專利名稱：用于利用線束照射樣本的光學(xué)照射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于照射樣本的光學(xué)系統(tǒng)和方法以及包括該照射系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備和包括該照射方法的檢測(cè)方法。所述光學(xué)照射和檢測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用到用于分析目的的熒光檢測(cè) 系統(tǒng)和方法中。
背景技術(shù)：
使用熒光檢測(cè)的一個(gè)實(shí)例是在核酸測(cè)試(NAT)中。這是用于檢測(cè)疾病的遺傳傾向 的分子診斷中的核心元素，其用于確定RNA的表示水平或識(shí)別造成感染的病原體，比如細(xì) 菌禾口病毒。在許多情況下，特別是在病原體的識(shí)別中，合理樣本體積內(nèi)存在的靶DNA的量非 常低，并且這不允許直接的檢測(cè)。擴(kuò)增技術(shù)是必需的，以便獲得靶材料的可檢測(cè)的量。不 同的擴(kuò)增技術(shù)被提出并且用在日常實(shí)踐中。最廣泛使用的技術(shù)基于所謂的聚合酶鏈反應(yīng) (PCR)。擴(kuò)增涉及在升高的溫度(典型地> 90攝氏度)下改變雙鏈DNA的性質(zhì)、在降低的 溫度(近似65度)下將引物(primer)特異性結(jié)合到DNA樣本并且復(fù)制從引物位置開始的 原始序列(在近似70度下)。這個(gè)過程重復(fù)并且在每個(gè)循環(huán)中加倍具有該特定序列的DNA 的量(當(dāng)以100%的效率進(jìn)行時(shí))。擴(kuò)增之后，通過例如在毛細(xì)管中的電泳分離之后或者在對(duì)施加到擴(kuò)增產(chǎn)物在其上 流動(dòng)的表面上的斑點(diǎn)中的所謂捕獲探針進(jìn)行雜化之后測(cè)量加標(biāo)記的擴(kuò)增的DNA的熒光強(qiáng) 度來檢測(cè)靶DNA的存在性。本發(fā)明涉及用來提供照度給樣本的裝置和使用方法。用于熒光檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是使用掃描共焦顯微鏡。典型地，小的(< 1 μ m)衍射 限制斑(diffraction limited spot)用來激發(fā)焦平面內(nèi)的熒光。在系統(tǒng)的檢測(cè)部分中，只 有由該單個(gè)激發(fā)點(diǎn)產(chǎn)生的光被檢測(cè)到。先前已經(jīng)提出，一定數(shù)量的斑點(diǎn)或者整條線的并行激發(fā)允許掃描速度的增大，而 對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的共焦性沒有重大影響。像素化檢測(cè)器可以用來檢測(cè)熒光發(fā)射。為了產(chǎn)生用于共焦線掃描的激發(fā)束，已經(jīng)提出通過添加諸如圓柱透鏡之類的增加 所謂的像散的光學(xué)元件來修改用于利用聚焦斑進(jìn)行掃描的光學(xué)設(shè)備。如果光束的截面定義 為xy平面，那么光束中的每根射線由坐標(biāo)(x，y)表征。如果坐標(biāo)為(x，0)的χ軸上的射線 具有與坐標(biāo)為(0，y)的y軸上的射線不同的焦點(diǎn)，那么光束是像散的。

發(fā)明內(nèi)容
利用諸如圓柱透鏡之類的額外部件產(chǎn)生像散給前面描述的解決方案增加了復(fù)雜 度和成本。本發(fā)明的目的是組合單個(gè)光學(xué)元件中的若干功能以提供改進(jìn)的解決方案。本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求限定。從屬權(quán)利要求限定了有利的實(shí)施例。依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于利用線束照射樣本的光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明允許結(jié)合照射樣本的成像系統(tǒng)使用通常用來使光輸出具有更圓的截面的 現(xiàn)有光束定形裝置，以便提供對(duì)樣本的線束檢查或分析。所述光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選地包括用于跨樣本掃描線束的裝置。因此，本發(fā)明允許實(shí)現(xiàn)具 有線照射的小得多且更為緊湊的掃描系統(tǒng)，其基于光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)存儲(chǔ)部件的重復(fù)使用。