本發(fā)明涉及一種顯微鏡，其帶有至少一個(gè)設(shè)置在光路中的矯正單元，該矯正單元用于矯正可改變的球面像差。

背景技術(shù)：

如果用顯微鏡聚焦到生物樣本中，就會(huì)出現(xiàn)由折射率失配引起的球面像差，其根據(jù)樣本深度而改變。這些像差導(dǎo)致分辨率和對(duì)比度減小。此外，它們與物鏡的工作距離以及在樣本中出現(xiàn)的吸收和散射一起限制了進(jìn)入到樣本中的最大的穿透深度。

為了矯正球面像差的目的，有一些具有矯正環(huán)的物鏡，該矯正環(huán)使得物鏡內(nèi)部的透鏡組沿著光軸移動(dòng)。在光學(xué)地設(shè)計(jì)物鏡時(shí)必須考慮用于矯正的透鏡組。通常，透鏡組只能以高的機(jī)械耗費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別是無(wú)法事后給物鏡配備這種矯正單元。

為了矯正球面像差的目的，在EP 0 859 259 A2中提出，在物鏡與管式透鏡之間設(shè)置適配件，這些適配件由相互膠合的透鏡構(gòu)成，借助于這些適配件能引入或補(bǔ)償可變的球面像差。然而，提出的直接在物鏡上方的設(shè)置通常會(huì)改變整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)校長(zhǎng)度此外，由于不同焦距的物鏡的孔眼大小不同，所提到的適配件要強(qiáng)制地特定于物鏡來(lái)設(shè)計(jì)。

US 8 659 827 B2公開(kāi)了一種設(shè)置在無(wú)限光路中的可失調(diào)的無(wú)焦系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可引入或補(bǔ)償球面像差。由于該無(wú)焦系統(tǒng)設(shè)置在光路的一個(gè)區(qū)域中，在該區(qū)域內(nèi)，光線同時(shí)朝向不同的場(chǎng)點(diǎn)(Feldpunkt)傳播，所以該系統(tǒng)必須為了完整的視場(chǎng)而予以矯正。這嚴(yán)重地限制了可實(shí)現(xiàn)的矯正效果。

WO 2012/025349 A1披露了一種矯正系統(tǒng)，其具有可相對(duì)于彼此橫向移動(dòng)以用于補(bǔ)償球面像差的自由形狀面。然而，該矯正系統(tǒng)所需要的自由形狀面設(shè)計(jì)復(fù)雜，因而制造昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是對(duì)開(kāi)篇所述類型的顯微鏡予以改進(jìn)，從而可以可靠地且采用簡(jiǎn)單的技術(shù)手段來(lái)矯正可變的球面像差、特別是由折射率失配引起的像差。

本發(fā)明通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的顯微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。

根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置在顯微鏡中的矯正單元包括至少一個(gè)光學(xué)矯正元件，該矯正元件沿著光軸可移動(dòng)地設(shè)置在光路的會(huì)聚或發(fā)散的區(qū)域中。光學(xué)矯正元件具有至少一個(gè)矯正面，該矯正面的被光路的會(huì)聚或發(fā)散的區(qū)域穿過(guò)的部分形成了矯正作用的面區(qū)段，該面區(qū)段的橫向于光軸的徑向延展可通過(guò)矯正元件沿著光軸的移動(dòng)而改變。

本發(fā)明規(guī)定，矯正元件在光路的會(huì)聚或發(fā)散的區(qū)域中軸向地移動(dòng)，這樣就能任意地改變矯正面的光學(xué)作用的面區(qū)段，以便按所希望的方式來(lái)影響穿過(guò)矯正元件的光束的波前(Wellenfront)。特別是這樣就可以精確地調(diào)節(jié)由矯正元件的矯正作用的面區(qū)段引起的波前的變形，從而補(bǔ)償由折射率失配引起的波前誤差。矯正元件為此可以設(shè)計(jì)成單獨(dú)的光學(xué)元件，或者設(shè)計(jì)成透鏡組或膠合件。

矯正元件的軸向移動(dòng)可以手動(dòng)地或者機(jī)動(dòng)地進(jìn)行。也可以設(shè)置控制件，其借助于控制程序?qū)ΤC正元件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

此外，本發(fā)明的矯正單元也可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，使得它具有多個(gè)不同的可更替地或可切換地備用的矯正元件。對(duì)這些矯正元件的更替或切換也可以手動(dòng)地、機(jī)動(dòng)地進(jìn)行，或者也可以通過(guò)采用控制程序來(lái)進(jìn)行。

矯正元件優(yōu)選是非球面的折射元件，例如是繞著光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、非球面的透鏡，該透鏡由光折射材料制成，優(yōu)選由光學(xué)玻璃制成。

