JP2015504523A - ハイパースペクトル撮像システムのための波長測定機能を有する波長可変光源システム - Google Patents

Abstract

ハイパースペクトル撮像システムのための波長測定機能を有する波長可変光源システムが開示されている。方法は、中心波長を調整している間に波長可変光ビームの一部を参照フィルタリングするステップ、少なくとも１つの光検出器を用いて参照フィルタリングされた波長可変光ビームを検出して、当該参照フィルタリングされた波長可変光ビームから中心波長によって変化する少なくとも１つの検出器信号を生成するステップ、及び当該少なくとも１つの検出器信号に基づいて可変中心波長を判定するステップを含んでいる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、合衆国法典第３５巻第１１９条の下に、米国仮特許出願第６１／５６４，９５１号（出願日２０１１年１１月３０日）の優先権の利益を主張する。当該出願の内容は、その全体が参照されることで本願明細書に援用されかつ本願明細書に包含されている。

技術分野
本発明は、波長可変光源に関し、特にハイパースペクトル撮像システムの波長可変光源システムに関する。当該波長可変光源システムでは、ハイパースペクトル撮像システムの作動中に、波長可変光源が当該波長可変光源の波長可変光ビームの波長を測定可能である。

ハイパースペクトル撮像システムは、様々な電磁スペクトルの画像を撮影する。ハイパースペクトル撮像システムの一例は、ラベル非依存検出（label-independent detection）（ＬＩＤ）光学リーダである。ＬＩＤ光学リーダは、タンパク質のような標的分子に結合している薬品を検出するため、または細胞材料が薬品に応答して移動する際の生細胞内の変化の検出に用いられる。いくつかのタイプのＬＩＤ光学リーダは、ＲＷＧバイオセンサのアレイの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサの表面における屈折率の変化を測定する。個々のＲＷＧバイオセンサは、マイクロプレートの各々のウェル内に配されている。

１つのタイプのＬＩＤ光学リーダにおいて、ハイパースペクトル撮像処理のための異なったスペクトルの光が、波長可変な光源によってもたらされる。波長可変光源は、中心波長の範囲に亘って狭帯域光を掃引する。デジタルカメラは、当該異なった中心波長に関するＲＷＧバイオセンサの画像を撮影する。狭帯域光の波長帯域幅は、通常は１ｎｍから２ｎｍのオーダーである。

ＲＷＧバイオセンサの正確な測定を保証するため、狭帯域光源の中心波長は、高分解能であるべきことが知られている。今日まで、このような高解像度を達成することは、非常に費用がかかることであるとされてきた。中心波長を正確な値で測定して維持するコストの安い方法は、ＬＩＤリーダ及び他のハイパースペクトル撮像システムを商業的に魅力のあるものにし得る。

本発明の１つの特徴は、可変な中心波長λ_Cを有する波長可変光ビームを出射する波長可変光源を含む波長可変光源システムである。光偏向素子は波長可変光ビーム内に配されており、波長可変光ビームの少なくとも一部を偏向させる。参照帯域幅を有する参照フィルタ（reference filter）が配され、それによって波長可変光ビームの偏向させられた一部がフィルタリングされて、フィルタリングされた光ビームが生成される。少なくとも１つの光検出器が配され、それによってフィルタリングされた光ビームが検出され、検出された光スペクトルを示す少なくとも１つの検出器電気信号が生成される。コントローラは、波長可変光源及び光検出器に動作可能に接続され、少なくとも１つの検出器電気信号を受信し、当該信号から波長可変光ビームの可変な中心波長を判定する。

本発明の他の特徴は、波長可変光源からの波長可変光ビームの中心波長λ_Cを測定する方法である。当該方法は、中心波長λ_Cを調整している間に波長可変光ビームの一部を参照フィルタリングするステップを含む。当該方法は、参照フィルタリングされた可変光ビームを少なくとも１つの光検出器を用いて検出するステップと、それによって中心波長λ_Cと共に変化する少なくとも１つの検出器信号ＳＤ（λ_C）を生成するステップとを含む。当該方法は、当該少なくとも１つの検出器信号ＳＤ（λ_C）に基づいて中心波長λ_Cを判定するステップも含む。

本発明の他の特徴は、波長可変光ビームを出射しかつ当該波長可変光ビームの中心波長λ_Cを測定する波長可変光源システムである。当該システムは、波長可変光ビームの少なくとも一部を偏向させるように配された光偏向素子を有する。参照フィルタは参照帯域幅を有し、当該偏向させられた一部をフィルタリングしてフィルタリングされた光ビームを生成する。少なくとも１つの光検出域は、当該フィルタリングされた光ビームを検出し、検出された光スペクトルを示す少なくとも１つの検出器電気信号を生成する。コントローラは、当該波長可変光源及び当該少なくとも１つの光検出器に動作可能に接続され、当該少なくとも１つの検出器電気信号を受信して当該信号から当該波長可変光ビームの中心波長を判定する。

本発明のこれらのまたは他の特徴は、後述の発明の詳細な説明、特許請求の範囲及び添付の図面を参照することによって当業者にさらに理解されるだろう。

本発明のさらなる完全な理解は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって得られる。

本発明の波長可変光源システムを含む光学読取システムの一例の全体の概略図である。 ＲＷＧバイオセンサの一例の拡大概略図である。 関連する領域または「ウェル」内のＲＷＧバイオセンサのアレイを動作可能に支持するマイクロプレートの一例の上面図であって、本図において、当該マイクロプレートはマイクロプレートホルダによって保持されている。 マイクロプレートの一例の一部の断面斜視図である。 波長可変光源システムによってもたらされた入射照明光の様々な波長に関連した一群のデジタル画像を示す図である。 相対感度（％）対調整された波長λ_C（ｎｍ）のプロットを示し、かつ中心波長λ_Cが調整された際の撮像センサの１つのピクセルにおいて観測されたＲＷＧバイオセンサスペクトルＬＲ（λ）及びその後の観測における（例えば、生物学的活動の故の）スペクトルのシフトを示す図である。 図７Ａから図７Ｄは、図１の光学読取システムの光学撮像装置の様々な実施形態を示しており、図７Ｅは、照明光学系レンズ系の一例の拡大図である。図７Ｅにおいて、レンズ系はコリメートされた波長可変光ビームを形成し、当該レンズ系には角度調整可能波長フィルタが挿入され得る。 波長可変光ビームの中央波長λ_Cを測定し、かつ透過参照フィルタ及び単一の光検出器を有する検出器システムを用いる波長可変光源システムの一例の概略図である。 図８の透過参照フィルタの参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）の一例を参照フィルタ透過率対波長のプロットとして示した図である。 図９の参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）に対する一連の波長調節位置（中心波長λ_C1，λ_C2，...，λ_C5）に関する図８の波長可変光源の電気的な透過検出器信号ＳＤ_T（λ）を表す図である。 図８と同様の図であり、検出器システムが透過参照フィルタではなくて反射参照フィルタを含んでいる波長可変光源の一例を示す図である。 図１０と同様の図であり、図８の波長可変光源の構成に関して、電気的な反射検出器信号ＳＤ_R（λ_C）とともに参照フィルタ関数スペクトルＳＲ_R（λ）のプロットを示す図である。 図８と同様の図であり、検出器システムが波長可変光源の一部の全体強度を測定する波長可変光源システムの一例を示す図である。 図１３と同様の図であり、部分的に反射性で部分的に透過性を有しかつ波長可変光ビーム部の光経路内に配される参照フィルタを検出器システムが含む波長可変光源システムの一例を示しており、当該反射性かる透過性を有する光検出器が反射的にフィルタリングされた波長可変ビームの一部及び透過的にフィルタリングされた波長可変光ビームの一部を各々検出するように配されている。 角度分解能ｄλ_C／ｄφ（fm／arc-sec）対中心波長λ_Cのプロットを示しかつ典型的な角度可変波長フィルタの調整角度φに対する中心波長における変化の感度を示す図である。 ギアボックス、ギアモータ及びモータコントローラを含む角度調整ユニットの一例の側面斜視図である。 図１６と同様の図であり、リニアアクチュエータ、及びヒンジによって揺動する角度可変フィルタを含む角度調整ユニットの他の例を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態は、添付の図面に記載されている。

