JP2007521482A - 光学検査システムおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

所望の光学特性を有する光ビームを発生し、アレー状に配された試料に照射できる光検査システムおよび方法である。１つの実施の形態において、光学検査システムは光源、回折素子、およびコリメート光学系（例えば、単レンズ、ｆ−θレンズ、分割鏡、ファイバー・アレー）を含んでいる。光源から回折光学系に向けて光ビームが出射され、回折光学系は光ビームを受け、コリメート光学系に向け多数の光ビームを出射する。コリメート光学系は回折光学系から出射された光を受けて調整し、試料アレーに向け所望の光学特性を有する調整済み光ビームを出射する。光学検査システムの別の幾つかの実施の形態も記載されている。

Description

関連出願の説明

本出願は２００３年６月２４日付け、米国出願第１０/６０２，３０４号の優先権を主張するものである。

本発明は所望の光学特性を有する光ビームを発生し、アレー状に配された試料に照射できる光検査システムおよび方法に関するものである。

光検査システムの製造者にとって最も重要な課題の１つは、試料アレーに対し適切な空間、角度、および強度プロフィールのような所望の光学特性を有する光ビームを照射できる効率的かつ費用効率の高いシステムを設計することである。この課題は試料アレーの大きさおよび密度が大きくなるに従い一層重要になる。従来は光検査システムに小型レンズ・アレー、ファイバー・アレー、“投光照明”、および走査法を用いてこの問題に対処していた。残念ながら、適切な光学特性を有し、すべての試料に適した光ビームを発生させることが難しいため、このようなシステムは製造コストが嵩むと同時に使い勝手が悪い。効率的かつ費用効率の高いシステムの設計を困難にしている別の理由は、システム設計仕様に相反する要件が含まれていることである。以下、走査および非走査アプリケーションとその要件をいくつか列挙する。

−アプリケーション：試料密度が高い
- 試料アレー全体を走査する上において移動回数を多くする必要がある。

- 精密に機械加工され正確に配された複数の同様の光学部品を組み込む必要がある。

−アプリケーション：試料アレー領域が広い
- 走査範囲を広くする必要がある。

- 試料と試料との間を高速で移動させる必要がある。

−アプリケーション：光ビームおよび/または試料アレーの正確な配置および再配置が必要
- 小さな刻み幅の分解能を持たせる必要がある。

- 精密に機械加工された可動ハードウェアおよび光学部品を必要とする。

- エンコーダーのフィードバック・ハードウェアを必要とする。

- ゆっくり移動させ、各々の試料と正確に位置合せする必要がある。

−アプリケーション：各々の試料の積分時間が長い
- データを積分するため、各々の試料位置において光ビームを長期間保持する必要がある。

−アプリケーション：試料アレーを高速で繰返し走査する必要がある
- 試料と試料との間を高速で移動させる必要がある。

- 各々の試料の検査時間を短くする必要がある。

−アプリケーション：各々の試料に対し正確に制御されたビーム強度、空間および角度プロフィールが必要
- 光学系が正確な光学特性を有し正確に配された光学部品を必要とする。

可動部品を殆んどまたはまったく使用せずに多数の光ビームを発生する光学検査システムには、小型レンズ・アレーまたはファイバー・アレーのような光学部品が組み込まれている。しかし、このような光学検査システムには幾つかの欠点がある。まず、１つ以上の小型レンズ、ファイバー、および/または試料に光ビームを伝達するための正確に設計され、正確に配された幾つかの光学素子を必要とする。この種の光学検査システムの別の欠点は、光ビームを各々の小型レンズ、ファイバー、あるいは試料に導く際に適切な光強度および強度プロフィールを持たせるための追加コンポーネントを必要とすることである。

別の種類の光学検査システムには試料アレーに“投光照射する”ビーム拡大器のような装置を組み込むことができる。しかし、このような光学検査システムには（１）小型レンズ、ファイバー、あるいは試料の検査領域外に光ビームが当たり、そのために光強度が低下する（２）小型レンズ、ファイバー、あるいは試料アレーの好ましくない領域から光ビームが散乱することにより測定ノイズが増大し、それによりエラーも増大する（３）小型レンズ・アレー、ファイバー、あるいは試料のすべての要素に対し、強度、開口数等を含む適切な照明を確保できないことを始めとして幾つかの欠点がある。

更に別の種類の光学検査システムは様々な走査方法を用いて試料に光を照射している。しかし、このような走査システムは正確に位置合せするためのハードウェアおよびソフトウェアを必要とする、各々の試料において積分時間を長く取れない等、幾つかの欠点がある。

従って、前記の欠点および既存の光学検査システムのその他の欠点を克服した新しい光学検査システムの必要性が存在している。このような必要性およびその他の必要性は本発明の光学検査システムによって適えられる。

