CN116490811B - 显微镜 - Google Patents

Abstract

一种显微镜包括：用于安装样品的样品台；用于当样品被安装在样品台上时照亮样品的光源；检测器；第一物镜，其被设置在所述样品台的一侧上；第二物镜，其被设置在该样品台的相反侧上；第一组光学元件，其限定从第一物镜到检测器的第一光路；以及第二组光学元件，其限定从第二物镜到检测器的第二光路。第一物镜和第二物镜具有公共光轴并且被配置成使被安装在样品台上的样品在公共焦平面中成像。此外，第一物镜是高倍物镜，第二物镜是低倍物镜。提供这种显微镜配置能够以高放大倍率和低放大倍率同时查看样品，和/或允许在高倍图像与低倍图像之间进行快速切换，例如以便提供以两种放大倍率进行的近乎同时的查看。

Description

显微镜

技术领域

本发明涉及光学显微镜。特别地，但不限于，本发明涉及共焦光学显微镜。

背景技术

许多常规光学显微镜包括具有不同放大倍数的多个物镜。这些物镜被安装在转台中，这允许将它们交替地设置在显微镜的光路中，从而允许以不同的放大倍率查看样品。这允许用户以相对低的放大倍率识别关注区，然后以更高的放大倍率查看该关注区。

然而，上述的这类常规光学显微镜不能以两种放大倍率同时查看样品，因为一次只能在该光路上放置一个物镜。它们也不允许在高倍(放大倍率)图像与低倍图像之间进行快速切换，例如以便提供以两种放大倍率进行的近乎同时的查看。这些代表了已知光学显微镜的技术问题。

共焦显微镜也出现了类似的问题，其中通过使用高倍物镜扫描样品来生成图像，但是也可以设置低倍物镜用于定向和定位样品中的关注区。同样，两个物镜不能同时使用，并且因此不能同时或近乎同时捕获高倍图像和低倍图像。这也代表了已知共焦显微镜的技术问题。

在一些共焦显微镜中，来自光源的光被聚焦到样品上的单个斑点上，然后(例如，通过反射或荧光)从该斑点发出的光被物镜收集并被聚焦到检测器上。通过扫描样品并检测来自样品的光强度的变化，可以构建该样品的图像。然而，由于需要扫描该样本，因此实时成像是不可能的。

在替代的共焦系统(例如如在US6144489中所述的共焦系统)中，设置掩模用于对入射在样品上的光进行编码并对从该样品的多个区发出的光进行解码。这将同时生成样品的共焦图像和非共焦图像。通过从共焦图像中除去非共焦图像，可以去除失焦模糊，从而提供改进的共焦图像。然而，该共焦系统再次受到上述技术问题的困扰，具体地说，因为它不能同时捕获高倍图像和低倍图像。

US6687052中描述了一种类似的共焦显微镜系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种显微镜，其克服或减轻了上述问题中的一个或多个，或者提供其有用的替代方案。

根据本发明，提供了一种显微镜，包括：

用于安装样品的样品台；

光源，其用于在样品被安装在样品台上时照亮样品；

检测器；

第一物镜，其被设置在所述样品台的一侧上；

第二物镜，其被设置在所述样品台的相反侧上；

第一组光学元件，其限定从第一物镜到检测器的第一光路；

第二组光学元件，其限定从第二物镜到检测器的第二光路；

其中，所述第一物镜和所述第二物镜具有公共光轴并被配置成使被安装在样品台上的样品在公共焦平面中成像，

其中，所述第一物镜是高倍物镜，所述第二物镜是低倍物镜(即，第一物镜具有比第二物镜高的放大倍率)。

提供这种显微镜配置使得能够以高放大倍率和低放大倍率同时查看样品，和/或允许在高倍图像与低倍图像之间进行快速切换，例如以便提供以两种放大倍率进行的近乎同时的查看。

显微镜还可以包括被安装在第一光路和第二光路中的分束器。分束器可以包括半透明的反射镜或包括空间光调制器，该空间光调制器包括多个透射部分和多个非透射部分。

例如，分束器可以呈包括多个透射部分和多个非透射部分的可旋转掩模的形式。这种分束器使得第一光路和第二光路能够在它们通过检测器时被分成若干部分。这在需要选择和处理光束的一部分以生成期望图像的许多应用中是有用的。

