显微成像的制作方法

专利名称：显微成像的制作方法
显微成像相关申请的交叉参考本申请要求美国临时申请系列号61/255，781 (2009年10月28日提交，“接触光学显微镜”)的优先权，其全部内容引用 在此作为参考。
背景技术：
各种形式的显微镜在日益增长的人类活动范围中，从自然科学中的基础研究、工业研究和开发、工艺和质量控制、法医学和生物安全到人类和动物的临床医疗诊断等中，是必不可少的工具。最广泛使用的显微镜形式是光学显微镜。然而，样本(specimen)和显微镜物镜之间的光的衍射使得标准形式的光学显微镜的分辨率受限于几百纳米。由于其波动性，通过圆形透镜的光形成了环状衍射图样；如果一个点的主衍射最大值在另一个点的第一最小值之外，通过这样的透镜所形成的两个不同点的图像可以被分辨出。该理论衍射极限，也已知为Abbe分辨率极限或瑞利分辨率判据，约等于0.61X/NA，其中\是光的波长以及NA是透镜的数值孔径，由下式给出NA=n sin a其中n是透镜和样本之间的光学介质的折射系数，a是透镜接收角度的一半。当前已有的显微镜物镜通常具有NA〈1. 4，使得可见光的理论衍射极限>200nm ;实际上，受多种透镜像差影响的标准光学显微镜的分辨率极限较差，很少有大大低于0. 5 y m。已经采用了多种方法以减小或克服衍射极限。NA可以通过使用高折射系数的介质而增加。照明点的尺寸可以通过例如受激发射损耗(stimulated emissiondepletion, STED)措施得以减小，或稀疏的单个分子的位置可以通过它们衍射图像的中心进行近似。近场扫描光学显微镜(NSOM)可以通过使用探头(probe)克服衍射极限，该探头具有小于光波长的尖端，并且以与样本的距离小于波长进行定位。在一个典型的配置中，探头尖端或光圈(aperture)沿着样本靠近其表面扫描以绘制由样本表面处的荧光生成的近场。NSOM成像是非破坏性的，可以在含水环境中进行，可以观察活细胞和水合分子。存在其他不需要扫描但是需要超透镜的方法。已知存在无透镜的显微方法，但是它们需要整合多个图像或后续计算图像衍生以生成可使用的图像。

发明内容
通常，在一个方面，成像设备具有像素光敏阵列，并且与所述阵列相关的表面配置用来接收样本，其中至少一部分样本与表面的距离等于或小于所述像素的平均宽度的约一半。实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。包括样本。有光源。邻近表面的样本室部分地通过壁限定，该壁与所述表面具有间隔以及传播光以照明样本。流体通道将流体样本运入样本室中。密封样本室防止流体泄露。第二流体通道从样本室中运出流体样本。设有用于流体样本的贮存器以及从贮存器中泵出流体样本和将流体样本泵入样本室中以及将流体样本泵出样本室的泵。有成像集成电路。集成电路是背照式(back-sideilluminated)。基于计算机的系统使用程序从而利用来自设备的信息以显示、分析或储存样本的高分辨率图象。样本包括固体。样本包括液体,或者悬浮或溶解在液体中。壁具有至少一个邻近样本室的电极。壁具有邻近样本室的加热元件。壁具有邻近样本室的温度探头。壁具有邻近样本室的PH探头。壁是至少部分半透明的。定位光源使得从光源至表面的光路相对于表面成45度或更大的角度。定位光源使得从光源至表面的光路相对于表面成最大45度的角度。定位光源使得从光源至表面的光路约平行于表面。光源包括发光二极管。光源包括环境光。光源包括便携式多色光源。在表面上有耐化学性的透明材料层。耐化学性材料包括钻石。耐化学性材料包括Al2O3O耐化学性材料包括Si3N4。在表面上有波长滤波材料层。在表面上，透光材料层包含 荧光团。样本发出光。有涂覆表面的偏振材料层。胶粘材料层涂覆表面。光敏阵列提供高分辨率。通常，在一个方面，成像设备具有光敏阵列，配置与所述阵列相关的表面以接收样本，其中至少一部分样本与光敏阵列的距离满足或至少近似满足近场(near-field)标准。通常，在一个方面，至少一部分样本离开与像素光敏阵列相关的表面一定距离放置，所述距离等于或小于所述像素的平均宽度的约一半，以及由光敏阵列所产生的信号用于生成样本的高分辨率图像。下文说明了这些和其他方面和特征的优势。装置中的这些方法是简单的、容易使用的、不繁琐且应用范围广，是相对价廉和快速的。在一些实施中，它们适用于成像移动样本或快速变化的样本。可以省去困难的制造价廉的光学元件的必要。这些和其他特征和方面，以及它们的组合，可以表达为用于执行功能、商业方法、程序产品的方法、系统、构件、手段和步骤，或者表达为其他方式。由以下说明和权利要求清楚可见其他优势和特征。


