阅读说明：本技术 功能模块和配备有该功能模块的显微镜 (Functional module and microscope equipped with the same ) 是由 亚历山大·盖杜克 徐清洙 赵京一 孙晋嵘 赫尔穆特·利珀特 于 2018-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于显微镜的功能模块(02)。该功能模块(02)包括用于可移除地将功能模块(02)安装到显微镜的模块支架的机械接口(11)。功能模块(02)还包括用于建立从显微镜的物镜(03)到功能模块(02)的光学路径(09)的光学接口(12)。此外,功能模块(02)包括至少一个图像传感器(21)。功能模块(02)包括第一微机电光学系统和第二微机电光学系统(17、18)。第一微机电光学系统(17)被配置用于增强被导向图像传感器(21)的第一光学子路径(14)上的景深。第二微机电光学系统(18)被配置用于增强被导向图像传感器(21)的第二光学子路径(16)上的景深。本发明还涉及一种显微镜。(The invention relates to a functional module (02) for a microscope. The functional module (02) comprises a mechanical interface (11) for removably mounting the functional module (02) to a module holder of a microscope. The functional module (02) further comprises an optical interface (12) for establishing an optical path (09) from the objective (03) of the microscope to the functional module (02). Furthermore, the functional module (02) comprises at least one image sensor (21). The functional module (02) comprises a first and a second microelectromechanical optical system (17, 18). The first microelectromechanical optical system (17) is configured to enhance a depth of field on a first optical sub-path (14) directed to the image sensor (21). The second microelectromechanical-optical system (18) is configured to enhance a depth of field on a second optical sub-path (16) directed to the image sensor (21). The invention also relates to a microscope.)

功能模块和配备有该功能模块的显微镜

技术领域

本发明涉及一种用于显微镜的功能模块。该功能模块可以被安装到显微镜的模块支架。此外，本发明涉及一种包括功能模块的显微镜。

背景技术

DE19733193A1教导了一种具有自适应光学器件的显微镜。发射波前调制器位于物镜和管型透镜之间。显微镜可用于共焦显微镜、激光支持显微镜、传统显微镜或分析显微镜。

US7345816B2示出了一种光学显微镜，其包括利用照明光照射样本的光源。具有可变反射表面的镜面对照明光进行反射。校正表存储有与焦点位置和像差的变化相对应的反射表面的多个形状的多个数据。

US7269344B2教导了一种具有成像光学系统的光学装置，该成像光学系统被提供有可变形镜面和电子变焦功能。可变形镜面的光线偏转功能根据与待使用的图像相对应的物体区域的变化而变化。该解决方案目的是，即使在可变放大率增加时，也能获得高清晰度的拍摄图像。

WO2005/119331A1教导了一种可变焦距透镜，其包括具有两个旋转自由度和一个平移自由度的多个微镜。微镜的两个旋转自由度和一个平移自由度被控制以改变透镜的焦距，并且以满足光的相同的相位条件。透镜是衍射菲涅尔透镜。

WO2007/134264A2示出了一种具有可变焦距微镜阵列透镜的三维成像系统。微镜阵列透镜包括多个微镜，其中微镜中的每一个被控制以改变微镜阵列透镜的焦距。成像系统进一步包括成像单元和图像处理单元，该图像处理单元使用由成像单元捕获的图像和微镜阵列透镜的焦距信息来生成三维图像数据。

Webb、S.E.D.等人发表在2006年7月15日出版的《Optics Letters(光学快报)》第31卷第14期的论文“Multidimensional single-molecule imaging in live cells usingtotal-internal-reflection fluorescence microscopy(使用全内反射荧光显微镜在活细胞中进行多维单分子成像)”示出了一种宽视场全内反射荧光显微镜，其可对活细胞中的在波长和偏振两方面均可分辨的单个分子进行成像。描述了在活细胞的质膜中与信号受体结合的单对荧光分子之间的荧光共振能量传递。

