JP7511013B2 - 光学結像系及びそれを適用した生化物質検出系 - Google Patents

Description

本発明は、検出分野に関し、特に、光学結像系及びそれを適用した生化物質検出系に関する。

生化物質分析分野で用いられる結像分析機器は、例えば遺伝子シーケンサ、その光学結像系の大部分は高感度の科学用エリアカメラ－に基づいて設計されており、シーケンサチップの被測定領域の面積は、通常、結像系の対物レンズの一回の可視領域よりはるかに大きいため、シーケンサチップ全体の被測定領域の結像を完了するには、行列逐次走査で済ませる必要がある。データ解析段階で更にスティッチングする。

従来の科学用エリアカメラ－は、行列逐次走査を行う際に、通常、プラットフォームに基づきステッピングの設計案が利用されている。つまり、プラットフォームでシーケンシングチップを搭載して移動させることにより、異なる撮影位置のニーズに対応できる。ある撮影位置にプラットフォームが移動すると、プラットフォームが先に減速して静止してから撮影を行う必要があり、そうでなければ写真にスミアが発生してしまう。このように、プラットフォームは、高速で移動した後に速く静止し、撮影終了後には静止から高速の移動に戻す加減速能力を有していなければならない。これに対し、従来技術では、プラットフォームの加速も減速もかなりの時間を要しており、これがハイスループット光学シークエンスのボトルネックの１つとなっている。

また、光学結像系の要部とした顕微鏡の対物レンズは、従来の対物レンズでは一般に大視野と大開口数を両立できず、ハイスループットな光学結像系には適していない。

従来技術の上記一部又は全部の問題、及びその他の潜在的な問題を解決するためには、光学結像系及びそれを適用した生化物質検出系を提出する必要がある。

第１の態様では、試料を撮像して結像する光学結像系であって、前記試料を励起して、被励起光を発生させる励起光を出力する照明モジュールと、前記被励起光を記録する時間差積分ラインカメラを備える結像モジュールと、を備える光学結像系が提供される。

第２の態様では、前記光学結像系を備える生化物質検出系が提供される。

本発明の実施態様により提供された光学結像系および生化物質検出系は、１．工業用あるいは科学用のＴＤＩカメラを用いて被励起光を撮像することにより、１試料当たりの撮像時間を削減し、検出スループットを向上させることができ、２．分光装置及びフィルタ装置によりフィルタシステムを構成し、被励起光を複数の通路に分けて結像する一方、励起光およびその他の光、例えば検出光が被励起光の結像への干渉を防ぎ、結像品質を向上させており、３．光源の出力端面が矩形、あるいはさらに細長い矩形であるとともに、光源から出力される励起光が励起光整形手段によってＴＤＩカメラの受光面に合わせた照明光スポットに整形され、光源のエネルギーを最大限に利用するとともに、照明光スポットの均一性も向上しており、４．特殊な構造の対物レンズによって、大視野と大開口数の要求を同時に満足するとともに、歪曲とプランアクロマートを低減させており、５．対物レンズと試料キャリアとの間の距離をリアルタイムで調整して、試料キャリアを対物レンズの合焦平面上に保持させ、環境温度の変化、機械的振動、試料の湾曲、またはその他の要因による試料キャリアと対物レンズとの間の距離の変化を補正し、結像の品質を確保する合焦システムを採用しており、６．合焦システムが試料キャリアと対物レンズとの間の距離を特定の方法で算出し、信号ノイズ及び検出光源の輝度変化による検出結果への影響を有効に消した。

本発明の実施例に係る発明をより明確に説明するために、以下に、本発明の実施例において必要な図面を簡単に紹介するうえで、以下の説明における図面は一つの実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的な労働を伴わずに、これらの図面からも他の図面が得られることは明らかである。

本発明の一実施形態における光学結像系の構成を示す図である。 ＴＤＩカメラの結像と従来のエリアカメラの結像との各ラインの撮影時間の比較図である。 本発明の一実施形態における対物レンズの光学構造の模式図である。 図３に示した対物レンズの全視野、全帯域のＭＴＦのグラフである。 図３に示す対物レンズの歪曲線図である。 図３に示す対物レンズのエネルギー包絡図である。 本発明の一実施形態に係る鏡筒レンズと図３に示す対物レンズとの組み合わせの光学構造を示す図である。 図７に示した対物レンズと鏡筒レンズとの組み合わせの、結像通路１～４における波面収差図である。 図７に示す対物レンズと鏡筒レンズとの組み合わせの歪曲線図である。 本発明の一実施形態における光源の出力端面の模式図である。 本発明の一実施形態における励起光整形手段と図３に示す対物レンズとの組み合わせの光学構造を示す図である。 本発明の他の実施形態における励起光整形手段と図３に示す対物レンズとの組み合わせの光学構造を示す図である。 本発明の一実施形態におけるＴＤＩカメラの感光面の模式図である。 シミュレーションで得られた像面の照度図である。 図１に示す光学結像系の制御原理図である。 図１に示す光学結像系の合焦モジュールによる合焦の原理図である。 図１に示した光学結像系の合焦モジュールによる合焦の光路原理図である。 図１７に示す合焦モジュールのセンサが反射した検出光のスポットを示す模式図である。 図１に示した光学結像系の合焦時の測定により得られた各信号パターンである。 本発明の一実施形態における生化物質検出系の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態における生化物質検出系の構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態をさらに説明する。