本発明は所望の光学特性を有する光ビームを発生し、アレー状に配された試料に照射できる光検査システムおよび方法を含んでいる。１つの実施の形態において、光学検査システムは光源、回折素子、およびコリメート光学系（例えば、単レンズ、ｆ−θレンズ、分割鏡）を含んでいる。前記光源から前記回折光学系に向けて光ビームが出射され、前記回折光学系は前記光ビームを受け、前記コリメート光学系に向け多数の光ビームを出射する。前記コリメート光学系は前記回折光学系から出射された前記光を受けて調整し、試料アレーに向け所望の光学特性を有する調整済み光ビームを出射する。本明細書には光学検査システムの別の幾つかの実施の形態も記載されている。本発明の光学検査システムは試料アレーの検査および情報の受信に利用可能な様々な光信号変換方式（例えば、ＩＲ吸収、ＦＴＩＲおよびその他の振動分光方式）に利用できることは勿論である。

添付図面を参照した以下の詳細な説明により本発明を完全に理解できる。

本発明の光学検査システム１００の９つの実施の形態、および本発明の光学検査システム１００を用いて試料アレーの１つ以上の試料を検査する方法１０００が図１〜１０に開示されている。光学検査システム１００を用いて試料アレーを検査し、その試料アレーのいずれか１つの試料に、例えば、細胞、分子、蛋白質、薬物、化合物、核酸、ペプチド、あるいは炭水化物のような生物学的物質が存在しているか否かを判定できることは当業者にとって容易に理解できる。また、光学検査システム１００を用いて光ルミネッセンス測定、蛍光測定、散乱測定、吸収測定、細胞移動分析、薬物透過分析、薬物溶解度測定、病原体検出、および蛋白質分泌のような有標識または無標識調査も行うことができる。従って、光学検査システム１００および方法１０００、並びにその潜在的用途が限定されるものではない。
図１Ａは光学検査システムの第１の実施の形態１００ａの概略図である。光学検査システム１００ａは試料アレー１０８に光を照射するための光源１０２、回折光学系１０４、およびコリメート光学系１０６を含んでいる。図示のように、光源１０２から回折光学系１０４に向けて光ビーム１１０が出射される。回折光学系１０４は光ビーム１１０を受け、コリメート光学系１０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム１１２を出射する。コリメート光学系１０６は光ビーム１１２を受け、試料アレー１０８に向け所望のビーム間隔および角度を有する多数の調整済み光ビーム１１４を出射する。これ等のコンポーネントの各々について、光学経路上に配された順に以下更に詳しく説明する。

光源１０２は光ルミネッセンス測定、散乱測定、吸収測定のような光学測定に適した光１１０を発生できるものであればどのようなものであってもよい。例えば、光源１０２はレーザー、アーク灯、白熱灯、蛍光灯、エレクトロルミネセント素子、レーザー・ダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）等であってよい。光源１０２は、連続モード、およびパルス・レーザー、波長掃引、帯域掃引のような時変モードを含む１つ以上の照射モードを有することができる。更に、光源１０２はコヒーレントまたはインコヒーレントおよび/または偏光または非偏光ビーム１１０を発生できる。

回折光学系１０４は入射光ビーム１１０を予め選定した空間および角強度パターンを有する多数の光ビーム１１２に変換できるものであればどのようなものであってもよい。例えば、回折光学系１０４は、ホログラフィー、フォトリソグラフィー、スクライビング、モールディング、および/またはその他の方法によって図案化およびパターン化され、入射光１１０から所定の多数の光ビーム１１２を生成するガラス、プラスチックおよび/または溶融石英チップを含む回折（例えば、バイナリー）光学素子であってよい。

コリメート光学系１０６は、試料アレー１０８に照射される前に、多数の光ビーム１１２が、例えば、ビーム間隔、角度等、所定の光学特性を有するよう調整できるものであればどのようなものであってもよい。例えば、コリメート光学系１０６は単レンズ、ｆ−θレンズ、放物面鏡、分割鏡２０６（図２）、正確に配され正確な角度を成す一連の反射楔を含む反射“レンズ”、ファイバー・アレーまたは小型レンズ・アレー３０６（図３）、あるいはファイバー・アレーと小型レンズとから成る複合体４０６（図４）であってよい。単レンズ１０６を用いて多数の光ビーム１１４を試料アレー１０８に照射できるが、光ビーム１１４の入射角が光学収差により試料アレー１０８全体にわたり充分一様にならない。ｆ−θレンズ１０６を用いることにより、多数の光ビーム１１４の入射角を試料アレー１０８全体にわたり一様にできる。放物面鏡１０６を用いて回折光学系１０４から受けた一様な角度を成す多数の光ビーム１１２を平行化できるが、ビーム間隔およびビームレットの特性が平行化した光ビーム１１４全体にわたり一定しない。放物面鏡１０６の代わりに、図２を参照して以下に詳細に説明する分割鏡２０６を用いることにより、この問題を解消できる。

