[发明专利]用于超分辨率成像的高速扫描系统

说明书

本文公开了一种用于生成超分辨率图像的高通量光学扫描系统和使用方法。本文提供的光学扫描装置和使用方法可以允许以高分辨率对连续移动的对象进行高吞吐量扫描，尽管平台速度有波动。这可以有助于对基板(例如，包含荧光团的生物芯片)进行高通量扫描。本文还提供了改进的光学中继系统和扫描光学器件。

交叉引用

本申请要求于2019年9月5日提交的美国临时申请号62/896,541的权益，该申请通过引用整体并入本文。

背景技术

在当今社会，商品成本可以成就或破坏企业。通常，可以通过增加特定流程的吞吐量来降低商品和服务成本(COGS)。因此，能够尽可能快速高效地处理货物通常是企业“必须做的”。货物的自动检查通常使用视觉或成像系统进行。这些系统用于拍摄对象的静止图像或视频图像，并根据对该视频或静止图像的分析确定该对象的状态。因此，需要从视频或静态图像中提取可量化的数据，以确定该对象接下来会发生什么。提取可量化数据始终取决于图像质量(图像特征(模糊)的定义如何，对比度是否足够等)。以简单、经济高效的方式将这种需求与对高通量成像(在样品连续移动时对样品进行成像)的需求相结合是一项挑战。动态或高通量成像的关键方面之一是保持样品台的接近恒定的速度。如果样品台速度发生变化，图像将变得模糊，无法提取足够的可量化数据。对于一些高通量过程，需要在扫描和0.5像素模糊时进行超分辨率(亚衍射限制)成像。这种量化的改进可以通过两个镜(速度和加速度跟踪镜)或使用前馈方法的单个镜(使用当前场的平均速度来计算并为下一个场提供速度校正项)来实现。迄今为止，在仅使用实时位置数据的超分辨率系统中，还没有已知的用于图像稳定的单镜或双镜应用，其中图像稳定的精度40nm，速度大于20FPS(每秒帧数)。

典型的单分子、单荧光灵敏度生物荧光光学扫描系统需要具有长曝光时间的低噪声相机。这些系统通常需要位于花岗岩或类似物上的高精度和稳定的成像平台。此外，这些系统采用“步进和重复”分级，需要高加速和减速以及高质量，以实现多场的高通量、稳定成像。为了在短时间内(～5分钟)以高倍率扫描大面积芯片(2000mm²)，需要比步进和重复系统所允许的更短的帧成像时间。

需要“动态图像”方法来防止由于步进和重复系统固有的平台加速和稳定时间而导致的吞吐量损失。传统的动态图像应用需要能够提供接近恒定(～+/-0.05％)速度的样品台，以及在样品移动时对样品进行成像的扫描光学系统。如果平台的速度在其整个行程中不是接近恒定的，那么扫描光学系统将不会在平台移动时对样品的完全相同的区域进行成像。这可能会导致图像模糊(例如，像素拖尾为～+/-3像素)。这个问题通常通过使用昂贵的平台来解决，这些平台通过使用重型平台和强大的平台驱动器提供接近恒定的速度。不幸的是，这增加了产品的成本，使其无法用作台式系统。

典型的低成本、紧凑和/或轻型平台由具有各种表面不规则性(例如，凹坑、毛刺、机加工凹槽、凹坑和畸形空腔)的部件构建。这些不规则性通常会导致速度不恒定。例如，平台上的毛刺或草皮会导致台暂时减速，然后可能会在恢复到遇到不规则之前的速度之前加速。由于生成不可接受的图像模糊水平，平台的速度波动使得使用这些低成本、较小的组件与当前的动态图像高吞吐量扫描方法不兼容。

因此，需要改进的扫描光学系统，其增加速度波动容限，允许使用更小、更轻和低成本的光学扫描系统的具有单荧光灵敏度的动态图像扫描获得具有增加稳定性(例如，减少像素拖尾)的图像。

发明内容

本发明至少部分地基于新方法和装置的发现，以减少移动台上的对象成像中的像素拖影。