用于测量对象的位置的光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于测量对象(B)沿着第一轴(z)的位置的光学装置(1)，其包括：光学成像系统(5)，其包括用于收集被对象(B)散射的光辐射的物镜(53)；透射掩膜(8)，其至少具有第一小孔(81,83)和第二小孔(82,84)；分离布置(9)，其用于沿着垂直于第一轴和第二轴的第三轴(y)而在相反的方向上将来辐射的第一部分(R1)与辐射的第二部分(R2)分离；以及检测器(6)，其具有检测器平面(61)，检测器(6)适合于生成包括第一光斑(S1)和第二光斑(S2)的图像，其中，对象(B)沿着第一轴(z)相对于成像系统的对象平面的位置变化引起第一光斑(S1)和第二光斑(S2)沿着第二轴(x)相对于彼此的位置变化。

Optical device for measuring the position of an object

\u672c\u53d1\u660e\u6d89\u53ca\u4e00\u79cd\u7528\u4e8e\u6d4b\u91cf\u5bf9\u8c61(B)\u6cbf\u7740\u7b2c\u4e00\u8f74(z)\u7684\u4f4d\u7f6e\u7684\u5149\u5b66\u88c5\u7f6e(1)\uff0c\u5176\u5305\u62ec\uff1a\u5149\u5b66\u6210\u50cf\u7cfb\u7edf(5)\uff0c\u5176\u5305\u62ec\u7528\u4e8e\u6536\u96c6\u88ab\u5bf9\u8c61(B)\u6563\u5c04\u7684\u5149\u8f90\u5c04\u7684\u7269\u955c(53)\uff1b\u900f\u5c04\u63a9\u819c(8)\uff0c\u5176\u81f3\u5c11\u5177\u6709\u7b2c\u4e00\u5c0f\u5b54(81,83)\u548c\u7b2c\u4e8c\u5c0f\u5b54(82,84)\uff1b\u5206\u79bb\u5e03\u7f6e(9)\uff0c\u5176\u7528\u4e8e\u6cbf\u7740\u5782\u76f4\u4e8e\u7b2c\u4e00\u8f74\u548c\u7b2c\u4e8c\u8f74\u7684\u7b2c\u4e09\u8f74(y)\u800c\u5728\u76f8\u53cd\u7684\u65b9\u5411\u4e0a\u5c06\u6765\u8f90\u5c04\u7684\u7b2c\u4e00\u90e8\u5206(R1)\u4e0e\u8f90\u5c04\u7684\u7b2c\u4e8c\u90e8\u5206(R2)\u5206\u79bb\uff1b\u4ee5\u53ca\u68c0\u6d4b\u5668(6)\uff0c\u5176\u5177\u6709\u68c0\u6d4b\u5668\u5e73\u9762(61)\uff0c\u68c0\u6d4b\u5668(6)\u9002\u5408\u4e8e\u751f\u6210\u5305\u62ec\u7b2c\u4e00\u5149\u6591(S1)\u548c\u7b2c\u4e8c\u5149\u6591(S2)\u7684\u56fe\u50cf\uff0c\u5176\u4e2d\uff0c\u5bf9\u8c61(B)\u6cbf\u7740\u7b2c\u4e00\u8f74(z)\u76f8\u5bf9\u4e8e\u6210\u50cf\u7cfb\u7edf\u7684\u5bf9\u8c61\u5e73\u9762\u7684\u4f4d\u7f6e\u53d8\u5316\u5f15\u8d77\u7b2c\u4e00\u5149\u6591(S1)\u548c\u7b2c\u4e8c\u5149\u6591(S2)\u6cbf\u7740\u7b2c\u4e8c\u8f74(x)\u76f8\u5bf9\u4e8e\u5f7c\u6b64\u7684\u4f4d\u7f6e\u53d8\u5316 .