試料アレー１０８はサンプル、特に複数のサンプルを対応する複数の分析サンプル・サイトに担持できるものであればどのようなものであってもよい。例えば、試料アレー１０８はマイクロプレート、ＰＣＲプレート、細胞培養プレート、バイオチップ、交配室、クロマトグラフィー・プレート、または顕微鏡用スライドであってよい。試料アレー１０８がマイクロプレートの場合には、コリメート光学系１０６から出射した光ビーム１１４が照射されるウェルの底部にセンサー（例えば、格子をベースにした導波路センサー）を組み込むことができる。例えば、２４、９６、３８４、または１５３６ウェルのマイクロプレート１０８のウェルに光ビーム１１４が照射されるようコリメート光学系１０６を設計できる。米国特許第５，７３８，８２５明細書にマイクロプレートのウェルの底部にセンサーを組み込む方法が詳しく述べられている。前記引用により、前記明細書の内容が本明細書に組み込まれたものとする。

図１Ａには示してないが、試料アレー１０８が回折光学系１０４を中心に適切な半径を成して湾曲している場合にはコリメート光学系１０６を必要としない。当然のことながら、必要があればビーム・スプリット光学系（図示ぜす）をビーム・アレー１１４と試料アレー１０８との間に配することにより略垂直に光を入射させ信号を検出することができる。更に、当然のことながら、１つ以上の光源１０２および光学系１０４、１０６のセットにより、試料アレー１０８の全体または部分に光を照射できる。この方法によって試料アレーのサブセクションに光を照射すれば、走査システムの移動回数を試料アレーにおけるビームレットの数だけ減らすことができるため有利である。

図１Ｂは３８４マイクロ・アレー・ウェル・プレート１０８に光を照射するためのＨｅ/Ｎｅレーザー１０２、２つのスポット/リニア・アレー変換回折光学系１０４、および平凸コリメート光学系１０６を用いた例示的な光学検査システム１００ａ’を示す写真である。この例において、光源１０２はＨｅ/Ｎｅレーザー１０２であり、２つの回折光学系１０４はそれぞれ１１スポットの回折光学系１０４であって、扇角が直交するよう配することによりビーム間隔１．４２°の１２１の光ビーム・アレー１１２を生成するものである。コリメート光学系１０６はビーム間隔４．５ｍｍのビーム・アレー１１４を生成できる直径３インチ（約７．６２ｃｍ）、焦点距離１７５インチ（４．４４５ｍ）の平凸コリメート光学系１０６である。試料アレー１０８はウェルの中心間距離が４．５ｍｍの３８４マイクロアレー・ウェル・プレート１０８である。各々のウェルは略２．５ｍｍ×２．５ｍｍの開口部を有している。また、写真の符号１０９は各々の光ビーム１１４が３８４マイクロアレー・プレート１０８の各ウェルの開口部を通過した後の１１×１１の格子スポットを示している。

図２は光学検査システムの第２の実施の形態１００ｂの概略図である。光学検査システム１００ｂは試料アレー２０８に光を照射するための光源２０２、回折光学系２０４、および分割鏡２０６を含んでいる。図示のように、光源２０２から回折光学系２０４に向けて光ビーム２１０が出射される。回折光学系２０４は光ビーム２１０を受け、分割鏡２０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム２１２を出射する。分割鏡２０６は光ビーム２１２を受け、試料アレー２０８に向け平行化された多数の光ビーム２１４を反射する。分割鏡２０６は一連の平面反射鏡２０７（５つのみ表示）によって画成され、試料アレー２０８の面と平行な面における平行光ビーム２１４のビーム間隔を一様にする光学面を有している。

図から分かるように、幾つかの平行光ビーム２１４が分割鏡２０６によって遮断される可能性がある。回折光学系２０４の軸と異なる軸に分割鏡２０６を配することにより、平行光ビーム２１４の遮断を防止できる。説明の重複を避けるため、同様の構造および機能を有する光源１０２、２０２、および回折光学系１０４、２０４のような光学検査システムの第１、第２の実施の形態１００ａ、１００ｂにおける共通のコンポーネントについては詳細な説明を省略する。

図３は光学検査システムの第３の実施の形態１００ｃの概略図である。光学検査システム１００ｃは試料アレー３０８に光を照射するための光源３０２、回折光学系３０４、およびファイバー・アレー３０６を含んでいる。図示のように、光源３０２から回折光学系３０４に向けて光ビーム３１０が出射される。回折光学系３０４は光ビーム３１０を受け、ファイバー・アレー３０６に向け、所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム３１２を出射する。ファイバー・アレー３０６は一端が球面３０９ａに配され、別の一端が格子３０９ｂに配された多数のファイバー３０７から成っている。球面３０９ａが光ビーム３１２を受け、ファイバー３０７によって光ビーム３１２が調整され、調整済み光ビーム３１４が試料アレー３０８に向け格子３０９ｂから出射される。図示のように、光心が回折光学系３０４の位置にある球面３０９ａの周縁部にファイバー３０７を配することができる。別の方法として、ファイバー３０７を球面３０９ａの周縁部に配する代わりに、平面的に配することもできる。回折光学系３０４から出射された各々の光ビーム３１２の光学特性を個別に調整する必要がある場合にファイバー・アレー３０６を用いることができる。別の実施の形態において、ファイバー・アレー３０６の代わりに、小型レンズ・アレー（図示せず）を用いて、各々の光ビーム３１２の光学特性を所望の特性に調整し、調整済み光ビーム３１４を試料アレー３０８に向けて出射できる。

