CN101583895B - 焦点检测装置和显微镜 - Google Patents

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Abstract

一种焦点检测装置被设置有：光源(16)，其发出具有给定波长范围的光；反射构件(15)，其反射从光源(16)发出的光以导向对象(6a)，反射从对象(6a)反射的来自光源(16)的光，并且透射来自对象(6a)的具有除了从对象(6a)反射的光以外的至少两个不同波长范围的光；光电检测器(21)，其检测从对象(6a)反射的来自光源(16)的光；和控制器(22)，其基于光电检测器(21)所检测到的信号，检测在显微镜(2)中的物镜(8)和对象(6a)之间的焦点移位，从而提供如下所述的焦点检测装置以及配备有该焦点检测装置的显微镜，所述焦点检测装置能够限制用于焦点检测的光的波长范围，从而能够将更宽的波长范围用于显微镜观察。

Description

焦点检测装置和显微镜
技术领域
本发明涉及焦点检测装置和显微镜。
背景技术
已经提出，用于生物显微镜的焦点检测装置，例如通过使用红外光的反射检测在样品附近的玻璃界面而保持对焦的技术(例如，参见日本专利申请特开No.2004-070276)在进行与配料一起的观察时或长时间观察时是特别有效的，或者在样品的多个位置的连续观察时是特别有效的。
然而，在近来的生物显微镜中，在荧光观察时使用的荧光染料的波长已经变得越来越长，并且这种使用光学镊子或双光子激发的观察已经被采用。因此，在生物显微镜中，观察光的波长不限于可见光，从而具有近红外的波长范围的光不能专用于焦点检测和其保持。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，并且具有提供如下所述的焦点检测装置以及配备有该焦点检测装置的显微镜的目的，其中所述焦点检测装置限制用于焦点检测的光的波长范围，并且将除了焦点检测的波长以外的更宽的波长范围用于除了焦点检测以外的显微镜观察以及其他目的。
为了解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供焦点检测装置，其包括：光源，其发出具有给定波长范围的光；和光学构件，其反射具有给定波长范围的焦点检测光，以检测显微镜中物镜和观察对象之间的焦点移位，并且透射具有除了所述给定波长范围之外的至少两个波长范围的非焦点检测光。
在本发明的第一方面中，优选的是，从所述光源发出并且被所述光学构件反射的光的波长范围处于来自观察对象并且透射所述光学构件的光的两个波长范围之间。
在本发明的第一方面中，优选的是，所述光学构件是部分反射镜，所述部分反射镜反射具有所述给定波长范围的光的边缘光通量以导向观察对象，并且透射其余光通量。
在本发明的第一方面中，优选的是，所述光源选择性地发出具有多个不同波长范围的光，并且所述光学构件是配备有多个分色镜的分色镜单元，所述分色镜与从所述光源发出的具有多个不同波长范围的光对应，并且能够可移除地移动到光路中。
在本发明的第一方面中，优选的是，所述光源选择性地发出具有多个不同波长范围的光。
在本发明的第一方面中，焦点检测装置优选地进一步包括光源，所述光源发出用于焦点检测的具有给定波长范围的光以照明观察对象。
在本发明的第一方面中，焦点检测装置优选地进一步包括光电检测器，所述光电检测器检测所述光源的由观察对象所反射的反射光。
在本发明的第一方面中，焦点检测装置优选地进一步包括控制器，所述控制器基于来自所述光电检测器的信号而检测显微镜中所述物镜和观察对象之间的焦点移位。
在本发明的第一方面中，焦点检测装置优选地进一步包括发出所述非焦点检测光的第二光源。
