УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
TESTING DEVICE AND METHOD OF ITS USE

Ссылка на связанную заявку
[0001] Датой приоритета для данной заявки является 7.01.2017 (дата подачи предварительной патентной заявки США №62/443,675, содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки).
Уровень техники
[0002] При калибровке и настройке оптических систем, а также при оптических измерениях часто используются оптические миры. Такие миры используются, в числе других применений, при определении точности и функциональных показателей оптической системы. В качестве примера, оптическая мира образует базу, относительно которой система может количественно определять оптическое разрешение, глубину фокуса, оптический и механический дрейфы, дисторсию, аберрацию, вносимую линзами, хроматизм и т.д.
[0003] Однако некоторым известным оптическим мирам присущи определенные ограничения. Например, некоторые известные миры содержат каналы, по которым переносятся жидкости, содержащие флуоресцирующий краситель, дающий желаемый спектр испускания. Некоторые известные оптические миры имеют входные и выходные порты, позволяющие заменять жидкий краситель в каналах, что делает возможным использовать в одной (общей) оптической мире в различные периоды времени различные материалы-красители. Однако использование таких каналов и входных/выходных портов повышает гидравлическую сложность оптической миры. В дополнение, могут оказаться необходимыми конкретные операции, чтобы избежать попадания в канал оптической миры пузырьков воздуха при смене жидких красителей или их прохождении через каналы.
[0004] Как следствие, существует потребность в средствах, способных облегчить точную калибровку, настройки и валидацию оптической детекторной системы.
Определения
[0005] Содержание всех публикаций и других источников, цитируемых в данном описании, включая, не ограничиваясь ими, статьи, книги и веб-страницы, независимо от формата таких публикаций и аналогичных источников, полностью включено в данное описание посредством ссылок. В случае, если содержание одного или более из таких включенных документов отличается от данного описания или противоречит ему, включая, но не ограничиваясь ими, приводимые далее термины, их использование, описываемые технологии и т.д., приоритет отдается данному описанию.
[0006] Термины, приводимые в данном описании, имеют следующие значения.
[0007] Термин "твердый материал-основа" относится к материалам, которые имеют атомную или молекулярную структуру в виде решетки или иной матрицы, так что твердый материал-основа обладает определенной фононной энергией HOSTPE. Твердые материалы-основы могут содержать любой кристаллический, полукристаллический или аморфный материал, в который может быть введена, например путем допирования, как это будет описано далее, добавка флуоресцирующего материала. Одним из примеров кристаллического материала является керамика. Стекло и некоторые полимеры могут рассматриваться как представители некристаллических или полукристаллических материалов, в которые могут быть введены интересующие флуоресцирующие материалы. Выбор твердого материала-основы определяется (по меньшей мере частично) применением, для которого он может быть предназначен. Например, во многих применениях выбор твердого материала-основы определяется его механическими свойствами (например твердостью), химической стабильностью/инертностью, термическими и/или оптическими свойствами. При выборе твердого материала-основы релевантными могут быть также микроскопические свойства, такие как тип решетки, химическая структура и фононный спектр. Например, тип решетки и химическая структура играют роль при выборе конкретного типа и концентрации добавки (допанта), тогда как оптический фононный спектр влияет на квантовую эффективность конкретного перехода посредством неизлучающего затухания.
[0008] Термин "флуоресцирующий материал" относится к одному или более химическим элементам, комбинациям химических элементов или другим материалам, которые добавляют к твердому материалу-основе и которые, будучи возбужденными, флуоресцируют отдельно или во взаимодействии с твердым материалом-основой. Например, в твердый материал-основу могут быть внедрены (добавлены) один или более химических элементов, таких как ионы переходного металла, ионы редкоземельного металла (лантанида) и/или ионы актинида. Флуоресцирующий материал может именоваться допантом, например, в случае добавления к твердому материалу-основе ионов переходного металла, ионов лантанида и/или ионов актинида. Флуоресцирующий материал может содержать единственный элемент или комбинацию элементов (например допантов). Следует учитывать, что, хотя термин "флуоресцирующий материал" относится к одному или более элементам, добавляемым к твердому материалу-основе, по меньшей мере в некоторых примерах элемент(ы), добавляемый (добавляемые) к твердому материалу-основе, может (могут) не флуоресцировать независимо от твердого материала-основы. Вместо этого, один или более элементов образуют флуоресцирующий материал при взаимодействии с материалом-основой. В альтернативных примерах элемент(ы), добавляемый (добавляемые) к твердому материалу-основе, способен (способны) флуоресцировать независимо от твердого материала-основы. Как вариант, флуоресцентным материалом может являться флуоресцентный краситель, введенный в эпоксид. В качестве другого примера, как дополнение или замена допирования флуоресцентным материалом твердого материала-основы, на поверхность оптической миры может быть нанесена флуоресцентная пленка.
[0009] Термин "квантовые точки" (КТ) относится к очень малым полупроводниковым частицам (например с размерами несколько нанометров), оптические и электронные свойства которых отличаются от свойств более крупных частиц. Квантовые точки предназначены для испускания света определенных интересующих частот как отклик на приложение к ним электричества или света. Частоты испускаемого излучения могут настраиваться путем изменения размера, формы и/или материала точки. В некоторых примерах нанополупроводниковые материалы с размерами в несколько нанометров прочно удерживают электроны или дырки. Квантовые точки могут также именоваться искусственными атомами. Данный термин подчеркивает, что квантовая точка - это отдельный объект со связанными дискретными электронными состояниями, что характерно также для природных атомов или молекул. Оптоэлектронные свойства квантовых точек изменяются в зависимости от их размера и формы. Более крупные КТ (например с радиусом 5-6 нм) испускают более длинноволновое излучение, соответствующее таким цветам, как оранжевый или красный. Менее крупные КТ (например с радиусом 2-3 нм) испускают более коротковолновое излучение, соответствующее таким цветам, как синий и зеленый, хотя конкретные цвета и размеры варьируют в зависимости от точного состава КТ.
[00010] Термин "твердое тело" охватывает любой нежидкий и негазообразный материал, который используется для включения в него флуоресцирующего материала. Один пример твердого тела - это твердый материал-основа, содержащий один или более флуоресцирующих материалов, которые допированы или иным образом введены в твердый материал-основу. Другим примером твердого тела является нежидкая, негазообразная основа, которая должна включать квантовые точки.
[00011] В данном описании термины, характеризующие относительное пространственное или иное положение, такие как "верхний", "нижний", "передний", "задний", "первый", "второй", "более высокий" и "более низкий", используются как термины, определяющие направление по отношению к референтным объектам, точкам или осям. Согласно примерам изобретения, описанным далее, подобные термины используются, в частности, применительно к объективу, позиционируемому в приборе вблизи устройства для тестирования. Например, конструкции, части и/или поверхности устройства для тестирования, которые расположены ближе всего к объективу, могут именоваться "верхними" и т.д. Аналогично, конструкции, части и/или поверхности устройства для тестирования, которые расположены дальше всего от объектива, могут именоваться "нижними".
Раскрытие изобретения
PE
EG2
EG2
PE
[00012] Согласно примерам изобретения, описанным далее, предлагается устройство для тестирования, которое содержит оптическую миру из твердого материала-основы, в который введен флуоресцирующий материал и который имеет заданную фононную энергию HOST. Флуоресцирующий материал характеризуется определенным основным энергетическим уровнем и целевым излучательным (ЦИ) энергетическим уровнем, отделенным от основного энергетического уровня первым энергетическим зазором, соответствующим интересующему спектральному интервалу флуоресценции. Флуоресцирующий материал имеет также энергетический уровень, который является ближайшим нижележащим (БНЛ) уровнем относительно ЦИ энергетического уровня, отделенным от него вторым энергетическим зазором FM, причем отношение FM/HOST составляет три или более.
EG2
PE
-1
[00013] Как вариант, отношение FM/HOST составляет от 4 до 10. Твердый материал-основа может содержать или представлять собой по меньшей мере одно из следующих веществ: стекло, аморфные полимеры, кристаллические материалы, полукристаллические полимеры, металлические стекла и керамику. Флуоресцирующий материал, как вариант, представляет собой ионы по меньшей мере одного из редкоземельных элементов или переходных металлов. Как вариант, твердый материал-основа имеет максимальную фононную энергию, меньшую или равную 580 см. Центральная длина волны интересующего спектрального интервала флуоресценции может не превышать 1000 нм.
[00014] Как вариант, устройство может дополнительно содержать: корпус, в котором выполнено гнездо для приема оптической миры, а в его верхней поверхности сформирована приемная область, окружающая гнездо, и прозрачный слой, установленный в приемную область и расположенный над оптической мирой. Согласно варианту в корпусе имеется канал, по меньшей мере частично окружающий гнездо и предназначенный для приема адгезива, прикрепляющегося к слою решетки. Данный канал снабжен серией углублений для ослабления давления, распределенных по его длине и предназначенных для уменьшения напряжения, создаваемого в слое решетки адгезивом в процессе его отверждения. Как вариант, корпус может дополнительно содержать микроструктуры, сформированные, для образования слоя решетки, на поверхности по меньшей мере прозрачного слоя и/или оптической миры. Устройство может дополнительно содержать несущий компонент, в котором выполнено гнездо для приема оптической миры. Этот компонент может быть выполнен из алюминия и иметь поверхность с отражательной способностью не более 20%. В верхней поверхности компонента сформирована приемная область, окружающая гнездо. Устройство может дополнительно содержать прозрачный слой решетки, который установлен в приемную область и который может быть расположен над оптической мирой и отделен от нее зазором. Как было упомянуто, в корпусе может быть выполнено гнездо для приема оптической миры. В корпусе может иметься рассеивающая полость, расположенная под гнездом и способная принимать возбуждающее излучение, прошедшее через оптическую миру. Поверхность дна рассеивающей полости может быть подвергнута финишной обработке, чтобы получить коэффициент отражения не более 20,0%. Устройство может содержать также антиотражающее покрытие, сформированное на поверхности по меньшей мере прозрачного слоя и/или оптической миры.
[00015] В соответствии с альтернативным примером устройство для тестирования может содержать оптическую миру и прозрачный слой, непосредственно связанные одна с другим без какой-либо дополнительной поддерживающей корпусной конструкции. Микроструктуры, которые могут быть образованы на границе между оптической мирой и прозрачным слоем, могут представлять собой один или более паттернов хрома, сформированных на верхней поверхности оптической миры и/или на нижней поверхности прозрачного слоя. В соответствии с альтернативным примером, устройство для тестирования может быть установлено прямо на проточную ячейку, а не в детекторный аппарат. Как вариант, прозрачный слой может полностью отсутствовать. Соответственно, оптическая мира может использоваться как законченное устройство для тестирования, не имеющее прозрачного слоя или какой-либо поддерживающей конструкции, такой как корпус.
[00016] Должно быть понятно, что любые признаки устройства для тестирования можно комбинировать любым желательным образом и/или в любой желательной конфигурации.
[00017] Согласно примерам изобретения предлагается также оптический детекторный аппарат. Предлагаемый аппарат содержит оптическую миру в форме твердого тела, в которое введен флуоресцирующий материал. Имеющийся в аппарате объектив направляет возбуждающее излучение в сторону оптической миры и принимает от нее излучение флуоресценции. Для подведения объектива к интересующей области вблизи оптической миры используется привод. Частью оптического детекторного аппарата является также память для хранения программных инструкций. Процессор выполняет программные инструкции с целью детектирования излучения флуоресценции от оптической миры, по меньшей мере при проведении оптической юстировки и/или калибровки измерительного прибора.
PE
EG2
EG2
PE
[00018] Как вариант, объектив способен направлять возбуждающее излучение на оптическую миру, а процессор способен извлекать референтную информацию из излучения флуоресценции и использовать ее при проведении по меньшей мере оптической юстировки или калибровки прибора. Оптическая мира может постоянно находиться вблизи объектива, в положении калибровки, пространственно отделенном от каналов проточной ячейки в приборе. Как вариант, оптическая мира содержит твердый материал-основу и введенный в него флуоресцирующий материал. Твердый материал-основа имеет заданную фононную энергию HOST. Флуоресцирующий материал характеризуется определенным основным энергетическим уровнем, целевым излучательным (ЦИ) энергетическим уровнем и ближайшим нижележащим (БНЛ) энергетическим уровнем, находящимся ниже ЦИ уровня и отделенным от него энергетическим зазором FM. Отношение FM/HOST составляет три или более.
[00019] Твердое тело может представлять собой подложку, содержащую твердый материал-основу с введенным в него флуоресцирующим материалом. Твердое тело может содержать по меньшей мере эпоксид и/или полимер, включающие в себя квантовые точки, испускающие, при облучении возбуждающим излучением, излучение флуоресценции в одной или более заданных интересующих полосах излучения.
[00020] Оптический детекторный аппарат может дополнительно содержать антиотражающее покрытие, сформированное на оптической мире.
[00021] Должно быть понятно, что любые признаки оптического детекторного аппарата можно комбинировать любым желательным образом, а любые комбинации признаков оптического детекторного аппарата и/или устройства для тестирования могут использоваться совместно. При этом любые признаки одного или обоих данных объектов могут быть скомбинированы с любым из примеров, описанных далее.
[00022] Предлагается также способ, включающий следующие операции: устанавливают объектив прибора в положение, согласованное с оптической мирой, содержащей твердое тело, заключающее в себе флуоресцирующий материал; направляют на оптическую миру возбуждающее излучение; детектируют, в качестве референтной информации, излучение флуоресценции от оптической миры и используют референтную информацию для осуществления оптической юстировки и/или калибровки измерительного прибора.
[00023] Как вариант, способ может дополнительно включать фокусирование возбуждающего излучения в фокальной точке, которая может находиться под верхней поверхностью оптической миры.
3
4
2
3
3
[00024] Операция установки в согласованное положение может включать: согласование положения объектива с участком решетки, который содержит микроструктуру, расположенную над оптической мирой, и фокусировку возбуждающего излучения в первой фокальной точке на микроструктуре, а также согласование положения объектива с участком, не содержащим решетки и свободным от микроструктуры, и фокусировку возбуждающего излучения во второй фокальной точке, расположенной ниже верхней поверхности оптической миры. Как вариант, флуоресцирующий материал может содержать ионы по меньшей мере одного химического элемента, выбранного из эрбия, гольмия и празеодима, а твердый материал-основа содержит по меньшей мере одно из веществ, выбранных из группы, состоящей из силиката, германата, InF и ZBLAN (т.е. тяжелого стекла на основе фторидов металлов, таких как ZrF-BaF-LaF-AlF-NaF).
[00025] Должно быть понятно, что любые признаки способа можно комбинировать любым желательным образом и что может использоваться любая комбинация признаков способа и/или оптического детекторного аппарата, и/или устройства для тестирования. При этом любые признаки любого или всех данных объектов могут быть скомбинированы с любым из примеров, описанных далее.
Краткое описание чертежей
[00026] На фиг. 1А иллюстрируется, в перспективном изображении, пример предлагаемого устройства для тестирования с оптической мирой, показанной отдельно от корпуса, служащего для ее приема.
[00027] На фиг. 1В иллюстрируется, на виде сверху, корпус, выполненный согласно альтернативному примеру.
[00028] На фиг. 1С иллюстрируется, в перспективном изображении, устройство для тестирования согласно альтернативному примеру с оптической мирой и слоем решетки, показанными отдельно от корпуса, служащего для их приема.
[00029] На фиг. 2А иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении плоскостью 2А-2А (см. фиг. 1А), устройство для тестирования по фиг. 1А с оптической мирой, установленной в корпусе.
[00030] На фиг. 2В иллюстрируется, на виде сбоку, модель оптической миры согласно примеру изобретения с объективом, находящимся в первой позиции измерения.
[00031] На фиг. 2С иллюстрируется, на виде сбоку, модель оптической миры согласно примеру изобретения с объективом, находящимся во второй позиции измерения.
[00032] На фиг. 2D иллюстрируется, на виде сверху, устройство для тестирования согласно примеру изобретения.
[00033] На фиг. 2Е иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении, устройство для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения.
[00034] На фиг. 2F иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении, устройство для тестирования согласно другому альтернативному примеру изобретения.
3+
[00035] На фиг. 3А представлена диаграмма энергетических уровней для трехвалентного иона эрбия (Er), используемого согласно примерам изобретения.
3+
[00036] На фиг. 3В представлена диаграмма энергетических уровней для трехвалентного иона празеодима (Pr) согласно примерам изобретения.
3+
[00037] На фиг. 3С представлена диаграмма энергетических уровней для трехвалентного иона гольмия (Но) согласно примерам изобретения.
[00038] На фиг. 4 иллюстрируется пример результатов тестовых измерений интенсивностей флуоресценции, соответствующих различным цветам; измерения проводились с использованием различных оптических мир согласно примерам изобретения.
[00039] На фиг. 5 иллюстрируются результаты тестирования твердого материала-основы, сформированного путем допирования стекла на основе фторида металла (ZBLAN) с заданными концентрациями трехвалентного иона эрбия согласно примерам изобретения.
[00040] На фиг. 6А иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении, устройство для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения.
[00041] На фиг. 6 В иллюстрируется, на виде сбоку, часть устройства для тестирования согласно другому примеру изобретения.
[00042] На фиг. 6С иллюстрируется, на виде сбоку, часть устройства для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения.
[00043] На фиг. 7 представлена схема оптического детекторного аппарата, сформированного согласно примеру изобретения.
[00044] На фиг. 8 представлена схема примера микрофлуориметра, чтобы проиллюстрировать функциональные свойства различных оптических компонентов согласно примерам изобретения.
