CN109643011A - 用于显微镜的变换系统 - Google Patents

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Abstract

介绍一种用于显微镜(10)的变换系统，包括不同放大率的多个无焦点的放大率变换模块(200a‑200d、300a‑300d、400a‑400d)，所述放大率变换模块可有选择地引入到沿着所述显微镜(10)的光学轴线(O)伸展的无限远光路(16)中。所述放大率变换模块(200a‑200d、300a‑300d、400a‑400d)分别含有光转向系统(202、302、402)，其中，所述光转向系统(202、302、402)被设计用于调节穿过相应的所述放大率变换模块(200a‑200d、300a‑300d、400a‑400d)的无限远光路(16)的路径长度，从而全部的放大率变换模块(200a‑200d、300a‑300d、400a‑400d)—尽管它们的放大率不同—使得所述显微镜(10)的物镜的出射光瞳沿着所述光学轴线(O)成像到相同的位置上。

Description

用于显微镜的变换系统
本发明涉及一种用于显微镜的变换系统，其包括不同放大率的多个无焦点的放大率变换模块，这些放大率变换模块可有选择地引入到沿着显微镜的光学轴线伸展的无限远光路中。本发明还涉及一种无焦点的放大率变换模块以及一种显微镜，该显微镜配备有变换系统或无焦点的放大率变换模块。
为了调整光学显微镜系统中的放大率，已知有所谓的无焦点的放大率变换器。在组装具有无限远光路的各显微镜时，这些放大率变换器通常通过望远镜光学机构来实现，这些望远镜光学机构在无限远光路中布置在物镜和管透镜之间，并且可以例如借助旋座或另一种更换装置予以更换。
在放大率变换器中使用的望远镜光学机构虽然保证了显微镜光路的无焦点性。但由于望远镜光学机构的不同的放大率，物镜的出射光瞳沿着光学轴线在不同的位置成像，这与管透镜相配合地导致总系统的不同的出射光瞳位置。随着出射光瞳位置的变化而出现的渐晕通常是可忍受的。
然而在特殊的显微方法中往往需要在傅里叶平面中影响成像，该傅里叶平面对于样本侧的远心的系统来说位于显微镜物镜的出射光瞳的位置。这种影响可以例如在于，在傅里叶平面中设置调制部件比如空间光调制器—简写为SLM(Spatial Light Modulator)、微镜设备—简写为DMD(Digital Mirror Device)或影响相位的掩模。为了能够位置固定地定位所述器件，需要与物镜光瞳接合的平面的固定的位置。
因而在这些特殊的显微方法中无法使用通常的放大率变换器，这些放大率变换器的望远镜光学机构导致出射光瞳位置的变化。
具有固定的光瞳位置的放大率变换系统也在与所谓的远程聚焦技术的结合中意义重大，这种技术比如在US 8 144 395 B2和US 8 582 203 B2中有所记载。在此一方面需要一种4f-设备，就该设备而言，物镜光瞳的固定的位置在实施中是有所帮助的，因为由此可以位置固定地安装全部的系统组件。但在该设备内部更换物镜时，也必须使得总系统的放大率保持恒定，以便保持用于无像差的再聚焦的所需要的放大率条件。但如果现在由于应用的原因比如因为盖玻片矫正、净工作距离、浸没等而要使用另一种样本侧的物镜，就需要附加系统，该附加系统补偿可能的放大率变化并且在这种情况下使得物镜光瞳的图像位置固定。
本发明的目的是，提出一种用于显微镜的变换系统、一种无焦点的放大率变换模块以及一种配备有变换系统或无焦点的放大率变换模块的显微镜，它们能以比较小的技术代价实现在放大率变换时使得物镜光瞳的图像保持位置固定。
本发明通过根据权利要求1的变换系统、根据权利要求11的无焦点的放大率变换模块或根据权利要求13的显微镜得以实现。有利的改进在从属权利要求以及后续说明中给出。
本发明的变换系统包括不同放大率的多个无焦点的放大率变换模块，这些放大率变换模块可有选择地引入到沿着显微镜的光学轴线伸展的无限远光路中。这些放大率变换模块分别含有光转向系统。这些光转向系统被设计用于调节穿过相应的放大率变换模块的无限远光路的路径长度，从而全部的放大率变换模块—尽管它们的放大率不同—使得显微镜的物镜的出射光瞳沿着光学轴线成像到相同的位置上。
