(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線ビームを用いてサンプルを照らす光学システムであって、
光源と、
ビーム整形器であって、前記光源に対する前記ビーム整形器の位置を前記光学システムからの出力ビームが前記線ビームへと集束されるよう変更することにより、前記光源により放出される光のビームを中間非点収差画像へと変換する、ビーム整形器と、
前記中間非点収差画像を最終非点収差画像へと変換し、前記サンプルを前記線ビームで照らす撮像システムとを有し、
前記ビーム整形器が、ラテラル平面及びトランスバーサル平面において異なる非均一な倍率を提供し、それぞれ有限曲率半径を持つ環状体の入射面及び環状体の射出面を有し、前記光源により放出される光のコーンに含まれる強度分布をより対称的なものにする、光学システム。
【請求項２】
（ａ）前記最終非点収差画像の焦点線の１つの長さと、（ｂ）前記ビーム整形器、及び前記中間画像の非点収差距離がゼロであるための前記ビーム整形器の位置の間の距離との比が、
0005775693.tif 000004
により与えられ、ｎは、前記サンプル媒体の屈折率であり、ＮＡが、前記撮像システムの出口開口数であり、Ｍは、前記撮像システムの拡大率であり、Ｍｘ及びＭｙが、前記中間画像の２つの焦点線に関する前記ビーム整形器の第１及び第２の拡大率である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記最終非点収差画像が、線焦点を有する、請求項１又は２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記線ビームの幅が、回折限界である、請求項３に記載の光学システム。
【請求項５】
検出デバイスであって、
請求項１乃至４のいずれかに記載の光学システムと、
前記サンプルから放出される光及び前記線ビームにより生成される光を収集する光学収集部と、
前記収集される光を検出する検出システムとを有する、検出デバイス。
【請求項６】
前記撮像システム及び前記光学収集部が、励起／収集レンズを共有する、請求項５に記載の検出デバイス。
【請求項７】
前記検出システムが、前記検出システムの検出表面上に集束する撮像レンズを有する、請求項５又は６に記載の検出デバイス。
【請求項８】
前記サンプルから放出される光及び前記線ビームにより生成される光が、発光を有する、請求項５乃至７のいずれかに記載の検出デバイス。
【請求項９】
線ビームを用いてサンプルを照らす照明方法において、
光源を用いて光のビームを生成するステップと、
前記光源に対するビーム整形器の位置を前記サンプルを照らすビームが前記線ビームへと集束されるよう変更することにより、前記ビーム整形器を用いて前記光のビームを中間非点収差画像へと変換するステップと、
前記サンプルを前記線ビームで照らすため、撮像システムを用いて前記中間非点収差画像を最終非点収差画像へと変換するステップとを有し、
前記ビーム整形器が、ラテラル平面及びトランスバーサル平面において異なる非均一な倍率を提供し、それぞれ有限曲率半径を持つ環状体の入射面及び環状体の射出面を有し、前記光源により放出される光のコーンに含まれる強度分布をより対称的なものにする、照明方法。
【請求項１０】
検出方法において、
請求項９に記載の照明方法と、
前記サンプルにより放出される光及び前記光ビームにより生成される光を収集するステップと、
前記収集される光を検出するステップとを有する、検出方法。
【請求項１１】
前記ビーム整形器が、前記線ビームの所望の伸長を提供するため、前記光源に対して前後に移動可能である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記ビーム整形器が、前記線ビームの所望の伸長を提供するため、前記光源に対して前後に移動可能である、請求項５に記載の検出デバイス。
【請求項１３】
前記ビーム整形器が、前記線ビームの所望の伸長を提供するため、前記光源に対して前後に移動可能である、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システム、サンプルを照らす方法、照明システムを含む検出デバイス、及び照明方法を含む検出方法に関する。光学照明及び検出システムは、分析目的の蛍光検出システム及び方法において適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
蛍光検出の使用の例は、核酸検査（ＮＡＴ）である。この検査は、疾患に関する遺伝子の素因を検出し、感染症を引き起こす細菌及びウイルスといった病原体のＲＮＡ表現レベル又は識別を決定するための、分子診断法におけるコアエレメントである。
