(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振線幅を有する少なくとも１つの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサをインタロゲーションする光源であって、
前記ＲＷＧバイオセンサの共振線幅よりも大きい第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを出射する広帯域光源と、
可変な中心波長及びスペクトル線幅を有し、かつ前記光ビームを受光してフィルタリングし、前記光ビームに前記ＲＷＧバイオセンサの共振線幅と実質的に同一な第２のスペクトル帯域幅を持たせる波長可変光学フィルタと、
前記波長可変光学フィルタに隣接して配され、前記広帯域光源の前記第１のスペクトル帯域幅を平坦化する角度調整されたスペクトル平坦化フィルタと、
を含むことを特徴とする光源。
【請求項２】
請求項１に記載の光源であって、中央波長が前記光ビームに対する前記波長可変光学フィルタの角度に応じて調整可能であることを特徴とする光源。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光源であって、前記光学フィルタが向かい合った反射層によって挟み込まれている単一のキャビティを含むことを特徴とする光源。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光源であって、前記光学フィルタが前記第１のスペクトル帯域幅と同一またはそれよりも大きい自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有することを特徴とする光源。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光源であって、半値全幅において測定される前記ＲＷＧバイオセンサの共振線幅が０．８ｎｍであることを特徴とする光源。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光源であって、前記広帯域光源が、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことを特徴とする光源。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光源であって、前記広帯域光源が、実質的に空間的に非コヒーレントな光源を含むことを特徴とする光源。
【請求項８】
請求項７に記載の光源であって、前記広帯域光源が１または複数の実質的に空間的に非コヒーレントな光エミッタのアレイを含むことを特徴とする光源。
【請求項９】
請求項８に記載の光源であって、前記１または複数の実質的に空間的に非コヒーレントな光エミッタが、１または複数のＬＥＤを含むことを特徴とする光源。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１つに記載の光源であって、前記広帯域光源と前記波長可変光学フィルタとの間に偏光ビームスプリッタ及び４分の１波長板を、かつ前記波長可変フィルタに隣接して前記４分の１波長板と反対側に折り返しミラーをさらに含み、前記光ビームが前記波長可変光学フィルタを２度通過して直線偏光として偏光ビームスプリッタから出射することを特徴とする光源。
【請求項１１】
マイクロプレートに支持されている少なくとも１つの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサを読み取るラベル非依存光学リーダであって、
前記第１のスペクトル帯域幅に亘ってスイープする波長を有するフィルタリングされた光ビームを出射する請求項１に記載の光源と、
前記フィルタリングされた光ビームを前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに向けて送出して対応する反射光ビームを生成する照明光学系と、
前記反射光ビームを受光してデジタル画像を生成する光学的結像器と、
前記デジタル画像を処理して前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長を得るコントローラと、
を含むことを特徴とするラベル非依存光学リーダ。
【請求項１２】
マイクロプレートに支持されている少なくとも１つの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサを読み取るラベル非依存光学リーダであって、
前記第１のスペクトル帯域幅内の固定波長を有するフィルタリングされた光ビームを出射する請求項１に記載の光源と、
前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに向けて前記フィルタリングされた光ビームを送出して対応する反射光ビームを生成する照明光学系と、
前記反射光ビームを受光してデジタル画像を生成する光学的結像器と、
前記デジタル画像を処理して強度の変化を前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長シフトに変換するコントローラと、
を含むことを特徴とするラベル非依存光学リーダ。
【請求項１３】
共振線幅を有する少なくとも１つの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサを読み取る方法であって、
前記ＲＷＧバイオセンサの共振線幅よりも広い第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを生成するステップと、
前記光ビームを波長可変光学フィルタ及び前記波長可変光学フィルタに隣接して配されて広帯域光源の前記第１のスペクトル帯域幅を平坦化する角度調整された平坦化フィルタに通して、前記波長可変光学フィルタを調整して、各々が前記ＲＷＧバイオセンサ共振線幅と実質的に同一の第２のスペクトル帯域幅を有するが前記共振線幅内の異なった中心波長を有する一連の光ビームを生成するステップと、
当該フィルタリングされた一連の光ビームを前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサへの入射光となるように送出し、対応する一連の反射光ビームを生成するステップと、
前記一連の反射光ビームに基づいて前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサのデジタル画像を生成するステップと、
前記一連のデジタル画像を処理して前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長を得るステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）及び発光ダイオード（ＬＥＤ）のうちの１つを用いて前記光ビームを生成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の方法であって、前記波長可変光学フィルタの調整が、前記波長可変光学フィルタを通過した前記光ビームに対するフィルタ角度の変更を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれか１つに記載の方法であって、フィルタ支持デバイス内で前記波長可変フィルタを支持し、前記フィルタ支持デバイスに提供される制御信号によって前記フィルタ角度を調整するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６のいずれか１つに記載の方法であって、前記第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを生成するステップが、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源から光を出射させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３乃至１６のいずれか１つに記載の方法であって、１または複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて前記実質的に空間的非コヒーレントな広帯域光源を生成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
共振線幅を有する少なくとも１つの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサを読み取る方法であって、
前記ＲＷＧバイオセンサの共振線幅よりも広い第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを生成するステップと、
前記光ビームを波長可変光学フィルタに通し、前記波長可変光学フィルタを調整して、前記ＲＷＧバイオセンサ共振線幅と実質的に同一の第２のスペクトル帯域幅を有しかつ前記共振線幅内の固定された中心波長を有する光ビームを生成するステップと、
前記光ビームを広帯域光源の前記第１のスペクトル帯域幅を平坦化する角度調整された平坦化フィルタに通すステップと、
当該フィルタリングされた光ビームを前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサへの入射光となるように送出し、対応する反射光ビームを生成するステップと、
前記反射光ビームに基づいて前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの一連のデジタル画像を生成するステップと、