本発明の実施例における技術的解決手段は、本発明の実施形態における図面を参照して以下に明確かつ完全に説明される。なお、記載された各実施形態は、本発明の実施形態の一部に過ぎず、すべての実施形態ではないことは明らかである。創造的な努力なしに本発明の実施形態に基づいて当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本発明の範囲内である。

なお、ある要素がもう１つの要素に「固定された」、「取り付された」と称される場合、それは直接に前記もう１つの要素に存在してもよいし、他の要素を介して前記もう１つの要素に固定されてもよい。ある要素がもう１つの要素に「設けられる」と考えられる場合、それは前記もう１つの要素に直接に設けられてもよいし、他の要素を介して前記もう１つの要素に設けられてもよい。本明細書で使用される用語「及び／又は」は、１つ又は複数の関連する項目すべての及び任意の組み合わせを含む。

本発明の一実施形態に係る光学結像系の構成を示す概略図である図１を参照する。光学結像系１は、照明モジュール１１と、合焦モジュール１３と、結像モジュール１５とを備える。そこで、結像モジュール１５は、工業用または科学用のＴＤＩカメラであるＴＤＩ（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ、時間差積分）ラインカメラ（以下、単にＴＤIカメラという）を用いて結像を行う。照明モジュール１１、合焦モジュール１３及び結像モジュール１５は、いくつかの光路誘導部品及び対物レンズ１６を共用している。照明モジュール１１は、光源１１１と、励起光整形手段１１３とを備え、光源１１１から発光した励起光が励起光整形手段１１３によってＴＤＩカメラの受光面に合わせた線状の照明スポットに整形され、この線状の照明スポットが光路案内部材により対物レンズ１６に導光され、対物レンズ１６を介して試料キャリア２に搭載された試料上に出射され、試料は励起光により励起されて被励起光を発生し、被励起光は対物レンズを介して結像モジュール１５に入射し、結像モジュール１５内のＴＤＩカメラにより記録される。前記合焦モジュール１３は、検出光を出射し、検出光は、光路案内部材により対物レンズ１６に導光されて対物レンズ１６に入射し、対物レンズ１６を介して試料キャリア２上に出射された検出光を発し、前記検出光は、試料を励起して被励起光を発生させることなく、試料キャリア２でのみ反射されて対物レンズ１６に戻され、対物レンズ１６および光路案内部材を介して合焦モジュール１３に入射され、合焦モジュール１３により試料キャリア２と対物レンズ１６との位置関係が解析されて決定され、決定された試料キャリア２と対物レンズ１６との位置関係に基づいて、試料キャリア２が対物レンズ１６の焦点面上に常に位置するように、試料キャリア２に対する対物レンズ１６の位置が調整される。

本実施形態において、前記光源１１１はレーザー光源であり、前記励起光はレーザー光である。光学結像系１は、ＤＮＡの試料を撮像してＤＮＡの試料の塩基配列を解析するシーケンシャル撮影システムである。前記ＤＮＡサンプルは試料キャリア２に搭載されており、ＤＮＡ試料のＡ、Ｔ、Ｇ、Ｃの４塩基はそれぞれ異なる蛍光色素により標識されており、対物レンズ１６から出射されるレーザ光によりＤＮＡサンプルが励起されて異なる波長の４種の蛍光を発光する。結像モジュール１５は、光学結像系１に４つの結像通路を形成するように配置された４つのＴＤIカメラ１５１を備え、各ＴＤIカメラ１５１の前には、鏡筒レンズ１５２およびカットフィルタ１５３が設けられ、各カットフィルタ１５３は、対応するＴＤIカメラ１５１に１つの波長域の蛍光のみを入射させることで、対応するＴＤIカメラ１５１には、Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃのいずれかの塩基から発せられた蛍光信号のみが記録される。結像モジュール１５は、１つの波長域の光を反射し、他の波長域の光を透過することで異なる結像通路に導光することで、異なるＴＤIカメラ１５１に記録する複数の分光装置１５４をさらに備える。本実施形態では、分光装置１５４はダイクロスコープであり、結像モジュール１５はダイクロスコープＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを備える。そこで、ダイクロスコープＡは、対物レンズ１６に対応して設けられ、対物レンズ１６の光軸と４５°をなし、被励起光を透過しながら励起光と検出光とを反射するものである。ダイクロスコープＢは、ダイクロスコープＡの後側に設けられ、ダイクロスコープＡと平行に配置され、異なる波長の被励起光を透過．反射することにより、ダイクロスコープＣとＤのそれぞれに導くものである。ダイクロスコープＣとＤは、さらに透過と反射により、異なる波長の被励起光をそれぞれ異なるカットフィルタ１５３に導光し、鏡筒レンズ１５２を介して、対応するＴＤIカメラ１５１に入射させる。

本実施形態では、照明モジュール１１と合焦モジュール１３とは、結像モジュール１５のダイクロスコープＡを共有する。他の照明モジュール１１と合焦モジュール１３とは、ダイクロスコープＥも共用し、ダイクロスコープＥは、異なる角度から入射する励起光と検出光とを共にダイクロスコープＡに導光し、さらにダイクロスコープＡに導かれて対物レンズ１６に入る。照明モジュール１１は、励起光整形手段１１３が整形した励起光をダイクロスコープＥに反射する平面ミラー１１５を備える。

