ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРЕПАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПИИ СТРУКТУРИРОВАННОГО ОСВЕЩЕНИЯ С ДВУМЯ ОПТИЧЕСКИМИ РЕШЕТКАМИ Российский патент 2021 года по МПК G02B21/14 G02B27/42 G02B27/58 

Отсылка к родственным заявкам

По настоящей заявке на патент испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США №62/618,057 поданной 16 января 2018 г. и озаглавленной «Визуализация препаратов с помощью микроскопии структурированного освещения с двумя оптическими решетками», и нидерландской заявки № N2020619, поданной 20 марта 2018 г. и озаглавленной «Визуализация препаратов с помощью микроскопии структурированного освещения с двумя оптическими решетками». Содержание каждой из вышеуказанных заявок во всей полноте включено в настоящую заявку посредством отсылки.

Уровень техники

Микроскопия структурированного освещения (МСО) - это методика, позволяющая с помощью пространственно-структурированного (т.е. упорядоченного) света визуализировать образец с увеличением латерального разрешения микроскопа в два и более раз. В некоторых случаях, во время визуализации образца, получают три изображения дифракционных картин на образце при разных фазах картины (например, 0°, 120° и 240°) так, что на каждое место на образце поступает освещение в некоем диапазоне интенсивности, при этом процедуру повторяют, изменяя ориентацию картины путем вращения относительно оптической оси на 3 отдельных угла (например, 0°, 60° и 120°). Захваченные изображения (например, девять изображений) могут быть собраны в единое изображение с расширенным диапазоном пространственных частот, с возможностью его обратного преобразования в действительное пространство с формированием изображения с разрешением, более высоким, чем у изображения, захватываемого традиционным микроскопом.

В некоторых вариантах осуществления известных систем МСО линейно-поляризованный световой пучок направляют через оптический светоделитель, расщепляющий пучок на составляющие двух или более отдельных порядков с возможностью их соединения и проецирования на визуализируемый образец в виде картины интерференционных полос с синусоидальным изменением интенсивности. Примерами светоделителей, способных формировать пучки с высокой степенью когерентности и стабильными углами распространения, являются дифракционные решетки. В результате интерференции при соединении двух таких пучков возможно образование единообразной интерференционной картины с регулярным повтором, шаг в которой зависит от ряда факторов, среди которых - угол между интерферирующими пучками. В случае соединения более чем двух пучков, полученная картина обычно содержит ту или иную комбинацию шагов полос, результатом чего является уменьшение разности максимальной и минимальной интенсивности (иначе называемой «глубина модуляции»), что делает ее менее удобной для целей МСО.

В некоторых вариантах осуществления известных систем МСО ориентацию проецируемой картины регулируют путем вращения элемента расщепления пучка вокруг оптической оси, и регулируют фазу картины, перемещая указанный элемент латерально поперек указанной оси. В таких системах дифракционная решетка обычно расположена на столике поступательного перемещения, в свою очередь установленном на столике вращения. Кроме того, такие системы зачастую содержат линейный поляризатор для поляризации света, излучаемого источником света, до его поступления на решетку.

Раскрытие изобретения

Раскрытые в настоящем документе варианты осуществления относятся к системам и способам структурированного освещения.

В первой группе вариантов осуществления система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде многоплечевой системы МСО-визуализации, причем каждое плечо системы включает в себя светоизлучатель и светоделитель (например, пропускающую дифракционную решетку) с особой фиксированной ориентацией относительно оптической оси системы.

В одном варианте осуществления многоплечевой системы МСО-визуализации система содержит: первое оптическое плечо, включающее в себя: первый светоизлучатель для излучения света; и первый светоделитель для расщепления света, излучаемого первым светоизлучателем, для проецирования первого множества полос на плоскость образца; и второе оптическое плечо, включающее в себя: второй светоизлучатель для излучения света; и второй светоделитель для расщепления света, излучаемого вторым светоизлучателем, для проецирования второго множества полос на плоскость образца. В данном варианте система может также включать в себя оптический элемент для создания объединенного оптического пути первого и второго плеч. Кроме того, система может включать в себя датчик изображения для приема света, излучаемого образцом. В некоторых вариантах образец может включать в себя множество объектов, расположенных с образованием регулярной структуры в прямоугольной матрице или гексагональной матрице.

В некоторых вариантах первый светоделитель содержит первую пропускающую дифракционную решетку, а второй светоделитель содержит вторую пропускающую дифракционную решетку. В некоторых вариантах первый светоделитель содержит первую отражательную дифракционную решетку, а второй светоделитель содержит вторую отражательную дифракционную решетку. В некоторых вариантах как первый, так и второй светоделители включают в себя светоделительный куб или пластину.

В некоторых вариантах первый и второй светоизлучатели излучают неполяризованный свет, при этом первая и вторая пропускающие дифракционные решетки предназначены для дифракции неполяризованного света, излучаемого соответственно первым или вторым светоизлучателем.

В некоторых вариантах оптический элемент для создания объединенного оптического пути первого множества полос и второго множества полос включает в себя зеркало с отверстиями, при этом зеркало расположено с возможностью отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, при этом отверстия расположены с возможностью пропускания, по меньшей мере, света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой. В некоторых вариантах оптический элемент для создания объединенного оптического пути первого и второго плеч включает в себя поляризационный светоделитель, причем первая дифракционная решетка дифрагирует вертикально поляризованный свет, причем вторая дифракционная решетка дифрагирует горизонтально поляризованный свет.

В некоторых вариантах многоплечевая система МСО-визуализации включает в себя один или более оптических элементов для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос.

В некоторых вариантах один или более оптических элементов для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос включают в себя первое поворотное оптическое окно для сдвига фазы первого множества полос и второе поворотное оптическое окно для сдвига фазы второго множества оптических полос. В некоторых вариантах один или более оптических элементов для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос включают в себя первый столик линейного перемещения для поступательного перемещения первой дифракционной решетки и второй столик линейного перемещения для поступательного перемещения второй дифракционной решетки. В некоторых вариантах один или более оптических элементов для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос включает в себя единственное поворотное оптическое окно, причем единственное поворотное оптическое окно расположено вслед за зеркалом с отверстиями на оптическом пути к образцу.

В некоторых вариантах ось вращения единственного поворотного оптического окна смещена приблизительно на 45 градусов от оптической оси каждой из решеток.

В некоторых вариантах первое множество полос расположено с угловым смещением от второго множества полос на плоскости образца приблизительно на 90 градусов.

В некоторых вариантах система также содержит линзу объектива для проецирования каждого из первого множества полос и второго множества полос на образец.

В некоторых вариантах система также содержит один или более блокаторов оптического пучка для блокирования света нулевых порядков, излучаемого каждой из первой и второй дифракционных решеток. В частных вариантах один или более блокаторов оптического пучка включают в себя брэгговскую решетку.

В одном варианте осуществления многоплечевой системы МСО-визуализации способ включает этапы, на которых: включают первое оптическое плечо системы структурированного освещения, при этом первое оптическое плечо содержит первый светоизлучатель для излучения света и первую дифракционную решетку для дифракции света, излучаемого первым светоизлучателем, для проецирования первого множества полос, ориентированных в особом направлении, на плоскость образца; осуществляют захват первого множества фазовых изображений образца, причем во время захвата первого множества изображений положения первого множества полос сдвигают на плоскости образца; включают второе оптическое плечо системы структурированного освещения, при этом второе оптическое плечо содержит второй светоизлучатель для излучения света и вторую дифракционную решетку для дифракции света, излучаемого вторым светоизлучателем, для проецирования второго множества полос на плоскость образца, причем второе множество полос расположены с угловым смещением от первого множества полос на плоскости образца; и осуществляют захват второго множества фазовых изображений образца, освещаемого посредством второго множества полос, причем во время захвата второго множества полос, положения второго множества полос сдвигают на плоскости образца. В вариантах осуществления указанного способа первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка представляют собой пропускающие дифракционные решетки, причем система структурированного освещения включает в себя зеркало с отверстиями для отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, и для пропускания, по меньшей мере, света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой.

В вариантах осуществления способ дополнительно включает этап, на котором используют, по меньшей мере, первое множество захваченных фазовых изображений и второе множество захваченных фазовых изображений для вычислительной реконструкции одного или более изображений с разрешением, более высоким, чем у первого и второго множеств захваченных фазовых изображений по отдельности. В вариантах осуществления первое множество полос расположены с угловым смещением от второго множества полос на плоскости образца приблизительно на 90 градусов.

В вариантах осуществления осуществляют сдвиг фазы первого множества полос и второго множества полос путем вращения единственного оптического окна, расположенного на оптическом пути между образцом и каждой из первой и второй решеток, причем ось вращения единственного поворотного оптического окна смещена от оптической оси каждой из решеток.

В вариантах осуществления способа выключают первое оптическое плечо и включают второе оптическое плечо системы структурированного освещения после захвата первого множества фазовых изображений.

В вариантах осуществления способа первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка механически зафиксированы во время осуществления захвата изображения.

Во второй группе вариантов осуществления система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации препаратов с несколькими светоделителями, в которой на одном столике линейного перемещения расположены несколько светоделителей с соответствующей фиксированной ориентацией относительно оптической оси системы.

В одном варианте осуществления системы МСО-визуализации препаратов с несколькими светоделителями система содержит: светоизлучатель для излучения света; столик линейного перемещения с установленными на нем первым светоделителем и вторым светоделителем, причем первый светоделитель предназначен для расщепления света, излучаемого светоизлучателем, для проецирования первого множества полос на плоскость образца, причем второй светоделитель предназначен для расщепления света, излучаемого светоизлучателем, для проецирования второго множества полос на плоскость образца; и датчик изображения для приема света, излучаемого образцом. В вариантах осуществления столик линейного перемещения представляет собой столик линейного перемещения в одном измерении, причем столик линейного перемещения предназначен для поступательного перемещения в указанном одном измерении для создания оптической связи между каждым из первого светоделителя и второго светоделителя и светоизлучателем, причем первый светоделитель расположен вблизи второго светоделителя в указанном одном измерении. В вариантах осуществления первое множество полос расположены с угловым смещением от второго множества полос на плоскости образца приблизительно на 90 градусов.

В вариантах осуществления первый светоделитель содержит первую пропускающую дифракционную решетку, а второй светоделитель содержит вторую пропускающую дифракционную решетку. Первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут быть расположены с угловым смещением относительно указанного одного измерения (т.е. повернуты относительно направления распространения света). В частных вариантах первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка расположены с угловым смещением относительно указанного одного измерения приблизительно на ±45 градусов.

В некоторых вариантах первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут быть выполнены за одно целое с единственным оптическим элементом, установленном на столике линейного перемещения. В тех вариантах, где дифракционные решетки выполнены за одно целое с единственным оптическим элементом, единственный оптический элемент может включать в себя первую сторону с выполненной на ней первой дифракционной решеткой и расположенную вблизи первой стороны вторую сторону с выполненной на ней второй дифракционной решеткой.

В некоторых вариантах система может дополнительно содержать один или более блокаторов оптического пучка для блокирования света нулевых порядков, излучаемого каждой из первой и второй дифракционных решеток.

В некоторых вариантах система может дополнительно содержать проекционную линзу на оптическом пути между столиком линейного перемещения и линзой объектива. Проекционная линза может быть предназначена для проецирования результата преобразования Фурье каждой из первой дифракционной решетки и второй дифракционной решетки во входной зрачок объектива.

В некоторых вариантах система может дополнительно содержать выравнивающую структуру, сформированную на компоненте, установленном на столике линейного перемещения, причем выравнивающая структура расщепляет свет, излучаемый светоизлучателем, для проецирования на плоскость образца картины для выравнивания визуализации. Выравнивающая структура может быть сформирована на подложке, включающей в себя по меньшей мере первую дифракционную решетку или вторую дифракционную решетку. Проецируемая картина может включать в себя линии с частотой, меньшей, чем у проецируемых первого множества полос и второго множества полос.

В некоторых вариантах система может дополнительно содержать оптический фазовый модулятор для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос, проецируемых на плоскость образца. В таких вариантах оптический фазовый модулятор может представлять собой компонент, выполненный отдельно от столика линейного перемещения.

В одном варианте осуществления системы МСО-визуализации препаратов с несколькими светоделителями способ включает этапы, на которых: включают светоизлучатель системы визуализации со структурированным освещением, при этом система визуализации со структурированным освещением содержит столик линейного перемещения в одном измерении с установленными на нем первой дифракционной решеткой и второй дифракционной решеткой, причем столик линейного перемещения предназначен для поступательного перемещения в одном измерении; поступательно перемещают столик линейного перемещения в указанном одном измерении для сдвига фазы первого множества полос, проецируемого первой дифракционной решеткой на образец; поступательно перемещают столик линейного перемещения для создания оптической связи между второй дифракционной решеткой и светоизлучателем; и, после создания оптической связи между второй дифракционной решеткой и светоизлучателем, поступательно перемещают столик линейного перемещения в указанном одном измерении для сдвига фазы второго множества полос, проецируемого второй дифракционной решеткой на образец. Первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут представлять собой пропускающие дифракционные решетки и могут быть расположены с угловым смещением относительно указанного одного измерения поступательного перемещения. Например, первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут быть расположены с угловым смещением относительно указанного одного измерения приблизительно на ±45 градусов.