該更為緊湊的光學(xué)系統(tǒng)允許實(shí)現(xiàn)基于共焦光學(xué)的完全小型化的光路以及用在CD 或DVD系統(tǒng)中的相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)DVD光路具有最少量的變化的光路。這允許實(shí)現(xiàn)可以容易地在 現(xiàn)有DVD生產(chǎn)線上制造的解決方案。優(yōu)選地，最終的像散像的焦線之一的長度與光束定形器和對(duì)于其而言中間像的像 散距離為零的光束定形器位置之間的距離的比值由下式給出 其中η為樣本介質(zhì)的折射率，NA為成像系統(tǒng)的出口數(shù)值孔徑，M為成像系統(tǒng)的放大 率，并且Mx和My為光束定形器對(duì)于中間像的兩根焦線的第一和第二放大率。如上面所解釋的，最終的像散像優(yōu)選地包括線焦點(diǎn)。線的寬度可以是受衍射限制 的，從而提供共焦成像系統(tǒng)。例如，該系統(tǒng)可以包括基于吸收、反射發(fā)光(luminescence) 或者這些的組合的共焦顯微鏡。光源可以包括激光二極管，但是可以使用諸如發(fā)光二極管 (lightemitting diode)之類的任何其他光源而不脫離本發(fā)明。依照本發(fā)明的第二方面，提供了一種結(jié)合了依照本發(fā)明的照射系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的 檢測(cè)設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，該檢測(cè)設(shè)備與照射系統(tǒng)分離。因此，檢測(cè)系統(tǒng)可以位于樣本/ 襯底與照射系統(tǒng)相對(duì)的側(cè)面上，并且它們利用了單獨(dú)的光學(xué)器件(optics)和部件。因此， 有利的是，襯底的兩側(cè)可以用來光學(xué)訪問襯底內(nèi)的樣本。在另一實(shí)施例中，檢測(cè)設(shè)備的收集裝置和照射系統(tǒng)可以共享激發(fā)/收集透鏡，并 且檢測(cè)器可以包括聚焦到檢測(cè)表面上的成像透鏡。這提供了一種緊湊的檢測(cè)設(shè)備，其尤其 受益于照射系統(tǒng)提供的優(yōu)點(diǎn)。由于更少的部分以及較不復(fù)雜的構(gòu)造的原因，其可以更為魯 棒和廉價(jià)。依照本發(fā)明的第三方面，提供了一種利用線束照射樣本的照射方法。該方法允許 如前面所描述的使用簡單CD和DVD光學(xué)器件的線照射。依照本發(fā)明的第四方面，提供了一種使用本發(fā)明的照射方法的檢測(cè)方法，該照射 方法與從樣本發(fā)射并且由線束產(chǎn)生的光根據(jù)其被收集和檢測(cè)的檢測(cè)方法結(jié)合。因此，在該 檢測(cè)方法中，線束用來照射樣本，使得光束與樣本相互作用。在通過該照射光作用之后，從 樣本發(fā)出以及從樣本發(fā)射的產(chǎn)生的光被收集和檢測(cè)。措詞“產(chǎn)生的光”在這里應(yīng)當(dāng)被理解 成包括在待分析的樣本吸收或散射部分光束之后剩余的光束的光，即這里的相互作用是樣 本吸收或散射光。要收集的該剩余的光可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的透射或反射裝置來 收集和檢測(cè)。因此，在這種情況下，所述檢測(cè)方法使用線照射測(cè)量例如吸收。此外，措詞“產(chǎn) 生的光”應(yīng)當(dāng)被理解成包括通常已知覆蓋熒光和磷光的發(fā)光。在后一種情況下，該檢測(cè)方法 測(cè)量由線束激發(fā)樣本而產(chǎn)生的光。所述方法可以包括掃描襯底或樣本。


現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)例，在附圖中圖1示出了已知的基于DVD光學(xué)系統(tǒng)的熒光掃描儀；圖2更詳細(xì)地示出了已知的⑶/DVD光學(xué)拾取裝置；圖3示出了使用本發(fā)明的光學(xué)掃描裝置的共焦掃描儀的第一實(shí)例；圖4示出了使用本發(fā)明的光學(xué)掃描裝置的共焦掃描儀的第二實(shí)例；以及圖5a_5c示出了本發(fā)明的光學(xué)掃描裝置的另外的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及用于利用線束照射樣本的光學(xué)系統(tǒng)。光束定形器將光源發(fā)射的光束轉(zhuǎn) 換成中間像散像，并且成像系統(tǒng)將該中間像散像轉(zhuǎn)換成最終的像散像且照射樣本。