CN113985594A - 用于生成样品概览图像的显微镜和方法 - Google Patents

Abstract

一种显微镜(100)包括：光学系统(102)，其包括被设计用于具有预定折射率的浸没介质(102)的浸没物镜(106)；孔径光阑(118)；以及处理器(116)，其配置成设定无浸没成像模式，其中所述光学系统(102)在没有所述浸没介质(102)的情况下操作，其中所述处理器(116)进一步配置成在所述无浸没成像模式下控制所述孔径光阑(118)，以将所述浸没物镜(106)的数值孔径设定为低于所述数值孔径的标称值的减小值，当使用所述浸没介质(108)操作所述光学系统(102)而不借助所述孔径光阑(118)减小所述数值孔径时，所述数值孔径等于所述标称值，并且其中，所述处理器(116)进一步配置成在所述无浸没成像模式下根据所述数值孔径的所述减小值控制所述光学系统(102)以生成代表样品(104)的概览图像的至少一个图像。

Description

用于生成样品概览图像的显微镜和方法

技术领域

本发明涉及一种显微镜和一种使用显微镜生成样品的概览图像的方法。

背景技术

在自动显微镜中，需要为取向目的快速生成样品的概览图像，并需要具有高分辨率(即具有大数值孔径(NA))的有效显微镜成像。在生物显微镜中，尤其是在生命细胞显微镜中，要成像的样品处于水环境中，因此要使用与折射率相适应的浸没物镜来实现具有良好球面校正的高数值孔径。

在传统方法中，保持样品的显微镜载物台相对于物镜的光轴在横向方向上移动，以创建多个图像，这些图像组合成马赛克状的概览图像。如果使用浸没物镜来创建概览图像，则必须防止浸没物镜的前透镜和样品载体之间的浸没介质形成的膜因样品载体和浸没物镜的前透镜的相对运动引起的拖曳力而破裂。尤其是在浸没物镜的前透镜与样品之间的工作距离大的情况下，浸没物镜的前透镜与样品之间的相对运动速度受到限制。因此，成像速度相应地受到限制。

为了避免以上关于浸没膜破裂的问题，可以设想利用所谓的干物镜来生成概览图像，这样的干物镜适于在没有任何浸没介质的情况下操作。然而，干物镜的折射率不适合以高数值孔径在液体环境中对样品进行成像，因此必须用浸没物镜代替干物镜，并且必须在可以进行高分辨率成像之前应用浸没介质。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种允许以高速和良好的图像质量生成样品的概览图像的显微镜和方法。

上述目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求和以下描述中定义了有利的实施例。

显微镜包括：光学系统，其包括被设计用于具有预定折射率的浸没介质的浸没物镜；孔径光阑；以及处理器，其配置成设定无浸没成像模式，其中所述光学系统在没有所述浸没介质的情况下操作。所述处理器进一步配置成在所述无浸没成像模式下控制所述孔径光阑，以将所述浸没物镜的数值孔径设定为低于所述数值孔径的标称值的减小值，当使用所述浸没介质操作所述光学系统而不借助所述孔径光阑减小所述数值孔径时，所述数值孔径等于所述标称值。所述处理器进一步配置成在所述无浸没成像模式下根据所述数值孔径的所述减小值控制所述光学系统以生成代表样品的概览图像的至少一个图像。

如本文所公开的浸没物镜是配置成并适于与具有预定折射率的浸没介质一起操作的物镜。因此，浸没物镜的透镜设计针对像差(特别是球面像差)进行校正，同时考虑到与物镜一起使用的浸没介质的特定折射率和色散。

显微镜配置成使用浸没物镜来生成概览图像，就好像该浸没物镜是干物镜，即在没有任何浸没介质的情况下操作的物镜。为了仍然能够产生高质量的概览图像，提供了孔径光阑,并且在无浸没成像模式下操作时，孔径光阑被控制成减小浸没物镜的数值孔径。降低浸没物镜的数值孔径可以显著减少像差(尤其是球面像差)，否则会由于没有浸没介质而发生像差，请记住，物镜的透镜设计被优化以与特定浸没介质一起使用。因此，高质量的概览成像是可能的。

此外，由于显微镜配置成在没有任何浸没介质的情况下进行操作，因此无需限制用于浸没物镜和样品相对于彼此在横向方向上移动以生成概览图像的速度，因为不会发生浸没膜的破裂。因此，快速概览成像是可能的。

