具有物镜并且具有图像传感器的数字显微镜的制作方法

本发明涉及一种数字显微镜，其具有用于在图像平面中对样本放大光学成像的物镜，并且具有用于将物镜成像到图像传感器的图像转换成电信号的图像传感器。
背景技术：
：gb2384379a揭示一种显示系统，其具有相机以及用于牵引装置的面部区域的显示器。数码相机是高分辨率的。通过放大数字图像实现在所显示图像中的放大，由此只能看见一小部分图像。us2006/0171038a1揭示一种用于缩放数字图像的系统。该系统包括图像传感器、a/d转换器、图像处理单元和显示器。图像转换器的灵敏度高于显示器的分辨率。举例而言，图像转换器由cmos转换器(其具有4096×3072像点的分辨率)形成，而显示器具有1024×768像点的分辨率。制造商olympus的数码相机sc100具有106万像素的图像传感器，其像素间距为1.67μm。在分辨率为968×686像素的情况下，相机的最高刷新率为每秒42帧。当使用最高分辨率时，刷新率降至每秒3帧。e.j.botcherby、r.juskaitis、m.j.booth、t.wilson在opticscommunications281(2008)880-887(光学通讯281(2008)880-887)中发表的科学论文《anopticaltechniqueforremotefocusinginmicroscopy(一种用于显微镜远程聚焦的光学技术)》中提出一种重新对焦的方法。该方法避免了球面像差，并且允许大的轴向扫描范围和高的扫描速度，而物镜与样本之间不存在机械干涉效应。技术实现要素：从现有技术出发，本发明的目的是避免数字显微镜中出现欠采样的缺陷。本发明通过根据权利要求1所述的数字显微镜实现上述目的。根据本发明的数字显微镜用于用显微镜检查样本。在数字显微镜中进行电子图像转换，其中，进一步处理以数字的资料形式拍摄的图像并且使其显示到电子图像再现装置上。首先，数字显微镜包括用于在图像平面中对样本进行放大光学成像的物镜。通过物镜，能以一定光学分辨率在图像平面中显示图像。光学分辨率由物理过程和物镜的特性决定。物镜包括用于在图像平面中对样本进行放大光学成像的光学部件。光学部件特别是由光学透镜形成，并且可选地由一个或多个光阑和滤色镜形成。所成像的图像优选由照片形成。数字显微镜还包括用于将物镜成像到图像传感器上的图像转换成电信号的图像传感器。图像传感器包括像素矩阵，即，各个图像传感器元素的矩阵。像素矩阵确定图像传感器的最大图像分辨率。通过使用图像传感器转换图像，进行图像的局部二维扫描。图像传感器是一种图像传感器并且优选由cmos图像传感器形成。矩阵不像其用于扫描程序那样仅有单行或几行像素。矩阵每行中的像素数和矩阵每列中的像素数属于相同的数量级。根据本发明，图像传感器的最大图像分辨率比物镜的光学分辨率更精细，因此图像传感器的像素小于物镜所成像的图像中的最小结构。由此，图像传感器的分辨能力优于物镜。倘若将较小结构的分辨率理解成较高分辨率，则图像传感器的最大图像分辨率高于透镜的光学分辨率。倘若由两个仍可显示或可区分开的结构之间的间距指定分辨率，则图像传感器的最大图像分辨率小于物镜的光学分辨率。倘若物镜具有影响物镜的光学分辨率的可变特性，则图像传感器的最大图像分辨率比利用物镜可实现的每个光学分辨率都更精细。特别地，用户可以更改物镜的放大系数，由此改变物镜的光学分辨率。根据本发明，对于物镜可选择的任何放大系数，图像传感器的最大图像分辨率比物镜的最终光学分辨率更精细。特别地，对于物镜可选择的最大放大系数，图像传感器的最大图像分辨率比物镜的最终光学分辨率更精细。根据本发明，物镜具有最高40的最大放大系数。倘若物镜具有固定的放大系数，则其代表最大放大系数。根据本发明的数字显微镜的特别优势在于，通过图像传感器进行的图像转换基本上以图像的局部过采样情实现。为此，根据本发明，使用最高40的低放大系数的物镜，这种物镜仅用低成本即可获得。相应地，使用具有足以实现过采样的图像分辨率的电子图像传感器。具有极高图像分辨率的电子图像传感器同样也仅用低成本即可获得。图像传感器的最大图像分辨率优选为物镜的光学分辨率的至少2倍那么精细。图像传感器的最大图像分辨率更优选为物镜的光学分辨率的至少3倍那么精细。这样就能实现多重过采样，从而例如在转换后图像中确保更高的对比度。此外，还可以针对物镜的衍射限制区域实现降噪，可以在时间相关性和空间相关性方面完成降噪。在优选的实施方式中，图像传感器的最大图像分辨率为物镜的光学分辨率的至少5倍那么精细。在更优选的实施方式中，图像传感器的最大图像分辨率为物镜的光学分辨率的至少10倍那么精细。这样就能产生更高阶的过采样，从而确保转换后图像的高质量。举例而言，由此可以实现快速且无像差的3d显微镜检查。