技术领域
[0001] 本
发明涉及用于显微镜的图像转换模块，该图像转换模块用于图像转换并且构造有附加功能。此外，本发明还涉及用于对样品进行显微镜检验的显微镜，该显微镜包括这种图像转换模块。
背景技术
[0002] 显微镜应用经常需要具有扩展景深(EDoF-Extended Depth of Field)的图像形成。EDoF功能性通常也能够实现3D模型重建。已知的EDoF方法基于所谓的聚焦变化和借助
软件的
对比度评估。聚焦变化通常借助执行器实现，从而能够在光轴的方向上对样品进行
采样。为了EDoF功能所需要的部件迄今为止大多是建设性的并且是显微镜的不可分离的组成部分。
[0003] DE 197 33 193 A1示出了具有适应性光学器件的显微镜。在该显微镜中，在物镜与镜筒透镜之间布置有透射式的波前
调制器。显微镜能够用于共焦的显微术、激光支持的显微术、常规的显微术或用于分析的显微术。
[0004] DE 10 2012 017 917 A1描述了一种用于引入光显微镜的光路中的显微镜模块，其具有用于使光束进入的模块输入端、用于输出光束的模块输出端和光学器件载体，在光学器件载体上布置有不同的光学结构组件。能调节的偏转装置用于将来自模块输入端的光束能选择地偏转到其中一个光学结构组件上，并且用于将来自该光学结构组件的光束偏转至模块输出端。
[0005] US 2016/0327779 A1示出了一种光学图像生成设备，其包括分光器、第一和第二光采样元件、物镜、用于将照明光通过第一光路发送到物镜中的照明源，第一光路包括分光器和第一光采样元件。分光器和第一光采样元件将照明光偏转至物镜的周围区域，从而照明光穿过物镜并且在织物中形成倾斜的成像平面。物镜将由倾斜的成像平面发送回的光引导至第二光路，第二光路包含分光器和第二光采样元件。分光器和第二光采样元件将发送回的光沿第二光路引导，以便形成静止的倾斜的中间图像平面。
光探测器检测中间图像平面的图像。
[0006] 由US 7,345,816 B2已知了一种
光学显微镜，其包括具有能控制地改变的连续的反射表面的镜。通过改变镜的表面，能够从不同的聚焦
位置、也就是从不同的焦平面拍摄图像。
[0007] US 7,269,344 B2示出了一种光学设备，其包括具有反射的可变的光学元件的光学系统、用于操控光学元件的操控
电路以及图像
传感器。计算单元与操控电路连接。
图像处理器联接至计算单元。图像处理器配备有
电子变焦功能。计算单元基于图像传感器的数据和电子变焦数据计算出用于控制光学元件的射束偏转功能的控制
信号。光学元件优选实施为能
变形的连续的镜，其具有在多层的能变形的结构上的反射表面。多层的结构包括
电极层并且布置在基底的上侧。电极位于基底的下侧。电极和电极层与操控电路连接。根据提供的
电压发生能变形的结构和反射表面的不同的变形。
[0008] 制造商SD Optics Inc.的可在市场上得到的产品“3D WiseScope microscope”能够实现快速生成宏观的和微观的具有扩展景深的图像。该产品此外包括LED环形照明装置、同轴照明装置、
透射光照明装置、机械台、具有5、10、20和50倍放大的物镜以及手动的对焦装置。能够利用1至10kHz和更大的
频率来改变对焦装置。被称为MALS模块的镜阵列透镜系统用于实现EDoF功能性。MALS代
表镜阵列透镜系统。该系统的细节例如在WO 2005/119331 A1或WO 2007/134264 A2中公开。
[0009] 为了快速调制液体容器的折射率，制造商TAG的产品“TAG Optics lens module”是已知的，其使显微镜配备有EDoF功能性。产品使用
声波来控制透镜。
[0010] 由Mejiro Genossen Inc.公司提供一种光学显微镜，其基于适当的光学的奥夫纳-镜系统，并且在沙伊姆弗勒设施中运行。显微镜能够实现在大的
视野上的景深的明显的改进。然而，该显微镜的对焦性能难以控制。此外必须修正特定的成像错误。
[0011] 此外，由frinGOe公司研发了紧凑的无源
光谱仪，其使Mach-Zehnder干涉仪、CMOS图像处理和FTIR
光谱学相互组合。
[0012] 由针对集成电路的弗劳恩霍夫研究所研发了被称为POLKA的偏振
照相机。POLKA实时检测和测量光的偏振状态。照相机的核心部件是纳米结构化的CMOS传感器，在其中，偏振
过滤器直接锚固在各个
