CN209879130U - 倒置光学显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了倒置光学显微镜。本实用新型涉及与显微镜相关的改进，尤其涉及倒置光学显微镜(诸如干涉光散射显微镜)。显微镜可以包括整体式壳体，该整体式壳体包围包括物镜的多个光学部件；其中，整体式壳体具有大于20mm的厚度，并且包括安装板，该安装板被构造成为物镜提供刚性安装。

Description

倒置光学显微镜

技术领域

本实用新型涉及与显微镜相关的改进，尤其涉及倒置光学显微镜(诸如干涉光散射显微镜)。

背景技术

光学显微术(诸如干涉散射显微术(interferometric scattering microscopy))传统上用于研究生物和/或化学样品的结构和力学。干涉散射显微术(iSCAT)技术依赖于收集由物体散射的光以及由界面处的反射提供的参考光场。由于散射光和反射光的干涉，在存在散射物体时，沿入射光束方向返回的光的总强度与不存在该物体时是不同的。由于iSCAT必须提供高灵敏度，因此本案申请人已经发现可以使用iSCAT对单个分子(诸如，肽和DNA分子)进行检测、成像甚至定量。该检测可以是无标记的。

光学显微镜(诸如，倒置光学显微镜)极易受到振动、外部影响(诸如，温度变化或声学耦合)的扰动，并且当以无标记单分子检测所需的灵敏度水平工作时，这一点尤为关键。通常，这已经通过使用具有主动隔振的昂贵且笨重的光学台来解决。然而，设置笨重的光学台可能是耗时的过程，并且提供了一个非常复杂的解决方案，该解决方案不能完全抑制外在的噪声源。此外，对于许多实验室来说，不可能为这种仪器留出所需的空间。因此，能够提供作为桌上型设备的光学显微镜是理想的。

因此，在该技术领域中，需要开发一种稳健且稳定的桌上型光学显微镜装置，以便减少和/或消除针对单分子测量的振动和其他扰动。

实用新型内容

正是在上述背景下产生了本实用新型。

根据本实用新型，提供了一种倒置光学显微镜，其包括：

整体式壳体，其包围了包括物镜的多个光学部件；

安装板，其与整体式壳体集成，构造成至少为物镜提供刚性安装；

其中，整体式壳体具有大于20mm的厚度。

可选地，根据本实用新型，提供了一种倒置光学显微镜，包括：

整体式壳体，其包围了包括物镜的多个光学部件；

其中，整体式壳体至少20mm厚，并且包括安装板，所述安装板被构造为至少为物镜提供刚性安装。

根据本实用新型的任何方面的壳体可以被构造成部分或全部包围包括物镜的多个光学部件。在一些实施例中，壳体可以是3D壳体结构(诸如盒子)，其可以围绕包括物镜的光学部件，所述物镜固定到安装板部分/壳体的一部分。本实用新型中提供的壳体可以显著减少甚至消除对位于壳体内的光学部件的外部扰动，诸如声学影响或振动。这可以允许以更高的稳定性和准确性进行单分子测量。整体式壳体可以提供3D结构，该3D结构具有围绕安装板的壁，并且在每个拐角，半径可以被设计成有助于衰减某些频率的振动。申请人预期壳体的3D结构将有助于将本征频率移到相关频带之外。

壳体是整体式的，因此它可以由一个基板或材料形成。整体式壳体包括或包含安装板部分。该安装板与壳体是一体的，并且是壳体的一部分。壳体可以被描述为由单件材料制成，没有接缝或接合处。在一些实施例中，安装板可以包括多个孔。

此外，根据本实用新型的其中包括整体式壳体(整体式壳体包括安装板)的倒置显微镜允许光学显微镜装置用作独立的桌上型单元，其可以在没有复杂的振动和温度控制措施的环境中运行。

在一些实施例中，壳体可以被构造成消除至少一种模式下的振动。此外，壳体可以被构造为支撑3D壳体结构中的安装板，这可以使得某些振动模式不可能发生。在一些实施例中，壳体被构造成具有3D形状，该3D形状可用于抑制、降低本征频率或使本征频率移位。

在一些实施例中，多个光学部件可以使用一个或更多个固定装置经由安装板附接到壳体。固定装置是有利的，因为它提供了将光学部件刚性固定到安装板的方式。

用于包括物镜的光学部件的固定装置可以是皇家显微学会(Royal MicroscopySociety，RMS)或M27螺纹。通过使用皇家显微学会(RMS)或M27螺纹，包括物镜的光学部件可以被紧紧地固定在安装板上。这特别有用，因为它防止物镜相对于在安装板上安装的其他光学部件的相对运动。此外，用于每个光学部件的精确螺纹孔可以在其正确位置固定在安装板上。

