TW201931585A - 使用結構照明的主動感測器檢測器的多工 - Google Patents

Abstract

本公開提供一種結構照明成像系統，其利用在圖案化樣本的主動平面中的圖像感測器（例如主動像素感測器）來提高圖像解析度。所成像的樣本可以被圖案化和/或排列在圖像感測器上，使得圖像感測器的每個光感測器（例如像素）具有在其上方形成和/或安裝的相應的多個特徵。回應於照射，每個特徵可以發射由圖像感測器的像素收集的螢光。在成像期間，圖像感測器的每個像素可以使用結構照明在空間上被多工，使得只有被排列在像素上的特徵的子集（例如，一個或兩個）在圖像讀取期間用結構化光進行照射。

Description

使用結構照明的主動感測器檢測器的多工

本申請案相關於使用結構照明的主動感測器檢測器的多工。
相關申請的交叉引用

本申請案主張於2018年1月8日提交的且標題為“Multiplexing of an Active Sensor Detector using Structured Illumination”的美國臨時專利申請第62/614,690號和於2018年3月20日提交的且標題為“Multiplexing of an Active Sensor Detector using Structured Illumination”的荷蘭專利申請第N2020621號的優先權。每個前面提到的申請案的全部內容在此通過引用被併入本文。

在顯微成像中，顯微鏡的橫向解析度通常受到由光源的波長和顯微鏡的物鏡的數值孔徑確定的繞射極限的限制。例如，主動感測器成像技術（例如互補金屬氧化物半導體（CMOS）成像技術）的一個限制是最終間距（ultimate pitch），且因此資訊的資料密度受到感測器系統的間距的限制，在高端系統中間距可以在大約1μm和1.75 μm之間。這種限制可能將持續，因為對較小像素的處理由於製造約束而是複雜的。

在利用電荷耦合器件（CCD）成像感測器的一些傳統顯微成像系統中，空間結構化（即圖案化）光可用於對樣本成像，以將顯微鏡的橫向解析度增加兩倍或更多倍。在這樣的系統中，在樣本的成像期間，可以在各種圖案相位（例如0°、120°、和240°）獲取樣本的條紋圖案的三個圖像，使得樣本上的每個位置被暴露於一定範圍的照明強度，該過程通過圍繞光軸旋轉圖案定向（例如60°和120°）來重複。所捕獲的圖像（例如九個圖像）可以被組合成具有擴展空間頻率頻寬的單個圖像，該單個圖像可以被再轉換到真實空間中，以生成相比於由傳統顯微鏡捕獲的圖像具有更高解析度的圖像。在這些傳統系統中，由結構照明顯微術（structured illumination microscopy）對分子的檢測依賴於重新收集激發光（通常利用用於激發的相同物鏡）並將發射信號重新成像到CCD相機上。

本文所述的實現方式針對一種結構照明成像系統，其利用在圖案化樣本的主動平面（active plane）中的圖像感測器（例如主動像素感測器）來提高圖像解析度。所成像的樣本可以被圖案化和/或被排列在圖像感測器上，使得圖像感測器的每個像素具有在其上方形成的和/或安裝的（mounted）相應的多個特徵。

在一個實現方式中，一種系統包括：發射光的光發射器；使由光發射器發射的光繞射以在包括圖案化特徵的樣本的平面上投射多個條紋的光學元件；以及收集由樣本的特徵發射的光的圖像感測器。在該實現方式中，圖像感測器包括多個像素，樣本將被排列在圖像感測器上，使得多個圖案化特徵沿著第一軸被排列在多個像素中的每個相應像素上，並且所投射的多個條紋被成形為照射每個相應的多個圖案化特徵中的特徵之一。在各種實現方式中，所投射的多個條紋具有與規則圖案化特徵的尺寸至少幾乎相同或比規則圖案化特徵的尺寸大的尺寸的條紋寬度，並且條紋寬度小於多個像素中的每一個像素的間距。例如，規則圖案化特徵的尺寸可以是圓形特徵的直徑、正方形特徵的邊的長度、矩形特徵的較長邊或較短邊的長度、橢圓形特徵沿著其長軸或短軸的直徑、或者不規則成形的物件沿著物件的一個軸（例如x軸或y軸）的最長尺寸。

在實現方式中，圖像感測器是主動像素圖像感測器，例如互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器。

在二維結構照明成像實現方式中，該系統還包括：第二光學元件，其使由光發射器發射的光繞射以將第二多個條紋投射到樣本的平面上，其中第二多個條紋相對於第一多個條紋正交地被定向。在這樣的實現方式中，樣本可以被排列在圖像感測器上，使得第二多個圖案化特徵被定位於多個像素中的每一個相應的像素上，其中第二多個圖案化特徵中的每一個圖案化特徵沿著與第一軸正交的第二軸被對齊，其中，所投射的第二多個條紋被成形為照射每個第二多個圖案化特徵中的一個圖案化特徵。

在二維結構照明成像實現方式中，使光繞射的光學元件可以包括：投射第一多個條紋的水平透射型繞射光柵以及投射第二多個條紋的垂直透射型繞射光柵。在一些特定的實現方式中，四個圖案化特徵被定位在多個像素中的相應像素上，其中，四個圖案化特徵以正方形網格被佈置在像素上。在一些特定的實現方式中，三個圖案化特徵被定位在多個像素中的相應像素上，其中，三個圖案化特徵以L形狀被佈置在像素上。

在一些實現方式中，多個像素中的每一個是矩形像素，其中，樣本的特徵以線性陣列被排列在每一個矩形像素上。

在一些實現方式中，多個像素中的每一個是正方形像素，並且多個特徵中的每一個包括具有約2:1的縱橫比的兩個特徵。在一些實現方式中，多個像素中的每一個是正方形像素，並且多個特徵中的每一個包括具有約3:1的縱橫比的三個特徵。

在實現方式中，樣本可以形成在圖像感測器上。例如，樣本可以通過光微影法被圖案化在主動像素圖像感測器上。

在特定的實現方式中，每個特徵是包括形成在多個像素中的一個像素的光導上的反應區域（reaction site）的反應凹部。

在一些實現方式中，圖像感測器包括像素的第一對齊列或行和第二對齊列或行，其中第一對齊列或行和第二對齊列或行使多個條紋與樣本和圖像感測器在空間上對齊。在這些實現方式中，樣本的僅一個特徵可以被定位在多個像素中的第一對齊列或行和第二對齊列或行的每一個像素上。

在一個實現方式中，一種方法包括：在包括圖案化特徵的樣本的平面上投射第一多個條紋，其中，樣本被排列在圖像感測器上，使得第一多個圖案化特徵被定位在多個像素中的相應的一個像素上，其中多個圖案化特徵中的每一個圖案化特徵沿著第一軸在像素上被對齊；用所述第一多個條紋照射每一個第一多個圖案化特徵中的第一特徵；捕獲每一個第一多個圖案化特徵中的第一特徵的第一圖像；使第一多個條紋相移以照射每一個第一多個圖案化特徵中的第二特徵；以及捕獲每一個第一多個圖案化特徵中的第二特徵的第二圖像。

在該方法的一些實現方式中，所投射的多個條紋具有與規則圖案化特徵的尺寸至少幾乎相同或比規則圖案化特徵的尺寸大的尺寸的條紋寬度，並且條紋寬度小於多個像素中的每個像素的間距。在一些實現方式中，樣本被形成在圖像感測器上，並且圖像感測器是主動像素感測器。

在該方法的特定實現方式中，第一多個條紋被定位成在捕獲第一圖像和第二圖像的步驟期間僅照射在多個像素中的每個像素上的一個特徵。

在一些實現方式中，該方法還包括：在樣本的平面上投射第二多個條紋，其中第二多個條紋相對於第一多個條紋正交地被定向，其中，樣本被排列在圖像感測器上，使得第二多個圖案化特徵被定位在多個像素中的相應的一個像素上，其中，第二多個圖案化特徵中的每一個圖案化特徵沿著與第一軸正交的第二軸被對齊；用第二多個條紋照射每一個第二多個圖案化特徵中的第三特徵；捕獲每一個第二多個圖案化特徵中的第三特徵的第三圖像；使第二多個條紋相移以照射每一個第二多個圖案化特徵中的第四特徵；以及捕獲每一個第二多個圖案化特徵中的第二特徵的第四圖像。

在一個實現方式中，生物感測器包括：感測器陣列，其包括多個像素；以及具有對應的反應區域的反應凹部的反應陣列，其中，反應陣列在感測器陣列上被圖案化，使得多個反應凹部在多個像素中的相應的一個像素上被圖案化；以及光學元件，其將多個條紋投射在反應陣列的平面上，其中，所投射的多個條紋被成形為照射在多個像素中的每一個像素上圖案化的反應凹部中的一個反應凹部。在該實現方式中，所投射的多個條紋可以具有與反應凹部的尺寸至少幾乎相同或比反應凹部的尺寸大的條紋寬度，並且條紋寬度可以小於多個像素中的每個的間距，並且條紋寬度可以與多個像素中的每個像素的間距至少幾乎相同。在一些實現方式中，生物感測器還包括：使多個條紋相移多個像素中的每一個像素的間距的幾分之一（a fraction of）的一個或更多個光學元件。

結合附圖，通過下面的詳細描述，所公開的技術的其他特徵和方面將變得明顯，附圖以示例的方式示出了根據所公開的技術的實現方式的特徵。該概述不旨在限制由申請專利範圍和等同物限定的本文所述的任何公開的範圍。

應該認識到，前述概念的所有組合（假設這些概念不相互矛盾）被認為是本文公開的具進步性主題的一部分。特別地，出現在本公開結尾處的要求保護的主題的所有組合被認為是本文公開的具進步性主題的一部分。

如在本文中用於提及樣本的術語“斑點（spot）”或“特徵”旨在表示圖案中的可以根據相對位置與其他的點或區域區分開的點或區域。單個斑點可以包括特定類型的一個或更多個分子。例如，斑點可以包括具有特定序列的單個靶核酸分子，或斑點可以包括具有相同序列（和/或其互補序列）的若干核酸分子。

如本文所使用的，術語“xy平面”旨在表示由笛卡爾坐標系中的直線軸x和y所定義的2維區域。當關於檢測器和由檢測器觀察的物件進行使用時，該區域可以進一步被指定為與在檢測器和被檢測物件之間的觀察方向正交。

如本文中所使用的，術語“z座標”意欲意指指定沿著與xy平面正交的軸的點、線或區域的位置的資訊。在特定的實現方式中，z軸正交於物件的通過檢測器所觀察到的區域。例如，可以沿著z軸指定光學系統的聚焦方向。

如本文所使用的，術語“光學耦合”旨在指代一個元件適用於將光直接或間接地傳到另一元件。

如本文所使用的，“指定反應”包括感興趣分析物的化學、電、物理、或光學特性（或性質）中的至少一個的變化。在特定的實現方式中，指定反應是肯定結合（positive binding）事件（例如，螢光標記生物分子與感興趣分析物的合併）。更一般地，指定反應可以是化學轉變、化學變化、或化學相互作用。指定反應也可以是電特性的變化。

如本文所使用的，“反應組分”或“反應物”包括可用於獲得指定反應的任何物質。例如，反應組分包括試劑、酶、樣本、其他生物分子、和緩衝溶液。反應組分可以在溶液中被輸送到反應區域和/或被固定在反應區域處。反應組分可以與另一種物質（例如感興趣分析物）直接或間接地相互作用。

如本文所使用的，術語“反應區域（reaction site）”是可以出現指定反應的局部區域。反應區域可包括基底的支撐表面，其中物質可被固定在其上。例如，反應區域可以包括流動池的通道中的平坦表面，該平坦表面上具有核酸群落。通常但並不總是，在群落中的核酸具有相同的序列，其例如是單鏈或雙鏈範本的克隆拷貝。然而，在一些實現方式中，反應區域可以僅包含例如以單鏈或雙鏈形式的單個核酸分子。此外，多個反應區域可以沿著支撐表面隨機地分佈或者以預定方式（例如，在矩陣中（例如在微陣列中）並排式）佈置。反應區域還可以包括至少部分地界定被配置成分隔指定反應的空間區域或體積的反應室。如本文所使用的，術語“反應室”包括與流動通道流體連通的空間區域。反應室可以至少部分地與周圍環境或其他空間區域分隔開。例如，多個反應室可以被共有的壁彼此分隔開。作為更具體的例子，反應室可以包括由阱的內表面界定的腔，並且具有開口或孔，使得腔可以與流動通道流體連通。

