專利名稱：具有聚焦光學(xué)器件的光生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于光生物傳感器的聚焦光學(xué)器件、包括這樣的光學(xué)器件的生物傳感器以及用于將調(diào)查區(qū)域成像在光探測(cè)器的探測(cè)器平面上的方法。
背景技術(shù)：
W02008/155716公開了一種光生物傳感 器，在該光生物傳感器中輸入光束被全內(nèi)反射，并且針對(duì)反射表面處的目標(biāo)成分的量探測(cè)和評(píng)價(jià)所產(chǎn)生的輸出光束。當(dāng)在這樣的或類似的生物傳感器并行測(cè)試多個(gè)分析物時(shí)，通常必須將樣品提供在空間隔開的腔室中。這將增加必須被調(diào)查的視場(chǎng)，從而或者導(dǎo)致成像區(qū)域的邊緣處圖像劣化，或者導(dǎo)致復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
基于該情況，本發(fā)明的目的是提供允許在光生物傳感器的若干不同的樣品腔室中同時(shí)探測(cè)分析物的手段。該目的通過根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法以及根據(jù)權(quán)利要求15所述的用途來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中公開。根據(jù)其第一方面，本發(fā)明涉及用于光生物傳感器的聚焦光學(xué)器件，所述光學(xué)器件包括至少兩個(gè)聚焦小透鏡，所述至少兩個(gè)聚焦小透鏡設(shè)置為彼此相鄰以使得它們將沿著聚焦光學(xué)器件的主光軸導(dǎo)向的入射平行光束成像在公共平面上。在此使用的術(shù)語“小透鏡(Ienslet) ”表示基本上與常規(guī)光學(xué)透鏡相對(duì)應(yīng)，但是尺寸相對(duì)較小的透鏡。更準(zhǔn)確地說，這樣的小透鏡的尺寸小于將由光學(xué)器件處理的光束的直徑。因此，完整光束的處理需要應(yīng)用小透鏡陣列。優(yōu)選地，各個(gè)小透鏡相對(duì)于彼此固定，例如通過附接到公共框架上。隨后，聚焦光學(xué)器件可以作為單個(gè)物體操作?！爸鞴廨S”用于表征聚焦光學(xué)器件的幾何特性。通常，該主光軸對(duì)應(yīng)于聚焦光學(xué)器件的對(duì)稱軸和/或其平行于小透鏡在物側(cè)的各自光軸。在許多情況下，主光軸對(duì)應(yīng)于所有單獨(dú)光軸的平均。通常，折射光學(xué)元件的“光軸”被定義為沿其具有元件(并且，因此，關(guān)于其光學(xué)特性)的某種程度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的方向。而且，術(shù)語“物側(cè)”用于表示小透鏡和整個(gè)聚焦光學(xué)器件的一側(cè)；在應(yīng)用期間，物通常設(shè)置在聚焦光學(xué)器件的物側(cè)，而在相對(duì)側(cè)生成其圖像，因此該相對(duì)側(cè)被稱為“像側(cè)”。根據(jù)其第二方面，本發(fā)明涉及一種光生物傳感器，該光生物傳感器包括以下組件a)用于生成基本上平行的“輸出光束”的裝置，所述基本上平行的輸出光束從調(diào)查區(qū)域發(fā)出并且沿著被稱為“主光軸”的軸導(dǎo)向。調(diào)查區(qū)域通常是能夠由樣品接觸的某個(gè)表面的子區(qū)域，其中調(diào)查區(qū)域的圖像的評(píng)價(jià)將生成關(guān)于所述樣品的某些信息。b)具有光敏探測(cè)器平面的光探測(cè)器。光探測(cè)器可以包括能夠探測(cè)給定光譜的光的任意適合的一個(gè)傳感器或多個(gè)傳感器，例如光電二極管、光敏電阻、光電管、CCD/CMOS芯片或光電倍增管。c)包括至少兩個(gè)聚焦小透鏡的聚焦光學(xué)器件，所述至少兩個(gè)聚焦小透鏡設(shè)置為彼此相鄰以用于將所述輸出光束聚焦到探測(cè)器平面上。