図１は、本明細書に開示されかつ以下にさらに詳細に説明される波長可変光源システム及び方法とともに用いるのに適した光学読取システム（「システム」）１００の一例の全体図である。システム１００は、１または複数の共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサ１０２をインタロゲーションするために用いられる撮像システム１１４を含む。撮像システム１１４は、照明光学系１３０及び光学撮像装置１４０を含む。例示の撮像システム１１４は、以下でさらに詳細に説明される。波長可変光源を有する例示の光学読取システム１００は、米国特許第７，５９９，０５５号、並びに米国特許出願公開第ＵＳ２０１１／０１０９９０９号及び第ＵＳ２０１０／０２９６０８９号に開示されている。

図２は、ＲＷＧバイオセンサ１０２の一例の拡大側面図である。当該ＲＷＧバイオセンサ１０２は、格子１０３及び表面１０５を有し、選択された生物学的物質１０４（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬剤、化学的合成物、核酸、ペプチド、炭水化物等の生化学的物質）が当該表面１０５に固定される。ＲＷＧバイオセンサ１０２は、光学的にインタロゲーションされ得るように支持される必要がある。典型的な支持構造は、「マイクロプレート」と称される。図３は、マイクロプレート１７０の一例の上面図である。当該マイクロプレート１７０は表面１７３を有する支持プレート１７１を含み、表面１７３内は、表面１７３内に形成された複数のウェル１７５を有している。例示の支持プレート１７１は、図４の部分図に示されかつ、例えば、米国特許出願公報第２００７／０２１１２４５に開示されているように、上側プレート１７１Ｕ及び下側プレート１７１Ｌという２パーツ構造を有している。マイクロプレートの表面１７３は、表面法線Ｎを有している（図１参照）。

図３のマイクロプレート１７０は、ＲＷＧバイオセンサ１０２がアレイ１０２Ａとして配列されてウェル１７５内に動作可能に支持されている例示の構成を示している。例示のＲＷＧバイオセンサアレイ１０２Ａは、２ｍｍ角のＲＷＧバイオセンサ１０２が４．５ｍｍのピッチで配列されており、１列ごとに１６個のＲＷＧバイオセンサが含まれ、１行毎に２４個のＲＷＧバイオセンサが含まれている。実施形態において、基準４２８が用いられて、システム１００においてマイクロプレート１７０が配されかつ／またはアラインメントされる。マイクロプレートを保持するマイクロプレートホルダ１７４も示されている。様々なタイプのプレートホルダが、マイクロプレートホルダ１７４として使用され得る。

図１を再度参照すると、システム１００は波長可変光源システム２００を含んでいる。波長可変光源システム２００は、以下でさらに詳細に説明される。波長可変光源システム２００は、波長可変光源１０６を含む。波長可変光源１０６は、スペクトルＬ（λ，λ_C）及びスペクトル線幅Δλ_Tを有する狭帯域波長可変ビーム１３４を生成する。波長可変ビーム１３４には、所定の期間に亘って所定の異なる中心波長がもたらされる。

実施形態において、波長可変光源１０６は、８１８ｎｍから８５３ｎｍの中心波長λ_Cを各々有する時系列的な狭帯域波長可変光ビーム１３４を出射し、波長の調整速度は０．１ｎｍ／秒から３００ｎｍ／秒の間である。この時系列的な狭帯域波長可変光ビーム（「波長可変光ビーム」）１３４は、時間と共に中心波長λ_Cが変化する単一の狭帯域光ビームであるとも考えられ得る。従って、本明細書における説明において、波長可変光ビーム１３４は１つだけとされてもよい。

波長可変光源１０６が、波長可変光ビーム１３４を自由空間に向けて出射するように示されているが、光学導波路（例えば光ファイバ）を用いる導波構成が選択されてもよい。

波長可変光源１０６からの波長可変光ビーム１３４は、結像系１１４及び照明光学系１３０に向かい、光軸Ａ１を有している。照明光学系１３０は、波長可変光ビーム１３４を少なくとも１つの入射光ビーム１３４Ｉに変換する。当該入射光ビーム１３４Ｉは、光偏向素子１２６（例えば、ビームスプリッタ）を通過し、マイクロプレート１７０の１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２を含む領域１３５に亘って入射させられる（例えば、３８４ウェル形式のマイクロプレート１７０の４×３のウェルに亘って、１つのＲＷＧバイオセンサに亘って、または全てのＲＷＧバイオセンサに亘って入射させられる）。１つの例において、入射光ビーム１３４Ｉは、ＲＷＧバイオセンサ１０２に亘って移動させられ（走査され）、照明光学系１３０が移動（走査）させられることによって、またはマイクロプレートホルダ１７４によってマイクロプレート１７０が移動させられることによって他の領域１３５がカバーされる。

入射光ビーム１３４Ｉは、１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２で反射され、それによって反射光ビーム１３４Ｒ（すなわち反射光）が生成される。当該反射光ビーム１３４Ｒは、光偏光素子１２６によって、結像レンズ１４２及び画像センサ１４４を有する光学撮像装置１４０に向かわされる。画像センサ１４４は、１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２を含む被照明領域１３５の電子（すなわちデジタル）画像１４５（図５参照）を撮影する。画像センサ１４４は、撮影された電子画像１４５を表す生の電子画像信号Ｓ１４５を生成する。光学撮像装置１４０は画像センサ電子装置１４６も含む。画像センサ電子装置１４６は、画像センサ１４４からの生の電子画像信号Ｓ１４５を前処理し、前処理済みのデジタル画像を表す前処理済み電子画像信号Ｓ１４６を生成する。画像センサ１４４の一例は、コダック社（Kodak, Inc）（ニューヨーク州、ロチェスター）から入手可能な７．４マイクロメートルのピクセルサイズを有するKAI-0340CCDのようなＣＣＤ（charge-coupled device）チップ、またはＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）チップである。光学撮像装置１４０の一例は、プロシリカ社（prosilica）（カナダ、ブリティッシュコロンビア州、バーナビー）から入手可能なＶＧＡ解像度における最大フレームレートが２１５ｆｐｓのProsilica GE680 GigEカメラのようなＣＣＤカメラである。実施形態において、画像センサ１４４は１または複数のフォトダイオードのアレイであり得る。

システム１００は、処理ユニット（「プロセッサ」）１５２及びメモリユニット（「メモリ」）１５４を有するコントローラ１５０も含んでいる。プロセッサ１５２の例には、コンピュータ、マイクロプロセッサ、１または複数のＣＰＵ（central-processing units）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等が含まれる。メモリ１５４は、固体メモリ、磁気メモリ及び光学メモリ等のコンピュータにおいて用いられる様々なタイプのデジタルメモリであり得る。コントローラ１５０は、画像センサ電子装置１４６から前処理済み電子画像信号Ｓ１４６を受信し、それをメモリ１５４内に保存する。プロセッサ１５２は、プロセッサ１５２またはメモリ１５４内に保存されている命令（例えば、画像処理ソフトウェア）に基づいて、前処理済み電子画像信号Ｓ１４６内に含まれているデジタル画像１４５を解析する。この処理は以下でさらに詳細に説明される。

実施形態において、コントローラ１５０は、スペクトルプロット、共振波長プロット及び他の測定結果並びにシステム状態及び性能パラメータを表示するディスプレイユニット１５６を含むかまたはこれと動作可能に接続されている。実施形態において、スペクトルは、共振波長（例えば、測定されたスペクトルのセントロイドの各々として計算されたもの）のみがメモリ１５４内に保存されるように直接処理され得る。

一例において、コントローラ１５０は、波長可変光源１０６に電気的に接続されて、以下でさらに詳細に説明される波長調整パラメータｘに関する情報を含む波長可変光源からのフィードバック信号ＳＦを受信する。

例示のＲＷＧバイオセンサは、センサ表面１０５における屈折率の変化を用いる。センサ表面１０５は入射光ビーム１３４Ｉ及び反射光ビーム１３４Ｒの導波路結合特性に影響を与えて、ＲＷＧバイオセンサにおける生物学的物質１０４のラベルフリー検出を可能とする。生物学的物質１０４は、ＲＷＧバイオセンサ表面１０５上に配されているバルク流体内に配され、この生化学的物質のバイオセンサ表面への結合がＲＷＧバイオセンサ１０２における屈折率を変化させる。

生物学的物質１０４を検出するために、ＲＷＧバイオセンサ１０２は、入射光ビーム１３４Ｉを用いて探査され、反射光ビーム１３４Ｒが光学撮像装置１４０に受光される。光学撮像装置１４０は波長可変光源１０６と同期され、入射光ビーム１３４Ｉの中心波長λ_Cが波長帯域に亘って掃引（調整）される際に、光学撮像装置が様々な波長に対応する一連のデジタル画像１４５を撮影する。従って、光学撮像装置１４０は、ＲＷＧバイオセンサ画像１４５の一連の（収集）画像１４７を取得する。一連の画像１４７の各々は、異なった中心波長λ_Cを有する入射光ビーム１３４Ｉに対応する。

