CN117571680A - 应用于基因测序仪的光学系统和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于基因测序仪的光学系统和成像方法，本发明解决光学系统成像噪声干扰问题。光学系统包括光学模块和成像模块，光学模块用于输出第一光束和第二光束以激发待测样品发出第一荧光信号和第二荧光信号，第二光束在待测样品上形成正弦结构光。成像模块用于接收第一荧光信号和第二荧光信号，并利用第二荧光信号的信号强度对第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像。上述光学系统，分别以面照明光和正弦结构光照射待测样品激发第一荧光信号和第二荧光信号，利用第二荧光信号的信号强度对第一荧光信号的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号的背景噪声，消除背景噪声对目标图像的影响。

Description

应用于基因测序仪的光学系统和成像方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种应用于基因测序仪的光学系统和成像方法。

背景技术

第二代基因测序仪采用边合成边测序（sequencing-by-synthesis，SBS）的技术，需要每次测序前在测序芯片中按顺序通入不同的试剂进行生化反应。之后利用显微光学系统对微流控芯片中的DNA（Deoxyribo Nucleic Acid，脱氧核糖核酸）簇进行荧光成像。测序芯片的流道有上下两个面，如果在流道上下表面都共价偶联上DNA簇，则一份生化试剂能产出的数据量是单面芯片的两倍，也就是获取单位数据量所需的试剂量减半，由此极大降低了成本。

然而，由于显微成像的荧光激发和信号收集使用同一物镜，激发光会同时激发出上下表面的荧光用于成像，上表面的荧光用于成像，此时，对于上表面来说，下表面DNA簇产生的荧光信号就是上表面成像的背景噪声信号。该背景噪声会严重干扰图像算法对DNA簇中碱基信号的识别与提取。对下表面拍照时，上表面的荧光信号也一样会对下表面的成像产生影响。

发明内容

本发明实施方式提供了一种应用于基因测序仪的光学系统和成像方法以解决上述存在的至少一个技术问题。

本发明实施方式的一种用于基因测序仪的光学系统，光学系统包括光学模块和成像模块。

所述光学模块用于输出第一光束和第二光束以激发待测样品发出第一荧光信号和第二荧光信号，所述第一光束的偏振态和所述第二光束的偏振态不同，所述第二光束在所述待测样品上形成正弦结构光。

所述成像模块用于接收所述第一荧光信号和所述第二荧光信号，并利用所述第二荧光信号的信号强度对所述第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像。

上述光学系统，分别以第一光束形成面照明光和第二光束形成正弦结构光照射待测样品激发第一荧光信号和第二荧光信号，并利用第二荧光信号的信号强度对第一荧光信号的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像，由此可以消除背景噪声对目标图像的影响。

在某些实施方式中，所述成像模块用于：

获取所述第一荧光信号的信号强度函数和所述第二荧光信号的信号强度函数；

对所述第二荧光信号的信号强度函数进行解调和低通滤波以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，获取低频信号；

根据所述第一荧光信号的信号强度函数获取高频信号；和

根据所述低频信号和所述高频信号获取所述目标图像。

在某些实施方式中，所述光学模块包括照明组件、光传导组件和物镜组件；

所述照明组件包括光源和偏振方向旋转器，所述光源用于输出照明光，所述偏振方向旋转器用于接收所述光源用于输出的所述照明光并输出所述第一光束和第二光束；

所述光传导组件设置在所述偏振方向旋转器和所述物镜组件之间，所述光传导组件用于将所述第一光束沿第一光路传导至所述物镜组件，和将所述第二光束分为相互平行的所述第三光束和所述第四光束并将所述第三光束和所述第四光束沿第二光路传导至所述物镜组件；

所述物镜组件用于将所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束汇聚在所述待测样品上，和收集所述第一荧光信号和所述第二荧光信号并将所述第一荧光信号和所述第二荧光信号传导至所述成像模块。

在某些实施方式中，所述光传导组件包括第一偏振分光镜、光传导镜组和第二偏振分光镜；

所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜沿第一方向依次设置在所述偏振方向旋转器和所述物镜组件之间，所述第一偏振分光镜用于使所述第一光束沿第一光路传导至所述第二偏振分光镜，和使所述第二光束沿所述第二光路传导至所述光传导镜组；