図４は光学検査システムの第４の実施の形態１００ｄの概略図である。光学検査システム１００ｄは試料アレー４０８に光を照射するための光源４０２、回折光学系４０４、およびファイバー・アレーと小型レンズ・アレーとから成る複合体４０６を含んでいる。図示のように、光源４０２から回折光学系４０４に向けて光ビーム４１０が出射される。回折光学系４０４は光ビーム４１０を受け、ファイバー・アレー４０６ａに向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム４１２を出射する。ファイバー・アレー４０６ａは一端が球面４０９ａに配され、別の一端が格子４０９ｂに配された多数のファイバー４０７から成っている。球面４０９ａが光ビーム４１２を受け、ファイバー４０７によって光ビーム４１２が調整され、調整済み光ビーム４１４が小型レンズ・アレー４０６ｂに向け格子４０９ｂから出射される。光ビーム４１４は小型レンズ・アレー４０６ｂによって更に調整され、調整済み光ビーム４１６が試料アレー４０８に向けて出射される。図示のように、光心が回折光学系４０４の位置にある球面４０９ａの周縁部にファイバー４０７を配することができる。別の方法として、ファイバー４０７を球面４０９ａの周縁部に配する代わりに、平面的に配することもできる。回折光学系４０４から出射された各々の光ビーム４１２の光学特性を個別に調整する必要がある場合にファイバー・アレーと小型レンズ・アレーとから成る複合体４０６を用いることができる。別の実施の形態において、１つ以上のファイバー・アレー４０６ａおよび/または小型レンズ・アレー４０６ｂを用いて、試料アレー４０８に到達する前に光ビーム４１２を調整できる。

図５は光学検査システムの第５の実施の形態１００ｅの概略図である。光学検査システム１００ｅは、第１の実施の形態には含まれていない調整光学系５０３を含んでいる点を除けば、第１の実施の形態と同様である。説明の重複を避けるため、同様の構造および機能を有する光源１０２、５０２、回折光学系１０４、５０４、およびコリメート光学系１０６、５０６のような光学検査システムの第１、第５の実施の形態１００ａ、１００ｅにおける共通のコンポーネントについては詳細な説明を省略する。

光学検査システム１００ｅは試料アレー５０８に光を照射するための光源５０２、回折光学系５０４、およびコリメート光学系５０６を含んでいる。本実施の形態では、光源５０２から調整光学系５０３に向けて光ビーム５１０が出射される。調整光学系５０３は光ビーム５１０を受け、回折光学系５０４に向けて調整済み光ビーム５１１を出射する。回折光学系５０４は調整済み光ビーム５１１を受け、コリメート光学系５０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム５１２を出射する。コリメート光学系５０６は光ビーム５１２を受け、試料アレー５０８に向け所望のビーム間隔および角度を有する調整済み光ビーム５１４を出射する。

調整光学系５０３により、試料アレー５０８の面に入射する各々の光ビーム５１４のスポット径および開口数を調整できる。試料アレーに格子型導波路センサーおよび蛍光センサーが配されている場合、適切に機能し正しく測定が行われるようにするためには、試料アレー５０８に向かう各々の光ビーム５１４の入射角のみならず開口数を調整することが重要である。更に、調整光学系５０３により、試料アレー５０８全体にわたり一様な光学検査特性を有する光ビーム５１４を生成できるため、試料アレー５０８内の位置によって特定のセンサーの応答が影響を受けることはない。

図６は光学検査システムの第６の実施の形態１００ｆの概略図である。光学検査システム１００ｅは、第１の実施の形態には含まれていない波長可変フィルター６０３を含んでいる点を除けば、第１の実施の形態と同様である。説明の重複を避けるため、同様の構造および機能を有する光源１０２、６０２、回折光学系１０４、６０４、およびコリメート光学系１０６、６０６のような光学検査システムの第１、第６の実施の形態１００ａ、１００ｆにおける共通のコンポーネントについては詳細な説明を省略する。

光学検査システム１００ｆは試料アレー６０８に光を照射するための光源６０２、波長可変フィルター６０３、回折光学系６０４、およびコリメート光学系６０６を含んでいる。図示のように、光源６０２から波長可変フィルター６０３に向けて光ビーム６１０が出射される。波長可変フィルター６０３は光ビーム６１０を受け、回折光学系６０４に向け、所望の帯域内の周波数を有するフィルター処理した光ビーム６１１を出射する。回折光学系６０４はフィルター処理された光ビーム６１１を受け、コリメート光学系６０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム６１２を出射する。コリメート光学系６０６は光ビーム６１２を受け、試料アレー６０８に向け所望のビーム間隔および角度を有する調整済み光ビーム６１４を出射する。

