JP2002543370A - 光学スキャナ用の画像形成システム - Google Patents
光学スキャナ用の画像形成システムInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
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Abstract
(57)【要約】
画像形成システムは、異なる波長の励起放射を提供するための複数のソース（２１）と、蛍光放射（６９）を生成するために、１つ以上の励起波長をサンプルの表面（５５）に集束させるためのレンズ（５３）と、ミラー（５１）とを備える。ミラー（５１）は、発光放射と、サンプルから反射して、レンズによって平行光にされる励起放射（６７）との伝達経路内に配置された幾何学的ビームスプリッタとして構成される。このミラーを用いて、励起放射と発光放射の一方を反射し、発光放射が検出器（８１）に向かい、励起放射が検出器には向かわないようにする。
Description
［発明の背景］ 「発明の分野」 本発明は、一般的に、光学走査システムに関し、特に、蛍光マイクロアレイ読
み取り装置、DNAマイクロアレイ読み取り装置、または、「バイオ−チップ」読
み取り装置のような、スキャンするサンプルに蛍光を生成するために種々の波長
の放射線励起を使用する走査システムに関する。
み取り装置、DNAマイクロアレイ読み取り装置、または、「バイオ−チップ」読
み取り装置のような、スキャンするサンプルに蛍光を生成するために種々の波長
の放射線励起を使用する走査システムに関する。
【０００１】 「従来技術の説明」 スキャンするサンプルに蛍光を生成するために放射線励起を使用することが知
られている。Dixon他に付与された米国特許第5,381,224号には、肉眼標本用の走
査光学画像形成システムが開示されているが、このシステムによれば、共焦点撮
像及び非共焦点撮像の両方を反射光で実施することができる。蛍光ラベルを利用
して試験するサンプルの状態を特定する実験で蛍光画像装置が使用される。ある
場合には、サンプルに蛍光物質があるか否かにによって実験結果が決まる。他の
場合には、サンプルから放出される放射の強度の関数である蛍光物質の密度が測
定対象であり、検出された放射の強度を測定することによって実験結果を推測す
ることができる。
られている。Dixon他に付与された米国特許第5,381,224号には、肉眼標本用の走
査光学画像形成システムが開示されているが、このシステムによれば、共焦点撮
像及び非共焦点撮像の両方を反射光で実施することができる。蛍光ラベルを利用
して試験するサンプルの状態を特定する実験で蛍光画像装置が使用される。ある
場合には、サンプルに蛍光物質があるか否かにによって実験結果が決まる。他の
場合には、サンプルから放出される放射の強度の関数である蛍光物質の密度が測
定対象であり、検出された放射の強度を測定することによって実験結果を推測す
ることができる。
【０００２】 蛍光ラベルを使用するプロセスの１例はマイクロアレイである。マイクロアレ
イは、ガラス基体に結合したDNA（またはRNA）に関する実験の組である。基準と
なるもの、すなわち、「ターゲット」のDNAのスポットをガラス基体（一般的に
は、１×３インチのガラスの顕微鏡スライド）の上に置くと、DNAはその表面に
化学的に結合する。各スポット、すなわち、サンプルであるDNAのスポットは、
個別に実験対象となる。次に、蛍光物質でラベル付けされた「プローブ」DNAま
たはRNAをスライドの表面に添加し、ターゲットのDNAと混成させる。ターゲット
のDNAと結合しない余りのプローブDNAは、続く洗浄プロセスでスライドの表面か
ら除去される。
イは、ガラス基体に結合したDNA（またはRNA）に関する実験の組である。基準と
なるもの、すなわち、「ターゲット」のDNAのスポットをガラス基体（一般的に
は、１×３インチのガラスの顕微鏡スライド）の上に置くと、DNAはその表面に
化学的に結合する。各スポット、すなわち、サンプルであるDNAのスポットは、
個別に実験対象となる。次に、蛍光物質でラベル付けされた「プローブ」DNAま
たはRNAをスライドの表面に添加し、ターゲットのDNAと混成させる。ターゲット
のDNAと結合しない余りのプローブDNAは、続く洗浄プロセスでスライドの表面か
ら除去される。
【０００３】 この実験によれば、プローブDNAとターゲットのDNAとの結合の親和性から、そ
れらの分子構造の類似性を決定することができる。相補的な関係にある分子は、
関係のない分子同士よりも結合する確率がはるかに高い。プローブDNAは、蛍光
ラベルでラベル付けされるが、この蛍光ラベルは、波長λexcitationの外部放射
源によって励起されたときに、波長λemissionを含むその近辺にエネルギーが集
中したある範囲の放射エネルギーを放出する。ここで、波長λexcitationは波長
λemissionよりも短い。放出された放射の明るさは、照射されたサンプルの蛍光
物質の密度の関数である。蛍光物質の密度は、プローブ分子とターゲット分子と
の結合親和性すなわち類似性の関数なので、各サンプルの明るさ（輝度）を、プ
ローブDNAとターゲットDNAとの類似性の程度に関してマッピングすることができ
る。一般的なマイクロアレイについて、数万程度までの実験をプローブDNAで同
時に実行し、複合分子を詳細に特徴付けることができる。
れらの分子構造の類似性を決定することができる。相補的な関係にある分子は、
関係のない分子同士よりも結合する確率がはるかに高い。プローブDNAは、蛍光
ラベルでラベル付けされるが、この蛍光ラベルは、波長λexcitationの外部放射
源によって励起されたときに、波長λemissionを含むその近辺にエネルギーが集
中したある範囲の放射エネルギーを放出する。ここで、波長λexcitationは波長
λemissionよりも短い。放出された放射の明るさは、照射されたサンプルの蛍光
物質の密度の関数である。蛍光物質の密度は、プローブ分子とターゲット分子と
の結合親和性すなわち類似性の関数なので、各サンプルの明るさ（輝度）を、プ