【０００３】
多くの場合、特に病原体の識別において、合理的な試料体積に存在するターゲットＤＮＡの量は非常に少ないため、直接的な検出ができない。検出可能な量のターゲット物質を得るために、増幅技術が必要である。異なる増幅技術が提案され、日々のプラクティスにおいて使用される。最も広く使われるのは、いわゆるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に基づかれるものである。
【０００４】
増幅は、（通常は摂氏９０度より高い）高温での２本鎖ＤＮＡの変性、冷ました温度（およそ６５度）でのＤＮＡサンプルへのプライマの特性バインディング、及び（およそ７０度での）プライマ位置から始まる元のシーケンスの複製を含む。この手順は繰り返され、あらゆるサイクルにおいて、特性シーケンスでのＤＮＡの量が２倍になる（１００％の効率で進行しているとき）。
【０００５】
この増幅後、ターゲットＤＮＡの存在が、ラベル化された増幅ＤＮＡの蛍光強度を測定することにより検出される。例えば、毛細管における電気泳動分離後、又は増幅生産物が流される表面上の点に適用されるいわゆる捕捉プローブに対するハイブリダイゼーション後である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、サンプルを照らすのに使用される装置に関し、この使用方法に関する。
【０００７】
蛍光検出に関する標準的な技術は、スキャン共焦顕微鏡の使用である。通常は、小さな（１μｍ未満の）回折限界点が、焦点面における蛍光を励起するために用いられる。システムの検出部分において、この１つの励起点から生じる光だけが検出される。
【０００８】
複数のスポット又は完全な線の並列的な励起が、検出システムの共焦点性に大きな影響を与えることなくスキャン速度の増加を可能にすることは、既に提案されている。蛍光放出を検出するのに、ピクセル化された検出器が使用されることができる。
【０００９】
共焦線スキャンに関する励起ビームを生成するため、いわゆる非点収差を加える、例えばシリンダーレンズといった光学要素を加えることにより、集束スポットを用いてスキャンを行うため光学デバイスを修正することも提案されている。ビームの横断面がｘｙ平面として規定される場合、ビームにおける各光線は、座標（ｘ、ｙ）により特徴付けられる。座標（ｘ，０）であるｘ軸上の光線が、座標（０，ｙ）であるｙ軸上の光線と異なる焦点を持つ場合、このビームは非点収差的である（astigmatic）。
【００１０】
例えばシリンダーレンズといった追加の要素を用いる非点収差の生成は、上述のソリューションに対して複雑さ及びコストを加える。本発明の目的は、改良されたソリューションを提供するため単一の光学要素に多数の機能を結合することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、独立項により規定される。従属項は、有利な実施形態を定める。
【００１２】
本発明の第１の側面によれば、線ビームを用いてサンプルを照らす光学システムが提供される。
【００１３】
本発明は、サンプルの線ビーム検査又は解析を提供するためサンプルを照らす撮像システムと共に、通常、光出力をより円形断面を持ったものにするために使用される既存のビーム整形装置の使用を可能にする。
【００１４】
光学システムは好ましくは、上記サンプルにわたり上記線ビームをスキャンする手段を有する。こうして本発明は、上記光学システムに含まれる標準的な光学収納要素の再利用に基づかれる線照明を用いて、より小さな及びよりコンパクトなスキャンシステムを可能にする。
【００１５】
このよりコンパクトな光学システムは、標準的なＤＶＤ光経路に対する最小数の変化で、ＣＤ又はＤＶＤシステムにおいて使用される上記共焦点光学器及び光経路に基づかれる完全に小型化された光経路を可能にする。これは、既存のＤＶＤ生産ライン上で容易に実行されることができるソリューションを可能にする。
【００１６】
上記最終非点収差画像の焦点線の１つの長さと、上記中間画像の非点収差距離がゼロであるための上記ビーム整形器の位置及び上記ビーム整形器の間の距離との比が、好ましくは
0005775693.tif 000002
により与えられ、ここで、ｎは、上記サンプル媒体の屈折率であり、ＮＡが、上記撮像システムの出口開口数であり、Ｍは、上記撮像システムの拡大率であり、Ｍｘ及びＭｙが、上記中間画像の２つの焦点線に関する上記ビーム整形器の第１及び第２の拡大率である。
【００１７】
