(57)【要約】      （修正有）【課題】撮像システム用のチューブレンズを提供する。【解決手段】撮像システム１００用のチューブレンズは、第１の光学要素、第２の光学要素及び第３の光学要素を含む。第１の光学要素は、対物レンズ１４２からの発散光を対物レンズとチューブレンズとの間の光路に沿って受光し、対物レンズから受光した発散光を第２の光学要素の上に収束するように構成される。この例では、第１の光学要素は第２の光学要素に対してその長手方向軸に沿って移動可能であり、第３の光学要素は光を撮像システムのイメージセンサの上に収束するように構成される。【選択図】図１Ａ
2018151625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光発生モジュールに光学的に結合され、光を試料上にフォーカスする対物レンズと、
前記対物レンズに光学的に結合されたチューブレンズと、
を備え、
前記チューブレンズは第１の光学要素及び第２の光学要素を備え、前記第１の光学要素は前記対物レンズから受光される発散光を前記第２の光学要素上に収束するものであり、且つ前記第１の光学要素は前記第２の光学要素に対してその長手方向軸に沿って移動可能である、撮像システム。
【請求項２】
前記第２の光学要素に光学的に結合された第３の光学要素を更に備え、前記第３の光学要素は光を前記撮像システムのイメージセンサ上に収束するものである、請求項１記載の撮像システム。
【請求項３】
前記第１の光学要素は正要素であり、前記第２の光学要素は負要素であり、及び前記第３の光学要素は正要素である、請求項２記載の撮像システム。
【請求項４】
前記第１の光学要素はダブレットレンズであり、且つ前記第２の光学要素はダブレットレンズである、請求項３記載の撮像システム。
【請求項５】
前記第３の光学要素は前記撮像システムを前記イメージセンサ側でテレセントリックにするものである、請求項３記載の撮像システム。
【請求項６】
前記対物レンズから受光される発散光は前記対物レンズの後開口から出射する周辺光の視野の中心で測って約０．２５〜約１度の角度で発散する、請求項３記載の撮像システム。
【請求項７】
前記第１の光学要素をその長手方向軸に沿って平行移動させる台を更に備える、請求項３記載の撮像システム。
【請求項８】
前記第１の光学要素はその長手方向軸に沿って少なくとも約５ｍｍの距離平行移動し得る、請求項３記載の撮像システム。
【請求項９】
前記撮像システムは球面収差を補正するために前記対物レンズを調整する機構を備えていない、請求項２記載の撮像システム。
【請求項１０】
前記撮像システムはシーケンシングシステムである、請求項１記載の撮像システム。
【請求項１１】
撮像システム用のチューブレンズであって、前記チューブレンズは、
対物レンズと前記チューブレンズとの間の光路に沿って前記対物レンズからの発散光を受光する第１の光学要素と、
第２の光学要素とを備え、
前記第１の光学要素は前記対物レンズから受光される発散光を前記第２の光学要素上に収束し、且つ前記第１の光学要素は前記第２の光学要素に対してその長手方向軸に沿って移動可能であり、更に、
光を前記撮像システムのイメージセンサ上に収束する第３の光学要素を備える、チューブレンズ。
【請求項１２】
前記第１の光学要素は正要素であり、前記第２の光学要素は負要素であり、及び前記第３の光学要素は正要素である、請求項１１記載のチューブレンズ。
【請求項１３】
前記第１の光学要素はダブレットレンズであり、且つ前記第２の光学要素はダブレットレンズである、請求項１２記載のチューブレンズ。
【請求項１４】
前記第３の光学要素は前記撮像システムを前記イメージセンサ側でテレセントリックにする、請求項１２記載のチューブレンズ。
【請求項１５】
前記第３の光学要素はシングレット又はダブレットレンズである、請求項１４記載のチューブレンズ。
【請求項１６】
前記対物レンズから受光される発散光は前記対物レンズの後開口から出射する周辺光の視野の中心で測って約０．２５〜約１度の角度で発散する、請求項１２記載のチューブレンズ。
【請求項１７】
前記第１の光学要素はその長手方向軸に沿って少なくとも約５ｍｍの距離平行移動し得る、請求項１２記載のチューブレンズ。
【請求項１８】
前記第１の光学要素はその長手方向軸に沿って最大で約２５ｍｍの距離平行移動し得る、請求項１７記載のチューブレンズ。
【請求項１９】
前記第１の光学要素をその長手方向軸に沿って平行移動させる台を更に備え、前記第１の光学要素の平行移動は前記第１の光学要素と前記第２の光学要素との間の光路の長さを変化させる、請求項１１記載のチューブレンズ。
【請求項２０】
前記チューブレンズは約１５０ｍｍ〜約３５０ｍｍの焦点距離を有する、請求項１２記載のチューブレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本願は、２０１７年３月８日に出願された「連続球面収差補正チューブレンズ」と題する米国仮特許出願第６２／４６８，７９２号の優先権を主張するものであり、その全内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。本願は、２０１７年５月５日に出願された「連続球面収差補正チューブレンズ」と題するオランダ国特許出願第Ｎ２０１８８５９号の優先権も主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像システムの球面収差は、点光源からの軸外光線及び軸上光線を単一焦点に集束することができないことにより生じる。これは可変の厚さを有する試料（即ち多面試料）を撮像する高開口数レンズの撮像性能に影響を及ぼす主な収差である。可変厚さを有する試料に対して、球面収差は試料の厚さの関数として変化し得る。場合によっては、熱環境（例えば試料の熱膨張）の変化も球面収差を導入する。従来、顕微鏡ベンダーは対物レンズの調整カラーを調整して球面収差を補償する能力を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