В вариантах осуществления способ может дополнительно включать этапы, на которых: поступательно перемещают столик линейного перемещения в указанном одном измерении множество раз для сдвига, множество раз, фазы первого множества полос, проецируемого первой дифракционной решеткой на образец, и, после создания оптической связи между второй дифракционной решеткой и светоизлучателем, поступательно перемещают столик линейного перемещения в указанном одном измерении множество раз для сдвига, множество раз, фазы второго множества полос, проецируемого второй дифракционной решеткой на образец.

В вариантах осуществления способ может дополнительно включать этапы, на которых: осуществляют захват изображения образца после каждого раза поступательного перемещения столика линейного перемещения для сдвига фазы первого множества полос; и осуществляют захват изображения образца после каждого раза поступательного перемещения столика линейного перемещения для сдвига фазы второго множества полос. Захваченные изображения можно использовать для вычислительной реконструкции изображения, разрешение которого выше, чем у каждого из захваченных изображений.

В вариантах осуществления способа столик линейного перемещения поступательно перемещают приблизительно на одно и то же расстояние в указанном одном измерении каждый раз, когда осуществляют сдвиг фазы первого множества полос или второго множества полос на образце.

В частных вариантах столик линейного перемещения поступательно перемещают на расстояние приблизительно от 10 мм до 15 мм, когда вторая дифракционная решетка оптически связана со светоизлучателем.

В третьей группе вариантов осуществления система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины, в которой фиксированную двухмерную дифракционную решетку применяют в комбинации с диском пространственной фильтрации для проецирования одномерных дифракционных картин на образец.

В одном варианте осуществления системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины система содержит: светоизлучатель для излучения света; двухмерную дифракционную решетку для дифракции света, излучаемого светоизлучателем, для проецирования первого множества полос, ориентированных в первом направлении, на плоскость образца и для проецирования второго множества полос, ориентированных во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, на плоскость образца; и диск пространственной фильтрации для пропускания дифрагированного света, поступающего от двухмерной дифракционной решетки, в одном из соответствующих направлений - первом или втором, при этом диск пространственной фильтрации содержит первое множество вырезов и второе множество вырезов, ортогональное первому множеству вырезов. Первое множество вырезов может быть предназначено для пропускания света, дифрагированного двухмерной дифракционной решеткой, в первом направлении, а второе множество вырезов может быть предназначено для пропускания света, дифрагированного двухмерной дифракционной решеткой, во втором направлении.

В некоторых вариантах система дополнительно содержит элемент блокирования пучка для блокирования света 0-го порядка, пропускаемого двухмерной дифракционной решеткой. В частных вариантах элемент блокирования пучка включает в себя дифракционный оптический элемент, структурированный для дифракции света, направленного под прямым углом к элементу, и пропускания света, направленного под другими углами.

В некоторых вариантах диск пространственной фильтрации предназначен для отражения света порядков дифракции, поступающего от двухмерной дифракционной решетки и не пропускаемого через диск.

В некоторых вариантах двухмерная дифракционная решетка представляет собой пропускающую дифракционную решетку. Пропускающая дифракционная решетка может быть расположена или сформирована на грани оптического тела, на которую поступает свет от светоизлучателя. Углы рассеяния пропускающей дифракционной решетки могут быть расположены с возможностью блокирования света 0-го порядка на дальней стороне оптического тела. В некоторых вариантах оптическое тело содержит наклонные грани для дифракции и выдачи дифрагируемого двухмерной пропускающей дифракционной решеткой света первых порядков. В частных вариантах наклонные грани включают в себя фокусирующую линзу. В некоторых вариантах проекционная линза принимает свет, выдаваемый оптическим телом.

В некоторых вариантах двухмерная дифракционная решетка представляет собой двухмерную отражательную дифракционную решетку. Двухмерная отражательная дифракционная решетка может быть расположена или сформирована на грани оптического тела напротив выреза оптического тела, в который поступает свет от светоизлучателя. Оптическое тело может содержать отражательные внутренние грани для отражения и выдачи дифрагируемого двухмерной отражательной дифракционной решеткой света первых порядков через выходные грани оптического тела. В частных вариантах выходные грани включают в себя дифракционную фокусирующую линзу. В некоторых вариантах проекционная линза предназначена для приема света, выдаваемого оптическим телом.

В некоторых вариантах система дополнительно содержит один или более оптических элементов для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос. В частных вариантах указанные один или более оптических элементов для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос включают в себя оптический элемент из параллельных пластин с возможностью наклона в двух перпендикулярных направлениях.

В одном варианте осуществления системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины способ включает этапы, на которых: включают светоизлучатель системы визуализации со структурированным освещением, при этом система визуализации со структурированным освещением содержит двухмерную дифракционную решетку; осуществляют прием света, излучаемого светоизлучателем, на двухмерной дифракционной решетке для выдачи первого дифрагированного света, ориентированного в первом направлении, и второго дифрагированного света, ориентированного во втором направлении, перпендикулярном первому направлению; осуществляют пропуск первого дифрагированного света через первое множество вырезов диска пространственной фильтрации и блокирование второго дифрагированного света на диске пространственной фильтрации; проецируют первый дифрагированный свет, пропущенный через первое множество отверстий, в виде первого множества полос на плоскость образца; и осуществляют захват первого множества фазовых изображений света, излучаемого образцом, причем во время осуществления захвата первого множества изображений осуществляют сдвиг фазы первого множества полос на плоскости образца. Сдвиг фазы первого множества полос может быть осуществлен путем перемещения образца (например, с помощью столика перемещения), путем перемещения проецируемых полос, либо путем перемещения и образца, и проецируемых полос.

В вариантах осуществления способ дополнительно включает этапы, на которых: вращают диск пространственной фильтрации так, чтобы он пропускал второй дифрагированный свет через второе множество вырезов диска пространственной фильтрации и блокировал первый дифрагированный свет на диске пространственной фильтрации; проецируют второй дифрагированный свет, проходящий через второе множество отверстий, в виде второго множества полос, ортогонального первому множеству полос, на плоскость образца; и осуществляют захват второго множества фазовых изображений света, излучаемого образцом, причем во время захвата второго множества изображений осуществляют сдвиг фазы второго множества полос на плоскости образца.

В частных вариантах осуществления способа двухмерная дифракционная решетка представляет собой двухмерную пропускающую дифракционную решетку, сформированную или расположенную на грани оптического тела, при этом способ дополнительно включает этапы, на которых: блокируют выдаваемый пропускающей дифракционной решеткой свет 0-го порядка на стороне оптического тела, противоположной пропускающей дифракционной решетке; и осуществляют дифракцию и выдачу, с наклонных граней оптического тела, дифрагированного двухмерной пропускающей дифракционной решеткой света первых порядков.

В частных вариантах осуществления способа двухмерная дифракционная решетка представляет собой двухмерную отражательную дифракционную решетку, сформированную или расположенную на грани оптического тела напротив выреза оптического тела, куда поступает свет от светоизлучателя, при этом способ дополнительно включает этап, на котором осуществляют отражение, на гранях оптического тела, дифрагированного двухмерной отражательной дифракционной решеткой света первых порядков.

Прочие отличительные признаки и аспекты раскрываемого технического решения станут очевидны из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения» при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, иллюстрирующими, на примерах, отличительные признаки некоторых вариантов осуществления раскрываемого в настоящем документе технического решения. Раздел «Раскрытие изобретения» не предназначен для ограничения объема каких-либо раскрытых в настоящем документе изобретений, объем которых определен пунктами формулы и их эквивалентами.

Следует понимать, что все комбинации изложенных выше идей (при условии, что эти идеи не противоречат друг другу) рассматриваются как часть раскрытого в настоящем документе объекта изобретения. В частности, все комбинации заявленного объекта изобретения, указанные в конце настоящего раскрытия, рассматриваются как часть раскрытого в настоящем документе объекта изобретения.

Краткое описание чертежей

В настоящем описании один или более вариантов осуществления детально раскрыты на примерах нижеследующих фигур. Фигуры представлены исключительно в иллюстративных целях и просто изображают примеры осуществления. Также следует отметить, что для ясности и удобства иллюстрирования элементы на фигурах не обязательно изображены в масштабе.

Некоторые из фигур, включенных в настоящий документ, иллюстрируют различные варианты осуществления раскрываемого технического решения с разных углов зрения. Несмотря на то, что в тексте описания такие виды могут именоваться видами «сверху», «снизу» или «сбоку», подобные наименования носят исключительно описательный характер, при этом не предполагая и не требуя того, чтобы раскрываемое техническое решение осуществлялось или применялось в той или иной конкретной ориентации в пространстве, если явно не указано иное.

ФИГ. 1 иллюстрирует систему визуализации со структурированным освещением, освещающую образец пространственно-структурированным светом, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 2 - оптическая схема, иллюстрирующая один пример оптической конфигурации двухплечевой системы визуализации с помощью микроскопии структурированного освещения (МСО), по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 3 - оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы МСО-визуализации, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 4 - оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы МСО-визуализации, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 5 - технологическая схема, иллюстрирующая пример способа с возможностью выполнения посредством многоплечевой системы МСО-визуализации во время одного цикла визуализации для использования структурированного света для формирования изображения с высоким разрешением, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 6 иллюстрирует упрощенные картины дифракции света, которые могут быть спроецированы на плоскость образца вертикальной решеткой и горизонтальной решеткой двухплечевой системы МСО-визуализации во время осуществления захвата изображения, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 7 иллюстрирует пример экспериментальной конструкции двухплечевой системы МСО-визуализации, содержащей поляризационный светоделитель для освещения вертикальной решетки вертикально-поляризованным светом, а горизонтальной решетки - горизонтально-поляризованным светом, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 8А иллюстрирует афокальное зеркальное отображение и изображение флуоресцентного препарата, захваченные с помощью примера системы МСО-визуализации на ФИГ. 7, в которой задействован микроскоп с 20-кратным увеличением и числовой апертурой 0.75.

ФИГ. 8В иллюстрирует измерения модуляции интерференционных полос, полученные с помощью системы на ФИГ. 7 с проточной ячейкой с гранулами. График иллюстрирует типовые изменения яркости изображения объекта во время цикла регулирования фаз в данном примере по мере изменения угла параллельной пластины W2 на ФИГ. 7.

ФИГ. 9 иллюстрирует другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы МСО-визуализации по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 10A - принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками в первом положении дифракционной решетки, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 10В - принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками на ФИ Г. 10A во втором положении дифракционной решетки, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 11 - технологическая схема, иллюстрирующая пример способа с возможностью осуществления посредством системы МСО-визуализации препаратов с несколькими оптическими решетками во время одного цикла визуализации для использования структурированного света для формирования изображения с высоким разрешением, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 12 иллюстрирует упрощенные картины дифракции света, которые могут быть спроецированы на плоскость образца посредством первой дифракционной решетки и второй дифракционной решетки системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками во время осуществления захвата изображения, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 13 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 14 - принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 15 - принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 16 - принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 17 изображает один пример выравнивающей структуры с возможностью применения в некоторых вариантах осуществления системы МСО-визуализации препаратов с несколькими оптическими решетками.

ФИГ. 18 иллюстрирует образец, который может быть сформирован поверх блока датчика изображения системы МСО-визуализации, по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

ФИГ. 19 иллюстрирует некоторые компоненты примера системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления.

Фигуры не являются исчерпывающими и не ограничивают настоящее раскрытие конкретной раскрываемой формой.

Осуществление изобретения

В контексте настоящего документа, когда речь идет о свете, дифрагируемом дифракционной решеткой, термин «порядок» или «число порядка» служит для обозначения числа целых длин волн, представляющего разность длин оптического пути из соседних щелей или конструкций дифракционной решетки для усиливающей интерференции. При взаимодействии падающего светового пучка с повторяющимся рядом структур решетки или иных светоделительных структур возможно перенаправление или дифракция частей светового пучка в предсказуемых угловых направлениях относительно исходного пучка. Термин «нулевой порядок» или «максимум нулевого порядка» служит для обозначения центральной светлой полосы, излучаемой дифракционной решеткой, где отсутствует дифракция. Термин «первый порядок» служит для обозначения двух светлых дифракционных полос по обеим сторонам полосы нулевого порядка, где разность длин пути составляет ±1 длину волны. Дифракция более высоких порядков происходит на углы большей величины относительно исходного пучка. Свойствами решетки можно управлять для регулирования части интенсивности пучка, направляемой в разные порядки. Например, может быть изготовлена фазовая решетка для максимизации пропускания пучков ±1 порядков и минимизации пропускания пучков нулевого порядка.

В контексте настоящего документа, когда речь идет об образце, термин «объект» служит для обозначения точки или зоны на картине, которые можно отличить от других точек или зон по относительному положению. Отдельный объект может включать в себя одну или более молекул конкретного типа. Например, объект может включать в себя единственную целевую молекулу нуклеиновой кислоты с конкретной последовательностью, либо объект может включать в себя несколько молекул нуклеиновой кислоты с одной и той же последовательностью (и/или ее комплементарной последовательностью).

