CN108780217A - 相机组合件及用于安装相机组合件的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于实施用于分子生物学或遗传学应用的快速固定焦距透镜成像系统的技术及系统。特定来说，本发明提供用于允许在组装期间以最小量的调整精确对准此类成像系统的光学及成像组件的技术及结构。

Description

相机组合件及用于安装相机组合件的系统

相关申请案的交叉参考

本申请案依据35 U.S.C.§119(e)主张2016年3月11日提出申请的第62/307,214号申请中的美国临时专利申请案且依据35 U.S.C.§120主张2017年3月3日提出申请的第15/449,786号美国临时申请案的优先权权益，所述两个申请案特此出于所有目的而以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体来说涉及用于分子生物学或遗传学应用的成像系统，且特定来说涉及利用适合于供在将凝胶或印迹成像中使用的具有大的孔径的高速透镜的成像系统。

背景技术

用于分子生物学及遗传学应用的成像系统通常提供光学放大系统(例如，一或多个透镜)，其在与成像传感器的成像平面大体对准的聚焦平面上产生图像。此类成像传感器通常由其相应制造商作为独立式相机单元进行销售，其中成像传感器、相关联电子器件及冷却系统装纳于壳体内。壳体通常具螺纹透镜安装特征，且成像传感器的中心通常居中于螺纹透镜座架的中心且经定位使得透镜的可连接到透镜座架的聚焦平面可与传感器的成像板大体对准。一或多个安装特征通常位于壳体的外部表面上以允许将相机单元安装到(举例来说)三脚架或其它支撑结构。

此类成像系统通常经配置以在样本载台上接纳样本，例如，凝胶、印迹或其它大体平面样品。透镜/相机单元系统通常经配置以便使透镜聚焦于样本载台上以捕获样本的图像。

发明内容

本发明人已构想用于分子生物学或遗传学分析的成像系统，其利用具有大孔径(例如，具有小于或等于1.4的F数值)的固定焦距透镜(意味着此类透镜具有小于或等于透镜的有效孔径的焦距)来在包含非常低的照明条件下捕获图像。在如此做的进程中，本发明人确定市售相机单元需要广泛安装后调整以便校正通常将在变焦透镜成像系统或其它较小孔径相机系统中具有很少影响或不具有影响的相对微小不对准。此类较小孔径成像系统具有大的场深度，且因此透镜中心轴线、成像传感器成像平面及样本载台之间的微小不对准是不明显的，因为大的场深度可承受任何此类错误。本发明人已确定，透镜中心轴线、成像传感器成像平面及样本载台之间的甚至小的不对准可在快速透镜成像系统中产生不可接受的图像失真，这归因于此类透镜的非常浅的场深度。因此，本发明人已构想可在此类快速透镜成像系统中用于提供高精度放置需要最小量的安装后调整以便恰当地聚焦成像系统的光学及图像捕获组件的若干种技术及设备。

在分子生物学及遗传学分析应用中，生物样本可经受其中所述样本的组成物被呈某一形式的大体平面介质(例如，凝胶或印迹)反射的数种技术中的任一者。举例来说，特定样本中的分子可使用例如电泳等技术在凝胶内分离。通过施加电场，可致使样本的分子跨平面凝胶迁移；较大/较重分子将比较小/较轻分子跨凝胶移动缓慢，这导致分子跨越凝胶的基于大小的空间分散。例如分子电荷等其它因素也可影响分子跨凝胶的移动且因此影响分子的空间分散。一旦被分散，分子可任选地被转移到印迹薄膜或纸张以形成印迹。经空间分散分子可然后通过添加标记试剂/化合物或者结合到所关注分子的试剂/化合物而被标记，且所得经标记凝胶或印迹可经成像以获得对存在于样本中的各种分子的量的量化估计。在一些例子中，此量化可涉及测量由经标记分子发射的特定波长的光量，此光可归因于荧光，其中凝胶或印迹被暴露于特定波长的光，这刺激来自标记化合物的光电发射：生物发光(其中标记化合物可为生物性发光化合物)及化学发光(其中标记化合物可在与目标分子进行化学反应期间产生光)。本发明人开发出例如上文所描述的那些系统的成像系统，其可用于获得凝胶或印迹的图像以便量化此类样本中的分子构成；所讨论的成像系统可利用如下文所论述的高速透镜，以便充分地捕获基于发光的方法中所发射的发光(基于化学发光的方法中的发光量可为相当小的，例如，人眼不可见)。此类成像系统还可用于非发光方法，例如，染色或类似技术。

在一些实施方案中，可提供用于分子生物学或遗传学分析的成像系统。所述成像系统可包含线性平移机构，其包含：一或多个线性导引件；滑架，其经配置以沿着所述线性导引件沿着第一轴线平移；及第一机械界面特征，其位于所述滑架上。所述成像系统还可包含相机单元，所述相机单元包含相机筒管。所述相机筒管又可具有位于所述相机筒管内的内部容积、具有透镜座架平面的透镜安装特征及位于所述相机单元的外部上的第二机械界面特征。所述相机筒管还可包含位于所述相机筒管的所述内部容积内的成像传感器。在此类实施方案中，所述成像传感器可具有布置成平行于所述透镜座架平面的平面阵列的多个光敏像素，所述第一机械界面特征与所述第二机械界面特征可相互作用以便相对于所述滑架将所述相机单元固定于适当位置中，使得所述第一轴线垂直于光敏像素的所述平面阵列，且所述滑架与所述相机单元之间可不存在位置调整机构。