【技术实现步骤摘要】
用于测量对象的位置的光学装置
本专利技术涉及一种用于测量一个或多个对象的位置的光学装置。本专利技术特别地应用于以高精度来测量位准对象(诸如微珠)的位置。
技术介绍
为了研究DNA分子与其它组分(诸如蛋白质)之间的相互作用，已知要使DNA分子经受拉伸力并测量分子的弹性性质(即，相对伸长对比力特性)。文献US2003/0027187公开了例如一种用于测试DNA分子的设备，其中，分子在一端处被锚定到锚定表面且在另一端处被锚定到顺磁珠。该设备包括用于向珠施加力从而控制分子的拉伸和扭转的磁体。该设备还包括光源、显微镜和用于产生珠的图像的相机以及用于分析生成的图像的计算机。分析珠的图像允许实时地确定珠在三个维度(x、y、z)上的位置和因此的分子的伸长和施加的拉伸力。可以通过使用珠的对称性并通过自动卷积来确定其中心而确定珠的x、y坐标。事实上，此功能呈现出最大正值，其位置移动(2δx、2δy)，其中，δx(δy)是珠图像从原始图像中心沿着x(y)的移位。可以使用FFT算法来快速地计算自动卷积，并且可以通过局部地拟合二阶多项式来获得最大位置。可以通过将珠的衍射图案与先前在校准阶段期间获取的一组参考衍射图相比较来确定珠的z坐标(即，沿着显微镜的放大轴的珠的坐标)。事实上，由光源发射的光辐射与被珠散射的光辐射之间的干扰在由相机记录的图像中产生衍射环。衍射环的尺寸随着珠相对于显微镜的焦平面的距离而改变。设备的校准在于通过在将珠相对于锚定表面保持在固定位置上的同时改变显微镜的聚焦来记录珠的多个图像。此校准阶段允许生成珠的不同参考图像，其对应于珠与焦平面之间的不同距离。一旦校准阶段已经完成，则珠的当前图像与参考图像的比较允许以几纳米的精度测量珠的位置。例如，所述方法允许跟随几十个珠的位置，在两个视频图像之间具有约3纳米的精度。在其中所述设备被用于测量DNA分子的长度的应用中，这允许将DNA分子的序列组分局部化至在几个核碱基内。然而，校准阶段是耗时的，要求大量计算资源，并且必须针对每个珠单独地执行。此外，提出的方法要求在被用来对一个珠成像的相机上使用大量像素，尤其是如果由于对象的图像的尺寸增加而希望测试长的DNA分子的话。这可能限制能够分析的珠的数目(例如，对于4兆像素的相机而言1000个珠)。因此，提出的方法可能未被扩展为用于同时地测量大量的珠(例如数千个珠)的位置。另外，为了改变显微镜的聚焦，校准阶段要求使用高精度纳米定位级，包括压电致动器，以便以精确且可重复的方式相对于显微镜而移动锚定表面。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于以高精度测量对象的位置的光学装置，其并未迫使需要校准阶段。根据第一方面，本专利技术提供了一种用于测量对象沿着第一轴的位置的光学装置，对象经受由光源发射的光辐射，该光学装置包括：-成像系统，其包括用于收集被对象散射的光辐射的物镜，该物镜具有平行于第一轴延伸的光轴，-透射掩膜，其至少具有第一小孔和第二小孔，第一小孔和第二小孔沿着垂直于第一轴的第二轴相互间隔开，该透射掩膜被布置成从而让被对象散射的辐射的第一部分和辐射的第二部分分别地通过第一小孔和第二小孔，同时阻挡未被对象散射的由光源发射的辐射的一部分，-分离布置，其用于沿着垂直于第一和第二轴的第三轴而在相反的方向上将辐射的第一部分与辐射的第二部分分离，以及-检测器，其具有检测器平面，该检测器适合于生成包括第一光斑和第二光斑的图像，第一光斑和第二光斑表示撞击检测器平面的辐射的已分离的第一部分和第二部分，其中，对象沿着第一轴相对于成像系统的对象平面的位置变化引起第一光斑和第二光斑沿着第二轴相对于彼此的位置变化。在此类光学装置中，所述透射掩膜允许从被对象散射的光辐射中选择两个辐射部分，从而在由检测器记录的图像中产生两个光斑。由于两个光斑之间的沿着第二轴的距离与珠和成像系统的对象平面之间的距离成比例，所以可以根据第一轴从图像推断珠的位置。另外，所述透射掩膜阻挡直接地来自源的辐射的部分。因此，直接地来自源的辐射并不到达物镜，使得在由检测器生成的图像中只可以观察到已被对象散射(即偏离)的辐射。这大大地改善的图像的对比度并因此增加测量的精度。所述分离布置使两个辐射部分沿着第三轴相互分开地在空间上移位。这再两个辐射部分在检测器的平面中相互交叉时防止两个光斑的重叠。