專利名稱：具有高速掃描器的光學(xué)層析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及光學(xué)層析成像系統(tǒng)，以及更具體地涉及用于光學(xué)投影層析的高速焦平面掃描器，在光學(xué)投影層析中，通過顯微鏡對(duì)諸如生物細(xì)胞的微小對(duì)象進(jìn)行成像。
背景技術(shù)：
近期利用由A. C. Nelson發(fā)明的光學(xué)層析推動(dòng)了對(duì)生物細(xì)胞成像的進(jìn)展，例如于 2003 年 2 月 18 日授權(quán)的、且題為 “Apparatus And Method For Imaging Small Objects In A Flow Stream Using Optical Tomography” 的美國(guó)專利 No. 6，522，775 中所公開的那樣，其全部公開內(nèi)容被作為參考而合并于此。在Fauver等于2003年 11月18日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?0/716,744、并于2004年4月22日公開的美國(guó)公開號(hào)為 No. US-2004-0076319-A1 的、題為 “Method And Apparatus Of Shadowgram Formation For Optical Tomography" (Fauver '744)以及 Fauver 等于 2006 年 9 月 18 日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?1/532,648的、題為“R)cal Plane Tracking For Optical Microtomography” (Fauver ‘648)中對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)一步進(jìn)展進(jìn)行了教導(dǎo)，上述專利申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容作為參考而合并于此。光學(xué)層析系統(tǒng)中的處理從準(zhǔn)備樣本開始。通常，從醫(yī)院或診所接收取自患者的樣本，以及處理該樣本以便移除非診斷性要素，固定該樣本，然后對(duì)該樣本染色。接著被染色的樣本與光學(xué)流體混合，并被插入到毛細(xì)管中，之后通過利用光學(xué)層析系統(tǒng)來生成樣本中對(duì)象(諸如細(xì)胞)的圖像。所產(chǎn)生的圖像包括一組來自不同透視法的延伸景深的圖像，該圖像被稱為“偽投影圖像”。該組偽投影圖像可通過利用反向投影和濾光技術(shù)而被重構(gòu)，以產(chǎn)生感興趣細(xì)胞的3D重構(gòu)。然后該3D重構(gòu)依然可被用于進(jìn)行分析，以便能夠?qū)Ω信d趣的結(jié)構(gòu)、分子或分子探針進(jìn)行量化和位置確定。諸如生物細(xì)胞的對(duì)象可以用至少一種染料或帶標(biāo)簽的分子探針來進(jìn)行標(biāo)記，且所測(cè)量的該生物標(biāo)記的數(shù)量和位置可以產(chǎn)生關(guān)于細(xì)胞的疾病狀態(tài)的重要信息，包括但不限于諸如肺癌、乳癌、前列腺癌、宮頸癌、胃癌和胰腺癌的各種癌癥。在一種光學(xué)層析成像系統(tǒng)(如在Fauver‘744中所述并由Visionfeite，Inc.制備) 中，通過橫向于容納標(biāo)本的毛細(xì)管進(jìn)行物鏡掃描而對(duì)成像光學(xué)元件的景深進(jìn)行擴(kuò)展。壓電換能器(PZT)致動(dòng)器每秒正弦地移動(dòng)物鏡若干次，以便掃描通過標(biāo)本的一系列焦平面。通過使用PZT致動(dòng)器來移動(dòng)物鏡，焦平面移動(dòng)通過標(biāo)本的速度受到沿通過標(biāo)本的光軸快速移動(dòng)物鏡的固有慣性的限制。由于物鏡放置于相對(duì)大的組件內(nèi)，掃描率通常是在約IOHz下具有約每秒60周的理論上限值。在每一次掃描過程中，圖像傳感器獲取至少一個(gè)偽投影圖像。通過良好同步的旋轉(zhuǎn)和物鏡掃描，能夠在PZT致動(dòng)器的下沖程和上沖程上獲取圖像，允許每秒獲取高達(dá)120個(gè)圖像。雖然上述是有用的獲取率，但是通過在此公開的設(shè)備、系統(tǒng)和方法可顯著將其提高
