Устройство для многоточечного исследования
Изобретение относится к способу и устройству для исследования материала образца с помощью матрицы световых пятен (501) подсветки образца, создаваемых затухающими волнами. Матрица исходных световых пятен (510) формируется многоточечным формирователем, например многомодовым интерферометром (106), и отображается в световые пятна (501) подсветки образца в слое (302) образца (микро)линзами (202, 203) или посредством эффекта Тальбота. Входной световой поток (504) от исходных световых пятен (510) формируется так, чтобы он целиком претерпевал полное внутреннее отражение на поверхности раздела между прозрачной пластиной носителя (301) и слоем (302) образца. Таким образом, световые пятна (501) подсветки образца составлены только из затухающих волн и заключены в ограниченном объеме. В предпочтительном случае применения флуоресценция индуцированная в световых пятнах (501) подсветки образца, регистрируется с пространственным разрешением решеткой ПЗС (401). Изобретение позволяет повысить точность исследования. 4 н. и 33 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к способу и устройству для исследования материалов образцов с помощью матрицы световых пятен.
Публикация WO 00/58715 А раскрывает устройство, в котором свет, например, от лазерного источника света, разделяется решеткой на множество пучков света, которые излучаются на образец для стимулирования флуоресценции. В одном из вариантов выполнения пучки направляют на поверхность раздела образца под достаточно большим углом таким образом, что они претерпевают полное внутреннее отражение и образец стимулируется затухающими волнами.
Из Международной публикации WO 02/097406 А1 известно устройство для исследования материала биологического образца, в котором лазерный пучок расщепляется на множество возбуждающих пучков дифракционным устройством. Возбуждающие пучки направляются на основание, вмещающее материал образца, в котором с помощью матрицы световых пятен индуцируется флуоресценция. Упомянутая флуоресценция измеряется с пространственным разрешением матрицей ПЗС (CCD) для получения данных о наличии и/или количестве материала образца.
С учетом приведенных обстоятельств, согласно объекту настоящего изобретения предусмотрено средство для эффективного и, в то же время, высокоточного исследования материала образца с помощью света.
Согласно изобретению предусмотрено устройство по пунктам 1 и 14 и способ по пунктам 28 и 33 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.
В соответствии с первым аспектом изобретения, предлагается устройство для обработки материала образца светом. Так как обработка может, в частности, служить для исследования материала образца, то, в дальнейшем, устройство будет также называться «исследовательским устройством», без ограничения объема изобретения. Кроме того, термин «материал образца» следует понимать в очень широком смысле, включающим в себя, например, химические элементы, химические соединения, биологические материалы (например, клетки) и/или их смеси. Устройство содержит следующие компоненты:
a) Блок хранения, который содержит прозрачный носитель и слой образца, при этом слой образца расположен в непосредственной близости с одной стороной носителя (называемой в дальнейшем «стороной образца»), и слой образца может вмещать материал образца, который подлежит обработке. Хотя носитель может иметь, в принципе, любую трехмерную форму, в предпочтительном варианте, он имеет форму пластины с двумя параллельными сторонами, одной из которых является вышеупомянутая сторона образца. Носитель обычно состоит из стекла или прозрачного полимера. Слой образца также может быть произвольной формы и включать в себя, например, деление на ячейки. Обычно, это пустая полость, которую можно заполнять материалом образца, например, водным раствором биологических молекул. В некоторых вариантах осуществления слой образца может содержать также зонды, т.е. участки (молекулы), которые могут связывать материал образца.
b) Многоточечный формирователь (в дальнейшем, сокращенно, MSG) для формирования «входного светового потока». Упомянутый входной световой поток обычно может обеспечиваться на выходной стороне MSG в виде матрицы световых пятен, которые, в дальнейшем, будут именоваться «исходными световыми пятнами» для отличия их от световых пятен других типов. Матрица может характеризоваться периодической структурой исходных световых пятен, например, в виде прямоугольной матрицы. Кроме того, все исходные световые пятна могут, в частности, иметь (приближенно) одинаковую форму и интенсивность.
c) Секция передачи (передаточный тракт) для передачи входного светового потока от MSG на прозрачный носитель блока хранения. Если MSG формирует исходные световые пятна, то их изображения формируются на внутренней поверхности стороны образца носителя. Кроме того, весь входной световой поток, который достигает внутренней поверхности, должен претерпевать на ней полное внутреннее отражение. Благодаря полному внутреннему отражению (TIR) световые пятна подсветки образца формируются в прилегающем слое образца только затухающими волнами, и никакой световой поток не может распространяться непосредственно в слое образца. Ниже поясняются несколько способов достижения требуемых условий для TIR в связи с предпочтительными вариантами осуществления изобретения.
Исследовательское устройство вышеописанного типа обладает двумя основными преимуществами: во-первых, материал образца в слое образца исследуется во множестве световых пятен (подсветки образца) одновременно, причем процесс происходит отдельно в каждом пятне. Такая параллельность ускоряет процедуру обработки в целом, позволяет измерять несколько аналитов одновременно и повышает точность благодаря более высокому отношению сигнала к шуму. Второе преимущество заключается в том, что световые пятна подсветки образца формируются только затухающими волнами, что предполагает, что их объем очень мал и ограничен непосредственной близостью к поверхности раздела между носителем и образцом. Таким образом, исключаются нежелательные взаимодействия с материалом образца в любом другом месте, что также повышает отношение сигнала к шуму.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления блок хранения содержит крышку, которая расположена на расстоянии от стороны образца носителя. Как носитель, так и крышка могут, в частности, представлять собой пластины, образующие плоскую камеру для образца между ними, при этом слой камеры для образца, который находится в непосредственной близости с несущей пластиной, составляет слой образца. Крышка может быть, в частности, прозрачной для света, чтобы допускать прохождение света, исходящего из слоя образца.
Существует несколько способов реализации многоточечного формирователя MSG, подходящего для исследовательского устройства. В предпочтительном варианте MSG может содержать амплитудную маску, фазовую маску, голографическую маску, дифракционную структуру, (микро)линзовую матрицу, матрицу плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами (VCSEL) и/или многомодовый интерферометр (MMI) для формирования матрицы исходных световых пятен на выходной стороне MSG. Некоторые из данных вариантов осуществления более подробно описаны ниже в связи с чертежами.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения MSG содержит (один) источник света для формирования основного светового пучка и оптический блок мультиплицирования для расщепления основного светового пучка на матрицу исходных световых пятен на выходной стороне MSG. Блок мультиплицирования можно реализовать, например, с помощью MMI, как подробно поясняется ниже. Расщепление основного светового пучка дает преимущество в том, что требуется только один источник света (или несколько источников света), и в результате получаемые исходные световые пятна автоматически имеют одинаковые характеристики (длину волны, форму, интенсивность и т.п.).
В дополнительно усовершенствованном вышеупомянутом варианте осуществления MSG содержит блок формирования пучка для формирования основного светового пучка в соответствии с требуемой диаграммой интенсивности. Упомянутый блок формирования пучка может содержать, например, маскирующий элемент, преломляющий элемент и/или отражающий элемент, при этом упомянутые элементы блокируют (перекрывают) некоторые (в частности, центральные) части основного светового пучка. Как более ясно в связи с фигурами, перекрывание будет влиять именно на те световые лучи, которые не претерпевали бы полного внутреннего отражения на внутренней поверхности носителя.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения MSG выполнен с возможностью формирования матрицы исходных световых пятен в когерентном свете, при этом упомянутый свет формирует картину Тальбота во время его дальнейшего распространения. Благодаря свойству саморепродукции эффекта Тальбота исходные световые пятна периодически воспроизводятся на некоторых расстояниях, так что их изображение можно сформировать на внутренней поверхности стороны образца носителя. Преимущество такого применения эффекта Тальбота состоит в том, что для передаточного тракта требуется минимум оптических элементов (линз). Для формирования когерентных исходных световых пятен MSG может, в частности, содержать один источник когерентного света.
