JP2009180728A - 組合せ透過および／または反射関数を備えたフィルタの生成 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ用に改善された技法を有するのは有利であろう。
【解決手段】組合せ透過関数がより単純な透過関数の組の重畳または調整された重畳と近似的に等しく、組が２つ以上のより単純な非均一透過関数を含み、重畳または調整された重畳において、単純な非均一透過関数の少なくとも２つのサブセットの各々が互いに異なり、互いに対して位置決めされ、その結果、フィルタを通り過ぎる１つ以上の経路のうちのいずれかに沿って移動する物体から発出する光子エネルギーの適用範囲内の入力光に応じて、フィルタが、サブセットの関数の各々に従って出力光に時間変化を与える透過／反射フィルタを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば組合せ透過関数を有するフィルタを用いて、物体から発出する光を透過および／または反射することに関する。

様々な技法が物体から発出する光を受け取る光学フィルタのために提案されている。米国特許第６８１６２５７号は、蛍光が光電子増倍管またはマルチプル検出器アレイ上に結像されるレーザ蛍光測定システムを説明している。光電子増倍管の前の干渉フィルタが共振光をフィルタ除去するかまたは蛍光を選び出すことができる。

米国特許第６，８１６，２５７号明細書 米国特許第４，０８１，２７７号明細書 米国特許第４，７６４，６７０号明細書

"Flow Cytomery", printed from www.wellscenter.inpui.edu/MMIA on January 29, 2008, 4pages.

フィルタ用に改善された技法を有するのは有利であろう。

本発明は、例えば、組合せ透過関数をもつフィルタ構成要素を含む方法および装置を提供する。

例えば、光子エネルギーの適用範囲内の組合せ透過関数をもつ透過／反射フィルタであって、前記組合せ透過関数がより単純な透過関数の組の重畳または調整された重畳と近似的に等しく、前記組が２つ以上のより単純な非均一透過関数を含み、前記重畳または調整された重畳において、前記単純な非均一透過関数の少なくとも２つのサブセットの各々が互いに異なり、互いに対して位置決めされ、その結果、前記フィルタを通り過ぎる１つ以上の経路のうちのいずれかに沿って移動する物体から発出する前記光子エネルギーの適用範囲内の入力光に応じて、前記フィルタが、前記サブセットの前記関数の各々に従って出力光に時間変化を与える透過／反射フィルタを含むことを特徴とする製造物品である。

単純な関数が重畳されている関数に従って、フィルタが透過および／または反射するフィルタ構成を示す図である。 システムの構成要素を示す図である。 フィルタ構成を示す図である。 アナライザを示す図である。 物品を示す図である。 物品を示す図である。 別の物品を示す図である。 フィルタ構成を構成できる方法を示す図である。 フィルタの断面厚さのグラフを含む図である。 他のフィルの断面厚さのグラフを含む図である。 フィルタアセンブリを示す図である。 フィルタを製作する操作を示す図である。

実施は、例えば臨床診断学、微生物学などにおけるフローサイトメトリにおいて、移動物体、例えば生体細胞、ウィルス、分子、サブ分子複合体に関する情報を取得する際の問題に対処する。サイトメーターのコストおよびサイズは、現場クリニック、水モニタ、農業／獣医診断、および迅速に配備可能なバイオ脅威検出での使用を妨げる。

いくつかの利用可能なフローサイトメーターは、各々が別個の場所または領域に集束される多数の励起光源を使用する。着色された細胞または多数の染色された細胞を別々に検出し区別するために、ビームスプリッタ、フィルタ、および光電子増倍管（ＰＭＴ）で各領域からの光を分析することができる。細胞は挿入の前に着色され、測定は、細胞が最大毎秒数メートルで横切る検出領域をもつ流体チャネルで行われる。細胞が横切る集束レーザ光は、細胞上の染料を励起する。蛍光は、顕微鏡レンズによって収集され、帯域通過フィルタによって選別され、ＰＭＴまたはアバランシェフォトダイオードによって検出され得る。複数組のフィルタおよび検出器は高価であり、光学アラインメントに敏感な大型デバイスをもたらす。物体は小さい領域を迅速に横切るので、重大な信号対雑音（Ｓ／Ｎ）問題が発生し、例えば数をカウントすることによって物体の特性評価および区別を行う場合より深刻になる。

臨床診断では、試薬は高価であるが、蛍光強度を低減するにもかかわらず、分析物の所要量または分析物体積当たりの消耗品の量を低減することができる。

事前に空間変調された単色励起技法は光源であり、黒／白手法か単色干渉パターンである。

フローサイトメトリのいくつかの問題は、例えば文書の画像を走査する際の問題と同様である。有色位置決めマークの位置を高精度で、例えば１０μｍ以下で測定するのは困難であるが、位置に応じて色を正確に決定するのも困難である。プリンタが非常に小さい有色マーク、例えば印刷された文書のマージンを利用し、マークが直ちに光感知され、操作のモニタ、補正、さもなければ調整を行うために使用される場合、高い空間およびスペクトル分解能は精度と信頼性に寄与し、超スペクトル色感知用途に必要である。

以下の実施では、組として単純な非均一透過関数が重畳されている組合せ透過関数有するフィルタ構成要素を使用する。そのような技法は、物体の経路の短い部品内に順に多数の透過関数を同時に与え、その結果、発出光は組合せ透過関数の全体にわたって比較的一定である。その結果、多種類の情報を発出光の時間変化から同時に得ることができ、例えば、物体の色に関するようなスペクトル情報は、物体の位置、パターン内の位相、または速度に関する情報と同時に得ることができ、それにより、さらなる情報、例えば位置に応じた色を迅速に得ることが可能になる。これらの技法により、フィルタ構成は、２値、黒／白マスク、または単色マスクで可能であるものよりも多くの変形が可能になる。

そのようなフィルタに由来する発出光の時間変化は、粒子のスペクトル特性決定を可能にするのに十分な情報を与えることができる。多数の色を使用するのは固有の蛍光に基づいた粒子識別と両立することができ、特に、パターン化されたフィルタ構成は発光スペクトルの差異の検出を可能にし、固有の蛍光スペクトルに生じるごくわずかの差異さえ検知可能にすることができる。それは、色スポットまたは他の標識が櫛型かさもなければパッチワーク型もしくはパターン型フィルタ構成を通り過ぎて移動している間にそれらの反射スペクトルのわずかな差異を検出することによって印刷用途における高度な色モニタを可能にすることもできる。