所述光传导镜组设置在所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜之间，所述光传导镜组用于接收所述第一光束和所述第二光束，并将所述第二光束分为所述第三光束和所述第四光束，以及将所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束传导至所述第二偏振分光镜；

所述第二偏振分光镜用于将所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束传导至所述物镜组件。

在某些实施方式中，所述光传导组件还包括第一汇聚镜，所述第一汇聚镜设置在所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜之间，所述第一汇聚镜用于汇聚所述第一光束。

在某些实施方式中，所述光传导镜组还包括依次沿所述第一方向设置的第一反射镜、分光组件、放大镜组和第二反射镜，所述分光组件和所述放大镜组设置在所述第二光路，所述第一反射镜用于反射所述第二光束使所述第二光束沿所述第二光路输出，所述分光组件用于将所述第一反射镜输出的所述第二光束分为所述第三光束和所述第四光束，所述放大镜组用于直准和传导所述分光组件输出的所述第三光束和所述第四光束，所述第二反射镜用于反射所述放大镜组输出的所述第三光束和所述第四光束以使所述第三光束和所述第四光束射向所述第二偏振分光镜。

在某些实施方式中，所述物镜组件包括二向色镜和物镜，所述二向色镜设置在所述第二偏振分光镜和所述物镜之间，所述二向色镜用于透过所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束以及向所述成像组件反射所述待测样品发出的所述第一荧光信号和所述第二荧光信号。

在某些实施方式中，所述分光组件包括分光镜、第三反射镜、第四汇聚镜和第五汇聚镜，所述分光镜和所述第三反射镜沿第二方向设置，所述第四汇聚镜设置在所述分光镜和所述放大镜组之间，所述第五汇聚镜设置在所述第三反射镜和所述放大镜组之间，所述分光镜用于将所述第一反射镜输出的所述第二光束分为所述第三光束和所述第四光束，所述第三反射镜用于反射所述第四光束以使所述第四光束的出射方向与所述第三光束的出射方向相同，所述第四汇聚镜用于汇聚所述分光镜透射的所述第三光束，所述第五汇聚镜用于汇聚所述第三反射镜反射的所述第四光束。

在某些实施方式中，所述放大镜组包括第二汇聚镜和第三汇聚镜，所述第二汇聚镜和所述第三汇聚镜的光轴重合设置。

本发明实施方式的一种成像方法，用于基因测序仪的光学系统，所述成像方法包括：

输出第一光束和第二光束以激发待测样品发出第一荧光信号和第二荧光信号，所述第一光束的偏振态和所述第二光束的偏振态不同，所述第二光束在所述待测样品上形成正弦结构光；

接收所述第一荧光信号和所述第二荧光信号，并利用所述第二荧光信号的信号强度对所述第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像。

上述成像方法，分别以偏振光和正弦结构光照射待测样品激发第一荧光信号和第二荧光信号，并利用第二荧光信号的信号强度对第一荧光信号的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像，由此可以消除背景噪声对目标图像的影响。

在某些实施方式中，所述利用所述第二荧光信号的信号强度对所述第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像包括：

获取所述第一荧光信号的信号强度函数和所述第二荧光信号的信号强度函数；

对所述第二荧光信号的信号强度函数进行解调和低通滤波以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，获取低频信号；

根据所述第一荧光信号的信号强度函数获取高频信号；

根据所述低频信号和所述高频信号获取所述目标图像。

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光学系统的模块示意图；

图2和图3是本发明实施方式的成像方法的流程图；

图4至图9是本发明实施方式的光学系统生成的图像的示意图；

图10是本发明实施方式的光学系统的另一模块示意图；

图11是本发明实施方式的物镜和待测样品的结构示意图。

主要元件符号说明：

第一光束-10，待测样品-14，上表面-14a，下表面-14b，DNA簇-15，第一荧光信号-16，第二荧光信号-18，第二光束-19，第三光束-20，第四光束-22，光学模块-24，照明组件-26，光源-27，偏振方向旋转器-28，物镜组件-32，第一偏振分光镜-34，光传导镜组-36，第二偏振分光镜-38，第一汇聚镜-40，第一反射镜-42，分光组件-44，放大镜组-46，第二汇聚镜-46a，第三汇聚镜-46b，第二反射镜-48，二向色镜-50，物镜-52，分光镜-54，第三反射镜-56，第四汇聚镜-58，第五汇聚镜-60，光栅-62，光阑-64，成像模块-66；

