CN103575231A - 大面积玻片的物体表面轮廓的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理多阵列显微镜系统成像物体轮廓的系统和方法。物体被外力调整来贴合支撑基片的一个表面，基片用吸力固定物体，支撑基片被外力弯曲，使用至少一个执行器通过改变基片曲率来减少物体表面轮廓与预设的相关表面的偏差。特别是，被选定的物体的表面可以平整以便于该表面可使用多阵列显微镜的多个物镜同时成像。本发明的有益效果体现为：通过本发明的系统及方法，可以处理物体轮廓的偏差，使之与成像表面相一致，使成像更清楚。

Description

大面积玻片的物体表面轮廓的处理方法

技术领域

本发明涉及一种阵列显微镜成像系统，具体来说，是用来处理一个多物镜阵列显微镜成像的物体表面轮廓的测量系统及方法，以及用于成像系统中的支撑系统。

背景技术

在阵列显微镜的多轴成像系统中，大量的光学元件在整体上是可移动的，并且处于同一个阵列中，这样可以成像一般物体的各个部分，如美国专利6842290,6958464,7061584,7482566和7864369等中所述的。因为被成像的物体的轮廓（例如一个表面）不一定完全在物镜阵列的聚焦范围的深度内，大量的物镜同时沿着光轴转换，来成像物体的不同部分。然而，当被成像的物体的轮廓不完全在聚焦范围的深度内时，阵列显微镜的成像至少有一部分会是模糊的。因为一个物体的轮廓通常是不可预见的，成像也有可能偏离物镜聚焦的物体表面，这就需要一个系统或方法来处理物体轮廓的偏差，使之与成像表面相一致。

技术内容

本发明提供一种新的调整阵列显微镜的多个物镜成像的物体表面轮廓的测量系统及方法，可以解决现有技术中存在的被成像的物体的轮廓不完全在聚焦范围的高度内时，阵列显微镜的成像至少有一部分会是模糊的问题。

本发明的技术方案是：

    一个用来成像物体的显微镜系统，其中包括支撑物体第一个表面的支撑基片，具有一个流体端口和连接流体端口与第一表面的通道；显微镜的第一物镜和第二物镜可以同时沿着一个光轴移动（在成像过程中）来取得物体的成像；一组执行器连接在支撑基片的第二表面上，可以聚焦第二表面，通过改变曲率使表面变平。这个系统可以选择性地包括一个程序，该程序可以操作一组执行器中的至少一个，来评估代表由第一物镜和第二物镜沿光轴扫描的物体轮廓的成像数据。

    一个用来成像物体的显微镜系统，其中包含可操作的多个物镜与之连接在一起，可以同时沿着一个光轴离焦扫描一个物体，一个有尺寸的支撑基片，使物体的第一表面同时贴合支撑基片的第一表面，因此使支撑基片与物体表面有一个吸力。这个系统还包括一个改变基片第二表面曲率的方法；和一个具有计算机可读程序产品的有形非临时计算机可读存储介质。这个有形的存储介质是可调节地连接在多个物镜上的，这个计算机可读程序产品包括(i)在存储介质中存储成像数据的程序编码;和(ii)决定基于成像数据的纠正数据的程序编码，其中纠正数据代表第二表面曲率改变的图。这个系统的多个物镜可以在空间上配合，他们相关的标准表面可以在成像过程中同时被移动。加之，改变曲率的方法可以包括一组执行器（包括一个或多个执行器）在第一表面末端连接基片的第二表面。这组执行器可以嵌在嵌入式的框架内，应用于基片第二表面正面或负面的压力。

    一个支撑物体的系统，其成像系统可以使用多个物镜同时成像一个物体。这个系统包括一个有尺寸的基片来支撑物体的第一表面，和可调的支撑基片来评估代表多个物镜同时离焦扫描物体的数据。在一个特定的应用中，方法包括第一和第二执行器被调整来连接基片的第二表面，基片可以在第一表面形成负气压来使物体的一个表面与第一表面相贴合。

一个处理物体表面轮廓的方法，其中包括把物体放置在有一个连接点的支撑基片的表面；同时聚焦第一第二物镜扫描物体来确定物体轮廓与相关表面的不同。这个方法还包括弯曲支撑基片来减少误差。