波長可変フィルター６０３により、所望の波長を有する光ビーム６１４によって試料アレー６０８を走査できる。従って、波長可変フィルター６０３により、高価な分光器および信号収集装置を必要とせず、各々の試料に対し所望の光学的性能を有する光ビーム６１４による試料アレー６０８の波長検査が可能になる。一般に、回折光学系６０４は３５ｎｍ以下の設計波長帯域を有しているため、試料アレー６０８における光ビーム６１４のビーム品質が低下しない範囲における波長可変フィルター６０３の波長調整可能範囲は有限である。しかし、扇状に広がる光ビーム６１２を生成する上において、回折光学系６０４に入射する光ビーム６１１を回折光学系６０４に正確に位置合せする必要がないため、多数の回折光学系６０４を用いることができる。高い位置合せ精度を必要としない切換式または移動式の多数の回折光学系６０４を使用することにより、１つの回折光学系６０４に比べてより広い波長範囲わたり試料アレーを検査できる。
一般に、従来の分光器および検査システムが一度にサンプリングできるのは略１０〜２０（またはそれ以下）の試料からの信号のみであることは当業者周知のとおりである。そのため、走査方式または多重化方式を採用し、試料アレーから光ビームを受け、各々の試料からの光ビームを切り換えて分光器に入力する必要があった。しかし、波長可変フィルター６０３および回折光学系６０４を光出射端に有する光学検査システム１００ｆにより、フォトダイオード・アレーまたはＣＣＤのような安価でより多くの並行検出が可能な方式を採用できる。ＣＣＤまたはフォトダイオード・アレーの１つの軸を波長検出軸として用いる必要がないため、試料アレーの密集したセンサーからの信号をＣＣＤまたは検出アレーに導くことができる。これにより、光学検査システム１００ｆの受光端における必要な検出器および光学系の数を減らすことができる。本発明に使用できる別の種類の検出器については、図７Ｂおよび７Ｃに関連して詳しく説明する。

図７Ａは光学検査システムの第７の実施の形態１００ｇの概略図である。光学検査システム１００ｇは、第１の実施の形態には含まれていないマスク７０７を含んでいる点を除けば、第１の実施の形態と同様である。説明の重複を避けるため、同様の構造および機能を有する光源１０２、７０２、回折光学系１０４、７０４、およびコリメート光学系１０６、７０６のような光学検査システムの第１、第７の実施の形態１００ａ、１００ｇにおける共通のコンポーネントについては詳細な説明を省略する。

光学検査システム１００ｇは試料アレー７０８の所定の試料に光を照射するための光源７０２、回折光学系７０４、コリメート光学系７０６、およびマスク７０７を含んでいる。図示のように、光源７０２から回折光学系７０４に向けて光ビーム７１０が出射される。回折光学系７０４は光ビーム７１０を受け、コリメート光学系７０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム７１２を出射する。コリメート光学系７０６は光ビーム７１２を受け、各々の光ビーム７１２が所望のビーム間隔および角度を成すよう調整する。次いで、コリメート光学系７０６から調整済み光ビーム７１４が出射され、そのうちの幾つかの光ビーム７１４がマスク７０７を通過して試料アレー７０８に向かう。マスク７０７を粗く配するか、または連続移動することにより、特定の光ビーム７１４が試料アレーの選択されたセンサー７０８ａ（１つのみ図示）に到達しないよう遮断できる。マスク７０７により試料アレー７０８のセンサー間、および検出器（図７Ｂ、７Ｃ）の“クロストーク”が防止される。図では、マスク７０７が試料アレー７０８手前の光学経路上に配されているが、試料アレー７０８の後方の光学経路上に配することもできる。また、このようにマスクを配することにより、アレー７０８の複数の試料からの信号を受光光学系により検出面の同じ位置に向けることができるため、検出器を小型化および/または検出器の数を減らすことができる。このように、マスク７０７によって検査しない試料からの光信号が遮断される。

図７Ｂは試料アレー７０８から反射された光ビーム７１８を受けるよう設計された検出器７１６を含む、光学検査システムの第７の実施の形態１００ｇの概略図である。検出器７１６は検出素子および信号処理コンポーネントの数が少なくて済む一次元または二次元状に配列した検出器７２２の使用を可能にする結像光学系７２０を含んでいる。それぞれの光学検出システム１００ｇの検出要件に応じ、結像光学系７２０を円筒または球状に設計できる。検出器７１６および別の型の検出器を本発明の別の実施の形態に使用できることは言うまでもない。

