斜面显微镜的制作方法

传统的光片显微镜在样本侧具有两个分开的物镜，其中的一个物镜用于照明，另一个物镜用于探测。通过照明物镜，通常使得平行于光轴朝向的光片聚焦到样本中，其照明的样本区域于是被探测物镜成像到探测器上，该探测物镜的光轴垂直于照明物镜的光轴。在有些应用中，由于缺少空间，借助这种配备有两个分开的物镜的光片显微镜无法对样本成像，对于这些应用，在us8582203b2中提出了一种显微镜，其在样本侧利用一个唯一的物镜就应付得了。对于该显微镜，光片聚焦到样本中，使得该光片相对于物镜的光轴倾斜。由于这种倾斜姿态，这种显微镜也称为斜面显微镜(opm：“obliqueplanemicroscope”)。

由于由现有技术已知的斜面显微镜只有一个唯一的面向样本的物镜，所以它能实现一种用来基于荧光地显微地将光片成像到样本中的途径，这种光片成像借助带两个物镜的传统的光片显微镜是无法实现的。作为一个重要的组件，它含有用于立体成像的所谓的传送光学机构。该传送光学机构是一种4f-系统或者在两侧远心的成像系统，其放大率必须等于在样本空间与中间图像空间之间的折射率比例，以便也保证对孔径角度的正确成像。如果满足了两端远心以及所述的放大率匹配的要求，则似乎可以在样本空间与中间图像空间之间传送立体图像。相比之下，在传统的显微镜—其中未满足前述两个要求之一—中，仅仅进行平面图像传送。

对于前述类型的斜面显微镜，含有图像传感器的探测光学机构相对于传送光学机构倾斜。这意味着，探测光学机构和传送光学机构的光轴彼此相对倾斜。相应地，探测光学机构的图像传感器也相对于传送光学机构的光轴倾斜地朝向。

特别是在科学研究的显微镜应用中，近来特别是采用了昂贵的图像传感器，比如所谓的scmos-传感器(科学研究的cmos)，这些传感器的特点尤其是高分辨率、高图像速度、小的读取噪声和高动态性。这种scmos-传感器还具有如下特性：对于读取图像信号所需要的时间基本上仅仅与形成传感器面的传感器行的数量有关，而利用这些行读取的传感器列的数量对于读取过程的时长不重要。尤其在尽快的图像摄取方面，特别是在斜面显微镜中也希望应用这种图像传感器。

本发明的目的是，对前述类型的斜面显微镜予以设计，从而能实现特别快的图像摄取。

本发明通过根据权利要求1的斜面显微镜来实现所述目的。有利的改进在从属权利要求和后续说明中给出。

本发明的斜面显微镜包括：带有图像传感器的探测光学机构，该图像传感器具有由多个相互平行地布置的传感器行构成的传感器面；和带有面向样本的物镜的传送光学机构，该物镜既被设置用于借助相对于传送光学机构的光轴倾斜的光片对样本照明，又被设置用于使得利用光片照明的样本平面成像到图像传感器的传感器面上。在此，探测光学机构的光轴相对于传送光学机构的光轴倾斜。各传感器行分别在垂直于传送光学机构的光轴的方向上延伸。探测光学机构具有变形的放大系统，该放大系统的放大率在垂直于图像传感器的传感器行的方向上比在平行于传感器行的方向上小。

本发明首先基于如下认识：对于斜面显微镜，由于传送光学机构和探测光学机构的光轴彼此相对倾斜，在利用光片照明的样本平面成像到图像传感器上时必定出现不对称。本发明考虑到了这种状况，其方式为，相对于传送光学机构的光轴倾斜地布置的图像传感器的传感器行在其纵向延展中垂直于传送光学机构的光轴布置。在此，在本文中，传送光学机构的光轴与相应的传感器行之间的所述垂直应按照方向向量垂直的意义予以理解，这种垂直一同涵盖了这些方向向量在空间中的倾斜的位置。

本发明还利用了如下状况：在现代的图像传感器中，读取过程的时长基本上仅仅与所读取的传感器行的数量有关，而与垂直于它的传感器列的数量无关。读取过程的对于图像传感器固有的非对称性，现在根据本发明与由于在样本平面成像到图像传感器的传感器面上方面探测光学机构和传送光学机构的光轴倾斜而产生的非对称性相关联。具体而言，与采用球面对称的探测光学机构工作的已知方案相反，这一点的实现方式为，探测光学机构含有变形的放大系统，该放大系统的放大率在垂直于图像传感器的传感器行的方向上比在平行于传感器行的方向上小。结果，待读取的传感器行的数量于是得到减少，由此加快了图像摄取。