В контексте настоящего документа, термин «плоскость ху» служит для обозначения 2-мерной зоны, ограниченной прямолинейными осями х и у в декартовой системе координат. При использовании применительно к детектору или предмету наблюдения детектора, такая зона может быть дополнительно охарактеризована как ортогональная оси пучка или направлению наблюдения между детектором и обнаруживаемым предметом.

В контексте настоящего документа, термин «координата z» служит для обозначения информации, указывающей местоположение точки, линии или зоны по оси, ортогональной плоскости ху. В частных вариантах ось z ортогональна зоне объекта, наблюдаемого детектором. Например, направление фокуса оптической системы может быть указано по оси z.

В контексте настоящего документа, термин «оптически связанный» означает, что один элемент выполнен с возможностью непосредственной или опосредованной передачи света другому элементу.

Как сказано выше, в известных вариантах осуществления систем МСО дифракционная решетка расположена на столике поступательного перемещения, в свою очередь установленном на столике вращения. Кроме того, такие системы зачастую содержат линейный поляризатор для поляризации света, излучаемого источником света, до его поступления на решетку. Известная конструкция имеет ряд недостатков для применения в системе микроскопии с высокой пропускной способностью. Во-первых, столик вращения должен повернуть решетку несколько раз во время получения набора изображений (например, три раза), что снижает скорость работы прибора и влияет на ее стабильность. Как правило, наивысшая возможная скорость вращения столиков с решеткой составляет порядка десятков миллисекунд (мс), что ограничивает механическую пропускную способность и, как следствие, скорость визуализации. Во-вторых, повторяемость, обеспечиваемая известной конструкцией, является низкой из-за механических отклонений столика вращения, ограничивающих повторяемость картин структурированного освещения при получении одного и последующих наборов изображений. Необходимость высокопрецизионного столика вращения также обуславливает высокую стоимость системы МСО.

В-третьих, известная конструкция МСО не является самой надежной для применения в системе микроскопии высокой пропускной способности из-за количества приведений в действие, совершаемых для вращения решетки. Например, если один набор изображений МСО получают каждую секунду, необходимое количество приведений в действие столика вращения может составить от нескольких миллионов до десятков миллионов в год. В-четвертых, известная конструкция МСО обладает низкой оптической эффективностью, так как линейный поляризатор блокирует по меньшей мере 50% света, поступающего на решетку.

В связи с этим, раскрытые в настоящем документе варианты осуществления технического решения имеют целью улучшение системы и способов МСО.

В соответствии с первой группой вариантов осуществления раскрываемого в настоящем документе технического решения, система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде многоплечевой системы МСО-визуализации, при этом каждое плечо системы включает в себя светоизлучатель и светоделитель (например, пропускающую дифракционную решетку) с особой фиксированной ориентацией относительно оптической оси системы. В данной группе вариантов светоделители в системе МСО-визуализации зафиксированы с возможностью вращения (т.е. не требуют механического вращения), что может обеспечить улучшение показателей скорости, надежности и повторяемости системы. Для систем, в которых визуализируемые объекты ориентированы в основном по 2 перпендикулярным осям (т.е. вертикальной и горизонтальной), можно увеличить пространственное разрешение, используя 2 угла картины вместо 3 углов, обычно используемых для беспорядочно-ориентированных объектов. В частных вариантах система может быть осуществлена в виде двухплечевой системы МСО-визуализации, включающей в себя фиксированную вертикальную решетку и фиксированную горизонтальную решетку для проецирования соответствующих дифракционных картин на визуализируемый образец. Возможно применение других пар ортогональных решеток и углов картины при условии их соответствия ориентации объектов-образцов. Кроме того, система может включать в себя зеркало с отверстиями для создания единого оптического пути от указанных двух плеч без потерь.

В соответствии со второй группой вариантов осуществления раскрываемого в настоящем документе технического решения система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации препаратов с несколькими светоделителями, в которой на одном столике линейного перемещения расположено множество светоделителей (например, дифракционных решеток) с соответствующей фиксированной ориентацией относительно оптической оси системы. В частных вариантах система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками, в которой все сдвиги фазы или вращения картины решетки, проецируемой на визуализируемый образец, можно осуществлять путем линейного поступательного перемещения столика перемещения по единственной оси перемещения для выбора одной из двух решеток или для сдвига фазы картины, создаваемой выбранной решеткой. В таких вариантах для освещения образца нужно только одно оптическое плечо с единственным излучателем и единственным столиком линейного перемещения, что может обеспечить такие преимущества системы, как уменьшение количества подвижных частей системы, для улучшения показателей в части скорости, сложности и стоимости. Кроме того, отсутствие поляризатора в таких вариантах может обеспечить преимущество в части высокой оптической эффективности.

В соответствии с третьей группой вариантов осуществления раскрываемого в настоящем документе технического решения, система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины, в которой фиксированную двухмерную дифракционную решетку применяют в комбинации с диском пространственной фильтрации для проецирования одномерных дифракционных картин на образец. В таких вариантах основные оптические компоненты системы визуализации могут оставаться неподвижными, что позволяет улучшить стабильность оптической системы (и картины освещения) и минимизировать вес, создаваемую вибрацию и стоимость подвижных элементов системы.

Прежде чем приступить к описанию раскрываемых здесь различных вариантов осуществления систем и способов, целесообразно описать пример среды, в которой может быть осуществлено раскрываемое техническое решение. Одним примером такой среды служит пример системы 100 визуализации со структурированным освещением на ФИГ. 1, освещающей образец пространственно-структурированным светом. Например, система 100 может представлять собой систему флуоресцентной микроскопии с помощью структурированного освещения, в которой для визуализации биологического образца применяют пространственно-структурированный свет возбуждения.

В примере на ФИГ. 1 светоизлучатель 150 выполнен с возможностью выдачи светового пучка, коллимируемого коллимационной линзой 151. Коллимированный свет структурируют (упорядочивают) посредством структурирующего свет оптического блока 155 и направляют посредством дихроичного зеркала 160 через линзу 142 объектива на образец в контейнере 110 для образцов, установленном на столике 170 перемещения. Если образец является флуоресцентным, он флуоресцирует под действием структурированного света возбуждения, при этом происходит прием образующегося света линзой 142 объектива и его направление к датчику изображения системы 140 камеры для детектирования флуоресценции.

Структурирующий свет оптический блок 155 в различных вариантах осуществления, дополнительно раскрытых ниже, включает в себя одну или более оптических дифракционных решеток или иных элементов расщепления пучка (например, светоделительный куб или пластину) для создания картины освещения (например, полос, обычно - синусоидальных), проецируемой на образцы в контейнере 110 для образцов. Дифракционные решетки могут представлять собой одномерные или двухмерные пропускающие или отражательные решетки. Дифракционные решетки могут представлять собой амплитудные или фазовые синусоидальные решетки.

Как подробнее раскрыто ниже на частных примерах осуществления, в системе 100 для дифракционных решеток не нужен столик вращения, как в обычной системе микроскопии структурированного освещения известных систем, речь о которых шла выше. В некоторых вариантах дифракционные решетки могут находиться в фиксированном состоянии во время работы системы визуализации (т.е. не требуют вращательного или линейного перемещения). Например, в частном варианте осуществления, подробнее раскрытом ниже, в число дифракционных решеток могут входить две фиксированные одномерные пропускающие дифракционные решетки, ориентированные перпендикулярно друг другу (например, горизонтальная дифракционная решетка и вертикальная дифракционная решетка).

Как проиллюстрировано в примере на ФИГ. 1, структурирующий свет оптический блок 155 выдает дифрагированные световые пучки первых порядков (например, порядков m=±1), при этом блокируя или минимизируя все прочие порядки, в том числе - нулевые порядки. При этом в альтернативных вариантах возможно проецирование на образец света дополнительных порядков.

Во время каждого цикла визуализации, система визуализации 100 задействует структурирующий свет оптический блок 155 для получения множества изображений при различных фазах, при этом интерференционную картину смещают латерально в направлении модулирования (например, в плоскости х-у и перпендикулярно полосам), при этом данную процедуру повторяют один или более раз, изменяя ориентацию картины путем вращения вокруг оптической оси (т.е. относительно плоскости х-у образца). Затем захваченные изображения могут быть вычислительно реконструированы для формирования изображения с более высоким разрешением (например, изображения с латеральным пространственным разрешением в два раза выше, чем у отдельных изображений).

Светоизлучатель 150 в системе 100 может представлять собой некогерентный светоизлучатель (например, излучать световые пучки, выдаваемые одним или более диодами возбуждения) или когерентный светоизлучатель, например, излучатель света, выдаваемого одним или более лазерами или лазерными диодами. Как проиллюстрировано в примере системы 100, светоизлучатель 150 включает в себя волоконный световод 152 для направления выдаваемого оптического пучка. При этом возможно применение других конфигураций светоизлучателя 150. В вариантах с применением структурированного освещения в многоканальной системе визуализации (например, многоканального флуоресцентного микроскопа с использованием света нескольких длин волн), волоконный световод 152 может образовывать оптическую связь с множеством разных источников света (не показано), при этом каждый источник света излучает свет отличной от других длины волны. Несмотря на то, что система 100 показана с единственным светоизлучателем 150, некоторые варианты осуществления могут включать в себя несколько светоизлучателей 150. Например, несколько светоизлучателей могут входить в состав системы визуализации со структурированным освещением, содержащей несколько плеч, как подробнее раскрыто ниже.

В некоторых вариантах система 100 может включать в себя проекционную линзу 156, могущую включать в себя элемент линзы с возможностью сочленения по оси z для регулирования формы и пути структурированного пучка. Например, компонент проекционной линзы может быть выполнен с возможностью сочленения с учетом диапазона толщин образцов (например, различных толщин покровного стекла) в контейнере 110.

В примере системы 100, модуль или устройство 190 подачи текучей среды может направлять поток реагентов (например, флуоресцентно-меченых нуклеотидов, буферных растворов, ферментов, расщепляющих реагентов и т.п.) к контейнеру 110 для образцов (и через него) и сливному клапану 120. Контейнер 110 для образцов может включать в себя одну или более подложек, на которых формируют образцы. Например, если система предназначена для анализа большого числа различных последовательностей нуклеиновых кислот, контейнер 110 для образцов может включать в себя одну или более подложек для связывания с ними, прикрепления или присоединения к ним подлежащих секвенированию нуклеиновых кислот. Подложка может включать в себя любую инертную подложку или матрицу с возможностью прикрепления к ней нуклеиновых кислот, например, стеклянные поверхности, пластмассовые поверхности, латексные, декстрановые, полистирольные поверхности, полипропиленовые поверхности, полиакриламидные гели, золотые поверхности и кремниевые пластины. В некоторых случаях применения подложка расположена в пределах канала или иной зоны во множестве мест, сформированных с образованием матрицы или структуры от края до края контейнера 110 для образцов. Система 100 также может включать в себя исполнительный механизм 130 температурной станции и нагреватель-охладитель 135 с возможностью, при необходимости, регулирования температурных режимов текучих сред в пределах контейнера 110 для образцов.

В частных вариантах контейнер 110 для образцов может быть осуществлен как структурированная проточная ячейка, включающая в себя светопрозрачную крышку, подложку и заключенную между ними жидкость, при этом биологический образец может быть расположен на внутренней поверхности светопрозрачной крышки или внутренней поверхности подложки. Проточная ячейка может включать в себя большое количество (например, тысячи, миллионы или миллиарды) лунок или областей, расположенных по схеме с образованием определенной матрицы (например, гексагональной матрицы, прямоугольной матрицы и т.п.) в подложке. Каждая область может образовывать кластер (например, кластер моноклональных антител) биологического образца, например, ДНК, РНК или иного геномного материала, который может быть секвенирован, например, путем синтеза. Проточная ячейка может быть дополнительно поделена на несколько отстоящих друг от друга дорожек (например, восемь дорожек), при этом каждая дорожка содержит гексагональную матрицу кластеров. Примеры проточных ячеек с возможностью применения в раскрытых в настоящем документе вариантах осуществления раскрыты в патенте США №8,778,848.

Контейнер 110 для образцов может быть расположен на предметном столике 170 для обеспечения перемещения и выравнивания контейнера 110 для образцов относительно линзы 142 объектива. Предметный столик может иметь один или более приводов, обеспечивающих возможность его перемещения в любом из трех измерений. Например, в декартовой системе координат, приводы могут быть выполнены с возможностью перемещения столика в направлениях X, Y и Z относительно линзы объектива. Это обеспечивает возможность выравнивания одного или более местоположений образца на контейнере 110 для образцов по оптической оси с линзой 142 объектива. Перемещение предметного столика 170 относительно линзы 142 объектива может быть обеспечено путем перемещения самого предметного столика, линзы объектива, иного компонента системы визуализации или вышеперечисленного в какой-либо комбинации. В некоторых вариантах перемещение предметного столика 170 может быть осуществлено во время визуализации методом структурированного освещения для перемещения полос структурированного освещения относительно образца для изменения фаз. Дополнительные варианты осуществления могут также включать в себя перемещение системы визуализации целиком над неподвижным образцом. В альтернативном варианте контейнер 110 для образцов может находиться в фиксированном состоянии во время визуализации.

