将辐射源模块光耦合到多焦点共聚焦显微镜的多模光纤的制作方法

专利名称：将辐射源模块光耦合到多焦点共聚焦显微镜的多模光纤的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及多焦点共聚焦显微镜领域。
背景技术：
高分辨率共聚焦激光显微镜是现代成像和生物成像技术中已经确立的领域。这 项技术通过非侵入性光学切割和抑制脱焦信息在亚微米级解决方案实现清晰的、高放大率 的、三维成像(参见T. Corle和G. Kino的“共聚焦扫描光学显微镜及相关的成像系统”，学 术出版社，San Diego, 1996)。美国专利号为No. 5，579，157的专利公开了一种共聚焦的光 学扫描仪。传统的点扫描共聚焦系统将单一的衍射受限的光点投射到一个样品上，通过将这 个光点成像到独立的元件检测器，就能够检测到源自该样品中的光点的荧光或者是反射的 光。在样品和检测器之间的共轭像面上设置的一个独立的针孔抑制了脱焦的光并产生共聚 焦效果。通过以设计的扫描光点的方法来照射焦平面，例如，通过光栅扫描，可以逐点创建 样品的图像。通过光学移动焦平面或者移动样品，可以将多个焦平面成像，并可以创建3D 的图像。使用光纤作为灵活的激光传输子系统已经很多年了，并且事实证明在共聚焦显微 镜中这样尤其有用。对于传统的点扫描共聚焦显微镜，唯一可以被有效利用的光纤是单模 光纤。从单模光纤顶端发射的光被认为是相当于从一个衍射受限的光源发射出来的。该光 纤的末端在衍射受限尺寸或近似衍射受限尺寸时通过针孔在样品上被重新成像。单模光纤是被设计用于作为传输单一空间模式光的载波的一种光纤。这种模式的 光可以包含多种不同的波长，尽管可以被传输的波长范围是光纤纤心直径的函数。典型的 单模光纤纤芯直径仅比其传输的光的波长大一点，例如，传输波段在约488nm的光纤，其纤 芯直径大约是3. 5微米。由单模光纤发射并能够被耦合到该单模光纤的光锥角是由光纤的 数值孔径(NA)表征的。单模光纤的数值孔径NA是光纤纤芯和包层的折射率差的函数。从 单模光纤发出的光的分布与高斯形状非常相似，其宽度由光纤的数值孔径决定。由于光纤纤芯的直径很小，单模光纤经常与激光光源一起使用，其他辐射源很难 甚至不可能有效的耦合到单模光纤。共聚焦技术的并行应用是最近发展的技术，通过使用各种不同的光学装置，许多 近似衍射受限的光点被投射到样品上或者是投射到样品里。这些光点中的每一个都通过共 轭焦面上对应的针孔成像到一个图像传感器，如CCD照相机镜头，实际上，该系统就像是很 多点扫描共聚焦系统同时并行操作。目前，市场上有一些基于这种概念的商业实现方式，一 般是指复共聚焦系统。复共聚焦系统的一种实现方式是利用一个包括数千个针孔图案的旋转盘。这 种旋转盘共聚焦系统的一个例子是包含尼普科夫(Nipkow)圆盘的系统。例如，采用了 尼普科夫圆盘方法带有微透镜的复共聚焦系统的使用已经被Mikuriya等的公开号为 No. 2007/0096014的美国专利所公开。这些微透镜产生许多焦点，利用微透镜或者其他聚焦装置产生多个焦点的共聚焦系统就是被提到的多焦点共聚焦系统，是复共聚焦系统的一个 子集。在公开号为No. 2007/0096014的美国专利披露的文件中，激发激光通过聚光透镜 耦合到光纤入射端，并由光纤引导至共聚焦扫描单元的入口。由光纤顶端发射的发散激发 光束通过准直透镜转变为平行光束，平行光束射向带有微透镜阵列的盘，这个带有微透镜 阵列的盘将激发激光聚焦到与其在同一轴线上的针孔盘(尼普科夫圆盘)，这样，每一个透 镜将射在其上的光聚焦到对应的针孔。多个激发光束由物镜会聚到一个样品，荧光和/或 来自样品的反射光再次通过该物镜，从相同的针孔返回，由位于微透镜盘和尼普科夫圆盘 之间的分光镜反射，之后，图像通过中继镜聚焦到图像传感器。在这样一个装置中，尼普科夫圆盘与微透镜盘以恒定的速度同步旋转，样品上的 会聚光点与旋转带动的针孔一起被扫描。尼普科夫圆盘平面、样品中被观测平面、和图像 传感器平面被排列成在光学上的相互连接，这样，一个光学切面图像，也就是样品的共聚焦 图像，在图像传感器上形成。像上述这样的系统由日本的横河电机株式会社生产并命名为 CSU-10, CSU-21,CSU-22 and CSU-Xl0还有其他使用微透镜实现的多焦点共聚焦系统，他们主要的区别在于微透镜款式 的几何形状和移动微透镜及针孔的扫描机制。这样的系统的一个例子是由英联邦的森德兰 VisiTech国际有限公司生产的叫做“Infinity”的系统。多焦点共聚焦系统的发光方法和传统的点扫描系统类似，都是使用单模光纤，在 这种情况下，微透镜将光纤末端成像到许多衍射极限或接近衍射极限的并行针孔。单模光 纤也会产生一个平滑的高斯光分布，以使得微透镜之间的光分布得相对均勻。与共聚焦点 扫描系统一样，多焦点共聚焦系统的典型辐射源是激光或者是通过单模光纤耦合多束激 光。还有一些将单模光纤耦合到多焦点共聚焦系统的其他方式。如果只将一个辐射源光学耦合到单模光纤，这个辐射源必须被改变以便利用不同 波长的光(来自激光器或者其他辐射源)来激发样品。Miyai的专利号为No. 6，603，780的 美国专利描述了，例如，如何通过在不同波长的辐射源之间切换将激光输入到单模光纤以 实现共聚焦显微镜的多波长操作。由于上述原因，传统的装置是有问题的，因为不可能同时 观测到其他类型的激发辐射光产生的不同类型的荧光。另外一个问题是，将辐射源连接到 光纤相连或者将从光纤拆下都需要额外的时间，并且将辐射源连接光纤从光纤上拆下时引 起的振动还会造成样品的移动。在公开号No. 2003-270543的日本专利中，另外一种方法是利用许多不同波长的 激光耦合到同样多的单模光纤，每个单模光纤的顶端有一个单独的耦合到激光束合成装置 的校准仪，该合成装置用于将许多激光束合成并使得这些多波长的激光束作为激发光入射 到共聚焦子系统。这种系统的主要缺陷是激光束合成装置过于庞大和复杂，并且整个基于 单模光纤的光传输系统及其各个组件和子系统的热性能和时间性能的稳定性需求也很高。在Mikuriya等的专利号为No. 7，190，514的美国专利中公开了现有技术的另外一 种实现方法，将许多激光耦合到数量与激光数量成一定比例的单模光纤，这些单模光纤被 捆绑在一起形成多芯光纤电缆。从多芯光纤电缆顶端出来的光由透镜变成平行光并发射到 微透镜盘上。紧密(125微米)捆绑在一起的光纤提供几乎同时发出的不同波长的光点到针孔盘，这些光点的轴心差与针孔的50微米的的直径相比要小得多。这样，可以利用许多 类型的激发光和正如留下的传统微透镜来观察荧光，而不需要再将辐射源连接到光纤或者 从光纤上拆下来。