功能集成的激光扫描显微镜制造技术

本发明专利技术涉及一种功能集成的激光扫描显微镜，设计用于可选地以共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式利用激光照射装置对试样加以扫描，其包括：激光光源、照射和检测光路、检测装置以及至少一个物镜，分别针对各种所选运行模式的使用来设计，其中，照射和检测光路包括用于配置激光照射装置的机构、至少一个用于利用激光照射装置对试样进行扫描的扫描仪以及用于将照射和检测光分离的分束器，以及在检测光路中设置有用于根据相应选择的运行模式改变光线引导的、能够控制的光学元件。能够控制的光学结构组件经指令输入装置与控制电路连接，控制电路被设计用于变换到根据相应所希望的运行模式，并且存在基于由检测装置输出的电子图像信号来生成试样图像的硬件和软件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种功能集成的激光扫描显微镜，其被构造用于可选地以共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式利用激光照射装置对试样加以扫描。
技术介绍
共焦激光扫描显微镜是已知的。在此情况下，需要查看的试样区域被利用聚焦到一点的激光束加以扫描，针对所有被扫描的位置而言，借助于图像传感器来测量被试样物质反射或通过荧光性发出的光的特性，并且基于测量结果产生试样区域的图像。在将激光扫描显微镜应用于生物医药领域的研究时，在过去的几年中，对活细胞的研究越来越在经济利益方面具有前景，例如为了细胞中新陈代谢过程的研究或者为了分析药物对细胞生理的作用。在此，荧光显微镜有特别意义，因为荧光显微镜实现了对不同细胞器具有高区分度的、亚细胞级的光学观察，并且显微镜从单纯的图像产生系统发展成重要的测量工具。但是，对活细胞的研究对显微镜系统提出高要求。一方面，数据获得必须非常迅速执行，以便能够追踪生物过程的时间过程，另一方面，确保细胞的生命维持或者将对细胞新陈代谢的干扰降得很低。这需要在激励荧光分子时将尽可能少的光引入细胞中，但这种光引入不应妨碍到信噪比(SNR)，由此，能够尽可能迅速而且准确地获取所需要的信息。这种部分彼此矛盾的需求的满足是继续研发激光扫描显微镜时重要的挑战。难点在于，共焦的图像生成由于呈点状顺次的数据生成而在其图像采集速率方面受到限制。虽然图像采集速率能够通过借助于共振电流计扫描仪的更为快速的采样而提高，但是由此每个图像传感器的蓄电时间相应缩短。为了尽管如此仍实现所希望的信噪比，必须密集地或者说高强度地照射，这又提高了对活体试样的毒性负担。在获取共焦图像时提高速率的另一可行方案是利用所谓的转盘式(SDM)显微镜得以实现。在这里，借助于两个耦合旋转的盘(其中，第一个盘承载微型透镜，在第二个盘上布置有对应于这个微型透镜的共焦遮光板)通过并行设置来实现图像采集速率的显著提高。但是，图像采集速率受到图像传感器特性的限制。此外，转盘式显微镜就图像产生的功能方面特殊设定，此外，进行中的测量任务，诸如荧光寿命成像显微术(FLIM)、荧光共振能量转移试验(FRET)或荧光相关谱不能应用或应用不足。最后，光谱成像也不适合于，能够将试样的多重染色明晰地相互区分并且对细胞中的变换过程加以分析。借助于转盘式显微术或借助于宽场显微术的光谱成像虽然在文献中被多次讨论，但是迄今没有在商用方面付诸实践。由此，根据现有技术虽然能够提供各种针对特定用途特殊设计的激光扫描显微系统，但是不能实现满足广泛通用要求的功能整合系统和更全面的应用。针对共焦直至宽场显微术所提出的设备组合例如是制造商尼康的共焦激光扫描显微镜C2，这种显微镜模块化地由不同的光学部件构造，这些光学部件根据应用能够彼此替换和相互关联。但是，需要解决的问题总是还在于当观察试样期间提供共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式，而无须耗时地执行模式更换或设备改造。
技术实现思路
由此出发，本专利技术的目的在于，提出一种激光扫描显微镜，其具有不同的、能够预选的运行模式，这些运行模式实现了：使显微镜以简单方式针对相应的实验需要来构造。所述目的利用开头提到类型的激光扫描显微镜来实现，所述激光扫描显微镜包括：激光光源、照射和检测光路、检测装置以及至少一个物镜，分别针对每一种所选运行模式的使用来设计，其中，照射和检测光路包括用于构造激光照射装置的机构、至少一个用于利用激光照射装置对试样进行扫描的扫描仪以及用于将照射和检测光分离的分束器，以及在检测光路中设置有用于根据相应选择的运行模式改变光线引导的、能够控制的光学元件。能够控制的结构组件借助于指令输入装置与控制电路相连接，所述控制电路设计用于将当前的运行模式转换为所希望的其他运行模式，存在用以基于由检测装置输出的电子图像信号来生成试样图像的硬件和软件。激光照射装置的概念在本专利技术的意义上包括对试样或试样需要查看的区域的点状、线状的照射装置，也包括场状的照射装置。对照射光点状、线状或场状的设计借助于能够控制的光学元件根据各自所希望的运行模式来实现。按照本专利技术设计有前面介绍的特征的激光扫描显微镜通过避免模块化的结构类型、以简单的方式通过转换到相应的运行模式而实现了：迅速而又保护试样地获得了需要查看的试样区域的总览图，在最高30fps(每秒传输帧数)的图像采集速率下以光谱成像产生共焦的图像照片，或者在试样负担最小而且信噪比很高的情况下，产生上述图像照片，以光谱成像在图像采集速率高于100fps的情况下产生超高速的图像照片，或者对试样中所希望的区域拍摄并行的二维图像。