CN111344620A

CN111344620A - 用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统

Info

Publication number: CN111344620A
Application number: CN201980005037.4A
Authority: CN
Inventors: S·卢克斯
Original assignee: Agile Focus Designs LLC
Current assignee: Agile Focus Designs LLC
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: CN111344620B

Abstract

一种用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，其具有位于壳体内的第一、第二和第三MEMS镜。第一和第二固定透镜形成光中继器。棱镜/镜位于接近壳体中的第一入口的位置，并与光中继器和第一MEMS镜线性对准。第二MEMS镜接近第一MEMS镜，并相对于第一MEMS镜成九十度角，第一MEMS镜相对于第二固定透镜成四十五度角。第二MEMS镜、第三固定透镜和第三MEMS镜线性对准，第三固定透镜位于第二和第三MEMS镜之间。第三MEMS镜接近壳体中的第二入口。第三MEMS镜位于邻近棱镜/镜的位置。

Description

用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年1月25日提交的美国专利申请No.16258455的优先权。该在后的申请是2017年9月15日提交的美国专利申请No.15706331的部分继续申请。两个申请的内容都通过引用合并于本文。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

本发明是在政府的支持下，在2016年1月1日由美国国家科学基金会授予的合同No.1548737下做出的。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本发明总体上涉及显微镜技术领域，并且更具体地，涉及用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统。

背景技术

每天使用显微镜的人通常认为它们由一些可平移的或旋转的(旋入/旋出)固定焦距透镜组成，或者需要使用不同的物镜来实现放大倍率的改变。此外，人们认为聚焦是通过上下平移样品台以改变样品与物镜之间的距离来完成的。作为平移透镜的替代，单元件、可变倍率/可变焦/变焦(在这里同义地使用这些术语)光学元件像人眼一样执行快速聚焦。当焦距改变时，它们保持静止。三个变焦透镜允许彼此独立地改变放大倍率和焦距，并且与使用单个变焦透镜相比，它们还允许更大的聚焦范围。变焦透镜包括透射透镜和反射透镜(镜)，它们除了在光入射到其表面后的传播方向以外，作用相同。本发明将变焦透镜合并到设备中，该设备可以与显微镜一起使用或可以附接到显微镜，以克服常规显微镜的缺点。

微机电系统(MEMS)变形镜是具有可变焦距的反射透镜。用静电MEMS镜，直接向其施加电压，以精确控制其表面形状。MEMS镜通常(但不仅限于)由光敏聚合物SU-8 2002和金属(例如铝、金或银)(其提供反射表面)制成。在本发明的上下文中，MEMS镜可以由氮化硅代替SU-82002制成，具有二氧化钛或金属/氧化物反射表面。当镜的曲率半径随着电压的增加而减小时，(正在被观察的)对象的位置会改变。这些类型的MEMS镜替代放大镜或执行明显的聚焦的能力大约在最近五年才成为可能。这些进步来自改进的精密加工技术和镜的结构变化。

当在台式显微镜下成像时，必须平移样品台以改变聚焦。因此，大多数样品是薄的、无生命的且固定的。如前所述，传统的聚焦和变焦机构包括旋转固定焦距透镜和/或平移样品或固定焦距透镜的技术。传统聚焦机构的缺点包括：随着平台的平移而搅动样品(其可能导致在观察液体中的固体颗粒时难以找到焦点；当样品意外碰到物镜时损坏样品；聚焦控制慢(即使使用自动平台，速度通常也低于100Hz)；聚焦不准确；过度曝光造成的过度光损伤；由于在观察之前反应完成而提前终止实验(由于找到感兴趣的焦平面花费过多的时间)；以及由于成像速度的限制而无法在小的时间尺度上观察生物学现象，例如观察实时在活体样品中传播的神经元。自动样品台限于离散的聚焦步距位置，而传统的变焦系统限于离散的放大倍率变化。为了进行高速成像，共振速度物镜扫描仪可以快速上下平移物镜。共振物镜扫描仪无法在聚焦范围内保持光学分辨率，只能以单一(相对较快)的速度操作，并且具有运动质量，这会导致它们在共振时振动或摇动系统。

尽管变焦透镜(包括MEMS镜)已经与一些共焦和多光子显微镜结合使用以实现更佳的聚焦，但它们并未用于显微镜的光学变焦，也未将其合并于对普通生物学家方便使用的小型和便携式单元中。商业变焦透镜对于普通生物学家来说很难使用；例如，位于显微镜中光学系统开始处的大多数动态聚焦机构都需要工程师安装。这些通常是使用单个变焦元件的定制的工作，仅在精英大学中针对一个实验进行，因此妨碍了广泛使用。液体透镜是变焦透镜的另一种形式，不能在聚焦范围内保持光学分辨率，不是消色差的，并且不能有效地控制伴随的球差。

上一段说明了当前变焦透镜技术存在的一些挑战；如上所述，没有利用变焦透镜以在显微镜中实现光学变焦的现有技术。在用手操纵样品的同时，难以从大面积的低放大倍率切换到小面积的高放大倍率。例如，在离体的膜片钳技术期间，样品保持存活长达30分钟。科学家必须观察整个细胞，用玻璃电极的尖端移除细胞膜的一小部分，转动物镜转台使放大倍率加倍，并通过重新聚焦观察玻璃电极尖端上的离体的组织。本发明将允许科学家在低放大倍率和高放大倍率下观察整个细胞膜，同时保持他或她的双手自由(通过使用语音激活或脚踩按钮)。目前还没有容易与显微镜一起使用(或附接到显微镜)的快速光学聚焦或变焦的解决方案。本发明在聚焦范围内保持系统的分辨率，允许变速聚焦，并允许样品保持静止。

