(57)【要約】  本発明は、格納装置（３００）の試料チェンバ（３０３）に格納された試料材料を調査する方法及び装置に関する。マルチスポット生成器MSG（１００）及び透過部（２００）は、試料チェンバ内に試料光スポット（５０１）のアレイを生成する。格納装置（３００）を順方向に離れる入力光（５０４）が、CCDアレイ（４０１）上にマッピングされ、参照として測定される。更に、試料チェンバ（３０３）において刺激された蛍光（５００）が、入力光（５０４）の光路に垂直に配置された第２のCCDアレイによって測定される。
2008524578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光によって試料材料を処理する装置であって、
a)入力光の通過を可能し、前記試料材料を備え得る試料チェンバを備える格納装置と、
b)前記試料チェンバにおいて試料光スポットのアレイを入力光によって生成する照射システムと、
c)前記試料光スポットを越えて伝搬する入力光を測定する参照検出器と、
d)前記試料チェンバにおいて生成される信号光を測定する信号検出器とを備える装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置であって、前記格納装置が、前記試料チェンバを囲む透過的な担体板及び透過的なカバー板を備える装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置であって、前記照射システムが、光源スポットのアレイの形態で入力光を出力側において生成するマルチスポット生成器MSGと、前記光源スポットから前記試料光スポットまで入力光を透過させる透過部とを備える装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置であって、前記信号検出器が、前記入力光の光路の外側に、好ましくは前記入力光の伝搬方向に垂直に配置される装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置であって、前記参照検出器及び／又は前記信号検出器は、検出器エレメントのアレイ、特にCCDアレイと、前記試料光スポットを前記アレイ上にマッピングする光学系とを備える装置。
【請求項６】
請求項３記載の装置であって、前記透過部は、前記MSGから前記格納装置まで入力光を案内し、前記試料チェンバから前記信号検出器まで信号光を案内するビーム・スプリッタを備える装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置であって、前記試料チェンバに対して前記試料光スポットのアレイを、好ましくは、前記MSGによって生成される入力光を選択的に案内する走査装置によってシフトさせるよう適合させた装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置であって、信号光を分離するよう適合させた格納装置の少なくとも１つの外表面上に回折構造を設けており、前記構造なしでは前記信号光は全内部反射される装置。
【請求項９】
請求項３記載の装置であって、前記MSGは、振幅マスク、位相マスク、ホログラフィック・マスク、回折構造、マイクロ・レンズ・アレイ、VCSELアレイ及び／又はマルチモード干渉計を、前記MSGの出力側において光源スポット・アレイを生成するために備える装置。
【請求項１０】
請求項３記載の装置であって、前記MSGは、一次光ビームを生成する光源、及び、前記MSGの出力側において光源スポット・アレイに前記一次光ビームを分割する光電子増倍管、特にマルチモード干渉計を備える装置。
【請求項１１】
請求項３記載の装置であって、タルボ・パターンを生成するコヒーレント光の光源スポット・アレイを生成するよう前記MSGを適合させた装置。
【請求項１２】
光によって試料材料を処理する方法であって、
a)入力光を生成し、前記試料材料を有する試料チェンバにおいて複数の試料光スポットのアレイを、前記入力光を利用して生成する工程と、
b)前記試料光スポットを越えて伝搬する入力光を測定する工程と、
c）前記試料チェンバにおいて生成される信号光を測定する工程とを備える方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法であって、前記入力光が前記試料材料の蛍光を刺激する方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の方法であって、前記信号光が、前記入力光の光路の外側で測定される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スポット・アレイによって試料材料を調査する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回析素子によってレーザ・ビームが複数の励起ビームに分割される、生物試料材料を調査する装置が、国際公開第02/097406号明細書によって知られている。励起ビームは、試料材料を格納するプラットフォームに案内される。ここでは、試料光スポット・アレイによって蛍光が刺激される。前述の蛍光は、試料材料の存在及び／又は量に関する情報を得るためにCCDアレイによって空間分解されて測定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この状況に基づけば、本発明の目的は、より正確に試料材料を光によって調査する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１記載の装置、及び請求項12記載の方法によって達成される。好ましい実施例は従属請求項に開示している。