此外，可以实现快速自动对焦、快速相位检测、高光谱分辨率、高时间分辨率和/或改善的动态范围。在数字显微镜的优选实施方式中，最大放大系数最高为30。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，最大放大系数最高为20。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，最大放大系数最高为10。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，最大放大系数最高为5。物镜的光学分辨率被定义为所成像的图像中仍能区分开的两个结构之间的最小间距。有鉴于此，光学分辨率是两个结构至少必然存在而仍被视为单独结构的间距。这些结构优选由点状物或线形成。相应地，光学分辨率优选由这两条线间的间距来定义。图像传感器的最大图像分辨率由像素间距来定义。像素间距是两个紧邻像素间的间距。像素间距是图像传感器在其延伸方向上的延伸度与该延伸方向上的像素数之商。像素间距例如为图像传感器的宽度与矩阵一行中的像素数之商。像素间距例如为图像传感器的高度与矩阵一列中的像素数之商。图像中能区分开的两个结构之间的最小间距与像素间距之商表示局部采样系数。有鉴于此，采样系数为图像传感器的最大图像分辨率与物镜的光学分辨率之商。根据本发明，采样系数至少为5。根据本发明，采样系数至少为6。在数字显微镜的优选实施方式中，图像传感器的像素间距最高为2μm。在数字显微镜的更优选实施方式中，图像传感器的像素间距最高为1.85μm。图像传感器的像素间距特别优选为2.0μm、1.8μm、1.6μm、1.4μm、1.2μm、1.0μm、0.8μm或0.6μm。矩阵型图像传感器的列中的像素数优选至少为1000，同时矩阵型图像传感器的行中的像素数同样至少为1000。在数字显微镜的优选实施方式中，图像传感器的像素数至少为500万。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，图像传感器的像素数至少为800万。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，图像传感器的像素数至少为2000万。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，图像传感器的像素数至少为5000万。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，图像传感器的像素数至少为1亿。在数字显微镜的优选实施方式中，图像传感器的高度与单个像素的高度之比至少为3000。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，图像传感器的高度与单个像素的高度之比至少为3900。图像传感器的高度与单个像素的高度之比特别优选为3900、4000、5000、6000、7000或10000。在数字显微镜的优选实施方式中，图像传感器的宽度与单个像素的宽度之比至少为2000。在数字显微镜的进一步优选实施方式中，图像传感器的宽度与单个像素的宽度之比至少为2800。图像传感器的宽度与单个像素的宽度之比特别优选为2800、3000、4000、5000、7000或10000。图像传感器的宽度优选为6mm至25mm；特别优选为7mm至10mm。图像传感器的高度优选为4mm至25mm；特别优选为7mm至10mm。物镜具有优选最高1.4的数值孔径。数值孔径更优选最高为1。数值孔径特别优选为0.25、0.5、0.8、1.0或1.4。图像传感器之前优选布置有至少一个滤色镜。举例而言，图像传感器的每个像素之前可以布置有具有三色之一的滤色镜。一个或多个滤色镜可以是可调整的。图像传感器之前优选布置有光学元件，该光学元件导致通过光产生波长相关的延迟，以便能够通过傅里叶光谱法实现光谱分辨率。图像传感器之前优选布置有至少一个偏光镜。优选地，图像传感器之前布置有多个偏光镜，以便可以拍摄样本在空间上分辨的偏光图像。数字显微镜的图像处理单元被优选配置成以不同的延迟来处理来自图像传感器的多个像素的信号，以便实现时间分辨率，由此例如能够分辨样本在空间上无法分辨的区域。有鉴于此，可实现空间分辨率和时间分辨率。数字显微镜的图像处理单元被优选配置成以不同的灵敏度和/或不同的增益来处理来自图像传感器的多个像素的信号，由此例如能够分辨样本在空间上无法分辨的区域。在数字显微镜的优选实施方式中，物镜的放大系数可以从最小放大系数变成最大放大系数，使得物镜例如被构建为变焦物镜。根据本发明，不依赖于所选择的放大系数地，图像传感器的最大图像分辨率均基本上比物镜的光学分辨率更精细。