在本发明的第一方面中，焦点检测装置优选地进一步包括第二光学构件，所述第二光学构件将从所述第二光源发出的光反射到观察对象，并且透射来自观察对象的光。
在本发明的第一方面中，优选的是，所述第一光源发出具有红外波长范围的光，并且所述第二光源发出具有比所述红外波长范围更长的波长范围的光。
根据本发明的第二方面，提供一种显微镜，所述显微镜配备有根据第一方面的焦点检测装置。
在本发明的第二方面中，优选的是，所述显微镜包括物镜和相机附接部分，所述光学构件和所述第二光学构件被设置在所述物镜和所述相机附接部分之间的光路上，所述光学构件被设置在所述物镜侧，并且所述第二光学构件被设置在所述相机附接部分侧。
在本发明的第二方面中，优选的是，所述第二光源是光学镊子的光源。
在本发明的第二方面中，优选的是，所述第二光源是双光子激发的光源。
在本发明的第二方面中，优选的是，所述第一光源发出具有红外波长范围的光，并且所述第二光源发出具有比所述红外波长范围更长的波长范围的光。
本发明使得能够提供如下所述的焦点检测装置以及配备有该焦点检测装置的显微镜，所述焦点检测装置限制用于焦点检测的光的波长范围，并且将除了焦点检测的波长以外的更宽的波长范围用于除了焦点检测以外的显微镜观察以及其他目的。
附图说明
图1是示出配备有根据本发明第一实施例的焦点检测装置的显微镜的整体构造的图。
图2是示出根据本发明第一实施例的焦点检测装置3的分色镜15的反射特性的曲线图。
图3是示出配备有根据本发明第二实施例的焦点检测装置的显微镜的整体构造的图。
图4A和图4B是示出根据本发明第二实施例的焦点检测装置30的构造的图，其中，图4A示出IR光源31的构造，而图4B示出分色镜单元32的构造。
图5是示出分色镜单元32的分色镜32b的反射特性的曲线图。
图6是示出配备有根据本发明第三实施例的焦点检测装置的显微镜的整体构造的图。
图7A和图7B是示出根据本发明第三实施例的焦点检测装置40的部分反射镜(partial mirror)41的构造的图，其中图7A示出顶视图，而图7B示出正视图。
具体实施方式
下面参考附图说明配备有根据本发明每一实施例的焦点检测装置的显微镜。
<第一实施例>
首先，描述配备有根据本实施例的焦点检测装置的显微镜的整体构造。
图1是示出配备有根据本发明第一实施例的焦点检测装置的显微镜的整体构造的图。
如在图1中所示，显微镜1由显微镜主体2、焦点检测装置3和光学镊子光学***4构成。
在本实施例中，除了用于焦点检测的光以外的光被称为非离焦检测光。在该非离焦检测光中，有光学镊子光、多光子激发光和例如在荧光观察中来自观察对象的荧光。发出光学镊子光和多光子激发光的光源被称为第二光源。
显微镜主体2配备有镜台7，在镜台7上放置被放在盖玻片5a和载玻片5b之间的样品6，并且按照从镜台7侧的顺序，显微镜主体2配备有物镜8、成像透镜9和相机10。在从物镜8侧看的镜台7的另一侧，设置有照明光源(未示出)，该照明光源发出用于照明样品6的照明光，包括比稍后描述的近红外光的波长λIR1短的波长λFL1、λFL2、λFL3。物镜8在上下方向上可通过物镜驱动器(未示出)电气移动。
光学镊子光学***4配备有激光源11，并且按照从激光源11侧的顺序，光学镊子光学***4配备有透镜12、反射镜13a和13b以及半透反射镜14。在显微镜主体2中，半透反射镜14被放置在物镜8和成像透镜9之间的光路上，从而从激光源11发出的激光可以被引到显微镜主体2中的光路以照明样品6。在本实施例中，激光源11发出具有波长λIR3＝1064nm的红外激光。
利用上述构造，在显微镜主体2中，来自被照明光源(未示出)照明的样品6的光依次通过物镜8、稍后描述的分色镜15、和半透反射镜14，并且通过成像透镜9在相机10的成像表面上形成图像。因此，相机10可以拍摄样品6的图像，并且观察者通过监视器(未示出)可以观察到样品6的拍摄的图像(在下文中被称为“普通观察”)。