现有的许多专利对显微镜进行各种改进；然而，这些发明都没有包含本发明的结构特征或功能上的改进。尽管与本发明不直接相关，但是为了说明放大系统的改进的发展方向的目的而在此简要地引用了一些。这些发明的一小部分是以显微镜的附件的形式。例如，美国专利No.7864996(Hemmer等人，2011)公开了一种组织附着设备，其中，宏观成像仪和共焦成像仪分别以预定义的对准呈现给组织，使得共焦成像仪相对于组织表面的成像位置与宏观成像仪在空间上相关。在该发明中，转台旋转并在宏观和微观物镜之间切换，而在本发明中，通过改变固定的MEMS镜两端的电压来改变放大倍率。本发明没有平移或可移动的部件或驱动可移动部件的电机，与Hemmer和其他类似的显微镜相比，这构成了明显的结构差异。此外，与在两个单独的仪器之间切换以从宏观成像切换到微观(共焦)成像相反，本发明具有一个固定的单元，该固定的单元通过改变MEMS镜上的电压来改变放大倍率。

美国专利No.8425037(Uhlhorn等人，2013)和No.9492080(Uhlhorn等人，2016)提供了一种光学相干断层扫描(OCT)系统，该系统可以耦合到手术显微镜，以便在手术仪器处于视野范围内时，外科医生可以可视化如人类晶状体的眼部结构以及诸如角膜和/或玻璃体的其他眼部结构。与先前引用的发明一样，该特定发明没有试图解决与本发明相同的问题，在结构上与本发明不相似，并且不具有与本发明相同的应用。这些专利中描述的OCT和光谱仪均具有干涉仪。干涉仪具有重新组合并干涉的两条光路。本发明具有一条前进的光路和一条返回的光路。两条路径没有重新组合。与本发明不同，Ulhorn的发明不是在外加电压下工作的MEMS设备。而是，手术显微镜具有固定的焦距，并且用于在视觉上找到眼睛中的特定位置，在该位置点整个仪器都被锁定到位，并且成像是经由OCT完成的。OCT聚焦的改变是通过改变干涉仪的光程长度来完成的。

美国专利No.9256009(Theriault等人，2016)公开了一种显微镜，该显微镜结合了可调声梯度折射率(TAG)透镜，该透镜是一种类型的可变焦距透镜，靠近显微镜台和脉冲照明器，该脉冲照明器能够照亮显微镜台并与TAG透镜的工作频率同步脉动。该发明的目的之一是克服空间光调制器的慢切换速度。本发明主要涉及提高材料加工应用的吞吐量(throughput)。在Theriault的发明中，透镜被压电驱动；相反，本发明的MEMS镜是电子驱动的(仅通过电压)。Theriault的透镜由两个透明的窗口组成，并填充有折射材料(气体、固体、液体、等离子体等)。光透射穿过透镜，而没有像MEMS镜那样被反射。Theriault使用单个透镜来完成放大和聚焦，而本发明使用三个MEMS镜来执行这些功能。Theriault的单透镜的一个缺点是，它需要脉冲激光器或照相机以及用于聚焦的虹膜，而在本发明中这些是不必要的。

美国专利No.9602715(Gladnick，2017)公开了一种成像系统，该成像系统包括可变放大倍率透镜部分和可变焦距透镜(TAG透镜)部分。该特定发明旨在用于精密机器视觉检查或计量系统中。它在结构上或功能上与本发明不类似，但确实代表了放大技术的改进。Gladnick的发明使用可互换的透镜来改变放大倍率状态，类似于Hemmer(如上所述)。用于放大的可互换的透镜导致离散的放大倍率状态。另一方面，本发明的电控可变焦MEMS镜允许从一个(最小)放大倍率状态到另一个(最大)放大倍率状态的连续的放大倍率变化。根据Gladnick，他的透射TAG透镜在与两个放大倍率状态相对应的两个离散的恒定共振频率下工作。本发明的MEMS镜在从直流(DC)到1kHz的宽的且连续的频率范围内工作。对于所有的放大倍率和聚焦，本发明填充物镜的后孔径(back aperture)。Gladnick的发明没有填充物镜的后孔径，因为虹膜针对其设计的每个放大倍率状态改变物镜的后孔径的尺寸。

明显的是，以上发明均未在宽场、共焦和多光子显微镜中使用MEMS镜提供动态聚焦和变焦。除了本发明之外，没有这样的系统被配置为单个的便携式单元并且被设计为易于在实验室中的科学家使用。MEMS镜的优势包括以下事实：它们通常具有明显更大的聚焦范围和更高的带宽；它们对温度不敏感；并且对于荧光应用来说它们是消色差的。

在2014年发表的一篇文章¹中，其内容通过引用并入本文，本发明的发明人认为可变倍率/可变焦光学元件(以单个MEMS镜的形式)可以被合并到显微镜技术中，但是迄今尚未公开本文提供的动态聚焦和变焦系统的细节。具体来说，2014年的论文没有提出使用三个MEMS镜(如本文所述对准)来完成聚焦和变焦的独立调整。MEMS镜本身的基本结构在2014年的文章中进行了讨论。

发明内容

本发明是一种用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，包括：位于壳体内并安装在内部平台上的第一MEMS镜、第二MEMS镜和第三MEMS镜；直角棱镜；光中继器，其包括第一固定透镜和第二固定透镜；以及第三固定透镜；其中，第一MEMS镜、第二MEMS镜和第三MEMS镜为椭圆形；其中，直角棱镜、第一固定透镜、第二固定透镜和第一MEMS镜沿着光中继器的纵轴线性对准；其中第二MEMS镜、第三固定透镜和第三MEMS镜平行于光中继器的纵轴彼此线性对准；其中直角棱镜位于接近壳体中的第一入口的位置，并且相对于第一固定透镜成四十五度角；其中，第一MEMS镜相对于第二固定透镜成四十五度角；其中，第二MEMS镜位于接近第一MEMS镜的位置，相对于第一MEMS镜成九十度角，并且被配置为使得以四十五度角入射到第一MEMS镜的光束将以四十五度角入射到第二MEMS镜的中心；其中，第三固定透镜位于第二MEMS镜和第三MEMS镜之间；以及其中第三MEMS镜位于接近壳体中的第二入口的位置，并且与来自第二MEMS镜的光束成四十五度角，以及相对于第三固定透镜成四十五度角。

