光学显微镜和及其控制方法
【专利说明】光学显微镜和及其控制方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年7月5日提交的美国临时申请号61/668，084的优先权权益，其内容通过引用以其整体用于所有目的结合在此。
技术领域
[0003]多个实施方案涉及光学显微镜和控制光学显微镜的方法。
[0004]背景
[0005]激光扫描共焦显微术是用于生物医学应用和工业检查所建立的光学成像方法。它可以提供光切分(sect1ning)、高对比度、深度分辨成像，以及衍射受限空间分辨率。通常，共焦显微镜依赖于点至点扫描以形成图像。对于二维成像，通常采用两个密切耦合的检流计以将照明点在样品内移动。虽然大部分检流计的最大谐振频率是数千赫兹，共焦显微镜的图像采集速度对于512乘以512像素的标准图像尺寸通常小于每秒数帧。
[0006]然而，一些应用需要高得多的成像速度。例如，已经使用光学成像显现内在神经信号。在这种情况下，毫秒时间分辨率(或大约每秒1000帧的帧率)是适宜的。用点扫描共焦显微镜，必须在空间分辨率上妥协，接受受限的扫描视场或在灵敏度上折衷(低信噪比)以获得快速细胞过程的显微证据。
[0007]克服该问题的一种方式是在相同的时间照明多个位置并且平行采集图像。结果是长像素停留时间和短帧采集时间的理想组合，得到快速帧率和良好的灵敏度。长时间以来，这是传统的共焦转盘系统的益处-虽然这伴随有不能够调节共焦孔开口，需要将每个位置照明多次以避免统计不均匀性，并且需要与帧电荷耦合装置(CCD)读出同步。这种同步将理论帧采集速度从例如，每秒300帧显著减少为典型地每秒50帧，这对于特定生理事件，如成穗率分析是不足的。
[0008]线扫描共焦显微术对于高扫描速度和高图像品质提供备选的方案。这可以通过使用线照相机，以及平行照明和采集模式实现。线扫描共焦显微镜沿X方向上的线照明样品，并且用扫描镜在I方向上扫描该线。因为线照相机允许高达每秒70，000线的读出速度，可以以每秒140帧采集512乘以512像素的帧，具有用于高灵敏度的长像素停留时间。
[0009]图1显示传统的线-扫描共焦系统100的示意图。线-扫描共焦系统100包括近红外(NIR)源102用于提供NIR光104，其可以顺次穿过具有50mm的焦点长度的准直管(CO) 106，将NIR光104会聚为一维的柱面透镜(CL) 108，分束器(BS) 110，缝112，具有80mm的焦点长度的球面透镜(LI) 114，获得NIR光104的无机械振动和无惯性扫描的声光偏转器(AOD) 116，具有60mm的焦点长度的球面透镜(L2) 118，具有120mm的焦点长度的球面透镜(L3) 120，二向色镜(DM) 122，以及物镜124，以到达样品150。
[0010]来自样品150的光之后返回顺次穿过物镜124，DM 122，L3120，L2118，AOD 116，L1114，缝112，BS 110 (其之后引导光穿过具有60mm的焦点长度的球面透镜(L4)126)，具有10mm的焦点长度的球面透镜(L5) 128，以及滤光器130至线性电荷耦合装置(CXD)照相机132。线性CXD照相机132是在CXD照相机132的相同区域上拍摄样品150的一维图像的线照相机。
[0011]线扫描共焦显微术依赖于缝孔排除离焦光。然而，缝的背景排除有效性与点扫描焦点显微镜中的针孔相比不足。此外，可得的线照相机具有相对高的读出噪音水平。结果，用线扫描共焦显微镜可得的信噪比和信号背景比对于体内厚生物组织的成像不够好。
[0012]因此对于具有提高的信噪比和提高的信号背景排除比的光学显微方法存在需要。
[0013]概述
[0014]根据一个实施方案，提供一种光学显微镜。该光学显微镜可以包括:扫描装置，所述扫描装置用于将照明图案引导至所要成像的样品上，所述扫描装置可移动，用于移动所述照明图案以一个接着另一个相继地覆盖所述样品的各个部分，其中对于所述样品的每个部分，所述扫描装置被构造为将所述照明图案引导至该部分上以照明该部分并从所述样品的被所述照明图案照明的部分接收返回光；调制器设备，所述调制器设备被构造为以时间的函数形式调制所述样品上对应于所述样品的所述部分的焦平面内的所述照明图案的光强度分布；和检测器设备，所述检测器设备用于将来自每个部分的返回光光耦合至检测器，其中所述检测器设备被构造为将各个返回光相继地光耦合至所述检测器的各个部分，以在所述检测器上产生所述样品的图像，其中所述检测器的各个部分对应于所述样品的各个部分。
[0015]根据一个实施方案，提供一种控制光学显微镜的方法。该方法可以包括将照明图案引导至所要成像的样品上；移动所述照明图案以一个接着另一个相继覆盖所述样品的各个部分，其中对于所述样品的每个部分，将所述照明图案引导至该部分上以照明该部分，并且从所述样品的被所述照明图案照明的部分接收返回光；以时间的函数形式调制所述样品上的焦平面内对应于所述样品的所述部分的所述照明图案的光强度分布；并且将各个返回光相继地光耦合至所述检测器的各个部分，以在所述检测器上产生所述样品的图像，其中所述检测器的各个部分对应于所述样品的各个部分。
[0016]附图简述
[0017]在附图中，相同的附图标记一般贯穿不同的视图表示相同的部分。附图不一定是按比例的，相反通常强调示例本发明的原理。在以下说明中，参考附图描述了本发明的多个实施方案，其中:
[0018]图1显示传统的线-扫描共焦系统的示意图。
