CN113376822B - 用于显微镜的照明***，用于显微镜的***、方法和计算机程序以及显微镜*** - Google Patents

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Abstract

示例涉及用于显微镜的基于发光二极管的照明***、用于显微镜的***、方法和计算机程序以及显微镜***。照明***(110)包括一个或多个第一基于LED的光源(112)。该一个或多个第一基于LED的光源被配置成发射跨越白光色谱的光。照明***包括至少一个滤光器(114)。该至少一个滤光器被布置成过滤由一个或多个第一基于LED的光源发射的光。照明***包括一个或多个第二基于LED的光源(116)。该一个或多个第二基于LED的光源被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光。

Description

用于显微镜的照明***，用于显微镜的***、方法和计算机程 序以及显微镜***
技术领域
示例涉及用于显微镜的基于发光二极管的照明***，用于显微镜的***、方法和计算机程序以及显微镜***。
背景技术
在许多显微镜***中，使用基于氙的照明。为了获得不同波段中的光，基于氙的光源的光穿过滤光器，例如滤光轮。这可能导致具有高散热的庞大、低效的***，其通常依赖于从支架到载物台的光纤束来提供在载物台处的照明。而且，氙气灯泡通常具有有限的寿命，因此它们可能需要频繁地更换，从而需要备用光源以避免光源在紧急情况下(例如在手术期间)失效的情况。而且，这种设置是不灵活的，因为氙光源既用于白光反射照明又用于荧光激发，尽管使用不同的滤光轮。
发明内容
可能期望一种克服上述缺点的用于显微镜的改进的照明***。
这种期望通过一种用于显微镜的基于发光二极管(LED)的照明***、一种用于显微镜的***、一种用于显微镜的方法、一种计算机程序以及一种显微镜来实现。
本公开的实施例基于以下发现：可能期望彼此独立地控制用于白光和荧光激发的光谱。这种控制可以通过使用基于发光二极管(LED)的光源来实现，该光源可以被调谐或配置到特定波段，同时使用比基于氙的照明***更少的能量，并因此产生更少的热量。为了支持白光光谱和荧光激发光谱中的照明，可以包括两组光源，一组用于提供白光，一组用于提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有峰值的光。
本公开的实施例提供了一种用于显微镜的基于LED的照明***。该照明***包括一个或多个第一基于LED的光源。一个或多个第一基于LED的光源被配置成发射跨越白光色谱的光。该照明***包括至少一个滤光器。该至少一个滤光器被布置成过滤由一个或多个第一基于LED的光源发射的光。该照明***包括一个或多个第二基于LED的光源。一个或多个第二基于LED的光源被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光。通过使用基于LED的光源，可以减少能量消耗，并因此减少热耗散。此外，因为基于LED的光源是紧凑的，所以它们可以被包括在显微镜的物镜附近，而不是使用光纤通道来将光传输到载物台。两组光源可用于独立控制白光和荧光激发的照明。滤光器可以用于阻挡或衰减在与荧光材料的发射光谱一致的波长处的光，因此当白光LED源是激活的时，可以在图像数据内区分荧光材料的发射。
例如，一个或多个第二基于LED的光源可以被配置成发射在390nm与420nm之间，460nm与500nm之间，以及780nm与810nm之间的一个或多个处的具有峰值的光。这些波长是常见荧光材料的激发波长。
至少一个滤光器可以被配置成衰减或阻挡具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。这能够在白光LED源是激活的时区分荧光材料的发射。
例如，至少一个滤光器可以被配置成衰减或阻挡在490nm与560nm之间的波段内的光。附加地或可选地，至少一个滤光器可以被配置成衰减或阻挡在610nm和660nm之间的波段内的光。这些波段是常见荧光材料的发射波长。
在一些实施例中，照明***包括一个或多个第三基于LED的光源。该一个或多个第三基于LED的光源可以被配置成发射跨越白光色谱的光。这些附加光源可用于提供未被至少一个滤光器过滤的白光。
照明***可以包括例如两个或更多个第一基于LED的光源和两个或更多个第二基于LED的光源。各自具有两个或更多个光源既可以提供一定程度的冗余，又可以将光源定位在显微镜的物镜的任一侧。
例如，一个或多个第二基于LED的光源的至少子集被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光，而不使用滤光器来将所发射的光限制到该至少一个峰值。这可以使照明***的构造更紧凑，因为不需要滤光器。
在一些实施例中，照明***可以包括(例如，至少一个)第二滤光器，该第二滤光器被布置成过滤由一个或多个第二基于LED的光源的至少子集发射的光。这可以使得能够使用更通用的光源(例如，如果具有特定峰值的基于LED的光源不可用)，和/或一个或多个第二光源的一个或多个峰值的稍后适配。
照明***可以进一步包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成彼此独立地控制该一个或多个第一基于LED的光源和一个或多个第二基于LED的光源。这可以实现对显微镜的白光和荧光照明的独立控制。
每个基于LED的光源可以被配置成朝向要经由显微镜观察的样本发射光。例如，每个基于LED的光源可以被配置成通过光学聚光元件朝向样本发射光。该光学聚光元件可以是复合抛物面聚光器。通过光学聚光元件，可以将照明对准样本，减少光源所需的能量。
例如，至少一种荧光材料可以是至少一种荧光染料。荧光染料通常与显微镜结合使用，例如在生物实验室或手术环境中使用。