[00045] На фиг. 9 представлена блок-схема детекторного аппарата, в котором может использоваться устройство для тестирования согласно примерам изобретения.
[00046] На фиг. 10 представлена блок-схема примера автоматизированного способа, который может осуществляться с использованием устройства для тестирования согласно примерам изобретения.
Осуществление изобретения
[00047] Примеры, описанные далее, соответствуют оптическим мирам, которые используют твердые тела с введенным в них флуоресцирующим материалом. Оптическая мира может применяться для калибровки оптической части оптических систем, использующих флуоресценцию, с заданным уровнем сходимости и точности, например в масштабе нанометров или микрометров, в зависимости от измеряемых оптических свойств. Один или более примеров, описанных далее, обеспечивают существенные преимущества. Например, систему на основе твердотельной миры сравнительно легко изготовить по сравнению с обычными мирами на основе жидкого красителя и мир с применением флюидики. Система на основе твердотельной миры обладает относительно высокой стабильностью при хранении, поскольку она свободна от утечек или фотодеградации во времени. Кроме того, система на основе твердотельной миры не требует использования специализированных процессов и поэтому может изготавливаться различными производителями. Кроме того, система на основе твердотельной миры позволяет обеспечить постоянную во времени (без фотодеградации) флуоресценцию при определенной оптической мощности. Это открывает потенциальные возможности использования системы на основе твердотельной миры для калибровки по мощности и для измерения мощности источников освещения в полевых условиях. Интегрирование, на перманентной основе, упомянутых функциональностей в систему секвенирования делает возможным удаленный мониторинг, направленный на увеличение времени работы прибора.
[00048] На фиг. 1А иллюстрируется, в перспективном изображении, устройство 100 для тестирования согласно примеру изобретения. Данное устройство содержит корпус 102, имеющий верхнюю и нижнюю планарные поверхности 104, 106, по существу, параллельные одна другой. Корпус 102 может иметь скругленные углы, образующие плавный переход между боковыми сторонами 108 и передним и задним торцами 110, 112. В данном примере корпус 102 имеет прямоугольную форму; однако, допустимы и альтернативные формы. Формы и размеры устройства 100 для тестирования выбираются так, чтобы его можно было установить в прибор, выполняющий оптические измерения и их анализ. В качестве примера, такой прибор может использовать струйную технику, хотя описываемые далее примеры могут использоваться и с оптическими приборами без такой техники. В частности, рассматриваемое устройство для тестирования может использоваться применительно к приборам для таких областей, как микрофлюидика, полупроводники, биотехнология и легкая промышленность. Например, устройство 100 для тестирования может использоваться при позиционировании инструментов для полупроводниковой промышленности, таких, например, как установки для совмещения фотошаблонов, при калибровке систем машинного зрения или оптических компонентов в таких применениях, как оптическая когерентная томография, а также для получения, с применением флуоресценции, изображений в биологии. В качестве другого примера, устройство 100 для тестирования может использоваться при калибровке обычных оптических приборов, таких как флуоресцентные микроскопы.
[00049] Приводимые в данном описании примеры могут использоваться в сочетании с различными системами секвенирования (секвенаторами), применяющими различные флуоресцентные методы. Например, устройство 100 для тестирования может использоваться совместно с приборами MINISEQ, HISEQ, NEXTSEQ и MISEQ, предлагаемыми заявителем настоящего изобретения, и/или совместно с приборами, предлагаемыми другими фирмами. Согласно по меньшей мере некоторым примерам устройство 100 для тестирования позволяет провести оптическую калибровку прибора без необходимости использования обычно применяемых флуоресцентных референтных частиц или флуоресцентных красителей. Известные флуоресцентные референтные частицы и красители позволяют проводить калибровку для небольшого количества часто применяемых флуорофоров (например для флуоресцеина и фикоэритрина). Однако известным флуоресцентным референтным частицам и красителям присущи низкие термическая стабильность и фотостабильность, утечки и/или механические дефекты.
[00050] Согласно приводимым примерам изобретения устройство 100 для тестирования может использоваться в качестве встроенной диагностической оптической миры. Данное устройство может быть интегральной частью прибора, позиционированной так, чтобы имеющийся в приборе детектор мог производить оптические измерения без необходимости устанавливать в прибор какое-либо дополнительное средство. Устройство 100 для тестирования может, в частности, использоваться прибором для дистанционного получения диагностической информации в сочетании с выполнением различных функций. Например, прибор может использовать устройство 100 для тестирования с целью выявления трейдинга данных, например трендов функции рассеяния точки, лазерной юстировки, оптической калибровки и эффективности оптического пропускания в течение срока службы прибора. Сбор данных может осуществляться автоматически, без вмешательства пользователя, с загрузкой данных в облако, чтобы производить удаленную отладку, проводить опережающую диагностику и определять тренды по группе приборов. Устройство для тестирования может использоваться также для оценки различных аспектов оптической системы прибора, а также свойств его трехкоординатных столиков. Например, если обнаруживается, что юстировка лазера нарушена, программное обеспечение автоматически активирует наводящие зеркала, чтобы восстановить юстировку.
[00051] В соответствии с некоторыми примерами устройство 100 для тестирования может быть присоединено к любому прибору, который предусматривает запрограммированный запуск процедуры тестирования (инспекции), при реализации которой обеспечивается управление прибором при проведении различных тестов с использованием устройства 100 для тестирования. Если устройство 100 для тестирования выполнено с возможностью установки в прибор и извлечения из него, это устройство может быть сконфигурировано как полноразмерное устройство для тестирования, пригодное для измерения оптических параметров. Такое устройство будет сопряжено с держателем проточной ячейки и использоваться для настройки положения этого держателя. Полноразмерное устройство для тестирования будет ориентировано по длине проточной ячейки секвенатора, чтобы обеспечить возможность моделирования цикла секвенирования. Как вариант, устройство 100 для тестирования может быть выполнено с уменьшенными размерами с целью установки в прибор в зоне столика, смежного с дорожками кюветы. Если устройство 100 для тестирования (с уменьшенными размерами) интегрировано в прибор, он может осуществлять инспекционные операции без необходимости устанавливать и извлекать данное устройство. Такое уменьшенное устройство для тестирования может использоваться при измерениях оптических параметров.
[00052] У оптической миры 120 имеются, по существу, планарные верхняя и нижняя поверхности 107, 109, которые являются взаимно параллельными. Боковая сторона 105 проходит по всему периметру миры 120. В данном примере оптическая мира 120 имеет форму, близкую к прямоугольному параллелепипеду. Однако следует учитывать, что в некоторых конкретных применениях могут использоваться альтернативные формы миры. Как было упомянуто, оптическая мира 120 представляет собой конструкцию на основе твердого тела, которое состоит из твердого материала-основы с введенным в него флуоресцирующим материалом. Твердый материал-основа может быть полностью или по меньшей мере частично прозрачным. Степень его прозрачности может зависеть, в частности, от желательной интенсивности флуоресцентного излучения, испускаемого оптической мирой 120. В качестве примера, твердый материал-основа может являться стеклом или, как это будет описано далее, другим твердым материалом, имеющим желательные механические и оптические свойства.
4
2
3
3
2
-1
[00053] В качестве примера, твердым материалом-основой может являться фториндатное стекло. Альтернативно, материал-основа может содержать по меньшей мере одно из следующих веществ: стекло, аморфные полимеры, кристаллические материалы, полукристаллические полимеры, металлические стекла (метглассы), керамику. В Таблице 1 приведены примеры твердых материалов, которые могут использоваться в качестве материала-основы. Как показано в Таблице 1, твердый материал-основа может являться тяжелым стеклом на основе фторидов металла (например стеклом типа ZBLAN). Стекла этого типа могут использовать различные соединения фтора, такие как ZrF, BaF, LaF, AIF и NaF. Как вариант, твердым материалом-основой может являться CaF. Твердые материалы-основы характеризуются низкими значениями верхних фононных энергетических уровней. В соответствии с некоторыми примерами максимальная фононная энергия твердого материала-основы может быть меньше или равна заданному значению, выраженному в волновых числах. В качестве другого примера, максимальная фононная энергия твердого материала-основы может соответствовать интервалу 370-525 см. В качестве твердого материала-основы могут использоваться и другие материалы, которые характеризуются низкой максимальной фононной энергией и энергетическими зонами, позволяющими получить флуоресценцию в полосах излучения, которые соответствуют интересующим оптическим каналам.
3+
3+
3+
3+
3+
3+
3+
3+
3+
2+/3+
3
[00054] Флуоресцирующим материалом может быть редкоземельный элемент, более конкретно, редкоземельные ионы: Tm(455 нм), Но (550 нм), Tb (540 нм), Eu (611 нм), Sm (550 нм), Pr (488 и 590 нм), Dy(480 нм и 575 нм) или Er (550 нм и 660 нм); элемент из семейства актинидов: U; ионы переходных металлов: Ti, Cr и т.д. Флуоресцирующий материал может быть распределен равномерным и однородным образом по всему твердому материалу-основе, например с образованием стекла Er-InF. Флуоресцирующий материал излучает в одном или более интересующих каналов излучения. Например, флуоресцирующий материал может излучать на длинах волн короче 1000 нм.
3
3
3+
3+
3+
[00055] Могут использоваться различные концентрации флуоресцирующего материала в твердом материале-основе, причем эти концентрации задаются, исходя, в частности, из желательной интенсивности флуоресценции, которая может быть получена при ожидаемой интенсивности возбуждающего излучения. В рассмотренном примере, когда материалом-основой является стекло на основе фторида индия (InF), допированное трехвалентными ионами эрбия, эти ионы могут вводиться при концентрации допанта в интервале 0,1-10,0%, например, в интервале 0,5-6% в атомных долях. В качестве еще одного примера, концентрация допанта (трехвалентных ионов эрбия) в атомных долях может находиться в интервале 1,0-3,0±0,01%. Флуоресцирующему материалу присуща селективная интенсивность излучения, которая может настраиваться путем подбора состава. Например, интенсивность излучения и/или цвет можно варьировать путем подбора концентрации флуоресцирующего материала, путем добавления вспомогательного допанта (например кодопанта) и/или путем подбора состава твердого материала-основы. В частности, первый допант может представлять собой главный допант (ион-активатор), тогда как вспомогательный допант может быть добавлен, чтобы повысить или понизить интенсивность излучения главного допанта. Вспомогательный допант представляет собой ион-сенсибилизатор. Использование более одного допанта может повысить интенсивность флуоресценции. При кодопировании дополнительным ионом-сенсибилизатором интенсивность излучения может быть повышена за счет переноса энергии между ионом-сенсибилизатором и ионом-активатором. Если ионом-активатором является Er, в качестве иона-сенсибилизатора можно использовать, например, Yb или Tm. Другими примерами ионов-сенсибилизаторов могут служить Yb, Но и YF.
2
3
4
2
2
3
3+
3+
3+
3+
[00056] Как вариант, использование более одного допанта может быть направлено на снижение интенсивности флуоресценции в одной или более полосах излучения. При кодопировании дополнительным ионом-сенсибилизатором интенсивность излучения может быть понижена за счет переноса энергии между ионом-сенсибилизатором и ионом-активатором (например Er). Так, Tb/Eu можно кодопировать в YbO, и в результате переноса энергии от Tb к Eu цвет излучения изменится с красного на зеленый. В качестве еще одного примера, Tm может быть кодопирован вместе с Tb или Но, чтобы способствовать непрерывной лазерной генерации у 1,5 мкм. Примеры сочетаний для кодопирования описаны в работах: "Properties of 1.5 and 2.3 μm laser emissions of various Tm doped fluoride crystals co-doped with Tb or Yb ions", OSA TOPS, Vol.26, Advanced Solid-State Lasers; "Ultraviolet and visible emissions of Er in KY(WO) single crystals co-doped with Yb ions", Journal of Luminescence 115 (2005), 131-137; "Color-tunable properties of Eu- and Dy- codoped YO phosphor particles," Nanoscale Res Lett. 2012; 7(1), 556; а также в книге "Current Trends in Optical Amplifiers and Their Applications" edited by Tien-Pei Lee. Содержание этих публикаций полностью включено в данное описание посредством ссылок.
PE
ET
PE
ET
[00057] Твердый материал-основа и допант могут быть выбраны так, что их комбинация обеспечит желательное соотношение энергетических уровней. Например, такая комбинация может обеспечить заданное отношение энергетических уровней HOST/FM, где HOST - это максимальная фононная энергия твердого материала-основы, a FM - энергия перехода между целевым излучательным энергетическим уровнем миры и ближайшим смежным энергетическим уровнем флуоресцирующего материала.
EG2
PE
PE
EG2
EG2
9/2
9/2
9/2
9/2
EG2
PE
3
3+
4
4
4
4
-1
-1
-1
-1
3+
3+
3+
[00058] Согласно некоторым примерам изобретения твердый материал-основа и флуоресцирующий материал характеризуются отношением энергетических уровней FM/HOST ≥ 4, где HOST - это фононная энергия твердого материала-основы, a FM - энергия перехода между целевым излучательным энергетическим уровнем миры и ближайшим нижележащим (БНЛ) энергетическим уровнем флуоресцирующего материала. В приведенной ниже Таблице 2 представлены примеры рассмотренного отношения для примера флуоресцирующего материала с энергией перехода FM и различных твердых материалов-основ. В частности, флуоресцирующим материалом может быть трехвалентный ион эрбия (Er), для которого ЦИ энергетический уровень - это уровень F, а БНЛ энергетический уровень - это уровень I. Разность энергии (энергетический зазор) между энергетическими уровнями F и I соответствует (в волновых числах) 2900 см. Примеры твердых материалов-основ в Таблице 2 включают силикат, германат и ZBLAN, максимальные фононные энергии которых оставляют 1100 см, 900 см и 500 см соответственно. Отношение энергетических уровней (FM/HOST) для трехвалентного иона эрбия (Er) и твердых материалов-основ в виде силиката, германата и ZBLAN равны 3, 4 и 6 соответственно, а их квантовые эффективности примерно равны 0,22%, 14% и 90% соответственно. "Квантовая эффективность" - это отношение количества испущенных фотонов флуоресценции к количеству фотонов падающего возбуждающего излучения. Как видно из Таблицы 2, ZBLAN обладает высокой квантовой эффективностью по сравнению с силикатом и германатом для конкретного флуоресцирующего материала Er. Как вариант, силикату и германату может быть придана более высокая квантовая эффективность, чем указанная в Таблице 2, если в качестве допанта использовать другой флуоресцирующий материал. Для стекла InF, допированного Er, указанное отношение энергетических уровней равно 6, а квантовая эффективность близка к 90%. Следует учитывать, что другие флуоресцирующие материалы в комбинации с приведенными материалами-основами будут иметь иные квантовые эффективности.
[00059] Возвращаясь к фиг. 1А, корпус 102 может содержать алюминий или другой материал, имеющий схожие механические и оптические свойства. Корпус 102 может быть изготовлен фрезерованием или посредством другого способа, позволяющего выдержать желательные допуски для упоминаемых далее различных кромок, стенок, отверстий и т.д. В верхней поверхности 104 корпуса 102 сформирована приемная область 118, в переделах которой имеются центральное гнездо 114 и каналы 116. Центральное гнездо 114 сконфигурировано для приема оптической миры 120, которая может быть зафиксирована в нем различными способами, например посредством адгезива. Как вариант, периферийная поверхность гнезда 114 может быть сформирована с возможностью плотного сопряжения (например по прессовой посадке) с периферийными стенками оптической миры 120. Приемная область 118 сконфигурирована также для приема не изображенного на фиг. 1А прозрачного слоя (из стекла или из другого прозрачного материала), который покрывает оптическую миру 120 в гнезде 114. В каналы 116 помещен адгезив, который прикрепляет слой стекла к корпусу 102, тем самым закрывая и изолируя оптическую миру 120 от внешнего пространства. В соответствии по меньшей мере с некоторыми примерами на поверхности слоя стекла могут быть сформированы микроструктуры с образованием, тем самым, слоя решетки (например слоя 122 на фиг. 2А). Как вариант, слой стекла может полностью отсутствовать, и оптическая мира 120 может быть открыта с верхней стороны (со стороны верхней поверхности 104 корпуса 102).
[00060] В примере по фиг. 1А центральное гнездо 114 выполнено удлиненным, с продольными сторонами, ориентированными по длине корпуса 102. В нижних сторонах каналов 116, расположенных вдоль противоположных продольных сторон гнезда 114, выполнены по одному или более входных/выходных портов 137, которые проходят от нижней стороны каналов 116 до нижней поверхности 106 корпуса 102. Эти порты 137 могут использоваться, чтобы инъецировать адгезив в каналы 116 после того, как сверху в приемную область 118 будет помещено стекло.
[00061] Как вариант, оптическая мира 120 может использоваться как цельное устройство для тестирования, без каких-либо сформированных на ней или локализованных рядом с ней микроструктур или других паттернов. Например, оптическая мира 120 может быть просто установлена прямо на проточную ячейку и/или в прибор без каких-либо других поддерживающих конструкций.
[00062] На фиг. 1В иллюстрируется, на виде сверху, корпус 202 согласно альтернативному примеру изобретения. У корпуса 202 имеется верхняя поверхность 234, в которой сформирована приемная область 218. Приемная область 218 выполнена заглубленной в корпус 202 на небольшую величину, соответствующую толщине слоя стекла (например слоя решетки), который должен быть введен в область 218. В примере по фиг. 1В приемная область 218 является квадратной или прямоугольной, хотя допустимы и альтернативные формы. Кроме того, в этом примере глубина приемной области 218 точно соответствует толщине соответствующего слоя стекла. Однако приемная область 218 может иметь в своих различных частях различные значения глубины, например, если желательно использовать слой стекла с различными толщинами в различных его частях и/или сформировать слой стекла из отдельных деталей.