前記一連のデジタル画像を処理して前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長を得るステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、前記波長可変光学フィルタの調整が、前記波長可変光学フィルタを通過した前記光ビームに対するフィルタ角度の変更を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載の方法であって、前記一連のデジタル画像の処理が、強度変化を前記共振波長におけるシフトに変換することを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１９乃至２１のいずれか１つに記載の方法であって、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）及び発光ダイオード（ＬＥＤ）のうちの１つを用いて前記光ビームを生成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１９乃至２２のいずれか１つに記載の方法であって、前記第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを生成するステップが、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源から光を出射させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１９乃至２３のいずれか１つに記載の方法であって、１または複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて前記実質的に空間的非コヒーレントな広帯域光源を生成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、米国仮特許出願第６１／２５９，８０２号（出願日２００９年１１月１０日）及び米国仮特許出願第６１／３９０，８２６号（出願日２０１０年１０月７日）の合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）の利益を主張する。
関連する同時係属出願の相互参照
本発明は、ラベル非依存光学リーダ、及び当該リーダのための光源に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
実施例において、本発明は、共振線幅を有する少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサをインタロゲーションする波長可変光源を提供する。波長可変光源は、ＲＷＧバイオセンサの共振線幅よりも大きい第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを出射する広帯域光源を含む。当該波長可変光源は、可変中心波長を有する波長可変光フィルタも含む。当該波長可変光学フィルタは、光ビームを受光してフィルタリングし、当該光ビームにＲＷＧバイオセンサの共振線幅と実質的に同一の第２のスペクトル帯域幅をもたせる。
【０００３】
実施例において、本発明は、マイクロプレートに支持されている少なくとも１つの共振ＲＷＧバイオセンサを読み取るＬＩＤ光学リーダを提供する。当該光学リーダは、第１のスペクトル帯域幅に亘って掃引（（スイープ）sweep）する波長を有する一連のフィルタリングされた光ビームを出射する上述の波長可変光源を含む。当該光学リーダは、当該一連のフィルタリングされた光ビームを当該少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに送出して対応する一連の反射光ビームを生成する照明光学系も含む。光リーダは、一連の反射光ビームを受信して対応するデジタル画像を生成する光学的結像器、及び当該デジタル画像を処理して当該少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長を得るコントローラも含む。
【０００４】
実施例において、本発明は、マイクロプレートに支持されている少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサを読み取るためのＬＩＤ光学リーダを提供する。当該光学リーダは、第１のスペクトル帯域幅内の固定された波長を有するフィルタリングされた光ビームを出射する上述の波長可変光源を含む。光学リーダは、当該フィルタリングされた光ビームを当該少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに送出して一連の反射光ビームを生成する照明光学系も含む。光学リーダは、当該一連の反射光ビームを受光してこれらからデジタル画像を生成する光学的結像器、及び当該デジタル画像を処理して強度の変化を当該少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長のシフトに変換するコントローラも含む。
【０００５】
実施例において、本発明は、共振線幅を有する少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサを読み取る方法を提供する。当該方法は、ＲＷＧバイオセンサ共振線幅よりも大きな第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを生成するステップを含む。当該方法は、光ビームを波長可変光フィルタに通すステップと、当該波長可変フィルタを調整して、ＲＷＧバイオセンサの共振線幅と実質的に同一の第２のスペクトル帯域幅を各々が有するが共振線幅内の異なった中心波長を各々が有する一連の光ビームを生成するステップも含む。当該方法は、当該一連のフィルタリングされた光ビームを少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサ上の入射光となるように送出し、対応する一連の反射光ビームを生成するステップをさらに含む。当該方法は、当該一連の反射光ビームに基づいて少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの一連のデジタル画像を生成し、その後、当該一連のデジタル画像を処理して少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長を得るステップを追加的に含む。
【０００６】
実施例において、本発明は、共振線幅を揺する少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサを読み取る方法を提供する。当該方法は、ＲＷＧバイオセンサの共振線幅よりも大きい第１のスペクトル帯域幅を有する光ビームを生成するステップを含む。当該方法は、光ビームを波長可変光フィルタに通すステップと、当該波長可変フィルタを調整して、ＲＷＧバイオセンサの共振線幅と実質的に同一の第２のスペクトル帯域幅を有し、かつ当該共振線幅内の固定された中心波長を有する光ビームを生成するステップも含む。当該方法は、当該フィルタリングされた光ビームを当該少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサ上の入射光となるように送出し、対応する反射光ビームを生成するステップをさらに含む。当該方法は、当該反射光ビームに基づいて少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの一連のデジタル画像を生成するステップと、その後、当該一連のデジタル画像を処理して少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの共振波長を得るステップと、を追加的に含む。
【０００７】
本発明のさらに完全な理解は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによってなされるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の波長可変光源と共に使用するのに適した光学リーダシステムの一例の一般化された略図である。
【図２】ＲＷＧバイオセンサの一例の拡大略図である。
【図３】領域すなわち「ウェル」に付随してＲＷＧバイオセンサのアレイを動作可能に支持しておりかつマイクロプレートホルダに保持されているマイクロプレートの一例の上面図である。
【図４】マイクロプレートの一例の一部の断面斜視図である。
【図５】波長可変光源によってもたらされた入射照射光の異なった波長に関連するデジタル画像の収集を示す図である。
【図６】図１の光学リーダシステムの光学的結像器の他の実施例を示す図である。
【図７】図１の光学リーダシステムの光学的結像器の他の実施例を示す図である。
【図８】図１の光学リーダシステムの光学的結像器の他の実施例を示す図である。
【図９】図１の光学リーダシステムの光学的結像器の他の実施例を示す図である。
【図１０】図１の光学リーダシステムにおいて使用する単一経路波長可変光源の実施例を示す図である。
【図１１】図１の光学リーダシステムにおいて使用する２経路波長可変光源の実施例を示す図である。
【図１２】薄板ガラス基板及び薄膜から形成された光学コーティングで形成された例示のフィルタの分解組み立て側面図である。
【図１３】材料を堆積させてキャビティ層を挟む２つの反射層を形成することによって形成される例示のフィルタの分解組み立て側面図であり、当該堆積される層はガラス基板に機械的に支持されている。
