專利名稱：共焦成像的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光學(xué)成像領(lǐng)域。確切地說，本發(fā)明涉及用于檢測微
陣列的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)顯微鏡提供用于以亞微米級分辨率來研究樣本的一種有力的工 具。例如，在生物與醫(yī)學(xué)中，使用一些合適的分子標簽如一些熒光標簽以及一 些熒光免疫檢驗標簽來標記單個的分子，并且用光學(xué)顯微鏡來檢測來自這些標 簽的獨特信號以確定它們的存在。亞微米級分辨率的檢測不僅允許確定被標記 分子的存在，還允許確定它們在細胞或者組織之中的或者在其周圍的位置。
光學(xué)顯微檢測系統(tǒng)的兩個相互矛盾的目標涉及到提供高速的成像與高 分辨率的成像。典型地，光學(xué)顯微鏡的分辨率與成像速度成反比。因此，通常 實現(xiàn)更高的分辨率要以更低的檢測速率為代價。協(xié)調(diào)上述矛盾的一種技術(shù)是根 據(jù)觀測樣本的細節(jié)或者其他實驗條件來選擇性地選定系統(tǒng)的分辨率。因此，人 們在樣本中搜索所感興趣的區(qū)域時可以使用較低的分辨率來實現(xiàn)較高的速度 而隨后一旦找到所感興趣的位置，就能夠以較高的分辨率來成像，盡管是以增 加圖像采集時間為代價。顯微鏡在三個維度上研究樣本的能力已經(jīng)有了一些顯著的提高。共焦 顯微鏡的出現(xiàn)以及通過相關(guān)技術(shù)所獲得的一些改進，允許以高分辨率來檢測三 維空間中的一個離散點，同時排除來自該點周圍空間的一些不需要的信號?？?以進行掃描共焦顯微術(shù)來有效地從樣本中取出檢測點并且采集來自各個點的 信號以重建該樣本的精確三維圖像。為光學(xué)顯微鏡開發(fā)的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了其他的一些圖像檢測領(lǐng)域。例 如，該技術(shù)已經(jīng)用于獲取包含成千上萬個附著在一個基片表面的分子探頭微陣 列的圖像。對所感興趣的生物樣本曝光之后對該微陣列的表面成像允許同時評
估成千上萬個目標分子，從而提供大量關(guān)于該樣本的信息。例如，微陣列可以 用來確定在一些特定條件下表達的基因的數(shù)量和類型，它可以進而提供對該條 件的生物響應(yīng)的整體的看法。而且，可以使用微陣列來評估個體的基因組成之 間的相似性與差異性以便可以確定一些具體特征的遺傳基礎(chǔ)。關(guān)于個體的基因 表達反應(yīng)和基因組成的信息可以用于診斷和預(yù)測目的，例如，確定對某種特定 疾病的易感性或者對某種特定藥物的反映。盡管微陣列檢測已經(jīng)從光學(xué)顯微方法的進展受益，但關(guān)于微陣列成像 有許多領(lǐng)域還沒有充分地涉足。特別是，旨在提高光學(xué)顯微方法的圖像分辨率 與采集效率的那些進展已經(jīng)通過改進三維共焦檢測與改變放大倍率級別而實 現(xiàn)。但是，陣列檢測典型地僅僅在二維上并且以一個固定的放大倍率水平來進 行。另外，高分辨率光學(xué)顯微方法方面的許多進展偏重分辨率的提高而不是掃 描速度。這些進展對于一個或者幾個生物細胞級別的小樣本的成像是有利的， 但是，這些進展未必有助于對實質(zhì)上更大樣本如微陣列的高分辨率掃描。
因此，對于允許以高分辨率與高速度來對微陣列以及其他二維的基片 進行成像的掃描裝置與方法存在一種需要。本發(fā)明滿足了這一需要并且還提供 了其他優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
對于微陣列成像與分析，本發(fā)明提供一種新穎的方法來滿足這些需求。 該技術(shù)可以廣范的微陣列技術(shù)一起使用，包括由微珠粒、照相平版術(shù)、印刷技 術(shù)、電化學(xué)技術(shù)等等制成的一些陣列。該技術(shù)依靠微陣列的共焦線掃描來對基 片上的一些單獨的點成像。掃描線可以包括一個以上光波長，例如來自激光器 的組合波長的激勵所產(chǎn)生的一個反向光束(retrobeam)中用于讀取不同顏色 的一對互補波長，它們共焦地指向該微陣列上順續(xù)的位點線。共焦線掃描的使 用大大提高了微陣列的成像速度，同時顯著地降低了作為該陣列上相鄰位點的 不需要的激勵的結(jié)果而產(chǎn)生的串擾的潛在可能性。本發(fā)明提供一種成像裝置。該成像裝置可以包括(a) —個輻射源，該 輻射源被設(shè)置為將激發(fā)輻射發(fā)送到一個樣本區(qū)域的至少一個部分上；(b) —個 矩形探測器陣列；(c)成像光學(xué)部件，該成像光學(xué)部件被設(shè)置為將該部分的一
個矩形圖像定向到該矩形探測器陣列上；和(d) —個掃描裝置，該掃描裝置 被配置為在一個掃描軸線的方向上掃描該樣本區(qū)域，由此改變在該矩形探測器 陣列上形成一個矩形圖像的該樣本區(qū)域的部分，其中該矩形探測器陣列的兩個
矩形維度(dimension)中較短的一個以及該圖像的兩個矩形維度中較短的一 個是處在該掃描軸線的維度上，并且其中該矩形探測器陣列的兩個矩形維度中 較短的一個是足夠的短以便在該矩形探測器陣列的一根單一的軸線上實現(xiàn)共 焦，其中該單一的軸線是對于該矩形探測器陣列而言兩個矩形維度中較短的一 個°本發(fā)明進一步提供一種獲取樣本圖像的方法。該方法可以包括步驟 (a)用激發(fā)輻射來接觸一個樣本的至少一個第一部分，其條件是輻射是從該第 一部分發(fā)出；(b)定向從該第一部分發(fā)出的輻射以便在一個矩形探測器陣列上 形成該第一部分的一個矩形圖像；和(C)在一條掃描軸線的維度上掃描該樣本 區(qū)域，從而重復(fù)該步驟(a)和(b)以便在該矩形探測器陣列上形成該樣本的
一個第二部分的一個矩形圖像，其中對于該矩形探測器陣列而言的兩個矩形維 度中較短的一個以及對于該圖像而言的兩個矩形維度中較短的一個是處在該 掃描軸線的方向上，并且其中對于該矩形探測器陣列而言的兩個矩形維度中較 短的一個是足夠短以便在該矩形探測器陣列的一條單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其 中該單一的軸線對于該矩形探測器陣列而言是兩個矩形維度中較短的一個。本發(fā)明還提供了配置一個掃描儀以便在一條單一的軸線上實現(xiàn)共焦的 一種方法。該方法可以包括步驟(a)提供一個裝置，它具有(i) 一個輻射 源，該輻射源被設(shè)置為將激發(fā)輻射發(fā)送到一個樣本區(qū)域的至少一個部分；(ii) 一個矩形探測器陣列；(iii)成像光學(xué)部件，該成像光學(xué)部件被設(shè)置為將該部 分的一個矩形圖像定向到該矩形探測器陣列上；和(iv) —個掃描裝置，該掃 描裝置被配置為在一個掃描軸線的方向上掃描該樣本區(qū)域，由此改變在該矩形 探測器陣列上形成一個矩形圖像的該樣本區(qū)域的部分，其中對于該矩形探測器 陣列而言的兩個矩形維度中較短的一個以及該圖像的兩個矩形維度中較短的 一個是處在該掃描軸線的方向上；和(b)定位該矩形探測器陣列或者該成像 光學(xué)部件以便將該矩形探測器陣列的兩個矩形維度中較短的一個限制得足夠
短以便在該矩形探測器陣列的一根單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其中該單一的軸線 對于該矩形探測器陣列而言是兩個矩形維度中較短的一個。本方法可以使用以下進一步詳細說明的裝置來實施。然而，應(yīng)理解以 下關(guān)于具體的裝置所示范的方法步驟還可以使用替代裝置來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的一些特定方面，用于對一個生物微陣列成像的一種方法 包括從多個對應(yīng)的激光器產(chǎn)生多個輻射束。然后這些輻射束被轉(zhuǎn)換成輻射線， 這些線的寬度大于高度。然后這些輻射線被組合到一根單一的輻射線中。然后 使用該單一的組合輻射線照射一個微陣列的一部分。由該部分的照射所產(chǎn)生的 來自該微陣列的輻射被共焦地返回到一個探測器，如一個探測器陣列。然后該 微陣列的該部分中的多個離散位點根據(jù)由該探測器所接收的輻射來成像。在一 個替代實施方案中，這兩條輻射線可以被組合為使兩條線幾乎在同一條線上并 且該微陣列的該部分用這些幾乎共線的輻射線來照射。這兩條線典型地以相當 于各線寬度的一個距離分開以便使得通道之間的串擾最小化。在一些具體的實 施方案中，該微陣列的部分中的這些離散位點可以根據(jù)由各用于這兩根幾乎共 線的輻射線之一的兩個探測器所接收的輻射來成像。本發(fā)明可以利用不同光學(xué)裝置來產(chǎn)生輻射線，并且用于共焦地照射該 微陣列，例如， 一個線形發(fā)生器光學(xué)元件可以用于將來自各個激光器的一個輻 射束轉(zhuǎn)換為一條線。示例性線形發(fā)生器光學(xué)部件包括，但不限于， 一個非球面 透鏡，如一個鮑威爾透鏡、 一個圓柱形透鏡或者一個衍射元件。然后可以提供 光學(xué)部件用于將線段聚焦在該微陣列的該部分上，并且將由該微陣列上的位點
的熒光所發(fā)生的輻射返回到該探測器。在一個替代實施方案中，來自多個單獨的激光器的輻射線可以首先被
組合，然后將組合束轉(zhuǎn)換成一條單個的輻射線。這一單個的輻射線，如以前，
然后可以共焦地對該微陣列的一個部分定向。如上所述，該組合束可以配置為 形成一條單個的輻射線或者可以配置為這兩條線幾乎共線并且該微陣列的一
個部分由這些幾乎共線的輻射線來照射。在不同的實施方案中，為了成像的目的該微陣列可以在所希望的方向 上緩慢地推進來依次地照射該微陣列上的多個位點。這些線段自身可以是連續(xù)
的或者，在特定的實施方案中，是不連續(xù)，但沿著該微陣列的線段同時照射多 個位點。


參照附圖閱讀以下詳細說明，本發(fā)明的這些以及其他的一些特征、方 面、以及優(yōu)勢將變得更好理解，貫穿這些附圖中的相同的符號代表相同的部件，
其中圖1是根據(jù)本技術(shù)的多個方面用于對一個微陣列進行共焦線掃描的 一個微陣列掃描系統(tǒng)的一個示意性的概貌；圖2是一個微陣列的一部分的示意性的透視圖，展示了一種示例性方 式，其中一條輻射線朝著該微陣列的多個區(qū)域(一些待成像的位點定位于其中) 定向；圖3是一個微陣列的一部分的更詳細的示意性圖示，它由一條共焦輻
射線來照亮以便根據(jù)本技術(shù)來對該微陣列上的這些位點成像；圖4是朝著一個微陣列的一個表面定向的一條組合輻射線的一個示
意性的透視圖，以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)的多個方面來共焦地照射該陣列的這些位
點并且將輻射共焦地返回到一個探測器；圖5是展示用于根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)來類似地照射一個微陣列的多個 位點的沿著一條線分布的一連串共焦定向的輻射束的一個類似的示意性透視 圖；圖6是為了一個微陣列的共焦線掃描而將一個激光器的輸出轉(zhuǎn)換成 一條輻射線的一種技術(shù)的一個示意性側(cè)視圖；圖7是一個類似的頂視圖，用于在本共焦線掃描技術(shù)中從一個激光器 的輸出到一條輻射線的轉(zhuǎn)換；圖8是由圖6和7的安排所產(chǎn)生的一條輻射線的強度分布的一個圖 形表示；圖9是根據(jù)本發(fā)明為了共焦線掃描而將一個激光器的輸出轉(zhuǎn)換為一 條輻射線而使用的一個模塊化安排的一個第一示例性構(gòu)造的示意性圖示；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個激光器輸出到一條輻射線的轉(zhuǎn)換的一個替 代安排；圖11是根據(jù)本發(fā)明將激光器輸出轉(zhuǎn)換為一條輻射線的一個進一步的 替代安排；圖12仍然是用于轉(zhuǎn)換激光器輸出來對齊一個輻射的再一個替代構(gòu) 造；圖13是適合于根據(jù)本發(fā)明使用的一個示例性線發(fā)生器模塊的一個剖 面圖；圖14是包括兩個激光束的一個掃描系統(tǒng)的一個示意性概要圖，其輸 出被組合用于一個微陣列的共焦線掃描；圖15是用于一個微陣列的多波長共焦線掃描的一個替代安排的示意 性概要圖；圖16是對一個微陣列進行多波長共焦線掃描的一個當前考慮的實施 方式的一個光學(xué)一機械的示意性表示；圖17是一個生物微陣列上的一系列單獨位點的示意圖，展示了本發(fā) 明的共焦線掃描如何通過降低潛在串擾來提高精確度，尤其是在該微陣列上相 對于圖像中使用的輻射線的這些位點特定類型的布局；圖18至21是可適合本發(fā)明使用的一些示例性輻射線發(fā)生器的示意 圖；圖22和23是可適合本發(fā)明使用一個熒光成像系統(tǒng)中的一些線發(fā)生 器的示意圖；圖24(a)-(c)是示出根據(jù)本發(fā)明的多個特定方面的一個激光光斑在 一個線掃描攝相機的投射和裝倉(binning)以及TDI實施方式的示圖；
圖25是一個圖像掃描系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)被配置為根據(jù)本發(fā)明的 多個方面來進行多譜熒光成像；圖26是與圖25所示的系統(tǒng)一起使用的一個示例性線掃描成像傳感 器的方框圖；圖27是一個進一步的圖像掃描系統(tǒng)的一個示意圖，該系統(tǒng)被配置為 進行多譜熒光成像；圖28是與圖27所示的系統(tǒng)一起使用的一個示例性線掃描成像傳感 器的方框圖；圖29是本發(fā)明使用的一個示例性線掃描成像探測器的方框圖；和