Существует много разных путей достижения условий TIR на внутренней поверхности носителя. В предпочтительном варианте реализации исследовательское устройство содержит маскирующую матрицу поглощающих элементов, отражающих элементов и/или преломляющих элементов, при этом упомянутые элементы устраняют из MSG части входного светового потока, которые не претерпевали бы полное внутреннее отражение на внутренней поверхности носителя.
В дополнительно усовершенствованном вышеупомянутом варианте осуществления, по меньшей мере, один регистрирующий элемент (например, фотодиод) расположен в тени, по меньшей мере, одного из поглощающих, отражающих или преломляющих элементов маскирующей матрицы. Из-за такого расположения на регистрирующий элемент не будет попадать входной световой поток из MSG, но на упомянутый элемент может попадать свет, исходящий из слоя образца, например флуоресцентный свет, индуцированный в световых пятнах подсветки образца. Поэтому посредством регистрирующего элемента измеряют сигналы от слоя образца «в обратном направлении» без возмущения от входного светового потока.
Как уже упоминалось ранее, вышеописанное устройство можно использовать для любого требуемого типа обработки материала образца световыми пятнами. Таким образом, данное устройство можно, например, использовать для инициирования некоторых химических реакций материала образца в ограниченном объеме световых пятен подсветки образца. В рамках другого, очень важного класса применений целью является обнаружение, контроль и/или измерение сигналов, приходящих от слоя образца, в частности измерение флуоресценции, которая индуцирована в световых пятнах подсветки образца. Для подобных применений устройство предпочтительно содержит, по меньшей мере, одно регистрирующее устройство для регистрации света, сформированного в слое образца. Регистрирующее устройство может быть выполнено, например, как фотоэлектронные умножители.
В предпочтительном варианте вышеупомянутое регистрирующее устройство содержит, по меньшей мере, одну матрицу регистрирующих элементов, например матрицу приборов с зарядовой связью (ПЗС) и оптическую систему для отображения слоя образца на упомянутую матрицу. Таким образом, излучение, исходящее из световых пятен подсветки образца, будет направляться на различные регистрирующие элементы, обеспечивающие измерение с пространственным разрешением сигналов от раздельных световых пятен подсветки образца. Таким образом, можно параллельно выполнять множество разных измерений и/или множество повторяющихся измерений одинакового типа.
Во многих случаях, например во время наблюдения флуоресценции, световой сигнал, который формируется в слое образца, распространяется во всех направлениях. Следовательно, его можно регистрировать в «прямом направлении», т.е. после прохождения в том же самом направлении, в котором распространяется входной световой поток из MSG к блоку хранения. В качестве альтернативы, световой сигнал от слоя образца можно регистрировать в «обратном направлении», т.е. в направлении, противоположном направлению распространения входного светового потока. Измерение для обратного направления имеет преимущество, заключающееся в том, что световой сигнал от слоя образца не должен проходить, в основном, через образец, где возможно добавление шумов. Кроме того, осуществление измерения для обратного направления предпочтительно с точки зрения манипулирования образцом, так как, поскольку за образцом отсутствует оптика или регистраторы, образец можно легко соединять с системой, и отсутствует потребность в защите задней стороны образца от, например, пыли.
Чтобы допустить измерение в обратном направлении, передаточный тракт предпочтительно содержит (дихроичный) делитель (расщепитель) пучка, который направляет входной световой поток из MSG на слой образца и световой сигнал от слоя образца на регистрирующее устройство. Делитель пучка может, в частности, содержать дихроичные компоненты, которые проявляют разные оптические характеристики для света разных длин волн, например призмы, которые пропускают входной световой поток на первой длине волны и одновременно отражают флуоресцентный свет на других длинах волн.
Вышеописанное исследовательское устройство допускает исследование области внутри слоя образца с помощью множества световых пятен подсветки образца. В некоторых случаях упомянутая исследуемая область охватывает не весь слой образца, а только его часть. Для обеспечения исследования всего слоя образца в таких случаях устройство предпочтительно выполняют с возможностью смещения матрицы световых пятен подсветки образца относительно слоя образца. Такое смещение можно, например, обеспечивать сканирующим блоком, который селективно направляет свет, приходящий от MSG или посредством перемещения MSG (или его компонента, например маскирующую матрицу).
В соответствии с усовершенствованными вышеописанными вариантами осуществления изобретения, в которых обеспечивается перемещение световых пятен подсветки образца, устройство выполнено с возможностью идентификации и перемещения координат световых пятен подсветки образца относительно слоя образца, что позволяет повторять измерение в некоторых местах в слое образца, по меньшей мере, один раз, что дает возможность получения дополнительной информации об временных изменениях в упомянутых местах.
При более подробном анализе распространения светового сигнала, испускаемого из световых пятен подсветки образца в слое образца, можно установить, что некоторая доля упомянутого светового сигнала будет претерпевать полное внутреннее отражение от стороны носителя, противоположной стороне образца, (именуемой, в дальнейшем, «наружной стороной») и, следовательно, будет потерянной для регистрации. Такой свет назван светом «SC-мод» (закритических мод) в литературе (см., например, Международную публикацию WO 02/059583 A1, которая включена в настоящее описание путем отсылки). В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения на наружной стороне носителя в виде пластины будут обеспечены дифракционные структуры, причем упомянутые структуры выполнены с возможностью вывода светового сигнала SC-мод, т.е. вывода носителя такого света, который претерпевал бы полное внутреннее отражение на обычной (гладкой) наружной стороне носителя в виде пластины. Благодаря использованию SC-мод можно осуществить существенное усиление сигнала.
В соответствии с изобретением дополнительно предлагается способ для обработки материала образца светом, при этом упомянутый материал присутствует в слое образца, находящемся в непосредственной близости со «стороной образца» прозрачного носителя. Способ заключается в распространении входного светового потока через носитель так, чтобы упомянутый световой поток претерпевал полное внутреннее отражение на внутренней поверхности вышеупомянутой стороны образца носителя и, следовательно, формировал матрицу световых пятен подсветки образца в слое образца затухающими волнами.
Способ, в общем, содержит этапы, которые могут быть исполнены исследовательским устройством вышеописанного типа. Поэтому для получения более полной информации об элементах, преимуществах и усовершенствованиях данного способа следует обращаться в вышеприведенное описание.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа формируют матрицу исходных световых пятен в когерентном свете, из которых свет распространяется посредством эффекта Тальбота. Благодаря свойству саморепродукции эффекта Тальбота в таком случае изображение матрицы исходных световых пятен в слое образца (или, точнее, на внутренней поверхности стороны образца носителя) можно формировать при минимуме оптических элементов, если слой образца расположен на расстоянии Тальбота или кратном ему.
Световые пятна подсветки образца можно формировать, в частности, матрицей соответствующих световых пучков, при этом упомянутые световые пучки формируют предпочтительно путем формирования и затем деления основного светового пучка. При этом можно легко создать множество идентичных световых пучков с требуемыми характеристиками.
