CN103748499A - 显微镜、物镜光学系统和图像获取设备 - Google Patents

Abstract

显微镜包括物镜光学系统，所述物镜光学系统包括被配置用于形成物体的图像的成像光学系统，被配置用于再形成通过所述成像光学系统形成的物体图像的图像的再成像光学系统，以及被布置在所述成像光学系统和所述再成像光学系统之间的光路上的反射单元，所述反射单元被配置为所述反射单元在光轴方向上的位置和所述反射单元的相对于光轴的倾角中的至少一个能够局部改变；以及图像传感器，被配置用于捕获通过所述物镜光学系统再形成的图像。

Description

显微镜、物镜光学系统和图像获取设备

技术领域

本发明涉及合适地用于获取例如病理样本的图像数据的图像获取设备（例如，显微镜）的物镜光学系统（objective optical system）。

背景技术

在近年来的病理检查中，如下这样的图像获取系统已经获得注意，该图像获取系统使用图像获取设备（例如，显微镜）捕获病理样本的图像来获取图像数据并且在显示器上显示所获取的图像数据以允许人观察所显示的图像数据。图像获取系统使得多人能够同时观察通过对样本进行成像而获取的图像数据，并且将该图像数据与远程的病理学家共享。

如果在图像获取设备中观察到没有落在物镜的视场内的大样本，则表示整个样本的图像数据需要如下地被获取：连接通过在水平方向上移动样本以将该样本多次成像或者在扫描样本的同时将该样本成像而获取的多段图像数据。因此，需要具有宽视场（成像区域）的物镜光学系统以通过减少成像次数来缩短获取图像数据所需的时间段。此外，在观察样本时需要不仅具有宽成像区域而且还具有可见光区域中的高分辨率的物镜光学系统。

物镜光学系统的数值孔径（NA）需要增大以获得高分辨率。但是，当NA增大时，焦深减小。如果在样本的表面上在深度方向上存在凹凸，则通过物镜光学系统形成的样本的图像变为凹凸状。因此，尤其在具有高分辨率和具有宽成像区域的物镜光学系统中，在样本的一部分中出现焦点未对准部分。

日本专利申请特开No.2007-208775讨论了一种图像拾取设备，其能够通过使图像拾取区域变形而校正摄影透镜的像场弯曲。在此图像拾取设备中，多个光电转换元件中的每一个被驱动以根据像场弯曲来使图像拾取区域变形。日本专利申请特开（PCT申请的翻译）No.2001-507258（对应于美国专利申请No.08/772977）讨论了一种能够使用可变形镜来校正波前畸变的设备。在此设备中，镜根据所测量的眼睛的波像差的值而变形，以校正像差。

在日本专利申请特开No.2007-208775中讨论的图像拾取设备中，需要用于各光电转换元件的读出的电路以及用于使图像拾取区域变形的驱动单元。此外，如果光电转换元件被冷却以减少图像数据的噪声，需要提供诸如用于温度调节的元件或电路的冷却机构。特别地，如果每一光电转换元件设置有驱动单元，则除了驱动单元之外，在空间上难以布置冷却机构。图像拾取区域需要被更大地变形以对于样本的凹凸调整焦点。但是，在这样的配置中需要更宽的空间以提供驱动单元以便能够实现足够的变形。因此，在日本专利申请特开No.2007-208775中讨论的图像拾取设备的配置不足以能够在全部宽成像区域中进行聚焦并获得高图像质量（低噪声）图像数据。

在日本专利申请特开No.2001-507258中讨论的设备包括用于调整波前的机构。但是，在光学系统的光瞳位置处调整波前。如果这样的机构被直接应用于图像获取设备，则由于样本的凹凸导致的成像区域内的焦点未对准分布不能被校正。需要与用于像差校正的镜的变形期间相比更大的驱动量来调整样本的图像表面位置处的聚焦。

发明内容

本发明针对具有高分辨率并且使得能够在全部宽成像区域中聚焦的显微镜、物镜光学系统和图像获取设备。

根据本发明的一个方面，显微镜包括物镜光学系统，该物镜光学系统包括被配置用于形成物体的图像的成像光学系统，被配置用于再形成由成像光学系统形成的物体图像的图像的再成像光学系统，以及反射单元，被布置在成像光学系统与再成像光学系统之间的光路上并且被配置为其在光轴方向上的位置和其相对于光轴的倾角中的至少一个能够局部改变，并且该显微镜包括被配置为捕获由物镜光学系统再形成的图像的图像传感器。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征和方面将变得清楚。

附图说明

并入说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明的示例性实施例的图像获取系统的主要组件的示意图。

图2示出根据本发明的示例性实施例的通过反射单元调整焦点的方法。

图3是根据第一示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图4是根据第二示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图5是根据第三示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图6是根据第四示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图7是根据第五示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图8是根据第六示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图9是根据第七示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图10是根据第八示例性实施例的物镜光学系统的主要组件的示意图。