本发明因此提供了巨大的优势：在垂直于传感器行的方向上，由于前述的成像非对称性，分辨率本来就降低，在所述方向上，必须读取的像素明显减少，进而必须数字化的图像信号明显减少。

空间数据的数字化可以例如通过沿着传送光学机构的光轴或者垂直于该光轴进行。于是，使用变形的放大系统导致现在采用了三种不同的扫描速度，而不是两种不同的扫描速度—其中的一个扫描速度涉及立体扫描，另一个扫描速度涉及在探测平面上的两种扫描。这一点可以在合适的数据重构中例如在所谓的数据剪切中予以考虑。

图像传感器优选是scmos-传感器。如开篇已述，这种传感器的特点尤其是高分辨率、高图像速度、小的读取噪声和高动态性。

本发明的变形的放大系统例如是管透镜系统、棱镜系统或者折射或反射类型的望远镜系统。

在一个特殊的实施方式中，变形的放大系统是切换装置的一部分，该切换装置包括多个可有选择地引入到探测光学机构中的放大系统。通过准备多个可手动地或机动地更换的放大系统，可以实现不同的变形放大比例。特别地，切换装置也可以包括一种系统，该系统的垂直于和平行于传感器行的放大率是相同的，以便斜面显微镜利用通常球面地对称的探测光学机构工作。

斜面显微镜优选具有用来在中间图像空间中产生光片的照明光学机构，其中，传送光学机构在两侧远心地设计，并且在中间图像空间中产生的光片成像到样本中，利用光片予以照明的样本平面作为中间图像被成像到中间图像空间中。探测光学机构于是使得在中间图像空间中产生的中间图像成像到图像传感器上。在该实施方式中，照明光学机构、传送光学机构和探测光学机构的光轴在中间图像空间中彼此相交。

在前述实施方式中，传送光学机构是一种中间成像系统，该中间成像系统具有对于立体成像所需要的特性，即：与在样本空间和中间图像空间之间的折射率比例相等的放大率，以便保证对孔径角度的正确成像；以及在两侧即既在物体侧又在图像侧的远心性；进而与沿着光轴的位置无关的横向放大率。传统的显微镜的中间成像光学机构通常并非两侧远心，相比于这种传统的显微镜，使用两侧远心的传送光学机构还具有如下优点：在传送光学机构中不引起失真。

斜面显微镜优选具有设置在传送光学机构中的扫描部件，通过该扫描部件可使得光片在样本中横向于传送光学机构的光轴移动。该扫描部件能实现横向扫描，这种扫描便于立体成像。通常的光片显微镜为了摄取立体图像而使得物镜或样本因而使得比较大的质量沿着光轴移动，特别是相比于这种通常的光片显微镜，该实施方式具有无振动地摄取图像的优点。此外可以实现较高的立体图像率。

所述扫描部件例如是检流计反射镜，或者是微型-机电反射镜，简写为mems-反射镜。在该实施方式中，照明光学机构、传送光学机构和探测光学机构彼此协调，从而它们的光轴在中间图像空间中汇合，即彼此相交。由此在中间图像空间中产生的中间图像的区域内进行照明光输入。这能实现放弃在传送光学机构区域中的二色性部件，这些二色性部件在已知的荧光显微镜中用于照明光与探测光的组合或分开。由于一方面这种二色性部件产生严重的光瞳偏移，另一方面传送光学机构对于这种光瞳偏移相对敏感，所以，放弃二色性部件有利于在样本空间与中间图像空间之间精确地传送立体图像。于是可以例如放弃用于二色性分光器的非常精确的切换设计方案，这些切换设计方案能实现使得分光器适应于相应的实验，并且按照所需的精度只能繁琐地且昂贵地实现。此外，使用二色性分光器对于多波长成像来说是一种折中。因而在此例如经常出现光谱通道的串扰。相比之下，使用中性分光器和偏振分光器对于荧光成像来说并不适宜。在中间图像的区域中在照明光学机构、传送光学机构和探测光学机构的光轴相交处把照明光与发射光几何地组合起来，并且通过这种组合可以在传送光路中放弃二色性部件，由此可以避免前述缺点。于是前述实施方式规定，借助照明光学机构在中间图像空间中产生光片。探测光学机构具有如下功能：使得在中间图像空间中产生的中间图像成像到图像传感器上。因此，照明光学机构和探测光学机构本身就已经形成了一种显微镜单元，该显微镜单元的经过传送光学机构的光路仿佛只需再传送到样本中。换句话说，该显微镜单元已经可以理解为一种独立的只应与传送光学机构耦联的光片显微镜。因此，该布置比使用分光器等工作的系统具有更小的公差和调节敏感性，以将子系统仅组装为全功能显微镜。这由于如下原因而更是如此：在上述子系统中通常存在像差方面的差异，必须采取适当的预防措施来补偿或者干脆容忍这些差异。

