KR20200021473A - 구조화 조명을 이용한 능동센서 감지기의 다중화 - Google Patents
구조화 조명을 이용한 능동센서 감지기의 다중화 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시는 이미지 해상도를 증가시키기 위해 패턴화된 샘플의 활성면에 이미지 센서(예를 들어, 능동 픽셀 센서)를 이용하는 구조화 조명 이미징 시스템을 제공한다. 이미지화된 샘플은 이미지 센서의 각각의 광센서(예를 들어, 픽셀)가 그 위에 형성되고/되거나 장착된 각각의 복수의 피처를 갖도록 이미지 센서 위에 패턴화 및/또는 정렬될 수 있다. 조명에 응답하여, 각각의 피처는 이미지 센서의 픽셀에 의해 수집되는 형광의 광을 방출할 수 있다. 이미징 동안, 이미지 센서의 각각의 픽셀은 픽셀 위에 정렬된 피처의 서브 세트(예를 들어, 하나 또는 둘)만이 이미지 판독 동안 구조화된 광으로 조명되도록 구조화 조명을 사용하여 공간적으로 다중화될 수 있다.
Description
본 출원은 2018년 1월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Multiplexing of an Active Sensor Detector using Structured Illumination"인 미국 가출원 제62/614,690호 및 2018년 3월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Multiplexing of an Active Sensor Detector using Structured Illumination"인 네덜란드 특허출원 제N2020621호의 우선권을 주장한다. 상술한 출원들 각각의 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
현미경 이미징에 있어서, 현미경의 측면 해상도는 일반적으로 광원의 파장 및 현미경의 대물렌즈의 개구수에 의해 결정된 회절 한계에 의해 제한된다. 예를 들어, CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미징 기술과 같은 능동센서 이미징 기술의 한 가지 한계는 최종적인 피치이며, 따라서 정보의 데이터 밀도는 최첨단 시스템에서 약 1 내지 1.75㎛일 수 있는 센서 시스템의 피치에 의해 제한된다는 것이다. 더 작은 픽셀의 프로세싱은 제조 제약에 의해 복잡하기 때문에 이러한 제한은 지속될 것이다.
CCD(charge-coupled device) 이미징 센서를 이용하는 일부 종래의 현미경 이미징 시스템에서, 구조화 조명 현미경법(SIM)은 공간적으로 구조화된(즉, 패턴화된) 광을 이용해 샘플을 이미지화하여 현미경의 측면 해상도를 2이상의 인수만큼 증가시킬 수 있다. 이러한 시스템에서, 샘플의 이미징 동안, 샘플의 프린지 패턴의 3개의 이미지가 다양한 패턴 위상(예를 들어, 0°, 120° 및 240°)에서 획득되므로, 샘플 상의 각각의 위치가 광축을 중심으로 패턴 배향(예를 들어, 60° 및 120°)을 회전시킴으로써 절차가 반복되는 조명 강도의 범위에 노출된다. 캡처된 이미지들(예를 들어, 9개의 이미지들)은 확장된 공간 주파수 대역폭을 갖는 단일 이미지로 어셈블리될 수 있으며, 이는 종래의 현미경에 의해 캡처된 것보다 더 높은 해상도를 갖는 이미지를 생성하기 위해 실제 공간으로 재변환될 수 있다. 이러한 종래 시스템에서, 구조화 조명 현미경법에 의한 분자의 검출은 (일반적으로 본 명세서에 사용된 것과 동일한 목적으로) 여기광을 회수하고 CCD 카메라로 방출신호를 재이미징하는 것에 의존한다.
본 명세서에 설명된 구현들은 이미지 해상도를 증가시키기 위해 패턴화된 샘플의 활성면에서 이미지 센서(예를 들어, 능동 픽셀 센서)를 이용하는 구조화 조명 이미징 시스템에 관한 것이다. 이미지화된 샘플은 이미지 센서의 각 픽셀이 그 위에 형성되고/되거나 장착된 각각의 복수의 피처를 갖도록 이미지 센서 위에 패턴화 및/또는 정렬될 수 있다.
일 구현에서, 시스템은: 광을 방출하는 광이미터; 패턴화된 피처를 포함하는 샘플면 상에 복수의 프린지를 투영하기 위해 광이미터에 의해 방출된 광을 회절시키는 광학소자; 및 샘플의 피처에 의해 방출된 광을 수집하기 위한 이미지 센서를 포함한다. 이 구현에서, 상기 이미지 센서는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 샘플은 상기 이미지 센서 위에 정렬되어 복수의 패턴화된 피처가 제 1 축을 따라 상기 복수의 픽셀 중 각각의 하나 위에 정렬되고, 투영된 복수의 프린지들은 각각의 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 피처 중 하나를 조명하도록 성형된다. 다양한 구현들에서, 규칙적으로 패턴화된 피처들의 치수와 적어도 동일하거나 더 큰 프린지 폭을 가지며, 상기 프린지 폭은 복수의 픽셀들 각각의 피치보다 작다. 예를 들어, 규칙적으로 패턴화된 피처의 치수는 원형 피처의 직경, 정사각형 피처의 한 변의 길이, 직사각형 피처의 장변 또는 단변의 길이, 장축 또는 단축을 따른 타원형 피처의 직경, 또는 물체의 한 축(예를 들어, x 또는 y 축)을 따라 불규칙하게 성형된 물체의 가장 긴 치수일 수 있다.
일 구현에서, 이미지 센서는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서와 같은 능동 픽셀 이미지 센서이다.
2차원 구조화 조명 이미징 구현에서, 시스템은 샘플면 상에 제 2 복수의 프린지를 투영하기 위해 광이미터에 의해 방출된 광을 회절시키는 제 2 광학소자를 더 포함하고, 상기 제 2 복수의 프린지는 상기 제 1 복수의 프린지에 대해 직교하게 배향된다. 이러한 구현들에서, 샘플은 제 2 복수의 패턴화된 피처가 복수의 픽셀들 각각 중 각각의 하나 위에 위치하도록 이미지 센서 위에 정렬될 수 있고, 제 2 복수의 패턴화된 피처들 각각은 제 1 축에 직교하는 제 2 축을 따라 정렬되며, 투영된 제 2 복수의 프린지들은 제 2 복수의 패턴화된 피처들 각각 중 하나를 조명하도록 성형된다.
2차원 구조화 조명 이미징 구현에서, 광을 회절시키기 위한 광학소자는 제 1 복수의 프린지를 투영하기 위한 수평 투과형 회절격자 및 제 2 복수의 프린지를 투영하기 위한 수직 투과형 회절격자를 포함할 수 있다. 일부 특정 구현에서, 4개의 패턴화된 피처가 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 배치되고, 상기 4개의 패턴화된 피처는 상기 픽셀 위에 정사각형 격자로 배열된다. 일부 특정 구현들에서, 3개의 패턴화된 피처는 상기 복수의 픽셀 들중 각각의 하나 위에 배치되고, 상기 3개의 패턴화된 피처는 상기 픽셀 위에 L자형으로 배열된다.
일부 구현들에서, 복수의 픽셀들 각각은 직사각형 픽셀이고, 샘플의 피처들은 선형 어레이에서 각각의 직사각형 픽셀 위에 정렬된다.
일부 구현들에서, 복수의 픽셀들 각각은 정사각형 픽셀이고, 복수의 피처들 각각은 약 2 : 1의 종횡비를 갖는 2개의 피처를 포함한다. 일부 구현들에서, 복수의 픽셀 각각은 정사각형 픽셀이고, 복수의 피처들 각각은 약 3 : 1의 종횡비를 갖는 3개의 피처를 포함한다.
구현에서, 샘플은 이미지 센서 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 샘플은 능동 픽셀 이미지 센서를 통해 리소그래피로 패턴화될 수 있다.
특정 구현들에서, 각각의 피처는 복수의 픽셀들 중 하나의 광가이드 위에 형성된 반응 사이트를 포함하는 반응 리세스이다.
일부 구현에서, 이미지 센서는 픽셀들의 제 1 및 제 2 정렬 행 또는 열을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 정렬 행 또는 열은 복수의 프린지를 상기 샘플 및 이미지 센서와 공간적으로 정렬시킬 수 있다. 이러한 구현들에서, 샘플의 하나의 피처만이 제 1 및 제 2 정렬 행 또는 열의 복수의 픽셀들 각각에 걸쳐 위치될 수 있다.
일 구현에서, 방법은 패턴화된 피처를 포함하는 샘플면 상에 제 1 복수의 프린지를 투영하는 단계; 상기 제 1 복수의 프린지와 함께, 제 1 복수의 패턴화된 피처들 각각 중 제 1 피처를 조명하는 단계; 상기 제 1 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 1 피처의 제 1 이미지를 캡처하는 단계; 상기 제 1 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 2 피처를 조명하기 위해 상기 제 1 복수의 프린지를 위상이동시키는 단계; 및 상기 제 1 복수의 패턴화된 피처들의 각각 중 제 2 피처의 제 2 이미지를 캡처하는 단계를 포함하고, 샘플은 제 1 복수의 패턴화된 피처들이 복수의 픽셀 중 각각의 하나 위에 위치되도록 이미지 센서 위에 정렬되며, 상기 복수의 패턴화된 피처들 각각은 상기 픽셀 위에 제 1 축을 따라 정렬된다.
이 방법의 일부 구현들에서, 투영된 복수의 프린지들은 규칙적으로 패턴화된 피처의 치수와 적어도 동일하거나 더 큰 프린지 폭을 가지며, 상기 프린지 폭은 상기 복수의 픽셀들 각각의 피치보다 작다. 일부 구현들에서, 샘플은 이미지 센서 위에 형성되고, 이미지 센서는 능동 픽셀 센서이다.
이 방법의 특정 구현들에서, 제 1 복수의 프린지는 제 1 이미지 및 제 2 이미지를 캡처하는 단계 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에 대해 단 하나의 피처만을 조명하도록 위치된다.
일부 구현들에서, 방법은 샘플면 상에 제 2 복수의 프린지를 투영하는 단계; 상기 제 2 복수의 프린지와 함께, 제 2 복수의 패턴화된 피처들 각각 중 제 3 피처를 조명하는 단계; 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 3 피처의 제 3 이미지를 캡처하는 단계; 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 4 피처를 조명하기 위해 상기 제 2 복수의 프린지를 위상이동시키는 단계; 및 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처들의 각각 중 제 2 피처의 제 4 이미지를 캡처하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 복수의 프린지는 상기 제 1 복수의 프린지에 대해 직교하게 배향되며, 샘플은 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처가 상기 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 위치되도록 이미지 센서 상에 정렬되고, 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처 각각은 제 1 축에 직교하는 제 2 축을 따라 정렬된다.
일 구현에서, 바이오 센서는 복수의 픽셀을 포함하는 센서 어레이와, 대응하는 반응 사이트를 가지며 복수의 반응 리세스가 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 패턴화되도록 센서 어레이 위에 패턴화되는 반응 리세스의 반응 어레이를 포함하는 센서 어레이; 및 상기 반응 어레이의 면 상에 복수의 프린지를 투영하기 위한 광학 어셈블리를 포함하고, 복수의 픽셀들 각각 위에 패턴화된 반응 리세스들 중 하나를 조명하도록 투영된 복수의 프린지가 성형된다. 이 구현에서, 투영된 복수의 프린지가 반응 리세스의 치수와 적어도 동일하거나 더 큰 프린지 폭을 가지며, 상기 프린지 폭은 복수의 프린지 폭 각각의 피치와 적어도 대략 동일할 수 있다. 일부 구현들에서, 바이오 센서는 복수의 프린지를 복수의 픽셀들 각각의 피치의 비율만큼 위상이동시키기 위한 하나 이상의 광학소자를 더 포함한다.
개시된 기술의 다른 특징 및 태양은 예로써 개시된 기술의 구현에 따른 특징을 예시하는 첨부도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 요약은 청구범위 및 등가물에 의해 정의되는 본원에 기재된 임의의 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
(이러한 개념이 서로 일치하지 않는 경우) 상술한 개념의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려되는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 개시의 말미에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
하나 이상의 구현에 따라, 하기의 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다. 도면은 단지 예시용으로 제공되며 단지 예시적인 구현을 도시한 것이다. 더욱이, 예시의 명확성과 용이함을 위해, 도면의 요소는 반드시 축척대로 그려진 것은 아니라는 점에 유의해야 한다.
본 명세서에 포함된 도면 중 일부는 상이한 시야각으로부터 개시된 기술의 다양한 구현을 도시한 것이다. 첨부된 설명문은 "상단", "하단" 또는 "측면" 보기와 같은 보기를 언급할 수 있지만, 이러한 참조는 단지 설명을 위한 것이며, 개시된 기술이 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 특정 공간 방향으로 구현되거나 사용될 것을 암시하거나 요구하지는 않는다.
도 1a는 구현에 따라 이미지 센서가 패턴화된 샘플과 동일한 면에 있는 예시적인 구조화 조명 이미징 시스템을 도시한 것이다.
도 1b는 2개의 피처가 이미지 센서의 각 픽셀 위에 1차원을 따라 형성되도록 이미지 센서 위에 패턴화된 샘플을 포함하는 어셈블리를 도시한 것이다.
도 2는 하나의 피처가 이미지 센서의 각 픽셀 위에 형성되도록 이미지 센서 위에 패턴화된 샘플을 포함하는 이미징 시스템 어셈블리의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 일 구현에 따른 생물학적 또는 화학적 분석을 위한 예시적인 워크스테이션의 블록도이다.
도 4는 구현에서 설명된 바와 같은 하나 이상의 바이오 센서를 포함할 수 있는 워크스테이션 및 카트리지의 사시도이다.
도 5는 복수의 워크스테이션이 적재된 캐비닛 또는 캐리지를 갖는 랙 어셈블리의 정면도이다.
도 6은 일 구현에 따라 도 4의 카트리지의 다양한 특징을 도시한 것이다.
도 7은 일 구현에 따라 형성된 예시적인 바이오 센서의 일부의 단면도를 도시한 것이다.
도 8은 다양한 특징을 더 상세히 도시한 도 7의 감지장치의 확대 횡단면도이다.
도 9는 구현에 따라 각 픽셀 위에 정렬된 2개의 이미지화된 피처를 포함하는 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 10은 이미징 어셈블리의 각각의 광감지기(예를 들어, 픽셀) 위에 위치된 2개의 피처를 포함하는 샘플을 이미징하기 위해 하나의 이미징 사이클 동안 구조화 조명 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 1차원 구조화 조명 방법을 예시하는 동작 흐름도이다.
도 11은 1차원 구조화 조명 이미징 프로세스 동안 구조화 조명 패턴을 샘플 및 센서와 정렬시키기 위해 구현에서 이용될 수 있는 정렬 행을 포함하는 이미지 센서의 예를 도시한 것이다.
도 12는 직사각형 픽셀을 갖는 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 1차원 구조화 조명 이미징 프로세스를 도시한 것이다.
도 13은 2차원을 따라 (예를 들어, 2행 및 2열을 따라) 각각의 픽셀 위에 정렬된 4개의 이미지화된 피처를 포함하는 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 14a는 이미징 어셈블리의 각 광감지기(가령, 픽셀) 위에 2차원을 따라 위치된 4개의 피처를 포함한 샘플을 이미징시키기 위해 하나의 이미징 사이클 동안 구조화 조명 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 2차원 구조화 조명 방법을 예시하는 동작 흐름도이다.
도 14b는 픽셀 위에 패턴화된 4개의 피처들 각각의 신호 강도를 추정하기 위해 도 14a의 방법을 사용하여 5개의 이미지가 어떻게 디코딩되는지를 도시한 것이다.
도 15는 2차원 구조화 조명 이미징 프로세스 동안 샘플 및 센서와 함께 제 1 및 제 2 직교 방향을 따라 구조화 조명 패턴을 정렬하기 위한 구현에 사용될 수 있는 2개의 정렬 행 및 2개의 정렬 열을 포함하는 이미지 센서를 도시한 것이다.
도 16a는 L 자형으로 2차원을 따라 각각의 픽셀에 정렬된 3개의 이미지화된 피처를 포함하는 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 16b는 3개의 피처들 각각의 신호 강도를 추정하기 위해 도 16a의 픽셀의 2차원에 있는 3개의 이미지가 어떻게 디코딩되는지를 도시한 것이다.
도 17은 1차원을 따라 각각의 정사각형 픽셀 위에 정렬된 2개의 타원 형상 피처를 포함하는 예시적인 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 18은 1차원을 따라 각각의 정사각형 픽셀 위에 정렬된 3개의 타원 형상 피처를 포함하는 예시적인 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도면은 완전한 것이 아니며 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하지 않는다.