图11示出根据本发明的示例性实施例的通过倾斜反射单元来调整焦点的方法。

图12是根据本发明的示例性实施例的用于使反射单元变形的驱动单元的主要组件的示意图。

图13是根据本发明的示例性实施例的用于驱动多个反射部件的驱动单元的主要组件的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。

图1是根据本发明的示例性实施例的图像获取系统1000的主要组件的示意图。图像获取系统1000包括用作获取样本的图像的显微镜的图像获取设备3000，以及显示所获取的图像的图像显示单元2000。图像获取设备3000包括测量包括样本的准备的滑块（slide）30的测量单元200，捕获所准备的滑块30的图像的成像单元300，以及控制测量单元200和成像单元300并且处理所捕获的图像的图像处理/控制单元500。

以下将描述根据本示例性实施例的图像获取设备3000中的图像获取过程。

包括样本的所准备的滑块30被保持在成像台架20上，并且被布置在成像单元200中。来自测量光源110的光束被分束器120偏转以照射所准备的滑块30。已通过所准备的滑块30的光束入射到X-Y位置测量传感器100上。已在X-Y位置测量传感器100中被测量的、诸如所准备的滑块30中的样本的X-Y方向上的位置和大小的数据被发送到图像处理/控制单元500。X-Y位置测量传感器100包括市场上可买到的电荷耦合器件（CCD）传感器。另一方面，已被所准备的滑块30反射的光束在通过分束器120之后入射到Z形状测量传感器130上。Z形状测量传感器130测量所准备的滑块30中的样本的X-Y位置中的每一个处的Z方向上的位置数据（Z形状），并且将所测量的Z形状发送至图像处理/控制单元500。Z形状测量传感器130包括市场上可买到的Shack-Hartmann传感器。图像处理/控制单元500将被发送的关于所准备的滑块30的测量数据（样本的X-Y位置、大小和Z形状）存储在存储器中。测量单元200不局限于这样的配置。例如，X-Y位置和Z形状可使用在分离位置处的分离光源被分别测量。当测量结束时，保持所准备的滑块30的成像台架20从测量单元200的测量位置移动到成像单元300的成像位置。

在成像单元300中，来自光源（未示出）的光入射到照明光学系统10上。照明光学系统10均匀地照明所准备的滑块30。此时，来自光源的光包括波长在400nm到700nm的可见光。来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到物镜光学系统400上。根据本示例性实施例的物镜光学系统400包括成像光学系统40、分束器50、反射单元（反射镜）60、和再成像光学系统70。成像光学系统40使得来自样本的光束经由分束器50在反射单元60附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射单元60反射，并且在再次通过分束器50之后从成像光学系统40的光路朝外偏转。偏转光束入射到再成像光学系统70上，从而样本的图像在图像传感器80的图像拾取区域上再形成。反射单元60的局部位置和倾角可改变。成像处理/控制单元500根据测量数据控制反射单元60的局部位置和倾角，使得图像表面在图像传感器80的图像拾取区域上对齐（以下将描述其细节）。

成像光学系统40可通过不仅进行一次还进行多次样本的图像形成来形成样本的图像。例如，包括反射折射系统的成像光学系统40可在用于在反射单元60附近将样本成像的过程中形成中间图像。更具体而言，在根据本示例性实施例的物镜光学系统400中，光束可在成像光学系统40的最终成像位置附近被反射单元60反射，并且经由再成像光学系统70被再聚焦。光束可被聚焦任何次数。再成像光学系统70可希望地是如下放大系统，该放大系统以预定横向倍率放大通过成像光学系统40形成的样本的图像并且再形成放大后的图像。

通过将已经在图像传感器80的图像拾取区域上再成像的样本成像，并且在图像处理/控制单元500中处理所获取的成像信息，生成图像数据。图像数据可被显示在图像显示单元2000上。图像处理/控制单元500执行根据用途的处理，例如用于校正不能被物镜光学系统400校正的像差的处理，以及用于将多段图像数据连接到一起以生成单个图像数据的处理。

以下将描述用于通过反射单元60改变成像光学系统40的图像表面位置而调整焦点的方法。

图2示意性地示出通过成像光学系统40形成的对应于样本的一部分的成像点与反射单元60的反射来自样本的光束的反射表面之间的位置关系。如果反射单元60布置在成像光学系统40的成像点的位置后面（+Z方向上）距离L1处，如图2的上部部分所示，从反射表面反射的光束在反射单元60的位置后面距离L1处形成表观成像点。另一方面，如果反射单元60布置在成像光学系统40的成像点的位置前面（-Z方向）距离L2处，如图2的下部部分所示，光束在被反射表面反射之后在反射单元60的位置前面距离L2处形成表观图像点。反射单元60因此布置在光路上，从而可改变通过成像光学系统40形成的图像的成像位置（图像表面位置）。

