用于确定荧光显微镜中的照明强度的控制系统和方法及对应的显微镜系统技术方案

本发明专利技术涉及用于自动确定荧光显微镜的光源的照明强度的控制系统，光源用于刺激样本中的荧光团并且被配置为改变照明强度，显微镜具有用于检测样本的图像强度的检测器，控制系统被配置为在光路径中的改变之后，自动确定用于光源的照明强度的控制值，以实现表征样本检查的检查参数的期望值，其中确定光源的照明强度的控制值是基于在光路径中的改变之前设置的照明强度的值、基于在光路径中的改变之前使用的检查参数的值、以及基于在光路径的物理模型，物理模型在考虑到光路径中的光学组件的成像特性情况下将光源的照明强度映射到检查参数。本发明专利技术还涉及显微镜系统和对应的方法。本发明专利技术还涉及显微镜系统和对应的方法。本发明专利技术还涉及显微镜系统和对应的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于确定荧光显微镜中的照明强度的控制系统和方法及对应的显微镜系统


[0001]本专利技术主要涉及用于自动确定荧光显微镜中的光源的照明强度的控制系统，该光源用于刺激样本中的荧光团，涉及包括荧光显微镜和这种控制系统的显微镜系统，以及涉及对应的方法。

技术介绍

[0002]特别是在荧光显微镜中，当改变物镜和/或光路径中的其他组件并保持照明参数，诸如中间图像中的视场和中间图像中的强度恒定时，入射到物场(和样本)上的照明强度会发生改变。此外，检测器上的检测强度以不同的方式改变。
[0003]然而，为了在荧光显微镜中检查或成像样本，通常在物镜改变之后也需要样本处的恒定照明强度或图像强度。这需要重新设置光源的照明强度或功率。