在优选实施例中，所述孔径光阑具有可变的开度，并且所述处理器配置成通过从最大开度减小所述孔径光阑的所述开度来减小所述浸没物镜的所述数值孔径，当使用所述浸没介质操作所述光学系统并且所述孔径光阑设定为所述最大开度时，所述数值孔径等于所述标称值。在无浸没成像模式下改变孔径光阑的开度允许以灵活的方式减少由于没有浸没介质而产生的像差。

孔径光阑的任务不仅是在无浸没成像模式下减少渐晕，从而使图像强度均匀。此外，孔径光阑在无浸没成像模式下从图像形成中排除了高孔径光线，这些光线受到像散和彗差之类的场相关像差的严重影响以及受到由于在无浸没成像模式下使用浸没物镜时发生的折射率不匹配而导致的球面像差之类的对称像差的严重影响。因此，适当尺寸的孔径光阑不仅可以减少渐晕，还可以减少成像射线束的波前误差，提高图像质量和分辨率。

优选地，所述光学系统包括多个透镜元件，这些透镜元件配置成与所述浸没物镜相互作用，用于选择性地在根据所述数值孔径的所述标称值的第一操作模式下和根据所述数值孔径的所述减小值的第二操作模式下对所述样品进行光学成像，所述第二操作模式代表所述无浸没成像模式。所述光学系统包括与所述第一操作模式相关联的第一光学子系统，所述第一光学子系统配置成以第一视场形成所述样品的第一图像。所述光学系统包括与所述第二操作模式相关联的第二光学子系统，所述第二光学子系统配置成以第二视场形成所述样品的至少一个第二图像，所述至少一个第二图像代表所述概览图像，所述第二视场大于所述第一视场。所述第二光学子系统包括可插入到从所述浸没物镜延伸的光学路径中以用于选择所述第二操作模式的光学模块，所述光学模块包括具有正折射力的透镜元件，该透镜元件当插入到所述光学路径中时通过比所述光学系统的其他透镜元件更靠近所述浸没物镜的出射光瞳而使所述第二视场大于所述第一视场。

根据该实施例，提供了用于根据两个视场(即两个不同的放大率)对样品进行成像的两种不同的操作状态。具体地，第一操作模式可以用于提供在实际图像采集之前已经发现的受关注区域(ROI)的高放大率特写图像。为了找到该ROI，可以使用代表无浸没成像模式的第二操作模式，提供其中包括ROI的低放大率概览图像。因此，显微镜使用户能够更容易地找到要成像的对象。特别是，用户不会被迫改变物镜，从而提高了概览图像和ROI的高放大率图像之间的相关性。

在偏离其中光学系统聚焦到平行于显微镜载物台表面的平面上的通常成像配置的配置中，避免物镜变化是特别有利的。例如，该显微镜可以有利地用于光片显微镜(例如，倾斜平面显微镜(OPM))，其中光学系统聚焦到相对于显微镜载物台的表面倾斜的物平面上，因为照明和检测需要彼此正交。

此外，显微镜特别适用于对包括多个这样的腔的孔板的整个微量滴定腔进行成像。因此，在第一步骤中，通过应用第二操作模式(即，基于较低放大率进行图像采集的无浸没成像模式)，可以将特定腔作为整体成像。随后，在第二步骤中，可以通过应用基于更高放大率的第一操作模式来详细检查由此发现的空腔。

通过将光学模块选择性地插入光学路径中来实现第一和第二操作模式之间的切换，所述光学模块是与第二操作模式相关联的第二光学子系统的一部分。换言之，当光学模块插入到光学路径中时，选择第二操作模式。相反，当光学模块从光学路径缩回时，选择第一操作模式。因此，通过控制光学模块，用户可以很容易地在两种模式之间切换。

为了在第二操作模式下产生要成像的大物场，光学模块包括具有正折射力的透镜元件。当光学模块插入光学路径中时，该正透镜元件比光学系统的其他透镜元件更靠近浸没物镜的出射光瞳。将光学模块的正透镜元件靠近浸没物镜的出射光瞳布置，保证了正透镜元件将检测光收集在检测光的视场角适中(即不会太大)的位置。因此，可以限制光学元件的尺寸，从而使光学系统紧凑。具体而言，不需要提供具有过高数值孔径和特别长焦距的非常昂贵的浸没物镜来实现大物场。相比之下，显微镜允许使用具有合理高数值孔径并针对无限光管长度进行校正的浸没物镜，其中该物镜可以具有适中的焦距，这在紧凑性和成本方面是有利的。

成像装置可以包括用于将光学模块插入到光学路径中并将其从光学路径去除的合适机构。例如，可以提供机动致动器用于使模块枢转。

根据优选实施例，孔径光阑包括在第二光学子系统中。因此，当切换到第二光学子系统时，孔径光阑开始起作用，以在无浸没成像模式下降低浸没物镜的数值孔径。例如，可以提供机动致动器用于使模块枢转。