本公开的实施例还提供了一种用于显微镜的***。该***包括一个或多个处理器以及一个或多个存储装置。***被配置成获取显微镜的光学成像传感器的图像数据。图像数据表示由样本反射的光，该样本被一个或多个基于LED的光源照明。过滤由一个或多个基于LED的光源发射的光，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡。***被配置成处理图像数据以生成处理后的图像数据。基于图像数据生成处理后的图像数据的部分，其表示具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。该***被配置成输出处理后的图像数据。例如，该***可以包括上面介绍的照明***。图像数据可以表示由样本所反射的光，该样本由照明***的一个或多个第一基于LED的光源照明。使用该***，基于排除光谱的用以导致荧光成像的一些部分的照明，可以输出处理后的图像数据，该处理后的图像数据示出了跨越白光光谱的反射图像。
本公开的实施例还提供一种用于显微镜的方法。该方法包括获取显微镜的光学成像传感器的图像数据。图像数据表示由样本反射的光，该样本被一个或多个基于LED的光源照明。过滤由一个或多个基于LED的光源发射的光，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡。该方法包括处理图像数据以生成处理后的图像数据，其中基于图像数据生成处理后的图像数据的部分，该处理后的图像数据的部分表示具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。该方法进一步包括输出处理后的图像数据。
本公开的实施例还提供了一种计算机程序，该计算机程序具有用于当在处理器上执行计算机程序时执行该方法的程序代码。
本公开的实施例进一步提供了一种显微镜***，包括显微镜和上述照明***。照明***的每个基于LED的光源被配置成朝向待经由显微镜观察的样本发射光。每个基于LED的光源邻近显微镜的物镜布置。因此，可以省略用于将光从显微镜***的基座传输到载物台的光纤通道。
在各种实施例中，照明***包括两个或更多个第一基于LED的光源和两个或更多个第二基于LED的光源。两个或更多个第一基于LED的光源中的至少一个和两个或更多个第二基于LED的光源中的至少一个可以布置在物镜的第一侧。两个或更多个第一基于LED的光源中的至少一个和两个或更多个第二基于LED的光源中的至少一个可以布置在物镜的第二侧。各自都有至少两个光源既可以提供一定程度的冗余又可以将光源定位在显微镜的物镜的任一侧。
附图说明
下面将仅通过示例并参考附图来描述设备和/或方法的一些示例，其中：
图1a示出了用于显微镜的照明***和用于显微镜的***的实施例的示意图；
图1b示出了手术显微镜***的实施例的示意图；
图2示出了用于显微镜的方法的流程图；
图3a和3b示出了显微镜***的实施例的示意图；
图4示出了用于过滤白光的带通滤光器的透射的图；
图5示出了包括显微镜和计算机***的显微镜***的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述各种示例，在附图中示出了一些示例。在图中，为了清楚起见，可能放大线、层和/或区域的厚度。
图1a示出了用于显微镜130的照明***110的实施例的示意图。照明***110是适合于显微镜130的基于LED的照明***110。照明***包括一个或多个第一基于LED的光源112。该一个或多个第一基于LED的光源被配置成发射跨越白光色谱的光。该照明***包括至少一个滤光器114。该至少一个滤光器被布置成过滤由该一个或多个第一基于LED的光源发射的光。该照明***包括一个或多个第二基于LED的光源116。该一个或多个第二基于LED的光源被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光。每个基于LED的光源112；116(以及可选地118)可以被配置成朝向待经由显微镜130观察的样本150发射光。
图1a的至少一些方面涉及用于显微镜的照明***110。通常，显微镜是适于检查潜在地太小而不能由人眼(单独)检查的对象的光学仪器。例如，显微镜可以提供样本的光学放大。在现代显微镜中，通常为照相机或成像传感器(诸如图1b所示的显微镜130的光学成像传感器132)提供光学放大。可替代地，可以采用纯光学方法。显微镜130可以进一步包括用于放大样本上的视图的一个或多个光学放大部件，例如图3a和3b中所示的物镜(即，透镜)134。在本申请的上下文中，使用术语“(手术)显微镜***”，以便覆盖***的不是实际显微镜(包括光学部件)的一部分而是与显微镜结合使用的部分，例如***140或照明***110。
有多种不同类型的显微镜。如果显微镜用于医学或生物学领域，则通过显微镜观察的样本150可以是例如布置在皮氏培养皿内或存在于患者身体的一部分中的有机组织的样本。例如，显微镜***100可以是在实验室中使用的显微镜***，例如可以用于检查皮氏培养皿中的有机组织的样本的显微镜。可替代地，显微镜130可以是手术显微镜***100的一部分，例如在手术过程中使用的显微镜。这样的***例如在图1b中示出。尽管结合显微镜描述了实施例，但是它们也可以以更一般的方式应用于任何光学装置。
在显微镜***中，照明***通常用于照明样本150，例如样本台上的样本(在实验室显微镜的情况下)或手术台上的患者。因此，光源112和116(以及，如下面介绍的118)可以被配置成朝向待经由显微镜130观察的样本150发射光。换句话说，由光源发射的光可以被导向样本150，例如被导向样本台，或者朝向患者。为了避免光源的光束角度过宽，可以使用光学聚光元件将光导向样本。换言之，每个基于LED的光源可以被配置成通过光学聚光元件120朝向样本发射光(如在图1a中进一步示出的)。通常，可以使用不同种类的光学聚光元件120，例如透镜、光导件或抛物面聚光器。在图1a以及稍后在图3a和3b中所示的实施例中，使用复合抛物面聚光器。换句话说，光学聚光元件可以是复合抛物面聚光器(CPC)，例如，基于全内反射(TIR)的CPC。复合抛物面聚光器是光学元件，具有中空和抛物线形状，适合于收集和聚集来自光源的光，并且导致预定的最大角度，在该角度下，光从复合抛物面聚光器发射。如图1a和图3a/3b所示，每个光源可以与复合抛物面聚光器耦接，并且可以通过与光源耦接的复合抛物面聚光器来聚集光源的光。