【図１４】入射角θ＝５°での例示の単一経路フィルタの強度対波長のフィルタスペクトル線幅（フィルタ関数）のプロット図である。
【図１５】入射角θ＝１４°での例示の単一経路フィルタの強度対波長のフィルタスペクトル線幅（フィルタ関数）のプロット図である。
【図１６】例示のカスタムフィルタの比較的大きな波長範囲に亘るフィルタスペクトル線幅（フィルタ関数）のプロット図であり、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が約２０ｎｍであること、目標とされる垂直入射透過率ピークがスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）光源の中心波長に近い８３８ｎｍであることを示している。
【図１７】角度調整されたフィルタを移動自在に支持するガルバノメータベースのフィルタ支持デバイスの制御電圧（Ｖ）対中心波長（ｎｍ）のプロット図である。
【図１８Ａ】波長可変レーザ光源の単一のピクセルに対するインタロゲーションスペクトルを示す強度対波長のプロット図である。
【図１８Ｂ】本発明の波長可変光源の単一のピクセルに対するインタロゲーションスペクトルを示す強度対波長のプロット図である。
【図１９】２つの例示のバイオセンサの共振線幅のプロット図であり、フィルタ中心波長が実線のバイオセンサ共振線幅の５０％の透過率の点に固定されている。
【図２０】図１０と同様であり、角度的に調整可能なスペクトル平坦化フィルタを含む波長可変光源の実施例を１つの実施例を示した図である。
【図２１】光源スペクトル、フィルタ関数（フィルタスペクトル線幅）、及びフィルタリングされた光源スペクトル（振幅対波長）の例のプロット図である。
【図２２】広帯域光源のＳＬＤを用いた波長可変光源からの入射光によって照明されたＲＷＧバイオセンサのデジタル画像を示した図であり、当該画像は入射光のコヒーレンス（干渉性）によってもたらされる複数のスペックルパターン（speckle pattern）を示している。
【図２３】図１０と同様の波長可変光源の一例の略図であり、広帯域光源が実質的に空間的に非コヒーレント（非干渉性）な領域拡張広帯域光源（extended-area broadband source ）を含んでいることが図１０と異なっている。
【図２４】実質的に空間的に非コヒーレントなエミッタのアレイとして形成された実質的に非コヒーレントの広帯域光源の一例の拡大図である。
【図２５】実質的に非コヒーレントな広帯域光源の一例及び対応する回転自在波長可変フィルタの一例の寸法を示した図である。
【図２６】実質的に非コヒーレントな広帯域光源を使用する波長可変光源からのフィルタリングされたスペクトルのファミリーの相対的なスペクトル振幅対波長（ｎｍ）のプロット図であり、当該スペクトルは、波長可変フィルタのガルバノメータの制御電圧を−８Ｖから＋８Ｖに変化させることによって、１８ｎｍに亘ってほぼ一定な振幅及びスペクトル形状に調整されている。
【図２７】図２２のデジタル画像と同様のデジタル画像の図であり、図２７のデジタル画像は実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源を有する波長可変光源を用いて撮影されているために、当該デジタル画像がスペックルパターンを持たないことが図２２と異なっている。
【図２８】通常のピクセルに対する合成されたスペクトルの相対的振幅対波長（ｎｍ）のプロット図であり、波長可変光源の低い時間的及び空間的コヒーレンスの故に合成されたスペクトル内にスペクトルリップルが存在しない。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
光学リーダに基づいたラベル非依存検出（ＬＩＤ）は、例えば、タンパク質等の標的分子への薬品の結合、及び薬品に反応して細胞内で物質が移動するような生体細胞の変化を検出するために使用され得る。いくつかのタイプのＬＩＤ光学リーダは、ＲＷＧバイオセンサのアレイの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサの表面における屈折率の変化を測定する。個々のＲＷＧバイオセンサは、マイクロプレートのウェルの各々の中に配されている。
【００１０】
ＬＩＤ光学リーダの１つのタイプにおいて、光源からのスペクトル的に広帯域な光は、ＲＷＧバイオセンサの各々に向けて送出される。ＲＷＧバイオセンサと共振する波長をもつ光のみが強く反射される。この反射光が収集されてスペクトル分析され、共振波長が判定され、波長におけるシフトがＲＷＧバイオセンサへの生体分子の結合による屈折率の変化が示されるか、または同様に当該センサ表面に固定された細胞内での物質の移動が示される。
【００１１】
他のタイプのＬＥＤバイオセンサにおいて、波長範囲に亘ってスイープされる狭帯域光が、狭帯域波長可変光源を用いて、ＲＷＧバイオセンサの各々に向けて送出される。今まで、このような波長可変光源は、波長可変レーザに限られてきた。バイオセンサのインタロゲーションに適した商用的に利用可能な波長可変レーザは、第１に、非常に狭い線幅を生成する回折格子キャビティに基づいた波長可変技術を用いた外部キャビティ半導体レーザ、及び約５０ｐｍのやや狭い線幅を生成する音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）である。外部キャビティ半導体レーザがＬＩＤ光学リーダの可視光光源として使用されるが、その比較的高い費用がその使用を制限する。垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、低コストの選択肢を提供するが、それらの光学的出力及び波長可変範囲は、マイクロプレート全体をインタロゲーションするには不十分である。
【００１２】
以下で本発明の実施例を説明する。実施例は添付の図面に示されている。
【００１３】
図１は、本明細書において開示されている波長可変光源と共に使用するのに適している例示の光学リーダシステム（「システム」）１００の一般化された略図である。システム１００は、１または複数の共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサ１０２をインタロゲーションするために使用される結像系１１４を含んでいる。画像システム１１４は、照明光学系１３０及び結像光学系（光学的結像器）１４０を含んでいる。結像光学系１１４の例は、以下でさらに詳細に説明される。
【００１４】
図２は、例示のＲＷＧバイオセンサ１０２の拡大側面図であり、この例示のＲＷＧバイオセンサは、選択された生物学的物質１０４が取り付けられる回折格子１０３及び表面１０５を有している。ＲＷＧバイオセンサ１０２は、光学的にインタロゲーションされることが可能なように支持されることが必要である。通常の支持構造は、「マイクロプレート」と称される。図３は、複数のウェル１７５を有している表面１７３を備える支持プレート１７１を含む例示のマイクロプレート１７０の上面図である。例示の支持プレート１７１は、図４の部分図において示されているように、かつ米国特許出願公開第２００７／０２１１２４５号に例として示されているように、上部プレート１７１Ｕ及び下部プレート１７１Ｌの２部分構造を有している。
【００１５】
図３のマイクロプレート１７０は、ＲＷＧバイオセンサ１０２がアレイ１０２Ａ内に配されており、ウェル１７５内に動作可能に支持されている例示の構成を示している。例示のバイオセンサアレイ１０２Ａは、２ｍｍ角のＲＷＧバイオセンサ１０２に対し４．５ｍｍのピッチを有している、一列に１６個、１行に２４個のバイオセンサを含んでいる。実施例において、基準１７９は、システム１００内におけるマイクロプレート１７０の位置決め、アラインメント、またはその両方に使用される。マイクロプレート１７０を保持しているマイクロプレートホルダ１７４も示されている。多くの異なったタイプのプレートホルダが、マイクロプレートホルダとして使用され得る。
【００１６】
図１を再度参照すると、システム１００は、本発明によりかつ以下でさらに詳細に説明される波長可変光源１０６を含んでいる。波長可変光源１０６は、スペクトル帯域幅及び所定の時間周期に亘って所定の明確な中心波長を有する狭帯域光ビーム１３４を生成する。実施例において、波長可変光源１０６は、０．１ｎｍ／秒から３００ｎｍ／秒の調整速度にて８３８ｎｍから８５３ｎｍまで変動する中心波長を有する一連の狭帯域光ビーム１３４を出射する。自由空間に光ビーム１３４を出射する波長可変光源１０６が示されているが、光導波路（例えば、光ファイバ）を用いる導波構成も選択され得る。
【００１７】
光源１０６からの光ビーム１３４は、結像系１１４及び付随する光軸Ａ１を有する照明光学系１３０に送られる。照明光学系は、光ビーム１３４を少なくとも１つの入射光ビーム（入射光）１３４Ｉに変換する。入射光ビーム１３４Ｉは、ビームスプリッタ１２６を通過し、マイクロプレート１７０の領域１３５に亘って入射させられ、領域１３５は１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２を含んでいる（例えば、３８４ウェル形式のマイクロプレート１７０の４ｘ３のウェル、１個のＲＷＧバイオセンサのみ、またはＲＷＧバイオセンサの全て）。１つの例において、入射光ビーム１３４Ｉは、照明光学系１３０を移動走査することによって、またはマイクロプレートホルダによってマイクロプレート１７０を移動させることによって、ＲＷＧバイオセンサ１０２に亘って移動させられ（走査され）て、様々な領域１３５がカバーされる。
【００１８】