如果样本的形状在Z方向上不均匀，成像光学系统40的成像点的位置根据样本的X-Y位置改变，从而仅成像光学系统40不能形成样本的平坦图像。更具体而言，即使图像传感器80被布置在成像光学系统40的图像表面位置处，在全部成像区域中仍不能获得合焦图像。因此，成像传感器80的图像拾取区域位置需要被布置为再成像光学系统70的图像表面位置，从而与其共轭的位置（再成像光学系统70的物体位置）和成像光学系统40的表观图像表面位置相互匹配。换句话说，要由再成像光学系统70再形成的样本的图像的再成像位置需要被调整以匹配图像传感器80的图像拾取区域位置。如图2所示，反射单元60被驱动以使得反射单元60的反射表面的各区域被调整以匹配成像光学系统40的成像点和再成像光学系统70的物体位置之间的中间位置。更具体而言，根据反射单元60是否变形或者反射单元60是否由多个反射部件构成以及各反射部件的位置和倾角是否改变，局部调整反射单元60的光轴方向上的位置和相对于光轴的倾角中的至少一个。这样的方法能够使得再成像光学系统70的物体位置和成像光学系统40的表观图像表面位置之间匹配，并且使得焦点能够被调整为使得通过再成像光学系统70再形成的样本的图像形成在图像传感器80的图像拾取区域上。

如上所述，根据示例性实施例的物镜光学系统400具有如下配置，其中反射单元60被布置在成像光学系统40和再成像光学系统70之间的光路上，并且通过成像光学系统40聚焦的光束被反射单元60反射并且经由再成像光学系统70被再聚焦。当再成像光学系统70是具有预定横向倍率的放大系统时，通过成像光学系统40形成的样本的图像被以该横向倍率放大并再形成。当物体点在光轴方向上相对于再成像光学系统70移动时，对应的成像点的移动量根据纵向倍率（横向倍率的平方）增加。如果成像光学系统40的成像位置通过驱动反射单元60而改变，则反射单元60的位移量以再成像光学系统70的纵向倍率增加，使得再成像位置以较大的位移量改变。更具体而言，放大系统被用作再成像光学系统70，从而不需要如常规技术中那样的用于使成像表面大幅位移的机构。即使反射单元60的位移量减小，仍可令人满意地执行聚焦。

如上所述，通过依照样本的凹凸形状局部改变反射单元60的光轴方向上的位置和相对于光轴的倾角中的至少一个，根据本示例性实施例的物镜光学系统400使得能够在全部宽成像范围中聚焦。

以下将参照图12和13描述用于驱动反射单元60的驱动单元。在本示例性实施例中，用于局部改变反射单元60的光轴方向上的位置和相对于光轴的倾角中的至少一个的方法假定反射单元60的变形以及包括多个反射部件的反射单元的位置或倾角的改变。

以下将描述用于使反射单元60变形的驱动单元。图12是示出反射单元60和用于改变其形状的驱动单元的配置的截面图。反射单元60包括产生反射功能的反射表面60a和用作与反射表面60a相对的反面的背面60b。尽管反射单元60的形状物理上可改变，希望地使用低热膨胀材料以防止热变形。基部610是其位置在图像获取设备3000中固定的基板。用于使反射单元60变形的驱动单元包括多对驱动杆612和致动器611。驱动杆612的端部固定到反射单元60的背面60b或接触背面60b。致动器611在Z方向上驱动该驱动杆612。致动器611可经由驱动杆612向反射单元60应用变形力。因此，反射单元60可通过驱动各致动器611而改变为希望的形状。驱动杆612希望地使用具有低热膨胀特性的高刚性材料。致动器611包括线性马达、电磁体和压电元件。驱动单元的布置根据需要根据图像传感器的布置和反射单元60的目标表面形状被确定。通过使用该驱动单元，反射单元60的形状被改变为使得反射单元60的光轴方向（Z方向）上的位置和相对于光轴的倾角中的至少一个可被局部改变。因此，通过依照已被测量单元200测量的样本的Z方向上的凹凸形状改变反射单元60的形状，在图像传感器的图像拾取区域上形成物体的图像，使得能够在全部成像区域中聚焦。

下文将描述用于改变包括多个反射部件的反射单元的位置和倾角的驱动单元。图13是当反射单元60包含多个反射部件620时驱动单元的主要组件的示意图。当布置多个图像传感器时，多个反射部件620被布置为分别与图像传感器对应，并且根据需要，反射部件620的数量被确定为对应于图像传感器的数量。在本示例性实施例中，假定在X-Y方向上布置3×3反射部件620以简化描述。图13的上部部分示出从-Z方向到+Z方向观看的反射单元60，并且图13的下部部分是沿上部部分的线B-B取得的透视图。各反射部件620包括连接部件621和驱动部件（气缸）622作为驱动单元。各反射部件620中的驱动部件622被设置在表面板623上。在本示例性实施例中，三个连接部件621和三个驱动部件622（在图13的下部部分中仅示出在这一侧的两个连接部件621和两个驱动部件622）被设置在各反射部件620中。通过提供驱动单元，各反射部件620的光轴方向（Z方向）上的位置可在对应的驱动部件622的控制下被改变，而反射部件620的倾角也可改变。更具体而言，反射单元60的在光轴方向（Z方向）上的位置和倾角中的至少一个可被局部改变。因此，反射单元60中的多个反射部件620中的每一个被驱动以使得在对应图像传感器的图像拾取区域上形成物体的图像，使得能够在整个成像区域中聚焦。