如本文所使用的，術語“相鄰”當對兩個反應區域使用時意指沒有其它反應區域位於兩個反應區域之間。術語“相鄰”當對相鄰的檢測路徑和相鄰的光感測器（例如在其間沒有其它光感測器的相鄰的光感測器）使用時可以具有類似的含義。

如本文所使用的，“物質”包括物品或固體，例如捕獲珠、以及生物或化學物質。如本文所使用的，“生物或化學物質”包括生物分子、感興趣樣本、感興趣分析物、和其它化學化合物。生物或化學物質可用於檢測、識別、或分析其他化學化合物，或起研究或分析其他化學化合物的媒介物的作用。在特定的實現方式中，生物或化學物質包括生物分子。如本文所使用的，“生物分子”包括以下中的至少一種：生物聚合物、核苷、核酸、多核苷酸、寡核苷酸、蛋白質、酶、多肽、抗體、抗原、配體、受體、多糖、碳水化合物、多磷酸鹽、細胞、組織、有機體、或其片段或任何其它具生物活性的化學化合物，例如前面提到的物種的類似物或模擬物。

如本文所使用的，“反應組分”或“反應物”包括可用於獲得指定反應的任何物質。例如，反應組分包括試劑、酶、樣本、其他生物分子、和緩衝溶液。反應組分通常在溶液中被輸送到反應區域和/或被固定在反應區域處。反應組分可以與另一種物質（如感興趣分析物）直接或間接地相互作用。

如本文所使用的，術語“反應區域”是可以出現指定反應的局部區域。反應區域可包括物質可被固定在其上的基底的支撐表面。例如，反應區域可以包括流動池的通道中的至少基本上平坦的表面，該表面上具有核酸群落。在一些實例中，群落中的核酸具有相同的序列，其例如為單鏈或雙鏈範本的克隆拷貝。然而，在一些實現方式中，反應區域可以僅包含例如以單鏈或雙鏈形式的單個核酸分子。此外，多個反應區域可以沿著支撐表面隨機地分佈或者以預定方式（例如，在矩陣中（例如在微陣列中）並排式）佈置。反應區域還可以包括至少部分地界定被配置成分隔指定反應的空間區域或體積的反應室。如本文所使用的，術語“反應室”包括與流動通道流體連通的空間區域。反應室可以至少部分地與周圍環境或其他空間區域分隔開。例如，多個反應室可以被共有的壁彼此分隔開。作為更具體的示例，反應室可以包括由阱的內表面限定的腔，並且具有開口或孔，使得腔可以與流動通道流體連通。

在另一個示例中，生物或化學物質或生物分子包括在偶聯反應中用於檢測另一反應的產物的酶或試劑，例如用於檢測在焦磷酸測序反應中的焦磷酸的酶或試劑。生物分子、樣本、以及生物或化學物質可以是天然出現的或合成的，並且可以懸浮在空間區域內的溶液或混合物中。生物分子、樣本、和生物或化學物質也可以被結合到固相或凝膠材料上。生物分子、樣本、和生物或化學物質也可以包括藥物組合物。在一些情況下，感興趣的生物分子、樣本、和生物或化學物質可以被稱為目標、探針、或分析物。

如本文所使用的，“生物感測器”包括具有多個反應區域的結構，該結構被配置成檢測在反應區域處或附近出現的指定反應。生物感測器可以包括固態成像裝置（例如CMOS或CCD成像器）和可選地安裝到其的流動池。流動池可包括與反應區域流體連通的至少一個流動通道。作為一個具體示例，生物感測器被配置成流體和/或電氣地耦合到生物測定系統。生物測定系統可以根據預定方案（例如合成測序（sequencing by-synthesis））來將反應物輸送到反應區域，並執行多個成像事件。例如，生物測定系統可以引導溶液沿著反應區域流動。至少一種溶液可以包括具有相同或不同螢光標記的四種類型的核苷酸。核苷酸可以與位於反應區域處的對應的寡核苷酸結合。生物測定系統然後可以使用激發光源（例如固態光源，例如發光二極體或LED）照射反應區域。激發光可以具有一個或更多個預定波長，包括一定範圍的波長。所激發的螢光標記提供可以被光感測器檢測到的發射信號。

在可選的實現方式中，生物感測器可以包括被配置成檢測其他可識別的特性的電極或其他類型的感測器。例如，感測器可以被配置成檢測離子濃度的變化。在另一示例中，感測器可以被配置成檢測穿過膜的離子電流

如本文所使用的，“盒”包括被配置為保持生物感測器的結構。在一些實現方式中，盒可以包括附加特徵，例如被配置為向生物感測器的反應區域提供激發光的光源（例如LED）。盒還可以包括流體存儲系統（例如用於試劑、樣本、和緩衝液的儲存器）和流體控制系統（例如泵、閥等），其用於將反應組分、樣本等流體地輸送到反應區域。例如，在製備或製造生物感測器之後，生物感測器可以耦合到盒的外殼或容器。在一些實現方式中，生物感測器和盒可以是獨立的一次性單元。然而，其它實現方式可以包括具有可移除部件的元件，可移除部件允許用戶訪問生物感測器或盒的內部，以進行部件或樣本的維護或更換。生物感測器和盒可以可移除地耦合或接合到在其中進行受控反應的較大的生物測定系統，例如測序系統。

如本文所使用的，當術語“可移除地”和“耦合”（或“接合”）一起用於描述在生物感測器（或盒）和生物測定系統的系統接受器（system receptacle）或介面之間的關係時，該術語意欲意指在生物感測器（或盒）和系統接受器之間的連接是容易分離的，而不破壞或損壞系統接受器和/或生物感測器（或盒）。當部件可以在無需過度努力或在分離部件時花費大量時間的情況下彼此分離時部件是容易分離的。例如，生物感測器（或盒）可以以電氣方式可移除地耦合或接合到系統接受器，使得生物測定系統的相配觸頭不被破壞或損壞。生物感測器（或盒）也可以以機械方式可移除地耦合或接合到系統接受器，使得保持生物感測器（或盒）的特徵不被破壞或損壞。生物感測器（或盒）也可以以流體方式可移除地耦合或接合到系統接受器，使得系統接受器的埠不被破壞或損壞。例如，如果只有對部件的簡單調整（例如，重新對準）或簡單更換（例如更換噴嘴）是需要的，則系統接受器或部件不被認為被破壞或損壞。

如本文所使用的，術語“流體連通”或“流體耦合”指兩個空間區域連接在一起，使得液體或氣體可以在兩個空間區域之間流動。例如，微流通道可以與反應室流體連通，使得流體可以從微流通道自由地流入反應室內。術語“流體連通”或“流體耦合”允許兩個空間區域通過被配置為控制或調節通過系統的流體的流動的一個或更多個閥、限流器、或其它流體部件而流體連通。

如本文所使用的，術語“固定”當關於生物分子或生物或化學物質被使用時包括至少基本上將生物分子或生物或化學物質在分子層級下附著到表面。例如，可以使用吸附技術（包括非共價相互作用（例如靜電力、范德華力和疏水介面的脫水）和共價結合技術（其中官能團或連接體（linker）便於將生物分子附著到表面））來將生物分子或生物或化學物質固定到基底材料的表面。將生物分子或生物或化學物質固定到基底材料的表面可以基於基底表面的特性、攜帶生物分子或生物或化學物質的液體介質以及生物分子或生物或化學物質本身的特性。在一些情況下，基底表面可以被功能化（例如，化學或物理地改性）以便於將生物分子（或生物或化學物質）固定到基底表面。基底表面可以首先被改性，以使官能團結合到表面上。然後，官能團可以與生物分子或生物或化學物質結合，以將它們固定在其上。

如上所提到的，當前CMOS成像技術的一個限制是最終間距以及因而資訊的資料密度受到感測器系統的像素的間距的限制。儘管在一些CCD成像系統中利用結構照明來提高橫向解析度，但是在這樣的系統中的分子的檢測依賴於使用用於激發的相同物鏡來重新收集激發光並將發射信號重新成像到CCD相機上。在這樣的系統中，重新收集的光穿過的每個光學器件減損信號，並可能引入對成像解析度和性能不利的像差。

本文描述的實現方式通過使用在樣本的主動平面中利用圖像感測器（例如，主動像素感測器）的結構照明成像系統來解決這些問題。根據本文所述的實現方式，所成像的樣本可以被圖案化和/或被排列在圖像感測器元件上，使得圖像感測器的每個光感測器（例如像素）具有在它上方形成和/或安裝的相應的多個特徵。在成像期間，圖像感測器的每個像素可以使用結構照明來在空間上被多工，使得只有被排列在像素上的特徵的子集（例如一個特徵）在圖像讀取期間以結構化光進行照射。例如，在利用具有在每個像素上形成的多個群落或奈米井的生物感測器成像系統的特定實現方式中，每感測器像素的單個群落（或奈米井）可以在空間上被多工以實現亞像素解析度，這可以通過使用結構照明系統以每次使在每個像素上的群落或奈米井中的一者成像來實現。

本文描述的實現方式可以實現優於先前存在的成像系統的若干益處。首先，與通過光學照明路徑（例如，通過物鏡）重新收集光的先前存在的結構照明成像系統不同，在本文描述的實現方式中的照明路徑僅用於激發，而不涉及發射波長和光學器件。因此，在源中的濾波器和光學器件可以只針對激發進行優化。第二，在傳統的成像系統中，來自物件的在相機處的光是繞射受限的，並且跨越在成像相機上的多個像素，但是利用在樣本平面處的主動感測器，可以如本文所述的實現亞像素解析度。此外，在圖像感測器是主動像素圖像感測器（例如像素具有光電檢測器和放大器，例如CMOS感測器）的實現方式中，可以獲得其他益處，例如增加的信號增益和成像元件的降低的成本。從前面的描述中可以認識到本文公開的技術的這些和其他益處。

在描述本文中所公開的系統和方法的各種實現方式之前，描述可以利用其實現本文中所公開的技術的示例環境是有用的。圖1A-1B示出了一個這樣的示例環境，圖1A-1B示出了結構照明成像系統100，其中圖像感測器140與用空間結構化光照射的圖案化樣本110在同一平面內。例如，系統100可以是利用空間結構化激發光對圖案化生物樣本成像的結構照明螢光顯微系統。

在示例系統100中，光發射器150被配置為輸出由準直器151（例如準直透鏡）準直的光束。準直光束通過光束結構化光學元件155被成形為結構化（圖案化）光束160，並通過物鏡142被引導到包括多個特徵111的圖案化樣本110上。由圖案化樣本110發射的任何光都被圖像感測器元件140收集，在這個示例中，圖像感測器元件140被定位在樣本110的正下方。例如，在螢光樣本110的情況下，樣本的被照射特徵111可以回應於結構化激發光而發螢光，並且由特徵111發射的合成光161可以由圖像感測器元件140的像點（photosite）（例如像素）收集以檢測螢光。例如，如圖1B所示，圖像感測器元件140的像素（1，2）和（1，4）可以收集由樣本的特徵111發射的光161，該特徵111被定位在感測器上或在感測器上被圖案化。

如圖1B所示，樣本110可以在圖像感測器元件140上（例如使用各種不同的光微影技術）形成。在元件140上形成樣本110可以提供確保樣本110的圖案化特徵111在成像期間相對於圖像感測器元件140的特定像點（例如像素）保持對齊的優點。在這樣的實現方式中，層（未示出）可以在樣本110和圖像感測器元件140之間提供隔離（例如，以使圖像感測器元件避開樣本的流體環境）。在其他實現方式中，樣本110可以被安裝並被排列在圖像感測器元件140上。