光学系统-100。

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。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。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。

本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，本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。

请参阅图1，本发明实施方式提供了一种应用于基因测序仪的光学系统100，光学系统100包括光学模块24和成像模块66。

光学模块24用于输出第一光束10和第二光束19以激发待测样品14发出第一荧光信号16和第二荧光信号18，第一光束10的偏振态和第二光束19的偏振态不同，第二光束19在待测样品14上形成正弦结构光。

成像模块66用于接收第一荧光信号16和第二荧光信号18，并利用第二荧光信号18的信号强度对第一荧光信号16的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号16的背景噪声，从而获得目标图像。

上述光学系统100，分别以第一光束10形成面照明光和第二光束19形成正弦结构光照射待测样品14激发第一荧光信号16和第二荧光信号18，并利用第二荧光信号18的信号强度对第一荧光信号16的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号16的背景噪声，从而获得目标图像，由此可以消除背景噪声对目标图像的影响。

第二代基因测序仪采用边合成边测序（SBS：sequencing-by-synthesis）的技术，需要每次测序前在测序芯片中按顺序通入不同的试剂进行生化反应。之后利用显微光学系统对微流控芯片中的DNA簇15进行荧光成像。测序芯片的流道有上下两个面，如果在流道上下表面都共价偶联上DNA簇15，则一份生化试剂能产出的数据量是单面芯片的两倍，也就是获取单位数据量所需的试剂量减半，由此极大降低了成本。

将DNA簇15同时共价偶联到流道上下表面虽然能减少成本，但是会给成像带来问题。显微物镜52由于景深较小，一般是分别单独对测序芯片的两个面上的DNA簇15进行扫描成像。在对单个面上的芯片进行成像的过程中，不希望另一个面的荧光信号对成像面的荧光信号产生干扰。

但是，如图11所示，显微成像的荧光激发和信号收集使用的是同一物镜52，激发光从物镜52发出后，首先激发出测序芯片上表面14a的荧光用于成像，但是激发光并没有截止，而是接着往下照明，激发出测序芯片下表面14b的DNA簇15上的荧光。

此时，对于上表面14a来说，下表面14b的DNA簇15产生的荧光信号就是上表面14a成像的背景噪声信号。如果该测序芯片上的DNA簇15是随机排布的，不同区域间DNA簇15的密度差别大，那么就会造成测序芯片上表面14a成像的背景噪声信号分布极为的不均匀，如图4所示。该背景噪声会严重干扰图像算法对DNA簇15中碱基信号的识别与提取。对下测序芯片表面拍照时，测序芯片上表面14a的荧光信号也一样会对下表面14b的成像产生影响。

基于上述问题，本发明实施方式提供的一种应用于基因测序仪的光学系统100，分别使用偏振态不同的第一光束10和第二光束19照射待测样品14，第一光束10以科勒照明的方式照射待测样品14，使待测样品14生成第一荧光信号16，由此获取第一原始图像，如图4所示。第二光束19以正弦结构光的照明方式照射待测样品14，使待测样品14生成第二荧光信号18，由此获取第二原始图像，如图5所示。

第一原始图像和第二原始图像中都包括在焦部分的荧光信号和离焦部分的荧光信号，但第二光束19仅对成像焦面进行调制，因此对第二原始图像进行解调和滤波处理，在确保第一原始图像和第二原始图像的背景噪声亮度相同的情况下，结合第一原始图像和第二原始图像可以消除离焦部分的荧光信号，从而获取没有背景噪声的目标图像。

