МНОГОПЛЕЧЕВАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРИРОВАННОГО ОСВЕЩЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G02B21/06 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной патентной заявке США №62/618,068, поданной 16 января 2018 г. и озаглавленной «Многоплечевая система формирования изображения на основе структурированного освещения». Все содержание вышеупомянутой заявки включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Уровень техники

[0002] Микроскопия структурированного освещения (МСО (SIM, от англ. Structured Illumination Microscopy)) представляет собой метод, в соответствии с которым пространственно упорядоченный (т.е. структурированный) свет может использоваться для формирования изображения образца с увеличением разрешения по плоскости микроскопа в два или более раз. В некоторых случаях, при формировании изображения образца, получают три изображения картин полос образца с различными фазами картин (например, 0°, 120°, и 240°), так чтобы каждое местоположение на образце было подвержено освещению с некоторым диапазоном интенсивности освещения, причем эта процедура повторяется путем поворота ориентации картины вокруг оптической оси на 3 отдельных угла (например, на 0°, 60° и 120°). Захваченные изображения (например, девять изображений) могут быть скомбинированы в одно изображение, имеющее расширенный пространственный диапазон частот, который может быть заново преобразован в действительное пространство для генерирования изображения, имеющего более высокое разрешение, чем захваченное традиционным микроскопом.

[0003] В некоторых вариантах осуществления существующих систем МСО линейно поляризованный световой пучок направляют через делитель оптического пучка (делитель пучка), который разделяет пучок на два или более пучков отдельных порядков, которые могут быть объединены и спроецированы на изображаемый образец в качестве картины интерференционных полос с синусоидальным изменением интенсивности. Дифракционные решетки являются примерами делителей пучка, которые могут генерировать пучки с высокой степенью когерентности и постоянными углами распространения. Когда комбинируют два таких пучка, интерференция между ними может создать равномерную, регулярно повторяющуюся картину полос, в которой интервал определяется факторами, включающими в себя угол между интерферирующими пучками. Если комбинируют два или более пучка, результирующая картина, как правило, содержит смесь полос и интервалов между полосами, что приводит к снижению разницы между максимальной и минимальной интенсивностями (также известной как «глубина модуляции»), что делает ее менее пригодной для целей МСО.

[0004] В некоторых вариантах осуществления существующих систем МСО ориентацией проецируемой картины управляют путем поворота элемента разделения пучка вокруг оптической оси, а фазу картины регулируют путем перемещения указанного элемента в боковом направлении поперек оси. В таких системах дифракционная решетка, как правило, установлена на столике поступательного перемещения, который, в свою очередь, установлен на поворотном столике. Кроме того, в таких системах обычно используется линейный поляризатор для поляризации света, излучаемого источником света до его поступления на решетку.

Раскрытие сущности изобретения

[0005] Варианты осуществления, раскрытые в настоящей заявке, относятся к системам и способам структурированного освещения.

[0006] В первом наборе вариантов осуществления система формирования изображения МСО может быть реализована как многоплечевая система формирования изображения МСО, причем каждое плечо системы содержит излучатель света и делитель пучка (например, пропускающую дифракционную решетку), имеющий конкретную фиксированную ориентацию относительно оптической оси системы.

[0007] В одном варианте осуществления многоплечевой системы формирования изображения МСО система содержит: первое оптическое плечо, содержащее: первый излучатель света для излучения света; и первый делитель пучка для разделения света, излучаемого первым излучателем света, для проецирования первого множества полос на плоскость образца; и второе оптическое плечо, содержащее: второй излучатель света для излучения света; и второй делитель пучка для разделения света, излучаемого вторым излучателем света, для проецирования второго множества полос на плоскость образца. В этом варианте осуществления система может также содержать оптический элемент для объединения оптического пути первого плеча и второго плеча. Дополнительно, система может содержать датчик изображения для улавливания света, излучаемого образцом. В некоторых вариантах осуществления образец может содержать множество элементов, регулярно структурированных в прямоугольной решетке или шестиугольной решетке.

[0008] В некоторых вариантах осуществления первый делитель пучка содержит первую пропускающую дифракционную решетку, а второй делитель пучка содержит вторую пропускающую дифракционную решетку. В некоторых вариантах осуществления первый делитель пучка содержит первую отражающую дифракционную решетку, а второй делитель пучка содержит вторую отражающую дифракционную решетку. В некоторых вариантах осуществления каждый из первого и второго делителей пучка содержит куб или пластину для разделения пучка.

[0009] В некоторых вариантах осуществления первый и второй излучатели света выполнены с возможностью излучения неполяризованного света, причем первая и вторая пропускающие дифракционные решетки предназначены для дифрагирования неполяризованного света, излучаемого соответствующим одним из первого и второго излучателей света.

[0010] В некоторых вариантах осуществления оптический элемент для объединения оптического пути первого множества полос и второго множества полос содержит зеркало с отверстиями, причем зеркало выполнено с возможностью отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, причем отверстия выполнены с возможностью пропускания по меньшей мере света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой. В некоторых вариантах осуществления оптический элемент для объединения оптического пути первого плеча и второго плеча содержит поляризующий делитель пучка, причем первая дифракционная решетка выполнена с возможностью дифрагирования вертикально поляризованного света, причем вторая дифракционная решетка выполнена с возможностью дифрагирования горизонтально поляризованного света.

[0011] В некоторых вариантах осуществления многоплечевая система формирования изображения МСО содержит один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос.

[0012] В некоторых вариантах осуществления один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат первое поворотное оптическое окно для фазового сдвига первого множества полос и второе поворотное оптическое окно для фазового сдвига второго множества оптических полос. В некоторых вариантах осуществления один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат первый столик линейного перемещения для поступательного перемещения первой дифракционной решетки и второй столик линейного перемещения для поступательного перемещения второй дифракционной решетки. В некоторых вариантах осуществления один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат единственное поворотное оптическое окно, причем единственное поворотное оптическое окно расположено после зеркала с отверстиями на оптическом пути к образцу.

[0013] В некоторых вариантах осуществления ось поворота единственного поворотного оптического окна смещена на угол приблизительно 45 градусов относительно оптической оси каждой из решеток.

[0014] В некоторых вариантах осуществления первое множество полос смещено относительно второго множества полос на плоскости образца на угол приблизительно 90 градусов.

[0015] В некоторых вариантах осуществления система также содержит объектив для проецирования каждого из первого множества полос и второго множества полос на образец.

[0016] В некоторых вариантах осуществления система также содержит одно или более устройств блокировки оптического пучка для блокировки света нулевых порядков, излучаемого каждой из первой и второй дифракционных решеток. В частных вариантах осуществления одно или более устройств блокировки оптического пучка содержат брэгговскую решетку.

[0017] В одном варианте осуществления многоплечевой системы формирования изображения МСО способ включает в себя шаги: включают первое оптическое плечо системы структурированного освещения, причем первое оптическое плечо содержит первый излучатель света для излучения света и первую дифракционную решетку для дифрагирования света, излучаемого первым излучателем света, для проецирования первого множества полос, ориентированных в конкретном направлении на плоскости образца; производят 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, причем второе оптическое плечо содержит второй излучатель света для излучения света и вторую дифракционную решетку для дифрагирования света, излучаемого вторым излучателем света, для проецирования второго множества полос на плоскость образца, причем второе множество полос смещено на угол относительно первого множества полос на плоскости образца; и производят захват второго множества фазовых изображений образца, освещенного вторым множеством полос, причем во время захвата второго множества изображений положения второго множества полос сдвигают на плоскости образца. В вариантах осуществления способа первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка представляют собой пропускающие дифракционные решетки, причем система структурированного освещения содержит зеркало с отверстиями для отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, и для пропускания по меньшей мере света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой.

[0018] В вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя использование по меньшей мере первого множества захваченных фазовых изображений и второго множества захваченных фазовых изображений для вычислительной реконструкции одного или более изображений, имеющих более высокое разрешение, чем каждое из первого и второго множеств захваченных фазовых изображений. В вариантах осуществления первое множество полос смещено относительно второго множества полос на плоскости образца на угол приблизительно 90 градусов.

[0019] В вариантах осуществления производят фазовый сдвиг первого множества полос и второго множества полос путем поворота единственного оптического окна, расположенного на оптическом пути между образцом и каждой из первой и второй решеток, причем ось поворота единственного поворотного оптического окна смещена относительно оптической оси каждой из решеток.

[0020] В вариантах осуществления способа первое оптическое плечо выключают, а второе оптическое плечо системы структурированного освещения включают после захвата первого множества фазовых изображений.

[0021] В вариантах осуществления способа первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка механически зафиксированы во время захвата изображений.

[0022] Во втором наборе вариантов осуществления система формирования изображения МСО может быть выполнена как система формирования изображения МСО на основе слайда со множеством делителей пучка, причем один столик линейного перемещения оснащен установленным на нем множеством делителей пучка, имеющих соответствующую фиксированную ориентацию относительно оптической оси системы.

[0023] В одном варианте осуществления многоплечевой системы формирования изображения МСО на основе слайда со множеством делителей пучка, система содержит: излучатель света для излучения света; столик линейного перемещения с установленными на нем первым делителем пучка и вторым делителем пучка, причем первый делитель пучка предназначен для разделения света, излучаемого излучателем света, для проецирования первого множества полос на плоскость образца; причем второй делитель пучка предназначен для 5 разделения света, излучаемого излучателем света, для проецирования второго множества полос на плоскость образца; и датчик изображения для улавливания света, излучаемого образцом. В вариантах осуществления столик линейного перемещения представляет собой столик одномерного линейного перемещения, причем столик линейного перемещения предназначен для поступательного перемещения вдоль одного измерения для оптического соединения каждого из первого делителя пучка и второго делителя пучка с излучателем света, причем первый делитель пучка расположен вблизи второго делителя пучка вдоль одного измерения. В вариантах осуществления первое множество полос смещено относительно второго множества полос на плоскости образца на угол приблизительно 90 градусов.

[0024] В вариантах осуществления первый делитель пучка содержит первую пропускающую дифракционную решетку, а второй делитель пучка содержит вторую пропускающую дифракционную решетку. Первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут иметь угловое смещение относительно одного измерения (т.е. могут быть повернуты вокруг направления распространения света). В частных вариантах осуществления первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка смещены относительно одного измерения на угол приблизительно ± 45 градусов.

[0025] В некоторых вариантах осуществления первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут быть встроены в единственный оптический элемент, установленный на столике линейного перемещения. В вариантах осуществления, где дифракционные решетки встроены в единственный оптический элемент, указанный единственный оптический элемент может содержать первую сторону, на которой выполнена структура первой дифракционной решетки, и вторую сторону, смежную с первой стороной, на которой выполнена структура второй дифракционной решетки.

[0026] В некоторых вариантах осуществления система дополнительно содержит одно или более устройств блокировки оптического пучка для блокировки света нулевых порядков, излучаемого каждой из первой и второй дифракционных решеток.

[0027] В некоторых вариантах осуществления система может дополнительно содержать проекционный объектив на оптическом пути между столиком линейного перемещения и объективом. Проекционный объектив может быть предназначен для проецирования Фурье-преобразования каждой из первой дифракционной решетки и второй дифракционной решетки во входной зрачок объектива.

[0028] В некоторых вариантах осуществления система может дополнительно содержать выравнивающий шаблон, сформированный на компоненте, установленном на столике линейного перемещения, причем выравнивающий шаблон разделяет свет, излучаемый излучателем света, для проецирования картины на плоскость образца для выравнивания изображения. Выравнивающий шаблон может быть сформирован на подложке, содержащей по меньшей мере одну из первой дифракционной решетки и второй дифракционной решетки. Проецируемая картина может содержать линии с меньшей частотой, чем проецируемые первое множество полос и второе множество полос.

[0029] В некоторых вариантах осуществления система может дополнительно содержать: оптический фазовый модулятор для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос, проецируемых на плоскость образца. В таких вариантах осуществления оптический фазовый модулятор может быть отдельным компонентом относительно столика линейного перемещения.

[0030] В одном варианте осуществления системы формирования изображения МСО на основе слайда со множеством делителей пучка, способ включает в себя: включение излучателя света системы формирования изображения на основе структурированного освещения, причем система формирования изображения на основе структурированного освещения содержит столик одномерного линейного перемещения с установленными на нем первой дифракционной решеткой и второй дифракционной решеткой, причем столик линейного перемещения предназначен для поступательного перемещения вдоль одного измерения; поступательное перемещение столика линейного перемещения вдоль одного измерения для фазового сдвига первого множества полос, проецируемых первой дифракционной решеткой на образец; поступательное перемещение столика линейного перемещения для оптического соединения второй дифракционной решетки с излучателем света; и после оптического соединения второй дифракционной решетки с излучателем света, поступательное перемещение столика линейного перемещения вдоль одного измерения для фазового сдвига 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 смещены на угол относительно одного измерения поступательного перемещения. Например, первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка могут быть смещены относительно одного измерения на угол приблизительно ± 45 градусов.

