CN103080820A - 声光***及使用该声光***的显微镜和方法 - Google Patents

Abstract

一种声光***，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。

Description

声光***及使用该声光***的显微镜和方法

背景技术

已知声光***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。这种声光元件的例子是声光可调滤波器（AOTF）、声光调制器（AOM）、声光偏转器（AOD）、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AOMs、AODs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800Mhz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——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，***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***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。

本发明的目的之一在于减少能够处理两个或更多信号的声光***的成本。

本发明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。

本发明的又一目的在于降低声光***的能耗。

本发明的又一目的在于减少电子器件的总数量。

本发明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。

发明内容

根据本发明的第一方面，通过一种声光***实现了本发明的上述和其它目的，该声光***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。

根据本发明的第二方面，通过一种声光***实现了本发明的上述和其他目的，该声光***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频率计算单元，两个初期数字信号的每一个形成由换能器生成特定声波频率的基础；叠加单元，将至少两个初期数字信号合并为一个数字合成信号；至少一个数-模转换器，将数字合成信号转换为初期模拟驱动信号；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。

根据本发明的第三方面，通过共聚焦显微镜实现了上述目的，该共聚焦显微镜包括上述本发明的声光***，以及用于扫描光线横穿过待成像目标的扫描器；以及物镜；其中扫描器提供在物镜的上游并被配置为接收从所述至少一个声光元件输出的被改变的光，物镜被提供在扫描器的下游，以及用于在叠加两个数字信号之前改变至少一个初期数字信号的修改单元。

根据本发明的第四方面，通过一种运行声光***的方法实现了上述目的，该声光***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，用于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的驱动单元，且包括至少一个用于生成数字合成信号的数字数据处理单元、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，所述方法包括：计算至少两个初期数字信号，其由以数字格式分别表示两个模拟信号的一串位元和字节组成；将至少两个初期数字信号叠加为一个数字合成信号；将数字合成信号转换为初期模拟驱动信号；将初期模拟驱动信号放大成为所述模拟电子驱动信号；以及将模拟电子驱动信号传送至换能器以运行换能器生成声波。

根据本发明声光***的优选实施例，修改单元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由至少一个换能器生成不同相位的特定声波频率的基础。特别地，当合成多于两个的初期数字信号时，使各个信号的相位彼此不同帮助了将最大振幅保持为较低。在分段换能器的情况下，使各个信号的相位彼此不同也是非常有益的。对于一些应用，如果至少两个单个信号的频率是相同的但相位彼此不同，这可能更是有益的，例如在分段换能器的情况下。然而大部分情况下，合并为用于驱动换能器的单个信号的频率是不同的频率，例如以对不同波长的光产生影响。

虽然优选地改变单个数字信号的振幅，但从一开始使用随时间变化的振幅（即改变的振幅）来进行计算也是可行的。另外，能够通过放大器来改变振幅。然而，仅通过放大器来改变振幅并不像数字地改变振幅那么有利，这是因为在信号被转换为模拟信号之前可以实时并更快速地实现数字调制。另一方面，如果从数-模转换器中输出的信号足够强或者数-模转换器包括内嵌的放大器，则***无需独立的放大器也能运行，否则就在数-模转换器的下游提供独立的放大器。

根据本发明声光***的优选实施例，数字数据处理单元进一步地包括补偿单元，用于改变信号以补偿基于模拟电子驱动信号的声波响应中的非线性效应。非线性效应可发生在从数-模转换器、，调节阻抗的印刷电路板、放大器、换能器直至晶体的整个信号串中发生。由于在将信号转换成模拟信号之前数字地进行补偿，因而可以实时地实施这种补偿。***非线性响应的一个主要原因是叠加多个频率的多个信号，这一定程度上降低了用于每一单个频率的信号强度。还可以在数-模转换器之后、甚至在馈入换能器前的电路板之后对模拟电子驱动信号提供补偿。补偿的最终目的是产生期望的声波响应，即提供其强度对光产生期望水平的影响的声波，例如使特定的波长或波带宽偏转作为有用光束。

