KR20220115947A - 조명 대물렌즈와 컬렉션 대물렌즈의 비직교 배열을 가지는 오픈 탑 광 시트 마이크로스코피 - Google Patents

Abstract

조명 대물렌즈와 컬렉션 대물렌즈가 서로 직교하지 않는 광축을 가지는 오픈 탑 광 시트(OTLS) 마이크로스코프용 장치, 시스템 및 방법. 컬렉션 대물렌즈의 광축은 샘플 홀더의 평면과 직교할 수 있다. 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈는 샘플 홀더 아래에 위치될 수 있다. OTLS 마이크로스코프는 조명 대물렌즈의 광축과 직교하는 광축을 가지는 제2 컬렉션 대물렌즈를 선택적으로 포함할 수 있다. 조명 대물렌즈는 에어 대물렌즈일 수 있고, 컬렉션 대물렌즈는 침지 대물렌즈일 수 있다.

Description

조명 대물렌즈와 컬렉션 대물렌즈의 비직교 배열을 가지는 오픈 탑 광 시트 마이크로스코피

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 35§U.S.C.119에 따라 2019년 11월 13일에 출원된 미국 가출원 번호 62/934,758호의 이전 출원일에 대한 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 어떤 목적으로든 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

연구 및 개발에 관한 기재

본 발명은 국립 보건원에서 수여하는 보조금 번호 K99 CA240681 및 펜타곤에서 수여하는 보조금 번호 W81XWH-18-10358에 따른 정부의 지원을 받아 만들어졌다. 정부는 발명에 대한 특정 권리를 가진다.

마이크로스코피는 일반적으로 광을 샘플 상으로 향하게 하고, 그 다음에 샘플로부터 수신된 광에 기초하여 샘플을 이미지화하는 것을 포함할 수 있다. 하나의 조명 방법은 샘플의 비교적 얇은 평면이 조명되는 광 시트를 사용하는 것이다. 이것은 조직(tissues)의 광학 특성(예로써, 광퇴색 및 광독성 감소) 및 대량의 샘플을 이미지화하기 위한 스루풋 증가라는 두 가지 측면에서 이점을 가질 수 있다. 조직용 플랫 베드 문서 스캐너와 유사한, 오픈 탑 광 시트(OTLS: Open-top light-sheet) 마이크로스코프 구성은, 측면 제약 없이 하나 이상의 조직 시료를 편리하게 이미지화할 수 있도록 개발되었다. OTLS 마이크로스코프 기하학적 구조는 이미지의 해상도, 샘플의 이미징 깊이에 대한 여러 제한사항을 도입하고, 그리고/또는 시스템에 비교적 엄격한 굴절률 허용 오차를 부과할 수 있다. 오픈 탑 구성의 유리한 측면을 유지하면서 이러한 트레이드 오프를 일부분 해결하는 OTLS 마이크로스코프를 개발할 필요가 있을 수 있다.

적어도 하나의 양태에서, 본 개시는 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈를 포함하는 장치에 관한 것이다. 조명 대물렌즈는 조명 축을 따라 조명 광 시트를 샘플 내로 향하게 한다. 컬렉션 대물렌즈는 컬렉션 축을 따라 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신한다. 조명 축과 컬렉션 축은 서로 직교하지 않는다.

이 장치는 또한 제2 컬렉션 축을 따라 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신할 수 있는 제2 컬렉션 대물렌즈를 포함할 수 있다. 제2 컬렉션 축은 조명 축과 대략 직교할 수 있다. 이 장치는 또한 조명 광 시트를 생성할 수 있는 조명 광학계를 포함할 수 있다. 조명 광학계는 컬렉션 대물렌즈 및 제2 컬렉션 대물렌즈에 기초한 설정 간에 조정 가능할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈는 제1 개구수(NA; numerical aperture)를 가지고 제2 컬렉션 대물렌즈는 제1 NA보다 낮은 제2 NA를 가질 수 있다.

이 장치는 제3 대물렌즈 및 제4 대물렌즈를 포함할 수 있다. 제3 대물렌즈는 컬렉션 대물렌즈로부터 광을 수신하여 원격 이미지를 생성할 수 있다. 제4 대물렌즈는 조명 축과 컬렉션 축 사이의 비직교 각도에 기초한 각도로 원격 이미지를 이미지화할 수 있다.

이 장치는 침지 유체를 포함할 수 있다. 조명 대물렌즈는 침지 유체와 접촉하지 않고, 반면에 컬렉션 대물렌즈의 적어도 일부는 침지 유체와 접촉할 수 있다. 이 장치는 샘플을 지지하도록 구성된 샘플 홀더를 포함할 수 있으며, 샘플 홀더의 적어도 일부는 침지 유체와 접촉할 수 있다. 이 장치는 조명 대물렌즈와 침지 유체 사이에 위치된 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 SIL(solid immersion lens) 또는 SIMlens(solid immersion meniscus lens)일 수 있다.

이 장치는 샘플을 지지하도록 구성된 제1 측 및 제1 측과 반대 측인 제2 측을 가지는 샘플 홀더를 포함할 수 있으며, 여기서 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈는 제2 측 아래에 위치된다. 컬렉션 대물렌즈는 주어진 시야에 대한 초점 심도를 가질 수 있으며, 조명 축은 컬렉션 대물렌즈의 초점 심도 내에 머물지 않도록 배향될 수 있다.

적어도 하나의 양태에서, 본 개시는 샘플 홀더, 조명 대물렌즈, 및 컬렉션 대물렌즈를 포함하는 장치에 관한 것이다. 샘플 홀더는 제1 표면 및 제1 표면과 반대 측인 제2 표면을 포함한다. 제1 표면은 샘플을 지지한다. 조명 대물렌즈는 샘플 홀더의 제1 표면과 직교하지 않는 각도로 조명 광 시트를 샘플로 향하게 한다. 컬렉션 대물렌즈는 제1 표면과 대략 직교하는 컬렉션 축을 따라 광을 수집한다.

조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈는 제2 표면 아래에 위치될 수 있다. 이 장치는 조명 광 시트와 대략 직교하는 제2 컬렉션 축을 따라 광을 수집할 수 있는 제2 컬렉션 대물렌즈를 포함할 수 있다. 컬렉션 축은 조명 광 시트와 예각을 형성할 수 있다. 예각은 대략 40° 내지 70°일 수 있다.

이 장치는 또한 조명 대물렌즈와 샘플 홀더의 제2 표면 사이에 위치되는 침지 챔버를 포함할 수 있다. 침지 챔버는 침지 유체를 유지할 수 있고, 조명 광 시트는 샘플에 도달하기 전에 침지 유체를 통과할 수 있다. 이 장치는 SIL(solid immersion lens)을 포함할 수 있고, 조명 대물렌즈는 조명 광 시트를 SIL을 통해 침지 유체 내로 향하게 할 수 있다. 이 장치는 SIMlens(solid immersion meniscus lens)를 포함할 수 있으며, 조명 대물렌즈는 조명 광 시트를 SIMlens를 통해 침지 유체 내로 향하게 할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈의 적어도 일부는 침지 유체 내에 위치될 수 있으며, 조명 대물렌즈는 침지 유체와 접촉하지 않을 수 있다.

적어도 하나의 양태에서, 본 개시는 제1, 제2, 및 제3 대물렌즈를 포함하는 장치에 관한 것이다. 제1 대물렌즈는 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드에서 조명 시트를 샘플로 향하게 한다. 제1 대물렌즈는 제1 광축을 가진다. 제2 대물렌즈는 제1 동작 모드에서 샘플로부터 광을 수신한다. 제2 대물렌즈는 제1 광축과 직교하지 않는 제2 광축을 가진다. 제3 대물렌즈는 제2 동작 모드에서 샘플로부터 광을 수신한다. 제3 대물렌즈는 제1 광축과 대략 직교하는 제3 광축을 가진다.

이 장치는 샘플을 지지하는 제1 표면을 가지는 샘플 홀더를 포함할 수 있다. 제2 광축은 제1 표면과 대략 직교할 수 있고, 제1 광축 및 제3 광축은 제1 표면과 직교하지 않을 수 있다. 샘플 홀더는 또한 제1 표면과 반대 측인 제2 표면을 포함할 수 있고, 제1 대물렌즈, 제2 대물렌즈, 및 제3 대물렌즈는 제2 표면 아래에 위치될 수 있다. 제3 대물렌즈는 또한 제3 동작 모드에서 조명 시트를 샘플에 제공할 수 있다. 제2 대물렌즈는 또한 제3 동작 모드에서 샘플로부터 광을 수신할 수 있다.

이 장치는 또한 제1 동작 모드 또는 제3 동작 모드에서 제2 대물렌즈에 의해 수신된 광에 기초하여 원격 이미지를 생성할 수 있는 컬렉션 광학계, 제1 동작 모드에서 제1 각도로 원격 이미지로부터 광을 수집할 수 있는 제4 대물렌즈, 및 제3 동작 모드에서 제2 각도로 원격 이미지로부터 광을 수집할 수 있는 제5 대물렌즈를 포함할 수 있다. 이 장치는 제1 동작 모드 및 제3 동작 모드에서의 샘플의 이미지를 결합하여 샘플의 강화된 이미지를 생성할 수 있는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

이 장치는 조명 시트를 생성하여 이를 제1 대물렌즈에 제공할 수 있는 조명 광학계를 포함할 수 있다. 조명 광학계는 제1 동작 모드에서 제1 구성으로 조명 광 시트를 생성할 수 있으며, 제2 동작 모드에서 제2 구성으로 조명 광 시트를 생성할 수 있다. 제1 구성은 제1 개구수 및 제1 폭을 가질 수 있고, 제2 구성은 제1 개구수보다 작은 제2 개구수 및 제1 폭보다 큰 제2 폭을 가질 수 있다.

적어도 하나의 양태에서, 본 개시는 조명 광 시트를 조명 대물렌즈를 통해 샘플의 초점 영역으로 향하게 하고, 초점 영역으로부터 컬렉션 대물렌즈를 통해 광을 수집하고 - 컬렉션 대물렌즈의 광축은 조명 대물렌즈의 광축과 직교하지 않음 - , 수집된 광을 이미지화하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.

이 방법은 또한 초점 영역으로부터 제2 컬렉션 대물렌즈를 통해 광을 수집하고 - 제2 컬렉션 대물렌즈의 광축은 조명 대물렌즈의 광축과 대략 직교함 - , 제2 컬렉션 대물렌즈로부터 수집된 광을 이미지화하는 것을 포함할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈를 통해 광을 수집하는 것은 제1 동작 모드의 일부일 수 있고, 제2 컬렉션 대물렌즈를 통해 광을 수집하는 것은 제2 동작 모드의 일부일 수 있다. 이 방법은 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드 사이에서 조명 광 시트의 하나 이상의 속성을 조정하는 것을 포함할 수 있다.

이 방법은 또한 수집된 광에 기초하여 원격 이미지를 생성하고, 컬렉션 대물렌즈의 광축과 조명 대물렌즈의 광축 사이의 비직교 각도에 기초한 각도로 원격 이미지를 이미지화하는 것을 포함할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈에 의해 수집된 이미지의 품질은, 회절 제한적이며, 대략 0.8보다 큰 스트렐 비율을 가질 수 있다. 이 방법은 또한 조명 광 시트로부터 주변 매체를 통해, 침지 유체를 통해 그리고 샘플 홀더의 물질을 통해 샘플의 초점 영역으로 조명 광 시트를 통과시키고, 샘플 홀더의 물질을 통해 그리고 침지 유체를 통해 컬렉션 대물렌즈로 광을 수집하는 것을 포함할 수 있다.

적어도 하나의 양태에서, 본 개시는 OTLS(open top light sheet) 마이크로스코프 및 OTLS 마이크로스코프를 동작시키는 컨트롤러를 포함하는 시스템에 관한 것이다. OTSL 마이크로스코프는 조명 축을 따라 조명 광 시트를 샘플 내로 향하게 하는 조명 대물렌즈, 제1 컬렉션 대물렌즈, 및 제2 컬렉션 대물렌즈를 포함한다. 제1 컬렉션 대물렌즈는 제1 컬렉션 축을 따라 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신한다. 조명 축과 제1 컬렉션 축은 서로 직교하지 않는다. 제2 컬렉션 대물렌즈는 제2 컬렉션 축을 따라 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신한다. 조명 축과 제2 컬렉션 축은 서로 직교한다.

컨트롤러는 제1 동작 모드에서 제1 컬렉션 대물렌즈에 의해 수신된 광을 이미지화하고, 제2 동작 모드에서 제2 컬렉션 대물렌즈에 의해 수신된 광을 이미지화한다. 컨트롤러는 제1 동작 모드에서 수집된 이미지 및 제2 동작 모드에서 수집된 이미지로부터 정보를 결합할 수 있다. 컨트롤러는 이미지 프로세싱, 머신 러닝, 딥 러닝, 또는 이들의 조합을 이용하여 정보를 결합할 수 있다.

OTLS 마이크로스코프는 또한 조명 광 시트를 생성하도록 구성된 조명 광학계를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 조명 광학계가 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드 사이에서 조명 광 시트의 하나 이상의 속성을 조정 지시하도록 할 수 있다.

OTLS 마이크로스코프는 또한 제2 컬렉션 대물렌즈가 조명 광 시트를 제공하고 제1 컬렉션 대물렌즈가 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신하는 대체 모드로 동작할 수 있다. 컨트롤러는 조명 광 시트가 제1 컬렉션 대물렌즈에 의해 제공될 때 제1 이미지를 수집하고, 조명 광 시트가 제2 컬렉션 대물렌즈에 의해 제공될 때 제2 이미지를 수집하며, 제1 이미지 및 제2 이미지에 기초하여 강화된 이미지를 생성할 수 있다. 컨트롤러는, 퓨전 디콘볼루션(fusion deconvolution) 알고리즘에 적어도 부분적으로 기초하여, 강화된 이미지를 생성할 수 있다.

