CN219455946U - 一种光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学成像系统，通过相机微调组件精确安装TDI相机，实现快速扫描。本实用新型公开的光学成像系统，利用TDI相机在平移台连续运动过程中进行图像采集，由于没有加速、减速的过程，可以实现很高的扫描速度，在更短的时间内完成扫描，且利用相机微调组件完成对TDI相机的安装调试，能够保证TDI相机在快速线扫描工作时所需的精确位置及旋转角度。

Description

一种光学成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种高通量光学成像系统，属于生物、化学检测领域。更具体的说，本实用新型涉及一种系统、设备或方法用于大规模的生物化学检测；特别是基因测序。

背景技术

高速荧光成像系统在基因测序、免疫荧光、组织培养等领域都有广泛的应用。在这些应用场景下，需要以相当高的分辨率(一般为百纳米级)对相当大的样品(一般为厘米或分米级)进行成像。此时单个视野的成像范围远远无法覆盖整个样品，因此必须通过若干个视野拼接来实现整个样品的成像。视野数量越多，则成像速度越慢。传统的面阵成像系统需要在完成一个视野的成像之后，利用平移台移动样品或成像光路，完成另一个视野的成像。在移动的过程中成像系统无法进行图像采集，因此速度较慢。而TDI线扫描技术中，相机在平移台连续运动过程中进行图像采集，由于没有加速、减速的过程，可以实现很高的扫描速度，在更短的时间内完成扫描。

TDI线扫描成像系统对光学元件的安装精度有较高的要求，TDI相机与成像透镜组的距离需要保证在0.1mm的误差范围内，此外，TDI相机的积分方向与样品移动方向的夹角需要控制在0.1°以内，超过此范围的误差会导致光信号在不同像素之间串扰，影响成像的质量。因此，在TDI成像光路的设计中需要考虑误差的控制和调试。

实用新型内容

本实用新型公开一种光学成像系统，通过相机微调组件精确安装TDI相机，实现快速扫描。

具体的，一种光学成像系统，其特征在于，包括：

自动聚焦模块，包括对焦传感器、物镜驱动器；

荧光产生及收集模块，包括激发激光器、照明光路、相机部件、筒镜；

共享部件，包括物镜、二向色镜；

框架部件，包括安装座、光学基板；

相机微调组件，包括微调主体，用于调整相机的位置和旋转角度；

筒镜，物镜驱动器，照明光路，以及对焦传感器连接在安装座上；

安装座与光学基板相连。

根据优选的实施方式，相机微调组件包括微调主体、紧固件和微调机构，微调主体通过紧固件安装在相机固定座上，并通过微调机构微调相机的位置和旋转角度。

根据优选的实施方式，相机部件包括：TDI相机、相机连接筒、相机固定座，相机固定座用于将相机固定于光学基板；相机通过螺纹固定在相机连接筒一端，相机固定座为抱环结构，相机连接筒穿过抱环后，通过紧固件将相机连接筒锁紧。

根据优选的实施方式，物镜的数值孔径大于等于0.5，视场范围大于2mm。

根据优选的实施方式，荧光产生及收集模块还包括光纤，激发激光器产生的激光通过光纤传至所述照明光路。

根据优选的实施方式，照明光路包括一个或多个柱面镜，用于对激发激光器产生的激发光进行整形，生成与成像视野相匹配的条形光斑。

根据优选的实施方式，在物镜和相机部件之间还设置有滤光组件，用于阻止特定波长外的光进入相机。

根据优选的实施方式，还包括样品台，用于承载待分析的一个或更多个样品。

根据优选的实施方式，所述系统被配置用于分析在所述样品台上的核酸材料。

根据优选的实施方式，样品台可以包括用于对核酸成像的流动池。

根据优选的实施方式，还包括控制模块，用于控制所述样品的移动速度与所述TDI相机的频率匹配并保持同步，以及用于控制所述激发激光器的开启与所述TDI相机的拍照保持同步。

有益效果

本实用新型公开的光学成像系统，利用TDI相机在平移台连续运动过程中进行图像采集，由于没有加速、减速的过程，可以实现很高的扫描速度，在更短的时间内完成扫描，且利用相机微调组件完成对TDI相机的安装调试，能够保证TDI相机在快速线扫描工作时所需的精确位置及旋转角度。

附图说明

图1.示出了光学成像系统的实施例。

图2.示出了光学成像系统的一个实施例的光学部件布局示意图。

图3.示出了光学基板的实施例。

图4.示出了相机部件的实施例。

图5.示出了相机微调组件的实施例。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅是本实用新型一部分的实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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，都属于本实用新型保护的范围。