図７Ｃは試料アレー７０８から反射された光ビーム７１８を受けるよう設計された角度掃引型検出システム７２４を含む光学検査システムの第７の実施の形態１００ｇの概略図である。角度掃引型検出システム７２４は回転鏡７２６、開口アレー７２８、光検出器アレー７３０、および時間/角度ベースのデータ収集システム７３２を含んでいる。定速移動または角度調整可能な回転鏡７２６が、試料アレー７０８から出射された光ビーム７１８を受けて反射する。光検出器アレー７３０の手前に配された開口アレー７２８により、試料アレー７０８から出射され回転鏡７２６によって反射された光ビーム７１８の狭い角度範囲が選択されてそこを通過する。開口アレー７２８の孔の大きさを変えることにより、光ビーム７１８の角度分解能および/または信号強度を向上できる。また、開口アレー７２８を回転鏡７２６の方向または離間する方向に移動することによってもビーム７１８の角度分解能を変更できる。開口アレー７２８を通過した光ビーム７１８はデータ収集システム７３２に接続されている光検出器７３０に整合する。回転鏡７２６の掃引速度をあげることにより、データ収集システム７３２が１回の走査に要する時間を短縮できる。また、マスク７０７を使用することにより、試料アレー７０８の隣接センサーからのクロストークを除去できる。

角度掃引型検出システム７２４により、容易に入手できる市販の高利得/広帯域の検出器７３０および高速時分割信号処理ハードウェアを使用できる。更に、角度掃引型検出システム７２４により、光検出器７３０の出力を時間ベースの信号処理ハードウェアに切り換える高速リレーを用いた電子的に多重可能な時分割法が採用でき、それによりデータ収集システム７３２のコストを低減できる。前記検出器７１６同様、角度掃引型検出システム７２４および別の型の検出器を本発明の別の実施の形態に使用できることは言うまでもない。

図８は光学検査システムの第８の実施の形態１００ｈの概略図である。光学検査システム１００ｈは、第１の実施の形態には含まれていない電子制御式液晶マスク８０７を含んでいる点を除けば、第１の実施の形態と同様である。説明の重複を避けるため、同様の構造および機能を有する光源１０２、８０２、回折光学系１０４、８０４、およびコリメート光学系１０６、８０６のような光学検査システムの第１、第８の実施の形態１００ａ、１００ｈにおける共通のコンポーネントについては詳細な説明を省略する。

光学検査システム１００ｈは試料アレー８０８の所定の試料に光を照射するための光源８０２、回折光学系８０４、コリメート光学系８０６、および電子制御式液晶マスク８０７を含んでいる。図示のように、光源８０２から回折光学系８０４に向けて光ビーム８１０が出射される。回折光学系８０４は光ビーム８１０を受け、コリメート光学系８０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム８１２を出射する。コリメート光学系８０６は光ビーム８１２を受け、各々の光ビーム８１２が所望のビーム間隔および角度を成すよう調整する。次いで、コリメート光学系８０６から調整済み光ビーム８１４が出射され、そのうちの幾つかが電子制御式液晶マスク８０７を通過して試料アレー８０８に向かう。電子制御式液晶マスク８０７により、所定の光ビーム８１４の透過または遮断を選択的に制御できる。更に、電子制御式液晶マスク８０７を粗く配するか、または連続移動することにより、特定の光ビーム８１４が試料アレーの選択されたセンサー８０８ａ（１つのみ図示）に到達しないよう遮断できる。従って、電子制御式液晶マスク８０７により、いつでも制御可能な空間パターンを成して試料アレー８０８の所望の位置に光を照射できる。マスク７０７同様、電子制御式液晶マスク８０７により、試料アレー８０８のセンサー間、および検出器（図７Ｂ、７Ｃ）の“クロストーク”が防止される。図では電子制御式液晶マスク８０７が試料アレー８０８手前の光学経路上に配されているが、試料アレー８０８の後方の光学経路上に配することもできる。

図９は光学検査システムの第９の実施の形態１００ｉの概略図である。光学検査システム１００ｉは、第７の実施の形態には含まれていない角度掃引型出射システム９０３を含んでいる点を除けば、第７の実施の形態と同様である（図７参照）。光学検査システム１００ｉは試料アレー９０８の所定の試料に光を照射するための光源９０２、角度掃引型出射システム９０３、回折光学系９０４、コリメート光学系９０６、およびマスク９０７を含んでいる。図示のように、光源９０２から回折光学系９０４に向かう光ビーム９１０ｂの入射角を制御するためのビーム偏光器９０５を含む角度掃引型出射システム９０３に向けて光ビーム９１０ａが出射される。回折光学系９０４は光ビーム９１０ｂを受け、コリメート光学系９０６に向け所望の空間および角強度分布を有する多数の光ビーム９１２を出射する。コリメート光学系９０６は光ビーム９１２を受け、各々の光ビーム９１２が所望のビーム間隔および角度を成すよう調整する。次いで、コリメート光学系９０６から調整済み光ビーム９１４が出射され、そのうちの幾つかがマスク９０７を通過して試料アレー９０８に向かう。マスク９０７は図７Ａおよび図８に関連して説明したマスク７０７および８０７と同様のものでよい。

角度掃引型出射システム９０３には、（例えば）以下を含む幾つかの特徴および利点がある。

−光の入射角および/または広がり角に敏感な信号を測定できる。

−実際には検出器アレーから成る高価なＣＣＤの代わりに、広域検出器９２０が使用できる。これは、角度掃引における各々の測定点に関し、試料アレー９０８のセンサーに入射する光ビーム９１４の入射角が分かっているからである。

