JP7656675B2 - 光学システム、及びサンプル面の照明方法 - Google Patents

Description

本開示の様々な態様は、サンプル面の照明方法に関する。本開示の様々な態様は、光学システムにも関する。

特定の生物学的な用途（例えば、デジタルポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ））において、反応チャンバのアレイは、生体試料（デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）など）および蛍光色素を含み得る。隣接する反応チャンバは、１つまたは複数のパーティションによって分離されている。実用的な意義におけるほとんどの場合、一定の蛍光シグナル（または、少なくともほぼ一定の蛍光シグナル）が、アレイ内のすべてのパーティションから（または、２つ以上のアレイの場合には、各アレイ内のすべてのパーティションからの一定の蛍光シグナル）得られることが望ましい。なお、「一定の信号」とは、機器の光源によって照らされたときに、各パーティションに等しい濃度の色素が存在する場合には、各パーティションが等しい蛍光を発生することを意味する。

光学システム設計の観点では、パーティションのアレイ内の各パーティションから一定の蛍光シグナルを得るためには、パーティションのアレイ上に均一な照明を実現することが必要である。光源から広がってスクリーンに伝わる光の基本的な性質により、結果として得られる照明分布は、しばしば不均一になる。図１Ａは、照明サブシステムが、垂直入射（すなわち、０度の入射角）によりサンプル面を直接、照明し、不均一な配光（中央部が両端部よりも明るい）となった状態を示す概略図である。図１Ｂは、光を反射してサンプル面に投射するビームスプリッタの使用（蛍光検出で一般的に行われる）を示す別の概略図である。反射は、直接照明の単なる「鏡像」である。したがって、この場合にも、サンプル面において、同じタイプの不均一性がもたらされる。

蛍光検出の実用的な意義において、ビームスプリッタを使用せずにサンプル面を照明することが望まれることがある（例えば、ビームスプリッタに関連する迷光の問題を排除するため、または、ビームスプリッタを持たないことにより、機器のコストを低減するため）。そのような場合、図２に示すように、斜入射（すなわち、入射角＞０度）によってサンプル面が照明される。図２は、蛍光検出のための斜入射による照明を示す概略図であり、結果としてサンプル面に非対称な配光分布がもたらされる。この場合、非対称な不均一性が生じ、レンズに近い方の端部が、レンズから遠い方の端部よりも明るくなる。

様々な実施形態は、サンプル面の照明方法を提供する。この方法は、光源および少なくとも１つのレンズを有すると共に、サンプル面の法線に対して０°より大きく９０°より小さい入射角をなす光軸を有する照明サブシステム、を準備することを含む。この方法はまた、光源とサンプル面との間の光軸上のピボット点を中心とした回動なしに照明サブシステムによって生成されたサンプル面の基準照明分布との比較において、照明サブシステムによって生成されたサンプル面の調整照明分布の方がより高い対称性を有するよう、ピボット点を中心として照明サブシステムを回動させること、を含む。

様々な実施形態は、光学システムを提供する。光学システムは、光源および少なくとも１つのレンズを有すると共に、サンプル面の法線に対して０°より大きく９０°より小さい入射角の光軸を有する照明サブシステム、を備える。照明サブシステムは、光源とサンプル面との間の光軸上のピボット点を中心とした回動なしにＦによって生成されたサンプル面上の基準照明分布との比較において、サンプル面上に照明サブシステムによって生成された調整照明分布の方がより高い対称性を有するよう、ピボット点を中心として回動した状態にあるか、あるいは回動可能である。