도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 OTLS 마이크로스코프의 블록도이다.
도 2a-2d는 본 개시의 일부 실시예에 따른 OTLS 마이크로스코프의 일부분의 개략적인 도면이다. 도 2a는 OTLS 마이크로스코프의 레이아웃을 보여주고, 도 2b-2d는 도 2a의 마이크로스코프의 일부분의 상세도를 보여준다.
도 3a-3c는 본 개시의 일부 실시예에 따른 OTLS 마이크로스코프의 개략적인 도면이다. 도 3a는 마이크로스코프(3A)를 보여주고, 도 3b 및 3c는 도 3a의 마이크로스코프와 함께 사용될 수 있는 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈의 서로 다른 배열의 확대도를 보여준다.
도 4는 본 개시의 일부 실시예에 따른 마이크로스코프의 샘플 홀더의 도면이다.
도 5a-5b는 OTLS 마이크로스코프의 제1 및 제2 동작 모드에서, 각각, 조명 광 및 수집된 광의 개략적인 도면이다.
도 6a-6b는 본 개시의 일부 실시예에 따른 듀얼 조명 모드를 가지는 하이브리드 OTLS 마이크로스코프를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일부 실시예에 따른 마이크로스코프로 샘플을 조명하는 방법의 블록도이다.
도 8a-8d는 본 개시의 일부 실시예에 따른 서로 다른 재배향 광학계의 개략적인 도면이다. 도 8a-8c는 조명 축과 컬렉션 축 사이에서 비직교 각도를 위해 재배향하도록 사용될 수 있는 재배향 광학계의 개략적인 도면이고, 한편 도 8d는 도 8c의 재배향 광학계(800c)의 예시적인 동작을 보다 자세히 보여주는 개략도이다.

다음의 특정 실시예의 설명은 본질적으로 단지 예시일 뿐이며, 본 개시의 범위 또는 그 응용이나 이용을 제한하려는 의도는 없다. 본 시스템 및 방법의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명에서는, 본 명세서의 일부를 형성하고, 설명되는 시스템 및 방법이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예로써 보여주는 첨부 도면이 참조된다. 이들 실시예는 당업자가 현재 개시되는 시스템 및 방법을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되어 있고, 또한 다른 실시예가 이용될 수 있으며 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 구조적 및 논리적 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 명확성을 위해, 특정 특징의 상세한 설명이 당업자에게 명백한 경우에는 본 개시의 실시예의 설명을 모호하게 하지 않도록 논의되지 않을 것이다. 그러므로 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 안 되며, 본 개시의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 규정된다.

OTLS(open top light-sheet) 마이크로스코프는 샘플 홀더의 상부 측에 이미지화될 샘플을 지지하는 샘플 홀더를 포함하며, 조명 광학계 및 컬렉션 광학계는 샘플 홀더의 반대 측인 하부 측 아래에 위치된다. 따라서, 광은 조명 대물렌즈로부터, 샘플 홀더를 통해, 샘플의 조명된 영역 내로 통과할 수 있다. 조명된 영역으로부터의 광은 샘플 홀더를 통과하여, 검출기(예로써, CCD, CMOS 등) 상에 수집된 광을 이미지화할 수 있는 컬렉션 대물렌즈로 통과할 수 있다. 조명 광 시트를 샘플 상으로 향하게 하는 조명 대물렌즈, 및 샘플로부터 광을 수집하여 이를 검출기로 향하게 하는 컬렉션 대물렌즈인, 두 개의 별개의 대물렌즈를 이용하는 것이 유리할 수 있다.

일부 OTLS 마이크로스코프는 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈의 광축 간에 직교하는 기하학적 구조를 사용할 수 있다. 예를 들어, 조명 축과 컬렉션 축은 각각 시료에 대해 45°이고, 서로에 대해 90°일 수 있다. 이런 설계는 단점이 존재할 수 있다. 예를 들어, 달성될 수 있는 이미징 해상도는 대물렌즈(조명 및/또는 컬렉션)의 NA에 의해 제한된다. 보다 높은 NA의 대물렌즈는 보다 높은 해상도를 가능하게 하지만, 보다 짧은 작동 거리를 가지고, 이에 따라 시료 내로 보다 짧은 이미징 깊이를 가지는 경향도 있다. 두 대물렌즈의 작동 거리는 광이 이미징 영역에 도달하기 위해 더 먼 거리를 이동해야 하도록 배향되기 때문에, 대물렌즈가 샘플에 대해 비스듬한 각도로 배향되면 이러한 제한은 악화될 수 있다. 이것은 비교적 더 두꺼운 시료에서 이미징 깊이를 제한할 수 있으며, 따라서 원하는 고해상도로 이미지화될 수 있는 시료의 두께를 제한할 수 있다. 또 다른 예시적 단점으로는, 높은 NA의 대물렌즈를 가지는 OTLS 마이크로스코프의 경우, 비축(off-axis) 초점 빔(즉, 샘플에 대해 직교하지 않음)의 품질이, 제거된 조직, 샘플 홀더, 및 침지 매체 사이의 매우 작은 굴절률 차이에 의해 심각하게 저하(이탈)될 수 있다는 것이다. 따라서, 이러한 시스템은 침지 액체, 시료 홀더, 및 조직의 굴절률 매칭을 위해 비교적 엄격한 요건을 부과할 수 있다. 이러한 과제 중 하나 이상을 극복하는 마이크로스코프를 설계하는 것이 바람직할 수 있다.

본 개시는 조명 대물렌즈와 컬렉션 대물렌즈의 비직교 배열을 가지는 오픈 탑 광 시트 마이크로스코프에 관한 것이다. 다시 말해, 조명 대물렌즈는 조명 광축을 가질 수 있고, 컬렉션 대물렌즈는 컬렉션 광축을 가질 수 있으며, 조명 광축과 컬렉션 광축은 서로 직교하지 않는다. 일부 실시예에서, 컬렉션 대물렌즈는 샘플 홀더의 평면과 대략 직교할 수 있고(예로써, 컬렉션 축이 샘플을 지지하는 표면에 수직일 수 있음), 반면에 조명 대물렌즈는 직교하지 않는다(예로써, 45°각도). 이것은 컬렉션 대물렌즈가 그 전체 이미징 깊이(작동 거리)를 사용할 수 있는 OTLS 마이크로스코프를 가능하게 할 수 있다. 이것은, 결과적으로, 비교적 높은 NA의 컬렉션 대물렌즈(보다 짧은 작동 거리를 가지는 경향이 있음)를 사용하기 쉽게 만들 수 있어, 샘플의 고해상도 이미지화를 가능하게 할 수 있다. 또한 이 기하학적 구조를 사용하면, 수집된 광이 샘플 홀더를 통해 저입사각으로 통과할 수 있기 때문에, 컬렉션 경로에 대한 굴절률 매칭 요건을 줄일 수 있다. 이 기하학적 구조는 또한 샘플의 이동에 대해 측면 제약을 부과하지 않기 때문에 유리할 수 있다.

일부 실시예에서, OTLS 마이크로스코프는 조명 대물렌즈와 직교하게(그리고 샘플 홀더와 직교하지 않게) 배향될 수 있는 제2 컬렉션 대물렌즈를 포함할 수 있다. OTLS 마이크로스코프는 두 개의 광학 경로(예로써, 두 개의 컬렉션 대물렌즈) 사이에서 교환 가능한 광학계를 포함할 수 있다. 조명과 직교하지 않는(그리고 샘플 홀더의 평면과 직교할 수 있는) 제1 컬렉션 대물렌즈는, 조명 대물렌즈와 직교하는 제2 컬렉션 대물렌즈보다 높은 NA일 수 있다. 두 개의 컬렉션 경로를 사용하면, 마이크로스코프를 고배율 및 저배율 모드 양방에서 동작 가능하게 할 수 있으며, 이것은, 예를 들면, 관심 영역을 식별하기 위해 보다 낮은 NA(이로써 보다 큰 시야)의 대물렌즈로 샘플을 스크리닝한 다음, 보다 높은 NA의 대물렌즈로 보다 자세히 해당 영역을 조사하는데 유용할 수 있다. 마이크로스코프의 해상도는 조명 광학계 및/또는 컬렉션 광학계를 조정하여 튜닝될 수 있다.

도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 OTLS(open top light sheet) 마이크로스코프의 블록도이다. 도 1은 OTLS 마이크로스코프(102), 및 이 마이크로스코프(102)를 동작시키고 그리고/또는 마이크로스코프(102)로부터의 정보를 해석할 수 있는 선택적 컨트롤러(104)를 포함하는 광학 시스템(100)을 도시한다. 일부 실시예에서, 이 컨트롤러(104)의 하나 이상의 부분은 생략될 수 있으며, 마이크로스코프(102)는 수동으로 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 컨트롤러(104)의 하나 이상의 부분은 마이크로스코프(102)에 통합될 수 있다.

마이크로스코프(102)는 샘플 홀더(108)를 포함하며 그 샘플 홀더(108)의 상부 측을 따라 샘플(106)을 지지한다. 마이크로스코프(102)는 서로 분리되어 있는 조명 경로 및 컬렉션 경로를 가진다. 조명 경로는 소스(118), 조명 광학계(120), 및 조명 대물렌즈(122)를 포함한다. 조명 경로는 샘플 홀더(108)를 통과하는 조명 빔(124)을 제공하여 샘플(106)을 조명한다. 컬렉션 경로는 컬렉션 대물렌즈(128), 컬렉션 광학계(130), 및 검출기(132)를 포함한다. 컬렉션 경로는 조명 빔(124)에 의해 조명되는 초점 영역(126)으로부터 광을 수집할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈(128)의 광축은 조명 대물렌즈(122)의 광축에 대해 각도 θ(예로써, 조명 빔(124)에 대해 각도 θ)에 있을 수 있다. 각도 θ는 직각이 아닐 수 있다(예로써, 예각). 이러한 조명 및 광학 컴포넌트의 배열은 일반적으로 NODO(non-orthogonal, dual objective) 시스템이라고 불릴 수 있다.

조명 대물렌즈(122) 및 컬렉션 대물렌즈(128)는 일반적으로 샘플 홀더(108)의 하부 측 아래에 위치될 수 있다. 이것은 샘플 홀더(108)의 상부 측이 상대적으로 개방 상태로 둘 수 있으며, 이는 결과적으로 샘플 홀더(108) 상에 샘플(106)을 배치하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더는 평판(예로써, 상업용 평판 스캐너와 유사함)인 상부 표면을 가질 수 있고, 다양한 샘플이 그 평판 상에 배치될 수 있다. 이것은 또한 샘플(106)에 대한 측면 제약을 감소/제거할 수 있다.

일부 실시예에서, 마이크로스코프(102)는 추가적인 선택적 제2 컬렉션 대물렌즈(160)를 포함할 수 있다. 제2 컬렉션 대물렌즈(160)는 조명 빔(124)의 조명 축에 대해 각도 φ를 가지는 컬렉션 축을 가지고 초점 영역(126)을 이미지화할 수 있다. 각도 φ는 각도 θ보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 각도 φ는 대략 90°(예로써, 직각)일 수 있다. 제2 컬렉션 대물렌즈(160)를 이용한 이미지화는 ODO(orthogonal dual-objective) 이미징으로 불릴 수 있다. 제2 컬렉션 대물렌즈(160)는 수집된 광을 검출기(164)에 커플링하는 자체 컬렉션 광학계(162)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 검출기(164)의 사용 대신에, 검출기(132)가 컬렉션 대물렌즈(128 및 160) 양방에 의해 공유될 수 있다. 도 3-7에 다수의 컬렉션 대물렌즈를 가지는 예시적 실시예가 보다 자세히 설명된다.

일부 실시예에서, 마이크로스코프(102)는 선택적 침지 유체 챔버(110)를 포함할 수 있으며, 이는 결과적으로 침지 유체(112)를 포함한다. 침지 유체(112)는 조명 및/또는 수집된 광을 샘플 내로 커플링하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 침지 유체(112)는 샘플 홀더(108) 및/또는 샘플(106)과 함께 굴절률 매칭 유체로 작용하여, 이를 통과하는 광의 굴절을 줄일 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈(122)와 컬렉션 대물렌즈(128) 중 하나 또는 둘다는 주변 매체(예로써, 공기(air))로 둘러싸인 에어 대물렌즈일 수 있다. 따라서, 광은 공기와 침지 유체(112) 사이를 통과할 수 있다. 렌즈 또는 윈도우와 같은, 선택적 광학 엘리먼트는 공기/침지 유체 인터페이스(들) 사이에서 광을 커플링하는데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈(122)와 컬렉션 대물렌즈(128) 중 하나 또는 둘다는 대물렌즈의 적어도 일부(예로써, 전면 렌즈)가 침지 유체(112)와 접촉하는 침지 대물렌즈일 수 있다. 예를 들어, 조명 대물렌즈(122)는 에어 대물렌즈일 수 있고, 조명 빔(124)은 샘플(126)에 도달하기 전에, 공기를 통해, 렌즈/윈도우(미도시)를 통해, 침지 유체(112) 내로 통과할 수 있다. 초점 영역(126)으로부터의 광은, 공기를 통과하지 않고 침지 유체(112)를 통해 컬렉션 대물렌즈(128)에 의해 수집될 수 있다.