ローブDNAとターゲットDNAとの類似性の程度に関してマッピングすることができ
る。一般的なマイクロアレイについて、数万程度までの実験をプローブDNAで同
時に実行し、複合分子を詳細に特徴付けることができる。
【０００４】 走査蛍光画像装置は、対象とする領域を、画素と呼ぶ個別の画像要素の組に分
割する。各画素を個別に調べて蛍光物質があるかどうかを測定する。蛍光物質は
、入射励起（用）ビームによって励起され、その結果放出される蛍光放射を検出
装置で集めて、測定する。測定した画素の相対的な蛍光物質の密度を表すデータ
ポイントが各測定結果となる。次に、走査した領域を定量的に表すために、画素
データを再構成する。
割する。各画素を個別に調べて蛍光物質があるかどうかを測定する。蛍光物質は
、入射励起（用）ビームによって励起され、その結果放出される蛍光放射を検出
装置で集めて、測定する。測定した画素の相対的な蛍光物質の密度を表すデータ
ポイントが各測定結果となる。次に、走査した領域を定量的に表すために、画素
データを再構成する。
【０００５】 走査顕微鏡では、各画素は、調べている間個別に照射される。一般的には、光
源は、所望の大きさのスポットを形成するためにレーザ光を集束させる、単一波
長レーザ装置である。放射は、蛍光物質によって、外向きの半球状伝達パターン
で放出される。この放射の一部は、ビーム収集用光学系によって集められて、検
出装置に送られる。入射励起ビームからの別の放射も集められが、それは、サン
プルの表面から反射するか散乱する。画像装置の光学系は、励起放射を阻止し、
蛍光放射を通過させることによって２つの放射線の波長を識別することができな
ければならない。従来のシステムでは、ダイクロイック及びバンドパスフィルタ
のような光学フィルタコンポーネントによってこの識別を行っている。
源は、所望の大きさのスポットを形成するためにレーザ光を集束させる、単一波
長レーザ装置である。放射は、蛍光物質によって、外向きの半球状伝達パターン
で放出される。この放射の一部は、ビーム収集用光学系によって集められて、検
出装置に送られる。入射励起ビームからの別の放射も集められが、それは、サン
プルの表面から反射するか散乱する。画像装置の光学系は、励起放射を阻止し、
蛍光放射を通過させることによって２つの放射線の波長を識別することができな
ければならない。従来のシステムでは、ダイクロイック及びバンドパスフィルタ
のような光学フィルタコンポーネントによってこの識別を行っている。
【０００６】 レーザ蛍光マイクロアレイスキャナには、複数の波長の励起レーザ光を出力す
る機能があり、２つ以上の蛍光染料を検出することによって、２つ以上の放射波
長における蛍光データをサンプルから得ることができるようになっている。この
ような固有の励起波長と放射波長の対は、「チャンネル」と一般的に呼ばれてい
る。多くのDNAマイクロアレイサンプルが、２波長走査法を利用しており、この
場合に、差次的遺伝子発現（Differential Gene Expression）の場合と同様に、
一方の波長による走査（スキャン）の結果は、制御値として使用され、他方の波
長による走査の結果は、所望の実験の結果を表す。市場や用途が成熟し、及び、
また、多くの種々の適切な染料（色素）が利用できるようになると、他の波長及
び放射バンドに対する要求が高まるであろう。
る機能があり、２つ以上の蛍光染料を検出することによって、２つ以上の放射波
長における蛍光データをサンプルから得ることができるようになっている。この
ような固有の励起波長と放射波長の対は、「チャンネル」と一般的に呼ばれてい
る。多くのDNAマイクロアレイサンプルが、２波長走査法を利用しており、この
場合に、差次的遺伝子発現（Differential Gene Expression）の場合と同様に、
一方の波長による走査（スキャン）の結果は、制御値として使用され、他方の波
長による走査の結果は、所望の実験の結果を表す。市場や用途が成熟し、及び、
また、多くの種々の適切な染料（色素）が利用できるようになると、他の波長及
び放射バンドに対する要求が高まるであろう。
【０００７】 ほとんどの走査共焦点顕微鏡は、ダイクロイックまたはマルチクロイックビー
ムスプリッタを使用して、励起放射波長λexcitationと放射波長λemissionを色
分解する。例えば、Kainに付与された米国特許第5,672,880号に開示された蛍光
画像形成システムは以下のようなものである。サンプルによって放射された蛍光
は対物レンズによって集められ、レーザと対物レンズの間の光軸に沿って配置さ
れたダイクロイックフィルタを通過して、光検出器に送られる。ダイクロイック
ビームスプリッタは、真空蒸着プロセスを使用して製作されるが、このプロセス
では、屈折率が変化する無機質の結晶材料を光学基体の層に堆積させて、特定の
バンド通過特性、及び／または、バンド阻止特性を有する光学フィルタを生成す
る。
ムスプリッタを使用して、励起放射波長λexcitationと放射波長λemissionを色
分解する。例えば、Kainに付与された米国特許第5,672,880号に開示された蛍光
画像形成システムは以下のようなものである。サンプルによって放射された蛍光
は対物レンズによって集められ、レーザと対物レンズの間の光軸に沿って配置さ
れたダイクロイックフィルタを通過して、光検出器に送られる。ダイクロイック
ビームスプリッタは、真空蒸着プロセスを使用して製作されるが、このプロセス
では、屈折率が変化する無機質の結晶材料を光学基体の層に堆積させて、特定の
バンド通過特性、及び／または、バンド阻止特性を有する光学フィルタを生成す
る。
【０００８】 実際には、光学走査システムは、１０以上の固有（但し可変の）放射バンドを
生成する５以上の単一波長放射装置を使用して動作することができる。これらの
動作パラメータを実現するためには、５つの全ての波長を反射して、放射波長を
通過させるようにコンポーネントのマルチクロイック光学要素を構成するという
仕様上の要件を満たす必要がある。このアプローチの第１の欠点は、このような
仕様を実現することは実際には極めて困難なことである。さらに、将来、光学走
査システムが改良及び開発されると、システムは、さらに多くの励起波長及び放