在某些实施方式中，成像模块用于获取第一荧光信号16的信号强度函数和第二荧光信号18的信号强度函数。

对第二荧光信号18的信号强度函数进行解调和低通滤波以过滤第一荧光信号16的背景噪声，获取低频信号。

根据第一荧光信号16的信号强度函数获取高频信号，以及根据低频信号和高频信号获取目标图像。

如此，可以实现消除背景噪声，获取清晰的目标图像。

具体地，为了得到高信噪比的在焦图像信息，需要对第一荧光信号16和第二荧光信号18进行处理。利用第二荧光信号18的信号强度对第一荧光信号16的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号16的背景噪声，从而能够得到高信噪比的在焦图像信息，消除背景噪声对目标图像的影响。

在某些实施方式中，光学模块24包括照明组件26、偏振方向旋转器28、光传导组件和物镜组件32。

照明组件26包括光源27和偏振方向旋转器28，光源27用于输出照明光，偏振方向旋转器28用于接收光源27用于输出的照明光并输出第一光束10和第二光束19。

光传导组件设置在偏振方向旋转器28和物镜组件32之间，光传导组件用于将第一光束10沿第一光路传导至物镜组件32，和将第二光束19分为相互平行的第三光束20和第四光束22，并将第三光束20和第四光束22沿第二光路传导至物镜组件32。

物镜组件32用于将第一光束10、第三光束20和第四光束22汇聚在待测样品14上，和收集第一荧光信号16和第二荧光信号18并将第一荧光信号16和第二荧光信号18传导至成像模块66。

如此，可以将照明光分为偏振态不同的第一光束10和第二光束19，并将第一光束10、第三光束20和第四光束22传导至照射待测样品14。

具体地，偏振方向旋转器28利用光的偏振性质和光的旋转效应，通过特殊的光学材料或液晶材料实现对光的偏振方向的调控。光源27输出照明光，偏振方向旋转器28接收照明光并改变照明光的偏振态，输出第一光束10和第二光束19。第一光束10可以是P偏振光，第二光束19可以是S偏振光。

在某些实施方式中，光传导组件包括第一偏振分光镜34、光传导镜组36和第二偏振分光镜38。

第一偏振分光镜34和第二偏振分光镜38沿第一方向依次设置在偏振方向旋转器28和物镜组件32之间，第一偏振分光镜34用于使第一光束10沿第一光路传导至第二偏振分光镜38，和使第二光束19沿第二光路传导至光传导镜组36。

光传导镜组36用于接收第一光束10和第二光束19，并将第二光束19分为第三光束20和第四光束22，以及将第一光束10、第三光束20和第四光束22传导至第二偏振分光镜38。

第二偏振分光镜38用于将第一光束10、第三光束20和第四光束22传导至物镜组件32。

如此，可以分别传导第一光束10、第三光束20和第四光束22照射待测样品14，同时实现第三光束20和第四光束22在待测样品14上形成正弦结构光。

具体地，偏振分光镜具有反射S偏振光、透射P偏振光的特性，因此通过偏振方向旋转器28改变照明光的偏振态，就能使照明光在偏振分光镜上透射或者反射，从而沿第一光路或第二光路传输。第一偏振分光镜34设置在偏振方向旋转器28之后。偏振方向旋转器28输出第一光束10（P偏振光）时，偏振分光镜可以透射第一光束10，使第一光束10沿第一光路传导。偏振方向旋转器28输出第二光束19（S偏振光）时，第一偏振分光镜34可以反射第二光束19，使第二光束19沿第二光路传导。

偏振方向旋转器28可以是液晶偏振方向旋转器，液晶偏振方向旋转器可以将入射到的线偏振光的偏振方向旋转90°或保持不变，形成S偏振光和P偏振光。

光传导镜组36用于接收第一光束10和第二光束19，并将第二光束19分为第三光束20和第四光束22，以及将第一光束10、第三光束20和第四光束22传导至第二偏振分光镜38。

第二偏振分光镜38设置在光传导镜组36之后，用于接收光传导镜组36输出的第一光束10、第三光束20和第四光束22。第二偏振分光镜38设置在第一光路上，沿第一光路传导至第二偏振分光镜38上的第一光束10（P偏振光）可以透过第二偏振分光镜38到达物镜组件32。沿第二光路传导至第二偏振分光镜38上的第三光束20和第四光束22（S偏振光）被第二偏振分光镜38反射，使第三光束20和第四光束22到达物镜组件32。