入射光ビーム１３４Ｉは、１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２で反射され、それによって反射光ビーム（反射光）１３４Ｒが生成される。反射光ビーム１３４Ｒは、ビームスプリッタによって光学的結像器１４０に向けて送出される。光学的結像器１４０は、例えば、結像レンズ１４２、及び１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２を含む照明領域１３５の電子（すなわちデジタル）画像１４５（図５参照）をキャプチャする画像センサ１４４を含む。画像センサ１４４は、キャプチャされた電子画像を示す生の電子画像信号Ｓ１４５を生成する。光学的結像器１４０は、画像センサから得られた生の電子画像信号を前処理し、前処理されたデジタル画像を示す前処理済電子画像信号Ｓ１４６を生成する画像センサ電子装置を含む。例示の画像センサ１４４は、Kodak社（ロチェスター、ＮＹ）から入手可能な７．４μｍのピクセルサイズのＫＡＩ−０３４０ ＣＣＤチップ等のＣＣＤ（電荷結合素子）チップ、またはＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）チップである。例示の光学的結像器１４０は、Prosilica社（バーナビー、ブリティッシュコロンビア、カナダ）から入手可能なProsilica GE680 GigE カメラである。このカメラは、ＶＧＡ解像度で２１５ｆｐｓの最大フレームレートを有している。実施例において、画像センサ１４４は、１または複数のフォトダイオードのアレイであってもよい。
【００１９】
システム１００は、処理ユニット（プロセッサ）１５２及びメモリユニット（メモリ）１５４を有するコントローラ１５０も含む。例示のプロセッサ１５２は、コンピュータ、マイクロプロセッサ、１または複数の中央演算処理装置（ＣＰＵ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等を含む。メモリ１５４は、ソリッドステートメモリ、磁気メモリ、及び光学メモリコンピュータ内に用いられているいかなるタイプのデジタルメモリであってもよい。コントローラ１５０は、画像センサ電子装置１４６から前処理済電子画像信号Ｓ１４６を受信し、それらをメモリ１５４内に保存する。プロセッサ１５２は、プロセッサまたはメモリ１５２内に保存されている命令（画像処理ソフトウェア）に基づいて前処理済電子信号Ｓ１４６内にあるデジタル画像１４５を解析する。この処理は、以下でさらに詳細に説明される。
【００２０】
実施例において、コントローラ１５０は、スペクトルのプロット、共振波長のプロット、及び他の測定結果等、並びにシステム状態及び動作パラメータを表示するディスプレイユニット１５６を含むかまたはそれに動作可能に接続される。実施例においては、スペクトルが直接処理され得るので、共振波長のみ（計算されたものとして、例えば、測定されたスペクトルのセントロイドの各々として）がメモリ１５４内に保存され得る。
【００２１】
例示のＲＷＧバイオセンサ１０２は、入射光ビーム１３４Ｉ及び反射光ビーム１３４Ｒの導波路結合特性に影響を与えるセンサ表面１０５における屈折率における変化を利用して、ＲＷＧバイオセンサ上の生物学的物質１０４（細胞、分子、タンパク質、薬品、化合物、核酸、ペプチド、炭水化物）のラベルフリー検出を可能にする。生化学的物質１０４は、ＲＷＧバイオセンサ表面１０３上に配されているバルク流体内に配されていてもよく、センサ表面へのこの生化学的物質の付着がＲＷＧにおける屈折率を変化させる。
【００２２】
生化学的物質１０４の検出のために、ＲＷＧバイオセンサ１０２は、入射光ビーム１３４Ｉによって探査され、反射光ビーム１３４Ｒが光学的結像器１４０において受信される。光学的結像器１４０は、波長可変光源１０６と同期されているので、入射光ビーム１３４Ｉの波長が（異なった中心波長の一連の光ビーム１３４Ｉを生成するために）波長範囲に亘ってスイープされた場合、光学的結像器は異なった波長に対応する一連のデジタル画像１４５をキャプチャする。従って、光学的結像器は、各々が波長可変光源１０６から出射された別個の波長のうちの１つに対応している一連のＲＷＧバイオセンサ画像１４５を取得する。
【００２３】
図５は、異なった（中央）波長λ１，λ２，．．．λｊ，．．．λｎの画像１４５を収集した収集物を示している。この収集物は「３次元」（３Ｄ）データファイルまたは画像の「データキューブ」を構成する。図５は、実際の画像１４５の一例を含んでいる。光学的結像器１４０は、ＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２の一連の画像またはピクチャを得る。画像の各々は、波長可変光源１０６から出射した一連の光ビーム１３４の個々の中心波長λｊのうちの１つに対応する。最後に、プロセッサ１５２が収集された画像１４７を受信して処理し、例えば、１または複数のＲＷＧバイオセンサ上にて生化学的反応または他の事象が起きているか否かが判定される。
【００２４】
コントローラ１５０は、生物学的物質１０４の存在によって引き起こされるＲＷＧバイオセンサの屈折率の変化（例えば、１００万分の１）があるかを判定するように構成されている（例えば、プロセッサ１５２がプログラミングされているか、またはメモリ１５４内に保存されているソフトウェアの制御下で動作する）。実施例において、ＲＷＧバイオセンサ表面１０５は、例えば、抗体またはタンパク質等の特定の相補的な生化学的物質１０４の表面付着のみが付着することが可能な生化学化合物（図示せず）、または同様の生物学的もしくは化学的に活性な物質によってコーティングされ得、それによってＲＷＧバイオセンサ１０２は高い感度かつ高い特異性の両方を持つことが可能となる。同様に、ＲＷＧバイオセンサ１０２は、ＲＷＧバイオセンサ表面１０３に固定されている細胞内の移動または変化を検知するために使用され得、例えば、細胞がＲＷＧバイオセンサに対して移動するかまたは細胞が物質を取り込むかもしくは排出した際に屈折率の変化が生ずる。
【００２５】
複数のＲＷＧバイオセンサ１０２が、マイクロプレートホルダ１７４に支持されているマイクロプレート１７０のウェル１７５内にアレイ１０２Ａとして動作可能に支持されている場合、高いスループットの薬品又は化学的スクリーニング検査を可能にすべく使用可能である。走査光学リーダシステムを用いた生物学的物質１０４（または生体分子結合事象）の検出に関するさらに詳細な説明は、米国特許出願第１１／０２７，５４７号を参照されたい。他の光学リーダシステムは、米国特許第７，４２４，１８７号、第７，５９９，０５５号、及び第７，５７６，３３３号、並びに米国特許出願公開第２００６／０２０５０５８号及び第２００７／０２０２５４３号に記載されている。
【００２６】
コントローラ１５０及びその内部にあるメモリ１５４は、入射光ビーム１３４Ｉ内の中心波長の各々に関する事前処理済電子画像信号１４６を介して収集された事前処理済画像１４５を受信し、収集された画像１４７は図５に示されている上述の「データキューブ」を形成する。その後、プロセッサ１５２は、画像処理ソフトウェアを用いて収集された画像を自動的に処理し、例えば：１）照明されたＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２のうちの１または複数において生化学的反応または他の事象が発生したか否かを判定；２）照明されたＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２の各々上のセンサ領域（１または複数）もしくは基準領域（１または複数）、またはその両方を検索する；３）照明されたＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２の各々上の欠陥領域を除去；４）照明されたＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２の各々上の表面化学の一様性及び標的分子固定のキャリブレーション；またはこれらの組み合わせを行う。
【００２７】
もし必要ならば、プロセッサ１５２は複数の撮像領域（ピクセル）を、ＲＷＧバイオセンサ１０２のセンサ及び基準領域（図示せず）の位置に関する事前情報を用いて結合してもよい。この場合、複数のピクセルは単一の検出器として共にグループ化され、センサスペクトル／画像の数が結合された領域の数まで減少させられる。このように、データ処理は非常に単純化させられ得る。
【００２８】
特定のインタロゲーション用途に対する１Ｈｚのデータレートを達成するために、波長可変光源１０６のシーケンシャルな走査及び光学的結像器１４０によってキャプチャされるスペクトル画像１４５のシーケンシャルな取得は、１秒で達成される必要がある。もちろん、この能力または任意の他のデータレートを満たすために、所望の波長サンプリング点の数が画像センサ１４４（及び付随するセンサ電子装置１４６）のフレームレートを決定づける。例えば、単一の調整シーケンスの間に５００個の波長サンプルを取得するために、フレームレートは５００フレーム毎秒（ｆｐｓ）まで高速化されなければならない。Ｂａｓｌｅｒ Ａ５０４ｋ等のＣＭＯＳカメラである光学的結像器１４０は、最大の１０２４×１２０８ピクセルフォーマットにおいて５００ｆｐｓを提供可能であり、更に高いフレームレートが一部領域の画像に対して可能である。１Ｈｚのデータレートを達成する必要がない用途において、更に低速な光学的結像器１４０が使用可能である。
【００２９】
例示の結像系