射波長で動作することが必要とされ、従って、マルチクロイックビームスプリッ
タには、さらに多くのきびしい仕様上の要件が課されることになる。
生成する５以上の単一波長放射装置を使用して動作することができる。これらの
動作パラメータを実現するためには、５つの全ての波長を反射して、放射波長を
通過させるようにコンポーネントのマルチクロイック光学要素を構成するという
仕様上の要件を満たす必要がある。このアプローチの第１の欠点は、このような
仕様を実現することは実際には極めて困難なことである。さらに、将来、光学走
査システムが改良及び開発されると、システムは、さらに多くの励起波長及び放
射波長で動作することが必要とされ、従って、マルチクロイックビームスプリッ
タには、さらに多くのきびしい仕様上の要件が課されることになる。
【０００９】 従来の光学走査システムの他の欠点は、単一波長放射装置を使用するために、
設計が複雑化するということである。適切な波長選択装置と共に１つ以上の多波
長放射装置を使用することによって、よりコンパクトで、頑強な光学走査システ
ムを実現することができる。
設計が複雑化するということである。適切な波長選択装置と共に１つ以上の多波
長放射装置を使用することによって、よりコンパクトで、頑強な光学走査システ
ムを実現することができる。
【００１０】 ［発明の概要］ 本発明は、波長の異なる励起用の放射（以下、励起放射）を行う放射装置、１
つ以上の励起放射源をサンプルの表面に投射（結像）させて、蛍光放射（以下で
は、発光放射）生じさせるためのレンズ、及び、幾何学的ビームスプリッタとし
て構成され、発光放射と、サンプルから反射して、レンズによって平行にされる
励起放射との伝達路に配置されたミラーから構成される画像形成システムを開示
する。ミラーは、平行にされた励起放射と発光放射の一方を反射して、発光放射
を検出器に向けるとともに、励起放射を検出器とは別の方向に向けるようにする
。本発明の他の特徴は、以下の詳細な説明を図面を参照しつつ読むことにより容
易に明らかになろう。
つ以上の励起放射源をサンプルの表面に投射（結像）させて、蛍光放射（以下で
は、発光放射）生じさせるためのレンズ、及び、幾何学的ビームスプリッタとし
て構成され、発光放射と、サンプルから反射して、レンズによって平行にされる
励起放射との伝達路に配置されたミラーから構成される画像形成システムを開示
する。ミラーは、平行にされた励起放射と発光放射の一方を反射して、発光放射
を検出器に向けるとともに、励起放射を検出器とは別の方向に向けるようにする
。本発明の他の特徴は、以下の詳細な説明を図面を参照しつつ読むことにより容
易に明らかになろう。
【００１１】 本発明の構成及び動作、並びに、他の目的及び利点については、添付図面を参
照して以下の詳細な説明を読むことによって十分に理解することができよう。
照して以下の詳細な説明を読むことによって十分に理解することができよう。
【００１２】 ［例示的実施態様の詳細な説明］ 図１に、サンプル５５の分析に使用することが可能な、本発明による画像形成
システム１０を示す。画像形成システム１０は、シャッターアセンブリ３０を含
む照射ヘッド２０と、励起放射装置２１を備える。励起放射装置２１は、２つ以
上の単色光源（例えば、単一波長のレーザ装置）、２波長レーザ装置、広帯域放
射装置、または、多波長レーザ装置（例えば、５１４ｎｍ、４８８ｎｍ、及び４
５８ｎｍの放射光を出力するSpectra-Physics Model 161Cレーザ）とすることが
できる。好適な実施態様では、励起放射装置２１は、例えば、５１４ｎｍと４８
８ｎｍである２つの波長λ1とλ2の放射を、光ファイバケーブル２３を介してシ
ャッターアセンブリ３０に向けて放出する。シャッターアセンブリ３０は、サン
プル５５を照射するための励起波長を一回につき１つ選択する。説明の便宜上、
波長λ1の放射がシャッターアセンブリ３０からの出力されるものとして選択さ
れている。所望の放射源のみに電力を供給することによってサンプル５５に与え
る照射を選択することができる。代替的には、全ての放射源に電力を供給した状
態にし、１つまたは複数のシャッター（不図示）を励起ビームの伝達経路の内外
に移動させて、所望の波長の放射を受け入れ、他の波長は阻止（遮断）すること
ができる。
システム１０を示す。画像形成システム１０は、シャッターアセンブリ３０を含
む照射ヘッド２０と、励起放射装置２１を備える。励起放射装置２１は、２つ以
上の単色光源（例えば、単一波長のレーザ装置）、２波長レーザ装置、広帯域放
射装置、または、多波長レーザ装置（例えば、５１４ｎｍ、４８８ｎｍ、及び４
５８ｎｍの放射光を出力するSpectra-Physics Model 161Cレーザ）とすることが
できる。好適な実施態様では、励起放射装置２１は、例えば、５１４ｎｍと４８
８ｎｍである２つの波長λ1とλ2の放射を、光ファイバケーブル２３を介してシ
ャッターアセンブリ３０に向けて放出する。シャッターアセンブリ３０は、サン
プル５５を照射するための励起波長を一回につき１つ選択する。説明の便宜上、
波長λ1の放射がシャッターアセンブリ３０からの出力されるものとして選択さ
れている。所望の放射源のみに電力を供給することによってサンプル５５に与え
る照射を選択することができる。代替的には、全ての放射源に電力を供給した状
態にし、１つまたは複数のシャッター（不図示）を励起ビームの伝達経路の内外
に移動させて、所望の波長の放射を受け入れ、他の波長は阻止（遮断）すること
ができる。
【００１３】 シャッターアセンブリ３０は、第１のビームスプリッタ３１を備えている。ビ
ームスプリッタ３１は、波長λ1の放射を非常に良く反射し、波長λ2の放射を非
常に良く通すようになっている。波長λ1の放射は、第１のビームスプリッタ３
１から反射し、第１の伝達経路をたどって第１のシャッター４１に入り、波長λ 2 の放射は、第１のビームスプリッタ３１を通過し、第２の伝達経路をたどって
第２のシャッター４３に入る。第１の伝達経路をたどる波長λ1の放射は、波長
λ1の放射に対して高い反射性を有する第１のミラー３３で反射される。第１の
ミラー３３で反射された波長λ1の放射は、開いた状態で図示されている第１の
