[发明专利]包括电可调透镜的显微镜的自动聚焦控制

说明书

本申请公开了显微镜自动聚焦装置、显微镜设备、用于操作显微镜设备的自动聚焦控制方法以及显微方法。显微镜自动聚焦装置用于反馈控制显微镜设备的成像系统的焦点位置，其中成像系统包括显微镜物镜，显微镜自动聚焦装置包括：监测射束源，其用于产生监测射束；检测器装置，其用于通过感测被引导经过成像系统到达样品并被样品反射的监测射束来检测显微镜物镜和样品之间的轴向物距的漂移变化；以及反馈回路装置，其用于依据检测到的显微镜物镜的物距变化来控制成像系统，其中显微镜自动聚焦装置包括电可调透镜，电可调透镜被配置为与显微镜物镜耦合，并且能够通过改变电可调透镜的透镜控制输入来调节成像系统的焦点位置。

技术领域

本发明涉及一种自动聚焦装置(显微镜自动聚焦装置)，其适于特别是使用成像系统所引导的监测射束来反馈控制显微镜的成像系统的焦点位置。此外，本发明涉及包括自动聚焦装置的显微镜、自动聚焦控制方法以及包括成像系统的自动聚焦控制的显微方法。本发明可应用于光学显微的所有模式中。

背景技术

在本说明书中，对说明本发明的技术背景的以下现有技术进行参考：

[1]S.Li等人在“Rev.Sci.Instrum.”，84(11)：114302，2013中；

[2]M.M.Frigault等人在“J.Cell.Sci.”122(Pt 6)：753-67，2009中；

[3]S.Yazdanfar等人在“Opt.Express，16(12)：8670-8677，2008中；

[4]Y.Liron等人在“Journal of Microscopy”221(2)：145-151，2006中；

[5]M.Blum等人在“Proc.SPIE”，8167：81670W–81670W–9，2011中；

[6]P.Annibale等人在“Biomed.Opt.Express”6(6)：2181-90，2015中；

[7]Z.Wang等人在“Biomed.Opt.Express”6(11)：4353–64，2015中；

[8]EP 2 952 850 A1；和

[9]US 8010237 B2。

对处于细胞或分子水平的生物样品在长时间范围(几分钟到几小时)的显微成像要求显微镜能够保持样品聚焦。保持样品聚焦是一个严峻的挑战：显微镜主体的机械波动和热波动以及热不稳定性都会导致显微镜物镜与样品之间的距离的漂移变化，从而导致焦点漂移。这些可能会破坏例如单分子成像或超分辨率显微镜，即使在短时段内[1]。为了克服这些不可避免的波动，重要的是使用自动焦平面检测和稳定化装置和方法(自动聚焦装置和方法)。

在常规显微镜中(参见例如[2])，使用了两种基本类型的自动聚焦系统，它们要么基于分析并比较聚焦图像和离焦图像的软件聚焦算法[1、3](基于图像分析的自动聚焦)，要么基于测量实际的物镜到样品距离的光学方法[4](基于监测射束的自动聚焦)。

基于图像分析的自动聚焦系统通过分析收集的显微图像的图像参数来检测焦点位置漂移。调节焦点位置以补偿检测到的焦点位置漂移。由于以下限制，基于图像分析的自动聚焦系统具有受限的应用范围。首先，它们不能应用于无法连续收集图像的显微模式，比如荧光相关或扫描显微模式。此外，某些类型的样品不允许快速且可靠的图像分析，比如没有图像细节的锐利边缘的散开样品。最后，基于图像分析的自动聚焦系统不允许即时的、连续的自动聚焦控制，因为图像分析非常耗时并且因此机械调节显微镜物镜的速度受到限制。