CN110794566B - 定位装置、光学成像系统及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种定位装置，用于调节薄且平的玻璃片与其上方的物镜之间的距离和平行度，所述定位装置设有载物台和从底部支撑所述载物台的高度调节台，所述载物台设有载玻平面和分辨率板，所述玻璃片被负压吸附于所述载玻平面上表面，所述分辨率板设于所述玻璃片的正下方且两者的平行度和距离可调节，所述载玻平面、所述分辨率板与所述物镜的光轴垂直，所述分辨率板的上表面与所述物镜焦面通过所述高度调节台调整为重合。本发明中玻璃粘贴的质量和测试可靠度高，物镜的出事故率低，操作便捷，有助于提升检测效率。

Description

定位装置、光学成像系统及其装配方法

技术领域

本发明涉及基因测序仪器技术领域，特别是指一种用于改装物镜的定位装置、光学成像系统及其装配方法。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

光学成像系统在基因检测领域中常被用于观察测序样品的荧光成像。测序样品为了保持DNA的活性，常需要使用试剂辅助成像，即在放有样品的载玻片上滴加辅助试剂，然后盖上盖玻片，在进行拍照；常见商用的测序芯片直接将被测物、缓冲液、盖玻片封装在一起后置于芯片平台上拍照。

盖玻片，是一种覆盖在受观测样品上的玻璃片，其作用，一能保护物镜不被受观测样品和试剂污染；二能保证观测面与物镜的距离一致，保证观测的图像清晰度一致。一般情况下，盖玻片是与样品以及承载样品的载体(如硅片)组装在一起的，如果将盖玻片粘在物镜上变成水镜，那么芯片可省去昂贵的封装处理，且芯片变成开放式，观测方式更多样化；然而显微镜的物镜作为一种高精密的成像镜头，玻璃粘贴极为讲究。通常，水镜的工作距离就是水层的厚度，也就是玻璃下表面到成像面之间的距离，这个厚度通常要控制在±1μm的误差范围之内。再者，玻璃表面必须要跟物镜光轴保持很好的垂直度，角度误差要在±0.03°范围内。而玻璃本身又很薄(比如常规盖玻片170μm)，很容易发生形变。如果粘贴不合要求，将会导致成像模糊，甚至造成芯片刮擦，产生事故。当然市面上也有按照特定需求完全开发一款水镜，但成本高、周期长，而且兼容性差。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种定位装置，便于将显微镜的物镜改装成水镜，应用于光学成像系统上，满足开放式芯片的基因测序程序，其通过定位装置高效、精确地改装物镜为水镜，安装的玻璃片(盖玻片)不易变形，平行度及工作距离的调节直观可靠，操作便捷。

本发明提供的技术方案为：一种定位装置，用于调节薄且平的玻璃片与其上方的物镜之间的距离和平行度，所述定位装置设有载物台和从底部支撑所述载物台的高度调节台，所述载物台设有载玻平面、分辨率板及导光柱，所述玻璃片被负压吸附于所述载玻平面上表面，所述分辨率板设于所述玻璃片的正下方且所述分辨率板固定于所述导光柱上端面，所述分辨率板通过所述导光柱四周的倾斜调节机构来调整与所述载玻平面的平行度，所述分辨率板通过所述导光柱侧边的竖直调节机构来调整与所述载玻平面上表面的距离，所述载玻平面、所述分辨率板与所述物镜的光轴垂直，所述分辨率板的上表面与所述物镜焦面通过所述高度调节台调整为重合。

进一步地，所述载玻平面为石英玻璃。

进一步地，所述载物台设有LED光源，所述分辨率板的截面面积大于底部的接触面积，LED光源发出的光通过导光柱传递至分辨率板作为背光源。

进一步地，所述导光柱为圆柱体，所述分辨率板为方形薄板，所述分辨率板与所述导光柱同轴设置，所述分辨率板的边长大于所述导光柱的直径。

进一步地，所述分辨率板通过所述导光柱四周的倾斜调节机构来调整与所述载玻平面的平行度。

进一步地，所述分辨率板通过所述导光柱侧边的竖直调节机构来调整与所述载玻平面上表面的距离。

进一步地，所述倾斜调节机构、所述竖直调节机构为设与所述导光柱垂直的螺钉，所述螺钉穿过所述载物台的壳体的螺纹孔抵触所述导光柱。

进一步地，所述倾斜调节机构设有4个螺钉，且环向均匀分布于接近所述导光柱顶部的同一平面上；所述竖直调节机构设有1个螺钉，设于所述导光柱中部，且与一所述倾斜调节机构在同一竖直平面内。

