CN116745679A - 紧凑型便携式多模式显微镜 - Google Patents

Abstract

本文的公开内容描述了紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其包括：包括一个或更多个显微镜模块(21)的光学显微镜单元(2)，其中，每个显微镜模块(21)包括具有八个至十六个透镜元件的光学透镜组件，该光学透镜组件具有在10X至2000X的范围内的总放大率；保护层(3)，其设置在光学显微镜单元上以保护光学显微镜单元免受物理和化学损害；设置在保护层上的样本保持单元(4)，其中，样本保持单元包括用于保持由一个或更多个显微镜模块进行成像的样本的至少一个隔室；安装在光学显微镜单元上的第一光源单元(1)；以及相邻于一个或更多个显微镜模块安装在光学显微镜单元内部的第二光源单元(5)。

Description

紧凑型便携式多模式显微镜

技术领域

本发明涉及用于使能样品的放大视图的设备和方法。更具体地，本发明涉及具有不同模式的显微特征的紧凑型多模式便携式显微镜，这些显微特征包括根据所需的应用在一个紧凑且便携的装置中的可变的视场、放大率和分辨率。

背景技术

显微镜是诸如教育、研究和诊断应用的广泛应用的基本仪器。显微镜用于在人类肉眼所看不见的微观水平上观察世界。从简单的放大透镜到目前具有多个透镜的先进复杂***，显微镜已经走过了漫长的道路。存在已经被广泛开发用于广泛应用的各种类型的显微镜，包括诸如光场显微镜、暗场显微镜、电子显微镜和荧光显微镜。

自近二十年以来，便携式或手持式显微镜的研究已经看到了相当大的进展。下面报道和简要描述针对所提出的装置的现有技术。

US20160004057描述了一种便携式显微装置，该装置被设计成使用智能手机捕获图像，并且其中放大率取决于显微透镜。在所述应用中，两个偏振膜被用于调节从照明源进入图像捕获装置(智能手机的摄像装置)的光的量。

US7023614描述了一种带有照明模块的便携式显微镜。所提及的发明的主要目的是提供一种便宜的人造光源，并且还将最小数量的元件(硬件)用于显微镜架。

US6847480描述了一种具有独特聚焦和载片保持机制的单透镜显微镜。

另一专利US5062697已经陈述了一种具有同时对异常血液样本和正常血液样本进行比较的独特特征的便携式显微镜设备。

US4095874描述了一种其中手动偏转被用于聚焦的手持式显微镜。该显微镜在镜头固定和精细调节方面缺乏灵活性。

WO2013120091公开了一种由平板制成的光学装置(折纸显微镜)。缺点是由于球面透镜的球面磨损，低分辨率和降低视野，并且其不用于

因此，从上述现有技术来看，需要开发在没有庞大布置的情况下在一个紧凑型装置中具有多模式(例如所有可变的放大率、分辨率和视场)的有成本效益的显微镜，在一个紧凑型便携式组件中实现数字自动聚焦或易于聚焦以及通过载片的手动或数字控制自动控制的移动以其扫描目的的单个或连续的样本保持组件是难以达到。本发明非常彻底地处理了这些问题，并且在专利申请中描述/具体说明了本发明。

发明目的

本发明的主要目的是开发紧凑且便携的多模式显微镜。

本发明的另一目的是开发可以在没有庞大和复杂组件的一个紧凑型装置中用于可变的放大率、分辨率、视场等的多模式紧凑型显微镜组件，其中，模式可以通过自动控制或手动控制或通过任何数字装置进行数字控制而改变。

本发明的又一目的是开发多模式紧凑型显微镜，这种显微镜是用于使用任何数字装置对对象的聚焦进行数字驱动控制或自动控制或手动控制的用户友好且紧凑的布置。

本发明的又一目的是提供用于单次使用或多次使用或连续采样的样本保持布置，或者用于暗场布置或过滤器场布置的布置，其中，样本保持平台在水平平面内具有手动移动或自动移动或数字控制的自动移动。

本发明的又一目的是提供便携且可调节的光源布置，该光源布置具有诸如能够相对于显微镜组件调节的多个特征，针对多个特征的布置，该多个特征如根据所需应用控制的强度、过滤器场和暗场。

