KR20200054255A - 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템 - Google Patents

광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템 Download PDF

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Abstract

3개의 MEMS 미러, 3개의 프리즘, 3개의 빔스플리터, 3개의 고정 렌즈, 및 광 릴레이가 모두 하우징 내에 있는 동적 초점 및 줌 시스템이 개시된다. 제2 프리즘, 제1 및 제2 고정 렌즈, 및 제1 빔스플리터는 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬된다. 제1 및 제2 MEMS 미러는 그러한 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬된다. 제3 MEMS 미러, 제3 고정 렌즈, 제3 파장판, 제3 빔스플리터 및 제3 프리즘은 동일한 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬된다. 제3 프리즘은 제1 고정 렌즈와 제2 고정 렌즈 사이에서 광 릴레이의 중앙에 맞닿고, 제1 프리즘과 제3 프리즘의 선형 정렬이 광 릴레이의 길이방향 축에 평행하도록 제1 프리즘과 선형으로 정렬된다.

Description

광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 9월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/706,331호에 대한 우선권을 주장한다. 해당 출원의 내용은 본 개시내용에 참조로 포함된다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 2016년 1월 1일자로 전미 과학 재단(National Science Foundation)이 수여한 계약 번호 제1548737호에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.
발명의 분야
본 발명은 전반적으로 현미경 기술 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템에 관한 것이다.
매일 현미경으로 작업하는 사람들은 일반적으로 현미경이 몇 개의 병진 가능하거나 회전(회전 인/아웃) 고정 초점 길이 렌즈로 이루어지거나 또는 배율 변경을 달성하기 위해 상이한 대물 렌즈를 사용해야 한다고 가정한다. 더욱이, 포커싱은 샘플과 대물 렌즈 사이의 거리를 변경하도록 샘플 스테이지를 위아래로 병진시킴으로써 수행된다고 가정된다. 렌즈를 병진시키는 것에 대한 대안으로, 단일 요소, 가변 배율/가변 초점/다초점(이들 용어는 여기에서 동의어로 사용됨) 광학 요소가 사람의 눈처럼 빠른 포커싱을 수행한다. 그러한 광학 요소는 초점 길이가 변함에 따라 고정 상태를 유지한다. 3개의 다초점 렌즈는 배율과 초점을 서로 독립적으로 변경되게 하고, 또한 단일 다초점 렌즈를 사용하는 것보다 더 큰 초점 범위를 허용한다. 다초점 렌즈는 광이 표면에 부딪친 후 진행하는 방향을 제외하고는 동일하게 거동하는 투과 렌즈 및 반사 렌즈(미러)를 모두 포함한다. 본 발명은 종래의 현미경의 단점을 극복하기 위해 현미경과 함께 사용되거나 현미경에 부착될 수 있는 다초점 렌즈를 디바이스에 통합시킨다.
마이크로 전자 기계 시스템(Micro-electro-mechanical system)(MEMS) 변형 가능한 미러는 가변 초점 길이를 갖는 반사 렌즈이다. 정전기 MEMS 미러의 경우, 표면 형상을 미세하게 제어하기 위해 미러에 전압이 직접 인가된다. MEMS 미러는 일반적으로 감광성 폴리머, SU-8 2002, 및 알루미늄, 금 또는 은(반사 표면을 제공함)과 같은 금속으로 제조되지만, 독점적으로는 아니다. 본 발명의 맥락에서, MEMS 미러는 이산화티타늄 또는 금속/산화물 반사 표면을 갖도록, SU-8 2002 대신에 질화규소로 제조될 수 있다. 미러의 곡률 반경이 전압의 증가와 함께 감소함에 따라, (보고 있는) 물체의 위치가 변화한다. 이들 유형의 MEMS 미러가 돋보기를 대체하거나 중요한 포커싱을 수행하는 능력은 대략 최근 5년에야 가능해졌다. 그러한 발전은 개선된 미세 제조 기술 및 미러에 대한 구조적 변화로부터 비롯되었다.
탁상용 현미경으로 촬상할 때, 초점을 변경하기 위해서는 샘플 스테이지를 병진시켜야 한다. 이러한 이유로, 대부분의 샘플은 얇고 무생물이며 고정적이다. 전술한 바와 같이, 전통적인 포커싱 및 줌 메커니즘은 고정 초점 길이 렌즈를 회전시키고 및/또는 샘플 또는 고정 초점 길이 렌즈를 병진시키는 기술을 포함한다. 전통적인 포커싱 메커니즘의 단점은, 스테이지의 병진에 의한 샘플의 교반(액체 중의 고체 미립자를 관찰할 때 초점을 찾는 어려움, 우발적으로 대물 렌즈에 부딪쳤을 때 샘플 손상, 느린 초점 제어(통상적으로 자동화된 스테이지에서도 100 Hz 미만의 속도)를 초래할 수 있음), 부정확한 포커싱, 과다 노출로 인한 과도한 광 손상, 관찰 전 반응 완료로 인한 실험의 조기 종료(관심 초점면을 찾는 데에 걸리는 과도한 시간으로 인해), 및 살아있는 샘플에서 실시간으로 전파되는 뉴런의 관찰과 같은 촬상 속도 제한으로 인해 작은 시간 척도에서 생물학적 현상의 관찰 불가능을 포함한다. 자동화된 샘플 스테이지는 이산 초점 단계 위치 및 이산 배율 변화에 대한 전통적인 줌 시스템으로 제한된다. 고속 촬상을 수행하기 위해, 공진 속도 대물 렌즈 스캐너는 대물 렌즈를 빠르게 위아래로 병진시킬 수 있다. 공진 대물 렌즈 스캐너는 초점 범위에 걸쳐 광 분해능을 유지하지 않고, 단일(비교적 빠른) 속도로만 작동하며, 이동 질량체를 가져서, 공진할 때 시스템이 진동하거나 흔들리게 한다.
다초점 렌즈(MEMS 미러 포함)가 더 큰 초점을 달성하기 위해 일부 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용되었지만, 현미경에서 광학 줌에 이용되지 않았고 일반 생물학자에게 사용자 친화적인 소형 휴대용 유닛에 통합되지도 않았다. 상업용 다초점 렌즈는 평균 생물학자에게는 사용하기가 어렵다; 예를 들어, 현미경에서 광학 트레인의 시작 부분에 위치된 대부분의 동적 포커싱 메커니즘은 엔지니어가 설치해야 한다. 이들 메커니즘은 일반적으로 단 한 번의 실험을 위해 엘리트 대학에서 행해지는 단일 다초점 요소를 사용한 작업을 주문함으로써, 광범위한 사용이 배제된다. 다른 형태의 다초점 렌즈인 액체 렌즈는 포커싱 범위에 걸쳐 광 분해능을 유지하지 않고, 무색이 아니며, 수반되는 구면 수차를 효과적으로 제어할 수 없다.