通常，在本公开的实施例中使用的光源是基于LED的光源。通常，基于LED的光源可以包括LED，例如表面安装的LED(即SMD LED)和用于将LED电连接到能源的连接结构。LED通常连接到驱动器电路(通常为集成电路)，该驱动器电路被配置成向LED提供能量，即电流。在一些实施例中，每个光源可以包括对应的驱动器电路。可替代地，可以使用公共驱动电路来向(所有的)LED提供能量。在任何情况下，驱动器电路可以用于以全强度驱动LED。可替代地或附加地，驱动器能够以小于全强度的强度驱动LED，这被记为“调光”。通常，在用于显微镜的照明***中，可能期望不同水平的光强度，因此光源可能是可调光的，即光源的驱动器电路能够以小于全强度的强度驱动LED，例如响应于来自控制装置的控制信号。各种方法可用于调光，例如基于电流的调光或基于脉宽调制的调光。例如，***140，例如，同样在图1a中示出的***144的一个或多个处理器144，可以被配置成控制光源。当使用个体光源时，光源可以彼此独立地控制(如果每个光源具有其自己的驱动器电路)，或者至少成组地控制(例如，如果第一和第二光源具有不同的驱动器电路，或者经由单个驱动器电路独立地可控制)。因此，一个或多个处理器144(或者，更一般地，***140)可以被配置成彼此独立地控制一个或多个第一和一个或多个第二基于LED的光源。
照明***包括不同组(或集合)的光源。例如，照明***包括包含一个或多个第一基于LED的光源112的第一组或第一集合的光源，以及包含一个或多个第二基于LED的光源116的第二组或第二集合的光源。在一些实施例中，也如图1a所示，照明***甚至可以包括第三组或第三集合的光源，该第三组或第三集合的光源包括一个或多个第三基于LED的光源118。
通常，光源(或成组/集合)的光源可以通过其发射的光谱来区分，或者通过其发射的在被滤光器之一过滤之后的光谱来区分。例如，一个或多个第一基于LED的光源被配置成发射跨越白光色谱的光。换言之，一个或多个第一基于LED的光源可以被配置成发射连续波段中的光，该连续波段连续跨越380nm至740nm之间的波段的至少90％。一个或多个第一基于LED的光源可以是发射跨越至少300nm范围的连续波段中的光的宽带光源。在更通用的术语中，一个或多个第一基于LED的光源可以被表示为“白光”LED，即发射由于包括宽波段而被感知为“白光”的光的LED。
一个或多个第二基于LED的光源是不同的-它们发射在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光。因此，一个或多个第二基于LED的光源可以表示为“荧光激发光源”。换言之，一个或多个第二基于LED的光源可以是窄带光源(即，它们以分别跨越小于100nm波长范围的一个或多个波段发射)。这可以使用不同的方法来实现。例如，光源可以是仅发射窄带中的光的光源，而不使用滤光器。换言之，一个或多个第二基于LED的光源的至少子集可以被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光，而不使用滤光器来将所发射的光限制到该至少一个峰值。换言之，一个或多个第二基于LED的光源的至少子集可以包括被配置成发射窄带(即，小于100nm波长范围，或小于50nm波长范围)中的光的LED。可替代地或附加地，滤光器可以与一个或多个第二基于LED的光源的子集一起使用。换言之，如图1a进一步所示，照明***(例如，一个或多个第二基于LED的光源的至少子集)可以包括第二滤光器122(例如，至少一个第二滤光器122)，被布置成过滤由一个或多个第二基于LED的光源的至少子集发射的光。例如，第二滤光器可以被配置成将由一个或多个第二基于LED的光源的至少子集发射的光限制为在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处的至少一个峰值。在一些实施例中，可以组合这两种方法-对于荧光材料的子集，可以使用没有滤光器的光源(因为足够窄带的光源是可用的)，对于荧光材料的另一子集，可以使用滤光器(进一步)限制发射波长。例如，在本申请的上下文中，术语“在调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光”可以理解为在与至少一种荧光材料的激发波长或波段相交的波长或波段处具有其最高强度的光，而在其他波长处的光以最高强度的至多80％(或至多50％、至多20％、至多10％)的强度发射。
通常，由一个或多个第二基于LED的光源发射的光被调谐到至少一种荧光材料的一个或多个激发波长/波长。荧光材料通常用于显微镜检查中以突出显示先前已经使用荧光材料标记的组织或血管的部分。例如，荧光染料如荧光素、吲哚菁绿(ICG)或5-ALA(5-氨基乙酰丙酸)可用于标记组织或血管。换言之，至少一种荧光材料可以是至少一种荧光染料。荧光材料是被一个波长处/第一波段(即，其“激发波长”)中的光激发，但发射另一波段(即，其“发射波长”)中的光的材料。因此，一个或多个第二基于LED的光源发射在荧光材料的一个或多个激发波长/波长处具有其峰值的光。对于通常使用的荧光染料，激发波长可以在390nm和420nm之间，在460nm和500nm之间，或在780nm和810nm之间。例如，在图3a和3b所示的示例中，使用三个不同的第二基于LED的光源，其各自的峰值在405nm、480nm和788nm处。因此，一个或多个第二基于LED的光源可以被配置成发射在390nm和420nm之间、460nm和500nm之间、以及780nm和810nm之间的一个或多个处具有峰值的光。例如，一个或多个第二基于LED的光源中的不同光源可以发射在不同荧光材料的一个或多个不同激发波长/波长处具有峰值的光。在这种情况下，这些不同的光源可以由***140/一个或多个处理器144相互独立地控制。