本发明的又一目的是提供成本有效且用户友好的紧凑型组件，其中易于通过任何数字装置在所有模式下操作。

附图说明

图1示出了根据示例的紧凑型便携式多模式显微镜设备。

图2a示出了示例中的具有单个显微镜模块的光学显微镜单元。

图2b示出了示例中的具有两个显微镜模块的光学显微镜单元。

图2c示出了示例中的具有三个显微镜模块的光学显微镜单元。

图2d示出了示例中的光学显微镜单元，该光学显微镜单元具有在聚焦单元上的可旋转单元中的两个显微镜模块，并且具有电子部件。

图3a示出了示例中的具有带有可调节机制的第一光源单元的紧凑型便携式多模式显微镜设备。

图3b示出了示例中的具有双发光二极管布置的第一光源单元的侧视图。

图3c示出了示例中的第一光源单元的侧视图。

图3d示出了示例中的第一光源单元的侧视图。

图4a和图4b示出了示例中的分别处于使用模式和处于关闭模式的具有可拆卸的第一光源单元的光学显微镜单元。

图5示出了示例中的具有固定的第一光源单元的光学显微镜单元。

图6a和图6b示出了示例中的分别处于关闭模式和使用模式的具有可折叠的第一光源单元的光学显微镜单元。

图7示出了示例中的具有第二光源单元的光学显微镜单元。

图8a示出了示例中的具有聚焦平台上的多个显微镜模块的光学显微镜单元。

图8b示出了示例中的具有一个显微镜模块和用于聚焦平台的基于螺杆的机制的光学显微镜单元。

图8c示出了示例中的具有一个显微镜模块和基于螺杆的机制以及间隔组件的光学显微镜单元。

图9示出了示例中的具有单个隔室并具有可移除顶盖的样本保持单元。

图10a示出了示例中的具有单个隔室的样本保持单元，该单个隔室具有样本注射口。

图10b示出了示例中的具有两个隔室的样本保持单元的俯视图，这两个隔室具有相应的样本注射口。

图10c示出了示例中的具有四个隔室的样本保持单元的俯视图，这四个隔室具有相应的样本注射口。

图11a示出了示例中的图10a的具有波长特定过滤器的样本保持单元。

图11b示出了示例中的图10b的具有两个隔室的样本保持单元，这两个隔室具有相应的波长特定过滤器。

图11c示出了示例中的图10c的具有四个隔室的样本保持单元，这四个隔室具有相应的波长特定过滤器。

图12a示出了示例中的具有带有入口和出口的单个隔室并具有波长特定过滤器的样本保持单元。

图12b示出了图12a的样本保持单元的俯视图。

图12c示出了示例中的具有四个隔室以及相应的入口和出口的样本保持单元的俯视图。

图12d示出了示例中的具有带有入口和出口的通道状隔室的样本保持单元的俯视图。

图13示出了示例中的具有带有入口和出口的单个隔室的样本保持单元和样本保持单元的平面侧的波长特定过滤器的侧视图。

具体实施方式

在本发明中，使用不同的术语来描述本发明。术语的定义如下。

在给定的说明书中，术语“设备”、“组件”、“装置”、“***”可以互换使用。

本文中使用的术语“多模式”是指在一个紧凑型组件中的显微特征的多种模式，例如具有可变的分辨率、视场、放大率的光场、过滤器场和暗场显微镜。

本发明公开了用于各种应用的紧凑型便携式多模式显微镜设备，各种应用例如但不限于教育、研究和诊断应用等。

根据本主题的示例，一种紧凑型便携式多模式显微镜设备包括：

1.光学显微镜单元(图1中的2)

2.保护层(图1中的3)

3.样本保持单元(图1中的4)

4.第一光源单元(外部光源单元)(图1中的1)

5.第二光源单元(内部光源单元)(图7中的5)

光学显微镜单元包括用于光场、暗场和过滤器场显微镜的一个或更多个显微镜模块。光学显微镜单元还包括聚焦平台，其中，聚焦平台包括用于数字地且自动地控制一个或更多个显微镜模块的聚焦的布置。聚焦平台可以是用于多个显微镜模块的公共平台，或者可以是用于多个显微镜模块的单个平台。

光学显微镜单元还包括电子部件，其中，电子部件包括用于能量存储、数据存储、数据处理和数据传输、能量传输等的部件，其中，数据处理和传输单元可以用于数字地或通过AI或机器学习来控制整个紧凑型便携式多模式显微镜设备。

保护层用于保护光学显微镜单元或其一个或更多个显微镜模块免受任何种类的物理和化学损害。保护层可以具有或不具有波长特定特性，并且保护层免除了对设备的清洗。保护层可以是单次使用的或多次使用的保护层。

样本保持单元包括用于保持相同或不同的样本以使用显微镜模块进行成像的单个隔室或多个隔室。样本保持单元可以是单次使用或多次使用的样本保持单元。样本保持单元可以具有连续的样本成像布置和/或微流体样本成像布置。样本保持单元可以具有或不具有用于观察样本的波长特定过滤器。样本保持单元可以被配置成在平行于样本保持单元的平面内移动。样本保持单元的移动可以是手动的或自动的。样本保持单元的移动可以通过任何数字装置例如智能手机、计算机等来数字控制。

第一光源单元是外部光源单元。第一光源单元被安装在光学显微镜单元上，以从光学显微镜单元的外部向样本保持单元中的样本提供光。第一光源单元可以是固定的或可折叠的或可拆卸的或可调节的光源单元。第一光源单元可以是扩散光源单元或点光源单元或其组合。

第二光源单元是内部光源单元。第二光源单元被定位于用于过滤器场、荧光或暗场显微镜的光学显微镜单元中。

在示例中，紧凑型便携式多模式显微镜设备包括设置在样本保持单元的周围表面处的发光二极管，以向样本保持单元中的样本提供光线。

图1示出了示例中的紧凑型便携式多模式显微镜设备100。紧凑型便携式多模式显微镜设备100在下文中可以互换地称为设备100。设备100被配置成操作两种或多于两种的模式例如可变分辨率模式、可变视场模式和可变放大率模式中的任何一种或组合。设备100被配置成在光场显微镜模式、暗场显微镜模式、过滤器场显微镜模式、荧光场显微镜模式或其组合下操作。

设备100包括光学显微镜单元2、保护层3、样本保持单元4、第一光源单元1和第二光源单元5(图7中所示)。设备100的部件在下文的描述中详细描述。

光学显微镜单元2包括一个或多于一个显微镜模块。光学显微镜单元2的每个显微镜模块包括具有八个至十六个透镜元件的光学透镜组件(未示出)，该光学透镜组件具有用于光场、暗场和过滤器场显微镜的在10X至2000X的范围内的总放大率并具有可变的分辨率、数值孔径、景深放大率和视场等。具有八个至十六个透镜元件的光学透镜组件的细节稍后在描述中描述。

图2a示出了示例中的具有单个显微镜模块21的光学显微镜单元2。图2b示出了示例中的具有两个显微镜模块21的光学显微镜单元2。图2c示出了示例中的具有三个显微镜模块21的光学显微镜单元2。在示例中，光学显微镜单元2可以包括四个或更多个显微镜模块。

