CN106537193B - 带有用于矫正可改变的球面像差的矫正单元的显微镜 - Google Patents

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Abstract

介绍一种显微镜(21、40、60)，其带有至少一个设置在光路中的矫正单元(10)，该矫正单元用于矫正可改变的球面像差。所述矫正单元(10)包括至少一个光学矫正元件(12)，该矫正元件沿着光轴(O)可移动地设置在所述光路的会聚或发散的区域(14)中。所述光学矫正元件(12)具有矫正面(18)，该矫正面的被所述光路的所述会聚或发散的区域(14)穿过的部分形成了矫正作用的面区段(20)，该面区段的横向于所述光轴(O)的径向延展能够通过所述矫正元件(12)沿着所述光轴(O)的移动而改变。

Description

带有用于矫正可改变的球面像差的矫正单元的显微镜
技术领域
本发明涉及一种显微镜，其带有至少一个设置在光路中的矫正单元，该矫正单元用于矫正可改变的球面像差。
背景技术
如果用显微镜聚焦到生物样本中，就会出现由折射率失配引起的球面像差，其根据样本深度而改变。这些像差导致分辨率和对比度减小。此外，它们与物镜的工作距离以及在样本中出现的吸收和散射一起限制了进入到样本中的最大的穿透深度。
为了矫正球面像差的目的，有一些具有矫正环的物镜，该矫正环使得物镜内部的透镜组沿着光轴移动。在光学地设计物镜时必须考虑用于矫正的透镜组。通常，透镜组只能以高的机械耗费来实现。特别是无法事后给物镜配备这种矫正单元。
为了矫正球面像差的目的，在EP 0 859 259 A2中提出，在物镜与管式透镜之间设置适配件，这些适配件由相互胶合的透镜构成，借助于这些适配件能引入或补偿可变的球面像差。然而，提出的直接在物镜上方的设置通常会改变整个系统的调校长度此外，由于不同焦距的物镜的孔眼大小不同，所提到的适配件要强制地特定于物镜来设计。
US 8 659 827 B2公开了一种设置在无限光路中的可失调的无焦系统，这种系统可引入或补偿球面像差。由于该无焦系统设置在光路的一个区域中，在该区域内，光线同时朝向不同的场点(Feldpunkt)传播，所以该系统必须为了完整的视场而予以矫正。这严重地限制了可实现的矫正效果。
WO 2012/025349 A1披露了一种矫正系统，其具有可相对于彼此横向移动以用于补偿球面像差的自由形状面。然而，该矫正系统所需要的自由形状面设计复杂，因而制造昂贵。
发明内容
本发明的目的是对开篇所述类型的显微镜予以改进，从而可以可靠地且采用简单的技术手段来矫正可变的球面像差、特别是由折射率失配引起的像差。
本发明通过具有权利要求1的特征的显微镜来实现该目的。
根据本发明，设置在显微镜中的矫正单元包括至少一个光学矫正元件，该矫正元件沿着光轴可移动地设置在光路的会聚或发散的区域中。光学矫正元件具有至少一个矫正面，该矫正面的被光路的会聚或发散的区域穿过的部分形成了矫正作用的面区段，该面区段的横向于光轴的径向延展可通过矫正元件沿着光轴的移动而改变。
本发明规定，矫正元件在光路的会聚或发散的区域中轴向地移动，这样就能任意地改变矫正面的光学作用的面区段，以便按所希望的方式来影响穿过矫正元件的光束的波前(Wellenfront)。特别是这样就可以精确地调节由矫正元件的矫正作用的面区段引起的波前的变形，从而补偿由折射率失配引起的波前误差。矫正元件为此可以设计成单独的光学元件，或者设计成透镜组或胶合件。
矫正元件的轴向移动可以手动地或者机动地进行。也可以设置控制件，其借助于控制程序对矫正元件进行调节。
此外，本发明的矫正单元也可以经过设计，使得它具有多个不同的可更替地或可切换地备用的矫正元件。对这些矫正元件的更替或切换也可以手动地、机动地进行，或者也可以通过采用控制程序来进行。
矫正元件优选是非球面的折射元件，例如是绕着光轴旋转对称的、非球面的透镜，该透镜由光折射材料制成，优选由光学玻璃制成。
但矫正元件也可以由衍射元件例如菲涅尔波带片或全息图(Hologramm)构成。
优选地，矫正元件被消色差。但是，采用非消色差的元件同样是可行的。当然，当采用窄带光或者甚至单色激光工作时，这尤其适用。
由折射率失配引起的波前误差可以如下分析地给出：
