背景技术
细胞学是生物学的一个分支，包括对细胞的形成、结构、和功能的研究。当以实验室的设置使用时，细胞学家、细胞学技术人员、和其他医学专业人员根据对患者细胞样本的肉眼检测做出患者病症的医学诊断。一种典型的细胞学技术是“巴氏涂片(Pap smear)”测试，包括从妇女的子宫颈刮取细胞并分析该细胞以检测异常细胞的存在，该异常细胞是宫颈癌发作的先兆。细胞学技术也用来检测人体的其他部分中的异常细胞和疾病。
细胞学技术被广泛使用，因为分析用细胞样本的收集通常比传统的外科病理程序(例如活组织检查)的侵害要小。活组织检查通常包括使用专用的活检针(其具有弹簧加载的可转移管心针、固定的中空管(cannulae)等)从患者身上切取组织样本。另一方面，利用细胞学技术可通过各种技术从患者身上获得细胞样本，这些技术包括例如通过刮或擦一个区域，或利用针从胸腔、膀胱、脊椎管、或其他适宜的区域吸取体液。通常将细胞样本置于溶液中，随后收集并转移到玻璃载片上用于在放大下观察。通常将固定和染色溶液施加于玻璃载片上的细胞(通常称为细胞涂片)，以便于检测以及用于保存样本用于归档目的。
已经使用机械视觉装置(例如自动成像和检查显微镜)来获得细胞样品的图像并且分析这些样品。显微镜(包括作为整合成像和观察系统的部分的显微镜)需要定期校准。校准程序包括位置校准和光学校准，其中位置校准涉及确认显微镜载片台和/或显微镜载片的实际位置就是系统指示的位置，而光学校准涉及确认光学参数是系统指示的参数。
过去，利用包括校准部件的单独显微镜载片进行校准。使用时，将校准载片置于显微镜载片台上的适合位置来进行校准，并移去常规的显微镜载片。同样的校准载片可以用于校准其他显微镜。
授予Saulietis的美国专利第5,367,401号中描述了另一种已知的校准系统。Saulietis描述了显微镜的工厂校准，包括将具有多个载片槽的载片台安装在电动机组件上并利用该电动机组件将校准目标与观察窗成一条直线。针对每个目标读取的位置和已知的距离数据提供了载片台参考坐标。利用每个载片槽中的校准载片使校准载片上的目标参考点与观察窗对准，并读取它的坐标以提供相对于载片台坐标系的绝对位置，其中载片台坐标系是在工厂校准期间通过载片台的目标基准(target reference)确定的。然后可存储针对每个校准载片的绝对基准坐标位置并赋予其相关的序列号。使用该技术，最终的用户不需要进行任何单独的载片槽的校准，但需要输入序列号并且依赖于所存储的数据。
然而，可以改进已知的校准装置和技术。各种已知的装置(例如Saulietis描述的装置)仍然使用专用的校准载片并且只能进行位置校准(x，y，z，θ)。专用的校准载片可能会丢失、损坏或损毁。单独的校准载片在频繁的校准间隔中可能也涉及耗时和不便的校准程序。另外地，校准载片可能遭受由环境(例如灰尘、污垢、油脂等)导致的光学性能降低。专用的校准载片也可能彼此不同。例如不同的校准载片可能具有不同的厚度。在校准期间必须考虑这些差异。
附图说明
现在参考附图，在所有附图中类似的附图标号代表相应的部件，其中：
图1是具有载片台的显微镜的侧视图，该载片台包括根据一个实施例的校准部件；
图2是图1中所示的显微镜的主视图；
图3是根据包括校准部件的一个实施例构建的载片台的俯视图；
图4是根据包括校准部件的另一实施例构建的载片台的俯视图；
图5示出了根据一个实施例构建的校准部件，其包括构造用于进行位置校准和光学校准的校准元件；
图6示出了根据一个可替代实施例构建的校准部件，其包括构造用于进行位置校准和光学校准的校准元件；
图7是根据具有形成或设置在基板顶面上的校准元件的一个实施例构建的校准部件的侧视图；
图8是根据包括如图7中所示的校准部件的一个实施例构建的显微镜载片台的截面图，该校准部件位于载片台中形成的腔内并从该载片台的下面照明；
图9是根据包括校准部件的一种可替代实施例构建的显微镜载片台的截面图，该校准部件具有完全穿过该载片台而形成或蚀刻的校准元件；
图10是图9所示的校准部件的俯视图；
图11是根据包括如图9所示的校准部件和整合的或附接的刀口校准部件的另一个实施例构建的显微镜载片台的截面图；
图12示出了成像和观察系统，其包括可在其中实施实施例的分离的成像和观察部件；并且
图13示出了整合的系统，其中，相同的显微镜用于样本成像和观察，并且可在其中实施实施例；以及
图14进一步示出了整合的系统，其中，同样的显微镜用于样本成像和观察，并且可在其中实施实施例。
具体实施方式
实施方式涉及可用于在无需使用专用的校准载片的情况下进行显微镜的位置校准和光学校准的校准装置、显微镜载片台以及校准方法。这些实施例通过将校准部件或目标整合到显微镜载片台中或整合在载片台上而有利地消除了对专用的校准载片的需求。
在下面的描述中，附图作为参照，这些附图形成本描述的一部分，并且示出了具体实施方式以及它们如何实施。应当理解，在不脱离实施例的范围的情况下可以进行更改。
图1-图2一般性地示出了具有载片台110的显微镜100或其他机械视觉装置(一般称作“显微镜”100)，该载片台110包括与载片台110整合的位置和光学校准目标或部件120(总称为“校准部件”120)。通过与载片台110“整合”，校准部件120被整合入或嵌入载片台110中、穿过载片台而形成或限定、形成或设置在载片台110上、或附接于载片台110。换言之，相对于独立的校准装置，例如可用于校准不同的显微镜的已知的专用校准载片，校准部件120与载片台110整合以使得校准部件120固定、附接、整体结合于载片台110。为了易于说明，参照与载片台110整合的校准部件120。
载片台110具有用于承载样本载片114的顶面112，并且设置光源130以照亮样本载片114上的样本。适宜的光源130包括卤钨灯光源、发光二极管(LED)、或其他适宜的光源。光源130发出的光直接或间接照亮校准部件120，例如利用通过延伸穿过载片台110的下面113的一个或多个孔、通道、或空间发出的光。
显微镜100也可以包括控制器(为了清晰没有示出)，该控制器可用于调整载片台110的位置和用于调整光学或光的参数，例如光源130发出的光的平衡和强度。显微镜100进一步包括多个物镜140，用于放大从样本接收的光以形成样本的放大的图像；和目镜150，使用该目镜观察通过物镜140形成的放大的图像。在美国公开第2007/0139638A1号中提供了适宜的显微镜100部件更多的方面。应当理解，图1和图2中示出的显微镜100作为可与实施例一起使用的显微镜100的一个实例而提供，并且其他适宜的显微镜100可以包括其他已知的部件，为了清晰和易于说明没有示出这些部件。
参照图3，根据一个实施例构建的载片台110包括整合的校准目标120，并且例如包括可旋转或可枢转的支撑臂310(例如，弹簧加载的支撑臂)，用于将载片114抵靠背衬(backing)或其他支撑件312保持在载片台110的顶面112上的适当位置。校准部件120可与具有其他构造的载片台110整合。
在图示的实施例中，校准部件120在载片114附近与载片台110整合；然而，根据诸如载片台110的构造、载片114在载片台110上的位置、以及显微镜100的光学部件的布置和数量，校准部件120在其他的实施例中可位于不同的位置。因而，图3所示的构造作为如何实现这些实施例的一个实例而提供。
在图3所示的实施例中，提供单独的校准部件120以在无需专用的校准载片的情况下进行显微镜100的位置校准和光学校准。例如，校准部件120可构造为测量或确定位置校准参数，这些参数包括载片台110的一个或多个“x”位置、载片台110的“y”位置、载片台110的“z”位置、相机-载片台的对准(例如，当显微镜100用于成像目的时)、在载片114成像和/或观察期间载片台110的“x”和“y”位置中的一个或两个的改变、以及在成像和/或观察期间载片台110的“z”位置的改变。校准部件120也可用来测量或确定显微镜100的光学校准参数，这些参数包括诸如灰度的线性度、放大率、信噪比、载片114成像前后亮度的变化、调制传递函数(MTF)以及不考虑它们暴露于其中的光量而输出恒定值的显微镜100的电荷耦合器件(CCD)的亮点(stuck pixel)或元件的校验(checking)中的一个或多个。在“How to Measure MTF and other Properties ofLenses，”Optikos Corporation，Cambridge，MA，pp.1-64(1999年7月19日)中提供了关于涉及MTF的测试和测量的详细资料。还应当理解，校准部件120可用来进行各种位置和光学校准程序，并且上文中提供的位置和光学校准参数是如何实现这些实施例的实例。
例如，校准部件120也可构造为用于进行其他类型的位置校准，例如，显微镜载片台110的角度或旋转校准(θ)。为此，可使用彼此分离的两个校准部件120来测量载片台110的旋转。为了易于说明，参照(x，y，z)位置来说明。进一步参照图4，在替代实施例中，与载片台110整合的第一校准部件120a用于进行显微镜100的位置校准，而与载片台110整合的第二校准部件120b用于进行显微镜100的光学校准。
因此，通过可用于位置校准和光学校准的单独的校准部件120(如图3所示)，或通过用于进行不同类型的校准的多个整合校准部件120a、120b(如图4所示)可实现这些实施例，同时消除了对专用校准载片的需求。为了易于说明，参照图3所示的构造，其中，载片台110包括单独的整合校准部件120，其可用来进行显微镜100的位置校准和光学校准。
参照图5，用于进行显微镜100的位置校准和光学校准的根据一个实施例构建的校准部件120由外部边界510限定，并包括限定至少两个观察区域或印刷图形边界(通常称作观察区域520)的至少两个校准元件。图形、基准线(datum)或基准标522(通常称作基准标522)可位于观察区域520中。
在图示的实施例中，外部边界510和观察区域520具有相同的形状，并且两个观察区域520具有相同的形状和大小。在一个实施例中，由外部边界510限定的校准部件120的直径可约为6.4mm，并且每个观察区域520的直径可约为2.2mm。这些尺寸适合于与具有10倍物镜140的显微镜100一起使用。可使用其他的边界510和观察区域520的形状和大小，并且观察区域520可根据需要具有不同的形状和/或大小，例如，具有不同的显微镜100构造或使用不同的物镜140时。而且，尽管图5所示的观察区域520水平地并排设置，但观察区域520也可以不同方式设置，例如以垂直方式设置或相对于水平线或垂直线成一个角度的方式设置。
图5示出了校准部件120的一个实施例，其包括限定了两个观察区域的校准部件520a、520b，这两个区域为：用于进行光学校准的第一观察区域和用于进行位置校准的第二观察区域。在图示实施例中，第一观察区域520a是空隙521并用于进行光学校准。光学校准可包括例如测量照明的均匀性或一致性并且检测降低信噪比的伪像(artifact)(例如灰尘和污迹)。在图示实施例中，第二观察区域520b包括基准线或基准标522，其可用作参考基准或用于测量或位置校准的目的。在其他的实施例中，校准部件120可包括不同数量的观察区域520和用于不同校准功能的其他图形和标记。因此，图5作为如何实现这些实施例的实例而提供。
例如，图6示出了根据另一实施例构建的可用来进行位置校准和光学校准的校准部件120。在图示的实施例中，校准部件120包括外部边界510，该外部边界围绕着8个分离的校准元件，这些校准元件分别限定了8个观察区域520a-520h。在图示的实施例中，分别限定了7个观察区域520b-520h的7个校准元件设置在限定中心观察区域520a的中心校准元件的周围，在图示实施例中，中心观察区域是空隙521并且可用来进行光学校准。如图所示，在一个实施例中，分别限定7个观察区域520b-520h的7个校准元件以圆形并且均匀间隔的方式设置在中心观察区域520周围。在一个实施例中，限定校准部件120的外部边界510可具有约10mm的直径，并且每个观察区域520可具有约2.2mm的直径。因此，如图5和图6所示，校准部件120的尺寸可根据所使用的校准元件而不同。其他的实施例可包括不同数量、布置、大小及间隔的校准元件。
在图示的实施例中，构造限定观察区域520c-520h的校准元件用于进行光学校准(例如，采用调制传递函数(MTF)图案)，并且校准元件限定包括基准标522的观察区域520b，以用于进行位置校准。例如，由各校准元件限定的观察区域520c-520h可包括不同的MTF图案，这些图案可以是水平和/或垂直的MTF图案。如图6所示，观察区域520c、520e、520g包括水平调制传递函数(MTF)图案600c、600e、600g(通常称作MTF图案600)，而观察区域520d、520f、520h包括垂直MTF图案600d、600f、600h。进一步地，在另一个实施例中，校准部件120可包括多个校准元件，这些校准元件可具有不同大小的MTF图案600e、600f。例如，两个校准元件可限定包括具有2微米间隔的各MTF图案600g、600h的观察区域520g、520h，然而，另外两个校准元件可限定包括具有3微米间隔的各MTF图案600e、600f的观察区域520e、520f，并且其他校准元件可限定包括具有4微米间隔的各MTF图案600c、600d的观察区域520c、520d。