图I示出了成像设备的俯视图。图2示出了成像设备的剖面图。图3示出了成像集成电路的俯视图。图4示出了成像设备的剖面图，该成像设备配备有光源、探头、电极、加热元件和流体流动系统。图5A、5B和5C示出了具有光源的成像设备的剖面图发光二极管光源(图5A)、环境光源(图5B)和便携式多色光源(图5C)。图6A至6G示出了成像集成电路的剖面图，其具有以下涂层透明的、波长滤波的或偏振的(图6A)、金属的(图6B)、塑料的(图6C)、透明的耐化学性的(图6D)、非导体的(图6E)、胶粘的(图6F)以及透明的具有荧光团、闪烁材料(scintillant)或磷(图6G)。图7示出了配备有便携式多色光源和具有电源、I/O和流体连接器的外罩的成像设备的剖面图。图8示出了成像设备和基于计算机的系统的示意图，其中虚线表示沿光路的光。
图9示出了由于光从点源在距离中间像素(原点)中心的不同距离处进入硅构造的成像集成电路随着中心上方的源的距离(上升)增加所引起的像素响应的计算曲线。测量横向距离以及表面上方距离，单位为像素的宽度。每条曲线表示成像集成电路的光敏表面上方的源的具体垂直距离的关系，如在插图中所示。图IOA和IOB示出了(IOA)用于零度和九十度之间的角度的菲涅耳公式的透射系数；(IOB)当相对表面法线的光的角度增加时相对光源的减小的像素轮廓(profile)的示意图。图11是30 iim厚Mylar片的图像，其通过使用实施例所涉及的装置而成像，具有
5.2 u m X 5. 2 Um 像素。图12是有机溶剂的气溶胶中的微液滴的图像，其通过使用实施例中所涉及的装置而成像，具有5. 2iim X 5. 2 u m像素。
图13是包含悬浮的交联葡聚糖珠的I U I水滴的图像，其中该交联葡聚糖凝胶珠(Sephadex bead)的尺寸为从< 20 ii m至> 100 ii m,该图像通过使用实施例中所涉及的装置而成像，具有5. 2iim X 5. 2 u m像素。图14是来自非洲爪蟾(Xenopus Iaevis)的新鲜的、活的、未染色的血液样本的图像，其中血样稀释在不含钙的林格氏溶液中，该图像通过使用实施例中所涉及的装置而成像，具有2. 2iim X 2. 2 iim像素。示出了全场视图(3. 2x2. 4mm)，以及部分视场的放大图，其中清楚可见红细胞的椭圆形和成核结构(长轴 24pm，短轴 16i!m)。放大的图像已经通过双三次内插值的2x2像素增强而强化。图15是活水蚤属(Daphnia sp.)的视频序列的两帧的视场的部分，其通过使用实施例中所涉及的装置而成像，具有2. 2 iim X 2. 2iim像素。附图标记101样本室103样本室盖105样本室盖的壁107样本室盖的顶部109橡胶垫片110 凹处111光敏表面113成像集成电路115 空间117定位块119定位块的一侧121定位块的相对侧123弹簧夹124弹簧夹的底部125装配块127 印刷电路底板(printed circuit headboard)129调整垫片
131 焊盘149废料室151流体流动系统152管道系统153第一流体通道154第一连接器155第二流体通道156第二连接器 157 泵159贮存器161 光源163 LEDs165环境光源167便携式多色光源169便携式多色光源的显示器203高分辨率的光敏像素阵列205 支持电路(Supporting circuitry)207像素(一个或多个)307遮盖物313成像集成电路361 光源380 涂层393准直仪395基于计算机的系统400成像设备401 外罩452流体流动系统用的输入连接器454流体流动系统用的输出连接器456输入/输出连接器458电源连接器461 OLED 光源495输入/输出和照明控制用的电路501温度探头503 pH 探头505加热元件507 电极509 第二电极613成像集成电路614透明的涂层、波长-过滤或偏振的材料