壳体可以具有至少20mm的厚度，或者它可以具有至少25mm、至少30mm、至少35mm或至少40mm的厚度。当与壳体的其余部分相比时，壳体的安装板部分或区段可以被构造成具有交替的厚度。

安装板可具有至少25mm的厚度，或者其可具有至少30mm、至少35mm、至少40mm、至少45mm或至少50mm的厚度。壳体的安装板部分的厚度可向该设备赋予刚性，并且在一些实施例中，该刚性可由壳体的其他部分的结构来支持。在一个实施例中，安装板部分形成壳体的顶部或底部，并且可由壁围绕。这些壁可以支撑安装板。

在一些实施例中，倒置光学显微镜还可以包括设置在安装板上的样品区域，并且该样品区域包括下列各项之中的一个或更多个：干涉仪头、样品部分盖、样品架、样品快门(sample shutter)、致动器和/或传感器。

优选地，倒置光学显微镜还可以包括刚性附接到安装板的空间滤波器。

在一些实施例中，倒置光学显微镜还可以包括密封板。密封板在密封显微镜时特别有用，使得壳体内部不存在气流或温度梯度。此外，密封板还可以帮助减少光束扰动的影响和放慢对准漂移(slow alignment drift)。

倒置光学显微镜可以包括一个或更多个可拆卸面板，该可拆卸面板被构造为连接到安装板和/或密封板。可拆卸面板可以是有益的，因为它可以提供简单且容易的方式来接近壳体的内部。

在一些实施例中，壳体可以是实心的。在一些实施例中，该壳体是金属制成的。在优选实施例中，壳体可以是铝、殷瓦(invar)或不锈钢。优选地，壳体由铝形成。通过由单块金属(诸如铝)形成壳体，铝可以有助于稳定性、热性能和组装的容易性。

在一些实施例中，壳体可被构造成提供均匀的吸热和散热。

在一些实施例中，安装板的厚度可以大于50mm、70mm、100mm、150mm、200mm、250mm或大于300mm。

在一些实施例中，壳体的尺寸大约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。在一些实施例中，壳体围绕光学部件形成盒子，并且安装板部分形成壳体的顶部或底部。

显微镜操作所需的其他部件(诸如控制装置和电源)可以存在于其壳体内或壳体外。外部部件可以使用中心线或脐带缆(umbilical)来连接。

附图说明

现在将参考附图通过仅作为示例的方式来进一步地并且更加具体地描述本实用新型，在附图中：

图1A提供了壳体的CAD图，并且图1B提供了描述根据本实用新型的壳体的安装板部分的CAD图；

图2提供了根据图1A和图1B的壳体的CAD图；

图3提供了根据图1A、图1B和图2的壳体的安装板部分的CAD图；

图4显示了根据图1A、图1B、图2和图3的壳体的样品区域；

图5显示了当物镜固定时，高速拍摄的固定基准标记物的图像序列的FFT分析的曲线图；并且

图6显示了当物镜安装于压电Z驱动器中时，高速拍摄的固定基准标记物的图像序列的FFT分析的曲线图。

具体实施方式

参考图1A和图1B、图2和图3，提供了倒置光学显微镜装置10。倒置光学显微镜包括壳体12，壳体12被构造成包围一个或更多个光学部件14，该光学部件14包括物镜16。倒置光学显微镜具有壳体12的安装板部分18，该安装板部分18被构造成向一个或更多个光学部件14提供刚性安装。

壳体是整体式壳体12，例如，大的实心材料(如金属)块。如图1B、图2和图3所示，壳体具有一个或更多个可拆卸面板20，这些面板连接到安装板18和/或密封板。密封板密封显微镜，使得壳体内部不存在气流或温度梯度，以便减少光束扰动的影响和放慢对准漂移。所有电子部件都可被容纳在一个单独的盒子中，该盒子经由包含所有相关电缆和电源的脐带缆连接，目的是保持根据本实用新型的倒置显微镜仪器尽可能小和便携。此外，如图3所示，壳体12可以包括在壳体侧面的一个或更多个任意尺寸的孔21，其可以用于允许电子线路进和/或出壳体。附加地或替代地，该孔可用于附接光学部件，诸如相机。