Некоторые варианты могут включать в себя фокусирующий (по оси z) компонент 175 для регулирования положения оптических компонентов относительно контейнера 110 для образцов в направлении фокуса (обычно именуемом «ось z» или «направление z»). Фокусирующий компонент 175 может включать в себя один или более приводов, физически соединенных с оптическим столиком или предметным столиком, или с ними обоими для перемещения контейнера 110 для образцов на предметном столике 170 относительно оптических компонентов (например, линзы 142 объектива) для надлежащего наведения на фокус для выполнения визуализации. Например, привод может быть физически соединен с соответствующим столиком, например, посредством механического, магнитного, гидравлического или иного крепления, либо находиться в непосредственном или опосредованном контакте со столиком. Указанные один или более приводов могут быть выполнены с возможностью перемещения столика в направлении z, при этом удерживая предметный столик в одной и той же плоскости (например, поддерживая уровень или положение по горизонтали перпендикулярно оптической оси). Один или более приводов также могут быть выполнены с возможностью наклона столика. Например, это может быть сделано так, чтобы контейнер 110 для образцов можно было динамически выравнивать с учетом любого уклона его поверхностей.

Несмотря на то, что ФИГ. 1 иллюстрирует применение линзы 142 объектива для объединения и проецирования пучков двух порядков на визуализируемый образец в виде картины интерференционных полос, следует понимать, что возможно применение иных подходящих средств для объединения указанных двух пучков и/или проецирования картины интерференционных полос на образец. Любые средства перенаправления пучков (например, посредством зеркал) могут быть достаточными, при условии, что длина пути, проходимого пучками, находится в пределах длины временной когерентности пучков. Кроме того, в некоторых вариантах возможно автоматическое совмещение указанных пучков двух порядков на расстоянии за пределами светоделителя (например, дифракционной решетки). В таких вариантах возможно появление картины интерференционных полос вблизи решетки, что устраняет необходимость дополнительной проекционной системы, если дифракционная решетка расположена достаточно близко к образцу. Таким образом, следует понимать, что раскрытые в настоящем документе варианты осуществления МСО могут быть применимы для систем, в которых для проецирования картин интерференционных полос не задействованы системы линз объектива.

Структурированный свет, исходящий от испытуемого образца в визуализируемом месте анализа, может быть направлен через дихроичное зеркало 160 к одному или более детекторам системы 140 камеры. Некоторые варианты могут включать в себя блок 165 переключения фильтров с одним или более фильтрами излучения, выполненными с возможностью пропускания излучения отдельных длин волн и блокирования (или отражения) излучения других длин волн. Например, один или более фильтров излучения выполнены с возможностью переключения между разными каналами системы визуализации. В частном варианте осуществления фильтры излучения могут быть осуществлены как дихроичные зеркала, направляющие излучаемый свет разных длин волн к разным датчикам изображения системы 140 камеры.

Система 140 камеры может включать в себя один или более датчиков изображения для контроля и отслеживания процесса визуализации (например, секвенирования) контейнера 110 для образцов. Например, система 140 камеры может быть осуществлена как камера датчика изображения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС), при этом возможно применение иных технических решений датчика изображения, например, активно-пиксельных датчиков (например, датчиков изображения на основе комплементарной структуры «металл - оксид - полупроводник» (КМОП)). В некоторых вариантах системы 100 визуализации со структурированным освещением может быть применен датчик изображения (например, активно-пиксельный датчик) в активной плоскости образца. В таких вариантах визуализируемый образец может быть сформирован и/или выровнен поверх датчика изображения.

Выходные данные (например, изображения) от системы 140 камеры могут быть переданы в модуль анализа в режиме реального времени (не показан), который может быть осуществлен как компьютерная программа с возможностью, как подробнее раскрыто ниже, реконструкции изображений, захваченных во время каждого цикла визуализации, для формирования изображения с более высоким пространственным разрешением. В альтернативном варианте выходные данные могут быть сохранены для последующей реконструкции.

Хотя это и не показано, может быть предусмотрен контроллер для управления работой системы 100 визуализации со структурированным освещением, в том числе - для синхронизации различных оптических компонентов системы 100. Контроллер может быть выполнен с возможностью управления такими аспектами работы системы как, например, конфигурация структурирующего свет оптического блока 155 (например, выбор и/или линейное поступательное перемещение дифракционных решеток), перемещение проекционной линзы 156, наведение на фокус, перемещение столика и операции визуализации. В различных вариантах осуществления контроллер может быть осуществлен на основе аппаратных средств, алгоритмов (например, машинно-исполняемых инструкций) или их комбинации. Например, в некоторых вариантах контроллер может включать в себя одно или более центральных процессорных устройств (ЦПУ) или процессоров с относящимся к ним запоминающим устройством. В другом примере контроллер может содержать аппаратные средства или иные схемы для управления указанной работой, такие как процессор вычислительной машины и долговременный машиночитаемый носитель с хранимыми в нем машиночитаемыми инструкциями. Например, указанные схемы могут включать в себя: программируемую пользователем вентильную матрицу (ППВМ), и/или специализированную заказную интегральную схему (СИС), и/или программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), и/или сложную программируемую логическую схему (СПЛИС), и/или программируемую логическую матрицу (ПЛМ), и/или программируемую матричную логику (ПМЛ) или аналогичное процессорное устройство или схему. В еще одном примере контроллер может содержать комбинацию указанной схемы с одним или более процессорными устройствами.

Многоплечевая система визуализации с помощью микроскопии структурированного освещения

В соответствии с некоторыми вариантами раскрываемого технического решения, система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде многоплечевой системы МСО-визуализации, причем каждое плечо системы включает в себя светоизлучатель и решетку с особой фиксированной ориентацией относительно оптической оси системы.

ФИГ. 2 - оптическая схема, иллюстрирующая один пример оптической конфигурации двухплечевой системы 200 МСО-визуализации по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. Первое плечо системы 200 включает в себя светоизлучатель 210A, оптический коллиматор 220А для коллимирования света, выдаваемого светоизлучателем 210A, дифракционную решетку 230А в первой ориентации относительно оптической оси, поворотное окно 240А и проекционную линзу 250А. Второе плечо системы 200 включает в себя светоизлучатель 210В, оптический коллиматор 220В для коллимирования света, выдаваемого светоизлучателем 210В, дифракционную решетку 230В во второй ориентации относительно оптической оси, поворотное окно 240В и проекционную линзу 250В. Несмотря на то, что в данном примере показаны дифракционные решетки, в других вариантах возможно применение других элементов расщепления пучка, например, светоделительного куба или пластины с возможностью расщепления поступающего света на каждом плече системы 200 МСО-визуализации.

Каждый светоизлучатель 210А-210В может представлять собой некогерентный светоизлучатель (например, излучать световые пучки, выдаваемые одним или более светоизлучающими диодами (СИД)) или когерентный светоизлучатель, например, излучатель света, выдаваемого одним или более лазерами или лазерными диодами. В примере системы 200, каждый светоизлучатель 210А-210В представляет собой волоконный световод, выдающий оптический пучок, коллимируемый соответствующим коллиматором 220А-220В.

В некоторых вариантах каждый волоконный световод может быть оптически связан с соответствующим источником света (не показан), например, лазером. Во время визуализации, каждый волоконный световод можно включать или выключать посредством высокоскоростного затвора (не показан), расположенного на оптическом пути между волоконным световодом и источником света, или путем эксплуатации соответствующего световоду источника света в импульсном режиме с заранее заданной частотой во время визуализации. В некоторых вариантах каждый волоконный световод может быть оптически связан с одним и тем же источником света. Такие варианты содержат светоделитель или иной подходящий оптический элемент с возможностью направления света от источника света в каждый из волоконных световодов. В таких примерах каждый волоконный световод можно включать или выключать посредством высокоскоростного затвора (не показан), расположенного на оптическом пути между волоконным световодом и светоделителем.

В примере системы 200 МСО-визуализации первое плечо содержит фиксированную вертикальную решетку 230А для проецирования картины решетки в первой ориентации (например, вертикальной интерференционной картины) на образец, при этом второе плечо содержит фиксированную горизонтальную решетку 230 В для проецирования картины решетки во второй ориентации (например, горизонтальной интерференционной картины) на образец 271. В отличие от известных систем МСО-визуализации, решетки системы 200 МСО-визуализации не нужно механически вращать или поступательно перемещать, что может обеспечить улучшение показателей скорости, надежности и повторяемости системы.

В примере на ФИГ. 2 показано, что решетки 230А-230 В могут представлять собой пропускающие дифракционные решетки, содержащие множество дифракционных элементов (например, параллельные щели или штрихи), сформированных в стеклянной подложке или на иной подходящей поверхности. Решетки могут быть осуществлены как фазовые решетки с возможностью периодического изменения показателя преломления материала решетки. Расстояние между штрихами или элементами может быть выбрано для дифракции света под подходящими углами и настройки на минимальный различимый размер объекта визуализируемых образцов для работы системы 200 МСО-визуализации. В других вариантах решетки могут представлять собой отражательные дифракционные решетки.

В примере системы 200 МСО-визуализации вертикальная и горизонтальная картины расположены со смещением приблизительно на 90 градусов. В других вариантах возможны иные ориентации решеток для создания смещения приблизительно на 90 градусов. Например, решетки могут быть ориентированы с возможностью проецирования ими изображений, расположенных со смещением ±45 градусов от плоскости х или у образца 271. В частности, конфигурация примера системы 200 МСО-визуализации может обеспечивать преимущество, если образец 271 структурирован с образованием регулярной структуры с объектами, расположенными по прямоугольной сетке, так как структурное разрешение может быть улучшено за счет применения всего лишь двух перпендикулярных решеток (например, вертикальной решетки и горизонтальной решетки).

Решетки 230А-230В в примере системы 200 выполнены с возможностью дифракции входящих пучков в несколько порядков (например, 0-й порядок, ±1-е порядки, ±2-е порядки и т.п.), из которых свет ±1-х порядков может быть спроецирован на образец 271. В данном примере показано, что вертикальная решетка 230А дифрагирует коллимированный световой пучок в дифрагированные пучки первого порядка (±1 порядки), рассеивая первые порядки на плоскости страницы, при этом горизонтальная решетка 230 В дифрагирует коллимированный световой пучок в дирагированные пучки первого порядка, рассеивая указанные порядки над и под плоскостью страницы (т.е. в плоскости, перпендикулярной странице). Для повышения эффективности системы, пучки нулевого порядка и пучки всех других более высоких порядков (т.е. +2 и более высоких порядков) могут быть блокированы (т.е. отфильтрованы из картины освещения, проецируемой на образец 271). Например, элемент блокирования пучка (не показан), например, фильтр порядков, может быть помещен на оптический путь вслед за каждой дифракционной решеткой для блокирования пучка 0-го порядка и пучков более высокого порядка. В некоторых вариантах дифракционные решетки 230А-230В могут быть выполнены с возможностью дифракции пучков только в первые порядки, при этом 0-ые порядки (недифрагированный пучок) могут быть блокированы каким-либо элементом блокирования пучка.

Каждое плечо включает в себя оптический фазовый модулятор или фазовращатель 240А-240В для сдвига фазы дифрагированного света, выдаваемого каждой из решеток 230. Например, во время визуализации со структурированным освещением, можно осуществлять сдвиг оптической фазы каждого дифрагированного пучка на некоторую долю (например, 1/2, 1/3, 1/4 и т.п.) шага (λ) каждой полосы структурированной картины. В примере на ФИГ. 2, фазовые модуляторы 240А и 240 В осуществлены как поворотные окна с возможностью применения гальванометр или иного вращательного привода для вращения и модулирования длины оптического пути каждого дифрагированного светового пучка. Например, окно 240А выполнено с возможностью вращения вокруг вертикальной оси для сдвига изображения, проецируемого вертикальной решеткой 230А на образец 271, влево или вправо, при этом окно 240В выполнено с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси для сдвига изображения, проецируемого горизонтальной решеткой 230В на образец 271, вверх или вниз.

В других вариантах, подробнее раскрытых ниже, возможно применение иных фазовых модуляторов, изменяющих длину оптического пути дифрагированного света (например, столиков линейного поступательного перемещения, клиньев и т.п.). Кроме того, несмотря на то, что оптические фазовые модуляторы 240А-240В показаны расположенными вслед за решеткой 230А-230В, в других вариантах они могут быть расположены в других местах в системе освещения. В некоторых вариантах единственный фазовый модулятор выполнен с возможностью работы в двух разных направлениях для разных дифракционных картин, либо единственный фазовый модулятор выполнен с возможностью регулирования длин обоих путей за счет единственного перемещения, как раскрыто ниже.

В примере системы 200 зеркало 260 с отверстиями 261 создает единый оптический путь от указанных двух плеч без потерь (например, без значительной потери оптической мощности, не считая небольшого поглощения в отражающем покрытии). Зеркало 260 может быть расположено так, чтобы обеспечить пространственное разрешение дифрагированных порядков от каждой из решеток, и с возможностью блокирования нежелательных порядков. Зеркало 260 пропускает свет первых порядков, выдаваемый первым плечом, через отверстия 261. Зеркало 260 отражает свет первых порядков, выдаваемый вторым плечом. Таким образом, ориентацию картины структурированного освещения можно изменять с вертикальной (например, решетки 230А) на горизонтальную (например, решетки 230В) путем включения или выключения каждого из излучателей или путем открытия и закрытия оптического затвора, направляющего свет из источника света по волоконно-оптическому кабелю. В других вариантах картину структурированного освещения можно изменять посредством оптического переключателя для перехода с одного плеча, освещающего образец, на другое.

