功能集成的激光扫描显微镜的制作方法

本发明涉及一种功能集成的激光扫描显微镜，其被构造用于可选地以共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式利用激光照射装置对试样加以扫描。

背景技术：

共焦激光扫描显微镜是已知的。在此情况下，需要查看的试样区域被利用聚焦到一点的激光束加以扫描，针对所有被扫描的位置而言，借助于图像传感器来测量被试样物质反射或通过荧光性发出的光的特性，并且基于测量结果产生试样区域的图像。

在将激光扫描显微镜应用于生物医药领域的研究时，在过去的几年中，对活细胞的研究越来越在经济利益方面具有前景，例如为了细胞中新陈代谢过程的研究或者为了分析药物对细胞生理的作用。在此，荧光显微镜有特别意义，因为荧光显微镜实现了对不同细胞器具有高区分度的、亚细胞级的光学观察，并且显微镜从单纯的图像产生系统发展成重要的测量工具。但是，对活细胞的研究对显微镜系统提出高要求。一方面，数据获得必须非常迅速执行，以便能够追踪生物过程的时间过程，另一方面，确保细胞的生命维持或者将对细胞新陈代谢的干扰降得很低。这需要在激励荧光分子时将尽可能少的光引入细胞中，但这种光引入不应妨碍到信噪比(SNR)，由此，能够尽可能迅速而且准确地获取所需要的信息。

这种部分彼此矛盾的需求的满足是继续研发激光扫描显微镜时重要的挑战。

难点在于，共焦的图像生成由于呈点状顺次的数据生成而在其图像采集速率方面受到限制。虽然图像采集速率能够通过借助于共振电流计扫描仪的更为快速的采样而提高，但是由此每个图像传感器的蓄电时间相应缩短。为了尽管如此仍实现所希望的信噪比，必须密集地或者说高强度地照射，这又提高了对活体试样的毒性负担。

在获取共焦图像时提高速率的另一可行方案是利用所谓的转盘式(SDM)显微镜得以实现。在这里，借助于两个耦合旋转的盘(其中，第一个盘承载微型透镜，在第二个盘上布置有对应于这个微型透镜的共焦遮光板)通过并行设置来实现图像采集速率的显著提高。但是，图像采集速率受到图像传感器特性的限制。此外，转盘式显微镜就图像产生的功能方面特殊设定，此外，进行中的测量任务，诸如荧光寿命成像显微术(FLIM)、荧光共振能量转移试验(FRET)或荧光相关谱不能应用或应用不足。

最后，光谱成像也不适合于，能够将试样的多重染色明晰地相互区分并且对细胞中的变换过程加以分析。借助于转盘式显微术或借助于宽场显微术的光谱成像虽然在文献中被多次讨论，但是迄今没有在商用方面付诸实践。

由此，根据现有技术虽然能够提供各种针对特定用途特殊设计的激光扫描显微系统，但是不能实现满足广泛通用要求的功能整合系统和更全面的应用。

针对共焦直至宽场显微术所提出的设备组合例如是制造商尼康的共焦激光扫描显微镜C2，这种显微镜模块化地由不同的光学部件构造，这些光学部件根据应用能够彼此替换和相互关联。

但是，需要解决的问题总是还在于当观察试样期间提供共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式，而无须耗时地执行模式更换或设备改造。

技术实现要素：

由此出发，本发明的目的在于，提出一种激光扫描显微镜，其具有不同的、能够预选的运行模式，这些运行模式实现了：使显微镜以简单方式针对相应的实验需要来构造。

所述目的利用开头提到类型的激光扫描显微镜来实现，所述激光扫描显微镜包括：

激光光源、照射和检测光路、检测装置以及至少一个物镜，分别针对每一种所选运行模式的使用来设计，其中，

照射和检测光路包括用于构造激光照射装置的机构、至少一个用于利用激光照射装置对试样进行扫描的扫描仪以及用于将照射和检测光分离的分束器，以及

在检测光路中设置有用于根据相应选择的运行模式改变光线引导的、能够控制的光学元件。

能够控制的结构组件借助于指令输入装置与控制电路相连接，所述控制电路设计用于将当前的运行模式转换为所希望的其他运行模式，存在用以基于由检测装置输出的电子图像信号来生成试样图像的硬件和软件。

激光照射装置的概念在本发明的意义上包括对试样或试样需要查看的区域的点状、线状的照射装置，也包括场状的照射装置。对照射光点状、线状或场状的设计借助于能够控制的光学元件根据各自所希望的运行模式来实现。