根据本发明声光***的优选实施例，该***进一步地包括温度传感器，其测量数-模转换器、放大器、AO晶体和换能器中至少之一的温度，并向补偿单元提供基于温度的控制信号以补偿模拟电子驱动信号中基于温度的偏差。可在克服串音的补偿之外进行这种对温度偏差的补偿。

根据本发明声光***的优选实施例，该***包括均连接至仅有一个声光元件的晶体的至少一个第一和第二换能器，其中第一换能器被配置为向声光元件的晶体传输第一频率的第一声波信号，第二换能器被配置为向该声光元件的晶体传输第二频率的第二声波信号。可以被叠加并被传输至第一和第二换能器的信号的数量基本上是无限制的，但实际上由于非线性效应可能存在着一些限制。在同一晶体上提供两个不同的换能器可在上述的补偿以外避免这一问题。

根据本发明声光***的优选实施例，该声光***包括至少一个第一和第二声光元件，每一声光元件都具有晶体和连接至该晶体的换能器，其中第一声光元件的换能器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的晶体，第二声光元件的换能器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的晶体。例如，如果需要彼此独立地驱动两个声光元件，这种***是有益的。因此，根据本发明声光***的优选实施例，第一声光元件不同于第二声光元件。

根据本发明声光***的优选实施例，至少一个声光元件选自下述器件组成的组：AOTF、AOM、AOD、AOBS、AOBM以及移频器。特别地，根据本发明声光***的实施例，第一声光元件是AOTF，第二声光元件是AOBS。

根据本发明声光***的优选实施例，被声光元件改变的光是由宽带光源生成的，该宽带光源生成宽带连续波长谱。优选地，宽带光源是由下述器件组成的组中之一：超连续光源、短脉冲激光器、超发光光源以及LED光源。同样，可被“捆”为一束高强度光束的日光也是一种选择。为滤出一定带宽的光，根据优选实施例，模拟电子驱动信号被啁啾以对一定带宽的光产生影响。

根据本发明声光***的优选实施例，被声光元件改变的光是由线谱光源生成的，该光源生成一个或更多特定波长的光或一个或更多波长窄带的光中的至少一个。

在根据本发明的显微镜的优选实施例中，该显微镜包括作为声光可调滤波器（AOTF）的第一声光元件，以及提供在自AOTF下游的入射光的方向上、且从AOTF上游的成像目标发射或反射的光的方向上的作为声光分束器（AOBS）的第二声光元件，其中AOBS将目标发射或反射的光分为被传输至探测器以生成成像目标的图像的第一有用光束，以及被丢弃的第二多余光束。例如，这种显微镜为扫描显微镜，特别地为荧光扫描显微镜，但这种优选实施例也可应用于宽视场显微镜或诸如STED显微镜的特别的高分辨率显微镜。

所生成的用于驱动换能器的模拟电子信号典型地是谐波，但也可以为其他形状，例如矩形信号。矩形信号的优点在于能够以全部强度滤出特定的波长带宽，例如3nm，而不是以全部强度仅滤出一个特定波长，同时以例如仅50%的较低的强度滤出窄波带内的波长。对窄带宽内的所有波长接收其全部强度是有利的，如果特定的应用使得某一带宽基本上全部都有期望的效果，例如用于激发特定的染料。如果是这种情况，优选地100%地接收整个带宽，因其增加了有用光的总强度。

用于数-模转换器的时钟频率需要大于奈奎斯特频率。数字数据处理单元优选实施为一整组单元，包括数字频率计算单元、数字修改单元、叠加单元以及可选的补偿单元，其可被配置为并行调度计算时钟频率。换能器典型地在50-150MHz之间的频率上运行，但也可以扩宽至10MHz至2GHz。整组单元的数字频率计算单元、数字修改单元、叠加单元以及可选的补偿单元并不是必须提供在同一数字数据处理单元中，但用于降低电子元件的数量和并行化计算时钟频率时是特别优选的实施例。