本発明は、限定的でない例示および添付図面と併せて考慮すれば、詳細な説明を参照してより良く理解できる。
図１Ａは、照明サブシステムが、垂直入射（すなわち、０度の入射角）でサンプル面を直接、照明し、不均一な配光（中央部が端部よりも明るい）となった状態を示す概略図である。 図１Ｂは、光を反射してサンプル面に投射するビームスプリッタの使用（蛍光検出で一般的に行われる）を示す他の概略図である。 図２は、蛍光検出のための斜入射により、サンプル面上で非対称な配光分布となった照明を示す概略図である。 図３は、様々な実施形態における、サンプル面の照明方法の一般的な図である。 図４は、様々な実施形態における、光学システムの一般的な図である。 図５は、様々な実施形態における、照明サブシステムのレンズに近接するピボット点または軸を中心とする照明サブシステムの回動を示す光学システムの概略図である。 図６Ａは、ブレッドボード上に実装された様々な実施形態における、光学システムの光学設計モデルおよびシミュレーションである。 図６Ｂは、様々な実施形態における、図６Ａに示す光学システムの照明サブシステムを示す。 図７Ａは、非対称の不均一な照明分布の表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。 図７Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであって、非対称の不均一な照明分布のｙ次元のプロファイルを示している。 図８Ａは、様々な実施形態における、第２の傾斜が２．７°である図６Ａの光学システムの概略図である。 図８Ｂは、様々な実施形態における、図８Ａに示す光学システムの光学照明サブシステムの概略図である。 図９Ａは、様々な実施形態における、対称性が改善された照明の表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。 図９Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであり、対称性が改善された照明分布のｙ次元のプロファイルを示している。 図１０は、様々な実施形態における、図６および図８に示す光学システムが構成されたブレッドボードの画像である。 図１１Ａは、第２の傾斜角が０°であるときのwhile paperの表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。 図１１Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであり、第２の傾斜角が０°であるときのwhite paper（白紙）のｙ次元のプロファイルを示している。 図１２Ａは、第２の傾斜角が２．７°であるときのwhile paperの表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。 図１２Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであり、第２の傾斜角が２．７°であるときのwhite paperのｙ次元のプロファイルを示している。 図１３Ａは、様々な実施形態における、生物学的実体検出システムまたは機器の概略図を示す。 図１３Ｂは、様々な実施形態における、図１３Ａの光学システムおよびカメラの概略図である。

以下の詳細な説明は、本発明が実施され得る具体的な詳細および実施形態を図によって示す添付の図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されている。他の実施形態が利用されてもよく、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的および論理的な変更を行うことができる。様々な実施形態は必ずしも相互に排他的ではなく、いくつかの実施形態を１つまたは複数の他の実施形態と組み合わせて新しい実施形態を形成できる。

一の方法または光学システムの文脈で説明された実施形態は、他の方法または光学システムに対しても同様に有効である。同様に、方法の文脈で説明されている実施形態は、光学システムに対しても同様に有効であり、逆も同様である。

一実施形態の文脈で説明される特徴は、他の実施形態の同じまたは同様の特徴に対して同様に適用可能である。一実施形態の文脈で説明される特徴は、他の実施形態で明示的に説明されていなくても、他の実施形態に適用可能である。さらに、一実施形態の文脈での特徴に関して説明した追加および／または組み合わせおよび／または代替案は、他の実施形態における同じまたは類似の特徴に対して同様に適用可能である。

様々な実施形態の文脈で、特徴または要素に関して使用される冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、一または複数の特徴または要素への言及を含む。

様々な実施形態の文脈で、数値に適用される「約」または「ほぼ」という用語は、正確な値および妥当なばらつきを包含する。

本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、関連付けられ列挙された項目の一または複数のありとあらゆる組み合わせを含む。

様々な実施形態は、斜光照明による非対称な不均一性に対処しようとするものである。

斜入射で照明するときの図２に示したサンプル面上の非対称性の原因の一部は、光の強度が１／ｒ＾２（半径の２乗分の１）に依存性を有するためである。ここで、ｒは光源から照明面（つまり、サンプル面）までの距離である。光源と照明面との間の距離が短いほど、光の強度は高くなる。逆に、光源が照明面から離れているほど、光の強度は低くなる。その結果、図２の照明の右端は、光源からより遠いため（この場合、レンズと光源を合わせた照明サブシステムを「光源」と見なす）、その領域の照度はより暗くなる。逆に、図２の照明面の左端は光源により近いため、より明るくなる。

光学の放射測定の原理に基づけば、斜入射での照明面上の強度分布は、実際には、単に光源と平面との間の距離の関数にはならず、図１Ａ－Ｂに示すサンプル面での中央の輝点の強度分布と同様、平面に対する光線の入射角の関数でもあり得る。レンズが均一な光源（例えば発光ダイオード（ＬＥＤ））から光線を集める場合、レンズからスクリーンに向かう光線の全ての集まりの中に必ず、明るい中心的な光線が存在する。その結果、図２のサンプル面で見られる最終的な強度分布は、中央の輝点の分布プロファイル、光の強度の１／ｒ＾２依存および光線の入射角による影響の組み合わせに依存する。例えば、図２の照明面の左側が光源により近くても、照度の最も明るい箇所が左端の右側に若干、移動し、これにより、サンプル面の左側の明るさが若干、減少する。そのため、斜光照明でのサンプル面における最も明るい位置は、必ずしも面の左端にあるとは限らない。むしろ、最も明るいスポットは、左端の少し右側にずれる可能性があるが、面の中央には存在しない。