单个或多个显微镜模块21的布置可以处于任何几何图案，包括但不限于正方形图案、三角形图案、或线性图案、或六边形图案、或任何其他几何图案。

显微镜模块可以被安装在固定或可移动的平台上。在示例中，单个显微镜模块或多个显微镜模块被固定在平台上或被安装在绕其轴进行旋转移动的旋转部分上以根据所需应用自动或手动改变显微镜模块。可以通过计算机实现的方法或移动应用经由数字控制的自动化装置例如智能手机、平板电脑、计算机或任何这样的数字装置改变显微镜的模式，这使得设备100与用于常规庞大***的显微镜相比更加用户友好。可以通过数字装置中的任何一种直接控制在可变显微镜特征下观察样本使设备100与常规***中根据10X、40X和100X的所需应用用于不同的可变放大率模式的复杂且手动操作的庞大布置相比更加用户友好和紧凑。与常规显微镜中不同特征所需的不同的庞大布置或单独***相比，在单个紧凑型布置中用于不同显微镜特征的多个模块给出了在紧凑型组件中在可变显微镜特征下对样本进行观察或成像的优势。

图2d示出了示例中的光学显微镜单元2，该光学显微镜单元2具有在聚焦平台35上的可旋转单元31中的两个显微镜模块21，并且具有电子部件33。电子部件33可以包括但不限于印刷电路板(PCB)、电池、数据传输部件USB端口、蓝牙端口和Wi-Fi端口。根据所需的放大率、分辨率、视场等来使用旋转单元31的旋转轴向移动和聚焦平台35的操作。旋转单元31被安装在聚焦平台35上。旋转部分31的移动通过与设备100耦接的用户界面或数字装置(未示出)由人工或自动或数字控制的移动来控制。在示例中，旋转部分31由电马达移动。马达的旋转移动由数字装置直接控制。聚焦平台35稍后在描述中详细描述。

每个显微镜模块21包括具有多个光学元件(未示出)——例如光学透镜——的光学透镜组件，以及用于显微镜功能——例如但不限于可变的数值孔径、分辨率、视场、景深和放大率——的图像捕获组件(未示出)。光学透镜组件中的透镜元件的细节稍后在描述中描述。图像捕获组件可以是图像传感器(CMOS、CCD)或任何图像捕获传感器或摄像装置模块或数字图像捕获组件。图像捕获传感器可以是CCD传感器或CMOS传感器，其中像素尺寸在从0.6微米至6微米的范围内，并且像素密度从0.1兆像素至600兆像素。针对可变的分辨率、视场、放大率、景深，具有或不具有用于荧光或过滤器场显微镜的光引导元件，光学元件可以包括从八个至十六个透镜元件的范围。根据所需的应用，波长特定过滤器元件可以允许通过期望波长的光。波长特定过滤器元件可以定位于光学元件中的任何光学元件之间，或者定位于光学元件与传感器之间，或者定位于要成像的样本与光学元件之间。波长特定过滤器元件包括可以允许特定波长的光穿过的明胶、玻璃或二向色或任何波长特定聚合物膜或合成物。这可以用于特定分析应用，其中期望波长的光对于在特定波长的光中表征样本或看到样本的特征至关重要。

第一光源单元1被安装在光学显微镜单元2上，其中第一光源单元1从光学显微镜单元2的外部向样本保持单元4中的样本提供光。第一光源单元1是用于光场显微镜的外部光源单元。

第一光源单元1可以是可调节光源单元或固定光源单元或可拆卸光源单元或可折叠光源单元。

在示例中，第一光源单元1能够相对于光学显微镜单元2移动，以改变样本保持单元4的顶表面与第一光源单元1的底表面之间的距离。

图3a示出了示例中的具有带有可调节机制的第一光源单元1的紧凑型便携式多模式显微镜设备100。如所示出的，第一光源单元1具有能够相对于光学显微镜单元2移动以改变样本保持单元4的顶表面与第一光源单元1的底表面之间的距离的第一部分12，并且具有耦接至第一部分12的第二部分13，其中第二部分13至少包括光源。第一部分12被放置在光学显微镜单元2的壳体11中。如图3a所示，第一部分12能够沿方向14在壳体11中移动。第一部分12的移动可以手动执行或者使用数字装置自动执行。该移动可以通过电马达或齿轮***或可调节的基于螺杆的***来控制。

在示例中，第二部分13与第一部分12磁耦接。在示例中，第二部分13能够绕第一部分12折叠。

此外，在示例中，第一光源单元1是点光源或扩散光源或其组合，并且可拆卸地安装在光学显微镜单元2上。第一光源单元1的类型和组合根据可变分辨率、放大率和视场的所需应用。第一光源单元1具有可变光强度、可变光波长和样本保持4中样本上的可变光照射面积中的至少一个。光强度、光波长和光照射面积可以手动控制或通过数字装置控制。

第一光源单元1包括单个波长或不同波长的至少一个发光二极管(LED)，其具有光学元件和/或扩散器和/或光定向元件。在示例中，LED可以是白光LED。LED的开关、光的强度、样本上的暴露面积、光的波长、第一光源单元1距样本保持单元4中的样本的距离可以根据应用和显微镜模块的要求而通过手动控制或通过数字装置控制。