出于上述原因，在一种优选的设计中，传送光学机构无分光器。该传送光学机构特别是没有用于输入照明光的二色性分光器。

优选地，扫描部件在传送光学机构内部布置在真实的光瞳图像的位置，即布置在傅里叶平面中。作为两侧远心的系统，传送光学机构只有一个唯一的光瞳。照明光学机构优选含有望远镜系统和面向中间图像的照明光学机构。

作为光源，优选使用激光光源，但该光源也可以是发光二极管或者是灯。在使用激光光源时，在照明光学机构的光路中无需激发滤光器。但若使用具有宽的发光光谱的光源，就会需要这种滤光器。照明光学机构优选含有用于产生光片的变形的光学系统。该变形的系统可以由柱面透镜单独地实现，或者与置于其之后的照明物镜相组合地实现。

在一种替代的实施方式中，照明光学机构含有用于产生光片的另一扫描部件，其形式例如为检流计反射镜或mems-反射镜。在该实施方式中，通过使得照射到扫描部件上的照明光束扫描移动，顺序地产生光片。这种光片产生方式例如提供了如下可行性：通过在光源与扫描部件之间的相应的同步来实现对光片的设计。

在上述实施方式中，斜面显微镜被设计成扫描显微镜，即该显微镜借助相应地控制的扫描部件使得光片在样本中移动，以便能实现立体成像。但本发明不局限于这种扫描式的斜面显微镜。因而例如也可以按如下方式来实现立体成像：使得面向样本的或者面向中间图像空间的物镜沿着传送光学机构的光轴移动。

下面借助附图详述本发明。其中：

图1作为实施例示出了斜面显微镜的示意性的结构；

图2示出斜面显微镜的一种变型的实施方式；

图3为在省去照明光学机构情况下的斜面显微镜的视图；

图4为示意图，其示出在未使用变形的放大系统情况下在图像传感器上产生图像；

图5为示意图，其示出在使用变形的放大系统情况下在图像传感器上产生图像；

图6示出斜面显微镜的一种变型的实施方式，其代替扫描部件而具有可移动的物镜。

图1以示意图示出了整体标有10的光片显微镜的结构，其按照斜面显微镜的方式用于立体成像。

斜面显微镜10包括照明光学机构12、传送光学机构14和探测光学机构16，它们的光轴o1、o2或o3在图1中标有18的中间图像空间内汇合，也就是说，在那里彼此相交。照明光学机构12用于使得由光源20供给它的照明光22聚焦到中间图像空间18中，从而在那里产生光片式的照明光分布。在中间图像空间18中产生的该光片然后经由传送光学机构14成像到样本19中，从而样本19的平面利用光片予以照明，并且被激发发出荧光辐射。光片或者用光片照明的样本平面在图1中纯示意性地示出，且在那里标有21或23。由样本19发出的荧光辐射也进入到传送光学机构14中，该传送光学机构于是把用光片21照明的样本平面23作为中间图像成像到中间图像空间18中。被照明的样本平面23的在中间图像空间18中产生的中间图像最终经由探测光学机构16成像到图像传感器30的传感器面28上。

