照明数字光学显微镜中物体的方法、数字光学显微镜及该显微镜的明视野反射光照明装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于照明数字光学显微镜中的物体的方法、一种数字光学显微镜且涉及一种用于数字光学显微镜的明视野反射光照明装置。根据本发明，该明视野反射光照明和该暗视野反射光照明被配置有作为光源的多个发光二极管且经由一个控制单元是单个地或共同地可驱动的。该明视野反射光照明和该暗视野反射光照明两者被配置为“临界”照明，其中该光源被成像到物体平面中。
【专利说明】照明数字光学显微镜中物体的方法、数字光学显微镜及该 显微镜的明视野反射光照明装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于照明数字光学显微镜中的物体的方法、一种数字光学显微镜 且涉及一种用于数字光学显微镜的同轴明视野反射光照明装置。
【背景技术】
[0002] 从现有技术中已知用于光学显微镜技术的不同照明策略。
[0003] 首先，在透射光显微镜技术与反射光显微镜技术之间作出区分。尤其在反射光显 微镜技术中，从物镜的方向对样本进行照明。为此，已在很长一段时间内使用所谓的科勒照 明，从而能够彼此独立地影响孔径和照明物体的直径。在这种情况下，从一个光源发出的光 被引导穿过发光的视场光阑，进入可以插入多个彩色和抑制滤波器的一个区域中。然后，光 穿过孔径光阑并且随即撞击一个半透明反射镜，该半透明反射镜使大部分光沿着物镜的方 向偏转，该半透明反射镜还包括聚光镜功能。从此处，光通过物镜聚焦在物体上。光从所述 物体反射并且其再次穿过物镜。光再次穿过半透明反射镜并且沿目镜的方向或图像检测系 统的方向进行偏转。在穿过目镜之后，光撞击观察者的视网膜或图像检测系统的传感器。
[0004] 作为科勒照明的一个替代物，采用所谓的"临界照明"或纳尔逊照明，其中聚光器 将光源的影像成像到样本平面中。这至今已引起了一个极其不规则地照明的图像场以及样 本中光源的扰动成像。然而为了更均匀地照明图像场，毛玻璃板可以插入到聚光器与样本 之间以便产生漫射光。然而，在这种情况下，光由于毛玻璃板的漫射而损失。
[0005] 在现有技术中，LED越来越多地被用作照明光源并且在这种情况下，它们位于先前 的光束路径中。
[0006] 举例来说，W02007/111735描述了一种用于使用透射光方法利用LED照明源检查 生物学样本的显微镜，所述源被体现为一个LED阵列。在亮度和颜色方面，可以单独地对 LED进行切换和控制。
[0007] EP2551712A1披露了一种用于显微镜的照明方法，其中使用透射光明视野照明或 使用反射光荧光照明对样本进行检查，其中一个白光LED被用作用于透射光明视野照明的 光源，且在反射光荧光照明的情况下，在透射光明视野照明的照明光束路径的一个位置处， 一个遮光器被打开。
[0008] JP2010-204531A描述了一种包括光学照明系统的变焦显微镜，该光学照明系统包 括一个LED光源。
[0009] JP2010-156939A描述了一种包括LED照明单元的显微镜，该LED照明单元通过光 学测量得到改进。
[0010] JP2010072503A披露了一种用于显微镜的LED照明装置的照明控制器，在该装置 中，具有存储特征的多个LED模块是可交换的。
[0011] JP2009063856A描述了一种具有环形LED暗视野照明单元的物镜。所述物镜可以 与一个明视野显微镜一起使用。
[0012] W02008/073728A1披露了一种包括LED照明装置的显微镜，该LED照明装置构成科 勒照明。
[0013] DE102006016358A1描述了一种具有高效LED照明的便携式移测显微镜。
[0014] 由于科勒照明的照明光束路径中的光学组件的多样性，因此尽管使用了 LED，但是 照明的效率(尤其在明视野照明的情况下)还是通常不尽人意。这在数字显微镜技术中是非 常关键的，具体地说，因为此处必须几乎实时地对来自传感器的图像进行处理和显示且高 光强会提高图像速率。
【发明内容】
