CN107924051A - 移动式显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式显微镜成像设备，该移动式显微镜成像设备包括：样品台，用于保持要被成像的样品；至少一个光源，其用于照射样品；成像板，其能够在由光源对样品进行透射照射时捕捉样品的图像；以及光学放大单元，其位于样品与成像板之间，用于将来自所照射的样品的光引导至成像板，使得在成像板处形成样品的至少一部分的放大图像。根据本发明，光学放大单元包括透射荧光配置中的滤光器集成聚合物透镜组件，这允许使该设备小型化到真正可移动水平并且降低制造成本二者。

Description

移动式显微镜

技术领域

本发明涉及光学显微成像。具体地，本发明涉及例如适用于现场护理(point-of-care)诊断的移动式显微镜。

背景技术

现代医疗现场护理(POC)方法受益于可以容易地移动靠近待诊断患者的高质量光学诊断设备的能力。在没有延迟的情况下捕捉从患者采集的样品的高质量显微图像例如用于确定疾病的能力提供了为患者提供快速且准确的治疗的可能性。特别是在发展中国家，早期的诊断和治疗在目前是不可能的，在这些国家，交通通讯/道路和交通工具很差，能够执行所需测试的永久性实验室的网络稀缺。然而，在现场护理为患者或护理机构提供优势的发达国家也存在许多状况。

用于显微成像的许多设备已经被开发用于现场护理的目的。光显微镜形成这些设备的基本组。

然而，需要改进的移动式显微镜，尤其是用于POC应用但也用于其他目的的移动式显微镜。

发明内容

由独立权利要求1、14和17限定了一种移动式显微镜成像设备、一种在至少一个放大物镜中具有至少一个聚合物透镜的移动式显微镜的用途以及一种用于成像的方法。

更具体地，本发明的特征在于独立权利要求中阐述的内容。

本发明提供了优点。与常规的显微镜相比，由于至少一个聚合物透镜具有足够的光学能力，所以检测器和物镜可以保持彼此靠近，以维持短的光学路径，这进而能够实现更小的结构和更容易的便携性。

接下来，参照附图更详细地讨论本技术的实施方式及其优点。

附图说明

包括图1A1和图1A2的图1A示出了根据两个实施方式的显微镜的光学构造的横截面图的示例；

包括图1B1和图1B2的图1B示出了根据两个实施方式的显微镜的光学透镜单元和激发设置的详细视图的示例；

图1C示出了增强的激发源的机械构造的详细3维视图的示例；

图2示出了根据一个实施方式的显微镜的机械构造的3维视图的示例；

图3A示出了能够与本发明结合使用的示例性UV LED发射光谱；

图3B、图3C和图3D示出了根据本发明的一个实施方式的能够与荧光成像使能显微镜结合使用的UV带通滤光器(3B)和白光带通滤光器-干涉滤光器(3C)以及吸收滤光器(3D)的示例性透射光谱；

图4A示出了能够与本发明结合使用的示例性白光LED发射光谱；

图4B示出了作为利用激发光捕捉的图像和利用白光捕捉的图像的组合的图像的示例；

图5示出了根据一个实施方式的LED激发设置的机械构造的3维视图的示例；以及

图6示出了成像方法的流程图的示例。

具体实施方式

下面的实施方式仅是示例。虽然本说明书会在若干位置中引用“一个”实施方式或多个实施方式，但这不一定意味着每个这样的引用是针对相同的实施方式，或者特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以被组合以提供其他实施方式。此外，词语“包括(comprising)”和“包含(including)”应被理解为不限制所描述的实施方式仅由已经提及的那些特征组成，并且这样的实施方式还可以包含还未具体提到的特征/结构。

应当注意的是，尽管附图示出了各种实施方式，但附图是仅示出一些结构和/或功能实体的简化图。附图中所示的连接可以指逻辑或物理连接。对于本领域的技术人员明显的是，所描述的显微镜还可以包括除附图和文本中描述的那些功能和结构之外的其他功能和结构。应当认识到，用于测量的一些功能和结构的细节与实际发明无关。因此，此处不需要对本发明的这样的非相关特征进行更详细的讨论。

本上下文中的术语“移动式显微镜”是指这样的设备，其包括如本文中所描述和要求保护的用于成像的所有基本光学部件(然而，不包括控制和图像分析/存储计算机)并且具有比大约20cm小的最大外部尺寸。实际上，该显微镜可以配装在具有大约15cm或更小——特别地大约10cm或更小——的最大外部尺寸的壳体中，使得该设备真正地可移动并且易于携带。

现在简要地考虑移动式显微镜的操作和结构目标。移动式显微镜通常应当具有小的尺寸并且廉价。显微镜应当能够通过荧光—特别是通过潜在地与使用白光进行的成像结合在放大物镜中采用至少一个聚合物透镜的透射荧光方法—来进行常见的诊断成像。