樣本110被圖案化並與圖像感測器元件140對齊，使得圖像感測器140的每個光感測器（例如像素）具有在它上方形成和/或安裝的相應的多個特徵111。如在圖1B的示例中所示的，樣本110在圖像感測器元件140上被圖案化，使得兩個特徵111沿著一個維度在圖像感測器元件140的像素陣列的每個像素上形成。例如，每個特徵111可具有小於每個像素的間距（例如1 μm）的一半的直徑（例如，500 nm）。在其他實現方式中，三個、四個、或甚至更多特徵111可以在圖像感測器元件140的每個像素上沿著一個維度（例如作為線性陣列）或沿著兩個維度（例如作為正方形網格陣列）形成。例如，四個特徵可以以正方形形成在每個像素上。作為另一示例，三個特徵可以在每個像素上以線性陣列形成。

在每次圖像讀取期間，由發射器150發射的光通過結構化光學元件155進行結構化以投射具有間距P（在條紋之間的中心間的間隔）和寬度w的條紋160，使得對應於每個像素的特徵111中的一個特徵至少基本上被照射。例如，間距P可以至少基本上與圖像感測器的像素的間距相同（例如正方形1 μm×1 μm像素的1μm間距），以及寬度w可以至少基本上與特徵111的尺寸相同或稍微大於特徵111的尺寸（例如，對於具有500 nm的直徑的區域是約500 nm或更大的寬度）。在特定的實現方式中，寬度w可以大於特徵111的直徑並且小於特徵111的直徑加上相鄰特徵111之間的間隔。在實現方式中，條紋寬度w至少基本上與其相同或比其略大的規則圖案化特徵的尺寸可以是圓形特徵的直徑、正方形特徵的邊的長度、矩形特徵的較長邊或較短邊的長度、橢圓形特徵沿其長軸或短軸的直徑、或不規則成形的特徵沿特徵的一個軸（例如x軸或y軸）的最長尺寸。

在圖1B的示例中，其中在每個像素上形成兩個特徵，在每個像素的左側上的特徵被條紋160的結構化光圖案照射，導致來自一半特徵的信號。在另一個圖像讀取期間，在像素的右側上的特徵可以通過使結構化光圖案向右相移來進行照射，導致來自另一半特徵的信號。因此，與如圖2所示的將一個特徵192放置在每個像素191上方的系統形成對比，通過使用結構照明來在空間上多工來自每個像素的資料讀出，可以利用圖1A-1B的配置來實現使每像素的資料密度加倍（即，使特徵密度加倍）。在這種情況下，在系統中可用的資訊內容不受像素密度限制，而是受特徵密度限制。在下面進一步描述的一些實現方式中，通過在每個像素上方圖案化附加特徵（例如三個、四個、或更多個），將每個像素的資料密度增至三倍或甚至四倍也是可能的。

如所示，樣本110被圖案化有可以在成像運行期間同時被成像的有序斑點或特徵111的矩形陣列。儘管在該示例中示出了矩形陣列，但是在其他實現方式中，可以使用六角形陣列或者可以使用具有條紋160的結構照明圖案而成像的某個其他陣列圖案來圖案化樣本。為了便於說明，樣本100被示為具有數十個特徵111。然而，應認識到，樣本100可以具有數千、數百萬、或數十億個被成像的特徵111。此外，在一些實例中，樣本100可以是包括在成像運行期間被採樣的特徵111的（垂直於聚焦方向的）多個平面的多平面樣本。在特定的實現方式中，樣本100可以是被圖案化有被劃分成一個或更多個小道的數百萬或數十億個阱的流動池。在這個特定實現方式中，流動池的每個阱可以包含使用合成測序進行測序的生物材料。

圖像感測器元件140可以包括一個或更多個主動像素感測器，例如互補金屬氧化物（CMOS）圖像感測器或電荷耦合器件（CCD）圖像感測器。儘管圖像感測器的像素可以是具有1:1縱橫比的正方形像素，但是在下面進一步描述的其它實現方式中，像素可以是矩形地成形的並且具有其它縱橫比（例如，2:1縱橫比、3:1縱橫比、4:1縱橫比、3:2縱橫比等）。在特定的實現方式中，圖像感測器元件可以被實現為在下面進一步討論的生物感測器圖像感測器元件。

在系統100中，光發射器150可以是非相干光發射器（例如，發射由一個或更多個激發二極體輸出的光束），或者相干光發射器，例如由一個或更多個雷射器或鐳射二極體輸出的光的發射器。如在系統100的示例中所示的，光發射器150包括用於引導要輸出的光束的光纖152。然而，可以使用光發射器150的其它配置。在多通道成像系統（例如，利用多波長的光的多通道螢光顯微鏡）中利用結構照明的實現方式中，光纖152可以光學地耦合到多個不同光源（未示出），每個光源發射不同波長的光。儘管系統100被示為具有單個光發射器150，但是在一些實現方式中，可以包括多個光發射器150。

在各種實現方式中，光結構化光學元件155包括一個或更多個光學元件（例如繞射光柵），以產生投射到樣本110的表面上的繞射光的正弦圖案（例如條紋）。例如，一維或二維透射型或反射型繞射光柵可以被用於產生具有被投射在樣本160的表面上的規則地間隔開的條紋或條帶160的結構化光束。在一些實現方式中，光結構化光學元件155被配置成產生沿著單個方向定向的結構化光圖案（例如，僅分隔號紋或水平條紋160）。

在一些實現方式中，光結構化光學元件155可以被配置成產生沿著兩個至少基本上正交的方向（例如，垂直和水平方向）定向的結構化光圖案。在這樣的實現方式中，元件155可以包括用於旋轉光柵以改變被投射在樣本110上的圖案的定向（例如，從水平到垂直或者反之亦然）的旋轉台。可選地，元件155可以包括兩個正交地定向的繞射光柵，該兩個正交地定向的繞射光柵沿著照明路徑切換以在樣本110上產生不同定向的照明圖案（例如，分隔號紋圖案和水平條紋圖案）。可選地，元件155可以包括二維繞射光柵和濾波器，以用於阻擋在兩個維度的一個維度中的繞射光以投射沿一個方向定向的結構化光束。

光結構化光學元件155還可以包括用於沿著樣本110的平面使光110的投射圖案平移（即相移）的一個或更多個光學相位調製器。例如，光結構化光學元件155可以包括一個或更多個線性平移台、光楔、光學視窗、或其他光學元件，以改變繞射光的光路長度。例如，在圖1A所示的示例中，光學相位調製器可以用於移動條紋160，使得它們照射特徵111的兩組列中的一組。

如在圖1A的特定示例中所示的，元件155包括產生繞射光的正弦圖案的一維透射型繞射光柵155a以及改變繞射光的相位的旋轉視窗155b。

在每個成像週期期間，成像系統100利用光結構化光學元件155來獲取沿樣本平面（例如，沿x-y平面）橫向移位的在各種相位的多個圖像，這個過程通過圍繞光軸（即，相對於樣本的x-y平面）旋轉圖案定向來重複一次或更多次。

在一些實現方式中，系統100可包括流體傳送模組或裝置以將試劑（例如，螢光標記的核苷酸、緩衝液、酶、裂解試劑等）的流引導至（並且穿過）包含樣本110的樣本容器和放泄閥。例如，在系統分析大量不同核酸序列的情況下，樣本容器可以包括樣本基底，待測序的核酸在樣本基底上被結合、附著或相關聯（associated）。基底可以包括核酸可附著到的任何惰性基底或基質，諸如，例如玻璃表面、塑膠表面、乳膠、葡聚糖、聚苯乙烯表面、聚丙烯表面、聚丙烯醯胺凝膠、金表面、和矽晶片。系統100還可包括溫度站致動器和加熱器/冷卻器，其可以可選地調節在樣本容器內的流體的溫度條件。

在一些實現方式中，樣本110和圖像感測器140可以被安裝在樣本台（未示出）上，以提供樣本110相對於物鏡142的移動和對準。樣本台可以具有一個或更多個致動器，以允許其在三個維度中的任何一個維度中移動。例如，就笛卡爾坐標系而言，致動器可以被提供為允許台在X、Y和Z方向上相對於物鏡移動。這可以允許樣本110上的一個或更多個樣本位置被定位成與物鏡142光學地對準。可選地，樣本110可以在成像期間是固定的。

儘管未示出，但是控制器可以被提供來控制結構照明成像系統100的操作，包括使系統100的各種光學部件同步。控制器可以被實現為控制系統操作的方面，例如，光結構化光學元件155的配置（例如，繞射光柵的選擇和/或相移）、聚焦、台移動（如果有的話）、和成像操作。在各種實現方式中，可以使用硬體、演算法（例如機器可執行指令）、或前述的組合來實現控制器。例如，在一些實現方式中，控制器可以包括具有相關聯的記憶體的一個或更多個CPU或處理器。作為另一個示例，控制器可以包括用於控制操作的硬體或其他電路，例如電腦處理器和其上存儲有機器可讀指令的非暫時性電腦可讀媒體。例如，該電路可以包括以下中的一個或更多個：現場可程式設計閘陣列（FPGA）、特定應用積體電路（ASIC）、可程式設計邏輯器件（PLD）、複雜可程式設計邏輯器件（CPLD）、可程式設計邏輯陣列（PLA）、可程式設計陣列邏輯（PAL）或其他類似的處理裝置或電路。作為又一個示例，控制器可以包括該電路與一個或更多個處理器的組合。

圖3是根據一個實現方式的用於生物或化學分析的示例工作站200的方塊圖。工作站200可以具有流體控制系統，其通過流體網路238流體地耦合到生物感測器（或盒）235。流體網路238可包括試劑盒240、閥組242、主泵244、消泡器246、三通閥248、限流器250、廢物去除系統252、和清洗泵254。在特定的實現方式中，上述大部分部件或所有部件在公共工作站外殼（未示出）內。儘管未示出，工作站200還可以包括被配置為向多個反應區域提供結構化激發光（例如，作為條紋的週期性照明圖案）的結構照明系統。例如，結構照明系統可以包括如上面參考圖1A所述的一個或更多個光發射器和光結構化光學器件（例如，繞射光柵、相位調製器等）。

流體的流動由沿著流體網路238的箭頭指示。例如，試劑溶液可以從試劑盒240中移除，並流過閥組242。閥組242可以便於產生從試劑盒240流動到盒235的零死體積（zero-dead volume）的流體。閥組242可以選擇或允許在試劑盒240內的一種或更多種液體流動經過流體網路238。例如，閥組242可以包括具有緊湊佈置的電磁閥。每個電磁閥可以控制來自單個儲存袋的流體的流動。在一些實現方式中，閥組242可以允許兩種或更多種不同的液體同時流入流體網路238內，從而混合兩種或更多種不同的液體。在離開閥組242後，流體可流動經過主泵244並流動到消泡器246。消泡器246被配置成去除已經進入流體網路238或在流體網路238內產生的不想要的氣體。

流體可從消泡器246流到三通閥248，其中流體被引導至盒235或繞道至廢物去除系統252。在盒235內的流體的流動可至少部分地由位於盒235下游的限流器250控制。此外，限流器250和主泵244可以彼此協調以控制越過反應區域的流體的流動和/或控制在流體網路238內的壓力。流體可以流動經過盒235並到廢物去除系統252上。可選地，流體可以流動經過清洗泵254，並進入例如試劑盒240內的廢物儲存袋。

工作站200可以包括被配置為調節或控制工作站200的不同部件和子系統的熱環境的溫度控制系統。溫度控制系統可以包括被配置為控制由工作站200使用的各種流體的溫度要求的試劑冷卻器264和被配置為控制盒235的溫度的熱循環器266。熱循環器266可以包括與盒通過介面連接的熱元件（未示出）。

此外，工作站200可包括系統控制器或合成測序（SBS）板260，其可與工作站200的各種部件和子系統以及盒235通信以執行合成測序過程。此外，SBS板260可以與遠端系統通信，以例如存儲來自遠端系統的資料或從遠端系統接收命令。工作站200還可以包括通過單板電腦（SBC）272操作地耦合到SBS板260的觸控式螢幕使用者介面262。工作站200還可以包括一個或更多個用戶可訪問的資料通信埠和/或驅動器。例如，工作站200可以包括用於電腦週邊裝置的一個或更多個通用序列匯流排（USB）連接，例如用於除了其他軟體之外還存儲使用者資料的快閃記憶體或跳躍驅動器（jump drive）、緊湊型快閃記憶體（CF）驅動器和/或硬碟驅動器270。