[0015] 因此，本发明解决了以下问题(在数字显微镜的情况下）：能够在同轴反射光明视 野和反射光暗视野两者中观测到的物体的均匀和高效照明，其目标是维持从物体中探寻到 的多个照明参数直到图像捕获传感器，以及能够实现达到每秒30个图像的高图像速率。此 夕卜，已预期用于对比变化的有利先决条件是配备有物体的照明。
[0016] 该问题是借助于根据权利要求1所述的一种用于照明数字光学显微镜中的物体 的方法、借助于包括权利要求4的特征的一种数字光学显微镜，以及借助于包括权利要求5 的特征的一种明视野反射光照明装置来解决的。
[0017] 具体而言，本发明的优点可以在以下事实中看到：在一个数字光学显微镜中，以一 种高效的、有成本效益的且节省空间的方式用于不同应用的最佳照明（明视野、暗视野及其 组合）是可能的。
[0018] 在根据本发明的一种用于照明数字显微镜中的物体的方法中，物体的明视野反射 光照明和暗视野反射光照明是可能的并且以一种极其高效的方式彼此组合。在这种情况 下，发光二极管用于这两种类型的照明。在许多不同的实施例和设计中，半导体发光二极管 具体是可用的并且因此用于本发明的优选实施例中。
[0019] 举例来说，可以选择大功率发光二极管、发光二极管裸片（芯片)、SMD发光二极管 或其他。本领域的技术人员可以从大量的技术变体中选择正确的发光二极管以便于应用。 有机发光二极管也可以极其有利地用于本发明的替代实施例中。
[0020] 具体而言，光源和照明类型的正确组合的选择的结果是，提供用于对比变化的有 利先决条件以及数字显微镜技术中的快速图像采集。
[0021] 尤其高效地使用具有一个矩形截面的多个LED芯片，所述芯片的纵横比与图像检 测传感器的纵横比相对应。其结果是，物场被照明以使得不会在图像捕获区外部出现外来 光。
[0022] 明视野照明和暗视野照明取决于应用可以单独地或组合地进行操作。在明视野照 明情况下以及在暗视野照明的情况下，亮度、颜色和/或方位的变化都是可能的。
[0023] 举例来说，如果暗视野照明的多个发光二极管连续地进行切换，也就是说具有一 个变化的方位，那么检测到的图像可以用于获得3D信息且计算出表面形貌。
[0024] 此外，LED的较短切换时间使得可以切换闪光灯或闪光仪模式，在该模式下，可以 有利地呈现快速移动的物体。
[0025] 根据本发明的数字光学显微镜包括至少一个物镜；一个明视野反射光照明装置； 一个环形暗视野反射光照明装置，该环形暗视野反射光照明装置在每种情况下利用多个发 光二极管进行操作，在一个优选实施例中利用多个白光LED进行操作；以及一个控制单元， 用于同时地或单独地驱动该明视野反射光照明装置和该暗视野反射光照明装置。
[0026] 在这种情况下，根据本发明，两个照明装置被配置为所谓的"临界"照明或纳尔逊 照明，其中光源被成像到物体平面中。借助于关于发光效率和成本极其高效地进行构造的 照明光学系统，所述照明光学系统可以用一种极其节省空间的方式进行设计且最佳地适用 于将要使用的传感器。
[0027] "临界"照明可以利用多个发光二极管来体现，因为发光二极管具有一个较小的深 度范围以及高于至今用于此种类型的照明的卤素灯具的均质性。此外，它们具有极好的发 光效率。由于LED (具体是在矩形LED的情况下）的有利特性，因此在光束路径中，代替复 杂的光学系统，相对适度的均化器满足实现物体的极均化照明的需要。
[0028] 均化器可以是光混合杆，例如，在一个优选实施例中，该光混合杆还执行将光束对 应偏转到物镜的光束路径中，其结果是偏转镜可以被省略。在这种情况下，光混合杆可以被 有利地体现为具有一个极短结构长度的一个中空波导光混合杆，因为作为在进入中空积分 器之后适应LED的临界照明的结果，对均质化的要求较低（x:y源的范围?x:y混合杆的长 度?x:y物场的范围的比率)。混合杆入口的不利填充的结果是，需要消除任何非均质性， 即仅由源的接合线本身造成的非均质性。固体波导光混合杆需要相应地给定较长的标示尺 寸。
[0029] 暗视野反射光照明装置被体现为用于连接到数字光学显微镜的物镜上的一个照 明环。该照明环包括至少两个发光二极管(下文中表示为LED)，这些发光二极管被优选地完 全安排在与物镜同心地对准的一个照明环上。当使用两个以上的发光二极管时，它们被安 排在（当然以某种方式分布在）该照明环的圆周上。在这种情况下，该照明环的直径有利地 不会大于物镜本身，其结果是数字显微镜中的物镜的枢转性不会受到损害。