在形成变换系统的各放大率变换模块中含有的不同的光转向系统经过设计，从而补偿出射光瞳位置的因放大率变换引起的变化。这意味着，无论哪一个放大率变换模块恰好装入到显微镜中，物镜出射光瞳的图像始终都在相同的地点产生。
通过本发明的变换系统实现了成像长度的统一，物镜的出射光瞳通过相应的放大率变换模块以该成像长度成像，这种统一能实现将光学器件比如SLM、DMD或影响相位的掩模位置固定地布置在位置固定的聚焦平面中。这种器件的光学作用面于是可以在光瞳位置固定情况下通过对光瞳大小的相应的放大即通过引入合适的放大率变换模块予以调整。
本发明的变换系统的模块化在双重方面有所帮助。一方面，该模块化可以在制造商方面按如下方式予以利用：制造商在制造显微镜系统—其应具有带(唯一的)预定放大率的放大率变换器—时，可以由一个系统使用不同的模块，这些模块虽然具有不同的放大率，但在结构上却是相同类别的。这显著地降低了制造成本。另一方面，显微镜系统的使用者可以按如下方式来利用所述模块化：他通过简单的放大率变换，即通过利用在结构上相同类别的其它放大率的模块替换装入到显微镜中的放大率变换模块，来改变系统放大率。由此，本发明的变换系统形成了快速变换方案的基础，该快速变换方案在手动的或机动的设计中例如使用移动系统或旋座，或者也使用其它线性的或旋转式的变换器。
优选地，这些放大率变换模块分别具有模块体，该模块体具有光入射侧的变换面和光出射侧的变换面，其中，这两个变换面对于全部的模块体而言都彼此相同地布置。这些变换面例如在与无限远光路内部的对应止挡的配合作用中形成了在空间上固定的接口，这些接口能实现根据需要以简单的方式更换在结构上相同类别的模块体。在此，相应模块体的光入射侧的变换面仿佛形成了用于放大率变换模块的入射光瞳的机械的参照物，该参照物在安装模块时与显微镜物镜的出射光瞳叠合。相应地，模块体的光出射侧的变换面形成了用于物镜出射光瞳的图像的机械的参照物，该图像在无限远光路内部在引入放大率变换模块情况下产生。前面提到的机械的参照物在此应如下理解：对于每个放大率变换模块来说，显微镜物镜的出射光瞳相对于光入射侧的变换面具有相同的位置，并且出射光瞳的图像相对于光出射侧的变换面具有相同的位置。由于两个变换面对于全部的模块体而言都彼此相同地布置，用于出射光瞳或其图像的该机械的参照物对于全部的放大率变换模块来说都是相同的。因而如果各放大率变换模块通过它们的变换面布置在无限远光路中的相同的位置，则保证了物镜的出射光瞳沿着光学轴线始终都在相同的位置成像，而无论哪个放大率变换模块恰好装入到显微镜中。
本发明的变换系统的模块化的特性通过规定光入射侧的变换面和光出射侧的变换面以及设定最大的安装空间来实现，相应的放大率变换模块必须安置在该安装空间中。在这些变换面上，无论光学轴线的方向还是光学轴线的位置都固定地规定好，从而确保各个放大率变换模块的可替换性。
优选地，各放大率变换模块分别含有放大系统，该放大系统例如是开普勒-望远镜或伽利略-望远镜。由于安装空间较小，作为开普勒-望远镜的设计是特别有利的。在一种优选的设计中，相应的放大系统在无限远光路中置于光转向系统之后。
在相应的模块体内部对放大系统的定位以及形成放大系统的光学元件的焦距可以经过选取，从而减小相应模块的总长度，进而限制最大要准备的安装空间。
优选地，各光转向系统分别引起光学轴线的穿过光射出侧的变换面的部分相对于光学轴线的穿过光射入侧的变换面的部分发生相同的位移。通过这种相同的位移，对于全部的放大率变换模块来说，光学轴线的位置和方向在各变换面上相同地规定，从而确保各个模块的可替换性。
在一种具体的设计中，光学轴线的穿过光射出侧的变换面的部分相对于光学轴线的穿过光射入侧的变换面的部分具有预定的平行位移。通过这种设计，也可以实现180°的光转向。
如果光学轴线的穿过光射出侧的变换面的部分相对于光学轴线的穿过光射入侧的变换面的部分以直角转向，并且相距光射入侧的变换面以预定的间距布置，则产生90°的光转向。