앞의 단락은 현재 다초점 렌즈 기술과 관련하여 존재하는 몇 가지 과제를 다루고; 위에서 언급한 바와 같이, 현미경에서 광학 줌을 달성하기 위해 다초점 렌즈를 이용하는 현존 기술은 없다. 큰 영역의 저배율에서 작은 영역의 고배율로 전환하는 동시에 손으로 샘플을 조작하는 것은 어려운 일이다. 예를 들어, 절제된 패치-클램프 기술 동안, 샘플은 최대 30분 동안 실행 가능하게 유지된다. 과학자는 전체 세포를 보고, 유리 전극의 팁으로 세포막의 작은 부분을 제거하며, 대물 렌즈 터릿을 회전시켜 배율을 2배로 하고, 초점을 다시 맞춰서 유리 전극 팁 상의 절제된 조직을 관찰해야 한다. 본 발명은 과학자가 (음성 활성화 또는 풋 스텝 버튼의 사용을 통해) 손을 자유롭게 유지하면서 저배율 및 고배율 모두에서 전체 세포막을 관찰할 수 있게 한다. 현재 현미경과 함께 쉽게 사용되는(또는 부착되는) 빠른 광학 포커싱 또는 줌을 위한 해결책은 없다. 본 발명은 초점 범위에 걸쳐 시스템의 분해능을 유지하고, 가변 속도 포커싱을 허용하며, 샘플이 정지 상태를 유지하게 한다.
현미경에 대한 다양한 개선을 위한 다수의 특허가 존재한다; 그러나, 이들 발명 중 어느 것도 본 발명의 구조적 피쳐 또는 기능적 개선을 포함하지 않는다. 본 발명에 직접 관련되지는 않지만, 일부는 배율 시스템에 대한 개선이 발전된 방향을 설명하기 위해 여기서 간단히 언급된다. 이들 발명의 작은 서브세트는 현미경에 대한 부착 형태이다. 예를 들어, 미국 특허 제7864996호(Hemmer 등, 2011년)는 거시적 이미저(macroscopic imager) 및 공초점 이미저(confocal imager)가 각각 미리 정해진 정렬로 조직에 대해 개별적으로 제공되어 조직 표면에 대한 공초점 이미저의 촬상 위치가 거시적 이미지와 공간적으로 상관되는 조직 부착 디바이스를 개시하고 있다. 이 발명에서, 터릿은 거시적 및 미시적 대물 렌즈 사이에서 회전하고 전환되는 반면, 본 발명에서는 고정 MEMS 미러를 가로지르는 전압을 변경함으로써 배율이 변화된다. 본 발명은 이동 가능한 부품을 구동하기 위한 병진 또는 이동 가능한 부품 또는 모터를 갖지 않으며, 이는 Hemmer 및 다른 유사한 현미경과 비교할 때 상당한 구조적 차이를 구성한다. 더욱이, 거시적 촬상으로부터 미시적(공초점) 촬상으로 전환하기 위해 2개의 개별 기구 사이의 전환과 달리, 본 발명은 MEMS 미러 상의 전압을 변경함으로써 배율을 변화시키는 하나의 고정 유닛을 갖는다.
미국 특허 제8425037호(Uhlhorn 등, 2013년) 및 제9492080호(Uhlhorn 등, 2016년)는 수술 기구가 시야 내에 있는 동안 외과의가 인간 수정체와 같은 안구 구조 및 각막 및/또는 유리체와 같은 다른 안구 구조를 시각화할 수 있도록 수술 현미경에 결합될 수 있는 광 간섭 단층 촬영(optical coherence tomography)(OCT) 시스템을 제공한다. 이전에 참조한 발명과 같이, 이 특정 발명은 본 발명과 동일한 문제를 해결하려고 시도하지 않으며, 본 발명과 구조적으로 유사하지 않고, 본 발명과 동일한 용례를 갖지 않는다. 이들 특허에 설명된 OCT 및 분광계는 모두 간섭계를 갖는다. 간섭계는 재결합 및 간섭하는 2개의 광 경로를 갖는다. 본 발명은 전진하는 하나의 광 경로 및 복귀하는 하나의 광 경로를 갖는다. 2개의 경로의 재결합은 없다. 본 발명과 달리, Ulhorn 발명은 인가된 전압 하에 작동되는 MEMS 디바이스가 아니다. 오히려, 수술 현미경은 고정 초점 길이를 갖고, 눈의 특정 위치를 시각적으로 찾는 데에 사용되며, 이 시점에서 전체 기구가 제자리에 고정되고 촬상이 OCT를 통해 수행된다. OCT 포커싱의 변화는 간섭계의 광학 경로 길이를 변경함으로써 달성된다.
미국 특허 제9256009호(Theriault 등, 2016년)는 현미경 스테이지에 근접한, 가변 초점 길이 렌즈의 일 유형인 조정 가능한 음향 구배 굴절률(tunable acoustic gradient index of refraction)(TAG) 렌즈 및 스테이지를 조명할 수 있고 TAG 렌즈의 작동 주파수와 동기식으로 펄스될 수 있는 펄스 조명기를 통합한 현미경을 개시하고 있다. 본 발명의 목적 중 하나는 공간 광 변조기의 느린 전환 속도를 극복하는 것이다. 본 발명은 주로 재료 처리 용례를 위한 처리량을 개선시키는 것에 관한 것이다. Theriault에서, 렌즈는 압전 구동식이다; 이와 달리, 본 발명의 MEMS 미러는 전자식으로 구동된다(전압에 의해서만). Theriault의 렌즈는 2개의 투명한 윈도우로 구성되며 굴절 물질(가스, 고체, 액체, 플라즈마 등)로 채워져 있다. 광은 렌즈를 통해 투과하며 MEMS 미러에서와 같이 반사되지 않는다. Theriault는 단일 렌즈를 사용하여 배율 및 포커싱을 달성하는 반면, 본 발명은 3개의 MEMS 미러를 사용하여 이들 기능을 수행한다. Theriault의 단일 렌즈의 한 가지 단점은 포커싱을 위해 펄스 레이저 또는 카메라 및 조리개를 필요로 한다는 것이고, 본 발명에서는 그 중 어느 것도 필요하지 않다.
미국 특허 번호 제9602715호(Gladnick, 2017년)는 가변 배율 렌즈 부분 및 가변 초점 길이 렌즈(TAG 렌즈) 부분으로 구성된 촬상 시스템을 개시한다. 이 특정 발명은 정밀 기계 비전 검사 또는 계측 시스템에 사용되도록 의도된다. 이는 본 발명과 구조적으로 또는 기능적으로 유사하지 않고, 배율 기술의 개선을 제시한다. Gladnick 발명은 상호 교환 가능한 렌즈를 사용하여 Hemmer(전술함)와 유사하게 배율 상태를 변화시킨다. 배율을 위해 상호 교환 가능한 렌즈는 이산 배율 상태를 초래한다. 다른 한편으로, 본 발명의 전자 제어식 가변 초점 MEMS 미러는 하나의(최소) 배율 상태로부터 다른(최대) 배율 상태로의 연속적인 배율 변화를 허용한다. Gladnick에 따르면, 그 투과형 TAG 렌즈는 2개의 배율 상태에 대응하는 2개의 개별 공진 주파수에서 작동한다. 본 발명의 MEMS 미러는 DC 내지 1 kHz의 광범위하고 연속적인 주파수 범위에 걸쳐 작동한다. 본 발명은 모든 배율 및 포커싱을 위해 대물 렌즈의 후방 애퍼처를 채운다. Gladnick의 발명은, 조리개가 설계의 각 배율 상태에 대해 대물 렌즈의 후방 애퍼처의 크기를 변경하기 때문에 대물 렌즈의 후방 애퍼처를 채우지 않는다.