其中，n1和n2表示相邻介质的折射率，而ρ表示透镜孔眼中的相对的径向坐标，α表示透镜的孔径角，d表示进入到具有折射率n2的介质中的穿透深度。
该波前误差现在可以例如展开成所谓的泽尼克多项式，例如在P.P.Varga,G.Nemeth的“Analytical Solution of the diffraction integrals andInterpretation of wave-front distortion when light is focused through aplanar interface between materials of mismatched refractive indices(当光通过折射率失配的材料之间的平面界面聚焦时衍射积分的分析解决方案和波前畸变的解释)”(美国光学学会期刊A辑(J.Opt.Soc.Am.A.),卷12,页数12,2660-2671(1995))中所描述的。该展开式的最低阶恰好对应于散焦，这种散焦由折射率失配引起，且在本领域也以名称“金鱼缸效应(fish tank effect)”所公知。相反，较高阶则对应于不可后聚焦的像差。这种待补偿的波前误差可以用作矫正元件的表面形状的设计基础。
优选地，矫正面的表面形状可基于多项展开式来表示。光线在经过矫正元件时所需的波前变形以及由此矫正元件所需的表面形状，现在可以基于上述旋转对称的泽尼克多项式通过参数化来给出。但要指出，上述多项式展开不必专门地基于泽尼克多项式进行，而是也可以采用其它多项展开式。
在另一可能的设计中，矫正面由椭圆形的抛物面形成，该抛物面的顶点优选位于光轴上。于是在具有光轴的剖面中，矫正面具有抛物线的形状。
在一种特别优选的实施方式中，矫正面经设计，使得因矫正元件沿着光轴移动引起的矫正作用的面区段的改变对由折射率失配而产生的球面像差予以矫正。这意味着，在该实施方式中，当矫正元件轴向地移动时，除了因折射率失配而在样本中产生的散焦之外，未引入散焦。
在另一有利的设计中，矫正单元与优选自动化的聚焦传动件作用地联接，该聚焦传动件对因矫正元件的轴向移动而引起的散焦予以补偿。这样，因矫正元件的轴向移动而引入的散焦可以在考虑到矫正面的表面形状情况下例如通过计算算出。于是聚焦传动件可以根据通过计算确定的散焦而被驱动，从而进行相应的、补偿性的后聚焦。
优选地，本发明的显微镜具有调整光学机构，该调整光学机构在光路中后置于矫正元件，且经过适当构造，从而该调整光学机构使得穿过矫正元件的光束准直。通过把准直的调整光学机构集成到矫正单元中，可以在补装的范畴内将矫正单元装入到准直的显微镜光路中，而无需大的耗费。
在一种特别优选的实施方式中，上述调整光学机构还经过适当构造，使得穿过矫正元件的光束的集束横截面可适配于物镜孔眼的大小。这样就能根据需要为不同的物镜设计矫正单元。
调整光学机构优选包括变焦系统，利用该变焦系统可以连续地改变穿过矫正元件的光束的集束横截面。变焦调节可以手动地或机动地进行，或者可以借助于控制程序来进行。
也可以采用可分立地切换的光学器件替代变焦系统，这些器件能实现逐级地调整集束横截面。
优选地，本发明的显微镜具有光学元件，该元件用于产生光路的会聚或发散的区域。该元件例如可以利用光导纤维来实现，该光导纤维的未准直的纤维输出端以所需的方式影响光路。但也可行的是，采用一个或多个合适的透镜来代替光导纤维，这些透镜产生光路的会聚或发散的区域。
本发明的显微镜优选是扫描显微镜，特别是共焦显微镜或多光子显微镜。在共焦显微镜的情况下，矫正单元优选设置在主分束器与扫描系统之间。由于在共焦显微镜的所述位置只能看到轴光线，所以大大简化了矫正元件的光学设计。但也可行的是，矫正单元设置在光源与扫描模块之间，或者设置在探测器与扫描模块之间。也可以设置两个根据本发明的矫正单元，其中一个矫正单元设置在光源与扫描模块之间，而另一个矫正单元设置在探测器与扫描模块之间。在多光子显微镜中，本发明的矫正单元优选位于光源与扫描模块之间。
附图说明
下面借助不同的实施例参照附图详述本发明。
图1为本发明的带有非球面矫正元件的矫正单元的示意图，该矫正元件在显微镜光路的会聚区域中设置在不同的轴向位置；
图2为一个示意图，其中示出了调整光学机构对穿过非球面矫正元件的光束的集束横截面的影响；