US2011/0096393A1教导了三个或更多个设备可以连接到显微镜并且可以同时使用。包括显微镜连接端口的显微镜连接单元连接到用于观察样品的显微镜。

在US2007/0279733A1中，示出了一种用于对标本成像的光学设备。该光学设备包括主物镜和用于调整景深的设备。该设备表示具有微镜的微镜阵列，该微镜可对其空间定向进行单独地控制和调节。

肖恩、威廉·J等人发表在2017年3月1日出版的《Optics Letters(光学快报)》第42卷第5期的论文“Extended depth-of-field microscopy with a high-speeddeformable mirror(带有高速可变形镜的扩展景深显微镜)”教导了一种宽视场荧光显微镜插件，其使用可变形镜面以20kHz的更新速率提供了快速的、光有效的扩展景深(EDOF)。

US2006/0018651A1呈现了一种自动聚焦系统，其包括至少一个微镜阵列透镜、图像传感器以及信号处理器。微镜阵列透镜对物体成像，并将图像聚焦在图像传感器上。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于显微镜的功能模块和相对应的显微镜，该功能模块和显微镜允许对具有增强的景深的图像进行有效的记录。

前述目的由根据所附权利要求1的功能模块和根据所附权利要求15的显微镜来实现。

根据本发明的功能模块适用于安装到显微镜或显微镜的基座主体。特别地，根据本发明的功能模块适用于包括物镜的显微镜或显微镜的基座主体。因此，功能模块包括用于将功能模块可移除地安装到显微镜的模块支架；特别是用于将功能模块附接到显微镜的机械连接的机械接口。模块支架形成在显微镜处，特别是在包括物镜的显微镜的基座主体处。此外，功能模块包括用于建立从显微镜的物镜到功能模块的光学路径的光学接口。光学接口优选地被集成到机械接口中。

根据本发明的功能模块进一步包括用于将经由光学接口传送到图像传感器的图像转换为电信号的至少一个图像传感器。然后，图像传感器将由物镜拍摄的图像转换为电信号。图像传感器优选为半导体，例如CMOS。图像传感器优选为偏振敏感图像传感器。

根据本发明的功能模块进一步包括第一微机电光学系统和第二微机电光学系统。第一微机电光学系统被配置用于增强第一光学子路径上的景深。第一光学子路径被导向图像传感器。然后，第一微机电光学系统被配置用于使用光学接口、第一光学子路径和图像传感器来增强景深。第二微机电光学系统被配置用于增强第二光学子路径上的景深。第二光学子路径也被导向图像传感器。然后，第二微机电光学系统被配置用于使用光学接口、第二光学子路径和图像传感器来增强景深。第一光学子路径和第二光学子路径来自与光学接口相交的光学路径。第一微机电光学系统和第二微机电光学系统中的每一个将图像导向图像传感器，其中这些图像适用于生成具有增强的景深的图像。优选地，由第一微机电光学系统导向的图像和由第二微机电光学系统导向的图像均表示由显微镜的物镜拍摄的相同的图像。可替代地，由第一微机电光学系统导向的图像和由第二微机电光学系统导向的图像表示由显微镜的物镜拍摄的图像的不同区域。可替代地，由第一微机电光学系统导向的图像和由第二微机电光学系统导向的图像表示在图像传感器处的由显微镜的物镜观察的样品的不同放大率。可替代地，由第一微机电光学系统导向的图像和由第二微机电光学系统导向的图像表示不同的光偏振状态或不同的光谱区域或不同的光相位状态。

根据本发明的功能模块的特殊优点是，由于可以通过至少两个微机电光学系统收集更多的光，因此可以在待显微检查的样品的较低光水平下产生具有增强的景深的图像(EDoF)。考虑到理想的反射并且没有由于散射、渐晕等造成的损失，这可能接近由物镜收集的100％的光。根据本发明的功能模块的另一优点是，由于两个微机电光学系统的聚焦更快，因此可以在更短的时间内产生具有增强的景深(EDoF)的图像。