중요하게도, 상기 발명들 중 어느 것도 광시야, 공초점 및 다광자 현미경에서 동적 포커싱 및 줌을 제공하기 위해 MEMS 미러를 사용하지 않는다. 본 발명을 제외하고, 단일의 휴대용 유닛으로서 구성되고 실험실에서 과학자가 용이하게 사용하도록 설계된 그러한 시스템은 존재하지 않는다. MEMS 미러의 이점은 통상적으로 초점 범위가 현저히 넓고 대역폭이 더 높고 온도에 덜 민감하며 형광 용례에 무색이라는 점을 포함한다.
2014년에 공개된 논문1 - 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함됨 - 에서, 본 발명의 발명자는 가변 전력/가변 초점 광학 요소(단일 MEMS 미러 형태)가 현미경 기술에 통합될 수 있다고 예상하였지만, 본 명세서에 제공된 동적 초점 및 줌 시스템의 세부 사항은 지금까지 개시되지 않았다. 구체적으로, 2014년 논문은 포커싱 및 줌의 독립적인 조절을 달성하기 위해 본 명세서에 설명된 바와 같이 정렬된 3개의 MEMS 미러의 사용을 다루지 않았다. MEMS 미러 자체의 기본 구조는 2014년 논문에 기술되어 있다.
본 발명은 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템으로서, 하우징 내에 위치된 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러; 제1 MEMS 미러에 근접하여 위치되고 구동 신호를 제공하도록 구성된 제1 범용 직렬 버스, 제2 MEMS 미러에 근접하여 위치되고 구동 신호를 제공하도록 구성된 제2 범용 직렬 버스, 및 제3 MEMS 미러에 근접하여 위치되고 구동 신호를 제공하도록 구성된 제3 범용 직렬 버스; 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 회로 보드; 제1 프리즘 및 제1 프리즘에 인접하여 위치된 제2 프리즘; 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈로 구성되고, 제2 프리즘의 바로 후방에 위치된 광 릴레이; 제2 고정 렌즈의 바로 후방에 위치된 제1 빔스플리터; 및 제2 MEMS 미러의 전방에 위치된 제2 빔스플리터를 포함하고, 제2 프리즘, 제1 고정 렌즈, 제2 고정 렌즈, 및 제1 빔스플리터는 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬되며, 제1 MEMS 미러 및 제2 MEMS 미러는 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬된다.
바람직한 실시예에서, 하우징은 열 소산을 위한 복수의 통기구를 갖는 상단 커버를 포함한다. 바람직하게는, 하우징은 메인 윈도우를 포함하고, 메인 윈도우는 메인 윈도우를 통과함으로써 광 빔이 제1 프리즘 및 제2 프리즘에 접근하게 하도록 구성된다. 하우징은 바람직하게는 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브(alcove) 및 대물 렌즈 터릿이 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성된다. 대안 실시예에서, 하우징은 바람직하게는 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 카메라가 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성된다. 대안 실시예에서, 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 접안 렌즈가 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성된다.
바람직한 실시예에서, 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈는 하우징의 바닥의 슬롯 내에 활주 가능하게 장착된다. 바람직하게는, 제3 MEMS 미러는 메인 윈도우에 근접하여 위치된다. 본 발명은 바람직하게는 제3 고정 렌즈를 포함한다. 일 실시예에서, 본 발명은 제1 빔스플리터와 제1 MEMS 미러 사이에 위치된 제1 파장판(wave plate) 및 제2 빔스플리터와 제2 MEMS 미러 사이에 위치된 제2 파장판을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 제3 고정 렌즈의 바로 전방에 위치된 제3 파장판을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 제3 파장판의 바로 전방에 위치된 제3 빔스플리터 및 제3 빔스플리터의 바로 전방에 위치된 제3 프리즘을 더 포함한다.
바람직한 실시예에서, 제3 MEMS 미러, 제3 고정 렌즈, 제3 파장판, 제3 빔스플리터, 및 제3 프리즘은 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬된다. 바람직하게는, 제3 프리즘은 제1 고정 렌즈와 제2 고정 렌즈 사이에서 광 릴레이의 중앙 섹션에 맞닿고, 제3 프리즘은 제1 프리즘과 제3 프리즘의 선형 정렬이 광 릴레이의 길이방향 축에 평행하도록 제1 프리즘과 선형으로 정렬된다. 일 실시예에서, 제3 고정 렌즈는 제3 MEMS 미러의 바로 전방에 위치된다. 다른 실시예에서, 제3 고정 렌즈는 제1 프리즘과 제3 프리즘 사이에 위치 설정된다. 또 다른 실시예에서, 제3 고정 렌즈는 제2 빔스플리터와 제3 빔스플리터 사이에 위치 설정된다.
바람직한 실시예에서, 제1 빔스플리터, 제2 빔스플리터, 및 제3 빔스플리터는 편광 빔스플리터이다. 바람직하게는, 제1 MEMS 미러와 제2 MEMS 미러 사이에 제1 거리가 있고, 제2 MEMS 미러와 제3 MEMS 미러 사이에 제2 거리가 있으며, 제1 거리는 제2 거리보다 작다. 제1 앨코브는 바람직하게는 하우징에 일체형이며 대물 렌즈를 수용하도록 구성된 제1 나사형 어댑터를 포함한다. 제2 앨코브는 바람직하게는 하우징에 일체형이며 대물 렌즈 터릿, 카메라 또는 접안 렌즈를 수용하도록 구성된 제2 나사형 어댑터를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 제1 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 제2 사시도이다.
도 3은 하우징의 상단 커버가 제거된 것을 제외하고는 도 1에 도시된 것과 동일한 도면이다.
도 4는 인쇄 회로 보드가 제거된 경우를 제외하고 도 3에 도시된 것과 동일한 도면이다.
도 5는 스페이서 및 장착판이 제거된 것을 제외하고는 도 4에 도시된 것과 동일한 도면이다.
도 5a는 하우징의 측벽이 제거된 것을 제외하고는 도 4에 도시된 것과 동일한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 제1 실시예의 저부 사시도이다.
도 6은 범용 직렬 버스(USB)가 제거된 것을 제외하고는 도 5에 도시된 실시예의 평면도이다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 동일한 실시예의 제3 사시도이다.
도 8은 대물 렌즈가 하우징에 직접 부착된 본 발명의 제2 실시예의 제1 사시도이다.
도 9는 대물 렌즈 터릿이 하우징에 직접 부착되는 도 9에 도시된 실시예의 제2 사시도이다.
도 10은 본 발명의 광학 레이아웃의 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 광학 트레인의 다이어그램이다.