在替代实施例中，本发明是一种用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，包括：位于壳体内并安装在内部平台上的第一MEMS镜、第二MEMS镜和第三MEMS镜；直角平面镜；光中继器，其包括第一固定透镜和第二固定透镜；以及第三固定透镜；其中，第一MEMS镜、第二MEMS镜和第三MEMS镜为椭圆形；其中，直角平面镜、固定透镜、第二固定透镜和第一MEMS镜沿着光中继器的纵轴线性对准；其中第二MEMS镜、第三固定透镜和第三MEMS镜平行于光中继器的纵轴彼此线性对准；其中，直角平面镜位于接近壳体中的第一入口的位置，并且相对于第一固定透镜成四十五度角；其中，第一MEMS镜相对于第二固定透镜成四十五度角；其中，第二MEMS镜位于接近第一MEMS镜的位置，相对于第一MEMS镜成九十度角，并且被配置为使得以四十五度角入射到第一MEMS镜的光束将以四十五度角入射到第二MEMS镜的中心；其中，第三固定透镜位于第二MEMS镜和第三MEMS镜之间；以及其中第三MEMS镜位于接近壳体中的第二入口的位置，并且与来自第二MEMS镜的光束成四十五度角，以及相对于第三固定透镜成四十五度角。

在优选实施例中，第一和第二MEMS镜各自具有短轴直径，以及其中第二MEMS镜的短轴直径与第一MEMS镜的短轴直径相同。在另一个优选实施例中，第一和第三MEMS镜各自具有短轴直径，以及第三MEMS镜的短轴直径至少是第一MEMS镜的短轴直径的两倍。在又一个优选实施例中，第一MEMS镜具有短轴直径，该系统与具有后孔径直径的物镜结合使用，并且第一MEMS镜的短轴直径与物镜的后孔径直径相同。

第一固定透镜、第二固定透镜和第三固定透镜优选地是消色差的。直角棱镜优选地是介质反射棱镜。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的第一透视图。

图2是本发明的第一实施例的第二透视图。

图3是与图1所示相同的视图，除了壳体的顶盖被移除。

图4是与图3所示相同的视图，除了印刷电路板被移除。

图5是与图4所示相同的视图，除了垫片和安装板被移除。

图5A是与图5所示相同的视图，除了壳体的侧壁和通用串行总线(USB)被移除。

图5B是本发明的第一实施例的底部透视图。

图6是图5A所示实施例的俯视图。

图7是图1和图2所示的相同实施例的第三透视图。

图8是本发明的第二实施例的第一透视图，其中物镜直接附接到壳体。

图9是图9所示实施例的第二透视图，其中物镜转台直接附接到壳体。

图10是本发明的第一和第二实施例的光学布局的示意图。

图11是本发明的第一和第二实施例的光学系统的示意图。

图12是本发明的第三实施例的第一顶部透视图。

图13是本发明的第三实施例的底部透视图。

图14是与图12所示相同的视图，除了壳体的顶盖被移除。

图15是本发明的第三实施例的第二顶部透视图，除了壳体的顶盖、印刷电路板和USB被移除。

图16是与图15所示相同的视图，除了垫片和安装板被移除。

图17是与图16所示相同的视图，除了壳体的侧壁被移除。

图18是本发明的第三实施例的俯视图。

图19是本发明的第三实施例的光学布局的示意图。

图20是本发明的第三实施例的光学系统的示意图。

附图标记

1 壳体

2 (壳体的)顶盖

3 (壳体的)侧壁

4 (壳体的)底板

5 通气孔(在顶盖中)

6 第一USB

7 第一凹室

8 物镜

9 主窗口

10 第二凹室

11 延伸部(在壳体中)

12 第二USB

13 第三USB

14 印刷电路板

15 垫片

16 安装板

17 孔(在安装板中)

18 第一MEMS镜

19 第二MEMS镜

20 第三MEMS镜

21 内部平台

22 孔(在内部平台中)

23 第一棱镜

24 第二棱镜

25 第一固定透镜

26 第二固定透镜

27 狭槽

28 第一分束器

29 波片

30 第二分束器

31 第三固定透镜

32 第三分束器

33 第三棱镜

34 第一螺口连接器

35 第二螺口连接器

36 壳体(第三实施例)

37 顶盖

38 侧壁

39 底板

40 通气孔

41 USB

42 物镜

43 第一螺口连接器

44 螺钉

45 第二螺口连接器

46 狭槽

47 孔(在壳体的顶盖中)

48 印刷电路板

49 垫片

50 安装板

51 第一MEMS镜

52 第二MEMS镜

53 第一固定透镜

54 第二固定透镜

55 棱镜/镜

56 第三MEMS镜

57 第三固定透镜

58 第一入口

59 第二入口

60 基板/内部平台

61 孔(在安装板中)

具体实施方式

A.概述

本发明包括机械外壳或壳体，其容易地在无限共轭像平面处插入或附接到现有的宽场、共焦或多光子显微镜。本发明被专门设计为位于物镜转台和物镜之间，但是它也可以被放置在目镜附近并且功能等效。在壳体内，三个电子控制的可变焦透镜和一个固定透镜执行明显的散焦和变焦。通过实验，发明人确定一个MEMS镜允许聚焦但不能变焦，两个MEMS镜允许聚焦和变焦但彼此依赖(在不改变变焦/放大倍率特性的情况下不能改变聚焦，反之亦然)，以及三个镜允许独立的聚焦和变焦(也就是说，可以改变其中一个而不影响另一个)。此外，本发明允许改变显微镜的放大倍率而无需转动显微镜物镜转台来切换物镜，并且样品保持静止且不搅动。

随着本发明更改样品内的聚焦位置，物镜的后焦平面保持填充。因此，与其他可用的快速聚焦技术不同，系统的数值孔径或分辨率保持恒定。本发明独立于变焦来更改散焦。此外，本发明可以独立于聚焦而更改光学的(而不是不提高分辨率的数字的)放大倍率。

