使用显微镜对对象进行成像的成像设备和方法技术

一种用于显微镜的成像设备，包括：光学成像系统，被配置为在至少两个不同的聚焦状态下形成对象的至少两个光学图像；以及处理器，被配置为处理来自至少两个光学图像的图像信息以获得相位信息，所述相位信息是被成像的所述对象的特性。光学成像系统包括图像传感器模块，图像传感器模块具有分别与至少两个不同的聚焦状态相关联的至少两个图像传感器，所述至少两个图像传感器被配置为同时检测至少两个光学图像以生成图像信息。图像传感器模块包括可由处理器控制的可调节孔径元件。

【技术实现步骤摘要】
使用显微镜对对象进行成像的成像设备和方法
本专利技术涉及一种用于显微镜的成像设备，包括：光学成像系统，被配置为在至少两个不同的聚焦状态下形成对象的至少两个光学图像；以及处理器，被配置为处理来自所述至少两个光学图像的图像信息以获得相位信息，所述相位信息是被成像的所述对象的特性。另外，本专利技术涉及一种使用显微镜对对象进行成像的方法。
技术介绍
相位对比显微术是光学显微术中的一种成像方法，它使用这样的事实，即除了幅度之外，光的相位根据光被透射通过的介质的折射率而改变。这允许直接对仅具有低固有对比度的对象结构进行成像。否则，那些对象结构在仅具有人工着色的明视场显微镜中将是可见的。因此，相位对比显微术被广泛用于透明生物对象的检查，其中不同的对象部分在光吸收上仅轻微变化，但在折射率上显著变化。通常应用的方法是根据Zernike的相位对比方法和根据Nomarski的微分干涉对比(DIC)方法。然而，这些方法不适用于对例如位于所谓的微量滴定板或多孔板中的相位对象进行成像。其原因之一是这些微量滴定板通常由双折射的塑料制成，并且因此影响光的偏振，偏振被用于DIC中。另外，在小直径的微量滴定板中，例如所谓的“96孔板”中，在液体(例如细胞培养基)中在其相对空气的表面上形成的弯月面。这样的弯月面象透镜表面一样使光圈的图像移位。当应用根据Zernike的相位对比方法时，这使包括在聚光透镜中的环形孔的图像相对于包括在物镜中的相环移位，并且因此降低了通过此方法获得的对比度。另外，在许多评估方法中，例如汇合测量等，必须应用记录的图像的分割。然而，与例如荧光成像相比，基于相位对比、DIC或调制对比方法来执行记录的图像的这种分割困难得多。这部分地是由于这些对比方法中固有的非线性对比机制。因此，记录的图像中的亮点不一定意味着对应的对象位置具有大的厚度或大的折射率。因此，无着色对比法将是有益的，其使得能够以线性方式测量对象属性，例如相移，由此能够执行分割。存在不同的方法以执行所谓的定量相位成像(QPI)，其中测量相移，即当光穿过对象时的光路长度的差。Mir等人的“QuantitativePhaseImaging”，ProgressinOptics,卷57,133(2012)中公开了一种可能的方法。由于具有较大厚度或较大折射率的区域可以容易地与背景区分，因此这些方法可以显著地简化分割，然而，许多方法基于干涉，并且因此是可扰动的并且实施起来是昂贵的。特别地，基于干涉的方法需要相干照明，例如激光，以及用于分离和组合多个光束路径的特定组件。难以将这些组件集成到通用显微镜系统中，并且由于激光安全性也必须遵守法规要求。因此，期望不依赖于干涉来确定相移。存在两种方法，允许在不使用干涉的情况下从多个图像定量地计算对象的相位分布。首先，在微分相位对比(DPC)方法中，基于不对称照明捕获两个图像，并且从这些图像重建相位分布。这种DPC方法在Tian和Waller的”Quantitativedifferentialphasecontrastimaginginanledarraymicroscope”，opticsExpress，卷23,11394(2015)中公开。其次，在散焦对比方法中，以相同量但相反方向的散焦捕获两个图像。从散焦的图像重建相位分布，在Kou等人的“Quantitativephaserestorationbydirectinversionusingtheopticaltransferfunction”,OpticsLetters，卷36,2671(2011)中公开了散焦对比方法。微分相位对比方法和散焦对比方法应用顺序成像，即，两个图像被一个接一个地捕获。另外，两种方法都基于对比度传递函数的知识，尤其是光学系统的相位传递函数。相位传递函数是照明系统的照明分布和成像系统的光瞳传递函数的函数。因此，对比度传递函数的准确知识是从反演计算获得可靠结果所必需的。如上所述，在DPC的情况下，使用不对称照明来生成对比度。然而，当使用微量滴定板时，由于上述弯月面的存在导致照明分布的未知失真和移位，因此难以获得照明分布的准确知识。在散焦对比方法的情况下，通常通过沿着光轴相对于对象移位物镜来在对象侧上实现散焦。因此，机械移动用于散焦，需要机动化并且限制帧速率，因为在位移期间不能捕获图像。另外，文献US20070182844A1公开了一种用于借助于分束器产生两个不同的散焦的图像的系统。然而，此系统在集成到提供不同的放大率的显微镜方面是不灵活的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于显微镜的成像设备，以及一种能够实现改进的样本的基于相位的成像，特别是当样本位于微量滴定板中时。上述目的通过根据如下所述的用于显微镜的成像设备来实现。此外，以下描述中还限定了其他有利的实施例。一种用于显微镜的成像设备，包括：光学成像系统，被配置为在至少两个不同的聚焦状态下形成对象的至少两个光学图像；以及处理器，被配置为处理来自所述至少两个光学图像的图像信息以获得相位信息，所述相位信息是被成像的所述对象的特性。光学成像系统包括图像传感器模块，图像传感器模块具有分别与所述至少两个不同的聚焦状态相关联的至少两个图像传感器，所述至少两个图像传感器被配置为同时检测所述至少两个光学图像用于生成所述图像信息。图像传感器模块包括可由所述处理器控制的孔径元件。如上所述，传统的散焦对比方法应用顺序成像以获得作为待成像的对象的特性的相位信息。与之相比，通过提供具有至少两个图像传感器的图像传感器模块，本文所提出的成像设备使得能够同时检测光学图像。因此，不需要使用如常规方法中提供的用于对象侧散焦的机械移动。结果，帧速率不受聚焦的限制。另外，不需要使物镜或显微镜台机动化，从而使系统不太复杂并且降低了成本。图像传感器可以由例如CCD或CMos相机的相机形成，这些相机定位在图像传感器模块内，使得检测光传播到相机所沿的光路的长度彼此不同的。与类似DPC的常规方法相比，成像设备有利地避免了不对称照明。因此，成像设备对由微量滴定板中通常出现的液体弯月面引起的有害影响更不敏感。结果，从散焦的图像重建相位信息变得更容易。另外，成像设备不受关于记录的图像的可能分割的任何限制。特别地，本文提出的解决方案使得能够在不使用人工对象着色的情况下获得相位信息。图像传感器模块包括孔径元件，孔径元件可以由处理器控制以变化包括在光学成像系统中的物镜的有效数值孔径，特别地，孔径元件可用于使物镜的有效数值孔径适应于其放大率，因此即使在放大率变化的情况下，也可能将有效数值孔径与放大率的比率保持在恒定值。例如，当提供具有不同的放大率的物镜的集合时，放大率可以改变，这些物镜中的每个例如借助于物镜转换器选择性地可插入到显微镜的光路中。优选地，至少两个图像传感器沿着光学成像系统的光轴方向彼此偏移地定位，用于分别提供与所述至少两个光学图像相关联的两个不同的光路长度。特别地，至少两个图像传感器可以沿着光轴方向布置在不同的图像平面上，所述图像平面位于所述光学成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于显微镜的成像设备(100，500)，包括：/n光学成像系统(102，502)，被配置为在至少两个不同的聚焦状态下形成对象(108)的至少两个光学图像，以及/n处理器(104，304)，被配置为处理来自所述至少两个光学图像的图像信息以获得相位信息，所述相位信息是被成像的所述对象(108)的特性，/n其中所述光学成像系统(102，502)包括图像传感器模块(106，306，406)，所述图像传感器模块具有分别与所述至少两个不同的聚焦状态相关联的至少两个图像传感器(222，224)，所述至少两个图像传感器(222，224)被配置为同时检测所述至少两个光学图像以生成所述图像信息，/n其中所述图像传感器模块(106，306，406)包括由所述处理器(104、304)可控制的可调节孔径元件(235)。/n