在一些此类实施方案中，所述相机单元可包含面向所述滑架的面向滑架的表面以及第一凸起凸台及第二凸起凸台。所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台可从所述面向滑架的表面突出，且所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台可形成所述第二机械界面特征的一部分。在此类实施方案中，所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台两者均可与所述滑架压缩接触，且所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台可经机械加工以便相对于法向于光敏像素的所述平面阵列的轴线具有±0.02度的容限且相对于彼此具有±0.03mm的平坦度容限。

在一些进一步或替代实施方案中，所述成像系统可进一步包含固定焦距透镜，其具有f数值为至少1.4或更低的孔径，所述固定焦距透镜可安装到所述透镜安装特征。

在一些进一步或替代实施方案中，所述成像系统可包含至少两个对准轴。在此类实施方案中，所述第一机械界面特征可包含至少两个第一对准孔，每一第一对准孔经定大小以接纳对应对准轴，且所述第二机械界面特征可包含至少两个第二对准孔，每一第二对准孔的位置对应于所述第一对准孔中的一者且经定大小以接纳所述对应第一对准孔的所述对应对准轴。

在一些进一步此类实施方案中，所述对准轴可呈具有螺纹部分及凸肩部分的带肩螺钉的形式，所述凸肩部分具有大于所述螺纹部分的直径，所述第二对准孔可为经定大小以接纳所述对应对准轴的所述螺纹部分的螺纹孔，且所述第一对准孔可经定大小为具有与所述对应对准轴的所述凸肩部分相同的直径(或其直径比所述对应对准轴的所述凸肩部分的直径大介于0与0.0005英寸之间)。

在一些进一步或替代实施方案中，所述成像系统可包含安装夹具。在此类实施方案中，所述相机筒管可具有具中心轴线的圆柱形外表面，且所述圆柱形外表面可包含围绕所述相机筒管的外圆周延伸的多个间隔开的圆周凹槽。在此类实施方案中，所述相机筒管还可包含平行于所述中心轴线且界定所述圆柱形外表面的弦长的安装夹具表面，所述安装夹具表面可包含至少两个第一夹具对准特征，所述安装夹具可包含至少两个第二夹具对准特征以及所述第二机械界面特征，所述第一夹具对准特征与所述第二夹具对准特征可互锁以便相对于所述安装夹具将所述相机筒管固定于适当位置中，且所述相机筒管与所述安装夹具之间可不存在位置调整机构。

在一些进一步此类实施方案中，所述成像系统可进一步包含密封板。在此类实施方案中，所述成像传感器可安装到成像印刷电路板(PCB)，所述成像PCB包含多个导电销，所述多个导电销从所述成像PCB的一侧在所述成像PCB的与所述成像传感器相对的侧上突出，所述密封板可具有一或多个通孔，且每一导电销可突出穿过所述通孔中的一者。所述相机筒管还可包含位于所述内部容积内的搁架表面，所述密封板搁置于所述搁架表面上；所述搁架表面可在±0.25度的容限内垂直于所述安装夹具表面。

在一些进一步或替代此类实施方案中，所述安装夹具可进一步包含：面向滑架的表面，其面向所述滑架；第一凸起凸台及第二凸起凸台，所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台从所述面向滑架的表面突出；及面向筒管的表面，其面向所述相机筒管。在此类实施方案中，所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台可形成所述第二机械界面特征的一部分且两者均与所述滑架压缩接触。在此类实施方案中，所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台可经机械加工以便相对于所述面向筒管的表面具有±0.5度的容限且相对于彼此具有±0.5度的容限。

在一些进一步或替代此类实施方案中，所述圆柱形外表面可包含多个狭槽，每一狭槽沿着具有平行于所述中心轴线的分量的方向延伸，具有在所述圆周凹槽的平均深度的±6％内的深度，且与所述圆周凹槽中的所述圆周凹槽中的每一者相交。在一些此类实施方案中，每一狭槽可沿着平行于所述中心轴线的方向延伸。

在一些进一步或替代实施方案中，所述透镜安装特征可为所述相机筒管的一部分。

在一些额外或替代实施方案中，所述透镜安装特征可位于邻近于所述相机筒管定位的板中，三个调整螺钉可经定位使得每一调整螺钉的螺纹部分旋紧到位于所述板中或所述相机筒管中的对应螺纹孔中，且每一调整螺钉的支承表面与所述板或所述相机筒管中的另一者的支承表面接触，且所述板可通过压缩机构抵靠所述相机筒管被固持使得所述调整螺钉被以压缩方式加负载。