【０００５】
この第１の局面によれば、本発明は、試料材料を光によって処理する装置を備える。前述の処理は特に、試料材料の調査に役立つので、装置は以下では、本発明の範囲を限定することなく「調査装置」とも呼ぶ。更に、「試料材料」の語は、非常に概括的な意味合い（例えば、元素、化合物、生物材料（例えば、細胞）、及び／又はそれらの混合物が挙げられる）で理解するものとする。
【０００６】
装置は、以下の構成部分を有する。
【０００７】
a)少なくとも１つの方向に光を透過させることを可能にする格納装置。よって、一表面領域を通って格納装置に入る「入力光」は、少なくとも部分的には、別の表面領域を通って装置を離れることができる。入力光は場合によっては、格納装置内で屈折及び／又は反射し得る。格納装置は、装置の使用中に処理される対象の試料材料を備え得る試料チェンバを更に備える。試料チェンバは、任意の形状を有し、例えば、区分への分割を備え得る。通常、これは、試料材料（例えば、生体分子の水溶液）によって満たし得る空の空洞である。特定の実施例では、試料層は、プローブ（すなわち、試料材料を結合し得るサイト（分子））も有し得る。
【０００８】
b)いわゆる「入力光」を生成し、この入力光とともに、格納装置の試料チェンバにおいて（特に、例えば、試料チェンバの表面の１つに隣接して配置され得る、試料チェンバの、幾分薄い「試料層」内の）「試料光スポット」のアレイを生成する照射システム
c)試料光スポットを越えて伝搬した入力光（すなわち、格納装置を通って進む入力光）を測定する「参照検出器」
d)定義上、試料チェンバにおいて生成される「信号光」を測定する「信号検出器」（信号光は通常、試料材料によって、特に、入力光によって刺激される蛍光として生成される）
前述の種類の調査装置は、２つの主たる利点を有する。まず、試料チェンバ内の試料材料が複数の（試料）光スポットにおいて同時に調査される。ここでは、このプロセスは各スポットにおいて別個に行われる。この並列処理によって、処理手順全体が高速化され、複数のアナライトを同時に測定することが可能になり、より良好な信号対雑音比によって精度が向上する。第２の利点は、試料光スポットを通過する入力光も、試料チェンバからの信号光も測定されることである。よって、前述の２つの測定が有する情報を組み合わせて相関を調べることが可能である。蛍光の場合、（蛍光）信号光の量は、例えば、刺激入力光の量および蛍光物質の量に依存する。したがって、特定の試料光スポットにおける入力光の量が参照測定によって分かることにより、蛍光物質の量（通常、調査者に関心がある）をより正確に判定することが可能になる。
【０００９】
好ましい実施例によれば、格納装置は、試料チェンバを囲む透過的な担体板及び透過的なカバー板を備える。２枚の板は通常、ガラス、又は透明なポリマーを備えている。
【００１０】
試料チェンバにおいて試料光スポットを生成する照射システムは、種々の多くのやり方で実現することが可能である。好ましい実施例では、照射システムはまず、「入力光」を生成するマルチスポット生成器（以下、MSGと略している）を備えている。入力光は、MSGの出力側において光スポット（他のタイプの光スポットと区別するために以下では「光源スポット」と呼ぶ）のアレイとして供給される。上記アレイは、光源スポットの矩形の配列（例えば、矩形行列として）を有し得る。更に、光源スポットは全て、特に、（概ね）同じ形状及び強度を有し得る。照射システムは第２に、MSGの光源スポットから格納装置まで、かつ、最終的に試料光スポットまで入力光を透過する透過部を備えている。MSG及び透過部のいくつかの実現形態を、本発明の好ましい実施例に関して以下に説明する。
【００１１】
試料チャンバからくる信号光を測定する信号検出器は好ましくは、入力光の光路の外側に配置される。この場合、入力光は信号検出器に直接到達することが可能でないので信号光は邪魔されずに測定することが可能であり、信号対雑音比は向上する。信号検出器が入力光の伝搬方向に垂直に配置された場合、入力光からのその最大限の遮蔽が達成される。
【００１２】
前述の通り、上記装置は、光スポットによる試料材料の何れかの所望の種類の処理に適用することができる。よって、これは、例えば、試料光スポット内の試料材料の特定の化学反応を起こさせるために用いることができる。別の非常に重要なクラスの適用例では、この目的は、試料層からくる信号を検出し、監視し、かつ／又は測定する（特に、試料光スポットによって刺激された蛍光を測定する）ことである。前述の適用例の場合、装置は、例えば、光電子増倍管によって実現することができる少なくとも１つの信号検出器を備えている。好ましくは、信号検出器及び／又は参照検出器は、少なくとも１つの検出器エレメント・アレイ（例えば、CCDアレイ）、及び上記アレイに対して試料光スポットをマッピングする光学系を備えている。よって、試料光スポットからくる信号光は、別々の検出器エレメントに方向付けられ、それによって、試料光スポットの空間分解測定が可能になる。このようにして、別々の複数の測定、及び／又は、同じ種類の複数の反復測定を並列に実行することが可能である。
