KR102060682B1 - 하이브리드 모드 광 소스를 사용하여 개선된 포커스 추적을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

하이브리드 모드 광 소스를 사용하여 개선된 포커스 추적을 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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Abstract

본원에 개시된 시스템들 및 방법들은, 레이저 다이오드 소스; 포커스 추적 빔을 광 소스로부터 샘플 컨테이너 내의 위치로 지향시키고, 샘플로부터 반사된 포커스 추적 빔을 수신하도록 위치된 대물 렌즈; 및 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사된 포커스 추적 빔을 수신하기 위한 복수의 픽셀 위치들을 포함할 수 있는 이미지 센서를 포함할 수 있는 이미징 시스템을 포함하고, 여기서 반사된 포커스 추적 빔은 이미지 센서 상에 스팟을 생성할 수 있다. 일부 예들은, ASE(Amplified Spontaneous Emission) 모드에서의 동작에 대해 전력 레벨 위에 있지만, 단일 모드 동작에 대해 전력 레벨 아래에 있는 전력 레벨에서 동작될 수 있는 레이저 다이오드 광 소스를 더 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 모드 광 소스를 사용하여 개선된 포커스 추적을 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR IMPROVED FOCUS TRACKING USING A HYBRID MODE LIGHT SOURCE}
본 출원은 2017년 3월 7일자로 출원된 미국 가출원 제 62/468,360 호의 이익을 주장하며, 이로써 이 가출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 본 출원은 또한, 2017년 5월 5일자로 출원된 네덜란드 특허 출원 제 N2018853 호의 우선권을 주장하며, 이로써 이 네덜란드 특허 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
생물학 분야에서 수많은 발전은 예를 들면, 광학 현미경들 및 스캐너들에서 사용되는 것과 같은 개선된 이미징 시스템들 및 기술들로부터 혜택을 입고 있다. 이러한 이미징 시스템들을 사용하여 이미징하는 동안 정확한 포커스를 얻는 것이 성공적인 이미징 동작들에 중요할 수 있다. 또한, 시스템을 샘플에 포커싱하는 것과 연관된 대기시간을 줄이면 시스템이 작동할 수 있는 속도가 증가한다.
많은 기존의 스캐닝 시스템들은 주어진 샘플에 대한 포커스 거리들을 결정하기 위해 다중 빔 포커스 추적 시스템을 사용한다. 다중 빔 시스템은 대물 렌즈를 사용하여 두 개의 빔을 샘플에 포커싱한다. 포커스 빔들은 샘플의 표면에서 반사되고 반사된 빔들은 이미지 센서 쪽으로 향한다. 반사된 빔들은 이미지 센서상에 스폿들을 형성하며 스폿들 사이의 거리는 포커스 거리를 결정하는데 사용될 수 있다.
기존 시스템들의 설계자들은 시스템이 포커스 설정을 결정할 수 있는 포커스 정밀도 및 속도를 향상시키기 위해 끊임없이 노력 중이다. 정확도를 향상시키는 것은 시스템이 더 나은 결과들을 달성하게 할 수 있다는 점에서 중요할 수 있다. 대기시간을 줄이는 것은 시스템을 더욱 빨리 포커스 결정에 도달하게 하여, 시스템이 스캐닝 동작들을 더 빨리 완료하게 할 수 있기 때문에 중요한 고려 사항이 될 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술들의 다양한 예들은 광학 시스템들에서의 포커스 추적의 정확성을 개선하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 다른 예들은 광학 스캐너들에서의 포커스 추적과 연관된 대기시간을 줄이기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 일부 예들에서, 이미징 시스템은 레이저 다이오드 광원, 및 광원으로부터의 포커스 추적 빔을 샘플 컨테이너 내의 위치 상으로 지향(direct)시키도록 그리고 샘플로부터 반사되는 포커스 추적 빔을 수신하도록 위치된 대물 렌즈를 포함한다. 부가적으로, 이미지 센서는 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사되는 포커스 추적 빔을 수신하기 위한 복수의 픽셀 위치들을 더 포함할 수 있고, 여기서, 반사되는 포커스 추적 빔은 이미지 센서 상에 스폿을 생성한다. 레이저 다이오드 광원은, "ASE(Amplified Spontaneous Emission)" 모드에서의 동작을 위한 전력 레벨보다는 높지만 단일 모드 동작을 위한 전력 레벨보다는 낮은 전력 레벨로 작동될 수 있다.
추가의 예들에서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 레이저 다이오드에 대한 레이징 임계 전류(lasing threshold current)보다 대략 2% 내지 10% 더 높은 입력 전류에 있을 수 있다. 또한, 단지 예로서, 레이저 동작 전류는 임계 전류보다 대략 0.6 내지 3.0mA 높게 설정될 수 있다. 다른 예에서, 레이저 동작 전류는 임계 전류보다 대략 0.6 내지 3.0mA 높게 설정될 수 있다.
일부 예들에서, 레이저 전력은 대략 5%에서의 레이저 스펙트럼 전체 폭이 2nm보다 크도록 설정될 수 있다. 다른 경우들에서, 단지 예로서, 레이저 전력은 대략 5%에서의 레이저 스펙트럼 전체 폭이 3nm보다 크도록 설정될 수 있다. 부가적으로, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서의 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서의 임의의 이차 피크들보다 대략 15% 내지 100% 더 큰 정규화된 세기를 갖도록 선택될 수 있다. 다른 경우들에서, 단지 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서의 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서의 이차 피크의 정규화된 세기보다 대략 15% 내지 25% 더 큰 정규화된 세기를 갖도록 선택될 수 있다. 단지 다른 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서의 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서의 이차 피크들의 정규화된 세기보다 대략 15% 내지 100% 더 큰 정규화된 세기를 갖도록 선택될 수 있다. 단지 추가의 예로서, 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서의 우세한 피크는 레이저 다이오드 출력에서의 이차 피크의 정규화된 세기보다 대략 15% 내지 200% 더 큰 정규화된 세기를 갖는다.
부가적인 예들에서, 이미징 시스템은, 광원으로부터의 포커스 추적 빔을 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사될 적어도 2개의 포커스 추적 빔들로 분할하고 그리고 이미지 센서 상에 적어도 2개의 스폿들을 제공하기 위한 빔 스플리터(beam splitter)를 더 포함할 수 있고, 그에 따라, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서 상의 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리(spot stability separation)가 대략 +/- 25nm 미만이도록 선택된다. 다른 예에서, 단지 예로서, 이미지 센서 상의 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리는 대략 +/- 18nm 미만이다.
부가적으로, 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서 상에서의 스폿 상의 무늬 발생(fringing)의 양이 프로파일에 걸쳐 피크간에(peak to peak) 대략 10% 미만이도록 선택될 수 있다. 다른 예들에서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서의 스폿 상의 무늬 발생의 양이 미리 결정된 양보다 더 많이 스폿 분리 안정성에 영향을 미치도록 선택된다.
일부 예들에서, 이미징 시스템은, 이미지 센서로부터의 출력 신호들을 수신하여 이미지 센서 상에서의 시간에 따른 스폿의 위치의 표준 편차를 감소시키기 위해 이미지 센서에 통신가능하게 커플링된 윈도우형 싱크 필터(windowed sinc filter) 또는 블랙맨 윈도우 필터(Blackman window filter)를 더 포함할 수 있다.
단지 추가의 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서가 빔을 감지하는 노출 시간이 포커스 추적에 대해 미리 결정된 대기시간 요건을 충족시키기 위한 시간 제한보다 길지 않게 하는 최소 전력으로서 선택될 수 있다. 부가적으로, 이미지 센서에 의해 요구되는 노출 시간은, 단지 예로서, 대략 250㎲ 미만일 수 있다.
다른 예들에서, 이미징 시스템은, 레이저 다이오드 광원; 광원으로부터 포커스 추적 빔을 수신하고 포커스 추적 빔을 적어도 2개의 포커스 추적 빔들로 분할하기 위해 이미징 시스템 내의 소정의 위치에 배치된 빔 스플리터; 광원으로부터의 적어도 2개의 포커스 추적 빔들을 샘플 컨테이너 내의 위치 상으로 지향시키도록 그리고 샘플로부터 반사되는 포커스 추적 빔들의 반사들을 수신하도록 위치된 대물 렌즈; 및 이미지 센서를 포함할 수 있고, 이미지 센서는, 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사되는 포커스 추적 빔들을 수신하기 위한 복수의 픽셀 위치들을 포함하고, 그에 따라, 적어도 2개의 반사되는 포커스 추적 빔들은 이미지 센서 상에 적어도 2개의 스폿들을 생성하고, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서 상의 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리가 대략 20nm 미만이도록 선택된다. 부가적으로, 단지 추가의 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서 상의 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리가 대략 15 내지 17nm이도록 선택된다.
추가의 예들에서, 이미징 시스템은, 이미지 센서로부터의 출력 신호들을 수신하고 그리고 이미지 센서 상에서의 시간에 따른 적어도 2개의 스폿들의 위치의 표준 편차를 감소시키기 위해 이미지 센서에 통신가능하게 커플링된 윈도우형 싱크 필터 회로 또는 블랙맨 윈도우 필터 회로를 더 포함할 수 있다. 또한, 단지 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서 상에서의 스폿 상의 무늬 발생의 양이 프로파일에 걸쳐 피크간에 대략 10% 미만이 되게 하는 것일 수 있다. 다른 경우들에서, 레이저 다이오드 광원은, 이미지 센서 상에서의 스폿 상의 무늬 발생의 양이 미리 결정된 양보다 더 많이 스폿 분리 안정성에 영향을 미치도록 작동된다.
단지 예로서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서 상의 적어도 2개의 스폿들 각각의 표준 편차가 이미지 센서의 픽셀 크기의 10% 미만이도록 선택될 수 있다. 다른 경우들에서, 이미지 센서 상의 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리는 이미지 센서의 픽셀 크기의 대략 5% 미만이다. 다른 경우들에서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 이미지 센서가 빔을 감지하기 위해 요구되는 노출 시간이 포커스 추적에 대해 미리 결정된 대기시간 요건을 충족시키기 위해 요구되는 시간 제한보다 길지 않게 하는 최소 전력으로서 선택될 수 있다. 부가적으로, 일부 경우들에서, 이미지 센서에 의해 요구되는 노출 시간은 대략 250㎲ 미만이다.
일부 예들에서, 레이저 다이오드는 이미지 센서 상의 포커스 추적 빔 스폿들의 무늬 발생을 감소시키기 위해 저 전력 레벨로 작동될 수 있다. 다른 경우들에서, 레이저 전력은 무늬(fringe)들의 발현(onset)에 대응하는 것보다 낮게 설정된다. 부가적으로, 레이저 동작 전류는 임계 전류보다 대략 0.6 내지 3.0mA 높게 설정될 수 있다. 부가적으로, 레이저 전력은 대략 5%에서의 레이저 스펙트럼 전체 폭이 2nm보다 크도록 설정될 수 있다. 다른 경우들에서, 레이저 전력은 대략 5%에서의 레이저 스펙트럼 전체 폭이 3nm보다 크도록 설정된다.
개시된 기술의 다른 특징들 및 양태들은, 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들의 예들에 따른 특징들을 예로서 설명하는 첨부 도면과 함께, 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. "발명의 내용" 부분은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 규정된다.
하나 또는 그 초과의 예시적인 구현예들에 따라, 본 명세서에 개시된 기술은 다음의 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다. 이들 도면들은 독자가 개시된 기술의 이해를 용이하게 하기 위해 제공되며, 본 개시를 하나도 빠뜨림 없게 하려거나 개시된 정확한 형태들로 제한하려는 것은 아니다. 실제로, 도면들은 단지 예시의 목적으로 제공되며, 개시된 기술의 예시적인 구현예들을 묘사할 뿐이다. 그뿐만 아니라, 설명의 명료함과 용이함을 위해, 도면들의 요소들이 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 것을 유의하여야 한다.
본 명세서에 포함된 일부 도면들은 상이한 시야 각도들에서 바라본 개시된 기술의 다양한 실시예들을 도시한다. 첨부의 설명 본문에서 "상부", "하부" 또는 "측면" 관점과 같은 관점이 언급될 수 있지만, 그러한 언급은 단지 설명적인 것이며, 명시적으로 그렇지 않다고 언급하지 않는 한, 개시된 기술이 특정 공간 방향에서 구현되거나 사용되도록 시사하거나 요구하지 않는다.
도 1은 본 명세서에 개시된 시스템들 및 방법들이 구현될 수 있는 이미지 스캐닝 시스템의 일 실시예의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 포커스 추적을 위한 예시적인 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 2a는 본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들의 예시적인 일 구현예에 따라 포커스 추적을 위한 예시적인 광학 설계를 도시한다. 도 2b는 도 2a에 도시된 광학 시스템의 일부분의 다른 관점을 도시하는 다이어그램이다.
도 3a는 다수의 층들을 포함하는 이미지화될 하나 또는 그 초과의 샘플들을 수용하도록 구성된 샘플 컨테이너의 실시예를 도시한다.
도 3b는 일부 환경들에서 다층 샘플 컨테이너의 다수의 표면들의 원하는 반사들 및 원하지 않는 반사들이 생성되는 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 3c는 원하지 않는 반사들이 이미지 센서에 미치는 영향의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 3d는 본 명세서에 개시된 기술의 예시적인 응용예들에 따라 차단 구조물들의 배치 결과로서 이미지 센서에서의 잡음 감소를 도시하는 다이어그램이다.
도 4a는 본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들의 예시적인 일 구현예에 따라 포커스 추적 빔들이 향하는 복수의 픽셀들(명료한 예시를 위해 도시되지 않음)을 포함하는 이미지 센서의 일부분을 도시한다.
도 4b는 포커스 추적 빔들의 광학 경로를 따라 빔 웨이스트(beam waist)를 위치시키도록 조정된 시준 렌즈를 이용하여 상이한 포커스 설정들에서 S2 표면 및 S3 표면으로부터 이미지 센서 상으로 반사하는 좌측 및 우측 포커스 빔들의 세기들을 도시하는 다이어그램이다.
도 4c는 포커스 추적 빔들의 광학 경로를 따라 보다 최적으로 빔 웨이스트에 위치시키도록 조정된 시준 렌즈를 이용하여 상이한 포커스 설정들에서 S2 표면 및 S3 표면으로부터 이미지 센서 상으로 반사하는 좌측 및 우측 포커스 빔들의 세기들을 도시하는 다이어그램이다.
도 5a는 포커스 추적 빔들을 샘플 평면 상에 수렴시키고 이미지 센서 상에 포커싱되도록 구현된 렌즈의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 5b는 포커스 추적 빔들을 이미지 센서 상에 수렴시키도록 구현된 루프 프리즘(roof prism)의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 6은 포커스 추적 빔의 빔 웨이스트가 선택된 위치에 놓이도록 배치된 렌즈를 포함하는 예시적인 구성을 도시하는 다이어그램이다.
도 7은 본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들이 구현될 수 있는 포커스 추적 시스템의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에서 반사된 포커스 추적 빔들의 공간적 관계들을 도시하는 다이어그램이다.
도 10은 S4 표면으로부터 좌측 및 우측 포커스 추적 빔들의 반사들을 차단하는 빔 차단기의 예시적인 배치를 도시하는 다이어그램이다.
도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 바와 같이 배치된 빔 차단기를 이용하여, 도 7의 예시적인 구성의 빔 스플리터에서 반사된 포커스 추적 빔들의 공간적 관계를 도시하는 다이어그램이다.
도 13 및 도 14는 일 실시예에서 상부 잠망경 거울 및 빔 스플리터로부터 반사된 빔들을 도시한다.
도 15a는 대물 렌즈로부터 복귀되어 스플리터 쪽으로 향한 표면(S2 및 S4)에서 반사된 포커스 추적 빔들의 실시예를 도시하는 하향식(top-down) 도면이다.
도 15b는 S4 반사 빔들이 어떻게 차단 부재에 의해 스플리터의 배면에서 차단될 수 있는지를 도시하는 도 15a의 확대도이다.
도 15c는 스플리터의 배면에 위치하는 차단 부재의 실시예의 하향식 도면을 도시하는 다이어그램이다.
도 15d는 스플리터에서 반사된 포커스 추적 빔들의 빔 경로에 있는 4 mm 폭의 차단 구조물의 표현을 도시하는 다이어그램이다.
도 16a 및 도 16b는 도 8 내지 도 10을 참조하여 기술된 예시적인 구현예들에 따라 필터/스플리터에서 S4 반사들을 차단하는데 사용될 수 있는 빔 차단기의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 17a는 일 실시예에서 빔 스플리터에 설치된 빔 차단기의 단면도를 나타낸다.
도 17b는 빔 스플리터에 설치된 빔 차단기의 배면도를 나타낸다.
도 18a는 S1 표면에서 반사된 빔들을 차단하는데 사용될 수 있는 개구의 실시예를 도시한다.
도 18b는 빔 스플리터의 정면에서 빔 축에 수직인 개구의 예시적인 배치를 도시한다.
도 19는 샘플의 상부에서 포커싱하기 위한 상부 잠망경 거울에서 빔들로부터 나온 스폿들을 도시한다.
도 20은 샘플의 하부에서 포커싱하기 위한 상부 잠망경 거울에서 빔들로부터 나온 스폿들을 도시한다.
도 21은 S2상에 포커싱할 때 포착 범위의 상단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다.
도 22는 S2상에 포커싱할 때 포착 범위의 하단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다.
도 23은 S3상에 포커싱할 때 포착 범위의 상단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다.
도 24는 S3상에 포커싱할 때 포착 범위의 하단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사 빔에들 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다.
도 25a는 일 실시예에서, 레이저 다이오드가 레이징 모드에서 작동하는 경우 이미지 센서상에서 빔 스폿의 스폿 무늬(fringe) 변화를 도시한다.
도 25b는 일 실시예에서, 레이저 다이오드가 저전력 모드에서 작동하는 경우 이미지 센서상에서 빔 스폿의 스폿 프로파일을 도시한다.
도 26은 ASE 모드에서 작동되는 레이저 다이오드의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 27은 레이징 모드에서 작동되는 레이저 다이오드의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 28은 하이브리드 모드에서 작동되는 레이저 다이오드의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
도 29는 레이저 다이오드가 레이징 모드에서 작동하도록 전력을 공급 받을 때 스폿 크기의 불안정성을 도시한다.
도 30a는 하이브리드 모드에서 작동하는 레이저 다이오드의 스폿 움직임의 실시예를 도시한다.
도 30b는 하이브리드 모드에서 작동하는 레이저 다이오드의 스폿 움직임의 예를 도시한다.
도 31은 5 %에서의 스펙트럼 폭과 설정된 전력 사이의 관계를 결정하기 위해 테스트되는 다양한 레이저 광원들의 스펙트럼 폭의 실시예를 도시하는 다이어그램이다.
개시된 기술은 수정하고 변경하여 실시될 수 있다는 것과, 개시된 기술은 청구 범위 및 그 등가물들에 의해서만 제한된다는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에 개시된 기술들의 다양한 예시적인 구현예들은 광학 스캐너들에서 포커스 추적과 연관된 대기시간을 개선 또는 줄이기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 다양한 부가적인 실시예들은 광학 스캐너들에서 포커스 추적 시스템들의 정확도를 향상시키기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 또 다른 실시예들은 두 가지 양상들을 조합한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 샘플 컨테이너로부터의 원하지 않는 반사들에 의해 야기된 미광(stray light)을 이미지 센서에 도달하지 못하게 하고 포커스 추적 빔들의 검출을 방해하지 못하게 하는 시스템들 및 방법들이 제공된다. 일부 응용예들에서, 스캐닝 시스템을 위한 샘플 컨테이너는 둘 또는 그 초과의 다른 층들 사이에 샌드위치된 샘플 층을 포함할 수 있다. 이러한 응용예들에서, 다층 샘플 컨테이너에 의해 제공되는 표면들은 반사된 빔을 대물 렌즈로 되돌리고 스캐닝 시스템의 복귀 경로로 각각 제공할 수 있다. 경우에 따라 샘플 층으로부터의 반사들보다 훨씬 강할 수 있는 원하지 않는 반사들은 이미지 센서에서 신호 대 잡음비를 감소시켜 다른 모든 광학 잡음 중에서 실제 포커스 추적 빔들을 검출하기 어렵게 만들 수 있다. 원하지 않는 반사들 또는 산란된 빔들은 또한 이미지 센서에서의 포커스 추적 스폿들과 중첩하고 시종일관 방해할 수 있고, 무늬(fringe)들을 나타나게 하여, 포커스 추적의 정확도를 저하시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템들 및 방법들의 실시예들은 복귀 신호 경로를 따라 하나 또는 그 초과의 지점들에 개구들, 차단 막대들 또는 다른 차단 부재들을 배치하여 다른 표면들에서 반사되는 원하지 않는 빔들이 이미지 센서에 도달하지 못하게 차단하는 광학적으로 불투명한 구조물들을 제공할 수 있다.
다른 실시예로서, 추가 구성들은 포커스 추적 레이저 빔들을 형상화하기 위해 광학 경로 내에 렌즈 또는 다른 만곡되거나 부분적으로 만곡된 광학 요소와 같은 광학 구조물을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 이것은 시스템 내에 빔 웨이스트를 위치시키는 대물 렌즈에 앞의 광학 경로에 광학 요소를 삽입함으로써 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 구현예들에서, 광학 요소는 광학 경로를 따른 원하는 위치에 하나 또는 그 초과의 포커스 추적 빔들의 빔 웨이스트를 위치시키기 위해 광섬유의 출력으로부터 정해진 거리에서 광학 경로 내에 배치된다. 광학 경로를 따른 빔 웨이스트의 위치는 샘플 컨테이너의 다수의 관심 표면들에서 반사된 포커스 추적 빔들로부터의 결과적인 스폿들이 이미지 센서 평면에서 서로 동일한 크기 또는 서로 실질적으로 동일한 크기가 되도록 선택되어 포커스 추적 정확도 및 대기시간을 개선할 수 있다. 추가의 구현예들에서, 광학 경로를 따라 빔 웨이스트의 최적한 배치를 위해 광학 요소의 위치를 조정하는 조정 메커니즘이 제공될 수 있다.
또 다른 실시예로서, 추가의 구현예들은 포커스 추적 빔들에 대한 광원의 구성 및 조정을 포함한다. 보다 구체적으로, 일부 실시예들은 이미지 센서상의 포커스 추적 빔 스폿들의 무늬 발생을 줄이고 더 안정적이고 일관적인 스폿 배치를 제공하기 위해 레이저 다이오드 광원이 작동하는 전력 레벨을 조정하고 설정하도록 구성될 수 있다. 레이저의 전력 레벨은 레이저 다이오드가 ASE 작동 모드 및 레이징 작동 모드 두 가지 모두의 양상을 조합한 준-레이징 모드 또는 하이브리드 모드에서 작동하도록 설정될 수 있다. 전력 레벨은 레이저 다이오드가 단일의 우세한 스펙트럼 피크 및 무시할 수 있는 이차 피크들을 가진 보통 고도의 간섭 광이라고 간주되는 광을 방출하는 전력보다 아래의 높은 끝 단에 있는 범위 내; 및 레이저가 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission)(ASE)이라고도 부르는 비간섭성 광을 시간적으로 완전히 방출하는 전력보다 위의 낮은 끝 단에 있는 범위 내에서 설정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템들 및 방법들의 추가 실시예들을 설명하기에 앞서, 시스템들 및 방법들이 구현될 수 있는 예시적인 환경을 설명하는 것이 유용하다. 이러한 하나의 예시적인 환경은 도 1에 도시된 것과 같은 이미지 스캐닝 시스템의 환경이다. 예시적인 이미징 스캐닝 시스템은 어떤 영역의 이미지를 얻거나 생성하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 도 1에 개요적으로 도시된 실시예는 백라이트 설계 구현예의 예시적인 이미징 구성을 도시한다.
도 1의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 대상 샘플들은 대물 렌즈(142) 아래의 샘플 스테이지(170) 상에 위치된 샘플 컨테이너(110) 상에 위치된다. 광원(160) 및 연관된 광학계는 레이저 광과 같은 광의 빔을 샘플 컨테이너(110) 상의 선택된 샘플 위치로 향하게 한다. 샘플은 형광을 발하고 결과적인 광은 대물 렌즈(142)에 의해 수집되어 형광을 검출하는 광 검출기(140)로 전달된다. 샘플 스테이지(170)는 대물 렌즈(142)에 대해 이동되어 대물 렌즈(142)의 초점(focal point)에다 샘플 컨테이너(110) 상의 다음 샘플 위치를 위치시킨다. 대물 렌즈(142)에 대한 샘플 스테이지(110)의 움직임은 샘플 스테이지 자체, 대물 렌즈, 광학 스테이지 전체 또는 이들의 임의의 조합을 이동함으로써 달성될 수 있다. 추가의 실시예들은 또한, 전체 이미징 시스템을 고정된 샘플 위로 이동하는 것을 포함할 수 있다.
유체 전달 모듈 또는 장치(100)는 시약들(예를 들어, 형광 뉴클레오티드들, 완충제들, 효소들, 절단 시약들 등)의 흐름을 샘플 컨테이너(110) 및 웨이스트 밸브(120)로 (및 이를 통해) 전달한다. 특정 실시예에서, 샘플 컨테이너(110)는 샘플 컨테이너(110)상의 복수의 샘플 위치들에서 핵산 서열들의 클러스터들을 포함하는 플로우셀(flowcell)로서 구현될 수 있다. 서열화될 샘플들은 다른 선택적인 성분들과 함께 플로우셀의 기판에 부착될 수 있다.
시스템은 또한 샘플 컨테이너(110) 내의 유체들의 조건들의 온도를 선택적으로 조절할 수 있는 온도 스테이션 액추에이터(130) 및 히터/쿨러(135)를 포함한다. 카메라 시스템(140)은 샘플 컨테이너(110)의 서열화를 모니터링하고 추적하기 위해 포함될 수 있다. 카메라 시스템(140)은 필터 스위칭 어셈블리(145), 대물 렌즈(142) 및 포커싱 레이저/포커싱 레이저 어셈블리(150) 내의 다양한 필터들과 상호 작용할 수 있는 예를 들면, CCD 카메라로서 구현될 수 있다. 카메라 시스템(140)은 CCD 카메라로 제한되지 않으며 다른 카메라들 및 이미지 센서 기술들이 사용할 수 있다.
광원(160) (예를 들어, 선택적으로 다수의 레이저들을 포함하는 어셈블리 내의 여기 레이저) 또는 다른 광원은 (하나 또는 그 초과의 재이미징 렌즈들, 광섬유 장착대(fiber optic mounting) 등을 선택적으로 포함할 수 있는) 광섬유 인터페이스(161)를 통한 조명을 통해 샘플들 내에서 형광 서열화 반응들을 조명하도록 포함될 수 있다. 저 와트 램프(low watt lamp)(165), 포커싱 레이저(150) 및 역방향 다이크로익(185)이 또한 도시된 실시예에서 제공된다. 일부 실시예들에서, 포커싱 레이저(150)는 이미징 동안 턴 오프될 수 있다. 다른 실시예들에서, 대안적인 포커스 구성은 데이터를 수집함과 동시에 표면으로부터 반사된 산란 빔의 위치를 측정하는 사분면 검출기, 위치 감지 검출기(Position Sensitive Detector)(PSD) 또는 유사한 검출기일 수 있는 제 2 포커싱 카메라(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
후면 발광 장치(backlit device)로서 도시되지만, 다른 실시예들은 대물 렌즈(142)를 통해 샘플 컨테이너(110) 상의 샘플 쪽으로 향하는 레이저 또는 다른 광원으로부터의 광을 포함할 수 있다. 샘플 컨테이너(110)는 궁극적으로 샘플 스테이지(170) 상에 장착되어 대물 렌즈(142)에 대한 샘플 컨테이너(110)의 이동 및 정렬을 제공한다. 샘플 스테이지는 세 개의 차원 중 임의의 차원으로 이동할 수 있게 하는 하나 또는 그 초과의 액추에이터들을 가질 수 있다. 예를 들면, 데카르트 좌표계의 관점에서, 액추에이터들은 스테이지를 대물 렌즈에 대해 X, Y 및 Z 방향으로 이동할 수 있도록 제공될 수 있다. 이로 인해 샘플 컨테이너(110) 상의 하나 또는 그 초과의 샘플 위치들은 대물 렌즈(142)와 광학적으로 정렬하여 위치될 수 있다.
이러한 실시예에서 포커스(z-축) 구성요소(175)는 포커스 방향(z 축 또는 z 방향으로 언급됨)으로 샘플 컨테이너(110)에 대한 광학 구성요소들의 위치 설정을 제어하기 위해 포함되는 것으로 도시된다. 포커스 구성요소(175)는 광학 구성요소들(예를 들어, 대물 렌즈(142))에 대해 샘플 스테이지(170) 상의 샘플 컨테이너(110)를 이동하여 이미징 동작을 위한 적절한 포커싱을 제공하기 위해 광학 스테이지 또는 샘플 스테이지 또는 모두 다에 물리적으로 결합된 하나 또는 그 초과의 액추에이터들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 액추에이터는 예를 들어, 스테이지에 또는 스테이지와 직접적으로 또는 간접적으로 기계적, 자기적, 유체적 또는 기타 부착이나 접촉에 의한 것과 같이 각각의 스테이지에 물리적으로 결합될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 액추에이터들은 스테이지를 z-방향으로 이동하면서 샘플 스테이지를 동일한 평면 내에 유지하도록 (예를 들어, 광 축에 수직인 수준 또는 수평 자세를 유지하도록) 구성될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 액추에이터들은 또한 스테이지를 기울이도록 구성될 수도 있다. 이것은, 예를 들어, 샘플 컨테이너(110)가 그 표면들에서 임의의 경사를 감안하여 역학적으로 수평을 유지할 수 있도록 구성될 수 있다.
시스템의 포커싱은 일반적으로 대물 렌즈의 초점 평면(focal plane)을 선택된 샘플 위치에서 이미지화될 샘플과 정렬시키는 것을 말한다. 그러나, 포커싱은 예를 들어, 테스트 샘플의 이미지에 대해 원하는 수준의 선명도 또는 대비와 같은 샘플의 표현에 대한 원하는 특성을 얻기 위해 시스템에 대해 조정하는 것을 또한 말할 수 있다. 대물 렌즈의 초점 평면의 사용 가능한 피사계 심도는 매우 작기 때문에 (때로는 대략적으로 약 1 ㎛ 또는 그 미만), 포커스 구성요소(175)는 이미지화되는 표면에 바짝 따라간다. 샘플 컨테이너는 기구 내에 고정될 때 완벽하게 평평하지 않기 때문에, 포커스 구성요소(175)는 스캐닝 방향(y-축으로 지칭됨)을 따라 움직이면서 이러한 프로파일을 쫓아가도록 설정될 수 있다.