По дополнительно усовершенствованном способе регистрируют световой сигнал, испускаемый материалом образца в световом пятне подсветки образца, при этом результат упомянутой регистрации может быть только двоичной величиной (произведена/отсутствует регистрация) или непрерывной величиной измеренного количества света. Испускание света из материала образца может возбуждаться, в частности, затухающим светом световых пятен подсветки образца.
Для осуществления коэффициента усиления сигнала свет, который испущен материалом образца в слое образца и который не покинул носитель из-за эффекта (полного внутреннего отражения), т.е. свет, так называемых, SC-мод, можно выводить из носителя посредством эффекта дифракции.
Дополнительно усовершенствованный способ отличается тем, что слой образца сканируют матрицей световых пятен подсветки образца, при этом идентичные координаты (позиции) матрицы воспроизводят, по меньшей мере, один раз. Поэтому обработку можно повторять так часто, как требуется в разных местоположениях слоя образца. В конкретном случае применения этим можно воспользоваться для обнаружения занятых участков связывания в слое образца, предпочтительно, для регистрации флуоресцирующей метки, связанной с зондами в слое образца. В данном случае способ заключается в сканировании слоя образца относительно матрицы световых пятен подсветки образца и в регистрации регистрирующей системой целевых специфических откликов, например флуоресцентного света. Если размеры световых пятен подсветки образца выбраны достаточно малыми, скорость сканирования достаточно велика и концентрация участков связывания является невысокой, то только один занятый участок связывания будет освещаться в тот же момент времени. Место в слое образца классифицируется как занятый участок связывания, если целевой специфический отклик наблюдается при повторных сканированиях упомянутого места. Подобные повторные сканирования обеспечивают, в частности, различение специфического и неспецифического связывания.
Ниже настоящее изобретение описано на примерах с помощью прилагаемых чертежей, на которых:
на фиг.1 показана принципиальная схема исследовательского устройства в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 показано формирование и распространение множества световых пятен на основании эффекта Тальбота;
на фиг.3 показано формирование основного светового пучка с помощью маски;
на фиг.4 показано формирование основного светового пучка с помощью зеркал;
на фиг.5 показано формирование множества световых пятен подсветки образца с использованием многомодового интерферометра с блокированием света, который не претерпевает полного внутреннего отражения;
на фиг.6 изображена схема, аналогичная схеме на фиг.5, с делителем пучка для измерения флуоресценции в обратном направлении распространения света;
на фиг.7 изображена схема, аналогичная схеме на фиг.6, со средством для приема флуоресцентного света SC-мод;
на фиг.8 изображена схема со сканирующим блоком для сканирования матрицей световых пятен по образцу.
Следует отметить, что фигуры представлены не в масштабе, и элементы, представленные на разных фигурах и в разных вариантах осуществления, можно произвольным образом комбинировать в исследовательском устройстве в соответствии с настоящим изобретением.
При (био)химических анализах флуоресценцию молекулы/образца используют, например, для измерения концентрации молекулы в растворе или для обнаружения события связывания (например, сцепления молекулы со слоем). В идеале, желательно использовать чувствительную матрицу, так как она позволяет измерять несколько событий, разновидности молекул и местоположение молекул, в зависимости от свойств связывающего слоя и возбуждающего света. Настоящее изобретение создано с учетом данных требований и направлено на решение следующих задач по трем направлениям: аналитическая эффективность (чувствительность, специфичность и скорость), простота применения (устойчивость, интеграция) и расходы.
На фиг.1 показана принципиальная схема исследовательского устройства в соответствии с настоящим изобретением. Упомянутое исследовательское устройство, по существу, состоит из четырех компонентов или подсистем.
- Многоточечный формирователь 100 (в дальнейшем, сокращенно, MSG) для формирования матрицы из множества исходных световых пятен 510 на его выходной стороне. Упомянутые исходные световые пятна 510 обычно имеют (приблизительно) круглую форму при диаметре, находящемся в диапазоне от 0,5 мкм до 100 мкм. Кроме того, расстояние между двумя соседними пятнами 510 обычно также находится в диапазоне от 0,5 мкм до 100. Различные возможные варианты осуществления MSG 100 поясняются ниже в связи со ссылкой на другие фигуры.
- Секция передачи (передаточный тракт) 200, которая предназначена для передачи «входного светового потока» от исходных световых пятен 510 к блоку 300 хранения, содержащему образец. Хотя секция передачи, в принципе, может представлять собой просто пространство, заполненное воздухом или другой средой, данный тракт обычно содержит специальные оптические компоненты для обеспечения требуемой передачи входного светового потока от исходных световых пятен 510 до световых пятен 501 подсветки образца в слое образца.
- Вышеупомянутый блок 300 хранения для вмещения и хранения материала образца, который подлежит исследованию. Хотя блок 300 хранения можно реализовать, в принципе, по-разному, большинство вариантов реализации будет содержать компоненты, показанные на фиг.1. Такими компонентами являются: (i) подложка или носитель 301, который является прозрачным для входного светового потока, формируемого посредством MSG 100, и который может быть выполнен, например, в виде стеклянной пластины; (ii) камера 303 для образца, которая может быть наполнена жидкостью, содержащей материал образца (например, биологические молекулы, растворенные в воде); (iii) плоская крышка 304, которая находится за камерой 303 для образца и ограничивает ее и которая также может быть выполнена из прозрачного материала подобно стеклу (в других вариантах осуществления блока хранения плоская крышка может отсутствовать). Сторону носителя 301 в виде пластины, которая контактирует с камерой 303 для образца, называют «стороной образца» и тонкий слой камеры 303 для образца, который прилегает к упомянутой стороне образца, составляет, так называемый, «слой образца 302», в котором выполняется исследование материала образца. Для исследования исходные световые пятна 510, сформированные посредством MSG 100, сначала отображаются в изображения на внутренней поверхности стороны образца носителя 301, где весь свет испытывает полное внутреннее отражение благодаря заданной конфигурации. В результате упомянутого эффекта полного внутреннего отражения (TIR) затухающие световые волны распространяются в смежную камеру 303 с образцом на малое расстояние, с созданием «световых пятен подсветки образца 501» внутри слоя 302 образца. Свет в данных световых пятнах 501 подсветки образца может, например, индуцировать флуоресценцию материала образца с (изотропным или анизотропным) испусканием света флуоресценции в прямом направлении (луч 502) и обратном направлении (луч 503).
- Регистрирующая система предназначена для измерения света, приходящего из слоя 302 образца. Регистрирующая система (в качестве альтернативы или совместно) может содержать «прямой регистратор» 401 для регистрации светового сигнала 502, испускаемого в прямом направлении, и «обратный регистратор» 402 для регистрации светового сигнала 503 в обратном направлении.
Основные преимущества исследовательского устройства в соответствии с фиг.1 состоят в следующем.
- Одновременное/параллельное возбуждение всей матрицы.
- Одновременная/параллельная регистрация флуоресценции по всей матрице.
- Отсутствие подвижных элементов, что делает конструкцию потенциально дешевой и устойчивой.
- Возбуждение затухающим полем дает, в результате, объем возбуждения, сконцентрированный на поверхности камеры с образцом, т.е. в слое образца. Это дает преимущество в том, что в объеме жидкости возникает минимальный фон, т.е., не требуется удалять или вымывать объем жидкости для осуществления измерения (так называемый, однородный анализ).
- Возможно несложное разделение возбуждающего света и флюоресценции, когда применяются подходящие схемы регистрации, что обеспечивает возможность получения высоких отношений сигнал-шум.
Различные конкретные варианты осуществления изобретения и возможные реализации компонентов описанного исследовательского устройства поясняются ниже, со ссылками на фиг.2-8.