本发明的有益效果体现为：通过本发明的系统及方法，可以处理物体轮廓的偏差，使之与成像表面相一致，使成像更清楚。

附图说明

图1说明了现有技术中使用一个阵列显微镜产生的玻片的表面轮廓的偏差。

图2为本发明系统的一个方案的侧面图。

图3为本发明实施的流程示意图。

图4A是一个系统的一部分，展示了贴合相关基片的玻片的轮廓，在轮廓操作中实现真空。

图4B是图4A中系统的一部分，在操作过程中玻片的轮廓被处理了。

图5展示了空间二维矩形执行器阵列的踪迹，根据本发明的一个方案，使用了大面积的相关基片和玻片。

具体实施方式

    在这个详细描述中引用的“一个方案”、“一个相关的方案”，或者其他类似的语句代表一个特定的特性、结构或者特征。因此，像“一个方案”、“一个相关的方案”这样语句的出现可能是，也不一定指的是同一个方案。可以理解为本发明展示的任何信息都不是一个完整的特性的描述。

    另外，以下展示的内容描述了本发明的特征，配合相关的图片，尽可能地用相同的数字表示相同或相似的元件。在图片中，结构性的元素一般没有被覆盖到，特定的部分被放大了来显示其重要性。单独的一张图不能显示本发明的所有完整特征。不过，图中的这些细节和特征可以被应用，除非上下文中另有所指。在其他的例子中，已知的结构、细节、材料或者操作可以在图中展示或者被描述来避免本发明方案中有模糊的概念。

    大面积的玻片通常用来固定被成像的大面积的组织。通常矩形玻片的厚度为1到2mm，横截面为1到3英寸，也可以是6到8英寸。成像大面积组织玻片的其中一个难点是大多数大面积玻片（包括盖玻片）不是完全平整的。对于展示和所附的声明，词“玻片”指的是有盖玻片的载玻片，除了上下文特别指出的。

大面积的玻片通常被用来固定大面积的组织样品，用低空间频率的显微镜系统成像，盖玻片和载玻片造成了高度的差异和波动。当频率和表面高度差异的大小是基于玻片的大小和不同制造商产生的大小差异时，经验测量表明典型的高度波动在空间上有1英寸或者更短的差异，1英寸内的空间和振幅可以超过50微米。这些高度差异的振幅大于50微米（DOF），一个数值孔径（NA）的显微镜物镜用来成像，数值孔径的计算方法为：

其中λ是光线的波长，n是物体的空间折射率。对于展示和所附的声明，词“玻片”指的是有盖玻片的载玻片，除了特别指出的。

    用来成像的组织样品可能在几何上是不规则的，也可能有一个表面有高度大小的波动。在使用单个物镜的传统显微镜成像一个物体时（不管是玻片本身还是固定有组织的玻片），这种类型的物体成像表面的低空间频率高度波动可以通过连续调整物体和玻片间的距离来缓解。然而，当使用具有多个物镜的阵列显微镜成像时，物体距离的单独调整是不可能的。在这种情况下，阵列显微镜的物理维度在很大程度上与玻片高度差异的波动和范围有关，因此，阵列显微镜至少有一些光学通道是失焦的。因此，确定成像组织整体区域的成像最佳状态是存在一些问题的，从而在一些区域导致了成像上的模糊。

    根据本发明的一个优选方案，展示了解决上述缺点的方法和设备，通过操作玻片的轮廓来减少玻片表面的高度差异。

    图1对称展示了一个显微镜系统100，采用了一阵列连接于物镜120的机械元素，用来在高速下成像大面积的组织样品。在理想状况下，所有物镜120的焦距处在同一表面上，物体表面的偏差（如玻片130）阻止了显微镜系统100的每个物镜同时获得最佳成像条件。更加普遍地，次级最佳成像导致的结果是成像表面的高度偏差导致物体的一部分不在相关物镜的自由度内。