図１において、フィルタ構成要素１０、すなわち光学フィルタは、光を透過および／または反射するＭ個のフィルタ要素の組合せ１２を含む。

「光学フィルタ」または「フィルタ」という用語は、基準に従って光を透過および／または反射する光透過または光反射パーツもしくは構成要素を指す。光子エネルギーのある適用範囲にわたる「帯域通過フィルタ」は、部分的な範囲内の光を優先的に透過および／または反射する。「阻止フィルタ」は適用範囲中の光を全く透過または反射せず、一方、「透明フィルタ」は適用範囲中の光を全て透過および／または反射する。

フィルタ要素およびフィルタアセンブリは時には「マスク」と呼ばれる。「透過する」および「反射する」という用語は別段の定めがない限り互いを含み、「透過する／反射する」または、「透過／反射」は、反射のない透過、透過のない反射、ならびに共存する透過および反射を包含する。

光はフィルタの「シーケンス」を通過することができ、特定の光がフィルタを順に通過することを意味する。経路に沿った「径方向シーケンス」のフィルタである場合、例えば、発出光は各フィルタを順に通過することができ、第１のもので始まり、前の各フィルタを通過した後、次のフィルタを通過し、径方向シーケンスの前のフィルタによって阻止された光は次のフィルタに達しないことになる。「長手方向シーケンス」のフィルタの場合、セグメントのシーケンスの各々で発出する光は長手方向シーケンスのそれぞれのフィルタを通過する。

他のカテゴリのフィルタには、シャドウマスク、周期マスク、チャープマスク、ランダムマスクなどが含まれる。「ランダム」パターンはフィルタの長手方向シーケンスの全長にわたって非周期的であり、「周期」フィルタアセンブリは、アセンブリの長手方向の長さにわたって２回以上繰り返す少なくとも１つのパターンを有し、「チャープ」パターンは、前述のランダムの定義を満たすが、直線的に変化する時間スケーリングでは、前述の周期の定義を満たすことができる。「シャドウマスク」は帯域通過フィルタではなく強度に基づいたフィルタアセンブリであり、そのフィルタアセンブリは、注目する光子エネルギー範囲内で全てのエネルギーの光を透過／反射するが、フィルタの様々な部分は白黒および／または様々なグレースケールなどの様々な強度で光を透過／反射する。

「白」は、光子エネルギーの実施の全範囲にわたって最大強度に近いスペクトルをもつ光を指し、「黒」は、白とは逆で、すなわち、全範囲にわたって最小の利用可能な強度を指し、理想では光がなく、したがって０の強度である。白におけるような全範囲にわたる最大強度をもたない光は、「グレーレベル」例えば、白と黒との間のグレーレベルを有し、または「色」を、例えば、可視範囲または赤外もしくは紫外範囲の部分的な範囲内の光子エネルギーを主として有することができる。黒でも白でもないスペクトルは「非２値スペクトル」である。

物体が構成要素１０を通り過ぎて移動するとき、光はそれらから、例えば、発光、散乱（例えば反射を含む）、または透過によって発出し、発出光の一部は矢印２０によって示されるように構成要素１０によって受け取られる。図１におけるような技法は、例えばフローサイトメトリ、バイオチップ読み出し、任意の適切な種類の分析物検出、または文書走査で使用することができる。

本明細書における「物体」という用語は、例えば、発光（例えば放射、蛍光、白熱、化学発光、生物発光、他の形態のルミネセンスなど）、散乱（例えば反射、偏向、回折、屈折など）、または透過により、光を発出することができるあらゆる区別可能なものを意味し、発出光は、例えば感知される前にフィルタ構成要素によって透過および／または反射することができる。

例えば、小滴、小容積の流体、単一分子、凝集した分子、分子クラスタ、細胞、ウィルス、バクテリア、非常に長い重合体、サブ分子複合体、マイクロ粒子、ナノ粒子、特定の化学物質または他の分析物を結合し搬送することができるビードまたは他の小さい粒子、エマルジョン、アレイ中の物体、および表面の区別可能領域、例えば有色スポットを含む。

物体の運動は、システムのパーツもしくは構成要素またはシステムの環境のパターンもしくは特性、例えば、符号化もしくは感知用の構成要素、励起もしくはフィルタ処理のパターン、または別の環境のパターンもしくは特性に対する任意の運動を含む。

矢印２０によって示された入力光は、構成要素１０によって、矢印２２によって示されるように透過および／または矢印２４によって示されるように反射することができる。組合せ１２、例えば径方向シーケンスはＭ個のフィルタ要素３０から３２を含み、各々はそれぞれの透過関数、すなわち「Ｔ／Ｒ関数１」から「Ｔ／Ｒ関数Ｍ」をもつ。シーケンスのｍ番目のフィルタ要素３４は、単純な透過関数の組４０の重畳または調整された(scaled)重畳と近似的に等しい組合せ透過関数を有する。組４０は単純な非均一透過関数、例示としてｘ個の重畳された関数４２から４４、すなわち「Ｓｉｍｐｌｅ Ｆｎ…ｎ１」から「Ｓｉｍｐｌｅ Ｆｎ…ｎｘ」を含む。各単純な透過関数は重畳のために位置決めすることができ、図１において、これらの位置決めはライン４６によって示されるように基準位置からのオフセット、すなわち、「Ｏｆｆ（１）」から「Ｏｆｆ（ｘ）」である。オフセットは、関数が変化する方向に沿った移動または軸の周りの回転を含む移行を必要とすることがある。要素３４の組合せ透過関数は、矢印２０によって表されるように発出光を透過／反射して時間変化させることができる。

「透過関数」は、ある適切な位置または位置の組について、フィルタまたはフィルタアセンブリなどの光透過および／または光反射構成要素の出力光と入力光との関係を示す。透過関数は、例えば、光子エネルギーの範囲にわたるある位置での出力強度と入力強度の比、すなわち透過関数の「透過スペクトル」を示すことができる。透過関数は、例えば、出力強度と入力強度の比を示す「強度比」を含み、ここで、同じ強度比は関連する範囲にわたる全ての光子エネルギーに当てはまり、フィルタの各位置が０または１の強度比のいずれかを有する場合、各位置の透過関数は、黒／白、オン／オフ、１／０などのような１対の２進値の一方とすることができる。

