用于為共聚焦顯微鏡生成隨時間推移而變化的圖案的光學系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于為共聚焦顯微鏡生成隨時間推移而變化的圖案的光學系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]存在各種類型的共聚焦顯微鏡，它們在聚焦于待掃描對象表面的基礎(chǔ)上檢測該表面。此類系統(tǒng)的例子為諸如從US2007/0109559 Al得知的激光共聚焦顯微鏡，或如在瑞士專利申請016247/07中所述的pOFPT(即，平行焦點光學斷層掃描)。
[0003]在pOFPT掃描器中，將移動圖案投影到待掃描對象上。這是有利的，因為這是用于檢測變化圖案而非靜態(tài)圖案的更簡單且更準確的信號技術(shù)。這種移動的實現(xiàn)使得具有該圖案的掩模得以快速機械運動。這種移動為振蕩的或連續(xù)的。
[0004]然而，這種機械運動存在一些明顯缺點。這種機構(gòu)需要空間，而這使緊湊設(shè)計變得不可能。這種機構(gòu)還相對昂貴。此外，這種機械運動并不完全精確。具體地講，變化率的精度受限，而這顯著提高了分析成本。這甚至可能在機械運動中造成運行故障。
[0005]存在允許圖案發(fā)生移動或變化的光學元件。這些元件(例如)用于投影儀中。然而，它們對于所需掃描而言過慢。例如，液晶顯示投影儀的LCD允許每秒最多200張圖像變化。然而，對于使用本文所述系統(tǒng)進行掃描的應(yīng)用而言，每秒至少2，000張圖像變化是必要的，甚至更好的是每秒20，000張圖像變化。
[0006]因此，本發(fā)明的目的是為共聚焦顯微鏡提供一種光學系統(tǒng)及相關(guān)方法，在該光學系統(tǒng)及相關(guān)方法中尤其簡化了圖案的移動或變化，并且其變化非常精確地受時間控制，從而可與信號的后續(xù)評估完全同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]通過如分別在權(quán)利要求1和權(quán)利要求18中所述的光學系統(tǒng)和方法實現(xiàn)此目的。從屬權(quán)利要求中規(guī)定了本發(fā)明的有利拓展。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于共聚焦顯微鏡的光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)包括光源裝置、分束器以及分束器與對象之間的透鏡裝置，其中光束從所述光源裝置傳播到反射該光束的對象，分束器使從光源裝置發(fā)出的光束朝對象方向通過并且將由焦平面中的對象反射的光束朝檢測器方向偏轉(zhuǎn)，該檢測器具有用于檢測對象圖像的檢測器圖案。具體地講，該光源裝置具有至少一個光源以及如下設(shè)備，該設(shè)備切換由所述至少一個光源所發(fā)出光束的偏振方向，從而無需移動具有投影儀圖案的掩模即可生成變化的投影儀圖案。
[0009]優(yōu)選地，該分束器為偏振分束器。因此，可移動投影儀圖案的光應(yīng)始終具有相同的偏振方向。
[0010]因而，根據(jù)本發(fā)明，用固定的特殊光學裝置和偏振方向變化的至少一個偏振光源代替上述機械運動。然后投影的圖案或投影儀圖案的變化與光源裝置偏振方向的變化一樣快。偏振方向可根據(jù)需要快速進行變化。
[0011]優(yōu)選地，用于切換由所述至少一個光源所發(fā)出光束的設(shè)備相對于其偏振方向固定地布置在光源和可控光學延遲片的下游，該可控光學延遲片使偏振方向在兩個不同偏振方向之間切換。因而偏振方向的快速切換和變化成為可能。
[0012]可控光學延遲片優(yōu)選地為根據(jù)施加到電端子上的電壓使偏振方向從入口到出口發(fā)生旋轉(zhuǎn)的普克爾斯盒，所述電壓以使延遲變化λ/2或其奇數(shù)倍的方式在兩個電壓Vl和V2之間切換?？焖偾沂艿搅己每刂频那袚Q是可能的。
[0013]作為另外一種選擇，可控光學延遲片優(yōu)選地為固定旋轉(zhuǎn)的λ/4延遲片。使用這種λ/4延遲片也可實現(xiàn)快速簡單的切換。
[0014]作為另外一種選擇，光源裝置優(yōu)選地具有兩個光源和一個切換設(shè)備，所述切換設(shè)備作為相對于由所述至少一個光源所發(fā)出光束的偏振方向切換所述光束的設(shè)備，兩個光源的光路組合為單一光路，兩個光源發(fā)出偏振光并且兩個光源的相應(yīng)偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，并且在每種情況下切換設(shè)備都只將兩個光源中的一個切換為開啟狀態(tài)，從而改變組合光的相應(yīng)偏振方向。
[0015]兩個光源可緊鄰彼此地并排提供，使得其光路組合為單一光路。漫射盤優(yōu)選地連接在光源下游。這種漫射盤用于更好地聚焦入射光并將其以所需方向發(fā)射出去。
[0016]兩個光源可偏移90°布置，然后合束器將其光路組合為單一光路。
[0017]通過上述具有兩個光源和一個切換設(shè)備的實施例，可以特別準確地切換至相應(yīng)偏振方向。
[0018]相應(yīng)光源優(yōu)選地為發(fā)出自然偏振光的激光二極管，或者帶有下游偏振片的LED。將以簡單方式使用此類光源。
[0019]優(yōu)選地將光線性偏振，并且優(yōu)選地將兩個偏振方向相對于彼此旋轉(zhuǎn)90°，使得僅使用結(jié)構(gòu)化偏振的方向。