シャッター４１を通過し、第１の狭帯域フィルタ４５を通過し、第２のミラー３
５で反射し、そして、第２のビームスプリッタ３７で反射する。第２のビームス
プリッタ３７は、λ1の放射に対して高い反射性を有し、λ2の放射に対しては高
い透過性を有している。λ1の放射は、第２のビームスプリッタ３７で反射した
後、励起放射３９としてシャッターアセンブリ３０から出力される。
ームスプリッタ３１は、波長λ1の放射を非常に良く反射し、波長λ2の放射を非
常に良く通すようになっている。波長λ1の放射は、第１のビームスプリッタ３
１から反射し、第１の伝達経路をたどって第１のシャッター４１に入り、波長λ 2 の放射は、第１のビームスプリッタ３１を通過し、第２の伝達経路をたどって
第２のシャッター４３に入る。第１の伝達経路をたどる波長λ1の放射は、波長
λ1の放射に対して高い反射性を有する第１のミラー３３で反射される。第１の
ミラー３３で反射された波長λ1の放射は、開いた状態で図示されている第１の
シャッター４１を通過し、第１の狭帯域フィルタ４５を通過し、第２のミラー３
５で反射し、そして、第２のビームスプリッタ３７で反射する。第２のビームス
プリッタ３７は、λ1の放射に対して高い反射性を有し、λ2の放射に対しては高
い透過性を有している。λ1の放射は、第２のビームスプリッタ３７で反射した
後、励起放射３９としてシャッターアセンブリ３０から出力される。
【００１４】 波長λ2の放射は、第２の伝達経路に沿って第１のビームスプリッタ３１を通
過して、閉じた状態で図示されている第２のシャッター４３に向かう。第２のシ
ャッター４３が開くと、λ2の放射は、第２の狭帯域フィルタ４７と第２のビー
ムスプリッタ３７を通過する。第１のシャッター４１が閉じると、λ2の放射は
、励起放射３９としてシャッターアセンブリ３０から出力される（不図示）。
過して、閉じた状態で図示されている第２のシャッター４３に向かう。第２のシ
ャッター４３が開くと、λ2の放射は、第２の狭帯域フィルタ４７と第２のビー
ムスプリッタ３７を通過する。第１のシャッター４１が閉じると、λ2の放射は
、励起放射３９としてシャッターアセンブリ３０から出力される（不図示）。
【００１５】 励起放射３９は、シャッターアセンブリ３０から放出されて、励起ミラー５１
によってサンプル５５の表面に向けて反射される。対物レンズ５３は、励起ミラ
ー５１とサンプル５５の表面の間に配置されており、サンプル５５の表面におい
て励起ビーム３９を所望のスポットサイズ６３に集束させる。好適な実施態様で
は、対物レンズ５３の有効焦点距離は、およそ６ミリメートルである。これによ
って、直径０．６ミリメートルの励起放射ビームから約５μｍのスポットサイズ
が得られる。
によってサンプル５５の表面に向けて反射される。対物レンズ５３は、励起ミラ
ー５１とサンプル５５の表面の間に配置されており、サンプル５５の表面におい
て励起ビーム３９を所望のスポットサイズ６３に集束させる。好適な実施態様で
は、対物レンズ５３の有効焦点距離は、およそ６ミリメートルである。これによ
って、直径０．６ミリメートルの励起放射ビームから約５μｍのスポットサイズ
が得られる。
【００１６】 励起放射３９は、サンプル５５の表面に投射されると、サンプル５５の表面か
ら発する３つのタイプの放射を生成する。第１のタイプの放射は、波長λ1の鏡
面反射ビーム６５であり、サンプル５５の表面に垂直な経路に沿った（すなわち
、入射伝達経路に沿って戻る）入射励起放射３９の一部の反射によって生じる。
第２のタイプの反射は、波長はこの場合もλ1である拡散反射６７であり、サン
プル５５の表面から垂直な方向以外の方向に反射される励起放射３９の一部であ
る。拡散反射６７の反射経路は、励起放射３９の入射伝達経路の直径には限定さ
れない。なぜなら、拡散反射６７の大方は、表面によって散乱されるからである
。
ら発する３つのタイプの放射を生成する。第１のタイプの放射は、波長λ1の鏡
面反射ビーム６５であり、サンプル５５の表面に垂直な経路に沿った（すなわち
、入射伝達経路に沿って戻る）入射励起放射３９の一部の反射によって生じる。
第２のタイプの反射は、波長はこの場合もλ1である拡散反射６７であり、サン
プル５５の表面から垂直な方向以外の方向に反射される励起放射３９の一部であ
る。拡散反射６７の反射経路は、励起放射３９の入射伝達経路の直径には限定さ
れない。なぜなら、拡散反射６７の大方は、表面によって散乱されるからである
。
【００１７】 第３のタイプの放射は、発光放射６９であり、入射励起放射３９に応答して、
サンプル５５内の蛍光物質が発光することによって生成される。関連技術分野に
おいて周知のように、かかる蛍光物質は、適正な波長の放射によって励起された
ときに発光する。従って、波長λ1の放射によって照射されると、サンプル５５
内の蛍光物質は、一般的に、励起放射３９の波長λ1より２０〜４０ｎｍ長い波
長波長λemit1の放射を生成する。尚、サンプル５５の表面における励起放射３
９のエネルギーは１ｍＷのオーダーであり、発光放射６９のエネルギーは１０-1 1 ワットのオーダーである。関連技術における当業者には理解されるように、励
起パワーに対する発光パワーの信号対ノイズ比は、鏡面反射ビーム６５のサイズ
が大きくなると小さくなり、また、サンプル５５の表面から発せられる拡散反射
６７の量が増加すると小さくなる。
サンプル５５内の蛍光物質が発光することによって生成される。関連技術分野に
おいて周知のように、かかる蛍光物質は、適正な波長の放射によって励起された
ときに発光する。従って、波長λ1の放射によって照射されると、サンプル５５
内の蛍光物質は、一般的に、励起放射３９の波長λ1より２０〜４０ｎｍ長い波
長波長λemit1の放射を生成する。尚、サンプル５５の表面における励起放射３
９のエネルギーは１ｍＷのオーダーであり、発光放射６９のエネルギーは１０-1 1 ワットのオーダーである。関連技術における当業者には理解されるように、励
起パワーに対する発光パワーの信号対ノイズ比は、鏡面反射ビーム６５のサイズ
が大きくなると小さくなり、また、サンプル５５の表面から発せられる拡散反射
６７の量が増加すると小さくなる。