「均一透過関数」では、実質的に全ての位置が近似的に同じ透過関数を有する。「非均一透過関数」は近似的に均一でなく、例には周期フィルタ、ランダムフィルタ、およびチャープフィルタが含まれる。

２つの位置の透過関数は異なる透過スペクトルを有する、すなわち「色」において異なる場合があり、関連する範囲にわたって同じ形状の透過スペクトルをもつ透過関数は「強度」において異なる、すなわち、異なる強度比を有することができる。組合せ透過関数を与えるために重畳される単純な透過関数は異なる透過関数を有することができ、図１では、要素３４の組合せ透過関数を与えるために重畳される単純な透過関数の少なくとも２つを含む小さい組、例えば関数４２および４４が、非均一で互いに異なる。

スタック、フィルタの径方向シーケンス又はフィルタアセンブリでは、透過関数は「重畳する」ことができ、両方の透過関数が構成要素を通過する光に適用され、その結果、単純な透過関数が重畳されている組合せ透過関数がもたらされることを意味する。１つの透過関数は組合せ透過関数より「単純」である。組合せ透過関数および全ての重畳された透過関数が同じスペクトル形状を有するか、または、重畳された透過関数が関連した形状を有し、特定の位相関係で重畳されたとき細部の均一な損失をもたらす場合を除いて、透過関数は別の透過関数と重畳される。単一のフィルタアセンブリは、「スタック等価」である、すなわち、単純な透過関数をもつフィルタ構成要素のスタックと近似的に等価である組合せ透過関数を有することができる。スタック等価フィルタアセンブリは、時には、順序に関係ない単純なフィルタの組合せと等価であり、すなわち、単純なフィルタを異なる順序とした異なるスタックは等価であり得る。「調整された(scaled)重畳」は、例えば、例示的な実施に関して以下で説明される方法などで、取得された後に何らかの方法で調整された(scaled)重畳であり、言いかえれば、関数４２から４４の重畳による組合せ透過関数を取得した後、透過／反射光の全部の強度を変更するかまたは空間分解能を変更するように組合せ透過関数を任意の適切な方法で調整することができる。

要素３４が組合せ１２内にあるので、組合せ１２によって受け取られる移動物体からの入力光は、単純な非均一関数が重畳される方法のために時間変化と共に透過することができる。関数４２および４４ならびに他の関数は互いに対して位置決めされ、その結果、要素３４は小さい組の２つ以上の関数に従って時間変化と共に出力光を供給する。この出力光は、様々な方法で情報を符号化することができる。

また、フィルタアセンブリが異なる色の帯域通過フィルタ要素の長手方向シーケンスを有する場合、時間変化は発出光のスペクトル、または速度もしくは他の変位速度および位置に関する情報を符号化する。

構成要素１０は光を別々に符号化する。その方法のために、関数４２および４４が重畳され、要素３４の透過関数は情報を透過光または反射光の時間変化にそれぞれ矢印２２および２４によって示されるように符号化する。入力光が、通過する物体によって発出される間同じ強度またはスペクトルを有する場合、要素３４の透過関数からの出力光は関数４２および４４の両方によって符号化されることになる。

フィルタ構成要素１０は、厚さに基づいて重畳された単純な非均一透過関数をもつ組合せ透過関数を有するフィルタアセンブリとすることができる。

図２のシステム１００では、移動物体から発出する光はその特性に関する情報を含むことができる。符号化構成要素１０２は符号化出力光を供給し、光感知構成要素１０４は応答し、感知結果、例えば処理構成要素１０６に伝達することができる電気信号を与える。構成要素１０６は感知結果を使用して、物体特性に関する情報を示す特性データを得るかつ／または与えることができる。

矢印１１２によって示されるように、物体１１０は位置を通る方向の相対運動を有する。ある位置では、物体１１０は矢印１１４によって示されるように励起を受け取り、例えば染料もしくは別の添付の「タグ」の蛍光からのまたは例えば紫外光または固有の細胞材料の他の励起による固有の蛍光または自己蛍光からの矢印１１６によって示された光を発出することによって応答することができ、化学蛍光、バイオ蛍光、吸収、散乱、または同時励起を必要としない他の現象を使用することができる。

矢印１２０は構成要素１０２からの出力光を表す。ボックス１２２は、物体１１０の特性に関する情報が出力光に含まれ、その情報が様々な方法のいずれかで、例えば、励起のパターニングおよび／または発出光のパターニングによって符号化され、矢印１２０によって示された符号化出力光が得られることを示す。

符号化出力光の一部が構成要素１０４によって感知されて感知結果が得られ、その感知結果に基づいて構成要素１０４は矢印１３０によって示された電気信号を与える。電気信号はボックス１２０からの情報を含むことができ、構成要素１０６は、応答して、物体特性を示すデータを得るかつ／または与えることができる。

図３において、フィルタ構成２００は光を発出する物体２０２の経路に沿って設けられ、経路に沿ってフィルタアセンブリを含む。「ｘ 又は ｔ」によって示唆されるように、経路はｘ方向に沿って延びかつ／または時間ｔに沿って生じる。物体２０２の速度または変位速度は変わることがあるが、速度または他の変位速度に関する情報は、例えば、物体の符号化信号などからのトリガ信号を得るトリガ検出技法に基づいてｘ方向の位置と時間ｔとの間の近似的なマッピングを可能にすることができる。

図３はアセンブリ２０４「０」およびアセンブリ２０６「（Ｍ−１）」を伴う、Ｍ個のフィルタアセンブリ２０４から２０６を示す。フィルタアセンブリは経路の近くのいかなる位置にも位置決めすることができる。フィルタアセンブリが同じ位置にまたはｘ 又は ｔ軸に沿って重なる範囲内にあり、回転方向に変位することができ、例えばボックス２０８「（０’）」はアセンブリ２０４から経路の反対側にある。

アセンブリ２１０「ｍ１」はフィルタの径方向シーケンスを含み、そこを矢印２１２によって示された光が通過することができ、出力光は矢印２１４によって示される。アセンブリ２１０は、例えば、フィルタ２１６および２１８を含むか、または単純な透過関数をもつ重畳されたフィルタと等価なフィルタを含むことができる。