期望的是，荧光成像和明场成像相结合，这是因为荧光可以容易地分辨在尺寸上超过成像分辨率的目标疾病。

因此，期望廉价的塑料模制物镜与诸如LED激发、照明和光学滤光器、漫射器和成像器之类的特征集成在一起。

因此，应当提供功能元件之间的距离很短的显微镜。

目标是一种新型的移动式微型透射荧光和明场显微镜。

下面说明的本实施方式有效地应对了否则可能发生的并且常规上例如会涉及实现具有小尺寸的有效激发源的问题，该激发源的光在样品中产生荧光。

与聚合物透镜有关的常规问题是聚合物材料的自发荧光，自发荧光在UV激发下尤其高并且在可见光波长处也会观察到干扰。塑料聚合物在透镜中的这种自发荧光通常破坏成像时通常需要的高质量暗背景。

芯片聚合物层上的彩色或单色成像器例如滤色器和集光透镜显示自发荧光，从而干扰成像时通常需要的高质量暗背景。

如下面更详细说明的，可以消除与成像光学器件的自发荧光有关的潜在问题。更具体地，本文中使用的透射荧光方法允许实现基于聚合物透镜的构造并且因此能够用于移动式显微镜POC目的。

提供了给出暗荧光图像背景的激发滤光器以及发射滤光器14构造。结构仍可以保持较小。

明场照明给出平光强度场。

在图1A1和图1A2中示出的示例性实施方式中，用于透射荧光方法的激发源10B是至少一个发光二极管(LED)。激发源10B可以包括LED的阵列或矩阵，其中，LED的数目为两个或更多个。在实施方式中，LED源在没有大尺寸的单独的收集器和聚光透镜的情况下用于激发的目的。LED源可以具有小尺寸的收集器玻璃穹顶，在该收集器玻璃穹顶中可以形成有集成的激发发射器滤光器耦合器。这是可能的，因为激发源靠近样品(sample)亦称样本(specimen)。即激发源10B可以与保持样品的样品台12相邻或更具体地直接相邻。这引起显微镜成像设备的小尺寸。然而，通常薄(大约1mm或更小的厚度)的激发滤光器11B可以在激发源10B与样品台之间。

至少一个激发光源10B发射非准直的激发光以便照射成像区域W2，以用于照射样品台12的表面平面上的样品。当激发光到达发射滤光器14时，激发光仍是非准直的。激发光在发射滤光器14处是非准直的，这至少部分地因为发射滤光器14与样品台12相邻或直接相邻并且因此也与完全或部分地包括样品的照射区域W2相邻或直接相邻。另一个更重要的原因是非准直发射。图1A1中的虚线示出了非准直光线。虚线还示出：如果发射滤光器14不阻断非准直的激发光，则非准直的激发光将传播直至成像板19。发射滤光器14还阻断激发光的准直光线。

在实施方式中，至少一个激发光源10B可以是点源。在实施方式中，至少一个激发光源10B可以是非点源。

在实施方式中，将激发光引导至成像区域W2的至少一个激发光源10B的照射区域W1(图1A1中的曲面)可以大于成像区域W2。虽然图1A1的比例不准确，但清晰地示出了区域W1和W2的差异。在该示例中，可以确定激发源10B在实际意义上不是点源。例如，照射区域W1可以大于1mm2。例如，成像区域可以小于1mm2。照射区域W1与成像区域W2之间的尺寸差引起激发光与滤光器14的法线成不同的角度10C，即，激发光是非准直的。

至少一个LED给出足以使获得染色的样本发出足够的荧光的激发辐照度水平。

在实施方式中，用于激发的至少一个LED与至少一个低通滤光器11B组合使用，以阻断处于所关注的荧光发射谱中的激发波长。

在实施方式中，该激发滤光器11B基于吸收滤光器。

可以使用吸收滤光器11B，这是因为吸收滤光器11B允许通过两种方式对激发LED进行功能集成。首先，吸收滤光器11B通常由允许支承功能部件的玻璃制成，并且其次吸收滤光器11B可以与集成的LED封装一起以适当的方式成形。吸收滤光器的成形在此处表示球形集光透镜块和发射波长的高反射表面的制造。详细地，透镜块还具有特定形成的环形高激发波长反射表面，该反射表面将激发波长反射回到染色的样本。

在一个或更多个实施方式中，所述至少一个滤光器可以位于放大物镜和与检查期间样本所处的样品台相关联的位置之间。这样的布置、这样的适当的定位避免了以下风险：由一个或更多个物镜聚合物透镜、芯片聚合物层上的成像器滤色器以及集光透镜引起的自发荧光破坏所需的高质量暗背景。

对所述至少一个滤光器14的位置的所述选择可以用于这样的目标：消除由自发荧光引起的光。对所述至少一个滤光器14的位置的所述选择还可以用于这样的目标：通过将激发波长从所述至少一个滤光器14反射回到样本来增强激发。这可以在样本侧的所述至少一个滤光器14——即最靠近样本的滤光器——是介质干涉滤光器时保持为真。

由于利用往返激发反射的事实，该***与集成的激发LED封装一起可以允许甚至更大的激发强度。

增强激发的可能性可以适用于在荧光显微镜中使用的所有波长。

在图1B1中示出的示例性实施方式中，可以使用至少一个发射滤光器14来阻断激发。通常，所需的衰减可以通过在物镜15的顶部上堆叠多个带通滤光器14A至14D来实现。这避免了可以由仅使用介质滤光器引起的问题。即入射光角度相关的激发泄漏可能引起实现高质量暗背景图像的问题。在实施方式中，堆叠的滤光器中的一个可以是尽可能靠近放大物镜定位的吸收滤光器，从而消除滤光器自身的任何自发荧光。

