(57)【要約】本開示は、パターン化試料のアクティブ面におけるイメージセンサ（例えば、アクティブピクセルセンサ）を利用して画像解像度を向上させる構造化照明イメージングシステムを提供する。撮像試料は、イメージセンサの各光センサ（例えば、画素）の上にそれぞれ複数のフィーチャが形成且つ／又は搭載されるようにイメージセンサ上にパターン化且つ／又は位置合わせされ得る。照明に応じて、フィーチャのそれぞれが、イメージセンサの画素により集光される蛍光を発し得る。撮像中に、画素上に整列したフィーチャのサブセット（例えば、１つ又は２つ）のみが画像読み取り中に構造化光で照明されるように、イメージセンサの各画素が構造化照明を用いて空間多重され得る。
2020531887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光する発光装置と、
パターン化フィーチャを含む試料の平面に複数の縞を投影するよう前記発光装置が発した光を回折させる光学素子と、
前記試料の前記フィーチャが発した光を集光するイメージセンサであり、該イメージセンサは複数の画素を含み、前記試料は、複数の前記パターン化フィーチャが第１の軸に沿って前記複数の画素のそれぞれの上に整列するように該イメージセンサ上に位置合わせされ、投影された前記複数の縞は、前記複数のパターン化フィーチャの各群それぞれの前記フィーチャのうちの１つを照明するよう整形されるイメージセンサと
を備えたシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記投影された複数の縞は、規則的な前記パターン化フィーチャの寸法と少なくとも同程度以上の縞幅を有し、該縞幅は、前記複数の画素のそれぞれのピッチ未満であるシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記イメージセンサはアクティブピクセルイメージセンサであるシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記イメージセンサは相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサであるシステム。
【請求項５】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記試料の前記平面に第２の複数の縞を投影するよう前記発光装置が発した光を回折させる第２の光学素子をさらに備え、前記第２の複数の縞は、前記第１の複数の縞に対して直交する向きであるシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記試料は、第２の前記複数のパターン化フィーチャが前記複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるように前記イメージセンサ上に位置合わせされ、前記第２の複数のパターン化フィーチャのそれぞれは、前記第１の軸と直交する第２の軸に沿って整列し、投影された前記第２の複数の縞は、前記第２の複数のパターン化フィーチャのそれぞれのうち１つを照明するよう整形されるシステム。
【請求項７】
請求項６に記載の構造化照明イメージングシステムにおいて、前記光を回折させる光学素子は、前記第１の複数の縞を投影する水平の透過型回折格子と、前記第２の複数の縞を投影する垂直の透過型回折格子とを含む構造化照明イメージングシステム。
【請求項８】
請求項６に記載のシステムにおいて、４つのパターン化フィーチャが前記複数の画素のそれぞれの上に位置決めされ、前記４つのパターン化フィーチャは前記画素上に正方格子状に配置されるシステム。
【請求項９】
請求項６に記載のシステムにおいて、３つのパターン化フィーチャが前記複数の画素のそれぞれの上に位置決めされ、前記３つのパターン化フィーチャは前記画素上にＬ字形に配置されるシステム。
【請求項１０】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記複数の画素のそれぞれは矩形画素であり、前記試料の前記フィーチャは、各矩形画素上にリニアアレイ状に整列するシステム。
【請求項１１】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記複数の画素のそれぞれは正方画素であり、前記複数のフィーチャの各群はアスペクト比約２：１の２つのフィーチャを含むシステム。
【請求項１２】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記複数の画素のそれぞれは正方画素であり、前記複数のフィーチャの各群はアスペクト比約３：１の３つのフィーチャを含むシステム。
【請求項１３】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記試料は前記イメージセンサ上に形成されるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記フィーチャのそれぞれは、前記複数の画素のうちの１つの光ガイド上に形成された反応部位を含む反応凹部であるシステム。
【請求項１５】
請求項３に記載の構造化照明イメージングシステムにおいて、前記イメージセンサは、画素の第１及び第２のアライメント行列を含み、該第１及び第２のアライメント行列は、前記複数の縞を前記試料及び前記イメージセンサと空間的に位置合わせする構造化照明イメージングシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記試料の１つのフィーチャのみが前記第１及び第２アライメント行列の前記複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるシステム。
【請求項１７】
パターン化フィーチャを含む試料の平面に第１の複数の縞を投影するステップであり、前記試料は、第１の複数の前記パターン化フィーチャが複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるようにイメージセンサ上に位置合わせされ、前記複数のパターン化フィーチャの各群は、第１の軸に沿って前記画素上に整列するステップと、
前記第１の複数の縞で前記第１の複数のパターン化フィーチャの各群の第１のフィーチャを照明するステップと、
前記第１の複数のパターン化フィーチャの各群の前記第１のフィーチャの第１の画像を取り込むステップと、
前記第１の複数のパターン化フィーチャの各群の第２のフィーチャを照明するよう前記第１の複数の縞を位相シフトさせるステップと、
前記第１の複数のパターン化フィーチャの各群の前記第２のフィーチャの第２の画像を取り込むステップと
を含む方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、投影された前記複数の縞は、規則的な前記パターン化フィーチャの寸法と少なくとも同程度以上の縞幅を有し、該縞幅は、前記複数の画素のそれぞれのピッチ未満である方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記試料は前記イメージセンサ上に形成され、該イメージセンサはアクティブピクセルセンサである方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、前記第１の複数の縞は、前記第１の画像を取り込むステップ及び前記第２の画像を取り込むステップ中に前記複数の画素のそれぞれの上の１つのフィーチャのみを照明するよう位置決めされる方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法において、
前記試料の前記平面に第２の複数の縞を投影するステップであり、該第２の複数の縞は、前記第１の複数の縞に対して直交する向きであり、前記試料は、第２の前記複数のパターン化フィーチャが前記複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるように前記イメージセンサ上に位置合わせされ、前記第２の複数のパターン化フィーチャのそれぞれは、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って整列するステップと、
前記第２の複数の縞で前記第２の複数のパターン化フィーチャの各群の第３のフィーチャを照明するステップと、
前記第２の複数のパターン化フィーチャの各群の前記第３のフィーチャの第３の画像を取り込むステップと、
前記第２の複数のパターン化フィーチャの各群の第４のフィーチャを照明するよう前記第２の複数の縞を位相シフトさせるステップと、
前記第２の複数のパターン化フィーチャの各群の前記第２のフィーチャの第４の画像を取り込むステップと
をさらに含む方法。
【請求項２２】
装置ベースであり、
複数の画素を備えたセンサアレイ、及び
対応する反応部位を有する反応凹部の反応アレイであり、複数の前記反応部位が前記複数の画素のそれぞれの上にパターン化されるように前記センサアレイ上にパターン化された反応アレイ
を備えた装置ベースと、
複数の縞を前記反応アレイの平面に投影する光学アセンブリであり、投影された前記複数の縞は、前記複数の画素のそれぞれの上にパターン化された前記反応凹部の１つを照明するよう整形される光学アセンブリと
を備えたバイオセンサ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のバイオセンサにおいて、前記投影された複数の縞は、前記反応凹部の寸法と少なくとも同程度以上の縞幅を有し、該縞幅は、前記複数の画素のそれぞれのピッチ未満であり、前記縞幅は、前記複数の画素のそれぞれの前記ピッチと少なくとも同程度であるバイオセンサ。
【請求項２４】
請求項２３に記載のバイオセンサにおいて、前記複数の縞を前記複数の画素のそれぞれの前記ピッチの数分の一だけ位相シフトさせる１つ又は複数の光学素子をさらに備えたバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、「構造化照明を用いたアクティブセンサ検出器の多重化」と称する２０１８年１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／６１４，６９０号及び「構造化照明を用いたアクティブセンサ検出器の多重化」と称する２０１８年３月２０日に出願されたオランダ特許出願第Ｎ２０２０６２１号の優先権を主張する。上記出願それぞれの全内容を参照により本明細書に援用する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡イメージングにおいて、顕微鏡の横分解能は、概して光源の波長及び顕微鏡の対物レンズの開口部数で決まる回折限界により制限される。例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージング技術等のアクティブセンサイメージング技術の限界の１つは、ハイエンドシステムで約１μｍ〜１．７５μｍであり得るセンサシステムのピッチにより、最終ピッチ、したがって情報のデータ密度が制限されることである。作製上の制約により小画素の加工が複雑になるので、この制限は変わらないと思われる。
【０００３】
電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージングセンサを利用する旧来の顕微鏡イメージングシステムによっては、空間的に構造化された（すなわち、パターン化された）光を用いて試料を撮像し、顕微鏡の横分解能を２倍以上増加させることができる。このようなシステムでは、試料の撮像中に、試料の縞パターンの３つの画像が種々のパターン位相（例えば、０°、１２０°、及び２４０°）で取得され得るので、試料上の各位置がある範囲の照明強度に曝され、光軸の周りでパターンの向きを回転させる（例えば、６０°及び１２０°）ことによりこの手順が繰り返される。取り込み画像（例えば、９つの画像）は、拡張された空間周波数帯域幅を有する単一の画像に合成することができ、それを実空間に再変換して従来の顕微鏡により取り込まれるものよりも高い解像度を有する画像を生成することができる。これらの旧来のシステムでは、構造化照明顕微鏡法による分子の検出は、励起光を（通常は励起に用いられるのと同じ対物レンズで）回収し発光信号をＣＣＤカメラに再結像することに依存する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書に記載の実施形態は、パターン化試料のアクティブ面におけるイメージセンサ（例えば、アクティブピクセルセンサ）を利用して画像解像度を向上させる構造化照明イメージングシステムを対象とする。撮像試料は、イメージセンサの各画素の上にそれぞれ複数のフィーチャが形成且つ／又は搭載されるようにイメージセンサ上にパターン化且つ／又は位置合わせされ得る。
【０００５】
一実施形態では、システムは、発光する発光装置と、パターン化フィーチャを含む試料の平面に複数の縞を投影するよう発光装置が発した光を回折させる光学素子と、試料のフィーチャが発した光を集光するイメージセンサとを含む。この実施形態では、イメージセンサは複数の画素を含み、試料は、複数のパターン化フィーチャが第１の軸に沿って複数の画素のそれぞれの上に整列するようにイメージセンサ上に位置合わせされ、投影された複数の縞は、複数のパターン化フィーチャの各群それぞれのフィーチャのうちの１つを照明するよう整形される。種々の実施形態において、投影された複数の縞は、規則的なパターン化フィーチャの寸法と少なくとも同程度以上の縞幅を有し、縞幅は、複数の画素のそれぞれのピッチ未満である。例えば、規則的なパターン化フィーチャの寸法は、円形フィーチャの直径、正方形フィーチャの１辺の長さ、矩形フィーチャの長辺又は短辺の長さ、楕円形フィーチャの長軸又は短軸に沿った直径、又は不定形物体の１つの軸（例えば、ｘ軸又はｙ軸）に沿った最長寸法であり得る。
【０００６】
実施形態において、イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ等のアクティブピクセルイメージセンサである。
【０００７】
２次元構造化照明イメージング実施形態では、システムはさらに、試料の平面に第２の複数の縞を投影するよう発光装置が発した光を回折させる第２の光学素子を備え、第２の複数の縞は、第１の複数の縞に対して直交する向きである。このような実施形態では、試料は、第２の複数のパターン化フィーチャが複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるようにイメージセンサ上に位置合わせされることができ、第２の複数のパターン化フィーチャのそれぞれは、第１の軸と直交する第２の軸に沿って整列し、投影された第２の複数の縞は、第２の複数のパターン化フィーチャのそれぞれのうち１つを照明するよう整形される。