【００１３】
多くの場合、例えば、蛍光の観察中に、試料チェンバにおいて生成された信号光は全方向に伝搬する。よって、信号光は「順方向」において（すなわち、MSGから試料光スポットまで、かつ試料光スポットを越えて入力光が伝搬する方向と同じ方向に進んだ後）検出することができる。逆の場合、試料層からの信号光は「逆方向」（すなわち、入力光の伝搬方向と逆の方向）において検出することができる。逆方向での測定は、試料チャンバの表面における試料層からの信号光が、雑音が付加され得る試料チェンバを概ね通って進まなくてよいという利点を有する。更に、逆方向での測定は、試料処理の点で好ましい。試料の後ろに光学系や検出器が存在しないので、試料を容易にシステムに接続することが可能であり、試料の後部を、例えば塵から保護する必要性が存在しないからである。更に、試料層からの信号光は、「垂直方向」において（すなわち、入力光の伝搬方向に垂直の方向において）検出することができる。更に、「対角線」方向（すなわち、順／逆方向の成分、及び垂直方向の成分を有する方向）における測定を備えた前述の構成の組み合わせも考えられる。
【００１４】
信号光の逆方向における測定を可能にするために、透過部は好ましくは、MSGから格納装置に入力光を誘導し、試料チェンバから信号検出器に信号光を誘導する（二色性）ビーム・スプリッタを備える。ビーム・スプリッタは特に、異なる光学特性を、光波長が異なる場合に示す二色性構成部分（例えば、第１の波長の入力光を透過し、他の波長の蛍光を同時に反射する（逆も同様の）プリズム）を備え得る。
【００１５】
前述の調査装置によって、試料チェンバの試料層内の領域の、複数の試料光スポットによる調査が可能になる。特定の場合、調査領域は、試料層全体ではなくその一部のみをカバーする。前述の場合において試料層全体の調査を可能にするために、装置は好ましくは、試料チェンバに対して試料光スポットのアレイをシフトさせるよう適合させる。このシフトは例えば、MSGからくる光を選択的に案内する走査装置によって、又は、MSG（又はその構成部分、例えば、マスク・アレイ）を移動させることによって達成することができる。
【００１６】
試料光スポットの移動を可能にする、前述の実施例の更なる発展形によれば、試料層に対する試料光スポットの位置を識別し、再局所化するよう装置を適合させる。これによって、試料層内の特定の場所における測定を少なくとも一回反復することが可能になる。これにより、前述の場所における時間的進展から更なる情報を得ることが可能になる。
【００１７】
試料チェンバの試料光スポットにおいて放出される信号光の伝搬を更に詳細に解析すると、この光の特定部分が検出には失われることになる。格納装置の外側における全内部反射（TIR）によって格納装置を離れることが可能でないからである。前述の光は、文献（詳細については、内容を本明細書及び特許請求の範囲に援用する国際公開第02／059583号明細書を参照されたい）において「SCモード」の光と呼ばれている。本発明の好ましい実施例によれば、回折構造を格納装置の外側に設ける。ここで、前述の構造を、ＳＣモードの信号光（すなわち、通常の（平滑な）外側において全内部反射される、格納装置の内側からの光）を分離するよう適合させる。ＳＣモードの活用が理由で、信号利得をかなり増やすことが可能である。
【００１８】
調査装置に適したマルチスポット生成器MSGを実現するやり方はいくつか存在している。好ましくは、MSGは、振幅マスク、位相マスク、ホログラフィック・マスク、回折構造、（マイクロ）レンズ・アレイ、面発光レーザ（VCSEL）アレイ及び／又はマルチモード干渉計（MMI）を、MSGの出力側において光源スポット・アレイを生成するために備え得る。
【００１９】
本発明の好ましい実施例では、MSGは、一次光ビームを生成する（単一の）光源、及びMSGの出力側における光源スポット・アレイに一次光ビームを分割する光乗算装置を備える。乗算装置は例えば、以下に更に詳細に説明するようにMMIによって実現することができる。一次光ビームの分割は、１つの光源（又はいくつかの光源）しか必要でなく、結果として生じる光源スポットは自動的に同じ特徴（波長、形状、強度等）を有するという利点を有する。
【００２０】
本発明の別の好ましい実施例では、コヒーレント光の光源スポット・アレイを生成するようMSGを適合させる。ここで、この光は、その更なる伝搬中にタルボ・パターンを生成する。タルボ効果の自己像特性が理由で、光源スポットは、その像を試料チェンバ内に生成することが可能であるように特定の距離をおいて周期的に再生される。タルボ効果をこうして適用することの利点は、透過部が必要とする光学素子（レンズ）が最小であることである。コヒーレント光源スポットを生成するために、MSGは特に、１つのコヒーレント光源を有し得る。
【００２１】
本発明は、光によって試料材料を処理する方法を更に備える。この方法は以下の工程を備える。
【００２２】
a)「入力光」によって複数の試料光スポットのアレイを生成する工程であって、試料光スポットが、処理対象の試料材料を有する試料チェンバにある工程
b)試料光スポットを越えて談判する入力光を測定する工程であって、この測定が参照値としての役目を担い得る工程
c)試料チェンバにおいて生成される信号光を測定する工程であって、検出の結果が単に、２値（検出／非検出）、又は測定光量の連続値であり得る工程
