CN219590577U - 光学成像器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了光学成像器件。根据第一具体实施，设备包括或包含：光束源，该光束源用于提供输入辐射；以及光束成形组，该光束成形组包括或包含一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被定位为从该光束源接收该输入辐射并对该输入辐射执行光束成形以形成成形光束。该设备还包括或包含：物镜，该物镜被定位为接收该成形光束并将该成形光束转换为探测光束，并且被配置为向该物镜的焦平面提供该探测光束以用于对样本进行光学探测。该光束成形组被配置为随时间推移调整该成形光束的一个或多个特性，以在针对该成形光束的入射区域上大体上均匀地加热该物镜。

Description

光学成像器件

相关申请部分

本申请要求于2021年11月10日提交的美国临时专利申请第63/277,992号的权益和优先权，该临时申请的内容全文以引用方式并入本文并用于所有目的，并且还要求于2021年11月23日提交的美国临时专利申请第63/282,555号的权益和优先权。

技术领域

本申请涉及光学成像器件。

背景技术

线扫描测序系统可以使用激光线照射对生物样本进行检测和测序。激光线照射可以基本上呈线的形状或是基本上线形照射。高功率激光线照射使得使用时间延迟积分(TDI)传感器的高通量扫描能够检测来自流通池的荧光发射。一种与此类光学测序系统一起使用的光学成像器件包括：光束成形组，该光束成形组具有一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被配置和布置为形成线形照射光束；以及物镜，该物镜被配置和布置为将线形照射光束聚焦在流通池处，以引起来自该流通池的荧光发射。

实用新型内容

通过提供用于在线扫描测序系统中控制对物镜的加热以提高分辨率的设备和方法，可以克服现有技术的缺点，并且可以实现本公开中稍后描述的益处。下文描述了设备和方法的各种具体实施，并且这些设备和方法(包括和排除下文列举的附加具体实施)以任何组合(前提条件是这些组合不是不一致的)可克服这些缺点并实现本文所述的有益效果。

根据第一具体实施，设备包括或包含光束源、光束成形组和物镜。该光束源用于提供输入辐射，并且该光束成形组包括或包含一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被定位为从该光束源接收该输入辐射并对该输入辐射执行光束成形以形成成形光束。该物镜被定位为接收该成形光束并将其转换为探测光束。该物镜进一步被配置为向该物镜的焦平面提供该探测光束以用于对样本进行光学探测。该光束成形组被配置为：随时间推移调整该成形光束的一个或多个特性，以在针对该成形光束的入射区域上大体上均匀地加热物镜。

根据第二具体实施，用于控制在物镜上进行的基于热透镜效应或吸收的加热的设备包括或包含：光束源，该光束源用于提供输入辐射；光束成形组，该光束成形组具有或包含：一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被配置为从该光束源接收该输入辐射并进一步被配置为将该输入辐射成形为沿其长轴基本上均匀的基本上线形光束，并且其中该基本上线形光束具有或包含垂直于该长轴的短轴；和调节器，该调节器被配置为在沿该基本上线形光束的该短轴的方向上加宽第一光束；以及物镜，该物镜被配置和定位为将该成形光束转换为聚焦于该物镜的焦平面的探测光束，其中该物镜被散焦，使得该焦平面比被光学探测的样本离该物镜更远，其中该调节器被配置为加宽该第一光束以大体上均匀地照射该物镜。

根据第三具体实施，一种设备包括或包含：光束源、多模光纤和光束成形组。该光束源被配置为提供输入辐射。该多模光纤被配置为从该光束源接收该输入辐射并从多模光纤的输出端输出辐射，该输出端在该多模光纤的输出平面处。该光束成形组具有或包含一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被配置为(i)从该多模光纤接收该输出辐射，(ii)投射该多模光纤的该输出平面的图像，以及(iii)在一个方向上扩展该图像。该物镜被配置为从该光束成形组接收该图像，并且进一步被配置为将该图像投射到该物镜的焦平面。

根据第四具体实施，控制对物镜的加热的方法包括或包含：通过光束源向光束成形组提供输入辐射，该光束成形组包括或包含一个或多个光学元件；通过该光束成形组执行该输入辐射的光束成形，并形成成形光束；以及通过物镜聚焦该成形光束以形成探测光束，该探测光束被聚焦在该物镜的焦平面处以用于对样本进行光学探测。该光束成形组随时间推移调整该成形光束的一个或多个特性，以大体上均匀地加热该物镜。

根据第五具体实施，控制对物镜的加热的方法包括或包含：通过光束源向光束成形组提供输入辐射，该光束成形组包括或包含一个或多个光学元件；通过该光束成形组将该输入辐射成形为沿其长轴基本上均匀的基本上线形光束，并且其中该基本上线形光束具有或包含垂直于该长轴的短轴；通过该光束成形组中的调节器，在沿该基本上线形光束的该短轴的方向上加宽该基本上线形光束，以形成成形光束；以及通过物镜将该成形光束转换为探测光束，该探测光束被聚焦于该物镜的焦平面。该物镜被散焦，使得该焦平面比被光学探测的样本离该物镜更远，并且该调节器被配置为加宽该基本上线形光束，以大体上均匀地照射该物镜。

进一步根据该第一具体实施、该第二具体实施、该第三具体实施、该第四具体实施和/或该第五具体实施，设备和/或方法还可以包括或包含以下各项中的任一项或多项：

在具体实施中，一个或多个光学元件被配置为形成第一成形光束作为基本上线形光束，并且光束成形组还包括或包含调节器，该调节器被配置为随时间推移针对该基本上线形光束改变光束偏移，使得在不同时间处使该基本上线形光束以该物镜的不同相应位置入射在该物镜上。

