声光系统及使用该声光系统的显微镜和方法技术方案

一种声光系统，被描述为包括至少一个具有至少一个连接至晶体的换能器的声光元件，用于生成至少一个声信号以驱动声光元件改变传输通过该声光元件的光的驱动单元，且包括至少一个数字数据处理单元、至少一个将数字合成信号转换为初期模拟驱动信号的数-模转换器以及将初期模拟驱动信号放大成为所述模拟电子驱动信号的放大器。进一步地，描述了操作该声光元件的显微镜和方法。可实现诸如灵活性、实时补偿非线性效应、以及减少电子器件的数目、尺寸、成本及能耗的多种目的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
已知声光系统用于提供一种对光产生影响的有效方式，其滤出一个或多个特定有用波长或波带的光、或者偏转光、或选择性地偏转特定波长或波带的光、或偏转整个光束。声光元件使用在各种方式中，特别地使用在显微领域。例如，用在宽视场显微镜和激光扫描显微镜中，期望的是提供包括特定波长的混合的特定光作为照明待成像目标的入射光。为增强成像质量，调节入射光束中色彩的混合，即光波长的混合是有益的。在共聚焦扫描显微术领域，特别感兴趣的是对特定的波长调节强度、或打开或关闭特定的波长。特别地在既可为共聚焦显微又可为宽视场显微的荧光显微术领域中，以特定的波长激发染料来获得荧光发射光是重要的(所述荧光发射光被探测并用于生成待成像目标的期望图像)。如果目标被具有不同发射波长的染料染色以获得彩色图像，则特别地需要多个波长。在多种类型的显微术中，需要多于一种的波长，例如在受激发射损耗显微术(STED)领域中，第一波长的光用于激发荧光团，第二波长的光则用于消耗部分激发斑中荧光团的激发态以使有效激发斑变窄从而获得具有更高分辨率的图像。拉曼显微术、相干反斯托克斯拉曼显微术(CARS)及SRS显微术也是使用多个离散波长的光的显微术。总之，在显微镜中常通过声光元件对宽带光或线谱光、或具有离散波长的激光实施滤光、偏转和分束的多种功能。这种声光兀件的例子是声光可调滤波器(AOTF)、声光调制器(Α0Μ)、声光偏转器(A0D)、声光分束器(AOBS)以及声光合束器(AOBM)。在显微术领域中使用的所有各种声光元件中，声光可调滤波器(AOTF)是最常使用的，同时，包括AOTFs的声光合束器(AOBS)也用在显微术领域中。这些类型的声光元件只对特定波长的光产生影响，而不像诸如A0Ms、A0Ds和移频器对整个光产生影响。声光元件的基本结构包括晶体和连接至该晶体的换能器。换能器被配置为接收电信号，典型地接收处于30Mhz至SOOMhz射频范围上的电信号。随着该电信号物理地收缩和扩展，换能器将电信号转换成声信号。根据该声信号，晶体物理地振动，因而形成了选择性地偏转特定波长的光的光学衍射光栅的光学等效体。特别地在AOTF中，晶体的特性使得每一声波波长最后仅导致偏转特定的光波长，或更特别地，仅偏转某一窄带宽的光波长，例如约3nm的带宽，但仅关联于相应声波频率的精确波长被100%地偏转，而在3nm窄带内的相邻波长仅以诸如50%的较低的百分比来偏转。声光元件的典型使用涉及改变驱动换能器的电驱动信号因而改变换能器随时间生成的声信号，主要地，进行振幅调制以改变随时间的信号强度因而调制了各期望的特定波长的偏转光随时间的强度。为了同时对多个频率产生影响，如果需要通过仅仅一个晶体和一个换能器来影响多个波长，射频范围上的电信号需要被合并或叠加为一个信号。现有技术中，通过诸如压控振荡器(VCO)的振荡电路生成各种射频，在VCO中通过输入电压来控制振荡器频率。典型使用的其他类型的振荡器为锁相环振荡器(PLL)或直接数字合成(DDS)。所有这些频率发生器的共同点是生成如上所述随后被典型地振幅调制的模拟信号。例如，在AOTFs中，频率关联于特定的波长，因此要对每一波长产生影响，就需要各自的频率发生器，而且波长的最大数量由频率发生器的数量决定。特别地在荧光显微术领域中，由于扩展了对其他激发波长的使用而需要提供相应数量的频率发生器，因而存在着显著的限制。另一缺点是难以补偿非线性效应。如果多个射频一而非波长被合并，特别地如果多个频率的模拟电信号被叠加，即被合并为一个合成信号，多个合并的信号增加了最大振幅并引起了较高程度的非线性效应。由于叠加增加了强度，系统更多地进入非线性效应区间。