在根据本发明的功能模块的优选实施例中，功能模块包括至少两个图像传感器。第一光学子路径和第二光学子路径被导向第一图像传感器。然后，第一微机电光学系统和第二微机电光学系统与第一图像传感器有关。优选地，功能模块包括至少三个微机电光学系统。优选地，一个或多个另外的微机电光学系统与第二图像传感器有关。

在根据本发明的功能模块的优选实施例中，微机电光学系统中的每一个包括可移动微镜的阵列。可移动微镜中的每一个示出了两个旋转自由度和一个平移自由度。第一微机电光学系统的可移动微镜的平移自由度优选地沿着第一光学子路径。第二微机电光学系统的可移动微镜的平移自由度优选地沿着第二光学子路径。第一微机电光学系统的可移动微镜的两个旋转自由度优选地垂直于第一光学子路径。第二微机电光学系统的可移动微镜的两个旋转自由度优选地垂直于第二光学子路径。

微机电光学系统优选为镜面阵列透镜系统。这样的镜面阵列透镜系统以商标MALS供应。

优选地，第一微机电光学系统和第二微机电光学系统是等同的。可替代地，第一微机电光学系统和第二微机电光学系统是不同的镜面阵列透镜系统。

优选地，微机电光学系统中的每一个形成菲涅尔透镜。

在根据本发明的功能模块的优选实施例中，微机电光学系统中的每一个被导向分束器、彩色分束器或偏振分束器。分束器、彩色分束器或偏振分束器将两个光学子路径组合并将光导向图像传感器。分束器、彩色分束器或偏振分束器将穿过光学接口的光学路径分开成被导向第一微机电光学系统的第一光学子路径和被导向第二微机电光学系统的第二光学子路径。此外，第一微机电光学系统经由分束器、彩色分束器或偏振分束器优选地光学地被导向图像传感器。同样，第二微机电光学系统经由分束器、彩色分束器或偏振分束器优选地光学地被导向图像传感器。

优选地，分束器、彩色分束器或偏振分束器位于第一微机电光学系统和光学接口之间。优选地，分束器、彩色分束器或偏振分束器位于第二微机电光学系统和图像传感器之间。

优选地，第一光学子路径和第二光学子路径在分束器、彩色分束器或偏振分束器内彼此垂直并且彼此相交。

优选地，第一微机电光学系统、分束器、彩色分束器或偏振分束器和光学接口设置在一条直线上。优选地，第二微机电光学系统、分束器、彩色分束器或偏振分束器和图像传感器设置在一条直线上。

优选地，分束器优选地是偏振分束器。偏振分束器对光学路径的光进行偏振。

在根据本发明的功能模块的优选实施例中，波片位于第一光学子路径和/或第二光学子路径上。一个波片或波片中的每一个优选为λ/4波片。优选地，第一波片位于第一光学子路径上，并且第二波片位于第二光学子路径上。优选地，第一波片位于第一微机电光学系统和分束器之间的第一光学子路径上。优选地，第二波片位于第二微机电光学系统和分束器之间的第二光学子路径上。

在根据本发明的功能模块的优选实施例中，分束器是偏振分束器，并且功能模块进一步包括位于第一微机电光学系统和分束器之间的第一光学子路径上的第一λ/4波片和位于第二微机电光学系统和分束器之间的第二光学子路径上的第二λ/4波片。与仅包括一个微机电光学系统的根据现有技术的实施例相比，该实施例示出了特殊的优点，即由于两个微机电光学系统可以收集到75％以上的光，因此它可以在待显微检查的样品的非常低的光水平下产生具有增强的景深的图像。由物镜收集的几乎100％的光可被导向图像传感器。

在根据本发明的功能模块的优选实施例中，透镜、滤色器、有源声光调制器、有源电光调制器和/或无源或有源干涉元件位于第一光学子路径、第二光学子路径和/或光学路径上。这些其他组件可以提供特定的功能。