На фиг.2 изображен предпочтительный способ передачи входного светового потока от MSG к образцу, при этом, исходные световые пятна 510, которые находятся на выходной стороне MSG 100, формируют, в конечном счете, световые пятна 501 подсветки образца в слое 302 образца. Передача происходит за счет эффекта Тальбота, т.е. саморепродукции регулярной структуры (в настоящем случае, матрицы исходных световых пятен 510), которая освещается коллимированным пучком когерентного света.
Для обеспечения эффекта Тальбота MSG 100 содержит источник 101 света, формирующий коллимированный пучок когерентного света. Упомянутый когерентный свет освещает амплитудную маску 102 (с периодом, например, d = 20 мкм и отношением площадей пропускания/запирания 50%), которая формирует периодическую картину исходных световых пятен 510. Матрицу пятен 510 можно также формировать с помощью других средств, например многомодовым интерферометром (MMI), дифракционной структурой, матрицей (микро)линз или матрицей VCSEL (плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами). Исходные световые пятна 510 создают посредством интерференции картину 201 распределения интенсивности Тальбота, которая распространяется на промежуточное расстояние в компоненты (стекло, воду) блока 300 хранения. Эффект Тальбота характеризуется тем, что картина распределения интенсивности исходных световых пятен 510 периодически воспроизводится на, так называемых, расстояниях саморепродукции или Тальбота, которые зависят от параметров конфигурации. Если, например, маска в виде решетки 102 с периодом d освещается когерентным светом, то изображение возникает за решеткой на расстояниях N(2d2/λ), где N - целое число, и λ - длина волны света. При соответствующем выборе параметров изображения, можно сформировать изображение матрицы исходных световых пятен 510 на стороне образца носителя 301. Подробное описание эффекта Talbot приведено в литературе (см. A.W. Lohmann and J.A. Thomas, Appl. Opt., vol. 29, p. 4337, 1990; W. Klaus, Y. Arimoto and K. Kodate, Appl. Opt., vol. 37, p. 4357, 1998; J.W. Goodman, Fourier Optics, McGraw-Hill, New York, chapter 4, 1996).
Множество исходных световых пятен может быть также сформировано с помощью фазовой или голографической маски (которая воспроизводит их, приблизительно, на расстоянии 60% от расстояния Тальбота).
Важным преимуществом вышеупомянутого применения саморепродукции является минимизация числа оптических компонентов в виде линз в секции 200 передачи с обеспечением простой и жесткой конфигурации.
На фиг.3 представлена предпочтительная реализация MSG 100, которая отличается тем, что основной световой пучок 105 сначала формируется и затем расщепляется на множество исходных световых пятен 510. Подузел для формирования основного светового пучка 105 содержит источник 101 (когерентного) света, коллиматорную линзу 103 и фокусирующую линзу 104. Между двумя линзами 103 и 104 находится блок 110 формирования пучка для придания световому пучку требуемого распределения интенсивности в сечении пучка. Блок формирования пучка может содержать, например, маскирующий элемент 111 для перекрытия центральной части коллимированного светового пучка между линзами 103, 104.
В модификации конфигурации, показанной на фиг.3, блок 110 формирования пучка может находиться на оптическом пути за фокусирующей линзой 104 или перед коллимирующей линзой 103. В данном случае получаемую форму пучка можно регулировать просто изменением осевого положения блока формирования пучка (например, чем дальше маскирующий элемент будет находиться за фокусирующей линзой 104, тем больше будет создаваемое центральное экранирование в пучке). Однако функционирование конфигурации с подобным расположением будет сильно зависеть от точности установки оптических компонентов.
В альтернативных вариантах осуществления блок формирования пучка может представлять собой дифракционную структуру, которая преобразует низкие пространственные частоты (соответствующие меньшим углам сфокусированного возбуждающего света) в более высокие пространственные частоты (соответствующие большим углам сфокусированного возбуждающего света), что ослабит потери мощности оптического возбуждения. Из Фурье-оптики известно, что линза может выполнять пространственное Фурье-преобразование. В случае с фазовой пластиной перед или за линзой распределение по амплитуде в фокальной плоскости является Фурье-преобразованием входного сигнала (без квадратичного фазового коэффициента).
Пример того, как дифракционный элемент можно использовать вместо устройства 110 на фиг.3, иллюстрирует вариант осуществления изобретения, в котором коллимирующая линза 103 и фокусирующая линза 104 являются идентичными и расположены в конфигурации 4f (т.е. элементы 101, 103, дифракционный элемент, 104 и 106 находятся друг от друга на расстоянии, равном фокусному расстоянию f линз), при этом дифракционный элемент находится точно посередине между двумя линзами 103, 104. В данном случае изображение в фокальной точке фокусирующей линзы 104 будет являться пространственным Фурье-преобразованием освещенного дифракционного элемента.
Для иллюстрации допустимости использования дифракционного элемента для формирования пучка целесообразно рассмотреть случай одномерной синусоидальной фазовой решетки, используемой в режиме пропускания, обладающей дифракционной эффективностью ηq = Jq(m/2), где q - порядок дифракции, m - фазовая задержка решетки между максимумами, и Jq означает функцию Бесселя первого рода и порядка q (см. J.W, Goodman, Fourier Optics, McGraw-Hill, New York, chapter 4, 1996). При правильном выборе фазовой задержки (m) решетки между максимумами, центральный максимум полностью пропадает (например, при m=1,53π), и вся мощность переходит в более высокие порядки решетки. При выборе периода решетки достаточно малым угол первого порядка на стороне образца носителя в виде несущей пластины является достаточно большим (по меньшей мере, больше критического угла для эффекта полного внутреннего отражения на данной поверхности раздела), и вся входная мощность испытывает полное внутреннее отражение на данной поверхности раздела. В результате, можно прийти к заключению, что применение синусоидальной фазовой решетки с подходящими периодом и фазовой задержкой между максимумами позволяет использовать всю входную мощность для возбуждения флуоресценции затухающим полем. Общая мощность возбуждения ограничена только числовыми апертурами линз 103, 104. Одномерная синусоидальная решетка действительно является достаточно реальным примером, так как в осесимметричных системах (каковыми является большинство оптических систем) необходима одномерная синусоидальная решетка по радиальному направлению.
Следует отметить, что возможна также установка линз и дифракционного элемента иначе, чем в описанной конфигурации 4f, но тогда изображение второй линзы 104 больше не является точным пространственным Фурье-преобразованием освещенного дифракционного элемента и содержит также квадратичный фазовый коэффициент. Поскольку для флуоресценции имеет значение интенсивность и не настолько распределение амплитуды, квадратичный фазовый коэффициент допустим во многих практических случаях.
В модификации описанного варианта осуществления изобретения дифракционный элемент можно установить за фокусирующей линзой 104. Преимуществом подобной схемы расположения будет то, что изображение второй линзы 104 является Фурье-преобразованием освещенной апертуры, стянутой до апертуры второй линзы, с прибавлением квадратичного фазового коэффициента, что предполагает возможность масштабирования изображения (т.е. возможность масштабирования шкалы частот Фурье-преобразования) посредством смещения дифракционного элемента.
