显微镜系统的制作方法

由现有技术已知所谓的光板或光片显微镜，其产生光片式的照明光分布，以便在样本中仅照明一个薄层。除了在样本侧具有用于照明和探测的两个分开的物镜的光片显微镜外，有时还采用利用一个唯一的面向样本的物镜就足以应付的光片显微镜。例如在us8582203b2中提出了显微镜，其采用置于物镜之前的柱面透镜来使得照明光聚焦到样本中，从而产生相对于物镜光轴倾斜的光片。由于所述倾斜，这种显微镜也称为斜面显微镜(opm：“obliqueplanemicroscope”)。

由us8619237b2已知一种斜面显微镜的变型方案，其能实现借助两个转向部件横向地、即横向于光传播方向地扫描立体样本。这种显微镜也称为scape-显微镜(scape：“sweptconfocally-alignedplanarexci-tation”)。

光片显微镜因而借助光片式的照明光分布对样本成像，而通常的扫描显微镜例如共焦显微镜或多光子显微镜则点状地进行样本成像。这种扫描显微镜因此产生点状的照明光分布，该照明光分布借助扫描部件沿着样本移动，以便沿着两个垂直的扫描轴线利用照明光分布来扫描所述样本。例如在j.pawley的手册“biologicalconfocalmicroscopy，isbn978-0-387-45524-2”中简述了多种扫描显微镜系统。

对于现有技术，此外参见us7573635b2，其公开了一种显微镜，其带有用于在锥光成像与无畸变成像之间切换的检流计反射镜设备。

无论斜面显微镜还是扫描显微镜—它们分别设有一个或多个扫描部件以便利用相应的照明光分布来扫描样本—都需要望远镜系统，该望远镜系统使得样本侧的物镜的出射光瞳以真实图像的形式成像到相应的扫描部件上。这种望远镜系统无论对于无畸变成像还是对于锥光成像都必须像差非常小，以便保证适宜的成像质量。该望远镜系统因而比较昂贵。

此外，所述望远镜系统需要通至物镜光瞳的入口。通常的显微镜为此具有接头形式的相应的接口，例如法兰。准备这种接口在机械上和光学上麻烦，并且增大了显微镜占用的地方。

由于前述两种显微镜应用即斜面显微镜和点式工作的扫描显微镜在应用上形成能够在样本分析中有益地补充的互补的成像方案，所以希望提出一种可以用来把这两种成像方法相互组合起来的显微镜系统。

本发明的目的是，提出用于样本的光显微成像的显微镜系统和方法，其以比较小的技术代价既允许光片显微的应用，又允许扫描显微的应用。

本发明通过独立权利要求的主题来实现该目的。有利的改进在从属权利要求中给出。

本发明的显微镜系统包括：光片显微的功能单元，其被设计用于在显微镜系统的第一种工作状态下借助光片式的照明光分布对样本成像；扫描显微的功能单元，其被设计用于在显微镜系统的第二种工作状态下借助点式的照明光分布对样本成像；第一扫描部件，其被设计用于在第一种工作状态下利用由光片显微的功能单元产生的光片式的照明光分布单轴地扫描样本，并且在第二种工作状态下利用由扫描显微的功能单元产生的点式的照明光分布单轴地扫描样本；第二扫描部件，其被设计用于在第二种工作状态下利用由扫描显微的功能单元产生的点式的照明光分布单轴地扫描样本，并且由此在第二种工作状态下与第一扫描部件共同地引起利用由扫描显微的功能单元产生的点式的照明光分布双轴地扫描样本；控制单元，其被设计用于在第一种工作状态和第二种工作状态之间切换。

本发明利用了如下情形：无论斜面显微镜例如opm-显微镜或scape-显微镜，还是开篇所述类型的扫描显微镜，都具有单轴的扫描部件，即具有沿着唯一的扫描轴引起光扫描的部件。在斜面显微镜中，称为扫描部件的所述部件用于使得光片式的照明光分布为了立体成像而横向于照明光的传播方向移动。相反，该部件在扫描显微镜中引起点式光分布的两种通常垂直的扫描运动之一。当前称为第一扫描部件的所述部件既可以在光片显微的功能单元中又可以在扫描显微的功能单元中用于扫描式地照明样本。在显微镜系统的第一种工作状态下—在该状态下进行光片显微的成像—仅仅第一扫描部件就足以利用照明光来扫描样本。相比之下，本发明规定，在显微镜系统的第二种工作状态—其用来借助点式照明光分布进行扫描显微的成像—下，除了使用第一扫描部件外，还使用同样引起单轴扫描的第二扫描部件。在此，两个扫描部件在第二种工作状态下优选相互垂直。单独地考察单轴地作用的两个扫描部件因而在其配合作用下形成一种双轴的扫描系统。