[0031] В вариантах осуществления способ может дополнительно включать в себя: поступательное перемещение столика линейного перемещения вдоль одного измерения множество раз для многократного фазового сдвига первого множества полос, проецируемых первой дифракционной решеткой на образец; и после оптического соединения второй дифракционной решетки с излучателем света, поступательное перемещение столика линейного перемещения вдоль одного измерения множество раз для многократного фазового сдвига второго множества полос, проецируемых второй дифракционной решеткой на образец.

[0032] В вариантах осуществления способ может дополнительно включать в себя: захват изображения образца после каждого раза, когда столик линейного перемещения поступательно перемещают для фазового сдвига первого множества полос; и захват изображения образца после каждого раза, когда столик линейного перемещения поступательно перемещают для фазового сдвига второго множества полос. Захваченные изображения могут использоваться для вычислительной реконструкции изображения, имеющего более высокое разрешение, чем каждое из захваченных изображений.

[0033] В вариантах осуществления способа столик линейного перемещения поступательно перемещают на приблизительно одно и то же расстояние вдоль одного измерения каждый раз, когда производят фазовый сдвиг первого множества полос или второго множества полос на образце.

[0034] В частных вариантах осуществления столик линейного перемещения поступательно перемещают на расстояние приблизительно от 10 мм до 15 мм, когда вторая дифракционная решетка оптически соединена с излучателем света.

[0035] В третьем наборе вариантов осуществления система формирования изображения МСО может быть реализована как система формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, тем самым стационарная двумерная дифракционная решетка используется в сочетании с пространственным светофильтром для проецирования одномерных картин полос на образец.

[0036] В одном варианте осуществления системы формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, система содержит: излучатель света для излучения света; двумерную дифракционную решетку для дифрагирования света, излучаемого излучателем света, 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 пространственный светофильтр для пропускания дифрагированного света, исходящего от двумерной дифракционной решетки в соответствующем одном из первого и второго направлений и блокирования света в соответствующем одном из первого и второго направлений, причем пространственный светофильтр содержит первое множество апертур и второе множество апертур, ортогональных первому множеству апертур. Первое множество апертур может быть выполнено с возможностью пропускания света, дифрагированного двумерной дифракцией в первом направлении, а второе множество апертур может быть выполнено с возможностью пропускания света, дифрагированного двумерной дифракцией во втором направлении.

[0037] В некоторых вариантах осуществления система дополнительно содержит: элемент блокировки пучка для блокировки света 0-го порядка, передаваемого двумерной дифракционной решеткой. В частных вариантах осуществления элемент блокировки пучка содержит дифракционный оптический элемент, структурированный для отражения света, падающего под прямым углом к элементу, и пропускания света, падающего под другими углами.

[0038] В некоторых вариантах осуществления пространственный светофильтр выполнен с возможностью отражения света дифракционных порядков, исходящего от двумерной дифракционной решетки, не проходящего через него.

[0039] В некоторых вариантах осуществления двумерная дифракционная решетка представляет собой пропускающую дифракционную решетку. Пропускающая дифракционная решетка может быть расположена поверх или сформирована на грани твердого оптического тела, которое принимает свет от излучателя света. Углы рассеивания пропускающей дифракционной решетки могут быть настроены так, чтобы свет 0-го порядка блокировался на дальней стороне твердого оптического тела. В некоторых вариантах осуществления твердое оптическое тело содержит наклонные грани для дифрагирования и вывода света первых порядков, дифрагированного двумерной пропускающей дифракционной решеткой. В частных вариантах осуществления наклонные грани включают в себя фокусирующую линзу. В некоторых вариантах осуществления проекционный объектив принимает свет, выводимый твердым оптическим телом.

[0040] В некоторых вариантах осуществления двумерная дифракционная решетка представляет собой двумерную отражающую дифракционную решетку. Двумерная отражающая дифракционная решетка может быть расположена поверх или сформирована на грани твердого оптического тела противоположно апертуре твердого оптического тела, которое принимает свет от излучателя света. Твердое оптическое тело может содержать отражающие внутренние грани для отражения и вывода света первых порядков, дифрагированного двумерной отражающей дифракционной решеткой через выходные грани твердого оптического тела. В частных вариантах осуществления выходные грани включают в себя дифракционную фокусирующую линзу. В некоторых вариантах осуществления проекционный объектив выполнен с возможностью принимать свет, выводимый твердым оптическим телом.

[0041] В некоторых вариантах осуществления система дополнительно содержит один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос. В частных вариантах осуществления один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат параллельные оптические пластины, наклоненные в двух перпендикулярных направлениях.

[0042] В одном варианте осуществления системы формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, способ включает в себя: включение излучателя света системы формирования изображения на основе структурированного освещения, причем система формирования изображения на основе структурированного освещения содержит двумерную дифракционную решетку; прием света, излучаемого излучателем света, на двумерной дифракционной решетке для вывода первого дифрагированного света, ориентированного в первом направлении, и второго дифрагированного света, ориентированного во втором направлении, перпендикулярном первому направлению; пропускание первого дифрагированного света через первое множество апертур пространственного светофильтра и блокирование второго дифрагированного света на пространственном светофильтре; проецирование первого дифрагированного света, прошедшего через первое множество отверстий, в виде первого множества полос на плоскость образца; и захват первого множества фазовых изображений света, излучаемого образцом, причем во время захвата первого множества изображений производят фазовый сдвиг первого множества полос на плоскости образца. Может быть произведен фазовый сдвиг первого множества полос путем перемещения образца (например, с использованием столика перемещения), путем перемещения проецируемых полос или путем перемещения и образца, и проецируемых полос.

[0043] В вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя: поворот пространственного светофильтра так, чтобы он пропускал второй дифрагированный свет через второе множество апертур пространственного светофильтра и блокирован первый дифрагированный свет на пространственном светофильтре; проецирование второго дифрагированного света, проходящего через второе множество отверстий, в виде второго множества полос, ортогональных первому множеству полос, на плоскость образца; и захват второго множества фазовых изображений света, излучаемого образцом, причем во время захвата второго множества изображений производят фазовый сдвиг второго множества полос на плоскости образца.

[0044] В частных вариантах осуществления способа двумерная дифракционная решетка представляет собой двумерную пропускающую дифракционную решетку, сформированную на или расположенную поверх грани твердого оптического тела, причем способ дополнительно включает в себя: блокирование света 0-го порядка, выводимого пропускающей дифракционной решеткой на стороне твердого оптического тела, противоположной пропускающей дифракционной решетке; и дифрагирование и выведение, из наклонных граней твердого оптического тела, света первых порядков, дифрагированного двумерной пропускающей дифракционной решеткой.

[0045] В частных вариантах осуществления способа двумерная дифракционная решетка представляет собой двумерную отражающую дифракционную решетку, сформированную на или расположенную поверх грани твердого оптического тела напротив апертуры твердого оптического тела, принимающей свет от излучателя света, причем способ дополнительно включает в себя: отражение, на гранях твердого оптического тела, света первых порядков, дифрагированного двумерной отражающей дифракционной решеткой.

[0046] Другие признаки и аспекты раскрытой технологии станут понятны из нижеследующего подробного описания, при его рассмотрении в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых в качестве примера проиллюстрированы признаки в соответствии с некоторыми описанными вариантами осуществления раскрытой технологии. Раскрытие сущности изобретения не предназначено для ограничения объема изобретений, раскрытых в настоящей заявке, который определяется формулой изобретения и эквивалентами.

[0047] Следует понимать, что все комбинации вышеупомянутых концепций (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке. В частности, все комбинации заявленного объекта, представленные в конце настоящего раскрытия, рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке.

Краткое описание чертежей

[0048] Настоящее изобретение, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, подробно раскрыто со ссылкой на следующие фигуры. Фигуры предусмотрены исключительно с целью иллюстрации и только для показа примерных вариантов осуществления. Кроме того, следует отметить, что для ясности и простоты иллюстрации элементы на фигурах не обязательно выполнены в масштабе.

[0049] Некоторые из фигур, включенных в настоящую заявку, иллюстрируют различные варианты осуществления раскрытой технологии с разных углов зрения. Хотя сопроводительный описывающий текст может именовать такие виды как «сверху», «снизу» или «сбоку», такие названия являются исключительно описательными и не предполагают и не требуют, чтобы раскрытая технология была реализована или использовалась в конкретной пространственной ориентации, если явно не указано обратное.

[0050] На фиг. 1 проиллюстрирована система формирования изображения на основе структурированного освещения, которая освещает образец пространственно структурированным светом в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0051] На фиг. 2 представлена оптическая схема, иллюстрирующая один пример оптической конфигурации двухплечевой системы формирования изображения микроскопии структурированного освещения (МСО), в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0052] На фиг. 3 представлена оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0053] На фиг. 4 представлена оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0054] На фиг. 5 представлена функциональная блок-схема, иллюстрирующая пример способа, который может быть выполнен многоплечевой системой формирования изображения МСО в течение одного цикла формирования изображения с использованием структурированного света для создания изображения высокого разрешения, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0055] На фиг. 6 проиллюстрированы упрощенные картины полос освещения, которые могут проецироваться на плоскость образца вертикальной решеткой и горизонтальной решеткой двухплечевой системы формирования изображения МСО во время захвата изображения, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0056] На фиг. 7 проиллюстрирован пример экспериментальной конструкции двухплечевой системы формирования изображения МСО, в которой используется поляризующий делитель пучка для освещения вертикальной решетки вертикально поляризованным светом и горизонтальной решетки горизонтально поляризованным светом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0057] На фиг. 8А проиллюстрировано афокальное зеркальное изображение и флуоресцентный слайд, захваченные с использованием примерной системы формирования изображения МСО по фиг. 7, с использованием микроскопа 20х/0.75 NA.

[0058] На фиг. 8В проиллюстрированы измерения модуляции полос, полученные с использованием системы по фиг. 7 с гранулярной проточной ячейкой. График иллюстрирует типичные изменения яркости изображения элемента во время цикла фазовой регулировки в этом примере, при изменении угла параллельной пластины W2 по фиг. 7.

[0059] На фиг. 9 проиллюстрирован другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы формирования изображения МСО в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0060] На фиг. 10А представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой в первом положении дифракционной решетки, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0061] На фиг. 10В представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой по фиг. 10А во втором положении дифракционной решетки, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0062] На фиг. 11 представлена функциональная блок-схема, иллюстрирующая пример способа, который может быть выполнен системой формирования изображения МСО на основе слайда с множеством оптических решеток во время одного цикла формирования изображения с использованием структурированного света для создания изображения высокого разрешения, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0063] На фиг. 12 проиллюстрированы упрощенные картины полос освещения, которые могут проецироваться на плоскость образца первой дифракционной решеткой и второй дифракционной решеткой системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой во время захвата изображения, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0064] На фиг. 13 представлена схема, иллюстрирующая пример конфигурации формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0065] На фиг. 14 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0066] На фиг. 15 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0067] На фиг. 16 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0068] На фиг. 17 показан один пример выравнивающего шаблона, который может использоваться в некоторых вариантах осуществления системы формирования изображения МСО на основе слайда с множеством оптических решеток.

[0069] На фиг. 18 проиллюстрирован образец, который может быть сформирован над узлом датчика изображения системы формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0070] На фиг. 19 проиллюстрированы некоторые компоненты примера системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке.

[0071] Фигуры не являются исчерпывающими и не ограничивают настоящее изобретение до конкретной раскрытой формы.

Осуществление изобретения

[0072] В контексте настоящего изобретения при упоминании света, дифрагированного дифракционной решеткой, предполагается, что термин «порядок» или «число порядка» означает число целых длин волн, представляющих разность хода для света от соседних щелей или структур дифракционной решетки для усиливающей интерференции. Взаимодействие падающего светового пучка на повторяющуюся последовательность структур решетки или иные структуры разделения пучка может перенаправить дифракционные доли светового пучка в прогнозируемых угловых направлениях относительно исходного пучка. Предполагается, что термин «нулевой порядок» или «максимум нулевого порядка» означает центральную светлую полосу, излучаемую дифракционной решеткой, где нет дифракции. Предполагается, что термин «первый порядок» означает две светлые полосы, дифрагированные на каждой стороне полосы нулевого порядка, где разность хода равна ± 1 длине волны. Более высокие порядки дифрагируются под большими углами от исходного пучка. Свойства решетки могут быть отрегулированы для настройки величины интенсивности пучков, направляемых в различные порядки. Например, фазовая решетка может быть изготовлена для максимизации пропускания ± 1 порядков и минимизации пропускания пучка нулевого порядка.

[0073] В контексте настоящего изобретения, при упоминании образца, предполагается, что термин «элемент» означает точку или область в структуре, которая может быть отличена от других точек или областей согласно относительному местоположению. Отдельный элемент может содержать одну или более молекул конкретного типа. Например, элемент может содержать единственную целевую молекулу нуклеиновой кислоты с конкретной последовательностью, или элемент может содержать несколько молекул нуклеиновой кислоты с той же последовательностью (и/или комплементарной последовательностью).

