图像扫描设备和方法与流程

1.本发明涉及图像扫描设备以及使用这种设备的方法。


背景技术：

2.全玻片虚拟显微镜扫描仪(whole slide virtual microscopescanner)被设计为以高的放大倍数扫描显微镜玻片(诸如病理玻片)的整体。在高的放大倍数下，扫描仪成像传感器的像素宽度可以对应于安装到显微镜玻片的目标样本的约0.25μm线性尺寸。这与光学系统中的高数值孔径(诸如，约0.75)相结合，导致小的景深，诸如约1μm。由于典型病理玻片的表面高度的变化超过1μm，因此必须改变扫描仪的焦点以使目标的组织维持合焦(in focus)。存在描述了这种焦点控制的几种方案，诸如在我们的早期专利us9638573、us7485834和us9116035中。
3.存在一些组织类型，例如单细胞或细胞学(cytology)，它们具有比在1μm焦深的单个图像中可得到的焦点范围大的焦点范围。在这些条件下，通常通过执行“z层叠(z stack)”或体积扫描来增加虚像的表观焦深(apparent depth of focus)。利用这种技术，对玻片上的目标的相同区域进行扫描，但是以不同的聚焦位置(“聚焦水平(focus level)”)进行扫描。然后，图像查看应用程序可以选择查看哪个焦平面。这种z层叠扫描可以利用对于每个层叠来说恒定的聚焦水平来执行，诸如参考我们的早期专利us7702181中的图2所述，或者利用追踪整体焦点的可变焦点来执行，诸如参考us7702181中的图13所述。
4.如现有技术中所述，存在多种方式来执行这种z层叠扫描。这些方式包括使用如us20090295963中所述的倾斜台和2d传感器，或者如us8059336中所述的倾斜的2d传感器，其中2d传感器上的每个线条处于稍微不同的聚焦水平，并且通过从2d传感器的特定区域或传感器的单个线条获得数据，可以构建z层叠。执行z层叠扫描的另一种方法是使用诸如光纤阵列之类的装置来产生不同的聚焦水平，如ep0834758中所描述的。
5.作为替代方案，可以构建多个传感器并使用分束器在相应的不同焦点处产生图像，如us6839469中所描述的。使用多个分束器的问题在于，每个分束器以一系数减少了每个传感器的光量，该系数取决于传感器的数量。
6.鉴于上面讨论的问题，存在改进图像扫描中使用的技术的持续需要，以允许快速获得组织和其他生物目标的高质量图像，不管这样的目标的固有表面形貌如何都能如此。


技术实现要素：

7.根据本发明的第一方面，提供一种图像扫描设备，该设备包括：
8.多个成像传感器，该多个成像传感器用于生成图像数据；
9.聚焦系统，该聚焦系统限定光轴并且适于在使用中将从目标接收的光引导到多个成像传感器上；
10.其中，每个成像传感器相对于聚焦系统被定位，使得被引导到成像传感器的光相对于目标具有不同于每个其他成像传感器的光学聚焦水平，并且光是从目标上的相对于光
轴的一位置接收的，该位置不同于针对每个其他成像传感器而言的相应位置；
11.其中，聚焦系统包括光路调节器(optical path modifier)，该光路调节器适于产生在光路调节器与多个成像传感器中的至少一个之间的第一光路、和在光路调节器与成像传感器中的至少一个之间的第二光路，其中，第一光路不同于第二光路；以及
12.扫描系统，该扫描系统被布置成在使用中使目标相对于光轴移动，使得使用来自多个成像传感器的图像数据能生成目标的图像。
13.因此，本发明对现有技术进行了改进。通过使用处于“离轴”布置的多个成像传感器，可以在使接收到的光的强度的任何不希望的减小最小化的同时，从目标上的不同位置同时地获得图像。与仅在轴上的系统相比，这提供了对从样本接收的光的更高效的使用。多个成像传感器的使用有利地允许同时在多个聚焦水平处获取图像。在每种情况下，同时获取图像的能力可以包括同时或至少基本上同时的获取。此外，在一些实例中，光强度的不降低使得分束器能够被用作光路调节器，以便将光的一部分以如下方式转向：使得由于传输光的相应路径的不同尺寸长度，允许在更多的聚焦水平处生成图像。因此，第一光路的光学路径长度可以不同于第二光路的光学路径长度。这可以通过使用物理尺寸不同的路径长度或者通过使用具有不同折射率的传输介质来实现，或者通过这两者来实现。每条光路的光学路径长度是光路的几何长度与传播光的每个不同光学介质的相应光学介质的相应折射率的乘积的总和。第一和第二光路的光学路径长度之间的差导致光路之间的非零光学差。
14.目标上的接收光的特定位置和传输光的特定路径的组合导致了不同于每个其他聚焦水平的聚焦水平。这允许以如下方式对多个聚焦水平进行成像：该方式允许使用“单程”扫描并且在所得的z层叠图像中具有大量聚焦水平。
