CN107655872A - 一种用于基因测序仪的对焦模块及其自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于基因测序仪的对焦模块，包括入射光路和反射光路；其中，入射光路包括LED点光源、位于LED点光源前的掩膜、位于入射光路上的窄带滤光片和准直透镜、刀口反射镜以及成像物镜，LED点光源发出的光照射在掩膜上，得到特定图案的光斑，特定图案的光斑经过窄带滤光片滤光后，穿过准直透镜，经刀口反射镜反射后被成像物镜汇集照射在生物芯片的荧光团上；反射光路包括成像物镜、刀口反射镜、位于反射光路上的准直透镜和窄带滤光片、以及二维PSD传感器，特定团案的光斑照射到生物芯片的荧光团上后，得到的反射光斑穿过成像物镜后形成平行光束，平行光束掠过刀口反射镜刀刃刃口的部分依次穿过准直透镜和窄带滤光片后到达二维PSD传感器；二维PSD传感器连接信号处理电路，信号处理电路得到成像光斑的特征信息。

Description

一种用于基因测序仪的对焦模块及其自动对焦方法

技术领域

本发明涉及一种用于基因测序仪的对焦模块，还涉及上述对焦模块的自动对焦方法，属于光学仪器技术领域。

背景技术

光瞳遮蔽法是一种典型的对焦方法，主要用于DVD读碟系统的伺服信号生产。目前的对焦装置结构复杂，使用激光器作为照射光源，对焦速度和对焦稳定性均不高，不能满足不同基因测序中不同过程的需要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于基因测序仪的对焦模块，该对焦模块通过发出半光瞳的光束到测序的成像光路(反射光路)，从荧光团处获得反射光，并入射的二维PSD传感器上，随着荧光团在扫描过程中偏离成像光路的物面，二维PSD传感器上的信号发生变化，从而为伺服执行机构提供触发信号，并给出执行方向；本发明结构简单，易于实现，所配备的相关光学元器件均为常规元器件。

本发明还要解决的技术问题是提供上述用于基因测序仪的对焦模块的自动对焦方法，该方法提高了基因测序过程中的对焦速度，为保证高通量的测序过程提供可能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于基因测序仪的对焦模块，包括入射光路和反射光路；其中，入射光路包括LED点光源、位于LED点光源前的掩膜、位于入射光路上的窄带滤光片和准直透镜、刀口反射镜以及成像物镜，LED点光源发出的光照射在掩膜上，得到特定图案的光斑，所述特定图案的光斑经过窄带滤光片滤光后，穿过准直透镜，经刀口反射镜反射后被成像物镜汇集照射在生物芯片的荧光团上；反射光路包括成像物镜、刀口反射镜、位于反射光路上的准直透镜和窄带滤光片、以及二维PSD传感器，特定团案的光斑照射到生物芯片的荧光团上后，得到的反射光斑穿过成像物镜后形成平行光束，平行光束掠过刀口反射镜刀刃刃口的部分依次穿过准直透镜和窄带滤光片后到达二维PSD传感器；二维PSD传感器连接信号处理电路，所述信号处理电路得到所述成像光斑的特征信息。

进一步的，还包括执行机构，所述执行机构的输入端与信号处理电路连接，所述执行机构用于带动荧光团移动到成像光路的物面。

进一步的，平行光束被反射镜刀刃刃口平均分成两部分，位于刀口反射镜刀刃刃口下方的平行光束掠过刀口反射镜的刀刃刃口，位于刀口反射镜刀刃刃口上方的平行光束被刀口反射镜遮挡。

进一步的，照射到刀口反射镜上的入射光与经刀口反射镜反射后的反射光呈10°夹角，能够减少多次反射的杂光，经刀口反射镜反射后的反射光与成像物镜共轴。

进一步的，所述LED点光源发出的光的波长大于830nm，优选850nm或900nm。LED点光源的发光波长与生物芯片上荧光团的发光波长不能在相同的范围内，以避免引入不必要的背景杂光。同时，反射光路上的窄带滤光片只允许通过波长范围与荧光团波长对应的光且可过滤掉LED点光源发出的光，从而只允许荧光团所发出光透射到二维PSD传感器上。