技术实现思路

[0004]鉴于上述缺点和问题，需要一种在荧光显微镜中调适照明强度的改进方式。根据本专利技术的实施例，提出了具有独立权利要求的特征的控制系统、具有荧光显微镜的显微镜系统和方法。有利的进一步发展形成从属权利要求和随后描述的主题。
[0005]本专利技术的实施例通常涉及具有荧光显微镜的显微镜系统，特别是落射荧光显微镜，并且涉及用于这种荧光显微镜的控制系统。所述控制系统可以包括一个或多个处理器；它可能是单独的计算机(系统)或集成到显微镜中的处理器。显微镜包括至少一个光源，该光源用于刺激样本中的至少一种荧光团(也称为荧光染料或染料；它是在光激发时可以重新发光的荧光化合物)，该样本通过所述显微镜的方式检查和/或成像。至少一个光源被配置成使得其照明强度(也称为照明功率或照明亮度)可以改变。所述荧光显微镜进一步包括被使用并被配置为检测图像强度的至少一个检测器(可以是具有多个检测器的检测器单元的一部分)；所述图像强度是样本中激发的荧光染料发出的荧光。图像强度还取决于光源的照明强度。
[0006]在此方面，术语“光源”应包括任何适合激发荧光团的发光布置；优选地，使用固态光源。激发荧光团需要预定的激发波长存在于光源的光谱中。因此，这样的光源可以包括：包括激发波长的宽带光源、包括激发波长的窄带光源、或具有下游滤波器的光源，该下游滤波器从包括激发波长的光源的光谱中过滤光谱。这同样适用于术语“检测器”。这种检测器或检测器单元必须能够检测所讨论中的荧光团的发射荧光辐射的波长。为此，可以使用对应宽带检测器或对应窄带检测器，该检测器对于荧光辐射的对应波长具有足够的灵敏度。此外，可以使用具有上游滤波器的宽带检测器，所述滤波器过滤荧光辐射的相关波长并使其可被检测器的传感器访问。所述滤波器连接在光源之后或检测器的上游，可以被设计为滤光轮或滤光载波片、光谱分束器层、光谱仪或单色仪布置，或者也可以以例如基于声光或液晶的系统的形式设计。
[0007]根据本申请的每个光源旨在直接激发存在于待成像的样本中的用户采用的荧光团。这些光源中的每一个都可以根据它们的照明强度或照明亮度单独调整。以这种方式，可以调整撞击直接分配的荧光团的光子通量，从而调整最终撞击检测器的从荧光辐射产生的光子通量。如果单个光源激发多于一个荧光团，则最好在照明控制方法中考虑所谓的交叉激发。
[0008]取决于用户执行的检查或成像的具体类型，这可能需要改变从至少一个光源到样本(也称为照明路径)和/或从样本到至少一个检测器(也称为成像路径)的光路径。这种改变通常包括显微镜的当前布置在光路径中的物镜的改变。此外，在光路径中布置的其他组件如滤波器等可能会被插入、移除或更换。这也可能导致光路径相对于照明强度的改变。在诸如中间图像中的视场和中间图像中的强度等照明参数不改变的情形中，入射到物场上的照明强度因此会由于物镜改变而发生改变。除了样本和荧光团上的照明强度之外，成像强度，即从荧光团发射并到达至少一个检测器的光的强度可能会发生改变。
[0009]因此，为了保持样本上的照明强度和/或成像强度恒定或将其重新设置为所期望的值(该期望值可以是适当的值，以实现例如某些实验的适当照明)，必须调整光源的照明强度或照明功率。例如，手动重新设置非常耗时。因此，这种调整优选地应该以自动方式执行。自动照明控制方法可以基于数据库和查找表来工作，以使滤波器设置与弧光灯和滤波器兼容。然而，为查找表和数据库生成数据非常耗时，并且需要在更改诸如光源等硬件时进行调适。此外，此类方法无法充分利用现代固态荧光光源(照明器)的精细和特定于波长的调整可能性的全部潜力。
[0010]实现自动照明控制的一种优选方式是使用迭代法。然而，对于这种迭代法的快速收敛，即快速达到照明强度的最终设置，好的起始点对于迭代法是必不可少的。
[0011]为了克服这些问题，根据本专利技术实施例的控制系统被配置为在光路径中改变后自动确定至少一个光源的照明强度的控制值，以便达到表征样本检查的检查参数的期望值。优选地，控制系统被配置为自动检测光路径中的所述改变，例如，通过在物镜转台等处的一个或多个传感器。所述检查参数特别地基于或包括在样本处的期望的照明强度。此外，所述检查参数可以基于或包括所述至少一个检测器检测到的样本的期望的成像强度。所述检查参数的期望值特别是用户希望对样本进行检查的值；例如，这样的期望值与改变之前使用或设置的值相同。然而，也可以选择或使用任何其他值。在检测器单元检测到的样本的成像强度的所述期望值可以基于针对至少一个荧光团从检测器检测到的光子统计得到的值来定义，例如，在至少一个检测器处的信噪比。优选地，控制系统还根据确定的用于照明强度的控制值自动调适至少一个光源的照明强度。这特别是通过调适提供给至少一个光源的电功率来执行的。
[0012]进一步地，所述确定用于所述至少一个光源的照明强度的控制值是基于在光路径中的改变之前设置的照明强度的值、基于在照明路径中的改变之前使用的检查参数的值、以及基于光路径的物理模型。此物理模型将至少一个光源的照明强度映射或关联到检查参数，同时考虑到光路径中光学组件的成像特性。
[0013]在物理模型中可以考虑到不同种类的这种成像特性。优选地，这些包括以下的组中的至少一个：物镜的放大倍率，物镜的透射率，物镜的数值孔径，浸没介质的折射率，中间图像中的照明场光阑的面积，总光瞳面积，物镜处的受照明光瞳面积，以及系统光学组件的
放大倍率和/或焦距的比率。后者可以包括例如放大倍率改变器，相机适配器，焦距照明模块等。
[0014]本专利技术的实施例利用基于第一性原理光学数据来实现这样的物理模型，以便从改变之前已知的数据，即当前照明强度以及图像亮度和基本光学数据计算物镜改变等之后的预期图像强度和/或照明强度。特别是，这可用于在物镜改变后为自动(迭代)的照明调整生成足够的起始点，从而导致更快的收敛。
[0015]下面将简要描述所述物理模型，并且在附图的描述中以及关于附图更详细地描述。例如，对于落射荧光宽场显微镜，入射到物镜光瞳上的光的照明功率散布在照明的光瞳区域上，所述物镜光瞳在落射照明的情况下用作聚光光瞳。入射在样本上的功率是物镜的透射率乘以物镜的光瞳面积与受照明光瞳面积的比值。可以假设物镜具有一定的放大倍率，并且可以被设计用于具有一定折射率的浸没介质。这允许本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于自动确定荧光显微镜(100)的至少一个光源(120