様々な実施形態は、レンズ近くの任意の位置の軸を中心とした照明サブシステムの回動あるいは「第２の傾斜」の実行（すなわち、レンズと光源を一緒に傾斜させる）により、斜入射の照明の最も明るい位置をサンプル面の中央に向かって移動させることに関する。

図３は、様々な実施形態におけるサンプル面の照明方法の概略図である。この方法は、ステップ３０２において、照明サブシステムを準備することを含む。照明サブシステムは、光源および少なくとも１つのレンズを有すると共に、サンプル面の法線に対して０°より大きく９０°より小さい入射角をなす光軸を有する。この方法はまた、ステップ３０４において、光源とサンプル面との間の光軸上のピボット点を中心とした回動なしに照明サブシステムによって生成されたサンプル面の基準照明分布との比較において、照明サブシステムによって生成されたサンプル面の調整照明分布がより高い対称性を有するよう、ピボット点を中心として照明サブシステムを回動させること、を含む。

言い換えれば、様々な実施形態は、サンプル面の法線に対して照明サブシステムの光軸が０°より大きく９０°より小さい範囲から選択される入射角を形成するよう、照明サブシステムを配置することに関連する。照明サブシステムは、光源および少なくとも１つのレンズを有する。この方法はさらに、傾斜または回動のない照明サブシステム（すなわち、ピボット点を中心に回動することなく、サンプル面の法線に対して光軸が入射角を有するように配置されたサブシステム）によって生成された基準照明分布（つまり、斜光照明分布）よりも、ピボット点を中心に傾斜または回動する照明サブシステムによって生成された調整照明分布の方が対称的であるように、光軸上に位置するピボット点を中心に照明サブシステムを傾斜または回動させることを含んでいる。

ピボット点を中心とする照明サブシステムの回動または傾斜を、「第２の傾斜」と言う。

様々な実施形態では、照明サブシステムによってサンプル面で生成された調整照明分布は、調整照明分布の中央の点が最も明るくなる対称分布である。対称的な照明分布は、斜入射角が逆になる複数の光源を使用したり、垂直入射照明を使用したり、光線を折り曲げてサンプル面に投射するビームスプリッタを使用したり、せずに実現できる。これらに代えて、少なくとも１つのレンズを通して光源からの光線を投影することで、対称的な照明分布を実現できる。

照明サブシステムが回動する角度（ピボット点を中心とした第２の傾斜において）は、入射角、光源、少なくとも１つのレンズ、光軸上のピボット点の位置、光源と少なくとも１つのレンズとの間の距離、および／または、光源とサンプル面との間の距離に依存する。

光軸は、元の光軸と言う。ピボット点を中心に照明サブシステムを傾斜または回動させると、照明サブシステムは、元の光軸とは異なるさらなる光軸（新しい光軸とも言う。）に沿うようになる。ピボット点は、光軸と、さらなる光軸と、の交点に位置し得る。さらなる光軸は、サンプル面の法線に対して、０°より大きく９０°より小さいさらなる入射角を有している。光軸の入射角と、さらなる光軸のさらなる入射角と、は異なっている。

様々な実施形態では、ピボット点を中心として照明サブシステムが回動する前、光源および少なくとも１つのレンズは、光軸に沿って整列している。ピボット点を中心として照明サブシステムが回動した後、光源および少なくとも１つのレンズは、さらなる光軸に沿って整列している。

様々な実施形態では、少なくとも１つのレンズは、単一のレンズから構成されている。

様々な実施形態において、照明サブシステムは、異なる波長を混合および整合するために、３つの光源、３つのレンズ、ならびに、５つの励起フィルタおよび５つの吸収フィルタを有する。

種々の実施形態において、サンプル面は、反応チャンバのアレイによって形成される。

反応チャンバのアレイの各反応チャンバは、蛍光色素を含み、照明サブシステムによる照明時に、蛍光色素によって蛍光が生成されるように構成されている。

様々な実施形態では、この方法は、光源とサンプル面との間に励起フィルタを設けること、を含む。励起フィルタは、光源によって生成された光をフィルタ処理するように構成される。この方法はまた、サンプル面の上方に撮像レンズを設けること、を含む。撮像レンズは、照明サブシステムによる照明時に、色素によって生成される蛍光に焦点を合わせるように構成される。様々な実施形態では、この方法はまた、撮像レンズとサンプル面との間に吸収フィルタを設けること、を含む。吸収フィルタは、光源によって生成され、サンプル面によって反射された光から、色素によって生成された蛍光を分離するように構成される。