在某些应用中使用单模光纤是有缺点的，实际中，使用单模光纤的系统仅限于使 用以很小的集光率发光的辐射源，如光束质量良好(例如，其光束质量因素M2 < 1.2)的激 光器。具有良好光束质量的激光源可以耦合到单模光纤，耦合的效率在45%到85%之间， 尽管实际中，这个效率经常会更低，光束质量较差的激光器的耦合效率甚至更低。单模光纤 只能在有限的光谱范围之内这样操作，波长超过给定上限的光纤就太小了，以致于不能传 输光，波长低于下限时，光就不再以单模的方式传输了。对于需要均勻照明的系统，单模光 纤输出强度的高斯分布比理想的要差，只有高斯光束的中间部分经常用到，这样，强度的变 化要小于某个数，例如20%。这样的系统中，需要在整个像平面光分布的均勻性和光的利用 效率之间进行均衡，因为高斯光束的其他部分都被丢弃了。使用单模光纤的另外一个缺点是激光到光纤的对齐需要的热性能、机械性能、时 间性能的稳定性很高，并且这样一个稳定系统的生产造价很高。设计一种提供稳定的从激 光到光纤的耦合方法和构造耦合多个激光到单模光纤的系统是非常具有挑战性的。还有另外一类复共聚焦扫描仪，这类复共聚焦扫描仪不采用微透镜来会聚透过相 应针孔的光。这种系统将尼普科夫圆盘或者其他类似的针孔盘直接设置在平行光径上，并 不将通过针孔的光聚焦。在某些这样的系统中，针孔是一些小狭缝，这些系统的光利用率较 低，因为许多光被尼普科夫圆盘或类似盘的不透明部分挡住了，这样的系统通常不用单模 光纤将光耦合到微透镜，而是通常使用弧光灯作为辐射源。上述的应用于复用系统的多焦点方式的主要优点在于激发光中通过针孔的部分 更多，这样会提供更高的效率，但是同时也会造成进入光系统的散射光更少，而这又是整个 系统性能的一个限制因素。“蜂窝结构和装置中基于汞弧灯的多色共聚焦实时成像系统”(蜂窝结构和装置， 第3卷，133-141页，2008，Saito等)公开了使用纤芯直径为Imm的多模光纤将弧光灯耦合 到横河电机的(Yokogawa) CSU-10，报告称从多模光纤末端耦合到该CSU的光的效率是1 %， 虽然并不清楚是怎样测量的，但是这个数据却显示光的利用效率很低。Saito等没有将该光 纤与激光器连接，而仅仅是跟宽带弧光灯源相连。此外，使用这样一个大光纤，大部分丢失 的光从针孔盘的背面被散射，这样会导致对比度损失的可能性更高。

发明内容
将光从辐射源模块传输到单点扫描显微镜必须使用单模光纤。按照常规，单模光 纤已经被用于将光从辐射源模块传输到多焦点共聚焦显微镜的多焦点共聚焦子系统，因为 本领域的技术人员认为单模光纤是需要的。发明人已经意识到单模光纤并不是必须的。本发明的一个目标是设计一个辐射光 传输模块用于在多焦点共聚焦显微镜系统中以合理的效率将光从辐射源模块传输到显微 镜。效率可通过比较从辐射光传输模块发出的光的数量和实际上到达显微镜样品的光的数 量来评估。多焦点共聚焦显微镜包括多个针孔，入射到多焦点共聚焦显微镜上的光被许多 聚焦元件聚焦，这些聚焦元件将入射光聚焦到针孔上。因此实际到达显微镜的光就是通过
6多个针孔传输的光的总和，与其相对的情形是点扫描共聚焦显微镜，点扫描共聚焦显微镜 中到达显微镜的光仅仅是透过一个针孔传输的光。因此，可以使用一个包括含有纤芯直径 比单模光纤大的光纤的辐射光传输模块将光从辐射源模块传送到多焦点共聚焦显微镜。这 种光纤的使用将降低辐射光传输模块和辐射源模块的耦合对机械和温度影响的敏感性，因 此能使多种辐射源和波长应用在多焦点共聚焦显微镜里。集光率是光学系统中用于计量光的潜在流量的度量标准。只要从多模光纤发出并 入射到多焦点共聚焦子系统的光的集光率实质上不超过(例如，1.5倍或更多)实际上通过 多个针孔的光的集光率，从多模光纤传送到显微镜样品的光就能够达到一个合理的效率。 只有集光率等于通过多个针孔的光的集光率的光可被用于照射显微镜样品。通过多个针孔 的光的集光率相对于多模光纤发出的光的集光率决定了效率。因此，光纤的纤芯直径可以足够大使得所述光纤对于在其内传输的波长来说甚至 是一种多模光纤，但是为了达到合理的效率，纤芯直径也不能太大。像这里描述的这样，从辐射源模块发出的光被引导通过多模光纤到多焦点共聚焦 显微镜。可以用一个相位随机发生器使光的相位随机化。辐射源模块可以包括一个辐射源 或者任何辐射源的组合。一个辐射源大致包括激光器，固态辐射源，超级发光的二极管，发 光二极管和弧光灯。另外，该辐射源模块还可以包括中间光纤或者光导，将光从辐射源传送 到连接多焦点共聚焦显微镜的多模光纤。纤芯直径小于800微米的多模光纤在考虑范围之 内，纤芯直径实质上不超过300微米的多模光纤在考虑范围之内，纤芯直径实质上为200微 米的多模光纤也在考虑范围之内。从多模光纤发出并入射到多焦点共聚焦子系统上的光的 集光率实质上不超过实际上通过多焦点共聚焦子系统的多个针孔的光的集光率。


本发明公开的技术以例子的方式进行说明并且不限于附图，附图中相同的参考数 字表示对应的、相同功能的或者相似的元件，其中图1显示了将光纤耦合到点扫描共聚焦显微镜内的单个针孔的一系列光学器件 示例的原理；图2显示了将光纤耦合到多焦点共聚焦显微镜内的多个针孔的一系列光学器件 示例的原理；图3显示了一个显微镜系统示例的简化结构图，该显微镜系统包括一个通过辐射 光传输模块耦合到多焦点共聚焦显微镜的辐射源模块；图4显示了可被用于图3所示显微镜系统示例的耦合到光纤的辐射源模块示例的
原理；图5-10显示了可被用于图3所示显微镜系统示例的辐射光传输模块的不同示例 简化结构；图11显示了可被用于图3所示显微镜系统示例的多焦点共聚焦显微镜示例原 理；图12-14显示了显微镜系统的不同示例的原理。应该认识到，为了能够简洁清楚的说明，图中所画的组件不一定按比例描绘。例 如，为了清楚，一些元件的尺寸相对于其他组件可能被放大了。