【０００８】
２次元構造化照明イメージング実施形態において、光を回折させる光学素子は、第１の複数の縞を投影する水平の透過型回折格子と、第２の複数の縞を投影する垂直の透過型回折格子とを含み得る。いくつかの特定の実施形態では、４つのパターン化フィーチャが複数の画素のそれぞれの上に位置決めされ、４つのパターン化フィーチャは、画素上に正方格子状に配置される。いくつかの特定の実施形態では、３つのパターン化フィーチャが複数の画素のそれぞれの上に位置決めされ、３つのパターン化フィーチャは画素上にＬ字形に配置される。
【０００９】
いくつかの実施形態では、複数の画素のそれぞれは矩形画素であり、試料のフィーチャは各矩形画素上にリニアアレイ状に整列する。
【００１０】
いくつかの実施形態では、複数の画素のそれぞれは正方画素であり、複数のフィーチャの各群はアスペクト比約２：１の２つのフィーチャを含む。いくつかの実施形態では、複数の画素のそれぞれは正方画素であり、複数のフィーチャの各群はアスペクト比約３：１の３つのフィーチャを含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、試料はイメージセンサ上に形成され得る。例えば、試料は、アクティブピクセルイメージセンサ上にリソグラフィによりパターン化され得る。
【００１２】
特定の実施形態では、フィーチャのそれぞれは、複数の画素のうちの１つの光ガイド上に形成された反応部位を含む反応凹部である。
【００１３】
いくつかの実施形態では、イメージセンサは、画素の第１及び第２のアライメント行列を含み、第１及び第２のアライメント行列は、複数の縞を試料及びイメージセンサと空間的に位置合わせする。これらの実施形態では、試料の１つのフィーチャのみが第１及び第２アライメント行列の複数の画素のそれぞれの上に位置決めされ得る。
【００１４】
一実施形態では、方法は、パターン化フィーチャを含む試料の平面に第１の複数の縞を投影するステップであり、試料は、第１の複数のパターン化フィーチャが複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるようにイメージセンサ上に位置合わせされ、複数のパターン化フィーチャの各群が、第１の軸に沿って画素上に整列するステップと、第１の複数の縞で第１の複数のパターン化フィーチャの各群の第１のフィーチャを照明するステップと、第１の複数のパターン化フィーチャの各群の第１のフィーチャの第１の画像を取り込むステップと、第１の複数のパターン化フィーチャの各群の第２のフィーチャを照明するよう第１の複数の縞を位相シフトさせるステップと、第１の複数のパターン化フィーチャの各群の第２のフィーチャの第２の画像を取り込むステップとを含む。
【００１５】
この方法のいくつかの実施形態では、投影された複数の縞は、規則的なパターン化フィーチャの寸法と少なくとも同程度以上の縞幅を有し、縞幅は、複数の画素のそれぞれのピッチ未満である。いくつかの実施形態では、試料はイメージセンサ上に形成され、イメージセンサはアクティブピクセルセンサである。
【００１６】
この方法の特定の実施形態では、第１の複数の縞は、第１の画像を取り込むステップ及び第２の画像を取り込むステップ中に複数の画素のそれぞれの上の１つのフィーチャのみを照明するよう位置決めされる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、本方法はさらに、試料の平面に第２の複数の縞を投影するステップであり、第２の複数の縞は、第１の複数の縞に対して直交する向きであり、試料は、第２の複数のパターン化フィーチャが複数の画素のそれぞれの上に位置決めされるようにイメージセンサ上に位置合わせされ、第２の複数のパターン化フィーチャのそれぞれは、第１の軸に直交する第２の軸に沿って整列するステップと、第２の複数の縞で第２の複数のパターン化フィーチャの各群の第３のフィーチャを照明するステップと、第２の複数のパターン化フィーチャの各群の第３のフィーチャの第３の画像を取り込むステップと、第２の複数のパターン化フィーチャの各群の第４のフィーチャを照明するよう第２の複数の縞を位相シフトさせるステップと、第２の複数のパターン化フィーチャの各群の第２のフィーチャの第４の画像を取り込むステップとを含む。
【００１８】
一実施形態では、バイオセンサは、複数の画素を備えたセンサアレイと、対応する反応部位を有する反応凹部の反応アレイであり、複数の反応凹部が複数の画素のそれぞれの上にパターン化されるようにセンサアレイ上にパターン化された反応アレイと、複数の縞を反応アレイの平面に投影する光学アセンブリであり、投影された複数の縞は、複数の画素のそれぞれの上にパターン化された反応凹部の１つを照明するよう整形される光学アセンブリとを含む。この実施形態では、投影された複数の縞は、反応凹部の寸法と少なくとも同程度以上の縞幅を有することができ、縞幅は、複数の画素のそれぞれのピッチ未満とすることができ、縞幅は、複数の画素のそれぞれのピッチと少なくとも同程度とすることができる。いくつかの実施形態では、バイオセンサはさらに、複数の縞を複数の画素のそれぞれのピッチの数分の一だけ位相シフトさせる１つ又は複数の光学素子を含む。
【００１９】
開示技術の他の特徴及び態様は、例として開示技術の実施形態による特徴を示す添付図面と共に以下の詳細な説明を読めば明らかとなるであろう。発明の概要は、特許請求の範囲及び等価物により定められる本明細書に記載の発明の範囲を制限するためのものではない。
【００２０】
当然ながら、上記概念の全ての組み合わせは（かかる概念が相互に矛盾しない場合）、本明細書に開示される発明の主題の一部と考えられる。特に、本開示の最後に載せた特許請求の範囲に記載の主題の全ての組み合わせが、本明細書に開示される発明の主題の一部と考えられる。
【００２１】
本開示を、１つ又は複数の実施形態に従って添付の図を参照して詳細に説明する。図は、説明のためだけに提供されており、例示的な実施形態を示すものにすぎない。さらに、明確化のため且つ説明を容易にするために、図中の要素は必ずしも同一の縮尺となっていないことに留意されたい。
【００２２】
本明細書に含まれる図のいくつかは、開示技術の種々の実施形態を異なる視野角から示している。それに付随する説明文は、こうした視野を「上面」図、「下面」図、又は「側面」図と称する場合があるが、このような言及は説明的なものにすぎず、別段の明記のない限りは特定の空間的向きでの実施又は使用を意味することも必要とすることもない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１Ａは、実施形態による、イメージセンサがパターン化試料と同じ平面にある例示的な構造化照明イメージングシステムを示す。図１Ｂは、２つのフィーチャが１次元に沿ってイメージセンサの各画素上に形成されるようにイメージセンサ上にパターン化された試料を含むアセンブリを示す。
【図２】１つのフィーチャがイメージセンサの各画素上に形成されるようにイメージセンサ上にパターン化された試料を含むイメージングシステムアセンブリの構成を示す。
【図３】一実施形態による生体又は化学分析用の例示的なワークステーションのブロック図である。
【図４】ワークステーション及び実施形態に記載の１つ又は複数のバイオセンサを含み得るカートリッジの斜視図である。
【図５】複数のワークステーションが搭載されたキャビネット又はキャリッジを有するラックアセンブリの正面図である。
【図６】一実施形態による図４のカートリッジの種々の特徴部を示す。
【図７】一実施形態により形成された例示的なバイオセンサの一部の断面を示す。
【図８】種々の特徴部をより詳細に示す図７の検出装置の拡大断面を示す。
【図９】実施形態による、各画素上に整列した２つの撮像フィーチャを含むイメージセンサアセンブリの上面図を示す。
【図１０】構造化照明イメージングアセンブリの各光検出器（例えば、画素）上に位置決めされた２つのフィーチャを含む試料を撮像する１撮像サイクル中にイメージングアセンブリにより実施され得る例示的な１次元構造化照明法を示す動作フロー図である。
【図１１】実施形態において１次元構造化照明撮像プロセス中に構造化照明パターンを試料及びセンサと位置合わせするのに利用され得るアライメント行を含むイメージセンサの例を示す。
【図１２】矩形画素を有するイメージングアセンブリにより実施され得る例示的な１次元構造化照明撮像プロセスを示す。
【図１３】２次元に沿って（例えば、２行及び２列に沿って）各画素上に整列した４つの撮像フィーチャを含むイメージセンサアセンブリの上面図を示す。
【図１４Ａ】構造化照明イメージングアセンブリの各光検出器（例えば、画素）上に２次元に沿って位置決めされた４つのフィーチャを含む試料を撮像する１撮像サイクル中にイメージングアセンブリにより実施され得る例示的な２次元構造化照明法を示す動作フロー図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの方法を用いて取り込まれた５つの画像を復号して画素上にパターン化された４つのフィーチャのそれぞれの信号強度を推定し得る様子を示す。
【図１５】実施形態において、２次元構造化照明撮像プロセス中に第１及び第２の直交方向に沿った構造化照明パターンを試料及びセンサと位置合わせするのに利用され得る２つのアライメント行及び２つのアライメント列を含むイメージセンサを示す。
【図１６Ａ】２次元に沿ってＬ字形で各画素上に整列した３つの撮像フィーチャを含むイメージセンサアセンブリの上面図を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ａの画素の３つの２次元画像を復号して３つのフィーチャのそれぞれの信号強度を推定し得る様子を示す。
【図１７】１次元に沿って各正方画素上に整列した２つの楕円形フィーチャを含む例示的なイメージセンサの上面図を示す。
【図１８】１次元に沿って各正方画素上に整列した３つの楕円形フィーチャを含む例示的なイメージセンサの上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図は、網羅的なものではなく、本開示を開示された形態そのものに限定するものでもない。
【００２５】
本明細書において試料の言及に用いる場合、用語「スポット」又は「フィーチャ」は、相対位置に従って他の点又は領域から区別できるパターン内の点又は領域を意味することが意図される。個々のスポットは、特定のタイプの１つ又は複数の分子を含み得る。例えば、スポットが特定の配列を有する単一の標的核酸分子を含み得るか、又はスポットが同じ配列（及び／又はその相補的配列）を有する複数の核酸分子を含み得る。
【００２６】
本明細書において、用語「ｘｙ平面」は、デカルト座標系において直線軸ｘ及びｙにより規定される２次元領域を意味することが意図される。検出器及び検出器により観察される物体に関して用いられる場合、この領域は、検出器と被検出物体との間の観察方向に直交するものとしてさらに指定され得る。
【００２７】
本明細書において、用語「ｚ座標」は、ｘｙ平面に直交する軸に沿った点、線、又は領域の位置を指定する情報を意味することが意図される。特定の実施形態において、ｚ軸は、検出器により観察される物体の領域に直交する。例えば、光学系のフォーカス方向は、ｚ軸に沿って指定され得る。
【００２８】
本明細書において、用語「光学的に結合され」は、ある要素が別の要素に直接的又は間接的に光を伝えるよう適合されることを指すことが意図される。
【００２９】
本明細書において、「指定反応」は、関心分析物の化学的、電気的、物理的、又は光学的特性（又は品質）の少なくとも１つの変化を含む。特定の実施形態において、指定反応は、陽性結合事象（例えば、蛍光標識生体分子と関心分析物との合体）である。より一般的には、指定反応は、化学変換、化学変化、又は化学的相互作用であり得る。指定反応は、電気的特性の変化でもあり得る。
【００３０】
本明細書において、「反応成分」又は「反応物」は、指定反応を得るために用いられ得る任意の物質を含む。例えば、反応成分は、試薬、酵素、試料、他の生体分子、及び緩衝液を含む。反応成分は、溶液中で反応部位に供給され且つ／又は反応部位に固定され得る。反応成分は、関心分析物等の別の物質と直接的又は間接的に相互作用し得る。
【００３１】
本明細書において、用語「反応部位」は、指定反応が起こり得る局所領域である。反応部位は、物質が固定され得る基板の支持面を含み得る。例えば、反応部位は、核酸のコロニーを入れたフローセルのチャネル内の平坦な表面を含み得る。常にではないが通常は、コロニー中の核酸は、例えば一本鎖又は二本鎖鋳型のクローンコピーである同じ配列を有する。しかしながら、いくつかの実施形態では、反応部位は、例えば一本鎖又は二本鎖形態で単一の核酸分子のみを収容し得る。さらに、複数の反応部位が、支持面に沿ってランダムに分布し得るか又は所定の形で（例えば、マイクロアレイ等で行列状に並んで）配置され得る。反応部位は、指定反応を区画化するよう構成された空間領域又は体積を少なくとも部分的に画定する反応室を含むこともできる。本明細書において、用語「反応室」は、流路と流体連通した空間領域を含む。反応室は、周囲環境又は他の空間領域から少なくとも部分的に分離され得る。例えば、複数の反応室が共有壁により相互に分離され得る。より具体的な例として、反応室は、壁の内面により画定された空洞を含み、且つ空洞が流路と流体連通できるように開口部又は開口を有し得る。
【００３２】
本明細書において、２つの反応部位に関して用いられる場合の用語「隣接する」は、２つの反応部位間に他の反応部位が位置付けられていないことを意味する。用語「隣接する」は、隣接する検出経路及び隣接する光センサに関して用いられる場合も同様の意味を有し得る（例えば、隣接する光センサの間には他の光センサがない）。
【００３３】
本明細書において、「物質」は、捕捉ビーズ等のアイテム又は固体、並びに生体又は化学物質を含む。本明細書において、「生体又は化学物質」は、生体分子、関心試料、関心分析物、及び他の化合物（単数又は複数）を含む。生体又は化学物質は、他の化合物（単数又は複数）の検出、同定、若しくは分析に用いられ得るか、又は他の化合物（単数又は複数）の研究若しくは分析のための中間体として機能し得る。特定の実施形態では、生体又は化学物質は生体分子を含む。本明細書において、「生体分子」は、生体高分子、ヌクレオシド、核酸、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、ポリペプチド、抗体、抗原、リガンド、受容体、多糖類、炭水化物、ポリリン酸塩、細胞、組織、生物、若しくはそれらの断片、又は上記種の類似体若しくは模倣物等の任意の他の生物活性化合物（単数又は複数）の少なくとも１つを含む。