[00063] В корпусе 202, а именно в центральной части его приемной области 218 имеется гнездо 214. Размеры и форма гнезда 214 рассчитаны для приема оптической миры 120. Гнездо 214 загублено на заданную величину относительно приемной области 218. В приемной области 218 имеется также канал 216, расположенный, по существу, вокруг гнезда 214. Канал 216, в основном, аналогичен каналу 116 на фиг. 1А, за исключением того что канал 216 полностью окружает гнездо 214. У канала 216 имеются входные/выходные порты 217, которые представляют собой отверстия, проходящие сквозь корпус 202 до его нижней поверхности. Входные/выходные порты 217 могут использоваться для обеспечения доступа изнутри к установленному слою стекла и для введения адгезива в канал 216.
[00064] В одном примере канал 216 снабжен также серией углублений 221 для ослабления давления, распределенных по его длине. Как будет подробно пояснено далее, данные углубления уменьшают напряжение, возникающее в слое стекла при введении адгезива (силикона) в канал 216. Более конкретно, когда силикон вводится в канал 216 через входные/выходные порты 217, силикон, по меньшей мере частично, перекрывает углубления 221, так что в каждом углублении 221 блокируется небольшое количество воздуха. При отверждении силикона он сжимается, прикладывая, в результате, стягивающее усилие к слою решетки и окружающим стенкам канала 216. Воздух, блокированный в углублениях 221, образует первую область снятия давления для силикона; тем самым снижается усилие, прикладываемое силиконом к слою решетки.
[00065] Гнездо 214 и канал 216 разделены внутренней ступенькой 215, которая в примере по фиг. 1 В также является прямоугольной. Следует, однако, учитывать, что любые квадратные или прямоугольные элементы, проиллюстрированные на фиг. 1В, можно модифицировать с приданием им различных альтернативных форм. Канал 216 окружен по своему наружному периметру наружной ступенькой 219. Внутренняя и наружная ступеньки 215, 219 образуют опору, принимающую слой стекла.
[00066] В процессе сборки оптическая мира 120 вводится в гнездо 214, в котором она может быть зафиксирована посредством адгезива, фрикционного взаимодействия между стенками гнезда 214 и боковыми сторонами миры 120 или иным способом. После того как оптическая мира 120 будет установлена в гнездо 214, в приемную область 218 вводят слой стекла таким образом, что он опирается на внутреннюю и наружную ступеньки 215, 219. В соответствии с некоторыми примерами, описанными далее, в приемную область 218 вводят также прозрачный слой (например, из стекла и поэтому именуемый также слоем стекла), функционирующий как слой решетки (например обозначенный на фиг. 2А, как 122). Слой решетки герметично фиксируется в приемной области 218, чтобы предотвратить попадание загрязнений в гнездо 214 после завершения сборки. Например, конечные пользователи могут периодически протирать устройство для тестирования посредством моющих средств (в частности спирта) с целью его чистки Соответственно, в примерах изобретения используется адгезив, стойкий к спирту, который инъецируется в канал 216, чтобы прикрепить слой решетки к корпусу 202, и хорошо выдерживает воздействие спирта. Например, адгезивом может служить силикон, весьма устойчивый к спирту, тогда как адгезивы, отверждаемые ультрафиолетовым (УФ) излучением, могут повреждаться в спирте. Силикон инъецируется вплоть до заполнения каналов 116. Однако отверждение силикона может сопровождаться "газовыделением".
[00067] Примеры, описанные далее, обеспечивают изоляцию гнезда 214 и оптической миры 120 от побочных продуктов процесса газовыделения. С этой целью, когда слой решетки введен в приемную область 218 и опирается на внутреннюю и наружную ступеньки 215, 219, вдоль границы между слоем решетки и внутренней ступенькой 215 формируют барьер 213 от газовыделения. Такой же барьер 211 формируют также вдоль границы между слоем решетки и наружной ступенькой 219. Барьеры 211, 213 могут быть сформированы с помощью инъекционного инструмента, который вводится через один или более входных/выходных портов 217 и наносит заданный объем образующего барьер адгезива вдоль края границы между слоем решетки и внутренней ступенькой 215, а также вдоль края границы между слоем решетки и наружной ступенькой 219. Таким адгезивом может быть, например, отверждаемый УФ излучением адгезив с низкой вязкостью (например 300 мПа⋅с). По истечении определенного периода времени барьерный адгезив распределяется по внутренней и наружной ступенькам 215, 219 с образованием тонких связующих слоев-барьеров (обозначенных штриховыми линиями 211, 213) между внутренней ступенькой 215, наружной ступенькой 219 и слоем решетки. Слой решетки будет прижат к внутренней и наружной ступенькам 215, 219, находясь в ненапряженном состоянии. В этом случае УФ-отверждение сохраняет слой решетки плоским и в правильной позиции без применения каких-либо зажимных средств, которые могли бы привести к изгибанию слоя решетки. Дополнительный барьер 213 против газовыделения, имеющийся на внутренней ступеньке 215, предотвращает попадание любого выделяемого силиконом газа в гнездо 214.
[00068] На фиг. 1С иллюстрируется, в перспективном изображении, устройство 250 для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения. Данное устройство содержит корпус 252, оптическую миру 270 и слой 272 решетки. В центральной части приемной области 268, имеющейся в корпусе 252, сформировано гнездо 264. Размеры и форма гнезда 264 рассчитаны для приема оптической миры 270. В приемной области 268 имеется также канал 266, расположенный, по существу, вокруг гнезда 264. У канала 266 имеются входные/выходные порты 267. У приемной области 268 имеются внутренняя и наружная ступеньки 265, 269, которые имеют копланарные верхние поверхности и позиционированы для приема нижней поверхности слоя 272 решетки. Корпус 252 выполнен обеспечивающим желательную плоскостность слоя 272 решетки. Поддержание этой плоскостности в слое 272 решетки полезно потому, что некоторые оптические калибровки используют плоскую область паттерна хрома. При отверждении силикон может давать усадку, что может привести, при отсутствии соответствующий коррекции, к втягиванию слоя 272 решетки в канал 266. Если слой 272 решетки будет втянут в канал 266, его центральная часть в области над оптической мирой 270 может выгнуться вверх. Кроме того, зажатие верхнего стекла (слоя 272 решетки) в определенном положении в процессе отверждения адгезива может привести к изгибу слоя 272, и этот изгиб станет перманентным после отверждения адгезива.
[00069] Согласно примерам изобретения верхняя поверхность слоя 272 решетки поддерживается в желательной степени плоской (планарной). С этой целью канал 266 снабжен серией углублений 271 для ослабления давления, распределенных по его длине. Данные углубления уменьшают напряжение, возникающее в слое 272 решетки в процессе отверждения адгезива (силикона), введенного в канал 266. Некоторые из примеров, описанных далее, предотвращают втягивание слоя 272 решетки силиконом, при его отверждении, в канал 266. УФ-отверждаемый адгезив (барьеры 211, 213 на фиг. 1В) оттягивают слой 272 решетки вниз по обе стороны канала 266, предотвращая (или по меньшей мере существенно уменьшая) изгибание слоя 272 решетки. Потенциал изгибания слоя 272 решетки дополнительно уменьшается за счет оставления части канала 266 ненапряженной, так что усадка силикона может проходить без приложения тянущего усилия к слою 272 решетки. Этого можно достичь выполнением серии углублений (или отверстий) 271 в нижней поверхности канала 266. При подаче силикона в канал 266 воздух блокируется внутри углублений 271. В процессе отверждения силикона пузырьки воздуха получают возможность проникать в канал 266 по мере усадки силикона. Движение пузырька воздуха вверх, в канал 266, происходит намного легче, чем втягивание слоя 272 решетки вниз, в канал 266, так что слой 272 решетки в процессе отверждения не деформируется.
[00070] Как вариант, корпус 252 может содержать один или более монтажных (крепежных) элементов 251, таких как отверстия, выполненные на противоположных концах корпуса. Монтажные элементы 251 принимают ответный компонент, предусмотренный на приборе, чтобы обеспечить желательное позиционирование устройства 250 для тестирования. В примере по фиг. 1С монтажные элементы 251 выполнены в виде отверстий, в которые вводятся соответствующие штифты. Могут использоваться и альтернативные или дополнительные монтажные элементы.
[00071] Далее будет описан процесс сборки устройства 250 для тестирования. Сначала в гнездо 264 вводят оптическую миру 270. В примере по фиг. 1С на противоположных концах гнезда 264 имеются полости 263, которые облегчают ввод адгезива. В качестве примера, в полости 263 на концах оптической миры 270 может быть введен соответствующий инструмент (например шприц), заполненный адгезивом. Адгезив, подаваемый из инструмента, получает возможность растекаться, под действием капиллярных сил, вдоль нижней поверхности оптической миры 270, в том числе, по меньшей мере частично, вдоль внутренних ступенек 259 гнезда. Капиллярные силы прижимают оптическую миру 270 к внутренним ступенькам 259, удерживая, тем самым, оптическую миру 270 на желательной глубине внутри гнезда 264. Как вариант, если используется УФ-отверждаемый адгезив, в этот момент может производиться облучение УФ-излучением, чтобы произвести отверждение адгезива.
[00072] Затем в приемную область 268 вводят слой 272 решетки, так что периметр приемной области 268 упирается в периметр слоя 272 решетки. В корпусе 252, на периметре приемной области 268, имеются одна или более полостей 249, так что после установки слоя 272 решетки в нужное положение эти полости оказываются распределенными по периметру слоя 272. По завершении установки слоя 272 решетки в приемную область 268 инструмент для выдачи адгезива (например пневматический диспенсер адгезива, снабженный шприцем) может быть использован, чтобы подавать контролируемое количество адгезива в одну или более точек по периметру слоя 272 решетки. Например, кончик шприца может вводиться в полости 249 на углах слоя решетки для выдачи заданного количества адгезива. Адгезив распространяется, под действием капиллярных сил, вдоль границы между слоем 272 решетки и наружной ступенькой 269. Капиллярные силы заставляют адгезив просачиваться/растекаться вдоль наружного края ступеньки 269, не затекая поверх части слоя 272 решетки, примыкающей к оптической мире 270. При этом капиллярные силы прижимают слой 272 решетки к наружной ступеньке 269, удерживая его, тем самым, на желательной глубине внутри приемной области 268. Как вариант, если используется УФ-отверждаемый адгезив, в этот момент может производиться облучение УФ-излучением, чтобы произвести отверждение адгезива.
[00073] Дополнительно или альтернативно, адгезив может быть подан на внутреннюю ступеньку 265. Адгезив может быть нанесен на внутреннюю ступеньку 265 до или после того, как в приемную область 268 будет введен слой 272 решетки. Например, до введения слоя 272 решетки на внутреннюю ступеньку 265 можно нанести одну или более капель адгезива. Как вариант, инструмент для диспенсирования (дозированной выдачи) адгезива может использоваться для подачи адгезива к внутренней ступеньке 265 после установки слоя 272 решетки. Например, кончик шприца может вводиться через один или более входных/выходных портов 267 для выдачи, посредством шприца, заданного количества адгезива. Под действием капиллярных сил адгезив распространяется вдоль границы между слоем 272 решетки и внутренней ступенькой 265. Капиллярные силы заставляют адгезив просачиваться/растекаться вдоль внутренней ступеньки 265, не затекая поверх части слоя 272 решетки, примыкающей к оптической мире 270. При этом капиллярные силы прижимают слой 272 решетки к внутренней ступеньке 265, удерживая его, тем самым, на желательной глубине внутри приемной области 268. Как вариант, если используется УФ-отверждаемый адгезив, в этот момент может производиться облучение УФ-излучением, чтобы произвести отверждение адгезива.
[00074] Затем через один или более входных/выходных портов 267 вводят адгезив (например силикон) в канал 266. Например, в качестве входа для введения адгезива могут использоваться входные/выходные порты 267 на одном или более углов канала 266, тогда как входные/выходные порты 267 на одном или более других углов канала 266 образуют выход, через который воздух может выводиться из канала 266. Как было пояснено выше, при растекании адгезива по каналу 266 происходит перекрытие адгезивом углублений 271, из которых позднее выходит воздух для снятия напряжений при усадке адгезива в процессе его отверждения.
[00075] На фиг. 2А устройство 100 для тестирования по фиг. 1А с установленной в него оптической мирой 120 иллюстрируется на виде сбоку, в сечении плоскостью 2А-2А (см. фиг. 1). Как это иллюстрируется фиг. 2А, мира 120 установлена в гнездо 114, а прозрачный слой, соответствующий слою 122 решетки, установлен в приемную область 118. У слоя 122 решетки могут иметься различные области, предназначенные для использования в сочетании с различными типами операций настройки и/или калибровочных тестов. Например, как это будет описано далее со ссылкой на фиг. 2D, слой 122 решетки может включать в себя одну или более "площадок", соответствующих участкам, к которым подводится объектив (обозначенный на фиг. 2D, как 200) для сбора информации при осуществлении различных операций. В качестве примера, слой 122 решетки может содержать одну или более площадок для оценки качества изображения или дисторсии, пустые площадки, референтные площадки и т.д. При проведении различных тестов объектив позиционируется, для сбора информации, напротив соответствующих площадок. Слой 122 решетки может использоваться также для мониторинга равномерности и положения пространственного профиля возбуждения. Слой 122 решетки может быть образован прозрачной несущей подложкой (например стеклянной), на которой сформированы различные микроструктуры 123 в виде одного или более заданных паттернов. Микроструктуры 123 сформированы в одной или более площадок, напротив которых, при проведении соответствующих калибровочных операций и тестов, позиционируют объектив. Примеры таких операций и тестов будут описаны далее со ссылкой на фиг. 10. Например, микроструктура 123 может содержать цветной или другой поглощающий состав, обладающий желательным поглощением (например частично или полностью непрозрачный) для возбуждающего излучения и/или для одной или более интересующих полос излучения флуоресценции. В частности, на поверхность слоя 122 решетки может наноситься, различными методами, слой хрома с образованием различными участками хрома различных паттернов (именуемых также "участками хрома" или "паттернами хрома") для использования в сочетании с различными операциями юстировки и/или калибровки, как это будет описано далее. Микроструктуре 123 могут быть приданы различные паттерны, такие как полоски, точки, точечные отверстия и т.д. Как вариант, микроструктура 123 может быть выполнена, как слой твердого материала с заданным паттерном в виде отверстий или прорезей, проходящих сквозь микроструктуру 123 и образующих каналы, точечные отверстия и т.д. Микроструктуры 123 могут находиться на верхней и/или нижней поверхностях слоя 122 решетки, которые определяются как таковые относительно объектива прибора. Конкретно, под верхней понимается поверхность, проксимальная по отношению к объективу, а под нижней - поверхность, которая по отношению к объективу является дистальной. Альтернативно, паттерн в форме решетки может быть образован прямо во флуоресцирующей подложке (см., например, фиг. 2Е), чтобы получить монолитную структуру. В этом примере структура в виде решетки находится в контакте с оптической мирой 120. Тем самым повышается эффективность подведения возбуждающего излучения к оптической мире и, аналогично, увеличивается эффективность подведения флуоресценции от оптической миры 120 к структуре в виде решетки. В результате достигается желательный (например максимальный) уровень интенсивности излучаемого света. Как вариант, слой 122 решетки может полностью отсутствовать. В другом варианте зазор между слоем 122 решетки и оптической мирой 120 может быть регулируемым для учета сферической аберрации.
[00076] В примере по фиг. 2А микроструктура 123 включает первый и второй участки 115, 117 решетки, разделенные центральной частью 119, свободной от микроструктуры 123.
[00077] Как показано на фиг. 2А, на поверхности прозрачного слоя (слоя 122 решетки) и/или оптической миры 120 может быть сформировано антиотражающее покрытие 121. Это покрытие 121 можно сформировать на любой поверхности, которая обращена к зазору 124 между слоем 122 решетки и оптической мирой 120. В одном примере антиотражающее покрытие 121 находится на поверхности оптической миры 120, а в другом примере - на поверхности слоя 122 решетки, на которой имеются микроструктуры 123. Еще в одном примере антиотражающее покрытие 121 нанесено и на поверхность оптической миры 120, и на поверхность слоя 122 решетки, на которой имеются микроструктуры 123.
[00078] В одном примере антиотражающего покрытия 121 антиотражающий материал может быть нанесен на поверхность оптической миры 120, обращенную к указанному зазору 124, когда оптическая мира 120 уже позиционирована в гнезде 114. В другом примере на поверхности прозрачного слоя (т.е. слоя 122 решетки) могут быть сформированы микроструктуры 123, а затем на нее нанесен антиотражающий материал.
[00079] Антиотражающее покрытие 121 может использоваться, чтобы уменьшить или устранить оптическую интерференцию, которая может возникнуть в результате отражения света в зазоре 124 между поверхностями оптической миры 120 и слоя 122 решетки. В результате можно будет ослабить или исключить интерференционные паттерны в изображениях, которые формируются в процессе использования устройства и аппарата, описанных далее.
[00080] Хотя антиотражающие покрытия 121 изображены, как единственные слои, должно быть понятно, что для достижения желательного антиотражающего эффекта можно использовать как однослойное, так многослойное покрытие. Например, можно использовать многослойное покрытие, чтобы добиться минимального или нулевого отражения в интересующей полосе излучения или на интересующих длинах волн. В частности, многослойное антиотражающее покрытие 121 может иметь коэффициент отражения в интервале 0-1% на длинах волн от примерно 520 нм до примерно 700 нм и в интервале 0-5% на длинах волн от примерно 500 нм до примерно 520 нм, а также в интервале 0-9% на длинах волн от примерно 700 нм до примерно 1000 нм. Таким образом, антиотражающие свойства антиотражающего покрытия (антиотражающих покрытий) 121 могут быть неодинаковыми для различных длин волн, в частности варьируемыми в зависимости от применения прибора или устройства по изобретению.