【００１８】 鏡面反射ビーム６５、拡散反射６７の一部、及び、対物レンズ５３のサンプル
側に入射する発光放射６９は、平行化されて、波長λ1及びλemit1の放射から構
成される複合発光ビーム７１になる。対物レンズ５３の開口数（ＮＡ）は少なく
とも０．５であり、発光放射６９の大部分を遮るような大きさに作製されるので
、詳細に後述するように、検出プロセスの精度が改善される。好適な実施態様で
は、対物レンズ５３の開口数は約０．７５である。
側に入射する発光放射６９は、平行化されて、波長λ1及びλemit1の放射から構
成される複合発光ビーム７１になる。対物レンズ５３の開口数（ＮＡ）は少なく
とも０．５であり、発光放射６９の大部分を遮るような大きさに作製されるので
、詳細に後述するように、検出プロセスの精度が改善される。好適な実施態様で
は、対物レンズ５３の開口数は約０．７５である。
【００１９】 複合発光ビーム７１は、検出器８１に向けて伝達される。オプションの広帯域
ミラー７３を使用して、入射複合発光ビーム７１を反射させて折り曲げた伝達経
路を設けることもできる。広帯域ミラー７３を使用することによって、画像形成
システム１０の断面プロフィールを低減することができるという利点が得られる
。検出器８１は、光増倍管であるのが好ましいが、アバランシェフォトダイオー
ドや、ソリッドステート（または半導体）光検出装置を代替として使用すること
もできる。光増倍管は、感度が高く、かつ、利得を調整可能であるため好ましい
。さらに、光増倍管の出力は、検出された放射パワーに比例する電流からなる。
この電流信号をフィルタリングし、次に、アナログ−デジタルコンバータを使用
してデジタル値に変換することができる。
ミラー７３を使用して、入射複合発光ビーム７１を反射させて折り曲げた伝達経
路を設けることもできる。広帯域ミラー７３を使用することによって、画像形成
システム１０の断面プロフィールを低減することができるという利点が得られる
。検出器８１は、光増倍管であるのが好ましいが、アバランシェフォトダイオー
ドや、ソリッドステート（または半導体）光検出装置を代替として使用すること
もできる。光増倍管は、感度が高く、かつ、利得を調整可能であるため好ましい
。さらに、光増倍管の出力は、検出された放射パワーに比例する電流からなる。
この電流信号をフィルタリングし、次に、アナログ−デジタルコンバータを使用
してデジタル値に変換することができる。
【００２０】 検出器フィルタ７５（このフィルタは、発光放射６９を実質的に通過させ、励
起放射３９を実質的に通過させない）を、対物レンズ５３と検出器８１の間の複
合発光ビーム７１の伝達経路に配置することができる。検出器フィルタ７５は、
バンドパスフィルタまたはロングパス（long pass）フィルタから構成すること
ができる。検出器フィルタ７５は、拡散反射６７のほとんどまたは全てを減衰さ
せて、主に波長λemit1の発光放射６９からなるフィルタリングされた発光ビー
ム７１’が検出器８１に伝達されるようにする。代替実施態様では、集束レンズ
７７と開口絞り７９を、図示のようにフィルタリングされた発光ビーム７１’の
伝達経路に配置することができる。集束レンズ７７は、画像形成システム１０内
で使用されるときには、対物レンズ５３と共焦点システムを形成し、検出器８１
上にフィルタリングされた発光ビーム７１’を投射する。関連技術における当業
者には理解されるように、画像形成システム１０内で使用されるそれぞれの励起
波長と発光波長の対に対して追加のバンドパスフィルタまたはロングパスフィル
タを設けることもできる。
起放射３９を実質的に通過させない）を、対物レンズ５３と検出器８１の間の複
合発光ビーム７１の伝達経路に配置することができる。検出器フィルタ７５は、
バンドパスフィルタまたはロングパス（long pass）フィルタから構成すること
ができる。検出器フィルタ７５は、拡散反射６７のほとんどまたは全てを減衰さ
せて、主に波長λemit1の発光放射６９からなるフィルタリングされた発光ビー
ム７１’が検出器８１に伝達されるようにする。代替実施態様では、集束レンズ
７７と開口絞り７９を、図示のようにフィルタリングされた発光ビーム７１’の
伝達経路に配置することができる。集束レンズ７７は、画像形成システム１０内
で使用されるときには、対物レンズ５３と共焦点システムを形成し、検出器８１
上にフィルタリングされた発光ビーム７１’を投射する。関連技術における当業
者には理解されるように、画像形成システム１０内で使用されるそれぞれの励起
波長と発光波長の対に対して追加のバンドパスフィルタまたはロングパスフィル
タを設けることもできる。
【００２１】 開示した実施態様は、幾何学的ビーム分割をうまく利用しており、このため、
従来のダイクロイック及びマルチクロイック（多色）ビーム分割法及びその装置
よりも有利である。ダイクロイックは、特定の波長を反射し、他の波長を通過さ
せるよう構成されたガラス成分からなり、開示した画像形成システム１０内で使
用される幾何学的ビームスプリッタは、励起ミラー５１から構成される。励起ミ
ラー５１は、励起放射３９をサンプル５５の表面に向けて反射し、及び、サンプ
ル５５の表面からの鏡面反射ビーム６５を反射するように構成されており、検出
器８１が、最大量の発光放射６９を受け取ることができるよう物理的に大きさを
形成されている。励起ミラー５１は、励起ビーム３９の幅より大きな主寸法（ま
たは、長手寸法）を有しており、励起ビーム３９の伝達経路に対して約４５°で
配置されている。球形の台（不図示）の上で励起ミラー５１を支えることできる
が、この場合、例えば、画像形成システム１０を調整している間に、いくつかの
調整レベルで支えるようにすることができる。適切に調整されると、励起ミラー
５１は、ほぼ全ての鏡面反射６５を遮って、シャッターアセンブリ３０に向け、
検出器８１には向かわないようにする。これによって、システムの信号対ノイズ
比が改善される。
従来のダイクロイック及びマルチクロイック（多色）ビーム分割法及びその装置
よりも有利である。ダイクロイックは、特定の波長を反射し、他の波長を通過さ
せるよう構成されたガラス成分からなり、開示した画像形成システム１０内で使