为了避免一个或多个第一基于LED的光源淹没由荧光材料发射的光，可以从由一个或多个基于LED的光源发射的光中滤除至少一种荧光材料的发射波段中的光。换言之，至少一个滤光器可以被配置成衰减或阻挡具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。因此，至少一个滤光器可以被配置成衰减或阻挡在490nm与560nm之间的波段内的光，和/或至少一个滤光器可以被配置成衰减或阻挡在610nm与660nm之间的波段内的光。在490nm和560nm之间以及在610和660nm之间的波段可以是常见荧光染料的发射波段。结果，第一和第二集合的光源可以同时使用，并且荧光发射仍然可以是可见的，因为由第一组或第一集合发射的光的对应部分被滤除。因此，至少一个滤光器可以被布置在一个或多个第一基于LED的光源与待通过显微镜被感知的样本150之间的光路中。此外，至少一个滤光器可以被布置成过滤由一个或多个第一基于LED的光源中的每一个发射的光，即，由一个或多个第一光源发射的光中没有光可以绕过该至少一个滤光器。例如，至少一个滤光器可以是带通滤光器，例如具有如图4所示的滤光器特性的带通滤光器。
在一些实施例中，如图1a进一步所示，可以使用第三集合或第三组的基于LED的光源118。换言之，照明***110可以包括一个或多个第三基于LED的光源118。一个或多个第三基于LED的光源可以被配置成发射跨越白光色谱的光。因此，可以类似于一个或多个第一基于LED的光源来实现一个或多个第三基于LED的光源。然而，由第三集合或第三组的基于LED的光源发射的光可能不被至少一个滤光器过滤。因此，由一个或多个第三基于LED的光源发射的光可以跨越(整个)白光色谱到达样本。
为了实现冗余和样本的均匀照明，照明***中可以包括每组或每集合的光源中的多个光源。例如，照明***可以包括两个或更多个第一基于LED的光源和两个或更多个第二基于LED的光源(以及可选地，两个或更多个第三基于LED的光源)。在一些实施例中，可以使用甚至更高的数量，例如，四个或六个第一基于LED的光源，四个或六个第二基于LED的光源，和/或四个或六个第三基于LED的光源。在图3a和3b中，示出了使用两个第一基于LED的光源，六个第二基于LED的光源和两个第三基于LED的光源的示例。每组或每集合的光源可以被布置在显微镜130的物镜134的任一侧。例如，可以在物镜的任一侧布置用于每个波段的至少一个基于LED的光源(例如，用于三种荧光材料的三个激发波长的一个第一基于LED的光源，一个第三基于LED的光源和三个第二基于LED的光源，如图3a和3b所示)。换言之，两个或更多个第一基于LED的光源中的至少一个以及两个或更多个第二基于LED的光源中的至少一个(以及可选地两个或更多个第三基于LED的光源中的至少一个)可以被布置在物镜的第一侧，并且两个或更多个第一基于LED的光源中的至少一个和两个或更多个第二基于LED的光源中的至少一个(以及可选地两个或更多个第三基于LED的光源中的至少一个)可以被布置在物镜的第二侧。例如，第一侧和第二侧可以是相对于显微镜130的物镜的相对侧。
与一个或多个第一基于LED的光源一起使用的滤光器导致(例如手术部位的)样本的照明跨越白光光谱不均匀。这种不均匀性可以在图像处理中例如通过***140来补偿。图1a进一步示出了适于显微镜130的***140的实施例的示意图。图1a进一步示出了包括照明***110和***140的***。***140包括一个或多个处理器144和一个或多个存储装置146。可选地，***140包括接口142。一个或多个处理器144耦接到接口142和一个或多个存储装置146。通常，一个或多个处理器可以被配置成例如结合一个或多个存储装置和/或结合接口提供***140的功能。
例如，***被配置成(例如经由接口142)获取显微镜130的光学成像传感器132的图像数据。因此，***140可以例如经由接口142耦接到显微镜130。图像数据表示由样本反射的光，该样本被一个或多个基于LED的光源照明。过滤由一个或多个基于LED的光源发射的光，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡。***经配置成处理图像数据以生成处理后的图像数据。基于图像数据生成处理后的图像数据的部分，处理后的图像数据的部分表示具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。***被配置成输出处理后的图像数据(例如，经由接口142或经由一个或多个存储装置146)。
一般来说，***140可与用于显微镜的任何照明***一起使用，该照明***经配置以提供经过滤的光，从而使具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡。然而，特别地，光可以由照明***110来提供。因此，***140可以进一步包括照明***110，或者***140可以与照明***110结合使用。在这种情况下，图像数据可以表示由样本反射的光，该样本被照明***110的一个或多个第一基于LED的光源112照明。光的过滤具有以下效果：白光光谱的各个部分的反射不(或者在衰减的情况下以较小程度)由图像数据来表示。
在一些实施例中，***140(例如一个或多个处理器144)可以被配置成控制一个或多个第一和一个或多个第二基于LED的光源。因此，***140(例如一个或多个处理器144)可以例如经由接口142耦接到照明***110。
例如，光学成像传感器132可以包括或者可以是基于APS(有源像素传感器)-或基于CCD(电荷耦合器件)的成像传感器。例如，在基于APS的成像传感器中，使用像素的光电检测器和有源放大器在每个像素处记录光。基于APS的成像传感器通常基于CMOS(互补金属氧化物半导体)或S-CMOS(科学的CMOS)技术。在基于CCD的成像传感器中，入射光子在半导体-氧化物界面处被转换成电子电荷，电子电荷随后被成像传感器的控制电路在成像传感器中的电容仓之间移动以执行成像。***被配置成从光学成像传感器132获取(即，接收或读出)图像数据。可以通过从光学成像传感器132(例如经由接口142)接收图像数据、通过从光学成像传感器的存储器(例如经由接口142)读出图像数据、或例如在已经通过光学成像传感器132或通过另一***或处理器将图像数据写入存储装置146之后，通过从***140的存储装置146读取图像数据来获取图像数据。
图像数据表示由样本反射的光，该样本由一个或多个基于LED的光源(例如图1a的一个或多个第一基于LED的光源112)照明。过滤由一个或多个基于LED的光源发射的光，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡(例如，通过至少一个滤光器114)。