光学部件可以被包围在壳体内，壳体可以由铝制成，并且大约尺寸为300mm深x450mm宽x 150mm高。壳体的重量约为10至100kg。在一些实施例中，壳体大于10、20、30、40、50、60、70、80或大于90kg。在一些实施例中，壳体可以小于100、90、80、70、60、50、40、30、20或10kg。优选地，壳体重量约为25kg。

壳体的厚度可大于20mm。安装板部分的厚度可大于20mm或大于50mm。因此，壳体可包括具有不同厚度的部分或区段。

该壳体的重量和厚度对倒置光学显微镜的稳定性和性能至关重要，因为它在检测和分析生物和/或化学样品(诸如单个分子)期间防止振动耦合到显微镜仪器中以及损害数据质量。此外，该壳体还减少了对于具有主动隔振的昂贵且笨重的光学台的需求。

参考图1B，光学部件14(诸如，物镜16)和空间滤波器通过固定装置22固定到整体安装板18上，使得这些部件全都刚性机械耦合。此外，用于45°反射镜的安装柱17安装在物镜16下方。安装板18可以为大于50mm厚，因为这减轻了振动对壳体的影响。固定装置22可以是接入安装板18中的皇家显微学会螺纹或M27螺纹，显微镜物镜固定在安装板18中。尤其重要的是确保物镜相对于剩余光束路径的最大稳定性。本实用新型的倒置显微镜可以包括任何光学部件。示例性部件可以包括照明源、检测器、透镜(诸如聚光透镜和镜筒透镜)和/或分束器。本文讨论的显微镜物镜也可以被描述为物镜组。

参考图1A和图4，样品区域24设置在安装板上。样品区域24可以包含下列各项之中的一个或更多个：显微镜头26(诸如，干涉仪头)、样品架28、样品台盖30、致动器和一个或更多个传感器32(例如用于快门操作的RFID接近传感器)。显微镜头26可以包括物镜16。盖30可以是金属的，诸如铝。样品区域24可以采用固定装置22固定到安装板上。

RFID接近传感器32可以连接到在安装板上安装的机械快门。光源可以是激光器。接近传感器的使用允许高功率激光仅在盖将样品区域完全包围时进入物镜，使显微镜成为一级激光设备。

参考图1B和图3，壳体被设计成使得在光学安装件和部件之中的每一个仅在其正确对准所需的位置处具有螺纹孔34。这有助于容易制造和对准每个部件，因为它们不能错位，并且每个光学器件只有一个可以安装在安装板上的位置。

本实用新型的显微镜可以是任何倒置的光学显微镜。这可能包括任何超分辨率显微镜、光学镊子装置或扫描探针显微镜，诸如原子力显微镜。优选地，显微镜是干涉显微镜，诸如干涉散射显微镜。

壳体可以被描述为盒子或外壳(shell)，其将光学部件包围在其中。这个盒子或外壳由一个基板组成。如果需要，则可以在壳体内包括附加部件，诸如可以固定到安装板上的电路试验板(breadboard)。电路试验板可用于固定更多的附加部件。

示例

用MilliQ和乙醇连续冲洗1.5号玻璃盖玻片，然后将其放在显微镜上。基准标记物(灰尘颗粒或金纳米颗粒)被带入显微镜视场，并且以CMOS成像相机允许的最大帧速率拍摄影片。然后，将该颗粒点扩散函数拟合为2D高斯函数，以便及时跟踪该颗粒的位置。参考图5和图6，通过对该位置轨迹进行快速傅立叶变换(FFT)，揭示出耦合到该装置中的任何周期性振动。然后重复该过程，由此显微镜物镜被安装在压电Z驱动器中(见图6)，而不是机械耦合到光学安装板上(见图5)。参考图5和图6，实验清楚地显示，当显微镜物镜固定在光学安装板中时(见图5)，FFT中峰值的幅度和数量减少了，这对应于对外部振动和噪声源的更好衰减。

鉴于本公开，本实用新型的各种其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

本文使用的“和/或”应被视为两个特定特征或部件中的每一个(有或没有另一个)的具体公开。例如，“A和/或B”将被视为(i)A、(ii)B和(iii)A和B中的每一个的具体公开，就像在本文中单独列出的每一个一样。

除非上下文另有规定，否则以上列出的特征的描述和定义不限于本实用新型的任何特定方面或实施例，并且同样适用于所描述的所有方面和实施例。

本领域技术人员将进一步理解，尽管已经参考几个实施例通过示例的方式描述了本实用新型。但是它不限于所公开的实施例，并且在不脱离所附权利要求中限定的本实用新型的范围的情况下，可以构造替代实施例。

Claims (82)

