一種光學均化器、高容量成像系統以及光學激發適配器的制造方法

一種光學均化器、高容量成像系統以及光學激發適配器的制造方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及在光學系統中傳播光場的系統、設備和方法。更具體地，本申請涉及從照明源產生輸出光場從而使得該輸出光場具有均勻的截面照度。
【背景技術】
[0002]顯微術在過去十年的增長趨勢是生物學樣本的自動化成像。勝于樣本的手動觀察，自動化顯微術包括樣本區域的計算機控制的自動選擇與數字成像，實現大量樣本的高吞吐量(throughput)成像而無需終端用戶輸入。
[0003]當應用于熒光標記的細胞以及獲取的圖像的自動化定量分析時，自動化成像通常被稱為HCI(High-Content Imaging，高容量成像)。具體地，HCI是基于細胞的篩選法，得到關于細胞成份和過程的時間-空間動態性的詳細信息，在基于細胞的篩選的使用中有很重要的作用以用于候選藥物的鑒定和確認。由HCI提供的信息通過提供深度生物學信息緩解了藥物發現過程中的瓶頸。與此方法相關聯的測定使用固定細胞或活細胞，取決于所需的生物學信息。
[0004]HCI—般與標記有熒光探針(諸如熒光配體)和免疫熒光探針的細胞一起使用，該探針取向朝向特定細胞目標、熒光環境的或細胞狀態傳感器，或細胞所內生表達的熒光蛋白質嵌合體。HCI的益處中的一個是它的多路傳輸的多光譜能力，多個熒光探針可被檢測，每一個熒光探針以不同的顏色發射熒光信號。
[0005]在熒光分析期間，來自熒光團激發光源的光通常被導向細胞。激發光照明該細胞，這誘發要被該細胞發射的熒光團發射光。發射光被成像和分析以確定關于該細胞的信息。為了實現多個熒光探針的檢測，熒光團激發光源可以提供多個帶寬的光。
【實用新型內容】
[0006]一種在光學系統內傳遞有精確尺寸的均勻的光場的裝置和方法。在輸入光束散度的較寬范圍上并且不管異質性，該裝置在UV、可見和NIR波長上同等良好地運行。錐形或外形均化棒在特定尺寸的目標區域處創建均勻分布的照明。
[0007]在一方面，光學均化器包括適配器、光學窗口和均化棒。光學均化器被配置為接收和均化來自具有端面的光學光導的信號。該適配器被配置為接收該光學光導。該均化棒位于適配器和光學窗口之間并且從輸入端面縱向延伸至輸出端面。輸出端面的面積比輸入端面的面積至少大三倍。均化棒從輸出端面到輸入端面逐漸變細。配置光學均化器使得當光學光導由適配器接收時，均化棒的輸入端面緊靠光學光導的端面而均化棒的輸出端面緊靠光學窗口。
[0008]光學均化器還可包括外殼，其中放置適配器、光學窗口和均化棒。
[0009]均化棒的輸入端面可牢固地壓靠到光學光導的端面。均化棒的輸出端面可牢固地壓靠到光學窗口。
[0010]均化棒的輸出端面可以比均化棒的輸入端面的面積大至少十一倍。
[0011]均化棒的輸入和輸出端面可各自成形為正方形或長方形的形式。
[0012]光學均化器可包括定位該均化棒的裝置以將該輸入端面對準光學光導的端面而該輸出端面對準光學反射鏡。
[0013]用于定位的裝置還可包括與該均化棒接觸的近端滑動件和遠端滑動件。
[0014]用于定位的裝置可包括近端彈簧、中間彈簧和遠端彈簧，這些彈簧與近端和遠端滑動件協同工作以使均化棒的輸入端面牢固地壓到光學光導的端面而均化棒的輸出端面牢固地壓到光學窗口。
[0015]在一方面，高容量成像(HCI)系統包括配置為接受多個生物學細胞的工作臺、產生激發光的激發光源、以及光學均化器。光學均化器接收來自激發光源的激發光并從中產生被用于對工作臺處的生物細胞成像的均化的激發光。
[0016]由光學均化器接收的激發光可具有圓形的斑點。均化的激發光可具有正方形或長方形的斑點。
[0017]均化的激發光的斑點尺寸可以是與被成像的細胞大約相同的尺寸。
[0018]光學均化器可以是在套管內可滑動的以將均化的激發光聚焦在工作臺處。
[0019]在一方面，光學激發適配器包括臨界(critical)照明組件和光學均化器。該光學激發適配器具有延伸穿透它的光學路徑。該光學均化器被光學地耦合到該臨界照明組件。該光學均化器包括均化棒，從輸入端面縱向地延伸至輸出端面。該均化棒在兩個端面之間逐漸變細。光學激發適配器被適配以使得(i)由光學均化器接收的激發信號穿過均化棒以產生均化的信號以及(ii)該均化的信號穿過臨界照明組件以被傳遞至樣本平面作為均化棒的均化的輸出面的像。
[0020]臨界照明組件可包括該光學均化器被插入的套管。
[0021 ] 在一方面，光學激發適配器包括集光器組件、聚光器組件和均化棒。該光學激發適配器具有輸入和輸出。該集光器組件具有一個或多個集光透鏡。該聚光器組件具有一個或多個聚光透鏡。均化棒從輸入端面縱向地延伸至輸出端面。該均化棒在輸入與輸出端面之間逐漸變細。光學激發適配器被適配以使得在該光學激發適配器的輸入處接收的光穿過該均化棒的輸入與輸出端面、該一個或多個集光透鏡和一個或多個聚光透鏡并且在輸出處離開該光學激發適配器。
[0022]該均化棒可被置于一外殼中。該光學激發適配器可包括套管，在其內接受和固定該外殼。
[0023]該外殼可以在該套管內滑動以將離開該光學激發適配器的光聚焦。
[0024]在一方面，組裝光學均化器的方法包括以下步驟:插入遠端定位器、中間彈簧、近端定位器和近端彈簧，以此順序將它們插入外殼的近端中；將光導適配器固定到該外殼的近端;插入均化棒、光學窗口和遠端彈簧，以此順序將它們插入該外殼的遠端中；以及將固位蓋(retent1n cap)固定在該外殼的遠端。
[0025]該方法還可包括將光導插入該光導適配器的步驟。
[0026]在該光導適配器被固定到該外殼的近端之前，該光導可被插入該光導適配器。
[0027]前述【實用新型內容】僅是說明性的且不意在以任何方式作為限制性的；提供本【實用新型內容】以便以簡化形式介紹將在以下【具體實施方式】中進一步描述的概念的選擇。本【實用新型內容】并不意在標識出所要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不意在用作確定所要求保護的主題的范圍的輔助。
[0028]附加特征和優點將在以下描述中闡述，并且從該描述部分地顯而易見，或者可通過本文中描述或預想的實施例的實踐而獲知。借助在所附權利要求中特別指出的儀器和組合，可實現和獲得本文中描述的實施例的特征和優點。這些特征以及其他特征將根據以下描述和所附權利要求而變得更顯而易見，或者可通過如下文闡述的對本文中描述的或預想的實施例的實踐而獲知。
【附圖說明】

[0029]各個實施例將參考附圖進行討論。應該理解到，這些附圖僅描繪了典型的實施例從而不能被視為本申請的范圍的限制。還應該理解到，這些附圖不一定按比例繪制，而且一些元素可能僅僅被簡潔明了地繪出。