在光学镊子光学***4中，从激光源11发出的激光由反射镜13a和13b反射通过透镜12，被导向显微镜主体2中的半透反射镜14。激光被半透反射镜14反射，并且在通过稍后描述的分色镜15之后，通过物镜8照明样品6。因此，观察者可以对样品6执行光学镊子操作(在下文中被称为“光学镊子观察”)。
然后，详细描述焦点检测装置3的构造，这是本实施例的最有特点的特征。
焦点检测装置3配备有IR光源16，该IR光源16发出具有给定的波长范围的光，并且按照从IR光源16侧的顺序，焦点检测装置3配备有透镜17、半罩(half mask)18、半透反射镜19和分色镜15，并且在半透反射镜19的反射光路上，设置有成像透镜20和光电检测器21。在本实施例中，从IR光源16发出的具有给定的波长的光是具有波长λIR1＝770nm的近红外光。
在显微镜主体2中，分色镜15被设置在物镜8和半透反射镜14之间的光路上，从而分色镜15可以将来自IR光源16的光引到显微镜主体2的光路。如在图2中所示，根据本实施例的分色镜15具有如下所述的特性，即，只反射来自IR光源16的具有给定波长范围的某种光，换句话说，只反射具有波长λIR1的近红外光。图2是示出根据本发明第一实施例的焦点检测装置3的分色镜15的反射特性的曲线图。
利用上述构造，在焦点检测装置3中，从IR光源16发出的具有给定的波长范围的光依次通过透镜17、半罩18和半透反射镜19，并且被分色镜15反射到样品6侧。在通过物镜8之后，在样品6的附近，光被玻璃界面6a反射。IR光源16的被玻璃界面6a反射的光被分色镜15在IR光源16方向上再次反射，并且在被半透反射镜19反射之后通过成像透镜20在光电检测器21的检测表面上形成图像。
结果，基于光电检测器21的检测到的信号，安装在焦点检测装置3中的控制器22检测玻璃界面6a的光轴方向的位置，换句话说，物镜8和玻璃界面6a之间的离焦被检测到，并且物镜8被安装在显微镜主体2中的物镜驱动器(未示出)驱动，从而玻璃界面6a被设置在物镜8的焦点位置。因此，在显微镜主体2中完成对样品6的对焦。因为上述对焦操作始终在观察时执行，所以在观察时保持对样品6的对焦状态。因此，在进行与配料一起的观察或长时间观察时，或者样品的多个位置的连续观察时，本显微镜1是极其有用的。
如上所述，在显微镜1中，在将用于焦点检测装置3的光(在下文被称为“焦点检测光”)限制到给定波长范围的情况下，具有比焦点检测光更长的波长的光可以被用于观察。因此，除了使用具有比焦点检测光更短的波长的光的普通观察之外，显微镜1能够使用具有比焦点检测光更长的波长的光进行光学镊子观察。
如上所述，虽然显微镜1配备有光学镊子光学***4，但是本发明不限制于此，并且可以包括用于进行双光子激发观察的具有发出波长λIR2＝850nm到1000nm的红外光的光源的光学***来代替光学镊子光学***4。在该情况下，除了样品6的普通观察之外，显微镜1能够使用具有比焦点检测光更长的波长的光进行双光子激发观察
此外，通过如上所述将玻璃界面6a设置到物镜8的焦点位置来实施本实施例的对焦动作。然而，本实施例的构造不限制于此，并且焦点检测装置优选地包括补偿透镜，该补偿透镜设置在半透反射镜19和分色镜15之间的光路上，在光轴方向上可移动。通过移动该补偿透镜，在将玻璃界面6a设置到物镜8的焦点位置时，玻璃界面6a可以在被放置的同时沿着光轴移位给定补偿量。因此，不仅玻璃界面6a即样品6的表面，而且在深度方向上的任何位置可以被对焦。这样的补偿透镜优选被安装在根据下面每一实施例的焦点检测装置中。