소스(118)는 조명 경로를 따라 조명 광을 제공하여 샘플(106)의 초점 영역(126)을 조명한다. 소스(118)는 좁은 스펙트럼의 광을 방출할 수 있는 레이저 또는 LED(light emitting diode)와 같은 협대역 소스일 수 있다. 일부 실시예에서, 광은 넓은 스펙트럼(예로써, 백색)의 조명을 생성할 수 있는 광대역 소스(예로써, 백열 소스, 아크 소스)일 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 광의 하나 이상의 부분은 가시 범위 밖에 일 수 있다. 일부 실시예에서, 필터(미도시)가 조명 광의 파장(들)을 더 정제하기 위해서 조명 경로의 일부로 사용될 수 있다. 예를 들어, 밴드패스 필터가 소스(118)로부터 광대역 조명을 수신하고, 보다 좁은 스펙트럼의 조명 광을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 광 소스(103)는 레이저일 수 있으며, 콜리메이트 광을 발생시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 광학 시스템(100)은 샘플(106)에서 형광을 이미지화하기 위해 사용될 수 있다. 조명 빔(124)은 샘플(106)에서 형광단을 여기(excitation)시킬 수 있는 특정 여기 파장의 광을 포함할 수 있다. 조명 빔(124)은 여기 파장을 포함하는 넓은 스펙트럼의 광을 포함하거나, 여기 파장에 중심을 둔 협대역일 수 있다. 일부 실시예에서, 광 소스(118)는 여기 파장에 중심을 둔(또는 근접한) 좁은 스펙트럼의 광을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 필터(들)(미도시)가 여기 파장 근처의 파장으로 조명 빔(124)을 제한하기 위해 조명 광학계(120)에 사용될 수 있다. 조명 빔(124)에 의해 여기되면, 샘플(106)에서의 형광단은 광을 방출할 수 있다(이는 주어진 방출 파장에 중심을 둘 수 있음). 컬렉션 경로(예로써, 컬렉션 광학계(130))는 검출기(132)에 도달하는 광을 방출 파장에 가까운 파장의 광으로 제한하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다.

조명 광학계(120)는 소스(118)로부터의 광을 조명 대물렌즈(122)에 커플링시킬 수 있다. 예를 들어, 조명 광학계(120)는 소스(118)로부터의 광을 조명 대물렌즈(122)의 백엔드로 운반하는 광섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 광학계(120)는 소스(118)에 의해 제공된 광을 실질적으로 변경하지 않고 소스(118)와 대물렌즈(122) 사이에서 광을 커플링시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 광학계(120)는 소스(118)에 의해 제공된 광의 형상, 파장, 강도 및/또는 기타 속성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 조명 광학계(120)는 소스(118)로부터 광대역 광을 수신하고, 광을 필터링(예로써, 필터, 회절 격자, 음향-광학 변조기 등을 이용)하여 대물렌즈(122)에 협대역 광을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 조명 광학계(120)는 조명 광을 스캔하도록 사용될 수 있는 스캐닝 광학계(예로써, 스캐닝 미러)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 스캐닝 광학계는 (예로써, 하나의 축에서 광을 앞뒤로 스캐닝하지만, 다른 축에서는 그렇지 않게 하여) 광 시트의 형태로 조명 빔(124)을 생성하도록 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스캐닝 광학계는 샘플(106)에 대한 시야의 위치를 변경하도록 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 조명 광학계(120)는 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 마이크로스코프(102)가 하나 이상의 이미징 모드(예로써, 동일한 조명 대물렌즈를 공유하는 다수의 컬렉션 대물렌즈)를 지원하는 경우, 조명 광학계(120)는 이미징 모드에 따라 조정되거나 튜닝될 수 있는 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 도 3에서 다수의 이미징 모드를 사용하는 예시적 마이크로스코프가 더 자세히 논의되며, 도 5에서 조명 광학계(120)를 튜닝하는 예가 더 자세히 논의된다.

조명 경로는 광 시트 마이크로스코피 또는 광 시트 형광 마이크로스코피(LSFM)의 일부로서 광 시트인 조명 빔(124)을 제공할 수 있다. 광 시트는 일반적으로 제1 축(예로써, y축)을 따른 제1 개구수 및 제1 축과 직교하는 제2 축을 따른 제1 개구수보다 큰 제2 개구수를 가지며, 타원형의 단면을 가질 수 있다. 조명 광학계(120)는 소스(118)로부터 수신된 광을 조명 시트로 재형성하는 광학계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 광학계(120)는 직교 축이 아닌 하나의 축으로 광을 포커싱하는 하나 이상의 실린드리컬 광학계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 조명 광학계(120)는 샘플(106)에 대해 조명 빔(124)을 스캔하도록 사용될 수 있는 스캐닝 광학계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 빔에 의해 조명된 영역은 원하는 초점 영역(126)보다 작을 수 있다. 이 경우, 조명 광학계(120)는 초점 영역(126)의 조명을 보장하기 위해 원하는 초점 영역(126)에 걸쳐 조명 빔(124)을 빠르게 진동(oscillate)시킬 수 있다.

조명 대물렌즈(122)는 조명 빔(124)을 제공하는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 대물렌즈(122)는 초점 영역(126)을 향하여 조명 빔(124)을 포커싱할 수 있다. 샘플 홀더(108)는 초점 영역(126)이 전체적으로 샘플(106) 내에 있도록 샘플(106)을 위치시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)는 초점 영역(126)에 대해 샘플(106)을 위치시킬 수 있는 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈는 하나 이상의 내부 광학 엘리먼트를 포함하는 상업용 대물렌즈일 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈(122)는 주변 환경(예로써, 공기)에 의해 둘러싸일 수 있고, 조명 대물렌즈(122)는 에어 대물렌즈일 수 있다. 조명 대물렌즈(122)는 광을 초점 영역(126)에 집중시키는 각도(들)에 기초할 수 있는 하나 이상의 개구수로 특징지어질 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈(122)는 침지 대물렌즈일 수 있으며, 조명 대물렌즈(122)의 적어도 일부는 침지 유체(112)와 접촉할 수 있다.

일부 실시예에서, 초점 영역(126)은 초점면으로 이상화될 수 있다. 조명 빔(124)은 초점 영역(126)을 생성하기 위해 샘플(106) 상으로 향하게 될 수 있다. 초점 영역(126)은 조명 광 시트(124)에 의해 조명된 평면(예로써, 2D)으로 이상화될 수 있다. 초점면은 조명 광 시트(124)와 정렬될 수 있고, 컬렉션 대물렌즈(128)가 광을 수집할 수 있는, 조명 빔(124)에 의해 이미지화된 영역을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 초점 영역(126)은 컬렉션 대물렌즈(128)의 단일 시야를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 초점 영역(126)은 컬렉션 대물렌즈(128)의 시야가 스캔될 수 있는 영역을 나타낼 수 있다.

샘플(106)은 샘플 홀더(108)의 상부 표면에 의해 지지될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플(106)은 샘플 홀더(108)의 상부 표면 상에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플(106)은 컨테이너(예로써, 유리 슬라이드, 웰 플레이트(well plate), 조직 배양 플라스크 등)에 패키징될 수 있으며, 그 컨테이너가 샘플 홀더(108)에 놓여질 수 있다. 일부 실시예에서, 컨테이너는 샘플 홀더(108)에 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플(106)은 광학 시스템(100)에서 이미지화 전에 처리될 수 있다. 예를 들어, 샘플(106)은 이미지화 전에 세척, 슬라이스, 및/또는 라벨링될 수 있다.

일부 실시예에서, 샘플(106)은 생물학적 샘플일 수 있다. 예를 들어, 샘플(106)은 의심되는 질병(예로써, 암)의 영역으로부터 생체 검사된 조직일 수 있다. 일부 실시예에서, 이 조직은 광학 시스템(100)에 의해 검사되기 전에 광학적 클리어런스(optical clearance), 조직 슬라이싱 및/또는 라벨링과 같은 다양한 처리를 거칠 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 시스템(100)을 이용한 조직의 검사는, 진단, 치료 진행 결정, 질병 진행 모니터 등을 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 샘플(106)은 비생물학적일 수 있다. 예를 들어, 샘플(106)은 유체일 수 있으며, 조사를 위한 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플(106)은 연소 가스일 수 있고, 광학 시스템(100)은 가스 성분을 특징짓기 위해 PIV(particle image velocimetry) 측정을 수행할 수 있다.

일부 실시예에서, 샘플(106)은 하나 이상의 타입의 형광단을 포함할 수 있다. 형광단은 샘플(106)(예로써, 생물학적 샘플의 DNA 및 단백질)에 내재될 수 있으며, 또는 샘플(106)에 적용된 형광 라벨(예로써, 아크리딘 오렌지, 에오신)일 수 있다. 일부 샘플(106)은 내재 타입의 형광단 및 형광 라벨의 혼합을 포함할 수 있다. 형광단의 각 타입은 여기 파장에 중심을 둘 수 있는 여기 스펙트럼을 가질 수 있다. 형광단이 여기 스펙트럼의 광에 의해 여기되는 경우, 그것은 여기 파장과 다른(예로써, 적색 이동된) 방출 파장에 중심을 둘 수 있는 방출 스펙트럼의 광을 방출할 수 있다.

샘플 홀더(108)는 조명 빔(124) 및 샘플(106)의 초점 영역(126)으로부터 수집된 광에 대해 일반적으로 투명한 물질 상에 샘플(106)을 지지할 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)는 샘플(106)이 그 위에 위치될 수 있는 투명 물질의 윈도우를 가질 수 있으며, 샘플 홀더(108)의 나머지 부분은 불투명 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)는 투명 물질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(108)는 샘플(106)을 지지하는 유리 판을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)는 샘플(106)을 지지하기 위한 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(108)는 클립 또는 웰(well)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)는 이 시스템(100)의 모듈식 컴포넌트일 수 있고, 서로 다른 샘플 홀더(108)가 샘플 타입, 이미징 타입, 조명/수집된 광의 파장, 및 이들의 조합에 따라 교체될 수 있다.

샘플 홀더(108)는 샘플(106)을 지지하는 샘플 홀더(108)의 표면과 반대 측인 제2 표면(예로써, 하부 표면)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 침지 유체(112)를 유지하는 침지 챔버(110)는 샘플 홀더(108)의 제2 표면 아래에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 침지 챔버(110)는 오픈 탑(open top)을 가질 수 있으며, 침지 유체(112)는 샘플 홀더(108)의 제2 표면과 접촉할 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)의 제2 표면은 침지 유체(112)와 접촉할 수 있는 반면, (샘플(106)을 지지하는) 샘플 홀더(108)의 제1 표면은 대물렌즈(122 및 128)와 동일한 환경(예로써, 공기)과 접촉할 수 있다.

샘플 홀더(108)는 하나 이상의 방향으로 샘플 홀더(108)를 이동시킬 수 있는 액추에이터(109)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(108)는 침지 챔버(110) 및 대물렌즈(122 및 128)에 대해 하나 이상의 차원으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(108)는 x축, y축, 및/또는 z축을 따라 이동할 수 있으며, 그리고/또는 회전(예로써, 팁, 틸트 등)할 수 있다. 샘플 홀더(108)는 샘플(106) 내의 초점 영역(126)의 위치를 변경하기 위해, 그리고/또는 적재 위치와 이미징 위치 사이에서 샘플 홀더(108)를 이동시키기 위해 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 액추에이터는 나사 또는 거친/미세 조정 노브와 같은 수동 액추에이터일 수 있다. 일부 실시예에서, 액추에이터는 수동 입력 및/또는 컨트롤러(104)로부터의 명령에 응답할 수 있는 전기 모터와 같이 자동화되어 있을 수 있다. 일부 실시예에서 액추에이터(109)는 수동 조정 및 자동 제어 모두에 응답할 수 있다(예로써, 수동 튜닝 및 컨트롤러(104)로부터의 명령 모두에 응답하는 노브).

선택적 침지 챔버(110)는 침지 유체(112)를 포함한다. 일부 실시예에서, 침지 챔버(110)는 침지 유체(112)를 교체하는데 유용할 수 있는 소스 및/또는 싱크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 침지 챔버(110)는 침지 유체(112)를 제공하는 유체 입력 라인에 연결될 수 있고(결국 펌프 및/또는 저장소에 연결될 수 있음), 침지 챔버(110)로부터 침지 유체(112)를 제거하기 위해 개방될 수 있는 배수구에 연결될 수 있다. 본 명세서에서 보다 자세히 설명되는 바와 같이, 침지 유체의 타입은 샘플(106) 및/또는 샘플 홀더(108)의 굴절률에 기초하여 선택될 수 있다.

컬렉션 경로는 초점 영역(126)으로부터 광을 수신하고, 수신된 광을 이미지화하거나 그리고/또는 측정할 수 있는 검출기(132) 상으로 그 수신된 광을 향하게 할 수 있다. 초점 영역(126)으로부터의 광은 조명 빔(124)의 방향 전환된 부분(예로써, 산란 및/또는 반사된 광)일 수 있고, 조명 빔(124)에 반응하여(예로써, 형광을 통해) 초점 영역(126)으로부터 방출된 광일 수 있으며, 또는 이들의 조합일 수 있다. 수집된 광은 샘플 홀더(108)를 통과하여 컬렉션 대물렌즈(128)로 향할 수 있다.