上記最終非点収差画像は好ましくは、上述したような線焦点を有する。上記線の幅は回折限界とすることができ、その結果、共焦撮像システムが提供される。例えば、上記システムは、吸収、反射発光又はこれらの組合せに基づかれる共焦顕微鏡を有することができる。光源はレーザダイオードを有することができる。しかし、発光ダイオード等の他の任意の光源が、上記本発明を逸脱しない範囲で使用されることができる。
【００１８】
本発明の第２の側面によれば、本発明による照明システムと検出システムとを組み込む検出デバイスが与えられる。ある実施形態において、上記検出デバイスは、上記照明システムから分離している。こうして、上記検出システムは、上記照明システムと反対側の上記サンプル／基板上に配置されることができ、それらは、別々の光学器及び要素を利用することができる。従って有利なことに、上記基板内のサンプルに光学的にアクセスするため、基板の両側が用いられることができる。
【００１９】
別の実施形態では、上記検出デバイスの上記照明システム及び収集部は、励起／収集レンズを共有することができ、上記検出器は、上記検出表面上に集束する撮像レンズを有することができる。これは、この照明システムにより提供される利点の中でもコンパクトな検出デバイスという利点を提供する。これは、部品がより少なく、構造がより簡単であるため、より堅牢で安価とすることができる。
【００２０】
上記本発明の第３の側面によれば、線ビームでサンプルを照らす照明方法が提供される。上述したように、この方法は簡単なＣＤ及びＤＶＤ光学器を用いて線照明を可能にする。
【００２１】
上記本発明の第４の側面によれば、本発明の照明方法と、サンプルから放出される光及び線ビームから生成される光が収集され検出される検出方法とを用いる検出方法が提供される。こうして、この検出方法において、上記光ビームが上記サンプルと交互作用するよう、上記線ビームが上記サンプルを照らすために用いられる。この照明光による相互作用後、上記サンプルから放射される生成光と上記サンプルから放出される光が、集められ検出される。用語「生成光」は、本書ではサンプルによる光の吸収又は散乱である交互作用において、解析されることになるサンプルによる光ビームの一部の吸収又は散乱後でも残る光ビームの光を含むものとして理解されたい。収集されることになるこの残光は、当業者に知られる透過又は反射セットアップを用いて収集及び検出されることができる。従って、この場合、上記検出方法は、線照明を用いて例えば吸収を測定する。更に、上記用語「生成光」は、蛍光及びリン光をカバーする一般に知られる発光を含むものとして理解される。後者の場合、上記検出方法は、上記線ビームによる上記サンプルの励起から生じる光を測定する。
【００２２】
この方法は、上記基板又はサンプルがスキャンされることを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＤＶＤ光学システムに基づかれる既知の蛍光スキャナを示す図である。
【図２】既知のＣＤ／ＤＶＤ光ピックアップ構成をより詳細に示す図である。
【図３】本発明の光学スキャン装置を用いる、共焦スキャナの第１の例を示す図である。
【図４】本発明の光学スキャン装置を用いる、共焦スキャナの第２の例を示す図である。
【図５ａ】本発明の光学スキャン装置の更なる例を示す図である。
【図５ｂ】本発明の光学スキャン装置の更なる例を示す図である。
【図５ｃ】本発明の光学スキャン装置の更なる例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の例が、添付の図面を参照して以下詳述されることになる。
【００２５】
本発明は、線ビームを用いてサンプルを照らす光学システムに関する。ビーム整形器が、光源により放出される光のビームを中間非点収差画像へと変換し、撮像システムは、中間非点収差画像を最終非点収差画像へと変換し、サンプルを照らす。ビーム整形器は、ラテラル平面及びトランスバーサル平面において異なる非均一な倍率を提供し、それぞれ有限曲率半径を持つ環状体の入射面及び環状体の射出面を有する。
【００２６】
対物レンズを通る光放射により蛍光体を励起させ、例えば反射モードにある同じレンズを通る蛍光を集めることにより、デバイスにおける蛍光体を検出する方法及びデバイスが知られている。蛍光放射線は、適切な波長範囲を選択するためにフィルタデバイスを通過した後、センサデバイス上に投影される。注目するサンプル上でのスキャンを可能にするよう、レンズは、３つの方向において制御された態様で異なる作動手段により移動されることができる。共焦撮像装置が通常使用される。
【００２７】
図１は、ＤＶＤ光学システムに基づかれる既知の蛍光スキャナの基本要素を示す。検査されるサンプルは、基板２０に含まれる所与のボリュームへと閉じ込められる。
【００２８】
レーザといった光源２４により生成される光が、蛍光を励起するために使用される。光は、コリメータレンズＬ１により平行化され、その後励起レンズ２６を用いてサンプルにおいて焦束される。
【００２９】
好ましくは３つの次元すべてにおいて、レンズ２６が、サンプルに対して移動することができる。この相対的な移動は、任意に切り離されることができる。例えば、サンプルは、ｘｙ平面で動き、レンズは、ｚ方向で動くことができる。代替的に、サンプルは、固定された状態で保たれることができ、レンズは、単独で３軸（ｘｙｚ）すべてにおいて自由に動くことができる。他の任意の構成も可能である。
【００３０】
レーザ光は、偏光ビームスプリッタ２１、即ち偏光従属反射器により反射され、４分の１波長板２２及び第１の帯域通過フィルタ２３を通過する。
【００３１】
ダイクロイックビームスプリッタ２５、即ち波長従属反射器は、励起レンズ２６へとレーザ光を向ける。
【００３２】
サンプルに焦束される励起光の結果として、誘導された蛍光が収集レンズにより集められる。収集レンズは、この例では励起レンズ２６と同じ要素であり、検出器２８の方へ向けられる。
【００３３】
任意の反射された未吸収レーザ光は、ビームスプリッタ２５により再び反射されるが、蛍光は、ビームスプリッタ２５を通過する。第２の帯域通過フィルタ２７が、追加的なフィルタリングを提供し、その後、光は、検出器２８上へサンプルを結像する撮像レンズＬ２により検出器２８上に集束される。
【００３４】
光子増倍管、アバランシェ光子検出器、ＣＣＤ検出器又はフォトダイオード検出器といった多くの異なるタイプの検出器が使用されることができる。好ましくは、例えばピクセル化された検出器といった空間分解能を提供する検出器が使用される。これは、線検出を可能にし、線ビームにより照らされた領域の上を検出器が走査することを防ぐ。
【００３５】
共焦撮像のため、励起ボリュームは、最低限に保たれ、理想的には励起レンズ２６が作成することができる回折限界スポットに保たれる。典型的な共焦ボリュームは、励起レンズ２６の強度（開口数ＮＡ）に基づき、１立方ミクロンのオーダーである。このボリュームにおいて発生する蛍光が、収集レンズにより集められ、検出器上で結像される。共焦方法において、焦点は、検出経路における点と焦点を共有する。検出経路におけるこの点に、焦点以外の位置から来る任意の光を除去するため、小さなピンホールが通常は配置される。
【００３６】
ピンホールを通過する光は、検出器の方へ向けられる。検出器の横方向寸法（lateral size）が、収集レンズ２６の焦点距離を撮像レンズＬ２の焦点距離で割った値によりスケール化される焦点のサイズと整合しなければならないという規制があるため、検出器自体がピンホールの役割を果たすことが可能である。
【００３７】
この共焦モードは、エンドポイント・バイオ実験の結果として、表面不動化アッセイを検査するのに最も適している。表面は、完全なサンプルを分析するためにスキャンされる。
【００３８】
検出器の横方向寸法（lateral dimension）は、収集レンズ２６及び撮像レンズＬ２の視野を考慮して設計される。
【００３９】
制御部２９は、分析デバイスの内側表面で対物レンズの焦点を正確に保つ。この内側表面とは、同じ表面をスキャンする間、分析物と接触する基板２０内のボリュームの表面である。対物レンズの焦点は、用途に応じてオフセットされることもできる。
【００４０】
本発明は、図１のシステムに対する修正として実現されることができる。本発明は、共焦スポットではなく共焦線の形で励起ビームを提供するよう構成される。本発明の好ましい例はここでも、標準的なＤＶＤ（又はＤＶＤ／ＣＤ）光学器に基づかれる。
【００４１】
本発明の好ましい例において、標準的なビーム整形器がレーザ源の出力で使用され、これは通常、レーザにより放出される光のコーンに含まれる強度分布をより対称的にするために用いられる。しかしながら、本発明のシステムにおいて、ビーム整形器は、必要な量の非点収差を生み出すため、レーザに対して異なる態様で配置される。これは、通常の回折限界円形スポットの代わりに収集レンズ２６の焦点における狭い回折限界線を生じさせるよう構成されることができる。
【００４２】
従来のビーム整形器の使用は、この光学システムが標準的なＣＤ／ＤＶＤプレーヤ／ライターの光学器に基づかれることを可能にする。既知の光学システムが、図２に概略的に示される。ここで、図１に対応する要素には、同じ参照番号が使用される。
【００４３】
ＤＶＤリーダーに対しては、赤色レーザダイオード２４が使用される。放出されたコーン状の光に含まれる角度における強度分布は、非常に非対称である。光学軸に直交する１つの方向における角度幅は、光学軸に直交する他の方向における幅より２〜３倍大きい。この非対称性は、ビーム整形器３０で補償される。
