CN107765442A

CN107765442A - 多光谱虹膜装置

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Publication number: CN107765442A
Application number: CN201710702177.XA
Authority: CN
Inventors: 乔治·塞梅利斯
Original assignee: Leica Instruments Singapore Pte Ltd
Current assignee: Leica Instruments Singapore Pte Ltd
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2037-08-16
Also published as: EP3285116A1; US20180052382A1; CN107765442B; JP2018049261A; JP6761787B2; US10146102B2; EP3285116B1

Abstract

本发明涉及一种用于光学成像系统(71)的虹膜装置(1)，其包括光圈布置(5)；本发明还涉及一种医学成像系统(72)，其包括传感器(15)，特别是相机(15a)。本领域已知的常规虹膜装置(1)不可避免地在景深和透射穿过光学系统(71)的光量(即特别是入射到传感器(15)上的光量)之间进行必要的权衡。这个缺点是由于以下事实：本领域的虹膜装置(Wo one)以相同的方式对所有波长(43)透射或阻挡光，即显示了光谱平坦的透射性能。现有技术的虹膜装置(1)的缺点通过以下方式由本发明克服：本发明提供了一种光圈布置(5)，该光圈布置(5)同时包括相对于光透射方向(70)同轴布置的至少两个光圈(5a)，所述至少两个光圈(5a)中的每一个限制至少两个不连续的非重叠光谱带(49)中的不同光谱带(49)内的光。本发明的医学成像系统(72)通过进一步包括至少一个本发明的虹膜装置(1)来解决上述缺点。

Description

多光谱虹膜装置

技术领域

本发明涉及一种用于光学成像系统的虹膜装置，其包括光圈布置。本发明还涉及一种包括传感器，特别是照相机的医学成像系统。

背景技术

常规虹膜装置在本领域中是已知的，并且通常用于光学成像系统中。单个虹膜是虹膜装置最简单的实施例。虹膜或孔径光阑是大多数光学系统中的重要元件。光学系统的虹膜限制了通过所述光学系统并到达传感器的光量。如果虹膜没有实现为单独的元件，则光学系统本身的光学元件可以构成虹膜，例如通过透镜的直径。

但是，由于光学系统的单色像差随着光束到光学系统的光轴的可能距离而增加(这是用于描述光学系统的常用模型)，所以通常希望将穿过光学系统的光束限制为近轴光束，即在光轴附近的光束。

在本领域中，为此目的通常使用虹膜光阑。这种虹膜光阑允许可变地确定通过光学系统的光量。

虹膜或孔径光阑进一步影响光学系统的景深(DOF)。DOF也称为锐度或焦深，其限定了可由光学成像系统聚焦的距离范围。

DOF显示了对光圈直径的反函数相关性，其中光圈的直径相当于离光轴最远的光束的距离的两倍。距离光轴最大可能距离的那些光束可以称为边缘光线。

换句话说，光圈的直径越大，DOF越浅。相反，光圈直径的减小会增加DOF。因此，在本领域的虹膜中，通过光学系统，特别是光学成像系统的光量只能以较浅的DOF为代价的情况下增加。

因此，增加的DOF只能以透射穿过光学系统的光量减少为代价获得。

因此，常规虹膜不可避免地引起DOF与透射穿过光学系统的光量(特别是入射到传感器上的光量)之间的权衡。

作为示例性应用领域的手术显微镜提供了可以具有不同光学虹膜设置的不同成像模式。具体地，在彩色反射模式下，样本的照明可以足够强烈，并且方便地使用常规虹膜来设定小直径，以增加DOF，从而允许更好地聚焦粗糙表面。

在示例性手术显微镜的荧光模式中，通过具有激发波长的辐射的照明来激发样本，其中样本在其被激发时发射荧光。荧光通常被红移，即荧光波长比激发波长长。

由于每个激发光子发射的荧光的光子数量(即量子产率)通常远低于10％，所以虹膜应该打开以收集尽可能多的荧光光子。

因此，以彩色反射模式和荧光模式同时检查样本需要折衷，因为常规的虹膜不允许同时应用不同的光圈尺寸。要么以荧光灵敏度为代价增加DOF，要么以减小DOF为代价增加荧光灵敏度。

针对所有波长，本领域的虹膜以相同的方式透射或阻挡光，即它不是波长选择性的，并且显示了光谱平坦的透射性能。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种虹膜装置，该虹膜装置克服了现有技术的虹膜装置的上述缺点，并且其示例性地参照上述示例可以提供用于荧光的打开的光圈和用于彩色反射的关闭的光圈，从而允许针对两个成像模式同时最佳的虹膜设置。

现有技术的虹膜装置的缺点由最初提到的虹膜装置克服，在本文最初提供了一种虹膜装置，其光圈布置包括集成滤波器系统，该滤波器系统在至少两个不同波长中以不同程度限制光。

因此，本发明的虹膜装置能够以不同程度在两个或多个不同波长中同时限制光。

至少两种波长可以位于至少两个不连续的非重叠光谱带中。

第一波长范围可以构成由滤波器系统以第一限度影响的第一波段。

此外，第二波长范围可以构成与第一波段同时被滤波器系统影响的第二波段，但是是以不同于第一限度的第二限度。

在本发明的虹膜装置的实施例中，滤波器系统包括具有至少一个透光光谱带的滤波器。

对于至少一种波长，优选地对于多种波长或对于波长范围，透光光谱带可以具有接近1的透射。波长范围，即光谱带包含无限个单独波长。透射优选在整个光谱带上是恒定的。

在本发明的虹膜装置的又一实施例中，滤波器系统包括具有至少一个阻光光谱带的滤波器。

所述至少一个阻光光谱带可以具有接近于零的透射，即对于至少一种波长，优选地对于多种波长或波长范围，该光谱带可以是不透明的，其中透射优选在整个范围(即整个光谱带)内是恒定的。透射为1的整个光谱带最优选不与零透射的光谱带重叠。