４つの例示の結像系１１４及びそれらの動作が図６から図８に関して説明される。図６において、マイクロプレート１７０において、垂直からほぼ垂直の角度である入射角αを有している結像系１１４が示されており、照明光学系１３０は、光ビーム１３４を受光してそれをコリメートレンズ１３３に向けて送出するレンズ１３２を含んでいる。コリメートレンズ１３３は、光ビーム１３４からコリメートされたインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成し、それを折り返しミラー１３７に向けて送出する。折り返しミラー１３７は、コリメートされたインタロゲーションビーム１３４Ｉを反射して、ビームスプリッタ１２６を通過させて、領域１３５に亘ってマイクロプレート１７０のウェル１７４内に配されている所定数のＲＷＧバイオセンサ１０２を照明させる。代替的に、照明光学系１３０は、複数のインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成するように構成されており、インタロゲーションビームの各々が、マイクロプレート１７０のウェル１７５内に配された対応するＲＷＧバイオセンサ１０２を照明する。さらに、光学的結像器１４０は、照明されたＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２から画像１４５を収集するべく選択された視野を有するテレセントリック撮像レンズ１４２を有する。
【００３０】
図７は、例示の結像系１１４の図であり、入射光ビーム１３４Ｉが傾斜した（すなわち垂直でない）入射角αを有している。この垂直でない入射角αは、ビームスプリッタ１２６の必要をなくし、光学効果を４倍に向上させ得る。この実施例において、照明光学系１３０は、光ビーム１３４を受光してそれを所定の角度でコリメートレンズ１３３に向けて送出するレンズ１３２を含んでいる。コリメートレンズ１３３は、光ビーム１３４を受光し、マイクロプレート１７０のウェル１７５内に配されている所定数のＲＷＧバイオセンサ１０２を照明するコリメートされたインタロゲーションビーム１３４Ｉを出力する。代替的に、照明光学系１３０は、複数のインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成するように構成されてもよく、インタロゲーションビームの各々が対応するＲＷＧバイオセンサ１０２を照明する。さらに、光学的結像器１４０は、所定の角度で配置されており、かつ照明されたＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２から画像１４５を収集すべく選択された視野を有するテレセントリックレンズ１４２を有している。
【００３１】
図８を参照すると、照明光学系１３０及び結像光学系１４０がテレセントリックレンズ１４２の前面レンズ（またはレンズ群）１４２Ａを共有している故に比較的小さな設置面積を有する例示の結像系１１４が示されている。この実施例において、照明光学系１３０のレンズ１３２は、光ビーム１３４を受光してそれを折り返しミラー１３７に向けて発散態様にて送出する。折り返しミラー１３７は、発散光ビーム１３４を反射して、ビームスプリッタ１２６を通過して進行させ、前面レンズ１４２Ａに至らしめる。前面レンズ１３９は、マイクロプレート１７０のウェル１７５内に配されている所定数のバイオセンサ１０２を照明するインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成する。前面レンズ１４２Ａは、反射光１３４Ｒを収集し、それをビームスプリッタ１２６に向けて送出する。ビームスプリッタ１２６は、レンズ１４２Ｂに向けて反射光１３４Ｒを送出し、レンズ１４２Ｂは上述のように画像センサ１４４上に反射光１３４Ｒを結像させる。
【００３２】
図９は、結像系１１４の一例の図であり、照明光学系１３０及び結像光学系１４０がテレセントリックレンズ１４２の前面レンズ１４２Ａを共有している。照明光学系１３０のレンズ１３２は、光ビーム１３４を受光してそれをビームスプリッタ１２６を介して、折り返しミラー１３７を経由して前面レンズ１４２Ａに向けて送出する。前面レンズ１４２Ａは、光ビーム１３４をコリメートしてインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成する。前面レンズ１４２Ａは、マイクロプレート１７０及びその中にあるＲＷＧバイオセンサ１０２からの反射光１３４Ｒを収集し、それを折り返しミラー１３７を介してビームスプリッタ１２６に向けて送り返す。その後、ビームスプリッタ１２６は、反射光１３４Ｒを光学的結像器１４２の第２のレンズ１４２Ｂも向けて送出し、上述のように画像センサ１４４上に反射光１３４Ｒ結像させる。
【００３３】
波長可変光源
図１０は、Superlum Diodes, Ltd社（モスクワ、ロシア）から入手可能なスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）等の広帯域光源２００を含む例示の波長可変光源１０６の図である。例示のＳＬＤ光源２００は、２０ｎｍのスペクトル帯域幅Ｗを有し、約８４０ｎｍの中心波長を有している。１または複数の従来の広帯域ＬＥＤも、その光が十分にコリメートされるならば、広帯域光源２００として使用可能である。ＬＥＤベースの光源２００の例は、以下でさらに詳細に説明される。広帯域光源２００は、光源軸Ａ２に沿って広帯域光ビーム２１０を出射する。実施例において、広帯域光源２００は、１０ｎｍから４０ｎｍの幅のスペクトル帯域幅Ｗを有している。
【００３４】
波長可変光源１０６は、軸Ａ２に沿って配されている調整可能波長フィルタ（波長可変フィルタ）２１６も含んでいる。例示の波長可変フィルタ２１６は、フィルタ部材２１７及びフィルタ支持体２２６を含んでいる。例示の波長可変フィルタは、調整可能（例えば、電動）回折格子を有するモノクロメータ、アクチュエータ（圧電アクチュエータまたはＭＥＭＳアクチュエータ）を使用する波長可変ファブリペローエタロン、液晶波長可変フィルタ、音響光学波長可変フィルタ、及び角度調整可能ファブリペローエタロンを含む。これらの例示の可変フィルタのうち、角度調整可能フィルタは、性能と費用との良好なバランスをもたらす。このタイプの調整可能フィルタ２１６は、波長可変光源１０６と共に以下に説明される。
【００３５】
波長可変フィルタ２１６は、中心波長を有するスペクトル線幅に亘って光を透過させ、この「波長可変性」は、スペクトル線幅を実質的に一定に維持しつつ中心波長を調整する機能をいう。従って、波長可変フィルタ２１６の透過関数は、実質的に中心波長に沿ってシフトする。
【００３６】
１つの例において、波長可変光源１０６は、光軸Ａ２に沿って広帯域光源２００と波長可変フィルタ２１６との配されており、広帯域光ビーム２１０を直線的に偏光させてＰ偏光またはＳ偏光を生ずる偏光子２１４を含む。いくつかの場合、偏光子２１４のＳ偏光構成は、Ｐ偏光構成よりも広い入射ビーム角をもたらす故に用いられる。
【００３７】
フィルタ部材２１７は、軸Ａ２（これに沿って入射広帯域光ビーム２１０が進む）に対して角度φを形成し、この角度は波長可変フィルタの表面法線Ｎに対して決められる。１つの実施例において広帯域光ビーム２１０は、コリメートレンズ２０２を用いてコリメートされる。波長可変フィルタ２１６は、広帯域光ビーム２１０が、当該広帯域光ビームがフィルタ部材２１７を通過した際に、狭帯域（フィルタリングされた）光ビーム１３４に変換されるように構成される。１つの例において、フィルタ部材２１７は、１つの例として光軸Ａ２に対するフィルタ部材２１７の配向（すなわち角度φ）を調整して狭帯域コリメート済光ビーム１３４の波長を調整するように構成されているフィルタ支持デバイス２２６によって支持されている。例示の波長可変フィルタ２１６は、以下でさらに詳細に説明される。
【００３８】
図１１は、図１０の波長可変光源と同様の波長可変光源１０６の他の実施例の図であり、波長可変光源１０６がさらに、広帯域光源２００と波長可変フィルタ２１６との間に、光軸Ａ２に沿って偏光ビームスプリッタ２５０及び４分の１波長板２６０を含んでいる。折り返しミラー２７０は、光軸Ａ２に沿って、波長可変フィルタに隣接して、４分の１波長板と逆側に配されている（すなわち、波長可変フィルタが４分の１波長板と折り返しミラーとの間に存在する）。
【００３９】
図１１の波長可変光源１０６において、コリメート済広帯域光ビーム２１０は、Ｐ偏光光ビーム２１０Ｐを生成するＰ偏光子２１４を通過することによってＰ偏光にされる。このビームは、偏光ビームスプリッタ２５０を直接通過して４分の１波長板２６０に向かい、４分の１波長板がＰ偏光広帯域ビーム２１０Ｐの偏光を変換して円偏光広帯域光ビーム２１０Ｃを生成する。この円偏光にされた光ビームは、その後、フィルタ部材２１７を通って進み、それによって円偏光にされた狭帯域光ビーム１３４Ｃが生成される。この狭帯域光ビームは、折り返しミラー２７０にて反射しかつ円偏光化される。狭帯域光ビーム１３４Ｃは、すでにこのビームを狭帯域化したフィルタ部材２１７を通って戻り、その後、偏光を変換してＳ偏光狭帯域光ビーム１３４Ｓを生成する４分の１波長板２６０を通過する。この光ビームは、光軸Ａ２に対して直角な軸Ａ３に沿って偏光ビームスプリッタ２５０によって反射される。
【００４０】
フィルタ部材２１７の通過において発生する軸Ａ２のオフセットは、フィルタ部材を通過する双方向光経路によって補償されることに留意する。波長可変光源１０６は、インタロゲーションされるＲＷＧバイオセンサ（１または複数）１０２が垂直偏波（ＴＭ）インタロゲーションに対して配向されている限り、及び偏光ビームスプリッタ２５０が適切に構成されている限り、広帯域光ビーム２１０の偏光がＳ偏光から始まり、出力Ｐ偏光狭帯域光ビーム１３４Ｐを形成し得るように構成され得る。
【００４１】