615透明的耐化学性材料(钻石、A1203、Si3N4)、透明的耐机械性材料616荧光团、磷或闪烁材料617胶粘涂层618塑料涂层619金属涂层、产生表面等离子体(surface plasmon)的材料620钝化层701具有像素的光敏阵列
703点光源705 VLSI 电路707 角度709 原点711 第二角度713光源正下方的像素717非光源正下方的像素在此对成像装置进行说明，其通过利用具有高分辨率光敏阵列的成像集成电路和用于读出的支持电路实现高于常规显微镜的经典衍射极限的分辨率。空间分辨率不受到衍射极限的限制，因为在大多数光学系统中衍射极限是本征的。无需透镜或计算机校正算法以生成高分辨率图象。本文所述的设备和方法可以实现样本的高分辨率图象，而无需透镜或计算图像校正。图像通过使用具有像素的高分辨率光敏阵列(呈现光敏表面)的成像集成电路进行捕获，该成像集成电路具有用于读出的支持电路以及相关的用于数据处理和用户交互的计算设备。光源可以是环境光源或合适地在装置中提供的光源。对于光敏表面的半像素宽度内的样本的部分，图像的分辨率受限于形成光敏表面的像素的大小。如果这些像素的平均宽度小于使用的光的波长的约一半以及样本在光敏表面的半像素宽度以内，则可以满足近场标准以及可以获得图像，其等于或超过基于标准透镜的光学显微镜的分辨率。例如当光敏表面和样本之间的距离小于所关注的波长时，可以认为达到了近场标准。成像设备的实施方案通过图1、2、3、4、5、6、7和8所示的实施例进行说明。在一些实施中，可以定向成像设备使得样本在重力的作用下更靠近光敏表面。在一些实施方案中，成像设备倒置(inverted)或垂直地安装在它的一侧，当需要时结合约束措施(未示出)用于样本室中的样本。由样本室101表示的空腔由具有壁105和顶部107的样本室盖103和由成像集成电路113表示的光敏表面111所形成。在一些实施例中，样本室盖可以由任一具有足够刚性以在压力下耐扭曲或开裂的材料制造。在一些实施方案中，样本室盖103至少是部分透射光的。在一些实施方案中，壁105由不透明材料(例如包括金属和陶瓷)制造，或者顶部107不存在或者由透明的材料制造。一些实施方案中，样本室盖103由玻璃或聚苯乙烯制造以及顶部的厚度为约0. 5mm至约1mm。样本室盖的壁具有这样的尺寸和厚度使得大致将光敏表面装入它们的内部尺寸以及大致将成像集成电路装入它们的外部尺寸中。在一些实施方案中，样本室盖的壁是矩形的以及每个样本室盖的壁具有的内部长度小于约10mm。在样本室盖103的顶部107和表面111之间的距离优选为约50 u m至约Imm,更优选为约75 u m至约250 u m。在一些实施方案中，顶部107在凹处110区域中相对壁105的高度实现了所需的样本室高度；在一些实施方案中，凹处或者不存在，或者不大于接受光源161所需的尺寸。样本室盖103的底部109的表面可以利用垫片进行橡胶处理或利用防水微层进行处理，从而当通过弹簧夹123压在成像集成电路113的非-光敏陶瓷 或塑料包装上时确保液密耐压密封。样本室容纳样本和运送样本的介质。对于干样本，介质可以是空气或一些适合样本的稳定性或性能的其他气体或气体混合物。对于液体样本或者悬浮或溶解在液体中的样本，介质是合适的液体；样本室无需排空气体以获得这样的样本的图像。成像集成电路113，非常大规模集成(VLSI)电路，具有高分辨率光敏阵列203，其包括呈现在它的表面111上的像素的二维阵列，围绕有非-光敏支持电路205用于读出。成像集成电路113(包括包装)电连接和机械连接至底板(headboard) 127,其是印刷电路板，其组件连接装配块125上的电路。成像集成电路113通过多种焊盘131电连接和机械连接底板127。用于这些目的的集成电路包装包括但不限于球栅阵列(grid arrays)、方形扁平包装(quad flat packs)、无引线芯片载体(leadless chip carriers)。阵列203由用于非常大规模或较大的集成电路中的材料制造；在一些实施方案中，阵列主要是锗、氮化镓或砷化镓。