[发明专利]用于测量对象的位置的光学装置

说明书

本发明涉及一种用于测量对象(B)沿着第一轴(z)的位置的光学装置(1)，其包括：光学成像系统(5)，其包括用于收集被对象(B)散射的光辐射的物镜(53)；透射掩膜(8)，其至少具有第一小孔(81,83)和第二小孔(82,84)，分离布置(9)，其用于沿着垂直于第一轴和第二轴的第三轴(y)而在相反的方向上将来辐射的第一部分(R1)与辐射的第二部分(R2)分离；以及检测器(6)，其具有检测器平面(61)，检测器(6)适合于生成包括第一光斑(S1)和第二光斑(S2)的图像，其中，对象(B)沿着第一轴(z)相对于成像系统的对象平面的位置变化引起第一光斑(S1)和第二光斑(S2)沿着第二轴(x)相对于彼此的位置变化。

技术领域

本发明涉及一种用于测量一个或多个对象的位置的光学装置。本发明特别地应用于以高精度来测量位准对象(诸如微珠)的位置。

背景技术

为了研究DNA分子与其它组分(诸如蛋白质)之间的相互作用，已知要使DNA分子经受拉伸力并测量分子的弹性性质(即，相对伸长对比力特性)。

文献US 2003/0027187公开了例如一种用于测试DNA分子的设备，其中，分子在一端处被锚定到锚定表面且在另一端处被锚定到顺磁珠。该设备包括用于向珠施加力从而控制分子的拉伸和扭转的磁体。该设备还包括光源、显微镜和用于产生珠的图像的相机以及用于分析生成的图像的计算机。

分析珠的图像允许实时地确定珠在三个维度(x、y、z)上的位置和因此的分子的伸长和施加的拉伸力。

可以通过使用珠的对称性并通过自动卷积来确定其中心而确定珠的x、y坐标。事实上，此功能呈现出最大正值，其位置移动(2δx、2δy)，其中，δx(δy)是珠图像从原始图像中心沿着x(y)的移位。可以使用FFT算法来快速地计算自动卷积，并且可以通过局部地拟合二阶多项式来获得最大位置。

可以通过将珠的衍射图案与先前在校准阶段期间获取的一组参考衍射图相比较来确定珠的z坐标(即，沿着显微镜的放大轴的珠的坐标)。

事实上，由光源发射的光辐射与被珠散射的光辐射之间的干扰在由相机记录的图像中产生衍射环。衍射环的尺寸随着珠相对于显微镜的焦平面的距离而改变。

设备的校准在于通过在将珠相对于锚定表面保持在固定位置上的同时改变显微镜的聚焦来记录珠的多个图像。此校准阶段允许生成珠的不同参考图像，其对应于珠与焦平面之间的不同距离。

一旦校准阶段已经完成，则珠的当前图像与参考图像的比较允许以几纳米的精度测量珠的位置。例如，所述方法允许跟随几十个珠的位置，在两个视频图像之间具有约3纳米的精度。在其中所述设备被用于测量DNA分子的长度的应用中，这允许将DNA分子的序列组分局部化至在几个核碱基内。

然而，校准阶段是耗时的，要求大量计算资源，并且必须针对每个珠单独地执行。

此外，提出的方法要求在被用来对一个珠成像的相机上使用大量像素，尤其是如果由于对象的图像的尺寸增加而希望测试长的DNA分子的话。这可能限制能够分析的珠的数目(例如，对于4兆像素的相机而言1000个珠)。

因此，提出的方法可能未被扩展为用于同时地测量大量的珠(例如数千个珠)的位置。

另外，为了改变显微镜的聚焦，校准阶段要求使用高精度纳米定位级，包括压电致动器，以便以精确且可重复的方式相对于显微镜而移动锚定表面。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于以高精度测量对象的位置的光学装置，其并未迫使需要校准阶段。

根据第一方面，本发明提供了一种用于测量对象沿着第一轴的位置的光学装置，对象经受由光源发射的光辐射，该光学装置包括：

-成像系统，其包括用于收集被对象散射的光辐射的物镜，该物镜具有平行于第一轴延伸的光轴，