信号光は特に、入力光によって刺激された試料材料からの蛍光であり得る。更に、信号光は好ましくは、入力光による擾乱なしで求めるために入力光の光路の外側で測定される。
【００２３】
方法は、上記種類の調査装置で実行することが可能な工程を概括的な形式で備えている。したがって、その方法の詳細、利点及び改良に関する更なる情報については、上記説明を参照する。
【００２４】
方法の好ましい実施例によれば、タルボ効果によって光が伝搬する、コヒーレント光の光スポットのアレイが生成される。タルボ効果の自己像特性が理由で、光源スポットのアレイの像はその場合、タルボット距離又はその倍数をおいて試料チャンバが配置された場合に最小の光学素子で試料チェンバにおいて生成することができる。
【００２５】
試料光スポットは特に、対応する光ビームのアレイによって生成することができる。ここで、光ビームは好ましくは、一次光ビームを分割することによって生成される。このようにして、必要な特性を備えた同一の複数の光ビームを容易に生成することが可能である。
【００２６】
信号利得を増加させるために、TIRによって格納装置を離れることができない、試料チェンバ内の試料材料から放出される光（すなわち、いわゆるSCモードの光）は、回折によって格納装置から分離することが可能である。
【００２７】
方法の更なる発展形は、試料チェンバが試料光スポットのアレイによって走査される。ここで、アレイの同一の位置は少なくとも一回再生される。よって、処理は、試料チェンバの別々の場所において、所望の頻度で反復することが可能である。特定の適用例では、これを、試料チェンバ内の占められた結合サイトの検出に（好ましくは、試料チェンバ内のプローブに結合された蛍光ラベリング・エレメントの検出に）用いることが可能である。方法はこの場合、試料光スポット・アレイによる試料チェンバの走査、及び信号検出器による、目標の特定の応答（例えば、蛍光）の検出を備える。試料光スポットのサイズが十分小さく選ばれた場合、走査速度は十分高速であり、結合サイトの濃度は低く、１つの占められた結合サイトのみが同時に照射される。試料チェンバ内の場所は、目標の特定の応答が、前述の場所の反復走査において観察された場合に、占められた結合サイトとして分類される。前述の反復走査によって特に、特定の結合と非特定の結合とを区別することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、添付図面を利用して本発明を例によって説明する。
【００２９】
図は縮尺通りに描かれていない。別々の図及び実施例に開示した特徴を、本発明による調査装置において任意に組み合わせることができる。
【実施例】
【００３０】
（生物学的な）化学分析では、分子／試料の蛍光を例えば、溶液内の分子の濃度の測定に、又は、結合事象（例えば、層における分子の接着）の検出に用いる。理想的には、結合層及び励起光の特性に応じて、複数の事象、分子の種、及び分子の場所を測定することが可能になるために検出アレイを用いたい。本発明は、３つの点（分析特性（感度、特定性及び速度）、操作性（ロバスト性、一体化）、及び費用）を同時に改善しようとしながらこの必要性に対処する。
【００３１】
図1には、本発明による調査装置の例示的な構成を示す。前述の調査装置は基本的には、４つの構成部分又はサブシステムを有する。
【００３２】
複数の光源スポット５１０のアレイをその出力側で生成するマルチスポット生成器１００（以下、「MSG」と略す）（前述の光源スポット５１０は通常、（ほぼ）円形であり、直径は、当該波長の半分（例えば、0.３μm）以上100μm以下の範囲に及ぶ。更に、２つの近接スポット５１０間の距離も通常、同様の範囲に及ぶ）
試料を有する格納装置３００まで光源スポット５１０からの「入力光」を透過するタスクを有する透過部２００（透過部は基本的には単に、空気又は別の媒体によって満たされた空間であり得るが、試料光スポット５１０から、試料内の試料光スポット５０１の（1次元）アレイまでの入力光の所望の透過を達成するための専用光学構成部分を備える）
調査する試料材料を格納し、保持する前述の格納装置３００（この格納装置３００は基本的には、多くのやり方で実現することができるが、大半の実現形態は、図１に示す構成部分を備える。前述の構成部分には、(i)MSG１００によって生成される入力光に対して透過的であり、例えばガラス板であり得る基板又は担体３０１、(ii)試料材料（例えば、水中に溶解された生体分子）を備えた流体で満たすことが可能な試料チェンバ３０３、及び、(iii)試料チェンバ３０３をたどり、試料チェンバ３０３に接しており、ガラスのような透明材料も備え得るカバー板３０４（格納装置の他の実施例では、カバー板がないことがあり得る）がある。試料チェンバ３０３に接触する、担体板３０１の側部はいわゆる「試料側」であり、この試料側に隣接した、試料チャンバ３０３の薄い層は、試料材料の調査が通常行われるいわゆる「試料層」３０２を構成する。調査の場合、MSG１００によって生成される光源スポット５１０は、試料チェンバ３０３内の「試料光スポット」５０１にマッピングされる。前述の試料光スポット５０１の光は、例えば、蛍光信号光５００の順方向（図１の右方向）、逆方向（図１の左方向）、及び横方向（図１を示す平面に対して垂直方向）における（等方性又は異方性の）放出によって試料材料の蛍光を刺激することができる。）