通过在本发明的两种工作状态下使用的第一扫描部件，显微镜系统把光片显微镜和点式扫描显微镜的在应用上互补的两种成像方法组合起来。这两种成像方法之间的切换由控制单元予以协调。该控制单元可以例如经过设计，从而它单独负责对这些扫描部件的控制，而其它方面的控制则交由分开的控制设备，这些控制设备特别是控制两个不同的成像过程。但替代地，控制单元也可以控制显微镜系统的整个工作，即也控制全部的成像过程。

优选地，第一扫描部件和第二扫描部件在显微镜系统的第二种工作状态下形成远心的扫描系统。

光片显微的功能单元和扫描显微的功能单元优选具有共同的面向样本的分别用于照明和探测的物镜。这能实现本发明的显微镜系统的特别紧凑的结构。

在一种特别优选的设计中，光片显微的功能单元和扫描显微的功能单元具有共同的望远镜光学机构，该望远镜光学机构使得物镜的出射光瞳成像到第一扫描部件上。由于可用来产生光瞳图像的望远镜光学机构—如开篇所述—像差特别小，进而比较昂贵，所以，共同地使用望远镜光学机构提供了显著的成本优势。

优选地，显微镜系统具有承载着共同的物镜的显微镜座架，该显微镜座架具有连接部件，在该连接部件上可连接共同的望远镜光学机构。通过这种方式，显微镜系统可以按照显微镜模块的方式特别简单地与例如立式显微镜、倒置式显微镜或固定载物台式显微镜的已有的显微镜座架组合。这里特别有利的是，光片显微的功能单元和扫描显微的功能单元具有共同的望远镜光学机构，从而只需准备一个唯一的连接部件用来与显微镜座架耦接。

第一扫描部件和第二扫描部件例如分别设计成检流计反射镜或微机电(mems)反射镜。在此，第一扫描部件可围绕第一翻摆轴线翻摆，第二扫描部件可围绕优选垂直于第一翻摆轴线的第二翻摆轴线翻摆。

在一种特别优选的实施方式中，第一扫描部件在第一种工作状态下可在第一翻摆角度范围内翻摆，并且在第二种工作状态下可在不同于第一翻摆角度范围的第二翻摆角度范围内翻摆。

优选地，显微镜系统含有可由控制单元控制的切换部件，用于在第一种工作状态与第二种工作状态之间切换。

切换部件例如由第一转向部件构成，该第一转向部件为了切换工作状态可在位于第一翻摆角度范围内的翻摆位置与位于第二翻摆角度范围内的翻摆位置之间翻摆。该实施方式利用了如下情况：从使得物镜光瞳成像到第一扫描部件上的望远镜光学机构观察，存在两个可让第一扫描部件够到的翻摆角度范围，这些翻摆角度范围可以指配给两种工作状态。由此可行的是，第一扫描部件一方面沿着第一扫描轴进行在应用上所需要的扫描，另一方面选取合适的翻摆角度范围，以便实现所希望的工作状态。为此可以有益的是，在光入射角不等于45度的情况下使用第一扫描部件。

在一种替代的实施方式中，切换部件由与第一扫描部件分开地设置的光转向部件构成。所述光转向部件例如是可以进入到光路中且可以远离光路的反射镜或棱镜。该光转向部件也可以设计成保持在光路中的转向部件的形式，该转向部件为了选取工作状态而移调例如翻摆。该实施方式具有另一优点：使得物镜光瞳成像到第一扫描部件上的望远镜光学机构只需准备一次，并且只占据显微镜上的一个适配位置，如果本发明作为模块被设计用于通常的显微镜。