如上所述，在本实施例中，虽然通过利用物镜驱动器在上下方向移动物镜8而实施对焦动作，但是本发明不限制于此，并且可以提供镜台驱动器，从而通过在上下方向移动镜台7而实施对焦动作。这一点在根据下面每一实施例的显微镜中是相同的。
<第二实施例>
图3是示出配备有根据本发明第二实施例的焦点检测装置的显微镜的整体结构的图。
配备有根据本实施例的或本发明的第三实施例的焦点检测装置的显微镜被说明如下，其中，与第一实施例相同的构成被附有相同的符号，同时省略其说明，并且与第一实施例不同的构成被附有不同的符号，同时对其进行详细说明。
根据本实施例的焦点检测装置30配备有如在图4A中所示的IR光源31来代替在根据第一实施例的焦点检测装置中的IR光源16，其中光源31能够选择性地发出具有多个波长的光，并且根据本实施例的焦点检测装置30还配备有如在图4B中所示的分色镜单元32来代替分色镜15。
在本实施例中，IR光源31配备有发出具有波长λIR1＝770nm的近红外光的LED 31a、发出具有波长λIR2＝870nm的红外光的LED 31b、和发出具有波长λIR3＝1064nm的红外光的LED 31c，并且观察者能够选择性地启动这些LED。图4A是示出根据本发明第二实施例的焦点检测装置30的IR光源31的构造的图。
分色镜单元32配备有只反射具有波长λIR1的近红外光的分色镜32a、如图5中所示的只反射具有波长λIR2的红外光的分色镜32b、和只反射具有波长λIR3的红外光的分色镜32c。图4B是示出根据本发明第二实施例的焦点检测装置30的分色镜单元32的构造的图。图5是示出分色镜单元32的分色镜32b的反射特性的曲线图。
分色镜单元32配备有滑动机构(未示出)。因此，通过利用滑动机构滑动分色镜单元32，分色镜32a、32b、和32c的每一个可以被选择性地设置在光路中。结果，与在IR光源31中选择的LED的波长对应的分色镜可以被设置在光路中。
利用该构造，在焦点检测装置30中，从IR光源31中的LED 31a发出的具有波长λIR1的近红外光通过透镜17、半罩18和半透反射镜19，并且被分色镜单元32的分色镜32a反射到样品6侧。在通过物镜8之后，光被玻璃界面6a反射。具有波长λIR1的被反射的近红外光被分色镜单元32的分色镜32a再次反射，被半透反射镜19再次反射，并且通过成像透镜20在光电检测器21的检测表面上形成图像。
在安装于焦点检测装置30中的控制器22中进行的对焦动作和其保持与上述第一实施例相同。
虽然上述说明是对从LED 31a发出的具有波长λIR1的近红外光做出的，但是，关于从LED 31b发出的具有波长λIR2的红外光或从LED 31c发出的具有波长λIR3的红外光，通过将分色镜单元32中对应的分色镜32b或32c设置到光路中，可以完成相似的对焦动作和其保持。
如上所述，显微镜可以实现与第一实施例相似的效果。
如上所述，通过在焦点检测装置30中改变LED 31a、31b或31c和对应的分色镜32a、32b或32c，显微镜可以改变与和普通观察一起使用的观察方法对应的焦点检测光的波长范围。具体地，例如，分色镜32b被设置在光路上以使LED 31b照射，换句话，当具有波长λIR2的红外光被用作焦点检测光时，如图5中所示除了普通观察(波长λFL1、λFL2、λFL3)以外，可以使用长波长荧光染料进行荧光观察(波长λFL4)，以及进行光学镊子观察(波长λIR3)。即使焦点检测光的波长范围改变，光电检测器的信号检测条件也被使得电气地改变，从而能够确保样品的对焦状态。
<第三实施例>
图6是示出配备有根据本发明第三实施例的焦点检测装置的显微镜的整体构造的图。
根据本实施例的焦点检测装置40配备有如图7中所示的部分反射镜41来代替根据第一实施例的焦点检测装置3中的分色镜15。