設計上の配慮から、一部の撮像機器は対物レンズに球面収差を補正するための要素を含めることができない。多面試料の撮像システムの現在の一つの実装例では、焦点が第１の撮像面（例えば、試料の上面)にあるか、第２の撮像面（例えば、試料の底面）にあるかに応じて、補正レンズを対物レンズからイメージセンサまでの光路内に入れたり出したりすることができる。しかしながら、このような設計は２つの面に沿う不連続の球面収差補正を提供するだけで、異なるカバーガラス厚又は環境の温度変化を有する試料に適応し得ない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書には撮像機器用のチューブレンズのいくつかの例が提供される。
【０００５】
第１の例において、撮像システム用のチューブレンズは、第１の光学要素、第２の光学要素及び第３の光学要素を含む。本例では、第１の光学要素は、対物レンズからの発散光を対物レンズとチューブレンズとの間の光路に沿って受光し、対物レンズから受光した発散光を第２の光学要素の上に収束するように構成される。この例では、第１の光学要素は第２の光学要素に対してその長手方向軸に沿って移動可能であり、第３の光学要素は光を撮像システムのイメージセンサの上に収束するように構成される。
【０００６】
この第１の例の様々な実施形態では、第１の光学要素は正要素であり、第２の光学要素は負要素であり、第３の光学要素は正要素である。第１及び第２の光学要素はダブレットレンズとしてよい。第３の光学要素はシングレット又はダブレットレンズとしてよい。いくつかの実施形態では、第３の光学要素は撮像システムをイメージセンサ側でテレセントリックにするよう構成される。
【０００７】
いくつかの実施形態では、対物レンズから受光される発散光は対物レンズの後開口から出射する周辺光の視野の中心で測って約０．２５〜約１度の角度で発散する。第１の光学要素はその長手方向軸に沿って最大で約２５ｍｍまでの距離平行移動することができる。チューブレンズは約１５０ｍｍ〜約３５０ｍｍの焦点距離を有することができる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、チューブレンズは第１の光学要素をその長手方向軸に沿って平行移動させる台を含むことができ、第１の光学要素の平行移動は第１の光学要素と第２の光学要素との間の光路の長さを変化させる。
【０００９】
第２の例において、撮像システムは、光発生モジュールに光学的に結合され、光を試料の上にフォーカスする対物レンズと、前記対物レンズに光学的に結合されたチューブレンズとを含む。本撮像システムは本明細書に記載されるチューブレンズを使用することができる。特定の実施形態では、本撮像システムはシーケンシングシステム（例えば、ＤＮＡシーケンシングシステム）である。本撮像システムは、いくつかの実施形態では、球面収差を補正するために対物レンズを調整する機構を備えなくてもよい。
【００１０】
開示の技術の他の特徴及び態様は、開示の技術の実施形態の特徴を例示する添付図面と関連してなされる以下の詳細な説明から明らかになる。概要は本明細書に記載する発明の範囲を限定するものでなく、発明の範囲は請求項及びそれらの均等物により特定される。
【００１１】
上記のコンセプトのあらゆる組み合わせ（これらのコンセプトが相互に矛盾しなければ）は本明細書に開示の発明の要旨の一部としてみなせることを理解すべきである。特に、本開示の終わりに記載される請求の要旨のあらゆる組み合わせは本明細書に開示の発明の要旨の一部分としてみなせる。
【００１２】
本開示の発明は、１つ以上の様々な実施形態に従って、下記の図面を参照して詳細に説明される。図面は説明のためにのみ提供され、例示的な実施形態を示しているにすぎない。更に、図を明瞭且つ容易にするために、図中の要素は必ずしも正しいスケールで示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本明細書に開示されるシステム及び方法を実装し得る例示的な画像走査システムを示す。
【図１Ｂ】特定の実施形態に実装し得る例示的な２チャネルライン走査モジュラー光学撮像システムを示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、本明細書に開示される実施形態に係る例示的なモジュラー光学解析システムを示す側面図である。図２Ｂは、本明細書に開示される実施形態に係る図２Ａのシステムの発光光学モジュールのための光学アセンブリの例示的構成を、チューブレンズ要素が２つの異なる位置にある場合について示す光線追跡ブロック図である。図２Ｃは、本明細書に開示される実施形態に係る図２Ａのシステムの発光光学モジュールのための光学アセンブリの例示的構成を、チューブレンズ要素が第１の位置にある場合について示す光線追跡ブロック図である。図２Ｄは、本明細書に開示される実施形態に係る図２Ａのシステムの発光光学モジュールのための光学アセンブリの例示的構成を、チューブレンズ要素が第２の位置にある場合について示す光線追跡ブロック図である。
【図３】図３Ａは、対物レンズが試料の第１の表面にフォーカスされとき、例示的なチューブレンズを第１の配置で含む例示的な撮像システムを示す光線追跡ブロック図である。図３Ｂは、対物レンズが試料の第２の表面にフォーカスされるとき、例示的なチューブレンズを第２の配置で含む例示的な撮像システムを示す光線追跡ブロック図である。
【図４】実施形態による連続球面収差補正チューブを制御する例示的な方法を示す動作フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に含まれる図のいくつかは開示の技術の様々な実施形態を異なる視角から示している。関連の説明文で「上面図」、「底面図」又は「側面図」に言及しているが、それは単に説明上のもので、他に特段の指示のない限り、開示の技術が特定の空間方位で実施又は使用されることを暗示し、要求するものではないことに注意されたい。
【００１５】
