CN114303086A - 用于对物体成像的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供用于显微镜的光学成像设备，包括配置为收集来自物体的检测光并将检测光引导到光路中的物镜，以及包括配置为与所述物镜相互作用以选择性地在第一操作模式和第二操作模式中对物体进行光学成像的多个透镜元件的光学系统。光学系统包括与第一操作模式相关联的配置为以第一倍率形成物体的第一图像的第一光学子系统。光学系统包括与第二操作模式相关联的配置为以第二倍率形成物体的第二图像的第二光学子系统，第二倍率小于第一倍率。第二光学子系统包括可插入到光学路径中以用于选择第二操作模式的光学模块。光学模块包括具有正折射力的透镜元件，当插入光路中时通过比光学系统的其他透镜元件更靠近物镜的出射光瞳使得第二倍率小于第一倍率。

Description

用于对物体成像的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于显微镜的光学成像设备，包括被配置为收集来自物体的检测光并将所述检测光聚焦到光路中的物镜。此外，本发明涉及一种用于对物体成像的方法。

背景技术

通过显微镜寻找成像的物体可能是一项艰巨的任务。特别是在显微镜系统中，物镜的改变是不可能的或有严格的限制，寻找物体可能是一个重大的挑战。当在倒置显微镜配置中使用具有长工作距离的浸没物镜时，情况尤其如此。即使在使用自动浸没式分配器时，也存在应用或移除浸没式介质会破坏使用不同物镜的成像情况之间的相关性的风险。

当使用具有相对高倍率和高数值孔径的显微镜系统时，要成像的物场(objectfield)的横向尺寸和轴向景深都相对较小。特别是为了扩大物场，因此有必要切换到具有较低倍率和较低数值孔径的不同物镜。然而，由于上述原因，改变物镜会带来严重的缺点，尤其是在使用基于浸没的显微镜系统时。

当使用成像配置偏离聚焦在平行于显微镜载物台表面的物平面上的通常配置的显微镜时，情况变得更加复杂。例如，最近的光片显微镜技术，例如斜平面显微镜(OPM)已经开发出来，其中成像的物平面相对于样品载体的表面倾斜。根据其中照明光和检测相互正交传播的几何形状，物平面的这种倾斜使得能够通过样本载体的透明底部进行照明和检测。

传统的显微镜管可以包括图像倒置倍率变换器，允许在对物体成像时减小数值孔径。然而，这些管系统成像的物场相对较小。特别是，物场太小而不能对孔板的完整微量滴定腔进行成像，这样的腔具有大约几毫米的横向尺寸。此外，为了沿着光轴找到物体，物侧聚焦是必要的。这种物侧聚焦在包括具有大工作距离的浸没物镜的倒置显微镜系统中产生了问题。因此，当执行物体聚焦时，可能难以将浸没介质按需要保留在样本和物镜前透镜之间的空间中。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于显微镜的光学成像设备和一种能够更容易地找到物体以便随后形成物体的光学图像的方法。

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

光学成像设备包括被配置为收集来自物体的检测光并将所述检测光引导到光路中的物镜，以及包括多个透镜元件的光学系统，所述多个透镜元件被配置为与所述物镜相互作用，用于选择性地在第一操作模式和第二操作模式中对所述物体进行光学成像。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被配置为以第一倍率形成所述物体的第一图像。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被配置为以第二倍率形成所述物体的第二图像。第二倍率小于第一倍率。第二光学子系统包括可插入光路中以用于选择第二操作模式的光学模块。光学模块包括具有正折射力的透镜元件，所述具有正折射力的透镜元件当被插入光路中时通过比光学系统的其他透镜元件更靠近物镜的出射光瞳而使得第二倍率小于第一倍率。

光学成像设备提供两种不同的操作状态，用于以两种不同的倍率对物体进行成像。具体而言，第一操作模式可用于提供在实际图像采集之前已经发现的感兴趣区域(ROI)的高倍率特写图像。为了找到此ROI，可以使用第二操作模式来提供其中包括ROI的低倍率概览图像。因此，光学成像设备使用户能够更容易地找到要成像的物体。特别是，用户不会被迫改变物镜。这在使用基于浸没的显微镜系统时特别有利，因为在获取具有低和高倍率的图像时无需提供或移除浸没介质。因此，成像情况不会发生根本性变化，并且可以容易地将两个图像相互关联起来。

