CN109799595A - 一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法和装置，检调焦方法包括如下步骤：照明光透射至基因测序芯片上反射成信号光；第二分光镜将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光；第一信号光穿过焦前针孔照射至焦前光强探测器上生成第一光强信号；同时，第二信号光穿过焦后针孔照射至焦后光强探测器上生成第二光强信号；主控系统获取第一光强信号和第二光强信号，并计算出基因测序芯片的实时离焦量；根据实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦。本检调焦装置简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

Description

一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法与装置

技术领域

本发明涉及显微成像技术，具体涉及一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法和装置。

背景技术

目前，已经产品化且广泛应用的显微物镜检焦方法是基于图像传感器探测半圆形光束反射光斑质心位置检测显微物镜对焦情况(美国专利US7700903B2)，该方法是将激光经过准直透镜组准直并遮挡成半圆形平行光束从显微物镜像方进入显微物镜，聚焦在样品表面反射回来再通过显微物镜后，再通过准直透镜组成像在图像传感器上，形成半圆形光斑，其质心位置与样品离焦量对应，由此解算出样品离焦量。该方法静态检焦精度较高，可以达到0.25倍显微物镜焦深，但是其动态检焦精度下降到0.5倍焦深，不能满足高通量基因测序仪在样品快速扫描成像中对检焦精度的要求。

发明内容

本申请提供一种能够快速、高精度实时检调焦的方法与装置。

根据第一方面，一种实施例中提供一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法，包括如下步骤：

点光源发生装置发射的照明光先后通过第一分光镜、准直镜和物镜透射至基因测序芯片上反射成信号光；

信号光先后通过物镜和准直镜透射后，经第一分光镜反射至第二分光镜，第二分光镜将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光；

第一信号光穿过位于第一信号光聚焦位置前端的焦前针孔照射至焦前光强探测器上，焦前光强探测器探测第一信号光并实时生成第一光强信号；同时，第二信号光穿过位于第二信号光聚焦位置后端的焦后针孔照射至焦后光强探测器上，焦后光强探测器探测第二信号光并实时生成第二光强信号；

主控系统获取第一光强信号和第二光强信号，并计算出基因测序芯片的实时离焦量；

主控系统根据实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦；

其中，焦前针孔和焦后针孔的离焦量相等。

进一步地，主控系统获取第一光强信号和第二光强信号后，做差计算得到差动共焦光强信号，再根据差动共焦光强函数计算出基因测序芯片的实时离焦量。

进一步地，差动共焦光强函数的数学表达式为：

其中：

其中：λ为点光源波长，D为有效准直光束宽度，f_o为物镜焦距，f_c为准直镜焦距，z为基因测序芯片的离焦量，d为焦前针孔和焦后针孔的离焦量。

根据第二方面，一种实施例中提供一种基因测序仪显微物镜的检调焦装置，包括：

点光源发生装置，其用于发射照明光；

第一分光镜，其倾斜安装在点光源发生装置发射的照明光的光路上，用于透射照明光和反射基因测序芯片反射的信号光；

准直镜，其安装在第一分光镜透射的照明光的光路上，并且中心线与照明光的光轴重合；

物镜，其安装在准直镜和基因测序芯片之间的光路上；

第二分光镜，其倾斜安装在第一分光镜反射的信号光的光路上，用于将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光；

焦前针孔，其安装在第二分光镜透射的第一信号光聚焦位置的前端；

焦前光强探测器，其安装在焦前针孔的光路后端，用于探测第一信号光并实时生成第一光强信号；

焦后针孔，其安装在第二分光镜反射的第二信号光聚焦位置的后端，并且焦前针孔和焦后针孔的离焦量相等；

焦后光强探测器，其安装在焦后针孔的光路后端，用于探测第二信号光并实时生成第二光强信号；

对焦驱动机构，其与物镜和/或基因测序芯片连接，用于驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦；

主控系统，其分别与焦前光强探测器、焦后光强探测器和对焦驱动机构信号连接，用于获取第一光强信号和第二光强信号及计算出基因测序芯片的实时离焦量，并根据基因测序芯片的实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦。