換句話說，光生物傳感器的聚焦光學(xué)器件是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的聚焦光學(xué)器件，并且其物側(cè)朝向調(diào)查區(qū)域取向。根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及一種用于將調(diào)查區(qū)域成像到光生物傳感器的光探測(cè)器的探測(cè)器平面上的方法，所述方法包括以下步驟a)生成基本上平行的輸出光束，所述基本上平 行的輸出光束從調(diào)查區(qū)域發(fā)出并沿著被稱為“主光軸”的軸傳播；b)通過聚焦光學(xué)器件的小透鏡將前述輸出光束的相鄰子光束分別聚焦到所述探測(cè)器平面上。根據(jù)本發(fā)明以上方面的聚焦光學(xué)器件、光生物傳感器和方法均允許將大的平行輸出光束的若干子光束聚焦到探測(cè)平面的不同區(qū)域上。因此，能夠處理具有大直徑的輸出光束，同時(shí)因?yàn)樘幚硎窍鄬?duì)于有限擴(kuò)展的子光束進(jìn)行的，因此避免了邊緣區(qū)域的光學(xué)畸變。這允許使用高精度的光學(xué)測(cè)量來檢查光生物傳感器相對(duì)大的調(diào)查區(qū)域，而不需要可能難以調(diào)節(jié)的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)?；蛘撸ǘ鄠€(gè)設(shè)置為彼此相鄰的小透鏡的聚焦光學(xué)系統(tǒng)可以滿足需要。以下，將描述根據(jù)本發(fā)明以上方面所涉及的聚焦光學(xué)系統(tǒng)、光生物傳感器以及方法的本發(fā)明的進(jìn)一步進(jìn)展。從調(diào)查區(qū)域發(fā)出并由聚焦光學(xué)器件處理的平行輸出光束通常能夠以許多不同方式生成，例如將光透射通過調(diào)查區(qū)域。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，通過輸入光束在調(diào)查區(qū)域的全內(nèi)反射生成輸出光束。輸入光束可以由光生物傳感器的光源生成，該光源例如為可選地設(shè)置有用于成形和引導(dǎo)輸入光束的某些光學(xué)器件的激光器或發(fā)光二極管(LED)。光探測(cè)器優(yōu)選包括多個(gè)單獨(dú)的探測(cè)器單元，該探測(cè)器單元以下通常稱為“像素”。這樣的像素化的光探測(cè)器尤其可以由圖像傳感器實(shí)現(xiàn)，例如從數(shù)字照相機(jī)中已知的CCD或CMOS設(shè)備。多個(gè)探測(cè)器像素允許評(píng)價(jià)以空間分辨方式包含在輸出光束中的相對(duì)于調(diào)查區(qū)域的信息。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，生物傳感器包括圖像處理設(shè)備，例如具有用于數(shù)字圖像處理的相關(guān)軟件的計(jì)算機(jī)，所述圖像處理設(shè)備能夠處理由不同小透鏡生成的圖像。具體來說，圖像處理設(shè)備可以適于合并由不同小透鏡生成的圖像。如果由不同小透鏡生成的各個(gè)圖像在探測(cè)器平面由包含無用信息的邊界彼此分離，則該方法是有用的。隨后可以隔離包括有效圖像的探測(cè)器平面的區(qū)域，并且通過圖像處理設(shè)備將它們縫合在一起。調(diào)查區(qū)域可以優(yōu)選覆蓋多個(gè)物理上分開的、并可以分別提供樣品的樣品腔室，稱為“井(well)”。這樣的井例如可以在(透明的)載體的表面實(shí)現(xiàn)。提供分開的井允許在不同的條件下制備一個(gè)或多個(gè)樣品，并且允許并行評(píng)價(jià)這些制備。多個(gè)分開的井通常意味著相當(dāng)大的、拉長(zhǎng)形狀的調(diào)查區(qū)域。然而，借助于聚焦光學(xué)器件，可以將該調(diào)查區(qū)域精確地成像到探測(cè)平面上。具有所需成像特性(即，將平行光束成像在公共平面上)的聚焦光學(xué)器件可以例如由各自光軸在物側(cè)平行的小透鏡來實(shí)現(xiàn)。