[참조 번호]
1 하우징
2 (하우징의) 상단 커버
3 (하우징의) 측벽
4 (하우징의) 바닥
5 (상단 커버의) 통기구
6 제1 USB
7 제1 앨코브
8 대물 렌즈
9 메인 윈도우
10 제2 앨코브
11 (하우징의) 연장부
12 제2 USB
13 제3 USB
14 인쇄 회로 보드
15 스페이서
16 장착 보드
17 (장착 보드의) 구멍
18 제1 MEMS 미러
19 제2 MEMS 미러
20 제3 MEMS 미러
21 내부 플랫폼
22 (내부 플랫폼의) 구멍
23 제1 프리즘
24 제2 프리즘
25 제1 고정 렌즈
26 제2 고정 렌즈
27 슬롯
28 제1 빔스플리터
29 파장판
30 제2 빔스플리터
31 제3 고정 렌즈
32 제3 빔스플리터
33 제3 프리즘
34 제1 나사형 어댑터
35 제2 나사형 어댑터
A. 개요
본 발명은 무한 컨쥬게이트 이미지 평면(infinite conjugate image plane)에서 기존의 광시야, 공초점 또는 다광자 현미경에 쉽게 삽입되거나 부착되는 기계적 인클로저 또는 하우징으로 구성된다. 본 발명은 대물 렌즈 터릿과 대물 렌즈 사이에 위치되도록 특별히 설계되지만, 또한 접안 렌즈 근방에 배치되어 동등하게 기능할 수도 있다. 하우징 내에서, 3개의 전자 제어식 가변 초점 렌즈와 1개의 고정 렌즈가 중요한 디포커싱 및 줌을 수행한다. 실험을 통해, 본 발명자는 하나의 MEMS 미러가 포커싱을 허용하지만 줌은 허용하지 않고, 2개의 MEMS 미러가 포커싱 및 줌을 허용하지만 서로 의존적이며(줌/배율 특성을 변경하지 않고 포커싱이 변경될 수 없고, 그 반대도 마찬가지임), 3개의 미러가 독립적인 포커싱 및 줌을 허용(즉, 포커싱 및 줌이 다른 것에 영향을 주지 않고 변경될 수 있음)한다고 결정하였다. 더욱이, 본 발명은 대물 렌즈를 전환하기 위해 현미경 대물 렌즈 터릿을 회전시키지 않고도 현미경의 배율을 변경할 수 있으며, 샘플은 정지 상태 및 교반되지 않은 상태로 유지된다.
본 발명이 샘플 내의 초점 위치를 변경할 때, 대물 렌즈의 후방 초점면은 충전된 상태로 유지된다. 따라서, 이용 가능한 다른 빠른 포커싱 기술과 달리, 시스템의 개구수 또는 분해능은 일정하게 유지된다. 본 발명은 줌과 독립적으로 디포커싱을 변경한다. 더욱이, 본 발명은 초점과는 독립적으로 (분해능을 개선시키지 않는 디지털과는 달리) 광학 배율을 변경할 수 있다.
B. 도면의 상세한 설명
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 제1 사시도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 다른 구성요소 둘레에 인클로저를 형성하는 하우징으로 구성된다. 하우징은 상단 커버(2), 측벽(3) 및 바닥(도시되지 않음)을 갖는다. 상단 커버(2)는 임의의 방식으로 측벽(3)에 부착, 고정 또는 연결되거나 결합될 수 있으며; 여기에서 측벽(3)에 나사로 부착된 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 상단 커버(2)를 측벽(3)에 부착하는 그러한 특정 방식으로 제한되지 않는다. 대안 실시예에서, 상단 커버(2)와 측벽(3)은 일체로 몰딩되거나(동일한 부품의 일부) 함께 용접될 수 있다. 하우징(1)은 임의의 적절한 내구성 및 강성 재료(예를 들어, 알루미늄)로 제조될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상단 커버(2)는 열 소산을 위한 하나 이상의 통기구(5)로 구성된다.
도 1은 제1 USB(6)를 또한 도시한다. 본 발명에서, 3개의 MEMS 미러(도시되지 않음) 각각에 대해 하나의 USB가 존재한다. 하우징(1)은 바람직하게는 대물 렌즈(8)가 메인 윈도우(9)의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 및 형상이 충분한 제1 앨코브(7) 및 대물 렌즈 터릿 또는 카메라/접안 렌즈(도시 생략)가 메인 윈도우(9)의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 및 형상이 충분한 제2 앨코브(10)를 형성하도록 구성된다. 하우징(1)의 상단 커버(2) 및 바닥(4)(도 5b 참조)은 바람직하게는 평탄하고, 측벽은 상단 커버(2)와 바닥(4) 사이에 위치되고 각각에 대해 수직이다. 2개의 앨코브(7, 10)는 메인 윈도우(9)가 위치된 하우징(1)의 연장부(11)를 형성한다. 메인 윈도우(9)는 연장부(11)의 전체 전방 단부를 가로질러 연장되고 연장부(11)의 양 측면 둘레를 감싸서 대물 렌즈(8) 및 대물 렌즈 터릿(도시되지 않음)이 윈도우의 반대쪽으로부터 메인 윈도우(9)에 접근하게 한다(이에 따라, 대물 렌즈와 대물 렌즈 터릿은 길이방향으로 서로 정렬됨).
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 제2 사시도이다. 이 도면은 제2 및 제3 MEMS 미러(도시되지 않음)에 대응하는 제2 및 제3 USB(12, 13)를 각각 도시한다. 3개의 USB(6, 12, 13)는 모두 하우징(1)의 측벽(3)에 있는 절결부를 통해 연장된다. 각 USB는 하우징 내부의 MEMS 미러에 근접하여 위치되고(도 5 참조) 3개의 MEMS 미러 중 하나에 구동 신호를 제공한다. 인쇄 회로 보드(14)는 3개의 MEMS 미러 각각에 대응하고(도 3 참조), 각 인쇄 회로 보드의 전력은 USB 아래 하우징의 구멍을 통해 공급된다(예를 들어, 도 7 참조).
도 3은 하우징의 상단 커버가 제거된 것을 제외하고는 도 1에 도시된 것과 동일한 도면이다. 이 도면은 MEMS 미러(도 5 참조)를 각각 제어하는 3개의 인쇄 회로 보드(14)를 도시한다. 미래의 실시예에서, 단일의 인쇄 회로 보드로 3개의 MEMS 미러를 모두 제어하는 것이 가능할 수 있다.
도 4는 인쇄 회로 보드가 제거된 경우를 제외하고 도 3에 도시된 것과 동일한 도면이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 복수의 스페이서(15)는 바람직하게는 장착 보드(16)와 인쇄 회로 보드(14) 사이에서 하나 이상의 장착 보드(16)의 상단에 위치된다. 장착 보드(16)는 인쇄 회로 보드(14) 아래에 위치되고, 스페이서(15)의 목적은 인쇄 회로 보드(14)가 장착 보드(16)와 전기적으로 접촉하지 않는 것을 보장하는 것이다. 장착 보드(16)의 구멍(17)은 전기 배선이 아래의 USB(13)로부터 장착 보드(16)를 통해 인쇄 회로 보드(14)로 나아가게 한다.