固定的短距离明场白光可能会需要以适当的方式构造的漫射器结构11A，以获得成像器区域的高S/N比——即平场。

这可以通过使用至少一个白光LED作为白光光源10A来完成，其中，耦合的照射模式可以与***渐晕误差一起匹配。详细地，该***可以具有梯度漫射器(漫射结构11A)，在该梯度漫射器中，光轴光路将比角部光路和侧部光路衰减得更多。例如，这可以通过调制可以由塑料制成的可见波长可透过的体积漫射器的厚度来廉价地完成。

另外，本移动式显微镜成像设备包括：样品台，用于将样品保持在显微镜玻璃12上以被成像；激发光源10B；数字成像板19，其能够在透射光照射期间捕捉样品的图像；以及光学放大单元15，其在样品与成像板19之间，用于将来自样品的光引导到成像板19，使得在成像板19处形成样品的至少一部分——即成像区域W2——的放大图像。样品台通常不在图像中被示出。光学放大单元15包括至少一个聚合物透镜。在实施方式中，所述至少一个透镜可以通过模制来制造。

移动式显微成像设备具有用于保持要被成像的样品的样品台。所述至少一个激发光源10B发射激发光以照射样品台的表面平面上的样品，其中，样品通常在显微镜玻璃12的表面平面12A上。成像板19使用由样品在激发光照射下生成的荧光来捕捉样品的图像。样品与成像板19之间的光学放大单元15将来自所照射的样品的光引导至成像板19，以在成像板19处形成样品的至少一部分——即成像区域W2——的放大图像，所述光学放大单元15包括至少一个聚合物透镜15。至少一个滤光器14被放置在样品台的表面平面12A与所述至少一个聚合物透镜15之间。所述至少一个滤光器14防止激发光源10B的激发光传播到成像板19。当激发光被引导到样品时由样品生成的荧光可以是可见光或比激发光的波长长的其他波长范围的光。

下面描述实现微型高分辨率混合成像设备的一些示例性方式。描述集中于具有组合的背光明场即白光和透射模式下生成的荧光的实现。所述至少一个白光光源10A可以用于样品的背光照明。另外，说明了使用包括集成的光收集带通滤光器11B和光反射器(具有反射薄膜18)的LED封装的增强激发。用于荧光成像的紫外(UV)激发可以作为一个示例——此处呈现的构造也可以适用于利用可见光进行激发的情况，不同之处在于：与紫外激发相比，可见光激发不会引起如此剧烈的自发荧光效果。

接下来转到附图，可以注意到，图1A示出了根据两个示例——图1A1和图1A2的该显微镜的光学配置的示例。图1A1的示例呈现了常规类型的微型显微镜，而图1A2的示例呈现了特定类型的反转相机透镜配置。这两种设置都是由聚合物放大镜实现的。

可以在物镜组件15即至少一个聚合物透镜具有多于一个的透镜时应用反转相机透镜配置(图1A2)。在反转相机透镜技术中，光路中的透镜的顺序被回转。反转相机透镜技术适用于微距透镜组件，其透镜的顺序与微距透镜组件的原始使用相反。常规上比目镜或检测侧更靠近观察对象的物镜组件的原始物镜元件被移位成更靠近目镜或检测侧。相应地，常规上比观察对象更靠近目镜或检测侧的物镜组件的原始物镜元件被移位成更靠近对象。

图1A2的反转相机透镜配置可以适用于移动电话设置，其中，靠近成像器的透镜是标准的无限远校正透镜(组件)并且不从其位置反转或移动。靠近样本的透镜(组件)15被设计成形成到无穷远的图像，该图像被移动电话透镜收集。反转透镜配置的命名是由于以下事实：如果样本侧透镜(组件)由标准移动电话透镜制成，则必须被反转。

在一般水平上，显微镜可以包括：两个可选的光源10A、10B；显微镜玻璃12；光学元件14、15；以及成像板19。表面平面12A可以是用于样本的位置。如果厚且湿的样品正在被成像，则可以使用特定类型的湿式嵌入在显微镜玻璃上的空腔。根据图1A1***的显微镜的放大率可以通过物距S1和图像距离S2来固定。具有反转透镜配置的图1A2设置的示例的放大率基于各个透镜***的焦距比，其中一个透镜***是无限远校正的蜂窝电话透镜。为了简单起见，在下面的图像中将仅示出图1A1设置的配置。

光源中一个可以包括白光光源10A，该白光光源10A在该配置中被布置在显微镜的光轴13的恒定位置处。

在图4A中示出了白光光源的发射光谱的示例。

在白光光源10A的前方，可以存在可见波长可透过的体积漫射器11A，其优化成像***的渐晕误差并且由此优化最高的成像器的区域S/N比，即平场。可以构造成使得原始的扁平厚度(以2mm的尺寸作为示例但不限于该值)被调制，以使光轴光路比角部光路和侧部光路衰减得更多。