光束定 形器在側(cè)向(lateral)平面內(nèi)以及在橫向(transversal)平面內(nèi)提供不同的非單位放大率 (non-unitymagnification)，并且包括環(huán)形(toroidal)入射表面和環(huán)形出射表面，每個(gè)表 面具有有限的曲率半徑。通過利用經(jīng)過物鏡的光輻射激發(fā)設(shè)備中的熒光團(tuán)并且收集例如在反射模式下經(jīng) 過相同透鏡的熒光來檢測(cè)所述熒光團(tuán)的方法和設(shè)備是已知的。在經(jīng)過濾波器設(shè)備以便選擇 適當(dāng)?shù)牟ㄩL范圍之后，熒光輻射被投影到傳感器設(shè)備上?？梢杂刹煌闹聞?dòng)裝置使透鏡以 受控的方式在三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，以便允許在感興趣樣本上掃描。典型地，使用共焦成像裝置。圖1示出了基于DVD光學(xué)系統(tǒng)的已知熒光掃描儀的基本部件。待研究的樣本被限 制到襯底20內(nèi)的給定體積中。諸如激光器之類的光源24產(chǎn)生的光用來激發(fā)熒光。該光由 準(zhǔn)直器透鏡Ll準(zhǔn)直并且隨后借助于激發(fā)透鏡26聚焦到樣本內(nèi)。透鏡26可以優(yōu)選地在所有三個(gè)維度上相對(duì)于樣本運(yùn)動(dòng)。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以任意地 解耦，例如，樣本可以運(yùn)動(dòng)到χ-y平面并且該透鏡可以在ζ方向上運(yùn)動(dòng)?？商鎿Q地，樣本可 以保持固定并且該透鏡獨(dú)自具有所有三個(gè)自由度(χ-y-z)。任何其他的設(shè)置也是可能的。激光由偏振分束器21 (即偏振相關(guān)反射器)反射，并且穿過四分之一波片22和第 一帶通濾波器23。二向色分束器25 (即波長相關(guān)反射器)將激光定向到激發(fā)透鏡26。作為激發(fā)光聚焦到樣本內(nèi)的結(jié)果的誘導(dǎo)的熒光由在該實(shí)例中為與激發(fā)透鏡26相 同的部件的收集透鏡收集，并且定向到檢測(cè)器28。任何反射的未吸收激光再次由分束器25反射，而熒光穿過分束器25。第二帶通濾 波器27提供進(jìn)一步的濾波，并且光然后由將樣本成像到檢測(cè)器28上的成像透鏡L2聚焦到 檢測(cè)器28上?？梢允褂迷S多不同類型的檢測(cè)器，例如光電倍增管、雪崩光電檢測(cè)器、CCD檢測(cè)器 或者光電二極管檢測(cè)器。優(yōu)選地，使用提供空間分辨率的檢測(cè)器，例如像素化檢測(cè)器。這允 許進(jìn)行線檢測(cè)并且避免了線束在受照射區(qū)域上掃描檢測(cè)器。對(duì)于共焦成像，激發(fā)體積保持最小，理想地為激發(fā)透鏡26能夠創(chuàng)建的衍射限制 斑。典型的共焦體積為立方微米的數(shù)量級(jí)，這取決于激發(fā)透鏡26的強(qiáng)度(數(shù)值孔徑，NA)。在該體積內(nèi)產(chǎn)生的熒光由收集透鏡收集并且成像到檢測(cè)器上。在共焦方法中，焦點(diǎn)與檢測(cè)路徑上的點(diǎn)共焦。在檢測(cè)路徑上的該點(diǎn)處，典型地放置了小的針孔以便過濾掉來自不同于 焦點(diǎn)的位置的任何光。通過針孔的光被定向到檢測(cè)器。有可能檢測(cè)器本身起著針孔的作用，限制在于，檢 測(cè)器的側(cè)向尺寸必須與按收集透鏡26的焦距除以成像透鏡L2的焦距調(diào)節(jié)的焦點(diǎn)尺寸匹 配。作為端點(diǎn)生物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這種共焦模式最適合研究表面固定化測(cè)定(surface immobilization assay)。表面被掃描以分析整個(gè)樣本。檢測(cè)器的側(cè)向維度通過考慮收集透鏡26和成像透鏡L2的場來設(shè)計(jì)。當(dāng)掃描相同表面時(shí)，控制裝置29保持物鏡的焦點(diǎn)精確地位于分析設(shè)備的內(nèi)表面 處；與分析物接觸的襯底20內(nèi)的體積的表面。物鏡的焦點(diǎn)也可以有意地偏移。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為對(duì)圖1系統(tǒng)的修改，其適于提供共焦線而不是共焦斑形式的激 發(fā)束。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例同樣地基于標(biāo)準(zhǔn)的DVD(或DVD/CD)光學(xué)器件。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例中，在激光源的輸出端使用標(biāo)準(zhǔn)光束定形器，并且這 通常用來使得激光器發(fā)射的光錐內(nèi)的強(qiáng)度分布更對(duì)稱。