在另一具体实施中，调节器被配置为随时间推移改变光束偏移，使得探测光束在不同光束偏移下在物镜的焦平面处或附近是基本上不变的线形光束。

在另一具体实施中，调节器是选择性可倾斜的材料窗格、镜子、楔形件或棱镜中的至少一者。

在另一具体实施中，光束成形组进一步被配置用于调节器通过多个光束偏移来周期地循环光束偏移。

在另一具体实施中，调节器可配置为跨物镜的横轴来回移动基本上线形光束。

在另一具体实施中，调节器被配置为围绕物镜的光轴旋转基本上线形光束。

在另一具体实施中，光束偏移可以在一个或两个方向上。

在另一具体实施中，光束成形组被配置为：对输入辐射执行光束成形，以在第一时间段期间形成基本上线形光束作为成形光束；在该第一时间段期间向物镜提供该基本上线形光束；对该输入辐射执行光束成形，以在不同的第二时间段期间形成宽光束作为成形光束；以及在该第二时间段期间向该物镜提供该宽光束，以预热该物镜。

在具体实施中，第一时间段对应于对样本的光学扫描的时间段，并且第二时间段对应于未执行对样本的光学扫描的时间段。

在具体实施中，光束源是激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器或相干光源中的至少一者。

在具体实施中，一个或多个光学元件包括或包含具有或包含Powell轴的Powell棱镜，并且调节器沿非Powell轴扩展第一光束，非Powell轴垂直于Powell轴。

在另一具体实施中，调节器包括或包含柱面透镜、柱面望远镜、激发柱面望远镜、散焦透镜、棱镜阵列或漫射器中的至少一者。

在另一具体实施中，光束源是激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器或相干光源中的至少一者。

在具体实施中，一个或多个光学元件包括或包含柱面微透镜阵列或衍射光学元件中的至少一者。

在另一具体实施中，光束源是激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器或相干光源中的至少一者。

根据具体实施，成形光束包括或包含基本上线形光束，并且其中该方法还包括或包含：通过包括或包含在光束成形组中的调节器随时间推移改变该基本上线形光束的光束偏移，使得在不同时间处，该基本上线形光束以物镜的不同相应位置处入射在该物镜上。

根据另一具体实施中，调节器被配置为随时间推移改变光束偏移，使得探测光束在不同光束偏移下在物镜的焦平面处或附近是基本上不变的线形光束。

根据另一具体实施，调节器包括或包含选择性可倾斜的材料窗格、镜子、楔形物或棱镜中的至少一者。

根据另一具体实施，该方法还包括或包含：通过控制调节器通过多个光束偏移周期性地循环光束偏移来由光束成形组以周期性循环的方式改变光束偏移。

根据另一具体实施，调节器可配置为跨物镜的横轴来回移动基本上线形光束。

根据另一具体实施，调节器可配置为围绕物镜的光轴旋转基本上线形光束。

根据另一具体实施，光束偏移可以在一个或两个方向上。

根据另一具体实施，该方法还包括或包含：通过光束成形组对输入辐射执行光束成形，以在第一时间段期间形成基本上线形光束作为成形光束；在该第一时间段期间向物镜提供该基本上线形光束；通过光束成形组对该输入辐射执行光束成形，以在不同的第二时间段期间形成宽光束作为成形光束；以及在该第二时间段期间向该物镜提供该宽光束，以预热该物镜。

根据另一具体实施，第一时间段对应于对样本的光学扫描的时间段，并且其中第二时间段对应于未执行对样本的光学扫描的时间段。

根据另一具体实施，光束源是激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器或相干光源中的至少一者。

根据另一具体实施，一个或多个光学元件包括或包含具有或包含Powell轴的Powell棱镜，并且加宽基本上线形光束包括或包含通过调节器沿非Powell轴扩展该基本上线形光束，该非Powell轴垂直于该Powell轴。

根据另一具体实施，调节器包括或包含柱面透镜、柱面望远镜、激发柱面望远镜、散焦透镜、棱镜阵列或漫射器中的至少一者。

根据另一具体实施，光束源是激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器或相干光源中的至少一者。

根据第六具体实施，一种用于控制对物镜的加热的方法包括或包含：通过光束源向多模光纤提供输入辐射；通过该多模光纤引导该输入辐射，并从该多模光纤的输出端输出输入辐射，该输出端在输出平面处；通过光束成形组在图像的一个方向上扩展该多模光纤的该输出平面的图像；通过该光束成形组将该多模光纤的该输出平面的该图像投射到物镜上；以及通过该物镜将来自该光束成形组的该图像投射到该物镜的焦平面上。

根据具体实施，一个或多个光学元件包括或包含柱面微透镜阵列或衍射光学元件中的至少一者。

根据另一具体实施，光束源是激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器或相干光源中的至少一者。

应当理解，前述概念和下文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的主题的一部分并且/或者可以被组合以实现特定方面的特定有益效果。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的主题的一部分。

附图说明

附图(其中相似的附图标记是指不同视图中的相同或功能相似的元件)与下文的详细描述一起并入本公开并形成本公开的一部分，并且用于进一步示出包括所要求保护的实用新型的概念的示例，以及解释那些示例的各种原理和优点。此外，附图仅示出了与理解本公开的示例有关的那些具体细节，以免用对本领域普通技术人员来说将是显而易见的细节来掩盖本公开，这些细节具有本文描述的益处。