第二光源可以包括紫外(UV)光源10B。白光光源10A和UV光源10B二者都可以形成角度10C内的辐射通量。可以应用在UV光源10B前方的UV吸收带通滤光器11B，以确保没有在UV激发范围之外的不期望的波长被提供给样本或图像形成光学器件。具有堆叠的滤光器14A至14D的滤光器14被配置成阻断零度入射角的光线以及与滤光器14的表面——即滤光器14A的顶部——的法线的方向不同的方向的激发光的光线。此处，零角度入射角是指或意味着与滤光器14的表面的法线方向相同。滤光器14也在激发/照明光是可见光的情况下这样工作。介质滤光器14A朝向成像区域W2反射激发光。这降低了激发源的光功率要求。

可以在图3A中观察到紫外辐射下可见波长的存在。对于在可见光波长处工作的其他LED，也存在除了最大峰值之外的不期望的波长。在实施方式中，可以基于具有图3B所示的透射光谱的至少一个吸收滤光器11B的使用来执行实施方式中的对不需要的波长的阻断。

UV光源10B与滤光器11B一起可以被可移动地布置，使得UV光源10B可以在使用时被引导至设备的光轴13或在白光光源10A在使用时远离设备的光轴13。例如，光源可以由可旋转或可平移的轴支承，使得光源10B移动到相应的位置。

图1B和图1C所示的示例详细地公开了该透射荧光显微镜部件和使用包括集成的带通滤光器和光反射器的LED封装的增强的荧光激发。透镜单元15可以包括一个或更多个模制和抗反射涂层的聚合物透镜(为了简化附图被绘制为单个透镜)，该聚合物透镜的折射率被匹配以给出对物镜的期望颜色校正。在实施方式中，可以仅使用一个聚合物透镜。

在实施方式中，透镜单元15可以具有小于5mm的焦距。在实施方式中，透镜单元15的焦距可以在1mm至4mm的范围内。在实施方式中，透镜单元15的焦距可以在2mm至4mm的范围内。当透镜单元15具有多个透镜元件时，一部分透镜也可以由玻璃制成。对于自动聚焦控制，即使透镜移动，虚线矩形标记的透镜室15A也可以包含机电致动器，该机电致动器可以通过音圈或压电致动器来实现。

如图1B1所示，激发LED 10B可以在LED发射器的顶部上具有用于收集光的玻璃透镜发射器耦合器10D。在图1B2所示的第二种类型的实施方式中，玻璃透镜10D可以用11B中使用的带通吸收滤光器材料来替换，并且然后其可以形成球形发射器耦合器10E，球形发射器耦合器10E可以收集光并同时对光进行滤波。

与图1B1配置相比，图1B2的配置允许激发源被引导得更靠近样品，从而增强了激发。另外，在图1B2中，发射器耦合器10E可以在结构的侧面上具有特定形成的表面。该部分可以涂覆有在激发波长下工作的高反射薄膜18。

在图1B1和图1B2所示的配置中，第一带通滤光器14A可以是介质干涉滤光器，从而增强了激发。因此，入射光17可以传播到样本并且从表面16反射回来。

在图1B2的实施方式中，这也可以被执行，但是另外高反射薄膜18向后反射10F并且再次增强样本的激发。这种多次激发往返反射增强了荧光染色材料的激发。这会是一个重要的问题，因为激发的高效率意味着便携式移动仪器的低功耗和易于热管理的解决方案。

图1C示出了增强的激发源的机械构造的详细的3维视图；10E是激发带通吸收滤光材料并且18是在激发波长下工作的发射器耦合器的边缘表面上的高反射薄膜。

高发射反射率表面18在此被绘制成平坦的。该高发射反射率表面18的一部分——即不是成像路径上的一部分的边缘——可以具有类似的结构(此处未绘制)并且如针对集成发射LED上的表面18所描述的那样起作用。以这样的方式，激发源可以包括反射表面18，该反射表面18被配置成朝向由样品台保持的样本的成像区域W2反射光。因此，高反射表面18可以用于将通过样本的从滤光器组14反射的光反射回到样本。这降低了激发源的光功率要求。

在透镜室15A的上方，可以布置有可见波长带通滤光器组14。该可见波长带通滤光器组14用于阻断已经通过样品的任何激发波长和可能的红外(IR)辐射。在图3C中示出了通常的透射曲线。第一滤光器14A可以包括介质干涉滤光器。第一滤光器14A可以考虑将激发波长反射回到样品。可以在物镜与样本之间堆叠几个带通滤光器(14A、14B、14C、14D)，以得到暗荧光背景。注意，介质滤光器可以沉积在单个表面上以获得足够的衰减。介质滤光器14A可以位于堆叠式滤光器14的顶部。

图1B1所示的带通滤光器中的一个即14C可以是吸收滤光器，以最小化通常在使用介质滤光器时观察到的光入射角度相关的泄漏。吸收滤光器的位置优选地靠近物镜，以避免明胶材料自身的自发荧光。作为示例，在图3D中示出了基于明胶的Wratten 2A的透射光谱。滤光器组14可以被配置成具有极大的激发波长衰减性质。滤光器组14位于聚合物透镜15与样本所在的表面平面12A之间，以阻断激发光。即滤光器组14防止UV源10B的UV光传播到成像板19。然而，滤光器组14使作为可见光的荧光或比激发光具有更长的波长的一些其他光通过以由成像板19来检测。

作为示例，390nm以下的市售的单个滤光器的透射水平通常小于1％。特别地，UV带通滤光器11B以及UV光源10B和可见带通滤光器组14的透射范围不应当存在交叠或仅存在微小的交叠。