在根据本发明的显微镜的优选实施例中，探测器连接至生成待成像目标的图像的计算机。

在根据本发明的显微镜的优选实施例中，计算机生成传输至扫描器的反馈信号。

在根据本发明的显微镜的优选实施例中，计算机连接至数字数据处理单元并被配置为将控制信号传输至数字数据处理单元。

本发明运行声光***优选的方法包括计算两个信号之间的相位差从而将数字合成信号中的最大振幅降低至最小，以及相应地在将至少两个初期数字信号叠加为合成信号之前改变这些信号之间的相对相位。

本发明运行声光***优选的方法包括在将数字合成信号转换成模拟信号之前增大数字合成信号以补偿换能器中的非线性效应。

本发明运行声光***优选的方法包括测量数-模转换器、放大器、换能器和晶体中至少之一的温度，并在将数字合成信号转换为模拟信号之前增大数字合成信号以补偿温度的影响。

本发明运行声光***优选的方法包括对模拟驱动信号进行啁啾以对一定带宽的光产生影响。

附图说明

图1示出本发明第一实施例的框图。

图2示出本发明第二实施例的框图，其另外地包括数字修改单元。

图3示出本发明第三实施例的框图，其另外地包括数字修改单元和数字补偿单元。

图4示出演示了电子和/或声波***随模拟电子信号的强度的非线性响应的图。

图5以实线示出控制换能器的模拟电子信号的图，以及被根据图3示出的实施例的补偿单元补偿了的模拟电子信号的图。

图6示出本发明可选的第三实施例的框图。

图7示出本发明可选的第四实施例的框图。

图8示出根据本发明实施共聚焦扫描显微镜中的第四实施例的显微镜。

图9示出根据现有技术的第一声光元件的示意透视图。

图10示出图9中示出的声光元件的示意侧视图。

图11示出根据现有技术包括分段换能器的第二声光元件的示意透视图。

图12示出图11中示出的声光元件的示意侧视图。

图13示出演示了使用根据现有技术的声光元件的共聚焦显微镜的结构的图；以及

图14示出根据现有技术的声光***。

具体实施方式

图9示出根据现有技术的第一声光元件1的示意透视图。声光元件1包括连接至晶体3的换能器2。如箭头4所示意性演示的光线传输入晶体3，并以两个分离的光束从晶体射出。声光***可为任一类型，下文中在优选实施例中特别地描述AOTF，其为一种重要类型的声光元件、尤其广泛使用在显微镜中。在AOTF中，生成特定波长或诸如3nm带宽的波长窄带的有用光束5，而多余光束6无偏转地从晶体射出。电子信号通过同轴电缆7传输至包括多个电子器件9的电子电路板8。在电子电路板8中，在将电子信号传输入换能器2之前进行阻抗的调节，其中换能器2包括不同于同轴电缆7的阻抗。第一接合线11连接至换能器2的负电极，第二接合线连12接至换能器2的正电极。在该实施例中，接合线11和12通过包括电子器件的中间电路板连接至同轴电缆7，特别地，第一接合线11连接至同轴电缆的外侧导线，第二接合线12连接至同轴电缆7的内侧导线。根据传输至换能器的模拟电子信号，声波传输至晶体3，使得晶体振荡从而在晶体内有效地生成光学光栅，在晶体3内使关联于特定声波的特定波长的光发生偏转并将该光作为有用光束输出，如箭头5所示。

图10示出声光元件1的侧视图，特别是晶体3和连接至晶体3的换能器2。换能器2大体上包括三层，即直接连接至晶体3的金属层形式的换能器2的负电极13、最远离晶体3的另一金属层形式的正电极14以及夹在负电极13和正电极14之间的压电层15。如参考图9所描述的，接合线11结合至负电极13，接合线12结合至正电极14。压电层15的压电材料例如可以是铌酸锂，而晶体可由二氧化碲材料制成。

图11示出图9中示出的实施例的变型，即其中换能器是分段的，在该实施例中其包括由2a、2b、2c、2d和2e示出的5个换能器段。因而，提供多个同轴电缆7和接合线11、12。使用分段换能器对于驱动换能器提供了更多的灵活性，例如以不同相位的信号驱动各段。