此外，由于两个光斑沿着第三轴移位，所以可以确定两个辐射部分是在检测器平面之前还是之后相互交叉，从而辨别珠的图像平面相对于检测器平面的位置的正值和负值。另外，所述光学装置可以具有以下特征：-根据第一实施例，所述透射掩膜包括仅两个小孔，-第一小孔和第二小孔被对称地布置在第一轴的相对侧，-所述光学装置包括用于处理由检测器生成的图像的处理模块，该处理模块被配置成用于：·确定图像中的第一光斑的中心的位置，·确定图像中的第二光斑的中心的位置，以及·基于第一光斑的中心的位置和第二光斑的中心的位置来计算对象沿着第一轴的位置，-所述处理模块可以被配置成用于通过计算光斑的平均轮廓的自动卷积的最大值来确定每个光斑的中心的位置，-所述处理模块被配置成用于根据图像上的光斑的位置来确定对象沿着第二轴和/或沿着第三轴的位置，-根据第二实施例，所述透射掩膜包括将辐射的第一部分划分成两个第一射束的第一对小孔以及将辐射的第二部分划分成两个第二射束的第二对小孔，并且其中，所述两个第一射束相互干涉，从而在第一光斑内产生第一干涉图，并且所述两个第二射束相互干涉，从而在第二光斑内产生第二干涉图，-所述光学装置包括用于处理由检测器生成的图像的处理模块，该处理模块被配置成用于确定沿着第二轴的第一干涉图与第二干涉图之间的空间相移，并且用于既有所述空间相移来确定沿着对象第一轴的位置，-所述空间相移的确定可以包括：·生成表示沿着第二轴的第一光斑的强度的空间变化的第一特征信号，·生成表示沿着第二轴的第一光斑的强度的空间变化的第二特征信号，以及确定第一特征信号的第一参考点，在该处，第一特征信号的相位在第一特征信号的振幅的最大值附近是等于零的，·确定第二特征信号的第二参考点，在该处，第二特征信号的相位在第二特征信号的振幅的最大值附近是等于零的，将第一干涉图和第二干涉图之间的空间相移确定为第一点与第二点之间的沿着第二轴的距离，-所述处理模块还可以被配置成用于根据第一参考点和第二参考点来确定对象沿着第二轴的位置，-所述处理模块还可以被配置成用于确定沿着对象第三轴的位置，确定对象沿着第三轴的位置包括：·生成表示沿着第三轴的第一光斑和第二光斑的强度的空间变化的第三特征信号，·通过第三特征信号的自动卷积来计算自动卷积信号，·确定所述自动卷积信号的最大值，该自动卷积信号沿着第三轴y的最大值的坐标被视为是珠沿着第三轴y的位置的两倍，-所述光学装置可以包括被布置成根据第一角度朝着对象发射光辐射的第一光源和被布置成根据第二角度朝着对象发射光辐射的第二光源，-所述第一光源和所述第一对小孔可以被布置成使得由第一光源发射且被对象散射的光辐射的一部分通过第一对小孔，而由第一光源发射但未被对象散射的光辐射的一部分被透射掩膜阻挡，-所述第二光源和所述第二对小孔可以被布置成使得由第二光源发射且被对象散射的光辐射的一部分通过第二对小孔，而由第二光源发射而未被对象散射的光辐射的一部分被透射掩膜阻挡，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量对象(B)沿着第一轴(z)的位置的光学装置(1)，所述对象(B)经受由光源(2,21,22)发射的光辐射，所述光学装置(1)包括：‑光学成像系统(5)，其包括用于收集被对象(B)散射的光辐射的物镜(53)，所述物镜(53)具有平行于第一轴(z)延伸的光轴(O)，‑透射掩膜(8)，其至少具有第一小孔(81,83)和第二小孔(82,84)，第一小孔和第二小孔沿着垂直于第一轴(z)的第二轴(x)相互间隔开，所述透射掩膜(8)被布置成从而让被对象(B)散射的辐射的第一部分(R1)和辐射的第二部分(R2)分别地通过第一小孔和第二小孔，同时阻挡未被对象散射的由光源发射的辐射的一部分(R3)，‑分离布置(9)，其用于沿着垂直于第一轴和第二轴的第三轴(y)而在相反的方向上将来辐射的第一部分(R1)与辐射的第二部分(R2)分离，以及‑检测器(6)，其具有检测器平面(61)，所述检测器(6)适合于生成包括第一光斑(S1)和第二光斑(S2)的图像，第一光斑(S1)和第二光斑(S2)表示撞击检测器平面(61)的辐射的已分离的第一部分(R1)和第二部分(R2)，其中，对象(B)沿着第一轴(z)相对于成像系统的对象平面的位置变化引起第一光斑(S1)和第二光斑(S2)沿着第二轴(x)相对于彼此的位置变化。...