例如，空间光调制器的非透射部分可以是反射的，并且空间光调制器可被配置成将第一光路分成第一透射光路和第一反射光路，并且将第二光路分成第二透射光路与第二反射光路，其中第一透射光路与第二反射光路一致，并且第一反射光路与第二透射光路一致。然后可以使用透射光路和反射光路来构建图像。

例如，检测器可以包括第一检测器部分和第二检测器部分，其中第一检测器部分被配置成接收透射光并生成透射图像数据，并且第二检测器部分被配置成接收反射光并生成反射图像数据，或者第二检测器部分被配置成接收透射光并生成透射图像数据，并且第一检测器部分被配置成接收反射光并生成反射图像数据。

在一种配置中，第一检测器部分被配置成接收来自第一透射光路或一致的第二反射光路的光，并且第二检测器部分被配置成接收来自第二透射光路或者一致的第一反射光路的光。显微镜还可以包括图像处理器，该图像处理器被连接以从检测器接收图像数据并且被配置成从透射图像数据中减去反射图像数据，以产生用于第一物镜和第二物镜中的一者或两者的共焦图像数据。这种配置可以实现无激光共焦显微镜，其包括同时或近乎同时的高倍和低倍成像。

在这种布置中，光源可以包括例如LED灯。

此外，光源可被配置成将光通过分束器引向样品台，用于通过第一物镜和/或第二物镜照亮被安装在样品台上的样品。该布置可以提供具有与US6144489中描述的功能类似的功能的共焦系统。

分束器可以用作掩模，用于对入射到样品上的光进行编码并对从该样品的多个区发出的光进行解码。这将同时生成样品的共焦图像和非共焦图像。通过从共焦图像中减去非共焦图像，可以去除失焦模糊，从而提供改进的共焦图像。然而，与US6144489形成对照，当前描述的共焦系统可以同时和/或近乎同时捕获高倍图像和低倍图像。

显微镜还可以包括用于在第一物镜与第二物镜之间进行切换的快门机构。因此，用户可以查看低倍图像或高倍图像，而不需要对显微镜的光学配置进行任何其他改变。这使得对于用户而言在用于定向的低倍图像与样本内的特定关注区的高倍图像之间进行切换是非常简单的。此外，通过快速切换该快门机构，可以基本上近乎同时捕获一对高倍图像和低倍图像。

第一物镜可以相对于样品台沿着光学z轴移动，并且显微镜可以进一步包括z堆栈控制器，该z堆栈控制器被配置成沿着光学z轴驱动第一物镜，并且当沿着该光学z轴驱动该第一物镜时捕获一系列图像。这种z堆栈控制器是已知的。这里的不同之处在于，z堆栈控制器被配置成在第一物镜运动的同时捕获一系列图像，而不需要在捕获图像时停止第一物镜。这能够显著缩短用于捕获图像的z堆栈的时段。例如，在一种配置中，样品台本身的部件仅在x–y平面中相对于光学z轴移动，以使样品在x–y平面中移动。沿z轴驱动摄像头，从而在z方向上连续驱动摄像头的同时获取z堆栈。

样品台本身可以包括透明基座和滑推机构，样品可以被安装在该透明基座上，滑推机构用于使样品在透明基座的顶表面上四处滑动。该配置可实现样本的所需x–y运动，同时保持样本的所需z定位。它还允许通过样本台的任一侧上的两个物镜查看该样本。

显微镜还可以包括用于存储图像数据的集成数据存储单元。如本文所述，可以通过显微镜非常快速地生成大量图像数据。这样，已经发现提供用于存储图像数据的集成数据存储单元是有利的。然后，可以在显微镜内处理该数据和/或将该数据传输到外部装置(例如，诸如膝上型计算机、台式计算机、平板电脑或智能电话之类的计算装置)以进行图像处理和/或查看。

附图说明

现在将参考附图作为示例描述本发明的实施例，其中：

图1是现有技术共焦显微镜设备的示意图，以及

图2是根据本发明的共焦显微镜设备的第一实施例的示意图。

具体实施方式

图1是如US6687052中所描述的现有技术共焦显微镜设备的示意图。该设备包括具有相关联的准直透镜2的光源1，该准直透镜2将光引向分束器3，分束器3例如为半银镜、与四分之一波片相结合的偏振分束器或二向色分束器。光被从分束器3通过掩模6和显微镜物镜4反射到被安装在样品台5上的样品O上。