图12示出与图10相似的侧视图，但为图11中示出的分段声光元件的侧视图。如图所示，两个层，即负电极13a、13b、13c、13d、13e和正电极14a、14b、14c、14d、14e是分段的，夹在分段电极之间的压电层15不是分段的。应注意，为提供分段换能器，仅需负电极13和正电极14中的一个是分段的。但也可如图12所示两者皆分段。分段换能器例如描述在已公开的美国专利申请中，公开号为US2010/0053725，该申请与本发明有一个相同的申请人，该美国专利申请的内容通过引用合并入本发明。

图13示意性地绘出使用至少一个声光可调滤波器（AOTF）和声光分束器（AOBS）的共聚焦显微镜的结构。控制单元16生成控制信号，从而控制频率发生器17。激光光源18输出激光至AOTF19，该AOTF19截出期望作为混合通过共聚焦显微镜的光学器件、通过物镜20到达目标21的入射光的某波长的光。目标21反射或发射的光返回通过物镜20至AOBS，其中有用光束抵达探测用于对目标成像的期望光的探测器22。

图14示出根据现有技术的声光***，特别地示出现有技术中生成用于驱动声光元件的模拟电子信号的驱动单元的结构。在现有技术的示例中，提供8个频率发生器FG1-FG8，提供被8个振幅调制器AM1-AM8振幅调制的信号，由23共同示出的模拟乘法器将来自8个频率发生器FG1-FG8和8个振幅调制器AM1-AM8的信号相乘。模拟乘法器输出的信号在叠加单元24中合并为一个合成信号，该合成信号传输至放大器25，放大器将该合成信号传输至声光元件，例如如图9-12所详细描述的。

上文描述了图9-12中声光元件的基本特性和结构、图13中共聚焦显微镜的基本结构以及图14中提供用于驱动声光元件的模拟电子信号的现有技术驱动器的设计和功能，下文将描述本发明的实施例：

图1示出本发明的第一实施例。数据处理单元35内的数字频率计算单元26计算第一数字信号27和第二数字信号28。这两个数字信号由一串表示特定频率、振幅和相位的模拟信号的数字形式的位元和字节表示，模拟信号特别地是谐波振荡但并不必须为此。还可能的是，数据处理单元内计算的初期数字信号具有不同的相位和振幅。此外，可以理解，两个不同的信号27和28仅是用来表示多个信号，可为基于特殊应用（例如用于特殊类型的显微镜）需要的任一数量的信号，例如3、4或5个不同的信号。

该至少两个信号在叠加单元30中叠加。通过相加两个数字信号的位元和字节串来数字地执行叠加。有叠加单元生成的数字信号表示叠加的模拟信号31。然而，即使数字地表示该叠加的模拟信号31，应注意从数字叠加单元输出的仍是数字位元和字节串，仅在数-模转换器32中处理后才成为叠加的数字信号31。放大器33对叠加的模拟信号31进行放大。放大的信号通过电路板8传输至声光元件15的换能器2。声光元件的结构已详细地描述在图9-12中。

比较图1中示出的实施例和图14所描述的现有技术，显然本发明提供了多个优点：首先，由数据处理单元26生成并被叠加单元30叠加的不同波长和频率的信号的数目基本上是不受限的，仅受数-模转换器32的动态范围限制，或受要叠加成为一个信号的各不同频率的计算信号之间期望的串音限制的限制。图3示出的本发明的实施例将解决视为串音的非线性效应的难题。另外，由于表示不同频率的数字信号是计算出来的，因而可以随意地选择频率，即不受图14中示出的仅生成某特定频率的各频率发生器FG1-FG8限制。对于荧光显微镜，可随意地选择频率是特别期望的，例如使用不同的染料或在制造特定显微镜时本不会考虑到的新发明的染料。