避免物镜变化在偏离通常成像配置的配置中特别有利，其中光学系统聚焦到平行于显微镜载物台表面的平面上。例如，光学成像设备可以有利地用于光片显微镜，例如OPM，其中光学系统聚焦到相对于显微镜载物台表面倾斜的物平面上，因为照明和检测需要相互正交。

此外，光学成像设备特别适用于对包括多个这种腔的孔板的完整微量滴定腔进行成像。因此，在第一步骤中，可以通过应用基于较低倍率执行图像采集的第二操作模式来对特定腔整体成像。随后，在第二步骤中，可以通过应用基于更高倍率的第一操作模式来详细检查由此找到的腔。

通过将光学模块选择性地插入光路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，当光学模块插入光路时，选择第二操作模式。相反，当光学模块从光路缩回时，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进行切换。

为了在第二操作模式中产生待成像的大物场，光学模块包括具有正折射力的透镜元件。当光学模块被插入光路中时，此正透镜元件比光学系统的其他透镜元件更靠近物镜的出射光瞳。将光学模块的正透镜元件设置在靠近物镜出射光瞳的位置，可以保证检测光在检测光的视场角适中，即不太大的位置被正透镜元件收集。因此，可以限制光学元件的尺寸，从而使光学成像设备紧凑。特别地，不需要提供具有特别长焦距的高数值孔径物镜以实现大物场，这样的物镜非常昂贵。相比之下，要求保护的光学成像设备允许使用具有高数值孔径并针对无限光学管长度进行校正的物镜，其中物镜可以具有中等焦距，这在紧凑性和成本方面是有利的。

成像设备可以包括用于将光学模块插入到光路中并从其中移除它的合适机制。例如，可以提供电动致动器用于使模块旋转。

优选地，所述光学模块进一步包括光偏转器，所述光偏转器被配置为在插入到所述光路中时从所述光路分支光侧路，所述第二图像形成在所述光侧路中。前述光侧路可以在第二操作模式中用作分离的光路，用于创建概览图像，该概览图像使用户能够找到不同的物体，例如孔板的特定微量滴定腔，或较大物体的特定感兴趣区域(ROI)。相反，在第一操作模式中有效的光路可用于创建在第一操作模式中确定的物体的特写图像。

在优选实施例中，第二光学子系统包括开普勒望远镜系统，该系统具有由包括在光学模块中的具有正折射力的所述透镜元件形成的最靠近物侧的第一透镜元件。因此，通过将光学模块切换到光路中，创建可用于形成概览图像的望远镜系统。特别地，当光模块切换到光路中时，第一光子系统保持不变。由于第一光学子系统以更高的倍率运行以实现高质量成像，因此它对任何调整都比第二光学子系统更敏感。因此，当在操作状态之间切换时使第一光学子系统基本不变是有利的。因此，光学成像设备使用第二光学子系统的可移动光学模块进行切换。

开普勒望远镜系统可以被配置成形成出射光瞳的图像。通过使用这种具有真实中间光瞳的无焦光学系统的望远镜，提供了许多用于将附加光学组件集成到显微镜中的选项。例如，可以集成用于实现辐射荧光照明的组件。此外，可以集成用于实现对比方法的相位滤波器。

特别地，第二光学子系统可以包括位于出射光瞳的所述图像的位置中的孔径光阑，所述图像作为真实图像形成。

开普勒望远镜系统可以包括具有正折射力的第二透镜元件，其被配置为准直检测光的光束，每个光束与物镜从其收集检测光的物场的单个点相关联。在特定实施例中，可以在望远镜系统的第一正透镜元件和第二正透镜元件之间额外提供场镜。

由上述两个正透镜元件组成的开普勒望远镜系统用于通过由望远镜系统的无焦因子给出的因子来缩放物镜的焦距。此外，开普勒望远镜系统用于形成物镜出瞳的真实图像。由于可以预期在物镜中无法避免渐晕，因此孔径光阑用于缩小成像的出射光瞳。因此，孔径光阑用于实现第二光学子系统内光路的某种均匀化。