但矯正元件也可以由衍射元件例如菲涅爾波帶片或全息圖(Hologramm)構(gòu)成。

優(yōu)選地，矯正元件被消色差。但是，采用非消色差的元件同樣是可行的。當(dāng)然，當(dāng)采用窄帶光或者甚至單色激光工作時(shí)，這尤其適用。

由折射率失配引起的波前誤差可以如下分析地給出：

其中，n1和n2表示相鄰介質(zhì)的折射率，而ρ表示透鏡孔眼中的相對(duì)的徑向坐標(biāo)，α表示透鏡的孔徑角，d表示進(jìn)入到具有折射率n2的介質(zhì)中的穿透深度。

該波前誤差現(xiàn)在可以例如展開(kāi)成所謂的澤尼克多項(xiàng)式，例如在P.P.Varga,G.Nemeth的“Analytical Solution of the diffraction integrals and Interpretation of wave-front distortion when light is focused through a planar interface between materials of mismatched refractive indices(當(dāng)光通過(guò)折射率失配的材料之間的平面界面聚焦時(shí)衍射積分的分析解決方案和波前畸變的解釋)”(美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)期刊A輯(J.Opt.Soc.Am.A.),卷12,頁(yè)數(shù)12,2660-2671(1995))中所描述的。該展開(kāi)式的最低階恰好對(duì)應(yīng)于散焦，這種散焦由折射率失配引起，且在本領(lǐng)域也以名稱“金魚(yú)缸效應(yīng)(fish tank effect)”所公知。相反，較高階則對(duì)應(yīng)于不可后聚焦的像差。這種待補(bǔ)償?shù)牟ㄇ罢`差可以用作矯正元件的表面形狀的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

優(yōu)選地，矯正面的表面形狀可基于多項(xiàng)展開(kāi)式來(lái)表示。光線在經(jīng)過(guò)矯正元件時(shí)所需的波前變形以及由此矯正元件所需的表面形狀，現(xiàn)在可以基于上述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的澤尼克多項(xiàng)式通過(guò)參數(shù)化來(lái)給出。但要指出，上述多項(xiàng)式展開(kāi)不必專門(mén)地基于澤尼克多項(xiàng)式進(jìn)行，而是也可以采用其它多項(xiàng)展開(kāi)式。

在另一可能的設(shè)計(jì)中，矯正面由橢圓形的拋物面形成，該拋物面的頂點(diǎn)優(yōu)選位于光軸上。于是在具有光軸的剖面中，矯正面具有拋物線的形狀。

在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，矯正面經(jīng)設(shè)計(jì)，使得因矯正元件沿著光軸移動(dòng)引起的矯正作用的面區(qū)段的改變對(duì)由折射率失配而產(chǎn)生的球面像差予以矯正。這意味著，在該實(shí)施方式中，當(dāng)矯正元件軸向地移動(dòng)時(shí)，除了因折射率失配而在樣本中產(chǎn)生的散焦之外，未引入散焦。

在另一有利的設(shè)計(jì)中，矯正單元與優(yōu)選自動(dòng)化的聚焦傳動(dòng)件作用地聯(lián)接，該聚焦傳動(dòng)件對(duì)因矯正元件的軸向移動(dòng)而引起的散焦予以補(bǔ)償。這樣，因矯正元件的軸向移動(dòng)而引入的散焦可以在考慮到矯正面的表面形狀情況下例如通過(guò)計(jì)算算出。于是聚焦傳動(dòng)件可以根據(jù)通過(guò)計(jì)算確定的散焦而被驅(qū)動(dòng)，從而進(jìn)行相應(yīng)的、補(bǔ)償性的后聚焦。

優(yōu)選地，本發(fā)明的顯微鏡具有調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)，該調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)在光路中后置于矯正元件，且經(jīng)過(guò)適當(dāng)構(gòu)造，從而該調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)使得穿過(guò)矯正元件的光束準(zhǔn)直。通過(guò)把準(zhǔn)直的調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)集成到矯正單元中，可以在補(bǔ)裝的范疇內(nèi)將矯正單元裝入到準(zhǔn)直的顯微鏡光路中，而無(wú)需大的耗費(fèi)。

在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，上述調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)還經(jīng)過(guò)適當(dāng)構(gòu)造，使得穿過(guò)矯正元件的光束的集束橫截面可適配于物鏡孔眼的大小。這樣就能根據(jù)需要為不同的物鏡設(shè)計(jì)矯正單元。

調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)優(yōu)選包括變焦系統(tǒng)，利用該變焦系統(tǒng)可以連續(xù)地改變穿過(guò)矯正元件的光束的集束橫截面。變焦調(diào)節(jié)可以手動(dòng)地或機(jī)動(dòng)地進(jìn)行，或者可以借助于控制程序來(lái)進(jìn)行。

