УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G02B27/09 

Область техники

Изобретение относится к оптической системе и способу для освещения образца, а также к детектирующему устройству, которое включает в себя осветительную систему и способ детектирования, включающий в себя способ освещения. Оптическая система освещения и детектирования применима к системам и способам детектирования флуоресценции в целях анализа.

Предшествующий уровень изобретения

Детектирование флуоресценции используется, например, в тестировании нуклеиновых кислот (NAT). Это основной элемент молекулярной диагностики для выявления генетических предрасположенностей к болезням, для определения уровней экспрессии РНК или идентификации патогенов, например, бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания.

Во многих случаях, в частности, при идентификации патогенов, количество целевой ДНК, присутствующей в разумном объеме образца, очень мало, что не позволяет обнаруживать ее напрямую. Для получения регистрируемых количеств целевого материала необходимы методы амплификации. Разные методы амплификации были предложены и используются в каждодневной практике. Наиболее распространены методы на основе так называемой полимеразной цепной реакции (PCR)

Амплификация предусматривает денатурацию двухспиральной ДНК при повышенной температуре (обычно >90 градусов Цельсия), специфическое связывание праймеров с образцом ДНК при пониженной температуре (приблизительно 65 градусов) и копирование исходных последовательностей, начиная с положения праймера (приблизительно при 70 градусах). Эта процедура повторяется, и в каждом цикле количество ДНК со специфической последовательностью удваивается (при проведении со 100% эффективностью).

После амплификации, присутствие целевой ДНК детектируется путем измерения интенсивности флуоресценции помеченной амплифицированной ДНК, например, после электрофоретической сепарации в капилляре или после гибридизации с так называемыми зондами захвата, которые накладываются пятнами на поверхность, по которой течет продукт амплификации.

Это изобретение относится к устройству, используемому для обеспечения освещения образца, и к способу его использования.

Стандартный метод детектирования флуоресценции состоит в использовании сканирующего конфокального микроскопа. Обычно, малое (<1 мкм), пятно дифракционного предела используется для возбуждения флуоресценции в фокальной плоскости. В детектирующей части системы, детектируется только свет, полученный из этой единичной точки возбуждения.

Ранее предполагалось, что одновременное возбуждение нескольких пятен или целой линии позволяет увеличить скорость сканирования, без заметного ущерба конфокальности детектирующей системы. Для детектирования флуоресцентного излучения можно использовать пикселированный детектор.

Для генерации возбуждающего пучка при конфокальном линейном сканировании, предлагалось модифицировать оптическое устройство для производства сканирования сфокусированным пятном за счет добавления оптического элемента, например, цилиндрической линзы, который добавляет так называемый астигматизм. Если поперечное сечение пучка задать как плоскость XY, то каждый луч в пучке можно выражать координатами (x, y). Пучок является астигматическим, если лучи на оси x, с координатами (x, 0), имеют другой фокус, чем лучи на оси y, с координатами (0, y).

Сущность изобретения

Создание астигматизма с помощью дополнительного компонента, например, цилиндрической линзы, увеличивает сложность и стоимость вышеописанного решения. Задачей этого изобретения является объединение нескольких функций в одном оптическом элементе для обеспечения улучшенного решения.

Изобретение задано независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения задают преимущественные варианты осуществления.

Согласно первому аспекту изобретения, предусмотрена оптическая система для освещения образца линейным пучком.

Изобретение позволяет использовать существующее устройство формирования пучка, обычно используемый для придания световому выходу более круглого поперечного сечения, совместно с системой формирования изображения, которая освещает образец, для обеспечения контроля или анализа образца линейным пучком.

Оптическая система, предпочтительно, содержит средство для сканирования образца линейным пучком. Таким образом, изобретение позволяет создать значительно меньшую и более компактную сканирующую систему с линейным освещением на основе повторного использования стандартных оптических компонентов запоминающего устройства в оптической системе.

Эта более компактная оптическая система позволяет значительно уменьшить оптический тракт на основе конфокальной оптики и оптический тракт, используемый в системе CD или DVD, внося минимальное количество изменений в стандартный оптический тракт DVD. Это обеспечивает решение, которое можно без труда реализовать на существующих производственных линиях DVD.

Отношение длины одной из фокальных линий окончательного астигматического изображения к расстоянию между формирователем пучка и положением формирователя пучка, для которого астигматическое расстояние промежуточного изображения равно нулю, предпочтительно, задается в виде:

где n - показатель преломления среды образца, NA - выходная числовая апертура системы формирования изображения, М увеличение системы формирования изображения, и М_x и M_y - первое и второе увеличения формирователя пучка для двух фокальных линий промежуточного изображения.