在一些额外或替代实施方案中，所述成像系统可进一步包含界定充气室容积的外壳。在此类实施方案中，所述相机单元可位于所述充气室容积内，所述外壳可包含第一端口及第二端口，且所述相机单元可插入于所述第一端口与所述第二端口之间。在此类实施方案中，所述第一端口可经配置以连接所述充气室容积与对流式冷却系统源，且所述第二端口可经配置以连接所述充气室与对流式冷却系统排气口。

在一些此类实施方案中，所述成像系统还可包含：柔性冷却导管，其与所述第一端口流体地连接；及柔性排气导管，其与所述第二端口流体地连接。

在一些替代或进一步此类实施方案中，所述外壳可具有具多个U形狭槽的一侧，所述多个U形狭槽是沿垂直于所述侧的边缘的方向铣削出，在接近于所述第一机械界面特征及所述第二机械界面特征处可存在多个U形凸台多个U形，且所述U形凸台与所述U形狭槽可互相咬合以相对于所述相机单元定位所述外壳。

在一些替代或进一步此类实施方案中，所述成像系统可进一步包含反射器组合件，所述反射器组合件包含具有相对所述第一轴线以45°±0.5°布置的反射表面的镜。

在一些替代或进一步此类实施方案中，所述成像系统还可包含具有平面样本表面的样本载台，所述样本载台定位于所述反射器组合件下方且经定向使得所述平面样本表面平行于所述第一轴线。

附图说明

所包含图式是出于说明性目的且仅用于提供用于本文中所揭示的概念的可能结构的实例。这些图式绝不限制可由所属领域的技术人员在不背离所揭示实施例的精神及范围的情况下做出的对形式及细节的任何改变。

图1描绘根据本文中所论述的一些实施方案的成像系统的实例的偏角视图。

图2描绘图1的成像系统的侧视图。

图3、4及5描绘实例性线性平移机构的简化表示。

图6描绘图1的成像系统的子部分的等轴分解图。

图7描绘图6的成像系统的子部分的未分解等轴视图。

图8描绘根据本文中所论述的一些实施方案的实例性相机单元的等轴视图。

图9描绘图8的实例性相机单元的另一等轴视图。

图10描绘图8的实例性相机单元的后视图。

图11描绘图8的实例性相机单元的前视图。

图12描绘图8的实例性相机单元的俯视图。

图13描绘图8的实例性相机单元的侧视图。

图14描绘图8的实例性相机单元的截面图。

图15描绘图8的相机单元的等轴分解图。

图16描绘图8的相机单元的另一等轴分解图。

图17描绘可用于将图8的实例性相机单元精确安装于图1的成像系统内的安装夹具的实例的等轴视图。

图18描绘图17的实例性安装夹具的另一等轴视图。

图19描绘图6中所展示的成像系统的子部分的截面图。

图20描绘图6中所展示的成像系统的子部分的另一截面图。

遍及图式，除非文本或图另外陈述或暗示，否则相同参考编号及字符或共用相同最后两个数字的参考编号用于表示所图解说明实施例的相似特征、元件、组件或部分。此外，虽然现在将参考图式详细地描述本文中的概念，但所述描述是结合说明性实施例进行。打算可在不背离如所附权利要求书所定义的所揭示标的物的真实范围及精神的情况下对所描述实施例做出改变及修改。

具体实施方式

现在将参考附图描述本文中所论述的概念的特定示范性实施例。然而，这些概念可以许多不同形式体现，且不应视为限于本文中所陈述的实施例。相反地，提供这些实施例使得本发明将是透彻及完整的，且将向所属领域的技术人员完全地传达本文中所揭示的概念的范围。

将理解，当将一元件称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到所述另一元件，或可存在介入元件；术语“耦合”还可指两个元件经由连续结构耦合，例如，单个经模制零件可具有与“主体”耦合的“突片”。此外，如本文中所使用的“连接”或“耦合”可包含无线连接或耦合。将理解，尽管本文中使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。如本文中所使用，术语“及/或”包含相关联所列物项中的一或多者的任何及所有组合。符号“/”也用作“及/或”的速记表示。

如上文所提及，本发明人已开发快速透镜成像系统。如本文中所使用，术语“快速透镜”指具有小于或等于1.4的f数值的透镜，这意味着其焦距小于或等于此类透镜的透镜孔径直径。在其开发中，本发明人确定典型成像系统范例(即，购买具有容纳于具有透镜座架的壳体内的CCD的库存相机单元且然后将所述库存相机单元安装到成像系统中)导致需要对相机单元的广泛安装后调整以便恰当地聚焦及校准成像系统的组装。如此，本发明人确定用于相机单元设计的新方法将是有益的，因为将可能大幅度减少或在一些情形中完全消除此类系统中的相机单元对准及/或定位调整。

图1描绘根据本文中所论述的一些实施方案的成像系统的实例的偏角视图。在图1中，成像系统100包含若干个组件，包含：样本载台155，其具有平面样本表面156；反射器组合件152，其具有镜153，所述镜具有相对于平面样本表面156及/或第一轴线104以45°角±0.5°或±0.25°定向的反射表面154；及成像子组合件，其包含容纳相机单元(图1中未展示)的外壳141。所述成像子组合件还可包含线性平移机构，所述线性平移机构可包含滑架103，所述滑架经配置以例如通过沿着线性导引件102滑动而沿着第一轴线104线性地平移(也提供第二线性导引件102，尽管由于其位于成像系统100的后侧而在图1中不可见)。线性致动器或驱动件可提供用于使滑架103沿着第一轴线104平移的机构。