然而，在本發(fā)明的系統(tǒng)中，光束定形 器相對(duì)于激光器不同地定位，以便產(chǎn)生所需數(shù)量的像散。這于是可以被設(shè)置成在收集透鏡 26的焦點(diǎn)內(nèi)導(dǎo)致窄的衍射限制線而不是通常的衍射限制圓斑。常規(guī)光束定形器的使用允許光學(xué)系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)⑶/DVD播放器/記錄器(writer) 的光學(xué)器件。圖2中示意性地示出了已知的光學(xué)系統(tǒng)，并且在部件與圖1中的部件相應(yīng)的 情況下，使用了相同的附圖標(biāo)記。對(duì)于DVD讀取器，使用了紅色激光二極管24。發(fā)射的光錐內(nèi)的角度上的強(qiáng)度分布 非常不對(duì)稱；與光軸正交的一個(gè)方向上的角寬度是與光軸正交的另一方向上的寬度的二到 三倍。這種非對(duì)稱性利用光束定形器30來補(bǔ)償。光束定形器30具有入射表面、與其相對(duì)定位的出射表面以及與三軸XYZ直角坐標(biāo) 系統(tǒng)的Z軸重合的光軸。光束定形器30用于將具有所述坐標(biāo)系統(tǒng)的YZ平面內(nèi)的第一角孔 徑與XZ平面內(nèi)的第二較小的角孔徑之間的第一比值的光束轉(zhuǎn)化成具有所述角孔徑之間的 第二較小的比值的光束，所述元件在所述兩個(gè)平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的角放大率。因此，光束定形器被設(shè)計(jì)成將激光的橢圓形輸出改變成更均勻的圓形輸出。本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的光束定形器優(yōu)選地在側(cè)向平面內(nèi)提供角放大并且在橫向 平面內(nèi)提供角縮小。光束定形器30 —方面在橫向平面內(nèi)以及另一方面在側(cè)向平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)的角放大率 之差基本上完全由改變橫向平面內(nèi)和側(cè)向平面內(nèi)的光束的發(fā)散性的入射表面實(shí)現(xiàn)。如果 光束定形器設(shè)置在具有折射率nl的介質(zhì)內(nèi)并且如果該元件的材料的折射率為π2，那么橫 向平面內(nèi)的角縮小率為nl/n2，側(cè)向平面內(nèi)的角放大率為n2/nl，并且光束定形能力近似為 (nl/n2)2。由于入射表面形成的兩個(gè)虛像位于沿著Z軸的不同位置處，因而出射表面應(yīng)當(dāng)具 有稍微環(huán)形的形狀以便將這些像組合成一個(gè)像。XZ平面內(nèi)的曲率半徑大于YZ平面內(nèi)的曲 率半徑。環(huán)形應(yīng)當(dāng)被理解成表示側(cè)向平面內(nèi)的表面曲率半徑不同于橫向平面內(nèi)的表面曲率 半徑。
入射表面在中心設(shè)有其圓柱軸平行于Y軸的基本上圓柱形的部分，并且引入YZ平 面內(nèi)的角縮小以及XZ平面內(nèi)的角放大。光束定形能力現(xiàn)在由兩個(gè)分量構(gòu)成，這兩個(gè)分量為 側(cè)向平面內(nèi)的角放大率n2/nl以及橫向平面內(nèi)的角縮小率nl/n2。這些分量中的每一個(gè)可 以利用不比應(yīng)用到其中僅在這些平面之一內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束定形的光束定形器的公差要求嚴(yán)格 的公差要求來實(shí)現(xiàn)。US5467335中更詳細(xì)地描述了一種可能的光束定形器，其通過引用的方式合并于 此。 光柵32置于光束路徑上以便產(chǎn)生衛(wèi)星斑。偏振分束器21反射光并且準(zhǔn)直器透鏡Ll用來形成準(zhǔn)直束。這由折疊鏡34反射， 四分之一波片22將線性偏振光轉(zhuǎn)化成圓偏振光，并且該光然后由透鏡26聚焦到襯底20內(nèi) 的數(shù)據(jù)層上。當(dāng)然，對(duì)于用在醫(yī)療診斷裝置中的光學(xué)系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)層變成其上出現(xiàn)捕獲探 針的固定化的表面。接著，光被反射并且由相同的收集透鏡26收集。然后，光再次穿過四分之一波片 22，得到與原始偏振垂直的線性偏振光。經(jīng)由折疊鏡34，光由準(zhǔn)直透鏡Ll聚焦。接著，光穿過偏振分束器21。然后，光大部分穿過二向色鏡36。