為了避免由不同小透鏡生成的圖像相互重疊，小透鏡的放大率M優(yōu)選選擇為小于1，即|m| < I。然而，應(yīng)該注意，放大率大于I的情況也將可以工作，盡管隨后由于重疊圖像的一些部分將被認(rèn)為是無用的(如果樣品腔室經(jīng)過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，這將可以容忍)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，由至少一個(gè)小透鏡生成的圖像朝向所選軸偏移(相對(duì)于其光軸從物側(cè)到像側(cè)的延伸)。如果小透鏡具有小于I的放大率，通過將探測(cè)器平面上的這些圖像朝向所述選擇軸偏移，能夠避免由各個(gè)小透鏡產(chǎn)生的圖像周圍的“無用”邊界。所選軸通常選擇為對(duì)應(yīng)于聚焦光學(xué)器件的主光軸。小透鏡圖像的前述偏移能夠以不同方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)第一方法，通過使小透鏡在聚焦光學(xué)器件的像側(cè)的各自光軸會(huì)合來實(shí)現(xiàn)(朝向所選軸 )。在此，“小透鏡的像側(cè)的各自光軸”由沿著小透鏡的物側(cè)的各自光軸進(jìn)行的光線的像側(cè)路徑來限定。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，至少一個(gè)小透鏡在像側(cè)的(優(yōu)選為平坦的)面相對(duì)于主光軸傾斜。這意味著所述小透鏡在其像側(cè)的前述各自光軸也是傾斜的，這允許在探測(cè)器平面上偏移由小透鏡生成的圖像。根據(jù)前述實(shí)施例的進(jìn)一步發(fā)展，多個(gè)小透鏡在它們的像側(cè)具有這樣的傾斜表面，其中傾斜角度隨著小透鏡與所選軸(例如，與聚焦光學(xué)器件的主光軸)的距離而增大。利用該實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)小透鏡在像側(cè)的各自光軸的會(huì)合，并且因此朝向所選軸偏移小透鏡的圖像。根據(jù)該發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，至少一個(gè)小透鏡相對(duì)于該小透鏡所暴露于的輸出光束的子光束偏心。這意味著該小透鏡的光軸并不與所述子光束的中軸重合。采用多個(gè)這樣的偏心小透鏡，可以實(shí)現(xiàn)小透鏡圖像朝向所選軸的會(huì)合。該發(fā)明還涉及用于上述生物傳感器的聚焦光學(xué)器件的用途，用于分子診斷、生物樣品分析、化學(xué)樣品分析、食品分析和/或法醫(yī)分析。分子診斷可以例如借助于直接或間接附接到目標(biāo)分子的磁珠或熒光顆粒來實(shí)現(xiàn)。


參考下文描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面將明顯并清楚。這些實(shí)施例將通過借助于附圖示例的方式進(jìn)行描述，其中圖Ia以側(cè)視圖示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光生物傳感器；圖Ib以俯視圖示出圖Ia的生物傳感器；圖2示出包括兩個(gè)相鄰小透鏡的聚焦光學(xué)器件的實(shí)施例；圖3示出包括兩個(gè)在像側(cè)具有斜面的相鄰小透鏡的聚焦光學(xué)器件的實(shí)施例；圖4示出包括三個(gè)在像側(cè)具有不同斜面的小透鏡的聚焦光學(xué)器件的實(shí)施例；圖5示出具有偏心小透鏡的聚焦光學(xué)器件的實(shí)施例。在附圖中相差整數(shù)100的附圖標(biāo)簽表示相同或相似的組件。
