JP6046723B2 - 光ビームをホイル内に結合させる方法及びデバイス - Google Patents

Description

本発明は、透明部材−具体的にはホイルのような平面状部材−内に光を結合させる方法及び光学デバイスに関する。

特許文献1は、カートリッジ内で光学検査を行う−具体的には減衰全反射(FTIR)による磁性粒子の検出−マイクロエレクトロニクスセンサデバイスを開示している。カートリッジは、そのカートリッジの面に対してある特定の傾きを有する光の入射窓と射出窓を有する。

国際公開第2009/016533A2号パンフレット

本発明の目的は、平面状透明部材内への光の結合を費用対効果良く実現することを可能にする手段を供することである。

上記目的は、請求項1及び2に記載の方法、請求項3に記載の光学デバイス、及び請求項13に記載の使用によって実現される。好適実施例は従属請求項に開示されている。

本発明の方法は、光ビームが通過可能な所与の延在軸を有する長方形の入射窓を備える透明部材内に前記光ビームを結合させることを可能にする。前記入射窓の実際の形状はかなりの程度任意である。ただし前記入射窓の実際の形状は典型的には、前記窓の延在軸に沿った長さと該長さよりも短い幅を有する長方形である（又は少なくとも長方形の領域を含む）。前記入射窓の典型的なアスペクト比（つまり長さと幅との比）は約20:1〜3:2の範囲である。

当該方法は、焦線（典型的には2つの焦線のうちの第1）が前記入射窓の軸に沿って延びるように前記入射窓上で前記光ビームを非点集束させる段階を有する。

本願において、「非点集束」とは、（非対称な）光ビームの集束であって、前記光ビームのすべての光線は−理論的にも−同一焦点で出会わないようなものを意味する。その代わり、前記光ビームの光線が通過する少なくとも1本の一次元の線分（以降「焦線」と呼ばれる）が存在する。通常、2本のそのような焦線が特定されうる。前記2本のそのような焦線は互いに平行ではなく（典型的には互いに垂直）、光軸に沿って離間している。

しかも前記入射窓の軸に沿った（第1）焦線の延在とは、前記（第1）焦線と前記入射窓の軸との間の角が約45°未満で好適には約20°未満であることを意味する。前記焦線と前記入射窓の軸とは実質的に平行であることが最も好ましい（この向きの許容度は、全記入者窓の結合NA、第1焦点距離、第2焦点距離、及び高さによって定められる前記焦線の実際の形状に依存する）。

前記第1焦線を用いて平面状光学部材内に光を結合させた後、前記光は、全反射を利用して前記光学部材内部で前記光軸に沿って導光される。その結果、高強度の領域が、前記入射窓からの巨視的な距離である前記光学部材内部の前記第2焦線の位置で生じる。前記巨視的な距離は、非点光学系の2つの焦点距離の差によって与えられる。これらの特徴は、前記光学部材の端部から数mm離れた位置にセンサ領域を有する薄い光学部材（たとえばカートリッジ）にとっては特に重要である。

本発明はさらに、2つの主要部材を有する光学デバイスに関する。当該2つの主要部材とは具体的には以下である。

a) 長方形の入射窓を有する透明部材が設けられ得る又は設けられている収容空間（又はホルダ）。第1の場合（「設けられ得る」）では、前記透明部材は典型的には、当該光学デバイスに属さない交換可能な素子である。第2の場合（「設けられている」）では、前記透明部材は、前記収容空間に恒久的に配置され、かつ、当該光学デバイスの一部とみなすことができる。

b) （好適には第1）焦線は前記入射窓の軸に沿って延びるように、前記収容空間にある前記透明部材の入射窓上に光ビームを非点集束させる集束光学系。

当該方法及び光学デバイスは、本発明の関連実施例である。従って、これらの実施例のうちの一に供される説明及び定義は他の実施例にも有効である。

当該方法及び光学デバイスは、長方形の入射窓を用いて平面状透明部材内への完全な光ビームの結合を可能にするという利点を有する。これは通常、前記透明部材の単純な形状でも利用可能である。焦線が前記入射窓の軸に沿って延びるような前記光ビームの非点集束を用いることによって、前記入射窓の長方形の形状は、最適に利用される。これにより、前記光ビームの他の集束特性に関する−以降で詳述する第2焦線に関する−自由度が残される。