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于對(duì)感興趣對(duì)象進(jìn)行成像的光學(xué)投影層析系統(tǒng)和方法。在顯微物鏡的視野內(nèi)照射感興趣對(duì)象，顯微物鏡定位成接收通過感興趣對(duì)象的光。透過顯微物鏡的光照射到可變倍率元件(a variable power element)上。可變倍率元件受到驅(qū)動(dòng)以便掃描通過感興趣對(duì)象中的多個(gè)焦平面。由感測(cè)元件或陣列來感測(cè)從可變倍率元件透過的光。


圖1示意性地示出適于帶有可變倍率元件(適于高速掃描)的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一實(shí)例；圖2示意性地示出適于可變倍率元件和成像光學(xué)元件設(shè)計(jì)的更詳細(xì)實(shí)例；圖3示意性地示出適于帶有可變倍率元件(適于高速掃描)的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一實(shí)例；圖4示意性地示出適于可變倍率元件設(shè)計(jì)的另一實(shí)例；圖5示意性地示出適于帶有可變倍率元件和中繼光學(xué)元件的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一實(shí)例；圖6示意性地示出適于帶有液體透鏡可變倍率元件的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的備選實(shí)例；圖7示意性地示出適于結(jié)合有四分之一波片的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另
一實(shí)例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相似的元件或組件。附圖中元件的大小和相對(duì)位置沒有必要按比例繪制。例如，不同元件的形狀和角度沒有按比例繪制，且這些元件中的一些元件被任意放大和設(shè)置以提高附圖的易理解性。此外，所繪制元件的特定形狀不意旨表達(dá)關(guān)于特定元件實(shí)際形狀的任意信息，而僅僅被選擇以便易于附圖中的識(shí)別。
具體實(shí)施例方式下面的公開描述了用于對(duì)感興趣對(duì)象進(jìn)行成像的一些實(shí)施方式和系統(tǒng)。附圖中列舉并描述了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的方法和系統(tǒng)的一些特征。應(yīng)該意識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方式方式的方法和系統(tǒng)可包括與圖中所示的程序和特征不同的另外程序和特征。示例性的實(shí)施方式在此針對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行描述。然而，應(yīng)該理解，這些示例性實(shí)施方式是用于示出根據(jù)本發(fā)明原理的目的，而非用于限制本發(fā)明。此外，根據(jù)本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方式的方法和系統(tǒng)可以不包括這些附圖中所示的所有特征。貫穿所有附圖，相似的附圖標(biāo)記指代相似或相同的組件或程序。除非上下文另外需要，否則貫穿下面的說明書和權(quán)利要求書，詞語(yǔ)“包括 (comprise) ”和其變換形式，諸如“包括(comprises) ”和“包括(comprising) ”是開放式包含的意思，和“包含，但不限于”相同。貫穿該說明書，所參考的“一個(gè)示例”或“示例性實(shí)施方式”、“一個(gè)實(shí)施方式”、“實(shí)施方式”或這些術(shù)語(yǔ)的各種組合意味著與實(shí)施方式結(jié)合起來描述的特定特征、結(jié)構(gòu)和特性包括在本公開的至少一個(gè)實(shí)施方式中。從而，在本說明書各處出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施方式中”或“在實(shí)施方式中”不必都指代相同的實(shí)施方式。而且，特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中以合適的方式相結(jié)合。
定義如在這里通常使用的，當(dāng)在光學(xué)顯微鏡法過程的上下文中使用時(shí)，下面的術(shù)語(yǔ)具有下述含義。提供下述定義以便于理解公開內(nèi)容但并不認(rèn)為其是限制性的“毛細(xì)管”具有其通?？杀唤邮艿暮x，且意旨包括透明微毛細(xì)管和具有通常500 微米或更小內(nèi)徑的同等裝置。“景深”是沿著光軸的長(zhǎng)度，在該光軸內(nèi)在產(chǎn)生特定特征的不可接受的圖像模糊之前可以移動(dòng)焦平面。“對(duì)象”指單個(gè)細(xì)胞、粒子、物體或其它實(shí)體?！皞瓮队啊卑ū硎静蓸芋w積范圍大于光學(xué)元件固有景深的單個(gè)圖像。在 Fauver ‘744中教導(dǎo)了偽投影的概念?！皹颖尽敝竿ㄟ^單個(gè)測(cè)試或程序所獲得的來自單個(gè)患者的完整產(chǎn)物(例如，為分析提交的唾液、活組織檢查或鼻拭子)。樣本可包括一個(gè)或多個(gè)對(duì)象。樣本診斷的結(jié)果成為病例診斷的一部分?！皹悠贰敝笢?zhǔn)備好用于分析的已完成的細(xì)胞制品，包括全部或部分等分部分或樣本?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，示意性地示出適于帶有可變倍率元件(適于高速掃描)的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一實(shí)例。光學(xué)層析系統(tǒng)100包括照射器15、載體11、可變倍率元件 33以及顯微物鏡組件10。光學(xué)傳感器30位于管狀透鏡23的焦平面內(nèi)，該管狀透鏡23依次定位成接收從可變倍率元件33透過的光束13。在光學(xué)層析系統(tǒng)中，例如，由光傳感器30 獲取的圖像信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)或類似裝置以便于進(jìn)行存儲(chǔ)和圖像處理(包括3D重構(gòu))。在一個(gè)實(shí)施方式中，照明器15被定位成照射載體11的一部分。顯微物鏡組件10 被定位成接收通過載體11以及位于載體11中的對(duì)象的入射光5。載體11可被耦聯(lián)到旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)(如由參考箭頭17所示)。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的控制之下，載體11可旋轉(zhuǎn)以便將運(yùn)載對(duì)象的各個(gè)視圖呈現(xiàn)給顯微物鏡組件10。載體11可有利地包括光學(xué)透明的毛細(xì)管或裝有選擇成與光學(xué)元件的折射性能相匹配的光學(xué)流體的等同裝置?？勺儽堵试?3和纖維物鏡組件10可沿著光學(xué)路徑12對(duì)準(zhǔn)。透過物鏡10的光21照射到可變倍率元件33上。光傳感器30可有利地包括光傳感器陣列、CXD陣列或等同裝置。照射器15可包括任意合適的照射源或若干照射源的組合，若干照射源包括產(chǎn)生可見光、近紅外光、紫外線、 或有利于對(duì)固定或活生物細(xì)胞和等同物進(jìn)行光學(xué)層析的其它光頻率的源?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，示意性地示出適于可變倍率元件和成像光學(xué)元件設(shè)計(jì)的更詳細(xì)實(shí)例?？勺儽堵试?3包括分光器18、掃描透鏡16和具有反射面19的掃描反射鏡14。光傳感器30位于管狀透鏡23的焦平面內(nèi)，該管狀透鏡23依次被定位成接收從分光器18的一個(gè)表面反射回的光束13。掃描反射鏡14耦聯(lián)成通過驅(qū)動(dòng)器114以可控方式移動(dòng)。分光器18、掃描透鏡16以及掃描反射鏡14沿著光學(xué)路徑12對(duì)準(zhǔn)。分光器18還可傾斜一角度以便引導(dǎo)來自掃描反射鏡14的光13通過管狀透鏡23，最后照射到用于獲取管內(nèi)容物圖像的光傳感器30上。掃描反射鏡14的操作包括使得掃描反射鏡14沿著光軸擺動(dòng)，同時(shí)反射鏡的反射面19保持與光軸基本垂直的關(guān)系。當(dāng)掃描反射鏡14沿著光軸12 擺動(dòng)時(shí)，橫過載體11 (圖1中示出)中的若干焦片面，以及最終的偽投影成像到光傳感器30 上。
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現(xiàn)在參照?qǐng)D3，示意性地示出適于帶有可變倍率元件(適于高速掃描)的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一實(shí)例。照明器15、載體11、可變倍率元件33A以及顯微物鏡組件10沿著光學(xué)路徑12對(duì)準(zhǔn)，其中光學(xué)路徑12可為顯微物鏡組件10的光軸。顯微物鏡組件10包括出射瞳E。可變倍率元件33A包括第一透鏡312和第二透鏡314。第二透鏡314 可有利地包括受到驅(qū)動(dòng)器114A沿著光軸12驅(qū)動(dòng)的掃描透鏡。出射瞳E、第一透鏡312和第二透鏡314分別間隔開焦距f。操作第二透鏡314的移動(dòng)以便使得第二透鏡平移掃描距離 Δ從而掃描載體11中的焦平面。在該實(shí)例中，掃描距離Δ將在正值和負(fù)值(在此表示為 f+Δ)之間進(jìn)行變化?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，示意性地示出適于可變倍率元件設(shè)計(jì)的另一實(shí)例。可變倍率元件 33Β包括可變焦透鏡412。在一個(gè)實(shí)施方式中，可變焦透鏡412可根據(jù)“Varioptic”技術(shù)由充滿兩種不可混相流體的透明單元構(gòu)成。這種Varioptic透鏡基于電潤(rùn)濕原理且利用 114V的可變電源進(jìn)行控制。Varioptic透鏡可從法國(guó)里昂的Varioptic SA商購(gòu)到。這種透鏡可具有大的光學(xué)倍率變化。例如，5毫米直徑的Varioptic透鏡可僅具有變化高達(dá)50 屈光度的反焦距。(例如，參見Gabay等人的“Dynamic Study of A Varioptic Variable focal length",Current Developments in Lens Design and Optical Engineering III， Proceeding of SPIE Vol. 4767(2002)).現(xiàn)在參照?qǐng)D5，示意性地示出適于帶有可變倍率元件和中繼光學(xué)元件的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一實(shí)例。顯微物鏡組件10、中繼光學(xué)元件510和可變倍率元件33C 沿著光學(xué)路徑對(duì)準(zhǔn)。顯微物鏡組件10包括出射瞳E。在一個(gè)實(shí)例中，可變倍率元件3 可包括分光器18和掃描透鏡16。光學(xué)元件分別間隔開焦距f。E'代表掃描透鏡16的入射瞳，其與可變倍率元件33C的入射瞳重合。虛線516指示用于將出射瞳E對(duì)焦以便與入射瞳E'重合的光學(xué)路徑。光線521代表透過物鏡10的光。光線523代表由中繼光學(xué)元件 510中繼的光。分光器18被配置成引導(dǎo)來自掃描透鏡16和掃描反射鏡14的反射光13通過管狀透鏡23，最后照射到用于獲取管內(nèi)容物圖像的光傳感器30上。中繼光學(xué)元件510包括與第二透鏡514對(duì)準(zhǔn)的第一聚焦透鏡512，其中第一和第二透鏡間隔開2倍的焦距2f。已經(jīng)描述了示例性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，對(duì)示例性實(shí)施方式的操作進(jìn)行描述應(yīng)該有助于此公開內(nèi)容原理的進(jìn)一步理解。使得掃描反射鏡14平移距離ΔΖ’產(chǎn)生在對(duì)象處的等于 2AZ'n/(n'mT2)的焦距偏移Δ Z，其中η是對(duì)象空間折射率，η’是掃描器空間折射率，mT是對(duì)象和掃描器之間的橫向放大率。因數(shù)2是由于光學(xué)路徑長(zhǎng)度變化是反射鏡平移距離2倍的事實(shí)造成的。因此，通過選擇成像物鏡和掃描物鏡之間的有利放大率，與相對(duì)于對(duì)象移動(dòng)物鏡所需的運(yùn)動(dòng)相比，利用掃描反射鏡的明顯小的運(yùn)動(dòng)可平移焦點(diǎn)。例如，與直接掃描物鏡 10相比，50倍的物鏡10和100倍的掃描透鏡16(也就是，橫向放大率mT = 0. 5)在用于產(chǎn)生偽投影所需的掃描距離上產(chǎn)生8 1的縮減。繼續(xù)該實(shí)例，為了產(chǎn)生12微米的偽投影， 反射鏡僅僅需要掃描1. 5微米。掃描反射鏡僅僅需要與掃描器空間視野同樣大，其通常小于1mm。這樣，具有Imm 直徑的掃描反射鏡14可足以反射整個(gè)圖像。這種反射鏡的重量比通常的物鏡輕很多，以及對(duì)這種反射鏡進(jìn)行掃描與掃描物鏡相比消耗更少的力氣和能量。所需的力更小以及掃描距離更短允許的掃描頻率比掃描物鏡可行的掃描頻率高數(shù)千倍。
掃描反射鏡14和驅(qū)動(dòng)器114可由各種可用制備技術(shù)來制備。一個(gè)實(shí)例是傳統(tǒng)的第一表面反射鏡附連到壓電致動(dòng)器。另一實(shí)例是設(shè)有反射涂層的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 彎曲。還有另一實(shí)例是具有螺線管致動(dòng)器的金屬反射鏡。還可使用驅(qū)動(dòng)反射性彈性膜片的聲波發(fā)生器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到還可使用傳統(tǒng)致動(dòng)器和反射器的一些其它組合。掃描放大率Δ ζ/ Δ ζ，與物鏡10或掃描透鏡16的數(shù)值孔徑(NA)無(wú)關(guān)，但是這兩個(gè)透鏡的NA間接地結(jié)合于掃描放大率。具體的，掃描透鏡16的入射瞳Ε’必須足夠大以避免出現(xiàn)暈影，從而實(shí)現(xiàn)物鏡10在整個(gè)視野上的分辨能力。該狀況的結(jié)果是掃描透鏡16的 NA等于或大于物鏡10的NA除以橫向放大率mT，如下從光學(xué)不變量得到的那樣。因數(shù)mT 將NA結(jié)合到掃描放大率Δζ/Δζ’。當(dāng)物鏡10或其圖像的出射瞳E與掃描透鏡16的入射瞳Ε，重合時(shí)，掃描透鏡16的NA等于物鏡10的NA就已足夠，否則掃描透鏡16的NA需為更大。中繼光學(xué)元件可用于將物鏡10的出射瞳E成像到掃描透鏡16的入射瞳Ε’上。 如果透鏡光瞳是虛擬光瞳，上述是必要的，這就是具有最高性能的高放大率的顯微物鏡的情況。此外，小于1的中繼放大率mE可用于將物鏡10的出射瞳圖像的尺寸減小到與掃描透鏡16的入射瞳相同尺寸的程度。利用該技術(shù)具有使得掃描放大率可縮減mE倍的負(fù)面效果。
在進(jìn)行掃描以便獲得良好偽圖像的同時(shí)，圖像放大率必須保持恒定。這通過使得系統(tǒng)在掃描器空間中遠(yuǎn)心來完成。如果掃描透鏡16是遠(yuǎn)心透鏡，其中其入射瞳處于其前焦平面內(nèi)，那么如果且僅僅如果物鏡10或其圖像的出射瞳與其入射瞳重合，系統(tǒng)將在掃描器空間內(nèi)遠(yuǎn)心。如果掃描透鏡16不遠(yuǎn)心，那么將物鏡10或其圖像的出射瞳放置于掃描透鏡 16的前焦平面內(nèi)將使得系統(tǒng)在掃描器空間內(nèi)遠(yuǎn)心，只要物鏡10出射瞳不會(huì)由掃描透鏡16 造成暈影即可。如前述段落中所述那樣，如果任一光瞳是虛擬光瞳，那么在掃描的同時(shí)可再次利用中繼系統(tǒng)來保持放大率恒定。如果用較低的物鏡10的放大率對(duì)較大的對(duì)象進(jìn)行掃描，就沒有必要改變掃描透鏡或平移距離Δζ’。例如，如果對(duì)于另一應(yīng)用而言使用20倍的透鏡，為5 1的物鏡放大比率(也就是，橫向放大率mT = 0.2)產(chǎn)生50 1的掃描比率。這樣掃描反射鏡位置的1 微米平移在20倍透鏡下的圖像焦距位置中產(chǎn)生50微米的偏移。這允許用微米或亞微米的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較大范圍的掃描。這對(duì)于非常精確的壓電裝置而言是理想的?？稍谏虡I(yè)上獲得這種精確的壓電裝置，其具有約4nm/Volt運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性，但是行程限定到約10微米。給出上述原理，以及假定使用適于物鏡10和掃描透鏡16的具有虛擬光瞳的高性能顯微物鏡，一個(gè)有利的實(shí)施方式包括(1)掃描透鏡具有盡可能高的NA ；(2)中繼系統(tǒng)，其將物鏡出射瞳成像到掃描透鏡入射瞳上；以及(3)物鏡，其NA與掃描透鏡的NA除以橫向放大率mT相匹配。現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示意性地示出適于帶有液體透鏡可變倍率元件的光學(xué)層析圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的備選實(shí)例。顯微物鏡組件10、可變倍率元件3 沿著光學(xué)路徑對(duì)準(zhǔn)?？勺儽堵试? 包括可變焦透鏡412，例如如上參照附圖4所述的Varioptic透鏡或等同裝置。 中間透鏡611位于光學(xué)路徑上且在顯微物鏡組件10和可變倍率元件3 之間。管狀透鏡 23被定位成接收從可變倍率元件3 透過的光束13且將光束傳導(dǎo)到光傳感器30。在一個(gè)實(shí)例中，可變倍率元件412可位于距離中間透鏡611為2f的距離處。中間透鏡611可有利地位于距離顯微物鏡組件10為2f的距離處?，F(xiàn)在參照?qǐng)D7，示意性地示出適于具有快速機(jī)械掃描反射鏡的光學(xué)層析系統(tǒng)的可選設(shè)計(jì)的實(shí)例，該快速機(jī)械掃描反射鏡采用結(jié)合使用四分之一波片的掃描反射鏡。備選的快速掃描反射鏡設(shè)計(jì)200采用偏振分光器218，偏振分光器218與四分之一波片220光學(xué)對(duì)準(zhǔn)以便傳導(dǎo)大體為圓形偏振的光。然后使得來自掃描反射鏡的反射光大體上反向圓形偏振。四分之一波片220將其轉(zhuǎn)變成基本垂直于入射光5的線性偏振光13P’。分光器218配置成引導(dǎo)來自掃描反射鏡14的線性偏振光13P’通過管狀透鏡23，最后照射到用于獲取管內(nèi)容物圖像的光傳感器30上。其它元件的類型、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造類似于如上參照附圖1所述的那些。在此對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了相當(dāng)詳細(xì)的描述，以便符合專利法規(guī)以及給本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員提供應(yīng)用本發(fā)明新穎性原理所需的以及按所需構(gòu)建和使用這種示例性和特定的組件所需的信息。但是，應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明真實(shí)的精神和范圍的情況下可通過具體的不同裝備以及裝置來執(zhí)行本發(fā)明，以及可以實(shí)現(xiàn)包括裝備細(xì)節(jié)和操作程序的各種變型。
權(quán)利要求
1.一種適于對(duì)感興趣對(duì)象成像的光學(xué)投影層析系統(tǒng)，該光學(xué)投影層析系統(tǒng)包括照射光源(15)；用于保持感興趣對(duì)象的載體(11)，該載體(11)的一部分位于由照射光源(15)照射的區(qū)域內(nèi)，其中感興趣的對(duì)象具有位于載體(11)內(nèi)的至少一個(gè)感興趣的特征；顯微物鏡(10)，被定位成接收通過載體(11)的光，顯微物鏡(10)位于光學(xué)路徑(12)上；沿著光學(xué)路徑(1 定位的可變倍率元件(33)；第二透鏡，用于接收以及傳導(dǎo)從可變倍率元件(3 發(fā)射的光；以及光傳感器(30)，被定位成接收從光學(xué)元件透過的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中可變倍率元件(33)包括分光器(18)；掃描透鏡(16)；具有反射表面的掃描反射鏡(14)，該反射表面用于接收穿過掃描透鏡(16)而傳導(dǎo)的光，其中顯微物鏡、分光器(18)、掃描透鏡(16)以及掃描反射鏡(14)沿著光學(xué)路徑(12)對(duì)準(zhǔn)；以及驅(qū)動(dòng)器(114)，其被耦聯(lián)成使得掃描反射鏡(14)沿著光學(xué)路徑(1 擺動(dòng)，這樣反射表面保持垂直于光學(xué)路徑(12)，由此擺動(dòng)的掃描反射鏡(14)掃描通過載體(11)中的若干焦平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中第二透鏡包括管狀透鏡；以及其中分光器(18)還配置成引導(dǎo)來自掃描反射鏡(14)的反射光通過管狀透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描透鏡(16)具有數(shù)值孔徑NA值以及入射瞳，而顯微物鏡(10)具有出射瞳，系統(tǒng)還包括中繼光學(xué)元件(510)，被定位成將顯微物鏡出射瞳成像到掃描透鏡的入射瞳上；以及其中顯微物鏡(10)具有與掃描透鏡NA值除以在對(duì)象和掃描反射鏡(14)之間的橫向放大值mT所得的相匹配的NA值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)器(114)包括壓電換能器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)以至少500Hz的頻率擺動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)以至少1000Hz的頻率擺動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)的平移運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致由光傳感器 (30)感測(cè)到的偽投影圖像的成比例的更長(zhǎng)擴(kuò)展深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中可變倍率元件(3 VPE包括第一 VPE透鏡和第二 VPE透鏡，其中第二 VPE透鏡包括連接到驅(qū)動(dòng)器的掃描透鏡，其中操作第二 VPE透鏡的運(yùn)動(dòng)以便使得第二 VPE透鏡平移掃描距離Δ從而掃描載體(11)中的焦平面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中可變倍率元件(3 VPE包括可變焦透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中可變焦透鏡包括透明單元，透明單元包含至少兩種不可混相流體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中可變焦透鏡響應(yīng)于電源控制來變化光學(xué)倍率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中顯微物鏡(10)包括出射瞳E，以及可變倍率元件 (33) VPE具有VPE入射瞳E’且包括分光器、掃描反射鏡(14)以及掃描透鏡(16)，掃描透鏡(16)具有的入射瞳與VPE入射瞳重合，其中出射瞳E被聚焦成與入射瞳E’重合，以及分光器、掃描反射鏡(14)和掃描透鏡(16)沿著光學(xué)路徑(12)與顯微物鏡(10)對(duì)準(zhǔn)，以及其中掃描反射鏡(14)受控于驅(qū)動(dòng)器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括在顯微物鏡(10)和可變倍率元件(3 之間的中繼光學(xué)元件(510)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)平移距離Δζ’產(chǎn)生在對(duì)象處的等于2ΔΖ’ n/(n' mT2)的焦距偏移Δζ，其中η是對(duì)象空間折射率，η’是掃描器空間折射率，mT是對(duì)象和掃描反射鏡(14)之間的橫向放大率。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)器(114)包括壓電致動(dòng)器。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)和驅(qū)動(dòng)器包括設(shè)有反射涂層的微電子機(jī)械系統(tǒng)彎曲。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)和驅(qū)動(dòng)器(114)包括設(shè)有螺線管致動(dòng)器的金屬反射鏡。
19.還可使用驅(qū)動(dòng)反射性彈性膜片的聲波發(fā)生器。
20.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描透鏡(16)具有至少與顯微物鏡(10)的NA 除以在對(duì)象和掃描反射鏡(14)之間的橫向放大率mT的所得相等的NA。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中掃描透鏡(16)包括遠(yuǎn)心透鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中載體(11)包括光學(xué)透明的毛細(xì)管。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中載體(11)被耦聯(lián)到旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中對(duì)象相對(duì)于光傳感器(30)移動(dòng)以呈現(xiàn)多幅視圖， 從而在每一視圖處產(chǎn)生至少一個(gè)感興趣特征的至少一個(gè)圖像。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中感興趣對(duì)象包括生物細(xì)胞。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中光傳感器(30)包括選自于由下述構(gòu)成的組的探測(cè)器電荷耦合檢測(cè)器、金屬氧化物半導(dǎo)體器件、固態(tài)圖像傳感器、以及固態(tài)圖像傳感器檢測(cè)器陣列。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中載體(11)包括具有至少50微米直徑的內(nèi)含對(duì)象的管。
28.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)器(114)包括壓電換能器。
29.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)以至少500Hz的頻率擺動(dòng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)以至少1000Hz的頻率擺動(dòng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中掃描反射鏡(14)的平移運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致由光傳感器 (30)感測(cè)到的偽投影圖像的成比例的更長(zhǎng)擴(kuò)展深度。
32.一種用于對(duì)感興趣對(duì)象成像的光學(xué)投影層析方法，該光學(xué)投影層析方法包括 在顯微物鏡(10)的視野內(nèi)照射感興趣對(duì)象的至少一部分，該顯微物鏡(10)被定位成接收通過感興趣對(duì)象的光；通過顯微物鏡(10)傳導(dǎo)光，以便照射到可變倍率元件(3 上； 相對(duì)于顯微物鏡(10)驅(qū)動(dòng)可變倍率元件(33)，以便掃描通過感興趣對(duì)象中的多個(gè)焦平面；以及感測(cè)從可變倍率元件(3 透過的光。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中驅(qū)動(dòng)可變倍率元件(3 包括使得掃描反射鏡 (14)沿著光學(xué)路徑(12)擺動(dòng)，這樣反射表面保持垂直于光學(xué)路徑(12)，由此擺動(dòng)的掃描反射鏡(14)掃描通過載體(11)中的若干焦平面。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中傳導(dǎo)光包括將顯微物鏡的出射瞳成像到掃描透鏡(16)的入射瞳上。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中掃描反射鏡(14)以至少500Hz的頻率擺動(dòng)。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中掃描反射鏡(14)以至少1000Hz的頻率擺動(dòng)。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中驅(qū)動(dòng)可變倍率元件(3 包括 使得透鏡平移掃描距離Δ以便掃描感興趣對(duì)象中的焦平面。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中驅(qū)動(dòng)可變倍率元件(3 包括將不同電壓施加到可變倍率元件(33)。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中驅(qū)動(dòng)可變倍率元件(3 包括使得掃描反射鏡 (14)平移距離ΔΖ’以便產(chǎn)生在對(duì)象處的等于2 Δ ζ’ n/(n' mT2)的焦距偏移Δ z，其中η是對(duì)象空間折射率，η’是掃描器空間折射率，mT是對(duì)象和掃描反射鏡(14)之間的橫向放大率。
40.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，進(jìn)一步包括將感興趣的對(duì)象保持在載體(11)中以及使得載體(11)旋轉(zhuǎn)。
41.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，還包括相對(duì)于光傳感器(30)移動(dòng)感興趣的對(duì)象以便呈現(xiàn)多幅視圖。
42.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，感興趣的對(duì)象包括生物細(xì)胞。
43.一種用于對(duì)感興趣的對(duì)象成像的光學(xué)投影層析系統(tǒng)，該光學(xué)投影層析系統(tǒng)包括 用于在顯微物鏡(10)的視野內(nèi)照射感興趣對(duì)象的至少一部分的裝置，該顯微物鏡(10)被定位成接收通過感興趣對(duì)象的光；用于通過顯微物鏡(10)傳導(dǎo)光，以便照射到可變倍率元件(3 上的裝置； 用于相對(duì)于顯微物鏡(10)驅(qū)動(dòng)可變倍率元件(3 以便掃描通過感興趣對(duì)象中的多個(gè)焦平面的裝置；以及用于感測(cè)從可變倍率元件(3 透過的光的裝置。
全文摘要
一個(gè)感興趣對(duì)象在顯微物鏡(10)的視野內(nèi)被照射，該顯微物鏡(10)被定位成接收通過感興趣對(duì)象的光。通過顯微物鏡(10)而傳導(dǎo)的光照射到可變倍率元件(33)上?？勺儽堵试?33)相對(duì)于顯微物鏡(10)被驅(qū)動(dòng)，以便掃描通過感興趣對(duì)象中的多個(gè)焦平面。從可變倍率元件(33)傳導(dǎo)的光被感測(cè)元件或陣列(30)所感測(cè)。
文檔編號(hào)B81B7/02GK102428343SQ201080017727
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2010年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者喬恩·哈延加, 馬修·沃森 申請(qǐng)人:維森蓋特有限公司