上述のように、広帯域光源２００は、インタロゲーションされるＲＷＧバイオセンサ１０２のダイナミックレンジ及び波長変化をカバーするのに十分なスペクトル幅Ｗを有している。最小スペクトル帯域幅の一例は、Ｗ＝１０ｎｍである。波長可変フィルタ２１６のスペクトル線幅（すなわち、帯域通過（バンドパス））は、最適なＲＷＧセンサインタロゲーション性能に対して好ましく選択される。幅の広いフィルタスペクトル線幅は、光パワー全体を増加させるが、測定されるセンサスペクトルを広くし、それによって検出感度が低下してしまう。
【００４２】
通常、インタロゲーションされるスペクトル（すなわち、反射光１３４Ｒのスペクトル線幅）は、「フィルタ関数」（すなわち、波長可変フィルタ２１６のスペクトル線幅）とＲＷＧセンサ共振関数のコンボリューション（畳み込み）である。単純化のために、両方の関数に関してガウス分布を仮定し、フィルタ及びバイオセンサのスペクトル線幅をそれぞれｗｆ及びｗｇとする。測定スペクトルＳは以下の式によって与えられる。
【００４３】
【数１】
0005509336.tif 000002
【００４４】
結果として得られた関数も
【００４５】
【数２】
0005509336.tif 000003
【００４６】
の幅及び
【００４７】
【数３】
0005509336.tif 000004
【００４８】
に比例する振幅を伴うガウス分布である。波長セントロイド（すなわち、共振波長λＲ）の検出精度が振幅の平方根に比例し、幅の平方根に反比例する故に、検出メリット関数Ｍは以下のように表され得る。
【００４９】
【数４】
0005509336.tif 000005
【００５０】
このメリット関数を最大化する条件は以下の条件である。
【００５１】
【数５】
0005509336.tif 000006
【００５２】
従って、最適なフィルタスペクトル線幅は、ＲＷＧバイオセンサ共振のスペクトル線幅（バイオセンサ共振線幅）に対するスペクトル線幅と同一である。ＲＷＧバイオセンサ共振線幅の半値全幅（ＦＷＨＭ）の一例はｗｇ＝０．８ｎｍであり、この値は１０ｎｍから４０ｎｍである光源スペクトル帯域幅Ｗと比較すると小さいものである。
【００５３】
実際には、フィルタスペクトル線幅及びバイオセンサ共振線幅は、ガウス分布でなくともよい。しかし、式（３）の条件は、両方の関数がベル型でありかつガウス分布との差が小さい故に、有用な指針を提供する。バイオセンサ共振線幅及びフィルタスペクトル線幅がゼロでないスペクトル幅を有している故に、フィルタリング済光ビーム１３４の「波長」は、その中心波長をいうことに留意する。
【００５４】
実施例において、波長可変フィルタ２１６のＦＳＲは、少なくとも広帯域光源２００のスペクトル帯域幅Ｗと同じ幅となるようにデザインされ得る。バイオセンサインタロゲーションに対して必要な調整波長幅が約１０ｎｍであるので、フィルタスペクトル線幅の形状は、入射角φの小さな幅の中でほぼ一定である。単一キャビティフィルタは、より良い収率を必要とする実施例において、複雑な複数キャビティデザインよりも好ましいだろう。入射角φの大きな範囲が波長調整に必要な場合、角度感受性が低いＳ偏光を使用するのが最良であり得る。狭範囲入射角の一例はφが０°から６°であり、それよりも広い入射角の一例は、φが０°から１４°である。
【００５５】
広帯域光源のデザイン
広帯域光源２００の全出力パワーがＰであり、スペクトル帯域幅がＷである場合、波長可変フィルタ２１６を通過した後の光ビーム１３４内のピーク全出力パワーｐは、以下の式によって与えられる。
【００５６】
【数６】
0005509336.tif 000007
【００５７】
上記近似は、Ｗ＞＞ｗｆを仮定している。ＲＷＧバイオセンサ１０２からの反射におけるピークパワーは、
【００５８】
【数７】
0005509336.tif 000008
【００５９】
であり、この値は、狭帯域波長可変レーザのパワーレベルと同等である。２０ｍＷ及び１００ｍＷのパワーレベルにおいて２０ｎｍのＦＷＨＭを有するＳＬＤ広帯域光源２００は、商用的に利用可能である。０．８ｎｍのバイオセンサ共振線幅を有するＲＷＧバイオセンサ１０２と同等のパワーレベルは、各々０．５６ｍＷ及び２．８ｍＷである。これらのパワーレベルは、スイープ波長検出に対して十分である。
【００６０】
角度調整フィルタ
ファブリペローエタロンのスペクトル透過は、以下のように表され得る。
【００６１】
【数８】
0005509336.tif 000009
【００６２】
ここで、フィネス（finesse）は、以下の式によって与えられる。
【００６３】
【数９】
0005509336.tif 000010
【００６４】
そして、自由スペクトル領域ＦＳＲは、以下の式によって与えられる。
【００６５】
【数１０】
0005509336.tif 000011
【００６６】
ここで、Δは光経路長差であり、以下のように表される。
【００６７】
【数１１】
0005509336.tif 000012
【００６８】
ここで、θはキャビティ内の内部入射角であり（図１１の挿入図を参照）、ｎはキャビティの屈折率、ｄはキャビティの厚さである。フィルタスペクトル線幅のＦＷＨＭは、単にＦＳＲ／Ｆである。
【００６９】
図１２は、互いに反対を向いた側面２４２を有する薄いガラス基板２４０から形成されている例示のフィルタ部材２１７の分解組み立て側面図である。柔軟なディスプレイに使用される薄いガラスシートがガラス基板２４０に使用され得る。機械的剛性を維持するために、１つの例において、基板２４０の厚さＴＨは、９．３ｎｍのＦＳＲをもたらす２５μｍよりも大きいのが好ましい。反射コーティング２４６は、一方または両方の側面２４２上に配されるのが好ましく、この反射性は、所定の角度範囲に亘って所望のフィルタスペクトル線幅をもたらすようデザインされる。反射コーティング２４６は、通常は１または複数の薄膜層２４８を含む。
【００７０】
図１３は、図１２と同様の分解組み立て側面図であり、フィルタ部材２１６の他の例を示している。この図において、比較的薄いガラス基板２４０が、波長可変フィルタとして提供される堆積材料の薄膜積層構造を機械的に支持するために用いられる。２つの反射層２６０が固体キャビティ層２６２を挟み込み、それによって、単一のキャビティフィルタ部材２１７が形成される。高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）フィルタと同様の矩形の透過率特性（square band pass）を有する複数キャビティのフィルタは、同様の層を用いて製造され得る。図１３の薄膜積層フィルタ部材２１７は、堆積処理が、層２６０及び２６２の厚さ及び一様性の良好な制御を可能にすることによって、フィルタスペクトル線幅に亘って良好な制御が可能になるという利点を有している。
【００７１】
図１３のフィルタ部材２１７が図１１の２経路波長可変光源デザインに使用される１つの例において、反射層２６０は、高反射性Ｈのスタック及び低反射性Ｌコーティング(フィルム)を、ＨＬ−ＨＬ−ＨＬ（すなわち（ＨＬ）３）構成で含んでおり、キャビティ層２６２は、１つの実施例において１２μｍの厚さを有するＳｉＯ２の層を含む。実施例において、ＭｇＦ２は、低屈折率４分の１波長コーティングＬに使用され得、ＴｉＯ２が高屈折率４分の１コーティングＨに使用され得る。フィルタ部材２１７の一例は、約２ｍｍの厚さを有し、１０×１０ｍｍ２に切断され得る。実施例において、フィルタ部材２１７の中心波長は、フィルタ部材領域に亘って＋／−０．１ｎｍ内で一定であってもよい。
【００７２】
波長可変フィルタ２１６の一例の１経路フィルタスペクトル線幅（すなわち、透過率）は、入射角が各々φ＝５°及びφ＝１４°の場合について、図１４及び図１５に強度対波長でプロットされている。１０ｎｍの調整範囲は、フィルタスペクトル線幅の形状を実質的に一定に維持しつつ達成された（すなわち、フィルタスペクトル線幅内の実質的な変化のみが中心波長の変化であった）。φ＝５°において、Ｐ偏光及びＳ偏光曲線は単一の軌跡によって示されているように実質的に重なっている。φ＝１４°において、Ｐ偏光曲線は、この偏光に対してミラーの反射率が低下する故に僅かに広くされる。図１５の透過率プロット内のＳ偏光曲線１５０及びＰ偏光曲線１５５における僅かな違いによって示されているように角度調整が線形でなくとも、角度走査の速度の変更が、非線形性を補償しかつ一定波長のスイープレートの生成を可能とする。
【００７３】
ビーム透過率が補償される必要がある適用例において、図１１の波長可変光源１０６の２経路実施例が、全調整角度φに対する補償を提供する。実施例において、光ビーム２１０は、直線偏光子２１４の効果によって全透過するようにアラインメントされた偏光を伴って偏光ビームスプリッタ２５０に進入する。角度φが小さい場合、フィルタスペクトル線幅は、偏光に対して独立している。光経路がフィルタ部材２１７を２度通過する故に、１経路フィルタスペクトル線幅（フィルタ関数）のデザイン幅は√２倍に増加させられる。
【００７４】
図１６には、例示のカスタム波長可変フィルタ２１６の比較的大きな波長範囲に亘ってフィルタスペクトル線幅がプロットされており、ＦＳＲ１６０は約２０ｎｍであり、目標とする垂直入射等角ピークは８３８ｎｍであり、この値は、８４０ｎｍのＳＬＤ中心波長と非常に近い。
【００７５】