본 명세서에 포함된 도면 중 일부는 상이한 시야각으로부터 개시된 기술의 다양한 구현을 도시한 것이다. 첨부된 설명문은 "상단", "하단" 또는 "측면" 보기와 같은 보기를 언급할 수 있지만, 이러한 참조는 단지 설명을 위한 것이며, 개시된 기술이 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 특정 공간 방향으로 구현되거나 사용될 것을 암시하거나 요구하지는 않는다.
도 1a는 구현에 따라 이미지 센서가 패턴화된 샘플과 동일한 면에 있는 예시적인 구조화 조명 이미징 시스템을 도시한 것이다.
도 1b는 2개의 피처가 이미지 센서의 각 픽셀 위에 1차원을 따라 형성되도록 이미지 센서 위에 패턴화된 샘플을 포함하는 어셈블리를 도시한 것이다.
도 2는 하나의 피처가 이미지 센서의 각 픽셀 위에 형성되도록 이미지 센서 위에 패턴화된 샘플을 포함하는 이미징 시스템 어셈블리의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 일 구현에 따른 생물학적 또는 화학적 분석을 위한 예시적인 워크스테이션의 블록도이다.
도 4는 구현에서 설명된 바와 같은 하나 이상의 바이오 센서를 포함할 수 있는 워크스테이션 및 카트리지의 사시도이다.
도 5는 복수의 워크스테이션이 적재된 캐비닛 또는 캐리지를 갖는 랙 어셈블리의 정면도이다.
도 6은 일 구현에 따라 도 4의 카트리지의 다양한 특징을 도시한 것이다.
도 7은 일 구현에 따라 형성된 예시적인 바이오 센서의 일부의 단면도를 도시한 것이다.
도 8은 다양한 특징을 더 상세히 도시한 도 7의 감지장치의 확대 횡단면도이다.
도 9는 구현에 따라 각 픽셀 위에 정렬된 2개의 이미지화된 피처를 포함하는 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 10은 이미징 어셈블리의 각각의 광감지기(예를 들어, 픽셀) 위에 위치된 2개의 피처를 포함하는 샘플을 이미징하기 위해 하나의 이미징 사이클 동안 구조화 조명 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 1차원 구조화 조명 방법을 예시하는 동작 흐름도이다.
도 11은 1차원 구조화 조명 이미징 프로세스 동안 구조화 조명 패턴을 샘플 및 센서와 정렬시키기 위해 구현에서 이용될 수 있는 정렬 행을 포함하는 이미지 센서의 예를 도시한 것이다.
도 12는 직사각형 픽셀을 갖는 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 1차원 구조화 조명 이미징 프로세스를 도시한 것이다.
도 13은 2차원을 따라 (예를 들어, 2행 및 2열을 따라) 각각의 픽셀 위에 정렬된 4개의 이미지화된 피처를 포함하는 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 14a는 이미징 어셈블리의 각 광감지기(가령, 픽셀) 위에 2차원을 따라 위치된 4개의 피처를 포함한 샘플을 이미징시키기 위해 하나의 이미징 사이클 동안 구조화 조명 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 2차원 구조화 조명 방법을 예시하는 동작 흐름도이다.
도 14b는 픽셀 위에 패턴화된 4개의 피처들 각각의 신호 강도를 추정하기 위해 도 14a의 방법을 사용하여 5개의 이미지가 어떻게 디코딩되는지를 도시한 것이다.
도 15는 2차원 구조화 조명 이미징 프로세스 동안 샘플 및 센서와 함께 제 1 및 제 2 직교 방향을 따라 구조화 조명 패턴을 정렬하기 위한 구현에 사용될 수 있는 2개의 정렬 행 및 2개의 정렬 열을 포함하는 이미지 센서를 도시한 것이다.
도 16a는 L 자형으로 2차원을 따라 각각의 픽셀에 정렬된 3개의 이미지화된 피처를 포함하는 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 16b는 3개의 피처들 각각의 신호 강도를 추정하기 위해 도 16a의 픽셀의 2차원에 있는 3개의 이미지가 어떻게 디코딩되는지를 도시한 것이다.
도 17은 1차원을 따라 각각의 정사각형 픽셀 위에 정렬된 2개의 타원 형상 피처를 포함하는 예시적인 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 18은 1차원을 따라 각각의 정사각형 픽셀 위에 정렬된 3개의 타원 형상 피처를 포함하는 예시적인 이미지 센서 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도면은 완전한 것이 아니며 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하지 않는다.
본 명세서에서 샘플을 지칭하기 위해 사용되는 바와 같이, "스팟" 또는 "피처"라는 용어는 상대 위치에 따라 다른 점 또는 영역과 구별될 수 있는 패턴의 점 또는 영역을 의미하는 것으로 의도된다. 개별 스팟은 특정 유형의 하나 이상의 분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스팟은 특정 서열을 갖는 단일 표적 핵산 분자를 포함할 수 있거나, 스팟은 동일한 서열(및/또는 이의 상보적 서열)을 갖는 다수의 핵산 분자를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "xy 평면"이라는 용어는 직교 좌표계에서 직선 축 x 및 y에 의해 정의된 2차원 영역을 의미하는 것으로 의도된다. 감지기 및 상기 감지기에 의해 관찰된 물체와 관련하여 사용될 때, 영역은 감지기와 피감지 물체 사이의 관찰 방향에 직교하는 것으로 더 특정될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "z 좌표"라는 용어는 xy 평면에 직교하는 축을 따라 점, 선 또는 영역의 위치를 지정하는 정보를 의미하는 것으로 의도된다. 특정 구현들에서, z축은 감지기에 의해 관찰되는 물체의 영역에 직교한다. 예를 들어, 광학 시스템에 대한 초점의 방향은 z축을 따라 지정될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광학적으로 결합된"이라는 용어는 하나의 요소가 다른 요소에 직접 또는 간접적으로 광을 부여하도록 구성되는 것을 의미하는 것으로 되어 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "지정된 반응"은 관심 분석물질의 화학적, 전기적, 물리적 또는 광학적 특성(또는 품질) 중 적어도 하나의 변화를 포함한다. 특정 구현에서, 지정된 반응은 양성 결합 이벤트(예를 들어, 형광 라벨링된 생체 분자를 관심 분석물질과 혼입)이다. 보다 일반적으로, 지정된 반응은 화학적 변형, 화학적 변화 또는 화학적 상호작용일 수 있다. 지정된 반응은 또한 전기적 특성의 변화일 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "반응 성분" 또는 "반응물"은 지정된 반응을 얻는 데 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예를 들어, 반응 성분에는 시약, 효소, 샘플, 기타 생체 분자 및 버퍼용액이 포함된다. 반응 성분은 용액 내의 반응 사이트로 전달되고/되거나 반응 사이트에서 고정될 수 있다. 반응 성분은 관심 분석물질과 같은 다른 물질과 직접 또는 간접적으로 상호작용할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "반응 사이트"라는 용어는 지정된 반응이 일어날 수 있는 국소화된 영역이다. 반응 사이트는 물질이 고정될 수 있는 기판의 지지면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 사이트는 그 위에 핵산 콜로니를 갖는 플로우 셀의 채널에 평평한 면을 포함할 수 있다. 전형적으로, 항상 그런 것은 아니지만, 콜로니 내의 핵산은 동일한 서열을 가지며, 예를 들어 단일 가닥 또는 이중 가닥 템플레이트의 복제본이다. 그러나, 일부 구현에서, 반응 사이트는 단일 핵산 분자, 예를 들어 단일 가닥 또는 이중 가닥 형태만을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 반응 사이트는 지지면을 따라 랜덤하게 분포되거나 미리 결정된 방식으로 (예를 들어, 마이크로 어레이와 같은 매트릭스에 나란히) 배열될 수 있다. 반응 사이트는 또한 지정된 반응을 구획화하도록 구성된 공간 영역 또는 체적을 적어도 부분적으로 정의하는 반응 챔버를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이 "반응 챔버"라는 용어는 유로(流路)와 유체 연통하는 공간 영역을 포함한다. 반응 챔버는 주변 환경 또는 다른 공간 영역으로부터 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 복수의 반응 챔버는 공유 벽에 의해 서로 분리될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 반응 챔버는 웰의 내부 표면에 의해 정의된 공동을 포함할 수 있고 상기 공동이 유로와 유체 연통할 수 있도록 개구부 또는 개구를 가질 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 2개의 반응 사이트와 관련하여 사용될 때 "인접한"이라는 용어는 어떠한 다른 반응 사이트도 2개의 반응 사이트 사이에 위치하지 않는 것을 의미한다. "인접한"이라는 용어는 인접 감지경로 및 인접 광센서와 관련하여 사용될 때 유사한 의미를 가질 수 있다(예를 들어, 인접광센서는 그 사이에 다른 광센서가 전혀 없다).
본원에 사용된 바와 같이, "물질"은 캡처 비드와 같은 물품 또는 고체뿐만 아니라 생물학적 또는 화학적 물질을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, "생물학적 또는 화학적 물질"은 생체 분자, 관심 샘플, 관심 분석물 및 다른 화학 화합물(들)을 포함한다. 생물학적 또는 화학적 물질을 사용하여 다른 화합물(들)을 검출, 식별 또는 분석하거나 다른 화합물(들)을 연구 또는 분석하기 위한 매개체로서 기능할 수 있다. 특정 구현에서, 생물학적 또는 화학적 물질은 생체 분자를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, "생체 분자"는 바이오폴리머, 뉴클레오사이드, 핵산, 폴리뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 단백질, 효소, 폴리펩티드, 항체, 항원, 리간드, 수용체, 다당류, 탄수화물, 폴리포스페이트, 세포, 조직, 유기체 또는 이들의 단편 또는 상기 언급된 종의 유사체 또는 모방체와 같은 임의의 다른 생물학적 활성 화합물(들) 중 적어도 하나를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, "반응 성분" 또는 "반응물"은 지정된 반응을 얻는 데 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예를 들어, 반응 성분에는 시약, 효소, 샘플, 기타 생체 분자 및 완충액이 포함된다. 반응 성분은 전형적으로 용액 내의 반응 사이트로 전달되고/되거나 반응 사이트에서 고정화된다. 반응 성분은 관심 분석물질과 같은 다른 물질과 직접 또는 간접적으로 상호작용할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "반응 사이트"는 지정된 반응이 일어날 수 있는 국소화된 영역이다. 반응 사이트는 물질이 고정될 수 있는 기판의 지지면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 사이트는 그 위에 핵산 콜로니를 갖는 플로우 셀의 채널에 적어도 실질적으로 평면을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 콜로니의 핵산은 동일한 서열을 가지며, 예를 들어, 단일 가닥 또는 이중 가닥 템플릿의 복제본이다. 그러나, 일부 구현에서, 반응 사이트는 단일 핵산 분자, 예를 들어 단일 가닥 또는 이중 가닥 형태만을 포함할 수 있다. 더욱이, 복수의 반응 사이트는 지지면을 따라 랜덤하게 분포되거나 미리 결정된 방식으로(예를 들어, 마이크로 어레이와 같은 매트릭스로 나란히) 배열될 수 있다. 반응 사이트는 또한 지정된 반응을 구획화하도록 구성된 공간 영역 또는 체적을 적어도 부분적으로 정의하는 반응 챔버를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "반응 챔버"는 유로와 유체 연통하는 공간 영역을 포함한다. 반응 챔버는 주변 환경 또는 다른 공간 영역으로부터 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 복수의 반응 챔버는 공유 벽에 의해 서로 분리될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 반응 챔버는 웰의 내부 표면에 의해 한정된 공동을 포함할 수 있고 공동이 유로와 유체 연통할 수 있도록 개구부 또는 개구를 가질 수 있다.
추가의 예에서, 생물학적 또는 화학적 물질 또는 생체 분자는 파이로시퀀싱 반응에서 피로포스페이트(pyrophosphate)를 검출하는데 사용되는 효소 또는 시약과 같은 다른 반응의 생성물을 검출하기 위한 결합 반응에 사용되는 효소 또는 시약을 포함한다. 생체 분자, 샘플 및 생물학적 또는 화학적 물질은 자연적으로 발생하거나 합성될 수 있으며 공간 영역 내의 용액 또는 혼합물에 현탁될 수 있다. 생체 분자, 샘플 및 생물학적 또는 화학적 물질은 또한 고체상 또는 겔 물질에 결합될 수 있다. 생체 분자, 샘플 및 생물학적 또는 화학적 물질은 또한 약학 조성물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 생체 분자, 샘플 및 관심있는 생물학적 또는 화학적 물질은 표적, 프로브 또는 분석물질로 지칭될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "바이오 센서"는 반응 사이트에서 또는 반응 사이트에 인접해 발생하는 지정된 반응을 검출하도록 구성된 복수의 반응 사이트를 갖는 구조를 포함한다. 바이오 센서는 고체촬상소자(예를 들어, CMOS 또는 CCD 이미 저) 및 선택적으로 이에 장착된 플로우 셀을 포함할 수 있다. 플로우 셀은 반응 사이트와 유체 연통하는 적어도 하나의 플로우 채널을 포함할 수 있다. 하나의 특정 예로서, 바이오 센서는 바이오 어세이 시스템에 유체적으로 및/또는 전기적으로 결합하도록 구성된다. 바이오 어세이 시스템은 소정의 프로토콜(예를 들어, 합성을 통한 시퀀싱(sequencing-by-synthesis))에 따라 반응물을 반응 사이트로 전달하고 복수의 이미징 이벤트를 수행할 수 있다. 예를 들어, 바이오 어세이 시스템은 용액을 반응 사이트를 따라 흐르게 할 수 있다. 용액 중 적어도 하나는 동일하거나 상이한 형광 라벨을 갖는 4가지 유형의 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 뉴클레오티드는 반응 사이트에 위치한 상응하는 올리고뉴클레오티드에 결합할 수 있다. 이어서, 바이오 어세이 시스템은 여기광(예를 들어, 발광 다이오드 또는 LED와 같은 고체 광원)을 사용하여 반응 사이트를 조명할 수 있다. 여기광은 일정 범위의 파장을 포함하는 소정의 파장 또는 파장들을 가질 수 있다. 여기된 형광 라벨은 광센서에 의해 감지될 수 있는 방출신호를 제공한다.
대안적인 구현에서, 바이오 센서는 다른 식별 가능한 특성을 감지하도록 구성된 전극 또는 다른 유형의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서는 이온 농도의 변화를 감지하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 센서는 막을 가로 지르는 이온 전류 흐름을 감지하도록 구성될 수 있다
본원에 사용된 바와 같이, "카트리지"는 바이오 센서를 보유하도록 구성된 구조를 포함한다. 일부 구현에서, 카트리지는 바이오 센서의 반응 사이트에 여기광을 제공하도록 구성된 광원(예를 들어, LED)과 같은 추가 피처를 포함할 수 있다. 카트리지는 또한 유체 저장 시스템(예를 들어, 시약, 샘플 및 버퍼용액을 위한 저장) 및 반응 성분, 샘플 등을 반응 사이트에 유체적으로 운송하기 위한 유체 제어 시스템(예를 들어, 펌프, 밸브 등)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서가 준비 또는 제조된 후, 바이오 센서는 카트리지의 하우징 또는 용기에 결합될 수 있다. 일부 구현들에서, 바이오 센서 및 카트리지는 자체 포함된 일회용 유닛일 수 있다. 그러나, 다른 구현은 사용자가 구성요소 또는 샘플의 유지 보수 또는 교체를 위해 바이오 센서 또는 카트리지의 내부에 접근할 수 있게 하는 탈착식 부품을 갖는 어셈블리를 포함할 수 있다. 바이오 센서 및 카트리지는 내부에서 제어된 반응을 수행하는 시퀀싱 시스템과 같은 더 큰 바이오 어세이 시스템에 탈착식으로 결합되거나 치합될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "탈착가능하게" 및 "결합된" (또는 "치합된")이라는 용어는 바이오 센서(또는 카트리지)와 바이오 어세이 시스템의 시스템 리셉터클 또는 인터페이스 사이의 관계를 설명하기 위해 함께 사용될 때, 상기 용어 바이오 센서(또는 카트리지)와 시스템 리셉터클 사이의 연결이 시스템 리셉터클 및/또는 바이오 센서(또는 카트리지)를 파손시키거나 손상시키지 않고도 쉽게 분리될 수 있음을 의미하는 것으로 의도된다. 과도한 노력이나 구성요소를 분리하는 데 많은 시간을 소비하지 않고 구성요소를 서로 분리할 수 있는 경우 상기 구성요소는 쉽게 분리될 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(또는 카트리지)는 바이오 어세이 시스템의 매칭 접촉부가 파괴되거나 손상되지 않도록 전기 방식으로 시스템 리셉터클에 탈착가능하게 결합되거나 치합될 수 있다. 바이오 센서(또는 카트리지)는 또한 바이오 센서(또는 카트리지)를 보유하는 피처가 파괴되거나 손상되지 않도록 기계적인 방식으로 시스템 리셉터클에 탈착가능하게 결합되거나 치합될 수 있다. 바이오 센서(또는 카트리지)는 또한 시스템 리셉터클의 포트가 파괴되거나 손상되지 않도록 유체식으로 시스템 리셉터클에 탈착가능하게 결합되거나 결합될 수 있다. 예를 들어, 구성요소에 대한 간단한 조정(예를 들어, 재배치) 또는 간단한 교체(예를 들어, 노즐 교체)만 필요한 경우, 시스템 리셉터클 또는 구성요소가 파손되거나 손상된 것으로 간주되지 않습니다.
