅色(DsRed)熒光蛋白。使用預先混入瓊脂糖膠的熒光微球體作為靠近感興趣細胞的熒光探針來完成現場波前校正。圖5示出了通過傳統光片顯微鏡難以接近的容積傳播的一組細胞。所有光束的X和y軸視圖均被示出。雖然可以看出兩個貝塞爾光束光片比孔徑高斯光片分解更多的細胞，但是只有艾里光束光片顯微鏡可以分解全部細胞，并且以高分辨率完成。
[0051]圖6示出了可以被用于擴展容積光片成像的不同的非對稱光片的示例。左列:相位調制的等式，指定的弧度，作為歸一化的瞳孔坐標函數U。如第一行中等式所描述的拋物線型的光束和艾里光束都具有立方相分布。第二行和第三行分別示出了分式和五分之一階指數。第四和第五行示出了測角和指數函數，在其泰勒展開式具有無窮的分量。作為最后的示例，第六行示出了結合高斯振幅調制的二階的多項式相位調制。
[0052]圖6的第2列示出了相位(藍色粗實線，[波長單位])、傳播振幅(黑色虛線，任意單位)。除了最后一個出于說明目的使用高斯切趾法被調制的類型，光束的振幅不被調制。圖6的第3列示出了由于相應的調制引起的光束(以及因此的光片)的強度分布。第4列示出了在各自光片的腰部的MTF(藍色粗實線)，以及用于對比的傳統孔徑高斯光片的MTF(紅色虛線)。第5列示出了與引入兩個波長的光路徑差的散焦相一致的失焦MTF(W2q=2 λ )。與傳統孔徑高斯MTF不同，在調制光片的MTF中沒有空值可以被看見，并且對于多數空間頻率在失焦平面的對比度是非常高的。盡管這個列表不是詳盡的，很明顯，用于擴展高分辨率成像容積的光片不必僅限于艾里光束光片。具體應用和實施方式可能受益于可選的非對稱光片。
[0053]所屬【技術領域】的人員將理解，不脫離本發明的范圍的公開的布置的變化是可能的。盡管本發明關于有選擇的平面照射顯微鏡被特別地描述，同樣適用于使用光片的任何布置，例如成像、光譜學，諸如熒光或拉曼光譜學，或激發或發揮光勢力，諸如誘導或引導。同樣地，除了這里描述的光學輻射，輻射的類型可以被使用，如毫米波，太赫茲，X射線，雷達或聲學。因此上述特定示例的描述只用于舉例說明并不是為了限制。本領域的技術人員將清楚細微的改變對于所描述的操作并沒有顯著的改變。
【權利要求】
1.一種光片光學系統，該系統包括用于使用無衍射或近似無衍射和/或傳播不變性的光束形成光片的裝置，所述光束具有垂直于傳播方向的非對稱強度光束分布，例如艾里光束。
2.根據權利要求1所述的光片光學系統，其中所述無衍射或近似無衍射和/或傳播不變性的非對稱光束具有傅里葉變換，所述傅里葉變換包括具有二階或更高階多項式的相位項，例如，2.5的分式指數或立方指數。
3.根據權利要求1所述的光片光學系統，其中近似無衍射和/或傳播不變性的非對稱光束具有傅里葉變換，所述傅里葉變換在相位調制的泰勒展開式中包含三階或更高階分量，例如立方相位分量。
4.根據權利要求1或2所述的光片光學系統，其中所述無衍射非對稱光束是自愈或自修復的。
5.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的光片光學系統，其中在系統的調制傳遞函數中所述光束導致沒有或最小數目的零值。
6.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的光片光學系統，所述系統包括空間光調制器或其它靜態的或動態的衍射光學元件以形成所述無衍射非對稱光束。
7.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的光片光學系統，所述系統包括用于移動或定位所述非對稱光束以遍及樣本容積在不同位置處捕獲圖像的裝置。
8.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的光片光學系統，所述系統包括在檢測路徑中用于檢測來自由所述非對稱光束形成的多個光表面的光的相位調制，以及使用所述檢測的光形成容積圖像的成像裝置。
9.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的光片光學系統，所述系統被布置以使用單個光子激發。
10.一種光片光學系統，該系統包括用于創建具有垂直于傳播方向的非對稱強度分布的光片的裝置。
11.根據權利要求10所述的光片光學系統，所述系統包括用于形成對稱光片的裝置以及用于將對稱光片轉換為非對稱光片或光束的裝置。
12.根據權利要求11所述的光片光學系統，其中所述轉換裝置包括在所述對稱光片或光束傳播的照射路徑中的相位調制，例如立方相位調制。
13.根據權利要求11或12所述的光片光學系統，其中所述轉換裝置包括在所述對稱光片或光束傳播的照射路徑中的遮罩。
14.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的光片光學系統，其中所述系統是以下中的一者或多者:光片成像系統；光譜學系統，例如拉曼光譜學系統；顯微鏡系統；在諸如任意惰性的顆粒或諸如細胞的生物顆粒上施加光學作用力的系統，例如光學捕獲系統或光學引導系統。
【文檔編號】G02B21/10GK104204898SQ201380018625
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月26日 優先權日:2012年4月3日
【發明者】K·德拉起亞, T·威滕伯格 申請人:圣安德魯斯大學董事會