В примере системы 200 визуализации также проиллюстрированы: проекционная линза 265, полуотражательное зеркало 280, объектив 270 и камера 290. Проекционная линза 265 выполнена с возможностью совместного применения с линзой 250А для проецирования результата преобразования Фурье решетки 230А во входной зрачок линзы 270 объектива. Аналогичным образом, проекционная линза 265 выполнена с возможностью совместного применения с линзой 250В для проецирования результата преобразования Фурье решетки 230В во входной зрачок линзы 270 объектива. Проекционная линза 265 также может быть выполнена с возможностью сочленения по оси z для фокусировки решетки на плоскости образца. Полуотражательное зеркало 280 может представлять собой дихроичное зеркало для отражения света структурированного освещения, поступающего от каждого плеча, в объектив 270 для проецирования на образец 271 и для пропускания света, излучаемого образцом 271 (например, флуоресцентного света, излучаемого на длинах волн, отличных от света возбуждения) к камере 290.

Следует отметить, что пример системы 200 может обеспечивать высокую оптическую эффективность благодаря отсутствию поляризатора. Кроме того, применение неполяризованного света может не оказывать значительного влияния на контрастность картины в зависимости от заданной числовой апертуры объектива 270.

Следует отметить, что, для простоты изложения, некоторые оптические компоненты системы 200 МСО-визуализации могли не быть упомянуты выше. Кроме того, несмотря на то, что в данном примере система 200 проиллюстрирована как одноканальная система, в других вариантах она может быть осуществлена как многоканальная система (например, за счет применения двух разных камер и источников света с излучением на двух разных длинах волн).

ФИГ. 3 - оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы 300 МСО-визуализации по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. В системе 300 большое поворотное оптическое окно 310 может быть размещено вслед за зеркалом 260 с отверстиями 261. В этом случае окно 310 может служить вместо окон 240А и 240В для модулирования фаз обеих групп дифрагированных пучков, создаваемых вертикальной и горизонтальной дифракционными решетками. Ось вращения для поворотного окна 310 может быть расположена не параллельно оптической оси одной из решеток, а со смещением на 45 градусов (или каким-либо другим угловым смещением) относительно оптической оси каждой из решеток - вертикальной и горизонтальной - для сдвига фаз в обоих направления по общей оси вращения окна 310. В некоторых вариантах вместо поворотного окна 310 может быть применено клиновидное оптическое тело с возможностью вращения вокруг номинальной оси пучка.

ФИГ. 4 - оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы 400 МСО-визуализации по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. В системе 400 решетки 230А и 230В расположены соответственно на столиках линейного перемещения 410А и 410В, выполненных с возможностью поступательного перемещения для изменения длины оптического пути (и, тем самым, фазы) света, излучаемого решетками 230А и 230В. Ось перемещения столиков линейного перемещения 410А-410В может быть расположена перпендикулярно или с иным смещением относительно ориентации соответствующей решетки для осуществления поступательного перемещения картины от решетки вдоль образца 271. В вариантах осуществления каждый из столиков 410А и 410В выполнен с возможностью прецизионного линейного поступательного перемещения решеток для сдвига фазы проецируемых изображений за счет применения подшипников с поперечными роликами, линейного двигателя, высокоточного датчика линейного перемещения и/или иных технических решений.

ФИГ. 5 - технологическая схема, иллюстрирующая пример способа 500 с возможностью выполнения посредством многоплечевой системы МСО-визуализации во время одного цикла визуализации для использования структурированного света для формирования изображения с высоким разрешением по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. В вариантах осуществления способ 500 можно выполнять для визуализации образца целиком или какого-либо места на образце большего размера. Способ 500 будет раскрыт совместно с ФИГ. 6, иллюстрирующей упрощенные картины дифракции света, которые могут быть спроецированы на плоскость образца 271 вертикальной решеткой и горизонтальной решеткой двухплечевой системы МСО-визуализации во время осуществления захвата изображения. Например, система 200 МСО-визуализации может содержать вертикальную решетку 230А и горизонтальную решетку 230В для формирования горизонтальной и вертикальной картин освещения, показанных на ФИГ. 6, при этом фазовые модуляторы 230А и 230 В выполнены с возможностью установки в три разных положения для осуществления трех показанных сдвигов фаз.

На этапе 510 первое плечо, соответствующее первой ориентации решетки, включают для начала формирования картин освещения посредством первого плеча. Например, в варианте осуществления системы 200 визуализации высокоскоростной затвор, расположенный на пути между волоконным световодом 210А и источником света, можно открыть или иным образом привести в действие так, чтобы источник света не был блокирован. В альтернативном варианте можно включать или выключать один или более источников света (например, в импульсном режиме), или задействовать оптический переключатель для направления света источника по оптическому пути первого плеча (например, через первый или второй излучатель). В некоторых случаях этап 510 может также включать в себя включение источника света (например, в случае первого цикла визуализации).

Когда первое плечо будет включено, на этапе 520 можно осуществить проецирование первой картины решетки на образец и захват изображения. Например, как проиллюстрировано ФИГ. 6, вертикальная решетка 230А выполнена с возможностью проецирования полос освещения первого порядка на образец 271. Любой свет, излучаемый образцом, может быть захвачен камерой 290, при этом может быть захвачено первое фазовое изображение первой картины (например, вертикальной картины). Например, флуоресцентные красители, находящиеся на разных объектах образца 271, могут флуоресцировать, а образующийся свет может быть принят линзой 270 объектива и направлен к датчику изображения камеры 290 для детектирования флуоресценции.

Если нужно захватить дополнительные сдвинутые по фазе изображения (решение 530), на этапе 540 можно осуществить сдвиг фазы картины, проецируемой решеткой, для захвата следующего фазового изображения картины. Например, в варианте осуществления системы 200, фаза картины, проецируемой вертикальной решеткой 230А, может быть сдвинута посредством поворотного оптического окна 240А. В альтернативном варианте фазу можно сдвигать посредством иных оптических фазовых модуляторов, например, столиков поступательного перемещения или вращательных оптических клиньев. Например, как проиллюстрировано в примере на ФИГ. 6, фазу можно сдвинуть на 1/3 шага (λ) дифракционной картины так, чтобы проецируемая на образец картина была смещена на 1/3λ относительно предыдущего захваченного изображения. В некоторых вариантах можно осуществить сдвиг фазы картины, проецируемой решеткой, путем перемещения образца (например, с помощью столика перемещения), не перемещая при этом проецируемые полосы. В некоторых вариантах можно осуществить сдвиг фазы картины, проецируемой решеткой, путем перемещения и образца, и проецируемых полос. Этапы 520-540 можно повторять неоднократно до тех пор, пока не будут захвачены все фазовые изображения первой картины (например, три сдвинутые по фазе изображения вертикальной картины в случае на ФИГ. 6).

Когда все фазовые изображения картины будут захвачены, на этапе 560 можно включить второе плечо, соответствующее второй ориентации решетки системы МСО-визуализации. Например, в варианте осуществления системы 200 визуализации высокоскоростной затвор, расположенный на пути между волоконным световодом 210 В и источником света, можно открыть или иным образом привести в действие так, чтобы источник света не был блокирован. В альтернативном варианте можно включать или выключать один или более источников света (например, в импульсном режиме), или задействовать оптический переключатель для направления света источника по оптическому пути второго плеча. Кроме того, можно выключить другое плечо. Далее можно осуществить захват серии фазовых изображений для следующего плеча путем повтора этапов 520-540. Например, как проиллюстрировано ФИГ. 6, горизонтальная решетка 230В выполнена с возможностью проецирования полос освещения первого порядка на образец 271, при этом можно осуществлять сдвиг положения проецируемым полос на 1/3λ для захвата трех фазовых изображений горизонтальной картины. В другом примере можно осуществить сдвиг фазы картины, проецируемой решеткой, путем перемещения образца (например, с помощью столика перемещения), не перемещая при этом проецируемые полосы, или путем перемещения и образца, и проецируемых полос.

Когда все изображения для цикла визуализации будут захвачены, на этапе 570 из захваченных изображений может быть сформировано изображение с высоким разрешением. Например, изображение с высоким разрешением можно реконструировать из шести изображений на ФИГ. 6. Можно использовать подходящие алгоритмы для объединения указанных нескольких изображений для синтезирования единого изображения образца с пространственным разрешением, значительно лучшим, чем у любого отдельного составляющего его изображения.

Следует отметить, что способ 500, хотя и был раскрыт в первую очередь применительно к одноканальной визуализации (например, визуализации образца с помощью источника света с единственной длиной волны), в некоторых вариантах может быть приспособлен для многоканальной визуализации (например, визуализации образца с помощью источников света с разными длинами волн). В таких вариантах способ 500 можно повторять для каждого канала системы визуализации (например, последовательно или параллельно) для формирования изображений с высоким разрешением для каждого канала.

Несмотря на то, что варианты осуществления двухплечевой системы 200 МСО-визуализации были раскрыты выше применительно к системе 200, содержащей зеркало 260 с отверстиями 261 для беспотерьного объединения оптических путей указанных двух плеч, в альтернативном варианте два изображения от горизонтальной и вертикальной решеток 230А-230В могут быть без потерь объединены за счет применения поляризационного светоделителя вместо зеркала с отверстиями и освещения вертикальной решетки вертикально-поляризованным светом, а горизонтальной решетки - горизонтально-поляризованным светом. В таких вариантах можно менять ориентацию картины структурированного освещения с горизонтальной на вертикальную путем включения и выключения соответствующих источников поляризованного освещения.

ФИГ. 7 иллюстрирует пример экспериментальной конструкции двухплечевой системы МСО-визуализации 700, содержащей поляризационный светоделитель для создания объединенного оптического пути указанных плеч, освещающий вертикальную решетку вертикально-поляризованным светом, а горизонтальную решетку - горизонтально-поляризованным светом. В варианте осуществления на ФИГ. 7 горизонтальная и вертикальная решетки обозначены G1 и G2, горизонтальное и вертикальное поворотные окна - W1 и W2, а поляризационный светоделитель для объединения изображений горизонтальной и вертикальной решеток - PBS2. Выход многомодового лазера с волоконным смесителем мод обозначен Fiber1.

ФИГ. 8А иллюстрирует афокальное зеркальное отображение и изображение флуоресцентного препарата, захваченные с помощью примера системы МСО-визуализации 700, в которой задействован микроскоп с 20-кратным увеличением и числовой апертурой 0.75. Видимость полос афокального зеркального отображения составляет 84%. Видимость полос изображения флуоресцентного препарата составляет 6.6%.

ФИГ. 8В иллюстрирует измерения модуляции интерференционных полос, полученные с помощью системы 700 с проточной ячейкой с гранулами. График иллюстрирует типовые изменения яркости изображения объекта во время цикла регулирования фаз по мере изменения угла параллельной пластины W2 на ФИГ. 7.

ФИГ. 9 иллюстрирует другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы 900 МСО-визуализации по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. Первое плечо системы 900 содержит светоизлучатель 910А (например, волоконный световод), оптический коллиматор 920А для коллимирования света, выдаваемого светоизлучателем 910А, дифракционную решетку 930А в первой ориентации относительно оптической оси и оборачивающую линзу 940А. Второе плечо системы 900 содержит светоизлучатель 910В, оптический коллиматор 920В для коллимирования света, выдаваемого светоизлучателем 910В, дифракционную решетку 930В во второй ориентации относительно оптической оси и оборачивающую линзу 940В.

Система 900 также содержит элемент 950 объединения пучков для объединения указанных двух плеч оптической системы. Показано, что элемент 950 объединения пучков содержит 45°-ную призму с отверстиями для пропускания структурированного света от второго плеча системы и зеркальную поверхность для отражения структурированного света, поступающего от первого плеча. До поступления в элемент 950 объединения пучков, каждый структурированный пучок света проходит через пространственный фильтр с парой вырезов для пропускания ±1-х порядков и блокирования других порядков. Структурированный свет, исходящий из первого плеча в первой плоскости, может быть направлен отражательным оптическим элементом 945 в элемент 950 объединения пучков. В системе 900 оптический элемент 960 из параллельных пластин служит регулятором фазы и выполнен с возможностью вращения для сдвига структурированного света в любой ориентации за элементом 950 объединения пучков.

Несмотря на то, что варианты осуществления в предшествующей части настоящего описания были раскрыты применительно к двухплечевой системе визуализации со структурированным освещением, содержащей две решетки, ориентированной под двумя разными углами, следует отметить, что в других вариантах системы могут быть выполнены с более чем двумя плечами. Если объекты образца регулярно распределены на прямоугольной сетке, для повышения разрешения достаточно двух перпендикулярных углов (например, вертикальной решетки и горизонтальной решетки), как раскрыто выше. С другой стороны, для повышения разрешения изображений во всех направлениях для других образцов (например, гексагонально-структурированных образцов), возможно применение трех углов решетки. Например, трехплечевая система может содержать три светоизлучателя и три фиксированные дифракционные решетки (по одной на плечо), причем каждая дифракционная решетка ориентирована вокруг оптической оси системы с возможностью проецирования картины соответствующей ориентации на образец (например, 0°-ной картины, 120°-ной картины или 240°-ной картины). Такие системы могут содержать дополнительные зеркала с отверстиями для объединения дополнительных изображений дополнительных решеток в систему без потерь. В альтернативном варианте такие системы могут содержать один или более поляризационных светоделителей для объединения изображений каждой из решеток.