15.在大多数情况下，光沿着在目标和相应成像传感器之间的路径传播通过空气或玻璃的各个区域，玻璃以透镜和其他光学装置为代表。光学透明的聚合物材料是可以替代地代替玻璃使用的光学透射介质的实例。为了使用光学透射介质的折射率来修改光学路径长度，设备可以进一步包括被放置在所述第一或第二光路中的一个中的延迟元件(retarding element)，该延迟元件具有被设置成修改放置有该延迟元件的所述光路的光学路径长度的折射率。通常延迟元件的折射率超过1.5，并且材料的厚度可以超过30mm。例如，为了获得50mm的焦点偏移，利用折射率为1.5的玻璃需要150mm的厚度，而为了产生相同的50mm偏移，利用折射率为1.9的火石玻璃(flint glass)只需要105mm的厚度。如果使用折射率为2.15的立方氧化锆，则所需的厚度更小，为94mm。
16.可以使用单个分束器作为光路调节器来产生第一和第二光路，在这种情况下，与沿着第二光路传输的光相比，可以提供不同的成像传感器来接收沿着第一光路传输的光。如将理解的，成像传感器是昂贵的装置，并且在一些实例中，光路调节器是第一分束器，并且该设备进一步包括第二分束器，第二分束器被布置成将第一和第二光路在空间上组合回到一起，诸如将第二分束器下游的光束布置成共线。使用两个分束器提供了将成像传感器布置成接收来自第一和第二光路中的每一个的光的能力。分束器通常被布置成提供入射光50％的透射和50％的反射，但如果需要的话可以使用其他比率。分束器可以是非偏振的，但使用偏振分束器有一些优点，在成像传感器处进行检测之前将两条光路重新组合时提高了接收到的光的强度。
17.设备进一步包括切换机构，该切换机构被配置成在光沿着相应光路传输的第一模
式和光不沿着相应光路传输的第二模式之间进行切换。在第一模式中，光可以沿着第一光路传输而不是沿着第二光路传输，并且在第二模式中光可以沿着第二光路传输而不是沿着第一光路传输。
18.设备可以进一步包括：
19.在第一光路中的第一光学快门；以及
20.在第二光路中的第二光学快门，
21.其中，第一光学快门和第二光学快门中的每一个都适于在光沿着相应光路传输的第一模式和光不沿着相应光路传输的第二模式之间切换。因此，第一光学快门和第二光学快门可以形成切换机构的一部分。第一和第二光路还可以包括另外的光学装置，以修改光学路径长度或以其他方式操纵光。例如，第二光路的在第一和第二分束器之间的部分可以包括第二光学快门和至少一个反射镜。
22.光学快门可以采取多种不同的形式。例如，光学快门可以简单地是机械快门。它可以是与机械致动器联接的可移动反射镜，以将光沿着相应光路朝向一个或多个成像传感器传输，或者将光朝另一方向远离传输以使得光不能到达传感器。这在实践中可以使用微机电系统(mems)反射镜有效地实现。另一个实例是使用可旋转盘，诸如具有围绕中心轴线分布的槽或孔的盘，其中该盘围绕中心轴线旋转。虽然人们可能考虑可以使用单个装置在两个光路之间切换，但实际上它们的切换速度不够快，无法匹配现代传感器的线时间(超过30khz)。这将使它们无法在许多应用中使用。相比之下，例如泡克耳斯盒(pockels cell)(见下文)的切换速度可以快达1mhz并且不需要是正弦的。这使得大部分时间处于非切换状态，因此传感器可以用于成像，并因此给出大部分时间用于积分。
23.通常在大多数应用中，光是白光或自然界中的宽谱光。这也使得无法使用单色转向或切换元件，诸如声学调制器。
24.依赖于将电场施加到材料上的光学装置由于高的切换速度而提供了特别的益处。这些装置的实例包括泡克耳斯盒、光弹性调制器(photo-elastic modulator)和液晶快门。如将理解的，这些装置可以固有地引起光偏振态的改变。
25.如上所述，光的偏振可以用于实现光沿着第一光路和第二光路的选择性传输。这在如下布置中是特别有利的：其中，成像传感器被布置成接收来自第一和第二光路中的每一个的光，并且每个光路调节器可以是偏振分束器。这里，设备可以进一步包括适于在第一模式和第二模式之间切换的偏振光学快门，在第一模式中光沿着第一光路传输而不沿着第二光路传输，在第二模式中光沿着第二光路传输而不沿着第一光路传输。偏振光学快门可以形成切换机构的一部分。呈可能是最基本形式的可机械旋转的分析器可以执行该功能，但是在与选通(strobing)技术结合的这种布置中，分析器仅在大约10％的时间可用，因为否则的话，对于大部分传输时间，光将处于两个极值偏振态的混合中，而不是每个有用的极值状态。偏振光学快门可以放置在第一偏振分束器的上游或第二偏振分束器的下游。这使得能够使用单个光学快门，而不是两个路径中的每一个都使用一个光学快门。