【技术特征摘要】
20190927 EP 19200116.21.一种用于显微镜的成像设备(100，500)，包括：
光学成像系统(102，502)，被配置为在至少两个不同的聚焦状态下形成对象(108)的至少两个光学图像，以及
处理器(104，304)，被配置为处理来自所述至少两个光学图像的图像信息以获得相位信息，所述相位信息是被成像的所述对象(108)的特性，
其中所述光学成像系统(102，502)包括图像传感器模块(106，306，406)，所述图像传感器模块具有分别与所述至少两个不同的聚焦状态相关联的至少两个图像传感器(222，224)，所述至少两个图像传感器(222，224)被配置为同时检测所述至少两个光学图像以生成所述图像信息，
其中所述图像传感器模块(106，306，406)包括由所述处理器(104、304)可控制的可调节孔径元件(235)。


2.如权利要求1所述的成像设备(100，500)，其中所述至少两个图像传感器(240，250)沿着所述光学成像系统(102，502)的光轴方向彼此偏移地定位，用于提供分别与所述至少两个光学图像相关联的两个不同的光路长度。


3.如权利要求2所述的成像设备(100，500)，其中所述至少两个图像传感器(240，250)被布置在沿着所述光轴方向的不同的图像平面上，所述图像平面位于所述光学成像系统(102，502)的焦平面(230)的相对侧，与所述焦平面相距预定距离。


4.如权利要求3所述的成像设备(100，500)，其中选择所述图像平面距所述焦平面(230)的所述预定距离，使得对象侧散焦近似等于所述光学成像系统(102，502)的景深。


5.如前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(100，500)，其中所述图像传感器模块(106，306，406)包括分束器(232)，所述分束器被配置为将来自所述对象(108)的光分成分别与所述至少两个图像传感器(222，224)相关联的至少两个光束。


6.如前述权利要求中任一项所述的成像设备(100，500)，其中所述处理器(104，304)包括在所述图像传感器模块(106，306，406)中。


7.如前述权利要求中任一项所述的成像设备(100，500)，还包括接口设备(236)，所述接口设备被配置为通过将所述图像传感器模块(106，306，406)耦接到所述接口设备(236)来将所述图像传感器模块(106，306，406)集成到所述光学成像系统(102，502)中。


8.如前述权利要求中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·戴斯勒，克里斯蒂安·舒曼，
申请(专利权)人：莱卡微系统CMS有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE