CN102272651A - 模块化物镜组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于显微镜的模块化激光物镜。一种安装模块主体允许以可释放的方式将模块化物镜安装到显微镜的转台。物镜具有光轴以允许穿过物镜朝着显微镜目镜发射图像光束。模块主体支撑着一种定位成与物镜光轴成一定角度的镜子。模块化激光组件安装到镜子的第一侧上的模块主体上，用于朝着镜子引导激光束，从而使得能量被反射离开镜子并且在基本上与物镜光轴对齐的方向上穿过物镜。一种模块化指示器组件被接纳于模块主体中并且包括一种光源，所述光源定位成具有入射于镜子的另一侧上的光以在与激光束的方向相反的方向上反射光束，来提供在显微镜的目镜处的、或在相机上的对由物镜所发射的激光束的目标上的位置的光学表示。

Description

模块化物镜组件

相关申请的交叉引用

本发明主张了2008年11月7日提交的题名为“Indicator and Laser Assembly”的美国临时专利申请号61/112,285的优先权，其整体通过援引而由此被合并于本文中。

技术领域

本发明一般涉及到一种用于显微镜的模块化物镜组件，特别是涉及到一种待以可释放的方式安装到显微镜的转台上的模块化物镜组件，其包括一种模块化激光子组件和模块化指示器子组件，所述模块化指示器子组件允许显微镜的用户看到在激光能量指向显微镜物镜处所定位着的样本的位置处的显微镜目镜中的指示器。

背景技术

在生物学和医学中的最新进展已引起了针对细胞进行的激光束显微外科的开发。激光束极其适于小目标物的显微操作，诸如单细胞或细胞器官。这提供了非接触式消融、挥发、灭菌和变性、切割、以及其它形式的热处理和光化性的光处理。焦点大小、激光波长、脉冲持续时间、以及激光功率这四个参数提供了适于各种应用的体制。

激光束显微外科的使用的一个实例是激光束应用于哺乳动物卵母细胞和胚胎的处理。然而，在许多倒置式或直立式显微镜中进行的激光束显微外科可被运用于许多不同的外科或内科应用。

根据激光束显微外科的通常实践方法，进行显微外科手术的人观察着一种显示出样品的屏幕以及一种在激光束将会应用于样品的位置处的指示。有时，能提供多个等温轮廓环以演示出激光束的热效应的范围。在美国专利号7,359,116和美国专利号11/764,064中提供了这些热环的实例。

将物镜、激光和方向性的光束结合起来以提供一种对于不可见激光束的瞄准（targeting）的可见指示，这已经在2009年6月9日提交的美国专利申请号12/481,363中提出。然而，这些激光物镜的结构导致了特定显微镜的转台几何形状的干涉问题。因此，一种排除了此干涉问题的自主式或自含式（self-containe）模块化物镜将会是希望的。

发明内容

本发明一般地涉及一种具有物镜、激光组件和指示器组件的模块化组件及其用法。本发明优选地通过提供一种模块化激光组件、以及通过提供一种经由显微镜目镜的激光的位置的可见指示，来改进了系统和方法，所述模块化激光组件构造成和连接到物镜以优选地提供一种与物镜的光轴重合的激光束。

根据本发明的实施例，模块化物镜组件可提供一种可安装于显微镜的转台上的安装模块主体。模块主体包括一种物镜组件，所述物镜组件具有光轴，其允许朝着显微镜的目镜发射出成像光束穿过物镜、并且成像光束穿过与物镜光轴成一定角度而定位的一种镜子。一种模块化激光组件定位在镜子的第一侧上的模块主体上，用于朝着所述镜子引导激光能量，从而使得激光能量被从镜子上反射开、并且在基本上与光轴重合的方向上穿过物镜。一种模块化指示器组件也安装于模块主体上，并且提供一种朝镜子另一侧发射的指示光束用于在与激光能量的方向相反的方向上引导所述光束以允许实现在显微镜目镜处的光学表示，从而是贯穿该处可见的。进行显微外科手术的人因而可穿过目镜观看到样品、以及在进行显微外科手术的同时可观看到激光相对于样品的位置。

本发明的其它目的和特征将会从下列结合附图考虑的详细说明而变得显而易见。然而，应当理解，附图被单独地设计用于图解且并不作为对本发明的限制的定义，对本发明的限定应参看所附的权利要求书。

本发明的其它目的和特征将会从下列结合附图考虑的详细说明而变得显而易见。应当理解，附图被单独地设计用于图解且并不作为对本发明的限制的定义，对本发明的限定应参看所附的权利要求书。

附图说明

从下列说明结合附图将会显而易见的是本发明的特定特征和优点以及其它目的，附图中：

图1A是本发明的模块化显微镜物镜的示意性视图；

图1B是本发明的安装于显微镜转台上的显微镜物镜的图解；

图2是本发明的模块化显微镜物镜的剖切视图；

图3是本发明的模块化显微镜物镜的透视图，图示为透明的其壳体以及透明度便利了对其布置构件的理解；

图4是本发明的模块化显微镜物镜的安装模块主体的透视图；

图5是本发明的激光模块的透视图、且安装模块主体图示为透明的以便利对本发明的构件的关系的理解；

图6是从图5描绘的激光模块的相反侧看的透视图，且安装模块主体图示为透明的以便利对其构件的布置的理解；和

图7是安装模块主体的透视图，用于接收本发明的模块化显微镜物镜的每个模块。

具体实施方式

本发明的图解实施例涉及到一种模块化系统用于提供：与物镜的光轴重合的激光束，其适宜用于显微镜；以及一种穿过显微镜目镜可见的指示光束，该可见的光束优选地指示出激光束的位置。本发明也涉及到一种具有物镜、指示器组件和激光组件的模块化物镜组件；一种具有物镜组件的显微镜；以及涉及到一种能用于显微镜或者可用来进行激光操纵的其它装置中的指示器组件。本发明也针对提供一种模块化物镜，其将会使用一种指示出穿过显微镜目镜的激光的位置的指示光束来协助进行激光显微镜检查。

首先参看图1A和图1B以及若干其它图以理解本发明的模块化物镜的功能性及其功能构件。图1A是本发明的模块化物镜组件100的示意性视图且被图示为具有壳体110：壳体110具有物镜120、转台架（turret mount）130、模块化指示器组件300和模块化激光组件500。如图1B所描绘，物镜组件100优选地可经由转台架130而安装到一种常规显微镜的转台50上。例如，如图7所描绘的，一种通常标示为200的模块主体包括了一种转台架130，其可包括一种与显微镜的转台的螺纹部分相对应的一种螺纹部分，从而使得物镜组件100可被旋拧到转台上。可替代地，转台架130可被滑动或卡扣就位，或包括一种外部锁定机构以将模块化物镜组件100安装到转台上、并且优选地维持物镜组件100在显微镜的转台上就位。

再参看图1A，物镜120优选地具有光轴122，并且成像光束行进到接近于与此光轴平行。优选地，显微镜发射一种成像光束穿过镜台（stage）、物镜120，并且指向显微镜的目镜从而使得能经由目镜而看到镜台上的样品。

成像光束优选地经由镜筒透镜和目镜而在观察者的眼睛处聚焦（未示出），并且能被调节为适合于观察者。当物镜组件100安装到显微镜的转台上时，成像光束优选地接近与光轴122同轴。相应地，显微镜镜台上的样品，例如，在沿着物镜120的光程122对样品进行研究、操纵等的位置处，可通过显微镜的目镜而被看到。

根据所示实施例，物镜组件100也包括一种模块化激光组件500，其以在美国专利号7,359,116和美国专利申请号11/764,064中所示和所描述的方式而工作，该二者都已被转让予同一受让人Hamilton Thorne, Inc并且被整体通过援引而合并入本文。

参看图1A，激光组件500优选地包括一种激光源510，诸如激光二极管、准直透镜520和镜子530。激光源510优选地发射出激光的椭圆锥体朝向准直透镜520，更优选地从激光源510朝向准直透镜520而发散。应理解的是，由激光源510朝着准直透镜520发射的激光能会聚或被准直、而不偏离本发明的范畴。激光优选地朝着和穿过准直透镜520而传送，在这之后对激光进行准直。因此，激光能作为一种经准直的（或接近于经准直的）激光束522而射出准直透镜520。激光束522可具有在300nm到1500nm范围内的波长，在10mW到1000mW范围内的功率，以及在1微秒到1秒范围内的脉冲持续时间。该波长范围不应被解释为约束着根据本发明要使用的激光的波长，因为由小激光源产生的任何波长应当是合用于本发明的。

经准直的激光束522能被朝着镜子530发射。根据镜子530的示例性实施例，诸如红外反射器这样的涂层532可被设置于面朝着激光源510的镜子530上。优选地，涂层532增强了一种红外的经准直的激光束522的离开镜子530朝向镜子124的反射率。其被反射离开镜子124朝向物镜组件120。

图1A图示了经准直的激光束522从准直透镜520去往、以及经过物镜120的路径。优选地，经准直的激光束522射出准直透镜520并且沿着第一激光路径524朝镜子530行进。一旦经准直的激光束522接触了镜子530，经准直的激光束522反射离开镜子530、并且沿着第二激光路径534朝分色镜或二向色镜124的表面124a行进。二向色镜124优选地位于物镜120内，从而使得沿着第二激光路径534行进的激光束522接触到物镜镜子表面124a、并且被反射离开物镜镜子124而进入第三激光路径535。二向色镜被涂覆了适于增强以大致45度入射角的IR反射的一层。第三激光路径535优选地与物镜120的光轴122同轴，并且基本上与后者是重合的，因而在物镜120内行进并且进一步朝着显微镜的镜台行进。因此，经准直的激光束522也与在相反方向上朝向目标物并且因而远离目镜行进的显微镜的成像光束同轴并且反向平行。因为激光束可能处于红外波长区中，以及行进远离目镜，则其很可能是不可见的。因而，经准直的激光束522不太可能是经由显微镜的目镜可见的。经准直的激光束522的位置以及优选地与其相关联的热等温轮廓环可被显示在屏幕上，人可观察到这些而同时进行显微镜检查。

如图1A所示，可提供一种模块化指示器组件300，优选地将其设置于物镜镜子124的与激光组件500的相反侧上。如图所示，指示器组件可包括一种诸如LED（发光二极管）这样的指示器光源310，其朝着镜子一种指示器镜子330发射出光。优选地，光从指示器光源310朝着减少元件340发射，其后朝着准直透镜320，所示准直透镜320对光进行准直从而使得经准直的光束（在本文中称为指示器准直光束322）朝着指示器镜子330射出指示器准直透镜320。优选地，波长接近于650nm，尽管对于某些用户而言，色盲表示的是：较短的波长是优选的。

指示器准直光束322于是可沿着光程334朝着双侧物镜镜子124的相反表面而反射离开指示器镜子330，从而使得指示器光束322被朝着显微镜的目镜反射。优选地，指示器光源310以及指示器准直透镜320被安装在一种指示器架360上，指示器架360优选地连接到壳体110。

参看图1A，指示器准直光束322优选地从指示器准直透镜320沿着第一指示器路径324朝指示器镜子330行进。在反射离开指示器镜子330之后，指示器光束322沿着第二指示器路径334行进直至其反射离开物镜镜子124进入第三指示器路径335。优选地，第三指示器路径335与第三激光路径535（且因此物镜120的光轴122或光程）同轴但反向。更优选地，第三指示器路径335与显微镜的成像光束同轴并且基本上重合，并且朝着显微镜的目镜行进。通过设计用于优选地同时反射由指示器光源310发射的光、以及来自激光组件镜子532的光的涂层，可增强从二向色镜124的表面的反射。

优选地，朝指示器准直透镜320发射的光的直径是受控的，例如，从指示器光源310的直径减少。例如，一种减少元件340可被设置于指示器光源310与指示器准直透镜320之间以减少朝着指示器准直透镜320发射的指示器光的直径。减少元件340的一种实施例可具有大致圆形的形状，诸如一种大致圆形和平坦的碟，且具有中心孔。可替代地，所述减少元件可以是狭长的、圆柱形的、或矩形的、六角形的，等等而不偏离本发明的范畴。减少元件的例子、以及指示器组件的示例性实施例在题名为“OPTICAL INDICATOR FOR MICROSCOPE LASER BEAM MANIPULATION”的美国专利申请号12/481,363 中进一步详细描述，其内容通过援引而被合并，正如完全是在本文中陈述的一样。

减少元件优选地包括一种孔，指示器光能穿过所述孔朝着指示器准直透镜320发射。优选地，减少元件防止了指示器光经过该减少元件的剩余部分。因此，能够通过控制所述孔的大小来控制朝着指示器准直透镜320发射的有效光源的直径。根据示例性实施例，孔具有介于大约5至10微米的直径，更具体地近似于5微米。然而该孔可具有大致圆形的形状，应理解到该孔的形状可有所变动而不偏离本发明的范畴。

如图所示，激光束534优选地反射离开物镜镜子124的第一侧124a并且指示器光束322优选地反射离开物镜镜子124的相反侧上的第二侧124b。侧面124a一般涂覆着用以增强激光波长的反射率的一层。第二侧124b可包括一种反射器涂层或其它反射增强机构。可替代地，第二侧124b可保持未被涂覆、或者涂覆着一种抗反射涂层，在此情况下所述侧面124a被用来在相反的方向上反射激光束以及指示器光束。侧面124a上的涂层可被设计用来优选地反射激光波长以及照明源波长。在2009年6月9日提交的美国专利申请号12/481,363中例解和说明了本文中构思的类型的双侧镜子在激光物镜中的使用，该文献被转让予Hamilton Thorne, Inc.即本文受让人，且该文献通过援引而被合并，正如完全是在本文中陈述的一样。

然而本文中所示的实施例例解了一种单一物镜镜子124，多个镜子可被设置为事实上是专用设计选择。根据一种提供了多于一个镜子的实施例，激光组件和指示器组件可以在光程的同一侧上，被垂直地定位，等等，而不偏离本发明的范畴。另外，鉴于45度的镜子可以是优选的，则应当理解到镜子124、330、530的角度可以变动，以及镜子沿着物镜光程的位置可变动，而不偏离本发明的范畴。

接下来参看图2至7，模块化指示器组件300和激光组件500分别被优选地定位在管状壳体400、600中。管状壳体可包括各种形状，且具有例如一种圆形的或矩形的截面。

如图2至7中描绘的，模块化组件100包括一种模块主体200，该模块主体200包括一种布置和定位在显微镜转台上的转台架130从而使得光束入射于图1中的透镜336上，在物镜基部处以小于或等于大约0.5度的角度会聚、且光轴在物镜镜子124处。从透镜336出现的光束可优选地被准直并且平行于光轴。一旦已经建立起介于激光器510与激光准直器透镜520之间的距离，从而使得激光焦点与镜台上的目标物上的可见光焦点重合，可以维持该激光焦点、并且调节可以不是必需的。优选地，例如在工厂在制造期间建立起和固定了介于激光器510与激光准直器透镜520之间的距离。类似地，可相对于二向色镜124而调节激光束534的位置。例如一种可动镜子可被用来替代固定的激光镜子530，从而能使得激光束移动跨越过视野。可以优选的是避免在组件100的生产之后调节所述激光准直器距离。也可在制造期间建立起和固定住介于指示器孔340与指示器准直器透镜320之间的距离。

接下来参看图2至7，其中描述了对模块化物镜的构件进行装配的方式。如图1所示，在一种示例性实施例中，物镜包括一种由黄铜制成的外部壳体110、一种由黄铜制成的内部模块主体200，（见图7），一种由铝制成的激光模块500以及一种也由铝制成的指示器模块300。激光模块500和指示器模块300被定位在模块主体200中，在工厂中进行对焦和调节，并且随后该激光模块500和指示器模块300被插入到壳体110内。完成的组件提供了待安装到显微镜转台上的一种模块化物镜，这将会避免与大多数常规显微镜的转台几何形状的干涉问题。

参看图7，其中模块主体200包括一种激光模块槽210用于接纳激光模块500。模块主体也包括一种位于相反侧上的指示器模块槽220用于接纳指示器模块300。可以将开口设置在模块主体中，以对在装配期间由指示器模块所产生的斑点的位置提供X和Y调节。模块主体也包括一种转台架130以允许物镜被直接地安装到显微镜转台。在替代方案中，转台架130可被接纳在一种适配器中以允许物镜安装在多个显微镜的转台上、而不偏离部分的精神/宗旨。

如图5和6所图示的，激光模块500可被构造于一种矩形管600内。准直透镜520利用一种保持螺钉以及利用适当的粘合剂而被紧固到管。激光器510可被优选地包含于（或不用）TO罐内，与准直透镜520相距一定距离，该距离可由激光束522的所需共焦性（confocality）来确定。可以在横向XY位置中调节激光器位置，并且利用螺钉517来将其固定。当获得了所需位置时，螺钉517或其它保持元件可将所述激光器510保持就位并且使其居于中心。随后可利用适当的粘合剂使其被封闭就位。

在装配期间可以确定出所需的激光器距其准直器透镜的距离，以确保：当目标物处于焦点对准状态时，在目标物上产生的激光影像所处的与物镜的距离正好与目标物距物镜的距离相同。如果物镜针对无穷大进行校正，因为典型的透镜构成材料的折射率在l=1450nm处略微比在可见波长范围中更低，可以对可见光束进行准直，并且当激光束指向镜子530且随后旁轴于光轴122到物镜透镜系统上时所述激光束可略微会聚。

如上面所讨论的，可以在二向色镜下方设置一种发散透镜336。这种透镜优选地是发散的。可见光束可以在其从物镜120到发散透镜336和镜筒透镜的进程中穿过二向色镜向下传递时略微会聚。IR光束可以与光轴一起包着的角度与可见光束相比更低，以便实现在激光焦点与可见光焦点之间的共焦性。当激光模块在工厂中装配时，可进行任一调节。清楚的是：通过改变激光器-准直器的距离以将激光聚焦于正在被成像的斑点上，可以适应透镜336与物镜120的任意组合。

在一种示例性实施例中，激光模块500被预先聚焦以提供一种可用的物镜，因为优选的是激光恰巧被聚焦于目标物上的视觉焦点处。因为透镜构件的折射率n对于λ~1450nm的IR光束而言是比对于可见的λ~500nm的光更低的（通常如果n为折射率，则（n-1）的减少为5%），在IR中的物镜焦距将会很可能比在可见光范围中更长。激光束522可以是更加会聚性的，以便在与可见光一样的点处聚焦，即，在目标物处。此外，光束本身可能不是恰巧在二向色镜处被准直的，这可以便利获得从发散的最终透镜336出来的一种准直光束，这可能需要入射到其上的光束是会聚的。可见光束因此能在其从物镜行进到透镜336时略微会聚。

在装配所述激光模块600的过程中，物镜120可被用来产生目标物的影像。激光器510本身大致在X和Y横向方向上移动，并且准直器透镜520在Z方向上移动，直到激光斑点处于正确位置并且处于正确焦点。激光器随后可以利用支撑螺钉和/或粘合剂而被密封就位。

指示器组件300优选地被构造在一种具有矩形或圆形截面的类似模块400内，优选地定位在物镜120的相反侧上。光学元件可包括LED 310、孔 340、以及准直透镜320。指示器光束可以最初与光轴122平行地行进。其能被一种指示器镜子330反射到物镜二向色镜124的下部表面上，并且优选地从二向色镜的该表面反射以与光轴平行地行进经过透镜336到达显微镜镜筒透镜，显微镜镜筒透镜优选地将指示器光束322聚焦到要么在目镜上或者在相机上的成像平面。当光束被部分地由表面124b传送时，所传送的部分将会被从其它表面124a反射、并且与从124b反射的光束相平行地行进。指示器光束或孔的影像可作为小碟而出现于成像平面处。

对指示器光束焦点进行设置可以类似于如上所述的对激光焦距调节进行设置。指示器组件300可被置于模块主体200中，带有的透镜具备与透镜336相同的焦距和相对光学位置，从而使得显微镜镜筒透镜能产生在相机上的或在目镜平面处的影像，并且可以对指示器准直透镜320的位置加以调节直至可见到一种所述孔或指示器光束的清晰影像。在该点处，可以固定住介于准直器320与指示器光束源的内孔之间的距离，例如，通过一种保持螺钉以及一种适当的粘合剂而实现。指示器组件300随后可安装到壳体110内、到物镜120上。

物镜120的转台架130的螺纹优选地是标准RMS[0.800英寸-36.55度Whitworth]，齐焦焦距（parfocal length）为标准的45mm，并且整个物镜120可被包含于31mm外直径的壳内。适合用于本发明中的其它螺纹类型包括M2545mm齐焦焦距，M4560mm齐焦焦距和M2745mm齐焦焦距。