도 5는 스페이서 및 장착판이 제거된 것을 제외하고는 도 4에 도시된 것과 동일한 도면이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 3개의 MEMS 미러(18, 19, 20)를 포함하며, 이들 모두는 바람직하게는 원형이다. (도 5에서, 부품 번호 18, 19 및 20은 원형 미러가 테이프 또는 에폭시로 접착된 작은 정사각형 인쇄 회로 보드로서 도시되어 있다.) 본 발명은 바람직하게는 다양한 광학 구성요소가 적절하게 정렬되게 하는 내부 플랫폼(21)을 포함한다.
도 5a는 하우징의 측벽과 USB가 제거된 것을 제외하고는 도 5에 도시된 것과 동일한 도면이다. 내부 플랫폼(21)의 하나 이상의 구멍(22)은 본 발명이 광학 벤치에 나사로 고정되게 한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 제1 프리즘(23) 및 제1 프리즘(23)에 인접한 제2 프리즘(24)은 메인 윈도우(9)의 바로 내부에 위치된다. 여기에 도시되지 않았지만, 메인 윈도우(9)는 유리 또는 유사한 투명 재료로 덮일 수 있다. 제2 프리즘(24) 바로 후방에는 제1 고정 렌즈(25) 및 제2 고정 렌즈(26)로 구성된 광 릴레이가 있다. 제1 및 제2 고정 렌즈는 바람직하게는 하우징(1)의 바닥(4)의 슬롯(27) 내에 활주 가능하게 장착되고 고정 나사(도시되지 않음)로 제자리에 고정되어 그들 사이의 거리가 조절될 수 있다.
제2 고정 렌즈(26) 바로 후방에는 제1 빔스플리터(28)가 위치된다. 제1 빔스플리터(28)는, 제2 프리즘(24), 제1 고정 렌즈(25), 제2 고정 렌즈(26), 및 제1 빔스플리터(28)가 모두 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬되도록 위치된다. 파장판(29)은 제1 빔스플리터(28)와 제1 MEMS 미러(18) 사이에 위치된다. 제1 및 제2 MEMS 미러(18, 19)는 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬된다. 제2 빔스플리터(30)는 제2 MEMS 미러(19) 전방에 위치되고, 파장판(29)은 제2 빔스플리터(30)와 제2 MEMS 미러(19) 사이에 위치된다. 제3 MEMS 미러(20)는 메인 윈도우(9)에 근접하여 위치된다. 제3 고정 렌즈(31)는 제3 MEMS 미러(20)의 바로 전방에 위치되고, 파장판(29)은 제3 고정 렌즈(31)의 바로 전방에 위치된다. 본 발명은 가능한 한 작게 설계되어 상당한 벌크 없이 기존 현미경에 부착될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제3 고정 렌즈(31)(양의 고정 초점 길이 렌즈)의 추가는 1차 광학 요소의 길이를 4 인치 미만으로 유지할 수 있게 한다. 대안 실시예에서, 제3 고정 렌즈(31)는 제1 프리즘(23)과 제3 프리즘(33) 사이에 위치 설정된다. 다른 대안 실시예에서, 제3 고정 렌즈(31)는 제2 빔스플리터(30)와 제3 빔스플리터(32) 사이에 위치 설정된다. 제3 고정 렌즈(31)는 위치되는 곳에 따라 상이한 초점 길이를 가질 것이지만, 이 초점 길이는 아래에 제시된 수학식을 사용하여 계산될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 제3 빔스플리터(32)는 제3 고정 렌즈(31)의 전방에 있는 파장판(29)의 바로 전방에 위치되고, 제3 프리즘(33)은 제3 빔스플리터(32)의 바로 전방에 위치된다. 제3 MEMS 미러(20), 제3 고정 렌즈(31), 파장판(29), 제3 빔스플리터(32), 및 제3 프리즘(33)은 모두 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬된다. 제3 프리즘(33)은 (2개의 고정 렌즈(25, 26) 사이에서) 광 릴레이의 중앙 섹션에 맞닿고, 이들 2개의 프리즘의 선형 정렬이 광 릴레이의 길이방향 축에 평행하도록 제1 프리즘(23)과 선형으로 또한 정렬된다. 제1, 제2 및 제3 빔스플리터(28, 30 및 32)는 모두 바람직하게는 편광 빔스플리터이다. 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 MEMS 미러(18, 19) 사이의 거리는 제2 및 제3 MEMS 미러(19, 20) 사이의 거리보다 작다. 이 구성은 도 6에 또한 도시되어 있다.
도 6은 범용 직렬 버스(USB) 포트가 제거된 것을 제외하고는 도 5에 도시된 실시예의 평면도이다. 현미경은 투과 조명 및 반사 조명과 함께 사용할 수 있다(광은 시스템을 통해 전방으로 이동하고 시스템을 통해 카메라/접안 렌즈로 다시 반사되어 볼 수 있다). 본 발명에서, 카메라/접안 렌즈 및 대물 렌즈는 몇몇 상이한 위치에 배치될 수 있다. 하나의 가능한 구성에서, 카메라/접안 렌즈(또는 대물 렌즈 터릿)는 도 6의 "X" 위치에 위치되고, 대물 렌즈(투과를 위한 조명 소스를 제공하는)는 "Y" 위치에 위치된다(또한, 도 1 참조). 대안적으로, 카메라/접안 렌즈는 대물 렌즈가 "Y" 위치에 있는 상태에서 "Z" 위치에 위치될 수 있고; 이 구성에서, 제1 프리즘(23)이 제거된다. 또 다른 구성에서, 카메라/접안 렌즈는 "X" 위치에 있고 대물 렌즈는 "Z" 위치에 있으며; 이 구성에서, 제2 프리즘(24)이 제거된다. 그러한 모든 구성에서, 카메라/접안 렌즈는 반사를 위한 조명 소스를 제공할 수 있다. 다음 단락의 목적을 위해, 이들 3개의 구성을 각각 "구성 A", "구성 B" 및 "구성 C"로 지칭한다.
구성 A에서, 광은 대물 렌즈(8)로부터 메인 윈도우(9)를 통해 이동하고 입사 광 빔에 45도 각도로 있는 제2 프리즘(24)에 부딪친다. 이어서, 광 빔은 제1 고정 렌즈(25) 및 제2 고정 렌즈(26)를 통해 지향되어 제1 빔스플리터(28)에 부딪친다. 이어서, 광은 파장판(29)을 통해 이동하고 제1 MEMS 미러(18)에 부딪치고, 제1 빔스플리터(28)를 통해 제2 빔스플리터(30)로 다시 반사된다. 그 후, 광 빔은 제2 MEMS 미러의 전방에서 파장판(29)을 통해 이동하고 제2 MEMS 미러(19)에 부딪치며, 파장판(29)을 통해 다시 제2 빔스플리터(30)로 반사된다. 이어서, 광 빔은 제2 빔스플리터(30)로부터 제3 빔스플리터(32)로 수직으로 지향된다. 이어서, 광은 제3 MEMS 미러(20)의 전방의 파장판(29)을 통해, 제3 고정 렌즈(31)를 통해, 그리고 제3 MEMS 미러(20) 상으로 이동한다. 그 후, 광 빔은 제3 고정 렌즈(31), 파장판(29), 및 제3 빔스플리터(32)를 통해 다시 반사되어 제3 프리즘(33)에 부딪치며, 제3 프리즘은 광 빔을 메인 윈도우(9)의 측면을 통해 제1 프리즘(23)으로 지향시키며, 메인 윈도우에서 광 빔은 "X" 위치에서 디바이스를 빠져나온다. 3개의 프리즘(23, 24, 33) 모두는 입사 광 빔이 45도 각도로 프리즘에 부딪치고 그 입사 방향에 대해 90도 각도로 재지향되도록 구성된다.