[0074] В контексте настоящего изобретения, предполагается, что термин «плоскость xy» означает двумерную область, заданную прямыми линейными осями x и у в декартовой системе координат. При упоминании детектора и объекта, находящегося под наблюдением детектора, «область» может быть дополнительно определена как ортогональная оси пучка или направлению наблюдения между детектором и детектируемым объектом.

[0075] В контексте настоящего изобретения предполагается, что термин «координата z» означает информацию, которая определяет местоположение точки, линии или области по оси, ортогональной плоскости xy. В частных вариантах осуществления ось z ортогональная области объекта, находящегося под наблюдением детектора. Например, направление фокуса оптической системы может быть определено вдоль оси z.

[0076] В контексте настоящего изобретения предполагается, что термин «оптически соединен» означает, что один элемент выполнен с возможностью передачи светового излучения другому элементу непосредственно или опосредованно.

[0077] Как упоминалось выше, в существующих вариантах осуществления систем МСО дифракционная решетка установлена на столике поступательного перемещения, который, в свою очередь, установлен на поворотном столике. Кроме того, в таких системах обычно используется линейный поляризатор для поляризации света, излучаемого источником света до его поступления на решетку. Эта существующая конструкция имеет несколько недостатков при использовании в системе микроскопии с высокой производительностью. Во-первых, тот факт, что поворотный столик должен поворачивать решетку несколько раз во время получения набора изображений (например, три раза), снижает скорость работы измерительного прибора и влияет на его стабильность. Как правило, самые быстрые столики для решеток могут поворачиваться с периодом порядка десятков миллисекунд (мс), что накладывает механический предел производительности на скорость формирования изображения. Во-вторых, существующая конструкция обладает слабой повторяемостью, поскольку механические допуски поворотного столика ограничивают повторяемость картин структурированного освещения от одного набора получения изображения к следующему. Это также повышает стоимость системы МСО, поскольку требует очень точного поворотного столика.

[0078] В-третьих, существующая конструкция МСО не самая надежная при использовании в системе микроскопии с высокой производительностью, вследствие числа выполняемых приводных срабатываний для вращения решетки. Например, если один набор изображений МСО получают каждую секунду, поворотный столик может требовать от миллионов до десятков миллионов приводных срабатываний в год. В-четвертых, существующая конструкция МСО имеет низкую оптическую эффективность, поскольку линейный поляризатор блокирует по меньшей мере 50% света, принимаемого на решетке.

[0079] Для этого, варианты осуществления технологии, раскрытые в настоящей заявке, направлены на усовершенствованные системы и способы МСО.

[0080] В соответствии с первым набором вариантов осуществления технологии, раскрытой в настоящей заявке, система формирования изображения МСО может быть реализована как многоплечевая система формирования изображения МСО, причем каждое плечо системы содержит излучатель света и делитель пучка (например, пропускающую дифракционную решетку), имеющий конкретную фиксированную ориентацию относительно оптической оси системы. В соответствии с этими вариантами осуществления, делители пучка в системе формирования изображения МСО вращательно зафиксированы (т.е. не требуют механического поворота), что может обеспечивать улучшение скорости, надежности и повторяемости в системе. Для систем, где изображаемые объекты ориентированы главным образом вдоль двух перпендикулярных осей (т.е. вертикальной и горизонтальной), возможно добиться увеличенного пространственного разрешения при использовании двух углов картины, вместо трех углов картины, обычно используемых для случайно ориентированных объектов. В частных вариантах осуществления система может быть реализована как двухплечевая система формирования изображения МСО, содержащая стационарную вертикальную решетку и стационарную горизонтальную решетку для проецирования соответствующих картин полос на изображаемый образец. Могут использоваться другие пары ортогональных решеток и углов картин, при условии, что они выровнены с ориентацией объектов образца. Дополнительно, система может содержать зеркало с отверстиями для объединения двух плеч в оптический путь без потерь.

[0081] В соответствии со вторым набором вариантов осуществления технологии, раскрытой в настоящей заявке, система формирования изображения МСО может быть реализована как система формирования изображения МСО на основе слайда со множеством делителей пучка, в которой один столик линейного перемещения оснащен установленным на нем множеством делителей пучка (например, дифракционных решеток), имеющих соответствующую фиксированную ориентацию относительно оптической оси системы. В частных вариантах осуществления система формирования изображения МСО может быть реализована как система формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой, в которой все фазовые сдвиги или повороты картины решетки, проецируемой на изображаемый образец, могут выполняться путем линейного поступательного перемещения передвижного столика вдоль единственной оси перемещения, для выбора одной или двух решеток или для осуществления фазового сдвига картины, генерируемой выбранной решеткой. В таких вариантах осуществления только одно оптическое плечо, имеющее единственный излучатель и единственный столик линейного перемещения, необходимо для освещения образца, что может обеспечивать преимущества системы, такие как уменьшение количества движущихся частей системы для улучшения показателей скорости, сложности и стоимости. Дополнительно, в таких вариантах осуществления отсутствие поляризатора может обеспечивать преимущество высокой оптической эффективности.

[0082] В соответствии с третьим набором вариантов осуществления технологии, раскрытой в настоящей заявке, система формирования изображения МСО может быть реализована как система формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в которой стационарная двумерная дифракционная решетка используется в сочетании с пространственным светофильтром для проецирования одномерных дифракционных картин на образец. В таких вариантах осуществления основные оптические компоненты системы формирования изображения могут оставаться стационарными, что может улучшить стабильность оптической системы (и картины освещения) и минимизировать вес, производимые вибрации и стоимость движущихся элементов системы.

[0083] До описания различных вариантов осуществления систем и способов, раскрытых в настоящей заявке, будет полезно описать пример окружающей среды, с помощью которой может быть реализована технология, раскрытая в настоящей заявке. Один такой пример окружающей среды представлен окружающей средой системы 100 формирования изображения на основе структурированного освещения, проиллюстрированной на фиг. 1, которая освещает образец пространственно структурированным светом. Например, система 100 может представлять собой систему флуоресцентной микроскопии на основе структурированного освещения, в которой используют пространственно структурированный свет возбуждения для формирования изображения биологического образца.

[0084] В примере по фиг. 1 излучатель 150 света выполнен с возможностью вывода светового пучка, коллимированного с помощью коллимирующей линзы 151. Коллимированный свет структурируют (проецируют в виде картины) с помощью оптического блока 155 структурирования света и направляют с помощью дихроичного зеркала 160 через объектив 142 на образец контейнера 110 образца, расположенного на передвижном столике 170. В случае флуоресцентного образца, образец флуоресцирует в ответ на структурированный свет возбуждения, и получающийся в результате свет собирается с помощью объектива 142 и направляется на датчик изображения системы 140 камеры для детектирования флуоресценции.

[0085] Оптический блок 155 структурирования света в различных вариантах осуществления, подробнее раскрытых ниже, содержит одну или более оптических дифракционных решеток или других элементов разделения пучка (например, куб или пластину для разделения пучка) для генерирования картины света (например, полос, как правило, синусоидальных), проецируемой на образцы контейнера 110 образцов. Дифракционные решетки могут быть одномерными или двумерными пропускающими или отражающими решетками. Дифракционные решетки могут быть синусоидальными амплитудными решетками или синусоидальными фазовыми решетками.

[0086] Как подробнее раскрыто ниже со ссылкой на частные варианты осуществления, в системе 100 дифракционные решетки не требуют поворотного столика, как в типичной системе микроскопии на основе структурированного освещения существующих систем, рассмотренных выше. В некоторых вариантах осуществления дифракционные решетки могут быть неподвижны во время работы системы формирования изображения (т.е. не требовать вращательного или линейного перемещения). Например, в частном варианте осуществления, подробнее раскрытом ниже, дифракционные решетки могут включать в себя две стационарные одномерные пропускающие дифракционные решетки, ориентированные перпендикулярно друг другу (например, горизонтальную дифракционную решетку и вертикальную дифракционную решетку).

[0087] Как проиллюстрировано в примере по фиг. 1, оптический блок 155 структурирования света выдает дифрагированные световые пучки первых порядков (например, m = ± 1 порядков) при блокировании или минимизации всех других порядков, включая нулевые порядки. Однако, в альтернативных вариантах осуществления дополнительные порядки света могут проецироваться на образец.

[0088] Во время каждого цикла формирования изображения, система 100 формирования изображения использует оптический блок 155 структурирования света для получения множества изображений с различными фазами, причем картина полос смещена вбок в направлении модуляции (например, в плоскости х-у и перпендикулярно полосам), причем эту процедуру повторяют один или более раз путем поворота ориентации картины вокруг оптической оси (т.е. относительно плоскости х-у образца). Захваченные изображения могут быть затем вычислительно реконструированы для генерирования изображения высокого разрешения (например, изображения, обладающим приблизительно вдвое большим боковым пространственным разрешением по сравнению с отдельными изображениями).

[0089] В системе 100 излучатель 150 света может быть некогерентным излучателем света (например, испускать световые пучки, выводимые одним или более диодов возбуждения) или когерентным излучателем света, таким как излучатель света, выводимого одним или более лазерами или лазерными диодами. Как показано в примере системы 100, излучатель 150 света включает в себя оптическое волокно 152 для направления оптического пучка для вывода. Однако, могут использоваться другие конфигурации излучателя 150 света. В вариантах осуществления, в которых используется структурированное освещение в многоканальной системе формирования изображения (например, многоканальном флуоресцентном микроскопе, использующем множество длин волн света), оптическое волокно 152 может оптически соединяться с множеством различных источников света (не показаны), причем каждый из источников света излучает свет различной длины волны. Хотя показано, что система 100 имеет один излучатель 150 света, в некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрено множество излучателей 150 света. Например, множество излучателей света могут быть предусмотрены в случае системы формирования изображения на основе структурированного освещения, в которой используется множество плеч, которая подробнее рассмотрена ниже.

[0090] В некоторых вариантах осуществления система 100 может содержать проекционный объектив 156, который может содержать линзу, выполненную с возможностью шарнирного перемещения вдоль оси z для регулирования формы и траектории структурированного пучка. Например, компонент проекционного объектива может быть шарнирно закреплен с учетом диапазона толщин образцов (например, различных толщин покрывающих стекол) для образца в контейнере 110.

[0091] В примере системы 100 модуль или устройство 190 подачи текучей среды может направлять поток реагентов (например, флуоресцентно меченых нуклеитидов, буферов, энзимов, реагентов расщепления и т.д.) в (и через) контейнер 110 образцов и сливной клапан 120. Контейнер 110 образцов может содержать одну или более подложек, на которых размещаются образцы. Например, в случае системы для анализа большого количества различных последовательностей нуклеиновой кислоты, контейнер 110 образцов может содержать одну или более подложек, на которой прикреплены, присоединены или связаны нуклеиновые кислоты, подлежащие секвенированию. Подложка может включать в себя любую инертную подложку или матрицу, к которой могут быть прикреплены нуклеиновые кислоты, такую как, например, стеклянные поверхности, пластиковые поверхности, латекс, декстран, полистироловые поверхности, полипропиленовые поверхности, полиакриламидные гели, золотые поверхности и кремневые пластины. В некоторых приложениях подложка расположена внутри канала или другой области во множестве местоположений, сформированных в матрице или массиве на контейнере 110 образцов. Система 100 может также содержать исполнительный механизм 130 температурной станции и нагреватель/охладитель 135, которые могут опционально регулировать температурные условия текучих сред в контейнере 110 образцов.

[0092] В частных вариантах осуществления контейнер 110 образцов может быть реализован в виде структурированной проточной ячейки, содержащей просвечивающую покрывающую пластину, подложку и жидкость, содержащуюся между ними, а биологический образец может быть расположен на внутренней поверхности просвечивающей покрывающей пластины или внутренней стороне подложки. Проточная ячейка может содержать большое число (например, тысячи, миллионы или миллиарды) лунок или зон, структурированных в виде заданной решетки (например, шестиугольной решетки, прямоугольной решетки и т.д.) в подложке. Каждая зона может формировать кластер (например, моноклональный кластер) биологического образца, такого как ДНК, РНК или другой геномный материал, который может быть секвенирован, например, с использованием секвенирования путем синтеза. Проточная ячейка может быть дополнительно разделена на несколько разнесенных дорожек (например, восемь дорожек), причем каждая дорожка содержит шестиугольный массив кластеров. Примеры проточных ячеек, которые могут использоваться в вариантах осуществления, раскрытых в настоящей заявке, описаны в патенте США №8,778,848.

[0093] Контейнер 110 образцов может быть установлен на столике 170 для образца для обеспечения возможности перемещения и выравнивания контейнера 110 образцов относительно объектива 142. Столик для образца может иметь один или более исполнительных механизмов для обеспечения возможности их перемещения в любом из трех направлений. Например, при использовании декартовой системы координат, могут быть предусмотрены исполнительные механизмы для обеспечения возможности перемещения столика в направлениях X, Y и Z относительно объектива. Это может обеспечивать возможность позиционирования местоположений образца на контейнере 110 образцов при оптическом выравнивании с объективом 142. Перемещение столика 170 для образца относительно объектива 142 может быть достигнуто путем перемещения самого столика для образца, объектива, некоторого другого компонента системы формирования изображения или любой комбинации перечисленного. В некоторых вариантах осуществления перемещение столика 170 для образца может быть реализовано во время формирования изображения на основе структурированного освещения для перемещения полос структурированного освещения относительно образца для изменения фаз. Дополнительные варианты осуществления могут также включать в себя перемещение всей системы формирования изображения над стационарным образцом. Альтернативно, контейнер 110 образца может быть неподвижен во время формирования изображения.