具体实施例方式除了使用纤芯直径Imm的多模光纤将弧光灯耦合到一个横河电机的(Yokogawa) 旋转盘这种已经被Saito等介绍过并且将在下面详细介绍的技术以外，使用单模光纤将激 发光从辐射源引导至共聚焦装置已经被专门实现了，单模光纤被本领域技术人员公认为是 唯一一种可以被有效的用于传统点扫描共聚焦显微镜的光纤。因为本领域技术人员假设所 有共聚焦显微镜，包括最近刚刚发明的多焦点共聚焦系统，都必须使用单模光纤，因此，在 所有的共聚焦显微镜中都使用单模光纤的习惯就被延续下来，甚至包括最近刚发明的多焦 点共聚焦系统。尽管单模光纤的成本高，存在各种挑战，也知道将由非激光辐射源发射的光 高效耦合到单模光纤的复杂性，仍旧没有任何迹象表明努力以好的以至更合理的效率在多 焦点共聚焦应用中使用多模光纤传输辐射光，也没有任何迹象表明尝试在多焦点共聚焦微 透镜系统中将多模光纤与除了弧光灯以外的其他辐射源一起使用。Saito等报告了使用纤芯直径Imm的多模光纤将一个弧光灯耦合到一个多焦点共 聚焦显微镜，这里，多模光纤被认为是用于将由弧光灯发出的宽带光耦合到横河电机旋转 盘的3mm或者5mm的光导管的替代品。因为多模光纤的纤芯直径很大，微透镜并不将光有 效的聚焦通过针孔，而是在每个针孔产生一个比针孔大几倍的大光点。因此，实际上只有一 小部分光经过针孔传输，而大部分光都从针孔盘上散射掉了。在Saito等公开的系统中，光 的利用效率很低，散射的光很多，这就意味着丧失了多模光纤方式的主要优点。发明人意识到，由于多焦点共聚焦系统使用多个聚焦的光点，这些系统不存在传 统的点扫描系统中对光纤纤芯直径的限制，因此，发明人提议使用多模光纤来传输辐射光 至多焦点共聚焦显微镜。辐射光传输系统的细节被提供，该系统通过纤芯直径和数值孔径适于合适的光利 用效率和图像质量的多模光纤将光射入多焦点共聚焦显微镜，这样，共聚焦观察可以适当 的效率通过使用许多类型的激发光和多模光纤来实现。辐射源的例子包括激光器、发光二 极管、固态辐射源、超发光二级光以及弧光灯，当然其他的辐射源也在考虑范围之内，这些 辐射源可以被有效的用于多焦点共聚焦显微镜。一种多焦点共聚焦显微镜的实现方式是使 用微透镜将光聚焦到许多衍射受限或接近衍射受限的焦点。其他实现方式利用其它类型的 聚焦元件将光聚焦到许多衍射受限或接近衍射受限的焦点，例如，反射聚焦元件或衍射聚 焦元件。由于有多个聚焦的光点而不是一个光点，此处介绍的技术依据的物理原理是有作 用的。旋转盘多焦点共聚焦系统在针孔盘平面上有多个聚焦的光点，这是与针孔盘平面上 只有一个单独光点的传统点扫描共聚焦显微镜相比。一个具有给定的接近衍射受限大小的 给定的共聚焦针孔或是有效的针孔，当利用几何光学元件反射回辐射源时，有效的引起了 能够耦合到系统的光源的几何尺寸大小。利用更多并行的聚焦元件，如微透镜阵列，必然减 少了聚焦元素的有效焦距并增加光源的几何尺寸。如果辐射源是光纤，光源尺寸的增加对 应于从需要单模光纤的尺寸到允许有效的利用多模光纤的尺寸的转变。此处介绍的技术的一个方面是利用包含多模光纤的辐射光传输系统将光传输到 多焦点共聚焦子系统，多模光纤是被设计用于在宽的波长范围内同时承载多种光线或模式 的一种光纤，可以被简单的看成是长光管。多模光纤比单模光纤具有更高的“光聚集”容量。
8实际上，更大的光纤纤芯直径简化了从光源到光纤的耦合从而使得多种辐射源和波长都可 以被使用。另一方面是利用相位(或空间)随机发生器消除在使用相干辐射光源(如激光 器)和多模光纤的时候引起的斑点的影响。相位随机发生器的一种实现方式是包含一个通 过引起多模光纤的一部分的振动来消除由激发激光的时间相干属性造成的斑点的机械振 动驱动器。可选的或是此外，该相位随机发生器还可以在多模光纤的输入端或顶端附近或 者在多模光纤的末端的共轭像平面设置一个旋转散射器，也可以采用本领域技术人员公知 的其他相位随机化方式。采用非相干辐射光源如发光二极光时，相位随机化的过程也可以 被省略。包含辐射源模块和辐射光传输模块的发光系统是一个对多焦点共聚焦显微镜尤 其有用的高效的基于光纤的光系统，该系统从激光器到光纤耦合时具有很高的效率(> 60 在一个宽的波长范围内)，并且可被用在由多焦点共聚焦显微镜中用于传输辐射光的光纤 的材料确定的很宽的传输范围。多模光纤辐射光传输系统对机械和温度的影响的敏感度比单模光纤辐射光传输 系统要小。应该提到的是，由于有多个聚焦的光点而不是一个单独的光点，这里描述的技术 中包含的物理原理是能够起作用的，光在衍射极限或者其附近入射到样品上，这就要求针 孔也在衍射极限或其附近，针孔的大小由多焦点共聚焦显微镜的光学器件、光的波长和多 焦点共聚焦显微镜中使用的物镜的数值孔径及放大倍数共同决定，通常针孔直径为10微 米到50微米。参考图1和图2，这两个图分别描述了将辐射源(如光纤)发出的光聚焦到一个点 和多个点的通常做法，其物理原理将被解释。图1中显示，光学器件将光从纤芯直径为Df、数值孔径为NAf(与提到的半角相关) 的光纤102入射到单独的直径为Dp的针孔108。焦距为F1的透镜104将从光纤102发出 的光变成平行光之后入射到焦距为F2的透镜106，在透镜106的焦点处设置针孔108，透过 针孔108的光的数值孔径NAms与包含物镜的显微镜的光学器件相匹配。理想情况下，透镜 106的数值孔径与从放置针孔108的像平面处测量得到的显微镜的最大数值孔径相匹配。 透镜106的数值孔径将确定针孔108的入射光的衍射受限点的直径。一般地，没有损失的情况下，衍射受限点的直径可被假设等于针孔108的直径，如 果从相反的方向，即从针孔108到光纤102的方向考察这个系统，光纤102末端的针孔108 的图像直径Dpi将等于针孔108的直径Dp乘以焦距&和焦距F2的比值，参见等式1
FDpi =-Dp(1)
F2任何具有定义的NAf且纤芯直径不超过Dpi (即Df彡Dpi)的光纤102将光入射通过 非阻塞的针孔108，在这种情况下，Dpi是衍射受限直径，因此，从光纤102发出的光应该最好 被衍射限制，因此，单模光纤是适用的。图2显示了将光从光纤202经过包含许多独立的微透镜208的微透镜阵列206入 射到包含许多和图1中一样的独立的针孔108的针孔阵列210的光学器件。光纤202的纤 芯直径为D/和数值孔径NA/。从光纤202发射的光经过焦距为F3透镜204变成平行光，变成平行光之后的光入射到微透镜阵列206，每个微透镜208的直径是D4,焦距是F4。在每 个微透镜的焦点处放置一个独立的属于针孔阵列210的针孔108。再一次，经过每个针孔 108的光的数值孔径NAms与包含物镜的显微镜的光学器件相匹配。在与图1中的单个微透 镜106和单个针孔108 —样的假设下，针孔阵列210中的针孔108可以被入射向光纤202， 与等式1相类似，光纤202末端的针孔108的图像直径为Dp广，计算公式见等式2 Dtpi = 1^-Dp(2 )