いくつかの状況では、各反応チャンバは、等しい量の蛍光色素を含むか、あるいは含むように構成される。各反応チャンバに供給される生体試料の量も等しい量である場合、反応チャンバによって生成される蛍光は対称的であり得る。

他の状況では、各反応チャンバ内の色素の量が異なる。これらの状況のいくつかは、以下を含む。（ａ）様々な実施形態による光学システムを含むリアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）システム。反応チャンバのグループには、濃度が異なるターゲットデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）（色素でタグ付けされたもの）が入り込む可能性がある。（ｂ）様々な実施形態による光学システムを含むデジタルＰＣＲシステム。ポアソン統計により、各チャンバに入るターゲットＤＮＡの平均数が決定される。その結果、ターゲットＤＮＡ分子のばらつきが、全ての反応チャンバに亘って生じる（そのため、ＤＮＡ分子にタグ付けされた色素にばらつきが生じる）。

しかしながら、色素および関連付けられたターゲットＤＮＡ分子の量の差異に関係なく、全ての反応チャンバに亘って対称的な照明を提供することが望ましい。これは、実際に各反応チャンバから異なる蛍光（色素の量が異なるための）があるか否を判断できるよう、比較のために反応チャンバを均一に照明する必要があるからである。反応チャンバ全体の色素濃度の違いを判断するためには、均一な照明が必要になる。

様々な実施形態において、光源は、可視光、赤外光、または紫外光を生成するように構成される。様々な実施形態では、光源は、可視光、赤外光、および紫外光の任意の組み合わせを生成するように構成される。

様々な実施形態では、光源は、発光ダイオードである。

一実施例において、光源と少なくとも１つのレンズとの間の距離が約６０ｍｍ、光源とサンプル面との間の距離が約２２０ｍｍ、入射角が約１７°であって、照明サブシステムは、ピボット点を中心に約２．７°回動した状態（第２の回動または傾斜において）にある。

別の実施例では、光源と少なくとも１つのレンズとの間の距離が約３０ｍｍ、光源とサンプル面との間の距離が約１１０ｍｍ、入射角が約２２°であって、照明サブシステムはピボット点を中心に約１．３°回動した状態にある。

図４は、様々な実施形態による光学システム４００の一般的な図である。光学システム４００は、光源４０４と、少なくとも１つのレンズ４０６と、を有する照明サブシステム４０２を備えている。照明サブシステム４０２は、サンプル面の法線に対して０°より大きく９０°より小さい入射角の光軸を有する。光源４０４とサンプル面との間の光軸上のピボット点を中心とした回動なしに照明サブシステム４０２によって生成されたサンプル面上の基準照明分布との比較において、サンプル面上に照明サブシステム４０２によって生成された調整照明分布の方が、より高い対称性を有するよう、照明サブシステム４０２は、ピボット点を中心として回動した状態にあるか、回動可能である。光学システム４００は、サンプル面を照明するように構成されている。

言い換えれば、照明サブシステム４０２を備える光学システム４００を提供可能である。照明サブシステム４０２は、光源４０４と、少なくとも１つのレンズ４０６と、を有する。照明サブシステム４０２は、サンプル面の法線に対して０°より大きく９０°より小さい範囲から選択される入射角の光軸を有する。傾斜または回動のない照明サブシステム４０２（すなわち、ピボット点を中心に回動することなく、サンプル面の法線に対して光軸が入射角をなすように配置されたサブシステム）によって生成された基準照明分布（すなわち、斜光照明分布）よりも、ピボット点を中心に傾斜または回動する照明サブシステム４０２によって生成された調整照明分布の方がより対称的であるよう、照明サブシステム４０２は、光軸上のピボット点を中心に回動または傾斜する。

照明サブシステム４０２が回動する角度は（ピボット点を中心とした第２の傾斜のため）、入射角、光源４０４、少なくとも１つのレンズ４０６、光軸に沿ったピボット点の位置、光源４０４と少なくとも１つのレンズ４０６との間の距離、および／または、光源４０４とサンプル面との間の距離に依存する。

ピボット点を中心に照明サブシステム４０２を傾斜または回動させると、照明サブシステム４０２は、光軸とは異なるさらなる光軸に沿うようになる。ピボット点は、光軸と、さらなる光軸と、の交点に位置し得る。さらなる光軸は、サンプル面の法線に対して、０°より大きく９０°より小さい、さらなる入射角を有する。