[0094] В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрен компонент 175 фокусировки (ось z) для управления позиционированием оптических компонентов относительно контейнера 110 образца в направлении фокусировки (обычно называемом осью z или направлением z). Компонент 175 фокусировки может содержать один или более исполнительных механизмов, физически соединенных с оптическим столиком, столиком для образца или с ними обоими, для перемещения контейнера 110 образца на столике 170 для образца относительно оптических компонентов (например, объектива 142) для обеспечения надлежащего фокусирования для операции формирования изображения. Например, исполнительный механизм может быть физически соединен с соответствующим столиком, например, посредством механического, магнитного, флюидного или другого прикрепления или соприкосновения, непосредственно или опосредованно, к столику или со столиком. Один или более исполнительных механизмов могут быть выполнены с возможностью перемещения столика в направлении z при поддержании столика для образца в одной и той же плоскости (например, поддержания уровня или горизонтального положения, перпендикулярного оптической оси). Один или более исполнительных механизмов могут быть выполнены с возможностью наклона столика. Это может выполняться, например, так, чтобы контейнер 110 образца мог динамически выравниваться для учета любого наклона его поверхностей.

[0095] Следует понимать, что, хотя на фиг. 1 проиллюстрировано использование объектива 142 для объединения и проецирования двух пучков на изображаемый образец в виде интерференционной картины полос, могут использоваться другие подходящие средства для объединения двух пучков и/или проецирования интерференционной картины на образец. Могут быть достаточными любые средства перенаправления пучков (например, с использованием зеркал), при условии, что длина пути, проходимого пучками, лежит в пределах длины временной когерентности пучков. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, два порядка пучка могут автоматически перекрываться на расстоянии за делителем пучка (например, дифракционной решеткой). В таких вариантах осуществления интерференционная картина может возникать вблизи решетки, что устраняет необходимость в дополнительной проецирующей системе, если дифракционная решетка размещена достаточно близко к образцу. Таким образом, следует понимать, что варианты осуществления для МСО, раскрытые в настоящей заявке, могут применяться к системам, не основанным на объективах для проецирования интерференционных картин.

[0096] Структурированный свет, исходящий от тестового образца в изображаемом местоположении образца, может быть направлен через дихроичное зеркало 160 к одному или более детекторам системы 140 камеры. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрен блок 165 переключения фильтра с одним или более эмиссионными фильтрами, в которой один или более эмиссионных фильтров могут использоваться для пропускания конкретных эмиссионных длин волн и блокирования (или отражения) других эмиссионных длин волн. Например, один или более эмиссионных фильтров могут использоваться для переключения между различными каналами системы формирования изображения. В частном варианте осуществления эмиссионные фильтры могут быть реализованы в виде дихроичных зеркал, которые направляют эмиссионный свет различных длин волн к различным датчикам изображения системы 140 камеры.

[0097] Система 140 камеры может содержать один или более датчиков изображения для контроля и отслеживания формирования изображения (например, секвенирования) контейнера 110 образца. Система 140 камеры может быть реализована, например, в виде камеры с датчиками изображения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС), но могут использоваться другие технологии датчиков изображения, такие как активные пиксельные датчики (например, датчики изображения на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП)). В некоторых вариантах осуществления в системе 100 формирования изображения на основе структурированного освещения может использоваться датчик изображения (например, активный пиксельный датчик) в активной плоскости образца. В таких вариантах осуществления изображаемый образец может быть структурирован и/или выровнен над датчиком изображения.

[0098] Выходные данные (например, изображения) из системы 140 камеры могут передаваться в модуль анализа в режиме реального времени (не показан), который может быть реализован в виде программного приложения, которое, как подробнее раскрыто ниже, может реконструировать изображения, захваченные во время каждого цикла для создания изображения с более высоким пространственным разрешением. Альтернативно, выходные данные могут быть сохранены для реконструкции в более позднее время.

[0099] Хотя это не проиллюстрировано, может быть предусмотрен контроллер для управления работой системы 100 формирования изображения на основе структурированного освещения, в том числе синхронизации работы различных оптических компонентов системы 100. Контроллер может быть реализован для управления аспектами работы системы, такими как, например, конфигурация оптического блока 155 структурирования света (например, выбор и/или линейное поступательное перемещение дифракционных решеток), перемещение проекционного объектива 156, фокусировка, перемещение столика и операции формирования изображения. В различных вариантах осуществления контроллер может быть реализован с использованием аппаратного обеспечения, алгоритмов (например, машиноисполняемых инструкций) или комбинации вышеперечисленного. Например, в некоторых вариантах осуществления контроллер может включать в себя один или более ЦП или процессоров со связанной памятью. В качестве другого примера, контроллер может содержать аппаратное обеспечение или другую схему для управления работой, такую как процессор компьютера и долговременный машиночитаемый носитель с сохраненными на нем машиночитаемыми инструкциями. Например, эта схема может включать в себя одно или более из следующего: программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA, англ. field programmable gate array), специализированная интегральная схема (ASIC, англ. application specific integrated circuit), программируемое логическое устройство (PLD, англ. programmable logic device), сложное устройство с программируемой логикой (CPLD, англ. complex programmable logic device), программируемая логическая матрица (PLA, англ. programmable logic array), программируемая матричная логика (PAL, англ. programmable array logic) или другое похожее устройство или схема. В качестве еще одного примера, контроллер может содержать комбинацию этой схемы с одним или более процессорами.

[00100] Многоплечевая система формирования изображения микроскопии структурированного освещения.

[00101] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления технологии, раскрытой в настоящей заявке, система формирования изображения МСО может быть реализована как многоплечевая система формирования изображения МСО, в которой каждое плечо системы содержит излучатель света и решетку, имеющую конкретную фиксированную ориентацию относительно оптической оси системы.

[00102] На фиг. 2 представлена оптическая схема, иллюстрирующая один пример оптической конфигурации двухплечевой системы 200 формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. Первое плечо системы 200 содержит излучатель 210А света, оптический коллиматор 220А для коллимирования света, испускаемого излучателем 210А света, дифракционную решетку 230А в первой ориентации относительно оптической оси, поворотное окно 240А и проекционный объектив 250А. Второе плечо системы 200 содержит излучатель 210В света, оптический коллиматор 220В для коллимирования света, испускаемого излучателем 210В света, дифракционную решетку 230В во второй ориентации относительно оптической оси, поворотное окно 240B и проекционный объектив 250В. Хотя в этом примере проиллюстрированы дифракционные решетки, в других вариантах осуществления могут использоваться другие элементы разделения пучка, такие как куб или пластина для разделения пучка, для разделения света, принимаемого в каждом плече системы 200 формирования изображения МСО.

[00103] Каждый излучатель 210А-210В света может быть некогерентным излучателем света (например, испускать световые пучки, испускаемые одним или более светоизлучающими диодами (LED))) или когерентным излучателем света, таким как излучатель света, выводимого одним или более лазерами или лазерными диодами. В примере системы 200 каждый излучатель 210А-210В света представляет собой оптическое волокно, которое испускает оптический пучок, коллимируемый соответствующим коллиматором 220А-220В.

[00104] В некоторых вариантах осуществления каждое оптическое волокно может быть оптически соединено с соответствующим источником света (не показан), таким как лазер. Во время формирования изображения каждое оптическое волокно может быть включено или выключено с помощью высокоскоростного затвора (не показан), расположенного на оптическом пути между волокном и источником света, или путем подачи импульсов с заданной частотой на соответствующий источник света волокна во время формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления каждое оптическое волокно может быть оптически соединено с одним и тем же источником света. В таких вариантах осуществления делитель пучка или другой подходящий оптический элемент может использоваться для направления света от источника света в каждое из оптических волокон. В таких примерах каждое оптическое волокно может быть включено или выключено с помощью высокоскоростного затвора (не показан), расположенного на оптическом пути между волокном и делителем пучка.

[00105] В системе 200 формирования изображения МСО первое плечо содержит стационарную вертикальную решетку 230А для проецирования картины решетки в первой ориентации (например, картины вертикальных полос) на образец, а второе плечо содержит стационарную горизонтальную решетку 230В для проецирования картины решетки во второй ориентации (например, картины горизонтальных полос) на образец 271. В отличие от существующих систем формирования изображения МСО, решетки системы 200 формирования изображения МСО не нуждаются в механическом вращении или поступательном перемещении, что может обеспечивать улучшение скорости, надежности и повторяемости в системе.

[00106] Как показано в примере по фиг. 2, решетки 230А-230В могут представлять собой пропускающие дифракционные решетки, которые включают в себя множество дифракционных элементов (например, параллельных щелей или канавок), сформированных на стеклянной подложке или другой подходящей поверхности. Решетки могут быть реализованы как фазовые решетки, которые обеспечивают периодическое изменение показателя преломления материала решетки. Интервал между канавками или элементами может быть выбран для дифрагирования света под подходящими углами и настроен на минимальный с точки зрения разрешения размер элемента изображаемых образцов для работы системы 200 формирования изображения МСО. В других вариантах осуществления решетки могут представлять собой отражающие дифракционные решетки.

[00107] В примере системы 200 формирования изображения МСО вертикальные или горизонтальные картины смещены на угол приблизительно 90 градусов. В других вариантах осуществления могут использоваться другие ориентации решеток для создания смещения на угол приблизительно 90 градусов. Например, решетки могут быть ориентированы так, чтобы они проецировали изображения, которые смещены на угол ± 45 градусов от плоскости x или у образца 271. Конфигурация примера системы 200 формирования изображения МСО может быть особенно полезна в случае регулярно структурированного образца 271 с элементами на прямоугольной сетке, поскольку увеличение структурного разрешения может быть достигнуто с использованием только двух перпендикулярных решеток (например, вертикальной решетки и горизонтальной решетки).

[00108] Решетки 230A-230B в примере системы 200 выполнены с возможностью дифрагирования входных пучков на несколько порядков (например, 0 порядок, ± 1 порядки, ± 2 порядки и т.д.), из которых ± 1 порядки могут проецироваться на образец 271. Как показано в этом примере, вертикальная решетка 230А дифрагирует коллимированный световой пучок на дифрагированные пучки первого порядка (± 1 порядки), распределяя первые порядки на плоскости страницы, а горизонтальная решетка 230В дифрагирует коллимированный световой пучок на дифрагированные пучки первого порядка, распределяя порядки выше и ниже указанной плоскости страницы (т.е. в плоскости, перпендикулярной странице). Для увеличения эффективности системы пучки нулевых порядков и пучки всех других более высоких порядков (т.е. ± 2 порядков или выше) могут блокироваться (т.е. отфильтровываться от картины освещения, проецируемой на образец 271). Например, элемент блокирования пучка (не показан), такой как порядковый фильтр, может быть включен в оптический путь после каждой дифракционной решетки для блокирования пучка 0-го порядка и пучков более высоких порядков. В некоторых вариантах осуществления дифракционные решетки 230A-230B могут быть выполнены с возможностью дифрагирования пучков только на первые порядки, а 0 порядок (недифрагированный пучок) может блокироваться некоторым элементом блокирования пучка.

[00109] Каждое плечо включает в себя оптический фазовый модулятор или фазовращатель 240A-240B для фазового сдвига дифрагированного света, выходящего из каждой из решеток 230. Например, во время формирования изображения на основе структурированного освещения оптическая фаза каждого дифрагированного пучка может быть сдвинута на некоторую долю (например, 1/2, 1/3, 1/4 и т.д.) шага (λ) каждой полосы структурированной картины. В примере по фиг. 2 фазовые модуляторы 240А и 240В реализованы как поворотные окна, в которых может использоваться гальванометр или другой поворотный исполнительный механизм для поворота и модуляции оптической длины пути каждого дифрагированного пучка. Например, окно 240А может поворачиваться вокруг вертикальной оси для сдвига изображения, проецируемого вертикальной решеткой 230А на образец 271 влево или вправо, а окно 240В может поворачиваться вокруг горизонтальной оси для сдвига изображения, проецируемого горизонтальной решеткой 230В на образец 271 вверх или вниз.

[00110] В других вариантах осуществления, подробнее раскрытых ниже, могут использоваться другие фазовые модуляторы, которые изменяют оптическую длину пути дифрагированного света (например, столики линейного поступательного перемещения, клинья и т.д.). Дополнительно, хотя проиллюстрировано, что оптические фазовые модуляторы 230А-230В размещены после решеток 230А-230В, в других вариантах осуществления они могут быть размещены в других местах в системе освещения. В некоторых вариантах осуществления единственный фазовый модулятор может эксплуатироваться в двух различных направлениях для различных картин полос, или единственный фазовый модулятор может использовать одно перемещение для регулирования обеих длин путей, как раскрыто ниже.