アセンブリ２２０はフィルタの長手方向シーケンスを含み、そこを矢印２２２によって示された光が通過することができ、出力光は矢印２２４によって示される。アセンブリ２２０は、例えば隣接するフィルタ２２６および２２８を含み、各々は、発出スペクトルに関する情報を与えるために十分に異なる帯域をもつ帯域通過フィルタである。アセンブリ２２０ならびにフィルタ２１６および２１８は空間的にパターン化されたフィルタとすることができる。

矢印２２４によって示された出力光はフィルタ２２６および２２８からの符号化情報を含むことができ、符号化情報は、出力光を光感知し、感知結果を操作することによって回復することができる。。フィルタ２２６および２２８ならびに他のフィルタは適切な長さを有し、ｘ 又は ｔ方向においておそらく分解能の損失をもたらすような物体２０２の明瞭な長さより小さく、または、ｘ 又は ｔ方向における物体２０２の明白な長さ以上であるが、物体２０２がアセンブリ２２０を通り過ぎて移動する間特性が変わらない程十分に小さくすることができる。

フィルタアセンブリ２２０の特定の例では、矢印２２４によって示される出力光は、フィルタ２２６および２２８からの符号化された情報を含むことができ、符号化された情報は、出力光を光感知し、感知結果に適切な操作を行うことによって回復することができる。

一般に、フィルタアセンブリ２２０のフィルタ２２６および２２８ならびに他のフィルタは、ぼやけまたは汚れと類似した多少の分解能の損失をもたらすことがあるｘ 又は ｔ方向の物体２０２の明瞭な長さよりも小さい場合を含めて、光感知および信号処理による符号化情報の回復を可能にする任意の適切な長さをｘ 又は ｔ方向に有することができる。しかし、以下でいくつかの例示的な実施に関して説明するように、フィルタ２２６および２２８の各々は、ｘ 又は ｔ方向の物体２０２の明瞭な長さ以上のｘ 又は ｔ方向の長さを有することがあるが、フィルタ２２６および２２８（およびアセンブリ２２０の他のフィルタ）の長さは、物体２０２がアセンブリ２２０を通り過ぎて移動する間に発出光によって示される物体２０２の特性が変化しない程十分に小さくできる。いくつかの特定の実施では、フィルタ２２６および２２８は、経路を横切る方向に延びる平行した両側面を有し、そのようなフィルタのアセンブリは、時には本明細書で「ストライプ型フィルタ」と呼ばれ、各ストライプはフィルタタイプおよび長手方向の長さ（または幅）によって規定することができる。

図４によって示されたフィルタ構成は、流体の実施、または画像を運ぶ走査用の紙のシートまたは他の媒体などの、走査移動のために他の構成要素に対して移動するアレイ中の物体の実施に適用することができる。物体２０２はシート上の有色スポットとすることができ、フィルタ構成は物体２０２から発出する色のわずかな差異に関する情報を得ることができ、物体２０２が位置決めマークに特有の色をもつマークである場合、色は他の色と区別することができ、位置を取得することにより画像感知、印刷などのためのシートの位置決めが可能になる。

図４において、分析計５００は支持構造体５０２上にある。構造体５０２は、物体５０６が、例えば流体によって搬送される蛇行チャネル５０４を含む。

コールターカウンタ５１０およびミー散乱センサ５１２は粒子サイズ検出器である。

発出光エンコーダ／光センサ５２０は、一般に、励起／変位構成要素５２２、フィルタ構成要素５２４、および光感知構成要素５２６を含む。

構成要素５３０、５３２、および５３４は、第１および第２の蛍光感知構成要素、ならびにラマン散乱感知構成要素を含む。物体のタイプ間の相違に基づいて、バルブ５４０は位置間を切り替えることができ、物体５０６は矢印５４２によって示されるようにある位置で出て行き、矢印５４４によって示されるように別の位置で出て行く。

図５において、物品６００は２つの光透過構成要素を含み、光透過構成要素間の内側領域は２つの主要部分、すなわち流体を含むチャネル部分６０２と、部分６０２を囲む非チャネル部分６０４とを含む。ポート６０８は、部分６０２への流体の流入、および部分６０２からの流体の流出を可能にする。

フィルタアセンブリ６１０は、フィルタ６１２、６１４、６１６、６１８、および６２０およびスタック等価フィルタを含む帯域通過フィルタの長手方向シーケンスを含む。フィルタ６１２、６１６、および６２０は近似的に同じ帯域を有し、一方、フィルタ６１４および６１８も近似的に同じ帯域を有し、異なる帯域阻止材料６２２が開口を与え、光の散乱および反射を防止することができる。

図６において、構成要素６３０および６３２は部分６０４の材料によって分離される。構成要素６３０および６３２は、それぞれ約０．３ｍｍおよび１．０ｍｍ以下の厚さをもつ石英、ガラス、またはアクリルを含むことができ、厚さは数ミリメートルから０．１ｍｍ以下になるまでの範囲とすることができる。物体のサイズ、例えば１０μｍの寸法をもつ生体細胞によってそれらの間の最適距離は約２０から５０μｍの距離とすることができる。部分６０４はフォトレジスト材料、例えばＳＵ−８とすることができ、壁が部分６０２を囲むことができ、部分６０４はエポキシ樹脂で充填することができる。

物体６４０は、全反射（ＴＩＲ）の角度に応じて、発光錐内で上向きに光を発出する。フィルタアセンブリ６４２は、構成要素６３０の下部表面上のチャネル部分６０２に面することができ、フィルタアセンブリ６４４は、構成要素６３０の上部表面上の部分６０２の外側とすることができ、またはフィルタアセンブリ６４６は構成要素６３０から離れて、光センサ６４８に隣接することができる。発光錐は光学構成要素６５２によってアセンブリ６４６を通して画像平面６５０上に結像される。

部分６０２は水（ｎ＝１．３３）を含むことができ、物体６４０は直径ｄ＝７μｍを有し、例えばＴリンパ球である。部分６０２は３０μｍの高さを有することができ、すなわち、アセンブリ６４２からの物体の距離は近似的にｈ＝１５μｍである。構成要素６３０は、空気（ｎ＝１）によって囲まれるアクリル（ｎ＝１．４８）とすることができる。アセンブリ６４２がない場合、部分６０２からの回避角度は４８．７５°になるはずである。構成要素６３０の上部表面のＴＩＲ角度は４２．５１°とすることができる。水−アクリル界面での物体６４０により照明される直径はＤ＝ｄ＋２×ｈ×ｔａｎ（α（回避））＝４１．２μｍとすることができ、ここで、１７．１μｍがＴＩＲなしで構成要素６３０を通る最大発光錐半径である。物体６４０界面を検出するパターンの「最小特性サイズ」（「ＭＦＳ」）はＤ、すなわち約４０μｍとなるであろう。