26.当偏振光学快门在上游时，偏振光学快门可以包括偏振分束器、第一光源和第二光源，第一光源具有被设置成沿照明方向透射通过偏振分束器的光，第二光源具有被设置成被偏振分束器沿照明方向反射的光，并且其中，来自第一光源的沿照明方向传播的光被设置成具有与来自第二光源的沿照明方向传播的光不同的偏振平面。
27.上面描述了光路调节器是分束器的多种布置。可以使用其他装置。在一些实例中，光路调节器本身作为旋转盘被提供，该旋转盘具有围绕轴线定位的多个区域，这些区域具有两种或更多种不同的光学厚度并且按方位角布置，优选地根据交替的厚度图案按方位角布置。因此，这种形式或其他形式的光路调节器可以将光束在时间上(而不是在空间上)分成多个相等的光学路径长度，即使在每种情况下光都在几何学上穿过共同的空间路径。光路调节器可以包括适于在光沿着第一光路传输的第一模式和光沿着第二光路传输的第二模式之间切换的光学快门。因此，切换机构可以包括光学快门，并且切换机构可以形成光路调节器的一部分。在旋转盘的情况下，光路调节器整体地具有这种功能。通过盘的旋转，可以使不同材料厚度的区域与从成像传感器获取图像数据同步，以便为每个传感器产生两个或更多个不同的聚焦水平。
28.当聚焦系统形成显微镜的至少一部分时，诸如可以在生物样本目标的大范围区域上以高放大倍数获得高分辨率图像的显微镜，该设备具有特别的益处。这是通过获取成像数据的多个聚焦水平以及扫描系统的使用来实现的。使用该设备，图像通常被形成为使用两个或四个成像传感器产生的具有四个水平的z层叠或者使用三个或六个成像传感器产生的具有六个水平的z层叠。可以从目标生成图像数据的条带(swath)，而不需要对目标的相同区域重复成像，从而可以实现“单程”成像方法。
29.可以使用合适的控制系统来实现设备的操作，特别是扫描系统、成像传感器和光学快门的操作。通常，这样的系统将包括计算机，该计算机具有适当的用户界面和转换z层叠图像的能力，该z层叠图像可以经受图像处理以产生可由人或适当的软件进行分析的图像。用于执行这种分析功能的软件也可以在同一计算机上执行。
30.根据本发明的第二方面，提供一种使用当设有第一和第二分束器以及第一和第二光学快门时的根据第一方面的图像扫描设备进行图像扫描的方法，该方法包括操作第一光学快门和第二光学快门，使得当第二光学快门处于第二模式时第一光学快门处于第一模式，并且当第二光学快门处于第一模式时第一光学快门处于第二模式，以选择性地沿着第一光路和第二光路传输光。
31.根据本发明的第三方面，提供一种使用当设有第一和第二偏振分束器以及偏振光学快门时的根据第一方面的图像扫描设备进行图像扫描的方法，该方法包括操作偏振光学快门，以选择性地沿着第一光路和第二光路将光传输到成像传感器。根据设备的布置，光可以沿着每条路径传输，但是由于偏振光学快门的模式，在任何一个时间仅准许来自这两条路径之一的光入射到成像传感器上。
32.根据第二方面，在目标相对于光轴移动的同时，第一光学快门和第二光学快门可以交替地在它们相应的第一和第二模式下操作，以在多个聚焦水平处生成图像数据。根据第三方面，在目标相对于光轴移动的同时，偏振光学快门可以交替地在相应的第一和第二模式下操作，以在多个聚焦水平处生成图像数据。第一和第二模式的交替优选地与扫描系统和成像传感器同步，使得从目标上的特定位置获得对应的图像信息。例如，对应于第一光路的位置可以与对应于第二光路的位置交错。这些位置也可以相对于目标上的其他位置具有空间配准，从而形成图像的不同条带。
33.尽管设备和方法提供了多个聚焦水平，诸如六个水平或更多个水平，但是该设备可以在使用期间被操作成使得，在扫描期间，可以调节多个聚焦水平或优选地所有聚焦水
平的焦点，以遵循目标的形貌。为了实现这一点，作为方法的一部分，可以对不同成像传感器的图像数据进行处理，以计算出聚焦水平的聚焦优值(focus merit
34.values)，并且可以在扫描期间相应地调节相应水平的焦点，以对各水平的聚焦位置施加偏移量。
附图说明
35.现在参考附图描述本发明的一些实例，其中：
36.图1是根据本发明所有实例的虚拟显微镜的主要部件的示意图；
37.图2示出了使用单个分束器和六个成像传感器的本发明的第一实例；
38.图3示出了利用玻璃块来均衡光学路径长度的本发明的第二实例；
39.图4是示出使用根据第二至第五实例的设备的方法的流程图；
40.图5示出了具有相似路径长度的本发明的第三实例；
41.图6示出了类似于第三实例且具有不同的成像传感器位置的本发明的第四实例；
