光學(xué)顯微鏡和及其控制方法
【專利說明】光學(xué)顯微鏡和及其控制方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年7月5日提交的美國臨時申請?zhí)?1/668，084的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其內(nèi)容通過引用以其整體用于所有目的結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]多個實施方案涉及光學(xué)顯微鏡和控制光學(xué)顯微鏡的方法。
[0004]背景
[0005]激光掃描共焦顯微術(shù)是用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和工業(yè)檢查所建立的光學(xué)成像方法。它可以提供光切分(sect1ning)、高對比度、深度分辨成像，以及衍射受限空間分辨率。通常，共焦顯微鏡依賴于點至點掃描以形成圖像。對于二維成像，通常采用兩個密切耦合的檢流計以將照明點在樣品內(nèi)移動。雖然大部分檢流計的最大諧振頻率是數(shù)千赫茲，共焦顯微鏡的圖像采集速度對于512乘以512像素的標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸通常小于每秒數(shù)幀。
[0006]然而，一些應(yīng)用需要高得多的成像速度。例如，已經(jīng)使用光學(xué)成像顯現(xiàn)內(nèi)在神經(jīng)信號。在這種情況下，毫秒時間分辨率(或大約每秒1000幀的幀率)是適宜的。用點掃描共焦顯微鏡，必須在空間分辨率上妥協(xié)，接受受限的掃描視場或在靈敏度上折衷(低信噪比)以獲得快速細(xì)胞過程的顯微證據(jù)。
[0007]克服該問題的一種方式是在相同的時間照明多個位置并且平行采集圖像。結(jié)果是長像素停留時間和短幀采集時間的理想組合，得到快速幀率和良好的靈敏度。長時間以來，這是傳統(tǒng)的共焦轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)的益處-雖然這伴隨有不能夠調(diào)節(jié)共焦孔開口，需要將每個位置照明多次以避免統(tǒng)計不均勻性，并且需要與幀電荷耦合裝置(CCD)讀出同步。這種同步將理論幀采集速度從例如，每秒300幀顯著減少為典型地每秒50幀，這對于特定生理事件，如成穗率分析是不足的。
[0008]線掃描共焦顯微術(shù)對于高掃描速度和高圖像品質(zhì)提供備選的方案。這可以通過使用線照相機(jī)，以及平行照明和采集模式實現(xiàn)。線掃描共焦顯微鏡沿X方向上的線照明樣品，并且用掃描鏡在I方向上掃描該線。因為線照相機(jī)允許高達(dá)每秒70，000線的讀出速度，可以以每秒140幀采集512乘以512像素的幀，具有用于高靈敏度的長像素停留時間。
[0009]圖1顯示傳統(tǒng)的線-掃描共焦系統(tǒng)100的示意圖。線-掃描共焦系統(tǒng)100包括近紅外(NIR)源102用于提供NIR光104，其可以順次穿過具有50mm的焦點長度的準(zhǔn)直管(CO) 106，將NIR光104會聚為一維的柱面透鏡(CL) 108，分束器(BS) 110，縫112，具有80mm的焦點長度的球面透鏡(LI) 114，獲得NIR光104的無機(jī)械振動和無慣性掃描的聲光偏轉(zhuǎn)器(AOD) 116，具有60mm的焦點長度的球面透鏡(L2) 118，具有120mm的焦點長度的球面透鏡(L3) 120，二向色鏡(DM) 122，以及物鏡124，以到達(dá)樣品150。
[0010]來自樣品150的光之后返回順次穿過物鏡124，DM 122，L3120，L2118，AOD 116，L1114，縫112，BS 110 (其之后引導(dǎo)光穿過具有60mm的焦點長度的球面透鏡(L4)126)，具有10mm的焦點長度的球面透鏡(L5) 128，以及濾光器130至線性電荷耦合裝置(CXD)照相機(jī)132。線性CXD照相機(jī)132是在CXD照相機(jī)132的相同區(qū)域上拍攝樣品150的一維圖像的線照相機(jī)。
[0011]線掃描共焦顯微術(shù)依賴于縫孔排除離焦光。然而，縫的背景排除有效性與點掃描焦點顯微鏡中的針孔相比不足。此外，可得的線照相機(jī)具有相對高的讀出噪音水平。結(jié)果，用線掃描共焦顯微鏡可得的信噪比和信號背景比對于體內(nèi)厚生物組織的成像不夠好。