应当理解，可以使用其他类型的光学校准元件及其布置和尺寸。例如，中心校准元件可限定包括用于位置校准的基准标522的观察区域520a，而不是空隙521观察区域。进一步地，可使用不同类型、数量及布置的MTF图案600。
另外，尽管图8示出了包括限定各观察区域520a和520c-520h以用于进行光学校准7个校准元件，以及一个具有基准标522的观察区域520b以用于进行位置校准的校准元件的校准部件120，但该校准部件120也可以包括用于进行位置校准的多个观察区域。因此，提供图5和图6中所示的构造作为如何能实现这些实施例的示例。
图7-图10示出了根据不同的实施例将校准部件120与显微镜100的载片台110整合的不同方式。参见图7和图8，根据一个实施例，校准部件120可形成在基板700上，然后将该基板整合入或嵌入形成在载片台110中的腔或空间111中。在一个实施例中，基板700是玻璃基板(例如玻璃盘)，通过在基板700的顶面702上沉积材料710(例如铬)而在顶面702上形成校准部件120。这导致构造用于进行显微镜100的位置和光学校准的校准部件120的形成。可将具有沉积材料710的基板700嵌入到或置于腔111内以使校准部件120与载片台110整合。
如图8所示，在一个实施例中，为了利用位于载片台110下方的光源130照亮校准部件120，贯穿载片台110形成一个或多个孔801a-801c(通常为801)。校准部件120的照明可以是直接或间接的。孔801的数量、宽度及形状可根据需要改变。因此，提供图8所示的孔801来一般地说明与载片台110整合的校准部件120被照亮了。
参见图9和图10，根据一个替代实施例，可通过经由蚀刻或除去载片台110的部分900在载片台110中形成校准部件120而使校准部件120可成为载片台110的一个整体部分。以这种方式，一个或多个蚀刻部分900以及一个或多个剩余部分910限定或形成校准部件120的校准元件。例如，由一个校准元件限定的观察区域520可具有基准标522并且可由随后仍进行蚀刻的载片台110的部分910限定，而由另一校准元件限定的空隙521观察区域520可由通过蚀刻形成的开放空间900或孔限定。载片台110可通过各种已知的技术蚀刻，包括例如已知的机械加工或铣削系统和方法(例如激光铣削和光化学蚀刻)。校准部件120可以不同方式与载片台110整合，并且图7-图10提供了如何实现这些实施例的示例。例如，在一个实施例中，校准部件120也可以例如通过胶粘而粘附于或固定于载片台110，以使校准部件120成为载片台110的一个整体部分。
参见图11，在另一个实施例中，校准部件可以是精度校准部件，例如，附接或固定至、或整合或嵌入载片台110中的刀片或类似装置1110。在图示的实施例中，校准部件1110呈锋利边缘或“刀口”形式，并且允许视觉系统或显微镜110进行关于刀片1110的测量，以取得有意义的光学或位置校准数据，例如，基于傅科刀口检验法。
在一个实施例中，载片台110包括刀片或刀口1110形式的单独的整合校准部件。在另一实施例中，载片台110包括校准部件120(例如，参见图1-图10所述)和刀片或刀口1110形式的校准部件。例如，可基于校准需求和能力以及系统的构造，根据需要使用整合校准部件120、1110的各种组合。
具有一个或多个整合的校准部件的载片台110的实施例可用于各种机器视觉应用，其中之一是用于检测由载片114承载的细胞学样本的显微镜100(如图1和图2中一般性示出的)。图12-图14中示出了可以使用具有整合的校准部件的显微镜载片台的细胞学处理系统的实施例。尽管可以使用具有不同类型的校准部件(例如，图1-图10中所示的校准部件120和/或图11中所示的刀口校准部件1110)的细胞学处理系统，为了易于说明一般地对校准部件120进行描述。