図１１とともに上述されたように、フィルタ部材２１７は、フィルタ支持デバイス２２６によって支持されており、フィルタ支持デバイスは、光軸Ａ２に対してフィルタ部材２１７の配向（すなわち入射角φ）を調整し、狭帯域コリメート済光源１３４の中心波長を調整する（図１）。例示のフィルタ支持デバイス２２６は、回転ステージまたはガルバノメータスキャナを含んでいる。ガルバノメータスキャナは、産業用途において広く使用されており、高い信頼性及びコスト効果を有している。商用的に利用可能なガルバノメータスキャナは、２μラジアンから８μラジアンの角度再現性を有し、これは０．５１ｐｍから０．１３ｐｍの波長再現性に対応している。この誤差は、約５１ｆｍから約１３ｆｍのノイズをセンサインタロゲーション誤差に与えるが、これは無視できるものである。閉回路ガルバノメータスキャナに基づいたフィルタ支持デバイス２２６は、２ｋＨｚまでの周波数において動作可能であり、制御電圧±５Ｖに対する機械的角度操作範囲１２°及び２００μ秒の短いステップ応答時間を有する。フィルタ２１６を支持するガルバノメータベースのフィルタ支持デバイス２２６に制御電圧に応じてキャリブレーションされたフィルタスペクトル線幅の中心波長は、図１７に示されている。
【００７６】
実施例において、フィルタ支持デバイス２２６の角度動作は、コントローラ１５０内のデータ収集ボード（図示せず）によって生成された１６ビットバッファアナログ電圧波形によって制御される。この電圧波形は、１つの例において約２秒かかり、かつ８２６ｎｍから８３６ｎｍの波長幅をカバーする直線波長スイープをもたらす。光学的結像器１４０は、アナログ電圧出力波形の開始点と同期され得る。実施例において、４００個の電子画像１４５の全てが、波長可変フィルタ２１６が調整範囲を直線的にスイープする際に取得される。
【００７７】
ガルバノメータベースのフィルタ支持デバイス２２６のデジタル電圧ランプ関数は、直線波長スイープを生成するために、図１７に示されているようなキャリブレーション曲線に基づいてデザインされる。電子画像（すなわち、センサスペクトル）１４５のデジタルフィルタリングは、式（１）のコンボリューションの故に不要である。低時間的コヒーレンス波長可変光源１０６に有利な効果を示すために、画像センサ１４４の単一のピクセルから測定されるインタロゲーションスペクトル（強度対波長）を、高時間的コヒーレンス波長可変レーザ光源及び本発明の低時間的コヒーレンス波長可変光源１０６に基づいて、ＲＷＧバイオセンサ１０２から反射された一連の光ビーム１３５Ｒを測定することで得た。結果の各々は、図１８Ａ及び図１８Ｂにプロットされている。例えば、デジタル画像１４５内の寄生干渉縞を除去するためにデジタルフィルタリングを不要とする等、画像処理を簡略化する図１８Ｂのプロットにおける干渉縞の不在に留意する。システム１００の更新レートは、デュアルコアプロセッサ１５２に対して比較的速い３秒である。干渉縞の欠如は、フィルタスペクトル線幅の故である。スペクトル的及び空間的寄生縞無しに、画像センサ１４４は、例えば２００Ｈｚまでの非常に速い更新レートをもたらす強度モードにおいて動作可能である。
【００７８】
図１８Ｂのプロットは、式（１）のコンボリューションを表している。実施例において。共振波長λＲ（プロット内で破線で示されている）は、セントロイドアルゴリズム（例えば、第１のモーメントセントロイドアルゴリズム）を適用してプロセッサ１５２によって図１８Ｂのデータから判定される
図１９は、２つの例示のバイオセンサ共振スペクトルをプロットしており、実線のバイオセンサ共振線幅の５０％の透過率の点に固定されているフィルタ中心波長を示している。ＲＷＧバイオセンサ共振波長（破線曲線）のシフトは、センサ反射性の変化として及び画像センサ１４４において検出された強度の変化として検出される。この方式において、ラベルフリー画像化の速度は、画像センサ１４４のフレームレートと同じ速度であり得、かつ画像センサ電子装置１４６が許容する速度であり得る。この動作方式は、狭いダイナミックレンジを有するアッセイに適している。
【００７９】
検出画像強度と共振波長との間の関係は、動作点の選択に基づいて、−０．６ｎｍから１．５ｎｍまたは−１．５ｎｍから０．６ｎｍの有効ダイナミックレンジに亘ってキャリブレーションされる。このレンジは、最も細胞ベースなアッセイに対しても十分である。比較的狭いダイナミックレンジの故に、この手法は、共振一様性及びアッセイ波長シフトがダイナミックレンジ内にある、単一または少数のＲＷＧバイオセンサの画像化に適している。さらに広いダイナミックレンジは、バイオセンサ共振線幅またはフィルタスペクトル線幅をさらに広くデザインすることによって達成され得る。実施例において、手作業の波長調整は、自動化された調整（例えば、ガルバノメータベース）に置き換えられ得、画像強度はデジタル画像１４５に直接変換され得る。このことは、ラベルフリー画像化速度がＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラの画像加速度に適合することを可能とし、その速度は１ｋＨｚであり得る。このような単純かつ高速な光学リーダは、波長可変光源１０６によって可能にされ得る。
【００８０】
１つの実施例において、コントローラ１５０は、ソフトウェアインタフェースを含み、ディスプレイ１５６において、リアルタイム更新のラベルフリー画像、ラベルフリー画像の初期の画像と比較しての差、及び各々のウェル内の平均化された共振波長の動態（kinetics）のうちの少なくとも１つを表示する。アッセイにおけるラベルフリー画像１４５のシーケンスは、さらなるデータ処理のためにメモリ１５４内のバイナリファイル内に保存される。
【００８１】
スペクトル平坦化フィルタ
ＳＬＤ及びＬＥＤ等の広帯域光源２００は、ガウス関数によって近似可能なベル形状スペクトルを有する。調整範囲に亘って一定なパワーを必要とする応用例において、広帯域光源のスペクトルプロファイルは、平坦化されなければならない。図２１を参照すると、図１０に示されたのと同様の実施例において、平坦化が、フィルタ部材２１９及びフィルタ支持デバイス２２６を有するスペクトル平坦化フィルタ２１８を用いて達成され、この場合において、例えば、フィルタ部材２１９は、角度調整された固体エタロンを含む。例えば、広帯域光源が２０ｎｍのＦＷＨＭスペクトル帯域幅を有している場合、エタロンベースのスペクトル平坦化フィルタ２１８は、１．５のフィネス及び２３ｎｍのＦＳＲを伴ってデザインされ得る。エタロンベースのスペクトル平坦化フィルタ２１８の中心波長は、角度調整によって最適化される。光源スペクトル２１００、フィルタ関数２１１０（フィルタスペクトル線幅）、及び平坦化された光源スペクトル２１２０の例は、図２１の振幅対波長のプロットにおいて比較される。
【００８２】
低空間コヒーレンスを有する波長可変光源
上述のように、例示の高輝度広帯域光源は、ＳＬＤ及び非線形光ファイバを含む。このような光源は、時間的に非コヒーレントであるが、実質的に空間的コヒーレンスを有する。結果として、光経路に沿った欠陥から生成された散乱波は、主波面とコヒーレントに干渉し、時間的コヒーレント長がＲＷＧセンサ基板の厚さよりも短い場合でも、干渉縞またはスペックルパターンをもたらす。
【００８３】
図２２は、広帯域光源２００にＳＬＤを用いる波長可変光源からの入射光１３４Ｉによって照明されているＲＷＧバイオセンサ１０２のデジタル画像である。白い円３０２は、例示のスペックルパターン３０４を囲んでおり、画像内には複数の他のスペックルパターンが存在する。
【００８４】
スペックルパターン３０４は、インタロゲーションされたＲＷＧバイオセンサ応答を変化させる遅く変化するスペクトルプロファイルを与えることによって、光学リーダシステムの性能に不利な効果をもたらす。さらに、スペックルパターンの干渉性は、当該パターンに温度及びドリフト（drift）に対する高い感受性をもたせ、センサの出力において人為的な（artificial）シフトを生起させる。これらの効果は、光リーダシステムの正確性に不利な影響を与える。
【００８５】
図２３は、広帯域光源２００が実質的に空間的に非コヒーレントな領域拡張広帯域光源２０１を含んでいることを除いて、図１０と同様の波長可変光源の一例の図である。１つの例において、実質的に非コヒーレントな広帯域光源２０１は、図２４の広帯域光源２０１の拡大図に示されているように、１または複数の実質的に空間的に非コヒーレントな光エミッタ２０３、例えばＬＥＤ、を含む。他の例において、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１は、フィラメントベースの光源またはランプを含む。１つの例において、レンズ２０２は、実質的に非コヒーレントな広帯域光源２０１のサイズ及び光出射パターンに基づく焦点距離を有している。
【００８６】
光エミッタ２０３としてのＬＥＤの使用は、ＬＥＤが高い信頼性を有し、比較的コストが低く、コンパクトであり、電力消費量が比較的少なく、かつ比較的広いスペクトル範囲に亘って実質的に非コヒーレントな光を出射する点で有利である。実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１は、図２４に示されているような光エミッタ２０３の直線アレイを含んでもよいか、または様々な形状（正方形、円、長方形等）を有する２次元アレイとして構成されていてもよい。図２５は、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１の寸法（長さＬ、幅Ｄ）、及び対応する波長可変フィルタ２１６のフィルタ部材の幅ｗが示されている。１つの例において、２Ｄ≦Ｌ≦１０Ｄであり、関連する例において、Ｌ＝８Ｄである。
【００８７】