图3b示出了示例中的具有双发光二极管布置的第一光源单元1的侧视图。如所示出的，第一光源单元1具有光定向元件1VIII，该光定向元件1VIII具有从外侧设置的反射顶表面1III；发光二极管(LED)1I，其放置在光定向元件1VIII的反射顶表面1III的内侧并邻近该反射顶表面1III；耦接至光定向元件1VIII的底表面的扩散器1V；以及放置在扩散器1V中的凸透镜1IV或平凸透镜1IV。LED 1I和凸透镜或平凸透镜以如下方式相对于彼此成一直线，由LED 1I发射的光线直接射向凸透镜或平凸透镜，并进一步射到样本保持单元4上。具有LED 1I的第一光源单元1的上述配置提供了更多的相干光线，相干光线有助于在没有像差的情况下进行更高分辨率的图像捕获。具有LED 1I的所述配置用于高于200X的总放大率的更高放大率，并且样本保持单元4与第一光源单元1之间的距离从1mm至10mm变化。

第一光源单元1还包括放置在光定向元件1VIII的侧表面上的至少一个LED。如图3b中所示，第一光源单元1具有在光定向元件1VIII的侧表面上的两个LED 1I。放置在光定向元件1VIII的侧表面上的LED的周围表面1II由不透明材料制成，以用于仅使朝向光定向元件1VIII的光聚集而不散布光。由放置在光定向元件1VIII的侧表面上的LED发射的光线从光定向元件1VIII的反射顶表面1III反射，并且通过扩散器1V均匀地扩散到凸透镜或平凸透镜上，并进一步扩散到样本保持单元4上。放置在光定向元件1VIII的侧表面上的LED提供来自第一光源单元1的扩散光。

光定向元件1VIII具有高折射率(>1)，并且由聚合物或塑料或玻璃或复合材料制成。提供扩散光的LED用于宽视场(>1mm²)、低放大率(<300X)和分辨率(>10微米)。扩散器1V可以处于正方形形状、环形形状、六边形形状或圆形形状或任何其它形状。扩散器1V的厚度从0.1mm至8mm。扩散器1V可以是白色或彩色的，并且由塑料、涂层玻璃或聚合物或复合材料或其组合制成。放置在光定向元件1VIII的侧表面上的LED用于高达300X的放大率，并且样本保持单元4与第一光源单元1之间的距离从5mm至35mm变化。双扩散和点光源在单个紧凑型布置中提供了广泛的图像捕获特性，例如可变的分辨率、放大率、视场。

在示例中，第一光源单元1是扩散光源单元。图3c示出了示例中的作为扩散光源单元的第一光源单元1的侧视图。如所示出的，第一光源单元1具有光定向元件1VIII，该光定向元件1VIII具有从外侧设置的反射顶表面1III；放置在光定向元件1VIII的侧表面上的一个或更多个LED 1I，其中LED的周围表面1II由不透明材料制成；耦接至光定向元件1VIII的底表面的扩散器1V；以及邻近扩散器1V放置的凸透镜1IV或平凸透镜1IV。由放置在光定向元件1VIII的侧表面上的LED发射的光线从光定向元件1VIII的反射顶表面1III反射，并且通过扩散器1V扩散到凸透镜或平凸透镜上，并且进一步扩散到样本保持单元4上。具有透镜元件的扩散光源单元1提供了高达400X放大率的具有最小像差的高质量图像捕获。

图3d示出了另一示例中的作为扩散光源单元的第一光源单元1的侧视图。如所示出的，第一光源单元1具有光定向元件1VIII，该光定向元件1VIII具有从外侧设置的反射顶表面1III；相邻于光定向元件1VIII的侧表面放置的LED 1I；与光定向元件1VIII的底表面相邻的光引导元件1VII；以及与光引导元件1VII的底表面相邻的扩散器1V。由LED 1I发射的光线从光定向元件1VIII的反射顶表面1III反射，穿过光引导元件1VII，并且通过扩散器1V扩散到样本保持单元4上。

光引导元件1VII是允许处于30度至120度的不同角度的特定光线穿过并且防止造成像差的任何不期望的光通过的特定过滤器。扩散器1V可以处于正方形形状、环形形状、六边形形状或圆形形状或任何其它形状。扩散器1V具有从0.1mm至8个显微镜模块的厚度，并且可以为白色或彩色，并且由塑料、涂层玻璃或聚合物或复合材料或其组合制成。光引导元件1VII利用来自LED 1I的均匀光线提高图像捕获质量，这可以进一步减少像差。图3d的第一光源单元被用于高达500X的放大率。

图4a和图4b示出了示例中的分别处于使用模式和处于关闭模式的具有可拆卸的第一光源单元1的光学显微镜单元2。如参照图3a描述的，图4a的第一光源单元1具有第一部分12和第二部分13。第二部分13可以是如图3b、图3c、图3d中所示的任何一种。第二部分13能够从第一部分12拆卸。在示例中，第二部分13与第一部分12磁耦接，使得第二部分13可以被定位于第一部分12的顶表面上或侧表面上。图4a示出了第一光源单元1处于使用模式或开启模式，其中第二部分13放置在第一部分12的顶表面上。图4b示出了第一光源单元1处于关闭模式，其中第二部分13放置在第一部分12的侧表面上。

图5示出了示例中的具有固定的第一光源单元1的光学显微镜单元2。固定的第一光源单元1具有两个部分，一个是支承部分1P，并且另一个是光源部分2P。光源部分2P可以是如图3b、图3c、图3d中所示的任何一种。支承部分1P被附接至光学显微镜单元2。支承部分1P相对于光学显微镜单元2以25度至110度范围内的角度定位在光学显微镜单元2上。光源部分2P与光学显微镜单元2之间的距离根据光源的类型，例如扩散光源和点光源。