在此，上面提到的、最高至30fps或者高于100fps的图像采集速率分别涉及的是每张图512行，这里假设图像采集速率由于行速度而受到限制。在产生并行的二维图像时的图像采集速率首先通过图像传感器的具体几何形状来给定，但也可以通过摩赛克方法来检测试样的更大的区域。光线引导根据相应选定的运行模式的改变通过借助于能够控制的光学切换元件将检测光束耦合输入到不同的检测路径中来设置。检测路径通过处在光路中的光学结构组件和/或通过至少一个图像平面和光瞳平面的位置来区分。分别将一个检测路径固定配设给一个运行模式。在第一检测路径中，检测光束的贯穿引导和影响借助于至少一个相对于底座固定布置在光路中的光学结构组件来设置，而在第二检测路径中，检测光路围绕所述光学结构组件的围绕引导地设置，以便避免产生影响。由此，在第一检测路径中、在定义的位置上构造出图像平面，在第二检测路径中替代图像平面地构造出光瞳平面。例如将透镜阵列设置为相对于底座固定的光学结构组件。优选的是，将第一检测路径配设给共焦运行模式，第二检测路径配设给行运行模式和宽场运行模式。在检测光路的继续延伸中，可以存在第二光学切换元件，利用第二光学切换元件、根据切换位置将经相应的检测路径而来的检测光束耦合输入到共同的检测装置中。作为第一切换元件存在的例如是切换镜，可以设置为第二切换元件的是能够运动的棱镜。光学切换元件与控制电路相连接，控制电路根据相应的运行模式规定或者说预设出切换位置。控制电路与指令输入装置相联接，用于转换运行模式。按照本专利技术的激光扫描显微镜的照射光路具有照射扫描仪，用于使激光照射装置运动超出物镜光瞳和/或用于使照射光线引导与相应调整出的运行模式相匹配。在此，运动图案或运动过程与相应选定的运动模式相关，也就是照射扫描仪的操控同样与运行模式相关地执行。此外，在照射光路中同样设置有能够控制的光学结构组件，用于根据相应选定的运行模式来改变光线引导，并且与控制电路相连接。在按照本专利技术的激光扫描显微镜的优选实施方式中：在共焦运行模式期间，透镜结构组件被枢转进入照射光路中，在行运行模式期间，透镜结构组件和柱面透镜被枢转进入照射光路中，以及在宽场运行模式期间，替代透镜结构组件和柱面透镜地将望远镜或者说镜管枢转进入照射光路中。能够枢转进入的结构组件的功能和目的接下来在后面借助于实施例详细阐释。枢转进入或枢转摆出的过程借助于控制电路根据所规定或者说预设的运行模式来实现。此外，可以考虑而且落在本专利技术范围内的是，针对各个运行模式的光线形成通过借助于空间光调制器(SLM)在相对于物镜光瞳共轭的平面中操作激光光线的相位来实现。在特别优选的实施方式中，针对所有运行模式共同的检测装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功能集成的激光扫描显微镜，设计用于可选地以共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式利用激光照射装置对试样加以扫描，并且具有可选的运行模式中的至少两种，其特征在于，激光光源、照射和检测光路、检测装置以及至少一个物镜，分别针对每一种可选的运行模式的使用来设计，其中，照射和检测光路包括用于配置激光照射装置的机构、至少一个用于利用激光照射装置对试样进行扫描的扫描仪以及用于将照射和检测光分离的分束器，以及在检测光路中设置有用于根据相应选择的运行模式改变光线引导的、能够控制的光学元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.28 DE 102014107606.01.一种功能集成的激光扫描显微镜，设计用于可选地以共焦运行模式、行运行模式或宽场运行模式利用激光照射装置对试样加以扫描，并且具有可选的运行模式中的至少两种，其特征在于，激光光源、照射和检测光路、检测装置以及至少一个物镜，分别针对每一种可选的运行模式的使用来设计，其中，照射和检测光路包括用于配置激光照射装置的机构、至少一个用于利用激光照射装置对试样进行扫描的扫描仪以及用于将照射和检测光分离的分束器，以及在检测光路中设置有用于根据相应选择的运行模式改变光线引导的、能够控制的光学元件。2.根据权利要求1所述的功能集成的激光扫描显微镜，其中，检测光路针对每种可选的运行模式在检测装置的同一图像传感器上终止。3.根据权利要求1或2所述的功能集成的激光扫描显微镜，具有：用于能够控制的光学结构组件的控制电路，用于实现从当前运行模式变换到另一可选的运行模式的指令输入装置，以及基于由检测装置输出的电子图像信号来生成试样图像的硬件和软件。4.根据权利要求1至3中任一项所述的集成的激光扫描显微镜，其中，光线引导的改变通过借助于能够控制的光学切换元件将检测光束耦合输入到不同的检测路径中来设置，其中，检测路径通过处在光路中的光学结构组件和/或通过至少一个图像平面和光瞳平面的位置来区分，以及分别将一个检测路径固定配设给一个运行模式。5.根据权利要求4所述的功能集成的激光扫描显微镜，其中，在第一检测路径中，检测光束的贯穿引导和影响借助于至少一个相对于底座固定布置在光路中的光学结构组件来设置，以及在第二检测路径中，设置检测光路围绕所述光学结构组件的围绕引导，其中，在第一检测路径中，在定义的位置上构造出图像平面，在第二检测路径中替代图像平面地构造出光...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·施威特，蒂姆·安胡特，马蒂亚斯·瓦尔特，
申请(专利权)人：卡尔蔡司显微镜有限责任公司，卡尔蔡司股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE