用于分析微孔的光学器件的制作方法
本发明涉及成像光学测量装置和光学成像方法。特别是，本发明涉及用于生物样本的成像光学测量装置和方法。
背景技术：
在如今的实验室环境中，光学测量发挥着重要作用。例如，荧光测量可用于定性或定量分析生物样本。在该过程期间中，收集从被包含在生物样本中的特定靶再发射的荧光，然后可以基于检测到的荧光来表征样本。在这些过程中使用的样本体积可能相当小。例如，在用于表征含有通过聚合酶链反应(pcr)扩增的核苷酸的样本的分析仪中，仅仅几微升或更少的样本体积并不少见。因此，包含在特定样本中的荧光分子或实体的数量可能相当少。这又可能导致再发射光的的荧光强度相当低，因此pcr分析仪中光学测量装置的信号强度相应也是低的。
在这种情况下，一种策略可以是增加光学采样过程的积分时间以考虑低信号强度。然而，分析器时间是有价值的商品，所以简单地延长测量系统的积分时间在许多情况下可能不是可行的或期望的选择。此外，简单地增加采样时间也可能例如由于噪声或样本劣化而引起其他问题。
技术实现要素：
在第一一般方面，光学测量装置包括：限定样本平面的样本保持器，其中所述样本保持器被构造成布置样本载体，所述样本载体包括在所述样本平面中的测量位置阵列；照明单元，其被构造成照亮所述样本平面；检测器；和光学成像系统，其被构造成将包括所述测量位置阵列的样本平面成像到所述检测器上，所述光学成像系统包括两个以上曲面反射元件，所述两个以上曲面反射元件适于以在2:1与1:2之间的放大率将所述样本平面成像到所述检测器上，并且所述检测器被构造成一次性获取所述测量位置阵列中所有测量位置的图像。
在本发明的第二一般方面，描述了一种用于生物样本的光学测量装置。用于进行荧光检测的光学测量装置包括：限定样本平面的样本保持器，所述样本保持器被构造成布置样本载体，所述样本载体包括在所述样本平面中的测量位置阵列；照明单元，其被构造成以透射照明设置来照亮所述样本平面；检测器；和光学成像系统，其被构造成将包括二维测量位置阵列的样本平面成像到所述检测器上，所述光学成像系统包括两个以上曲面反射元件，所述两个以上曲面反射元件适于将所述样本平面成像到所述检测器上，并且所述照明系统的输出数值孔径大于所述成像系统的输入数值孔径。
在本发明的第三一般方面中，一种用于对具有包含样本的测量位置阵列的样本载体进行成像的方法包括：照亮所述测量位置阵列，一次性收集从所述测量位置阵列中所有测量位置发射的光，通过使用两个以上曲面反射元件将收集的光成像到检测器上，所述曲面反射元件适于以在2:1和1:2之间的放大率将样本平面成像到检测器上。
第一和第二一般方面的装置和第三一般方面的方法可以具有一个以上以下优点。
首先，本发明的装置和方法可以允许在一些情况下更快速地检测从样本的不同测量位置(例如，微孔板的不同孔)发射的信号(例如，荧光)。例如，一些现有技术的分析器顺序地扫描不同的测量位置。与此相反，本发明的技术可以在一些情况下促成同时成像和捕获不同的测量位置(例如，微孔板的多个或甚至所有的孔)。
其次，通过使用本发明的技术，与一些现有技术的光学测量装置相比，在一些示例中，光学测量装置可以以不那么复杂的方式构造。如已经提到的，一些现有技术的装置使用顺序方法来扫描不同的测量位置(例如，微孔板的孔)。这可能需要适于移动样本或成像光学器件或有源光学部件(例如，数字微镜装置)的致动器，有源光学部件适于改变光学测量装置的照明图案，以按顺序寻址不同的测量位置。这些布置方式在一些示例中可能需要大量的移动零件或相当昂贵的零件。本发明的技术可以通过同时对多个(例如，所有)测量位置成像来至少部分地使得这样的元件变成多余。
第三，作为使用反射元件和较低放大率的结果，本发明的成像装置可能经历较低水平的光学像差。同时，可以以成效比较高的方式实现相当低的像差水平。一方面，本发明的成像装置通过使用反射元件可以具有相当低的色差。因此，本发明的成像装置在一些示例中可能不需要补偿元件来补偿色差(或者可以通过使用不太复杂的补偿器来实现相同水平的补偿)，在某些基于透镜的成像系统中可能采用补偿元件。
另一方面，在一些示例中，本发明成像装置的较低放大率可以减小像差的水平。这一点在分析相应小容器中包含的小样本量时可能是特别值得关注的。例如，微孔板的孔直径可以小于50μm，微孔板的两个孔之间的距离可以小于40μm。然而这种尺寸像差的成像结构可能是受到特别关注的，因为由于像差，能无法清楚地分辨来自不同测量位置的光。
一些现有技术的光学测量装置配备有放大率较高(例如，20倍以上)的成像元件。这会增加光学像差的水平，以及/或者会使得对像差引起的误差进行补偿变得更加困难和/或昂贵。例如，一些具有高放大率的基于透镜的系统采用具有多个透镜的显微镜物镜来补偿当仅使用两个透镜时将发生的像差。这会使成像系统更昂贵并且容易出错。因此，在一些示例中，本发明的成像装置可以降低光学测量装置的复杂性、成本并提高可靠性。
第四，本发明的技术可以提供相当大的视场，同时提供较大的数值孔径。以这种方式，可以同时检测不同的测量位置，同时从每个测量位置收集相当大数量的光子(并且因此缩短了测量持续时间)。在一些现有技术的系统(例如，荧光显微镜)中，视场可能小于本发明要实现类似数值孔径时的成像装置中的视场(例如，由于高数值孔径的物镜倾向于具有高放大率并因此具有小视场)。
特别是，本发明的技术可以通过使用透射照明单元来照亮与成像系统分开的样本来实现高数值孔径。以这种方式，样本可以用相当大的输出侧数值孔径照亮而不干扰系统的成像侧。作为相当大的照明侧数值孔径的结果，相当大数量的光子到达样本并且可用于引起荧光响应。在使用落射照明设置的一些现有技术系统中，其中照明光至少部分地通过与荧光相同的光学元件(例如，通过显微镜物镜)，使用高照明侧数值孔径可能是不可行的。在这些系统中，照明单元的输出数值孔径不能(过多)大于成像系统的输入侧数值孔径。
在已经提供了对本发明技术的概述之后，在下面的段落中，将讨论在本发明中以特定方式使用的几个术语。
本发明中使用的术语“光”包括但不限于可见光波长范围内的辐射。在一些示例中，光可以包括波长超过150nm且低于10,000nm(例如，波长在350nm与1500nm之间)的辐射。
本发明中使用的术语“冷光(luminescentlight)”包括荧光(例如，作为单重态-单重态跃迁的结果产生的光)和磷光(例如，由三重态-单重态跃迁产生的光)。
术语“测量位置阵列”包括两个以上测量位置的任何空间布置。在一个示例中，测量位置阵列可以包括n×m个测量位置(n和m是大于零的整数，其中m和n中的至少一个是大于1的整数)的矩形阵列。然而，在其他示例中，测量位置的阵列包括测量位置的非矩形阵列(例如，测量位置的圆形阵列)。测量位置阵列可以以规则或不规则的方式布置测量位置。在一个示例中，测量位置阵列包括被构造成包含生物样本的n×m个容器阵列(n和m是大于零的整数，其中m和n中的至少一个是大于1的整数)。例如，测量位置阵列可以包括被构造成包含生物样本的微孔板的n×m个孔阵列(n和m是大于零的整数，其中m和n中的至少一个是大于1的整数)。
术语“用于生物样本的光学测量装置”可以包括被构造成对生物样本进行光学测量的任何手动、半自动或自动测量装置。例如，本发明的“用于生物样本的光学测量装置”可以是用于分析生物样本的分析器或分析工作单元的一部分。
本文所使用的术语“分析器”/“分析工作单体”/“分析单元”涵盖可以测量生物样本(例如，在为了获得测量值使生物样本与试剂反应之后)的分析性质的任何装置或装置部件。
分析器可操作用于获得样本或其组分的参数值。除了本发明的光学测量装置之外，分析器可以包括用以通过一个以上化学、生物、物理或其他技术程序来确定样本参数值的测量装置。
分析器可操作以测量样本的或至少一种分析物的所述参数，并返回所获得的测量值。由分析器返回的可能分析结果的列表包括但不限于样本中分析物的浓度、指示样本中分析物存在与否的定性(是或否)结果(对应于高于检测水平的浓度)、光学参数、dna或rna序列、从蛋白质或代谢物的质谱法获得的数据以及各种类型的物理或化学参数。
分析工作单体可以包括用于对样本和/或试剂进行移液、配量和混合的单元。分析器可以包括用于保持试剂以执行试验的试剂保持单元。试剂可以例如以容纳单种试剂或试剂组的容器或盒的形式布置，放置在储存隔室或输送器内的适当容器或位置中。它可以包括可消耗的进给单元。分析器可以包括过程和检测系统，所述过程和检测系统的工作流针对某些类型的分析被优化。这种分析器的示例是临床化学分析器、凝血化学分析器、免疫化学分析器、尿液分析器、血液分析器、核酸分析器，用于检测化学或生物反应的结果或用于监测化学或生物反应的进展。
术语“生物样本”是指可能含有感兴趣分析物的材料。生物样本可以源自任何生物来源，例如生理流体，包括血液、唾液、眼晶状体液、脑脊液、汗液、尿、粪便、精液、牛奶、腹水、粘液、滑液、腹膜液、羊水、组织、培养细胞等。生物样本可以在使用前进行预处理，例如从血液制备血浆。处理方法可包括离心、过滤、蒸馏、稀释、浓缩和/或分离包括感兴趣的分析物的样本组分、干扰组分的灭活和试剂的添加。可以从源获得生物样本后直接使用，或者经过预处理以改变生物样本特性后使用。在一些实施例中，最初为固体或半固体的生物材料可以通过用合适的液体介质溶解或悬浮而变成液体。在一些示例中，可能怀疑样本含有某种抗原或核酸。
在一些示例中，生物样本可包括通过聚合酶链式反应从含有核酸的输入生物样本中扩增的核酸。
附图说明
图1示出了根据本发明的一种示例性光学测量装置的示意图。
图2示出了根据本发明使用落射照明单元和奥夫那(offner)型成像系统的一种示例性光学测量装置。
图3示出了根据本发明使用落射照明单元和奥夫那型成像系统的另一示例性光学测量装置。
图4示出了根据本发明使用透射照明单元和奥夫那型成像系统的一种示例性光学测量装置。
图5示出了根据本发明的一种示例性分析器。
具体实施方式
接下来将更详细地讨论本发明的光学测量装置和光学成像方法。
首先，结合图1，将讨论根据本发明的一个示例性光学测量装置。随后，结合图2至图4，将更详细地解释根据本发明的光学测量装置的变型。最后，结合图5，将讨论本发明的光学测量装置集成在生物样本的分析器中。
图1示出了根据本发明的一种示例性光学测量装置的示意图。
该光学测量装置包括：限定了样本平面的样本保持器1，所述样本保持器1被构造成布置样本载体，所述样本载体包括在样本平面中的测量位置阵列；照明单元2a、2b，其被构造成照亮样本平面；检测器4；和光学成像系统3，其被构造成将包括测量位置阵列的样本平面成像到检测器4上，所述光学成像系统3包括两个以上曲面反射元件(在图1中未示出)，曲面反射元件适于以2:1和1:2之间的放大率将样本平面成像到检测器4上，检测器被构造成一次摄取测量位置阵列中所有测量位置的图像。
如在图1中能够看到的，照明单元可以是落射照明单元2b(即，照明光5b照射在样本上与成像系统3收集收集光6所在的同一侧上)。在其他示例中，照明单元可以是透射照明单元2a(即，照明光5a照射在在样本上与成像系统3收集收集光6所在的相反侧上)。在其他示例中，光学测量装置可以包括多个不同的照明单元(例如，一个以上透射照明单元和一个以上落射照明单元)。
照明光5a、5b与样本相互作用，而样本再发射收集光6，收集光6被成像到检测器4上(即，照明光是由样本发射的光致冷光)。在一个示例中，再发射的收集光6是由样本的荧光团发射的荧光(例如，由身体物质的组分产生的自发荧光，或由荧光标记或附接到被包含在生物样本中的靶标的探针产生的荧光)。
在后面的描述中，将结合由光学测量装置检测荧光的示例来讨论本发明的技术。然而，本发明的光学测量装置不限于检测荧光。在其他示例中，可以检测到一般的冷光(例如，磷光)。
在其他示例中，本发明的光学测量装置可以被构造成检测散射光。在其他示例中，本发明的光学测量装置可以被构造成对布置在样本保持器1中的样本直接成像。本文描述的用于荧光测量的光学测量装置也可以用于这些应用场合(进行适当的修改)。
本发明的样本载体可以是构造成容纳生物样本的任何合适的容器。在一个示例中，样本载体是包括多个孔的微孔板。每个孔可以包括生物样本(例如，0.1μl和100μl之间的生物样本)。微孔板的孔的直径可以小于1mm(例如，小于500μm或小于200μm)。在一个示例中，微孔板的孔的直径可以在25μm和150μm之间的范围内。另外或作为替代，微孔板的两个孔之间的间隔可以小于0.7mm(例如，小于300μm或小于100μm)。在一个示例中，微孔板的两个孔之间的间距可以在20μm和50μm之间。
在结合图1给出了简要概述之后，接下来将结合图2至图4的示例更详细地解释根据本发明的光学测量装置的不同方面。
图2示出一种使用落射照明单元2b和奥夫纳(offner)型成像系统3的示例性光学测量装置。该结构被布置成用照明光5照亮布置在样本保持器1中的样本载体(例如，微孔板)。由样本发射的荧光通过奥夫纳型成像系统3成像到检测器4上。
首先将讨论奥夫纳型成像系统3。如在图2中能够看到的，该成像系统包括第一曲面反射镜31和第二曲面反射镜32。反射镜31、32(根据本发明一般来说是曲面反射元件)可以是球面元件。在其他示例中，反射镜31、32(根据本发明一般来说是曲面反射元件)可以是非球面元件。
在图2的示例中，反射镜31、32以奥夫纳型布置方式布置。该成像系统被构造成将样本保持器的样本平面中的多个测量位置成像到检测器上。例如，可以一次将测量位置阵列(例如，微孔板的孔阵列或包含生物样本的其他容器阵列)成像到检测器上。
在成像系统3的奥夫纳型布置方式中，第一和第二曲面反射镜31、32的曲率中心布置在相同的位置处。该成像系统具有基本为1的放大率(即放大率为1±0.05)。换句话说，检测器4的像平面上的样本图像具有与实际样本(位于成像系统的物平面)基本相同的大小。在其他示例中，成像系统3可以进行修改，使得检测器处像平面上的样本图像比实际样本大2倍以下(例如，倍数为1.2以下)。在其它示例中，成像系统3被修改为使得实际样本比检测器像平面上的样本图像大2倍以下(例如，倍数为1.2以下)。换句话说，在其他示例中，成像系统可以具有在1:2和2:1之间(例如，在1.2:1和1：1.2之间)的放大率。
如在图2中能够看到的，成像系统的光路基本上对称(除了通过光路右“腿”的折叠反射镜33进行的折叠)。这意味着从样本的中心到第一反射镜31的光线的光路，与同一光线离开第一反射镜31朝向检测器4传播之后的光路同样长。对于第一反射镜31和第二反射镜32之间的光线也是如此。
在图2中，收集光在通过奥夫纳型组合体的第一和第二反射镜31、32之后被平面反射镜33折叠。一般来说，本发明成像系统中的收集光的光路可以折叠一次或多次(例如，通过平面反射镜)。对于穿过照明系统的照明光的光路也是如此。
在图2中以及在本发明的其余附图中，成像装置包括包含两个曲面反射镜的奥夫纳型组合体。然而，本发明的光学测量装置还可以部署不同类型的包括提供的放大率在1:2和2:1之间的曲面反射元件的成像装置。在一个示例中，成像系统可以包括以与奥夫纳型组合体不同的布置方式构造的曲面反射元件。另外或作为替代，成像系统可以包括多于两个的曲面反射元件(例如，曲面反射镜)，用于将样本平面成像到检测器上。例如，成像系统可以包括三个以上、或四个以上曲面反射元件。在其他示例中，光学成像装置还可以包括以透射方式工作的折射元件(例如，一个以上透镜)。
成像装置3(特别是奥夫纳型组合体)可以展现出较低的光学像差。当使小结构(例如，可具有直径在150μm以下且间距为50μm以下的孔的微孔板)成像时，这可能是特别有利的，因为大像差可能损害系统将相邻孔发出的荧光分开的能力。
在前面的部分中讨论了用于将样本平面成像到检测器4上的成像系统3之后，接下来将更详细地解释照明单元2b。
照明单元包括用于产生照明光5a的光源21。在一个示例中，光源21包括一个以上发光二极管(例如，多个发光二极管)。例如，光源21可以包括布置成发光二极管阵列的多个发光二极管。
在其他示例中，光源可以包括一个以上气体放电灯或其他放电灯。在其他示例中，光源可以包括一个以上激光源(例如，激光二极管)。一般来说，本发明的光学成像装置可以与任何合适的光源一起使用(取决于光源的特性，照明单元光路中的光学元件可以根据光源的性质修改)。光源21可以被构造成发射波长带在150nm和500nm之间(例如，300nm和430nm之间)的光。
在已经从光源21被发射之后，照明光5a穿过均化器22。均化器适于增加样本平面中照明的均匀性(即，与没有均化器22的等效照明单元相比，利用均化器22，样本平面中的照明均匀性更高)。
这可能是有益的，因为在一些示例中，光源可能发射具有相当不均匀的图案的光(例如，在光源21包括多个发光二极管管芯的情况下)。在本发明的一些示例中，可能用到光源被成像到样本平面上的临界发光组合体(进一步的解释见下文)，这时上述技术方案就特别相关了。
照明光可以通过全内反射在均化器22中被引导。作为替代或另外，照明光可通过在均化器22的反射涂层或覆盖物(例如，金属涂层或包括一个以上电介质层的涂层)处进行反射而在均化器22中被引导。
在图2的示例中，均化器包括杆形式的光导，照明光5b的光线在杆形光导中传播预定的距离，导致照明光5b混合并因此均化。结果，在杆的输出面处的照明光可以比在输入面处的照明光更均匀。
导光杆可以包括锥形导光杆和直线导光杆中的一种(如图2所示)。照明光可以在导光杆中沿从导光杆的宽直径到小直径的方向传播。作为替代，照明光可以从导光杆的小直径向宽直径传播。
在其他示例中，本发明光学测量装置的照明单元可以包括除(混合)杆之外的其他均化器。例如，照明单元可以包括适于均化照明光5b的散射元件(例如，散射板)。
在其他示例中，在根据本发明的照明单元中可以采用欧洲专利申请ep2713154a1中讨论的适于引导并对光整形的导光杆之一。
杆22的输出(或本发明任何其它均化器的输出)可以被认为是照明单元2b的次级光源(初级光源是光源21)。次级光源的输出可以通过适当的光学元件成像到样本平面上。换句话说，照明单元使用临界照明布置方式，其中均化器(即，次级光源)的输出被成像到光学测量装置的样本平面上。以这种方式，在一些示例中可以实现样本平面处的高亮度。
在图2的示例中，光学元件形成中继透镜25、26，所述中继透镜25、26被构造成将均化器(即，次级光源)的输出成像到样本平面上。然而，在其他示例中，可以使用任何其他合适的光学元件(例如，反射光学元件)。另外，图2的示例构造包括两组透镜(其中两个透镜是消色差透镜)，这种构造仅仅是举例说明性的。在其他示例中，可以采用不同数量和/或构造的透镜来将均化器22的输出成像到样本平面上。
图2、图3、图4全都示出了使用临界照明布置方式的照明单元。然而，在其他示例中，本发明的照明单元可以采用其他照明布置方式(例如，使用
如上面已经简要讨论的，照明单元2b相对于样本平面的法线方向倾斜(即，照明光5a的主轴线和样本平面法线形成的角度大于5°且小于85°)。该构造也可以用于在本发明中讨论的其他照明单元。倾斜构造的一个优点是，照明光的镜面反射可能不进入成像系统并且被成像到检测器4上(这可能导致检测信号中的噪声，并且/或者需要被构造成阻挡照明光的更复杂的滤光器)。
此外，照明单元2b被布置为落射照明单元，即，照明光照射在样本平面上，并且所发射的光在样本平面的同一侧被收集。如下面将结合图4讨论的，本发明的照明单元也可以以透射照明构造方式布置。一般来说，本文所述照明单元中不是落射照明单元特有的特征，也可以部署在作为透射照明单元布置的照明单元中(反之亦然)。
如在图2中能够看到的，照明单元2b和成像系统3是完全分开的。换句话说，照明单元2b和成像系统3不共享光学部件。以这种方式，光学部件可以分别适应于照明光5b和收集光6的特性。这可能是有利的，因为光学部件同时适应照明光5b和收集光6可能更复杂(例如，这可能需要使用宽带抗反射涂层和/或针对多个不同波长校正的光学元件)。另外，在照明单元和成像装置中具有分开的光学部件可以允许独立地定制两个系统的属性(例如，数值孔径)。
图2的照明单元2b包括多个可选元件，这些元件可以根据情况添加或省略，并且将在随后讨论。
一方面，图2的照明单元2b包括布置在均化器22和中继透镜25、26之间的倾斜场光阑23。以这种方式，可以减少或甚至避免在样本平面处照明光5b的梯形失真。换句话说，照明单元被布置为沙伊姆弗勒(scheimpflug)型照明器。在没有倾斜场光阑23的情况下，这种类型的像差可能由于照明单元2b相对于样本平面法线倾斜而发生。其他示例中，也可以利用除倾斜视场光阑23之外的其他用于补偿梯形失真的补偿装置。
另一方面，图2的照明单元包括孔径光阑27(在其他示例中也可以省略孔径光阑27)。孔径光阑27被构造成确定照明光5b的光线朝焦点传播的角度分布(例如，照明系统2b的输出数值孔径可以通过孔径光阑27调节)。例如，孔径光阑可以包括光瞳(如果在大角度下传播的光线应被挡掉)或环带(如果在小角度下传播的光线应被挡掉)。对于避免照明光5b的光线可能进入成像系统3并且被成像到检测器4上，或者减少照明光5b进入成像系统3的量，包括孔径光阑27可能是有益的。
此外，图2的照明单元包括圆形光束光阑28。圆形光束光阑28可以适于并布置成挡掉相对于照明光单元2的光轴线成小角度传播的照明光线。特别是，圆形光束光阑28可以是适于并布置成挡掉在基本为零(±2°)的角度下传播的照明光线。这种小角度光线可能更可能传播通过成像系统和波长选择滤光器62，并且在检测器4中引起附加噪声。
另外，照明单元2b包括被构造成对照明光5b的频谱进行整形的波长选择滤光器25。
在已经详细讨论了照明单元2b和成像系统3之后，下面处理图2光学测量装置的其余部件。
如上所述，图2的光学测量装置可以被构造成检测从样本载体中的样本发射的荧光(或其他冷光)。照明单元2b的光源21可以适于匹配要采样的分析物的吸收带。由于荧光信号通常在光谱中被移向长波长，因此照明光5b和收集光6可以在光谱中分开。因此，光学测量装置可以包括适于拒绝照明光传播通过成像系统3(而让收集光6通过)的波长选择滤光器62。例如，波长选择滤光器62可以包括一个以上电介质层，电介质层被布置成抑制照明光传播通过成像系统3(但让收集光6通过)。
在结合图2讨论了根据本发明的光学测量装置的第一示例之后，在后续部分中将结合图3讨论根据本发明的光学测量装置的第二示例。
如在图3中能够看到的，照明单元2b和成像系统3与图2的示例的各个部件共享几个特征。因此，结合图2所讨论的各个部件的特征和变型也可以用于图3的光学测量装置中。以下讨论将集中于不同之处。
一方面，图3的照明单元2b被布置为落射照明单元但不倾斜。换句话说，照明光5b以锥形方式聚焦到样本平面上，该锥形的中心为样本平面的法线。这意味着照明光5b和收集光6的光线至少部分地沿着它们各自路径的一部分重叠。
在图3的示例中，二向色镜52布置成使照明光5b和收集光6重叠。二向色镜52被构造成(至少部分地)反射照明光的各光谱分量。同时，二向色镜52被构造成使收集光的各光谱分量透射。在其他示例中，二向色镜可以被布置为透射照明光而反射收集光(在该示例中，与图3中的位置相比，照明单元和成像系统的位置可以翻转)。
在图3的示例中，照明单元2b的输出数值孔径等于成像系统3的输入数值孔径。在其他示例中，这种情况可以不同。例如，照明单元2b的输出数值孔径可以大于成像系统的输入数值孔径(类似于图4所示的透射照明构造)。以这种方式，可以将更大量的照明光子传递到位于样本平面中的样本。
另外或作为替代，图3的照明单元可以包括孔径光阑(例如，环形孔径光阑)。孔径光阑可以设计和布置成挡掉在成像系统3可以接收的角度下传播的光线。例如，照明单元可以提供环形照明图案(例如，通过采用环形孔径光阑)。
图3的光学测量装置可以选择性地包括布置在收集光路中的补偿元件51。在一个示例中，补偿元件51包括光学厚度与二向色镜52相同的板。另外，补偿元件51可以围绕与二向色镜52的倾斜轴线正交的轴线倾斜(在图3中不能看到补偿元件的倾斜，因为图3示出了装置的横截面图)。如在图3中能够看到的，补偿元件51可以被包括在成像系统3的光路中与二向色镜52在成像系统3的中心轴线处镜像的位置相对应的位置处。换句话说，在二向色镜52和补偿元件51处的收集光的束腰和开口角度(基本)相等。补偿元件51可以校正(至少部分地)由二向色镜引入的像散误差。二向色镜52可能由于收集光6中的两个横向偏振光经过二向色镜52中的不同光路而引入像散误差。“翻转后”的补偿元件51可以(基本)逆转此效应。
接下来将讨论检测器4。关于检测器4的以下说明并不是特定于图3的光学测量装置。
由于本发明的成像系统被构造成一次对样本平面中的多个检测位置(例如，微孔板的多个孔或被构造成容纳生物样本的其他容器)进行成像，所述检测器被构造成对由成像系统产生的图像进行空间分辨。在一个示例中，检测器4被构造成用多个像素(例如，用多于5个像素，用多于10个像素，或用多于50个像素)覆盖每个测量位置。在成像系统的放大率为1(或接近1)的装置中，这意味着成像装置的像素的传感器尺寸小于每个测量位置的面积(例如，微孔板的孔的表面积或被构造成含有生物样本的另一容器的表面积)。在一个示例中，检测器4的像素的尺寸小于20μm(例如，小于10μm)。在一些示例中，微孔板的孔的表面积可以低于0.25mm2(例如，表面积可以在400μm2和0.04mm2之间的范围内)。
检测器4可以包括任何合适的光检测装置。在一个示例中，检测器4包括一个以上ccd(电荷耦合装置)或包括多个像素的cmos传感器。在其他示例中，检测器4可以包括多通道板或其他空间分辨光电倍增管。在其他示例中，检测器可以包括光电二极管阵列(例如，pin二极管或apd[雪崩光电二极管])的阵列或其它光换能元件。
此外，如在图3中能够看到的，成像系统的光路不被附加的折叠元件折叠。结果，与成像系统3的中心平面相比，像平面1和检测器4以对称的方式布置在相同的高度处。如上文已经讨论的，可以添加折叠元件以使成像系统3的尺寸适应不同的情况和分析仪环境。
最后，图3的光学测量装置包括在照明侧的另一波长选择滤光器61。该波长选择滤光器61可以适于整形(例如，窄化)照明光5a的激发光谱。在一个示例中，波长选择滤光器61可以适于将照明光的光谱窄化为适于特定荧光分子激发的光谱(并挡掉不能有效激发特定荧光分子的波长)。另外，波长选择滤光器61可以被构造成阻挡由适于拒绝照明光的波长选择滤光器62透射的波长。在一些示例中，这可以进一步提高光学测量装置的信噪比。
结合图2和图3，已经讨论了使用落射照明布置方式的两个示例性光学测量装置。图4示出了照明单元2a被布置为透射照明单元的光学测量装置。接下来将讨论这种构造。
如在图4中能够看到的，成像系统3以与图2装置的成像系统类似的方式布置。针对图2以及还有图3的成像系统讨论的所有细化和变型也可以用在图4的装置中。
此外，图4的照明单元2a还可以包括上面讨论的光源21和均化器22。
图4的装置与前面讨论的装置之间的第一个区别是照明单元2a的透射照明布置方式。换句话说，照明光5a从一侧照射在样本上，然而荧光在样本平面的另一侧被收集。
如在图4中能够看到的，照明单元2a的输出侧数值孔径大于成像系统3的输入侧数值孔径。在一个示例中，照明单元2a的输出侧数值孔径可以为0.5以下(例如，小于0.4)。成像系统的输入侧数值孔径可以为0.1以下(例如，在0.06和0.08之间)。
一般来说，如上所述，这也可以在图2和图3的装置中实现。然而，图4装置的透射照明布置方式简化了大输出端数值孔径照明的设置。落射照明布置方式可能不允许(非常)大的数值孔径照明(或者这将至少相当难以实现)，因为这将需要添加具有相当接近样本平面的大光瞳的光学部件。这些部件可能干扰收集光或损害成像系统的光学质量(如果照明光和收集光都穿过这些部件)。与此相反，图4的照明单元2a的透射照明布置方式允许使用具有大光瞳而不干扰收集光6的光学部件。
照明单元具有大输出侧孔径可能是有利的，因为更大量的照明光到达样本。在检测荧光(或其他冷光信号)的系统中，这可能是有利的，即使成像系统的输入数值孔径可能(显著)小于照明系统的输出侧孔径(这可能是使用本发明的较低放大率的成像系统时的情况)。毕竟，再发射光子的方向与许多荧光样本中吸收的光子的方向(基本)无关。因此，在大角度下照射到样本上的照明光的光线增加了所有空间方向上发射光子的信号强度。
在图4的示例中，照明单元可以包括环形孔径光阑，该环形孔径光阑被构造成阻挡与照明单元2a的主光轴线成小角度传播的光线。换句话说，环形孔径光阑在样本平面处产生环形照明图案。此外，环形孔径光阑可以被构造成避免照明光线的光线进入并且通过成像系统成像到检测器4上。例如，照明系统2a的环形输出的内部输出数值孔径，可以大于成像系统2的输入侧数值孔径。
如图4所示，照明单元2a还可以包括中继透镜24、26。与图2的中继透镜25、26相比，图4的中继透镜24、26更复杂。然而，在这两种情况下，中继透镜仅用于将均化器22(第二光源)的输出成像到样本平面上，以实现临界照明条件。因此，一般来说，可以使用形成中继透镜的任何折射元件组件(例如，两个平凸透镜)。然而，为了在样本平面上产生具有低像差的第二光源输出的图像，可以使用包括多个透镜元件的组件(如图2、图3和图4所示)。这也是为什么图4的中继透镜24、26更复杂的原因。因为照明单元2a的高输出数值孔径涉及处理在大角度下传播的光束，这种光束比图2和图3的照明单元的光束更偏离中心，所以，在图2和图3的装置中仍然可以容忍的像差在图4的装置中可能成为问题。因此，可能要求或期望更复杂的像差校正。
在前面部分结合图1至图4已经讨论了一个示例性光学测量装置的不同方面和特征之后，接下来将结合图5讨论将本发明的光学测量装置集成在用于生物样本的分析器中的方面。
图5示出了一种用于生物样本的示例性分析器100。在一个示例中，用于生物样本100的分析器可以包括一个以上热循环器，热循环器被构造成通过聚合酶链反应(pcr)扩增dna或其他核苷酸的片段。每个热循环器可以具有带容器的热块，在容器中可以插入管、微孔板或保持包含生物样本的反应混合物的其他生物样本保持器。热循环器可以被构造成根据预编程或动态适应的图表来升高和降低块的温度。
在图5的示例中，所述一个以上热循环器(为了清楚起见在图5中未示出)布置在分析器100的壳体108的左手侧上。光学测量装置10布置在壳体108的右手侧上。在图5的示例中，光学测量装置10被构造成透射照明装置。
分析器100可以包括传送装置(在图5中未示出)，以将样本载体(例如，微孔板)从所述一个以上热循环器传送到光学测量装置10的样本保持器中(下面将更详细地讨论传送装置)。另外，分析器100可以包括一个以上端口，样本载体可以通过这些端口插入分析器中(图5中未示出)。
照明单元2a至少部分地布置在分析器的中心水平面109下方。如在图5中能够看到的，照明单元2a包括火山形输出侧元件103，待分析的样本可以定位在该火山形输出侧元件103上方(在其他示例中，照明单元的输出侧的构造可以按不同方式进行建构)。
火山形输出侧元件103包围照明光光路的最后部分(例如，如图4所示)。此外，输出侧元件103限定了照明光可以出射并且照亮样本的孔径。光学测量装置10的样本平面位于输出侧元件103的孔径上方。
照明单元2a的光学部件(例如，包括中继透镜、均化器、孔径光阑和光源)布置在中心水平面109的下方。在图5的示例中，照明单元2a的部件布置在公共壳体中。
照明单元2a的部件可以以模块化方式布置。例如，均化器、光源和/或中继透镜可以被构造成单独的模块(其可以被构造成单独移除和插入)。在一个示例中，照明单元2a可以包括端口，光源可以可移除地附接到该端口(例如，通过c型安装件或其他合适的安装件)。
分析器100还包括联结到致动器105的样本保持器104。该样本保持器104被构造成接收一个以上样本载体(例如，微孔板)，并且将该一个以上样本载体定位在光学测量装置10的样本平面中。
致动器105被构造成在一个或两个正交的空间方向上移动样本保持器104。以这种方式，由样本保持器支撑的该一个以上样本载体的不同部分可以移动到光学测量装置10的视场中。以这种方式，表面积大于光学测量装置10的视场的样本载体(或布置在样本保持器中的多于一个样本载体)可以顺序地被扫描。
此外，图5的光学测量装置10包括光学成像系统3，该光学成像系统3包括布置在壳体102中的两个以上曲面反射元件，所述两个以上曲面反射元件适于以2:1和1:2之间的放大率将样本平面成像到检测器上(例如，结合图1至图4讨论的成像系统之一)。光学测量装置10还包括检测器4。
在图5的示例中，光学成像系统3和检测器4被布置在分析器100的中心水平面109上方。例如，成像系统的壳体102可以由安装在中心水平面109上的一个以上支撑结构101支撑。
分析器还包括控制单元106，该控制单元106可以被构造成控制光学测量装置10的操作。例如，控制单元106可以被构造成自动地对生物样本执行测量。此外，控制单元可以被构造成控制分析器其它部件的操作。例如，控制单元106可以被构造成控制致动器105和/或传送装置(在图5中未示出)的操作。此外，控制单元106可以被构造成操作分析器100的所述一个以上热循环器。
在图5的示例中，图5的分析器105还包括可选用的显示器107，该显示器107适于显示关于光学测量装置10(以及作为选用项的分析器100其他元件)的操作的信息。在一个示例中，显示器可以是触摸显示器，用户可以通过触摸显示器输入用于光学测量装置10(和/或分析器100其他部件)的控制信息。
结合图5，已经讨论了光学测量装置10的特定布局。然而，在其他示例中，光学测量装置10可以以不同的其它方式集成在分析器100中。一般来说，结合图1至图4讨论的光学测量装置10中的任何一个都可以集成在分析器100中。
例如，光学测量装置10可以是包括落射照明单元的光学测量装置(例如，如结合图2或图3所讨论的)。
另外或作为替代，光学测量装置10可以以不同方式布置在分析器100中。例如，照明单元和成像系统可以位于不同的位置处。此外，照明和/或检测光路可以折叠一次或多次。以这种方式，光学测量装置10可以适于相应分析器的空间要求。
在一些示例中，分析器还可以配备有两个以上根据本发明的光学测量装置。
在图5的示例中，分析器包括致动器105，该致动器105被构造成使定位在样本保持器中的样本载体在两个正交方向(其可以是标记为“x方向”和“y方向”的横向方向)上移动。然而，在其他示例中，光学测量装置10可以包括相对于照明单元和成像系统不动的样本保持器。在这种情况下，样本载体可以“单次拍摄”中完全成像。在其他示例中，致动器可以被构造成使样本载体在三个正交的空间方向上移动(例如，在被构造成在两个横向方向上扫描但也在轴线向方向上扫描用于使样本载体的不同平面成像的分析器)。在其他示例中，光学测量装置可以被构造成相对于样本载体(样本载体在这种情况下可能是不动的)在一个、两个或三个正交的空间方向上移动。