B.附图的详细说明

图1是本发明的第一实施例的第一透视图。如该图所示，本发明包括壳体，该壳体形成围绕本发明的其他组件的外壳。壳体具有顶盖2、侧壁3和底板(未示出)。顶盖2可以以任何方式附接、固定或连接至侧壁3或与侧壁3结合；尽管这里显示为通过螺钉附接到侧壁3，但是本发明不限于将顶盖2附接到侧壁3的这种特殊方式。在替代实施例中，顶盖2和侧壁3可以是整体模制(同一部件的一部分)或焊接在一起。壳体1可以由任何合适的、耐用的和刚性的材料(例如铝)制成。在优选实施例中，顶盖2包括用于散热的一个或多个通气孔5。

图1还示出了第一USB 6。在本发明中，三个MEMS镜(未示出)中的每一个都有一个USB。壳体1优选地被配置为形成第一凹室7和第二凹室10，该第一凹室7的尺寸和形状足以允许物镜8进入主窗口9的第一侧，以及该第二凹室10的尺寸和形状足以允许物镜转台或照相机/目镜(未示出)进入主窗口9的第二侧。壳体1的顶盖2和底板4(参见图5B)优选是平的，并且侧壁位于顶盖2和底板4之间，并且垂直于顶盖2和底板4中的每一个。两个凹室7、10形成壳体1的延伸部11，主窗口9位于延伸部11中。主窗口9在延伸部11的整个前端上延伸并环绕延伸部11的两侧，以允许物镜8和物镜转台(未示出)从窗口的相对侧进入主窗口9(以使得物镜和物镜转台彼此纵向对准)。

图2是本发明的第一实施例的第二透视图。该图示出了第二USB 12和第三USB 13，分别对应于第二MEMS镜和第三MEMS镜(未示出)。注意，所有三个USB 6、12、13延伸穿过壳体1的侧壁3中的切口。每个USB都位于接近壳体内部的MEMS镜的位置(参见图5)，并为三个MEMS镜中的一个提供驱动信号。印刷电路板14对应于三个MEMS镜中的每一个(参见图3)，并且每个印刷电路板的电源通过USB下方的壳体中的孔(例如，参见图7)提供。

图3是与图1所示相同的视图，除了壳体的顶盖被移除。该图示出了三个印刷电路板14，每个印刷电路板控制一个MEMS镜(参见图5)。在将来的实施例中，有可能用单个印刷电路板控制所有三个MEMS镜。

图4是与图3所示相同的视图，除了印刷电路板被移除。如该图所示，多个垫片15优选地位于在安装板16和印刷电路板14之间的一个或多个安装板16的顶部上。安装板16位于印刷电路板14的下方，并且垫片15的目的是确保印刷电路板14不与安装板16发生电接触。安装板16中的孔17允许电线从下面的USB 13穿过安装板16到达印刷电路板14。

图5是与图4所示相同的视图，除了垫片和安装板被移除。如该图所示，本发明包括三个MEMS镜18、19、20，它们均优选地是圆形的。(在图5中，部件标记18、19和20显示为小的正方形的印刷电路板，具有用胶带或环氧树脂粘附在其上的圆形镜。)本发明优选地包括内部平台21，该内部平台21允许各种光学组件被适当地对准。

图5A是与图5所示相同的视图，除了壳体的侧壁和USB被移除。注意，内部平台21中的一个或多个孔22允许本发明通过螺钉被固定至光学平台。如该图所示，第一棱镜23和与第一棱镜23相邻的第二棱镜24位于主窗口9的内部。尽管此处未示出，但是主窗口9可以被玻璃或类似的透明材料覆盖。光中继器位于第二棱镜24的正后方，该光中继器包括第一固定透镜25和第二固定透镜26。第一和第二固定透镜优选地可滑动地安装在壳体1的底板4中的狭槽27内并用固定螺钉(未示出)固定在适当的位置，以便可以调节它们之间的距离。

第一分束器28位于第二固定透镜26的正后方。第一分束器28的位置使得第二棱镜24、第一固定透镜25、第二固定透镜26和第一分束器28全部沿光中继器的纵轴线性对准。波片29位于第一分束器28与第一MEMS镜18之间。第一MEMS镜18和第二MEMS镜19相对于光中继器的纵轴成90度角彼此线性地对准。第二分束器30位于第二MEMS镜19的前面，并且波片29位于第二分束器30与第二MEMS镜19之间。第三MEMS镜20位于接近主窗口9的位置。第三固定透镜31位于第三MEMS镜20的正前方，以及波片29位于第三固定透镜31的正前方。本发明被设计得尽可能小，以便可以将其附接到现有的显微镜而没有很大的体积。在优选实施例中，第三固定透镜31(正固定焦距透镜)的增加使得可以将主要的光学元件的长度保持在四英寸以下。在替代实施例中，第三固定透镜31被定位于第一棱镜23和第三棱镜33之间。在另一替代实施例中，第三固定透镜31被定位于第二分束器30与第三分束器32之间。第三固定透镜31将根据其放置的位置而具有不同的焦距，但是可以使用下面列出的等式来计算该焦距。

参照图5A，第三分束器32位于波片29的正前方，该波片29位于第三固定透镜31的前面，并且第三棱镜33位于第三分束器32的正前方。第三MEMS镜20、第三固定透镜31、波片29、第三分束器32和第三棱镜33都与光中继器的纵轴成90度角彼此线性地对准。第三棱镜33抵靠光中继器(在两个固定透镜25、26之间)的中心部分，并且还与第一棱镜23线性对准，使得这两个棱镜的线性对准平行于光中继器的纵轴。第一分束器28、第二分束器30和第三分束器32都优选地是偏振分束器。在一个优选实施例中，第一MEMS镜18和第二MEMS镜19之间的距离小于第二MEMS镜19和第三MEMS镜20之间的距离。图6中也示出了这种配置。