伺服成像透鏡L2 添加一定像散，其與聚焦和跟蹤檢測(cè)器40結(jié)合使用以產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)以便在例如掃描 樣本或襯底期間操縱和/或定位焦點(diǎn)并且于是提供反饋。⑶光的光路與上面描述的DVD路徑幾乎相同。當(dāng)要讀出⑶時(shí)，DVD激光器關(guān)斷 并且紅外激光二極管43與光束定形器44結(jié)合提供照射光。光柵42再次用來產(chǎn)生衛(wèi)星斑。 光在很大程度上由二向色鏡36反射并且然后在很大程度上穿過偏振分束器21。同樣地，光 經(jīng)由透鏡26聚焦到數(shù)據(jù)層上。反射的光再次由透鏡26收集。該光再次部分地穿過偏振分 束器21和二向色分束器36并且同樣地成像到聚焦和跟蹤檢測(cè)器40上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中，光束路徑被修改，使得它變得適合于靈敏的熒光檢測(cè)。如 上面所提到的，當(dāng)足夠的激光功率可用時(shí)，有利的是在更大的區(qū)域上散布激發(fā)光以便提高 吞吐量并且增大總的檢測(cè)的信號(hào)而不損害共焦性。為此目的，可以在一個(gè)方向上伸長通常 的圓形衍射限制斑，而在垂直方向上保持衍射限制。這可以通過向進(jìn)入透鏡26的光束添加某種類型的像散來完成。申請(qǐng)人:已經(jīng)考慮了用于例如通過圓柱透鏡或相位板引入這種像散的不同方法。相 位板可以用來提供線性聚焦斑陣列或者實(shí)照射線，并且圓柱透鏡可以用來提供實(shí)照射線。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中，上面描述的光束定形器30沿著光軸運(yùn)動(dòng)。無需專門的部 件來實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。光束定形器的位置典型地在裝配期間已經(jīng)被細(xì)調(diào)，并且具有來回滑動(dòng)的可 能性。因此，本發(fā)明使用了光學(xué)拾取單元的光束定形器的移位，使得出射束聚焦成可以 跨平面掃描的線。本發(fā)明的系統(tǒng)中的光束定形器可以被認(rèn)為將光源發(fā)射的光束轉(zhuǎn)換成中間 像散像，并且成像系統(tǒng)；例如準(zhǔn)直器透鏡和物鏡的組合于是可以被認(rèn)為將該中間像散像轉(zhuǎn) 換成最終的像散像。將(光發(fā)射)點(diǎn)的像散像限定為包括相互垂直且垂直于光軸并且沿著光軸分開一 定距離(像散距離)的兩根焦線。利用這兩根焦線之一在基本上垂直于該線且垂直于光軸 的方向上掃描樣本。焦線的長度與該像散距離成比例。如果像散長度變?yōu)榱悖敲催@兩根焦線的長度也將如此，這表示這些線將聚合成單個(gè)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上面描述的光束定形功能，光束定形器具有第一折射表面、第二折射表面、一定厚度和一定折射率，第一折射表面沿著垂直于光軸的第一和第二方向具有截然不 同的曲率半徑，第二折射表面沿著垂直于光軸的第一和第二方向具有截然不同的曲率半 徑。通常，存在光束定形器相對(duì)于光源的第一位置，對(duì)于該位置，中間像的像散距離為 零。光束定形器相對(duì)于該第一位置定位。特別地，光束定形器相對(duì)于光源的位置相對(duì)于該 第一位置移位下式給出的距離Δν: 其中L為最終的像散像的焦線(之一)的長度，NA為成像系統(tǒng)的出口數(shù)值孔徑，η 為樣本的折射率，并且Mx和My為光束定形器關(guān)于中間像的兩根焦線的第一和第二放大率。所述放大率被定義為sinci/sin β，其中α和β為系統(tǒng)中最大的射線角；α為輸 入射線角，β為輸出射線角。數(shù)值孔徑對(duì)于入口數(shù)值孔徑而言被定義為sina，并且對(duì)于出 口數(shù)值孔徑而言被定義為sini3。如果物方和/或像方處于具有折射率η的介質(zhì)內(nèi)，那么數(shù) 值孔徑分別為ηX sin α或ηΧ ηβ。在該設(shè)置中，用于掃描的焦線的長度可以通過改變光束定形器的位置來適于掃描 過程的要求。因此，單個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)適合用于多種類型的掃描設(shè)備。然而，使光束定形器30運(yùn)動(dòng)以控制激發(fā)束的形狀也會(huì)引入一些離焦。這可能不造 成任何問題。然而，它可以在任何情況下通過移動(dòng)激光器24的位置來補(bǔ)償，或者在一個(gè)優(yōu) 選的實(shí)施例中，這通過改變替換光柵32的部件的光學(xué)厚度來完成。圖3示出了在本發(fā)明的系統(tǒng)的第一實(shí)例中出現(xiàn)的光路，其用于熒光激發(fā)和檢測(cè)。 