図面は完全に網羅しているわけではなく、本開示を開示されたそのものに限定されない。
【００１６】
本明細書で使用される、「ｘｙ面」という用語は直線軸ｘ及びｙで規定される２次元の領域を意図する。検出器及び検出器により観察される対象に関して使用される際は、この領域は更に、検出器と検出する対象との間の観察方向に対して直角であると規定することができる。本明細書でラインスキャナに言及するために使用される、「ｙ方向」という用語は走査の方向を指す。
【００１７】
本明細書で使用される、「ｚ方向」又は「ｚ軸」という用語は検出器で観察される対象の領域に直角の方向又は軸を規定する。例えば、光学システムのフォーカス方向はｚ軸に沿うと規定することができる。
【００１８】
本明細書で使用される、「光学的に結合」という用語は、１つの要素が別の要素に直接的に又は間接的に光を伝えるように構成されることを意味する。
【００１９】
上述したように、既存の撮像機器では、試料の上のカバーガラスの厚さにより導入される球面収差の補正は対物レンズの要素の位置を調整することによって行われている。しかしながら、一部の撮像機器では、対物レンズの要素の位置を調整することは望ましくないか、実行不可能であり得る。これは特に、例えば対物レンズがｚステージを用いてフォーカスを試料のターゲット上に維持するフォーカス追跡機構の重要部分である場合である。このような実装では、ｚステージは高帯域幅システムとして機能し、フォーカスの変化に迅速に対応し、試料の動きを補償しなければならない。ｚステージの帯域幅は対物レンズの質量に逆相関し得る。従って、付加質量（例えば、モータ又は他の対物レンズ調整機構）の追加は必然的にｚステージの帯域幅を低減する。更に、上述したように、精密追跡システムのモータはクロスカップリング誤差を導入し、球面収差補正モータとフォーカシングモータとの間に共振を生じさせ得る。
【００２０】
本明細書に開示する実施形態は、試料のカバーグラスの厚さ(又は他の理由)により導入される球面収差を補正するために、チューブレンズの要素を移動させることによって、上述した問題に対処する。チューブレンズは、そのレンズと対物レンズとの間の光路の長さを調整するために移動可能な前正要素と、中間負要素と、後正要素とを含み得る。チューブレンズの前正要素を調節することによって、球面収差をある範囲の試料の厚さ（例えば、カバーガラスの厚さ）の変化及び熱環境の変化、例えば球面収差に影響を及ぼす熱的に誘導されるレンズの変化及び屈折率の変化、に対して連続的に調整することができる。
【００２１】
本明細書に記載するチューブレンズ構造は、完全に無限に補正されない対物レンズを備える撮像機器を活用する。従って、対物レンズにより撮像された試料からの集光された光は対物レンズの後開口から出射するときコリメートされない。むしろ、光は僅かに（例えば、対物レンズの後開口を出射する周辺光線を視野の中心で測って０．２５〜１度）発散する。この近無限構成では、チューブレンズは前正レンズ要素を調節し、前正レンズ要素と中間要素との間の光路の長さ及びそれに対応して集束光を受光する中間要素の面積を調整する。チューブレンズの中間負要素上の光のフットプリントのこの調整は球面収差を調整するために使用することができる。従って、システムの球面収差は、チューブレンズの中間負要素により受光される光のフットプリントを変化させるために前要素を調節することによって補正することができる。更に以下で説明するように、これは光学撮像システムの倍率、歪み又は他の収差を変化することなく球面収差を補正することができる。
【００２２】
本明細書に開示するシステム及び方法の様々な実施形態を説明する前に、本明細書に開示する技術を実施し得る環境の例について説明するのが有用である。このような環境の一例は図１Ａに示す撮像システム１００の例である。本例の撮像システムは試料の画像を取得又は生成する装置を含み得る。図１Ａに概略示される例は背面照明設計実装の撮像構成を示す。本明細書に記載されるシステム及び方法は時々撮像システム１００の文脈で説明されるが、それらは開示の技術の実施可能な実施形態の一例にすぎない。当業者であれば、この詳細な説明を読んだ後で、本明細書に記載のチューブレンズはこの及び他のスキャナ、顕微鏡及び他の撮像システムでどのように実施できるか理解されるだろう。
【００２３】
図１Ａの例に示されるように、対象試料は試料容器１１０（例えば、本明細書ではフローセルとして示されている）の上に置かれ、試料容器１１０は対物レンズ１４２の下の試料台１７０の上に置かれる。光源１６０及び関連オプティクスがレーザ光などの光のビームを試料容器１１０上の選択した試料位置に向ける。試料は蛍光を発し、得られた光は対物レンズ１４２により集光され、蛍光を検出するためにカメラシステム１４０のイメージセンサに向けられる。試料台１７０は試料容器１１０上の次の試料位置を対物レンズ１４２の焦点に位置させるために対物レンズ１４２と相対的に移動される。試料台１７０と対物レンズ１４２の相対移動は、試料台自体、対物レンズ、光学ステージ全体又はそれらの任意の組み合わせを移動させることによって達成することができる。他の実施形態は撮像システム全体を静止試料の上方で移動させてもよい。
【００２４】