图6是图5A所示实施例的俯视图。显微镜可以与透射照明和反射照明(其中光通过系统向前传播，然后通过系统反射回到照相机/目镜以用于观察)一起使用。利用本发明，照相机/目镜和物镜可以放置在几个不同的位置。在一个可能的配置中，照相机/目镜(或物镜转台)位于图6的位置“X”，而物镜(其提供用于透射的照明源)位于位置“Y”(也参见图1)。可替代地，照相机/目镜可以被放置在位置“Z”，物镜放置在位置“Y”；在这种配置中，第一棱镜23被移除。在又一配置中，照相机/目镜位于位置“X”，而物镜位于位置“Z”；在这种配置中，第二棱镜24被移除。在所有这些配置中，照相机/目镜可提供用于反射的照明源。为了后续段落的目的，我们将这三种配置分别称为“配置A”、“配置B”和“配置C”。

在配置A中，光从物镜8传播通过主窗口9并入射到第二棱镜24，第二棱镜24与入射光束成45度角。然后，光束被引导通过第一固定透镜25和第二固定透镜26并入射到第一分束器28。然后，光传播通过波片29并入射到第一MEMS镜18，在这里光被反射回来通过第一分束器28并入射到第二分束器30。然后，光束传播通过第二MEMS镜前面的波片29并入射到第二MEMS镜19，在这里光被反射回来通过波片29，并回到第二分束器30。然后将光束从第二分束器30垂直引导到第三分束器32。然后，光传播通过第三MEMS镜20前面的波片29，通过第三固定透镜31，并入射到第三MEMS镜20。光束然后被反射回来通过第三固定透镜31、波片29和第三分束器32，并入射到第三棱镜33，第三棱镜33将光束引导到第一棱镜23，通过主窗口9的侧边，其在位置“X”离开设备。棱镜23、24和33中的全部三个被配置为使得入射光束以四十五度角入射到棱镜并且相对于其入射方向成九十度角被重新定向。

当光线入射到MEMS镜18、19和20时，就有机会经由软件控制三个MEMS镜的散焦和球差来影响这三个点中的每一个处的放大倍率和/或聚焦。在优选实施例中，第一MEMS镜18以1：1的校正比直接映射到物镜的后焦平面。在优选的实施例中，第三MEMS镜20具有比其他两个MEMS镜18、19更大的光束直径，以实现更大的放大倍率。

在配置B中，光的路径与上述对于配置A的路径相同，除了移除了第一棱镜23，光在图6的位置“Z”处离开设备。在该配置中，照相机/目镜垂直于物镜8。在配置C中，照相机/目镜也垂直于物镜8，但是第二棱镜24被移除而不是第一棱镜23。光的路径与上述对于配置A的路径相同，除了光通过主窗口9的前面进入设备，并入射到光中继器的第一固定透镜25。

图7是图1和2所示的相同实施例的第三透视图。该图提供了主窗口9的更清晰视图，通过该主窗口9可以看到第一棱镜23和第二棱镜24以及第一固定透镜25。注意，第一棱镜23的直径大于第二棱镜24的直径，因为光束在到达第一棱镜23的时候直径变大。类似地，由于光束直径更大，MEMS镜20的直径大于其它两个MEMS镜18、19的直径。

图8是本发明第二实施例的第一透视图，其中物镜被直接附接到壳体，以及图9是图8所示实施例的第二透视图，其中物镜转台被直接附接到壳体。在该特定实施例中，该设备可以被直接附接到现有的显微镜。如图所示，物镜8经由与壳体1成一体的第一螺口连接器34在位置“Y”处(参见图6中的位置标记)拧入壳体。物镜转台(未示出)经由也与壳体1成一体的第二螺口连接器35在位置“X”处拧入壳体。主窗口9已经被去除(因为将物镜和物镜转台直接拧入了壳体)，以及延伸部11已被加长以容纳螺口连接器34、35，但是在所有其他方面，本发明如前所述。

以下讨论有关控制本发明的等式。图10是本发明的第一和第二实施例的光学布局的示意图。示出了一个固定透镜F(附图标记31)和三个变焦透镜v1、v2和v3(附图标记分别为20、19和18)。固定透镜F和变焦透镜v1可以组合起来，并记为G。变焦透镜v2和v3可以组合起来，并记为H。距离a表示固定焦距透镜F和变焦透镜v1之间的间隔。距离b定义了变焦透镜v1和变焦透镜v2之间的间隔。距离b和c为正数。如图所示，距离a可以是正数，其中它在变焦透镜v1的前面。距离a也可以为负数，并且在变焦透镜v1的后面。预计对于F最简单和最佳位置将是靠近v1。假定距离a和c足够小，以至于将该系统视为两透镜中继器。G和H的等效焦距，f_G和f_H分别为：

和

其中f_F、f_v1、f_v2和f_v3分别是透镜F、v1、v2和v3的焦距。假定该距离提供了无限共轭成像，或者b＝f_G+f_H，在第二凹室10处观察到的样品的放大倍率M为：

用于第一MEMS镜18(v3)的6mm直径以1：1的比例匹配大多数0.8NA物镜的后孔径的直径，并且用作本发明的孔径光阑。通过精细控制MEMS镜的形状，这允许轻松校正系统中的球差和其他像差。它还确保整个系统的孔径光阑是物镜的全孔径，以便在动态聚焦范围内保持分辨率。

6mm MEMS镜可以具有从60mm到无限大的焦距。在优选实施例中，第一MEMS镜18和第二MEMS镜19为f_v2＝f_v3＝60mm。由于分束器和波片的尺寸，它们之间的间距c至少为20mm。使用上述等式，f_H＝(60*60)/(60+60-20)＝36mm。对于放大倍率2，M＝f_G/36＝2或者f_G＝72mm。对于2倍的放大倍率，第三MEMS镜20的直径必须是MEMS镜18、19的两倍；因此，其直径为12mm。MEMS镜20具有200mm至无限大的焦距范围。在一个优选实施例中，选择值f_v1＝600mm，以在2倍放大倍率的情况下减小固定透镜F的光焦度(optical power)，以使引入的像差最小。通常，固定透镜具有的光焦度越大，则其引入系统的像差就越大。焦距f_v1的600mm的值还允许通过进一步减小f_G来减小系统的放大倍率。为了选择第三固定透镜31，假定f_G＝72mm，并且固定焦距透镜31和v1之间的间距a至少为5mm；解得f_G＝72mm＝f_F*600/(fF+600-5)，f_G＝82。在优选实施例中，f_G和f_H之间的距离小于100mm，以保持单元的整体尺寸相对较小。