像素中。因此，能够利用唯一的拍摄来逐像素地检测和测量线性偏振的光。基于像素的偏振过滤器沿四个不同的方向取向(0°、45°、90°、135°)，由此能够同时检测不同的偏振的光波。通过像素信号的特殊处理来避免运动伪影。拍摄所获得的图像能够传输至PC。
可视化算法能够实现使偏振的强度、
角度和程度针对人眼可见。
[0013] 最后，用于光学的波前编码的解决方案是已知的，其使用针对快速的EDoF图像形成的显微镜的物镜中的移相掩膜。
发明内容
[0014] 本发明的任务是提供用于显微镜的图像转换模块，该图像转换模块用于给显微镜配备用以进行图像转换的附加功能。图像转换模块应该低成本且任务确定地在不同的显微镜上使用。此外，应该提供具有这种图像转换模块的显微镜。
[0015] 根据
权利要求1的用于显微镜的图像转换模块和根据所附的并列的权利要求10的显微镜用以解决根据本发明的任务。
[0016] 根据本发明的图像转换模块构造用于以附加功能来进行图像转换。图像转换模块为此包括用于实现附加功能的至少一个功能元件，所述功能元件用于拍摄出扩展景深、用于实现光学变焦、用于测量
光谱特性、用于
颜色测量、用于偏振测量、用于针对测量材料特性的波前测量、和/或用于像差修正。
[0017] 图像转换模块的另外的部件是至少一个图像传感器。图像转换模块的光学
接口用于图像转换模块与显微镜设备的物镜的光学耦合。为了传输由图像传感器输出的数据，图像转换模块配备有数据接口。机械接口用于将图像转换模块能拆卸地安置在显微镜上，从而该图像转换模块在需要情况下能够安置到显微镜上并且也能移除。
[0018] 根据本发明的图像转换模块的重要的优点是：借助该图像转换模块，显微镜能够以简单的方式和方法配备有用于形成图像的附加的功能。根据本发明，用于实现附加功能所需的部件尤其是与图像传感器一起组合成的独立的结构单元。为了将图像转换模块联接至显微镜，能够使用在显微镜上已经存在的、用于联接照相机和摄影机的机械的标准接口。在接口中，借助显微镜生成的中间图像和接口的光瞳的间距和大小确定针对图像转换模块的联接条件。图像转换模块能够顺利地从显微镜移除，并且例如通过不同实施的、具有其他附加功能的图像转换模块来替代。因此，针对不同的应用情况能够维持具有用于实现不同的附加功能的不同的功能元件的图像转换模块，功能元件能够根据需求安装到显微镜上。
显微镜因此能够少耗费地匹配于相应的需求。图像转换模块能够包括用于提供多个附加功能的多个功能元件。
[0019] 根据特别优选的实施方式，至少一个功能元件是有源光学元件。在本发明的意义中的有源光学元件是主动改变光路的特性的光学元件。光学有源元件优选从下面的列表中选出：光学执行器、液体透镜、能通过机械振动优选借助声波来优选地控制的透镜、干涉仪阵列、优选无源的干涉仪阵列、法布里-珀罗元件、例如主动受控的法布里-珀罗元件、移相掩膜、偏振掩膜、空间光调制器。图像转换模块优选能够具有多个不同类型的有源光学元件。
[0020] 图像转换模块的有利的实施方式是使用光学执行器，该光学执行器构造为用于拍摄出扩展景深的具有能机械运动的微镜的微系统。在该实施方式中，SD Optics Inc.公司的上述的“MALS模块”例如能够用作光学执行器。MALS模块例如能够构造为菲涅尔透镜，这例如在WO 2005/119331 A1中描述。菲涅尔透镜由大量微镜形成。通过改变微镜的方位，能够以特别快速的方式改变菲涅尔透镜的焦距。焦距的这种快速改变允许非常快速地调节待成像的焦平面。因此能够实现的是：在短的时间内、在相邻的焦平面中拍摄大量照片。在不同的焦平面中被拍摄的图像的这种结果也被称为叠焦。从叠焦能够得到具有扩展景深的图像。
[0021] 根据改进的实施方式，在光学接口与微系统之间布置有分光器。
[0022] 证实为适宜的是：图像转换模块配备有镜系统。镜系统包括凹镜和与凹镜对置地布置的凸镜。凸镜构造为光学有源元件。凹镜和凸镜优选垂直于图像平面地取向。备选地，凹镜和凸镜也能够平行于图像平面地取向。
[0023] 根据优选的实施方式，镜系统此外还包括布置在光学接口与凹镜之间的第一平面镜，第一平面镜与图像平面成角度地取向用以使射束朝着凹镜的方向偏转。射到第一平面镜上的射束优选偏转90°。第二平面镜布置在凹镜与图像传感器之间，该第二平面镜与图像平面成角度地取向用以使射束朝着图像传感器的方向偏转。射到第二平面镜上的射束优选偏转90°。通过构造为光学有源元件的凸镜的变化，焦点、也就是说焦平面沿主射束移动，并且在图像传感器上成像出不同的物深。在此通过显微镜导致的成像错误通过光学有源元件的调整的变形来补偿。如果在物方空间中的主射束走向与远心有偏差，那么物体以变化的成像尺度成像到传感器上。图像转换模块的该实施方式除了其用作图像转换模块以外还能够用作单独的显微镜。