图2描绘图1的成像系统的侧视图。如可看出，还存在垂直导引件165，线性导引件102可沿着所述垂直导引件滑动以便使线性导引件102上升或降低。可相对于第一轴线104以一角度定向的狭槽式轨道167可与滑架103上的辊166啮合，使得当线性导引件102例如通过线性致动器被垂直地升高及降低或通过电机(未展示)被以滚珠螺杆方式驱动时，狭槽式轨道167致使滑架103(及其内具有相机单元的所附接外壳141)沿着线性导引件102沿水平方向平移。图3、4及5描绘实例性线性平移机构(类似于图2中所展示的线性平移机构)的简化表示，其展示此双轴平移(滚珠螺杆致动器173可沿着一组垂直导引件上下驱动水平线性导引件；同时，倾斜狭槽式轨道可与滑架上的辊啮合，这致使滑架在水平线性导引件被降低时向右平移且在所述线性导引件被升高时向左平移)。以此方式，滑架103可仅使用一个驱动组件同时移动成较接近于样本载台155及反射器组合件152(其也随线性导引件102移动)。在其它实施方案中，单独的独立驱动件可用于提供此双轴平移。在又一些实施方案中，单轴平移机构可用于提供仅单轴平移，例如，在成像系统100中情形可如此，所述成像系统不利用反射器组合件152而是替代地具有直接指向样本载台155的相机单元。

图6描绘图1的成像系统的子部分的等轴分解图。图7描绘图6的成像系统的子部分的未分解等轴视图。如图6中可看出，外壳141包含相机单元107、第一端口144及第二端口145。相机单元107可位于外壳141的充气室容积143内；外壳141还可包含外壳盖142，所述外壳盖可封闭外壳141的一或多个开口面以便形成相机单元107可装纳于其内的大体围封容积。第一端口144及第二端口145可用于输送冷却流体(例如，空气)穿过外壳141。举例来说，第一端口144可通过柔性冷却导管148(展示于图1中)与对流式冷却系统源146(未展示，但来自源的流在图1中由箭头146指示)(例如，设施干燥空气源、进气口、风扇或鼓风机单元(以将空气推送穿过外壳)等)连接，且第二端口145可与对流式冷却系统排气口(例如，通向周围环境中的出口、风扇或抽吸单元(以将空气推送穿过外壳141)或者其它类型的排气口(柔性排气导管及排气系统，虽然未展示，但通常类似于上文所论述的与冷却相关的组件))连接。以此方式流动穿过外壳的冷却流体可围绕相机单元107流动，其中其可以对流方式冷却相机单元107，然后经由第二端口145离开外壳141。

外壳141还可任选地具有允许外壳141与相机单元107上的特征介接的特征，例如外壳141的侧面151中的U形狭槽150。

相机单元107可包含相机筒管108及相机电子器件157。相机单元107还可任选地包含板137、窗口夹持器164(其可固持窗口，未单独指示，位于适当位置中)及安装夹具127。

图8描绘根据本文中所论述的一些实施方案的实例性相机单元的等轴视图。图9描绘图8的实例性相机单元的另一等轴视图。如可看出，相机单元107包含具有圆柱形外表面124的相机筒管108。圆柱形外表面124可具有延伸到其中的若干个间隔开的圆周凹槽126(在此情形中，存在多于12个此类凹槽，尽管其它实施方案可具有少至5个凹槽或多达30个凹槽)以及狭槽136(在此实例中，存在总共20个此类狭槽，尽管其它实施方案可具有少至4个狭槽或多达28个狭槽；发现在所描绘设计中添加此类狭槽会增加冷却速率，使得存在暗电流的对应20％到25％下降，这直接影响成像传感器中的噪声电平；在低照明条件下，此类性能改善可产生显著较高质量的数据)。这些凹槽及狭槽可界定可促进相机单元107的对流式冷却的大量(例如，约200个)环扇形冷却片。将理解，虽然狭槽136被展示为沿着平行于圆柱形外表面的中心轴线的方向延伸，但狭槽136可替代地沿着圆柱形外表面124沿着螺旋形路径延伸(较类似于钻头的螺旋槽)，尽管此布置的制造成本可能较高。在一些实施方案中，狭槽136的深度可在圆周凹槽126的深度的±6％内。除此类特征外，相机筒管108还可包含安装夹具表面128，其可经机械加工以成为圆柱形外表面124的弦状表面。安装夹具表面128可包含可用于以高精度方式相对于相机筒管108定位配合部分的第一夹具对准特征129，例如，用于接纳配合部分上的定位销的两个精确机械孔。安装夹具表面128还可形成第一夹具对准特征129的一部分，例如，安装夹具表面128可经机械加工为高精度，以便确保其与相机筒管108的中心轴线125处于±0.02度平行内。通过使安装夹具表面128凹入到圆柱形外表面124中，整个相机筒管108可由一件圆柱形坯料(例如，铝合金圆形坯料)以经济方式经机械加工而成。