从UV光源10B到样品的距离可以保持为短，以在样品处保持高的光强度水平。在实施方式中，该距离可以是3mm或更小。例如，根据图1B1中描述的实施方式，来自可以包括LedEngin LZ-00U600并且可以在发射模式下具有80°的光束角2θ1/2的UV LED的数十毫瓦的辐射通量水平已被证明向具有0.125μm3的估计体积的DAPI染色的疟疾寄生虫核提供了足够的激发水平。即激发光的光束角可以是例如80°，其中，光束角是相对于光轴的角度，在该角度内，光线的光功率等于或大于光轴处的光线的光功率的50％。光束角接近地是指半峰全宽(FWHW)值。这种发射模式引起照射区域W2和发射滤光器14的非准直照明。照射区域W2和发射滤光器14处的入射角也相应地变化，激发光的所有或大部分光线与光轴和发射滤光器14的法线具有不同的入射角。例如，发射滤光器14处的入射角可以在10°到85°的范围内。

白光光源10A和UV光源10B二者都可以包括具有相应的发射光谱的一个或更多个发光二极管(LED)，可以进一步使用一个或更多个滤光器和/或漫射器对发射光谱进行调节。单个LED可以直接位于光轴13处。

在图2的示例中，样品台26可以是弹簧加载且手动聚焦铰链24控制的碳纤维平台，在该平台上可以附接标准形状或非标准形状的显微镜玻璃的可移动支承机构23。旋钮22可以用于将白光明场成像改变成荧光成像，反之亦然。底部外壳21可以包含控制电子器件并且支承光学部件。白光和激发光的LED外壳20可以将样本照射模块保持在一起。在样品台26的下方，可以存在可更换的T形磁体锁定棒25，该T形磁体锁定棒25可以保持图1B的示例中所描述的透镜室15A和UV/IR滤光器组件14。

根据实施方式，设备可以包括机电转换器，用于使用铰链24在横向方向并且可选地还在平行于光轴的方向这两者上移动支承机构23。这用于帮助准确定位样品，使得可以方便地找到要被成像的期望点。

显微镜的控制***(未示出)可以允许组合白光图像捕捉和荧光图像捕捉，由此可以揭示样本中的染色的点或区域的位置的细节。

图4B示出了作为利用激发光捕捉的图像和利用白光捕捉的图像的组合的图像400的示例。利用白光捕捉的图像示出了红细胞402。利用激发光捕捉的图像示出了疾病微生物的DNA(脱氧核糖核酸)404，其可以是疟疾寄生虫的DNA。在仅用激发光捕捉的图像中，在暗背景下仅存在DNA404的亮荧光点(亮荧光点在图4B中被示为黑点)。然而，当利用白光捕捉图像时，该图像可以示出其他细节，例如红细胞402。因为可以在不移动样品台和由样品台保持的样本的情况下使用不同的光源(荧光光源和白光光源)但使用同一光轴来捕捉这两个图像，所以可以直接组合图像。该组合是可能的，这是因为图像具有相同的放大率，而这进而是具有所述至少一个聚合物透镜的普通光学放大单元的结果。可以看出，例如，根据组合图像400，可以确定外来DNA 404是在红细胞402内部还是在红细胞402外部。

从最上面的光源即白光光源10A到检测器19的表面的总距离可以低至40mm并且从UV光源10B到检测器19的表面的距离可以低至25mm。还可以使用反射镜来最小化结构的体积。60mm×100mm的总外部横向尺寸可以达到在30mm的数量级的高度。

在图5的示例中，包含由可见透明玻璃制成的光透镜10D的激发UV LED 10B可以被嵌入到印刷电路板(PCB)51B中，该印刷电路板51B还具有用于监测温度的板载传感器51D。散热器51A可以冷却LED操作期间产生的过量热量。带通滤光器11B——U340(埃德蒙科学(Edmund Scientific))——可以具有为LED预留的铣削腔，并且PCB组件可以***该铣削腔中。所实现的总可见光光学密度(OD)可以是5.5。激发LED组件可以被***到可以使用轴线52旋转的臂51C。根据实施方式，设备可以包括用于绕轴52自动地移动所描述的组件的机电转换器。可以在激发光LED组件移动到光轴的中心位置时捕捉荧光图像。

图6示出了由移动和/或显微镜进行的成像方法的示例，该方法基于透射荧光模式。在步骤600中，由至少一个激发光源利用非准直的激发光照射成像区域以照射样品台上的样品。在步骤602中，通过成像板利用由样品在激发光照射下生成的荧光来捕捉用于对样品进行成像的成像区域的图像。在步骤604中，利用样品与成像板之间的光学放大单元的至少一个聚合物透镜将来自所照射的样品的光引导至成像板，以在成像板处形成样品的至少一部分的放大图像。在步骤606中，利用至少一个堆叠式滤光器来防止非准直的激发光和所述至少一个聚合物透镜的自发荧光的光传播至成像板，所述至少一个堆叠式滤光器包括介质滤光器和吸收滤光器，介质滤光器位于吸收滤光器与样品台之间以使介质滤光器的朝向成像区域反射激发光，堆叠式滤光器位于样品台的表面平面与所述至少一个聚合物透镜之间。