本申请中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“连接”应做广义理解，例如的，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申请中的具体含义。

本申请中，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”、“轴向”、“径向”、“周向”、“X方向”、“Y方向”、“Z方向”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实用新型公开一种光学成像系统，使用TDI线扫描技术，通过相机微调组件精确安装TDI相机，能够以很高的速度对样品进行扫描成像。

以上所述光学成像系统包含TDI相机，是TDI成像所需要的关键器件。TDI相机的感光器件可以逐行将每个像素收集到的光电子转移到下一行，并且速度可控。相对于单行的线扫描相机，TDI相机能够极大提高每个像素收集到的光子数量，从而提高所得图像的信噪比。但是TDI相机在使用时需要保证其行频率与样品运动的频率匹配，对平移台的速度稳定性有较高的要求。进一步的，本申请所述的TDI相机是工业级或科学级TDI相机。

本申请的相机部件除了包括TDI相机，还包括相机连接筒和相机固定座，相机固定座用于将相机固定于光学基板；相机通过螺纹固定在相机连接筒一端，相机固定座为抱环结构，相机连接筒穿过抱环后，通过紧固件将相机连接筒锁紧。

进一步的，本申请公开的光学成像系统还包括各类调节装置。光学成像系统对物镜、筒镜、相机、照明光路、自动对焦系统等部分的安装均有一定的精度要求，例如相机、筒镜、物镜的光轴需精确对齐，照明光斑与相机的成像区域需要对齐，相机积分方向和平移台移动方向需精确对齐等。为了满足上述对齐要求，在成像系统设计过程中需要考虑如何确保、测量和调节各个组件的安装位置。本申请中，为了保证TDI相机的精确安装，本申请的光学成像系统包含相机微调组件，包括微调主体、紧固件和微调机构，微调主体通过紧固件安装在相机固定座上，并通过微调机构(例如的，微调机构可以是手拧螺钉、顶丝等)微调相机的位置和旋转角度。具体的，可以先调整相机的前后位置，完成后锁定相机的前后位置，再调整相机旋转角度，完成后将相机的旋转角度锁定。

本申请中，所述光学成像系统还包括用于成像的物镜、筒镜。物镜和筒镜组合形成无限远光学成像光路，将样品发射或反射的光会聚在相机的感光器件表面。物镜的选择主要需考虑分辨率、视场、放大倍率的需求。分辨率要求越高，对物镜的数值孔径(NA)的要求越高。视场和放大倍率相互制约，提高一方时，另一方面则需要做相应的牺牲。因此物镜的选择需要综合考虑各方面因素再进行设计。由于样品位点之间的间距为亚微米级，根据瑞利判据，要求物镜的数值孔径NA≧0.5。此外，为了提高成像的速度，需要提高TDI相机的视场。对于10T/天的测序要求，物镜的物方视场直径要求为2.5mm以上。目前商品化的物镜，其像方视场一般为20-25mm范围，为了实现不低于2.5mm的物方视场，其成像倍率约为10倍。在实际应用中可根据需要进行调整，一般为5～20倍范围。在具体应用中，筒镜的具体焦距数值根据物镜的焦距、TDI相机的像素尺寸和数量以及光学成像系统所需要的放大倍数和分辨率来设置。筒镜与物镜的组合需要满足畸变、场曲等成像限制要求，筒镜补偿物镜的剩余像差。

此外，成像光路的设计还要考虑所需成像的荧光通道数量，对于荧光发生测序应用，只需要一个荧光通道即可完成测序流程，相对于其他需要多色荧光的成像系统，本实用新型的光学系统光路结构更加简单，成本更低，调节的难度和维护成本更低，可靠性更高。

进一步的，本申请公开的光学成像系统还包括线照明子系统。与面阵成像的照明系统不同，TDI相机的感光器件为长宽比较大的细长矩形，因此照明系统需要匹配相机感光器件的尺寸和成像系统的放大倍率进行设计。此外，在较高的扫描速度下等效曝光时间相对于面阵成像系统要短很多，因此需要大功率的光源。基于以上两个需求，激光比LED光源更适合作为TDI成像系统的照明光源。在一个具体的实施方式中，激光光源(例如的，激发激光器)可通过光纤对出射的光斑形状进行整形和匀化，再通过照明光路的进一步整形，可在样品表面聚焦成为与相机视野大小相匹配的条形光斑。具体的，照明光路可以包括一个或多个柱面镜，用于对激发激光器产生的激发光进行整形，生成与成像视野相匹配的条形光斑。

