成像系统论文和设计-周春鸿

全文摘要

成像系统可以包括：样品台，其具有支撑待由成像系统扫描的样品的表面；具有物镜的光学台，该光学台可以相对于样品台被定位；致动器，其物理地耦合到样品台和光学台中的至少一个以相对于光学台移动样品台；伺服电路，其控制致动器；控制伺服电路的第一组控制参数；控制伺服电路的第二组控制参数；以及伺服控制电路，其当成像系统在第一操作模式中操作时将第一组控制参数应用于伺服电路，并且当成像系统在第二操作模式中操作时将第二组控制参数应用于伺服电路。

主设计要求

1.一种成像系统，其特征在于包括：样品台，其包括支撑待由所述成像系统扫描的样品的表面；具有物镜的光学台，所述光学台能够相对于所述样品台被定位；致动器，其物理地耦合到所述样品台和所述光学台中的至少一个以相对于所述光学台移动所述样品台；伺服电路，其控制所述致动器；第一组控制参数，其控制所述伺服电路；第二组控制参数，其控制所述伺服电路；以及伺服控制电路，其当所述成像系统在第一操作模式中操作时将所述第一组控制参数应用于所述伺服电路，并且当所述成像系统在第二操作模式中操作时将所述第二组控制参数应用于所述伺服电路。

设计方案

1.一种成像系统，其特征在于包括：

样品台，其包括支撑待由所述成像系统扫描的样品的表面；

具有物镜的光学台，所述光学台能够相对于所述样品台被定位；

致动器，其物理地耦合到所述样品台和所述光学台中的至少一个以相对于所述光学台移动所述样品台；

伺服电路，其控制所述致动器；

第一组控制参数，其控制所述伺服电路；

第二组控制参数，其控制所述伺服电路；以及

伺服控制电路，其当所述成像系统在第一操作模式中操作时将所述第一组控制参数应用于所述伺服电路，并且当所述成像系统在第二操作模式中操作时将所述第二组控制参数应用于所述伺服电路。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述伺服控制电路包括检测所述成像系统的操作模式的模式检测电路以及应用与检测到的操作模式相对应的一组控制参数的参数选择电路。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述成像系统是测序器，且所述第一操作模式是聚焦模型生成模式，以及所述第二操作模式是测序模式。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述伺服控制电路进一步检测所述成像系统的操作模式，并选择一组控制参数以应用于检测到的操作模式。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其中所述伺服控制电路应用被识别为对于所述检测到的操作模式的一组控制参数的所述第一组控制参数或所述第二组控制参数。

6.根据权利要求4所述的成像系统，其中所述第一组控制参数和所述第二组控制参数中的至少一组被优化以考虑所述成像系统的结构特征。

7.根据权利要求6所述的成像系统，其中优化所述第一组控制参数和所述第二组控制参数中的至少一组包括操作所述成像系统、用所述第一组控制参数和所述第二组控制参数中的一组控制参数中的一控制参数的一定范围的值进行扫描、测量在所述扫描期间所述伺服电路的稳定性以及选择所述控制参数的值。

8.根据权利要求6所述的成像系统，其中优化所述第一组控制参数和所述第二组控制参数中的至少一组包括操作所述成像系统、用所述第一组控制参数和所述第二组控制参数中的一组控制参数中的多个控制参数的一定范围的值进行扫描、测量在所述扫描期间所述伺服电路的稳定性以及确定所述多个控制参数的最佳设置。

9.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述成像系统还包括电耦合到所述光学台的聚焦跟踪电路；并且其中所述伺服控制电路还在所述成像系统在扫描操作模式中操作时启用从所述聚焦跟踪电路到所述伺服电路的反馈，并且在所述成像系统在聚焦模型生成操作模式中操作时禁用从所述聚焦跟踪电路到所述伺服电路的反馈。

10.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述第一组控制参数或所述第二组控制参数包括伺服回路增益和滤光值。

11.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述致动器物理地耦合到所述样品台来移动所述样品台，以调节在所述样品台和所述光学台之间的距离。