流体配送モジュール又は装置１００は試薬（例えば、蛍光標識ヌクレオチド、緩衝剤、酵素、切断試薬等）の流れを試料容器１１０に通して排出弁１２０へ送る。試料容器１１０は１つ以上の基板を含み、その上に試料が付与される。例えば、多数の異なる核酸配列を解析するシステムの場合には、試料容器１１０は１つ以上の基板を含み、その上にシーケンシングすべき核酸が固定、付着又は結合される。様々な実施形態では、基板は核酸を付着し得る任意の不活性基板又は基質、例えばガラス表面、プラスチック表面、ラテックス、デキストラン、ポリスチレン表面、ポリプロピレン表面、ポリアクリルアミドゲル、金表面及びケイ素ウェハなど、を含み得る。いくつかのアプリケーションでは、基板は試料容器１１０を横切ってマトリクス又はアレイ状に形成された複数の位置でチャネル又は他の領域内に位置する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、試料容器１１０は１つ以上の蛍光染料を用いて撮像される生物試料を含み得る。例えば、特定の実施形態では、試料容器１１０は、透明カバープレート、基板及びそれらの間に挟まれた液体を含むパターン化されたフローセルとして実装することができ、生物試料は透明カバープレートの内面又は基板の内面に置くことができる。フローセルは、基板内に規定のアレイ（例えば六角形アレイ、矩形アレイ等）にパターン化された多数（例えば、何千、何百万、何十億）のウェル又は領域を含み得る。各領域は、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の生物試料のクラスタ、又は例えば合成によるシーケンシングを用いてシーケンシングすることができる別のゲノム物質のクラスタを形成し得る。フローセルは更に、複数の離間したレーン（例えば８レーン）に分割してもよく、各レーンはクラスタの六角形アレイを含んでよい。本明細書に開示する実施形態で使用し得るフローセルの例は、米国特許第８，７７８，８４８号に開示されている。
【００２６】
本システムは、必要に応じ試料容器１１０内の流体の温度の状態を調整し得る温度ステーションアクチュエータ１３０及び加熱器／冷却器１３５も備える。カメラシステム１４０は、試料容器１１０のシーケンシングをモニタし追跡するために含めることができる。カメラシステム１４０は、例えば電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラ（例えば、時間遅延積分（ＴＤＩ）ＣＣＤカメラ）として実装することができ、フィルタスイッチングアセンブリ１４５内の様々なフィルタ、対物レンズ１４２及び集束レーザ／集束レーザアセンブリ１５０と相互作用することができる。カメラシステム１４０はＣＣＤカメラに限定されず、他のカメラ及びイメージセンサ技術を使用することができる。特定の実施形態において、カメラセンサは約５μｍ〜約１５μｍの画素サイズを有するものとしてよい。
【００２７】
カメラシステム１４０のセンサからの出力データはリアルタイム分析モジュール（図示せず）に通信され、この分析モジュールは、イメージデータ（例えば、画質のスコア）を分析し、レーザビームの特性（例えば、フォーカス、形状、強度、パワー、輝度、位置）をグラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）に報告又は表示し、更に以下で説明するように、イメージデータの歪みを動的に補正するソフトウェアとして実装することができる。
【００２８】
光源１６０（例えば、必要に応じ複数のレーザを含むアセンブリ内の励起レーザ）又は他の光源は、光ファイバインタフェース（必要に応じ１つ以上の再撮像レンズ、光ファイバ取り付け台を含み得る）を介して試料内の蛍光シーケンシング反応を照明するために含めることができる。図示の例には低ワット数のランプ１６５、フォーカシングレーザ１５０及び逆ダイクロイックも示されている。いくつかの実施形態において、フォーカシングレーザ１５０は撮像中ターンオフしてよい。他の実施形態において、別のフォーカス構成は第２のフォーカシングカメラ（図示せず）を含むことができ、このフォーカシングカメラは、データ収集と同時に表面から反射される散乱光の位置を測定するために、四分割検出器、位置敏感検出器（ＰＳＤ）又は類似の検出器を含み得る。
【００２９】
背面照明装置として示されているが、他の例は対物レンズ１４２を通して試料容器１１０上の試料に向けられたレーザ又は他の光源からの光を含み得る。試料容器１１０は、最終的には、対物レンズ１４２に対して試料容器１１０の相対的な移動及びアライメントをもたらすように試料台１７０に取り付けられる。試料台は３つの方向に移動し得るように１つ以上のアクチュエータを含み得る。例えば、カーテシアン座標系に関して、試料台を対物レンズに対してＸ，Ｙ及びＺ方向に移動し得るようにアクチュエータを設けることができる。これにより試料容器１１０上の１つ以上の試料位置を対物レンズ１４２と光学的にアライメントすることができる。
【００３０】
フォーカス（ｚ軸）コンポーネント１７５は、本例では、試料容器１１０に対する光学コンポーネントのフォーカス方向（一般的にｚ軸又はｚ方向と呼ばれる）の位置を制御するために含まれている。フォーカスコンポーネント１７５は、光学台又は試料台又はその両方に物理的に結合された１つ以上のアクチュエータを含み、撮像処理に適切なフォーカシングを提供するために、試料台１７０上の試料容器１１０を光学コンポーネント（例えば、対物レンズ１４２）に対して動かすことができる。例えば、アクチュエータはそれぞれの台に物理的に結合することができ、例えば機械的、磁気的、流体的又は他の連結又は接触によって直接又は間接的に結合することができる。１つ以上のアクチュエータは試料台を同じ平面（例えば、光軸に直角の水平面又は水平姿勢）に維持しながらｚ方向に移動するように構成することができる。１つ以上のアクチュエータは台を傾けるように構成することもできる。これは、例えば試料容器１１０がその表面の傾きを考慮して動的に水平になるように行うことができる。
【００３１】
システムのフォーカシングは、対物レンズの焦平面を選択した試料位置で撮像すべき試料と整列させることであると言える。しかし、フォーカシングは、試料の表示に関する所望の特性、例えば試験サンプルの画像の所望の鮮明さ又はコントラストなど、を得るためのシステムの調整とも言える。対物レンズの焦平面の使用可能な被写界深度は小さいかもしれない（約１μｍ以下のこともある）ため、フォーカスコンポーネント１７５は撮像される表面に密接に追従する。試料容器は機器に固定されるので完全に平坦ではないため、フォーカスコンポーネント１７５は、走査方向（本明細書ではＹ軸方向という）に沿って移動する間その輪郭に追従するように構成することができる。
【００３２】