具體實(shí)施例方式盡管以下將相對(duì)于特定的設(shè)置(使用磁性顆粒和受抑全內(nèi)反射作為測(cè)量原理)來描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于這樣的方法并可以有利地用于許多不同的應(yīng)用和設(shè)置中。圖Ia和圖Ib分別以側(cè)視圖和俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的具有光生物傳感器的常規(guī)設(shè)置。生物傳感器10設(shè)置包括例如可以由玻璃或像聚苯乙烯之類的透明塑料制成的載體11。載體11包括在其上“接觸表面” 12上的多個(gè)物理分開的樣品腔室或井2，在該樣品腔室或井中可以提供具有待探測(cè)的目標(biāo)成分(例如，藥品、抗體、DNA等等)的樣品液。樣品還包括磁性顆粒，例如超順磁性珠，其中通常將這些顆粒結(jié)合(例如，經(jīng)由具有抗體的涂層)作為前述目標(biāo)成分的標(biāo)簽(label)。為了簡(jiǎn)單起見，在附圖中僅示出了目標(biāo)成分和磁性顆粒的組合，并以下將稱為“目標(biāo)顆粒I”。應(yīng)該注意，也可以使用代替磁性顆粒的其它標(biāo)簽顆粒，例如帶電荷或熒光顆粒。載體11和井2之間的界面通常涂覆有可以特定地結(jié)合到目標(biāo)顆粒的例如抗體的捕獲元素。傳感器設(shè)備可以優(yōu)選地包括用于在接觸表面12和井2的鄰近空間中可控地生成磁場(chǎng)的磁場(chǎng)生成器(未圖示)，例如具有線圈和磁芯的電磁體。借助于該磁場(chǎng)，可以操控目標(biāo)顆粒1，即被磁化和被移動(dòng)(如果使用具有梯度的磁場(chǎng))。 因此，能夠例如將目標(biāo)顆粒I吸引到接觸表面12，以加速它們結(jié)合到所述表面，或在測(cè)量之前將未結(jié)合的目標(biāo)顆粒沖離接觸表面。傳感器設(shè)備還包括光源21,該光源21生成通過“入射窗”傳輸?shù)捷d體11的輸入光束LI?？梢允褂美缟逃芒?入=780nm) > DVD( A = 658nm)或BD(入=405nm)激光二極管、或準(zhǔn)直LED源作為光源21。準(zhǔn)直透鏡可用于使輸入光束LI平行，并且針孔可以用于控制光束直徑。輸入光束以大于全內(nèi)反射(TIR)的臨界角0。的角度到達(dá)接觸表面12的調(diào)查區(qū)域13，并且因此全內(nèi)反射為輸出光束L2。輸出光束L2通過另一表面(“出射窗”)離開載體11并且由光探測(cè)器31探測(cè)。光探測(cè)器31確定輸出光束L2的光量(例如，由整個(gè)光譜或某部分光譜中該光束的光強(qiáng)度表示)。在所示的實(shí)施例中，這借助于成像有調(diào)查區(qū)域13的探測(cè)器平面P來實(shí)現(xiàn)。在觀察時(shí)段內(nèi)通過耦合到探測(cè)器31的評(píng)價(jià)和記錄模塊31來評(píng)價(jià)和可選地監(jiān)控所探測(cè)的圖像信號(hào)I。所描述的光生物傳感器使用光學(xué)裝置進(jìn)行目標(biāo)顆粒I的探測(cè)。為了消除或至少最小化背景的影響(例如，諸如唾液、血液等樣品液的影響)，探測(cè)技術(shù)應(yīng)是特定于表面的。如上所指出的，這將通過使用受抑全內(nèi)反射(FTIR)的原理來實(shí)現(xiàn)。該原理基于以下事實(shí)在入射光束LI被全內(nèi)反射時(shí)，衰減波穿進(jìn)(在強(qiáng)度上指數(shù)地下降)樣品腔室2中。如果隨后該衰減波與類似所結(jié)合的目標(biāo)顆粒I的另一介質(zhì)相互作用，則部分輸入光將耦合到樣品液中(這被稱為“受抑全內(nèi)反射”)，并且反射強(qiáng)度將減少(而對(duì)于干凈的界面并且沒有相互作用，則反射強(qiáng)度將是100 %)。取決于干擾的量，即在TIR表面上或非常接近(在大約200nm內(nèi))TIR表面(不在樣品腔室2的其余部分中)的目標(biāo)顆粒的量，反射強(qiáng)度將因此下降。該強(qiáng)度下降是對(duì)于所結(jié)合的目標(biāo)顆粒I的量，并且因此是對(duì)于樣品中目標(biāo)顆粒的濃度的直接測(cè)量。對(duì)于通常應(yīng)用的材料，載體11的介質(zhì)A可以是玻璃和/或具有I. 52或更大的典型折射率的透明塑料。