圖4是工作站300和盒302的透視圖，盒302可以包括如在實現方式中所述的一個或更多個生物感測器（未示出）。工作站300可以包括與如上面關於工作站200描述的類似的部件，並且可以以類似的方式操作。工作站300可以包括工作站外殼304和被配置為接收和接合盒302的系統接受器306。系統接受器可以以流體地和電氣地的方式中的至少一個方式接合盒302。工作站外殼304可容納例如系統控制器、流體存儲系統、流體控制系統、和溫度控制系統。在圖4中，工作站300不包括耦合到工作站外殼304的使用者介面或顯示器。然而，使用者介面可以通過通信鏈路通信地耦合到外殼304（以及其中的部件/系統）。因此，使用者介面和工作站300可以相對於彼此遠端地進行定位。使用者介面和工作站300（或多個工作站）可以一起構成生物測定系統。

如所示，盒302包括具有提供到盒外殼308的內部的通路的至少一個埠310的盒外殼308。例如，被配置為在受控反應期間在盒302中使用的解決方案可以由技術人員或由工作站300通過埠310加入。系統接受器306和盒302可以相對於彼此被製造尺寸和成形成使得盒302可以被插入系統接受器306的接受器腔（未示出）內。

圖5是具有機櫃314或托架的機架元件312的前視圖，機櫃314或托架具有在其上裝載的多個工作站300。機櫃314可以包括限定被配置為接收一個或更多個工作站300的一個或更多個接收空間318的一個或更多個擱架316。儘管未示出，工作站300可以通信地耦合到允許用戶控制工作站300的操作的通信網路。在一些實現方式中，生物測定系統包括多個工作站（例如工作站300）以及被配置為控制多個工作站的操作的單個使用者介面。

圖6示出了根據一個實現方式的盒302（圖4）的各種特徵。如所示，盒302可包括樣本元件320，以及系統接受器306可包括光元件322。圖6中所示的階段346表示當第一元件320和第二子元件322彼此間隔開時在它們之間的空間關係。在階段348，第一元件320和第二子元件322連接在一起。盒外殼308（圖4）可圍住所連接的第一元件320和第二子元件322。

在所示的實現方式中，第一子元件320包括基座326和被安裝到基座326上的反應部件主體324。儘管未示出，但是一個或更多個生物感測器可以在凹部328中安裝到基座326，凹部328至少部分地由反應部件主體324和基座326限定。例如，至少四個生物感測器可以被安裝到基座326上。在一些實現方式中，基座326是印刷電路板，其具有實現在盒的不同部件和工作站300（圖4）之間的通信的電路。例如，反應部件主體324可以包括旋轉閥330和流體耦合到旋轉閥330的試劑貯器332。反應部件主體324還可以包括附加的貯器334。

第二子元件322包括光元件336，其包括多個結構化光引導通道338。每個結構化光引導通道338光學地耦合到結構化光源（未示出），例如，如上所討論的發光二極體（LED）和繞射光柵。光源被配置成提供激發光的週期性照明圖案，該照明圖案由光引導通道338引導到生物感測器上。在可選的實現方式中，盒可以不包括結構化光源。在這樣的實現方式中，結構化光源可以位於工作站300中。當盒被插入系統接受器306（圖4）內時，盒302可以與結構化光源對準，使得生物感測器可以用結構化光進行照射。在其他實現方式中，光引導通道338可以被配置成（例如，通過使用一個或更多個透射型繞射光柵）產生結構化光。

也如圖6中所示，第二子元件322包括流體地耦合到埠342和344的盒泵340。當第一子元件320和第二子元件322連接在一起時，埠342耦合到旋轉閥330，而埠344耦合到其它貯器334。盒泵340可以被啟動以根據指定的方案將反應組分從貯器332和/或334引導到生物感測器。

圖7示出了根據一個實現方式形成的示例性生物感測器400的一部分的橫截面。生物感測器400可在例如盒302（圖4）中被使用。如所示，生物感測器400可包括被直接或間接地耦合到檢測裝置404的流動池402。流動池402可以被安裝到檢測裝置404。在所示的實現方式中，流動池402通過一個或更多個固定機構（例如黏合劑、膠合劑、緊固件等）直接固定到檢測裝置404。在一些實現方式中，流動池402可以可移除地耦合到檢測裝置404。

在所示的實現方式中，檢測裝置404包括裝置基座425。在特定的實現方式中，裝置基座425包括多個堆疊層（例如矽層、介電質層、金屬-介電質層等）。裝置基座425可以包括光感測器440的感測器陣列424、光導462的引導陣列426、和具有對應的反應區域414的反應凹部408的反應陣列428。

在該實現方式中，部件被佈置成使得每個光感測器440與兩個反應凹部408對齊。因此，每個光感測器440被配置成對至少兩個不同的反應區域414成像，其中每個反應區域對應於相應的凹部408。這可以使用結構化激發光401來實現，結構化激發光401被圖案化，使得在每個光感測器440上形成的僅一個反應凹部在圖像讀取期間至少基本上被照射。例如，在圖7的示例中，多個週期性光條紋可以在一次圖像讀取期間照射在每個光感測器440上的左側（左反應區域），並且在另一次圖像讀取期間照射在每個光感測器440上的右側（右反應區域）。在這種配置中，通過在空間上多工讀出，每個光感測器440可以獨立地接收來自兩個反應區域中的每一個反應區域的光子。

在某些實現方式中，部件被佈置成使得每個光感測器440與單個光導462和兩個反應區域414對齊。然而，在其它實現方式中，單個光感測器440可以通過多於一個的光導462和/或從多於兩個的反應區域414接收光子。例如，每個凹部408可以具有多個反應區域和/或多於兩個的凹部408可以被排列在每個光感測器440上。如本文所使用的，單個光感測器440可以包括一個像素或多於一個的像素。

此外注意，術語“陣列”或“子陣列”不一定包括檢測裝置可能具有的特定類型的每個專案。例如，感測器陣列424可以不包括檢測裝置404中的每個光感測器。相反，檢測裝置404可以包括其他光感測器（例如光感測器的其他陣列）。作為另一示例，引導陣列426可以不包括檢測裝置的每個光導。替代地，可以有與光導462不同地被配置或者與檢測裝置404的其它元件具有不同關係的其它光導。因此，除非另外明確地陳述，否則術語“陣列”可以包括或不包括檢測裝置的所有這樣的專案。

在所示實現方式中，流動池402包括側壁406和由側壁406和其它側壁（未示出）支撐的流動蓋410。側壁耦合到檢測器表面412，並在流動蓋410和檢測器表面412之間延伸。在一些實現方式中，側壁由將流動蓋410黏合到檢測裝置404的可固化黏合劑層形成。

流動池402被製造尺寸和成形成使得流動通道418存在於流動蓋410和檢測裝置404之間。如所示，流動通道418可包括高度H₁ 。僅作為示例，高度H₁ 可以在大約50-400μm（微米）之間，或者在一個示例中，在大約80-200μm之間。在所示的實現方式中，高度H₁ 約為100μm。流動蓋410可以包括對從生物感測器400的外部傳播到流動通道418中的結構化激發光401透明的材料。如圖7中所示，結構化激發光401以正交角度接近流動蓋410。然而，這僅僅是為了說明的目的，因為激發光401可以從不同角度接近流動蓋410。

還示出，流動蓋410可以包括被配置成流體地接合其它埠（未示出）的入口埠420和出口埠422。例如，其它埠可以來自盒302（圖4）或工作站300（圖4）。流動通道418被製造尺寸和成形為沿著檢測器表面412引導流體。流動通道418的高度H₁ 和其它尺寸可以被配置成保持流體沿著檢測器表面412的至少基本上均勻的流動。流動通道418的尺寸也可以配置成控制泡沫形成。

側壁406和流動蓋410可以是彼此耦合的單獨部件。在其它實現方式中，側壁406和流動蓋410可以一體地形成，使得側壁406和流動蓋410由連續的材料片形成。作為示例，流動蓋410（或流動池402）可以包括透明材料，例如玻璃或塑膠。流動蓋410可以構成具有平坦外表面和限定流動通道418的平坦內表面的至少基本上矩形的塊。該塊可以被安裝到側壁406上。可選地，流動池402可以被蝕刻成限定流動蓋410和側壁406。例如，可以在透明材料中蝕刻凹部。當被蝕刻的材料被安裝到檢測裝置404時，凹部可以成為流動通道418。

檢測裝置404具有可以被功能化（例如，以用於進行指定反應的合適方式化學或物理地被改性）的檢測器表面412。例如，檢測器表面412可以被功能化，並且可以包括其上被固定有一個或更多個生物分子的多個反應區域414。檢測器表面412具有反應凹部或開放式反應室408的陣列。每個反應凹部408可包括一個或更多個反應區域414。反應凹部408可以由例如沿著檢測器表面412的深度的凹入或變化來限定。在其他實現方式中，檢測器表面412可以至少基本上是平坦的。在這樣的實現方式中，兩個反應區域可以在平坦的檢測器表面上被排列在每個感測器440上。

如圖7中所示，反應區域414可以沿著檢測器表面412被分佈在一種圖案中。例如，反應區域414可以用類似於微陣列的方式沿著檢測器表面412定位於行和列中。然而，應該理解，可以使用反應區域的各種圖案。反應區域可以包括發射光信號的生物或化學物質。例如，反應區域的生物或化學物質可以響應於結構化激發光401而產生光發射。在特定的實現方式中，反應區域414包括固定在檢測器表面412上的生物分子（例如寡核苷酸）的簇或群落。

圖8是檢測裝置404的放大橫截面，其更詳細地示出了各種特徵。更具體地，圖8示出了單個光感測器440、用於將光發射朝向光感測器440進行引導的單個光導462、以及用於基於由光感測器440檢測到的光發射（例如光子）來傳輸信號的相關電路446。應當理解，感測器陣列424（圖7）的其它光感測器440和相關部件可以以相同或相似的方式被配置。然而，還應當理解，檢測裝置404不需要始終相同或均勻地被製造。相反，一個或更多個光感測器440和/或相關部件可以相對於彼此不同地被製造或者具有不同的關係。

電路446可以包括能夠傳導電流（例如基於檢測到的光子的資料信號傳輸）的互連的導電元件（例如導體、跡線、通孔、互連件等）。例如，在一些實現方式中，電路446可以類似於或包括微電路佈置。檢測裝置404和/或裝置基座425可以包括具有光感測器440的平面陣列的積體電路。在檢測裝置425內形成的電路446可以被配置用於信號放大、數位化、存儲、和處理中的至少一個。該電路可以收集和分析檢測到的光發射，並產生用於將檢測資料傳遞給生物測定系統的資料信號。電路446還可以在檢測裝置404中執行附加的類比和/或數位信號處理。

可以使用積體電路製造工藝（例如用於製造互補金屬氧化物半導體（CMOS）的工藝）來製造裝置基座425。例如，裝置基座425可以包括多個堆疊層431-437，包括感測器層431或基座，其在所示實現方式中是矽層或晶片。感測器層431可以包括光感測器440和與感測器層431一起形成的閘極441-443。閘極441-443電耦合到光感測器440。當檢測裝置404如圖7和圖8中所示被完全形成時，光感測器440可以通過閘極441-443電耦合到電路446。

如本文所使用的，術語“層”不限於材料的單個連續主體，除非另有說明。例如，感測器層431可以包括不同材料的多個子層和/或可以包括塗層、黏合劑等。此外，一個或更多個層（或子層）可以被修改（例如，蝕刻、用材料沉積等）以提供本文描述的特徵。

在一些實現方式中，每個光感測器440具有小於約50 μm² 的檢測面積。在特定的實現方式中，檢測面積小於約10 μm² 。在更特定的實現方式中，檢測面積約為1-2 μm² 。在這種情況下，光感測器440可以構成單個像素。在光感測器440中的每個像素的平均讀雜訊可以例如小於約150個電子。在更特定的實現方式中，讀雜訊可以小於大約5個電子。光感測器440的陣列的解析度可以大於大約0.5百萬像素（Mpixel）。在更特定的實現方式中，解析度可以大於約5 Mpixel，並且在一個示例中大於約10 Mpixel。