图1示出了根据本公开的教导内容的示例性光学成像器件的示意图，其具有被配置为控制对物镜的加热的光束成形组。

图2示出了根据本公开的教导内容的由图1的光学成像器件产生的对样本的照射的示例性图案。

图3示出了根据本公开的教导内容的由图1的光学成像器件产生的对物镜的照射随时间推移的示例性图案。

图4示出了根据本公开的教导内容的另一示例性光学成像器件的示意图，其具有被配置为控制对物镜的加热的光束成形组。

图5示出了根据本公开的教导内容的由图4的光学成像器件产生的对物镜的照射的示例性图案。

图6A示出了根据本公开的教导内容的由图4的光学成像器件产生的在X轴上的示例性照射图案。

图6B示出了根据本公开的教导内容的由图4的光学成像器件产生的在Y轴上的示例性照射图案。

图7示出了根据本公开的教导内容的又一示例性光学成像器件的示意图，其具有被配置为控制对物镜的加热的光束成形组。

图8A示出了从图7的光学成像器件(使用多模光纤、扩束器和作为准直器的旋转对称准直器)产生的对物镜的照射的示例性图案。

图8B示出了从图7的光学成像器件(使用多模光纤、扩束器和作为准直器的旋转对称准直器)产生的对物镜的照射的示例性图案。

图8C示出了从图7的光学成像器件(使用多模光纤、扩束器和作为准直器的旋转对称准直器)产生的对物镜的照射的另一示例性图案。

图8D示出了从图7的光学成像器件(使用多模光纤、扩束器和作为准直器的变形准直器)产生的在物镜处的照射的示例性图案。

图9示出了根据本公开的教导内容的又一示例性光学成像器件的示意图，其具有被配置为控制对物镜的加热的光束成形组。

图10示出了针对图9的光学成像器件的示例性遮罩。

图11是表示示例性过程的流程图，该示例性过程可以被执行以实现本文公开的示例的操作。

图12示出了系统的示例性具体实施的示意图，在该系统中可以实现本公开的教导内容。

在适当情况下已经在附图中用常规符号表示了设备和方法部件，仅示出了与理解本实用新型的实施方案有关的那些具体细节，以免用对本领域普通技术人员来说将是显而易见的细节来掩盖本公开，这些细节具有本文描述的益处。

具体实施方式

尽管以下描述公开了对方法、设备和/或制品的具体实施的详细描述，但应当理解，产权的合法范围由在本专利的末尾阐述的权利要求的文字来限定。因此，以下详细描述应理解为仅是示例，并且不描述每种可能的具体实施，因为描述每种可能的具体实施即使不是不可能的也是不切实际的。可使用当前技术或在本专利的提交日期之后开发的技术来实现许多另选具体实施。据设想，此类另选具体实施仍将落入权利要求的范围内。

在线扫描测序系统中在流通池或另一基底上的样本处使用线形照射光束通常需要使线形光束穿过该测序系统的光学成像器件的物镜。当使用高功率照射时，光学元件可能吸收辐射从而引起基于吸收的加热，并且还可能引起该光学元件的热透镜效应。例如，由吸收率为3％、5％、10％或更高的材料形成的光学元件在线扫描测序系统的操作期间吸收辐射，从而引起该光学元件的局部加热，这可能导致像散热透镜效应、各向异性机械膨胀、高阶非线性光学贡献或其他变形和不期望的影响。另外，照射的波长可以进一步加剧对光学元件的局部加热。光学元件的区域中的局部加热可能引起跨光学元件(诸如物镜)的聚焦功率梯度，并且引起不均匀热膨胀和折射率变化，从而导致线形光束中的像散、线扫描图像中的图像质量退化和/或任何其他退化。光学元件的区域可以包括透镜的中心线、中心高斯区域等。在一些情况下，由于局部加热引起的光学退化可能不易用另外的光学元件校正。另外，添加另外的光学元件增加系统成本、光学对准和维护的复杂性，并且增加系统的所需空间/基板面和重量。

本公开的至少一个方面针对用于与可以用于在一个或多个感兴趣样本上执行分析的系统一起使用的一种设备，特别是光学成像器件。样本可以包括一个或多个DNA簇，诸如已经线性化形成单链DNA(sstDNA)的DNA簇。在各种示例中，设备被设计为：通过以不需要使基本上线形光束穿过物镜的方式在样本处生成大体上或基本上线形照射图案来减少、管理和/或控制系统的光学成像器件的物镜的像散热透镜效应或以其他方式控制对物镜的基于吸收的加热。通过防止和/或减少对物镜的非均匀加热，包括本文公开的示例性光学成像器件中的一种示例性光学成像器件的测序扫描仪的成像分辨率可被增加。

下面结合附图描述了多种非限制性示例性光学成像器件。在一些示例中，可使用光束偏移、重新成形或其他方法来随时间推移改变穿过物镜的光束，以更均匀地加热物镜。可以沿非Powell轴(诸如沿Powell棱镜的较小视场角轴或非扇形轴)加宽穿过物镜的光束，从而更均匀地照射该物镜。在一些示例中，物镜然后可以使照射光束散焦，以获得对样本的大体上或基本上线形照射。在一些示例中，可以在样本未暴露于照射时的预热时间段期间加宽光束，并且随后在采样时间段期间将该光束变窄为线形光束以用于对样本进行照射。虽然本文将示例描述为控制对物镜的加热，但是本技术可以用于控制对光学成像器件的其他光学元件的加热。

现在将详细参考非限制性示例，这些非限制性示例中的一些非限制性示例在附图中示出。

使用光束偏离中心控制加热

图1示出了根据所公开的示例的示例性光学成像器件100，该示例性光学成像器件可以是测序系统(诸如图12的系统1200)的一部分。器件100通常被配置为在流通池或另一基底上的样本110上形成探测照射105的大体上或基本上线形图案。如本文所用，“流通池”可包括具有封盖的设备，该封盖在反应结构上方延伸以在其间形成与反应结构的多个反应位点连通的流动通道，并且可包括检测在反应位点处或附近发生的指定反应的检测设备。在所公开的示例中，探测照射105的成形图案是大体上或基本上线形图案。暴露于探测照射105使样本110发荧光，并且发射的荧光照射或辐射可以由具有一个或多个检测器、传感器或相机的任何数量和/或类型的扫描仪115检测、感测和/或成像。

光学成像器件100包括沿光轴A设置的示例性光束成形组120，其中成形组120被布置和配置为接收由光束源130产生的输入光束125。输入光束125在本文中可以被称为输入辐射。光束成形组120进一步改变输入光束，以形成具有所需空间轮廓的所需成形光束135。光束源130可以使用任何数量和/或类型的激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器、相干光源、发光二极管、黑体源、光学放大器、滤光器和/或放大器级来实现。然而，光束源130可以以不同方式来实现。