12.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述成像系统还包括物理地耦合到所述样品台以调节所述样品台的倾斜的多个致动器。

13.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述致动器物理地耦合到所述光学台来移动所述光学台，以调节在所述样品台和所述光学台之间的距离。

14.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述致动器包括压电设备、音圈和驱动电机中的至少一个。

15.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述样品被包含在流动池中或载玻片上。

16.一种成像系统，其特征在于包括：

样品台，其包括支撑待由所述成像系统扫描的样品的表面；

具有物镜的光学台，所述光学台能够相对于所述样品台被定位；

聚焦跟踪电路，其耦合到所述光学台；

致动器，其物理地耦合到所述样品台和所述光学台中的至少一个，以基于来自所述聚焦跟踪电路的信息相对于所述光学台移动所述样品台；

伺服电路，其控制所述致动器；以及

伺服控制电路，其当所述成像系统在扫描操作模式中操作时启用从所述聚焦跟踪电路到所述伺服电路的反馈，并且当所述成像系统在聚焦模型生成操作模式中操作时禁用从所述聚焦跟踪电路到所述伺服电路的反馈。

设计说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月12日提交的且标题为“Real Time Controller Switching”的美国临时专利申请号62\/617,062和2018年3月20日提交的且标题为“Real TimeController Switching”的荷兰专利申请号N2020618 的优先权。上面提到的每个申请的全部内容通过引用被并入本文。

技术领域

本申请涉及，但不限于成像系统。

背景技术

在生物领域中的许多进步受益于改进的成像系统和技术，诸如例如在光学显微镜和图像扫描系统中使用的成像系统和技术。在使用这些成像系统的成像期间实现准确的聚焦对于成功的成像操作会很重要。执行高速扫描以在高吞吐量下实现高成像质量的能力也很重要。

用于聚焦模型生成和图像扫描的聚焦操作常常依赖于样品台相对于光学台的移动，使得样品位于在光学台中的物镜或其他光学器件的焦平面中。通常，致动器例如电机、线圈或其它驱动系统用于移动光学台或样品台或两者，以实现适当的聚焦。伺服系统可以被实现以允许对致动器的精确控制。

图1示出了可用于致动器控制的伺服系统的例子。在该例子中，驱动信号3被提供给伺服系统，指示致动器的期望位置。从驱动信号3中减去来自受控过程20的反馈5，以产生指示实际位置偏离期望位置的误差的误差信号9。服务器控制器10基于检测到的误差量来调整被提供以控制致动器的信号7。在此例子中，伺服系统是包括比例控制12、积分控制13和微分控制14的比例积分微分(PID)控制器系统。

实用新型内容

本文公开的系统和方法可以被实现为优化伺服控制系统，该伺服控制系统被实现为控制用于在成像系统中的聚焦操作的致动器。可以实现优化技术，以便可以在成像系统的操作期间确定成像系统的当前操作模式。例如，操作模式可以包括聚焦模型生成模式和成像或测序模式。在一些应用中，伺服控制系统的不同组的操作参数可用于针对不同的操作模式优化伺服控制系统。因此，示例实现方式可被配置为确定将针对所确定的操作模式优化伺服控制系统的一组操作参数，并将该组操作参数应用于伺服系统。在各种应用中，这可以在成像系统正操作和在模式之间切换时实时地完成。在操作模式改变的情况下，可以选择并应用新的一组操作参数以针对新的操作模式优化伺服控制系统。此外，这些变化可以在成像系统操作时实时地进行。

本文描述的技术的一些应用可以包括成像系统，该成像系统包括：样品台，其包括支撑待由成像系统扫描的样品的表面；具有物镜的光学台，该光学台可以相对于样品台被定位；致动器，其物理地耦合到样品台和光学台中的至少一个以相对于光学台移动样品台；伺服电路，其控制致动器；控制伺服电路的第一组控制参数；控制伺服电路的第二组控制参数；以及伺服控制电路，其当成像系统可以在第一操作模式中操作时将第一组控制参数应用于伺服电路，并且当成像系统可以在第二操作模式中操作时将第二组控制参数应用于伺服电路。在一些应用中，成像系统可以是测序器，且第一操作模式可以是聚焦模型生成模式，以及第二操作模式可以是测序模式。控制参数可以包括伺服回路增益和滤光值(filtervalue)。