Затем сформированный входной световой пучок 105, который образован одним из вышеописанных способов, подается в блок деления пучка, который расщепляет или размножает входной световой поток в матрицу (идентичных или сходных) исходных световых пятен 510, которые отображаются на выходной стороне MSG 100. В случае, показанном на фиг.3, блок деления реализован с помощью многомодового интерферометра (MMI) 106. MMI состоит из многомодового оптического волновода. Свет (предпочтительно, одномодового) входного волновода или входного пятна делится по модам многомодовой волноводной секции. В данном сечении MMI распределение интенсивности представляет собой интерференционную картину между модами MMI. Аналогично эффекту Тальбота картина распределения интенсивности в MMI является периодической.
Посредством настройки MMI 106 можно избежать проблем с зависимостью MMI от длины волны. Картину распределения интенсивности на выходной стороне MMI можно регулировать изменением постоянных распространения мод. Посредством регулировки MMI можно также выбрать число пятен на выходной стороне MMI и согласовать положение пятен со слоем образца или с оптической системой в секции 200 передачи. Так как общая мощность в пятне, в первом приближении, обратно пропорциональна числу пятен, то можно также изменять/оптимизировать мощность возбуждения и, в результате, оптимизировать отношение сигнал-шум при измерениях.
MMI 106, изображенный на фиг.3, может формировать, например, одномерную (N×1) матрицу из 5 пятен, при следующих параметрах:
показатели преломления: сердцевины (1,6); вмещающей среды (1,5);
ширина: центрального входного волновода (2 мкм); секции MMI (20 мкм);
длина: секции MMI для формирования 1x5 пятен (135 мкм);
расстояние саморепродукции (изображение воспроизводится на данном расстоянии): 5417 мкм;
число мод, поддерживаемых MMI: 22.
Точное формирование множества пятен 510 требует, чтобы MMI имел достаточную ширину (чем шире, тем больше мод поддерживается в MMI). Как правило, число мод, поддерживаемых в MMI, должно быть, по меньшей мере, равно (числу пятен + 1). Увеличение ширины MMI повышает качество изображения, но также увеличивает необходимую длину; расстояние саморепродукции при точном приближении находится в квадратичной зависимости от ширины MMI.
При подходящей конфигурации MMI можно создать также двумерную (N×M) матрицу пятен. Следует отметить, что формирование множества пятен основано на интерференции и, в принципе, может осуществляться без существенных потерь. Другое преимущество MMI состоит в том, что он представляет относительно простой способ, который не требует юстировки линз и периодических структур.
Более подробные сведения о принципах MMI можно найти в литературе (например, R.M. Jenkins et al., Appl. Phys. Lett., vol. 64, p. 684, 1994; M. Bachman et al., Appl. Opt., vol. 33. p. 3905, 1994; L.B. Soldano and E.C.M. Pennings, J. Lightwave Technol., vol. 13, p. 615, 1995).
Матрица исходных световых пятен 510, которая предусмотрена на выходной стороне MSG 100, отображается в секции 200 передачи посредством коллиматорных микролинз 202 и фокусирующими микролинзами 203 в световые пятна на стороне образца (ее внутренней поверхности) носителя 301 в виде пластины. В предпочтительном варианте пластинчатый носитель 301 в виде пластины имеет такой же показатель преломления, что и фокусирующие микролинзы 203, чтобы исключить отражения на поверхности раздела между двумя данными компонентами. Вместо матриц микролинз 202 и/или 203 можно также применить одну (макро)линзу.
Перекрытие центральной части светового пучка 105 на входе в MMI приводит к тому, что входной световой поток 504 достигает внутренней поверхности стороны образца носителя 301 в виде пластины только под углами, при которых происходит полное внутреннее отражение (TIR) (в предположении, например, что носитель 301 в виде пластины выполнен из стекла, и слой 302 образца заполнен водным раствором). Это означает, что входной световой поток 504 образует световые пятна 501 подсветки образца только затухающими волнами, что ограничивает объем световых пятен 501 подсветки образца тонким слоем 302 образца и тем самым сводит к минимуму фон. Кроме того, входной световой поток 504 не будет распространяться в образец, что обеспечивает удобную возможность разделения возбуждающего света и флюоресценции в прямом направлении светового потока.
Хотя на фиг.3 и других фигурах изображен вариант осуществления блока 300 хранения с носителем 301 в виде пластины, слоем 302 образца и плоской крышкой 304, возможно также использование других конфигураций расположения. Таким образом, в частности, можно использовать «пластину для образца» с поверхностной структурой, содержащую материал образца, в том виде, как она описана в заявке на патент EP 03101893.0 (которая включена в настоящее описание путем отсылки). В настоящем случае для обеспечения эффекта полного внутреннего отражения показатель преломления пластины для образца должен быть меньше, чем у носителя в виде образца. При изменении поверхностной структуры, как описано в EP 03101893, можно увеличить интервал углов, при которых имеет место полное внутреннее отражение на поверхности раздела между слоем образца и носителем в виде пластины.
Исследование флуоресцентного света, индуцированного световыми пятнами 501 подсветки образца, может обеспечиваться разными схемами, которые не показаны на фиг.3, но будут описаны в связи с другими вариантами осуществления изобретения.
На фиг.4 показана альтернативная конфигурация расположения для формирования основного светового пучка 105 для MMI 106. В соответствии с данным вариантом осуществления изобретения свет, формируемый (когерентным) источником 101 света, коллимируется линзой 103 и направляется на выпуклое зеркало 113. Выпуклое зеркало 113 отражает свет на вогнутое зеркало 112, которое фокусирует его в основной входной световой пучок 105. Следовательно, зеркала 112, 113 составляют блок 110 формирования пучка, который формирует основной световой пучок с центральной частью, экранированной, как в конфигурации на фиг.3. Дальнейшая обработка указанного основного светового пучка 105 выполняется, как на фиг.3 и не требует повторения.
На фиг.5 изображен вариант осуществления изобретения, в котором основной световой пучок 105 (не подвергнутый формированию) подается в MMI 106, который формирует матрицу исходных световых пятен 510 на выходной стороне MSG 100. Разумеется, для создания исходных световых пятен 510 можно также применить MGS любого другого типа. В секции 200 передачи для каждого исходного светового пятна 510 имеется соответствующая коллиматорная микролинза 202 и соответствующая фокусирующая микролинза 203 для коллимации входного светового потока, испускаемого соответствующим пятном 510, в параллельный световой пучок и фокусировки его в слое 302 образца в блоке 300 хранения.
В каждом параллельном световом пучке 504 между коллиматорной линзой 202 и соответствующей фокусирующей линзой 203 расположен маскирующий элемент 204 для перекрытия (экранирования) центральной части упомянутого светового пучка 504. Как подробно изложено со ссылкой на фиг.3, остающаяся часть светового пучка достигает границы раздела между стороной образца носителя 301 в виде пластины и слоем 302 образца под углами, которые достаточно велики для эффекта полного внутреннего отражения TIR. Следовательно, световые пятна 501 в слое 302 образца будут формироваться только затухающими волнами.
Хотя маскирующие элементы 204 показаны в параллельном световом пучке 504 между линзами 202 и 203, они могут также располагаться перед коллиматорными линзами 202 или за фокусирующими линзами 203. К данным вариантам осуществления относятся такие же замечания, которые приведены выше в отношении положения блока 110 формирования пучка на фиг.3.
На фиг.5 дополнительно изображены регистрирующие элементы 400, каждый из которых расположен с задней стороны (т.е. со стороны, обращенной к блоку 300 хранения) маскирующих элементов 204. Данные регистрирующие элементы 400 способны обнаруживать флуоресцентный свет 503, испускаемый из слоя 302 образца в обратном направлении.