在一些示例中，光束源130可以发射可见光的蓝色区域中的光。在其他示例中，光束源139可以发射紫外光谱或另一光谱中的光，以激发来自被探测样本的荧光。此外，虽然通常在本文中被描述为光束，但是光或光束在本文中还可以被称为辐射或照射，如本领域普通技术人员应当理解的那样。例如，当描述光的不同空间模式时从光束的角度来讨论光或当描述热负荷或吸收时将光讨论为辐射可能更方便，这取决于讨论的上下文。虽然本文描述为单个光束和单个光束源130，但是应当理解，多个光束源可以以脉冲交错方式单独地提供多个光束或者同时向本文所述的系统和设备的元件提供多个光束。

准直器(为了图示清楚起见未示出)可以沿光轴A设置在光束源130与光束成形组120之间，以根据需要或期望准直输入光束125。一个或多个准直器、透镜或望远镜可以用于当光束在光束成形元件之间、在光学成像器件100的元件之间传播时管理光束的尺寸或用于将光束聚焦在焦(远场)平面处。

光束成形组120包括任何数量和/或类型的光学部件或元件，诸如聚焦表面、透镜、反射表面或镜子、衍射元件、滤光器、偏光器、波片、孔、空间光调制器和微透镜阵列。光束成形组120的光学部件或元件中的一个或多个光学部件或元件可以沿光轴A设置并且被配置为使输入光束125成形，以在具有样本110的远场处形成、生成等所需成形光束135，以允许对样本110进行光学探测。光束成形组120可以包括Powell棱镜140、光束成形透镜和/或衍射或散射部件。在远场处的基本上线形光束轮廓105与一个或多个线扫描传感器115的轮廓一致，允许在流通池应用中对样本进行探测。

物镜145沿光轴A设置，并且物镜145聚焦成形光束135，使得探测照射105朝向样本110传播并聚焦该样本上。在一些示例中，物镜145具有物镜光瞳(为了清楚起见未示出)，并且物镜被设置为接收成形光束135，使得物镜光瞳不会满溢。即，成形光束135没有被物镜光瞳或与物镜145相关联的任何其他孔剪裁。

物镜145将成形光束135转换为探测照射105，其中探测照射105在物镜145的焦平面处具有基本上线形光束轮廓。物镜105的焦平面可以在样本110或样本110的区域处，在沿样本110的上游光轴A的区域中或在沿样本110的下游光轴A的区域中，诸如在样本110与扫描仪115之间。在某些情况下，探测照射105在本文中还可以被称为探测光束。

光学成像器件100(或更通常地包括光学成像器件100的扫描系统)的控制器150用于控制和/或配置光束成形组120执行光束成形和管理和/或控制对物镜145的加热。

光束成形组120包括一个或多个示例性调节器(其一个示例性调节器在附图标记155处指定)，该调节器可以被控制和/或定位为改变成形光束135的一个或多个特性，以控制、管理、均匀化和/或分配成形光束135并加热物镜145。调节器155可以位于光束成形组120中的任何数量的位置处，但在一些具体实施中，该调节器沿Powell棱镜140的紧随下游光轴A设置。调节器155可以在光学成像器件100被操作用于线扫描成像时改变成形光束135，并且在一些具体实施中，调节器155可以改变在捕获的线扫描图像之间的成形光束135。例如，调节器155可以在扫描仪115没有对来自样本110的荧光进行捕获或成像的时间段期间修改成形光束135。

调节器155随时间推移选择性地改变成形光束135的图案，诸如通过光束偏移，同时在样本110处和/或在物镜145的焦平面处保持探测照射105的一致、基本上线形图案。成形光束135在一些示例中是基本上线形的，并且调节器155使成形光束135随时间推移以不同的量和/或方向偏离中心，使得成形光束135入射在物镜145上的不同位置处。探测照射105在样本110处的图案将保持其所需线形图案和尺寸，并且继续入射到样本110上的相同位置处，因为调节器155使成形光束135偏离中心而不改变成形光束135入射到物镜145上的角度。成形光束135可以在物镜145上的一个或两个方向上偏移，诸如沿水平轴和垂直轴。

在一些示例中，调节器155可以由控制器150和/或相关联的器械选择性地定位、倾斜和或控制为跨物镜145来回扫描成形光束135或以设定图案或顺序通过多个光束偏移循环光束偏移。调节器155可以包括选择性地可倾斜的材料窗格、镜子、一维楔形件、棱镜、色散元件、偏光器和/或波片中的一者或多者。调节器155可以包括倾斜的的透明板，该可倾斜的透明板通过光学折射提供水平和/或垂直方向上的光束位移。在示例中，控制器150和/或相关联的器械可以使调节器155旋转以使线形光束135围绕物镜145的中心轴或光轴(即，Z轴)运行，诸如围绕图1的光轴A。调节器155可以包括被配置为里斯利棱镜对的两个棱镜以用于围绕物镜145平移成形光束135。里斯利棱镜对的棱镜中一个或多个棱镜可以被旋转或平移，以提供水平或垂直方向上的光束偏移，或者可以围绕物镜145旋转成形光束135的位置。

图2示出了照射200的示例性图案，该照射可以在调节器155随时间推移使光束135偏离中心时由光学成像器件100提供作为向样本110提供的探测照射105。在示例中，无论由调节器155进行的光束135的任何偏离中心，照射200的图案是照射200的基本上线形图案，该照射具有沿Powell棱镜的Powell轴的长轴P。基本上线形图案进一步具有垂直于长轴P的短轴S。如图2所示的照射200的基本上线形图案具有沿长轴P跨越的峰强度，从而产生沿长轴基本上均匀的强度，而强度沿短轴S快速减小。