撮像される試料位置で試験試料から発生する光は、カメラシステム１４０の１つ以上の検出器に向けられる。焦点領域から発生する光のみを検出器へ通すように、開口を含め、位置させることができる。開口は、焦点領域外から発生する光の成分を除去することによって画像品質を高めるために含めることができる。決定された発光波長を記録し、漂遊光を除去するために選択可能な複数の発光フィルタを、フィルタスイッチングアセンブリ１４５内に含めることができる。
【００３３】
図示されていないが、走査システムの動作を制御するためにコントローラを設けることができる。コントローラは、システム動作の特性、例えばフォーカシング、台移動、及び撮像動作など、を制御するように実装することができる。様々な実施形態では、コントローラは、ハードウェア、アルゴリズム（例えば、機械実行可能命令）、又はそれらの組み合わせを用いて実装することができる。例えば、いくつかの実施形態では、コントローラは、１つ以上のＣＰＵ又はプロセッサと関連のメモリを用いて実装することができる。別の例として、コントローラは、動作を制御するハードウェア又は他の回路、例えばコンピュータプロセッサ及び機械可読命令が記憶された非トランジトリコンピュータ可読媒体など、を備えることができる。例えば、この回路は以下のもの、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、結合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、プログラマブルアレイロジック（ＰＡＬ）又は他の類似の処理装置又は回路、の内の１つ以上を含み得る。更に別の例として、コントローラはこの回路と１つ以上のプロセッサとの組み合わせで構成することができる。
【００３４】
図１Ｂは、特定の実施形態に実装し得る２チャンネルライン走査モジュール光学撮像システム２００を示すブロック図である。システムおよび方法は本明細書に時々例示的な撮像システム２００の文脈で説明されるが、それらは開示の技術の実施可能な実施形態の一例にすぎない。本明細書に記載するチューブレンズはこの及び他のスキャナ、顕微鏡及び他の撮像装置で実装することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態において、システム２００は核酸のシーケンシングに使用することができる。適用可能な技術は、核酸がアレイの固定位置（例えば、フローセルのウェル）に付着される場合を含む。このような実施形態では、システム２００は、２つの異なるカラーチャネルで画像を得ることができ、特定のヌクレオチド塩基を別の塩基から区別するために使用することができる。特に、システム２００は「ベースコーリング」と呼ばれるプロセスを実行することができ、これは概して、撮像サイクルにおいて画像の所定のスポット位置に対してベースコール（例えば、アデニン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、又はチミン（Ｔ））を決定するプロセスを指す。２チャネルベースコーリング中に、２つの画像から抽出された画像データは、ベースアイデンティティを２つの画像の強度の組み合わせとして符号化することによって４つのベースタイプのうちの１つの存在を決定するために使用することができる。２つの画像の各々の所定のスポット又は位置に対して、ベースアイデンティティは信号強度の組み合わせが[on,on],[on,off],[off,on]又は[off,off]であるかどうかに基づいて決定することができる。
【００３６】
図に示されるように、システム２００はライン発生モジュール（ＬＧＭ）２１０を含み、その中に配置された２つの光源２１１及び２１２を備える。光源２１１及び２１２はレーザビームを出力するレーザダイオードのようなコヒーレント光源とすることができる。光源２１１は第１の波長（例えば、赤色波長）の光を放出し、光源２１２は第２の波長（例えば、緑色波長）の光を放出することができる。光源２１１及び２１２から放出された光ビームはビーム成形レンズ（単数）又はレンズ（複数）２１３に通すことができる。いくつかの実施形態では、両光源から出力される光ビームを成形するために単一の光成形レンズを使用してよい。他の実施形態では、各光ビームに対して別々のビーム成形レンズを使用してもよい。撮像システムのＬＧＭ２１０のビーム成形レンズ又は他の光学コンポーネントは、（例えば、１つ以上のパウエルレンズ、又は他のビーム成形レンズ、回折又は散乱光学コンポーネントを用いることによって）光源２１１及び２１２により放出された光をラインパターンに成形するように構成することができる。
【００３７】
ＬＧＭ２１０は更に、光ビームを単一のインタフェースポートを介して発光光学モジュール（ＥＯＭ）２３０へ向けるためにミラー２１４及び半反射ミラー２１５を含むことができる。光ビームはシャッター素子２１６を通過することができる。いくつかの実施形態では、ラインビームをシャッター素子２１６を通過する前にラインパターンに成形するためにパウエルレンズを用いることができる。ＥＭＯ２３０は、対物レンズ２３５と、対物レンズ２３５を軸方向にターゲット２５０に近づく又は離れるように動かすｚ台２３６を含むことができる。例えば、ターゲット２５０は液体層２５２と透明カバープレート２５１を含むことができ、生物試料はカバープレートの内面と液体層の下に位置する基板層の内面に置くことができる。ｚ台はその後、光ビームがフローセルの内面上にフォーカスする（例えば、生物試料にフォーカスされる）ように対物レンズを移動することができる。生物試料は、従来知られているように、光学シーケンシングに応答するＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は他の生物材料とすることができる。
【００３８】
ＥＯＭ２３０は、フォーカス追跡モジュール（ＦＴＭ）２４０から放出されたフォーカストラッキング光ビームをターゲット２５０へ反射し、その後ターゲット２５０から戻る光をＦＴＭ２４０へ反射して戻す半反射ミラー２３３を含むことができる。ＦＴＭ２４０は、戻されたフォーカス追跡光ビームの特性を検出し、ターゲット２５０への対物レンズ２３５のフォーカスを最適にするための帰還信号を発生する。