相机单元107还可包含板137，所述板可包含透镜安装特征110，所述透镜安装特征可为螺纹透镜座架或其它标准透镜座架界面。透镜安装特征110可固有地界定透镜座架平面111以及潜在地界定中心轴线125。透镜座架平面111垂直于安装到透镜安装特征110的任一种透镜(例如，例如透镜171(参见图6及7))的光学中心线，且中心轴线125可与安装于透镜安装特征110中的任一种透镜的光学中心线对准。大体来说，透镜座架平面111平行于为相机单元107的成像传感器(此视图中未展示，但在稍后视图中可见)的一部分的光敏像素的平面阵列。板137及因此透镜安装特征110可与相机筒管108分开，以便允许精细调谐透镜光学中心线与中心轴线125的对准。举例来说，相机筒管108可包含两个或三个调整螺钉，其可用于增加或减小板137与相机筒管108之间在各种位置处的距离，借此改变板137与相机筒管108面向板137的表面之间的相对角度。如果仅使用两个调整螺钉，那么可通过固定长度销或其它非可调整触点提供第三触点及因此提供稳定性。板137可通过例如由压缩机构140(例如旋紧到相机筒管108中的一组螺钉，如图8中所展示(稍后的图中指示调整螺钉))施加于板137上的压缩负载被按压成与此类调整螺钉(及固定长度触点，如果使用的话)接触。在一些实施方案中，如果在对相机筒管108进行机械加工时使用充分精度，那么可将透镜安装特征110直接机械加工到相机筒管108的表面中而不需要调整机构或板137。

如图9中可看出，相机筒管108可具有内部容积109，其经定大小以接纳相机电子器件157(相机电子器件157的输入/输出(I/O)印刷电路板(PCB)161在此处可见)。内部容积109可如所展示为圆柱形的，以便使制造成本保持低，其它内部容积横截面形状也是可能的，例如，正方形横截面，但此类形状可引入额外制造复杂性而具有很少或不具有性能益处。

以下图提供相机单元107的额外视图。图10描绘图8的实例性相机单元的后视图。图11描绘图8的实例性相机单元的前视图。图12描绘图8的实例性相机单元的俯视图。图13描绘图8的实例性相机单元的侧视图。

如图10中可看出，存在三个调整螺钉138，在此情形中，为球形尖端螺钉或圆形尖端螺钉、凹头固定螺钉，其与板137啮合以便允许精确调谐及最终安装于透镜安装特征110中的透镜的光学中心线与中心轴线125的对准。

图14描绘图8的实例性相机单元的截面图。在图14中，额外细节是可见的，例如相机电子器件157，其可包含一系列PCB，例如I/O PCB 161、隔板式PCB 160及成像PCB 159。I/O PCB 161可充当相机单元107与其它外部硬件(例如电力供应器及/或个人计算机(未展示))之间的界面。隔板式PCB 160可与密封板132组合以提供可封闭相机筒管108的内部容积109的一部分的经气密密封隔板。具有光敏像素的平面阵列113的成像传感器112可位于内部容积109的此经封闭部分内；所述经封闭部分中的周围大气空气可在产品加工期间被清除且被填充氩气或其它低导热率惰性气体以防止成像传感器112或相机单元107的其它表面上的冷凝。成像传感器112可电连接到成像PCB 159，所述成像PCB可通过一系列长导电销131或插座与销组合件(如所展示)与隔板式PCB160电连通。此类导电销可在穿过隔板式PCB 160中的焊料连接孔之前穿过经机械加工或以其它方式形成于密封板132中的通孔133，其中每一销可焊接到隔板式PCB 160。隔板式PCB 160可接合到或简单地压靠密封板132及一或多个压缩密封件(例如，o形环(例如在密封板132的外周界附近可见))以便提供空气密封。穿过隔板式PCB 160的穿透可借助于导电销131接合到隔板式PCB 160的焊料来密封。可由铝或其它相当高导热率材料机械加工而成的密封板132还可提供传导热流路径以将由成像传感器112产生的热传导到相机筒管108，其中所述热可通过流过由圆周凹槽126及狭槽136提供的冷却片的冷却流体以对流方式移除。热管158及热电冷却器(TEC)174可将由成像传感器112产生的热从成像传感器112推送且使此热以大体均匀方式跨越密封板132分散以便增加从成像传感器112到密封板132的热流。

相机筒管108可具有孔口，成像传感器112可通过所述孔口暴露于光；此孔口可由窗口162密封，所述窗口可对一或多个波长的光是透明的，且在许多情形中，可对大多数或所有波长的光是光学透明的。窗口162可通过窗口夹持器164固持在适当位置中，且通过窗口密封件163抵靠相机筒管108被密封。