樣品腔室2中的介質(zhì)B將是含水的并且具有接近I. 3的折射率。這對(duì)應(yīng)于60°的臨界角0。。所描述的與用于刺激的磁性標(biāo)簽結(jié)合的光讀取具有以下優(yōu)點(diǎn)-廉價(jià)的測(cè)試盒(cartridge):載體11可以包括相對(duì)簡(jiǎn)單的、聚合物材料的注塑件。-激勵(lì)和感測(cè)是正交的目標(biāo)顆粒的磁激勵(lì)(通過大磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度)不影響感測(cè)過程。因此，光學(xué)方法允許在激勵(lì)期間連續(xù)地監(jiān)控信號(hào)。這有利于測(cè)定過程，并且允許基于信號(hào)斜率的簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)探測(cè)方法。-對(duì)于多分析物測(cè)試的大的復(fù)用可能性可以在大區(qū)域內(nèi)光掃描一次性測(cè)試盒中的接觸表面12?？商鎿Q的，大區(qū)域成像能夠允許大的探測(cè)陣列?？梢酝ㄟ^例如在光表面上噴墨打印不同的結(jié)合分子來制成這樣的陣列(位于光透明的表面)。-該方法還能夠通過使用多個(gè)光束、多個(gè)探測(cè)器以及多個(gè)激勵(lì)磁體(或者機(jī)械地運(yùn)動(dòng)或電磁激勵(lì))在(特定設(shè)計(jì)的)井板(well-plate)中進(jìn)行高通量測(cè)試。所描述的生物傳感器的一些應(yīng)用是心臟病發(fā)作的 探測(cè)或藥物濫用的使用。通過在生物測(cè)定中將磁珠結(jié)合或不結(jié)合到接觸表面，可以在例如唾液或人體血漿中探測(cè)多個(gè)生物標(biāo)記物。通過使用(受抑)全內(nèi)反射作為與磁激勵(lì)磁珠結(jié)合的探測(cè)技術(shù)，與短的測(cè)量/測(cè)定時(shí)間相結(jié)合取得了非常低的探測(cè)限(在PM范圍和甚至更低)。然而，如果多生物測(cè)定將在同一時(shí)間進(jìn)行，則當(dāng)一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)腔室中同時(shí)探測(cè)特定的生物標(biāo)記物時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問題。在同一時(shí)間進(jìn)行時(shí)，一些生物測(cè)定表現(xiàn)出干擾。而且，每個(gè)測(cè)定的最佳反應(yīng)條件會(huì)改變，例如，PH ;鹽、糖、特定的緩沖組件等等的使用。因此，如圖I所示，在一些情況中需要每個(gè)測(cè)定在其自己的反應(yīng)腔室或井2中進(jìn)行。因?yàn)榫?需要具有壁來限制液體、緩沖劑等，所以在傳感器的表面需要更多空間以分開容納所有分離的生物測(cè)定。這意味著必須被成像的調(diào)查區(qū)域13的傳感器表面增加。由于光平面的所選幾何形狀，最容易沿著光平面的長(zhǎng)度(圖I中y方向)延伸傳感器表面，即調(diào)查區(qū)域13變成非對(duì)稱的，并且僅在一個(gè)方向拉長(zhǎng)。這對(duì)于成像系統(tǒng)具有嚴(yán)重的后果，因?yàn)樵诒３志o湊的光學(xué)器件的同時(shí)需要更“長(zhǎng)”的視場(chǎng)。在生物傳感器10的實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，使用成像透鏡將調(diào)查區(qū)域13成像在(XD/CM0S照相機(jī)上。對(duì)于大約2Xlmm2的物尺寸，使用單個(gè)廉價(jià)的折疊準(zhǔn)直透鏡可以獲得清楚的圖像。如上所述，需要將物尺寸增加到具有6. 5X Imm2或者甚至更大的典型尺寸的更加拉長(zhǎng)的區(qū)域。因此，需要通過圖像透鏡對(duì)更大的場(chǎng)成像，并且光像差將部分地惡化圖像質(zhì)量。