본원에 사용된 바와 같이, "유체 연통" 또는 "유체적으로 결합된"이라는 용어는 액체 또는 가스가 두 공간 영역 사이에서 흐를 수 있도록 서로 연결된 두 공간 영역을 지칭한다. 예를 들어, 미세 유체 채널은 유체가 미세 유체 채널로부터 반응 챔버 내로 자유롭게 유동할 수 있도록 반응 챔버와 유체 연통할 수 있다. "유체 연통의" 또는 "유체 결합된"이라는 용어는 시스템을 통한 유체의 흐름을 제어 또는 조절하도록 구성된 하나 이상의 밸브, 제한기 또는 다른 유체 구성요소를 통해 2개의 공간 영역이 유체 연통하는 것을 허용한다.
본원에 사용된 바와 같이, "고정된"이라는 용어가 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질과 관련하여 사용될 때, 분자 수준에서 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질을 표면에 적어도 실질적으로 부착시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질은 비공유 상호작용(예를 들어, 정전기력, 반데르발스 및 소수성 계면의 탈수) 및 작용기 또는 링커가 생체 분자를 표면에 부착시키는 것을 용이하게 하는 공유 결합 기술을 포함하는 흡착 기술을 사용하여 기판 물질의 표면에 고정될 수 있다. 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질을 기판 물질의 표면에 고정시키는 것은 기판면의 성질, 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질을 운반하는 액체 매질, 및 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질 자체의 성질에 기초할 수 있다. 일부 경우에, 기판면은 생체 분자(또는 생물학적 또는 화학적 물질)를 기판면에 고정시키는 것을 용이하게 하도록 기능화(예를 들어, 화학적으로 또는 물리적으로 변형)될 수 있다. 기판면은 먼저 작용기가 표면에 결합되도록 변형될 수 있다. 이어서 작용기는 생체 분자 또는 생물학적 또는 화학적 물질에 결합하여 이를 고정시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 현재 CMOS 이미징 기술의 한가지 한계는 궁극적인 피치, 따라서 정보의 데이터 밀도가 센서 시스템의 픽셀의 피치에 의해 제한된다는 것이다. 구조화 조명이 측면 해상도를 증가시키기 위해 일부 CCD 이미징 시스템에서 이용되었지만, 그러한 시스템에서 분자의 검출은 CCD 카메라 상으로 방출신호를 여기시키고 재이미징하는데 사용된 동일한 목적으로 여기광을 회수하는 것에 의존한다. 이러한 시스템에서, 재수집된 광이 통과하는 각각의 광학기는 신호를 감소시키고 이미징 해상도 및 성능에 해로운 수차를 야기할 수 있다.
본 명세서에 설명된 구현들은 샘플의 활성면에 있는 이미지 센서(예를 들어, 능동 픽셀 센서)를 이용하는 구조화 조명 이미징 시스템의 사용을 통해 이러한 문제를 해결한다. 본 명세서에 설명된 구현에 따르면, 이미지 센서의 각각의 광센서(예를 들어, 픽셀)가 그 위에 형성 및/또는 장착된 각각의 복수의 피처를 갖도록 이미지 센서 어셈블리에 위에 패턴화 및/또는 정렬될 수 있다. 이미징 동안, 이미지 센서의 각각의 픽셀은 상기 픽셀 위에 정렬된 피처의 서브셋(예를 들어, 하나)만이 이미지 판독 동안 구조화 광으로 조명되도록 구조화 조명을 사용하여 공간적으로 다중화될 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀 위에 형성된 다수의 클러스터 또는 나노 웰을 갖는 바이오 센서 이미징 시스템을 이용하는 특정 구현에서, 센서 픽셀 당 하나의 클러스터(또는 나노 웰)는 서브 픽셀 해상도를 달성하기 위해 공간적으로 다중화될 수 있으며, 이는 한 번에 각 픽셀에 클러스터 또는 나노 웰 중 하나를 이미징하도록 구조화 조명 시스템을 사용함으로써 달성될 수 있다
본 명세서에 설명된 구현은 기존의 이미징 시스템에 비해 몇 가지 이점을 달성할 수 있다. 먼저, 광학 조명 경로를 통해(예를 들어, 대물렌즈를 통해) 광을 회수하는 기존의 구조화 조명 이미징 시스템과 달리, 본 명세서에 설명된 구현에서 조명 경로는 방출 파장 및 광학기에 대한 걱정없이 여기만을 위한 것이다. 따라서, 소스의 필터 및 광학은 여기만을 위해 최적화될 수 있다. 둘째, 종래의 이미징 시스템에서, 카메라의 물체로부터의 광은 회절 제한되고 이미징 카메라상의 다수의 픽셀에 걸쳐 있지만, 샘플면에서 능동센서를 사용하여 본 명세서에 기술된 바와 같이 서브픽셀 해상도가 달성될 수 있다. 또한, 이미지 센서가 CMOS 이미지 센서와 같은 능동 픽셀 이미지 센서(예를 들어, 픽셀이 광감지기 및 증폭기를 가짐)인 구현에서, 증가된 신호 이득 및 감소된 이미징 어셈블리 비용과 같은 추가적인 이점을 얻을 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술의 이들 및 다른 이점은 상술한 설명으로부터 이해될 것이다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 다양한 구현을 설명하기 전에, 본 명세서에 개시된 기술이 구현될 수 있는 예시적인 환경을 설명하는 것이 유용하다. 하나의 이러한 예시적인 환경이 도 1a-1b에 도시되어 있고, 상기 도면은 이미지 센서(140)가 공간적으로 구조화된 광으로 조명되는 패턴화된 샘플(110)과 동일한 평면에 있는 구조화 조명 이미징 시스템(100)을 도시한다. 예를 들어, 시스템(100)은 공간적으로 구조화된 여기광을 이용하여 패턴화된 생물학적 샘플을 이미지화하는 구조화된 조명 형광 현미경 시스템일 수 있다.
예시적인 시스템(100)에서, 광이미터(150)는 시준기(151)(예를 들어, 시준 렌즈)에 의해 시준된 광선을 출력하도록 구성된다. 시준된 빔은 빔 구조화 광학 어셈블리(155)에 의해 구조화된(패턴화된) 빔(160)으로 성형되고 대물렌즈(142)를 통해 복수의 피처(111)를 포함하는 패턴화된 샘플(110)로 지향된다. 패턴화된 샘플(110)에 의해 방출된 임의의 광은 이미지 센서 어셈블리(140)에 의해 수집되며, 이 예에서 샘플(110) 바로 아래에 위치된다. 예를 들어, 형광 샘플(110)의 경우, 샘플의 조명된 피처(111)는 구조화 여기광에 응답하여 형광을 발할 수 있고, 피처(111)에 의해 방출된 결과적인 광(161)이 이미지 센서 어셈블리의 포토사이트(예를 들어, 픽셀)에 의해 수집되어 형광을 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 어셈블리(140)의 픽셀(1, 2) 및 (1, 4)은 센서 위에 위치되거나 패턴화된 샘플의 피처(111)에 의해 방출되는 광(161)을 수집할 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 샘플(110)은 (예를 들어, 다양한 상이한 리소그래피 기술을 사용하여) 이미지 센서 어셈블리(140) 위에 형성될 수 있다. 어셈블리(140) 위에 샘플(110)을 형성하는 것은 이미징 동안 샘플(110)의 패턴화된 피처(111)가 이미지 센서 어셈블리(140)의 특정 포토사이트(예를 들어, 픽셀)에 대해 정렬된 상태를 유지하는 이점을 제공할 수 있다. 그러한 구현들에서, 층(미도시)은 (예를 들어, 이미지의 유체 환경으로부터 이미지 센서 어셈블리를 차단하기 위해) 샘플(110)과 이미지 센서 어셈블리(140) 사이의 분리를 제공할 수 있다. 다른 구현에서, 샘플(110)은 이미지 센서 어셈블리(140) 위에 장착 및 정렬될 수 있다.
이미지 센서(140)의 각각의 광센서(예를 들어, 픽셀)가 그 위에 형성되고/되거나 장착된 각각의 복수의 피처(111)를 갖도록 샘플(110)이 이미지 센서 어셈블리(140)와 패턴화되고 정렬된다. 도 1b의 예에 도시된 바와 같이, 샘플(110)은 이미지 센서 어셈블리(140)의 픽셀 어레이의 각 픽셀 위에 1차원을 따라 2개의 피처(111)가 형성되도록 이미지 센서 어셈블리(140) 위에 패턴화된다. 예를 들어, 각각의 피처(111)는 각 픽셀의 피치(예를 들어, 1㎛)의 절반 미만인 직경(예를 들어, 500nm)을 가질 수 있다. 다른 구현들에서, 3개, 4개, 또는 더 많은 피처들(111)이 이미지 센서 어셈블리(140)의 각각의 픽셀 위에 1차원(예를 들어, 선형 어레이)을 따라 또는 2차원(예를 들어, 사각형 그리드 어레이)을 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 4개의 피처는 각각의 픽셀 위에 정사각형으로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 3개의 피처는 각각의 픽셀 위에 선형 어레이로 형성될 수 있다.
각각의 이미지 판독 동안, 광이미터(150)에 의해 방출된 광은 각각의 픽셀에 대응하는 피처(111) 중 하나가 적어도 실질적으로 조명되도록 피치(P)(프린지 사이의 중심간 간격) 및 폭(w)을 갖는 프린지(160)를 투영하도록 구조화 광학 어셈블리(155)로 구성된다. 예를 들어, 피치(P)는 이미지 센서의 픽셀들의 피치와 적어도 실질적으로 동일할 수 있고(예를 들어, 정사각형 1㎛ x 1㎛ 픽셀에 대해 1㎛ 피치) 폭(w)은 피처(111)의 치수와 적어도 실질적으로 동일하거나 약간 더 클(예를 들어, 직경이 500nm인 부위에 대해 약 500nm 이상) 수 있다. 특정 구현들에서, 폭(w)은 피처(111)의 직경보다 크고 피처(111)의 직경 더하기 인접한 피처들(111) 사이의 간격보다 작을 수 있다. 구현에서, 규칙적으로 패턴화된 피처의 치수는 프린지 폭(w)이 원형 피처의 직경, 정사각형 피처의 한 변의 길이, 직사각형 피처의 장변 또는 단변의 길이, 장축 또는 단축을 따른 타원형 피처의 직경 또는 피처의 한 축(예를 들어, x축 또는 y축)을 따라 불규칙한 형상의 피처의 가장 긴 치수일 수 있는 것과 적어도 실질적으로 동일하거나 약간 더 크다.
도 1b의 예에서, 각각의 픽셀 위에 2개의 피처가 형성되는 경우, 각각의 픽셀의 좌측의 피처는 프린지(160)의 구조화된 광 패턴에 의해 조명되어, 피처의 절반으로부터의 신호를 발생시킨다. 다른 이미지 판독 동안, 픽셀의 우측에 있는 피처는 구조화된 광 패턴을 우측으로 위상이동시킴으로써 조명될 수 있고, 피처의 나머지 절반으로부터의 신호를 발생시킨다. 이와 같이, 구조화 조명을 사용하여 각각의 픽셀로부터 데이터 판독 값을 공간적으로 다중화함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 픽셀(191) 위에 하나의 피처(192)를 배치하는 시스템과 대조적으로, 도 1a 및 도 1b의 구성으로 픽셀당 배가(倍加)된 데이터 밀도를(즉, 배가된 피처 밀도를) 달성할 수 있다. 그러한 경우에, 시스템에서 이용가능한 정보 내용은 픽셀 밀도에 의해 제한되는 것이 아니라 피처 밀도에 의해 제한된다. 아래에 더 설명되는 일부 구현들에서, 각각의 픽셀 위에 추가적인 피처들(예를 들어, 3개, 4개 또는 그 이상)을 패턴화함으로써, 각각의 픽셀의 데이터 밀도가 3배 또는 심지어 4배가 될 수 있다.
도시된 바와 같이, 샘플(110)은 이미징 실행 동안 동시에 이미징될 수 있는 정렬된 스팟 또는 피처(111)의 직사각형 어레이로 패턴화된다. 이 예에서 직사각형 어레이가 도시되어 있지만, 다른 구현에서 샘플은 육각형 어레이 또는 프린지 (160)를 갖는 구조화 조명 패턴을 사용하여 이미지화될 수 있는 일부 다른 어레이 패턴을 사용하여 패턴화될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 샘플(100)은 수십 개의 피처(111)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 샘플(100)은 이미지화되는 수천, 수백만 또는 수십억 개의 피처(111)를 가질 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 일부 경우, 샘플(100)은 이미징 실행 동안 샘플링되는 피처(111)의 (초점방향에 수직인) 다수의 면을 포함하는 다중면 샘플일 수 있다. 특정 구현에서, 샘플(100)은 하나 이상의 레인으로 분할된 수백만 또는 수십억 개의 웰로 패턴화된 플로우 셀일 수 있다. 이러한 특정 구현에서, 플로우 셀의 각각의 웰은 합성을 통한 시퀀싱(sequencing-by-synthesis)을 사용하여 시퀀싱되는 생물학적 물질을 함유할 수 있다.
이미지 센서 어셈블리(140)는 CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서와 같은 하나 이상의 능동 픽셀 센서를 포함할 수 있다. 이미지 센서의 픽셀은 1 : 1 종횡비를 갖는 정사각형 픽셀일 수 있지만, 이하에 더 설명되는 다른 구현에서, 픽셀은 직사각형 형상일 수 있고 다른 종횡비(예를 들어, 2 : 1 종횡비, 3 : 1 종횡비, 4 : 1 종횡비, 3 : 2 종횡비 등)를 가질 수 있다. 특정 구현에서, 이미지 센서 어셈블리는 아래에서 더 논의되는 바이오센서 이미지 센서 어셈블리로서 구현될 수 있다.
시스템(100)에서, 광이미터(150)는 비간섭성 광이미터일 수 있거나(예를 들어, 하나 이상의 여기 다이오드에 의해 출력된 광빔을 방출할 수 있거나), 하나 이상의 레이저 또는 레이저 다이오드에 의해 출력된 광의 이미터와 같은 간섭성 광이미터일 수 있다. 시스템(100)의 예에 도시된 바와 같이, 광이미터(150)는 출력 될 광빔을 가이드하기 위한 광섬유(152)를 포함한다. 그러나, 광이미터(150)의 다른 구성도 사용될 수 있다. 다중 채널 이미징 시스템(예를 들어, 다중 파장의 광을 이용하는 다중 채널 형광 현미경)에서 구조화 조명을 이용하는 구현에서, 광섬유 (152)는 복수의 상이한 광원(미도시)에 광학적으로 결합될 수 있으며, 각각의 광원은 다른 파장의 광을 방출한다. 시스템(100)이 하나의 광이미터(150)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 일부 구현에서 다수의 광이미터들(150)이 포함될 수 있다.
다양한 구현에서 광 구조화 광학 어셈블리(155)는 샘플(110)면 상에 투영되는 회절광(예를 들어, 프린지)의 정현파 패턴을 생성하기 위한 하나 이상의 광학소자(예를 들어, 회절격자)를 포함한다. 1차원 또는 2차원 투과형 또는 반사형 회절격자는 샘플(160) 면에 투영되는 규칙적으로 이격된 프린지 또는 스트라이프(160)를 갖는 구조화 광빔을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 광 구조화 광학 어셈블리(155)는 단일 방향(예를 들어, 오로지 수직 프린지 또는 수평 프린지(160))을 따라 배향된 구조화 광 패턴을 생성하도록 구성된다.