【００４４】
ビーム整形器３０は、入射面、入射面の反対側に配置される射出面、及び座標の３軸直交ＸＹＺ系のＺ軸と一致する光学軸を持つ。ビーム整形器３０は、座標系のＹＺ平面における第１の角度開口とＸＺ平面における第２のより小さな角度開口との間の第１の比率を持つビームを、上記角度開口の間の第２の、より小さな比率を持つビームへと変換するためのものである。上記要素は、上記２つの平面における異なる角度倍率を実現する。
【００４５】
こうして、ビーム整形器は、レーザの楕円出力をより一様な円形出力に変えるように設計される。
【００４６】
好ましくは、本発明のシステムにおいて使用されるビーム整形器は、ラテラル平面における角度拡大と、トランスバーサル平面における角度縮小とを提供する。
【００４７】
一方でトランスバーサル平面において及び他方でラテラル平面において、ビーム整形器３０により実現される角度倍率の間の差は、トランスバーサル平面及びラテラル平面の両方でビームの放散性を変化させる入射面により、実質的に完全に実現される。ビーム整形器が屈折率ｎ１を持つ媒体に配置され、この要素の物質の屈折率がｎ２である場合、トランスバーサル平面における角度縮小はｎ１／ｎ２であり、ラテラル平面における角度拡大はｎ２／ｎ１であり、ビーム形成指数はおよそ（ｎ１／ｎ２）２である。
【００４８】
入射面により形成される２つの仮想的な画像が、Ｚ軸に沿って異なる位置に配置されるので、これらの画像を１つの画像に結合するよう、射出面はわずかに環状体の形状を持つべきである。ＸＺ平面における曲率半径は、ＹＺ平面における曲率半径より大きい。環状体とは、ラテラル平面における表面の曲率半径が、トランスバーサル平面における曲率半径と異なることを意味するものであると理解されたい。
【００４９】
入射面は、実質的に円筒状の部分を中央に具備する。この円筒状部分の円筒状の軸が、Ｙ軸に平行であり、ＹＺ平面における角度縮小及びＸＺ平面における角度拡大をもたらす。ビーム形成指数は、ラテラル平面における角度拡大ｎ２／ｎ１、及びトランスバーサル平面における角度縮小ｎ１／ｎ２である２つの要素により以下構成される。これらの要素の各々は、ビーム整形がこれらの平面の１つでだけ実現されるというビーム整形器に適用する要件より厳しくない耐性要件で実現されることができる。
【００５０】
可能なビーム整形器は、米国特許第５４６７３３５号に更に詳細に説明される。この文献は、参照により本願明細書に含まれる。
【００５１】
回折格子３２は、サテライトスポットを生成するために、ビーム経路に配置される。
【００５２】
偏光ビームスプリッタ２１は光を反射し、平行ビームを形成するため、コリメータレンズＬ１が用いられる。これは、折り畳みミラー３４により反射され、４分の１波長板２２が、線形分極光を円形分極光へと変換し、するとこの光は、基板２０に含まれるデータ層へとレンズ２６により集束される。もちろん、医療診断装置において使用される光学システムに関しては、データ層は、捕捉プローブの不動化が発生する表面となる。
【００５３】
光は、同じ収集レンズ２６により、反射及び収集される。光は再び４分の１波長板２２を通過する。これは、元の偏光に垂直な線形分極光を生じさせる。折り畳みミラー３４を介して、光は、コリメータレンズＬ１により集束される。
【００５４】
光は、偏光ビームスプリッタ２１を通過する。光は、大部分はダイクロイックミラー３６を通過する。サーボ撮像レンズＬ２は、焦点を操縦及び／又は位置決めするため焦点誤差信号を生成し、及びサンプル又は基板を例えばスキャンする間、それとともにフィードバックを提供する焦点及び追跡検出器４０と組み合わせて使用されるいくつかの非点収差を加える。
【００５５】
ＣＤ光に対する光路は、上述したＤＶＤ経路とほとんど同一である。ＣＤが読み出されることになるとき、ＤＶＤレーザはスイッチを切られ、ビーム整形器４４と共働する赤外線レーザダイオード４３が照明光を提供する。回折格子４２が、サテライトスポットを生成するために再び用いられる。光は、大部分がダイクロイックミラー３６により反射され、大部分が偏光ビームスプリッタ２１を通過する。この場合も、光は、レンズ２６を介してデータ層上に集束される。反射された光は、レンズ２６により再び集められる。この光は、部分的に再び偏光ビームスプリッタ２１及びダイクロイックビームスプリッタ３６を通過し、焦点及び追跡検出器４０上で再び結像される。
【００５６】
本発明の１つの例では、感知蛍光検出に適しているよう、ビーム経路が修正される。上記したように、充分なレーザ出力が利用可能なとき、スループットを改善し、共焦点性を犠牲にすることなく総検出信号を増加させるため、より大きな領域にわたり励起光を拡散させることが有利である。このために、垂直な方向に回折限界を残しつつ、通常円形の回折限界スポットが一方向へ延長されることができる。