用数字显微镜可实现的分辨率恒定并且仅由图像传感器的最大图像分辨率决定。数字显微镜被优选构建用于自动拍摄样本的部分区域。这些部分区域也称为图块(kachel)。有鉴于此，这就涉及用于大型样本的所谓扫描显微镜。相应地，数字显微镜优选包括可自动移动的样本模盒，借助该样本模盒可以拍摄各个图块。数字显微镜还包括图像处理单元，该图像处理单元被构建为将所拍摄的部分区域的图像拼合成样本的图像。数字显微镜优选包括电子移动设备，该电子移动设备优选由智能电话或平板电脑形成。电子移动设备包括具有图像传感器的相机，并且优选包括物镜的至少一部分。电子移动设备优选包括物镜，该物镜相反也可以用于直观照片，即，移动设备的普通照片。物镜也可以与移动设备分离，使得相机包括图像传感器，但不包括物镜。根据本发明的数字显微镜的第一示例性实施方式具有数字变焦，但不具光学变焦，因此物镜的放大系数固定。显微镜包括具有7152×5360有源像素矩阵的4100万像素的图像传感器。图像传感器的尺寸为8mm×6mm。在转换后的图像无需内插值或外插即具1600×1600像素分辨率的情况下，数字变焦系数为3.4。在转换后的图像无需内插值或外插即具1000×1000像素分辨率的情况下，数字变焦系数为6。根据本发明的数字显微镜的第二示例性实施方式是用于大型样本的高速扫描显微镜。显微镜包括具有7152×5360有源像素矩阵的4100万像素的图像传感器。图像传感器的尺寸为8mm×6mm。显微镜包括数值孔径为0.25且放大系数为5的物镜。根据本发明的显微镜的这种实施方式中的该物镜促使样本数字化的速度比根据现有技术的显微镜中快16倍，其中数值孔径为0.25且放大系数为20。替代地，显微镜包括数值孔径为0.5且放大系数为10的物镜。根据本发明的显微镜的这种实施方式中的该物镜促使样本数字化的速度比根据现有技术的显微镜中快16倍，其中数值孔径为0.5且放大系数为40。替代地，显微镜包括数值孔径为0.8且放大系数为20的物镜。根据本发明的显微镜的这种实施方式中的这一物镜促使样本数字化的速度比根据现有技术的显微镜中快20倍，其中数值孔径为0.8且放大系数为100。替代地，显微镜包括数值孔径为1.0且放大系数为20的物镜。根据本发明的显微镜的这种实施方式中的这一物镜促使样本数字化的速度比根据现有技术的显微镜中快56倍，其中数值孔径为1.0且放大系数为150。替代地，显微镜包括数值孔径为1.4且放大系数为40的物镜。根据本发明的显微镜的这种实施方式中的这一物镜促使样本数字化的速度比根据现有技术的显微镜中快14倍，其中数值孔径为1.4且放大系数为150。根据本发明的数字显微镜的第三示例性实施方式是用于大型样本的高速扫描显微镜。出于说明本发明的目的，例如假设用显微镜以适当分辨率检查样本，由此形成15000×7000像素的图像。在这种实施方式中，数字显微镜包括具有约5000×3500有源像素矩阵的1800万像素且实现每秒10帧的刷新率的图像传感器。相应地，需要划分为(15000/5000)·(7000/3500)＝3·2＝6个图块。针对每个图块，定位样本约需2秒。相应地，拍摄整个样本所需的时间为：6·1/(101/s)+6·2s≈13s。替代地，刷新率为每秒1帧，从而拍摄整个样本所需的时间为6·1/(11/s)+6·2s＝18s。相比之下，根据现有技术的数字显微镜例如包括具有约2000×1000有源像素矩阵的200万像素且实现每秒25帧的刷新率的图像传感器。相应地，需要划分为(15000/2000)·(7000/1000)≈7·7＝49个图块。针对每个图块，定位样本约需1秒。相应地，拍摄整个样本所需的时间为：49·1/(251/s)+49·1s≈51s。这一比较表明，这种实施方案中的根据本发明的数字显微镜能够数倍加快对整个样品的拍摄。根据本发明的数字显微镜的第四示例性实施方式包括智能电话、平板电脑等形式的电子移动设备。电子移动设备包括具有图像传感器的相机，该图像传感器形成显微镜的图像传感器。图像传感器具有2.0μm以下的小像素间距以及800万、1300万、2000万、4000万、5000万或1亿像素的大像素数。在下表1中列出根据本发明的显微镜的七种不同实施方式的参数。在第一列中分别示出物镜的放大系数m。在第二列中分别示出物镜的数值孔径na。在这七种实施方式中，均使用具有中等波长λ＝500nm的光。在这七中实施方式中，分辨率因子均为rf＝1.22。在第三列中分别示出物镜的光学分辨率δx。根据瑞利准则，光学分辨率δx得出为δx＝rf·λ/(2·na)。为了指定可显示的线对，假设每一线对的宽度均等于光学分辨率δx，从而在第四列中示出每毫米中线对lp的数目1/δx。此外，基于奈奎斯特条件，假设因子为4。