图6a和图6b示出了示例中的分别处于关闭模式和使用模式的具有可折叠的第一光源单元1的光学显微镜单元2。如参考图3a描述的，图6a的第一光源单元1具有第一部分3P和第二部分4P。第二部分4P可以是如图3b、图3c、图3d中所示的任何一种。在示例中，第二部分4P通过磁性特性或可折叠的基于螺杆的机制能够绕第一部分3P折叠。图6a示出了第一光源单元1在使用模式或开启模式，其中第一部分3P和第二部分4P被折叠并且平放在光学显微镜单元2上。图6b示出了第一光源单元1在关闭模式，其中第二部分4P能够绕第一部分3P折叠。第二部分4P与光学显微镜单元2之间的距离也是可调节的。第一光源单元1的这种配置提供了设备100的可携带性、保护显微镜模块免受外部物理和化学损害以及设备100的紧凑性。

在示例中，设备100包括设置在样本保持单元4的周围表面处的附加LED，其中LED用于针对暗场和过滤器场显微镜向样本保持单元4中的样本提供光线。LED可以是白光LED或不同波长的LED。来自LED的光线超过临界角(>40度)穿过样本保持单元4，并且光线在样本保持单元4中经历完全内反射。从样本保持单元4中的样本反射的光在黑暗背景下通过显微镜组件观察。LED在样本保持单元4的周围表面处的所述布置用于暗场显微镜和过滤器场显微镜。

图7示出了示例中的具有第二光源单元5的光学显微镜单元2。第二光源单元5相邻于一个或更多个显微镜模块21被安装在光学显微镜单元2内部，其中第二光源单元5用于从光学显微镜单元2的内部向样本保持单元4中的样本提供光。第二光源单元5是用于过滤器场显微特征和暗场显微特征的内部光源。如所示出的，第二光源单元5包括LED 1I和光定向元件1VIII。LED 1I的周围表面由不透明材料制成。光定向元件1VIII被耦接至LED 1I，以将从LED 1I发射的光线引导到光学显微镜单元2上方的样本保持单元4上。

光定向元件1VIII用于将来自LED 1I的光线聚焦到样本保持单元4中的样本上。光定向元件1VIII由塑料、聚合物或复合材料制成。光定向元件1VIII的侧表面被制成反射性的。光定向元件1VIII的朝向样本侧的表面处于从10度至180度范围内的角度，以提供可变范围的临界角以用于将光朝向位于光学显微镜单元2上方的样本保持单元4中的样本引导。光定向元件1VIII可以是绕显微镜模块21的环形形状或任何其他形状。LED 1I的光强度可以由数字装置控制。

出于显微镜模块的移动的目的，设备100还包括用于调节光学透镜组件的焦点的聚焦平台。聚焦平台可以是用于所有显微镜模块的公共聚焦平台，或者包括可以被独立控制的用于显微镜模块中的每一个的单独聚焦平台，或者是用于精细聚焦和粗略聚焦的两种类型的平台的组合。聚焦平台用于提供显微镜模块的数字控制或自动控制的竖直移动。竖直方向上的移动是数字控制的，并且该移动通过数字装置直接控制，该数字装置例如但不限于智能手机、平板电脑、计算机或任何其他计算装置。聚焦平台的受控移动可以通过各种机制来执行，这些机制例如但不限于音圈马达、螺线管电磁机制、基于压电的机制、基于PCB马达的机制。

图8a示出了示例中的具有聚焦平台35上的多个显微镜模块21的光学显微镜单元2。在示例中，单个显微镜模块或多个显微镜模块21被定位于聚焦平台35上。聚焦平台35沿竖直方向的精细移动用于调节显微镜模块21中的光学透镜组件的焦点。移动可以由某个机制来控制，该机制例如但不限于基于螺线管的布置、电磁布置、基于压电移动的布置、基于精细螺杆的机制。单个显微镜模块或多个显微镜模块21可以通过聚焦平台移动不同的程度。聚焦平台35的移动通过用户界面或数字装置直接控制，这使得设备100对于通过沿竖直方向的精细受控移动来对样本进行聚焦和成像更加用户友好。

图8b示出了示例中的具有一个显微镜模块21和用于聚焦平台35的基于螺杆的机制的光学显微镜单元2。显微镜模块21被安装在聚焦平台35上。旋转螺杆42通过螺纹被定位在聚焦平台35中，并且两端被放置在光学显微镜单元2中的相应壳体43中。螺纹尺寸和螺杆尺寸基于用于聚焦的聚焦平台35的期望竖直移动而决定。通过旋转螺杆42的精细移动控制沿竖直方向的可调节移动。聚焦平台35被定位于一侧。旋转螺杆42被放置在光学显微镜单元2的壁中，这样旋转螺杆42的一部分从壁中伸出以用于旋转螺杆42的手动操作。旋转螺杆42的移动在聚焦平台35上产生压力，并且沿竖直方向移动聚焦平台35。精细移动取决于施加在聚焦平台35上的压力和聚焦平台35的厚度。所述布置提供了沿竖直方向的精细移动以用于对样本进行成像的精细聚焦。旋转螺杆42可以与电马达连接，以用于螺杆42和聚焦平台35的自动受控移动。

图8c示出了示例中的具有一个显微镜模块21和基于螺杆的机制以及间隔组件的光学显微镜单元2。如所示出的，光学显微镜单元2包括位于聚焦平台35与光学显微镜单元2的顶表面之间的可压缩间隔件46。可压缩间隔件46用于控制聚焦平台35的移动。光学显微镜单元2还具有位于可压缩间隔件46与光学显微镜单元2的顶表面之间的支承单元45。旋转螺杆42的移动在聚焦平台35和可压缩间隔件46上产生压力。聚焦平台35的精细移动取决于施加在聚焦平台35上的压力以及可压缩间隔件46的可压缩性和厚度。可压缩间隔件46可以由聚合物或橡胶制成。所述布置提供了沿竖直方向的精细移动以用于对样本进行成像的精细聚焦。

