本發(fā)明涉及一種顯微鏡，其帶有至少一個設置在光路中的矯正單元，該矯正單元用于矯正可改變的球面像差。

背景技術：

如果用顯微鏡聚焦到生物樣本中，就會出現(xiàn)由折射率失配引起的球面像差，其根據(jù)樣本深度而改變。這些像差導致分辨率和對比度減小。此外，它們與物鏡的工作距離以及在樣本中出現(xiàn)的吸收和散射一起限制了進入到樣本中的最大的穿透深度。

為了矯正球面像差的目的，有一些具有矯正環(huán)的物鏡，該矯正環(huán)使得物鏡內(nèi)部的透鏡組沿著光軸移動。在光學地設計物鏡時必須考慮用于矯正的透鏡組。通常，透鏡組只能以高的機械耗費來實現(xiàn)。特別是無法事后給物鏡配備這種矯正單元。

為了矯正球面像差的目的，在EP 0 859 259 A2中提出，在物鏡與管式透鏡之間設置適配件，這些適配件由相互膠合的透鏡構成，借助于這些適配件能引入或補償可變的球面像差。然而，提出的直接在物鏡上方的設置通常會改變整個系統(tǒng)的調(diào)校長度此外，由于不同焦距的物鏡的孔眼大小不同，所提到的適配件要強制地特定于物鏡來設計。

US 8 659 827 B2公開了一種設置在無限光路中的可失調(diào)的無焦系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可引入或補償球面像差。由于該無焦系統(tǒng)設置在光路的一個區(qū)域中，在該區(qū)域內(nèi)，光線同時朝向不同的場點(Feldpunkt)傳播，所以該系統(tǒng)必須為了完整的視場而予以矯正。這嚴重地限制了可實現(xiàn)的矯正效果。

WO 2012/025349 A1披露了一種矯正系統(tǒng)，其具有可相對于彼此橫向移動以用于補償球面像差的自由形狀面。然而，該矯正系統(tǒng)所需要的自由形狀面設計復雜，因而制造昂貴。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是對開篇所述類型的顯微鏡予以改進，從而可以可靠地且采用簡單的技術手段來矯正可變的球面像差、特別是由折射率失配引起的像差。

本發(fā)明通過具有權利要求1的特征的顯微鏡來實現(xiàn)該目的。

根據(jù)本發(fā)明，設置在顯微鏡中的矯正單元包括至少一個光學矯正元件，該矯正元件沿著光軸可移動地設置在光路的會聚或發(fā)散的區(qū)域中。光學矯正元件具有至少一個矯正面，該矯正面的被光路的會聚或發(fā)散的區(qū)域穿過的部分形成了矯正作用的面區(qū)段，該面區(qū)段的橫向于光軸的徑向延展可通過矯正元件沿著光軸的移動而改變。

本發(fā)明規(guī)定，矯正元件在光路的會聚或發(fā)散的區(qū)域中軸向地移動，這樣就能任意地改變矯正面的光學作用的面區(qū)段，以便按所希望的方式來影響穿過矯正元件的光束的波前(Wellenfront)。特別是這樣就可以精確地調(diào)節(jié)由矯正元件的矯正作用的面區(qū)段引起的波前的變形，從而補償由折射率失配引起的波前誤差。矯正元件為此可以設計成單獨的光學元件，或者設計成透鏡組或膠合件。

矯正元件的軸向移動可以手動地或者機動地進行。也可以設置控制件，其借助于控制程序?qū)ΤC正元件進行調(diào)節(jié)。

此外，本發(fā)明的矯正單元也可以經(jīng)過設計，使得它具有多個不同的可更替地或可切換地備用的矯正元件。對這些矯正元件的更替或切換也可以手動地、機動地進行，或者也可以通過采用控制程序來進行。

