(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201780035308.1
(22)申请日 2017.06.02
(30)优先权数据
102016110433.7 2016.06.06 DE
(85)PCT国际申请进入国家阶段日
2018.12.06
(86)PCT国际申请的申请数据
PCT/EP2017/063456 2017.06.02
(87)PCT国际申请的公布数据
WO2017/211714 DE 2017.12.14
(71)申请人 卡尔蔡司显微镜有限责任公司
地址 德国耶拿
(72)发明人 因格·克莱珀
托马斯·卡尔克布莱纳
(74)专利代理机构 北京市创世宏景专利商标代理有限责任公司 11493代理人 崔永华(51)Int.Cl.G02B 21/00(2006.01)G02B 21/36(2006.01)G02B 27/48(2006.01)
(54)发明名称显微镜和显微成像方法(57)摘要本发明涉及一种显微镜(10)，其包括用于成像光路(16)、照射光路(14)、检测装置(20)和用于控制检测装置(20)和照射装置(18)的控制装置(22)。控制装置将阵列中的检测装置(20)的光源(24)分成至少第一组和第二组(54)，其中每组(54)由阵列中彼此相邻的光源(24)组成并覆盖阵列的一部分。控制装置(22)在一个时间点仅接通第一组(54)的一个光源(24)并按照顺序以一时钟周期切换第一组(54)的光源(24)，使得两个先后接通的光源(24)在阵列中彼此相邻，并且第二组(54)的光源(24)以与第一组(54)的光源(24)相同的时钟周期接通。控制装置(22)以与光源(24)的切换相同的时钟周期读取检测装置 (20)。权利要求书2页 说明书8页 附图6页CN 109313327 A 2019.02.05
C N 109313327
A
1.一种用于对物体(12)成像的显微镜，其包括
成像光路(16)，用于以确定物平面中的最小直径的分辨率将物体(12)从物平面成像到像平面，
照射光路(14)，用于将照射装置(18)的照射辐射投射到物平面中，照射装置(18)具有多个光源(24)，并且投射到物平面中的光源(24)具有2D阵列的形式，相邻的光源(24)以比最小直径小的相互距离布置在阵列中，
检测装置(20)，其具有多个检测像素(40)，投射到物平面中的检测像素(40)具有2D阵列的形式，因此相邻的检测像素(40)以小于艾里直径的相互距离布置在阵列中，并且因此恰好一个光源(24)被分配给阵列中的每个检测像素(40)，以及
控制装置(22)，用于控制检测装置(20)和照射装置(18)，
控制装置将阵列中的光源(24)分成至少第一组和第二组(54)，每组(54)由阵列中彼此相邻的光源(24)组成并覆盖阵列的一部分，
控制装置(22)在一个时间点仅接通第一组(54)的一个光源(24)并按照顺序以一时钟周期切换第一组(54)的光源(24)，并且第二组(54)的光源(24)以与第一组(54)的光源(24)相同的时钟周期接通，并且
控制装置(22)以与光源(24)的切换相同的时钟周期读取检测装置(20)。
2.根据权利要求1所述的显微镜，其特征在于，控制装置(22)同时读取所有检测像素(40)。
3.根据权利要求1所述的显微镜，其特征在于，控制装置(22)对于每个组(54)以与所述顺序相反的顺序读取阵列的相应部分中的检测像素(40)。
4.根据权利要求3所述的显微镜，其特征在于，控制装置(22)读取检测像素(40)的由成像光路(16)的入射辐射产生的信号，所述检测像素(40)在一段时间内保持曝光，直到所有光源(24)都被切换过。
5.根据权利要求4所述的显微镜，其特征在于，检测装置(20)包括CCD阵列传感器并且信号是电荷，检测像素(40)的电荷被移位以进行重新分配。
6.根据权利要求1所述的显微镜，其特征在于，为了读取检测装置(20)，控制装置(22)每个时钟周期仅读取对应于相应接通光源(24)的、阵列的相应部分中的检测像素(40)，控制装置(22)根据接通的光源(24)由各个检测像素(40)的信息计算物体(12)的衍射图案。