裝置層還包括多個金屬-介電質層432-437，這些層在下文中被稱為基底層。在所示實現方式中，基底層432-437中的每一個包括金屬元件（例如W（鎢）、Cu（銅）、Al（鋁）等）和介電質材料（例如SiO₂ ）。可以使用各種金屬元件和介電質材料，例如適合於積體電路製造的那些材料。然而，在其它實現方式中，基底層432-437中的一個或更多個可以僅包括介電質材料，例如SiO₂ 的一個或更多個層。

關於圖8中所示的具體實現方式，第一基底層432可以包括被嵌入在介電質材料（例如SiO₂ ）內的被稱為M1的金屬元件。金屬元件M1包括例如W（鎢）。在所示的實現方式中，金屬元件M1完全延伸穿過基底層432。第二基底層433包括金屬元件M2和介電質材料以及金屬互連件（M2/M3）。第三基底層434包括金屬元件M3和金屬互連件（M3/M4）。第四基底層435還包括金屬元件M4。裝置基座425還包括第五基底層436和第六基底層437，其將在下面更詳細地進行描述。

如所示，金屬元件和互連件彼此連接以形成電路446的至少一部分。在所示的實現方式中，金屬元件M1、M2、M3、M4包括W（鎢）、Cu（銅）和/或鋁（Al），以及金屬互連件M2/M3和M3/M4包括W（鎢），但是應當理解，也可以使用其他材料和配置。還應注意，圖7和圖8中所示的裝置基座425和檢測裝置404僅用於說明目的。例如，其他實現方式可以包括比圖7和圖8中所示的層更少的或更多的層和/或不同配置的金屬元件。

在一些實現方式中，檢測裝置404包括沿著裝置基座425的外表面464延伸的遮罩層450。在所示實現方式中，遮罩層450直接沿著基底層437的外表面464進行沉積。然而，在其它實現方式中，中間層可以被佈置在基底層437和遮罩層450之間。遮罩層450可以包括被配置成阻擋、反射、和/或顯著衰減從流動通道418傳播的光信號的材料。光信號可以是激發光401和/或光發射466（在圖9中所示）。僅作為示例，遮罩層450可以包括鎢（W）。

如圖8中所示，遮罩層450包括穿過其的孔452或開口。遮罩層450可以包括這樣的孔452的陣列。在一些實現方式中，遮罩層450可以在相鄰孔452之間連續延伸。因此，來自流動通道418的光信號可以被阻擋、反射、和/或顯著衰減，以防止由光感測器440檢測到這樣的光信號。然而，在其它實現方式中，遮罩層450不在相鄰的孔452之間連續延伸，使得除了孔452之外的一個或更多個開口存在於遮罩層450中。

檢測裝置404還可以包括沿著遮罩層450並跨越孔452延伸的鈍化層454。遮罩層450可以在孔452上延伸，從而直接或間接地覆蓋孔452。遮罩層450可以位於鈍化層454和裝置基座425之間。黏合劑458或促進劑層可以位於其間，以便於鈍化層454和遮罩層450的耦合。鈍化層454可以被配置成保護裝置基座425和遮罩層450免受流動通道418的流體環境的影響。

在一些情況下，鈍化層454還可以被配置成提供固體表面（即，檢測器表面412），該固體表面允許生物分子或其他感興趣分析物被固定在其上。例如，每個反應區域414可以包括固定到鈍化層454的檢測器表面412的生物分子的簇。因此，鈍化層454可以由允許反應區域414固定到其上的材料形成。鈍化層454還可以包括至少對期望的螢光透明的材料。作為示例，鈍化層454可以包括氮化矽（Si₃ N₄ ）和/或二氧化矽（SiO₂ ）。然而，可使用其它適當的材料。此外，鈍化層454可以被物理地或化學地改性以便於固定生物分子和/或便於對光發射的檢測。

在所示的實現方式中，鈍化層454的一部分沿著遮罩層450延伸，且鈍化層454的一部分直接沿著光導462的過濾材料460延伸。兩個反應凹部408可以直接在光導462上形成。在一些情況下，在鈍化層454沿著遮罩層450或黏附層458沉積之前，可以在裝置基座425內形成基座孔456或空腔。例如，可以蝕刻裝置基座425以形成基座孔456的陣列。在特定的實現方式中，基座孔456是從孔452附近朝著光感測器440延伸的細長空間。基座孔可以沿著中心縱軸468縱向延伸。在一些實現方式中，基座孔456的三維形狀可以是至少基本上圓柱形或截頭圓錐形的，使得沿著延伸到圖8的頁面中的平面截取的橫截面是至少基本上圓形的。縱軸468可以穿過橫截面的幾何中心延伸。然而，在可選的實現方式中可以使用其他幾何形狀。例如，橫截面可以是至少基本上正方形或八邊形的。

在基座孔456形成之後，過濾材料460可以被沉積在基座孔456內。過濾材料460可（例如，在固化後）形成光導462。光導462被配置成過濾激發光401，並允許光發射466通過其朝著對應的光感測器440傳播。光導462可以是例如有機吸收濾波器。僅通過具體示例的方式，激發光可以是大約532 nm，並且光發射可以是大約570 nm或更大。

在一些情況下，有機過濾材料可能與生物感測器的其它材料不相容。例如，有機過濾材料可以具有使過濾材料顯著膨脹的熱膨脹係數。可選地或附加地，過濾材料可能不能夠充分黏附到某些層，例如遮罩層（或其他金屬層）。過濾材料的膨脹可在相鄰於過濾材料或在結構上連接到過濾材料的層上引起機械應力。在一些情況下，膨脹可能在生物感測器的結構中引起裂紋或其他不需要的特徵。因此，本文闡述的實現方式可以限制過濾材料膨脹的程度和/或過濾材料與其它層接觸的程度。例如，不同光導的過濾材料可以被鈍化層彼此隔離。在這樣的實現方式中，過濾材料可以不接觸金屬層。此外，鈍化層可以抵抗膨脹和/或允許一些膨脹，同時減少不需要的結構特徵（例如裂紋）的產生。

光導462可相對於裝置基座425的周圍材料（例如介電質材料）被配置以形成光導結構。例如，光導462可具有約2.0的折射率，使得光發射至少基本上在光導462和裝置基座425的材料之間的介面處被反射。在某些實現方式中，光導462被配置成使得激發光的光學密度（OD）或吸光度至少約為4OD。更具體地，可以選擇過濾材料，並且光導462可以形成所需尺寸以達到至少4OD。在更具體的實現方式中，光導462可被配置成達到至少約5OD或至少約6OD。生物感測器400的其他特徵可以被配置成減少電串擾和光串擾。

圖9示出了包括被排列在每個像素910上的兩個成像特徵920a-920b的圖像感測器元件900的頂視圖。例如，特徵920a-920b可以在圖像感測器元件的製造期間（例如，通過用光微影法使奈米井圖案和主動像素感測器的像素對齊）形成在像素910上。為了簡單起見，顯示了四個像素。通過示例的方式，如在圖7-圖8中所示，每個像素910可以是光感測器440，且特徵920a-920b可以是反應凹部408。如上所述，可以使用光導462來將從特徵920a-920b中的每一個發射的光引導到像素中。在一些實現方式中，為了限制在相鄰特徵920a-920b之間的串擾，可以調整在像素上的特徵的間距和用於照射特徵的條紋的寬度。

圖10是示出示例性一維結構照明方法1000的操作流程圖，該方法可以在一個成像週期期間由結構照明成像元件對包括被定位在成像元件的每個光檢測器（例如像素）上的兩個特徵的樣本成像來實現。例如，方法1000可用於如上面參考圖1A-1B和圖7-9所述的對樣本進行成像。在一些情況下，所成像的樣本的特徵可以在圖像感測器的像素上被形成。

在操作1010，結構照明圖案被定位成照射在每個光感測器上定位/圖案化的第一特徵。例如，如配置1060所示，分隔號紋照明圖案可以被定位成照射在每個像素的左側而不是每個像素的右側上的特徵。在實現方式中，這可以通過形成具有至少基本上與圖像感測器的像素的間距相同的間距（例如，正方形1 μm×1 μm像素的1 μm間距）和至少基本上與特徵的直徑相同或稍微大於特徵的直徑的寬度（例如，如上面參考圖1A-1B所述的）的結構化光圖案來實現。例如，在特定的實現方式中，每個條紋的寬度約為每個像素的間距的一半或小於該一半，且在條紋之間的中心間間隔約為每個像素的間距。在操作1020，樣本的第一圖像被捕獲。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，在每個像素的左側上的一些或所有特徵可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第一圖像的光。

在操作1030，結構照明圖案被相移（例如，在樣本平面上的樣本上進行平移）以照射在每個光感測器上定位/圖案化的第二特徵。例如，如配置1070所示，分隔號紋照明圖案可以被定位成照射在每個像素的右側上而不是每個像素的左側上的特徵。在實現方式中，可以通過旋轉光學反射鏡、通過移動平移台、通過旋轉光楔、或使用一些其他光學相位調製器以移動在樣本平面上的圖案的相位來使圖案相移。在特定的實現方式中，相位可以移動條紋圖案的間距的約1/2（例如，像素的間距的約1/2）。在其他實現方式中，可以通過使用相對於第一繞射光柵偏離大約1/2條紋的第二繞射光柵來移動照明圖案。在這樣的實現方式中，第一繞射光柵和第二繞射光柵可以是固定的。在操作1040，樣本的第二圖像被捕獲。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，在每個像素的右側上的一些或所有特徵可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第一圖像的光。

在操作1050，兩個所捕獲的圖像可用於生成亞像素解析度或超解析度圖像。例如，在每個像素上的兩個特徵區域中的每一個特徵區域的強度可以從兩個所捕獲的圖像被解多工（例如，來自關於第一圖像的左側特徵的強度讀出和關於第二圖像的右側特徵的強度讀出）。在一些情況下，可以考慮在兩個圖像之間的串擾。有利地，圖10的示例僅需要在一個方向上（例如垂直地）定向的繞射圖案，並且每像素單個特徵進行照射，這可以極大地簡化影像處理（例如，減少或消除在兩個圖像之間的信號的去卷積）。

應當注意，儘管在圖10的示例配置1060-1070中示出了被定位於每個像素的左側和右側上的分隔號紋照明圖案和特徵，但是這些配置是為了說明的目的。例如，在特徵被圖案化或以其他方式被定位在每個像素的頂部和底部上的實現方式中，照明圖案將替代地被圖示為在每次圖像讀取期間向上或向下移位的水平條紋照明圖案。

在實現方式中，為了保持結構照明圖案在空間上與像素圖案對齊，使得在成像期間只有每個像素的特徵之一被照射（例如，以最大化來自特徵之一的信號），圖像感測器可以包括兩個對齊列，其中樣本被圖案化，使得樣本的兩個特徵中的僅相應的一個特徵被定位在每個對齊列的像素上。在這樣的實現方式中，在每個對齊列上的兩個特徵中的一個特徵的缺乏可以產生激發光到可以用於使結構化光與樣本和感測器對齊的兩個對齊列中的每一個對齊列的差分透射。

圖11示出了包括對齊列1110-1120的圖像感測器1100的一個這樣的示例，對齊列1110-1120可以在實現方式中用於使結構照明圖案與樣本和感測器對齊。例如，考慮在每個主動區域像素1150的左側上形成特徵1140a並且在每個主動區域像素1150的右側上形成特徵1140b的情況。在這種情況下，只有特徵1140a在對齊列1120的每個像素上形成，並且只有特徵1140b在對齊列1110的每個像素上形成。在成像期間，可以基於來自每個對齊列1110-1120的圖像讀出來確認對齊。例如，可以通過定位結構照明圖案使得來自對齊列1120的信號最大而來自對齊列1110的信號最小或甚至為零來將結構照明圖案對齊在特徵1140a（主動區域像素的左側）上。結構化照射圖案也可以通過將其定位成使得來自對齊列1110的信號最大而來自對齊列1120的信號最小或甚至為零來對齊在特徵1140b（主動區域像素的右側）上。

在實現方式中，可以在成像開始之前，例如在第一成像週期的操作1010之前或期間，確定對齊。在一些實現方式中，可以週期性地確定對齊（例如，在預定數量的成像週期之後）。在一些實現方式中，來自對齊列1110-1120的讀出可以在成像期間向結構照明光位置控制提供回饋，以防止隨著時間的過去在照明圖案和圖像感測器之間的相對漂移或者以另外方式保持照明圖案在空間上鎖定到圖像感測器。