[0012]因此對于具有提高的信噪比和提高的信號背景排除比的光學(xué)顯微方法存在需要。
[0013]概述
[0014]根據(jù)一個實施方案，提供一種光學(xué)顯微鏡。該光學(xué)顯微鏡可以包括:掃描裝置，所述掃描裝置用于將照明圖案引導(dǎo)至所要成像的樣品上，所述掃描裝置可移動，用于移動所述照明圖案以一個接著另一個相繼地覆蓋所述樣品的各個部分，其中對于所述樣品的每個部分，所述掃描裝置被構(gòu)造為將所述照明圖案引導(dǎo)至該部分上以照明該部分并從所述樣品的被所述照明圖案照明的部分接收返回光；調(diào)制器設(shè)備，所述調(diào)制器設(shè)備被構(gòu)造為以時間的函數(shù)形式調(diào)制所述樣品上對應(yīng)于所述樣品的所述部分的焦平面內(nèi)的所述照明圖案的光強(qiáng)度分布；和檢測器設(shè)備，所述檢測器設(shè)備用于將來自每個部分的返回光光耦合至檢測器，其中所述檢測器設(shè)備被構(gòu)造為將各個返回光相繼地光耦合至所述檢測器的各個部分，以在所述檢測器上產(chǎn)生所述樣品的圖像，其中所述檢測器的各個部分對應(yīng)于所述樣品的各個部分。
[0015]根據(jù)一個實施方案，提供一種控制光學(xué)顯微鏡的方法。該方法可以包括將照明圖案引導(dǎo)至所要成像的樣品上；移動所述照明圖案以一個接著另一個相繼覆蓋所述樣品的各個部分，其中對于所述樣品的每個部分，將所述照明圖案引導(dǎo)至該部分上以照明該部分，并且從所述樣品的被所述照明圖案照明的部分接收返回光；以時間的函數(shù)形式調(diào)制所述樣品上的焦平面內(nèi)對應(yīng)于所述樣品的所述部分的所述照明圖案的光強(qiáng)度分布；并且將各個返回光相繼地光耦合至所述檢測器的各個部分，以在所述檢測器上產(chǎn)生所述樣品的圖像，其中所述檢測器的各個部分對應(yīng)于所述樣品的各個部分。
[0016]附圖簡述
[0017]在附圖中，相同的附圖標(biāo)記一般貫穿不同的視圖表示相同的部分。附圖不一定是按比例的，相反通常強(qiáng)調(diào)示例本發(fā)明的原理。在以下說明中，參考附圖描述了本發(fā)明的多個實施方案，其中:
[0018]圖1顯示傳統(tǒng)的線-掃描共焦系統(tǒng)的示意圖。
[0019]圖2A顯示根據(jù)多個實施方案的光學(xué)顯微鏡的示意框圖。
[0020]圖2B顯示示例根據(jù)多個實施方案的控制光學(xué)顯微鏡的方法的流程圖。
[0021]圖3顯示根據(jù)多個實施方案的光學(xué)顯微鏡的示意圖。
[0022]圖4顯示根據(jù)多個實施方案的光學(xué)顯微鏡的示意圖。
[0023]圖5顯示根據(jù)多個實施方案的調(diào)制器設(shè)備的示意圖。
[0024]圖6顯示根據(jù)多個實施方案的空間偏光器的示意前視圖。
[0025]詳述
[0026]以下詳述參考通過示例的方式給出其中可以實施本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)和實施方案的附圖。以充分詳細(xì)的方式描述這些實施方案以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明?？梢圆捎闷渌麑嵤┓桨?，并且可以做出結(jié)構(gòu)、邏輯和電子變更而不脫離本發(fā)明的范圍。多個實施方案不一定是相互排斥的，因為一些實施方案可以與一個或多個另外的實施方案組合以形成新實施方案。
[0027]在方法或裝置中的一個的上下文中描述的實施方案對于另一個方法或裝置是同等有效的。類似地，在方法的上下文中描述的實施方案對于裝置是同等有效的，并且反之亦然。
[0028]在實施方案的上下文中描述的特征可以相應(yīng)地應(yīng)用至其他實施方案中相同的或相似的特征。在實施方案的上下文中描述的特征可以對應(yīng)地應(yīng)用至其他實施方案，即使在這些其他實施方案中未明確地描述。此外，如對于一個實施方案的上下文中的特征所述的附加和/或組合和/或備選可以對應(yīng)地應(yīng)用至其他實施方案中相同的或相似的特征。
[0029]在多個實施方案的內(nèi)容中，關(guān)于特征或元件使用的冠詞"一個"、"一種"和"所述"包括提及一個或多個的特征或元件。
[0030]在多個實施方案的內(nèi)容中，短語"至少基本上"可以包括"準(zhǔn)確地"和合理的偏差。
[0031]在多個實施方案的內(nèi)容中，應(yīng)用至數(shù)值的術(shù)語"約"或"大約"包括精確值和合理的偏差。