除了更高的灵活性，显然电子器件的数目被显著地降低，即替换了例如根据图14的现有技术示例中示出的8个频率发生器FG1-FG8、8个振幅调制器AM1-AM8，8个模拟乘法器23和1个叠加单元，本发明仅包括一个其中实施有1个数字频率计算单元、1个数字叠加单元以及1个数-模转换器的数据处理单元。电子器件数目显著地降低不仅节省了用于这些器件的成本，还降低了整个驱动单元的能耗及其整体复杂性。

作为数据处理单元，优选地使用包含可编程逻辑的现场可编程门阵列（FPGA）。这种情况下，通过在FPGA单元中实施加法器、乘法器以及查询表，能够容易地在同一FPGA单元中实施数字频率计算单元、修改单元和叠加单元，以及可能具有的如下文参考图3示出的实施例所详细描述的补偿单元，借由这种组合进一步地减少了电子器件的数目。在可选实施例中，还可以使用诸如DSP单元或专用集成电路（ASIC）的不同的电子器件。

在图2示出的本发明实施例中，另外地，在数字频率计算单元26和数字叠加单元30之间提供数字修改单元29。在生成两个初期数字信号之后，这些信号被传输至修改单元29，在该单元中初期数字信号中一个或两者的振幅、相位或振幅和相位被改变。如图1示出的实施例，这种修改单元29并不是绝对需要的，例如数字频率计算单元计算不同的信号并对其进行改变，但根据优选实施例，在修改单元中改变振幅能够特别地对电子模拟信号产生影响，并最终对所生成的声波信号的强度产生影响，因而对是否输出或输出多强的特定波长的光产生影响。改变相位主要是影响叠加的信号的最大振幅。改变相位的另一优势在于对于如图11和12所示的分段换能器，可确保以相同的相位来驱动所有的段。应注意，仍然是数字地执行改变，即产生一串位元或字节，而不是最终需要的用于驱动声光元件的换能器的模拟信号。实时地执行改变，即按计算单元所允许最快速度且在驱动换能器之前执行改变，也即不存在由任何闭环控制所导致的时间延迟。

图3示出的实施例与图1和2示出的实施例不同在于，还提供了补偿单元34。与图1示出的实施例相比，所有其他器件都是相同的。进一步地，由修改单元得到的信号27、28示出为已被改变了相位和振幅的一个信号，为示意的目的，两个信号的相位都被偏置180度，但两个信号27、28的振幅和频率是相同的。可以理解，信号是数字的，即具有数字串的形式，但图中为示意的目的示出的信号为由该数字串表示的模拟信号。

补偿单元的目的在于避免或至少减少各个器件中高强度信号所产生的非线性效应，比如在数-模转换器DAC、放大器、换能器2以及晶体中的非线性效应，同时还需考虑产生非线性效应的其他原因，比如声光元件的晶体中温度的变化或数-模转换器和放大器的温度的变化。温度主要影响需要的射频，但也还影响需要的信号强度。

图4中示出的图演示了非线性效应。理想状况下，换能器中生成的声波信号是在数-模转换器32中生成并被放大器33放大的模拟信号的线性函数。然而，特别地如果数个信号叠加，或者如果单个信号叠加时并不受控而不能使最大振幅较低，则换能器生成强度比期望值的或理论预期值低的信号。图4中以虚线示出期望的线性曲线，然而实际生成的声波信号仅在低强度的较短范围上与期望的线性曲线吻合。补偿单元34能够补偿这种非线性效应，增大数-模转换器的输出信号，如图5中虚线示出的数-模转换器随时间的输出。图5中的实线示出未进行补偿时的输出。从图5中能明显看出，特别在振幅较高时进行补偿，因此声波信号强度在图4中虚线示出的理想线性曲线的下方。在数字补偿单元的优选实施例中，使用基于非线性效应知识的校正表（见图4）以用于进行校正，当然也可使用基于校正方法的校正。在数-模转换器将信号转换为初期模拟驱动信号之前，补偿单元数字地补偿信号，这样能够避免超尺寸的换能器和超尺寸的放大器。避免使用超尺寸器件允许了使用更小、因而成本更低的声光元件以及使用较小的放大器和数-模转换器，因而进一步地降低了成本，除了显著地节省了电子器件，还降低了这些器件的能耗。除了这些优点，较小的放大器的另一优点在于更加安全，因其避免了在设置***用于特定应用而调节放大器时由偶然的高放大对声光元件的晶体造成的损害。同样地，电子器件的结构尺寸较小，由于使用较小的放大器特别地提供了机械设计的优势。同样地，通过减少器件简化了设计而获得了较好的散热效果。

