CN116699858A - 匀光装置及基因测序仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种匀光装置及基因测序仪。匀光装置用于基因测序仪，基因测序仪包括激光装置，激光装置用于发出激光。匀光装置包括第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜，第一分光镜位于激光的光路上，激光被第一分光镜分离形成第一光线和第二光线，第一反射镜反射第二光线形成第三光线，第二反射镜反射第三光线形成第四光线至第二分光镜，第二分光镜位于第一光线和第四光线的光路上，第一光线透过第二分光镜形成第五光线，第四光线被第二分光镜反射形成第六光线，第五光线和第六光线平行且方向相同。如此，匀光装置采用简单的分光方式实现了激光的均匀分光，降低了匀光装置的成本，减小了匀光装置的装配和调试难度。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种匀光装置及基因测序仪。
背景技术
在基因测序工作中，通常是使用激光对荧光染料进行激发照明以生成荧光信号，并收集激发出的荧光信号完成基因测序。然而，激光具有高斯分布特性，即照明区域中心的光线强度高，边缘区域的光线强度低，因此无法达到最佳的照明效果。
目前，为了提高视野边缘的荧光亮度以达到成像所需的信噪比，就需要将激光匀化。常规的高斯匀光光路，需要搭配非球面或者自由曲面镜，加工成本高，设计复杂，或者采用匀光棒与微透镜阵列组合的形式，但该方案装调过程复杂，难度较大。
发明内容
本发明提供一种匀光装置及基因测序仪。
本发明实施方式提供了一种匀光装置，用于基因测序仪，所述基因测序仪包括激光装置，所述激光装置用于发出激光，所述匀光装置包括：
第一分光镜，位于所述激光的光路上，所述激光经所述第一分光镜后被所述第一分光镜分离形成第一光线和第二光线；
第一反射镜，位于所述第二光线的光路上，所述第一反射镜反射所述第二光线形成第三光线；
第二反射镜，位于所述第三光线的光路上，所述第二反射镜反射所述第三光线形成第四光线；
第二分光镜，位于所述第一光线和所述第四光线的光路上，所述第一光线透过所述第二分光镜形成第五光线，所述第二分光镜反射所述第四光线形成第六光线，所述第五光线与所述第六光线平行且方向相同。
在某些实施方式中，所述第二分光镜活动设置于所述第一光线的光路上以用于调节所述第五光线和所述第六光线之间的间隙。
在某些实施方式中，所述第一分光镜和所述第二分光镜为半透半反镜。
在某些实施方式中，所述匀光装置还包括波片组件，所述激光透过所述波片组件至所述第一分光镜，所述第一分光镜和所述第二分光镜为偏振分光镜。
在某些实施方式中，所述基因测序仪发出的激光为线偏振光，所述波片组件包括1/4波片。
在某些实施方式中，所述第一光线为P偏振光，所述第二光线为S偏振光。
在某些实施方式中，所述匀光装置还包括：
扩束镜，位于所述激光的光路上，所述扩束镜用于调节所述激光的光束直径。
在某些实施方式中，所述匀光装置还包括第一凸透镜和第二凸透镜，所述第五光线和所述第六光线分别被所述第一凸透镜折射形成第七光线和第八光线，所述第七光线和所述第八光线在相交点相交后照射至所述第二凸透镜，所述第二凸透镜将所述第七光线和所述第八光线准直，所述相交点位于所述第二凸透镜的前焦面。
在某些实施方式中，所述第五光线和所述第六光线与所述第一凸透镜的光轴平行，所述光轴与所述第五光线之间的距离等于所述光轴与所述第六光线之间的距离。
本发明实施方式还提供了一种基因测序仪，所述基因测序仪包括激光装置、测序芯片和上述任一项所述的匀光装置，所述匀光装置将所述激光装置发射的激光匀化，所述测序芯片位于匀化后的所述激光的光路上。