도 1의 NODO 기하학적 구조에서, 컬렉션 경로는 샘플 홀더(108)의 평면(예로써, 도 1의 XY 평면)에 대해 각도 γ로 배열된 기준 광축을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 각도 γ는 대략 90°일 수 있다. 즉, 컬렉션 경로는 샘플 홀더(108)의 평면에 대략 직교하는 기준 광축을 가질 수 있다. 컬렉션 대물렌즈에 의해 수집된 이미지의 품질이 회절 제한되는, 즉, 성능지수로 스트렐 비율 - 여기서 스트렐 비율은 대략 0.8보다 큼 - 을 이용하는 경우, 각도 γ는 90°에 충분히 근접, 즉, 대략 직교할 수 있다. 당업자에게 분명한 바와 같이, 스트렐 비율은 주어진 OTLS 마이크로스코피 시스템에 잠재적으로 적용될 수 있는 많은 파라미터, 예를 들면 각도 α 이외에, 굴절률 불일치(즉, 광학 경로 차이, 또는 홀더와 침지 매체/제거된 조직 샘플 사이의 굴절률차와 홀더의 두께의 곱), 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈의 NA, 대물렌즈의 시야, 조명 광 및/또는 수집된 광의 파장, 및 사용된 특정 대물렌즈에 의해 결정될 수 있다.

조명 경로는 컬렉션 경로의 기준 광축에 대해 각도 θ로 배열된 기준 광축을 가질 수 있고, 각도 θ는 비직각, 즉 예각일 수 있다. 몇 가지 고려사항이 각도 θ의 허용 가능한 값의 범위를 제한할 수 있다. 예를 들어, 시료 홀더와 교차하여, 시료의 측면 차원을 제한하기 때문에, 각도가 90° 또는 그 근처, 즉 시료 홀더의 평면에 거의 평행한 것은 비실용적일 수 있다. 굴절률 매칭 제약은 또한 조명 빔의 상대적으로 낮은 NA에 대해서도, 큰 부담이 될 수 있다. 컬렉션 대물렌즈의 기계적 하우징에 의해 부과된 물리적 제약을 포함하여, 각도 θ에 대한 값의 범위의 하한을 제한할 수 있는 다른 요인이 있다. 도 2에서 대물렌즈의 기하학적 구조에 의해 부과된 예시적 제한이 보다 자세히 논의된다.

초점 영역(126)의 기하학적 구조는 컬렉션 경로의 시야에 의해 부분적으로 정의될 수 있으며, 이는 결과적으로 컬렉션 대물렌즈(128)의 개구수에 부분적으로 의존할 수 있다. 조명 대물렌즈(122)와 유사하게, 컬렉션 대물렌즈(128)는 하나 이상의 렌즈를 포함하는 상업용 대물렌즈일 수 있다. 일부 실시예에서, 컬렉션 대물렌즈(128)는 에어 대물렌즈일 수 있다. 일부 실시예에서, 컬렉션 대물렌즈(128)는 침지 대물렌즈(예로써, 오일 침지 대물렌즈)일 수 있다. 일부 실시예에서, 컬렉션 대물렌즈(128)는 조명 경로에 사용된 침지 유체(112)와 다른 침지 매체를 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 컬렉션 경로가 포커싱하고 있는 초점 영역 및 조명 경로가 포커싱하고 있는 초점 영역은 전체적으로 초점 영역(126)에 중첩될 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 경로 및 컬렉션 경로는 각각 자신의 초점 영역의 서로 다른 형상, 사이즈, 및/또는 위치를 가질 수 있다.

컬렉션 경로는 컬렉션 대물렌즈로부터의 광을 검출기(132) 상으로 다시 향하게 할 수 있는 컬렉션 광학계(130)를 포함한다. 예를 들어, 컬렉션 광학계(130)는 컬렉션 대물렌즈의 백엔드로부터의 광을 검출기(132)에 투사되는 이미지 내로 포커싱하도록 설계된 튜브 렌즈일 수 있다. 일부 실시예에서, 컬렉션 광학계(130)는 컬렉션 대물렌즈(128)로부터 수신된 광을 변경하는 하나 이상의 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬렉션 광학계(130)는 필터, 미러, 디스캐닝(de-scanning) 광학계, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

컬렉션 광학계(130)는 초점 영역(126)의 뷰를 재배향할 수 있는 광학계를 포함할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈(128)의 축이 초점 영역(126)에 대해 각도 θ에 있기 때문에, 이미지가 왜곡될 수 있다. 컬렉션 광학계(130)는 이미지가 검출기(132)에 투사되기 전에 각도 θ를 처리하도록 이미지를 재배향할 수 있는 하나 이상의 피처(feature)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬렉션 광학계(130)는 제1 렌즈가 컬렉션 대물렌즈(128)에 의해 수집된 광의 이미지를 투사하고, 제2 렌즈가 각도 θ를 상쇄하는 각도로 해당 원격 이미지를 이미지화하는 원격 초점(remote focus)을 포함할 수 있다. 이것은 광이 검출기(132)에 도달하기 전에 각도 θ로 인한 왜곡을 보정할 수 있다. 이미지를 재배향하는 또 다른 방법이 다른 예시적 실시예에서 사용될 수 있다.

검출기(132)는 초점 영역(126)을 이미지화하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 검출기(132)는 사용자가 초점 영역(126)을 관찰할 수 있도록 접안 렌즈(eyepiece)를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 검출기(132)는 초점 영역(126)의 이미지를 기록하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 검출기(132)는 CCD 또는 CMOS 어레이를 포함할 수 있으며, 이는 그 어레이에 입사되는 광에 기초하여 전자 신호를 생성할 수 있다.

마이크로스코프(102)는 마이크로스코프(102)의 하나 이상의 부분을 동작시키거나, 마이크로스코프(102)로부터의 데이터를 표시하거나, 마이크로스코프(102)로부터의 데이터를 해석하거나, 또는 이들의 조합에 사용될 수 있는 컨트롤러(104)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예에서, 컨트롤러(104)는 범용 컴퓨터와 같이 마이크로스코프와 별개일 수 있다. 일부 실시예에서, 컨트롤러(104)의 하나 이상의 부분은 마이크로스코프(102)와 통합될 수 있다.

컨트롤러(104)는 사용자가 컨트롤러(104)로부터의 피드백, 마이크로스코프(102)로부터의 데이터를 보거나, 컨트롤러(104)에 대한 명령을 제공하거나, 마이크로스코프(102)에 대한 명령을 제공하거나, 또는 이들의 조합을 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 입력/출력 디바이스(142)를 포함한다. 예를 들어, 입력/출력 디바이스(142)는 디지털 디스플레이, 터치스크린, 마우스, 키보드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

컨트롤러(104)는 메모리(144)에 저장된 하나 이상의 명령을 실행시킬 수 있는 프로세서(140)를 포함한다. 명령은 마이크로스코프(102)를 제어하는 방법에 대한 명령을 포함할 수 있는 제어 소프트웨어(152)를 포함할 수 있다. 제어 소프트웨어(152)에 기초하여, 프로세서(140)는 컨트롤러(104)가 액추에이터(109)와 같이 마이크로스코프(102)의 여러 컴포넌트에 신호를 전송하게 할 수 있다. 명령은 검출기(132)로부터 '실시간의' 또는 메모리(144)에 이전에 저장된 이미지(146)를 처리하도록 사용될 수 있는 이미지 프로세싱 소프트웨어(150)를 포함할 수 있다. 이미지 프로세싱 소프트웨어(150)는, 예를 들면, 이미지(146)로부터 백그라운드 노이즈를 제거할 수 있다. 명령은 이미지(146)의 하나 이상의 속성을 결정하기 위해 프로세서(140)에 의해 실행될 수 있는 분석 소프트웨어(148)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분석 소프트웨어(148)는 이미지(146)에서 세포핵을 강조 표시할 수 있다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(104)는 마이크로스코프가 샘플의 많은 다양한 시야로부터 이미지를 수집하게 지시할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(104)는 이미지의 깊이 스택(depth stack)을 수집하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 컨트롤러(104)는 검출기(132)가 제1 이미지를 수집하도록 지시하고, 그 다음에 액추에이터(109)가 샘플 홀더(108)를 수직 방향에서(예로써, z축을 따라) 설정 거리만큼 이동시키도록 명령할 수 있다. 이것은 또한 초점 영역(126)에 대해 샘플(106)을 이동시킬 수 있어서, 초점 영역(126)이 위치하는 샘플 내의 높이를 변경할 수 있다. 그 다음에 컨트롤러(104)는 검출기(132)가 또 다른 이미지를 수집하고, 이어서 스택 내 설정된 이미지의 수 및/또는 설정된 z 방향 내 총 변위가 달성될 때까지 이 프로세스를 반복하도록 명령할 수 있다. 그 다음에 분석 소프트웨어(148)는 샘플(106)의 3D(또는 의사(pseudo) 3D) 이미지화가 가능하도록 이미지들의 깊이 스택을 결합할 수 있다. 유사한 방식으로, 다수의 시야를 수집하기 위해 여러 다른 변환(translation)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 샘플은 x, y, 및/또는 z축으로 스캔될 수 있다. 샘플 홀더(108) 아래의 대물렌즈(및 기타 광학계)의 위치는 X 또는 Y 방향으로 보다 덜 제한된 스캐닝을 가능하게 할 수 있기 때문에, OTLS의 기하학적 구조는 이들 방향으로 스캐닝하는데 특히 유용할 수 있다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(104)는 하나 이상의 동작(또는 이미징) 모드 사이에서 마이크로스코프(102)를 전환하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(104)는 여러 컴포넌트를 작동시키거나, 하나 이상의 컴포넌트를 활성화/비활성화시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 이미징 모드에서, 광이 컬렉션 대물렌즈(128)로부터 수집될 수 있고, 반면에 제2 이미징 모드에서, 광은 다른 컬렉션 대물렌즈(도 1에서는 도시되지 않음)를 통해 수집될 수 있다. 도 3 내지 도 6b에서 다수의 이미징 모드를 이용하는 예시적 실시예가 보다 자세히 논의된다.

도 2a-2d는 본 개시의 일부 실시예에 따른 OTLS 마이크로스코프의 일부분의 개략적인 도면이다. 도 2a는 OTLS 마이크로스코프의 레이아웃을 보여주고, 도 2b-2d는 도 2a의 마이크로스코프의 일부분의 상세도를 보여준다. 일부 실시예에서, OTLS 마이크로스코프(200)는 도 1의 마이크로스코프(102) 내에 포함될 수 있다. 간결성을 위해, 도 1과 관련하여 앞서 설명된 세부사항 및 동작은 도 2와 관련하여 다시 반복되지 않는다.

도 2는 컬렉션 광학계의 일부와 함께, 조명 및 컬렉션 광학계와 침지 챔버 및 샘플과의 인터랙션에 초점을 맞춘 마이크로스코프의 개략도를 보여준다. 마이크로스코프(200)는 추가 컴포넌트를 포함할 수 있으며, 도면의 명확성을 위해 도 2에서는 생략된다.

마이크로스코프(200)는 조명 소스 및 기타 선택적 조명 광학계(미도시)로부터 조명 광을 수신하고, 조명 빔(218)을 렌즈(218)를 통해 침지 유체(222) 내로 향하게 하는 조명 대물렌즈(202)를 포함한다. 침지 유체(222)는 침지 챔버(220)에 의해 수용된다. 침지 광(218)은 샘플 홀더(226)의 하부 표면을 통해 샘플(228) 내로 통과한다. 수집된 광(216)은 샘플(228)로부터 나와, 샘플 홀더(226) 및 침지 유체(222)를 통해, 컬렉션 대물렌즈(204) 내로 통과한다. 조명 광(218)의 기준 축은 샘플 홀더(226)의 평면과 직교하지 않을 수 있는 반면에, 수집된 광(216)의 기준축은 샘플 홀더(226)의 평면과 대략 직교할 수 있다. 따라서, 조명 광(218) 및 수집된 광(216)은 서로 직교하지 않을 수 있다.

마이크로스코프(200)는 조명 광(218)과 수집된 광(216) 사이의 비직교 각도 θ를 수용하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 재배향 광학계(230)를 보여준다. 여러 타입의 재배향 광학계(230)가 사용될 수 있다. 도 2의 예는 원격 이미지(212)를 사용하는 재배향 광학계(230)의 특정 구현을 보여준다. 그러나, 다른 실시예에서는 재배향 광학계(230)를 달성하기 위해 다른 스킴을 사용할 수 있다. 도 8a-8d에서 도 2의 재배향 광학계(230)를 대신하여 사용될 수 있는 여러 예시적 재배향 광학계가 논의된다.

도 2의 재배향 광학계(230)에서, 컬렉션 대물렌즈(204)는 광을 선택적 트랜스퍼 광학계(210)를 통해 제2 컬렉션 대물렌즈(206) 내로 향하게 할 수 있다. 제2 컬렉션 대물렌즈(206)는 제3 컬렉션 대물렌즈(208)에 의해 이미지화될 수 있는 원격 이미지(212)를 생성할 수 있다. 제2 컬렉션 대물렌즈(206)와 제3 컬렉션 대물렌즈(208)는 일정 각도에 있을 수 있다. 이 각도는 수집된 광(216)과 조명 광(218) 사이의 각도에 기초할 수 있다. 제3 컬렉션 대물렌즈(208)는 광을 검출 시스템(미도시)으로 향하게 할 수 있다.

조명 대물렌즈(202)는 프록시멀 렌즈(예로써, 조명 빔(218)을 방출하는 렌즈)가 공기 중에 위치되는 에어 대물렌즈일 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈(202)는 전체적으로 공기 중에 위치될 수 있다. 그러나, 샘플 홀더(226)의 적어도 일부는 침지 유체(222)와 접촉하여 위치될 수 있다. 렌즈(224)는 조명 광(218)을 조명 대물렌즈(202)를 에워싸는 공기로부터 침지 유체(222) 내로 커플링할 수 있다.