图15描绘图8的相机单元的等轴分解图。图16描绘图8的相机单元的另一等轴分解图。如可看出，相机单元107经构造使得在第一安装夹具表面128与成像传感器112之间存在相对少的组件。在此特定实例中，成像传感器112搁置于热管158的顶部上，所述热管又与TEC 174接触，所述TEC又充当热泵且致使热从成像传感器112流动到密封板132中，所述密封板然后使用数个螺钉夹紧到搁架表面135(参见图16)，从而允许将热传导到相机筒管108中。这些界面与第一安装夹具表面128之间仅剩余的组件是相机筒管108自身。在一些实施方案中，搁架表面135可在±0.25度内垂直于安装夹具表面128以促进成像传感器与透镜座架特征的对准。如果成像传感器112/密封板132组合件经构造及组装以便精确地对准平面阵列113以便平行于密封板132的与搁架表面135介接的环形外表面(这可在组装相机单元107的其余部分之前使用夹具/卡具完成)，那么仅两个表面(安装夹具表面128及搁架表面135)需要在高容限内相对于彼此固持以便确保安装夹具127与光敏像素的平面阵列113充分对准。

图17描绘可用于将图8的实例性相机单元精确安装于图1的成像系统内的安装夹具的实例的等轴视图。图18描绘图17的实例性安装夹具的另一等轴视图。如从展示安装夹具127的在安装时面向相机筒管108的侧面的图17可看出，安装夹具127可(举例来说)具有基座168(例如，平板)，所述基座包含在面向筒管的表面172中终止的凸起部分169，所述面向筒管的表面在将安装夹具127与相机筒管108组装在一起时接触安装夹具表面128。面向筒管的表面172可包含第二夹具对准特征130，在此实例中，所述第二夹具对准特征包含已插入或按压到安装夹具127中的对应孔中的两个精确研磨定位销。第二夹具对准特征130可与为安装夹具表面128的一部分的第一夹具对准特征129互锁以便相对于相机筒管108定向安装夹具127。所述基座还可包含一或多个安装突片170，所述安装突片可包含例如螺纹孔或螺母板等特征以允许外壳141使用(举例来说)螺钉与安装夹具127连接。

安装夹具127还可包含用于安装及对准安装夹具127(及所附接相机筒管108)到滑架103的特征。举例来说，在图18中，可看到安装夹具127的面向滑架的表面114。举例来说，所述滑架可包含第一机械界面特征(此处未展示，但参见图19)，举例来说，所述第一机械界面特征具有可与第二机械界面特征106介接的多个第一对准孔，在此实例性实施方案中，所述第二机械界面特征包含两个第二对准孔120。在此实例中，第二对准孔120是螺纹式的，以便能够接纳带肩螺钉或其它精确研磨轴，尽管第二对准孔120还可为平滑壁式的，以便能够接纳与较早所论述的实例性第二夹具对准特征130中所使用的销类似的研磨销。

如可看出，面向滑架的表面114可包含数个凸起凸台，例如，第一凸起凸台115、第二凸起凸台1AA16及第三凸起凸台117。在此实例中为U形的这些凸起凸台可不仅提供滑架103与安装夹具127的基座168之间的间隙借此允许(举例来说)外壳141的具有U形狭槽的壁(在此实例中)夹在安装夹具127与滑架103之间，而且还可充当较低成本界面以确保滑架103与相机单元107之间的恰当对准。举例来说，第三凸起凸台117可经机械加工使得其稍低于第一凸起凸台115或第二凸起凸台116(甚至在考虑到制造容限的情况下)，借此仅致使第一凸起凸台115及第二凸起凸台116与滑架103接触，而第三凸起凸台117可与滑架分离开小的间隙。举例来说，第三凸起凸台还可包含如此实例中所描绘的第二对准孔120，尽管在其它实施方案中，此类第二对准孔120可位于第一凸起凸台115及/或第二凸起凸台116中，且可完全省略第三凸起凸台。因此，在此实施方案中，安装夹具将通过第二对准孔120位于X及Y方向上(正交于第二对准孔120的中心轴线的方向)且通过滑架103与第一凸起凸台115及第二凸起凸台116之间的接触位于Z方向上。此外，滑架103上的第一对准孔与第二对准孔120之间的界面将防止相机单元107围绕Z轴旋转移动，且滑架103与第一凸起凸台115及第二凸起凸台116之间的接触将防止相机单元107围绕X轴及Y轴旋转移动。在一些实施方案中，第一凸起凸台115及第二凸起凸台116可经制造以便在组装成完整相机组合件时相对于中心轴线125具有±0.02度的容限且相对于彼此具有±0.03mm的平坦度容限。

虽然第一凸起凸台115、第二凸起凸台116及第三凸起凸台117是任选的(例如，其可被省略且每一凸起凸台中的特征替代地直接位于面向滑架的表面114中)，但如果不包含凸起凸台特征那么整个面向滑架的表面114可需要被机械加工为高平坦度，这可能会昂贵得多。如果安装夹具如所展示构造(即，具有凸起凸台)，那么仅第一凸起凸台115及第二凸起凸台116可需要相对于面向筒管的表面172被机械加工为精确容限以确保滑架103与相机单元107之间关于X及Y轴的恰当旋转对准。这在机械加工及对经机械加工特征的稍后计量/检验两方面来说会降低成本。