大多數(shù)部件保持相同并且給出相同的附圖標(biāo)記。光束定形器與通常使用的相同，但是其向 前移動(dòng)了。產(chǎn)生衛(wèi)星斑的光柵32由在光譜上純化激光的帶通濾波器50代替。該濾波器的 厚度可以用來細(xì)調(diào)由光束定形器的運(yùn)動(dòng)而引起的離焦。通過使光束定形器30運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)直透鏡之后的光將具有相當(dāng)大的像散。在一個(gè)方向 上，光“是平行的”，而垂直方向稍微發(fā)散。這在物鏡26之后導(dǎo)致線聚焦。在樣本的表面上，將產(chǎn)生熒光。該熒光由物鏡26收集并且部分地穿過偏振分束器 21。在穿過拒絕剩余的激發(fā)光的附加濾波器54之后，二向色鏡36將大部分熒光反射到檢 測(cè)器52。該檢測(cè)器優(yōu)選地被實(shí)現(xiàn)為像素化檢測(cè)器。二向色鏡可以與圖2中的相同，或者可 以使用被優(yōu)化成反射熒光的不同的鏡。反射的激發(fā)光仍然穿過二向色鏡36。修改的伺服透鏡56用來校正大部分早先引 起的像散。殘余像散可以與(標(biāo)準(zhǔn))象限檢測(cè)器40結(jié)合使用以產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)。焦平面內(nèi)的線的方向被設(shè)置成垂直于快速掃描方向。這可以通過旋轉(zhuǎn)激光器和光 束定形器組件來實(shí)現(xiàn)，或者通過關(guān)于運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)整個(gè)OPU來實(shí)現(xiàn)。在反射光的返回路徑中，光束中的像散幾乎完全被伺服透鏡56補(bǔ)償。像散的殘余 量與標(biāo)準(zhǔn)象限檢測(cè)器40結(jié)合使用以產(chǎn)生自動(dòng)聚焦誤差信號(hào)。光束的殘余像散意味著焦點(diǎn) 位置的變化將改變落在檢測(cè)器的不同象限上的光的相對(duì)貢獻(xiàn)。根據(jù)這些信號(hào)，可以導(dǎo)出自 動(dòng)聚焦誤差信號(hào)。
圖4中示出了依照本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例。使用了與圖3中的相同的激發(fā)方 法，但是檢測(cè)器移動(dòng)到不同的位置。通過用二向色鏡60代替折疊鏡34，熒光可以由該元件 透射。在該二向色鏡之后，利用濾波器62對(duì)光濾波，并且其然后由透鏡64聚焦到檢測(cè)器66 上。相對(duì)于結(jié)合圖2描述的DVD光路，該 實(shí)施例要求更多的修改。然而，該實(shí)施例的靈 敏度將優(yōu)于圖3的靈敏度，因?yàn)闊晒馕丛谄穹质?1處分裂成兩個(gè)部分。此外，在該實(shí) 施例中，有可能將濾波器62置于光束的平行部分中。當(dāng)使用干涉濾波器時(shí)，這將導(dǎo)致更好 地拒絕激發(fā)光，從而導(dǎo)致降低的背景噪聲。在標(biāo)準(zhǔn)的OPU中，可以簡單地移除通常固定光束定形器的膠粘劑，使得位置可以 朝激光器來回移動(dòng)。本發(fā)明的系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試并且被發(fā)現(xiàn)僅僅通過調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)OPU中光束定形 器和激光器的相對(duì)位置就提供了共焦激發(fā)束的所需的伸長。上面已經(jīng)描述了基于DVD/⑶光學(xué)器件的調(diào)適的兩個(gè)實(shí)例。本發(fā)明并不限于該方 法。圖5示出了基于可以用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的部件的不同組合的若干實(shí)施例。如果僅僅希望線照射模式，那么可以使用圖5a中示出的最簡單的實(shí)施例。部件的 編號(hào)與圖3和圖4中使用的相同，并且系統(tǒng)包括光束定形器30、激光器24和透鏡26。線照 射可以用在除了用于熒光檢測(cè)的系統(tǒng)中，例如測(cè)量細(xì)胞或病理切片(pathology slides)的 掃描顯微鏡。自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被添加以形成圖5b中示出的系統(tǒng)，其使用偏振分束器21與四分之 一波片22的結(jié)合以便分離激發(fā)光和反射光。為了將線照射和熒光檢測(cè)相結(jié)合，如圖5c中所示需要添加二向色鏡34，其結(jié)合濾 波器50和62以便將激發(fā)光和熒光分離。