[0030]在附圖中，相同的數字指示相同的元素。此外，元素的多種情況可各自包括附加到元素數字的字母。例如，特定元素“20”的兩個示例可被標記為“20a”和“20b”。在此情況下，元素標記可被使用而沒有附加的字母(例如“20”)以總地指該元素的每一個示例;而當元素標記指元素的特定示例時該元素標記將包含附加的字母(例如“20a” )。
[0031]圖1是來自圓形光導的一般形狀的輸出的強度圖。
[0032]圖2示出呈現高斯分布的光束的照明圖。
[0033]圖3A-3D是示出多種照明斑點尺寸和相應的像尺寸的結構圖。
[0034]圖4是示出照明的非均勻分布的樣本的圖像。
[0035 ]圖5A和5B示出結合本文中公開的或預想的特征的均化棒的示例實施例。
[0036]圖6A-6C示出光束在多個平面處的強度分布。
[0037]圖7是結合本文中公開的或預想的特征的光學均化器的示例實施例的透視圖。
[0038]圖8是圖7的光學均化器的截面視圖。
[0039]圖9和10示出組裝圖7的光學均化器的方法的示例實施例。
[0040]圖11示出結合本文中公開的或預想的特征的系統的示例實施例。
[0041 ]圖12是細胞成像設備的示例實施例的截面視圖。
[0042 ]圖13是圖12的細胞成像設備的簡化的截面俯視圖。
[0043]圖14示出結合本文中公開的或預想的特征的激發適配器的示例實施例。
[0044]圖15是圖14的激發適配器的截面視圖。
[0045]圖16A和16B是樣本圖像。
[0046]圖17A和17B是進一步的樣本圖像。
【具體實施方式】
[0047]如在說明書中使用的，以單數出現的詞包含其復數對應物，而以復數出現的詞包含其單數對應物，除非另外隱含地或明顯地理解到或表明。此外，理解到，對于本文中描述的任何給定成分或實施例，針對該成分列出的任何可能的候選或替代方案通常可被單獨地使用或者彼此結合使用，除非另外隱含地或明顯地理解到或表明。另外，將理解到這種候選或替代方案僅僅是說明性的，不是限制性的，除非另外隱含地或明顯地理解到或表明。此夕卜，除非另外指出，說明書和權利要求中使用的表達成份、組分、反應條件等的數字要被理解為由術語“大約”所修改。
[0048]因此，除非相反地指出，否則在說明書和所附權利要求中陳述的數值參數是近似值，這些近似值可根據本文中呈現的主題所尋求獲得的期望性質而變化。最小限度上，且不嘗試限制與權利要求同等物的教義的應用，至少根據所報告的有效數字的數目并且應用普通的舍入技術來解釋這些數值參數。盡管陳述本文所示主題的廣泛范圍的數值范圍和參數是近似值，但是在特定示例中所陳述的數值盡可能精確地來報告。然而，任何數值固有地包含必然由它們相應的測試度量中找到的標準差產生的某些誤差。
[0049]此外，如在說明書和所附權利要求中所使用，諸如“頂”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“輸入”、“輸出”之類的方向性術語在此僅被用于指示相對方向且不意在限制說明書或權利要求的范圍。
[0050]在此公開或預想的各實施例可包括或利用專用或通用計算機，該專用或通用計算機包括諸如例如一個或多個處理器的計算機硬件，如在下文更詳細地討論。各實施例還包括用于承載或儲存計算機可執行指令和/或數據結構的物理和其他計算機可讀介質。這樣的計算機可讀介質可以是可由通用或專用計算機系統訪問的任何可用介質。存儲計算機可執行指令的計算機可讀介質是物理存儲介質。承載計算機可執行指令的計算機可讀介質是傳輸介質。由此，作為示例而非限制，各實施例可包括至少兩種顯著不同的計算機可讀介質:計算機存儲介質和傳輸介質。
[0051 ] 計算機存儲介質包括RAM、R0M、EEPR0M、CD_R0M或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或可用于存儲計算機可執行指令或數據結構形式的所需程序代碼方法且可由通用或專用計算機訪問的任何其他介質。
[0052]“網絡”被定義為使得電子數據能夠在計算機系統和/或模塊和/或其它電子設備之間傳輸的一個或多個數據鏈路。當信息通過網絡或另一個通信連接(硬連線、無線、或者硬連線和無線的組合)傳輸或提供給計算機時，該計算機將該連接適當地視為傳輸介質。傳輸介質可包括可用于攜帶計算機可執行指令或數據結構形式的數據或所需程序代碼方法且可由通用或專用計算機訪問的網絡和/或數據鏈路。上述的組合應當也被包括在計算機可讀介質的范圍內。
[0053]此外，在到達各種計算機系統部件之后，計算機可執行指令或數據結構形式的程序代碼資料可從傳輸介質自動傳輸到計算機存儲介質(或反之亦然)。例如，通過網絡或數據鏈路接收到的計算機可執行指令或數據結構可被緩存在網絡接口模塊(例如，“NIC”)內的RAM中，然后最終被傳輸到計算機系統RAM和/或計算機系統處的較不易失性的計算機存儲介質。因而，應當理解，計算機存儲介質可被包括在還利用(或甚至主要利用)傳輸介質的計算機系統部件中。
[0054]計算機可執行指令例如包括使通用計算機、專用計算機、或專用處理設備執行某一功能或某組功能的指令和數據。計算機可執行指令可以是例如二進制代碼、諸如匯編語言之類的中間格式指令、或甚至源代碼。盡管用結構特征和/或方法動作專用的語言描述了本主題，但可以理解，所附權利要求書中定義的主題不必限于上述特征或動作。更具體而言，上述特征和動作是作為實現權利要求的示例形式而公開的。
[0055]本領域的技術人員將理解，各實施例可以在具有許多類型的計算機系統配置的網絡計算環境中實踐，這些計算機系統配置包括個人計算機、臺式計算機、膝上型計算機、消息處理器、手持式設備、多處理器系統、基于微處理器的或可編程消費電子設備、網絡PC、小型計算機、大型計算機、移動電話、PDA、尋呼機、路由器、交換機等等。各實施例可在其中通過網絡鏈接(或者通過硬連線數據鏈路、無線數據鏈路，或者通過硬連線和無線數據鏈路的組合)的本地和遠程計算機系統兩者都執行任務的分布式系統環境中實施。在分布式系統環境中，程序模塊可以位于本地和遠程存儲器存儲設備二者中。用于一個實體的程序模塊可位于和/或運行在另外的實體數據中心或“在云中”。在此說明書中以及在所附權利要求中，計算機系統還被定義為包括成像系統(例如圖11中的成像系統102)。
[0056]在光學中，諸如例如液體和光纖光導之類的光導被用于傳輸光束。諸如例如激光、激光二極管、LED或細絲之類的光源在必要時被準直并被引導到每個光導的輸入端中。由于光導的傳輸特性，光在每個光導的輸出端處的強度分布通常具有大致高斯分布。這表示照明在中心處最亮且隨著從中心向外移動而下降，如圖1中示出的強度曲線150描繪出。即，在與光入射正交的光導的輸出端的平面上，光在中心處的強度達到峰值且隨著離開照明的中心移動而減小。圖2示出具有這種分布的光束152的照明圖的示例。基于此高斯分布，光束152被稱為具有特定斑點尺寸(如虛線154所示)(即，束寬)。