이미지화되는 샘플 위치에 있는 테스트 샘플로부터 나오는 광은 하나 또는 그 초과의 검출기들(140)로 향할 수 있다. 검출기들은 예를 들면 CCD 카메라를 포함할 수 있다. 개구가 포함될 수 있으며 포커스 영역으로부터 나오는 광만이 검출기로 전달되도록 배치될 수 있다. 개구는 포커스 영역 외부의 영역들로부터 나오는 광의 성분들을 필터링함으로써 이미지 품질을 향상하도록 포함될 수 있다. 방출 필터들은 결정된 방출 파장을 기록하고 임의의 레이저 미광을 차단하도록 선택될 수 있는 필터 스위칭 어셈블리(145)에 포함될 수 있다.
다양한 응용예들에서, 샘플 컨테이너(110)는 샘플들이 제공되는 하나 또는 그 초과의 기판들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 상이한 핵산 서열들을 분석하는 시스템의 경우, 샘플 컨테이너(110)는 서열화될 핵산이 결착, 부착 또는 결합되는 하나 또는 그 초과의 기판들을 포함할 수 있다. 다양한 구현예들에서, 기판은 예를 들어 유리 표면들, 플라스틱 표면들, 라텍스, 덱스트란, 폴리스티렌 표면들, 폴리프로필렌 표면들, 폴리아크릴아미드 겔들, 금 표면들 및 실리콘 웨이퍼들과 같이 핵산들이 부착될 수 있는 임의의 불활성 기판 또는 매트릭스를 포함할 수 있다. 일부 응용예들에서, 기판은 샘플 컨테이너(110) 전체의 매트릭스 또는 어레이에서 형성된 복수의 위치들에서 채널 또는 다른 영역 내에 있다.
도시되지는 않았지만, 제어기는 스캐닝 시스템의 작동을 제어하기 위해 제공될 수 있다. 제어기는 예를 들어 포커싱, 스테이지 이동 및 이미징 동작들과 같은 시스템 작동의 양상들을 제어하도록 구현될 수 있다. 다양한 구현예들에서, 제어기는 하드웨어, 머신-판독 가능 명령어들이나 알고리즘, 또는 전술한 것들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 제어기는 연상 메모리를 갖는 하나 또는 그 초과의 CPU들 또는 프로세서들을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 제어기는 작동을 제어하는 하드웨어 또는 다른 회로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 이러한 회로는 다음과 같은 것: 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array)(FPGA), 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit)(ASIC), 프로그래머블 로직 디바이스(programmable logic device)(PLD), 복잡 프로그래머블 로직 디바이스(programmable logic device)(CPLD), 프로그래머블 로직 어레이(programmable logic array)(PLA), 프로그래머블 어레이 로직(programmable array logic)(PAL) 또는 다른 유사한 프로세싱 장치 또는 회로 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 제어기는 이러한 회로와 하나 또는 그 초과의 프로세서들과의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 포커싱 동작들을 위해, 포커싱 레이저에 의해 생성된 포커스 빔은 샘플 위치에서 반사되어 필요한 포커스를 측정하며, 샘플 스테이지는 광학 스테이지에 대해 이동되어 광학 스테이지를 현재 샘플 위치 상에 포커싱한다. 포커싱을 위해 광학 스테이지에 대해 샘플 스테이지를 이동하는 것은 일반적으로 z-축을 따른 이동 또는 z 방향으로의 이동으로서 설명된다. "z-축" 및 "z 방향"이라는 용어들은 일반적으로 현미경 및 이미징 시스템들의 기술에서 이들의 사용과 일관되게 사용되도록 의도된 것으로, z-축은 초점 축을 지칭한다. 따라서, z-축 평행이동은 초점 축의 길이를 증가 또는 감소시키는 결과를 가져온다. z-축 평행이동은, 예를 들어, 광학 스테이지에 대해 샘플 스테이지를 이동함으로써 (예를 들어, 샘플 스테이지 또는 광학 요소 또는 두 가지 모두를 이동함으로써) 수행될 수 있다. 이와 같이, z-축 평행이동은 대물 렌즈, 광학 스테이지 또는 샘플 스테이지 또는 전술한 것들의 조합을 구동함으로써 수행될 수 있으며, 이들 중 어떤 것은 대물 렌즈 또는 샘플 스테이지 또는 두 가지 모두와 기능적으로 통신하는 하나 또는 그 초과의 서보들 또는 모터들 또는 다른 액추에이터들을 작동시킴으로써 구동될 수 있다. 다양한 구현예들에서, 액추에이터들은, 예를 들어 광학 이미징 축에 수직인 평면 상에서 샘플 컨테이너를 효과적으로 수평을 유지하기 위해 광학 스테이지에 대해 샘플 스테이지를 기울이도록 구성될 수 있다. 이러한 역학적인 기울임이 샘플 컨테이너 상의 샘플 위치들을 효과적으로 수평으로 유지하기 위해 수행되는 경우, 이것은 샘플 컨테이너를 요구된 z-축에서는 거의 또는 전혀 움직이지 않고 스캐닝을 위해 x 방향 및 y 방향으로 이동되게 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 포함하는 도 2는 포커스 추적을 위한 예시적인 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 2a는 포커스 추적을 위한 하나의 예시적인 광학 설계를 도시한다. 도 2b는 도 2a에 도시된 광학 시스템의 일부분의 다른 관점을 도시하는 다이어그램이다. 번잡함을 피하고 독자의 이해를 용이하게 하기 위해, 도 2a에 도시된 실시예는 이 경우에는 중앙 빔인 단일의 빔을 갖는 것으로 도시된다. 시스템은 예를 들면 3-빔들과 같이 하나 초과의 빔으로 작동할 수 있다. 3-빔 시스템은 예를 들면 룩-어헤드(look-ahead) 및 룩-비하인드(look-behind) 포커스 추적을 제공할 수 있다.
이제 도 2a를 참조하면, 레이저(270)는 포커싱 빔들을 위한 광을 발생하며 광학적으로 시스템에 연결된다. 레이저(270)로부터의 광은 예를 들어 광섬유를 통해 측방향 변위 빔 스플리터(lateral displacement beam splitter)와 같은 빔 스플리터 프리즘(272)에 연결될 수 있다. 필요하다면, 필터들이 예컨대 광원 선택을 위해 포함될 수 있다. 프리즘(272)은 송신 빔을 대략 동일한 세기의 실질적으로 평행한 두 개의 스폿들로 분할한다. 프리즘은 포커싱 모델에서 차동 측정을 제공하기 위해 포함될 수 있다.
회절 격자(274)는 입력 빔들의 다수의 복사본들을 생성한다. 다른 구성들에서, 빔 스플리터 큐브 또는 다중 레이저 광원들은 다중 빔들을 생성하는데 사용될 수 있다. 3-빔 시스템의 경우, 회절 격자(274)는 두 개의 입력 빔들의 각각에 대해 세 개의 출력 빔들을 발생할 수 있다. 하나의 입력 빔에 대한 이러한 실시예는 도 2b에 도시된다. 회절 격자는 (도 2b에서도 도시된 바와 같이) 발산하는 빔들을 생성할 수 있기 때문에, 플랫-톱(flat-top) 또는 도브(dove) 프리즘(276)은 다중 빔들을 방향 전환한다. 일부 구현예들에서, 프리즘은 빔들이 대물 렌즈(142)의 동공(pupil)에서 수렴하고 그래서 샘플 컨테이너에서의 빔들이 샘플 컨테이너에 수직이 되도록 구성된다. 3-출력 빔 구성에 대한 이러한 실시예는 도 2b에 도시된다. 샘플 컨테이너로부터 수신된 신호는 빔 스플리터(277)를 통해 복귀하고 거울(279)에서 반사된다. 각각의 빔 쌍이 발산하고 있기 때문에, 수신 프리즘들(280 및 282)은 이미지 센서(284)의 초점 평면 상으로 스폿들을 통합한다. 일부 실시예들에서, 이들은 현미경 개체에서 나가는 광선들을 굴절시켜 이미지 센서 어레이에 맞추어 겨누는 도브 프리즘 및 루프 프리즘으로서 구현될 수 있다. 루프 프리즘은 복귀 빔들을 굴절하여 이미지 센서의 초점 평면상으로 스폿 쌍의 스폿들을 통합하는데 사용될 수 있으며, 도브 프리즘은 앞/뒤 스폿 쌍들을 굴절하여 모든 스폿 쌍들을 초점 평면에 통합하는데 사용될 수 있다. 3-빔 룩-어헤드의 경우, 3빔들은 루프 프리즘의 두 개의 프리즘 절반들의 각각을 통과한다. 그러나 다른 축에서, 빔들이 발산하고 있는데, 이것은 도브 프리즘이 그러한 것을 수정하도록 포함되어 있는 이유이다.
도 2를 참조한 전술한 다양한 실시예에서, 다양한 광학 구성요소들은 프리즘들을 사용하여 구현된다. 광학 구성요소들 중 일부 또는 전부는 렌즈들을 사용하여 구현될 수 있지만, 이들 구성요소들은 일반적으로 구성요소들의 렌즈 대응 요소들(counterparts)과 비교하여 오정렬에 덜 민감하므로 프리즘들이 바람직할 수 있다. 프리즘들은 또한 렌즈 시스템들보다 더 바람직할 수 있는데, 그 이유는 프리즘들은 일반적으로 더 작고 더 적은 요소들을 포함하기 때문이다.
도 1 및 도 2의 실시예에서 대물 렌즈(142)는 샘플 컨테이너 상에서 일반적으로 원형의 시야를 제공한다. 일 구현예에서, 시야의 중심은 이미지화되는 현재 샘플 위치이다. 그 시야 내에서 스캔 방향은 x 또는 y 축 중 하나이다. 논의의 목적 상, 스캔 방향은 y 방향으로 가정될 것이다. LED 또는 레이저 광원과 같은 광원은 포커싱 빔들을 발생한다. 도시된 실시예에서, 세 개의 빔들은 3-포인트 차동 오프-축 예측 포커스 추정을 제공하는데 사용된다 - 하나의 빔은 현재 샘플 위치를 위한 빔이고 두 개의 부가적인 빔은 룩-어헤드 및 룩-비하인드 포커스 추적을 위한 빔이다. 이들 두 개의 부수적인 빔들은 광학 스테이지와 샘플 컨테이너 상의 샘플 위치들 사이에서 z 축을 따라 포커스 거리를 결정하는 데 사용된다.
도 1 및 도 2에서 기술된 시스템은 본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들이 구현될 수 있는 예시적인 시스템을 도시한다. 시스템들 및 방법들은 이러한 예시적인 시스템의 맥락에서 본 명세서에 이따금 기술될 수 있지만, 이것은 이러한 시스템들 및 방법들이 구현될 수 있는 단지 하나의 실시예일뿐이다. 본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들은 이러한 스캐너들 및 다른 스캐너들, 현미경들 및 다른 이미징 시스템들로 구현될 수 있다.
기존 스캐닝 시스템들은 포커싱 동작들을 위해 시준된 광을 사용한다. 이러한 시스템들에서, 빔의 길이 내내 상당히 일관된 직경을 유지하는 시준된 광은 대물 렌즈로 향한다. 이것의 실시예는 시준된 빔들이 대물 렌즈로 전달되는 (앞에서 설명한) 도 2a에 도시되어 있다. 대물 렌즈는 시준된 광을 샘플에 포커싱한다. 샘플로부터 반사된 광은 대물 렌즈를 통해 되돌아와 다시 시준된다. 그런 다음 반사되고 시준된 빔은 시스템의 이미지 센서(예를 들어, 도 2a의 실시예에서는 이미지 센서(284))로 향한다. 이미지 센서상의 반사된 빔들의 위치들은 포커싱 목적들을 위해 결정된다. 예를 들어, 2 빔 시스템의 경우, 이미지 센서의 스폿 위치들 간 거리는 포커싱을 결정하기 위해 측정된다.
시준된 광은 공지된 광원 및 스캐닝 시스템들이지만, 본 발명자들은 다양한 응용예들에서 시준된 광이 포커스 추적 동작들에 악영향을 미칠 수 있음을 발견하였다. 한 가지 역효과는 시준된 광을 포커스 추적 빔들에 사용하여 초래되는 스폿 크기와 관련이 있다. 시준된 광은 광학 경로 전체에 걸쳐 비교적 일관된 직경을 유지하기 때문에, 포커스 추적 빔들은 이미지 센서 상에 비교적 큰 스폿 크기를 이미징한다. 스폿 크기들이 더 크면 이미지 센서 상에는 더 많은 수의 픽셀들이 포함되며, 이것은 측정되어야 할 이미지 센서의 픽셀 행들의 수를 증가한다. 이로 인해 포커스 추적 동작들에 필요한 시간의 양이 증가한다.
대물 렌즈가 다수의 상이한 표면들에 포커싱하기 위해 사용될 수 있으나, 상이한 표면들 사이의 거리와 동일한 양으로 이동되지 않는 시스템들에서는 다른 역효과가 발생할 수 있다. 이러한 시나리오에서, 상이한 표면들에서 반사된 포커스 추적 빔들의 상이한 스폿 크기들이 이미지 센서에 출현할 수 있고, 포커스 추적 동작들에 영향을 줄 수 있다. 도 3은 이러한 현상의 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 상세하게 말해서, 도 3은 이미지화될 하나 또는 그 초과의 샘플들을 담은 샘플 컨테이너가 다수의 층들을 포함하는 실시예를 도시한다. 이제 도 3을 참조하면, 샘플 컨테이너(330)는 세 개의 층들(334, 338 및 336)을 포함한다. 이러한 3-층 실시예에서, 층들 사이에는 네 개의 표면들이 있다. 이것들은 표면들(S1, S2, S3 및 S4)에서 도시된다. 이 실시예에서는 포커싱 동작들을 위해 샘플 컨테이너(330) 상에 포커스 추적 빔들(333, 335)(2-빔 시스템에서는 두 개가 있음)을 포커싱하는 대물 렌즈(332)가 또한 도시된다.
포커스 추적 동작들을 위해, 어떤 경우에는 표면(S2)에 그리고 다른 경우에는 표면(S3)에 이미징 빔을 포커싱하는 것이 중요할 수 있다. 표면들(S2 및 S3) 사이의 분리는 거리(X)로 고정된다고 가정한다. 일부 응용예들에서, 대물 렌즈(332)의 동작에 따라, 대물 렌즈는 표면들(S2 및 S3) 사이의 포커스를 변화시킬 때 거리(X)보다 크거나 작은 거리를 이동할 수 있다. 그 결과, 표면들(S2 및 S3)에서 반사된 포커싱 추적 빔들(333, 335)은 S2 빔들이 S3 빔들과 상이한 스폿 크기를 제공하게 만드는 상이한 직경으로 재시준될 수 있다.