本发明的匀光装置中，通过在激光的光路上设置第一分光镜，将激光分离为光强相同的第一光线和第二光线，通过在第一光线的光路上设置第二分光镜，使得第一光线透过第二分光镜形成第五光线，通过设置第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜，使得第二光线被多次反射形成第四光线至第二分光镜，并被第二分光镜反射形成与第五光线有一定间隔并平行且方向相同的第六光线，如此，匀光装置采用简单的分光方式实现了激光的均匀分光，降低了匀光装置的成本，减小了匀光装置的装配和调试难度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施方式的基因测序仪的结构示意图；
图2是本发明实施方式的成像数据图；
图3是本发明实施方式的激光横向照明数据图；
图4是本发明实施方式的激光纵向照明数据图。
附图标记：
基因测序仪1000、匀光装置100、第一分光镜10、第一反射镜20、第二反射镜30、第二分光镜40、波片组件50、扩束镜60、第一凸透镜70、第二凸透镜80、第九光线81、第十光线82、激光装置200、测序芯片300、第一光线1、第二光线2、第三光线3、第四光线4、第五光线5、第六光线6、第七光线7、第八光线8。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请结合图1，本发明提供了一种基因测序仪1000，基因测序仪1000包括激光装置200和匀光装置100，激光装置200用于发射激光，匀光装置100包括第一分光镜10、第一反射镜20、第二反射镜30和第二分光镜40。
具体地，第一分光镜10位于激光的光路上，激光照射在第一分光镜10上，第一分光镜10将激光分离，形成第一光线1和第二光线2。第一反射镜20位于第二光线2的光路上，第一反射镜20可以反射第二光线2形成第三光线3，第二反射镜30位于第三光线3的光路上，第二反射镜30接收并反射第三光线3形成第四光线4，第四光线4照射至第二分光镜40，第一光线1可以透过第二分光镜40，也即是，第二分光镜40位于第一光线1和第四光线4的光路上，第一光线1透过第二分光镜40形成第五光线5，第四光线4被第二分光镜40反射形成第六光线6，使得一束激光转换成平行且方向相同的第五光线5和第六光线6，实现了均匀分光。
进一步地，第二分光镜40活动设置于第一光线1的光路上，通过沿第一光线1的光路平移第二分光镜40可以调节第四光线4照射至第二分光镜40的位置，从而实现调节第五光线5与第六光线6之间的间隙，例如，第五光线5与第六光线6之间的间隙范围可以是20-30mm，本发明实施例中第五光线5与第六光线6之间的间隙优选25mm设置。
在一些示例中，第一分光镜10和第二分光镜40可以是半透半反镜，半透半反镜是通过在平面玻璃上镀介质膜，使得平面玻璃可以实现透射和反射，介质膜的透射率和反射率可以根据实际情况进行配置，本发明以50%透射和50%反射的半透半反镜进行示例。例如，本发明的第一分光镜10相对于激光光路呈45度倾斜设置，第一分光镜10被配置为50%透射和50%反射，第一分光镜10可以将激光均匀分离为第一光线1和第二光线2，且第一光线1透射第一分光镜10，第二光线2被第一分光镜10反射，进而第一光线1继续透射第二分光镜40形成第五光线5，第二光线2被第一反射镜20反射形成第三光线3，第三光线3被第二反射镜30反射形成第四光线4，第四光线4被第二分光镜40反射形成第六光线6，第五光线5和第六光线6平行且方向相同，如此，实现了将激光均匀分光。
进一步地，第一反射镜20与第一分光镜10平行设置，第二反射镜30与第二分光镜40平行设置，即第一反射镜20与第二反射镜30相对于第三光线3的中垂线呈45度角对称设置。这样的设置使得第四光线4与第二光线2平行且方向相反，第三光线3与第一光线1平行且方向相同。进而使得第一光线1经第二分光镜40透射后形成的第五光线5与第四光线4经第二分光镜40反射后形成的第六光线6平行（具有一定间隔）且方向相同，实现对激光的均匀分光。
在另一些示例中，匀光装置100还包括波片组件50，波片组件50可以包括1/4波片，激光装置200发射的激光为线偏振光，激光透过波片组件50至第一分光镜10，第一分光镜10和第二分光镜40可以是偏振分光镜（PBS），偏振分光镜通常由两个直角棱镜的斜边胶合或者光胶而成，在斜面镀上偏振分光膜，入射光中的P偏振光透射，而S偏振光被反射。