【技术特征摘要】
2015.12.18 EP 15307065.11.一种用于测量对象(B)沿着第一轴(z)的位置的光学装置(1)，所述对象(B)经受由光源(2,21,22)发射的光辐射，所述光学装置(1)包括：-光学成像系统(5)，其包括用于收集被对象(B)散射的光辐射的物镜(53)，所述物镜(53)具有平行于第一轴(z)延伸的光轴(O)，-透射掩膜(8)，其至少具有第一小孔(81,83)和第二小孔(82,84)，第一小孔和第二小孔沿着垂直于第一轴(z)的第二轴(x)相互间隔开，所述透射掩膜(8)被布置成从而让被对象(B)散射的辐射的第一部分(R1)和辐射的第二部分(R2)分别地通过第一小孔和第二小孔，同时阻挡未被对象散射的由光源发射的辐射的一部分(R3)，-分离布置(9)，其用于沿着垂直于第一轴和第二轴的第三轴(y)而在相反的方向上将来辐射的第一部分(R1)与辐射的第二部分(R2)分离，以及-检测器(6)，其具有检测器平面(61)，所述检测器(6)适合于生成包括第一光斑(S1)和第二光斑(S2)的图像，第一光斑(S1)和第二光斑(S2)表示撞击检测器平面(61)的辐射的已分离的第一部分(R1)和第二部分(R2)，其中，对象(B)沿着第一轴(z)相对于成像系统的对象平面的位置变化引起第一光斑(S1)和第二光斑(S2)沿着第二轴(x)相对于彼此的位置变化。2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一小孔(81,83)和第二小孔(82,83)被对称地布置在第一轴(z)的相对侧。3.根据权利要求1和2中的任一项所述的光学装置，包括处理模块(7)，其用于处理由检测器(6)生成的图像，所述处理模块(7)被配置成用于：-确定图像中的第一光斑(S1)的中心的位置，-确定图像中的第二光斑(S2)的中心的位置，以及-基于第一光斑(S1)的中心的位置和第二光斑(S2)的中心的位置来计算对象(B)沿着第一轴(z)的位置。4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述处理模块(7)被配置成用于通过计算光斑的平均轮廓的自动卷积的最大值来确定每个光斑的中心的位置。5.权利要求3或4中的任一项所述的光学装置，其中，所述处理模块(7)被配置成用于根据图像上的光斑(S1、S2)的位置来确定对象(B)沿着第二轴(x)和/或沿着第三轴(y)的位置。6.根据权利要求1和2中的任一项所述的光学装置，其中，所述透射掩膜(8)包括将辐射的第一部分(R1)划分成两个第一射束(R11,R12)的第一对小孔(81,83)以及将辐射的第二部分(R2)划分成两个第二射束(R21,R22)的第二对小孔(82,84)，并且其中，所述两个第一射束(R11,R12)相互干涉，从而在第一光斑(S1)内产生第一干涉图，并且所述两个第二射束(R21,R22)相互干涉，从而在第二光斑(S2)内产生第二干涉图。7.根据权利要求6所述的光学装置，包括用于处理由检测器(6)生成的图像的处理模块(7)，所述处理模块(7)被配置成用于确定沿着第二轴(x)的第一干涉图与第二干涉图之间的空间相移，并且用于基于所述空间相移来确定对象(B)沿着第一轴(z)的的位置。8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述空间相移的确定包括：-生成表示沿着第二轴(x)的第一光斑(S1)的强度的空间变化的第一特征信号，-生成表示沿着第二轴(x)的第一光斑(S2)的强度的空间变化的第二特征信号，以及-确定第一特征信号的第一参考点，在该处，第一特征信号的相位在第一特征信号的振幅的最大值附近是等于零的，-确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：文森特·克罗凯特，珍弗朗索瓦·阿勒芒，蒂博·维埃耶，
申请(专利权)人：巴黎科学与文学联大拉丁校区，国家科学研究中心，皮埃尔和玛利居里大学巴黎第六大学，狄德罗巴黎第七大学，
类型：发明
国别省市：法国,FR