[00111] В примере системы 200 зеркало 260 с отверстиями 261 объединяет два плеча в оптический путь без потерь (например, без значительных потерь оптической мощности, за исключение небольшого поглощения на отражающем покрытии). Зеркало 260 может быть расположено так, чтобы дифрагированные порядки от каждой из решеток были пространственно растянуты, а нежелательные порядки могли блокироваться. Зеркало 260 пропускает первые порядки света, выходящего из первого плеча, через отверстия 261. Зеркало 260 отражает первые порядки света, выходящего из второго плеча. Таким образом, картина структурированного освещения может переключаться от вертикальной ориентации (например, решетки 230А) на горизонтальную ориентацию (например, решетку 230В) путем включения или выключения каждого излучателя путем открытия и закрытия оптического затвора, который направляет свет источника света через волоконно-оптический кабель. В других вариантах осуществления картина структурированного освещения может переключаться путем использования оптического переключателя для изменения плеча, который освещает образец.

[00112] Также в примере системы 200 формирования изображения показаны проекционный объектив 265, полуотражающее зеркало 280, объектив 270 и камера 290. Проекционный объектив 265 может использоваться в сочетании с линзой 250А для проецирования фурье-преобразования решетки 230А на входной зрачок объектива 270. Аналогичным образом, проекционный объектив 265 может использоваться в сочетании с линзой 250В для проецирования фурье-преобразования решетки 230В на входной зрачок объектива 270. Проекционный объектив 265 может быть также реализован с возможностью шарнирного перемещения вдоль оси z для регулирования фокуса решетки на плоскости образца. Полуотражающее зеркало 280 может представлять собой дихроичное зеркало для отражения света структурированного освещения, принимаемого от каждого плеча на объектив 270 для проецирования на образец 271, и для пропускания света, излучаемого образцом 271 (например, флуоресцентного света, который излучается с длинами волн, отличающимися от длин волн света возбуждения) на камеру 290.

[00113] Следует отметить, что пример системы 200 может обеспечивать высокую оптическую эффективность вследствие отсутствия поляризатора. Дополнительно, использование неполяризованного света может не оказывать значительного влияния на контраст картины, зависящий от настройки числовой апертуры объектива 270.

[00114] Следует отметить, что для ясности оптические компоненты системы 200 формирования изображения МСО могут быть исключены из вышеизложенного обсуждения. Дополнительно, хотя система 200 в этом примере проиллюстрирована как одноканальная система, в других вариантах осуществления она может быть реализована как многоканальная система (например, путем использования различных камер и источников света, которые излучают на двух различных длинах волн).

[00115] На фиг. 3 представлена оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы 300 формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. В системе 300 большое поворотное оптическое окно 310 может быть расположено после зеркала 260 с отверстиями 261. В этом случае окно 310 может использоваться вместо окон 240А и 240В для модуляции фаз обоих наборов дифрагированных пучков, выходящих из вертикальной и горизонтальной дифракционных решеток. Вместо того, чтобы быть параллельной относительно оптической оси одной из решеток, ось вращения для поворотного окна 310 может быть смещена на 45 градусов (или смещена на некоторый другой угол) от оптической оси каждой из вертикальной и горизонтальной решеток для обеспечения возможности фазового сдвига по обоим направлениям вдоль одной общей оси вращения окна 310. В некоторых вариантах осуществления поворотное окно 310 может быть заменено на клиновидный оптический элемент, выполненный с возможностью поворота вокруг номинальной оси пучка.

[00116] На фиг. 4 представлена оптическая схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы 400 формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. В системе 400 решетки 230А и 230В установлены на соответствующие столики 410А и 410В линейного перемещения, которые могут быть поступательно перемещены для изменения оптической длины пути (и таким образом фазы) света, излучаемого решетками 230А и 230В. Ось перемещения столиков 410А-410В линейного перемещения может быть перпендикулярна или иначе смещена относительно ориентации их соответствующих решеток для осуществления поступательного перемещения картины решетки вдоль образца 271. В вариантах осуществления в каждом из столиков 410А и 410В могут использоваться перекрестные роликовые подшипники, линейный двигатель, высокоточный датчик линейных перемещений и/или другие технологии для обеспечения точных линейных поступательных перемещений решеток для фазового сдвига проецируемых изображений.

[00117] На фиг. 5 представлена функциональная блок-схема, иллюстрирующая пример способа 500, который может быть выполнен многоплечевой системой формирования изображения МСО в течение одного цикла формирования изображения с использованием структурированного света для создания изображения высокого разрешения, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. В вариантах осуществления способ 500 может быть выполнен для формирования изображения всего образца или участка большего образца. Способ 500 будет раскрыт в отношении фиг. 6, на которой проиллюстрированы упрощенные картины полос освещения, которые могут проецироваться на плоскость образца 271 вертикальной решеткой и горизонтальной решеткой двухплечевой системы формирования изображения МСО во время захвата изображения. Например, в системе 200 формирования изображения МСО могут использоваться вертикальная решетка 230А и горизонтальная решетка 230В для генерирования горизонтальной и вертикальной картин освещения, показанных на фиг. 6, в то время как фазовые модуляторы 230А и 230В могут быть настроены на три различных положения для обеспечения трех показанных фазовых сдвигов.

[00118] На этапе 510 включают первое плечо, соответствующее первой ориентации решетки, для начала генерирования картин освещения с использованием первого плеча. Например, в варианте осуществления системы 200 формирования изображения высокоскоростной затвор, расположенный на пути между оптическим волокном 210А и источником света, может быть открыт или иным образом приведен в действие так, чтобы источник света не был заблокирован. Альтернативно, один или более источников света могут быть включены или выключены (например, в импульсном режиме), или может использоваться оптический переключатель для направления источника света через оптический путь первого плеча (например, через один из первого или второго излучателей). В некоторых примерах этап 510 может также включать в себя включение источника света (например, в случае первого цикла формирования изображения).

[00119] Как только первое плечо будет включено, на этапе 520 первую картину решетки могут проецировать на образец, и могут захватывать изображение. Например, как показано на фиг. 6, вертикальная решетка 230А может проецировать на образец 271 полосы освещения первого порядка. Любой свет, излучаемый образцом, может быть захвачен камерой 290, и может быть захвачено первое фазовое изображение первой картины (например, вертикальной картины). Например, флуоресцентный краситель, расположенный у различных элементов образца 271, может флуоресцировать, и результирующий свет может быть объединен объективом 270 и направлен на датчик изображения камеры 290 для детектирования флуоресценции.

[00120] Если нужно захватить дополнительные смещенные по фазе изображения (решение 530), то на этапе 540 картина, проецируемая решеткой, может быть сдвинута по фазе 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. Альтернативно, для сдвига фазы могут использоваться другие оптические фазовые модуляторы, такие как столики поступательного перемещения или поворотные оптические клинья. Например, как проиллюстрировано в примере по фиг. 6, фаза может быть сдвинута на 1/3 шага (λ) картины полос, так чтобы картина, проецируемая на образец, была смещена на 1/3λ относительно предыдущего захваченного изображения. В некоторых вариантах осуществления картина, проецируемая решеткой, может быть сдвинута по фазе путем перемещения образца (например, с использованием передвижного столика) при поддержании проецируемых полос неподвижными. В некоторых вариантах осуществления картина, проецируемая решеткой, может быть сдвинута по фазе путем перемещения как образца, так и проецируемых полос. Этапы 520-540 могут повторять до тех пор, пока не будут захвачены все фазовые изображения первой картины (например, три сдвинутых по фазе изображения вертикальной картины в случае по фиг. 6).

[00121] Как только будут захвачены все фазовые изображения картины, на этапе 460 может быть включено второе плечо, соответствующее второй ориентации решетки системы формирования изображения МСО. Например, в варианте осуществления системы 200 формирования изображения высокоскоростной затвор, расположенный на пути между оптическим волокном 210В и источником света, может быть открыт или иным образом приведен в действие так, чтобы источник света не был заблокирован. Альтернативно, один или более источников света могут быть включены или выключены (например, в импульсном режиме), или может использоваться оптический переключатель для направления источника света через оптический путь второго плеча. Дополнительно, другое плечо может быть выключено. Серия фазовых изображений затем может быть захвачена для следующего плеча путем повтора этапов 520-540. Например, как проиллюстрировано на фиг. 6, горизонтальная решетка 230В может проецировать полосы освещения первого порядка на образец 271, и проецируемые полосы могут быть сдвинуты в положение на 1/3λ для захвата трех фазовых изображений на горизонтальной картине. В другом примере картина, проецируемая решеткой, может быть сдвинута по фазе путем перемещения образца (например, с использованием передвижного столика) при поддержании проецируемых полос неподвижными, или путем перемещения как образца, так и проецируемых полос.

[00122] Как только будут захвачены все изображения для цикла формирования изображения, на этапе 570 может быть построено изображение высокого разрешения из захваченных изображений. Например, изображение высокого разрешения может быть реконструировано из шести изображений, показанных на фиг. 6. Подходящие алгоритмы могут использоваться для объединения этих различных изображений для синтеза одного изображения образца со значительно лучшим пространственным разрешением, чем у любого из отдельных составляющих изображений.

[00123] Следует отметить, что хотя способ 500 был первоначально раскрыт в контексте одноканального формирования изображения (например, формирования изображения образца с использованием источника света, имеющего одну длину волны), в некоторых вариантах осуществления способ 500 может быть адаптирован для многоканального формирования изображения (например, формирования изображения образца с использованием источников света, имеющих различные длины волн). В таких вариантах осуществления способ 500 может повторяться для каждого канала системы формирования изображения (например, последовательно или параллельно) для генерирования изображений высокого разрешения для каждого канала.

[00124] Хотя варианты осуществления двухплечевой системы 200 формирования изображения МСО, раскрытые в настоящей заявке, до сих пор были раскрыты в контексте системы 200, в которой используется зеркало 260 с отверстиями 261 для объединения без потерь оптических путей двух плеч, в альтернативном варианте осуществления два изображения горизонтальной и вертикальной решеток 230А-230В могут быть объединены без потерь путем использования поляризующего делителя пучка, вместо зеркала с отверстиями, для освещения вертикальной решетки вертикально поляризованным светом и горизонтальной решетки горизонтально поляризованным светом. В таких вариантах осуществления картина структурированного освещения может быть переключена с горизонтальной на вертикальную путем включения и выключения соответствующих источников поляризованного света.

[00125] Например, на фиг. 7 проиллюстрирован пример экспериментальной конструкции двухплечевой системы 700 формирования изображения МСО, в которой используется поляризующий делитель пучка для объединения оптических путей плеч и которая освещает вертикальную решетку вертикально поляризованным светом и горизонтальную решетку горизонтально поляризованным светом. В варианте осуществления по фиг. 7 горизонтальной и вертикальной решетками являются G1 и G2, горизонтальным и вертикальным поворотными окнами являются W1 и W2, а поляризующим делителем пучка для объединения изображений горизонтальной и вертикальной решеток является PBS2. Fiber1 представляет собой выход оптоволоконного многомодового лазера со скремблированием мод.

[00126] На фиг. 8А проиллюстрировано афокальное зеркальное изображение и флуоресцентный слайд, захваченные с использованием примерной системы 700 формирования изображения МСО по фиг. 700, с использованием микроскопа 20х/0.75 NA. Афокальное зеркальное изображение имеет видимость полос 84%. Флуоресцентное слайдовое изображение имеет видимость полос 6,6%.

[00127] На фиг. 8В проиллюстрированы измерения модуляции полос, полученные с использованием системы 700 с гранулярной проточной ячейкой. График иллюстрирует типичные изменения яркости изображения элемента во время цикла фазовой регулировки, при изменении угла параллельной пластины W2 по фиг. 7.

[00128] На фиг. 9 проиллюстрирован другой пример оптической конфигурации двухплечевой системы 900 формирования изображения МСО в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. Первое плечо системы 900 содержит излучатель 910А света (например, оптическое волокно), оптический коллиматор 920А для коллимирования света, излучаемого излучателем 910А света, дифракционную решетку 930А в первой ориентации относительно оптической оси и объектив 940А переноса. Второе плечо системы 900 содержит излучатель 910В света, оптический коллиматор 920В для коллимирования света, излучаемого излучателем 910В света, дифракционную решетку 930В во второй ориентации относительно оптической оси, и объектив 940В переноса.

[00129] Система 900 также содержит элемент 950 объединения пучка для объединения двух плеч оптической системы. Как показано, элемент 950 объединения пучка содержит 45° призму с отверстиями для пропускания структурированного света от второго плеча системы и зеркальную поверхность для отражения структурированного света, принимаемого от первого плеча. До входа в элемент 950 объединения пучка каждый структурированный пучок света проходит через пространственный фильтр, имеющий апертуры для пропускания ± 1 порядков и блокирования остальных порядков. Структурированный свет, исходящий от первого плеча в первой плоскости, может быть направлен отражательной оптикой 945 в элемент 950 объединения пучка. В системе 900 оптический элемент 960 с параллельными пластинами служит в качестве фазорегулятора и может быть повернут для сдвига структурированного света в любую ориентацию после элемента 950 объединения пучка.