[0057]這樣的光通常被用于照明目標或樣本以用于觀察或記錄。例如，在標準的臨界照明的顯微術或儀器系統中，光源被會聚(通常被會聚為通過該系統引導到光導中的準直光束)然后經過物鏡或聚光器聚焦到目標上。然后通過通常使用正方形或矩形傳感器的基于C⑶或CMOS的相機來采樣或記錄照射目標。
[0058]常規照明系統和聚光裝置在樣本處提供光156的圓形斑點，如圖3A-3D中所示。因為傳感器是正方形或矩形的，即使光束的圓形斑點156被優化成提供正好覆蓋目標158需要被記錄的數量的照明，落在基于CCD或CMOS的相機所成像的區域外部的許多可用照明光還是被浪費了。例如，如圖3A和3B中的灰色區域所示，當使用正方形傳感器時，未使用或浪費大約35%的可用照明光，當使用矩形傳感器時浪費甚至更多。
[0059]對于多波長光學系統，透鏡必須適應所有使用的波長。因此，傳遞到目標平面的照明光的最小光斑尺寸必須至少與每個波長所創建的每個最小光斑或光束組合之前的光學裝置一樣大。這在目標處需要較大的光斑尺寸(如圖3C與3D中所示)，甚至導致更多的照明光損失。損失的嚴重性取決于照明與物鏡的特定透鏡設計。
[0060]如果不調節，臨界照明系統中的照明光保持光源固有的一般高斯分布，例如，如圖2所示的光導的輸出。從視場的中心到角落的強度的這種變化是顯而易見的，影響圖像的美學、信噪比、以及覆蓋比系統或物鏡視場大的目標區域的圖像組的空間連貫性。圖4是由這些標準的臨界照明的顯微術系統中的一個所記錄的實際圖像樣本160。由于一般高斯強度分布，圖像的中心部分很亮而圖像的亮度朝向邊緣減小且在角落幾乎不存在，這反映了上述問題。
[0061 ]均化或均勻地分布照明光的一個標準方法是增加光斑尺寸，從而目標區域僅接收光束的中心附近的更加均勻分布的強度(由虛線指示)。利用高功率激光器，這可通過擴大和使用中心10%的光束作為覆蓋目標的斑點來實現，放棄了大量的可用光。這需要顯著的功率量，因為照明斑點被放大以將光束的較小中心區域應用到取樣的區域，所以應用的功率隨著放大率增加而顯著下降。并且，在目標區域的外部可能有激發熒光團的不期望效果，導致在隨后玷污的樣本中觀察到的光毒性和光漂白。利用非相干源，在整個視場上獲得類似的可接受強度會在光束到達目標平面之前引起70%或更多的總體光束功率的損失。此夕卜，盡管強度在光束的中心10%上更加均勻，強度仍然不是完全均勻的。
[0062]另一個標準方法是使用非球面聚光透鏡。這些透鏡可幫助抵消光的空間不均勻性，由于透鏡表面的非球面曲率有助于抵消不規則的強度分布。不幸的是，諸如LED和細絲源之類的很多光源以非常寬的角發射光，需要大的非球面透鏡以用于光的最佳收集。這些較大的非球面透鏡是昂貴的，波長特定于最佳效果，而且不易獲得。
[0063]在許多傳統臨界照明系統中發現的另外的缺陷是源結構保留。即，收集的光束可能保留來自用于產生光束的光源的結構。當幾乎使用任何光源(包括，例如準直的或不準直的激光器、LED、細絲或任何其他源)時，這都會發生。當光束被重新聚焦到樣本平面時，結構會變得可見。照明可被輕微地散焦以使光源的結構較不明顯，但這可進一步降低目標觀察區域的角落處的照明強度。
[0064]此外，具有多波長能力的傳統照明系統是體積大的系統。對于大多數光源，例如激光器、激光二極管和LED，每種波長由單獨的元件產生。來自這些元件的發射必須被捕捉，然后被合成到單個輸出中以用于耦合到外部系統或光學路徑。基于源的細絲可引起大量熱量，因此需要空氣流動的空間來冷卻圍繞細絲燈泡的區域。雖然這些照明源可在物理上與主光核心附連或集成，但它們通常由于靈活的液體或光纖光導的使用而分離。
[0065]透鏡可被用于將照明光聚焦到光導的端中，然后設置耦合器以調節在進入點處離開光導到主光學儀器的光束。
[0066]經由光導將光傳輸足夠的距離(例如1-2米或更大)可具有顯著但不理想的均化效果，從而當光束離開光導時從光束中大部分地去除了產生光的元件的結構。然而，如上所述，離開的光束仍與光導的輸入端處的光一樣具有相同的圓形形狀和近似高斯強度分布。此外，對于產生廣范圍波長的源，必須適應波長的整個范圍，基于現有實際透鏡設計限制，這要求光導具有更大的直徑。例如，對于傳播穿過光纖的芯的單個波長，使用現有技術，最小芯直徑可以是6到10微米，但對于多波長，芯直徑必須被相當大地增加到大約150到1500微米以供實際使用。而且隨著光纖尺寸增加，從目標區域的中心到邊緣所觀察到的強度差異變得更加明顯。
[0067]HCI系統的用戶通常要求朝向它們的視場的角落的最小強度下降(例如小于大約15%)。在一些情況下，此要求甚至可以更高。例如，在一些情況下，所觀察到的下降必須可忽略不計(例如小于大約5%) C3HCI系統滿足這些要求會是有挑戰的。取決于產生光的主要部件、以及用于將光傳遞至預期的目標區域的導管或透鏡，每種照明源呈現不同的色散模式。當光學設計者想要傳遞均勻性但無法精確地知道照明源將如何不規則時，結構、強度分布和波長中的變化造成了挑戰。這使得難以優化目標區域處的照明的均勻性而最大化傳輸效率。
[0068]為了解決此問題，一些較高質量的照明系統使用柯勒(Koehler)照明。柯勒照明需要透鏡和孔徑的特定安排來確保完全散焦的光的斑點被傳遞到目標區域。盡管柯勒照明產生樣本的均勻照明并確保照明源的圖像在所得圖像中不可見，它代價很大。例如，在樣本平面產生具有正方形或矩形斑點的柯勒照明需要附加的光學元件，可顯著地增加光學路徑長度且相當昂貴。另外，柯勒照明比臨界照明較不穩定，需要孔徑的頻繁校準以確保防止光源的圖像到達目標。而且再一次，均勻性伴隨著降低的效率。此外，柯勒照明產生圓形照明分布，該圓形照明分布由如前所述的CCD或者照明光學路徑中的孔徑所限制。任一方式，由于圓形-正方形/矩形不匹配仍然導致35%或更大的強度損失。
[0069]特定幾何結構的光傳輸棒或光管(本文中被稱為“均化棒”或簡稱“棒”)可解決上述問題中的一個或多個。此棒應用全內反射的物理概念以將聚焦到輸入端中的光轉化為更加均化的輸出光，與波長相對無關。多次重疊的全內反射發生在棒內，提供比得上光導所獲得的均化作用的效果，而沒有中心強度峰值。另外，均化棒比靈活的光導具有較少的損失且需要較小的空間。此棒還比光導或大非球面透鏡更加容易地安裝和對齊。相對于液體或光纖光導的“高斯式”輸出，去除了光中的空間結構而且均化棒的輸出具有非常高的空間均勻性。此外，棒的形狀可匹配CCD或CMOS成像器的正方形或矩形形狀。
[0070]圖5示出根據一個實施例的均化棒170ο均化棒在輸入端172與輸出端174之間縱向地延伸，輸入端面176和相反的輸出端面178分別位于輸入和輸出端172、174。輸入和輸出端面176和178彼此具有相似的形狀，在此情況下為正方形。也可基于視場的期望形狀來使用其他形狀，例如矩形。在一個實施例中，形狀被選擇成匹配記錄傳感器的形狀。為了形成正方形，輸入端面由等長度的四個邊緣180(180a-180d)來限制邊界而輸出端面178由等長度的四個邊緣182 (182a-l 82d)來限制邊界輸出端面178的邊緣182的長度比輸入端面176的邊緣180的長度大，而在一些情況下大很多。因此，雖然兩端面具有相同的形狀，它們具有不同的尺寸;輸出端面178的面積比輸入端面176的面積大，而在一些情況下大很多。這種尺寸不匹配可提供很多優點，如下所述。如果需要的話，兩個端面可具有相同的尺寸;但可能失去尺寸不匹配的很多優點。