伺服控制电路还可以包括检测成像系统的操作模式的模式检测电路以及应用与检测到的操作模式相对应的一组控制参数的参数选择电路。

伺服控制电路还可以被实现为检测成像系统的操作模式，并选择一组控制参数以应用于检测到的操作模式。伺服控制电路可以应用被识别为检测到的操作模式的该组控制参数的第一或第二组控制参数。

第一和第二组控制参数中的至少一组可以被优化以考虑成像系统的结构特征。优化第一和第二组控制参数中的至少一组可以包括操作成像系统、用第一和第二组控制参数中的一组控制参数中的一控制参数的一定范围的值扫描、测量在扫描期间伺服电路的稳定性以及选择控制参数的值。优化第一和第二组控制参数中的至少一组可以包括操作成像系统、用第一和第二组控制参数中的一组控制参数中的多个控制参数的一定范围的值扫描、测量在扫描期间伺服电路的稳定性以及确定多个控制参数的最佳设置。

成像系统还可以包括电耦合到光学台的聚焦跟踪电路；并且伺服控制电路可以被配置成当成像系统在扫描操作模式中操作时启用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈，并且当成像系统在聚焦模型生成操作模式中操作时禁用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈。

致动器可以物理地耦合到样品台来移动样品台，以调节在样品台和光学台之间的距离。可替代地，致动器可以物理地耦合到光学台来移动光学台，以调节在样品台和光学台之间的距离。在另一例子中，致动器可以耦合到样品台和光学台，以调节在样品台和光学台之间的距离。

作为另一例子，对成像系统的伺服控制的方法可以包括：在成像系统的操作期间，模式检测电路确定成像系统可能在第一操作模式中操作；伺服控制电路确定为第一操作模式选择的第一组控制参数；伺服控制电路将所确定的第一组控制参数应用于成像系统的伺服电路，其中伺服电路控制致动器的操作，该致动器物理地耦合到成像系统的样品台和光学台中的至少一个以相对于光学台移动样品台；以及在模式检测电路在成像系统的操作期间确定成像系统已经切换到在第二操作模式中操作时，伺服控制电路确定为第二操作模式选择的第二组控制参数，并将所确定的第二组控制参数应用于伺服电路。该方法还可以包括伺服控制电路检测成像系统的操作模式，并选择一组控制参数以应用于检测到的操作模式。

示例方法还可以包括伺服控制电路检测成像系统的操作模式，并选择一组控制参数以应用于检测到的操作模式。伺服控制电路可以应用被识别为检测到的操作模式的该组控制参数的第一或第二组控制参数。

一些方法还可以包括优化第一和第二组控制参数中的至少一组，以考虑成像系统的结构特征。优化第一和第二组控制参数中的至少一组可以包括操作成像系统，用第一和第二组控制参数中的一组控制参数中的一控制参数的一定范围的值扫描，测量在扫描期间伺服电路的稳定性，以及选择控制参数的值。优化第一组和第二组控制参数中的至少一组可以包括操作成像系统、用第一和第二组控制参数中的一组控制参数中的多个控制参数的一定范围的值扫描、测量在扫描期间伺服电路的稳定性以及确定多个控制参数的最佳设置。

在一些应用中，成像系统可以是测序器，且第一操作模式可以是聚焦模型生成模式，以及第二操作模式可以是测序模式。伺服控制电路还可以当成像系统在扫描操作模式中操作时启用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈，并且当成像系统在聚焦模型生成操作模式中操作时禁用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈。

在又一例子中，成像系统可以包括：样品台，其包括支撑待由成像系统扫描的样品的表面；具有物镜的光学台，该光学台可以相对于样品台被定位；聚焦跟踪电路，其耦合到光学台；致动器，其物理地耦合到样品台和光学台中的至少一个，以基于来自聚焦跟踪电路的信息相对于光学台移动样品台；伺服电路，其控制致动器；以及伺服控制电路，其当成像系统在扫描操作模式中操作时启用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈，并且当成像系统在聚焦模型生成操作模式中操作时禁用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈。