這可以通過使用多于一個(gè)透鏡元件的多個(gè)復(fù)雜透鏡的設(shè)計(jì)來克服。該方法的缺點(diǎn)在于增加了制造成本，因?yàn)樵谥圃爝^程期間，這些單獨(dú)的透鏡元件需要相對(duì)于彼此精確地對(duì)準(zhǔn)，并且需要多個(gè)光學(xué)組件。為了克服所述問題，這里建議僅使用包括一系列更小的小透鏡的單個(gè)透鏡元件。該小透鏡陣列可以例如使用標(biāo)準(zhǔn)的塑料注塑成型技術(shù)來生產(chǎn)。因此，所建議的方法僅使用一個(gè)單獨(dú)的透鏡元件并且僅需要過程對(duì)準(zhǔn)用以校正圖像聚焦。應(yīng)該注意，該方法僅可以合理地應(yīng)用在來自物的光束是良好準(zhǔn)直的、基本上平行的光束的成像系統(tǒng)中。對(duì)于圖I中所示的應(yīng)用，這是作為通過平行輸入光束LI的全內(nèi)反射(并且未通過例如散射)，產(chǎn)生到達(dá)成像透鏡的平行輸出光束L2來對(duì)物成像的例子。在技術(shù)方面因?yàn)槭褂脕碜怨庠?1的良好準(zhǔn)直光束進(jìn)行照明，物空間數(shù)值孔徑在生物傳感器應(yīng)用中幾乎是零。因此，所建議解決方案的主要操作原理是將主物(調(diào)查區(qū)域13)細(xì)分成具有輸出光束L2的相應(yīng)子光束L2'、L2"的更小的子物，從而使用作為小透鏡陣列或聚焦光學(xué)器件100的一部分的單個(gè)小透鏡LL對(duì)每個(gè)子物成像。結(jié)果是在探測(cè)器平面P上的一系列子圖像，這一系列子圖像可以在圖像處理設(shè)備32中使用標(biāo)準(zhǔn)的和簡(jiǎn)單的圖像處理技術(shù)縫合成一個(gè)單獨(dú)的圖像。
圖2示出特殊聚焦光學(xué)器件200的操作原理，該特殊聚焦光學(xué)器件包括兩個(gè)(相同的)設(shè)置為彼此相鄰的小透鏡LL。小透鏡LL具有直徑D、焦距f以及彼此平行并且平行于整個(gè)聚焦光學(xué)器件200的主光軸MOA的各自的光軸0A1、0A2(在物側(cè)，S卩，在圖2中的左側(cè))。通常來說，各自的光軸0A1、0A2是各自小透鏡LL的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸。通過減小最大視場(chǎng)角(由于對(duì)物進(jìn)行劃分并且通過分離的透鏡元件分別對(duì)子物成像)，使主圖像的邊緣的像差最小化。只要物空間數(shù)值孔徑(NA)幾乎是 零，即來自單個(gè)子物的光僅通過一個(gè)小透鏡LL成像，則所建議的方法就可工作。否則，單個(gè)子物的多個(gè)圖像將在探測(cè)器平面P上成像，從而造成該成像無效。還應(yīng)該注意，在兩個(gè)子圖像之間存在空的空間或邊界。該空的空間定義了可以用作探測(cè)器平面P的有限尺寸的放大率M的上限。顯然，小透鏡的放大率M應(yīng)該小于I (|m|<D以防止這兩個(gè)圖像重疊。在一般情況下，總的物尺寸由Htjw給定，要使用的小透鏡LL的數(shù)量是N > 2，放大率由M(-l < M < 0)給定，以及探測(cè)器尺寸是Hd6t。隨后的兩個(gè)過程可以是I、在使用圖像處理的軟件中縫合數(shù)字化圖像I。隨后放大率的上限由|M|_，并且-|M|max <M<0，以及下式給出I L (2N-l).Hob]2、使用成像光學(xué)器件將子圖像向主光軸偏移。在該情況下，可以使用整個(gè)傳感器表面，并且隨后最大放大率由下式簡(jiǎn)單給出|M|fflax = Hdet/HobJ現(xiàn)在將從子圖像的縫合開始，更具體地描述這些過程。如圖2所示，在探測(cè)器平面P上，由小透鏡陣列200形成寬度D M的子圖像陣列。這些子圖像可以通過使用已知圖像處理技術(shù)而縫合在一起。在該情況下，由于子圖像之間空的空間，實(shí)際使用的傳感器區(qū)域大于凈圖像區(qū)域。因此能夠使用的光學(xué)放大率M受限。在第二過程中，各自的子圖像可以在探測(cè)器平面P中偏移，以使得它們之間空的空間減小到最小以允許更大的放大率M。