用于动态确定样品空间取向并动态重新定位的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供用于确定目标样品的空间取向的装置和方法，该装置和方法可以用于自动对焦系统。该装置和方法通过将(a)从样品反射的辐射在辐射检测器上的辐射位置与(b)样品的位置关联来起作用，并且在一些实施例中，根据样品反射的辐射在检测器上的位置调节样品的位置、光学装置的位置、或其二者，以保持样品聚焦。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学分析领域并涉及自动对焦系统。
技术介绍
诸如宽场荧光显微镜的自动成像系统通常用于不同领域中的灵敏检测。这些系统通常使用高数值孔径值和高倍放大光学器件来实现用户期望的分辨率和检测级别。现有自动对焦系统通常包括执行初级聚焦并针对包括加载和样品扫描的各种操作保持对焦距离的装置。对焦距离通常被保持为约O. 1-0. 2微米的精度。这一级别的精度需要直接测量系统光学器件和样品平面之间的距离。传统位置灵敏检测器利用来自两相或象限光电二极管的差分信号作为反馈，然后比较这些信号的相对强度以调节焦点。然而，这些差分信号无法用于确定物镜和样品之间距离，并且还会难以对具有某些视觉轮廓(例如，区域之间缺乏鲜明对比的轮廓)的某些样品保持自动对焦。因此，本领域需要这样的系统和方法，其能够保持对象聚焦，而不会经受基于比较差分信号强度的现有自动对焦方法的缺点。如果这样的系统和方法能够在延长的时间段内保持这样的焦点，则这样的系统和方法的价值将进一步提高。
技术实现思路
为了满足所述挑战，本专利技术首先提供确定目标样品的空间取向的方法，包括用以至少约5度的入射角倾斜的至少一个辐射光束照射目标样品的至少一部分；在辐射检测器上收集从样品反射的任何辐射的至少一部分；将辐射检测器上收集的反射辐射的位置与目标样品的空间取向关联。本专利技术还提供仪器，该仪器包括样品台；辐射源，其能够用入射角为至少约5度的辐射光束照射设置在样品台上的目标；辐射检测器，其与设置在台上的目标光学通信，该辐射检测器能够收集从设置在样品台上的目标反射的任何辐射的至少一部分；能够将从设置在样品台上的目标反射的任何辐射在辐射检测器上的位置与目标的空间取向关联的装置。还提供保持在目标样品上的自动光学聚焦的方法，包括指定放大镜内的光学平面与目标样品之间的空间关系；用以至少约5度的入射角倾斜的至少一个辐射光束照射目标样品的至少一部分；在辐射检测器上收集从目标样品反射的任何辐射的至少一部分；将辐射检测器上收集的反射辐射的位置与目标样品相对于放大镜光学平面的空间取向关联；改变放大镜的光学平面、样品或其二者的空间取向或其二者，以保持放大镜的光学平面与 目标样品之间的该程式化的(progra_ed)空间关系。本专利技术还包括自动对焦装置，其适当地包括放大镜；样品台，该放大镜和该样品台中的至少一个能够倾斜、旋转、升高、降低或其任何组合；辐射源，其能够用以至少约5度的入射角倾斜的辐射光束照射设置在样品台上的样品；辐射检测器，其与设置在该台上的样品光学通信，该辐射检测器能够收集从设置在样品台上的该样品反射的任何辐射的至少一部分；能够将从设置在样品台上的该样品反射的任何辐射在辐射检测器上的位置与样品相对于放大镜的空间取向关联的装置。附图说明当结合附图阅读时，
技术实现思路