【００３４】
本明細書において、「反応成分」又は「反応物」は、指定反応を得るために用いられ得る任意の物質を含む。例えば、反応成分は、試薬、酵素、試料、他の生体分子、及び緩衝液を含む。反応成分は、溶液中で反応部位に供給され且つ／又は反応部位に固定され得る。反応成分は、関心分析物等の別の物質と直接的又は間接的に相互作用し得る。
【００３５】
本明細書において、用語「反応部位」は、指定反応が起こり得る局所領域である。反応部位は、物質が固定され得る基板の支持面を含み得る。例えば、反応部位は、核酸のコロニーを入れたフローセルのチャネル内の平坦な表面を含み得る。場合によっては、コロニー中の核酸は、例えば一本鎖又は二本鎖鋳型のクローンコピーである同じ配列を有する。しかしながら、いくつかの実施形態では、反応部位は、例えば一本鎖又は二本鎖形態で単一の核酸分子のみを含み得る。さらに、複数の反応部位が、支持面に沿ってランダムに分布し得るか又は所定の形で（例えば、マイクロアレイ等で行列状に並んで）配置され得る。反応部位は、指定反応を区画化するよう構成された空間領域又は体積を少なくとも部分的に画定する反応室を含むこともできる。本明細書において、用語「反応室」は、流路と流体連通した空間領域を含む。反応室は、周囲環境又は他の空間領域から少なくとも部分的に分離され得る。例えば、複数の反応室が共有壁により相互に分離され得る。より具体的な例として、反応室は、壁の内面により画定された空洞を含み、且つ空洞が流路と流体連通できるように開口部又は開口を有し得る。
【００３６】
さらに別の例では、生体若しくは化学物質又は生体分子は、パイロシーケンシング反応でのポリリン酸塩の検出に用いられる酵素又は試薬等の別の反応生成物を検出するために共役反応で用いられる酵素又は試薬を含む。生体分子、試料、及び生体又は化学物質は、天然であっても合成であってもよく、ある空間領域内で溶液又は混合物中に懸濁していてもよい。生体又は化学物質は、固相又はゲル材料に結合されてもよい。生体分子、試料、及び生体又は化学物質は、医薬組成物も含み得る。場合によっては、関心の生体分子、試料、及び生体又は化学物質は、標的、プローブ、又は分析物と称され得る。
【００３７】
本明細書において、「バイオセンサ」は、複数の反応部位を有し反応部位で又はその近くで起こる指定反応を検出するよう構成された構造を含む。バイオセンサは、固体イメージング装置（例えば、ＣＭＯＳ又はＣＣＤイメージャ）及び場合によってはそれに搭載された流路を含み得る。流路は、反応部位と流体連通した少なくとも１つの流路を含み得る。具体的な一例として、バイオセンサは、バイオアッセイシステムに流体的且つ／又は電気的に結合されるよう構成される。バイオアッセイシステムは、所定のプロトコル（例えば、１塩基合成反応（sequencing-by-synthesis））に従って反応物を反応部位に供給して複数の撮像事象を実行し得る。例えば、バイオアッセイシステムは、溶液を反応部位に沿って流れるよう導き得る。溶液の少なくとも１つは、同じか又は異なる蛍光標識を有する４つのタイプのヌクレオチドを含み得る。ヌクレオチドは、反応部位に位置付けられた対応するオリゴヌクレオチドに結合し得る。バイオアッセイシステムは、続いて、励起光源（例えば、発光ダイオードすなわちＬＥＤ等の固体光源）を用いて反応部位を照明し得る。励起光は、ある範囲の波長を含む１つ又は複数の所定の波長を有し得る。励起された蛍光標識は、光センサにより検出され得る発光信号を提供する。
【００３８】
代替的な実施形態では、バイオセンサは、他の同定可能な性質を検出するよう構成された電極又は他のタイプのセンサを含み得る。例えば、センサは、イオン濃度の変化を検出するよう構成され得る。別の例では、センサは、膜にわたるイオン電流の流れを検出するよう構成され得る。
【００３９】
本明細書において、「カートリッジ」は、バイオセンサを保持するよう構成された構造を含む。いくつかの実施形態では、カートリッジは、励起光をバイオセンサの反応部位に照射するよう構成された光源（例えば、ＬＥＤ）等の付加的な特徴部を含み得る。カートリッジは、反応成分、試料等を反応部位に流体的に輸送するために、流体貯蔵システム（例えば、試薬、試料、及び緩衝液の貯蔵）及び流体制御システム（例えば、ポンプ、弁等）も含み得る。例えば、バイオセンサの準備又は製造後に、バイオセンサはカートリッジのハウジング又は容器に結合され得る。いくつかの実施形態では、バイオセンサ及びカートリッジは、自立型の使い捨てユニットであり得る。しかしながら、他の実施形態は、ユーザが保守又は成分若しくは試料の交換のためにバイオセンサ又はカートリッジの内部にアクセスすることを可能にする取り外し可能な部品を有するアセンブリを含み得る。バイオセンサ及びカートリッジは、制御下で反応を実行するシーケンシングシステム等のより大きなバイオアッセイシステムに取り外し可能に結合又は係合されることができる。
【００４０】
本明細書において、バイオセンサ（又はカートリッジ）とバイオアッセイシステムのシステムレセプタクル又はインタフェースとの間の関係を記述するために用語「取り外し可能に」及び「結合され」（又は「係合され」）が併せて用いられる場合、この用語は、バイオセンサ（又はカートリッジ）とシステムレセプタクルとの間の接続がシステムレセプタクル及び／又はバイオセンサ（又はカートリッジ）の破壊も損傷も伴わずに容易に分離可能であることを意味することが意図される。コンポーネントが容易に分離可能なのは、コンポーネントの分離に過度の努力も著しい時間の浪費もなく相互に分離され得る場合である。例えば、バイオセンサ（又はカートリッジ）は、バイオアッセイシステムの嵌め合いコンタクトを破壊も損傷もさせないようにシステムレセプタクルに電気的に取り外し可能に結合又は係合され得る。バイオセンサ（又はカートリッジ）は、バイオセンサ（又はカートリッジ）を保持する特徴部が破壊も損傷もされないようにシステムレセプタクルに機械的に取り外し可能に結合又は係合され得る。バイオセンサ（又はカートリッジ）は、システムレセプタクルのポートが破壊も損傷もされないようにシステムレセプタクルに流体的に取り外し可能に結合又は係合され得る。システムレセプタクル又はコンポーネントは、例えば、コンポーネントの単純な調整（例えば再位置合わせ）又は単純な交換（例えば、ノズル交換）しか必要ない場合には破壊も損傷もされるとみなされない。
【００４１】
本明細書において、用語「流体連通」又は「流体的に結合」は、液体又はガスが２つの空間領域間で流れることができるように２つの領域同士が接続されることを指す。例えば、流体がマイクロ流路から反応室に自由に流れ込むことができるように、マイクロ流路が反応室に流体連通され得る。用語「流体連通」又は「流体的に結合」は、システム内の流体の流れを制御又は調節するよう構成された１つ又は複数の弁、絞り、又は他の流体コンポーネントを介した２つの空間領域の流体連通を可能にする。
【００４２】
本明細書において、生体分子又は生体若しくは化学物質に関して用いられる場合の用語「固定」は、生体分子又は生体若しくは化学物質を分子レベルで表面に少なくとも実質的に付着させることを含む。例えば、生体分子又は生体若しくは化学物質は、官能基又はリンカーが表面への生体分子の付着を容易にする、非共有相互作用（例えば、静電力、ファンデルワールス、及び疎水性界面の脱水）を含む吸着技法及び共有結合技法を用いて基板材料の表面に固定され得る。基板材料の表面への生体分子又は生体若しくは化学物質の固定は、基板表面の特性、生体分子又は生体若しくは化学物質を担持する液体媒体、及び生体分子又は生体若しくは化学物質自体の特性に基づき得る。場合によっては、基板表面を機能化（例えば、化学的又は物理的に変性）して、基板表面への生体分子（又は生体若しくは化学物質）の固定を容易にしてもよい。基板表面は、表面に結合した官能基を有するように最初に変性され得る。官能基は、続いて生体分子又は生体若しくは化学物質に結合してそこに固定され得る。
【００４３】
上述のように、現在のＣＭＯＳイメージング技術の限界の１つは、センサシステムの画素のピッチにより最終ピッチ、したがって情報のデータ密度が制限されることである。一部のＣＣＤイメージングシステムでは構造化照明が利用されているが、このようなシステムでの分子の検出は、励起に用いられるのと同じ対物レンズで励起光を回収し発光信号をＣＣＤカメラに再結像することに依存する。このようなシステムでは、回収された光が通過する各光学系が信号強度を下げ、イメージング分解能及び性能にとって有害な収差を導入する可能性がある。
【００４４】
本明細書に記載の実施形態は、試料のアクティブ面におけるイメージセンサ（例えば、アクティブピクセルセンサ）を利用する構造化照明イメージングシステムの使用によりこれらの問題に対処する。本明細書に記載の実施形態によれば、撮像試料は、イメージセンサの各光センサ（例えば、画素）の上にそれぞれ複数のフィーチャが形成且つ／又は搭載されるようにイメージセンサアセンブリ上にパターン化及び／又は位置合わせされ得る。撮像中に、画素上に整列したフィーチャのサブセット（例えば、１つ）のみが画像読み取り中に構造化光で照明されるように、イメージセンサの各画素が構造化照明を用いて空間多重され得る。例えば、各画素上に形成された複数のクラスタ又はナノウェルを有するバイオセンサイメージングシステムを利用する特定の実施形態では、センサ画素当たり単一のクラスタ（又はナノウェル）が空間多重されることでサブピクセル分解能を達成することができ、これは、構造化照明システムを用いて各画素上のクラスタ又はナノウェルのうち一度に１つを撮像することにより達成することができる。
【００４５】
本明細書に記載の実施形態は、既存のイメージングシステムに優るいくつかの利益を達成することができる。第１に、照明光路を通して（例えば、対物レンズを通して）光を回収する既存の構造化照明イメージングシステムとは異なり、本明細書に記載の実施形態における照明経路は、発光波長及び光学系を意識しない励起用のみのものである。したがって、光源のフィルタ及び光学系を励起のみに最適化することができる。第２に、旧来のイメージングシステムでは、カメラにおける物体からの光が回折限界光であり、イメージングカメラの複数の画素にまたがるが、本明細書に記載のように、試料平面にアクティブセンサがあることでサブピクセル分解能を達成することができる。さらに、イメージセンサがＣＭＯＳセンサ等のアクティブピクセルイメージセンサである（例えば、画素が光検出器及び増幅器を有する）実施形態では、信号利得の増加及びイメージングアセンブリのコスト削減等のさらなる利益を得ることができる。本明細書に開示された技術のこれら及び他の利益は、上記説明から理解されるであろう。
【００４６】
本明細書に開示されるシステム及び方法の種々の実施形態を説明する前に、本明細書に開示される技術を実施できる例示的な環境を説明することが有用である。そのような例示的な環境の１つは、図１Ａ及び図１Ｂに示されており、これらの図は、イメージセンサ１４０が空間構造化光で照明されるパターン化試料１１０と同じ平面にある構造化照明イメージングシステム１００を示す。例えば、システム１００は、空間構造化励起光を利用してパターン化生体試料を撮像する構造化照明蛍光顕微鏡システムであり得る。
【００４７】
例示的なシステム１００において、発光装置１５０が、コリメータ１５１（例えば、コリメートレンズ）によりコリメートされる光ビームを出力するよう構成される。コリメートビームは、ビーム構造化光学アセンブリ１５５により構造化（パターン化）ビーム１６０に整形され、対物レンズ１４２を通して複数のフィーチャ１１１を含むパターン化試料１１０へ指向される。パターン化試料１１０が発した光は、この例では試料１１０の直下に位置決めされたイメージセンサアセンブリ１４０により集光される。例えば、蛍光試料１１０の場合、試料の照明されたフィーチャ１１１は、構造化励起光に応じて蛍光を発することができ、結果としてフィーチャ１１１が発した光１６１は、イメージセンサアセンブリ１４０のフォトサイト（例えば、画素）により集光されて蛍光が検出され得る。例えば、図１Ｂに示すように、イメージセンサアセンブリ１４０の画素（１，２）及び（１，４）は、センサ上に位置決め又はパターン化された試料のフィーチャ１１１が発した光１６１を集光し得る。
【００４８】
図１Ｂに示すように、試料１１０は、（例えば、さまざまな異なるリソグラフィ技法を用いて）イメージセンサアセンブリ１４０上に形成され得る。アセンブリ１４０上に試料１１０を形成することで、撮像中のイメージセンサアセンブリ１４０の特定のフォトサイト（例えば、画素）に対する試料１１０のパターン化フィーチャ１１１の整列が維持されることが確実になるという利点を得ることができる。このような実施形態では、層（図示せず）が試料１１０とイメージセンサアセンブリ１４０との間の隔離を行い（例えば、イメージセンサアセンブリを試料の流体環境から遮蔽し）得る。他の実施形態では、試料１１０は、イメージセンサアセンブリ１４０上に搭載且つ位置合わせされ得る。
【００４９】
試料１１０は、イメージセンサ１４０の各光センサ（例えば、画素）の上にそれぞれ複数のフィーチャ１１１が搭載且つ／又は形成されるようにパターン化されイメージセンサアセンブリ１４０と位置合わせされる。図１Ｂの例に示すように、試料１１０は、２つのフィーチャ１１１がイメージセンサアセンブリ１４０の画素アレイの各画素上に１次元に沿って形成されるようにイメージセンサアセンブリ１４０上にパターン化される。例えば、各フィーチャ１１１は、各画素のピッチ（例えば、１μｍ）の半分未満の直径（例えば、５００ｎｍ）を有し得る。他の実施形態では、３つ、４つ、又はそれ以上の数のフィーチャ１１１が、イメージセンサアセンブリ１４０の各画素上に１次元に沿って（例えば、リニアアレイとして）又は２次元に沿って（例えば、正方格子アレイとして）形成され得る。例えば、４つのフィーチャが各画素上に正方形に形成され得る。別の例として、３つのフィーチャが各画素上にリニアアレイ状に形成され得る。
【００５０】
各画像読み取り中に、発光装置１５０が発した光は構造化光学アセンブリ１５５により構造化され、各画素に対応するフィーチャ１１１の１つが少なくとも実質的に照明されるようなピッチＰ（縞間の中心間間隔）及び幅ｗを有する縞１６０を投影する。例えば、ピッチＰは、イメージセンサの画素のピッチと少なくとも実質的に同じもの（例えば、１μｍ×１μｍの正方画素で１μｍのピッチ）であり得ると共に、幅ｗは、フィーチャ１１１の寸法と少なくとも実質的に同じか又はそれよりもわずかに大きいもの（例えば、直径５００ｎｍの部位で約５００ｎｍ以上の幅）であり得る。特定の実施形態では、幅ｗは、フィーチャ１１１の直径よりも大きく且つフィーチャ１１１の直径と隣接するフィーチャ１１１間の間隔とを足したものよりも小さいものであり得る。実施形態において、縞幅ｗと少なくとも実質的に同じか又はそれよりもわずかに小さな規則的なパターン化フィーチャの寸法は、円形フィーチャの直径、正方形フィーチャの１辺の長さ、矩形フィーチャの長辺又は短辺の長さ、楕円形フィーチャの長軸又は短軸に沿った直径、又は不定形フィーチャの１つの軸（例えば、ｘ軸又はｙ軸）に沿った最大寸法であり得る。