优选地，光学模块还包括光偏转器，该光偏转器配置成当插入到所述光学路径中时从所述光学路径分支出光学侧路径，所述第二图像形成在所述光学侧路径中。上述光学侧路径可以在无浸没成像模式下用作用于创建概览图像的单独光学路径，该概览图像使用户能够找到不同的对象(例如，孔板的特定微量滴定腔)或较大物体的特定受关注区域。相反，在第一操作模式下有效的光学路径可以用于创建在第一操作模式中确定的对象的特写图像。

第二光学子系统可以包括开普勒望远镜系统，该开普勒望远镜系统具有第一、最物侧透镜元件，该透镜元件由包括在所述光学模块中的具有正折射力的所述透镜元件形成。因此，通过将光学模块切换到光学路径中，创建了望远镜系统，该望远镜系统可用于在无浸没成像模式下形成概览图像。特别地，当将光学模块切换到光学路径中时，第一光子系统保持不变。由于第一光学子系统以更高的放大倍率操作以实现高质量成像，因此它对任何调整都比第二光学子系统更敏感。因此，在操作状态之间切换时保持第一光学子系统基本不变是有利的。相应地，显微镜使用第二光学子系统的可移动光学模块进行切换。

优选地，所述开普勒望远镜系统配置成形成所述出射光瞳的图像。通过使用作为具有真实中间光瞳的远焦光学系统的这种望远镜，提供了用于将附加光学部件集成到显微镜中的多种选择。例如，可以集成用于实施落射荧光照明的部件。此外，可以集成用于实施对比方法的相位滤波器。

所述孔径光阑可以位于所述出射光瞳的所述图像的位置处，所述图像形成为实像。

在优选实施例中，所述的显微镜进一步包括分配器，所述分配器配置成将所述浸没介质供应到所述浸没物镜并且从所述浸没物镜去除所述浸没介质。

所述的显微镜可以进一步包括焦点调整装置，其由所述处理器控制以重新聚焦所述光学系统，用于补偿在所述无浸没成像模式下对所述样品成像引起的所述光学系统的前焦距的位移。

例如，所述浸没物镜的自由工作距离可以在300μm到4000μm的范围内。

根据另一方面，提供了一种使用具有光学系统的显微镜生成样品的概览图像的方法，该光学系统包括为预定折射率的浸没介质设计的浸没物镜。该方法包括以下步骤：设定无浸没成像模式，其中所述显微镜的所述光学系统在没有所述浸没介质的情况下操作；控制所述显微镜的孔径光阑以将所述浸没物镜的数值孔径设定为低于标称值的减小值，所述数值孔径等于当所述显微镜使用所述浸没介质操作而不借助所述孔径光阑减小所述数值孔径时的标称值；以及在所述无浸没成像模式下，根据所述数值孔径的所述减小值控制所述显微镜的所述光学系统以生成代表所述样品的所述概览图像的至少一个图像。

设定所述无浸没成像模式的步骤可以包括借助浸没分配器去除位于所述样品和所述浸没物镜之间的所述浸没介质的步骤。

在优选实施例中，以所述无浸没成像模式控制所述光学系统以生成所述概览图像的步骤包括多个步骤，其中所述样品和所述浸没物镜在横向于所述浸没物镜的光轴的方向上相对于彼此连续地移位，其中在每个步骤中生成图像并且所述概览图像由在所述多个步骤中生成的多个图像组成。

在优选实施例中，所述样品和所述浸没物镜在横向于所述浸没物镜的所述光轴的所述方向上相对于彼此移位的速率超过所述浸没介质由于与所述浸没物镜一起使用时产生的拖曳力而破裂的临界速率。

优选地，在所述无浸没成像模式下控制所述显微镜以生成所述概览图像的步骤包括以下步骤：将由所述浸没物镜成像的视场增大至比根据所述数值孔径的所述标称值成像的视场的标称尺寸大的尺寸。

在该方法的优选实施例中，在生成所述概览图像的步骤之后执行以下步骤：将所述浸没介质供应到所述浸没物镜；控制所述孔径光阑以将所述浸没物镜的所述数值孔径增加到所述标称值；以及控制所述光学系统以根据所述数值孔径的所述标称值生成所述样品的特写图像。这里，上述控制孔径光阑以将数值孔径增加到标称值的步骤应被广泛理解，例如，涵盖其中光学系统切换到孔径光阑无效的操作模式的实施例(例如通过分支到不同的光学路径)。