Система визуализации препаратов с помощью микроскопии структурированного освещения с несколькими решетками

В соответствии с некоторыми вариантами раскрываемого технического решения, система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации препаратов с несколькими оптическими решетками, в которой на одном столике линейного перемещения расположено множество дифракционных решеток (или иных светоделительных оптических элементов) с соответствующей фиксированной ориентацией относительно оптической оси системы.

ФИГ. 10А-10В представляют собой принципиальные схемы, иллюстрирующие пример оптической конфигурации системы 1000 МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. Как подробнее раскрыто ниже, в данной конфигурации системы 1000 все изменения картины решетки, проецируемой на образец 1070 (например, сдвиги фазы или вращения картины), можно осуществлять путем линейного поступательного перемещения столика 1030 перемещения по единственной оси перемещения для выбора решетки 1031 или 1032 (т.е. выбора ориентации решетки) или для сдвига фазы одной из решеток 1031-1032.

Система 1000 содержит светоизлучатель 1010 (например, волоконный световод оптически связанный с источником света), первый оптический коллиматор 1020 (например, коллимационную линзу) для коллимирования света, выдаваемого светоизлучателем 1010, столик 1030 линейного перемещения с расположенным на нем первой дифракционной решеткой 1031 (например, горизонтальной решеткой) и второй дифракционной решеткой 1032 (например, вертикальной решеткой), проекционную линзу 1040, полуотражательное зеркало 1050 (например, дихроичное зеркало), объектив 1060, образец 1070 и камеру 1080. Для простоты изложения, оптические компоненты системы 1000 МСО-визуализации могут не быть показаны на ФИГ. 10А. Кроме того, несмотря на то, что в данном примере система 1000 проиллюстрирована как одноканальная система, в других вариантах она может быть осуществлена как многоканальная система (например, за счет применения двух разных камер и источников света, излучающих на двух разных длинах волн).

На ФИГ. 10А показано, что решетка 1031 (например, горизонтальная дифракционная решетка) выполнена с возможностью дифракции коллимированного светового пучка в дифрагированные световые пучки первого порядка (на плоскости страницы). На ФИГ. 10В показано, что дифракционная решетка 1032 (например, вертикальная дифракционная решетка) выполнена с возможностью дифракции пучка в первые порядки (над и под плоскостью страницы). В этой конфигурации, для визуализации образца 1070 нужно только одно оптическое плечо с единственным излучателем 1010 (например, волоконным световодом) и единственный столик линейного перемещения, что может обеспечить такие преимущества системы, как уменьшение количества подвижных частей системы, для улучшения показателей в части скорости, сложности и стоимости. Кроме того, отсутствие поляризатора в системе 1000 может обеспечить преимущество в части высокой оптической эффективности, речь о котором шла выше. В частности, конфигурация примера системы 200 МСО-визуализации может обеспечивать преимущество, если образец 1070 структурирован с образованием регулярной структуры с объектами, расположенными по прямоугольной сетке, так как структурное разрешение может быть улучшено за счет применения всего лишь двух перпендикулярных решеток (например, вертикальной решетки и горизонтальной решетки).

Для повышения эффективности системы можно блокировать (т.е. отфильтровывать из картины освещения, проецируемой на образец 1070) пучки нулевого порядка и пучки всех более высоких порядков дифракции (т.е. ±2-ых и более высоких порядков), выдаваемые каждой решеткой. Например, элемент блокирования пучка (не показан), например, фильтр порядков, может быть помещен на оптический путь вслед за столиком 1030 перемещения. В некоторых вариантах дифракционные решетки 1031-1032 могут быть выполнены с возможностью дифракции пучков только в первые порядки, при этом 0-ые порядки (недифрагированный пучок) могут быть блокированы каким-либо элементом блокирования пучка.

В примере системы 1000 указанные две решетки могут быть расположены под углом приблизительно ±45° относительно оси перемещения (или с каким-либо иным угловым смещением относительно оси перемещения, например, приблизительно +407-50°, приблизительно +307-60° и т.п.) с возможностью осуществления сдвига фазы для каждой решетки 1031-1032 по единственной оси линейного перемещения. В некоторых вариантах указанные две решетки могут быть объединены с образованием физического оптического элемента. Например, одна сторона физического оптического элемента может содержать картину решетки в первой ориентации, а соседняя сторона физического оптического элемента - картину решетки во второй ориентации, ортогональной первой ориентации.

Столик 1030 одноосного линейного перемещения может включать в себя один или более приводов, обеспечивающих возможность его перемещения по оси X относительно плоскости образца или по оси Y относительно плоскости образца. Во время работы столик 1030 линейного перемещения может обеспечивать достаточное перемещение (например, приблизительно 12-15 мм) и точность (например, повторяемость менее приблизительно 0.5 микрометра) для точного проецирования картин освещения для эффективной реконструкции изображений. В тех вариантах, где столик 1030 перемещения применяют в автоматизированной системе визуализации, например, флуоресцентном микроскопе, он может быть выполнен с возможностью обеспечения высокой скорости работы, минимальной вибрации и длительного срока службы. В вариантах осуществления столик 1030 линейного перемещения может включать в себя подшипники с поперечными роликами, линейный двигатель, высокоточный датчик линейного перемещения и/или иные компоненты. Например, столик 1030 перемещения может быть осуществлен как высокоточный шаговый столик или пьезо-столик перемещения с возможностью поступательного перемещения посредством контроллера.

ФИГ. 11 представляет собой технологическую схему, иллюстрирующую пример способа 1100 с возможностью осуществления посредством системы МСО-визуализации препаратов с несколькими оптическими решетками во время одного цикла визуализации для использования структурированного света для формирования изображения с высоким разрешением по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. В зависимости от варианта осуществления, способ 1100 можно выполнять для визуализации образца целиком или какого-либо места на образце большего размера. Способ 1100 будет раскрыт совместно с ФИГ. 12, иллюстрирующей упрощенные картины дифракции света, которые могут быть спроецированы на плоскость образца 1070 посредством первой дифракционной решетки и второй дифракционной решетки системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками во время осуществления захвата изображения. Например, система 1000 МСО-визуализации может содержать первую дифракционную решетку 1031 и вторую дифракционную решетку 1032 для формирования картин освещения на ФИГ. 12. Как проиллюстрировано в примере на ФИГ. 12, указанные две решетки проецируют перпендикулярные дифракционные картины на поверхность образца 1070 и расположены под углом приблизительно ±45° относительно оси перемещения столика 1030 линейного перемещения.

На этапе 1110 включают источник света. Например, можно привести в действие оптический затвор для создания оптической связи между волоконным световодом светоизлучателя 1010 и источником света. В другом примере можно эксплуатировать источник света в импульсном режиме или задействовать оптический переключатель для направления света источника по оптическому пути светоизлучателя. На этапе 1120 можно осуществить проецирование первой картины решетки на образец и захват изображения. Например, как проиллюстрировано ФИГ. 12, первая решетка (например, решетка 1031) выполнена с возможностью проецирования полос освещения первого порядка на образец 1070. Любой свет, излучаемый образцом, может быть захвачен камерой 1080, при этом может быть захвачено первое фазовое изображение первой картины (например, картины под углом +45°). Например, флуоресцентные красители, находящиеся на разных объектах образца 1070, могут флуоресцировать, а образующийся свет может быть принят линзой 1060 объектива и направлен к датчику изображения камеры 1080 для детектирования флуоресценции.

Для захвата дополнительных сдвинутых по фазе изображений, на этапе 1140 можно осуществить сдвиг фазы картины, проецируемой решеткой, путем поступательного перемещения столика линейного перемещения. В примере на ФИГ. 12, данные перемещения для сдвига фазы показаны как этапы 1 и 2. Перемещения для сдвига фазы могут обеспечивать небольшие (например, не более приблизительно 3-5 микрометров) перемещения решеток для небольшого сдвига интерференционной картины, проецируемой на решетке.

В качестве частного примера рассмотрим случай, в котором шаг Л полосы на образце на ФИГ. 11 составляет 2100 нм. В этом случае осуществляют захват трех сдвинутых по фазе изображений в образце, для чего нужно осуществить сдвиги фазы проецируемых полос величиной λ/3 или 700 нм. Если объектив усиливает освещение в 10 раз, можно вычислить, что этапы сдвига фазы (линейные поступательные перемещения), которые должен выполнить столик одноосного линейного перемещения, составляют 700 нм * 10 * sqrt(2) или приблизительно 9.9 мкм. В этом случае коэффициент sqrt(2) учитывает смещение 45 градусов между ориентацией решетки и осью перемещения столика перемещения. В общем, расстояние поступательного перемещения столика линейного перемещения при каждом этапе сдвига фазы в данном примере конфигурации можно описать формулой

где MAG - усиление освещения.

После того, как будут захвачены все сдвинутые по фазе изображения для дифракционной решетки (решение 1130), на этапе 1160 система может осуществить переход от одной дифракционной решетки к другой путем поступательного перемещения столика линейного перемещения для создания оптической связи между другой дифракционной решеткой и источником света системы визуализации (например, переход от ФИГ. 10А к ФИГ. 10В). Данное перемещение проиллюстрировано в виде этапа 3 в примере на ФИГ. 12. В случае смены дифракционной решетки, столик линейного перемещения может обеспечить относительно большое поступательное перемещение (например, порядка 12-15 мм).

Далее можно осуществить захват серии фазовых изображений для следующей решетки путем повтора этапов 1120-1140. Например, как проиллюстрировано ФИГ. 12, вторая дифракционная решетка выполнена с возможностью проецирования полос освещения первого порядка на образец 271, при этом можно осуществлять сдвиг положения проецируемых полос на λ/3 для захвата трех фазовых изображений картины решетки путем поступательного перемещения столика линейного перемещения (например, этапы 4 и 5 на ФИГ. 12).

Когда все изображения для цикла визуализации будут захвачены, на этапе

40

1170 из захваченных изображений может быть сформировано изображение с высоким разрешением. Например, изображение с высоким разрешением можно реконструировать из шести изображений, как схематически показано на ФИГ. 12. Как видно из вышеприведенного примера, система МСО-визуализации препаратов с несколькими оптическими решетками обеспечивает преимущество, состоящее в возможности изменений угла полос и фаз посредством единственного механизма линейного перемещения и, тем самым, в уменьшении стоимости и сложности системы визуализации со структурированным освещением.

ФИГ. 13 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации 1300 системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками. Показано, что конфигурация 1300 может включать в себя волоконный световод 1310 для излучения света, коллиматор 1320, столик 1330 линейного перемещения с установленными на нем первой и второй дифракционными решетками 1331-1332, проекционную линзу 1340 и поворотное зеркало 1350. В данном примере решетки 1331-1332 заключены в один и тот же предмет в непосредственной близости друг от друга по оси перемещения столика 1330. Прочие компоненты, которые не показаны, например, дихроичное зеркало 1050, объектив 1060 и образец 1070, могут быть аналогичны компонентам на ФИГ. 10А.

В некоторых вариантах на столике линейного перемещения или препарате системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками могут быть расположены одна или более структур меньшей частоты для содействия в выравнивании интерференционной картины, проецируемой на образец путем визуализации решетки (например, двух решеток, расположенных под углом приблизительно ±45° относительно оси перемещения столика линейного перемещения). Например, дополнительная выравнивающая структура может быть расположена на столике 1030 линейного перемещения на ФИГ. 10А-10В или столике 1330 линейного перемещения на ФИГ. 13. В случаях, где две визуализационные решетки заключены в одну и ту же подложку, как показано на ФИГ. 13, выравнивающая решетка также может быть заключена в эту подложку или включена в отдельную подложку. Выравнивающая структура может быть расположена между указанными двумя визуализационными решетками или в каком-либо другом подходящем положении на столике перемещения.

Выравнивающая структура выполнена с возможностью проецирования, будучи освещенной, картины с меньшей частотой и/или с большим шагом на образец. Эти характеристики могут облегчить грубое выравнивание решеток относительно образца. Выравнивающая структура может быть выполнена в виде параллельных линий, ортогональных линий и/или решетки с частотой щелей меньшей, чем у других решеток. В некоторых вариантах возможно применение нескольких выравнивающих структур. ФИГ. 17 изображает один пример выравнивающей структуры с возможностью применения в раскрытых в настоящем документе вариантах осуществления. Как проиллюстрировано в данном примере, фигура 1605 выравнивающей структуры выполнена на той же подложке, что и решетка 1615, за пределами светового выреза 1625. В данном примере выравнивающая структура выполнена в виде двух групп ортогональных линий. Такое осуществление позволяет контролировать наклон решетки. В некоторых вариантах проиллюстрированная выравнивающая структура может быть выполнена в нескольких зонах (например, в четырех углах подложки).

При эксплуатации выравнивающую структуру можно освещать для проецирования картины. Выравнивающую структуру можно использовать в ходе изготовления системы МСО-визуализации, после монтажа на месте эксплуатации или при проверке инженером по техобслуживанию на месте эксплуатации. В некоторых вариантах выравнивающую структуру можно использовать во время работы системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками. Например, выравнивающую структуру можно освещать для проецирования выравнивающей структуры до начала визуализации образца.