图3示出了随时间推移整合的对物镜145的照射300的示例性图案，其中在物镜145上的三个不同位置处向物镜145提供成形光束135。物镜145可以具有圆形孔或透镜，并且因此为了简单和清楚起见，物镜145在图3中由圆圈表示。调节器155在中心位置302_C和两个偏离中心位置(左位置302_L-和右位置302_R)处向物镜提供基本上线性的成形光束135。示例性照射300包括三个不同的线形图案305、306和307，这些线形图案分别对应于光束135在第一时间处居中在中心位置302_C处、在第二时间处在第一方向上向右位置302_R偏离中心以及在第三时间处在第二方向上向左位置302_L偏离中心。如所示，与通过在单个位置向物镜145提供成形光束135所产生的照射相比，所得照射300基本上更均匀(如图2所示)。照射图案300可以产生显著更均匀的照射并且因此对物镜145更均匀的加热，尤其是当物镜145由于照射的吸收而缓慢加热(例如，超过数秒)时。虽然示出为沿照射300的短轴S移动，但是调节器可以在沿长轴P的垂直方向上或沿对角线方向或针对在不同时间处向物镜145的不同部分提供照射的另一方向移动光束偏移。

根据示例使用非Powell轴光束加宽来控制加热

图4示出了根据所公开的示例的另一示例性光学成像器件400，该示例性光学成像器件可以是测序系统(诸如图12的系统1200)的一部分。例如，器件400通常被配置为向流通池上的样本110提供探测照射105的基本上线形图案。在所公开的示例中，探测照射105的成形图案是基本上线形图案。探测照射105暴露于样本110并且使样本110发荧光，并且扫描仪115对来自样本110的辐射发射进行检测、感测和/或成像。

图4的与图1的元件基本上相同和/或功能上相似的元件在图1和图4中用相同的附图标记指定。为了紧凑的公开，这里将不重复对这些元件的描述。相反，感兴趣的读者参考上文结合图1提供的这些元件的描述。可以通过自由空间、光纤、另一波导或通过能够传输光学辐射的另一装置在图1和图4的元件之间提供辐射和光束。

图4的光束成形组120包括一个或多个示例性加宽器(其一个示例性调节器在附图标记405处指定)，该光束成形组可以被配置、调整、控制和/或定位为改变成形光束135的一个或多个特性，以控制、管理和/或均匀化对物镜145的照射以及因此对该物镜的加热。加宽器405可以位于光束成形组120中的任何数量的位置处，但在一些具体实施中，加宽器405沿Powell棱镜140的下游光轴A设置。

加宽器405沿非Powell轴(诸如图2的短轴S)加宽成形光束135。对光束135的加宽增加了照射场的面积，从而减小了向物镜145提供的整体照度(诸如每面积的流明)和通量(诸如每面积的能量)。对光束135的加宽增加了光束135在物镜145上的照射的占有面积，并且实现对物镜145的更均匀的辐射和/或加热。因此，可以实现更可校正的光学像差，其更均匀或球形、强度更低、梯度或差分更平缓。图5中示出了示例性所得照射图案500。示例性加宽器405包括被定位和配置为沿其非Powell轴(诸如非基本上线性轴)加宽成形光束135的柱面透镜、柱面望远镜、激发柱面望远镜、散焦透镜、棱镜阵列、漫射器、双折射元件、空间光调制器、微透镜阵列和/或衍射元件。在一些示例中，使用激发柱面望远镜来控制非Powell轴中的光束腰。此方法允许控制在成像点和非成像点两者处的峰值光束强度在物镜145的Z空间内，诸如在图1所示的传播方向上沿光轴A。此外，此方法可以用于控制在物镜145内部的点处的成形光束135的入射占有面积。如本文所用，术语“占有面积”用于指各种辐射场或照射形状角，诸如基本上线性或矩形场的水平和垂直角、场的圆形半径或者与高斯或其他成形光束或场相关联的几何参数和值。另外，占有面积也指示场的能量分布，并且因此指示物镜145的辐射吸收和热分布。

加宽器405对成形光束135的图案的加宽增加了沿非扫描轴(平行于非Powell轴)入射到样本110上的探测照射105的线形图案的宽度。可以使物镜145散焦以通过沿Z轴移动物镜145来补偿探测照射105的宽度的增加，以使图案105聚焦在焦平面605上超过样本110的表面，如图6A和图6B所示。物镜145的Z轴沿成形光束135的传播轴，在示例中，其沿图1和图4的光轴A。图6A示出了当物镜145被散焦时X轴(基本上线性的轴或Powell轴)上的示例性照射图案610。图6B示出了当物镜145被散焦时在Y轴(非Powell轴)上的示例性照射图案615。物镜145可以被散焦，使得在Y轴上的射线620在样本110处交叉，如图6B所示。图6A和6B示出了散焦物镜145在样本110上导致照射的基本上线形图案，同时使加宽光束135入射到物镜145上(例如，如图5和图6B所示)。

根据另一示例使用非Powell轴光束加宽来控制加热

图7示出了根据所公开的示例的另一示例性光学成像器件700，该示例性光学成像器件可以是测序系统(诸如图12的系统1200)的一部分。器件700通常被配置为在流通池或另一基底上的样本110上形成探测照射105的大体上线形图案。在所公开的示例中，探测照射105的成形图案是大体上线形图案。由探测照射105的成形图案引起的样本110的荧光发射可以由扫描仪115检测、感测和/或成像。

图7的与图1的元件基本上相同和/或功能上相似的元件在图1和图7中用相同的附图标记指定。为了紧凑的公开，这里将不重复对这些元件的描述。相反，感兴趣的读者参考对结合图1提供的这些元件的描述。

图7的光束成形组120包括多模光纤705、准直器708和扩束器710，该光束成形组可以被配置、调整、控制和/或定位为改变成形光束135的一个或多个特性，以更空间广泛地或均匀地向物镜145提供成形光束135，从而导致对物镜145的更均匀加热。因此，可以实现更可校正的光学像差，其更球形、相对偏差更少和/或更均匀。多模光纤705可以替代地为光导管、多模式波导或另一辐射引导材料和/或结构。