이것에 관한 실시예는 도 4에 도시된다. 상세하게 말해서, 도 4는 포커스 추적 빔들이 향하는 복수의 픽셀들(명료한 예시를 위해 도시되지 않음)을 포함하는 이미지 센서(362)의 일부를 도시한다. 시나리오(360)의 도면의 좌측에서, 이것은 이미지 센서 부분(362)이 2-빔 시스템에서 두 개의 포커스 추적 빔들 각각으로부터의 빔 스폿들(34, 36)을 갖는 것으로 도시된다. 스폿들(34)은 두 개의 이미징 표면들 중 한 표면(이 실시예에서는 S2라고 가정함)에서 반사된 좌측 및 우측 빔들로부터 온 것이고, 스폿들(36)은 두 개의 이미징 표면 중 다른 표면(이 실시예에서는 S3이라고 가정함)에서 반사된 좌측 및 우측 빔들로부터 온 것이다. 이 실시예에 도시된 바와 같이, 대물 렌즈의 이동에 기초하여, 대물 렌즈에 진입하기 전에 둘 모두가 시준되고 둘 모두가 실질적으로 동일한 빔 직경을 갖는 두 개의 포커스 추적 빔들은 이제 상이한 직경들을 가지며, 이에 따라 이미지 센서 상에서 상이한 스폿 크기들을 생성한다. 스폿들 중 더 큰 두 개는 각기 더 많은 수의 픽셀들을 포함하고, 그러므로 측정되어야 할 이미지 센서의 픽셀 행들의 수를 증가시킨다. 이로 인해 포커스 추적 동작들에 필요한 시간의 양이 증가한다. 이러한 이유들 때문에, 표면들(S2, S3)에서 반사된 좌측 및 우측 빔들로부터의 스폿들(34, 36)이, 각각, 실질적으로 동일한 스폿 크기이고 비교적 작은 도 4의 우측에 도시된 시나리오(361)와 같은 시나리오를 달성하는 것이 바람직하다.
기존 시스템들은 포커스 추적 빔들을 이미지 센서상에 수렴시키고 센서 상에서 빔들의 스폿 크기들을 줄이거나 최소화시키는 포커싱 렌즈를 사용할 수 있다. 그러나 렌즈는 광학 시스템에서 곡면을 도입하기 때문에, 시스템에서 열적 변동들을 통해 일어날 수 있는 변화들을 비롯하여, 렌즈의 정렬이 약간 변하더라도 센서상에 포커스 추적 빔들을 위치시킬 때 부정확한 것들이 발생할 수 있다. 렌즈의 움직임 또는 변화는 다중 포커스 추적 광빔들에 다르게 영향을 주는 측방향 이동(lateral translation)을 유발할 수 있다. 따라서, 도 2를 참조하여 상술된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 포커싱 렌즈는 루프 프리즘으로 대체된다.
도 5a는 포커스 추적 빔들을 이미지 센서 상에 수렴시키도록 구현된 포커싱 렌즈의 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 이제 도 5a를 참조하면, 광원(예를 들어, 도 2의 레이저 다이오드(270))으로부터의 광은 광섬유(레이저와 광섬유는 도시되지 않음)에 시준 렌즈(400)에 전달된다. 시준된 광은 이를테면 빔 스플리터 프리즘(382)(예를 들어, 도 2의 빔 스플리터 프리즘(272))에 의해 두 개의 빔으로 분할된다. 도면에서 불필요한 번잡함을 피하기 위해, 두 개의 반사된 포커스 추적 빔들(394, 395)이 렌즈(370) 및 이미지 센서(398)에서 도시된다; 그러나, 도 5a의 나머지 부분들에서는 두 개의 포커스 추적 빔 중 단지 하나만 도시된다.
빔 스플리터 프리즘(382)으로부터의 포커스 추적 빔들은 빔 스플리터(384)를 통과하고 대물 렌즈(390)를 통해 거울(386)에 의해 반사된다. 대물 렌즈는 빔들을 샘플 컨테이너(392)(예를 들어, 도 3의 샘플 컨테이너(330)) 내의 샘플에 포커싱한다. 이 실시예에서, 포커스 추적 빔들은 샘플 컨테이너(392)로부터 S2 표면에서 반사된다. 반사된 빔들(여전히 하나의 빔(394)만 도시됨)은 대물 렌즈(390)를 통해 되돌아오고, 거울(386) 및 빔 스플리터(384)에서 반사되고, 렌즈(370) 쪽으로 향한다. 복귀 빔들(394, 395)은 이 지점에서 갈라지기 때문에, 복귀 빔들(394, 395)을 이미지 센서(398)에 수렴시키기 위해 렌즈(370)가 구현된다. 또한, 포커스 추적 빔들(394, 395)은 시준된 광이기 때문에, 렌즈(370)는 빔들을 이미지 센서(398)상에서 더 작은 스폿 크기로 포커싱하는 부가적인 기능을 제공한다. 그러나 렌즈(370)를 측방향으로 배치할 때의 변화들이 이미지 센서(398) 상의 빔들의 위치에 영향을 주기 때문에, 이러한 변화들은 포커스 추적 오차를 가져온다.
도 5b는 렌즈(370)의 측방향 배치시의 변화들에 의해 야기되는 문제들을 피하기 위해 렌즈(370)가 루프 프리즘(396)으로 대체되는 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 렌즈를 루프 프리즘(396)으로 대체하면 렌즈의 측면 위치에 대한 시스템의 감도가 줄어들거나 없어진다. 열적 변동들 및 다른 변동들로 인한 프리즘의 변화들은 이미지 센서(398) 상의 포커스 추적 빔들(394, 395)의 간격에 영향을 주지 않는다. 프리즘의 각도 편향은 전적으로 유리의 각도에 의해 결정되기 때문에, 루프 프리즘(396)의 측방향 변위 빔들에 영향을 주지 않는다.
렌즈(370) 대신에 루프 프리즘(396)을 포함함으로써 포커스 추적 시스템의 정확성을 향상시킬 수 있다. 스폿들 사이의 분리는 대물 렌즈로부터 샘플 컨테이너까지의 거리를 측정하기 위해 사용되기 때문에, 빔들의 분리가 샘플 컨테이너까지의 거리에만 달려있을 때는 더 높은 정확도 수준들이 달성된다. 렌즈(370)의 배치 시 측면 부정확성에 의해 도입되는 것들과 같은, 빔 분리에 영향을 주는 다른 변수들은 포커스 추적 시스템의 정확성에 부정적으로 영향을 미친다. 따라서, 일부 측방향 변위가 존재할 때라도 포커스 추적 빔들에 동일한 각도를 제공하는 루프 프리즘을 포함하는 것이 시스템의 정확성에 큰 이득을 줄 수 있다.
렌즈를 제거하는 것에는 단점이 있다. 렌즈가 제거되기 때문에, 포커스 추적 빔들(이 예에서는 빔들(394, 395))은 센서상에 포커싱되지 않는다. 그러므로, 다양한 실시예들에서, 기존의 스캐닝 시스템들로 수행된 것처럼 시준된 광을 사용하는 대신, 포커스 추적 빔들은 광학 경로를 따라 주어진 지점에서 웨이스트를 위치하도록 포커싱된다. 이것은 이미지 센서 상에 더 작은 스폿 크기를 제공한다. 예를 들면, 일 응용예에서, 시준 렌즈(400)는 광섬유로부터의 광을 시준하기 위해 배치된 것보다 광섬유 출력으로부터 더 멀리 이동된다. 시준 렌즈(400)가 배치되는 광학 경로를 따른 지점은 빔 웨이스트가 광학 경로를 따라 배치되는 위치를 적시한다. 렌즈(370)를 루프 프리즘(398)으로 대체함에도 불구하고, 시준 렌즈(400)는 반사된 포커스 추적 빔들(394, 395)이 줄어든 스폿 크기로 이미지 센서(398) 상에 포커싱될 수 있도록 웨이스트를 제공하기 위해 위치될 수 있다.
광학 경로에서 빔 웨이스트를 배치하기 위해 시준 렌즈(400)를 이동하는 다른 장점은 이것이 도 4a를 참조하여 위에서 논의된 스폿 크기의 불균형을 줄이거나 제거하는데 도움될 수 있다는 것이다. 렌즈(400)는 샘플로부터 대물 렌즈를 통해 그리고 광학 경로의 나머지를 통해 복귀된 광이 시나리오(361)에서 도시된 바와 같이 실질적으로 동일한 스폿 크기로 센서에 충돌하도록 광학 경로에 제공되고 위치될 수 있다. 상세히 말해서, 일부 사례들에서, 렌즈는 시준기로부터 미리 정해진 거리에 빔 웨이스트를 배치하기 위해 광섬유 출력으로부터 거리를 두고 위치되어 원하는 샘플 컨테이너의 상부 및 하부 표면들로부터 이미지 센서로 전파하는 빔들의 직경들을 균형을 유지한다.
일 응용예에서, 빔 웨이스트는 이미지 센서 상에 충돌하는 빔들의 직경들을 균형을 맞추어 줄이기 위해 시준기로부터 690 mm-700 mm의 거리에 위치된다. 일부 실시예들에서, 스폿 크기는 거의 400 ㎛로 줄어들 수 있다. 다른 실시예들에서, 스폿 크기는 300 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 다른 스폿 크기가 사용될 수 있다.
또한, 빔 웨이스트를 광학 경로에 배치하기 위해 시준 렌즈(400)를 이동하면 이미지 센서 상에 충돌하는 광의 세기들을 균형 맞추는데 도움을 줄 수 있다. 도 4b는 최적하지 않은 위치에서 빔 웨이스트를 제공하도록 조정된 시준 렌즈를 이용하여 상이한 포커스 설정들에서 S2 표면 및 S3 표면으로부터 이미지 센서 상으로 반사하는 좌측 및 우측 포커스 빔들의 세기들을 도시하는 다이어그램이다. 이 다이어그램에서 스폿 밝기는 세로축에 있고 포커싱 스테이지의 위치는 가로축에 있다. 다이어그램의 좌측에 있는 수직 청색 선은 예시적인 일 구현예에서 S2 반사들에 대한 최적한 포커스 위치를 보여준다. 마찬가지로, 다이어그램의 우측에 있는 수직 청색 선은 이러한 예시적인 구현예에서 S3 반사들에 대한 최적한 포커스 위치를 보여준다. 이러한 다이어그램이 도시하는 바와 같이, S2 빔의 평균 스폿 밝기는 S2 포커싱 위치에서 대략 170이며, 반면에 S3 빔의 평균 스폿 밝기는 최적한 S3 포커싱 위치에서 대략 85이다. 따라서, S2 및 S3 빔들의 스폿 세기는 균형을 이루지 않는다.
도 4c는 포커스 추적 빔들의 광학 경로를 따라 빔 웨이스트를 더욱 최적하게 위치시키기 위해 시준 렌즈가 조정된 경우에 상이한 포커스 설정들에서 S2 표면 및 S3 표면으로부터 이미지 센서상으로 반사하는 좌측 및 우측 포커스 빔들의 세기들을 도시하는 다이어그램이다. 여기서, 빔 웨이스트가 광학 경로를 따라 위치되는 경우, S2 및 S3 반사 빔들의 세기들은 더 균형을 이룬다. 특히, 다이어그램은 좌측 및 우측 S2 빔들이 S2의 최상 포커스 위치에서 대략 125의 평균 스폿 밝기를 갖는 것을 도시한다. 이것은 또한 좌측 및 우측 S3 빔들이 S3의 최상 포커스 위치에서 대략 130의 평균 스폿 밝기를 갖는 것을 도시한다. 도 4b와 도 4c의 비교가 보여주는 것과 같이, 빔 웨이스트를 광학 경로를 따라 배치하는 것은 S2 및 S3 포커스 추적 빔들의 세기들의 균형에 영향을 줄 수 있다.
도 6은 포커스 추적 빔의 빔 웨이스트를 선택 위치에 위치하도록 배치된 렌즈를 포함하는 예시적인 구성을 도시하는 다이어그램이다. 이 실시예에서, 레이저 광원(예를 들어, 광원(270))과 같은 광원(도시되지 않음)으로부터의 광은 페룰(434)을 통해 렌즈 하우징 어셈블리에 연결된 광섬유 케이블(432)에 의해 운반된다. 페룰(434)은 인서트(insert)(436)에 고정식으로 부착된 장착 블록(435)에 장착된다. 주어진 초점 길이의 렌즈(440)는 광섬유(432)의 출력으로부터 정해진 거리에 배치되고, 렌즈 하우징 어셈블리에 의해 이 거리로 유지될 수 있다. 이러한 실시예에서, 광섬유로부터의 광은 몸체 부분(438)에 장착된 인서트(436)의 개구를 통해 진행한다. 렌즈(440)의 초점 길이 및 광섬유(432)의 출력으로부터의 거리는 빔 웨이스트를 광학 경로를 따라 원하는 위치에 배치하도록 선택된다. 위에서 언급한 바와 같이, 광섬유의 출력과 렌즈(440) 사이의 거리는 아래에서보다 상세히 설명되는 바와 같이 빔 웨이스트를 원하는 위치에 배치하도록 선택된다.
이러한 실시예에서, 렌즈(440)와 광섬유 출력 사이의 분리는 렌즈 표면과 광섬유 사이의 작동 거리인 14.23 mm이다. 15.7 mm는 렌즈의 유효 초점 길이이다(이것은 렌즈 주 평면에 관한 것이기 때문에 렌즈의 백(back) 초점 길이보다 길다). 시준기에서 렌즈의 백 초점 길이는 렌즈 정점으로부터 광축 상의 렌즈의 포커스까지의 거리인 13.98 mm이기 때문에, 백 초점 길이는 14.23 mm보다 짧다.
도시된 실시예에서, 인서트(436)는 몸체 부분(438)에 의해 정의된 공동 내에 미끄럼 가능하게 장착되어, 광섬유 출력과 렌즈(40) 사이의 거리가 몸체 부분(438)의 공동 내에 미끄럼 가능하게 장착된 인서트(436)에 의해 조정될 수 있다. 고정 나사(442) 또는 다른 잠금 기구는 인서트(436)를 몸체 부분(438) 내의 제 위치에 고정하기 위해 포함될 수 있다. 미끄럼 가능 인서트(436)를 사용하면 시스템을 이미지 센서상의 스폿 크기를 조정하거나 최적화하도록 조정할 수 있다. 이로 인해 최종 시스템 구성 조정 또는 인-필드 조정(in-field tuning)이 가능할 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에서 렌즈(440)는 평면-볼록 렌즈(plano-convex lens)이다. 그러나, 본 설명을 읽은 이후에, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 예를 들어, 양면 볼록 렌즈를 포함하는 다른 렌즈 구조물들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일부 응용예들에서, 렌즈는 빔 웨이스트가 대물 렌즈 내에 위치되도록 구성된다. 상세히 말해서, 일부 응용예들에서, 렌즈는 빔이 샘플에 충돌하기 이전에 빔 웨이스트가 대물 렌즈 내에 위치되도록 구성되는 반면에, 다른 응용예들에서, 렌즈는 빔이 샘플에서 반사된 이후에 빔 웨이스트가 대물 렌즈 내에 위치되도록 구성된다. 다른 응용예들에서, 렌즈는 반사된 빔이 대물 렌즈를 떠난 이후에, 빔 웨이스트가 대물 렌즈 앞에서 발생하도록 또는 대물 렌즈와 샘플 사이에서 발생하도록 구성된다. 렌즈의 배치는 예컨대 모델링 소프트웨어의 사용을 통해 반복적인 프로세스에 의해 결정되어, 이미지 센서상의 원하는 스폿 크기 및 균형을 달성할 수 있다.