В некоторых вариантах системы МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками фазовую настройку можно осуществлять посредством оптического фазового модулятора (например, поворотного окна), выполненного отдельно от столика линейного перемещения. В таких вариантах оптический фазовый модулятор может служить для фазовой настройки вместо столика линейного перемещения (например, столик линейного перемещения можно применять только для перехода от одной из двух решеток к другой). Такие варианты осуществления потенциально позволяют улучшить показатели скорости, точности и/или надежности системы за счет существенного уменьшения, в долгосрочной перспективе, числа необходимых поступательных перемещений столика перемещения и устранения необходимости использования столика перемещения для осуществления мелких поступательных перемещений (например, порядка микрометра) для выбора фазы.

Оптический фазовый модулятор может быть помещен на оптический путь между источником света и образцом, вслед за решеткой (например, непосредственно вслед за столиком перемещения). ФИГ. 19 иллюстрирует некоторые компоненты одного примера системы 1900 МСО-визуализации препаратов с двумя оптическими решетками по таким вариантам осуществления. Показано, что система 1900 содержит светоизлучатель 1910 (например, волоконный световод, оптически связанный с источником света), первый оптический коллиматор 1920 (например, коллимационную линзу) для коллимирования света, выдаваемого светоизлучателем 1910, столик линейного перемещения 1930 с установленными на нем первой дифракционной решеткой 1931 (например, горизонтальной решеткой) и второй дифракционной решеткой 1932 (например, вертикальной решеткой), и оптический фазовый модулятор 1940 для сдвига фазы дифрагированного света, выдаваемого каждой из решеток.

Система визуализации с помощью микроскопии структурированного освещения с пространственным выбором угла картины

В соответствии с некоторыми вариантами раскрываемого технического решения система МСО-визуализации может быть осуществлена в виде системы МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины, в которой фиксированную двухмерную дифракционную решетку применяют в комбинации с диском пространственной фильтрации для проецирования одномерных дифракционных картин на образец.

ФИГ. 14 - принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы 1400 МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. Для простоты изложения оптические компоненты системы 1400 МСО-визуализации могут не быть показаны на ФИГ. 14. Кроме того, несмотря на то, что в данном примере система 1400 проиллюстрирована как одноканальная система, в других вариантах она может быть осуществлена как многоканальная система (например, за счет применения двух разных камер и источников света, излучающих на двух разных длинах волн).

Показано, что система 1400 содержит светоизлучатель 1410 (например, волоконный световод), коллиматор 1420 для коллимирования света, излучаемого излучателем 1410, двухмерную решетку 1430, блокатор 1440 пучка нулевого порядка, оптический фазовый модулятор 1450, проекционную линзу 1460, диск 1470 пространственной фильтрации, дихроичное зеркало 1480, объектив 1490, образец 1491 и камеру 1495.

В данном примере конфигурации решетка 1430 представляет собой двухмерную пропускающую дифракционную решетку, выполненную с возможностью дифракции входящего пучка в несколько порядков (например, 0-й порядок, ±1-е порядки, ±2-е порядки и т.п.) в двух перпендикулярных направлениях. Для повышения эффективности и показателей работы системы, пучки нулевого порядка и пучки всех других более высоких порядков (т.е. ±2-ых и более высоких порядков) могут быть блокированы (т.е. отфильтрованы из картины освещения, проецируемой на образец 1491). Может происходить дифракция более высоких порядков под широкими углами с возможностью их отфильтровывания посредством разнообразных фильтрующих элементов, при этом составляющая 0-го порядка проходит напрямую через решетку по пути пучка в сторону образца. Для блокирования составляющей 0-го порядка, на оптический путь вслед за двухмерной дифракционной решеткой 1430 может быть помещен элемент 1440 блокирования пучка. Например, элемент 1440 блокирования пучка может представлять собой объемную брэгговскую решетку (ОБР) - дифракционный оптический элемент, который может быть структурирован для дифракции света, направленного под прямым углом к элементу (например, света 0-го порядка), и пропускания света, направленного под другими углами, например, +1-го и -1-го порядков. Удаление 0-го порядка позволяет применять более мелкие и компактные оптические элементы для фокусирования +1-го и -1-го порядка на линзу объектива.

Изменение фазы падающего света для регулирования положения картины по фазе на образце 1491 можно осуществлять посредством оптического фазового модулятора 1450 (например, поворотного окна). Например, оптический фазовый модулятор 1450 может включать в себя разнообразные подвижные оптические элементы, в том числе - оптический элемент из параллельных пластин с возможностью изменения угла наклона к оптической оси, клиновидное оптическое тело с возможностью вращения вокруг оптической оси, зеркало с возможностью наклона для поступательного перемещения пучка, электрооптические элементы или акустооптические элементы. В одном частном варианте оптический фазовый модулятор 1450 может быть осуществлен как оптический элемент из параллельных пластин с возможностью наклона в двух перпендикулярных направлениях для регулирования фазы двух разных угловых картин решетки. В некоторых альтернативных вариантах положение картины по фазе можно регулировать путем перемещения образца (например, с помощью столика перемещения), не перемещая при этом проецируемую картину, или путем перемещения и образца, и проецируемой картины.

В примере системы 1400 поворотный диск 1470 пространственной фильтрации может включать в себя множество отверстий, ориентированных в двух перпендикулярных направлениях (например, вертикальную группу отверстий 1471 и горизонтальную группу отверстий 1472) для выбора вертикального изображения решетки или горизонтального изображения решетки для проецирования на образец 1491. Например, вращение диска пространственной фильтрации обеспечивает возможность пропускания +/- 1-ых порядков одной из картин решетки через одну группу отверстий для формирования горизонтальной или вертикальная интерференционной картины на образце 1491. В вариантах осуществления диск 1470 пространственной фильтрации может быть осуществлен как легкая маска или пространственный фильтр (например, поворотный диск с множеством отверстий или вырезов).

В данной конфигурации системы 1400 основные оптические компоненты системы 1400 могут оставаться неподвижными, что позволяет улучшить стабильность оптической системы (и картины освещения) и минимизировать вес, создаваемую вибрацию и стоимость подвижных элементов. Поскольку некоторую часть интенсивности (например, до 50% включительно) может быть нужно отфильтровать в какой-либо из ориентаций диска 1470 пространственной фильтрации, в некоторых вариантах пространственный фильтр может быть выполнен с возможностью отражения ненужных пучков (например, не пропускаемых порядков картины дифракционной решетки) в поглотитель пучка для надлежащего регулирования теплоты.

ФИГ. 15 - принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы 1500 МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. В примере системы визуализации 1500 такие функциональные элементы, как двухмерная пропускающая решетка и элемент блокирования пучка могут быть выполнены за одно целое с оптическим телом 1510. Кроме того, такой функциональный элемент, как проекционная линза может быть выполнен за одно целое с оптическим телом 1510. В данном примере осуществления двухмерная пропускающая решетка 1511 изготовлена или иным образом расположена на грани оптического тела 1510, куда поступает коллимированный свет от излучателя 1410 (вход оптического тела 1510). Углы рассеяния решетки 1511 могут быть расположены с возможностью блокирования света 0-го порядка на дальней стороне оптического тела. Желаемые +1-й и -1-й порядки, в обоих направлениях, могут выходить из оптического тела 1510 через наклонные грани 1512 (выход оптического тела 1510), дифрагирующие +1-й и -1-й порядки в оптически желательном направлении. Данные выходные грани могут включать в себя дифракционные фокусирующие линзы. В альтернативном варианте отдельное оптическое тело может быть применено в качестве проекционной линзы для фокусирования пучков в объектив 1490. Система 1500 может содержать фазовращатель 1450 и поворотную маску 1470 пространственной фильтрации, применяемые как раскрыто выше.

ФИГ. 16 - принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы 1600 МСО-визуализации с пространственным выбором угла картины по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. В примере системы 1600 визуализации оптическое тело 1610 также может служить для выполнения функций двухмерной решетки и элемента блокирования пучка. Кроме того, оно может включать в себя функцию проекционной линзы. Отличие системы 1600 визуализации состоит в том, что входом оптического тела 1610 является впускное окно или вырез 1614, направляющий поступающий свет к двухмерной отражательной решетке 1611. Так как в данном примере решетка 1611 является отражательной, свет 0-го порядка может быть отражен обратно через впускное окно 1614. Может происходить отражение желаемого дифрагированного света +1-го и -1-го порядков, в каждом из перпендикулярных направлений, от соответствующих внутренних граней 1613 с отражающим покрытием оптического тела 1610 и выход через выходные грани 1612. В вариантах осуществления указанные выходные грани могут включать в себя дифракционные фокусирующие линзы. В альтернативном варианте отдельная оптическая проекционная линза 1615 может быть применена для фокусирования пучков в объектив 1490. Система 1600 может содержать фазовращатель 1450 и поворотную маску 1470 пространственной фильтрации, применяемые как раскрыто выше.

Несмотря на то, что некоторые из раскрытых вариантов осуществления были проиллюстрированы на фигурах применительно к системам МСО-визуализации, содержащим один или более оптических элементов для направления пересозданного изображения принятого света возбуждения (например, света, восстановленного объективом) к датчику изображения (например, датчику ПЗС-камеры), следует понимать, что раскрытые здесь различные варианты осуществления могут быть применимы к системам МСО-визуализации, содержащим датчик изображения (например, КМОП-датчик), расположенный в активной плоскости визуализируемого образца. На ФИГ. 18 представлен пример, иллюстрирующий образец 1710, который может быть сформирован поверх блока 1740 датчика изображения системы МСО-визуализации по некоторым раскрытым здесь вариантам осуществления. Например, объекты образца могут быть фотолитографическим способом выровнены по одной линии с пикселями датчика изображения. Блок 1740 датчика изображения, в данном примере расположенный непосредственно под образцом 1710, принимает любой свет, излучаемый структурированным образцом 1710 под действием структурированного освещения. Формирование образца 1710 поверх блока 1740 датчика изображения может обеспечить преимущество, состоящее в том, что структурированные объекты 1711 образца 1710 гарантированно останутся на одной линии с конкретными светочувствительными элементами (например, пикселями) блока 1740 датчика изображения во время визуализации.

Образец 1710 может быть структурирован и выровнен по одной линии с блоком 1740 датчика изображения так, чтобы над каждым светочувствительным элементом (например, пикселем) датчика 1740 изображения был сформирован и/или расположен один или более объектов 1711. Как проиллюстрировано в примере на ФИГ. 18, образец 1710 структурирован поверх блока 1740 датчика изображения так, чтобы поверх каждого пикселя пиксельной матрицы блока 1740 датчика изображения был сформирован один объект 1711. В других вариантах поверх каждого пикселя может быть сформировано более одного объекта.

Если образец является флуоресцентным, например, освещаемые объекты 1711 образца могут флуоресцировать под действием структурированного света 1760 возбуждения, образующийся свет 1761, излучаемый объектами 1711, могут принимать светочувствительные элементы (например, пиксели) блока 1740 датчика изображения для детектирования флуоресценции. Например, как проиллюстрировано ФИГ. 18, пиксели (1,1) и (1,3) блока 1740 датчика изображения могут принимать свет 1761, излучаемый объектами 1711 образца, расположенными или сформированными над ними. Некоторые варианты содержат слой (не показан) с возможностью обеспечения изоляции между образцом 1710 и блоком 1740 датчика изображения (например, для защиты блока датчика изображения от текучей среды образца). В других вариантах образец 1710 может быть расположен и выровнен поверх блока 1740 датчика изображения.

Несмотря на то, что ФИ Г. 18 иллюстрирует пример системы МСО-визуализации, в которой полосы МСО выстроены в линию с объектами образца в правильной ориентации, следует отметить, что на практике это не обязательно имеет место при МСО-визуализации или не обязательно характерно для нее. Например, с течением времени и/или в зависимости от расстояния, может происходить медленное изменение расстояния между соседними полосами, фазы или угла картины структурированного освещения и/или ориентации интерференционной картины относительно освещаемого образца. Из-за этих изменений параметров МСО, в некоторых случаях некоторые освещаемые объекты могут быть «включены» на 80%, тогда как другие объекты могут быть «включены» на 60% и даже на 20%. Поэтому следует понимать, что в таких система можно применять алгоритмы МСО-визуализации для реконструкции изображения с учетом указанных изменений технологических параметров. Например, можно оценить и/или прогнозировать изменения параметров структурированного освещения с течением времени для учета таких изменений.

В контексте настоящего документа термин «модуль» может означать некую функциональную единицу, которая может быть выполнена по одному или более вариантам осуществления настоящей заявки. В контексте настоящего документа модуль может быть выполнен с применением аппаратных средств, программных средств в любой форме или их комбинации. Например, модуль может быть сформирован с применением одного или более процессорных устройств, контроллеров, СИС, ПЛМ, ПМЛ, СПЛИС, ППВМ, логических компонентов, программ системы программного обеспечения или иных механизмов. Различные модули в раскрытых в настоящем документе вариантах осуществления могут быть выполнены как отдельный модуль, либо раскрытые функции и признаки могут быть частично или полностью распределены в одном или более модулях. Иными словами, после ознакомления с настоящим описанием среднему специалисту в данной области техники будет понятно, что указанные признаки и функциональные возможности могут быть осуществлены в любом случае применения и могут быть реализованы в одном или более отдельных или совместно используемых модулях в различных комбинациях и перестановках. Несмотря на то, что различные признаки или функциональные элементы могут быть раскрыты по отдельности или заявлены как отдельные модули, среднему специалисту в данной области техники будет понятно, что эти признаки и функциональные возможности могут быть частью одного или более программных или аппаратных элементов, при этом такое раскрытие ни явным, ни подразумеваемым образом не требует применения отдельных аппаратных или программных компонентов для реализации таких признаков или функциональных возможностей.