図５は、異なった（中心）波長λ_C1，λ_C2，．．．λ_Cj，．．．λ_Cn，に関する画像１４５の一群の画像１４７である。当該一群の画像は画像の「三次元」（３Ｄ）データファイルまたは「データキューブ」を構成する。図５は、実施の画像１４５の一例も含む。光学撮像装置１４０は、１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２の画像１４５の一連の画像を撮影し、画像の各々は波長可変光源１０６から出射された一連の波長可変光ビーム１３４の異なった中心波長λ_Cjの１つに対応する。最後に、プロセッサ１５２が一群の画像１４７を受信して処理し、例えば１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２において生化学的相互作用または他の事象があったか否かを判定する。

図６は、相対感度（％）対波長λ（ｎｍ）のプロットであり、光ビーム１３４の波長位置λ_Cが８２２から８３８ｎｍまで調整された際の画像センサ１４４の１つのピクセルにおいて観測された共振波長λ_Bを伴う第１のＲＷＧセンサスペクトルＬＲ（λ）の一例を示している。図６は、その後に、同一の生物学的物質１０４内で観測された第２のＲＷＧバイオセンサスペクトルも示している。これは、例えば、バイオセンサ１０６の表面１０５における生物学的物質１０４における変化の結果としての共振波長のシフトを伴っている。共振波長のシフトは、矢印ＡＲＷによって示されている。例において、システム１００は、ＲＷＧバイオセンサスペクトルＬＲ（λ）のピーク（すなわち共鳴波長λ_B）における波長シフトδλ_Bを１ピコメートル（ｐｍ）の再現性をもって測定する必要がある。

一例において、スペクトルＬ（λ，λ_C）を有する波長可変光ビーム１３４は、図６に示されているＲＷＧバイオセンサ反射スペクトルＬＲ（λ）と同様である。例示の波長可変光ビームスペクトルＬ（λ，λ_C）は、実質的にローレンツまたはガウス分布を有しており、１ｎｍから２ｎｍの幅のＦＷＨＭ（full width half maximum）スペクトル幅ΔＬ_Tを伴っている。１つの例において、スペクトルＬ（λ，λ_C）の各々の中心波長は、１００ｐｍの２４０ステップにて８２０ｎｍから８４４ｎｍの間で変動し、システム１００は、上述の１ｐｍの再現性を達成するために撮影フレームの１／１００ｔｈの波長再現性を必要とする。他の例において、波長再現性はそれほど良好ではないが、コントローラ１５０はバイオセンサ測定結果の各々、すなわち撮影フレームの各々から撮影フレームの１／１００ｔｈまでの中心波長λ_Cを知得している。他の例において、システム１００は、中央波長λ_Cの精確な知得及び適切なフィードバック機構によって、撮影フレームの１／１００ｔｈの波長再現性を達成する。

コントローラ１５０は、生物学的物質１０４の存在によって生起するＲＷＧバイオセンサ１０２における屈折率の変化を（例えば、１００万分の１のオーダーで）検出するように構成される（例えば、プロセッサ１５２がプログラミングされるかまたはメモリ１５４内に保存されているソフトウェアの制御の下で動作する）。実施形態において、ＲＷＧバイオセンサ表面１０５は、抗体またはタンパク質等の特定の相補的な生物学的物質１０４のみの表面付着を許容する例えば生化学的化合物（図示せず）または同様の生物学的または化学的活性物質によってコーティングされ得、それによってＲＷＧバイオセンサ１０２が非常に高感度にかつ非常に特異的になる。このように、システム１００及びＲＷＧバイオセンサ１０２は、様々な生物学的物質１０４を検出するために使用され得る。同様に、ＲＷＧバイオセンサ１０２は、ＲＷＧバイオセンサ表面１０５に固定化された細胞における移動または変化を検出するために使用され得る（例えば、細胞がＲＷＧバイオセンサに対して移動した場合、または細胞が物質を取り込むかまたは排出した場合に屈折率の変化が生起する）。

複数のＲＷＧバイオセンサ１０２がマイクロプレートホルダ１７４によって支持されているマイクロプレート１７０のウェル１７５内のアレイ１０２Ａに動作可能に支持されている場合、高スループットの薬品または化学的スクリーニング調査を可能とするために使用され得る。光学リーダシステム１００の走査を用いた生物学的物質１０４（または生体分子結合事象）の検出に関するさらに詳細な説明については、米国特許出願第１１／０２７，５４７号を参照されたい。他の光学リーダシステムは、米国特許第７，４２４，１８７号、７，５９９，０５５号及び７，５７６，３３３号、並びに米国特許出願公開第２００６／０２０５０５８号及び２００７／０２０２５４３号に記載されている。

コントローラ１５０及び当該コントローラ１５０内のメモリ１５４は、入射光ビーム１３４Ｉの中心波長λ_Cの各々の前処理済み電子画像信号Ｓ１４６を介して収集された前処理済み画像１４５を受信する。当該の収集された一群の画像１４７は、図５に示す上述の「データキューブ」を形成する。その後、プロセッサ１５２は、画像処理ソフトウェアを用いて一群の画像１４７を自動的に処理し、１）照明されている１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２の１または複数において、生化学的相互作用または他の事象があったかを判定し；２）照明された１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２の各々において、１または複数のセンサ領域、１または複数の参照領域もしくはその両方を検索し；３）照明された１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２の各々において欠陥領域を除去し；４）照明されたＲＷＧバイオセンサ１０２の各々において界面化学状態の均一性及び標的分子の固定化をキャリブレーションするか；またはこれらの組み合わせを行う。

必要ならば、プロセッサ１５２は、複数の撮像領域（ピクセル）がＲＷＧバイオセンサ１０２におけるセンサ及び参照領域（図示せず）の位置に関する事前の情報と共に破棄され得る。このモードにおいて、複数のピクセルは単一の検出器としてグループ化され、センサスペクトル／画像の数が破棄された領域の数まで減少させられ得る。このようにして、データ処理が非常に単純化され得る。

特定のインタロゲーション用途のための１Ｈｚのデータレートを達成するために、波長可変光源１０６の順次的（sequential）走査及び光学撮像装置１４０によって撮影されたスペクトル画像１４５の順次的収集は、１秒で完了する必要がある。この要求は、十分に波長可変光源１０６及び波長可変光源システム２００の現在の性能の範囲内である。もちろん、この性能または任意の他のデータレートを達成するために、所望の波長サンプリングポイント数が画像センサ１４４（及び付随する画像センサ電子機器１４６）のフレームレートを決定づける。例えば、単一の調整シーケンスの間に５００個のサンプルを取得するためには、フレームレートは５００ｆｐｓ（frames per second）にされる必要がある。Basler A504k等のＣＭＯＳカメラである光学撮像装置１４０は、１０２４×１２８０ピクセル形式で５００ｆｐｓ実現することが可能であり得、部分領域画像に関してはさらに高いフレームレートとすることが可能である。１Ｈｚのデータレートを達成する必要が無い用途において、さらに速度の遅い光学撮像装置１４０が使用され得る。

例示の撮像システム
４つの例示の撮像システム１１４及びそれらの動作が、図７Ａから図７Ｄに関して説明される。図７Ａにおいて、撮像システム１１４は、マイクロプレート１７０において垂直からほぼ垂直に近い角度の入射角αを有しており、照明光学系１３０は、波長可変光ビーム１３４を受光して当該光ビームをコリメートレンズ１３３に向かわせるレンズまたはレンズ系１３２を含んでいる。コリメートレンズ１３３は、インタロゲーションビームとして提供されるコリメートされた入射光ビーム１３４Ｉを波長可変光ビーム１３４から生成し、当該ビームを折返ミラー（fold mirror）１３７に向かわせる。折返ミラー１３７は、コリメートされたインタロゲーションビーム１３４Ｉを反射して、インタロゲーションビーム１３４Ｉが光偏向素子１２６を通り抜けて領域１３５に亘ってマイクロプレート１７０のウェル１７５内に配されている所定数のＲＷＧバイオセンサ１０２を照明するようになす。代替的に、照明光学系１３０は、複数のインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成して、当該複数のインタロゲーションビームの各々がマイクロプレート１７０のウェル１７５のうちの１つ内に配されている対応するＲＷＧバイオセンサ１０２を照明するように構成されてもよい。さらに、光学撮像装置１４０が照明された１または複数のＲＷＧバイオセンサ１０２から画像１４５を収集するために選択された視野を有するテレセントリック結像レンズを有している。