Fa由于F3和F4的典型取值，照射针孔阵列210的光纤202的纤芯直径，比照射针孔 108的光纤102的纤芯直径要大得多。任何具有定义的NA/并且纤芯直径不超过Dpi* (即D/ ( Dpi*)的光纤202，将光入 射通过非阻塞的针孔阵列210的针孔108。例如，图2中的元件具有如下的光几何尺寸透 镜204的焦距F3 = 90mm，每个微透镜208的焦距F4 = 15mm，针孔阵列210的每个针孔108 的直径Dp = 50微米。基于这个几何尺寸，光纤202末端的针孔108的图像直径Dpi* = 300 微米。因此，使用纤芯直径D/不超过300微米的多模光纤的效率比较高。在这个例子中， 需要提到的是，使用纤芯直径D/实质上不超过(如，一个1. 5倍或更多)300微米的多模光 纤仍旧达到合理的效率。可选的，如果针孔阵列210中的针孔108的焦点的估算直径没有超过每个针孔108 的实际直径，也应该能达到高的效率，参见等式3。但是，如果针孔阵列210中的针孔108的 焦点的估算直径实质上没有超过(如，1.5倍或更多)针孔108的实际直径依旧达到合理的效率。Df y^ DP(3〉上述计算方法应用于特定的光学几何尺寸，这个概念更通常地用集光率Ω来表 示。从光纤发出的光的集光率Ω ^皮定义为发射光对着的立体角(solid angle)和光纤末 端面积的乘积。严格的讲，这个集光率应该用整个光纤末端面积的二重积分来表示。这个 被积函数包含了极微小的立体角和极微小的元件面积的乘积，然而对于这里的目的来说， 这种简化的表示方法已经足够了。光学器件的物理原理表明，如果以相同的折射率测量，光 的集光率将通过成像系统被保留。这种计算可以由本领域技术人员根据不同的折射率进行 修改。同样，能够穿过针孔108的光的最大的集光率Ω ρ也可以表示为针孔108的面积和 通过针孔108的光的最大立体角的乘积。在点扫描共聚焦系统中，如果所有从光纤102末 端发出的光都将穿过针孔108，从光纤102发出的光的集光率Qf不能超过能够从针孔108 通过的光的最大集光率Ωρ，或者是Ωρ。因此，从由光纤102发出的且能够有效的传 输通过针孔108的光的集光率Ωρ的最大值就是Ω ρ。如果这个条件不满足，那么从光纤102发出的光中，有一部分将不能通过针孔 108，并且，在点扫描共聚焦系统中，这些光就丢失了。实际通过针孔108的光的集光率被定 义为Ω/，在这种情况下，Ω/应该小于Ωρ。如果Ω/<< ΩF，那么大部分光都丢失了。因 此，在点扫描共聚焦系统中使用纤芯直径大的光纤将会导致很低的光利用效率。集光率的原理可以被运用到多焦点共聚焦系统中，能够通过图2中的针孔阵列
10210的针孔108的光的最大的集光率与图1中的针对单针孔108的最大集光率是同一个集 光率Ωρ。在多针孔系统中，能够采用大集光率发射光的光纤202的使用要求从光纤202发 出的光中只有部分通过针孔阵列210中任何给定的针孔108，然而，由于针孔阵列210有很 多针孔108，没有从给定的针孔108中通过的光还可以从另外一个针孔中通过。通过整个 针孔阵列210的光的总集光率Ω /是相关的数量N · Ω ρ，其中N是针孔阵列210中被照射 的针孔108的总数。如果从光纤202末端发出的光全部通过针孔阵列210的针孔，从光纤 202发射的光的集光率Qf不能超过能够通过针孔阵列210的所有针孔108的的光的总集 光率Ω/，参见等式4给定的情况。ΩΡ ^ N · Ωρ(4)因此，从光纤202发射并且能够有效的传输通过针孔阵列210的光的最大集光率 Ω F是单针孔108的情况的N倍。针孔阵列210中众多的独立针孔108使得从光纤202发 出的光的集光率Ωρ比图1中的单针孔系统大许多倍。考虑到光学设计经常效率低下，实际 上，高的效率要求从光纤发出的光的集光率Qf稍大于(不是大幅度的)在理想情况下计算 出来的值，即Ωρ> Ω/，但不是Qf>> Ω/。透镜阵列206的透镜208之间的阴影部分是 效率低下的一个例子，其他一些效率低下的例子对于本领域技术人员来说也是很明显的。图2中描述的将从光纤202发出的光耦合到针孔阵列210的许多针孔108的方法 是一种实现方式，其他一些对于本领域技术人员来说很明显的方法也是可能的。集光率原 理是最常规的用于解释为什么从光纤发出的大集光率的光可以以合适的效率用于多焦点 共聚焦系统，但是，在特定的光学解决方案中使用的光纤的纤芯直径经常可以更容易的通 过可替代的计算公式(如等式3中用到的)计算得到。图3是多焦点共聚焦显微镜系统300的简化的结构图，包括经过辐射光传输模块 304耦合到多焦点共聚焦显微镜306的辐射源模块302。辐射源模块302产生并随意调节输入到辐射光传输模块304的光，辐射源模块302 可以产生多种用于在共聚焦显微镜中照射的不同波长的辐射光，可有效的被样品反射或者 散射的特殊的辐射光，或者可以激发样品中的荧光的辐射光。根据具体的应用，为了实现这 个目的，辐射源模块302可以有几个辐射源和/或波长，例如图4中详细描述的一种辐射源 模块。辐射光传输模块304的一个作用是将从辐射源模块302发射的光引导到多焦点共 聚焦显微镜306，该辐射光传输模块304包含至少一根多模光纤。图5-10详细描述了几种 辐射光传输模块的例子。多焦点共聚焦显微镜306包含产生多焦点共聚焦效果的多焦点共聚焦子系统 308，显微镜310将从多焦点共聚焦子系统308中射出的辐射光聚焦到一个样品并且引导从 样品射出的辐射光返回到多焦点共聚焦子系统308，光检测和成像单元312检测由显微镜 310捕获的来自多焦点共聚焦子系统308经过传输的辐射光，并将这些光成像。图11详细 描述了多焦点共聚焦显微镜306的一个例子。图4是辐射源模块的原理图，辐射源模块402是辐射源模块302的一个示例。示例的辐射源模块402包含能够发射一种或多种波长光的辐射源404，还包括光 控制和调节单元408、光合并单元416和光耦合单元422。辐射源404可以包含一个或多个独立的辐射源406，辐射源406有一个或多个电源(图中未画出)并能产生各种不同的波长在UV-visible-NIR(紫外线-可见光-近红外 线)的范围内的辐射光。多焦点共聚焦显微镜系统的一种实现方式是使用激光器作为辐 射源406，但是，其他的实现方式也可以使用任何能够产生可以被耦合到多模光纤的光的光 源，例如发光二极管(LEDs)、固体元器件、超级发光二级光(SLDs)、弧光灯或者其他对于本 领域技术人员来说明显合适的辐射源。光控制和调节单元408的光学器件被设计为用于提供由具有预定截面直径的聚 光镜424引导进入光纤428的输入连接器426的辐射光束，该光控制和调节单元408可以 包含一个或多个光控制和调节子单元410，每一个光控制和调节子单元410对应于一个独 立的辐射源406，为了简单起见，每一个光控制和调节子单元410以简单的由正透镜414和 负透镜412构造的伽利略可伸缩光束扩展器作为原理示意，光控制和调节子单元410另一 实施方式可以包含变形棱镜或圆柱形的光学器件以提供一个椭圆形的具有圆形属性的激 光束，和/或光束整形装置以调整实现光强分布更均勻(例如US2007096014中公开的用于 以预定的光强分布将一束从光纤顶端出来的光转变为一个平行光束的装置)。光控制和调 节子单元410可以包含附加的光束整形装置以实现光强分布更均勻或者是在多焦点共聚 焦显微镜306包含的微透镜阵列盘平面上获得预定的强度概况。这种附加的光束整形装置 将被本领域技术人员所熟知。