[0030] 该照明环有利地包括一个电子界面，用于经由物镜驱动发光二极管，该物镜随后 也必须具有此种界面。LED的校准也是经由所述电子界面来执行的，以便为所有LED设置相 同的亮度值以及存储校准设置。此类电子界面为本领域的技术人员所熟知的。
[0031] 照明环也同样可以可替代地配备有多个有机发光二极管，就这些有机发光二极管 的区域范围而言，它们可以理想地被适配成传感器格式且具有极好的均质性，以使得甚至 可以省去用于适度均质化的一个光学组合件。
[0032] 下文将参考附图来更详细地说明本发明的部分方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 在附图中：
[0034] 图1以一个基本图解示出：一个明视野反射光照明装置的第一优选实施例；
[0035] 图2以一个基本图解示出：明视野反射光照明装置的第二优选实施例；
[0036] 图3以一个基本图解示出：明视野反射光照明装置的第三优选实施例；
[0037] 图4以一个透视基本图解示出：一个暗视野照明装置的一个优选实施例。
【具体实施方式】
[0038] 图1示出了以一个纳尔逊配置或所谓的"临界"照明的根据本发明的一种明视野 反射光照明装置的第一优选实施例。该装置包括作为光源的至少一个LED01，该LED配备 有作为聚光器02的一个相对应的光学组合件。由LED01发射的光在照明光束路径中穿过 平面03经由中间光学单元04,进入体现为光混合杆06的均化器中，该平面相对于孔径光 阑10是共轭的。在共轭平面03中，在一个替代实施例中，可以使用一个可变的第二孔径光 阑，以便能够彼此独立地设置照明和观测孔径。具体而言，因此实现了对比增强。
[0039] 理想地，在图示实施例中的光源（S卩，发光的LED芯片)的一个影像出现在均化器的 入口处。然而，可以有利地使所述影像略微地散焦，以便实现光源的接合线的第一模糊。在 此实施例中，光混合杆06是具有一个矩形截面的一个直线中空波导杆。
[0040] 具有一个矩形截面的一个优选可变的视场光阑07被安排在均化器06的输出端 处，该截面采用显微镜的图像检测传感器(未图示)的格式或纵横比。通过改变该截面，照明 装置可以被有利地配置成用于物镜的不同变焦设置，以使得物体照明的尺寸尽可能地对 应于图像传感器的尺寸。即使如果物镜发生变化，可以利用所述光阑来适配该物体照明的 尺寸。为了照明的高效性，已证明如果光混合杆06和LED芯片的截面也具有图像检测传感 器的格式或纵横比，这是极其有利的。
[0041] 经由偏转镜08,照明光经由另一个中间光学单元09进行瞄准且通过孔径光阑10 入射到物镜12中。物镜12在物体平面13中产生可变视场光阑07的图像。
[0042] 平面玻璃11以一种已知的方式被安排在光束路径中，以便将所检测到的图像馈 送到图像检测传感器(未图示)。
[0043] 具体而言，此实施例的优点可以在以下事实中看到：来自光源直到偏转镜的组合 件可以用一种非常紧凑的方式进行体现。
[0044] 图2中示出了明视野反射光照明装置的第二优选实施例。在这种情况下，相同参 考标号表示相同组件部分。所图示的实施例与上述实施例的不同之处在于，均化器被制作 成有角的光混合元件14。其结果是，可以有利地省略偏转镜。此实施例在其设计上甚至更 加紧凑。
[0045] 在图3所示的实施例的情况下，代替半导体LED，使用0LED16 (有机发光二极管)， 该0LED具有与图像检测传感器相同的格式。此实施例是极其节省空间和高效的，因为其他 光学组合件不是必要的，例如以其他方式需要用于明视野照明的光学组合件。此外，0LED生 产成本便宜，因为它们使用(例如)印刷技术是可生产的。优选地使用白光0LED。可替代地， 借助于二色性分离器，可以确定RGB照明的维度或荧光激发甚至可以借助于多个单色0LED 来实现。
[0046] 图4图示了照明环中的LED17的安排的基本示意图。这些LED相对于物镜（未图 示）的光轴19以一个角度倾斜，以使得光根据要求借助于光学组合件19进行混合、均质化 以及聚焦在物体平面13上。
[0047] 此外，一种高效且节省空间的安排借助于临界照明来实现，S卩，光源或发光二极管 被成像到物体平面中。