特别地，开普勒望远镜系统将被视为与物镜的正常使用相关的倍率降低系统，该物镜与具有参考焦距的管透镜有关。因此，物镜的倍率必须与管透镜的标称焦距有关。假设管透镜的焦距为200mm，物镜的焦距为10mm，则物镜的倍率为20。进一步，假设开普勒望远镜系统的无焦因子为4，则物镜的倍率有效地从20降低到20/4，即5。

第二光学子系统可以包括位于所述像平面中的图像传感器。图像传感器可以例如由CCD或CMOS相机形成。

优选地，第二光学子系统的透镜元件中的至少一个被配置为校正光学模块中包括的具有正折射力的所述透镜元件的残余像差。根据此实施例，在开普勒望远镜系统内不提供完全校正的中间图像的情况下，望远镜系统的第一正透镜元件，即包括在光学模块中的正透镜元件，被设计为尽可能简单，以减小其尺寸，并且像差的校正是通过第二光学子系统的剩余部分来实现的，例如通过开普勒望远镜系统的第二正透镜元件和/或管透镜。

管透镜可以由类似于具有低倍率的物镜的光学系统形成。优选地，第二倍率在1.0至2.5的范围内。此外，可以将第二倍率确定为基本上等于物侧折射率与像侧折射率的比值。在欠采样的情况下，即在与第二光学子系统关联的放大光路的像侧孔径没有被完全采样的情况下，折射率比的匹配不需要非常精确。在这种情况下，像差会适中，并且可以提供像侧聚焦，例如通过沿光轴移动第二光学子系统的图像传感器完成。通过应用像侧聚焦而不是物侧聚焦，可以避免在倒置的显微镜系统中聚焦具有大工作距离的浸没物镜时会出现的问题。因此，在优选实施例中，第二光学系统被配置为对物体进行像侧聚焦。

第二光学子系统进一步可以被配置为执行像侧聚焦，使得被所述像侧聚焦补偿的5mm量的物侧散焦导致包括在第二光学子系统中的图像传感器的一个像素接收到预定积分光强度，所述预定积分光强度不小于由所述第二光学系统的标称聚焦状态中的所述像素接收到的积分参考光强度的50％，即在没有物侧或像侧散焦的状态下。因此，考虑到任何欠采样，可以实现有效的像侧散焦。

优选地，物镜由浸没物镜形成。如上所述，光学成像设备允许避免物镜的任何改变，这在使用基于浸没的系统时特别有利。

由于物镜在两种操作状态下都使用，根据优选实施例，可以提供分配器用于向物镜供应浸没介质。

优选地，光学成像设备满足以下条件中的至少一种：

(1)f≤＝30mm；

(2)NA≥＝0.8；

(3)FAA≥1mm；

(4)d≤30mm；

(5)D>4.5mm；

其中

f表示物镜的焦距；

NA表示在第二操作模式中物镜的全数值孔径；

FAA表示自由工作距离；

d表示从所述具有正折射力的透镜元件到物镜的像侧端的距离；以及

D表示物场的直径，物镜从物场收集所述检测光。

根据另一方面，提供了一种显微镜，其包括如上所述的光学成像设备。本发明可以应用于任何类型的显微镜，例如宽视野显微镜、共聚焦显微镜、多光子显微镜和光片显微镜，特别是在OPM或SCAPE配置中。

根据另一方面，提供了一种对物体成像的方法，包括以下步骤：收集来自物体的检测光，并通过物镜将检测光聚焦到光路中；以及通过包括与物镜相互作用的多个透镜元件的光学系统，选择性地在第一操作模式和第二操作模式中对物体成像。在第一操作模式中以第一倍率形成物体的第一图像。在第二操作模式中以第二倍率形成物体的第二图像。第二倍率小于第一倍率。光学模块插入光路中，用于选择第二操作模式。光学模块包括具有正折射力的透镜元件，当插入光路中时，通过比光学系统的另一个透镜元件更靠近物镜的出射光瞳，使得第二倍率小于第一倍率。

附图说明

下面结合附图对具体实施例进行说明，其中：

图1是示出根据实施例的显微镜的示意图。

具体实施方式

图1示出了包括光学成像设备102的显微镜100，该光学成像设备102被配置为形成物体104的光学图像。要注意，图1仅用于说明显微镜100的那些可能有助于理解作为显微镜100的一部分的操作的光学成像设备102原理的特征。显微镜100可以包括图1中未示出的附加组件。