[0032]如本文所使用的，術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān)列出的項目的任意和全部組合。
[0033]如本文所使用的，"A或B中的至少一個"的形式的短語可以包括A或B，或者A和B。對應(yīng)地，"A或B或C的至少一個"，或包括另外的羅列項的形式的短語，可以包括相關(guān)羅列項的一個或多個的任意和全部組合。
[0034]多個實施方案可以涉及光學(xué)顯微術(shù)，例如具有光切分能力的超快光學(xué)顯微術(shù)或具有光切分能力的激光掃描顯微術(shù)。
[0035]多個實施方案可以提供用于二維或三維光切分的圖像的超高速采集的光學(xué)顯微鏡。光學(xué)顯微鏡可以使用或經(jīng)由作為可以在樣品上建立掃描照明圖案的照明掃描儀的一維掃描裝置照明樣品。來自樣品的發(fā)射可以通過相同的照明掃描儀去掃描(de-scan)并且穿過可以匹配照明圖案的檢測孔。可以使用另一個一維掃描裝置作為檢測掃描儀，其可以對應(yīng)于所成像的樣品引導(dǎo)發(fā)射光子穿過檢測孔至用于圖像形成的二維圖像傳感器。
[0036]多個實施方案可以提供具有超快圖像采集(大于每秒1，000幀)、出色的對比度和背景排除，以及出色的靈敏度的組合的特征的光學(xué)顯微鏡的設(shè)計，這里的這些性能不能夠通過現(xiàn)有技術(shù)匹配。
[0037]與相關(guān)信噪比和信號與背景的比例對于體內(nèi)厚生物學(xué)組織成像不足夠好的傳統(tǒng)的線掃描共焦顯微鏡(例如圖1)相反，多個實施方案可以提供通過使用二維圖像傳感器具有提高的信噪比，并且通過包括焦點調(diào)制具有提高的信號與背景排除比的高速光顯微方法。
[0038]多個實施方案的光學(xué)顯微鏡可以在多種應(yīng)用中使用，包括但是不限于，活細(xì)胞成像、小動物成像、臨床診斷和樣品的工業(yè)檢查。
[0039]圖2A顯不根據(jù)多個實施方案的光學(xué)顯微鏡200的不意框圖。光學(xué)顯微鏡200包括:掃描裝置202，其用于將照明圖案引導(dǎo)至所要成像的樣品上，掃描裝置202可移動用于移動照明圖案以一個接著另一個相繼地覆蓋樣品的各個部分，其中對于樣品的每個部分，掃描裝置202構(gòu)造為將照明圖案引導(dǎo)至該部分上用于照明該部分并且從樣品的被照明圖案照明的部分接收返回光；調(diào)制器設(shè)備203，其構(gòu)造為以時間的函數(shù)形式調(diào)制樣品上對應(yīng)于樣品的該部分的焦平面內(nèi)的照明圖案的光強(qiáng)度分布；以及檢測器設(shè)備204，其用于將來自每個部分返回光光耦合至檢測器，其中檢測器設(shè)備204構(gòu)造為將各個返回光相繼地耦合至檢測器的各個部分以在檢測器上產(chǎn)生樣品的圖像，其中檢測器的各個部分對應(yīng)于樣品的各個部分。示出表示為206的線以顯示掃描裝置202、調(diào)制器設(shè)備203和檢測器設(shè)備204之間的關(guān)系，這可以包括光學(xué)連接和/或機(jī)械連接。
[0040]換言之，光學(xué)顯微鏡200可以包括掃描裝置202，所述掃描裝置202可以將照明圖案(例如光照明圖案)或光學(xué)信號引導(dǎo)至樣品的第一部分上以照明第一部分并接收來自通過照明圖案照明的樣品的第一部分的第一返回光?？梢宰鳛闀r間的函數(shù)(例如時間的周期性函數(shù))，例如經(jīng)由調(diào)制器設(shè)備203調(diào)制在樣品上對應(yīng)于樣品的所述部分的焦平面內(nèi)或上提供的照明圖案的光強(qiáng)度分布。這可以意味著可以將照明圖案在樣品的所述部分上的焦點區(qū)域附近強(qiáng)度調(diào)制。光學(xué)顯微鏡200可以還包括可以接收第一返回光以便在檢測器的第一部分上產(chǎn)生樣品的第一部分的圖像的檢測器設(shè)備204。
[0041]隨后，可以移動掃描裝置202以便將其中其光強(qiáng)度分布可以調(diào)制的照明圖案引導(dǎo)至樣品的第二部分上以照明第二部分并接收來自通過照明圖案照明的樣品的第二部分的第二返回光。檢測器設(shè)備204可以接收第二返回光以便在檢測器的第二部分上產(chǎn)生樣品的第二部分的圖像。這可以對于樣品的相繼的部分進(jìn)行重復(fù)。通過樣品的一部分接著一部分成像，例如第一部分，之后是第二部分等，光學(xué)顯微鏡200能夠使得用于將樣品每