光センサ６４８が発光錐をより小さくする開口数を有する場合、または光がα（ＴＩＲ）よりわずかに高い角度で構成要素６３０を出る場合、ＭＦＳはわずかに小さくなることができる。しかし、ＭＦＳは、小さすぎる場合、アセンブリ６４２の特性の両側の周りの発光錐からの光を可能にし、その結果、時間的に変動する信号は物体の変位を不正確に示すことがある。同様のＭＦＳの考察がアセンブリ６４４および６４６に当てはまるであろう。１０μｍの生体細胞では、典型的なＭＦＳは１０〜２０μｍであろう。フィルタアセンブリ幅はチャネル幅に依存することになり、例えば、アセンブリ６４２は１００μｍ×１．０ｍｍとすることができる。較正は既知の蛍光スペクトルをもつ小さいビードを使用して、測定値を調整するための較正値を得て、既知の強度を得ることができる。

図７において、構成要素６３０は、構成要素６３０および６３２に対して約４５°で傾斜した表面６６０を有する。矢印６６２によって示されたように表面６６０にほぼ垂直な入射励起光は、矢印６６４によって示されたようにチャネル部分６０２を通る光と結合することができる。励起光は、例えば、２６６ｎｍとすることができる。

部分６０２は右側で開放され、ポート６６６を設けることができ、または端部表面６６８で終了する代わりに、表面６６８に関して対称的に延びることができる。

図７において、アセンブリ６１０内のフィルタは重なり合わないが隣接し、例えば、構成要素６３０の凹部に統合されるか、または同じ厚さのシャドウもしくは透明材料で囲まれる。フィルタは様々な材料を印刷することによって製作することができ、シャドウまたは透明材料をフィルタの周りに印刷することができる。

図７のグラフは、それぞれ色「Ａ」および「Ｂ」の発出光に応じた強度を示す。フィルタ６１２、６１６、および６２０は色「Ａ」を通過させ、フィルタ６１４および６１８は色「Ｂ」を通過させる。

曲線６７２は、物体６４０が色「Ａ」を発出する場合の強度を示す。曲線６７２はフィルタ６１２、６１６、および６２０に沿って高いが、フィルタ６１４および６１８に沿って低い。

曲線６７４は、物体６４０が色「Ｂ」を発出する場合の強度を示す。曲線６７４はフィルタ６１４および６１８に沿って高く、他の所では低い。

フィルタ６１２、６１６、および６２０は赤を通過させ、フィルタ６１４および６１８は緑を通過させ、各物体は赤または緑のいずれかの蛍光を発することができる。

光センサ６７０からの信号は、物体のタイプ、例えば色「Ａ」を発出する物体と色「Ｂ」を発出する物体を区別することができる。

しかし、図７は、さらに、任意の他の適切な位置にあることができるが、例示としてチャネル部分６０２の方に面する下部表面上にあるフィルタアセンブリ６１０中のスタック等価フィルタ６８０を示す。スタック等価フィルタ６８０は、例えば例示的な実施に関して以下で説明される方法などで、フィルタ６１２、６１４、６１６、６１８、および６２０によって受け取られる光の強度を変更することになる。したがって、曲線６７２および６７４は、フィルタ６８０があることによって変更されることになり、それにより、発出光がフィルタアセンブリ６１０を通るとき、発出光の空間変調が物体６４０に関する追加情報を与えるのを可能にする。

図８は、図５〜７のものと同様であり、同じ参照番号をもつが、光センサ６４８の感光性表面上にフィルタアセンブリ６１０をもつ２つの代替の実施を示す。これらの実施は、フィルタ６１２、６１４、６１６、６１８、および６２０ならびに阻止材料６２２を、例えば前述の方法などで、印刷すること、さもなければ堆積およびパターニングすることによって、または他の適切な方法で帯域通過フィルタの長手方向シーケンスを生成することによって実行することができ、いくつかの可能な技法が他の例示的な実施に関して以下で説明される。その場合、おそらく、さらなる微細加工のために適切な表面をもつ他のフィルタ上に適切な透明層を準備した後、例えば例示的な実施に関して以下で説明される方法の１つなどでフィルタ６８０を生成することができる。

図８の左側の実施では、光センサ６４８はチャネル部分６０２の一側面としても作動し、チャネルの少なくとも一部に沿って光透過構成要素６３０に取って代わる。言いかえれば、フィルタアセンブリ６１０は図６のフィルタアセンブリ６４２と同様に位置決めされ、非常に小さいＭＦＳを可能にする。図８の右側の実施では、光センサ６４８がチャネル部分６０２の外側にあり、図示のように高さｇの小さい間隙によって構成要素６３０の外側表面から隔てられている。この実施では、フィルタアセンブリ６１０は図６のフィルタアセンブリ６４４と同様に位置決めされるが、構成要素６３０の外側表面の直上ではなく、その結果、より大きなＭＦＳが必要である。構成要素６３０と光センサ６４８との間の間隙はスペーサまたは他の適切な支持構成要素によって保持でき、十分に大きいので、光センサ６４８はチャネル部分６０２内の反共振導波と干渉しない。

吸収フィルタ６１２、６１４、６１６、６１８、および６２０は、３つ以上のそれぞれの色をもつ３つ以上のタイプのフィルタを有することができる。

組合せフィルタアセンブリからの時間的に変動する信号は、例えば、テンプレート層および周期層を含むフィルタの径方向シーケンスまたは「スタック」からの２つの異なる空間的に変化するパターンを有することができる。

図９および１０において、単一のフィルタアセンブリ中の反射グレーレベルフィルタはフィルタの径方向シーケンスまたはスタックと等価である。フィルタ層の透過関数、この場合は厚さの解像力はソフトウェアを使用して重ねることができ、重畳するために付加することができる。その結果、例えば０、０．５、および１の厚さになり、層は、同じ方向に、または異なる方向に、例えば垂直にまたは最適符号化の方位に変化を持たせることができる。各領域が光学厚さまたは他の特性を有し、所望特性と等価な光学特性の解像力を有する組合せ透過関数を得るために、解像力などのフィルタの光学特性等の透過関数は重ね合わせることができる。