本実施例は、ＴＤIカメラ１５１を用いており、ＴＤIカメラ１５１の感光チップの複数ラインの画素は、ラインごとの電荷転送を行って、同一ターゲットに対して複数回の露光結像を行って、ＴＤIカメラ１５１と試料キャリア２とを同期させることで、試料ごとの撮影時間を著しく低減し、検出スループットを向上させることができる。図２に示すように、ＴＤIカメラ１５１と、従来のエリアカメラとの撮影時の１ライン当たりの撮影時間の比較である。図２において、ｔ１は、ＴＤIカメラ１５１の各ラインの撮影時間を示し、ｔ２は、従来のエリアカメラの各ラインの撮影時間を示す。試料の各行を走査する際に、試料キャリア２を搭載する検出プラットフォームの等速移動を制御して、ＴＤIカメラ１５１が試料の同一行を連続走査して当該行の画像情報を採取することができる。このように、従来のシークエンスでは、エリアカメラによるラインごとの各視野を走査するために、検出プラットフォームの加減速が必要であり、これに比べて、ＴＤIカメラ１５１を用いた場合、改行に１回だけ検出プラットフォームを駆動して加減速を行うことにより、光学結像系１の時間利用率が向上され、光学結像系１が適用される生化物質検出装置の検出スループットも向上し、検出プラットフォームの頻繁な加減速によるリスクも同時に回避できる。

本実施例では、対物レンズ１６は、照明モジュール１１の矩形スポットを均一化して試料キャリア２上に照射するとともに、合焦モジュール１３の検出光も試料キャリア２上に導光する一方、対物レンズ１６は受光した被励起光を収集し、収集された被励起光は、鏡筒レンズ１５２を介して各ＴＤIカメラ１５１上で各通路のＤＮＡ蛍光画像を得る。

試料キャリア２上の試料点の間のピッチは百ナノメートルオーダーであるため、レイリー判定（Ｒａｙｌｅｉｇｈ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）に応じて、対物レンズ１６の開口数ＮＡ＞０．８が要求される。また、ハイスループットの結像系に対して、結像の有効視野は、縦横比が大きい細長い矩形領域となるため、ＴＤIカメラ１５１は撮像に大きな線形視野を必要とする。例えば、６Ｔ／日であるシークエンスのスループット要求に対しては、対物レンズ１６の物体側径視野は１．５ｍｍ以上であることが要求される。なお、超高スループットを実現するためには、対物レンズ１６は大きな開口数と大きな視野をともに有することが必要であるが、現在の商用顕微鏡では、一般的に低倍率の対物レンズは視野が大きいが、開口数が小さく、高倍率の対物レンズは開口数が大きいが、視野が小さく、通常両者の積は０．８未満であり、超高スループットを実現することは困難である。

したがって、本実施例で提供される対物レンズ１６は、大体、
開口数ＮＡ≧０．７、
有効作動距離＞１．２ｍｍ、
焦点距離＝１２．５ｍｍ、
５００ｎｍ～８００ｎｍの波長の光波に対するアポクロマート＜０．４μｍ、
像面湾曲＜０．４ｕｍ、
物体側視野範囲＞φ１．２ｍｍ、
鏡筒レンズとの組み合わせのディストーション＜１％などの仕様を満たしている。

この実施例による対物レンズ１６は、概して、大視野、大開口数、小歪みのプランアクロマート対物レンズであり、０．２５ｍｍカバーガラスおよび０．０５ｍｍ水層に適している。

本実施形態による対物レンズ１６の具体的な光学構造を示す図である図３を参照する。

対物レンズ１６は、物体側から像側へと順番に配置された７群のレンズ１６１～１６７を有し、前３群のレンズ１６１－１６３が負の屈折力を担い、後４群のレンズ１６４－１６７が正の屈折力を担っている。第１群レンズ１６１は、アプラナートレンズを形成し、正の像面湾曲を発生する正の屈折力を有する厚肉メニスカスレンズである第１レンズＬ１を備える。第２群レンズ１６２は、第１レンズＬ１と正の偏角を担い、正の屈折力を有するメニスカスレンズである第２レンズＬ２を備える。第３群レンズ１６３は、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４及び第５レンズＬ５を備え、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４及び第５レンズＬ５がこの順に接合され、主としてコマ収差及び色収差の補正に用いられる正の屈折力を有し３枚接合レンズ群となる。第４群レンズ１６４は、正の屈折力を有する薄肉メニスカスレンズである第６レンズＬ６を備える。第５群レンズ１６５は、正の屈折力を有する２枚接合レンズ群を接合して構成する第７レンズＬ７と第８レンズＬ８とを備える。第６群レンズ１６６は、負の屈折力を有する２枚接合レンズ群を接合して構成する第９レンズＬ９と第１０レンズＬ１０とを備える。第７群レンズ１６７は、第１１レンズＬ１１と第１２レンズＬ１２とを含み、これら第１１レンズＬ１１と第１２レンズＬ１２とが接着されて、２枚接合のメニスカス形状の負レンズ群をなし、負の屈折力を有している。このうち、第６群レンズ１６６及び第７群レンズ１６７は、像面湾曲及び歪曲の制御のために用いられる。ここで、本実施例でいう厚肉メニスカスレンズ、メニスカスレンズ、薄肉メニスカスレンズの３つのレンズの光軸方向上の厚さは、この順に低くなつており、すなわち、厚肉メニスカスレンズの光軸方向上の厚さは、メニスカスレンズよりも光軸方向上の厚さが大きく、メニスカスレンズの光軸方向上の厚さは、薄肉メニスカスレンズよりも光軸方向上の厚さが大きくなつており、本実施の形態で用いる「厚肉」、「薄肉」は、物体の厚さを説明する上での相対的な概念に過ぎない。