在优选的设计中，各光转向系统分别至少包括第一和第二光反射元件，其中，第一光反射元件布置在光学轴线的穿过光射入侧的变换面的部分上，第二光反射元件布置在光学轴线的穿过光射出侧的变换面的部分上。通过合适地选取形成光转向系统的两个光反射元件的相对布置情况，可以在相应的放大率变换模块内部按所希望的方式调节无限远光路的路径长度，以便实现位置固定的光瞳成像。此外，使用两个光反射元件具有如下优点：可以确保在显微镜中本来就需要的光转向，而无需图像反转。
两个光反射元件优选是反射镜设备的或棱镜的部分。对于在上面提到的直角的光转向，特别是考虑使用史密斯棱镜或五棱镜或与其等效的反射镜设备。
变换系统也可以含有其放大率等于1的放大率变换模块。这意味着，对于该模块仅存在光转向系统，而不存在针对其它模块设置的放大系统。
根据本发明的另一方面，设置了用于显微镜的无焦点的放大率变换模块，该放大率变换模块可引入到沿着显微镜的光学轴线伸展的无限远光路中。放大率变换模块含有光转向系统，该光转向系统被设计用于调节穿过放大率变换模块的无限远光路的路径长度，从而放大率变换模块使得显微镜物镜的出射光瞳沿着光学轴线成像到预定的位置上。
本发明还规定了一种显微镜，其包括带有出射光瞳的物镜以及变换系统或者前述类型的无焦点的放大率变换模块。
在显微镜的一种优选的设计中，在物镜出射光瞳的通过放大率变换模块产生的图像的位置，设置了光学器件比如SLM、DMD或影响相位的掩模，该光学器件可以用于影响显微镜成像。
在显微镜的另一种优选的实施方式中，放大率变换模块是优选用于无像差的再聚焦的4f-系统的一部分。
下面借助附图详述本发明。其中：
图1为本发明的显微镜的示意图；
图2a～2d示出包括四个放大率变换模块的变换系统的第一实施例；
图3a～3d示出含有四个放大率变换模块的变换系统的第二实施例；
图4a～4d示出包括四个放大率变换模块的变换系统的第三实施例。
图1以框图示出显微镜10。该显微镜10具有物镜12，该物镜接收来自样本平面14的光。该光作为准直的光束从物镜12中射出，并且在无限远光路16中传播至具有模块体20的放大率变换模块18。放大率变换模块18是无焦点的光学系统。相应地，所述光从放大率变换模块100也作为准直的光束射出。然后，所述光通过管透镜22聚焦到中间平面24上，以便产生中间图像。
在根据图1的实施方式中，经过无焦点的放大率变换模块18的光通过该放大率变换模块转向，从而无限远光路16发生平行位移。
图2a～2d示出四个不同的放大率变换模块200a～200d，这些放大率变换模块分别形成与根据图1的放大率变换模块18相应的模块。通过这些放大率变换模块200a～200d形成了一种变换系统，该变换系统可以用于在显微镜10中改变总放大率。为此有选择地把放大率变换模块200a～200d之一引入到显微镜10的无限远光路16中。
在根据图2a～2d的实施例中，放大率变换模块200a具有放大率1，放大率变换模块200b具有放大率1.05，放大率变换模块200c具有放大率1.5，放大率变换模块200d具有放大率1.6。当然，这些说明只许纯示例性地理解。
放大率变换模块200a在它的于图2a中未示出的模块体上具有光射入侧的变换面201，光沿着光学轴线O透过所述变换面射入到模块体中。然后，通过在模块体内部的光转向系统202，光发生转向，从而它在平行位移的情况下透过在模块体上形成的变换面203从放大率变换模块200a射出。由此，光学轴线O的穿过光射出侧的变换面203的部分，相对于光学轴线O的穿过光射入侧的变换面201的部分，发生了在图2a中用d1表示的平行位移。
光转向系统202包括第一转向反射镜204和第二转向反射镜205。在此，第一转向反射镜204布置在光学轴线O的穿过光射入侧的变换面201的部分上，而第二转向反射镜205布置在光学轴线O的穿过光射出侧的变换面205a的部分上。两个转向反射镜204和205分别相对于光学轴线O倾斜，并且相互平行地朝向。相应地，图2a中所示的角度α1和α2大小相同。