스폿 크기들을 균형 맞추는 것 이외에, 더 작은 스폿 크기들은 일반적으로 포커싱이 결정될 수 있는 속도를 개선하는데 활용된다. 이미지 센서에서 정보를 읽는데 필요한 시간은 포커스 추적 시스템의 대기시간에 영향을 미친다. 상세히 말해서, 주어진 픽셀 밀도를 갖는 센서의 경우, 더 큰 스폿 크기는 더 많은 픽셀을 감당하며, 스폿 직경 내에서 각 픽셀로부터 데이터를 판독하는데 더 많은 시간이 요구된다. 따라서, 앞에서 논의된 바와 같이, 빔 직경들을 균형 맞추는데 사용되는 렌즈는 또한 이미지 센서 상에 충돌하는 스폿의 크기를 줄이는데 사용될 수 있고, 이에 따라 포커싱 동작들을 위한 스폿 위치(또는 다중 빔 포커싱을 위한 위치들)를 결정하는데 필요한 시간의 양을 줄일 수 있다.
도 3a를 참조하여 앞에서 논의된 바와 같이, 일부 응용예들에서, 다층 샘플 컨테이너는 스캐닝 시스템에 의해 이미지화될 샘플을 나르는데 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서 논의된 바와 같이, 이미지화될 샘플은 층(338) 내의 용액에 담길 수 있다. 이미징을 발생시키기 위하여, 적어도 층(334)은 이미징에 사용된 빔에 광학적으로 투명해야 한다. 층(336) 역시 광학적으로 투명할 수 있다. 따라서, 표면들(S1, S2, S3 및 S4)은 일반적으로 반사적이다. 마찬가지로, 이미징 빔이 층(338)에 있는 샘플에 도달하는 것이 중요하기 때문에, 표면 상에 반사 방지 코팅을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 포커스 추적 및 이미징 동작들 동안 표면들(S1 및 S4)로부터 원하지 않는 반사들은 시스템에서 원치않는 광학 잡음을 생성할 수 있고, 이미지 센서에서 수집될 빔들인 S2 및 S3으로부터 반사된 빔들을 흐리게 할 수 있다.
도 3b는 일부 환경들에서 다층 샘플 컨테이너의 다중 표면들에서 원하지 않는 반사들을 생성하는 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 이 실시예에서 알 수 있듯이, 3-층 샘플 컨테이너는 표면들(S1, S2, S3 및 S4)을 포함한다. 명료성을 위해, 단일 포커스 추적 빔(465)이 도시된다. 그러나, 다른 응용예들에서, 다중 포커스 추적 빔들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 아래의 실시예들은 두 개의 포커스 추적 빔들이 기술된 시스템을 설명한다. 이러한 실시예에서도 알 수 있는 바와 같이, 빔은 각각의 표면들(S1, S2, S3 및 S4)에서 반사된다. 샘플은 표면들(S2와 S3) 사이에 있기 때문에, 이들 표면들은 시스템이 포커싱하도록 설계된 표면들이다. 따라서, 표면(S1)에서 반사된 빔(467) 및 표면(S4)에서 반사된 빔(469)은 임의의 유용한 정보를 되돌려 보내지 않으며 원하지 않는 반사들이다. 포커스 추적을 위한 관심의 반사들은 표면들(S2 및 S3)에서의 반사들이다. 따라서, 표면들(S1 및 S4)에서의 반사들로부터 나온 광이 검출기에 도달하였다면, 이것은 포커스 추적 빔 반사들의 검출을 간섭할 수 있는 잡음을 유발할 수 있다.
도 3c는 원하지 않는 반사들이 이미지 센서에 미치는 영향의 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 이 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 포커스 추적 빔들에 의해 제공되는 스폿들(482)에 더하여, 원하지 않는 반사들의 결과로서 이미지 센서 상에 상당한 양의 잡음이 나타난다. 다른 실시예들에서, 원하지 않는 반사들은 또한 이미지 센서 상에 부가적인 스폿들로 나타날 수 있다. 도 3d는 아래에서 논의되는 실시예들에 따라 차단 구조물들을 배치한 결과로서 이미지 센서에서의 잡음 감소를 도시하는 다이어그램이다.
이러한 문제는 표면들(S1 및 S4)에서의 반사들이 샘플에서의 반사들보다 큰 세기를 갖는 환경들에서 악화된다. 이것은 샘플 컨테이너가 광학적으로 투명한 것이 중요하기 때문에, 샘플 컨테이너에는 반사 방지 코팅들은 제공되지 않는다. 마찬가지로, 유리 표면에서의 반사들은 생물학적 샘플에서의 반사들보다 강한 경향이 있다. 또한, 샘플 컨테이너가 표면들(S2 및 S3)상에 나노-웰 또는 다른 유사한 패턴을 포함하는 응용예들에서, 이것은 이들 표면들에서의 반사들을 더욱 줄일 수 있다. 따라서, 표면들(S1 및 S4)로부터의 원하지 않는 반사들은 표면들(S2 및 S3)에서의 반사들보다 더 큰 세기를 갖는 경향이 있다. 예를 들어, 일부 응용예들에서, 표면(S1)에서의 반사들은 표면들(S2 및 S3)에서의 반사들의 세기의 100배(또는 그 이상)일 수 있다. 이러한 문제를 해결하고 포커스 추적 동작들로부터의 이러한 원하지 않는 반사들의 영향을 제거하기 위해, 샘플과 이미지 센서 사이의 광학 경로를 따라 결정된 위치들에 차단 구조물들을 포함하여 이러한 원하지 않는 광이 이미지 센서에 도달하는 것을 차단하는 다양한 실시예들이 구현될 수 있다.
도 7은 본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들의 실시예들이 구현될 수 있는 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 이제 도 7을 참조하면, 이러한 실시예는 레이저 광원과 같은 광원(도시되지 않음)을 포함한다. 예를 들어, 일 응용예에서, 광원은 도 6에 도시된 실시예와 같은 광섬유 커플러 및 렌즈 구조물을 사용하여 시스템에 결합된 레이저 다이오드로서 구성될 수 있다. 다른 예로서, 광원은 포커스 추적 동작들을 위해 시준된 광을 제공하는 시준기를 갖는 레이저 다이오드로서 구성될 수 있다.
이 실시예에서, 레이저로부터의 광은 광을 두 개의 평행한 빔들로 분리하는 측방향 변위 프리즘(522)으로 도입된다. 다른 구성들은 단일 포커스 추적 빔 또는 두 개 초과의 포커스 추적 빔들로 구현될 수 있다. 동작 시, 포커스 추적 빔들은 빔 스플리터(524)를 통해 보내지고 상부 잠망경 거울(526) 및 하부 잠망경 거울(528)에서 반사된다. 포커스 추적 빔들은 잠망경 윈도우(530) 및 빔 스플리터(532)(또한 이색성 필터로서 구현될 수도 있음)를 통해 전달된다. 그 다음, 빔들은 거울(536)에서 반사되어 대물 렌즈(538)에 의해 샘플 컨테이너(540) 상으로 포커싱된다. 샘플 컨테이너로부터의 반사들은 대물 렌즈를 통해 복귀되고 이들 반사들이 빔 스플리터(524)에서 반사될 때까지 동일한 경로를 따라간다. 빔들은 서로로부터 약간 갈라질 수 있기 때문에, 루프 프리즘(546)은 빔을 평행한 방향으로 또는 심지어 약간 수렴하는 구성으로 방향 전환하기 위해 포함될 수 있어서 빔들은 모두 다 비교적 작은 영역의 이미지 센서를 향해 전달될 수 있다. 이 실시예에서, 카메라 방향전환용 거울(548)은 포커스 추적 빔들을 이미지 센서(550)로 향하게 한다. 본 명세서에서 설명된 예시적인 차단 구조물들이 이러한 예시적인 구성의 관점에서 기술되었지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 설명을 읽은 이후에, 다중 표면 샘플 컨테이너로부터 원하지 않는 반사들을 차단하기 위해 차단 구조물들의 상이한 기하학적 구조들 또는 배치가 어떻게 상이하게 구성된 시스템들에서 사용될 수 있지를 인식할 것이다.
도 7의 예시적인 시스템은 S1 및 S4 표면들로부터의 원하지 않는 반사들이 이미지 센서에 도달하지 못하게 차단될 수 있는 복귀 경로를 따라 있는 지점들을 식별하기 위해 시스템에서 S1-S4 표면들에서 반사된 빔들의 경로들을 결정하도록 모델링되었다. 이러한 모델링의 결과로서 경로를 따라 다양한 지점들에서 빔들의 공간적 관계가 도 8, 9, 11, 12, 19, 20, 21, 22, 23 및 24에 도시된다. 이들 도면이 도시하는 바와 같이, 표면들(S1-S4)에서 반사된 빔들의 공간 관계들은 시스템의 복귀 경로 전체에서 다르다. 빔 위치들은 빔들의 복귀 경로의 길이를 따라 서로에 대해 변하며, 위치들은 또한 대물 렌즈에 대한 샘플 컨테이너의 배치에 따라 변한다. 더 복잡하게 하는 것은 전진 방향 및 복귀 방향으로 진행하는 포커스 빔들이 있다는 것과 둘 다의 방향으로도 진행하는 이미징 빔들도 있다는 것이다. 따라서, 원하는 포커스 추적 및 영상 빔들과의 간섭을 피하면서 이미지 센서에 잡음을 부과하는 원하지 않는 반사들을 효과적으로 차단하는 차단 구조물을 광학 경로 내에 구성하는 것은 사소한 쉬운 일이 아니다.
도 8 및 도 9는 도 3b에 도시된 것과 같은 다층 샘플 컨테이너를 사용하는 도 7의 예시적인 구성에서 빔 스플리터(532)에서 반사된 포커스 추적 빔들의 공간 관계를 도시하는 다이어그램이다. 도 8 및 도 9는 21 mm x 21 mm 면적 내의 빔들을 도시한다. 도 8은 시스템이 표면(S2)에서 샘플 웰의 상부에 포커싱하도록 구성될 때 빔 스플리터(532)에서의 빔들의 공간적 관계를 도시하는 한편, 도 9는 표면(S3)에서 샘플 웰의 하부에 포커싱하도록 구성된 시스템과 빔 스플리터(532)에서의 빔들의 공간적 관계를 도시한다. 이러한 도면들은 빔 스플리터(532)에서 S2 및 S3에 포커싱된 시스템의 경우, 반사 빔들이 세 개의 공간 그룹들의 표면에 충돌한다는 것을 도시하고: 표면들(S1, S2 및 S3)에서의 좌측 포커스 추적 빔의 반사는 제 1 그룹에 있고; 표면들(S1, S2 및 S3)에서의 우측 포커스 추적 빔의 반사는 제 1 그룹으로부터 물리적으로 분리된 제 2 그룹에 있으며; 표면(S4)에서 반사된 좌측 및 우측 포커스 추적 빔들은 이들 두 그룹 사이의 영역에 있다. 빔들 간의 이러한 공간적 관계에 따라, 표면(S1)에서의 좌측 및 우측 반사들을 효과적으로 차단하는 개구 구성을 사용하면서 표면들(S2 및 S3)에서의 원하는 반사들이 방해 받지 않고 통과할 수 있게 하는 것은 어려울 것이다. 그러나, 다른 반사들에 대해 표면(S4)에서의 반사들의 양호한 공간 분리가 있기 때문에, S4 표면으로부터의 반사들은 복귀 경로를 따라 이 지점에서 차단될 수 있다.
도 10은 예시적인 일 구현예에 따라 S4 표면으로부터 좌측 및 우측 포커스 추적 빔들의 반사들을 차단하는 빔 차단기의 예시적인 배치를 도시하는 다이어그램이다. 이 실시예는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 빔 스플리터(532)에서 서로 수렴하는 표면(S4)으로부터의 반사들(424)을 도시한다. 또한, 이 실시예는 S2 표면 및 S3 표면으로부터 원하는 반사들과 방해 없이 표면(S4)으로부터의 이들 반사들을 차단하는 차단 구조물이 어떻게 포함될 수 있는지를 예시한다. 이것은 빔 스플리터(532)의 포커스 추적 모듈 측에서 4 mm 폭의 불투명체를 사용하는 도시된 실시예에서 구현될 수 있다.
도 11 및 12는 도 3b에 도시된 것과 같은 다층 샘플 컨테이너를 사용하는 도 7의 예시적인 구성에서 빔 스플리터(532)에서 반사된 포커스 추적 빔들의 공간 관계를 도시하는 다이어그램이다. 도 11 및 도 12는 25 mm x 25 mm 면적 내의 빔들을 도시한다. 도 11은 시스템이 표면(S2)에서 샘플 웰의 상부에 포커싱하도록 구성될 때 상부 잠망경 거울(526)에서의 빔들의 공간적 관계를 도시하는 한편, 도 12는 표면(S3)에서 샘플 웰의 하부에 포커싱하도록 구성된 시스템을 갖는 상부 잠망경 거울(526)에서의 빔들의 공간적 관계를 도시한다. 이 실시예에서 S4 표면에서의 포커스 추적 빔의 반사들은 복귀 경로에서 이러한 지점에 도달하기 전에 빔 스플리터(532)에서 차단되기 때문에, 표면(S4)으로부터의 어떠한 스폿들도 없다. 더 중요한 것은, 이것은 표면(S1)으로부터의 반사 빔들이 S2 표면 및 S3 표면의 원하는 반사들과 양호한 공간 분리를 갖는다는 것을 보여준다.
빔들의 이러한 공간 배치에 따라, S1 반사들을 차단하면서 S2 표면 및 S3 표면으로부터 반사된 빔들을 통과시켜 궁극적으로 이미지 센서에 도달할 수 있게 하는 개구가 사용될 수 있다. 도 13 및 도 14는 상부 잠망경 거울(526) 및 빔 스플리터(524)에서 반사된 빔들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 빔들이 상부 잠망경 거울(526)에서 차단되지 않았더라면, 빔들은 빔 스플리터(524)에서 반사되어 루프 프리즘(546)의 에지들에 충돌하였을 것이다. 이러한 모델링이 도시하는 바와 같이, 표면(S1)으로부터 반사된 빔은 상부 잠망경 거울(526)에 20 mm x 20 mm 개구를 배치함으로써 차단될 수 있다. 대안적으로, 상부 잠망경 거울(526)의 크기는 S1 표면으로부터 반사된 빔들이 이미지 센서로 복귀되지 않도록 20 mm x 20 mm 치수로 축소될 수 있다. 다른 응용예들에서 또는 개구가 다른 위치들에 배치된 경우, 구현된 개구의 크기는 S1 빔들의 위치에 따라 변할 수 있다. 다른 예시적인 구현예에서, 개구는 20.8 mm 폭이다. 이 폭은 약 -20 ㎛ 내지 +30 ㎛(일 응용예에서 S2에 거의 최상의 포커스)에서 S2 이미지 및 약 -25 ㎛ 내지 +25 ㎛(일 응용예에서 S3에 거의 최상의 포커스)에서 S3 이미지를 수용하도록 선택되었다.
도 15a는 대물 렌즈(538)를 통해 샘플로부터 반사되고 빔 스플리터(532)를 향하는 포커스 추적 빔들을 도시하는 하향식 도면을 제공한다. 거울(536)은 도 15a에 도시되지 않지만, 이것은 빔 스플리터(532)를 향해 반사되는 반사된 포커스 추적 빔들을 도시한다. 이 실시예는 또한 빔 스플리터(532)의 배면에 위치된 빔 차단기에 의해 차단되는 S4 반사 빔들을 도시한다. 빔 차단기는 도 15a에 도시되지 않지만, 예시적인 일 실시예는 도 16a 및 도 16b에서 제공된다.