进一步的，所述二维PSD传感器为两个，所述掩膜上的特定图案为两个小孔，两个小孔的连线与两个二维PSD传感器排布方向垂直，小孔的形状为圆形、正方形、长方形或正六边形。

进一步的，所述两个小孔的成像光斑分别投射在两个二维PSD传感器上，所述两个二维PSD传感器分别获取光斑对应的电压信息并传送给所述信号处理电路。

进一步的，所述信号处理电路通过所述电压信息计算成像光斑特征信息，所述特征信息包括能量和SUM、能量差DIFF以及偏差ERROR；

所述能量和SUM的计算方法为：

SUM＝PD1+PD2；

所述能量差DIFF的计算方法为：

DIFF＝PD1-PD2；

其中，PD1和PD2对焦良好状态下两个二维PSD传感器的电压值；

所述偏差ERROR计算方法为：

ERROR＝(PD1’-PD2’)-DIFF；

其中，PD1’和PD2’为某个瞬时对焦状态下两个二维PSD传感器的电压值。

上述用于基因测序仪的对焦模块的自动对焦方法，包括如下步骤：

步骤1，构建对焦模块，对焦模块将掩膜上特定图案的光斑投射到生物芯片的荧光团上，并通过二维PSD传感器获取荧光团反射的特定图案的光斑图像信息；

步骤2，在判定为对焦良好的位置，利用差分放大电路对二维PSD传感器输出的两个电压信号进行运算得到对焦良好状态下的特征信息，并存放在存储器里，用于主动对焦时使用；

步骤3，在测序过程中，扫描过程进行时，当荧光团移动到一个新的位置，信号处理电路会实时测量当前位置下对焦信号的特征值，并将这些实测特征值与存储器里存放的特征值比对，从而给出荧光团的偏移量，并将偏移量信息输出给执行机构，最终带动荧光团移动到当前最佳焦面。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明对焦模块通过发出半光瞳的光束到测序的成像光路(反射光路)，从荧光团处获得反射光，并入射的二维PSD传感器上，随着荧光团在扫描过程中偏离成像光路的物面，二维PSD传感器上的信号发生变化，从而为伺服执行机构提供触发信号，并给出执行方向；本发明结构简单，易于实现，所配备的相关光学元器件均为常规元器件；本发明对焦模块中的离焦量检测模块(信号处理电路)，用于基因测序过程中，给出对焦误差的信号，驱动执行机构带动荧光团快速自动找到焦面，保证整个系统的测序高通量；本发明自动对焦方法提高了基因测序过程中的对焦速度，为保证高通量的测序过程提供可能。

附图说明

图1为本发明用于基因测序仪的对焦模块的系统原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

如图1所示，用于基因测序仪的对焦模块包括入射光路和反射光路；其中，入射光路包括LED点光源1、位于LED点光源1前带特定图案的掩膜2、位于入射光路上的窄带滤光片3和准直透镜4、刀口反射镜5以及成像物镜6，LED点光源1发出的光照射在掩膜2上，得到特定图案的光斑，特定图案的光斑经过窄带滤光片3滤光后，穿过准直透镜4，经刀口反射镜5反射后被成像物镜6汇集照射在生物芯片的荧光团7上；反射光路包括成像物镜6、刀口反射镜4、位于反射光路上的准直透镜11和窄带滤光片10、以及二维PSD传感器8，特定团案的光斑照射到生物芯片的荧光团7上后，得到的反射光斑(成像光斑)穿过成像物镜6后形成平行光束，平行光束一部分被刀口反射镜5遮挡，其余部分掠过刀口反射镜5的刀刃刃口，并依次穿过准直透镜11和窄带滤光片10后到达二维PSD传感器8；二维PSD传感器8连接信号处理电路9，信号处理电路9得到成像光斑的特征信息。