7.根据以上权利要求中任一项所述的显微镜，其特征在于，投射到物平面中的照射装置(18)可以产生具有至少两个不同波长范围的照射辐射，控制装置(22)在波长范围方面以如下方式控制光源(24)，使得投射到物平面的发射不同波长范围的辐射的光源(24)具有大于最小直径的距离。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的显微镜，其特征在于，每个检测像素(40)包括至少两个颜像素(58)，为每个颜像素(58)前置不同的滤器(60)，并且控制装置(22)同时读取所有颜像素(58)。
9.根据以上权利要求中任一项所述的显微镜，其特征在于，控制装置(22)按顺序至少两次切换各个光源(24)并且分别读取检测装置(20)。
10.一种用于对物体(12)成像的显微成像方法，包括以下步骤：
将物体布置在物平面(12)中，
以确定物平面中最小直径的分辨率将物体(12)从物平面成像到具有成像光路(16)的像平面中，
用照射光路(14)将照射装置(18)的照射辐射投射到物平面中，照射装置(18)具有多个光源(24)并且投射到物平面中的光源(24)具有2D阵列的形式，相邻的光源(24)彼此相距小于最小直径的距离布置在阵列中，
用具有多个检测像素(40)的检测装置(20)检测成像光路(16)，投射到物平面中的检测像素(40)具有2D阵列的形式，因此相邻的检测像素(40)以小于艾里直径的相互距离布置在阵列中，并且由此将阵列中的每个检测像素(40)对应于恰好一个光源(24)，以及将阵列中的光源(24)分成至少第一组和第二组(54)，每组(54)由阵列中彼此相邻的光源(24)组成并覆盖阵列的一部分，
在一个时间点仅接通第一组(54)的一个光源(24)，按顺序以一时钟周期切换第一组(54)的光源(24)，并且以与第一组(54)的光源相同的时钟周期接通第二组(54)的光源(24)，以及
以与光源(24)的切换相同的时钟周期读取检测装置(20)。
显微镜和显微成像方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于对物体成像的显微镜，其包括用于布置物体的物平面、成像光路、照射光路、检测装置和控制装置。此外，本发明涉及一种用于对物体成像的显微成像方法，包括以下步骤：将物体布置在物平面中；以确定物平面中最小直径的分辨率将物体从物平面成像到具有成像光路的像平面中。
背景技术
[0002]对于共焦显微镜，如果以小于衍射极限的步幅扫描物体，则可以获得比显微镜确定的衍射极限更好的分辨率。作为示例，在这方面参见DE 102010049627 A1。此外，已知不通过机械部件、而是通过光源阵列实现用于照射物体的扫描运动，例如在DE 102012217967 A1或G.Zheng等人的文章Microscopy refocusing and dark-field imaging by using a simple LEDarray，2011年10月15日，Vol.36，No.20，Optics Letters中所描述的。A.G.York 等人的Resolution doubling in live，multicellular organisms via multifocal structured illumination microscopy，2012年5月13日，Nature Methods描述了如何可以通过将多个共焦成像的信号相加来改善信噪比。A.G.York等人的Instant super-resolution imaging in live cells and embryos via analog image processing，October 6，2013年10月6日，Nature
Methods描述了如何可以加速检测器的读取。[0003]US2009/0218527A1提出了一种共焦显微镜，其具有由2D LED阵列组成的光源。[0004]另外，DE 102013001238 A1公开了一种方法，该方法在高分辨率显微镜的情况下，可以减少用于判读来自检测装置的信号的计算耗费。参考图1解释这种方法。这里示意性地示出了沿x轴的样品的截面。样品包括荧光样品点110。另外，示出了照射点112。它的强度I 在纵坐标上给出。照射光斑112的尺寸可以是受衍射限制的并且在x方向上大于样品点110。如果照射光斑112碰到样品点110，则样品点被激发出荧光并发射样品光，该样品光可以由检测器装置检测。在图1中还画出了检测器装置114在样品平面中的另一个(在这里是无限尖锐的)投影。检测器装置114包括多个检测器元件116、118。这些检测器元件不仅接收从样品的单个点发出的样品光。