已经结合图5讨论了用于分析通过包括一个以上热循环器的聚合酶链式反应(pcr)扩增的dna或其他核苷酸的分析仪。然而，如上所述，分析器100可以另外构造成经由各种化学、生物、物理、光学或其它技术程序确定生物样本或其组分的参数值。
在先前的段落中，已经描述了不同的光学测量装置。然而，本发明还涉及成像方法。在一个方面，一种用于对具有包含样本的测量位置阵列的样本载体进行成像的方法包括：照亮测量位置阵列，一次收集从测量位置阵列中的所有测量位置发射的光，通过使用两个以上曲面反射元件将所收集的光成像到检测器上，所述两个以上曲面反射元件适于以在2:1和1:2之间的放大率将样本平面成像到检测器上。
另外，用于对样本成像的方法可以包括上面结合本发明的光学测量装置所描述的技术的任何一个步骤。
本发明的成像方法可以在计算机可读介质上的指令中实施，这些指令在由计算机或计算系统执行时，可以使计算机或计算系统执行用于本发明的校准和/或错误检测的方法的步骤。
此外，在一个以上实施例或示例中，具体特征、结构或特性可以以任何合适的布置和/或子布置方式进行组合。
在前面的详细描述中，已经讨论了本发明的光学测量装置和方法的多个示例。然而，本发明的光学测量装置和方法也可以按照在下面阐述的那样进行构造成：
1.一种光学测量装置，包括：
限定样本平面的样本保持器，其中，所述样本保持器被构造成布置样本载体，所述样本载体包括在所述样本平面中的测量位置阵列；
照明单元，其被构造成照亮所述样本平面；
检测器；
光学成像系统，其被构造成将包括所述测量位置阵列的样本平面成像到所述检测器上，
其中，所述光学成像系统包括两个以上曲面反射元件，所述两个以上曲面反射元件适于以在2:1和1:2之间的放大率将所述样本平面成像到所述检测器上，以及
其中，所述检测器被构造成一次获取所述测量位置阵列中所有测量位置的图像。
2.根据方面1所述的光学测量装置，其中，所述两个以上曲面反射元件包括两个以上曲面反射镜元件。
3.根据方面2所述的光学测量装置，其中，所述两个以上曲面反射元件包括正好两个曲面反射镜元件。
4.根据方面1至3中任一项所述的光学测量装置，其中，所述两个以上曲面反射元件中的两个具有共同的曲率中心。
5.根据方面1至4中任一项所述的光学测量装置，其中，所述两个以上反射元件按照奥夫纳型构造进行布置。
6.根据方面1至5中任一项所述的光学测量装置，其中，所述光学成像系统的放大率在1.2:1和1：1.2之间，优选的是，其中，所述放大率基本为1。
7.根据方面1至6中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元被构造成落射照明单元。
8.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元被构造成在临界照明条件下照亮所述样本平面。
9.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元包括适于增加所述样本平面中的照明均匀性的均化器。
10.根据方面9所述的光学测量装置，其中，所述均化器包括光导，优选为杆状光导。
11.根据方面9或10所述的光学测量装置，其中，所述照明单元包括初级光源，所述初级光源的光通过所述均化器均化，其中，由所述均化器输出的光用作次级光源，所述次级光源的输出被成像到所述样本平面上。
12.根据方面11所述的光学测量装置，其中，所述次级光照亮倾斜的场光阑。
13.根据方面11或12所述的光学测量装置，其中，所述次级光的输出通过中继透镜成像到所述样本平面上。
14.根据方面11至13中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元被布置成减小梯形失真。
15.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元被布置为沙伊姆弗勒型照明器。
16.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元包括挡板，以挡掉相对于所述照明单元的主光轴线在预定角度范围内传播的照明光的光线。
17.根据方面16所述的光学测量装置，其中，所述挡板被布置成挡掉相对于所述照明单元的主光轴线以低于阈值的角度传播的光线。
18.根据方面1至6、8至11、13、16和17中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元被构造成透射照明单元。
19.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元被构造成使得所述照明单元的输出数值孔径大于所述成像系统的数值孔径。
20.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元包括一个以上发光二极管。
21.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，由所述照明单元产生的光线的至少一部分的路径，与通过所述光学成像系统成像到所述检测器上的光线的一部分的路径至少部分地重叠。
22.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，还包括一个以上平面反射镜，用以折叠成像系统、照明系统或两者的光路。
23.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，包括被布置成耦合在由所述照明单元产生的光中的二向色镜。