일부 실시예에서, 렌즈(224)는 공기로부터, 렌즈(224)의 물질을 통해, 침지 유체(222) 내로 통과시킬 때, 광의 굴절을 감소시키도록 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈(224)는 침지 유체(222)의 굴절률과 매칭된 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈(224)는 자신을 통과하는 광의 파면과 매칭되도록 형성된 하나 이상의 표면을 가질 수 있으며, 이는 렌즈(224)를 통과하는 광의 굴절을 제거/감소시킬 수 있다. 예를 들어, 렌즈(224)는, 미국 특허 제10,409,052호 및 PCT 공개번호 WO 2020/150239호에 개시된 바와 같은, SIL(solid immersion lens) 또는 SIMlens(solid immersion meniscus lens)일 수 있으며, 이들 개시는 본 명세서에 참조로 포함된다.

렌즈(224)를 통과한 후에, 조명 빔(218)은 샘플 홀더(226)와 만날 때까지 침지 유체(222)를 통과할 수 있다. 침지 유체(222)는 샘플 홀더(226)의 굴절률과 매칭되는 굴절률을 가질 수 있다. 이는 조명 빔(218)이 침지 유체(222)로부터 샘플 홀더(216)의 물질 내로 통과할 때 그것의 굴절을 최소화/막는데 도움이 될 수 있다. 결국, 샘플 홀더(216)의 굴절률은 샘플(228)(및 침지 유체(222))의 굴절률과 매칭되도록 선택될 수 있다. 이는 조명 빔(218)이 샘플 홀더로부터 샘플(228) 내로 통과할 때 그것의 굴절을 최소화/막을 수 있다.

일부 실시예에서, 샘플(228) 및 샘플 홀더(226)는 침지 유체(222) 내에 침지될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 홀더(226)의 하부 표면은 침지 유체(222)와 접촉할 수 있지만, 샘플(228)을 지지하는 상부 표면은 공기와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(226)는 침지 챔버(220)의 덮개로서 작용할 수 있다.

수집된 광(216)은, 컬렉션 대물렌즈(204)의 프록시멀 렌즈에 들어가기 전에, 샘플(228)을 빠져나와 샘플 홀더(226) 및 침지 유체(222)를 통과할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈는 프록시멀 렌즈가 침지 유체(222)와 접촉하는 침지 대물렌즈일 수 있다. 컬렉션 대물렌즈(204)의 원단부는 주변 환경(예로써, 공기 중)에서 침지 유체(222)의 외부에 위치될 수 있다. 수집된 광(216)은 샘플(228)을 떠나는 광의 일부를 나타낼 수 있으며, 이는 검출기에 도달하도록 컬렉션 대물렌즈(204) 및 기타 컬렉션 광학계를 통과한다. 수집된 광(216)의 사이즈 및 기하학적 구조는, 컬렉션 대물렌즈(204) 및 기타 컬렉션 광학계에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.

컬렉션 대물렌즈(204)의 프록시멀 렌즈는 조명 대물렌즈(202)의 프록시멀 렌즈보다 샘플(228)에 훨씬 더 가깝게 위치될 수 있다. 이것은 컬렉션 대물렌즈(204)가 조명 대물렌즈(202)보다 높은 NA의 대물렌즈가 되게 할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈(204)는 샘플 홀더(226)의 평면과 대략 직교하기 때문에, (조명 빔(218)과 비교하여) 굴절이 감소될 수 있다. 일부 실시예에서, 컬렉션 대물렌즈(204)는 에어 대물렌즈일 수 있으며, 침지 유체(222)에 침지되는 것 대신에 윈도우에 의해 침지 유체(222)로부터 떨어질 수 있다.

컬렉션 대물렌즈(204)의 백엔드는 광이 선택적 트랜스퍼 광학계(210)를 통해 제2 컬렉션 대물렌즈(206)로 향하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 트랜스퍼 광학계(210)는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜스퍼 광학계(210)는 4f 릴레이 시스템일 수 있다.

도 2의 마이크로스코프(200)는 컬렉션 대물렌즈(204)에 의해 수집된 이미지를 재배향하기 위한 선택적 피처를 포함한다. 예를 들어, 제2 컬렉션 대물렌즈(206)는 원격 이미지(212)를 투사할 수 있다. 원격 이미지(212)는 샘플(222) 내에 조명된 평면(예로써, 조명 빔(218))과 수집된 광(216) 사이의 각도를 보정하기 위해 사용될 수 있다. 원격 이미지(212)는 제3 컬렉션 대물렌즈(208)에 의해 이미지화될 수 있다. 조명 빔(218)과 수집된 광(216) 사이의 각도를 보정하기 위해, 제3 컬렉션 대물렌즈(208)는 제2 컬렉션 대물렌즈(206)에 대한 소정 각도로 원격 이미지(212)를 이미지화할 수 있다. 이 각도는 조명과 수집된 광 사이의 각도에 기초할 수 있다. 예를 들어, 조명 빔(218)과 수집된 광(216) 사이의 각도가 θ인 경우, 제2 대물렌즈(206)와 제3 대물렌즈(208) 사이의 각도는 90°-θ일 수 있다. 예를 들어, 각도 θ가 약 45°인 경우, 제2 컬렉션 대물렌즈(206)와 제3 컬렉션 대물렌즈(208) 사이의 각도도 대략 45°일 수 있다.

예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 컬렉션 대물렌즈의 예시적인 기계적 하우징은 양측에 45°의 조명 광학 경로를 허용하며, 최대 원뿔 각도 β(예로써, 조명 광(218)의 광축과 컬렉션 대물렌즈(204)의 에지 사이의 각도)를 가진다. 일부 실시예에서, 각도 β는 대략 7.1°일 수 있다(예로써, 조명 광은 공기 중에 대략 0.12의 NA를 가질 수 있다). 최대 원뿔 각도는 대물렌즈(204)의 기계적 하우징의 사이즈/형상에 기초하여 달라질 수 있으며, 다른 예시적 실시예에서는 다른 각도가 사용될 수 있다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 비교적 높은 NA를 가지는 단일 컬렉션 대물렌즈를 이용하는 OTLS 시스템의 경우, 각도 θ는 45°보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 양면(dual-sided) 조명을 위해 두 개의 조명 대물렌즈를 가지고, 동일한 비교적 높은 NA의 단일 컬렉션 대물렌즈를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 도 2d는 제2 조명 대물렌즈(240)를 이용하는 실시예를 보여준다. 조명 대물렌즈(202 및 240) 각각은 컬렉션 대물렌즈(204)의 축에 대해 비직교 각도로 위치될 수 있다. 도 2d의 실시예에서는, 양측 모두 45°보다 큰 각도로 위치될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서는 다른 각도(예로써, 45°이하인 각도)가 사용될 수 있다.

보다 크고, 보다 얕은 각도 하우징을 가지는 컬렉션 대물렌즈는, 조명 광학 경로 각도의 범위를 더 제한할 수 있다. 다른 관점에서, 조명 광 시트는 원하는 시야에 대한 컬렉션 대물렌즈의 공초점 파라미터(초점 심도) 내에 머물지 않을 정도로 기울어질 수 있다(즉, 수직이 아님). 이러한 고려사항을 고려하여, 각도 θ에 대한 합리적인 범위는 40° 내지 70°일 수 있다. 예를 들어, 조명 경로는 샘플 홀더의 하부 표면에 대해 45° 각도인 제1 광축을 따를 수 있는 반면에, 컬렉션 경로는 샘플 홀더(108)의 평면에 대해 90° 각도인 제2 광축을 따를 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 광축 사이가 대략 45° 각도일 수 있으며, 즉 각도 θ는 대략 45°일 수 있다.

도 3a-3c는 본 개시의 일부 실시예에 따른 OTLS 마이크로스코프의 개략적인 도면이다. 도 3a는 마이크로스코프(3A)를 보여주고, 도 3b 및 3c는 도 3a의 마이크로스코프와 함께 사용될 수 있는 조명 대물렌즈 및 컬렉션 대물렌즈의 다양한 배열의 확대도를 보여준다. 일부 실시예에서, 마이크로스코프(300)는 도 1의 마이크로스코프(102) 및/또는 도 2의 마이크로스코프(200) 내에 포함될 수 있다. 마이크로스코프(300)는, 도 1-2에 설명된 비직교 이미징 경로 외에, 마이크로스코프(300)가 조명 시트와 직교하는 컬렉션 대물렌즈를 사용하는 추가적인 이미징 경로를 포함하는 점을 제외하고, 전체적으로 앞서 설명된 마이크로스코프들과 유사할 수 있다.

마이크로스코프(300)의 NODO(non-orthogonal dual objective) 경로는 일반적으로 도 1의 마이크로스코프(102) 및 도 2의 마이크로스코프(200)의 동작 및 컴포넌트와 유사하기 때문에, 간결성을 위해, 도 1 및 2와 관련하여 앞서 설명된 특징 및 컴포넌트는 도 3과 관련하여 반복되지 않는다.

마이크로스코프(300)는 NODO 광학 경로, 및 ODO(orthogonal dual objective) 경로를 포함한다. NODO 경로 및 ODO 경로는, 조명 경로와 같이, 특정 컴포넌트를 공유할 수 있다. 마이크로스코프(300)는 조명 광 시트를 렌즈(310)(예로써, SIL 또는 SIMlens)를 통해 샘플(308)을 향하여 침지 유체(미도시) 내로 향하게 하는 조명 대물렌즈(302)를 포함한다. 제1 컬렉션 대물렌즈(304)는 조명 광 시트에 대해 비직교 각도로 샘플(308)로부터 광을 수집할 수 있다. 제1 컬렉션 대물렌즈(304)는 릴레이를 형성할 수 있는 제1 렌즈(314) 및 제2 렌즈(316)를 통해 광을 통과시킬 수 있다. 릴레이는 광을 제2 컬렉션 대물렌즈(318)로 통과시킬 수 있으며, 이는 제3 컬렉션 대물렌즈(320)에 의해 각도 α로 이미지화되는 원격 이미지를 생성할 수 있다. 각도 α는 대물렌즈(304 및 318)의 광축과, 대물렌즈(320)의 광축 사이의 각도일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이것은 또한 이들 축에 수직인 평면 간의 각도일 수 있다. 제3 컬렉션 대물렌즈(320)는 광을 제3 렌즈(322)를 통과시켜, 제1 검출기(324) 상에 광을 이미지화할 수 있다.

광 소스(미도시)로부터 조명 대물렌즈(302)를 통해 샘플(308)까지의 경로, 및 샘플(308)로부터 제1 컬렉션 대물렌즈(304)를 통해 제1 검출기(324)까지의 경로는 NODO 광 경로를 형성할 수 있다. 조명 광 경로와 수집된 광(예로써, 조명 대물렌즈(302)와 제1 컬렉션 대물렌즈(304)의 광축)은 서로에 대해 비직교 각도 θ에 있을 수 있다. 마이크로스코프(300)는 재배향 광학계(340)(예로써, 도 2의 재배향 광학계(230)와 유사함)를 포함한다. 도 3에 재배향 광학계(340)의 특정 구현이 도시되어 있지만, 다른 예시적 실시예에서는 재배향을 위한 다른 시스템이 사용될 수 있다. 도 8a-8d는 재배향 광학계(340)로서 사용될 수 있는 일부 추가 예시적인 재배향 광학계를 포함한다.

마이크로스코프(300)는 또한 조명 광 시트에 대략 직교하는 광축(예로써, 조명 대물렌즈(302)의 광축)을 가지는 제4 컬렉션 대물렌즈(306)를 포함한다. 조명 대물렌즈(302)와 유사하게, 제4 컬렉션 대물렌즈(306)는 에어 침지 대물렌즈일 수 있고, 제4 컬렉션 대물렌즈(306)는 제2 렌즈(310)(예로써, SIL 또는 SIMlens)에 의해 침지 유체(미도시)로부터 분리될 수 있다. 제4 컬렉션 대물렌즈(306)는 샘플(308)로부터 광을 수집하고, 수집된 광을 하나 이상의 ODO 컬렉션 광학계를 통해 제2 검출기(328)로 향하게 할 수 있다. 예를 들어, ODO 컬렉션 광학계는 제4 컬렉션 대물렌즈로부터의 광을 제2 검출기(328) 상에 이미지화하는 렌즈(326)를 포함할 수 있다.

광 소스(미도시)로부터 조명 대물렌즈(302)를 통해 샘플(308)까지의 경로, 및 샘플(308)로부터 제4 컬렉션 대물렌즈(306)를 통해 제2 검출기(328)까지의 경로는 ODO 광 경로를 형성할 수 있다. 조명 광 경로와 제4 컬렉션 대물렌즈(306)에 의해 수집된 광(예로써, 조명 대물렌즈(302)의 광축과 제4 컬렉션 대물렌즈(306)의 광축)은 서로 직교할 수 있다.