광선이 MEMS 미러(18, 19 및 20)에 부딪침에 따라, 3개의 MEMS 미러의 디포커싱 및 구면 수차를 제어하는 소프트웨어를 통해 이들 3개의 지점 각각에서 배율 및/또는 초점에 영향을 줄 기회가 있다. 바람직한 실시예에서, 제1 MEMS 미러(18)는 1:1 보정 비율로 대물 렌즈의 후방 초점면에 직접 맵핑된다. 바람직한 실시예에서, 제3 MEMS 미러(20)는 더 큰 배율을 달성하기 위해 다른 2개의 MEMS 미러(18, 19)보다 큰 빔 직경을 갖는다.
구성 B에서, 광 경로는, 제1 프리즘(23)의 제거와 함께 광이 도 6의 "Z" 위치에서 디바이스를 빠져나간다는 것을 제외하고는 구성 A에 대해 전술한 바와 동일하다. 이 구성에서, 카메라/접안 렌즈는 대물 렌즈(8)에 수직이다. 구성 C에서, 카메라/접안 렌즈는 또한 대물 렌즈(8)에 수직이지만, 제1 프리즘(23)이 아니라 제2 프리즘(24)이 제거된다. 광의 경로는 광이 메인 윈도우(9)의 전방을 통해 디바이스로 들어가서 광 릴레이의 제1 고정 렌즈(25)에 부딪치는 것을 제외하고, 구성 A에 대해 전술한 바와 동일하다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 동일한 실시예의 제3 사시도이다. 이 도면은 제1 프리즘(23) 및 제2 프리즘(24) 뿐만 아니라 제1 고정 렌즈(25)를 볼 수 있는 메인 윈도우(9)의 보다 명확한 도면을 제공한다. 제1 프리즘(23)에 부딪칠 때까지 광 빔은 직경이 더 크기 때문에, 제1 프리즘(23)의 직경은 제2 프리즘(24)의 직경보다 크다. 유사하게, MEMS 미러(20)의 직경은 더 큰 직경의 광 빔으로 인해 다른 2개의 MEMS 미러(18, 19)의 직경보다 크다.
도 8은 대물 렌즈가 하우징에 직접 부착된 본 발명의 제2 실시예의 제1 사시도이고, 도 9는 대물 렌즈 터릿이 하우징에 직접 부착된 도 8에 도시된 실시예의 제2 사시도이다. 이 특정 실시예에서, 디바이스는 기존 현미경에 직접 부착될 수 있다. 도시된 바와 같이, 대물 렌즈(8)는 하우징(1)에 일체형인 제1 나사형 어댑터(34)를 통해 "Y" 위치(위치 지정은 도 6 참조)에서 하우징에 나사 결합된다. 대물 렌즈 터릿(도시되지 않음)은 또한 하우징(1)에 일체형인 제2 나사형 어댑터(35)를 통해 "X" 위치에서 하우징에 나사 결합된다. 메인 윈도우(9)는 제거되었고(대물 렌즈 및 대물 렌즈 터릿이 하우징에 직접 나사 결합되어 있기 때문에), 연장부(11)는 나사형 어댑터(34, 35)를 수용하도록 연장되었지만, 다른 모든 측면에서 본 발명은 이전에 설명되었다.
다음의 설명은 본 발명을 좌우하는 수학식에 관한 것이다. 도 10은 본 발명의 광학 레이아웃의 다이어그램이다. 1개의 고정 렌즈(F)(참조 번호 31) 및 3개의 다초점 렌즈(v1, v2 및 v3)(각각 참조 번호 20, 19 및 18)가 도시되어 있다. 고정 렌즈(F)와 다초점 렌즈(v1)는 결합될 수 있으며 G로 설명된다. 다초점 렌즈(v2 및 v3)는 결합될 수 있고 H로 설명된다. 거리(a)는 고정 초점 길이 렌즈(F)와 다초점 렌즈(v1) 사이의 간격을 나타낸다. 거리(b)는 다초점 렌즈(v1)와 다초점 렌즈(v2) 사이의 간격을 정의한다. 거리(b 및 c)는 양수이다. 거리(a)는 도시된 바와 같이 양수일 수 있으며, 여기에서 다초점 렌즈(v1)의 전방에 있다. 거리(a)는 또한 음수이고 다초점 렌즈(v1) 후방에 있을 수 있다. F에 대해 가장 쉽고 최상의 장소는 v1에 가까울 것으로 예상된다. 거리(a 및 c)는 시스템을 2-렌즈 릴레이로 고려하기에 충분히 작은 것으로 추정된다. G 및 H에 대한 등가 초점 길이, fG 및 fH는 각각 다음과 같다:
Figure pct00001
여기서, fF, fv1, fv2, 및 fv3은 각각 렌즈(F, v1, v2 및 v3)의 초점 길이이다. 거리가 무한 컨쥬게이트 촬상 또는 b = fG + fH를 제공한다고 가정하면, 제2 앨코브(10)에서 관찰된 샘플의 배율 M은 다음과 같다:
Figure pct00002
제1 MEMS 미러(18)(v3)의 6 mm 직경은 대부분의 0.8 NA 대물 렌즈의 후방 애퍼처의 직경과 1:1 스케일로 일치하며 본 발명에 대한 애퍼처 스톱(aperture stop)으로서 작용한다. 이는 MEMS 미러 형상을 미세하게 제어하여 시스템의 구면 수차 및 기타 수차를 쉽게 보정하게 한다. 또한, 전체 시스템의 애퍼처 스톱이 대물 렌즈의 최대 애퍼처가 되도록 하여 동적 초점 범위에 걸쳐 분해능이 유지되는 것이 보장된다.