此外，在示例中，光学显微镜单元2包括与一个或更多个显微镜模块21中的每一个对应的聚焦镜筒单元(未示出)。聚焦镜筒单元用于操作对应的显微镜模块21以调节用于对样本保持单元4中的样本进行成像的焦点。聚焦镜筒允许针对相应的显微镜模块的单独聚焦。光学显微镜单元2被安装在聚焦镜筒内部。聚焦镜筒被定位于光学显微镜单元2的壳体中，并且图像捕获组件被定位于聚焦镜筒下方。聚焦镜筒具有显微镜模块21中的光学透镜组件相对于光学显微镜单元2的受控移动以用于对样本进行聚焦。用于精细聚焦的显微镜模块的聚焦镜筒的受控移动通过各种机制执行，这些机制例如但不限于音圈马达、基于螺线管电磁的布置、基于压电的布置、基于PCB马达的布置等。该移动可以通过数字装置来控制。数字驱动的精细聚焦针对根据所需应用或样本形态的广泛样本尺寸给出了设备100的灵活性。

回到图1，保护层3被设置在光学显微镜单元上，以保护光学显微镜单元或一个或更多个显微镜模块免受物理和化学损害。在示例中，保护层3由高折射介质制成以及/或者是用于过滤器场显微镜或荧光显微镜的波长特定过滤器。保护层3可以是具有大于1.3的宽范围折射率的高折射率聚合材料或塑料薄膜，这通过在样本与显微镜模块21之间提供更高的折射率的介质而不是空气作为其间的介质来增强光学显微镜单元2的性能。

在示例中，保护层3是由透明聚合物、或塑料、或玻璃、或复合材料、或任何透明材料或其组合制成的透明膜。保护层3可以是一次性的或可重复使用的透明膜，与常规物镜***相比，该透明膜可以消除光学显微镜单元2的清洁并且增加整个设备100的寿命，在常规物镜***中，与样本的直接接触可能会由于因透镜组件上的微生物生长而引起的化学和生物损害而损害透镜组件。

在示例中，保护层3可以是透明膜，并且是波长特定过滤器，其中波长特定场可以是可以用于检测从样本发射的光的特定特性波长以获得其定量或定性估计或用于在特定的光中观察样本的滤色器、载玻片、明胶或二向色过滤器。保护层3可以根据波长特定过滤器的所需应用而改变，并且保护层3给出了针对过滤器场特性的广泛应用。

回到图1，样本保持单元4包括用于保持一个或更多个样本的单个隔室或多个隔室。样本保持单元4可以是具有或不具有连续采样布置和/或微流体装置的单次使用的单元或多次使用的单元。样本保持单元4可以具有或不具有用于观察对象或样本的波长特定过滤器。在示例中，样本保持单元4包括简单的载片或基于微流体的***或具有特性滤光器的基于微流体的***，使设备100能够用于分析、诊断和研究应用中的广泛应用，以观察特征对象或样本。

在示例中，样本保持单元4能够在沿着保护层3的平面的方向上移动。样本保持平台4在保护层的平面内的移动可以手动控制，或者通过数字控制的自动化***控制，这使得设备100更加用户友好。利用可移动的样本保持单元4，可以使用设备100对整个隔室中的样本进行扫描和成像，这使得设备100与常规显微镜相比更加稳健，常规显微镜引起在长期用于手动观察对象或样本时对用户的眼睛的压力，以及在分析或诊断应用中找到对象的复杂性。

在示例中，样本保持单元4可以通过基于人工智能(AI)的***或基于机器学习的***或其组合而移动。

在示例中，样本保持单元4可以通过基于数字控制压电的***、基于螺线管电磁的***、可调节螺杆、齿轮机制或基于压电马达的***而移动。

在示例中，样本保持单元4用于利用或不利用诸如特定于光波长的特性特征以批量模式或连续模式将样本保持在单个隔室或多个隔室中。在示例中，样本保持单元4具有带有单个入口和单个出口、或者多个入口和出口、或其任何组合的隔室。

在示例中，样本保持单元4包括串联或并联的单个或多个微流体通道以用于测量单个或多个样本。

在示例中，样本保持单元4包括微流体通道布置，例如流动聚焦布置、T形接口布置等。

在实施方式中，样本保持单元4在任意一个平面侧或在两个平面侧上具有允许期望波长的光通过的波长特定过滤器。这样的样本保持单元4的中间部分可以具有用于保持样本的一个或更多个隔室和用于每个隔室的样本注射口以及LED。

根据所需的应用，光源单元使光以不同的角度(20度至140度)或强度以及不同的波长穿过样本。样本保持单元4在观察区域中可见，并且该区域的其余部分覆盖有透明材料或反射材料或低折射率材料或吸光材料或黑色涂层。

图9示出了示例中的具有单个隔室53并具有可移除顶盖54的样本保持单元4。隔室53可以被配置成保持液体样本、固体样本或半固体样本或可以使用设备100进行成像的其他对象。顶盖54被放置在隔室53上，以用于均匀地保持样本。样本保持单元4可以具有用于放置和支撑顶盖54的腔室52。

顶盖54可以由任何透明材料制成，所述任何透明材料可以包括聚合物或塑料或玻璃或任何透明材料。隔室53的面积和厚度/深度可以根据所需的应用而变化。更具体地，隔室53的厚度/深度在从5微米至5000微米的范围内变化，以看到不同范围的样本，例如细菌、人类血细胞、原生动物和微生物，而没有样本的彼此交叠。