附图说明

下文中参照图示描述具体实施例，在图示中：

图1是示出根据一个实施例的显微镜的示意图；

图2是示出显微镜的浸没物镜与浸没介质一起操作以生成样品的高分辨率图像时的示意图；

图3是示出显微镜的浸没物镜在没有浸没介质的情况下操作以生成概览图像时的示意图；和

图4是示出根据一个实施例的用于操作显微镜的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了显微镜100，其包括光学系统102，该光学系统102配置成形成样品104的光学图像。应当注意，图1仅用于示出显微镜100的那些可以帮助理解显微镜100的操作原理的特征。不用说，显微镜100可以包括图1中未示出的附加部件。

光学系统102包括面向样品104的浸没物镜106，样品104定位在图1中未示出的样品载体上。浸没物镜106适于与具有预定折射率的浸没介质108一起操作。因此，考虑到浸没介质108的折射率和色散，浸没物镜106被专门针对球面像差和色差进行校正。

根据图1中所示的具体实施例，显微镜100可以包括分配器110，该分配器配置成将浸没介质108供应到浸没物镜106的前透镜和样品104之间的空间中以及从该空间去除浸没介质108。

浸没物镜106用于收集来自样品104的检测光并将检测光聚焦到光学路径112中。特别地，浸没物镜106从位于与浸没物镜106的物侧焦平面重合的物平面中的视场114捕获检测光。因此，浸没物镜106形成视场114的光学图像。浸没物镜106可以是通常用于照明和检测的透镜。因此，显微镜100可以包括图1中未示出的附加光学部件，这些部件配置成向浸没物镜106馈送用于照亮样品104的光。替代地或附加地，显微镜100可以包括用于照亮样品104的单独的光学装置。

显微镜100还包括处理器116，该处理器可以配置成控制显微镜100的整体操作。特别地，处理器116可以配置成选择性地设定至少两种操作模式中的一种，用于以对应于不同尺寸的视场的不同放大率对样品104进行成像。显微镜100的第一操作模式代表第一成像模式，其中操作光学系统102以生成具有对应于第一视场的第一放大率的高分辨率图像。显微镜100的第二操作模式代表第二成像模式，其中操作光学系统102以生成具有对应于第二视场的第二放大率的概览图像，所述第二放大率低于第一放大率。因此，概览图像所代表的第二视场大于高分辨率图像所代表的第一视场。

在前述第一成像模式下，光学系统102与存在于浸没物镜106和样品104之间的空间中的浸没介质108一起操作。因此，如果尚未存在，可以在处理器116的控制下借助分配器110供应浸没介质108。相反，在第二成像模式下，光学系统102在没有任何浸没介质的情况下操作，以便提供用于创建概览图像的无浸没成像模式。

在无浸没成像模式下，处理器116可以控制光学系统102以多个步骤生成概览图像，其中样品104和浸没物镜106在横向于浸没物镜106的光轴O的方向上相对于彼此连续地移位。在每个步骤中，生成单个图像，并且这些图像被合成为形成概览图像的马赛克状图像阵列。为了使样品104和浸没物镜106相对于彼此移动，可以提供作用在浸没物镜106和/或显微镜载物台上的合适的机动移位装置。

为了实现具有良好图像质量的概览成像，显微镜100包括孔径光阑118，该孔径光阑可以在无浸没成像模式下由处理器116控制以将浸没物镜106的数值孔径设定为低于数值孔径标称值的减小值。当使用浸没介质108操作光学系统102而不通过孔径光阑118减小数值孔径时，浸没物镜106的数值孔径等于前述标称值。通过根据无浸没成像模式中的数值孔径的减小值操作光学系统102，由于没有浸没介质108而导致的球面像差会显著降低。因此，无需像用于概览成像的常规方法中应用的那样在浸没物镜106和专用干物镜之间进行耗时的切换，就可以获得高质量的概览图像。此外，由于在样品空间中不存在浸没介质，因此当浸没物镜106和样品104在横向方向上(即，垂直于浸没物镜106的光轴O)相对于彼此移动时，也不存在浸没膜可能破裂的问题。因此，可以在无因浸没膜可能破裂而造成任何速度损失的情况下进行概览成像。

光学系统102包括多个透镜元件，这些透镜元件配置成与浸没物镜106相互作用以根据数值孔径的标称值在代表高分辨率成像模式的第一操作模式下选择性地对样品104进行光学成像并根据数值孔径的减小值在代表无浸没成像模式的第二操作模式下对样品104进行光学成像。为此，光学系统102可以包括与第一操作模式相关联的第一光学子系统120和与第二操作模式相关联的第二光学子系统122。因此，第一光学子系统120配置成根据第一放大率(即第一视场)形成样品104的高分辨率图像，并且第二光学子系统122配置成根据第二放大率(即第二视场)形成样品104的概览图像。