Кроме того, на фиг.5 изображен вариант осуществления изобретения для измерения флуоресцентного света 502, испускаемого в прямом направлении молекулами в слое 302 образца, которые индуцируются входным световым потоком 504. Упомянутый флуоресцентный свет 502 фокусируется одной фокусирующей (макро)линзой 403 в плоскости изображения регистрирующего устройства 401. В предпочтительном варианте линза 403 имеет такой же показатель преломления, что и плоская крышка 304 для исключения отражения на поверхности раздела между данными двумя компонентами. Регистрирующее устройство может представлять собой, например, матрицу ПЗС 401, которая позволяет измерять, с пространственным разрешением, флуоресценцию, возникающую в пятнах слоя 302 образца.
Вместо одной фокусирующей линзы 403 можно также использовать матрицу микролинз (аналогичных линзам 203). Аналогично, микролинзы 202 и/или 203 можно заменить одной макролинзой. Кроме того, можно также объединить применение маскирующих элементов 204 и/или регистрирующих элементов 400 с распространением входного светового потока с помощью эффекта Тальбота, как показано на фиг.2 (в данном случае не требуются линзы 202, 203).
Недостаток измерения флуоресценции в прямом направлении состоит в том, что сигнал 502 должен распространяться через такие компоненты, как камера с образцом, плоская крышка 304 и одна или несколько линз, что приводит к образованию паразитного сигнала (например, вследствие флуоресценции) в данных компонентах. Регистрация флуоресценции в обратном направлении исключает данные проблемы. Кроме того, при измерении в обратном направлении плоская крышка 304 не обязательно должна быть прозрачной.
На фиг.6 изображен вариант осуществления изобретения для измерения флуоресцентного света 503 в обратном направлении. Аналогично устройству на фиг.5, исходные световые пятна, формируемые с помощью MSG 100, коллимируются микролинзами 202 и фокусируются фокусирующими микролинзами 203 в световые пятна 501 подсветки образца в слое 302 образца. И снова маскирующие элементы 204 за коллиматорными линзами 202 перекрывают центральные части световых пучков 504 и, тем самым, гарантируют, что световые пятна 501 подсветки образца создаются только затухающими волнами.
В отличие от фиг.5, между маскирующими элементами 204 и фокусирующими линзами 203 расположен дихроичный делитель пучка, состоящий из двух призм или клиньев 206, 207. Данный делитель пучка содержит такое покрытие, что оно пропускает входной световой поток 504 и отражает флуоресцентный свет 503. Естественно, изобретение не исключает применения других средств разделения возбуждающего и флуоресцентного света.
Флуоресцентный свет 503, испускаемый возбужденными молекулами в слое 302 образца, распространяется в обратном направлении (т.е. противоположно возбуждающему свету) через носитель 301 в виде пластины, фокусирующие линзы 203 и правый клин 207. На наклонной грани упомянутого клина 207 флуоресцентный свет 503 отражается под прямыми углами к фокусирующей линзе 404, которая отображает его на матрицу ПЗС 402. Поэтому флуоресцентный свет можно измерять отдельно и без возмущений, вызванных возбуждающим светом 504.
Следует отметить, что ширина пятна флуоресценции, сведенного фокусирующими линзами 203, определяется числовой апертурой данных линз; в предположении, что линзы 202 и 203 обладают идентичными числовыми апертурами, можно понять, что ширина пятна сведения флуоресценции, приблизительно идентична ширине коллимированного возбуждающего пучка 504.
Разумеется, вариант осуществления на фиг.6 можно различным образом модифицировать, например, путем замены одной макролинзы микролинзами и наоборот.
На фиг.7 изображен вариант осуществления изобретения исследовательского устройства, подобный варианту на фиг.6 с измерением флуоресценции в обратном направлении. На данной фигуре не показаны детали MSG 100 и секции 200 передачи и для ясности показано только одно репрезентативное световое пятно 501 подсветки образца. Как подробно поясняется в Международной публикации WO 02/059583 A1, флуоресцентный свет, индуцированный в слое 302 образца, может разделяться на разные компоненты или моды в зависимости от характеристик его распространения в соседних материалах. Одна мода, которая представляет особый интерес в рассматриваемом случае, является, так называемой SC-модой, которая содержит весь флуоресцентный свет, который распространяется из слоя 302 образца в стеклянный носитель 301 под такими углами, при которых он претерпевает полное внутреннее отражение на (плоской) наружной стороне носителя 301 в виде пластины. Поэтому свет SC-мод обычно является потерянным для процесса регистрации.
Чтобы обеспечить использование данного света в процессе регистрации, предлагается, как показано в Международной публикации WO 02/059583 A1, дифракционная решетка 305 на внешней стороне носителя 301. Решетка действует таким образом, что свет SC-мод выводится из стеклянного носителя 301 и распространяется в обратном направлении в виде световых пучков 505, 506, которые выделены на фиг.7 (свет других мод не показан для большей ясности). Свет данных SC-мод отражается от задней стороны дихроичной призмы 207 делителя пучка (аналогично варианту осуществления на фиг.6) и проецируется фокусирующей линзой 404 на регистрирующее устройство 402.
На фиг.8 схематично показан вариант осуществления исследовательского устройства со сканирующим блоком 205, расположенным за MSG 100 в оптическом пути. С помощью данного сканирующего блока 205 матрицу исходных световых пятен, сформированных посредством MSG, можно направлять на разные подобласти слоя 302 образца в блоке 300 хранения.
При возбуждении материала образца одним световым пятном, например, с использованием подвижного блока оптической головки считывания (OPU) CD/DVD-плеера над неподвижным образцом, максимальная мощность возбуждения флуоресценции ограничена насыщенной интенсивностью флуоресценции. Время измерения можно сократить и/или чувствительность можно повысить за счет использования дополнительной предусмотренной мощности лазера для применения многоточечного способа, который является объектом настоящего изобретения. В таком случае формирование множества пятен и сканирование ими должно осуществляться просто и экономично и, предпочтительно, без подвижных элементов.
Первый шаг для достижения решения вышеупомянутой задачи заключается в использовании эффекта Тальбота (см. фиг.2), так как данный эффект допускает отображение (периодической) матрицы распространяющихся пятен на периодических расстояниях без помощи линз. При этом для детального исследования всего слоя образца требуется сканировать только область, перекрываемую соседними пятнами. Для сканирования множеством пятен можно использовать динамический сканирующий блок 205, содержащий, например, подвижные оптические элементы в виде линз или зеркал.
Другая возможность перемещения матрицы из множества световых пятен по образцу заключается в сканировании MSG. Если, например, в MSG применяется апертурная матрица 102, показанная на фиг.2, то для перемещения световых пятен 501 подсветки образца необходимо смещать только апертуры. В данном варианте осуществления не требуются подвижные линзы.
Характерной особенностью исследовательского устройства на фиг.8 является регистрация единичного события параллельными световыми пятнами в сканирующей оптической конфигурации. Регистрация единичного события требует от испускаемого излучения некоторой минимальной мощности и энергии для регистрации датчиком. Выбор режима мощности детально проработан в следующем разделе.