输入光束125被输入到光纤705，并且准直器708被设置为从多模光纤705的输出端接收光并准直光以及向光束成形组120提供光。准直器708可以是旋转对称准直器，或者在示例中，准直器708可以是沿不同维度不同地准直光束的变形准直器。

变形准直器可以用于本文所述的示例性系统中的任何示例性系统，以进一步形成基本上线形图案，或者用于针对控制对物镜145的加热执行其他光束成形。光束成形组120和物镜145被设置在某位置处并被配置为将光纤705的输出端的缩小图像投射到样本110上，并且被定位在输出平面处。多模光纤705允许针对在光纤中引导辐射的多个空间传播模式。因此，与单模光纤相比，典型的多模光纤提供具有较宽视场角的较大整体光学场。多模光纤进一步允许将较宽波长带引导通过光纤。示例性扩束器710包括柱面微透镜阵列、衍射光学元件、望远镜和柱面望远镜。扩束器710被配置和定位为在非扫描轴(诸如非Powell轴)中加宽光束135的宽度，并且随后物镜145将图像投射到样本110上。可以选择光束源130以提供更宽的输入光束125，以防止或控制输入光束125的不对称，并且因此防止或控制成形光束135的不对称。

图8A示出了从图7的光学成像器件700(使用多模光纤705、扩束器710和作为准直器708的旋转对称准直器)产生的对物镜145的照射800的示例性图案。图8A所示的示例使用激光二极管作为光束源130、200x200μm多模光纤作为光纤705，光束成形组120沿扫描轴扩展光束，并且柱面微透镜阵列作为扩束器710沿非扫描轴线扩展光束以形成成形光束135。照射800的所得图案大体上沿着一个轴伸长(诸如垂直轴)，以在物镜135处提供较宽占有面积的照射，同时在样本110处或附近保持聚焦的更紧密探测照射105。

图8B和图8C示出了从图7的光学成像器件700(使用多模光纤705、扩束器710和作为准直器708的旋转对称准直器)产生的对物镜145的照射820和840的示例性图案。图8B和图8C所示的示例使用激光二极管作为光束源130、100x100μm多模光纤作为光纤705，光束成形组120沿扫描轴扩展光束，并且柱面微透镜阵列被用作扩束器710，该扩束器沿非扫描轴线扩展光束以形成成形光束135。图8B的照射820入射到物镜145上，其中光束成形组120与物镜145之间的间距为50mm。图8B的照射820表现光束成形组120的光学元件中的任何光学元件未对照射820进行剪裁。图8C的照射840入射到物镜上，其中光束成形组120与物镜145之间的间距为大约75mm。照射840的矩形特征(诸如较少弯曲光束轮廓边缘)指示剪裁，例如图，该矩形特征是由于物镜145的光瞳满溢造成的。因此，图8B和图8C的相应照射820和840向物镜提供基本上均匀的照射，从而允许在有和没有对光束进行剪裁的情况下更均匀分布的对物镜的加热。

图8D示出了从图7的光学成像器件700(使用多模光纤705、扩束器710和作为准直器708的变形准直器)产生的在物镜145处的照射860的示例性图案。变形准直器准直光束以在垂直方向(如所示)上具有较小的光束轮廓并在水平方向上具有较宽的准直光束轮廓，以将光纤705的输出端的图像缩小到在样本处的48μm视场，在本示例中，该视场是针对在样本110处的照射占有面积的所需视场。图8D所示的示例使用激光二极管作为光束源130、150x150μm多模光纤作为光纤705，光束成形组120沿扫描轴扩展光束，并且柱面微透镜阵列作为扩束器710沿非扫描轴线扩展光束以形成成形光束135。准直器708在竖直方向上的较短焦距导致比图8B和图8C的示例更小的整体光束。照射860的所得图案大体上沿一个轴伸长，以在物镜135处提供较宽占有面积的照射，同时在样本110处或附近保持聚焦的更紧密探测照射105。具体地，变形准直器允许竖直方向上的较小光束，同时保持水平方向上的焦距，这有利于将多模光纤705的输出端的图像缩小成较小照射占有面积视场，诸如将150mm多模光纤的图像缩小到48μm视场。

利用预热控制加热

图9示出了根据所公开的示例的另一示例性光学成像器件900，该示例性光学成像器件可以是测序系统(诸如图12的系统1200)的一部分。器件900通常被配置为在流通池和/或另一基底上的样本110上形成探测照射105的基本上线形图案。在所公开的示例中，探测照射105的成形图案是基本上线形图案。扫描仪115可以对由探测照射105的成形图案引起的样本110的荧光发射进行检测、感测和/或成像。

图9的与图1的元件基本上相同和/或功能上相似的元件在图1和图9中用相同的附图标记指定。为了紧凑的公开，这里将不重复对这些元件的描述。相反，感兴趣的读者参考对结合图1提供的这些元件的描述。

控制器150和/或相关联的器械配置、调整、控制和/或定位光束成形组120以及其中的元件，以改变成形光束135的一个或多个特性以预热物镜145。光束成形组120可以被配置为在不同时间处选择性地输出基本上线形图案作为成形光束135或输出宽图案作为成形光束135。示例性宽图案通常是圆形或矩形的，并且尺寸被设置为照射物镜145的大部分光瞳。因此，宽图案可以用于大体上且均匀地照射物镜145的全部或物镜的大部分，并且导致对物镜145的更均匀的加热。因此，可以实现更可校正的光学像差，其更球形、更均匀、强度更小等。如上所述，基本上线形图案135可以在对样本110进行线扫描时使用。

可以通过例如控制光束成形组120进行旁路、从光学路径去除和/或改变一个或多个光束成形光学元件(诸如Powell棱镜140)的配置来输出和/或生成宽图案探测照射135。还可以通过进行旁路、从光学路径去除或以其他方式操纵针对加宽线形图案的上述示例中的任何示例来生成宽图案探测照射。当生成宽图案135时，可以使用遮罩905(诸如光路翻转)来遮挡宽图案135的大体上对应于线形图案的中心部分。遮罩905还可以通过空间光调制器或其他可调谐遮罩或滤光器元件来施加。