−光学検査システム１００ｉに位相敏感検波/ロッキング技術を組み込むことができ、それによりノイズを大幅に低減でき信号感度を桁違いに向上できる。

−広角よび/またはスポット径のおおきい光ビームが試料アレー９０８のセンサーの１つに同時に入射すると発生する検出器９２０における干渉縞問題に対応できる。この厄介な干渉縞はセンサー９０８からの検出器９２０への反射に起因する光ビームの干渉によるものである。センサー９０８に到達する光ビームの入射角範囲が同時に縮小するにつれ、検出器９２０における干渉縞の数も減少する。従って、光ビームの入射角範囲が充分狭ければ、干渉縞問題を起こすセンサーの２つの面、即ち、ウェルの底部およびセンサーそのものからの反射が検出器において重複しない。角度掃引型出射システム９０３により、センサー９０８に入射する光ビームの入射角範囲が縮小されるため、好ましくない干渉縞効果をほとんど低減できる。同時に、角度掃引型出射システム９０３によりセンサー９０８全体にわたり光ビーム角を掃引することにより、測定に必要な動的角度範囲の全角度を完全にカバーできる。
図１０は前記光学検査システム１００を用いて試料アレーの１つ以上の試料を検査するための好ましい方法１０００の基本ステップを示すフローチャートである。最初のステップ１００２において、光源１０２を用いて１つ以上の光学素子によって調整可能な光ビーム１１０を発生する。ステップ１００４において、回折光学系１０４を用いて前記光ビーム１１０を受け、多数の光ビーム１１２を出射する。ステップ１００６において、コリメート光学系１０６（例えば、単レンズ、ｆ−θレンズ、分割鏡、ファイバー・アレー）を用いて、前記多数の光ビーム１１２を受けて調整した後、試料アレー１０７に向け所望の光学特性を有する調整済みの多数の光ビーム１１４を出射する。マスク７０７および８０７を使用して一部の光ビーム１１４が試料アレー１０８の特定の試料に到達しないようにすることもできる。最後のステップ１００８において、検出器により試料アレー１０８から出射された光ビーム１１４を受けて分析する。光学検査システムの第１の実施の形態１００ａに関連したコンポーネントを引用して好ましい方法１０００について説明したが、基本的なステップは光学検査システムの前記すべての実施の形態に適用できる。

以下は本発明の光学検査システム１００および方法１０００の効果および用途を幾つか列挙したものである。

−光学検査システム１００により試料アレーにおいて正確に調整された間隔および光学特性を有する多数のビームを発生させる簡単かつ効果的手段が提供される。

−光学検査システム１００は可動部品を殆ど、またはまったく有していない。

−光学検査システム１００は試料アレーのセンサー列および/または個別センサーを光学的に検査する際、コンポーネントを正確に移動または位置合せする必要がない。

−光学検査システム１００により多数の試料を同時に検査できる。

−光学検査システム１００は（例えば）以下の用途に適用できる。

‐格子をベースとしたセンサーおよびベースとしないセンサー。

‐赤外および紫外吸収分光方式、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光方式、ラマン分光方式、反射分光方式、蛍光分光方式、蛍光寿命分光方式、および表面プラズモン共鳴分光方式。

‐光学検査システム１００は利用可能な電磁波周波数スペクトラム全体にわたる光周波数を供給できる。

添付図面を参照して本発明の幾つかの実施の形態について説明したが、本発明はここに開示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に明示する本発明の精神から逸脱することなく様々な再配列、変更、および置換が可能である。

本発明に従って試料アレーに光を照射するための光源、回折光学系、およびコリメート光学系を用いた光学検査システムの第１の実施の形態の概略図。 本発明に従って３８４マイクロ・アレー・ウェル・プレートに光を照射するためのＨｅ/Ｎｅレーザー、直交配置された２つのスポット/リニア・アレー変換回折光学系（二次元格子のビームレットを生成）、および平凸コリメート・レンズを用いた図１と同様の光学検査システムの例を示す写真。 本発明に従って試料アレーに光を照射するための光源、回折光学系、および分割鏡として構成されたコリメート光学系を用いた光学検査システムの第２の実施の形態の概略図。 本発明に従って試料アレーに光を照射するための光源、回折光学系、および光ファイバー・アレーとして構成されたコリメート光学系を用いた光学検査システムの第３の実施の形態の概略図。 本発明に従って試料アレーに光を照射するための光源、回折光学系、および光ファイバー・アレーと小型レンズ・アレーとから成る複合体として構成されたコリメート光学系を用いた光学検査システムの第４の実施の形態の概略図。 本発明に従って試料アレーの各々の試料に所望のスポット・サイズおよび開口数を有する光を照射するための光源、ビームレット調整光学系、回折光学系、およびコリメート光学系を用いた光学検査システムの第５の実施の形態の概略図。 本発明に従って試料アレーに光を照射するための光源、波長可変フィルター、回折光学系、およびコリメート光学系を用いた光学検査システムの第６の実施の形態の概略図。 本発明に従って試料アレーの所定の試料に光を照射するための光源、回折光学系、コリメート光学系、および可動マスクを用いた光学検査システムの第７の実施の形態の概略図。 試料アレーの所定の試料から反射された多数の光ビームを受けるよう設計された検出器を含む図７Ａに示す本発明の光学検査システムの概略図。 試料アレーの所定の試料から反射された多数の光ビームを受けるよう設計された角度掃引型検出システムを含む図７Ａに示す本発明の光学検査システムの概略図。 本発明に従って光源、回折光学系、コリメート光学系、および試料アレーの所定の試料に光を照射するための電子制御式液晶マスクを用いた光学検査システムの第８の実施の形態の概略図。 本発明に従って試料アレーの所定の試料に光を照射するための光源、角度掃引型出射システム、回折光学系、コリメート光学系、およびマスクを用いた光学検査システムの第９の実施の形態の概略図。 本発明による前記光学検査システムを用いて試料アレーの１つ以上の試料を検査するための好ましい方法の基本ステップを示すフローチャート。