***被配置成处理图像数据以生成处理后的图像数据。换言之，***可以被配置成对图像数据执行图像处理。例如，可以执行图像处理以对白光光谱上的照明的不均匀性进行补偿(或减少其影响)。例如，***可以被配置成例如通过使用来自相邻波段的信息来重建处理后的图像数据的部分，该部分表示具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。例如，如果在样本的照明中阻挡或衰减了在490nm和560nm之间以及610和660nm之间的波段之一中的光，则来自相邻波段(例如高达490nm、560nm和610nm之间、以及从660nm往上)的光可以用于重建已经被滤光器阻挡或衰减的光。换言之，***可以被配置成重建被衰减或阻挡的光，即，具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。例如，***可以被配置成应用变换函数，该变换函数在图像数据(其可以是原始图像数据，即，包括光学成像传感器的传感器输出)和处理后的图像数据之间执行变换，其中变换函数将至少一个荧光发射波长之外的波段映射到(整个)白光光谱。因此，基于图像数据生成(即重建)处理后的图像数据的部分，该部分表示具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。
此外，***可以用于控制基于LED的光源。换言之，照明***可以包括一个或多个处理器144(例如，***140)，该一个或多个处理器被配置成彼此独立地控制一个或多个第一基于LED的光源和一个或多个第二基于LED的光源。例如，对于一个或多个第一和一个或多个第二基于LED的光源(以及可选地，对于一个或多个第三基于LED的光源)，可以独立地控制开-关状态和光强度中的至少一个。更准确地，一个或多个第一基于LED的光源的开-关状态和/或光强度可以独立于一个或多个第二基于LED的光源的开-关状态和/或光强度(以及可选地，独立于一个或多个第三基于LED的光源的开-关状态和/或光强度)而被控制。在一些实施例中，每个基于LED的光源可以彼此独立地(或至少独立于其他组或集合的基于LED的光源)被控制。
上述照明***110和***140适于与显微镜130一起使用，例如在显微镜***100中使用。图1b示出了包括显微镜130和照明***110的手术显微镜***100的实施例的示意图。照明***的每个基于LED的光源可以被配置成朝向待经由显微镜130观察的样本150发射光。可选地，如图1b进一步所示，显微镜***100可以包括***140。图1b中所示的手术显微镜***100包括一定数量的可选部件，例如具有(滚动)支架的基座单元105(包括***140)；一个或多个显示器160；(机器人或手动)臂170，该臂将显微镜130保持就位，并且耦接到基座单元105和显微镜130；以及转向手柄180，其附接到显微镜130。一个或多个显示器160可以是显微镜130的一部分，例如作为辅助或作为视觉显示器。在本申请的上下文中，使用术语“(手术)显微镜***”，以覆盖***中的不是实际显微镜(包括光学部件)的一部分但与显微镜结合使用的部分，例如显示器或照明***。
结合所提出的概念或上文或下文描述的一个或多个示例(例如图2至图5)来提及照明***110、***140和/或显微镜***100的更多细节和方面。照明***110、***140和/或显微镜***100可以包括与所提出的概念的一个或多个方面或者上文或下文描述的一个或多个示例相对应的一个或多个附加可选特征。
图2示出了用于显微镜的对应方法的流程图。例如，该方法可以适用于图1a和/或1b的显微镜130和/或显微镜***100。该方法包括获取210显微镜的光学成像传感器的图像数据。图像数据表示由样本反射的光，该样本被一个或多个基于LED的光源照明。过滤由一个或多个基于LED的光源发射的光，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡。该方法包括处理220图像数据以生成处理后的图像数据。基于图像数据生成处理后的图像数据的部分，该部分表示具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。该方法包括输出230处理后的图像数据。
如上所述，结合图1a和/或图1b的***140、照明***110、显微镜130和显微镜***100描述的特征同样可以应用于图2的方法。
结合所提出的概念或上文或下文描述的一个或多个示例(例如图1a至1b，图3a至5等)来提及该方法的更多细节和方面。该方法可以包括与所提出的概念的一个或多个方面或者上文或下文描述的一个或多个示例相对应的一个或多个附加可选特征。
本公开的实施例提供基于若干LED芯片的照明。每个芯片可以与基于TIR的复合抛物面聚光器(CPC)组合。这些(LED)芯片可以发射不同的光谱范围并且可以被独立地控制。因此，本公开的实施例提供了用于显微镜的基于LED的照明。
实施例可以在显微镜入口侧使用分离的光源，这些光源发射不同的光谱并且可以单独地控制它们的功率。这允许独立地控制图像的亮度以及荧光功率，并且进一步帮助控制白光模式中的阴影。由于其冗余的布局，即使一个LED出现故障，照明仍然可以工作。
图3a和3b示出了显微镜***的实施例的示意图。图3a和3b示出了照明***110的基于LED的光源112、116和118相对于显微镜130的物镜134的放置。图3a示出了显微镜前视图，图3b示出了其截面图。照明***的每个基于LED的光源被配置朝向待经由显微镜观察的样本发射光，并且每个基于LED的光源被布置成与显微镜130的物镜134相邻。例如，基于LED的光源可以被布置在(即邻近于)物镜的入口处，该物镜的入口对准待经由显微镜观察的样本，例如在物镜的朝下的入口处。例如，每个基于LED的光源可以被布置成使得由光源发射的光至少与穿过显微镜的物镜的显微镜的光路平行地发射。例如，一个或多个第一和一个或多个第二(以及可选地一个或多个第三)基于LED的光源可以被布置在显微镜的面向显微镜的样本的一侧(也称为“入口侧”)。