試料チェンバ３０３からくる光を測定する検出器システム（検出器システムは、試料光スポット５０１を越えて順方向に伝搬する入力光５０４を検出する「参照検出器」４０１、及び横方向（すなわち、図１を示す平面に対して垂直方向）の信号光５００を検出する「信号検出器」４０２（図２）を有する。
【００３３】
MSG１００は、MSG１００の出力側において提示される（同一又は同様の）光源スポット５１０のアレイに一次光を分割又は複製するビーム分割装置に一次光ビームを供給する（コヒーレント）光源１０１を備え得る。図１に示す場合には、分割装置は、マルチモード干渉計MMI１０６によって実現される。MMIは、マルチモーダル光導波管を有する。（好ましくは、単一モードの）入力導波管又は入力スポットの光は、マルチモーダル導波管部のモードにわたって分割される。MMIの特定の断面では、強度分布は、MMIのモード間の周期的な干渉パターンである。
【００３４】
MMI１０６をチューニング可能にすることによって、MMIの波長依存性の問題を避けることが可能である。MMIの出力側の強度パターンを、モードの伝搬定数を変えることによってチューニングすることが可能である。MMIをチューニングすることによって、MMIの出力側のスポットの数を選択し、スポットの位置を試料層と、又は透過部２００内の光学系と一致させることも可能である。スポット内の合計電力は、一次近似では、スポット数に反比例するので、励起電力を変え／最適にし、その結果、測定の信号対雑音比を最適にすることも可能である。
【００３５】
図１に示すMMI１０６は例えば、1次元（N×I）の５個のスポットのアレイ（以下のパラメータを有する）を生成することができる。
【００３６】
屈折率：  コア（1,6）、背景（1.5）
幅：  センタリングされた入力導波管（2μm）、MMI部（20μm）
長さ：  1x5個のスポットを生成するMMI部（135μm）
自己像距離（この距離での像の反復）：  5417μm
MMIによってサポートされるモードの数：  22
複数のスポット５１０の正確な生成には、MMIが十分幅広であることが要求される（幅が広いほど、より多くのモードがMMIによってサポートされる）。経験則として、MMIによってサポートされるモードの数は、少なくとも（スポット数＋１）であるべきである。MMIの幅が広くなることによって画像品質が向上し、所要長も長くなる。良好な近似では、自己像距離は、MMIの幅に二次従属する。
【００３７】
MMIの適切なレイアウトによって、２次元（N×M）のスポット・アレイも作成することが可能である。複数スポットの生成は干渉に基づいており、基本的には、重大な損失なしで行うことが可能である。MMIの別の利点は、レンズ及び周期構造のアラインメントを必要としない比較的単純な手法であることである。
【００３８】
MMIの原理についての更なる詳細は、文献（例えば、R.M.JenkinsらによるAppl.  Phys.  Lett.,  vol.  64,  p.  684,  1994、M.  BachmanらによるAppl.  Opt.,  vol.  33,  p.3905,  1994、L.B.Soldano及びE.C.M.Pennings,  J.  Lightwave  Technol.,  vol.  13,  p.  615,  1995）で見つけ得る。
【００３９】
MSG１００の出力側に存在している光源スポット５１０のアレイが、透過部２００において、コリメータ・マイクロレンズ２０２及び焦点（マクロ）レンズ２０４によって、試料チェンバ３０３の試料層３０２における試料光スポット５０１にマッピングされる。好ましくは、担体板３０１は、前述の２つの構成部分間の界面における反射を避けるために、焦点レンズ２０４と同じ屈折率を有する。ここで、かつ以下では、マイクロレンズ（例えば、２０２）のアレイの代わりに、単一の(マクロ)レンズを用いることが可能であり、逆も同様である。
【００４０】
図１による調査装置の主な利点は以下の通りである。
【００４１】
完全なアレイの同時／並列励起
完全なアレイにおける蛍光の同時／並列検出
完全なアレイにおける参照としての透過入力光の同時／並列測定
可動エレメントが何らない（これによって設計が場合によっては低コストになり、安定的になる）
適した検出手法が用いられた場合に励起光及び蛍光の簡単な分離が可能になり、それによって、高い信号対雑音比がもたらされる。
【００４２】
図２は、線II-IIに沿った、図１の装置の試料チェンバ３０３を通る断面を示す。試料光スポット５０１において刺激された蛍光５００は、入力光の伝搬方向に（やはり）垂直に伝搬する。横方向に試料チェンバ３０３を離れた後（注：チェンバの側壁は図示せず）、信号光５００は、レンズ４０４によって平行にされ、信号検出器４０２のCCDアレイ上に焦点レンズ４０５によってフォーカスされる。ここで、試料光スポット５０１からの放出は、空間解決されたやり方で測定することが可能である。
【００４３】
図３は、ＭＳＧから試料まで入力光を透過する好ましいやり方を示す。ここで、ＭＳＧ１００の出力側に存在している光源スポット５１０は最後に、試料層３０２に試料光スポット５０１を生成する。透過はタルボ効果（すなわち、コヒーレント光の平行ビームによって照射された矩形パターン（この場合、光源スポット５１０のアレイ）の自己像）を介して行われる。