如上所述，样本的成像位置可通过局部改变物镜光学系统400中的反射单元60的光轴方向上的位置和相对于光轴的倾角中的至少一个被调整。在根据本示例性实施例的图像获取设备3000中，反射单元60和图像传感器80分别布置在空间上不同的位置处。因此，用于驱动反射单元60的机构和图像传感器80中的电路或温度调节机构可被适当地布置。

如上所述，根据本示例性实施例的物镜光学系统400可在全部宽成像区域中获得图像质量高（噪声低）的合焦图像数据。

以下将在每个示例性实施例中详细描述物镜光学系统400的配置。

图3是根据第一示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图，示出从-Y方向向+Y方向观看的物镜光学系统400以及从-Z方向向+Z方向观看的物镜光学系统400（成像光学系统401未被示出）。

在图3中，物镜光学系统400包括成像光学系统401、分束器501、反射单元601、再成像光学系统701和图像传感器801。反射单元601上的范围801’（虚线）对应于图像传感器801的图像拾取区域。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上，以经由分束器501在反射单元601附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射单元601反射，并且在再次通过分束器501之后从成像光学系统401的光路向外偏转。再成像光学系统701使得偏转光束在图像传感器801的图像拾取区域上再形成样本的图像。反射单元601依照样本的Z方向上的凹凸形状变形，使得要由再成像光学系统701再形成的样本的图像在图像传感器801的图像拾取区域上形成。因此，在整个成像区域中可获取合焦图像数据。

图4是根据第二示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图4中，与图3中所示的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。在图4中，反射单元601上的范围801’至809’（虚线）分别对应于图像传感器801至809的图像拾取区域。根据第二示例性实施例的配置与根据第一示例性实施例的配置的不同之处在于布置多个图像传感器801至809。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上，以经由分束器501在反射单元601附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射单元601反射，并且在再次通过分束器501之后从成像光学系统401的光路向外偏转。再成像光学系统701使得偏转光束在图像传感器801至809的图像拾取区域上再形成样本的图像。反射单元601依照样本的Z方向上的凹凸形状变形，使得要由再成像光学系统701再形成的样本的图像在图像传感器801至809的图像拾取区域上形成。因此，在通过图像传感器801至809分别成像的全部成像区域中可获取合焦图像数据。

在第二示例性实施例中，多个图像传感器801至809布置为使得可在全部较宽成像区域中获得合焦图像数据。如果在图像传感器801至809各自的图像拾取区域之间出现不能被成像的区域，则在所获取的图像数据中也出现间隙（clearance）。为了填充不能被成像的区域，样本在通过在X-Y方向上移动样本位置而被步进（step）的同时被成像。此时，依照每个成像位置处样本的Z方向上的凹凸形状，反射单元601的形状对于每一步进被改变为不同形状。图像处理/控制单元500将各步进中所获取的图像数据连接到一起，从而可生成不具有间隙的单个图像数据。

图5是根据第三示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图5中，与图3或4中所示的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。物镜光学系统400包括分束器501至504（实线）和再成像光学系统701至704。反射单元601上的范围801’至804’（虚线）分别对应于图像传感器801至804的图像拾取区域。根据第三示例性实施例的配置与根据第二示例性实施例的配置的不同之处在于多个分束器501至504以及多个再成像光学系统701至704被分别布置为与多个图像传感器801至804对应，并且图像传感器801至804被分别布置在不同平面内。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上，以经由分束器501至504在反射单元601附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射单元601反射，并且在分别再次通过分束器501至504之后从成像光学系统401的光路向外偏转。此时，多个分束器501至504使光束分别在不同方向上偏转。再成像光学系统701至704分别使得偏转光束在图像传感器801至804的图像拾取区域上再形成样本的图像。

反射单元601依照样本的Z方向上的凹凸形状变形，使得要由再成像光学系统701至704再形成的样本的图像在图像传感器801至804的图像拾取区域上形成。因此，在通过图像传感器801至804分别成像的全部成像区域中可获取合焦图像数据。对于图像传感器801至804各自的图像拾取区域之间的不能被成像的区域，类似于第二实施例，样本在通过在X-Y方向上移动样本位置而被步进的同时被成像，并且多段所获取的图像数据连接到一起，从而可生成不具有间隙的单个图像数据。

在第三示例性实施例中，多个分束器501至504被布置为使得可使用较小尺寸的分束器将宽成像区域成像。这是有利的，因为分束器的制造难度水平降低。成像光学系统401和反射单元601之间的距离（成像光学系统401的后焦距）可减小，并且每个图像拾取区域可被减小。因此，再成像光学系统也可被最小化。这是有利的，因为物镜光学系统400的设计的难度水平降低。在第三示例性实施例中，图像传感器801至804分别布置在不同的平面内，并且分束器501至504和再成像光学系统701至704在图像传感器801至804的图像拾取区域上再形成样本的图像。这样的配置允许图像传感器801至804之间具有空间余量（spatial room），并且使得对于图像传感器801至804中的每一个更适当地布置电路、温度调节机构等。