上述医学成像系统克服了现有技术中医学成像系统的缺点，因为它包括至少一个本发明的虹膜装置。

在下文中，将描述本发明的进一步的实施例。这些实施例本身是有利的，然而实施例的技术特征可以任意组合或省略，以改进本发明的虹膜的上述实施例。

本发明的虹膜装置代表多光谱虹膜装置，其透射行为取决于波长，即沿着光谱变化。因此，多光谱虹膜装置包括多光谱光圈布置，其可以替代地被表示为多光谱成像光圈或多光谱成像虹膜。

在本发明的虹膜装置的一个实施例中，滤波器系统包括围绕中心光圈区域的至少一个环形边缘滤波器，其中，中心光圈区域是特别用于至少两个不连续的非重叠光谱带中的一个的光圈。

边缘滤波器可以包括光谱地分离第一光谱带和第二光谱带的光谱滤波器边缘。

该实施例的优点在于，用于在至少两个不连续的非重叠光谱带处提供两个不同光圈的装置由单个滤波器实现。

滤波器系统优选地表示虹膜的一部分，其包括至少一个滤波器。因此，滤波器系统可以包括用于接收滤波器并用于固定和稳定滤波器的框架。滤波器系统可以包括两个或更多个滤波器并且能够以对准的方式将所述滤波器彼此相邻地布置，然而滤波器系统也可以将不同的滤波器彼此成小角度对准以避免平行表面，其可以代表法布里-珀罗干涉仪。

边缘滤波器可以具有两个不同的滤波带，即两个不连续的非重叠光谱带，而一个带中的线性透射可以优选比在第二带中的线性透射小90％以上，更优选95％以上，最优选99％以上。理想的边缘滤波器可以被设计成透射第一光谱带中100％的入射光并且阻挡第二光谱带中100％入射光。理想的边缘滤波器还可以包括边缘波长的无限陡的边缘，而不存在除0％和100％之外的其它透射值。

现实的滤波器可以不包括这种无限陡的滤波器边缘，并且因此可以包括透射对波长的函数相关性，其可以类似于S型函数。

边缘滤波器被实现为环形，即围绕没有滤波器的作为光圈区域的内部部分。内部部分是圆形的并且包括直径，其限定了由边缘滤波器阻挡的光谱带的光圈直径。

边缘滤波器可以是低通滤波器或高通滤波器，其中低通滤波器对于比边缘波长小的波长而言可以是高度透明的，并且对于比边缘波长大的波长而言可以是不透明的。高通滤波器对于比边缘波长小的波长而言可以是不透明的，并且对于比边缘波长大的波长而言可以是高度透明的。在本公开中，术语“高度透明”表示接近1的透射率，术语“不透明”表示接近零的透射率。

此外，值得注意的是，波长范畴中的高通滤波器对应于频率范畴中的低通滤波器。

如上所述的边缘滤波器还可以包括透射率低于1的高度透明的光谱带，但是透射穿过滤波器的环形外部区域的光谱带将被衰减，这反过来会损害具有透射光谱带的照明的均匀性。

因此，该实施例的一个示例性边缘滤波器对于荧光发射的光谱带可以是透明的，但对于其余的光谱可以是不透明的。在这种滤波器的中心处的物理光圈，即中心光圈区域，使得本发明的虹膜器件对于其余的光谱来说就像常规的关闭的虹膜，而滤波器在荧光发射光谱带处是高度透明的，即滤波器对于荧光基本上是不可见的。因此，滤波器像常规的虹膜一样对于荧光发射光谱带是完全打开的。

光谱的其余部分表示波长低于高通边缘滤波器的边缘波长的光，特别是低于荧光发射的光谱带的光。

因此，本发明的虹膜装置的该实施例是多光谱虹膜装置，并且为荧光发射光谱带提供了打开的光圈，与可见光谱带相比，在该荧光发射光谱带中只有低光强度可用，多光谱虹膜装置为可见光谱带提供了关闭的光圈。通过这种方式，手术显微镜的彩色反射模式(该模式应用了可见光谱带)可以受益于关闭的光圈，从而获得增加的DOF，然而同时采用的荧光模式(该模式应用了荧光发射光谱带)可以同时受益于打开的光圈，其允许尽可能多地收集稀有的荧光光子。

至少两个不连续的非重叠光谱带之一可以包括正在研究的样本的荧光带，即荧光波长可以透射穿过具有第一光圈的本发明的虹膜装置，而在第二光谱带中的可见波长可以透射穿过具有第二光圈的本发明的虹膜装置，第二光谱带不同于包含荧光带的第一光谱带，第二光圈不同于第一光圈。不同的光圈被理解为具有不同直径的光圈。