様々な実施形態において、ピボット点はピボット軸として実現できる。サブシステム４０２は、さらに、光源４０４および少なくとも１つのレンズ４０６を保持するフレームを有する。フレームはピボット軸に取り付けられ、光源４０４および少なくとも１つのレンズ４０６は、ピボット点を中心に回動した状態、あるいは回動できる状態にある。様々な実施形態では、光学システム４００の作製あるいは組立中に、照明サブシステム４０２の回動角度を定めても良い。光学システム４００が、光源４０４および少なくとも１つのレンズ４０６を保持するフレームを備えていても良い。

様々な実施形態では、照明サブシステム４０２によって生成されたサンプル面での調整照明分布は、調整照明分布の中央の点が最も明るくなる対称分布であっても良い。

様々な実施形態では、光源４０４および少なくとも１つのレンズ４０６は、光軸に沿って整列していても良い。

様々な実施形態では、照明サブシステム４０２は、光源４０４とサンプル面との間に励起フィルタを備えている。

様々な実施形態では、光学システム４００は、サンプル面の上方に撮像レンズを備えている。光学システム４００は、撮像レンズとサンプル面との間に吸収フィルタを備えていても良い。

様々な実施形態では、光学システム４００は、サンプル面を形成する反応チャンバのアレイを有する。反応チャンバのアレイの各反応チャンバは、蛍光色素を含み、照明サブシステムによって照明されると、蛍光色素によって蛍光が生ずるように構成されている。

様々な実施形態において、光源４０４は、可視光、赤外光、または紫外光を生成するように構成されている。光源４０４は、可視光、赤外光、および紫外光の任意の組み合わせを生成するように構成されていても良い。

光源４０４は、単一の波長の光を生成するように構成されていても良く、複数の波長の光を生成するように構成されていても良い。

光源４０４は、発光ダイオードであっても良い。

一の実施例において、光源４０４と少なくとも１つのレンズ４０６との間の距離が約６０ｍｍ、光源４０４とサンプル面との間の距離が約２２０ｍｍ、入射角が約１７°であり、照明サブシステム４０２が、ピボット点を中心に約２．７°回動した状態にある（第２の回動または傾斜のため）。

別の実施例において、光源４０４と少なくとも１つのレンズ４０６との間の距離が約３０ｍｍ、光源４０４とサンプル面との間の距離が約１１０ｍｍ、入射角が約２２°であり、照明サブシステム４０２が、ピボット点を中心に約１．３°回動した状態にある。

様々な実施形態は、サンプル面で対称的な照明分布を生成するように構成された照明サブシステムを有する光学システムに関連する。照明サブシステムは、光源および少なくとも１つのレンズを有する。光源および少なくとも１つのレンズは、光源の中心および少なくとも１つのレンズの中心を通る直線（すなわち、さらなる光軸）が、サンプル面の法線に対して０°から９０°までの間の角度になるように整列または配置されている。

様々な実施形態は、サンプル面で対称的な照明分布を生成するように構成された照明サブシステムを有する光学システムを形成する方法に関連する。照明サブシステムは、光源および少なくとも１つのレンズを有する。光源および少なくとも１つのレンズは、光源の中心および少なくとも１つのレンズの中心を通る直線（すなわち、さらなる光軸）が、サンプル面の法線に対して０°から９０°までの間の角度になるように整列または配置されている。

本明細書で説明する光学システムは、生物学的実体検出システム（entity detection system）である。生物学的実体検出システムは、ＤＮＡなどの生物学的実体を含む生体試料を検出するように構成されている。様々な実施形態では、システムは、生物学的実体を反応チャンバのアレイに運ぶように構成された一または複数のマイクロ流体流路を有する。システムはまた、反応チャンバのアレイに蛍光色素を運ぶように構成された一または複数のマイクロ流体流路を有する。

図５は、様々な実施形態における照明サブシステム５０２のレンズ５０６に近接するピボット点または軸を中心とした照明サブシステム５０２の回動を示す光学システム５００の概略図である。図５に示す照明サブシステム５０２の回動は、反時計回りである。他の様々な実施形態では、回動が時計回りであっても良い。照明サブシステム５０２の回動は、サンプル面における照明の中央領域内の照明分布の対称性の改善をもたらす。照明サブシステム５０２は、光源５０４およびレンズ５０６を有している。

照明サブシステム５０２の回動は、「第２の傾斜」と呼ばれ、レンズに近く位置するピボット点を中心とした光源５０４およびレンズ５０６の回動であり得る。

「第１の傾斜」は、サンプル面上の点を中心とした照明サブシステムの向きを指し、これは、照明の斜角、すなわち、サンプル面の面法線に対して計測された入射角となり得る。

図５に示すように、ピボット点を中心とした照明サブシステム５０２の回動は、サンプル面の中央から離れる方向を指し示す新しい光軸を生じさせ、その結果、サンプル面の中央付近の照明が対称になり得る。