6 mm MEMS 미러는 60 mm에서 무한대까지의 초점 길이를 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 MEMS 미러(18, 19)는 fv2 = fv3 = 60 mm에 있다. 그들 사이의 간격(c)은 빔스플리터 및 파장판의 크기로 인해 적어도 20 mm이다. 위에 제시한 식을 사용하여, fH = (60*60)/(60+60-20) = 36 mm이다. 2의 배율의 경우, M = fG/36 = 2 또는 fG = 72 mm이다. 제3 MEMS 미러(20)는 2배 배율의 경우 MEMS 미러(18, 19)의 직경의 2배를 가져야 하고; 따라서, 그 직경은 12 mm이다. MEMS 미러(20)는 200 mm 내지 무한대의 초점 길이 범위를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 값 fv1 = 600 mm은 2배 배율의 경우에 고정 렌즈(F)의 광 파워를 감소시키도록 선택되어 도입된 수차를 최소화시킨다. 통상적으로, 고정 렌즈가 더 많은 광 파워를 가질수록, 시스템에 도입되는 수차가 더 많아진다. 초점 길이에 대한 600 mm의 값fv1은 또한 fG의 감소를 더 줄임으로써 시스템의 배율이 감소되게 한다. 제3 고정 렌즈(31)를 선택하기 위해, fG = 72 mm이고, 고정 초점 길이 렌즈(31)와 v1 사이의 간격(a)은 적어도 5 mm이라고 가정한다; fG = 72 mm = fF * 600/(fF+600-5)를 해결하면, fG = 82이다. 바람직한 실시예에서, fG와 fH 사이의 거리는 유닛의 전체 크기를 비교적 작게 유지하기 위해 100 mm 미만이다.
도 11에 도시된 광학 트레인은 1개의 12 mm(v1) 및 2개의 6 mm(v2 및v3) MEMS 미러를 포함하고; 도면에 대한 이전의 설명을 참조하면, 더 큰 MEMS 미러는 제3 MEMS 미러(20)이고, 2개의 더 작은 MEMS 미러는 제1 및 제2 MEMS 미러(18, 19)이다. 2개의 릴레이 렌즈(제1 및 제2 고정 렌즈 25, 26)는 MEMS 미러(18)(v3)를 대물 렌즈의 후방 초점면 상에 1:1 스케일로 촬상하며, 이는 구면 수차의 용이한 보정을 허용한다. (후방 초점면은 일반적으로 대물 렌즈 내에 있으며, 광 릴레이는 거기에 컨쥬게이트 이미지 평면을 정확하게 배치하게 한다.) 이 릴레이를 따른 2개의 고정 렌즈의 배치(즉, 그들 사이의 거리)는 디바이스가 인터페이싱되는 현미경 및 2개의 릴레이 렌즈의 파워에 따라 좌우된다.
여기에 설명된 시스템은 Zemax, LLC의 OPTICSTUDIO® 광학 시험 플랫폼에서 모델링되었다. 표 1은 0.8 NA의 수성 샘플에서 연속 207-미크론 범위에 걸쳐 몇 가지 초점 위치를 나타낸다. 이 표는 또한 연속 1-2 배 범위에 걸쳐 가능한 몇 가지 배율을 나타낸다.
Figure pct00003
본 발명은 소량의 디포커싱에 대한 미세한 제어를 가능하게 할 뿐만 아니라 0.8 개구수에서 200 μm 초과 초점 범위 또는 0.2 NA에서 800 μm 초과 초점 범위를 제공한다.
현재, 기존의 MEMS 미러는 전자적으로 활성화하기 위해 약 100-150 볼트를 필요로 한다. MEMS 미러는 벤치-탑 고전압 전원으로 구동될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 고전압 부스트 컨버터가 사용되어 USB 전력으로부터 MEMS 미러를 구동시킨다.
본 발명은 비전문가가 샘플 스테이지 또는 대물 렌즈의 움직임 없이 광시야, 공초점 또는 다광자 현미경으로 빠른 포커싱 및 줌을 수행하게 한다는 점에서 종래 기술에 비해 큰 개선이다. 본 발명의 이점은 다음을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다: (a) 포커싱 및 줌이 모두 기구 내에서 광학적으로 수행되는 동안 샘플이 정지 상태로 유지되고; (b) 큰 질량체의 병진이 없으므로, 시스템 진동이 최소화되며; (c) 초점 및 줌이 독립적으로 제어될 수 있고; (d) (종래 기술과 비교하여) 비교적 큰 포커싱 및 줌이 작은 폼 팩터에서 달성되며; (e) 대물 렌즈의 후방 애퍼처는 초점 및 줌 범위에 걸쳐 채워져서, 고분해능 촬상을 유지하고; (f) 가변적이고 연속적인 초점 속도가 가능하며; (g) MEMS 미러는 포커싱을 위해 1 kHz 초과의 속도로 작동하며, 정밀하고 지속적인 초점 제어를 제공할 수 있다.
본 발명의 미래의 실시예는, 초점 및/또는 줌의 음성 활성화 제어, 사용자가 손을 자유롭게 유지할 수 있도록 줌을 제어하기 위한 풋 스텝 버튼, MEMS 미러 상의 동심 링으로 저차 및 고차 구면 수차를 제어하기 위한 소프트웨어, 미세한 비대칭 형상 제어를 갖는 가변 렌즈로 다른 수차를 제어하기 위한 소프트웨어, 및 타임 랩스 실험 중 자동 초점을 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련자에게는 더 넓은 양태에서 본 발명을 벗어나지 않고 많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 그러한 모든 변경 및 수정을 포함하도록 의도된다.
인용 문헌
1. Lukes, S.J., 및 Dickensheets, D.L., SPIE BiOS, International Society for Optics and Photonics, 2014, pp. 89490W-89411.

Claims (44)

  1. 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템이며,
    (a) 하우징 내에 위치된 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러;
    (b) 상기 제1 MEMS 미러에 근접하여 위치되고 구동 신호를 제공하도록 구성된 제1 범용 직렬 버스, 제2 MEMS 미러에 근접하여 위치되고 구동 신호를 제공하도록 구성된 제2 범용 직렬 버스, 및 제3 MEMS 미러에 근접하여 위치되고 구동 신호를 제공하도록 구성된 제3 범용 직렬 버스;
    (c) 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 회로 보드;
    (d) 제1 프리즘 및 제1 프리즘에 인접하여 위치된 제2 프리즘;
    (e) 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈로 구성되고, 제2 프리즘의 바로 후방에 위치된 광 릴레이;
    (f) 제2 고정 렌즈의 바로 후방에 위치된 제1 빔스플리터; 및
    (g) 상기 제2 MEMS 미러의 전방에 위치된 제2 빔스플리터를 포함하고,
    제2 프리즘, 제1 고정 렌즈, 제2 고정 렌즈, 및 제1 빔스플리터는 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬되며,
    제1 MEMS 미러 및 제2 MEMS 미러는 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 열 소산을 위한 복수의 통기구를 갖는 상단 커버를 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 메인 윈도우를 포함하고, 메인 윈도우는 메인 윈도우를 통과함으로써 광 빔이 제1 프리즘 및 제2 프리즘에 접근하게 하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브(alcove) 및 대물 렌즈 터릿이 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 카메라가 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 접안 렌즈가 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈는 하우징의 바닥의 슬롯 내에 활주 가능하게 장착되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제3 MEMS 미러는 메인 윈도우에 근접하여 위치되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 제3 고정 렌즈를 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제1 빔스플리터와 제1 MEMS 미러 사이에 위치된 제1 파장판(wave plate) 및 제2 빔스플리터와 제2 MEMS 미러 사이에 위치된 제2 파장판을 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈의 바로 전방에 위치된 제3 파장판을 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제3 파장판의 바로 전방에 위치된 제3 빔스플리터 및 상기 제3 빔스플리터의 바로 전방에 위치된 제3 프리즘을 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 MEMS 미러, 제3 고정 렌즈, 제3 파장판, 제3 빔스플리터, 및 제3 프리즘은 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제3 프리즘은 제1 고정 렌즈와 제2 고정 렌즈 사이에서 광 릴레이의 중앙 섹션에 맞닿고,
    상기 제3 프리즘은 제1 프리즘과 제3 프리즘의 선형 정렬이 광 릴레이의 길이방향 축에 평행하도록 제1 프리즘과 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈는 제3 MEMS 미러의 바로 전방에 위치되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈는 제1 프리즘과 제3 프리즘 사이에 위치 설정되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈는 제2 빔스플리터와 제3 빔스플리터 사이에 위치 설정되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 제1 빔스플리터, 제2 빔스플리터, 및 제3 빔스플리터는 편광 빔스플리터인, 동적 초점 및 줌 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제1 MEMS 미러와 제2 MEMS 미러 사이에 제1 거리가 있고, 상기 제2 MEMS 미러와 제3 MEMS 미러 사이에 제2 거리가 있으며, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작은, 동적 초점 및 줌 시스템.
