CN111051857B - 使用物镜的用于荧光成像的照射 - Google Patents

使用物镜的用于荧光成像的照射 Download PDF

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Abstract

一种系统，包括：物镜；用于馈送第一照射光穿过物镜并且进入要安装在系统中的流通池(例如，具有相对薄的波导)中的第一光源，该第一照射光要使用流通池上的第一光栅来馈送；以及用于使用物镜捕获成像光的第一图像传感器，其中第一光栅被定位在第一图像传感器的视场之外。可以进行双面成像。可以使用由光栅界定的具有多个条带的流通池。可以执行自动对准过程。

Description

使用物镜的用于荧光成像的照射
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月29日提交的美国临时申请62/649,996的优先权，其内容通过引用合并于此。
背景技术
高通量DNA测序可以作为基因组分析和其他基因研究的基础。在这种和其他类型的测序中，基因材料样本的特征是通过例如使用平面波导照射样本来确定的。某些类型的图像检测可能会对测序系统提出特殊要求，以便创建整个样本的图像。例如，使用延时和积分(TDI)传感器，可以一次一条窄条地捕获图像，涉及沿着载玻片的长度的扫描操作。为了减少照射光对样本的光损伤，通常希望将照射范围限制在要成像的样本区域。在某些情况下，这带来了在整个扫描过程中确保照射与图像检测同步的挑战。
发明内容
在第一方面，一种系统包括：物镜；用于馈送第一照射光穿过物镜并且进入要安装在系统中的流通池中的第一光源，该第一照射光要使用流通池上的第一光栅来馈送；以及用于使用物镜捕获成像光的第一图像传感器，其中第一光栅被定位在第一图像传感器的视场之外。
实现可以包括以下任何或所有特征。流通池安装在系统中。第一光栅和第二光栅被定位在流通池上。第一光栅和第二光栅具有不同的耦合角。第一光栅和第二光栅具有不同的光栅周期。流通池包括平行于第二样本表面的第一样本表面，第一光栅用于耦合第一照射光的第一部分以照射第一样本表面，并且第二光栅用于耦合第一照射光的第二部分以照射第二样本表面。该系统还包括第一平面波导和第二平面波导，第一光栅将第一照射光的第一部分耦合到第一平面波导中，第二光栅将第一照射光的第二部分耦合到第二平面波导中。第一光栅相对于第二光栅在第一照射光的第一部分的行进方向上偏移。第一光栅和第二光栅被定位在照射流通池的平面波导的相对侧，第一光栅将第一照射光耦合到平面波导中，并且第二光栅将第一照射光耦合出平面波导。该系统还包括壁，该壁阻挡由第二光栅耦合出平面波导的第一照射光进入物镜。第一照射光包括第一波长的第一光束，该系统还包括用于馈送第二照射光穿过物镜的第二光源，第二照射光包括第二波长的第二光束。第二光源用于馈送第二照射光穿过物镜、经由第一光栅进入流通池中，第一光栅对于第一波长和第二波长具有对称的耦合角。第一光源将第一光束指向物镜的第一侧，并且第二光源将第二光束指向物镜的与第一侧相对的第二侧。该系统还包括定位在第一光源和第二光源之后并且在物镜之前的第一镜和镜筒透镜，其中从第一镜到镜筒透镜传播的第一光束和第二光束的相应角度反映第一光束和第二光束在第一光栅上的对应入射角。该系统还包括定位在第一光源之后并且在第一镜之前的第二镜，该第二镜用于在第一光栅上提供第一光束和第二光束的空间分离。流通池具有由包括第一光栅的相应光栅界定的多个条带，并且其中该系统使用相应光栅中的至少一个光栅作为入口光栅和出口光栅。流通池的波导材料包括Ta2O5。第一图像传感器包括时间延迟和积分传感器，该系统还包括保持流通池的可移动台。该系统还包括用于保持流通池的热平台，该热平台提供热控制。该系统还包括捕获至少流通池中的平面波导和第一光栅的图像的第二图像传感器，其中该系统使用对准标准来评估图像。光具有用于触发来自流通池中的样本的荧光响应的波长。
在第二方面，一种流通池包括：用于容纳样本的基底；用于引导针对样本的第一光的第一平面波导；用于耦合第一光的第一光栅；用于引导针对样本的第二光的第二平面波导；以及用于耦合第二光的第二光栅。
实现可以包括以下任何或所有特征。第一光栅被定位在第一平面波导上，并且第二光栅被定位在第二平面波导上。第一光栅和第二光栅具有不同的耦合角。第一光栅和第二光栅具有不同的光栅周期。流通池包括平行于第二样本表面的第一样本表面，第一光栅用于耦合第一光以照射第一样本表面，并且第二光栅用于耦合第二光以照射第二样本表面。第一光栅相对于第二光栅在第一光的行进方向上偏移。第一光栅用于将第一光耦合到第一波导中，第二光栅用于将第二光耦合到第二波导中，流通池还包括用于将第一光耦合出第一平面波导的第三光栅和用于将第二光耦合出第二平面波导的第四光栅。
在第三方面，一种方法包括：使用被定位在图像传感器视场之外的第一光栅来馈送照射光穿过物镜并且进入流通池中；以及使用物镜捕获成像光。
实现可以包括以下任何或所有特征。流通池包括平行于第二样本表面的第一样本表面，该方法还包括将照射光的第一分量指向与第一样本表面对准的第一光栅，并且将照射光的第二分量指向与第二样本表面对准的第二光栅。该方法还包括结合将照射光的第一分量指向第一光栅来将物镜调节为聚焦在第一样本表面上，并且结合将照射光的第二分量指向第二光栅来将物镜调节为聚焦在第二样本表面上。照射光包括第一波长的第一光束和第二波长的第二光束，该方法还包括将第一光束指向物镜的第一侧，并且将第二光束指向物镜的与第一侧相对的第二侧。该方法还包括在照射光离开流通池时，阻挡照射光进入物镜。热平台保持流通池，该方法还包括使用流通池提供对流通池的热控制。流通池具有由包括第一光栅的相应光栅界定的多个条带，该方法还包括使用相应光栅中的至少一个光栅作为入口光栅和出口光栅。该方法还包括执行对准过程，该对准过程评估第一光栅的耦合质量。
应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假定这样的概念不相互矛盾)被认为是本文中公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的所要求保护的主题的所有组合被认为是本文中公开的发明主题的一部分。
附图说明
图1示出了用于平面波导照射的光学布局的示例。
图2示出了物镜的示例。
图3示出了具有波导和光栅的流通池的示例。
图4示出了使用光栅将激光束耦合到平面波导中并且从平面波导耦合出的示例。
图5示出了耦合角相对于光栅周期的示例图。
图6示出了对于多个波长的耦合角公差相对于光束直径的示例图。
图7示出了所模拟的角公差相对于束腰的关系的示例图。
图8示出了整个波导上的强度的示例图。
图9示出了由线扫描构造的示例图像。
图10示出了荧光染料分子的示例图像。
图11示出了波导内的激光束形状的示例图像。
图12-图15示出了基因材料簇的示例图像。
图16示意性地示出了用于激光照射和荧光成像的系统的示例。
图17示出了使用流通池的双面成像的示例。
图18-图19示出了使用流通池的双面成像的其他示例。
图20示出了流通池照射的示例图像。
图21A-图21B示出了过程的示例流程图。
图22示意性地示出了用于激光照射和荧光成像的系统的示例。
图23示出了用于对准的过程的示例流程图。
图24示出了具有多个条带的流通池的示例。
具体实施方式
该文件描述了使用物镜的用于荧光成像的照射的示例。在一些实现中，光学架构可以促进用于高速扫描成像的低功率低背景照射。这可能涉及使照射与通过显微镜物镜进行的检测同步。在与传统平面波导照射相当的信噪比(SNR)下，使用这种方法可以将激光功率降低多达约70倍。
在一些实现中，激光束可以行进穿过物镜，以使成像光学器件和照射彼此同步。波导和一个或多个光栅可以被设计为具有物镜的数值孔径和激光的波长所需要的耦合角。激光束整形光学器件可以用于定义合适的光束尺寸和光的质量，以确保耦合效率和公差。可以选择适当的波导、光栅、覆层和/或基底材料，使其与测序化学和所进行的运行兼容。可以为低背景的荧光团激发设计适当的几何形状和光学性能。在一些实现中，可以支持双面成像。在一些实现中，可以支持多色激发(例如，双色)。