本發(fā)明提供了對(duì)光束路徑的修改，使得它變得適合于結(jié)合線照射模式的靈敏熒光 檢測(cè)。在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式中，移動(dòng)所述“標(biāo)準(zhǔn)”光束定形器以解決這個(gè)問題。然而，存在解 決該相同問題的其他方式。兩個(gè)實(shí)例解釋如下(i)圖4中示為Ll的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)直器可以用實(shí)現(xiàn)光束定形功能的新的專用部件來代 替，并且從而替換光束定形器30。(ii)光束定形器可以用向激發(fā)束添加所需像散的新的專用部件來代替。這可以在 激光二極管的輸出端處提供，其可能已經(jīng)包括集成的光束定形器。在上面的實(shí)例中，透鏡26用于激發(fā)光和熒光，并且它也可以用于聚焦和跟蹤信 號(hào)。例如對(duì)于非正常照射方向，或者對(duì)于透射模式下的操作，可以將單獨(dú)的透鏡用于激發(fā)光 和熒光。本發(fā)明并不限于本文描述的實(shí)例。存在各種修改。因此，例如參照借助于熒光團(tuán) 發(fā)熒光的樣本描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明一般可以用在以通常的方式產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的設(shè) 備中。因此，可以對(duì)樣本進(jìn)行測(cè)量，其吸收一部分照射線束，使得其余線束光被收集并且結(jié) 合樣本的一種或多種成分或者添加的有利于成分檢測(cè)的物質(zhì)(例如標(biāo)記物質(zhì))的存在性、 特性(identity)和/或濃度提供有關(guān)樣本的構(gòu)成的線索。類似地，由樣本產(chǎn)生的線束的反 射效應(yīng)可以用在檢測(cè)過程中?？商鎿Q地，線束可以用作激發(fā)源以便激發(fā)樣本的一種/或多 種成分或者添加的物質(zhì)，使得得到可以被收集和檢測(cè)的發(fā)光輻射。在這里，發(fā)光意在包括熒光和/或磷光?？傮w而言，本發(fā)明涉及用于照射樣本的線的產(chǎn)生。該照射線在前面描述的檢測(cè)設(shè)備中是有利的。本發(fā)明特別有益于線掃描或共焦線掃描以便加速檢測(cè)過程。然而，在一些 情況下，可能不需要覆蓋表面區(qū)域的掃描。本發(fā)明因而也將提供其優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明一般適用于樣本分析領(lǐng)域，其中需要在體積或表面上檢查樣本。本發(fā)明的 應(yīng)用因而可以是在需要線激發(fā)的分析方法中。這些也包括對(duì)氣體、液體和/或固體樣本的 分析。因此，本發(fā)明可以用于樣本的化學(xué)分析以便確定其構(gòu)成，或者它可以用來檢查化 學(xué)過程或生化過程或生物過程的演進(jìn)或進(jìn)展。改進(jìn)的掃描速度允許每時(shí)間單位收集更多的 數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而導(dǎo)致改進(jìn)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。不限于生物分析領(lǐng)域的是，本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用是在分子診斷領(lǐng)域，其基于例如擴(kuò) 增之后的核酸、蛋白質(zhì)或者其他生化實(shí)體或生物實(shí)體的檢測(cè)。另外的優(yōu)選應(yīng)用領(lǐng)域包括臨 床診斷、醫(yī)護(hù)點(diǎn)(point-of-care)診斷、高級(jí)生物分子診斷研究和光學(xué)生物傳感器，特別地 涉及結(jié)合擴(kuò)增方法的DNA檢測(cè)，例如PCR、q-PCR等等。本發(fā)明也可以用作例如用于病理用 途的對(duì)細(xì)胞和/或組織成像的線掃描儀。也可以用于檢測(cè)蛋白質(zhì)的免疫測(cè)定中的檢測(cè)。上述實(shí)施例說明了而不是限制了本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利 要求書的范圍的情況下應(yīng)當(dāng)能夠設(shè)計(jì)出許多可替換的實(shí)施例。在權(quán)利要求書中，置于括號(hào) 之間的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)當(dāng)被視為限制了權(quán)利要求。措詞“包括/包含”并沒有排除存 在權(quán)利要求中未列出的元件或步驟。元件之前的措詞“一”并沒有排除存在多個(gè)這樣的元 件。在列舉了若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的一些可以由同一硬件項(xiàng)實(shí)施。在 相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述了特定的技術(shù)措施這一事實(shí)并不意味著這些技術(shù)措施的 組合不可以加以利用。