図７Ｂは、撮像システム１１４の一例の概略図であり、当該図において入射光ビーム１３４Ｉが傾いた（すなわち垂直でない）入射角αを有している。垂直でない入射角αは、光偏向素子１２６の必要性をなくし、光の効率を４倍向上させる。この実施形態において、照明光学系１３０は、波長可変光ビーム１３４を受光して、それを所定の角度でコリメートレンズ１３３に向かわせるレンズ１３２を含んでいる。コリメートレンズ１３３は、波長可変光ビーム１３４を受光して、マイクロプレート１７０のウェル１７５内に配されている所定数のＲＷＧバイオセンサ１０２を照明するコリメートされたインタロゲーションビーム１３４Ｉを出力する。代替的に、照明光学系１３０は、複数のインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成し、当該複数のインタロゲーションビームの各々が対応するＲＷＧバイオセンサ１０２を照明するように構成されてもよい。さらに、光学撮像装置１４０は、所定の角度で配置されかつ１または複数の照明されたＲＷＧバイオセンサから画像１４５を収集するように選択された視野を有するテレセントリック結像レンズを有している。

図７Ｃを参照すると、照明光学系１３０及び光学撮像装置１４０がテレセントリック結像レンズ１４２の前面レンズ（またはレンズグループ）１４２Ａを共有する故に、比較的小さなフットプリントを有する撮像システム１１４の一例が示されている。この実施形態において、照明光学系１３０のレンズ１３２は、波長可変光ビーム１３４を受光して、当該波長可変光ビーム１３４を発散する態様で折返ミラー１３７に向かわせる。折返ミラー１３７は、発散した波長可変光ビーム１３４を反射して、当該波長可変光ビーム１３４が光偏向素子１２６を通過して前面レンズ１４２Ａに向かうようになす。前面レンズ１４２Ａは、マイクロプレート１７０のウェル１７５内に配された所定数のバイオセンサ１０２を照明するインタロゲーションビーム１３４Ｉを形成する。前面レンズ１４２Ａは、反射光１３４Ｒを収集して、当該反射光を光偏向素子１２６に向かわせる。光偏向素子１２６は、上述のように画像センサ１４４上に反射光１３４Ｒを結像させるレンズ１４２Ｂに反射光１３４Ｒを向かわせる。

図７Ｄは、撮像システム１１４の一例の概略図であり、照明光学系１３０及び光学撮像装置１４０がテレセントリック結像レンズ１４２の前面レンズ１４２Ａを共有している。照明光学系１３０のレンズ１３２は波長可変光ビーム１３４を受光して、波長可変光ビーム１３４が光偏向素子１２６を通過して、折返ミラー１３７を介して前面レンズ１４２Ａに向かうようになす。前面レンズ１４２Ａは、波長可変光ビーム１３４をコリメートしてインタロゲーションビーム１３４Ｉを生成する。前面レンズ１４２Ａはマイクロプレート１７０及びマイクロプレート１７０内のＲＷＧバイオセンサからの反射光１３４Ｒの収集も行い、当該反射光を折返ミラー１３７を介して光偏向素子１２６に戻す。その後、光偏向素子１２６は、反射光１３４Ｒを光学撮像装置１４０の第２のレンズ１４２Ｂに向かわせ、上述のように画像センサ１４４上に反射光１３４Ｒを結像させる。

図７Ｄの撮像システム１１４は、軸Ａ３に沿って例示の検出器システム３１８に向けて波長可変光ビーム１３４の一部を偏向させることによって波長可変光ビームの一部１３４Ｐを生成するために、光偏向素子１２６がどのように使用されているかの例を示している。検出器システム３１８は、コントローラ１５０に動作可能に接続されており、コントローラ１５０は波長可変光源１０６に動作可能に結合されている。検出器システム３１８は、少なくとも１つの光検出器３２０を用いて構成されており、少なくとも１つの電気的検出信号ＳＤを生成し、当該少なくとも１つの電気的検出信号ＳＤがコントローラ１５０に提供される。当該少なくとも１つの電気的検出信号ＳＤは、以下でさらに詳細に説明されるように、中心波長λ_Cを表す情報を含んでいる。コントローラ１５０は、当該少なくとも１つの電気的検出信号ＳＤを処理して、中心波長λ_Cを判定するように構成されている。コントローラ１５０は、光源信号Ｓ１０６を用いて波長可変光源１０６を制御するように構成される。光偏向素子１２６に関するこの特定の構成は、波長可変光ビーム１３４の光の損失が非常に少ないという利点を有している。

図７Ｅは、波長可変光源システム２００の構成の一例の一部拡大図であり、レンズ系１３２がコリメートレンズ２１２及び集束レンズ２１３を含んでいる。レンズ系１３２は、偏光板２１４を含んでいてもよい。コリメートレンズ２１２は、広帯域光源２０１から広帯域発散光２１０を受光して、当該広帯域発散光２１０から広帯域コリメート光ビーム２１０Ｃを生成する。１つの例において、角度調整可能な波長フィルタ（「フィルタ」）２１６が、広帯域光源２０１の下流において、光軸Ａ２に沿ってかつ広帯域コリメート光ビーム２１０Ｃ内に配されている。フィルタ２１６は、全体として軸Ａ２に平行に進んできた広帯域コリメート光ビーム２１０Ｃに対して角度（フィルタ角）φが付けられている。フィルタ２１６は、広帯域コリメート光ビーム２１０Ｃを（コリメートされた）波長可変光ビーム１３４に変換する。

集束レンズ２１３は、コリメートされた波長可変光ビーム１３４を受光して、当該波長可変光ビーム１３４から収束光ビーム１３４を生成する。収束光ビーム１３４は、光偏向素子１２６を通過する際に、前面レンズ１４２Ａ及びマイクロプレート１７０へ向かう経路において、最初に収束しその後発散する。一例において、レンズ系１３２はコリメートレンズ２１２のみを含んでいる。

波長測定機能を有する波長可変光源システム
図８は、波長可変光源システム２００の一例の概略図である。当該波長可変光源システム２００は、システム１００の動作中に、すなわちバイオセンサ測定処理の間に、波長可変光ビーム１３４の中心波長λ_Cを測定するように構成されている。波長可変光源システム２００は、コントローラ１５０に動作可能に接続されている波長可変光源１０６を含む。波長可変光源１０６は、光軸Ａ２に沿って波長可変光ビーム１３４を出射する。波長可変光ビーム１３４は上述の可変な中心波長λ_Cを有し、一例において、スペクトル形状Ｌ（λ，λ_C）は、中心波長が変化（調整）させられた場合でも実質的に一定のままであり、

となる。

波長可変光源システム２００は、光軸Ａ２に沿ってまたは光軸Ａ２の近傍に配されており、光軸Ａ３を画定する光偏向素子１２６を含んでいる。光偏向素子１２６は、光軸Ａ２に対して角度（例えば、直角）を有している。一例において、光偏向素子１２６は、光偏向素子１２６に入射する波長可変光ビーム１３４のいくらか（すなわち、一部）を部分的に反射し、当該波長可変光ビームの残りの部分を透過させるビームスプリッタである。他の例示の実施形態において、光偏向素子１２６は波長可変光ビーム１３４の光経路内に部分的に挿入された鏡である。概して、光偏向素子１２６は波長可変光ビーム１３４の少なくとも一部を偏向させるように構成されている。１つの例において、光偏向素子１２６は、必要に応じて波長可変光ビーム１３４の光経路内に挿入されかつそこから取り除かれ得る。

参照バンドパスフィルタまたはエッジフィルタ（以下、「参照フィルタ」という）３１０は光軸Ａ３に沿って配されており、透過型光検出器３２０Ｔは、参照フィルタの下流に同様に光軸Ａ３に沿って配されている。参照フィルタ３１０は、透過（フィルタ）関数ＳＲ_T（λ）を有し、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタであり、システム１００によって使用されている波長可変光源システム２００の波長帯を含むのに十分な、λ_Lからλ_RまでのΔλ_Rの広帯域の遷移を伴う。透過型光検知器３２０Ｔは、コントローラ１５０に電気的に接続されている。

一例において、参照フィルタ３１０は、軸Ａ３に対して角度βをもって配され、波長可変光源システム２００のデザインの一部として特定される（すなわち、参照フィルタの製造時または組立時の）参照フィルタ３１０の動作パラメータである。１つの例において、β＝０°である。他の例において、β＝４５°である。