    本发明的方案源于对成像物体区域表面的理解（也就是物体的轮廓），依靠于至少多个物镜的一个相关方向上。特别地，当压力被应用到玻片上来改变曲率时，无压力物体的高度偏差范围和幅度会改变。因为传统的玻片比他们的横截面尺寸要薄，玻片就容易弯曲。根据本发明的一个方案，玻片或者成像物体的轮廓可以通过在范围内弯曲玻片来调整，在这个范围内固定在玻片上的组织样品不会被扭曲。

    如图2所示，提供了本发明一个方案的图解，玻片130固定在显微镜物镜120下，支撑基片210的相关表面210a的上面，通过一个流体输出端口212有一个吸力V（被调整来输送气体或液体），通过连接输出端口212到玻片背面的基片210的一组管道（没有展示出来）。相关的基片210相比于玻片130较硬，因此当有吸力时，负面的流动压力（例如，气体压力和液体压力）被应用到玻片130的背面。玻片130的底面就是被这样的负压力吸住来贴合相关表面210a的轮廓，相关表面在没有压力的情况下被调整预先设定的轮廓。预先确定的表面轮廓是完全平整的，或者是有一个选定的曲率。

    相关表面210a的最初的轮廓可以改变，例如通过使用至少一个执行器220使基片210弯曲（如图，具有大量的压电执行器），可以选择性地在一个或多个预设的位置拉推基片的表面。相关表面210a的轮廓被改变，贴合相关表面210的玻片130被弯曲，因此导致玻片130的表面轮廓有差异。

    弯曲相关基片210需要克服它的硬度。相关基片210的硬度与给定的材料有关，一般增加基片的厚度。（因此，调整相关基片210硬度使之超过玻片120的硬度，可以通过改变基片的厚度来实现。）基片210越硬，执行器需要的吸力就越大。基于经验测量，为了使玻片130贴合相关基片210a，刚度比(即相关基片210的硬度数值与玻片120的硬度数值之比)最好在100以上。

    根据图2，基片210可以固定大量通道连接流体端口212（可以使液体或者气体）到上表面210a上，可以在端口212和表面210之间建立流动关系（流体可以在通道之间传播）。例如在一个方案中，至少一部分通道分布在相关表面210a上，可以取得好的流动吸力来使玻片120和表面210a吸牢。在这种情况下，基片的材料可以包括金属（例如铝合金）或者是非金属（例如硬质玻璃或陶瓷）。在一个可选的方案中，基片210由一种多孔材料制成（例如多孔铜、多孔碳和多孔聚合物），通过微管道和孔，吸力的影响在玻片120的反面被放大。多孔材料的使用可以统一玻片120背面的吸力分布。

    如上关于图2所示，一个玻片表面的高度差异可以通过使用相关表面210a和玻片120背面的吸力来缓解。玻片的表面轮廓通过一组执行器220来操作，执行器镶嵌在一个硬质支撑框架210上。操纵玻片轮廓的一个方案如图3所示。步骤302中玻片放在支撑基片210上后，步骤310中基片上的吸力（如疏松的吸力）被打开，结果，玻片130的背面贴合相关表面210a的最初轮廓。在步骤320中，玻片130的离焦扫描（沿着物镜120的光轴）使用了物镜阵列显微镜系统100来确定物体的最初轮廓（例如组织玻片的表面）。最初轮廓的计算是基于代表物镜位置的经验数值，对应通过每个物镜的最佳成像（最佳聚焦位置）。可选择的，在步骤330中，在聚焦时或聚焦后，扫描数据被收集起来，系统100（没有展示）创造了一个在成像物体xy区域的最佳聚焦位置的二维图。对于大块的玻片，离焦扫描可以使用多次来覆盖物体的整个区域，缝合物体各个小部分的轮廓图。物体的轮廓造成玻片的高度差异，当物体本身的轮廓偏离相关表面时，对于物体轮廓的差异也是如此。多个物镜同时扫描物体，物体给定表面和相关表面的轮廓差异是确定的。