圖30(a)-(b)是本發(fā)明使用的其他一些示例性線掃描成像探測器的方 框圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供在保持高的分辨率與圖像質(zhì)量的同時具有快速的掃描時間 的一種圖像掃描系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)。這些以及其他優(yōu)點產(chǎn)生于配置一個探測器陣列以 便通過限制該探測器陣列的掃描軸線維度來在掃描軸線上實現(xiàn)共焦。如以下進 一步的詳細說明，本發(fā)明的一種裝置可以被配置為僅僅在在一個探測器陣列的 一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦，這樣共焦僅發(fā)生該維度上。該探測器陣列可以具有多個矩形維度，這樣該探測器較短的維度處于 該掃描軸線維度上。成像光學(xué)裝置可以被放置為將一個樣本區(qū)域的矩形圖像定 向到該探測器陣列上，這樣該圖像較短的維度也處在該掃描軸線的維度上。以 這一方式，該探測器陣列形成一個虛擬狹縫。相比于放置在一個探測器前面的 一個典型狹縫的使用而言一個虛擬狹縫的配置提供了許多優(yōu)點。例如，與其中 探測器陣列具有標準維度并與一個狹縫一起使用的構(gòu)造相比，將一個探測器陣 列配置為一個虛擬狹縫降低了無用陣列元件的數(shù)量。無用元件數(shù)量的降低提高 了數(shù)據(jù)采集的效率并且減小了圖像處理時間。而且，使用一個虛擬狹縫允許該 探測器與狹縫都處在投射透鏡的焦平面上，消除了各位置上的聚焦折中或者對 狹縫與探測器之間一個中繼透鏡的需要。當使用于將一條輻射線定向到一個樣本而進一步配置的一個成像裝置 中時，被配置為具有一個虛擬狹縫的探測器陣列是特別有用的。該輻射線可以 具有多個矩形維度，其中較短的維度是足夠短以便在對應(yīng)于該探測器陣列的較 短維度的一條單一的軸線上實現(xiàn)共焦。因此，可以為了激發(fā)、探測或者為了這 兩者實現(xiàn)共焦?？梢耘渲靡环N儀器來限制該共焦軸線上的激發(fā)誤差，這樣所有 的激發(fā)輻射主要地都包括在與該裝置的分辨率相當?shù)囊粋€光斑之中。包括形成一個虛擬狹縫的一個探測器陣列的一種裝置可以被配置為用
于以高分辨率(例如，幾個微米到亞微米的范圍之內(nèi))獲取該樣本的一個圖像。
在一些具體的實施方案中，能夠以0.2與10微米之間的瑞利分辨率來獲取一
個圖像。而且，該矩形探測器陣列的兩個矩形維度中較短的一個與該成像光學(xué)
部件的瑞利分辨率和該成像光學(xué)部件的放大倍率的乘積的比率可以用來確定 為在一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦的該虛擬狹縫的大小與維度。如果希望的話，
可以選擇一條輻射線的兩個矩形維度中較短的一個與該成像光學(xué)部件的瑞利 分辨率的比率來在一條單一的軸線上實現(xiàn)共焦。 相應(yīng)地，本發(fā)明的一個成像裝置可以配置為在垂直于該掃描軸線的 線段長度上具有與系統(tǒng)的分辨率相匹配的分辨率。例如在一個CCD裝置中，沿 著一條長度為2腿的輻射線(水平軸線)可以使用4000個CCD元素在一個樣 本上產(chǎn)生0.5陶的像素分辨率。在垂直于該輻射線(垂直軸線)的維度上CCD 元件個數(shù)"n"可以選定為基本上采集所有發(fā)射出的輻射而同時降低所采集 的不需要的背景輻射的量。 本發(fā)明的一種成像裝置可以進一步配置為使該垂直軸線上的所有像 素元素都被收集到一個公共的"倉(bin)"中并且作為一個單一的值來讀出。 與一種典型的時間延遲積分(TDI)的設(shè)計相比，該裝倉(binning)法的優(yōu)點 在于讀出速率可以降低一個因數(shù)"n"、該系統(tǒng)在一條軸線上具有共焦、并且 可以減小讀出與y-工作臺運動的同步定時的公差。應(yīng)理解可以通過限制垂直維 度像素的個數(shù)來將一個TDI的設(shè)計配置為具有一個虛擬狹縫。相對于n二l的系 統(tǒng)設(shè)計而言的另一個優(yōu)勢在于可以提高系統(tǒng)的采集效率以及可以降低對小的 光學(xué)對準漂移的靈敏度。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，并且首先參照圖1， 一個成像系統(tǒng)10被示意性地 展示為包括一個掃描儀12，其中為了成像的目的可插入一個樣本或者微陣列 14。如以下更全面的說明，該微陣列14包括一個基片或者支持件，其上形成 了一個位點陣列。每個位點包括一個附著的分子片段，如一個基因或者基因片 段，其上可以已經(jīng)附著了來自一個特定樣本的一個分子，在DNA或者RNA探 頭的情況下可以是一個互補分子。在本實施事例中，可以在該微陣列上的多個 部分或者片斷中成行地或者以網(wǎng)格的樣式提供上千個這樣的位點。該微陣列本
身可以由各種技術(shù)來形成，包括，如在本實施方案中，微珠粒技術(shù)。可以根據(jù) 本技術(shù)來成像的其他微陣列可以包括由照相平版術(shù)、和己知的或本技術(shù)領(lǐng)域所 開發(fā)的其他工藝所形成的微陣列。 掃描儀12將包括以下更加詳細說明的用于該微陣列14上這些位 點的共焦線掃描的光學(xué)部件。在所示實施方案中，該掃描儀是一個桌面裝置， 具有該微陣列或者多個微陣列可以放置在其中的一個樣本托盤16?？梢耘渲?該托盤來將該微陣列14推進到一個掃描位置之中，并且隨后緩慢地移動該微 陣列以便，如以下所述，照射該微陣列上的多個連續(xù)的線段，并且返回由多個 單獨位點的熒光所產(chǎn)生的輻射或者反向光束。也如以下所述，為了成像和分析 這些位點，這些反向光束被聚焦到一個探測器之上。在一些具體的實施方案中， 多個反向光束可以聚焦到多個不同的探測器。例如，如以下的進一步詳細闡述， 一個第一波長的反向光束可以聚焦到一個第一探測器上而一個第二波長的反 向光束可以聚焦到一個第二探測器上。 從一個控制器或者工作站18產(chǎn)生一些用于操作該掃描儀12的控 制信號。該工作站18還包括用于從該掃描儀12接收這些成像信號的軟件。 工作站18的該成像軟件通常將會在一個通用的或者專用的計算機中實施，它 還控制并且接收來自多個接口器件22的信號，它們典型地包括一個監(jiān)視器24 和多個輸入裝置26 ?？稍诠ぷ髡?8中運行的成像軟件將優(yōu)選地提供用于裝 載并初始化該掃描儀的一個直觀的界面，用于在多個微陣列上進行掃描，并且 用于存儲數(shù)據(jù)。在掃描過程中，該系統(tǒng)10為在此可以稱作紅色和綠色通道的 用于對該微陣列成像的輻射的不同波長創(chuàng)建多個單獨的文件。它們可以在一個 統(tǒng)一的文件中提供。數(shù)據(jù)以及多個有關(guān)的圖像然后能夠以一個方便的格式來存 儲，如一個常規(guī)的TIFF格式，或者任何其他合適的圖像數(shù)據(jù)格式或者協(xié)議。 該工作站18可以連接到其他網(wǎng)絡(luò)部件上，包括下游處理和用于更高級別的專 用軟件以及數(shù)據(jù)分析，例如通過圖1中總體地由參考號28來指明的一個網(wǎng)絡(luò)。
如上所述，該微陣列14將包括安排在一個基片的多個部分或者區(qū) 域中的多個位點，例如，如圖2中總體顯示的。如圖2所示，該微陣列14可 以包括一個支持件或者基片30,它可以是一個玻璃、 一個塑料、 一個半導(dǎo)體、 或者任何其他方便的支持件如本文中別處所說明的那些器件。在這一支持件
30上，配備有一個或者多個樣本區(qū)32，在其中形成多個單獨的位點，典型地 各配備有一個對應(yīng)的探頭分子。在本發(fā)明中，為了成像的目的由一條輻射線(總 體地由圖2中的參考號34標明)對該樣本區(qū)32進行掃描。由共焦地沿著該 線段34指向的激發(fā)輻射來形成該輻射線以便同時照射多個位點，如總體上由 圖2中的多個箭頭36所標明。已束縛了多個對象分子(例如基因片段)的 這些單獨的位點從而由于一個耙標與該位點的一種相互作用的染色指示的存 在而導(dǎo)致發(fā)出熒光，返回圖2中的多個線段38所標明的輻射。如以下所述， 這一返回的輻射，或者反向光束，將共焦地朝著一個成像探測器而定向，在此 將產(chǎn)生一個該線段的用于進一步處理與分析的圖像。為了允許連續(xù)地對這些位 點成像，然后，該整個微陣列可以緩慢地位移，如總體由參考號40所標明。 當該微陣列被位移時，該線條34 (沿著它的這些位點被照射)將總體地沿著該 微陣列上的多個連續(xù)的平行位置而前進。 根據(jù)這一共焦線掃描所成像的一個微陣列的一個示例性部分在圖3 中示出。再一次，參考號14指明該微陣列，而參考號32指明設(shè)置了多個單 獨位點多個樣本區(qū)域之一。在所示實施方案中，這些位點在一個總體的六角形 的圖案中提供。由線段34進行的掃描向前推進經(jīng)過多個位點42的多個順續(xù) 的行44。如以下更詳細的說明，盡管本共焦線掃描法可以通過該微陣列上多 個位點的不同布局或者網(wǎng)格圖形來使用，就其提供一個降低的由于多個位點或 者多個位點邊緣之間的放置與間隔而造成的串擾的可能性而言一個六角形圖 案是特別有用的。由于這一串擾的降低，該六角形封裝，總體地由圖3中的 參考號46標記，被認為提供了一個優(yōu)化的精確度，而通過這些位點密度的一 種較好的封裝而得到平衡。 如以下所述，并且也如圖3所示，當該微陣列14如參考號40所 示而推迸時，該共焦輻射線34照射沿著該線段定位的多個位點。該線段在圖 3所示的一個水平方向上的寬度大于其高度。因而，該線段可以照射一個位點 線或者位點行中多個相鄰位點而不照射相鄰行上的位點。然而，在本實施方案 中，該輻射線34足夠的細，在這些位點的水平上，或者具有圖3所示的安 排中的一個足夠的垂直高度以便允許其照亮小于這些位點所占據(jù)的整個面積 的(區(qū)域)。在一個當前考慮的實施方案中，該輻射線34，例如，長度為(水
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平維度)2mm而高度(垂直維度)小于3mm。從而，以上提到的為了成像而提 供的軟件可以采用多種技術(shù)，如時間延遲成像，其中來自以下所述探測器的讀 數(shù)隨著該樣本的運動而轉(zhuǎn)移以便提供每行或者每個線段中這些單獨位點的更 精確的表示。 為了說明的目的，本發(fā)明的許多方面已經(jīng)關(guān)于移動微陣列經(jīng)過一條 輻射線而進行示范。將應(yīng)理解也可以使用在移動該微陣列之余另外地或者替代 地移動該輻射線的實施方案。因此，線掃描可以通過一條輻射線和/或微陣列 相對于彼此的相對位移來進行。由該輻射線所激發(fā)的該樣本的一部分可以在該 探測器陣列(以下所述)上形成一個矩形的圖像。圖4是對該微陣列14成像的本共焦線掃描法的一個進一步的示意性 表述。如上所述，隨著該支持件30如參考號40所指示緩慢地移動，對該微 陣列沿著一個線段34進行輻射。如圖4所示，該線段34由來自一個輻射 源48的輻射形成，它朝著定向光學(xué)元件50而定向并且從此指向聚焦光學(xué)元 件52。如以下更加全面的說明，該輻射源48將會是具有線性橫截面的一個 光束或者是包括用于根據(jù)所使用的染料以來自樣本的對應(yīng)的不同波長來產(chǎn)生 熒光的多個光波長的一條輻射線。然后該聚焦光學(xué)元件52會共焦地將該輻射 線朝著該基片30而定向以便沿著線段34照射以上說明的這些位點。應(yīng)該注 意的是這些位點可以提供在該基片30的表面上或者略低于該表面(例如，在 一個保護膜和保護層的下面)。該沿著線段34的共焦照射將會以在該微陣列 中找到這些位點的任意水平來將該輻射基本上朝著它們自身聚焦。
在本實施方案中，該激發(fā)路徑54與用于從該樣本返回的由染料的與 附著在這些單獨的微陣列位點處的探頭上的分子關(guān)聯(lián)的熒光所產(chǎn)生的輻射的 一個返回束路徑56共平面。該返回的輻射再次由聚焦光學(xué)元件58來聚焦以 便它入射到一個探測器60上來創(chuàng)建圖像信號，這些信號用于重建該微陣列的、 以及該微陣列上多個單獨位點的一幅圖像。在以下將更詳細地說明用于創(chuàng)建該 輻射束、定向該光束到該微陣列、以及用于探測返回輻射的多個具體的實施方 案。應(yīng)該注意，總體上如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明，用于對這些位點同時成 像的該輻射線可以是一個連續(xù)的或者間斷的線段。圖5示意性地表示由多個共
焦定向的光束組成的一根間斷的線段，但它仍然沿著一個行34照射多個點。
在圖5所示的實施方案中，多個間斷地光束62是從多個分開但是相鄰的輻 射源40產(chǎn)生。如之前，這些光束共焦地朝著該微陣列定向并且沿著該微陣列 在一根線段34上照射多個相鄰的點64。正如以上所說明的用連續(xù)的共焦線 掃描，該微陣列典型地將會如箭頭40所示來緩慢地推進以便沿著該微陣列照 射多個順續(xù)的線段，并且從而照射多個位點的行或線。典型地，本發(fā)明用于同時激發(fā)并檢測一根線段。在某些實施方案中， 可以使用線共焦的點掃描以便該光學(xué)系統(tǒng)通過一個物鏡掃描該激發(fā)光束來透 過一個樣本指向一個激發(fā)點或者激發(fā)斑。檢測系統(tǒng)將來自該被激發(fā)的點的發(fā)射
物在該探測器上成像而無需對反向光束"解掃描(descanning)"。發(fā)生這一 點是因為該返回束被物鏡收集并且在返回經(jīng)過該掃描裝置之前從該激發(fā)光束 的光路分離出。因此取決于該物鏡上該初始激發(fā)斑的視場角，該返回束將在不 同的點上出現(xiàn)在該探測器上。在該探測器上，因為該激發(fā)點是跨過該樣本而被 掃描的，該激發(fā)點的圖像將以一根線段的形狀出現(xiàn)。例如，倘若該掃描裝置因 為某種原因而不能接受來自樣本的返回束時，這一結(jié)構(gòu)是有用的。能以高速進 行掃描但是能運用衍射現(xiàn)象來造成掃描的全息和聲光掃描裝置就是這樣的例 子。因此這些掃描特性是波長的一個函數(shù)。熒光中的返回束的波長不同于該激 發(fā)束。圖6和7展示了根據(jù)當前考慮的一個實施方案用于對一個微陣列進 行共焦線掃描的一個輸入激光束的一種示例性的線性化。圖6所表示的可以 看作是該輸入光束的轉(zhuǎn)換或者線性化的一個正視圖，而圖7可以看作展示了 一個頂視圖，盡管可理解地這些維度是能夠互換的，取決于該線段與待掃描的 微陣列的朝方向，如以下所述。如圖6所示，來自一個激光器(未示出)的 一個輸入光束66典型地會采取一個圓形的高斯光束66的形式。 一個非球面 透鏡68，如一個鮑威爾透鏡將該輸入光束轉(zhuǎn)換為朝著一個物鏡72定向的一 條輻射線70。如圖7的頂視圖所示，該非球面透鏡68有效地產(chǎn)生了一個總 體上扁平的輻射線，它被該物鏡72進一步轉(zhuǎn)換為一個共焦的集中光束74。
如圖8所示，圖6和7所示的安排生成了一個線性輻射區(qū)域，它可 以用來同時照射該微陣列上的多個位點。圖8是沿著由參照圖6和7所說
明的一個非球面透鏡所產(chǎn)生的一條輻射線的模擬照度的圖形表示。該光束的相