因此，在上面给出的特定示例中，荧光带可以利用打开的光圈透射穿过虹膜装置，而第二光谱带能够以减少的通过量透射穿过虹膜。

虹膜装置可以被实现为圆盘形元件，其中圆盘可以包括能够围绕光圈布置的环形虹膜框架。虹膜框架可以具有内径，该内径可以表示最大直径D_max。因此，打开的光圈应当理解为具有直径D_max的虹膜。

光圈直径D小于D_max则会导致衰减增加，相应地通过量降低，这可以通过以下公式很容易地计算：

衰减＝1/通过量＝(D/D_max)²(等式1)。

虹膜装置的光透射方向是与虹膜装置的光轴平行的方向。光透射方向可以是单向的或双向的。

至少两个光圈相对于光透射方向的同轴布置应当被理解为至少两个光圈各自被定位成基本上居中的并且基本上垂直于光轴。

光圈将被理解为通过阻挡光的光圈的一部分来限制光的元件。光圈通常表示透射光的开口，但也可以理解为包括这种开口的元件。

光谱带将被理解为波长范围或光频段。

在本发明的虹膜装置的另一实施例中，光圈布置可以同时包括至少两个光圈，这些光圈可以相对于光透射方向同轴布置，其中至少两个光圈中的每一个可以限制至少两个不连续的非重叠光谱带中的不同光谱带内的光。

在本发明的虹膜装置的进一步有利实施例中，滤波器系统可以包括限制至少两个不连续的非重叠光谱带中的不同光谱带内的光的至少一个环形带阻滤波器。

带阻滤波器可以具有以下优势：预定光谱带的光可以被这样的带阻滤波器限制。被影响的光谱带可以表示为光谱阻带(阻光光谱带)且可以包括预定波长区域。只有波长在光谱阻带内的光可以被带阻滤波器限制。

带阻滤波器可以被实现为上述边缘滤波器即可以被实现为中心具有物理光圈的环状。因此，对于入射到带阻滤波器上的所有波长，物理光圈可以是高度透明的，而位于光谱阻带中的所有波长可以阻挡在带阻滤波器的环形的外部部分中，并且可以仅透射穿过物理光圈。因此，位于光谱阻带中的所有波长可以透射穿过直径为D的光圈，而不包括在光谱阻带中的波长透射穿过直径为D_max的光圈，其中D小于D_max。

因此，限制至少两个不连续的非重叠光谱带中的至少一个的光将被理解为限制或减小用于光谱阻带的光的光圈。

带阻滤波器可以优选地对于光谱阻带是不透明的，并且优选地对于与光谱阻带相邻的光谱带是高度透明的。

在本发明的虹膜装置的另一有利实施例中，滤波器系统可以包括至少一个带通滤波器。

如果期望预先选择待观察的光谱带，则带通滤波器会是有利的。

带通滤波器可以包括光谱透射带和两个光谱地相邻的光谱阻带。

两个边缘滤波器的组合可以代表用于获得这种带通滤波器的最简单的方法。

本实施例的带通滤波器可以包括低通边缘滤波器和高通边缘滤波器，其中低通边缘滤波器的滤波器边缘可以位于比高通波长高的低通波长处，高通波长代表高通边缘滤波器的滤波器边缘。对于位于高通波长和低通波长之间的波长，带通滤波器可以是高度透明的，而对于低于高通波长和高于低通波长的所有波长，带通滤波器可以是不透明的。

在本发明的虹膜装置的另一实施例中，包括多个滤波器。滤波器优选是带阻滤波器，并且这个实施例还可以包括用于预选择待观察的光谱带的带通滤波器。

仅包括多个带阻滤波器的实施例具有以下优点：根据带阻滤波器的数量，可以为各个光谱带提供多个光圈，这些光圈仅适用于受各自的单个带阻滤波器影响的各个光谱带。换句话说，对于多个光谱带中的每个光谱带，可以应用不同的光圈，这继而又表示多个光谱带中的每个光谱带可以具有不同的通过量，并且光谱带的不同通过量可以形成特定的通过量谱。

在本发明的虹膜装置的又一实施例中，由第一带阻滤波器限定的第一光谱带的光圈小于或大于分别由第二带阻滤波器和第三带阻滤波器限定的第二光谱带和第三光谱带的每个光圈，第一光谱带光谱地位于第二光谱带和第三光谱带之间。

因此，本发明的虹膜装置的这个实施例可以在光圈直径中提供取决于波长的局部最小值或局部最大值，即所需的特定通过量谱也可以有利地包括局部最小值和/或局部最大值。

在本发明的虹膜装置的另一个实施例中，滤波器系统包括具有光谱滤波器边缘的至少一个线性可变的边缘滤波器，其光谱滤波器边缘根据到虹膜装置的光轴的距离而变化。

如果例如由于空间限制，在滤波器系统中仅接收单个滤波器，则这个实施例是特别有利的。

因此，滤波器边缘的变化，即边缘波长，沿着径向变化，其中径向基本上垂直于虹膜装置的光轴定向。

该实施例的线性可变边缘滤波器可以是短通滤波器，其仅透射比滤波器边缘的波长短的波长，其中滤波器边缘的该波长沿着径向线性地变化。因此，可以想到的是，提供具有包括单个涂层的单个滤波器的多光谱虹膜装置，该涂层进一步与具有高光谱分辨率的自定义通过量谱匹配。