도 15b는 도 15a의 확대도를 제공하는 것으로, 빔 스플리터(532)의 배면의 표면(S4)으로부터 반사된 포커스 추적 빔들의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예가 도시한 바와 같이, 표면(S4)으로부터 반사된 포커스 추적 빔들은 차단 부재(562)에 의해 차단된다. 이러한 실시예가 또한 도시하는 바와 같이, 차단 부재(562)의 전면은 빔 스플리터(532)의 배면과 실질적으로 평행하는 방향으로 향하고 있다. 예시적인 일 구현예에서, 차단 부재(562)는 시스템에서 빔 스플리터(532)의 배면으로부터 50 ㎛만큼 이격되도록 배치된다. 다른 실시예들에서, 다른 분리 간격들이 제공될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예들에서, 간격은 25 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위 이내일 수 있다. 이러한 실시예는 차단 부재(562)가 직사각형의 단면을 갖는 것으로 도시하고 있지만, 차단 부재(562)는 다른 형상들이나 기하학적 구조들을 사용하여 구현될 수 있으며, 그 실시예는 도 16a 및 도 16b를 참조하여 아래에 설명된다.
도 15c는 이미징 시스템의 일부분 내에 위치된 차단 부재 및 스플리터의 실시예의 하향식 도면을 도시하는 다이어그램이다. 이 실시예에서, 차단 부재(562)는 S4 표면으로부터 반사된 빔들을 차단하기 위해 빔 스플리터(532)의 배면에 위치된다. 대물 렌즈(538)로부터 나오는 반사된 빔들은 거울(526)에 의해 빔 스플리터(532)를 향해 반사된다. 차단 부재(562)는 S4 표면으로부터 반사된 빔들을 차단하도록 위치하며, S2 표면 및 S3 표면으로부터 반사된 빔들과 방해하지 않도록 하기에 충분히 작은 폭을 갖는다.
도시된 실시예에서, 차단 부재(562)는 폭이 4 mm이고 길이가 2 mm이고, 대물 렌즈(538)의 광축으로부터 약간 오프셋되어 있다. 그러나, 이것은 하우징(565) 내에 장착된 하부 잠망경 거울(528)의 중심과 정렬된다. 상세히 말해서, 예시적인 일 구현예에서, 차단 부재(562)는 S4 표면으로부터 반사된 빔들에 대해 중심으로 집중되도록 보장하기 위해 대물 렌즈 광학 축의 좌측으로 1.1 mm 오프셋된다.
도 15d는 스플리터에서 반사된 포커스 추적 빔들의 빔 경로에 있는 4 mm 폭의 차단 구조물의 표현을 도시하는 다이어그램이다. 이러한 실시예가 도시하는 바와 같이, 4 mm 폭의 차단 구조물(직사각형(631)으로 표시됨)은 다이어그램의 중심에 도시된 표면(S4)으로부터 반사된 포커스 추적 빔들을 차단하기에 충분한 폭을 갖는다. 이러한 실시예가 또한 도시하는 바와 같이, 차단 부재의 폭은 원하지 않는 반사된 빔들을 차단하기에 충분히 넓게 선택되지만, 그럼에도 S2 및 S3 이미징을 위한 최대의 가능한 포착 범위들을 제공한다. 포커싱될 때 약간의 변화들은 스플리터에서 빔들의 위치의 상응하는 변화를 가질 수 있기 때문에, 차단 부재의 폭은 완벽한 포커스 조건에서 빔들을 차단하는데 필요한 것보다 어느 정도 더 넓은 것으로 선택될 수 있다. 다시 말하자면, 차단 부재는 포커싱 시스템에서 확정된 부정확 정도를 수용할 만큼 충분히 넓을 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 도 8 내지 도 10을 참조하여 기술된 예시적인 구현예들에 따라 빔 스플리터(532)에서 S4 반사들을 차단하는데 사용될 수 있는 빔 차단기의 실시예를 도시하는 다이어그램들이다. 도 17 및 도 18은 도 16a 및 도 16b에 도시된 빔 차단기의 예시적인 배치를 도시하는 다이어그램들이다. 도 16a의 좌측은 빔 차단기(620)의 (빔의 관점으로부터 본) 배면도를 도시하고; 우측은 빔 차단기(620)의 사시도를 도시한다. 빔 차단기(620)는 반사된 빔이 통과할 수 있는 개구(624)를 정의하는 프레임 부분(622)을 포함한다. 차단 면(630)을 포함하는 빔 차단 부재(626)는 연장 아암들(628)에 의해 제 위치에 지지되어 S4로부터의 원하지 않는 반사 빔들을 차단한다. 도시된 실시예에서, 연장 아암들(628)은 프레임 부분(622)의 대향 측면들에 붙거나, 부착되거나, 접합되거나 또는 다른 방식으로 연결된 세장형 구조적 부재들이고, 빔 차단 부재(626)는 연장 아암들(628)의 말단부들을 가로 질러 연장된다.
프레임 부분(622) 및 연장 아암들(628)은 장착 구조물을 제공하며, 이 장착 구조물에 의해, 빔 차단 부재(626)가 표면들(S2 및 S3)로부터의 반사들과 간섭하지 않고 빔 스플리터(532)에서 제 위치에 장착될 수 있다. 빔 차단기(620)는 단일 구조물로서 주조되거나, 성형되거나, 기계 가공되거나 또는 다른 방식으로 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 빔 차단기(620)를 구성하는 요소들은 부착되거나, 접합되거나, 체결되거나 또는 다른 방식으로 함께 연결되어 결과적인 어셈블리를 형성하는 별개의 구성요소들일 수 있다. 빔 차단기(620)는 시스템 내에서 다른 원하지 않는 반사들을 피하기 위해 광을 흡수하는 불투명 표면들을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 빔 차단기(620)는 양극 처리된 블랙 알루미늄 또는 다른 광 흡수 또는 광 흡수 코팅 재료들을 사용하여 제조될 수 있다. 빔 차단기(620)는 특정 응용예를 위해 치수화될 수 있다. 예시적인 일 응용예에서, 빔 차단기(620)는: 30 mm의 개구 폭과 21 mm의 높이; 25 mm 길이의 연장 암들(628); 및 2.8 mm 폭과 21 mm 길이의 차단 면을 제공하도록 치수화된다.
이제 도 16b를 참조하면, 상부 다이어그램(682)은 빔 차단기(620)의 하향식 도면을 도시하고, 하부 다이어그램(683)은 빔 차단기(620)의 A에서의 횡단면도를 도시한다. 연장 아암들(628)의 전방 에지는 (아래에 설명되는) 도 17에서 추가로 도시된 바와 같이 빔 스플리터(532)의 각도에 맞추도록 가늘어진다. 빔 차단 부재는 삼각형 단면을 가지며 입사하는 빔에 평평한 차단 면(630)을 제공하는 방향으로 향하고 있다. 빔 차단기(620)는 광 흡수 물질들을 사용하여 제조될 수 있지만, 원하지 않는 빔들에 삼각형 단면을 제공하는 것은 임의의 흡수되지 않은 광을 복귀 경로로부터 반사시키는 효과를 가질 수 있다.
도 17a는 빔 스플리터(532)에 설치된 빔 차단기(620)의 단면도를 나타낸다. 이제 도 17a를 참조하면, 작동 시, 표면들(S1, S2, S3 및 S4)로부터의 포커스 추적 빔들의 반사들은 대물 렌즈로부터 위로 진행하고, 거울(536)에서 반사되어 빔 스플리터(532) 쪽으로 향한다. 차단 부재(626)의 차단 면(630)(도 16a 및 도 16b 참조)은 앞에서 계속하여 설명된 빔 스플리터(532)로부터의 S4 반사들을 차단한다. 이 실시예에서 연장 아암(628)은 차단 부재(626)를 빔 스플리터(532)의 표면 또는 그 부근에 배치하도록 치수화된 것으로 도시된다. 이 도면은 또한 차단 부재(626)의 차단 면(630)이 빔 스플리터(532)에 인접하여 빔 스플리터(532)와 실질적으로 동일한 각도로 배치될 수 있게 연장 아암(628)의 전면 각도가 작아지는 것을 도시한다. 일부 실시예들에서, 차단 부재(626)는 차단 면(630)이 빔 스플리터(532)와 접촉 관계에 있도록 위치된다. 다른 실시예들에서, 차단 부재(626)는 차단 면(630)이 예를 들면, 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 만큼처럼 소량만큼 빔 스플리터(532)의 면으로부터 분리되도록 위치된다.
대안적인 실시예들에서, 차단 요소는 도 16 및 도 17에 도시된 구조물 없이 빔 스플리터(532)의 배면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 경우에 따라, 불투명 물질의 스트립이 빔 스플리터(532)의 배면에 부착될 수 있다. 다른 경우에, 불투명 또는 광학 흡수 코딩이 좁은 줄무늬로 빔 스플리터(532)의 후방에 도포될 수 있다.
스캐닝 동작들을 위해, 예를 들어 적색 및 녹색 영상 빔들일 수 있는 이미징 빔들은 화살표(690)로 도시된 바와 같이 우측에서 시스템으로 들어간다. 이 빔들은 빔 스플리터(532)의 전면에서 거울(536)을 향해 반사된다. 거울(536)은 이미징 빔들을 대물 렌즈로 아래쪽으로 반사한다. 따라서, 차단 부재(626)의 위치는 또한 (빔 스플리터(532)의 전면에 의해) 샘플을 향해 반사된 이미징 빔들과 간섭하지 않도록 선택된다.
이러한 실시예는 또한 차단 부재(626)가 삼각형 단면을 나타내고, 차단 부재(626)의 후방 에지들이 가늘어져서 예각으로 만나는 것을 도시한다. 차단 면(630)이 표면(S4)으로부터의 반사들을 차단 또는 실질적으로 차단하도록 적절하게 치수화되면, 차단 부재(626)에 대한 다른 횡단면의 기하학적 구조들이 사용될 수 있다. 그러나, 차단 부재(626)의 후방을 향한 단면을 감소시키는 도시된 바와 같은 기하학적 구조는 차단 부재(626)가 다른 방식으로 원하는 빔들과의 원하지 않는 간섭을 제공할 수 있는 가능성을 최소화할 수 있다.
도 17b는 빔 스플리터(532)에 설치된 빔 차단기(620)의 배면도를 나타낸다. 이것은 볼트들(732)을 사용하여 제 위치에 장착된 프레임 부분(622)을 도시한다. 이것은 표면들(S2 및 S3)로부터 반사된 광(및 S1, 경로에서 나중에 차단됨)이 통과할 수 있게 하는 개구(624)에 의해 제공되는 윈도우를 도시하는데, 한편으로 차단 부재(626)는 표면(S4)으로부터의 광이 빔 스플리터(532)를 떠나기 전에 그 광을 차단한다.
도 18a는 S1 표면에서 반사된 빔들을 차단하는데 사용될 수 있는 개구의 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 이것은 잠망경 개구에서 포커스 추적 모듈의 내측 벽 상에 배치될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 예시적인 일 구현예에서, 개구는 20.8 mm x 20.8 mm이지만, 다른 실시예들에서는 다른 개구 크기들이 제공될 수 있다. 차단 부재와 마찬가지로, 개구의 치수들은 "최상의 포커스"이라는 고려 사항에 대해 S2 및 S3 반사 빔들에 가능한 최대의 포착 범위를 제공하면서 원하지 않는 반사들을 차단하도록 선택될 수 있다. 도 18b는 빔 축에 수직인 빔 스플리터(524)의 전방에 있는 개구(740)의 예시적인 배치를 도시한다.
도 19 및 도 20은 S4 반사들을 차단하는 부가적인 빔 차단기(620) 및 S1 반사들을 차단하는 20.8 ㎜ x 20.8 ㎜ 개구의 결과물들을 도시한다. 도 19는 상부 잠망경 거울(526)에서 샘플의 상부(표면(S2))에 포커싱하기 위한 빔들로부터의 스폿들을 도시하고, 도 20은 샘플의 상부 잠망경 거울(526)에서 하부(표면(S3))에 포커싱하기 위한 빔들로부터의 스폿들을 도시한다.
전술한 것은 대물 렌즈를 표면들(S2 및 S3)에 포커싱하는 것으로 도시되었지만, 완벽한 포커싱은 항상 달성되는 것은 아니며, 이에 따라 실시예들은 상부 및 하부 샘플의 위 및 아래의 포착 범위를 감안하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 모델링은 또한 상부 및 하부 샘플 표면들로부터 +/-25 ㎛ 이내에 포커싱을 맞추는 "최상의 포커스"을 가정하여 수행되었다. 이러한 "최상의 포커스" 모델링은 위에서 설명한 구조물들이 최상의 포커스 동작들 하에서 S1 및 S4 표면들로부터의 원하지 않는 반사들을 차단하는 데 충분하다는 것을 확인하였다.
도 21 내지 도 24는 이미지 센서에서 예시적인 "최상의 포커스" 포착 범위의 상단 및 하단에서의 스폿 배치를 도시하는 다이어그램이다. 이 경우, 모델링은 +/- 25 ㎛의 포착 범위로 수행되었다. 이 다이어그램들은 11.26 mm x 11.26 mm의 이미지 센서 영역을 도시한다. 도 21은 S2로부터 대물 렌즈 위치가 1.064 mm인 경우 S2 상에 포커싱하기 위해 포착 범위의 상단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사된 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다. 도 22는 S2로부터 대물 렌즈 위치가 1.014 mm인 경우 S2 상에 포커싱하기 위해 포착 범위의 하단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사된 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다. 도 21 및 도 22는 이상적인 포커스 위치로부터 +/- 25㎛의 변동을 도시한다. 도 23은 S3 상에 포커싱할 때 포착 범위의 상단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사된 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다. 도 24는 S3 상에 포커싱할 때 포착 범위의 하단에서 이미징을 위한 S2, S3 반사된 빔들에 대한 카메라에서의 스폿들을 도시한다.
전술한 바와 같이, 다중 빔 시스템을 사용하는 포커스 추적 동작들에서, 이미지 센서상의 포커스 추적 빔들의 스폿들 사이의 스폿 분리 또는 거리는 포커싱을 결정하기 위해 측정된다. 따라서, 스폿 분리의 안정성은 정확한 측정들을 달성하는데 있어서 중요한 요인이 될 수 있다. 스폿 분리 안정성은 포커싱 스테이지(때로는 Z 스테이지라고 지칭함)의 이동, 시간의 함수로서 스폿 품질/형상 및 스폿 분리를 해결하는데 사용되는 중심 알고리즘의 분해능과 같은 요인들에 의해 영향을 받을 수 있다. 스폿 분리 안정성이 갖는 하나의 과제는 스폿들이 본질적으로 무늬들을 포함한다는 것이다. 레이저의 모드 호핑으로 인해, 무늬 패턴들은 변화될 수 있고, 이것은 포커스 추적 모듈의 스폿 분리 안정성에 영향을 주는 시간 경과에 따른 스폿 프로파일의 변화를 유도한다. 이에 대한 실시예는 스폿 무늬 변화를 보여주는 도 25a에 도시된다. 이 실시예는 OD 1.0 ND 필터를 제 위치에 두고 250 ㎲의 노출 시간으로 12 mW의 출력에서 작동하는 레이저의 스폿 무늬 변화를 도시한다.