일부 구현들에서, 광 구조화 광학 어셈블리(155)는 적어도 실질적으로 직교하는 방향들(예를 들어, 수직 및 수평 방향들)을 따라 배향된 구조화 광 패턴들을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 구현들에서, 어셈블리(155)는 샘플(110) 상에 투영된 패턴의 방향을 (예를 들어, 수평에서 수직으로 또는 그 반대로) 변경하기 위해 격자를 회전시키기 위한 회전 스테이지를 포함할 수 있다. 대안으로, 어셈블리(155)는 샘플(110) 상에 조명 패턴(가령, 수진 프린지 패턴 및 수펴 프린지 패턴)의 회절 배향을 생성하기 위해 조명 경로를 따라 스위치되는 2개의 직교 배향된 회절격자를 포함할 수 있다. 대안으로, 어셈블리(155)는 한 방향을 따라 배향된 구조화된 광빔을 투영하기 위해 2차원 중 하나에 회절된 광을 차단하기 위한 2차원 회절격자 및 필터를 포함할 수 있다.
광 구조화 광학 어셈블리(155)는 또한 샘플(110)면을 따라 투영된 광 패턴(110)을 병진이동(즉, 위상이동)하기 위한 하나 이상의 광학 위상 변조기를 포함할 수 있다. 예컨대, 회절광의 광경로 길이를 변화시키기 위한 하나 이상의 선형 병진이동 스테이지, 광학 웨지, 광학 윈도우 또는 다른 광학소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 위상 변조기는 프린지(160)를 두 세트의 피처(111) 열 중 하나를 조명하도록 프린지(160)를 이동시키는 데 사용될 수 있다.
도 1a의 특정 예에 도시된 바와 같이, 어셈블리(155)는 회절광의 정현파 패턴을 생성하기 위한 1차원 투과형 회절격자(155a) 및 회절광의 위상을 변경하기 위한 회전 윈도우(155b)를 포함한다.
각각의 이미징 사이클 동안, 이미징 시스템(100)은 샘플 면을 따라 (예를 들어, xy 평면을 따라) 측방향으로 변위된 다양한 위상에서 복수의 이미지를 획득하기 위해 광 구조화 광학 어셈블리(155)를 이용하며, 이 절차는 광축을 중심으로(즉, 샘플의 xy 평면에 대해) 패턴 배향을 회전시킴으로써 1회 이상 반복된다.
일부 구현에서, 시스템(100)은 시약(예를 들어, 형광 라벨된 뉴클레오티드, 버퍼용액, 효소, 절단 시약 등)의 흐름을 샘플(110)을 포함하는 샘플 용기 및 폐기 밸브로(및 통해) 보내는 유체 수송 모듈 또는 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 매우 많은 상이한 핵산 서열을 분석하기 위한 시스템의 경우, 샘플 용기는 시퀀싱 분석될 핵산이 결합, 부착 또는 결합되는 샘플 기판을 포함할 수 있다. 기판은 예를 들어 유리 표면, 플라스틱 표면, 라텍스, 덱스트란, 폴리스티렌 표면, 폴리프로필렌 표면, 폴리아크릴아미드 겔, 금 표면 및 실리콘 웨이퍼와 같이 핵산이 부착될 수 있는 임의의 불활성 기판 또는 매트릭스를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 또한 샘플 용기 내의 유체의 온도 조건을 선택적으로 조절할 수 있는 온도 조절기 및 히터/쿨러를 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 샘플(110) 및 이미지 센서(140)는 대물렌즈(142)에 대한 샘플(110)의 이동 및 정렬을 제공하기 위해 샘플 스테이지(미도시) 상에 장착될 수 있다. 샘플 스테이지는 3차원 중 어느 하나로 움직일 수 있게 하는 하나 이상의 액추에이터를 가질 수 있다. 예를 들어, 직교 좌표계의 관점에서, 스테이지가 대물렌즈에 대해 X, Y 및 Z 방향으로 이동하도록 액추에이터가 제공될 수 있다. 이는 샘플(110)상의 하나 이상의 샘플 위치가 대물렌즈(142)와 광학적으로 정렬되도록 위치될 수 있다. 대안으로, 샘플(110)은 이미징 동안 고정될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 시스템(100)의 다양한 광학 구성요소를 동기화하는 것을 포함하여, 구조화 조명 이미징 시스템(100)의 동작을 제어하기 위해 컨트롤러가 제공될 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어 광 구조화 광학 어셈블리(155)의 구성(예를 들어, 회절격자의 선택 및/또는 위상이동), 포커싱, (있다면) 스테이지 이동 및 이미징 작업과 같이 시스템 동작의 태양을 제어하도록 구현될 수 있다. 다양한 구현에서, 컨트롤러는 하드웨어, 알고리즘(예를 들어, 기계 실행 가능 명령어) 또는 상술한 것의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 컨트롤러는 연관된 메모리를 갖는 하나 이상의 CPU 또는 프로세서를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 컨트롤러는 컴퓨터 프로세서 및 기계 판독 가능 명령이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 같은 동작을 제어하기 위한 하드웨어 또는 다른 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이 회로는 FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(Aapplication Specific Integrated Circuit), PLD(Programmable Logic Device), CPLD(Complex Programable Logic Device), PLA(Programmable Array Logic), PAL(programmable array logic) 또는 기타 유사한 처리 장치 또는 회로 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 컨트롤러는 이 회로와 하나 이상의 프로세서의 조합을 포함할 수 있다.
도 3은 일 구현에 따른 생물학적 또는 화학적 분석을 위한 예시적인 워크스테이션(200)의 블록도이다. 워크스테이션(200)은 유체 네트워크(238)를 통해 바이오 센서(또는 카트리지)(235)에 유체 연결되는 유체 제어 시스템을 가질 수 있다. 유체 네트워크(238)는 시약 카트리지(240), 밸브 블록(242), 메인 펌프(244), 디버 블러(246), 삼방 밸브(248), 유량 제한기(250), 폐기물 제거 시스템(252) 및 퍼지 펌프(254)를 포함할 수 있다. 특정 구현에서, 상술한 대부분의 구성요소 또는 모든 구성요소는 공통 워크스테이션 하우징 내에 있다(미도시). 도시되지는 않았지만, 워크스테이션(200)은 (예를 들어, 프린지의 주기적 조명 패턴으로서) 구조화된 여기광을 복수의 반응 사이트에 제공하도록 구성된 구조화 조명 시스템을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조화 조명 시스템은 도 1을 참조하여 상술한 바와 같은 하나 이상의 광이미터 및 광 구조화 광학기(예를 들어, 회절격자, 위상 변조기 등)를 포함할 수 있다.
유체의 흐름은 유체 네트워크(238)를 따라 화살표로 표시되어 있다. 예를 들어, 시약 용액은 시약 카트리지(240)로부터 제거되어 밸브 블록(242)을 통해 흐를 수 있다. 밸브 블록(242)은 제로-데드 볼륨(zero-dead volume)을 생성하는 것을 용이하게 할 수 있다. 밸브 블록(242)은 시약 카트리지(240) 내의 하나 이상의 액체가 유체 네트워크(238)를 통해 유동하도록 선택하거나 허용할 수 있다. 예를 들어, 밸브 블록(242)은 컴팩트한 배열을 갖고 있는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 각 솔레노이드 밸브는 단일 저장소 백에서 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 일부 구현 예에서, 밸브 블록(242)은 2이상의 상이한 액체가 유체 네트워크(238) 내로 동시에 흐르게 하여 상기 2이상의 상이한 액체를 혼합하게 할 수 있다. 밸브 블록(242)을 떠난 후, 유체는 메인 펌프(244)를 통해 디버블러(246)로 흐를 수 있다. 디버블러(246)는 유체 네트워크(238) 내로 유입되거나 발생된 원치 않는 가스를 제거하도록 구성된다.
디버블러(246)로부터, 유체는 삼방 밸브(248)로 유동할 수 있고, 여기서 유체는 카트리지(235)로 보내지거나 폐기물 제거 시스템(252)으로 우회된다. 카트리지(235) 내에서의 유체의 유동은 카트리지(235)로부터 하류에 위치된 유량 제한기(250)에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 더욱이, 유량 제한기(250)와 메인 펌프(244)는 반응 사이트를 가로 지르는 유체의 흐름을 제어하고/하거나 유체 네트워크(238) 내의 압력을 제어하기 위해 서로 조정될 수 있다. 유체는 카트리지(235)를 통해 폐기물 제거 시스템(252)으로 흐를 수 있다. 선택적으로, 유체는 퍼지 펌프(254)를 통해, 예를 들어, 시약 카트리지(240) 내의 폐기물 저장소 백 내로 유동할 수 있다.
워크스테이션(200)은 상기 워크스테이션(200)의 상이한 구성요소 및 서브 시스템의 열적 환경을 조절 또는 제어하도록 구성된 온도 제어 시스템을 포함할 수 있다. 온도 제어 시스템은 워크스테이션(200)에 의해 사용되는 다양한 유체의 온도 요건 및 카트리지(235)의 온도를 제어하도록 구성된 서모사이클러(266)를 제어하도록 구성된 시약 냉각기(264)를 포함할 수 있다. 서모사이클러(266)는 카트리지와 인터페이스하는 열 요소(미도시)를 포함할 수 있다.
게다가, 워크스테이션(200)은 합성을 통한 시퀀싱을 수행하기 위해 상기 워크스테이션(200)의 다양한 구성요소 및 서브 시스템뿐만 아니라 카트리지(235)와 통신할 수 있는 시스템 컨트롤러 또는 SBS(sequencing-by-synthesis) 보드(260)를 포함할 수 있다. 더욱이, SBS 보드(260)는 가령 데이터를 저장하고 원격 시스템으로부터 명령어를 수신하기 위해 원격 시스템과 통신할 수 있다. 워크스테인션(200)은 또한 단일 보드 컴퓨터(SBC)(272)를 통해 SBS 보드(260)에 동작가능하게 결합된 터치 스크린 사용자 인터페이스(262)를 포함할 수 있다. 워크스테이션(200)은 또한 하나 이상의 사용자 액세스 가능 데이터 통신 포트 및/또는 드라이브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 워크스테이션(200)은 다른 소프트웨어 이외에 사용자 데이터를 저장하기 위한 플래시 또는 점프 드라이브, 컴팩트-플래시(CF) 드라이브 및/또는 하드 드라이브(270)와 같은 컴퓨터 주변 장치용의 하나 이상의 범용직렬버스(USB) 연결부를 포함할 수 있다.
도 4는 구현에 기술된 바와 같이 하나 이상의 바이오 센서(미도시)를 포함할 수 있는 워크스테이션(300) 및 카트리지(302)의 사시도이다. 워크스테이션(300)은 상기 워크스테이션(200)과 관련하여 상술한 바와 유사한 구성요소를 포함할 수 있고 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 워크스테이션(300)은 워크스테이션 하우징(304) 및 카트리지(302)를 수용하고 맞물리도록 구성된 시스템 리셉터클(306)을 포함할 수 있다. 시스템 리셉터클은 카트리지(302)를 유체적으로 그리고 전기적으로 결합시키게 할 수 있다. 워크스테이션 하우징(304)은 시스템 컨트롤러, 유체 저장 시스템, 유체 제어 시스템 및 온도 제어 시스템을 보유할 수 있다. 도 4에서, 워크스테이션(300)은 워크스테이션 하우징(304)에 결합된 사용자 인터페이스 또는 디스플레이를 포함하지 않는다. 그러나, 사용자 인터페이스는 통신 링크를 통해 하우징(304)(및 그 내부의 구성요소/시스템)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 따라서, 사용자 인터페이스와 워크스테이션(300)은 서로에 대해 원격에 위치될 수 있다. 함께, 사용자 인터페이스 및 워크스테이션(300)(또는 복수의 워크스테이션)은 바이오 어세이 시스템을 구성할 수 있다.
도시된 바와 같이, 카트리지(302)는 카트리지 하우징(308)의 내부로의 접근을 제공하는 적어도 하나의 포트(310)를 갖는 카트리지 하우징(308)을 포함한다. 예를 들어, 제어된 반응 동안 카트리지(302)에 사용되도록 구성된 용액이 기술자 또는 워크스테이션(300)에 의해 포트를 통해 삽입될 수 있다. 시스템 리셉터클(306)과 카트리지(302)는 상기 카트리지(302)가 상기 시스템 리셉터클(306)의 리셉터클 공동(미도시)에 삽입될 수 있도록 서로에 대해 크기 조정되고 성형될 수 있다.
도 5는 복수의 워크스테이션(300)이 적재된 캐비닛 또는 캐리지(314)를 갖는 랙 어셈블리(312)의 정면도이다. 캐비닛(314)은 하나 이상의 워크스테이션(300)을 수용하도록 구성된 하나 이상의 수용 공간(318)을 정의하는 하나 이상의 선반(316)을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 워크스테이션(300)은 통신 네트워크에 통신 가능하게 연결되어 사용자가 워크스테이션(300)의 동작을 제어하게 할 수 있다. 일부 구현에서, 바이오 어세이 시스템은 워크스테이션(300)과 같은 복수의 워크스테이션 및 상기 복수의 워크스테이션의 동작을 제어하도록 구성된 단일 사용자 인터페이스를 포함한다.
도 6은 일 구현에 따른 카트리지(302)(도 4)의 다양한 특징을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 카트리지(302)는 샘플 어셈블리(320)를 포함할 수 있고, 시스템 리셉터클(306)은 광 어셈블리(322)를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 스테이지(346)는 제 1 및 제 2 서브 어셈블리(320, 322)가 서로 분리되어있을 때의 이들 간에 공간 관계를 나타낸다. 단계(348)에서, 제 1 및 제 2 서브 어셈블리(320, 322)는 함께 결합된다. 카트리지 하우징(308)(도 4)은 결합된 제 1 및 제 2 서브 어셈블리(320, 322)를 둘러쌀 수 있다.
도시된 구현에서, 제 1 서브 어셈블리(320)는 베이스(326) 및 상기 베이스(326) 상에 장착된 반응-성분 바디(reaction-component body)(324)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 하나 이상의 바이오 센서가 적어도 부분적으로 반응-성분 바디(324)와 베이스(326)에 의해 정의된 리세스(328)에서 베이스(326)에 장착될 수 있다. 예를 들어, 적어도 4개의 바이오 센서가 베이스(326)에 장착될 수 있다. 일부 구현에서, 베이스(326)는 카트리지의 상이한 구성요소와 워크스테이션(300)(도 4) 간에 통신을 가능하게 하는 회로를 갖는 인쇄회로기판이다. 예를 들어, 반응-성분 바디(324)는 회전 밸브(330) 및 상기 회전 밸브(330)에 유체 결합된 시약 저장소(332)를 포함할 수 있다. 반응-성분 바디(324)는 추가 저장소(334)를 포함할 수도 있다.
제 2 서브 어셈블리(322)는 복수의 구조화 광지향 채널(338)을 포함하는 광 어셈블리(336)를 포함한다. 각각의 구조화 광지향 채널(338)은 상술한 바와 같이 발광 다이오드(LED) 및 회절격자와 같은 구조화된 광원(미도시)에 광학적으로 결합된다. 광원(들)은 광지향 채널(338)에 의해 바이오 센서로 지향되는 여기광의 주기적 조명 패턴을 제공하도록 구성된다. 대안적인 구현에서, 카트리지는 구조화된 광원(들)을 포함하지 않을 수 있다. 이러한 구현에서, 구조화된 광원(들)은 워크스테이션(300)에 위치될 수 있다. 카트리지가 시스템 리셉터클(306)(도 4)에 삽입될 때, 카트리지(302)는 바이오 센서가 구조화된 광으로 조명될 수 있도록 구조화된 광원(들)과 정렬될 수 있다. 다른 구현들에서, 광지향 채널들(338)은 (예를 들어, 하나 이상의 투과형 회절격자들을 사용함으로써) 구조화된 광을 생성하도록 구성될 수 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 서브 어셈블리(322)는 포트(342 및 344)에 유체 연결되는 카트리지 펌프(340)를 포함한다. 제 1 및 제 2 서브 어셈블리(320, 322)가 함께 결합될 때, 포트(342)는 회전 밸브(330)에 연결되고 포트(344)는 다른 저장소(334)에 연결된다. 카트리지 펌프(340)는 지정된 프로토콜에 따라 저장소(332 및/또는 334)로부터 바이오 센서로 반응 성분을 보내도록 활성화될 수 있다.
도 7은 일 구현에 따라 형성된 예시적인 바이오 센서(400)의 일부의 횡단면도를 도시한 것이다. 바이오 센서(400)는 예를 들어 카트리지(302)(도 4)에 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 바이오 센서(400)는 감지장치(404)에 직접 또는 간접적으로 연결된 플로우 셀(402)을 포함할 수 있다. 플로우 셀(402)은 감지장치(404)에 장착될 수 있다. 도시된 구현에서, 플로우 셀(402)은 하나 이상의 고정 메커니즘(예를 들어, 접착제, 본드, 패스너 등)을 통해 감지장치(404)에 직접적으로 부착된다. 일부 구현들에서, 플로우 셀(402)은 감지장치(404)에 탈착가능하게 결합될 수 있다.