成像设备102包括面向物体104的物镜106，该物体104位于图1中未示出的样本载体上。此外，成像设备102包括光学系统108，该光学系统108包括第一和第二光学子系统110、112，其将在下文中更详细描述。

物镜106用于收集来自物体104的检测光并将检测光聚焦到光路114中。具体地，物镜106捕获来自物场116的检测光，该物场116位于与具有物镜106的物侧焦平面重合的物体平面中。因此，物镜106与光学系统108相互作用以形成物场116的光学图像。

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组件，这些组件被配置为向物镜106馈送光以照亮物体102。可替代地或附加地，显微镜100可以包括用于照亮物体104的单独的光学装置。

光学成像设备102提供两种不同的操作模式，第一模式与第一光学子系统110相关联，第二模式与第二光学子系统112相关联。特别地，第一光学子系统110用于在第一操作模式中形成具有第一倍率的物体104的第一光学图像。同样地，第二光学子系统112用于在第二操作模式中以第二倍率形成物体104的第二光学图像，其中第二倍率小于第一倍率。提供具有不同倍率的不同操作模式使用户能够例如在第一步中获取低倍率概览图像(对应于上述第二图像)，以便在物体104内找到合适的ROI，该ROI随后将被成像。在找到ROI之后，在第二步中获取ROI的高倍率图像(对应于前述第一图像)。换言之，在第二操作模式中成像的物场116大于在第一操作模式中成像的物场116。因此，当基于应执行的图像采集切换倍率时，用户无需改变物镜106。

根据图1所示的特定实施例，与第一操作模式相关联的第一光学子系统110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120，将由物镜106产生的图像聚焦到像平面122上。第一光学子系统110在图1中以简化形式示出，并且第一光学子系统110可以包括图1中未示出的附加光学组件。例如，可以提供进一步的透镜元件以将由物镜106在像平面122中产生的中间图像光学传输到图像传感器。可替代地，可直接在像平面122中提供图像传感器。在任何情况下，应注意可应用任何其他光学配置，其适合与物镜106配合以对物体104进行光学成像。并且，扫描装置(例如共焦扫描仪或多光子扫描装置)可用于扫描像平面122。

与第二操作模式相关联的第二光学子系统112包括光学模块118，该光学模块118可选择性地插入到光学路径114中。为此，光学模块118可以由可旋转的光学组件形成，并且显微镜100可以包括合适的机制，其被配置为将光学模块118旋转到光路114中并从那里缩回以在第一和第二操作模式之间切换。

光学模块118包括具有正折射力的透镜元件126。此外，光学模块118可以包括例如通过镜子形成的光偏转器128。由于集成在光学模块118中，透镜元件126和光偏转器128可整体地旋转到光路114中并且当光学模块118相应地移动时可从其中缩回以选择性地在第一和第二操作模式之间切换。

在第一操作模式中，光学模块118从光学路径114缩回。因此，第二光学子系统112被切换为非活动状态，并且第一光学子系统110用于在第一操作模式中进行图像采集。为此目的，第一光学子系统110与物镜106相互作用以根据第一倍率形成第一图像。特别地，根据图1的配置，在像平面122中创建第一图像。如上所述，第一图像可以是所选择的ROI的高倍率特写图像。

在第二操作模式中，光学模块118被插入到光路114中。因此，光偏转器128阻止沿着光路114传播的检测光传输到第一光学子系统110，并且第一光学子系统110是切换为非活动状态。相反，第二光学子系统112在第二操作中被切换为活动状态，其中第二光学子系统112与物镜106相互作用以根据第二倍率创建第二光学图像。如上所述，第二倍率小于在第一操作模式中应用的第一倍率，并且第二图像可以是用于寻找合适的ROI的低倍率概览图像。

从图1可以看出，在光学模块118插入光路114的情况下，与光学模块118集成的透镜元件126比包括在光学系统108中的任何其他透镜元件更靠近物镜106。如上所述，光学系统108包括分别与第一和第二操作模式相关联的第一光学子系统110和第二光学子系统112。特别地，透镜元件126尽可能靠近物镜106的出射光瞳130定位。根据图1所示的具体实施例，出射光瞳130位于物镜106的外壳132内。因此，光学模块118的透镜元件126尽可能靠近外壳132的端面134定位，可能考虑到物镜106相对于物体104的任何聚焦移动，改变外壳132的端面134和透镜元件126之间的距离。