對照度由垂直軸線76標出，而毫米級的圖像坐標由水平軸線78表示。在所 示實施方案中，在該非球面透鏡的一個邊沿附近該照明強度急劇升高，如參考 號80所示并且在一個相對的邊沿附近急劇的下降，由參考號82所示。在這 些邊沿之間的一個有用的輻射段84具有基本上恒定不變的相對照度水平。在 本實施方案中，該輻射線的有用寬度86被用來同時照射該微陣列上的位點的 多個線或者行。圖8的模擬，例如，提供約L 024毫米的一個有用掃描長度86， 盡管許多因素，包括涉及到的光學(xué)部件可以提供其他的一些有用的輻射線長 度。正如本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認識到，為了以多個波長來成像， 根據(jù)本技術(shù)的一個共焦線掃描熒光成像系統(tǒng)將為多個多波長的線段提供受限 衍射寬度以及沿著一個長度的均勻分布以便照射多個樣本位點并且從而激發(fā) 多種熒光染料。圖6、 7和8所示的線段發(fā)生方法為這一輻射(多波長的光) 的線性化提供了一個示例性機制。該輻射線中多波長的提供將在以下更詳細地 說明。圖6、 7和8有效地將一個準直輸入光束成扇形地展開在一個維度上 并且在一個垂直維度上保持該光束的準直。然后該光束被該物鏡72聚焦為該 透鏡的焦平面上的一條受限衍射線?；谠摲乔蛎嫱哥R的馳度，優(yōu)選以一個具有限定的射束直徑的準直的 純高斯輸入光束產(chǎn)生一個均勻分布的線。 一項當前考慮的用于獲取一個具有幾 乎純高斯分布的光束的技術(shù)是利用一根單模光纖或者光纜來為該非球面透鏡 提供輸入。可以預(yù)見使用這一單模光纖或者光纜的多種安排。圖9示出一個第一 示例性實施方案，其中一個線性輻射源88包括耦合到一根單模尾光纖92并 通過它連接到一個線發(fā)生器模塊94的激光器90。圖9的示圖中省略了非球 面透鏡下游的物鏡。所產(chǎn)生的線段輪廓不僅對該輸入光束輪廓敏感，還對輸入 光束直徑、準直特性以及該光束相對該非球面透鏡的對中心性敏感。也就是說， 該非球面透鏡可以設(shè)計為用于一個限定的輸入光束直徑，并且將組件對齊，特 別是該線發(fā)生器模塊94的多個元件，來實現(xiàn)該設(shè)計性能。
26在所示實施方案中，該線發(fā)生器94包括多個光學(xué)元件，它們在一個
模塊化組件中被預(yù)先對齊以使之易于進行質(zhì)量控制以及在該掃描儀中的封裝。
特別地，線發(fā)生器模塊94可以包括一個準直器96，它將來自該單模光纖92
的輸入光束進行準直并且將該準直光束定向到一個非球面透鏡100。還可以采
用一個激光線形濾光片98，特別是對于熒光成像的一些應(yīng)用，來降低背景噪
聲。圖92的圖示可以對該單模光纖92的兩個末端提供預(yù)先裝配或者端接，
也就是，在該激光器90—端和在該線發(fā)生器模塊94一端。作為替代，對該線性輻射源88可以提供如圖10所示的一對尾光纖
的對接(splicing)。在圖10的實施方案中，該尾光纖92被預(yù)先連接到激
光器90，而一根第二尾光纖102被預(yù)先連接到線發(fā)生器模塊94。然后這兩
根光纖可以總體地如參考號104所示在一個中間點連接或者對接。在圖11所示的一個進一步替代的構(gòu)造中，可以在此使用一根單一的
尾光纖102，它可以與該線發(fā)生器模塊94預(yù)先裝配在一起。然而，在這一實
施方案中，該激光器90通過活性耦合將輸入提供到該尾光纖92，如參考號106所示。在總體上在圖12中說明的一個進一步替代的構(gòu)造中， 一根尾光纖 102可以與激光器90預(yù)先裝配在一起?？梢圆捎靡粋€可變擴束器108，而不 是如以上所述在該線發(fā)生器模塊94之中提供一個準直器，來為一個改進的模 塊110提供輸入，該模塊包括如同以前的一個非球面透鏡。圖12的實施方 案可能要求該輸入光束直徑通過該可變擴束器108來匹配所需的直徑。
—個示例性的線發(fā)生器模塊94總體地在圖13中示出。如上所述， 并且如圖13的實體實施方式所示，該模塊94可以通過一根單模光纖92來 接收接收總體上由參考號112表示的一個輸入光束。由該模塊發(fā)射一個輸出 輻射線114。在所示實施方案中， 一個光纖連接器116用來將該單模光纖92 連接到該模塊的輸入側(cè)。從這里，該光束傳輸經(jīng)過準直器96、激光線形濾光 片98 (在此提供的)、和非球面透鏡100。再一次，就其便于進行總系統(tǒng)的 裝配、光學(xué)器件的排列、以及以后(如果需要)對這些光學(xué)元件的維護和更換 而言，用于將該激光器的輸出轉(zhuǎn)換為一條輻射線的這些光學(xué)元件的模塊化得到 贊同。如上所述，在某些考慮到的實施方案中，該輻射源是一個激光器。其 他可用的輻射源可以包括，例如， 一盞燈如一盞弧光燈、石英鹵素燈以及發(fā)光 二極管。各種其他輻射源中的任意一個都可以根據(jù)希望而用于以一個特定的波 長激發(fā)一個樣本。按照對一個具體應(yīng)用的需要，該輻射源能夠以各種波長來產(chǎn) 生輻射，例如包括紫外、可見光譜以及紅外范圍內(nèi)的一個波長。例如，本發(fā)明
的一種裝置可以包括在405 nm、 488 nra、 532 nm或者633 nm發(fā)光的一個激 光器。此外如以下所指出的，該系統(tǒng)可以包括一個以上的輻射源。該多個輻 射源可以是各自能夠以不同的波長來產(chǎn)生輻射的激光器。對以不同的波長產(chǎn)生 輻射的多個輻射源的使用在(例如)樣本包括一個或者多個當以不同的波長來 激發(fā)時會產(chǎn)生不同的發(fā)射信號的熒光團的一些應(yīng)用中是有用的。 一些不同的發(fā) 射信號可以使用，例如，以下進一步詳細說明的多個檢測臂來同時采集。替代 地或者附加地，多個不同的發(fā)射信號可以隨著以不同的波長來進行的有序激發(fā) 來順序地采集。如上所述，本發(fā)明的一些特定的實施方案可以進一步包括被設(shè)置用來 接收來自一個輻射源的激發(fā)輻射并發(fā)送一個被擴大的輻射束到一個線發(fā)生器 的一個擴束器。在一些具體的實施方案中，由該輻射源產(chǎn)生的該激發(fā)光束的直 徑為大約lnmi。 一個第一擴束器能夠擴大該光束的直徑。例如，根據(jù)一個實施 方案，該擴束器將該激發(fā)束擴大到一個4imn的直徑。其他一些有用的擴束器可 以將一個輻射束的直徑變?yōu)橹辽偌s0. 5 mm、 1 mm、 2 mm、 5 mm、 10 mm、 15 mm、 20 mm或者更大。也如以上所討論的，在本發(fā)明中有用的一個線發(fā)生器可以包括被配置 用來產(chǎn)生具有均勻強度分布的一個受限衍射線的一個衍射元件。例如可以使用 圓柱面微透鏡陣列和一個聚光器?？梢耘渲迷搱A柱面微透鏡陣列來將激發(fā)輻射 聚焦到該聚光器的前焦面上以便產(chǎn)生一條具有均勻強度分布的受限衍射線。一 個線發(fā)生器的進一步的實例是具有角度均勻性和聚光器的一個一維漫射器，其 中該一維漫射器被放置在該聚光器的前焦面上以產(chǎn)生一條具有均勻強度分布 的受限衍射線。如果需要，該線發(fā)生器可以進一步包括一個非球面的折射透鏡
以產(chǎn)生一條具有均勻強度分布的受限衍射線。 一個示例性的非球面折射透鏡是 一個鮑威爾透鏡。在一個具體的實施方案中，該線發(fā)生器可以配置為接收具有4mm的直 徑的一個輸入激發(fā)束以便獲取一個6度的扇形角。其他有用的構(gòu)造包括，但不 限于，那些接收具有至多約0. lmm到50rara的一個輸入激發(fā)束的構(gòu)造。 一個線 發(fā)生器可以獲取全寬為至少約0. 1°到至多約80°的一個扇形角?？梢赃x擇該 光束直徑與扇形角以便實現(xiàn)用于一條輻射線的一個所需形狀。 一般地，該輻射 線的寬度取決于光束直徑，這樣一個更大的直徑在垂直維度上提供一條更寬的 輻射線，而該輻射線的長度取決于該扇形角，這樣一個更大的扇形角在水平維 度上提供一條更長的輻射線。典型地，該線段應(yīng)該看起來起源于該物鏡的瞳孔， 但這并不是必須的。如上所述，能夠產(chǎn)生一條線段的各種光學(xué)元件的任意一個品種都可以 放置在一個輻射源與一個待照射的樣本之間的光路中。例如，被聚焦在一個狹 縫上并且隨后被準直的一盞弧光燈可以用來產(chǎn)生一條線段。 一個進一步的實例 是具有變形(anamorphic)光束一個邊緣發(fā)射的激光二極管，它被聚焦時產(chǎn)生 一個線段。應(yīng)理解用于照射一個樣本區(qū)域的一個輻射源可以是其自身能夠產(chǎn)生 一個線段。因此，在本發(fā)明中有用的一個輻射源可以包括一個線發(fā)生器。
包括但不限于以上實例化的各種方法與裝置的任意一個品種都可以用 于將一條輻射線定向到一個樣本區(qū)域。該輻射線的多個維度可以選用于在一個 矩形探測器陣列的一根單一的軸線上實現(xiàn)共焦。更具體地說，該輻射線的垂直 維度維度可以是足夠地短以便在該探測器陣列的垂直維度上實現(xiàn)共焦。
本發(fā)明的一個線發(fā)生器典型地被配置為用來在樣本區(qū)域產(chǎn)生具有一個 矩形或者橢圓形狀的輻射線。示例性的形狀包括，但不局限于， 一個矩形的、 橢圓的、或者卵形的形狀。 一個線發(fā)生器可以被配置為用來產(chǎn)生具有以下所述 多個特性中的一個或者多個的一條輻射線。與一個樣本區(qū)域接觸的一條輻射線可以具有該輻射線垂直維度寬度的 1/e2與該矩形探測器陣列垂直維度維度除以在一個維度上產(chǎn)生共焦的該成像光 學(xué)部件的放大倍率的商之間的一個比率。例如，該比率可以是至少0.5、 1、 1.5、 2、 3或者更高。本發(fā)明的一種裝置可以配置為具有至多約2、 1.5、 1、
0.5或者更小的一個比率的上限。該比率可以根據(jù)需要而落在以上的范圍之外
或者包括在之內(nèi)，例如，在0.5到3的范圍內(nèi)。與一個樣本區(qū)域接觸的一條輻射線可以具有該輻射線的垂直維度與該 矩形探測器陣列垂直維度除以在一個維度上產(chǎn)生共焦的該成像光學(xué)部件的放 大倍率的商之間的一個比率。例如，該比率可以是至少約0.1、 0.5、 1、 5、 10或者更高。該比率的上限可以是至多約10、 5、 1、 0.5、 0.1或者更低。 該比率可以根據(jù)需要而落在以上的范圍之外或者包括在之內(nèi)，例如，在0. l到
10的范圍內(nèi)。而且，該輻射線垂直維度與該成像光學(xué)部件的瑞利分辨率之間的比率 可以是至少約0.1、 0.5、 1、 5、 IO或者更高。該比率的上限可以是至多約10、 5、 1、 0.5、 0.1或者更低。該比率可以根據(jù)需要而落在以上的范圍之外或者 包括在之內(nèi)，例如，在0.1到10的范圍內(nèi)。盡管本發(fā)明在此是關(guān)于用一條輻射線來接觸一個樣本區(qū)域的多個實施 方案而進行示范，應(yīng)理解與一個樣本區(qū)域接觸的該輻射可以具有其他形狀包 括，例如， 一個正方形或者圓。如以下說明，本發(fā)明的種裝置可以包括一個物鏡，它被設(shè)置為用來接 收經(jīng)由它而照亮一個樣本區(qū)域的輻射。該物鏡可以迸一步被設(shè)置為用來收集從 一個樣本區(qū)域發(fā)出的輻射并將其定向到一個探測器陣列?？扇芜x地，該裝置可 以包括一個第二擴束器，它被設(shè)置為用來接收來自該線發(fā)生器的激發(fā)輻射并且 將一個擴大的輻射束發(fā)送到該物鏡。該第二擴束器可以進一步被配置用來降低 該輻射線的視場角。例如，該激發(fā)束經(jīng)過該線發(fā)生器和/或一個第二擴束器之 后，它可以通過一個光束分離器被定向到一個物鏡上。在一些具體的實施方案 中，該物鏡具有一個外光瞳，它被設(shè)置為用來接收經(jīng)由它而照亮該樣本區(qū)域的 輻射線。優(yōu)選地，該光束分離器可以定位于該物鏡的入光瞳附近。該光束分離 器時可以被放置在相對于該物鏡的一個軸向或者橫向位置。如果需要， 一個物 鏡可以具有一個色度較正、高數(shù)值孔徑、遠心性、后焦面遠焦性的特性或者這 些特性的一個組合。光束分離器將輻射線定向到一個物鏡。該物鏡可以是一個顯微物鏡。 該物鏡可以具有一個20mm的焦距。相應(yīng)地，該物鏡可以具有一個O. 366的數(shù)
值孔徑。進一步，該物鏡可以具有一個+/- 3度的視場角和一個16mm直徑的 入瞳。優(yōu)選地，該物鏡是遠心的。在本發(fā)明中有用的示例性物方透鏡包括在通 過引用結(jié)合在此的US 5， 847， 400中所說明的那些透鏡。圖14展示以上說明的不同元器件在一個多波長掃描儀118中的總體 光學(xué)布局。該掃描儀118可以包括多個激光光源，其中兩個這樣的光源在圖14 的實施方案中示出。它們包括一個第一激光器120和一個第二激光器122。 與所需應(yīng)用有關(guān)，該第一激光器120在當前所考慮的一些實施方案中可以是 一個658nm的激光器、 一個750nm的激光器、或者一個635nm的激光器。該第 二激光器122可以是，例如， 一個488nm的激光器、 一個594nm的激光器或 者一個532nm的激光器。當然，可以使用其他波長的激光器。在本實施方案中， 當該第二激光器122是一個488nm的激光器時該第一激光器120是一個 635nm的激光器，或者當該第二激光器122是一個594mn的激光器時該第一 激光器120是一個750nro的激光器，或者當該第二激光器122是一個532nm 的激光器時該第一激光器120是一個658nm的激光器。盡管和諧地用于任何 具體成像序列的這些激光器的波長將會彼此不同以便允許區(qū)別該微陣列的各 位點上染料，各個激光器波長的選擇當然將會取決于該微陣列上所使用的染料 的熒光特性。激光器120和122各自連接到一根單模光纖124和126，如上所述。 而且，各光纖124和126饋入以上所述類型的一個線發(fā)生器模塊94。各模 塊94的下游，可以配備一個濾光輪。這些濾光輪根據(jù)所需功能用來阻斷、通 過或者衰減光。各激光器120和122的輸出將通過該對應(yīng)的單模光纖124和126轉(zhuǎn) 換為一個近似的純高斯分布，并且所產(chǎn)生的這些光束將通過這些線發(fā)生器模塊 94轉(zhuǎn)換為具有線性橫截面的光束，也稱作輻射線。在這些濾光輪128和130 的下游，這兩個輻射線將通過一個光束組合器132來組合。該組合的輻射線 134將因此在兩個波長上包括用于照射該微陣列的光。該組合輻射線134然 后被定向到一個二向色的光束分離器136，它將該光束定向為朝著聚焦光學(xué)部 件138。該聚焦光學(xué)部件138構(gòu)成一個顯微物鏡，它共焦地將該輻射線沿著 該線段而定向并集中到如上所述的微陣列14。盡管本發(fā)明在此是相對于形成
一根單一輻射線的一種組合輻射線而示范的，但應(yīng)理解兩根輻射線的組合方式 可以是兩根線段基本共線。因而，由該組合輻射線所照射的該微陣列的一個部 分將由這些幾乎共線的輻射線來照射。這兩根線典型地以相當于各線段寬度的 一個距離來分開以便使通道之間的串擾最小化。概括地如圖14所示，該微陣列14支撐在允許該微陣列在成像之前
或者成像的過程中的適當聚焦和運動的一個工作臺上。該工作臺可以配置為用 于移動該樣本，從而改變該矩形圖像與該矩形探測器陣列在該掃描軸線(垂直 的)維度上的相對位置。該平移工作臺的運動可以在一個和多個維度上，包括