在成像系统中，伺服控制的方法可以包括：在成像系统的操作期间，模式检测电路确定成像系统是在扫描操作模式还是在聚焦模型生成操作模式中操作；伺服电路控制在成像系统中光学台相对于样品台的移动；以及伺服控制电路当成像系统在扫描操作模式中操作时启用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈，并且当成像系统在聚焦模型生成操作模式中操作时禁用从聚焦跟踪电路到伺服电路的反馈。

结合附图，通过下面的详细描述，所公开的技术的其他特征和方面将变得明显，附图以例子的方式示出了根据所公开的技术的实现方式的特征。该概述不旨在限制由权利要求和等同物限定的本文所述的任何实用新型的范围。

应该认识到，前述概念的所有组合(假设这些概念不相互矛盾)被认为是本文公开的实用新型主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的实用新型主题的一部分。

附图说明

参照以下附图详细描述根据一个或更多个例子的本文公开的技术。这些图被提供来便于读者理解所公开的技术，并且没有被规定为详尽的或将本公开限制到所公开的精确形式。实际上，附图中的图仅为了说明的目的而被提供，并且仅描绘所公开的技术的一般或示例性例子。此外，应当注意，为了说明的简单和清楚，图中的元素不一定按比例绘制。

图1示出可用于致动器控制的伺服系统的例子。

图2示出图像扫描系统的一个例子的简化框图，本文公开的系统和方法可以使用该图像扫描系统来实现。

图3是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的用于聚焦操作的示例聚焦控制系统的框图。

图4是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的z台控制器的示例架构的图。

图5是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的z台控制器的另一示例架构的图。

图6是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的利用聚焦跟踪输入、使用反馈和前馈控制的另一示例控制器的图。

图7是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的速度控制器的图。

图8是示出根据本文描述的系统和方法的一个应用的控制器切换的示例实现的图。

图9示出根据本文描述的系统和方法的一个应用的伺服控制器设计切换的过程。

图10是示出根据本文描述的系统和方法的一个应用的伺服控制电路的示例实现的图。

图11示出可以用于实现所公开的技术的各种组成部分的示例电路。

应该理解，所公开的技术可以在修改和变更的情况下实施，并且所公开的技术仅由权利要求及其等同物限制。

具体实施方式

本文公开的技术的各种例子提供用于实时设置在光学成像系统(例如测序系统)中使用的伺服控制系统的操作参数的系统和方法。许多成像系统包括保持样品或其他待成像的物体的样品台以及包括用于成像操作的光学器件的光学台。聚焦操作涉及使用致动器相对于样品台移动光学台以完成移动。这些成像系统可能够在不同的操作模式中操作，并且这些不同的操作模式可能需要由致动器实现不同的致动模式。例如，涉及聚焦模型生成的操作模式可能需要将样品台相对于光学台保持在固定位置处一段时间以获取聚焦信息，而测序操作可能需要快速聚焦调整以维持足够的吞吐量。在一些应用中，本文公开的系统和方法可以被配置成在系统操作期间检测成像系统的操作模式，并且调整控制致动器的伺服系统的操作，以针对操作模式优化伺服控制。这可以包括例如调整伺服系统的操作参数，例如增益量和滤光值。作为另一个例子，这可以包括改变伺服系统中的反馈回路。

因此，针对各种操作模式优化的伺服系统参数组可以被预先确定并存储，用于在系统操作期间重新调用。在操作期间，系统可以确定操作模式、针对所确定的操作模式优化的伺服系统参数，并且将这些伺服系统参数应用于伺服系统，使得致动器控制针对该模式被优化。这可以在成像操作期间实时地完成，使得成像系统不需要被停止，使得参数可以针对模式改变而被加载。同样，可以针对不同的操作模式确定不同的反馈机制，并且还可以选择这些反馈机制以优化伺服控制器的反馈方法。这也可以实时地完成，使得成像系统不需要因对伺服系统的改变而停止。