図６Ａは、ブレッドボード上に実装された様々な実施形態による光学システム６００の光学設計モデルおよびシミュレーションである。図６Ａは、光学設計モデル、及び長さ約４０ｍｍ、幅約３０ｍｍのサンプル面を照射する光線のシミュレーションを示す。照明サブシステム６０２は、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）６０４と、ＬＥＤ６０４の前にある３つの平凸レンズ６０６と、を有する。図６Ｂは、様々な実施形態における図６Ａの光学システム６００の照明サブシステム６０２を示す。図６Ｂに示すように、ダイオード６０４の前、５ｍｍの位置に直径２０ｍｍの円形開口部が位置している。開口部は、２０ｍｍの内径を有する環によって定まっている。環の外周は、照明サブシステム６０２の機械的な筐体に取り付けられている。３つの平凸レンズ６０６は、光線を集めてＬＥＤ６０４の表面をサンプル面に向けて投影するように配置されている。サンプル面は、ＬＥＤの表面から約２２０ｍｍ、撮像レンズ６０６の前面から１６０ｍｍの位置にある。ダイオード６０４は、 Luminus製（部品番号ＰＴ－１２１－Ｂ）である。ダイオード６０４の発光は、約４６０ｎｍにピークを有する狭い波長帯を有している。しかしながら、他の任意の適当なＬＥＤまたは光源の使用を想定できる。

図６Ａに示すように、光学システム６００はまた、光源６０４とサンプル面との間に励起フィルタ６０８を有している。光学システム６００はまた、サンプル面の上方に配置された撮像レンズ６１０を有している。光学システム６００は、さらに、撮像レンズ６１０とサンプル面との間に吸収フィルタ６１２を有している。

斜入射角は約１７°であるが、非対称の不均一な照明分布のシミュレーション結果を示すため、初めは第２の傾斜を約０°に設定すると良い。図７Ａは、非対称の不均一な照明分布の表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。図７Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであって、非対称の不均一な照明分布のｙ次元のプロファイルを示している。

斜角を約１７°に維持すると共に、ピボット点を中心として、照明サブシステムに約２．７°の第２の傾斜を与えることにより、照明の対称性を改善できる。

図８Ａは、様々な実施形態における図６Ａに示すような光学システム６００の概略図であり、２．７°の第２の傾斜が与えられている。２．７°の第２の傾斜により、照明の光線がｙ方向に移動し、対称性が改善された照明分布が得られる。図８Ｂは、様々な実施形態における図８Ａの光学システム６００の光学照明サブシステムの概略図である。対応する特徴には、同じ参照番号が付されている。

図９Ａは、様々な実施形態において、改善された対称性を有する照明の表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。図９Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであって、対称性が改善された照明分布のｙ次元のプロファイルを示している。

図１０は、様々な実施形態において、図６および図８に示す光学システム６００が構成されたブレッドボードの画像である。この構成では、照明サブシステムに一体化された光源として青色ＬＥＤが使用されている。１アンペアの順方向電流がＬＥＤに供給されると、サンプル面に明るい照明が生じる。サンプル面では、文書の印刷やコピーにしばしば使用される定型のＡ４サイズの白いシートから切り出されたwhite paper（白紙）を使用した。white paperをサンプルとして使用した理由は、white paperは、青色の照明で励起されると自然に蛍光を発し、吸収フィルタと撮像レンズを通して明るく見える広波長の緑色の光を発するからである。撮影レンズの焦点面には、画素サイズが２．４ミクロンであるＦＬＩＲ製の２０メガピクセルの相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサが搭載されている。

図１１Ａは、第２の傾斜角が０°であるときのwhile paperの表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。図１１Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであり、第２の傾斜角が０°であるときのwhite paperのｙ次元のプロファイルを示している。図１１Ａ－Ｂは、非対称の照明分布を示している。図示されるように、サンプル面の右端に向かって輝度が低下している。

図１２Ａは、第２の傾斜角が２．７°であるときのwhile paperの表面の２次元（２Ｄ）プロファイルを示す画像である。図１２Ｂは、ｙ座標（ミリメートルまたはｍｍ）の関数としての強度（相対単位またはrel. units）のプロットであり、第２の傾斜角が２．７°であるときのwhite paperのｙ次元のプロファイルを示している。図１２Ａ－Ｂは、図１１Ａ－Ｂと比較して、より対称的な照明分布を示している。