照明光学机构12在由光源20发出的照明光22的传播方向上依次含有柱面透镜32、第一移调部件34、目镜透镜系统36、第二移调部件38、管透镜部件40以及面向中间图像空间18的照明物镜42。柱面透镜32和照明物镜42在根据图1的实施例中是变形的光学系统的一部分，该光学系统具有的功能是，从由光源20发出的照明光22在中间图像空间18中产生所希望形式的光片。在此，柱面透镜32把照明光22聚焦到照明物镜42的光瞳的由目镜透镜系统36和管透镜系统40产生的图像中。在根据图1的实施例中，管透镜系统40和目镜透镜系统36因而形成带有真实的中间图像的开普勒望远镜。但要指出，变形系统的在根据图1的实施方式中选取的实现方式应纯示范性地理解。于是例如特别是在数字孔径较小情况下也可行的是，放弃照明物镜42，仅仅使用柱面透镜32来形成光片。

在照明光学机构12中含有的两个移调部件34和38形成了一种移调装置，该移调装置能实现使得光片21相对于图像传感器30的传感器面28调节，确切地说，相对于传感器面28的通过探测光学机构16在中间图像空间18中产生的图像调节，光片21与该图像叠加。在此，移调部件38布置在与照明物镜42的图像平面共轭的平面中或附近。因此，通过翻摆移调部件38，主要改变照明光22从照明物镜42中射出的角度。移调部件34布置在与照明物镜42的光瞳平面共轭的平面中或附近。因此，通过移调部件34，可以主要调节从照明物镜42中射出的照明光22的位置。两个移调部件34和38因而允许尽可能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12可以含有其它的在图1中未明确示出的部件，比如场光圈和/或孔径光圈。场光圈在此具有如下功能：在光片的传播方向上限制该光片。相比之下，孔径光圈用于限制光片的聚焦张角。按照从物体侧观察的该顺序，传送光学机构14含有面向样本19的物镜44、管透镜系统46、目镜透镜系统48、扫描部件50、目镜透镜系统52、管透镜系统54、转向部件26、无焦点系统58以及中间成像物镜56。物镜44在此形成斜面显微镜10的唯一的面向样本的物镜。

在当前实施例中，传送光学机构14被设计成在两侧远心的光学系统。在传送光学机构14中含有的无焦点系统58用于根据样本空间与中间图像空间18之间的折射率比例来进行对于所希望的立体图像传送必需的放大率调整。

扫描部件50例如设计成检流计反射镜或mems-反射镜，它能实现横向地即横向于物镜44的光轴利用光片来扫描样本19。为此，扫描部件50在两个目镜透镜系统48和52之间布置在如下位置：在该位置，借助于目镜透镜系统48和52产生传送光学机构14的光瞳的真实图像。

探测光学机构16含有面向中间图像空间18的探测物镜60以及将在下面详述的功能单元62，该功能单元包括管透镜系统63和变形的放大系统65(参见图3)。通过探测物镜60和功能单元62，利用光片21照明的样本平面23的通过传送光学机构14在中间图像空间中产生的中间图像成像到图像传感器30的传感器面28上。

斜面显微镜10还具有控制单元64，该控制单元控制光源20、图像传感器30和扫描部件50。控制单元64尤其负责使得光源20、图像传感器30和扫描部件50彼此同步地工作。于是，控制单元64例如确保扫描部件50的翻摆、进而光片21的横向的扫描移动与图像传感器30的图像摄取同步。光源20也可以借助控制单元64同步地工作，其方式比如为，在扫描部件50的复位移动期间和/或在图像传感器30的读取时间期间将照明光切断。这些同步化的控制过程当然应仅示范性地予以理解。

由于在根据图1的斜面显微镜10中照明光学机构12、传送光学机构14和探测光学机构16彼此对准，使得它们的光轴o1、o2或o3在中间图像空间18内汇合，所以，由光源20产生的照明光22输入到传送光学机构14中仿佛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14的区域中放弃二色性的分光部件。因此能够可靠地避免对传送光学机构14的成像性能不利的光瞳偏移。

在图2中作为第二实施例示出了图1中所示的斜面显微镜10的一种变型。该变型仅仅在于，代替在第一实施例中用于产生光片21的柱面透镜32，在照明光学机构12中设置了另一扫描部件24。该扫描部件24例如是检流计反射镜或mems-反射镜，它在照明光学机构12中布置在如下位置：在第一实施例中移调部件34位于在该位置。扫描部件24引起照明光的扫描移动，通过该扫描移动，顺序地产生所希望的光片21。在此，控制单元64也负责使得扫描部件24的工作与其它系统组件特别是在传送光学机构14中含有的扫描部件50和图像传感器30同步。