上面介绍了一种小尺寸和廉价的移动式显微镜，其能够通过在放大物镜中使用聚合物透镜的透射荧光方法进行常见的诊断成像。放大物镜在普通型显微镜中或在特定类型的反转相机透镜配置中。结合荧光和明场成像是待开发的优点，这是因为荧光可以容易地分辨在尺寸上超过成像分辨率的目标疾病。

在这些光学***中，无论落射荧光方法还是透射荧光方法均可以在此处被考虑。这些方法在适当的情况下可以被配置在宽场模式、共焦模式、旋转盘模式和全内反射荧光(TIRF)模式等中。如果采用适用于这两种方法的最简单的宽场模式，则上面提出的解决方案中的聚合物透镜实际上可以用于透射荧光模式。其原因是在UV激发下显著高并且在可见光波长下还观察到干扰的聚合物材料的自发荧光。落射荧光方法可以被配置成使得从执行成像的一侧施加激发，从而使由聚合物制成的物镜成为不切实际的方法。替代地，透射荧光方法允许基于聚合物透镜的构造被实现并且因此被用于移动式显微镜POC目的。

显微镜的特征

上面提出的移动式场显微镜可以实现小型化的透射荧光和明场。廉价的塑料模制物镜；LED激发、照射和光学滤光器；漫射器以及成像器可以以功能元件之间的距离短的方式集成在一起，这引起紧凑且容易携带的显微镜。

实现具有小尺寸的有效激发源和消除自发荧光是优选的。塑料聚合物透镜和芯片聚合物层上的彩色或单色成像器如滤色器和集光微透镜有损于成像时通常需要的高质量暗背景。为了获得染色的样本发射足够的荧光，期望来自LED激发的足够的辐照度水平。还期望高质量的激发滤光器以及优良性能的发射滤光器构造，以获得暗荧光图像背景。需要执行明场照明的优化以获得平光强度场。缩短显微镜光路的长度会缩小显微镜仪器的尺寸。该显微镜在光学上还以比之前更低的成本适用于细胞水平的现场护理诊断。

如何实现特征

对具有小尺寸的有效激发光源的优化可以通过使用透射荧光方法来实现，其中，激发源在最靠近样品的附近并且基于发光二极管(LED)而不使用大尺寸、分离的集光透镜和聚光透镜来引导激发。如果激发源距离样品相对较远，则常常使用大的集光透镜和聚光透镜。用于激发的LED需要高效的低通滤光器以阻断荧光发射光谱处的波长。该激发滤光器可以基于介质干涉滤光器或吸收滤光器。此处优选吸收滤光器类型，这是因为吸收滤光器允许通过两种方式对激发LED进行功能集成。首先，吸收滤光器是由允许支承功能部件的玻璃制成的，并且其次吸收滤光器可以与集成的LED封装一起以适当的方式成形。吸收滤光器的成形在此处表示球形集光透镜块和发射波长的高反射表面的制造。详细地，透镜块还具有特定形成的环形高激发波长反射表面，该反射表面将激发波长反射回到染色的样本。

公知的是，塑料聚合物在暴露于UV光或甚至可见光时会引起自发荧光。在成像***中，物镜聚合物透镜组件自发荧光以及芯片聚合物层上成像器滤色器和集光透镜的自发荧光二者在没有适当的滤光器定位的情况下破坏成像时所需的高质量暗背景。本发明涉及一种至少一个滤光器14被定位在放大物镜与样本的位置之间的条件。这在常见的透射荧光设置中未被使用。

发射滤光器位置的选择用于两个目标。首先，消除与激发有关的自发荧光，并且其次，通过将激发波长反射回到样本来增强激发，这是由于紧靠样本的第一发射滤光器是介质干涉滤光器。该***与集成的激发LED封装一起利用往返激发反射使激发的增强甚至更大。必须强调的是，所选择的用于强化的结构对于荧光显微镜中使用的所有波长也是有效的。

发射滤光器必须阻断激发。通常所需的衰减如在本实现示例中一样可以通过在物镜顶部上堆叠几个带通滤光器来实现。高性能介质滤光器可以制造在单个表面上，但如果仅使用介质滤光器，则光入射角度相关的泄漏可能引起实现高质量暗背景的问题。在这种情况下，堆叠的滤光器中的一个可以是尽可能靠近放大物镜的吸收滤光器，从而消除滤光器自身的可能的自发荧光。

固定的短距离明场白光需要以适当的方式构造的漫射器结构，以在图像中获得最高的成像器的区域信噪比(S/N)——即平场。这可以通过使用白光LED来完成，其中，耦合的照射模式将与***渐晕误差一起匹配。详细地，该***具有梯度漫射器，在该梯度漫射器中，光轴光路比角部光路和侧部光路衰减得更多。这可以通过调制优选地由塑料制成的可见波长可透过的体积漫射器的厚度来廉价地完成。

此外，该移动式显微镜成像设备包括：样品台，其用于保持要被成像的样品；至少一个光源，其用于样品的背光照明；数字成像板，其能够在透射光照明期间捕捉样品的图像；以及光学放大单元，其位于样品与成像板之间，用于将来自样品的光引导至成像板，使得在成像板处形成样品的至少一部分的放大图像。根据本发明，光学放大单元包括在普通类型的管状长度缩短的微型化显微镜或在特定类型的反转相机透镜配置中的聚合物透镜组件。