以降では、当該方法及び光学デバイスに関する本発明の様々な実施例が説明される。

非点集束した光ビームは通常、第2焦線を有することは既に述べた。本発明の好適実施例では、光学設計パラメータの設計は、第2焦線が前記透明部材内部に設けられるように行われる。これにより、すべての光線が集中する領域を前記透明部材内部に生成することが可能となる。

一般的には、前記長方形の入射窓が供されている限り、前記透明部材は任意の3次元形状を有して良い。しかも全反射の導波条件が満たされることが好ましい。好適実施例では、前記透明部材は（透明）材料の平板又はシートであるので、最も容易に実現可能な形状を有する。具体的には、前記透明部材はホイルであり、好適には厚さが約50μm〜約1000μmのホイルである。光学検査用に試料を内部に供することが可能な使い捨てカートリッジがたとえば、係るホイルによって実効的に実現され得る。

前記透明部材と前記集束光学系の設計は、前記光ビーム−又は前記光ビームの少なくとも1本の光線−が少なくとも1回前記透明部材内部で全反射するようにされることが好ましい。このようにして、前記光ビーム又は該光ビームの一部は、損失することなく前記透明部材内部を伝播するので、前記入射窓から離れた標的領域に到達することができる。好適には前記光ビームは、たとえば2つの対向する表面で複数回全反射し、故に、導波路内で伝播するように伝播する。

上述の設計は、たとえば前記第1焦線に属するNAが最大値NA_max未満である場合に実現され、前記透明部材内での全反射が保証され、それにより導波路として機能する。この最大値は次式のように推定されうる。

ここでn_componentは前記透明部材の屈折率で、n_surroundingは前記透明部材の周辺媒質の屈折率である（たとえば空気の下でかつ水の上である場合にはn_surrounding=n_waterである）。

他の実施例によると、前記透明部材は、前記光ビームが（前記透明部材への入射後に）全反射される検出領域を有する表面を備える。これにより、たとえば前記反射表面付近の限られた領域を照射するのに、全反射によって生じるエバネッセント波の生成を利用することが可能となる。よって試料の標的成分はたとえば、減衰全反射によって検出されて良い。最も好適には、前記非点集束光ビームの第2焦線は前記検出領域に設けられることで、この領域に前記光ビームの全光線が到達する。ここで前記第2焦線は、前記検出領域に対して垂直な向きをとることが好ましい。

光ビームの非点集束を実現するため、前記集束光学系は非点収差レンズ−たとえばシリンドリカルレンズ−を有して良い。

非点集束される前記光ビームは原則として、任意の光源−たとえば環境光−を起源として良い。しかし最も好適には、当該光学デバイスは、前記光ビームを制御可能なように生成する（技術的な）光源を有する。前記光源はたとえば、レーザー又は発光ダイオード(LED)であって良い。前記光源には任意で前記光ビームをコリメートする光学系が供されて良い。前記集束光ビームのNAは、全反射条件を満たすのに十分小さく−先に定義されたNA_max未満であることが好ましい−なければならない。

測定又は検出処理が意図されるとき、前記透明部材を飛び出す光を検出するために光検出器が通常は追加される。この光は具体的には、前記透明部材内に結合した前記光ビームを起源として良い。つまりこの光は、該光ビームの（たとえば反射又は散乱）光子又はこの光ビームによって誘起された（たとえば蛍光）光子で構成されて良い。前記検出器は、所与のスペクトルの光が検出可能な適切なセンサ又は複数のセンサ−たとえばフォトダイオード、フォトレジスタ、光電池、CCDチップ、又は光電子増倍管−を含んで良い。

上述の実施例の発展型によると、前記光検出器の信号を処理及び評価する評価ユニットが供される。前記評価ユニットはたとえば、専用電子機器ハードウエア及び/又はソフトウエアが付属するデジタルデータ処理用ハードウエアによって実現されて良い。

さらに前記透明部材内部及び/又は該透明部材に隣接する空間内に磁場を発生させる磁場発生装置（たとえば永久磁石又は電磁石）が供されて良い。前記磁場によって、たとえば前記透明部材の近くに存在する試料内の磁気的にラベルが付された標的成分を操作することが可能となる。

本発明はさらに、分子診断、生体試料分析、化学試料分析、食品分析、及び/又は鑑識分析への上述の光学デバイスの使用に関する。分子診断はたとえば、標的分子に直接的若しくは間接的に付着する磁気ビーズ又は蛍光粒子の助けを借りることによって実現されて良い。