在一种有利的实施方式中，光片显微的功能单元包括：照明光学机构，其被设计用于在中间图像空间中产生光片式的照明光分布；在两侧远心地设计的传送光学机构，其被设计用于把在中间图像空间中产生的光片式的照明光分布成像到样本中，并把利用光片式照明光分布被照明的样本区域作为中间图像成像到中间图像空间中；探测光学机构，其被设计用于把在中间图像空间中产生的中间图像成像到探测器上，其中，照明光学机构、传送光学机构和探测光学机构的光学轴线在中间图像空间中彼此相交，其中，第一扫描部件布置在传送光学机构中，且被设计用于在第一种工作状态下使得光片式照明光分布在样本中横向于、优选垂直于传送光学机构的光学轴线移动。前述的传送光学机构包含被光片显微的功能单元和扫描显微的功能单元共同地使用的望远镜系统，该传送光学机构形成中间成像系统，该中间成像系统具有对于立体成像所需要的特性，即：放大率，该放大率相应于在样本空间与中间图像空间之间的折射率比，以便保证孔径角的正确成像；和在两侧即既在物镜侧又在图像侧的远心率，亦即横向放大率，其独立于沿着光学轴线的位置。

相比于通常的光片显微镜—其中间成像光学机构并非双侧远心，使用双侧远心的传送光学机构和由此实现的远心的扫描设备主要具有如下优势：在传送光学机构中不引起失真。

在一种特别优选的实施方式中，扫描显微的功能单元形成共焦显微镜或多光子显微镜。

下面参照附图详述本发明。其中：

图1为作为实施例的显微镜系统的示意图；

图2为局部放大图，其示出了根据图1的显微镜系统的两个扫描部件；

图3为一种变型的实施方式的相应于图2的局部视图，其具有用于在两个显微的功能单元之间切换的单独的光转向部件。

图1以示意图示出显微镜系统10的结构，其表示本发明的一个实施例。该显微镜系统10包括在图1中整体标有12的光片显微的功能单元和整体标有14的扫描显微的功能单元。显微镜系统10规定了两种可有选择地调节的工作状态，即第一种工作状态和第二种工作状态，在第一种工作状态下，光片显微的功能单元12按照斜面显微镜的方式采用光片式的照明光分布用来对样本16成像，在第二种工作状态下，扫描显微的功能单元14采用点式的照明光分布对样本16成像。

下面首先介绍光片显微的功能单元12。

光片显微的功能单元12包括照明光学机构18、传送光学机构20和探测光学机构22，它们的光学轴线o1、o2或o3在图1中标有24的中间图像空间内汇合，亦即在那里相交。照明光学机构18用于使得由光源28输入给它的照明光30聚焦到中间图像空间24中，该照明光在那里产生光片式的照明光分布。在中间图像空间24中产生的所述光片然后被传送光学机构20成像到样本16中，从而样本16的一个区域利用光片被照明，并且被激励发出荧光辐射。由样本16发出的荧光辐射在第一种工作状态下又进入到传送光学机构20中，该传送光学机构于是把利用光片被照明的样本区域作为中间图像成像到中间图像空间24中。被照明的样本区域的在中间图像空间24中产生的中间图像最后通过探测光学机构22成像到探测器34的探测面32上。

在由光源28发出的照明光30的传播方向上，照明光学机构18依次包含有光传播单元36、移调部件38、目镜透镜系统40、另一移调部件42、管透镜部件44以及面向中间图像空间24的照明物镜46。

光传播单元36包含有柱面透镜48，该柱面透镜在与照明物镜46的配合作用下形成变形的光学系统的一部分，该系统具有由从光源28发出的照明光30在中间图像空间24中产生所希望形式的光片的功能。在此，柱面透镜48使得照明光30聚焦到照明物镜46的光瞳的由目镜透镜系统40和管透镜系统44产生的图像中。在根据图1的实施例中，管透镜系统44和目镜透镜系统40因而形成带有真实的中间图像的伽利略-望远镜。但要指出，该变形系统的在根据图1的实施例中选取的实现方案应纯示例性地理解，因而例如特别是较小的数字孔径情况下也可行的是，在放弃照明物镜46的情况下单独采用柱面透镜48用于光片聚焦。

在照明光学机构18中含有的两个移调部件38和42形成了移调装置，其能实现相对于探测器34的探测面32调节光片，确切地说，相对于探测面32的由探测光学机构22在中间图像空间24中产生的叠加于光片上方的图像来调节光片。在此，移调部件42布置在与照明物镜46的图像平面共轭的平面中。据此，通过移调部件42的翻摆来改变照明光30从照明物镜46中射出的角度。移调部件38布置在与照明物镜46的光瞳平面共轭的平面中。因而可以通过移调部件38来调节从照明物镜46中射出的照明光30的位置。两个移调部件38和42因而允许相互独立地调节光片的位置和角度。