掩模6包括对从光源1到样品O的光进行调制的空间调制器。典型地，该掩模对通过它的光的强度进行调制，然而，作为选择，它可以对光的相位或偏振化进行调制。

在一种实施例中，掩模6包括透射区和不透明或反射区的图案，其对穿过该掩模的光的强度进行调制。该掩模被配置成使这些透射区和反射区能够四处移动以调整落在该样品O上的照明图案。这可以例如通过在旋转盘上设置由透射区和反射区构成的图案来实现。作为选择，可以使用包括可调节微镜阵列的空间光调制器。

(例如通过反射或荧光)从样品O发出的光被物镜4捕获并被聚焦回到掩模6上。穿过掩模6的透射部分的光然后穿过分束器3，并由透镜8聚焦到第一检测器7(例如CCD检测器)上。第一检测器7捕获样本O的第一图像。

掩模6被设置成与物镜4的光轴X成小角度(例如几度)。结果，从掩模的反射部分反射的光被透镜9聚焦到第二检测器11上，该第二检测器11捕获该样本的第二图像。

由第一检测器7和第二检测器11捕获到的图像被发送到图像处理装置10，该图像处理装置10被配置成基于由第一检测器7和第二探测器11捕获到的图像生成合成图像。

在使用中，从样品O发出的光被显微镜物镜4聚焦回到掩模6上，该掩模6仅透射落在掩模的透射区上的光。透射图像由第一检测器7捕获。由第一检测器7捕获到的图像(本文中称为正图像)包括与共焦图像Iconf叠置的常规图像Iconv的组合，其中共焦图像Iconf由从显微镜物镜4的焦平面发出的光产生。

同时，从样品O的其他部分(即从样品的其他平面)发出的光被掩模6的后表面上的空间图案的反射部分反射，并被聚焦到第二检测器11上。因此，第二检测器11捕获第二图像(本文中称为负图像)，该第二图像包括减去共焦图像Iconf的常规图像Iconv。

由第一检测器7捕获到的正图像和由第二检测器11捕获到的负图像被传送到图像分析器10，该图像分析器10从正图像中减去负图像，即：

(Iconv+Iconf)-(Iconv-Iconf)。

所得图像是如US6687052中所描述的共焦图像，已经从该共焦图像中去除了失焦的传统图像。

图2示出了根据本发明的一种实施例的共焦显微镜。如下面将更为详细描述的那样，该光学布置大致类似于图1中所示的现有技术共焦显微镜的光学布置。然而，在本发明中，设置了两个显微镜物镜20、22，它们被安装在样品保持器24的相反两侧上，从而允许同时(或近乎同时)捕获样品的两个图像，前提是该样品是至少部分透明的。

在一个实施例中，显微镜物镜20、22具有不同的放大倍数，第一显微镜物镜20包括高倍物镜，第二显微镜物镜22包括提供宽视野的低倍物镜。

在图2所示的实施例中，从高倍物镜22到检测器26的高倍光路25a由一组光学元件限定，在本实施例中，这组光学元件包括快门28a、反射镜30、透镜32和包括掩模34的分束器33。在该实施例中，掩模34包括具有由透射区和反射区构成的图案的旋转盘。然而，也可以使用其他类型的掩模，例如空间光调制器。

同样，从低倍物镜22到检测器26的低倍光路25b由一组光学元件限定，在本实施例中，这组光学元件包括快门28b、反射镜30、透镜32和掩模34。

应当注意，高倍光路25a和低倍光路26b都穿过相应的物镜20、22与检测器26之间的掩模34。

还应注意，图2中所示的反射镜30和透镜32的布置纯粹是说明性的，而并不意在是限制性的。在实践中，这些部件的布局可以在不改变显微镜的功能操作的情况下被显著改变。

共焦显微镜还包括光源36，该光源36例如经由分束器38沿着高倍光路25a或低倍光路25b引入光束。在该实施例中，来自光源36的光在检测器26与掩模34之间的一位置处被沿着高倍光路引入。光源26例如可以是低相干光源(例如发光二极管(LED)、白炽灯或弧光灯)，或者是相干光源(例如激光器)。

在使用中，来自光源36的光穿过掩模34，并由高倍物镜22聚焦到样品O内的焦平面上。如先前关于图1中所示的现有技术显微镜所描述的那样，光由掩模34进行编码，从而产生被成像到样品保持器24中的样品上的空间图案。