根据图1中所示的具体实施例，与第一操作模式相关联的第一光学子系统120由广角显微镜中常用的透镜元件形成。这些透镜元件可以例如包括管透镜124，其将由浸没物镜106产生的图像聚焦到图像平面126上。在图1中以简化形式描绘第一光学子系统120，并且第一光学子系统120可以包括图1中未示出的附加光学部件。例如，可以提供另外的透镜元件以将在图像平面126中由浸没物镜106产生的中间图像光学传输到图像传感器。替代地，图像传感器可以直接设置在图像平面126中。在任何情况下，应注意，可以应用适合与浸没物镜106配合以对样品104进行光学成像的任何其他光学配置。此外，可以使用扫描装置(例如共焦扫描仪或多光子扫描装置)来扫描图像平面126。

与第二操作模式相关联的第二光学子系统122包括选择性地可插入到光学路径112中的光学模块128。为此，光学模块128可以由可枢转的光学部件形成，并且显微镜100可以包括配置成将光学模块128旋转到光学路径112中并将光学模块128从其中缩回以在第一和第二操作模式之间切换的合适机构。

光学模块128包括具有正折射力的透镜元件130。此外，光学模块128可以包括例如由镜子形成的光偏转器132。当光学模块128相应地移动以在第一和第二操作模式之间选择性地切换时，集成在光学模块128中的透镜元件130和光偏转器132能够一体地枢转到光学路径112中并且从光学路径112缩回。

在第一操作模式下，光学模块128从光学路径112缩回。因此，第二光学子系统122被切换为停用，并且第一光学子系统120用于使用浸没介质108在第一操作模式下的图像采集。为此，第一光学子系统120与浸没物镜106相互作用以根据第一放大率(即根据第一视场)形成高分辨率图像。具体地，根据图1的配置，在图像平面126中创建高分辨率图像。该图像可以是所选受关注区域(ROI)的高放大率特写图像。

在代表无浸没成像模式的第二操作模式下，从浸没物镜106和样品104之间的空间去除浸没介质108，并且将光学模块128插入光学路径112中。此外，处理器116通过从最大开度减小孔径光阑118的开度来控制孔径光阑118以减小浸没物镜106的数值孔径。应注意，当光学系统102与浸没介质108一起操作并且孔径光阑118被设定为其最大开度时，数值孔径等于标称值。如上所解释的，通过减小孔径光阑118的开度，可以防止在从样品空间去除浸没介质108时发生球面像差。

在无浸没成像模式下，光偏转器132防止沿着光学路径112传播的检测光传输到第一光学子系统120，并且第一光学子系统120被切换为停用。相反，第二光学子系统122在无浸没成像模式下被切换为在用的，其中第二光学子系统122与浸没物镜106相互作用以根据第二视场创建概览图像。如上所述，可以应用在无浸没成像模式下使用的第二视场来找到合适的ROI。

从图1可以看出，在光学模块128插入光学路径112中的情况下，与光学模块128集成的透镜元件130比光学系统102中包括的任何其他透镜元件更靠近浸没物镜106。特别地，透镜元件130定位成尽可能靠近浸没物镜106的出射光瞳134。根据图1中所示的具体实施例，出射光瞳134位于浸没物镜106的外壳136内。因此，考虑到浸没物镜106相对于样品104的任何聚焦移动可能改变外壳136的端面138和透镜元件130之间的距离，从而光学模块128的透镜元件130定位成尽可能靠近外壳136的端面138。

由于正透镜元件130定位在距浸没物镜106的出射光瞳134较短的轴向距离处，因此透镜元件130将检测光收集在由检测光的大视场角引起的光束横向扩散相对较小的位置处。因此，可将透镜元件130制作得相应地小。特别是，没有必要使用非常昂贵的大焦距物镜。

从图1中可以看出，光偏转器132从由浸没物镜106的出射光瞳134通向光偏转器132的光学路径112分支出光学侧路径140。该光学侧路径140可以被视为在无浸没成像模式下用于创建低放大率概览图像的光学概览路径。与此相反，在没有分支的光学侧路径140的情况下，光学路径112作为一个整体可以被视为在第一操作模式下用于创建高分辨率特写图像的光学主路。