在一些实施方案中，阵列主要是硅。在一些实施方案中，高分辨率光敏阵列包括电荷-耦合器件(CCD);在其他的实施方案中，高分辨率光敏阵列在CMOS中制作。作为示例性实例，OmniVision 0V5642成像集成电路具有的面积尺寸约为6. 96mm x 6. 71mm，围绕面积为约3. 67mm x 2. 73mm的光敏阵列。该阵列是接近居中的，相对IC中心(0，0)在约(220, 445) iim处具有中心。样本室盖103位于由矩形定位块117定义的空间115的内部。定位块117和在它的底板127上的成像集成电路113皆位于装配块125的顶上。装配块125面积足够大以容纳定位块加弹簧夹123的尺寸。定位块117利用焊料、粘合剂或螺丝连接装配块125。在一些实施方案中，定位块由约l_2mm厚的刚性不透明材料(例如包括塑料、金属或玻璃纤维)制造，其长度尺寸大于样本室盖壁的长度尺寸最多约0. 5mm。两个或多个相邻的弹簧夹11在它们的底部124连接装配块125，它们覆盖定位块117以及至少部分的样本室盖103的壁105，使盖保持在空间115的内部的适当位置上。在定位块的两个相对侧119，121的每一侧上有两个弹簧夹123。每一侧上的弹簧夹平行定向以及具有一种有利于在不操作时样本和样本室盖103的插入和移去、但是在操作期间维持盖在适当位置的形状。在一些实施方案中，弹簧夹是金属。在一些实施方案中，弹簧夹是塑料。在一些实施方案中，样本室盖借由其他紧固件例如适应定位块内部的螺丝或滑板保持在空间中。成像集成电路113的外部边缘由矩形调整垫片129围绕，其中矩形调整垫片129的高度大致等于电路的高度以及厚度等于未被成像集成电路占用的空间115的剩余空间。调整垫片129由适当的调整垫片材料制造；例如，调整垫片可以由塑料、酚醛树脂、玻璃纤维或金属制造。调整垫片129借由焊料、粘合剂或螺丝连接装配块125 ;它借由注射乳胶、有机硅、塑料(优选聚苯乙烯)或粘合剂也连接成像集成电路113的外部边缘从而维持相对成像集成电路的流体密封。设置了一个或多个成角的流体通道，每个流体通道具有一个较低的末端开口进入样本室以及另一个较高的末端，定位该另一个较高的末端使得液体样本适当地流入样本室或流出样本室。在一些实施方案中，在样本室103的壁105内部有相对设置的第一流体通道153和第二流体通道155。这些流体通道具有的直径略微小于样本室的高度。它们是例如圆柱的和例如相对表面111成约45度角定向，从而流体得以从设备的外部进入样本室。在一些实施方案中，流体流动系统151通过管道系统152和各连接器154，156例如微Luer-锁紧套口(micro-Luer-Lok hub)连接流体通道153，155。流体流动系统151包括管道系统152、优选可逆的和可以调节多种流速的泵157、贮存器159和废料室149。管道系统优选是熔融石英或塑料。在一些实施方案中，有多对流体通道以及用于流式细胞仪(flow cytometry)和分类应用的相关流体流动系统。样本可以置入样本室101中，或者通过临时移去样本室盖103以提供至样本室的通路，或者特别在液体样本的情况中通过流体通道153，155中的一个通道插入液体样本。液体样本可以是血液或其他细胞或微生物、种子、花粉、孢子、粒子、液滴、晶体、沉淀物或其 他材料、悬浮在水、盐水或其他水溶液或其他足够的流体或非-粘性的无机或有机流体。这样的液体样本在成像期间可以是静态的或可以流经样本室，或者由微型泵提供的负压或正压、注射器、重力、表面张力、旋转圆盘(rotating discs)或任何其他合适的动力源驱动。这样的液体样本可以利用微型移液器、注射器或其他加载设备输入，通过沉积液滴在入口上，或通过流体贮存器的连接输入。样本可以是有机的或无机的、活的或死的、干的或在液体中的，以及所述这些的组合。依赖于具体实施方案的分辨率，样本可以包括但不限于蛋白质、DNA、RNA、纳米材料、纳米结构、由显微镜用薄片切片机或超微切片机制备的薄切片、聚合物、糖类、脂质囊泡、生物细胞、组织样本、组织学切片、微生物、病毒和所述这些样本的组合。