[發(fā)明專利]用于測量對象的位置的光學裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611179066.7
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106895780B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 文森特·克羅凱特;珍-弗朗索瓦·阿勒芒;蒂博·維埃耶
• 申請（專利權）人: 巴黎科學與文學聯(lián)大-拉丁校區(qū);國家科學研究中心;皮埃爾和瑪利居里大學(巴黎第六大學);狄德羅-巴黎第七大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 楊生平;任慶威

本發(fā)明涉及一種用于測量對象(B)沿著第一軸(z)的位置的光學裝置(1)，其包括：光學成像系統(tǒng)(5)，其包括用于收集被對象(B)散射的光輻射的物鏡(53)；透射掩膜(8)，其至少具有第一小孔(81,83)和第二小孔(82,84)，分離布置(9)，其用于沿著垂直于第一軸和第二軸的第三軸(y)而在相反的方向上將來輻射的第一部分(R1)與輻射的第二部分(R2)分離；以及檢測器(6)，其具有檢測器平面(61)，檢測器(6)適合于生成包括第一光斑(S1)和第二光斑(S2)的圖像，其中，對象(B)沿著第一軸(z)相對于成像系統(tǒng)的對象平面的位置變化引起第一光斑(S1)和第二光斑(S2)沿著第二軸(x)相對于彼此的位置變化。

技術領域

本發(fā)明涉及一種用于測量一個或多個對象的位置的光學裝置。本發(fā)明特別地應用于以高精度來測量位準對象(諸如微珠)的位置。

背景技術

為了研究DNA分子與其它組分(諸如蛋白質)之間的相互作用，已知要使DNA分子經(jīng)受拉伸力并測量分子的彈性性質(即，相對伸長對比力特性)。

文獻US 2003/0027187公開了例如一種用于測試DNA分子的設備，其中，分子在一端處被錨定到錨定表面且在另一端處被錨定到順磁珠。該設備包括用于向珠施加力從而控制分子的拉伸和扭轉的磁體。該設備還包括光源、顯微鏡和用于產(chǎn)生珠的圖像的相機以及用于分析生成的圖像的計算機。

分析珠的圖像允許實時地確定珠在三個維度(x、y、z)上的位置和因此的分子的伸長和施加的拉伸力。

可以通過使用珠的對稱性并通過自動卷積來確定其中心而確定珠的x、y坐標。事實上，此功能呈現(xiàn)出最大正值，其位置移動(2δx、2δy)，其中，δx(δy)是珠圖像從原始圖像中心沿著x(y)的移位?？梢允褂肍FT算法來快速地計算自動卷積，并且可以通過局部地擬合二階多項式來獲得最大位置。

可以通過將珠的衍射圖案與先前在校準階段期間獲取的一組參考衍射圖相比較來確定珠的z坐標(即，沿著顯微鏡的放大軸的珠的坐標)。

事實上，由光源發(fā)射的光輻射與被珠散射的光輻射之間的干擾在由相機記錄的圖像中產(chǎn)生衍射環(huán)。衍射環(huán)的尺寸隨著珠相對于顯微鏡的焦平面的距離而改變。

設備的校準在于通過在將珠相對于錨定表面保持在固定位置上的同時改變顯微鏡的聚焦來記錄珠的多個圖像。此校準階段允許生成珠的不同參考圖像，其對應于珠與焦平面之間的不同距離。

一旦校準階段已經(jīng)完成，則珠的當前圖像與參考圖像的比較允許以幾納米的精度測量珠的位置。例如，所述方法允許跟隨幾十個珠的位置，在兩個視頻圖像之間具有約3納米的精度。在其中所述設備被用于測量DNA分子的長度的應用中，這允許將DNA分子的序列組分局部化至在幾個核堿基內(nèi)。

然而，校準階段是耗時的，要求大量計算資源，并且必須針對每個珠單獨地執(zhí)行。

此外，提出的方法要求在被用來對一個珠成像的相機上使用大量像素，尤其是如果由于對象的圖像的尺寸增加而希望測試長的DNA分子的話。這可能限制能夠分析的珠的數(shù)目(例如，對于4兆像素的相機而言1000個珠)。

因此，提出的方法可能未被擴展為用于同時地測量大量的珠(例如數(shù)千個珠)的位置。

另外，為了改變顯微鏡的聚焦，校準階段要求使用高精度納米定位級，包括壓電致動器，以便以精確且可重復的方式相對于顯微鏡而移動錨定表面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的是提供一種用于以高精度測量對象的位置的光學裝置，其并未迫使需要校準階段。

根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了一種用于測量對象沿著第一軸的位置的光學裝置，對象經(jīng)受由光源發(fā)射的光輻射，該光學裝置包括：

-成像系統(tǒng)，其包括用于收集被對象散射的光輻射的物鏡，該物鏡具有平行于第一軸延伸的光軸，