第１群レンズ１６１は、９．２＜ｆ１／ｆｏｂｊ＜９．７を満たし、
第２群レンズ１６２は、４．７＜ｆ２／ｆｏｂｊ＜５．５を満たし、
第３群レンズ１６３は、４．６＜ｆ３／ｆｏｂｊ＜５．６を満たし、
第４群レンズ１６４は、３．２５＜ｆ４／ｆｏｂｊ＜３．８８を満たし、
第５群レンズ１６５は、５．７１＜ｆ５／ｆｏｂｊ＜６．１１を満たし、
第６群レンズ１６６は、－４．７６＜ｆ６／ｆｏｂｊ＜－３を満たし、
第７群レンズ１６７は、－２３．９＜ｆ７／ｆｏｂｊ＜－１９．５を満たす。
そのうち、ｆ１は第１群レンズ１６１の焦点距離、ｆ２は第２群レンズ１６２の焦点距離、ｆ３は第３群レンズ１６３の焦点距離、ｆ４は第４群レンズ１６４の焦点距離、ｆ５は第５群レンズ１６５の焦点距離、ｆ６は第６群レンズ１６６の焦点距離、ｆ７は第７群レンズ１６７の焦点距離、ｆｏｂｊは対物レンズ１６の焦点距離である。

図４～図６を参照して、図４は、シミュレーションにより得られた対物レンズ１６の全視野、全帯域のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、変調伝達関数）曲線であり、図５は、シミュレーションにより得られた対物レンズ１６のディストーション曲線であり、図６は、シミュレーションにより得られた対物レンズ１６のエネルギー包絡図である。上記シミュレーション結果図から分かるように、対物レンズ１６は、結像の結果において回折限界に近く、その正規化視野の歪みは１％未満で解析度が高い。

本実施形態による対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との組み合わせの光学構造を示す図である図７を参照する。本実施の形態では、鏡筒レンズ１５２は、４枚のレンズが接合されて２枚の２枚接合レンズとされ、以下、第１３レンズＬ１３と第１４レンズＬ１４と称する。鏡筒レンズ１５２の焦点距離は１５０ｍｍ～２５０ｍｍであり、具体的に適用時においては、鏡筒レンズ１５２の具体的な焦点距離の値は、対物レンズ１６の焦点距離、ＴＤIカメラ１５１の画素サイズおよび数、光学結像系１に要求される倍率および解像度に応じて設定される。鏡筒レンズ１５２と対物レンズ１６の組み合わせは、ディストーション、像面湾曲等の結像の制限要求を満たす必要があり、鏡筒レンズ１５２は、対物レンズ１６の残収差を補償する。

図８Ａ～図８Ｄおよび図９を参照して、図８Ａ～図８Ｄは、それぞれ、シミュレーションにより得られた対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との組み合わせの結像通路１～４における波面収差曲線図であり、図９は、シミュレーションにより得られた対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との組み合わせの歪曲曲線である。ここで、図８Ａ～図８Ｄの横線Ｈは回折限界を示しており、対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との組合せによる結像通路１～４の波面収差は横線Ｈよりも低くなつており、対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との組合せによる設計が解像に係る要求の限界に達していることが分かる。図９からわかるように、対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との組み合わせによる正規化視野の歪みは１％未満である。

本実施例では、対物レンズ１６は無限補正対物レンズであり、対物レンズ１６は試料から出射した被励起光を平行光又はこれに類する平行光にすることで、対物レンズ１６と鏡筒レンズ１５２との間に必要に応じて分光装置１５４を入れるのが便利である。

図１０に示すように、本実施形態における光源１１１の出力端面を示す図である。本実施形態において、光源１１１は、赤緑の２色のレーザ光を発射するレーザ光源であり、光ファイバ結合器（図示せず）とマルチモード光ファイバ１１１１とを含む。この赤緑２色のレーザ光は、光源１１１の出力端面である出力端面１１１２を有するマルチモード光ファイバ１１１１に光ファイバ結合器を介して結合されることで出力され、本実施例では、前記出力端面１１１２はＴＤＩカメラ１５１の短冊形受光面に合うように矩形となる。したがって、光源１１１の矩形出力端面は、従来技術で常用されている円形出力端面に比べて、ＴＤＩカメラ１５１を適用することができ、励起光の利用率を高めることができる。