在一些实施方案中，活样本的移种(seeding)例如细胞置于光敏表面或相关的基材或涂层上使得可以进行细胞生长、移动或其他动态行为的实时或延时(time-lapsed)成像。在一些实施方案中，样本是固定的。在一些实施方案中，可以通过利用连接泵和贮存器的流体通道使样本可以流经光敏表面。在一些实施方案中，有至少一对流体通道。在一些实施方案中，有三个或更多流体通道，由流动特性决定的数目适用于应用情况。在一些实施方案中，流体流动由正压驱动；在一些实施方案中，流体流动由负压驱动。这样的装置可用于评估疾病状态，由细胞悬浮液或体液进行成像，其中体液包括但不限于血液、淋巴、精液、胆汁和尿液。在一些实施方案中，成像集成电路将图像输出给包括流式细胞仪用的合适软件的计算机。在一些实施方案中，手动安置样本；在没有样本室盖时，直接将样本置于光敏表面上针对样本的至少部分将自动满足或大致满足像素-限制的分辨率的条件；如果在样本的至少部分和光敏表面之间的距离小于光的波长，近场标准也得以满足。在一些实施方案中，关注液体中的样本，当样本经过成像集成电路时，利用用于移动和流动成像样本的流体流动系统将样本置于成像集成电路或基材上。这样的流体流动系统可以包括用于液体样本安置和移去的简单系统，例如手动施用于成像集成电路的样本液滴，以及倾斜于成像集成电路和接触样本的吸墨纸以随着时间吸收液体。在其他的实施方案中，例如流体流动系统包括泵或其他合适手段用于拉/推样本；包含样本的导管，至少其片段(即光路中的片段)基本上能透射预定的波长。样本的图像可以在存在光源161时得到。光源161产生至少一种波长，成像集成电路113对于该波长是响应的。在一些实施方案中，光源包括激光以及预定的波长是激光的基本上单色的波长。在一些实施方案中，光源包括黑体以及预定的波段是黑体适合有效产生的电磁波频谱的片段，使用或不使用插在光源和样本之间的带通频谱过滤器(bandpassspectral filter)。在一些实施方案中，光源包括ー个或多个发光二极管163，例如有机发光二极管阵列，其定向以在预定的波长段(ー个或多个)中生成光。在一些实施方案中，光源是连续的。在一些实施方案中，光源是脉冲的。在一些实施方案中，光源是偏振的。在一些实施方案中，光源可以安置于纳米探头的顶端。在一些实施方案中，光源包括任ー环境光源、白炽光源或荧光光源，包括由太阳165产生的光。在一些实施方案中，光源是结构化的，例如亮条状物的周期性光柵。在一些实施方案中，可以有额外的光源。结合合适的倾斜的、脉冲触发的、偏振的、结构化的或其他形式的照明，一些实施方案可以产生额外的相应于显微镜领域中已知方法的有利信息，包括但不限于暗场、突光、突光寿命、光学断层成像(tomography)、偏振显微术。在一些实施方案中，样本本身是光源161 ;例如通过化学发光，或因为对光敏阵列进行处理使其对放射 性的样本发出的辐射灵敏。在一些实施方案中，光源是可以发出多色光的便携式电设备167如智能电话(smartphone)的部分。在一些实施方案中，智能电话具有高強度的有机发光二极管显示器169，其使得可以在不同波长以及相对光敏表面不同的位置照明，具有独立控制的启动)和持续时间，以及可以同时控制光源从而接近均匀散射源。( ー个或多个)光源的频谱可以位于利用光敏阵列可检测的电磁频谱的任何预定区域，进行或不进行特殊处理以扩大通过这些阵列可检测的有效波长范围。在一些实施方案中，预定的波长或波段在红外频谱中。在一些实施方案中，预定的波长或波段在紫外频谱中。在一些实施方案中，预定的波长或波段在可见频谱中。在一些实施方案中，预定的波长或波段在X射线频谱中。在一些实施方案中，预定的波长或波段在微波频谱中。在一些实施方案中，预定的波长或波段大致如下其具有的频率为约ItHz至约IOOOtHz (Terahertz)。在两个或更多波段中的光的组合可用于ー些实施例中。在一些实施方案中，光源包括单独控制的发光二极管(LED)，其针对它们的频谱发射特性以及它们所发出光的均匀性进行选择，并对其进行定位从而有利于所设想的分析。在一些实施方案中，定位光源从而均匀地照亮样本室。控制LED例如或者通过整合在仪器内部的嵌入式控制器或者通过包含在智能手机或其他市售的现成的计算设备中的微处理器。