【００５７】
これは、レンズ２６に入るビームに何らかのタイプの非点収差を加えることで実行されることができる。
【００５８】
出願人は、この非点収差を導入する異なる方法を考え出した。例えば、シリンダーレンズ又は位相プレートを介する方法である。位相プレートは、焦点スポットの線形アレイ又は硬(solid)照明線を提供するのに用いられることができ、シリンダーレンズは、硬照明線を提供するために使用されることができる。
【００５９】
本発明の１つの例において、上述のビーム整形器３０は、光学軸に沿って移動される。これを実現するために特別な要素が必要とされることはない。ビーム整形器の位置は通常、アセンブリの間既に微調整され、前後にスライドされることができる。
【００６０】
こうして、本発明は、平面にわたりスキャンされることができる線へと出力ビームが集束されるよう、光学ピックアップユニットのビーム整形器の変位を使用する。本発明のシステムにおけるビーム整形器は、光源により放出される光のビームを中間非点収差画像へと変換するよう考慮されることができ、例えば、コリメータレンズ及び対物レンズの組合せといった撮像システムは、中間非点収差画像を最終非点収差画像へと変換するよう考慮されることができる。
【００６１】
（光放出）点の非点収差画像は、互いに垂直で、光学軸に垂直で、及び特定の距離（非点収差距離）にわたり光学軸に沿って分離される２つの焦点線を有するものとして規定される。サンプルは、この線及び光学軸に実質的に垂直な方向で、２つの焦点線の１つを用いてスキャンされる。焦点線の長さは、この非点収差距離に比例する。非点収差の長さがゼロになる場合、２つの焦点線の長さもゼロになることになり、これは、この線が単一の点に合体することになることを意味する。
【００６２】
上述のビーム整形機能を実現するため、ビーム整形器は、実質的に異なる光学軸に垂直な第１及び第２の方向に沿って湾曲半径を持つ第１の屈折表面と、実質的に異なる光学軸に垂直な第１及び第２の方向に沿って湾曲半径を持つ第２の屈折表面と、厚みと屈折率とを持つ。
【００６３】
光源に対するビーム整形器の第１の位置が通常存在する。この位置に対して、中間画像の非点収差距離がゼロになる。ビーム整形器は、この第１の位置に対して配置される。特に、光源に対するビーム整形器の位置は、
0005775693.tif 000003
により与えられる距離Δｖ分、第１の位置に対して変位させられる。ここで、Ｌは最終非点収差画像の焦点線（の１つ）の長さであり、ＮＡは撮像システムの出口開口数であり、ｎはサンプルの屈折率であり、Ｍｘ及びＭｙは中間画像の２つの焦点線に関連するビーム整形器の第１及び第２の拡大率である。
【００６４】
拡大率はｓｉｎβ／ｓｉｎαとして規定される。ここで、α及びβはシステムにおける最大光線角度である。αは入力光線角度であり、βは出力光線角度である。開口数は、入口開口数に対してはｓｉｎαとして、出口開口数に対してはｓｉｎβとして規定される。対象物及び／又は画像側が屈折率ｎの媒体にある場合、開口数はそれぞれｎｘｓｉｎα又はｎｘｓｉｎβである。
【００６５】
この構成において、スキャンに使用される焦点線の長さは、ビーム整形器の位置を変化させることにより、スキャン処理の要件に適合されることができる。こうして、単一の光学設計が、複数のタイプのスキャンデバイスに適している。
【００６６】
しかしながら、励起ビームの形状を制御するためビーム整形器３０を移動させることは、焦点ぼけももたらすことになる。これは、何も問題を引き起こさないであろう。しかしながら、レーザ２４の位置を移動させるか、又は好ましい実施形態では回折格子３２を置き換える要素の光学厚を変化させることにより、この焦点ぼけは何らかの態様で補償されることができる。
【００６７】
図３は、蛍光励起及び検出に使用される、本発明のシステムの第１の例で生じる光経路を示す。ほとんどの要素は同じであり、同じ参照番号が与えられる。ビーム整形器は、前方に移動される以外は通常使用されるものと同じである。サテライトスポットを生成する回折格子３２は、レーザ光をスペクトル的に浄化する帯域フィルタ５０により置換される。このフィルタの厚みは、ビーム整形器の移動によりもたらされる焦点ぼけを微調整するのに使用されることができる。
【００６８】
ビーム整形器３０を移動させることにより、コリメータレンズの後の光が、かなり大きい非点収差を持つことになる。１つの方向において、光は「平行である」。一方、垂直な方向では、わずかに発散する。これは、対物レンズ２６の後の線状焦点を生じさせる。
【００６９】