2
[00081] Примеры приемлемых антиотражающих материалов, которые могут использоваться для получения антиотражающего покрытия 121, включают любые прозрачные материалы с показателем преломления, равным квадратному корню показателя преломления подложки (например оптической миры 120 или слоя 122 решетки), на которую наносится данный материал. Примеры антиотражающих материалов включают фторид магния (MgF), фторполимеры, наночастицы мезопористого кремния, чередующиеся слои кремния и материала с более высоким показателем преломления, а также другие материалы, обладающие желательными антиотражающими свойствами в желательной полосе излучения или на используемых длинах волн.
[00082] В рассматриваемом примере приемная область 118, сформированная в корпусе 102, имеет приемную полку 126 и стенку 127. Приемная полка 126 находится на заданном расстоянии ниже верхней поверхности 104 корпуса 102 и выступает внутрь на заданное расстояние. Приемная полка 126 задает глубину приемной области 118, соответствующую толщине слоя 122 решетки. При этом приемная полка 126 может выступать внутрь на расстояние, достаточное для поддержки слоя 122 решетки. В качестве примера, по длине приемной полки 126 может быть нанесен адгезив, чтобы удерживать слой 122 решетки в желательном положении. Выбор ширины приемной полки 126 производят с учетом того, что адгезив должен иметь возможность распределяться по приемной полке 126, не затекая в гнездо 114. Стенка 127 сформирована таким образом, что она проходит по периметру приемной области 118, которая окружает гнездо 114.
[00083] Гнездо 114 частично ограничено снизу дном 128, а сбоку стенкой 129. Дно 128 гнезда находится на заданном расстоянии ниже приемной полки 126 и выступает внутрь на заданное расстояние. Например, дно 128 гнезда может выступать внутрь на расстояние, достаточное для поддержки оптической миры 120. В качестве примера, вдоль дна 128 может быть нанесен адгезив, чтобы удерживать оптическую миру 120 в желательном положении. При этом дно 128 гнезда может выступать внутрь на расстояние, выбранное с учетом того, что адгезив должен иметь возможность распределяться по дну 128 гнезда без затекания в рассеивающую полость 130. При этом гнездо 114 смещено внутрь относительно стенок корпуса 102 так, чтобы оно было центрировано относительно корпуса и чтобы адгезив не мог попасть под центральную часть 119 оптической миры 120.
[00084] Форма и размеры стенки 129 гнезда выбраны в соответствии с формой и размерами оптической миры 120. Высота 129А стенки гнезда, проходящей от его дна 128 до приемной полки, превышает высоту 120А оптической миры 120. В результате, когда оптическая мира 120 введена в корпус и прочно упирается в дно 128 гнезда, верхняя поверхность оптической миры 120 расположена ниже плоскости приемной полки 126 на толщину зазора 124. Данный зазор соответствует расстоянию между верхней поверхностью оптической миры 120 (или нанесенного на нее антиотражающего покрытия 121) и нижней поверхностью слоя 122 решетки (или нанесенного на него антиотражающего покрытия 121). Зазор 124 является достаточно большим, чтобы предотвратить образование интерференционных полос, которые могли бы возникнуть в случае прямого контакта между слоем 122 решетки и оптической мирой 120 в одной или более точек. Другими словами, указанный зазор является достаточно большим, чтобы предотвратить прямой контакт между оптической мирой 120 и слоем 122 решетки. Вместе с тем, зазор 124 является достаточно малым для того, чтобы избежать нежелательных оптических эффектов при прохождении света между слоем 122 решетки и оптической мирой 120. Если бы зазор 124 был сделан чрезмерно большим, световые потери при прохождении света через него могли бы оказаться недопустимо большими. Таким образом, зазор 124 должен предотвращать чрезмерные световые потери в зазоре, когда свет проходит между слоем 122 решетки и оптической мирой 120. Толщина зазора 124 может составлять, например, от примерно 10 мкм до примерно 100 мкм. В данном примере она составляет 30±20 мкм. Как вариант, зазор 124 может иметь различные толщины при условии, что уровень световых потерь остается в заданных пределах (например, они меньше или равны 20% интенсивности падающего света). Как вариант, слой 122 решетки и оптическая мира 120 могут иметь контролируемое минимальное количество участков контакта, которые могут приводить к образованию небольших интерференционных полос, не оказывающих неприемлемого влияния на использование оптической миры 120. Как было упомянуто, интерференционные полосы могут быть дополнительно ослаблены или устранены путем нанесения антиотражающего покрытия 121 на оптическую миру 120 и/или на слой 122 решетки.
[00085] Как вариант, чтобы уменьшить потенциальные взаимные смещения слоя 122 решетки и оптической миры 120, зазор 124 может быть заполнен текучей средой или эпоксидной смолой, имеющей совпадающий показатель преломления. По меньшей мере некоторые эпоксидные смолы с таким показателем преломления могут испытывать со временем небольшие изменения цвета (например обесцвечивание), что может быть нежелательным по меньшей мере в определенных применениях. Кроме того, существует потенциальная возможность утечки со временем из зазора 124 текучей среды с согласованным показателем преломления. Как следствие, существует опасность того, что по меньшей мере некоторые текучие среды и/или эпоксидные смолы с согласованным показателем преломления могут вызывать изменения интенсивности излучения флуоресценции во времени. Например, соответствующая текучая среда или эпоксидная смола может привести к небольшому ослаблению интенсивности возбуждающего излучения, падающего на оптическую миру 120, и/или интенсивности излучения флуоресценции, проходящего через зазор 124. Соответственно, по меньшей мере в определенных примерах использование в зазоре 124 воздуха может представлять по меньшей мере один из путей поддерживания постоянной интенсивности, излучаемой устройством 100 для тестирования. Кроме того, добавление текучей среды или эпоксидной смолы с соответствующим показателем преломления может приводить к трудностям изготовления, которые не возникают в случае заполнения зазора 124 воздухом.
[00086] Гнездо 114 соединено с рассеивающей полостью 130, расположенной ниже этого гнезда (дистально по отношению к объективу 200 - см. фиг. 2В) и, соответственно, ниже оптической миры 120, когда она введена в гнездо 114. Рассеивающая полость 130, которая расположена под гнездом 114 и центрирована относительно оптической миры 120, сконфигурирована для приема света, прошедшего сквозь оптическую миру 120. При прохождении через рассеивающую полость 130 вплоть до ее дна свет становится все более дефокусированным или рассеянным. При контакте с дном 132 полости свет рассеивается в желательной степени, достаточной, чтобы избежать обесцвечивания дна 132 полости.
[00087] Высота гнезда 114 выбрана такой, чтобы обеспечить желательное (например допустимое максимальное) расстояние между фокальной точкой пучка света (находящейся внутри оптической миры 120) и нижней частью корпуса 102. Рассеивающая полость 130 имеет дно, т.е. нижнюю поверхность 132, на которую может быть нанесено финишное покрытие на базе черного пигмента, чтобы облегчить предотвращение фотообесцвечивания и обеспечить желательный уровень отражательной способности (например меньший или равный 6%). Финишное покрытие на базе черного пигмента может представлять собой электролитическое чернение, использующее неорганические металлические соли, такое как ANOBLACK™ ЕС, предлагаемое фирмой Anoplate Corp.(США). Согласно примеру изобретения, описанному далее, используется черное покрытие на основе пигмента, а не красители (такие как черные красители, имеющие большие молекулы по сравнению с размерами молекул в пигментах), которые более подвержены разрушению со временем под воздействием возбуждающего света. Пигменты, используемые для формирования черного покрытия, в соответствии по меньшей мере с некоторыми примерами, содержат небольшие молекулы, которые менее подвержены действию возбуждающего излучения и не разрушаются со временем. В качестве примера, пигмент может представлять собой фосфор, обогащенный черным оксидом никеля, который образует черное покрытие с молекулами относительно малых размеров, не подверженными разрушению возбуждающим излучением, и, как следствие, сохраняет относительно постоянную отражательную способность. Кроме того, пигмент может быть выбран обеспечивающим низкий уровень флуоресценции в покрытии, поскольку низкий уровень такой флуоресценции означает, что флуоресценция покрытия не будет существенно уменьшаться во времени.
[00088] Как вариант, различные другие части поверхности корпуса 102 (например верхние и/или нижние поверхности 104, 106, боковые стороны 108 и/или передний и задний торцы 110, 112) также могут быть покрыты описанным покрытием.
[00089] На фиг. 2В иллюстрируется, на виде сбоку, модель оптической миры 120 с объективом 200, находящимся в первой позиции измерения согласно примеру изобретения. На фиг. 2С иллюстрируется, на виде сбоку, модель оптической миры 120 с объективом 200, находящимся во второй позиции измерения согласно примеру изобретения, т.е. на фиг. 2В, 2С иллюстрируется объектив 200, находящийся относительно устройства 100 для тестирования в первой и второй позициях измерения соответственно. Схематичные изображения на фиг. 2В и 2С иллюстрируют корпус 102, оптическую миру 120, слой 122 решетки, рассеивающую полость 130 и другие элементы, хотя, чтобы упростить иллюстрации, зазор 124 и некоторые особенности, показанные на фиг. 2А, на фиг. 2В, 2С опущены.
[00090] На фиг. 2В объектив 200 детекторного аппарата позиционирован в непосредственной близости от центральной части 119 слоя 122 решетки, которая используется при проведении измерений возбуждающего излучения. Когда объектив 200 позиционирован у центральной части устройства, возбуждающее излучение 232 не попадает на микроструктуры 123 на участках 115, 117 решетки. Объектив 200 направляет возбуждающее излучение 232 в устройство 100 для тестирования, внутри которого это излучение 232 фокусируется в различных фокальных точках, выбираемых в зависимости от конкретного выполняемого измерения. Например, при проведении рамочного измерения (проиллюстрированного фиг. 2В) объектив 200 фокусирует возбуждающее излучение 232 в фокальных точках 234, расположенных ниже (например на 50 мкм) верхней поверхности 107 оптической миры 120. Объектив 200 использует угловую апертуру 208, обеспечивающую желательную степень фокусирования в фокальной точке 234 и желательную степень рассеяния/дефокусировки на больших глубинах в оптической мире 120 и далее. Объектив 200 принимает излучение флуоресценции, исходящее от центральной части 119 верхней поверхности 107 оптической миры 120.
[00091] В процессе работы устройства могут производиться измерения, не связанные с использованием решетки (например измерения оптической интенсивности) путем позиционирования объектива 200 над областью 119. Измерения указанного типа могут производиться в сочетании с согласованием положения пучка возбуждающего излучения относительно поля зрения детектирующей камеры. Фокальная точка 234 расположена под верхней поверхностью 107, чтобы удалить от фокальной плоскости царапины, пыль, отпечатки пальцев, в том числе мусор, царапины и дефекты в поверхности оптической миры 120, и, тем самым, устранить или ослабить влияние потенциально мешающих эффектов на результаты измерений. Другие операции (обсуждаемые со ссылкой на фиг. 10) могут включать получение изображений области 119.
[00092] Возбуждающее излучение, исходящее из объектива 200, проходит сквозь слой 122 решетки, входит в оптическую миру 120, не проходя через микроструктуры 123. В качестве отклика, оптическая мира 120 испускает излучение флуоресценции, которое проходит обратно через область 119 и падает на объектив 200, оптические компоненты которого направляют это излучение через внутреннюю оптику к одному или более детекторов. Объектив 200 фокусирует возбуждающее излучение в фокальной точке, расположенной на заданном расстоянии ниже поверхности оптической миры 120. Например, фокальная точка 234 может находиться на 20-100 мкм ниже поверхности 107 оптической миры 120. В качестве еще одного примера, фокальная точка 234 может быть расположена примерно на 50 мкм ниже поверхности 107 оптической миры 120. Возбуждающее излучение рассеивается в нижней части оптической миры 120, ниже фокальной точки 234, чтобы сгенерировать излучение флуоресценции в относительно большой области миры, обеспечивая, тем самым, относительно однородный скан. По меньшей мере некоторые примеры устраняют или, по существу, ослабляют негативные влияния царапин, загрязнений, отпечатков пальцев и т.д. на поверхности 107 оптической миры 120 и/или слоя 122 решетки путем локализации фокальной точки 234 ниже поверхности 107 оптической миры 120 и учета угловой апертуры 208.
[00093] На фиг. 2С объектив 200 позиционирован напротив одного из участков 115, 117 решетки, используемых при оценке ее рабочих характеристик. При таком позиционировании объектива возбуждающее излучение 232 падает на микроструктуры 123 и проходит через зазоры или отверстия между ними. Объектив 200 фокусирует возбуждающее излучение 232 в фокальной точке 206, которая соответствует нижней поверхности слоя 122 решетки. Объектив 200 задает угловую апертуру 210 так, чтобы получить желательную степень фокусировки в фокальной точке 206 и получить желательную степень рассеяния/дефокусировки на больших глубинах внутри оптической миры 120 и за ней. При этом фокальная точка 206 соответствует положению микроструктур 123. Объектив 200 принимает излучение флуоресценции, исходящее от участков оптической миры 120, соответствующих участкам 115, 117 решетки. В соответствии по меньшей мере с некоторыми примерами все или часть испускаемого излучения может исходить от верхней части оптической миры 120 при отсутствии или при меньшем количестве излучения, исходящего из остального ее объема.
[00094] Измерения, основанные на использовании решетки, проводятся при позиционировании объектива 200 над одним или обоими ее участками 115, 117. Возбуждающее излучение, исходящее из объектива 200, проходит через участки 115, 117 решетки и входит в оптическую миру 120. Возбуждающее излучение рассеивается или дефокусируется за фокальной точкой 206, в более глубоких слоях оптической миры 120 в степени, определяемой угловой апертурой 210. Как отклик на возбуждающее излучение, соответствующая область оптической миры 120 генерирует излучение флуоресценции, которое выходит из верхней поверхности 107 миры и падает на нижнюю поверхность (и микроструктуры 123) слоя 122 решетки. Излучение флуоресценции проходит между микроструктурами 123 в слой 122 решетки и далее проходит вверх, попадая в объектив 200. Оптические компоненты объектива направляют излучение флуоресценции через внутреннюю оптику к одному или более детекторов, после чего производится обработка этого излучения. В той степени, в которой возбуждающее излучение прошло через оптическую миру 120, оно обладает желательной степенью дефокусировки, когда проходит через рассеивающую полость 130 перед контактированием с ее дном 132. Интенсивность возбуждающего излучения, которое доходит до дна 132 полости, ниже заданного порога, что помогает избежать потенциального изменения оптических характеристик дна 132 полости во времени.
[00095] Когда возбуждающее лазерное излучение проходит за микроструктуры 123, оно расходится в пределах более крупной области. В результате флуоресценция испускается относительно большой частью оптической миры 120. Соответственно, имеющиеся в приборе камеры способны произвести измерения паттерна хрома от части микроструктур 123, которые могут располагаться с каждой стороны от фокальной точки 206. За счет этого достигается повышенная однородность освещения при измерениях паттерна хрома.
[00096] Объектив 200 может обладать большой числовой апертурой, так что чем дальше объектив 200 будет отодвинут от поверхности слоя 122 решетки, тем более расфокусированным будет возбуждающее излучение. Другими словами, чем дальше источник возбуждения отодвигается от фокальной точки 206, тем в большей степени расходящимся является возбуждающее излучение. Скорость, с которой происходит расхождение/дефокусирование возбуждающего излучения, зависит, в том числе, от числовой апертуры объектива 200. В соответствии по меньшей мере с некоторыми примерами возбуждающее излучение оказывается, по существу, дефокусированным к моменту, когда оно выходит из нижней поверхности оптической миры 120. При прохождении возбуждающего излучения через рассеивающую полость 130 оно продолжает расходиться (т.е. становиться более расфокусированным). В результате, к моменту, когда это излучение падает на дно 132 полости, оно оказывается дефокусированным/расходящимся в желательной степени, так что интенсивность излучения, падающего на любую точку на дне 132 полости, меньше допустимой пороговой интенсивности.
3
[00097] Согласно примерам изобретения, чтобы избежать нежелательной фотодеградации корпуса 102 (например чтобы минимизировать фотообесцвечивание), объектив 200 и устройство 100 для тестирования обеспечивают распределение возбуждающего лазерного излучения по большей поверхности (например 2,3 мм по оси X и 0,53 мм по оси Y). В дополнение, некоторые примеры предотвращают (или минимизируют) автофлуоресценцию структур, имеющихся на корпусе 102, в частности, локализуя фокус возбуждающего излучения так, чтобы это излучение, при его падении на поверхность корпуса 102, было дефокусировано в желательной степени (составляющей менее 1,5% сигнала от Er-InF).
[00098] В дополнение, наличие рассеивающей полости 130, а также расстояния между фокальной точкой 206 и дном 132 полости уменьшают вероятность автофлуоресценции, которая могла бы испускаться дном 132 под воздействием возбуждающего излучения. Даже если дно 132 полости испускает какую-либо флуоресцентную энергию, такая энергия, по существу, рассеивается при прохождении рассеивающей полости 130, не влияя на интересующие характеристики оптической миры 120.