传送诸如一个或多个激光束等照射光穿过成像物镜可以提供优于现有方法的优点。例如，提供激光束穿过物镜表示在流通池的同一侧执行照射和图像捕获。然后，流通池的背侧可以用于促进过程的一个或多个其他方面，诸如对样本进行精确或快速的温度控制。可以提供关于尺寸、角度和位置的照射激光束的精细控制。这可以增加光栅上的对准公差，进而可以显著降低光机械和光栅制造的成本。通过将照射线与检测装置(例如，TDI传感器)共同配准，可以促进高速扫描。可以设计光学器件以将激光束整形为在平面波导内部形成的细线。例如，平面波导的厚度范围可以约为50-200纳米(nm)或更大。这样，平面波导可以被认为是相对薄膜的波导。平面波导可以以相对低的激光功率量提供高功率密度。可以使用与表面和测序化学兼容的材料(包括但不限于Ta2O5或SiN)。在一些实现中，Ta2O5可以用作核，SiO2可以用作基底，并且水缓冲剂或聚合物层可以用作覆层。例如，覆层的折射率可以约为1.3-1.5。光栅耦合器可以被设计为对于不同的波长具有不同的接收角。例如，可以使用红色和绿色激光灯。作为另一示例，可以在流通池的不同表面(例如，顶表面和底表面)上设计光栅耦合器。
本文中描述的示例涉及基因材料的测序。可以对样本进行测序，以确定哪些组成部分(称为核苷酸)构成了样本中的特定基因材料。测序可以在基因材料首先被纯化并且然后复制多次之后进行，以制备合适大小的样本。
成像可以作为基因材料测序过程的一部分进行。这可以涉及荧光成像，其中使基因材料的样本经受光(例如，激光束)以通过基因材料上的一种或多种标记物触发荧光响应。基因材料的某些核苷酸可以施加有荧光标签，从而允许通过将光照射到样本上并且从样本中寻找特征响应来确定核苷酸的存在。荧光反应可以在测序过程中检测到，并且用于建立样本中核苷酸的记录。
本文中描述的示例涉及流通池。流通池是可以在测序过程的至少一个阶段中用于制备和携带一个或多个样本的基底。流通池由与照射和将要暴露于其中的化学反应兼容的材料制成。基底可以具有可以在其中沉积样本材料的一个或多个通道。物质(例如，液体)可以流过存在样本基因材料的通道，以触发一种或多种化学反应和/或去除不需要的材料。流通池可以通过促进可以使流通池通道中的样本经受照射光、以及可以检测来自样本的任何荧光响应来实现成像。系统的一些实现可以被设计为与至少一个流通池一起使用，但是在一个或多个阶段期间(诸如在运输期间或当交付给客户时)可以不包括(多个)流通池。例如，可以将(多个)流通池安装到客户房屋中的实现中，以便执行分析。
本文中的示例是指通过一个或多个光栅将光(例如，激光束)耦合到波导中和/或耦合出波导。光栅可以通过使至少一部分光衍射来耦合入射到光栅上的光，从而使一部分光沿一个或多个其他方向传播。在一些实现中，耦合可以涉及一种或多种相互作用，包括但不限于一部分光的反射、折射和/或透射。
图1示出了用于平面波导照射的光学布局100的示例。光学布局100可以被实现为本文中描述的一个或多个系统的一部分。光学布局100可以用于执行本文中描述的一种或多种技术或过程。
光学布局100可以包括一个或多个光源。例如，光源可以提供具有一个或多个波长的光。在本文中描述的一种实现中，光学布局100包括激光器102和激光器104。在一些实现中，激光器102和104可以分别表征为绿色激光器和红色激光器。例如，激光器102可以生成具有在约400-570nm范围内的一个或多个波长的光。例如，激光器104可以生成具有在约620-750nm范围内的一个或多个波长的光。在一些实现中，可以替代地或附加地使用一种或多种其他类型的光(例如，不同的波长)。
来自激光器102和104中的一个或两个的光可以指向光学布局100中的至少一个反射镜。反射镜可以由提供由相关光源生成的(多种)类型的光的部分或全部反射的一种或多种材料制成。例如，可以在透明基底上设置镜面涂层。在此，反射镜106用于来自激光器102的光束。棱镜反射镜可以用于组合角度差很小的两个光束。二向色镜可以用于组合两个/三个不同的波长。反射镜可以安装在驱动平台上以用于自动对准。
可以以一种或多种方式对在光学布局100中生成的(多个)光束进行整形或以其他方式调节。在一些实现中，可以使用一个或多个光束整形光学器件108。例如，光束整形光学器件108可以用于为光束提供孔径，变换光束，和/或以一种或多种方式集成光束的分量。可以分别为激光器102和104的光束提供单独的一个光束整形光学器件108(相同或不同的)。
由光束整形光学器件108整形的(多个)光束可以指向光学布局100中的至少一个反射镜。在此，反射镜110被用于激光器102和104两者的光束。反射镜106可以被调节以控制(多个)光束的方向。在一些实现中，可以使用反射镜106来调节光束在物平面处的耦合角。例如，可以在光学布局100中被定位在(多个)光束下游的组件(例如，光栅)处限定物平面(例如，光栅)。反射镜110可以使用一个或多个致动器来调节。在一些实现中，反射镜110是电可调节的。例如，反射镜110可以使用一个或多个压电马达来致动。
光学布局100可以包括用于聚焦来自至少一个光源的光的一个或多个组件。在一些实现中，可以使用镜筒透镜112。例如，镜筒透镜可以用于将(多个)光束聚焦成中间图像，该中间图像被提供给光学布局100中的无限校正物镜。在此，镜筒透镜112接收分别源自激光器102和104的光束。
反射镜110可以放置在基于光学布局100中的一个或多个其他组件而选择的位置。在一些实现中，反射镜110的放置可以至少部分取决于镜筒透镜112的特征和位置。例如，可以将反射镜110相对于物平面(诸如流通池处的平面波导)放置在镜筒透镜112的背焦平面114处。
也就是说，由激光器102生成的光可以形成从反射镜110朝向镜筒透镜112传播的激光束116。类似地，由激光器104生成的光可以形成从反射镜110朝向镜筒透镜112传播的激光束118。激光束116和118中的每个可以被生成以便在相同或不同的方向上传播。在一些实现中，可以相对于镜筒透镜112的光轴120表征(多个)方向。例如，激光束116可以相对于光轴120形成角度122。例如，激光束116可以相对于光轴120形成角度124。可以选择角度122和124，以便为诸如光栅等下游组件处的相应激光束116和118提供特定的耦合角(相同或不同)。
镜筒透镜112可以将激光束116和118指向光学布局100中的一个或多个组件。在一些实现中，镜筒透镜112将光指向反射镜126，该反射镜126朝向光学布局100中的物镜128反射至少一部分光。例如，反射镜126可以是分色镜，该分色镜具有以下特征：将激光器102和104的具有(多个)波长的入射光的大部分反射到物镜128中，同时还具有透射具有一个或多个其他波长的光的大部分的特征。来自激光器102和104的光的反射部分可以至少为一定量，使得反射光充分照射下游组件，诸如流通池的平面波导。在其他实现中，光学布局100可以改为被布置为用于使反射镜126至少部分将照射光(即，源自激光器102和104的光)透射到物镜128中，并且至少部分反射从物镜128射出的其他光。
物镜128可以包括一个或多个透镜和/或其他光学组件。在一些实现中，物镜128可以包括图2中所示的组件。物镜128可以用于将照射光指向光学布局100的一个或多个组件。物镜128可以用于捕获成像光并且将其提供给光学布局100的一个或多个组件。
光学布局100包括流通池130。在一些实现中，流通池可以包括本文中其他地方描述或示出的任何流通池。例如，流通池130可以包括一个或多个通道132，通道132被配置为保持样本材料，并且促进关于样本材料采取动作，包括但不限于触发化学反应或添加或去除材料。在此，示出了通道132在纵向方向上的横截面。也就是说，如果液体流过通道132，则在该图示中，液体的主流动方向可以是流入或流出附图。
可以关于光学布局100中的另一组件定义物平面134。本文中，物平面134至少部分由物镜128限定。在一些实现中，物平面134延伸穿过流通池130。例如，对物平面134可以定义为与(多个)通道132相邻。
物镜128可以限定视场136。视场136可以限定流通池130上的区域，图像检测器使用物镜128从该区域捕获成像光。可以使用一个或多个图像检测器。例如，当激光器102和104生成具有不同波长(或不同波长范围)的相应激光束时，光学布局100可以包括用于相应波长(或波长范围)的单独的图像检测器。