(例如，通过反射或荧光)从样品O发射回的编码光由高倍物镜20聚焦到掩模34上，掩模34仅透射落在该掩模的透射区上的光。透射图像被捕获在检测器26的第一部分26a上。这是正图像，该正图像包括与共焦图像Iconf叠置的常规图像Iconv，其中该共焦图像Iconf由从高倍物镜20的焦平面发出的光产生。

同时，从样品O的其他部分发出(即不在显微镜物镜20的焦平面内)的光被掩模34的空间图案的反射部分反射，并被聚焦到检测器26的第二部分26b上。检测器26因此捕获负图像，该负图像包括减去共焦图像Iconf的常规图像Iconv。

由检测器26捕获到的正图像和负图像被传送到图像分析器40，该图像分析器40从正图像中减去负图像，从而产生高倍共焦图像，从该高倍共焦图像中已经去除了失焦的传统图像。

作为选择，通过检测穿过低倍物镜22并沿着低倍光路25b的光，可以捕获低倍共焦图像。为了捕获低倍图像，关闭高倍光路25a中的第一快门28a，并打开低倍光路25b中的第二快门28b。

利用从掩模34的第二侧34b反射的光照射样品O。如前所述，由掩模34承载的空间图案包括多个透射部分和多个反射部分。因此，由反射部分以与由透射部分对透射通过该掩模34的光进行编码的方式类似的方式对从第二侧34b反射的光进行编码。从该掩模反射的编码光被低倍物镜22聚焦到样品O上，从而在该样品O内的焦平面中形成具有空间图案的图像。优选地，低倍物镜22的焦平面与高倍物镜20的焦平面是共面的，使得两个物镜20、22对样本O内的同一平面成像。

从样品发出的光由低倍物镜22聚焦到掩模34上，该掩模34仅透射落在该掩模的透射区上的光。落在该掩模的反射部分上的光由该掩模的空间图案进行解码。该光在检测器26的第一部分26a上形成低倍正图像。

透射过掩模34的透射部分的光被聚焦在检测器的第二部分26b上，从而形成负低倍图像。正低倍图像和负低倍图像被传送到图像分析器40，该图像分析器40从正图像中减去负图像，从而形成低倍共焦图像，从该低倍共焦图像中已经去除了失焦的常规图像。

将会明显的是，通过相继打开第一快门28a和第二快门28b，用户可以查看低倍共焦图像或高倍共焦图像，而不需要对显微镜的光学配置进行任何其他的改变。这使得对于用户来说在用于定向的低倍共焦图像与样品内特定关注区的高倍共焦图像之间进行切换是非常简单的。此外，通过在打开配置与关闭配置之间快速且交替地切换第一快门28a和第二快门28b，可以基本上近乎同时捕获一对高倍图像和低倍图像。

尽管上述实施例涉及共焦显微镜，但本发明也适用于非共焦显微镜，其中它允许同时或近乎同时捕获样品的两个不同图像，例如高倍图像和低倍图像。这可以通过利用分束器(例如半镀银反射镜)代替形成掩模34的空间调制器来实现。

在这种布置中，来自光源36的光落在包括掩模34的分束器上。该光的一部分将被透射通过掩模34，并且一部分将被反射。透射光将沿着高倍光路到达高倍物镜20，该高倍物镜20将会将光聚焦到样品O上。从样品O发出的光随后将被高倍物镜透镜20捕获并将穿过掩膜34以被聚焦到检测器26的第一部分26a上，从而形成样品O的高倍图像。注意，从掩模34反射的任何光都不会被捕获到，并且第一图像是常规图像而不是共焦图像。

同样，可以使用低倍物镜22捕获低倍图像。为了捕获低倍图像，关闭第一快门28a以阻挡住沿着高倍光路25a行进的光，并且打开第二快门28b，从而允许光沿着低倍光路25b行进。从掩模34反射的光将沿着低倍光路25b到达低倍物镜22，该低倍物镜22将光聚焦到样品O上。从样品O发出的光随后将被低倍物镜22捕获，并将穿过掩模34以被聚焦到检测器26的第二部分26b上，从而形成样品O的低倍图像。同样，该图像是常规图像而不是共焦图像。