Окончательное астигматическое изображение предпочтительно содержит линейный фокус, как объяснено выше. Ширина линии может быть ограничена дифракционным пределом, поэтому предусмотрена конфокальная система формирования изображения. Например, система может содержать конфокальный микроскоп на основе поглощательной, отражательной люминесценции или их комбинации. Источник света может содержать лазерный диод, но, в рамках объема изобретения, можно использовать любой другой источник света, например, светодиод и т.п.

Согласно второму аспекту изобретения, предусмотрено детектирующее устройство, включающее в себя осветительную систему, отвечающую изобретению, и детектирующую систему. В одном варианте осуществления, детектирующее устройство отделено от осветительной системы. Таким образом, детектирующая система и осветительная система могут располагаться на противоположных сторонах образца/подложки и могут использовать раздельные оптические элементы и компоненты. Преимущество такой конфигурации в том, что можно использовать обе стороны подложки для оптического доступа к образцу в подложке.

В другом варианте осуществления, осветительная система и собирающая конструкция детектирующего устройства могут совместно использовать возбуждающую/собирающую линзу, и детектор может содержать линзу формирования изображения, которая сфокусирована на поверхность детектирования. Это обеспечивает компактное детектирующее устройство, преимущество которой над другими обусловлено преимуществами осветительной системы. Оно может быть более надежным и дешевым благодаря меньшему количеству деталей и менее сложной конструкции.

Согласно третьему аспекту изобретения, предусмотрен способ освещения для освещения образца линейным пучком. Способ допускает линейное освещение с использованием простой оптики CD и DVD, описанной выше.

Согласно четвертому аспекту изобретения, предусмотрен способ детектирования с использованием способа освещения, отвечающего изобретению, совместно со способом детектирования, согласно которому свет, излучаемый образцом и генерируемый линейным пучком, собирается и детектируется. Таким образом, согласно этому способу детектирования, линейный пучок используется для освещения образца, при котором световой пучок взаимодействует с образцом. После взаимодействия с этим освещающим светом, генерируемый свет, исходящий из образца и излучаемый образцом, собирается и детектируется. Термин 'генерируемый свет' означает свет светового пучка, который остается после поглощения или рассеяния части светового пучка анализируемым образцом, т.е. под взаимодействием здесь понимается поглощение или рассеяние света образцом. Этот оставшийся свет, подлежащий сбору, можно собирать и регистрировать с использованием пропускающего или отражающего оптического прибора, известного в технике. Таким образом, в этом случае, способ детектирования предполагает измерение, например, поглощения, с использованием линейного освещения. Кроме того, термин 'генерируемый свет' подразумевает люминесценцию, которая является обобщенным понятием, охватывающим флуоресценцию и фосфоресценцию. В последнем случае, способ детектирования предполагает измерение света, полученного в результате возбуждения образца линейным пучком.

Способ может предусматривать сканирование подложки или образца.

Краткое описание чертежей

Примеры изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

фиг.1 - известный флуоресцентный сканер на основе оптической системы DVD;

фиг.2 - детальная схема известного оптического устройства чтения CD/DVD;

фиг.3 - первый пример конфокального сканера, в котором используется оптическое сканирующее устройство, отвечающее изобретению;

фиг.4 - второй пример конфокального сканера, в котором используется оптическое сканирующее устройство, отвечающее изобретению; и

фиг.5а-5с - дополнительные примеры оптического сканирующего устройства, отвечающего изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Изобретение относится к оптической системе для освещения образца линейным пучком. Формирователь пучка преобразует пучок света, излучаемый источником света, в промежуточное астигматическое изображение, и система формирования изображения преобразует промежуточное астигматическое изображение в окончательное астигматическое изображение и освещает образец. Формирователь пучка обеспечивает разные неединичные увеличения в латеральной плоскости и в трансверсальной плоскости, и содержит тороидальную входную поверхность и тороидальную выходную поверхность, каждая из которых имеет конечный радиус кривизны.

Известны способы и устройства для детектирования флуорофоров в устройстве путем возбуждения флуорофоров световым излучением через линзу объектива и сбора флуоресцентного излучения, например, через ту же линзу в отражательном режиме. Флуоресцентное излучение проецируется на сенсорное устройство после прохождения фильтрующего устройства, выделяющего нужный диапазон длины волны. Линза может контролируемо перемещаться в трех направлениях с помощью различных средств привода, для обеспечения сканирования исследуемого образца. Обычно используется конфокальное устройство формирования изображения.

На фиг.1 показаны основные компоненты известного флуоресцентного сканера на основе оптической системы DVD. Исследуемый образец заключен в данный объем в подложке 20.

Свет, генерируемый источником света 24, например, лазером, используется для возбуждения флуоресценции. Свет коллимируется коллиматорной линзой L1 и затем фокусируется на образец посредством возбуждающей линзы 26.