例示の実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１は、０．３×０．３ｍｍ２のＬＥＤ素子を１次元ＬＥＤアレイにパッキングすることによって形成されてもよい。この例の変形例は、１または複数の大きなＬＥＤエミッタを覆うようにスリット開口（図示せず）を配置し、当該１または複数のＬＥＤの出力を、スリット開口を有する平面に光学的に出射させ、それによって、仮想的な細長光源２０１を形成することを含む。他の例において、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１の様々な形状・配列が、スーパールミネッセントダイオード及び回転ディフューザーを用いて形成されてもよい。
【００８８】
空間的にコヒーレントな点光源と異なり、領域拡張光源は、光の異なった角度成分が異なったフィルタ関数の影響を受ける故に、完全にコリメートすることはできない。従って、波長可変光源１０６において、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１を用いる際は、追加的なスペクトル広帯域化効果がある。この角度に起因するスペクトルの広帯域化は、完全にコリメートされたビーム２１０のために波長可変フィルタ２１６のスペクトル幅ｗｆ以下であることが望ましい。
【００８９】
１つの例において、フィルタリングされた光ビーム１３４の最適化されたスペクトル幅は、ＲＷＧバイオセンサ１０２のスペクトル幅を略同一である。従って、角度に起因するスペクトルの広帯域化は、波長可変フィルタ２１６のスペクトル幅と同一であり、波長可変フィルタの最適スペクトル幅は、ＲＷＧバイオセンサ１０２の共振スペクトル幅の１／√２倍である。
【００９０】
図２３から図２５を再度参照すると、例示の実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１は、長さＬ及び幅Ｄを有し、コリメートレンズ２０２は焦点距離ｆを有している。フィルタ部材２１７は、幅ｗ＞＞Ｄを有している。これらの光源寸法は、光源２０１の実施のサイズであるかまたは光源の光学像のサイズであり得る。
【００９１】
ｆ＞＞Ｄの場合、（実質的に）コリメートされたビーム２１０は、以下のようにｘ方向及びｙ方向に角度的な拡がりを有している。
【００９２】
【数１２】
0005509336.tif 000013
【００９３】
波長可変フィルタ２１６の中心波長λは、以下の関係をもって入射角φによって決まる。
【００９４】
【数１３】
0005509336.tif 000014
【００９５】
ここで入射角の拡がりは以下のようになる。
【００９６】
【数１４】
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【００９７】
このｘ方向における角度的拡がりΔＸは、ｙ方向における角度的拡がりΔｙよりも非常に大きい効果を有する。
【００９８】
例として、実効屈折率ｎ＝１．７２の高屈折率フィルタキャビティを仮定すると、最小入射角は、約φ＝６°となり得、Δｙは±２°となり得、入射角に著しい影響は与えない。８２０ｎｍから８４０ｎｍの波長調整範囲を達成するために、必要な最大入射角は約φ＝２２．８であり、最大ｄλ／ｄφ傾きは１．８ｎｍ／度であってもよい。
【００９９】
光ビーム２１０内の入射角の拡がりΔφは、実効フィルタ帯域幅において、短波長端においてさらに著しい影響を有する。この線幅拡張効果を低減するために、ｘ方向の角度的拡がりを最小化するのが望ましい。ｙ方向の角度的拡がりΔｙを有することは、許容可能なレベルまで空間的コヒーレンスを低下させるのに十分である。他方、レーザ及びＳＬＤと異なり、他の光源の輝度は非常に低く、その光は実質的に全角度に出射される（すなわち、実質的にランバーシアン（Lambertian）である）。
【０１００】
従って、広い発光面積（Ｌ×Ｄ）を備える実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１を有すること、及び当該光源によって出射された光２１０のうちの多くの角度の光を収集することが望ましい。例示のトレードオフは、波長可変フィルタ２１６のデザインされたスペクトル幅と同一の、角度に起因するスペクトル拡張を有することである。例えば、角度的拡がり全体がΔφ＝０．５のであることは、０．９ｎｍのスペクトル拡張をもたらす。角度要求及びＬＥＤエミッタの実際のサイズは、コリメートレンズ２０２の最小焦点距離ｆを定める。実際、低いＦ値のコリメートレンズ２０２は、光２１０を最大限に収集するために使用される。このことは、フィルタ部材２１７における最小サイズ要求を暗に示す。
【０１０１】
角度調整されたフィルタ２１６の１つの実施例は、フィルタスペクトル幅ｗｆが１ｎｍにデザインされ、垂直入射光において８３８．５ｎｍに中心が置かれているものである。この１ｎｍのスペクトル幅は、最適値に近く、かつ製造に実用的である。自由スペクトル領域波長可変フィルタ２１６は、１００ｎｍ以上である。波長可変フィルタは、２４×１８ｍｍ２のサイズに切断されている。中央波長一様性は、０．１ｎｍより良い。
【０１０２】
例示のＬＥＤ光エミッタ２０３は、８３０ｎｍの中心波長及び４０ｎｍのスペクトルＦＷＨＭを有している。ＬＥＤ光エミッタ２０３の例示の寸法は、０．３×０．３ｍｍ２であり、例示の出射半角は６０°である。例示のＬＥＤ光エミッタ２０３は、１００ｍＡの最大駆動電流を有し、約１０ｍＷ／ｓｒの放射密度を有している。
【０１０３】
図２３を参照すると、ＬＥＤベースの広帯域光源２０１からの光２１０は、例えば３５ｍｍの焦点距離及び２５ｍｍの直径（すなわち開口）を有するコリメートレンズ２０２によってコリメートされる前に偏光子２１４を通過させられる。この焦点距離ｆは、光ビーム２１０の角度的拡がりΔφを０．５°未満に制限するために、一例として選択されている。このＬＥＤ部ベースの実質的に非コヒーレントな広帯域光源２０１は、コリメートレンズ２０２から焦点距離ｆだけ離間して配されている。実質駅にコリメートされた光ビーム２１０は、偏光子２１４を通過し、その後フィルタ部材２１７を通過する。ＬＥＤ発光が十分に空間的に一様である故に、１経路構成で十分である。
【０１０４】
上述のように、１つの例において、入射角φは、ガルバノメータによって、１．２°／Ｖの傾きで電圧に応答するガルバノメータによって制御される。例示の波長可変フィルタ２１６は、Ｖ＝０の場合にオフセット角φ＝１１°を有する。
【０１０５】
図２６は、実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１を使用する波長可変光源１０６を用いて生成されたフィルタリング済光ビームのファミリーの相対的なスペクトル振幅対波長（ｎｍ）をプロットした図である。スペクトルは、制御電圧を−８Ｖから＋８Ｖに変化させて、ほぼ一定な振幅及びスペクトル形状で１８ｎｍに亘って調整されている。スペクトル幅は、長波長端において１．５ｎｍであり、短波長端において１．８ｎｍに僅かに広がっている。この調整範囲は、ＲＷＧバイオセンサ１０２のインタロゲーションにとって十分である。
【０１０６】
図２７は、図２７の画像が実質的に空間的に非コヒーレントな広帯域光源２０１を有している波長可変光源１０６を用いて撮影されていることを除いて、図２２と同様の図である。図２２に置いて存在したスペックルパターンは、図２７において完全に除去されており、照明の空間的一様性が向上している。
【０１０７】
図２８は、従来の画像センサピクセルに関する合成されたスペクトルの相対振幅対波長（ｎｍ）のプロット図である。図２８におけるインタロゲーションされたスペクトルの幅は、約２ｎｍ（図１８Ｂ参照）から３．８ｎｍに幅が拡がっている。この拡がりは、ＲＷＧバイオセンサ１０２に入射するインタロゲーションビーム１３４Ｉの広角拡散の故もある。この拡がりは、インタロゲーションビーム１３４Ｉを拡大することによって低減され得る。波長可変光源１０６の低い時間的及び空間的コヒーレンスの故に、合成されたスペクトル内には実質的にスペクトルリップルが存在しない。
【０１０８】
波長可変光源を使用する光学インタロゲーションシステム
バイオセンサ共振線幅に合致するフィルタスペクトル線幅を有する波長可変光源１０６は、フォトダイオードベースのマルチチャンネル光学リーダ及びＣＣＤ／ＣＭＯＳベースの撮像光学リーダを含む掃引波長光学リーダにおいて使用されるのに適している。波長可変光源１０６は、従来技術の光学リーダシステムにおいて使用されていた狭帯域波長可変レーザに取って代わることが可能である。測定されたセンサスペクトルは、入射光ビーム１３４Ｉの比較的広いスペクトル線幅及びバイオセンサ共振線幅のコンボリューションであり、この演算はセンサから干渉縞を自動的に除去する。
【０１０９】
この波長可変光源１０６の単純さ及び高い性能は、結像系１１４をコンパクトにすることを可能にし、ＬＩＤ光学リーダシステム１００を非常にコンパクトにすることを可能にする、すなわちフォームファクタを小さくする。フォームファクタの一例は、２５．４ｃｍ（１０インチ）×１０．１６ｃｍ（４インチ）×１７．７８ｃｍ（７インチ）である。このフォームファクタは、システム１００をスーツケースサイズまたはブリーフケースサイズの筐体内に収めることを可能にし、システムを容易に搬送可能にする。
【０１１０】
当業者にとって、本明細書に記載されている本発明の好ましい実施例に対する様々な変更は、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の精神または本発明の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内及びその均等の範囲内にある変形例及び変更例を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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