[0024] 根据有利的实施方式，另外的功能元件能够整合到镜系统中，例如用以实现光谱测量或颜色测量。
[0025] 为了实现材料特性测量、例如为了
温度测量、为了检测弹性特性等，功能元件优选包括对于相应的测量所需的
感知元件。
[0026] 根据优选的实施方式，功能元件包含至少一个机械执行器，机械执行器优选用于移动光学的结构元件。
[0027] 根据有利的实施方式，图像转换模块具有用于控制功能元件和图像传感器的至少一个
电子控制单元。控制单元匹配于相应使用的功能元件和相应使用的光学元件。
[0028] 证实为适宜的是：图像转换模块配备有用于处理由图像传感器检测到的数据的内部
数据处理单元。备选地或补充地，图像转换模块也能够具有用于将由图像传感器检测到的数据或由内部数据处理单元处理的数据传输至外部数据处理单元的接口。
[0029] 图像转换模块适宜地具有
能量供应单元或备选地具有用于从外部源给图像转换模块供电的电气接口。
[0030] 根据本发明的显微镜首先包括用于在图像平面中对样品进行光学成像的物镜。通过物镜能够以光学
分辨率在图像平面中示出图像。光学分辨率通过物理过程和物镜的特性来确定。显微镜此外还包括所阐述的图像转换模块，图像转换模块通过其光学接口与物镜光学耦合。图像转换模块此外还经由其机械接口与显微镜机械连接。
[0031] 显微镜优选具有用于对要进行显微镜检验的样品进行照明的显微镜照明装置。显微镜照明装置优选包括透射光照明装置、环形照明装置和同轴照明装置，它们能够备选地或共同地用于对样品进行照明。
附图说明
[0032] 本发明的另外的细节和改进方案在参考附图的情况下由随后对优选的实施方式的描述得到。其中：
[0033] 图1示出根据本发明的显微镜的示意图；
[0034] 图2示出根据本发明的用于拍摄出扩展景深的图像转换模块的优选的第一实施方式；
[0035] 图3示出图像转换模块的镜系统；
[0036] 图4示出用于拍摄出扩展景深的图像转换模块的优选的第二实施方式；
[0037] 图5示出用于光谱测量的图像转换模块的优选的第三实施方式。
具体实施方式
[0038] 图1示出根据本发明的显微镜01的示意图。利用显微镜01能够对样品02进行显微镜检验。显微镜01包括透射光照明装置03、环形照明装置04和同轴照明装置05，它们被备选地或共同地用于照明样品02。显微镜01此外包含物镜07和图像转换模块08，该图像转换模块通过光学接口09光学耦合至物镜07。在光学接口09中，借助显微镜01产生的中间图像10和光学接口09的光瞳12的间距和大小来确定针对图像转换模块08的联接条件。图像转换模块08为了图像转换构造有一个或多个附加功能。图像转换模块08的优选的实施方式随后参考图2至5详细阐述。
[0039] 图2示出用于拍摄出扩展景深的图像转换模块08的优选的第一实施方式。图像转换模块08包括具有光瞳12的光学接口09，图像转换模块08通过光学接口光学耦合至显微镜01的物镜07。机械接口13用于将图像转换模块08机械紧固在显微镜01的壳体(未示出)上。
[0040] 图像转换模块08此外包括用于实现附加功能的功能元件14，附加功能在所示的实施方案中是拍摄出扩展景深。功能元件14为了实现该附加功能构造为用于测量样品02的深度信息的具有能运动的微镜的微系统。具有能运动的微镜的微系统以反光的方式布置在分光器15上方。功能元件14与光学接口09的光瞳12共轭地布置。
[0041] 图像转换模块08的另外的组成部分是图像传感器17。分光器15将由功能元件14反射的光反光至图像传感器17。图像传感器17用于转换从物镜07至图像传感器17间接或直接成像的图像。通过功能元件14的变化，焦点沿主射束移动，并且在图像传感器17上成像出不同的物深。同时，功能元件14修正图像平面中的像差。
[0042] 此外，功能元件14能够仅用于像差修正，而并不聚焦。如果功能元件14没有用于聚焦，那么备选地功能元件能够用于修正在非远心的光学器件的成像的尺度中的改变。如果在物方空间中的主射束走向与远心有偏差，那么物体从不同的距离以变化的成像尺度成像到传感器上。