Флуорофоры можно приблизительно разделить на разные группы в зависимости от времени свечения τfluor, сечения поглощения σabs и квантового выхода флуоресценции ϕ (см. S.W. Hell, and J. Wichmann, Opt. Lett. 19, 780, 1994),
| например, цианин, Alexa, флуоресцеин: | τfluor ~1-5 нс, σabs~10-16 см2, ϕ=0,5-1 |
| например, Ru, Ir: | τfluor ~1 мкс, σabs~10-16 см2, ϕ=0,1-0,8 |
| например, Eu, Tb: | τfluor ~1 мс, σabs<<10-16 см2, ϕ=0,1-0,5 |
| гранулы, например, 200 нм в диаметре: |
σabs~10-12-10-14 см2 |
| квантовые точки: | σabs~10-15-10-16 см2 |
Насыщенная интенсивность возбуждения флуоресценции равна
где h - постоянная Планка, c - скорость света и λ - длина волны поглощенного света. Установлено, что при площади 0,2 мкм2 (соответствующей размеру оптического пятна блока оптической головки считывания DVD-плеера с числовой апертурой 0,6 и длиной волны 650 нм) насыщенная интенсивность возбуждения флуоресценции Is составляет от нескольких мкВт до нескольких мВт. Таким образом, в зависимости от используемых флуорофоров и максимальной располагаемой мощности лазера (например, 100 мВт на образце) можно параллельно использовать от нескольких (2-100) до множества (100-100000) пятен Тальбота для сканирования чувствительной матрицы.
Флуоресцентный свет, возбужденный распространяющимися пятнами Тальбота, можно регистрировать для прямого и обратного направлений распространения.
Схема регистрации флуоресценции в прямом направлении показана на фиг.8. Пятна Тальбота можно формировать различными оптическими компонентами, например маской с открытыми и перекрытыми участками, многомодовым интерферометром, дифракционной структурой для формирования матрицы точек, матрицей линз или матрицей VCSEL. Сканирование пятнами Тальбота по слою 302 образца можно осуществлять сканированием многоточечного источника света в поперечном направлении. Сканирующий блок 205, расположенный за MSG 100, допускает сканирование пятнами Тальбота. Слой 302 образца блока 300 хранения расположен в первой плоскости Тальбота. Минимальный размер пятна определяется дифракционным пределом.
Светофильтр 405 с другой стороны блока 300 хранения служит для отделения возбуждающего света 504 от флуоресцентного света 502 с красным сдвигом. Флуоресцентные события связывания проецируются на многоэлементный регистратор 401 с помощью ахроматической линзы 403 (из-за невозможности снова использовать эффект Тальбота для проецирования флуоресцентных событий связывания на регистратор, так как флуоресцентный свет не когерентен и не обязательно обладает пространственной периодичностью).
Сервосигналы для фокусировки и отслеживания могут формироваться некоторыми пятнами, например четырьмя пятнами в углах матрицы из множества пятен. Сигнал, отраженный от поверхности раздела с водой, можно использовать для фокусировки и компенсации наклона. Биполярный сигнал от предварительно размеченных штрихов в углах образца можно использовать для отслеживания. Привод образца с тремя степенями свободы можно использовать для оптимизации расстояния между источником света и образцом и наклона между двумя данными компонентами.
Регистрация флуоресцентного света может также осуществляться в обратном направлении, так как излучение является изотропным. Аналогично вариантам осуществления на фиг.6 и 7, в таком случае требуется дихроичный делитель пучка для направления в обратном направлении флуоресцентного света к регистратору. В предпочтительном варианте длину дихроичного делителя пучка выбирают так, чтобы, без учета аберраций, на выходе делителя пучка было изображение Тальбота со входа. В таком случае входная грань делителя пучка должна находиться в плоскости, в которой создается изображение Тальбота матрицы входных пятен, и сторона образца носителя 301 должна находиться в плоскости, в которой создается изображение Тальбота с выхода делителя пучка. Возможны также другие конфигурации, в которых входная и выходная грани делителя пучка не являются плоскостями Тальбота при условии, что изображение на стороне образца носителя 301 является изображением Тальбота (без учета аберраций) матрицы входных пятен.
Размер дихроичного делителя пучка будет приблизительно равен 1 мм для чувствительной матрицы с размером 1×1 мм2. Расстояние до первой плоскости Тальбота (в воздухе) при шаге пятен 20 мкм и длине волны 500 нм составляет 1,6 мм. В таком примерном случае чувствительная матрица 1×1 мм2 будет одновременно сканироваться 50×50 пятнами Тальбота.
Недостатком флуоресценции в прямом направлении является поглощение в жидкости образца, по меньшей мере, для динамического измерения. При измерении в самом конце раствор можно заменить промывной жидкостью (которая может быть необходима в любом случае). Измерение непосредственно в крови, несомненно, является предпочтительным, если только возможно.
Наконец, следует подчеркнуть, что в настоящем изобретении термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, что единственное число не исключает множественного числа, и что один процессор или другой блок может выполнять функцию нескольких средств. Изобретение состоит в каждом новом отличительном признаке и каждой комбинации отличительных признаков. Кроме того, вышеприведенное описание фигур и предпочтительных вариантов осуществления изобретения предназначено для пояснения, но не ограничения, и позиции в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие объем ее притязаний.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
100 многоточечный формирователь MSG
101 (когерентный) источник света
102 маска
103 коллиматорная линза
104 фокусирующая линза
105 основной световой пучок/основное световое пятно
106 многомодовый интерферометр MMI
110 блок формирования пучка
111 маскирующий элемент
112 вогнутое зеркало
113 выпуклое зеркало
200 секция передачи
201 картина Тальбота
202 коллиматорная микролинза
203 фокусирующая микролинза
204 маскирующий элемент
205 сканирующий блок
206 призма дихроичного делителя пучка
207 призма дихроичного делителя пучка
300 блок хранения
301 носитель в виде пластины
302 слой образца
303 камера с образцом
304 плоская крыша
305 дифракционная структура
400 регистрирующий элемент
401 регистратор в прямом направлении
402 регистратор в обратном направлении
403 фокусирующая линза
404 фокусирующая линза
405 светофильтр
501 световое пятно подсветки образца
502 флуоресценция в прямом направлении
503 флуоресценция в обратном направлении
504 входной (возбуждающий) световой поток
505 флуоресценция SC-моды
506 флуоресценция SC-моды
510 исходные световые пятна
1. Устройство для обработки материала образца светом, содержащее
a) блок (300) хранения с прозрачным носителем (301) и слоем образца (302), который расположен в непосредственной близости с одной стороной носителя («стороной образца») носителя (301);
b) многоточечный формирователь MSG (100) для формирования входного светового потока (504), причем упомянутый MSG выполнен с возможностью формирования матрицы исходных световых пятен (510) когерентного света, которые создают картину (201) Тальбота;
c) секцию (200) передачи для передачи упомянутого входного светового потока на носитель (301), при этом весь входной световой поток, достигающий внутренней поверхности стороны образца носителя (301), претерпевает на ней полное внутреннее отражение, и матрица световых пятен (501) подсветки образца формируется в слое (302) образца затухающими волнами.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что MSG (100) содержит амплитудную маску (102), фазовую маску, голографическую маску, дифракционную структуру, микролинзовую матрицу, матрицу плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами (VCSEL) и/или многомодовый интерферометр (106) для формирования матрицы исходных световых пятен (510) на выходной стороне MSG (100).
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что MSG (100) содержит источник (101) света для формирования основного светового пучка (105) и оптический мультиплицирующий блок, в частности, многомодовый интерферометр (106), для расщепления основного светового пучка на матрицу исходных световых пятен (510) на выходной стороне MSG (100).
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что MSG (100) содержит блок (110) формирования пучка для формирования основного светового пучка (105), и в частности, маскирующий элемент (111), преломляющий элемент и/или отражающий элемент (112, 113) для перекрывания некоторых частей основного светового пучка.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит маскирующую матрицу поглощающих элементов (204), отражающих элементов и/или преломляющих элементов для перекрывания частей входного светового потока, формируемого посредством MSG (100), которые не претерпевали бы полное внутреннее отражение на стороне образца носителя (301).