在许多情况下，这被看作为串扰，因为在用户看来不同射频彼此互相影响。相较于仅使用单个波长，对于各特定波长换能器生成较低的声波信号。换句话说，叠加的不同波长的信号越多，用于单个波长的信号强度被降低的程度就越大，从而导致了系统的非线性响应，即生成的声波的强度并不是电信号强度的线性函数。现有技术中先由各个频率发生器生成所有频率，随后由各个振幅调制器进行振幅调制，由于需要探测关于其他频率发生器并结合它们各个振幅调制器的信号强度的信息，因而补偿这种串扰比较困难。即使探测了这种信息，还需要数据处理并将该信息反馈至各个单独的振幅调制器，因而“实时”补偿是不可能的，而是存在着时间延迟，时间延迟是由于根据其他频率发生器并结合其各个振幅调制器来探测信号强度并且随后对该信息进行数据处理产生的。因而，在现有技术中，仅叠加强度相对较低的信号，且放大器和换能器的尺寸都被适当地设计为仅在线性区间上操作这些信号，即被设计为功率相对较高但仅运行在其工作区间的一小部分上以处于线性区间内。这不仅存在着显著的成本劣势(因为这些功率更高的元件价格更高)，而且还导致了其他的技术难题，例如较大的结构尺寸、生成需被耗散的热、高能耗，以及当入射光偶然被过度放大时还存在着损坏甚至毁坏声光元件的晶体的风险。通常，在叠加多个信号的情况下将最大振幅保持在较低水平的另一可行方案是在叠加这些信号之前控制各个信号彼此之间的相位，即优选地具有以不同的相位合并的各信号，而不是任一或某些其他信号。由于现有技术中频率发生器和其各自的振幅调制器是独立的元件，因而这种技术需要探测各个相位并在随后调节这些相位，因而不能实时进行且需要造价昂贵的探测和数据处理单元。现有技术中的另一难题是过量的电子元件，例如大量的频率发生器和振幅调制器，特别是需要灵活性时(此时需增加更多的频率以用于影响不同波长的光)的多种使用。本专利技术的目的之一在于减少能够处理两个或更多信号的声光系统的成本。本专利技术的另一目的在于就合并为一个驱动信号的生成的信号的多个频率提供了更多的灵活性。本专利技术的又一目的在于降低声光系统的能耗。本专利技术的又一目的在于减少电子器件的总数量。本专利技术的又一目的在于减少电子器件的尺寸和容量，进一步地降低成本且避免由超尺寸器件引起的技术难题。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，通过一种声光系统实现了本专利技术的上述和其它目的，该声光系统包括具有至少一个换能器的至少一个声光元件，其中换能器连接至晶体，晶体在其输入端接收输入光并由其输出端传送输出光，换能器被配置为接收模拟电子驱动信号，生成声波并将这些声波传送至晶体；驱动单元，生成至少一个模拟电子驱动信号以驱动声光元件改变传输通过该声光元件的光，所述驱动单元包括用于生成可转换为模拟电子驱动信号的数字合成信号的数字数据处理单元，其中模拟电子驱动信号能够生成换能器中两个不同频率的至少两个不同的声波；至少一个将数字合成信号转换为初期模拟驱动信号的数-模转换器；以及用于将初期模拟驱动信号放大成为所述模拟电子驱动信号的放大器。根据本专利技术的第二方面，通过一种声光系统实现了本专利技术的上述和其他目的，该声光系统包括具有至少一个换能器的至少一个声光元件，其中换能器连接至晶体，晶体在其输入端接收输入光并由其输出端传送输出光，换能器被配置为接收模拟电子驱动信号，生成声波并将这些声波传送至晶体；驱动单元，生成至少一个模拟电子驱动信号以驱动声光元件改变传输通过该声光元件的光，所述驱动单元包括用于生成数字合成信号的数字数据处理单元，该数字数据处理单元包括用于计算并生成至少两个初期数字信号的数字本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.09 US 61/353163;2011.06.01 US 13/1510551.一种声光系统，包括:至少一个声光元件(1)，所述声光元件(I)具有至少一个换能器(2)，其中所述至少一个换能器(2)连接至晶体(3)，所述晶体(3)在其输入端接收输入光并由其输出端传送输出光，换能器(2)被配置为接收模拟电子驱动信号、生成声波并将这些声波传送至晶体(3)；驱动单元，用于生成至少一个模拟电子驱动信号以驱动声光元件(I)改变传输通过该声光元件(I)的光，所述驱动单元包括: 数字数据处理单元(35 )，用于生成数字合成信号，所述数字数据处理单元(35 )包括:数字频率计算单元(26)，用于计算并生成至少两个初期数字信号，每一初期数字信号形成用于由换能器(2)生成特定声波频率的基础； 叠加单元(30)，将至少两个初期数字信号合成为一个数字合成信号(31); 至少一个数-模转换器(32)，将数字合成信号转换为初期模拟驱动信号；以及 放大器(25，33)，用于将初期模拟驱动信号放大成为所述模拟电子驱动信号。