예시된 구현에서, 감지장치(404)는 디바이스 베이스(425)를 포함한다. 특정 구현에서, 디바이스 베이스(425)는 복수의 스택층(예를 들어, 실리콘층, 유전체층, 금속 유전체층 등)을 포함한다. 디바이스 베이스(425)는 광센서(440)의 센서 어레이(424), 광가이드(462)의 가이드 어레이(426) 및 대응하는 반응 사이트(414)를 갖는 반응 리세스(408)의 반응 어레이(428)를 포함할 수 있다.
이 구현에서, 구성요소는 각각의 광센서(440)이 2개의 반응 리세스(408)와 정렬되도록 배열된다. 따라서, 각각의 광센서(440)는 적어도 2개의 상이한 반응 사이트(414)를 이미지화하도록 구성되며, 여기서 각각의 반응 사이트는 각각의 리세스(408)에 해당한다. 이는 각각의 광센서(440) 위에 형성된 하나의 반응 리세스만이 이미지 판독 동안 적어도 실질적으로 조명되도록 패턴화된 구조화 여기광(401)을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 한 이미지 판독 동안 복수의 주기적 광 프린지가 각각의 광센서(440) 위의 좌측(왼쪽 반응 사이트)을, 다른 이미지 판독 동안 각각의 광센서(440) 위의 우쪽(오른쪽 반응 사이트)을 조명할 수 있다. 이 구성에서, 판독값을 공간적으로 다중화함으로써, 각각의 광센서(440)는 2개의 반응 사이트 각각으로부터 광자를 개별적으로 수신할 수 있다.
특정 구현들에서, 컴포넌트들은 각각의 광센서(440)가 하나의 광가이드(462) 및 2개의 반응 사이트들(414)과 정렬되도록 배열된다. 그러나, 다른 구현들에서, 하나의 광센서(440)는 하나 이상의 광가이드를 통해 및/또는 2개 이상의 반응 사이트(414)로부터 광자를 수신할 수 있다. 예를 들어, 각각의 리세스(408)는 다수의 반응 사이트를 가질 수 있고/있거나 2개 이상의 리세스(408)는 각각의 광센서(440) 위에 정렬될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단일 광센서(440)는 하나의 픽셀 또는 하나 이상의 픽셀을 포함할 수 있다.
더욱이, "어레이" 또는 "서브 어레이"라는 용어는 감지장치가 가질 수 있는 특정 유형의 각각의 모든 항목을 반드시 포함하는 것은 아니라는 점이 주목된다. 예를 들어, 센서 어레이(424)는 감지장치(404)에 각각의 모든 광센서를 포함하지 않을 수 있다. 대신에, 감지장치(404)는 다른 광센서(예를 들어, 광센서의 다른 어레이(들))를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 가이드 어레이(426)는 감지장치의 각각 및 모든 광가이드를 포함하지 않을 수 있다. 대신에, 광가이드(462)와 다르게 구성되거나 감지장치(404)의 다른 요소와 상이한 관계를 갖는 다른 광가이드가 있을 수 있다. 따라서, 달리 언급되지 않는 한, "어레이"이라는 용어는 감지장치의 모든 그러한 항목들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
예시된 구현에서, 플로우 셀(402)은 측벽(406) 및 상기 측벽(406과 다른 측벽(미도시)에 의해 지지되는 플로우 커버(410)를 포함한다. 측벽은 감지기면(412)에 결합되고 플로우 커버(410)와 감지기면(412) 사이에서 뻗어 있다. 일부 구현에서, 측벽은 플로우 커버(410)를 감지장치(404)에 접합시키는 경화성 접착제층으로 형성된다.
플로우 셀(402)은 플로우 채널(418)이 플로우 커버(410)와 감지장치(404) 사이에 있도록 크기 조정되고 성형된다. 도시된 바와 같이, 플로우 채널(418)은 높이(H1)를 포함할 수 있다. 단지 예로서, 높이(H1)는 약 50-400μm(미크론) 또는 일 예에서 약 80-200μm일 수 있다. 예시된 구현에서, 높이(H1)는 약 100μm이다. 플로우 커버(410)는 바이오 센서(400)의 외부로부터 플로우 채널(418)로 전파되는 구조화 여기광(401)에 투명한 재료를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 구조화 여기광(401)은 직각으로 플로우 커버(410)에 접근한다. 그러나, 여기광(401)이 상이한 각도로부터 플로우 커버(410)에 접근할 수 있기 때문에 이는 단지 예시적인 용도이다.
또한 도시된 바와 같이, 플로우 커버(410)는 다른 포트(미도시)와 유체적으로 맞물리도록 구성된 유입구 및 배출구 포트(420, 422)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 포트는 카트리지(302)(도 4) 또는 워크스테이션(300)(도 4)으로부터 있을 수 있다. 플로우 채널(418)은 감지기면(412)을 따라 유체를 지향시키도록 크기 조정 및 성형된다. 플로우 채널(418)의 높이(H1) 및 다른 치수는 감지기면(412)을 따라 적어도 실질적으로 유체의 균일한 흐름을 유지하도록 구성될 수 있다. 플로우 채널(418)의 치수는 또한 기포 형성을 제어하도록 구성될 수 있다.
측벽들(406)과 플로우 커버(410)는 서로 결합된 개별 구성요소들일 수 있다. 다른 구현들에서, 측벽들(406)과 플로우 커버(410)는 상기 측벽들(406)과 상기 플로우 커버(410)가 연속적인 재료 피스로 형성되도록 일체로 형성될 수 있다. 예로서, 플로우 커버(410)(또는 플로우 셀(402))는 유리 또는 플라스틱과 같은 투명재료를 포함할 수 있다. 플로우 커버(410)는 플로우 채널(418)을 형성하는 평평한 외부면 및 평평한 내부면을 갖는 적어도 실질적으로 직사각형 블록을 구성할 수 있다. 블록은 측벽(406) 상에 장착될 수 있다. 대안으로, 플로우 셀(402)은 에칭되어 플로우 커버(410)와 측벽(406)을 정의할 수 있다. 예를 들어, 리세스는 투명재료에 에칭될 수 있다. 에칭된 재료가 감지장치(404)에 장착될 때, 리세스는 플로우 채널(418)이 될 수 있다.
감지장치(404)는 기능화될 수 있는(예를 들어, 지정된 반응을 수행하기 위해 적절한 방식으로 화학적 또는 물리적으로 변형될 수 있는) 감지기면(412)을 갖는다. 예를 들어, 감지기면(412)은 기능화될 수 있고 하나 이상의 생체 분자가 고정되는 복수의 반응 사이트(414)를 포함할 수 있다. 감지기면(412)은 일련의 반응 리세스 또는 개방측 반응 챔버(408) 어레이를 갖는다. 각각의 반응 리세스(408)는 하나 이상의 반응 사이트(414)를 포함할 수 있다. 반응 리세스(408)는, 예를 들어, 인덴트 또는 감지기면(412)을 따른 깊이 변화에 의해 정의될 수 있다. 다른 구현들에서, 감지기면(412)은 적어도 실질적으로 평면일 수 있다. 이러한 구현에서, 2개의 반응 사이트는 평평한 감지기면 상의 각각의 센서(440) 위에 정렬될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 반응 사이트(414)는 감지기면(412)을 따라 패턴으로 분포될 수 있다. 예를 들어, 반응 사이트(414)는 마이크로 어레이와 유사한 방식으로 감지기면(412)을 따라 행렬로 위치될 수 있다. 그러나, 다양한 패턴의 반응 사이트가 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 반응 사이트는 광신호를 방출하는 생물학적 또는 화학적 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 사이트의 생물학적 또는 화학적 물질은 구조화 여기광(401)에 응답하여 광방출을 생성할 수 있다. 특정 구현에서, 반응 사이트(414)는 감지기면(412) 상에 고정된 생체 분자의 클러스터 또는 콜로니(예를 들어, 올리고뉴클레오티드)를 포함한다.
도 8은 다양한 특징을 보다 상세히 도시한 감지장치(404)의 확대 횡단면도이다. 보다 구체적으로, 도 8은 하나의 광센서(440), 상기 광센서(440)를 향해 광방출을 지향시키기 위한 하나의 광가이드(462), 및 광센서(440)에 의해 검출된 광방출(예를 들어, 광자)에 기초하여 신호를 전송하기 위한 관련 회로(446)를 도시한다. 센서 어레이(424)(도 7)의 다른 광센서(440) 및 관련 구성요소는 동일하거나 유사한 방식으로 구성될 수 있음이 이해된다. 그러나, 감지장치(404)는 전체에 걸쳐 동일하거나 균일하게 제조될 필요가 없는 것도 또한 이해된다. 대신에, 하나 이상의 광센서(440) 및/또는 관련 구성요소는 서로 다르게 제조되거나 서로 다른 관계를 가질 수 있다.
회로(446)는 검출된 광자에 기초한 데이터 신호의 전송과 같은 전류를 전도할 수 있는 상호 연결된 전도성 요소(예를 들어, 도체, 트레이스, 비아, 인터커넥트 등)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 회로(446)는 마이크로회로 배열과 유사하거나 이를 포함할 수 있다. 감지장치(404) 및/또는 디바이스 베이스(425)는 광센서(440)의 평면 어레이를 갖는 집적회로를 포함할 수 있다. 감지장치(425) 내에 형성된 회로(446)는 신호 증폭, 디지털화, 저장, 그리고 처리 중 적어도 하나를 위해 구성될 수 있다. 회로는 검출된 광방출을 수집 및 분석하고 검출 데이터를 바이오 어세이 시스템에 전달하기 위한 데이터 신호를 생성할 수 있다. 회로(446)는 또한 감지장치(404)에서 추가적인 아날로그 및/또는 디지털 신호 처리를 수행할 수 있다.
디바이스 베이스(425)는 CMOS를 제조하는데 사용되는 프로세스와 같은 집적회로 제조 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 디바이스 베이스(425)는 예시된 구현에서 실리콘층 또는 웨이퍼인 센서층 또는 베이스(431)를 포함해 복수의 스택층(431-437)을 포함할 수 있다. 센서층(431)은 광센서(440) 및 상기 센서층(431)으로 형성된 게이트(441-443)를 포함할 수 있다. 게이트(441-443)는 광센서(440)에 전기적으로 결합된다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와같이 감지장치(404)가 완전히 형성되면, 광센서(440)는 게이트(441-443)를 통해 회로(446)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "층"이라는 용어는 달리 언급되지 않는 한 하나의 재료로 된 연속체에 국한되지 않는다. 예를 들어, 센서층(431)은 상이한 재료인 다수의 서브층을 포함할 수 있고/있거나 코팅, 접착제 등을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 층(또는 서브층)은 본 명세서에 기술된 특징을 제공하기 위해 변형(예를 들어, 에칭, 재료로 증착 등)될 수 있다.
일부 구현들에서, 각각의 광센서(440)는 약 50㎛2 미만의 감지영역을 갖는다. 특정 구현들에서, 감지영역은 약 10㎛2 미만이다. 보다 특정한 구현에서, 감지영역은 약 1-2㎛2이다. 그러한 경우에, 광센서(440)는 단일 픽셀을 구성할 수 있다. 광센서(440)에서 각 픽셀의 평균 판독 노이즈는 예를 들어 약 150개 전자 미만일 수 있다. 보다 특정한 구현에서, 판독 노이즈는 약 5개 전자 미만일 수 있다. 광센서 어레이(440)의 해상도는 약 0.5 메가픽셀(Mpixel)보다 클 수 있다. 보다 구체적인 구현에서, 해상도는 약 5Mpixel보다 클 수 있고, 일 예에서 약 10Mpixel보다 클 수 있다.
디바이스 층들은 또한 복수의 금속-유전체 층들(432-437)을 포함하며, 이 층들을 이하 기판층이라 한다. 예시된 구현에서, 각각의 기판층(432-437)은 금속요소들(예를 들어, W(텅스텐), Cu(구리), Al(알루미늄) 등) 및 유전체 재료(예를 들어, SiO2)를 포함한다. 집적회로 제조에 적합한 재료와 같이 다양한 금속요소 및 유전체 재료가 사용될 수 있다. 그러나, 다른 구현들에서, 하나 이상의 기판층들(432-437)은 하나 이상의 SiO2 층들과 같은 유전체 재료만을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 특정 구현에 대해, 제 1 기판층(432)은 유전체 재료(예를 들어, SiO2) 내에 매립된 M1이라고 하는 금속요소를 포함할 수 있다. 금속요소(M1)는 예를 들어 W(텅스텐)를 포함한다. 금속요소(M1)는 도시된 구현에서 기판층(432)을 통해 전체적으로 연장된다. 제 2 기판층(433)은 금속요소(M2) 및 유전 재료뿐만 아니라 금속 인터커넥트(M2/M3)를 포함한다. 제 3 기판층(434)은 금속요소(M3) 및 금속 인터커넥트(M3/M4)를 포함한다. 제 4 기판층(435)은 또한 금속요소(M4)를 포함한다. 디바이스 베이스(425)는 또한 제 5 및 제 6 기판층(436, 437)을 포함하며, 이는 아래에 더 상세히 설명된다.
도시된 바와 같이, 금속요소와 인터커넥트는 서로 연결되어 회로(446)의 적어도 일부를 형성한다. 도시된 구현에서, 금속요소(M1, M2, M3, M4)는 W(텅스텐), Cu(구리) 및/또는 알루미늄(Al)를 포함하고 금속 인터커넥트(M2/M3 및 M3/M4)는 W(텅스텐)를 포함하지만, 다른 재료 및 구성이 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 도 7 및 도 8에 도시된 디바이스 베이스(425) 및 감지장치(404)가 단지 설명을 위해 언급된다. 예를 들어, 다른 구현 예는 도 7 및 도 8에 도시된 층보다 더 적거나 추가한 층 및/또는 상이한 구성의 금속요소를 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 감지장치(404)는 디바이스 베이스(425)의 외부면(464)을 따라 연장되는 쉴드층(450)을 포함한다. 도시된 구현에서, 쉴드층(450)은 기판층의 외부면(464)을 따라 직접 증착된다. 그러나, 다른 구현들에서, 중간층이 기판층(437)과 쉴드층(450) 사이에 배치될 수 있다. 쉴드층(450)은 플로우 채널(418)로부터 전파되는 광신호를 차단, 반사 및/또는 상당히 감쇠 시키도록 구성되는 재료를 포함할 수 있다. 광신호는 여기광(401) 및/또는 광방출(466)일 수 있다(도 9에 도시됨). 단지 예로서, 쉴드층(450)은 텅스텐(W)을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 쉴드층(450)은 관통 구멍 또는 개구(452)를 포함한다. 쉴드층(450)은 그러한 개구들(452)의 어레이를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 쉴드층(450)은 인접한 개구들(452) 사이에서 연속적으로 연장될 수 있다. 이와 같이, 플로우 채널(418)로부터의 광신호는 광센서(440)에 의해 이와 같은 광신호의 감지를 방지하기 위해 차단, 반사 및/또는 상당히 감쇠될 수 있다. 그러나, 다른 구현들에서, 쉴드층(450)은 인접한 개구들(452) 사이에서 연속적으로 연장되지 않아서 개구들(452) 이외의 하나 이상의 개구들이 쉴드층(450)에서 빠져 나간다.
감지장치(404)는 또한 쉴드층(450)을 따라 그리고 개구(452)를 가로 질러 연장되는 패시베이션층(454)을 포함할 수 있다. 쉴드층(450)은 개구(452) 위로 연장되어 개구(452)를 직접 또는 간접적으로 덮을 수 있다. 쉴드층(450)은 패시베이션층(454)과 디바이스 베이스(425) 사이에 위치될 수 있다. 패시베이션층과 실드 층(454, 450)의 결합을 용이하게 하기 위해 접착제층 또는 촉진제층(458)이 그 사이에 위치될 수 있다. 패시베이션층(454)은 디바이스 베이스(425) 및 쉴드층(450)을 플로우 채널(418)의 유체 환경으로부터 보호하도록 구성될 수 있다.
일부 경우에, 패시베이션층(454)은 또한 생체 분자 또는 다른 관심있는 분석 물질이 고정될 수 있게 하는 고체 표면(즉, 감지기면(412))을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 반응 사이트(414)는 패시베이션층(454)의 감지기면(412)에 고정된 생체 분자의 클러스터를 포함할 수 있다. 따라서, 패시베이션층(454)은 반응 사이트(414)가 고정될 수 있게 하는 재료로 형성될 수 있다. 패시베이션층(454)은 또한 원하는 형광에 적어도 투명한 재료를 포함할 수 있다. 예로서, 패시베이션층(454)은 실리콘 질화물(Si3N4) 및/또는 실리카(SiO2)를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 적절한 재료(들)도 사용될 수 있다. 또한, 패시베이션층(454)은 생체 분자의 고정을 용이하게 하고/하거나 광방출의 감지을 용이하게 하기 위해 물리적 또는 화학적으로 변형될 수 있다.