进一步地，点光源发生装置包括激光器和与之耦合连接的的单模光纤。

进一步地，激光器为激光二极管。

进一步地，主控系统包括光强采集单元、数据处理单元和伺服控制单元，光强采集单元用于采集第一光强信号和第二光强信号，数据处理单元用于将第一光强信号和第二光强信号计算得到差动共焦光强信号，并根据差动共焦光强函数计算出基因测序芯片的实时离焦量，伺服控制单元用于根据基因测序芯片的实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦。

进一步地，对焦驱动机构为压电陶瓷位移器。

在其他实施例中，基因测序仪显微物镜的检调焦装置还包括第三分光镜，第三分光镜倾斜安装在准直镜透射和物镜之间的光路上，用于将准直镜透射的照明光反射至物镜，及用于将物镜透射的信号光反射至准直镜。

进一步地，第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜均与光轴呈45°倾斜设置。

依据上述实施例的基因测序仪显微物镜的检调焦方法和装置，由于将基因测序芯片反射的信号光分成两路信号光，并且在光聚焦位置等离焦量的前后位置获取两路信号光，经处理后获得两个光强信号，通过计算两个信号可以得出基因测序芯片的实时离焦量，得知实时离焦量后就能够驱动物镜和/或基因测序芯片移动进行准确对焦。本检调焦装置简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

附图说明

图1为一种实施例中基因测序仪显微物镜的检调焦装置的光路结构框图；

图2为另一种实施例中基因测序仪显微物镜的检调焦装置的光路结构框图；

图3为一种实施例中基因测序仪显微物镜的检调焦方法的流程图；

图4为u_o与差动共焦光强信号的关系图；

其中，1-点光源发生装置，2-第一分光镜，3-准直镜，4-物镜，5-第二分光镜，6-焦前针孔，7-焦前光强探测器，8-焦后针孔，9-焦后光强探测器，10-对焦驱动机构，11-主控系统，12-基因测序芯片，13-第三分光镜。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种基因测序仪显微物镜的检调焦装置，本检调焦装置用于显微物镜和基因测序芯片之间距离的自动调节。

如图1所示，本实施例的检调焦装置主要包括点光源发生装置1、第一分光镜2、准直镜3、物镜4、第二分光镜5、焦前针孔6、焦前光强探测器7、焦后针孔8、焦后光强探测器9、对焦驱动机构10和主控系统11。

点光源发生装置1包括激光器1a和单模光纤1b，激光器1a为激光二极管，激光器1a与单模光纤1b耦合连接，激光器1a通过单模光纤1b发射照明光。

第一分光镜2安装在点光源发生装置1的激光器1a发射照明光的光路上，第一分光镜2用于透射照明光和反射基因测序芯片12反射的信号光，第一分光镜2与照明光的光轴呈45°倾斜设置，并且照明光的光轴穿过第一分光镜2的中心，第一分光镜2反射的信号光的光轴与透射的照明光的光轴垂直。

准直镜3安装在第一分光镜2透射照明光的光路上，并且中心线与照明光的光轴重合，准直镜3将发散的照明光折射成平行光。

物镜4安装在准直镜3和基因测序芯片12之间的光路上，即安装在准直镜3透射的照明光的光路上，物镜4的下端部面向基因测序芯片12设置。

第二分光镜5安装在第一分光镜2反射的信号光的光路上，第二分光镜5与第一分光镜2反射的信号光的光轴呈45°倾斜设置。第二分光镜5将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光，即将信号光的50％透射成第一信号光，信号光的另外50％反射成第二信号光。

焦前针孔6安装在第二分光镜5透射的第一信号光聚焦位置的前端，焦前针孔6的离焦量为+d。

焦前光强探测器7安装在焦前针孔6的光路后端，用于探测通过焦前针孔6的第一信号光并实时生成第一光强信号，将光信号转为电信号。

焦后针孔8安装在第二分光镜5反射的第二信号光聚焦位置的后端，并且焦前针孔6和焦后针孔8的离焦量相等，焦后针孔8的离焦量为-d。

焦后光强探测器9安装在焦后针孔8的光路后端，用于探测通过焦后针孔8的第二信号光并实时生成第二光强信号，将光信号转为电信号。

对焦驱动机构10为压电陶瓷移动器，具有高灵敏度和精度的驱动特性，对焦驱动机构10与物镜4连接，或者与基因测序芯片12连接，或者与物镜4和基因测序芯片12两者同时连接。