而且，扩展的接收范围被成像到每个检测器元件116、118上，该接收范围由成像的PSF(点扩展函数)确定。检测器元件118的PSF显示为虚线120。照射光斑112的尺寸也可以由点光源的PSF确定。由特定检测器元件118测量的光强度现在由总PSF确定，该总PSF是用于照射光斑112的PSF与用于检测器元件118的PSF 120的乘积。总PSF的最大值大致位于相应检测器元件118的PSF 120和照射光斑112之间的中点。在所示的实例中，检测器元件118因此主要从位于照射光斑112和PSF 120之间的中间的部位122A接收光。相反，检测器元件118几乎不测量位置122D处的光，尽管在此处对应的PSF 120具有其最大值。为了对样本进行采样，现在将照射光斑从位置124D移动到例如124B。这在本文中称为照射扫描运动。由此改变了检测器元件118的总PSF。它现在不再测量主要来自位置122A的光，而是测量来自122B的光。这种情况可用于提高分辨率。为此目的，将检测器元件在照射光斑112的每个位置读取。在此情况下测量的样品光信号根据照射光斑112的位置分配给不同的
样品区域。也就是说，根据照射光斑112的位置，将由同一个检测器元件测量的样品光信号重新安排。
[0005]通过横轴下方的弯曲实线箭头示出了重新安排。因此，当照射光斑位于位置124D 时，检测器元件118的信号被分配给物体110的部位122A。类似地，部位122C处的检测器元件在位置124C的照射光斑时的信号与物体110的部位相关联。而且，检测器元件122B在位置124B的照射光斑时的信号与物体110的部位相关联。以这种方式，可以实现分辨率改善。但是，实现这种重新安排所需的设备耗费很高。另外，用于计算重新安排的的时间需求相对较长。
[0006]分辨率的改善也可以描述为单点系统的光学传递光谱中较高空间频率的更强加权。由于1-艾里针孔直径内的光分布用于图像生成，因此可以检测到更多的光子。因此改善了信噪比。如参考图1所解释的，特定检测器元件从其接收最大光量的样品区域取决于样品上的照射图案或照射光斑的位置。通过照射扫描运动使照射图案在样品上移动。这也使总PSF移位，从而移动特定检测器元件从其接收最大光量的样品区域。
[0007]作为优点，可以通过检测扫描运动来实现特定检测器元件主要从总是相同的样品区域接收光。因此，尽可能不由于照射和检测扫描运动改变总PSF的最大值的位置。为此目的，检测扫描运动必须与照射扫描运动相反并且必须与其同时进行。检测扫描运动和照射扫描运动之间的反向运动的效果也将参考图3进行解释。在所示的情况下，检测器元件118主要接收来自区域122A的光。在这里总PSF有其最大值。
在照射扫描运动中，照射光斑112然后沿箭头126的方向移动，例如直到其最大值位于位置124C。同时，在检测扫描运动中，检测元件118的接收区域在相反方向上移动，也就是说在箭头方向128上移动。检测元件118的接收区域可以被认为是从其PSF 120直到PSF 120的第一最小值的范围。如果它在箭头方向82上移动的程度使得其最大值处于位置122C，则检测器元件118的总PSF的最大值仍然位于位置122A。结果，可以有利地避免现有技术中描述的重新安排，其中根据照射光斑的位置将特定检测器元件的接收信号分配给不同的样品位置。
发明内容
[0008]本发明的目的是提供一种显微镜和一种显微成像方法，其中可以简化物体的成像。
[0009]该目的通过根据权利要求1的显微镜和根据权利要求10的显微成像方法实现。从属权利要求描述了本发明的优选实施方案。
[0010]本发明提供一种用于对物体成像的显微镜，其包括用于布置物体的物平面、成像光路、照射光路、检测装置和控制装置。成像光路以确定物平面中的最小直径的分辨率将物体从物平面成像到像平面。照射光路将照射装置的照射辐射投射到物平面中，其中照射装置具有多个光源，并且投射到物平面中的光源具有2D阵列的形式，其中相邻的光源以比最小直径小的相互距离布置在阵列中。检测装置具有多个检测像素，其中投射到物平面中的检测像素具有2D阵列的形式，因此相邻的检测像素以小于最小直
径的相互距离布置在阵列中。控制装置控制检测装置和照射装置，其中控制装置将阵列中的光源分成至少第一组和第二组，其中每组由阵列中彼此相邻的光源组成并覆盖阵列的一部分。控制装置在一个时间点仅接通第一组的一个光源并按照顺序以一时钟周期切换第一组的光源，其中第二组的
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