图7A和图7B是示出根据本发明的第三实施例的焦点检测装置40的部分反射镜41的构造的图，其中图7A示出顶视图，而图7B示出正视图。
如在图7A中所示，部分反射镜41由部分反射镜主体42和在其间固定部分反射镜主体的三角棱镜43a和43b构成。如在图7B中所示，部分反射镜主体42由透射表面42a和反射表面42b构成，其中从IR光源16侧看，所述透射表面42a具有椭圆形状，其长轴在显微镜主体2中的物镜8的光轴方向延伸，并且所述反射表面42b被设置在透射表面42a的长轴的每一端部。
利用部分反射镜主体42的该构造，来自IR光源16的大部分近红外光被透射到光路外，并且仅行进于高NA区域的边缘光通量被反射到玻璃界面6a侧，并且从玻璃界面6a反射的边缘光通量可以被再次反射到半透反射镜19侧。
因为部分反射镜主体42的透射表面42a被做得足够大，以便不阻挡来自被显微镜主体2中的照明光源(未示出)所照明的样品6的光和来自光学镊子光学***4的激光，所以部分反射镜41不会在普通观察或光学镊子观察时引起问题。即使它阻挡光，被阻挡的光的量也较小，从而是可接受的。
利用该构造，在焦点检测装置40中，从IR光源16发出的具有给定的波长范围的光(具有波长λIR1的近红外光)依次通过透镜17、半罩18和半透反射镜19，并且被反射表面42b反射到样品6侧。在通过物镜8之后，光被设置在样品6附近的玻璃界面6a反射。来自玻璃界面6a的被反射的光被部分反射镜41的反射表面42b再次反射，被半透反射镜19再次反射，以通过成像透镜20在光电检测器21的检测表面上形成图像。
在安装于焦点检测装置40中的控制器22中进行的对焦动作和其保持与上述第一实施例相同。
如上所述，显微镜可以实现与第一实施例相同的效果。
根据本实施例的焦点检测装置40可以配备有根据第二实施例的IR光源31来代替IR光源16。利用该构造，能够实现与第二实施例相同的效果。因为不管焦点检测光的波长范围如何，都能够使用部分反射镜41，并且在第二实施例中分色镜单元32被移动到光路中的工作是不必要的，因此能够实现焦点检测光的平滑交换。
根据每一实施例，能够实现如下所述的焦点检测装置和配备有该焦点检测装置的显微镜，即，该焦点检测装置限制用于焦点检测的光的波长范围，并且使得能够将具有除了焦点检测的波长以外的波长范围的光用于例如普通观察这样的显微镜观察和与此一起应用的技术。

Claims (4)

1.一种焦点检测装置，包括：
光源，所述光源发出近红外光；和
光学构件，所述光学构件将所述近红外光反射到观察对象作为焦点检测光，以便检测显微镜中物镜和观察对象之间的焦点移位，并且所述光学构件透射光学镊子的光或多光子激发观察的激发光以及来自所述观察对象的荧光，其中所述光学镊子的光或多光子激发观察的激发光的波长范围比近红外波长范围长，而所述荧光的波长范围小于近红外波长范围。
2.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其中，所述光学构件是部分反射镜，所述部分反射镜反射所述近红外光的边缘光通量以导向所述观察对象，并且透射其余光通量。
3.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其中，所述光源选择性地发出具有多个不同波长范围的近红外光，并且所述光学构件是配备有多个分色镜的分色镜单元，所述多个分色镜与从所述光源发出的具有所述多个不同波长范围的光对应，并且能够可移除地移动到光路中。
4.一种显微镜，该显微镜配备有根据权利要求1到3中的任一项所述的焦点检测装置。
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