在详细描述各种示例系统和方法之前，描述系统和方法可以利用其来被实现的示例环境是有用的。一个这样的示例环境是图像扫描系统(诸如图2中所示的图像扫描系统)的环境。示例成像扫描系统可以包括用于获取或产生区域的图像的设备。在图2中概述的例子显示背光设计的示例成像配置。

如在图2的例子中可以看到的，受试样品定位于样品容器110上，该样品容器110位于在物镜142下方的样品台170上。光源160和相关联的光学器件将例如激光之类的光束引导到样品容器110上的选定样品定位 (sample location)。样品发荧光并且所得到的光由物镜142收集并被引导到光检测器140以检测荧光。样品台170相对于物镜142移动，以将样品容器110上的下一个样品定位置于物镜142的焦点处。样品台170相对于物镜142的移动可以通过移动样品台本身、物镜、整个光学台或前述的任何组合来实现。另外的例子还可以包括遍及(over)静止样品地移动整个成像系统。

流体输送模块或设备100将试剂流(例如，荧光核苷酸、缓冲液、酶、裂解试剂等)引导至(并穿过)样品容器110和废液阀120。在一些应用中，样品容器110可以被实现为包括在样品容器110上的多个样品定位处的核酸序列簇的流动池。待测序的样品可以连同其他可选组分一起附着到流动池的基板上。

该系统还包括温度站致动器130和加热器\/冷却器135，其可以可选地调节样品容器110内的流体的温度状态。可以包括相机系统140来监测和跟踪样品容器110的测序。相机系统140可以例如实施为CCD相机，其可以与滤光器切换组件145内的各种滤光器、物镜142和聚焦激光器\/聚焦激光器组件150交互。相机系统140不限于CCD相机，并且可以使用其他相机和图像传感器技术。

可以包括光源160(例如，在可选地包括多个激光器的组件内的激励激光器)或其他光源以经由通过光纤接口161(其可以可选地包括一个或更多个再成像透镜、光纤支架等)的照明来照亮在样品内的荧光测序反应。低瓦特灯165、聚焦激光器150和反向二色性镜185也呈现在所示的例子中。在一些应用中，聚焦激光器150可以在成像期间关闭。在其他应用中，替代的聚焦配置可以包括第二聚焦相机(未示出)，其可以是象限检测器、位置敏感检测器(PSD)或类似的检测器以与数据收集并行地测量从表面反射的散射光束的定位。

虽然图示为背光设备，但是其他例子可以包括来自激光器或其他光源的、通过物镜142被引导到样品容器110上的样品上的光。样品容器110 可以最终安装在样品台170上，以使样品容器110相对于物镜142的移动和对准成为可能。样品台可以具有一个或更多个致动器，以允许它在三个方向中的任一个方向上移动。例如，就笛卡尔坐标系而言，可以提供致动器以允许台相对于物镜在X、Y和Z方向上移动。这可以允许样品容器110 上的一个或更多个样品定位被定位成与物镜142光学对准。

在该例子中，聚焦(z轴)部件175被示为被包括以控制光学部件相对于样品容器110在聚焦方向(通常被称为z轴或z方向)上的定位。聚焦部件175可包括物理地耦合到光学台或样品台或两者的一个或更多个致动器，以使样品台170上的样品容器110相对于光学部件(例如，物镜142) 移动，以对成像操作提供适当的聚焦。例如，致动器可以例如通过直接或间接地机械、磁性、流体或其他方式附接到台或接触台来物理地耦合到相应的台。一个或更多个致动器可以被配置为在保持样品台在同一平面内 (例如，保持垂直于光轴的水平或水平姿态)的同时在z方向上移动该台。一个或更多个致动器也可以被配置为使台倾斜。例如，这可以被完成，使得样品容器110可以被动态变水平以考虑其表面的任何坡度。