本发明的实施例优选地包括安装一种激光组件500（其可以是不可见的IR）以及一种指示器组件300的方法，在具有物镜120的同样的壳体110内进行。这样一种组件100可优选地在显微镜的镜台上的目标物上所需的任何位置处产生精确的激光照射，以及产生在监视器屏幕上或穿过目镜可见到的一种可见位置指示器。

所提供的实例仅仅是示例性的，实际上是专用于设计选择的，并且不应被理解为以任何方式限制了本发明的范围。

因而，尽管已示出了并且描述了和指出了应用于其优选实施例的本发明的新颖特征，但将会理解到，本领域技术人员可以作出呈所披露的本发明的形式和细节的各种省略和替代、而不偏离本发明的宗旨/精神。因此，本发明将仅被限制为由所附的权利要求书的范围所表示。

也应理解到，下列权利要求旨在覆盖本文中所描述的所有普遍和特定特征，并且事实上是语言的对本发明范围的所有陈述可能据说是属于这二者之间的范围内的。

Claims (10)

1.一种用于具有目镜的显微镜的模块化物镜组件，其包括：

一种安装模块主体，可安装到显微镜的转台上，所述安装模块主体包括一种具有光轴的物镜，这允许穿过物镜朝着显微镜的目镜和与物镜的光轴成一定角度而定位的镜子而发射一种影像光束；

一种模块化激光组件，定位在所述镜子的第一侧上用于朝着所述镜子引导激光能量，从而使得激光能量被反射离开镜子并在实质上与光轴对齐的方向上穿过物镜，模块化激光组件经调适用以被接纳在所述安装模块主体中；以及

一种模块化指示器组件，包括一种接纳在模块主体中、并且定位在镜子的相反侧上的光源，用于在镜子的另一侧处引导光束以在与激光能量的方向相反的方向上反射光以允许实现：在显微镜目镜处的、对于被发射穿过物镜的经准直的激光能量的位置的光学表示。

2.根据权利要求1所述的模块化物镜组件，其中，模块主体包括一种转台架以允许用可释放的方式将物镜组件安装到显微镜的转台。

3.根据权利要求1所述的模块化物镜组件，其中，所述镜子是二向色镜，并且其中所述镜子的至少一个表面具有一种反射性表面。

4.根据权利要求3所述的模块化组件，其中，面朝着所述激光模块的所述镜子的第一表面具有反射性涂层。

5.根据权利要求4所述的模块化物镜组件，其中，来自指示器模块的光束指向所述反射性涂层的相反侧，并且沿着与激光能量的方向相反的方向、在实质上与物镜光轴对齐的位置处反射。

6.根据权利要求4所述的模块化物镜组件，其中，所述镜子包括一种在镜子的面朝着指示器模块的一侧上的第二反射性表面，并且光束以与激光能量的方向相反、并且实质上与物镜的光轴对齐的一定角度经反射离开镜子的所述第二反射性表面。

7.根据权利要求1所述的模块化物镜组件，其中，指示器模块包括一种光源、一种准直透镜、和一种第二镜子用于引导从所述光源发射的光束穿过准直透镜到达第一镜子。

8.根据权利要求7所述的模块化物镜，其中，指示器模块包括一种具有孔的减少元件，所述减少元件定位在准直透镜与光源之间以向显微镜目镜中的视野提供一种有效的斑点影像。

9.根据权利要求7所述的模块化物镜组件，其中，模块化激光组件包括一种用于引导激光能量的激光源，一种准直透镜用于引导一种经准直的激光能量源、以及一种第二镜子，它们各自固定地相对于彼此定位以在镜子处引导激光能量，从而使得激光能量经反射离开所述第一镜子并且在实质上与物镜的光轴对齐的方向上穿过而到达物镜。

10.根据权利要求1所述的模块化物镜组件，其中，安装模块主体包括一种第一狭长凹槽、和一种第二狭长凹槽以及一种转台适配器，所述第一狭长凹槽用于接纳和支撑所述模块化组件，所述第二狭长凹槽用于接纳和安装所述激光组件，所述转台适配器允许模块化物镜组件以可释放的方式安装到显微镜的转台。

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