图6是根据第四示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图6中，与图3至5中任一个中的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。物镜光学系统400包括分束器501至508（实线）、平行平板玻璃509和510、以及再成像光学系统701至709。反射单元601上的范围801’至809’（虚线）分别对应于图像传感器801至809的图像拾取区域。根据第四示例性实施例的配置与根据第三示例性实施例的配置的不同之处在于分束器、再成像光学系统以及图像传感器各自的数量增加，在对应于图像传感器809的图像拾取区域的反射单元601上的范围809’中提供开口，并且提供平行平板玻璃509和510。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上。形成样本的图像的光束中的对应于图像传感器801至808的图像拾取区域的光束经由分束器501至508在反射单元601附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射单元601反射，并且在分别再次通过分束器501至508之后从成像光学系统401的光路向外偏转。再成像光学系统701至708分别使得偏转光束在图像传感器801至808的图像拾取区域上再形成样本的图像。

来自样本的光束中的对应于图像传感器809的图像拾取区域的光束在通过平行平板玻璃509之后在反射单元601上范围809’中设置的开口附近形成样本的图像。再成像光学系统709使得已通过该开口的光束在通过平行平板玻璃510之后在图像传感器809的图像拾取区域上再形成样本的图像。平行平板玻璃509和510被布置为匹配通过该开口的光束和分别通过分束器501至508的光束各自的光路长度。

通过仅使对应于图像传感器809的图像拾取区域的反射单元601的中心处的光束通过该开口，光束可更适当地分别入射到图像拾取区域上。为了在不提供平行平板玻璃的情况下在图像传感器809的图像拾取区域上再形成样本的图像，可使用与再成像光学系统701至708不同的光学系统作为再成像光学系统709。

在第四示例性实施例中的聚焦过程中，样本的光轴方向上的位置（Z位置）和相对于光轴的倾角（X-Y倾斜位置）被对齐以使得对应于图像传感器809的图像拾取区域的光束聚焦在图像传感器809的图像拾取区域上。通过最小平方法等从测量获取的样本的对应于图像传感器809的图像拾取区域的形状找到最合适的X-Y倾斜位置，并且可通过用于存放该样本的台架（未示出）来调整该X-Y倾斜位置。此位置可用作基准以使检测单元601变形。更具体而言，反射单元601依照样本的Z方向上的凹凸形状变形，使得要由再成像光学系统701至708再形成的样本的图像在图像传感器801至808的图像拾取区域上形成。因此，通过图像传感器801至808可分别获取合焦图像数据。

对于图像传感器801至809各自的图像拾取区域之间的不能被成像的区域，样本在通过在X-Y方向上移动样本位置而被步进的同时被成像。此时，样本的位置和倾角以及反射单元601的形状依照各成像位置处的样本的Z方向上的凹凸形状对于每一步进被改变。图像处理/控制单元500将各步骤中获取的图像数据连接到一起，从而可生成不具有间隙的单个图像数据。

在第四示例性实施例中，多个分束器501至508被布置为使得可使用尺寸比第三示例性实施例中的分束器更小的分束器将宽成像区域成像。因此，可使得分束器的制造难度水平更低。也可使得成像光学系统401的后焦距更小，并且每个图像拾取区域变得更小。因此，也可使得再成像光学系统的尺寸更小。这是有利的，因为物镜光学系统400的设计难度水平被降低。

图7是根据第五示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图7中，与图6所示的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。物镜光学系统400包括分束器501至504（实线）。根据第五示例性实施例的配置与根据第四示例性实施例的配置的不同之处在于相邻分束器501至508分别被归集为长方体形状的分束器501至504。

第五示例性实施例中的来自样本的光束的光路以及用于聚焦和图像数据生成的方法和过程与第四示例性实施例中的那些基本相同。但是，在第五示例性实施例中，对应于多个图像拾取区域的多个分束器被归集为长方体形状的分束器501至504。因此，可使得用于存放分束器的机构和位置调整更简单。这是有利的，因为物镜光学系统400的组装和制造难度水平被降低。

图8是根据第六示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图8中，与图6所示的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。根据第六示例性实施例的配置与根据第四示例性实施例的配置的不同之处在于没有提供反射单元601中的开口和平行平板玻璃509至510，而新提供了分束器511（实线）。分束器511被布置在成像光学系统401的光轴方向（Z方向）上的、与分束器501至508不同的位置处，以使光束的光路适当地偏转到图像传感器809的图像拾取区域。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上，并且对应于图像传感器801至808和809的图像拾取区域的光束经由分束器501至508和511在反射单元601附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射单元601反射，并且在分别再次通过分束器501至508和511之后从成像光学系统401的光路向外偏转。再成像光学系统701至709分别使得偏转光束在图像传感器801至809的图像拾取区域上再形成样本的图像。因此，布置在Z方向上的不同位置处的分束器511仅使对应于图像传感器809的图像拾取区域的反射单元601的中心处的光束偏转，从而光束可适当地入射到图像拾取区域中的每一个上。