系统的聚焦通常指将物镜的焦平面与要在选定样品定位处成像的样品对准。然而，聚焦还可以涉及对系统的调节以获得样品的表示的期望特性，诸如例如对于测试样品的图像的期望水平的清晰度或对比度。因为物镜的焦平面的可用景深可能非常小(有时大约为1μm或更小)，所以聚焦部件175密切追踪(closely follow)被成像的表面。因为样品容器不是如固定在仪器中那样完全平坦，所以在扫描方向(一般被称为y轴)上移动时可以将聚焦部件175设置为追踪这种轮廓。

从待成像的样品定位处的测试样品发出的光可以被引导至一个或更多个检测器140。例如，检测器可以包括CCD相机。孔口可以被包括并定位成仅允许从聚焦区域发出的光传递到检测器。孔口可以被包括以通过滤除从聚焦区域以外的区域发出的光的成分来提高图像质量。发射滤光器可以被包括在滤光器切换部件145中，其可以被选择来记录确定的发射波长并且去除任何杂散激光。

在各种例子中，样品容器110可以包括一个或更多个基板，其上提供样品。例如，在系统分析大量不同核酸序列的情况下，样品容器110可以包括待测序的核酸被键合、附着或结合在其上的一个或更多个基板。在各种例子中，基板可以包括核酸可附着到的任何惰性基板或基质，诸如例如玻璃表面、塑料表面、乳胶、葡聚糖、聚苯乙烯表面、聚丙烯表面、聚丙烯酰胺凝胶、金表面和硅晶片。在一些应用中，基板在通道内或在处于形成在样品容器110上的矩阵或阵列中的多个定位处的其他区域内。

可以提供一个或更多个控制器(未示出)来控制扫描系统(例如上面参考图2描述的示例扫描系统)的操作。控制器可以被实现为控制系统操作的各方面，诸如例如聚焦、台移动和成像操作。在各种应用中，可以使用硬件、软件或前述项的组合来实现控制器。例如，在一些实现方式中，控制器可以包括具有相关联的存储器的一个或更多个CPU或处理器。作为另一个例子，控制器可以包括硬件或其他电路来控制操作。例如，该电路可以包括以下中的一个或更多个：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、可编程阵列逻辑(PAL)或其他类似的处理设备或电路。作为又一个例子，控制器可以包括该电路与一个或更多个处理器的组合。

尽管本文可能在此示例系统的上下文中不时地描述系统和方法，但这只是这些系统和方法可以使用其来被实现的一个例子。在阅读本描述之后，本领域的普通技术人员将理解如何可以使用这种和其他扫描仪、显微镜和其他成像系统来实现本文所述的系统和方法。

如上面参考图2描述的例子示出的，聚焦操作可以是成像过程的重要部分。在一些应用中，可以为成像操作准备聚焦模型，且然后聚焦模型可以用于在成像操作期间相对于样品适当地定位物镜。通常，在操作中，由聚焦激光器生成的聚焦光束从样品定位反射以测量所需的焦点，并且样品台相对于光学台移动以将光学台聚焦到当前样品定位上。

通常将用于聚焦模型生成和用于在成像期间的适当的对焦(in-focus) 位置的样品台相对于光学台的移动描述为沿着z轴或在z方向上的移动。术语“z轴”和“z方向”被规定为与它们通常在显微镜和成像系统的技术领域中的使用一致地被使用，其中z轴指焦轴。因此，z轴平移导致增加或减小焦轴的长度。例如，可以通过相对于光学台移动样品台(例如，通过移动样品台或光学元件或两者)来执行z轴平移。因此，可以通过驱动物镜、光学台或样品台或前述项的组合来执行z轴平移，其中的任何一个部件都可以通过致动一个或更多个伺服器或电机或与物镜或样品台或两者进行功能通信的其他致动器来被驱动。在各种例子中，致动器可以被配置成使样品台相对于光学台倾斜，以例如有效地使样品容器在垂直于光学成像轴的平面上成水平。在执行这种动态倾斜以有效地使样品容器上的样品定位成水平的情况下，这可以允许样品容器在x方向和y方向上移动，用于根据需要在z轴上有很少或没有移动的情况下进行扫描。尽管本公开采用术语“z轴”和“方向”，但是应当理解，这为了描述的清楚和与传统术语的一致性而这样做的。这里公开的原理不依赖于这些助记术，并且其他术语可用于描述在x、y和z方向上的移动。