透镜、滤色器、有源声光调制器、有源电光调制器和/或无源或有源干涉元件优选地位于第一微机电光学系统和分束器、彩色分束器或偏振分束器之间、位于第二微机电光学系统和分束器、彩色分束器或偏振分束器之间、位于分束器和图像传感器之间和/或位于光学接口处。透镜、滤色器、有源声光调制器、有源电光调制器和/或无源或有源干涉元件优选地位于第一微机电光学系统和分束器、彩色分束器或偏振分束器之间的第一子路径处，和/或第二微机电光学系统和分束器、彩色分束器或偏振分束器之间的第二光学子路径处。第一微机电光学系统和分束器、彩色分束器或偏振分束器之间的透镜和第二微机电光学系统和分束器、彩色分束器或偏振分束器之间的透镜，与分束器、彩色分束器或偏振分束器和图像传感器之间的透镜和在光学接口处的透镜相组合可以得到第一光学子路径和第二光学子路径的多种放大率以及图像传感器的按序检测。

根据本发明的功能模块的优选实施例进一步包括用于同步控制两个微机电光学系统和图像传感器的控制单元。优选地，控制单元进一步被配置用于处理由图像传感器转换的图像。可以根据完整功能模块所需要的确切功能，以不同的方式来同步两个微机电光学系统。

优选地，控制单元进一步被配置用于由第一微机电光学系统形成菲涅尔透镜或光栅，并用于由第二微机电系统形成菲涅尔透镜或光栅。

优选地，控制单元进一步被配置用于以不同的聚焦值拍摄多个图像，从而得到图像堆栈。通过控制两个微机电光学系统，特别地通过移动两个微机电光学系统的可移动微镜，更特别地通过移动两个微机电光学系统的可移动微镜以形成各自具有变化的焦距值的菲涅尔透镜或光栅，获得不同的聚焦值。两个微机电光学系统的焦点位置根据所需要的功能可以相同或不同。焦点位置的变化可以是同步或独立的。

优选地，控制单元进一步被配置用于将图像堆栈处理成具有增强的景深的图像。

优选地，控制单元进一步被配置用于处理图像堆栈或具有增强的景深的图像以实现三维图像。优选地，控制单元进一步被配置用于处理多个图像堆栈或多个具有增强的景深的图像以实现三维图像。

优选地，控制单元进一步被配置成由两个微机电光学系统跟随预定义焦点位置，或由两个微机电光学系统跟随不同的焦点位置，或由两个微机电光学系统查找至少一个特定的焦点位置。两个或更多个焦点位置可以是空间分离的，即在xy平面中分离。该分离优选地通过使用固定的或可调整的光学装置或通过偏振或通过光谱范围或通过其组合来获得。

可替代地，控制单元优选地进一步被配置用于基于导致时间分离的配准时间来分离两个或更多个焦点位置。为此，光学子路径被单独阻止或关闭确定的时间段。为提供这样的快门功能，功能模块优选地包括快门，例如机械快门、电光快门或声光快门。可替代地，该快门功能基于光谱分离或基于光偏振的切换。

优选地，控制单元进一步被配置用于分别提供功能模块的可变灵敏度和被提供有该功能模块的显微镜。优选地，控制单元进一步被配置用于提供生成具有增强的景深的图像的可变效率。

优选地，控制单元进一步被配置用于将第一光学子路径的图像和第二光学子路径的图像分开。该分开优选地基于偏振、光谱范围、光相位或焦点位置来获得。

优选地，控制单元进一步被配置成使得由显微镜的物镜拍摄的图像的不同的区域由第一微机电光学系统和第二微机电系统导向。

优选地，控制单元进一步被配置用于提高荧光检测的效率。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径的不同的放大率。优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径的可变放大率。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径的不同的景深值。优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径的可变景深值。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径上的横向或轴向分辨率的不同的值。优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径上的横向或轴向分辨率的可变值。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径上的双色检测。

优选地，功能模块包括多色分束器单元，该多色分束器单元优选地由三种颜色的分束器、双色分束器组或逐个设置的介电镜面来形成。该多色分束器单元提供具有独立的光谱区域的多个通道。这些通道多于两个通道。功能模块的该实施例优选地包括一个以上的上述图像传感器。通道和光学子路径的数量优选地随图像传感器数量的增加来进一步调整。可替代地，功能模块包括在一个通道中分开不同颜色的声光致动器或干涉仪。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径上的多光谱检测。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径上的偏振敏感检测。