如上面已经介绍的，可以在照明***中包括每组或集合的光源中的多个光源。例如，照明***可以包括两个或更多个第一基于LED的光源和两个或更多个第二基于LED的光源(以及可选地，两个或更多个第三基于LED的光源)。在图3a和3b中，示出了使用两个第一基于LED的光源、六个第二基于LED的光源和两个第三基于LED的光源的示例。每组或集合的光源可以被布置在显微镜130的物镜134的任一侧。例如，各个侧可以是相对于显微镜的物镜134的相对侧。
在图3a和3b中，示出了至少一个滤光器114(在一个或多个第一基于LED的光源之前)和至少一个第二滤光器122(在光源阵列的边缘处的四个第二基于LED的光源之前)的放置。附加地，在图3b中，示出了CPC相对于基于LED的光源的布置。
如图3a和3b所示，LED-CPC(基于LED的光源加复合抛物面聚光器)的组合的(一维)阵列可以沿物镜侧向放置。一些LED-CPC组合(即，第一基于LED的光源)具有用于发射光谱的限定控制的带通滤光器(即，至少一个滤光器)。在图3a和3b所示的例子中，在物镜的每一侧放置五个LED-CPC。这些LED中的两个具有跨越可见范围的光谱(白光LED)，即一个或多个第一基于LED的光源112。一个LED发射在405nm处具有峰值的光谱，一个LED发射在480nm处具有峰值的光谱，一个LED发射在788nm处具有峰值的光谱(即，一个或多个第二基于LED的光源116)。在白光LED之一的前面放置附加的带通滤光器(例如图4的带通滤光器)，其阻挡两种荧光材料的荧光发射。在480nm和788nm LED前面放置两个带通滤光器。
结合所提出的概念或上文或下文描述的一个或多个示例(例如图1a至2，图4至5)来提及照明***和显微镜***的更多细节和方面。照明***和显微镜***可以包括与所提出的概念的一个或多个方面或者上文或下文描述的一个或多个示例相对应的一个或多个附加可选特征。
图4示出了用于过滤白光的带通滤光器的透射的图。在x轴上，示出以nm为单位的波长，在y轴上，示出以％为单位的透射率。例如，所示的滤光器可以用于实现图1a至3b的至少一个滤光器114。如图4所示，滤光器可以阻挡或衰减在490nm和560nm波长之间以及610nm和660nm波长之间的范围中的光。
结合所提出的概念或上文或下文描述的一个或多个示例(例如，图1a至3b，图5)来提及带通滤光器的更多细节和方面。带通滤光器可以包括与所提出的概念的一个或多个方面或者上文或下文描述的一个或多个示例相对应的一个或多个附加可选特征。
一些实施例涉及一种显微镜，该显微镜包括如结合图1至4中的一个或多个所描述的***。可替代地，显微镜可以是如结合图1至4中的一个或多个所描述的***的一部分或连接到该***。图5示出了被配置成执行本文描述的方法的(显微镜)***500的示意图。***500包括显微镜510和计算机***520。显微镜510被配置成拍摄图像并连接到计算机***520。计算机***520被配置成执行本文描述的方法的至少一部分。计算机***520可以被配置成执行机器学习算法。计算机***520和显微镜510可以是分离的实体，但也可以一起集成在一个共同壳体中。计算机***520可以是显微镜510的中央处理***的一部分和/或计算机***520可以是显微镜510的子组件的一部分，例如显微镜510的传感器、执行器、相机或照明单元等。
计算机***520可以是具有一个或多个处理器和一个或多个存储装置的本地计算机装置(例如，个人计算机、膝上型计算机、平板计算机或移动电话)，或者可以是分布式计算机***(例如，具有分布在例如本地客户端和/或一个或多个远程服务器群和/或数据中心的各种位置的一个或多个处理器和一个或多个存储装置的云计算***)。计算机***520可以包括任何电路或电路的组合。在一个实施例中，计算机***520可以包括可以是任何类型的一个或多个处理器。如本文中所使用，处理器可意指任何类型的计算电路，诸如(但不限于)例如显微镜或显微镜部件(例如相机)的微处理器、微控制器、复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、图形处理器、数字信号处理器(DSP)、多核处理器、现场可编程门阵列(FPGA)，或任何其他类型的处理器或处理电路。可以包括在计算机***520中的其他类型的电路可以是定制电路、专用集成电路(ASIC)等，诸如例如用于无线装置(如移动电话、平板计算机、膝上型计算机、双向无线电和类似的电子***)中的一个或多个电路(如通信电路)。计算机***520可以包括一个或多个存储装置，该一个或多个存储装置可以包括适合于特定应用的一个或多个存储器元件，诸如随机存取存储器(RAM)、一个或多个硬盘驱动器、和/或处理诸如压缩盘(CD)、闪存卡、数字视频盘(DVD)等可移动介质的一个或多个驱动器的形式的主存储器。计算机***520还可以包括显示装置、一个或多个扬声器、以及键盘和/或控制器，其可以包括鼠标、轨迹球、触摸屏、语音识别装置、或允许***用户将信息输入到计算机***520中并从中接收信息的任何其他装置。
这些方法步骤中的一些或全部可以通过(或使用)硬件设备(例如，处理器、微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行。在一些实施例中，一些最重要的方法步骤中的一个或多个可以由这样的设备执行。
根据某些实现要求，本发明的实施例可以用硬件或软件来实现。该实现可以使用非暂时性存储介质来执行，例如数字存储介质，例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM和EPROM、EEPROM或FLASH存储器，其上存储有电子可读控制信号，电子可读控制信号与可编程计算机***协作(或能够协作)，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，电子可读控制信号能够与可编程计算机***协作，从而执行本文描述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可操作用于执行方法之一。该程序代码例如可以存储在机器可读载体上。
其他实施例包括存储在机器可读载体上的用于执行本文所述方法之一的计算机程序。