反射单元601依照样本的Z方向上的凹凸形状变形，使得要由再成像光学系统701至709再形成的样本的图像在图像传感器801至809的图像拾取区域上形成。因此，在通过图像传感器801至809分别成像的全部成像区域中可获取合焦图像数据。对于图像传感器801至809各自的图像拾取区域之间的不能被成像的区域，类似于第二实施例，样本在通过在X-Y方向上移动样本位置而被步进的同时被成像，并且多段所获取的图像数据连接到一起，从而可生成不具有间隙的单个图像数据。

在第六实施例中，布置在Z方向上的与分束器501至508不同的位置处的分束器511使对应于图像传感器809的图像拾取区域的光束的光路偏转。这是有利的，因为通过甚至相对于图像传感器809的图像拾取区域不仅调整样本的Z位置以及X-Y倾斜位置还使得反射单元601变形，可执行更精细的聚焦。

图9是根据第七示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图9中，与图9所示的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。根据第七示例性实施例的配置与根据第四示例性实施例的配置的不同之处在于反射单元包括多个反射部件601至608。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上。光束中的对应于图像传感器801至808的图像拾取区域的光束经由分束器501至508在反射部件601至608附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束被反射部件601至608反射，并且在再次通过分束器501至508之后从成像光学系统401的光路向外偏转。再成像光学系统701至708使得偏转光束在图像传感器801至808的图像拾取区域上再形成样本的图像。来自样本的光束中的对应于图像传感器809的图像拾取区域的光束在通过与第四示例性实施例中的光路类似的光路之后重聚焦在图像传感器809的图像拾取区域上。

在第七示例性实施例中的聚焦过程中，类似于第四示例性实施例中，样本的光轴方向上的位置（Z位置）和相对于光轴的倾角（X-Y倾斜位置）匹配，使得对应于图像传感器809的图像拾取区域的光束聚焦于图像传感器809的图像拾取区域上。此位置被用作基准以改变反射部件601至608各自的Z位置和X-Y倾斜位置。更具体而言，依照样本的Z方向上的凹凸形状，Z位置和X-Y倾斜位置被改变以使得要由再成像光学系统701至708再形成的样本的图像在图像传感器801至808的图像拾取区域上形成。因此，可在由图像传感器801至809分别成像的全部成像区域中获取合焦图像数据。对于图像传感器801至809各自的图像拾取区域之间的不能被成像的区域，类似于第二示例性实施例，样本在通过在X-Y方向上移动样本位置而被步进的同时被成像，并且多段获取的图像数据连接到一起，从而可生成不具有间隙的单个图像数据。

在第七示例性实施例中，多个反射部件601至608被布置为反射单元，使得能够在不使反射单元变形的情况下在全部宽成像区域中聚焦。这是有利的，因为不需要用于控制反射单元的形状的机构，从而有助于空间布置。

图10是根据第八示例性实施例的物镜光学系统400的主要组件的示意图。在图10中，与图9所示的那些部件相同的部件被分配相同附图标记。根据第八示例性实施例的配置与根据第七示例性实施例的配置的不同之处在于没有布置分束器，用作反射单元的多个反射部件601至608中的每一个为45度镜，并且反射部件601至608分别使光束从成像光学系统401的光路向外偏转。此时，反射部件601至608被布置为分别使光束在不同方向上偏转。

来自所准备的滑块30中的样本的光束入射到成像光学系统401上。形成样本的图像的光束中的对应于图像传感器801至808的图像拾取区域的光束在反射部件601至608附近形成样本的图像。形成样本的图像的光束分别被反射部件601至608反射，并且从成像光学系统401的光路向外偏转。再成像光学系统701至708分别使得偏转光束在图像传感器801至808的图像拾取区域上再形成样本的图像。

以下将描述通过倾斜反射单元中的反射部件601至608中的每一个来调整焦点的方法。图11示意性地示出成像光学系统401中的成像位置和一个反射部件中的反射表面之间的位置关系。如图11的上部部分中所示，如果反射部件相对于成像光学系统401的光轴（Z轴）以45度的角度倾斜，则反射部件使得成像光学系统401的图像表面旋转90度。另一方面，如图11的下部部分中所示，当反射部件仅相对于45度倾斜+d的角度，表观图像表面位置也相应地倾斜。因此，反射部件601至608中的每一个使用此关系被倾斜，使得再成像光学系统701至708的物体位置和成像光学系统401的表观图像表面位置的倾斜分量可相互匹配。因此，再成像光学系统701至708的图像表面位置的倾斜分量可在图像传感器801至808的图像拾取区域上对齐。此时，光束的行进方向也通过使反射部件倾斜而改变。但是，希望地是，再成像光学系统701至708的数值孔径（NA）被充分确保以使得行进方向落在再成像光学系统701至708的光路内。

来自样本的光束中的对应于图像传感器809的图像拾取区域的光束在被反射部件601至608包围的范围809’附近形成图像。此外，再成像光学系统709在图像传感器809的图像拾取区域上再形成样本的图像。