【００４４】
タルボ効果をもたらすために、MSG１００は、平行コヒーレント光束を生成する光源１０１を備える。前述のコヒーレント光は、光源スポット５１０の規則的なパターンを生成する振幅マスク１０２（例えば、周期d=20μmであり、開閉率５０％である）を照射する。スポット５１０のアレイは、他の手段（例えば、マルチモード干渉計（MMI）、回折構造、（マイクロ）レンズのアレイや、VCSEL（面発光レーザ）アレイ）によって生成することもできる。光源スポット５１０は、中間距離を介して格納装置３００の構成部分（ガラス、水）に伝搬するタルボ強度パターン２０１を干渉によって生成する。構成のパラメータに応じていわゆる自己像又はタルボ距離をおいて光源スポット５１０の強度パターンが周期的に再生されることがタルボ効果の特性である。例えば、周期dの格子１０２がコヒーレントに照射された場合、格子の後ろに像が距離N（2d2/λ）をおいて現れる。ここで、Nは整数であり、λは光の波長である。よって、像パラメータの適切な選択により、担体３０１の試料側において光源スポット５１０のアレイの像を生成することが可能である。タルボ効果の詳細な説明については、文献（A.W.  Lohmann及びJ.A.Thomasによる「Appl.  Opt.,  vol.  29,  p.4337,  1990」、W.  Klaus、Y.Arimoto及びK.Kodateによる「Appl.  Opt.,  vol.  37,  p.  4357,  1998」、及びJ.  W.  Goodmanによる「Fourier  Optics,  McGraw-Hill,  New  York,  chapter  4,  1996」）を参照されたい。
【００４５】
複数の光源スポットは、（おおよそ、タルボ距離の６０％の所に再生する）位相マスク又はホログラフィック・マスクによっても生成することができる。
【００４６】
自己像の前述の適用の重要な利点は、それによって、透過部２００内のレンズのような光学構成部分の量が最小になり、単純でロバストな設計になるという点である。
【００４７】
試料光スポット５０１における刺激蛍光の観察は、図１に示す構成とは異なる構成によって達成することが可能である。よって、図４は、逆方向で蛍光を測定する実施例を示す。図１の装置と同様に、MSG１００によって生成される光源スポットは、試料層３０２内の試料光スポット５０１におけるレンズ（図示せず）によって平行にされ、フォーカスされる。図１と対照的に、２つのプリズム又はウェッジ２０６、２０７を有する二色性ビーム・スプリッタが、MSG１００と格納装置３００との間に配置される。このビーム・スプリッタは、入力光５０４を透過し、蛍光を反射するようなコーティングを有する。励起光と蛍光とを分離するその他の手段は当然、本発明から排除されるものでない。
【００４８】
試料層３０２において刺激された分子から放出される蛍光は逆方向に（すなわち、励起光とは反対方向に）担体板３０１及び右ウェッジ２０７を介して伝搬する。上記ウェッジ２０７の傾斜面において、蛍光が焦点レンズ４０４の方に直角に反射される。焦点レンズ４０４はそれをCCDアレイ４０２にマッピングする。蛍光はよって、別個に測定され、励起光５０４によって妨げられないことがあり得る。
【００４９】
国際公開第０２／０５９５８３号明細書に詳細に開示されているように、試料層３０２において刺激された蛍光は、近傍材料内のその伝搬特性によって別々の構成部分又はモードに分割することが可能である。ここで特に関心のある一モードは、担体板３０１の（平坦な）外側において全内部反射されるような角度の下で試料層３０２からガラス担体３０１に伝搬する蛍光全てを備えるいわゆるSCモードである。よって、SCモードの光は通常、検出処理には失われる。
【００５０】
検出目的でこの光を利用可能にするために、担体３０１の外側に回折格子３０５を設けることが国際公開第０２／０５９５８３号によって知られている。格子は、SCモードの光がガラス担体３０１から分離され、図4（他のモードの光は、明瞭にするために表していない）において強調された光束５０５、５０６において逆方向に伝搬するという効果を有している。前述のSCモードの光は、ビーム・スプリッタの二色性プリズム２０７の後部において反射され、焦点レンズ４０４によって検出器装置４０２上に投影される。
【００５１】
図５は、光路においてMSG１００に続く走査装置２０５を備えた調査装置の実施例を略示する。この走査装置２０５を利用して、MSGによって生成された光源スポット・アレイを、格納装置３００内の試料層３０２の別々の部分領域上に方向付けることが可能である。
【００５２】
試料材料を単一の光スポットによって（例えば、固定試料の上にCD／DVDプレイヤの可動光ピックアップ装置（OPU）を用いることによって）刺激する場合、最大蛍光励起電力は、飽和蛍光強度によって制限される。余分の利用可能なレーザ電力を用いてマルチスポット手法（本発明の主題である）を適用することによって、測定時間を低減することが可能であり、かつ／又は、感度を増加することが可能である。この場合、マルチスポットの生成及び走査は、単純で、かつ費用効果の大きなやり方で、好ましくは、可動エレメントなしで行うことを必要とする。
【００５３】