在图2a中，放大率变换模块200a的入射光瞳用206标出。该入射光瞳沿着光学轴线O相距光射入侧的变换面201具有固定地设定好的间距。如果放大率变换模块200a位于显微镜10的无限远光路16中，则入射光瞳206布置在物镜12的出射光瞳的位置。
不同于根据图2a的具有放大率1的放大率变换模块200a，其它的放大率变换模块200b、200c和200d分别含有放大系统207b、207c或207d，所述放大系统由两个透镜组208b、209b或208c、209c或208d、209d构成并且形成了开普勒-望远镜。包括放大率变换模块200a～200d的变换系统现在经过设计，从而对于全部的放大率变换模块200a～200d而言，入射光瞳206进而在安装模块情况下物镜12的出射光瞳相距光射入侧的变换面201具有的间距是相同的。此外，光学轴线O的平行位移d1对于全部的放大率变换模块200a～200d而言也是相同的。现在为了保证出射光瞳的图像—该图像的位置受放大系统207b、207c和207d的不同的放大效果影响—对于全部的模块来说都保持位置固定，在各个放大率变换模块200b、200c和200d中的形成光转向系统202的两个转向反射镜204和205相互间具有不同的间距。换句话说，光转向系统202在每个放大率变换模块200b、200c和200d中都与相关的放大系统207b、207c、207d相协调，从而全部的放大率变换模块(包括没有放大系统的模块200a在内)在相同的地点产生出射光瞳的图像。
如图2a～2d的比较所示，转向反射镜204和205相互间分别适当地布置，从而穿过相应的放大率变换模块的光束绝不出现遮暗。间距d1因而经过特殊选取，从而考虑到在系统设计中规定的最大的光瞳大小和场角度，对于全部的放大率变换模块300a～300d都可以无渐晕地实现成像。
在图3a～3d中示出本发明的变换系统的第二实施例，其同样与前述方案相应地设计。根据第二实施例的该变换系统包括在图3a中示出的具有放大率1的放大率变换模块300a、在图3b中示出的具有放大率1.05的放大率变换模块300b、在图3c中示出的具有放大率1.5的放大率变换模块300c以及在图3d中示出的具有放大率1.6的放大率变换模块300d。
在该实施例中，全部的放大率变换模块300a～300d也分别具有光射入侧的变换面301、由两个转向反射镜304、305构成的光转向系统302、光射出侧的变换面303以及入射光瞳306。此外，放大率变换模块300b、300c和300d(不同于具有放大率1的放大率变换模块300a)分别具有放大系统307b、307c或307d，所述放大系统由两个透镜组308b、309b或308c、309c或308d、309d构成并且形成了开普勒-望远镜。
在该实施例中，考虑到放大系统307b、307c和307d的放大效果，在各个放大率变换模块300a～300d中使用的光转向系统304也经过设计，从而物镜12的出射光瞳对于全部的模块而言都在相同的地点成像。
第二实施例与图2a～2d中所示的变换系统的区别在于，光学轴线O的穿过光射出侧的变换面303的部分，相对于光学轴线O的穿过光射入侧的变换面301的部分，通过光转向系统302以直角转向。由此，第二实施例的放大率变换模块300a～300d分别引起90°的光转向。为了这种光转向，两个转向反射镜304和305分别相对于光学轴线O倾斜22.5°(参照垂直于光学轴线的方向)。通过相对于第一转向反射镜304适当地布置第二转向反射镜305，现在针对每个放大率变换模块300a～300d都可以确保产生物镜10的出射光瞳的位置固定的成像。
对于全部的放大率变换模块300a～300d而言，穿过相应的光射出侧的变换面303的光学轴线O相距光射入侧的变换面301具有的在图3a～3d中用d2表示的间距是相同的。间距d2也经过选取，从而考虑到在系统设计中规定的最大的光瞳大小和场角度，对于全部的放大率变换模块300a～300d都可以无渐晕地实现成像。