可以相对于物镜128放置一个或多个衍射光栅。在一些实现中，可以将光栅138和140放置在物平面134处或附近。例如，可以将光栅138和140放置在通道132的相对侧。也就是说，可以放置光栅138和140以限定垂直于通道132的纵向方向的穿过通道132的横向方向。光栅138和140放置在传感器视场136之外。
光栅138和140可以引导光进/出流通池130中的平面波导。在此，光束142和144入射在光栅138上。在一些实现中，光束142和144可以分别对应于激光束116和118，并且可以在流通池130中(例如，流通池130内的平面波导中)限定照射区域。例如，光束142和光束144可以以不同的耦合角入射在光栅138上。作为另一示例，光束142和光束144可以在通道132的纵向方向上的不同位置处入射在光栅138上。在此，光束146和148从光栅140出射。例如，光束146可以在穿过流通池130中的平面波导之后对应于光束142的至少一部分。例如，光束148可以在穿过流通池130中的平面波导之后对应于光束144的至少一部分。
光栅138和140可以彼此相同或相似，或者可以是不同类型的光栅。(多个)光栅可以包括一种或多种形式的周期性结构。在一些实现中，可以通过从流通池130(例如，从流通池130中包括的波导材料)去除或省略材料来形成光栅138和/或140。例如，流通池130可以在其中设置有一组狭缝和/或凹槽以形成光栅138和/或140。在一些实现中，可以通过向流通池130(例如，向流通池130中包括的波导材料)添加材料来形成光栅138和/或140。例如，流通池130可以设置有一组脊、带或其他突出的纵向结构以形成光栅138和/或140。可以使用这些方法的组合。
在视场136内，物镜128可以捕获来自流通池130的成像光。例如，成像光可以包括荧光。该成像光传播穿过物镜128并且在其另一端出射。光学布局100可以使用一个或多个组件来沿着与照射光(即，来自激光器102和104的光)到达的方向不同的方向引导成像光。在此，反射镜126可以是二向色镜。例如，二向色镜可以反射至少一部分成像光并且透射至少一部分照射光。相反，二向色镜可以透射至少一部分成像光并且反射至少一部分照射光。信号150在此表示成像光到一个或多个图像传感器152的透射。在一些实现中，成像光包括来自流通池130的荧光。例如，图像传感器152可以包括时间延迟和积分(TDI)传感器。
物镜128可以被选择为具有允许光栅138和/或140在视场136之外被照射的数值孔径。在一些实现中，数值孔径小于1。例如，可以使用数值孔径0.95、0.75、0.7、0.3和/或0.2。在一些实现中，较大的数值孔径可以与水/油浸物镜一起使用，例如1.2至1.4或更大的数值孔径。
在一些实现中，流通池130的尺寸可能需要通过沿着通道132的纵向方向(进/出附图)进行扫描来捕获多个图像。照射光(例如，光束142和144)然后可以借助于物镜128与视场136共同配准，既可以将来自激光器102和104的照射光指向光栅138和/或140，又可以限定视场136。也就是说，激光器102和/或104、物镜128以及光栅138和/或140可以用于在流通池的连续位置上、将流通池130上的照射区域与流通池130上的图像传感器的视场136共同配准。
光学布局100是包括以下各项的系统的示例：物镜(例如，物镜128)；光源(例如，激光器102和104)，用于馈送照射光(例如，激光束116和118)穿过物镜并且馈送进入要安装在系统中的流通池(例如，流通池130)中，照射光要使用流通池上的光栅(例如，光栅138)来馈送；以及用于使用物镜捕获成像光的图像传感器，其中光栅被定位在图像传感器的视场(例如，视场136)之外。
光学布局100是可以与被定位在流通池(例如，流通池130)上的第一光栅和第二光栅(例如，光栅138和140)一起使用的系统的示例。
光学布局100是如下系统的示例：其中来自第一光源(例如，激光器102)的第一照射光包括第一波长的第一光束(例如，激光束116)，并且其中该系统还包括用于馈送第二照射光穿过物镜的第二光源(例如，激光器104)，该第二照射光包括第二波长的第二光束(例如，激光束118)。
光学布局100是包括定位在第一光源和第二光源(例如，激光器1102和104)之后、并且在物镜(例如，物镜128)之前的反射镜(例如，反射镜110)和镜筒透镜(例如，镜筒透镜112)的系统的示例，其中从反射镜到镜筒透镜传播的第一光束和第二光束的相应角度(例如，角度122和124)反映第一光束和第二光束在光栅上的对应入射角(例如，光束142和144的相应耦合角)。
光学布局100是具有定位在光源(例如，激光器102)之后并且在反射镜(例如，反射镜110)之前的反射镜(例如，反射镜106)的系统的示例，反射镜用于在光栅上提供第一光束和第二光束的空间分离(例如，在通道132的纵向方向上光束142和光束144在光栅138上的不同入射位置)。
图2示出了物镜200的示例。物镜200可以包括被布置为允许光在两个方向上透射并且以一种或多种方式操纵光的多个透镜202(在此以同轴方式)。物镜200在此指向流通池204。例如，流通池204可以具有一个或多个光栅，允许将光耦合进/出流通池204中的平面波导。
物镜200可以与一个或多个光源一起使用。在此，激光器206被定位在物镜200的一端。在一些实现中，激光器206将激光束208生成到物镜200中。例如，激光束208可以具有约532nm的波长。在此，激光器210被定位在物镜200的同一端。在一些实现中，激光器210将激光束212生成到物镜200中。例如，激光束212可以具有约660nm的波长。激光束208可以被引导以便在物镜200的侧214处或附近传播。激光束212可以被引导以便在物镜200的与侧214相对的侧216处或附近传播。
在一些实现中，激光束208和212入射在流通池204上的相应光栅上。在一些实现中，激光束208进入平面波导的光栅可以是激光束212离开平面波导的光栅，激光束212已经在其对应光栅处进入平面波导。对应地，激光束212进入平面波导的光栅可以是激光束208离开平面波导的光栅，激光束208已经在其对应光栅处进入平面波导。如果没有进行阻挡，则离开的光束可以传播到物镜200中。
上面的示例说明了系统可以包括将第一光束(例如，激光束208)指向物镜(例如，物镜200)的第一侧(例如，侧214)的第一光源(例如，激光器206)、和将第二光束(例如，激光束212)指向物镜的与第一侧相对的第二侧(例如，侧216)的第二光源(例如，激光器210)。上面的示例示出了系统可以提供包括第一波长的第一光束(例如，激光束208)和第二波长的第二光束(例如，激光束212)的照射光，并且第一光束可以指向物镜(例如，物镜200)的第一侧(例如，侧214)，并且第二光束可以指向物镜的与第一侧相对的第二侧(例如，侧216)。
上面的示例说明了系统(例如，包括物镜200以及激光器206和210)可以与被定位在照射流通池(例如，流通池204)的平面波导的相对侧的第一光栅和第二光栅一起使用，第一光栅将第一照射光(例如，激光束208或212)耦合到平面波导中，并且第二光栅将第一照射光耦合出平面波导。
图3示出了流通池的部分300的示例。流通池具有波导302和光栅304，波导302和光栅304中的每个部分地在流通池的部分300中示出。波导302的(多个)材料可以包括折射率为约2.1的Ta2O5。例如，波导302的厚度可以为约100-200nm。在一些实现中，用于波导302的指定厚度可以具有约±2.5nm的公差。流通池300的区域306(例如，在该视图中被定位在波导302和光栅304上方的覆层)的折射率可以与水的折射率相当。流通池300的区域308(例如，在该视图中被定位在波导302和光栅304下方的基底)的折射率可以与某些玻璃的折射率相当。在一些实现中，区域308可以包括折射率为约1.5的材料玻璃基底。例如，区域308的厚度可以为约300微米(μm)。光栅304可以包括光栅厚度为约10-100nm的SiO2。用于光栅304的指定光栅厚度可以具有约±2.5nm的公差。例如，光栅304可以具有约50±10％的占空比。
该图示出了流通池300的设计模型。在一些实现中，可以使用有限差分时域分析来生成示出流通池300的图像。例如，可以使用提供物理建模的软件系统来生成图像。