예시된 구현에서, 패시베이션층(454)의 일부는 쉴드층(450)을 따라 연장되고 패시베이션층(454)의 일부는 광가이드(462)의 필터 재료(460)를 따라 직접 연장된다. 2개의 반응 리세스(408)가 광가이드(462) 위에 직접 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 패시베이션층(454)이 쉴드층(450) 또는 접착층(458)을 따라 증착되기 전에,베이스 홀 또는 공동(456)이 디바이스 베이스(425) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 디바이스 베이스(425)는 베이스 홀(456) 어레이를 형성하기 위해 에칭될 수 있다. 특정 구현 예에서, 베이스 홀(456)은 개구(452)에 근접하여 광센서(440)를 향해 뻗어 있는 연장된 공간이다. 베이스 홀은 중심 길이방향 축(468)을 따라 길이 방향으로 뻗을 수 있다. 베이스 홀(456)의 3차원 형상은 도 8의 페이지로 뻗어 있는 평면을 따라 취한 횡단면가 적어도 실질적으로 원형이도록 일부 구현에서 적어도 실질적으로 원통형이거나 절두 원뿔형일 수 있다. 길이방향 축(468)은 횡단면의 기하학적 중심을 통해 연장될 수 있다. 그러나, 다른 기하학적 구성들이 대안적인 구현들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 횡단면은 적어도 실질적으로 정사각형 또는 팔각형일 수 있다.
필터 재료(460)는 베이스 홀(456)이 형성된 후에 상기 베이스 홀(456) 내에 증착될 수 있다. 필터 재료(460)는 (예를 들어, 경화 후에) 광가이드(462)를 형성할 수 있다. 광가이드(462)는 여기광(401)을 필터링하고 광방출(466)이 대응하는 광센서(440)를 향해 전파하도록 구성된다. 광가이드(462)는 예를 들어 유기 흡수 필터일 수 있다. 단지 특정 예로서, 여기광은 약 532nm일 수 있고 광방출은 약 570nm 이상일 수 있다.
일부 경우에, 유기 필터 재료는 바이오 센서의 다른 재료와 호환되지 않을 수 있다. 예를 들어, 유기 필터 재료는 필터 재료를 상당히 팽창시키게 하는 열팽창 계수를 가질 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 필터 재료는 쉴드층(또는 다른 금속층)과 같은 특정 층에 충분히 접착되지 않을 수 있다. 필터 재료의 팽창은 필터 재료에 인접하거나 필터 재료에 구조적으로 연결된 층들에 기계적 응력을 유발할 수 있다. 일부 경우에, 팽창은 바이오 센서의 구조에 크랙 또는 다른 원치 않는 특징을 야기할 수 있다. 이와 같이, 본 명세에 설명된 구현들은 필터 재료가 확장되는 정도 및/또는 필터 재료가 다른 층들과 접촉하는 정도를 제한할 수 있다. 예를 들어, 상이한 광가이드들의 필터 재료는 패시베이션층에 의해 서로 분리될 수 있다. 이러한 구현에서, 필터 재료는 금속층(들)과 접촉하지 않을 수 있다. 더욱이, 패시베이션층은 팽창에 저항하고/하거나 원치 않는 구조적 피처(예를 들어, 크랙)의 생성을 감소시키면서 일부 팽창을 허용할 수 있다.
광가이드(462)는 광가이드 구조를 형성하기 위해 디바이스 베이스(425)의 주변 재료(예를 들어, 유전체 재료)에 대해 구성될 수 있다. 예를 들어, 광가이드(462)는 광방출이 광가이드(462)와 장치베이스(425)의 재료 사이의 경계면에서 적어도 실질적으로 반사되도록 약 2.0의 굴절률을 가질 수 있다. 특정 구현 예에서, 광가이드(462)는 여기광의 광학 밀도(OD) 또는 흡광도가 적어도 약 4 OD가 되도록 구성된다. 보다 구체적으로, 필터 재료가 선택될 수 있고 광가이드(462)는 적어도 4 OD를 달성하도록 치수화될 수 있다. 보다 특정한 구현에서, 광가이드(462)는 적어도 약 5 OD 또는 적어도 약 6 OD를 달성하도록 구성될 수 있다. 바이오 센서(400)의 다른 특징은 전기 및 광학 누화를 감소시키도록 구성될 수 있다.
도 9는 각각의 픽셀(910) 위에 정렬된 2개의 이미지화된 피처(920a-920b)를 포함하는 이미지 센서 어셈블리(900)의 평면도를 도시한 것이다. 예를 들어, 피처(920a-920)는 (예를 들어, 나노 웰 패턴을 능동 픽셀 센서의 픽셀과 포토리소그래피로 정렬시킴으로써) 이미지 센서 어셈블리의 제조 동안 픽셀(910) 위에 형성될 수 있다. 간단히 하기 위해 4개의 픽셀이 도시되어 있다. 예로서, 각각의 픽셀(910)은 광센서(440)일 수 있고 피처(920a-920b)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 반응 리세스(408)일 수 있다. 피처(920a-920b) 각각으로부터 방출된 광은 상술한 바와 같이 광가이드(462)를 사용하여 픽셀로 지향될 수 있다. 일부 구현들에서, 인접한 피처(920a-920b) 사이의 누화를 제한하기 위해, 피처를 조명하는데 사용된 프린지의 폭 및 픽셀 위에 피처 간격이 조정될 수 있다.
도 10은 이미징 어셈블리의 각각의 광감지기(예를 들어, 픽셀) 위에 위치된 2개의 피처를 포함하는 샘플을 이미징하기 위해 하나의 이미징 사이클 동안 구조화 조명 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 1차원 구조화 조명 방법(1000)을 예시하는 동작 흐름도이다. 예를 들어, 방법(1000)은 도 1 및 도 7-9를 참조하여 상술한 바와 같이 샘플을 이미징하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 이미징된 샘플의 피처는 이미지 센서의 픽셀 위에 형성될 수 있다.
동작(1010)에서, 구조화 조명 패턴이 각각의 광센서 위에 위치/패턴화된 제 1 피처를 조명하도록 위치된다. 예를 들어, 구성(1060)에 의해 도시된 바와 같이, 수직 프린지 조명 패턴이 각각의 픽셀의 좌측 위의 피처를 조명하나 각각의 픽셀의 우측 위의 피처를 조명하지 않도록 위치될 수 있다. 구현들에서, 이는 이미지 센서의 픽셀들의 피치와 적어도 실질적으로 동일한 피치(예를 들어, 정사각형 1㎛ x 1㎛ 픽셀에 대해 1㎛ 피치)와 (예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이) 피처의 직경과 적어도 실질적으로 동일하거나 약간 더 큰 폭을 갖는 구조화 광 패턴을 형성함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 특정 구현들에서, 각각의 프린지의 폭은 각 픽셀의 피치의 약 절반 또는 절반 미만이고 프린지들 사이의 중심간 간격은 대략 각 픽셀의 피치이다. 동작(1020)에서, 샘플의 제 1 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 각 픽셀의 좌측에 위에 일부 또는 모든 피처는 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 1 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
동작(1030)에서, 구조화 조명 패턴은 각각의 광센서 위에 위치/패턴화된 제 2 피처를 조명하기 위해 위상이동(예를 들어, 샘플면상에서 샘플 위로 병진이동)된다. 예를 들어, 구성(1070)에 의해 도시된 바와 같이, 수직 프린지 조명 패턴은 각 픽셀의 좌측이 아니라 각 픽셀의 우측 위에 피처를 조명하도록 위치될 수 있다. 구현에서, 패턴은 광학 미러를 회전시키거나, 병진 스테이지를 이동시키거나, 광학 웨지를 회전시키거나, 일부 다른 광학 위상 변조기를 사용하여 샘플면상에서 패턴의 위상을 이동시킴으로써 위상이동될 수 있다. 특정 구현들에서, 위상은 프린지 패턴의 피치의 약 1/2(예를 들어, 픽셀의 피치의 약 1/2)만큼 이동될 수 있다. 다른 구현들에서, 조명 패턴은 프린지의 약 1/2만큼 제 1 회절격자로부터 오프셋된 제 2 회절격자를 이용하여 이동될 수 있다. 이러한 구현에서, 제 1 및 제 2 회절격자는 고정될 수 있다. 동작(1040)에서, 샘플의 제 2 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 각 픽셀의 우측에 있는 일부 또는 모든 피처가 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 1 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
단계(1050)에서, 2개의 캡처된 이미지는 서브-픽셀 해상도 또는 초해상도 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀에 대한 2개의 피처 사이트 각각의 강도는 2개의 캡처된 이미지(예를 들어, 제 1 이미지용의 좌측 피처로부터의 강도 판독 및 제 2 이미지용의 우측 피처로부터 강도 판독)로부터 역다중화될 수 있다. 경우에 따라 두 이미지 사이의 누화가 고려될 수 있다. 유리하게는, 도 10의 예는 한 방향(예를 들어, 수직)으로 배향되고 픽셀 당 단일 피처를 조명하는 회절 패턴만을 필요로 하며, 이는 이미지 처리를 크게 단순화할 수 있다(예를 들어, 두 이미지 사이의 신호의 디컨볼루션을 감소 또는 제거한다).
비록 각각의 픽셀의 좌측 및 우측에 위치된 수직 프린지 조명 패턴 및 피처가 도 10의 예시적인 구성(1060-1070)에 도시되어 있으나, 이들 구성은 예시를 위한 것임을 주목해야 한다. 예를 들어, 피처가 각각의 픽셀의 상부 및 하부에 패턴화되거나 그렇지 않고 위치된 구현에서, 조명 패턴은 대신 각각의 이미지 판독 동안 상하로 이동되는 수평 프린지 조명 패턴으로서 도시될 것이다.
구현들에서, 각각의 픽셀의 특징들 중 하나만이 (예를 들어, 피처들 중 하나로부터의 신호를 최대화하기 위해) 이미징 동안 조명되도록 구조화 조명 패턴을 픽셀 패턴과 공간적으로 정렬되도록 유지하기 위해, 이미지 센서는 2개의 정렬 행을 포함할 수 있고, 여기서 샘플의 두 피처 중 각각의 하나만이 각 정렬 행의 픽셀 위에 위치되도록 샘플이 패턴화된다. 이러한 구현들에서, 각각의 정렬 행에 대한 2개의 피처들 중 하나의 결여로 샘플 및 센서와 구조화 광을 정렬하는데 사용될 수 있는 2개의 정렬 행 각각에 여기광의 차등 투과가 만들어 질 수 있다.
도 11은 구조화 조명 패턴을 샘플 및 센서와 정렬시키기 위해 구현에서 이용될 수 있는 정렬 행(1110-1120)을 포함하는 이미지 센서(1100)의 하나의 그러한 예를 도시한 것이다. 예를 들어, 피처(1140a)는 각각의 활성영역 픽셀(1150)의 좌측 위에 형성되고 피처(1140b)는 각각의 활성영역 픽셀(1150)의 우측 위에 형성된 경우를 고려한다. 이 경우, 피처(1140a)만이 각 픽셀의 정렬 행(1120) 위에 형성되고, 피처(1140b)만이 정렬 행(1110)의 각 픽셀 위에 형성된다. 이미징 동안, 정렬은 각 정렬 행(1110-1120)으로부터의 이미지 판독 값에 기초하여 확인될 수 있다. 예를 들어, 구조화 조명 패턴은 정렬 행(1110)으로부터의 신호가 최소화되거나 심지어 0이되는 반면 정렬 행(1120)으로부터의 신호가 최대화되도록 배치시킴으로써 피처(1140a)(활성영역 픽셀의 좌측)에 정렬될 수 있다. 구조화 조명 패턴은 또한 정렬 행(1120)으로부터의 신호가 최소화되거나 심지어 0이되는 반면 정렬 행(1110)으로부터의 신호가 최대화되도록 배치시킴으로써 피처(1140b)(활성영역 픽셀의 우측)에 정렬될 수 있다.
구현에서, 이미징이 시작되기 전에, 예를 들어, 제 1 이미징 사이클의 동작(1010) 전에 또는 동작 동안 정렬이 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 정렬은 주기적으로 (예를 들어, 미리 결정된 회수의 이미징 사이클 후에) 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 정렬 행들(1110-1120)로부터의 판독 값들은 시간에 걸쳐 조명 패턴과 이미지 센서 간에 상대적인 드리프트를 방지하거나 그렇지 않으면 조명 패턴을 이미지 센서에 공간적으로 고정된 상태로 유지하기 위해 이미징 동안 구조화 조명광 위치 컨트롤에 피드백을 제공할 수 있다.
일부 구현들에서, 시스템에 견고성을 추가하기 위해 다수의 정렬 행들(1110) 및 다수의 정렬 행들(1120)이 이미지 센서에 포함될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 정렬 행을 포함하면 시스템의 정렬 상태를 결정하기 위해 생성된 신호를 개선할 수 있다. 추가로, 일부 구현들에서, 구조화 조명이 수직으로 정렬되고 기울어지지 않음을 확인하기 위해 중간 정렬 행들이 활성영역(예를 들어, 활성영역의 약 절반)에 포함될 수 있다.
정렬 행이 도 11의 예에 도시되어 있지만, 다른 구현에서, (예를 들어, 각각의 픽셀의 상부 및 하부에 피처를 갖는 패턴의 수평 조명의 경우) 정렬 열이 유사하게 이용될 수 있다는 것에 유의해야 한다.
도 12는 직사각형 픽셀(1310)을 갖는 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 1차원 구조화 조명 이미징 프로세스를 도시한 것이다. 간략히 하기 위해, 4개의 직사각형 픽셀(1310)의 평면도가 각각의 이미지 판독 단계 동안 도시되어 있다. 이 예에 도시된 바와 같이, 3개의 피처(1320a-1320c)가 각 픽셀 위에 형성된다. 이 예에서, 구조화된 광의 위상은 각각의 이미지 판독 동안 프린지 패턴의 피치의 약 1/3(예를 들어, 픽셀의 피치의 약 1/3)만큼 이동되어 각 픽셀의 좌측의 피처(피처 1320a), 가운데 피처(피처 1320b) 및 우측 피처(피처 1320c)를 판독할 수 있다. 유리하게는, 픽셀에 위로 1차원을 따라 정렬되고 직사각형 픽셀 종횡비를 이용함으로써 1 : 1 종횡비 또는 1 : 1에 가까운 종횡비(예를 들어, 원형 또는 정사각형 피처)를 갖는 피처의 경우, 데이터 밀도는 (예를 들어, 정사각형 픽셀 위에 3개의 원형 피처(1320a-1320c)를 피팅하는 것과 대조되는) 1차원을 따라 각 픽셀 위에 더 넓은 영역의 피처(1320a-1320c)를 피팅함으로써 최대화된다. 직사각형 픽셀 종횡비는 또한 더 큰 면적의 피처가 1차원을 따라 각각의 직사각형 픽셀 위에 정렬될 수 있는 1 : 1 종횡비를 갖지 않는 피처의 경우에 정사각형 픽셀이 유리할 수 있다.
도 13은 2차원을 따라 (예를 들어, 2개의 행 및 2개의 열을 따라) 각각의 픽셀(1310) 위에 정렬된 4개의 이미지화된 피처(1320a-1320d)를 포함하는 이미지 센서 어셈블리(1300)의 평면도를 도시한 것이다. 예를 들어, 피처(1320a-1320d)는 (예를 들어, 나노 웰 패턴을 능동 픽셀 센서의 픽셀과 포토리소그래피로 정렬함으로써) 이미지 센서 어셈블리를 제조하는 동안 픽셀(1310) 위에 형성될 수 있다. 간략히 하기 위해 4개의 픽셀이 도시되어 있다. 일부 구현들에서, 피처들(1320a-1320d) 사이의 누화를 제한하기 위해, 피처를 조명하는데 사용된 프린지의 픽셀 및 픽셀에 대한 피처들의 간격이 조정될 수 있다(예를 들어, 피처들은 샘플면의 양 축 또는 단 하나의 축을 따라 등거리로 위치될 수 있거나 피처가 다른 형태로 배치될 수 있다).