前述の目的の解決策を達成するための第１の工程は、タルボ効果（図３参照）を用いることである。これは、レンズを利用することなく、周期的距離をおいた伝搬スポットの（周期的な）アレイのイメージングが可能になるからである。このようにして、近接スポットがわたる領域のみを全試料層の調査のために走査する必要がある。例えばレンズやミラーのような可動光学素子を備えた動的走査装置２０５を用いてマルチスポットを走査することが可能である。
【００５４】
複数光スポットのアレイを試料にわたって移動させる別の可能性には、ＭＳＧの走査がある。例えば図３に示すような開口アレイ１０２は、ＭＳＧにおいて用いる場合、試料光スポット５０１を移動させるためにのみ移動させればよい。これは、可動レンズを必要としない実施例である。
【００５５】
図５の調査装置の特徴的な構成は、走査光学装置における平行スポットによる単一事象検出である。単一事象検出は、放出された放射線の特定の最小の電力及びエネルギがセンサによって検出されることを必要とする。電力状態の選択は、以下の節において詳説する。
【００５６】
蛍光物質は、蛍光寿命τfluor、吸収のための断面積σabs及び蛍光量子効率Φに目を向けることによって別々の群にざっと分けられることが可能である（S.W.Hell及びJ.Wichmann、Opt.  Lett.  19,  780,  1994を参照されたい）。
例えば、シアニン、アレクサ、フルオレセイン、  τfluor〜1-5ns、σabs〜10-16cm2、Φ=0.5-1
例えば、Ru、Ir  τfluor〜1μs、σabs〜10-16cm2、Φ=0.1-0.8、
例えば、Eu、Tb  τfluor〜1ms、σabs＜＜10-16cm2、Φ=0.1-0.5、
ビーズ（例えば、200nmの直径）、σabs〜10-12-10-14cm2、
量子ドット、σabs〜10-15-10-16cm2
飽和蛍光励起強度は
【００５７】
【数１】
2008524578.tif 000003
である。ここで、hはプランク定数であり、cは光速であり、λは吸収光の波長である。0.2μm2の表面積（0.6NA及び650nmを有するＤＶＤ光ピックアップ装置の光スポット・サイズに相当する）の場合、数μW以上数ｍW以下の飽和蛍光励起強度Isが検出された。よって、使用蛍光物質および施すことが可能な最大レーザ電力（例えば、試料において100mW）に応じて、2-100（いくつか）以上100-100000（多数の）以下のタルボ・スポットを並列に用いて検出アレイを走査することが可能である。
【００５８】
伝搬タルボ・スポットによって励起される蛍光は、順伝搬方向及び後方（逆）伝搬方向において検出することが可能である。
【００５９】
順方向蛍光検出手法は図５に示す。タルボ・スポットは、種々の光学構成部分（例えば、開いた部分及び閉じた部分を備えたマスク、マルチモード干渉計、スポット・アレイを生成するための回折構造、レンズ・アレイ、VCSELアレイ）によって生成することが可能である。試料層３０２にわたるタルボ・スポットの走査は、マルチスポット光源を横方向に走査することによって得ることが可能である。MSG１００の後ろの走査装置２０５によって、タルボ・スポットの走査が可能になる。格納装置３００の試料層３０２は、第１のタルボ平面に配置される。最小スポット・サイズは、回折限界によって定められる。
【００６０】
格納装置３００の反対側のフィルタ４０５を用いて、赤色シフト蛍光５００を入力光５０４からブロックする。それが、アクロマチックレンズ４０３を用いて画素分解参照検出器４０１上にイメージングされる。
【００６１】
フォーカス及びトラッキングのためのサーボ信号を特定のスポット（例えば、マルチスポット・アレイのコーナーにある４つのスポット）によって生成することが可能である。水界面で反射された信号を、フォーカスに、かつ、チルトの補償に用いることが可能である。試料のコーナーのプリグルーブからのプッシュプル信号をトラッキングに用いることが可能である。3つの自由度を有する試料アクチュエータを用いて、光源と試料との間の距離、及びこれらの２つの構成部分間のチルトを最適化することが可能である。  
蛍光の検出を、図１又は図４それぞれのように横方向又は逆方向において得ることが可能である。この放出が等方性を有するからである。図４の実施例におけるように、検出器の方に逆方向蛍光を方向付けるために二色性ビーム・スプリッタが必要である。好ましくは、収差を無視すれば、ビーム・スプリッタの出力が入力のタルボ像であるように二色性ビーム・スプリッタの長さが選ばれる。その場合、ビーム・スプリッタの入力側面は、入力スポット・アレイのタルボ像が作成される平面になければならず、担体３０１の試料側は、ビーム・スプリッタ出力のタルボ像が作成される平面になければならない。担体３０１の試料側の像が入力スポット・アレイのタルボ像である（異常を無視すれば）限り、ビーム・スプリッタの入力側面及び出力側面がタルボ平面でないその他の構成も可能である。
【００６２】
1x1mm2のサイズの検出アレイの場合、二色性ビーム・スプリッタのサイズはほぼ1mmになる。スポット・ピッチが20μmであり、波長が500nmである場合、第１のタルボ平面までの（空気中の）距離は、1.6mmである。この例示的な場合には、1x1mm2の検出アレイを50x50のタルボ・スポットによって同時に走査する。
【００６３】