[00130] Хотя варианты осуществления, раскрытые в настоящей заявке, до сих пор были раскрыты в контексте двухплечевой системы формирования изображения на основе структурированного освещения, которая содержит две решетки, ориентированные под двумя различными углами, следует отметить, что в других вариантах осуществления могут быть реализованы системы с более чем двумя плечами. В случае регулярно структурированного образца с элементами на прямоугольной сетке, увеличение разрешения может быть достигнуто с использованием только двух перпендикулярных углов (например, вертикальной решетки и горизонтальной решетки), как раскрыто выше. С другой стороны, для увеличения разрешения изображения во всех направлениях для других образцов (например, структурированных в виде шестиугольника образцов), могут использоваться три угла решетки. Например, трехплечевая система может содержать три излучателя света и три стационарные дифракционные решетки (одна на каждое плечо), причем каждая дифракционная решетка ориентирована относительно оптической оси системы для проецирования соответствующим образом ориентированной картины на образец (например, картины 0°, картины 120° или картины 240°). В таких системах могут использоваться дополнительные зеркала с отверстиями для объединения без потерь дополнительных изображений дополнительных решеток в систему. Альтернативно, в таких системах могут использоваться один или более поляризующих делителей пучка для объединения изображений каждой из решеток.

[00131] Система формирования изображения микроскопии структурированного освещения на основе слайда с множеством оптических решеток

[00132] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления технологии, раскрытой в настоящей заявке, система формирования изображения МСО может быть реализована как система формирования изображения МСО на основе слайда с множеством оптических решеток, в которой один столик линейного перемещения оснащен установленным на нем множеством дифракционных решеток (например, оптических элементов для разделения пучка), имеющих соответствующую фиксированную ориентацию относительно оптической оси системы.

[00133] На фиг. 10А-10В представлены принципиальные схемы, иллюстрирующие пример оптической конфигурации системы 1000 формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. Как подробнее раскрыто ниже, в конфигурации системы 1000, все изменения картины решетки, проецируемые на образец 1070 (например, фазовые сдвиги картины или повороты), могут быть выполнены путем линейного поступательного перемещения передвижного столика 1030 вдоль одной оси перемещения для выбора решетки 1031 или 1032 (т.е. выбора ориентации решетки) или фазового сдвига одной из решеток 1031-1032.

[00134] Система 1000 содержит излучатель 1010 света (например, оптическое волокно, оптически соединенное с источником света), первый оптический коллиматор 1020 (например, коллимирующую линзу) для коллимирования света, испускаемого излучателем 1010 света, столик 1030 линейного перемещения с установленными на нем первой дифракционной решеткой 1031 (например, горизонтальной решеткой) и второй дифракционной решеткой 1032 (например, вертикальной решеткой), проекционный объектив 1040, полуотражающее зеркало 1050 (например, дихроичное зеркало), объектив 1060, образец 1070 и камеру 1080. Для простоты оптические компоненты системы 1000 формирования изображения МСО могут отсутствовать на фиг. 10А. Дополнительно, хотя система 1000 в этом примере проиллюстрирована как одноканальная система, в других вариантах осуществления она может быть реализована как многоканальная система (например, путем использования различных камер и источников света, которые излучают на двух различных длинах волн).

[00135] Как проиллюстрировано на фиг. 10А, решетка 1031 (например, горизонтальная дифракционная решетка) может осуществлять дифракцию коллимированного светового пучка на дифрагированные световые пучки первого порядка (на плоскости страницы). Как проиллюстрировано на фиг. 10В, дифракционная решетка 1032 (например, вертикальная дифракционная решетка) может осуществлять дифракцию пучка на пучки первого порядка (выше и ниже плоскости страницы). В этой конфигурации только одно оптическое плечо, имеющее единственный излучатель 1010 (например, оптическое волокно) и единственный столик линейного перемещения, необходимо для получения изображения образца 1070, что может обеспечивать преимущества системы, такие как уменьшение количества движущихся частей системы для улучшения показателей скорости, сложности и стоимости. Дополнительно, в системе 1000 отсутствие поляризатора может обеспечивать вышеупомянутое преимущество высокой оптической эффективности. Конфигурация примера системы 200 формирования изображения МСО может быть особенно полезна в случае регулярно структурированного образца 1070 с элементами на прямоугольной сетке, поскольку увеличение структурного разрешения может быть достигнуто с использованием только двух перпендикулярных решеток (например, вертикальной решетки и горизонтальной решетки).

[00136] Для увеличения эффективности системы пучки нулевых порядков и дифракционные пучки всех других более высоких порядков (т.е. ± 2 порядков или выше), выходящих из каждой решетки, могут блокироваться (т.е. отфильтровываться от картины освещения, проецируемой на образец 1070). Например, элемент блокирования пучка (не показан), такой как порядковый фильтр, может быть включен в оптический путь после передвижного столика 1030. В некоторых вариантах осуществления дифракционные решетки 1031-1032 могут быть выполнены с возможностью дифрагирования пучков только на первые порядки, а 0-й порядок (недифрагированный пучок) может блокироваться некоторым элементом блокирования пучка.

[00137] В примере системы 1000 две решетки могут быть расположены приблизительно на ± 45° от оси перемещения (или с некоторым другим угловым смещением от оси перемещения, например, приблизительно +40°/-50°, приблизительно +30°/-60° и т.д.), так чтобы мог быть реализован фазовые сдвиг для каждой решетки 1031-1032 вдоль одной оси линейного перемещения. В некоторых вариантах осуществления две решетки могут быть объединены в один физический оптический элемент. Например, одна сторона физического оптического элемента может иметь картину решетки в первой ориентации, а смежная сторона физического оптического элемента может иметь картину решетки во второй ориентации, ортогональной первой ориентации.

[00138] Одноосный столик 1030 линейного перемещения может содержать один или более исполнительных механизмов для обеспечения возможности его перемещения вдоль оси X относительно плоскости образца или вдоль оси Y относительно плоскости образца. Во время работы столик 1030 линейного перемещения может обеспечивать достаточное перемещение (например, приблизительно 12-15 мм) и точность (например, с погрешностью приблизительно менее 0,5 микрометров) для обеспечения проецирования точных картин освещения для эффективной реконструкции изображения. В вариантах осуществления, где столик 1030 линейного перемещения используется в автоматизированной системе формирования изображения, такой как система флуоресцентной микроскопии, он может быть выполнен с возможностью обеспечения высокой скорости работы, минимального создания вибраций и продолжительного срока эксплуатации. В вариантах осуществления столик 1030 линейного перемещения может содержать перекрестные роликовые подшипники, высокоточный датчик линейных перемещений и/или другие компоненты. Например, столик 1030 линейного перемещения может быть реализован как высокоточный шаговый или пьезоэлектрический столик, который может быть поступательно перемещен с использованием контроллера.

[00139] На фиг. 11 представлена функциональная блок-схема, иллюстрирующая пример способа 1100, который может быть выполнен системой формирования изображения МСО на основе слайда с множеством оптических решеток во время одного цикла формирования изображения с использованием структурированного света для создания изображения высокого разрешения, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. В зависимости от вариантов осуществления, способ 1100 может быть осуществлен для формирования изображения всего образца или участка образца большего размера. Способ 1100 будет раскрыт со ссылкой на фиг. 12, на которой проиллюстрированы упрощенные картины полос освещения, которые могут проецироваться на плоскость образца 1070 первой дифракционной решеткой и второй дифракционной решеткой системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой во время захвата изображения. Например, в системе 1000 формирования изображения МСО может использоваться первая дифракционная решетка 1031 и вторая дифракционная решетка 1032 для создания картин освещения, показанных на фиг. 12. Как показано в примере по фиг. 12, две решетки проецируют перпендикулярные картины полос на поверхность образца 1070 и расположены приблизительно на ± 45° от оси перемещения столика 1030 линейного перемещения.

[00140] На этапе 1110 включают источник света. Например, может быть приведен в действие оптический затвор для оптического соединения оптического волокна излучателя 1010 света с источником света. Согласно другому примеру, источник света может быть включен в импульсном режиме, или может использоваться оптический переключатель для направления источника света через оптический путь излучателя света. На этапе 1120 картину первой решетки могут проецировать на образец, и могут захватывать изображение. Например, как показано на фиг. 12, первая решетка (например, решетка 1031) может проецировать полосы освещения первого порядка на образец 1070. Любой свет, излучаемый образцом, может быть захвачен камерой 1080, и может быть захвачено первое фазовое изображение первой картины (например, картины +45°). Например, флуоресцентный краситель, расположенный у различных элементов образца 1070, может флуоресцировать, и результирующий свет может быть объединен объективом 1060 и направлен на датчик изображения камеры 1080 для детектирования флуоресценции.

[00141] Для захвата дополнительных сдвинутых по фазе изображений, на этапе 1140 могут осуществлять фазовый сдвиг картины, проецируемой решеткой, путем поступательного перемещения столика линейного перемещения. В примере по фиг. 12, эти перемещения фазового сдвига показаны как шаги 1 и 2. Перемещения фазового сдвига могут обеспечивать небольшие (например, приблизительно от 3 до 5 микрометров или меньше) перемещения решеток для незначительного сдвига картины полос, проецируемой на решетку.

[00142] В качестве конкретного примера, рассмотрим случае, когда шаг λ полос на образце по фиг. 11 равен 2100 нм. В этом случае три сдвинутых по фазе изображения захватывают в образце, что требует фазовых сдвигов проецируемых полос на λ/3 или 700 нм. Предполагая, что увеличение объектива равно 10Х, шаги фазового сдвига (линейные поступательные перемещения), требуемые для столика линейного перемещения с единственной осью, могут быть рассчитаны как 700 нм * 10 * sqrt(2), или приблизительно 9,9 мкм. В этом случае множитель корень(2) учитывает 45-градусное смещение между ориентацией решетки и осью перемещения передвижного столика. В более общем случае расстояние поступательного перемещения столика линейного перемещения во время каждого шага фазового сдвига в этой примерной конфигурации может быть описано как , где MAG представляет собой увеличение освещения.

[00143] После захвата всех сдвинутых по фазе изображений для дифракционной решетки (решение 1130), на этапе 1160 система может переключить дифракционные решетки путем поступательного перемещения столика линейного перемещения для оптического соединения другой дифракционной решетки с источником света системы формирования изображения (например, перемещения от положения на фиг. 10А к положению на фиг. 10В). Это перемещение проиллюстрировано как шаг 3 в примере по фиг. 12. В случае замен дифракционных решеток, столик линейного перемещения может обеспечивать сравнительно большое поступательное перемещение (например, порядка 12-15 мм).

[00144] Серия фазовых изображений затем может быть захвачена для следующего решетки путем повтора этапов 1120-1140. Например, как проиллюстрировано на фиг. 12, вторая дифракционная решетка может проецировать полосы освещения первого порядка на образец 271, и проецируемые полосы могут быть смещены по положению на λ/3 путем поступательного перемещения столика линейного перемещения для захвата трех фазовых изображений картины решетки (например, шаги 4 и 5 на фиг. 12).

[00145] Как только будут захвачены все изображения для цикла формирования изображения, на этапе 1170 может быть построено изображение высокого разрешения из захваченных изображений. Например, изображение высокого разрешения может быть реконструировано из шести изображений, схематично показанных на фиг. 12. Как проиллюстрировано в предыдущем примере, система формирования изображения на основе слайда с множеством оптических решеток преимущественно может переключаться между углами полос и фазами с помощью единственного линейного привода, тем самым обеспечивая уменьшение стоимости и сложности системы формирования изображения на основе структурированного освещения.

[00146] На фиг. 13 представлена схема, иллюстрирующая пример конфигурации 1300 формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой. Как показано, конфигурация 1300 может включать в себя оптическое волокно 1310 для излучения света, коллиматор 1320, столик 1330 линейного перемещения с установленными на нем первой и второй дифракционными решетками 1331-1332, проекционный объектив 1340 и поворотное зеркало 1350. В этом примере решетки 1331-1332 встроены в один и тот же объект, расположены смежно друг другу вдоль оси перемещения столика 1330. Другие не показанные компоненты могут быть аналогичны представленным на фиг. 10А, таким как дихроичное зеркало 1050, объектив 1060 и образец 1070.

[00147] В некоторых вариантах осуществления столик линейного перемещения или слайд системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой может быть оснащен одним или более дополнительными низкочастотными шаблонами для содействия в выравнивании картины полос, проецируемой на образец, решетками формирования изображения (например, двумя решетками, расположенными приблизительно на ± 45° от ось перемещения столика линейного перемещения). Например, столик 1030 линейного перемещения по фиг. 10А-10В может быть оснащен дополнительным выравнивающим шаблоном, или столик 1330 линейного перемещения по фиг. 13 может быть оснащен дополнительным выравнивающим шаблоном. В примерах, где две решетки формирования изображения встроены в одну и ту же подложку, как показано на фиг. 13, выравнивающая решетка также может быть встроена в эту подложку, или может быть встроена в отдельную подложку. Выравнивающий шаблон может быть размещен между двух решеток формирования изображения или в некотором другом подходящем положении на передвижном столике.