图19描绘图6中所展示的成像系统的子部分的截面图。图20描绘图6中所展示的成像系统的子部分的另一截面图。图19描绘穿过中心轴线125的截面，而图20描绘穿过第一凸起凸台115的截面。

如可看出，滑架103可包含第一机械界面，所述第一机械界面包含多个第一对准孔119，在此实例中，提供三个第一对准孔119，但仅使用两个第一对准孔，其余第一对准孔(未指示，但可见)可视需要用于其它相机单元安装配置中。还可见安装夹具127，其可包含第二机械界面及其特征，例如，第二对准孔120，其在此实例中是螺纹孔。所述第一机械界面或所述第二机械界面可包含与另一机械界面中的对应特征互锁的特征，例如，对准轴118可为一个机械界面的一部分且与另一机械界面的特征互锁。

在所描绘实施方案中，对准轴118由带肩螺钉121提供，所述带肩螺钉可具有精确研磨凸肩部分123以及螺纹部分122。每一带肩螺钉121的螺纹部分122可与螺纹第二对准孔120啮合以便相对于安装夹具127将带肩螺钉121固定于适当位置中。如较早所述，第三凸起凸台117可与滑架103分开小的间隙，例如，例如在位置“A”处(间隙是相当小的，例如，几千分之一英寸，且在所描绘尺度下实际上不可辨别)，其是与以下情形相比来说：位置“B”，其中安装夹具127被抵靠相机筒管108的安装夹具表面128压缩；及位置“C”，其中面向筒管的表面172被抵靠安装夹具表面128压缩，即，不存在间隙。如可看出，带肩螺钉121相比于充当压缩部件可更适于充当销，因为螺钉头并非直接支承于滑架103上，直接支承于滑架103上可潜在地致使安装夹具127挠曲，这会导致相机单元107与滑架103之间的不对准。

上文所论述的实施方案中所体现的各种概念可以各种方式实践或实施，以便实现本发明人所构想的成像系统。举例来说，如先前所提及，单独板137可是不必要的，且一些实施方案的特征可为相机筒管108将透镜安装特征110直接并入到相机筒管108中，这与允许相对于相机筒管108调整透镜安装特征110的单独板137的情形相反。在一些其它或额外实施方案中，可省略安装夹具127，且安装夹具127的一些或所有特征可直接被机械加工到相机筒管108中。此方法可消除需要严格容限以便恰当地对准相机单元与滑架的接触界面中的一者，但可同时由于较复杂零件形状而需要额外机械加工及/或较大起始材料。举例来说，本文中所论述的实例性实施方案中所描绘的相机筒管108可由直径与相机筒管108相同的一件圆形坯料机械加工而成。然而，如果由安装夹具127提供的特征是被直接集成到相机筒管108中，那么以一件较大直径圆形坯料开始将是必要的，以容纳安装夹具的突出超过圆柱形外表面124的限制的部分。

相机筒管108、安装夹具127、板137及密封板132可由任何适合材料(例如，铝合金)制造。各种其它组件(例如螺钉及线性导引件)可由钢或其它适合材料(例如，高硬度及高强度材料)制造。

大体来说，本文中所描述的相机筒管/安装夹具/滑架界面可是特别显著的，这归因于有意省略将允许调整这些组件相对于彼此的精确定位及对准的任何位置调整机构。简言之，这些组件可以仅一种固定配置组装，借此通消除潜在耗时的调整步骤而简化组装过程。这直接与通常构造成像系统的方式相反，因为此类系统通常常规地并入调整机构以实现最大可调谐性。

尽管本文中已参考附图详细描述数个实施方案，但应理解，本发明并不限于这些精确实施例或实施方案，且所属领域的技术人员可在所述实施例或实施方案中实现各种改变及修改而不背离如由所附权利要求书所定义的本发明的范围或精神。

Claims (17)

1.一种成像系统，其包括：

线性平移机构，其包含：

一或多个线性导引件，

滑架，其经配置以沿着所述线性导引件沿着第一轴线平移，及

第一机械界面特征，其位于所述滑架上；

相机单元，所述相机单元包含：

相机筒管，

内部容积，其位于所述相机筒管内，

透镜安装特征，其具有透镜座架平面，

第二机械界面特征，其位于所述相机单元的外部上；及

成像传感器，其位于所述相机筒管的所述内部容积内，其中：

所述成像传感器具有布置成平行于所述透镜座架平面的平面阵列的多个光敏像素，

所述第一机械界面特征与所述第二机械界面特征相互作用以便相对于所述滑架将所述相机单元固定于适当位置中，使得所述第一轴线垂直于光敏像素的所述平面阵列，且

所述滑架与所述相机单元之间不存在位置调整机构。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述相机单元包含：

面向滑架的表面，其面向所述滑架，及

第一凸起凸台及第二凸起凸台，所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台从所述面向滑架的表面突出，其中：

所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台形成所述第二机械界面特征的一部分，

所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台两者均与所述滑架压缩接触，且

所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台经机械加工以便相对于法向于光敏像素的所述平面阵列的轴线具有±0.02度的容限且相对于彼此具有±0.03mm的平坦度容限。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括：