１つの例において、波長可変光源１０６は、スーパーラムダイオード社（Superlum Diode, Ltd.）（ロシア、モスクワ）から入手可能なスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：super luminescent diode）のような広帯域光源２０１を含む。ＳＬＤ光源２０１の一例は、２０ｎｍのスペクトル帯域幅Ｗを有しかつ約８４０ｎｍの中心波長λ_Cを有する。光が十分にコリメートされるならば、従来の広帯域ＬＥＤも広帯域光源２０１として使用され得る。広帯域光源２０１は、光軸Ａ２に沿って広帯域光ビーム２１０を出射する。実施形態において、広帯域光源２０１は、１０ｎｍから４５ｎｍの範囲のスペクトル幅を有する。

引き続き図８を参照すると、波長可変光源１０６は、広帯域光源２０１の下流において、光軸Ａ２に沿って広帯域コリメート光ビーム２１０Ｃ内に配されている上述のフィルタ１２６も含んでいる。フィルタ角φは、フィルタの表面法線Ｎ′及び軸Ａ２に対して測定される。一例において、フィルタ２１６は、フィルタ角φを制御するように構成された角度調節ユニット２２０に機械的に接続されている。例示の角度調節ユニット２２０は、以下で説明される。

フィルタ２１６は、中心波長λ_Cを有するスペクトルバンドパス（線幅）Δλ_Tに亘って光を透過するように構成されている。フィルタ２１６の「波長可変性」は、波長可変光ビーム１３４のスペクトル線幅Δλ_Tを十分に狭く維持しつつ、フィルタ角φに応じて中心波長λ_Cを調整する能力をいう。従って、フィルタ２１６は、基本的に中心波長λ_Cに従ってシフトする参照フィルタ関数Ｌ（λ，λ_C）を有する。広帯域光ビーム２１０は、可変フィルタ２１６を通って進み、上述のスペクトル線幅Δλ_Tである波長可変光ビームスペクトルＬ（λ、λ_C）を有する上述の狭帯域波長可変光ビーム１３４となる。波長可変光ビーム１３４のスペクトルＬ（λ，λ_C）が実質的に形状を変えずに単に中央波長λ_Cに応じてシフトする場合、波長可変光ビームスペクトルは、Ｌ（λ−λ_C）と表され得る。

図７Ｅに関して上述したように、波長可変光源１０６は、光軸Ａ２に沿って、例えば広帯域光源２０１とフィルタ２１６との間に配されている偏光板２１４を含んで、広帯域光ビーム２１０を直線偏光させてＰ偏光またはＳ偏光を得てもよい。いくつかの場合において、偏光板２１４のＳ偏光構成が用いられる。なぜならば、広い入射ビーム角の範囲亘って使用可能であるからである。波長可変光源１０６が光軸Ａ２に沿って広帯域光源２０１の近傍に配されるコリメートレンズ２１２を含み、それによって広帯域コリメート光ビーム２１０Ｃが生成されてもよい。

フィルタ角φは、角度調節ユニット２２０に制御信号を送信するコントローラ１５０によって修正され、角度調整ユニット２２０は、当該制御信号に応じてフィルタ２１６の配置（角度）を調整する。角度調整ユニット２２０は、フィルタ角調整をもたらす周波数調整（wavelength tuning）パラメータｘを表すフィードバック信号ＳＦを、コントローラ１５０内のデータ収集ボード１５８に返送してもよい。波長調整パラメータｘは、波長可変光源１０６内で用いられている波長調整機構のタイプに応じて、例えば機械的配置、電圧、電流等であってもよい。１つの例において、波長調整パラメータｘは、フィルタ角φを表すものである。波長調整パラメータｘは、コントローラ１５０内にあるのが有用である。なぜならば、波長調整パラメータｘを、少なくとも１つの検出器信号ＳＤ（λ_C）によってコントローラにもたらされる中心波長λ_Cの測定値に関連付けることが可能であるからである。

図８の波長可変光源システム２００の動作において、コントローラ１５０は制御信号ＳＣ０を波長可変光源１０６、具体的には波長可変光源１０６内の広帯域光源２０１に送信する。制御信号ＳＣ０は、広帯域光源に広帯域光ビーム２１０を出射せしめる。

広帯域光ビーム２１０は軸Ａ２に沿って進み、上述のように中央波長λ_C及びスペクトルＬ（λ，λ_C）を有する波長可変光ビーム１３４を生成するフィルタ２１６を通過する。波長可変光ビーム１３４は、その後、上述の波長可変光ビームの一部１３４Ｐを偏光して軸Ａ３に沿って進ませる光偏向素子１２６に達する。その後、波長可変光ビームの一部１３４Ｐは、透過型光検知器３２０Ｔによって検出される、透過されてフィルタリングされた光ビームの一部１３４ＰＦＴを生成する参照フィルタ３１０を通り抜ける（すなわち透過する）。それに応じて、透過型光検出器３２０Ｔは、調整される（すなわち変化する）中心波長λ_Cに応じて、透過されてフィルタリングされた光ビームの一部１３４ＰＦＴの検出された強度を表す透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）を生成する。その後、この検出器電気信号ＳＤ_T（λ_C）は、コントローラ１５０に送られてコントローラ１５０によって受信される。

図９は、透過率Ｔ（λ）対波長のプロットであり、参照フィルタ３１０の参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）の一例を示している。参照フィルタ３１０は、本質的には下側波長λ_Lと上側波長λ_Uとの間の広帯域の遷移を伴うローパスフィルタまたはハイパスフィルタである。１つの例において、参照フィルタ３１０はフィルタ曲線の傾きｍ_T（例えば、図９の例に関してはｍ_T＝１／（λ_U-λ_L））によって定義されるようなスローカットオフレート（slow cutoff rate）を有する。参照フィルタ遷移帯域は、Δλ_R＝（λ_U−λ_L）であることに留意する。

選択された参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）をもつ参照フィルタ３１０は、イリジアンスペクトラルテクノロジーズ（Iridian Spectral Technologies）（カナダ、オタワ）から入手可能である。図９の参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）の重要な特性は、透過率Ｔが、透過率Ｔ（λ_L）が実質的に不透明状態の下側波長λ_Lから透過率Ｔ（λ_U）が実質的に透明状態の上側波長λ_Uの高い値までなだらかに変化することである。図９の例示の参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）の場合、参照フィルタはハイパスフィルタであり、透過率曲線は線形である。しかし、概して、透過率Ｔ（λ）の遷移は、下側波長λ_Lと上側波長λ_Uとの間で単調に増加する必要があるのみであることに留意する。

図１０は、図９の参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）に対する一連の波長調整位置（ひいては、一連の中心波長λ_C1，λ_C2，．．．λ_C5）に関する図８の波長可変光源システム２００の透過型検出器電気信号ＳＤ_T（λ_C）を表している。矢印ＡＲは、中心波長λ_Cが調整された際の波長可変光ビームスペクトルＬ（λ−λ_C）のシフトを表している。１つの例において、波長可変光ビームスペクトルＬ（λ−λ_C）が完全に単色である場合（すなわちΔＬ_T＝０）、中心波長λ_Cに応じた透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）の形状は、参照フィルタ３１０の参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）の形状と同一になるだろう。

波長可変光ビーム１３４のスペクトルＬ（λ−λ_C）が、ガウス分布形状またはローレンツ分布形状のようななだらかな形状を有している場合、透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）は、図１０の検出器信号曲線に示すように、参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）と同様の形状を有してなだらかなエッジを有する。しかし、スペクトルＬ（λ−λ_C）の幅Δλ_Tが十分に狭い（例えば、１ｎｍから２ｎｍ）場合、透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）のスムージングは最小限となる。このことによって、波長可変光ビームがフィルタ２１６のフィルタ角φを調整することによって調整される際に、透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）を波長可変光ビーム１３４の中心波長λ_Cの測定のために使用すること可能となる。

図１１は図８と同様の図であり、検出器システム３１８が透過型ではなく反射型の参照フィルタ３１０を有する波長可変光源システム２００の一例を示している。波長可変光ビームの一部１３４Ｐは、反射型光検出器３２０Ｒによって検出される反射されてフィルタリングされた光ビームの一部１３４ＰＦＲを生成する反射型参照フィルタ３１０によって反射される。それに応じて、反射型光検出器３２０Ｒは、調整された（すなわち変化した）中心波長λ_Cに応じた反射されてフィルタリングされた光ビームの一部１３４ＰＦＲの検出された強度を表す反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）を生成する。反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）は、処理のためにコントローラ１５０に送信されてコントローラ１５０によって受信される。