    系统处理器可以计算基片210的相关表面210a的轮廓处理，改变最初物体轮廓到需要的值。基于步骤340的处理（例如需要平整的物体沿着z轴的移位）可以作为横向坐标（例如根据基片210和执行器220的连接协调），执行器被轴向移动，在步骤350中，推拉基片210来变形或弯曲表面210b。表面210a的变形传递到表面210使相关表面210a和玻片130粘附到相关表面上。进一步使用显微镜系统100成像时，执行器使玻片变形，减少或消除了玻片轮廓的高度差异，因此减少了确定的物体与选定表面间的差异（在具体的应用中，使物体平整）。物体调整表面的成像的另一个步骤将会在下文展示。

    图4A和4B提供了操作玻片轮廓的处理过程。如图4A，在默认最初的状态下，玻片130贴合相关基片210的表面210a（如图，平整的）。物体被成像的表面和相关的玻片130是不平整的，导致玻片130的高度差异。在通过使用执行器220轴向推拉基片210处理了玻片130之后，物体被成像的表面轮廓被调整到完全平整。因为执行器220镶嵌在硬质框架230上，执行器220的力量被传递到框架230上。经验数据表明当框架220的硬度超过基片210的硬度大约两个数量级时，这样的力量传递在操作中可以被忽略。

    执行器220和基片210的空间配合可以是不同的。在一个方案中，执行器被放置在表面210b上，对应于图5中的空间二维矩形阵列。执行器220的数量，执行器和基片210接触点的密度（A,B,C这样类似的点）可以预设来增加或减少空间分辨率，处理的力量可以被传递到玻片130上。例如，执行器220的数量越大，玻片高度偏差的空间频率就越大。由于大块玻片的高度差异空间频率，一平方英寸内一个执行器的密度就足够了。

    执行器可以在一个模式中被控制，当执行器被选择性激活时，作为一个阵列来处理弯曲基片的本征模。玻片表面轮廓通过一系列的本征模表达，执行器就开始处理这些本征模。在一个相关的方案中，需要的处理可以用泽尼克多项式来表达。或者，执行器220可以被单独控制来纬向处理，在玻片预定位置操纵玻片的轮廓。

根据一些方案的例子，本发明的一个系统和方法已经被讨论。技术员将会欣赏本发明对系统偏差操纵的方法。例如，当图2中连接基片210上表面210a的通道内不是空气而是液体时，通过端口212的负压力在表面210a物体上会产生吸力。

值得一提的是，本发明的系统还包括了一个光学探测器，可以取得一个物镜下物体表面的代表性的光学数据，一个选择和处理这个来自检测器或者自动化系统的电路的数据的处理器。因此，本发明的方法可以应用于一个处理器，这个处理器被存储有上述操作步骤的记忆器所控制。这个记忆器可以是随机存取储存器（RAM），只读存储器（ROM），快闪记忆体或其他任何记忆器，或者是它们的结合体，只要是适于存储控制软件和其他指令和数据的就可以。在另一个方案中，发明的系统和方法可以被用作一个计算机程序产品，配合计算机系统使用。这样的方案包括一系列的计算机指令，固定在有形非临时介质中，例如一个计算机可读媒介（如软盘、光盘、只读存储器、或固定盘）或者传递到一个计算机系统中，通过一个交互设备（例如一个连接到网络的调整器）。本发明方法的一些功能以图表和图解的方式展示出来了。熟练的技术员们应该会欣赏这些功能与方法的结合。另外，本发明可以应用到一些软件中，例如程序编码，那些实现本发明所必要的功能可以在使用固件和/或硬件组件体现出来，例如组合逻辑。特定应用的集成电路（ASICs）；可编程门阵列（FPGAs）或者其他硬件或硬件、软件、固件的结合。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种处理物体表面轮廓的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，放置物体在一个含有流体端口和通道的支撑基片的一个表面上；

步骤二，测量物体表面轮廓和相关表面的不同；

步骤三，使支撑基片弯曲来减少确定的偏差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中测量物体表面轮廓的过程包括通过聚焦扫描物体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中放置物体的过程包括把物体放置在所述流体端口连接到表面的基片上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述支撑基片在流体端口和表面间之间通过一个流体通道连接，利用吸力把物体固定在表面上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一的放置物体的过程包括把物体放在支撑基片上，使物体的一个表面与基片的一个表面相贴合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三的使支撑基片弯曲的过程包括利用在预设位置上的作用力穿过基片，改变支撑基片的曲率，使之与物体相贴合。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三的使支撑基片弯曲的过程包括通过弯曲的支撑基片来诱导物体表面弯曲的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中测量物体表面轮廓的过程包括通过使用第一、第二物镜同时聚焦扫描物体。