예시적인 어셈블리(1300)의 구성을 구현함으로써, 아래에서 더 설명되는 2차원을 따라 구조화 조명 방법을 구현함으로써 (도 2의 어셈블리와 대조되는 바와 같이) 피처에서 4배의 데이터 밀도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀이 약 2㎛의 피치를 갖고, 각각의 피처(1320a-1320d)가 약 500nm의 직경을 갖는 나노 웰인 경우, (2㎛ 픽셀 당 단일 500nm 나노 웰의 경우 약 
피처의 데이터 밀도와 대조되는 바와 같이) 약 
피처의 데이터 밀도를 얻을 수 있다. 예로서, 각각의 픽셀의 절반 만이 약 500nm 피처 간격 및 약 530nm의 여기 파장으로 한 번에 여기될 수 있다. 여기 파장을 청색으로 변경함으로써, 보다 높은 밀도가 달성될 수 있다.
도 14a는 이미징 어셈블리의 각각의 광감지기(예를 들어, 픽셀) 위에 2차원을 따라 위치된 4개의 피처를 포함하는 샘플을 이미징하기 위해 하나의 이미징 사이클 동안 구조화 조명 이미징 어셈블리에 의해 구현될 수 있는 예시적인 2차원 구조화 조명 방법(1400)을 도시하는 동작 흐름도이다. 예를 들어, 방법(1400)은 도 13을 참조로 상술한 바와 같이 샘플을 이미징하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 이미징된 샘플의 피처는 이미지 센서의 픽셀 위에 형성될 수 있다. 방법(1400)의 예에서, 구조화 조명 시스템은 샘플면에서 직교되는 2개의 회절 패턴을 생성하기 위한 광학소자(예를 들어, 수직 회절격자 및 수평 회절격자) 및 2개의 다른 회절 패턴으로부터 약 45°오프셋된 회절 패턴을 생성하기 위한 광학소자(예를 들어, 수직 격자 또는 수평 격자 중 하나를 회전시키기 위한 제 3 회절격자 또는 회전 스테이지)를 포함한다.
동작(1410)에서, 제 1 배향의 구조화 조명 패턴은 각각의 광센서 위에 걸쳐 제 1 열의 피처(예를 들어, 2개의 피처)를 조명하도록 배치된다. 예를 들어, 구성(1471)에 의해 도시된 바와 같이, 수직 프린지 조명 패턴은 각 픽셀의 우측에 2개의 피처가 아니라 각 픽셀의 좌측에 2개의 피처를 조명하도록 위치될 수 있다. 구현들에서, 이는 (예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이) 이미지 센서의 픽셀들의 피치와 적어도 실질적으로 동일한 피치(예를 들어, 정사각형 1㎛ x 1㎛ 픽셀에 대해 1㎛ 피치)와 피처의 직경과 적어도 실질적으로 동일하거나 약간 더 큰 폭을 갖는 구조화된 광 패턴을 형성함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 특정 구현들에서, 각각의 프린지의 폭은 각 픽셀의 피치의 약 절반 또는 절반 미만이고 프린지들 사이의 중심간 간격은 대략 각 픽셀의 피치이다. 동작(1415)에서, 샘플의 제 1 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 피처(1320a 및/또는 1320c)는 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 1 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
동작(1420)에서, 구조화 조명 패턴은 각각의 광센서 위에 위치/패턴화된 피처(예를 들어, 2개의 피처)의 제 2 열을 조명하기 위해 위상이동(예를 들어, 샘플면상에서 샘플 위로 병진이동)된다. 예를 들어, 구성(1472)에 의해 도시된 바와 같이, 수직 프린지 조명 패턴은 각각의 픽셀의 우측에 2개의 피처를 조명하지만 각 픽셀의 좌측에 대해서는 2개의 피처를 조명하지 않도록 위치될 수 있다. 구현에서, 패턴은 광학 미러를 회전시키거나, 병진 스테이지를 이동시키거나, 광학 웨지를 회전시키거나, 또는 일부 다른 광학 위상 변조기를 사용하여 샘플면상에서 패턴의 위상을 이동시킴으로써 위상이동될 수 있다. 특정 구현들에서, 위상은 프린지 패턴의 피치의 약 1/2(예를 들어, 픽셀의 피치의 약 1/2)만큼 이동될 수 있다. 일부 구현들에서, 조명 패턴은 프린지의 약 1/2만큼 제 1 수직 회절격자로부터 오프셋된 제 2 수직 회절격자를 사용함으로써 이동될 수 있다. 이러한 구현에서, 제 1 및 제 2 수직 회절격자는 고정될 수 있다. 동작(1425)에서, 샘플의 제 2 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 피처(1320b 및/또는 1320d)는 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 2 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
동작(1430)에서, 제 2 배향의 구조화 조명 패턴은 각각의 광센서에 걸쳐 제 1 행의 피처(예를 들어, 2개의 피처)를 조명하도록 배치된다. 예를 들어, 구성(1473)에 의해 도시된 바와 같이, 수평 프린지 조명 패턴은 각각의 픽셀의 상부면에 대해서는 2개의 피처를 조명하지만 각각의 픽셀의 하부에 2개의 피처를 조명하지 않도록 위치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 이미지 센서의 픽셀의 피치와 적어도 실질적으로 동일한 피치 및 피처의 직경과 적어도 실질적으로 동일하거나 약간 더 큰 폭을 갖는 구조화 광 패턴을 형성함으로써 달성될 수 있다. 구현에서, 제 2 배향의 구조화 조명 패턴은 회절격자를 (예를 들어, 90°) 회전시킴으로써 또는 제 2 회절격자를 이용함으로써 (예를 들어, 제 2 회절격자를 조명 경로로 스위칭시킴으로써) 생성될 수 있다. 동작(1435)에서, 샘플의 제 3 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 피처(1320a 및/또는 1320b)는 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 3 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
동작(1440)에서, 구조화된 조명 패턴은 각각의 광센서 위에 위치/패턴화된 제 2 행의 피처(예를 들어, 2개의 피처)를 조명하기 위해 위상이동된다. 예를 들어, 구성(1474)에 의해 도시된 바와 같이, 수평 프린지 조명 패턴은 각각의 픽셀의 하부면 위의 2개의 피처를 조명하지만 각각의 픽셀의 상부면상의 2개의 피처는 조명하지 않도록 위치될 수 있다. 일부 구현들에서, 조명 패턴은 프린지의 약 1/2만큼 제 1 수평 회절격자로부터 오프셋된 제 2 수평 회절격자를 사용함으로써 이동될 수 있다. 이러한 구현에서, 제 1 및 제 2 수평 회절격자는 고정될 수 있다. 동작(1445)에서, 샘플의 제 4 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 피처(1320c 및/또는 1320d)는 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 4 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
동작(1450)에서, 제 3 배향의 구조화된 조명 패턴은 각각의 광센서에 걸쳐 피처의 대각선(예를 들어, 2개의 피처)을 조명하도록 위치된다. 예를 들어, 구성(1475)에 의해 도시된 바와 같이, 대각선 프린지 조명 패턴은 각각의 픽셀의 우측 상단 및 좌측 하단에 2개의 피처를 조명하지만 다른 2개의 피처는 조명하지 않도록 위치될 수 있다. 대안으로, 대각선 프린지 조명 패턴은 각각의 픽셀의 좌측 상단 및 우측 하단에 있는 2개의 피처를 조명하도록 배치될 수 있지만 다른 2개의 피처는 조명하지 않도록 위치될 수 있다. 구현에서, 제 3 배향의 구조화 조명 패턴은 회절격자를 (예를 들어, 45°) 회전시킴으로써 또는 제 2 또는 제 3 회절격자를 이용함으로써 (예를 들어, 제 3 회절격자를 조명 경로로 스위칭함으로써) 생성될 수 있다. 동작(1455)에서, 샘플의 제 5 이미지가 캡처된다. 예를 들어, 형광 현미경 이미징 시스템의 경우, 피처(1320a 및/또는 1320d)는 픽셀의 광감지기에 의해 수집되고 제 5 이미지를 생성하는데 사용되는 광을 방출할 수 있다.
동작(1460)에서, 5개의 캡처된 이미지는 서브-픽셀 해상도 또는 초해상도 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀에 대한 4개의 피처 사이트 각각의 강도는 5개의 캡처된 이미지(예를 들어, 5개의 서브픽셀 쌍의 판독 강도)로부터 역다중화될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 각각의 픽셀은 2개의 상이한 피처 사이트로부터 광자를 캡처할 수 있기 때문에(각 픽셀에 대한 2개의 피처가 각각의 이미지 판독 동안 조명되기 때문에), 각각의 사이트에 의해 생성된 개별 신호를 구별하기 위해 각 픽셀로부터의 신호 판독 값이 디컨볼루션될 필요가 있을 수 있다.
예를 들어, 도 14b는 방법(1400)을 사용하여 캡처된 5개의 이미지가 어떻게 픽셀 위에 패턴화된 4개의 피처들 각각의 신호 강도를 추정하기 위해 (예를 들어, 각각의 피처가 조명되는 데 응답하여 형광의 광을 방출할 지를 결정하기 위해) 디코딩될 수 있는 방법을 도시한 것이다. 이 예에서, 음영 처리된 피처는 이미징 주기 동안 (5개의 이미지를 캡처하는 동안) 광을 방출하는 피처를 나타내고, 음영이없는 피처는 이미징 주기 동안 광을 방출하지 않는 피처를 나타낸다. 각 벡터는 서로 다른 피처 세트가 광을 방출할 때 5개의 이미지 각각에서 예상 강도를 나타내며, 여기서 벡터의 최좌측 엔트리는 이미지 1에 해당하고 벡터의 최우측 엔트리는 이미지 5에 해당한다. 0의 벡터 엔트리는 피처(예를 들어, 배경 신호)에 의해 광이 방출되지 않는 경우를 나타내고, 1의 벡터 엔트리는 하나의 피처가 광을 방출하는 경우를 나타내며, 2의 벡터 엔트리는 2개의 피처가 광을 방출하는 경우를 나타낸다. 이 예에 도시된 바와 같이, 예상 강도의 각각의 벡터는 고유하며(즉, 축퇴가 전혀 없으며), 이는 픽셀의 4개 피처에 의해 16개의 가능한 광방출 경우들 각각을 고유하게 식별할 수 있게 한다. 예를 들어, 5개의 캡처된 이미지는 16개의 예상 강도의 벡터 중 하나와 일치하는 강도의 벡터를 생성하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 피처가 광을 방출하지 않는 경우(예를 들어, 피처가 5개의 구조화된 광 패턴에 의해 조명되는 것에 응답하여 형광을 발하지 않는 경우), 예상되는 강도의 벡터는 0 벡터 [0,0,0,0,0]이다(즉, 5개의 이미지에 등록된 피처로부터 신호가 전혀 없다). 다른 예로서, 피처의 좌측 열이 광을 방출하는 경우, 예상 강도의 벡터는 [2,0,1,1,1]이다. 다시 말해서, 제 1 이미지에 대해 2개의 최좌측 방출 피처의 강도를 등록할 것으로 예상되고(예를 들어, 구조화된 광은 광을 방출하는 2개의 최좌측 피처를 조명하고), 제 2 이미지에 대해 방출 피처로부터 어떠한 강도도 등록하지 않을 것으로 예상되며(예를 들어, 구조화된 광은 광을 방출하지 않는 2개의 최우측 피처를 비추며), 제 3, 제 4 및 제 5의 이미지에 대해 하나의 방출 피처의 강도를 등록한다(예를 들어, 구조화된 광은 광을 방출하는 피처들 중 하나를 조명한다).
도 15는 (예를 들어, 방법(1400) 동안) 제 1 및 제 2 직교 방향을 따라 구조화된 조명 패턴을 샘플 및 센서와 정렬하기 위해 구현에 사용될 수 있는 2개의 정렬 행 및 2개의 정렬 열을 포함하는 이미지 센서를 도시한 것이다. 도 15에 도시된 설계는 2행 및 2열의 각각의 픽셀 위에 4개의 피처(1320a-1320d) 중 각각의 하나만을 형성함으로써 이미지 센서 어셈블리(1300)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 피처(1320a)만이 정렬 행 중 하나 위에 형성될 수 있고, 피처(1320d)만이 다른 정렬 행 위에 형성될 수 있으며, 피처(1320b)만이 정렬 열 중 하나 위에 형성될 수 있고, 피처(1320c)만이 다른 정렬 열 위에 배치될 수 있다. 일부 구현에서, 시스템에 견고성을 추가하기 위해 각각의 피처에 대한 추가 정렬 행 및/또는 각각의 피처에 대한 추가 정렬 열이 이미지 센서에 포함될 수 있다.
도 16a는 L자형으로 2차원을 따라 (예를 들어, 2행 및 2열을 따라) 각각의 픽셀(1610) 위에 정렬된 3개의 이미지화된 피처(1620a-1620c)를 포함하는 이미지 센서 어셈블리(1600)의 평면도를 도시한 것이다. 예를 들어, 피처(1620a-1620c)는(예를 들어, 나노 웰 패턴을 능동 픽셀 센서의 픽셀과 포토리소그래피로 정렬함으로써) 이미지 센서 어셈블리를 제조하는 동안 픽셀(1610) 위에 형성될 수 있다. 간단히 하기 위해 4개의 픽셀이 도시되어 있다. 도 16a의 예시적인 구현에서, 피처는 L 자형으로 배열되며, 이에 따라 행 및 열 중 하나는 하나의 피처만을 포함하고 다른 행 및 열은 2개의 피처를 포함한다.
어셈블리(1600)의 구성에 의해 제공될 수 있는 한 가지 이점은 픽셀의 3개의 피처에 의한 8개의 가능한 광방출 경우가 고유하게 식별될 수 있도록 이미지 사이클 동안 단지 3개의 이미지 만이 캡처될 필요가 있다는 것이다. 또한, 대각선 프린지 이미지를 캡처할 필요가 없으며, 이는 이미징 시스템의 광학 배열을 단순하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 16b는 2차원에 캡처된 4개의 피처들의 신호 강도를 디코딩하기 위해 5개의 이미지가 캡처되는 경우(가령, 방법(1400))와 대조적으로 3개의 피처들 각각의 신호 강도를 추정하기 위해 패턴화된 피처(1620a-1620c)를 갖는 픽셀(1610)의 2차원에 3개의 이미지가 어떻게 디코딩되는 지를 도시한 것이다. 이 예에서, 그레이 피처는 이미징 주기 동안(3개의 이미지를 캡처하는 동안) 광을 방출하는 피처를 나타내고, 음영이 없는 피처는 이미징 주기 동안 광을 방출하지 않는 피처를 나타내며, 검은색 피처는 이 경우에는 존재하지 않으며 도 15b과 비교하기 위해 도시된 4번째 피처를 나타낸다. 도 15b의 예에서와 같이, 0의 벡터 엔트리는 피처(예를 들어, 배경 신호)에 의해 광이 방출되지 않는 경우를 나타내고, 1의 벡터 엔트리는 하나의 피처가 광을 방출하는 경우를 나타내며, 2의 벡터 엔트리는 2개의 피처가 광을 방출하는 경우를 나타낸다.
이 예에 도시된 바와 같이, 예상 강도의 각각의 벡터는 고유하고(즉, 축퇴가 없고), 이는 픽셀의 3개의 피처에 의해 8개의 가능한 광방출 경우들 각각을 고유하게 식별할 수 있게 한다. 예를 들어, 3개의 캡처된 이미지는 8개의 예상 강도의 벡터 중 하나와 일치하는 강도의 벡터를 생성하는데 사용될 수 있다. 추가로, 한 방향으로 구조화 조명 패턴을 사용하여 캡처된 2개의 위상 이미지 및 제 2 직교 방향으로 구조화 조명 패턴을 사용하여 캡처된 1개의 위상 이미지 만이 이미지 사이클 동안 3개의 피처 각각의 강도를 결정하는데 필요하다.
일부 구현들에서, 각각의 픽셀 위에 정렬된 및/또는 형성된 복수의 피처들은 더 큰 면적을 갖는 피처들이 각 픽셀 위에 정렬되도록 1 : 1 이외의 일부 다른 종횡비(예를 들어, 원형 또는 정사각형이 아닌 종횡비)를 갖도록 성형될 수 있다. 이는 각각의 이미징 사이클 동안 데이터 밀도를 개선할 수 있고, 또한 각 피처의 면적 증가로 인해 이미지 판독 동안 각 픽셀에서 신호를 증가시킬 수 있다. 도 17-18은 1차원을 따라 정사각형 픽셀에 정렬된 피처의 경우에 데이터 종횡비가 어떻게 수정되어 데이터 밀도를 개선할 수 있는지의 예를 도시한 것이다.