図１１を参照して、一実施形態における励起光整形手段１１３と対物レンズ１６との組み合わせの光学構造を示す図である。前記励起光整形手段１１３は、第１整形手段１１３ａと第２整形手段１１３ｂとを有し、第１整形手段１１３ａと第２整形手段１１３ｂとは像側から物体側に順に並べられている。第１整形手段１１３ａは、光源１１１が発光する矩形状の光スポットを第１方向に整形し、第２整形手段１１３ｂは、光源１１１が発光する照明スポットを第２方向に整形し、そこで、第１方向と第２方向とが直交し、照明スポットは、第１整形手段１１３ａと第２整形手段１１３ｂとで整形された後に、ＴＤＩカメラ１５１の結像走査に必要な縦横比で線状の光スポットを形成する。本実施例においては、前記第１整形手段１１３ａと第２整形手段１１３ｂをそれぞれ円柱レンズＣ１、Ｃ２とし、円柱レンズＣ１は照明スポットを図１に示すＸ方向に拡大し、円柱レンズＣ２は照明スポットを図１に示すＹ方向に縮小し、最終的に照明スポットをＴＤＩカメラ１５１の結像走査に必要な縦横比にする。円柱レンズＣ１、Ｃ２の焦点距離を適切に選択することで、照明モジュール１１が出力する照明スポットの縦横比を調整することができ、本実施形態では、円柱レンズＣ１、Ｃ２が照明スポット１０：１の縦横比での整形を実現する上で、光ファイバ１１１１の矩形出力端面１１１２に乗算するため、照明モジュール１１が出力する照明スポットの縦横比は約２０：１に達することができる。本実施例では、２枚の円柱レンズＣ１、Ｃ２によって照明スポットの整形を実現するが、一方で使用する整形素子が少ないため、励起光整形手段１１３は構造が簡単で、組立てや調整が容易であり、一方で素子自体や組立て公差による照明スポットのばらつきを低減できる。なお、本実施例では、臨界照明を採用し、照明の線均一性を厳密に制御し、光源１１１のエネルギーを最大限に利用しつつ、被励起光を励起させるために均一な照明を提供する。

図１２を参照して、他の実施例における励起光整形手段１１３と対物レンズ１６との組み合わせの光学構造を示す図である。前の実施例と異なり、本実施例では、前記第１整形手段１１３ａ及び第２整形手段１１３ｂは、それぞれ円柱レンズＣ３、Ｃ４であり、円柱レンズＣ３は照明スポットを図１に示すＹ方向に縮小し、円柱レンズＣ４は照明スポットを図１に示すｘ方向に拡大することで、最終的に照明スポットをＴＤＩカメラ１５１の結像走査に必要な縦横比にする。

図１３及び図１４を参照すると、図１３は、本実施例におけるＴＤＩカメラ１５１の感光面１５１１が矩形面又は更に短冊形なＴＤＩカメラ１５１の受光面を示す図である。図１４は、シミュレーションで得られた像面の照度図である。具体的には、図１４は、光学結像系１について、光源１１１の入力電力を１Ｗに正規化し、ダイクロＡ～Ｅを５０／５０に反射／投射するビームスプリッタに簡略化し、全レンズの透過率を１００％と仮定したシミュレーションを、非シーケンスシミュレーションソフトで行った像面の照度図である。像面照度図から分かるように、像側照度均一性は８５％より大きい。

別の実施例では、前記第１整形手段１１３ａと第２整形手段１１３ｂとは、それぞれ光学くさび、マイクロレンズ又は回折光学素子等でもよい。

本実施形態の光学結像系１の制御原理図である図１５を参照する。光学結像系１は、制御装置１７をさらに備える。制御装置１７は、検出プラットフォーム（本実施例では可動プラットフォーム１８）の移動速度を、ＴＤＩカメラ１５１の周波数に合わせて同期を保つように制御するとともに、光源１１１の点灯を、ＴＤＩカメラ１５１の撮影と同期をとるように制御するためのものである。具体的には、本実施形態では、上記目的を達成するため、制御装置１７は、試料キャリア２を載置する可動プラットフォーム１８に通信接続されており、可動プラットフォーム１８が指定位置に達したとき、光源１１１とＴＤＩカメラ１５１を同時にトリガして、試料、光源１１１及びＴＤＩカメラ１５１を同期させるとともに、生成された画像を変形させないように、ＴＤＩカメラ１５１の周波数を可動プラットフォーム１８の移動速度に自動的に合わせる。可動プラットフォーム１８は、図１に示すように、図示したＸ方向及びＸ方向に垂直なＹ方向への移動と、Ｘ方向とＹ方向とがなす平面内での回動とを制御可能になっており、可動プラットフォーム１８を所定位置に移動又は位置決めできるようになっている。対物レンズ１６は、Ｘ方向とＹ方向とを同時に垂直とする図示のＺ方向に移動するように制御できる。

本実施形態では、合焦モジュール１３は、検出光を照射することにより試料キャリア２と対物レンズ１６との位置関係を検出し、試料キャリア２に対する対物レンズ１６の距離を調整するように、その検出結果に基づいて対物レンズ１６のＺ方向の移動を制御することにより、試料キャリア２が常に対物レンズ１６の焦点面上に位置するようにしている。したがって、合焦モジュール１３により、環境温度の変化、機械的振動、試料キャリア２の湾曲、試料キャリア２の表面のむら、試料キャリア２の厚さの変化による対物レンズ１６と試料キャリア２との間の距離の変化を補正ことができる。

図１６を参照して、本実施例において、合焦モジュール１３による合焦の原理図である。本実施例では、合焦モジュール１３から発せられた検出光は、対物レンズ１６を通して試料キャリア２に照射され、試料キャリア２で反射されて対物レンズ１６に戻され、対物レンズ１６を通して原光路に沿って合焦モジュール１３に戻され、合焦モジュール１３は、戻された検出光に基づいて試料キャリア２が対物レンズ１６の焦点面上に位置しているか否かを判断する。試料キャリア２が対物レンズ１６の焦点面上にない場合、合焦モジュール１３は、対物レンズ１６の移動を駆動する駆動部１６１に信号を送信し、駆動部１６１を制御して対物レンズ１６を試料キャリア２に接近または離れて移動させ、試料キャリア２を再び対物レンズ１６の焦点面上に位置させる。