【００３９】
ＥＭＯ２３０は、光を対物レンズに向けるとともに、ターゲット２５０から戻る光を通すことができる半反射ミラー２３４も含むことができる。ＥＭＯ２３０はチューブレンズ２３２を含むことができ、チューブレンズ２３２は、以下で更に説明されるように、対物レンズとチューブレンズ２３２との間の光路の長さを調整し、球面収差（例えば、試料２５０の異なる面におけるフォーカシングにより生じる）を補正するために、長手方向に連続的に調節し得る要素を含むことができる。チューブレンズ２３２を通過した光はフィルタ素子２３１を通してカメラモジュール（ＣＡＭ）２２０へと入る。ＣＡＭ２２０は入射光ビームに応答して生物試料から放出される光（光源２１１及び２１２から受光した赤色及び緑色の光に応答して放出される蛍光）を検出するために１つ以上の光センサ２２１を含むことができる。
【００４０】
コントローラ２２５は撮像システム２１０の動作を制御するために設けることができる。コントローラ２２５はシステム２００に組み込んでも、又はシステムに通信可能に決合されたコンピュータ装置で実装してもよい。コントローラ２２５は、球面収差又は他の原因を補正するために、システム動作の特性、例えばフォーカシング、台移動、及び撮像動作、画像処理、及びチューブレンズ２３２の要素の調節（例えば前記要素の搬送台の調節）など、を制御するように実装することができる。様々な実施形態では、コントローラは、ハードウェア、アルゴリズム（例えば、機械実行可能命令）、又はそれらの組み合わせを用いて実装することができる。例えば、いくつかの実施形態では、コントローラは、１つ以上のＣＰＵ又はプロセッサと関連のメモリを用いて実装することができる。別の例として、コントローラは、動作を制御するハードウェア又は他の回路、例えばコンピュータプロセッサ及び機械可読命令が記憶された非トランジトリコンピュータ可読媒体など、を備えることができる。例えば、この回路は以下のもの、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、結合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、プログラマブルアレイロジック（ＰＡＬ）又は他の類似の処理装置又は回路、の内の１つ以上を含み得る。更に別の例として、コントローラはこの回路と１つ以上のプロセッサとの組み合わせで構成することができる。
【００４１】
ＣＡＭ２２０のセンサからの出力データはリアルタイム分析モジュール（図示せず）に通信される。様々な実施形態において、リアルタイム分析モジュールは、画像データ（例えば、画質スコア、ベースコーリング）を分析し、ビームの特性（例えば、フォーカス、強度、パワー、輝度、位置）をグラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）などに報告又は表示するコンピュータソフトウェアプログラム命令を実行する。
【００４２】
図２Ａは、本開示に従って球面収差を補正するために調節要素４５０を備えたチューブレンズ４００を実装することができる例示的なモジュラー光学解析システムを示す側断面図である。図２Ａに示されるように、ＬＧＭ３１０及びＥＯＭ３２０はアライメントされ得、互いに機械的に結合されるのみならず精密取付け板３５０に機械的に結合され得る。ＥＭＯ３２０は、ミラー４０８を介してチューブレンズ４００とアライメントされた対物レンズ５００を含み、対物レンズ５００はＬＧＭ３１０に光学的に結合されるため、ＬＧＭ３１０により発生された光ビームはＬＧＭ３１０とＥＯＭ３２０との間のインタフェースバッフルを透過し、対物レンズ５００を通過して光学ターゲットに衝突する。ターゲットからの応答光放射はその後対物レンズを通過してチューブレンズ４００に戻る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、ＥＭＯ３２０は、例えばアライメント時にアクチュエータにより制御されるｚ台に機械的に結合される。いくつかの実施形態では、ｚ台はフォーカスをフローセル上に維持するために精密コイルにより調節され且つ対物レンズを調整及び移動し得るフォーカシング機構により駆動される。例えば、フォーカスを制御し調整する信号はフォーカス追跡モジュールから出力される。このｚ台は、例えば対物レンズ５００、チューブレンズ４００及び／又はチューブレンズ４００のレンズ要素を調節することによってＥＭＯオプティクスをアライメントすることができる。
【００４４】
上述したように、本明細書に記載するチューブレンズ構造は、球面収差を完全に無限に補正されない対物レンズを備える撮像機器を活用するものである。従って、様々な実施形態では、対物レンズ５００は完全に無限に補正されていない。対物レンズ５００により撮像試料から収集された光は、対物レンズの後開口から出射するとき完全にコリメートされない。むしろ、光は僅かに発散する（例えば、対物レンズの後開口から出射する周辺光線を視野の中心で測って約０．２５〜約１度）。この構成では、チューブレンズ４００は、移動台４５５を用いてその長手軸に沿って平行移動され得る調節前レンズ４５０を含む。特定の実施形態では、移動台４５５は、コントローラ（例えば、コントローラ２２５）を用いて平行移動され得るステップ移動台とし得る。この前レンズ４５０の調節によって、試料基板又はカバーガラス（例えば、フローセル）の変化する厚さを通して撮像する対物レンズ５００により導入される球面収差アーチファクトを補正することができる。これは、図２Ｂ−２Ｄを参照してさらに説明する。
【００４５】
図２Ｂは、本明細書に開示の実施形態によるＥＭＯ３２０の光学アセンブリの構成例を、チューブレンズ要素４５０が２つの異なる位置にある場合について示す光を光線追跡ブロック図である。図２Ｃ−２Ｄは、同様にＥＯＭ３２０の光学アセンブリの構成を示すブロック図（光線追跡なし）である。
【００４６】