图10示出了示例性遮罩1000，该遮罩包括遮挡来自遮罩1000的中心区域的辐射的实心中心部分1005。中心部分1005在空间上对应于物镜145的中心部分，其中遮罩1000的中心部分1005被配置为在遮罩活动时阻止辐射到达物镜145的中心部分。对成形辐射135的选择性加宽与对加宽成形辐射135的中心部分的选择性遮挡组合允许向物镜145提供辐射和对其的加热，以在光学成像器件900的操作期间实现更均匀的热分布。在宽图案和基本上线形图案的生成之间交替可以进一步导致对物镜145的大体上平均均匀的照射并且因此对物镜145的大体上均匀的加热。宽图案可以用于在对样本110进行成像之前预热物镜145的外部部分，其中在对样本110进行线扫描时，物镜145的内部部分随后通过线形图案加热。

控制加热的方法

图11是可以由设备特别是光学成像器件(诸如示例性光学成像器件100/400/700和900)实现以分析一个或多个感兴趣的样本的示例性过程1100的流程图。样本可以包括一个或多个DNA簇，诸如已经线性化形成单链DNA(sstDNA)的DNA簇。

设备接收输入光束(例如，示例性输入光束125)(框1105)。选择针对第一时间段的成形光束(例如，成形光束135)的一个或多个特性(框1110)。对于示例性光学成像器件100，示例性特性包括光束偏离中心偏移量。对于光学成像器件900，示例性特性包括是否要生成线形光束或宽光束。光束成形组(例如，光束成形组120)被配置为至少基于所选择的特性生成、形成和/或输出成形光束(框1115)。

在框1120处，成形光束在物镜(例如，物镜145)的焦平面处(例如，在样本110处)被转换为基本上线形采样光束(例如，示例性探测照射105)。设备使用基本上线形采样光束来对样本进行光学探测(框1125)。

可以重复框1110和框1115以配置不同成形光束的生成(例如，具有不同光束偏移)。因此，可以周期性地和/或非周期性地重复框1110和框1115以将线形图案化探测照射135围绕物镜145移动，从而更均匀地照射并且因此更均匀地加热物镜145。光束偏移可以被改变和/或以缓慢的周期性基础(诸如每秒或两秒)变化或可以以光束位置的较高频率抖动变化。光束偏移可以在一个或两个方向上或在沿多个轴的各个方向上变化。

可以在第一时间处执行框1110和框1115，以生成宽光束135，生成该宽光束直到执行线扫描的第二时间。在线扫描之前，然后可以重复框1110和框1115以在开始框1120之前配置线形光束135的生成。

示例性系统

图12示出了根据本公开的教导内容的系统1200的具体实施的示意图。系统1200可以用于对一个或多个感兴趣的样本执行分析。样本可包括已线性化形成单链DNA(sstDNA)的一个或多个DNA簇。在所示的具体实施中，系统1200接收试剂盒1202并且部分地包括驱动组件1204和控制器1206。系统1200还包括成像系统1212和废物储存器1214。在其他具体实施中，废物储存器1214可以包括有试剂盒1202。成像系统1212包括本文公开的图1、图4、图7和图9的光学成像器件100、光学成像器件400、光学成像器件700、光学成像器件900中的任何一者或多者。控制器1206以电方式和/或以通信方式联接到驱动组件1204和成像系统1212，并且使驱动组件1204和/或成像系统1212执行如本文所公开的各种功能。

试剂盒1202承载可以被加载到流通池1220的通道中的感兴趣样本。驱动组件1204与试剂盒1202交接以使与样本相互作用的一个或多个试剂(例如，核苷酸A、核苷酸T、核苷酸G、核苷酸C)流过流通池1220。

在具体实施中，可逆终止子附接到试剂以允许单个核苷酸掺入生长DNA链。在一些此类具体实施中，一个或多个核苷酸具有当被激发时发出颜色的独特荧光标记。颜色(或不存在颜色)用于检测对应的核苷酸。在所示的具体实施中，成像系统1212激发可识别标记(例如，荧光标记)中的一个或多个可识别标记，然后获得针对可识别标记的图像数据。标记可由入射光和/或激光激发，并且图像数据可包括由相应标记响应于激发而发射的一种或多种颜色。图像数据(例如，检测数据)可以由系统1200分析。成像系统1212可以是包括物镜镜头和/或固态成像器件的荧光分光光度计。固态成像器件可包括电荷耦合器件(CCD)和/或互补金属氧化物半导体(CMOS)。

在获得图像数据之后，驱动组件1204与试剂盒1202交接，以使另一反应组分(例如，试剂)流过试剂盒1202，然后该反应组分被废物储存器1214接收和/或以其他方式被试剂盒1202耗尽。反应组分进行冲洗操作，该操作从sstDNA化学切割荧光标记和可逆终止子。然后将sstDNA准备用于另一个循环。

现在参见驱动组件1204，在所示的具体实施中，驱动组件1204包括泵驱动组件1222、阀驱动组件1224和致动器组件192。泵驱动组件1222与泵1226交接以将流体泵送通过试剂盒1202和/或流通池1220，并且阀驱动组件1224与阀1228交接以控制阀1228的位置。阀1228与阀驱动组件1224之间的相互作用选择性地致动阀1228以控制流体流过试剂盒1202的流体线1230。流体线1230中的一个或多个流体线流体地联接一个或多个试剂储存器1232和流通池1220。阀1228中的一个或多个阀可以由阀歧管、旋转阀、夹管阀、平阀、电磁阀、簧片阀、止回阀、压电阀等来实现。

参考控制器1206，在所示的具体实施中，控制器1206包括用户界面1234、通信接口1236、一个或多个处理器1238和存储器1240，该存储器存储能够由一个或多个处理器1238执行以执行包括所公开的具体实施在内的各种功能的指令。用户界面1234、通信接口1236和存储器1240以电方式和/或以通信方式联接到一个或多个处理器1238。