根据图1中所示的具体实施例，第二光学子系统122包括开普勒望远镜系统142，该开普勒望远镜系统包括两个透镜元件，每个透镜元件均具有正折射力。这两个透镜元件中的第一个由作为光学模块128一部分的透镜元件130形成。望远镜系统142的第二透镜元件由沿光学侧路径140位于透镜元件130下游的元件144形成。换言之，当将光学模块128插入光学路径112中时，透镜元件130和144组合以形成开普勒望远镜系统142，该开普勒望远镜系统在无浸没成像模式下被切换为在用的。

开普勒望远镜系统142配置成在光学侧路径140中形成浸没物镜106的出射光瞳134的实像146。具体地，在开普勒望远镜系统140的第二透镜元件144的下游创建出射光瞳134的实像146。

在图1中所示的具体实施例中，孔径光阑118位于出射光瞳134的实像146的位置。具体地，孔径光阑118用于使浸没物镜106的成像出射光瞳134的光圈缩小。因此，可以防止在光学侧路径136中出现由在浸没物镜106中以大视场角出现的渐晕或像差引起的不利影响。

此外，沿着孔径光阑114下游的光学侧路径140，第二光学子系统122可以包括管透镜148和图像传感器150。管透镜148配置成将穿过光学侧路径140传播的检测光聚集到图像传感器150上，从而在无浸没成像模式下形成概览图像。

图1中所示的配置提供了开普勒望远镜系统142和管透镜148之间的附加的无限远光学路径，所述附加的无限远光学路径包括呈出射光瞳134的实像146的形式的实中间光瞳。附加的无限远光学路径可以用于将附加的光学部件集成到显微镜100中，例如用于落射荧光照明的部件、相位滤波器、相位调制器等。

在这方面，应注意，从浸没物镜106通向第一光学子系统120的光学路径112同样形成无限远光学路径。然而，该无限远光学路径(至少部分地)与第一和第二操作模式两者相关联。因此，它不应被用于纳入专门为进行第二操作模式而确定的光学部件。

如上已经提到的，在无浸没成像模式下，处理器116使孔径光阑将浸没物镜106的数值孔径设定为低于标称值的减小值。因此，可以实现低像差的概览成像。数值孔径的减小值可以由满足以下条件(1)来确定：

条件(1)描述了最低球面近似中最佳调整平面中的均方波前误差。这种近似是合理的，因为数值孔径的减小值预计很小。在条件(1)中，n₀表示设计浸没物镜106所基于的浸没介质108的预定折射率，n₁表示空气的折射率，λ表示检测光的波长，d₀表示浸没物镜106的前焦距或自由工作距离。优选地，值A等于ln2/4π²，对应于根据Strehl(也称为Strehl比)的定义亮度的50％的值。对应于定义亮度0.25的ln4/4π²的A值也可能是合适的。

应注意，浸没物镜106的前透镜的外表面上的光折射根据显微镜100是在第一操作模式还是第二操作模式下操作(即是否在有或没有浸没介质108的情况下进行成像)而变化。因此，浸没物镜106的前焦距沿光轴O的位移Δz可能发生在第一操作模式和第二操作模式之间，如图2和3中所示。

图2图示了第一操作模式，其中折射率为n₀的浸没介质108存在于浸没物镜106和载体260之间，样品104位于载体260上。相比之下，图3示出了第二操作模式，其中从样品空间去除浸没介质108，从而空气的折射率n₁变得有效。

此外，在图2和3中，z表示从浸没物镜106的焦平面264到样品载体260和样品104之间的界面266的物理距离。

根据零阶近似，浸没物镜106的前焦距的轴向位移Δz可以由等式(2)确定：

第一阶的更精确的近似根据等式(3)给出：

基于条件(2)或条件(3)，光学系统102可以重新聚焦以补偿从第一成像模式切换至第二成像模式时的前焦距位移Δz，反之亦然。为此，显微镜100可以设置有如图1示意性描绘的焦点调整装置158。

图4所示的流程图例示了操作显微镜100的方法。

在步骤S400中，如果存在，则去除位于样品104和浸没物镜106之间的任何浸没介质108。为此，处理器116可以致动分配器110以从样品空间抽吸浸没介质并将其储存在储存器中或将其丢弃。不用说，当成像过程刚刚开始时，步骤S400可能不是必需的。

在步骤S402中，处理器116设定无浸没成像模式。为此，处理器116可以使光学模块128插入到光学路径112中，使得第二光学子系统122开始动作。此外，处理器116控制孔径光阑118以将浸没物镜106的数值孔径设定为前面提到的减小值，例如根据条件(1)。在这方面，应注意的是，孔径光阑118的尺寸也可以是固定的。换言之，数值孔径的减小是通过在无浸没成像模式下致动孔径光阑118来简单地实现的。