光控制和调节子单元410可以随意包含控制独立的辐射源电源和/或波长的装 置，以便优化微成像条件(图中未画出)，例如，在辐射源406是激光器的情况下，相应的光 控制和调节子单元410可以包含一个声光可调谐滤波器(AOTF)，或者可以选择一个机械快 门后面跟一个连续变化的中性滤光器轮。附加的光控制装置将被本领域技术人员所熟知。光合并单元416包含将从光控制和调节单元408出来的不同波长的平行光束合并 在一起的光学元件，并将合并后的光发射到光耦合单元422。光合并单元416可以包含任何 形式的光学器件并且可以包含，例如，一个或多个折叠式反射镜418，分色镜420，和任何其 他对于本领域技术人员来说明显合适的光学元件。光耦合单元422可以包含将预定直径的多波长平行光束聚焦到光纤428的输入连 接器426的输入面的透镜424，透镜424可以有一个短焦距F，并可以是准直镜、小型物镜或 者其他本领域技术人员认为明显合适的透镜。选择或设计多色平行光束的截面直径d和透 镜424的焦距以获得输入聚焦光束一个特定的与由多模光纤顶端的输出连接器发射的发 散光束生成的NA/成比例并且很接近的NAin(图12中有详细描述)。辐射源模块302发出的光经过辐射光传输模块304耦合到多焦点共聚焦显微镜 306，图5-10描述了辐射光传输模块304的几个例子。图5-8中，示例的辐射光传输模块包含多模光纤504，输入连接器(图中未画出) 被连接到或者是可连接到多模光纤504的输入端，输出连接器(图中未画出)被连接到或 者可连接到所述多模光纤504的顶端。输入连接器和输出连接器可以有很多类型，如FC性 连接器或其他任何本领域技术人员认为明显合适的连接器。图5显示了一个包含多模光纤504的示例性辐射光传输模块502。在辐射源406是相干辐射光源(如激光器)的情况下，辐射光传输模块可以进一 步包含相位随机发生器用于抑制由于相干辐射光的时间相干属性出现的斑点。例如，图6中一个示例性的辐射光传输模块602包含相位随机发生器604和多模光纤504，相位随机发生器604包含机械振动驱动器606用于在多模光纤504的某个部分产 生振动，机械振动驱动器606被机械耦合至光纤504的该产生振动的部分，例如，机械振动 驱动器606可以连接到多模光纤中被卷起来并且由可保持的夹子(图中未画出)松散的夹 住的那一部分，这样使得多模光纤504的很长一段都能够振动。由机械振动驱动器606引 起的振动可以导致多模光纤504中的独立光线之间的光径长度迅速变化，使光的相干效应 随机化，结果就抑制了样品(斑点)图像幅度的空间调制。机械振动驱动器606可以根据 Ellis等(J.Cell Biol. 83 :303a, 1979)构造和/或包括一个压电传动器，或任何本领域技 术人员认为能够产生合适振动的电机装置，例如，机械振动驱动器606可以通过在电动机 轴上固定不平衡的重量来实现，或者也可以采用音圈直线电机。可选的或者附加的，相位随机发生器还可以在多模光纤的输入连接器或者输出连 接器附近或者在多模光纤末端的共轭像面放置一个旋转散射器，该旋转散射器可以包含高 速电机来旋转这个散射器。使用旋转散射器时，为了避免高的光功率损耗，光从旋转散射器到多模光纤的输 入连接器末端或多模光纤的输出连接器末端的传输距离zd应该小于zd，参见等式5。zd < Df*/ θ d(5)在等式5中，D/是光纤的纤芯直径，θ d是旋转散射器的多角度光分布的半最大值 ^^ FffHM (full width at half maximum)。图7描述了具有相位随机发生器704的辐射光传输模块702的一个实施例。该相 位随机发生器包含一个在多模光纤504输入端的输入连接器附近的旋转散射器706。在另一种辐射光传输模块的实施方式中(图中未画出)，相位随机发生器704的旋 转散射器706可以被设置在多模光纤504顶端的输出连接器末端附近。图8显示了一个示例性的包含多模光纤504和相位随机发生器804的辐射光传输 模块802，其中，相位随机发生器804同时包含机械振动驱动器606和旋转散射器706。和 上面一样，机械振动驱动器606用于通过引发多模光纤504的一部分的振动将相干辐射光 的相位随机化。多模光纤504输入连接器末端附近的旋转散射器706也用于将连续辐射光 的相位随机化。在另外一种可选的辐射光传输模块的实现方法中(图中未画出)，相位随机发生 器804的旋转散射器可以被设置在多模光纤504顶端输出连接器末端附近。图9和图10中的示例性辐射光传输模块包含光纤904和多模光纤504，光纤904 可以是多模光纤也可以是单模光纤。输入连接器(图中未画出)连接到或可连接到光纤 904的输入端，输出连接器(图中未画出)连接到或可连接到光纤904的顶端。输入连接器 (图中未画出)连接到或可连接到多模光纤504的输入端，输出连接器(图中未画出)连接 到或可连接到多模光纤504的顶端。输入连接器和输出连接器可以是任何类型，如FC类型 的连接器，或者其他任何对于本领域技术人员来说明显合适的连接器。图9显示了一个示例性的辐射光传输模块902，在该辐射光传输模块902中，从光 纤904发出的光经过相位随机发生器704的旋转散射器706传输到多模光纤504。同上面 一样，相位随机发生器704用于在辐射光从光纤904传输到多模光纤504时，将相干辐射光 的相位随机化。图10显示了一个示例性的辐射光传输模块1002，在该辐射光传输模块1002中，从
13光纤904发出的光经过相位随机发生器804中的旋转散射器706传输到多模光纤504，同上 面一样，相位随机发生器804也包含机械振动驱动器606，在这种情况下，该机械振动驱动 器606用于引发多模光纤504的一部分发生振动。旋转散射器706和机械振动驱动器606 都可用于将由辐射光传输模块1002传输到多焦点共聚焦显微镜的光的相位随机化。在另一种辐射光传输模块的示例性实现方式中(图中未画出)，可以设置一个图 10中描述的机械振动驱动器606用于引发光纤904的一部分发生振动。图11是包含多焦点共聚焦子系统1104，显微镜1106，和光检测和成像单元1108 的多焦点共聚焦显微镜1102的示意图，其中多焦点共聚焦显微镜1102是多焦点共聚焦显 微镜306的一个示例，显微镜1106是显微镜310的一个示例，光检测和成像单元1108是光 检测和成像单元312的一个示例。多焦点共聚焦子系统1104包括光耦合器件1110，包括许多独立的微透镜1114的 微透镜阵列盘1112，光切割器件1116，和包括许多针孔1120的针孔盘1118。此处的光耦合器件1110包括准直透镜1122，还可以包括各种其他的光学元件。 光耦合器件1110包括的可替代的或者附加的元件示例大致包括一个单独的透镜，多个透 镜，反射镜，多个反射镜或者多个对于本领域技术人员来说明显合适的光学器件的组合。