【００５１】
２つのフィーチャが各画素上に形成される図１Ｂの例では、各画素の左側のフィーチャが縞１６０の構造化光パターンにより照明されてフィーチャの半分から信号が得られる。別の画像読み取り中に、構造化光パターンを右側に位相シフトさせることにより画素の右側のフィーチャが照明されて、フィーチャの残りの半分から信号が得られる。したがって、構造化照明を用いて各画素からのデータ読み出しを空間多重することにより、図２に示すような各画素１９１上に１つのフィーチャ１９２を配置するシステムに比べて図１Ａ及び図１Ｂの構成では画素当たりのデータ密度を倍増させる（すなわち、フィーチャ密度を倍増させる）ことが可能であり得る。このような場合、システムで利用可能な情報内容は、画素密度ではなくフィーチャ密度により制限される。以下でより詳細に説明するいくつかの実施形態では、各画素上にさらなるフィーチャをパターン化すること（例えば、３つ、４つ、又はそれ以上）により、各画素のデータ密度を３倍又は４倍にもすることが可能であり得る。
【００５２】
図示のように、試料１１０は、撮像ラン中に同時に撮像できる整然と並んだスポット又はフィーチャ１１１の矩形アレイでパターン化される。この例では矩形アレイが示されているが、他の実施形態では、縞１６０での構造化照明パターンを用いて撮像され得る六角形アレイ又は他の何らかのアレイパターンを用いて試料をパターン化することができる。説明を容易にするために、試料１００は数十個のフィーチャ１１１を有するものとして図示されている。しかしながら、当然ながら、試料１００は、撮像されるフィーチャ１１１を数千個、数百万個、数十億個有し得る。さらに、場合によっては、試料１００は、撮像ラン中にサンプリングされるフィーチャ１１１の（フォーカス方向に対して垂直な）複数の平面を含むマルチプレーン試料であり得る。特定の実施形態では、試料１００は、１つ又は複数のレーンに分割される数百万個又は数十億個のウェルでパターン化されたフローセルであり得る。この特定の実施形態では、フローセルの各ウェルが、１塩基合成反応を用いてシーケンシングされる生体材料を収容することができる。
【００５３】
イメージセンサアセンブリ１４０は、相補型金属酸化膜（ＣＭＯＳ）イメージセンサ又は電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサ等の１つ又は複数のアクティブピクセルセンサを含み得る。イメージセンサの画素は、アスペクト比１：１の正方画素であり得るが、以下でさらに説明する他の実施形態では、画素は、矩形で他のアスペクト比（例えば、アスペクト比２：１、アスペクト比３：１、アスペクト比４：１、アスペクト比３：２等）を有してもよい。特定の実施形態では、イメージセンサアセンブリは、以下でさらに説明するバイオセンサイメージセンサアセンブリとして実施され得る。
【００５４】
システム１００では、発光装置１５０は、インコヒーレント発光装置（例えば、１つ又は複数の励起用ダイオードにより出力される光ビームを発する）又は１つ又は複数のレーザ又はレーザダイオードにより出力される光の発光装置等のコヒーレント発光装置であり得る。システム１００の例に示すように、発光装置１５０は、出力される光ビームを誘導する光フィアバ１５２を含む。しかしながら、発光装置１５０の他の構成を用いてもよい。マルチチャネルイメージングシステム（例えば、複数の光波長を利用するマルチチャネル蛍光顕微鏡）で構造化照明を利用する実施形態では、光ファイバ１５２は、それぞれが異なる波長の光を発する複数の異なる光源（図示せず）に光学的に結合し得る。システム１００は単一の発光装置１５０を有するものとして示されているが、実施形態によっては複数の発光装置１５０が含まれ得る。
【００５５】
種々の実施形態の光構造化光学アセンブリ１５５は、試料１１０の表面に投影される回折光（例えば、縞）の正弦波パターンを生成する１つ又は複数の光学素子（例えば、回折格子）を含む。例えば、１次元又は２次元透過型又は反射型回折格子を用いて、試料１６０の表面に投影される等間隔の縞又はストライプ１６０を有する構造化光ビームが生成され得る。いくつかの実施形態では、光構造化光学アセンブリ１５５は、単一の方向に沿った向きの構造化光パターン（例えば、縦縞又は横縞１６０のみ）を生成するよう構成される。
【００５６】
いくつかの実施形態では、光構造化光学アセンブリ１５５は、２つの少なくとも実質的に直交する方向（例えば、垂直方向及び水平方向の両方）に沿った向きの構造化光パターンを生成するよう構成され得る。このような実施形態では、アセンブリ１５５は、回折格子を回転させて試料１１０に投影されたパターンの向きを（例えば、水平から垂直又はその逆に）変えるための回転ステージを含み得る。代替として、アセンブリ１５５は、試料１１０に対する照明パターンの向きをさまざま（例えば、縦縞パターン及び横縞パターン）にするよう照明経路に沿って切り替えられる２つの直交する向きの回折格子を含み得る。代替として、アセンブリ１５５は、１方向に沿った向きの構造化光ビームを投影するよう２次元のうちの一方で回折光を遮断するための２次元回折格子兼フィルタを含み得る。
【００５７】
光構造化光学アセンブリ１５５は、光の投影パターン１１０を試料１１０の平面に沿って並進させる（すなわち、位相シフトさせる）１つ又は複数の光位相変調器も含み得る。例えば、光構造化光学アセンブリ１５５は、回折光の光路長を変えるために１つ又は複数の直線並進ステージ、光学ウェッジ、光学窓、又は他の光学素子を含み得る。例えば、図１Ａに示す例では、光位相変調器を用いて、フィーチャ１１１の２組の列の一方を照明するように縞１６０をシフトさせることができる。
【００５８】
図１Ａの特定の例に示すように、アセンブリ１５５は、回折光の正弦波パターンを生成する１次元透過型回折格子１５５ａと、回折光の位相を変える回転窓１５５ｂとを含む。
【００５９】
各撮像サイクル中に、イメージングシステム１００は、光構造化光学アセンブリ１５５を利用して、試料平面に沿って（例えば、ｘ−ｙ平面に沿って）横方向に変位した種々の位相で複数の画像を取得し、光軸に関して（例えば、試料のｘ−ｙ平面に対して）パターンの向きを回転させることによりこの手順を１回又は複数回繰り返す。
【００６０】
いくつかの実施形態では、システム１００は、試料１１０を収容した試料容器へ（且つそれを通して）試薬（例えば、蛍光標識ヌクレオチド、緩衝液、酵素、切断試薬等）の流れを向ける流体供給モジュール又は装置と、逃がし弁とを含み得る。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、試料容器は、シーケンシングすべき核酸が結合、付着、又は関連する試料基板を含み得る。基板は、核酸を付着させることができ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、ポロイプロピレン表面、ポリアクリルアミドゲル、金表面、及びシリコンウェハ等を含み得る。システム１００は、試料容器内の流体の状態の温度を任意に調節することができる温度ステーションアクチュエータ兼ヒータ／クーラも含み得る。
【００６１】
いくつかの実施形態では、試料１１０及びイメージセンサ１４０は、対物レンズ１４２に対する試料１１０の移動及び位置合わせをもたらす試料ステージ（図示せず）に搭載することができる。試料ステージは、３次元のうちのいずれかでこれを移動させる１つ又は複数のアクチュエータを有することができる。例えば、デカルト座標系に関して、ステージを対物レンズに対してＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向にさせるアクチュエータを設けることができる。これにより、試料１１０上の１つ又は複数の試料位置を対物レンズ１４２と光学的に位置合わせすることができるようになる。代替として、試料１１０が撮像中に固定され得る。
【００６２】
図示はしないが、構造化照明イメージングシステム１００の種々の光学コンポーネントの同期を含むシステム１００の動作を制御するコントローラを設けることができる。コントローラは、システム動作の態様、例えば光構造化光学アセンブリ１５５の構成（例えば、回折格子の選択及び／又は位相シフト）、合焦、ステージ移動（ある場合）、及び撮像動作を制御するよう実装され得る。種々の実施形態において、コントローラは、ハードウェア、アルゴリズム（例えば、機械実行可能な命令）、又は上記の組み合わせを用いて実装され得る。例えば、いくつかの実施形態では、コントローラは、関連するメモリを有する１つ又は複数のＣＰＵ又はプロセッサを含み得る。別の例として、コントローラは、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一時的なコンピュータ可読媒体等、動作を制御するハードウェア又は他の回路を含み得る。例えば、この回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け位集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、コンプレックス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（ＰＬＡ）、又は他の同様の処理装置又は回路の１つ又は複数を含み得る。さらにまた別の例として、コントローラは、この回路と１つ又は複数のプロセッサとの組み合わせを含み得る。
【００６３】
図３は、一実施形態による生体又は化学分析用の例示的なワークステーション２００のブロック図である。ワークステーション２００は、流体ネットワーク２３８を通してバイオセンサ（又はカートリッジ）２３５に流体的に結合された流体制御システムを有し得る。流体ネットワーク２３８は、試薬カートリッジ２４０、弁ブロック２４２、主ポンプ２４４、デバブラ（debubbler：除泡器）２４６、三方弁２４８、流量絞り２５０、廃物除去システム２５２、及びパージポンプ２５４を含み得る。特定の実施形態では、上述のコンポーネントの大半又はコンポーネントの全部が、共通のワークステーションハウジング（図示せず）内にある。図示はしないが、ワークステーション２００は、構造化励起光を（例えば、周期的な照明縞パターンとして）複数の反応部位に照射するよう構成された構造化照明システムも含み得る。例えば、構造化照明システムは、図１を参照して上述したような１つ又は複数の発光装置及び光構造化光学素子（例えば、回折格子、位相変調器等）を含み得る。
【００６４】
流体の流れを流体ネットワーク２３８に沿った矢印で示す。例えば、試薬液が試薬カートリッジ２４０から取り出されて弁ブロック２４２を通って流れ得る。弁ブロック２４２は、試薬カートリッジ２４０からカートリッジ２３５へ流れる流体のゼロデッドボリュームの実現を容易にすることができる。弁ブロック２４２は、流体ネットワーク２３８に流す試薬カートリッジ２４０内の１つ又は複数の液体を選択又は許可することができる。例えば、弁ブロック２４２は、小型配置構成を有する電磁弁を含むことができる。各電磁弁は、単一のリザーババッグからの流体の流れを制御することができる。いくつかの実施形態では、弁ブロック２４２は、２つ以上の異なる流体が同時に流体ネットワーク２３８に流れ込むことにより２つ以上の異なる流体を混合することを可能にすることができる。弁ブロック２４２を離れた後に、流体は主ポンプ２４４を通りデバブラ（debubbler：除泡器）２４６へ流れ得る。デバブラ２４６は、流体ネットワーク２３８内に入ったか又はそこで発生した不要ガスを除去するよう構成される。
【００６５】
デバブラ２４６から、流体は三方弁２４８へ流れることができ、そこでカートリッジ２３５へ向けられるか又は廃物除去システム２５２へバイパスされる。カートリッジ２３５内の流体の流れは、カートリッジ２３５から下流に位置付けられた流量絞り２５０により少なくとも部分的に制御され得る。さらに、流量絞り２５０及び主ポンプ２４４は、相互に協働して反応部位にわたる流体の流れを制御し且つ／又は流体ネットワーク２３８内の圧力を制御し得る。流体は、カートリッジ２３５を通り廃物除去システム２５２へ流れ得る。場合によっては、流体は、パージポンプ２５４を通り、例えば試薬カートリッジ２４０内の廃物リザーババッグへ流れ込むことができる。
【００６６】
ワークステーション２００は、ワークステーション２００の異なるコンポーネント及びサブシステムの温熱環境を調節又は制御するよう構成された温度制御システムを含み得る。温度制御システムは、ワークステーション２００が用いる種々の流体の温度要件を制御するよう構成された試薬クーラ２６４と、カートリッジ２３５の温度を制御するよう構成されたサーモサイクラ２６６とを含むことができる。サーモサイクラ２６６は、カートリッジと接続する熱素子（図示せず）を含むことができる。
【００６７】
さらに、ワークステーション２００は、ワークステーション２００の種々のコンポーネント及びサブシステム並びにカートリッジ２３５と通信して合成プロセスによるシーケンシングを実施し得るシステムコントローラ又は１塩基合成反応（ＳＢＳ）ボード２６０を含み得る。さらに、ＳＢＳボード２６０は、遠隔システムと通信して例えばデータを記憶するか又は遠隔システムからコマンドを受け取ることができる。ワークステーション２００は、シングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）２７２を介してＳＢＳボード２６０に作動結合されたタッチスクリーンユーザインタフェース２６２も含み得る。ワークステーション２００は、１つ又は複数のユーザアクセス可能なデータ通信ポート及び／又はドライブも含み得る。例えば、ワークステーション２００は、他のソフトウェアに加えてユーザデータを記憶するためのフラッシュ若しくはジャンプドライブ、コンパクトフラッシュ（ＣＦ）ドライブ、及び／又はハードドライブ２７０等のコンピュータ周辺機器用の１つ又は複数のユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）接続も含み得る。
【００６８】