为了介绍在图1和2中整体地标有62的功能单元是如何与图像传感器30采用本发明的方式配合作用的，在图3中再一次示出了斜面显微镜10的探测光学机构16和传送光学机构14，省去了照明光学机构12。为简明起见，在图3中省去了在传送光学机构14中含有的无焦点系统58。

在探测光学机构16中含有的图像传感器30在当前的实施例中是scmos-传感器，其传感器面28由像素31的阵列构成(参见图4和5)。参照在图3～5中示出的坐标系，该阵列含有多个分别在x-轴方向上延伸的传感器行33以及多个分别在y-轴方向上延伸的传感器列35。作为scmos-传感器，图像传感器30具有如下特性：为了读取在图像传感器30中产生的图像信号所需要的时间基本上仅仅与传感器行33的数量有关，而与传感器列35的数量无关。

考虑到如下情况：探测光学机构的光轴o3相对于传送光学机构14的光轴o2倾斜，进而图像传感器30的传感器面28相对于传送光学机构的光轴o2倾斜，因此传感器行33的方向被选取得恰好使得传感器行33垂直于传送光学机构14的光轴o2。这意味着，传感器行33在其相应的纵向延展中没有沿着传送光学机构14的光轴o2的分量。

相比之下，图像传感器30的沿着y-轴朝向的传感器列35在其纵向延展中分别具有沿着传送光学机构14的光轴o2的分量。因探测光学机构16相对于传送光学机构14的倾斜姿态引起的该分量会导致传送光学机构14不能在y-轴方向上对探测光学机构16的完整的孔径予以照明，这造成在y-轴方向上的分辨率降低。此外，由于这种倾斜姿态，在传送光学机构14中出现的球面像差—该像差例如因样本所致的折射率失调而引起—会在摄像机传感器30上产生的图像中表现为在y-轴方向上的慧形像差。这导致在y-轴方向上的分辨率进一步降低。

前面介绍的、对成像本身有不利影响的状况，现在根据本发明借助在功能单元62中含有的变形的放大系统65被用于减少图像传感器30的待读取的传感器行33的数量，由此可以提高图像传感器30的读取速度。然而，即使没有对成像的前述影响，在应用上也希望提高读取速度，其中，接受了图像被传感器30数字化的扫描速度降低。于是，变形的放大系统65经过设计，从而其放大率在y-轴方向上比在x-轴方向上小。

变形的放大系统65的效果在图4和5中示出。在此，图4纯示范性地示出未借助变形的放大系统65在图像传感器30的传感器面28上产生的图像a。在根据图4的例子中，图像a总共沿着十二个传感器行33延展。

相比之下，图5示出在使用变形的放大系统65情况下的相应的成像。在所示例子中，变形的放大系统65负责使得在图像传感器30的传感器面28上产生的图像a沿着y-轴仅仅还沿着六个传感器行33延展。因此，待读取的传感器行33的数量在如下方向上减少了：在该方向上，由于传送光学机构14和探测光学机构16的光轴相对倾斜，分辨率本来就会降低。

在图1和2中所示的斜面显微镜10具有扫描部件50，该扫描部件用于横向地即横向于物镜44的光轴利用光片21来扫描样本19。但斜面显微镜10并不局限于这种实施方式。因而图6示出了与图3中所示的布置相应的布置，但没有扫描部件50因而没有两个目镜透镜系统48、52也能应付。为了在根据图6的布置中能实现利用光片21来扫描样本19，进而实现立体成像，可使得面向样本的物镜44沿着光轴o2移动。但也可考虑使得面向中间图像空间的物镜56移动。

附图标记清单

10光片显微镜

12照明光学机构

14传送光学机构

16探测光学机构

18中间图像空间

19样本

20光源

21光片

22照明光

23样本平面

24扫描部件

26转向部件

28传感器面

30图像传感器

31像素

32柱面透镜

33传感器行

34移调部件

35传感器列

36目镜透镜系统

38移调部件

40管透镜系统

42照明物镜

44面向样本的物镜

46管透镜系统

48目镜透镜系统

50扫描部件

52目镜透镜系统

54管透镜系统

56中间成像物镜

58无焦点系统

60探测物镜

62功能单元

63管透镜系统

64控制单元

65变形的放大系统

66图像旋转单元

o1照明光学机构的光轴

o2传送光学机构的光轴

o3探测光学机构的光轴