有益效果

本申请中说明的解决方案提供了相当多的优点。特别地，由于聚合物透镜的足够的光学能力，可以将到物镜的检测器距离保持得较低，以维持短的光路。结合背光照明布置，这有助于将整个设备小型化到真正可移动的水平。塑料透镜的光学质量已被证明足以满足细胞水平的现场护理诊断的要求。然而，塑料透镜光学器件的成本仅是对应的玻璃透镜光学器件的一小部分。

背光显微镜的特别有利的实现是具有以下的实现：聚合物透镜组件；集成的和可选择的白光和激发光源；以及半导体检测器，特别是CMOS检测器。这允许在现场条件下对小型目标的高信噪比的荧光成像。

根据一个实施方式，光学放大单元包括常见类型的管状聚合物透镜组件，其长度被缩短，从而产生微型化显微镜。便携式显微镜可以具有小于5mm的焦距。例如，焦距可以是1mm至4mm。

根据实施方式，光学放大单元包括特定类型的反转相机透镜配置的聚合物透镜组件。

根据实施方式，显微镜包括一个或更多个LED背光、小尺寸颜色校正物镜、彩色或单色检测器的组合。该透镜组件由廉价的模制塑料材料制成并且包括聚焦***。

根据实施方式，设备包括被选择性地定位至成像设备的光轴用于利用不同的光谱来照射样品的至少两个光源，所述光源中的至少一者是白光光源和至少一个激发源。这允许所谓的明光成像、荧光成像以及明光成像和荧光成像的组合用于单个样品。白光光源优选地包括一个或更多个白光LED和平场体积梯度漫射器。激发光源优选地包括：一个或更多个LED，优选覆盖荧光染色介质的吸收光谱；以及激发带通滤光器。

实现示例

例如，可以根据上述和图1A中示出的设计原理构建移动式显微镜。可以采用在移动电话相机***中使用的至少一个廉价的塑料光学元件。构建的显微镜的管长度可以减小到大约常见显微镜的长度的十分之一，例如减小到约16mm，以减小尺寸。例如，使用用于形成不同放大率的可变物镜的普通显微镜产生从约100μm至400μm的捕捉图像尺寸，而具有至少一个塑料光学元件的显微镜可以具有在大约1000μm范围内的捕捉图像尺寸。显微镜可以具有作为成像区域W2的大约1.0×0.7mm2的最大固定视场。当使用最大阵列尺寸(2592x1944)时，图像中的像素尺寸会是大约400nm。

白光光源可以包括白光LED，其包括蓝光发射LED和相邻的多晶荧光材料，产生连续的可见光谱。这可能是足够好的成像解决方案。

白光LED体积漫射器使成像器上的光场变平。在各种不同的漫射器类型中，塑料透射体积漫射器可以是合适的。当光穿过相对较厚的塑料材料时，漫射器可以具有使纹理反射最小化的特定特征。

***可以具有荧光成像模式。目标可以是实现针对DAPI染色的疟疾寄生虫的足够的UV LED激发水平。如果显微镜在通常用于常规吉姆萨(Giemsa)染色血涂片的白光明视场模式下被使用，则最小尺寸的疟疾寄生虫小于仪器的分辨率极限。然而，当使用荧光成像时，这种情况下的分辨率极限是次要问题。即使荧光对象小于分辨率极限，仍可以区分该对象，这是因为来自荧光对象的发光使其可见。

应用

显微镜玻璃上的样品可以被定向成使得玻璃在顶部侧上并且被放置到可移动支承机构23。用于在显微镜玻璃上捕捉图像的最大可用面积为居中大约54×25mm2。具有大约1.4μm的像素尺寸的豪威(Omnivision)5640 5MP BSI传感器的USB连接的相机模块可以用作检测器19。模块的透镜***可以通过将透镜从传感器模块中取出并且将透镜***到新的反转位置形成短管显微镜来修改。例如，透镜的焦距可以是大约3.42mm。可以使用集成在透镜上的电控音圈致动器(VCA)来执行精细调焦。例如，VCA透镜的最大精细焦点移动可以是大约250μm。

透镜可以被定位在***中，使得传感器模块中的集成UV/IR滤光器设置14可以在透镜堆叠的顶部上。该滤光器组可以阻断来自UV LED发射的UV，否则会在塑料透镜以及相机滤色器二者上引起自发荧光干扰。

微控制器和***电路板可以用于控制LED强度水平并且调整精细焦点。手动粗调焦可以使用图2所示的可动手柄来执行。

可以使用DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚)作为荧光染料来测试用移动式显微镜进行的荧光成像，该DAPI强烈地结合DNA中富含A-T的区域。DAPI广泛用于荧光显微镜。DAPI可以通过完整的细胞膜，因此DAPI可以用来染色活细胞和固定细胞二者，但是DAPI在活细胞中通过膜的效率较低并且因此染色的效率较低。

对红细胞的高效荧光成像可能需要来自同一区域的白光图像与荧光图像组合以区分源。因此，样品可以在染色之前被固定。

工业适用性

本技术可以用于在需要或受益于对小型目标进行即时光学分析的应用中特别是在现场条件下提供高质量的移动式显微镜。本显微镜可以在永久性实验室中使用，也可以作为可移动实验室的一部分，因为本显微镜是可移动和耐用的。