图6中示出本发明的可选实施例。数字数据处理单元包括所有的功能性元件，即数字频率计算单元26、修改单元29、数字叠加单元30以及补偿单元34（如果提供的话）。与图1-3中示出的实施例相比，根据图6声光元件中使用的晶体3包括三个换能器2a,2b,和2c，且传输至每一换能器2a,2b,和2c的信号被各单独数-模转换器DAC32a、32b和32c和各单独放大器33a、33b和33c转换。传输至提供在同一晶体3上的单独换能器2a、2b和2c的信号可以为叠加的信号或单一信号。

图7中示出本发明的另一实施例。与图6示出的实施例相比，并非在一个晶体提供三个换能器，而是提供三个不同的声光元件1a、1b和1c，每一晶体被各独立的DAC32a、32b和32c和放大器33a、33b和33c驱动。

图8示出整个显微镜的示意图，这里特别地为共聚焦显微镜。线谱光源18生成入射光，被声光可调滤波器AOTF形式的声光元件过滤。随后通过扫描器36和物镜20将期望波长或期望波长带宽的有用光束传输至目标21。对于荧光扫描显微镜，目标21发射出荧光，该荧光混合后通过物镜返回至声光分束器，声光分束器使有用光束偏转以生成图像并将该有用光束传输至探测器37。探测器37连接至计算机38，计算机一方面通过线39将控制信号传输返回至扫描器36，另一方面将指示期望的波长和强度的信号传输至数字数据处理单元35。数字数据处理单元35的工作方式如参考图1-3示出的实施例所详细描述的。由于声光分束器包括两个声光可调滤波器AOTF，因而在该实施例中提供两个数-模转换器及其放大器的组合40b、40c，例如也可如图7示出的实施例中所描述的。提供数-模转换器及其放大器的另一组合40a以向过滤入射光的AOTF提供模拟电子驱动信号。在该实施例中提供多个传感器，通过各自的数据线41、42、43向数字数据处理单元35提供信号以执行另外用于温度变化的补偿。数据线41传输来自光源18的温度信号，数据线42传输来自过滤入射光的AOTF的温度信号，数据线43传输来自数-模转换器及其放大器的组合40a的温度信号，这些温度信号被传输至数字数据处理单元35。

对图8中示出的显微镜进行变型是可行的，例如，如果用于宽视场显微镜或宽视场荧光显微镜，则去掉扫描器。在共聚焦扫描显微镜中，AOBS可被二向色或中性滤波器替换，可同时使用多个AOTFs/AOMs以用于不同的激光/激光线。

可以理解，所描述的实施例仅用于示意的目的。在不背离本发明范围的情况下，可进行多种改变和变型。

Claims (28)

1.一种声光***，包括：

至少一个声光元件（1），所述声光元件（1）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（1）改变传输通过该声光元件（1）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***，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***，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***，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***，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***，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（1）的晶体（3），其中所述第一换能器（2）被配置为向声光元件（1）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）被配置为向声光元件（1）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***，包括至少第一和第二声光元件（1），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（1）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（1）的晶体（3），第二声光元件（1）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（1）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***，其中所述第一声光元件（1）不同于所述第二声光元件（1）。

9.根据权利要求1-8之一的声光***，其中至少一个声光元件（1）选自下述器件组成的组：声光可调滤波器AOTF（19）、声光调制器AOM、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***，其中所述第一声光元件（1）是声光可调滤波器AOTF（19），所述第二声光元件（1）是声光分束器AOBS。

11.根据权利要求1-10之一的声光***，其中被所述声光元件（1）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***，其中被声光元件（1）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***，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***，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***，其中被所述声光元件（1）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***，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。