図４は、ワークステーション３００及び実施形態に記載のような１つ又は複数のバイオセンサ（図示せず）を含み得るカートリッジ３０２の斜視図である。ワークステーション３００は、ワークステーション２００に関して上述したのと同様のコンポーネントを含むことができ、同様に動作することができる。ワークステーション３００は、ワークステーションハウジング３０４と、カートリッジ３０２を収納しこれに係合するよう構成されたシステムレセプタクル３０６とを含み得る。システムレセプタクルは、カートリッジ３０２に少なくとも流体的又は電気的に係合し得る。ワークステーションハウジング３０４は、例えば、システムコントローラ、流体貯蔵システム、流体制御システム、及び温度制御システムを保持し得る。図４では、ワークステーション３００はワークステーションハウジング３０４に結合されたユーザインタフェース又はディスプレイを含まない。しかしながら、ユーザインタフェースは、通信リンクを介してハウジング３０４（及びその中のコンポーネント／システム）に通信結合され得る。したがって、ユーザインタフェース及びワークステーション３００は、相互に対して遠隔に位置付けられ得る。ユーザインタフェース及びワークステーション３００（又は複数のワークステーション）は、併せてバイオアッセイシステムを構成し得る。
【００６９】
図示のように、カートリッジ３０２は、少なくとも１つのポート３１０を有するカートリッジハウジング３０８を含み、ポート３１０はカートリッジハウジング３０８の内部へのアクセスを提供する。例えば、制御下の反応中にカートリッジ３０２で用いられるよう構成された溶液が、技術者又はワークステーション３００によりポート３１０を通して挿入され得る。システムレセプタクル３０６及びカートリッジ３０２は、カートリッジ３０２をシステムレセプタクル３０６のレセプタクル空洞（図示せず）に挿入できるような相互に対するサイズ及び形状にされ得る。
【００７０】
図５は、複数のワークステーション３００が装填されたキャビネット又はキャリッジ３１４を有するラックアセンブリ３１２の正面図である。キャビネット３１４は、１つ又は複数のワークステーション３００を収納するよう構成された１つ又は複数の収納空間３１８を画定する１つ又は複数の棚３１６を含み得る。図示はしないが、ワークステーション３００は、ユーザがワークステーション３００の動作を制御できるようにする通信ネットワークに通信結合され得る。いくつかの実施形態では、バイオアッセイシステムは、ワークステーション３００等の複数のワークステーションと、複数のワークステーションの動作を制御するよう構成された単一のユーザインタフェースとを含む。
【００７１】
図６は、一実施形態によるカートリッジ３０２（図４）の種々の特徴部を示す。図示のように、カートリッジ３０２は試料アセンブリ３２０を含むことができ、システムレセプタクル３０６は光アセンブリ３２２を含むことができる。図６に示す段階３４６は、第１及び第２サブアセンブリ３２０及び３２２が相互に分離されたときの両者間の空間関係を表す。段階３４８では、第１及び第２サブアセンブリ３２０及び３２２は繋ぎ合わせられる。カートリッジハウジング３０８（図４）は、繋がった第１及び第２サブアセンブリ３２０及び３２２を包囲し得る。
【００７２】
図示の実施形態では、第１サブアセンブリ３２０は、ベース３２６と、ベース３２６に取り付けられた反応成分本体２３４とを含む。図示はしないが、１つ又は複数のバイオセンサを、反応成分本体３２４及びベース３２６により少なくとも一部画定された凹部３２８内でベース３２６に取り付けることができる。例えば、４つ以上のバイオセンサをベース３２６に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、ベース３２６は、カートリッジ及びワークステーション３００（図４）の異なるコンポーネント間の通信を可能にする回路を有するプリント回路基板である。例えば、反応成分本体３２４は、回転弁３３０と回転弁３３０に流体的に結合された試薬リザーバ３３２とを含み得る。反応成分本体３２４は、付加的なリザーバ３３４も含み得る。
【００７３】
第２サブアセンブリ３２２は、複数の構造化光指向チャネル３３８を含む光アセンブリ３３６を含む。各構造化光指向チャネル３３８は、上述のような発光ダイオード（ＬＥＤ）及び回折格子等の構造化光源（図示せず）に光学的に結合される。光源（単数又は複数）は、光指向チャネル３３８によりバイオセンサへ指向された励起光の周期的な照明パターンを提供するよう構成される。代替的な実施形態では、カートリッジは構造化光源（単数又は複数）を含まなくてもよい。このような実施形態では、構造化光源（単数又は複数）はワークステーション３００に位置付けられ得る。カートリッジがシステムレセプタクル３０６（図４）に挿入されると、バイオセンサが構造化光で照明され得るようにカートリッジ３０２が構造化光源（単数又は複数）と整列する。他の実施形態では、光指向チャネル３３８は構造化光を（例えば、１つ又は複数の透過型回折格子を用いて）生成するよう構成され得る。
【００７４】
同じく図６に示すが、第２サブアセンブリ３２２は、ポート３４２及び３４４に流体的に結合されたカートリッジポンプ３４０を含む。第１及び第２サブアセンブリ３２０及び３２２が繋ぎ合わせられると、ポート３４２は回転弁３３０に結合され、ポート３４４は他方のリザーバ３３４に結合される。カートリッジポンプ３４０は、指定のプロトコルに従ってリザーバ３３２及び／又は３３４からの反応成分をバイオセンサへ導くよう起動され得る。
【００７５】
図７は、一実施形態に従って形成された例示的なバイオセンサ４００の一部の断面を示す。バイオセンサ４００は、例えばカートリッジ３０２（図４）で用いることができる。図示のように、バイオセンサ４００は、検出装置４０４に直接的又は間接的に結合されたフローセル４０２を含み得る。フローセル４０２は検出装置４０４に取り付けられ得る。図示の実施形態では、フローセル４０２は、１つ又は複数の固定機構（例えば、接着剤、ボンド、ファスナ等）を介して検出装置４０４に直接取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、フローセル４０２は検出装置４０４に取り外し可能に結合され得る。
【００７６】
図示の実施形態では、検出装置４０４は装置ベース４２５を含む。特定の実施形態では、装置ベース４２５は複数の積み重なった層（例えば、ケイ素層、誘電体層、金属−誘電体層等）を含む。装置ベース４２５は、光センサ４４０のセンサアレイ４２４と、光ガイド４６２のガイドアレイ４２６と、対応する反応部位４１４を有する反応凹部４０８の反応アレイ４２８とを含み得る。
【００７７】
この実施形態では、コンポーネントは、各光センサ４４０が２つの反応凹部４０８と整列するように配置される。したがって、各光センサ４４０は、２つ以上の異なる反応部位４１４を撮像するよう構成され、各反応部位は各凹部４０８に対応する。これは、画像読み取り中に各光センサ４４０上に形成された１つの反応部位のみが少なくとも実質的に照明されるようにパターン化された構造化励起光４０１を用いて達成することができる。例えば、図７の例では、複数の周期的な光の縞が、ある画像読み取り中には各光センサ４４０上左側（左反応部位）、別の画像読み取り中には各光センサ４４０上右側（右反応部位）を照明し得る。この構成では、読み出しを空間多重することにより、各光センサ４４０が２つの反応部位のそれぞれから光子を別個に受け取ることができる。
【００７８】
特定の実施形態では、コンポーネントは、各光センサ４４０が単一の光ガイド４６２及び２つの反応部位４１４と整列するように配置される。しかしながら、他の実施形態では、単一の光センサ４４０が、２つ以上の光ガイド４６２を介して且つ／又は３つ以上の反応部位４１４から光子を受け取り得る。例えば、各凹部４０８が複数の反応部位を有することができ、且つ／又は３つ以上の凹部４０８が各光センサ４４０上に整列することができる。本明細書において、単一の光センサ４４０が１つの画素又は２つ以上の画素を含み得る。
【００７９】
さらに、用語「アレイ」又は「サブアレイ」は、検出装置が有し得る特定のタイプの全てのアイテムを必ずしも含むとは限らないことに留意されたい。例えば、センサアレイ４２４は、検出装置４０４の全ての光センサを含まない場合がある。その代わりに、検出装置４０４は他の光センサ（例えば、他の光センサアレイ（単数又は複数））を含むことができる。別の例として、ガイドアレイ４２６は、検出装置の全ての光ガイドを含まない場合がある。その代わりに、光ガイド４６２とは異なる構成の、又は検出装置４０４の他の素子と異なる関係がある他の光ガイドがあってもよい。したがって、別段に明記しない限り、用語「アレイ」は検出装置のかかるアイテム全てを含んでも含まなくてもよい。
【００８０】
図示の実施形態では、フローセル４０２は、側壁４０６と、側壁４０６及び他の側壁（図示せず）により支持されたフローカバー４１０とを含む。側壁は、検出器表面４１２に結合されてフローカバー４１０と検出器表面４１２との間に延びる。いくつかの実施形態では、側壁は、フローカバー４１０を検出装置４０４に結合する硬化型接着剤層から形成される。
【００８１】
フローセル４０２は、流路４１８がフローカバー４１０と検出装置４０４との間に存在するようなサイズ及び形状である。図示のように、流路４１８は高さＨ１を含み得る。単なる例として、高さＨ１は約５０μｍ（ミクロン）〜４００μｍ又は一例では約８０μｍ〜２００μｍであり得る。図示の実施形態では、高さＨ１は約１００μｍである。フローカバー４１０は、バイオセンサ４００の外部から流路４１８へ伝播する構造化励起光４０１に対して透明な材料を含み得る。図７に示すように、構造化励起光４０１は、フローカバー４１０に直角に入射する。しかしながら、これは例示を目的としたものにすぎず、励起光４０１はフローカバー４１０に異なる角度から入射してもよい。
【００８２】
同じく図示されているが、フローカバー４１０は、他のポート（図示せず）に流体的に係合するよう構成された入口及び出口ポート４２０、４２２を含み得る。例えば、他のポートは、カートリッジ３０２（図４）又はワークステーション３００（図４）からのものであり得る。流路４１８は、検出器表面４１２に沿って流体を導くようなサイズ及び形状である。流路４１８の高さＨ１及び他の寸法は、検出器表面４１２に沿った流体の少なくとも実質的に一様な流れを維持するよう構成され得る。流路４１８の寸法は、気泡形成を制御するようにも構成され得る。
【００８３】
側壁４０６及びフローカバー４１０は、相互に結合された別個のコンポーネントであり得る。他の実施形態では、側壁４０６及びフローカバー４１０は、側壁４０６及びフローカバー４１０が連続的な材料片から形成され得るように一体形成され得る。例として、フローカバー４１０（又はフローセル４０２は）、ガラス又はプラスチック等の透明材料を含み得る。フローカバー４１０は、流路４１８を画定する平坦な外面及び平坦な内面を有する少なくとも実質的に矩形のブロックを構成し得る。ブロックは、側壁４０６に取り付けられ得る。代替として、フローセル４０２は、フローカバー４１０及び側壁４０６を画定するようにエッチングされ得る。例えば、凹部が透明材料にエッチングされ得る。エッチングされた材料が検出装置４０４に取り付けられると、凹部は流路４１８になることができる。
【００８４】
検出装置４０４は、機能化（例えば、指定反応を行うように適当に化学的又は物理的に変性）され得る検出器表面４１２を有する。例えば、検出器表面４１２は、機能化されることができ、１つ又は複数の生体分子が固定された複数の反応部位４１４を含むことができる。検出器表面４１２は、反応凹部又は側面が開いた反応室４０８のアレイを有する。反応凹部４０８のそれぞれが、反応部位４１４の１つ又は複数を含み得る。反応凹部４０８は、検出器表面４１２に沿って例えば窪み又は深さ変化により画定され得る。他の実施形態では、検出器表面４１２は少なくとも実質的に平坦あり得る。このような実施形態では、２つの反応部位が平坦な検出器表面上で各センサ４４０上に整列し得る。
【００８５】
図７に示すように、反応部位４１４は、検出器表面４１２に沿ってパターン状に分布し得る。例えば、反応部位４１４は、マイクロアレイと同様の方法で検出器表面４１２に沿って行列状に位置付けられ得る。しかしながら、種々のパターンの反応部位が用いられ得ることを理解されたい。反応部位は、光信号を発する生体又は化学物質を含み得る。例えば、生体又は化学物質は、構造化励起光４０１に応じて発光を発生させることができる。特定の実施形態では、反応部位４１４は、検出器表面４１２に固定された生体分子（例えば、オリゴヌクレオチド）のクラスタ又はコロニーを含む。
【００８６】
図８は、種々の特徴部を示す検出装置４０４のより詳細な拡大断面である。より具体的には、図８は、単一の光センサ４４０と、光センサ４４０へ発光を向ける単一の光ガイド４６２と、光センサ４４０により検出された発光（例えば、光子）に基づく信号を伝送する関連回路４４６とを示す。センサアレイ４２４（図７）の他の光センサ４４０及び関連コンポーネントが同一又は同様に構成され得ることを理解されたい。しかしながら、検出装置４０４が全体にわたって同一又は一様に製造される必要がないことも理解されたい。その代わりに、１つ又は複数の光センサ４４０及び／又は関連コンポーネントは、さまざまに製造することができるか又は相互に対して異なる関係を有することができる。
【００８７】
回路４４６は、検出された光子に基づくデータ信号の伝送等の通電が可能な相互接続された導電素子（例えば、導体、トレース、バイア、相互接続等）を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、回路４４６はマイクロ回路配置と同様又はマイクロ回路配置を含み得る。検出装置４０４及び／又は装置ベース４２５は、光センサ４４０の平面アレイを有する集積回路を備え得る。検出装置４２５内に形成された回路４４６は、信号増幅、デジタル化、記憶、及び処理の少なくとも１つを行うよう構成され得る。回路は、検出された発光を集光及び解析し、検出データをバイオアッセイシステムに通信するためのデータ信号を生成することができる。回路４４６は、検出装置４０４でのさらなるアナログ及び／又はデジタル信号処理も行うことができる。
【００８８】
装置ベース４２５は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の製造に用いるプロセス等の集積回路製造プロセスを用いて製造され得る。例えば、装置ベース４２５は、図示の実施形態ではケイ素層又はウェハであるセンサ層又はベース４３１を含む複数の積み重なった層４３１〜４３７を含み得る。センサ層４３１は、光センサ４４０と、センサ層４３１と共に形成されたゲート４４１〜４４３とを含み得る。ゲート４４１〜４４３は、光センサ４４０に電気的に結合される。検出装置４０４が図７及び図８に示すように完全に形成されると、光センサ４４０は、ゲート４４１〜４４３を介して回路４４６に電気的に結合され得る。