具体的には、本実施形態では、ＴＤＩカメラ１５１ごとの撮像データをコンピュータ装置１９に転送し、コンピュータ装置１９は、全てのＴＤＩカメラ１５１の撮像品質を予め設定された規則に基づいて総合的に評価し、対物レンズ１６の基準位置（すなわち、試料キャリア２が対物レンズ１６の焦点面上に位置するとき、対物レンズ１６がＺ方向に位置する位置）、すなわち、対物レンズ１６の基準位置を表す基準値を取得する。前記標準値は、合焦モジュール１３に供給された。前記合焦モジュール１３は、検出光路１３０と、センサユニット１３１と、制御ユニット１３２とを含む。センサユニット１３１は、戻した検出光をセンシングして電気信号を出力し、制御ユニット１３２は、センサユニット１３１から出力された電気信号に基づいて検出値を取得して、検出値と標準値とを比較して、駆動部１６１を制御する制御信号を取得することにより、駆動部１６１による対物レンズ１６の試料キャリア２への接近や離間を制御する。

図１７及び図１８Ａ～Ｃを同時に参照して、図１７は、本実施形態における合焦モジュール１３による合焦の光路の原理図である。図１８Ａ～図１８Ｃは、本実施例における合焦モジュール１３のセンサユニット１３１が試料キャリア２の対物レンズ１６の焦点面にあるかどうかをセンシングする模式図である。前記検出光路は、光源１３０１と、鏡筒レンズ１３０３と、を含む。センサユニット１３１はセンサ１３１１を含み、光源１３０１から発せられた検出光は、鏡筒レンズ１３０３と対物レンズ１６を透過し（本実施例ではミラー１３０５により反射されて鏡筒レンズ１３０３に入射する）、試料キャリア２に照射されて試料キャリア２で反射され、反射された検出光は、対物レンズ１６と鏡筒レンズ１３０３を経てセンサ１３１１に照射される。本実施例では、センサ１３１１として光電センサ、具体的にはＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、フォトダイオード）センサ１３１２を用い、ＰＤセンサ１３１２に２つのセンシング領域１３１２ａ、１３１２ｂを設け、センシング領域１３１２ａ、１３１２ｂに検出光が照射される位置を試料キャリア２と対物レンズ１６の間の位置を特定できるようにしている。図１８Ａに示すように、検出光のスポットＧがセンシング領域１３１２ａに偏っているということは、試料キャリア２が対物レンズ１６の焦点面以上にあることを意味する。図１８Ｂに示すように、検出光のスポットＧがセンシング領域１３１２ａに当たる面積とセンシング領域１３１２ｂに当たる面積とが同等であるか、または、両者の差が予め定められた範囲内にあるとは、対物レンズ１６の焦点面上に試料キャリア２があることを意味する。図１８Ｃに示すように、検出光のスポットがセンシング領域１３１２ｂに偏っているということは、試料キャリア２が対物レンズ１６の焦点面以下にあることを意味する。センシング領域１３１２ａは受光した光信号を電気信号ＰＤ１に変換して出力し、センシング領域１３１２ｂは受光した光信号を電気信号ＰＤ２に変換して出力し、制御部１３２は、受信した２つの電気信号ＰＤ１、ＰＤ２に基づいて、試料キャリア２に対応するデフォーカス方向及びデフォーカス量を決定し、さらに、駆動部１６１を制御して、試料キャリア２に対して対物レンズ１６を近接又は離間させて対応する距離だけ移動させる。

本実施形態では、対応する制御駆動部１６１を制御する制御信号ＤＩＶを、電気信号ＰＤ１、ＰＤ２の差をその和で除算することで生成するので、信号ノイズを効果的にフィルタリングできるとともに、光源１３０１の輝度変動による合焦精度への影響も回避でき、制御信号ＤＩＶを生成する計算式は
ＤＩＶ＝α（ＤＩＦＦ／ＳＵＭ ＋β） である。

ここで、αは信号増幅率、差信号ＤＩＦＦ＝ＰＤ１－ＰＤ２、和信号ＳＵＭ＝ＰＤ１＋ＰＤ２であり、βは予設電圧オフセット量である。

合焦に得られた各信号の変化を示す図である図１９を参照する。ここで、横軸は対物レンズ１６と試料キャリア２との間のＺ軸上の相対距離を表し、その単位はｍｍであり、曲線Ｏは差信号ＤＩＦＦを表し、曲線Ｑは和信号ＳＵＭを表し、曲線Ｐは制御信号ＤＩＶを表し、曲線Ｒは駆動部１６１のＺ方向における試料キャリア２との間の相対座標位置を表す。ここで、図１９における曲線Ｒと曲線Ｐとの交差点Ｓは、対物レンズ１６の焦点面を表し、前記交差点Ｓにおける曲線Ｐの値（ＤＩＶ値）は、対物レンズ１６の基準位置を表す前記標準値である。

図２０に示されるように、本発明の一実施形態に係る生化物質検出システムの模式図である。生化物質検出系５は、光学結像系５１を含み、光学結像系５１は、上述した実施形態で説明した光学結像系１であってもよい。