其中，第一方向是图1中所示的X轴正方向。

在某些实施方式中，光传导组件还包括第一汇聚镜40，第一汇聚镜40沿第一光路设置在第一偏振分光镜34和第二偏振分光镜38之间，第一汇聚镜40用于汇聚第一光束10。

如此，可以使第一光束10以科勒照明的方式激发待测样品14获得第一荧光信号16。

具体地，激光器发射的线偏振激光，经过偏振方向旋转器28，到达第一偏振分光镜34。其中，在第一光路上，偏振方向旋转器28将入射光偏振态旋转为P偏振光，P偏振光为第一光束10（图1中以实线箭头表示），第一光束10透过第一偏振分光镜34后到达汇聚镜，汇聚镜将第一光束10汇聚并导向第二偏振分光镜38，第二偏振分光镜38也具有反射S偏振光、透射P偏振光的特性，因此，第一光束10可以透过第二偏振分光镜38而到达物镜组件32，激发待测样品14获得第一荧光信号16。

在某些实施方式中，光传导镜组36还包括依次沿第一方向设置的第一反射镜42、分光组件44、放大镜组46和第二反射镜48，分光组件44和放大镜组46设置在第二光路，第一反射镜42用于反射第二光束19使第二光束19沿第二光路输出，分光组件44用于将第一反射镜42输出的第二光束19分为第三光束20和第四光束22，放大镜组46用于直准和传导分光组件44输出的第三光束20和第四光束22，第二反射镜48用于反射放大镜组46输出的第三光束20和第四光束22以使第三光束20和第四光束22射向第二偏振分光镜38，放大镜组46包括第二汇聚镜46a和第三汇聚镜46b，第二汇聚镜46a和第三汇聚镜46b的光轴重合设置。

如此，可以将第二光束19分为相互平行的第三光束20和第四光束22，并传导至第二偏振分光镜38。

具体地，通过改变偏振方向旋转器28的参数，可以使其输出的光为S偏振光，S偏振光作为第二光束19（图1中虚线箭头所示）。第二光束19被第一偏振分光镜34反射，到达第一反射镜42。第一反射镜42将第二光束19反射至分光组件44，分光组件44将第二光束19分为相互平行且能量为1：1的第三光束20和第四光束22（图1中虚线箭头所示）。第三光束20和第四光束22，透过第二汇聚镜46a和第三汇聚镜46b，到达第二反射镜48，第二反射镜48将第三光束20和第四光束22反射至第二偏振分光镜38。第三光束20和第四光束22都为S偏振光，可以被第二偏振分光镜38反射，从而使第三光束20和第四光束22到达物镜组件32。

第三光束20和第四光束22在待测样品14面上形成干涉的正弦条纹。待测样品14经正弦条纹结构光照明的样品发出形成第二荧光信号18。

其中，正弦条纹的频率由两束光在物镜52前焦面上的点间距决定。该点间距可以通过更改第二汇聚镜46a和第三汇聚镜46b的焦距比来调节。

在某些实施方式中，物镜组件32包括二向色镜50和物镜52，二向色镜50设置在第二偏振分光镜38和物镜52之间，二向色镜50用于透过第一光束10、第三光束20和第四光束22以及向成像组件反射待测样品14发出的第一荧光信号16和第二荧光信号18。

如此，物镜组件32可以同时用于汇聚照明光束和收集反射待测样品14发出的荧光信号。

具体地，第一光束10透过第二偏振分光镜38后，透过二向色镜50，到达物镜52的前焦面，最后以科勒照明的方式，通过物镜52后照明待测样品14。待测样品14被激发产生的第一荧光信号16，被物镜52采集，再经二向色镜50反射至成像模块66中进行成像，其成像结果如图4所示，背景噪声很高的图像，信噪比差。