在流通池300中，入射光(例如，激光束)如箭头310所示进入，并且至少部分被光栅304折射。光的折射部分在波导302中传播。耦合角取决于(激光)波长、光栅间距/深度和折射率。通过根据刻度312进行加阴影来指示光的强度。最大耦合效率可以为约40％。可以选择设计，使得为多种波长的光限定光学平台的对称耦合角或首选角度。例如，光栅304对于红色激光束和绿色激光束可以具有一个或多个对称耦合角。
在一些实现中，光栅可以由SiO2制成。在一些实现中，可以设计具有以下特征的光栅：
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图4示出了使用光栅402和404将激光束耦合进平面波导400并且耦合出平面波导400的示例。对于给定的光波长，光栅402和404可以具有相同的耦合角或不同的耦合角。例如，光栅402和404可以具有相同或不同的光栅周期。光栅402和404被定位为使得平面波导400上的空间与在对样本(例如，基因材料)成像时将要使用的成像传感器的尺寸相匹配。当在操作中使用平面波导400以及光栅402和404时，可以使用与打算使用的相机或其他图像传感器不同的相机或其他图像传感器来捕获图4所示的图像。例如，可以使用2D电荷耦合设备相机捕获图像。平面波导400可以包括任何合适的材料，包括但不限于本文中的其他示例中描述的那些。光栅402和404可以包括任何合适的材料(彼此相同或不同)，包括但不限于本文中的其他示例中描述的材料。
光栅402上的区域406是由指向光栅402的激光束生成的反射。激光束以耦合角撞击在光栅402上，使得激光束至少部分被光栅402耦合并且作为线408进入平面波导400。在一些实现中，激光束可以具有近似椭圆形的横截面。例如，激光束可以具有约100μm量级的最大尺寸，但是可以使用更小或更大的尺寸。在一些实现中，较小的光束尺寸可以提供较大的耦合角公差。例如，在某些光栅上，100μm的激光束的耦合角公差为约0.5度。光栅404上的区域410对应于离开光栅404的线408的激光束。
例如，线408可以用于照射应用有波导400和光栅402和404的流通池中的样本。在一些实现中，线408的宽度可以为约8-150μm量级。线408的最窄区域(有时被称为腰部)可以为约7μm量级。这可以与某些现有测序系统的线宽规格一起考虑。例如，一个现有系统可以指定3-8μm的线宽，另一系统可以指定10-24μm的线宽，而又一系统可以指定40μm的线宽。在一些实现中，在可以是平面波导400在x方向上的近似宽度的约1mm的距离上，波束传播损耗可以小于10％。例如，平面波导可以为约1.2mm宽并且为约100mm长。对于某些检测器(例如，TDI扫描仪)，这可以限定约90％的在线照射均匀度。y方向上的角公差在流通池上可以大于约±3度。
在使用中，捕获来自流通池的成像光的图像传感器可以被布置和配置为使得其视场包括线408而不包括区域406和410，以避免或减少图像中发生激光。在一些实现中，视场可以是基本上仅覆盖平面波导400内的线408的窄条带。例如，视场的宽度可以为约10-24μm。例如，视场的长度可以为约800μm、1000μm或2000μm。
不同波长的光束可以在流通池上进行空间区分。在一些实现中，例如，绿色激光束应当与例如红色激光束撞击在光栅402上的不同位置。例如，这可以消除或减少来自相应激光束的信号之间的串扰。然后，绿色激光束可以在y方向上与红色激光束间隔开。例如，光栅402上的区域406'示意性地示出了绿色激光束的入射。例如，线408'示意性地示出了基本上平行于线408的绿色激光束到平面波导400中的耦合。例如，光栅404上的区域410'示意性地示出了线408的光到平面波导400之外的耦合。
光栅402和/或404以及本文中描述的其他光栅可以被设计为具有一个或多个对称的耦合角。图5示出了耦合角相对于光栅周期的示例图500。耦合角在纵轴上标出，光栅周期(单位为nm)在横轴上标出。示出了四个束，其中的两个束为横向电(TE)模式束，另外两个为横向磁(TM)模式束。在该非限制性工作示例中，一个TE光束和一个TM光束的波长为532nm。另一TE光束和另一TM光束的波长为660nm。波导包括厚度为110nm的Ta2O5，并且基底包括折射率为约1.5并且低自发荧光的玻璃材料。盖水缓冲剂的折射率为约1.34以用于成像。
图500示出了用于耦合角相对于光栅周期的仿真结果。可以标识对称耦合的多个角度。例如，三个光栅周期允许对称耦合342nm、354nm和358nm。在这些光栅周期处的对称耦合角分别为±13.72度、±16.85度和±8.79度，这表明衍射可以在从光栅的法线的任一方向上。这样，图600示出了具有多于一个光源并且至少具有第一波长和第二波长的系统可以与具有用于第一波长和第二波长的(多个)对称耦合角的光栅一起使用。附加参数会影响耦合效率和耦合角。例如，这可以包括波导厚度、光栅深度、形状、波导的折射率、覆层和/或基底、波长和光束偏振。
已知的物理关系(包括但不限于一般的波动方程)可以用于进一步分析电磁波在材料中的传播。例如，可以执行仿真并且将其用作设计平面波导或其他组件的基础。
图6示出了耦合角公差分析的示例图600。归一化耦合效率在纵轴上标出，入射光束相对角度(以度为单位)在横轴上标出。较小的光束尺寸可以实现0.57°的x倾斜角公差。可以通过进一步减小光束直径但增加位置对准灵敏度来提供更高的公差。图600中示出的耦合角公差可以是载物台倾斜分辨率的约十倍，并且可以在扫描成像时示出低风险。
图7示出了模拟角公差相对于束腰的示例图700。如果实现对照射光的入射角非常敏感，则在扫描期间移动样本时，平面波导中的线会变得更亮或更暗。在图700中，耦合效率在纵轴上标记，基底中的耦合角在横轴上标记。在图700中标记了四个示例光束，分别具有减小的束腰30μm、15μm、8μm和8μm(在峰谷之间的光栅深度为30nm)。图700示出，随着束腰的减小，耦合角公差增大。图700还表明，在优化光栅深度之后，小尺寸光束的耦合效率仍然可以达到35％以上。为了提高角公差，用于成像的小光束建模和高数值孔径物镜可以提供小光束直径，而不会产生重大成本或挑战。
图8示出了整个波导上的强度的示例图800。强度在纵轴上标记，整个平面波导上的位置(例如，以列号的形式)在横轴上标记。图800表明，在波导的大于90％处可以具有均匀性。例如，这可以是在波导中心处的600μm区域。图800中的边缘背景可以归因于染料溶液的人工效应。
可以测试样本以评估用于线扫描成像的平面波导照射。这样的样本可以包括但不限于荧光珠、染料分子毯和基因材料簇。图9示出了由线扫描构造的示例图像900。图像900可以由多个线扫描构造而成。图像900的尺寸为800μm×800μm。可以在多个位置和/或通道处在1.6mm上执行扫描。出于说明性目的示出图像900，并且在实际情况下，仅举两个示例，高度可以为约75mm或100mm量级。
图像900示出均匀的珠和背景。沿着从约100μm到约5mm的长扫描区域，照射是均匀的，而无需调节耦合角或位置。在图像900的一个边缘处，光栅背景当前可见。可以为设计留有余量以解决这种情况。例如，约100μm的沟槽可以用于带有平面波导的流通池中的光栅耦合器，而不会产生明显的成本或其他缺点。
图10示出了荧光染料分子的示例图像1000。图像1000是在聚合物层之上的高密度荧光染料分子的图像。图像1000中的不规则性不一定是由于照射或成像技术引起的。相反，图像1000可以可视化界面细节。例如，图像1000可以示出聚合物层或玻璃基底中的波导缺陷、表面图案和/或其他缺陷、和/或光栅上的气泡或灰尘。
图11示出了波导内的激光束形状的示例图像1100。图像1100中的光漂白图案可以示出波导内的激光束形状。
图12-图15示出了基因材料簇的示例图像1200、1300、1400和1500。图像在较低功率下具有低的背景和高的SNR。在一些实现中，功率可以比现有系统的设置低约40倍。例如，现有系统可以涉及280mW的激光功率，并且可以在3.1mW的激光功率下拍摄图像1200。在图像传感器的整个视场和整个扫描过程中，照射是均匀的。
图像1200的宽度为800μm并且示出了平面波导板的出口。与图像1200相比，图像1300-1500被放大。图像1300是在SNR为314时以11mW拍摄的。图像1400是在SNR为154时以3.1mW拍摄的。图像1500是在SNR为35时以0.4mW拍摄的。