24.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，包括二向色镜，所述二向色镜被布置成将由包含在所述样本载体中并且由所述成像系统成像的样本发射的光偏转到所述检测器上。
25.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述照明单元和所述成像系统不共享光学元件。
26.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，由所述照明单元产生的照明光的光线的光路，与由所述成像系统成像的光的光路是完全分开的。
27.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，由所述照明单元产生的照明光的光线的光路，与由所述成像系统成像的光的光路至少部分地重叠。
28.根据前述方面之一的光学测量装置，其中，所述样本载体是微孔板。
29.根据前述方面之一所述的光学测量装置，其中，所述光学成像系统的视场基本匹配所述检测器的检测区域的尺寸。
30.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述样本载体包括用于接收流体样本的孔阵列，每个孔限定一个测量位置。
31.根据方面30所述的光学测量装置，其中，所述阵列的间隔低于2mm，优选低于1mm，更优选低于250μm。
32.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述检测器包括多个像素，所述像素的像素尺寸小于测量位置的面积。
33.根据方面32所述的光学测量装置，其中，测量位置的面积对应于微孔板的表面积。
34.根据方面32或33所述的光学测量装置，其中，像素的尺寸小于20μm，优选小于10μm。
35.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述成像系统包括校正元件，所述校正元件适于至少部分地校正由二向色镜引起的像差。
36.根据方面35所述的光学测量装置，其中，由二向色镜引起的像差包括像散像差。
37.根据方面35或36所述的光学测量装置，其中，所述光学测量装置包括在所述成像系统的光路中的二向色镜，并且其中，所述校正元件围绕与所述二向色镜的倾斜轴线正交的轴线倾斜。
38.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述光学测量装置被构造成用于对包含在所述样本载体中的样本产生的荧光进行成像。
39.根据方面36所述的光学测量装置，其中，所述成像系统的光路包括光学滤光器，所述光学滤光器用于阻挡照明光成像到所述检测器上。
40.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，在将所述测量位置阵列成像在所述样本平面中的期间，所述样本保持器相对于所述成像系统是不动的。
41.根据前述方面中任一项所述的光学测量装置，其中，所述光学测量装置是pcr系统的一部分。
42.一种用于进行荧光检测的光学测量装置，包括：
限定样本平面的样本保持器，其中，所述样本保持器被构造成布置样本载体，所述样本载体包括所述样本平面中的测量位置阵列；
照明单元，其被构造成以透射照明设置照亮所述样本平面；
检测器；
光学成像系统，其被构造成将包括所述测量位置阵列的样本平面成像到所述检测器上，
其中，所述光学成像系统包括两个以上曲面反射元件，所述两个以上曲面反射元件适于以基本为1的放大率将所述样本平面成像到所述检测器上，
其中，所述照明系统的输出数值孔径大于所述成像系统的输入数值孔径；和
其中，所述检测器被构造成一次获取所述测量位置阵列中所有测量位置的图像。
43.一种用于进行荧光检测的光学测量装置，包括：
限定样本平面的样本保持器，其中，所述样本保持器被构造成布置样本载体，所述样本载体包括所述样本平面中的测量位置阵列；
照明单元，其被构造成以透射照明设置照亮所述样本平面；
检测器；
光学成像系统，其被构造成将包括二维测量位置阵列的样本平面成像到所述检测器上，
其中，所述光学成像系统包括两个以上反射成像元件，所述两个以上反射成像元件适于将所述样本平面成像到所述检测器上，
其中，所述照明系统的输出数值孔径大于所述成像系统的输入数值孔径。
44.一种用于对样本载体进行成像的方法，所述样本载体具有包含样本的测量位置阵列，所述方法包括：
照亮所述测量位置阵列；
一次性收集从所述测量位置阵列中的所有测量位置发射的光；
通过使用两个以上曲面反射元件将收集的光成像到检测器上，所述曲面反射元件适于以在2:1和1:2之间的放大率将所述样本平面成像到所述检测器上。
45.根据方面44的方法，其中，所述放大倍数在1.2:1和1：1.2之间，优选的是，其中，所述放大倍数基本为1。
46.根据方面44或45的方法，其中，所述样本载体是孔板，优选的是微孔板，并且其中，每个测量位置对应于所述孔板的一个孔。
47.根据前述方面中任一项所述的方法，还包括使用检测器，所述检测器包括多个像素，所述像素的尺寸小于测量位置的测量面积。
48.根据方面47的方法，其中，测量位置的测量面积对应于微孔板的孔的表面积。
49.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，从所有测量位置发射的光是荧光。
50.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，所述样本是生物样本。
51.根据方面50的方法，其中，所述样本包括核苷酸。
52.根据方面50或方面51的方法，其中，所述样本是pcr样本。
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