在各种例子中，致动器可用于通过重新定位样品台或光学台(或其部分)或两者来相对于光学台定位样品台以实现期望的聚焦设置。在一些例子中，压电致动器可以用于移动期望的台。在其他例子中，可以使用音圈致动器来移动期望的台。在一些应用中，与其压电对应物(piezoelectric counterpart)相比，使用音圈致动器可以提供减小的聚焦时延。在音圈致动器被使用的情况下，线圈尺寸可被选择为提供期望移动所必需的最小线圈尺寸，使得线圈中的电感也可以被最小化。限制线圈尺寸并因此限制其电感提供了更快的反应时间并且需要更小的电压来驱动致动器。

对于聚焦模型生成，常常希望在一段时间内在尽可能少的移动的情况下维持光学系统，同时为样品定位确定适当的焦点。例如，在一些应用中，可能需要相对于样品容器将物镜的位置保持在目标位置的几纳米内。相比之下，成像操作需要对在样品容器的表面中的DNA簇的相对快速的扫描。图像采集扫描速度由仪器运行时间要求驱动，并产生聚焦系统和z台的带宽要求。这通常涉及具有高带宽的控制系统，以实现在高吞吐率下的高质量成像，这需要物镜相对于样品容器快速移动到精确的对焦定位。然而，这与对聚焦模型生成的控制系统要求不一致，聚焦模型生成目的可能是将光学系统尽可能静止地保持在目标位置处。因此，本文公开的技术可被实现为根据当前操作模式提供z台控制器的实时切换。该技术可被实现以通过启用针对保持而优化的第一控制系统和针对快速成像而优化的第二控制系统的应用并提供用于根据当前模式在这些控制系统之间切换的机制来有效地打破在聚焦模型生成期间的保持和在成像期间的高速移动之间的这个折衷约束。

图3是示出根据本文描述的系统和方法的一个应用的用于聚焦操作的示例聚焦控制系统的框图。该示例聚焦控制系统包括被配置为确定当前聚焦设置的聚焦跟踪电路332，当前聚焦设置用于产生驱动在z台334中的聚焦跟踪反馈回路的驱动信号。如在图3的例子中所示的，基于聚焦设置差异，命令352被馈送到z台334以控制z台334的移动。

在该例子中，z台334被配置为移动物镜346(例如，物镜142)。致动器344响应于由z台放大器338提供的驱动信号而移动光学台，且特别是物镜346。如上面所提到的，致动器344可包括压电致动器、音圈致动器、电机或其它类似的致动器。位置编码器342提供关于致动器位置及其运动的信息。该编码器信息354可以通过z台控制器336反馈给聚焦跟踪电路332，并且可以在确定误差信号时被使用。

可以使用具有前馈的PID控制器——包括位置和速度控制器——来实现用于控制运动的控制器。它们可以包括对误差信号和前馈控制分支的比例、积分和微分控制。一些例子还可以包括附加的滤光器和轨迹生成，其可以用于根据使用情况来提高系统的稳定性。

图4是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的z台控制器的示例架构的图。该示例控制器合并前馈和反馈控制以产生驱动信号来控制台致动器。在一些例子中，这可以被实现为对控制系统的误差信号和前馈控制分支之一或两者的比例、积分和微分(PID)控制。如在该例子中所示的，在目标聚焦设置和实际聚焦设置之间的差被计算并被馈送到控制块 488。位置信息也经由前馈路径476被发送并被添加到控制块488的输出信号。来自在控制块488内的驱动电路的该输出信号提供用于驱动致动器 490的控制输出信号。如所示，通过前馈路径476来提供在目标焦点位置和实际位置之间的差的大小，以调节控制输出信号。