SNR分析表明，与使用相同分析模型的现有系统相比，相同SNR或信号可以涉及的功率要低得多。一种假定是与标准成像相比，在相同信号水平下背景光要高得多。另一假定是，可以在较低的信号电平下获取等效的SNR(与标准成像相比)。
SNR分析可以表明，在与现有系统等效的信号下，平面波导可以示出背景水平可以降低八倍，SNR可以提高两倍，和/或功耗可以降低30倍。这对应于系统中的激光功率的能力的降低。SNR分析还可以表明，与现有系统相比，SNR可以实现为信号降低2倍，激光功率可以降低70倍，和/或DNA光损伤和激光诱导的客观损害或污染可以降低。
简言之，可以将激光功率降低多达约20-70倍。这可以降低与该工具有关的一些会计指标，诸如销售商品的成本。这可以降低激光对光学器件或流通池的损坏以及物镜污染的风险。信噪比可以提高约八倍。这可以提高数据质量。例如，可以实现启用小型簇的潜力。激光照射剂量可以减少约2至4倍。这可以减少DNA的光损伤。
图16示意性地示出了用于激光照射和荧光成像的系统1600。系统1600可以与本文中描述的任何组件、布局或技术一起使用。系统1600包括激光器1602和1604。在一些实现中，激光器1602和1604可以生成不同波长的光。例如，在系统1600的某些方面，激光可以传播穿过一根或多根光纤(未示出)。系统1600包括反射镜1606和1608。例如，激光器1602可以将光指向反射镜1606，并且激光器1604可以将光指向反射镜1608。系统1600包括棱镜1610和1612。例如，反射镜1606可以将光指向棱镜1610处并且反射镜1608可以将光指向棱镜1612。系统1600可以包括反射镜1614。在一些实现中，反射镜1614具有压电致动器。例如，棱镜1610和1612都可以将相应光指向反射镜1614。在一些实现中，可以将一个或多个对准目标1616定位在激光束的路径中。例如，对准目标1616可以包括用于激光的孔径。反射镜1614可以将激光束指向镜筒透镜1618。例如，相应激光束在反射镜1614与镜筒透镜1618之间传播时的角度可以限定该激光束在诸如一个或多个光栅等下游组件处的耦合角。
组件1602-18可以安装在合适的工作台或其他表面上，诸如光学平台或等同物。组件1602-18可以统称为激发光学器件，或备选地称为平面波导板。以下是可以应用于平面波导板的特征或参数：可以使用波长为532/660nm的二极管激光器(例如，激光器1602和/或1604)；可以施加35/50mW的激光效果；可以使用光纤单模。压电镜(例如，反射镜1614)可以具有垂直和/或水平致动；可以优化镜筒透镜(例如，镜筒透镜1618)和流通池光栅中的耦合角；并且可以被定位在镜筒透镜的背焦平面上。线性平移器或反射镜(例如，反射镜1606和/或1608)可以用于粗略对准。
系统1600可以包括至少从镜筒透镜1618接收光的组件1620。例如，组件1620可以被表征为光学结构或照射光学器件或两者。例如，组件1620可以包括在水平方向上(例如，进入该视图中的图中)反射来自镜筒透镜1618的光的反射镜、以及在垂直方向上(例如，在该视图中的图中向下)反射来自镜筒透镜1618的光的另一反射镜。系统1600可以包括物镜1622。例如，物镜1622可以包括多个透镜或其他光学器件。系统1600可以包括作为来自物镜1622的光的目标的样本1624。例如，可以在具有用于耦合来自物镜1622的光的平面波导和光栅的流通池中提供样本。样本1624可以被定位在系统1600中的一个或多个平台1626上。例如，平台1626可以包括用于在成像或扫描操作期间机械固定流通池的卡盘或其他组件。
样本1624的照射可从样本中的基因材料生成荧光响应。该响应可以被表征为系统1600中的成像光。成像光可以进入物镜1622，并且可以传播到组件1620中。例如，组件1620中的二向色镜可以将成像光指向另一方向，诸如朝向反射镜1628。反射镜1628可以将成像光指向系统1600中的投影透镜1630，此后，成像光可以入射在组件1632上。组件1632可以以一种或多种方式重定向和/或调节成像光。例如，这种调节可以是用于成像光的感测或检测过程的一部分。在此，组件1632包括将成像光重定向到朝向相应图像传感器1634和1636中的一个或两个的反射镜。在一些实现中，图像传感器1634和1636中的每个可以处理由用特定颜色的光照射而产生的成像光。例如，图像传感器1634和1636可以是TDI传感器。可以使用其他用于检测成像光的技术。
系统1600可以包括一个或多个轨道1638。在一些实现中，(多个)轨道可以促进至少样本1624与至少物镜1622之间的相对运动。这可以例如通过在流通池中在一个或多个通道的长度上扫描来促进样本1624的较大区域的成像。例如，当图像传感器1634和/或1636包括TDI传感器时，平台1626可以是借助于(多个)轨道1638的可移动平台，使得(多个)TDI传感器可以扫描容纳样本1624的流通池的连续区域的线图像。
热处理可以应用于系统1600或其他实现中。因为物镜1622传递照射光并且还捕获成像光，所以可能不需要光学接近样本1624的背侧。然后可以至少部分通过样本1624的背侧来施加热调节。在一些实现中，平台1626可以是被配置用于对样本1624进行快速和/或精确的热控制的热平台。平台1626可以在成像和/或扫描操作期间将样本保持在固定温度。
可以执行双面照射和成像。在一些实现中，光栅在流通池的顶表面和底表面上可以具有不同的位置。在一些实现中，可以基于几何形状和/或材料将光栅设计为具有不同的耦合角。例如，光栅周期可以被不同地设计以为不同情况提供适当的耦合角。例如，由于覆层/基底的翻转，顶部和/或底部耦合角可以具有自然差异。可以始终在玻璃基底/盖与从顶部照射之间提供缓冲剂。可以使用上述方法中的两种或更多种的组合。
图17示出了使用流通池1700的双表面成像的示例。流通池可以由任何合适的材料制成，包括但不限于本文中描述的那些。流通池1700包括基底1702(例如，在该视图中为顶部基底)和基底1704(例如，在该视图中为底部基底)。可以在基底1702和1704之间形成一个或多个通道1706。例如，(多个)通道1706可以包含诸如在测序过程中要暴露于照射的一个或多个样本(例如，基因材料)。图例1708指示可以在y方向上执行扫描，然后可以横向于扫描方向在整个流通池1700上限定x方向。
光栅1710和1712可以设置在基底1702上。在一些实现中，光栅1710和1712设置在基底1702的面向通道1706的表面上(在该视图中在基底1702的底表面上)。例如，光栅1710可以用于将光束1714(其已经传播穿过基底1704并且穿过通道1706)耦合到由基底1702形成的平面波导中。这样，光束1714可以在基底1702的内部基本上在x方向上行进，并且照射在基底1702的向内(在此为底)上或附近的样本材料。例如，光栅1712可以用于将在平面波导中传播的光耦合出基底1702。
可以对基底1704进行类似的布置。在此，基底1704上的光栅1716(在该视图中在基底1704的顶表面上)可以耦合光束1718，光束1718在基底1704内部传播进入由基底1704形成的平面波导中，以在x方向上行进并且照射在基底1704的向内(在此为顶)表面上或附近的样本材料。光栅1720(在此也是在基底1704的顶表面上)可以用于将在平面波导中传播的光耦合出基底1704。
然后可以以成像光的形式检测来自样本材料的荧光响应。图像传感器(未示出)可以捕获由光束1714在通道1706的顶部(在该视图中)触发的成像光，并且可以捕获由光束1718在通道1706的底部(在该视图中)触发的成像光。例如，光束1714和1718可以在不同的时间(例如，交替地)被激活以便允许相应表面的单独成像。通过使光束1714和1718传送穿过用于捕获成像光的同一物镜，可以在y方向上的每个位置处获取照射和成像的共同配准，
光束1714和1718可以由相同的光源或分离的光源生成。流通池1700可以使用不同的波长。在一些实现中，532nm和660nm的激光器都可以分别用于光束1714和1718。例如，532nm的激光束可以具有约15度的耦合角。对于诸如460nm等另一波长，可以使用较小的光栅间距和/或较大的耦合角。
