JP2020501153A - 屈折率を決定するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

サンプル(12)の屈折率(ns)を決定するための装置(100)、方法及びカートリッジ(10)が提供される。装置(100)は、サンプル(12)を受け入れるカートリッジ(10)と、カートリッジ(10)を光ビーム（106)で照射する光源(104)、カートリッジ(10)の画像(122a)をキャプチャするイメージセンサ(108)、対物レンズ(114)、及びキャプチャされた画像(122a)を分析するプロセッシングモジュール(116)を有する撮像ユニット(102)とを有する。カートリッジ(10)は光ビーム(106)を屈折及び／又は回折させるように構成された光学素子(20)を有し、対物レンズ(114)はビーム(106)の屈折及び／又は回折された部分を受けるように構成される。プロセッシングモジュール(116)はキャプチャされた画像(122a)の画像強度を分析することによってサンプル(12)の透過率(T)及び／又は反射率(R)を決定し、透過率(T)及び／又は反射率(R)に基づいてサンプル(12)の屈折率(ns)を決定するように構成される。

Description

本発明は、概して、サンプル及び／又はサンプル材料の屈折率の決定及び／又は測定に関する。特に、本発明は、サンプルの屈折率を決定するための装置、そのような装置で使用されるカートリッジ、及びサンプルの屈折率を決定する方法に関する。

サンプル及び／又はサンプル材料の屈折率（refractive index；ＲＩ）を決定及び／又は測定するために様々な方法及び／又は装置が一般的に使用されている。

それらの方法のうちの１つは、臨界角の検出に基づいており、臨界角とは、異なる屈折率の２つの媒質によって画成される境界で光が全反射される最小入射角を指す。しかしながら、全反射の現象は、高ＲＩ材料から低ＲＩ材料へ伝播する光に対してのみ生じる。故に、ＲＩを決定するそのような方法は、例えば、所謂アッベ（Abbe´）及びプルフリッヒ（Pulfrich）の屈折計に適用されているが、物理的な制約のために一定の制限を有する。

更なる一般的に使用されているアプローチは、ブリュースター角の検出に基づいており、ブリュースター角とは、異なる屈折率の媒質間の平面境界での光の入射角を指し、ブリュースター角でｐ偏光の反射が消失する。臨界角と同様に、この現象は高ＲＩ材料から低ＲＩ材料へ伝播する光に対してのみ起こる。

他の広く使用されている方法は、表面プラズモン共鳴（surface plasmon resonance；ＳＰＲ）に基づいている。例として、所謂クレッチマン（Kretschmann）プリズムセンサはＳＰＲ原理を実現した周知のものである。

ＲＩを決定するための他の方法は、屈折による角度的なビーム偏向に基づいており、それでは、未知の流体を有する容器に光ビームが導かれる。容器の幾何学構成及びＲＩは既知であると仮定される。ビームの出射方向は、ビームが通過する境界、特に容器−流体境界に依存する。何故なら、屈折はその流体のＲＩに敏感であるからである。故に、出射ビーム方向及び／又は入射ビームと出射ビームとの間のオフセットの測定が、流体のＲＩに関する指標を提供する。この方法を採用している装置の一例は、所謂ヒルガーチャンス（Hilger-Chance）角度偏向屈折計である。

流体の屈折率を測定するための他の方法は、２つの光ビームの干渉に基づいており、例えばマイケルソン（Michelson）干渉計に適用されて使用されているものなどである。一般に、そのような二ビーム干渉計方式では、一方のビームが未知の流体中を伝播され、他方のビームが既知の材料中を伝播されるので、２つのビーム間に位相差が生じる。２つのビーム間に２πの位相シフトを生成するのに必要な流体体積の変位量を測定することによって、流体のＲＩを決定することができる。

本発明の１つの目的は、現在使用されているシステム及び方法の欠点の少なくとも一部を解消しながら、正確で、コスト効率がよくて、ロバストなやり方で、サンプルの屈折率（ＲＩ）及び／又は他のパラメータを決定する装置及び方法を提供することとし得る。