[00148] Выравнивающий шаблон, при его освещении, может быть выполнен с возможностью проецирования на образец картины, имеющей меньшую частоту и/или больший шаг. За счет этих характеристик, может быть упрощено грубое выравнивание решеток относительно образца. Выравнивающий шаблон может быть реализован в виде параллельных линий, ортогональных линий и/или решетки, имеющей меньшую частоту щелей, чем у других решеток. В некоторых вариантах осуществления могут использоваться множество выравнивающих шаблонов. На фиг. 17 показан один пример выравнивающего шаблона, который может использоваться в вариантах осуществления настоящего изобретения. Как показано в этом примере, выравнивающая шаблонная метка 1605 выполнена на той же подложке, что и решетка 1615, за пределами незатененной апертуры 1625. В этом примере выравнивающий шаблон реализован в виде двух наборов ортогональных линий. За счет этого варианта осуществления, может быть проверен наклон решетки. В некоторых вариантах осуществления проиллюстрированный выравнивающий шаблон может быть реализован в нескольких областях (например, четырех углах подложки).

[00149] Во время использования выравнивающий шаблон может быть освещен для проецирования картины. Выравнивающий шаблон может использоваться во время изготовления системы формирования изображения МСО, после установки в полевых условиях или во время проверки сервисным инженером в полевых условиях. В некоторых вариантах осуществления выравнивающий шаблон может использоваться во время работы системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой. Например, выравнивающий шаблон может быть освещен для проецирования выравнивающей картины до начала формирования изображения образца.

[00150] В некоторых вариантах осуществления системы формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой оптический фазовый модулятор (например, поворотное окно), которое является компонентом, отдельным от столика линейного перемещения, может использоваться для фазовой настройки. В таких вариантах осуществления оптический фазовый модулятор может использоваться для фазовой настройки вместо столика линейного перемещения (например, столик линейного перемещения может использоваться только для переключения между двумя решетками). За счет таких вариантов осуществления, скорость, точность и/или надежность системы может быть потенциально улучшены путем существенного уменьшения количества поступательных перемещений, требуемых с течением времени передвижным столиком и путем устранения необходимости в использовании передвижного столика для выполнения точных поступательных перемещений (например, порядка мкм) для выбора фазы.

[00151] Оптический фазовый модулятор может быть помещен на оптическом пути между источником света и образцом, после решеток (например, непосредственно после передвижного столика). На фиг. 19 проиллюстрированы некоторые компоненты одного примера системы 1900 формирования изображения МСО на основе слайда с двойной оптической решеткой, в соответствии с такими вариантами осуществления. Как показано, система 1900 содержит излучатель 1910 света (например, оптическое волокно, оптически соединенное с источником света), первый оптический коллиматор 1920 (например, коллимирующую линзу) для коллимирования света, испускаемого излучателем 1910 света, столик 1930 линейного перемещения 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 фазового сдвига дифрагированного света, испускаемого каждого решеткой.

[00152] Система формирования изображения микроскопии структурированного освещения со структурно-угловой пространственной селекцией

[00153] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления технологии, раскрытой в настоящей заявке, система формирования изображения МСО может быть реализована как система формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в которой стационарная двумерная дифракционная решетка используется в сочетании с пространственным светофильтром для проецирования одномерных дифракционных картин на образец.

[00154] На фиг. 14 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример оптической конфигурации системы 1400 формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. Для простоты оптические компоненты системы 1400 формирования изображения МСО могут отсутствовать на фиг. 14. Дополнительно, хотя система 1400 в этом примере проиллюстрирована как одноканальная система, в других вариантах осуществления она может быть реализована как многоканальная система (например, путем использования различных камер и источников света, которые излучают на двух различных длинах волн).

[00155] Как показано, система 1400 содержит излучатель 1410 света (например, оптическое волокно), коллиматор 1420 для коллимирования света, излучаемого излучателем 1410, двумерную решетку 1430, устройство 1440 блокировки пучка нулевого порядка, оптический фазовый модулятор 1450, проекционный объектив 1460, пространственный светофильтр 1470, дихроичное зеркало 1480, объектив 1490, образец 1491 и камеру 1495.

[00156] В этой примерной конфигурации решетка 1430 представляет собой двумерную пропускающую дифракционную решетку, выполненную с возможностью дифрагирования входящего пучка на несколько порядков (например, 0 порядок, ± 1 порядки, ± 2 порядки и т.д.) в двух перпендикулярных направлениях. Для увеличения эффективности и улучшения рабочих характеристик системы пучки нулевого порядка и пучки всех других более высоких порядков (т.е. ± 2 порядков или выше) могут блокироваться (т.е. отфильтровываться от картины освещения, проецируемой на образец 1491). Хотя пучки более высоких порядков могут дифрагироваться под большими углами, где они могут отфильтровываться с использованием различных фильтрующих элементов, компонент 0-го порядка проходит по прямой через решетку на траектории пучка к образцу. Для блокирования компонента 0-го порядка, элемент 1440 блокирования пучка может быть добавлен на оптический путь после двумерной дифракционной решетки 1430. Например, элемент 1440 блокирования пучка может представлять собой объемную брэгговскую решетку (VBG, от англ. Volume Bragg Grating), дифракционный оптический элемент, который может быть структурирован для отражения света по нормали к элементу (например, света 0 порядка) и пропускания света под другими углами, такими как +1 и -1 порядки. При устранении 0-го порядка, может использоваться меньшее количество более компактной оптики для фокусировки +1 и -1 порядки на объектив.

[00157] Оптический фазовый модулятор 1450 (например, поворотное окно) может использоваться для изменения фазы падающего света для регулировки фазового положения картины на образце 1491. Например, оптический фазовый модулятор 1450 может содержать различные передвижные оптические элементы, включая параллельные оптические пластины, наклоненные под переменным углом к оптической оси, оптические клинья, выполненные с возможностью поворота вокруг оптической оси, зеркало, наклоненное для поступательного перемещения пучка, электронно-оптические элементы или акустико-оптические элементы. В одном частном варианте осуществления оптический фазовый модулятор 1450 может быть реализован как параллельные оптические пластины, наклоненные в двух перпендикулярных направлениях для регулирования фазы двух различных угловых картин решетки. Альтернативно, в некоторых вариантах осуществления фазовое положение картины может регулироваться путем перемещения образца (например, с использованием передвижного столика) при поддержании проецируемой картины неподвижной, или путем перемещения как образца, так и проецируемой картины.

[00158] В примере системы 1400 поворотный пространственный светофильтр 1470 может содержать множество отверстий, ориентированных в двух перпендикулярных направлениях (например, вертикальный набор отверстий 1471 и горизонтальный набор отверстий 1472) для выбора вертикального изображения решетки или горизонтального изображения решетки для проецирования на образец 1491. Например, путем поворота пространственного светофильтра, +/- 1 порядки одной из картин решетки могут проходить через одно из набора отверстий для генерирования на образце 1491 горизонтальной или вертикальной картины полос. В вариантах осуществления пространственный светофильтр 1470 может быть реализован как легковесная маска или пространственный фильтр (например, поворотный диск, содержащий множество портов или апертур).

[00159] В конфигурации системы 1400 основные оптические компоненты системы 1400 могут оставаться стационарными, что может улучшить стабильность оптической системы (и картины освещения) и минимизировать вес, производимые вибрации и стоимость движущихся элементов. Поскольку может быть необходимость отфильтровывания некоторой величины интенсивности пучка (например, до 50%) при любой ориентации пространственного светофильтра 1470, в некоторых вариантах осуществления пространственный фильтр может быть выполнен с возможностью отражения ненужных пучков (например, непроходящих порядков картины дифракционной решетки) в ловушку пучка для обеспечения надлежащего теплорегулирования.

[00160] На фиг. 15 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы 1500 формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. В примере системы 1500 формирования изображения функции двумерной пропускающей решетки и элемента блокирования пучка могут быть внедрены в твердое оптическое тело 1510. Дополнительно, функция проекционного объектива может быть внедрена в твердое оптическое тело 1510. В этом примерном варианте осуществления двумерная пропускающая решетка 1511 изготавливается или иным образом помещается на грань оптического тела 1510, который принимает коллимированный свет от излучателя 1410 (вход оптического тела 1510). Углы рассеяния решетки 1511 могут быть предусмотрены так, чтобы свет 0-го порядка мог блокироваться на дальней стороне оптического тела. Требуемые +1 и -1 порядки, в обоих направлениях, могут выходить из оптического тела 1510 через наклонные грани 1512 (выход оптического тела 1510), которые обеспечивают дифракцию +1 и -1 порядков в оптически требуемом направлении. Эти выходные грани могут содержать дифракционные фокусирующие линзы. Альтернативно, может использоваться отдельное оптическое тело в качестве проекционного объектива для фокусировки пучков на объектив 1490. В системе 1500 могут использоваться фазовращатель 1450 и поворотная пространственная фильтрующая маска 1470, как раскрыто выше.

[00161] На фиг. 16 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая другой пример оптической конфигурации системы 1600 формирования изображения МСО со структурно-угловой пространственной селекцией, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. В примере системы 1600 формирования изображения опять же может использоваться твердое оптическое тело 1610 для объединения функций двумерной решетки и элемента блокирования пучка. Дополнительно, оно может сочетать функцию проекционного объектива. В противоположность примеру системы 1600 формирования изображения, вход твердого оптического тела 1610 представляет собой входное окно или апертуру 1614, которая направляет принимаемый свет к двумерной отражающей решетке 1611. Поскольку в этом примере решетка является отражающей, свет 0-го порядка может быть отражен обратно через входное окно 1614. Требуемые +1/-1 порядки дифрагированного света, в каждом из перпендикулярных направлений, могут отражаться от соответствующих внутренних граней 1613 с отражающим покрытием оптического тела 1610, и выходить через выходные грани 1612. В вариантах осуществления эти выходные грани могут содержать дифракционные фокусирующие линзы. Альтернативно, может использоваться отдельный оптический элемент 1615 проекционного объектива для фокусировки пучков на объектив 1490. В системе 1600 могут использоваться фазовращатель 1450 и поворотная пространственная фильтрующая маска 1470, как раскрыто выше.

[00162] Хотя некоторые варианты осуществления настоящего изобретения были проиллюстрированы на фигурах в контексте систем формирования изображения МСО, в которых используется один или более оптический элемент для повторного отображения собранного света возбуждения (например, света, повторно собранного объективом) на датчик изображения (например, датчик ПЗС камеры), следует понимать, что в различных вариантах осуществления, раскрытых в настоящей заявке, могут применяться системы формирования изображения МСО, в которых используется датчик изображения (например, КМОП датчик), который находится в активной плоскости изображаемого образца. В качестве иллюстративного примера, на фиг. 18 показан образец 1710, который может быть сформирован над узлом 1740 датчика изображения системы формирования изображения МСО, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке. Например, элементы образца могут быть фотолитографически выровнены с пикселями датчика изображения. Любой свет, испускаемый структурированным образцом 1710, в качестве реакции на освещение, регистрируется узлом 1740 датчика изображения, который в этом примере расположен непосредственно под образцом 1710. Формирование образца 1710 над узлом 1740 может обеспечить преимущество обеспечения того, что во время формирования изображения структурированные элементы 1711 образца 1710 остаются выровненными относительно конкретных фоточувствительных участков (например, пикселей) узла 1740 датчика изображения.

[00163] Образец 1710 может быть структурирован и выровнен с узлом 1740 датчика изображения, так чтобы каждый светочувствительный элемент (например, пиксель) датчика 1740 изображения имел один или более элементов 1711, сформированных и/или установленных выше него. Как показано в примере по фиг. 18, образец 1710 структурирован над узлом 1740 датчика изображения, так что один элемент 1711 сформирован над каждым пикселем из массива пикселей узла 1740 датчика изображения. В других вариантах осуществления над каждым пикселем может быть сформировано более одного элемента.

[00164] Например, в случае флуоресцентного образца, освещенные элементы 1711 образца могут флуоресцировать в соответствии со структурированным светом 1760 возбуждения, и получающийся в результате свет 1761, испускаемый элементами 1711, может регистрироваться фоточувствительными элементами (например, пикселями) узла 1740 датчика изображения для детектирования флуоресценции. Например, как показано на фиг. 18, пиксели (1,1) и (1,3) узла 1740 датчика изображения могут регистрировать свет 1761, испускаемый элементом 1711 образца, который расположен или структурирован над ним. В некоторых вариантах осуществления слой (не показан) может обеспечивать изоляцию между образцом 1710 и узлом 1740 датчика изображения (например, для защиты узла датчика изображения от окружающей текучей среды образца). В других вариантах осуществления образец 1710 может быть установлен и выровнен над узлом 1740 датчика изображения.