図２Ｂ−２Ｄに示されるように、対物レンズ５００の後開口５１０を出射する光は要素５１０からチューブレンズ４００の要素４５０までの光路に沿って僅かに発散する（例えば、後開口を出射する周辺光線を視野の中心で測って０．２５〜１度）。本例の構成のチューブレンズは、前正レンズダブレット４５０、中間負レンズダブレット４６０、及び後正レンズシングレット４７０を含む。図２Ｂで示される構成では、カメラレンズを固定したまま維持し、チューブレンズ４００の球面収差を補正するために単要素チューブレンズ４００のみを移動させるのが好ましい。更に、後レンズ要素４７０は、主光線の角度空間を視野空間に亘ってイメージセンサ５５０の表面に垂直に維持するテレセントリックレンズとして構成することができる。これは図２Ｅで示され、レンジ要素４７０は発散光線をイメージセンサ５５０へとコリメートする。
【００４７】
更に、本例では、対物レンズ５００と前正レンズ要素４５０との間の光は、僅かな発散を有するが、本質的にコリメートされるので、このレンズ要素４５０で見られる光は殆ど変化しない。従って、この近無限構成では、チューブレンズ４００は、チューブレンズの前正レンズ要素４５０と中間負レンズ要素４６０との間の光路の長さ及びそれに対応してレンズ要素４５０からの発散光を見るレンズ要素４６０の面積（即ち、レンズ要素４６０上の光のフットプリント）を調整するために前正レンズダブレット４５０を調節することによって、球面収差を補正することができる。これは図２Ｆで示されている。正レンズ要素４５０を中間要素４６０から離れるように調節するので、２つの要素間の光路の長さは増大し、光のフットプリント４６５は縮小する。逆に、正レンズ要素４５０を中間要素４６０に向けて調節すると、２つの要素間の光路の長さは減少し、光のフットプリント４６５は増大する（即ち、２つの要素間の光の収束が低下する）。よって、光のフットプリント４６５の変化は球面収差の補正をもたらし得る。この球面収差の補正は波面とレンズ４６０の表面との相互作用の観点から理解することができ、より小さな波面フットプリントは光学表面のより小さな曲率のサグに起因するより小さな収差を生じる。
【００４８】
従って、この構成では、球面収差は、前正レンズ要素４５０をレンズ要素４６０から離れる又は近づくように調節してチューブレンズ４００の要素４６０により受光される光のフットプリントを変化させることによって補正することができる。これにより、光学撮像システムの倍率、歪み又は他の収差を変化させることなくシステム内の球面収差を補正することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、チューブレンズ４００は約１５０ｍｍ〜約３５０ｍｍの焦点距離を有し得る。特定の実施形態では、チューブレンズ４００は約２００ｍｍ〜約３００ｍｍの焦点距離を有し得る。いくつかの実施形態では、レンズ要素４５０は約５ｍｍ〜約２５ｍｍの総距離に亘って長さ方向に平行移動し得る。
【００５０】
図３Ａ−３Ｂは、チューブレンズ４００を２つの異なる構成で含む例示的な撮像システムの側面図を示す光線追跡ブロック図である。この実施形態では、撮像システムは、透明カバープレート、基板及びそれらの間に挟まれた試料領域（例えば液体）を含む試料７００を撮像する。例えば、試料７００は流体通路で分離された上部内面及び底部内面を含むフローセルとすることができ、各内面は蛍光タグ付けされる複数の核酸サイトを有する。
【００５１】
第１の配置（図３Ａ）では、試料７００の上部内面が撮像され、レンズ要素４５０はシステムの球面収差を補正するために光フットプリント４６８をレンズ要素４６０上に生成する第１の位置にある。第２の配置(図３Ｂ)では、試料７００の底部内面が撮像され、レンズ要素４５０は球面収差を補正するためにレンズ要素４６０に近づくように調節される。
【００５２】
図４は、実施形態による連続球面収差補正チューブレンズを制御する例示的な方法８００を示す動作フロー図である。動作８１０において、試料の第１の面（上面）が第１の配置のチューブレンズを用いて撮像される。判定８２２，８２４及び８２６において、前チューブレンズ要素の平行移動を必要とする十分に大きい球面収差がシステムに存在する状態であるかどうかを決定する。この決定は、実施形態では、システムのコントローラ２２５により実行することができる。例えば、球面収差を導入する温度変化がシステムに存在するか、試料画像が球面収差を示すか、又は試料の新たな焦点面が撮像されるか、を決定することができる。これらの状態のいずれかに応答して、動作８３０において、チューブレンズの前要素と中間要素との間の光路の長さを調整するためにチューブレンズの前要素を調節することができる。
【００５３】
上記のコンセプトのあらゆる組み合わせ（これらのコンセプトが相互に矛盾しなければ）は本明細書に開示の発明の要旨の一部としてみなせることを理解すべきである。特に、本開示の終わりに記載される請求の要旨のあらゆる組み合わせは本明細書に開示の発明の要旨の一部分としてみなせる。
【００５４】
本開示（請求の範囲を含む）中で使用される用語「ほぼ」及び「約」は、例えば処理の変化に起因するような小さな変動を表現し考慮するために使用されている。例えば、これらの用語は、±５％以下、例えば±２％以下、±１％以下、±０．５％以下、±０．２％以下、±０．１％以下、±０．０５％以下など、を意味し得る。
【００５５】
本明細書中の「第１」、「第２」、「第３」などの用語は、適用される限度において、単にこれらの用語で記述されたそれぞれの対象を別個の存在として示すために使用され、特に明記しない限り、順序の意味を暗示するものでない。
【００５６】
様々な例示的実施形態及び実装例に関して上述したが、１つ以上の個々の実施形態に記載された様々な特徴、態様及び機能は、それらが記載されている特定の実施形態にのみそれらの適用が限定されず、単独で又は様々な組み合わせで、本願の１つ以上の他の実施形態に適用することができ、そのような実施形態が記載されているか否か、そのような特徴が記載の実施形態の一部として提示されているか否かは問わない。従って、本願の広さ及び範囲は上述した例示的実施形態のどれでも限定されるべきでない。