以及下面的具体实施方式将更好理解。为了解释专利技术的目的，附图中示出了本专利技术的示例性实施例。然而，本专利技术不限于所公开的具体方法、组成和装置。另外，附图没有必要按比例绘制。在附图中图I示出根据本专利技术的示例性自动对焦单元；图2示出本专利技术系统的长期稳定性，证明当系统开启时，物镜和样品之间的距离 被很好的保持；图3示出根据本专利技术制成的系统对所施加力的响应，其中由箭头指示的位置示出当IOOg负载被置于目标物体定位台上以及从其上取下时，本专利技术系统的动态响应一当“自动对焦”打开(即，激活)时，系统沿Z方向调节物镜和/或高精度台的位置，以保持物镜和样品之间的预设距离，从而自动补偿由负载的放置引起的焦点偏移；图4示出包括根据本专利技术的自动对焦系统的显微镜光路的框图；图5示出距离测量的基于光学的方案，其中激光束相对于显微镜的物镜离轴传播，并从样品表面反射，物镜和样品平面之间的距离的改变引起激光束的偏转，投射的光斑位置通过辐射检测器(例如，CCD、CMOS或光电二极管装置)来跟踪，并且然后利用预定相关性直接转换为距离；图6不出一个传感器校准方法,其中显微镜物镜和样品表面的位置相对于彼此的偏移引起传感器区域上反射光斑的位移，光斑位置的改变与物镜和样品之间的距离成线性比例，光斑位置用于自动对焦反馈控制回路；图7示出根据本专利技术准备的聚焦图像的示例，其中图像荧光标记的DNA片段位于硅蚀刻纳米沟道中，自动对焦系统在实验持续时间(大约30分钟)内保持图像的焦点；图8示出本专利技术的过程流程图，其示出了如下步骤校准样品台，在辐射检测器上读取从样品反射的光束的位置，以及响应于阵列检测器上从样品反射的一个或多个激光束的位置，调节台、物镜或其二者的空间取向；图9示出利用双光斑跟踪过程的本专利技术的示例性实施例。具体实施例方式通过结合形成本公开一部分的附图和示例，参照以下具体实施方式，可以更容易理解本专利技术。应该理解，本专利技术不限于本文所描述和/或示出的具体装置、方法、应用、条件或参数，本文所用术语仅是出于以示例方式描述特定实施例的目的，而并非意在限制本专利技术。如包括所附权利要求的说明书中所用，单数形式包括复数形式，提及特定数值至少包括该特定值，除非上下文明确另 外指出。如本文所用，术语“多个”表示不止一个。当表达值的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当利用先行词“约”近似地表达值时，应该理解该特定值形成另一实施例。所有范围均为含端点且可组合的。应该理解，为了清晰起见，在本文中分开的实施例的背景中描述的本专利技术的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的背景下描述的本专利技术的各种特征也可以分开提供或以任何子组合的形式提供。另外，提及规定在范围中的值包括该范围内的各个和每一个值。如本文所用，术语“空间取向”是指物体的物理位置以及该物体的角度、倾斜或其它特性。例如，目标相对于透镜的空间取向涉及目标和平面之间的距离、以及物体相对于透镜的倾斜。如本文所用，术语“辐射检测器”是指能够检测电磁辐射的装置。这样的装置能够适合地检测激光辐射、光子、微波、可见光或其任何组合。电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、光电二极管、光子计数器、光电倍增管等等均为适合的辐射检测器。在一些实施例中，辐射检测器能够检测两个或更多个单独的辐射光斑(光束)的位置，并且检测器可能能够检测三个或甚至四个单独的辐射光斑(光束)可能撞击在检测器上的位置。辐射检测器适当地能够确定撞击检测器的辐射的X-Y位置(例如，图5)。在一些实施例中，检测器能够辨析撞击检测器的一个或多个光斑(即，反射的辐射光束)的强度。在一个实施例中，本专利技术提供确定目标样品的空间取向的方法。这些方法适当地包括利用以至少约5度的入射角倾斜的至少一个辐射光束照射目标样品的至少一部分。通常使用非零入射角。10、20、30、40、50、60或甚至更大度数的入射角也是适合的。最佳入射角将取决于用户的需要和被分析的目标的特性。所述方法还包括在辐射检测器上收集从样品反射的任何辐射的至少一部分，将辐射检测器上收集的反射辐射的位置与目标样品的空间取向关联。