用される幾何学的ビームスプリッタは、励起ミラー５１から構成される。励起ミ
ラー５１は、励起放射３９をサンプル５５の表面に向けて反射し、及び、サンプ
ル５５の表面からの鏡面反射ビーム６５を反射するように構成されており、検出
器８１が、最大量の発光放射６９を受け取ることができるよう物理的に大きさを
形成されている。励起ミラー５１は、励起ビーム３９の幅より大きな主寸法（ま
たは、長手寸法）を有しており、励起ビーム３９の伝達経路に対して約４５°で
配置されている。球形の台（不図示）の上で励起ミラー５１を支えることできる
が、この場合、例えば、画像形成システム１０を調整している間に、いくつかの
調整レベルで支えるようにすることができる。適切に調整されると、励起ミラー
５１は、ほぼ全ての鏡面反射６５を遮って、シャッターアセンブリ３０に向け、
検出器８１には向かわないようにする。これによって、システムの信号対ノイズ
比が改善される。
【００２２】 対物レンズ５３の開口数と幾何学的放射透過率（GETF）との関係については、
図２を参照することによって最も良く説明することができる。GETFは、i)ミラー
５１（及び関連する取り付け用コンポーネント）を伝達経路内に配置したことに
よる複合発光ビーム７１の遮断度合いと、ii)複合発光ビーム７１の経路全体の
径、との比として定義される。以下の２つの例から、特定の画像形成システムに
おいて、開口数が大きくした方が、そのシステムのGETFが改善されるというとが
わかる。
図２を参照することによって最も良く説明することができる。GETFは、i)ミラー
５１（及び関連する取り付け用コンポーネント）を伝達経路内に配置したことに
よる複合発光ビーム７１の遮断度合いと、ii)複合発光ビーム７１の経路全体の
径、との比として定義される。以下の２つの例から、特定の画像形成システムに
おいて、開口数が大きくした方が、そのシステムのGETFが改善されるというとが
わかる。
【００２３】 第１の例では、サンプル５５の表面におよそ５μｍのスポットサイズ６３を指
定する。この場合、励起放射３９のビームの直径は０．６ミリメートルである。
これは、対物レンズ５３の有効焦点距離が約６ミリメートルであれば実現するこ
とができる。開口数（ＮＡ）が０．７５の場合には、アパーチャ径（開口径）は
、約１３．６ミリメートルであり、約１４５．２６ｍｍ2のアパーチャ領域が得
られる。励起ミラー５１及び任意の関連する取り付け台（不図示）の直径が３．
１７ｍｍであり、それらが、複合発光ビーム７１の伝達経路に対して４５°の角
度で設置されている場合は、遮断される断面積は約５．５７ｍｍ2である。この
構成では、GETFは以下の式で表される。
定する。この場合、励起放射３９のビームの直径は０．６ミリメートルである。
これは、対物レンズ５３の有効焦点距離が約６ミリメートルであれば実現するこ
とができる。開口数（ＮＡ）が０．７５の場合には、アパーチャ径（開口径）は
、約１３．６ミリメートルであり、約１４５．２６ｍｍ2のアパーチャ領域が得
られる。励起ミラー５１及び任意の関連する取り付け台（不図示）の直径が３．
１７ｍｍであり、それらが、複合発光ビーム７１の伝達経路に対して４５°の角
度で設置されている場合は、遮断される断面積は約５．５７ｍｍ2である。この
構成では、GETFは以下の式で表される。
【００２４】
【式１】
【００２５】 第２の例では、対物レンズ５３の有効焦点距離が１０ミリメートルであり、そ
のＮＡは０．３０である。アパーチャ径は約６．２ミリメートルであり、約３０
．１９ｍｍ2のアパーチャ領域が得られる。５μｍの励起スポットを生成するた
めには、入射励起放射３９は、直径が１．０ミリメートルのビームから構成され
なければならない。励起ミラー５１の直径が２．０ミリメートルの場合は、励起
放射３９は、完全に遮断され、さらに、いくらかの位置の誤差も許容される。励
起ミラー５１が、伝達経路に対して４５°の角度で設置されている場合は、遮断
領域は、約２．２２ｍｍ2である。この構成では、GETFは以下の式で表される。
のＮＡは０．３０である。アパーチャ径は約６．２ミリメートルであり、約３０
．１９ｍｍ2のアパーチャ領域が得られる。５μｍの励起スポットを生成するた
めには、入射励起放射３９は、直径が１．０ミリメートルのビームから構成され
なければならない。励起ミラー５１の直径が２．０ミリメートルの場合は、励起
放射３９は、完全に遮断され、さらに、いくらかの位置の誤差も許容される。励
起ミラー５１が、伝達経路に対して４５°の角度で設置されている場合は、遮断
領域は、約２．２２ｍｍ2である。この構成では、GETFは以下の式で表される。
【００２６】
【式２】
【００２７】 すなわち、GETFは、この第２の構成では２分の１に減少しており、GETFは、レン
ズのＮＡと有効焦点距離の両方の関数であることがわかる。励起スポットサイズ
は有効焦点距離に関連し、放射アパーチャはＮＡに関連している。
ズのＮＡと有効焦点距離の両方の関数であることがわかる。励起スポットサイズ
は有効焦点距離に関連し、放射アパーチャはＮＡに関連している。
【００２８】 代替実施態様では、図３に示すように、励起放射３９は、照射ヘッド２０から
、環状ミラー９１の中心部に配置された開口部９３を通ってサンプル５５の表面
に伝達される。この例では、励起装置２１は、波長λ1とλ2の放射を出力する。
開口部９３には、第１のシャッター４１が閉じて、第２のシャッター４３が開い
ているときには、波長λ2の放射が入る。従って、サンプル５５内の対象として
いる蛍光物質は、波長λemit2の発光放射６９を生じる。開口部９３は、励起放
射３９と鏡面反射ビーム６５の両方の伝達経路内に配置されている。環状ミラー
９１の反射表面９５は、波長λemit2の放射に対して実質上反射性である（波長
λemit2の放射を実質的に反射する）。複合発光ビーム７１の一部は、環状ミラ
ー９１によって検出器８１に向けて反射される。好ましくは、開口部９３の幅は
、複合発光ビーム７１の幅よりも小さく、少なくとも、鏡面反射ビーム６５の直
径と同じ大きさである。開口部９３は、鏡面反射ビーム６５の大部分または全て
を、検出器８１に向けて伝達するのではなく、シャッターアセンブリ３０に戻す