例如與該輻射線的傳播方向正交的這些維度中的一個或者兩個并且被記作x和 y維度。在一些具體的實施方案中，該平移工作臺可以被配置為用來在垂直于 一個探測器陣列的掃描軸線的維度上運動。在本發(fā)明中有用的一種工作臺可以 進一步被配置用于在沿著典型地記作Z維度的該輻射線的傳播維度上的運動。 Z維度上的運動對于使該裝置聚焦可以是有用的。在圖14的構(gòu)造中，該工作 臺部件包括多個傾斜執(zhí)行器140，典型地用于使該輻射線聚焦；用于將該微陣 列放置在一個用于掃描的位置中并且用于多次掃描之間該微陣列的粗略運動 的多個Y-方向執(zhí)行器和退出元件142;以及用于該微陣列在掃描過程中的精細 運動的多個X-方向執(zhí)行器144。該微陣列14上的多個位點能夠以對應(yīng)于該激發(fā)束波長的多個波長來 發(fā)熒光并返回用于成像的輻射。本技術(shù)領(lǐng)域的普通人員將會認識到，激發(fā)該樣 本的染料的波長與它們發(fā)射熒光的波長取決于特定染料的吸收與發(fā)射譜。這一 返回的輻射將總體地如圖14所示的反向光束146傳播通過光束分離器136。 這一反向光束將總體地朝著用于成像目的的一個或者更多的探測器而定向。在 所示實施方案中，例如，該光束被朝著一個反射鏡148定向并且通過它定向 到第二個二向色光束分離器154。該光束的一個部分，如參考號154所示， 然后被多個反射鏡152定向到一個帶通濾光輪158，它對該光束進行濾光以 獲得對應(yīng)于該微陣列中這些位點的這些熒光染料之一的所需輸出波長。在一些 具體的實施方案中，被定向到不同反射鏡的光束的這些部分可以是形成兩個幾 乎共線的一個組合光束的對應(yīng)線段。 一個投射透鏡160然后將該濾波后的光 束定向到一個電荷耦合器件(CCD)傳感器164，它產(chǎn)生對應(yīng)于該輻射在所接
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收的光束中的位置的多個輸出信號。類似地，來自光束分離器150的光束的 一個第二部分被通過一個不同的帶通濾光輪158和投射透鏡160被定向?qū)Я?一個反射鏡。該第二光束156也可以通過可機動化的一個可任選的像差補償 裝置162來定向。該像差補償裝置162用來使兩個波長通道共焦。最后，被 濾光輪158和透鏡160濾光并聚焦的光束156被定向到一個第二CCD傳感器 166上。來自這些傳感器154和166的信號的接收與處理可以由一個控制板 168來管理。本發(fā)明的一個矩形探測器陣列可以被配置為用來形成一個之前在此說 明的虛擬狹縫。在一些具體的實施方案中，該虛擬狹縫的大小與維度可以由該 矩形探測器陣列垂直維度的維度與該成像光學(xué)部件的瑞利分辨率乘以該成像 光學(xué)部件的放大倍率的乘積之間的一個比率來確定。例如，該矩形探測器陣列 垂直維度與該成像光學(xué)部件的瑞利分辨率乘以該成像光學(xué)部件的放大倍率的 積之間的一個比率可以是在O. 1到10的范圍內(nèi)或者在0.5到3的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的一種裝置可以被配置為以一個需要的或者最優(yōu)的瑞利分辨率(包括， 例如，在0.2到10微米之間的一個瑞利分辨率)來獲取一個樣本的圖像。
在一些具體的實施方案中， 一個矩形探測器陣列在一個第一維上的檢 測元件的數(shù)量與該掃描軸線維度上檢測元件的數(shù)量的縱橫比可以大于2、 10、 50、 100、 1000或者更高。例如， 一個線掃描CCD攝相機可以被配置為用來 采集該第一維上的四千(4,000)個像素以及該掃描軸線(垂直的)維度上的n 個像素。該CCD線掃描攝相機可以設(shè)計為沿著該線段的長度上的分辨率與系統(tǒng) 分辨率相匹配。在此情況下，該水平軸線包括沿著一根2mm的輻射線段長度 的大約4000個CCD元件，在目標上產(chǎn)生一個0.5Pm的像素分辨率。垂直于該 水平軸線，也稱作垂直軸線，維度上的CCD元件的數(shù)量"ri"可以選定為在減 小所采集的背景輻射量的同時采集基本上所有所發(fā)射的輻射。根據(jù)本發(fā)明的一 個實施方案，該CCD具有4096個像素，大小各為12陶。需要一個25X的放大 倍率來將一根2ran的線段成像到這一維度的CCD。相應(yīng)地，n可以在六到八個 像素的范圍內(nèi)。該設(shè)計結(jié)構(gòu)限制了該共焦線上的激發(fā)誤差以便該激發(fā)輻射的 100%都絕對地包含在與系統(tǒng)的分辨率相當?shù)囊粋€斑點之內(nèi)。這一情況下，該 斑點的大小將是大約l.ORn。
盡管以上己經(jīng)將該裝置關(guān)于一個CCD線掃描攝相機而進行示范，應(yīng)理 解任意各種其他的探測器品種都可以使用，包括但不限于一種為TDI操作而配 置的一個探測器陣列、 一個CMOS探測器、APD探測器、蓋革模式的光子計數(shù)器 或者本文中別處所說明的其他探測器。總體上，圖14所示的各個元器件的工作可以由系統(tǒng)控制器170來協(xié) 調(diào)。在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)控制器將包括被設(shè)計用來控制這些激光器、該物鏡 138和微陣列支持件的運動與與聚焦、以及來自該傳感器164和166的信號 的采集與處理的硬件、固件以及軟件。該系統(tǒng)控制器因此可以存儲所處理的數(shù) 據(jù)，并且進一步處理用于產(chǎn)生所照射的在該微陣列上發(fā)熒光的這些位點一幅重 建圖像的數(shù)據(jù)。圖15示出該多波長掃描儀的一個替代安排，總體地由參考號172來 標記。在這一替代安排中，來自多個單獨激光器的光束被組合并且該組合光束 的橫截面隨后被一個非球面透鏡轉(zhuǎn)換為一個線性的形狀。因此，根據(jù)之前參 照圖14而概述的實施方案，輸入激光器120和122提供與用在一個微陣列 14上的各位點處的染料相對應(yīng)的多個光波長。然而，在本實施方案中， 一個 第一激光器120將其光束輸出到一根單模光纖124，后面跟隨一個將這一輸 出進行準直的準直器174。該準直的輸出然后可以被定向到一個濾光輪130， 而所產(chǎn)生的光束176被多個反射鏡152定向到一個以上參照圖12所說明 的類型的一個可變擴束器180。類似地，該第二激光器122的輸出通過一個第二濾光輪130被定向 并且從而產(chǎn)生的光束178通過例如多個反射鏡152被定向到一個第二可變擴 束器1S2。然后，這些可變擴束器的輸出由一個光束組合器132來會合。將會 包括用于該微陣列的輻射的這些所需波長的光的該組合光束182被一個非球 面透鏡100轉(zhuǎn)換為一根線段。如之前，然后，將會產(chǎn)生包括這些所需波長的 光的一根組合輻射線134并且它由一個光束分離器136定向到該微陣列14。 系統(tǒng)中剩下的器件可以基本上與以上參照圖14所說明的那些器件相同。
圖16提供了根據(jù)一個當前考慮的實施方案的多個方面的一種多波長 掃描儀的一個略微更加詳細的光一機械的概要表示。該掃描儀184可以包括 一個第一激光器組件186，其自身包括多個激光器。在所示實施方案中，例如，
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激光器組件186包括一個第一激光器188，它可以是一個488mn的激光器； 和一個第二激光器190，它可以是一個658nm的激光器。該系統(tǒng)可以進一步包 括一個第二激光器組件192，它可以包括，例如， 一個594nm的激光器194和 一個750mn的激光器196。正如本領(lǐng)域的普通人員將會認識到，包括多個激 光器組件190和192可以允許用一臺單獨的掃描儀來進行不同種類的掃描運 作，諸如解碼功能、分析功能，等等。例如，激光器188和190為了一些特 定類型的解碼工作可以彼此結(jié)合使用，而激光器194和196為了其他一些類 型的解碼可以彼此結(jié)合使用。這些組件可以包括其他可以替代使用的一些激光
器，或者可以提供其他的一些組件，例如使用一個635mn的激光器和一個 532nra的激光器的一個組件，例如用于一些特定的分析工作。
這些激光器組件190和192被耦聯(lián)到一根單模光纖122和124上， 如上所述，它們將這些激光器的輸出轉(zhuǎn)換為一個近似的純高斯分布。經(jīng)過該光 纖122和124傳輸?shù)墓獗惠斎氲蕉鄠€線發(fā)生器模塊94以便產(chǎn)生輻射線。這 些輻射光束然后被定向到多個激發(fā)濾光片128，并且被組合器132組合以形 成一條組合輻射線134。 一個濾光輪130可以對這一組合輻射線進行濾光， 以便例如根據(jù)需要阻斷、通過或者衰減該光束。正如以上所述的實施方案，該濾波的組合輻射線然后被定向到一個光 束分離器136并且從其定向到一個物鏡138。在圖16所示的實施方案中， 該物鏡被配以一個自動調(diào)焦系統(tǒng)198，它可以包括一個或者更多的執(zhí)行器，例 如一個聲音線圈、 一個線性機動工作臺、 一個壓電機動工作臺、或者一個壓電 柔性工作臺。多個傳感器200在該微陣列14上提供距離或者系統(tǒng)聚焦的感 測，并且用于為該共焦定向的輻射線在沿著該微陣列14的適當?shù)纳疃壬系膭?態(tài)聚焦提供反饋。圖16還提供了關(guān)于用于在掃描前和掃描過程中移動該微陣列14的 一個當前考慮的安排的某些更多的細節(jié)。例如，隨同一個樣本處理盤202 —起 提供了用于將該盤移入和移出一個成像位置的一個電動機204。 一個適配板 206允許該微陣列在一個系泊部位208中的定位。多個執(zhí)行器210提供該微 陣列在該系泊部位中的適當定位。由一個步進電機214所控制的一個粗調(diào)工 作臺212允許該微陣列關(guān)于共焦地朝著該微陣列而定向的組合輻射線的位置的粗略控制。該粗調(diào)工作臺212可以，例如，用于適當?shù)囟ㄎ辉撐㈥嚵?其 上定位了待成像的這些位點)的一個部分。
一個精密工作臺216 (它可以包括
一個線性電機218和一個線性編碼器220)用于提供掃描之前與掃描過程中 該微陣列的精細定位與運動。正如之前，該微陣列上多個單獨位點所產(chǎn)生的輻射通過該光束分離器 136被返回到多個反射鏡或者用于定向該反向光束通過多個帶通濾光片158、 投射透鏡160并最終到達多個CCD傳感器164和166的其他光學(xué)器件。
前述的這些安排利用同時激發(fā)這些位點的一條輻射線為該微陣列上的 多個位點提供極其快速和準確的成像。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的共焦線掃描技術(shù)在該 微陣列的多個位點彼此之間被間隔開以便例如(結(jié)合以上所述的線性掃描)減 小來自這些單獨位點的返回輻射之間的串擾的潛在可能的一些應(yīng)用之中是特 別有用的。圖17示出一個當前考慮的多個位點在一個六角形網(wǎng)格之中的安排 來利用本發(fā)明的共焦線掃描技術(shù)的這一方面。如圖17所示， 一個陣列片段222將會包括按照一個預(yù)先確定的圖案 所提供的多個位點42。 一個當前考慮到實施方案如所示提供一個六角形的封 裝圖案。該圖案包括的內(nèi)容是圖17中由參考號224和226所標記的、可以 稱之為多個位點的相鄰行或者線。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認識到，這 些線的維度可以總體上參照由以上所述的共焦定向的輻射線所進行的掃描維 度來考慮。隨著輻射沿著平行于這些位點線224和226的多條線而定向，然 后，這些位點線的一個部分將會被該輻射照亮，并且返回一個將會在那些發(fā)熒 光的區(qū)域內(nèi)明亮的反向光束。每個位點行或線中的相鄰位點228和230彼此 將被間隔開，并且這些位點都會與最近的相鄰位點間隔開，例如一個相鄰行或 者線226的位點236。順續(xù)的或者相鄰的位點線之間的(例如參照各條線中 這些位點的中心的)距離可以總體上由參考號234標記。然而，應(yīng)注意到使 用圖17的六角形封裝圖案時，同一條線上相鄰位點的中心之間的距離是大于 相鄰位點線之間的距離。而且，在圖17的方向上，同一條線中相鄰位點的中 心之間的距離大于相鄰線上的位點之間最近的距離236。具體地說，對于圖17 所示類型的一種六角形封裝圖案，距離234將會是距離236的大約0.866 (60 度的余弦值)倍。而且，如果考慮這些位點228、 230、和232具有邊沿238，那么這些 邊沿彼此之間將以大于這些位點布置在一個直線圖案中時所產(chǎn)生的距離而間 隔開。也就是說，位點228與232的邊沿238之間的距離沿著該掃描軸線的 投影可以由參考號240來標記。然而，如參考號242所示，這些邊沿之間的 實際距離將會更大。再一次，對于圖17所示的六角形圖案，該距離242大 約將比該距離240大15%。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認識到，因為微陣列上位點的密度被 增加，這些位點之間的間隔因此被減小，所以對將照射光束聚焦在這些為點上、 并且為了成像的目的而正確地聚焦反向光束的能力提出了越來越多的要求。本 技術(shù)在共焦地照射一條位點線的能力上提供了卓越的效果，其中共焦存在于平 行于該輻射線的寬度的軸線上而不是沿著該線段的長度。然而，因為從多個高 強度位點所產(chǎn)生的圖像在非共焦的軸線上溢出到一些臨近的位點，這些位點之 間的串擾可以被認為對相對的無能力在這些位點之間進行區(qū)分。例如，當多個 高強度的位點緊鄰多個非常低強度的位點而定位時，這是成問題的。由于串擾 以及所成像的多個位點之間的混淆的減小，共焦線掃描與非直線封裝的位點的 組合(特別是與六角形封裝的位點的組合)被認為提供了所照射和所成像的多 個位點之間的優(yōu)異的區(qū)分。 —種多個位點的六角形安排與以上所說明的輻射線方向的組合是本發(fā) 明的實施方案的一個實例，其中由一條輻射線在一個第一掃描位置同時照射的 最接近的多個相鄰位點之間的距離大于由該掃描輻射線在不同時間所照射的 最接近的多個相鄰位點之間的距離。將應(yīng)理解也可以使用位點封裝與線段方向 的其他組合來實現(xiàn)相似的優(yōu)勢。例如，盡管一個直線網(wǎng)格中的多個圓形位點不 是像一個六角形網(wǎng)格中一樣緊密地封裝，但可以選擇一條輻射線的取向及其掃 描方向用于一個希望的串擾降低。更具體地說，該輻射線可以關(guān)于位點在該直 紋網(wǎng)格中的多個行和列而對角地確定取向并且該輻射線可以在該對角線維度 上橫穿該網(wǎng)格而掃描以便實現(xiàn)這些位點之間比該輻射線關(guān)于位點在該直紋網(wǎng) 格中的這些行和列正交地確定取向并且在該正交維度上進行掃描時更小的串 擾。 