换句话说，本发明的实施例因此是一种计算机程序，计算机程序具有程序代码，当计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用于执行本文描述的方法之一。
因此，本发明的另一实施例是一种存储介质(或数据载体、或计算机可读介质)，其包含存储于其上的计算机程序，该计算机程序用于在由处理器执行时执行本文中所描述的方法之一。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非过渡的。本发明的另一个实施例是本文描述的包括处理器和存储介质的设备。
因此，本发明的另一个实施例是表示用于执行本文描述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。该数据流或信号序列可以例如被配置成经由数据通信连接(例如经由互联网)来传输。
另一个实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑装置，其被配置成或适于执行本文描述的方法之一。
另一实施例包括一种计算机，其上安装有用于执行本文所述方法之一的计算机程序。
根据本发明的另一实施例包括一种设备或***，该设备或***被配置成将用于执行本文描述的方法之一的计算机程序传输到(例如，电子地或光学地)接收机。接收机例如可以是计算机、移动装置、存储装置等。该设备或***例如可以包括用于将计算机程序传送到接收机的文件服务器。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可与微处理器协作以执行本文描述的方法之一。通常，该方法优选地由任何硬件设备来执行。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。
尽管已经在设备的上下文中描述了一些方面，但是清楚的是，这些方面还表示对应方法的描述，其中框或装置对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面还表示对相应设备的相应框或项目或特征的描述。
附图标记列表
100 显微镜***
105 基座单元
110 照明***
112 一个或多个第一光源
114 滤光器
116 一个或多个第二光源
118 一个或多个第三光源
120 光学聚光元件
122 第二滤光器
130 显微镜
132 光学成像传感器
134 物镜
140 ***
142 接口
144 一个或多个处理器
146 一个或多个存储装置
150 样本
160 显示器
170 臂
180 手柄
210 获取图像数据
220 处理图像数据
230 输出处理后的图像数据
500 显微镜***
510 显微镜
520 计算机***

Claims (25)

1.一种显微镜***（100；500），包括显微镜（130；510）和用于所述显微镜（130；510）的基于发光二极管LED的照明***（110），所述照明***包括：
多个第一基于LED的光源（112），其中所述多个第一基于LED的光源被配置成发射跨越白光色谱的光；
至少一个滤光器（114），其中所述至少一个滤光器被布置成过滤由所述多个第一基于LED的光源发射的光；
多个第二基于LED的光源（116），其中所述多个第二基于LED的光源被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光，
其中所述多个第一基于LED的光源（112）中的至少一个和所述多个第二基于LED的光源（116）中的至少一个以线性排布方式被布置在物镜（134）的第一侧，并且所述多个第一基于LED的光源（112）中的至少一个和所述多个第二基于LED的光源（116）中的至少一个以线性排布方式被布置在所述物镜（134）的第二侧，其中所述第一侧和所述第二侧为相对于所述物镜（134）的相对侧，
其中所述显微镜***（100；500）还包括一种***（140；520），所述***（140；520）包括一个或多个处理器（144）和一个或多个存储装置（146），其中所述***（140；520）被配置成：
获取所述显微镜的光学成像传感器（132）的图像数据，
其中所述图像数据表示由样本反射的光，所述样本被所述多个第一基于LED的光源照明，其中由所述多个第一基于LED的光源发射的光被过滤，使得具有与所述至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡；
处理所述图像数据以生成处理后的图像数据，其中基于所述图像数据生成所述处理后的图像数据的部分，所述处理后的图像数据的部分表示具有与所述至少一种荧光材料的所述至少一个荧光发射波长一致的波长的光；以及
输出所述处理后的图像数据。
2.根据权利要求1所述的显微镜***，其中所述多个第二基于LED的光源被配置成发射在以下中的一个或多个处具有峰值的光
-在390 nm和420 nm之间，
-在460 nm和500 nm之间，以及
-在780 nm和810 nm之间。
3.根据权利要求1或2所述的显微镜***，其中所述至少一个滤光器被配置成衰减或阻挡具有与所述至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。
4.根据权利要求1或2所述的显微镜***，进一步包括一个或多个第三基于LED的光源（118），其中所述一个或多个第三基于LED的光源被配置成发射跨越所述白光色谱的光。
5.根据权利要求1或2所述的显微镜***，其中所述多个第二基于LED的光源的至少子集被配置成提供在被调谐到所述至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光，而不使用滤光器来将所发射的光限制到所述至少一个峰值。
6.根据权利要求1或2所述的显微镜***，进一步包括至少一个第二滤光器（122），所述至少一个第二滤光器（122）被配置成过滤由所述多个第二基于LED的光源的至少子集发射的光。
7.根据权利要求1或2所述的显微镜***，其中所述一个或多个处理器（144）被配置成彼此独立地控制所述多个第一基于LED的光源和所述多个第二基于LED的光源。
