[发明专利]模块化光学分析系统和方法

说明书

一种用于生物样本分析的系统，包括多个模块化子组件和精密安装板，其中每个模块化子组件包括外壳和多个与外壳预对准的光学部件，并且外壳包括多个精密安装结构，并且每个模块化子组件机械地耦合到精密安装板，使得来自模块化子组件的每个精密安装结构直接附接到位于精密安装板或相邻模块化子组件上的相应精密安装结构，以优化光学机械公差。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年1月5日提交的美国临时专利申请号62/442,937的和2017年3月24日提交的英国专利申请号1704771.3的权益，这两个专利申请以引用方式整体并入本文。

背景技术

生物光学分析仪器(如基因测序仪)倾向于包括多个可配置部件，每个部件具有多个自由度。这些生物光学分析仪器越来越复杂，导致制造和操作费用增加。一般来说，这些类型的仪器都能从其许多内部光学部件的精确对准中受益。例如，在一些基因测序仪器中，内部部件通常在精密公差内对准。对于这种仪器的许多制造技术涉及将所有部件安装在精密板上，然后配置和对准每个部件。部件对准可能在运输或使用期间发生变化。例如，温度变化可能会改变对准。重新对准每个部件需要时间和技巧。在一些示例中，可以存在所有部件中可达到的超过30个的总自由度，并且它们彼此交互。大量的自由度使对准和配置复杂化并且增加了系统操作的时间和费用。光学测序仪的制造和操作可以通过模块化架构降低所有系统部件上可达到的自由度来进行简化。

发明内容

本文公开的技术的各种实施方式提供了模块化光学分析系统。例如，模块化光学分析系统可用于分析生物样本，例如在基因测序仪的情形中。本文公开的技术的其他示例提供了用于制造、配置和操作模块化光学分析系统的方法。

在一些示例中，将模块化光学分析系统的部件分组为模块化子组件，然后将该模块化子组件安装在精密板或其他稳定结构上可以降低相对自由度并且简化整体系统维护。例如，在一个示例中，模块化光学分析系统可以包括分组成四个模块化子组件的成套部件。第一模块化子组件可以包括一起分组到线生成模块(LGM)的多个激光器和相应的激光光学器件。第二模块化子组件可以包括分组到发射光学模块(EOM)的透镜、调谐和滤光光学器件。第三模块化子组件可以包括分组到相机模块(CAM)中的相机传感器和相应的光机械装置。第四模块化子组件可以包括分组到聚焦跟踪模块(FTM)的聚焦跟踪传感器和光学器件。在一些实施方式中，系统的部件可以分组到不同的模块化子组件。根据特定的应用和设计选择，部件可能被分组为更少或更多数量的子组件。每个模块化子组件可以通过将各个部件结合到安装板或外壳上并且在模块化子组件的预定公差内精确地对准和配置部件来进行预制。每个模块化子组件可以被制造成使自由度最小化，使得仅关键部件可以在一个或更多个方向上移动或旋转，以实现精确对准。

系统还可以包括精密安装板。精密安装板可以制造有对准表面，诸如安装销、槽、狭缝、索环、翼片、磁铁、基准面、工具球或设计成在其期望的位置中接受和安装每个预制和测试的模块化子组件的其他表面。精密安装板需求可以包括平坦结构、非平坦结构、实心结构、中空结构、蜂窝状或网格状结构或本领域已知的其他类型的刚性安装结构。在一些示例中，精密安装板结合或耦合到被配置为保持水平安装表面并抑制振动的平台运动组件。该平台组件可以包括致动器以控制光学目标的一个或更多个控制表面从而提供对准模块化子组件的反馈，以例如在预定公差内重新定位一个或更多个光学部件或传感器。平台组件还可以包括一个或更多个样本保持器，并且可以包括精确运动设备，从而以步进或连续运动的方式将样本准确地定位在光学成像系统的视场内或经过该视场。

组装模块化光学分析系统可以包括将每个模块化子组件安装在精密安装板上并且使用一个或更多个控制调节部来执行最终对准。在一些实施方式中，在其部件的每一个上具有超过30个自由度的光学分析系统可以被减少到其部件的每一个上具有小于10个自由度的模块化光学分析系统，其中部件被分组成预先配置的模块化子组件。这些其余的自由度可以被选择用于优化部件间对准公差，而不实施主动或频繁的对准过程。在一些示例中，一个或更多个模块化子组件内的一个或更多个控制调节部可以使用安装在子组件中的一个或更多个相应的致动器来致动。