针对上述三种连接方式，对焦驱动机构10具有三种驱动方式：第一、单独驱动物镜4移动对焦，基因测序芯片12静止不动；第二、单独驱动基因测序芯片12移动对焦，物镜4静止不动；第三、对焦驱动机构10分别与物镜4和基因测序芯片12连接，可同时驱动物镜4和基因测序芯片12移动对焦，同时对焦的效率更高。

主控系统11分别与焦前光强探测器7、焦后光强探测器9和对焦驱动机构10信号连接。主控系统11包括光强采集单元、数据处理单元和伺服控制单元，光强采集单元用于采集第一光强信号和第二光强信号，数据处理单元用于将第一光强信号和第二光强信号计算得到差动共焦光强信号，并根据差动共焦光强函数计算出基因测序芯片12的实时离焦量，伺服控制单元用于根据基因测序芯片12的实时离焦量控制对焦驱动机构10驱动物镜4和/或基因测序芯片12移动对焦。

如图2所示，在另一种实施例中，基因测序仪显微物镜的检调焦装置还包括第三分光镜13。第三分光镜13安装在准直镜3和物镜4之间的光路上，第三分光镜13与准直镜3透射的照明光的光轴呈45°倾斜设置，第三分光镜13将准直镜3透射的照明光反射至物镜4上。第三分光镜13允许物镜4透射的其他信号光通过，如激光照明光路、筒镜成像光路等。第三分光镜13的反射照明光的反射角为90°，使得点光源发生装置1、第一分光镜2和准直镜3可水平安装设置。

本实施例提供的一种基因测序仪显微物镜的检调焦装置，由于将基因测序芯片12反射的信号光被第二分光镜5分成两路信号光，焦前光强探测器7和焦后光强探测器9分别透过在光聚焦位置等离焦量的前后位置的焦前针孔6和焦后针孔8获取两路信号光，经处理后获得两个光强信号，主控系统11通过计算两个信号可以得出基因测序芯片12的实时离焦量，得知实时离焦量后就能够驱动物镜4和/或基因测序芯片12移动进行准确对焦。该检调焦装置简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

实施例二：

本实施例提供了一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法，本检调焦方法基于上述实施一的基因测序仪显微物镜的检调焦装置实现。

如图3所示，本实施例的检调焦方法，主要包括如下步骤：

S001：照明光反射成信号光；

点光源发生装置1发射照明光，照明光先后通过第一分光镜2、准直镜3和物镜4透射至基因测序芯片12上反射成信号光。

S002：差动共焦探测；

信号光先后通过物镜4和准直镜3透射后，经第一分光镜2反射至第二分光镜5，第二分光镜5将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光。

第一信号光穿过位于第一信号光聚焦位置前端的焦前针孔6照射至焦前光强探测器7上，焦前光强探测器7探测第一信号光并实时生成第一光强信号；同时，第二信号光穿过位于第二信号光聚焦位置后端的焦后针孔8照射至焦后光强探测器9上，焦后光强探测器9探测第二信号光并实时生成第二光强信号。

S003：计算离焦量；

主控系统11获取第一光强信号和第二光强信号，先计算得到差动共焦光强信号I(u_o，u_c)，再根据差动共焦光强函数计算出基因测序芯片的实时离焦量。

差动共焦光强函数的数学表达式如下：

其中：

其中：λ为点光源波长，D为有效准直光束宽度，f_o为物镜焦距，f_c为准直镜焦距，z为基因测序芯片的离焦量，d为焦前针孔6和焦后针孔8的离焦量。

λ、D、f_o、f_c、d均为装置的已知因子，故实时测量计算出差动共焦光强信号I(u_o，u_c)后，可根据式(1)计算出基因测序芯片的实时离焦量z。

如图4所示，焦后和焦前光强探测器的不同离焦量对应不同差动共焦探测系统响应曲线，横轴对应基因测序芯片12离焦量参数u_o，纵轴对应信息处理后差动信号强度I(u_o，u_c)，其物理含义是对应不同的检焦灵敏度和不同的检焦范围。

S004：驱动对焦；

主控系统11根据实时离焦量z控制对焦驱动机构10驱动物镜4和基因测序芯片12中的至少一者移动对焦。

本实施提供的一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法，由于将基因测序芯片12反射的信号光分成两路信号光，并且在光聚焦位置等离焦量的前后位置获取两路信号光，经处理后获得两个光强信号，通过计算两个信号可以得出基因测序芯片12的实时离焦量，得知实时离焦量后就能够驱动物镜4和/或基因测序芯片12移动进行准确对焦。本检调焦装置简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种基因测序仪显微物镜的检调焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