[0043] 可选地，在图像传感器17与分光器15之间布置有镜筒透镜18。可选的图像转换模块物镜19在所示的实施方式中位于光学接口09和分光器15之间。
[0044] 图像转换模块08包含用于供能、用于数据处理和用于控制任务的另外的部件20。另外的部件20在图2中以概括为一个单元的方式示出，然而能够由不同的彼此结构分离的单元构成。能量供应单元或备选地用于给图像转换模块08供电的电气接口属于另外的部件
20。能量供应单元例如能够通过优选能充电的
电池实现。另外的部件20优选包含用于处理由图像传感器17检测到的数据的内部数据处理单元。备选地或补充地，图像转换模块08然而也能够配备有接口，该接口用于将由图像传感器17检测到的数据或由数据处理单元处理的数据传输至外部数据处理单元。另外的部件20优选也包括用于控制功能元件14和图像传感器17的至少一个电子控制单元。
[0045] 图3示出图像转换模块08的带有绘出了光路的镜系统22。镜系统22包括凹镜23和与凹镜23对置地布置的凸镜24。凸镜24构造为光学有源元件，其优选实现为具有能运动的微镜的微系统。此外，凸镜24与光学接口09的光瞳12共轭地布置。为了提供针对实际的光学有源元件的空间，该结构与传统的奥夫纳系统不同。凹镜23和凸镜24垂直于图像平面25地取向。在光学接口09和凹镜23之间布置有第一平面镜27，该第一平面镜与图像平面25成角度地取向用于使射束朝着凹镜23的方向偏转。使得射到第一平面镜27上的射束在所示的实施方案中偏转90°。在凹镜23与图像传感器17之间布置有第二平面镜28，该第二平面镜与图像平面25成角度地取向用于使射束朝着图像传感器17的方向偏转。射到第二平面镜28上的射束在所示的实施方案中偏转90°。通过凸镜24的变化，焦点、即待成像的焦平面沿主射束移动，并且在图像传感器17上成像出不同的物深。同时，凸镜24修正图像平面中的像差。凸镜24同样能够仅用于在没有聚焦的情况下的像差修正。备选地，当凸镜24不用于聚焦时，凸镜能够用于修正在非远心的光学器件的成像的尺度中的出现的改变。
[0046] 图像转换模块08的图3中所示的实施方式能够用作独立的显微镜。另外的功能元件能够整合到镜系统22中。因此，功能元件例如能够在镜系统22中针对光谱测量或颜色测量布置在适当的位置上。
[0047] 图4示出根据本发明的用于拍摄出扩展景深的图像转换模块08的优选的第二实施方式。与图2中所示的实施方式不同地，功能元件14在此包含通过机械振动、优选借助声波能控制的透镜。显微镜01的中间图像10与图像转换模块物镜19的物镜平面共轭。功能元件14与光学接口09的光瞳12共轭。
[0048] 图5示出用于光谱测量的根据本发明的图像转换模块08的优选的第三实施方式。功能元件14包括干涉仪阵列。在此例如能够使用由fingGOe公司研发的无源的光谱仪。干涉仪阵列能够引入到光路中并且能够被移除，从而用户能够在功能(图像拍摄或光谱测量)之间切换。此外存在布置另外的功能元件14的可能性。因此，有源的法布里-珀罗元件能够用于具有高空间分辨率直至单个的像素分辨率的光谱测量。针对带有扩展景深的测量，移相掩膜或空间光调制器能够整合到该布置中。针对具有高空间分辨率的偏振测量，应用偏振掩膜同样是可能的。
[0049] 附图标记列表
[0050] 01 - 显微镜
[0051] 02 - 样品
[0052] 03 - 透射光照明装置
[0053] 04 - 环形照明装置
[0054] 05 - 同轴照明装置
[0055] 06 - -
[0056] 07 - 物镜
[0057] 08 - 图像转换模块
[0058] 09 - 光学接口
[0059] 10 - 显微镜的中间图像
[0060] 11 - -
[0061] 12 - 光学接口的光瞳
[0062] 13 - 机械接口
[0063] 14 - 功能元件
[0064] 15 - 分光器-
[0065] 16 - -
[0066] 17 - 图像传感器
[0067] 18 - 镜筒透镜
[0068] 19 - 图像转换模块物镜
[0069] 20 - 另外的部件(供能、数据处理、控制)
[0070] 21 - -
[0071] 22 - 镜系统
[0072] 23 - 凹镜
[0073] 24 - 凸镜
[0074] 25 - 图像平面
[0075] 26 - -
[0076] 27 - 第一平面镜
[0077] 28 - 第二平面镜