图11中所示的光学系统包括一个12mm(v1)和两个6mm(v2和v3)的MEMS镜；参考上面的附图讨论，较大的MEMS镜是第三MEMS镜20，以及两个较小的MEMS镜是第一MEMS镜18和第二MEMS镜19。两个中继透镜(第一固定透镜25和第二固定透镜26)将MEMS镜18(v3)以1：1的比例成像到物镜的后焦平面上，这允许容易地校正球差。(后焦平面通常位于物镜内，而光中继器允许在其中精确放置共轭像平面。)两个固定透镜沿该中继器的位置(即它们之间的距离)取决于与该设备接口的显微镜和两个中继透镜的焦度(power)。

本文所述的系统是在Zemax，LLC的

的光学测试平台中建模的。表1示出了在0.8NA的水性样品中，连续207微米范围内的一些聚焦位置。该表还显示了在连续的1-2倍范围内可能的一些放大倍率。

表1

本发明不仅能够对少量的散焦进行精细控制，而且在0.8数值孔径下提供大于200μm的聚焦范围，或者在0.2NA下提供大于800μm的聚焦范围。

当前，现有的MEMS镜需要大约100-150伏才能电子激活。MEMS镜可以由台式高压电源驱动。在优选的实施例中，高压升压转换器用于从USB电源驱动MEMS镜。

本发明是对现有技术的巨大改进，因为它允许外行人用宽场、共焦或多光子显微镜来执行快速聚焦和变焦，而无需移动样品台或物镜。本发明的优点包括但不限于：(a)样品保持静止，而聚焦和变焦全部在仪器内光学地完成；(b)没有大质量的平移，因此使系统振动最小化；(c)聚焦和变焦可以独立地控制；(d)以小体形实现相对大的(与现有技术相比)聚焦和变焦；(e)物镜的后孔径在整个聚焦和变焦范围内保持填充，从而保持高分辨率成像；(f)启用可变和连续的聚焦速度；以及(g)MEMS镜可以以大于1kHz的速度操作以进行聚焦，并提供精细的连续的聚焦控制。

本发明的未来实施例可以包括对聚焦和/或变焦的语音激活控制、用于控制变焦以使用户可以保持他的或她的双手自由的脚踩按钮、用于通过MEMS镜上的同心环控制低阶和高阶球差的软件、用于通过具有精密非对称形状控制的可变透镜来控制其他像差的软件、以及用于延时实验期间的自动聚焦的软件。

图12至图20描绘了本发明的第三实施例，其比第一和第二实施例更紧凑。图12是本发明的第三实施例的第一顶部透视图。与前两个实施例一样，该实施例包括具有顶盖37、侧壁38和底板39的壳体36。顶盖37优选地包括一个或多个通气孔40。在该实施例中，单个USB 41延伸穿过顶盖并为MEMS镜提供驱动信号。物镜42经由优选地与壳体36成一体的第一螺口连接器43附接到壳体36的第一侧壁38；该附接点在本文中被称为第一入口58。壳体顶部中的孔47允许电源电缆连接到印刷电路板48。壳体中的其他孔用于组装目的。

图13是本发明的第三实施例的底部透视图。如该图所示，该装置可以用螺钉44固定到光学平台上。物镜转台(未示出)经由优选地与壳体36成一体的第二螺口连接器45附接到壳体36的第二侧壁38。该附接点在本文中被称为第二入口59。还示出了结合图16进一步讨论的狭槽46。

图14是与图12所示相同的视图，除了壳体的顶盖被移除。如该图所示，USB 41连接到壳体36内的印刷电路板48。在优选实施例中，印刷电路板48控制所有三个MEMS镜51、52、56。为了清楚起见，在随后的图中省略了物镜42和螺口连接器43、45。注意，为了与来自各种不同的制造商的设备集成，可以使用各种螺口连接器将物镜42或物镜转台(未示出)连接到壳体36。

图15是示出了印刷电路板和USB被移除的第三实施例的第二顶部透视图。如该图所示，多个垫片49位于印刷电路板48和安装板50之间。安装板50中的孔61允许来自印刷电路板48的电线连接至MEMS镜51、52、56。图16是与图15所示相同的视图，除了垫片和安装板被移除。MEMS镜51、52、56，棱镜/镜55以及第三固定透镜57均安装在用作内部平台的基板60上。棱镜/镜55可以是直角平面镜或直角棱镜。注意，狭槽46也形成在基板/内部平台60中。图17是与图16所示相同的视图，除了壳体的侧壁被移除。

图18是本发明的第三实施例的俯视图。如该图所示，该实施例包括第一MEMS镜51和第二MEMS镜52。这些MEMS镜中的每一个优选地是椭圆形的，其消除了对于分束器和四分之一波片适当地引导光的需要。这些组件的消除不仅减少了光损耗，而且允许更紧凑的设计。椭圆MEMS镜的使用还去除了在以一定角度使用圆形MEMS镜时会发生的像散像差系统，从而提供更高的光学质量。在本发明人的博士论文中解释了由圆形MEMS镜引起的像散以及用椭圆MEMS镜来克服这种像散所使用的轴比，其内容通过引用并入本文²。

如上所述，本发明的第三实施例还包括在壳体的底板中的狭槽46。如在前面的实施例中一样，第一固定透镜53和第二固定透镜54形成光中继器，并且可滑动地安装在狭槽46内，并用固定螺钉(未示出)固定在适当的位置，使得它们之间的距离可以被调节。最靠近物镜42的狭槽的端部在本文中被称为狭槽的“近”端，以及最远离物镜的狭槽的端部在本文中被称为狭槽的“远”端。第一MEMS镜51在狭槽46远端处与第一透镜53和第二透镜54纵向对准，使得通过第一透镜53和第二透镜54的光束将入射到第一MEMS镜51的中心。棱镜/镜55、第一固定透镜53、第二固定透镜54和第一MEMS镜51的中心点在同一水平面上。