点光源发生装置发射的照明光先后通过第一分光镜、准直镜和物镜透射至基因测序芯片上反射成信号光；

信号光先后通过物镜和准直镜透射后，经第一分光镜反射至第二分光镜，第二分光镜将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光；

所述第一信号光穿过位于所述第一信号光聚焦位置前端的焦前针孔照射至焦前光强探测器上，所述焦前光强探测器探测所述第一信号光并实时生成第一光强信号；同时，所述第二信号光穿过位于所述第二信号光聚焦位置后端的焦后针孔照射至焦后光强探测器上，所述焦后光强探测器探测所述第二信号光并实时生成第二光强信号；

主控系统获取所述第一光强信号和第二光强信号，并计算出基因测序芯片的实时离焦量；

主控系统根据所述实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦；

其中，所述焦前针孔和焦后针孔的离焦量相等。

2.如权利要求1所述的基因测序仪显微物镜的检调焦方法，其特征在于，所述主控系统获取所述第一光强信号和第二光强信号后，计算得到差动共焦光强信号，再根据差动共焦光强函数计算出基因测序芯片的实时离焦量。

3.如权利要求2所述的基因测序仪显微物镜的检调焦方法，其特征在于，差动共焦光强函数的数学表达式为：

其中：

其中：λ为点光源波长，D为有效准直光束宽度，f_o为物镜焦距，f_c为准直镜焦距，z为基因测序芯片的离焦量，d为焦前针孔和焦后针孔的离焦量。

4.一种基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，包括：

点光源发生装置，其用于发射照明光；

第一分光镜，其倾斜安装在所述点光源发生装置发射的照明光的光路上，用于透射照明光和反射基因测序芯片反射的信号光；

准直镜，其安装在所述第一分光镜透射的照明光的光路上，并且中心线与照明光的光轴重合；

物镜，其安装在所述准直镜和基因测序芯片之间的光路上；

第二分光镜，其倾斜安装在所述第一分光镜反射的信号光的光路上，用于将信号光对半透射成第一信号光和反射成第二信号光；

焦前针孔，其安装在所述第二分光镜透射的第一信号光聚焦位置的前端；

焦前光强探测器，其安装在所述焦前针孔的光路后端，用于探测所述第一信号光并实时生成第一光强信号；

焦后针孔，其安装在所述第二分光镜反射的第二信号光聚焦位置的后端，并且所述焦前针孔和焦后针孔的离焦量相等；

焦后光强探测器，其安装在所述焦后针孔的光路后端，用于探测所述第二信号光并实时生成第二光强信号；

对焦驱动机构，其与物镜和/或基因测序芯片连接，用于驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦；

主控系统，其分别与所述焦前光强探测器、焦后光强探测器和对焦驱动机构信号连接，用于获取所述第一光强信号和第二光强信号及计算出基因测序芯片的实时离焦量，并根据基因测序芯片的实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦。

5.如权利要求4所述的基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，所述点光源发生装置包括激光器和与之耦合连接的单模光纤。

6.如权利要求5所述的基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，所述激光器为激光二极管。

7.如权利要求4所述的基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，所述主控系统包括光强采集单元、数据处理单元和伺服控制单元，所述光强采集单元用于采集所述第一光强信号和第二光强信号，所述数据处理单元用于将第一光强信号和第二光强信号计算得到差动共焦光强信号，并根据差动共焦光强函数计算出基因测序芯片的实时离焦量，所述伺服控制单元用于根据基因测序芯片的实时离焦量控制对焦驱动机构驱动物镜和/或基因测序芯片移动对焦。

8.如权利要求4所述的基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，所述对焦驱动机构为压电陶瓷位移器。

9.如权利要求4所述的基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，还包括第三分光镜，所述第三分光镜倾斜安装在所述准直镜透射和物镜之间的光路上，用于将所述准直镜透射的照明光反射至物镜，及用于将物镜透射的信号光反射至所述准直镜。

10.如权利要求9所述的基因测序仪显微物镜的检调焦装置，其特征在于，所述第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜均与光轴呈45°倾斜设置。