在步骤S404中，处理器116根据步骤S402中设定的数值孔径的减小值来控制光学系统102以生成样品104的概览图像。为此，可以在使样品104和浸没物镜106在横向于光轴O的方向上相对于彼此连续移位并且将图像组合成形成概览图像的马赛克状图像阵列的同时生成多个图像。由于在步骤S404中样品空间中不存在浸没介质，因此样品104相对于浸没物镜106的移位速率可能会超过常规成像方法中可能发生的浸没膜破裂的临界速率。

在步骤S406中，处理器116设定高分辨率成像模式。为此，处理器116可以从光学路径112缩回光学模块128，使得第一光学子系统120开始动作，并且在第二光学子系统122中提供的孔径光阑118被停用。因此，浸没物镜的数值孔径被放大到标称值。此外，处理器116控制分配器110将浸没介质108供应到样品空间中。此外，处理器(116)可以控制焦点调整装置158以重新聚焦光学系统102，即补偿以上参照图2和图3说明的前焦距的位移Δz。

最后，在步骤S408中，处理器116使光学系统102生成如上所述的样品104的高分辨率图像。

上述实施例应仅被理解为非限制性示例，并且可以考虑各种修改。例如，根据图1中所示的实施例，孔径光阑118由与浸没物镜106分离的元件形成。然而，孔径光阑也可以包括在浸没物镜106中以根据不同的成像模式减小和放大浸没物镜106的数值孔径。

本文所公开的技术方案可以应用于不同类型的显微镜，包括例如光片显微镜，特别是使用一个单一物镜进行照明和检测的倾斜平面显微镜。

如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合并且可以缩写为“/”。

尽管已经在设备的上下文中描述了一些方面，但显然，这些方面也代表了相应方法的描述，其中块或装置对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，方法步骤的上下文中描述的方面也表示相应设备的相应块或项目或特征的描述。

附图标记列表

100 显微镜

102 光学系统

104 样品

106 浸没物镜

108 浸没介质

110 分配器

112 光学路径

114 视场

116 处理器

118 孔径光阑

120 第一光学子系统

122 第二光学子系统

124 管透镜

126 图像平面

128 光学模块

130 透镜元件

132 光偏转器

134出射光瞳

136 外壳

138 端面

140 光学侧路径

142 望远镜系统

144 透镜元件

146 实像

148 管透镜

150 图像传感器

260 样品载体

264 焦平面

266 界面

O 光轴

z 物理距离

Δz 轴向位移

n₀ 折射率

n₁ 折射率

d₀ 前焦距。

Claims (17)

1.一种显微镜(100)，包括：

光学系统(102)，其包括被设计用于具有预定折射率的浸没介质(102)的浸没物镜(106)；

孔径光阑(118)；以及

处理器(116)，其配置成设定无浸没成像模式，其中所述光学系统(102)在没有所述浸没介质(102)的情况下操作，

其中所述处理器(116)进一步配置成在所述无浸没成像模式下控制所述孔径光阑(118)，以将所述浸没物镜(106)的数值孔径设定为低于所述数值孔径的标称值的减小值，当使用所述浸没介质(108)操作所述光学系统(102)而不借助所述孔径光阑(118)减小所述数值孔径时，所述数值孔径等于所述标称值，并且

其中，所述处理器(116)进一步配置成在所述无浸没成像模式下根据所述数值孔径的所述减小值控制所述光学系统(102)以生成代表样品(104)的概览图像的至少一个图像。

2.根据权利要求1所述的显微镜(100)，其中所述孔径光阑(118)具有可变的开度，并且所述处理器(116)配置成通过从最大开度减小所述孔径光阑(118)的开度来减小所述浸没物镜(106)的数值孔径，当使用所述浸没介质(108)操作所述光学系统(102)并且所述孔径光阑(118)设定为所述最大开度时，所述数值孔径等于所述标称值。

3.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中

所述光学系统(102)包括多个透镜元件，所述多个透镜元件配置成与所述浸没物镜(106)相互作用，用于选择性地在根据所述数值孔径的所述标称值的第一操作模式下和根据所述数值孔径的所述减小值的第二操作模式下对所述样品(104)进行光学成像，所述第二操作模式代表所述无浸没成像模式，

其中所述光学系统(102)包括与所述第一操作模式相关联的第一光学子系统(120)，所述第一光学子系统(120)配置成以第一视场形成所述样品(104)的第一图像，

其中所述光学系统(102)包括与所述第二操作模式相关联的第二光学子系统(122)，所述第二光学子系统(122)配置成以第二视场形成所述样品(104)的至少一个第二图像，所述至少一个第二图像代表所述概览图像，所述第二视场大于所述第一视场，并且