第一MEMS镜51相对于第二透镜54成四十五(45)度角，使得通过第一透镜52和第二透镜53的光束将以四十五(45)度角入射到第一MEMS镜51。第二MEMS镜52优选地具有与第一MEMS镜51相同的尺寸和形状。第二MEMS镜52位于接近第一MEMS镜51的位置，相对于第一MEMS镜51成九十(90)度角，并且被配置为使得以四十五(45)度角入射到第一MEMS镜51的光束将以四十五(45)度角入射到第二MEMS镜52的中心。然后，该相同的光束由第二MEMS镜52沿平行于狭槽46(狭槽位于沿着由第一透镜53和第二透镜54形成的光中继器的纵轴)的轨迹被引导。在优选实施例中，第一固定透镜53和第二固定透镜54是消色差的，其具有6.25mm的直径以及50.0mm的焦距。

在优选的实施例中，棱镜/镜55是6.25mm的介质反射棱镜。在优选实施例中，第一MEMS镜51和第二MEMS镜52各自都是5mm(短轴)乘以7.07mm(长轴)直径的椭圆镜，并且第一MEMS镜51的短轴与物镜42的后孔径具有相同的直径。在优选实施例中，第三MEMS镜56是10mm(短轴)乘以14.14(长轴)直径的椭圆镜。

在第一配置(仅光路透射)中，来自物镜42的光线首先入射到位于壳体36的第一入口58内部的反射棱镜或镜55。该棱镜/镜55与第一透镜53和第二透镜54以及第一MEMS镜51对准，使得它们均位于同一纵轴(即光中继器的纵轴)上，棱镜/镜55位于接近狭槽46的近端的位置。注意，棱镜/镜55相对于来自物镜的光束成四十五(45)度角；因此，它也相对于横向地定向在狭槽46上的第一透镜53和第二透镜54成四十五(45)度角。以这种方式，光线由棱镜/镜55引导通过第一透镜53和第二透镜54，到达第一MEMS镜51，到达第二MEMS镜52，然后平行于狭槽46(或光中继器的纵轴)，直到入射到第三MEMS镜56，第三MEMS镜56位于邻近棱镜/镜55(优选地邻接棱镜/镜55)的位置。第二MEMS镜52、第三固定透镜57和第三MEMS镜56的中心点在同一水平面上。

第三MEMS镜56与来自第二MEMS镜52的光束成四十五(45)度角，从而将光引导通过第二入口59。在入射到第三MEMS镜56之前，光束通过第三固定透镜57，其目的是缩短光路长度并减小本发明的整体尺寸。第三固定透镜57位于第二MEMS镜52和第三MEMS镜56之间。在优选实施例中，第三固定透镜57是消色差的，具有10mm的直径，以及150mm的焦距。尽管在该图中第三固定透镜57示为位置可调节的，但是在最终产品中其可以移动或可以不移动。

在替代配置(光路反射)中，光通过第二入口59进入本发明，入射到第三MEMS镜56，并沿着平行于狭槽46的轨迹(或光中继器的纵轴)被引导到第二MEMS镜52(在通过第三固定透镜57之后)。以四十五(45)度角入射到第二MEMS镜52，该光以九十(90)度角被重新定向到达第一MEMS镜51。一旦光入射到第一MEMS镜51，它就会再次以九十(90)度角被重新定向，并通过第二透镜54，以及然后通过第一透镜53。接下来，光束入射到棱镜/镜55，在这里其以九十(90)度角被重新定向，并通过外壳中的第一入口58，通过物镜并到达样品，在这里其被反射回来通过物镜，到达棱镜/镜等。光回描(retrace)其初始路径，并通过壳体中的第二入口59被引导出来，在该配置中，该第二入口59是与光在入射到第三MEMS镜56之前通过其进入本发明的同一入口。

在优选实施例中，对于2倍放大倍率的改变，第三MEMS镜56比第一MEMS镜51至少大2倍。对于1.5倍放大倍率的改变，第三MEMS镜56必须比第一MEMS镜51至少大1.5倍。对于3倍放大倍率的改变，第三MEMS镜56必须比第一MEMS镜51至少大3倍。

图19是本发明第三实施例的光学布局的示意图。示出了一个固定透镜F(附图标记57)和三个变焦透镜v1、v2和v3(附图标记分别为56、52和51)。固定透镜F和变焦透镜v1可以组合起来，并记为G。变焦透镜v2和v3可以组合起来，并记为H。距离a表示固定焦距透镜F和变焦透镜v1之间的间隔。距离b定义了固定焦距透镜F和变焦透镜v2之间的间隔。距离b和c为正数。如图所示，距离a可以是正数，其中固定焦距透镜在变焦透镜v1的后面。距离a也可以为负数，并且在变焦透镜v1的前面。预计对于F最简单和最佳位置将是靠近v1。假定距离a和c足够小，以至于将该系统视为两透镜中继器。G和H的等效焦距，f_G和f_H分别为：

和

其中f_F、f_v1、f_v2和f_v3分别是透镜F、v1、v2和v3的焦距。假定该距离提供了无限共轭成像，或者b＝f_G+f_H，在第二入口59处观察到的样品的放大倍率M为：

在优选实施例中，用于第一MEMS镜51(v3)的5mm直径以1：1的比例匹配高NA空气物镜的后孔径的直径，并且用作本发明的孔径光阑。通过精细控制MEMS镜的形状，这允许轻松校正系统中的球差和其他像差。它还确保整个系统的孔径光阑是物镜的全孔径，以便在动态聚焦范围内保持分辨率。