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один регистрирующий элемент (400) расположен в тени, по меньшей мере, одного маскирующего элемента (204) маскирующей матрицы.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, одно регистрирующее устройство (400, 401, 403) для регистрации света, сформированного в слое (302) образца.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что регистрирующее устройство содержит матрицу регистрирующих элементов, в частности, матрицу ПЗС (401, 402), и оптическую систему (403, 404) для отображения слоя (302) образца на упомянутую матрицу.
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что секция (200) передачи содержит делитель (206, 207) пучка, который направляет входной световой поток из MSG (100) на слой (302) образца и свет от слоя (302) образца на регистрирующее устройство (402).
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью смещения матрицы световых пятен (501) подсветки образца относительно слоя (302) образца.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит сканирующий блок для селективного направления входного светового потока, сформированного посредством MSG (100).
12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что выполнено с возможностью идентификации и повторного определения координат световых пятен подсветки образца относительно слоя (302) образца.
13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на наружной стороне носителя (301) обеспечены дифракционные структуры (305), которые выполнены с возможностью вывода из носителя (301) такого света (505, 506), который претерпевал бы полное внутреннее отражение без указанных структур.
14. Устройство для обработки материала образца светом, содержащее
a) блок хранения (300) с прозрачным носителем (301) и слоем образца (302), который расположен в непосредственной близости с одной стороной носителя («стороной образца») носителя (301);
b) многоточечный формирователь MSG (100) для формирования входного светового потока (504);
c) секцию (200) передачи для передачи упомянутого входного светового потока на носитель (301), причем упомянутая секция содержит
с1) коллиматорное средство (202) для коллимации входного светового потока от MSG в параллельные пучки, и
с2) фокусирующее средство (203) для фокусирования упомянутых параллельных пучков на стороне образца носителя;
d) средство (110, 204) формирования пучка для перекрытия центральных частей упомянутых параллельных пучков таким образом, что весь входной световой поток, достигающий внутренней поверхности стороны образца носителя (301), претерпевает на ней полное внутреннее отражение, и матрица световых пятен (501) подсветки образца формируется затухающими волнами в слое (302) образца.
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что MSG (100) содержит амплитудную маску (102), фазовую маску, голографическую маску, дифракционную структуру, микролинзовую матрицу, матрицу плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами (VCSEL) и/или многомодовый интерферометр (106) для формирования матрицы исходных световых пятен (510) на выходной стороне MSG (100).
16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что MSG (100) содержит источник (101) света для формирования основного светового пучка (105) и оптический мультиплицирующий блок, в частности, многомодовый интерферометр (106), для расщепления основного светового пучка на матрицу исходных световых пятен (510) на выходной стороне MSG (100).
17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что MSG (100) содержит блок (110) формирования пучка для формирования основного светового пучка (105), в частности, маскирующий элемент (111), преломляющий элемент и/или отражающий элемент (112, 113) для перекрывания некоторых частей основного светового пучка.
18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что MSG (100) выполнен с возможностью формирования матрицы исходных световых пятен (510) в когерентном свете, который формирует картину (201) Тальбота.
19. Устройство по п.14, отличающееся тем, что содержит маскирующую матрицу поглощающих элементов (204), отражающих элементов и/или преломляющих элементов для перекрывания частей входного светового потока, формируемого посредством MSG (100), которые не претерпевали бы полное внутреннее отражение на стороне образца носителя (301).
20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один регистрирующий элемент (400) расположен в тени, по меньшей мере, одного маскирующего элемента (204) маскирующей матрицы.
21. Устройство по п.14, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, одно регистрирующее устройство (400, 401, 403) для регистрации света, сформированного в слое (302) образца.
22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что регистрирующее устройство содержит матрицу регистрирующих элементов, в частности, матрицу ПЗС (401, 402), и оптическую систему (403, 404) для отображения слоя (302) образца на упомянутую матрицу.
23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что секция (200) передачи содержит делитель (206, 207) пучка, который направляет входной световой поток из MSG (100) на слой (302) образца и свет от слоя (302) образца на регистрирующее устройство (402).
24. Устройство по п.14, отличающееся тем, что выполнено с возможностью смещения матрицы световых пятен (501) подсветки образца относительно слоя (302) образца.
25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что содержит сканирующий блок для селективного направления входного светового потока, сформированного посредством MSG (100).
26. Устройство по п.24, отличающееся тем, что выполнено с возможностью идентификации и повторного определения координат световых пятен подсветки образца относительно слоя (302) образца.
27. Устройство по п.14, отличающееся тем, что на наружной стороне носителя (301) обеспечены дифракционные структуры (305), которые выполнены с возможностью из вывода носителя (301) такого света (505, 506), который претерпевал бы полное внутреннее отражение без указанных структур.
28. Способ обработки материала образца светом, при этом упомянутый материал расположен в слое (302) образца, находящемся в непосредственной близости с одной стороной («стороной образца») прозрачного носителя (301), содержащий этапы, на которых обеспечивают распространение входного светового потока через носитель (301) так, чтобы упомянутый поток претерпевал полное внутреннее отражение во множестве точек на внутренней поверхности стороны образца и, тем самым, формировал матрицу световых пятен (501) подсветки образца в слое (302) образца затухающими волнами, при этом формируют матрицу исходных световых пятен (510) в когерентном свете, из которых входной световой поток распространяется посредством эффекта Тальбота.
29. Способ по п.28, отличающийся тем, что формируют основной световой пучок (105) и расщепляют на матрицу световых пучков.
30. Способ по п.28, отличающийся тем, что регистрируют световой сигнал, испускаемый материалом образца в световых пятнах (501) подсветки образца.
31. Способ по п.30, отличающийся тем, что световой сигнал, который не мог бы выйти из носителя (301) из-за полного внутреннего отражения, выводят путем дифракции.
32. Способ по п.28, отличающийся тем, что слой (302) образца сканируют матрицей световых пятен (501) подсветки образца, при этом идентичные координаты матрицы воспроизводят, по меньшей мере, один раз.
33. Способ обработки материала образца светом, в котором упомянутый материал расположен в слое (302) образца, находящемся в непосредственной близости с одной стороной («стороной образца») прозрачного носителя (301), содержащий этапы, на которых
формируют матрицу исходных световых пятен (510);
коллимируют свет исходных световых пятен (510) в параллельные пучки входного светового потока;
фокусируют упомянутые параллельные пучки на стороне образца носителя;
обеспечивают перекрытие центральных частей упомянутых параллельных пучков таким образом, что весь входной световой поток, достигающий внутренней поверхности стороны образца носителя (301), претерпевает на ней полное внутреннее отражение, и матрица световых пятен (501) подсветки образца формируется затухающими волнами в слое (302) образца.
34. Способ по п.33, отличающийся тем, что формируют основной световой пучок (105) и расщепляют на матрицу световых пучков.
35. Способ по п.33, отличающийся тем, что регистрируют световой сигнал, испускаемый материалом образца в световых пятнах (501) подсветки образца.
36. Способ по п.35, отличающийся тем, что световой сигнал, который не мог бы выйти из носителя (301) из-за полного внутреннего отражения, выводят путем дифракции.
37. Способ по п.33, отличающийся тем, что слой (302) образца сканируют матрицей световых пятен (501) подсветки образца, при этом идентичные координаты матрицы воспроизводят, по меньшей мере, один раз.