也可以采用可分立地切換的光學(xué)器件替代變焦系統(tǒng)，這些器件能實(shí)現(xiàn)逐級(jí)地調(diào)整集束橫截面。

優(yōu)選地，本發(fā)明的顯微鏡具有光學(xué)元件，該元件用于產(chǎn)生光路的會(huì)聚或發(fā)散的區(qū)域。該元件例如可以利用光導(dǎo)纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)，該光導(dǎo)纖維的未準(zhǔn)直的纖維輸出端以所需的方式影響光路。但也可行的是，采用一個(gè)或多個(gè)合適的透鏡來(lái)代替光導(dǎo)纖維，這些透鏡產(chǎn)生光路的會(huì)聚或發(fā)散的區(qū)域。

本發(fā)明的顯微鏡優(yōu)選是掃描顯微鏡，特別是共焦顯微鏡或多光子顯微鏡。在共焦顯微鏡的情況下，矯正單元優(yōu)選設(shè)置在主分束器與掃描系統(tǒng)之間。由于在共焦顯微鏡的所述位置只能看到軸光線，所以大大簡(jiǎn)化了矯正元件的光學(xué)設(shè)計(jì)。但也可行的是，矯正單元設(shè)置在光源與掃描模塊之間，或者設(shè)置在探測(cè)器與掃描模塊之間。也可以設(shè)置兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的矯正單元，其中一個(gè)矯正單元設(shè)置在光源與掃描模塊之間，而另一個(gè)矯正單元設(shè)置在探測(cè)器與掃描模塊之間。在多光子顯微鏡中，本發(fā)明的矯正單元優(yōu)選位于光源與掃描模塊之間。

附圖說(shuō)明

下面借助不同的實(shí)施例參照附圖詳述本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明的帶有非球面矯正元件的矯正單元的示意圖，該矯正元件在顯微鏡光路的會(huì)聚區(qū)域中設(shè)置在不同的軸向位置；

圖2為一個(gè)示意圖，其中示出了調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)對(duì)穿過(guò)非球面矯正元件的光束的集束橫截面的影響；

圖3為共焦顯微鏡的示意圖，其中，本發(fā)明的矯正單元設(shè)置在主分束器和掃描模塊之間；

圖4為共焦顯微鏡的示意圖，其中，在光源和主分束器之間以及在探測(cè)器與主分束器之間分別設(shè)置有本發(fā)明的矯正單元；和

圖5示出一種多光子顯微鏡，其中，在光源和掃描模塊之間設(shè)置有本發(fā)明的矯正單元。

具體實(shí)施方式

圖1示出整體標(biāo)有10的矯正單元，其被設(shè)置應(yīng)用在光學(xué)顯微鏡中。矯正單元10用來(lái)矯正在該光學(xué)顯微鏡中由于折射率失配而出現(xiàn)的球面像差，該球面像差根據(jù)樣本深度而改變。

矯正單元10包括光學(xué)矯正元件12和調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15。該矯正元件12設(shè)置在顯微鏡光路的區(qū)域14內(nèi)，在該區(qū)域中，射到矯正元件12上的光束16的邊緣光線朝向光軸O會(huì)聚。

在當(dāng)前實(shí)施例中，矯正元件12是由光折射材料例如光學(xué)玻璃構(gòu)成的透鏡元件，該透鏡元件在其面向入射的光束16的一側(cè)具有非球面的透鏡面18。該非球面的透鏡面18具有橢圓形的旋轉(zhuǎn)橢圓體的形狀，該旋轉(zhuǎn)橢圓體的頂點(diǎn)位于光軸O上。因而在圖1所示的、具有光軸的剖面中，非球面的透鏡面18具有拋物線的形狀。

非球面的透鏡面18形成矯正面，該矯正面僅僅在其被光軸O穿過(guò)的中間的面區(qū)段內(nèi)被光路的會(huì)聚區(qū)域14穿過(guò)，而矯正面18的遠(yuǎn)離所述軸的邊緣區(qū)段徑向地設(shè)置在光路的會(huì)聚區(qū)域14的外部。矯正面18的被光路的會(huì)聚區(qū)域14穿過(guò)的部分在下面稱為矯正作用的面區(qū)段20。

本發(fā)明現(xiàn)在規(guī)定，矯正元件12沿著光軸O移動(dòng)，以便根據(jù)待矯正的球面像差，改變中央的矯正作用的面區(qū)段20的橫向于光軸O的徑向尺寸。在圖1中，針對(duì)矯正元件12的三個(gè)不同的軸向位置示出了對(duì)矯正作用的面區(qū)段20的這種改變。因而由圖1可知，當(dāng)矯正元件與光方向相逆地(在圖1中從右向左)沿著光軸O移動(dòng)時(shí)，相對(duì)于光軸O旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、非球面的面區(qū)段20由于光路區(qū)域14的會(huì)聚而徑向地向外增大。由于通過(guò)矯正元件12實(shí)現(xiàn)的矯正效果隨著矯正作用的面區(qū)段20的變化而改變，所以可以通過(guò)沿著光軸O適當(dāng)?shù)囟ㄎ怀C正元件12來(lái)矯正可隨著樣本深度改變的像差。