일부 실시예에서, 별개의 제1 검출기(324) 및 제2 검출기(328)를 갖는 것 대신에, NODO 및 ODO 광학 경로는 검출기를 공유할 수 있다. 마이크로스코프(300)는 NODO 경로로부터의 광이 검출기에 도달하고 있는지 또는 ODO 경로로부터의 광이 검출기에 도달하고 있는지 여부를 전환할 수 있는 추가적인 광학계(예로써, 회전 미러, 셔터 등)를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 조명 경로는 조정 가능할 수 있으며, ODO 이미징 모드 및 NODO 이미징 모드 사이에서 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 조명 광학계(120)와 같이, 조명 광학계(미도시)는 제1 컬렉션 대물렌즈(304)가 사용되고 있는지 또는 제4 컬렉션 대물렌즈(306)가 사용되고 있는지 여부에 기초하여 조명 광 시트의 사이즈 및 형상을 튜닝할 수 있는 조정 가능 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 광학계는, 광 시트의 폭 및/또는 NA와 같이, 조명 광 시트의 속성을 조정하도록 사용될 수 있는 가변적 빔 익스팬더를 포함할 수 있다. 조명 광 시트의 조정은 수동적, 자동적(예로써, 컨트롤러에 의해 관리됨)일 수 있으며, 또는 이들의 조합일 수 있다. 도 5에서 조명 경로에 대한 조정이 보다 자세히 논의된다.

예시적 동작에서, 샘플은 마이크로스코프 상에 배치될 수 있고, 그리고 샘플은 ODO 광학 경로를 사용하여 스크리닝될 수 있다. ODO 경로는 NODO 경로보다 낮은 해상도 및 배율(magnification)을 가질 수 있지만, 또한 보다 큰 시야를 가질 수 있다. 따라서, ODO 경로를 사용하여 샘플을 스크리닝하는 것이 보다 효율적일 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플(308)은 (예로써, 샘플에 대한 초점 영역의 이동, 초점 영역에 대한 샘플의 이동, 또는 이들의 조합에 의해) 스캔될 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 시야는 (예로써, 도 1의 컨트롤러(104)와 같은 컨트롤러에 의해) 함께 스티치(stitch)될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플(308)은 샘플의 체적 이미지를 구축하도록 3차원으로 스캔될 수 있다. 일부 실시예에서, 스캐닝은 수동적으로 수행될 수 있다.

샘플(또는 샘플의 일부)를 스캔한 후, 관심 영역이 식별될 수 있다. 일부 실시예에서, 자동화된 프로세스(예로써, 분할(segmentation), 임계화(thresholding) 등과 같은 이미지 프로세싱, 머신 러닝, 및/또는 딥 러닝)가 관심 영역을 식별할 수 있다. 일부 실시예에서, 사용자(예로써, 임상의)는 관심 영역을 결정할 수 있다. 하나 이상의 관심 영역이 발견되면, NODO 경로가 관심 영역의 고해상도 이미지화를 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 관심 영역이 식별되면, 마이크로스코프(300)는 NODO 모드로 전환될 수 있다. NODO 모드로 전환하는 것은, 어떤 검출기가 이미지화에 사용되는지(또는 어떤 광학 경로가 검출기에 커플링되는지)를 전환하는 것을 포함할 수 있다. 또한 모드를 전환하는 것은 조명 광 시트를 조정하는 것을 포함할 수 있다.

NODO 모드에서, 마이크로스코프(300)는 보다 높은 해상도 및 배율을 가질 수 있지만, 보다 작은 시야를 가질 수 있다. NODO 모드는 관심 영역의 하나 이상의 속성을 결정하는데 유용할 수 있다. 예를 들어, 임상의는 관심 영역을 식별한 다음에, 진단을 내리기 위해서 NODO 모드로 전환할 수 있다. 일부 실시예에서, NODO 및/또는 ODO 모드에서 해상도 및/또는 시야는 조정 가능할 수 있다. 이것은 마이크로스코프(300)에 서로 다른 성능 특성의 비교적 큰 동작 범위를 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 동작(이미징) 모드(예로써, NODO 모드)에서 수집된 정보는 제2 동작(이미징) 모드(예로써, ODO 모드)에서 수집된 정보와 결합될 수 있다. 이 프로세스는 자동화될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(예로써, 도 1의 컨트롤러(104))는 ODO 모드에서 영역을 이미지화하고, 그 다음에 이미지 프로세싱(예로써, 분할, 임계화 등), 머신 러닝, 딥 러닝 또는 이들의 조합을 사용하여 이미지화된 영역 전체 또는 일부가 관심 영역인지를 결정할 수 있다. 컨트롤러는 그 다음에 NODO 모드를 사용하여 관심 영역을 보다 자세히 이미지화할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 프로세스는 수동적일 수 있으며, 사용자가 관심 영역을 식별할 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합된 수동 및 자동화된 프로세스(예로써, 이미지 프로세싱은 자동화이지만, 관심 영역 식별은 수동적임)가 사용될 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 제2 컬렉션 대물렌즈를 가지는 OTLS 시스템의 경우, 조명 대물렌즈와 제1 컬렉션 대물렌즈 사이의 각도 θ는 도 3b에 도시된 바와 같이 45°로 최적화될 수 있으며, 조명 대물렌즈와 제2 컬렉션 대물렌즈의 광학 경로 사이의 각도는 대략 90°일 수 있다. 비교적 더 높은 NA의 조명 대물렌즈를 가지는 것이 바람직한 OTLS 시스템의 경우, 조명 대물렌즈와 제2 대물렌즈의 광학 경로 사이의 각도는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 90°보다 큰 것이 바람직할 수 있다.

도 4는 본 개시의 일부 실시예에 따른 마이크로스코프의 샘플 홀더이다. 일부 실시예에서, 도 4의 샘플 홀더(400)는, 도 3의 마이크로스코프(300)와 같이, NODO 및 ODO 광학 경로를 사용하는 마이크로스코프에 포함될 수 있다. 도 4는 샘플 홀더(400)와 대물렌즈의 인터랙션에 초점을 둔 도면으로서, 마이크로스코프의 여러 컴포넌트가 생략될 수 있다. 간결성을 위해, 도 1-3과 관련하여 앞서 논의된 동작, 특징 및 컴포넌트는 도 4와 관련하여 다시 반복되지 않는다.

샘플 홀더(400)는 침지 유체(420)를 지지한다. 샘플 홀더(400)를 포함하는 마이크로스코프는 NODO 광학 경로 및 ODO 광학 경로를 포함한다. 조명 대물렌즈(402)는 조명 광축(403)을 따라 조명 광 시트를 초점 영역(410)에 제공한다. 조명 대물렌즈(402)는 침지 유체(420) 내에 침지되지 않는 에어 대물렌즈일 수 있다. 따라서 SIL 또는 SIMlens와 같은 렌즈(412)는, 조명 광 시트를 침지 유체(420) 내로 커플링할 수 있다.

NODO 컬렉션 대물렌즈(404)는 NODO 컬렉션 축(405)을 따라 초점 영역(410)으로부터 광을 수신할 수 있다. 조명 축(403)과 NODO 컬렉션 축(405) 사이에 각도 θ가 있을 수 있다. 각도 θ는 직각이 아닐 수 있으며, 일부 실시예에서는, 45°각도와 같은 예각일 수 있다. NODO 컬렉션 대물렌즈(404)는 침지 대물렌즈일 수 있고, NODO 컬렉션 대물렌즈(404)의 적어도 일부는 침지 유체(420)와 접촉할 수 있다.

ODO 컬렉션 대물렌즈(406)는 ODO 광축(407)을 따라 초점 영역(410)으로부터 광을 수신할 수 있다. 조명 축(403)과 ODO 컬렉션 축(407) 사이에 각도 φ가 있을 수 있다. 각도 φ는 대략 직각(예로써, 대략 90°)일 수 있다. ODO 컬렉션 대물렌즈(406)는 에어 대물렌즈일 수 있다. 조명 대물렌즈(402)와 유사하게, ODO 컬렉션 대물렌즈(406)는 에어 대물렌즈일 수 있다. 따라서, 렌즈(414)(예로써, SIL, SIMlens)는 침지 유체(420)로부터 ODO 컬렉션 대물렌즈(406)를 분리시킬 수 있다.

위에서 논의되고, 도 4의 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 대물렌즈(402, 404, 및 406)는, NODO 컬렉션 대물렌즈(404)가 조명 대물렌즈(402) 또는 ODO 컬렉션 대물렌즈(406)로부터의 광을 차단하지 않도록, 위치될 수 있다. 조명 대물렌즈(402)로부터의 광의 각도와 ODO 컬렉션 대물렌즈(406)에 의해 수집되는 광의 각도는 이들 대물렌즈 각각의 NA에 부분적으로 기초할 수 있다. 따라서, NODO 대물렌즈(404)의 사이즈 및 형상뿐만 아니라 이들 대물렌즈의 NA는 서로 간섭하지 않게 설계될 수 있다.

도 5a-5b는 OTLS 마이크로스코프의 제1 및 제2 동작 모드에서, 각각, 조명 광 및 수집된 광의 개략적인 도면이다. 도 5a 및 5b는 NODO 모드(도 5a) 및 ODO 모드(도 5b)에서 조명 광 시트와 대물렌즈에 의해 수집된 광 사이의 인터랙션 뷰를 나타낸다. 도 5a-5b의 두 뷰는 동일한 물리적 마이크로스코프에 의해 제공되지만 서로 다른 동작 모드에서의 광을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 5a-5b의 뷰는, 도 3-4에 설명된 바와 같은, 하이브리드 OTLS 마이크로스코프의 동작을 나타낼 수 있다. 광학 모드(500a)는 NODO 모드를 나타내는 한편, 광학 모드(500b)는 ODO 모드를 나타낸다.

도 5a-5b 각각은 각각의 조명 광 시트(502a/502b) 및 각각의 원뿔형의 수집된 광(504a/504b)을 보여준다. 조명 광 시트와 수집된 광은 상호 작용하여 시야(FOV)를 생성한다. 조명 광 시트는 수집된 광의 다양한 기하학적 구조를 수용하기 위해서 동작 모드 사이에서 조정될 수 있다.

도 5a는 조명 광 시트(502a) 및 원뿔형의 수집된 광(504a)을 보여준다. 조명 광 시트(502a)는 수집된 광(504a)과 각도 θ를 가질 수 있다. 각도 θ는 도 1-4와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 예각과 같은 비직교 각도일 수 있다. 도 5b는 조명 광 시트(502b) 및 원뿔형의 수집된 광(504b)을 보여준다. 조명 광 시트(502b)는 수집된 광(504b)과 각도 φ를 가질 수 있다. 각도 φ는 위에서 자세히 논의된 바와 같이, 대략 직각(예로써, 대략 90°)일 수 있다.

NODO 모드에서, 컬렉션 대물렌즈는 ODO 모드에서 사용되는 컬렉션 대물렌즈의 NA보다 높은 NA일 수 있기 때문에, 수집된 광(504a)은 수집된 광(504b)보다 넓은 원뿔형일 수 있다. 조명 광 시트(502a)는 조명 광 시트(502b)에 비해 증가된 NA, 및 보다 작은 폭 W을 가질 수 있다. 따라서, 광학 모드(500a)에서의 FOV는 광학 모드(500b)에서의 FOV보다 작다. 이것은 조명 광학계의 조정 때문일 수 있다. 예를 들어, 조정 가능한 빔 익스팬더가 사용되어 그 모드 간에 조명 광 시트의 W 및 NA를 변경할 수 있다.

도 6a-6b는 본 개시의 일부 실시예에 따른 듀얼 조명 모드를 가지는 하이브리드 OTLS 마이크로스코프를 보여준다. 도 6a-6b에 보여지는 도면은 ODO 모드 및 NODO 모드 양방을 이용하는 하이브리드 OTLS 마이크로스코프의 부분을 나타낸다. 예를 들어, 도 6a-6b의 도면은, 일부 실시예에서 도 3의 마이크로스코프(300)의 부분을 나타낼 수 있다. 간결성을 위해, 하나 이상의 이전 도면과 관련하여 앞서 설명된 특징, 컴포넌트, 및 동작은 도 6a-6b과 관련하여 반복되지 않는다.

도 6a-6b는 광을 지향시켜 샘플로부터 수신할 수 있는 3개의 대물렌즈(예로써, 조명 대물렌즈, NODO 컬렉션 대물렌즈, 및 ODO 컬렉션 대물렌즈)를 활용하도록 사용될 수 있는 추가적인 이미징 모드를 보여준다. 단일 조명 대물렌즈를 통해 NODO 경로에 조명을 제공하는 것 대신에, 이 시스템은 또한 조명이 ODO 컬렉션 대물렌즈를 통해 제공될 수 있는 모드로 구성될 수 있다. 도 6a는 조명 광이 제1 대물렌즈(602)에 의해 제공되고 비직교 각도의 컬렉션 대물렌즈(604)에 의해 수신되는 제1 모드로 동작하는 마이크로스코프를 보여준다. 도 6b는 조명 광이 제2 대물렌즈(606)에 의해 제공되고 비직교 각도의 컬렉션 대물렌즈(604)에 의해 수신되는 제2 모드로 동작하는 동일한 마이크로스코프를 보여준다. 일부 실시예에서, 단일 이미지에 비해 이미징 성능을 향상시키기 위해서, 예를 들면, 양 모드를 사용하여 얻어진 이미지들이 결합될 수 있다.

도 6a-6b의 마이크로스코프는 제1 대물렌즈(602), 제2 대물렌즈(606), 및 제3 컬렉션 대물렌즈(604)를 포함한다. 컬렉션 대물렌즈(604)에 의해 수집된 광은 하나 이상의 트랜스퍼 광학계(미도시)를 통해 수집된 이미지를 재배향할 수 있는 광학계로 통과시킬 수 있다. 컬렉션 대물렌즈(604)에 대해 각각 서로 다른 각도(예로써, +45° 및 -45°)를 가지는 두 개의 조명 경로가 있기 때문에, 재배향 광학계는 두 개의 서로 다른 각도에 대해 보정할 필요가 있을 수 있다. 도 6a-6b의 예시적인 마이크로스코프는 원격 이미지 시스템을 포함한다. 원격 이미지 시스템은 제4 대물렌즈(608), 제5 대물렌즈(610), 및 제6 대물렌즈(612)를 포함한다. 제4 대물렌즈(608)는 이미징 모드에 따라 제5 대물렌즈(610) 또는 제6 대물렌즈(612)에 의해 이미지화될 수 있는 원격 이미지를 생성할 수 있다.