按照本发明设计有前面介绍的特征的激光扫描显微镜通过避免模块化的结构类型、以简单的方式通过转换到相应的运行模式而实现了：

迅速而又保护试样地获得了需要查看的试样区域的总览图，

在最高30fps(每秒传输帧数)的图像采集速率下以光谱成像产生共焦的图像照片，或者在试样负担最小而且信噪比很高的情况下，产生上述图像照片，

以光谱成像在图像采集速率高于100fps的情况下产生超高速的图像照片，或者

对试样中所希望的区域拍摄并行的二维图像。

在此，上面提到的、最高至30fps或者高于100fps的图像采集速率分别涉及的是每张图512行，这里假设图像采集速率由于行速度而受到限制。在产生并行的二维图像时的图像采集速率首先通过图像传感器的具体几何形状来给定，但也可以通过摩赛克方法来检测试样的更大的区域。

光线引导根据相应选定的运行模式的改变通过借助于能够控制的光学切换元件将检测光束耦合输入到不同的检测路径中来设置。检测路径通过处在光路中的光学结构组件和/或通过至少一个图像平面和光瞳平面的位置来区分。分别将一个检测路径固定配设给一个运行模式。

在第一检测路径中，检测光束的贯穿引导和影响借助于至少一个相对于底座固定布置在光路中的光学结构组件来设置，而在第二检测路径中，检测光路围绕所述光学结构组件的围绕引导地设置，以便避免产生影响。由此，在第一检测路径中、在定义的位置上构造出图像平面，在第二检测路径中替代图像平面地构造出光瞳平面。例如将透镜阵列设置为相对于底座固定的光学结构组件。

优选的是，将第一检测路径配设给共焦运行模式，第二检测路径配设给行运行模式和宽场运行模式。

在检测光路的继续延伸中，可以存在第二光学切换元件，利用第二光学切换元件、根据切换位置将经相应的检测路径而来的检测光束耦合输入到共同的检测装置中。

作为第一切换元件存在的例如是切换镜，可以设置为第二切换元件的是能够运动的棱镜。

光学切换元件与控制电路相连接，控制电路根据相应的运行模式规定或者说预设出切换位置。控制电路与指令输入装置相联接，用于转换运行模式。

按照本发明的激光扫描显微镜的照射光路具有照射扫描仪，用于使激光照射装置运动超出物镜光瞳和/或用于使照射光线引导与相应调整出的运行模式相匹配。在此，运动图案或运动过程与相应选定的运动模式相关，也就是照射扫描仪的操控同样与运行模式相关地执行。此外，在照射光路中同样设置有能够控制的光学结构组件，用于根据相应选定的运行模式来改变光线引导，并且与控制电路相连接。

在按照本发明的激光扫描显微镜的优选实施方式中：

在共焦运行模式期间，透镜结构组件被枢转进入照射光路中，

在行运行模式期间，透镜结构组件和柱面透镜被枢转进入照射光路中，以及

在宽场运行模式期间，替代透镜结构组件和柱面透镜地将望远镜或者说镜管枢转进入照射光路中。

能够枢转进入的结构组件的功能和目的接下来在后面借助于实施例详细阐释。枢转进入或枢转摆出的过程借助于控制电路根据所规定或者说预设的运行模式来实现。

此外，可以考虑而且落在本发明范围内的是，针对各个运行模式的光线形成通过借助于空间光调制器(SLM)在相对于物镜光瞳共轭的平面中操作激光光线的相位来实现。

在特别优选的实施方式中，针对所有运行模式共同的检测装置具有光电子图像传感器，图像传感器的传感器像素为了激活和停用而能够分别得到控制。图像传感器或各个传感器像素的操控借助于控制电路根据所规定或者说预设的运行模式来实现。

图像传感器具有传感器像素的二维布置方式，使得与转盘式技术相对应地可行的是：通过以多个点进行并行的激励和检测，而迅速并且保护试样地获取共焦的图像。在有利的实施方案中，每个传感器像素借助于控制电路能够被个别激活或停用，多个传感器像素能够以可变方式分组集中，并且传感器面上多个彼此独立有待读取的像素区域能够自由编程。

在宽场扫描运行模式的情况下，二维的传感器矩阵的中的每个像素对于试样位置相对应的发射强度进行记录。传感器的被读取的数据由此获得黑白的分图。在共焦的而且行照射的运行模式中，可以借助于附加的光学结构与每个传感器像素相对应的是所对应的试样位置在定义的光谱带内的发射强度。在此情况下，光谱信息基本上垂直于位置信息地分布于传感器面上。由此，实现了在这种运行模式中的光谱成像。