第八示例性实施例中的聚焦过程与第七示例性实施例中的聚焦过程类似之处在于首先对于图像传感器809执行聚焦，并且使用该位置作为基准来调整其它反射部件601至608各自的Z位置和X-Y倾斜位置。因此，通过图像传感器801至809可分别获取合焦图像数据。对于图像传感器801至809各自的图像拾取区域之间的不能被成像的区域，类似于第二示例性实施例，样本在通过在X-Y方向上移动样本位置而被步进的同时被成像，并且多段获取的图像数据连接到一起，从而可生成不具有间隙的单个图像数据。

在第八示例性实施例中，在没有布置分束器的情况下在全部宽成像区域中形成聚焦。这是有利的，因为容易保证光量。

尽管在上述示例性实施例中的任一个中通过驱动反射单元在整个图像区域中执行聚焦，但是图像传感器的驱动可进一步与反射单元的驱动相组合。更具体而言，可通过驱动反射单元来布置成像区域中的焦点未对准分布，并且通过在光轴方向上驱动图像传感器来解决成像区域内的均匀焦点未对准。

尽管在第二示例性实施例中单个再成像光学系统对应于单个分束器，但是例如可提供多个再成像光学系统，只要来自分束器的光束分别重聚焦于图像传感器上即可。尽管在第二示例性实施例中通过对于多个图像传感器使一个反射单元变形来执行聚焦，但是类似于第七示例性实施例，可提供多个反射部件，并且各反射部件的光轴方向上的位置和倾角可被改变。

尽管在第五示例性实施例中，长方体形状的一个分束器对应于两个图像拾取区域，但是本发明并不局限于此配置，只要来自样本的光束可经由再成像光学系统分别聚焦于图像传感器的图像拾取区域上即可。更具体而言，部件可适当地布置，并且长方体形状的一个分束器可对应于三个或更多个图像拾取区域。类似于第五示例性实施例中，长方体形状的分束器可被应用于第三、第六或第七示例性实施例。更具体而言，在本示例性实施例中，通过多个分束器分别偏转的光束中的每一个入射到多个再成像光学系统中的至少一个（一个或多个）上。

在第七示例性实施例中，反射部件也可布置在对应于图像传感器809的范围809’中，并且类似于第七示例性实施例，分束器可布置在成像光学系统的光轴方向（Z方向）上的不同位置处。此外，在第七和第八示例性实施例中，除了反射部件的位置和倾角之外，还可通过改变反射部件各自的形状来执行更精细的聚焦。

尽管在任一示例性实施例中要被布置的图像传感器的数量是1到9个，但是可布置1到9个或更多个图像传感器。在此情况中，通过增加分束器和再成像光学系统各自的数量以及反射单元中的反射部件的数量以匹配图像传感器的数量，可类似于上述示例性实施例那样执行聚焦。此时，类似于第六示例性实施例，通过将分束器布置在Z方向上的不同位置处，光束可被适当地偏转以分别入射到图像拾取区域上。通过作为分束器的替代分别将反射部件布置在Z方向上的不同位置处，可使光束适当地偏转。

如果布置奇数个图像传感器，可类似于第四或第五示例性实施例那样在反射单元的中心处提供开口。因此，光束可适当地入射到光学拾取区域中的每一个上。在此配置中，提供接收在通过开口之后没有经过反射单元和分束器的光束的一个图像传感器。更具体而言，使用该一个图像传感器的图像拾取区域上的合焦位置作为基准来改变反射单元的形状或位置/姿态，从而在其它图像拾取区域中来适当地执行聚焦。如果类似于第七和第八示例性实施例，在反射单元中布置奇数个反射部件，则反射部件没有布置在反射单元的中心，并且可提供接收在通过开口之后没有经过反射部件的光束的一个图像传感器。更具体而言，使用该一个图像传感器的图像拾取区域上的合焦位置作为基准来改变各反射部件的位置和倾角，使得可在对应的图像拾取区域中适当地执行聚焦。

如上所述，在第四和第五示例性实施例以及第七和第八示例性实施例中，光束通过反射单元中提供的开口，并且经由平行平板玻璃进一步入射到再成像光学系统上，以在图像传感器的图像拾取区域上再形成样本的图像。另一方面，接收通过该开口的光束的图像传感器可被布置在反射单元的开口部分中。如上所述，这样的布置使得能够在不提供平行平板玻璃和再成像光学系统的情况下在图像传感器上形成样本的图像。其中分束器和反射部件分别布置在Z方向上的不同位置处的上述配置以及反射单元设置有开口的上述布置可相互组合地使用。

尽管在第二到第八示例性实施例中，大画面在被步进地同时被成像，但是本发明还可应用于用于扫描大画面的图像获取设备。根据本发明的图像获取设备不限于包含整体上为放大系统以放大并观察样本的物镜光学系统的显微镜。例如，图像获取设备也可用作执行基板等的外观检查（杂质的粘附、裂纹检查等）的检查设备。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更以及等同的结构和功能。