這可以在光學(xué)領(lǐng)域使用兩個(gè)方法來進(jìn)行2A、使用其中心相對(duì)于子物的中心的小透鏡LL，但是該小透鏡具有第二傾斜表面，其中在遠(yuǎn)離小透鏡陣列的主光軸時(shí)傾斜子表面的傾斜角增加(參考圖3、圖4)。2B、使用其中心相對(duì)于子物的中心偏離的小透鏡LL(圖5)。圖3和圖4示出用于各自具有兩個(gè)和三個(gè)的聚焦光學(xué)器件300和400的第一方法2A(具有傾斜表面的小透鏡陣列)。由小透鏡陣列成像的物可以認(rèn)為是一系列子物，每個(gè)子物由該陣列的單個(gè)小透鏡在像距b處單獨(dú)成像。Hb = H f-IIv = II f+Mlb^b = /-(I-M)使用小于I的放大率對(duì)每個(gè)子物進(jìn)行成像以防止子圖像重疊。因此，在每個(gè)子圖像之間存在空的空間，使得完整的圖像跨度沒有必要地大于所需的跨度。為了消除圖像中的這些空的空間，透鏡陣列可以配備有稍微傾斜的表面，將子圖像朝向光軸折射。這等于說小透鏡LL在像側(cè)的各自光軸OAl'、0A2'、0A3'會(huì)合，其中由沿著物側(cè)(單獨(dú)的和主的)光軸0A1、0A2、0A3、MOA傳播的光線的路徑來限定這些光軸。
對(duì)于每個(gè)子圖像所引用的傾斜量(角度P I、P 2、0 3)取決于子圖像相對(duì)于主光軸MOA的位置以及放大率M。對(duì)于每一個(gè)子圖像j，透鏡表面的所需傾斜角可以如下計(jì)算(其中j = 0對(duì)應(yīng)于最接近主光軸MOA的子圖像；當(dāng)朝向物/透鏡陣列的外緣時(shí)，對(duì)于每個(gè)隨后的透鏡j增加I)子物的寬度是D。小透鏡LL的放大率|M|小于1，產(chǎn)生一系列在距離D上彼此分離的具有尺寸D |m|的子圖像。因此，在每一個(gè)具有寬度D (i-|M|)的子圖像之間存在空的空間。為了制成單個(gè)完整的圖像，所有子圖像必須朝向主光軸MOA偏移。對(duì)于第一子圖像，偏移角度a、計(jì)算如下
權(quán)利要求
1.一種用于光生物傳感器(10)的聚焦光學(xué)器件(100-500)，包括至少兩個(gè)聚焦小透鏡(LL)，所述至少兩個(gè)聚焦小透鏡設(shè)置為彼此相鄰以使得它們將沿著所述光學(xué)器件的主光軸(MOA)導(dǎo)向的入射平行光束(L2)成像在公共平面(P)上。
2.一種光生物傳感器(10)，包括 a)用于生成基本上平行的輸出光束(L2)的裝置(21，12)，所述基本上平行的輸出光束從調(diào)查區(qū)域(13)發(fā)出并且沿著主光軸(MOA)導(dǎo)向； b)具有探測(cè)器平面(P)的光探測(cè)器(31)； c)包括至少兩個(gè)聚焦小透鏡(LL)的聚焦光學(xué)器件(100-500)，所述至少兩個(gè)聚焦小透鏡設(shè)置為彼此相鄰以用于將所述輸出光束(L2)聚焦到所述探測(cè)器平面(P)上。
3.一種用于將調(diào)查區(qū)域(13)成像到光探測(cè)器(31)的探測(cè)器平面(P)上的方法，所述方法包括以下步驟 a)生成基本上平行的輸出光束(L2)，所述基本上平行的輸出光束從所述調(diào)查區(qū)域(13)沿著主光軸(MOA)發(fā)出； b)通過聚焦光學(xué)器件(100-500)的小透鏡(LL)，將所述輸出光束(L2)的相鄰子光束(L2'、L2")分別聚焦到所述探測(cè)器平面(P)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 通過輸入光束(LI)在所述調(diào)查區(qū)域(13)的全內(nèi)反射來生成所述輸出光束(L2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 所述探測(cè)器平面(P)包括探測(cè)器像素的陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 所述生物傳感器(10)包括圖像處理設(shè)備(32)，用以處理由不同小透鏡(LL)生成的圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 所述調(diào)查區(qū)域(13)覆蓋多個(gè)井(2)，其中每一個(gè)井能夠提供樣品。