上面的示例可以说明可以采用的方法。在一些实现中，光栅可以在顶表面和底表面中的不同位置。光栅1710(在基底1702上)和光栅1716(在基底1704上)在x方向上彼此偏移。例如，光栅1710可以更靠近通道1706的中心。光栅1712(在基底1702上)和光栅1720(在基底1704上)在x方向上彼此偏移。例如，光栅1712可以距通道1706的中心更远。在一些实现中，位置的差可以在约100μm量级。
光栅可以具有不同的耦合角。在一些实现中，光栅1710(在基底1702上)和光栅1716(在基底1704上)可以具有不同的耦合角。例如，可以使用约1度的耦合角的平移。
在一些实现中，可以使用位置差和耦合角差。例如，光栅1710和光栅1716可以在x方向上具有约50μm的位置差，并且可以在耦合角上具有约0.5度的差。
上面的示例说明了一种系统可以与包括平行于第二样本表面(例如，基底1704的面对通道1706的表面)的第一样本表面(例如，面对通道1706的基底1702的表面)的流通池(例如，流通池1700)一起使用。第一光栅(例如，光栅1710)可以耦合第一照射光的第一部分(例如，光束1714)以照射第一样本表面。第二光栅(例如，光栅1716)可以耦合第一照射光的第二部分(例如，当光束1714和1718来自同一光源时的光束1718)以照射第二样本表面。
上面的示例说明了第一光栅(例如，光栅1710)可以相对于第二光栅(例如，光栅1716)在第一照射光的第一部分(例如，光束1714)的行进方向(例如，x方向)上偏移。
上面的示例说明了系统可以与流通池(例如，流通池1700)和图像传感器一起使用，并且流通池上的照射区域可以与图像传感器的视场共同配准。
可以阻止离开流通池1700的光进入物镜或以其他方式到达图像传感器。在一些实现中，可以使用壁1722或其他屏障。壁1722可以被称为束流收集器。例如，壁1722可以被定位成阻挡来自光栅1712耦合出基底1702的平面波导的光束1714的光。例如，壁1722可以被定位成阻挡来自光栅1720耦合出基底1704的平面波导的光束1718的光。在一些实现中，壁1722可以在返回光的路径中被放置在物镜之后的位置。
图18-图19示出了使用流通池的双面成像的其他示例。在图18中，以横截面示出了流通池1800。流通池1800包括盖玻璃基底1802、平面波导1804、在平面波导1804上或附近的样本1806、水缓冲剂1808、在平面波导1812上或附近的样本1810、以及玻璃基底1814。盖玻璃基底1802可以是允许诸如通过显微镜来观察样本1806的相对薄的透明材料。在一些实现中，平面波导1804可以被认为是顶表面，而平面波导1812可以被认为是底表面。
光栅1816形成在平面波导1804中，光栅1818形成在平面波导1812中。光栅1816和1818可以具有彼此相同或不同的光栅设计。
照射光可以耦合到平面波导1804或1812中。在此，光束1820传播穿过盖玻璃基底1802、平面波导1804和水缓冲剂1808。然后，光束1820通过光栅1818耦合到平面波导1812中。例如，光束1820可以包括波长为455nm、532nm和/或660nm的一个或多个激光束。类似地，光束1822传播穿过盖玻璃基底1802，并且通过光栅1816耦合到平面波导1804中。例如，光束1822可以包括波长为455nm、532nm和/或660nm的一个或多个激光束。可以使用一个或多个激光器来生成光束1820。可以使用一个或多个激光器来生成光束1822。
可以使用流通池1800执行一个或多个过程。在一些实现中，第一过程包括激发顶表面(在此是平面波导1804的面对水缓冲剂1808的表面)并且用光束1822对其成像。第二过程可以包括激发底表面(在此是平面波导1812的面对水缓冲剂1808的表面)并且用光束1820对其成像。在这些过程之间，可以执行物镜的重新聚焦和耦合角的调节。样本1806(例如，顶表面)或样本1810(例如，底表面)可以在彼此之前成像。
其他光栅(未示出)可以用于将光耦合出平面波导1804和1812中的一个或多个。在一些实现中，另一光栅可以放置在平面波导1804和/或平面波导1812中。这样的光栅可以将光耦合出相应的平面波导1804或1812，例如，光栅1816和这样的附加的光栅可以在平面波导1804的相同表面上平行地形成一对，以限定用于传感器(例如，TDI传感器)的照射区域。例如，光栅1818和这样的附加光栅可以在平面波导1812的相同表面上平行地形成一对，以限定用于传感器(例如，TDI传感器)的照射区域。
代替使用附加光栅将光耦合出平面波导1804或1812，可以使用另一种处理残留光的方法。在一些实现中，可以将光直接阻挡在流通池上。例如，可以将金属带和/或吸收带应用于平面波导以在光照射样本之后阻挡光。
上面的示例说明了流通池(例如，流通池1800)可以包括用于保持样本(例如，样本1806和/或1810)的基底(例如，玻璃基底1814)。流通池可以包括用于引导针对样本的第一光(例如，光束1822)的第一平面波导(例如，平面波导1804)。流通池可以包括用于耦合第一光的第一光栅(例如，光栅1816)。流通池可以包括用于引导针对样本的第二光(例如，光束1820)的第二平面波导(例如，平面波导1812)。流通池可以包括用于耦合第二光的第二光栅(例如，光栅1818)。
上面的示例说明了一种系统可以与第一平面波导(例如，平面波导1804)和第二平面波导(例如，平面波导1812)一起使用，第一光栅(例如，光栅1816)将第一照射光的第一部分(例如，光束1822)耦合到第一平面波导中，第二光栅(例如，光栅1818)将第一照射光的第二部分(例如，光束1820)耦合到第二平面波导中(当光束1820和1822由同一光源生成时)。
样本1806和/或1810可以基于照射光生成一个或多个荧光响应。例如，样本1806和/或1810可以包括与照射光反应并且生成响应的一种或多种荧光团。
图19示出了流通池1924的一部分的横截面。在一些实现中，流通池1924可以包括盖玻璃基底1926、平面波导1928、水缓冲剂1930、平面波导1932和玻璃基底1934。光栅1936形成在平面波导1928中，光栅1938形成在平面波导1932中。光栅1936和1938可以具有不同的耦合角。耦合角可以取决于光栅周期、光栅深度和/或平面波导1904或1912的材料。在一些实现中，光栅1936和1938具有不同的光栅周期。例如，光栅1936可以具有比光栅1938更短的光栅周期。
图20示出了流通池照射的示例图像2000。在一些实现中，图像2000可以表示流通池上的照射轮廓，该轮廓由设计模型确定。例如，激光功率可以分布在线性区域中，包括但不限于1200μm×20μm的区域。例如，可以使用4mW的激光功率。
图21A-图21B示出了过程2100的示例流程图。过程2100可以在一个或多个系统中执行，包括但不限于在测序装置中。例如，过程2100可以在本文中描述的任何系统中执行。
在2110，可以提供至少一个样本。例如，这可以包括获取基因材料的样本，纯化样本，修改样本，以及将样本复制成簇。样本可以在流通池中提供，包括但不限于本文中描述的任何流通池。
在2120，可以将包含样本的流通池定位在测序系统中。例如，在系统1600(图16)中，可以使用平台1626和轨道1638相对于物镜1622定位样本1624。
在2130，可以聚焦物镜。例如，图16中的物镜1622可以聚焦以便图像传感器1634和/或1636获取来自样本1624的成像光的清晰视图。
在2140，可以通过物镜照射样本。照射光可以通过在物镜的视场之外的光栅耦合到平面波导中。该示例示出了过程2100可以涉及馈送照射光穿过物镜、并且经由被定位在图像传感器的视场之外的光栅进入流通池中。
在2150，可以使用(多个)图像传感器通过物镜捕获成像光。
在2160，可以确定成像会话是否完成。例如，如果正在执行扫描过程并且尚未对整个样本成像，则过程2100可以继续进行到2170，在此进行重新定位。样本和物镜的相对位置被改变。例如，图16中的样本1624可以通过轨道1638相对于物镜1622前进。然后，该过程可以返回到2130以进行聚焦(如果需要的话)，然后在2140处照射样本的另一区域，以此类推。
如果在2160处完成成像，则过程2100可以继续进行到2180，在此可以构建图像。例如，可以从由TDI传感器进行的相应线扫描来构造图像。