図１２は図１０と同様の図であり、図１１の波長可変光源システム２００の構成の、反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）の変化応じた参照フィルタ関数ＳＲ_R（λ）のプロットを示している。この実施形態において、反射型参照フィルタ３１０は、反射型のローパスまたはハイパスフィルタとして機能し、参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）に関する反射スペクトルＳＲ_R（λ）は、等式

によって表される。反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）は、透過によって取得された透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）が正の傾き（逆も然り）を示す場合に負の傾きを示す。反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）は、検出器信号ＳＤ_T（λ_C）と同一の特性を有しており、類似の方法で中心波長λ_Cを発見するために用いられ得る。更なる例において、透過型参照フィルタ３１０がローパスの透過スペクトルを有している場合には、検出器３２０Ｔ及び３２０Ｒの役割は逆にされる。

図１３は図１１と同様の図であり、波長可変光源システム２００の一例を示している。当該波長可変光源システム２００において、検出器システム３１８は反射型参照フィルタであるが、当該参照フィルタは波長可変光ビームの一部１３４Ｐの光経路内に部分的にのみ伸張している。それ故、波長可変光ビームの一部のいくらかは、参照フィルタ３１０を通過せずに正規化光検出器３２０Ｎに直接進行する。しかし、波長可変光ビームの一部１３４Ｐのいくらかは、反射型参照フィルタ３１０によって反射され、反射されてフィルタリングされた波長可変光ビームの一部１３４ＦＰＲを生成する。

この実施形態において、正規化検出器３２０Ｎは、波長可変光ビームの一部１３４Ｐの強度を表す正規化検出器信号ＳＤ_Nを生成し、反射型光検出器３２０Ｒは、反射されてフィルタリングされた波長可変光ビームの一部１３４ＦＰＲから上述の反射型光検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）を生成する。

コントローラ１５０は、反射型光検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）及び正規化検出器信号ＳＤ_Nの両方を受信し、反射型光検出器の正規化された電気信号ＳＤ_RN（λ_C）＝ＳＤ_R（λ_C）／ＳＤ_Nを生成する。反射型光検出器の正規化された電気信号ＳＤ_RN（λ_C）は、フィルタリングされた波長可変光ビームの一部１３４Ｐの全体の強度の変化から独立している。１つの例において、システムは、反射型光検出器の正規化された電気信号ＳＤ_RN（λ_C）が０から１の範囲になるようにキャリブレーションされる。これは、高周波数（またはローパス設計では低周波数）において反射型光検出器信号ＳＤ_R（λ_C）の信号が０になるように反射型検出器信号ＳＤ_R（λ_C）をオフセットすることによって行われる。反射型光検出器の正規化された電気信号ＳＤ_RN（λ_C）も、反射型光検出器に入射光が無いときに信号が０になるようにオフセットされる。

図８の波長可変光源システム２００は、図１３の波長可変光源システム２００と同様の態様で正規化検出器３２０Ｎ及び透過型検出器３２０Ｔを含むように変更され得る。

図１４は図１３と同様の図であり、検出器システム３１８の参照フィルタ３１０が部分的に反射型でありかつ部分的に透過型である波長可変光源システム２００の一例を示している。参照フィルタ３１０は、波長可変光ビームの一部１３４Ｐの光経路内に配されている。例えば、波長可変光ビームの一部の全てが参照フィルタに入射する。従って、波長可変光ビームの一部１３４Ｐのいくらかは、参照フィルタ３１０を通り抜けて進み、透過してフィルタリングされた光ビームの一部１３４ＰＦＴとして透過型光検出器３２０Ｔに向かう。

波長可変光ビームの一部１３４Ｐの残りは、参照フィルタ３１０によって反射され、反射されてフィルタリングされた波長可変光ビームの一部１３４ＰＦＲとして検出器３２０Ｒに向かう。従って、透過型光検出器３２０Ｔは、上述の透過型光検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）を生成し、反射型光検出器３２０Ｒは、上述の反射型光検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）を生成する。

コントローラ１５０は、透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）及び反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）の両方を受信する。このことによって、透過してフィルタリングされた波長可変光ビームの一部かまたは反射されてフィルタリングされた波長可変光ビームの一部のいずれか一方のみを検出する構成の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を２倍低減する波長可変光源システム２００がもたらされる。吸収がゼロすなわち波長λとは無関係な典型的な例において、信号ＳＤ_T（λ_C）及びＳＤ_R（λ_C）の合計は、検出器システム３１８によって検出された波長可変光ビームの一部１３４Ｐの全量の忠実な測定値である。この場合、図１３の構成におけるような、波長可変光ビームの一部１３４Ｐの量（すなわち強度）の別個かつ直接的な測定は必要ない。一例において、コントローラ１５０は、修正された検出器信号ＳＤ_M（λ_C）＝｛ＳＤ_T（λ_C）−ＳＤ_R（λ_C）｝／｛ＳＤ_T（λ_C）＋ＳＤ_R（λ_C）｝を生成する。

透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）及び反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）が、各々キャリブレーションされて最小出力が０にされた場合、修正検出器信号ＳＤ_M（λ_C）は波長可変光ビームの一部１３４Ｐの強度変化には影響を受けない。さらに、透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）及び反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）は、通常は、修正検出器信号ＳＤ_M（λ_C）が−１から１の間で計測されるように、同一の最大信号値を有するようにキャリブレーションされる。

図１５は、角度分解能ｄλ_C／ｄφ（ｆｍ／ａｒｃ−ｓｅｃ）対中心波長λ_C（ｎｍ）のプロットを示しており、代表的な干渉フィルタ２１６の調整角φに対する中心波長の感度を示している。このプロットは、上述の±１ｐｍの再現性要求を示しており、これは約±３ａｒｃ−ｓｅｃｏｎｄｓまたは０．００１°未満に対応している。

画像センサ１４４内の交差したピクセルの平均化は、システムのパフォーマンスを向上させないだろう。なぜならば、普通はシステム内のピクセルの各々が同一の波長エラーの影響を受けるからである。エラーがフレームの各々二対してランダムに変化する場合、ピーク波長検出の平均化手段（セントロイド法のような手段）は、このタイプの測定エラーに対するシステム感度を低下させるだろう。しかし、複数の連続した一連の画像のうちの各々の連続した一連の画像に対して固定されたオフセットのように、エラーが他の分布を有している場合、平均化手段は感度を低下させないであろう。実際、±２のオーダーの調整角φに対する中心波長の単向性の情報が求められる。

波長可変光源システム２００の実施形態の一例において、透過型検出器の電気信号ＳＤ_T（λ_C）、反射型検出器の電気信号ＳＤ_R（λ_C）、修正検出器信号ＳＤ_M、正規化検出信号ＳＤ_N、またはこれらの信号の適切な組み合わせは、システム１００を用いたバイオセンサ１０２の読取及び測定された検出器信号から決定された中心波長λ_Cと実質的に同時に生成される。

バイオセンサの走査の終了において、２セットの測定値が存在する：バイオセンサ測定値（すなわちバイオセンサの光学的画像）及び最後の１つの検出器信号ＳＤによって決定された中心波長λ_Cの測定値である。バイオセンサ測定値の各々は、バイオセンサ測定において用いられた中心波長λ_Cの対応する測定値とマッチングされる。

図１６は、角度調整ユニット２２０の一例の側面斜視図である。当該角度調整ユニットは、側部２１７にてフィルタ２１６に動作可能に接続されている駆動シャフト２２４を伴っているギアボックス２２２を含んでいる。角度調整ユニット２２０は駆動シャフト２３を介してギアボックス２２２に機械的に接続されているモータ２３０も含んでいる。従って、モータ２３０は、「ギアモータ」と称され得る。角度調整ユニット２２０は、モータ２３０に電気的に接続されているモータコントローラ２４０をさらに含んでいる。一例において、モータ２３０は「クリック（clicks）」形式またはエンコーダライン／回転の形式の波長調整パラメータを提供し、クリックの各々は駆動シャフト２３２の離散的な位置（回転）増分に対応する。さらに、ギアボックス２２２のギア比はＲであり、ギア比Ｒは例えば比較的高い（例えばＲ≧１，０００）であるので、ギアボックスの駆動シャフト２２４の回転毎のクリック数を大きく拡大する。