图3为共焦显微镜的示意图，其中，本发明的矫正单元设置在主分束器和扫描模块之间；
图4为共焦显微镜的示意图，其中，在光源和主分束器之间以及在探测器与主分束器之间分别设置有本发明的矫正单元；和
图5示出一种多光子显微镜，其中，在光源和扫描模块之间设置有本发明的矫正单元。
具体实施方式
图1示出整体标有10的矫正单元，其被设置应用在光学显微镜中。矫正单元10用来矫正在该光学显微镜中由于折射率失配而出现的球面像差，该球面像差根据样本深度而改变。
矫正单元10包括光学矫正元件12和调整光学机构15。该矫正元件12设置在显微镜光路的区域14内，在该区域中，射到矫正元件12上的光束16的边缘光线朝向光轴O会聚。
在当前实施例中，矫正元件12是由光折射材料例如光学玻璃构成的透镜元件，该透镜元件在其面向入射的光束16的一侧具有非球面的透镜面18。该非球面的透镜面18具有椭圆形的旋转椭圆体的形状，该旋转椭圆体的顶点位于光轴O上。因而在图1所示的、具有光轴的剖面中，非球面的透镜面18具有抛物线的形状。
非球面的透镜面18形成矫正面，该矫正面仅仅在其被光轴O穿过的中间的面区段内被光路的会聚区域14穿过，而矫正面18的远离所述轴的边缘区段径向地设置在光路的会聚区域14的外部。矫正面18的被光路的会聚区域14穿过的部分在下面称为矫正作用的面区段20。
本发明现在规定，矫正元件12沿着光轴O移动，以便根据待矫正的球面像差，改变中央的矫正作用的面区段20的横向于光轴O的径向尺寸。在图1中，针对矫正元件12的三个不同的轴向位置示出了对矫正作用的面区段20的这种改变。因而由图1可知，当矫正元件与光方向相逆地(在图1中从右向左)沿着光轴O移动时，相对于光轴O旋转对称的、非球面的面区段20由于光路区域14的会聚而径向地向外增大。由于通过矫正元件12实现的矫正效果随着矫正作用的面区段20的变化而改变，所以可以通过沿着光轴O适当地定位矫正元件12来矫正可随着样本深度改变的像差。
在矫正单元10中具有的调整光学机构15具有使得穿过矫正元件12的光束16准直的功能，从而光路在从调整光学机构15射出之后平行地取向。调整光学机构15还用于使得光束16的横截面适配于图1中未示出的显微镜物镜的孔眼大小。
在当前实施例中，调整光学机构15是一种变焦系统，利用该变焦系统可以连续地改变准直的光束18的集束横截面。在图2中示出调整光学机构15的三种不同的变焦调节和从调整光学机构15射出的光束16的相应的集束横截面。
在图3至图5中纯示范性地示出矫正单元10的各种应用可行性。
图3纯示意性地4示出共焦显微镜20，其包括光源22、主分束器24、扫描模块26、物镜28、控制件30、聚焦传动件32以及探测器34。另外，在共焦显微镜20中设有上面参照图1和2描述的矫正单元10，在该矫正单元之前设有聚光透镜36。聚光透镜36产生光路的会聚区域14，矫正单元10的矫正元件12在该区域中轴向地移动。在图3所示的应用示例中，矫正单元10设置在主分束器24和扫描模块26之间。
控制件30还具有根据待矫正的球面像差，例如通过合适的马达，在光路的会聚区域14中轴向地移动矫正元件12的功能。通过控制件30，矫正单元10也与聚焦传动件32联接。通过矫正单元10与聚焦传动件32的这种联接，可以补偿由于矫正元件10的轴向移动引起的散焦，其方式为，在控制件30的控制下促动聚焦传动件32，进行相应的后聚焦。这例如基于由控制件30输出的控制信号来进行，由矫正元件12引起的散焦在该控制信号中予以考虑(eingehen)。这样就可以由非球面的矫正面18的表面形状以及由矫正件12的轴向移动例如通过计算确定出散焦。
图4示出另一应用示例，即共焦显微镜40，其具有两个根据本发明的矫正单元10和10’。此外，在图4中，与图3中所示的组件相应的那些显微镜组件标有相同的附图标记。
就根据图4的共焦显微镜40而言，第一矫正单元10’在光路12中位于光源22与主分束器24之间。由于在所示示例中从光源22发出的光束发散地进入到第一矫正单元10’中，所以相比于图1中所示的、接收会聚的光束的矫正单元，该矫正单元在其(图4未明确示出的)调整光学机构方面有所改变。因而矫正单元10’的调整光学机构设计成不将会聚的光束而将发散的光束变形成准直的集束。