进一步的，光学成像系统还包括样品台，用于承载待分析的一个或更多个样品，术语样品包括经历成像过程的各种感兴趣的物质，在成像过程中来自样品的光学信号被观察。样品可以包括感兴趣的生物物质和/或化学物质。术语生物物质和/或化学物质包括适合用本申请描述的光学系统成像的各种生物或化学物质。例如的，可以包括生物分子，如核酸、多核苷酸、寡核苷酸、核苷、蛋白质、酶、多肽、抗体、抗原、配体、受体、多糖、碳水化合物、多磷酸盐、纳米孔、细胞器、脂质层、细胞、组织、生物体和生物活性化合物，以及上述物质的类似物或模拟物，还可以包括用于标识的标签，例如的，各类荧光标签等。对样品的分析可以包括：基因测序、基因表达、基因分型、蛋白质组学或其组合。

进一步的，样品台可以包括用于对核酸成像的流动池，流动池可以具有用于容纳样品的一个或多个表面。流动池可以通过以下方式来实现成像：促进流动池流体通道中的样品可以经受照射光并且来自样品的任何荧光响应可以被检测。

进一步的，本申请公开的光学成像系统还包括自动对焦模块。面阵成像系统可以等待平移台移动到位之后再通过图像或其他方式进行对焦，但TDI线扫描成像系统对对焦提出了更高的要求。线扫描系统在运动过程中获取图像，因此需要不基于成像相机的主动对焦方案，并且对对焦速度有较高的要求，一般响应速度为数十毫秒级或更快，才能保证扫描过程中的实时跟焦。自动对焦模块包括传感器，可以在自动聚焦程序中检测反射的自动聚焦光。

进一步的，光学成像系统还包括滤光组件。滤光组件可以是物镜直接上游的组件。滤光组件可以允许一种或更多种类型的光进入流动池中。

进一步的，本申请的光学成像系统还包括控制模块，用于控制样品的移动速度与TDI相机的频率匹配并保持同步，以及用于控制激发激光器的开启与TDI相机的拍照保持同步。

参阅图1，光学成像系统160可以包括本文描述的一个或更多个其他实施例，或与本文描述的一个或更多个其他实施例一起使用，光学成像系统160包含光学基板161，相机162，筒镜163，物镜164，照明光路165，对焦传感器166，安装座167，光纤168等组件。安装座167上安装了筒镜163，物镜驱动器，照明光路165，以及对焦传感器166。安装座167和筒镜163与光学基板161相连，固定成为一个稳定的整体。相机162安装在筒镜163上，将成像系统收集的光信号转换为电信号并输出图像。照明光路165接收从光纤168传入的激发光，并将其整形为成像所需的光斑形状。在其他实施方式中，激发光不一定通过光纤传入，可能直接以空间光的形式输入。对焦传感器166可主动检测成像系统的合焦程度，保证成像过程中始终处于合焦状态，从而输出稳定清晰的图像。

参阅图2，示出了光学成像系统的实施例，在本实施例中，光学成像系统主要包括荧光产生及收集模块、自动聚焦模块、共享部件等。荧光产生及收集模块可以分成两个子系统，即照明子系统和成像子系统，照明子系统主要包括激发光源(未示出)，光纤168，柱面镜1651，柱面镜1652和二向色镜1653，光纤将激发光源的产生的光束传导至照明系统的光轴，使用1651、1652两个柱面镜对光束进行整形，生成与成像视野相匹配的照明光斑(该实施方式中光斑尺寸为2.32x0.128 mm)被二向色镜1653反射后通过物镜164照射到被成像的样品表面。成像子系统主要包括物镜164，发射滤光片1655、1656，筒镜163，相机162，物镜164收集样品发出的光信号，二向色镜1653，1654设计成对荧光波段有较高透过率，滤光片1655，1656可进一步过滤杂光，只透过荧光信号，经过筒镜163后在相机162的传感器表面成像，将荧光信号转化为电信号。自动聚焦模块主要包括对焦传感器166，二向色镜1654和物镜驱动器。对焦传感器166可主动发射红外光，被二向色镜1654反射后通过物镜164照射到样品表面，样品表面的反射光可原路返回到对焦传感器166中，通过检测返回光来判断当前离焦量，并对物镜驱动器进行反馈控制，从而在样品移动过程中保持实时合焦状态。对焦滤光片1657可过滤样品反射的荧光激发光，防止强激光对自动对焦模块的干扰。共享部件主要包括物镜、二向色镜等，物镜一方面将照明光路的光斑进行匀光后照射至样品台(未示出，可以位于物镜164下方)上，同时将自动对焦模块的检测光引导至样品台上，此外，物镜收集受激光，收集的受激光经由筒镜在TDI相机上得到荧光图像。二向色镜被荧光产生及收集模块和自动聚焦模块所共享。