図２１を参照すると、本発明の別の実施例に係る生化物質検出システムの概略図が示されている。前記生化物質検出系６は、結像光学系６１と、検出プラットフォーム６２とを備えている。光学結像系６１は、上記実施形態で説明した光学結像系１であってよく、検出テーブル６２は試料キャリアを搭載する。前記検出プラットフォーム６２は一可動プラットフォームであり、前記光学結像系６１の制御装置６１１は、光学結像系６１と検出プラットフォーム６２とを制御し調和させる。例えば、制御装置６１１は、検出プラットフォーム６２の移動速度を、光学結像系６１のＴＤＩカメラ６１３の周波数に合わせて同期させるように制御するとともに、制御装置６３は、結像光学系６１の光源６１５のオンと、ＴＤＩカメラ６１３の撮影を同期させるように制御する。検出プラットフォーム６２が指定位置に到達すると、制御装置６１１は、光源６１５とＴＤＩカメラ６１３とを同時にトリガして、検出プラットフォーム６２に搭載された試料（図示せず）と光源６１５とＴＤＩカメラ６１３とを同期させつつ、ＴＤＩカメラ６１３の周波数を検出プラットフォーム６２の移動速度に自動的に合わせ、生成された画像を変形させないようにする。

以上説明したように、上記実施例により提供された光学結像系および生化物質検出系は、１．工業用あるいは科学用のＴＤＩカメラを用いて被励起光を撮像することにより、１試料当たりの撮像時間を削減し、検出スループットを向上させることができ、２．分光装置及びフィルタ装置によりフィルタシステムを構成し、被励起光を複数の通路に分けて結像する一方、励起光およびその他の光、例えば検出光が被励起光の結像への干渉を防ぎ、結像品質を向上させており、３．光源の出力端面が矩形、あるいはさらに細長い矩形であるとともに、光源から出力される励起光が励起光整形手段によってＴＤＩカメラの受光面に合わせた照明光スポットに整形され、光源のエネルギーを最大限に利用するとともに、照明光スポットの均一性も向上しており、４．特殊な構造の対物レンズによって、大視野と大開口数の要求を同時に満足するとともに、歪曲とプランアクロマートを低減させており、５．対物レンズと試料キャリアとの間の距離をリアルタイムで調整して、試料キャリアを対物レンズの合焦平面上に保持させ、環境温度の変化、機械的振動、試料の湾曲、またはその他の要因による試料キャリアと対物レンズとの間の距離の変化を補正し、結像の品質を確保する合焦システムを採用しており、６．合焦システムが試料キャリアと対物レンズとの間の距離を特定の方法で算出し、信号ノイズ及び検出光源の輝度変化による検出結果への影響を有効に消した。

なお、以上の説明は、１つ又は２つの具体的な実施形態のみを説明してきたが、以上の具体的な実施形態からさらに多くの実施形態を誘導することができることは当業者には理解されるところであり、例えば、励起光整形手段の第一整形手段、第二整形手段を１枚のレンズに限らず、複数のレンズで構成することも可能である。第１、第２の整形手段を構成するレンズは、円柱レンズ、非球面レンズに限定されず、球面レンズ又はフレネルレンズであってもよい。また、ＴＤＩカメラ及び対応した結像通路の数は４に限らず、１つ或いは他の複数であってもよく、フィルタシステムの各バンドパス及びカットバンドは、具体的状況に応じて調整可能であり、鏡筒レンズの設計は、２枚の２枚接合レンズの構成に限定されず、焦点距離や結像要求に応じて、他の変形、例えば、より多数のレンズ又は１枚のレンズが採用されてもよい。

本発明の実施形態による光学結像系は、生化物質検出系に適用される他、励起光による被励起光の励起や、被励起光の撮像を行うデバイスにも適用することができ、高速結像が可能であることが理解される。

上記の各実施形態は、ただ本発明の技術的解決策を説明するためのものであり、限定することを意図するものではなく、好ましい実施形態を参照して、本発明について詳細に説明しているが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の技術的解決策を修正または同等に置換できることを理解すべきである。

１ 結像光学系
１１ 照明モジュール
１３ 合焦モジュール
１５ 結像モジュール
１６ 対物レンズ
１１１、１３０１ 光源
１１３ 励起光整形手段
２ 試料キャリア
１５１ ＴＤＩカメラ
１５２、１３０３ 鏡筒レンズ
１５３、１１６ カットフィルタ
１５４ 分光装置
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ ダイクロスコープ
１１５ 平面ミラー
ｔ１、ｔ２ 撮影時間
１６１ 第１群レンズ
１６２ 第２群レンズ
１６３ 第３群レンズ
１６４ 第４群レンズ
１６５ 第５群レンズ
１６６ 第６群レンズ
１６７ 第７群レンズ
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
Ｌ５ 第５レンズ
Ｌ６ 第６レンズ
Ｌ７ 第７レンズ
Ｌ８ 第８レンズ
Ｌ９ 第９レンズ
Ｌ１０ 第１０レンズ
Ｌ１１ 第１１レンズ
Ｌ１２ 第１２レンズ
Ｌ１３ 第１３レンズ
Ｌ１４ 第１４レンズ
１１１１ マルチモード光ファイバ
１１１２ 出力端面
１１３ａ 第１整形手段
１１３ｂ 第２整形手段
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 円柱レンズ
１５１１ 感光面
１７ 制御装置
１８ 可動プラットフォーム
１９ コンピュータ装置
１３０ 検出光路
１３１ センサユニット
１３２ 制御ユニット
１３１１ センサ
１３０５ ミラー
１３１２ ＰＤセンサ
１３１２ａ、１３１２ｂ センシング領域
Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ 曲線
Ｓ 交差点
Ｈ 横線

Claims (15)