矯正元件優(yōu)選是非球面的折射元件，例如是繞著光軸旋轉(zhuǎn)對稱的、非球面的透鏡，該透鏡由光折射材料制成，優(yōu)選由光學玻璃制成。

但矯正元件也可以由衍射元件例如菲涅爾波帶片或全息圖(Hologramm)構成。

優(yōu)選地，矯正元件被消色差。但是，采用非消色差的元件同樣是可行的。當然，當采用窄帶光或者甚至單色激光工作時，這尤其適用。

由折射率失配引起的波前誤差可以如下分析地給出：

其中，n1和n2表示相鄰介質(zhì)的折射率，而ρ表示透鏡孔眼中的相對的徑向坐標，α表示透鏡的孔徑角，d表示進入到具有折射率n2的介質(zhì)中的穿透深度。

該波前誤差現(xiàn)在可以例如展開成所謂的澤尼克多項式，例如在P.P.Varga,G.Nemeth的“Analytical Solution of the diffraction integrals and Interpretation of wave-front distortion when light is focused through a planar interface between materials of mismatched refractive indices(當光通過折射率失配的材料之間的平面界面聚焦時衍射積分的分析解決方案和波前畸變的解釋)”(美國光學學會期刊A輯(J.Opt.Soc.Am.A.),卷12,頁數(shù)12,2660-2671(1995))中所描述的。該展開式的最低階恰好對應于散焦，這種散焦由折射率失配引起，且在本領域也以名稱“金魚缸效應(fish tank effect)”所公知。相反，較高階則對應于不可后聚焦的像差。這種待補償?shù)牟ㄇ罢`差可以用作矯正元件的表面形狀的設計基礎。

優(yōu)選地，矯正面的表面形狀可基于多項展開式來表示。光線在經(jīng)過矯正元件時所需的波前變形以及由此矯正元件所需的表面形狀，現(xiàn)在可以基于上述旋轉(zhuǎn)對稱的澤尼克多項式通過參數(shù)化來給出。但要指出，上述多項式展開不必專門地基于澤尼克多項式進行，而是也可以采用其它多項展開式。

在另一可能的設計中，矯正面由橢圓形的拋物面形成，該拋物面的頂點優(yōu)選位于光軸上。于是在具有光軸的剖面中，矯正面具有拋物線的形狀。

在一種特別優(yōu)選的實施方式中，矯正面經(jīng)設計，使得因矯正元件沿著光軸移動引起的矯正作用的面區(qū)段的改變對由折射率失配而產(chǎn)生的球面像差予以矯正。這意味著，在該實施方式中，當矯正元件軸向地移動時，除了因折射率失配而在樣本中產(chǎn)生的散焦之外，未引入散焦。

在另一有利的設計中，矯正單元與優(yōu)選自動化的聚焦傳動件作用地聯(lián)接，該聚焦傳動件對因矯正元件的軸向移動而引起的散焦予以補償。這樣，因矯正元件的軸向移動而引入的散焦可以在考慮到矯正面的表面形狀情況下例如通過計算算出。于是聚焦傳動件可以根據(jù)通過計算確定的散焦而被驅(qū)動，從而進行相應的、補償性的后聚焦。

優(yōu)選地，本發(fā)明的顯微鏡具有調(diào)整光學機構，該調(diào)整光學機構在光路中后置于矯正元件，且經(jīng)過適當構造，從而該調(diào)整光學機構使得穿過矯正元件的光束準直。通過把準直的調(diào)整光學機構集成到矯正單元中，可以在補裝的范疇內(nèi)將矯正單元裝入到準直的顯微鏡光路中，而無需大的耗費。

在一種特別優(yōu)選的實施方式中，上述調(diào)整光學機構還經(jīng)過適當構造，使得穿過矯正元件的光束的集束橫截面可適配于物鏡孔眼的大小。這樣就能根據(jù)需要為不同的物鏡設計矯正單元。

調(diào)整光學機構優(yōu)選包括變焦系統(tǒng)，利用該變焦系統(tǒng)可以連續(xù)地改變穿過矯正元件的光束的集束橫截面。變焦調(diào)節(jié)可以手動地或機動地進行，或者可以借助于控制程序來進行。