[00099] Как вариант, в соответствии по меньшей мере с некоторыми примерами длина оптической миры 120 может быть желательным образом согласована с микроструктурами 123 на участках 115, 117 решетки. Например, может оказаться желательным выбрать положение объектива 200 так, что при проведении измерений с использованием решетки (согласно фиг. 2С) возбуждающее излучение в пределах числовой апертуры 210 не попадает на стенку 129 гнезда.
[000100] Согласно примерам изобретения устройство 100 для тестирования содержит источник флуоресценции, который, по существу, остается стабильным в течение длительного периода времени. Так, устройство 100 для тестирования не испытывает заметных потерь интенсивности флуоресценции и остается, по существу, стабильным на протяжении по меньшей мере 10000 операций тестирования (каждая из которых включает по меньшей мере одну операцию облучения оптической миры возбуждающим излучением). В качестве еще одного примера, относительное изменение интенсивности флуоресценции устройства 100 для тестирования может не превышать примерно 3% по меньшей мере в течение 10000 операции тестирования. В более общем виде, относительное ослабление интенсивности флуоресценции устройства 100 для тестирования, выполненного согласно описанному примеру изобретения, не превышает 2% в течение срока службы прибора, совместно с которым используется данное устройство.
[000101] На фиг. 2D устройство для тестирования согласно примеру изобретения иллюстрируется на виде сверху. Слой 122 решетки (см. фиг. 2А) и микроструктуры, сформированные на различных площадках/участках, предназначены для использования при проведении тестов различных типов. Рамки 281 и 283 на фиг. 2D (в которых могут быть заключены любые подобласти) соответствуют областям, в которых на слое решетки сформированы паттерны хрома/микроструктуры. Должно быть понятно, что эти области могут также соответствовать паттерну хрома с точечными отверстиями. Любые области снаружи областей 281 или 283 (например область между областью 281 (областью 283) и периметром или между областями 281 и 283) являются пустыми областями, в которых нет никаких паттернов хрома/микроструктур. Должно быть понятно, что области, отмеченными знаком "+", также могут быть пустыми областями, в которых нет никаких паттернов хрома/микроструктур.
[000102] Устройство для тестирования содержит верхнюю и нижнюю (в положении по фиг. 2D) области 280, 282, служащие в качестве участков для автоматического центрирования, используемых в соединении с операцией автоцентрирования в аппарате, формирующем изображения. Площадка 284 предназначена для использования в тесте качества изображения, а площадка 286 - для использования в тесте дисторсии. Пустая (чистая) площадка 288 предназначена для использования на операции коррекции однородности освещения и плоскостности поля. Пустая область 290 предназначена для использования при измерениях с применением лазерной линии. Горизонтальная узкая кромка (лезвие) 292 и вертикальная узкая кромка 294 предназначены для использования в тестах положения лазерного пятна. На площадке 296 сформирован паттерн сквозных отверстий для использования при измерении частотно-контрастной функции. Как вариант, можно использовать меньшее количество площадок или же дополнительные или альтернативные площадки.
[000103] На фиг. 2Е иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении, устройство 300 для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения. Устройство 300 во многих отношениях похоже на устройство 100 для тестирования по фиг. 2А, но имеет и отличия, рассматриваемые далее. Устройство 300 для тестирования содержит корпус 302 с гнездом 314 для приема оптической миры 320. У гнезда 314 имеется ступенька 328, которая удерживает оптическую миру 320 над рассеивающей полостью 330, на заданной глубине в корпусе 302. В приемную область 318, сформированную в корпусе 302, помещен прозрачный слой 322 (например из стекла). Наружная ступенька 326 поддерживает этот слой на заданном расстоянии над оптической мирой 320 с образованием между ними зазора 324. Оптическая мира 320 содержит сформированные на ее верхней поверхности микроструктуры 323, которые отделены от прозрачного слоя 322 зазором 324. Микроструктуры 323 образуют на поверхности оптической миры 320 слой решетки, который пространственно отделен от прозрачного слоя 322. Как вариант, прозрачный слой 322 может отсутствовать. В другом варианте расстояние между прозрачным слоем 322 и оптической мирой 320 может быть настроено из условия учета сферической аберрации. Соответственно, устройство 300 для тестирования может быть изготовлено путем распечатывания паттерна хрома (микроструктур 323) прямо на верхней поверхности оптической миры 320, а не на нижней поверхности прозрачного слоя 322.
[000104] Хотя оно и не изображено, в примере по фиг. 2Е может также использоваться антиотражающее покрытие 121 на поверхности прозрачного слоя 322, обращенной к зазору 324, и/или на поверхности оптической миры 320 и на сформированных на ней микроструктурах 323. В этом примере можно использовать любые варианты антиотражающих материалов, описанные выше.
[000105] Толщина прозрачного слоя 322 выбрана из условия компенсации сферической аберрации в системе формирования изображения. Если система формирования изображения сконструирована с нулевой сферической аберрацией, прозрачный слой 322 может быть полностью опущен и паттерн хрома может быть распечатан на верхней поверхности оптической миры 320. Если система формирования изображения имеет сферическую аберрацию (поскольку она спроектирована в расчете на прохождение излучения через определенную толщину стекла), прозрачный слой 322 может использоваться, даже если паттерн хрома распечатан на оптической мире 320. Как вариант, зазор 324 может быть опущен полностью, так что прозрачный слой 322 будет прямо наложен на верхнюю поверхность оптической миры 320 и опираться на него.
[000106] На фиг. 2F иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении, устройство 350 для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения. Данное устройство не имеет отдельного корпуса (такого как корпус 302 или корпус 102, описанные выше). Устройство 350 для тестирования содержит оптическую миру 356 и прозрачный слой 352, непосредственно контактирующие между собой. На границе раздела между оптической мирой 356 и прозрачным слоем 352 сформированы микроструктуры 353. Микроструктуры 353 могут представлять собой один или более паттернов хрома, сформированных на верхней поверхности оптической миры 356 и/или на нижней поверхности прозрачного слоя 352. В качестве примера, устройство 350 для тестирования может использоваться в вариантах, в которых это устройство расположено прямо на проточной ячейке, а не установлено в прибор. Альтернативно, устройство 350 для тестирования может находиться в приборе.
[000107] Как вариант, прозрачный слой 352 может быть полностью опущен. При этом любая из описанных оптических мир 120, 320, 356 может использоваться как отдельное устройство для тестирования без дополнительных компонентов, таких как корпус или прозрачные слои. Таким образом, оптические миры 120, 320 и 356 могут применяться как отдельные устройства для тестирования без каких-либо микроструктур или других паттернов, сформированных на них или размещенных в непосредственной близости от них. Например, оптические миры 120, 320 и 356 могут быть просто установлены прямо на проточную ячейку и/или в прибор без каких-либо поддерживающих структур.
-1
-1
4
4
-1
4
4
-1
-1
15/2
3/2
15/2
9/2
EG1
EG1
[000108] На фиг. 3А представлена диаграмма энергетических уровней применительно к флуоресцирующему материалу, используемому в примерах изобретения. По вертикальной оси на данной диаграмме отложены значения энергии (в см), а по горизонтальной оси распределены различные переходы. Представлены нижний (основной) энергетический уровень 303, а также верхние энергетические уровни 304-309, на которые может перейти возбужденный электрон трехвалентного иона эрбия. Например, электрон иона эрбия может поглотить энергию порядка 18800 см, в результате чего он перейдет с основного энергетического уровня I (303) на целевой излучательный (ЦИ) энергетический уровень S (308). В качестве еще одного примера, электрон иона эрбия может поглотить энергию порядка 15000 см, в результате чего он перейдет с основного энергетического уровня I (303) на другой ЦИ энергетический уровень F (307). Электроны иона эрбия поглощают энергию возбуждающего излучения, после чего переходят на соответствующий ЦИ энергетический уровень 307, 308. После того как ионы перешли на соответствующие более высокие излучательные (ЦИ) энергетические уровни, ионы выделяют поглощенную энергию в форме испускания фотона, возвращаясь на основной энергетический уровень 303. ЦИ энергетический уровень отделен от основного энергетического уровня первым энергетическим зазором FM, соответствующим интересующей длине волны флуоресценции (ИДВФ). Например, ИДВФ может соответствовать красной, зеленой, синей или другой излучаемой длине волны. Излученный фотон затем принимается объективом в качестве излучения флуоресценции. Цвет излучения флуоресценции зависит от энергии фотона, которая соответствует первому энергетическому зазору FM. Если ион переходит с целевого излучательного энергетического уровня 307 на основной энергетический уровень 303, соответствующий излученный фотон имеет энергию около 15000 см, которая детектируется как флуоресценция в интересующем спектральном интервале (с длиной волны 650 нм, т.е. воспринимаемая как красное флуоресцентное излучение). Если же ион переходит на основной энергетический уровень 303 с целевого излучательного энергетического уровня 308, соответствующий излученный фотон имеет энергию около 18800 см, которая детектируется как флуоресценция в интересующем спектральном интервале (с длиной волны 532 нм, т.е. воспринимаемая как зеленое флуоресцентное излучение).
4
4
4
4
9/2
3/2
9/2
3/2
[000109] На фиг. 3А иллюстрируются также дополнительные энергетические уровни для переходов, которые могут происходить в трехвалентном ионе эрбия. Каждый из энергетических уровней 304-308 имеет один соответствующий ему ближайший нижележащий (БНЛ) энергетический уровень. Согласно примерам изобретения твердый материал-основа и флуоресцирующий материал подбираются с учетом энергетического зазора между одним или более целевыми излучательными энергетическими уровнями (например уровнем 308) и соответствующим(и) БНЛ уровнем (уровнями) (например уровнем 307). В частности, энергетический уровень F (307) является БНЛ-уровнем для энергетического уровня S (308), а энергетический уровень I (306) является БНЛ-уровнем для энергетического уровня S (307).
[000110] Электроны могут подниматься на энергетические уровни 304, 305 и 306, возвращаясь с которых на основной энергетический уровень 303, испускают фотоны, обладающие соответствующими количествами энергии. Фотоны, излученные при переходах с энергетических уровней 304-306, соответствуют длинам волн 1520 нм, 975 нм и 800 нм. В дополнение, электроны могут переходить между промежуточными верхними энергетическими уровнями 304-308. Если электрон переходит между соседними или промежуточными верхними энергетическими уровнями, фотон излучается с количеством энергии, которое соответствует энергетическому зазору между исходным и конечным верхними энергетическими уровнями. На фиг. 3А приведен пример длин волн, которые могут наблюдаться в связи с испусканием фотонов при переходах электронов между различными верхними энергетическими уровнями. Например, электрон, находящийся на энергетическом уровне 308, может перейти на любой из энергетических уровней 307, 306, 305 и 304, причем испущенный фотон будет иметь длину волны 3230 нм, 1670 нм, 1210 нм и 840 нм соответственно. В качестве другого примера, если электрон переходит с энергетического уровня 307 на другой промежуточный энергетический уровень 306-304, испущенный фотон будет иметь длину волны 3450 нм, 1940 нм и 1132 нм соответственно. Испущенный фотон будет соответствовать флуоресценции, имеющей цвет, соответствующий длине волны фотона.
[000111] Некоторые (но не все) описываемые примеры относятся к применению устройства для тестирования в сочетании с системой флюидики, которая использует излучение флуоресценции в заданной (интересующей) полосе излучения. В качестве примера, полосы излучения могут быть центрированы на длинах волн, соответствующих зеленому и/или красному излучению флуоресценции. Если интересующие полосы излучения центрированы на длинах волн, соответствующих красному или зеленому излучению, может приниматься во внимание соответствующая часть энергетической диаграммы по фиг. 3А. Более конкретно, если интерес представляет зеленое излучение, желательным является переход между целевым излучательным и основным энергетическими уровнями 308 и 303. Если же интерес представляет красное излучение, желательным является переход между целевым излучательным и основным энергетическими уровнями 307 и 303. В данном примере для прибора, использующего красные и/или зеленые полосы излучения, переходы между другими парами энергетических уровней, представленные на диаграмме по фиг. 3А, интереса не представляют.
[000112] Следует учитывать, что выше был рассмотрен только один пример, тогда как изобретение охватывает и другие примеры. Например, дополнительно или альтернативно, интересующими могут быть другие полосы излучения. Так, прибор может использовать полосу излучения, ассоциированную с длиной волны 800 нм и/или 975 нм. Если интересующая полоса излучения имеет центральную длину волны у 800 нм или 975 нм, интересующими являются энергетические переходы между уровнями 306 и 303 и между уровнями 305 и 303 соответственно. Как правило, энергетические зоны с длинами волн более 1000 нм не представляют интереса применительно к флюидике, поскольку флуоресценция, излучаемая при проведении секвенирования, обычно не содержит такие длины волн. Соответственно, переход между первым повышенным и основным энергетическими уровнями 304, 303 может не являться интересующим или полезным в рамках использования системы флюидики.
mp
9/2
15/2
9/2
9/2
3/2
9/2
р
4
4
3+
4
4
-1
-1
4
3+
4
-1
[000113] Согласно примерам изобретения флуоресценция соответствующего флуоресцирующего материала осуществляется посредством оптического возбуждения с переходом на вышележащий энергетический уровень (именуемый также целевым излучательным энергетическим уровнем) посредством источника в форме лазера или светодиода (СД). Последующий оптический процесс возбуждения, переход на нижележащие энергетические уровни примесного иона происходит посредством двух конкурирующих энергетических процессов: излучательного перехода с испусканием соответствующих фотонов (флуоресценции) и неизлучающего затухания посредством испускания оптического фонона в структуру окружающей решетки. Интенсивность неизлучающего затухания, зависящая от взаимодействия между окружающей решеткой и примесным ионом, уменьшается по экспоненте в зависимости от количества испускаемых фононов. Соответственно, безызлучательные процессы, включающие большие количества испускаемых фононов, являются маловероятными. Вероятность неизлучающего перехода между двумя энергетическими уровнями адекватно описывается экспоненциально затухающей функцией: W=Сехр(-αΔЕ)[n(Т)+1], где С и α - это постоянные, специфичные для твердого материала-основы, ΔЕ - энергетический зазор, разделяющий два энергетических уровня, n(Т) - количество частиц на одном уровне при температуре Т в статистике Бозе-Эйнштейна, а р - минимальное количество фононов, необходимое для перекрытия энергетического зазора. В общем случае неизлучающее затухание посредством мультифононных процессов может быть минимизировано путем выбора материалов-основ с низкими максимальными энергиями фононов. Например, чтобы наблюдать видимую флуоресценцию у 660 нм, соответствующую переходу F - I в Er, необходимо минимизировать неизлучающее затухание между уровнем F и его БНЛ-уровнем I. Поскольку энергетический зазор между этими уровнями близок к 2900 см, целесообразно выбрать материал-основу с максимальной фононной энергией, меньшей или равной 580 см (что соответствует одновременному испусканию 5 или более фононов). В дополнение к тому, что это способствует испусканию в красной области, выбор материала-основы с низкой энергией фононов усиливает также зеленое излучение из возбужденного состояния S в Er, для которого БНЛ уровень (F) находится ниже примерно на 3100 см.
PE
EG2
EG2
PE
EG2
PE
[000114] Твердый материал-основа имеет заданную фононную энергию HOST, тогда как у флуоресцирующего материала имеются определенный основной энергетический уровень и целевой излучательный энергетический уровень, отделенный от основного энергетического уровня первым энергетическим зазором, соответствующим интересующей длине волны флуоресценции (ИДВФ). В примере по фиг. 3А ИДВФ соответствует излучению зеленой и/или красной длины волны. У флуоресцирующего материала имеется также энергетический уровень, являющийся БНЛ уровнем относительно ЦИ уровня. БНЛ энергетический уровень отделен от ЦИ энергетического уровня вторым энергетическим зазором FM, причем отношение FM/HOST составляет 3 или более. Как вариант, отношение FM/HOST находится в интервале 4-10.
3+
3+
[000115] Следует учитывать, что фиг. 3А иллюстрирует конкретный пример диаграммы энергетических уровней, ассоциированных с потенциальным флуоресцирующим материалом, которым может быть допирован твердый материал-основа. Как уже упоминалось, в качестве допантов могут использоваться и альтернативные флуоресцирующие материалы. В качестве примеров, фиг. 3В иллюстрирует диаграмму энергетических уровней, ассоциированную с трехвалентным ионом празеодима (Pr), а фиг. 3С - диаграмму энергетических уровней, ассоциированную с трехвалентным ионом гольмия (Но). На диаграммах по фиг. 3В и 3С показаны основные энергетические уровни, целевые излучательные энергетические уровни и промежуточные верхние энергетические уровни, а также длины волн, ассоциированные с фотонами, испускаемыми электроном при переходе между соответствующими энергетическими уровнями. Как и в предыдущем примере, интересующий набор переходов между энергетическими уровнями основан на интересующей полосе излучения.
3+
3
3
3+
3
3
3+
3
1
0
5
0
4
0
2
[000116] Применительно к Pr (фиг. 3В) переход между целевым излучательным энергетическим уровнем Р и основным энергетическим уровнем Н приводит к испусканию фотона с длиной волны в интервале 515-548 нм (который включает интересующую полосу у 532 нм). В случае Pr переход между целевым излучательным энергетическим уровнем Р и промежуточным энергетическим уровнем F будет приводить к испусканию фотона с длиной волны в интервале 597-737 нм (который включает интересующую полосу у 660 нм). Соответственно, Pr может рассматриваться как потенциальный кандидат для флуоресцирующего материала, которым может допироваться твердый материал-основа. В примере по фиг. 3В, если целевой излучательный энергетический уровень - это Р, то БНЛ энергетический уровень - это D.