[0048] 为了甚至更高的效率，根据矩形物场形式取决于矩形LED芯片在照明环中的位 置，有利地排列这些矩形LED芯片。其结果是实现了甚至更高的效率，因为仅由图像传感器 实际检测的区域被照明。
[0049] 为了简化安装，LED芯片总是相对于同心环一致地对准是非常有利的。其结果是， 组件部分可以一致地进行体现且单个组的对准是相同的。然而，这会导致效率的略微损失。
[0050] 参考符号列表
[0051] 01 LED
[0052] 02发射光学单元
[0053] 03与孔径光阑共轭的平面
[0054] 04中间光学单元
[0055] 05 -
[0056] 06光混合杆
[0057] 07视场光阑
[0058] 08偏转镜
[0059] 09中间光学单元
[0060] 10孔径光阑
[0061] 11平面玻璃
[0062] 12 物镜
[0063] 13物体平面
[0064] 14光混合杆，有角的
[0065] 15 -
[0066] 16 0LED
[0067] 17 LED
[0068] 18物镜的光轴
[0069] 19光学组合件
【权利要求】
1. 用于照明数字光学显微镜中的物体的方法，其中明视野反射光照明借助于一个照明 装置来实现，该照明装置包括作为光源的多个发光二极管（01)，其中暗视野反射光照明此 外借助于一个环形照明装置来实现，该环形照明装置包括作为光源的发光二极管（17)，所 述环形照明装置可机械地且电气地连接到该光学显微镜的一个物镜上，其中该明视野反射 光照明和该暗视野反射光照明是单独地可驱动的且可叠加的，并且在每种情况下被配置为 "临界照明"，其中该光源的一个影像被投射到一个物体平面中。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，明视野反射光照明和暗视野反射光照明 借助于白光LED (01，17)来实现。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该环形照明装置经由该物镜的一个电 子界面是可驱动的，其中单个或所有的发光二极管（01，17)被驱动。
4. 用于检查物体的数字光学显微镜，该数字光学显微镜包括一个物镜、一个明视野照 明装置、一个暗视野照明装置以及一个控制单元，其中该明视野照明装置包括作为光源的 至少一个发光二极管（01，16)，并且该暗视野照明装置被体现为包括作为光源的至少两个 发光二极管（17)的环形照明且经由一个电子界面连接到该物镜上，其特征在于，该明视野 照明装置和该暗视野照明装置经由该控制单元是单个地或同时地可驱动的并且被配置为 "临界"照明，其中一个光源的一个影像被投射到一个物体平面（13)中。
5. 用于数字光学显微镜的明视野反射光照明装置，该明视野反射光照明装置包括被体 现为发光二极管（01，16)的至少一个光源，其特征在于，该明视野反射光照明装置被配置为 "临界"照明，其中该光源的一个影像被投射到一个物体平面中。
6. 根据权利要求5所述的明视野反射光照明装置，其特征在于，该光源是一个半导体 白光LED (01)且一个均化器被安排在该明视野反射光照明装置的光束路径中，具有一个矩 形截面的一个视场光阑（07)被提供于所述均化器的输出端处，其中该矩形截面与该光学显 微镜的一个图像传感器具有相同的纵横比。
7. 根据权利要求6所述的明视野反射光照明装置，其特征在于，该均化器是一个光混 合元件。
8. 根据权利要求7所述的明视野反射光照明装置，其特征在于，该光混合元件在光的 一个入口开口与一个出口开口之间实现了光的90°偏转。
9. 根据权利要求6至8中任何一项所述的明视野反射光照明装置，其特征在于，该均化 器是具有一个矩形截面的一个中空波导光混合杆（06，14)。
10. 根据权利要求6至9中任何一项所述的明视野反射光照明装置，其特征在于，该视 场光阑（07)的尺寸是可变的。
【文档编号】G02B21/06GK104111522SQ201410155064
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2013年4月19日
【发明者】汉斯·谭德乐, 约翰内斯·诺布里奇, 多米尼克·斯特尔, 亚历山大·伽杜克, 恩里科·盖勒, 简·布克海斯特, 马克思·冯科 申请人:卡尔蔡司显微镜有限公司