进一步地，通过旋转波片组件50，使得线偏振光穿过波片组件50形成圆偏振光，也即是，旋转1/4波片，使得线偏振光的偏振方向与1/4波片的快轴和慢轴都呈45度角，使得线偏振光穿过1/4波片形成圆偏振光。
再进一步地，圆偏振光照射至第一分光镜10，圆偏振光被第一分光镜10分离为振幅相等的S偏振光和P偏振光，根据偏振分光镜的原理，可以实现P偏振光透射第一分光镜10，S偏振光被第一分光镜10反射，也即是，第一光线1为P偏振光，第二光线2为S偏振光。进而第一光线1照射至第二分光镜40并透过第二分光镜40形成第五光线5，第五光线5为P偏振光，第二光线2被第一反射镜20反射形成第三光线3，第三光线3被第二反射镜30反射形成第四光线4，第四光线4被第二分光镜40反射形成第六光线6，第三光线3、第四光线4和第六光线6为S偏振光，第五光线5与第六光线6平行且方向相同，也即是，自第二分光镜40出射的S偏振光和P偏振光平行且方向相同，从而实现了激光的均匀分光。
本发明的匀光装置100中，通过在激光的光路上设置第一分光镜10，将激光分离为光强相同的第一光线1和第二光线2，通过在第一光线1的光路上设置第二分光镜40，使得第一光线1透过第二分光镜40形成第五光线5，通过设置第一反射镜20、第二反射镜30和第二分光镜40，使得第二光线2被多次反射形成第四光线4至第二分光镜40，并被第二分光镜40反射形成与第五光线5有一定间隔并平行且方向相同的第六光线6，如此，匀光装置100采用简单的分光方式实现了激光的均匀分光，降低了匀光装置100的成本，减小了匀光装置100的装配和调试难度。
请结合图1，在某些实施方式中，匀光装置100还包括扩束镜60。
具体地，扩束镜60位于激光的光路上，例如，本发明的扩束镜60位于第一分光镜10之前，也即是，激光穿过扩束镜60后照射至第一分光镜10。扩束镜60可以由一个凹透镜和一个凸透镜构成，激光从凹透镜输入，通过凸透镜输出，从而扩大激光的直径，通过调节扩束镜60的规格，可以调节激光的输出直径。
请结合图1，在某些实施方式中，匀光装置100还包括第一凸透镜70和第二凸透镜80。
具体地，第一凸透镜70和第二凸透镜80依次设置于第五光线5和第六光线6的光路上，也即是，自第二分光镜40形成的第五光线5和第六光线6照射至第一凸透镜70，第五光线5被第一凸透镜70折射形成第七光线7，第六光线6被第一凸透镜70折射形成第八光线8，第七光线7与第八光线8相交后照射至第二凸透镜80，并被第二凸透镜80准直，形成平行的第九光线81和第十光线82。应当说明的是，第七光线7与第八光线8的相交点位于第二凸透镜80的前焦面上，使得第二凸透镜80可以将第七光线7和第八光线8准直成平行的第九光线81和第十光线82。
在一些示例中，第五光线5和第六光线6平行照射至第一凸透镜70，也即是，第五光线5和第六光线6与第一凸透镜70的光轴平行，且第五光线5与光轴之间的距离等于第六光线6与光轴之间的距离，例如，第五光线5与第六光线6之间的间隙为26mm，第五光线5与光轴之间的距离为13mm，第六光线6与光轴之间的距离为13mm。
进一步地，请结合图1，基因测序仪1000还包括测序芯片300，测序芯片300用于承载基因样品，基因样品中含有荧光染料，激光照射在测序芯片300上可以激发基因样品，使得基因样品产生荧光，从而荧光通过成像探测器进行成像，完成基因测序，也即是，第二凸透镜80为成像物镜，第二凸透镜80准直的第九光线81和第十光线82照射至测序芯片300，测序芯片300上的基因样品产生荧光通过成像探测器进行成像。
应当说明的是，第二分光镜40输出的第五光线5和第六光线6平行且方向相同，由于第二凸透镜80为成像物镜，且第九光线81和第十光线82平行照射至测序芯片300可以使得基因样品中的荧光染料均匀激发，从而设置第一凸透镜70将平行的第五光线5和第六光线6进行折射形成第七光线7和第八光线8，再通过第二凸透镜80将第七光线7和第八光线8进行准直形成第九光线81和第十光线82，从而实现荧光染料的均匀激发。