Линза 26 может перемещаться относительно образца, предпочтительно, во всех трех измерениях. Это относительное движение можно произвольно разлагать на составляющие, например, образец может перемещаться в плоскости XY, а линза - в направлении z. Альтернативно, образец может быть неподвижным, а линза может иметь все три степени свободы (x-y-z). Возможна и любая другая конструкция.

Лазерный свет отражается поляризационным делителем пучка 21, т.е. отражателем, зависящим от поляризации, и проходит через четвертьволновую пластинку 22 и первый полосовой фильтр 23.

Дихроичный делитель пучка 25, т.е. отражателем, зависящим от длины волны, направляет лазерный свет на возбуждающую линзу 26.

Флуоресценция, индуцированная в результате фокусировки возбуждающего света на образец, собирается собирающей линзой, которая в этом примере является тем же компонентом, что и возбуждающая линза 26, и направляется на детектор 28.

Любой отраженный лазерный свет, не испытавший поглощения, снова отражается делителем пучка 25, тогда как флуоресцентное излучение проходит через делитель пучка 25. Второй полосовой фильтр 27 обеспечивает дополнительную фильтрацию, и свет затем фокусируется на детекторе 28 линзой L2 формирования изображения, которая отображает образец на детектор 28.

Можно использовать много разных типов детектора, например, ламповый фотоумножитель, лавинный фотодетектор, детектор на ПЗС или фотодиодный детектор. Предпочтительно использовать детектор, обеспечивающий пространственное разрешение, например, пикселированный детектор. Это позволяет осуществлять линейную регистрацию и избавляет от необходимости в сканировании детектора по освещенной области линейным пучком.

Для конфокального формирования изображения, объем возбуждения должен оставаться минимальным, в идеальном случае, должен быть пятном дифракционного предела, которое может создавать возбуждающая линза 26. Типичный конфокальный объем составляет порядка кубического микрона, в зависимости от силы (числовой апертуры, NA) возбуждающей линзы 26. Флуоресцентное излучение, генерируемое в этом объеме, собирается собирающей линзой и отображается на детектор. Согласно конфокальному способу, фокальная точка конфокальна точке на тракте детектирования. В этой точке на тракте детектирования обычно располагается точечная диафрагма, позволяющая отфильтровывать любой свет, приходящий не из фокальной точки.

Свет, прошедший через точечную диафрагму, направляется на детектор. Детектор сам может играть роль точечной диафрагмы, с тем ограничением, что поперечный размер детектора должен совпадать с размером фокальной точки, умноженным на длину фокуса собирающей линзы 26 и деленным на длину фокуса линзы L2 формирования изображения.

Этот конфокальный режим наиболее пригоден для исследования поверхности иммобилизационной пробы, полученной в результате биоэксперимента конечной точки. Поверхность сканируется для анализа всего образца.

Поперечные размеры детектора выбираются с учетом полей собирающей линзы 26 и линзы L2 формирования изображения.

Устройство управления 29 точно фокусирует линзу объектива на внутренней поверхности аналитического устройства; поверхность объема в подложке 20, которая контактирует с аналитом, при сканировании этой поверхности. Фокус линзы объектива также можно преднамеренно смещать.

Изобретение можно реализовать в виде модификации системы, показанной на фиг. 1, которая приспособлена для обеспечения возбуждающего пучка в виде конфокальной линии, а не конфокального пятна. Предпочтительные примеры изобретения, опять же, основаны на стандартной оптике DVD (или DVD/CD).

В предпочтительном примере изобретения, стандартный формирователь пучка используется на выходе лазерного источника, и это обычно используется для того, чтобы сделать распределение интенсивности в конусе света, излучаемого лазером более симметричным. Однако в системе, отвечающей изобретению, формирователь пучка располагается по-разному относительно лазера для генерации необходимой величины астигматизма. Это можно использовать для формирования узкой линии дифракционного предела в фокусе собирающей линзы 26 вместо обычного круглого пятна дифракционного предела.

Использование традиционного формирователя пучка позволяет применять оптическую систему на основе оптики стандартного устройства воспроизведения/записи CD/DVD. Известная оптическая система схематически показана на фиг.2, причем для компонентов, соответствующих показанным на фиг.1, используются те же условные обозначения.

Для устройства чтения DVD используется красный лазерный диод 24. Угловое распределение интенсивности в излучаемом конусе света весьма асимметрично; угловая ширина в одном направлении, ортогональном оптической оси в два-три раза превышает ширину в другом направлении, ортогональном оптической оси. Эта асимметрия компенсируется формирователем 30 пучка.