[0019]图2A显示根据多个实施方案的光学显微镜的示意框图。
[0020]图2B显示示例根据多个实施方案的控制光学显微镜的方法的流程图。
[0021]图3显示根据多个实施方案的光学显微镜的示意图。
[0022]图4显示根据多个实施方案的光学显微镜的示意图。
[0023]图5显示根据多个实施方案的调制器设备的示意图。
[0024]图6显示根据多个实施方案的空间偏光器的示意前视图。
[0025]详述
[0026]以下详述参考通过示例的方式给出其中可以实施本发明的具体细节和实施方案的附图。以充分详细的方式描述这些实施方案以使得本领域技术人员能够实施本发明。可以采用其他实施方案，并且可以做出结构、逻辑和电子变更而不脱离本发明的范围。多个实施方案不一定是相互排斥的，因为一些实施方案可以与一个或多个另外的实施方案组合以形成新实施方案。
[0027]在方法或装置中的一个的上下文中描述的实施方案对于另一个方法或装置是同等有效的。类似地，在方法的上下文中描述的实施方案对于装置是同等有效的，并且反之亦然。
[0028]在实施方案的上下文中描述的特征可以相应地应用至其他实施方案中相同的或相似的特征。在实施方案的上下文中描述的特征可以对应地应用至其他实施方案，即使在这些其他实施方案中未明确地描述。此外，如对于一个实施方案的上下文中的特征所述的附加和/或组合和/或备选可以对应地应用至其他实施方案中相同的或相似的特征。
[0029]在多个实施方案的内容中，关于特征或元件使用的冠词"一个"、"一种"和"所述"包括提及一个或多个的特征或元件。
[0030]在多个实施方案的内容中，短语"至少基本上"可以包括"准确地"和合理的偏差。
[0031]在多个实施方案的内容中，应用至数值的术语"约"或"大约"包括精确值和合理的偏差。
[0032]如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或多个相关列出的项目的任意和全部组合。
[0033]如本文所使用的，"A或B中的至少一个"的形式的短语可以包括A或B，或者A和B。对应地，"A或B或C的至少一个"，或包括另外的罗列项的形式的短语，可以包括相关罗列项的一个或多个的任意和全部组合。
[0034]多个实施方案可以涉及光学显微术，例如具有光切分能力的超快光学显微术或具有光切分能力的激光扫描显微术。
[0035]多个实施方案可以提供用于二维或三维光切分的图像的超高速采集的光学显微镜。光学显微镜可以使用或经由作为可以在样品上建立扫描照明图案的照明扫描仪的一维扫描装置照明样品。来自样品的发射可以通过相同的照明扫描仪去扫描(de-scan)并且穿过可以匹配照明图案的检测孔。可以使用另一个一维扫描装置作为检测扫描仪，其可以对应于所成像的样品引导发射光子穿过检测孔至用于图像形成的二维图像传感器。
[0036]多个实施方案可以提供具有超快图像采集(大于每秒1，000帧)、出色的对比度和背景排除，以及出色的灵敏度的组合的特征的光学显微镜的设计，这里的这些性能不能够通过现有技术匹配。
[0037]与相关信噪比和信号与背景的比例对于体内厚生物学组织成像不足够好的传统的线扫描共焦显微镜(例如图1)相反，多个实施方案可以提供通过使用二维图像传感器具有提高的信噪比，并且通过包括焦点调制具有提高的信号与背景排除比的高速光显微方法。
[0038]多个实施方案的光学显微镜可以在多种应用中使用，包括但是不限于，活细胞成像、小动物成像、临床诊断和样品的工业检查。
[0039]图2A显不根据多个实施方案的光学显微镜200的不意框图。光学显微镜200包括:扫描装置202，其用于将照明图案引导至所要成像的样品上，扫描装置202可移动用于移动照明图案以一个接着另一个相继地覆盖样品的各个部分，其中对于样品的每个部分，扫描装置202构造为将照明图案引导至该部分上用于照明该部分并且从样品的被照明图案照明的部分接收返回光；调制器设备203，其构造为以时间的函数形式调制样品上对应于样品的该部分的焦平面内的照明图案的光强度分布；以及检测器设备204，其用于将来自每个部分返回光光耦合至检测器，其中检测器设备204构造为将各个返回光相继地耦合至检测器的各个部分以在检测器上产生样品的图像，其中检测器的各个部分对应于样品的各个部分。示出表示为206的线以显示扫描装置202、调制器设备203和检测器设备204之间的关系，这可以包括光学连接和/或机械连接。
[0040]换言之，光学显微镜200可以包括扫描装置202，所述扫描装置202可以将照明图案(例如光照明图案)或光学信号引导至样品的第一部分上以照明第一部分并接收来自通过照明图案照明的样品的第一部分的第一返回光。可以作为时间的函数(例如时间的周期性函数)，例如经由调制器设备203调制在样品上对应于样品的所述部分的焦平面内或上提供的照明图案的光强度分布。这可以意味着可以将照明图案在样品的所述部分上的焦点区域附近强度调制。光学显微镜200可以还包括可以接收第一返回光以便在检测器的第一部分上产生样品的第一部分的图像的检测器设备204。
[0041]随后，可以移动扫描装置202以便将其中其光强度分布可以调制的照明图案引导至样品的第二部分上以照明第二部分并接收来自通过照明图案照明的样品的第二部分的第二返回光。检测器设备204可以接收第二返回光以便在检测器的第二部分上产生样品的第二部分的图像。这可以对于样品的相继的部分进行重复。通过样品的一部分接着一部分成像，例如第一部分，之后是第二部分等，光学显微镜200能够使得用于将样品每