应当注意，基于短通或长通滤波器的该实施例被限制为波长的单调函数的通过量谱。具有与被阻挡的光谱带相似的空间依赖性的可变带阻滤波器避免了这些限制，并且允许给多光谱虹膜装置提供几乎任意的通过量谱。

虹膜装置的至少一个滤波器可以包括滤波器子系统，该滤波器子系统可以包括至少一个基板和在该基板上实施的至少一个滤波层。最优选地，通过用期望的滤波层涂覆基板来制造滤波器。

基板可以被选定为对于要通过虹膜检查和/或透射的所有光谱带是高度透明的。示例性地，包括普通玻璃的基板可以优选地应用在可见光和近红外光谱范围内，而对于使用紫外光谱带的应用，示例性地包括熔融石英、石英玻璃、氟化物或蓝宝石的基板更合适。

另一种方法可以是选择基板，使得某些不期望的光谱带可以被基板自身阻挡，这可以减少额外的阻塞滤波器的成本。在这种方法中，例如紫外线波长可以被基板阻挡。类似地，可以应用基板，其阻挡中红外和红外辐射，以避免加热研究中的样本。

在本发明的虹膜装置的另一个实施例中，多个滤波层被实施在基板上。

多个滤波层可以实施在单个基板上，即在同一个基板上，其优点在于防止引入不需要的干扰效应的法布里-珀罗干涉仪的出现。此外，这种实施例节省成本和空间，这在对虹膜装置有空间限制的情况下可以是特别有利的。

也可以将每个滤波层实施在单独的基板上，或者仅将多个滤波层的子集实施在单个基板上。

应用单个基板的实施例具有进一步的优点，即只有一个元件必须在虹膜装置内对准，特别是相对于光轴，相应地虹膜装置的光透射方向。因此，至少两个光圈相对于光透射方向的同轴布置在一个生产步骤中自动进行。

在本发明的虹膜装置的又一实施例中，根据包含一定范围的光谱密度的照明源和在包含一定范围的光谱灵敏度的光学成像系统中使用的传感器中的至少一个，用于至少一个第一光谱带的第一带通滤波器被实现为具有第一光圈，其中照明源的高光谱密度和高传感器灵敏度中的至少一个应用于所述至少一个第一光谱带，第一光圈的直径小于用于光谱带的第二带阻滤波器的至少一个第二光圈的直径，其中照明源的低光谱密度和低传感器灵敏度中的至少一个应用于所述光谱带。

该实施例在数字彩色成像中是特别有利的，其中表示单独的光谱带的每种颜色具有不同的最佳通过量。需要或激励对于不同颜色使用不同通过量的两个主要因素例如是传感器灵敏度和光源光谱。

传感器灵敏度不是平坦的曲线，而是由取决于入射到传感器上的波长的函数来描述。例如，硅对于入射的蓝光(约480纳米)具有相当低的灵敏度，并且在覆盖红光(约650纳米)和近红外光(0.75-1.4微米)的光谱带中通常最敏感。

此外，诸如卤素灯的光源光谱根据黑体辐射定律发光，即对于可见光谱，强度随着波长几乎呈指数增长。因此，蓝色光谱区域的光谱密度低，而红色和近红外区域的光谱密度高。

通常，这种次佳的颜色分布通过光学滤波器进行补偿，该滤波器减弱具有高灵敏度或照明强度的这些光谱带，或者通过数字滤波器重新平衡颜色。

本发明的虹膜装置的上述实施例允许以更有效的方式解决该问题，因为给不同光谱带提供的不同光圈以同时增加DOF的方式减弱相应光谱带的强度。

此外，数字滤波器对入射在传感器上的颜色进行重新平衡具有以下缺点：具有低强度的光谱范围和具有高强度的光谱范围可能无法被具有相同动态范围的传感器检测。通过本实施例的多光谱虹膜装置可以减轻这个缺点，这允许传感器在用于所有颜色的相同动态范围内操作。

该实施例的一个简单示例是提供三个不同尺寸的光圈，而具有最低传感器灵敏度和相应地最低光强度的光谱带具有最大光圈以尽可能多地透射光，具有中等传感器灵敏度和相应地中等光强度的第二光谱带具有中等光圈，其尺寸小于用于第一光谱带的光圈尺寸，最后具有高的传感器灵敏度和相应地高的光强度的第三光谱带实现为具有小光圈，其尺寸小于第一光谱带的光圈尺寸且小于第二光谱带的光圈尺寸。

这种实施例可以通过提供两个低通边缘滤波器来实现，其中第一滤波器的光谱边缘位于第一光谱带和第二光谱带之间并且提供中等光圈，而第二低通边缘滤波器包括位于第二光谱带和第三光谱带之间的光谱边缘并且提供小光圈。因此，第一光谱带透射穿过第一滤波器和第二滤波器，并且仅受光圈布置的最大直径D_max的影响。

使用多个这样的滤波器，可以通过该实施例的多光谱虹膜装置获得高光谱分辨率并且由此获得高校正精度。

在本发明的虹膜装置的另一实施例中，滤波层包括至少两种不同介电材料的多个子层，该介电材料具有不同的折射率和不同的层厚度中的至少一个，其中不同的子层至少部分地以交替的方式实施在基板上，并且滤波层实施在包围未处理部分的基板的外部部分上，在基板平面内的未处理部分的尺寸限定光圈的直径。