进一步地，所述载物台的壳体及所述壳体下方的LED平台、所述载玻平面、所述玻璃片形成密闭的腔体，所述分辨率板、所述导光柱、所述LED光源设于腔体中，所述壳体、所述LED平台、从底部承载所述LED平台的底座同轴设置，且尺寸逐渐变大。

进一步地，所述腔体自上而下依次包括第一分区、第二分区、及第三分区，对应第一分区的所述壳体与所述导光柱之间有间隙，对应第二分区的所述壳体与所述导光柱直接接触，第三分区用于放置LED光源。

进一步地，第一分区、第二分区、第三分区为圆柱形，其中对应第一分区的壳体与分辨率板的角点接触。

进一步地，对应第一分区的所述壳体下端开设一垂直于所述导光柱的通孔，所述通孔与所述倾斜调节机构、所述竖直调节机构在同一竖直平面，所述通孔与外部导通且连接于气泵上，用于将所述玻璃片负压吸附于所述载玻平面上。

本发明还提供一种光学成像系统，包括物镜和安装于所述物镜下方的保护组件，所述保护组件设有金属环和贴合于所述金属环下方的玻璃片，且在所述的定位装置的支撑下与所述物镜胶粘连接。

进一步地，所述保护组件包括圆形的玻璃片和金属环，其中金属环设于玻璃片上，同轴设置。

本发明进一步提供一种所述光学成像系统的装配方法，包括以下步骤：

将所述玻璃片负压吸附于所述载玻平面上，移至所述物镜的正下方；

调节所述分辨率板与所述玻璃片下表面的平行度和距离；

升降所述高度调节台使得所述分辨率板上表面与物镜焦面重合，在所述玻璃片上方放置金属环，并在金属环的内侧或外侧点胶固定所述玻璃片、所述金属环及所述物镜；

将装配后的物镜移取并安装至光学成像系统的镜筒上。

与现有技术相比，本发明提供的定位装置，用于调节薄且平的玻璃片与其上方的物镜之间的距离和平行度，所述定位装置设有载物台和从底部支撑所述载物台的高度调节台，所述载物台设有载玻平面和分辨率板，所述玻璃片被负压吸附于所述载玻平面上表面，所述分辨率板设于所述玻璃片的正下方且所述分辨率板固定于所述导光柱上端面，所述分辨率板通过所述导光柱四周的倾斜调节机构来调整与所述载玻平面的平行度，所述分辨率板通过所述导光柱侧边的竖直调节机构来调整与所述载玻平面上表面的距离，所述载玻平面、所述分辨率板与所述物镜的光轴垂直，所述分辨率板的上表面与所述物镜焦面通过所述高度调节台调整为重合。改装后的物镜用于光学成像系统上，使用时避免试剂与物镜接触，从而芯片无需封装，同时定位装置保证玻璃片与物镜装配时不发生变形，通过直观地精确调节玻璃片与物镜的光轴垂直度，以及物镜焦面与玻璃片下表面之间的距离，确保玻璃粘贴的质量和测试可靠度，减少物镜的出事故率，操作便捷，有助于提升检测效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一较佳实施方式的光学成像系统的装配结构图。

图2为图1中定位装置与保护组件的结构示意图。

图3为图2所示结构的分解图。

图4为图2所示的定位装置与另一保护组件组合时的纵向剖视图。

图5为图4中Ⅵ区域的放大图。

附图标记说明:

定位装置	100
		金属环	11
盖玻片	12
		载玻平面	13
壳体	14
		LED平台	15
底座	16
		高度调节台	17
分辨率板	141
		倾斜调节机构	143
竖直调节机构	144
		导光柱	142
LED光源	145
		第一分区	146
第二分区	147
		第三分区	148
通孔	149

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。

请参阅图1，本发明的光学成像系统，包括物镜和保护组件，所述保护组件在定位装置100的支撑下与所述物镜胶粘连接。该系统通过胶粘保护组件将物镜改装成水镜，可避免物镜与样品、试剂接触。使用该水镜后的芯片可避免昂贵的封装处理，节约成本。