일반적으로 자연 증폭 방출(ASE)이라 지칭하는 모드에서 레이저를 작동하면 보다 깨끗한 스폿 프로파일을 제공하는 경향이 있다. 이에 대한 실시예는 도 25b에 도시된다. 이 실시예는 500 ㎼, 250 us 노출(ND 필터 없음)에서 작동되는 동일한 레이저 다이오드에 대한 것이다. 이러한 모드에서 광원은 레이저보다는 오히려 더 많이 LED와 같이 거동하는 일시적으로 비간섭성 광(incoherent light)을 발산하고 5 내지 10 nm FWHM(full width at half maximum intensity)의 넓은 광학 대역폭을 갖는다. 그러나 ASE 모드에서 작동하는 데에는 몇 가지 단점이 있는데, 이것이 전형적인 기존의 이미징 시스템이 이러한 모드에서 작동하지 않는 이유이다. 첫째, ASE 모드는 레이저 다이오드의 레이징 모드가 아니며, 따라서 출력 전력은 매우 낮다. 이것은 일반적으로 아무런 레이징도 발생하지 않는 레이징 문턱 값 아래의 모드로서 정의된다. 이와 같이, 그 출력은 일시적으로 비간섭성을 가지며, 넓은 스펙트럼에 걸쳐진 주파수 성분들을 포함한다.
도 26은 ASE 모드에서 작동되는 레이저 다이오드의 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 이 실시예에서, 레이저 다이오드는 0.17 mW에서 동작하며 (레이징 모드에서 동작하는 다이오드와 비교할 때) 주파수 성분들이 넓은 범위의 파장들에 걸쳐 있는 상대적으로 평탄한 스펙트럼을 나타낸다. 단일 동작 모드는 없으며 출력은 간섭성이 없다. 광원에서 비간섭성은 파괴적인 간섭 및 색 수차들과 같은 바람직하지 않은 영향들을 초래할 수 있다. 또한, 충분한 세기의 빔을 생성하기에 충분한 전력이 방출되지 않기 때문에, ASE 모드에서 동작하는 것은 단순히 비실용적일 수 있다. 그러나 레이저가 ASE 모드에서 동작될 수 있는 다른 응용예들이 있다. 이러한 모드에서, 레이저 다이오드는 더욱 LED처럼 작용하는 경향이 있고, 이와 같이 레이저 다이오드는 특정 응용예들에 유용할 수 있다.
도 27은 레이징 모드에서 동작하는 동일한 레이저 다이오드의 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 도 27의 상반부의 다이어그램은 0.96 mW에서 작동되는 동일한 레이저 다이오드를 도시하고, 도 27의 하반부의 다이어그램은 1.22 mW에서 작동하는 동일한 레이저 다이오드를 도시한다. 두 경우 모두 출력은 동작 주파수에서의 단일의 우세한 피크 및 거의 등한한 이차 피크들과 효과적으로 매우 비간섭적이다. 이것은 우세한 피크가 없었던 ASE 모드와 극명한 대조를 이룬다.
도 28은 하이브리드 모드에서 작동되는 레이저 다이오드의 실시예를 도시하는 다이어그램이다. 도 28은 이러한 실시예에서 0.43 mW에서 작동하는 레이저를 도시한다. 이러한 전력 레벨에서 몇 개의 우세한 피크들이 형성되기 시작하지만 강한 이차적 피크들이 여전히 존재한다. 이러한 다이어그램이 도시하는 바와 같이, 레이저 다이오드는 강한 레이징 모드에 있지 않지만, 완전 ASE 모드에 있는 것도 아니다. 전력 레벨들은 그럼에도 레이징 문턱 값보다 높이 정의될 수 있지만, 출력은 완전히 비간섭적이다.
ASE 모드는 충분한 전력 없이 출력을 생성할 수 있기 때문에, ASE 모드의 작동은 동작상 실용적이지 않다. 그러나, 도 25a을 참조하여 위에서 언급한 바와 같이, 레이징 모드에서 스캐닝 시스템을 작동시키는 것은 스폿 측정시 불안정성을 제공하는 시간적으로 변하는 무늬들을 생성한다.
이에 대한 실시예는 본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들의 일 실시예에 따라 레이저 다이오드가 레이징 모드에서 작동하도록 전력을 공급받을 때 스폿의 형태에서 불안정성을 보이는 도 29에 도시된다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 상의 좌측 빔 스폿의 표준 편차는 1.619 픽셀들이고, 이미지 센서상의 우측 빔 스폿의 표준 편차는 .518 픽셀들이다. 그러나 좌측 및 우측 스폿들의 그래프들이 도시하는 바와 같이, 각 빔에 대한 스폿의 움직임은 한 프레임으로부터 다음 프레임으로 극적일 수 있으며, 실제로 여러 픽셀들을 이동할 수 있다. 좌측 스폿의 두 개의 인접한 프레임들에 대한 빔 프로파일은 도면의 우측에 있는 프로파일 이미지에서 도시된다. 이러한 프로파일 이미지들은 빔 스폿 배치의 편차가 시간에 따라 어떻게 발생하는지를 보여준다.
포커스는 이미지 센서상의 좌측 스폿과 우측 스폿 사이의 거리를 측정함으로써 결정되기 때문에, 스폿 배치의 변동들은 포커스 추적 시 부정확성을 초래할 수 있다. 도 29의 상단 두 개의 그래프들에 도시된 바와 같이 좌측 및 우측 빔들의 움직임의 영향은 도면의 하단 그래프에 도시된다. 이 그래프는 동일한 수의 프레임들 전체에서 좌측 스폿과 우측 스폿 사이의 본 명세서에서 델타 X라고 지칭하는 거리의 변화를 도시한다. 이것은 95 % 신뢰 구간(가우스 집단에 대해 ~2*StDev)의 +/-141 nm의 스폿 분리 안정성을 초래하는 1.178 픽셀들의 표준 편차를 보여준다. 이것은 도면에서 도시된 바와 같이 (1.178*1.96)/16.36 ㎛ = +/-141 nm로서 계산된다. 16.36 인수는 픽셀/㎛ 단위의 포커스 추적 이득(Focus tracking Gain)을 나타낸다. 이것은 대물 렌즈-샘플 간 거리를 1 ㎛ 이동 때마다 스폿 분리의 픽셀들이 얼마나 많이 획득되는지를 나타낸다. 이것은 스폿 분리(픽셀들) 내 델타를 z 방향(nm)의 공간 내 델타로 변환하는 데 사용된다.
본 발명자들은 도 3a에 도시된 바와 같이 샘플 컨테이너의 다층 구조물로 인해 간섭 무늬 패턴들이 발생한다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 다층 유리 샘플 컨테이너 내에서 다중 빔들 및/또는 산란 광이 중첩된 결과라는 것을 추가로 발견하였다. 다른 변동들 없이 (예를 들어, X 및 Y 방향으로) 샘플 컨테이너의 위치를 변화시키면 무늬들이 움직이는 결과를 초래할 수 있다.
도 30a 및 도 30b는 레이저 다이오드가 하이브리드 모드에서 작동하는 경우 스폿 움직임의 부가적인 실시예들을 도시한다. 특히, 도 30a 및 도 30b는 안정적인 레이저가 모드 호핑(mode hopping)이 아닌 경우 더욱 최적한 시나리오를 보여준다. 도 30a에 도시된 바와 같이, 좌측 스폿의 표준 편차는 0.069 픽셀들로 내려가고, 우측 스폿은 0.064 픽셀들로 내려간다. 도면의 상측 두 그래프들이 표시하는 바와 같이, 프레임 간 스폿 움직임은 대체로 한 픽셀 미만이다. 움직임이 추가될 수 있기 때문에, 좌측 스폿과 우측 스폿 사이의 델타 X 차이는 .122 픽셀들의 표준 편차를 가질 수 있다. 이것은 스폿 분리 안정성을 +/-14.6 nm((0.122*1.96)/16.36 ㎛ = +/-14.6 nm)로 감소시킨다. 여기서, 16.36은 픽셀/㎛ 단위의 FTM 이득이다. 이것은 대물 렌즈가 Z 축으로 1 ㎛ 이동할 때 얻어지는 픽셀 내 델타 X의 양이다. 이것은 델타 X의 픽셀들로부터 Z 공간에서 ㎛로 변환하는데 사용될 수 있거나 그 반대로도 변환하는데 사용될 수 있다. 또한, 1.96은 (이것이 가우스 분포라고 가정하면) 분포의 오차의 95 % 신뢰 구간을 표현하는 표준 편차에 대한 증배율(multiplication factor)이다.
도 30b의 실시예에서, 좌측 스폿의 표준 편차는 0.069 픽셀들로 내려가고, 우측 스폿 또한 0.069 픽셀로 내려간다. 도면상의 상측 두 그래프가 표시하는 바와 같이, 프레임 간 스폿 움직임은 대체로 한 픽셀 미만이다. 움직임이 추가될 수 있기 때문에, 좌측 스폿과 오른쪽 스폿 간의 델타 X 차이는 .127 픽셀들의 표준 편차를 가질 수 있다. 이것은 스폿 분리 안정성을 +/-15.2 nm ((0. 127*1.96)/16.36 ㎛ = +/-15.2 nm)로 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 기존의 ASE 모드에서 레이저를 구동하는 것은 비실용적이다. 앞에서도 설명한 것처럼, 레이저 다이오드가 레이징 문턱 값을 초과하는 전력 레벨에서 구동하는 경우 정확도가 악화하며, 이것은 (예컨대, 예를 들면, 전력 변동들을 통해) 모드 호핑이 발생한다면, 특히 그러하다. 그러나, 본 발명자들은 ASE 모드와 완전 레이징 모드 사이의 하이브리드 모드에서 레이저를 작동시키는 것이 이미지 센서에서 측정에 충분한 빔 세기 및 향상된 측정 정확도에 필요한 스폿 배치 안정성의 증가를 제공한다는 것을 발견하였다. 이러한 모드는 경우에 따라 레이저 다이오드의 레이징 문턱 값보다 약간 높게 작동시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 이것은 레이징 곡선의 무릎을 약간 지나서 발생할 수 있지만, 그럼에도 전력의 상당 부분이 ASE 상태에 있을 만큼 충분히 낮다. 이것은 많은 양의 광이 여전히 더 넓은 스펙트럼 폭을 갖고 그 결과 간섭성이 현저히 감소된 출력을 생성한다.
이러한 하이브리드 모드에서 레이저를 작동시키는 것은 동일한 효과를 달성하도록 시도하는데 사용될 수도 있는 다른 광원들에 비해 유리할 수 있다. 레이저 다이오드들은 현장에서 상이한 회사들에 의한 이러한 유형의 장치들의 대량 생산으로 인해, 높은 신뢰성 및 낮은 비용을 나타내기 때문에 바람직한 광원들이 되는 경향이 있다. 이렇게 더 낮은 전력 모드에서 레이저 다이오드를 작동하면 레이저 다이오드로 달성할 수 있는 전형적인 높은 MTBF 등급들을 높이기까지도 할 수 있다. 그러므로 매우 높은 수명과 MTBF 등급(레이저 다이오드 특성들과 매우 낮은 동작 전력의 조합), 낮은 제조 비용 및 샘플 컨테이너의 다중 층 구조물로 인해 야기되는 간섭 무늬를 없애기에 충분히 짧은 간섭 길이를 갖는 결과적인 장치를 성취할 수 있다.
표 1은 구현된 다양한 대안적인 해결책으로 스폿 분리 안정성을 도시하는 다이어그램이다. 첫 번째 측정 그룹은 레이징 모드에서 작동하는 12 mW의 레이저 전력, 광을 감쇠하는 ND 필터의 존재 및 250 ㎲의 노출을 가정한다. 여기서 질량의 중심 또는 스폿 분리 안정성은 잡음 플로어 1(Noise Floor 1)에서 396.02 nm이고 잡음 플로어 2에서 146.0 nm이다. 표가 보여주는 바와 같이, 2D 또는 1D 가우스 필터링이 추가되면 안정성이 향상된다. 무늬들의 영향을 완화하고 더욱 균일한 스폿 프로파일을 제공하기 위해 가우스 필터들이 추가될 수 있다. 이러한 표가 또한 보여주는 바와 같이, 레이저 다이오드의 출력을 0.5 mW로 줄이면 질량 중심 오차가 줄어들고, 이것은 안정성이 더 커진다는 것을 의미한다. 특히, 이러한 실시예에서, 질량 중심 오차는 잡음 플로어 1에서 14.6 nm로 줄고, 잡음 플로어 2에서 15.2 nm로 줄어든다.
Figure 112018034581228-pat00001
이 실시예에서 12 mW와 대조적으로 0.5 mW에서 레이저 다이오드를 작동하는 것은 레이저가 실제로 레이징 모드에 있지 않다는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 전력 레벨은 레이저 다이오드가 ASE 모드에서도 작동하지 않을 만큼 충분히 높다. 대신에, 이러한 전력 범위에서, 레이저는 하이브리드 모드 또는 준-레이징 모드에서 작동하는 것이라 말할 수 있다. 이것은 레이저 작동들에서 흔치 않다. 정상적으로, 이것은 레이저를 명확하게 식별 가능한 레이징 모드에서 구동하도록 의도된 것이며, 기존 시스템은 레이저 다이오드들 및 전력 레벨들을 레이징 문턱 값 이상으로 편리하게 작동시킨다. 이러한 하이브리드 모드에서 레이저를 작동하는 것은 반 직관적이며 레이저 동작들에 대해 이례적인 것이다.
도 31은 5 % 전체 스펙트럼 폭(5 %에서의 FW) 대 각종 레이저 광원들의 레이저 전력의 관계에 관한 실시예를 나타내는 다이어그램이다. 이 차트에서 볼 수 있는 바와 같이, 5 %에서 FW는 설정된 전력이 감소함에 따라 증가한다. 따라서, 다양한 실시예들은 이러한 하이브리드 모드에서 레이저를 작동시켜 합당한 시간양 내에 이미지 센서에서 검출하기에 충분한 스폿 세기를 제공하되, 스폿 배치 시 원하지 않는 불안정성을 끌어들이는 무늬 패턴들을 생성하지 않도록 하기 위해 레이저 전력을 충분히 제한하도록 설정된 레이저 전력으로 구성된다. 더 낮은 세기는 이미지 센서에서 충분한 판독을 위한 더 긴 노출 시간을 필요로 하기 때문에, 레이저 전력을 줄이는 것은 포커스 추적 시스템의 대기시간에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 충분한 세기가 제공되는지를 결정할 때, 포커스 추적 측정을 완료하는데 필요한 시간 양 및 시스템의 대기시간 목표들을 충분히 달성하는지를 고려하는 것이 유용할 수 있다. 전술한 바를 달성하기 위해 레이저에 인가되는 전력량은 명시된 레이저 다이오드, 이미지 센서의 감도 및 (대기시간이 고려 사항들인 경우) 속도, 시스템의 대기시간 요건들 및 시스템의 정확도 요건들에 따라 달라진다.
다른 실시예들은 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서 임의의 이차 피크들보다 15 % 내지 100 % 큰 정규화된 세기를 갖도록 레이저를 작동하도록 설정된 레이저 전력으로 구현될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서 이차 피크의 정규화된 세기보다 큰 15 % 내지 25 %의 정규화된 세기를 갖도록 선택된다. 또 다른 실시예들에서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서 이차 피크들의 정규화된 세기보다 큰 15 % 내지 100 %의 정규화된 세기를 갖도록 선택된다. 추가의 실시예들에서, 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은 주어진 주파수에서 레이저 다이오드 출력에서 우세한 피크가 레이저 다이오드 출력에서 이차 피크의 정규화된 세기보다 큰 15 % 내지 200 %의 정규화된 세기를 갖도록 선택된다.