准 直透镜1122设置的位置应该可以使得光从多模光纤1126的输出连接器1124到准直透镜 1122的传输距离实际上等于准直透镜1122的焦距，这样，射入其中的光能够被转变为平行 光束照射到多焦点共聚焦子系统1104的微透镜阵列盘上。针孔盘1118设置在微透镜阵列盘1112同一轴线上且与微透镜阵列盘的距离实际 上等于微透镜1114的焦距，这样，每个微透镜1114将光聚焦到针孔盘1118的一个不同的 独立的针孔1120。针孔盘1118与微透镜阵列盘1112以恒定的速度同轴转动。多焦点共聚焦子系统1104可选的其他实现方式中，可以使用其他对于本领域技 术人员来说明显合适的聚焦元件类型取代微透镜1114，如可以使用反射聚焦元件或衍射聚 焦元件。多焦点共聚焦子系统1104可选的其他实现方式中，可以使用其他任意对于本领 域技术人员来说明显适合于多焦点共聚焦应用的几何体取代微透镜阵列盘1112和针孔盘 1118，取代微透镜阵列盘1112的几何体应该包括许多聚焦元件，取代针孔盘1118的几何体 应该包括许多孔(针孔、缝隙或者类似的孔)。在下文和权利要求中，术语“针孔”被定义为 任何适合在多焦点共聚焦显微镜中使用的发光孔。光切割器件1116设置在微透镜阵列盘1112和针孔盘1118之间，用于经过针孔盘 1118和显微镜1106将激发辐射光传输到样品1128，并且将从样品1128返回的光反射到光 检测和成像单元1108。返回的光通常由荧光产生，但是也可以由反射、拉曼散射或者其他本 领域技术人员熟知的弹性、非弹性光散射效果产生。一个示例性的光切割器件1116大致包括分色镜，基于偏振的切割器，具有许多反 射面的反射镜，或者其他对于本领域技术人员来说明显可以用于分割来自返回的光的激发 光的器件。显微镜1106包括将来自于针孔盘1118的光聚焦到样品1128的物镜1130，显然， 对于本领域技术人员来说，任何合适的物镜都可以使用，显微镜1106也可以包含附加的元 件。
光检测和成像单元1108包括光检测器件1132和高灵敏度成像照相机1134。光 检测器件1132包括中继镜1136，并且可以包括另外的一些元素(图中未显示)，例如用于 多光谱成像的间歇滤波器和/或者窄带滤波器。高灵敏度成像照像机1134的例子大致包 括电荷耦合设备(CCD)照像机，补充的金属氧化物半导体(CMOS)照像机，增强的CCD(ICCD 照相机)，以及任何其他对本领域人员来说是明显合适的照像机。具有附加的窄带过滤器的 3CXD照像机可以被用于多光谱同时成像。针孔盘1118，样品1128，和高灵敏度照像机1134可以按照如下方式排列针孔盘 1118的平面，样品1128里被观测的平面，高灵敏度成像照像机1134的图像传感器的平面将 彼此光学连接，以便提供样品1128的共聚焦图像。图12说明了包括辐射源模块1202，辐射光传输模块1204，以及多焦点共聚焦显微 镜1206的多焦点共聚焦显微镜系统1200的示例。辐射源模块1202是辐射源模块302的 一个例子。辐射光传输模块1204是辐射光传输模块304的一个例子。多焦点共聚焦显微 镜1206是多焦点共聚焦显微镜306的一个例子。辐射源模块1202包括许多激光器1208，每一个都对应于单独的激光器1208的光 控制和调节子单元410，折叠式反光镜418和两个分色镜420，以及聚光镜424。辐射光传输模块1204是图7中说明的辐射光传输模块702的一个例子。辐射光传 输模块1204包括在射入端有输入连接器1212、顶端有输出连接器1214的多模光纤1210， 包含固定在高速电机1220轴上的散射器1218的旋转散射器1216，旋转散射器1216被设置 在多模光纤1210的输入连接器1212的末端。多焦点共聚焦显微镜1206包括准直透镜1122，微透镜阵列盘1112，分色镜1220， 尼普可夫圆盘1222，物镜1130，中继镜1136，以及高灵敏度成像照像机1134。在运行中激光器1208产生在紫外线-可见光-红外线的光谱范围里不同波长的激光辐射。 光控制和调节子单元410的光学器件提供被聚光镜424引导进入多模光纤1210的输入连 接器1212的辐射光束，其中，聚光镜424具有预定直径d的合适的圆形截面。在激光器1208 产生圆形截面光束的情况下，光控制和调节子单元410可将从每个激光器1208发出的假定 直径为d的光扩展。在激光器1208产生椭圆形截面的光束的情况下，光控制和调节子单元 410可补偿光束的椭圆率并优化光束直径。折叠式反光镜418和分色镜420将耦合具有预定直径d的激光束，从而提供入射 到聚光镜424上的单个多色平行激发辐射光束。聚光镜424将激光器1208发出的激发辐射光聚焦到多模光纤1210中的输入连接 器1212上，经由被高速电机1220带动旋转的散射器1218通道。设置在多模光纤1210的 输入连接器1212末端的旋转散射器1216在将从辐射源模块1202发出的相干光传输到多 模光纤1210之前先将相干光的相位随机化。相位随机化之后，光被从输入连接器1212通过多模光纤1210引导至输出连接器 1214。从多模光纤1210的输出连接器1214发出的光转化成具有由多模光纤1210的数 字孔径NA/决定的最大锥角的发散射线，然后射到准直透镜1122上。准直透镜1122是这 样的光从多模光纤1210的输出连接器1214到准直透镜1122的传输距离实质上等于准直
15透镜1122的焦距，从而通过它的射线变为平行光。源于激发辐射光的平行光束射在微透镜阵列盘1112上，并通过微透镜阵列盘 1112上各个独立的微透镜1114转变为会聚光束，之后，通过分色镜1220传输，再通过尼普 可夫圆盘1222上相应的独立针孔1120，然后由物镜1130将激发光束会聚到样品1128。当入射到样品1128上的光束造成样品1128发射出包括任何反射光、散射光和荧 光组合的信号时，该信号再次通过物镜1130，并且会聚于尼普可夫圆盘1222的独立针孔 1120。通过独立针孔1120的信号被分色镜1220反射，以便通过中继镜1136在高灵敏度成 像照像机1134的图像传感器上成像。尼普可夫圆盘1222以恒定的速度与微透镜阵列磁盘1112共同旋转，会聚在样品 1128上的光点与旋转带动的尼普可夫磁盘1222上的针孔1120 —起被扫描。尼普可夫圆 盘1222的平面，样品1128被检测的平面，高灵敏度成像照像机1134的图像传感器的光接 收平面被排列成彼此光学连接，这样，样品1128的共聚焦图像成像在高灵敏度成像照像机 1134的图像传感器上的。图13说明了另一个包括辐射源模块1202，辐射光传输模块1302和多焦点共聚焦 显微镜1304的焦点共聚焦显微镜系统1300的例子，多焦点共聚焦显微镜1304是多焦点共 聚焦显微镜306的一个例子。辐射光传输模块1302是在图6中说明的辐射光传送模块602的一个例子。辐射 光传送模块1302包括具有输入连接器1212和输出连接器1214的多模光纤1210以及机 械振动驱动器1306。机械振动驱动器1306是机械振动驱动器606的一个例子，其被设计用 于引发多模光纤1210的一部分产生振动，从而在将从辐射源模块1202发出的光传送到多 焦点共聚焦显微镜1304之前先将其相位随机化。在一个实施例中，机械振动驱动器1306 可被连接到多模光纤1210中被卷起来并且由可保持的夹子(图中未画出)松散的夹住的 那一部分，这样使得多模光纤1210的很长一段都能够振动。多焦点的共聚焦显微镜1304包括折叠式反射镜1308，准直透镜1122，透镜阵列盘 1112，分色镜1220，尼普可夫圆盘1222，物镜1130，中继镜1136，以及高灵敏度成像照像机 1134。折叠式反射镜将多模光纤1210的输出连接器1214发出的光反射到准直透镜1122上。在运行中在上述系统1200中，辐射源模块1202产生激光，被辐光传输模块1302接收。在 这种情况下，聚光透镜424将从激光器1208发出的激发光聚焦的到多模光纤1210的输入 连接器1212。在光被引导通过多模光纤1210时，机械振动驱动器1306在多模光纤1210的 一部分产生振动，从而导致多模光纤1210中的独立光线之间的光径长度迅速变化，振动使 光的相干效应随机化，结果就抑制了样品(斑点)图像幅度的空间调制。从多模光纤1210的输出连接器1214发出的光被折叠式反射镜1308反射，以便射 到准直透镜1122上。多焦点共聚焦显微镜1304的准直透镜1122所在的位置能够使光从 多模光纤1210的输出连接器1214到准直透镜1122的传输距离实际上等于准直透镜1122 的焦距。入射到准直透镜1122上的射线被转变为平行光束。多焦点共聚焦显微镜1304的 其余元件按照图12中关于系统1200的描述操作。图14说明了另一个包括辐射源模块1202，辐射光传输模块1402，和多焦点共聚焦
16显微镜1206的多焦点共聚焦显微镜系统1400的例子。辐射光传输模块1402是在图10中说明的辐射传送模块1002的一个例子。辐射 光传输模块1402包括包括输入连接器1404和输出连接器1408的光纤1406，包括由高速 电机1220旋转带动的扩散器1218的旋转散射器1216，具有输入连接器1212和输出连接器 1214的多模光纤1210，以及机械振动驱动器1306。光纤1406可以是多模光纤或者单模光纤。在运行时在上述系统1200中，辐射源模块1202产生激光，被辐光传输模块1402接收。在 这种情况下，聚光透镜424将从激光器1208发出的激发光聚焦的到光纤1406的输入连接 器1404。在被引导通过光纤1406后，光从输出连接器1408发出，经由高速电机1220旋转 带动的散射器1218通道，然后被多模光纤1210的输入连接器1212接收。被设置在多模光 纤1210的输入连接器1212末端附近的旋转散射器1216，在将从光纤1406发出的光传输到 多模光纤1210之前将其相位随机化。在光被引导通过多模光纤1210时，机械振动驱动器 1306在多模光纤1210的一部分产生振动，从而导致多模光纤1210中的独立光线之间的光 径长度迅速变化，振动进一步将被引导通过多模光纤1210的光的相位随机化。与上述关于图12描述一样，在被引导通过多模光纤1210后，光从输出连接器1214 发射到多焦点共聚焦显微镜1206上。多焦点共聚焦显微镜系统，例如1200，1300，和1400，设计时应该考虑到下面的参 数·多模光纤1210的纤芯直径D/ ；·从多模光纤1210发出的光束的发散度； 准直透镜1122的焦距F3; 微透镜1114的焦距F4; 平行光束的直径d;和·尼普可夫圆盘1222的针孔1120的直径DP。为了给使用具有放大倍数为M的物镜1130的多焦点共聚焦显微镜1206(1304)的 样品1128提供最大的分辨率和最亮的照射强度，参数可以这样选择 光从多模光纤1210的输出连接器1214到准直透镜1122的传输距离实质上等于
F3;·光从微透镜阵列盘1112到尼普可夫圆盘1222的传输距离实质上等于F4 ；·从微透镜阵列盘1112的单个微透镜1114的焦点的直径相当于或小于尼普可夫 圆盘1222的针孔1120的直径Dp ；和·多模光纤1210的纤芯直径D/实质上等于或者小于Dp与焦距比F3/F4的乘积。现在将列出一种具有包含多模光纤的辐射光传输模块的多焦点共聚焦显微镜系 统的计算方法的例子。考虑到多模光纤的纤芯直径D/ = 200微米；包括许多独立微透镜的 微透镜阵列盘，每个微透镜的焦距F4 = 15mm ；以及焦距& = 60mm的准直透镜。从焦距比可 以得到，从微透镜阵列盘中独立的微透镜的焦点直径是200微米X (15毫米/60微米)= 50微米，这个数据与包含在针孔盘中的许多针孔的直径Dp = 50微米相匹配。也就是说，从 每个微透镜到入射焦点的直径与相应针孔的直径相匹配。
应当指出，之前被特别显示和描述的多焦点共聚焦显微镜系统的特定例子，只是 为了解释和说明这里公开的技术。因此，对于本领域技术人员来说，各种显而易见的变化、 修改或者改动都是可以的。例如，技术通过纤芯直径是200微米的多模光纤作为例子被描述。发明人已经考 虑到多模光纤的其他纤芯直径。例如，如果多焦点共聚焦系统特定的光学几何尺寸与计算 等式3基于的特定光学几何尺寸类似或者相同，那么，只要能大致满足公式3的限制条件， 可以使用纤芯直径在技术上合理的大一点或者小一点的多模光纤。甚至在下面这种情况下 仍然能获得合理的效率微透镜阵列盘包括许多独立的焦距F4 = 15mm的微透镜，焦距F3 = 60mm的准直透镜，包括许多直径Dp = 50微米的针孔的针孔盘，纤芯直径实质上不超过200 微米(例如，1. 5倍或更多)的多模光纤。不考虑多焦点共聚焦系统的特定的光学几何尺寸，上述的集光率原理是适用的。 只要由多模光纤发射并射入多焦点共聚焦子系统的光的集光率实质上不超过(例如，1.5 倍或更多)实际上通过多个针孔的光的集光率，就能达到合理的效率。如上面解释的那样， 考虑到在光学设计中有各种各样的使效率低的原因，实际上，Ω;< Ωρ，其中ΩF是从多模 光纤发出的光的集光率，Ω/是实际上通过多个针孔的光的集光率。如果多模光纤的纤芯 直径太大，那么Ωρ将太大而不能获得合理的效率。多模光纤的纤芯直径可以由从多模光 纤发出的光的集光率期望值以及从多模光纤发出的光所对的立体角共同决定。发明人考虑 到，通常用于将辐射源模块发出的光传输到多焦点共聚焦显微镜的多模光纤的合适的纤芯 直径小于800微米，例如，实质上不超过300微米。所举的例子包括3个激光辐射源和3个对应的光控制和调节单元。可选的，还可 能包括一个或多个辐射源并提供同样多的的不同波长的激发辐射光。如果选择只有一种波 长的辐射源，并通过开关装置使用，同时从样品返回的光以时分方式接收，这样还有可能提 高图像的信噪比。这里已经列举并描述了技术的某些特征，很多修改，替换，改变，以及等同将由本 领域普通技术人员产生。因此，应当理解为附加的权利要求是为了覆盖所有这样修改和变 化。