由此出发，考虑作为图像传感器的优选是雪崩光电二极管的矩阵。适合作为图像传感器的例如还有混合检测器或光电倍增管的矩阵结构。

雪崩光电二极管的阵列相对于光电倍增管布置的优点为：

较小的传感元件，由此实现照相机类型的运行，

在一定面积上可以设置多个元件，

能够实现在背面照射装置上直至100％的填充系数。

就此而言，本发明的设想主要在于：以一个且为同一图像传感器实现多焦点的图像生成、行图像生成以及宽场图像生成。在模式之间能够简单而且迅速切换，方式为：操控较少的可变的光学结构组件，并且图像传感器同样借助于直接的变换编程得到匹配。

按照本发明的激光扫描显微镜优选设计用于利用照射光作为激励光束而且利用由其产生的荧光作为检测光束的荧光显微术。

附图说明

下面，借助于附图详细阐述本发明。其中：

图1示出按照本发明的激光扫描显微镜的原理图示，

图2示出针对多共焦显微术的运行模式的照射和检测光路的构造的示例，

图3示出针对宽场显微术的运行模式的照射和检测光路的构造的示例，

图4示出针对行扫描显微术的运行模式的照射和检测光路的构造的示例，

图5示出针对前述区域中的检测光路的构造方案的涉及多共焦显微术的运行模式的另一示例，

图6示出针对前述区域中的检测光路的构造方案的涉及行扫描显微术的运行模式的示例。

具体实施方式

在图1中示出的图示对按照本发明的激光扫描显微镜的原理性构造加以说明，其例如构造用于荧光显微术。

设置有激光单元和检测装置，所述激光单元和检测装置能够根据共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式编程，也就是不需要不同激光单元和/或检测装置在变换运行模式时的更换。

基本上，在变换运行模式期间，保持获得照射和检测光路，仅在光路中存在一些能够可变控制的光学结构组件，这些光学结构组件被构造用于匹配光线引导(参见图2至图4)。能够控制的光学结构组件本身、显微镜系统的光学基础元件(诸如主分色器(HFT)和光线折转元件)以及物镜与所选运行模式无关地相对于底座固定地保持在其位置中。试样为了定位目的、如现有技术已知那样，借助于优选设有马达或者说马达驱动的试样台面而能够相对于物镜在坐标系x、y、z中运动。

指令输入装置与控制电路相连接，指令输入装置用于手动规定出各自所希望的运行模式。

在图2中，示出了在共焦或多共焦显微术中在图像生成模式中用于照射和检测的光路，在最佳的光谱功能下实现了大约30fps的图像采样速率。

在达到主分色器HFT的照射光路中，设置为能够控制的光学结构组件的是能够枢转摆入的柱面透镜(可替换地也可以是Powel透镜)、照射扫描仪S1以及借助于枢转轴能够转动地支承的变换光学器件，具有单透镜L3和由透镜L1、L2组成的望远镜或者说镜管。

在共焦或多共焦扫描的这里示例介绍的情况下，单透镜L3枢转摆入照射光路中。在主分色器HFT上反射的照射光凭借都处在相对于物镜光瞳共轭的平面中的切换镜和系统扫描仪S2朝向物镜的方向折转。在多共焦运行模式中，将多个激光光线耦合输入到系统中，激光光线呈彼此间具有固定角度关系的扇形的形状撑开。这种扇形垂直于图2的标志平面取向，也就是多个激光光线彼此前后处在标志平面中。光线彼此间的角度关系与透镜阵列的节距相匹配。照射扫描仪S1以如下方式调整，使得光束沿后续的光学器件的轴引导。

由L3和L4组成的透镜系统在切换镜上成像出照射扫描仪S1，而L5在系统扫描仪S2上成像出切换镜。照射扫描仪S2和切换镜由此都相对于物镜光瞳共轭地安置。

由此，光瞳分别处在照射扫描仪S1、切换镜、系统扫描仪S2上以及在物镜中，在光瞳中叠加所有激励光线。每个分光线由此产生物体空间中的一个光斑，其中，所述光斑沿一条线布置。光斑图案借助于系统扫描仪S2在试样上运动。光斑的数目借助于接通或遮挡分光线来调整。用于产生多个分光线的机构由现有技术已知，并且在这里不需要详细介绍。