42.图7a示出了使用两个偏振分束器且具有三个成像传感器的本发明的第五实例；
43.图7b示出了具有两个成像传感器的经修改的第五实例；
44.图8a示出了在上游位置使用双模式光学快门且具有三个成像传感器的本发明的第六实例；
45.图8b示出了具有两个成像传感器的经修改的第六实例；
46.图9示出了在下游位置使用双模式光学快门的本发明的第七实例；
47.图10是示出使用根据第六和第七实例的设备的方法的流程图；
48.图11示出了使用分束器和两个光源作为光学快门的本发明的第八实例；
49.图12示出了第八实例的光学快门布置；
50.图13示出了使用具有调制光学厚度的旋转盘作为分束器的本发明的第九实例；以及，
51.图14示出了第九实例的盘的轴向视图。
具体实施方式
52.为了说明根据本发明的设备和方法，现在描述多个实例。
53.首先，参考图1，示出了根据本发明的虚拟显微镜的示意性总体布置。该布置包括成像光学器件1000，该成像光学器件1000将源自显微镜玻片6000的光聚焦到成像传感器2000上。如图所示，显微镜玻片6000位于x-y平面中，并且在成像传感器2000处接收的光是大致沿垂直于x-y平面的方向z传播的。然而，应当理解，方向z不需要垂直于x-y平面。
54.成像光学器件1000和成像传感器2000一起构成成像系统。由于成像传感器2000是线扫描检测器(line scan detector)，所以显微镜玻片的相关部分上的图像区域7000是一个线条。为了在玻片6000的更大区域上产生扩展图像，相对于成像透镜和线扫描检测器移动玻片，如箭头8000所示。从这个意义上说，玻片被线扫描检测器“扫描”，并且所获得的结果数据被处理以形成图像。该设备由包括计算机的控制系统9000操作，计算机用于控制显微镜的操作的各个方面，以及提供用户界面和图像处理功能。
55.成像传感器2000通常用于对在玻片上准备的样本进行成像。例如，样本可以是生
物样本。通常，待成像的样本将具有不均质的表面形貌，该表面形貌的焦点变化大于成像系统的景深。玻片的单次扫描可以是宽度约为1mm且长度在2mm和60mm之间。在1mm的级别上，样本的焦点很少超过成像系统的焦深(通常约为1μm)。然而，在诸如20mm等的更大距离上，样本的焦点变化可能超过成像系统的景深。为此，提供了多个成像传感器，这些成像传感器被布置在不同的聚焦水平处。聚焦水平可以被认为类似于空间中的位置的水平，使得标称合焦水平(nominal in-focus level)是图像扫描设备的焦平面的位置。因此，在设备中提供位于不同聚焦水平处的成像传感器允许对目标内的不同平面进行成像，这些不同平面具有平行于光轴的平面法线。
56.图2中示出了第一实例，在该实例中提供了设备200。在图的左侧示意性地示出了类似于图1的成像光学器件1000的聚焦系统1。该系统接收来自目标样本(未示出)的光，目标样本例如可以被定位在显微镜玻片上并且使用多种不同的技术来照明。通常，这些技术是透射或反射宽带照明技术，诸如明场、暗场、相衬(phase contrast)和荧光照明。这里讨论的非偏振实例也可以采用偏振照明工作。
57.聚焦系统1将发源于目标内不同位置的光朝向第一分束器2会聚。第一分束器以及本文所述的实际的其他分束器可以采用多种已知的形式，诸如由玻璃制成的两个三棱镜形成的立方体，或者半镀银反射镜。在当前情况下，分束器2被布置成将50％的光反射90度的角度，同时允许剩余50％的光透射通过分束器并且大致沿着聚焦系统1的光轴50传输。
58.在图2中，三个不同的位置提供了通过聚焦系统1的源发光(originating light)。这些位置在目标上相对于彼此横向地间隔开，其中一个位置与聚焦系统1的光轴50相交。在图2中，在目标上的位于光轴50的第一侧(沿x维度)的位置产生会聚的虚线光线5。位于光轴50的相对侧的位置产生会聚的虚线光线7，并且与光轴50相交的轴上位置产生会聚的实线光线6。与分束器的相互作用将这些光线5、6、7分别分成透射光线8、9、10和反射光线11、12、13。第一成像传感器16在光轴50上位于由沿着z轴的第一维度给定的第一聚焦水平处(图2中示出)。反射镜25用于将光线8朝向第二成像传感器15反射，该第二成像传感器15设置的有效位置以15'表示。同样，第二反射镜26用于将光线10朝向第三成像传感器17反射，该第三成像传感器17设置的有效位置以17'表示。对于反射光线11、12、13，使用了类似的布置，这些布置具有相应的成像传感器18、19、20以及用于成像传感器18、20的反射镜23、24。成像传感器18、19、20的有效位置以18'、19'、20示出。位置15'、16、17'、18'、19'、20'中的每一个具有不同的相应聚焦水平。在这种情况下，反射光线11、12、13的聚焦水平沿z轴的尺寸大于透射光线8、9、10。如将理解的，反射镜23、24、25、26便于允许成像传感器之间具有较大的间距。