一般に、フィルタの重畳は交換可能であり、すなわち、結果として生じる透過または反射関数は、フィルタが重畳されている順序にかかわらず同じである。ただし、フィルタ特性のアライメントまたは他の関係がフィルタの順序に応じて様々な情報の損失をもたらす場合には、例外が生じることがある。これらの問題は、一般に、単純な非均一透過関数を重畳する前にそれらを互いに対して、例えば本明細書で説明される方法の１つなどで、適切に位置決めすることによって避けることができる。

等価フィルタの解像力に近い等価フィルタを構成するために、高反射材料がフィルタアセンブリ全体の上に堆積され、厚さ０または０．５をもつ領域に部分的にエッチング除去され、その後、残りの反射材料を０の厚さをもつ領域にエッチング除去することができる。部分エッチングが信頼性の低い場合、厚さ０．５の最初のパターン化層を生成し、次にエッチングなしでパターン化される厚さ０．５の第２のパターン層を生成することができる。同様の技法により、透過／反射を変化させるＤＢＲおよび／または厚さおよび屈折率変化の適切な組合せから光学厚さを変化させるキャビティをもつ構造を生成することができる。

図９のフィルタ９３０は、重畳されたランダムフィルタと周期フィルタの組合せと等価である。曲線９３２はランダムフィルタを示し、曲線９３４は周期フィルタを示す。曲線９３６は、変位および位置情報の両方を発出光に符号化することができる透過関数を示し、時間スケーリングは情報を抽出することができる。

厚さレベルの振幅を例えば０、０．２、および０．４までスケーリングすることによって全光出力を変更することができ、それによってより大きい光透過が可能になることを破線９３８は示唆する。しかし、それはより大きい光出力間の、したがって、一方の全信号強度と他方のより大きい光変調との間のトレードオフを行う必要があることがあり、ここで、より大きい光変調は所定の観測領域内の変位および位置の計算を容易にすることができる。破線９３８によって示唆されたマスクは全光出力を強調するが、それは、マスクが減少した厚さ、逆に増加した透過を有するからであり、ここで、０の厚さは１の透過と等価であり、逆の場合も同様である。破線９３８によって示唆されたスケーリングは高い精度を必要とすることがあり、アセンブリ９３０の特性のｘ方向スケールは１０μｍもの大きさとなることがあるが、有用な厚さはクロムの１０ｎｍの薄さでしかないことがある。

図１０のフィルタアセンブリ９４０は、曲線９４２によって示されたチャープフィルタと曲線９４４によって示された周期フィルタの組合せと等価であり、それは、異なる速度にもかかわらず変位および位置の情報のより効率的な抽出を可能にできる。曲線９４６は透過関数を示し、それは情報抽出を可能にする。

図１１は、図５〜７に関して前述したランダム帯域通過フィルタ構成などのフィルタの長手方向のシーケンスが、例えば周期、ランダム、および／またはチャープ透過関数の任意の適切な組合せをもつ反射グレーレベルフィルタ構成などのスタック等価フィルタと組み合わせることができる一方法を示す。図１１のフィルタ構成９５０は、図５〜７に関して前述したものと同様の長手方向シーケンスをもつフィルタサブアセンブリ９５２を含む。サブアセンブリ９５２の上部表面にスタック等価フィルタ９５４はあり、例えばその中の異なる位置は、０．３、０．５、または０．６などのそれぞれの中間透過レベルを有することができる。その結果、フィルタアセンブリ９５０は、図９、１０のものと同様の技法でスタック等価フィルタ６８０（図７、８）を組み込み、区別可能な時間的に変動する信号を異なる色の発出光に与え、さらに、発出光を変調して様々な他の情報抽出技法を可能にする。例えば、時間スケーリング操作は、発出色信号ごとに同じ方法で行うことができ、異なる色信号を使用して、時間スケーリング後に物体のタイプを区別することができる。

図１２は、図５〜１１に関して前述したもののようなスタック等価フィルタをもつ物品を生成する際の例示的な操作を示す。特に、図１２の操作は、時間変化と共に移動物体からの発出光を透過／反射するために、例えばフローサイトメトリまたはグレーレベルもしくは多色のスキャナで使用することができるフィルタアセンブリの製作を可能にする。次に、発出光を光感知することができ、感知結果を使用して位置、速度、およびスペクトルなどの移動物体に関する情報が得られる。一般に、図１２の各操作は、操作の選択または制御のための任意の適切なユーザーインタフェイス技法も含めて、手動操作と自動操作の任意の適切な組合せで実行することができる。

図１２のボックス９７０の操作は１組の単純なＴ／Ｒ関数を取得する。この操作は２つ以上のＴ／Ｒ関数を選択し、次に、それらの各々を調整することを含むことができる。Ｔ／Ｒ関数は、図９および１０の曲線９３２、９３４、９４２、および９４４のもののような１次元光学厚さ関数、２次元光学厚さ関数、または、光子エネルギーの適用範囲にわたるスペクトルなどの任意の他の適切な光学特性の１次元関数または２次元関数とすることができる。可能な調整には、クリッピングやその他のＴ／Ｒ関数の調整や分解能の変更が含まれる。Ｔ／Ｒ関数における空間周波数は発出光における対応する時間周波数を有するので、調整は個別の波長帯域への信号分離のために特に重要となることがあり、この状況および他の状況で、単純なＴ／Ｒ関数のフーリエ変換または他のそのような変換を比較して適切な調整または他の調整を行うのに必要な情報を得ることができる。

次に、ボックス９７２における操作は、スタック等価組合せＴ／Ｒ関数を得るために、ボックス９７０からの単純なＴ／Ｒ関数と組み合わされる。含まれる光学特性に応じて、任意の適切な方法で単純なＴ／Ｒ関数は組み合わせることができる。例えば、曲線９３２、９３４、９４２、および９４４（図９および１０）におけるような光学厚さ関数では、加算または乗算などの組合せ操作が適切となることがあり、曲線９３０および９４０は加算を示し、他の状況では、減算または除算が適切となることがあり、算術平均または幾何平均を取ることなどの前述のものの１つ以上のものと関連する別の組合せ操作が適切となることがある。さらに、２つを超える関数を組み合わせる際、各組合せ操作をペアとすることができ、結果が同様にペアの方法で組み合わされ、または、平均操作または他のそのような組合せ操作を同時に全ての関数に行うことができ、または、これらおよび他の手法の任意の組合せを行うことができる。