サンプルの表面で、蛍光が生成されることになる。この蛍光は、対物レンズ２６により集められ、部分的に偏光ビームスプリッタ２１を通過する。ダイクロイックミラー３６は、残留する励起光を拒絶するため、追加的なフィルタ５４を通過した後、検出器５２の方へ大部分の蛍光を反射させる。検出器は好ましくは、ピクセル化された検出器として実現される。ダイクロイックミラーは、図２と同じとすることができるか、又は、蛍光を反射するために最適化される異なる鏡が使用されることができる。
【００７０】
反射された励起光はそれでも、ダイクロイックミラー３６を通過する。初期に誘導された非点収差の大部分を修正するために、修正されたサーボレンズ５６が用いられる。焦点誤差信号を生成するため、（標準的な）四分円検出器４０と組み合わせて、残余非点収差が使用されることができる。
【００７１】
焦点平面における線の方向は、高速スキャン方向に垂直であるよう構成される。これは、レーザ及びビーム整形器アセンブリを回転させることにより、又は移動軸に対して完全なＯＰＵを回転させることにより実現されることができる。
【００７２】
反射光の戻り経路において、ビームにおける非点収差が、サーボレンズ５６によりほとんど完全に補償される。残りの非点収差は、自動焦点誤差信号を生成するため、標準的な四分円検出器４０と組み合わせて使用される。光ビームの残余非点収差は、焦点位置における変化が、検出器の異なる四分円に落ちる光の相対的な貢献を変化させることになることを意味する。これらの信号から、自動焦点誤差信号が得られることができる。
【００７３】
本発明によるデバイスの第２の実施形態が、図４に示される。図３と同じ励起方法が使用されるが、検出器は異なる位置へと移動される。折り畳みミラー３４をダイクロイックミラー６０により置換することにより、蛍光が、この要素により伝達されることができる。ダイクロイックミラーの後で、この光は、フィルタ６２を用いてフィルタリングされ、検出器６６上のレンズ６４により集束される。
【００７４】
この実施形態は、図２を参照して説明されるＤＶＤ光経路に対する更なる修正を必要とする。しかしながら、この実施形態の感度は、図３の感度より良好である。なぜなら、蛍光が、偏光ビームスプリッタ２１で２つの部分に分割されないものではないからである。更に、本実施形態では、ビームの平行な部分にフィルタ６２を配置することが可能である。干渉フィルタが使用されるとき、これは背景ノイズの低減を生じさせる、励起光のより良好な拒絶をもたらすことになる。
【００７５】
標準的なＯＰＵにおいて、通常ビーム整形器を固定する接着剤は簡単に除去されることができる。その結果、レーザに向かって位置が前後に移動されることができる。本発明のシステムが、テストされ、標準的なＯＰＵにおけるビーム整形器及びレーザの相対位置を調整するだけで、共焦励起ビームの必要な伸長を簡単に提供することがわかった。
【００７６】
２つの例が、ＤＶＤ／ＣＤ光学器の構成に基づき、上で説明された。本発明は、この手法に限定されるものではない。図５は、本発明を実現するために用いることができる要素の異なる組合せに基づかれる複数の実施形態を示す。
【００７７】
線照明モードだけが必要とされる場合、図５ａに示される最も簡単な実施形態が使用されることができる。要素の番号付けは、図３及び図４にて用いられるものと同じであり、このシステムは、ビーム整形器３０、レーザ２４及びレンズ２６を有する。線照明は、蛍光検出用途以外のシステムで使用されることができる。例えば、細胞又は病理学スライドを測定するためのスキャン顕微鏡などのシステムである。
【００７８】
図５ｂに示されるシステムを形成するため、自動焦点システムが加えられる。このシステムは、励起及び反射光を分離するため、４分の１波長板２２と組み合わせて偏光ビームスプリッタ２１を使用する。
【００７９】
蛍光検出と線照明とを組み合わせるため、図５ｃに示されるように、励起光を蛍光から分離するフィルタ５０及び６２と共に、ダイクロイックミラー３４を追加することが必要とされる。
【００８０】
線照明モードと組み合わせて感度の良い蛍光検出に適したものとなるよう、本発明は、ビーム経路の修正を提供する。好ましい実現において、「標準的な」ビーム整形器は、この問題を解決するようシフトされる。しかしながら、この同じ問題を解決するための他の態様も存在する。
【００８１】
２つの例が以下に説明される。
【００８２】
（ｉ）図４にＬ１として示される標準的なコリメータは、ビーム整形機能を実現するため、新しい専用の要素で置換されることができ、これによりビーム整形器３０を置き換えることができる。
【００８３】
（ｉｉ）ビーム整形器は、励起ビームに必要な非点収差を加える新しい専用の要素により置換されることができる。これは、一体化されたビーム整形器を既に含む可能性があるレーザダイオードの出力において提供されることができる。