59.在当前情况下每个成像传感器都是线扫描检测器，不过在该特定实例中可以使用时间延迟积分(tdi)传感器作为替代。当包含目标(图像区域7000)的显微镜玻片相对于成像光学器件1000和聚焦系统1平移时，在与成像传感器有效位置15'、16、17'、18'、19'、20'对应的每个聚焦水平处记录图像数据。图像数据可以用于构建相对于维度z在每个聚焦水平处的图像，从而生成在不同聚焦水平处的6个图像的z层叠。
60.在该实例中，由于相对于光轴50发出光线5、6、7的位置不同，在没有分束器的情况下，对于每个成像传感器15、16、17将没有光损失。三个成像传感器同时给出了三个z层叠。可以在使用附加的反射镜的情况下增加传感器的数量以产生附加的z层叠，或者可以使用
单个分束器，对于每个成像传感器产生50％光损失。以这种方式，六个成像传感器同时产生六个z层叠，而每个成像传感器仅损失50％的光。
61.这提供了优于具有较少成像传感器或甚至单个成像传感器的系统的优点，因为它可以避免对目标的相同区域进行重复扫描的需要，例如通过在给定聚焦水平处的每次通过结束时使扫描系统反向或者通过使扫描系统倒回到相同的开始位置来进行这种重复扫描。对于快速扫描系统，这种额外的移动会占用扫描时间的很大比例。虽然图1和图2示出了平的z层叠扫描，但是如果z层叠被布置成遵循目标的组织或细胞的标称表面，则可以获得类似的益处。这些方法可以用于这里描述的每个实例。
62.如上所述，第一实例通过使用六个单独的传感器扫描六个z层叠，每个传感器被布置在可以被认为是焦平面的不同聚焦水平处。
63.一种不同的方法是构建一种扫描仪，该扫描仪仅用三个传感器也能够在一次通过中扫描六个z层叠。这仍然消除了层叠末尾周转时间(the end of stack turn around time)，但是将所需的传感器数量减少了一半。成像传感器是昂贵的装置，并且减少传感器数量不仅在减少传感器数量方面是有利的，而且在减少支持的外围设备并且可能提供整体上更紧凑的设备方面也是有利的。现在讨论使用这种不同方法的多个实例。
64.参考图3，在该第二实例中，设备300具有设置在聚焦系统1和成像传感器15、16、17之间的两条不同的光路。与图2不同的是，为了清楚起见，这里仅画出了主光线，而没有画出边缘光线。在该实例中，第二分束器用于在光入射到成像传感器上之前将两个路径重新组合。使用时，光的传输在两条光路之间交替切换。一条光路比另一条光路稍长，这用于当成像传感器的数量减半时提供所需的附加聚焦水平。
65.在图3中，由分束器2透射的三条光线8、9、10大致平行于光轴50传播，并穿过玻璃块35，该玻璃块35被设计成光学地延长光线的路径以近似匹配由分束器2反射的光的路径。然后，“经过延迟的(retarded)”光线在入射到第二分束器37上之前通过第一光学快门36。第二分束器与光轴50成45度角并透射第一光路中50％的光线。通过第二分束器37的光线入射到成像传感器15、16、17上。因此，光线8、9、10在聚焦系统1和成像传感器15、16、17之间的第一光路上传播。
66.回到图3中的第一分束器2，由分束器2反射(在图3中向下的
“‑
x”方向上)的三条光线11、12、13首先被反射离开反射镜30，该反射镜30成一定角度以使光路转向90度。然后，光线通过第二光学快门38，然后被第二反射镜31反射，该第二反射镜31也成一定角度以使光路转向90度。然后，光线在图3中向上(+x)传播，然后入射到第二分束器37上，该第二分束器37使50％的光透射通过，并将50％的光反射最终的90度角(沿+z方向，图3中向右)以将其引导到三个成像传感器15、16、17上。因此，光线11、12、13在聚焦系统1和成像传感器15、16、17之间的第二光路上传播。玻璃块35补偿了光线在第二光路中传播的更多的物理距离，使得两个有效路径长度在焦距上仅相差z层叠尺寸的大约一半。
67.在该第二实例中，光学快门36和38在两种模式之间以相反的交替方式操作，在第一模式中光被准许沿着相应的光路传输，在第二模式中光不沿着相应的光路传输。在光不沿相应光路传输的情况下，它可能被吸收或者被朝向不同方向偏转，在这些不同方向上最终不会到达成像传感器。简单地说，当第一光学快门36处于传输的第一模式时，第二光学快门38处于非传输的第二模式，反之亦然。