【００８９】
本明細書において、用語「層」は、特記されていない限り単一の材料の連続体に限定されない。例えば、センサ層４３１は、異なる材料である複数の副層を含むことができ、且つ／又はコーティング、接着剤等を含むことができる。さらに、層（又は副層）の1つ又は複数を本明細書に記載の特徴を提供するよう変更（例えば、エッチング、材料堆積等）してもよい。
【００９０】
いくつかの実施形態では、各光センサ４４０は、約５０μｍ２未満の検出面積を有する。特定の実施形態では、検出面積は約１０μｍ２未満である。より詳細な実施形態では、検出面積は約１μｍ２〜２μｍ２である。このような場合、光センサ４４０は単一の画素を構成し得る。光センサ４４０の各画素の平均読み取りノイズは、例えば約１５０電子未満であり得る。より詳細な実施形態では、読み取りノイズは約５電子未満であり得る。光センサ４４０のアレイの分解能は約０．５メガピクセル（Ｍ画素）を超え得る。より具体的な実施形態では、分解能は約５Ｍ画素を超え、一例では約１０Ｍ画素を超え得る。
【００９１】
装置層は、複数の金属−誘電体層４３２〜４３７も含み、これらの層を以下では基板層と称する。図示の実施形態では、基板層４３２〜４３７のそれぞれが、金属元素（例えば、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）等）及び誘電材料（例えば、ＳｉＯ２）を含む。集積回路製造に適したもの等の種々の金属元素及び誘電材料を用いることができる。しかしながら、他の実施形態では、基板層４３２〜４３７の1つ又は複数が、１つ又は複数のＳｉＯ２層等の誘電材料のみを含み得る。
【００９２】
図８に示す特定の実施形態に関して、第１の基板層４３２は、誘電材料（例えば、ＳｉＯ２）内に埋め込まれたＭ１と称する金属元素を含み得る。金属元素Ｍ１は、例えばＷ（タングステン）を含む。金属元素Ｍ１は、図示の実施形態では基板層４３２を貫通する。第２の基板層４３３は、金属元素Ｍ２及び誘電材料並びに金属相互接続（Ｍ２／Ｍ３）を含む。第３の基板層４３４は、金属元素Ｍ３及び金属相互接続（Ｍ３／Ｍ４）を含む。第４の基板層４３５も金属元素Ｍ４を含む。装置ベース４２５は、以下でより詳細に説明する第５及び第６の基板層４３６、４３７も含む。
【００９３】
図示のように、金属元素及び相互接続は、相互に接続されて回路４４６の少なくとも一部を形成する。図示の実施形態では、金属元素Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４は、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、及び／又はアルミニウム（Ａｌ）を含み、金属相互接続Ｍ２／Ｍ３及びＭ３／Ｍ４はＷ（タングステン）を含むが、他の材料及び構成を用いても良いことを理解されたい。図７及び図８に示す装置ベース４２５及び検出装置４０４は、説明を目的としたものにすぎないことに留意されたい。例えば、他の実施形態は、図７及び図８に示すものよりも少ない層若しくは追加の層及び／又は金属元素の異なる構成を含み得る。
【００９４】
いくつかの実施形態では、検出装置４０４は、装置ベース４２５の外面４６４に沿って延びる遮蔽層４５０を含む。図示の実施形態では、遮蔽層４５０は、基板層４３７の外面４６４に沿って直接堆積される。しかしながら、他の実施形態では介在層が基板層４３７と遮蔽層４５０との間に配置され得る。遮蔽層４５０は、流路４１８から伝播している光信号を遮断、反射、且つ／又は大幅に減衰させるよう構成された材料を含み得る。光信号は、励起光４０１及び／又は発光４６６（図９に示す）であり得る。単なる例として、遮蔽層４５０はタングステン（９Ｗ）を含み得る。
【００９５】
図８に示すように、遮蔽層４５０には開口又は開口部４５２が開いている。遮蔽層４５０は、このような開口４５２のアレイを含み得る。いくつかの実施形態では、遮蔽層４５０は、隣接する開口４５２間に連続的に延び得る。したがって、流路４１８からの光信号が遮断、反射、且つ／又は大幅に減衰されることで、光センサ４４０によるかかる光信号の検出が防止され得る。しかしながら、他の実施形態では、遮蔽層４５０が隣接する開口４５２間に連続的に延びずに、開口４５２以外の１つ又は複数の開口部が遮蔽層４５０に存在するようになっている。
【００９６】
検出装置４０４は、遮蔽層４５０に沿い且つ開口４５２にまたがって延びるパッシベーション層４５４も含み得る。遮蔽層４５０は、開口４５２上に延びることにより開口４５２を直接的又は間接的に覆ってもよい。遮蔽層４５０は、パッシベーション層４５４と装置ベース４２５との間に位置付けられ得る。接着剤又はプロモータ層４５８が、パッシベーション層４５４と遮蔽層４５０との間に位置付けられて両者間の結合を促進し得る。パッシベーション層４５４は、装置ベース４２５及び遮蔽層４５０を流路４１８の流体環境から保護するよう構成され得る。
【００９７】
場合によっては、パッシベーション層４５４は、生体分子又は他の関心分析物を固定させることができる固体表面（すなわち、検出器表面４１２）を提供するようにも構成され得る。例えば、反応部位４１４のそれぞれが、パッシベーション層４５４の検出器表面４１２に固定された生体分子のクラスタを含み得る。したがって、パッシベーション層４５４は、反応部位４１４を固定させることができる材料から形成され得る。パッシベーション層４５４は、少なくとも所望の蛍光に対して透明な材料も含み得る。例として、パッシベーション層４５４は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）及び／又はシリカ（ＳｉＯ２）を含み得る。しかしながら、他の適当な材料（単数又は複数）を用いてもよい。さらに、パッシベーション層４５４は、生体分子の固定及び／又は発光の検出を容易にするよう物理的又は化学的に変性させることができる。
【００９８】
図示の実施形態では、パッシベーション層４５４の一部は遮蔽層４５０に沿って延び、パッシベーション層４５４の一部は光ガイド４６２のフィルタ材料４６０に直接沿って延びる。２つの反応凹部４０８は、光ガイド４６２上に直接形成され得る。場合によっては、パッシベーション層４５４が遮蔽層４５０又は接着層４５８に沿って堆積される前に、ベース穴又は空洞４５６が装置ベース４２５内に形成され得る。例えば、装置ベース４２５をエッチングしてベース穴４５６のアレイを形成することができる。特定の実施形態では、ベース穴４５６は、開口４５２のすぐ近くから光センサ４４０に向かって延びる細長い空間である。ベース穴は、中心長手軸４６８に沿って長手方向に延び得る。ベース穴４５６の３次元形状は、いくつかの実施形態では少なくとも実質的に円筒形又は円錐台形で、図８の紙面に直交する平面に沿った断面が少なくとも実質的に円形であるようになっている。長手軸４６８は、断面の幾何学的中心を通って延び得る。しかしながら、代替的な実施形態において他の幾何学的形状を用いてもよい。例えば、断面は、少なくとも実質的に正方形又は八角形であり得る。
【００９９】
フィルタ材料４６０は、ベース穴４５６の形成後にベース穴４５６内に堆積され得る。フィルタ材料４６０は（例えば、硬化後に）光ガイド４６２を形成し得る。光ガイド４６２は、励起光４０１をフィルタリングして発光４６６を対応する光センサ４４０に向けて伝播させるよう構成される。光ガイド４６２は、例えば有機吸収フィルタであり得る。単なる特定の例として、励起光は約５３２ｎｍとすることができ、発光は約５７０ｎｍ以上とすることができる。
【０１００】
場合によっては、有機フィルタ材料は、バイオセンサの他の材料と不適合であり得る。例えば、有機フィルタ材料は、フィルタ材料を著しく膨張させる熱膨張率を有し得る。代替として又は追加として、フィルタ材料は、遮蔽層（又は他の金属層）等の特定の層に十分に付着することが不可能であり得る。フィルタ材料の膨張は、フィルタ材料に隣接しているか又はフィルタ材料に構造的に接続された層に対する機械的応力を引き起こし得る。場合によっては、膨張は、バイオセンサの構造に割れ又は他の望ましくない特徴を引き起こし得る。したがって、本明細書に記載の実施形態は、フィルタ材料の膨張の程度及び／又はフィルタ材料が他の層と接触する程度を制限し得る。例えば、異なる光ガイドのフィルタ材料が、パッシベーション層により相互に分離され得る。このような実施形態では、フィルタ材料は金属層（単数又は複数）と接触し得ない。さらに、パッシベーション層は、望ましくない構造特徴（例えば、割れ）の発生を低減しつつ膨張に抵抗し且つ／又はある程度の膨張を許すことができる。
【０１０１】
光ガイド４６２は、装置ベース４２５の周囲材料（例えば、誘電材料）に対して導光構造を形成するよう構成され得る。例えば、光ガイド４６２は、光ガイド４６２と装置ベース４２５の材料との間の界面で発光が少なくとも実質的に反射されるように約２．０の屈折率を有し得る。特定の実施形態では、光ガイド４６２は、励起光の光学濃度（ＯＤ）又は吸光度が約４ＯＤ以上であるように構成される。より具体的には、フィルタ材料が４ＯＤ以上を達成するよう選択され得ると共に、光ガイド４６２が４ＯＤ以上を達成するような寸法にされ得る。より詳細な実施形態では、光ガイド４６２は、約５ＯＤ以上又は約６ＯＤ以上を達成するよう構成され得る。バイオセンサ４００の他の特徴は、電気的及び光学的なクロストークを低減するよう構成され得る。
【０１０２】
図９は、各画素９１０上に整列した２つの撮像フィーチャ９２０ａ、９２０ｂを含むイメージセンサアセンブリ９００の上面図を示す。例えば、フィーチャ９２０ａ、９２０ｂは、イメージセンサアセンブリの作製中に（例えば、ナノウェルパターンをアクティブピクセルセンサの画素とフォトリソグラフィにより位置合わせすることにより）画素９１０上に形成されたものであり得る。簡単のために、４つの画素が図示されている。例として、各画素９１０を光センサ４４０とすることができ、フィーチャ９２０ａ、９２０ｂを図７及び図８に示すような反応凹部４０８とすることができる。フィーチャ９２０ａ、９２０ｂのそれぞれから発した光は、上述のように光ガイド４６２を用いて画素へ指向され得る。いくつかの実施形態では、隣接するフィーチャ９２０ａ、９２０ｂ間のクロストークを制限するために、画素上のフィーチャの間隔とフィーチャの照明に用いられる縞の幅とが調整され得る。
【０１０３】
図１０は、構造化照明イメージングアセンブリの各光検出器（例えば、画素）上に位置決めされた２つのフィーチャを含む試料を撮像する１撮像サイクル中にイメージングアセンブリにより実施され得る例示的な１次元構造化照明法１０００を示す動作フロー図である。例えば、方法１０００を用いて、図１及び図７〜図９を参照して上述したように試料を撮像することができる。場合によっては、撮像試料のフィーチャは、イメージセンサの画素上に形成され得る。
【０１０４】
動作１０１０において、構造化照明パターンが、各光センサ上に位置決め／パターン化された第１のフィーチャを照明するよう位置決めされる。例えば、構成１０６０で示すように、縦縞照明パターンが、各画素上の右側ではなく各画素の左側のフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。実施形態において、これは、（例えば、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述したように）イメージセンサの画素のピッチと少なくとも実質的に同じピッチ（例えば、１μｍ×１μｍの正方画素で１μｍピッチ）及びフィーチャの直径と少なくとも実質的に同じか又はそれよりもわずかに大きな幅を有する構造化光パターンを形成することにより達成され得る。例えば、特定の実施形態では、各縞の幅は各画素のピッチの約半分又は半分未満であり、縞間の中心間距離は各画画素のピッチ程度である。動作１０２０において、試料の第１の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、各画素上の左側のフィーチャのいくつか又は全部が、画素の光検出器により集光されて第１の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１０５】
動作１０３０において、構造化照明パターンは、各光センサ上に位置決め／パターン化された第２のフィーチャを照明するよう位相シフトされる（例えば、試料上で試料平面にわたって並進する）。例えば、構成１０７０で示すように、縦縞照明パターンが、各画素上の左側ではなく各画素上の右側のフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。実施形態において、パターンの位相シフトは、光学ミラーの回転、並進ステージの移動、光学ウェッジの回転、又は他の何らかの光学位相変調器を用いた試料平面上のパターンの位相のシフトにより行われ得る。特定の実施形態では、位相は、縞パターンのピッチの約１／２（例えば画素のピッチの約１／２）だけシフトされ得る。他の実施形態では、照明パターンは、第１の回折格子から縞の約１／２だけオフセットした第２の回折格子を用いてシフトされ得る。このような実施形態では、第１及び第２の回折格子は固定され得る。動作１０４０において、試料の第２の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、各画素上の右側のフィーチャのいくつか又は全部が、画素の光検出器により集光されて第１の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１０６】
動作１０５０において、２つの取り込み画像を用いてサブピクセル分解又は超解像画像が生成され得る。例えば、各画素上の２つのフィーチャ部位のそれぞれの強度は、２つの取り込み画像から分離され得る（例えば、第１の画像に関する左側フィーチャからの強度読み出し及び第２の画像に関する右側フィーチャの強度読み出し）。場合によっては、２つの画像間のクロストークが考慮され得る。図１０の例は、１方向の（例えば縦）向きの回折パターン及び１画素当たり単一のフィーチャの照明しか必要なく、これは画像処理を大幅に単純化し得る（例えば、２つの画像間の信号のデコンボリューションを減らす又はなくす）ことが有利である。
【０１０７】
各画素の左側及び右側上に位置決めされた縦縞照明パターン及びフィーチャが、図１０の例示的な構成１０６０〜１０７０に示されているが、これらの構成は説明を目的としたものであることに留意されたい。例えば、フィーチャが各画素上の上下にパターン化又は他の方法で位置決めされる実施形態では、照明パターンは、代わりに各画像読み取り中に上又は下にシフトされる横縞照明パターンとして示される。
【０１０８】