本発明の上記及び他の態様は、後述する実施例を参照することによって明らかとなる。

球面レンズによるホイル内への光ビームの結合の様子を概略的に表す斜視図を表している。 図1の機器設定の上面を表している。 光ビームがホイル内に非点収差を伴って結合する光学デバイスの概略的斜視図を表している。 図3の機器設定の上面を表している。 計算に用いられる形状パラメータを表している。 焦点距離とビーム直径を開口数の関数として表す図である。 非点集束光ビームの斜視図である。 設計パラメータの導出に用いられる式を表している。

図中、同様の参照番号は同一又は同様の部材を表している。

特許文献1は、超常磁性ナノ粒子の光学検出に基づくイムノアッセイバイオセンシング技術について記載している。ここでは、ナノ粒子の磁気特性は、(i)検出表面へ向かう検体の拡散プロセスの速度向上、及び(ii)光学検出前に未結合ナノ粒子が検出領域から抽出される磁気清浄段階の実現に用いられている。検出には、減衰全反射が用いられて良い。しかも基板に束縛されたナノ粒子からの散乱光の暗視野検出−単一ビード検出とも呼ばれる−が用いられて良い。

上述の方法では、使い捨てのプラスチック射出成形カートリッジが用いられる。前記カートリッジはたとえば、血液フィルタ、緩衝用構成要素とナノ粒子を含む検出チャンバへ血漿を輸送するマイクロフルイディクスデバイス、並びに、全反射に必要な励起光の内部結合、及び、FTIR検出用の減衰全反射(FITR)ビーム又は暗視野検出用の結合ナノ粒子の散乱光の外部結合を行う光学窓を有する。

ホイルに基づくカートリッジが用いられることは望ましい。その理由は、ホイルに基づくカートリッジが用いられることで、大量の並列ロール・トゥ・ロール製造が可能となることで、相対的に高価な射出成形技術が不要となるからである。ホイルに基づく光学カートリッジへ向けて入り込む光が直面する問題の一つは、エバネッセント波の生成に必要な光の結合である。既知の射出成形さたカートリッジには入射窓と射出窓が備えられている。係る入射窓と射出窓には、複雑で平坦ではない部材が必要とされる。

従って解決されるべき問題は、どのようにして、
(i) エバネッセント場が検出チャンバの位置で生成されるように、
(ii) 十分に局在化されたスポットで十分高強度で、かつ、
(iii) 回折格子やプリズム等の複雑な構造をさらに必要とすることなく、
ホイル基板内部に光を結合するのかである。

主たる目的は、さらなる回折格子、プリズム、又は導波路構造なしで標準的で純粋な光学ホイルを用いることである。ホイル内部に光のビームを集束させるとき、集束光学系は、2つの基本規則に従わなければならない。その2つの基本規則とは、(i)ホイル端部での光学スポットはホイルの厚さhよりも小さいこと、及び、(ii)集束ビームの開口数は、結合光がホイルの上面と底面で全反射する程度に十分小さいこと、である。

図1と図2は、上述の方法が、平面状透明ホイル10内に光ビームLを集束させる球面レンズ51によって実現されるときに、何が起こるかを表している。ホイル10（又はそのサブ領域）の側面は、長さ延在軸（ｘ軸）及び幅ｈ（ｙ方向）を持つ長方形の入射窓Wを構成している。ビームウエイストはホイル10の端部に位置する。点Fからビームは再度発散することで、ホイル10の端部からある程度離れた位置に存在する関心領域12での強度が減少する。

これを解決するため、つまり、
(i) ホイル端部での集束によってホイル内部にすべての光を結合する
(ii) 関心領域でも焦点を生成する
ため、たとえばシリンドリカルレンズのような非点収差光学系を用いることを提案する。

図3は上記考え方による光学デバイス150を概略的に示している。この光学デバイス150は2つの主要部材を有する。前記2つの主要部材とは以下である。

− 本実施例では（図1及び図2のように）透明ホイル110によって表される透明部材。通常は、このホイルは、交換可能（使い捨て）部材又はカートリッジである。前記交換可能（使い捨て）部材又はカートリッジには調査されるべき試料が供されて良い。前記交換可能（使い捨て）部材又はカートリッジは一回使用後廃棄される。従って光学デバイス150は一般的に、係るホイル若しくはカートリッジ110用のホルダ又は収容空間を有する。他方カートリッジ自体は、光学デバイス別個の独立した素子を構成する。