在一些實現方式中，在圖像感測器中可以包括多個對齊列1110和多個對齊列1120，以增加系統的穩健性。例如，額外的對齊列的包括可以改善所生成的確定系統的對齊狀態的信號。另外，在一些實現方式中，中間對齊列可以被包括在主動區域中（例如，在主動區域中的大約半途），以確認結構照明垂直地而不是傾斜地被對齊。

應當注意，儘管在圖11的示例中示出了對齊列，但是在其他實現方式中（例如，具有在每個像素的頂部和底部上的特徵的圖案的水平照射的情況下），可以類似地利用對齊行。

圖12示出了可以由具有矩形像素1310的成像元件實現的示例性一維結構照明成像過程。為了簡單起見，在每個圖像讀出步驟期間示出了四個矩形像素1310的頂視圖。如在該示例中所示的，在每個像素上形成三個特徵1320a-1320c。在該示例中，在每次圖像讀出期間，結構化光的相位可以被移動條紋圖案的間距的約1/3（例如，像素的間距的約1/3），以讀取在每個像素的左側上的特徵（特徵1320a）、中心上的特徵（特徵1320b）、和右側上的特徵（特徵1320c）。有利地，在像素上沿著一個維度被對齊並且具有1:1或接近1:1的縱橫比的特徵（例如圓形或正方形特徵）的情況下，通過利用矩形像素縱橫比，可以通過沿著一個維度在每個像素上佈置（fit）更大面積的特徵1320a-1320c來最大化資料密度。（例如，與在正方形像素上佈置三個圓形特徵1320a-1320c相對比）。在特徵沒有1:1縱橫比的情況下，矩形像素縱橫比也可以相對於正方形像素是有利的，其中更大面積的特徵可以沿著一個維度被排列在每個矩形像素上。

圖13示出了包括沿著兩個維度（例如沿著兩行和兩列）被排列在每個像素1310上的四個成像特徵1320a-1320d的圖像感測器元件1300的頂視圖。例如，特徵1320a-1320d可以在圖像感測器元件的製造期間（例如，通過用光微影法使奈米井圖案與主動像素感測器的像素對齊）在像素1310上形成。為了簡單起見，顯示了四個像素。在一些實現方式中，為了限制在特徵1320a-1320d之間的串擾，可以調整在像素上的特徵的間距和用於照射特徵的條紋的寬度（例如，特徵可以沿著樣本平面的兩個軸或僅一個軸等距地進行定位，或者特徵可以以某個其他陣型進行定位）。

通過實現示例元件1300的配置，可以通過實現在下面進一步描述的沿著兩個維度的結構照明方法來獲得特徵中的資料密度的四倍（與圖2的組件相對比）。例如，如果每個像素具有大約2µm的間隔並且每個特徵1320a-1320d是具有大約500 nm的直徑的奈米井，則可以獲得大約個特徵的資料密度（與在每2 µm像素一個500 nm奈米井的情況下的大約個特徵的資料密度相對比）。通過示例的方式，在大約500 nm特徵間隔和大約530 nm的激發波長的情況下每次可以激發每個像素的僅一半。通過將激發波長改變為藍色，可以實現更高的密度。

圖14A是示出示例性二維結構照明方法1400的操作流程圖，該方法可以在一個成像週期期間通過結構照明成像元件對包括沿著兩個維度在成像元件的每個光檢測器（例如像素）上定位的四個特徵的樣本成像來實現。例如，方法1400可用於如上參考圖13所述的對樣本進行成像。在一些情況下，所成像的樣本的特徵可以在圖像感測器的像素上形成。在方法1400的示例中，結構照明系統包括產生在樣本的平面內正交的兩個繞射圖案的光學部件（例如垂直繞射光柵和水平繞射光柵）和產生相對於兩個其他繞射圖案偏離約45度的繞射圖案的光學部件（例如，第三繞射光柵或旋轉垂直繞射或水平光柵之一的旋轉台）。

在操作1410，在第一定向上的結構照明圖案被定位成照射在每個光感測器上的第一行特徵（例如兩個特徵）。例如，如配置1471所示，分隔號紋照明圖案可被定位成照射在每個像素的左側上的兩個特徵而不是在每個像素的右側上的兩個特徵。在實現方式中，這可以通過形成具有至少基本上與圖像感測器的像素的間距相同的間距（例如，針對正方形1 μm×1 μm像素的1 μm間距）和至少基本上與特徵的直徑相同或稍微大於該特徵的直徑的寬度（例如，如上參考圖1A-1B所述的）的結構化光圖案來實現。例如，在特定的實現方式中，每個條紋的寬度約為每個像素的間距的一半或小於該一半，以及在條紋之間的中心間間隔約為每個像素的間距。在操作1415，樣本的第一圖像被捕獲。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，特徵1320a和/或1320c可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第一圖像的光。

在操作1420，結構照明圖案被相移（例如，在樣本平面上的樣本上平移）以照射在每個光感測器上被定位/圖案化的第二行特徵（例如，兩個特徵）。例如，如配置1472所示，分隔號紋照明圖案可被定位成照射在每個像素的右側上的兩個特徵而不是在每個像素的左側上的兩個特徵。在實現方式中，可以通過旋轉光學反射鏡、通過移動平移台、通過旋轉光楔、或使用一些其他光學相位調製器移動在樣本平面上的圖案的相位來使圖案相移。在特定的實現方式中，相位可以被移動條紋圖案的間距的約1/2（例如，像素的間距的約1/2）。在一些實現方式中，可以通過使用相對於第一垂直繞射光柵偏離條紋的大約1/2的第二垂直繞射光柵來移動照明圖案。在這樣的實現方式中，第一垂直繞射光柵和第二垂直繞射光柵可以是固定的。在操作1425，捕獲樣本的第二圖像。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，特徵1320b和/或1320d可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第二圖像的光。

在操作1430，在第二定向上的結構照明圖案被定位成照射在每個光感測器上的第一列特徵（例如，兩個特徵）。例如，如配置1473所示，水平條紋照明圖案可被定位成照射在每個像素的頂側上的兩個特徵而不是在每個像素的底側上的兩個特徵。如前面所討論的，這可以通過形成具有至少基本上與圖像感測器的像素的間距相同的間距和至少基本上與特徵的直徑相同或稍微大於特徵的直徑的寬度的結構化光圖案來實現。在實現方式中，可以通過旋轉繞射光柵（例如，90°）或者通過利用第二繞射光柵（例如，通過將第二繞射光柵切換到照明路徑中）來產生在第二定向上的結構照明圖案。在操作1435，樣本的第三圖像被捕獲。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，特徵1320a和/或1320b可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第三圖像的光。

在操作1440，結構照明圖案被相移以照射在每個光感測器上被定位/圖案化的第二列特徵（例如，兩個特徵）。例如，如配置1474所示，水平條紋照明圖案可被定位成照射在每個像素的底側上的兩個特徵而不是在每個像素的頂側上的兩個特徵。在一些實現方式中，可以通過使用相對於第一水平繞射光柵偏離條紋的大約1/2的第二水平繞射光柵來移動照明圖案。在這樣的實現方式中，第一水平繞射光柵和第二水平繞射光柵可以是固定的。在操作1445，樣本的第四圖像被捕獲。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，特徵1320c和/或1320d可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第四圖像的光。

在操作1450，在第三定向上的結構照明圖案被定位成照射在每個光感測器上的對角線上的特徵（例如，兩個特徵）。例如，如配置1475所示，對角線上的條紋照明圖案可被定位成照射在每個像素的右上側和左下側上的兩個特徵而不是其他兩個特徵。可選地，對角線上的條紋照明圖案可以被定位成照射在每個像素的左上側和右下側上的兩個特徵而不是另外兩個特徵。在實現方式中，可以通過旋轉繞射光柵（例如，45°）或者通過利用第二或第三繞射光柵（例如，通過將第三繞射光柵切換到照明路徑中）來產生在第三定向上的結構照明圖案。在操作1455，樣本的第五圖像被捕獲。例如，在螢光顯微成像系統的情況下，特徵1320a和/或1320d可以發射由像素的光電檢測器收集並用於產生第五圖像的光。

在操作1460，五個所捕獲的圖像可用於生成亞像素解析度或超解析度圖像。例如，在每個像素上的四個特徵區域中的每一個特徵區域的強度可以從五個所捕獲的圖像（例如，五個亞像素對的讀出強度）被解多工。在圖14A和圖14B的示例中，因為每個像素可以捕獲來自兩個不同特徵區域的光子（在每個像素上的兩個特徵在每個圖像讀出期間被照射），來自每個像素的信號讀數可能需要被去卷積以區分由每個區域產生的單獨信號。

通過示例的方式，圖14B示出了使用方法1400捕獲的五個圖像可以如何被解碼以估計在像素上被圖案化的四個特徵中的每一個特徵的信號強度（例如，確定每個特徵是否回應於被照射而發射螢光）。在該示例中，陰影特徵表示在成像週期期間（在五個圖像的捕獲期間）發射光的特徵，而非陰影特徵表示在成像週期期間不發射光的特徵。當不同組的特徵發射光時，每個向量提供在五個圖像中的每個圖像中的預期強度的表示，其中向量的最左邊條目對應於圖像1，以及向量的最右邊條目對應於圖像5。向量條目0表示特徵沒有發射光（例如背景信號）的情況，向量條目1表示一個特徵發射光的情況，以及向量條目2表示兩個特徵發射光的情況。如該示例中所示的，預期強度的每個向量是唯一的（即，不存在簡併性（degeneracy）），這允許通過像素的四個特徵來唯一地識別16種可能光發射情況中的每一種。例如，五個所捕獲的圖像可用於創建與預期強度的十六個向量之一匹配的強度向量。

例如，在沒有特徵發射光（例如，沒有螢光回應於特徵由五個結構化光圖案照射而出現）的情況下，預期強度的向量是零向量[0，0，0，0，0]（即，沒有來自在五個圖像中記錄的（registered）特徵的信號）。作為另一個示例，在左行特徵發射光的情況下，預期強度的向量是[2，0，1，1，1]。換句話說，預期第一圖像記錄兩個最左側發射特徵的強度（例如，結構化光照射發射光的兩個最左側特徵），第二圖像不記錄來自發射特徵的任何強度（例如，結構化光照射不發射光的兩個最右側特徵），以及第三圖像、第四圖像、和第五圖像記錄一個發射特徵的強度（例如，結構化光照射發射光的特徵之一）。

圖15示出了包括兩個對齊列和兩個對齊行的圖像感測器，兩個對齊列和兩個對齊行可以在實現方式中被用於使結構照明圖案沿著正交的第一方向和第二方向與樣本和感測器對齊（例如，在方法1400期間）。通過在兩行和兩列的每個像素上僅形成四個特徵1320a-1320d中的相應的一個特徵，可以在圖像感測器元件1300中實現圖15所示的設計。例如，僅特徵1320a可在對齊列之一上被形成，僅特徵1320d可在另一對齊列上被形成，僅特徵1320b可在對齊行之一上被形成，並且僅特徵1320c可在另一對齊行上被形成。在一些實現方式中，在圖像感測器中可以包括每個特徵的附加對齊列和/或每個特徵的附加對齊行，以增加系統的穩健性。

圖16A示出了包括沿著兩個維度（例如，沿著兩列和兩行）以L形狀排列在每個像素1610上的三個成像特徵1620a-1620c的圖像感測器元件1600的頂視圖。例如，特徵1620a-1620c可能已經在圖像感測器元件的製造期間（例如，通過光微影法使奈米井圖案與主動像素感測器的像素對齊）被形成在像素1610上。為了簡單起見，顯示了四個像素。在圖16A的示例實現方式中，特徵以L形狀進行排列，由此，行和列中的一者僅包括一個特徵，而另一行和列包括兩個特徵。