本发明对焦模块包括两个二维PSD传感器8，掩膜2上的特定图案为两个小孔，这两个小孔的连线与两个二维PSD传感器8排布方向垂直，小孔的形状为圆形、正方形、长方形或正六边形。特定图案的掩膜是为了缩小系统的数值孔径，从而提高在二维PSD传感器处光线的汇聚质量，提高获取信号的均匀性和对称性。

两个小孔的成像光斑通过入射光路和反射光路后分别投射在两个二维PSD传感器8上，这两个二维PSD传感器8分别获取光斑对应的电压信息并传送给信号处理电路9。二维PSD传感器8的位置可沿垂直于成像光路光轴的方向移动，进而控制反射光斑图像在传感器上的成像位置。

本发明还包括执行机构，执行机构的输入端与信号处理电路9连接，执行机构可以带动荧光团7移动。

反射光路的平行光束被刀口反射镜5刀刃刃口平均分成两部分，位于刀口反射镜5刀刃刃口下方的平行光束掠过刀口反射镜5的刀刃刃口，位于刀口反射镜5刀刃刃口上方的平行光束被刀口反射镜5遮挡。

刀口反射镜5用其刃口将反射光线一半入射到被测样本，同时这个刃口将遮挡样本反射光路的一半，保证形成接收光路上的偏心光束。

入射光路中，照射到刀口反射镜5上的入射光与经刀口反射镜5反射后的反射光呈10。夹角，经刀口反射镜5反射后的反射光与成像物镜10共轴，此种设计可有效减少多次反射产生的杂光。

LED点光源1发出的光的波长大于830nm，优选850nm或900nm。LED点光源1的发光波长与生物芯片上荧光团7的发光波长不能在相同的范围内，以避免引入不必要的背景杂光。同时，窄带滤光片10只允许通过波长范围与荧光团波长对应的光且可过滤掉LED点光源发出的光，从而只允许荧光团所发出光投射到PSD传感器上。

信号处理电路9通过电压信息计算成像光斑特征信息，其中特征信息包括能量和SUM、能量差DIFF以及偏差ERROR，

能量和SUM的计算方法为：

SUM＝PDi+PD2；

能量差DIFF的计算方法为：

DIFF＝PD1-PD2；

其中，PD1和PD2对焦良好状态下两个二维PSD传感器的电压值；

偏差ERROR计算方法为：

ERROR＝(PD1’-PD2’)-DIFF；ERROR值表征了工作状态时两个二维PSD传感器的差值偏离DIFF值的量，它给出了执行机构的调焦量和方向。

其中，PD1’和PD2’为某个瞬时对焦状态下两个二维PSD传感器的电压值。

本发明对焦模块自动对焦方法，包括如下步骤：

首先，将系统调整到对焦良好状态，并将SUM、DIFF作为初始参考量记录在系统的控制电路中，其中SUM＝PD1+PD2，DIFF＝PD1-PD2(PD1、PD2分别为对焦良好状态时，两个二维PSD传感器的输出电压)；

信号处理电路驱动执行机构，从而带动荧光团沿着测序仪成像光路(反射光路)的光轴方向来回移动，并记录每一个瞬时状态时两个二维PSD传感器输出电压PD1’和PD2’，当出现ERROR＝(PD1’-PD2’)-DIFF最大时，停止调试，并保持该状态下的光路，同时将这些值记录到信号处理电路内的缓存器里，以备后续使用；

当系统实际运行时，随着扫面平台的移动，不同区域荧光团移动(转动)到成像光路的物面，由于机构的累计误差，荧光团在移动中会出现偏离成像光路物面的情况，偏离后会导致成像光路得到的图像模糊，造成信号失效，此时信号处理电路通过计算可得出荧光团的偏离量，并驱动执行机构，移动荧光团的位置到达成像光路的物面，从而提供清晰的图像给后续处理。