最后，图4a～4d示出第三实施例，其也规定了具有放大率1.0、1.05、1.5和1.6的四个放大率变换模块400a～400d。放大率变换模块400a～400d也分别包括光射入侧的变换面401、由两个转向反射镜404和405构成的光转向系统402、光射出侧的变换面403以及入射光瞳406。此外，具有不同于1的放大率的放大率变换模块400b、400c和400d分别含有放大系统407b、407c或407d，所述放大系统由两个透镜组408b、409b、408c、409c、408d、409d构成并且形成了开普勒-望远镜。
不同于两个前述实施例，第三实施例是针对180°的光转向而设计的。相应地，形成光转向系统402的两个转向反射镜404和405相对于光学轴线分别倾斜45°。由于反射率和偏光的原因，两个转向反射镜404、405以相同的角度进行的这种布置相对于如下布置是优选的：在该布置中，各转向反射镜以不同的角度相对于光学轴线倾斜，尽管当然也不排除后者布置。
对于放大率变换模块400a～400d，穿过相应的变换面401入射的光通过相应的光转向系统402转向，从而所述光在平行位移情况下在与光射入方向相反的方向上从变换面403射出。由此，光学轴线O的穿过光射出侧的变换面203的部分，相对于光学轴线O的穿过光射入侧的变换面201的部分，发生了在图4a～4d中用d3表示的位移。针对于全部的放大率变换模块400a～400b，位移d3经过选取，从而考虑到光瞳大小和场角度，可以无渐晕地实现成像。
如图4a～4d的比较所示，两个转向反射镜404和405经过不同的放大率变换模块400a～400b共同地仿佛沿着光学轴线O的光射入侧的或光射出侧的部分移动，以便确保出射光瞳的图像—该图像的位置受放大系统407b、407c和407d的不同的放大效果影响—对于全部的模块来说都保持位置固定。

Claims (18)

1.一种用于显微镜(10)的变换系统，包括不同放大率的多个无焦点的放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)，所述放大率变换模块可有选择地引入到沿着所述显微镜(10)的光学轴线(O)伸展的无限远光路(16)中，其特征在于，所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)分别含有光转向系统(202、302、402)，其中，所述光转向系统(202、302、402)被设计用于调节穿过相应的所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)的无限远光路(16)的路径长度，从而全部的放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)—尽管它们的放大率不同—使得所述显微镜(10)的物镜(12)的出射光瞳沿着所述光学轴线(O)成像到相同的位置上。
2.如权利要求1所述的变换系统，其特征在于，所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)分别具有模块体(20)，该模块体具有光入射侧的变换面(201、301、401)和光出射侧的变换面(203、303、403)，这两个变换面对于全部的模块体而言都彼此相同地布置。
3.如权利要求1或2所述的变换系统，其特征在于，所述放大率变换模块(200b-200d、300b-300d、400b-400d)分别含有放大系统(207b-207d、307b-307d、407b-407d)。
4.如权利要求3所述的变换系统，其特征在于，相应的所述放大系统(207b-207d、307b-307d、407b-407d)在所述无限远光路(16)中置于相应的所述光转向系统(202、302、402)之后。
5.如权利要求3或4所述的变换系统，其特征在于，相应的所述放大系统(207b-207d、307b-307d、407b-407d)是开普勒-望远镜或伽利略-望远镜。