ODO 이미징 모드(도 6a-6b에는 도시되지 않음)에서 조명은 대물렌즈(602 및 606) 사이를 통과할 수 있다. 예를 들어, 대물렌즈(602)는 조명 대물렌즈로서 작용하여 샘플에 조명 광 시트를 제공할 수 있고, 대물렌즈(606)는 조명 광 시트에 대해 대략 직교 각도로 샘플을 이미지화할 수 있다. 대물렌즈(606)가 조명 광 시트를 제공하고, 대물렌즈(602)가 대략 직교 각도로 수집하는 반대 배열도 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 조명 경로를 따른 여러 광학 컴포넌트는 도 6a 및 6b에 나타낸 모드 사이에서 공유될 수 있다. 예를 들어, 모드에 따라 두 대물렌즈(602 또는 606) 중 하나에 커플링될 수 있는 단일 광 소스가 있을 수 있다. 마찬가지로, 컬렉션 경로에서도, 공유된 컴포넌트가 있을 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 검출기는 어느 이미징 모드가 사용되는지에 따라 대물렌즈(602, 604 또는 606)에 커플링될 수 있다.

NODO 이미징 모드에서, 조명 광 시트를 제공하기 위해 어느 대물렌즈(602 또는 606)가 사용되는지에 따라, 그 광 시트는 수집된 광에 대해 서로 다른 각도를 가질 수 있다. 예를 들어, 대물렌즈(602)의 축과 대물렌즈(604)의 축 사이의 각도가 θ인 경우, 대물렌즈(606)의 축과 대물렌즈(604)의 축 사이의 각도는 -(90°-θ)일 수 있다. 여기서, 마이너스 기호는 각도가 각도 θ와 (대물렌즈(604)의 축에 대해) 반대 방향에 있음을 나타낸다. 일부 실시예에서, 각도 θ는 대략 45°일 수 있고, 두 대물렌즈(602 및 606)는 컬렉션 대물렌즈(604)의 축으로부터 각각 대략 45°인 축을 가질 수 있다(다만 반대 방향임).

조명을 위해 서로 다른 대물렌즈가 사용될 때 서로 다른 각도 및/또는 방향을 고려하기 위해, 대물렌즈(608)에 의해 생성된 원격 초점은 또한 서로 다른 각도로부터 이미지화될 수 있다. 예를 들어, 도 6a의 이미징 모드에서 대물렌즈(602)가 광 시트를 제공할 때, 대물렌즈(610)가 원격 초점을 이미지화하도록 사용될 수 있다. 도 6b의 이미징 모드에서 대물렌즈(606)가 광 시트를 제공할 때, 대물렌즈(612)가 원격 초점을 이미지화할 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 대물렌즈는 서로 다른 검출기 또는 동일한 검출기에 커플링될 수 있다.

서로 다른 조명 각도를 가지는 두 개의 서로 다른 시야 모드(viewing mode)를 사용하면 (NODO 모드에서) 조명 광과 수집된 광 사이의 각도로 인한 왜곡을 보정하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 이미지의 PSF(point-spread-function)는 각각의 개별 시야각의 두 개의 타원형 PSF를 결합하여 디콘볼루션될 수 있다. 마이크로스코프의 컨트롤러(예로써, 도 1의 컨트롤러(104))는 두 개의 이미지를 결합하기 위해 다양한 계산 기법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(예로써, 도 1의 프로세서(140))는 메모리(예로써, 도 1의 메모리(144))에 저장된 명령을 실행하여 여러 조명 모드에서 수집된 이미지로부터의 정보를 결합할 수 있다. 예를 들어, 퓨전 디콘볼루션 알고리즘이 사용될 수 있다.

도 6a-6b의 마이크로스코프는 재배향 광학계의 특정 세트, 특히, 예를 들면 도 2의 재배향 광학계(230) 및/또는 도 3의 재배향 광학계(340)에서 보다 자세히 설명된 원격 초점 시스템을 사용하는 것으로 예시되어 있다. 그러나, 서로 다른 시야각을 가지는 서로 다른 시야 모드를 사용하는 또 다른 예시적 실시예에서는 도 6a-6b에 도시된 원격 초점 시스템에 추가로(또는 대신에) 하나 이상의 재배향 광학계를 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 8a-8d에 설명된 원격 초점 시스템 중 하나가 대신 사용될 수 있다.

도 7은 본 개시의 일부 실시예에 따른 마이크로스코프로 샘플을 조명하는 방법의 블록도이다. 이 방법(700)은 일반적으로 도 1-6에 설명된 광학 시스템 중 하나 이상에 의해 수행될 수 있다.

이 방법(700)은 일반적으로 조명 광 시트를 조명 대물렌즈를 통해 샘플의 초점 영역으로 향하게 하는 것을 설명하는 블록 710으로 시작한다. 예를 들어, 조명 광학계(예로써, 도 1의 조명 광학계(120))는 조명 광 시트를 생성하고 이를 조명 대물렌즈의 백엔드로 향하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 광 시트의 속성(예로써, 폭, NA)은 마이크로스코프의 동작 모드에 기초하여 조정될 수 있다. 조명 대물렌즈(예로써, 도 1의 조명 대물렌즈(122))는 조명 광 시트를 샘플로 향하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 광 시트는 샘플로 가는 도중에 샘플 홀더의 물질을 통과할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 광 시트는 조명 대물렌즈와 샘플 사이의 침지 유체를 통과할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명 대물렌즈는 에어 대물렌즈일 수 있으며, 조명 광 시트는 조명 대물렌즈와 침지 유체 사이의 렌즈 또는 윈도우(예로써, SIMlens, SIL)를 통과할 수 있다.

블록 710 다음에, 일반적으로 초점 영역으로부터의 광을 컬렉션 대물렌즈를 통해 수집하는 것을 설명하는 블록 720이 이어질 수 있으며, 여기서 컬렉션 대물렌즈의 광축은 조명 대물렌즈의 광축과 직교하지 않는다. 일부 실시예에서, 조명과 컬렉션의 광축 사이의 각도는 예각, 예를 들면 45°각도일 수 있다. 일부 실시예에서, 이 각도는 더 높거나 낮을 수 있다(예로써, 10° - 80°). 일부 실시예에서, 컬렉션 대물렌즈는 침지 대물렌즈일 수 있으며, 컬렉션 대물렌즈의 전단부(proximal end)는 침지 유체와 접촉할 수 있다. 따라서, 광은 샘플 홀더 및 침지 유체를 통해 컬렉션 대물렌즈 내로 수집될 수 있다.

블록 720 다음에, 일반적으로 수집된 광을 이미지화하는 것을 설명하는 블록 730이 이어질 수 있다. 컬렉션 대물렌즈로부터의 광은 사용자에게 이미지를 제공하도록 사용될 수 있는 검출기(및/또는, 접안 렌즈) 상으로 향하게 될 수 있다.

일부 실시예에서, 컬렉션 광학계는 수집된 광을 원격 이미지로 향하게 할 수 있으며, 추가 대물렌즈는 조명 축과 컬렉션 축 사이의 각도에 기초한 각도로 원격 이미지를 이미지화할 수 있다.

일부 실시예에서, 이 방법(700)은 또한 조명 축과 직교하는 제2 컬렉션 축을 가지는 제2 컬렉션 대물렌즈를 통해 샘플을 이미지화하는 것을 포함할 수 있다. 컬렉션 대물렌즈 및 제2 컬렉션 대물렌즈는 서로 다른 이미징 모드 중 일부로 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 앞서 설명된 실시예들은 종래의(예로써, 직교형) 오픈 탑 광 시트 마이크로스코프와 결합될 수 있다. 예를 들어, 비직교 컬렉션 대물렌즈(예로써, 도 1의 기본 컬렉션 대물렌즈) 및 직교 컬렉션 대물렌즈가 있을 수 있으며, 그 각각은 동일한 조명 대물렌즈를 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 비직교 컬렉션 대물렌즈에 대해 45도로 배향된 조명 대물렌즈와, 또한 비직교 컬렉션 대물렌즈의 반대 측에 45도로 배향된 제2 직교 컬렉션 대물렌즈(여기 대물렌즈에 대해 90도 각도를 형성함)를 보여준다. 이 결합된 다중 모드 시스템에서, 비직교 및 직교 컬렉션 경로는 독립적인 광학 경로로 개별적으로 처리되거나 또는 단일 광학 경로로 결합될 수 있다(도 3). 일부 실시예에서, 결합된 시스템은 다중 스케일 이미징 기능을 제공한다. 여기서 비직교 배열은 고해상도 이미징을 제공하고, 직교 배열은 저해상도에서 중간 해상도 이미징을 제공한다(도 4).

도 8a-8d는 본 개시의 일부 실시예에 따른 서로 다른 재배향 광학계의 개략적인 도면이다. 도 8a-8c는 조명 축과 컬렉션 축 사이에서 비직교 각도를 위해 재배향하도록 사용될 수 있는 재배향 광학계의 개략적인 도면이고, 한편 도 8d는 도 8c의 재배향 광학계(800c)의 예시적인 동작을 보다 자세히 보여주는 개략도이다. 도 8a-8d의 재배향 광학계 중 어느 것이 본 명세서에서 앞서 설명된 마이크로스코프 중 어느 것에 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 재배향 광학계(800a-800c) 중 어느 것이, 도 2의 재배향 광학계(230) 및/또는 도 3의 재배향 광학계(340)에 포함될 수 있다. 도 8a-8d는 이전 도면과 관련하여 앞서 설명된 많은 특징들을 설명하기 때문에, 간결성을 위해, 일부 컴포넌트 및 특징은 다시 설명되지 않을 것이다.

도 8a는 수집된 광의 광학 경로에 대해 기울어진 검출기(810)를 사용하는 재배향 광학계(800a)를 보여준다. 컬렉션 대물렌즈(802)(예로써, 도 2의 컬렉션 대물렌즈(204))는 조명된 초점면(801)에 대해 비직교 각도로 광을 수집한다. 튜브 렌즈(804 및 806)는 광의 이미지를 검출기(810) 상에 생성하는 추가 컬렉션 대물렌즈(808)로 광을 향하게 한다. 도 2의 230 및 도 3의 340에 보여지는 재배향 광학계와 달리, 재배향 광학계(800a)는, 원격 초점을 소정 각도로 이미지화하도록 추가 광학계를 사용하는 것 대신에, 원격 초점을 검출기(810) 상에 직접 소정 각도로 투사한다.

재배향 광학계(800)는 특정 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 원격 초점은 1.33 - 1.56 범위에 있는 시료의 굴절률과 이상적으로 대략 같아야 한다. 그러므로, 원격 초점에서의 이미지 평면은 시료에서의 이미지 평면과 대략 같은 사이즈이다. 보다 고해상도 이미징을 위해, 이미지 평면의 사이즈는 보통 0.5 - 1.0mm 정도이다. 즉, 검출기는 이와 동일한 사이즈가 될 필요가 있다는 것을 의미하며, 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링을 제공하기 위해 매우 작은 픽셀을 가진다. 중간 이미지 평면이 아니라, 여기에 기울어진 검출기를 배치하는 하나의 잠재적 이점은 이미지 평면이 45도로 유지되고 더 기울어지지 않는다는 것이다.

도 8b는 제2 튜브 렌즈(806) 및 대물렌즈(808)가 생략되고, 대신에 튜브 렌즈(804)가 그 튜브 렌즈(804)(및 대물렌즈(802))의 광축에 대해 소정 각도에 있는 검출기(810) 상에 직접 이미지화하는 재배향 광학계(800b)를 보여준다. 튜브 렌즈(804)는 샘플 내의 초점 영역(801)에 대해 나이퀴스트 샘플링을 제공할 수 있다. 이 이미지 평면에 대한 배율이 대략 10 범위에 있을 수 있다. 이러한 배율의 변화는 기울어진 이미지 평면을 검출기에서 더욱 기울어지게 만들며, 이는 비이상적일 수 있다. 그러나 이것은 특히 작은 픽셀 사이즈를 가지는 검출기를 사용하여 완화될 수 있다.

도 8c 및 8d는 수집된 광의 광축에 대해 기울어지지 않은 검출기(810) 상에 초점 영역(801)의 기울어진 이미지의 초점을 변경하기 위해 튜너블(tunable) 렌즈(804)가 사용되는 재배향 광학계(800c)를 보여준다. 튜너블 렌즈(804)를 사용하면 검출기(810)의 동작에 대해(예로써, 카메라(810)의 롤링 셔터에 대해) 렌즈의 튜닝을 동기화하여 이미지가 재배향되게 할 수 있다. 도 8d는 검출기의 롤링 셔터가 검출기(810)의 표면을 통해 이동함에 따라, 검출기(810) 상에 초점이 맞춰지는 기울어진 초점 광의 부분을 변경하기 위해 튜너블 렌즈(820)(예로써, 광학계(800c)의 튜너블 렌즈(804))가 사용되는 예시적 동작을 나타내는 개략도를 보여준다.