Формирователь 30 пучка имеет входную поверхность, выходную поверхность, расположенные напротив друг друга, и оптическую ось, совпадающую с осью Z трехмерной прямоугольной системы координат XYZ. Формирователь 30 пучка предназначен для преобразования пучка, имеющего первое отношение между первой угловой апертурой в плоскости YZ системы координат, и второй, меньшей угловой апертурой в плоскости XZ, в пучок, имеющий второе, меньшее отношение между этими угловыми апертурами, причем этот элемент обеспечивает разное угловое увеличение в указанных двух плоскостях.

Таким образом, формирователь пучка предназначен для преобразования эллиптического выхода лазера в более однородный круглый выход.

Формирователь пучка, используемый в системе, отвечающей изобретению, предпочтительно, обеспечивает угловое увеличение в латеральной плоскости и угловое уменьшение в трансверсальной плоскости.

Разность между угловыми увеличениями, обеспечиваемыми формирователем 30 пучка в трансверсальной плоскости с одной стороны и в латеральной плоскости с другой стороны, практически полностью обеспечивается входной поверхностью, которая изменяет расхождение пучка, как в трансверсальной плоскости, так и в латеральной плоскости. Если формирователь пучка находится в среде, имеющей показатель преломления n₁, и если показатель преломления материала этого элемента равен n₂, то угловое уменьшение в трансверсальной плоскости равно n₁/n₂, и угловое увеличение в латеральной плоскости равно n₂/n₁, и сила формирования пучка приближенно равна (n₁/n₂)².

Поскольку два мнимых изображения, формируемых входной поверхностью, находятся в разных положениях вдоль оси Z, выходная поверхность должна иметь слегка тороидальную форму для объединения этих изображений в одно изображение. Радиус кривизны в плоскости XZ больше, чем в плоскости YZ. Тороидальная форма означает, что радиус кривизны поверхности в латеральной плоскости иной, чем в трансверсальной плоскости.

В центре входной поверхности обеспечен, по существу, цилиндрический участок, цилиндрическая ось которого параллельна оси Y и вносит угловое уменьшение в плоскости YZ и угловое увеличение в плоскости XZ. Сила формирования пучка теперь определяется двумя компонентами, т.е. угловым увеличением n₂/n₁ в латеральной плоскости и угловым уменьшением n₁/n₂ в трансверсальной плоскости. Каждый из этих компонентов можно реализовать с менее строгими допусками, чем те, которые применяются к формирователю пучка, в котором формирование пучка осуществляется только в одной из этих плоскостей.

Вариант формирователя пучка более подробно описан в US 5467335, который включен сюда в порядке ссылки.

Дифракционная решетка 32 располагается на траектории пучка для генерации пятен-спутников.

Поляризационный делитель пучка 21 отражает свет, и коллиматорная линза L1 используется для формирования коллимированного пучка. Он отражается складным зеркалом 34, четвертьволновая пластинка 22 преобразует линейно поляризованный свет в свет с круговой поляризацией, и этот свет затем фокусируется линзой 26 на слой данных в подложке 20. Конечно, для оптической системы, используемой в устройстве медицинской диагностики, слоем данных является поверхность, на которой происходит иммобилизация зондов захвата.

Затем свет отражается и собирается той же собирающей линзой 26. Затем свет снова проходит через четвертьволновую пластинку 22, преобразуясь в линейно поляризованный свет, направление поляризации которого перпендикулярно исходной поляризации. Пройдя через складное зеркало 34, свет фокусируется коллиматорной линзой L1.

Затем свет проходит через поляризационный делитель пучка 21. Затем свет, по большей части, проходит через дихроичное зеркало 36. Серволинза L2 формирования изображения добавляет некоторый астигматизм, который используется совместно с детектором 40 фокусировки и трекинга для генерации сигналов ошибочной фокусировки для регулировки и/или позиционирования фокуса и, таким образом, обеспечения обратной связи, например, в ходе сканирования образца или подложки.

Оптический тракт для света CD почти идентичен вышеописанному тракту для DVD. Для чтения CD, лазер DVD отключается, и инфракрасный лазерный диод 43 совместно с формирователем пучка 44 обеспечивают освещающий свет. Опять же, используется дифракционная решетка 42 для генерации пятен-спутников. Свет, по большей части, отражается дихроичным зеркалом 36 и затем, по большей части, проходит через поляризационный делитель пучка 21. Опять же, свет фокусируется на слое данных линзой 26. Отраженный свет снова собирается линзой 26. Этот свет снова частично проходит через поляризационный делитель пучка 21 и дихроичный делитель пучка 36 и снова отображается на детекторе 40 фокусировки и трекинга.