也可以采用可分立地切換的光學器件替代變焦系統(tǒng)，這些器件能實現(xiàn)逐級地調(diào)整集束橫截面。

優(yōu)選地，本發(fā)明的顯微鏡具有光學元件，該元件用于產(chǎn)生光路的會聚或發(fā)散的區(qū)域。該元件例如可以利用光導纖維來實現(xiàn)，該光導纖維的未準直的纖維輸出端以所需的方式影響光路。但也可行的是，采用一個或多個合適的透鏡來代替光導纖維，這些透鏡產(chǎn)生光路的會聚或發(fā)散的區(qū)域。

本發(fā)明的顯微鏡優(yōu)選是掃描顯微鏡，特別是共焦顯微鏡或多光子顯微鏡。在共焦顯微鏡的情況下，矯正單元優(yōu)選設置在主分束器與掃描系統(tǒng)之間。由于在共焦顯微鏡的所述位置只能看到軸光線，所以大大簡化了矯正元件的光學設計。但也可行的是，矯正單元設置在光源與掃描模塊之間，或者設置在探測器與掃描模塊之間。也可以設置兩個根據(jù)本發(fā)明的矯正單元，其中一個矯正單元設置在光源與掃描模塊之間，而另一個矯正單元設置在探測器與掃描模塊之間。在多光子顯微鏡中，本發(fā)明的矯正單元優(yōu)選位于光源與掃描模塊之間。

附圖說明

下面借助不同的實施例參照附圖詳述本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明的帶有非球面矯正元件的矯正單元的示意圖，該矯正元件在顯微鏡光路的會聚區(qū)域中設置在不同的軸向位置；

圖2為一個示意圖，其中示出了調(diào)整光學機構對穿過非球面矯正元件的光束的集束橫截面的影響；

圖3為共焦顯微鏡的示意圖，其中，本發(fā)明的矯正單元設置在主分束器和掃描模塊之間；

圖4為共焦顯微鏡的示意圖，其中，在光源和主分束器之間以及在探測器與主分束器之間分別設置有本發(fā)明的矯正單元；和

圖5示出一種多光子顯微鏡，其中，在光源和掃描模塊之間設置有本發(fā)明的矯正單元。

具體實施方式

圖1示出整體標有10的矯正單元，其被設置應用在光學顯微鏡中。矯正單元10用來矯正在該光學顯微鏡中由于折射率失配而出現(xiàn)的球面像差，該球面像差根據(jù)樣本深度而改變。

矯正單元10包括光學矯正元件12和調(diào)整光學機構15。該矯正元件12設置在顯微鏡光路的區(qū)域14內(nèi)，在該區(qū)域中，射到矯正元件12上的光束16的邊緣光線朝向光軸O會聚。

在當前實施例中，矯正元件12是由光折射材料例如光學玻璃構成的透鏡元件，該透鏡元件在其面向入射的光束16的一側(cè)具有非球面的透鏡面18。該非球面的透鏡面18具有橢圓形的旋轉(zhuǎn)橢圓體的形狀，該旋轉(zhuǎn)橢圓體的頂點位于光軸O上。因而在圖1所示的、具有光軸的剖面中，非球面的透鏡面18具有拋物線的形狀。

非球面的透鏡面18形成矯正面，該矯正面僅僅在其被光軸O穿過的中間的面區(qū)段內(nèi)被光路的會聚區(qū)域14穿過，而矯正面18的遠離所述軸的邊緣區(qū)段徑向地設置在光路的會聚區(qū)域14的外部。矯正面18的被光路的會聚區(qū)域14穿過的部分在下面稱為矯正作用的面區(qū)段20。

本發(fā)明現(xiàn)在規(guī)定，矯正元件12沿著光軸O移動，以便根據(jù)待矯正的球面像差，改變中央的矯正作用的面區(qū)段20的橫向于光軸O的徑向尺寸。在圖1中，針對矯正元件12的三個不同的軸向位置示出了對矯正作用的面區(qū)段20的這種改變。因而由圖1可知，當矯正元件與光方向相逆地(在圖1中從右向左)沿著光軸O移動時，相對于光軸O旋轉(zhuǎn)對稱的、非球面的面區(qū)段20由于光路區(qū)域14的會聚而徑向地向外增大。由于通過矯正元件12實現(xiàn)的矯正效果隨著矯正作用的面區(qū)段20的變化而改變，所以可以通過沿著光軸O適當?shù)囟ㄎ怀C正元件12來矯正可隨著樣本深度改變的像差。