6.如前述权利要求中任一项所述的变换系统，其特征在于，所述光转向系统(202、302、402)分别引起所述光学轴线(O)的穿过所述光射出侧的变换面(203、303、403)的部分相对于所述光学轴线(O)的穿过所述光射入侧的变换面(201、301、401)的部分发生相同的位移。
7.如权利要求6所述的变换系统，其特征在于，所述光学轴线(O)的穿过所述光射出侧的变换面(203、303、403)的部分相对于所述光学轴线的穿过所述光射入侧的变换面(201、301、401)的部分具有预定的平行位移。
8.如权利要求6所述的变换系统，其特征在于，所述光学轴线(O)的穿过所述光射出侧的变换面(203、303、403)的部分相对于所述光学轴线(O)的穿过所述光射入侧的变换面(201、301、401)的部分以直角转向，并且相距所述光射入侧的变换面以预定的间距布置。
9.如前述权利要求中任一项所述的变换系统，其特征在于，所述光转向系统(202、302、402)分别至少包括第一和第二光反射元件(204、205、404、305、404、405)，其中，第一光反射元件(204、304、404)布置在所述光学轴线(O)的穿过所述光射入侧的变换面(201、301、401)的部分上，第二光反射元件(205、305、405)布置在所述光学轴线(O)的穿过所述光射出侧的变换面(203、303、403)的部分上。
10.如权利要求9所述的变换系统，其特征在于，两个光反射元件(204、205、404、305、404、405)是反射镜设备的或棱镜的部分。
11.如权利要求1所述的变换系统，其特征在于，所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)之一具有等于1的放大率。
12.一种用于显微镜(10)的无焦点的放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)，该放大率变换模块可引入到沿着所述显微镜(10)的光学轴线(O)伸展的无限远光路(16)中，其特征在于一种光转向系统(202、302、402)，该光转向系统被设计用于调节穿过所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)的无限远光路(16)的路径长度，从而所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)使得所述显微镜(10)的物镜(12)的出射光瞳沿着所述光学轴线(O)成像到预定的位置上。
13.如权利要求12所述的无焦点的放大率变换模块(200b-200d、300b-300d、400b-400d)，其特征在于一种放大系统(207b-207d、307b-307d、407b-407d)。
14.如权利要求13所述的无焦点的放大率变换模块(200b-200d、300b-300d、400b-400d)，其特征在于，所述放大系统(207b-207d、307b-307d、407b-407d)在所述无限远光路(16)中置于所述光转向系统(202、302、402)之后。
15.一种显微镜(10)，包括带有出射光瞳的物镜(12)，此外包括根据权利要求1～12中任一项的变换系统或者根据权利要求13或14的无焦点的放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)。
16.如权利要求15所述的显微镜(10)，其特征在于，在所述物镜(12)的出射光瞳的通过所述放大率变换模块(200a-200d、300a-300d、400a-400d)产生的图像的位置，设置了一种光学器件。
17.如权利要求16所述的显微镜(10)，其特征在于，所述光学器件是空间光调制器、微镜设备或影响相位的掩模。
18.如权利要求15～17中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于一种4f-系统，其中，相应的放大模块是所述4f-系统的一部分。
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