第三光束20和第四光束22经过第二反射镜48传导至第二偏振分光镜38，由于第三光束20和第四光束22都为S偏振光，可以被第二偏振分光镜38反射，从而使第三光束20和第四光束22传导至二向色镜50。第三光束20和第四光束22通过二向色镜50后聚焦在物镜52的前焦面上，最后经过物镜52，在待测样品14面上形成干涉的正弦条纹。经正弦条纹结构光照明的待测样品14发出的第二荧光信号18，经物镜52收集后被二向色镜50反射至成像模块66中进行成像，其成像结果如图5所示。

在某些实施方式中，分光组件44包括分光镜54、第三反射镜56、第四汇聚镜58和第五汇聚镜60，分光镜54和第三反射镜56沿第二方向设置，第四汇聚镜58设置在分光镜54和放大镜组46之间，第五汇聚镜60设置在第三反射镜56和放大镜组46之间，分光镜54用于将第一反射镜42输出的第二光束19分为第三光束20和第四光束22，第三反射镜56用于反射第四光束22以使第四光束22的出射方向与第三光束20的出射方向相同，第四汇聚镜58用于汇聚分光镜54透射的第三光束20，第五汇聚镜60用于汇聚第三反射镜56反射的第四光束22。

如此，分光组件44输出传播方向相互平行的第三光束20和第四光束22。

具体地，分光镜54是用于将入射光以指定比率分割为两条不同光束的光学组件。在此选择分光镜54的分光比率为1:1，第二光束19经过分光镜54时，被分为第三光束20和第四光束22，其中，第三光束20透过分光镜54，第四光束22被反射至第三反射镜56。第四光束22被反射至第五汇聚镜60后被汇聚。第四汇聚镜58和第五汇聚镜60的汇聚焦点和第三汇聚镜46b的前焦点重合。

由此，经过分光组件44形成了相互平行且能量为1：1的第三光束20和第四光束22。

其中，第二方向是图1中所示的Y轴负方向。

在某些实施方式中，分光组件44包括光栅62、空间光调制器和微反射镜阵列中的至少一个。

如此，可以实现分光组件44衍射分光的效果。

具体地，分光组件44包括光栅62、空间光调制器和微反射镜阵列中的至少一个可以代替分光镜54和第三反射镜56以及第四汇聚镜58和第五汇聚镜60的作用，实现分光效果。

在一个实施方式中，如图10所示，光学模块24使用光栅62进行分光。利用光栅62分光后，用光阑64将光栅62分光后的0级遮挡，使其±1级别进入第二汇聚镜46a，最终在待测样品14面上产生正弦结构光照明。

在其他实施方式中，此处的分光组件44还可以选取其他衍射光学器件，如空间光调制器，微反射镜阵列等。

综上所述，本发明实施方式提供的一种成像方法，通过光学模块24生成第一光束10和第二光束19，照射待测样品14激发第一荧光信号16和第二荧光信号18，再使用第一荧光信号16和第二荧光信号18重建消除背景噪声的目标图像。

请参阅图2，本发明实施方式的一种成像方法，用于基因测序仪的光学系统100，成像方法包括：

步骤S101：输出第一光束10和第二光束19以激发待测样品14发出第一荧光信号16和第二荧光信号18，第一光束10的偏振态和第二光束19的偏振态不同，第二光束19在待测样品14上形成正弦结构光；

步骤S103：接收第一荧光信号16和第二荧光信号18，并利用第二荧光信号18的信号强度对第一荧光信号16的信号强度进行处理，以过滤第一荧光信号16的背景噪声，从而获得目标图像。

上述成像方法，分别以第一光束10形成面照明光和第二光束19形成正弦结构光照射待测样品14激发第一荧光信号16和第二荧光信号18，并利用第二荧光信号18的信号强度对第一荧光信号16的信号强度进行处理以过滤第一荧光信号16的背景噪声，从而获得目标图像，由此可以消除背景噪声对目标图像的影响。