[0071]均化棒170進一步包括多個側面184(184a-184d)，每個側面在輸入和輸出端172和174之間縱向地延伸。每個側面184從輸入端面176的不同邊緣180縱向延伸至輸出端面178的對應邊緣182，且在鄰接的側面之間橫向延伸。如此，均化棒170是截頂金字塔的形態，具有從輸出端174到輸入端172逐漸變細的正方形橫截面。
[0072]均化棒170的形狀被設計為向正方形視場有效地提供均勻分布的強度。因為棒170具有正方形輸出端面178，從中輸出的光具有正方形分布，從而下游光學裝置可傳輸聚焦成正方形形狀的光而無需進一步操作。這本身使系統的效率增加至少35%，因為圓形照明光在正方形視場上固有的浪費的光(關于圖3A和3C所討論的)不再存在。當期望矩形視場時，相應的矩形形狀的輸出端使系統的效率增加甚至更大的量，如上所述。
[0073]由于此棒依靠全內反射(TIR)，歸因于全內反射對于高度發散光束的限制，此棒可引入顯著的損失。為了補償受TIR限制的效率，輸入端172的截面尺寸可被制成能夠捕捉輸入光的最小尺寸。在一個實施例中，該尺寸對應于輸入光纖的尺寸。例如，當使用傳統單模光纖作為輸入時，輸入端面176的邊緣的長度可在大約7微米和大約10微米之間，而當使用傳統多模光纖作為輸入時，邊緣180的長度可以在大約80微米和大約2000微米之間。
[0074]為了進一步增加TIR的效率，棒170的輸出端174的截面尺寸可比輸入端172的尺寸大(即輸入端面的面積可大于輸出端面的面積)，而在一些情況下大很多。這增加了可內部反射的光的數量。在一個實施例中，輸出端面的尺寸可與期望視場和/或記錄傳感器大約相同的尺寸。通過使輸出端面的尺寸與要被照明的視場的尺寸平衡，棒下游的透鏡可被選擇成提供最佳通過量，而不是如傳統系統中的基于充滿目標區域所需的放大量。這進一步增加系統的效率，并且避免對光的分布加重內在的不規則性。盡管錐形棒(即輸出面比輸入面大)的使用降低離開棒170的光的數值孔徑(NA)，但這可以是有利的，因為較低NA光更加易于有效地準直并傳遞至物鏡。
[0075]均化棒170可以如5mm那樣短和如所需那樣長。在一些實施例中，均化棒170長度上可在30mm與200mm之間，優選40mm至100mm。其他長度也是可以的。通常，較長的長度提供較好的均化光但呈現較高的損失，而較短的長度較好地保留總體強度但沒有那么均勻。輸入端面的每個邊緣的長度可以在大約0.005mm和大約15mm之間，優選大約Imm至大約3mm。因此，輸入端面的面積可以在大約0.000025mm2和大約225mm2之間，優選大約Imm2至9mm2。
[0076]輸出端面的每個邊緣的長度可以在大約0.32mm和大約32mm之間，優選大約Imm到大約1mm。因此，輸出端面的面積可以在大約0.1mm2和大約100mm2之間，優選大約Imm2至100mm2。其他面積也是可以的。另外，輸出端面的面積可為輸入端面的面積的大約I倍和大約1000倍之間，優選I倍到10倍。在一個實施例中，輸出端面的面積大于輸入端面的面積至少3倍。在一個實施例中，輸出端面的面積大于輸入端面的面積至少11倍。
[0077]某些均化棒幾何結構可能不提供高效率結果，但每個唯一的系統設計可針對高效率結合特定的錐形、長度和端面尺寸。拋物面或球面的進入與離開表面也可被使用，并且可能夠減少均化棒的下游透鏡。
[0078]均化棒170包含光可穿透又具有高內部反射率的材料。作為示例，可使用玻璃、塑料等。例如，融合的二氧化硅和N-BK7是可用于均化棒170的兩種普通玻璃材料。其他材料也是可以的。如果需要的話，均化棒170的側面184可被涂敷反射性材料以防止可能影響照明圖案的雜散光進入光學路徑，盡管這不是要求的。替代地或結合地，可使用護罩，諸如在下討論的。但這也不是要求的。
[0079 ]當經過輸入端面176輸入圓形光束時，光經過棒170縱向地傳播到輸出端174，隨著它接觸側面184在內部反射。作為內反射的結果，發生了棱鏡效應，使得所得的離開光束分布(光瞳平面)包含散焦的和分布的(在樣本或目標平面)輸入光束的多個圖像的陣列。
[0080]圖6A-6C不出多個反射的不例。圖6A和6B不出光束的強度分布，該光束傳播經過并離開臨界照明方案中的均化棒170 ο如圖6A所示，當光束在輸入端面176處進入棒170時，它呈現一般高斯分布190。在傳播過棒170之后，光經過輸出端面178離開該棒，呈現圖6B中所示的分布192。此外，棒的輸出光瞳平面分布包括3x3陣列(對于此特定棒幾何結構)中的輸入光束的多個圖像，如圖6B所示。注意，陣列中的圖像中的每個呈現與陣列中的其他圖像相似的強度。如此，輸出平面分布192比輸入端面分布190示出更加均勻的強度分布并且未呈現相同類型的中心強度峰值。
[0081]離開的光遠離輸出端面178傳播且經由標準的臨界照明光學裝置傳播到位于輸出端面遠處的樣本平面，陣列圖像彼此混合和融合在樣本平面。在樣本平面，光束呈現圖6C中示出的強度分布194，匹配輸出端面的尺寸和形狀。如圖所示，樣本平面分布194不再包括圖像的陣列。相反，樣本平面分布194具有非常高的均勻性，強度級均勻地分布在整個剖面上。另外，棒170的尺寸和形狀使樣本平面處的輸出光束具有與輸出端面的尺寸和形狀匹配的照明斑點尺寸和形狀。因此，棒170將具有高度非均勻化的強度分布的小的圓形輸入光束轉化為具有高度均勻化的分布且匹配可用圖像區域的較大的正方形輸出光束。
[0082]因此，輸出光束可比輸入光束提供更加均勻的照明以照明目標且可被優化成將照明僅提供至需要被記錄相機的正方形傳感器記錄的目標量，導致較大的效率。因此，由原始光源提供的總信號強度可較小，由此需要較低的功率來產生它。
[0083]如上所指出，均化棒170比常規用于均化照明光的其他設備具有較少的損失且需要較少的空間。另外，棒170可在數十毫米內獲得此效果，而不是數米。在臨界照明方案中使用均化棒170的均勻輸出在樣本平面中導致非常高的均勻性，而且照明斑點尺寸和形狀匹配棒的輸出端面178。如下反映出，即使輸出在光瞳平面(角空間)具有非常低的均勻性，如圖6B所示，但在樣本平面的均勻性是非常高的，如圖6C所示。
[0084]為了使均化器棒適當地工作，它必須對準輸入光源。在一個實施例中，光源直接地或者通過透鏡、反射鏡和其他光學設備向棒提供光信號。例如，可通過粘合劑、夾具、連接器或其他固定方法將用作光源的LED固定到棒的輸入端面以向該棒直接地提供光信號。在另一個不例中，來自LED的信號可使用聚光透鏡和反射鏡以使該LED光變成入射在棒的輸入端面上。例如以與如前完成的類似的方式可實現將LED光聚焦在多模光導的端上。