由于正透镜元件126位于距物镜106的出射光瞳130的短轴向距离处，因此检测光被透镜元件126收集在由检测光的大视场角引起的光束横向扩展相对较小的位置处。因此，可以使透镜元件126相应地变小。特别是，没有必要使用具有大焦距的高数值孔径物镜，如此大的焦距使显微镜物镜变得非常昂贵。

如图1中可见，光偏转器128从从物镜106的出射光瞳130通向光偏转器128的光路114分支出光侧路136。光侧路136可以被认为在第二操作模式中使用的光学概览路径，用于创建低倍率概览图像，基于该图像可以找到合适的ROI。相反，在不分支光侧路136的情况下，光路114作为一个整体可以被认为是在第一操作模式中用于创建所选择的ROI的高倍率特写图像的主光路。

根据图1所示的特定实施例，第二光学子系统112包括开普勒望远镜系统138，其包括两个透镜元件，每个透镜元件具有正折射力。这两个透镜元件中的第一个由作为光学模块118的一部分的透镜元件126形成。望远镜系统138的第二透镜元件由沿光侧路136位于透镜元件126下游的元件140形成。换言之，当将光学模块118插入光路114时，透镜元件126和140组合形成开普勒望远镜系统138，其在第二操作模式中被切换为活动状态。

开普勒望远镜系统138被配置为在光侧路136中形成物镜106的出射光瞳130的真实图像142。具体地，出射光瞳130的真实图像142在开普勒望远镜系统138的第二透镜元件140的下游产生。孔径光阑144可以设置在出射光瞳130的真实图像142的位置。此外，沿着孔径光阑144下游的光侧路136，第二光学子系统112可以包括管透镜146和图像传感器148。管透镜146被配置为将通过光侧路136传播的检测光聚焦到图像传感器148上，从而基于第二倍率形成第二图像。

开普勒望远镜系统138的第二光学元件140对穿过其中的探测光进行准直，探测光的每个光束与物场116的单个点相关联。在这方面，要注意开普勒望远镜系统138进一步可以包括图1中未示出的场透镜，这样的场透镜位于两个正透镜元件126、140之间。

前述孔径光阑144可用于使物镜106的成像的出射光瞳130变小。因此，在大视场角和高数值孔径的物镜中出现的由渐晕或像差引起的不利影响可以防止在光侧路136中出现。

根据图1所示的实施例，可以校正开普勒望远镜系统138的第二正透镜元件和/或管透镜146的像差，而不是校正集成在光学模块118中并形成开普勒望远镜系统138的第一透镜的正透镜元件126。因此，校正透镜元件138、146用于校正由光学模块118的正透镜元件126引起的残余像差。

图1所示的配置在开普勒望远镜系统138和管透镜146之间提供了附加的无限光路，所述附加的无限光路包括出射光瞳130的真实图像142形式的实中光瞳。附加的无限光路可用于将附加的光学组件集成到显微镜100中，例如用于落射荧光照明、相位滤波器、相位调制器等的组件。

在此方面，要注意的是，从物镜106通向第一光学子系统110的光路114同样形成无限光路。然而，此无限光路(至少部分地)与第一和第二操作模式两者相关联。因此，它不应被用于并入专门为执行第二操作模式而确定的光学组件。

仅作为示例，物镜106可以由如在上述条件(1)至(5)中指定的参数来表征。参考图1，条件(3)的工作距离FAA表示物镜106的物侧前端到物场116的距离，条件(4)的距离d表示从透镜元件126到物镜106的端面135的距离，条件(5)的直径D表示垂直于光轴方向的物场116的直径。应注意，直径D指的是在第二操作模式中成像的物场116。从以上可以理解，与第二操作模式相关联的物场116大于与第一操作模式相关联的物场。

根据现有实施例，在第二操作模式中应用的第二倍率可以在从1.0到2.5的范围内。由于上述原因，可以应用像侧聚焦而不是物侧聚焦。为此，图像传感器148可以沿光轴方向移动以实现聚焦。在像侧聚焦的替代实施方式中，图像传感器148保持固定并且管透镜146沿光轴移动。