一個優(yōu)點在于將該線段取向為使相鄰位點之間最大的間隔發(fā)生在平行于該 輻射線的非共焦的軸線上。當所使用的一條輻射線比接受照射的這些位點的寬度要窄得多時，上 述這些封裝安排是特別有用的。在一些具體的實施方案中，該輻射線的寬度(即 該線段較短的維度)將至多是接受照射的這些位點的寬度的75%、 66%、 50%、 30%、 25%或者10%。總之，具有一種規(guī)則形狀的一些位點是優(yōu)選的，例如， 具有反射對稱性或者旋轉(zhuǎn)對稱性的位點。然而，如果一個特殊應(yīng)用需要的話可 以使用一些不規(guī)則形狀的位點。無論一種位點形狀上是規(guī)則的還是不規(guī)則的該 位點的寬度典型地都在最寬的維度上度量，例如，寬度被度量為具有圓形橫截 面的一個位點的直徑。如圖18 — 23所示，可以使用多個結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生具有均勻強度分布的一 條受限衍射線。在圖18所示的這樣一個實施方案中，該線發(fā)生器244可以 用一個圓柱面微透鏡陣列246和一個聚光器248來形成。 一個圓柱面微透鏡 陣列246用于在一維上將該激發(fā)束250聚焦到一個聚光器248的前焦面同 時保持一個第二維不受影響。 一條具有均勻強度分布受限衍射線252將在該 聚光器248的后焦面上產(chǎn)生。該線段的均勻性與覆蓋該聚光器248的入瞳的 柱面微透鏡246的數(shù)量有關(guān)。該柱面微透鏡陣列246的數(shù)量越大，該線段強 度分別就越均勻。根據(jù)另一個實施方案并且如圖19所示，線發(fā)生器可以244可以用一 個一維漫射器256和一個聚光器248來形成。具有角度均勻性的一個漫射器 254放置在一個聚光器248的前焦面上。該漫射器254在一維上將該輸入準 直光束250扇形展開并保持另一維不受影響。 一條具有均勻強度分布受限衍 射線252將在該聚光器248的后焦面上產(chǎn)生。因為該漫射器254具有角度 均勻性，所產(chǎn)生的線段將是均勻的。在本發(fā)明的再一個實施方案中， 一個物鏡256被用作一個聚光器。優(yōu) 選地，該物鏡256是具有15.75mm的外光瞳大小的一個遠心透鏡。優(yōu)選地， 這一大小被配置為與該準直的輸入激發(fā)束250匹配。另外，該透鏡的輸入視 場角為+/- 3度，它與一個2ram的視場一致。圖20示出與上述物鏡256 —起使用的一個一維漫射器254。如圖20 所示， 一個一維漫射器254被放置在該物鏡256的瞳孔光闌(pupil st叩) 處。該物鏡256在一維上將該準直輸入光束250展開到一定范圍內(nèi)的不同角
度并保持另一維不受影響。該漫射器254具有角度均勻性，即，散射到不同 角度的光束的強度是相同的。該透鏡256將在各具體角度上的光束聚焦到該 線段的一個點上。該線段的均勻性由該漫射器254的角靈敏度確定。另外， 輻射線268的長度由該漫射器254的扇形角確定。該扇形角越大，所產(chǎn)生的 輻射線268就越長。倘若該漫射器254的扇形角為+/- 3° ，所產(chǎn)生的線段 長度將為2mm。雖然該輻射線268的長度可以大于2mni，但一個所需的均勻 性可以由長度為2mm的一根線段來獲得。根據(jù)另一個實施方案，圖21示出與上述物鏡256 —起使用的一個圓 柱面微透鏡陣列246。每一柱面微透鏡246抽取該準直輸入光束250的一個 部分，在一維上將其聚焦到該物鏡256的瞳孔光闌上，并且保持該第二維不 受影響。該柱面微透鏡陣列246在一維上將該光束250扇形展開到一定范圍 內(nèi)的不同角度。該扇形角由該柱面微透鏡246的光圈數(shù)確定。該物鏡256將 各個角度上的光束250聚焦到線段的一個點上。因為該聚焦線段上的各點得到 來自所有柱面微透鏡246的貢獻，所以該線段的均勻性與覆蓋該物鏡256的 入瞳的柱面微透鏡246的個數(shù)有關(guān)。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，158 個微透鏡被用來覆蓋該瞳孔光闌以便產(chǎn)生一個均勻的線激發(fā)268。
圖22和23示出為了熒光成像而構(gòu)造的多個中繼望遠鏡的附加實施 方案。 一個中繼望遠鏡258被放置在該一維漫射器254 (見圖22)或者柱面 微透鏡陣列246 (見圖23)與一個二向色光束分離器260之間。該二向色的 光束分離器260被配置為將熒光成像光路(反向光束)262與激發(fā)光路250 分開。本發(fā)明中使用的一個CCD攝相機或者其他探測器陣列可以被配置為用 于裝倉(binning)。裝倉通過將來自該陣列中多個像素的電荷累加到一個像 素之中來提高該探測器陣列的靈敏度。可以使用的裝倉的多個示例性類型包括 水平裝倉、垂直裝倉、或者全裝倉。對于水平裝倉， 一個探測器陣列中各行上 成對的相鄰像素被累加。對于垂直裝倉，來自該陣列中兩行的成對的相鄰像素 被累加。全裝倉是一種水平與垂直裝倉的組合，其中四個相鄰像素被累加。
在本發(fā)明中能夠以傳感器元件更大的集合來進行裝倉。如圖24 (a)所 示，該線掃描CCD攝相機以及對應(yīng)的控制電子裝置可以被配置為使垂直軸線
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上所有的像素元素被收集到一個公共倉內(nèi)并作為一個單一的值讀出。因此，裝 倉不必局限于陣列元件的相鄰的對或者相鄰的組。相應(yīng)地，兩個以上的傳感器
元件(如一個CCD攝相機的多個像素)的一個集合可以進行裝倉，即使該集 合包括多個不相鄰的傳感器元件。例如，多個不相鄰的傳感器元件發(fā)生在一個 線性安排中的3個傳感器元件，其中第一個與第三個元件被介入其中的第二個 傳感器元件彼此分開。如圖24 (b)所示，在裝倉中，在一個單一的積分時間之后一行上所 有的像素馬上被移出。當用于本發(fā)明的一種裝置中時，這一方法的優(yōu)點在于與 一個普通的TDI設(shè)計相比讀出速率對于抖動更不敏感。而且，該裝置會在一 個軸線上具有共焦特性，并且與Y —工作臺運動的同步時序的公差將會減小。 圖24 (b)示出一個l陶的激光光斑在一個線掃描CCD攝相機上的投影。該 投影在X與Y—軸上都是對稱的。在垂直軸線上將CCD像素的個數(shù)限制到6 會在該軸線上產(chǎn)生一個虛擬狹縫。用一個TDI攝相機可以達到相同的效果， 主要的要求是垂直軸線上像素的個數(shù)被優(yōu)化為在同樣抑制背景噪聲的同時通 過一個信號。為實現(xiàn)這一效果，要設(shè)定該激光光斑大小以便與該系統(tǒng)的分辨率 匹配，連同要限制垂直像素的個數(shù)。本發(fā)明的一個替代的實施方案使用一種TDI設(shè)計，它限制垂直像素的 個數(shù)以便仍然產(chǎn)生一個虛擬狹縫。如圖24 (c)所示，在TDI中，多個像素與 該y —工作臺的編碼器輸出被同步轉(zhuǎn)移。另外，相對于n=l的一些系統(tǒng)設(shè)計 其優(yōu)勢在于該系統(tǒng)的采集效率會提高并且對于小的光學(xué)對齊漂移的靈敏度會 降低。可以用于本發(fā)明的一些示例性TDI設(shè)計和方法在通過引用結(jié)合在此的 US 5, 754， 291中說明。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，本掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被配置為使用多光譜 的熒光成像，使用了多個線掃描成像傳感器。如圖25所示，輻射線134用 于在一個全光譜的范圍內(nèi)激發(fā)一些熒光分子并且一個色散元件264用于順著 多個線掃描成像傳感器266來展幵該線形熒光圖像262。該系統(tǒng)可以使用側(cè) 向照明或者共線照明來實施。根據(jù)本發(fā)明的這一實施方案，使用了一個多譜段 濾光片組268來激發(fā)并且探測多個熒光分子。如圖26所示，該多個傳感器 266的每一個被映射到一個窄的譜段范圍。這些傳感器可以是多個成像傳感器，
例如一個線性的線掃描CCD或者一個TDI線掃描CCD。傳感器在此也稱作探 測器。如圖27所示，根據(jù)本發(fā)明的再一個實施方案，該掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以 被配置用來使用一種多線的照明技術(shù)。該系統(tǒng)可以使用側(cè)向照明或者共線照明 來實施。在此，每條線268在不同的波場上激發(fā)一個樣本區(qū)域，例如，用于 激發(fā)不同的熒光分子。所產(chǎn)生的多線熒光圖像由具有多個線掃描成像成像傳感 器266的一個探測器266來采集。各傳感器266產(chǎn)生該對應(yīng)的熒光圖像。 因為該具有不同光譜范圍的熒光已經(jīng)在空間上分開，所以不需要色散元件
264。 一個多凹痕的濾光片270用來有效地阻斷殘留的瑞利或者拉曼散射的輻 射。進而，如果在圖27的系統(tǒng)中使用一個色散元件，就可以采集具有更 高光譜分辨率的一些圖像。如圖28所示，圖中各傳感器組266也可以工作 在TDI模式以便產(chǎn)生一個單一的積分圖像，它提供一些具有分級的光譜分辨 率(hierarchical spectral resolution)的圖像。該掃描系統(tǒng)可以被設(shè)計為在不同光譜范圍內(nèi)同時激發(fā)多種染料。 一些
示例性結(jié)構(gòu)包括用于圖25的系統(tǒng)之中的具有多個顏色的一條單一的線段或者
用于圖27的系統(tǒng)之中的具有多個顏色的被間隔開的多條線段。該輻射源可以 是具有一個多波段激發(fā)濾光片的白光燈或者是多個激光器的一個組合。例如，
當多個激光器的組合被用作該輻射源時，則不需要圖25的系統(tǒng)中的多波段濾 光片組268的激發(fā)濾光片。另外，該照明可以是圖24所示出的共線照明(照 明與采集共享同一個物鏡138)或者是圖28所示出的側(cè)向照明(暗視場)。 一個多波段二向色光束分離器136 (在圖25中示出)可以用于該共線照明 而對于該側(cè)向照明的實施方案則可省略。同樣如圖25所示，該多波段濾光片 組82的一個多波段發(fā)射濾光片272可以用來選擇性地阻斷激發(fā)輻射而通過 熒光波段。對于利用多個激光器的照明， 一個多凹痕的濾光片270也可以用 來選擇性地阻斷激發(fā)輻射而通過熒光波段，它提供甚至更有效的熒光檢測。
根據(jù)本發(fā)明的一些具體的實施方案，多個發(fā)射濾光片272可以與該圖 像傳感器266 —體化。圖29示出了一個示例性的取向。 一種用于阻斷多波 段照明和多激光器照明的不同的取向分別在圖30 (a)和30 (b)中示出。
本發(fā)明的裝置或者方法對于獲取一個樣本的一個二維區(qū)域的圖像是特 別有用的。因此，如果需要，對于一個樣本可以充分地約束其檢測來獲取3個 可能的維度中的2維的一個圖像。相應(yīng)地，可以檢測或者成像所感興趣的一 個樣本的一個表面的圖像。 一種特別相關(guān)的樣本是一個微陣列。使用本發(fā)明可 以檢測或者成像一個微陣列的表面來測定該微陣列的一個或者多個特征?？梢?檢測的一個微陣列的一些示例性的特征包括，但不限于， 一個標簽的存在或者 不存在， 一個標簽在一個特定區(qū)域如駐留一個特定探頭的一個區(qū)域中的位置， 或者一個標簽的具體特征例如一個特定波長或者波長范圍內(nèi)的輻射的發(fā)射。對于一個微陣列的這些特征的檢測可以用來測定一種目標分子在與該 微陣列接觸的一個樣本中的存在或者不存在。例如，基一個被標記的目標分析 物與該微陣列的一個特定探頭的鍵合或由于一個特定探頭取決于目標物的變 化而結(jié)合、消除或者改變在該探頭位置的一個標簽，可對此進行測定。幾種測 試中的任意一種可用于來鑒別或者表征使用一個微陣列的目標物，例如，該微 陣列如美國專利公開號2003/0108867 、 2003/0108900、 2003/0170684 、 2003/0207295、或者2005/0181394中所說明，它們每一個都通過引用結(jié)合在 此。例如，當存在于一個微陣列上時，可以根據(jù)本發(fā)明來檢測的示例性標 簽包括，但不限于， 一種生色團、發(fā)光團、熒光團、光學(xué)編碼的納米顆粒、用 一種衍射光柵編碼的顆粒、電化學(xué)發(fā)光的標簽如Ru(bpy)268+、或者可以基于 一種光學(xué)特性來檢測的部分(moiety)。在本發(fā)明中有用的熒光團包括，例如， 一些發(fā)熒光的鑭系絡(luò)合物，包括銪和鋱的絡(luò)合物、熒光黃素、羅丹明、四甲基 羅丹明、曙紅、四碘熒光素、香豆素、甲基香豆素、芘、Malacite綠、Cy3、 Cy5、芪、螢光黃、Cascade Blue 、德克薩斯紅、alexa染料、藻紅蛋白、bodipy、 以及本技術(shù)領(lǐng)域已知的其他熒光體例如在Haugland的《分子探頭手冊》 (Eugene, 0R)第六版、《Synthegen目錄》(Houston, TX. ) 、 Lakowicz的《熒 光光譜學(xué)原理》第二版，紐約Plenum出版社(1999)、或者W0 98/59066中 所說明的熒光體，其每一個都通過引用結(jié)合在此。本技術(shù)領(lǐng)域已知微陣列的任何品種，包括，例如，本文其他位置所說 明的那些，均可以在本發(fā)明中用作一個樣本。 一個典型的微陣列包含多個位點，
有時稱作特征，各自具有多個探頭的一個組群。各位點的探頭組群典型地是同 質(zhì)的，具有一個單一的探頭物種，但在某些實施方案中這些組群各自是異質(zhì)的。 一個陣列的多個位點或者特征典型地是離散的，彼此之間以間隔分開。這些探 頭位點和/或這些位點之間的間隔的大小可以變化以便陣列可以是高密度、中
密度或者是低密度的。高密度陣列的特定為間隔小于大約15ym的多個位點。 中密度陣列具有間隔為15到30um的多個位點，低密度陣列具有間隔大于 30ym的多個位點。本發(fā)明中有用的陣列可以具有以小于100um、 50tim、 10ym、 5yra、 或者0. 5 y m而間隔開多個位點。本發(fā)明的裝置或方法可
以用來以足夠的分辨率對一個陣列成像以便辨別以上密度或者密度范圍的多 個位點。盡管本發(fā)明已經(jīng)在上面關(guān)于使用一個微陣列作為樣本而進行示范，應(yīng) 理解具有以上密度的多個特征或者位點的其他樣本能夠以上述分辨率來成像。