8.根据权利要求1或2所述的显微镜***，其中每个基于LED的光源被配置成朝向待经由所述显微镜（130）观察的样本（150）发射光，其中每个基于LED的光源被配置成通过光学聚光元件（120）朝向所述样本发射光。
9.根据权利要求8所述的显微镜***，其中所述光学聚光元件是复合抛物面聚光器。
10.根据权利要求1或2所述的显微镜***，其中所述***（140；520）被配置成：使用来自与所述被衰减或阻挡的光相邻的波段的信息来重建所述处理后的图像数据的所述部分，所述部分表示具有与所述至少一种荧光材料的所述至少一个荧光发射波长一致的波长的光。
11.一种用于权利要求1至10中任一项所述的显微镜***的方法，所述方法包括：
获取（210）所述显微镜的光学成像传感器的图像数据，
其中所述图像数据表示由样本反射的光，所述样本被多个第一基于LED的光源照明，其中由所述多个第一基于LED的光源发射的光被过滤，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡；
处理（220）所述图像数据以生成处理后的图像数据，其中基于所述图像数据生成所述处理后的图像数据的部分，所述处理后的图像数据的部分表示具有与所述至少一种荧光材料的所述至少一个荧光发射波长一致的波长的光；以及
输出（230）所述处理后的图像数据。
12.一种计算机存储介质，其上存储有程序代码，当在处理器上执行所述程序代码时，所述程序代码用于执行根据权利要求11所述的方法。
13.一种显微镜***（100；500），包括显微镜（130；510）和用于所述显微镜（130；510）的基于发光二极管LED的照明***（110），所述照明***包括：
一个或多个第一基于LED的光源（112），其中所述一个或多个第一基于LED的光源被配置成发射跨越白光色谱的光；
至少一个滤光器（114），其中所述至少一个滤光器被布置成过滤由所述一个或多个第一基于LED的光源发射的光；
一个或多个第二基于LED的光源（116），其中所述一个或多个第二基于LED的光源被配置成提供在被调谐到至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光，
其中所述显微镜***（100；500）还包括一种***（140；520），所述***（140；520）包括一个或多个处理器（144）和一个或多个存储装置（146），其中所述***（140；520）被配置成：
获取所述显微镜的光学成像传感器（132）的图像数据，
其中所述图像数据表示由样本反射的光，所述样本被所述一个或多个第一基于LED的光源照明，其中由所述一个或多个第一基于LED的光源发射的光被过滤，使得具有与所述至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡；
处理所述图像数据以生成处理后的图像数据，其中基于所述图像数据生成所述处理后的图像数据的部分，所述处理后的图像数据的部分表示具有与所述至少一种荧光材料的所述至少一个荧光发射波长一致的波长的光；以及
输出所述处理后的图像数据。
14.根据权利要求13所述的显微镜***，其中所述一个或多个第二基于LED的光源被配置成发射在以下中的一个或多个处具有峰值的光
-在390 nm和420 nm之间，
-在460 nm和500 nm之间，以及
-在780 nm和810 nm之间。
15.根据权利要求13或14所述的显微镜***，其中所述至少一个滤光器被配置成衰减或阻挡具有与所述至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光。
16.根据权利要求13或14所述的显微镜***，进一步包括一个或多个第三基于LED的光源（118），其中所述一个或多个第三基于LED的光源被配置成发射跨越所述白光色谱的光。
17.根据权利要求13或14所述的显微镜***，包括两个或更多个第一基于LED的光源和两个或更多个第二基于LED的光源。
18.根据权利要求13或14所述的显微镜***，其中所述一个或多个第二基于LED的光源的至少子集被配置成提供在被调谐到所述至少一种荧光材料的激发波长的波长处具有至少一个峰值的光，而不使用滤光器来将所发射的光限制到所述至少一个峰值。
19.根据权利要求13或14所述的显微镜***，进一步包括至少一个第二滤光器（122），所述至少一个第二滤光器（122）被配置成过滤由所述一个或多个第二基于LED的光源的至少子集发射的光。
20.根据权利要求13或14所述的显微镜***，其中所述一个或多个处理器（144）被配置成彼此独立地控制所述一个或多个第一基于LED的光源和所述一个或多个第二基于LED的光源。
21.根据权利要求13或14所述的显微镜***，其中每个基于LED的光源被配置成朝向待经由所述显微镜（130）观察的样本（150）发射光，其中每个基于LED的光源被配置成通过光学聚光元件（120）朝向所述样本发射光。
22.根据权利要求21所述的显微镜***，其中所述光学聚光元件是复合抛物面聚光器。
23.根据权利要求13或14所述的显微镜***，其中所述***（140；520）被配置成：使用来自与所述被衰减或阻挡的光相邻的波段的信息来重建所述处理后的图像数据的所述部分，所述部分表示具有与所述至少一种荧光材料的所述至少一个荧光发射波长一致的波长的光。
24.一种用于权利要求13至23中任一项所述的显微镜***的方法，所述方法包括：
获取（210）所述显微镜的光学成像传感器的图像数据，
其中所述图像数据表示由样本反射的光，所述样本被一个或多个第一基于LED的光源照明，其中由所述一个或多个第一基于LED的光源发射的光被过滤，使得具有与至少一种荧光材料的至少一个荧光发射波长一致的波长的光被衰减或阻挡；
处理（220）所述图像数据以生成处理后的图像数据，其中基于所述图像数据生成所述处理后的图像数据的部分，所述处理后的图像数据的部分表示具有与所述至少一种荧光材料的所述至少一个荧光发射波长一致的波长的光；以及
输出（230）所述处理后的图像数据。
25.一种计算机存储介质，其上存储有程序代码，当在处理器上执行所述程序代码时，所述程序代码用于执行根据权利要求24所述的方法。
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