17.一种显微镜，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以驱动所述声光元件（1）改变传输通过所述声光元件（1）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，该数字数据处理单元（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，所述两个初期数字信号（27、28）的每一个形成用于由换能器（2）生成特定声波频率的基础；

数字修改单元（29），被配置成将所述两个初期数字信号（27、28）中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；以及

叠加单元（24、30），将所述至少一个改变的数字信号及一个初期数字信号或另一改变的数字信号合成为单个的数字合成信号；

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的；以及

至少一个放大器（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；

入耦合元件，用于将被声光***被改变的光耦合入光轴；以及

物镜（20）；

其中所述入耦合元件被提供在所述物镜（20）的上游，并被配置为接收从所述至少一个声光元件（1）输出的被改变的光，以及物镜（20）被提供在所述入耦合元件的下游。

18.根据权利要求17的显微镜，包括第一声光元件（1）和第二声光元件（1），其中所述第一声光元件为声光可调滤波器AOTF（19），所述第二声光元件为声光分束器AOBS，其被提供在入射光的方向上AOTF（19）的下游、且在成像目标发射或反射的光的方向上在所述AOTF（19）的上游，其中所述AOBS将目标（21）发射或反射的光分为被传输至探测器（22）以生成所述成像目标（21）的图像的第一有用光束（5），以及被丢弃的第二多余光束（6）。

19.根据权利要求18的显微镜，其中所述探测器（22）连接至生成所述成像目标（21）的图像的计算机（38）。

20.根据权利要求19的显微镜，其中所述计算机（38）生成传输至所述扫描器（36）的反馈信号。

21.根据权利要求19或20的显微镜，其中所述计算机（38）连接至所述数字数据处理单元（35），并被配置为将控制信号传输至所述数字数据处理单元（35）。

22.一种运行声光***的方法，所述声光***包括具有至少一个连接至晶体（3）的换能器（2）的至少一个声光元件（1），用于生成至少一个模拟电子驱动信号以驱动声光元件（1）改变传输通过所述声光元件（1）的光的驱动单元，且包括至少一个用于生成数字合成信号的数字数据处理单元（35）、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（32）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（25,33），所述方法包括：

计算至少两个初期数字信号，其由以数字格式表示两个相应模拟信号的一串位元和字节组成；

将至少两个初期数字信号叠加为一个数字合成信号；

将数字合成信号转换为初期模拟驱动信号；

将初期模拟驱动信号放大成为所述模拟电子驱动信号；以及

将模拟电子驱动信号传送至所述换能器（2）以运行所述换能器（2）生成声波。

23.根据权利要求22的方法，进一步地包括在将两个初期数字信号合并成一个数字合成信号之前改变所述两个初期数字信号的至少一个信号。

24.根据权利要求23的方法，进一步包括计算所述两个信号之间的相位差从而将数字合成信号中的最大振幅降低至最小，以及相应地在将至少两个初期数字信号叠加为所述合成信号之前改变这些信号之间的相对相位。

25.根据权利要求23或24的方法，进一步包括在将所述数字合成信号转换成模拟信号之前，改变所述数字合成信号以补偿所述电子或声光设置中的非线性效应。

26.根据权利要求23-25之一的方法，进一步包括测量由所述数-模转换器（32）、所述放大器（25）、所述换能器（2）和所述晶体（3）组成的组中至少一个器件的温度，并在将所述数字合成信号转换为模拟信号之前，改变所述数字合成信号以补偿温度的影响。

27.根据权利要求23-26之一的方法，进一步包括对所述模拟驱动信号进行啁啾以对一定带宽的光产生影响。

28.一种声光***，包括：

具有至少一个换能器（2）的至少一个声光元件（1），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）；

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（1）改变传输通过所述声光元件（1）的光，所述驱动单元包括：

数字数据处理单元（29），用于生成可转换为模拟电子驱动信号的数字合成信号，其中模拟所述电子驱动信号能够生成所述换能器（2）中两个不同频率的至少两个不同的声波；

至少一个数-模转换器（32），将所述数字合成信号转换为初期模拟驱动信号的；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。

Images