ように通過させる。
、環状ミラー９１の中心部に配置された開口部９３を通ってサンプル５５の表面
に伝達される。この例では、励起装置２１は、波長λ1とλ2の放射を出力する。
開口部９３には、第１のシャッター４１が閉じて、第２のシャッター４３が開い
ているときには、波長λ2の放射が入る。従って、サンプル５５内の対象として
いる蛍光物質は、波長λemit2の発光放射６９を生じる。開口部９３は、励起放
射３９と鏡面反射ビーム６５の両方の伝達経路内に配置されている。環状ミラー
９１の反射表面９５は、波長λemit2の放射に対して実質上反射性である（波長
λemit2の放射を実質的に反射する）。複合発光ビーム７１の一部は、環状ミラ
ー９１によって検出器８１に向けて反射される。好ましくは、開口部９３の幅は
、複合発光ビーム７１の幅よりも小さく、少なくとも、鏡面反射ビーム６５の直
径と同じ大きさである。開口部９３は、鏡面反射ビーム６５の大部分または全て
を、検出器８１に向けて伝達するのではなく、シャッターアセンブリ３０に戻す
ように通過させる。
【００２９】 本発明では、入射励起放射３９は、３つの方法のいずれかによってサンプル５
５の表面を横断して走査する。第１の方法では、矢印８３で示すように、シヤッ
ターアセンブリ３０を画像形成システム１０内で移動させる。第２の方法では、
対物レンズ５３を、矢印８５で示すように、サンプル５５の表面に対して平行移
動させる。第３の方法では、サンプル５５を、矢印８７で示すように、画像形成
システム１０に対して横方向に平行移動させる。
５の表面を横断して走査する。第１の方法では、矢印８３で示すように、シヤッ
ターアセンブリ３０を画像形成システム１０内で移動させる。第２の方法では、
対物レンズ５３を、矢印８５で示すように、サンプル５５の表面に対して平行移
動させる。第３の方法では、サンプル５５を、矢印８７で示すように、画像形成
システム１０に対して横方向に平行移動させる。
【００３０】 特定の実施態様を参照して本発明を説明したが、本発明は、本明細書に開示し
た、及び／または、図示した特定の構成及び方法には決して限定されるものでは
なく、特許請求の範囲内における全ての修正や等価物も本発明に含まれる。
た、及び／または、図示した特定の構成及び方法には決して限定されるものでは
なく、特許請求の範囲内における全ての修正や等価物も本発明に含まれる。
【図１】 本発明による、励起放射装置、対物レンズ、及びミラーから構成される画像形
成システムの好適な実施態様を示す図であり、ミラーは、励起放射をサンプルに
向けて反射し、また、サンプルからの励起放射が検出器に向かわないように励起
放射を反射するために使用される。
成システムの好適な実施態様を示す図であり、ミラーは、励起放射をサンプルに
向けて反射し、また、サンプルからの励起放射が検出器に向かわないように励起
放射を反射するために使用される。
【図２】 図１の対物レンズとミラーの断面図であり、発光ビーム幅と励起ビーム幅、及
び、ミラーの大きさとの関係を示す。
び、ミラーの大きさとの関係を示す。
【図３】 図１の画像形成システムの代替実施態様を示す図であり、画像形成システムは
、中央部に開口部が配置されたミラーを備えており、このミラーは、サンプルか
ら放出された放射を検出器に向けて反射するために使用される。
、中央部に開口部が配置されたミラーを備えており、このミラーは、サンプルか
ら放出された放射を検出器に向けて反射するために使用される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｔ 1/00 ４２０ Ｇ０６Ｔ 1/00 ４２０Ｂ Ｈ０４Ｎ 1/04 Ｈ０４Ｎ 1/04 Ｅ 1/113 １０４Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ Ｆターム(参考） 2G043 BA16 DA02 DA06 EA01 FA01 FA02 FA06 GA04 GB19 HA01 HA02 HA05 HA09 HA11 JA02 KA02 KA05 KA09 LA01 LA02 2H052 AA08 AA09 AC04 AC14 AC15 AC26 AC27 AC34 AF14 5B047 BB01 BB08 BC05 BC09 BC11 BC14 5C072 AA01 BA01 CA06 CA09 DA02 DA04 DA07 DA09 DA13 DA23 EA01 EA04 HA02 HA06 HA10 HB01 HB10 VA01
Claims (25)
- 【請求項１】 サンプルを光学的に走査する際に使用するのに適した画像形成システムであっ
て、 少なくとも２つの異なる波長の放射を有する励起ビームを供給する放射装置と
、 前記サンプルの近くに配置された対物レンズと、 前記波長のうちの１つを選択して、前記対物レンズを通して伝達させて、励起
放射ビームが、サンプルの表面を照射するようにし、これによって、前記表面照
射の一部を、発光放射に変換して、該発光放射として放出するようにするための
手段と、 前記発光放射に応答して、前記発光ビームを受け取るように配置された検出器
と、 前記励起放射を実質的に反射するミラーであって、前記励起ビームをサンプル
上に反射して、サンプルの表面から反射される鏡面励起ビームを生じさせるため
に、前記励起ビームの伝達経路内に配置され、さらに、前記鏡面励起ビームの伝
達経路内に配置され、前記鏡面励起ビームの少なくとも一部を前記検出器とは別
の方向に反射するよう配向された、ミラー から構成され、 前記対物レンズは、さらに、前記発光放射の少なくとも一部をほぼ平行にする
よう配置されて、前記サンプルとは別の方向を向けられた対応する発光ビームを
形成するようになっていることからなる、画像形成システム。 - 【請求項２】 前記放射装置が、単一波長レーザ装置、２波長レーザ装置、多波長レーザ装置
、及び、広帯域放射装置からなるグループの少なくとも１つの構成要素から構成
される、請求項１の画像形成システム。 - 【請求項３】 前記ミラーが、少なくとも前記励起ビームの幅と同程度の大きさの主寸法を有