3+
3
5
3
5
3+
3
5
4
8
2
7
2
5
[000117] Применительно к Но (фиг. 3С) переход между целевым излучательным энергетическим уровнем F и основным энергетическим уровнем I приводит к испусканию фотона с длиной волны около 544 нм (близкой к длине волны интересующей полосы у 532 нм). Переход между целевым излучательным энергетическим уровнем S и промежуточным энергетическим уровнем I будет приводить к испусканию фотона с длиной волны около 656 нм (близкой к длине волны интересующей полосы у 660 нм). Соответственно, Но может рассматриваться как потенциальный кандидат для флуоресцирующего материала, которым может допироваться материал-основа. В примере по фиг. 3С, если целевой излучательный энергетический уровень - это S, то БНЛ энергетический уровень - это F.
[000118] На фиг. 4 иллюстрируется пример интенсивностей для излучения флуоресценции с различными цветами. По вертикальной оси откладываются значения интенсивности, а по горизонтальной оси - значения концентрации (в процентах) флуоресцирующего материала, допированного в твердый материал-основу. В качестве референтных точек используются точка 402, соответствующая интенсивности, измеренной при возбуждении жидкого зеленого красителя, и точка 404, соответствующая интенсивности, измеренной при возбуждении жидкого красного красителя. При облучении жидкого зеленого красителя возбуждающим лазером данный краситель флуоресцирует в зеленой области спектра с интенсивностью около 1650 отсчетов. При облучении жидкого красного красителя возбуждающим лазером данный краситель флуоресцирует в красной области спектра с интенсивностью около 1150 отсчетов.
[000119] На фиг. 4 также иллюстрируются (как точки 410-416) результаты измерений, проведенных с использованием твердотельной оптической миры. Точки 410 и 414 соответствуют интенсивностям, измеренным при возбуждении твердотельной оптической миры, в которой материал-основа (стекло на основе фторида индия) допирован трехвалентным ионом эрбия при концентрации 2,5%. Точки 412, 416 соответствуют интенсивностям, измеренным при возбуждении твердотельной оптической миры, в которой материал-основа (стекло на основе фторида индия) допирован трехвалентным ионом эрбия при концентрации около 4%. Как видно из фиг. 4, твердотельная оптическая мира, допированная при концентрации 2,5%, флуоресцирует в зеленой области спектра при интенсивности около 650 отсчетов и флуоресцирует в красной области спектра при интенсивности около 1300 отсчетов. Твердотельная оптическая мира, допированная при концентрации 4,0%, флуоресцирует в зеленой области спектра при интенсивности около 500 отсчетов и в красной области спектра при интенсивности около 2350 отсчетов. Из представленных данных можно определить желательные концентрации допанта в виде трехвалентного эрбия, базируясь на желательной интенсивности флуоресценции. Например, если желательна флуоресценция оптической миры в красной области, целесообразно повысить концентрацию допанта - трехвалентного иона эрбия - до 3,5% или более (например до 4% или 4,5%). Если же желательна флуоресценция оптической миры в зеленой области, целесообразно понизить концентрацию допанта - трехвалентного иона эрбия - до уровня 1,5-2%.
[000120] Кроме того, из представленных данных можно определить желательные концентрации допанта в виде трехвалентного эрбия, когда нужно получить от оптической миры флуоресценцию в двух или более областях спектра (например в зеленой и красной областях) с равными интенсивностями. Например, может оказаться целесообразным использовать концентрацию допанта - трехвалентного иона эрбия - между 1,25% и 2%. В качестве другого примера, концентрация допанта - трехвалентного иона эрбия - составляет между 1,3% и 1,5% в стекле на основе фторида индия. На фиг. 5 иллюстрируются результаты тестирования твердого материала-основы, сформированного путем допирования стекла на основе фторида металла (ZBLAN) при концентрациях трехвалентного иона эрбия на уровнях 2% и 5%. На фиг. 5 вертикальная ось соответствует значениям интенсивности излучения флуоресценции (в произвольных единицах, п. е.), а горизонтальная ось - длинам волн. Концентрации ионов эрбия, равные 2% и 5%, приводят к пикам интенсивности у 550 нм, а также к дополнительному пику интенсивности у 660 нм.
[000121] В примере по фиг. 4 активным флуоресцирующим материалом являются трехвалентные ионы эрбия. Как вариант, к твердому материалу-основе можно добавить, в качестве кодопанта или кодопантов, один или более дополнительных элементов., чтобы повысить или понизить интенсивность излучения активного флуоресцирующего материала (например эрбия).
[000122] На фиг. 6А иллюстрируется, на виде сбоку, в сечении, устройство 600 для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения. Данное устройство содержит корпус 602, в гнездо 614 которого устанавливается оптическая мира 620. Над оптической мирой 620 вблизи объектива (не изображен) помещается слой 622 решетки. Слой 622 решетки содержит микроструктуры 623, сформированные в форме заданных паттернов на нижней поверхности данного слоя.
[000123] Оптическая мира 620 может быть отделена от слоя 622 решетки зазором 624. У оптической миры 620 имеются верхняя и нижняя поверхности 607, 609, которые являются, по существу, планарными и взаимно параллельными. Оптическая мира 620 содержит твердое тело, внутри которого имеется множество квантовых точек 621. Твердое тело может быть изготовлено из эпоксидной смолы, полимеров и других материалов, в которые может быть включено множество дискретных частиц (например квантовых точек 621), удерживающихся в фиксированном положении. Квантовые точки 621 распределены, по существу, равномерно по всей оптической мире 620, так что, будучи облученными возбуждающим излучением, квантовые точки 621 флуоресцируют в одной или более интересующих полосах излучения. Устройство 600 для тестирования может использоваться таким же образом, что и любое другое из описанных устройств.
[000124] Как вариант, квантовые точки 621 могут быть сформированы, как квантовые точки в кремнии (Si) так, чтобы обеспечить возможность настройки по длинам волн.
[000125] На фиг. 6 В иллюстрируется часть устройства 640 для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения. Данное устройство содержит слой 662 решетки и корпус 642. Оптическая мира 660 удерживается в корпусе 642 и непосредственно взаимодействует со слоем 662 решетки. Слой 662 решетки содержит микроструктуры 663, сформированные на его нижней поверхности (задней относительно объектива). Оптическая мира 660 окружает и герметизирует микроструктуры 663. Она содержит квантовые точки 661, распределенные по ее объему. Квантовые точки 661 присутствуют также в областях 665 между микроструктурами 663. В качестве примера, оптическая мира 660 может быть выполнена из эпоксидной смолы, полимера или другой композиции, которая, будучи текучей, заполняет зазор(ы) 665 между микроструктурами 663 и которая будет герметично охватывать распределенную по ней группу квантовых точек 661.
[000126] На фиг. 6С иллюстрируется часть устройства 670 для тестирования согласно альтернативному примеру изобретения. Данное устройство содержит слой 682 решетки, корпус 672 и оптическую миру 680, которая удерживается в корпусе. Оптическая мира 680 непосредственно взаимодействует со слоем 682 решетки и заполняет зазоры 685 между микроструктурами 683, сформированными на задней (нижней) стороне слоя 682 решетки. В примере по фиг. 6С квантовые точки 681 удерживаются в зазорах 685 и группируются таким образом, чтобы находиться вблизи микроструктур 683, окружая их. Та часть оптической миры 680, которая удалена от микроструктур 683, по существу, свободна от квантовых точек 681.
[000127] В примерах по фиг. 6А-6С квантовые точки 621, 661, 681 могут быть сформированы с возможностью испускать излучение флуоресценции, центрированное у одной или более интересующих длин волн в зависимости от интересующей полосы (интересующих полос) излучения. Например, часть квантовых точек 621, 661, 681 может быть сконфигурирована для флуоресценции на длинах волн у 532 нм, а другая часть этих точек - для флуоресценции на длинах волн у 660 нм. Как вариант, квантовые точки 621, 661, 681 могут быть сконфигурированы для испускания на других длинах волн вместо указанных выше или в дополнение к ним.
[000128] Как вариант, флуоресцентный материал может представлять собой органополимер. В другом варианте флуоресцентный материал может представлять собой флуоресцентный краситель, введенный в эпоксид. В качестве еще одного примера, как дополнение или замена допирования флуоресцентным материалом твердого материала-основы, на поверхность оптической миры может быть нанесена флуоресцентная пленка.
[000129] Применения
[000130] Описанные примеры могут использоваться совместно с приборами, применяемыми в биологических или химических исследованиях, включая проведение большого количества управляемых реакций. Такие реакции могут проводиться в соответствии с заданным протоколом автоматизированными системами, содержащими, например, соответствующие жидкостные, оптические и электронные компоненты. Подобные системы могут использоваться, например, для получения биологического или химического продукта для последующего использования или для анализа образца с целью детектировать его свойства/характеристики. В некоторых случаях при анализе образца определенная химическая функциональная группа, которая содержит идентифицируемую (например флуоресцентную) метку, может быть доставлена в камеру, в которой находится образец, и селективно связаться с другой функциональной группой в образце. Такие химические реакции могут наблюдаться или подтверждаться путем возбуждения меток посредством их облучения и детектирования света, испущенного метками. Подобные излучения можно обеспечить также и другими средствами, включая хемилюминесценцию.
[000131] Некоторые известные системы используют устройство флюидики, например проточную ячейку, которая содержит проточный канал (например внутреннюю камеру), задаваемый одной или более внутренних поверхностей проточной ячейки, на которых могут протекать реакции. Проточная ячейка, как правило, расположена проксимально относительно оптического блока, который содержит устройство для получения изображения образца в проточном канале. Оптический блок может содержать линзу-объектив и/или твердотельное устройство для получения изображения (например прибор с зарядовой связью (ПЗС) или КМОП-структуру). В некоторых случаях линза-объектив не используется, а для формирования изображения проточного канала твердотельное устройство для получения изображения устанавливается в непосредственной близости к проточной ячейке.
[000132] Любой из описанных примеров устройства для тестирования может использоваться с различными системами, способами, сборками и аппаратами для детектирования желательной реакции в образце в процессе биологического или химического анализа. Например, согласно одной из технологий "секвенирования методом синтеза" ("sequencing by synthesis, SBS) на одной или более поверхностей проточного канала создаются кластеры нуклеиновой кислоты (например клональные ампликоны), сформированные посредством твердофазной полимеразной цепной реакции. После генерирования кластеров нуклеиновые кислоты "денатурируются", чтобы получить однониточную ДНК (single stranded DNA, sstDNA). Чтобы завершить цикл секвенирования, в проточный канал подают различные реакционные компоненты согласно заданному расписанию. Например, каждый цикл секвенирования включает подачу одного или более нуклеотидов (например А, Г, Ц, Т) в проточный канал для элонгации sstDNA на единственное основание. Реверсивный терминатор, присоединенный к нуклеотидам, может гарантировать, что за один цикл в sstDNA встраивается только один нуклеотид. Каждый нуклеотид имеет уникальную флуоресцентную метку, испускающую при ее возбуждении определенный цвет (например красный, зеленый, синий и т.д.), который используется, чтобы детектировать соответствующий нуклеотид. При встраивании нового нуклеотида получают изображения многочисленных кластеров в четырех каналах (по одному на каждую флуоресцентную метку). После получения изображения в проточный канал подают другой реакционный компонент, чтобы химически отрезать флуоресцентную метку и реверсивный терминатор от sstDNA. После этого sstDNA готова к следующему циклу. Таким образом, в каждом цикле в проточный канал подают ряд различных реакционных компонентов. Единственная сессия секвенирования может включать множество циклов, например 100, 300 или более. Устройство для тестирования может быть сконфигурировано с возможностью испускать флуоресценцию с цветами, используемыми во флуоресцентных метках в процессе анализа. Такое устройство может использоваться в различные моменты до и/или во время сессии секвенирования.
[000133] В некоторых примерах желательные реакции сопровождаются оптическими сигналами, детектируемыми оптическим блоком. Устройство для тестирования может применяться для верификации, валидации, калибровки или иных действий с оптическим блоком. Оптические сигналы могут соответствовать испусканию света метками или падающему свету, отраженному или преломленному образцом. Например, оптический блок может использоваться для осуществления или для облегчения осуществления протокола секвенирования sstDNA в проточной ячейке.
[000134] Согласно примерам изобретения устройство для тестирования может использоваться совместно с оптическим сканирующим аппаратом и флюидным картриджем (fluidic cartridge), который может использоваться для подачи в устройство образца и реагентов. Данный картридж может иметь корпус, защищающий различные компоненты флюидики, такие как резервуары, соединения, насосы, клапаны и т.д. Проточная ячейка может быть интегрирована во флюидный картридж так, чтобы она сообщалась с реагентами, находящимися в корпусе. Например, корпус может иметь отверстие, открывающее проход к передней поверхности проточной ячейки, так что она способна оптически взаимодействовать с оптическим сканирующим устройством, когда флюидный картридж помещен в свой держатель. Аппарат содержит один или более микрофлуориметров.
[000135] На фиг. 7 представлена схема оптического детекторного аппарата 700 (именуемого также детектором) согласно примеру изобретения. Детектор 700 содержит один или более процессоров 730, которые выполняют программные инструкции, записанные в памяти 732, чтобы осуществлять операции, рассмотренные в данном описании. Процессор 730 управляет одним или более приводов 734, чтобы перемещать объектив 701 по координате Z, а детектор 700 - в плоскости XY. Детектор 700 расположен проксимально относительно проточной ячейки 770, имеющей верхний слой 771 и нижний слой 773, разделенные каналом 775, заполненным текучей средой. В представленной конфигурации верхний слой 771 является оптически прозрачным, а детектор 700 сфокусирован на область 776, находящуюся на внутренней поверхности 772 верхнего слоя 771. В альтернативной конфигурации детектор 700 может быть сфокусирован на внутреннюю поверхность 774 нижнего слоя 773. Одна или обе поверхности 772, 774 может (могут) содержать элементы, которые должны детектироваться детектором 700.
[000136] Объектив 701 детектора 700 сконфигурирован с возможностью направлять возбуждающее излучение от источника 702 излучения в проточную ячейку 770, а также направлять излучение, испущенное проточной ячейкой 770, к детектору 708. В представленной схеме возбуждающее излучение от источника 702 проходит через линзу 705 и через светоделитель 706, а затем через объектив и далее к проточной ячейке 770. В представленном примере источник 702 излучения содержит два светодиода (СД) 703, 704, которые генерируют излучение на взаимно различных длинах волн. Излучение, испускаемое проточной ячейкой 770, принимается объективом 701 и, пройдя через него, отражается светоделителем 706 так, что проходит через корректирующую оптику 707 на детектор 708 (например на КМОП-датчик). Светоделитель 706 предназначен направлять испускаемое излучение в направлении, ортогональном траектории возбуждающего излучения. Положение объектива 701 может перестраиваться по координате Z, чтобы изменять фокус микрофлуориметра. С целью обеспечить получение изображений нескольких областей внутренней поверхности 772 верхнего слоя 771 проточной ячейки 770, детектор 700 может иметь возможность возвратно-поступательного перемещения по координате Y.
[000137] Устройство для тестирования по фиг. 1А-1С, 2A-2F и 6А-6С может быть установлено в заданное положение внутри проточной ячейки 770. Как вариант, оно может находиться в заданном положении смежно с проточной ячейкой 770 в поле зрения объектива 701. Объектив 701 может подводиться к устройству для тестирования при проведении различных тестов до, во время и/или по завершении сессии секвенирования.
[000138] На фиг. 8 представлена оптическая схема примера микрофлуориметра с целью проиллюстрировать функции различных оптических компонентов. Имеются два источника возбуждения, а именно зеленый СД (LEDG) и красный СД (LEDR). Возбуждающее излучение от каждого СД проходит соответственно через коллекторную линзу L6 зеленого СД и коллекторную линзу L7 красного СД. Отклоняющее зеркало М1 отражает зеленое возбуждающее излучение к дихроичной комбинирующей пластине F5, которая отражает зеленое возбуждающее излучение, направляя его для последовательного прохождения через фильтр F2 возбуждающего излучения, через светоделитель F3 лазерного диода LD, через полевую диафрагму FS для возбуждающего излучения, через группу L2 проекционных линз к дихроичной пластине F4, которая отражает зеленое возбуждающее излучение, направляя его через стационарную и подвижную группы L3, L4 линз в составе объектива к поверхности проточной ячейки FC. Красное возбуждающее излучение проходит от коллекторной линзы L7 красного СД к дихроичной комбинирующей пластине F5 и дальше распространяется по тому же пути, что и зеленое возбуждающее излучение, к поверхности проточной ячейки FC. Как проиллюстрировано на фиг. 8, фокусировка осуществляется путем перемещения подвижной группы L4 линз вверх и вниз (т.е. по координате Z). Излучение, испускаемое поверхностью проточной ячейки FC, проходит в обратном направлении через подвижную группу L4 линз, а затем через стационарную группу L3 линз к дихроичной пластине F4, которая пропускает испущенное излучение к группе L1 линз, проецирующих его через фильтр F1 на КМОП-датчик S1 изображения. Излучение лазерного диода LD также направляется посредством сопрягающей группы L5 линз к упомянутому светоделителю F3, отразившись от которого излучение лазерного диода проходит через полевую диафрагму FS, через группу L2 проекционных линз, дихроичную пластину F4, стационарную группу L3 линз и подвижную группу L4 линз к проточной ячейке FC.
[000139] Устройство для тестирования по фиг. 1А-1С, 2A-2F и 6А-6С может быть установлено в заданное положение в проточной ячейке FC. Как вариант, устройство для тестирования может быть установлено в заданное положение рядом с проточной ячейкой FC в радиусе действия микрофлуориметра. Микрофлуориметр может подводиться к устройству для тестирования при проведении различных тестов до, во время и/или по завершении сессии секвенирования.