1.一种倒置光学显微镜，其特征在于，所述倒置光学显微镜包括：

整体式壳体，其包围了包括物镜的多个光学部件；

其中，所述整体式壳体具有大于20mm的厚度，并且包括安装板，所述安装板被构造为至少为所述物镜提供刚性安装。

2.根据权利要求1所述的倒置光学显微镜，其中，所述多个光学部件使用一个或更多个固定装置附接到所述安装板。

3.根据权利要求1或2所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板具有至少25mm的厚度。

4.根据权利要求1或2所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造为消除至少一种模式下的振动。

5.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造为消除至少一种模式下的振动。

6.根据权利要求1、2或5所述的倒置光学显微镜，还包括样品区域，所述样品区域设置在所述安装板上，并且所述样品区域包括下列各项之中的一个或更多个：干涉仪头、样品架、样品快门、致动器和/或传感器。

7.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，还包括样品区域，所述样品区域设置在所述安装板上，并且所述样品区域包括下列各项之中的一个或更多个：干涉仪头、样品架、样品快门、致动器和/或传感器。

8.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，还包括样品区域，所述样品区域设置在所述安装板上，并且所述样品区域包括下列各项之中的一个或更多个：干涉仪头、样品架、样品快门、致动器和/或传感器。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的倒置光学显微镜，还包括空间滤波器，所述空间滤波器刚性附接到所述安装板。

10.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，还包括空间滤波器，所述空间滤波器刚性附接到所述安装板。

11.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，还包括空间滤波器，所述空间滤波器刚性附接到所述安装板。

12.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，还包括空间滤波器，所述空间滤波器刚性附接到所述安装板。

13.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11或12所述的倒置光学显微镜，还包括密封板。

14.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，还包括密封板。

15.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，还包括密封板。

16.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，还包括密封板。

17.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，还包括密封板。

18.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，还包括一个或更多个可拆卸面板，所述一个或更多个可拆卸面板被构造为连接到所述整体式壳体和/或连接到所述密封板。

19.根据权利要求14、15、16或17所述的倒置光学显微镜，还包括一个或更多个可拆卸面板，所述一个或更多个可拆卸面板被构造为连接到所述整体式壳体和/或连接到所述密封板。

20.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16、17或18所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

21.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

22.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

23.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

24.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

25.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

26.根据权利要求19所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是实心的。

27.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16、17、18、21、22、23、24、25或26所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

28.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

29.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

30.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

31.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

32.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

33.根据权利要求19所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

34.根据权利要求20所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是金属的。

35.根据权利要求27所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是铝、殷瓦或不锈钢。

36.根据权利要求28、29、30、31、32、33或34所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体是铝、殷瓦或不锈钢。

37.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16、17、18、21、22、23、24、25、26、28、29、30、31、32、33、34或35所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

38.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

39.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

40.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

41.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

42.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

43.根据权利要求19所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

44.根据权利要求20所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

45.根据权利要求27所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

46.根据权利要求36所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体被构造成以至少一种模式提供均匀的吸热和散热。

47.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16、17、18、21、22、23、24、25、26、28、29、30、31、32、33、34、35、38、39、40、41、42、43、44、45或46所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

48.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

49.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

50.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

51.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

52.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

53.根据权利要求19所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

54.根据权利要求20所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

55.根据权利要求27所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

56.根据权利要求36所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

57.根据权利要求37所述的倒置光学显微镜，其中，所述安装板的厚度大于50mm。

58.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16、17、18、21、22、23、24、25、26、28、29、30、31、32、33、34、35、38、39、40、41、42、43、44、45、46、48、49、50、51、52、53、54、55、56或57所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

59.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

60.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

61.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

62.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

63.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

64.根据权利要求19所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

65.根据权利要求20所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

66.根据权利要求27所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

67.根据权利要求36所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

68.根据权利要求37所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

69.根据权利要求47所述的倒置光学显微镜，其中，所述整体式壳体的尺寸约为300mm深x 450mm宽x 150mm高。

70.根据权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16、17、18、21、22、23、24、25、26、28、29、30、31、32、33、34、35、38、39、40、41、42、43、44、45、46、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68或69所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

71.根据权利要求3所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

72.根据权利要求4所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

73.根据权利要求6所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

74.根据权利要求9所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

75.根据权利要求13所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

76.根据权利要求19所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

77.根据权利要求20所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

78.根据权利要求27所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

79.根据权利要求36所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

80.根据权利要求37所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

81.根据权利要求47所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。

82.根据权利要求58所述的倒置光学显微镜，其中，用于所述物镜的固定装置是皇家显微学会(RMS)或M27螺纹。