1. 試料を撮像して結像する光学結像系であって、
   前記試料を励起して、被励起光を発生させる励起光を出力する照明モジュールと、
   前記被励起光を記録する時間差積分（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ＴＤＩ）カメラを備える結像モジュールと、
   前記光学結像系が、前記励起光を出力し、レーザ光を収集する通路である対物レンズと、
   前記対物レンズと前記ＴＤＩカメラとの間に設けられ、前記ＴＤＩカメラへの特定波長外の光の進入を阻止するフィルタシステムと、
   前記フィルタシステムと前記ＴＤＩカメラとの間に設けられた、前記対物レンズとの組み合わせの歪み＜１％である鏡筒レンズと、を備え、
   前記照明モジュールは、前記励起光を出力する出力端面が矩形状である光源、および励起光整形手段を含み、
   前記励起光整形手段は、前記励起光の光スポットの形状を前記ＴＤＩカメラの感光面の形状に合わせるように、前記励起光の光スポットを第１方向に拡大し、前記励起光の光スポットを前記第１方向と直交する第２方向に縮小し、
   前記対物レンズは、開口数は０．７以上、有効作動距離＞１．２ｍｍ、焦点距離＝１２．５ｍｍ、像面湾曲＜０．４ｕｍ、物体側視野範囲＞φ１．２ｍｍである光学結像系。
2. 前記鏡筒レンズの焦点距離が１５０ｍｍ～２５０ｍｍであり、及び／又は、
   前記鏡筒レンズが４枚のレンズを備え、前記４枚のレンズが接合されて２枚接合レンズ群を形成することを特徴とする請求項１に記載の光学結像系。
3. 前記フィルタシステムは、
   異なる前記ＴＤＩカメラによって記録されるように、前記被励起光を異なる結像チャンネルに導光する分光装置と、
   前記ＴＤＩカメラ毎に特定波長外の光を入射するのを阻止するためのフィルタと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学結像系。
4. 前記励起光整形手段は、前記励起光のスポットを第１方向に拡大するための第１整形手段と、前記励起光のスポットを前記第１方向と直交する第２方向に縮小するための第２整形手段と、を含み、あるいは、
   前記励起光整形手段は、２枚の円柱レンズを含み、
   前記２枚の円柱レンズの一方は、前記励起光の光スポットを第１方向に拡大しながら、他方は、前記励起光の光スポットを前記第１方向に直交する第２方向に縮小することを特徴とする請求項１に記載の光学結像系。
5. 前記励起光の光スポットは、前記励起光整形手段によって整形された後の縦横比が２０以上であることを特徴とする請求項４に記載の光学結像系。
6. 前記試料を搭載する試料キャリアと前記対物レンズとの位置関係を検出し、検出した前記位置関係に応じて、前記試料キャリアが対物レンズの焦点面上に位置するように前記試料キャリアと前記対物レンズとの相対位置を調整する、合焦モジュールを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学結像系。
7. 前記合焦モジュールは、検出光を前記試料キャリアに照射する光源と、前記試料キャリアから反射された検出光を検知するセンサユニットと、を備え、
   前記センサユニットは、反射された前記検出光に基づいて前記試料キャリアと前記対物レンズとの位置関係を反映する電気信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の光学結像系。
8. 前記合焦モジュールは、制御ユニットをさらに備え、
   前記制御ユニットは、前記電気信号に基づいて、前記試料キャリアが対物レンズの焦点面からずれるデフォーカス方向とデフォーカス量とを決定し、前記対物レンズが前記試料キャリアに接近または離間する距離を制御することで、前記試料キャリアを再び前記対物レンズの合焦面に位置することを特徴とする請求項７に記載の光学結像系。
9. 前記センサユニットは、それぞれ受光した検出光を電気信号に変換する２つのセンシング領域を設けた光電センサを含み、
   前記制御ユニットは、前記２つのセンシング領域が出力する前記電気信号の差を、前記２つのセンシング領域が出力する前記電気信号の和で除算することにより、前記対物レンズの焦点面からずれた前記試料キャリアのデフォーカス方向とデフォーカス量とを決定する、ことを特徴とする請求項８に記載の光学結像系。
10. 前記制御ユニットは、算式ＤＩＶ＝α（ＤＩＦＦ／ＳＵＭ ＋β）に従って、前記対物レンズの移動を制御するための制御信号を算出し、
    そのうち、前記制御信号をＤＩＶ、信号増幅率をα、前記２つのセンシング領域が出力する電気信号の差信号をＤＩＦＦ、前記２つのセンシング領域が出力する電気信号の和信号をＳＵＭ、予め設定された電圧オフセット量をβ、とすることを特徴とする請求項９に記載の光学結像系。
11. 前記試料の移動速度と前記ＴＤＩカメラの周波数とをマッチングして同期させるように制御するとともに、前記光源の点灯と前記ＴＤＩカメラの撮影との同期を保つように制御する制御装置をさらに備える、請求項１に記載の光学結像系。
12. 請求項１～１０の何れか１項に記載の光学結像系を備える生化物質検出系。
13. 前記試料を搭載するための検出プラットフォームをさらに備える請求項１２に記載の生化物質検出系。
14. 前記光学結像系は、前記検出プラットフォームと通信して光学イメージングシステムと検出ステージとの同期を制御する制御装置をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の生化物質検出系。
15. 前記制御装置は、前記検出ステージの移動速度を前記ＴＤＩカメラの周波数に合わせて同期させるように制御すると共に、前記照明モジュールの点灯を前記ＴＤＩカメラの撮影に同期するように制御することを特徴とする請求項１４に記載の生化物質検出系。