する、請求項１の画像形成システム。 - 【請求項４】 前記励起ビームを前記サンプルを横断して走査させるための手段をさらに備え
る、請求項１の画像形成システム。 - 【請求項５】 前記走査させるための手段が、前記励起ビームをその伝達経路に対して横方向
に移動させるための手段を備える、請求項４の画像形成システム。 - 【請求項６】 前記走査させるための手段が、前記対物レンズをサンプル対して平行移動させ
るための手段を備える、請求項４の画像形成システム。 - 【請求項７】 前記走査させるための手段が、サンプルを前記画像形成システムに対して平行
移動させるための手段を備える、請求項４の画像形成システム。 - 【請求項８】 前記対物レンズの焦点距離が、およそ６ミリメートルである、請求項１の画像
形成システム。 - 【請求項９】 前記対物レンズの開口数が０．５より大きい、請求項１の画像形成システム。
- 【請求項１０】 前記選択するための手段がシャッターからなる、請求項１の画像形成システム
。 - 【請求項１１】 前記発光ビームの伝達経路内に配置されたフィルタ手段をさらに備えており、
該フィルタ手段は、前記発光放射を実質的に通過させ、前記励起放射を実質的に
通過させないようになっている、請求項１の画像形成システム。 - 【請求項１２】 前記検出器が、光増倍管、アバランシェフォトダイオード、及び半導体光検出
器からなるグループの少なくとも１つの構成要素からなる、請求項１の画像形成
システム。 - 【請求項１３】 サンプルを光学的に走査する際に使用するのに適した画像形成システムであっ
て、 少なくとも２つの異なる波長の放射を有する励起ビームを供給する放射装置と
、 前記放射装置とサンプルの間に配置された対物レンズと、 前記波長のうちの１つを選択して、前記対物レンズを通して伝達させて、サン
プルの表面を照射するようにし、これによって、前記表面照射の少なくとも第１
の部分を、発光放射に変換して、該発光放射として放出するようにし、前記表面
照射の少なくとも第２の部分が、鏡面励起放射ビームとしてサンプルの表面から
反射されるようにするための手段と、 前記発光放射に応答して、前記発光放射を受け取るように配置された検出器と
、 前記発光放射を実質的に反射するミラーであって、前記発光ビームの伝達経路
内に配置され、前記発光ビームの少なくとも一部を前記検出器に向けて反射する
ように配向されたミラー から構成され、 前記対物レンズは、さらに、前記発光放射の少なくとも一部をほぼ平行にして
、前記鏡面放射ビームを、サンプルとは別の方向に向けられた発光ビームにする
ように配置されていることからなる、画像形成システム。 - 【請求項１４】 前記放射装置が、単一波長レーザ装置、２波長レーザ装置、多波長レーザ装置
、及び、広帯域放射装置からなるグループの少なくとも１つの構成要素から構成
される、請求項１３の画像形成システム。 - 【請求項１５】 前記ミラーが、少なくとも前記発光ビームの幅と同程度の大きさの主寸法を有
する、請求項１３の画像形成システム。 - 【請求項１６】 前記ミラーが、内側に開口部を備えており、該開口部が、前記鏡面励起放射ビ
ームが前記開口部を通過することができるように配置されている、請求項１３の
画像形成システム。 - 【請求項１７】 前記開口部の主寸法が、前記発光ビームの幅よりも小さい、請求項１６の画像
形成システム。 - 【請求項１８】 前記励起ビームをサンプルを横断して走査させるための手段をさらに備える、
請求項１３の画像形成システム。 - 【請求項１９】 前記発光ビームの伝達経路内に配置されたフィルタ手段をさらに備えており、
該フィルタ手段は、前記発光放射を実質的に通過させ、前記励起放射を実質的に
通過させないようになっている、請求項１３の画像形成システム。 - 【請求項２０】 前記検出器が、光増倍管、アバランシェフォトダイオード、及び半導体光検出
器からなるグループの少なくとも１つの構成要素からなる、請求項１３の画像形
成システム。 - 【請求項２１】 蛍光物質を含むサンプルを光学的に走査するための方法であって、 複数の励起放射源を提供するステップと、 前記励起放射源から選択された１つの放射によって放出された励起放射を、レ
ンズによってサンプルの表面に投射するステップであって、前記選択された励起
放射の少なくとも第１の部分を発光放射に変換して、前記選択された励起放射の
少なくとも第２の部分を、鏡面励起放射ビームとしてサンプルの表面から反射す
るようにする、ステップと、 サンプルから放出された前記発光放射の少なくとも一部と、サンプルの表面か
ら反射された前記鏡面励起放射ビームの少なくとも一部を光学的に集めるステッ
プと、 前記集められた発光放射と前記鏡面励起放射ビームを平行にして、この平行に
された放射をミラーに向けるステップであって、前記ミラーは、前記平行にされ
た放射の伝達経路に対してある角度で配置された表面を備えることからなる、ス
テップと、 前記放出された放射の少なくとも一部を検出器に伝送するステップと、 前記鏡面励起放射ビームの少なくとも一部を前記検出器とは別の方向に伝送す
るステップ からなる、方法。 - 【請求項２２】 前記ミラーが、前記鏡面励起放射ビームの少なくとも一部を前記検出器とは別
の方向に向けるように、前記平行にされたビームの幅よりも小さい主寸法を有す
る、請求項２１の方法。 - 【請求項２３】 前記選択された励起放射を投射する前記ステップの前に、前記ミラーによって
、前記選択された励起放射ビームを前記レンズに向けて反射するステップをさら
に含む、請求項２２の方法。 - 【請求項２４】 前記ミラーが中央部に開口部を有しており、これによって、サンプルの表面か
ら反射した前記鏡面励起放射ビームの少なくとも一部が、前記中央部の開口部を
通過するようになっている、請求項２１の方法。 - 【請求項２５】 前記放出された放射の少なくとも一部を検出器に伝送する前記ステップが、前
記放出された放射の少なくとも一部を前記検出器に向けて反射する前記ミラーに
よって実施される、請求項２４の方法。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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