在例如能够作为凹口滤波器的主分色器(HFT)上将照射光与检测光分离。

沿着检测光路布置切换镜和透镜L6，所述透镜产生图像平面，在图像平面中存在(关于其他两种运行模式借助于操控可变的)缝隙孔板。透镜L6的图像平面还处在后续的透镜阵列和具有(关于其他两种运行模式借助于操控可变的)小孔的小孔光学器件的扫描仪方面的焦平面中。小孔布置在透镜L7的传感器方面的图像平面中。相对于小孔在后布置了由L8至L10组成的透镜系统，所述透镜系统将射线成像到检测装置上。能够移动的棱镜根据所调整的运行模式对从试样中发出的射线在传感器矩阵上的位置加以优化。

发出自物体空间中的激光照射位置的射线借助于系统扫描仪S2扫描，并且利用切换镜沿小孔光学器件的光轴取向。特别是切换镜和主分色器HFT组成的组合以如下方式调整，使得每个分光线借助于透镜阵列中与其对应的透镜而被准直化。因为分光线围绕相对于透镜阵列在前安置的中间图在缝隙孔板的位置中远心地(telezentrisch)引导，所以借助于透镜阵列实现并行光线引导的传输。分光线穿过小孔在后面成像到检测装置的图像传感器上。检测装置优选构造有雪崩光电二极管阵列来作为图像传感器。

既在共焦运行模式也在其他两种运行模式中，在缝隙孔板的位置中，始终安放图像平面，所述图像平面同时既处在透镜阵列的焦平面中，也处在透镜L7的焦平面中。

在图2中示出的共焦的运行模式原则上与按照本发明的功能集成的激光扫描显微镜的基本模式相同。在这种模式中，如从图2中所见那样，检测光束穿过透镜阵列引导。处在透镜阵列的相应光轴上的激光光斑作为分光线借助于透镜阵列准直化并且远心地继续引导至透镜L7，所述透镜将远心的准直的分光线聚焦到小孔平面中的共同的点上。因此，仅需要将小孔的孔径减小至所希望的尺寸，在这种运行模式中，例如减小到对应于通气单元的开口直径。

在其他两个运行模式中，借助于行状或平面的激励，实现了半共焦或场扫描的图像生成，透镜阵列在光路中会产生干扰，因为透镜阵列将像场很大程度地分段。因此，在这些情况下，检测光束利用切换镜折转到单独的检测路径中，并且这样从旁边引导经过透镜阵列。

透镜L7在共焦的运行模式中将所有分光线成像到小孔平面中的光轴上，而小孔平面作为其他两个运行模式(也就是在场构型或行构型)中的透镜L7的后焦点平面，相对于物镜光瞳共轭(参见针对图3和图4的阐释)。

由L8和L9组成的透镜系统是将小孔平面成像到与检测光学器件的接口中的中继系统。透镜L10象征性代表检测光学器件。

由此，获得了对所有可选的运行模式之间按照本发明的可变换性给予辅助的结构的下列的有利特性：

透镜阵列上的小孔径，

透镜L7上的大孔径，

图像平面上的缝隙孔板，

透镜阵列的扫描仪方面的焦平面和透镜L7共同处在缝隙孔板的位置中，

缝隙孔板能够可控地围绕缝隙以如下程度打开，使得分场或者分区域能够得到传输，

小孔是能够控制的，以便其至少打开至存在于小孔平面中的光瞳边缘部。

作为不同于上述说明书的设计变型可以使照射光线的镜面成像在透镜阵列与小孔光学器件之间的检测光路中实现。这样，分光线已经在照射光路中平行引导。

通过减少分光束的数目，当然能够替代多共焦图像生成地也实施单焦的运行，正如由激光扫描显微术的现有技术已知那样。

图3示出在宽场扫描显微术或场扫描显微术的运行模式中照射和检测光路的构造示例。

在这里示出的情况下，由透镜L1、L2构成的望远镜替代单透镜L3枢转进入照射光路中。由主分色器HFT反射的照射光利用切换镜和系统扫描仪S2又朝向物镜的方形折转，其中，在切换镜和系统扫描仪上产生激光焦点，激光焦点以照射扫描仪S1的尽可能迅速的扫描运动在光瞳平面上运动。

按照这种方式在物镜的整个场中激励出的荧光在从试样返回的行程上完全照亮物镜光瞳。物镜光瞳被成像到系统扫描仪S2和切换镜上的共轭的平面中。切换镜在场扫描的所示的情况中通过操控而得到如下调整，能够传输的场从主分色器HFT发射，在特定的检测路径上离轴地从旁边折转经过透镜阵列。