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(100-500)、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 所述小透鏡(LL)在物側(cè)的各自光軸(0A1、0A2、0A3)彼此平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(100-500)、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 每個(gè)小透鏡(LL)的放大率小于I。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(300-500)、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 由至少一個(gè)小透鏡(LL)生成的所述圖像朝向所選軸(MOA)偏移。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(300-500)、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述小透鏡(LL)在像側(cè)的各自光軸(OAl'、0A2'、0A3')會(huì)合。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(300-400)、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 至少一個(gè)小透鏡(LL)在像側(cè)的面相對(duì)于所述主光軸(MOA)傾斜。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聚焦光學(xué)器件(400)、光生物傳感器(10)或方法，其特征在于 傾斜角度(β I、β2、β3)隨著不同小透鏡(LL)與所選軸(MOA)的距離而增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(500)、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 至少一個(gè)小透鏡(LL)相對(duì)于其接收的所述輸出光束(L2)的子光束(L2,、L2")偏心。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚焦光學(xué)器件(100-500)或根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物傳感器(10)的用途，用于分子診斷、生物樣品分析、化學(xué)樣品分析、食品分析和/或法醫(yī)分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生物傳感器(10)的聚焦光學(xué)器件(100)，該聚焦光學(xué)器件允許使用簡(jiǎn)單裝置以將延伸的調(diào)查區(qū)域(13)精確地成像到探測(cè)器平面(P)上。為此，聚焦光學(xué)器件(100)包括至少兩個(gè)聚集小透鏡(LL)，所述至少兩個(gè)聚集小透鏡設(shè)置為彼此相鄰以使得它們將沿著主光軸(MOA)導(dǎo)向的入射平行光束(L2)成像在公共平面(P)上。由聚焦光學(xué)器件(100)接收的輸出光束(L2)可以優(yōu)選源自平行輸入光束(L1)在透明載體的調(diào)查區(qū)域(13)的全內(nèi)反射。
文檔編號(hào)G01N21/55GK102803930SQ201080028082
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者J·J·H·B·施萊彭, D·M·布魯斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司