在矯正單元10中具有的調(diào)整光學機構15具有使得穿過矯正元件12的光束16準直的功能，從而光路在從調(diào)整光學機構15射出之后平行地取向。調(diào)整光學機構15還用于使得光束16的橫截面適配于圖1中未示出的顯微鏡物鏡的孔眼大小。

在當前實施例中，調(diào)整光學機構15是一種變焦系統(tǒng)，利用該變焦系統(tǒng)可以連續(xù)地改變準直的光束18的集束橫截面。在圖2中示出調(diào)整光學機構15的三種不同的變焦調(diào)節(jié)和從調(diào)整光學機構15射出的光束16的相應的集束橫截面。

在圖3至圖5中純示范性地示出矯正單元10的各種應用可行性。

圖3純示意性地4示出共焦顯微鏡20，其包括光源22、主分束器24、掃描模塊26、物鏡28、控制件30、聚焦傳動件32以及探測器34。另外，在共焦顯微鏡20中設有上面參照圖1和2描述的矯正單元10，在該矯正單元之前設有聚光透鏡36。聚光透鏡36產(chǎn)生光路的會聚區(qū)域14，矯正單元10的矯正元件12在該區(qū)域中軸向地移動。在圖3所示的應用示例中，矯正單元10設置在主分束器24和掃描模塊26之間。

控制件30還具有根據(jù)待矯正的球面像差，例如通過合適的馬達，在光路的會聚區(qū)域14中軸向地移動矯正元件12的功能。通過控制件30，矯正單元10也與聚焦傳動件32聯(lián)接。通過矯正單元10與聚焦傳動件32的這種聯(lián)接，可以補償由于矯正元件10的軸向移動引起的散焦，其方式為，在控制件30的控制下促動聚焦傳動件32，進行相應的后聚焦。這例如基于由控制件30輸出的控制信號來進行，由矯正元件12引起的散焦在該控制信號中予以考慮(eingehen)。這樣就可以由非球面的矯正面18的表面形狀以及由矯正件12的軸向移動例如通過計算確定出散焦。

圖4示出另一應用示例，即共焦顯微鏡40，其具有兩個根據(jù)本發(fā)明的矯正單元10和10’。此外，在圖4中，與圖3中所示的組件相應的那些顯微鏡組件標有相同的附圖標記。

就根據(jù)圖4的共焦顯微鏡40而言，第一矯正單元10’在光路12中位于光源22與主分束器24之間。由于在所示示例中從光源22發(fā)出的光束發(fā)散地進入到第一矯正單元10’中，所以相比于圖1中所示的、接收會聚的光束的矯正單元，該矯正單元在其(圖4未明確示出的)調(diào)整光學機構方面有所改變。因而矯正單元10’的調(diào)整光學機構設計成不將會聚的光束而將發(fā)散的光束變形成準直的集束。

在光路中設置在主分束器24和探測器34之間的第二矯正單元10也對應于圖1中所示的單元。第二矯正單元10后置有聚光透鏡38，該聚光透鏡使得從矯正單元10射出的發(fā)散的光束準直。

圖5也純示意性地示出多光子顯微鏡60，就其而言，根據(jù)圖1的矯正單元10設置在光源22和掃描模塊26之間。矯正單元10前置有聚光透鏡62，該聚光透鏡把從光源22發(fā)出的準直的光束變形成會聚的集束，然后，矯正單元10按所述方式作用于所述集束，以便對球面的像差予以矯正。

需要指出，圖3至圖5中所示的應用是純示范性的，且可以按照合理的方式予以修改和補充，而不偏離于本發(fā)明的矯正理念。例如，上文僅針對根據(jù)圖3的應用示例介紹過矯正單元10與聚焦傳動件32的聯(lián)接。不言而喻，圖4和5中所示的示例也可以用這種聯(lián)接方式予以補充。