由元件1600的配置可以提供的一個優點是，只有三個圖像需要在圖像週期期間被捕獲，使得由像素的三個特徵引起的8種可能的光發射情況可以被唯一地識別。此外，沒有對角線上的條紋圖像需要被捕獲，這可以簡化成像系統的光學佈置。通過示例的方式，圖16B示出了與五個圖像被捕獲以對在兩個維度中捕獲的四個特徵的信號強度解碼的情況（例如方法1400）相對比在具有圖案化特徵1620a-1620c的像素1610的兩個維度中的三個圖像可以如何被解碼以估計三個特徵中的每一個特徵的信號強度。在該示例中，灰色特徵表示在成像週期期間（在三個圖像的捕獲期間）發射光的特徵，非陰影特徵表示在成像週期期間不發射光的特徵，以及黑色特徵表示在這種情況下不存在的第四特徵並且被示出用於與圖14B進行比較。如在圖14B的示例中的，向量條目0表示沒有特徵發射光（例如背景信號）的情況，向量條目1表示一個特徵發射光的情況，以及向量條目2表示兩個特徵發射光的情況。

如在該示例中所示的，預期強度的每個向量是唯一的（即，不存在簡併性），這允許通過像素的三個特徵來唯一地識別8種可能的光發射情況中的每一種。例如，三個所捕獲的圖像可用於創建與預期強度的八個向量之一相匹配的強度向量。此外，僅需要在一個方向上使用結構照明圖案捕獲的兩個相位圖像和在正交的第二方向上使用結構照明圖案捕獲的一個相位圖像來確定在圖像週期期間三個特徵區域中的每一個特徵區域的強度。

在一些實現方式中，被排列和/或形成在每個像素上的多個特徵可以被成形為使得它們除了1:1之外還具有某個其他縱橫比（例如，不是圓形或正方形），使得具有較大面積的特徵被排列在每個像素上。這可以在每個成像週期期間提高資料密度，並且還可以由於每個特徵的增加的面積而在圖像讀出期間增加在每個像素處的信號。圖17-18示出了在沿一個維度被排列在正方形像素上的特徵的情況下可如何修改特徵縱橫比以提高資料密度的示例。

圖17示出了示例性圖像感測器元件1700的頂視圖，包括沿一個維度被排列在每個正方形像素1710上的兩個橢圓形特徵1720a-1720b。例如，在圖像感測器元件的製造期間，特徵1720a-1720b可能已經被形成在像素1710上。為了簡單起見，顯示了四個像素。如在該示例中所示的，橢圓特徵具有高達1:2的縱橫比（例如，在沿長軸和短軸的直徑之間的比）。例如，在特定的實現方式中，每個像素可以具有沿一個維度被排列在其上的具有1:2縱橫比的兩個橢圓形奈米井。與示出被排列在像素上的兩個圓形特徵的圖9的示例相比，被排列在每個像素1710上的橢圓形特徵1720a-1720b的尺寸更大。

圖18示出了示例性圖像感測器元件1800的頂視圖，包括沿一個維度被排列在每個正方形像素1810上的三個橢圓形特徵1820a-1820c。例如，在圖像感測器元件的製造期間，特徵1820a-1820c可能已經被形成在像素1810上方。為了簡單起見，顯示了四個像素。如在該示例中所示的，橢圓特徵具有高達1:3的縱橫比（例如，在沿長軸和短軸的直徑之間的比）。例如，在特定的實現方式中，每個像素可以具有沿一個維度被排列在其上的具有1:3縱橫比的三個橢圓形奈米井。

如本文中所使用的，術語“模組”可以描述可以根據本申請的一個或更多個實現方式執行的功能的給定單元。如本文中所使用的，可以利用任何形式的硬體、軟體、或其組合來實現模組。例如，可以實現一個或更多個處理器、控制器、ASIC、PLA、PAL、CPLD、FPGA、邏輯部件、軟體常式或其他機構以組成模組。在實現方式中，本文中所描述的各種模組可以被實現為離散模組或者所描述的功能和特徵可以部分地或全部地在一個或更多個模組之間共用。換句話說，對於本領域的普通技術人員在閱讀本說明書之後將明顯的是，本文中所描述的各種特徵和功能可以在任何給定的應用中實現並且可以以各種組合和排列在一個或更多個單獨的或共用的模組中實現。儘管各種特徵或功能性元件可以被單獨描述或聲明為單獨的模組，但本領域的普通技術人員將理解的是，這些特徵和功能可以在一個或更多個公共軟體和硬體元件之間共用，並且這種描述並非要求或暗示使用單獨的硬體或軟體部件來實現這樣的特徵或功能。

在本文檔中，例如，術語“電腦可讀媒體”、“電腦可用媒體”和“電腦程式媒體”通常用於指非暫時性、揮發性或非揮發性的媒體，諸如，記憶體、儲存單元、和媒體。這些和其他各種形式的電腦程式媒體或電腦可用媒體可涉及將一個或更多個指令的一個或更多個序列攜帶到處理裝置以用於執行。實施在媒體上的這些指令通常被稱為“電腦程式代碼”或“電腦程式產品”（其可以以電腦程式或其他分組的形式進行分組）。

儘管上面是從各種示例實現方式方面進行描述的，但是應當理解，在一個或更多個單獨的實現方式中描述的各種特徵、方面和功能在它們的可應用性方面並不限於對它們進行描述的特定實現方式，而是可以單獨地或以各種組合應用於本申請的一個或更多個其他實現方式，無論這樣的實現方式是否被描述以及這樣的特徵是否被呈現為所描述的實現方式的一部分。因此，本申請的廣度和範圍不應受任何上述示例實現方式的限制。

應該認識到，前述概念的所有組合（假設這些概念不相互矛盾）被認為是本文公開的創造性主題的一部分。特別地，出現在本公開結尾處的要求保護的主題的所有組合被認為是本文公開的創造性主題的一部分。

在整個本公開（包括申請專利範圍）中使用的術語“基本上”和“大約”用於描述並考慮到例如由於處理中的變化而引起的小波動。例如，它們可以指小於或等於±5％，例如小於或等於±2％，例如小於或等於±1％，例如小於或等於±0.5％，例如小於或等於±0.2％，例如小於或等於±0.1％，例如小於或等於±0.05％。

在可應用的範圍內，本文的術語“第一”、“第二”、“第三”等僅僅被用來示出由這些術語描述的相應的物件作為單獨的實體，並且不意味著暗示時間順序的意義，除非本文另外明確指出。

除非另有明確說明，否則本文檔中使用的術語和短語及其變體應解釋為開放式而​不是與此相對的限制性的。作為前述內容的示例：術語“包括”應被理解為意指“包括但不限於”等；術語“示例”用於提供在討論中的專案的一些實例，而不是其無遺漏的或限制性的列表；術語“一（a）”或“一（an）”應被理解為意指“至少一個”、“一個或更多個”等；並且形容詞例如“常規”、“傳統”、“正常”、“標準”、“已知”和類似含義的術語不應被解釋為將所描述的項目限制為給定時間段或者在給定的時間可用的項目，而是應該被理解為包含現在或在將來的任何時候可用或已知的常規、傳統、正常、或標準技術。同樣地，在本文檔涉及本領域普通技術人員明顯的或已知的技術的情況下，這樣的技術涵蓋現在或將來任何時間對技術人員明顯的或已知的那些技術。

在某些情況下，擴展單詞和短語（如“一個或更多個”、“至少”、“但不限於”或其他類似短語）的存在不應被解讀為意指在這樣的擴展短語可能不存在的較窄的情況是意圖或需要的。術語“模組”的使用並不暗指描述或要求保護的作為模組的一部分的部件或功能全部被配置在公共封裝中。實際上，模組的任何或所有的各種部件，無論是控制邏輯還是其他部件，可以被組合在單個封裝中或單獨維護並且可以進一步分佈在多個分組或封裝中或跨多個位置。

此外，本文闡述的各種實現方式是從示例方塊圖、流程圖和其他圖示方面來進行描述的。在閱讀本文後，對於本領域的普通技術人員來說明顯的是，所示出的實現方式及其各種替代方案可以在不限制於所示示例的情況下被實現。例如，方塊圖及其伴隨的描述不應被解釋為強制特定的體系結構或配置。

雖然上面已經描述了本公開的各種實現方式，但是應當理解的是，它們僅借助於示例而不是限制的方式來呈現的。同樣地，各個圖可以描繪用於本公開的示例架構或其他配置，其被完成以幫助理解可以被包括在本公開中的特徵和功能。本公開不限於所圖示的示例架構或配置，而是可以使用各種可替代架構和配置來實現所期望的特徵。事實上，可以如何實施可替代的功能、邏輯或物理分區和配置以實現本公開的期望特徵，對於本領域技術人員而言將是明顯的。而且，除了在本文描繪的那些之外的許多不同的組成模組名稱可以被應用於各種分塊。另外，關於流程圖、操作描述和方法申請專利範圍，本文呈現步驟的順序不應要求按相同順序實施各種實現方式以執行所述功能，除非上下文另有規定。