其中所述第二光学子系统(122)包括光学模块(128)，所述光学模块(128)可插入到从所述浸没物镜(106)延伸的光学路径(112)中以用于选择所述第二操作模式，所述光学模块(128)包括具有正折射力的透镜元件(130)，所述透镜元件(130)当插入到所述光学路径(112)中时通过比所述光学系统(102)的其他透镜元件更靠近所述浸没物镜(106)的出射光瞳(134)而使所述第二视场大于所述第一视场。

4.根据权利要求3所述的显微镜，其中所述孔径光阑(118)包括在所述第二光学子系统(122)中。

5.根据权利要求3或4所述的显微镜(100)，其中，所述光学模块(128)还包括光偏转器(132)，所述光偏转器(132)配置成当插入到所述光学路径(112)中时从所述光学路径(112)分支出光学侧路径(140)，所述第二图像形成在所述光学侧路径(140)中。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的显微镜(100)，其中所述第二光学子系统(122)包括开普勒望远镜系统(142)，所述开普勒望远镜系统(142)具有最物体侧的第一透镜元件，所述第一透镜元件由包括在所述光学模块(128)中的具有正折射力的所述透镜元件(130)形成。

7.根据权利要求6所述的显微镜(100)，其中所述开普勒望远镜系统(142)配置成形成所述出射光瞳(134)的图像(146)。

8.根据权利要求7所述的显微镜(100)，其中所述孔径光阑(118)位于所述出射光瞳(134)的图像(146)的位置处，所述图像(146)形成为实像。

9.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(100)，进一步包括分配器(110)，所述分配器(110)配置成将所述浸没介质(108)供应到所述浸没物镜(106)并且从所述浸没物镜(106)去除所述浸没介质(108)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(100)，进一步包括焦点调整装置(158)，其由所述处理器(116)控制以重新聚焦所述光学系统(102)，用于补偿在所述无浸没成像模式下对所述样品(104)成像引起的所述光学系统(102)的前焦距的位移(Δz)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(100)，其中所述浸没物镜(106)的自由工作距离(FWD)在300μm到4000μm的范围内。

12.一种使用具有光学系统(102)的显微镜(100)生成样品(104)的概览图像的方法，所述光学系统(102)包括为具有预定折射率的浸没介质(108)设计的浸没物镜(106)，所述方法包括以下步骤：

设定无浸没成像模式，其中所述显微镜(100)的光学系统(102)在没有所述浸没介质(108)的情况下操作；

控制所述显微镜(100)的孔径光阑(118)以将所述浸没物镜(106)的数值孔径设定为低于标称值的减小值，当所述显微镜(100)使用所述浸没介质(108)操作而不借助所述孔径光阑(118)减小所述数值孔径时，所述数值孔径等于所述标称值；以及

在所述无浸没成像模式下，根据所述数值孔径的所述减小值控制所述显微镜(100)的光学系统(102)以生成代表所述样品(104)的概览图像的至少一个图像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中设定所述无浸没成像模式的步骤包括以下步骤：借助浸没分配器(110)去除位于所述样品(104)和所述浸没物镜(106)之间的所述浸没介质(108)。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中在所述无浸没成像模式下控制所述光学系统(102)以生成所述概览图像的步骤包括多个步骤，其中所述样品(104)和所述浸没物镜(106)在横向于所述浸没物镜(106)的光轴(O)的方向上相对于彼此连续地移位，其中在每个步骤中生成图像并且所述概览图像由在所述多个步骤中生成的多个图像组成。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述样品(104)和所述浸没物镜(106)在横向于所述浸没物镜(106)的光轴(O)的方向上相对于彼此移位的速率超过由所述浸没介质形成的薄膜因为所述浸没物镜与所述浸没介质一起使用时产生的拖曳力而破裂的临界速率。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中在所述无浸没成像模式下控制所述显微镜(100)以生成所述概览图像的步骤包括以下步骤：将由所述浸没物镜(106)成像的视场增大至比根据所述数值孔径的所述标称值成像的视场的标称尺寸大的尺寸。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中在生成所述概览图像的步骤之后执行以下步骤：

将所述浸没介质(150)供应到所述浸没物镜(106)；

控制所述孔径光阑(118)以将所述浸没物镜(118)的所述数值孔径增加到所述标称值；以及

控制所述光学系统(118)以根据所述数值孔径的所述标称值生成所述样品(104)的特写图像。

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