在物镜106由浸没物镜形成的情况下，应用像侧聚焦是特别有利的。因此，当利用像侧聚焦而不是物侧聚焦时，可以避免物体104和物镜106之间的任何轴向移动。因此，位于物体104和物镜106之间的浸没介质150始终不受聚焦的影响。在使用浸没物镜的情况下，成像设备102可以包括分配器152，分配器152将浸没介质150供应到物体104和物镜106的前端之间的空间中。

应当注意，本发明不应限于上述实施例。特别地，任何类型的显微镜都可以用于实现具有两个不同倍率的图像采集，该两种不同倍率通过插入包括靠近物镜的出射光瞳的正透镜元件的光学模块来切换。例如，可以使用光片显微镜，例如在OPM或SCAPE配置中进行。

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但显然这些方面也代表了对相应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项目或特征的描述。部分或全部方法步骤可以由(或使用)硬件装置，例如处理器、微处理器、可编程计算机或电子电路执行。在一些实施例中，一些一个或多个最重要的方法步骤可以由这样的装置执行。

取决于某些实施要求，本发明的实施例可以以硬件或软件来实施。可以使用非临时性存储介质来执行该实施，诸如数字存储介质，例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM和EPROM、EEPROM或FLASH存储器，其上存储有电子可读控制信号，其与可编程计算机系统协作(或能够协作)以执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，其能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文描述的方法之一。

通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可操作用于执行方法之一。例如，程序代码可以存储在机器可读载体上。

其他实施例包括存储在机器可读载体上的用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。

因此，换言之，本发明的实施例是具有程序代码的计算机程序，该程序代码用于当计算机程序在计算机上运行时执行本文描述的方法之一。

因此，本发明的进一步实施例是一种存储介质(或数据载体，或计算机可读介质)，其包括存储在其上的计算机程序，用于在由处理器执行时执行本文所述的方法之一。数据载体、数字存储介质或记录的介质通常是有形的和/或非过渡的。本发明的进一步实施例是如本文描述的装置，包括处理器和存储介质。

因此，本发明的进一步实施例是表示用于执行本文所述方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接、例如经由互联网传送。

进一步实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑器件，其被配置为或适用于执行本文描述的方法之一。

进一步实施例包括其上安装有用于执行本文所述方法之一的计算机程序的计算机。

根据本发明的进一步实施例包括一种装置或系统，其被配置为将用于执行本文描述的方法之一的计算机程序(例如，电子地或光学地)传送到接收器。例如，接收器可以是计算机、移动设备、存储器设备等。例如，该装置或系统可以包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可用于执行本文描述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以执行本文描述的方法之一。通常，这些方法优选地由任何硬件装置来执行。

附图标记列表

100 显微镜

102 光学成像设备

104 物体

106 物镜

108 光学系统

110 第一光学子系统

112 第二光学子系统

114 光路

116 物场

118 光学模块

120 管透镜

122 像平面

126 具有正折射力的透镜元件

128 光偏转器

130 出射光瞳

132 外壳

134 端面

136 光侧路

138 开普勒望远镜系统

140 透镜元件

142 出射光瞳的真实图像

144 孔径光阑

146 管透镜

148 图像传感器

150 浸没介质

152 分配器

Claims (18)

1.一种用于显微镜(100)的光学成像设备(102)，包括：

物镜(106)，被配置为收集来自物体(104)的检测光，并将所述检测光引导到光路(114)中，以及

光学系统(108)，包括多个透镜元件，所述多个透镜元件被配置为与所述物镜(106)相互作用，用于选择性地在第一操作模式和第二操作模式中对所述物体(104)进行光学成像，

其中所述光学系统(108)包括与所述第一操作模式相关联的第一光学子系统(110)，所述第一光学子系统被配置为以第一倍率形成所述物体(104)的第一图像，

其中所述光学系统(108)包括与所述第二操作模式相关联的第二光学子系统(112)，所述第二光学子系统(112)被配置为以第二倍率形成所述物体(104)的第二图像，所述第二倍率小于所述第一倍率，

其中所述第二光学子系统(112)包括可插入到所述光路(114)中以用于选择所述第二操作模式的光学模块(118)，所述光学模块(118)包括具有正折射力的透镜元件(126)，所述具有正折射力的透镜元件(126)当被插入到所述光路(114)中时通过比所述光学系统(108)的其他透镜元件更靠近所述物镜(106)的出射光瞳(130)而使得所述第二倍率小于所述第一倍率。