图21B涉及在流通池中使用多个表面进行成像。在一些实现中，可以执行图21B中所示的操作以代替过程2100中的2130-2150。在2130'，可以将物镜聚焦在第一样本表面上。例如，这可以是图18中的平面波导2004的表面。在2140'，可以照射第一样本表面。例如，这可以使用图18中的光束2021来完成。在2150'，可以使用物镜捕获第一样本表面的图像。
在2130”，可以将物镜聚焦在第二样本表面上。例如，这可以是图18中的平面波导1812的表面。在2140”，可以照射第二样本表面。例如，这可以使用图18中的光束2020来完成。在2150”，可以使用物镜捕获第二样本表面的图像。
本示例说明了一种方法可以涉及一种流通池，该流通池包括与第二样本表面平行的第一样本表面，并且这种方法还可以包括将照射光(例如，光束1822)的第一分量指向与第一样本表面对准的第一光栅(例如，光栅1816)，并且将照射光的第二分量(例如，光束1820)指向与第二样本表面对准的第二光栅(例如，光栅1818)。
本示例说明了一种方法，该方法可以包括：结合将照射光的第一分量指向(在2140')第一光栅来将物镜调节为(在2130')聚焦在第一样本表面上，并且结合将照射光的第二分量指向(在2140”)第二光栅来将物镜调节为(在2130”)聚焦在第二样本表面上。
图22示意性地示出了用于激光照射和荧光成像的系统2200的示例。系统2200被配置为执行用于平面波导照射的自动对准。系统2200的某些方面可以与系统1600(图16)的那些方面相同或相似。例如，系统2200的组件1602-1638可以是与系统1600中的对应组件基本上相同的组件，和/或与其执行基本上相同的功能。
如以上参考图16所述，物镜1622将照射光(有时称为激发光)指向样本1624，并且接收来自样本1624的以基本上相反的方向朝着组件1620传播的成像光。在穿过平面波导之后，激发光也可以进入物镜1622并且向组件1620传播。例如，当平面波导具有将激发光耦合出流通池的出口光栅、并且不存在可能会阻挡激发光重新进入物镜1622的光束收集器等时，会发生这种情况。
在组件1620处，可以将成像光和返回的激发光彼此分离。例如，可以使用二向色镜。成像光可以被指向反射镜1628，最终被(多个)图像检测器1634-36接收。另一方面，返回的激发光可以被指向分束器2202。分束器2202(有时称为拾取镜)将从组件1620到达的返回的一部分激发光重定向为朝向被定位在图像传感器2206之前的投影透镜2204。在一些实现中，分束器2202具有不对称的反射涂层。例如，分束器2202的相应侧可以被涂覆为介电滤波器。
图像传感器2206(例如，电荷耦合器件)可以被配置用于捕获包括其上的光栅的样本1624的图像，以用于评估将由图像检测器1634-36捕获的图像的质量。例如，如果样本1624未相对于图像检测器1634-36的相机平面正确地定向，则所得到的图像的质量可能较差。可以将其描述为样本平面与相机平面之间存在残差。然后，图像传感器2206可以用于确定是否应当调节激光束和/或样本1624的定向，包括但不限于通过以下描述的过程。这种调节或校正可以称为将样本去倾斜。
投影透镜2204可以用于控制由图像传感器2206捕获的图像。此外，分束器2202在此已经放置在镜筒透镜1618(有时称为投影透镜)与组件1620之间。这样的布置可以提供以下优点：从组件1620到达的返回的激发光在进入图像传感器2206之前不穿过镜筒透镜1618。因此，返回的激发光的倍率等与所选择的用于镜筒透镜1618的倍率无关。
图23示出了用于对准的过程2300的示例流程图。例如，过程2300可以在系统(例如，系统2200)中执行以相对于流通池执行照射光的自动对准，以改善图像质量。可以执行比所示更多或更少的操作。可以以不同的顺序执行两个或多个操作。
在2310，可以定位流通池。例如，在系统2200中，可以使用平台1626来定位样本1624。
在2320，可以提供照射。例如，在系统2200中，可以将来自激光器1602和/或1604的一个或多个激光束定向为穿过物镜1622并且到达样本1624。
在2330，可以捕获激发光。系统2200中的图像传感器2206可以接收穿过投影透镜2204的来自分束器2202的光。在一些实现中，由图像传感器2206捕获的图像可以等同于图4中的平面波导400的图像，该图像具有足够大的视场使得光栅402和404可见。如参考图4所描述的，区域406对应于撞击在光栅402上的激光束的反射。此外，区域410对应于从光栅404射出的线408的激光束。
在区域406和/或410中可见的光量可以是对准质量的指示。如果区域406是相对明亮的，则可以表明撞击激光束的很大一部分被光栅402反射(即，未耦合)。例如，这可以表明撞击激光束不具有正确的耦合角并且应当进行调节。如果区域410是相对昏暗的或黑暗的，则表明光没有在光栅402处耦合到平面波导400中。类似地，这可以表明撞击激光束不具有正确的耦合角并且应当进行调节。
在2340，可以执行流通池和照射光的相对方向的调节。在系统2200中，可以通过调节激光器1602或1604、反射镜1606或1608、棱镜1610或1612、反射镜1516、组件1620和/或物镜1622中的一个或多个来控制(多个)激光束的定向。在系统2200中，可以使用平台1626来调节样本1624的定向。在一些实现中，可以以多个自由度来调节平台1626。例如，三个倾斜马达可以用于样本1624的精确(例如，具有纳米精度或更高)定位。在2340处的相对定向的调节会影响撞击激光束到平面波导中的耦合质量。
在2350，可以捕获激发光。在一些实现中，可以这样做以评估与进行2340处的调节之前相比，进入平面波导400(图4)的光的耦合是否已经改善。在一些实现中，如果区域406在2350处捕获的激发光中比在2330处捕获的激发光中变得更暗(例如，具有更低的强度)，则可以表明对准得到改善。在一些实现中，如果区域410在2350处捕获的激发光中比在2330处捕获的激发光中变得更亮(例如，具有更大的强度)，则可以表明对准得到改善。例如，如果区域406变得更暗并且区域410变得更亮，则这可以是对准得到改善的特别重要的指示。这样，可以将一个或多个对准标准应用于所捕获的激发光。
激发光的捕获可以在单独的时刻发生，如操作2330和2350所示，或者可以连续进行，例如以流通池的图像的实时馈送的形式。
在2360，可以确定是否已经满足至少一个对准标准。如果是，则过程2300可以继续到2380。例如，自对准可以在2380处结束。
如果在2360处未满足对准标准，则过程2300可以进行一个或多个迭代。例如，可以在2370进行与在2340进行的调节类似的一个或多个调节。然后，过程2300可以继续进行到2350，在此可以捕获激发以进行新的分析，以此类推。过程2300可以继续迭代，直到在2360处满足对准标准或者直到发生另一终止。
图24示出了具有多个条带2402、2404和2406的流通池2400的示例。条带2402-06对应于存在样本(例如，基因材料的簇)的区域，这些样本应当在成像过程中进行照射。流通池2400包括光栅2408、2410、2412和2414。在此，光栅2408和2410用作条带2402的边界；光栅2410和2412用作条带2404的边界；并且光栅2412和2414用作条带2406的边界。例如，条带2402-06中的每个可以具有一个或多个相应的平面波导，其允许光进入相邻光栅中的一个光栅，穿过平面波导，并且在相对的光栅处离开。这样，条带2402-06和光栅2408-14可以放置在流通池2400上，以提供与图像传感器(例如，TDI传感器)的视场兼容的大成像区域。这种设计可以节省流通池面积，从而降低消耗成本。
光栅既可以用作输入光栅，也可以用作出口光栅。例如，光束2416在此在光栅2410处入射到流通池2400上。光束2416在此对于光栅2410具有合适的耦合角，因此耦合到条带2404的平面波导中。光栅2412在条带2404的另一侧将光束2416耦合出流通池2400。这样，对于光束2416，光栅2410可以被视为入口光栅，而光栅2412被视为出口光栅。
作为另一示例，光束2418在此在光栅2412处入射到流通池2400上。光束2418在此对于光栅2412具有合适的耦合角，因此耦合到条带2404的平面波导中。光栅2410在条带2404的另一侧将光束2418耦合出流通池2400。这样，对于光束2418，光栅2412可以被视为入口光栅，而光栅2410可以被视为出口光栅。成像过程可以涉及使用对应的光栅2408-16照射条带2402-06的相应部分，并且相应地捕获成像光，然后移动流通池2400以改为使用对应光栅2408-16中的光栅照射条带2402-06的另一部分，并且相应地捕获该成像光。