[00165] Следует отметить, что, хотя на фиг. 18 показано примерное представление системы формирования изображения МСО, где полосы МСО соответствуют элементам образца в правильной ориентации, на практике это не обязательно или не типично для случая формирования изображения МСО. Например, во времени и/или в пространстве, может иметь место смещение интервала между соседними полосами, фазы или угла картины структурированного освещения, и/или ориентации картины полос относительно освещаемого образца. Из-за этих изменений параметров МСО, в некоторых случаях некоторые освещаемые элементы могут быть работать на 80%, тогда как вторые элементы могут работать на 60%, а третьи элементы могут работать на 20%. Таким образом, следует понимать, что в таких системах алгоритмы формирования изображения МСО могут использоваться для учета этих изменений параметров процесса при реконструкции изображения. Например, изменения параметров процесса структурированного освещения могут оцениваться и/или прогнозироваться во времени для учета этих изменений.

[00166] В контексте настоящего изобретения термин «модуль» описывает заданный блок с функционалом, который может быть выполнен в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения. В контексте настоящего изобретения модуль может быть реализован с использованием любого типа аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации. Например, один или более процессоров, контроллеров, ASIC, PLA, PAL, CPLD, FPGA, логических компонентов, программных алгоритмов или других механизмов могут быть реализованы для образования модуля. В варианте осуществления различные модули, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть реализованы как дискретные модули, или раскрытые функции и элементы могут быть частично или полностью общими для одного или более модулей. Другими словами, как должно быть понятно специалисту в данной области техники после прочтения данного описания, различные элементы и функции, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть реализованы в любом заданном приложении и могут быть реализованы в одном или более отдельных или совместно используемых модулях в различных комбинациях и модификациях. Даже если различные элементы или функции могут быть раскрыты индивидуально или заявлены как отдельные модули, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что эти элементы и функции могут быть общими для одного или более совместных компонентов программного обеспечения и аппаратного обеспечения, и такое описание не должно требовать или подразумевать, что отдельные компоненты аппаратного обеспечения и программного обеспечения используются для осуществления таких элементов или функций.

[00167] В данном документе термины «машиночитаемый носитель», «применимый для компьютера носитель» и «компьютерный программный носитель» используются для общего обозначения долговременного носителя, энергозависимого или энергонезависимого, такого как, например, память, запоминающее устройство и носитель. Эти и другие различные виды компьютерного программного носителя или применимого для компьютера носителя могут быть привлечены для исполнения устройством обработки одной или более последовательностей одной или более инструкций. Такие инструкции, воплощенные на носителе, в целом называются «компьютерный программный код» или «компьютерный программный продукт» (который может быть сгруппирован в виде компьютерных программ или с использованием другой группировки).

[00168] Хотя выше были раскрыты различные примерные варианты осуществления, следует понимать, что различные элементы, аспекты и функции, раскрытые в одном или более отдельных вариантах осуществления, не ограничены их применимостью к частному варианту осуществления, в котором они раскрыты, но напротив, они могут быть применены, отдельно или в различных комбинациях, к одному или более другим вариантам осуществления настоящего изобретения, независимо от того, раскрыты или не такие варианты осуществления, и независимо от того, представлены ли такие элементы как составляющие часть раскрытого варианта осуществления. Таким образом, ширина и объем настоящего изобретения не должны быть ограничены ни каким из раскрытых выше примерных вариантов осуществления.

[00169] Следует понимать, что все комбинации вышеупомянутых концепций (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке. В частности, все комбинации заявленного объекта, представленные в конце настоящего раскрытия, рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке.

[00170] Термины «по существу» и «приблизительно», используемые в данном раскрытии, включая формулу изобретения, используются для описания и учета небольших отклонений, например, вызванных вариациями обработки. Например, они могут обозначать меньше или равно ± 5%, в частности, меньше или равно ± 2%, в частности, меньше или равно ± 1%, в частности, меньше или равно ± 0.5%, в частности, меньше или равно ± 0.2%, в частности, меньше или равно ± 0.1%, в частности, меньше или равно ± 0.05%.

[00171] Насколько это применимо, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. в настоящем изобретении используются лишь для того, чтобы показать, что соответствующие объекты, обозначенные этими терминами, являются отдельными объектами, и не должны пониматься в смысле хронологического порядка, если явным образом не указано иное.

[00172] Термины и фразы, используемые в данном документе, и их вариации, если явным образом не указано обратное, следует толковать в неисчерпывающем значении, а не в ограничивающем. В качестве примеров вышесказанного: термин «включающий в себя» должен пониматься в смысле «включающий, без ограничения» или т.п.; термин «пример» используется для предоставления некоторых случаев рассматриваемого предмета, не исчерпывающего и не ограничивающего их список; термин «один» должен пониматься в смысле «по меньшей мере один», «один или более» или т.п.; прилагательные, такие как «обычный», «традиционный», «нормальный», «стандартный», «известный» и термины со схожим значением, не должны пониматься как ограничивающие рассматриваемый предмет некоторым временным периодом или доступным в данный момент предметом, а напротив, должны пониматься для охвата обычных, традиционных, нормальных или стандартных технологий, которые доступны или известны на сегодняшний момент или в любое время в будущем. Аналогичным образом, когда в данном документе упоминаются технологии, которые должны быть понятны или известны специалисту в данной области техники, такие технологии охватывают те, которые понятны или известны специалисту на сегодняшний момент или в любое время в будущем.

[00173] Наличие расширяющих слов и фраз, таких как «один или более», «по меньшей мере», «но не ограничиваясь» или других подобных фраз в некоторых примерах не следует понимать так, что более узкий случай предполагается или требуется в примерах, в которых такие расширяющие фразы могут отсутствовать. Использование термина «модуль» не означает, что все компоненты или функции, раскрытые или заявленные как часть модуля, выполнены в общем блоке. В самом деле, любые или все из различных компонентов модуля, будь то управляющая логика или другие компоненты, могут быть скомбинированы в едином блоке или поддерживаться разделенными и могут быть также распределены в нескольких группах или блоках или среди нескольких местоположений.

[00174] Дополнительно, различные варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, раскрыты в отношении примерных структурных схем, блок-схем и других иллюстраций. Как будет понятно специалисту в данной области техники после прочтения данного документа, проиллюстрированные варианты осуществления и их различные альтернативы могут быть реализованы без привязки к проиллюстрированным примерам. Например, структурные схемы и их сопутствующее описание не должны пониматься как устанавливающие конкретную архитектуру или конфигурацию.

[00175] Хотя выше были раскрыты различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены только в качестве примера и без ограничения. Аналогичным образом, различные схемы могут показывать примерные архитектурные или другие конфигурации для данного изобретения, что сделано для помощи в понимании элементов и функций, которые могут быть включены в настоящее изобретение. Изобретение не ограничено проиллюстрированными примерными архитектурами или конфигурациями, а желаемые элементы могут быть реализованы с использованием спектра альтернативных архитектур и конфигураций. В самом деле, специалисту в данной области техники должно быть понятно, как альтернативное функциональное, логическое или физическое разделение и конфигурации могут быть реализованы для реализации желаемых элементов настоящего изобретения. Также, множество различных названий составляющих модулей, отличных от упомянутых в настоящем изобретении, могут применяться при различном разделении. Дополнительно, в отношении блок-схем, описаний функционирования и пунктов формулы на способ, порядок, в котором представлены этапы в настоящем изобретении, не означают, что в различных вариантах осуществления заявленные функции должны выполняться в том же порядке, если иное не следует из контекста.

Изобретение относится к системам формирования изображения микроскопии структурированного освещения. Система содержит первое оптическое плечо, содержащее первый излучатель света для излучения света и первый делитель, обеспечивающее проецирование первого множества полос на плоскость образца, второе оптическое плечо, содержащее второй излучатель света для излучения света и второй делитель пучка, обеспечивающее проецирование второго множества полос на плоскость образца, и оптический элемент для объединения оптического пути первого плеча и второго плеча. Указанный оптический элемент для объединения оптического пути первого множества полос и второго множества полос содержит зеркало с отверстиями, выполненное с возможностью отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, причем отверстия выполнены с возможностью пропускания, по меньшей мере, света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой. Изобретение обеспечивает повышение качества изображения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Система формирования изображения на основе структурированного освещения, содержащая:

первое оптическое плечо, содержащее:

первый излучатель света для излучения света; и

первый делитель пучка для разделения света, излученного первым излучателем света, для проецирования первого множества полос на плоскость образца;

второе оптическое плечо, содержащее:

второй излучатель света для излучения света; и

второй делитель пучка для разделения света, излученного вторым излучателем света, для проецирования второго множества полос на плоскость образца; и

оптический элемент для объединения оптического пути первого плеча и второго плеча;

при этом указанный оптический элемент для объединения оптического пути первого множества полос и второго множества полос содержит зеркало с отверстиями, причем зеркало выполнено с возможностью отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, причем отверстия выполнены с возможностью пропускания, по меньшей мере, света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой.

2. Система по п. 1, в которой первый делитель пучка содержит первую пропускающую дифракционную решетку, а второй делитель пучка содержит вторую пропускающую дифракционную решетку.

3. Система по п. 2, в которой первый и второй излучатели света выполнены с возможностью излучения неполяризованного света, причем первая и вторая пропускающие дифракционные решетки предназначены для дифрагирования неполяризованного света, излученного соответствующим одним из первого и второго излучателей света.

4. Система по п. 1, дополнительно содержащая один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос.

5. Система по п. 4, в которой

a) один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат первое поворотное оптическое окно для фазового сдвига первого множества полос и второе поворотное оптическое окно для фазового сдвига второго множества оптических полос, или

b) один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат первый столик линейного перемещения для поступательного перемещения первой дифракционной решетки и второй столик линейного перемещения для поступательного перемещения второй дифракционной решетки, или

c) один или более оптических элементов для фазового сдвига первого множества полос и второго множества полос содержат единственное поворотное оптическое окно, причем единственное поворотное оптическое окно расположено после зеркала с отверстиями на оптическом пути к образцу,

причем опционально ось поворота единственного поворотного оптического окна смещена на угол приблизительно 45 градусов относительно оптической оси каждой из решеток.

6. Система по п. 4, в которой первое множество полос смещено относительно второго множества полос на плоскости образца на угол приблизительно 90 градусов,

причем опционально образец содержит множество элементов, регулярно структурированных в прямоугольной решетке или шестиугольной решетке.

7. Система по п. 4, дополнительно содержащая объектив для проецирования каждого из первого множества полос и второго множества полос на образец.

8. Система по п. 4, дополнительно содержащая одно или более устройств блокировки оптического пучка для блокировки света нулевых порядков, излученного каждой из первой и второй дифракционных решеток,

причем опционально одно или более устройств блокировки оптического пучка содержат брэгговскую решетку.

9. Система по п. 2, в которой оптический элемент для объединения оптического пути первого плеча и второго плеча содержит поляризующий делитель пучка, причем первая дифракционная решетка выполнена с возможностью дифрагирования вертикально поляризованного света, причем вторая дифракционная решетка выполнена с возможностью дифрагирования горизонтально поляризованного света.

10. Система по п. 1, в которой

a) каждый из первого и второго делителей пучка содержит куб или пластину для разделения пучка, или

b) первый делитель пучка содержит первую отражающую дифракционную решетку, а второй делитель пучка содержит вторую отражающую дифракционную решетку.

11. Способ формирования изображения на основе структурированного освещения, включающий в себя следующие шаги:

включают первое оптическое плечо системы структурированного освещения, причем первое оптическое плечо содержит первый излучатель света для излучения света и первую дифракционную решетку для дифрагирования света, излучаемого первым излучателем света, для проецирования первого множества полос, ориентированных в конкретном направлении на плоскости образца;

производят 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, причем второе оптическое плечо содержит второй излучатель света для излучения света и вторую дифракционную решетку для дифрагирования света, излучаемого вторым излучателем света, для проецирования второго множества полос на плоскость образца, причем второе множество полос смещено на угол относительно первого множества полос на плоскости образца; и

производят захват второго множества фазовых изображений образца, освещенного вторым множеством полос, причем во время захвата второго множества полос положения второго множества полос сдвигают на плоскости образца;

причем система структурированного освещения содержит зеркало с отверстиями для отражения света, дифрагированного первой дифракционной решеткой, и для пропускания, по меньшей мере, света первых порядков, дифрагированного второй дифракционной решеткой.

12. Способ по п. 11, в котором первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка представляют собой пропускающие дифракционные решетки, причем опционально

а) способ дополнительно включает в себя использование по меньшей мере первого множества захваченных фазовых изображений и второго множества захваченных фазовых изображений для вычислительной реконструкции одного или более изображений, имеющих более высокое разрешение, чем каждое из первого и второго множеств захваченных фазовых изображений,

причем опционально первое множество полос смещено относительно второго множества полос на плоскости образца на угол приблизительно 90 градусов,

причем опционально образец содержит множество элементов, регулярно структурированных в прямоугольной решетке или шестиугольной решетке.

13. Способ по п. 11, в котором производят фазовый сдвиг первого множества полос и второго множества полос путем поворота единственного оптического окна, расположенного на оптическом пути между образцом и каждой из первой и второй решеток, причем ось поворота единственного поворотного оптического окна смещена относительно оптической оси каждой из решеток.

14. Способ по п. 11, в котором первое оптическое плечо выключают, а второе оптическое плечо системы структурированного освещения включают после захвата первого множества фазовых изображений.

15. Способ по п. 12, в котором первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка механически зафиксированы во время захвата изображения.