图1示出改装时，辅助物镜支撑和固定的机构，该机构包括物镜上设有的相机、镜筒和支架，本发明将物镜系统固定，改为下方工装台上下位移，避免了传统装置系统的Z轴上下调整操作，装配更灵活、便捷，且便于直接观测。

下面结合图2、图3、图4和图5对本发明的定位装置100进行详细阐述。定位装置100实际上是一种辅助改装物镜的工装。

本发明中薄且平的玻璃片，为圆形结构，是常见的盖玻片12。图2示出了吸附有保护组件的定位装置100，其中保护组件包括金属环11和盖玻片12(如图2、图5所示)，在一具体实施方式中，所述盖玻片12为薄的玻璃片，圆形结构；所述金属环11为圆环结构；两者同轴设置，且所述金属环11放置在所述盖玻片12上，所述金属环11用于分隔物镜与所述盖玻片12，使相互之间不直接接触，避免刮擦影响测试结果。

所述定位装置100，如图2所示，包括载物台和从底部支撑所述载物台的高度调节台17，所述载物台和所述高度调节台17与物镜的光轴垂直。

所述载物台，如图3和图4所示，在物镜的光轴方向上自底部至顶部依次设有底座16、LED平台15、LED光源145、导光柱142、分辨率板141和载玻平面13。

其中，

底座16，为载物台的承重核心组件，置于最底端，为确保支撑强度，其底面面积大于直接接触的LED平台15的底面面积，这样接触面积大，结构更稳定，支撑强度高。

LED平台15，为LED光源145的固定平台，安装在底座16上，可以相对底座16调节角度。本实施方式中，LED平台15与底座16之间配有三组螺钉，可以将LED平台15调节为与物镜光轴垂直，从而使得载玻平面13与物镜光轴垂直。

LED光源145，用于发出光经导光柱142传递至分辨率板141的下表面。内置LED光源的设计，省去了使用大型的激光照明设备，可操作性强。

导光柱142，具有高反射率的导光通道，将下方LED光源145发出的光线输送至顶部均匀分散，照射在分辨率板141的背面作为背光源。在具体实施方式中，导光柱142为圆柱状，上下粗细一致。可以理解，导光柱142的形状不限定为本实施方式，可以为方形或其他，在此不赘述。

分辨率板141，用作校准盖玻片12的平行度且设定位置，固定于导光柱142的上表面。物镜改变成水镜后，水镜的工作距离即为水层的厚度，也即是样品与盖玻片12下表面之间的试剂层的高度，在本实施方式中，定位装置100中分辨率板141的上表面相当于待测物面，试剂层的高度即为分辨率板141上表面至盖玻片12下表面的距离，需要控制在±1μm的范围内。在具体实施方式中，分辨率板141为方形薄块体。该分辨率板141是从标准显微物镜分辨率测试板上切割出来的小块，是黑白相间的棋盘图样。可以理解，该分辨率板141的形状不限定为方形，仅需与载玻平面之间留有空隙，形成抽气通道，保证足够的吸力即可。

所述载玻平面13，用于与盖玻片12直接接触的组件，所述盖玻片12下表面完全贴合在所述载玻平面13的表面上，确保了两者有足够大的接触面积，避免盖玻片12装配时的变形，且保证平行度。为确保盖玻片12不发生变形，盖玻片12被负压吸附在载玻平面13上。在一具体实施方式中，载玻平面13为石英玻璃制成，如图3所示，横截面为圆环形。可以理解，载玻平面13内部的形状不限定为圆形，仅需满足与分辨率板141牢固接触且留有气体流道即可。

所述载物台设有壳体14，保护载玻平面13下表面与LED平台15上表面之间的结构，并与载玻平面13、盖玻片12、LED平台15合围形成密闭的腔体。在一具体实施方式中，壳体14为中空的双层方柱体，上层柱体的边长小于下层柱体的边长，如图4所示。腔体的截面为圆形(见图3)，自上而下依次包括第一分区146、第二分区147、及第三分区148(图4所示)，对应第一分区146的所述壳体14与所述导光柱142之间有间隙，对应第二分区147的所述壳体14与所述导光柱142直接接触，第三分区148用于放置LED光源145，对应第三分区148的所述壳体14与LED光源145不接触。壳体14在LED光源145的侧边设有开口，便于实时观察或操作LED光源145的开闭。