第五列示出根据本发明的图像传感器的所得像素间距pp。优选地，像素间距小于额定值。mnaδx以nm计lp每mmpp以μm计2.500.07540762462.542100.4567814751.694200.838126231.906400.9532131153.211631.421845903.431250.310179846.354表1附图说明参照附图，通过下文对本发明优选实施方式的描述得到本发明的更多细节和改进。其中：图1示出用于描绘在根据本发明的显微镜中以及在根据现有技术的显微镜中分辨率与放大系数的关系图的曲线图；图2示出根据本发明的显微镜和根据现有技术的显微镜的实施方式的对比图；以及图3示出根据本发明的显微镜的两种实施方式的进一步图示。具体实施方式图1示出用于描绘在根据本发明的显微镜的优选实施方式中以及在根据现有技术的显微镜中显微镜的分辨率与显微镜的放大系数的关系图的曲线图。在曲线图的x轴上绘出放大系数。在曲线图的y轴上绘出分辨率，以μm为单位。由多个点组成的第一图形01显示根据现有技术的分辨率与显微镜的放大系数的关系。分辨率并非恒定并且随着放大系数增高而精度变高，其中，分辨率趋近最小值。第二曲线图02显示根据本发明的数字显微镜的优选实施方式的分辨率与放大系数的关系。分辨率不依赖于放大系数并且与现有技术相比始终具有最小值。图2示出根据本发明的显微镜和根据现有技术的显微镜的实施方式的对比图。图中示出根据现有技术的第一实施方式04、第二实施方式05和第三实施方式06。此外，图中还示出根据本发明的显微镜的第一优选实施方式07和第二优选实施方式08。图中均示出样本10、物镜11和图像传感器12。根据现有技术的第一实施方式04的物镜11具有固定的放大系数。根据现有技术的第一实施方式04的图像传感器12具有较大的像素间距，这样就会存在局部欠采样。根据现有技术的第二实施方式05的图像传感器12和根据现有技术的第三实施方式06的图像传感器12均被布置在智能电话(未示出)中并且具有较小的像素间距。在智能手机中相应存在透镜13，该透镜同时形成物镜11的一部分。第三实施方式06的物镜11还具有目镜14。智能手机的距离是可变的，因此放大系数也会改变。然而，由此可实现的成像不适用于相应的图像传感器12。根据本发明的显微镜的第一实施方式07和第二实施方式08与根据现有技术的实施方式04、05、06的区别在于，它们具有至多40的低放大系数。这样就能产生更大的视场(英文fieldofview)。在根据本发明的两种实施方式07、08中，物镜11的成像适用于具有至多2.0μm的较小像素间距的图像传感器12，这样就能确保局部过采样。图3示出根据本发明的显微镜的两种实施方式的进一步图示。图中示出根据本发明的显微镜的第三优选实施方式16和第四优选实施方式17，它们又各自包括物镜11和图像传感器12。第三实施方式16的物镜11包括两个相同的子物镜20，这两个子物镜均可包括一组透镜或单个透镜。第四实施方式17包括具有另外物镜22和另外图像传感器23的用于自动对焦的装置21。第四实施方式17包括分光镜24，该分光镜可以由50/50分光镜、偏振分光镜、反射镜或干涉分光镜形成。可选地，分光镜24可拆卸。第三实施方式16的图像传感器12的像素间距为1μm，而第四实施方式17的图像传感器12的间距为2μm。举例而言，图像传感器12的像素数为1520万。第三实施方式16和第四实施方式17的物镜11的放大系数为4或者替选地为10或20。第三实施方式16被构建为扫描显微镜，其图像传感器12可置换。至多2μm的较小像素间距值能够改善图像质量，特别是无像差图像。此外，至多2μm的较小像素间距值允许通过使用具有至多40(例如4、10或20)的低放大系数的物镜进行多点测量而快速自动对焦。倘若物镜的放大系数为4，则图像传感器须具有至少1520万像素。倘若物镜的放大系数为10，则图像传感器须具有至少250万像素。倘若物镜的放大系数为20，则图像传感器须具有至少630000像素。如果使用具有较高放大系数的物镜，则需具有较低像素数的图像传感器来实现相同的功能。倘若物镜的放大系数为60，则图像传感器须具有至少68000像素。倘若物镜的放大系数为100，则图像传感器须具有至少33000像素。附图标记列表01第一图形02第二图形03-04根据现有技术的第一实施方式05根据现有技术的第二实施方式06根据现有技术的第三实施方式07根据本发明的显微镜的第一实施方式08根据本发明的显微镜的第二实施方式09-10样本11物镜12图像传感器13透镜14目镜15-16根据本发明的显微镜的第三实施方式17根据本发明的显微镜的第四实施方式18-19-20子物镜21用于自动对焦的装置22另外的物镜23另外的图像传感器24分光镜当前第1页12