В одном примере изобретения, траектория пучка изменяется таким образом, что он становится пригодным для чувствительной детектирования флуоресценции. Как упомянуто выше, при наличии достаточно мощного лазера, выгодно распределять возбуждающий свет по большей площади для увеличения пропускной способности и усиления полного детектируемого сигнала без ущерба конфокальности. Для этого, обычно круглое пятно дифракционного предела можно удлинять в одном направлении, оставляя на дифракционном пределе в перпендикулярном направлении.

Это можно сделать, придав некоторый тип астигматизма пучку, входящему в линзу 26.

Заявитель рассмотрел разные способы внесения такого астигматизма, например, с помощью цилиндрической линзы или фазовой пластинки. Фазовую пластинку можно использовать для обеспечения линейного массива фокальных пятен или сплошной линии освещения, и цилиндрическую линзу можно использовать для обеспечения сплошной линии освещения.

В одном примере изобретения, вышеописанный формирователь 30 пучка перемещается вдоль оптической оси. Для этого не требуется никаких особых компонентов. Положение формирователя пучка обычно заранее точно отъюстировано при сборке и имеет возможность скользить взад-вперед.

Таким образом, изобретение предусматривает смещение формирователя пучка оптического считывающего устройства, при котором выходной пучок фокусируется в линию, которой можно сканировать плоскость. Можно сказать, что формирователь пучка в системе, отвечающей изобретению, преобразует пучок света, излучаемый источником света, в промежуточное астигматическое изображение, и затем система формирования изображения, например, комбинация коллиматорной линзы и линзы объектива, преобразует промежуточное астигматическое изображение в окончательное астигматическое изображение.

Астигматическое изображение (светоизлучающей) точки задано как состоящее из двух фокальных линий, которые перпендикулярны друг другу и перпендикулярны оптической оси, и которые разнесены вдоль оптической оси на определенное расстояние, астигматическое расстояние. Образец сканируется одной из двух фокальных линий в направлении, по существу, перпендикулярном линии и оптической оси. Длина фокальных линий пропорциональна этому астигматическому расстоянию. Если астигматическая длина приближается к нулю, длины двух фокальных линий также будут приближаться к нулю, т.е. линии будут стягиваться в одну точку.

Для реализации вышеописанных функций формирования пучка, формирователь пучка имеет первую преломляющую поверхность, радиусы кривизны которой в первом и втором направлениях, перпендикулярных оптической оси, существенно отличаются, вторую преломляющую поверхность, радиусы кривизны которой в первом и втором направлениях, перпендикулярных оптической оси, существенно отличаются, толщину и показатель преломления.

В общем случае, существует первое положение формирователя пучка относительно источника света, для которого астигматическое расстояние промежуточного изображения равно нулю. Формирователь пучка позиционируется относительно этого первого положения. В частности, положение формирователя пучка относительно источника света смещается относительно первого положения на расстояние Av, определяемое по формуле:

где L - длина (одной из) фокальных линий окончательного астигматического изображения, NA - выходная числовая апертура системы формирования изображения, n - показатель преломления образца, и М_x и M_y - первое и второе увеличения формирователя пучка, применительно к двум фокальным линиям промежуточного изображения.

Увеличение задается как sinα/sinβ, где α и β - наибольшие углы лучей в системе; α - угол входного луча, и β - угол выходного луча. Числовая апертура задается как sinα для входной числовой апертуры, и sinβ для выходной числовой апертуры. Если сторона объекта и/или изображения находится в среде с показателем преломления n, то числовая апертура равна n×sinα или n×sinβ, соответственно.

В этой конфигурации, длину фокальной линии, которая используется для сканирования, можно адаптировать к требованиям процесса сканирования, изменяя положение формирователя пучка. Таким образом, одна оптическая конструкция пригодна для различных типов сканирующих устройств.

Однако перемещение формирователя 30 пучка для управления формой возбуждающего пучка приводит к некоторой расфокусировке. Это не может приводить ни к каким проблемам. Однако, в любом случае, такую расфокусировку можно компенсировать, либо изменяя положение лазера 24, либо, в предпочтительном варианте осуществления, изменяя оптическую толщину компонента, заменяющего дифракционную решетку 32.

На фиг.3 показан оптический тракт, применяемый в первом примере системы, отвечающей изобретению, которая используется для возбуждения и детектирования флуоресценции. Большинство компонентов остаются неизменными и указаны теми же условными обозначениями. Формирователь пучка такой же, который обычно используется, но он перемещается вперед. Дифракционная решетка 32, генерирующая пятна-спутники, заменена полосовым фильтром 50, который спектрально очищает лазерный свет. Толщину этого фильтра можно использовать для точной настройки расфокусировки, вносимой перемещением формирователя пучка.