[0085]在另一個實施例中，光導被用于將光束運載到棒。圖7-10示出根據本實用新型的光學均化器200，配置為從諸如光纖光纜之類的光導202接收輸入光束。光學均化器200包含中空的通常圓柱形的外殼204，其中可放置均化棒。外殼204從近端206縱向延伸至遠端208。光導適配器210，諸如例如光纖適配器，位于外殼204的近端206。適配器210成形為并按尺寸設計為接受和可釋放地固定光導。如圖8中示出，適配器210被配置為接受具有光纖202的暴露端面214的光纖連接器212。可通過任何期望的附連裝置(諸如通過螺紋(threaded)連接、卡銷(bayonet)連接、壓配連接、粘合劑等)將適配器21附連到外殼204。在所示的實施例中，適配器210和外殼204具有配合螺紋(未示出)從而使得適配器可被固定到外殼。
[0086]光學窗口 216位于外殼204的遠端。光學窗口 216為光束可穿過的玻璃或塑料的一般盤狀件。為了最佳性能，光學窗口可具有與均化棒170相同或相似的折射率。
[0087]均化棒(諸如上述的均化棒170)位于外殼204內適配器210與光學窗口216之間，從而當光導連接器212被接受到適配器210內時，棒170的輸入和輸出端面176和178分別鄰接或直接接觸光導端面214和光學窗口 216。因此，以與上文所討論的類似的方式，來自光導202的變化強度的圓形光束可經由輸入端面176進入均化棒170，并且被轉化為更加均勻分布的較大的正方形或矩形光束，該光束經由輸出端面178離開均化棒170并且穿過光學窗口216。如果需要的話，折射率匹配液可被用在棒170的輸入和/或輸出端以增加輸入端面176與光導端面214之間的以及輸出端面178與光學窗口 216之間的效率。外殼204可用作均化棒170周圍的護罩以防止雜散光進入光學路徑，可能影響照明圖案。如上所述，棒170的側面184可替代地或與護罩結合地包括涂層。
[0088]光學窗口提供了獨特的益處。它可被用于在外殼204內固定均化棒170，同時允許來自均化棒的整個輸出面的光從中穿過。彈簧等可被用于輔助光學窗口216來固定均化棒170，如在下文中討論。另外，光學窗口可被用戶使用來操縱棒170而不直接觸摸該棒。由直接接觸而非故意地轉移到棒的任何油或其他材料可不利地影響該棒的性能，由于其反射屬性中的變化。因此，能夠操縱該棒而沒有直接接觸可以是非常有益處的。非光學夾具可被用來代替光學窗口 216，但是可能失去使用光學窗口的很多益處。
[0089]蓋218位于外殼204的遠端208以將多種部件保持在該外殼內。蓋218形成通過它完全延伸的孔徑220的邊界。因此，在穿過光學窗口 216之后，離開光束可穿過孔徑220以離開光學均化器200.可通過任何期望的附連裝置(諸如通過螺紋連接、卡銷連接、壓配連接、粘合劑等)將蓋218附連到外殼204。在圖示的實施例中，使用螺釘222將蓋218附連到外殼204。
[0090]光學均化器200進一步包括關于光導202定位均化棒的裝置。定位該棒的裝置可將棒170軸向地對準光導連接器212和/或縱向定位棒170從而使得輸入端面176鄰接并壓靠光導端面214。出于上述的目的，棒170與光導連接器212的軸向對準意味著棒170的光軸與光導連接器212彼此對準。
[0091]為了軸向對準棒170，使用一對定位器230、232。定位器230和232分別定位均化棒170的輸入和輸出端172和174從而使得均化棒170的光軸與光導連接器212彼此對準，如圖8所示。定位器230、232可通過被分別稱為近端定位器230和遠端定位器232來區分。
[0092]每個定位器按尺寸設計為保持在外殼204內的同一軸向位置，而與定位器的縱向運動無關。如此，每個定位器在形狀上一般為圓柱形并且被設置在外殼204中的對應圓柱形孔234內。每個定位器是中空的以允許棒170從中穿過。近端和遠端定位器230和232分別接觸和固定棒170的輸入和輸出端172和174以將棒170軸向地置于中心。因此，棒170可保持與光導連接器212軸向地對準。
[0093]這可通過數個方式來實現。例如，在一個實施例中，使用一個或多個臂。分別在近端定位器和遠端定位器的近端和遠端:一個和多個臂可朝向棒170向內軸向地延伸。該臂按尺寸設計成并被設置成接觸棒170以將該棒170軸向地置于中心。數個臂可針對每個定位器而變化。在另一個實施例中，可使用圓形端壁來代替臂。圓形端壁可在一個或兩個定位器上向內軸向地延伸以接觸棒170。在一個實施例中，圓柱形壁本身可接觸棒170。在圖示的實施例中，近端定位器230采用多個臂，而遠端定位器232自身使用圓柱形壁。
[0094]為了軸向地定位棒170，使用多個彈簧。在圖示的實施例中，使用近端彈簧240、中間彈簧242和遠端彈簧244。遠端彈簧244被設置在光學窗口 216的遠端并且將光學窗口 216緊緊地推壓均化棒170的輸出端面178。這種接近力經由均化棒170延伸從而使得輸入端面176推壓著光導端面214。如此，可使用單個遠端彈簧244而無需其他彈簧，如果需要的話。
[0095]然而，通常期望光導端面處有最小的接觸力以改進與它的光學連接。因此，可期望最小化均化棒170與光導202之間的接觸力而保持較大的力將光學窗口 216推壓棒170的輸出端面178。實現此目的一個方式是使用近端和中間彈簧240和242來吸收由遠端彈簧244導致的輸入力中的一些。在圖示的實施例中，以分別在近端和遠端定位器230和232引起回推(pushback)遠端力的方式將近端和中間彈簧240和242設置在外殼204中。在一個實施例中，合成的回推遠端力近似等于由遠端彈簧244施加的近端力從而使得棒170的輸入端面176鄰接但不推壓光導202的端面214。在一個實施例中，合成的回推遠端力小于由遠端彈簧244施加的近端力從而使得棒170的輸入端面176輕微地推壓光導202的端面214。
[0096]定位均化棒170的其他方式也是可以的。
[0097]圖9和10示出根據一個實施例的組裝光學均化器200的方法。如圖9所示，遠端定位器232、中間彈簧242、近端定位器230和近端彈簧240以此順序被插入外殼204的近端。然后，例如通過螺紋連接將適配器210固定到外殼204的近端。如圖10所示，一旦適配器210被固定到外殼204，均化棒170、光學窗口 216和遠端彈簧244就以此順序被插入外殼204的遠端。然后，例如使用螺紋緊固件將保持蓋218固定到外殼204的遠端。一旦組裝好，光學均化器200就準備好經由適配器210接收光導202的端。在一些實施例中，直到光導已經被接收在適配器210中時，才組裝光學均化器200。
[0098]圖11示出可使用本文中公開或預想的均化棒和/或光學均化器的示例性系統100。在此系統的中心是定量的高容量細胞成像系統102，其中掃描和分析生物細胞。示例性細胞成像系統102包括但不限于成像設備104和計算設備106。