显微镜的应用可以用于通过显微镜分析体液例如尿液和血液样品以用于诊断目的。

例如，其他分析可以适用于其他领域，例如微电子学、生物学、纳米物理学，制药学和矿物学。

对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，本发明构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施方式不限于上述示例性实施方式，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (17)

1.一种移动式显微镜成像设备，其中，所述移动式显微镜成像设备基于透射荧光模式，所述移动式显微镜成像设备包括：

样品台，用于保持要被成像的样品；

至少一个激发光源，其被邻近于所述样品台地定位至所述设备的所述透射荧光模式的光轴，所述至少一个激发光源被配置成发射非准直的激发光以便照射成像区域，以用于照射所述样品台的表面平面上的所述样品；

成像板，其被配置成利用由所述样品在所述激发光照射下生成的荧光来捕捉用于对所述样品进行成像的所述成像区域的至少一个图像；

光学放大单元，其位于所述样品与所述成像板之间，用于将来自所照射的样品的光引导至所述成像板，以在所述成像板处形成所述样品的至少一部分的放大图像，所述光学放大单元包括至少一个聚合物透镜；以及

至少一个堆叠式滤光器，其包括介质滤光器和吸收滤光器，所述介质滤光器位于所述吸收滤光器与所述样品台之间，以使所述介质滤光器朝向所述成像区域反射所述激发光；并且

所述堆叠式滤光器位于所述样品台的表面平面与所述至少一个聚合物透镜之间，并且所述至少一个堆叠式滤光器被配置成防止所述至少一个激发光源的非准直的激发光和所述至少一个聚合物透镜的自发荧光的光传播至所述成像板。

2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述移动式显微镜成像设备是基于所述至少一个聚合物透镜实现的微型显微镜设置。

3.根据权利要求1所述的成像设备，其中，多个所述至少一个聚合物透镜处于反转相机透镜配置。

4.根据权利要求1、2或3所述的成像设备，其中，所述至少一个聚合物透镜中的每一个均包括由整片聚合物制成的主体。

5.根据前述权利要求中任一项所述的成像设备，其中，所述激发光源被配置成发射在UV区域和可见光区域中的至少一个中的光，以用于在所述样品中引起荧光。

6.根据前述权利要求中任一项所述的成像设备，其中，所述光学放大单元包括用于带通可见光的至少一个滤光器，所述至少一个滤光器被配置成抑制所述激发光。

7.根据权利要求6所述的成像设备，其中，用于带通可见光的所述至少一个滤光器被定位在所述样品台的表面平面与所述放大单元之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的成像设备，其中，在不移动所述样品台和由所述样品台保持的所述样品的情况下将所述激发光源和至少一个白光光源选择性地定位至所述成像设备的光轴，并且所述激发光源和所述至少一个白光光源被配置成以不同的光谱来照射所述样品。

9.根据权利要求8所述的成像设备，其中，所述白光光源包括平场体积梯度漫射器和一个或更多个白光发光二极管(LED)。

10.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述激发光源包括一个或更多个LED。

11.根据权利要求10所述的成像设备，其中，

形成所述激发光源的LED被嵌入到被配置成带通所述激发光的至少一个滤光器的滤光材料中，或者被放置到被配置成带通所述激发光的至少一个滤光器的滤光材料上，并且

包括用于所述激发光的所述LED和所述带通滤光器的光源被布置成能够组合地移动至和移出所述设备的光轴。

12.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述激发源包括反射表面，所述反射表面被配置成朝向由所述样品台保持的所述样本反射光。

13.根据前述权利要求中任一项所述的成像设备，其中，所述成像设备具有15cm或更小的最大外部尺寸。

14.根据权利要求1所述的移动式显微镜的至少一个放大物镜中的至少一个聚合物透镜的用途，用于基于通过透射荧光进行的成像来分析样品。

15.根据权利要求14所述的用途，其中，所述透射荧光通过LED激发来提供。

16.根据权利要求15所述的用途，对体液样品例如尿液样品、汗液样品、泪滴样品和血液样品进行所述分析，以用于诊断目的。

17.一种通过移动式显微镜成像设备进行成像的方法，所述方法基于透射荧光模式并且包括：

通过至少一个激发光源、利用非准直的激发光来照射成像区域，以用于照射样品台上的样品；

通过成像板、利用由所述样品在所述激发光照射下生成的荧光来捕捉用于对所述样品进行成像的所述成像区域的至少一个图像；

利用所述样品与所述成像板之间的光学放大单元的至少一个聚合物透镜将来自所照射的样品的光引导到所述成像板，以在所述成像板处形成所述样品的至少一部分的放大图像；以及

利用至少一个堆叠式滤光器来防止所述非准直的激发光和所述至少一个聚合物透镜的自发荧光的光传播至所述成像板，所述至少一个堆叠式滤光器包括介质滤光器和吸收滤光器，所述介质滤光器位于所述吸收滤光器与所述样品台之间，以使所述介质滤光器朝向所述成像区域反射所述激发光，所述堆叠式滤光器位于所述样品台的表面平面与所述至少一个聚合物透镜之间。