用于捕获图像数据的设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于捕获图像数据的设备，其包括检测光束路径和用于在第一检测路径和第二检测路径之间分离检测辐射的装置。检测器位于每个检测路径中。微透镜阵列布置在至少一个检测器的上游。第一检测器具有第一空间分辨率，第二检测器具有第二空间分辨率，第一空间分辨率高于第二空间分辨率。此外或可选地，第一检测器具有第一时间分辨率，第二检测器具有第二时间分辨率，第一时间分辨率低于第二时间分辨率。存在用于评估第一和第二检测器的捕获的图像数据的评估单元，其被配置为使得每个检测器捕获的图像数据以计算方式组合在一起从而形成三维解析的结果图像。本发明专利技术还涉及一种包括根据本发明专利技术的设备的显微镜，以及一种捕获图像数据的方法。图像数据的方法。图像数据的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于捕获图像数据的设备和方法


[0001]本专利技术涉及一种用于捕获图像数据的设备和方法。

技术介绍

[0002]现代显微术越来越注重三维样品体积的快速捕获。在此，一个重要的应用是测量神经细胞网络中的神经信号。这些网络在大脑中的分布超过数百或数千微米。为了能够理解大脑的基本能力，需要以高时间分辨率尽可能完整地捕获这些网络或其大部分的反应。
[0003]由于这不仅仅关系到对形态结构的理解，还涉及对功能过程的理解，这些方法也在功能成像的关键词下被结合。
[0004]在显微术领域，已知许多不同的方法，利用这些方法可以近似功能成像。基于方法的方案，例如，快速2D记录、然后轴向扫描，对于上述应用领域来说通常太慢。纯粹针对算法评估(计算成像)的方法通常容易受到伪像的影响。
[0005]并行度较低的共焦扫描方法的缺点在于，其运行相对较慢，并且是以时序方式运行的。速度的增加通常伴随着样品中发光功率的增加，其中，较高的发光功率会使所使用的荧光标记饱和并损坏样品。另一种点扫描方法是多光子显微术。这种情况下的并行度也很低。
[0006]例如，通过旋转盘显微术，可以提高并行度。在这种情况下，在样品上同时引导相对大量的采样光束，然后通过位于旋转盘中的所谓小孔来捕获在不同情况下引发的检测辐射。这种共焦方法允许例如数百个焦体积的并行扫描。
[0007]使用所谓的光片照明的方法和装置同样表现出相对较高的并行度。为此，生成静态或动态的光片，并将其导入样品中。由于光片的横向于其二维范围的厚度(光片厚度)非常小，仅在当前照明的平面中引发检测辐射，特别是荧光辐射。
[0008]除了选择性照明样品区域，当应用光场显微术时，还可使用宽场照明。就显微术而言，根据光场技术的检测允许以更大的体积和良好的深度分辨率快速捕获数据。可见，缺点在于缺少光学切片的可能性和强背景辐射。
[0009]通过使用检测器上游的微透镜阵列，可以实现相对较大体积的捕获，并且同时提高分辨率。为此，在Cong等人的出版物(Cong，L等人，2017；eLife，6:e28158)中提出了一种微透镜阵列，其中布置了不同焦距的微透镜。然而，缺点在于，每个微透镜组仅使用了一部分孔径。