[0020]優(yōu)選地，在光源裝置下游設(shè)置λ/4延遲片，該延遲片將偏振方向轉(zhuǎn)變成一個逆時針方向一個順時針方向的兩個圓形偏振方向。由于偏振方向的這種轉(zhuǎn)變，可采用簡單方式生成投影儀圖案。
[0021]優(yōu)選地，在λ/4延遲片下游的結(jié)構(gòu)化延遲片和透鏡裝置之間設(shè)置線性偏振片，該線性偏振片阻隔從偏振旋轉(zhuǎn)90°的位置發(fā)出的光，而允許從出現(xiàn)偏振方向的位置發(fā)出的光通過，使得這些位置處的照明圖案為透明的。這一設(shè)置方式還可以簡化投影儀圖案的生成，并且它確保了射向后續(xù)分束器的光始終具有相同的偏振方向。
[0022]照明圖案或投影儀圖案優(yōu)選地為可根據(jù)需要進行控制的圖案、固定線狀圖案或固定棋盤狀圖案。這些圖案在實踐中易于使用。
[0023]可采用如在液晶顯示投影儀中所用的透明LCD，來容易地實現(xiàn)可控圖案。形成合適圖像需要生成結(jié)構(gòu)化延遲片。
[0024]優(yōu)選地，提供了用于對齊投影儀圖案和檢測器圖案的裝置。必須將圖案對齊，這樣在將該光學系統(tǒng)用作掃描器時可產(chǎn)生良好圖像。
[0025]優(yōu)選地提供了一種濾波器作為評估接收信號的裝置，該濾波器的切換頻率與光源偏振方向的切換頻率同步。優(yōu)選地，將該濾波器實現(xiàn)為鎖相放大器。同步使得在掃描期間獲得易于檢測的信號。
[0026]此外，本發(fā)明涉及使用根據(jù)本發(fā)明的用于共聚焦顯微鏡的光學系統(tǒng)進行掃描的方法，該方法具有以下步驟:將投影儀圖案與檢測器圖案對齊，當投影儀圖案隨高切換頻率變化時調(diào)整焦平面，獲得頻率對應(yīng)于切換頻率的信號，對接收信號進行窄帶濾波并在窄帶濾波后搜索信號的最大強度，然后搜索具有恒定寬度的信號峰。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)由于設(shè)計緊湊而尤其適合用于測量牙齒用的口腔內(nèi)掃描器。
【附圖說明】
[0028]根據(jù)以下【具體實施方式】和基于例子描述本發(fā)明的特征的附圖，本發(fā)明的具體和其他特征以及細節(jié)對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將變得顯而易見，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于共聚焦顯微鏡的光學系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，
圖2示出了經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的普克爾斯盒而具有可切換偏振方向的光源裝置，
圖3示出了經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的(固定旋轉(zhuǎn))波片而具有可切換偏振方向的光源裝置，
圖4示出了經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的兩個光源而具有可切換偏振方向的光源裝置，
圖5示出了經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的兩個光源而具有可切換偏振方向的另一個光源裝置，
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的用于生成交替條紋圖案的裝置，
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化延遲片，
圖8為用于定位變化圖案的不意圖，
圖9示出了投影儀圖案，
圖10示出了檢測器圖案，
圖11示出了從具有正確取向的測量對象看到的投影儀圖案和檢測器圖案，
圖12示出了從具有不正確取向的測量對象看到的投影儀圖案和檢測器圖案，
圖13示出了在調(diào)整聚焦位置期間的像素處的信號，
圖14示出了在窄帶濾波后所得的像素處的信號，以及圖15示出了在進行窄帶濾波來掃描自然牙齒后所得的像素處的信號。
【具體實施方式】
[0029]在下文中，將基于優(yōu)選實施例并結(jié)合附圖詳細闡述本發(fā)明。
[0030]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于共聚焦顯微鏡的光學系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，其中提供了光源裝置I，并且投影儀圖案2為根據(jù)光源裝置I的偏振態(tài)而變化的投影圖案。圖1的光源裝置I在圖2至圖4中詳細示出為具有可切換偏振態(tài)的光源裝置I。此外，提供了分束器3，該分束器可為偏振分束器。就雙箭頭4而言，通過移動具有第一透鏡4a和第二透鏡4b的透鏡裝置的第二透鏡4b來進行焦平面的移位。還示出了反射鏡5、1/4波片6、對象7(諸如牙齒)、檢測器圖案8和傳感器9。如果傳感器的像素圖案用作檢測器圖案，則不必使用檢測器圖案。該傳感器可為(例如)用于POCT的智能像素圖像傳感器。
[0031 ]來自投影儀圖案2的光束穿過分束器3射向?qū)ο?，通過第一透鏡4a和第二透鏡4b到達對象7處的焦平面。對象7反射的光束通過透鏡4a和4b以及分束器3往回射向傳感器9，在此傳感器處檢測到對象7的圖像。在激光共聚焦顯微鏡中，照明圖案或投影儀圖案包括至少一個點光源，