[0099]成像設備104包括安裝在顯微鏡組件110上的工作臺外殼108。工作臺外殼108被配置為容納需要用來定位樣本板(諸如例如96-孔板(96-well plate))或包含細胞的載玻片的部件，從而顯微鏡組件110可對細胞成像以允許執行細胞的高容量篩選，如本領域技術人員已知。從成像獲取的數據的分析和儲存可通過成像設備104與計算設備106結合來執行。
[0100]計算設備106可被用作系統的控制器以及用于自身或結合成像設備106執行成像設備104所獲取的數據的分析和/或儲存。計算設備106可包括通用或專用的計算機或服務器等(如上所定義的)或任何其他的計算機化設備。計算設備106可與成像設備104直接或經由網絡通信，如在本領域中已知。在一些實施例中，計算設備106被集成在成像設備104內。
[0101]系統100還可包括用戶顯示設備112以顯示結果和/或系統配置。成像設備104和/或計算設備106可與用戶顯示設備112直接地或間接地通信。
[0102]通常安排在成像設備104中的光學配置在相機上產生細胞的放大圖像以記錄細胞樣本的高分辨率圖像。具體地，上文中討論的配置提供了一種不僅實現如本領域技術人員已知的“寬場”顯微術而且實現光學切片能力的系統。這可包括例如在細胞的范圍上掃描照明的焦點和焦線的標準共焦顯微術。這些能力可與成像算法耦合，輔助提供如由相機記錄的所需圖像。
[0103]在一個實施例中，將本文中描述的方法步驟中的一個或多個執行為軟件應用。然而，實施例不限于此而且還可在固件、硬件或固件、硬件和/或軟件的結合中執行方法步驟。此外，方法的步驟可全部或部分存在于成像設備104、計算設備106和/或其他計算設備。
[0104]此系統的設備的操作環境可包含或利用具有一個或多個微處理器和系統存儲器的處理系統。根據計算機編程領域技術人員的實踐，參考處理系統所執行的操作或指令的行為和符號表示來在下文描述實施例，除非另外指出。這種行為和操作或指令被稱為“計算機執行的”、“CPU執行的”或“處理器執行的”。
[0105]圖12和13分別示出成像設備104的示例性實施例的側視圖和俯視圖。圖12顯示內部平臺設計的一般橫截面側視圖。通常，成像設備104集成了需要用來定位包含生物細胞的HCS樣本板116的部件，從而顯微鏡組件110可執行生物細胞的高容量拍攝。
[0106]工作臺外殼108包含以與組成顯微鏡組件110的部件在光學上和機械上合作的方式安裝的工作臺組件114。工作臺組件114一般包括可設置HCS樣本板116的工作臺，以及用于選擇性地移動該工作臺以便觀察的工作臺定位機制，如在本領域中已知的。
[0107]在圖示的實施例中，顯微鏡組件110容納可被用于從樣品的底部執行樣品樣本板116上的樣品的拍攝的倒立的顯微鏡。該顯微鏡包括物鏡組件118，其包含如本領域已知的多個物鏡以獲取樣品的放大視圖。每個物鏡可對應于不同的放大水平。在一個實施例中，包含至少三個標準的物鏡。如果需要的話，還可包含額外的物鏡。示例標準的物鏡可包括1x/
0.4NA、20x/0.45NA和40x/0.6NA光學規格。示例額外的物鏡可包括2x/0.08NA、4x/0.16NA和20x/0.7NA光學規格。也可使用其他放大水平和物鏡類型。
[0108]此顯微鏡還包括機械地耦合到顯微鏡物鏡組件118的聚焦驅動機制120。物鏡組件118可經由聚焦驅動機制120關于工作臺組件114上移和下移(即在z方向上)以將顯微鏡物鏡組件118的物鏡中的任一個對準和聚焦在生物細胞上，該生物細胞被設置在樣品樣本板116中。聚焦驅動機制120可被配置有步進電機和螺釘/螺母組合，降低消隙(ant1-backlash) 以提供例如低至 0.006-μπι/微步的分辨率以支承配置在成像設備 104 中的顯微鏡物鏡。
[0109]盡管本文中的討論針對倒立的顯微鏡配置的使用，要理解的是非倒立的顯微鏡配置可替代地用于從細胞的上方執行拍攝。此外，盡管本文中討論的顯微鏡組件110是定制的，當需要時可集成其他的常規顯微鏡配置，諸如例如，由德國Goettingin的卡爾蔡司微成像公司(Carl Zeiss MicroImaging，Inc.)制造的Ax1vert 200M。在一些實施例中，根本不需要顯微鏡。
[0110]顯微鏡組件104還包括多種已知的部件，用于產生和記錄經由物鏡所獲得的樣品的圖像。這些部件可包括，但不限于:
[0111]?圖像記錄器122，諸如例如單色C⑶或CMOS相機，
[0112]?熒光團激發源124，諸如例如包含多個發光二極管(LED)的光引擎，
[0113]?過濾激發和發射光的光學濾光片，諸如例如多位置二向性濾光片輪128和多位置發射濾光片輪130，以及
[0114]?引導激發光和發射光經過顯微鏡組件的光引導設備，諸如例如特蘭(telan)透鏡132、折疊反射鏡134(例如90度折疊反射鏡)和一個或多個光管。
[0115]上述部件中的一個或多個通常由計算設備106控制來允許自動成像。通常安排在成像設備104中的光學配置在圖像記錄器122上產生細胞的放大圖像從而可記錄細胞樣本的高分辨率圖像。具體地，上文中討論的配置提供了一種不僅實現如本領域技術人員已知的“寬場”顯微術而且實現光學切片能力的系統。
[0116]在一個實施例中，特蘭透鏡I 32是近紅外(NIR)增強透鏡(例如O IympusTriplet)，其被設計成當與期望的發射波長一起使用經配置的物鏡中的任一個時在從藍到NIR的可見光譜的全部范圍上增強成像設備104的性能，將在下文中討論。
[0117]顯微鏡組件104可包括光學均化器(諸如光學均化器200)以將激發光轉化為具有更加均勻分布的照明強度并且具有與所記錄視場的形狀匹配的形狀的激發光束。另外，輸出端面的尺寸可被選擇成匹配所記錄視場的尺寸。
[0118]為了熒光分析，熒光團激發源124產生激發光以用于照射細胞并使細胞誘發熒光團發射光。隨著激發光穿過系統，激發光具有呈一般高斯強度的一般圓形。熒光團激發源124可以是多LED光引擎，其與由二向性濾光片輪128和發射濾光片輪130提供的經配置的激發濾光片合作地工作，二向性濾光片輪128和發射濾光片輪130兩者可被計算機驅動以選擇期望的濾光片。來自熒光團激發源124的激發光可被傳遞通過光學均化器以將該激發光轉化到更加有效的光，例如以上述方式。
[0119]作為操作的一般方法，熒光團激發源124可被自動或手動地定向成提供范圍從紫(例如380nm)到近紅外(例如至少700nm)的多個帶寬的光并且被設計成激發熒光團，諸如例如藍綠熒光蛋白質(CFP)和遠紅(即近紅外)熒光團。
[0120]使用系統100，可執行細胞的熒光分析。為了執行此分析，工作臺組件114首先將樣本板116移動到位置，其中微孔(micro-well)的期望特定部分或載玻片的特定部分在給定光路中。