【００５７】
本明細書で使用される用語及び語句及びそれらの変形は、特に明示されない限り、オープンエンドとして解釈し、限定と解釈してはならない。その例として、「含む」という用語は、「制限」などなしに「含む」ことを意味すると解すべきであり、「例」という用語は論じている事項の例示的なアイテムを与えるために使用され、その包括的又は制限的リストを与えるものでなく、「ａ」又は「an」は「少なくとも１つ」、「１つ以上」などを意味し、「既存の」、「伝統的な」、「通常の」、「標準の」、「既知の」などの形容詞は記載のアイテムを所定の期間に制限する又は所定の時点で利用可能なアイテムに制限するものと解してはならず、現在又は未来の任意の時点で利用可能であるか知られているかもしれない、既存の、伝統的な、通常の、又は標準の技術を包括するものと理解すべきである。同様に、本明細書が当業者に明らかであるか知られている技術に言及する場合には、それらの技術は現在又は将来の任意の時点で当業者に明らかであるか知られていることも含む。
【００５８】
いくつかの例における「１つ以上」、「少なくとも」、「限定されないが」などの解釈を広げる用語又は語句の存在は、このような解釈を広げる語句がなければより狭い例が意図される又は必要とされると解釈されないようにしている。「モジュール」という用語の使用は、モジュールの一部分として記載された又はクレームされたコンポーネントまたは機能がすべて１つの共通のパッケージ内に組み込まれることを意味しない。実際には、モジュールの様々なコンポーネントのいずれか又はすべてを、制御ロジックであろうと他のコンポーネントであろうと、単一のパッケージ内で組み合わせるか別々に維持することができ、更に複数のグループ又はパッケージに又は複数の場所に分布させることができる。
【００５９】
更に、本明細書に記載の様々な実施形態は例示的なブロック図、フローチャート及び他の説明図に関して説明されている。当業者に明らかなように、本明細書を読めば、図示の実施形態およびそれらの様々な代替例を実装することができ、図示の例に限定されない。例えば、ブロック図及びそれらの付随説明は特定の構造又は構成を義務づけるものと解釈すべきでない。
【００６０】
本開示の様々な実施形態を以上で説明したが、それらはほんの一例として提示されているにすぎず、限定ではない。同様に、様々な図によって開示のための例示的な構造又は他の構成を示すことができ、これは本開示に含まれる特徴及び機能の理解を助けるように行うことができる。本開示は図示の例示的な構造又は構成に限定されず、所望の特徴は様々な代替構造又は構成を用いて実装することができる。実際上、本開示の所望の特徴を実現するために代替的な機能的、論理的又は物理的分割及び構成を実装できることは当業者に明らかである。また、本明細書に記載した以外の多数の異なる構成モジュールの名前を様々な区分に与えることもできる。更に、フロー図、操作記述及び方法請求項に関して、ステップが提示される順序は、その文脈で別段の指示のない限り、様々な実施形態は列挙された機能を同じ順序で実行するように実装することを義務付けるものではない。
【図１Ａ】
2018151625.tif 000003
【図１Ｂ】
2018151625.tif 000004
【図２−１】
2018151625.tif 000005
【図２−２】
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【図２−３】
2018151625.tif 000007
【図３】
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【図４】
2018151625.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月9日(2018.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
【図１Ａ】本明細書に開示されるシステム及び方法を実装し得る例示的な画像走査システムを示す。
【図１Ｂ】特定の実施形態に実装し得る例示的な２チャネルライン走査モジュラー光学撮像システムを示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、本明細書に開示される実施形態に係る例示的なモジュラー光学解析システムを示す側面図である。図２Ｂは、本明細書に開示される実施形態に係る図２Ａのシステムの発光光学モジュールのための光学アセンブリの例示的構成を、チューブレンズ要素が２つの異なる位置にある場合について示す光線追跡ブロック図である。図２Ｃは、本明細書に開示される実施形態に係る図２Ａのシステムの発光光学モジュールのための光学アセンブリの例示的構成を、チューブレンズ要素が第１の位置にある場合について示す光線追跡ブロック図である。図２Ｄは、本明細書に開示される実施形態に係る図２Ａのシステムの発光光学モジュールのための光学アセンブリの例示的構成を、チューブレンズ要素が第２の位置にある場合について示す光線追跡ブロック図である。図２Ｅは、発散主光線をイメージセンサ上にコリメートするテレセントリックレンズを示す光線追跡ブロック図である。図２Ｆは、チューブレンズの前正レンズ要素と中間負レンズ要素との間の光路の長さ及びそれに対応して前正レンズ要素からの発散光を見る中間レンズ要素の面積を調整するために前正レンズ要素を調節することによって球面収差を補正するチューブレンズを示す光線追跡ブロック図である。
【図３】図３Ａは、対物レンズが試料の第１の表面にフォーカスされとき、例示的なチューブレンズを第１の配置で含む例示的な撮像システムを示す光線追跡ブロック図である。図３Ｂは、対物レンズが試料の第２の表面にフォーカスされるとき、例示的なチューブレンズを第２の配置で含む例示的な撮像システムを示す光線追跡ブロック図である。
【図４】実施形態による連続球面収差補正チューブを制御する例示的な方法を示す動作フロー図である。
【外国語明細書】
2018151625000001.pdf