通常，通过给基板提供介电涂层来获得作为滤波器的高效反射镜和光学器件，其中介电涂层包括多个单层。折射率，层厚度，这些层的数量以及相邻层的折射率限定了反射或透射行为，此外该行为还取决于波长。

光学滤波器设计和制造的最新进展允许高反射层，高透射层，部分透射层以及上述具有不同滤波器特性的滤波器。

因此，一个滤波层可以限定多个光谱带，这些光谱带单独受滤波层影响。通过将滤波层设置为环形，因此滤波层对特定光谱带的影响仅适用于环的外部部分，未处理的被包围的部分因此限定每个受影响光谱带的光圈直径。

在虹膜装置的另一实施例中，对于给定的光谱带，至少两个光圈中的至少一个具有可变直径。

该实施例的优点在于，第一光谱带可以具有固定的光圈尺寸，而可能会经受变化的照明条件的第二光谱带的光圈尺寸可以根据改变的条件而变化。

在虹膜装置的另一实施例中，虹膜装置包括具有可变直径的光阑，其中光阑的部件具有光谱选择性的光透射率。

该实施例的优点在于：成熟的滤波器设计和涂层制造可以与光电机械发展相结合。

光阑的部件可以是可旋转地安装在光阑的圆周部分上的多个叶片，其中多个叶片中的每个叶片朝向虹膜的中心可旋转。多个叶片可以包括第一同步元件和第二同步元件，用于彼此同步以执行相同的旋转运动。每个同步元件可以接合至相邻叶片的同步元件，使得多个叶片的同步旋转运动可以导致光圈直径的增加或减小。

多个叶片中的每个叶片可以被实现为使得只有叶片的达到光圈布置中最大光圈的一部分能够包括上述类型之一的滤波器。特别地，同步元件可以实施在由非过滤材料(即金属)制成的单个叶片的一部分处。

光阑可以包括任意数量的叶片，其中可以想到不同形状的叶片。可能的形状例如是三角形、矩形或肾形，而肾形是优选的，因为通常弯曲的叶片可以提高光圈开口的圆度。

在本发明的虹膜装置的另一实施例中，虹膜装置包括光圈盒，光圈盒接收至少两个光圈布置，每个光圈布置在可移动的虹膜容器中，其中至少两个可移动的虹膜容器中的一个被移动到光学成像系统的光轴。

虹膜装置的这个实施例的优点在于，虹膜装置的不同子集可以存储在光圈盒中并且容易地应用于光学成像系统。

可以在光透射路径中仅设置一个光圈布置，也就是说，多个光圈布置中只有一个子集影响透射穿过虹膜装置的光。其他的，即未激活的光圈布置，可以存储在透射穿过虹膜装置的光的光路之外。

光圈盒可以进一步包括移动装置，用于存储各个虹膜装置以及将各个虹膜装置从虹膜装置的光透射中运送出去或者将其运送进入虹膜装置的光透射中。

在本发明的虹膜装置的另一实施例中，光圈盒被实现为滤波轮。

滤波轮可以很容易地相对于虹膜装置的光轴对准，并且可以直观地操作。

在根据本实施例的虹膜装置的操作期间，可以想到当前未激活(即当前未插入到光透射路径中)的光圈布置的替换。

开始提到的医学成像系统可以包括任意数量的根据相同或不同实施例的本发明的虹膜装置。示例性的医学成像系统包括显微镜或手术显微镜。所述医学成像系统可以提供可以同时使用的不同操作模式。示例性地，如开始所述，可以通过这种本发明的医学成像系统同时应用彩色反射模式和荧光模式。

附图说明

作为示例，下面利用参考附图的几个实施例来更详细地解释本发明。这些实施例仅仅代表一些可能的配置，在这些配置中，如上所述的各个特征可以彼此独立地实现和省略。在实施例的描述中，为了简单起见，相同的特征和元件具有相同的附图标记。

在附图中：

图1图示了光圈和透射光量之间的关系以及光圈和景深之间的关系；

图2图示了多光谱虹膜装置相对于常规虹膜装置的优点；

图3图示了本发明的虹膜装置的第一实施例；

图4图示了本发明的虹膜装置的第二实施例；

图5图示了本发明的虹膜装置的第三实施例；

图6图示了本发明的虹膜装置的第四实施例；

图7图示了本发明的虹膜装置的第五实施例；

图8图示了本发明的虹膜装置的第六实施例；和

图9图示了本发明的虹膜装置的第七实施例。

具体实施方式

图1示出了实现为单个虹膜3的虹膜装置1。单个虹膜3还表示光圈布置5，其以五种不同状态示出，包括光圈5a的打开状态7和关闭状态9。

在打开状态7和关闭状态9之间，示出了三种中间状态11。图1的上面板示出了由传感器15检测到的五个示例性图像13。传感器15可以被实现为照相机15a。

可以看出，对于虹膜3(相应地光圈5a)的打开状态7，第一图像13a不显示由低光强度导致的任何假像，而对于虹膜3的关闭状态9，第二图像13b显示了由于低光强度导致的假像。

在下面板中示出了五个图像13，而图像13包括位于到光学成像系统不同距离处的两个物体17。

在虹膜3的打开状态7的情况下，只有一个物体17可以被锐利地成像，而另一个物体在图像中显得模糊。这在第三图像13c中示出，而在与虹膜3的关闭状态9相对应的第四图像13d中，两个物体17都被锐利地成像。