本发明对焦模块将刀口反射镜5共用于入射光路和反射光路，并且使用LED替代激光器，可延长该装置的使用寿命。本发明使用测量距离的方法来对焦，比图像处理的速度提高很多，对焦时间能够从200ms缩短至80ms，时间缩短了60％。本发明的自动对焦方法具有对焦速度快、对焦精度高、线性范围大的优先，可满足基因测序实现过程中的快速、精确对焦的要求。

Claims (9)

1.一种用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：包括入射光路和反射光路；其中，入射光路包括LED点光源、位于LED点光源前的掩膜、位于入射光路上的窄带滤光片和准直透镜、刀口反射镜以及成像物镜，LED点光源发出的光照射在掩膜上，得到特定图案的光斑，所述特定图案的光斑经过窄带滤光片滤光后，穿过准直透镜，经刀口反射镜反射后被成像物镜汇集照射在生物芯片的荧光团上；反射光路包括成像物镜、刀口反射镜、位于反射光路上的准直透镜和窄带滤光片、以及二维PSD传感器，特定团案的光斑照射到生物芯片的荧光团上后，得到的反射光斑穿过成像物镜后形成平行光束，所述平行光束掠过刀口反射镜刀刃刃口的部分依次穿过准直透镜和窄带滤光片后到达二维PSD传感器；二维PSD传感器连接信号处理电路，所述信号处理电路得到所述成像光斑的特征信息。

2.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：还包括执行机构，所述执行机构的输入端与信号处理电路连接，所述执行机构带动荧光团移动。

3.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：所述平行光束被反射镜刀刃刃口平均分成两部分，位于刀口反射镜刀刃刃口下方的平行光束掠过刀口反射镜的刀刃刃口，位于刀口反射镜刀刃刃口上方的平行光束被刀口反射镜遮挡。

4.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：照射到刀口反射镜上的入射光与经刀口反射镜反射后的反射光呈10°夹角，经刀口反射镜反射后的反射光与成像物镜共轴。

5.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：所述LED点光源的发光波长大于830nm。

6.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：所述二维PSD传感器为两个，所述掩膜上的特定图案为两个小孔，两个小孔的连线与两个二维PSD传感器排布方向垂直。

7.根据权利要求6所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：所述两个小孔的成像光斑分别投射在两个二维PSD传感器上，所述两个二维PSD传感器分别获取光斑对应的电压信息并传送给信号处理电路。

8.根据权利要求7所述的用于基因测序仪的对焦模块，其特征在于：所述信号处理电路通过所述电压信息计算成像光斑特征信息，所述特征信息包括能量和SUM、能量差DIFF以及偏差ERROR；

所述能量和SUM的计算方法为：

SUM＝PD1+PD2；

所述能量差DIFF的计算方法为：

DIFF＝PD1-PD2；

其中，PD1和PD2对焦良好状态下两个二维PSD传感器的电压值；

所述偏差ERROR计算方法为：

ERROR＝(PD1’-PD2’)-DIFF；

其中，PD1’和PD2’为某个瞬时对焦状态下两个二维PSD传感器的电压值。

9.一种权利要求1所述用于基因测序仪的对焦模块的自动对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，构建对焦模块，对焦模块将掩膜上特定图案的光斑投射到生物芯片的荧光团上，并通过二维PSD传感器获取荧光团反射的特定图案的光斑图像信息；

步骤2，在判定为对焦良好的位置，利用差分放大电路对二维PSD传感器输出的两个电压信号进行运算得到对焦良好状态下的特征信息，并存放在存储器里，用于主动对焦时使用；

步骤3，在测序过程中，扫描过程进行时，当荧光团移动到一个新的位置，信号处理电路会实时测量当前位置下对焦信号的特征值，并将这些实测特征值与存储器里存放的特征值比对，从而给出荧光团的偏移量，并将偏移量信息输出给执行机构，最终带动荧光团移动到当前最佳焦面。