[0121]圖13的俯視圖圖示進一步示出顯微鏡組件110內的示例部件的落射熒光路徑。如圖12和13示出，根據關于樣本板116中熒光標記細胞的應用，熒光團激發源124發射具有期望的系統波長帶寬的光束，該光束由光纖傳遞系統中繼(如圖13中的大方向箭頭136示出)。圓形的一般高斯形狀的激發光束被光學均化器200接收并轉化(例如以上述方式)為具有均勻分布強度的較大正方形形狀的激發光束。
[0122]使用多種光學裝置的照明適配器138來引導均化的激發光束，該均化的激發光束沿著激發光路140(如由包含斜杠的箭頭在圖12和13中指示)被進一步引導，直到被設置在多位置二向性濾光片輪128中的期望的二向性部件142 (圖13中示出)所接收為止。針對由熒光團激發光源124所提供的特定帶寬的波長來設計和自動地軟件選擇二向性部件142。二向性部件142將均化的激發光束引導到90度折疊反射鏡134.此后，如圖12所示，均化的激發光沿著激發光路140經過特蘭透鏡132和物鏡組件118向上繼續至設置在樣本板固定器116中的細胞。
[0123]均化的激發光在設置在樣本板固定器116中的細胞中誘發熒光。誘發的熒光從細胞經由落射熒光布置沿著穿過物鏡組件118和特蘭透鏡132的路徑144 (由圖12和13中的深色箭頭示出)返回，直到被90度折疊反射鏡134接收為止。如圖12中特別示出，折疊反射鏡134引導誘發的熒光返回到二向性部件142，允許誘發的熒光沿著例如穿過額外的光學部件的路徑144繼續返回。然后通過安排在發射濾光片輪組件130中的配置的濾光片光學地過濾誘發的熒光，而經過濾的誘發熒光經由相機122捕捉并記錄為圖像。由于激發光強度的均勻分布，誘發的熒光在整個圖像上表現真實的強度水平。
[0124]均化棒在臨界照明的光學系統中的使用可比常規的臨界光學系統提供獨特的益處。例如，可獲得高達100%的通過量，具有近乎完美的均勻性。相反，常規的臨界照明的設計僅可實現最好64%效率，且在視場的角落總強度急劇下降。由于高的通過量，LED系統可被用于共焦照明，而在目標場照明中沒有顯著的暴露時間或不規則性。另外，盡管一些“頂帽”光學裝置目前可用于單個波長，他們不能為常規的寬帶解決方案提供期望的效率。正方形光纖目前也是可用的，但在直徑上受限。這種尺寸限制要求非常昂貴的和精確的聚焦光學裝置以將UV和NIR光兩者有效地傳遞到光纖的端中。本文中所討論或預想的實施例克服與寬帶照明相關聯的這些標準問題，并且可兼容工業標準的光導系統。另外，因為離開均化棒的光不是高度發散的，不需要大的快的光學裝置來確保可用光的捕捉和準直。
[0125]本文中所討論或預想的實施例也可比常規的基于科勒的系統提供獨特的益處而提供類似水平的均化。如上所討論，常規系統可使用科勒組件來均化光束。在臨界照明系統中提供類似水平的均化(如可使用本文中討論或預想的均化棒來實現)比基于科勒的系統提供很多優點。最明顯的一個是科勒組件可被省略，由此節約大量的錢，尤其因為用于產生科勒照明的集光器和聚光透鏡是昂貴的且通常難以獲得。另一個優點是導致更加簡單的系統。除了由省略科勒組件所獲得簡化，常規科勒組件通常在使用期間需要經常的孔徑校準，而在臨界照明系統中不需要該校準。
[0126]圖14和15示出根據一個實施例的激發適配器250，集成了均化棒。激發適配器250包括臨界照明組件252，從光學均化器200接收輸出光束。如圖15所示，臨界照明組件252包括激光器組件254，收集輸入光束并將其聚焦到小孔徑256和進一步操縱聚焦光束的聚光器組件258上。反射鏡組件260被設置在激光器組件254與聚光器組件258之間以當光流過臨界照明組件252時改變光軸的方向。來自均化的臨界照明組件的輸出具有非常均勻分布的強度。集光器組件254包括位于集光透鏡管264內的一個或多個集光透鏡262而聚光器組件258包括位于聚光透鏡管268內的一個或多個聚光透鏡266。
[0127]為了最大化效率，可選擇或設計透鏡使得從激發適配器250輸出的光信號的橫截面尺寸基本上等于物鏡/相機的視場的尺寸。這種系統可提供徹底充滿視場的光束而沒有任何光由于照射到視場的外部而浪費。但是為了容易制造，橫截的光信號尺寸可選擇性地大于視場。例如，在一個實施例中，橫截的光信號尺寸可大于視場達到10 %。盡管這可允許少量的光信號照射視場的外部，它也允許放松制造容差，改進了可制造性。
[0128]臨界照明組件252包括套管形式的輸入端口270以用于接收和對準光學均化器200 ο由于光學均化器200在套管270中的定位，來自光學均化器200的輸出光束變成臨界照明組件252的輸入光束。光學均化器200軸向滑動進入輸入端口 270，允許調節在其中產生的光斑的焦距。因此，可通過在輸入端口 270內縱向移動光學均化器200而在樣本平面處觀察圖像來把照明精密地聚焦在樣本平面處。一旦光學均化器200位于期望的縱向位置處，固定機制就把光學均化器200固定在套管270中。例如，在圖示的實施例中，使用了一對固定螺釘(未示出)。在此組裝形式中，臨界照明組件252將從光學均化器200輸出的最初均化的信號傳輸到顯微鏡，因此傳輸到圖像平面。
[0129]如上所討論，常規科勒組件被用于均化光束。然而，在其中使用的激光和聚光透鏡必須很大和很厚且具有嚴格的容差水平以從一般高斯輸入信號產生均勻的分布。如此，這些光學元件是昂貴的且可能難以獲得。此外，常規科勒組件可需要孔徑的頻繁校準，由于極其緊密的容差。
[0130]相反，臨界照明組件252的部件可比常規科勒組件小且具有較不嚴格的容差水平。此外，放松的容差可導致較不頻繁的孔徑校準。
[0131]另外，因為離開光學均化器200的光不是高度發散的，離開光學均化器200的光不需要大的快的光學裝置以確保所有可用光的捕捉和對準。
[0132]以類似上文所討論的方式，與HCI系統100類似的HCI被用于記錄細胞所誘發的熒光團發散光。與光學均化器200類似的光學均化器被用于產生均化的照明光。在光學均化器中使用的均化棒由N-BK7玻璃制成，具有60mm的長度，且具有邊緣長度分別為1.5mm和5.0mm的正方形輸入和輸出端面從而端面面積分別為2.25_2和25.0_2。出于比較的目的，利用和不利用系統中安裝的光學均化器對細胞成像。如此，激發細胞且使用均化的和偉均化的激發源光束來對誘發的熒光成像。
[0133]圖16A和16B各自示出使用未均化的和均化的激發光源光束在一個HCI時期分別獲得的16個圖像280(280a-280p)、282(282a-282p)的陣列。每幅圖是表示在成像期間成像的16個染色組織玻片的4x4陣列。圖16A中示出的16個玻片表示與圖16B中示出相同的16個玻片。如圖所示，使用均化的激發源光產生的圖像282比使用未均化的激發源光產生的圖像280呈現更加均勻分布的光強度。由于均勻的分布，圖像282的多種特征比圖像280上的更加突出，尤其在角落處。另外，圖像282之間的關聯的差異和相似點比圖像280之間的更加容易實現。總之，使用均化的激發源光產生的圖像282具有較高的質量且呈現更均勻的照明，因此當被分析時可產生更準確的結果。