물론, 본 명세서에 설명된 예시, 실시예 또는 프로세스 중 어느 하나는, 하나 이상의 다른 예시, 실시예 및/또는 프로세스와 결합될 수 있으며 또는 본 시스템, 디바이스 및 방법에 따라 개개의 디바이스 또는 디바이스 일부 사이에서 구분 및/또는 수행될 수 있음을 이해해야 한다.

마지막으로, 위에서 논의된 것은 단지 본 시스템을 예시하기 위한 것이며 첨부된 청구범위를 어느 특정 실시예 또는 실시예의 그룹으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그래서, 본 시스템이 예시적 실시예를 참조하여 특히 상세하게 설명되었지만, 다음의 청구범위에 설명된 본 시스템의 더 광범위하고 의도된 사상 및 범위를 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 다양한 변형 및 대안적인 실시예가 창안될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 예시적 방식으로 간주되어야 하며 첨부된 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (41)

1. 조명 축을 따라 조명 광 시트를 샘플 내로 향하게 하도록 구성된 조명 대물렌즈; 및
   컬렉션 축을 따라 상기 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신하도록 구성된 컬렉션 대물렌즈를 포함하며,
   상기 조명 축과 상기 컬렉션 축은 서로 직교하지 않는 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   제2 컬렉션 축을 따라 상기 샘플의 상기 이미징 평면으로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 컬렉션 대물렌즈를 더 포함하며, 상기 제2 컬렉션 축은 상기 조명 축과 대략 직교하는 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 조명 광 시트를 생성하도록 구성된 조명 광학계를 더 포함하며, 상기 조명 광학계는 상기 컬렉션 대물렌즈 및 상기 제2 컬렉션 대물렌즈에 기초한 설정 간에 조정 가능한 장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 컬렉션 대물렌즈는 제1 개구수(NA; numerical aperture)를 가지고 상기 제2 컬렉션 대물렌즈는 상기 제1 개구수보다 낮은 제2 개구수를 가지는 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 컬렉션 대물렌즈로부터 광을 수신하여 원격 이미지를 생성하도록 구성된 제3 대물렌즈; 및
   상기 조명 축과 상기 컬렉션 축 사이의 비직교 각도에 기초한 각도로 상기 원격 이미지를 이미지화하도록 구성된 제4 대물렌즈를 더 포함하는 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   침지 유체를 더 포함하고, 상기 조명 대물렌즈는 상기 침지 유체와 접촉하지 않으며, 상기 컬렉션 대물렌즈의 적어도 일부는 상기 침지 유체와 접촉하는 장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 샘플을 지지하도록 구성된 샘플 홀더를 더 포함하고, 상기 샘플 홀더의 적어도 일부는 상기 침지 유체와 접촉하는 장치.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 조명 대물렌즈와 상기 침지 유체 사이에 위치한 렌즈를 더 포함하는 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 렌즈는 SIL(solid immersion lens) 또는 SIMlens(solid immersion meniscus lens)인 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플을 지지하도록 구성된 제1 측 및 상기 제1 측과 반대 측인 제2 측을 가지는 샘플 홀더를 더 포함하고, 상기 조명 대물렌즈 및 상기 컬렉션 대물렌즈는 상기 제2 측 아래에 위치되는 장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬렉션 대물렌즈는 주어진 시야에 대한 초점 심도를 가지며, 상기 조명 축은 상기 컬렉션 대물렌즈의 초점 심도 내에 머물지 않도록 배향되는 장치.
12. 제1 표면 및 상기 제1 표면과 반대 측인 제2 표면을 포함하는 샘플 홀더 - 상기 제1 표면은 샘플을 지지하도록 구성됨 - ;
    상기 샘플 홀더의 제1 표면과 직교하지 않는 각도로 조명 광 시트를 상기 샘플로 향하게 하도록 구성된 조명 대물렌즈; 및
    상기 제1 표면과 대략 직교하는 컬렉션 축을 따라 광을 수집하도록 구성된 컬렉션 대물렌즈를 포함하는 장치.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 조명 대물렌즈 및 상기 컬렉션 대물렌즈는 상기 제2 표면 아래에 위치되는 장치.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 조명 광 시트와 대략 직교하는 제2 컬렉션 축을 따라 광을 수집하도록 구성된 제2 컬렉션 대물렌즈를 더 포함하는 장치.
15. 청구항 12에 있어서,
    상기 컬렉션 축은 상기 조명 광 시트와 예각을 형성하는 장치.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 예각은 대략 40° 내지 70°인 장치.
17. 청구항 12에 있어서,
    상기 조명 대물렌즈와 상기 샘플 홀더의 제2 표면 사이에 위치된 침지 챔버를 더 포함하고, 상기 침지 챔버는 침지 유체를 유지하도록 구성되며, 그리고 상기 조명 광 시트는 상기 샘플에 도달하기 전에 상기 침지 유체를 통과하는 장치.
18. 청구항 17에 있어서,
    SIL(solid immersion lens)를 더 포함하고, 상기 조명 대물렌즈는 상기 조명 광 시트를 상기 SIL을 통해 상기 침지 유체 내로 향하게 하도록 구성되는 장치.
19. 청구항 17에 있어서,
    SIMlens(solid immersion meniscus lens)를 더 포함하고, 상기 조명 대물렌즈는 상기 조명 광 시트를 상기 SIMlens를 통해 상기 침지 유체 내로 향하게 하도록 구성되는 장치.
20. 청구항 17에 있어서,
    상기 컬렉션 대물렌즈의 적어도 일부는 상기 침지 유체 내에 위치되고, 상기 조명 대물렌즈는 상기 침지 유체와 접촉하지 않는 장치.
21. 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드에서 조명 시트를 샘플로 향하게 하도록 구성된 제1 대물렌즈 - 상기 제1 대물렌즈는 제1 광축을 가짐 - ;
    상기 제1 동작 모드에서 상기 샘플로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 대물렌즈 - 상기 제2 대물렌즈는 상기 제1 광축과 직교하지 않는 제2 광축을 가짐 - ; 및
    상기 제2 동작 모드에서 상기 샘플로부터 광을 수신하도록 구성된 제3 대물렌즈를 포함하고, 상기 제3 대물렌즈는 상기 제1 광축과 대략 직교하는 제3 광축을 가지는 장치.
22. 청구항 21에 있어서,
    상기 샘플을 지지하도록 구성된 제1 표면을 포함하는 샘플 홀더를 더 포함하고, 상기 제2 광축은 상기 제1 표면과 대략 직교하고, 상기 제1 광축 및 상기 제3 광축은 상기 제1 표면과 직교하지 않는 장치.
23. 청구항 22에 있어서,
    상기 샘플 홀더는 상기 제1 표면과 반대 측인 제2 표면을 더 포함하고, 상기 제1 대물렌즈, 상기 제2 대물렌즈, 및 상기 제3 대물렌즈는 상기 제2 표면 아래에 위치되는 장치.
24. 청구항 21에 있어서,
    상기 제3 대물렌즈는 제3 동작 모드에서 상기 샘플에 조명 시트를 제공하도록 더 구성되고,
    상기 제2 대물렌즈는 상기 제3 동작 모드에서 상기 샘플로부터 광을 수신하도록 더 구성되는 장치.
25. 청구항 24에 있어서,
    상기 제1 동작 모드 또는 상기 제3 동작 모드에서 상기 제2 대물렌즈에 의해 수신된 상기 광에 기초하여 원격 이미지를 생성하도록 구성된 컬렉션 광학계;
    상기 제1 동작 모드에서 제1 각도로 상기 원격 이미지로부터 광을 수집하도록 구성된 제4 대물렌즈; 및
    상기 제3 동작 모드에서 제2 각도로 상기 원격 이미지로부터 광을 수집하도록 구성된 제5 대물렌즈를 더 포함하는 장치.
26. 청구항 25에 있어서,
    상기 제1 동작 모드 및 상기 제3 동작 모드에서의 상기 샘플의 이미지를 결합하여 상기 샘플의 강화된 이미지를 생성하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 장치.
27. 청구항 21에 있어서,
    상기 조명 시트를 생성하여 상기 제1 대물렌즈에 제공하도록 구성된 조명 광학계를 더 포함하고, 상기 조명 광학계는 상기 제1 동작 모드에서 제1 구성으로 조명 광 시트를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 동작 모드에서 제2 구성으로 상기 조명 광 시트를 생성하도록 구성되는 장치.
28. 청구항 27에 있어서,
    상기 제1 구성은 제1 개구수 및 제1 폭을 가지고, 상기 제2 구성은 상기 제1 개구수보다 작은 제2 개구수 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 가지는 장치.
29. 조명 대물렌즈를 통해 조명 광 시트를 샘플의 초점 영역으로 향하게 하고;
    상기 초점 영역으로부터의 광을 컬렉션 대물렌즈를 통해 수집하고 - 상기 컬렉션 대물렌즈의 광축은 상기 조명 대물렌즈의 광축과 직교하지 않음 - ; 그리고
    상기 수집된 광을 이미지화하는 것을 포함하는 방법.
30. 청구항 29에 있어서,
    상기 초점 영역으로부터의 광을 제2 컬렉션 대물렌즈를 통해 수집하고 - 상기 제2 컬렉션 대물렌즈의 광축은 상기 조명 대물렌즈의 광축과 대략 직교함 - ; 그리고
    상기 제2 컬렉션 대물렌즈로부터 상기 수집된 광을 이미지화하는 것을 더 포함하는 방법.
31. 청구항 30에 있어서,
    상기 광을 상기 컬렉션 대물렌즈를 통해 수집하는 것은 제1 동작 모드의 일부이고, 상기 광을 상기 제2 컬렉션 대물렌즈를 통해 수집하는 것은 제2 동작 모드의 일부이며, 상기 방법은 상기 제1 동작 모드 및 상기 제2 동작 모드 사이에서 상기 조명 광 시트의 하나 이상의 속성을 조정하는 것을 더 포함하는 방법.
32. 청구항 29에 있어서,
    상기 수집된 광에 기초하여 원격 이미지를 생성하고; 그리고
    상기 컬렉션 대물렌즈의 광축과 상기 조명 대물렌즈의 광축 사이의 비직교 각도에 기초한 각도로 상기 원격 이미지를 이미지화하는 것을 더 포함하는 방법.
33. 청구항 29에 있어서,
    상기 컬렉션 대물렌즈에 의해 수집된 상기 이미지의 품질은, 회절 제한적이며, 대략 0.8보다 큰 스트렐 비율을 가지는 방법.
34. 청구항 29에 있어서,
    상기 조명 광 시트로부터 주변 매체를 통해, 침지 유체를 통해 그리고 샘플 홀더의 물질을 통해 상기 샘플의 초점 영역으로 상기 조명 광 시트를 통과시키고; 그리고
    상기 샘플 홀더의 물질을 통해 그리고 상기 침지 유체를 통해 상기 컬렉션 대물렌즈로 광을 수집하는 것을 더 포함하는 방법.
35. OTLS(open top light sheet) 마이크로스코프 - 상기 OTLS 마이크로스코프는:
    조명 축을 따라 조명 광 시트를 샘플 내로 향하게 하도록 구성된 조명 대물렌즈;
    제1 컬렉션 축을 따라 상기 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 컬렉션 대물렌즈 - 상기 조명 축과 상기 제1 컬렉션 축은 서로 직교하지 않음 - ; 및
    제2 컬렉션 축을 따라 상기 샘플의 이미징 평면으로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 컬렉션 대물렌즈 - 상기 조명 축과 상기 제2 컬렉션 축은 서로 대략 직교함 -;를 포함함 -; 및
    상기 OTLS 마이크로스코프를 동작시키도록 구성된 컨트롤러
    를 포함하는 시스템.
36. 청구항 35에 있어서,
    상기 컨트롤러는 제1 동작 모드에서 상기 제1 컬렉션 대물렌즈에 의해 수신된 광을 이미지화하도록 구성되고, 제2 동작 모드에서 상기 제2 컬렉션 대물렌즈에 의해 수신된 광을 이미지화하도록 구성되는 시스템.
37. 청구항 36에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 동작 모드에서 수집된 이미지 및 상기 제2 동작 모드에서 수집된 이미지로부터의 정보를 결합하도록 구성되는 시스템.
38. 청구항 37에 있어서,
    상기 컨트롤러는 이미지 프로세싱, 머신 러닝, 딥 러닝, 또는 이들의 조합을 이용하여 상기 정보를 결합하도록 구성되는 시스템.
39. 청구항 36에 있어서,
    상기 OTLS 마이크로스코프는 상기 조명 광 시트를 생성하도록 구성된 조명 광학계를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 조명 광학계가 상기 제1 동작 모드 및 상기 제2 동작 모드 사이에서 상기 조명 광 시트의 하나 이상의 속성을 조정하도록 지시하도록 구성되는 시스템.
40. 청구항 35에 있어서,
    상기 OTLS 마이크로스코프는 상기 제2 컬렉션 대물렌즈가 조명 광 시트를 제공하도록 구성되고 상기 제1 컬렉션 대물렌즈가 상기 샘플의 상기 이미징 평면으로부터 광을 수신하도록 구성되는 대체 모드에서 동작하도록 더 구성되며,
    상기 컨트롤러는 상기 조명 광 시트가 상기 제1 컬렉션 대물렌즈에 의해 제공될 때 제1 이미지를 수집하고, 상기 조명 광 시트가 상기 제2 컬렉션 대물렌즈에 의해 제공될 때 제2 이미지를 수집하며, 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지에 기초하여 강화된 이미지를 생성하도록 더 구성되는 시스템.
41. 청구항 40에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 퓨전 디콘볼루션(fusion deconvolution) 알고리즘에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 강화된 이미지를 생성하도록 구성되는 시스템.

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