実施形態において、（例えば、フィーチャの１つからの信号を最大化するために）撮像中に各画素のフィーチャの１つのみが照明されるように構造化照明パターンを画素パターンと空間的に位置合わせしておくために、イメージセンサは２つのアライメント行を含むことができ、その場合、試料の２つのフィーチャのそれぞれ１つのみが各アライメント行の画素上に位置決めされるように試料がパターン化される。このような実施形態では、各アライメント行上の２つのフィーチャの一方がないことで、試料及びセンサとの構造化光の位置合わせに用いられ得る２つのアライメント列のそれぞれへの励起光の差動伝送をもたらすことができる。
【０１０９】
図１１は、実施形態において構造化照明パターンを試料及びセンサと位置合わせするのに利用され得るアライメント行１１１０、１１２０を含むイメージセンサ１１００のこのような一例を示す。例えば、フィーチャ１１４０ａが各アクティブエリア画素１１５０上の左側に形成され、フィーチャ１１４０ｂが各アクティブエリア画素１１５０上の右側に形成される場合について考える。この場合、フィーチャ１１４０ａのみがアライメント行１１２０の各画素上に形成され、フィーチャ１１４０ｂのみがアライメント行１１１０の各画素上に形成される。撮像中に、各アライメント行１１１０、１１２０からの画像読み出しに基づいてアライメントが確認され得る。例えば、構造化照明パターンは、アライメント行１１２０からの信号が最大になる一方でアライメント行１１１０からの信号が最小又はゼロにさえなるように位置決めされることにより、フィーチャ１１４０ａ（アクティブエリア画素の左側）に対して位置合わせされ得る。構造化照明パターンは、アライメント行１１１０からの信号が最大になる一方でアライメント行１１２０からの信号が最小又はゼロにさえなるように位置決めされることにより、フィーチャ１１４０ｂ（アクティブエリア画素の右側）に対しても位置合わせされ得る。
【０１１０】
実施形態では、イメージングの開始前に、例えば第１の撮像サイクルの動作１０１０前又は動作１０１０中に、アライメントが決定され得る。いくつかの実施形態では、アライメントは周期的に（例えば、所定数の撮像サイクル後に）決定され得る。いくつかの実施形態では、アライメント行１１１０、１１２０からの読み出しは、撮像中に構造化照明光位置制御部にフィードバックを提供して、経時的な照明パターンとイメージセンサとの間の相対的なずれを防止するか、又はイメージセンサに対する照明パターンの空間的なロックを他の方法で保つことができる。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、複数のアライメント行１１１０及び複数のアライメント行１１２０をイメージセンサに含むことでシステムにロバスト性を付加することができる。例えば、追加のアライメント行を含むことで、システムのアライメント状態を求めるために生成される信号を改善することができる。さらに、いくつかの実施形態では、中間アライメント行をアクティブエリアに（例えば、アクティブエリアの中ほどに）含むことで、構造化照明が縦に位置合わせされており傾いていないことを確認することができる。
【０１１２】
図１１の例ではアライメント行が示されているが、他の実施形態では、アライメント列を（例えば、各画素上の上下にフィーチャを有するパターンの水平照明の場合に）同様に利用してもよいことに留意されたい。
【０１１３】
図１２は、矩形画素１３１０を有するイメージングアセンブリにより実施され得る例示的な１次元構造化照明撮像プロセスを示す。簡単のために、各画像読み出しステップ中の４つの矩形画素１３１０の上面図を示す。この例に示すように、３つのフィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｃが各画素上に形成される。この例では、構造化光の位相は、各画素の左側（フィーチャ１３２０ａ）、中央（フィーチャ１３２０ｂ）、及び右側（フィーチャ１３２０ｃ）のフィーチャを読み取る各画像読み出し中に縞パターンのピッチの約１／３（例えば、画素のピッチの約１／３）だけシフトされ得る。画素上に１次元に沿って整列したアスペクト比１：１の又は１：１に近いフィーチャ（例えば、円形又は正方形のフィーチャ）の場合、矩形画素アスペクト比を利用することにより、（例えば、正方画素に３つの円形フィーチャ１３２０ａ〜１２０ｃを収めるのに比べて）１次元に沿った各画素に対して収まるフィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｃの面積がより大きいことによりデータ密度が最大化され得ることが有利である。矩形画素アスペクト比は、アスペクト比が１：１ではないフィーチャで、１次元に沿って各矩形画素上に整列するフィーチャの面積をより大きくできる場合にも、正方画素よりも有利であり得る。
【０１１４】
図１３は、２次元に沿って（例えば、２行及び２列に沿って）各画素１３１０上に整列した４つの撮像フィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｄを含むイメージセンサアセンブリ１３００の上面図を示す。例えば、フィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｄは、イメージセンサアセンブリの作製中に（例えば、ナノウェルパターンをアクティブピクセルセンサの画素とフォトリソグラフィにより位置合わせすることにより）画素１３１０上に形成されたものであり得る。簡単のために、４つの画素が図示されている。いくつかの実施形態では、フィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｄ間のクロストークを制限するために、画素上のフィーチャの間隔及びフィーチャの照明に用いられる縞の幅が調整され得る（例えば、フィーチャは、試料平面の両方の軸又は一方の軸のみに沿って等間隔に位置決めされ得るか、又は他の何らかの形態で位置決めされ得る）。
【０１１５】
例示的なアセンブリ１３００の構成を実施することで、以下でより詳細に説明する２次元に沿った構造化照明法の実施により、（図２のアセンブリに比べて）４倍のフィーチャデータ密度を得ることが可能であり得る。例えば、各画素が約２μｍのピッチを有し、各フィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｄが直径約５００ｎｍのナノウェルである場合、（２μｍ画素当たり単一の５００ｎｍナノウェルの場合の約２．５×１０７／ｃｍ２フィーチャのデータ密度に比べて）約１×１０８／ｃｍ２フィーチャのデータ密度を得ることが可能であり得る。例として、フィーチャ間隔約５００ｎｍ及び励起波長約５３０ｎｍで各画素の半分のみを一度に励起することができる。励起波長を青色に変えることにより、高密度化を達成することができる。
【０１１６】
図１４Ａは、構造化照明イメージングアセンブリの各光検出器（例えば、画素）上に２次元に沿って位置決めされた４つのフィーチャを含む試料を撮像する１撮像サイクル中にイメージングアセンブリにより実施され得る例示的な２次元構造化照明法１４００を示す動作フロー図である。例えば、方法１４００は、図１３を参照して上述したような試料の撮像に用いることができる。場合によっては、撮像試料のフィーチャは、イメージセンサの画素上に形成され得る。方法１４００の例では、構造化照明システムは、試料の平面内で直交する２つの回折パターンを生成する光学コンポーネント（例えば、垂直回折格子及び水平回折格子）と、上記２つの回折パターンから約４５°オフセットした回折パターンを生成する光学コンポーネント（例えば、第３の回折格子又は垂直又は水平回折格子の一方を回転させる回転ステージ）とを含む。
【０１１７】
動作１４１０において、第１の向きの構造化照明パターンが、各光センサ上の第１のフィーチャ列（例えば、２つのフィーチャ）を照明するよう位置決めされる。例えば、構成１４７１で示すように、縦縞照明パターンが、各画素上の右側の２つのフィーチャではなく各画素上の左側の２つのフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。実施形態において、これは、（例えば、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述したように）イメージセンサの画素のピッチと少なくとも実質的に同じピッチ（例えば、１μｍ×１μｍの正方画素で１μｍピッチ）及びフィーチャの直径と少なくとも実質的に同じか又はそれよりもわずかに大きな幅を有する構造化光パターンを形成することにより達成され得る。例えば、特定の実施形態では、各縞の幅は各画素のピッチの約半分又は半分未満であり、縞間の中心間距離は各画画素のピッチ程度である。動作１４１５において、試料の第１の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、フィーチャ１３２０ａ及び／又は１３２０ｃが、画素の光検出器により集光されて第１の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１１８】
動作１４２０において、構造化照明パターンは、各光センサ上に位置決め／パターン化された第２のフィーチャ列（例えば２つのフィーチャ）を照明するよう位相シフトされる（例えば、試料上で試料平面にわたって並進する）。例えば、構成１４７２で示すように、縦縞照明パターンが、各画素上の左側の２つのフィーチャではなく各画素上の右側の２つのフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。実施形態において、パターンの位相シフトは、光学ミラーの回転、並進ステージの移動、光学ウェッジの回転、又は他の何らかの光学位相変調器を用いた試料平面上のパターンの位相のシフトにより行われ得る。特定の実施形態では、位相は、縞パターンのピッチの約１／２（例えば画素のピッチの約１／２）だけシフトされ得る。いくつかの実施形態では、照明パターンは、第１の垂直回折格子から縞の約１／２だけオフセットした第２の垂直回折格子を用いてシフトされ得る。このような実施形態では、第１及び第２の垂直回折格子は固定され得る。動作１４２５において、試料の第２の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、フィーチャ１３２０ｂ及び／又は１３２０ｄが、画素の光検出器により集光されて第２の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１１９】
動作１４３０において、第２の向きの構造化照明パターンが、各光センサ上の第１のフィーチャ行（例えば、２つのフィーチャ）を照明するよう位置決めされる。例えば、構成１４７３で示すように、横縞照明パターンが、各画素上の下側の２つのフィーチャではなく各画素上の上側の２つのフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。前述のように、これは、イメージセンサの画素のピッチと少なくとも実質的に同じピッチ及びフィーチャの直径と少なくとも実質的に同じか又はそれよりもわずかに大きな幅を有する構造化光パターンを形成することにより達成され得る。実施形態において、第２の向きの構造化照明パターンは、回折格子の回転（例えば、９０°）又は第２の回折格子の利用により（例えば、第２の回折格子を照明経路に切り換えることにより）生成され得る。動作１４３５において、試料の第３の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、フィーチャ１３２０ａ及び／又は１３２０ｃが、画素の光検出器により集光されて第３の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１２０】
動作１４４０において、構造化照明パターンは、各光センサ上に位置決め／パターン化された第２のフィーチャ行（例えば２つのフィーチャ）を照明するよう位相シフトされる。例えば、構成１４７４で示すように、横縞照明パターンが、各画素上の上側の２つのフィーチャではなく各画素上の下側の２つのフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。いくつかの実施形態において、照明パターンは、第１の水平回折格子から縞の約１／２だけオフセットした第２の水平回折格子を用いてシフトされ得る。このような実施形態では、第１及び第２の水平回折格子は固定され得る。動作１４４５において、試料の第４の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、フィーチャ１３２０ｃ及び／又は１３２０ｄが、画素の光検出器により集光されて第４の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１２１】
動作１４５０において、第３の向きの構造化照明パターンが、各光センサ上の対角線上のフィーチャ（例えば、２つのフィーチャ）を照明するよう位置決めされる。例えば、構成１４７５で示すように、斜め縞照明パターンが、他の２つのフィーチャではなく各画素上の右上側及び左下側の２つのフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。代替として、斜め縞照明パターンが、他の２つのフィーチャではなく各画素上の左上側及び右下側の２つのフィーチャを照明するよう位置決めされ得る。実施形態において、第３の向きの構造化照明パターンは、回折格子の回転（例えば、４５°）又は第３の回折格子の利用により（例えば、第３の回折格子を照明経路に切り換えることにより）生成され得る。動作１４５５において、試料の第５の画像が取り込まれる。例えば、蛍光顕微鏡イメージングシステムの場合、フィーチャ１３２０ａ及び／又は１３２０ｄが、画素の光検出器により集光されて第５の画像の作成に用いられる光を発し得る。
【０１２２】
動作１４６０において、５つの取り込み画像を用いてサブピクセル分解又は超解像画像が生成され得る。例えば、各画素上の４つのフィーチャ部位のそれぞれの強度は、５つの取り込み画像から分離され得る（例えば、５つのサブピクセル対の読み出し強度）。図１４の例では、各画素が２つの異なるフィーチャ部位から光子を捕捉し得る（各画素上の２つのフィーチャが各画像読み出し中に照明される）ので、各画素からの信号読み値（signal readings）をデコンボリュートして部位のそれぞれが発生した個々の信号を区別する必要があり得る。
【０１２３】