其他示例性的樣本包括，但不限于，生物標本如細胞或組織、電子芯片如計算 機處理器中使用的芯片，或者類似的樣本。 一個微陣列或者其他樣本可以通過 放置在例如本文其他位置所述的一個樣本工作臺上而放置在本發(fā)明的一個裝 置的一個樣本區(qū)域中。本發(fā)明的一個裝置可以進一步包括一個處理器，它可操作地連接到一 個矩形探測器陣列或者另外被設(shè)置為從該矩形探測器陣列獲取數(shù)據(jù)，其中該處 理器被配置為在該圖像上執(zhí)行多個功能。該處理器可以包括一個常規(guī)的或者通 用的計算機系統(tǒng)，它被編程有或者另外能夠進入成像數(shù)據(jù)分析所涉及的一個或
者程序模塊。本發(fā)明中有用的一些計算機系統(tǒng)包括，但不限于，個人計算機系 統(tǒng)，例如那些基于Intel 、 IBM 、或者、Motorola 微處理器的個人計算機； 或者一些工作站例如一個SPARC 工作站或者麗IX⑧工作站。有用的系統(tǒng)包 括使用Microsoft Windows 、 UNIX或者LINUX 操作系統(tǒng)的那些系統(tǒng)。在 此所述的系統(tǒng)也可以被實施為在一些客戶一服務(wù)器系統(tǒng)或者廣域網(wǎng)絡(luò)例如互 聯(lián)網(wǎng)上運行。該處理器可以被包括在一個計算機系統(tǒng)中，被設(shè)置為一個客戶或者服 務(wù)器來工作。該處理器可以執(zhí)行包括在一個或者多個程序模塊中的多條指令。 來自一個或者多個程序模塊的結(jié)果如一個樣本或者樣本區(qū)域的圖像，或者該樣
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本或樣本區(qū)域的分析可以通過一個圖形化用戶界面來報告給用戶。例如， 一些 結(jié)果可以通過可操作地連接到該處理器的一個監(jiān)視器或者打印裝置來報告。從 而， 一個微陣列或者其他樣本的圖像可以通過一個圖形用戶界面來提供給用 戶。根據(jù)本發(fā)明的某些特定方面，實現(xiàn)了多個優(yōu)點。本發(fā)明的系統(tǒng)掃描樣 本比其他技術(shù)快并且以低成本來提供改良的數(shù)據(jù)質(zhì)量。特別是，與傳統(tǒng)的TDI 系統(tǒng)相比本發(fā)明的讀出速率增加了 n倍?？梢栽谝粋€或者多個軸線上實現(xiàn)共 焦。此外，本發(fā)明對光學(xué)對準漂移更不敏感。進一步，本發(fā)明兼有使用多波段濾光片同時激發(fā)/探測多個熒光分子以 及在同一個樣本上并行讀出多個線掃描成像傳感器的優(yōu)點。本發(fā)明可以快速同 時產(chǎn)生一些多譜熒光圖像。在一些特定的實施方案中，本發(fā)明的一個裝置或者 方法能夠以至少約0.01mm7秒的速率來掃描一個樣本。取決于本發(fā)明的具體 應(yīng)用，還可以使用的一些更快的掃描速率包括，例如，就所掃描的面積而言， 至少約0. 02mm7秒、0. 05 mm7秒、0. 1 mm7秒、1 mmV秒、1. 5 mm7秒、5 mm7 秒、10mm7秒、50mm7秒、或100 miri7秒或者更快的一個速率。例如，如果 需要，為了減小噪聲，掃描速率可以具有約0.05mmV秒、0. 1咖7秒、1 mm7 秒、1.5 mm7秒、5 mmV秒、10 mm7秒、50 mm7秒、或100 mm7秒的一個上 限。掃描速率也可以按照幅圖像與探測器在該掃描軸線維度(垂直的)上的相 對運動速率來度量并且可以是，例如，至少約0.1 mm/秒、0.5 mm/秒、1 mm/ 秒、10mm/秒、或100inm/秒。同樣，為了減小噪聲，掃描速率可以具有約0.5 mm/秒、1 mm/秒、10 mm/秒、或100 mm/秒的一個上限?？偠灾景l(fā)明 可以用來構(gòu)造一些多光譜的熒光成像器，它比其他成像系統(tǒng)更有效率并且有成 本效益。以下是當前說明中所使用的一些術(shù)語，并且旨在具有以下所說明的含 義。在本文中使用時，術(shù)語"輻射源"旨在表示一個所傳播的電磁能量的 一種源頭或者發(fā)生器。該術(shù)語可以包括紫外(UV)范圍(約200到390nra)、 可見光(VIS)范圍(約390到770nm)、或者紅外光(IR)范圍(約O. 77到 25微米)、或者其他電磁譜范圍內(nèi)的一個照明光源。 一個輻射源可以包括，例
如， 一盞燈例如一盞弧光燈或者石英鹵素燈，或者一個激光器例如一個固體激
光器或氣體激光器或者一個LED例如一個LED/單模光纖系統(tǒng)。
在本文中使用時，術(shù)語"激發(fā)輻射"旨在表示朝著一個樣本或者樣本 區(qū)域傳播的電磁能量。激發(fā)輻射能夠以一種形式來感應(yīng)來自一個樣本的多種響 應(yīng)的任意一個，包括但不限于能量吸收、反射、熒光發(fā)射或者發(fā)光。
在本文中使用時，術(shù)語"樣本區(qū)域"旨在表示一個待探測的位置。該 位置可以在，例如，被配置用來支托或者包含一個待探測對象的一個支托裝置 之中、之上或者附近。 一個樣本可以永久地或者臨時地占據(jù)一個區(qū)域以便能夠 從該區(qū)域取走該樣本。例如， 一個樣本區(qū)域可以是在一個平移工作臺之上或者 在其附近的一個位置，放在該平移工作臺之上時該位置由一個微陣列占據(jù)。
在本文中使用時，術(shù)語"探測器陣列"旨在表示將所接觸的光子能量 轉(zhuǎn)換為一種電氣響應(yīng)的具有多個元件的一個器件或者裝置。 一種示例性的探測 器陣列是一個電荷耦合器件(CCD)，其中這些元件是一些光敏性的電荷收集位 點，它響應(yīng)入射光子而累積電荷。探測器陣列的一些進一步的實例包括，而不 限于， 一個互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)探測器陣列，雪崩二極管(APD) 探測器陣列，或者一個蓋革模式的光子計數(shù)器探測器陣列。探測器陣列的這些 元件可以具有任意的多種安排。例如， 一個矩形探測器陣列在一種2維的、
正交的安排中具有多個元件，其中一個第一維度，稱作"水平"維度比稱作 "垂直"維度的一個第二維度要長。 一個正方形探測器陣列在2維的、正交 的安排中具有多個元件，其中該安排的第一和第二維度長度相同。在本文中使用時，術(shù)語"矩形圖像"旨在表示一個樣本或者該樣本的 一個部分的一種光學(xué)形式的表現(xiàn)，它發(fā)生在一個2維的、正交區(qū)域之中，其 水平維度大于垂直維度的維度。該矩形圖像可以表示從一個樣本區(qū)域所發(fā)射出 來的一幅圖像的整體或者，替代地，可以是一幅較大圖像的一個矩形部分，該 較大的圖像具有多種形狀的任意一種。在本文中使用時，術(shù)語"掃描裝置"旨在表示能夠連續(xù)地探測一個樣 本的不同部分的一種裝置。 一個掃描裝置通過改變一個探測裝置的一個或多個 部件的位置(包括，例如， 一個樣本、輻射源、將激發(fā)輻射定向到一個樣本的 光學(xué)裝置、對從一個樣本所發(fā)射出的輻射進行定向的光學(xué)裝置、或者探測器陣
列)可以進行操作。 一些示例性的掃描裝置包括，但不限于一個被配置為移動 一個輻射線或束使之經(jīng)過一個樣本的一種電流計，或者被配置用來移動一個樣 本使之經(jīng)過一個輻射線或束的一個平移工作臺。在本文中使用時，術(shù)語"瑞利分辨率"是以下等式中的RR
RR = ((1.22)(入)(f))/D 其中A是波長，f是焦距而D是兩個被檢測對象之間的距離。該術(shù)語旨在 與其在光學(xué)領(lǐng)域中的使用一致，例如，在Hecht的《光學(xué)》，第四版，Addison Wesley出版社，美國波士頓(2001)中所述，它通過引用結(jié)合在此。
在本文中使用時，術(shù)語"放大倍率"旨在表示一個物體的維度與該物 體的圖像維度之間的比率。例如，放大倍率可以根據(jù)樣本區(qū)域(即該物體)的 維度與該樣本區(qū)域在一個探測器陣列上的一幅圖像的維度的比率來確定。在一 些包括一個物鏡和投射透鏡的系統(tǒng)中，放大倍率可以根據(jù)該物鏡的焦距與該投 射透鏡的后焦距的比率來確定。在本文中使用時，術(shù)語"輻射線"旨在表示在一個相同的維度上傳播 的電磁波或者粒子的一個集合，其中與該傳播維度垂直的2維橫截面是矩形 或者橢圓形的。 一個輻射線的示例性2維橫截面包括，但不限于， 一個矩形、 橢圓、或者卵形的形狀。 一條輻射線的橫截面寬度可以具有在，例如，大約 0.05 ix m到大約10 um的一個范圍內(nèi)的一個或者兩個維度。例如，該輻射 線的一個維度可以是至少約0.05 um、 0.1 um、 0.5 u m、 u m、 5 um或者 10 y m。而且， 一條輻射線的一個維度可以是，例如，至多約0. 1 ym、 0. 5 um、 ^m、 5 wra或者10 um。應(yīng)理解這些維度僅僅是示例性的并且如果需要可以 使用具有其他維度的一些輻射線。在本文中使用時，術(shù)語"線發(fā)生器"旨在表示一個光學(xué)元件，它被配 置為在垂直于該傳播光軸的平面上產(chǎn)生一條受限衍射或者近場衍射的輻射線， 其中在沿著該線段的水平軸線上具有一個基本上均勻的強度分布。 一些示例性 的線發(fā)生器包括，但不限于，具有角度均勻性的一個一維漫射器、圓柱面微透 鏡陣列、衍射元件或者非球面折射透鏡如一個鮑威爾透鏡。具有角度均勻性的 該一維漫射器或者圓柱面微透鏡陣列可以被放置為將輻射定向到一個聚光器。在本文中使用時，術(shù)語"光束分離器"旨在表示透過一個輻射束的一 個第一部分而反射該輻射束的一個第二部分的一個光學(xué)元件。例如一個光束分 離器可以被配置用來選擇性地透過一個第一波長范圍內(nèi)的輻射而反射一個第 二、不同的輻射范圍內(nèi)的輻射。用于熒光探測時該光束分離器將典型地反射較 短波長的激發(fā)輻射而透過較長波長的發(fā)射輻射。在本文中使用時，術(shù)語"外部光瞳"參照一個物鏡而使用，其中該物
鏡的后孔徑入瞳在該激發(fā)束的路徑上處在該物鏡的物理維度之后。在本文中使用時，術(shù)語"擴束器"旨在表示被配置用來調(diào)節(jié)一個輻射
束的直徑與準直性的一個或者多個光學(xué)元件。例如， 一個擴束器被配置為將一
個輻射束的直徑增大為一個所需量，如至少2倍、5倍、10倍或者更多。一
些擴束器的光學(xué)元件包括，例如， 一個或者多個反射鏡或者透鏡。在本文中使用時，術(shù)語"投射透鏡"旨在表示被配置用來將一個物體
的圖像轉(zhuǎn)移到一個探測器的一個光學(xué)元件。例如，可以放置一個透鏡來將從一
個物方透鏡發(fā)射的一幅圖像轉(zhuǎn)移到一個探測器陣列。在本文中使用時，術(shù)語"光學(xué)濾光片"旨在表示一種用來選擇性地以 一種與波長、偏振或者頻率有關(guān)的方式來透過輻射或者拒絕輻射通過的器件。 該術(shù)語可以包括一個干涉濾光片，其中多層介質(zhì)材料根據(jù)來自各層的反射之間 的相長或者相消干涉來透射或者反射輻射。干涉濾光片在本技術(shù)中也稱作二向 色的濾光片，或者介質(zhì)濾光片。該術(shù)語可以包括一個吸收性的濾光片，它通過 吸收而具有一個選擇性的波長或者波長范圍地阻止輻射通過。吸收濾光片包 括，例如，有色玻璃或者液體。本發(fā)明所使用的一個濾光片可以具有一個或多個特定的濾波透射特性 包括，例如，帶通、短通和長通。 一個帶通濾光片選擇性地通過由具有最大輻 射透射率(Tmax)的一個中心波長所限定的一個波長范圍和一個帶寬之內(nèi)的輻 射并且阻止這一范圍之外的輻射通過。Tmax定義為在該中心波長所透過的輻 射的百分比。帶寬典型地被描述為全寬半高(FWHM)，它是該濾光片以Tniax的 一半的透射率所透射的波長范圍。本發(fā)明中有用的一個帶通濾光片可以具有 10nm、 20 nm、 30 nm、 40 nm或者50 nm的一個FWHM。 一個長通濾光片選擇 性地透過由一個Tmax和一個截止波長所限定的較高波長的輻射。該截止波長
是輻射透射率為Tmax的一半時的波長；波長在該介質(zhì)波長以上增大時，透射 率百分比增大而波長在該截止波長以下減小時透射率百分比減小。 一個短通濾 光片選擇性地透過由一個Tmax和一個截止波長所限定的較低波長的輻射。該 截止波長是輻射透射率為Tmax的一半時的波長；波長在該介質(zhì)波長以上增大 時透射率百分比降低而波長在該截止波長以下減小時透射率百分比增大。本發(fā) 明的一個濾光片可以具有50— 100%、 60 — 90%或者70 — 80%的一個 丁maxo在本文中使用時，術(shù)語"微陣列"是指附著于一個或多個基片之上的 一個不同探頭分子組群以便這些不同的探頭子可以根據(jù)其相對位置來彼此區(qū) 分。 一個陣列可以包括多個不同的探頭分子；或者這些探頭分子的多個組群， 它們各自定位在一個基片上的一個不同的可尋址的地點。替代地， 一個微陣列 可以包括各承載一種不同探頭分子，或者這些探頭分子的組群的多個單獨的基 片，它們可以根據(jù)這些基片在其所附著的一個表面上的位置或者根據(jù)這些基片 在一種液體中的位置來識別。多個單獨基片定位于一個表面之上的一些示例性 陣列包括，但不限于，可從Illumina , Inc. (San Diego， CA)購得的一個 Sentrix 陣列或者Sentrix BeadChip陣列，或者其他包括多個阱中珠(beads in wells)的陣列，例如在美國專利號6,266,459、 6,355,431、 6， 770， 441和 6,859,570以及專利公開號WO 00/63437中所說明的那些陣列，其每一個都 通過引用結(jié)合在此。其他的一些在一個表面上具有多個顆粒的陣列包括在US 2005/0227252;WO 05/033681;以及WO 04/024328中所說明的陣列。
可在本發(fā)明中使用的可商購的微陣列的一些進一步的實例包括，例如， 一個Affymetrix GeneChip 微陣列或者根據(jù)有時稱之為VLSIPS (甚大 規(guī)模固定化聚合物合成)的一些技術(shù)所合成的其他微陣列，這在，例如，美國 專利號5， 324， 633、 5， 744， 305、 5， 451, 683、 5， 482， 867、 5， 491， 074、 5， 624, 711、 5,795,716、 5,831,070、 5,856,101、 5,858,659、 5,874,219、 5,968,740、 5,974,164、 5， 981， 185、 5， 981， 956、 6， 025， 601、 6， 033， 860、 6,090,555、 6， 136， 269、 6,022,963、 6,083,697、 6,291,183、 6,309,831 、 6,416,949、 6， 428， 752以及6， 482， 591中說明，其每一個都通過引用而結(jié)合在此。一個 點狀樣微陣列(spotted raicroarray)也可以在本發(fā)明的一種方法中使用。一