技术实现思路

[0010]本专利技术基于提出一种可能性的目的，该可能性使得能够以高时间分辨率并且同时以高空间分辨率对样品的三维区域进行成像。
[0011]该目的通过一种用于捕获图像数据的设备来实现。该设备包括检测光束路径，至少一个显微镜的检测辐射沿着该检测光束路径被引导或可被引导。该设备可以例如在中间图像或在另一合适的界面接收显微镜的检测辐射。此外，用于在第一检测路径和第二检测
路径之间分离检测辐射的装置存在于检测光束路径中。第一检测器布置在第一检测路径中，第二检测器布置在第二检测路径中，其中微透镜阵列布置在至少一个检测器的上游，特别是在相关的第一检测路径或第二检测路径中。至少一个微透镜阵列布置在光瞳平面或像平面中。这里，第一检测器具有第一空间分辨率(图像分辨率)，第二检测器具有第二空间分辨率。第一空间分辨率高于第二空间分辨率。附加地或替代地，第一检测器具有第一时间分辨率(检测率)，第二检测器具有第二时间分辨率，其中第一时间分辨率低于第二时间分辨率。
[0012]该设备的特征在于，存在评估单元，例如计算机，用于评估第一和第二检测器的捕获的图像数据。评估单元被配置成使得两个检测器的图像数据的评估被以计算方式组合从而形成三维解析的结果图像(resulting image)。
[0013]图像，特别是三维解析的结果图像，被理解为特别意指样品的(数字)三维表示的数据集。所述数据集可以被可视化为例如二维或三维图形。
[0014]本专利技术的核心是提供具有不同空间和/或时间分辨率的图像数据及其组合，以形成具有高时间分辨率并且具有高空间分辨率的结果图像。这里，检测器的每个检测元件(像素)捕获并评估与位置相关的信息，有利地还有捕获的光束的相应角度信息。根据本专利技术的发现在于，两个检测器的适当组合及其捕获的图像数据的计算组合使得有可能实现非常好的三维分辨率，这满足了例如关于用于神经生物学的空间分辨率的要求，并且还使得例如每秒100个完整体积或更大体积的体积检测率成为可能。
[0015]该设备的第一和第二检测器例如是二维检测器，具有以网格形式排列的多个检测器元件。由于需要非常高的灵敏度(低噪声)，例如电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)或超级互补金属氧化物半导体(sCMOS)传感器适合作为检测器。SPAD检测器，例如SPAD阵列，比如CMOS
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SPAD阵列传感器，在未来也将变得越来越重要。
[0016]有利地选择第一和第二检测器的技术差异，以使得各自的空间分辨率和时间分辨率彼此不同到这样一种程度，即：尽管两种记录模式彼此差异很大，但是它们可以以适当的费用彼此组合。这实际上用于获得模式的各自优点，并且通过它们的适当组合来获得并且能够利用本专利技术意义内的图像质量。
[0017]对于随后的陈述，除非明确描述了其他内容，假设第一检测器具有比第二检测器更高的空间分辨率但更低的时间分辨率。例如，第一空间分辨率可以比第二空间分辨率高至少1.5倍，并且第一时间分辨率可以比第二时间分辨率低至少2倍。
[0018]为了支持由各个检测器捕获的图像数据的计算组合，第一检测器(以下也称为“慢速相机(slowcam)”)和第二检测器(也称为“快速相机(fastcam)”)以这样的方式彼此对准，使得图像数据(例如单个图像或帧)的彼此分配成为可能。慢速相机和快速相机有利地相对于彼此校准，以使得分别捕获的图像数据可以彼此重叠和/或以计算方式组合。
[0019]如果第一和第二检测器相对于它们各自的捕获间隔彼此同步，则组合所捕获的图像数据的目的也得以实现。
[0020]第一和第二检测路径之间的检测辐射的分离可以以各种方式实现。用于分离检测辐射的装置可以是例如分束器，特别是中性分离器，二向色分束器或可切换反射镜。
[0021]有利的是，检测辐射以允许两个检测器优化操作的分离比(splitting ratio)被转向到检测路径中。例如，与具有较低空间分辨率但较高时间分辨率的第二检测器相比，具
有较高空间分辨率的第一检测器(慢速相机，较长的记录持续时间)可接收的光成比例地减少。例如，中性分离器可以实现相应的分离比。检测辐射也有可能被光谱地分离，光谱的一部分被转向到第一检测路径中，并且光谱的另一部分被转向到第二检测路径中。如果使用可枢转的反射镜进行分离，则检测辐射可以暂时完全转向第一或第二检测路径。如果在时间上控制反射镜的切换，使得慢速相机根据其帧速率被检测辐射照射，则这是有利的。
[0022]检测辐射可以在作为显微镜和根据本专利技术的设备之间的界面的中间图像平面上被转移。检测辐射通过傅立叶变换从中间图像平面变换到光瞳中。
[0023]例如，应根据示例来说明对小生物(例如果蝇)大脑中的过程进行检查时需要满足的要求。在这种情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于捕获图像数据的设备(1)，包括：检测光束路径，至少一个显微镜(11)的检测辐射沿着所述检测光束路径被引导或能够被引导；以及用于在第一检测路径(3)和第二检测路径(6)之间分离所述检测辐射的装置(2)；所述第一检测路径(3)中的第一检测器(4)和所述第二检测路径(6)中的第二检测器(7)，其中微透镜阵列(5、8)布置在至少一个所述检测器(4、7)的上游；其中，所述第一检测器(4)具有第一空间分辨率，所述第二检测器(7)具有第二空间分辨率，并且所述第一空间分辨率高于所述第二空间分辨率；和/或所述第一检测器(4)具有第一时间分辨率，所述第二检测器(7)具有第二时间分辨率，其中所述第一时间分辨率低于所述第二时间分辨率，其特征在于存在用于评估第一检测器和第二检测器(4、7)的捕获的图像数据的评估单元(10)，其中，所述评估单元(10)被配置为使得两个检测器(4、7)的图像数据的评估得以进行，并且从评估的图像数据产生三维解析的结果图像。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述第一检测器(4)具有比所述第二检测器(7)更高的空间分辨率；小孔(23)存在于中间图像平面中的第一检测路径(3)中并且在所述第一检测器(4)的光学上游，相应地，借助于所述第一检测器(4)进行所述检测辐射的共焦捕获；以及微透镜阵列(8)布置在所述第二检测器(7)的上游。3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第一空间分辨率比所述第二空间分辨率高至少1.5倍，并且所述第一时间分辨率比所述第二时间分辨率低至少2倍。4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述用于分离所述检测辐射(2)的装置是分束器、二向色分束器或可切换反射镜。5.一种显微镜(11)，包括根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)。6.根据权利要求5所述的显微镜(11)，其特征在于，光源(15)、特别是激光光源(15)和用作照明物镜的物镜(18)存在于照明光束路径中，其中产生宽视场照明。7.根据权利要求5所述的显微镜(11)，其特征在于，光源(15)、用作照明物镜的物镜(18)和用于产生光片(19)的设备存在于照明光束路径中，其中所述光片(19)在样品空间(20)中所述物镜(18)上游的物侧上产生。8.根据权利要求6或7所述的显微镜(11)，其特征在于，所述光源(15)被实施为用于提供脉冲照明光，特别是...

【专利技术属性】
技术研发人员：T安哈特，D施韦特，
申请(专利权)人：卡尔蔡司显微镜有限责任公司，
类型：发明
国别省市：