图2示出了多光谱虹膜装置1a相对于常规虹膜装置1b的优点。

以有两种不同操作模式的光学显微镜示例性地拍出图2所示的图像13。在常规虹膜装置1b的情况下，打开状态7将导致打开状态结果7a，而虹膜3的关闭状态9将导致关闭状态结果9a。

在打开状态结果7a中，通过利用照明源18照明样本而获得的彩色反射图像19包括模糊区域21，荧光图像23清楚地显示了荧光结构25。荧光图像23也通过用照明源18照明而获得，其中不同的照明源18可以被应用于彩色反射图像19和荧光图像23。

相反，如果选择虹膜3的关闭状态9，则彩色反射图像19不显示任何模糊区域21并且完全聚焦，而荧光图像23完全是黑色的并且不显示任何荧光结构25。

因此，常规的虹膜装置1b总是需要决定常规虹膜装置1b的设置，该设置在彩色反射模式的最佳状态和荧光模式的最佳状态之间。

图2的右手侧代表用本发明的多光谱虹膜装置1a记录的彩色反射图像19和荧光图像23。可以看出，彩色反射图像19不显示任何模糊区域21而同时荧光图像23显示清晰的荧光结构25。

因此，本发明的多光谱虹膜装置1a允许同时提供用于彩色反射模式和荧光模式的最佳设置。

图3示出了本发明的虹膜装置1的第一实施例，其包括光圈布置5和两个光圈5a，第一光圈5b代表打开状态7并且具有等于最大直径D_max的直径D。换句话说，第一光圈5a由虹膜框架27限制。

虹膜框架27围绕滤波器系统26并且接收包括滤波器31的基板29，滤波器31由具有至少两种不同介电材料35的多个子层33的滤波层32组成。

不同的介电材料35可以具有不同的折射率36a和/或不同的层厚度36b。

滤波器31被实现为环形37，即滤波器以外部部分38围绕中心光圈区域39，中心光圈区域39具有光圈直径D，该直径D是第一直径D₁，其小于最大光圈直径D_max。中心光圈区域39是未处理部分39a。

图3的右手侧示出了透射率41与波长43的函数相关性。简化的滤波器特性45示出了限定两个不同光谱带49的带通滤波器47，这两个不同光谱带49，如图3所示，也就是荧光带51和剩余光谱带53，该剩余光谱带53简单来说包括光谱位于荧光带51以下的所有波长43。荧光带51是用于图3所示的虹膜装置1的滤波器系统26的光透射光谱带54，而剩余光谱带53是阻光光谱带56。

滤波器特性45指示在荧光带51内，带通滤波器47的透射率41等于1，而对于剩余光谱带53，透射率41等于0。

由于其滤波器特性45，环形滤波器31充当具有第一光圈5b的虹膜3，该第一光圈5b用于小于荧光带51的波长43的所有波长43。

荧光带51的所有波长43透射穿过具有第二光圈5c的虹膜3，在这种情况下，第二光圈5c对应于虹膜3的打开状态7。

因此，可以是彩色反射模式的光谱带49的剩余光谱带53受到处于关闭状态9的第一光圈5b的影响，因此增加了剩余光谱带53的景深。另一方面，可以是具有低光强度的光谱带49的荧光带51受益于虹膜3的打开状态7。

为了清楚起见，光轴69未在图3中示出，但在图4中可以看到。

图4示出了本发明的多光谱虹膜装置1a的第二实施例，其包括三个单独的基板29，每个基板包括滤波器31。每个滤波器31被实现为环形形状37，并且包括中心光圈区域39，中心光圈区域39具有第一光圈直径D₁、第二光圈直径D₂和第三光圈直径D₃。

本发明的多光谱虹膜装置1a被定向为基本上居中并且垂直于由光学成像系统限定的光轴69(参见图6)。此外，还指示了光透射方向70，其被定向为平行于光轴69。

在图4中，第三直径D₃小于第一直径D₁，第一直径D₁又小于第二直径D₂。

此外，三个滤波器31中的每一个包括表示为45a、45b和45c的滤波器特性45。每个滤波器31是带阻滤波器55，更具体地说是多带阻滤波器55a。

第一滤波器特性45a，第二滤波器特性45b和第三滤波器特性45c属于第一带阻滤波器55b，第二带阻滤波器55c和第三带阻滤波器55d，并且将在下面以示出的滤波器特性45的短波长侧57进行说明，因为长波长侧59的原理是一样的。

滤波器特性45a、45b和45c中的每一个包括至少两个光谱带49。即光谱阻带61，光谱阻带61是阻光光谱带56并且光谱地位于与至少一个剩余光谱带53相邻的位置处。

图4所示的多光谱虹膜装置1a的实施例将短波长侧57分离为三个光谱带49a、49b和49c，这种分离对于三个滤波器特性45a-45c都是有效的。

第一滤波器特性45a对于第一光谱带49a产生零透射率41，第二滤波器特性45b对于第二光谱带49b产生零透射率41，并且第三滤波器特性45c对于第三光谱带49c产生零透射率41。