角度調整ユニット２２０に使用するのに適したモータ２３０の一例としては、モデル番号IE-512の直交エンコーダを含んでいるモデル番号1524-SRのブラシＤＣモータがあり、これらの両方はドクターフリッツフォウルハーベル社（Dr.Fritz Faulhaber GmbH & Co.KG）（ドイツ、シュツットガルト）から入手可能である。モータコントローラ２４０の一例としては、モデル番号MCDC3006Sがあり、ギアボックス２２２の一例としてはモデル番号15/8のギアボックスがある。これらの両方もドクターフリッツフォウルハーベル社から入手可能である。一例において、モータ２３０のクリック数は一回転毎に２，０４８クリックであり、ギアボックスのギア比は、１６７０：１である。角度毎のクリック数は、２０４８×１６７０／３６０＝９５００クリック／角度である。角度掃引長の一例は、８３２ｎｍを中心とした１５°である。クリック毎の波長の増加の平均は、９８．２フェムトメートル、すなわち約０．０００１ｎｍである。一例において、波長掃引の再現性は、単一クリックよりも良好である。

一例において、モータコントローラ２４０及びギアモータ２３０は、ギアボックス２２２と組み合わせると分解能が比較的低くコストが安い（例えば、１／５、現在のコストは約５０ドルである）。ギアボックス２２２は、上述の機械的利点すなわちギア比Ｒ（すなわちモータ角度位置（Ｘ）とフィルタ角φの比）をもたらす。

この分解能はシステム１００のほとんどの構成に対する要求を容易に満足するが、ギアボックス２２２は、モータ出力からは予測できないだろう。例えば、ギアの間の接触面同士の潤滑の変化またはバックラッシュがあるだろう。バックラッシュは、順方向または逆方向のギア接触面の一方しか同時に係合し得ないために発生する。他方の表面との間には常時いくらかの隙間が存在するので、モータの回転方向を変更する際に、隙間の距離が埋められるまでギアボックスの動きは起きない。最良のパフォーマンスを達成するために、モータシステムは停止せずに単一の方向に回転させられなければならない。例えそうであっても、モータが停止するかまたはモータ誘導エラーを修正するために一時的に回転方向を変化させると、フィルタ２１６は、自身の運動量によってモータ２３０の前の「フリーホイール」となるだろう。一例において、この問題は、動作に対抗するバネまたはダンパー等のデバイスを加えることで修正され得る。しかし、これはシステムのコストを増大させる。

一例において、ギアボックス２２２が省略され、モータ２３０がフィルタ２１６を直接駆動してもよい。この態様において用いられるモータ２３０の一例は、燐エンジニアリング社（Lin Engineering, Inc.）（カリフォルニア州、モーガンヒル）のモデル番号4109Y-51のステップモータである。一例において、このモータは、要求された仕様に近い±１．５ｐｍの再現性で位置を保持するようにテストされた。このモータは、回転毎に４００フルステップであり、最大２５６マイクロステップであり、すなわち約３．７ｐｍ毎マイクロステップであるので、画像毎の２７ステップの増分のステップは、約１００ｐｍ毎フレームをもたらすであろう。

図１７は、角度調整ユニット２２０の実施形態の側面斜視図である。角度調整ユニット２２０は、スクリューシャフト２５２を有しているモータ２５０に電気的に接続されているモータコントローラ２４０を含んでいる。スクリューシャフト２５２はスクリューナット２５３を介して２つのフィルタ端部２１８のうちの１つにてまたはその近傍にてフィルタ２１６に機械的に接続されている。スクリューシャフト２５２が接続されているフィルタ端部２１８の反対側のフィルタ端部２１８にてフィルタ２１６に接続されているヒンジ２１９は、スクリューシャフト２５２がステップモータ２５０によってその軸に沿って移動させられる際に、フィルタ２１６が回転（揺動）することを可能にする。一例において、スクリューシャフト２５２は、ボールスクリューシャフトであってもよい。様々なタイプの調整手段を用いる角度調整ユニット２２０の他の様々な構成が用いられてもよい。駆動シャフト２６２を伴うギアボックス２６０（破線で示されている）が、位置精度を向上させるために用いられ得る。更なる例において、モータ２５０、ギアボックス２６０、スクリューシャフト２５２及びスクリューナット２５３が、リニアモータを含むリニアステージシステムと置換されてもよい。

図１２の波長可変光源システム２００を参照すると、一例において、適切なフィルタ２１６は、ダイクロイックフィルタとしても知られている干渉フィルタである。中心波長λ_Cは、以下の式によって与えられる。

ここで、φは上述のフィルタ角であり、ｎ及びλ₀はフィルタ２１６の定常特性である。１つの実施形態において、フィルタ角φは１１．５°に調整され、この角度に対して±７．５°の範囲になされる。フィルタ２１６のバンドパスΔλ_Tは、λ_Cと共に僅かに変化し得るが、例において、スペクトル形状Ｌ（λ−λ_C）はガウス関数によって十分に表される。

上述のように、１／３０００ｔｈ等の高分解能のためにフィルタ角φを調節する必要がある。しかし、このような分解能を有する角度調整ユニットは、高価（現在１０００ドル以上）でかつかなり大きい。従って、本明細書で開示されている波長可変光源システム２００は、単一の高価な高分解能エンコーダを用いるのではなく、絶対参照測定を組み合わせた比較的高価ではないコンポーネントを用いる角度調整ユニットの構成を用いる。

システム１００の測定処理の間に移動するモータに依存する角度調整ユニット２２０に関して、測定に対応するモータ位置の平均位置を特定することは有用である。これは測定処理とモータの移動との正確な同期を求める。

所定の中心波長λ_Cにおいてバイオセンサ測定の各々に対してフィルタ２１６を静止保持するモータに関して、画像撮影と波長測定との正確な同期は必要とされない。測定された中心波長は、モータ位置の不確実性を修正するために反射バイオセンサ信号ＬＲ（λ）内のピーク（図６）を判定するための演算において用いられ得る。

更なる例において、十分に正確な位置を保持可能であるがステップの欠落の影響を受けるモータに関して、波長測定は誤差運動距離の最小サイズの半分のサイズのみが必要とされる。この場合、波長測定は、共振ピーク演算において使用されないが、エラーが起きていないことを確認するために使用され得る。

モータ速度及び回転方向（バックラッシュ）等の動作の特定のモードに関する因子は、明確さのために省略される。これらの因子は、特に参照測定が実際のバイオセンサ１０２の測定と同一の態様であるかまたは同時に行われる場合に不十分な傾向がある。

波長調整パラメータｘに対するフィルタ角φの変化は、ギア比に応じている。すなわち、以下の式の様になる。

ギア比Ｒは一定だとする。ギアボックス２２２における摩耗及び摩損は、波長調整パラメータｘに影響を与えるが、（一定な）ギア比Ｒには影響を与えない。ギア比Ｒは、例えばＲ≧１０００またはＲ≧５０００といった大きな数（すなわち「ロー」なギア比）であってもよい。そして、１／５ｔｈの波長調整パラメータｘの初期の精確性は、Ｒ＝５，０００として１／２５０００ｔｈとなる。この分解能は、上述した例示の１／３０００ｔｈの分解能要求を上回る。

波長可変光源システム２００の一例において、参照フィルタ３１０は波長可変フィルタ２１６と実質的に同一である、すなわち波長可変フィルタ帯域幅Δλ_T＝Δλ_Rである。このことは、バイオセンサ１０２の測定及び参照測定に関するコントローラ１５０における実質的に同一の信号処理を可能とする。
波長可変光源を用いた光インタロゲーションシステム
バイオセンサ共振線幅に合致したフィルタスペクトル線幅を有する波長可変光源１０６は、フォトダイオードベースのマルチチャンネル光学リーダ及びＣＣＤ／ＣＭＯＳベースの撮像光学リーダを含む掃引波長光学リーダにおいて使用されるのに適している。波長可変光源１０６は、従来の光学リーダシステムにおいて使用されていた狭帯域波長可変レーザに取って代わり得る。測定されたセンサスペクトルは、入射ビーム１３４Ｉの比較的幅の広いスペクトル線幅及びバイオセンサ１０２の共振線幅のコンボリューションであり、この動作はセンサから干渉縞を自動的に除去する。

波長可変光源１０６の単純さ及び高パフォーマンスは、コンパクトな撮像システム１１４を可能にするので、ＬＩＤ光学リーダシステム１００を非常にコンパクトにすることが可能である、すなわち、一例において１０インチ×４インチ×７インチといった小さいフォームファクタを有することを可能にする。このフォームファクタは、システム１００がスーツケースサイズまたはブリーフケースサイズのハウジング内に収まるようにすることを可能にする。従って、当該システムを容易に持ち運び可能にする。