68.在使用中，参考图4的流程图，在步骤401中扫描被照明的目标。在扫描运动期间，在步骤402中将第一光学快门36置于第一模式(传输模式)并且将第二光学快门38置于第二模式(非传输模式)。因此，到达成像传感器的光是仅沿着第一光路传输的。在步骤403中，对于成像传感器15、16、17中的每一个记录图像数据，这实际上包括每个传感器的像素数据线条。在步骤404中继续扫描系统的平移，并且在步骤405中将光学快门36、38切换到它们的相反模式，使得到达传感器15、16、17的光于是是经由反射镜30、31沿着第二光路传播的。然后在步骤406中使用成像传感器15、16、17记录图像数据线条，然后在步骤407中继续目标的平移。该方法通过循环回到步骤402而继续，其中将步骤402到步骤407重复多次以建立目标的交错(interleaved)图像数据。然后，在已经获取所有期望的数据之后对数据进行处理，以便提取出具有两个不同聚焦水平的两不同图像。每个传感器将收集两个聚焦水平的线条型交错图像。每个路径一个聚焦水平。例如，在步骤403中的路径将在奇数线条上，而在步骤406中的路径将在偶数线条上。如果使用照相机来捕获图像，则需要对这些线条进行这种去交错，以获得两不同焦点图像中的每一个。专用电子设备可以飞速地进行这种去交错，但是即使利用这种专用电子设备，通常也将图像线条聚集到缓冲器中，而不是一次传送一个线条。这种去交错将仍然发生在多线缓冲器上，因此即使是专用电子设备也使用去交错过程。
69.如图5所示的设备500利用与设备300类似的原理。在当前情况下，通过确保每条光线在到达成像传感器15、16、17之前必须被反射两次，将第一和第二路径长度制成更相似的长度。这是通过有效地交换反射镜31和第二分束器37的位置以及重新定位成像传感器15、16、17来实现的。因此，如图所示，不需要采用遵循光轴50的“直通(straight through)”光路。这种布置的益处是，它使得玻璃块35能够具有较小的厚度，该较小的厚度仅需要在两条光路之间产生聚焦差异，而不是还用于补偿光路的不同长度。
70.对于成像传感器15、16、17的定位有两种选择。第一种如图5所示，保留成像传感器相对于彼此的相对布置，并平移该布置(沿图中向下的-x方向)。第二种在图6中示出，其中两个设备之间的唯一区别在于成像传感器15、16、17的定位。在图6中，对于设备600，将设备500的成像传感器的布置围绕垂直于图纸的y轴旋转90度、围绕处于图纸平面中竖直方向的x轴旋转180度并沿着x移位，使得成像传感器15、16、17接收沿图6中向下的-x方向传播的光。
71.光路之间的切换可以通过诸如微机电系统(mems)反射镜、液晶快门或光弹性调制器、泡克耳斯盒或旋转快门轮之类的装置来执行。
72.由于使用两个分束器和调制器，因此上述实施例将损失至少75％的光，这是因为所提到的调制器中的大多数将导致一些附加的光损失。
73.图7a中所示的设备700提供了减少光损失的另一个实例。该设备具有与设备500类似的布置，并且用偏振分束器61、62代替了分束器2、37。由于偏振分束器61将光分离成s光束和p光束，所以每条光路仍然损失50％的强度。通过偏振分束器62将光束组合成单个光束不会降低在成像传感器15、16、17处接收的光水平。这意味着光强度仅降低50％，这与图2的设备200的性能相匹敌，但仅具有三个成像传感器。图7b中所示的设备与图7a中的相同，只是在后一种情况中仅使用两个成像传感器(成像传感器15被移除)，因此产生四个图像的z层叠。
74.另外，如果使用光弹性调制器(pem)或泡克耳斯盒来实现光学快门65、66，那么由
于接收到的各个光线的偏振态与光学快门的偏振平面对准，所以实现了进一步光损失的最小化。通常偏振器损失超过50％的光。商用调制器通常包括第二偏振器，由于光束已经被分束器61偏振，所以该第二偏振器在这里是不利的。因此，第二偏振器将导致不必要的光损失。pem避免了不期望的第二偏振器。实际上，两个分束器61和62当与仅将偏振态旋转的某物结合时成为调制器装置的一部分，并且因此降低了损失。
75.在另外的实例中，通过将具有分析器的pem放置在光路中，放置在两条光路在空间上分离开的区域的上游或下游，可以用单个光学快门代替对两个光学快门65、66的需要。与先前的实例相比，偏振光学快门具有稍微不同的功能：在这种情况下，它们提供两种模式，并且在每种模式下，光均沿着各自的光路(光路可以部分重叠)传输。这在图8的设备800中用70示出，并且在图9的设备900中用71示出。同样，图8a中的设备设置有三个成像传感器，而图8b中的设备具有两个成像传感器。在每种情况下，pem可以选择将接收到的光传输通过到成像传感器的哪条光路。