符号の説明

１０２〜９０２ 光源
１０４〜９０４ 回折光学系
１０６〜９０６ コリメート光学系
１０８〜９０８ 試料アレー
２０７ 平面反射鏡
３０７ ファイバー
５０３ 調整光学系
６０３ 波長可変フィルター
７０７ マスク
７１６ 検出器
７２０ 結像光学系
７２４ 角度掃引型検出システム
７２６ 回転鏡
７２８ 開口アレー
７３０ 光検出器アレー
７３２ データ収集システム
８０７ 電子制御式液晶マスク
９０３ 角度掃引型出射システム

Claims (19)

1. 光ビームを出射する光源、
   前記光ビームを受け、多数の光ビームを出射する回折光学系、
   前記多数の光ビームを受けて調整し、試料アレーに向け所望の光学特性を有する調整済み光ビームを出射するコリメート光学系
   を有して成ることを特徴とする光学検査システム。
2. 前記試料アレーから反射された多数の光ビームを受ける検出器を更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記コリメート光学系が単レンズ、多数の単レンズ、ｆ−θレンズ、放物面鏡、分割鏡、または正確に配され正確な角度を成す一連の反射楔から成る反射レンズであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記コリメート光学系が分割鏡から成り、該分割鏡の各々の部分が、反射光ビームが前記試料アレーの面に入射するとき隣接する反射光ビームと等距離を成すよう、前記回折光学系から出射された光ビームの１つをそれぞれ反射することを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記コリメート光学系が前記回折光学系から出射された各々の光ビームを調整するファイバー・アレーであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記ファイバー・アレーが、一端が球面の縁部に配され、別の一端が格子に接続されている複数のファイバーを有して成ることを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記コリメート光学系が前記回折光学系から出射された各々の光ビームを調整する小型レンズ・アレーであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記コリメート光学系が前記回折光学系から出射された各々の光ビームを調整するファイバー・アレーと小型レンズ・アレーとから成る複合体であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 前記光源と前記回折光学系との間に配され、前記コリメート光学系から出射されて前記試料アレーの面に入射する各々の光ビームの開口数、スポット径、および入射角を調整するビーム調整光学系を更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 前記光源と前記回折光学系との間に配され、前記コリメート光学系から出射される各々の光ビームを調整し、前記試料アレーの波長検査を可能にする波長可変フィルターを更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
11. 前記コリメート光学系と前記試料アレーとの間に配され、所定の調整済み光ビームが該試料アレーの選択された試料に到達しないよう遮断するマスクを更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
12. 前記マスクが電子制御式液晶マスクであることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 検出器と前記試料アレーとの間に配され、該試料アレーの選択された試料から反射された所定の光ビームを遮断するマスクを更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
14. 前記マスクが電子制御式液晶マスクであることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
15. 前記試料アレーから反射された多数の光ビームを受ける角度掃引型検出システムを更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
16. 前記角度掃引型検出システムが、
    前記試料アレーから反射された多数の光ビームを反射する回転鏡、
    前記回転鏡から反射された光ビームのうち選択された光ビームを通す１つ以上の孔を有して成る開口プレート、
    前記開口プレートを通過した光ビームを受ける光検出器アレー、および
    前記光検出器アレーから受信したデータを分析するデータ収集システム
    を有して成ることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. 前記光源と前記回折光学系との間に配され、該回折光学系に向かう光ビームの入射角を調整する回転式ビーム偏光器を含む角度掃引型出射システムを更に有して成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
18. 試料アレーの１つ以上の試料を検査する方法であって、
    光源を用いて光ビームを発生するステップ、
    回折光学系を用いて前記光ビームを受け、多数の光ビームを出射するステップ、
    コリメート光学系を用いて前記多数の光ビームを受けて調整し、試料アレーに向け所望の光学特性を有する調整済みの多数の光ビームを出射するステップ
    の各ステップを有して成ることを特徴とする方法。
19. 検出器を用いて前記試料アレーから反射された多数の光ビームを受けるステップを更に有して成ることを特徴とする請求項１８記載の方法。

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