Благодаря перемещению формирователя 30 пучка, свет после коллиматорной линзы будет иметь довольно большой астигматизм. В одном направлении световой пучок “параллелен”, тогда как в перпендикулярном направлении немного расходится. Это приводит к образованию линейного фокуса после линзы объектива 26.

На поверхности образца генерируется флуоресцентное излучение. Этот флуоресцентный свет собирается линзой объектива 26 и частично проходит через поляризационный делитель пучка 21. Дихроичное зеркало 36 отражает большую часть флуоресцентного света на детектор 52 после прохождения через дополнительный фильтр 54 для режекции оставшегося возбуждающего света. Детектор предпочтительно реализовать в виде пикселированного детектора. Дихроичное зеркало может быть таким же, как на фиг.2, или можно использовать другое зеркало, оптимизированное для отражения флуоресцентного излучения.

Отраженный возбуждающий свет все еще проходит через дихроичное зеркало 36. Модифицированная серволинза 56 используется для коррекции большей части ранее внесенного астигматизма. Остаточный астигматизм можно использовать совместно с (стандартным) квадрантным детектором 40 для генерации сигналов ошибочной фокусировки.

Направление линии в фокальной плоскости должно быть перпендикулярным направлению быстрого сканирования. Этого можно добиться вращением сборки лазера и формирователя пучка или вращением всего OPU относительно оси движения.

На обратном пути отраженного света, астигматизм в пучке почти полностью компенсируется серволинзой 56. Оставшийся астигматизм используется совместно со стандартным квадрантным детектором 40 для генерации сигналов ошибочной автофокусировки. Остаточный астигматизм светового пучка означает, что изменение положения фокуса приводит к изменению относительной доли света, падающего на разные квадранты детектора. Из этих сигналов можно выводить сигнал ошибочной автофокусировки.

Второй вариант осуществления устройства, отвечающего изобретению, показан на фиг.4. Используется тот же способ возбуждения, что и на фиг.3, но детектор перемещается в другое положение. Благодаря замене складного зеркала 34 дихроичным зеркалом 60, флуоресцентный свет может проходить через этот элемент. Позади дихроичного зеркала, свет фильтруется фильтром 62 и затем фокусируется линзой 64 на детекторе 66.

Этот вариант осуществления требует больше модификаций оптического тракта DVD, описанного со ссылкой на фиг.2. Однако чувствительность этого варианта осуществления выше, чем варианта, показанного на фиг.3, поскольку флуоресцентный свет не делится на две части на поляризационном делителе пучка 21. Кроме того, в этом варианте осуществления можно поместить фильтр 62 в параллельную часть пучка. При использовании интерференционных фильтров это обеспечит улучшенную режекцию возбуждающего света, приводя к снижению фонового шума.

В стандартном OPU, клей, который обычно фиксирует формирователь пучка, можно просто удалить, что позволяет перемещать формирователь пучка к лазеру и от него. Система, отвечающая изобретению, была испытана, и было обнаружено, что она обеспечивает требуемое удлинение конфокального возбуждающего пучка, просто путем регулировки относительных положений формирователя пучка и лазера в стандартном OPU.

Выше было описано два примера на основе адаптации оптики DVD/CD. Изобретение не ограничивается этим подходом. На фиг.5 показано несколько вариантов осуществления на основе других комбинаций компонентов, которые можно использовать для реализации данного изобретения.

Если необходим только режим линейного освещения, можно использовать простейший вариант осуществления, показанный на фиг.5а. Обозначение компонентов такое же, как используемое на фиг.3 и фиг. 4, и система содержит формирователь 30 пучка, лазер 24 и линзу 26. Линейное освещение можно использовать не только в системах для детектирования флуоресценции, но и, например, в сканирующих микроскопах для измерения клеточных или патологических препаратов.

Для формирования системы, показанной на фиг.5b, добавляется система автофокусировки, в которой используется поляризационный делитель пучка 21 совместно с четвертьволновой пластинкой 22 для разделения возбуждающего и отраженного света.

Для объединения линейного освещения с детектированием флуоресценции, необходимо добавление дихроичного зеркала 34, что показано на фиг.5с, совместно с фильтрами 50 и 62 для отделения возбуждающего света от флуоресценции.

Изобретение обеспечивает модификацию оптического тракта таким образом, что он становится пригодным для чувствительной детектирования флуоресценции совместно с режимом линейного освещения. В предпочтительной реализации, “стандартный” формирователь пучка смещается для решения этой проблемы. Однако существуют и другие пути решения той же проблемы.

Ниже приведены два примеры:

(i) стандартный коллиматор, показанный на фиг.4 как L1, можно заменить специальным новым компонентом для реализации функции формирования пучка, и, таким образом, заменить формирователь 30 пучка.