权利要求
一种将来自辐射源模块(302，402，1202)的光传输到多焦点共聚焦显微镜(1102，1206，1304))的方法，该方法包括将从辐射源模块(302，402，1202)发出的光经过多模光纤(504，1126，1210)引导至多焦点共聚焦显微镜(1102，1206，1304)，其中，所述多模光纤的纤芯直径不超过800微米。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述纤芯直径实质上不超过300微米。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述辐射源模块包括一个或多个超级发光 二极管，或，一个或多个发光二极管，或，一个或多个固态辐射源，或，一个或多个激光器 (1208)。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述辐射源模块包括相干辐射光源，该方法进一 步包括将光引导经过多模光纤之前，将光的相位随机化。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述辐射源模块包括相干辐射光源，该方法进一 步包括将光引导经过多模光纤同时，将光的相位随机化。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述辐射源模块包括相干辐射光源，该方法进一 步包括在多模光纤发出的光入射到多焦点共聚焦显微镜之前，将光的相位随机化。
7.一种将来自辐射源模块(302，402，1202)的光引导至多焦点共聚焦显微镜(1102， 1206,1304)的多模光纤(504，1126，1210)的选择方法，该方法包括选择多模光纤使得将要从多模光纤发出的光的集光率实质上不超过将要通过多焦点 共聚焦显微镜包含的许多针孔(1120)的光的总集光率。
8.如权利要求7所述的方法，该方法进一步包括根据多模光纤发出的光的集光率和多模光纤发出的光对着的立体角确定多模光纤的 纤芯直径。
9.一个系统，包括辐射源模块(302，402，1202)；多焦点共聚焦显微镜(1102，1206，1304)；和将所述辐射源模块发出的光引导至多焦点共聚焦显微镜的多模光纤(504，1126， 1210)；其中，所述多模光纤的纤芯直径不超过800微米。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述纤芯直径实质上不超过300微米。
11.如权利要求9或10所述的系统，其中将要从多模光纤发出的光的集光率实质上不 超过将要通过多焦点共聚焦显微镜包含的许多针孔(1120)的光的总集光率。
12.如权利要求9或10所述的系统，其中所述辐射源模块包括一个或多个超级发 光二极管，或，一个或多个发光二极管，或，一个或多个固态辐射源，或，一个或多个激光器 (1208)。
13.如权利要求9所述的系统，其中所述辐射源模块包括相干辐射光源，该系统进一步 包括相位随机发生器(704)；和将所述辐射源模块光学耦合到所述相位随机发生器的光纤(904，1406)；其中所述多模光纤(504，1210)将所述相位随机发生器光学耦合到多焦点共聚焦显微^Ml O
14.如权利要求9所述的系统，其中所述辐射源模块包括相干辐射光源，该系统进一步 包括相位随机发生器(704)，其中从辐射源模块发出的光在进入到多模光纤之前先通过该相位随机发生器。
15.如权利要求9所述的系统，其中所述辐射源模块包括相干辐射光源，该系统进一步 包括相位随机发生器(704)，其中，从多模光纤发出的光在进入多焦点共聚焦显微镜之前先通过该相位随机发生ο
16.如权利要求13-15所述任一系统，其中所述相位随机发生器包括旋转散射器(706， 1216)。
17.如权利要求9或10所述的系统，进一步包括机械耦合到多模光纤的机械振动驱动器(606，1306)。
18.如权利要求9或10所述的系统，其中多焦点共聚焦显微镜包括多焦点共聚焦子系 统(308，1104)和显微镜(310，1106)，其中多模光纤的顶端发射将被入射到多焦点共聚焦 子系统的光，其中多焦点共聚焦子系统包括准直透镜(1122)，该准直透镜所在的位置使得光从顶端到准直透镜的传输距离实质上 等于准直透镜1122的焦距；包括许多独立微透镜(1114)的微透镜阵列盘(1112)；和包括许多独立针孔(1120)的针孔盘(1118)，该针孔盘所在的位置使得光从微透镜阵 列盘到针孔盘的传输距离实质上等于微透镜的焦距；其中，来自多模光纤顶端的光在通过针孔之前先通过准直透镜，接着通过微透镜；和其中，多模光纤的纤芯直径实质上不超过一个独立针孔的直径与准直透镜焦距和微透 镜焦距比值的乘积。
19.一个系统，包括辐射源模块(302，402，1202)，该辐射源模块包括一个或多个激光器(1208)，或，一个 或多个固态辐射源，或，一个或多个发光二极管，或，一个或多个超级发光二极管；多焦点共聚焦显微镜(1102，1206，1304)；和将所述辐射源模块发出的光引导至多焦点共聚焦显微镜的多模光纤(504，1126， 1210)。
全文摘要
多模光纤(504，1126，1210)以合理的效率将辐射源发出的光传输到多焦点共聚焦显微镜(1102，1206，1304)。选择多模光纤的纤芯直径，以使得从光纤发出的光的集光率实质上不大于通过多焦点共聚焦显微镜的针孔阵列的多个针孔的光的总集光率。纤芯直径的选择考虑到了多焦点共聚焦显微镜的特定的光学几何尺寸，包括针孔直径和相关的光学元件的焦距。对相干辐射光源来说，还包括相位随机化。多模光纤使得能够在多焦点的共聚焦显微镜中利用多种辐射源和波长，因为辐射源到多模光纤的耦合对机械和温度影响的敏感性要小于辐射源到单模光纤的耦合。
文档编号G02B6/00GK101900873SQ20091025072
公开日2010年12月1日 申请日期2009年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者理查德·伯尔曼 申请人:光谱应用研究公司