在本实施方式中，光源为激光光源(图中未示出，光源可以在光纤168左侧)，光学成像系统是一个测序拍照成像系统，用于给核酸样品拍照以分析核酸样品的序列。待测核酸样品可以放置在样品台上，核酸样品的四种碱基被同一种荧光染料标记，经物镜164出射的激光激发核酸样品发出一定波长的荧光。成像子系统包括一个TDI相机162，此TDI相机的设置使光学成像系统具有一个成像通道，TDI相机162前设置筒镜163与滤光片1655和1656，滤光片仅允许一种波长范围的荧光进入TDI相机162，使TDI相机162记录碱基发出的荧光信号。成像模块还包括多个分光装置1653和1654，所述分光装置1653和1654通过反射一种波长范围的光及透过另一种波长范围的光而引导所需波长范围的光进入成像通道，从而被TDI相机162记录。

参阅图3，示出了光学基板161的实施例，光学基板161为成像系统的基础框架，安装面有相应的安装孔、定位面和限位槽。相机部件162，滤光片基座1671均安装在光学基板161上。物镜及Z轴驱动模组164安装在滤光片基座1671上，滤光片安装在滤光片支架1672上后，将其置于滤光片基座1671内部的空间后，安装遮光板1673，起到增加结构强度、遮光、防尘的作用。

参阅图4，示出了相机部件的实施例，相机部件162包括TDI相机1621，相机连接筒1622，相机固定座1623。相机1621通过螺纹固定在相机连接筒1622一端，相机固定座1623为抱环结构，相机连接筒1622穿过抱环后，通过螺钉将其锁紧，避免其发生移动和旋转。

参阅图5，示出了相机微调组件的实施例，TDI相机的安装对位置、旋转角度有较高的精度要求，为了方便进行调节，在安装过程中使用相机微调组件进行调节。相机微调组件包括微调主体1624，可通过螺钉1624-1固定在相机固定座1623上，通过手拧螺钉1624-2可对相机部件进行整体的前后微调。将相机部件前后位置调试完成后，将相机固定座1623用螺钉锁定在光学基板161上，从而将相机的前后位置锁定。通过相机微调主体1624上的顶丝1624-3可从侧面对相机施加推力，从而微调相机旋转角度。相机旋转角度调试完成后，将相机固定座1623上的抱环螺钉锁紧，从而将相机的旋转角度锁定。

以上仅描述了优选的实施方式的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改、替换、改变和等同物。应当理解的是，它们仅仅是作为示例而非限制被提出的，并且可以在形式和细节上进行各种改变。本文描述的装置的任何部分可以以任何组合(除了相互排斥的组合)方式进行组合。本文描述的实现方式可以包括所描述的不同实现方式中的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入所附权利要求的范围内的所有这样的修改、改变和组合。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括：自动聚焦模块，包括对焦传感器、物镜驱动器；荧光产生及收集模块，包括激发激光器、照明光路、相机部件、筒镜；共享部件，包括物镜、二向色镜；框架部件，包括安装座、光学基板；相机微调组件，包括微调主体，用于调整相机的位置和旋转角度；筒镜，物镜驱动器，照明光路，以及对焦传感器连接在安装座上；安装座与光学基板相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相机微调组件包括微调主体、紧固件和微调机构，微调主体通过紧固件安装在相机固定座上，并通过微调机构微调相机的位置和旋转角度。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述相机部件包括：TDI相机、相机连接筒、相机固定座，相机固定座用于将相机固定于光学基板；相机通过螺纹固定在相机连接筒一端，相机固定座为抱环结构，相机连接筒穿过抱环后，通过紧固件将相机连接筒锁紧。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，物镜的数值孔径大于等于0.5，视场范围大于2 mm。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荧光产生及收集模块还包括光纤，激发激光器产生的激光通过光纤传至所述照明光路。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照明光路包括一个或多个柱面镜，用于对激发激光器产生的激发光进行整形，生成与成像视野相匹配的条形光斑。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在物镜和相机部件之间还设置有滤光组件，用于阻止特定波长外的光进入相机。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括样品台，用于承载待分析的一个或多个样品。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统被配置用于分析在所述样品台上的核酸材料。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括控制模块，用于控制样品的移动速度与所述TDI相机的频率匹配并保持同步，以及用于控制所述激发激光器的开启与所述TDI相机的拍照保持同步。