布置在检测光路中的可变的小孔还有透镜阵列前面的可变的缝隙孔板都在这里示出的运行模式中继续打开。

系统扫描仪S2借助于通过操控调整出的移位角来确定所成像的分场在显微镜物镜的所提供的物体场中的位置。可选地，场孔板(未示出)也能够在第一中间图像平面中在物镜后面与扫描仪移位共同运动，以便使对可检测的物体场之外的试样区域的过度照射得到避免或降至最低程度。

可替换地，可以在此处设置照射变焦装置，以便限制照射的数值孔径(NA)，进而对被照亮的物体场的尺寸加以监控。但是，NA的匹配也可以设置在变化光学器件中，并且以如下方式设计，使得能够传输的场被完全照亮。

图4示出直线扫描模式的光路。在这种情况下，柱面透镜被调至照射光路中，使得在照射扫描仪S1上产生行状光分布，其中，照射扫描仪S1处在柱面透镜的焦平面中。变化光学器件使得单透镜L3处在照射光路中。由此，光瞳平面又处在照射扫描仪S1、切换镜、系统扫描仪S2上并且处在物镜中。然后，物镜在物体空间中产生线状焦点，线状焦点利用系统扫描仪S2垂直于线方向被扫描并且借助于移位角定位。

从线焦点发出的射线借助于系统扫描仪S2扫描，并且在切换镜相应的位置中从旁边经过透镜阵列。中间图像中在透镜阵列之前的缝隙孔板达到所希望的宽度，以便实现半共焦的检测。在后布置的小孔最大程度敞开。能够移位的棱镜将行分布的中心拉到检测光学器件的图像传感器的轴上。图像传感器在行扫描模式的情况下处在与缝隙共轭的图像平面中。

在同样落在本发明构思范围内的设计变型中，与上面结合图2至图4的说明书不同地，能够移动的棱镜的优选位置根据运行模式而定，不是使所传输的场的中心折转到后续光学器件的轴上的相应位置，而是使针对相应选定的运行模式的图像传感器能够得到最高效利用的相应位置。

具体来讲，这意味着：

a.在场扫描的情况下，所传输的场相对于图像传感器的中心对称地成像到图像传感器上，

b.在行扫描的情况下，行状的射线分布垂直于行取向地利用棱镜或光栅发生光谱色散，或者行的呈光谱分开的图像与传感器的中心对称地成像到图像传感器上，或自所选定的起始波长开始，在传感器边缘成像到图像传感器上，

c.在多共焦扫描的情况下，各分光线通过另一透镜阵列引导，而对射线分布接下来进行的光谱成像类似于针对行扫描的说明来进行。

针对b)和c)所需的检测光路变换例如可以借助于能够移动的棱镜来实现。这在图5和图6中示意示出。

在图5中借助于针对多共焦运行的示例，更详细地示出了从能够移动的棱镜到传感器平面的光路。图5a)示出检测光路的俯视图，而图5b示出检测光路的侧视图。相对于能够移动的棱镜在后布置的是两个中继光学器件，其由透镜对L11/L12和L13/L14组成，中继光学器件将射线成像到传感器平面中。在两个中继光学器件之间存在一透镜阵列，其又相对于底座固定地布置。

在多共焦运行的这里所示情况下，能够移动的棱镜以如下方式调整，使得射线由所述透镜阵列引导。由此，分光线被成像到后续的中继光学器件的焦平面中。在透镜L13与透镜L14之间，分光线准直化并且以彼此固定的角度关系来引导。在L13和L14的共同的焦平面中存在色散元件，例如将在分光线中引导的射线分解成其光谱组成部分的棱镜。有利的是，色散方向垂直于由分光线撑开的扇形。透镜L14将发生光谱色散的射线成像到传感器上。在此，光斑和光谱有利地彼此垂直布置。

传感器在这时独立于所选的运行模式地处在相对于试样共轭的平面中。相反，在其他两种运行模式中，也就是在行扫描和场扫描中，检测射束从旁边引导经过透镜阵列。

在行扫描的运行模式中，能够移动的透镜如在图6中所示那样，以如下方式调整，使得射线从旁边引导经过透镜阵列。在图像传感器上的光谱分层针对多共焦运动模式(图5)以及行扫描运行模式(图6)以同一色散元件产生。光谱在传感器矩阵上的位置在需要时通过转动色散光学元件来实现，这正如图5中结合多共焦模式以及图6中结合行扫描模式可知那样。针对场扫描模式，色散元件从从光路中移走。

光瞳与场之间的转换原则上可以利用能够枢转摆入的伯特兰透镜来实现，或者借助于能够切换的光路来实现。用于切换的元件如所列举地有用于角度分离的镜(优选为微机电系统(MEMS))、用于旁侧分离的平板或者适用于这两者的棱镜。