5mm MEMS镜可以具有从60mm到无限大的焦距。在优选实施例中，距离b被限制为190mm，以使本发明保持较小，以便于在台式显微镜中的物镜转台和物镜之间插入和使用。距离a和c分别为10和9.015。它们是基于由于系统中其他光学组件和组装考虑所引起的物理限制。对于放大倍率2，具有关系M＝2＝f_G/f_H以及在无限共轭成像的情况下，具有关系b＝f_G+f_H，f_H＝64.83mm，f_G＝129.67mm，f_v2＝93.5mm，以及f_v3＝191mm。对于2倍的放大倍率，第三MEMS镜56的直径(短轴)必须最小是第一MEMS镜51的两倍；因此，其直径为10mm。MEMS镜56具有200mm至无限大的焦距范围。在优选实施例中，选择值f_v1＝893mm，以在2倍放大倍率的情况下减小固定透镜F的光焦度，以使引入的像差最小。通常，固定透镜具有的光焦度越大，则其引入系统的像差就越大。为了选择第三固定透镜57，假定f_G＝129.67mm，并且固定焦距透镜57和v1之间的间距a为10mm；解得f_G＝129.67mm＝f_F*893/(fF+893-10)，f_F＝150mm。

图20是本发明的第三实施例的光学系统的示意图。图20所示的光学系统包括一个10mm(v1)和两个5mm(v2和v3)的MEMS镜；参考上面的附图讨论，较大的MEMS镜是第三MEMS镜56，以及两个较小的MEMS镜是第一MEMS镜51和第二MEMS镜52。两个中继透镜(第一固定透镜53和第二固定透镜54，在该图中未示出)将MEMS镜56(v3)以1：1的比例成像到物镜的后焦平面上，这允许容易地校正球差。(后焦平面通常位于物镜内，而光中继器允许在其中精确放置共轭像平面。)两个中继透镜沿该中继器的位置(即它们之间的距离)取决于与该设备接口的显微镜物镜，以及每个中继透镜的焦距。在图20中，f_F是第三固定透镜57。

本文所述的系统是在Zemax，LLC的

光学测试平台中建模的。表2示出了在没有附接物镜的情况下，在空气中，在从-1367.8mm至109.1mm的连续范围内，在1倍放大倍率下，本发明的一些焦距。还示出了在没有附接物镜的情况下，在空气中，在从-194.8mm到98.5mm的连续范围内，在2倍放大倍率下，本发明的一些焦距。无限共轭，成品的物镜经过非常精确的设计，以最小化入射光线在无限共轭下的像差。本发明通过具有负到正的范围来保持其自身的焦距以无限共轭为中心来最小化不需要的像差。最后，该表示出了本发明保持200nm的焦距，同时在1倍-2倍的连续范围内改变放大倍率的能力。如果本发明与20倍物镜一起使用，则成像的样品的放大倍率将在20倍至40倍的范围内。

表2

尽管已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在更广泛方面不脱离本发明的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这种改变和修改。

参考文献

1.Lukes,S.J.,and Dickensheets,D.L.,SPIE BiOS,International Societyfor Optics and Photonics,2014,pp.89490W-89411.

2.Lukes,S.J.,Imaging performance of elliptical-boundary varifocalmirrors in active optical systems,Ph.D.Dissertation,Montana State University,2015,p.52,Figs.30and 31.

Claims

1.一种用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，包括：

(a)位于壳体内并安装在内部平台上的第一MEMS镜、第二MEMS镜和第三MEMS镜；

(b)直角棱镜；

(c)光中继器，其包括第一固定透镜和第二固定透镜；以及

(d)第三固定透镜；

其中，所述第一MEMS镜、所述第二MEMS镜和所述第三MEMS镜为椭圆形；

其中，所述直角棱镜、所述第一固定透镜、所述第二固定透镜和所述第一MEMS镜沿着所述光中继器的纵轴线性对准；

其中所述第二MEMS镜、所述第三固定透镜和所述第三MEMS镜平行于所述光中继器的所述纵轴彼此线性对准；

其中所述直角棱镜位于接近所述壳体中的第一入口的位置，并且相对于所述第一固定透镜成四十五度角；

其中，所述第一MEMS镜相对于所述第二固定透镜成四十五度角；

其中，所述第二MEMS镜位于接近所述第一MEMS镜的位置，相对于所述第一MEMS镜成九十度角，并且被配置为使得以四十五度角入射到所述第一MEMS镜的光束将以四十五度角入射到所述第二MEMS镜的中心；

其中，所述第三固定透镜位于所述第二MEMS镜和所述第三MEMS镜之间；以及

其中所述第三MEMS镜位于接近所述壳体中的第二入口的位置，并且与来自所述第二MEMS镜的光束成四十五度角，以及相对于所述第三固定透镜成四十五度角。

2.一种用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，包括：

(b)直角平面镜；

(c)光中继器，其包括第一固定透镜和第二固定透镜；以及

(d)第三固定透镜；

其中，所述直角平面镜、固定透镜、所述第二固定透镜和所述第一MEMS镜沿着所述光中继器的纵轴线性对准；

其中，所述直角平面镜位于接近所述壳体中的第一入口的位置，并且相对于所述第一固定透镜成四十五度角；

3.根据权利要求1或2所述的用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，其中，所述第一MEMS镜和所述第二MEMS镜各自具有短轴直径，以及其中所述第二MEMS镜的短轴直径与所述第一MEMS镜的短轴直径相同。

4.根据权利要求1或2所述的用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，其中，所述第一MEMS镜和所述第三MEMS镜各自具有短轴直径，以及所述第三MEMS镜的短轴直径至少是所述第一MEMS镜的短轴直径的两倍。

5.根据权利要求1或2所述的用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，其中，所述第一MEMS镜具有短轴直径，所述系统与具有后孔径直径的物镜结合使用，并且所述第一MEMS镜的短轴直径与所述物镜的后孔径直径相同。

6.根据权利要求1或2所述的用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，其中，所述第一固定透镜、所述第二固定透镜和所述第三固定透镜是消色差的。

7.根据权利要求1所述的用于宽场、共焦和多光子显微镜的动态聚焦和变焦系统，其中，所述直角棱镜是介质反射棱镜。