図１２Ａ－Ｂに示す画像で観察される強度分布は、図９Ａ－Ｂに示されるシミュレーションほど均一ではないかもしれない。実際の画像の左端および右端の両方は、シミュレーションが示すものよりも暗くなっている。その理由は、撮像レンズおよびイメージセンサ（つまり、ＣＭＯＳセンサ）も、不均一性の一因となる得るためである。撮像レンズ（サプライヤであるEdmund Optics製の部品番号86-574）は、エッジの強度がピーク強度の８０％－９０％に低下する光学的不均一性を有するおそれがある。また、ＣＭＯＳセンサは、ある程度の不均一性を有するおそれがある。これらの組合せにより、画像に示された全体的な不均一性が生じている。しかしながら、照明として斜入射を使用する場合、第２の傾斜角によって、不均一性分布の非対称性を排除または低減し得ることが分かる。

図１３Ａは、様々な実施形態における生物学的実体検出システムまたは機器１３００の概略図を示す。システム１３００は、本明細書で説明する通り、１つまたは複数の照明サブシステムを備えている。図１３Ａは、システム１３００が５つの照明サブシステム１３０２ａ－ｅを備え得ることを示している。システム１３００は、ＤＮＡなどの生物学的実体を含む生体試料を検出するように構成されている。システムは、生体試料を保持するように構成された反応チャンバ１３１６のアレイを有し得る。様々な実施形態において、システムは、反応チャンバ１３１６のアレイに生物学的実体を運ぶように構成された一または複数のマイクロ流体流路を有し得る。システムはまた、反応チャンバ１３１６のアレイに蛍光色素を運ぶように構成された一または複数のマイクロ流体流路を有し得る。照明サブシステム１３０２ａ－ｅおよび反応チャンバ１３１６のアレイは、筐体１３１８内に取り付けられる。反応チャンバ１３１６のアレイは、サンプル面を形成している。システム１３００はまた、一または複数の照明サブシステム１３０２ａ－ｅにより反応チャンバ１３１６のアレイが照明された時に、生体試料によって放出された蛍光を取込または検出するように構成されたカメラ１３１０を有する。カメラレンズ１３１０およびフィルタなどの他の構成部も筐体１３１８内に取り付けられる。図１３Ｂは、様々な実施形態における図１３Ａに示す光学システム１３０２ａおよびカメラ１３１０の概略図である。

第２の傾斜は、約１．３度に設定でき、斜角は、照明サブシステム１３０２ａ－ｅのそれぞれについて約２２度に設定できる。また、サブシステム１３０２ａ－ｅには、３つの異なる色のＬＥＤ（青、緑、赤）が含まれる。したがって、１つの照明サブシステムは、別の照明サブシステムによる照明の波長とは異なる波長を有する照明を提供できる。ＬＥＤは、横向きにスキャン（つまり、サンプル面の上方を平行に移動）できる。ＬＥＤは、サンプル面に対して斜入射で照明を投影する固定ＬＥＤレンズ（すなわち、ＬＥＤとサンプル面との間のレンズ）に対してスキャンできる。本発明は、具体的な実施形態に関して特に示され、説明されてきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の意図および範囲から逸脱することなく、形態および詳細に様々な変更が可能であることが理解できるはずである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の範囲の意味および均等の範囲の中にあるすべての変更が含まれ得ることが意図されている。

Claims (20)