每个滤波器特性45a-45c对于三个光谱带49a-49c中的不是相应的滤波器特性45a-45c的光谱阻带61的其余两个带都产生为1的透射率41。

图4还示出了光谱带49a-49c彼此相邻但不重叠，即没有不被第一滤波器31a阻挡，也不被第二滤波器31b阻挡，并且不被第三滤波器31c阻挡的波长。

此外，图4左手侧所示的滤波器特性45a-45c与滤波器的空间结构，即环形37和相应的光圈直径D₁-D₃组合。

在图4所示的本实施例中，第一滤波器特性45a的光谱阻带61透射穿过具有直径D₁的虹膜3，第二滤波器特性45b的光谱阻带61透射穿过具有直径D₂的虹膜3，第三滤波器特性45c的光谱阻带61透射穿过具有直径D₃的虹膜3。

图5示出了本发明的多光谱虹膜装置1a的第三实施例及其相应的设计步骤。

图5左上方示出的曲线图图示了期望的通过量曲线图63，该曲线图示出了通过量65与波长43的函数相关性。

图5左下方图示了光圈直径D与波长43的函数相关性。该直径曲线图67根据期望的通过量图63计算。

在直径曲线图67中示出了多个光谱带49，而对于每个光谱带49，可以确定直径D。这对于示例光谱带49e进行了示例性的显示，该示例光谱带49e具有光圈直径D_e。相应的光圈直径D_e也可以在图5的右下方面板中看到，在该面板中，对应的示例性基板29e设置有示例性滤波器31e。示例性滤波器31e具有示例性滤波器特性45e，其在图5的右上方面板中示出。

在示例性滤波器特性45e中，带阻滤波器55包括对应于示例光谱带49e的光谱阻带61。换句话说，光圈直径D_e仅适用于对应示例光谱阻带61e的示例性光谱带49e。

位于示例性光谱阻带61e之外的波长43不受示例性滤波器31e的影响，并且透射穿过相应的示例性滤波器31e。

总之，多个滤波器29中的每一个仅适用于图5中右上方面板所指示的对应的光谱阻带61。

图6示出了本发明的虹膜装置1的第四实施例，其中虹膜装置1包括被实现为滤波轮66的光圈盒64。在所示的实施例中，滤波轮66在滤波轮66的四个可移动的虹膜容器68中接收四个光圈布置5。

光圈布置5中仅有一个插入光学成像系统71的光轴69并且与光轴69对准。只有光学成像系统71被指示，并且例如可以是医学成像系统72。

图7示出了本发明的虹膜装置1的第五实施例，其中具有部件75的已知的机械光阑73与本发明的滤波器31组合。部件75中的每一个被实现为肾形的叶片77，为了清楚起见，仅仅在图7的左光阑73中指示叶片77。

图7的左侧示出了一个单独的叶片77，其被固定在旋转中心79处并且可以朝向光轴69移动，该光轴69由带圈的X指示。

如果图7所示的光阑73的所有叶片77都朝向光轴69旋转，则所有叶片77的运动是同步的，所得到的滤波器几何形状的光圈直径D是可变直径D_d。

当光阑73的叶片77被实现为具有相应的滤波器特性(未示出)的滤波器31时，所得到的可变直径D_d仅适用于受所用滤波器31影响的光谱带(未示出)。

图7的右手侧示出了具有不同形状的叶片77的第二实施例的光阑73。

图8示出了本发明的虹膜装置1的第六实施例，其包括两个边缘滤波器81，其中所示的虹膜装置1用于彩色成像，特别是与传感器灵敏度成反比地调整颜色的相对强度。

虹膜装置1包括具有第一滤波器特性45a和第二滤波器特性45b的两个边缘滤波器81a和81b。

每个边缘滤波器81被实现为低通滤波器83，即，比边缘波长85短的波长43被完全透射，而比边缘波长85长的波长43被相应的边缘滤波器81阻挡。边缘波长85代表光谱滤波器边缘86。

第一边缘滤波器81a具有第一边缘波长85a，第二边缘滤波器81b具有第二边缘波长85b。比第一边缘波长85a短的所有波长43通过两个边缘滤波器81中的任意一个完全透射，并且与对应于打开状态7的直径为D的光圈相互作用。这些波长构成第一光谱带49a。

第一光谱带49a的波长具有第一光圈直径D₁。

因此，位于两个边缘波长85a和85b之间的第二光谱带49b具有光圈直径D₂，并且位于第三光谱带49c中的波长具有光圈直径D₃。

图9示出了本发明的虹膜装置1的第七实施例，其被实现为线性可变的边缘滤波器87。

线性可变的边缘滤波器87包括多个滤波器特性45，这些特性以不同的曲线图示出。第一曲线图89a示出了透射率41与波长43的相关性，而所示的不同边缘波长85对应于不同的半径D/2。