最後に、本願では、「comprising」の語は他の構成要素又は工程を排除するものでなく、「a」又は「an」は複数形を排除するものでなく、単一のプロセッサや他の装置はいくつかの手段の機能を満たすことができることを指摘する。本発明は、新規の特徴的な特性、及び、特徴的な特性の組み合わせ全てにおいて存在している。更に、前述の本発明の図の説明及び好ましい実施例の説明は、限定するものでなく、例証するものとして意図されており、特許請求の範囲記載の参照符号は、その範囲を限定するものとして解されないものとする。
参照符号リスト
１００  マルチスポット生成器  MSG
１０１  （コヒーレント）光源
１０２  マスク
１０６  マルチモード干渉計  MMI
２００  透過部
２０１  タルボ・パターン
２０２  コリメータ・マイクロレンズ
２０４  焦点レンズ
２０５  走査装置
２０６  二色性ビーム・スプリッタのプリズム
２０７  二色性ビーム・スプリッタのプリズム
３００  格納装置
３０１  担体板
３０２  試料層
３０３  試料チェンバ
３０４  カバー板
３０５  回折構造
４０１  参照検出器
４０２  信号検出器
４０３  焦点レンズ
４０４  焦点レンズ
４０５  フィルタ
５００  信号光（蛍光）
５０１  試料光スポット
５０４  入力（励起）光
５０５  SCモードの蛍光
５０６  SCモードの蛍光
５１０  光源スポット
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による調査装置の側面図を示す。
【図２】線II-IIに沿った、図１の装置の試料チェンバを通る垂直断面を示す図である。
【図３】タルボ効果による複数光スポットの生成及び伝搬を示す図である。
【図４】ビーム・スプリッタ、及びSCモードの蛍光をキャプチャするための手段を備えた調査装置を示す図である。
【図５】試料にわたって複数光スポット・アレイを走査する走査装置を備えた構成を示す図である。
【図１】
2008524578.tif 000004
【図２】
2008524578.tif 000005
【図３】
2008524578.tif 000006
【図４】
2008524578.tif 000007
【図５】
2008524578.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月19日(2007.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
光によって試料材料を処理する装置であって、
a)入力光の通過を可能し、前記試料材料を備え得る試料チェンバを備える格納装置と、
b)前記試料チェンバにおいて試料光スポットのアレイを入力光によって生成する照射システムと、
c)前記試料光スポットを越えて伝搬する入力光を測定する参照検出器と、
d)前記試料チェンバにおいて生成される信号光を測定する信号検出器と、
e)前記試料光スポットの入力光の測定量に信号光の測定量を参照させる手段とを備える装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
光によって試料材料を処理する方法であって、
a)入力光を生成し、前記試料材料を有する試料チェンバにおいて複数の試料光スポットのアレイを、前記入力光を利用して生成する工程と、
b)前記試料光スポットを越えて伝搬する入力光を測定する工程と、
c）前記試料チェンバにおいて生成される信号光を測定する工程と、
d)前記試料光スポットの入力光の測定量に信号光の測定量を参照させる工程とを備える方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
回析素子によってレーザ・ビームが複数の励起ビームに分割される、生物試料材料を調査する装置が、国際公開第02/097406号明細書によって知られている。励起ビームは、試料材料を格納するプラットフォームに案内される。ここでは、試料光スポット・アレイによって蛍光が刺激される。前述の蛍光は、試料材料の存在及び／又は量に関する情報を得るためにCCDアレイによって空間分解されて測定される。
欧州特許第1283416号明細書には、標本において光スポットのアレイを生成するマイクロレンズ・アレイを備えた蛍光定量的撮像装置が開示されている。この光スポットにおいて刺激される蛍光が測定され、入力光が更に、CCDカメラのような検出器上に順方向にマッピングされる。
光スポットの生成にマイクロレンズ・アレイを用いる顕微鏡検査及びリソグラフィのシステムは、国際公開第97/34171号明細書にも開示されている。
国際公開第94/27137号には、横方向に照射される平面状導波路構造を有する装置が開示されている。導波路の表面上の蛍光試料が、パッチのアレイにおけるエバネッセント光波によって刺激され、結果として生じる蛍光が、例えばCCDアレイによって検出される。
LOHMANNら（APPLIED  OPTICS  29  （1990）、4337-4340）には、タルボ効果によるマルチスポット・アレイの生成が開示されており、MASHANOVらには（METHODS  29  （2003）、142-152）には、生細胞内の単一の分子を視覚化する構成が開示されている。ここで、蛍光はエバネッセント波によって刺激される。
【国際調査報告】
2008524578.tif 000009
2008524578.tif 000010
2008524578.tif 000011