在矯正單元10中具有的調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15具有使得穿過(guò)矯正元件12的光束16準(zhǔn)直的功能，從而光路在從調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15射出之后平行地取向。調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15還用于使得光束16的橫截面適配于圖1中未示出的顯微鏡物鏡的孔眼大小。

在當(dāng)前實(shí)施例中，調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15是一種變焦系統(tǒng)，利用該變焦系統(tǒng)可以連續(xù)地改變準(zhǔn)直的光束18的集束橫截面。在圖2中示出調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15的三種不同的變焦調(diào)節(jié)和從調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)15射出的光束16的相應(yīng)的集束橫截面。

在圖3至圖5中純示范性地示出矯正單元10的各種應(yīng)用可行性。

圖3純示意性地4示出共焦顯微鏡20，其包括光源22、主分束器24、掃描模塊26、物鏡28、控制件30、聚焦傳動(dòng)件32以及探測(cè)器34。另外，在共焦顯微鏡20中設(shè)有上面參照?qǐng)D1和2描述的矯正單元10，在該矯正單元之前設(shè)有聚光透鏡36。聚光透鏡36產(chǎn)生光路的會(huì)聚區(qū)域14，矯正單元10的矯正元件12在該區(qū)域中軸向地移動(dòng)。在圖3所示的應(yīng)用示例中，矯正單元10設(shè)置在主分束器24和掃描模塊26之間。

控制件30還具有根據(jù)待矯正的球面像差，例如通過(guò)合適的馬達(dá)，在光路的會(huì)聚區(qū)域14中軸向地移動(dòng)矯正元件12的功能。通過(guò)控制件30，矯正單元10也與聚焦傳動(dòng)件32聯(lián)接。通過(guò)矯正單元10與聚焦傳動(dòng)件32的這種聯(lián)接，可以補(bǔ)償由于矯正元件10的軸向移動(dòng)引起的散焦，其方式為，在控制件30的控制下促動(dòng)聚焦傳動(dòng)件32，進(jìn)行相應(yīng)的后聚焦。這例如基于由控制件30輸出的控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行，由矯正元件12引起的散焦在該控制信號(hào)中予以考慮(eingehen)。這樣就可以由非球面的矯正面18的表面形狀以及由矯正件12的軸向移動(dòng)例如通過(guò)計(jì)算確定出散焦。

圖4示出另一應(yīng)用示例，即共焦顯微鏡40，其具有兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的矯正單元10和10’。此外，在圖4中，與圖3中所示的組件相應(yīng)的那些顯微鏡組件標(biāo)有相同的附圖標(biāo)記。

就根據(jù)圖4的共焦顯微鏡40而言，第一矯正單元10’在光路12中位于光源22與主分束器24之間。由于在所示示例中從光源22發(fā)出的光束發(fā)散地進(jìn)入到第一矯正單元10’中，所以相比于圖1中所示的、接收會(huì)聚的光束的矯正單元，該矯正單元在其(圖4未明確示出的)調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)方面有所改變。因而矯正單元10’的調(diào)整光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成不將會(huì)聚的光束而將發(fā)散的光束變形成準(zhǔn)直的集束。

在光路中設(shè)置在主分束器24和探測(cè)器34之間的第二矯正單元10也對(duì)應(yīng)于圖1中所示的單元。第二矯正單元10后置有聚光透鏡38，該聚光透鏡使得從矯正單元10射出的發(fā)散的光束準(zhǔn)直。

圖5也純示意性地示出多光子顯微鏡60，就其而言，根據(jù)圖1的矯正單元10設(shè)置在光源22和掃描模塊26之間。矯正單元10前置有聚光透鏡62，該聚光透鏡把從光源22發(fā)出的準(zhǔn)直的光束變形成會(huì)聚的集束，然后，矯正單元10按所述方式作用于所述集束，以便對(duì)球面的像差予以矯正。

需要指出，圖3至圖5中所示的應(yīng)用是純示范性的，且可以按照合理的方式予以修改和補(bǔ)充，而不偏離于本發(fā)明的矯正理念。例如，上文僅針對(duì)根據(jù)圖3的應(yīng)用示例介紹過(guò)矯正單元10與聚焦傳動(dòng)件32的聯(lián)接。不言而喻，圖4和5中所示的示例也可以用這種聯(lián)接方式予以補(bǔ)充。