例如或者単独地或者成组地控制LED从而有利于所设想的分析，包括但不限于常规显微镜，其中在常规显微镜中照明器、样本和成像系统基本上对齐，以及暗场显微镜，其中样本从像素的接收角(acceptance angle)之外的角度被照亮。另外，通过适当选择照明器中的LED，所设想的接触显微镜可以用于但不限于例如彩色成像、突光显微镜、偏光显微镜、红外线和紫外线显微镜。一些实施方案将结合多种照明器，其中每ー种可以具有不同的特征从而有利于进行更宽范围的分析。在ー些实施方案中，照明器容易互換。在一些实施方案中，照明器可以包括具有选择性寻址的有机LED(OLED)或有源矩阵有机LED (AMOLED)面板。一些实施方案有利于均匀样本照明以及快速照明变化两者从而有利于针对固定样本和移动样本所设想的分析。在一些实施方案中，AMOLED面板可以通过适当控制面板光电发射体用于照亮样本。在一些实例中，照明器可以包括LED、有机LED面板、荧光面板、X-射线源、紫外线源、环境照明例如太阳光或室内光线、白炽灯源或任何其他光源，包括没有光源，例如对于化学发光样本，以及这些实例的组合。所述光源的构造包括但不限于平板、矩形或光源的其他网格布局、可移动的光源、多色光源以及粘贴在内部或半球形外壳的光源，其中该半球形外壳安装在样本室之上，样本室的中心为外壳的中心，或它们的组合。照明源的控制可以包括但不限于稳定照明、同时或顺序地选择性激发ー个或多个照明源、控制任ー个或多个光源从而具有特定的时间照明模式，或者使用它们和其他技术(包括未来技木)的任ー种或任ー组合。照明的控制器可以包括但不限于人工控制器例如开关或旋钮、自动化的嵌入式计算机系统、外部计算机系统例如智能手机、外部计算机系统例如桌上型电脑或手提电脑，或上述的组合。图7说明了一些实施方案的特征。在一些实例中，成像设备400安置在具有铰链盖的外罩401中，通过铰链可以插入或移开干样本。在盖的下侧上，有机LED光源461照明样本。整合盖以及连接光源461的是用于输入输出和照明控制的电路495。电源连接器458连接电路495。输入/输出连接器456，优选USB接ロ连接邻近光源461的电路495。成对的流体流动连接器452、454连在流体流动系统上，和图4中类似。图7的整个实施方案的形式可以例如为约智能手机的形式。图8说明了当成像系统的实施方案在操作中的光和数据输出的流程图。光源361产生例如预定波长或波段的光。在一些实施方案中，具有透镜、滤波器或它们的组合的准直仪393确保光沿着光路准直以及包含基本上预定波长或波段的波长。光沿着光路向成像集成电路313传播。在一些实施方案中，光在成像集成电路上的入射角将是倾斜的，而非垂直的。在一些实施方案中，对预定波长或波段基本上透射的任选遮盖物307限制样本体积或保护样本不发生无意识的移动或暴露。样本被照亮，所产生的光在超出其的光路中生成图像。在一些实施方案中，任选的涂层380位于样本和成像集成电路313之间。成像集成电路313捕获的所得图像输出至基于计算机的系统395进行储存、读出或分析。在本文的讨论中，使用术语“高分辨率”来表示例如等于或超过标准物镜基光学显微镜的分辨率。例如，根据应用情況，高分辨率可以意为小于5 u m、小于2 u m、小于I y m、小于约0.5 或甚至更小。分辨率主要由光敏阵列的像素大小決定。ー些光敏阵列具有许多百万正方形像素，每个像素的ー边略大于I U m,引起分辨率为约I U m ;可实现的分辨率将通过减小像素大小而改进，理论上超过例如10亿像素，每个像素的一边小至200nm或更小，当集成电路或其他设备的设计和制作技术改进吋。阵列中像素的数目、形状和设置是任意的，没有固有的限制，以及可以基于相应关注的应用针对制造预先決定。在一些实施方案中，最长的像素大小是10 y m或更小。在一些实施方案中，最长的像素大小是5 ii m或更小。在一些实施方案中，最长的像素大小是I微米或更小。在一些实施方案中，最长的像素大小是500nm或更小。在一些实施方案中，最长的像素大小是250nm或更小。可以构建成像集成电路使其具有像素大小小于可见光的波长，例如在美国专利7，153, 720中所示，其内容引用在此作为參考。在一些实施方案中，成像集成电路包括电荷耦合器件(CXD)。