  20. 제6항에 있어서, 상기 제1 앨코브는 하우징에 일체형이며 대물 렌즈를 수용하도록 구성된 제1 나사형 어댑터를 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  21. 제6항에 있어서, 상기 제2 앨코브는 하우징에 일체형이며 대물 렌즈 터릿, 카메라 또는 접안 렌즈를 수용하도록 구성된 제2 나사형 어댑터를 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  22. 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템이며,
    (a) 하우징 내에 위치된 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러;
    (b) 제1 프리즘 및 제1 프리즘에 인접하여 위치된 제2 프리즘;
    (c) 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈로 구성되고, 제2 프리즘의 바로 후방에 위치된 광 릴레이;
    (d) 제2 고정 렌즈의 바로 후방에 위치된 제1 빔스플리터; 및
    (e) 상기 제2 MEMS 미러의 전방에 위치된 제2 빔스플리터를 포함하고,
    제2 프리즘, 제1 고정 렌즈, 제2 고정 렌즈, 및 제1 빔스플리터는 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬되며,
    제1 MEMS 미러 및 제2 MEMS 미러는 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 하우징은 열 소산을 위한 복수의 통기구를 갖는 상단 커버를 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 상기 하우징은 메인 윈도우를 포함하고, 메인 윈도우는 메인 윈도우를 통과함으로써 광 빔이 제1 프리즘 및 제2 프리즘에 접근하게 하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  25. 제22항에 있어서, 상기 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 대물 렌즈 터릿이 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 상기 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 카메라가 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  27. 제22항에 있어서, 상기 하우징은 대물 렌즈가 메인 윈도우의 제1 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제1 앨코브 및 접안 렌즈가 메인 윈도우의 제2 측면에 접근하게 하도록 크기 설정된 제2 앨코브를 형성하도록 구성되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  28. 제22항에 있어서, 상기 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈는 하우징의 바닥의 슬롯 내에 활주 가능하게 장착되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  29. 제22항에 있어서, 상기 제3 MEMS 미러는 메인 윈도우에 근접하여 위치되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  30. 제22항에 있어서, 제3 고정 렌즈를 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 제1 빔스플리터와 제1 MEMS 미러 사이에 위치된 제1 파장판 및 제2 빔스플리터와 제2 MEMS 미러 사이에 위치된 제2 파장판을 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈의 바로 전방에 위치된 제3 파장판을 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제3 파장판의 바로 전방에 위치된 제3 빔스플리터 및 상기 제3 빔스플리터의 바로 전방에 위치된 제3 프리즘을 더 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제3 MEMS 미러, 제3 고정 렌즈, 제3 파장판, 제3 빔스플리터, 및 제3 프리즘은 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 상기 제3 프리즘은 제1 고정 렌즈와 제2 고정 렌즈 사이에서 광 릴레이의 중앙 섹션에 맞닿고,
    상기 제3 프리즘은 제1 프리즘과 제3 프리즘의 선형 정렬이 광 릴레이의 길이방향 축에 평행하도록 제1 프리즘과 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  36. 제30항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈는 제3 MEMS 미러의 바로 전방에 위치되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  37. 제33항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈는 제1 프리즘과 제3 프리즘 사이에 위치 설정되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  38. 제33항에 있어서, 상기 제3 고정 렌즈는 제2 빔스플리터와 제3 빔스플리터 사이에 위치 설정되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  39. 제33항에 있어서, 상기 제1 빔스플리터, 제2 빔스플리터, 및 제3 빔스플리터는 편광 빔스플리터인, 동적 초점 및 줌 시스템.
  40. 제22항에 있어서, 상기 제1 MEMS 미러와 제2 MEMS 미러 사이에 제1 거리가 있고, 상기 제2 MEMS 미러와 제3 MEMS 미러 사이에 제2 거리가 있으며, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작은, 동적 초점 및 줌 시스템.
  41. 제27항에 있어서, 상기 제1 앨코브는 하우징에 일체형이며 대물 렌즈를 수용하도록 구성된 제1 나사형 어댑터를 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  42. 제27항에 있어서, 상기 제2 앨코브는 하우징에 일체형이며 대물 렌즈 터릿, 카메라 또는 접안 렌즈를 수용하도록 구성된 제2 나사형 어댑터를 포함하는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  43. 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템이며,
    (a) 하우징 내에 위치된 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러;
    (b) 제1 프리즘;
    (c) 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈로 구성되고, 제1 프리즘의 바로 후방에 위치된 광 릴레이;
    (d) 제2 고정 렌즈의 바로 후방에 위치된 제1 빔스플리터; 및
    (e) 상기 제2 MEMS 미러의 전방에 위치된 제2 빔스플리터를 포함하고,
    제1 프리즘, 제1 고정 렌즈, 제2 고정 렌즈, 및 제1 빔스플리터는 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬되며,
    제1 MEMS 미러 및 제2 MEMS 미러는 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
  44. 광시야, 공초점 및 다광자 현미경과 함께 사용하기 위한 동적 초점 및 줌 시스템이며,
    (a) 하우징 내에 위치된 제1 MEMS 미러, 제2 MEMS 미러, 및 제3 MEMS 미러;
    (b) 제1 고정 렌즈 및 제2 고정 렌즈로 구성된 광 릴레이;
    (c) 상기 광 릴레이의 제1 단부로부터 오프셋되어 위치된 제1 프리즘;
    (d) 제2 고정 렌즈의 바로 후방에 위치된 제1 빔스플리터; 및
    (e) 상기 제2 MEMS 미러의 전방에 위치된 제2 빔스플리터를 포함하고,
    제1 고정 렌즈, 제2 고정 렌즈, 및 제1 빔스플리터는 광 릴레이의 길이방향 축을 따라 선형으로 정렬되며;
    제1 MEMS 미러 및 제2 MEMS 미러는 광 릴레이의 길이방향 축에 대해 90도 각도로 서로 선형으로 정렬되는, 동적 초점 및 줌 시스템.
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