В настоящем документе термины «машиночитаемый носитель», «пригодный для ЭВМ носитель» и «носитель программы для ЭВМ» может в широком смысле обозначать энергозависимый или энергонезависимый носитель долговременного хранения, например, запоминающее устройство, запоминающий блок и носитель. Эти и прочие формы носителей программ для ЭВМ или пригодных для ЭВМ носителей могут служить для вмещения одной или более последовательностей одной или более инструкций для исполнения процессорным устройством. Такие инструкции, запечатленные на носителе, в широком смысле именуются «текст программы для ЭВМ» или «программный продукт для ЭВМ» (которые могут быть сгруппированы в программы для ЭВМ или иные группы).

Несмотря на то, что различные признаки, аспекты и функциональные возможности были раскрыты выше в виде примеров и вариантов осуществления, следует понимать, что эти признаки, аспекты и функциональные возможности, раскрытые в одном или более отдельных вариантах осуществления, применимы не только в частных вариантах, в которых они были раскрыты, но также могут быть применимы, по отдельности или в различных комбинациях, в одном или более других вариантах осуществления, независимо от того, представлены ли эти признаки как часть какого-либо раскрываемого варианта осуществления. Таким образом, охват и объем настоящей заявки не должен быть ограничен каким-либо из раскрытых выше примеров осуществления.

Следует понимать, что все комбинации изложенных выше идей (если такие идеи не противоречат друг другу) считаются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения. В частности, предполагается, что все комбинации заявленного объекта изобретения, указанные в конце настоящего раскрытия, являются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения.

Слова «по существу», «приблизительно», «около» в тексте настоящего раскрытия, в том числе - в формуле изобретения, служат для обозначения и учета незначительных отклонений, например тех, что обусловлены разбросом параметров при обработке. Например, они могут означать допуск не более ±5%, например, не более ±2%, например, не более ±1%, например, не более ±0.5%, например, не более ±0.2%, например, не более ±0.1%, например, не более ±0.05%.

Слова «первый», «второй», «третий» и т.д. в тексте настоящего документа служат для указания на то, что характеризуемые ими объекты являются отдельными единицами, а не для указания хронологического порядка, если иное не следует из контекста или явным образом не указано в настоящем документе.

Если иное не указано явным образом, слова и выражения в тексте настоящего документа, а также их вариации, следует толковать как неисчерпывающие, а не как ограничивающие. Примерами могут служить: слово «включающий в себя» следует толковать как «включающий в себя, помимо прочего» или нечто подобное; слово «пример» служит для обозначения некоторых частных случаев рассматриваемого предмета, а не их исчерпывающий или ограничивающий перечень; неопределенные артикли «а» или «an» следует понимать как «по меньшей мере один», «один или более» и т.п.; при этом такие определения, как «общепринятый», «традиционный», «обычный», «стандартный», «известный» и слова аналогичного значения следует толковать не как ограничивающие определяемое ими слово тем или иным периодом времени или предметом, существовавшим в то или иное время, а как включающие в себя общепринятые, традиционные, обычные или стандартные технические решения, существующие или известные в настоящее время или те, что будут существовать или будут известны когда-либо в будущем. Аналогичным образом, если в настоящем документе речь идет о технических решениях, которые могут быть очевидны или известны среднему специалисту в данной области техники, такие технические решения включают в себя те, что очевидны или известны специалистам в данной области техники в настоящее время или станут такими когда-либо в будущем.

Наличие таких расширяющих слов и выражений как «один или более», «по меньшей мере», «помимо прочего» и т.п. в некоторых случаях не обязательно означает, что при их отсутствии подразумевается или предполагается более узкое значение. Применение слова «модуль» не подразумевает того, что раскрываемые или заявляемые компоненты или функциональные возможности выполнены в составе одного комплектного устройства. Более того, все различные компоненты модуля или любые из них, будь то компоненты логической схемы управления или иные компоненты, могут быть объединены в одно комплектное устройство или расположены по отдельности, а также могут быть распределены по нескольким группам или комплектным устройства, либо расположены в нескольких местах.

Различные варианты осуществления также раскрыты в настоящем документе на примерах блок-схем, технологических схем и иных иллюстраций. Ознакомившись с настоящим документом, средний специалист в данной области техники поймет, что проиллюстрированные варианты осуществления и альтернативные им варианты не ограничены представленными на иллюстрациях примерами. Например, блок-схемы и относящееся к ним описание не следует толковать как в обязательном порядке предусматривающие применение той или иной конкретной архитектуры или конфигурации.

Следует понимать, что вышеописанные различные варианты осуществления изобретения по настоящему раскрытию представлены исключительно в качестве примеров и не являются ограничивающими. Аналогичным образом, указанные различные схемы могут изображать пример архитектурной или иной конфигурации для раскрытия с целью облегчения понимания признаков и функциональных возможностей, которые может содержать раскрываемое изобретение. Раскрываемое изобретение не ограничено проиллюстрированными примерами архитектуры или конфигураций, при этом желательные признаки могут быть осуществлены посредством самых разных альтернативных архитектур и конфигураций. Более того, специалисту в данной области техники будет очевидно, как желательные признаки раскрываемого изобретения могут быть осуществлены посредством альтернативного функционального, логического или физического распределения и конфигураций. Кроме того, возможно применения множества различных названий составляющих частей модулей, отличных от указанных в настоящем документе. Кроме того, в том, что касается технологических схем, описаний работы и пунктов формулы изобретения, относящихся к способам, указанный в настоящем документе порядок этапов не обязательно означает, что функциональные возможности должны быть реализованы в различных вариантах осуществления в том же самом порядке, если иное не следует из контекста.

Система визуализации со структурированным освещением содержит светоизлучатель; столик линейного перемещения с установленными на нем первым светоделителем и вторым светоделителем, расположенным вблизи первого светоделителя в одном измерении, датчик изображения для приема света от образца; и выравнивающую структуру, сформированную на компоненте, установленном на столике линейного перемещения для расщепления света светоизлучателя и проецирования на плоскость образца картины для выравнивания визуализации. Первый светоделитель, когда оптически соединен со светоизлучателем, расщепляет свет от светоизлучателя для проецирования первого множества полос на плоскость образца, и второй светоделитель, когда оптически соединен со светоизлучателем, расщепляет свет от светоизлучателя для проецирования второго множества полос на плоскость образца. Первый и второй светоделители содержат, соответственно, первую и вторую пропускающие дифракционные решетки, имеющие первый и второй угол решетки, отличные друг от друга. Технический результат - улучшение показателей скорости, надежности и повторяемости системы. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Система визуализации со структурированным освещением, содержащая:

светоизлучатель для излучения света; столик линейного перемещения с установленными на нем первым светоделителем и вторым светоделителем, расположенным вблизи первого светоделителя в одном измерении, причем первый светоделитель выполнен с возможностью, когда оптически соединен со светоизлучателем, расщепления света, излучаемого светоизлучателем, для проецирования первого множества полос на плоскость образца, причем второй светоделитель выполнен с возможностью, когда оптически соединен со светоизлучателем, расщепления света, излучаемого светоизлучателем, для проецирования второго множества полос на плоскость образца, при этом первый светоделитель содержит первую пропускающую дифракционную решетку, имеющую первый угол решетки, второй светоделитель содержит вторую пропускающую дифракционную решетку, имеющую второй угол решетки, причем первый угол решетки отличен от второго угла решетки;

датчик изображения для приема света, излучаемого образцом; и

выравнивающую структуру, сформированную на компоненте, установленном на столике линейного перемещения, причем выравнивающая структура предназначена для расщепления света, излучаемого светоизлучателем, для проецирования на плоскость образца картины для выравнивания визуализации.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что столик линейного перемещения представляет собой столик линейного перемещения в одном измерении, причем столик линейного перемещения предназначен для поступательного перемещения в указанном одном измерении для создания оптической связи между каждым из первого светоделителя и второго светоделителя и светоизлучателем.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что:

a) первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка выполнены за одно целое с единственным оптическим элементом, установленном на столике линейного перемещения, причем опционально единственный оптический элемент содержит первую сторону с выполненной на ней первой дифракционной решеткой и вторую сторону, расположенную вблизи первой стороны, с выполненной на ней второй дифракционной решеткой; или

b) первая дифракционная решетка или вторая дифракционная решетка расположены с угловым смещением относительно указанного одного измерения приблизительно на ±45 градусов, причем опционально образец содержит множество объектов, расположенных с образованием регулярной структуры в прямоугольной матрице или гексагональной матрице.

4. Система по п. 1, дополнительно содержащая один или более блокаторов оптического пучка для блокирования света нулевых порядков, излучаемого каждой из первой и второй дифракционных решеток.

5. Система по п. 1, дополнительно содержащая линзу объектива для проецирования каждого из первого множества полос и второго множества полос на образец, причем опционально система дополнительно содержит проекционную линзу на оптическом пути между столиком линейного перемещения и линзой объектива, причем проекционная линза предназначена для проецирования результата преобразования Фурье каждой из первой дифракционной решетки и второй дифракционной решетки во входной зрачок объектива.

6. Система по п. 1, в которой проецируемая картина содержит линии с частотой, меньшей, чем у проецируемых первого множества полос и второго множества полос, причем выравнивающая структура сформирована на подложке, включающей в себя по меньшей мере первую дифракционную решетку или вторую дифракционную решетку.

7. Система по п. 1, дополнительно содержащая оптический фазовый модулятор для сдвига фазы первого множества полос и второго множества полос, проецируемых на плоскость образца, причем оптический фазовый модулятор представляет собой компонент, выполненный отдельно от столика линейного перемещения.

8. Способ визуализации со структурированным освещением, включающий этапы, на которых: включают светоизлучатель системы визуализации со структурированным освещением, при этом система визуализации со структурированным освещением содержит столик линейного перемещения в одном измерении с установленными на нем первой дифракционной решеткой и второй дифракционной решеткой, при этом первая пропускающая дифракционная решетка имеет первый угол решетки, а вторая пропускающая дифракционная решетка имеет второй угол решетки, причем первый угол решетки отличен от второго угла решетки, причем столик линейного перемещения предназначен для поступательного перемещения в одном измерении;

поступательно перемещают столик линейного перемещения в указанном одном измерении для сдвига фазы первого множества полос, проецируемого первой дифракционной решеткой на образец, путем перемещения первой пропускающей дифракционной решетки в указанном одном измерении на первую заданную величину;

поступательно перемещают столик линейного перемещения для создания оптической связи между второй дифракционной решеткой и светоизлучателем;

после создания оптической связи между второй дифракционной решеткой и светоизлучателем, поступательно перемещают столик линейного перемещения в указанном одном измерении для сдвига фазы второго множества полос, проецируемого второй дифракционной решеткой на образец, путем перемещения второй пропускающей дифракционной решетки в указанном одном измерении на вторую заданную величину; и

расщепляют свет, излучаемый светоизлучателем, посредством выравнивающей структуры, сформированной на компоненте, установленном на столике линейного перемещения, для проецирования на плоскость образца картины для выравнивания визуализации.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка представляют собой пропускающие дифракционные решетки.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что

a) первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка выполнены за одно целое с единственным оптическим элементом, установленном на столике линейного перемещения, или

b) первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка расположены с угловым смещением относительно указанного одного измерения приблизительно на ±45 градусов.

11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что способ включает этапы, на которых:

поступательно перемещают на первую заданную величину столик линейного перемещения в указанном одном измерении множество раз для сдвига, множество раз, фазы первого множества полос, проецируемого первой дифракционной решеткой на образец, и

после создания оптической связи между второй дифракционной решеткой и светоизлучателем поступательно перемещают на вторую заданную величину столик линейного перемещения в указанном одном измерении множество раз для сдвига, множество раз, фазы второго множества полос, проецируемого второй дифракционной решеткой на образец.

12. Способ по п. 11, дополнительно включает этапы, на которых:

осуществляют захват изображения образца после каждого раза поступательного перемещения столика линейного перемещения для сдвига фазы первого множества полос; и

осуществляют захват изображения образца после каждого раза поступательного перемещения столика линейного перемещения для сдвига фазы второго множества полос, причем опционально способ дополнительно включает этап, на котором используют захваченные изображения для вычислительной реконструкции изображения, разрешение которого выше, чем у каждого из захваченных изображений.

13. Способ по п. 11, в котором

a) образец содержит множество объектов, расположенных с образованием регулярной структуры в прямоугольной матрице или гексагональной матрице, или

b) столик линейного перемещения поступательно перемещают на расстояние приблизительно от 10 мм до 15 мм, когда вторая дифракционная решетка оптически связана со светоизлучателем.