個示例性的點狀微陣列是可以從Amersham Biosciences購得的一個 CodeLink 陣列。在本發(fā)明中有用的另一種微陣列是用噴墨打印方法例如可 從Agilent Technologies購得的SurePrintTM 技術(shù)來制作的一個陣列?？?在本發(fā)明中使用的其他一些微陣列包括，但不限于，在Butte的《1twe WeWeM Z^z'scor》，1:951-60 (2002)或者美國專利號5,429,807、
5,436,327、 5， 561'071、 5,583,211 、 5， 658， 734、 5,837,858、 5,919,523、 6,287,768、 6,287,776、 6,288,220、 6,297,006、 6,291,193、以及6, 514， 751 以及WO 93/17126、 W0 95/35505之中所說明的那些微陣列，其每一個都通過 引用結(jié)合在此。在本文中使用時，術(shù)語"時間延遲積分"旨在表示通過一個探測器陣 列的不同元件子集來而針對一個樣本的不同部分的順序探測，其中這些元件子 集之間的電荷遷移以與被成像樣本的視在運動同步的一個速率并且在同一個 維度上進行。例如，TDI可以通過掃描一個樣本來進行的方式為， 一個幀轉(zhuǎn)移 裝置通過與該樣本的視在運動對齊并且同步的一堆線性陣列來產(chǎn)生該樣本的 一個連續(xù)視頻圖像，從而當該圖像從一條線移向下一條時，所存儲的電荷隨之 移動。電荷的累積可以在電荷行從該探測器的一個末端移到該串行寄存器所需 的整個時間內(nèi)進行積分(或者到該裝置的存儲區(qū)域，在一個幀轉(zhuǎn)移CCD的情 況下)。在本文中使用時，術(shù)語"采集臂"旨在表示為了將來自一個樣本區(qū)域 的輻射定向到一個探測器而設(shè)置的一個光學(xué)器件或者一組光學(xué)器件。
盡管只對本發(fā)明的某些特征在此進行了闡述和說明，對于本技術(shù)的普通人 員而言將會想到許多修改和變化。因此，應(yīng)理解所附的權(quán)利要求旨在覆蓋落在 本發(fā)明的實質(zhì)精神之內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種成像裝置，包括(a)一個輻射源，該輻射源被設(shè)置為將激發(fā)輻射發(fā)送到一個樣本區(qū)域的至少一個部分上；(b)一個矩形探測器陣列；(c)成像光學(xué)部件，該成像光學(xué)部件被設(shè)置為將所述部分的一個矩形圖像定向到所述矩形探測器陣列上；以及(d)一個掃描裝置，該掃描裝置被配置為在一個掃描軸線維度上對所述樣本區(qū)域進行掃描，從而改變在所述矩形探測器陣列上形成一個矩形圖像的所述樣本區(qū)域的部分，其中用于所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中較短的一個以及所述圖像的兩個矩形維度中較短的一個處在所述掃描軸線維度上，并且其中用于所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中的所述較短的維度是足夠地短以便在所述探測器陣列的一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其中所述單一的軸線是所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述的較短的一個。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中該矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述 較短的一個與該成像光學(xué)部件的瑞利分辨率與該成像光學(xué)部件的放大倍率的 乘積的比率是在0.1到10的范圍內(nèi)。
3. 權(quán)利要求1的裝置，進一步包括一個線發(fā)生器，該線發(fā)生器被設(shè)置 為從所述輻射源接收激發(fā)輻射并且將一個輻射線發(fā)送到所述樣本區(qū)域。
4. 權(quán)利要求3的裝置，進一步包括一個物鏡，該物鏡被設(shè)置為接收用 于對所述樣本區(qū)域照明的所述輻射線。
5. 權(quán)利要求4的裝置，其中所述成像光學(xué)部件包括所述物鏡，其中所 述物鏡進一步被設(shè)置為收集從所述樣本區(qū)域發(fā)射的輻射，其中從所述樣本區(qū)域 發(fā)射的所述輻射形成被定向到所述矩形探測器陣列的所述矩形圖像。
6. 權(quán)利要求5的裝置，進一步包括一個光束分離器，該光束分離器被 設(shè)置為將從所述樣本區(qū)域發(fā)射的所述輻射的所述輻射線分開并且將從所述樣 本區(qū)域發(fā)射的所述輻射定向到該矩形探測器陣列上。
7. 權(quán)利要求4的裝置，其中所述物鏡具有一個外部瞳孔，該外部瞳孔 被設(shè)置為接收從其中通過而用于照明所述樣本區(qū)域的所述輻射線。
8. 權(quán)利要求4的裝置，進一步包括一個第一擴束器，該第一擴束器被 設(shè)置為從所述輻射源接收激發(fā)輻射并將所述輻射的一個擴大的光束發(fā)送到所 述線發(fā)生器。
9. 權(quán)利要求8的裝置，進一步包括一個第二擴束器，該第二擴束器被 設(shè)置為從所述線發(fā)生器接收所述激發(fā)輻射并且將所述輻射的一個擴大的光束 發(fā)送到所述物鏡，其中所述第二擴束器被進一步配置為用來減小所述輻射線的 視場角。
10. 權(quán)利要求4的裝置，其中所述物鏡具有一個特性，該特性選自由色 彩校正、高數(shù)值孔徑、遠心性、以及后焦面遠焦性所構(gòu)成的一個組。
11. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述線發(fā)生器具有一個六度的全扇形束角 并且被配置為用來接收具有一個至多4mra直徑的一個輸入光束。
12. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述線發(fā)生器進一步包括一個柱面微透鏡 陣列、具有一種角度均勻性的一維漫射器、非球面折射透鏡、衍射元件或者鮑 威爾透鏡。
13. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述線發(fā)生器進一步包括一個衍射元件， 該衍射元件用來產(chǎn)生具有均勻強度分布的一個受限衍射線。
14. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述輻射線的兩個矩形維度中較短的一個是足夠地短以便在所述矩形探測器陣列的一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其中所 述單一的軸線是所述矩形探測器的兩個矩形維度中較短的一個。
15. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述輻射線兩個矩形維度中較短的一個與 這兩個矩形維度的所述較短的一個除以該成像光學(xué)部件的放大倍率的商之間 的比率是在0.1到10的范圍內(nèi)。
16. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述輻射線的兩個矩形維度中較短的一個 與該成像光學(xué)部件的瑞利分辨率之間的比率是在0.1到10的范圍內(nèi)。
17. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述輻射線的兩個矩形維度中較短的一個 的寬度的1/e'2與所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述較短的一個除 以該成像部件的放大倍率的商之間的比率是在0.5到2的范圍之內(nèi)。
18. 權(quán)利要求l的裝置，進一步包括一個投射透鏡，該投射透鏡被設(shè)置 為從收集所述樣本區(qū)域發(fā)射的輻射，其中從所述樣本區(qū)域發(fā)射的所述輻射形成 被定向到所述矩形探測器陣列的所述矩形圖像。
19. 權(quán)利要求l的裝置，進一步包括一個帶通濾光片，該帶通濾光片被 設(shè)置為收集從所述樣本區(qū)域發(fā)射的輻射，其中從所述樣本區(qū)域發(fā)射的所述輻射 形成被定向到所述矩形探測器陣列的所述矩形圖像。
20. 權(quán)利要求1的裝置，進一步包括一個發(fā)射濾光片，該發(fā)射濾光片 被設(shè)置為收集從所述樣本區(qū)域發(fā)射的輻射，其中從所述樣本區(qū)域發(fā)射的所述輻 射形成被定向到所述矩形探測器陣列的所述矩形圖像。
21. 權(quán)利要求l的裝置，進一步包括一個平移工作臺，該平移工作臺被 設(shè)置為將一個樣本提供到所述樣本區(qū)域D
22. 權(quán)利要求21的裝置，其中所述平移工作臺被配置為在所述掃描軸 線的維度中移動所述樣本。
23. 權(quán)利要求21的裝置，進一步包括由所述平移工作臺所支托的一個 微陣列，所述微陣列由此被提供到所述樣本區(qū)域。
24. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述矩形探測器陣列被配置為用于TDI (時延積分)操作。
25.權(quán)利要求1的裝置，其中所述矩形探測器陣列包括一個線掃描的 CCD攝相機、CMOS探測器陣列、雪崩光電二極管(APD)陣列、或者蓋革模 式的光子計數(shù)器陣列。
26. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述矩形探測器的縱橫比大于20。
27. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述輻射源包括至少一個激光器。
28. 權(quán)利要求l的裝置，包括多個采集臂，這些采集臂被設(shè)置為收集從 所述樣本區(qū)域發(fā)射的輻射，其中從所述樣本區(qū)域所發(fā)射的所述輻射形成被定向 到多個矩形探測器陣列的多個矩形圖像。
29. 權(quán)利要求l的裝置，其中所述裝置被配置為用來獲取所述樣本的一 個圖像，該圖像包括0.2到10微米之間的一個瑞利分辨率。
30. —種獲取一個樣本的一個圖像的方法，包括(a) 用激發(fā)輻射來接觸一個樣本的至少一個第一部分，其條件是其中輻 射是從該第一部分發(fā)出；(b) 定向從所述第一部分發(fā)出的所述輻射以便在一個矩形探測器陣列上形成所述第一部分的一個矩形圖像；并且(c) 在一個掃描軸線的維度中掃描所述樣本區(qū)域，從而重復(fù)該步驟(a)和(b)以便在所述矩形探測器陣列上形成所述樣本的一個第二部分的一個矩形圖 像，其中用于所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度上較短的一個以及所述圖 像的兩個矩形維度中較短的一個是處在所述掃描軸線的維度上，并且其中用于所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述較短的一個是足夠 地短以便在所述矩形探測器陣列的一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其中所述單一 的軸線是所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中的所述較短的一個。
31. 權(quán)利要求30的方法，其中所述矩形探測器的兩個矩形維度中所述 較短的一個與所述矩形圖像的瑞利分辨率乘以所述矩形圖像的放大倍率的乘 積之間的比率是在0.1到10的范圍內(nèi)。
32. 權(quán)利要求30的方法，其中接觸所述樣本的至少一個部分的所述激 發(fā)輻射包括一條輻射線。
33. 權(quán)利要求32的方法，其中所述輻射線的兩個矩形維度中較短的一 個是足夠地短以便在所述矩形探測器陣列的一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其中 所述單一的軸線是所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述較短的一個。
34. 權(quán)利要求32的方法，其中所述輻射線兩個矩形維度中較短的一個 與所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度的所述較短的一個除以該放大倍率的 商之間的比率是在0.1到10的范圍內(nèi)。
35. 權(quán)利要求30的方法，其中所述輻射線的兩個矩形維度中較短的一 個的寬度的1/e'2與所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述較短的一個 除以該放大倍率的商之間的比率是在0.5到2的范圍之內(nèi)。
36. 權(quán)利要求30的方法，其中所述掃描所述樣本包括移動所述樣本， 從而改變所述矩形圖像與所述矩形探測器陣列在所述掃描軸線維度上的相對 位置。
37. 權(quán)利要求30的方法，其中所述掃描包括TDI (時間延遲積分)。
38. 權(quán)利要求30的方法，其中所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中 較短的一個中的所有像素元素都被采集在一個共用倉(common bin)中并且被 作為一個單一的值來讀出。
39. 權(quán)利要求30的方法，其中所述激發(fā)輻射包括選自下組的一個范圍 中的輻射，該組由UV (紫外)輻射、VIS (可見光譜)輻射和IR (紅外)輻射 構(gòu)成。
40. 權(quán)利要求30的方法，進一步包括將所述樣本的所述圖像的一個數(shù) 據(jù)表達保存在一種計算機可讀的存儲中。
41. 權(quán)利要求40的方法，進一步包括將所述樣本的所述圖像的一個圖 形表達顯示在可操作地連接到所述計算機可讀存儲的一個監(jiān)視器上。
42. 權(quán)利要求30的方法，其中所述樣本包括具有多個單獨位點的一個 微陣列。
43. 權(quán)利要求42的方法，其中所述多個單獨位點被0.1到50微米的 范圍內(nèi)的一個距離分開。
44. 權(quán)利要求43的方法，進一步包括辨別所述多個單獨位點。
45. 權(quán)利要求30的方法，其中所述樣本的所述圖像包括0.2和10微 米之間的一個瑞利分辨率。