在示例中，顶盖54可以是允许期望波长的光穿过顶盖54的波长特定过滤器。

图10a示出了示例中的具有单个隔室52的样本保持单元4，该单个隔室52具有样本注射口61。具有样本注射口的样本保持单元4用于处理具有小尺寸的对象(<500微米)的危险或致病材料或非致病样本。图10b示出了示例中的具有两个隔室52的样本保持单元4的俯视图，这两个隔室52具有相应的样本注射口61。图10c示出了示例中的具有四个隔室52的样本保持单元4的俯视图，这四个隔室52具有相应的样本注射口61。具有相应的样本注射口的多个隔室可以用于同时分析各种过滤器场特性的单个样本或多个样本。如图10a、图10b和图10c所示的样本保持单元4提供了通过样本注射口61直接并入液体样本而无需外部盖玻片或任何其他样本准备的优点。样本通过毛细作用散布到整个隔室52。样本保持器单元4的顶侧和底侧可以是透明的或者包括波长特定过滤器。隔室52的形状和尺寸及其数量不限于任何几何形状和尺寸。

图11a示出了示例中的图10a的具有波长特定过滤器72的样本保持单元4。波长特定过滤器72允许特定波长的光穿过。样本保持单元4的这样的组件用于在期望波长的光中观察样本。波长特定过滤器72可以是明胶过滤器或滤色器或二向色过滤器或者彩色染料或发色团中的任何一种或者可以吸收或发射期望波长的光的材料中的任何一种。

在示例中，设备100包括设置在样本保持单元4的至少一个隔室的第一平面侧上的第一波长特定过滤器。在示例中，设备100包括设置在样本保持单元4的至少一个隔室的第二平面侧上的第二波长特定过滤器，其中第二平面侧与第一平面侧相对。

在示例中，样本保持单元4包括在两个平面侧之一上的波长特定涂层或者在一个或两个平面侧上的过滤器布置。

图11b示出了示例中的图10b的具有两个隔室52的样本保持单元4，这两个隔室52具有相应的波长特定过滤器72。图11c示出了示例中的图10c的具有四个隔室52的样本保持单元4，这四个隔室52具有相应的波长特定过滤器72。在示例中，波长特定过滤器72可以是分离的或者被固定至隔室52。每个隔室包括相似或不同的波长特定过滤器。每个隔室具有样本注射口，在样本注射口中样本可以被装入隔室，并且样本通过毛细管作用散布到整个隔室。

图12a示出了示例中的具有带有入口74和出口75的单个隔室71并具有波长特定过滤器72的样本保持单元4。入口74用于样本至样本保持单元4的隔室71中的流入，并且出口75用于样本从隔室71的流出。图12a的样本保持单元4用于连续样本分析。图12b示出了图12a的样本保持单元4的俯视图。

图12c示出了示例中的具有四个隔室71以及相应的入口74和出口75的样本保持单元4的俯视图。

图12、图12b和图12c中所示的样本保持单元4可以用于同时处理单个或多个样本。根据所需的应用，所有的样本保持隔室或通道可以具有相似或不同的波长特定过滤器。

图12d示出了示例中的具有带有入口74和出口75的通道状隔室71的样本保持单元4的俯视图。入口74和出口75被示出为在样本保持单元4的同一侧上。在示例中，通道状隔室的入口和出口可以在样本保持单元4的不同侧上。

图13示出了示例中的具有带有入口74和出口75的单个隔室71的样本保持单元4和样本保持单元4的平面侧的波长特定过滤器72的侧视图。

连续样本分析是为了在线观察单个样本或多个样本或处于多种特性，如不同的放大率、分辨率、宽视场、过滤器场特性等的单个样本而进行的。

在示例中，设备100的部件的操作可以通过数字装置来控制，这使得设备100对于各种应用更加用户友好，这些应用例如但不限于分析应用、诊断应用、教育和研究应用，其中，用户可用性可能不能在位置现场实现，或者用户可以通过其数字装置在设备100附近或者远离设备100来操作设备100。

在示例中，设备100可以包括一个或更多个端口，用于连接电子部件或数字装置或者向设备100的LED或其他部件供电。端口可以包括但不限于电源端口、可拆卸的基于磁性引脚的端口、USB端口、基于有线的端口、蓝牙端口、无线端口等。

如前所述，每个显微镜模块21包括具有八个至十六个透镜元件的光学透镜组件，使得光学透镜组件具有以下特性：

在从10X至2000X的范围内的总放大率，

在0.015至0.176的范围内的数值孔径(NA)，

在10至38.35范围内的半视场(HFOV)，

在1X至7.8X的范围内的光学放大率，

在3.01至23.25的范围内的艾里斑半径，

在0.8875至337.71的范围内的景深，以及

至少0.1微米或大于0.1微米的总分辨率。

表1至5列表示出了本文中描述的光学透镜组件的示例的光学参数。

表1：光学透镜组件的光学参数

表2：光学透镜组件的光学参数

表3：光学透镜组件的光学参数

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表4：光学透镜组件的光学参数

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表5：光学透镜组件的光学参数

出于描述紧凑型便携式多模式显微镜设备的光学显微镜单元的光学透镜组件的目的，印度申请号202021003723、202021010568、202121034793、202121034794和202121034795的描述通过引用并入本公开内容中。

Claims (25)

1.一种紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，包括：

包括一个或更多个显微镜模块(21)的光学显微镜单元(2)，其中，每个显微镜模块(21)包括具有八个至十六个透镜元件的光学透镜组件，所述光学透镜组件具有在10X至2000X的范围内的总放大率；