76.图10的流程图示出了设备800、900的操作。在步骤1001中，扫描被照明的目标。在步骤1002中的扫描运动期间，将光学快门70、71置于第一模式，使得只有沿第一路径(各图的上部)传输的光到达成像传感器15、16、17。在步骤1003中，针对成像传感器15、16、17中的每一个记录图像数据。在步骤1004中继续扫描系统的平移，并且在步骤1005中将光学快门70、71切换到第二模式，使得到达成像传感器15、16、17的光仅是沿第二光路(各图的下部)传播的光。然后，在步骤1006中使用成像传感器15、16、17记录图像数据线条，接着在步骤1007中继续目标的平移。该方法通过循环回到步骤1002而继续，其中将步骤1002到步骤1007重复多次以建立目标的交错图像数据。一旦已经获取了所有期望的数据，则对数据进行处理，以便提取出具有两个不同聚焦水平的两不同图像。
77.在另一实例中，如图11的设备1100所示，可以去除偏振光学快门。在这种情况下，光学快门采用扫描仪的光源的形式，该光源可以通过使用与偏振分束器82一起组合成一条光路的两个分离的光源80、81进行调制。如果将led光源用于每个光源81、82，则可以使led的调制交替进行以在图像中产生线条与线条之间不同偏振的光，并且调制将选择将使用哪条光路。因此，通过图11中的聚焦系统1接收的光取决于发出该光的光源60、61而在两个不同的平面中偏振。在如图10中所描述的设备1100的操作期间，第一模式仅涉及光源60的操作，并且第二模式仅涉及光源61的操作。
78.图13所示的最后一个实例1300使用了分束器，从装置的意义来说该分束器产生了两条光路，这两条光路在不同时间在物理上遵循相同的几何形状，但是由于使用了两种不同的传输介质而具有不同的光学路径长度。这允许产生不同长度的两条光路，并使得成像传感器15、16、17能够用于产生六个不同的聚焦水平。如果使用三种不同材料光学厚度，则将产生九个聚焦水平，依此类推。这是通过使用旋转轮90来实现的，该旋转轮90具有围绕中心轴线按方位角间隔开的不同光学厚度的材料。不同光学厚度可以通过不同的折射率或不同的物理厚度或这些中的每一个来实现。
79.如图14所示，当旋转时，轮90将具有光学厚度的透明材料91、92的交替区域呈现给入射光束，并且被旋转以将不同光学路径长度切换到每个图像线条的光束中。在该实例中，没有光损失，但是分束功能是暂时的，因此在成像发生之前，必须准许一段时间用于轮的区域(在该情况中为区段)的过渡以切换光路，从而防止每个线条是聚焦水平的混合。这可以
通过减少积分时间来实现，减少积分时间具有减少传感器上的光量的特性。

技术特征：
1.一种图像扫描设备，包括：多个成像传感器，所述多个成像传感器用于生成图像数据；聚焦系统，所述聚焦系统限定光轴并且适于在使用中将从目标接收的光引导到所述多个成像传感器上；其中，每个成像传感器相对于所述聚焦系统被定位，使得被引导到所述成像传感器的光相对于所述目标具有不同于每个其他成像传感器的光学聚焦水平，并且所述光是从所述目标上的相对于所述光轴的一位置接收的，该位置不同于针对每个其他成像传感器而言的相应位置；其中，所述聚焦系统包括光路调节器，所述光路调节器适于产生在所述光路调节器与所述多个成像传感器中的至少一个之间的第一光路、和在所述光路调节器与所述成像传感器中的至少一个之间的第二光路，其中，所述第一光路不同于所述第二光路；以及扫描系统，所述扫描系统被布置成在使用中使所述目标相对于所述光轴移动，使得使用来自所述多个成像传感器的所述图像数据能生成所述目标的图像；其中，所述设备进一步包括切换机构，所述切换机构被配置成在所述光沿着相应光路传输的第一模式和所述光不沿着相应光路传输的第二模式之间进行切换。2.根据权利要求1的图像扫描设备，其中，在所述第一模式中所述光沿着所述第一光路传输而不是沿着所述第二光路传输，并且在所述第二模式中所述光沿着第二光路传输而不是沿着所述第一光路传输。3.根据权利要求1或2所述的图像扫描设备，其中，所述第一光路的光学路径长度不同于所述第二光路的光学路径长度。4.根据权利要求3所述的图像扫描设备，其中，所述目标上的特定位置和特定光路的组合导致不同于每个其他聚焦水平的聚焦水平。5.根据权利要求3或4的图像扫描设备，进一步包括被放置在所述第一光路或所述第二光路中的一个中的延迟元件，所述延迟元件具有被设置成修改放置有所述延迟元件的所述光路的光学路径长度的折射率。6.根据权利要求3至5中任一项所述的图像扫描设备，其中，所述光路调节器是第一分束器，并且其中，所述设备进一步包括第二分束器，所述第二分束器被布置成将所述第一光路和所述第二光路组合回到一起。