100‧‧‧結構照明成像系統 / 系統 / 成像系統

110‧‧‧圖案化樣本/樣本/螢光樣本

111‧‧‧特徵/圖案化特徵

140‧‧‧圖像感測器/圖像感測器元件/元件

142‧‧‧物鏡

150‧‧‧光發射器/發射器

151‧‧‧準直器

152‧‧‧光纖

155‧‧‧結構化光學元件/光結構化光學元件/元件

155a‧‧‧一維透射型繞射光柵

155b‧‧‧旋轉視窗

160‧‧‧結構化（圖案化）光束/條紋

161‧‧‧合成光/光

191‧‧‧像素

192‧‧‧特徵

200‧‧‧工作站

235‧‧‧生物感測器/盒

238‧‧‧流體網路

240‧‧‧試劑盒

242‧‧‧閥組

244‧‧‧主泵

246‧‧‧消泡器

248‧‧‧三通閥

250‧‧‧限流器

252‧‧‧廢物去除系統

254‧‧‧清洗泵

260‧‧‧SBS板

262‧‧‧觸控式螢幕使用者介面

264‧‧‧試劑冷卻器

266‧‧‧熱循環器

270‧‧‧硬碟驅動器

272‧‧‧單板電腦

300‧‧‧工作站

302‧‧‧盒

304‧‧‧工作站外殼

306‧‧‧系統接受器

308‧‧‧盒外殼

310‧‧‧埠

312‧‧‧機架元件

314‧‧‧機櫃

316‧‧‧擱架

318‧‧‧接收空間

320‧‧‧第一子元件/樣本元件

322‧‧‧第二子元件/光元件

324‧‧‧反應部件主體

326‧‧‧基座

328‧‧‧凹部

330‧‧‧旋轉閥

332‧‧‧試劑貯器/貯器

334‧‧‧貯器

336‧‧‧光元件

338‧‧‧結構化光引導通道

340‧‧‧盒泵

342‧‧‧埠

344‧‧‧埠

346‧‧‧階段

348‧‧‧階段

400‧‧‧生物感測器

401‧‧‧激發光

402‧‧‧流動池

404‧‧‧檢測裝置

406‧‧‧側壁

408‧‧‧反應凹部

410‧‧‧流動蓋

412‧‧‧檢測器表面

414‧‧‧反應區域

418‧‧‧流動通道

420‧‧‧入口埠

422‧‧‧出口埠

424‧‧‧感測器陣列

425‧‧‧裝置基座

426‧‧‧引導陣列

428‧‧‧反應陣列

431‧‧‧堆疊層/感測器層

432‧‧‧堆疊層/基底層/第一基底層

433‧‧‧堆疊層/基底層/第二基底層

434‧‧‧堆疊層/基底層/第三基底層

435‧‧‧堆疊層/基底層/第四基底層

436‧‧‧堆疊層/基底層/第五基底層

437‧‧‧堆疊層/基底層/第六基底層

440‧‧‧光感測器/感測器

441‧‧‧閘極

442‧‧‧閘極

443‧‧‧閘極

446‧‧‧電路

450‧‧‧遮罩層

452‧‧‧孔

454‧‧‧鈍化層

456‧‧‧基座孔

458‧‧‧黏附層

460‧‧‧過濾材料

462‧‧‧光導

464‧‧‧外表面

468‧‧‧中心縱軸/縱軸

900‧‧‧圖像感測器元件

910‧‧‧像素

920a‧‧‧特徵

920b‧‧‧特徵

1000‧‧‧一維結構照明方法/方法

1010‧‧‧操作

1020‧‧‧操作

1030‧‧‧操作

1040‧‧‧操作

1050‧‧‧操作

1060‧‧‧配置

1070‧‧‧配置

1100‧‧‧圖像感測器

1110‧‧‧對齊列

1120‧‧‧對齊列

1140a‧‧‧特徵

1140b‧‧‧特徵

1150‧‧‧主動區域像素

1300‧‧‧圖像感測器元件

1310‧‧‧矩形像素/像素

1320a‧‧‧成像特徵/特徵

1320b‧‧‧成像特徵/特徵

1320c‧‧‧成像特徵/特徵

1320d‧‧‧成像特徵/特徵

1400‧‧‧二維結構照明方法/方法

1410‧‧‧操作

1415‧‧‧操作

1420‧‧‧操作

1425‧‧‧操作

1430‧‧‧操作

1435‧‧‧操作

1440‧‧‧操作

1445‧‧‧操作

1450‧‧‧操作

1455‧‧‧操作

1460‧‧‧操作

1471‧‧‧配置

1472‧‧‧配置

1473‧‧‧配置

1474‧‧‧配置

1475‧‧‧配置

1600‧‧‧圖像感測器元件/元件

1610‧‧‧像素

1620a‧‧‧成像特徵/特徵/圖案化特徵

1620b‧‧‧成像特徵/特徵/圖案化特徵

1620c‧‧‧成像特徵/特徵/圖案化特徵

1700‧‧‧圖像感測器元件

1710‧‧‧正方形像素/像素

1720a‧‧‧特徵

1720b‧‧‧特徵

1800‧‧‧正方形像素/圖像感測器元件

1810‧‧‧像素

1820a‧‧‧特徵

1820b‧‧‧特徵

1820c‧‧‧特徵

H₁‧‧‧高度

M1‧‧‧金屬元件

M2‧‧‧金屬元件

M3‧‧‧金屬元件

M4‧‧‧金屬元件

P‧‧‧間距

w‧‧‧寬度

參考下面的附圖詳細描述了根據一個或更多個實現方式的本公開。這些圖僅被提供用於說明的目的，並且僅描繪示例實現方式。此外，應當理解，為了說明的簡單和清楚，圖中所示的元素不一定按比例繪製。

本文包括的一些附圖從不同觀看角度示出了公開的技術的各種實現方式。儘管附隨的描述性文本可以將這樣的視圖稱為“頂”、“底”或“側”視圖，但這樣的提及僅僅是描述性的，並且不暗示或要求所公開的技術在特定的空間定向上被實現或使用，除非另外明確地說明。

圖1A示出了根據實現方式的示例性結構照明成像系統，其中圖像感測器與圖案化樣本在同一平面內。

圖1B示出了包括在圖像感測器上圖案化使得兩個特徵沿著一個維度形成在圖像感測器的每個像素上的樣本的元件。

圖2示出了成像系統元件的配置，該成像系統元件包括在圖像感測器上圖案化使得單個特徵被形成在圖像感測器的每個像素上的樣本。

圖3是根據一個實現方式的用於生物或化學分析的示例性工作站的方塊圖。

圖4是工作站和可以包括如在實現方式中描述的一個或更多個生物感測器的盒的透視圖。

圖5是具有機櫃或托架的機架元件的前視圖，該機櫃或托架具有在其上裝載的多個工作站。

圖6示出了根據一個實現方式的圖4的盒的各種特徵。

圖7示出了根據一個實現方式形成的示例性生物感測器的一部分的橫截面。

圖8是更詳細地示出各種特徵的圖7的檢測裝置的放大橫截面。

圖9示出了根據實現方式的包括被排列在每個像素上的兩個成像特徵的圖像感測器元件的頂視圖。

圖10是示出示例性一維結構照明方法的操作流程圖，該方法可以由結構照明成像元件在一個成像週期期間對包括被定位在成像元件的每個光檢測器（例如像素）上的兩個特徵的樣本成像來實現。

圖11示出了包括對齊列的圖像感測器的示例，該對齊列可在實現方式中被利用以在一維結構照明成像過程期間使結構照明圖案與樣本和感測器對齊。

圖12示出了可以由具有矩形像素的成像元件實現的示例性一維結構照明成像過程。

圖13示出了包括沿著兩個維度（例如沿著兩行和兩列）被排列在每個像素上的四個成像特徵的圖像感測器元件的頂視圖。

圖14A是示出示例性二維結構照明方法的操作流程圖，該方法可以由結構照明成像元件在一個成像週期期間對包括沿著兩個維度被定位在成像元件的每個光檢測器（例如像素）上的四個特徵的樣本成像來實現。

圖14B示出了可以如何對使用圖14A的方法捕獲的五個圖像解碼以估計在像素上圖案化的四個特徵中的每一個特徵的信號強度。

圖15示出了包括兩個對齊列和兩個對齊行的圖像感測器，兩個對齊列和兩個對齊行可以在實現方式中被利用來在二維結構照明成像過程期間使結構照明圖案沿著正交的第一方向和第二方向與樣本和感測器對齊。

圖16A示出了包括沿著兩個維度以L形狀被排列在每個像素上的三個成像特徵的圖像感測器元件的頂視圖。

圖16B示出了可以如何對在圖16A的像素的在兩個維度中的三個圖像解碼以估計三個特徵中的每一個特徵的信號強度。

圖17示出了包括沿一個維度被排列在每個正方形像素上的兩個橢圓形特徵的示例性圖像感測器元件的頂視圖。

圖18示出了包括沿一個維度被排列在每個正方形像素上的三個橢圓形特徵的示例性圖像感測器元件的頂視圖。

附圖不是詳盡的且不將本公開限於所公開的精確形式。

Claims (24)

1. 一種系統，包括： 光發射器，所述光發射器發射光； 光學元件，所述光學元件使由所述光發射器發射的光繞射以在包括圖案化特徵的樣本的平面上投射多個條紋；以及 圖像感測器，所述圖像感測器收集由所述樣本的所述特徵發射的光，所述圖像感測器包括多個像素，其中，所述樣本將被排列在所述圖像感測器上，使得多個圖案化特徵沿著第一軸被排列在所述多個像素中的每個相應的像素上，並且所投射的所述多個條紋被成形為照射每個相應的多個圖案化特徵中的特徵之一。
2. 根據請求項1所述的系統，其中，所投射的所述多個條紋具有與規則圖案化特徵的尺寸至少幾乎相同或比所述規則圖案化特徵的尺寸大的條紋寬度，並且其中，所述條紋寬度小於所述多個像素中的每一個像素的間距。
3. 根據請求項2所述的系統，其中，所述圖像感測器是主動像素圖像感測器。
4. 根據請求項3所述的系統，其中，所述圖像感測器是互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器。
5. 根據請求項3所述的系統，還包括：第二光學元件，所述第二光學元件使由所述光發射器發射的光繞射以將第二多個條紋投射到所述樣本的平面上，其中，所述第二多個條紋相對於所述第一多個條紋正交地被定向。
6. 根據請求項5所述的系統，其中，所述樣本被排列在所述圖像感測器上，使得第二多個圖案化特徵被定位在所述多個像素中的每一個相應的像素上，其中，所述第二多個圖案化特徵中的每一個沿著與所述第一軸正交的第二軸被對齊，其中，所投射的所述第二多個條紋被成形為照射每個所述第二多個圖案化特徵中的一個特徵。
7. 根據請求項6所述的結構照明成像系統，其中，使光繞射的所述光學元件包括：投射所述第一多個條紋的水平透射型繞射光柵以及投射所述第二多個條紋的垂直透射型繞射光柵。
8. 根據請求項6所述的系統，其中，四個圖案化特徵被定位在所述多個像素中的相應的一個像素上，其中，所述四個圖案化特徵以正方形網格被佈置在所述像素上。
9. 根據請求項6所述的系統，其中，三個圖案化特徵被定位在所述多個像素中的相應的一個像素上，其中，所述三個圖案化特徵以L形狀被佈置在所述像素上。
10. 根據請求項3所述的系統，其中，所述多個像素中的每一個像素是矩形像素，其中，所述樣本的所述特徵以線性陣列被排列在每一個矩形像素上。
11. 根據請求項3所述的系統，其中，所述多個像素中的每一個像素是正方形像素，其中，所述多個特徵中的每一個特徵包括具有約2:1的縱橫比的兩個特徵。
12. 根據請求項3所述的系統，其中，所述多個像素中的每一個像素是正方形像素，其中，所述多個特徵中的每一個特徵包括具有約3:1的縱橫比的三個特徵。
13. 根據請求項3所述的系統，其中，所述樣本被形成在所述圖像感測器上。
14. 根據請求項13所述的系統，其中，所述特徵中的每個特徵是反應凹部，所述反應凹部包括形成在所述多個像素中的一個像素的光導上的反應區域。
15. 根據請求項3所述的結構照明成像系統，其中，所述圖像感測器包括像素的第一對齊列或第一對齊行和第二對齊列或第二對齊行，其中，所述第一對齊列或第一對齊行和所述第二對齊列或第二對齊行使所述多個條紋與所述樣本和所述圖像感測器在空間上對齊。
16. 根據請求項15所述的系統，其中，所述樣本的僅一個特徵被定位在所述多個像素中的所述第一對齊列或第一對齊行和所述第二對齊列或第二對齊行的每一個像素上。
17. 一種方法，包括： 在包括圖案化特徵的樣本的平面上投射第一多個條紋，其中，所述樣本被排列在圖像感測器上，使得第一多個圖案化特徵被定位在所述多個像素中的相應的一個像素上，其中，所述多個圖案化特徵中的每一個沿著第一軸在所述像素上被對齊； 用所述第一多個條紋照射每一個所述第一多個圖案化特徵中的第一特徵； 捕獲每一個所述第一多個圖案化特徵中的所述第一特徵的第一圖像； 使所述第一多個條紋相移以照射每一個所述第一多個圖案化特徵中的第二特徵；以及 捕獲每一個所述第一多個圖案化特徵中的所述第二特徵的第二圖像。
18. 根據請求項17所述的方法，其中，所投射的多個條紋具有與規則圖案化特徵的尺寸至少幾乎相同或比所述規則圖案化特徵的尺寸大的條紋寬度，並且其中，所述條紋寬度小於所述多個像素中的每個像素的間距。
19. 根據請求項18所述的方法，其中，所述樣本被形成在所述圖像感測器上，其中，所述圖像感測器是主動像素感測器。
20. 根據請求項19所述的方法，其中，所述第一多個條紋被定位成在捕獲所述第一圖像和所述第二圖像的步驟期間僅照射在所述多個像素中的每個像素上的一個特徵。
21. 根據請求項18所述的方法，還包括： 在所述樣本的平面上投射第二多個條紋，其中，所述第二多個條紋相對於所述第一多個條紋正交地被定向，其中，所述樣本被排列在所述圖像感測器上，使得第二多個圖案化特徵被定位在所述多個像素中的相應的一個像素上，其中，所述第二多個圖案化特徵中的每一個沿著與所述第一軸正交的第二軸被對齊； 用所述第二多個條紋照射每一個所述第二多個圖案化特徵中的第三特徵； 捕獲每一個所述第二多個圖案化特徵中的所述第三特徵的第三圖像； 使所述第二多個條紋相移以照射每一個所述第二多個圖案化特徵中的第四特徵；以及 捕獲每一個所述第二多個圖案化特徵中的所述第二特徵的第四圖像。
22. 一種生物感測器，包括： 裝置基座，所述裝置基座包括： 感測器陣列，所述感測器陣列包括多個像素；以及 具有對應的反應區域的反應凹部的反應陣列，其中，所述反應陣列在所述感測器陣列上被圖案化，使得多個反應凹部在所述多個像素中的相應的一個像素上被圖案化；以及 光學元件，所述光學元件在所述反應陣列的平面上投射多個條紋，其中，所投射的所述多個條紋被成形為照射在所述多個像素中的每個像素上圖案化的所述反應凹部中的一個反應凹部。
23. 根據請求項22所述的生物感測器，其中，所投射的多個條紋具有與所述反應凹部的尺寸至少幾乎相同或比所述反應凹部的尺寸大的條紋寬度，其中，所述條紋寬度小於所述多個像素中的每個像素的間距，並且其中，所述條紋寬度與所述多個像素中的每個像素的間距至少幾乎相同。
24. 根據請求項23所述的生物感測器，還包括：使所述多個條紋相移所述多個像素中的每個像素的所述間距的幾分之一的一個或更多個光學元件。