例として、図１４Ｂは、方法１４００を用いて取り込まれた５つの画像を復号して画素上にパターン化された４つのフィーチャのそれぞれの信号強度を推定（例えば、各フィーチャが照明に応じて蛍光を発するか否かを判定）し得る様子を示す。この例では、網掛けしたフィーチャが撮像サイクル中（５つの画像の取り込み中）に発光するフィーチャを表し、網掛けなしのフィーチャが撮像サイクル中に発光しないフィーチャを表す。各ベクトルは、異なるフィーチャ組が発光する場合の５つの画像のそれぞれにおける予想強度を表現したものであり、ベクトルの一番左の入力は画像１に対応し、ベクトルの一番右の入力は画像５に対応する。ベクトル入力０は発光するフィーチャがない場合（例えば、背景信号）を表し、ベクトル入力１は１つのフィーチャが発光する場合を表し、ベクトル入力２は２つのフィーチャが発光する場合を表す。この例に示すように、予想強度の各ベクトルは一意であり（すなわち縮重がなく）、画素の４つのフィーチャによる発光可能性の１６例のそれぞれの一意の識別を可能にする。例えば、５つの取り込み画像を用いて予想強度の１６個のベクトルの１つに一致する強度のベクトルを作成することができる。
【０１２４】
例えば、発光するフィーチャがない（例えば、５つの構造化光パターンによるフィーチャの照明に応じて蛍光が生じない）場合、予想強度のベクトルはゼロベクトル［０，０，０，０，０］である（すなわち、５つの画像に記録されたフィーチャからの信号がない）。別の例として、左フィーチャ列が発光する場合、予想強度のベクトルは［２，０，１，１，１］である。換言すれば、第１の画像が２つの発光する一番左のフィーチャの強度を記録し（例えば、構造化光が２つの一番左のフィーチャを照明してそれらが発光する）、第２の画像が発光するフィーチャからいかなる強度も記録せず（例えば、構造化光が２つの一番右のフィーチャを照明してそれらが発光しない）、第３、第４、及び第５の画像が１つの発光するフィーチャの強度を記録する（例えば、構造化光が発光するフィーチャのうち１つを照明する）ことが予想される。
【０１２５】
図１５は、実施形態において（例えば、方法１４００中に）第１及び第２の直交方向に沿った構造化照明パターンを試料及びセンサと位置合わせするのに利用され得る２つのアライメント行及び２つのアライメント列を含むイメージセンサを示す。図１５により示す設計は、２行及び２列の各画素上に４つのフィーチャ１３２０ａ〜１３２０ｄのそれぞれ１つのみを形成することにより、イメージセンサアセンブリ１３００で実施され得る。例えば、フィーチャ１３２０ａのみをアライメント行の一方に形成することができ、フィーチャ１３２０ｄのみを他方のアライメント行に形成することができ、フィーチャ１３２０ｂのみをアライメント列の一方に形成することができ、フィーチャ１３２０ｃのみを他方のアライメント列に形成することができる。いくつかの実施形態では、フィーチャ毎に追加のアライメント行及び／又はフィーチャ毎に追加のアライメント列をイメージセンサに含むことでシステムにロバスト性を付加することができる。
【０１２６】
図１６Ａは、２次元に沿って（例えば、２行及び２列に沿って）Ｌ字形で各画素１６１０上に整列した３つの撮像フィーチャ１６２０ａ〜１６２０ｃを含むイメージセンサアセンブリ１６００の上面図を示す。例えば、フィーチャ１６２０ａ〜１６２０ｃは、イメージセンサアセンブリの作製中に（例えば、ナノウェルパターンをアクティブピクセルセンサの画素とフォトリソグラフィにより位置合わせすることにより）画素１６１０上に形成されたものであり得る。簡単のために、４つの画素が図示されている。図１６Ａの例示的な実施形態では、フィーチャがＬ字形に配置されることで、行列の一方が１つのフィーチャのみを含み、行列の他方が２つのフィーチャを含む。
【０１２７】
アセンブリ１６００の構成により得ることができる１つの利点は、画素の３つのフィーチャによる発光可能性の８例を一意に識別することができるように３つの画像のみを画像サイクル中に取り込むだけでよいことである。さらに、斜め縞画像を取り込む必要がなく、イメージングシステムの光学配置を簡略化することができる。例として、図１６Ｂは、２次元で取り込んだ４つのフィーチャの信号強度を復号するために５つの画像を取り込む場合（例えば、方法１４００）とは対照的に、パターン化フィーチャ１６２０ａ〜１６２０ｃを有する画素１６１０の３つの２次元画像を復号して３つのフィーチャのそれぞれの信号強度を推定し得る様子を示す。この例では、灰色のフィーチャが撮像サイクル中（３つの画像の取り込み中）に発光するフィーチャを表し、網掛けなしのフィーチャが撮像サイクル中に発光しないフィーチャを表し、黒色のフィーチャが表すのは、この場合には存在せず図１５Ｂとの比較のために示される第４のフィーチャである。図１５Ｂの例のように、ベクトル入力０は発光するフィーチャがない場合（例えば、背景信号）を表し、ベクトル入力１は１つのフィーチャが発光する場合を表し、ベクトル入力２は２つのフィーチャが発光する場合を表す。
【０１２８】
この例に示すように予想強度の各ベクトルは一意であり（すなわち縮重がなく）、画素の３つのフィーチャによる発光可能性の８例のそれぞれの一意の識別を可能にする。例えば、３つの取り込み画像を用いて予想強度の８つのベクトルの１つに一致する強度のベクトルを作成することができる。さらに、ある方向の構造化照明パターンを用いて取り込まれた２つの位相画像及び第２の直交方向の構造化照明パターンを用いて取り込まれた１つの位相画像のみが、画像サイクル中に３つのフィーチャ部位のそれぞれの強度を求めるために必要である。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、各画素上に整列し且つ／又は形成された複数のフィーチャは、より大きな面積を有するフィーチャが各画素上に整列するように１：１以外の他の何らかのアスペクト比を有する（例えば、円形でも正方形でもない）ような形状であり得る。これにより、各撮像サイクル中のデータ密度を向上させることができると共に、各フィーチャの面積増加により画像読み出し中の各画素における信号強度を上げることもできる。図１７及び図１８は、フィーチャのアスペクト比を変更して１次元に沿って正方画素上に整列したフィーチャの場合のデータ密度を向上させることができる様子の例を示す。
【０１３０】
図１７は、１次元に沿って各正方画素１７１０上に整列した２つの楕円形フィーチャ１７２０ａ、１７２０ｂを含む例示的なイメージセンサ１７００の上面図を示す。例えば、フィーチャ１７２０ａ、１７２０ｂは、イメージセンサアセンブリの作製中に画素１７１０上に形成されたものであり得る。簡単のために、４つの画素が図示されている。この例に示すように、楕円形フィーチャは最大１：２のアスペクト比（例えば、長軸及び短軸に沿った直径間の比）を有する。例えば、特定の実施形態では、各画素上には、１次元に沿ってアスペクト比１：２の２つの楕円形ナノウェルが整列し得る。画素上に整列した２つの円形フィーチャを示す図９の例と比べて、各画素１７１０上に整列した楕円形フィーチャ１７２０、１７２０ｂのサイズの方が大きい。
【０１３１】
図１８は、１次元に沿って各正方画素１８１０上に整列した３つの楕円形フィーチャ１８２０ａ〜１８２０ｃを含む例示的なイメージセンサ１８００の上面図を示す。例えば、フィーチャ１８２０ａ〜１８２０ｃは、イメージセンサアセンブリの作製中に画素１８１０上に形成されたものであり得る。簡単のために、４つの画素が図示されている。この例に示すように、楕円形フィーチャは最大１：３のアスペクト比（例えば、長軸及び短軸に沿った直径間の比）を有する。例えば、特定の実施形態では、各画素上には、１次元に沿ってアスペクト比１：３の３つの楕円形ナノウェルが整列し得る。
【０１３２】
本明細書において、モジュールという用語は、本願の１つ又は複数の実施形態に従って実施できる所与の機能単位を表し得る。本明細書において、モジュールは、任意の形態のハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせを利用して実施され得る。例えば、１つ又は複数のプロセッサ、コントローラ、ＡＳＩＣ、ＰＬＡ、ＰＡＬ、ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ、論理コンポーネント、ソフトウェアルーチン、又は他の機構が、モジュールを構成するために実施され得る。実施形態において、本明細書に記載の種々のモジュールがディスクリートモジュールとして実施され得るか、又は記載の機能及び特徴の一部又は全部を、１つ又は複数のモジュール間で共有することができる。換言すれば、当業者がこの説明を読んだ後に明らかとなるように、本明細書に記載の種々の特徴及び機能は、いかなる用途で実施してもよく、１つ又は複数の別個の又は共有のモジュールを種々の組み合わせ及び順列で実施することができる。種々の特徴又は機能要素が別個のモジュールとして個別に記載又は特許請求される場合があるが、当業者には理解されるように、これらの特徴及び機能を１つ又は複数の共通のソフトウェア及びハードウェア要素間で共有することができ、そのような記載は、別個のハードウェア又はソフトウェアコンポーネントを用いてかかる特徴又は機能が実施されることを要求も暗示もしないものとする。
【０１３３】
本明細書において、用語「コンピュータ可読媒体」、「コンピュータ可用媒体」、及び「コンピュータプログラム媒体」は、揮発性又は不揮発性の非一時的媒体、例えばメモリ、記憶ユニット、及び媒体等を概して指すために用いられる。これら及び他の種々の形態のコンピュータプログラム媒体又はコンピュータ可用媒体は、１つ又は複数の命令の１つ又は複数のシーケンスを処理装置に伝えて実行させることに関与し得る。媒体で具現されるかかる命令は、「コンピュータプログラムコード」又は「コンピュータプログラム製品」（コンピュータプログラム又は他の分類の形態で分類され得る）と概して称する。
【０１３４】
種々の例示的な実施形態に関して上述したが、個々の実施形態の１つ又は複数に記載された種々の特徴、態様、及び機能が、それと共に記載された特定の実施形態への適用性に限定されるのではなく、単独で又は種々の組み合わせで本願の他の実施形態の１つ又は複数に適用することができ、かかる実施形態が記載されているか否かもかかる特徴が記載の実施形態の一部として提示されているかも問わないことを理解されたい。したがって、本願の広さ及び範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれによっても制限されるべきでない。
【０１３５】
当然ながら、上記概念の全ての組み合わせは（かかる概念が相互に矛盾しない場合）、本明細書に開示される発明の主題の一部と考えられる。特に、本開示の最後に載せた特許請求の範囲に記載の主題の全ての組み合わせが、本明細書に開示される発明の主題の一部と考えられる。
【０１３６】
特許請求の範囲を含め本開示全体で用いられる用語「実質的に」及び「約」は、処理時のばらつき等に起因した小さな変動を表し考慮するために用いられる。例えば、これらの用語は、±５％以下、例えば±２％以下、例えば±１％以下、例えば±０．５％以下、例えば±０．２％以下、例えば±０．１％以下、例えば±０．０５％以下を指すことができる。
【０１３７】
該当する限り、本明細書中の用語「第１の」、「第２の」、「第３の」等は、これらの用語により表される各物体を別個の実体として示すために用いられるにすぎず、本明細書に別段の明記のない限り、時系列順の含意は意図されない。
【０１３８】
本明細書で用いられる用語及び語句並びにそれらの変形は、別段の明記のない限り、限定的ではなくオープンエンドであると解釈すべきである。上記の例として、用語「含む」は、「無制限に含む」等を意味すると解釈すべきであり、用語「例」は、検討中のアイテムの網羅的又は限定的な羅列ではなくそのいくつかの事例を提供するために用いられ、用語「ある（"a" or "an"）」は、「少なくとも１つ」、「１つ又は複数」等を意味すると解釈すべきであり、「従来の」、「旧来の」、「通常の」、「標準的な」、「既知の」、及び同様の意味の用語等の形容詞は、記載のアイテムを所与の期間に又は所与の時点で利用可能なアイテムに限定するものと解釈すべきでなく、現在又は将来のいつでも利用可能であり得る又は知られ得る従来の、旧来の、通常の、又は標準的な技術を包含すると解釈すべきである。同様に、本明細書が当業者に自明又は既知であろう技術に言及する場合、かかる技術は現在又は将来のいつでも当業者に自明又は既知である技術を包含する。
【０１３９】
「１つ又は複数」、「少なくとも１つ」、「限定はされないが」、又は場合によっては他の同様の語句等の拡張的な単語及び語句の存在は、かかる拡張的な語句がないような場合に狭義の状況が意図又は要求されることを意味すると解釈されないものとする。用語「モジュール」の使用は、モジュールの一部として記載又は特許請求されたコンポーネント又は機能が全て共通のパッケージで構成されることを意味しない。実際には、制御論理であるか他のコンポーネントであるかを問わず、モジュールの種々のコンポーネントのいずれか又は全部を単一のパッケージに組み合わせるか又は別個に維持することができ、複数の分類若しくはパッケージに又は複数の場所にさらに分配することができる。
【０１４０】
さらに、本明細書に記載の種々の実施形態は、例示的なブロック図、フロー図、及び他の図に関して説明される。当業者が本明細書を読んだ後に明らかとなるように、図示の実施形態及びそれらの種々の代替形態は、図示の例に制限されずに実施することができる。例えば、ブロック図及びそれらに付随する説明は、特定のアーキテクチャ又は構成を命ずるものと解釈すべきでない。
【０１４１】
本開示の種々の実施形態を上述したが、これらは単なる例として提示されたものであり限定ではないことを理解されたい。同様に、種々の図は、本開示に含むことができる特徴及び機能の理解を助けるためになされる本開示の例示的なアーキテクチャ又は他の構成を示し得る。本開示は、図示の例示的なアーキテクチャ又は構成に制限されず、さまざまな代替的なアーキテクチャ及び構成を用いて所望の特徴を実施することができる。実際には、本開示の所望の特徴を実施するために代替の機能的、論理的、又は物理的区分及び構成をどのように実施することができるかが、当業者には明らかであろう。また、本明細書に図示するもの以外の多数の異なる構成モジュール名を、種々の区画に適用することができる。さらに、フロー図、動作説明、及び方法請求項に関して、本明細書中でステップが提示される順序は、文脈上別段の指定のない限り、種々の実施形態が記載の機能を同じ順序で実行するよう実施されることを命じないものとする。
【図１】
2020531887.tif 000003
【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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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