(ii) формирователь пучка можно заменить специальным новым компонентом, который добавляет требуемый астигматизм в возбуждающий пучок. Это можно делать на выходе лазерного диода, который сам может включать в себя встроенный формирователь пучка.

В вышеприведенном примере, линза 26 используется для возбуждающего света и флуоресцентного света, и ее также можно использовать для сигналов фокусировки и трекинга. Для возбуждающего света и флуоресцентного света можно использовать раздельные линзы, например, при неперпендикулярных направлениях освещения, или для работы в режиме пропускания.

Изобретение не ограничивается описанными здесь примерами. Существуют различные модификации. Таким образом, например, изобретение описано со ссылкой на образец, который флуоресцирует благодаря флуорофорам. Однако изобретение, в целом, можно использовать в любых устройствах, которые генерируют оптический сигнал. Таким образом, можно измерять образцы, которые поглощают часть освещающего линейного пучка, в результате чего оставшийся линейный пучок свет собирается и обеспечивает свидетельство в отношении строения образца в отношении присутствия, идентичности и/или концентрации одной или нескольких его составляющих или присадок, которые облегчают регистрацию составляющих, например, маркеров. Аналогично, в процессе детектирования можно использовать эффект отражения линейного пучка, вызванный образцом. Альтернативно, линейный пучок может действовать как возбуждающий источник для возбуждения одной или нескольких составляющих образца или присадок, приводящего к генерации люминесцентного излучения, которое можно собирать и регистрировать. Здесь под люминесценцией мы понимаем обобщенный термин, охватывающий флуоресценцию и/или фосфоресценцию.

В целом, изобретение относится к генерации линии для освещения образца. Линия освещения обеспечивает вышеописанное преимущество детектирующего устройства. Изобретение представляет особый интерес для линейного сканирования или конфокального линейного сканирования в отношении ускорения процесса детектирования. Однако, в ряде случаев, сканирование для охвата участка поверхности может не требоваться. Изобретение и в этом случае обеспечивает свои преимущества.

Изобретение, в целом, применимо в области анализа образцов, где образцы подлежат исследованию в объеме или на поверхности. Таким образом, изобретение можно применять в аналитических способах, требующих линию возбуждение. Они также включают в себя анализ газообразных, жидких и/или твердых образцов.

Таким образом, изобретение можно использовать для химического анализа образцов, например, для определения их состава, или можно использовать для контроля окружающей среды или хода химических, биохимических или биологических процессов. Повышенная скорость сканирования позволяет собирать больше элементов данных за единицу времени, обеспечивая повышенную динамику измерений.

Не ограничиваясь областью биоанализа, предпочтительное применение изобретения относится к области молекулярной диагностики на основе детектирования, например, нуклеиновых кислот после амплификации, белков или других биохимических или биологических сущностей. Другие предпочтительные области применения включают в себя клиническую диагностику, диагностику на месте, развитые биомолекулярные диагностические исследования и оптические биосенсоры, в частности, связанные со способами детектирования ДНК совместно с амплификацией, например, PCR, q-PCR, и т.д. Изобретение также можно использовать как линейный сканер для формирования изображений клеток и/или тканей, например, в патологических целях. Изобретение также можно использовать для детектирования в иммуноанализе для обнаружения белков.

Вышеупомянутые варианты осуществления призваны иллюстрировать, но не ограничивать изобретение, и специалисты в данной области техники могут разработать многочисленные альтернативные варианты осуществления, не выходя за рамки объема формулы изобретения. В формуле изобретения, любые условные обозначения, заключенные в скобки, не следовать рассматривать в порядке ее ограничения. Слово “содержащий” не исключает наличия элементов или этапов, помимо перечисленных в формуле изобретения. Употребление названия элемента в единственном числе не исключает наличия совокупности таких элементов. В пункте устройства, где перечислено несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы в одном и том же элементе оборудования. Лишь только тот факт, что некоторые меры упомянуты в разных зависимых пунктах, не говорит о том, что комбинацию этих мер нельзя выгодно использовать.