在一些实施方案中，成像集成电路使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造。C⑶对于接触光学显微镜应用具有优势，包括检测在芯片(100%填充因子)的整个暴露表面上的光的能量，尽管它们比CMOS读出速率更慢，因为它们需要从光感应(并行寄存器)至读出(串行寄存器)元件连续转移电荷。可以使用多种配置的CCD:全帧架构(full-frame architecture)有利于最大化芯片用于成像的比例，但是需要外部快 门(shutter)以防止在读出时图像拖尾(image smearing);而巾贞转移架构避免了图像拖尾，但是在该过程中需要平行寄存器的掩蔽的非光敏面积，其大致具有平行寄存器的光敏面积的相同尺寸，结果导致成像集成电路具有全帧架构的光敏面积的约一半。由于本发明中所使用的阵列中的单个像素的面积小，在很多成像条件下，每个像素中收集的电荷将是小的；然而，由于样本接触或几乎接触像素，针对从样本发出的光子，像素的有效接收角(effective acceptance angle)大于常规显微镜中物镜所实现的。在ー些CO)实施方案中，为了进ー步增加灵敏度，任一架构的CCD可以额外使用电子倍增增益(electronmultiplying gain),其中施加在串行寄存器(ー个或多个)的扩大区域上的高时钟电压在每个像素转移到(ー个或多个)输出节点时放大了每个像素的电荷。CMOS设备针对这些应用具有备选的优势，制造成本更低，通过嵌入单个像素中的电子元件的信号处理以及单独地读出独立-寻■址(independently-addressed)像素值的性能而无需连续传播。在ー些CMOS实施方案中，使用薄的背面照明阵列；虽然先前需要昂贵的和复杂的制造方法，这些现在可以使用晶圆键合方法(bonded wafer process)例如使用具有氧化埋层作为蚀刻终止以实现均匀最优化薄的光吸收背面层的绝缘硅片基材的那些价廉地制造(參考例如U. S专利No. 7，425，460，引用在此作为參考)。进入普通(前面照明的)的成像集成电路的光通常经过覆层(overlying layer)，其散射光以及覆层的金属电路元件阻挡相关的(underlying)光敏层；在背照式成像集成电路中，光敏层靠近表面，在具有金属电路的层的上方，通常导致更小的光阻挡(更大的填充因子)以及因此更大的 有效量子效率(effective quantum efficiency)。在一些实施方案中,成像集成电路是无窗的(windowless)。大多数市售的成像设备在CCD或CMOS之上具有保护窗，通常地，该窗必须是缺失的以便样本足够接近光敏表面从而实现高分辨率，如上所述，而无需计算机图像处理。当样本上的点距离最近像素的中心小于像素宽度的一半时，几乎所有从该点朝向阵列发出的或散射的光将主要入射且因此激发仅最近的像素；在这些条件下，分辨率由像素大小决定，或更确切地说，由同等面积的圆形(circle)的大小决定(即 450nm分辨率,针对400nm x 400nm像素)，虽然分辨率可以通过计算、样本流动或其他手段进ー步增强。无需透镜或任一其他光学元件实现这些条件，由此实现这样的像素-限制的分辨率。远离光敏表面的样本或部分样本未清晰成像，因为样本和光敏表面之间的光的传播。当点光源和阵列的光敏表面之间的距离增加时，光敏表面处的点的图像显示出増加的模糊，因为自该点的光撞击以及激发除了该像素之外的直接位于该点下方或最接近该点的额外像素。至其他像素的传播程度通过以下两个考虑要素进行控制限制像素对光的接收角度(其中接收角度指的是光线可以影响像素输出时的光线相对表面法线的最大偏离)。首先，当光入射光敏表面的角度相对表面法线增加时，光被反射的部分増加，直到达到ー个角度，超过该角度时所有光被反射。该关系通过如下的菲涅耳公式定义
1 — —-————~ ^ 2 Tll COS 01 — Tl2 if I — I Sill Bt II 一 .…— ー」^
響[~,——一.'2
Ti I cos Bi "4- 71*2 ^ I I sin Oi |
f,y-I
r /1 — ( sin O1 ) — Ti2COs^1Rp = —y,.TMニ^一—^