[0134]圖17A和17B示出使用未均化的和均化的激發源光束在另一個HCI時期分別獲得的圖像290、292。再次，使用均化的激發源光產生的圖像292比使用未均化的激發源光產生的圖像290呈現更加均勻分布的光強度。再次，由于均勻的分布，圖像292的多種特征比圖像290上的更加突出，尤其在角落處。
[0135]在圖17A和17B中還示出了與每幅圖相關聯的直方圖。使用從圖像290和292分別獲得的信息來產生直方圖294和296。如在圖中示出，突出部298在直方圖296中是明顯的而在直方圖294中缺少。為了這種特定測試，突出部意味著信號和背景的分離。因此，僅當使用均化的激發源光時檢測到這種特定條件，重要地，當使用未均化的激發源光時檢測不到。
[0136]盡管上述討論針對使用具有單個光導的均化棒，應該理解到均化棒也可被用于均化從多個照明源接收的光并且將均勻分布的照明光提供到具有最小修改的緊緊限定的區域。為了接收多個輸入，均化棒的輸入端面、輸出端面和/或總尺寸可能需要被增加和/或在其他情況下修改。多個輸入可被融合到光束中而沒有任何損失或當使用常規系統時通常需要的花費。這是可代替依賴于濾光片、透鏡和反射鏡的實質布置的很多現有融合模塊的重要和獨特的設計，導致實質系統改進和成本節約。
[0137]在一個實施例中，例如，兩個或多個光纖導管、LED、光導、激光二極管和/或白光輸入可一律于光學均化器連接從而使得任何連接的光源可被用在同一位置，而不管所使用的期望輸入。
[0138]在另一個實施例中，為了仿真多模光纖，每個對應于不同波長的多個LED可被直接地或者間接地固定到棒的輸入端面以向該棒提供各個頻率。
[0139]在另一個實施例中，多個光纖可被輸入到均化棒。如果需要的話，常規光纖連接器可被用于在棒的輸入端適當地隔開光纖。
[0140]要理解到，關于多個實施例所述的特征可以以任意組合來混合和匹配而不脫離本實用新型的精神和范圍。本實用新型可以以其他特殊形式來實施而不脫離其精神或基本特性。所述的實施例在所有方面要被視為說明性的而不是限制性的。本實用新型的范圍因此由所附權利要求指出而不是通過前面的描述來指出。落在權利要求書的等價物的含義和范圍內的所有改變將被包含在權利要求書的范圍內。
【主權項】
1.一種光學均化器，配置為接收和均化來自具有端面的光學光導的信號，所述光學均化器包括: 適配器，配置為接收所述光學光導； 光學窗口 ；以及 均化棒，位于所述適配器和所述光學窗口之間，所述均化棒從輸入端面縱向延伸到輸出端面，所述輸出端面的面積比所述輸入端面的面積大至少三倍，所述均化棒從所述輸出端面到所述輸入端面逐漸變細， 其中，配置所述光學均化器使得當光學光導由所述適配器接收時，所述均化棒的輸入端面鄰接所述光學光導的端面而所述均化棒的輸出端面鄰接所述光學窗口。2.如權利要求1所述的光學均化器，進一步包括外殼，其中放置所述適配器、所述光學窗口和所述均化棒。3.如權利要求1所述的光學均化器，其特征在于，所述均化棒的輸入端面牢固地壓靠所述光學光導的端面而所述均化棒的輸出端面牢固地壓靠所述光學窗口。4.如權利要求1所述的光學均化器，其特征在于，所述均化棒的輸出端面的面積比所述均化棒的輸入端面的面積大至少十一倍。5.如權利要求1所述的光學均化器，其特征在于，以正方形或矩形的形式來成形所述均化棒的輸入和輸出端面。6.如權利要求1所述的光學均化器，進一步包括用于定位所述均化棒的裝置以將所述均化棒的輸入端面對準所述光學光導的端面而所述均化棒的輸出端面對準所述光學反射Ho7.如權利要求6所述的光學均化器，其特征在于，用于定位的裝置包括近端滑動件和遠端滑動件，兩個滑動件都接觸所述均化棒。8.如權利要求6所述的光學均化器， 其特征在于，用于定位的裝置包括近端彈簧、中間彈簧和遠端彈簧，以及 其中，近端、中間和遠端彈簧與近端和遠端滑動件協同工作以使所述均化棒的輸入端面牢固地壓靠所述光學光導的端面而所述均化棒的輸出端面牢固地壓靠所述光學窗口。9.一種高容量成像系統包括: 工作臺，配置為接收多個生物細胞； 激發光源，產生激發光；以及 如權利要求1所述的光學均化器， 其中，所述光學均化器接收來自所述激發光源的激發光并從中產生被用于對所述工作臺處的所述生物細胞成像的均化的激發光。10.如權利要求9所述的高容量成像系統，其特征在于，由所述光學均化器接收的所述激發光具有圓形的斑點而均化的激發光具有正方形或矩形的斑點。11.如權利要求10所述的高容量成像系統，其特征在于，均化的激發光的斑點尺寸為與所成像的細胞大約相同的尺寸。12.如權利要求9所述的高容量成像系統，其特征在于，所述光學均化器在套管內可滑動以將均化的激發光聚焦在所述工作臺處。13.一種光學激發適配器，具有通過它延伸的光路，所述光學激發適配器包括: 臨界照明組件;和 光學均化器，光學地耦合到所述臨界照明組件， 其中，所述光學均化器包括均化棒，所述均化棒從輸入端面縱向延伸至輸出端面，所述均化棒在兩個面之端間逐漸變細，以及 其中，所述光學激發適配器被適配以使得(i)由所述光學均化器接收的激發信號穿過所述均化棒以產生均化的信號以及(ii)均化的信號穿過所述臨界照明組件以被傳遞至樣本平面作為所述均化棒的經均化的輸出面的像。14.如權利要求13所述的光學激發適配器，其特征在于，所述臨界照明組件包括所述光學均化器被插入的套管。15.一種光學激發適配器，具有輸入和輸出，所述光學激發適配器包括: 集光器組件，具有一個或多個集光透鏡； 聚光器組件，具有一個或多個聚光透鏡；以及 均化棒，所述均化棒從輸入端面縱向延伸至輸出端面，所述均化棒在兩個端面之間逐漸變細， 其中，所述光學激發適配器被適配以使得在所述光學激發適配器的輸入處接收的光穿過所述均化棒的輸入和輸出端面、所述一個或多個集光透鏡和所述一個或多個聚光透鏡并且在所述輸出處離開所述光學激發適配器。16.如權利要求15所述的光學激發適配器，其特征在于，所述均化棒被置于外殼中，且其中所述光學激發適配器進一步包括所述外殼被接收和固定于其中的套管。17.如權利要求16所述的光學激發適配器，其特征在于，所述外殼在所述套管中可滑動以聚焦離開所述光學激發適配器的光。
【專利摘要】一種光學均化器、高容量成像系統以及光學激發適配器，光學均化器包括適配器、光學窗口和均化棒。在輸入光束散度的較寬范圍上并且不管異質性，該裝置在UV、可見和NIR波長上同等良好地運行。錐形或外形均化棒在特定尺寸的目標區域創建均勻分布的照明。
【IPC分類】G02B27/09
【公開號】CN205384409
【申請號】CN201521055675
【發明人】D·J·范登伯格三世, M·J·托馬謝夫斯基, K·R·赫夫利, S·R·奧格
【申請人】賽洛米克斯股份有限公司
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年12月16日