7.根据权利要求6所述的图像扫描设备，其中，所述成像传感器被布置成接收来自所述第一光路和所述第二光路中的每一个的光，并且其中，所述切换机构包括：在所述第一光路中的第一光学快门；以及在所述第二光路中的第二光学快门，其中，所述第一光学快门和所述第二光学快门中的每一个都适于在所述第一模式和所述第二模式之间切换。8.根据权利要求7所述的图像扫描设备，其中，所述第二光路的在所述第一分束器和所述第二分束器之间的部分包括所述第二光学快门和至少一个反射镜。9.根据权利要求6所述的图像扫描设备，其中，所述成像传感器被布置成接收来自所述第一光路和所述第二光路中的每一个的光，其中，每个分束器是偏振分束器，并且其中，所述切换机构包括适于在所述第一模式和所述第二模式之间切换的偏振光学快门。
10.根据权利要求9的图像扫描设备，其中，所述偏振光学快门被放置在第一偏振分束器的上游或第二偏振分束器的下游。11.根据权利要求10的图像扫描设备，其中，当所述偏振光学快门在上游时，所述偏振光学快门包括偏振分束器、第一光源和第二光源，所述第一光源具有被布置成沿照明方向透射通过所述偏振分束器的光，所述第二光源具有被布置成被所述偏振分束器沿所述照明方向反射的光，并且其中，来自所述第一光源的沿所述照明方向传播的光被布置成具有与来自所述第二光源的沿所述照明方向传播的光不同的偏振平面。12.根据权利要求7至10中任一项所述的图像扫描设备，其中，相应的所述第一光学快门、所述第二光学快门或所述偏振光学快门选自包括以下各项的组：能旋转的开槽盘、光弹性调制器(pem)、泡克耳斯盒、微机电系统(mems)反射镜、液晶快门或机械快门。13.根据权利要求1至4中任一项所述的图像扫描设备，其中，所述切换机构包括光学快门，并且所述切换机构形成所述光路调节器的一部分。14.根据权利要求13所述的图像扫描设备，其中，所述光路调节器作为旋转盘被提供，所述旋转盘具有围绕所述旋转盘的轴线定位的多个区域，所述多个区域具有两种或更多种不同的光学厚度并根据交替的厚度图案按方位角布置。15.根据前述权利要求中任一项所述的图像扫描设备，其中，所述聚焦系统形成显微镜的至少一部分。16.根据前述权利要求中任一项所述的图像扫描设备，其中，所述图像是将所述目标的每个位置在不同的聚焦水平处成像的z层叠图像。17.根据权利要求16所述的图像扫描设备，其中，所述图像是使用两个或四个成像传感器生成的具有四个水平的z层叠，或者其中，所述图像是使用三个或六个成像传感器生成的具有六个水平的z层叠。18.一种使用根据从属于权利要求7或8时的前述权利要求中任一项所述的图像扫描设备进行图像扫描的方法，所述方法包括：操作所述第一光学快门和所述第二光学快门，使得当所述第二光学快门处于所述第二模式时所述第一光学快门处于所述第一模式，并且当所述第二光学快门处于所述第一模式时所述第一光学快门处于所述第二模式，以选择性地沿着所述第一光路和所述第二光路传输所述光。19.一种使用根据从属于权利要求9或10时的前述权利要求中任一项所述的图像扫描设备进行图像扫描的方法，所述方法包括：操作所述偏振光学快门，以选择性地沿着所述第一光路和所述第二光路将所述光传输到所述成像传感器。20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，在相对于所述光轴移动所述目标的同时，分别地，将所述第一光学快门和所述第二光学快门交替地以相应的第一模式和第二模式操作，或者将所述偏振光学快门交替地以相应的第一模式和第二模式操作，以在多个聚焦水平生成图像数据。

技术总结
图像扫描设备包括用于生成图像数据的多个成像传感器；聚焦系统和扫描系统。聚焦系统限定光轴并将从目标接收的光引导到成像传感器上。每个成像传感器相对于聚焦系统定位使得引导到成像传感器的光相对于目标具有不同于每个其他成像传感器的光学聚焦水平并从目标上相对于光轴的一位置接收光，该位置不同于每个其他成像传感器的相应位置。聚焦系统包括光路调节器以产生在光路调节器和多个成像传感器中至少一个之间的第一光路以及在光路调节器和成像传感器中至少一个之间的第二光路，其中第一光路不同于第二光路。扫描系统被布置成在使用中使目标相对于光轴移动，使得使用来自多个成像传感器的图像数据能生成目标的图像。还公开了使用设备的方法。还公开了使用设备的方法。还公开了使用设备的方法。


技术研发人员：马丁
受保护的技术使用者：FFEI公司
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2023/8/1