46. 配置一個掃描器以便在一個單一軸線上的實現(xiàn)共焦的一種方法，包括，(a)提供一個裝置，包括(i) 一個輻射源，該輻射源被設(shè)置為對一個樣本區(qū)域的至少一個 部分發(fā)送激發(fā)輻射；(ii) 一個矩形探測器陣列；(iii) 成像光學(xué)部件，該成像光學(xué)部件被設(shè)置為將所述部分的一 個矩形圖像定向到所述矩形探測器陣列上；和(iv) —個掃描裝置，該掃描裝置被配置為在一個掃描軸線的維度 上掃描所述樣本區(qū)域，由此改變在所述矩形探測器陣列上形成一個矩形 圖像的所述樣本區(qū)域的部分，其中所述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中較短的一個以及所述圖像的 兩個矩形維度中較短的一個是處在所述掃描軸線的維度上；并且(b)對所述矩形探測器陣列或者所述成像光學(xué)部件進行定位以使用于所 述矩形探測器陣列的兩個矩形維度中較短的一個限制為足夠短以便在所述矩 形探測器陣列的一根單一的軸線上實現(xiàn)共焦，其中所述單一的軸線是用于所述 矩形探測器陣列的兩個矩形維度中所述較短的一個。
47. —種用于使一個微陣列成像的系統(tǒng)，包括-一個激光源；一個單模纖維光纜，該單模纖維光纜連接到該激光源以便以單模傳輸?shù)?形式來傳輸激光；一個線形照明器，該線形照明器用于將來自該光源的激光轉(zhuǎn)換為一條輻 射線，該線形照明器包括一個準直器，該準直器被安排為接收來自該光源的激 光，以及一個非球面透鏡，該非球面透鏡用于將來自該準直器的準直光轉(zhuǎn)換為該輻射線；和一個聚焦裝置，該聚焦裝置用于將該輻射線定向到一個微陣列表面的一 個平面上。
48. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該線形照明器被配置將來自該光源的激 光轉(zhuǎn)換為在一個所希望線段長度上具有基本上呈均勻強度分布的一條輻射線。
49. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該準直器和非球面透鏡在一個模塊中被 預(yù)先對齊以便允許該模塊在該系統(tǒng)中的安裝而無需在安裝過程中進一步對齊。
50. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該聚焦裝置被配置為產(chǎn)生一條均勻的輻 射線，該輻射是在該線的窄小維度上受限衍射的。
51. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，進一步包括設(shè)置在該準直器與該非球面透鏡 的中間的該模塊中的一個激光線濾光片。
52. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該非球面透鏡是一個鮑威爾透鏡。
53. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該非球面透鏡是一個圓柱面透鏡。
54. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該微陣列上的多個單獨位點以大約0.1 到50微米的范圍內(nèi)的一個距離分開。
55. 權(quán)利要求54的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)被配置為用來辨別這些單獨的位點。
56. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)被配置為用來以大約0.2和10 微米之間的一個瑞利分辨率來獲取該微陣列的一個圖像。
57. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該線形照明器包括一個整體的連接器， 并且該單模纖維光纜與一個匹配連接器端接用于耦聯(lián)到該線形照明器上。
58. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該單模纖維光纜的一端被一體化地耦聯(lián) 到該線形照明器上。
59. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該單模纖維光纜的一端可拆卸地耦聯(lián)到 該線形照明器上。
60. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，包括一個第二纖維光纜，該第二纖維光纜在 其一端耦聯(lián)到該激光器光源上并且在其相對的一端耦聯(lián)到該單模纖維光纜上。
61. 權(quán)利要求60的系統(tǒng)，其中該第二纖維光纜是一根單模纖維光纜。
62. 權(quán)利要求61的系統(tǒng)，其中這些纖維光纜是通過一個光連接器彼此耦聯(lián)。
63. 權(quán)利要求61的系統(tǒng)，其中這些纖維光纜相互對接(spliced)。
64. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中該單模纖維光纜被配置為用于以大約 405nm、 488nm、 532nm、或者633nm的一個波長來進行激光的單模傳輸。
65. —種用于對一個微陣列成像的系統(tǒng)，包括 一個激光源；一個耦聯(lián)到該激光源的纖維光纜；一個線形照明器，該線形照明器用于將來自該光源的激光轉(zhuǎn)換為一條輻 射線，該線形照明器包括一個準直器，該準直器被安排為接收來自該光源的激 光，以及一個非球面透鏡，該非球面透鏡用于將來自該準直器的準直光轉(zhuǎn)換為 該輻射線；一個第二纖維光纜，該第二纖維光纜以其一端耦聯(lián)到該第一單模纖維光 纜上并且在其相對的一端耦聯(lián)到該線形照明器上，這些纖維光纜的至少一個是 單模的纖維光纜；和 一個聚焦裝置，該聚焦裝置用于將該輻射線定向到一個微陣列表面的一 個平面上。
66. —種用于對一個微陣列成像的系統(tǒng)，包括第一和第二激光源，每一光源被配置為以一個不同的預(yù)先確定的頻帶輸 出激光；第一和第二纖維光纜，這些纖維光纜分別耦聯(lián)到該第一和第二激光源上用于以單模傳輸?shù)男问絹韨鬏敿す?；和第一和第二線形照明器，這些線形照明器分別耦聯(lián)到該第一和第二單模 纖維光纜上用于將來自對應(yīng)光源的激光轉(zhuǎn)換為輻射線，這些線形照明器各包括 一個準直器，該準直器被安排為接收來自該光源的激光，以及一個非球面透鏡， 該非球面透鏡用于將來自該準直器的準直光轉(zhuǎn)換為該輻射線；和一個聚焦裝置，該聚焦裝置用于將該輻射線定向到一個微陣列表面的一 個平面上。
67. 權(quán)利要求66的系統(tǒng)，進一步包括一個組合器，該組合器用于組合來自該第一和第二照明器的輻射線； 用于以這些組合的輻射線來共焦地照射該微陣列并且用于返回來自該微陣列的輻射的裝置；和一個探測器，該探測器用于接收該返回輻射并且用于產(chǎn)生在該微陣列的分析中所使用的信號。
68. —種用于制造對一個微陣列成像的系統(tǒng)的方法，包括 以一種結(jié)構(gòu)來放置一個激光源、 一個線形照明器、 一個聚焦裝置、以及一個工作臺，其中該激光器通過一根單模纖維光纜被耦聯(lián)到該線形照明器，該纖維光纜被 配置為以單模傳輸形式來傳輸來自該光源的激光，并且線形照明器被配置為將 來自該光源的激光轉(zhuǎn)換為一條輻射線，該線形照明器包括一個準直器，該準直器被安排為接收來自該光源的激 光，以及一個非球面透鏡，該非球面透鏡用于將來自該準直器的準直光轉(zhuǎn)換為 該輻射線；該聚焦裝置將該輻射線朝著一個平面而定向；并且該工作臺被配置用來將一個微陣列表面置于在該平面。
69. —種用于對一個微陣列成像的方法，包括 產(chǎn)生激光；通過一根單模纖維光纜將該激光傳輸?shù)揭粋€線形照明器；該纖維光纜被配置為以單模傳輸形式來傳輸來自光源的激光，并且該線形照明器被配置為將來自該光源的激光轉(zhuǎn)換為一條輻射線；該線形照明器包括一個準直器，該準直 器被安排為接收來自該光源的激光，以及一個非球面透鏡，該非球面透鏡用于 將來自該準直器的準直光轉(zhuǎn)換為該輻射線；并且用一個聚焦裝置定向該輻射線，其中該輻射線被定向到一個微陣列表面的一個平面上。
70. —種用于對一個微陣列成像的方法，包括 以第一波長和第二波長來產(chǎn)生激光；通過對應(yīng)的第一和第二單模纖維光纜將該第一和第二波長的激光傳輸?shù)?對應(yīng)的線形照明器；各纖維光纜被配置為以單模傳輸形式來傳輸來自對應(yīng)光源 的激光，并且各線形照明器被配置為將來自對應(yīng)光源的激光轉(zhuǎn)換為一條輻射 線；各線形照明器包括一個準直器，該準直器被安排為接收來自該光源的激光， 以及一個非球面透鏡，該非球面透鏡用于將來自該準直器的準直光轉(zhuǎn)換為該輻 射線；組合來自這些線形照明器的輻射線；用一個聚焦裝置定向這些組合的輻射線，其中該輻射線被定向到一個微 陣列表面的一個平面上，從而通過這些組合的輻射線來共焦地輻射該微陣列； 并且將從該微陣列返回的輻射定向到一個探測器上，該探測器被配置為產(chǎn)生 用于該微陣列分析的信號。
71. —種用于分析一個多位點陣列的方法，包括 同時探測該陣列的一個第一行中的一個第一多個位點；和 同時探測該陣列的一個第二行中的一個第二多個位點； 其中該第二行總體上平行于該第一行；其中當經(jīng)過該第一和第二多個位點的最接近的邊緣時一個距離D將該第 一和第二行分開，并且其中在每一該多個位點之中的相鄰位點的最接近的邊緣之間的距離大于D。
72. 權(quán)利要求71的方法，其中該陣列包括一個生物微陣列。
73. 權(quán)利要求71的方法，其中該陣列包括一個表面上的多個離散位點。
74. 權(quán)利要求71的方法，其中該第一多個位點是用一條輻射線來同時照射。
75. 權(quán)利要求74的方法，其中該輻射線被移動經(jīng)過該陣列以便依次地 照射該第一多個位點和第二多個位點。
76. 權(quán)利要求74的方法，其中該第一多個位點被依次地用輻射來進行 照射，并且其中來自這些位點的返回輻射在一個探測器上形成一條線。
77. 權(quán)利要求74的方法，其中該輻射線具有一個小于D的寬度。
78. 權(quán)利要求74的方法，其中該輻射線被沿著該第一和第二行被共焦 地定向到這些位點上。
79. 權(quán)利要求74的方法，其中該輻射線沿著在該多個位點上延展的一 個所希望的長度上基本是連續(xù)的。
80. 權(quán)利要求71的方法，其中這些位點具有一個總體上對稱的形狀。
81. 權(quán)利要求71的方法，其中這些位點被安排在一個總體上的六角形 網(wǎng)格之中，并且其中該第一和第二行平行于該網(wǎng)格的行。
82. 權(quán)利要求71的方法，進一步包括將來自這些位點的輻射返回到一 個探測器，該探測器產(chǎn)生用于位點分析的信號。
83. —種用于分析一個多離散位點的陣列的方法，包括 依次照射這些位點的一系列的行，每行以一條輻射線來照射； 其中在位點相鄰行的每一行中相鄰位點的最接近邊緣之間的距離大于穿過這些位點相鄰行中這些位點的最接近的邊緣的平行線之間的距離。
84. —種用于分析一個具有多離散位點的陣列的方法，包括(a) 用輻射來照射一個位點行；(b) 對于多個位點行重復(fù)步驟(a);并且 (C)將來自各位點行的輻射返回到一個探測器上，該探測器產(chǎn)生用于位點分析的信號；其中這些位點被布置在該陣列表面的一個非直邊網(wǎng)格中，從而使每一位 點行中的相鄰位點的最接近的邊緣之間的距離大于穿過該多個位點行的相鄰 行中的這些位點的最接近的邊緣的平行線之間的距離，并且其中由該探測器所探測的一幅圖像是在與沿著這些平行線的軸線正交的 軸線上是共焦的。85. —種用于分析一個多離散位點的陣列的系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為用來 同時探測該陣列的一個第一行中的一個第一多個位點；并且 同時探測該陣列的一個第二行中的一個第二多個位點； 其中該第二行總體上平行于該第一行；其中當經(jīng)過該第一和第二多個位點的最接近的邊緣時一個距離D將該第 一和第二行分開，并且其中每個該多個位點之中的相鄰位點的最接近的邊緣之間的距離是大于D。86. —種用于分析一個多離散位點陣列的系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為用來 依次照射這些位點的一系列的行，每行都以一條輻射線來照射； 其中這些位點的相鄰行的每行中的相鄰位點的最接近邊緣之間的距離是大于穿過這些相鄰位點行的這些位點的最接近的邊緣的平行線之間的距離。87. —種用于分析一個多離散位點陣列的系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為用來(a) 用一條輻射線來同時照射多個位點；(b) 對于多個位點行重復(fù)步驟(a);并且(c) 將來自每一個該多個位點的輻射返回到一個探測器上，該探測器產(chǎn)生用于分析這些位點的信號；其中這些位點被布置在該陣列表面的一個非直邊網(wǎng)格中， 其中在每一位點行中的相鄰位點的最接近的邊緣之間的距離是大于穿過該多個位點行的相鄰行中的這些位點的最接近的邊緣的平行線之間的距離，并且其中由該探測器所探測的一幅圖像在與沿著這些平行線的軸線正交的軸 線上是共焦的。88. —種用于分析一個多離散位點陣列的系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為用來(a) 用輻射來依次照射多個位點，其中所述位點被沿著一條線布置， 其中來自該多個位點的返回輻射在一個探測器上形成一條線；(b) 對于多個位點行重復(fù)步驟(a);并且(c) 將來自每一個該多個位點的輻射返回到一個探測器上，該探測器產(chǎn) 生用于分析這些位點的信號；其中這些位點被布置在該陣列表面的一個非直邊網(wǎng)格中， 其中在每個位點行中的相鄰位點的最接近的邊緣之間的距離是大于穿過該多個位點行的相鄰行中的這些位點的最接近的邊緣的平行線之間的距離，并且其中由該探測器所探測的一幅圖像在與沿著這些平行線的軸線正交的軸 線上是共焦的。
全文摘要
本發(fā)明提供用于以快速的掃描速率來獲取一個樣本的高分辨率圖像的成像方法和裝置。一個具有大于其垂直維度的一個水平維度的探測器陣列可以與被設(shè)置為將一個樣本的一個部分的一個矩形圖像定向在該矩形探測器陣列上的成像光學(xué)部件一起使用。一個掃描裝置可以被配置為用來在一個掃描軸線維度上掃描該樣本，其中用于該矩形探測器陣列的垂直維度與該圖像的兩個矩形維度中較短的一個是處在掃描軸線維度上，并且其中用于該矩形探測器陣列的垂直維度是足夠地短以便在一個單一的軸線上實現(xiàn)共焦。
文檔編號G01N21/64GK101361015SQ200680051589
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者A·泰納, D·車, M·王, R·凱恩, T·柯特瑟格羅, W·馮 申請人:伊魯米那股份有限公司