优选地，控制单元进一步被配置用于第一光学子路径和第二光学子路径上的相位敏感检测。

根据本发明的显微镜包括用于收集来自待显微检查的样本的光的物镜。显微镜进一步包括根据本发明的功能模块。功能模块的机械接口被安装在显微镜的模块支架上。因此，建立了从物镜经由光学接口到功能模块的光学路径。该光学路径在功能模块中被分为第一光学子路径和第二光学子路径。

优选地，显微镜包括根据本发明的功能模块的优选实施例。

优选地，显微镜包括用于对待显微检查的样本进行照明的照明器。

附图说明

根据以下参考附图对本发明的优选实施例的描述，本发明的附加的优点、细节和改进将变得显而易见。示出了：

图1：根据本发明的显微镜的第一优选实施例的示意性表示；和

图2：根据本发明的显微镜的第二优选实施例的示意性表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的显微镜的第一优选实施例的示意性表示。该显微镜包括根据本发明的基座主体01和功能模块02的第一优选实施例。显微镜的基座主体01包括用于收集来自待显微检查的样本04的光的物镜03。显微镜的基座主体01进一步包括不同类型的照明器06，该照明器06包括用于将照明器06的光馈送到显微镜的光学路径09中的透镜07和分束器08。

功能模块02包括用于将功能模块02安装到显微镜的基座主体01的模块支架(未示出)上的机械接口10。中间图像平面11和光瞳12形成光学接口，该光学接口可以位于机械接口10中并将基座主体01的光学路径09延伸到功能模块02中。功能模块02可移除地被安装到显微镜的基座主体01的模块支架(未示出)上。因此，功能模块02可以由另一模块(未示出)替换。

功能模块02包括分束器13，该分束器13将光学路径09分开成第一光学子路径14和第二光学子路径16。第一光学子路径14和第二光学子路径16彼此垂直。第一光学子路径14和光学路径09同轴地设置。

功能模块02的第一微机电光学系统17位于第一光学子路径14上。功能模块02的第二微机电光学系统18位于第二光学子路径16上。微机电光学系统17、18中的每一个包括可移动微镜19的阵列。可移动微镜19中的每一个示出了两个旋转自由度和一个平移自由度。

功能模块02进一步包括图像传感器21。由第一微机电光学系统17和第二微机电光学系统18的微镜19反射的光经由分束器13被导向图像传感器21。

图2示出了根据本发明的显微镜的第二优选实施例的示意性表示。该显微镜包括根据本发明的功能模块02的第二优选实施例。基座主体01类似于图1中所示的实施例。功能模块02的第二优选实施例包括图1中所示的功能模块02的第一优选实施例的所有组件。附加地，分束器13使光学路径09的光偏振。附加地，第一微机电光学系统17包括第一光学子路径14上的第一λ/4波片23。附加地，第二微机电光学系统18包括第二光学子路径16上的第二λ/4波片24。

此外，第一微机电光学系统17可以包括第一光学元件26，例如第一光学子路径14上的透镜或滤色器。进一步，第二微机电光学系统18可以包括第二光学元件27，例如第二光学子路径16上的透镜或滤色器。第三光学元件28(如透镜或滤色器)可以位于分束器13和图像传感器21之间。第四光学元件29(例如透镜或滤色器)可以位于光学路径09上。

附图标记列表

01基座主体 16第二光学子路径

02功能模块 17第一微机电光学系统

03物镜 18第二微机电光学系统

04样本 19可移动微镜

05- 20-

06照明器 21图像传感器

07透镜 22-

08分束器 23第一λ/4波片

09光学路径 24第二λ/4波片

10机械接口 25-

11中间图像平面 26第一光学元件

12光瞳 27第二光学元件

13分束器 28第三光学元件

14第一光学子路径 29第四光学元件

15-