为了产生光片，照明光学机构18可以包含有在图1中未明确示出的其它部件，例如场光圈和/或孔径光圈。在此，场光圈具有在光片延伸方向上限制光片的功能。相比之下，孔径光圈用于限制光片聚焦的张开角度。

从样本16观察，传送光学机构20包含有物镜50、管透镜系统52、目镜透镜系统54、另一目镜透镜系统56、另一管透镜系统58、转向部件60、无焦点系统62以及中间成像物镜64。无论管透镜系统52和目镜透镜系统48，还是管透镜系统58和目镜透镜系统56，都分别形成了伽利略-望远镜光学机构。传送光学机构20被设计成两侧远心的光学系统。在传送光学机构20中含有的无焦点系统62用于根据在样本空间与中间图像空间24之间的折射率比来调整对于所希望的立体图像传送来说必需的放大率。望远镜光学机构56通过连接部件53与显微镜座架55耦接，在该显微镜座架上保持着物镜50。

如特别是在根据图2的局部放大图中可见，光片显微的功能单元12在传送光学机构20中含有第一扫描部件66，该第一扫描部件例如设计成检流计反射镜或mems-反射镜。扫描部件50围绕翻摆轴线68可翻摆，该翻摆轴线参照在图2中示出的坐标系与z-轴重合。在显微镜系统10的第一种工作状态下，扫描部件66用于横向地、即横向于物镜50的光学轴线利用光片来扫描样本16。为了引起这种单轴式的扫描，扫描部件66在预定的第一翻摆角度范围内围绕翻摆轴线68翻摆。扫描部件66布置在如下位置：在该位置，望远镜光学机构56产生物镜50的出射光瞳70的真实的图像。换句话说，望远镜光学机构56由此将出射光瞳70成像到第一扫描部件66上。

探测光学机构22含有面向中间图像空间24的探测物镜72以及含有管透镜系统74。通过探测物镜72和管透镜系统74，利用光片被照明的样本区域的由传送光学机构20在中间图像空间24中产生的中间图像在探测器40的探测面32上成像。

在显微镜系统10的第一种工作状态下，光片显微的功能单元12的照明光学机构18、传送光学机构20和探测光学机构22相互对准，从而它们的光学轴线o1、o2、o3在中间图像空间24内汇合。由此，由光源28产生的照明光30输入到传送光学机构20中雷同地通过几何组合在中间图像的区域内进行，这能实现在传送光学机构20的区域中放弃二色性的分光部件。由此可以可靠地避免对传送光学机构20的成像能力有不利影响的光瞳偏移。

下面介绍显微镜系统10的在第二种工作状态下工作的扫描显微的功能单元14。

如同光片显微的功能单元12一样，扫描显微的功能单元14采用了面向样本16的物镜50以及由管透镜系统52和目镜透镜系统54构成的望远镜光学机构56。在第二种工作状态下，扫描显微的功能单元14也采用了第一扫描部件66。这意味着，显微镜系统10的两个功能单元12、14具有共同使用的组件，这些组件的形式为物镜50、望远镜光学机构56和第一扫描部件66。

此外，扫描显微的功能单元14具有在空间上与光片显微的功能单元12分开的激励/探测模块72。该激励/探测模块含有本身公知的、因而在此不予详述的为了实现通常的点式地扫描的显微镜而需要的组件，比如一个或多个光源、一个或多个探测器，在共聚焦显微镜的情况下附加地还含有用于照明和探测的孔板，等等。这在其它的、但本身也已知的设计中相应地适用于如下情况：扫描显微的功能单元14例如应设计成多光子显微镜。

扫描显微的功能单元14还含有第二扫描部件74，该第二扫描部件可单独地在根据图2的局部放大图中看到。如同第一扫描部件66一样，第二扫描部件74也例如实现为单轴的检流计反射镜或mems-反射镜。第二扫描部件74围绕垂直于第一扫描部件66的翻摆轴线68的翻摆轴线76可翻摆。在此需要指出，图1和2中的视图是极其简化的。特别是要注意，第二扫描部件76相对于根据图2的图面倾斜，例如倾斜45度。因此，第二扫描部件74与激励/探测模块72之间的光路也并非在图面中伸展，而是从该图面中伸出或者进入该图面中。此外需要指出，在第一扫描部件66与第二扫描部件74之间可以存在图2中未明确示出的组件，比如特别是附加的望远镜光学机构，通过该望远镜光学机构可以产生物镜50的出射光瞳70的另一真实的图像。由此可行的是，应位于该光瞳图像的位置的第二扫描部件74可任意地布置在扫描显微的功能单元14的光路中。