9.一个配合成像系统使用的支撑物体的系统，可以同时使用一组物镜来成像，其特征在于：所述支撑系统包括：

一个已知尺寸的可在成像过程中把物体固定在其第一表面上的支撑基片；

一个配合使用支撑基片的装置，可以根据代表物体轮廓的评估数据来弯曲所述支撑基片。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述的装置包括第一、第二执行器，两者结合起来接触所述支撑基片的第二表面并向其提供作用力。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：还包含一个处理器，所述的处理器可以根据物镜离焦扫描物体得到的评估数据来提供作用力至所述支撑基片的第二表面的预设位置。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述的支撑基片包含一个使在其第一表面形成负压力来使物体与其表面贴合的装置。

13.一个用来成像物体的显微镜系统，其特征在于，包括：

一个已知尺寸的支撑基片，物体在其具有端口和通道的第一表面上固定；

第一物镜和第二物镜，所述的第一物镜和第二物镜在成像物体的过程中沿着光轴同时移动，并提供物体的一致成像；

被连接到所述支撑基片的第二表面上的一组执行器，可以施加作用力到第二表面上来改变所述支撑基片的曲率，从而使物体的表面平整。

14.根据权利要求13所述的显微镜系统，其特征在于：还包含一个处理器，所述的处理器根据从第一物镜和第二物镜沿轴同时扫描而得来的代表物体表面轮廓的摄像数据驱动所述的一组执行器中的至少一个执行器操作。

15.根据权利要求14所述的显微镜系统，其特征在于：所述的处理器用于计算代表相关物体轮廓的图解数值。

16.根据权利要求13所述的显微镜系统，其特征在于：当物体粘附在第一表面上时，为了改变端口和第一表面间的流动连接，所述的一组执行器中至少一个执行器使支撑基片弯曲进而减少物体表面轮廓与预设的相关表面的偏差。

17.根据权利要求13所述显微镜系统，其特征在于：还包括一个连接到所述支撑基片的端口上、并用于在通道中创造流动压力的真空单元。

18.根据权利要求14所述的显微镜系统，其特征在于：所述的处理器被进一步设置沿着光轴移动所述第一物镜和第二物镜来获得成像数据。

19.一个用来成像物体的显微镜系统，其特征在于，包括：

连接在一起并沿着一个光轴同时成像物体的一组物镜；

一个具有第一表面、第二表面的支撑基片，可以在第一表面上支撑物体，所述支撑基片施加一个吸力粘附所述支撑基片的第一表面和物体的第一表面；使物体的第一表面贴合所述支撑基片的第一表面；

一个改变所述支撑基片的第二表面曲率的装置，所述装置与基片的第二表面并列；

    一个具有计算机可读程序产品的有形的非暂存的计算机可读存储介质，这个存储介质连接所述一组物镜中的其中一个，计算机可读程序产品包含存储在存储介质中的程序编码，成像数据代表同时扫描物体的数据；决定处理数据的程序编码是基于成像数据的，处理数据代表基片第二表面曲率的改变的映射。

20.根据权利要求19所述的显微镜系统，其特征在于：所述的一组物镜在空间上是相互配合的，且其标准表面在成像时被同时重新定位。

21.根据权利要求19所述的显微镜系统，其特征在于：所述的改变所述支撑基片第二表面曲率的装置包括一组执行器，所述执行器机械地与支撑基片的第二表面在其第一末端相配合，第二末端镶嵌在嵌入式框架内，这组执行器在第二表面上形成正面或负面的压力。

22.根据权利要求19所述的显微镜系统，其特征在于：包含一个具有存储介质和改变曲率的装置的处理器，这个处理器使改变曲率的装置施加正负压力应用到第二表面上，来使物体第二表面的轮廓平整。

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