2.根据权利要求1的声光系统，进一步包括数字修改单元(29)，其配置成将两个初期数字信号的至少一个改变为至少一个改变的数字信号，形成用于生成特定声波频率的基础。3.根据权利要求1或2的声光系统，其中修改单元(29)被配置为将两个初期数字信号改变为两个改变的数字信号，以形成通过至少一个换能器(2)生成不同相位的特定声波频率的基础。4.根据权利要求1-3之一的声光系统，其中数字数据处理单元(35)进一步地包括补偿单元(34)，用于改变信号以补偿基于所述模拟电子驱动信号的声波响应中的非线性效应。5.根据权利要求1-4之一的声光系统，进一步地包括温度传感器，所述温度传感器测量所述数-模转换器(32)、所述放大器(25，33)、所述换能器(2)和所述晶体(3)组成的组中一个器件的至少一个温度，并向所述补偿单元(34)提供基于温度的控制信号，以补偿所述模拟电子驱动信号中基于温度的偏差。6.根据权利要求1-5之一的声光系统，包括至少一个第一和第二换能器(2)，其均连接至仅一个声光元件(I)的晶体(3)，其中所述第一换能器(2)被配置为向声光元件(I)的晶体(3)传输由第一模拟电子驱动信号生成的第一声波信号，所述第二换能器(2)被配置为向声光兀件(I)的晶体(3)传输由第二模拟电子驱动信号生成的第二声波信号。7.根据权利要求1-6之一的声光系统,包括至少第一和第二声光兀件(I),每一声光元件都具有晶体(3)和连接至所述晶体(3)的换能器(2)，其中第一声光元件(I)的换能器(2)被配置为将第一频率的第一声波信号传输至第一声光元件(I)的晶体(3)，第二声光元件(I)的换能器(2)被配置为将第二频率的第二声波信号传输至第二声光元件(I)的晶体(3),所述第一和第二频率为相同或彼此不同。8.根据权利要求7的声光系统,其中所述第一声光兀件(I)不同于所述第二声光兀件(I)。9.根据权利要求1-8之一的声光系统,其中至少一个声光兀件(I)选自下述器件组成的组:声光可调滤波器AOTF(19),声光调制器Α0Μ、声光偏转器AOD、声光分束器AOBS、声光合束器AOBM以及移频器。10.根据权利要求8的声光系统,其中所述第一声光兀件(I)是声光可调滤波器AOTF(19),所述第二声光兀件(I)是声光分束器AOBS。11.根据权利要求1-10之一的声光系统，其中被所述声光元件(I)改变的光是由连续波(CW)激光器(18 )或脉冲激光器(18 )生成的。12.根据权利要求1-11之一的声光系统，其中被声光兀件(I)改变的光是由生成宽带连续波长谱的宽带光源(18)生成的。13.根据权利要求12的声光系统，其中所述宽带光源(18)是由下述器件组成的组中之一:超连续光源、超发光光源以及LED光源。14.根据权利要求12或13的声光系统，其中所述模拟电子驱动信号被啁啾以对一定带宽的光产生影响。15.根据权利要求1-14之一的声光系统，其中被所述声光元件(I)改变的光是由线谱光源(18)生成的，该线谱光源生成具有一个或多个特定波长、或一个或多个窄波带中的至少一个的光。16.根据权利要求1-15之一的声光系统,其中所述模拟电子驱动信号包括至少两个叠加的谐波信号。17.—种显微镜,包括: 具有至少一个换能器(2)的至少一个声光元件(1)，其中该至少一个换能器(2)连接至晶体(3)，所述晶体(3)在其输入端接收输入信号并由其输出端传送输出信号，所述换能器(2)被配置为接收模拟电子驱动信号、生成声波并将这些声波传送至所述晶体(3)； 光源(18)，生成包括至少两个不同波长的输入光； 驱动单元，用于生成至少一个模拟电子驱动信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·威兹高斯基，H·比尔克，V·塞弗里德，
申请(专利权)人：徕卡显微系统复合显微镜有限公司，
类型：
国别省市：