第二曲线图89b代表期望的通过量曲线图63，并且示出了半径D/2与边缘波长85的相关性。

第三曲线图89c是透射率41、波长43和半径D/2的三维曲线图。第三曲线图89c示出了透射率41与空间坐标(半径D/2)和光谱坐标(波长43)的相关性。

附图标记

1 虹膜装置

1a 多光谱虹膜装置

1b 常规虹膜装置

3 虹膜

5 光圈布置

5A 光圈

5b 第一光圈

5c 第二光圈

7 打开状态

7a 打开状态结果

9 关闭状态

9a 关闭状态结果

11 中间状态

13 图像

13a 第一图像

13b 第二图像

13c 第三图像

13d 第四图像

15 传感器

15a 照相机

17 物体

18 照明源

19 彩色反射图像

21 模糊区域

23 荧光图像

25 荧光结构

26 滤波器系统

27 虹膜框架

29 基板

29e 示例性基板

31 滤波器

31a 第一滤波器

31b 第二滤波器

31c 第三滤波器

31e 示例性滤波器

32 滤波层

33 多个子层

35 介电材料

36a 折射率

36b 层厚度

37 环形

38 外部部分

39 中心光圈区域

39a 未处理部分

41 透射率

43 波长

45 滤波器特性

45a 第一滤波器特性

45b 第二滤波器特性

45c 第三滤波器特性

45e 示例性滤波器特性

47 带通滤波器

49 光谱带

49a 第一光谱带

49b 第二光谱带

49c 第三光谱带

49e 示例性光谱带

51 荧光带

53 剩余光谱带

54 光透射光谱带

55 带阻滤波器

55a 多带阻滤波器

55b 第一带阻滤波器

55c 第二带阻滤波器

55d 第三带阻滤波器

56 阻光光谱带

57 短波长侧

59 长波长侧

61 光谱阻带

63 期望的通过量曲线图

64 光圈盒

65 通过量

66 滤波轮

67 直径曲线图

68 虹膜容器

69 光轴

70 光透射方向

71 光学成像系统

72 医学成像系统

73 光阑

75 部件

77 叶片

79 旋转中心

81 边缘滤波器

81a 第一边缘滤波器

81b 第二边缘滤波器

85 边缘波长

86 光谱滤波器边缘

87 线性可变的边缘滤波器

89a 第一曲线图

89b 第二曲线图

89c 第三曲线图

D₁ 第一直径

D₂ 第二直径

D₃ 第三直径

D_max 最大直径

D_e 示例直径

D_v 可变直径

D/2 到光轴/半径的距离

Claims

1.一种用于光学成像系统(71)的虹膜装置(1)，包括光圈布置(5)，其特征在于包括集成的滤波器系统(26)，所述滤波器系统(26)在至少两个不同波长(43)中以不同程度限制光。

2.根据权利要求1所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述滤波器系统(26)包括具有至少一个光透射光谱带(54)的至少一个滤波器(47)。

3.根据权利要求1或2所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述滤波器系统(26)包括具有至少一个阻光光谱带(56)的至少一个滤波器(47)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述滤波器系统(26)包括围绕中心光圈区域(39)的至少一个环形边缘滤波器(81)，并且中心光圈区域(39)是光圈(5a)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，包括多个滤波器(47)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，由第一带阻滤波器(55b)限定的第一光谱带(49a)的光圈(5a)小于或大于分别由第二带阻滤波器(55c)和第三带阻滤波器(55d)限定的第二光谱带(49b)和第三光谱带(49c)的光圈(5a)中的每一个，第一光谱带(49a)光谱地位于第二光谱带(49b)和第三光谱带(49c)之间。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述滤波器系统(26)包括具有光谱滤波器边缘(86)的至少一个线性可变的边缘滤波器(87)，其光谱位置根据到虹膜装置(1)的光轴(69)的距离(D/2)而变化。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，多个(33)滤波层(32)被实施在基板(29)上。

9.根据权利要求3至8所述的虹膜装置(1)，其特征在于，根据包含一定范围的光谱密度的照明源(18)和在包含一定范围的光谱灵敏度的光学成像系统(71)中使用的传感器(15)中的至少一个，用于至少一个第一光谱带(49a)的第一带阻滤波器(55b)被实现为具有第一光圈(5b)，其中所述照明源(18)的高光谱密度和高传感器灵敏度中的至少一个应用于所述至少一个第一光谱带(49a)，所述第一光圈(5b)的直径(D₁)小于用于光谱带(49b)的第二带阻滤波器(55c)的至少一个第二光圈(5c)的直径(D₂)，其中所述照明源(18)的低光谱密度和低传感器灵敏度中的至少一个应用于所述光谱带(49b)。

10.根据权利要求8或9所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述滤波层(32)包括至少两种不同介电材料(35)的多个子层(33)，所述介电材料具有不同的折射率(36a)和不同的层厚度(36b)中的至少一个，其中不同的子层(33)至少部分地以交替的方式实施在基板(29)上，并且所述滤波层(32)实施在所述基板(29)的外部部分(38)上，所述外部部分(38)包围未处理部分(39a)，所述未处理部分(39a)在所述基板(29)的平面内的尺寸限定光圈(5a)的直径(D)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，对于给定的光谱带(49)，所述至少两个光圈(5a)中的至少一个(5a、5b)具有可变直径(D_v)。

12.根据权利要求11所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述虹膜装置(1)包括具有可变直径(D_v)的光阑(73)，并且所述光阑(73)的部件(75)具有光谱选择性的光透射率(41)。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述虹膜装置(1)包括光圈盒(64)，所述光圈盒(64)接收至少两个光圈布置(5)，每个光圈布置在可移动的虹膜容器(68)中，其中至少两个可移动的虹膜容器(68)中的一个被移动到所述光学成像系统(71)的光轴(69)中。

14.根据权利要求13所述的虹膜装置(1)，其特征在于，所述光圈盒(64)被实现为滤波轮(66)。

15.一种医学成像系统(72)，包括传感器(15)，特别是照相机(15a)，以及根据权利要求1至14中任一项所述的至少一个虹膜装置(1)。