图5是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的z台控制器的另一示例架构的图。这个例子也包含反馈和前馈控制。在操作中，目标聚焦设置(例如，目标z位置570)用于命令台的位置。目标z位置570被提供给伺服控制器588，伺服控制器588确定命令致动器590定位该台所需的驱动信号。伺服控制器588还可以包括驱动电路以产生驱动信号。使用在目标焦点设置(目标z位置570)和可以由例如致动器590提供的当前焦点设置(实际z位置572)之间的差的大小来进行驱动信号确定。在这个例子中以及在前面的例子中，用于驱动致动器的驱动信号由来自前馈控制路径576的信号调整。

然而，在图5的例子中，所测量的聚焦校正信号578也由聚焦跟踪电路592产生，该聚焦跟踪电路592例如在扫描模式期间可以是活动的。在这种情况下，可以例如使用所测量的聚焦校正信息来确定校正信息。在该例子中的校正信息被添加到所命令的台位置，以根据扫描操作的聚焦设置的变化的斜率来调整驱动信号。例如，当成像系统在扫描模式中时，可以打开或启用该反馈路径，以将该校正信息提供给伺服控制器。在一些应用中，可以控制系统，使得当系统在扫描模式中时，伺服控制器的位置回路可以是断开的或者部分地断开的，因为聚焦跟踪电路592提供关于移动目标的实时反馈。

图6是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的利用聚焦跟踪输入的、使用反馈和前馈控制的另一示例伺服控制器的图。目标成像距离623 被提供为控制系统的输入，以生成控制z台(例如，z台334)的台位置信号624。除了位置控制628之外，该系统还包括前馈控制626。前馈路径可以通过使命令绕过通常较慢的位置回路而直接到(下面描述的)速度回路来提供更快的响应。当位置变化是更剧烈的时，为了进行比通常可以仅依靠位置PID 628用另外方式实现的更快的系统响应，前馈控制626的前向路径将该变化转发到速度PID 630。也可以被实现为PID控制器的速度控制630在这个例子中在位置回路中实现。速度回路的反馈634采用所确定的位置的导数的形式。在某些情况下，恒定的位置误差可以足够小，以至于位置PID 628单独地不产生足够的扭矩来克服系统的静摩擦。在这种情况下，速度PID 630提供额外的增益来克服这个摩擦。力对速度有90度相移，这允许更高的增益，用于更好的轮廓跟踪和保持。

与图5的例子一样，该例子包括来自聚焦跟踪电路692的所测量的聚焦校正反馈。如在图5的例子中的，所测量的聚焦校正信号678可以由聚焦跟踪电路692产生。在该例子中这种校正信息被添加到所命令的台位置，以根据扫描操作的聚焦设置的变化的斜率来调整驱动信号。正如在图5的例子中的情况一样，在一些应用中，可以控制系统，使得当系统在扫描模式中时伺服控制器的位置回路可以是断开的或者部分地断开的，因为聚焦跟踪电路592提供关于移动目标的实时反馈。

图7是示出根据本文描述的系统和方法的一个例子的速度控制器的图。这示出可用于提供在伺服控制器内的速度回路的速度PID控制器630的一个示例实现。这个例子包括比例项712、积分项714和微分项716的增益级。增益由求和电路720求和，为速度PID控制器630提供控制输出。

如所提到的，本文描述的系统和方法的各种应用可用于提供实时模式检测和控制参数切换，以基于操作仪器的检测到的当前模式来优化伺服控制或操作参数。例如，在测序仪器的情况下，本文描述的系统和方法可以被实现来检测测序仪器是在聚焦模型模式还是在测序模式中，确定z台伺服控制器的被定义为适合于该操作模式的正确的一组操作参数，以及用为该操作模式定义的特定参数更新伺服控制器参数。可以定义和选择许多伺服控制器参数中的任何一个来针对检测到的模式优化伺服操作。例如，不同组的参数诸如例如积分增益、微分增益、前馈和滤光器截止频率以及其他类似的参数可以针对各种操作模式被定义，并且针对期望的操作模式被实现。例如，可以实现高回路增益，以实现响应性能并帮助抑制干扰。然而，高回路增益也可导致不稳定性。

表1示出了可以针对在测序仪器中的保持模式和扫描模式定义的一组示例参数。

表1：示例参数<\/u>

设计图

成像系统论文和设计

成像系统论文和设计-周春鸿

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

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