在一些示例中，第一凸透镜70可以是镜筒透镜（tube lens），镜筒透镜与物镜配合使用，可以矫正物镜的像差，也即是，第一凸透镜70与第二凸透镜80配合设置可以矫正第二凸透镜80的像差。第一凸透镜70为透镜组，通过调节第一凸透镜70的焦距可以调节现有光学系统的放大倍率。
在一些示例中，第二凸透镜80的参数可以是20倍，使得基因测序仪1000的成像视野为直径1.25毫米，成像探测器可以是长宽比为2：1的相机，也即是，第九光线81和第十光线82的覆盖范围需要满足对角线大于1.25毫米且长宽比为2：1，请结合图2，成像探测器的成像长度为1.12毫米，宽度为0.56毫米，对角线长度为1.252毫米，请结合图3和图4，第九光线81和第十光线82的横向照明均匀性为：9.46/10.5=0.9，纵向照明均匀性为：10.4/11.1=0.937，也即是，横向和纵向的照明均匀性均超过90%，满足了基因测序仪1000成像的应用。
如此，匀光装置100通过设置第一凸透镜70将第五光线5和第六光线6折射形成第七光线7和第八光线8，并通过设置第二凸透镜80将折射形成的第九光线81和第十光线82进行准直并照射至测序芯片300，从而实现激光均匀照射至测序芯片300，弥补了激光边缘荧光激发效率低的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种匀光装置，用于基因测序仪，其特征在于，所述基因测序仪包括激光装置，所述激光装置用于发出激光，所述匀光装置包括：
第一分光镜，位于所述激光的光路上，所述激光经所述第一分光镜后被所述第一分光镜分离形成第一光线和第二光线；
第一反射镜，位于所述第二光线的光路上，所述第一反射镜反射所述第二光线形成第三光线；
第二反射镜，位于所述第三光线的光路上，所述第二反射镜反射所述第三光线形成第四光线；
第二分光镜，位于所述第一光线和所述第四光线的光路上，所述第一光线透过所述第二分光镜形成第五光线，所述第二分光镜反射所述第四光线形成第六光线，所述第五光线与所述第六光线平行且方向相同。
2.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述第二分光镜活动设置于所述第一光线的光路上以用于调节所述第五光线和所述第六光线之间的间隙。
3.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述第一分光镜和所述第二分光镜为半透半反镜。
4.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述匀光装置还包括波片组件，所述激光透过所述波片组件至所述第一分光镜，所述第一分光镜和所述第二分光镜为偏振分光镜。
5.根据权利要求4所述的匀光装置，其特征在于，所述激光装置发出的激光为线偏振光，所述波片组件包括1/4波片。
6.根据权利要求5所述的匀光装置，其特征在于，所述第一光线为P偏振光，所述第二光线为S偏振光。
7.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述匀光装置还包括：
扩束镜，位于所述激光的光路上，所述扩束镜用于调节所述激光的光束直径。
8.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述匀光装置还包括第一凸透镜和第二凸透镜，所述第五光线和所述第六光线分别被所述第一凸透镜折射形成第七光线和第八光线，所述第七光线和所述第八光线在相交点相交后照射至所述第二凸透镜，所述第二凸透镜将所述第七光线和所述第八光线准直，所述相交点位于所述第二凸透镜的前焦面。
9.根据权利要求8所述的匀光装置，其特征在于，所述第五光线和所述第六光线与所述第一凸透镜的光轴平行，所述光轴与所述第五光线之间的距离等于所述光轴与所述第六光线之间的距离。
10.一种基因测序仪，其特征在于，包括测序芯片和权利要求1-9任一项所述的匀光装置，所述匀光装置将所述激光装置发射的激光匀化，所述测序芯片位于匀化后的所述激光的光路上。
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