ボックス９７２の操作は、組合せ操作の前に、単純なＴ／Ｒ関数の任意の適切なアライメントまたは他の方位調整を含むこともできる。単純なＴ／Ｒ関数が図９および１０におけるような１次元である場合、移行が一致するか、またはＭＦＳが所定の用途には小さすぎる状況を避け、出力光の全てに対して組合せ透過関数が時間変化を確実に与えることになるように、単純なＴ／Ｒ関数は所望に応じてシフトすることができる。単純なＴ／Ｒ関数が２次元である場合、２つの直交方向の各々の速度情報を得るのに有用である直交周期Ｔ／Ｒ関数をもち、おそらく信号分離のために異なる周波数をもつスタック等価フィルタを製作するように、それらは、２次元でのシフトおよび／または互いに対する回転を同様に行うことができる。ボックス９７２の操作は、組合せ透過関数に対して想定された物体の経路の組、例えば一連の方向に基づくことができ、これらの経路に関する適切な情報は後の使用のために保存することができる。

ボックス９７４の操作はボックス９７２からの組合せＴ／Ｒ関数を対の一方である光学厚さ関数に変換する。この変換は、透過（図９および１０におけるような）、反射、干渉に基づいたフィルタ処理または他のフィルタ処理が望ましいかどうかという所望のタイプのフィルタ処理のために適宜行うことができる。透過および／または反射グレーレベルフィルタ処理では、図９および１０におけるような技法により満足な厚さ関数を得ることができる。しかし、透過／反射色フィルタ処理では、等価フィルタの各領域で、所望のスペクトルに関して組合せＴ／Ｒ関数に情報を含むことが必要となることがあり、それは強度フィルタ処理で単に必要とされるはずのものよりも非常に複雑なデータ構造になることがある。一方、干渉に基づいたフィルタ処理では、光学厚さが透過される光子エネルギー（すなわち波長または周波数）を決定し、その結果、それが色を決定し、強度変化は光学厚さ以外のパラメータを調整することによって得ることができる。透過／反射フィルタの未処理の光学厚さ関数は、所望の強度レベルを得るために破線９３８（図９）によって示唆されるように調整することができる。

次に、ボックス９７６の操作は、ボックス９７４からの光学厚さ関数を有する層構造を生成する。図７、８、および１１に関して先に示唆したように、層構造は、ランダム多色フィルタなどの別のフィルタ、そのようなフィルタ上の透明層、または所望の光学的性質を備えた他の適切なサポート表面の直上に生成することができる。図６および８におけるような技法を変更して、光センサの感光性表面の直上に層構造を生成することができ、それは、フローサイトメトリのような流体の実施において、さらに、例えば、走査中に文書または他の画像に対して移動することができるＣＣＤまたはＣＭＯＳ光感知チップ上の走査の実施において有利となることがある。フローサイトメトリおよび他の流体の実施では、その代わりに、チャネル壁またはチャネルの境界を示す他の構成要素の内部に面した表面の直上に層構造を生成するのが有利なことがある。場合によっては、層構造は適切な基板上に生成することができ、次に、上に層構造をもつ基板を他の構成要素上に取り付けるか、さもなければそれに接続することができる。

前述のように、可能であれば、部分エッチング技法を単独でまたはエッチングを必要としない他の技法と組み合わせて使用することができ、部分エッチングが可能でない場合、エッチングを必要としないパターニング技法を使用することができ、おそらく、材料、寸法、および所定の実施に必要とされる許容度にとって適切なリフトオフ、エンボシング、およびモールディングなどに基づいた変形が含まれる。透過／反射を変化させるＤＢＲおよび／または光学厚さを変化させるキャビティを含む層状フィルタ構造では、厚さ変化および屈折率変化のいかなる適切な組合せも任意の適切な技法で生成することができる。いくつかの実施では、所望のスペクトルをもつ領域を生成するために層構造のドーピングまたは他の変更を行うことができる。

最後に、ボックス９７８の操作はボックス９７６からの層構造を含むが、それは、ボックス９７２からの物体経路に関する情報を考慮に入れて、いかなる環境も所定の用途に適切である際に生成される。例えば、層構造は、例えばフローサイトメトリ用の流体デバイスでまたは例えばコピーおよび／または印刷用の走査装置で使用することができる符号化構成に含むことができる。特に興味のある潜在的な用途は、コピーおよび印刷用途における超スペクトル画像感知についてである。ボックス９７８の操作は、さらに、得られるデバイスの操作に必要な電気、光学、または流体の接続を行うことと、さらに、操作中に感知結果を調整さもなければ変更するのに使用する基準データを得るために必要な較正または他の予備操作とを含む。

図１２の技法は、本発明の範囲内で多くの方法で変更することができる。例えば、ボックス９７０、９７２、および９７４の操作は、所望の感知結果に関する情報から光学厚さ関数を得るのに任意な適切な方法で、おそらく図１２に示されたものよりも直接的に組み合わせることができる。さらに、図１２の技法は非常に一般的であり、多数のタイプのスタック等価フィルタを含む多種多様なフィルタを製作するために使用することができる。

前述のいくつかの技法は首尾よくシミュレートされた。特に、フィルタからのランダムテンプレートに基づいた符号化と、さらに重畳されたフィルタからの周期的変調との両方を含む、シミュレートされた観察信号が得られた。付加的な雑音を伴う得られた光感知信号は比較を行うために時間スケーリングを使用して処理され、ここで、観察信号は観察される前に生じる未知の時間スケーリングを有し、０．５のＳ／Ｎ比が得られており、０．１が達成可能に見える。これらの結果は０．５ｍ／秒までの粒子速度で得ることができ、粒子が０．６μｍまで減少した実効サイズを有し、粒子分離が所定の実施のＭＦＳまで減少する場合、数ｍ／秒までのより高い速度が可能であるように見える。この技法の成功した実証には全血中のＣＤ４をカウントすることが含まれ、単一のタグ検出が可能であった。