【００８４】
上記の例では、レンズ２６は励起光及び蛍光の両方に関して使用され、このレンズは、焦点及び追跡信号に関して使用されることもできる。例えば、非法線方向の照明を持つ場合、又は透過性モードでの動作の場合、励起光及び蛍光に関して、別々のレンズが使用されることができる。
【００８５】
本発明は、本書に説明される例に限定されるものではない。さまざまな変形例が、存在する。例えば、本発明は、蛍光体を用いて蛍光を発するサンプルを参照して説明される。しかしながら、本発明は一般に、一般的な態様で光学信号を生成するデバイスにおいて使用されることができる。残余の線ビーム光が集められ、サンプルの構成要素に対する手掛かりを提供するよう、１つ又は複数の構成要素の、又は例えばラベル物質といった構成要素の検出を容易にするために追加される１つ又は複数の物質の存在、識別及び／又は濃度に関する手掛かりを提供するよう、照明線ビームの一部を吸収するサンプルが測定されることができる。同様に、サンプルによりもたらされる線ビームの反射の効果が、検出プロセスにおいて使用されることができる。代替的に、線ビームは、発光放射線が結果として集められ及び検出されることができるよう、サンプルの又は追加された物質の１つ又は複数の構成要素を励起するため、励起源として機能することができる。本書において、発光は、蛍光及び／又はリン光を含むものとして意図される。
【００８６】
本発明は一般に、サンプルを照らすための線の生成に関する。照明線は、上記の検出デバイスにおいて利点を持つ。本発明は、検出プロセスの速度を向上させるため線スキャン又は共焦点線スキャンに特に注目する。しかしながらいくつかの場合では、表面の領域をカバーするスキャンは、必要ではない。本発明は、その利点も提供することになる。
【００８７】
本発明は、サンプルがボリュメトリックで又は表面上で検査されることを必要とするサンプル解析の分野に一般に適用可能である。こうして本発明は、線励起を必要とする分析方法に適用可能である。これらは、ガス、液体及び／又は固体サンプル上での解析も含む。
【００８８】
こうして、本発明は、例えば構成要素を決定するためのサンプルの化学分析に使用されることができるか、又は、化学又は生化学又は生物学的処理の進展又は進行を検査するのに使用されることができる。改良されたスキャン速度は、単位時間当たりより多くのデータ・ポイントの収集を可能にし、結果として改良された動的な測定を生じさせる。
【００８９】
バイオ解析の分野に限定されることなく、本発明は好ましくは、例えば、増幅後の核酸、タンパク質又は他の生化学又は生物学的存在物の検出に基づかれる分子診断の分野に適用される。更なる好ましい適用分野は、臨床診断、ポイントオブケア診断、高度な生体分子診断研究、及び光学バイオセンサを含み、特に、例えばＰＣＲ、ｑ―ＰＣＲ等の増幅方法と組み合わせるＤＮＡ検出に関するものを含む。本発明は、例えば病理学用途のため細胞及び／又は組織を撮像する線スキャナとして使用されることもできる。本発明は、タンパク質を検出する免疫測定法における検出にも使用されることができる。
【００９０】
上述された実施形態は本発明を限定するものではなく説明するものであり、当業者であれば、添付された請求項の範囲から逸脱することなく、代替的な多くの実施形態をデザインすることができることになることに留意されたい。請求項において、括弧内に配置されるいかなる参照符号も請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」という語は、請求項に記載される以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。ある要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」という語は、斯かる要素が複数存在することを除外するものではない。複数の手段を列挙するデバイスクレームにおいて、複数のこれらの手段がハードウェアの１つの同じアイテムにより実現されることができる。特定の手段が相互に異なる従属項に述べられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。
【図１】
0005775693.tif 000005
【図２】
0005775693.tif 000006
【図３】
0005775693.tif 000007
【図４】
0005775693.tif 000008
【図５ａ】
0005775693.tif 000009
【図５ｂ】
0005775693.tif 000010
【図５ｃ】
0005775693.tif 000011