下面结合图4和图5对定位装置100用于调节水镜的工作距离的功能进行阐述。

如图4所示，所述导光柱142的下半部分与壳体14接触，其上半部分与壳体14、载玻平面13分离，如此导光柱142可以在壳体14内定向地上下移动，又分辨率板141固定在导光柱142上表面，所以带动分辨率板141上表面(物面)在载玻平面13内上下移动(见图5)，也即是说，分辨率板141上表面(物面)与负压吸附在载玻平面13上的盖玻片12下表面(位置相对于载玻平面13固定)的距离可调节至任意预设值。为调整至预设值后固定物面高度位置，所述分辨率板141通过所述导光柱142侧边的竖直调节机构144来调整与所述载玻平面上表面的距离。在本实施方式中，如图3所示，所述竖直调节机构144为设与所述导光柱142垂直的螺钉，所述螺钉穿过所述载物台的壳体14的螺纹孔抵触所述导光柱142。具体地所述竖直调节机构144设于对应第二分区147的壳体14的上端。可以理解竖直调节机构144不限定为螺钉连接，也可以其他固定方式，如插销等。

下面结合图3、图4、图5对定位装置100用于调节水镜的平行度的功能进行阐述。

如图4所示，所述导光柱142的上半部分与壳体14分离，固定于上方的分辨率板141与载玻平面13的内侧接触，分辨率板141的截面宽度大于导光柱142的截面宽度。结合图3所示，分辨率板141为方形，载玻平面13的内孔、导光柱142的截面为圆形，所以分辨率板141的四条侧边与载玻平面13的内孔接触。由于导光柱142上半部分与壳体14之间存在间隙且底部与壳体14接触固定，导光柱142上半部分即可前后左右偏摆，所以可带动分辨率板141一同偏摆(如图5所示)，也即是说分辨率板141上表面与物镜的光轴的垂直度可调节，角度误差要在±0.03°范围内。为确保高的平行度，所述分辨率板141通过所述导光柱142四周的倾斜调节机构143来调整与所述载玻平面的平行度。所述倾斜调节机构143为设与所述导光柱142垂直的螺钉，所述螺钉穿过所述载物台的壳体14的螺纹孔抵触所述导光柱142。在本实施方式中，如图2所示，所述倾斜调节机构143设有4个螺钉，且环向均匀分布于接近所述导光柱142顶部的同一平面上，实现前后左右方向的调整。可以理解，倾斜调节机构143的数量不限定为4个；其位置不限定为接近导光柱142的顶部，也可以不在同一平面，应综合考虑可行性和经济性等因素，根据实际需要而定。

下面结合图4和图5对定位装置100用于防止盖玻片12变形的功能进行阐述。

如图4所示，盖玻片12置于载玻平面13上。为确保粘贴时盖玻片12的平整度，载玻平面内孔、壳体14与导光柱142的间隙、壳体14开设的通孔149形成气体流道。当通孔149连接于气泵上，通过抽吸即可将盖玻片12牢牢吸附在载玻平面13上(见图5)，在后续点胶过程及定形后均不易变形，使用过程更牢固，不会造成与芯片的刮擦。本实施方式中，如图4所示，对应第一分区146的所述壳体14下端开设一垂直于所述导光柱142的通孔149，所述通孔149与2个所述倾斜调节机构143、所述竖直调节机构144在同一竖直平面。

下面结合图1和图2对定位装置100用于控制水镜保护组件的粘贴厚度的功能进行阐述。

物镜焦面与物面相重合时方可清晰成像，或在一定范围(景深)内才可成像；在设定的试剂层厚度下，盖玻片12与物镜的厚度即为确定值，需要设定为该值或允许的阈值范围。在本实施方式中，所述载玻平面13、所述分辨率板141与所述物镜的光轴垂直，所述分辨率板141的上表面与所述物镜焦面通过所述高度调节台17调整为重合。具体地，如图1示出的高度调节台17为圆柱体形，其截面小于底座16截面，可抬高或降低，从底部操作调整代替传统上方Z轴支架及整体装置的位移调整，有助于操作者直接观察高度调节台17上的仪表盘或按键，操作方法更便捷。