Устройство детектирования люминесценции в образце включает оптическую систему для освещения образца линейным пучком, содержащую источник света (24), имеющий асимметричное распределение интенсивности, формирователь (30) пучка, преобразующий пучок света от источника света в промежуточное астигматическое изображение, и систему (L1, 26) формирования изображения для преобразования промежуточного астигматического изображения в окончательное астигматическое изображение. Формирователь пучка расположен таким образом, что пучок на выходе из оптической системы фокусируется в линейный пучок. Формирователь (30) пучка обеспечивает разные неединичные увеличения в латеральной плоскости и в трансверсальной плоскости и содержит тороидальную входную поверхность и тороидальную выходную поверхность, каждая из которых имеет конечный радиус кривизны и выполнена с возможностью делать распределение интенсивности в конусе света, излучаемого посредством источника света, более симметричным. Технический результат - уменьшение габаритов, повышение надежности устройства, упрощение конструкции. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство детектирования для детектирования люминесценции в биологическом или минеральном образце, причем устройство детектирования содержит оптическую систему для освещения образца линейным пучком, причем оптическая система содержит:
источник света (24), имеющий асимметричное распределение интенсивности;
формирователь (30) пучка, который позиционирован таким образом, чтобы преобразовывать пучок света, излучаемого источником света, в промежуточное астигматическое изображение; и
систему (L1, 26) формирования изображения для преобразования промежуточного астигматического изображения в окончательное астигматическое изображение, причем положение формирователя пучка является таким, что пучок на выходе из оптической системы фокусируется в линейный пучок, и причем система формирования изображения служит для освещения образца (20),
причем формирователь (30) пучка обеспечивает разные неединичные увеличения в латеральной плоскости и в трансверсальной плоскости, и содержит тороидальную входную поверхность и тороидальную выходную поверхность, каждая из которых имеет конечный радиус кривизны, и выполнена с возможностью делать распределение интенсивности в конусе света, излучаемого посредством источника света, более симметричным.

2. Устройство детектирования по п.1, в котором формирователь (30) пучка имеет оптическую ось, совпадающую с осью Z трехмерной прямоугольной системы координат XYZ, и сконфигурирован для формирования ассиметричного пучка, обеспеченного источником (24), имеющего первое отношение между первой угловой апертурой в плоскости YZ, и второй, отличающейся, угловой апертурой в плоскости XZ в узкую линию дифракционного предела, имеющую угловое увеличение в латеральной плоскости и угловое уменьшение в трансверсальной плоскости.

3. Устройство детектирования по п.1 или 2, в котором формирователь пучка содержит формирователь пучка оптического устройства считывания CD/DVD.

4. Устройство детектирования по п.1, в котором ширина линии равна дифракционному пределу.

5. Устройство детектирования по п.1 или 2, в котором отношение (а) длины одной из фокальных линий окончательного астигматического изображения к (b) расстоянию между формирователем пучка и положением формирователя пучка, для которого астигматическое расстояние промежуточного изображения равно нулю, выражается в виде
$$\frac{NA\left(M_x^2-M_y^2\right)}{\sqrt{1-N{A}^2/n^2}{M}^2}$$
где n - показатель преломления среды образца, NA - выходная числовая апертура системы формирования изображения, М - увеличение системы формирования изображения, и М_х и M_y - первое и второе увеличения формирователя пучка для двух фокальных линий промежуточного изображения.

6. Устройство детектирования по п.5, в котором оптическая система дополнительно содержит коллиматорную линзу (L1) и возбуждающую линзу (26) между формирователем (30) пучка и образцом.

7. Устройство детектирования по любому из пп.1, 2, 6, дополнительно содержащее оптическую собирающую конструкцию (26) для сбора света, излучаемого от образца и генерируемого линейным пучком; и систему детектирования (40) для детектирования собранного света.

8. Устройство детектирования по п.7, дополнительно содержащее дихроичное зеркало (34) для разделения света от оптической системы источника света и света, излучаемого от образца.

9. Устройство детектирования по п.7, в котором система (26) формирования изображения и оптическая собирающая конструкция (26) совместно используют возбуждающую/собирающую линзу.

10. Устройство детектирования по п.8 или 9, в котором детектирующая система (40) содержит линзу (56) формирования изображения, которая сфокусирована на поверхность детектирования.

11. Устройство детектирования по любому из пп.8 или 9, в котором свет, излучаемый от образца и генерируемый линейным пучком, содержит люминесцентный свет.

12. Способ освещения для освещения биологического или минерального образца линейным пучком и детектирования люминесценции в образце, содержащий этапы, на которых
генерируют пучок света с использованием источника света (24), преобразуют пучок света в промежуточное астигматическое изображение с использованием формирователя (30) пучка, который выполнен с возможностью делать распределение интенсивности в конусе света, излучаемого посредством источника света, более симметричным, причем формирователь пучка позиционирован таким образом, чтобы преобразовывать пучок света в промежуточное астигматическое изображение; и
преобразуют промежуточное астигматическое изображение в окончательное астигматическое изображение с использованием системы формирования изображения; собирают свет, излучаемый образцом и генерируемый световым пучком, и детектируют собранный свет,
причем формирователь (30) пучка обеспечивает разные неединичные увеличения в латеральной плоскости и в трансверсальной плоскости, и содержит тороидальную входную поверхность и тороидальную выходную поверхность, каждая из которых имеет конечный радиус кривизны, и причем положение формирователя пучка является таким, что пучок на выходе из оптической системы фокусируется в линейный пучок.