在显微镜系统10的第二种工作状态下，第一单轴的扫描部件66和第二单轴的扫描部件76形成了远心的双轴的扫描系统，该扫描系统可以用于以在扫描显微的功能单元14中产生的点式的照明光分布双轴地即沿着两个优选垂直的扫描轴线扫描样本16。形成这种双轴的扫描系统的两个扫描部件66和76与物镜50的出射光瞳70共轭。

需要指出，双轴的扫描系统的前述实现方案应纯示例性地理解。特别地也存在如下可行性：形成一种远心的双轴的扫描系统，其方式为，通过使用两个附加的单轴的扫描部件来产生虚拟的翻摆点，这比如在de40261302c2中有所记载。

在第二种工作状态下，第一扫描部件66因而具有在与第二扫描部件74的配合作用下负责以点式的照明光分布双轴地扫描样本16的功能。为此，第一扫描部件68在第二翻摆角度范围内围绕翻摆轴线68翻摆，该第二翻摆角度范围不同于在第一种工作状态下采用的第一翻摆角度范围。由此，从共同的望远镜光学机构56观察，存在两个通过第一扫描部件66可够到的翻摆角度范围，其中的第一翻摆角度范围指配于第一种工作状态，第二翻摆角度范围指配于第二种工作状态。这提供了如下可行性：第一扫描部件66不仅用于在第一种或第二种工作状态下执行的真正的扫描过程，而且用作用来在第一种工作状态和第二种工作状态之间切换的部件。亦即，如果第一扫描部件66位于处在第一翻摆角度范围内的翻摆位置，则第一扫描部件66在所示布置情况下强制地被切换给光片显微的功能单元12，由此实现第一种工作状态。于是，如果扫描部件翻摆到第二翻摆角度范围内，则该扫描部件被切换给扫描显微的功能单元14，由此选取了第二种工作状态。

显微镜系统10还具有控制单元87，该控制单元通过相应地控制第一扫描部件66来控制各工作状态的切换。控制单元87可以经过设计，从而它也控制显微镜系统10的一些其它的工作过程或者甚至全部的工作过程。

图3示出了一种变型的实施方式，在该实施方式中，为了在两种工作状态之间切换，专门设置了单独的切换部件78。在所示实施方式中，切换部件78例如是反射镜，该反射镜具有面向第二扫描部件66的反射镜面79并且装入到在两个目镜透镜系统54、56之间的光路中，以便有效地接通扫描显微的功能单元14，即调得第二种工作状态。如果反射镜78远离该光路，则显微镜系统10处于第一种工作状态下。

不言而喻，本发明不应局限于前面介绍的实施例。

于是例如可行的是，在光片显微的功能单元12的照明光学机构18中，为了产生光片，代替柱面反射镜48，设置另一单轴的扫描部件，其形式例如为检流计反射镜或mems-反射镜。这种扫描部件可以例如布置于在根据图1的实施例中移调部件38所在的位置。该扫描部件于是引起照明光30的扫描运动，通过这种扫描运动顺序地产生所希望的光片。控制单元87于是负责使得该扫描部件的工作与其它系统组件协调，特别是与第一扫描部件66协调。

在上述变型中，在照明光学机构18中附加地存在的另一扫描部件按相同的方式被用于根据功能接入点式地扫描的功能单元，就像上面在根据图1～3的实施例中针对第一扫描部件66所介绍的那样。因此，该另一扫描部件的并非用于产生光片的翻摆角度范围可以依据扫描部件66的第二翻摆角度范围用于扫描显微式的扫描，并且有时也用于在两种工作状态之间切换。

附图标记清单

10显微镜系统

12光片显微的功能单元

14扫描显微的功能单元

16样本

18照明光学机构

20传送光学机构

22探测光学机构

24中间图像空间

28光源

30照明光

32探测面

34探测器

36光传播单元

38移调部件

40目镜透镜系统

42移调部件

44管透镜系统

46照明物镜

48柱面反射镜

50物镜

52管透镜系统

53连接部件

54目镜透镜系统

55显微镜座架

56望远镜光学机构

57目镜透镜系统

58管透镜系统

60转向系统

62无焦点系统

64中间成像物镜

66第一扫描部件

68翻摆轴线

70出射光瞳

71探测物镜

72激励/探测模块

73管透镜系统

74第二扫描部件

76翻摆轴线

78切换部件

79反射镜面

87控制单元

o1、o2、o3轴线