下面对一般物镜改装成水镜方法进行详细的阐述。该方法也适用于将基因测序仪光学成像系统的物镜改装成水镜。

步骤1：将所述盖玻片12负压吸附于所述载玻平面13上，移至所述物镜的正下方；

步骤2：调节所述分辨率板141与所述盖玻片12下表面的平行度和距离；

步骤3：升降所述高度调节台17使得所述分辨率板141上表面与物镜焦面重合，在所述盖玻片12上方放置金属环11，并在金属环11的内侧或外侧点胶固定所述盖玻片12、所述金属环11及所述物镜。

本实施方式中，如图2和图3所示，金属环11的外径小于盖玻片12的直径，可在金属环11的外廓处点胶，待物镜边框、金属环11、盖玻片12粘固；如图4和图5所示的另一实施方式中，金属环11的外径大于盖玻片12的直径，可在金属环11的内廓处点胶，待物镜边框、金属环11、盖玻片12粘固。

本发明的光学成像系统通过定位装置100将物镜改为水镜，避免试剂与物镜接触，从而芯片无需封装，同时定位装置100保证盖玻片12与物镜装配时不发生变形，通过直观地精确调节盖玻片12与物镜的光轴垂直度，以及物镜焦点与盖玻片12下表面之间的距离，确保玻璃粘贴的质量和测试可靠度，减少物镜的出事故率，操作便捷，有助于提升检测效率。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种定位装置，用于调节薄且平的玻璃片与其上方的物镜之间的距离和平行度，其特征在于：所述定位装置设有载物台和从底部支撑所述载物台的高度调节台，所述载物台设有载玻平面、分辨率板及导光柱，所述玻璃片被负压吸附于所述载玻平面上表面，所述分辨率板设于所述玻璃片的正下方且所述分辨率板固定于所述导光柱上端面，所述分辨率板通过所述导光柱四周的倾斜调节机构来调整与所述载玻平面的平行度，所述分辨率板通过所述导光柱侧边的竖直调节机构来调整与所述载玻平面上表面的距离，所述载玻平面、所述分辨率板与所述物镜的光轴垂直，所述分辨率板的上表面与所述物镜焦面通过所述高度调节台调整为重合。

2.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于：所述载物台设有LED光源，所述分辨率板的截面面积大于底部的接触面积，LED光源发出的光通过导光柱传递至分辨率板作为背光源。

3.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于：所述倾斜调节机构、所述竖直调节机构为设与所述导光柱垂直的螺钉，所述螺钉穿过所述载物台的壳体的螺纹孔抵触所述导光柱。

4.根据权利要求3所述的定位装置，其特征在于：所述倾斜调节机构设有4个螺钉，且环向均匀分布于接近所述导光柱顶部的同一平面上；所述竖直调节机构设有1个螺钉，设于所述导光柱中部，且与一所述倾斜调节机构在同一竖直平面内。

5.根据权利要求4所述的定位装置，其特征在于：所述载物台的壳体及所述壳体下方的LED平台、所述载玻平面、所述玻璃片形成密闭的腔体，所述分辨率板、所述导光柱、所述LED光源设于腔体中，所述壳体、所述LED平台、从底部承载所述LED平台的底座同轴设置，且尺寸逐渐变大。

6.根据权利要求5所述的定位装置，其特征在于：所述腔体自上而下依次包括第一分区、第二分区、及第三分区，对应第一分区的所述壳体与所述导光柱之间有间隙，对应第二分区的所述壳体与所述导光柱直接接触，第三分区用于放置LED光源。

7.根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于：对应第一分区的所述壳体下端开设一垂直于所述导光柱的通孔，所述通孔与所述倾斜调节机构、所述竖直调节机构在同一竖直平面，所述通孔与外部导通且连接于气泵上，用于将所述玻璃片负压吸附于所述载玻平面上。

8.一种光学成像系统，其特征在于：包括物镜和安装于所述物镜下方的保护组件，所述保护组件设有金属环和贴合于所述金属环下方的玻璃片，且在如权利要求1至7中任一项所述的定位装置的支撑下与所述物镜胶粘连接。

9.一种根据权利要求8所述的光学成像系统的装配方法，其特征在于：

将所述玻璃片负压吸附于所述载玻平面上，移至所述物镜的正下方；

调节所述分辨率板与所述玻璃片下表面的平行度和距离；

升降所述高度调节台使得所述分辨率板上表面与物镜焦面重合，在所述玻璃片上方放置金属环，并在金属环的内侧或外侧点胶固定所述玻璃片、所述金属环及所述物镜；

将装配后的物镜移取并安装至光学成像系统的镜筒上。

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