当業者にとって、本明細書に記載されている本発明の好ましい実施例に対する様々な変更は、添付の特許請求の範囲に規定されている開示の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内及びその均等の範囲内にある変形例及び変更例を含む。

Claims (20)

1. 波長可変光源システムであって、
   可変中心波長λ_Cを有する波長可変光ビームを出射する波長可変光源と、
   前記波長可変光ビーム内に配されて前記波長可変光ビームの少なくとも一部を偏向する光偏向素子と、
   参照帯域幅を有しかつ前記波長可変光ビームの当該偏光された部分をフィルタリングしてフィルタリングされた光ビームを生成すべく配されている参照フィルタと、
   前記フィルタリングされた光ビームを検出して当該検出された光スペクトルを表す少なくとも１つの検出器電気信号を生成する少なくとも１つの光検出器と、
   前記波長可変光源、前記少なくとも１つの光検出器に動作可能に接続されたコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、前記少なくとも１つの検出器電気信号を受信して、前記検出器電気信号から前記波長可変光ビームの前記可変中心波長を決定することを特徴とする波長可変光源システム。
2. 請求項１に記載の波長可変光源システムであって、前記参照フィルタが参照フィルタ関数ＳＲ_T（λ）を有し、前記参照フィルタ関数が下側波長λ_Lと上側波長λ_Uとの間で実質的に線形であることを特徴とする波長可変光源システム。
3. 請求項２に記載の波長可変光源システムであって、前記少なくとも１つの光検出器が、
   前記参照フィルタによって反射された第１のフィルタリングされた光を受光して第１の光検出器信号ＳＤ_R（λ_C）を生成する第１の光検出器と、
   前記参照フィルタを透過した第２のフィルタリングされた光を受光して、第２の光検出器信号ＳＤ_T（λ_C）を生成する第２の光検出器と、
   を含むことを特徴とする波長可変光源システム。
4. 請求項３に記載の波長可変光源システムであって、前記コントローラが以下の関係を用いて修正された検出器信号ＳＤ_Mを生成することを特徴とする波長可変光源システム。
   ＳＤ_M＝｛ＳＤ_T（λ_C）−ＳＤ_R（λ_C）｝／｛ＳＤ_T（λ_C）＋ＳＤ_R（λ_C）｝
5. 請求項１乃至４のいずれか１に記載の波長可変光源システムであって、前記コントローラが、前記コントローラに前記中心波長の演算をさせるコンピュータ可読媒体内の命令を有していることを特徴とする波長可変光源システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１に記載の波長可変光源システムであって、前記波長可変光源は、角度調整可能フィルタと、前記角度調整可能フィルタに動作可能に接続されてフィルタ角を調整して前記波長可変光ビームの可変中心波長λ_Cを調整する角度調整ユニットと、を含むことを特徴とする波長可変光源システム。
7. 請求項６に記載の波長可変光源システムであって、前記角度調整ユニットは、
   ギア比を有しかつ前記調整可能フィルタに機械的に接続されているギアボックスと、
   前記ギアボックスに機械的に接続されているモータと、
   前記モータに動作可能に接続されたモータコントローラと、
   をさらに含むことを特徴とする波長可変光源システム。
8. 請求項６または７に記載の波長可変光源システムであって、前記角度調整ユニットは、
   前記調整可能フィルタに機械的に接続されたモータと、
   前記モータに動作可能に接続されたモータコントローラと、
   をさらに含むことを特徴とする波長可変光源システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか１に記載の波長可変光源システムであって、前記波長可変光源は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）及び発光ダイオード（ＬＥＤ）のうちの１つを有する広帯域光源を含むことを特徴とする波長可変光源システム。
10. マイクロプレートによって支持されている少なくとも１つの共振導波路回折格子（ＲＷＧ）バイオセンサを読み取るためのラベル非依存光学リーダであって、
    中心波長λ_Cの範囲に亘って前記波長可変光ビームを出射する請求項１の波長可変光源システムと、
    前記波長可変光ビームを前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに向かわせて対応する反射光ビームを形成する照明光学系と、
    前記反射光ビームを受信して前記反射光ビームからデジタル画像を生成する光学撮像装置と、
    前記デジタル画像を処理して前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに対する共振波長を取得するコントローラと、
    を含むことを特徴とするラベル非依存光学リーダ。
11. 波長可変光源からの波長可変光ビームの中心波長λ_Cを測定する方法であって、
    前記中心波長λ_Cを調整している間に前記波長可変光ビームの一部を参照フィルタリングするステップと、
    少なくとも１つの光検出器を用いて前記参照フィルタリングされた波長可変光ビームを検出して、前記参照フィルタリングされた波長可変光ビームから前記中心波長λ_Cによって変化する少なくとも１つの検出器信号ＳＤ（λ_C）を生成するステップと、
    前記少なくとも１つの検出器信号ＳＤ（λ_C）に基づいて前記中心波長λ_Cを判定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、前記参照フィルタは、下側波長λ_Lと上側波長λ_Uとの間で実質的に線形な参照フィルタ関数を有することを特徴とする方法。
13. 請求項１１または１２に記載の方法であって、前記少なくとも１つの光検出器を用いて検出するステップは、
    前記参照フィルタによって反射された第１のフィルタリングされた光を第１の光検出器で受光して、第１の光検出器信号ＳＤ_R（λ_C）を生成するステップと、
    前記参照フィルタを透過した第２のフィルタリングされた光を第２の光検出器で受光して第２の光検出器信号ＳＤ_T（λ_C）を生成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか１に記載の方法であって、以下の関係を用いて修正された検出器信号ＳＤ_Mを生成するステップをさらに含むことを特徴とする波長可変光源システム。
    ＳＤ＝｛ＳＤ_T（λ_C）−ＳＤ_R（λ_C）｝／｛ＳＤ_T（λ_C）＋ＳＤ_R（λ_C）｝
15. 請求項１１乃至１４のいずれか１に記載の方法であって、前記参照フィルタリングされた波長可変光ビームを検出するのと実質的に同時に、前記波長可変光ビームの一部を用いてＲＷＧバイオセンサを測定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１１乃至１５のいずれか１に記載の方法であって、角度調整可能フィルタに広帯域光ビームを透過させて前記角度調整可能フィルタの角度を調整することによって、前記前記波長可変光ビームの前記中心波長λ_Cを調整するステップをさらに含むことを特徴等する方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記角度調整可能フィルタはスペクトルバンドパスΔλ_Tを有しており、前記方法は、前記角度調整可能フィルタのスペクトルバンドパスΔλ_Tと実質的に同一の参照バンドパスΔλ_Rを有する参照フィルタを用いて参照フィルタリングを行うステップをさらに含むことを特徴とする方法。
18. 波長可変光ビームを出射して前記波長可変ビームの中心波長λ_Cを測定する波長可変光源システムであって、
    前記波長可変光ビームの少なくとも一部を偏向するように配される光偏向素子と、
    参照帯域幅を有し、前記波長可変光ビームの当該偏光された一部をフィルタリングしてフィルタリングされた光ビームを生成する参照フィルタと、
    前記フィルタリングされた光ビームを検出して検出された光スペクトルを表す少なくとも１つの検出器電気信号を生成する少なくとも１つの光検出器と、
    前記波長可変光源及び前記少なくとも１つの光検出器に動作可能に接続されて、前記少なくとも１つの検出器電気信号を受信して前記少なくとも１つの検出器電気信号から前記中心波長を判定するコントローラと、
    を含むことを特徴とする波長可変光源システム。
19. 請求項１８に記載の波長可変光源システムであって、前記少なくとも１つの光検出器が透過されてフィルタリングされた光ビームの一部としての前記フィルタリングされた光ビームの一部を検出する第１の光検出器と、反射されてフィルタリングされた光ビームの一部としての前記フィルタリングされた光ビームの残りの部分を検出する第２の光検出器と、を含むことを特徴とする波長可変光源システム。
20. 請求項１８または１９に記載の波長可変光源システムであって、
    前記フィルタリングされた光ビームの反射された一部かまたは透過した一部のいずれかを各々が検出して、透過型検出器の電気信号または反射型検出器の電気信号のいずれかとして前記少なくとも１つの検出器電気信号をもたらす透過型または反射型光検出器のいずれかと、
    前記フィルタリングされた光ビームの一部を検出して前記少なくとも１つの検出器電気信号を正規化検出器信号としてさらにもたらし正規化光検出器と、
    を含むことを特徴とする波長可変光源システム。

Images