保护层(3)，其设置在所述光学显微镜单元(2)上以保护所述光学显微镜单元(2)免受物理和化学损害；

设置在所述保护层(3)上的样本保持单元(4)，其中，所述样本保持单元(4)包括至少一个隔室以保持由所述一个或更多个显微镜模块(21)进行成像的样本；

安装在所述光学显微镜单元(2)上的第一光源单元(1)，其中，所述第一光源单元(1)用于从所述光学显微镜单元(2)的外部向所述样本保持单元(4)中的所述样本提供光；以及

第二光源单元(5)，其相邻于所述一个或更多个显微镜模块(21)安装在所述光学显微镜单元(2)内部，其中，所述第二光源单元(5)用于从所述光学显微镜单元(2)的内部向所述样本保持单元(4)中的所述样本提供光。

2.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)能够相对于所述光学显微镜单元(2)移动，以改变所述样本保持单元的顶表面与所述第一光源单元的底表面之间的距离。

3.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)包括：

第一部分(12)，其能够相对于所述光学显微镜单元移动，以改变所述样本保持单元的顶表面与所述第一光源单元的底表面之间的距离；以及

耦接至所述第一部分的第二部分(13)，其中，所述第二部分至少包括光源。

4.根据权利要求3所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第二部分与所述第一部分磁耦接。

5.根据权利要求3所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第二部分能够绕所述第一部分折叠。

6.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)是点光源或扩散光源或其组合，并且可拆卸地安装在所述光学显微镜单元(2)上。

7.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)具有可变光强度、可变光波长和所述样本保持单元中所述样本上的可变光照射面积中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)包括：

具有从外侧设置的反射顶表面的光定向元件；

发光二极管，其放置在所述光定向元件的所述反射顶表面的内侧并邻近所述反射顶表面；

耦接至所述光定向元件的底表面的扩散器；以及

放置在所述扩散器中的凸透镜或平凸透镜，

其中，所述发光二极管和所述凸透镜或所述平凸透镜以如下方式相对于彼此成一直线：由所述发光二极管发射的光线直接射向所述凸透镜或所述平凸透镜，并进一步射到所述样本保持单元上。

9.根据权利要求8所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)包括：

放置在所述光定向元件的侧表面上的至少一个发光二极管，

其中，所述至少一个发光二极管的周围表面由不透明材料制成，并且

其中，由所述至少一个发光二极管发射的光线从所述光定向元件的所述反射顶表面反射，并且通过所述扩散器扩散到所述凸透镜或所述平凸透镜上，并进一步扩散到所述样本保持单元上。

10.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)包括：

具有从外侧设置的反射顶表面的光定向元件；

放置在所述光定向元件的侧表面上的至少一个发光二极管，其中，所述至少一个发光二极管的周围表面由不透明材料制成；

耦接至所述光定向元件的底表面的扩散器；以及

邻近所述扩散器放置的凸透镜或平凸透镜，

其中，由所述至少一个发光二极管发射的光线从所述光定向元件的反射顶表面反射，并且通过所述扩散器扩散到所述凸透镜或所述平凸透镜上，并进一步扩散到所述样本保持单元上。

11.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第一光源单元(1)包括：

具有从外侧设置的反射顶表面的光定向元件；

相邻于所述光定向元件的侧表面放置的发光二极管；

与所述光定向元件的底表面相邻的光引导元件；以及

与所述光引导元件的底表面相邻的扩散器，

其中，由所述发光二极管发射的光线从所述光定向元件的反射顶表面反射，穿过所述光引导元件，并且通过所述扩散器扩散到所述样本保持单元上。

12.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述第二光源单元(5)包括：

发光二极管，其中，所述发光二极管的周围表面由不透明材料制成；以及

耦接至所述发光二极管的光定向元件，所述光定向元件用于将从所述发光二极管发射的光线定向到所述样本保持单元上。

13.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述保护层(3)是波长特定过滤器。

14.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述样本保持单元(4)能够在沿着所述保护层(3)的平面的方向上移动。

15.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述样本保持单元(4)包括用于覆盖所述至少一个隔室的顶盖。

16.根据权利要求15所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述顶盖是波长特定过滤器。

17.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述样本保持单元(4)包括与所述至少一个隔室中的每一个对应的样本注射口。

18.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)包括设置在所述至少一个隔室的第一平面侧上的第一波长特定过滤器。

19.根据权利要求18所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)包括设置在所述至少一个隔室的第二平面侧上的第二波长特定过滤器，其中，所述第二平面侧与所述第一平面侧相对。

20.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述至少一个隔室包括用于所述样本的流入的入口和用于所述样本的流出的出口。

21.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)包括设置在所述样本保持单元的周围表面处的发光二极管，其中，所述发光二极管用于向所述样本保持单元中的所述样本提供光线。

22.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述光学显微镜单元(2)包括与所述一个或更多个显微镜模块中的每一个对应的聚焦平台，其中，所述聚焦平台能够移动以移动所述光学显微镜单元内的对应的显微镜模块，以调节用于对所述样本保持单元中的样本进行成像的焦点。

23.根据权利要求22所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述聚焦平台包括用于所述聚焦平台的移动的基于螺线管的布置、电磁布置、基于压电移动的布置、基于马达的布置和基于螺杆的机制中的至少一种。

24.根据权利要求22所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述光学显微镜单元(2)包括位于所述聚焦平台与所述光学显微镜单元的顶表面之间的可压缩间隔件，其中，所述可压缩间隔件用于控制所述聚焦平台的移动。

25.根据权利要求1所述的紧凑型便携式多模式显微镜设备(100)，其中，所述光学显微镜单元(2)包括与所述一个或更多个显微镜模块中的每一个对应的聚焦镜筒单元，其中，所述聚焦镜筒单元用于操作所述对应的显微镜模块以调节用于对所述样本保持单元中的样本进行成像的焦点。