광원이 작동되는 전력을 설정하는데 사용될 수 있는 다른 메트릭은 미리 정해진 포커스 추적 대기시간 요건들을 충족하면서 시스템이 감내할 수 있는 최대 노출 시간일 수 있다. 일반적으로 말하자면, 레이저가 작동되는 전력이 감소됨에 따라, 스폿 무늬 발생의 양이 감소되어 포커스 추적 정확도가 향상된다. 그러나, 특정 전력량 이하에서는, 불충분한 세기가 이미지 센서에 제공되어 스폿들을 검출할 수 있게 하거나 대기시간 요건들을 충족하기에 충분히 짧은 노출 시간 내에서 검출할 수 있게 한다. 그러므로 필요한 대응하는 노출 시간이 포커스 추적 동작에서 시스템 대기시간 동안 허용되는 최대 노출 시간 또는 그 근처에 있는 지점까지 전력 설정이 감소될 수 있다. 위에서 제공된 실시예에서 0.5 mW에서 작동되는 광원의 노출 시간은 250 ㎲이다.
개시된 기술의 다양한 실시예들이 위에서 설명되었지만, 실시예들은 단지 예로서 제시된 것이지 제한적인 것이 아님을 이해하여야 한다. 마찬가지로, 다양한 도면들은 개시된 기술에 포함될 수 있는 특징들 및 기능성의 이해를 돕기 위해 제공된 개시된 기술에 대한 예시적인 아키텍처적이거나 다른 구성을 묘사할 수 있다. 개시된 기술은 도시된 예시적인 아키텍처들 또는 구성들로 제한되지 않지만, 원하는 특징들은 다양한 대안적인 아키텍처들 및 구성들을 사용하여 구현될 수 있다. 실제로, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 대안의 기능적, 논리적 또는 물리적 분할 및 구성들이 본 명세서에 개시된 기술의 원하는 특징들을 구현하기 위해 어떻게 구현될 수 있는지가 자명할 것이다. 또한 본 명세서에 도시된 구성 모듈 이름들 이외의 많은 상이한 구성 모듈 이름들은 다양한 부분들에 적용될 수 있다. 또한, 흐름도들, 동작 설명들 및 방법 청구항들과 관련하여, 본 명세서에서 단계들이 제시되는 순서는, 맥락이 달리 지시하지 않는 한, 개시된 기술이 동일한 순서로 열거된 기능성을 수행하도록 구현되는 것을 요구하지 않을 것이다.
개시된 기술이 다양한 예시적인 구성들 및 구현예들에 관하여 위에서 설명되었지만, 하나 또는 그 초과의 개별 실시예들에서 설명된 다양한 특징들, 양태들 및 기능성들은 특정 실시예에 적용될 가능성에 제한받지 않으며, 대신에 그러한 실시예들이 설명되어 있는지 그리고 그러한 특징들이 설명된 실시예의 일부인 것으로 제시되어 있는지에 관계없이, 단독으로 또는 다양한 조합으로, 개시된 기술의 하나 또는 그 초과의 다른 실시예들에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 기술의 폭과 범위는 전술한 실시예들 중 어느 것에 의해서도 제한되지 않아야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어들과 문구들 및 그 변형들은, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 제한하는 것과는 반대로 개방형으로 해석되어야 한다. 전술한 것의 예들로서, "포함하는"이라는 용어는 "제한 없이 포함"을 의미하는 것으로 이해되어야 하고; "실시예"라는 용어는 그의 하나도 빠뜨림 없이 철저하거나 제한적인 목록이 아닌 논의 시 항목의 예시적인 사례들을 제공하기 위해 사용되고; "하나" 또는 "하나의"는 "적어도 하나", "하나 또는 그 초과의" 등을 의미하는 것으로 이해되어야 하며; "기존의", "전통적인", "정상적인", "표준의", "공지된" 및 유사한 의미의 용어들과 같은 형용사들은 주어진 기간 또는 주어진 기간 현재 이용 가능한 항목에 기재된 항목을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 하고, 대신에 지금 또는 미래에 언제든지 이용 가능하거나 공지될 수 있는 기존, 전통적, 일반적, 또는 표준적 기술들을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 "포함하는"이라는 용어는 열거된 요소들뿐만 아니라, 임의의 부가적인 요소들도 포함하여 개방적인 것으로 의도된다. 마찬가지로, 본 명세서가 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하거나 공지된 기술들을 언급하는 경우, 그러한 기술들은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 현재 또는 미래에 언제든지 명백하거나 공지된 기술들을 망라한다.
"결합된"이라는 용어는 직접 또는 간접적인 결합, 접속, 체결, 접촉 또는 연결을 지칭하며, 물리적, 광학적, 전기적, 유체적, 기계적, 화학적, 자기적, 전자기적, 광학적, 연통적 또는 기타 커플링, 또는 전술한 것들의 조합과 같은 다양한 형태들의 커플링을 의미할 수 있다. 한 형태의 커플링이 명시된 경우, 이것은 다른 형태의 커플링이 제외되었음을 시사하지 않는다. 예를 들어, 다른 구성요소에 물리적으로 결합된 하나의 구성요소는 (직접적으로 또는 간접적으로) 두 구성요소들 사이의 물리적 부착 또는 접촉을 참조할 수 있지만, 예를 들어 역시 두 구성요소들을 통신 가능하게 결합하는 통신 링크(예를 들어, RF 또는 광학 링크)와 같은 구성요소들 사이의 다른 커플링 형태들을 배제하지 않는다. 마찬가지로, 다양한 용어들 자체는 상호 배타적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 다른 것들 중에서도 유체적 커플링, 자기 커플링 또는 기계적 커플링은 물리적 커플링의 형태일 수 있다.
사례에 따라 "하나 또는 그 초과", "적어도", "이것으로 제한되는 것은 아니지만" 또는 다른 유사한 문구들과 같은 확장 단어들 및 문구들의 존재는 그러한 확장 문구들이 없을 수도 있는 사례들에서 더 좁은 사례가 의도되거나 요구된다는 것을 의미하는 것으로 이해되지 않아야 한다. "구성요소"라는 용어의 사용은 구성요소의 일부로 기재되거나 청구된 요소들 또는 기능성이 모두 공통의 패키지 내에 구성된다는 것을 시사하지는 않는다. 실제로, 구조적인 요소들을 비롯한 구성요소의 다양한 요소들 중 일부 또는 전부는 단일 패키지 내에 조합될 수 있거나 별도로 유지될 수 있으며 다수의 집단들 또는 패키지들 내에서도 더 분산될 수 있다.
전술한 개념들의 (그러한 개념들이 상호 불일치하지 않는다면) 모든 조합들은 본 명세서에 개시된 발명 주제의 일부로서 고려될 수 있음을 인식하여야 한다. 특히, 본 명세서의 끝에 나오는 청구된 주제의 모든 조합들은 본 명세서에 개시된 발명 주제의 일부라고 생각된다.
청구범위를 포함하여 본 개시 전반에 사용된 "실질적으로" 및 "대략"이라는 용어들은 예컨대, 처리시 변동들로 인한 작은 변동들을 설명하고 감안하는데 사용된다. 예를 들어, 이 용어들은 ±5 %보다 적거나 같은 것을, 예컨대 ±2 %보다 적거나 같은, 예컨대 ±1 %보다 적거나 같은, 예컨대 ±0.5 %보다 적거나 같은, 예컨대, ±0.2 %보다 적거나 같은, 예컨대 ±0.1 %보다 적거나 같은, 예컨대 ±0.05 %보다 적거나 같은 것으로 말할 수 있다.
또한, 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들은 예시적인 다이어그램들 및 다른 예시들의 관점에서 설명된다. 본 명세서를 읽은 후에 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해지는 바와 같이, 도시된 실시예들 및 그의 다양한 대안들은 도시된 실시예들에 한정되지 않고 구현될 수 있다. 예를 들면, 블록도들 및 그에 수반되는 설명은 특정 아키텍처 또는 구성을 요구하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (23)

  1. 이미징 시스템으로서,
    ASE(Amplified Spontaneous Emission) 모드에서 그리고 레이징 모드에서 동작가능한 레이저 다이오드 광원 ― 상기 ASE 모드는 단일한 우세 피크(single dominent peak)가 없는 파장들의 범위에 걸친 주파수 성분들을 갖고, 상기 레이징 모드는 동작 주파수에서 단일한 우세 피크를 가짐 ―;
    상기 레이저 다이오드 광원으로부터의 포커스 추적 빔(focus tracking beam)을 샘플 컨테이너(sample container) 내의 위치 상으로 지향(direct)시키고 그리고 상기 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사되는 상기 포커스 추적 빔을 수신하도록 포지셔닝된 대물 렌즈; 및
    상기 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사되는 포커스 추적 빔을 수신하기 위한 복수의 픽셀 위치들을 포함하는 이미지 센서를 포함하고,
    상기 반사되는 포커스 추적 빔은 상기 이미지 센서 상에 스폿(spot)을 생성하며,
    상기 레이저 다이오드 광원은, 상기 ASE 모드에서의 동작을 위한 전력 레벨보다는 높고 상기 레이징 모드에서의 동작을 위한 전력 레벨보다는 낮은 전력 레벨에서 작동되는 것을 특징으로 하는,
    이미징 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 레이저 다이오드 광원에 대한 레이징 임계 전류보다 대략 2% 내지 10% 더 높은 입력 전류에 있거나, 또는
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 주어진 주파수에서 상기 레이저 다이오드 광원에 의해 출력되는 우세 피크가 상기 레이저 다이오드 광원에 의해 출력되는 임의의 이차(secondary) 피크들보다 대략 15% 내지 100% 더 큰 정규화된 세기를 갖도록 선택되거나, 또는
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 스폿 상의 무늬 발생(fringing)의 양이 상기 스폿의 프로파일에 걸쳐 피크간에(peak to peak) 대략 10% 미만이도록 선택되는,
    이미징 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    레이저 동작 전류는 임계 전류보다 대략 0.6 내지 3.0mA 더 높게 설정되는,
    이미징 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원의 레이저 전력은 대략 5%에서의 레이저 스펙트럼 전체 폭이 2nm보다 크도록 설정되는,
    이미징 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 주어진 주파수에서 상기 레이저 다이오드 광원에 의해 출력되는 우세 피크가 상기 레이저 다이오드 광원에 의해 출력되는 이차 피크의 정규화된 세기보다 대략 15% 내지 100% 더 큰 정규화된 세기를 갖도록 선택되는,
    이미징 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 주어진 주파수에서 상기 레이저 다이오드 광원에 의해 출력되는 우세 피크가 상기 레이저 다이오드 광원에 의해 출력되는 이차 피크의 정규화된 세기보다 대략 15% 내지 25% 더 큰 정규화된 세기를 갖도록 선택되는,
    이미징 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원으로부터의 상기 포커스 추적 빔을 상기 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사될 적어도 2개의 포커스 추적 빔들로 분할하고 그리고 상기 이미지 센서 상에 적어도 2개의 스폿들을 제공하기 위한 빔 스플리터(beam splitter)를 더 포함하고,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리(spot stability separation)가 18nm 미만이도록 선택되는,
    이미징 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 상에서의 시간에 따른 상기 스폿의 포지션의 표준 편차를 감소시키기 위해 상기 이미지 센서로부터 출력 신호들을 수신하도록 상기 이미지 센서에 통신가능하게 커플링된 윈도우형 싱크 필터(windowed sinc filter) 또는 블랙맨 윈도우 필터(Blackman window filter)를 더 포함하는,
    이미징 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서가 상기 포커스 추적 빔을 감지하는 노출 시간이 포커스 추적에 대한 미리결정된 레이턴시(latency) 요건을 충족시키기 위한 시간 제한보다 길지 않게 하는 최소 전력으로서 선택되는,
    이미징 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 이미지 센서에 의해 요구되는 노출 시간은 대략 250㎲ 미만인,
    이미징 시스템.
  11. 이미징 시스템으로서,
    ASE(Amplified Spontaneous Emission) 모드에서 그리고 레이징 모드에서 동작가능한 레이저 다이오드 광원 ― 상기 ASE 모드는 단일한 우세 피크가 없는 파장들의 범위에 걸친 주파수 성분들을 갖고, 상기 레이징 모드는 동작 주파수에서 단일한 우세 피크를 가짐 ―;
    상기 레이저 다이오드 광원으로부터 포커스 추적 빔을 수신하고 그리고 상기 포커스 추적 빔을 적어도 2개의 포커스 추적 빔들로 분할하기 위해 상기 이미징 시스템 내의 소정의 포지션에 배치된 빔 스플리터;
    상기 레이저 다이오드 광원으로부터의 상기 적어도 2개의 포커스 추적 빔들을 샘플 컨테이너 내의 위치 상으로 지향시키고 그리고 상기 샘플 컨테이너로부터 반사되는 상기 적어도 2개의 포커스 추적 빔들의 반사들을 수신하도록 포지셔닝된 대물 렌즈; 및
    상기 샘플 컨테이너 내의 위치로부터 반사되는 상기 포커스 추적 빔들을 수신하기 위한 복수의 픽셀 위치들을 포함하는 이미지 센서를 포함하고,
    상기 적어도 2개의 반사되는 포커스 추적 빔들은 상기 이미지 센서 상에 적어도 2개의 스폿들을 생성하고,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리가 대략 20nm 미만이도록, 상기 ASE 모드에서의 동작을 위한 전력 레벨보다는 높게 그리고 상기 레이징 모드에서의 동작을 위한 전력 레벨보다는 낮게 선택되는 것을 특징으로 하는,
    이미징 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리가 대략 15 내지 17nm이도록 선택되거나, 또는
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 적어도 2개의 스폿들 각각 상의 무늬 발생의 양이 상기 적어도 2개의 스폿들 각각의 프로파일에 걸쳐 피크간에 대략 10% 미만이 되게 하는 것이거나, 또는
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 적어도 2개의 스폿들 각각의 포지션의 표준 편차가 상기 이미지 센서의 픽셀 크기의 10% 미만이도록 선택되거나, 또는
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 이미지 센서 상의 상기 적어도 2개의 스폿들의 스폿 안정성 분리가 상기 이미지 센서의 픽셀 크기의 대략 5% 미만이도록 선택되는,
    이미징 시스템.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 이미지 센서로부터 출력 신호들을 수신하고 그리고 상기 이미지 센서 상에서의 시간에 따른 상기 적어도 2개의 스폿들의 포지션의 표준 편차를 감소시키기 위해 상기 이미지 센서에 통신가능하게 커플링된 윈도우형 싱크 필터 회로 또는 블랙맨 윈도우 필터 회로를 더 포함하는,
    이미징 시스템.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 적어도 2개의 포커스 추적 빔들의 포커스 추적 빔을 감지하기 위해 상기 이미지 센서에 의해 요구되는 노출 시간이 포커스 추적에 대한 미리결정된 레이턴시 요건을 충족시키기 위해 요구되는 시간 제한보다 길지 않게 하는 최소 전력으로서 선택되거나, 또는
    상기 이미지 센서에 의해 요구되는 노출 시간은 대략 250㎲ 미만인,
    이미징 시스템.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 상기 적어도 2개의 스폿들에 대한 무늬(fringe)들의 발현(onset)에 대응하는 것보다 낮게 설정되거나, 또는
    상기 레이저 다이오드 광원이 작동되는 전력 레벨은, 대략 5%에서의 레이저 스펙트럼 전체 폭이 2nm보다 크도록 설정되는,
    이미징 시스템.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 광원에 대한 레이저 동작 전류는 임계 전류보다 대략 0.6 내지 3.0mA 높게 설정되는,
    이미징 시스템.
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