1. 光源及び少なくとも１つのレンズを有する照明サブシステムを用いてサンプル面を照明する方法であって、
   前記照明サブシステムの光源とサンプル面との間に位置すると共に当該照明サブシステムの第１の光軸上に位置するピボット点を中心にして、第１の傾斜から第２の傾斜に前記照明サブシステムを調整することにより、前記サンプル面上に調整照明分布を生成するステップを含み、
   前記第１の光軸は、前記サンプル面の法線に対する入射角が０°より大きく９０°よりも小さくなっており、
   前記照明サブシステムは、前記第２の傾斜のときに第２の光軸を有し、
   前記調整照明分布の強度分布は、前記第１の傾斜の前記照明サブシステムによって生成される基準照明分布の強度分布よりも対称性が高いことを特徴とするサンプル面の照明方法。
2. 請求項１において、前記光源と前記サンプル面との間に位置すると共に前記第１の光軸上に位置するピボット点を中心とする前記照明サブシステムの調整には、当該照明サブシステムを前記第２の傾斜まで傾斜あるいは回動させること、が含まれるサンプル面の照明方法。
3. 請求項２において、前記照明サブシステムの傾斜あるいは回動には、前記ピボット点を中心として照明システムを１．３°～２．７°、傾斜あるいは回動させることが含まれるサンプル面の照明方法。
4. 請求項１において、前記ピボット点を中心として前記照明サブシステムを調整した後、当該照明サブシステムの前記光源及び少なくとも１つのレンズを前記第２の光軸に沿って整列させるステップを含むサンプル面の照明方法。
5. 請求項１において、前記調整照明分布の強度分布では、中央が最も明るくなっているサンプル面の照明方法。
6. 請求項１において、前記照明サブシステムが調整される角度は、入射角、光源、該照明サブシステムの少なくとも１つのレンズ、前記第１の光軸上のピボット点の位置、前記光源と前記少なくとも１つのレンズとの間の距離、及び前記光源と前記サンプル面との間の距離、のうちの少なくとも１つに依存する角度であるサンプル面の照明方法。
7. 請求項１において、前記サンプル面は、反応チャンバのアレイによって形成されており、各反応チャンバは、生体試料中のターゲットの生物学的実体を検出するための生体試料を保持するように構成されているサンプル面の照明方法。
8. 請求項７において、反応チャンバーのアレイの各反応チャンバーは、照明サブシステムによる照明時に蛍光を発する蛍光色素を含むように構成されているサンプル面の照明方法。
9. 請求項１において、前記光源は、可視光または赤外光または紫外光を発生するように構成されているサンプル面の照明方法。
10. サンプル面を照明する方法であって、
    光源および少なくとも１つのレンズを含むと共に、第１の傾斜のとき、サンプル面の面法線に対して所定の入射角をなす第１の光軸を有する照明サブシステムを利用し、前記第１の傾斜の照明サブシステムによって前記サンプル面上に不均一な強度分布を有する基準照明分布を生成するステップと、
    前記光源と前記サンプル面との間に位置すると共に前記第１の光軸上に位置するピボット点を中心として前記照明サブシステムを第２の光軸を呈する第２の傾斜に調整することにより、均一な強度分布を呈する調整照明分布を生成するステップと、
    前記第２の光軸に位置する前記調整照明分布を計測するステップと、を含むサンプル面の照明方法。
11. 請求項１０において、前記第２の光軸に位置する前記調整照明分布の計測には、輝度の低下を撮像することが含まれるサンプル面の照明方法。
12. 請求項１１において、輝度の低下は、前記サンプル面の端に向かっているサンプル面の照明方法。
13. 請求項１０において、ピボット点を中心とした前記照明サブシステムの調整には、前記照明サブシステムの強度分布の対称性を改善するために、前記サンプル面に平行な方向に沿って前記照明サブシステムを移動させること、が含まれるサンプル面の照明方法。
14. 請求項１０において、前記照明サブシステムは、前記光源を含む複数の光源と、前記少なくとも１つのレンズを含む複数のレンズと、を含み、
    前記基準照明分布及び前記調整照明分布の生成には、前記複数のレンズを通して前記複数の光源から光を投射すること、が含まれるサンプル面の照明方法。
15. 光学システムであって、
    少なくとも１つの光源および少なくとも１つのレンズを含み、第１の傾斜に位置しており、サンプル面の法線に対して０°より大きく９０°よりも小さい入射角の第１の光軸を有する照明サブシステムを備えており、
    当該照明サブシステムは、前記第１の傾斜のとき、基準照明分布を生成するように構成され、
    前記照明サブシステムは、前記少なくとも１つの光源と前記サンプル面との間に位置すると共に前記第１の光軸上に位置するピボット点を中心とした調整により第２の傾斜となって第２の光軸を有するとき、前記サンプル面において調整照明分布を生成し、
    前記第２の傾斜のときの照明サブシステムによって生成される調整照明分布は、前記第１の傾斜のときの照明サブシステムによって生成される基準照明分布よりも対称性が高いことを特徴とする光学システム。
16. 請求項１５において、前記少なくとも１つのレンズは、前記少なくとも１つの光源からの光を集めて前記サンプル面に光を投射するように配置された複数のレンズを含んでいる光学システム。
17. 請求項１５において、サンプル面の上方の撮像レンズと、
    該撮像レンズの焦点面に設けられた半導体センサと、を備える光学システム。
18. 請求項１７において、前記撮像レンズおよび前記半導体センサのうちの少なくとも一方が、前記基準照明分布に不均一性を生じさせる光学システム。
19. 請求項１５において、前記少なくとも１つの光源は、異なる波長を有する複数の光源を含んでいる光学システム。
20. 請求項１９において、異なる波長が異なる色に対応している光学システム。