图12示出了一种生物筛选系统1200，包括成像操作台1210、服务器1220及一个或多个观察操作台1230a-1230c。构造系统1200以使用相机1211、第一显微镜100a、第一载片台110a以及与第一载片台110a整合的第一校准部件120a使由载片114承载的生物学样本成像。第一校准部件120a的位置可根据需要改变，并且图12一般性地示出了包括第一校准部件120a的第一载片台110a。
为了选择并存储成像的生物学样本的确定的感兴趣的目标(OOIs)的位置，用服务器1220处理得到的图像数据1212，该服务器包括适合的硬件和软件，例如，处理器1221-1223和存储器1224。然后该OOIs可被提供给细胞学技术人员，然后该技术人员可用具有观察操作台1230a的第二校准部件120b的第二显微镜110b观察OOIs，或用在另一观察操作台1230b、1230c处的另一个显微镜100观察OOIs。第二校准部件120b的位置可根据需要改变，并且图12一般性地示出了包括第二校准部件120b的第二载片台110b。
因此，图12所示的系统1200包括两个显微镜-位于成像操作台1210中的第一显微镜100a和位于观察操作台1230中的第二显微镜100b。尽管显微镜100a和100b的构造可能不同，但每个显微镜100都包括显微镜载片台110，该载片台包括整合的校准部件120。在美国专利公开2004/0254738A1中提供了在图12中一般性地示出的该类型的系统1200的其他方面。
图13一般性地示出了整合的成像/观察显微镜操作台或系统1300，其包括载片台110，该载片台具有如上文中参考图1-图11描述的整合的校准部件120。图14更详细地示出了可实现整合的成像/观察操作台或系统1300的一种方式。
通过图13和图14所示的系统1300，同样的显微镜可用于成像，并且之后用于观察单独的生物学样本，一次一个载片114。构造系统1300以使从光源130发出的光穿过生物学样本、穿过物镜140然后到达光束分离器1310。光束分离器1310沿着第一方向1311引导光穿过目镜150用于技术人员观察，并且沿着第二方向1312引导光穿过另一个透镜1320，到达数码相机1330。数码相机1330可操作地连接于处理器1340，其处理由数码相机1330获得的图像以选择细胞学技术人员观察的OOIs。
整合的成像仪/观察操作台1300使得使用者可对样本载片114进行成像和观察(例如，作为台式成像/观察系统)，一次一个载片114。这些实施例特别适用于与这些类型的操作台1300的显微镜载片台110一起使用，因为它们由使用者操作并因此相比于已知的自动系统可能需要另外的校准过程。
例如，可使用这些实施例，从而在通过使用整合的校准部件120整合的成像仪/观察操作台1300处理每个载片114之前，可进行位置校准和光学校准过程。在使用期间，不论是使用不同的显微镜100a和100b(如图12所示)，还是用单独的显微镜100(如图13和图14所示)，都可从与载片台110整合的校准部件120读取或获取位置校准数据(例如，x、y及z位置数据中的一个或多个)，并且也可从相同的校准部件(例如，利用图3所示的实施例)读取或获取光学校准数据(例如，光强度、MTF等)。然后可以基于位置和光学校准信息根据需要对显微镜100进行校准或调节。为此目的，在整合的成像/观察系统1300中使用的校准部件120的位置可根据需要改变，并且图13中一般性地示出了包括校准部件120的载片台110。然后可用显微镜100使样本成像和/或进行观察，并用同样的(一个或多个)整合校准部件120再次进行校准。
正如从上文的描述将理解到的，这些实施例有利地允许在必要时对显微镜100(无论是仅用于观察还是也用于成像)进行校准，而无需专用的校准载片。而且，可利用在任何情况下都可得到的校准部件120进行校准，因为该校准部件120是载片台110的一个整体部分。这提供了改进的校准重复性和生产率，因为不必手动或机械地将专用的校准载片置于载片台110上并将该专用的载片从载片台110上移除。可与各种位置和光学校准参数一起使用校准部件。校准部件可具有各种数量和布置的位置和光学观察区域。而且，校准部件可以各种方式整合于或嵌入载片台中。这些实施例也可以在各种成像和显微镜部件以及其他机械视觉系统中实施。