[000140] На фиг. 9 представлена блок-схема детекторного аппарата, который может использовать устройство для тестирования согласно примерам изобретения, рассматриваемым в описании. Считывающая печатная плата (ПП), находящаяся в считывающей головке, подключена к главной ПП, которая в типичном варианте находится в корпусе детекторного аппарата. В альтернативных примерах главная ПП может находиться вне прибора. Данные могут передаваться между считывающей ПП и главной ПП по линии LVDS, которая может быть сконфигурирована для передачи от считывающей ПП к главной ПП данных по изображению и от главной ПП к считывающей ПП команд для управления камерой.
[000141] В примере по фиг. 9 главная ПП подключена также (посредством коннектора USB 3,0 SS I/F или другого подходящего коннектора) к внешнему персональному компьютеру (ПК) для первичного анализа. В некоторых примерах компьютер для первичного анализа может находиться в корпусе детекторного аппарата. Однако нахождение компьютера для первичного анализа вне прибора позволяет использовать для различных применений различные сменные компьютеры и проводить их техническое обслуживание в удобных условиях, заменяя их без необходимости прерывать работу детекторного аппарата. Кроме того, в этом варианте можно уменьшить размеры детекторного аппарата. Применим широкий ассортимент компьютеров, включая, например, настольный компьютер, ноутбук или сервер, содержащий процессор, функционально связанный с доступной памятью и программой для реализации способов, рассматриваемых в данном описании. Главная ПП подключена также к жидкокристаллическому дисплею (ЖКД) для коммуникации с пользователем. Могут использоваться и другие пользовательские интерфейсы.
[000142] В некоторых примерах пользовательский интерфейс может включать в себя дисплей (например ЖКД) для отображения или запроса информации пользователем и пользовательское устройство ввода (например клавиатуру) для ввода пользователем входных данных. В некоторых примерах дисплей и пользовательское устройство ввода являются одним устройством. Например, пользовательский интерфейс может содержать дисплей на основе тачскрина, сконфигурированный для детектирования касаний пользователя и для идентификации этих касаний. Однако могут использоваться и другие пользовательские устройства ввода, такие как мышь, сенсорная панель, клавиатура, пульт управления, ручной сканнер, система речевого ввода, система распознавания движения и т.д.
[000143] Считывающая ПП содержит передатчики для передачи данных от индивидуальных датчиков (т.е. детекторов) в линию LVDS, переключатель-регулятор на 3,3 В, переключатель-регулятор на 5 В и драйверы для СД, образующих источники возбуждающего излучения. Главная ПП содержит процессор на базе логической матрицы, программируемой пользователем (ЛМПП), сконфигурированный для приема от LVDS данных по изображениям. Кадровый буфер DDR3 на базе модуля памяти с двухрядным расположением выводов электронным образом связан с ЛМПП процессора. Главная ПП содержит также терморегулятор и управляющий контур для различных приводных двигателей, таких как двигатель по оси Y, двигатель картриджа, двигатель клапана и двигатель насоса.
[000144] Устройство для тестирования по фиг. 1А-1С, 2A-2F и 6А-6С может быть расположено в заданном положении относительно детекторного аппарата по фиг. 9. Детекторный аппарат может подводиться к устройству для тестирования при проведении различных тестов до, во время и/или по завершении сессии секвенирования.
[000145] С использованием описанного устройства для тестирования можно оценивать любые характеристики модуля для работы с изображениями. Далее будут рассмотрены несколько примеров в связи с тестированием секвенатора с помощью устройства для тестирования. Должно быть понятно, что аналогичные тесты могут проводиться и применительно к другим аналитическим системам, использующим различные устройства для тестирования. При этом (как это будет очевидно специалистам в данной области) характеристики каждого теста могут и не быть необходимыми во всех применениях в случае реализации принципов, рассматриваемых далее, применительно к альтернативным аналитическим системам и устройству для тестирования.
[000146] На фиг. 10 иллюстрируется пример различных измерений и тестов, которые могут быть выполнены с использованием устройств для тестирования согласно примерам изобретения, описанным далее. Согласно этим примерам способ по фиг. 10 предусматривает пространственное согласование объектива прибора с оптической мирой на основе твердого тела, заключающего в себе флуоресцирующий материал. Согласно способу по фиг. 10 возбуждающее излучение направляют на оптическую миру, детектируют излучение флуоресценции от оптической миры в качестве референтной информации и используют эту референтную информацию при проведении по меньшей мере оптической юстировки или калибровки прибора. В данном описании обсуждаются различные типы референтной информации. Неограничивающие примеры референтной информации включают (как это описано далее) информацию, регистрируемую на каждой из операций по фиг. 10.
[000147] Хотя операции представлены на фиг. 10 в определенном порядке, должно быть понятно, что они могут осуществляться в альтернативных порядках. Кроме того, должно быть понятно, что одну или более из операций по фиг. 10 можно полностью опустить. На операции 1002 один или более процессоров прибора выдают команду двигателям настроить, посредством операции автонаклона, наклон корпуса проточной ячейки, которая несет оптическую миру и секвенирующие проточные ячейки. При осуществлении этой операции прибор определяет и регистрирует для двигателя окончательные координаты наклона. На операции 1004 один или более процессоров прибора выдают команды двигателям настроить XY положение корпуса проточной ячейки путем выполнения операции автоцентрирования. При осуществлении этой операции прибор регистрирует положение столика настройки по координатам XY, используя референтные элементы на устройстве для тестирования. Положения этих элементов используются для мониторинга дрейфа указанного столика прибора и/или положения корпуса проточной ячейки, когда она установлена в прибор.
[000148] На операции 1006 прибор получает, в покадровом режиме, одно или более изображений линий излучения лазера и осуществляет соответствующую настройку положений этих линий по координатам X, Y. С учетом этой настройки объектив подводят к пустой области на устройстве для тестирования и фокусируют его на заданную глубину внутри оптической миры (например на 100 мкм ниже поверхности этой миры). В покадровом режиме снова получают изображения лазерных линий. Производят настройку положения лазерных линий по координатам XY и получают, в покадровом режиме, новые изображения этих линий. Данный процесс повторяют до достижения желательного положения лазерных линий.
[000149] На операции 1008 с помощью прибора получают, в режиме временной задержки и интегрирования (ВЗИ), изображение пустой области на устройстве для тестирования и регулируют имеющийся в приборе расширитель пучка, чтобы обеспечить однородное освещение. Например, ВЗИ-изображение может быть получено для пустой площадки на устройстве для тестирования, когда объектив сфокусирован на заданную глубину в оптической мире. Расширитель лазерного пучка может плавно регулироваться до достижения приемлемой однородности освещения. На операции 1010 один или более процессоров прибора определяют, отвечают ли однородность освещения и положение лазерной линии заданным порогам или спецификациям. Если однородность освещения и положение лазерной линии не соответствуют порогам/спецификациям, процесс возвращается на операцию 1006, и операции 1006 и 1008 повторяются. Если же однородность освещения и положение лазерной линии соответствуют порогу/спецификациям, процесс переходит к операции 1012. При этом по завершении операций 1006 и 1008 прибор регистрирует конечные положения актуаторов настройки лазера и актуаторов плавного расширения пучка. Прибор также регистрирует окончательную однородность освещения, положения лазерных линий по координатам X и Y, ширину лазерных линий и разворот камеры относительно лазерных линий.
[000150] На операции 1012 один или более процессоров прибора оценивают воспроизводимость модели фокусировки. Для этого, объектив подводят к площадке проверки качества изображения на устройстве для тестирования, и прибор тестирует воспроизводимость положения автофокусировки для различных моделей фокусировки. Более конкретно, на операции 1012 прибор регистрирует положение пятна автофокусировки в месте наилучшей фокусировки по координате Z, интенсивность лазерного излучения при автофокусировке, интервал, в пределах которого возможна автофокусировка, повышение интенсивности при автофокусировке, уровень рассеянного света при автофокусировке и воспроизводимость автофокусировки по координате Z.
[000151] На операции 1014 один или более процессоров прибора измеряют качество изображения и оптической юстировки и запоминают результаты калибровок наклона камеры. Когда прибор обеспечивает автонаклоны секвенирующей проточной ячейки, система настраивает определенные двигатели для наклона на установку поверхностей проточных ячеек, изображения которых формируются, параллельно координате X движения столика. Эта координата движения столика должна быть перпендикулярна оптической оси объектива. Однако возможны небольшие вариации этого направления. В процессе изготовления прибора объективу и камере может быть придан такой взаимный наклон, что поверхность, изображение которой получают, копланарна изображению правильно установленной проточной ячейки. Однако в результате последующих настроек может возникнуть дрейф. В связи с этим устройство для тестирования может использоваться для измерения наклона камеры. С этой целью один или более процессоров собирают комплект наложенных одно на другое изображений набора точечных отверстий в положении фокусировки и анализируют эти изображения, чтобы определить наклон слоя паттерна хрома (микроструктур) относительно наклона камеры. Прибор измеряет наклон слоя паттерна хрома, используя пятна автофокусировки и/или указанные наложенные изображения. Идентифицированное расхождение между наклоном камеры и наклоном слоя паттерна хрома корректируют путем измерения угла наклона слоя паттерна хрома. В качестве примера, данный угол может быть измерен путем получения наложенных изображений в положении фокусировки при различных значениях координаты X и сравнения положений наилучшей фокусировки по координате Z для каждого значения координаты X. Дополнительно или альтернативно, угол наклона слоя паттерна хрома может быть измерен путем детектирования координаты Z этого слоя для различных положений по координате X, используя систему автофокусировки прибора. Калибровка наклона камеры может производиться в начале каждого цикла секвенирования с осуществлением, по ее результатам, соответствующей компенсации посредством двигателей для наклона.
[000152] При измерении качества изображения и оптической юстировки прибор позиционирует объектив над площадкой для проверки качества изображения, имеющейся на устройстве для тестирования. Эта площадка сформирована с набором точечных отверстий, проходящих через паттерн хрома или другую микроструктуру (например в виде спирального паттерна точечных отверстий диаметром 1 мкм и шагом 3 мкм). Система формирования изображения в приборе собирает последовательность изображений с изменением положения объектива по координате Z между получением одного или более изображений. При таком перемещении объектива между получением изображений точечные отверстия попадают в фокус и выходят из него. Последовательность изображений, полученных при различных положениях объектива, анализируют, чтобы идентифицировать изображение, имеющее желательное качество фокусировки (например наилучшую фокусировку). В частности, система может определять, насколько точно совпадают точечные отверстия в последовательности наложенных одно на другое изображений, что является характеристикой качества изображения (например в виде значения полной ширины на уровне половины высоты максимума, ПШПВ). В качестве еще одного примера, определяя координату Z, при которой точечные отверстия находятся в положении наилучшего фокуса для различных точек в пределах поля зрения, система сможет оценить продольный хроматизм (хроматический сдвиг в осевом направлении между различными цветами испускаемого излучения, например красным и зеленым), кривизну поля зрения, наклон камеры и полезную глубину поля зрения. На операции 1014 прибор регистрирует качество изображения (ПШПВ), продольный хроматизм, кривизну поля зрения и полезную глубину поля зрения. Прибор регистрирует координату Z наилучшей фокусировки, наклон камеры относительно столика, подвижного по координате X, и ход двигателей для компенсации наклона камеры.
[000153] На операции 1016 один или более процессоров прибора производят калибровку коррекции дисторсии путем измерения дисторсии и запоминания коэффициентов коррекции дисторсии. В случае получения изображения паттерна проточной ячейки, в которой каждый кластер имеет известное положение, может оказаться полезным компенсировать оптическую дисторсию в системе формирования изображения, чтобы прибору было известно, где именно в изображении должны появляться кластеры. Устройство для тестирования может использоваться для калибровки коррекции дисторсии в начале цикла секвенирования. Для этого объектив позиционируют над площадкой для коррекции дисторсии. В данной площадке имеются точечные отверстия, распределенные по всему полю зрения с заданным допуском (например равным 10 нм) и, следовательно, образующие массив точечных отверстий с заданным постоянным расстоянием между ними. Изображение анализируют, чтобы определить смещения взаимных положений смежных точечных отверстий в пределах поля зрения. Затем анализируют это смещение, например путем подгонки к нему полиномиальной зависимости, которая должна указывать места, в которых должны будут появляться кластеры на последующих изображениях, получаемых в процессе секвенирования. На операции 1016 прибор регистрирует также коэффициенты полиномиальной функции для коррекции дисторсии, оптическое увеличение, поворот корпуса проточной ячейки и поворот столика, подвижного по координате Y.
[000154] На операции 1018 один или более процессоров прибора осуществляют измерение автофокусировки лазерного пятна для определенного положения одного или более лазеров по координате Y. С этой целью, объектив устанавливают в положение наилучшей фокусировки над узкой горизонтальной кромкой, соответствующей резким переходам между пустыми областями и областями с паттерном хрома. Полученное при автофокусировке лазерное пятно является ярким над областями с паттерном хрома и очень тусклым над пустыми областями. С использованием красной и/или зеленой камер проводится ВЗИ-сканирование, и полученные изображения используются, чтобы идентифицировать место, где поле зрения камер для каждой интересующей полосы излучения захватывает резкую горизонтальную границу. После этого объектив позиционируют над областью с паттерном хрома, затем медленно и дискретно перемещают по координате Y до полного исчезновения лазерного пятна. Это происходит, когда лазерное пятно больше не направляется на часть паттерна хрома, а полностью ориентировано на пустую область, проксимальную по отношению к узкой горизонтальной кромке. После этого система может идентифицировать положение пятна при автофокусировке по координате Y относительно полей зрения красной и зеленой камер. Таким образом, на операции 1018 прибор регистрирует положение по координате Y лазерного пятна при автофокусировке относительно полей зрения для интересующей полосы излучения (например относительно полей зрения красной и зеленой камер).
[000155] На операции 1020 один или более процессоров прибора производит измерение лазерного пятна при автофокусировке при позиционировании одного или более лазеров по координате X. Для этого объектив позиционируют над узкой вертикальной кромкой, соответствующей резким переходам между пустыми областями и областями с паттерном хрома. Полученное при автофокусировке лазерное пятно является ярким над областями с паттерном хрома и очень тусклым над пустыми областями. С использованием красной и/или зеленой камер проводится ВЗИ-сканирование, и полученные изображения используются, чтобы идентифицировать место, где поле зрения камер для каждой интересующей полосы излучения захватывает резкую вертикальную границу. После этого объектив позиционируют над областью с паттерном хрома, затем медленно и дискретно перемещают по координате X до полного исчезновения лазерного пятна. Это происходит, когда лазерное пятно больше не направляется на часть паттерна хрома, а полностью ориентировано на пустую область, проксимальную по отношению к узкой вертикальной кромке. После этого система может идентифицировать положение пятна при автофокусировке по координате X относительно полей зрения красной и зеленой камер. Таким образом, на операции 1020 прибор регистрирует положение по координате X лазерного пятна при автофокусировке относительно полей зрения для интересующей полосы излучения (например относительно полей зрения красной и зеленой камер).
[000156] На операции 1022 один или более процессоров прибора может произвести калибровку коррекции плоскостности поля. Для осуществления такой калибровки прибор подводит объектив к пустой площадке и фокусирует его на заданном расстоянии ниже поверхности оптической миры. Калибровка коррекции плоскостности поля включает получение изображений при скорректированной плоскостности поля. Один или более процессоров вычисляют эффективность пропускающей способности системы формирования изображения и запоминают соответствующие коэффициенты коррекции плоскостности поля. Операции определения оснований при секвенировании основаны на интенсивности кластеров в изображениях. Интенсивность неоднородностей в пределах поля зрения может влиять на определение оснований. Чтобы минимизировать погрешности, прибор должен однородно освещать кластеры в проточной ячейке; однако, идеально однородное освещение не всегда является практичным. Усиление и напряжение смещения пикселей в камере калибруются в процессе ее изготовления; однако, существует вероятность того, что калибровка пикселей камеры может нарушаться со временем и/или при изменении температуры. Чтобы провести калибровку коррекции плоскостности поля, объектив позиционируют над пустой областью устройства для тестирования и фокусируют на заданной глубине (например равной 100 мкм) в оптической мире. Проводят измерение, чтобы получить однородную базовую линию для интенсивности изображения. Затем, в начале одного или более циклов секвенирования, прибор сможет компенсировать неоднородность освещения и усиления пикселей камеры и изменений смещения путем калибровки коррекции плоскостности поля.
[000157] Калибровка коррекции плоскостности поля включает получение изображения пустой области устройства для тестирования при фокусировке на заданную глубину в оптической мире при закрытом лазерном затворе (чтобы получить темное изображение) и при облучении лазерами при различной мощности излучения, чтобы получить изображения при интенсивностях, соответствующих различным количествам отсчетов (например 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 и 3500 отсчетам). В качестве примера, изображение может иметь длину около 1,4 мм, так что влияние пыли, отпечатков пальцев и т.д. можно будет учесть путем усреднения по всем пикселям в направлении сканирования (по координате Y). Для каждого из 3200 пикселей (что соответствует размеру камеры в несканируемом направлении) прибор использует темновой отсчет и различные отсчеты интенсивности и производит подгонку к данным полиномиальной функции, чтобы характеризовать отклик этого пикселя (взаимосвязь между количеством света, которым он был облучен, с реакцией данного пикселя камеры). При получении изображений кластеров при секвенировании прибор использует измеренный полиномиальный отклик каждого пикселя и настраивает интенсивность для этого пикселя в изображении кластера, чтобы сделать изображение эквивалентным тому, которое могло бы быть получено при идеально однородном освещении и идеально однородных усилении и напряжениях смещения всех пикселей. Таким образом, на операции 1022 прибор регистрирует эффективность оптического пропускания и полиномиальные коэффициенты коррекции плоскостности поля для всех или по меньшей мере для части пикселей по одной или обеим координатам X, Y.