シミュレーション結果は、１．０μｍ未満の空間分解能が可能であり、単一の蛍光マーカーを検出できることを示している。

本明細書で説明された重畳または調整された重畳からの組合せ透過関数をもつフィルタを使用すると、物体に関する１つよりも多いタイプの情報、例えば速度とスペクトル、または速度と位相の同時符号化が可能になる。組合せ透過関数をもつフィルタは、フローサイトメーターにおけるような流体チャネルの内側または外側の表面上の非常に薄い層構造に製作することができ、スケーリングを使用して所望の出力光強度を得ることができる。高い空間分解能が正確な製作技法で達成可能になると予想される。多種多様なマスクおよび他の光学フィルタをそのような技法で製作することができる。

１０ フィルタ構成要素、１２ フィルタ要素の組合せ、２０，２２，２４ 矢印、３０，３２，３４ フィルタ要素、４０ 単純な透過関数の組、４２，４４ 関数、４６ ライン、１００ システム、１０２ 符号化構成要素、１０４ 光感知構成要素、１０６ 処理構成要素、１１０ 物体、１１２，１１４，１１６，１２０ 矢印、１２２ ボックス、１３０ 矢印、２００ フィルタ構成、２０２ 物体、２０４，２０６ フィルタアセンブリ、２０８ ボックス、２１０ アセンブリ、２１２、２１４ 矢印、２１６、２１８ フィルタ、２２０ アセンブリ、２２２，２２４ 矢印、２２６，２２８ フィルタ、５００ 分析計、５０２ 支持構造体、５０４ 蛇行チャネル、５０６ 物体、５１０ コールターカウンタ、５１２ ミー散乱センサ、５２０ 発出光エンコーダ／光センサ、５２２ 励起／変位構成要素、５２４ フィルタ構成要素、５２６ 光感知構成要、５３０，５３２，５３４ 構成要素、５４０ バルブ、５４２，５４４ 矢印、６００ 物品、６０２ チャネル部分、６０４ 非チャネル部分、６０８ ポート、６１０ フィルタアセンブリ、６１２，６１４，６１６，６１８，６２０ フィルタ、６２２ 帯域阻止材料、６３０、６３２ 構成要素、６４０ 物体、６４２，６４４，６４６ フィルタアセンブリ、６４８ 光センサ、６５０ 画像平面、６５２ 光学構成要素、６６０ 傾斜した表面、６６２，６６４ 矢印、６６６ ポート、６６８ 端部表面、６７０ 光センサ、６７２，６７４ 曲線、９５０ フィルタ構成、９５２ フィルタサブアセンブリ、９５４ スタック等価フィルタ、９７０，９７２，９７４，９７６，９７８ ボックス。

Claims (4)

1. 光子エネルギーの適用範囲内の組合せ透過関数をもつ透過／反射フィルタであって、
   前記組合せ透過関数がより単純な透過関数の組の重畳または調整された重畳と近似的に等しく、前記組が２つ以上のより単純な非均一透過関数を含み、
   前記重畳または調整された重畳において、前記単純な非均一透過関数の少なくとも２つのサブセットの各々が互いに異なり、互いに対して位置決めされ、
   その結果、前記フィルタを通り過ぎる１つ以上の経路のうちのいずれかに沿って移動する物体から発出する前記光子エネルギーの適用範囲内の入力光に応じて、前記フィルタが、前記サブセットの前記関数の各々に従って出力光に時間変化を与える透過／反射フィルタを含むことを特徴とする製造物品。
2. 適用分野において操作することができる装置であって、
   物体が装置の動作中にそれぞれの経路に沿って移動することができるチャネルを含む流体構造と、
   前記チャネル中の物体から発出する光を受け取ることができるフィルタアセンブリを含む符号化構成要素であって、光子エネルギーの適用範囲内にあり、前記フィルタ構成を通り過ぎる前記チャネルを通って移動する物体から発出している入力光に応じて、前記フィルタアセンブリが出力光を与え、前記フィルタアセンブリが、
   前記光子エネルギーの適用範囲内の組合せ透過関数をもつフィルタ要素であって、
   前記組合せ透過関数が２つ以上の単純な透過関数の組の重畳または調整された重畳と近似的に等しく、前記組が２つ以上の単純な非均一透過関数を含み、
   前記重畳または調整された重畳において、前記単純な非均一透過関数の少なくとも２つのサブセットの各々が互いに異なり、互いに対して位置決めされ、
   その結果、前記入力光に応じて、前記フィルタアセンブリが、前記サブセットの前記関数の各々に従って前記出力光に時間変化を与えるフィルタ要素と
   を含むことを特徴とする装置。
3. 物体がチャネルを通って移動する適用分野においてチャネルを含む流体構造を使用する方法であって、
   一連の１つ以上の物体の各々がチャネルを通るそれぞれの経路に沿って移動するとき、一連の１つ以上の物体の各々が光子エネルギーの適用範囲内のそれぞれの光を発出している間、出力光を与えるために前記物体のそれぞれの光の一部を前記チャネルに沿って設けられたフィルタ構成要素を透過／反射させ、
   前記光の一部を透過／反射する動作が、
   前記光子エネルギーの適用範囲内の組合せ透過関数に従って前記光の前記一部を透過／反射し、前記組合せ透過関数が２つ以上の単純な透過関数の組の重畳または調整された重畳と近似的に等しく、前記組が２つ以上の単純な非均一透過関数を含み、
   前記フィルタ構成要素が前記チャネルに対して位置決めされ、
   前記重畳または調整された重畳において、前記単純な非均一透過関数の少なくとも２つのサブセットの各々が互いに異なり、互いに対して位置決めされ、
   その結果、前記光の前記一部に応じて、前記出力光が前記サブセットの前記関数の各々に従った時間変化を有するステップを
   含むことを特徴とする方法。
4. 光子エネルギーの適用範囲内の光を透過／反射するフィルタを製作することを含む方法であって、
   前記フィルタを製作する動作が、前記光子エネルギーの適用範囲内の組合せ透過関数をもつ前記フィルタを製作することであって、
   前記組合せ透過関数が２つ以上の単純な透過関数の組の重畳または調整された重畳と近似的に等しく、前記組が２つ以上の単純な非均一透過関数を含み、
   前記重畳または調整された重畳において、前記単純な非均一透過関数の少なくとも２つのサブセットの各々が互いに異なり、互いに対して位置決めされ、
   その結果、前記フィルタを通り過ぎる１つ以上の経路のうちのいずれかに沿って移動する物体から発出する前記光子エネルギーの適用範囲内の入力光に応じて、前記フィルタが、前記サブセットの前記関数の各々に従って出力光に時間変化を与えるステップを
   含むことを特徴とする方法。

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