도 17은 1차원을 따라 각각의 정사각형 픽셀(1710) 위에 정렬된 2개의 타원 형상의 피처(1720a-1720b)를 포함하는 예시적인 이미지 센서 어셈블리(1700)의 평면도를 도시한 것이다. 예를 들어, 피처(1720a-1720b)는 이미지 센서 어셈블리의 제조 동안 픽셀(1710) 위에 형성되었을 수 있다. 간단히 하기 위해 4개의 픽셀이 도시되어 있다. 이 예에 도시된 바와 같이, 타원형 피처는 최대 1 : 2의 종횡비(예를 들어, 장축과 단축을 따른 직경 간의 비)를 갖는다. 예를 들어, 특정 구현에서, 각각의 픽셀은 1차원을 따라 그 위에 1 : 2 종횡비가 정렬된 2개의 타원 형상의 나노 웰을 가질 수 있다. 픽셀 위에 정렬된 2개의 원형 피처를 도시한 도 9의 예와 비교하면, 각각의 픽셀(1710) 위에 정렬된 타원형 피처(1720-1720b)의 크기가 더 크다.
도 18은 1차원을 따라 각각의 정사각형 픽셀(1810) 위에 정렬된 3개의 타원 형상의 피처(1820a-1820c)를 포함하는 예시적인 이미지 센서 어셈블리(1800)의 평면도를 도시한 것이다. 예를 들어, 피처(1820a-1820c)는 이미지 센서 어셈블리의 제조 동안 픽셀(1810) 위에 형성되었을 수 있다. 간단히 하기 위해 4개의 픽셀이 도시되어 있다. 이 예에 도시된 바와 같이, 타원형 피처는 최대 1 : 3의 종횡비(예를 들어, 장축과 단축을 따른 직경 간의 비)를 갖는다. 예를 들어, 특정 구현에서, 각각의 픽셀은 1차원을 따라 그 위에 1 : 3 종횡비가 정렬된 3개의 타원 형상의 나노 웰을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 모듈이라는 용어는 본 출원의 하나 이상의 구현에 따라 수행될 수 있는 주어진 기능 단위를 기술할 수도 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 모듈은 임의의 형태의 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서, 컨트롤러, ASICs, PLAs, PALs, CPLDs, FPGAs, 논리 컴포넌트, 소프트웨어 루틴 또는 기타 메커니즘이 모듈을 구성하도록 구현될 수도 있다. 구현에서, 본 명세서에 기술된 다양한 모듈은 개별 모듈로서 구현될 수 있거나, 기술된 기능 및 특징은 하나 이상의 모듈 사이에서 부분적으로 또는 전체적으로 공유될 수 있다. 다시 말해서, 본 명세서를 읽은 후 당업자에게 명백한 바와 같이, 본원에 설명된 다양한 특징 및 기능은 임의의 주어진 애플리케이션에서 구현될 수 있고, 하나 이상의 개별 또는 공유 모듈에 다양한 조합 및 순열로 구현될 수 있다. 기능의 다양한 특징 또는 요소가 개별 모듈로서 개별적으로 설명되거나 청구될 수 있지만, 당업자는 이들 특징 및 기능이 하나 이상의 공통 소프트웨어 및 하드웨어 요소간에 공유될 수 있다는 것을 이해할 것이며, 그러한 설명은 이러한 특징 또는 기능을 구현하기 위해 별도의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소가 사용됨을 요구하거나 암시하는 것이 아니다.
본 문서에서, "컴퓨터 판독 가능 매체", "컴퓨터 사용 가능 매체"및 "컴퓨터 프로그램 매체"라는 용어는 예를 들어, 예를 들어 메모리, 저장장치 및 미디어와 같이 휘발성 또는 비휘발성의 비일시적 매체를 일반적으로 지칭하기 위해 사용된다. 이들 및 다른 다양한 형태의 컴퓨터 프로그램 매체 또는 컴퓨터 사용 가능 매체는 하나 이상의 명령들의 하나 이상의 시퀀스를 실행을 위한 처리 장치로 전달하는 데 관여할 수 있다. 매체에 구현된 이러한 명령어는 일반적으로 (컴퓨터 프로그램 또는 다른 그룹의 형태로 그룹화될 수 있는) "컴퓨터 프로그램 코드" 또는 "컴퓨터 프로그램 제품"으로 지칭된다.
다양한 예시적인 구현 및 구현의 관점에서 위에서 설명되었지만, 하나 이상의 개별 구현에서 설명된 다양한 특징, 태양 및 기능은 이들이 기술된 특정 구현에 대한 적용에 국한되지 않고, 대신 그러한 구현이 기술되는지 여부와 그러한 특징이 기술된 구현의 일부로서 제공되는지의 여부에 관계없이, 단독으로 또는 다양한 조합으로, 애플리케이션의 다른 구현들 중 하나 이상에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 출원의 폭 및 범위는 상술된 예시적인 구현들 중 어느 하나에 국한되지 않아야 한다.
(이러한 개념이 서로 일치하지 않는 경우) 상술한 개념의 모든 조합이 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 개시의 말미에 나타난 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다.
청구범위를 포함하여 본 개시 전반에 걸쳐 사용된 "실질적으로" 및 "약"이라는 용어는 처리에 있어 변화로 인한 작은 변동을 기술하고 설명하기 위해 사용된다. 예를 들어, 이들은 ±5% 이하, 예컨대 ±2% 이하, 예컨대 ±1% 이하, 예컨대 ±0.5% 이하, 예컨대 ±0.2 % 이하, 예컨대 ±0.1 % 이하, 예컨대 ±0.05 % 이하를 나타낼 수 있다.
적용 가능한 범위에서, 본 명세서에서 "제 1", "제 2", "제 3"등의 용어는 이들 용어에 의해 설명된 각각의 목적을 별개의 실체로서 나타내기 위해 사용되며 명시적으로 다르게 명시되지 않는 한 연대순의 의미를 수반하는 것으로 의도되어 있지 않다.
달리 명시되지 않는 한, 본 문서에 사용된 용어 및 문구 및 그 변형은 제한이 아니라 개방된 것으로 해석되어야 한다. 상기의 예로서: "포함하는"이라는 용어는 "제한없이 포함하는" 등을 의미하는 것으로 이해되어야 하고; "예"라는 용어는 그 전체 목록 또는 제한 목록이 아니라 논의중인 항목의 일부 예를 제공하기 위해 사용되며; "a" 또는 "an"이라는 용어는 "적어도 하나", "하나 이상" 등을 의미하는 것으로 이해되어야 하고; "전통적", "종래적", "일반적", "표준의", "기지(旣知)의"와 같은 형용사 및 유사한 의미의 용어는 주어진 기간 또는 주어진 시간으로서 현재 사용 가능한 항목으로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하며 대신에 현재 또는 미래에 언제든지 이용 가능하거나 알려진 기존의, 전통적, 일반적 또는 표준 기술을 포괄하도록 읽혀져야 한다. 마찬가지로, 이 문서가 당업자에게 명백하거나 알려진 기술을 언급하는 경우, 이러한 기술은 현재 또는 미래에 언제든지 당업자에게 명백하거나 알려진 기술을 포함한다.
일부 경우에 "하나 이상", "적어도", "그러나 이에 국한되지 않는" 또는 다른 유사한 문구와 같은 확장형 단어 및 문구의 존재는 그러한 확장형 문구가 없을 수 있는 경우에 더 좁은 경우가 의도되거나 요구되는 것을 의미하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "모듈"이라는 용어의 사용은 모듈의 일부로서 기술되거나 청구된 구성요소 또는 기능이 모두 공통 패키지로 구성되는 것을 의미하지는 않는다. 실제로, 제어 로직이든 다른 구성요소이든, 모듈의 다양한 구성요소 중 일부 또는 전부는 단일 패키지로 결합되거나 개별적으로 유지될 수 있고, 다수의 그룹화 또는 패키지로 또는 다수의 위치들에 분산될 수 있다.
또한, 본 명세서에 제시된 다양한 구현은 예시적인 블록도, 흐름도 및 다른 예시의 관점에서 설명된다. 본 명세서를 읽은 후 당업자에게 명백한 바와 같이, 예시된 구현 및 그들의 다양한 대안은 예시된 예에 국한됨이 없이 구현될 수 있다. 예를 들어, 블록 다이어그램 및 해당 설명은 특정 아키텍처 또는 구성을 요구하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 개시의 다양한 구현들을 상술하였지만, 이들은 제한이 아니라 단지 예로서 제시된 것으로 이해되어야 한다. 마찬가지로, 다양한 다이어그램은 본 개시에 대한 예시적인 아키텍처 또는 다른 구성을 도시할 수 있으며, 이는 본 개시에 포함될 수 있는 특징 및 기능을 이해하는 것을 돕기 위해 행해진다. 본 개시는 도시된 예시적인 아키텍처 또는 구성으로 국한되는 것이 아니라, 다양한 대안적인 아키텍처 및 구성을 사용하여 원하는 대안적인 특징이 구현될 수 있다. 실제로, 대안적인 기능적, 논리적 또는 물리적 분할 및 구성이 본 개시의 원하는 특징을 구현하기 위해 어떻게 구현될 수 있는지가 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 명세서에 도시된 것 이외의 다수의 상이한 구성 모듈 이름이 다양한 부분에 적용될 수 있다. 또한, 흐름도, 동작 설명 및 방법 청구 범위와 관련하여, 본 명세서에 제시된 단계의 순서는 문맥이 달리 지시하지 않는 한 인용된 기능을 수행하기 위해 다양한 구현이 동일한 순서로 구현되도록 요구하지 않아야 한다.
Claims (24)
- 광을 방출하는 광이미터;
패턴화된 피처를 포함하는 샘플면 상에 복수의 프린지를 투영하기 위해 광이미터에 의해 방출된 광을 회절시키는 광학소자; 및
샘플의 피처에 의해 방출된 광을 수집하기 위한 이미지 센서를 포함하고,
상기 이미지 센서는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 샘플은 상기 이미지 센서 위에 정렬되어 복수의 패턴화된 피처가 제 1 축을 따라 상기 복수의 픽셀 중 각각의 하나 위에 정렬되고, 투영된 복수의 프린지들은 각각의 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 피처 중 하나를 조명하도록 성형되는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
투영된 복수의 프린지들은 규칙적으로 패턴화된 피처들의 치수와 적어도 동일하거나 더 큰 프린지 폭을 가지며, 상기 프린지 폭은 복수의 픽셀들 각각의 피치보다 작은 시스템. - 제 2 항에 있어서,
이미지 센서는 능동 픽셀 이미지 센서인 시스템. - 제 3 항에 있어서,
이미지 센서는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서 인 시스템. - 제 3 항에 있어서,
샘플면 상에 제 2 복수의 프린지를 투영하기 위해 광이미터에 의해 방출된 광을 회절시키는 제 2 광학소자를 더 포함하고, 상기 제 2 복수의 프린지는 상기 제 1 복수의 프린지에 대해 직교하게 배향되는 시스템. - 제 5 항에 있어서,
샘플은 제 2 복수의 패턴화된 피처가 복수의 픽셀들 각각 중 각각의 하나 위에 위치하도록 이미지 센서 위에 정렬되고, 제 2 복수의 패턴화된 피처들 각각은 제 1 축에 직교하는 제 2 축을 따라 정렬되며, 투영된 제 2 복수의 프린지들은 제 2 복수의 패턴화된 피처들 각각 중 하나를 조명하도록 성형되는 시스템. - 제 6 항에 있어서,
광을 회절시키기 위한 광학소자는 제 1 복수의 프린지를 투영하기 위한 수평 투과형 회절격자 및 제 2 복수의 프린지를 투영하기 위한 수직 투과형 회절격자를 포함하는 시스템. - 제 6 항에 있어서,
4개의 패턴화된 피처가 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 배치되고, 상기 4개의 패턴화된 피처는 상기 픽셀 위에 정사각형 격자로 배열되는 시스템. - 제 6 항에 있어서,
3개의 패턴화된 피처는 상기 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 배치되고, 상기 3개의 패턴화된 피처는 상기 픽셀 위에 L자형으로 배열되는 시스템. - 제 3 항에 있어서,
복수의 픽셀들 각각은 직사각형 픽셀이고, 샘플의 피처들은 선형 어레이에서 각각의 직사각형 픽셀 위에 정렬되는 시스템. - 제 3 항에 있어서,
복수의 픽셀들 각각은 정사각형 픽셀이고, 복수의 피처들 각각은 2 : 1의 종횡비를 갖는 2개의 피처를 포함하는 시스템. - 제 3 항에 있어서,
복수의 픽셀 각각은 정사각형 픽셀이고, 복수의 피처들 각각은 3 : 1의 종횡비를 갖는 3개의 피처를 포함하는 시스템. - 제 3 항에 있어서,
샘플이 이미지 센서 위에 형성되는 시스템. - 제 13 항에 있어서,
피처들 각각은 복수의 픽셀들 중 하나의 광가이드 위에 형성된 반응 사이트를 포함하는 반응 리세스인 시스템. - 제 3 항에 있어서,
이미지 센서는 픽셀들의 제 1 및 제 2 정렬 행 또는 열을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 정렬 행 또는 열은 복수의 프린지를 상기 샘플 및 이미지 센서와 공간적으로 정렬시킬 수 있는 시스템. - 제 15 항에 있어서,
샘플의 하나의 피처만이 제 1 및 제 2 정렬 행 또는 열의 복수의 픽셀들 각각에 걸쳐 위치되는 시스템. - 패턴화된 피처를 포함하는 샘플면 상에 제 1 복수의 프린지를 투영하는 단계;
상기 제 1 복수의 프린지와 함께, 제 1 복수의 패턴화된 피처들 각각 중 제 1 피처를 조명하는 단계;
상기 제 1 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 1 피처의 제 1 이미지를 캡처하는 단계;
상기 제 1 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 2 피처를 조명하기 위해 상기 제 1 복수의 프린지를 위상이동시키는 단계; 및
상기 제 1 복수의 패턴화된 피처들의 각각 중 제 2 피처의 제 2 이미지를 캡처하는 단계를 포함하고,
샘플은 제 1 복수의 패턴화된 피처들이 복수의 픽셀 중 각각의 하나 위에 위치되도록 이미지 센서 위에 정렬되며, 상기 복수의 패턴화된 피처들 각각은 상기 픽셀 위에 제 1 축을 따라 정렬되는 방법. - 제 17 항에 있어서,
투영된 복수의 프린지들은 규칙적으로 패턴화된 피처의 치수와 적어도 동일하거나 더 큰 프린지 폭을 가지며, 상기 프린지 폭은 상기 복수의 픽셀들 각각의 피치보다 작은 방법. - 제 18 항에 있어서,
샘플은 이미지 센서 위에 형성되고, 상기 이미지 센서는 능동 픽셀센서인 방법. - 제 19 항에 있어서,
제 1 복수의 프린지는 제 1 이미지 및 제 2 이미지를 캡처하는 단계 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에 대해 단 하나의 피처만을 조명하도록 위치되는 방법. - 제 18 항에 있어서,
샘플면 상에 제 2 복수의 프린지를 투영하는 단계;
상기 제 2 복수의 프린지와 함께, 제 2 복수의 패턴화된 피처들 각각 중 제 3 피처를 조명하는 단계;
상기 제 2 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 3 피처의 제 3 이미지를 캡처하는 단계;
상기 제 2 복수의 패턴화된 피처들의 각각의 제 4 피처를 조명하기 위해 상기 제 2 복수의 프린지를 위상이동시키는 단계; 및
상기 제 2 복수의 패턴화된 피처들의 각각 중 제 2 피처의 제 4 이미지를 캡처하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 복수의 프린지는 상기 제 1 복수의 프린지에 대해 직교하게 배향되며, 샘플은 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처가 상기 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 위치되도록 이미지 센서 상에 정렬되고, 상기 제 2 복수의 패턴화된 피처 각각은 제 1 축에 직교하는 제 2 축을 따라 정렬되는 방법. - 복수의 픽셀을 포함하는 센서 어레이와, 대응하는 반응 사이트를 가지며 복수의 반응 리세스가 복수의 픽셀들 중 각각의 하나 위에 패턴화되도록 센서 어레이 위에 패턴화되는 반응 리세스의 반응 어레이를 포함하는 디바이스 베이스; 및
상기 반응 어레이의 면 상에 복수의 프린지를 투영하기 위한 광학 어셈블리를 포함하고,
복수의 픽셀들 각각 위에 패턴화된 반응 리세스들 중 하나를 조명하도록 투영된 복수의 프린지가 성형되는 바이오 센서. - 제 22 항에 있어서,
투영된 복수의 프린지가 반응 리세스의 치수와 적어도 동일하거나 더 큰 프린지 폭을 가지며, 상기 프린지 폭은 복수의 프린지 폭 각각의 피치와 적어도 동일한 바이오 센서. - 제 23 항에 있어서,
복수의 프린지를 복수의 픽셀들 각각의 피치의 비율만큼 위상이동시키기 위한 하나 이상의 광학소자를 더 포함하는 바이오 센서.
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