[000158] На операции 1024 один или более процессоров прибора проверяют просачивание излучения через фильтр и фоновое излучение. С этой целью прибор подводит объектив к площадке со сплошным паттерном хрома на устройстве для тестирования и производит тестирование фильтра. Например, площадка для указанного тестирования фильтра на пропускание может быть сформирована в виде области сплошного паттерна хрома, который выглядит, как зеркало. Система формирования изображения в составе прибора сконструирована с возможностью полностью предотвращать попадание лазерного света на камеру. Поэтому, когда объектив позиционирован над указанной площадкой для тестирования фильтра, следует ожидать, что система не детектирует никакого света, падающего на камеру. В случае детектирования света его присутствие может быть вызвано различными факторами. Например, оптические фильтры могут не отфильтровывать полностью лазерное излучение. Дополнительно или альтернативно, загрязнения на траектории пучка могут быть переведены лазерным излучением в возбужденное состояние и флуоресцировать в интересующей полосе излучения (например в красной или зеленой). Если оптический фильтр не функционирует должным образом или на траектории пучка присутствуют загрязнения, оба этих фактора могут приводить к детектированию камерой высокого фонового уровня. Соответственно, могут быть приняты различные корректирующие меры. Таким образом, на операции 1024 прибор регистрирует информацию о нежелательном пропускании фильтра, информацию о фоновом излучении и т.д.
[000159] На операции 1026 один или более процессоров измеряют воспроизводимость положения столика по координатам X, Y. С этой целью прибор подводит объектив к референтной метке автоцентрирования и проводит тест на воспроизводимость положения столика по координатам X, Y. Прибор неоднократно подводит столик по каждой координате к метке автоцентрирования и после каждого такого перемещения получает изображение данной метки. В идеале референтная метка автоцентрирования должна находиться на изображении точно в том же положении после каждого перемещения. Смещение метки на изображении указывает на неидеальное позиционирование столика. В результате прибор регистрирует воспроизводимость позиционирования по координатам X и Y. Прибор регистрирует также гистерезис, проявляющийся по этим координатам. На операции 1028 один или более процессоров регистрируют все результаты, собранные в описанном тесте, на удаленном диагностическом пункте. После этого прибор осуществляет процесс секвенирования.
[000160] Для выполнения описанных операций прибор может быть направлен на проведение дистанционной диагностики. Путем периодического сбора и анализа изображений устройства для тестирования (например в начале каждого цикла секвенирования) прибор может проводить мониторинг функционирования системы формирования изображения во времени. Результаты могут храниться на локальном твердом диске и/или загружаться на удаленный сервер или на облачный сервер. Мониторинг диагностической информации может производиться с целью отслеживания состояния системы формирования изображения прибора и идентификации трендов в функционировании прибора. При обнаружении, для любого аспекта системы формирования изображения, тренда к выходу из работоспособного состояния, могут быть запланированы мероприятия по ремонту прибора до его реального выхода из строя. Тем самым будет увеличен срок его службы у пользователя. Кроме того, при возникновении вопросов о возможности наличия у прибора проблем с системой формирования изображения могут быть собраны данные по его настройке, чтобы определить, не произошли ли изменения в любом аспекте системы формирования изображения. Тем самым будет быстро исключена опасность того, что система формирования изображения станет потенциальной базовой причиной различных осложнений или выявлена конкретная проблема с данной системой. Если прибор не загружает информацию в облако, инженер по обслуживанию будет в состоянии отследить тренды в данных путем изучения полученных ранее результатов, хранящихся на локальном твердом диске.
[000161] Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации допанта. Путем управления концентрацией допанта (например задавая ее составляющей 1,1±0,01%) можно добиться желательной стабильности флуоресценции устройства для тестирования (например в пределах ±0,6% в красной области и ±0,1% в зеленой области). Измеренная интенсивность устройства для тестирования при определенной скорости сканирования и лазерной мощности на один прибор соответствует данным измерений, характеризующим интенсивности, ожидаемые, по существу, от всех аналогичных приборов. Измеренная интенсивность флуоресценции устройства для тестирования может использоваться, чтобы оценить, правильно ли функционирует прибор (например, обеспечивает ли он подачу нужной лазерной мощности к проточной ячейке, доставку в камеру желательного количества собранного флуоресцентного излучения и т.д.). При условии, что излучательные характеристики устройства для тестирования не будут изменяться со временем, любое изменение измеренной интенсивности флуоресценции в течение срока службы прибора будет указывать, что либо к проточной ячейке не подводится требуемая лазерная энергия, либо не все излучение флуоресценции доставляется в камеру.
[000162] Следует учитывать, что описанные операции - это неограничивающие примеры различных операций, которые могут выполняться с использованием устройства для тестирования. Эти операции могут выполняться полностью независимо одна от другой и в различные моменты времени. Неограничивающие примеры дистанционных операций диагностики и измерений, которые могут автоматически осуществляться с использованием предлагаемого устройства, включают проверки: эффективности оптического пропускания, качества изображения (ПШПВ), наклона камеры, продольного хроматизма, кривизны поля, полезной глубины поля, дисторсии, увеличения, положения лазерной линии по координатам X, Y, значений ширины линии, однородности освещения, разворота камеры относительно лазерных линий, коэффициентов коррекции плоскостности поля, воспроизводимости точки автофокусировки по координате Z, положения точки автофокусировки при наилучшей фокусировке, положения точки автофокусировки относительно красного и зеленого поля зрения, лазерной интенсивности при автофокусировке, интервала захвата при автофокусировке, усиления при автофокусировке, рассеянного света при автофокусировке, координаты Z наилучшей фокусировки, координат автонаклона двигателя после автонаклона, гистерезиса по координатам X и Y, воспроизводимости положения по X и Y, разворота корпуса проточной ячейки, направления движения столика по координате Y, положения референтной метки по X, Y, положений актуаторов наведения лазеров и положений актуаторов регулируемых расширителей лазерного пучка.
[000163] Согласно примерам изобретения способ тестирования может включать рутинные операции по подбору токов источника возбуждения для обеспечения желательной интенсивности изображения. Эти операции могут включать последовательные шаги, в том числе: установку устройства для тестирования в модуль получения изображения так, чтобы детектировалась открытая (т.е. не содержащая микроструктур) область канала, задание экспозиции камеры равной 1 мс и уменьшение токов СД до 30% от номинального значения, захватывание темного изображения при экспозиции 1 мс при отключенных СД, захват изображения в красном и зеленом оптических каналах с экспозицией 1 мс, расчет средней интенсивности изображений и подбор токов СД для получения желательной интенсивности, соответствующей 2500 отсчетов при экспозиции 1 мс. Токи СД удерживаются на этих значениях для остальных тестов. Все последующие тесты могут использовать различные значения экспозиции в зависимости от геометрии паттерна микроструктуры. Например, референтные площадки и площадки для контроля однородности (не содержащие микроструктуры) могут детектироваться с экспозицией 1 мс, площадки для контроля автофокусировки могут детектироваться с экспозицией 4 мс, площадки для проверки качества изображений могут детектироваться с экспозицией 150 мс, а площадки для контроля фильтра (полностью покрытые металлом на внутренней поверхности верхнего стекла) могут детектироваться с экспозицией 500 мс.
[000164] Согласно примерам изобретения способ тестирования может включать рутинные операции по калибровке источника возбуждения. Эти операции могут осуществляться следующим образом. XY-столик прибора подводят к площадке для автофокусировки, формируют стопу изображений в красной области и вычисляют координату Z для наилучшей фокусировки (например при шаге по координате 6 мкм, экспозиции 4 мс и диапазоне сканирования 108 мкм). Затем XY-столик перемещают к соседней площадке, чтобы получить лазерные изображения. Это делается с целью уменьшить риск дефекта изготовления в устройстве для тестирования, состоящего в том, что не весь паттерн хрома удален изнутри квадратного отверстия со стороной 500 мкм в площадке для автофокусировки. Такой дефект привел бы к чрезмерной яркости лазерного пятна на площадке для автофокусировки. Затем процесс предусматривает сбор лазерных изображений, полученных через фокус (с использованием стандартных параметров для генерирования модели фокусировки), и проверку интенсивности лазерного пятна. Размер шага в процессе этих измерений составляет 2 мкм при интервале по координате Z, составляющей ±18 мкм. После этого экспозицию для лазера настраивают до получения интенсивности при автофокусировке на уровне 2000±200 отсчетов для "самого яркого пятна" (в пределах ±18 мкм от положения наилучшей фокусировки для красного излучения). Затем, если через пользовательский интерфейс выбран режим "сохранять калибровки", запоминают длительность лазерной экспозиции, подлежащей использованию при секвенировании.
[000165] Согласно примерам изобретения предлагаемый способ может включать тестирование калибровки детектора. В качестве примера, данный тест может осуществляться следующим образом. Изображения устройства для тестирования получают при 4 различных интенсивностях СД: (1) темнота (СД отключены), (2) интенсивность ниже средней, (3) интенсивность выше средней и (4) высокая интенсивность (около 3000 отсчетов). При этом XY-столик перемещают после получения каждого изображения. Используются все площадки в выбранных зонах, чтобы исключить, путем усреднения, любую неоднородность флуоресценции (обусловленную загрязнениями или отпечатками пальцев на верхней поверхности). Коррекции камеры необязательно должны применяться в любых последующих тестах.
[000166] Заключительные замечания
[000167] Должно быть понятно, что различные аспекты данного описания могут быть реализованы как способ, система, машиночитаемая среда и/или компьютерный программный продукт. Другими словами, эти аспекты могут быть реализованы, как примеры программных продуктов (включая встроенные программы, резидентные программы, микрокод и т.д.) или примеры, комбинирующие программные и аппаратурные аспекты, которые могут в целом именоваться, как "контур", "модуль" или "система". Кроме того, способы согласно изобретению могут быть реализованы, как компьютерный программный продукт, записанный в машиночитаемой среде в форме компьютерного программного кода.
[000168] Для реализации программных аспектов изобретения может применяться любая среда, пригодная для использования в компьютере. В качестве используемой в компьютере или машиночитаемой среды можно применить (не ограничиваясь приводимыми далее примерами), например, электронную (электронное), магнитную (магнитное), оптическую (оптическое), электромагнитную (электромагнитное), инфракрасную (инфракрасное) или полупроводниковую (полупроводниковое) систему, среду распространения или устройство. Неисчерпывающий перечень машиночитаемых сред может включать некоторые или любые из следующих примеров: электрическое соединение, содержащее один или более проводов, компьютерную дискету, твердый диск, оперативную память (RAM), постоянную память (ROM), стираемую программируемую постоянную память, оптоволокно, компьютерный компакт-диск, оптическое запоминающее устройство, передающую среду, способную взаимодействовать с Интернетом или с интранетом, или магнитное запоминающее устройство. Следует отметить, что среда, используемая или читаемая компьютером (машиночитаемая среда), может даже представлять собой бумагу или иную подходящую среду, на которой распечатана программа, поскольку такая программа может быть переведена в электронную форму, например, путем оптического сканирования бумаги или иной среды, затем скомпилирована, интерпретирована или обработана иным подходящим способом (если это необходимо), после чего записана в память компьютера. Таким образом, в контексте данного документа среда, используемая или читаемая компьютером, может являться любой средой, которая может содержать, хранить, коммуницировать, распространять или транспортировать программу для использования с системой, аппаратом или устройством для выполнения инструкций.
[000169] Программный код для выполнения операций описанных способов и для работы описанных устройств может быть написан на объектно-ориентированном языке программирования, таком как Java, Smalltalk, С++ и т.д. Однако такой программный код может быть также написан на обычном процедурном языке программирования, таком как язык "С" или схожие языки программирования. Программный код может выполняться процессором, специализированной микросхемой или другим компонентом, способным выполнять программный код. Программный код может просто именоваться программным приложением, которое хранится в памяти (т.е. в упомянутой машиночитаемой среде). Программный код может обеспечить формирование процессором (или любым устройством, которое управляется процессором) графического пользовательского интерфейса, который может визуально отображаться на дисплейном устройстве. Кроме того, такой интерфейс может также иметь звуковые возможности. При этом программный код может использоваться в любом устройстве, управляемом процессором, таком как компьютер, сервер, персональный цифровой помощник, телефон, телевизор или любое управляемое процессором устройство, использующее процессор и/или цифровой процессор сигналов.
[000170] Программный код может выполняться локально и/или дистанционно. Например, он может полностью или частично храниться в локальной памяти управляемого процессором устройства. Однако он может также, по меньшей мере частично, храниться дистанционно, с возможностью загрузки в управляемое процессором устройство. При этом компьютер пользователя может выполнять программный код полностью или только частично. Данный код может являться отдельным программным пакетом, который по меньшей мере частично выполняется на компьютере пользователя и/или частично выполняется на удаленном компьютере или полностью на удаленном компьютере или сервере. В последнем из этих сценариев удаленный компьютер может быть связан с компьютером пользователя через коммуникационную сеть.
[000171] Рассмотренные способы и устройства могут применяться независимо от сетевых условий. Коммуникационная сеть может быть кабельной сетью, функционирующей в радиочастотном диапазоне, и/или сетью, работающей согласно протоколу Интернета. Вместе с тем, данная сеть может также представлять собой распределенную вычислительную сеть, такую как Интернет (иногда альтернативно именуемую, как "Всемирная паутина"), интранет, локальную вычислительную сеть (LAN) и/или глобальную сеть (WAN). Коммуникационная сеть может использовать коаксиальные кабели, медные провода, оптоволоконные линии и/или гибридные волоконно-коаксиальные линии. У коммуникационной сети могут даже иметься беспроводные части, использующие любую часть электромагнитного спектра и любой стандарт передачи сигналов (включая семейство стандартов IEEE 802, стандарты GSM/CDMA/TDMA или любой стандарт сотовой связи и/или стандарты ISM-диапазона). Коммуникационная сеть может даже включать части в виде электрических силовых линий, в которых сигналы передаются по электрическим проводам. Предлагаемые способы и устройства совместимы с любой беспроводной/проводной коммуникационной сетью независимо от ее компонентной базы, физической конфигурации или применяемых стандартов.
[000172] Определенные аспекты изобретения описаны применительно к различным способам и операциям. Должно быть понятно, что каждая операция способа может задаваться программным кодом и/или машинными командами. Программный код и/или машинные команды могут формировать средства для выполнения функций/действий, соответствующих предложенным способам.
[000173] Программный код может быть записан в машиночитаемую память, с использованием которой процессор, компьютер или другой программируемый аппарат для обработки данных может функционировать определенным образом, так что выполнение программного кода, записанного в машиночитаемую память, обеспечивает изготовление или преобразование изделия или командных средств, обеспечивающих выполнение различных операций соответствующих способов.
[000174] Программный код может быть загружен в компьютер или в иной программируемый аппарат для обработки данных, чтобы обеспечить выполнение последовательности операций, соответствующих процессу, реализованному в процессоре/компьютере таким образом, что программный код задает шаги (операции) для осуществления различных функций/действий согласно способам, рассмотренным в данном описании.
[000175] Используемые в данном документе (включая формулу изобретения) термины "по существу" и "примерно" характеризуют небольшие флуктуации, например обусловленные вариациями в ходе процесса. В частности, эти термины могут соответствовать отклонениям, меньшим или равным ±5%, меньшим или равным ±2%, меньшим или равным ±1%, меньшим или равным ±0,5%, меньшим или равным ±0,2%, меньшим или равным ±0,1%, меньшим или равным ±0,05%.
[000176] Использованные в описании и формуле термины "содержит", "включает" и т.п., а также производные от этих терминов должны восприниматься как неограничивающие, т.е. предусматривающие наличие не только названных, но и, возможно, любых других дополнительных элементов. Приводимые в описании выражения "один пример", "другой пример", " пример" и т.д. означают, что конкретный элемент (например признак, структура и/или характеристика), описанный в контексте примера и являющийся частью по меньшей мере этого примера, может присутствовать или не присутствовать в других примерах. Должно быть понятно, что элементы, описанные в рамках любого примера, можно комбинировать любым подходящим образом в различных примерах, если из контекста прямо не следует обратное.
[000177] Следует учитывать также, что все комбинации концептов, описанных выше или далее (при условии, что такие концепты не являются несовместимыми) рассматриваются как части изобретательского замысла, охарактеризованного в прилагаемой формуле. Более конкретно все комбинации заявленных признаков, включенных в формулу изобретения, рассматриваются как части изобретательского замысла. Следует также учитывать, что терминология, которая непосредственно использована в данном документе или которая может встретиться в любом документе, включенном в описание посредством ссылки, должна интерпретироваться в смысле, в наибольшей степени соответствующем прилагаемой формуле изобретения.
[000178] Должно быть понятно, что приводимые интервалы включают прямо указанный интервал и любое значение или любой подинтервал в пределах указанного интервала. Например, интервал, сформулированный, как "от четырех до десяти", должен интерпретироваться как включающий не только явно указанные пределы от 4 до 10, но также и индивидуальные значения, такие как "около 6", 7,5, 9 и т.д., а также подинтервалы, например "от примерно 5 до примерно 8".
[000179] Хотя выше было подробно описано только несколько примеров, должно быть понятно, что эти примеры могут быть модифицированы. Поэтому приведенное описание должно рассматриваться какие ограничивающее изобретение.