此申请要求2011年8月22日提交的日本专利申请No.2011-180362的优先权，该日本专利申请通过引用被全文并入此。

Claims (23)

1.一种显微镜，包括

物镜光学系统，包括被配置用于形成物体的图像的成像光学系统，被配置用于再形成通过所述成像光学系统形成的物体图像的图像的再成像光学系统，以及被布置在所述成像光学系统和所述再成像光学系统之间的光路上的反射单元，所述反射单元被配置为所述反射单元在光轴方向上的位置和所述反射单元相对于光轴的倾角中的至少一个能够局部改变；以及

图像传感器，被配置用于捕获通过所述物镜光学系统再形成的图像。

2.根据权利要求1所述的显微镜，进一步包括驱动单元，被配置用于根据物体的形状局部改变所述反射单元的光轴方向上的位置和所述反射单元的相对于光轴的倾角中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的显微镜，其中，所述图像传感器包括多个图像传感器。

4.根据权利要求1所述的显微镜，其中，所述反射单元包括多个反射部件，并且所述多个反射部件中的每一个在光轴方向上的位置和相对于光轴的倾角中的至少一个能够改变。

5.根据权利要求4所述的显微镜，其中，所述再成像光学系统包括多个再成像光学系统，

其中，所述图像传感器包括多个图像传感器，以及

其中，所述多个再成像光学系统使得被所述多个反射部件反射的光束分别聚焦于所述多个图像传感器的图像拾取区域上。

6.根据权利要求3所述的显微镜，其中，所述多个图像传感器中的至少一个被布置在与布置其它图像传感器的平面不同的平面内。

7.根据权利要求4所述的显微镜，其中，所述反射单元设置有开口，并且

其中，所述多个反射部件布置在通过所述开口的光束的光路之外。

8.根据权利要求3所述的显微镜，进一步包括多个分束器，所述多个分束器布置在成像光学系统和反射单元之间，并且被配置用于使所述反射单元反射的光束从所述成像光学系统的光路向外偏转，

其中，所述再成像光学系统包括多个再成像光学系统，并且

其中，所述多个再成像光学系统布置为将通过所述多个分束器偏转的光束分别聚焦于所述多个图像传感器的图像拾取区域上。

9.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述多个分束器中的至少一个使光束在与其它分束器偏转光束的方向不同的方向上偏转。

10.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述多个分束器中的至少一个被布置在成像光学系统的光轴方向上的与其它分束器的布置位置不同的位置处。

11.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述反射单元设置有开口，并且

其中，所述多个分束器布置在通过所述开口的光束的光路之外。

12.根据权利要求1所述的显微镜，其中，所述反射单元在光轴方向上的位置和所述反射单元相对于所述光轴的倾角中的至少一个能够通过改变所述反射单元的形状而局部改变。

13.根据权利要求1所述的显微镜，其中，所述再成像光学系统是放大系统。

14.根据权利要求1所述的显微镜，其中，所述物镜光学系统是放大系统。

15.一种物镜光学系统，包括：

成像光学系统，被配置用于形成物体的图像；

多个再成像光学系统，被配置用于再形成通过所述成像光学系统形成的物体图像的图像；以及

多个反射部件，被布置在所述成像光学系统和所述多个再成像光学系统之间的各光路上，所述多个反射部件中的每一个被配置为该反射部件在光轴方向上的位置和该反射部件相对于光轴的倾角中的至少一个能够局部改变。

16.根据权利要求15所述的物镜光学系统，其中，所述多个反射部件中的至少一个被布置为使来自成像光学系统的光束在与其它反射部件反射光束的方向不同的方向上反射。

17.根据权利要求15所述的物镜光学系统，进一步包括多个分束器，所述多个分束器分别布置在成像光学系统和所述多个反射部件之间，并且被配置用于使所述多个反射部件反射的光束从所述成像光学系统的光路向外偏转，

其中，所述多个再成像光学系统被布置为分别使通过所述多个分束器偏转的光束再形成所述物体图像的图像。

18.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其中，所述多个分束器中的至少一个使光束在与其它分束器偏转光束的方向不同的方向上偏转。

19.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其中，所述多个分束器中的至少一个被布置在成像光学系统的光轴方向上的与其它分束器的布置位置不同的位置处。

20.根据权利要求15所述的物镜光学系统，其中，所述多个再成像光学系统中的每一个是放大系统。

21.根据权利要求15所述的物镜光学系统，其中，所述成像光学系统和多个再成像光学系统构成放大系统。

22.根据权利要求15所述的物镜光学系统，其中，所述多个反射部件中的每一个的形状能够改变。

23.一种图像获取设备，包括：

物镜光学系统，包括被配置用于形成物体的图像的成像光学系统，被配置用于再形成通过所述成像光学系统形成的物体图像的图像的再成像光学系统，以及被布置在所述成像光学系统和所述再成像光学系统之间的光路上的反射单元，所述反射单元被配置为所述反射单元在光轴方向上的位置和所述反射单元相对于光轴的倾角中的至少一个能够局部改变；以及

图像传感器，被配置用于捕获通过所述物镜光学系统再形成的图像。

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