在整个说明书中使用的术语“基本上”和“约”用于描述和解释小的波动，诸如由于处理的变化而引起的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。而且，当在本文中使用时，不定冠词例如“一个(a)”或“一种(an)”表示“至少一个(at least one)”。
应当理解，前述概念和以下更详细讨论的附加概念的所有组合(假定这样的概念不相互矛盾)被认为是本文中公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文中公开的发明主题的一部分。
已经描述了很多实现。然而，应当理解，在不脱离本说明书的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。
另外，附图中描绘的逻辑流程不需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。另外，可以提供其他过程，或者可以从所描述的流程中去除过程，并且可以将其他组件添加到所描述的系统中或从所描述的系统中移除。因此，其他实现在所附权利要求的范围内。
尽管已经如本文中描述的那样描述了所描述的实现的某些特征，但是本领域技术人员现在将想到很多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入实现的范围内的所有这样的修改和改变。应当理解，它们仅以示例而非限制的方式给出，并且可以对形式和细节进行各种改变。除了相互排斥的组合之外，本文中描述的装置和/或方法的任何部分可以以任何组合进行组合。本文中描述的实现可以包括所描述的不同实现的功能、组件和/或特征的各种组合和/或子组合。

Claims (26)

1.一种系统，包括：
物镜；
第一光源，用于馈送第一照射光穿过所述物镜并且进入要安装在所述系统中的流通池中，所述第一照射光要使用所述流通池上的第一光栅而被馈送,其中所述第一光栅和第二光栅被定位在所述流通池上；以及
第一图像传感器，用于使用与将所述第一照射光馈送至所述流通池的同一所述物镜捕获成像光，其中所述第一光栅被定位在所述第一图像传感器的视场之外；
其中所述流通池包括平行于第二样本表面的第一样本表面，所述第一光栅用于耦合所述第一照射光的第一部分，以照射所述第一样本表面，并且所述第二光栅用于耦合所述第一照射光的第二部分，以照射所述第二样本表面。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述流通池被安装在所述系统中。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光栅和所述第二光栅具有不同的耦合角。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一光栅和所述第二光栅具有不同的光栅周期。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括第一平面波导和第二平面波导，所述第一光栅将所述第一照射光的所述第一部分耦合到所述第一平面波导中，所述第二光栅将所述第一照射光的所述第二部分耦合到所述第二平面波导中。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光栅相对于所述第二光栅在所述第一照射光的所述第一部分的行进方向上被偏移。
7.根据权利要求5所述的系统，还包括：第三光栅，所述第三光栅用于将所述第一照射光的所述第一部分耦出所述流通池；以及第四光栅，用于将所述第一照射光的所述第二部分耦出所述流通池。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括壁，所述壁阻挡由所述第三光栅耦合出所述第一平面波导的所述第一照射光进入所述物镜。
9.根据权利要求2-6和8中任一项权利要求所述的系统，其中所述第一照射光包括第一波长的第一光束，所述系统还包括用于馈送第二照射光穿过所述物镜的第二光源，所述第二照射光包括第二波长的第二光束。
10.根据权利要求9所述的系统，所述第二光源用于馈送所述第二照射光穿过所述物镜、经由所述第一光栅进入所述流通池中，所述第一光栅对于所述第一波长和所述第二波长具有对称的耦合角。
11.根据权利要求9所述的系统，所述第一光源将所述第一光束引向所述物镜的第一侧，并且所述第二光源将所述第二光束引向所述物镜的与所述第一侧相对的第二侧。
12.根据权利要求9所述的系统，还包括被定位在所述第一光源和所述第二光源之后、并且在所述物镜之前的第一镜和镜筒透镜，其中从所述第一镜到所述镜筒透镜传播的所述第一光束和所述第二光束的相应角度反映所述第一光束和所述第二光束在所述第一光栅上的对应入射角。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括被定位在所述第一光源之后、并且在所述第一镜之前的第二镜，所述第二镜用于在所述第一光栅上提供所述第一光束和所述第二光束的空间分离。
14.根据权利要求2-6、8和10-13中任一项权利要求所述的系统，其中所述流通池具有由包括所述第一光栅的相应光栅界定的多个条带，并且其中所述系统使用所述相应光栅中的至少一个光栅作为入口光栅和出口光栅。
15.根据权利要求2-6、8和10-13中任一项权利要求所述的系统，其中所述流通池的波导材料包括Ta2O5。
16.根据权利要求2-6、8和10-13中任一项权利要求所述的系统，其中所述第一图像传感器包括时间延迟和积分传感器，所述系统还包括保持所述流通池的可移动台。
17.根据权利要求2-6、8和10-13中任一项权利要求所述的系统，还包括用于保持所述流通池的热平台，所述热平台提供热控制。
18.根据权利要求2-6、8和10-13中任一项权利要求所述的系统，还包括捕获至少所述流通池中的平面波导和所述第一光栅的图像的第二图像传感器，其中所述系统使用对准标准来评估所述图像。
19.根据权利要求2-6、8和10-13中任一项权利要求所述的系统，其中所述第一照射光具有用于触发来自所述流通池中的样本的荧光响应的波长。
20.一种方法，包括：
使用被定位在图像传感器视场之外的第一光栅来馈送照射光穿过物镜并且进入流通池中；以及
使用与将所述照射光馈送至所述流通池的同一所述物镜捕获成像光；
其中所述流通池包括平行于第二样本表面的第一样本表面，所述方法还包括：将所述照射光的第一分量引向与所述第一样本表面对准的第一光栅，并且将所述照射光的第二分量引向与所述第二样本表面对准的第二光栅。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：结合将所述照射光的所述第一分量引向所述第一光栅来将所述物镜调节为聚焦在所述第一样本表面上，并且结合将所述照射光的所述第二分量引向所述第二光栅来将所述物镜调节为聚焦在所述第二样本表面上。
22.根据权利要求20至21中任一项所述的方法，其中所述照射光包括第一波长的第一光束和第二波长的第二光束，所述方法还包括：将所述第一光束引向所述物镜的第一侧，并且将所述第二光束引向所述物镜的与所述第一侧相对的第二侧。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：在所述照射光离开所述流通池时，阻挡所述照射光进入所述物镜。
24.根据权利要求20-21和23中任一项权利要求所述的方法，其中热平台保持所述流通池，所述方法还包括：使用所述流通池来提供对所述流通池的热控制。
25.根据权利要求20-21和23中任一项权利要求所述的方法，其中所述流通池具有由包括所述第一光栅的相应光栅界定的多个条带，所述方法还包括：使用所述相应光栅中的至少一个光栅作为入口光栅和出口光栅。
26.根据权利要求20-21和23中任一项权利要求所述的方法，还包括执行对准过程，所述对准过程评估所述第一光栅的耦合质量。
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