在光路中设置在主分束器24和探测器34之间的第二矫正单元10也对应于图1中所示的单元。第二矫正单元10后置有聚光透镜38，该聚光透镜使得从矫正单元10射出的发散的光束准直。
图5也纯示意性地示出多光子显微镜60，就其而言，根据图1的矫正单元10设置在光源22和扫描模块26之间。矫正单元10前置有聚光透镜62，该聚光透镜把从光源22发出的准直的光束变形成会聚的集束，然后，矫正单元10按所述方式作用于所述集束，以便对球面的像差予以矫正。
需要指出，图3至图5中所示的应用是纯示范性的，且可以按照合理的方式予以修改和补充，而不偏离于本发明的矫正理念。例如，上文仅针对根据图3的应用示例介绍过矫正单元10与聚焦传动件32的联接。不言而喻，图4和5中所示的示例也可以用这种联接方式予以补充。

Claims (10)

1.一种显微镜(21、40、60)，带有至少一个设置在光路中的矫正单元(10)，该矫正单元用于矫正可改变的球面像差，
其中，所述显微镜是扫描显微镜，在该扫描显微镜中，至少一个所述矫正单元(10)设置在主分束器(24)与扫描模块(26)之间，或者，
所述显微镜是扫描显微镜，在该扫描显微镜中，至少一个所述矫正单元(10)设置在光源(22)与扫描模块(26)之间，和/或设置在探测器(34)与所述扫描模块(26)之间，
其特征在于，所述矫正单元(10)包括至少一个光学矫正元件(12)，该矫正元件沿着光轴(O)可移动地设置在所述光路的会聚或发散的区域(14)中；和
所述光学矫正元件(12)具有至少一个矫正面(18)，该矫正面的被所述光路的所述会聚或发散的区域(14)穿过的部分形成了矫正作用的面区段(20)，该面区段的横向于所述光轴(O)的径向延展能够通过所述矫正元件(12)沿着所述光轴(O)的移动而改变，
所述矫正面(18)由椭圆形的抛物面形成，并且经过构造，从而所述矫正作用的面区段(20)的因所述矫正元件(12)沿着所述光轴(O)移动引起的改变对由折射率失配而产生的球面像差予以矫正。
2.如权利要求1所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述矫正元件(12)是非球面的折射元件，或者是衍射元件。
3.如权利要求2所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述非球面的折射元件的所述矫正面(18)的表面形状能够基于多项展开式来表示。
4.如前述权利要求中任一项所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述矫正面(18)绕着所述光轴(O)旋转对称地构造。
5.如权利要求1所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于与所述矫正单元(10)作用地连接的聚焦传动件(32)，该聚焦传动件对因所述矫正元件(12)的移动而引起的散焦予以补偿。
6.如权利要求1所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述矫正单元(10)具有调整光学机构(15)，该调整光学机构在所述光路中后置于所述矫正元件(12)，且经过适当构造，从而该调整光学机构使得穿过所述矫正元件(12)的光束(16)准直。
7.如权利要求6所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述调整光学机构(15)经过适当构造，从而穿过所述矫正元件(12)的所述光束(16)的集束横截面能够适配于物镜孔眼的大小。
8.如权利要求6或7所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述调整光学机构(15)包括变焦系统。
9.如权利要求1所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于光学元件(36、62)，该元件用于产生所述光路的所述会聚或发散的区域(14)。
10.如权利要求9所述的显微镜(21、40、60)，其特征在于，所述光学元件是光导纤维。
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