请参阅图3，在某些实施方式中，步骤S103包括：

步骤S1031：获取第一荧光信号16的信号强度函数和第二荧光信号18的信号强度函数；

步骤S1033：对第二荧光信号18的信号强度函数进行解调和低通滤波以过滤第一荧光信号16的背景噪声，获取低频信号；

步骤S1035：根据第一荧光信号16的信号强度函数获取高频信号；

步骤S1037：根据低频信号和高频信号获取目标图像。

如此，可以实现消除背景噪声，获取清晰的目标图像。

具体地，为了得到高信噪比的在焦图像信息，需要对第一荧光信号16和第二荧光信号18进行处理。首先，设定第一原始图像中的在焦荧光信号强度分布为Iin(r)，离焦荧光信号强度分布为Iout(r)。其中，r=(x，y)，表示二维空间坐标。则第一原始图像的图像强度分布I2(r)满足以下关系：

I2(r)=Iin(r)+Iout(r)。

假设正弦结构光照明生成的正弦条纹振幅为A，频率为k，相位为Φ，则激发的正弦结构光能量分布Isin表达式为：

Isin=A*sin(k*r+Φ)+B。

其中B为常数，且由于图像中的像素强度不可能为负数，因此B≥A。振幅A只和激发光功率相关，因此可以用系数M来替代A，系数M为正弦条纹结构光的照明光强与科勒照明光强的比值。

由于未饱和激发前，荧光强度和激发光功率呈线性关系，并且正弦结构光也只在成像焦面进行调制。因此，第二原始图像的图像强度分布I4(r)满足以下关系：

I4(r)=M×[Iin(r)×(sin(k×r+Φ)+B/M)+Iout(r)]。

在一个实施方式中，在Isin=A×sin(k×r+Φ)+B中，B=A，即正弦条纹波谷处像素强度值为0。此时，第二原始图像的图像强度分布I4(r)满足以下关系：

I4(r)=M×[Iin(r)×(sin(k×r+Φ)+1)+Iout(r)]。

设定目标图像的图像强度分布为Im(r)，首先对Im(r)进行部分解调：

Im(r)=|I2(r)-1/M×I4(r)|=Iin(r)×|sin(k×r+Φ)|。

此时，离焦荧光信号Iout(r)已被消除，此时的Im(r)如图6所示。

由于Im(r)的低频信号LP(Im(r))能很好的匹配上Iin(r)的低频信号。因此，对Im(r)进行低通滤波，滤波器的截止频率需要低于正弦条纹频率，可以获取到。Im(r)的低频信号LP(Im(r))如图7所示。

由于背景噪声信号一般在低频处，因此Iin(r)的高频信号并未受到背景信号的影响，所以可认为Iin(r)的高频信号HP(Iin(r))与I2(r)的高频信号HP(I2(r))相等。HP(I2(r))如图8所示。

基于以上计算，可以重建出在焦荧光信号强度分布Irc-in(r)：

Irc-in(r)=α×LP(Im(r))+HP(I2(r))；

其中，α=0.5π。最终结果如图9所示。与图4相比，Irc-in(r)完全消除了背景噪声对图像信噪比的影响。

在某些实施方式中，α可以作为可调参量，根据目标图像的最终效果调节α，可以使Irc-in(r)中的低频信号向高频信号过渡的更加平滑。

需要说明的是，上述对成像方法的实施方式和有益效果的解释说明，也适应用于本申请实施方式的光学系统100，为避免冗余，在此不作详细展开。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种应用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，包括光学模块和成像模块；

所述光学模块用于输出第一光束和第二光束以激发待测样品发出第一荧光信号和第二荧光信号，所述第一光束的偏振态和所述第二光束的偏振态不同，所述第二光束在所述待测样品上形成正弦结构光；

所述成像模块用于接收所述第一荧光信号和所述第二荧光信号，并利用所述第二荧光信号的信号强度对所述第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像模块用于：

获取所述第一荧光信号的信号强度函数和所述第二荧光信号的信号强度函数；

对所述第二荧光信号的信号强度函数进行解调和低通滤波以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，获取低频信号；

根据所述第一荧光信号的信号强度函数获取高频信号；和

根据所述低频信号和所述高频信号获取所述目标图像。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学模块包括照明组件、光传导组件和物镜组件；