權(quán)利要求
一種用于利用線束照射樣本的光學(xué)系統(tǒng)，包括光源(24)；光束定形器(30)，其用于將光源發(fā)射的光束轉(zhuǎn)換成中間像散像；以及成像系統(tǒng)(26)，其用于將該中間像散像轉(zhuǎn)換成最終的像散像并且用于照射樣本(20)，其中光束定形器(30)在側(cè)向平面內(nèi)以及在橫向平面內(nèi)提供不同的非單位放大率，并且包括環(huán)形入射表面和環(huán)形出射表面，每個(gè)表面具有有限的曲率半徑。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中(a)最終的像散像的焦線之一的長度與(b)光 束定形器和對(duì)于其而言中間像的像散距離為零的光束定形器位置之間的距離的比值由下 式給出 其中n為樣本介質(zhì)的折射率，NA為成像系統(tǒng)的出口數(shù)值孔徑，M為成像系統(tǒng)的放大率， 并且Mx和My為光束定形器對(duì)于中間像的兩根焦線的第一和第二放大率。
3.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中最終的像散像包括線焦點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中線的寬度是受衍射限制的。
5.一種檢測(cè)設(shè)備，包括如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光學(xué)系統(tǒng)；光學(xué)收集裝置(26)，其用于收集從樣本發(fā)射并且由線束產(chǎn)生的光；以及 檢測(cè)系統(tǒng)(40)，其用于檢測(cè)收集的光。
6.如權(quán)利要求5所述的檢測(cè)設(shè)備，其中成像系統(tǒng)(26)和光學(xué)收集裝置(26)共享激發(fā)/收集透鏡。
7.如權(quán)利要求5或6所述的檢測(cè)設(shè)備，其中檢測(cè)系統(tǒng)(40)包括聚焦到檢測(cè)表面上的成 像透鏡(56)。
8.如權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)所述的檢測(cè)設(shè)備，其中從樣本發(fā)射并且由線束產(chǎn)生的光 包括發(fā)光。
9.一種用于利用線束照射樣本的照射方法，包括步驟 使用光源(24)產(chǎn)生光束；使用光束定形器(30)將光束轉(zhuǎn)換成中間像散像；以及 使用成像系統(tǒng)將該中間像散像轉(zhuǎn)換成最終的像散像，其中光束定形器(30)在側(cè)向平面內(nèi)以及在橫向平面內(nèi)提供不同的非單位放大率，并 且包括環(huán)形入射表面和環(huán)形出射表面，每個(gè)表面具有有限的曲率半徑。
10.一種檢測(cè)方法，包括權(quán)利要求9的照射方法，以及另外的步驟 收集由樣本發(fā)射并且由所述光束產(chǎn)生的光；以及 檢測(cè)收集的光。
全文摘要
一種用于利用線束照射樣本的光學(xué)系統(tǒng)包括光源(24)；光束定形器(30)，其用于將光源發(fā)射的光束轉(zhuǎn)換成中間像散像；以及成像系統(tǒng)，其用于將該中間像散像轉(zhuǎn)換成最終的像散像并且用于照射樣本。光束定形器(30)在側(cè)向平面內(nèi)以及在橫向平面內(nèi)提供不同的非單位放大率，并且包括用于實(shí)現(xiàn)角放大和角縮小的環(huán)形入射表面和具有有限曲率半徑的環(huán)形出射表面。本發(fā)明允許結(jié)合成像系統(tǒng)使用通常用來使光輸出具有更圓的截面的現(xiàn)有光束定形裝置，以便提供對(duì)樣本的線束照射。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101868752SQ200880117273
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者E·M·H·P·范迪克, S·斯塔林加 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司