− 本実施例では非点収差レンズ151で表される集束光学系。

図3はさらに、レンズ151によって光ビームLへ非点集束されるコリメートされた（平行）光ビームを生成する光源152を示している。

非点収差レンズ151は、入射平行光を集束させる。それにより2つの焦線FxとFyが、レンズからz=fx及びz=fyの位置にそれぞれ生成される。fxでの第1焦線Fxはxz平面内に属するような向きをとる。前記第1焦線は、ある長さlxを有して良い。しかしその高さhyはホイルの厚さhよりも明確に小さい。その結果、すべての光はホイル110の内部に結合されうる。開口数(NA)が十分小さい場合には、すべての光は、全反射によってホイル110内部へ送られる。fyでの第2焦線Fyはxy平面内に属するような−好適にはy軸に沿った−向きをとる。前記第2焦線は、ある長さlyと幅hxを有する。前記長さlyと幅hxは、ホイル内部のNAxとNAy及び非点収差距離｜fy-fx｜によって支配される。この焦線がy方向に沿っていても、依然としてすべての光はホイル110内部に閉じこめられ、かつ、この焦線は、全反射によって「自分自身へ折りたたまれる」。よって図4の上面図が示すように、光ビームLのすべての光は、関心領域112へ送られて良い。

図3はさらに、ホイル110を飛び出す光を検出する光検出器153を概略的に示している。この光検出器153の信号は、たとえば関心領域112に付着する試料の標的成分の量に関する処理と評価を行う評価ユニット154へ送られる。さらにホイル110の下に設けられる磁場発生装置155が示されている。これにより、ホイル110の上方の試料内部の磁性粒子を操作することが可能な磁場を発生させることが可能となる。

図5は、非点収差光学系の幾何学形状に係る光学公式を適用することによって提案された結合用の幾何学的形状の寸法が定められるときに使用される幾何学形状の変数の定義を以下のように表している。設計パラメータは、非点収差レンズ151の焦点距離fxとfy及び入射ビームの直径aである。実験上の拘束条件は、(i)ホイル内部での全反射条件、(ii)ホイル端部から測定されるビームウエイストの位置（この場合では幅wを有するホイルの真ん中）、及び(iii)ホイルに入射するときのfxでの焦線の幅によって与えられる。

設計パラメータは、fx,fy,aである。

拘束条件は以下の通りである。

(i) NA_xは、ホイル内部でのTIRを可能にするのに十分な程度小さくなければならない。つまりNA_x < NA_TIRである。ホイル（光学接合剤の薄い層であって良い）の屈折率nとそのホイル上部に直接設けられている材料の屈折率n_tが与えられると、最大許容結合開口数は次式と等しくなる。

(ii) fxでの焦線Fxはカートリッジの端部と一致しなければならない。

(iii) 屈折のため、fyでの焦線Fyは、カートリッジ内部でδfyだけシフトする。この量は、δfy=(n-1)(fy-fx)によって与えられる（ここでnはホイルの屈折率である）。

fyでの第2焦線Fyはカートリッジの中心に位置することが好ましい。カートリッジの幅wが与えられると、fy+δfy-fx=w/2又はfy-fx=w/(2n)となる。

カートリッジ内部でx方向に沿ってある距離xdにわたって分離する複数の異なる検出領域を照射するため、各対応する非点収差レンズの直径は、この値xdを超えてはならない。実際の用途では、結合レンズは、カートリッジの入射窓の近くに設けられる結果、対応するlxのある最大値が得られることが好ましい。fxでの第1焦線Fxの長さlxは、ある最大値lx=lmaxを有しなければならない。この結果、式(1)と(2)が図8で再現される。これら2つの式を組み合わせること結果、図8の式(3)が得られる。これを式(2)に代入する結果、非点収差光学系の焦点距離fx,fy及び入射ビームの直径aを表す最終的な式の組が得られる。

一般的には、x方向及びy方向における非点収差光学系の開口数は必ずしも同一である必要はない。NAx（つまりyz平面におけるFxでの入射角）は全反射条件によって決定される。NAy（つまりxz平面におけるFyでの入射角）は、位置Fyでの集束スポットの最終的な幅を決定する。

位置fxでの入射ファセット上ですべての光を結合するため、y方向でのビームのNAは、焦線Fxの高さがカートリッジの厚さhよりも小さくなる程度に十分大きくなければならない。つまり、1.22λ/NA_y < h, NA_y > 1.22λ/hである。

一のさらなる実装上の要求は、より多くのビームが（x方向において）互いに隣り合って位置することでホイル内部に多数のスポットが生成されうるように、十分小さなビーム直径aであることである。これは、2つ以上の読み取りスポットを有する（たとえば多重チャンバ及び/又は多スポット多重化）バイオセンサ用とにとって有利となりうる。