k
，120
k+1
)的照明强度(P
k
，P
k+1
)的控制系统(150)，所述至少一个光源(120
k
，120
k+1
)用于刺激样本(110)中的至少一个荧光团(130，130
j
，130
j+1
)，所述至少一个光源(120
k
，120
k+1
)被配置为改变所述照明强度(P
k
，P
k+1
)，并且所述显微镜(100)具有至少一个检测器(140，140
i
，140
i+1
)，所述至少一个检测器(140，140
i
，140
i+1
)用于检测所述样本(110)的图像强度(B，B
i
，B
i+1
)，所述控制系统(150)被配置为：在光路径(164，168)中的改变(302)之后，自动确定(304)用于所述至少一个光源(120
k
，120
k+1
)的所述照明强度(P
k
，P
k+1
)的控制值(P
k,m+1
)，以实现表征样本检查的检查参数(I，B，B
i
，B
i+1
)的期望值(I
m+1
)，其中所述光路径包括以下中的至少一个：从所述至少一个光源(120
k
，120
k+1
)到所述样本(110)的照明路径(164)，以及从所述样本(110)到所述至少一个检测器(140，140
i
，140
i+1
)的成像路径(168)，其中确定(304)用于所述至少一个光源(120
k
，120
k+1
)的所述照明强度(P
k
，P
k+1
)的所述控制值(P
k,m+1
)是基于在所述光路径(164，168)中的所述改变(302)之前设置的所述照明强度(P
k，
，P
k+1
)的值(P
k，m
)、基于在所述光路径中的所述改变(302)之前使用的所述检查参数(I，B，B
i
，B
i+1
)的值(I
m
)、以及基于所述光路径(164，168)的物理模型(M)，所述物理模型(M)在考虑到所述光路径(164，168)中的光学组件(124，132，160
m
，160
m+1
)的成像特性的情况下将所述至少一个光源(120
k
，120
k+1
)的所述照明强度(P
k
，P
k+1
)映射到所述检查参数(I，B，B
i
，B
i+1
)。2.根据权利要求1所述的控制系统(150)，进一步被配置为：基于迭代法(306)确定用于所述照明强度(P
k
，P
k+1
)的最终控制值(P'
k,m+1
)，在所述最终控制值(P'
k,m+1
)处实现了所述检查参数(I，B，B
i
，B
i+1
)的期望值(I
m+1
)，其中基于所述物理模型(M)确定的所述控制值(P
k,m+1
)被用作所述迭代法(306)中的起始值。3.根据权利要求1或2所述的控制系统(150)，其中在所述物理模型中所考虑的所述光路径中的光学组件(124，132，160
m
，160
m+1
)的成像特性包括以下组中的至少一个：物镜(160
m
，160
m+1
)的放大倍率(β
m
)，物镜(160
m
，160
m+1
)的透射率(T
m
)，物镜(160
m
，160
m+1
)的数值孔径(NA
m
)，浸没介质的折射率(n
m
)，中间图像中的照明场光阑(124)的面积(A
LF
)，以及在物镜(160
m
，160
m+1
)处总光瞳面积与照明光瞳面积的比值，系统光学组件的放大倍率，以及系统光学组件的焦距。4.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(150)，其中，所述检查参数是基于或包括所述样本(110)处的期望照明强度(I)。5.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(150)，其中，所述检查参数是基于或包括在所述至少一个检测器(140，140
i
，140
i+1
)处检测到的所述样本(110)的期望成像强度(B，B
i
，B
i+1
)。6.根据权利要求5所述的控制系统(150)，其中在所述至少一个检测器(140，140
i
，140
i+1
)处检测到的所述样本(110)的成像强度的所述期望值(B，B
i
，B
i+1
)是基于以下值来定义的：所述值是从在所述检测器(140)处针对所述至少一个荧光团(130，130
j
，130
j+1
)检测到的光子统计得出的。7.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(150)，其中，所述检查参数的所述期望值(I
m+1
)偏离在所述照明路径(164，168)中的所述改变之前使用的所述检查参数的所述值
(I
m
)不超过10％，优选为不超过5％，更优选为所述检查参数的所述期望值等于在所述照明路径(164，168)中的所述改变之前使用的所述检查参数的所述值。8.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(150)，其中，所述光路径(164，168)中的所述改变(302)包括所述显微镜(100)的当前布置在所述光路径(164，168)中的物镜(160
m
，160
m+1
)的改变。9.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(150)，用于自动确定所述荧光显微镜(100)的至少两个光源(120
k
，120
k+1
)的照明强度(P
k
，P
k+1
)，所述至少两个光源(120
k
，120
k+1
)用于刺激所述样本(110)中的至少两个荧光团(130
j
，130
j+1
)中的不同荧光团，所述至少两个光源(...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯，
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：