固定焦距透镜，其具有f数值为至少1.4或更低的孔径，所述固定焦距透镜安装到所述透镜安装特征。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括：

至少两个对准轴，其中：

所述第一机械界面特征包含至少两个第一对准孔，每一第一对准孔经定大小以接纳对应对准轴，且

所述第二机械界面特征包含至少两个第二对准孔，每一第二对准孔的位置对应于所述第一对准孔中的一者且经定大小以接纳所述对应第一对准孔的所述对应对准轴。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其中：

所述对准轴呈具有螺纹部分及凸肩部分的带肩螺钉的形式，所述凸肩部分具有大于所述螺纹部分的直径，

所述第二对准孔是经定大小以接纳所述对应对准轴的所述螺纹部分的螺纹孔，且

所述第一对准孔各自具有第一直径且所述对应对准轴的所述凸肩部分具有第二直径，且所述第一直径比所述第二直径大介于0与0.0005英寸之间。

6.根据权利要求5所述的成像系统，其进一步包括安装夹具，其中：

所述相机筒管具有具中心轴线的圆柱形外表面，

所述圆柱形外表面包含围绕所述相机筒管的外圆周延伸的多个间隔开的圆周凹槽，

所述相机筒管包含平行于所述中心轴线且界定所述圆柱形外表面的弦长的安装夹具表面，

所述安装夹具表面包含至少两个第一夹具对准特征，

所述安装夹具包含至少两个第二夹具对准特征以及所述第二机械界面特征，

所述第一夹具对准特征与所述第二夹具对准特征互锁以便相对于所述安装夹具将所述相机筒管固定于适当位置中，且

所述相机筒管与所述安装夹具之间不存在位置调整机构。

7.根据权利要求6所述的成像系统，其进一步包括密封板，其中：

所述成像传感器安装到成像印刷电路板PCB，所述成像PCB包含多个导电销，所述多个导电销从所述成像PCB的一侧在所述成像PCB的与所述成像传感器相对的侧上突出，

所述密封板具有一或多个通孔，

每一导电销突出穿过所述通孔中的一者，

所述相机筒管包含位于所述内部容积内的搁架表面，

所述密封板搁置于所述搁架表面上，且

所述搁架表面在±0.25度的容限内垂直于所述安装夹具表面。

8.根据权利要求6所述的成像系统，其中所述安装夹具进一步包含：

面向滑架的表面，其面向所述滑架，

第一凸起凸台及第二凸起凸台，所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台从所述面向滑架的表面突出，及

面向筒管的表面，其面向所述相机筒管，其中：

所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台形成所述第二机械界面特征的一部分，

所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台两者均与所述滑架压缩接触，且

所述第一凸起凸台及所述第二凸起凸台经机械加工以便相对于所述面向筒管的表面具有±0.5度的容限且相对于彼此具有±0.5度的容限。

9.根据权利要求6所述的成像系统，其中所述圆柱形外表面包含多个狭槽，每一狭槽沿着具有平行于所述中心轴线的分量的方向延伸，具有在所述圆周凹槽的平均深度的±6％内的深度，且与所述圆周凹槽中的每一者相交。

10.根据权利要求9所述的成像系统，其中每一狭槽沿着平行于所述中心轴线的方向延伸。

11.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述透镜安装特征是所述相机筒管的一部分。

12.根据权利要求1所述的成像系统，其中：

所述透镜安装特征位于邻近于所述相机筒管定位的板中，

三个调整螺钉经定位使得每一调整螺钉的螺纹部分旋紧到位于所述板中或所述相机筒管中的对应螺纹孔中，且每一调整螺钉的支承表面与所述板或所述相机筒管中的另一者的支承表面接触，且

所述板通过压缩机构抵靠所述相机筒管被固持使得所述调整螺钉被以压缩方式加负载。

13.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括界定充气室容积的外壳，其中：

所述相机单元位于所述充气室容积内，

所述外壳包含第一端口及第二端口，

所述相机单元插入于所述第一端口与所述第二端口之间，

所述第一端口经配置以连接所述充气室容积与对流式冷却系统源，且

所述第二端口经配置以连接所述充气室与对流式冷却系统排气口。

14.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括：

柔性冷却导管，其与所述第一端口流体地连接；及

柔性排气导管，其与所述第二端口流体地连接。

15.根据权利要求13所述的成像系统，其中：

所述外壳具有具多个U形狭槽的一侧，所述多个U形狭槽是沿垂直于所述侧的边缘的方向铣削出，

在接近于所述第一机械界面特征及所述第二机械界面特征处存在多个U形凸台，且

所述U形凸台与所述U形狭槽互相咬合以相对于所述相机单元定位所述外壳。

16.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括反射器组合件，所述反射器组合件包含具有相对所述第一轴线以45°±0.5°布置的反射表面的镜。

17.根据权利要求16所述的成像系统，其进一步包括具有平面样本表面的样本载台，所述样本载台定位于所述反射器组合件下方且经定向使得所述平面样本表面平行于所述第一轴线。