数値の例としては、以下の値が想定され得る。

− ビーム直径の典型的な値はa=1mmである。

− カートリッジ/ホイル幅の典型的な値はw=8mmである。

− ホイルの屈折率はn=1.51である。

− 接合剤の屈折率はn_t=1.4である。

この結果、NA_TIRの最大値は0.54となる。

図6は、（以上のパラメータ、及び第1焦線の長さlx=0.6mmに関して）焦点距離fx,fyとビーム直径aを入射NAxの関数として表している。

これから、焦点距離fy=4.4mm、fx=1.8mm、及びビーム直径a=1.0mmのレンズが、カートリッジの入射面でNAが0.28となる最大結合を可能にすると結論づけることができる。第1焦線の幅はこの場合、lx=600μmである。

係る光学系の品質をさらに調査するため、光線追跡シミュレーションが、これらのパラメータを用いて実行された。図7は、このシミュレーションの光学構造の3Dレイアウトを表している（全反射を示していない）。

本発明を実験的に検証するため、プラスチック製光学カートリッジが、光学グレードPMMAホイルから構成された。光は、球面レンズとシリンドリカルレンズとの組み合わせを利用することによってこのカートリッジのTIR層内に結合された。カメラが、カートリッジの上部を観察したことで、TIR層底面での結合した光の散乱を監視した。観察された散乱光は、非点収差光学系を用いてTIR層内部での結合した光の集束を明確に示す。

Claims (14)

1. 軸に沿って延びる入射窓を有する透明部材内に光ビームを結合させる方法であって、
   非点収差レンズによって前記入射窓上に前記光ビームを非点集束させることで、
   − 前記光ビームの焦線が前記入射窓のｘ軸に沿って延び、
   − 前記光ビームの第2焦線が、ｘ軸に対して直交するｙ軸に沿って延び、かつ、前記透明部材内部に位置し、かつ、
   − 前記光ビームが前記透明部材内部で少なくとも1回全反射される、
   段階を有し、
   前記透明部材が検出領域を有する表面を備え、
   前記第2焦線が前記検出領域に位置する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記透明部材が、具体的には厚さが約50μm〜約1000μmのホイルである材料の平板又はシートであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
3. 光源が、前記光ビームを発生させるために供されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
4. 光検出器が、前記透明部材を飛び出す光−具体的には前記の結合した光ビームを起源とする光−を検出するために供されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
5. 評価ユニットが、前記光検出器の信号を処理及び評価するために供されることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
6. 磁場発生装置が、前記透明部材内部に及び/又は前記透明部材に隣接して磁場を発生させるために供されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
7. 軸に沿って延びる長方形の入射窓を有する透明部材が設けられ得る又は設けられている収容空間；
   前記入射窓上に光ビームを非点集束させる集束光学系であり、
   − 前記光ビームの焦線が前記入射窓のｘ軸に沿って延び、かつ
   − 前記光ビームの第2焦線が、ｘ軸に対して直交するｙ軸に沿って延び、かつ、前記透明部材内部に位置する、
   ように構成された集束光学系；
   を有し、
   前記光ビームが前記透明部材内部で少なくとも1回全反射され、
   前記透明部材が検出領域を有する表面を備え、
   前記第2焦線が前記検出領域に位置する、
   光学デバイス。
8. 非点収差レンズが、前記光ビームを集束させるために供されることを特徴とする、請求項7に記載の光学デバイス。
9. 前記透明部材が、具体的には厚さが約50μm〜約1000μmのホイルである材料の平板又はシートであることを特徴とする、請求項7に記載の光学デバイス。
10. 光源が、前記光ビームを発生させるために供されることを特徴とする、請求項7に記載の光学デバイス。
11. 光検出器が、前記透明部材を飛び出す光−具体的には前記の結合した光ビームを起源とする光−を検出するために供されることを特徴とする、請求項7に記載の光学デバイス。
12. 評価ユニットが、前記光検出器の信号を処理及び評価するために供されることを特徴とする、請求項11に記載の光学デバイス。
13. 磁場発生装置が、前記透明部材内部に及び/又は前記透明部材に隣接して磁場を発生させるために供されることを特徴とする、請求項7に記載の光学デバイス。
14. 分子診断、生体試料分析、化学試料分析、食品分析、及び/又は鑑識分析への請求項7乃至13のうちのいずれか一項記載の光学デバイスの使用。

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