在具体实施中，用户界面1234可从用户接收输入并且向用户提供与系统1200的操作和/或进行的分析相关联的信息。用户界面1234可以包括触摸屏、显示器、键盘、扬声器、鼠标、轨迹球和/或语音识别系统。触摸屏和/或显示器可显示图形用户界面(GUI)。

在具体实施中，通信接口1236经由网络实现系统1200与远程系统(例如，计算机)之间的通信。网络可以包括内联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、内联网等。向远程系统提供的通信中的一些通信可以与由系统1200生成或以其他方式获得的分析结果、成像数据等相关联。向系统1200提供的通信中的一些通信可以与流体分析操作、患者记录和/或将由系统1200执行的协议相关联。

一个或多个处理器1238和/或系统1200可以包括基于处理器的系统或基于微处理器的系统中的一者或多者。在一些具体实施中，一个或多个处理器1238和/或系统1200包括精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、逻辑电路和/或执行包括本文所述功能在内的各种功能的另一基于逻辑的器件。

存储器1240可以包括硬盘驱动器、闪存存储器、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、非易失性RAM(NVRAM)存储器、光盘(CD)、数字通用光盘(DVD)、高速缓存和/或任何其他存储装置或存储盘中的一者或多者，其中存储信息达任何持续时间(例如，永久地、暂时地、达延长的时间段、用于缓冲、用于缓存)。

附加考虑因素

提供上述说明以使得本领域的技术人员能够实践本文所述的各种配置。虽然已参考各种附图和构型具体描述了本主题技术，但应当理解，这些附图和构型仅用于说明目的，而不应被视为限制本主题技术的范围。

如本文所用，以单数形式叙述且前面带有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应当理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确地指明此类排除。此外，对“一个具体实施”的引用并非旨在被解释为排除也包含所叙述特征的附加具体实施的存在。此外，除非有相反的明确说明，否则“包括”或“具有”具有特定属性的一个或多个元件的具体实施可包括附加元件，无论它们是否具有该属性。此外，术语“包括”、“具有”等在本文中可互换使用。

在本说明书通篇中使用的术语“基本上”、“大约”和“约”用于描述和说明小的波动，诸如由于处理中的变化所引起的小的波动。例如，它们可以指小于或等于±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％。

可存在许多其他方式来实现本主题技术。在不脱离本主题技术的范围的情况下，本文所述的各种功能和元件可与所示的那些功能和元件不同地划分。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言可以是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。因此，在不脱离本主题技术的范围的情况下，本领域的普通技术人员可对本主题技术进行许多改变和修改。例如，可采用不同数量的给定模块或单元，可采用一个或多个不同类型的给定模块或单元，可添加给定模块或单元或者可省略给定模块或单元。

带下划线和/或斜体的标题和子标题仅为了方便起见而使用，不限制本主题技术，并且不与本主题技术的描述的解释结合引用。本领域的普通技术人员已知的或稍后将知道的贯穿本公开描述的各种具体实施的元件的所有结构和功能等同物明确地以引用方式并入本文并且旨在被本主题技术所涵盖。此外，本文所公开的任何内容都不旨在专用于公众，而不管以上描述中是否明确地叙述了此类公开内容。

应当理解，前述概念和下文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的主题的一部分。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的主题的一部分。

Claims (13)

1.一种光学成像器件，包括：

光束源，所述光束源用于提供输入辐射；

光束成形组，所述光束成形组包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件被定位为从所述光束源接收所述输入辐射，并对所述输入辐射执行光束成形以形成成形光束；以及

物镜，所述物镜被定位为接收所述成形光束并将所述成形光束转换为探测光束，所述物镜进一步被配置为向所述物镜的焦平面提供所述探测光束以用于对样本进行光学探测，

其中所述光束成形组被配置为随时间推移调整所述成形光束的一个或多个特性，以在针对所述成形光束的入射区域上大体上均匀地加热所述物镜。

2.根据权利要求1所述的光学成像器件，其中所述一个或多个光学元件被配置为在所述物镜的所述焦平面处或附近形成基本上线形光束，并且其中所述光束成形组还包括调节器，所述调节器被配置为针对所述成形光束随时间推移改变光束偏移，使得在不同时间处使所述成形光束以所述物镜的不同相应位置入射在所述物镜上。

3.根据权利要求2所述的光学成像器件，其中所述调节器被配置为随时间推移改变所述光束偏移，使得所述探测光束在不同光束偏移下在所述物镜的所述焦平面处或附近是基本上不变的线形光束。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述调节器是选择性可倾斜的材料窗格、镜子、楔形件或棱镜中的至少一者。

5.根据权利要求2至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述光束成形组进一步被配置用于所述调节器通过多个光束偏移来周期地循环所述光束偏移。

6.根据权利要求2至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述调节器可配置为跨所述物镜的横轴来回移动所述成形光束。

7.根据权利要求2至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述调节器可配置为使所述成形光束围绕所述物镜的光轴运行。

8.根据权利要求2至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述光束偏移可在一个或两个方向上。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述光束成形组被配置为：

对所述输入辐射执行光束成形，以在第一时间段期间在所述物镜的所述焦平面处或附近形成基本上线形光束作为所述成形光束；

在所述第一时间段期间向所述物镜提供所述成形光束；

对所述输入辐射执行光束成形，以在不同的第二时间段期间形成宽光束作为所述成形光束；以及

在所述第二时间段期间向所述物镜提供所述成形光束，以预热所述物镜。

10.根据权利要求9所述的光学成像器件，其中所述第一时间段对应于对样本的光学扫描的时间段，并且其中所述第二时间段对应于未执行对样本的光学扫描的时间段。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的光学成像器件，其中所述光束源是相干光源。

12.根据权利要求11所述的光学成像器件，其中所述相干光源是激光器。

13.根据权利要求12所述的光学成像器件，其中所述激光器是激光二极管和二极管泵浦固态激光器中的至少一者。