所述照明组件包括光源和偏振方向旋转器，所述光源用于输出照明光，所述偏振方向旋转器用于接收所述光源用于输出的所述照明光并输出所述第一光束和第二光束；

所述光传导组件设置在所述偏振方向旋转器和所述物镜组件之间，所述光传导组件用于将所述第一光束沿第一光路传导至所述物镜组件，和将所述第二光束分为相互平行的第三光束和第四光束，并将所述第三光束和所述第四光束沿第二光路传导至所述物镜组件；

所述物镜组件用于将所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束汇聚在所述待测样品上，和收集所述第一荧光信号和所述第二荧光信号并将所述第一荧光信号和所述第二荧光信号传导至所述成像模块。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光传导组件包括第一偏振分光镜、光传导镜组和第二偏振分光镜；

所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜沿第一方向依次设置在所述偏振方向旋转器和所述物镜组件之间，所述第一偏振分光镜用于使所述第一光束沿第一光路传导至所述第二偏振分光镜，和使所述第二光束沿所述第二光路传导至所述光传导镜组；

所述光传导镜组设置在所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜之间，所述光传导镜组用于接收所述第一光束和所述第二光束，并将所述第二光束分为所述第三光束和所述第四光束，以及将所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束传导至所述第二偏振分光镜；

所述第二偏振分光镜用于将所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束传导至所述物镜组件。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述光传导组件还包括第一汇聚镜，所述第一汇聚镜设置在所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜之间，所述第一汇聚镜用于汇聚所述第一光束。

6.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述光传导镜组还包括依次沿所述第一方向设置的第一反射镜、分光组件、放大镜组和第二反射镜，所述分光组件和所述放大镜组设置在所述第二光路，所述第一反射镜用于反射所述第二光束使所述第二光束沿所述第二光路输出，所述分光组件用于将所述第一反射镜输出的所述第二光束分为所述第三光束和所述第四光束，所述放大镜组用于直准和传导所述分光组件输出的所述第三光束和所述第四光束，所述第二反射镜用于反射所述放大镜组输出的所述第三光束和所述第四光束以使所述第三光束和所述第四光束射向所述第二偏振分光镜。

7.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述物镜组件包括二向色镜和物镜，所述二向色镜设置在所述第二偏振分光镜和所述物镜之间，所述二向色镜用于透过所述第一光束、所述第三光束和所述第四光束以及向所述成像组件反射所述待测样品发出的所述第一荧光信号和所述第二荧光信号。

8.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述分光组件包括分光镜、第三反射镜、第四汇聚镜和第五汇聚镜，所述分光镜和所述第三反射镜沿第二方向设置，所述第四汇聚镜设置在所述分光镜和所述放大镜组之间，所述第五汇聚镜设置在所述第三反射镜和所述放大镜组之间，所述分光镜用于将所述第一反射镜输出的所述第二光束分为所述第三光束和所述第四光束，所述第三反射镜用于反射所述第四光束以使所述第四光束的出射方向与所述第三光束的出射方向相同，所述第四汇聚镜用于汇聚所述分光镜透射的所述第三光束，所述第五汇聚镜用于汇聚所述第三反射镜反射的所述第四光束。

9.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述放大镜组包括第二汇聚镜和第三汇聚镜，所述第二汇聚镜和所述第三汇聚镜的光轴重合设置。

10.一种成像方法，用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，所述成像方法包括：

输出第一光束和第二光束以激发待测样品发出第一荧光信号和第二荧光信号，所述第一光束的偏振态和所述第二光束的偏振态不同，所述第二光束在所述待测样品上形成正弦结构光；

接收所述第一荧光信号和所述第二荧光信号，并利用所述第二荧光信号的信号强度对所述第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像。

11.根据权利要求10所述的成像方法，其特征在于，所述利用所述第二荧光信号的信号强度对所述第一荧光信号的信号强度进行处理，以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，从而获得目标图像包括：

获取所述第一荧光信号的信号强度函数和所述第二荧光信号的信号强度函数；

对所述第二荧光信号的信号强度函数进行解调和低通滤波以过滤所述第一荧光信号的背景噪声，获取低频信号；

根据所述第一荧光信号的信号强度函数获取高频信号；

根据所述低频信号和所述高频信号获取所述目标图像。