所述收集可以通过例如CCD、CMOS、光电二极管或其它辐射检测器装置来完成。检测器适当地具有辐射检测元件的二维阵列，但检测器也可以具有一维的检测器元件集。图9示出了一个示例性系统，本文中将更详细地进一步描述该图。辐射光束适当地为准直光束。激光束是尤其适合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.05.19 US 61/179,4981.一种确定目标样品的空间取向的方法，包括 用以至少约5度的入射角倾斜的至少一个辐射光束照射所述目标样品的至少一部分； 在辐射检测器上收集从所述样品反射的任何辐射的至少一部分； 将所述辐射检测器上收集的反射辐射的位置与所述目标样品的空间取向关联。2.根据权利要求I所述的方法，其中至少一个光束或辐射包括准直辐射光束。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述准直辐射光束包括激光。4.根据权利要求I所述的方法，其中将所述辐射检测器上收集的反射辐射的位置与所述目标样品的空间取向关联包括将(a)所述辐射检测器上收集的反射辐射的位置与(b)所述目标样品处于已知空间取向时从目标样品反射的辐射已知照射在所述辐射检测器上的位置进行比较。5.根据权利要求I所述的方法，其中所述辐射光束包括基本上不干扰所述样品的视觉检查的波长。6.根据权利要求I所述的方法，还包括用两个或更多个准直辐射光束照射所述样品的至少一部分。7.根据权利要求I所述的方法，还包括构建数据集，所述数据集包括对于两个或更多个样品空间取向，当所述目标样品处于特定空间取向时，用以至少约5度的入射角倾斜的至少一个辐射光束照射所述目标样品，从目标样品反射的辐射已知照射在所述辐射检测器上的位置。8.根据权利要求7所述的方法，其中关联包括将所述辐射检测器上收集的反射辐射的位置与所述数据集进行比较。9.根据权利要求I所述的方法，还包括指定光学分析装置内的平面与所述目标样品之间的空间关系。10.根据权利要求9所述的方法，还包括响应于所述辐射检测器上收集的反射辐射的位置改变所述样品的空间取向，以保持所述光学分析装置内的所述平面与所述目标样品之间的指定的空间关系。11.根据权利要求10所述的方法，其中改变所述目标样品的空间取向包括升高、降低、倾斜、旋转、或其任何组合。12.一种仪器，包括 样品台； 辐射源，所述辐射源能够用入射角为至少约5度的辐射光束照射设置在所述样品台上的目标； 辐射检测器，所述辐射检测器与设置在所述台上的目标光学通信，所述辐射检测器能够收集从设置在所述样品台上的目标反射的任何辐射的至少一部分； 装置，所述装置能够将从设置在所述样品台上的目标反射的任何辐射在所述辐射检测器上的位置与所述目标的空间取向关联的装置。13.根据权利要求12所述的仪器，其中所述辐射检测器包括电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体、光电二极管、光电倍增管、或其任何组合。14.根据权利要求12所述的仪器，其中所述辐射源包括激光。15.根据权利要求12所述的仪器，还包括光学分析装置，所述光学分析装置与所述目标、所述辐射源或所述目标和所述辐射源二者光学通信。16.根据权利要求15所述的仪器，还包括控制器，所述控制器能够控制所述光学分析装置、所述样品台或所述光学分析装置和所述样品台二者的空间取向。17.根据权利要求15所述的仪器，其中所述光学分析装置包括显微镜。18.一种保持在目标样品上的自动光学聚焦的方法，包括 指定放大镜内的光学平面与目标样品之间的程式化的空间关系； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿列克谢·Y·沙罗诺夫，
申请(专利权)人：生物纳米基因公司，
类型：发明
国别省市：