本文描述的示例将被理解为本发明的实施例的说明性示例。设想了其他实施例和示例。关于任一示例或实施例描述的任何特征可被单独使用或与其他特征结合使用。此外，关于任一示例或实施例描述的任何特征也可被与任何其他示例或实施例的一个或多个特征或任何其他示例和实施例的任何组合结合使用。此外，在权利要求书中所限定的本发明的范围内也可以采用本文中未描述的等效方案和修改方案。

Claims (11)

1.一种显微镜，包括：

样品台，所述样品台用于安装样品；

光源，所述光源用于在所述样品被安装在所述样品台上时照亮所述样品；

检测器；

第一物镜，所述第一物镜被设置在所述样品台的一侧上；

第二物镜，所述第二物镜被设置在所述样品台的相反侧上；

第一组光学元件，所述第一组光学元件限定从所述第一物镜到所述检测器的第一光路；和

第二组光学元件，所述第二组光学元件限定从所述第二物镜到所述检测器的第二光路；

其中，所述第一物镜和所述第二物镜具有公共光轴并且被配置成使被安装在所述样品台上的样品在公共焦平面中成像，

其中，所述第一物镜是高倍物镜，并且所述第二物镜是低倍物镜，

其中，所述显微镜还包括被安装在所述第一光路和所述第二光路中的分束器，所述分束器包括空间光调制器，所述空间光调制器包括多个透射部分和多个非透射部分，

其中，所述空间光调制器的所述非透射部分是反射的，

其中，所述空间光调制器被配置成用于将所述第一光路分成第一透射光路和第一反射光路，并且将所述第二光路分成第二透射光路和第二反射光路，以及

其中，所述第一透射光路与所述第二反射光路一致，并且所述第一反射光路与所述第二透射光路一致。

2.根据权利要求1所述的显微镜，

其中，所述空间光调制器包括能够旋转的掩膜，所述能够旋转的掩模包括多个透射部分和多个非透射部分。

3.根据权利要求1所述的显微镜，

其中，所述检测器包括第一检测器部分和第二检测器部分，所述第一检测器部分被配置成接收透射光并生成透射图像数据，并且所述第二检测器部分被配置成接收反射光并生成反射图像数据，或者所述第二检测器部分被配置成接收透射光并生成透射图像数据，并且所述第一检测器部分被配置成接收反射光并生成反射图像数据。

4.根据权利要求3所述的显微镜，

其中，所述第一检测器部分被配置成接收来自所述第一透射光路或一致的所述第二反射光路的光，并且所述第二检测器部分被配置成接收来自所述第二透射光路或者一致的所述第一反射光路的光。

5.根据权利要求3或4所述的显微镜，

其中，所述显微镜还包括图像处理器，所述图像处理器被连接以从所述检测器接收图像数据并且被配置成从所述透射图像数据中减去所述反射图像数据以产生用于所述第一物镜和所述第二物镜中的一者或两者的共焦图像数据。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的显微镜，

其中，所述显微镜还包括用于在所述第一物镜与所述第二物镜之间进行切换的快门机构。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的显微镜，

其中，所述光源被配置成将光穿过所述分束器引向所述样品台，用于穿过所述第一物镜和/或所述第二物镜照亮被安装在所述样品台中的样品。

8.根据权利要求7所述的显微镜，

其中，在使用中，来自所述光源的穿过所述分束器的光被沿着所述第一光路经由所述第一物镜引导到所述样品，和/或来自所述光源的由所述分束器反射的光被沿着所述第二光路经由所述第二物镜引导到所述样品。

9.根据权利要求1-4中的任一项所述的显微镜，

其中，所述第一物镜能够相对于所述样品台沿光学z轴移动，并且所述显微镜包括z堆栈控制器，所述z堆栈控制器被配置成沿着所述光学z轴驱动所述第一物镜，并且当沿着所述光学z轴驱动所述第一物镜时捕获一系列图像，所述z堆栈控制器被配置成在所述第一物镜运动的同时捕获所述一系列图像，而不需要在捕获所述图像时停止所述第一物镜。

10.根据权利要求1-4中的任一项所述的显微镜，

其中，所述显微镜还包括用于存储图像数据的集成数据存储单元。

11.根据权利要求1-4中的任一项所述的显微镜，

其中，所述样品台包括透明基座和滑推机构，在所述透明基座上能够安装所述样品，所述滑推机构用于使所述样品在所述透明基座的顶表面上四处滑动。