ni JI - I ^ sin BiJ + i2 cos#*
其中Rs=s-偏振光的反射系数Rp=p_偏振光的反射系数0 i=相对表面法线入射光线的角度nl=包含光源的区域的折射率nl=成像阵列的折射率透射系数是Ts = I-RsTp = I-Rp
权利要求
1.一种装置，其包括 具有像素光敏阵列的成像设备，和 与所述阵列相关且配置用来接收样本的表面，其中至少一部分样本与表面的距离等于或小于所述像素的平均宽度的约一半。
2.权利要求I的装置，还包括样本。
3.权利要求I的装置，还包括光源。
4.权利要求I的装置，还包括 样本室，其邻近所述表面以及部分地通过壁限定，该壁与所述表面具有间隔并且传播光以照亮样本。
5.权利要求4的装置，还包括流体通道以将流体样本运入所述样本室中。
6.权利要求4的装置，其中对所述样本室进行密封以防止流体泄露。
7.权利要求4的装置，还包括第二流体通道以将流体样本从所述样本室运出。
8.权利要求5的装置，还包括用于所述流体样本的贮存器以及用于将所述流体样本从所述贮存器泵出以及泵入所述样本室和从所述样本室泵出的泵。
9.权利要求I的装置，其中所述成像设备包括成像集成电路。
10.权利要求9的装置，其中所述集成电路是背照式。
11.权利要求I的装置，还包括基于计算机的系统，其受程序控制使用从所述设备导出的信息对所述样本的高分辨率图象进行显示、分析或储存。
12.权利要求I的装置，其中所述样本包括固体。
13.权利要求I的装置，其中所述样本包括液体，或者悬浮或溶解在液体中。
14.权利要求4的装置，其中所述壁具有至少一个邻近所述样本室的电极。
15.权利要求4的装置，其中所述壁具有邻近所述样本室的加热元件。
16.权利要求4的装置，其中所述壁具有邻近所述样本室的温度探头。
17.权利要求4的装置，其中所述壁具有邻近所述样本室的pH探头。
18.权利要求4的装置，其中所述壁是至少部分半透明的。
19.权利要求3的装置，其中定位所述光源使得从所述光源至所述表面的光路相对于所述表面成45度或更大的角度。
20.权利要求3的装置，其中定位所述光源使得从所述光源至所述表面的光路相对于所述表面成最大至45度的角度。
21.权利要求3的装置，其中定位所述光源使得从所述光源至所述表面的光路大约平行于所述表面。
22.权利要求3的装置，其中所述光源包括发光二极管。
23.权利要求3的装置，其中所述光源包括环境光。
24.权利要求3的装置，其中所述光源包括便携式多色光源。
25.权利要求2的装置，还包括在所述表面上的耐化学性透明材料层。
26.权利要求25的装置，其中所述耐化学性材料包括钻石。
27.权利要求25的装置，其中所述耐化学性材料包括Al2O315
28.权利要求25的装置，其中所述耐化学性材料包括Si3N4。
29.权利要求I的装置，还包括在所述表面上的波长滤波材料层。
30.权利要求I的装置，还包括在所述表面上的含荧光团的透光材料层。
31.权利要求I的装置，其中所述样本发出光。
32.权利要求I的装置，还包括涂覆所述表面的偏振材料层。
33.权利要求I的装置，还包括涂覆所述表面的胶粘材料层。
34.权利要求I的装置，其中所述光敏阵列提供高分辨率。
35.一种装置，其包括 具有光敏阵列的成像设备，和 与所述阵列相关且配置用来接收样本的表面，其中至少一部分样本与所述光敏阵列的距离满足或至少大致满足近场标准。
36.一种方法,其包括 在离开与像素光敏阵列相关的表面一定距离处放置至少部分样本，所述距离等于或小于所述像素的平均宽度的约一半，和 使用由所述光敏阵列产生的信号生成所述样本的高分辨率图像。
全文摘要
本发明主要提供了一种具有像素光敏阵列的成像设备，以及与该阵列相关的且配置用来接收样本的表面，其中至少一部分样本与表面的距离等于或小于像素的平均宽度的约一半。
文档编号G02B21/33GK102713720SQ201080059753
公开日2012年10月3日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年10月28日
发明者A.M.法恩, P.H.格雷格森, R.本德 申请人:阿兰蒂克微科学股份有限公司