2.根据权利要求1所述的光学成像设备(102)，其中，所述光学模块进一步包括光偏转器(128)，所述光偏转器(128)被配置为当被插入到所述光路(124)中时从所述光路(114)分支出光侧路(130)，所述第二图像被形成在所述光侧路(130)中。

3.根据权利要求1或2所述的光学成像设备(102)，其中所述第二光学子系统(112)包括开普勒望远镜系统(138)，所述开普勒望远镜系统(138)具有由包括在所述光学模块(118)中的所述具有正折射力的透镜元件(126)形成的最靠近物侧的第一透镜元件。

4.根据权利要求3所述的光学成像设备(102)，其中，所述开普勒望远镜系统(138)被配置为形成所述出射光瞳(130)的图像(142)。

5.根据权利要求4所述的光学成像设备(120)，其中，所述第二光学子系统(112)包括孔径光阑(144)，所述孔径光阑(144)位于所述出射光瞳(130)的所述图像(142)的位置处，所述图像(142)作为真实图像来形成。

6.根据权利要求3至5中的一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述开普勒望远镜系统(138)包括具有正折射力的第二透镜元件(140)，所述第二透镜元件(140)被配置为对所述检测光的光束进行准直，每个光束与所述物镜(106)从中收集所述检测光的物场(116)中的单个点相关联。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二光学子系统(112)包括被配置为将所述检测光聚焦到像平面上的管透镜(146)。

8.根据权利要求7所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二光学子系统(112)包括位于所述像平面中的图像传感器(148)。

9.根据权利要求6至8中的一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二光学子系统(112)的透镜元件(140、146)中的至少一个被配置为对包括在所述光学模块(118)中的所述具有正折射力的透镜元件(126)的残余像差进行校正。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二倍率在从1.0到2.5的范围内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二倍率基本上等于物侧折射率与像侧折射率之比。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二光学子系统(112)被配置为对所述物体(104)执行像侧聚焦。

13.根据权利要求12所述的光学成像设备(102)，其中，所述第二光学子系统(112)被配置为执行所述像侧聚焦，使得由所述像侧聚焦补偿的5mm量的物侧散焦导致由包括在所述第二光学子系统(112)中的图像传感器(148)的一个像素接收到预定积分光强度，所述预定积分光强度不小于由所述第二光学系统的标称聚焦状态中的所述像素接收到的积分参考光强度的50％。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)，其中，所述物镜(106)由浸没物镜形成。

15.根据权利要求14所述的光学成像设备(102)，包括分配器(152)，所述分配器(152)被配置为向所述物镜(106)供应浸没介质(150)。

16.根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)，其中满足以下条件中的至少一个：

(1)f≤30mm；

(2)NA≥0.8；

(3)FAA≥1mm；

(4)d≤30mm；

(5)D>4.5mm；

其中

f表示所述物镜(106)的焦距；

NA表示在所述第二操作模式中所述物镜(106)的全数值孔径；

FAA表示自由工作距离；

d表示从所述具有正折射力的透镜元件(126)到所述物镜(106)的像侧端的距离；以及

D表示在所述第二操作模式中所述物镜(106)从中收集所述检测光的物场(116)的直径。

17.一种显微镜(100)，包括根据前述权利要求中任一项所述的光学成像设备(102)。

18.一种用于对物体(104)进行成像的方法，包括以下步骤：

收集来自所述物体(104)的检测光，并通过物镜(106)将所述检测光聚焦到光路(114)中，以及

通过包括与所述物镜(106)相互作用的多个透镜元件的光学系统(108)选择性地在第一操作模式和第二操作模式中对所述物体(104)进行成像，

其中在所述第一操作模式中以第一倍率形成所述物体(104)的第一图像，

其中在所述第二操作模式中以第二倍率形成所述物体(104)的第二图像，所述第二倍率小于所述第一倍率，

其中光学模块(118)被插入到所述光路(114)中以用于选择所述第二操作模式，所述光学模块(118)包括具有正折射力的透镜元件(126)，所述具有正折射力的透镜元件(126)当被插入到所述光路(114)中时通过比所述光学系统(108)的其他透镜元件更靠近所述物镜(106)的出射光瞳(130)而使得所述第二倍率小于所述第一倍率。

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