この目的は独立請求項の事項によって達成され、更なる実施形態が従属請求項及び以下の説明に組み込まれる。

本発明の第１の態様によれば、サンプルの屈折率及び／又はサンプル材料の屈折率を決定及び／又は測定するための装置が提供される。当該装置は、サンプルを受け入れるカートリッジと、撮像ユニットとを有する。それにおいて、撮像ユニットは、光ビームを放射してカートリッジの少なくとも一部を該光ビームで照射する光源を有する。撮像ユニットは更に、カートリッジの一部の画像をキャプチャする複数の感光画素を有するイメージセンサ、光源とイメージセンサとの間の光路内に配置された対物レンズ、及びキャプチャされた画像を分析するプロセッシングモジュールを有する。

それにおいて、カートリッジは、光ビームの少なくとも一部を屈折及び／又は回折させるように構成された光学素子を有し、対物レンズは、光ビームの屈折及び／又は回折された部分を受けるように及び／又は集めるように構成される。また、プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像の画像強度を分析することによって、サンプルの透過率及び／又は反射率を決定するように構成され、且つプロセッシングモジュールは、透過率に基づいて、且つ／或いは反射率に基づいて、サンプルの屈折率を決定するように構成される。

本発明の第２の態様によれば、上述の及び後述の装置で使用されるカートリッジが提供される。

本発明の第３の態様によれば、サンプルの屈折率を決定する方法が提供される。

なお、装置の特徴、要素、特性及び／又は機能は、カートリッジの特徴、要素、特性及び／又は機能、並びに方法の特徴、要素、特性及び／又はステップとなり得る。逆に、上述の及び後述の、カートリッジの特徴、要素、特性及び／又は機能、並びに方法の特徴、要素、特性及び／又はステップは、装置の特徴、要素、特性及び／又はステップとなり得る。換言すれば、本発明の１つの態様に関して述べられる全ての特徴、機能、特性、及び／又は要素が、本発明のその他の態様のいずれかを参照してのものともなり得る。

ここでは及び以下では、サンプルは、例えば気体及び／又は液体の材料を有するサンプルなどの流体サンプル、並びに固体材料を有するサンプルを指し得る。また、本発明は、流体と固体材料との混合物を有するサンプルにも適用され得る。例として、サンプルは尿サンプルとし得る。また、本出願の文脈において、用語“サンプル”は“サンプル材料”を指し得る。

ここでは及び以下では、用語“撮像ユニット”は、少なくとも光源、イメージセンサ及びプロセッシングモジュールを有する撮像構成を指し得る。それにおいて、“イメージセンサ”は、光を検出するための、及び／又は、光を、例えばプロセッシングモジュールによって更に処理され得るものである電気信号へと変換するための、画像検出器を表し得る。例えば、イメージセンサは、例えばＣＣＤ及び／又はＣＭＯＳに基づく画素などの感光画素のアレイを有し得る。感光画素のアレイは一次元であってもよいし、すなわち、イメージセンサはラインセンサアレイを有していてもよいし、あるいは二次元であってもよい。

用語“プロセッシングモジュール”は、本出願の文脈において、とりわけ画像処理用に構成された、プロセッシングユニット、プロセッシング回路及び／又は処理回路を指し得る。プロセッシングモジュールは、少なくとも部分的に撮像ユニットに統合され且つ／或いは撮像ユニット内に配置され得る。それに代えて、プロセッシングモジュールは、撮像ユニットの残りのコンポーネントから離して且つ／或いは遠隔に配置され得る。

また、光源は、任意の波長の光を発する任意の照明デバイスを指し得る。光源は、例えば、白色光源又はレーザ源を指し得る。

また、装置は、例えば顕微鏡などの撮像システムに、部分的に又は完全に統合されてもよい。従って、装置は、顕微鏡を指すことができ、透過モード及び／又は反射モードで動作され得る顕微鏡を指すことがある。

本発明の第１の態様を言い換えると、装置は、撮像ユニットと、その中及び／又はその上にサンプルが配置され得るカートリッジとを有する。光源から放射方向に放たれた光は、光源からイメージセンサへの光路に沿って光ビームの形態で伝播し得る。これは、カートリッジ及び／又はサンプルを通り抜ける光線の透過と、カートリッジ及び／又はサンプル上での光線の反射とを有する。サンプルと光学素子とを備えたカートリッジを光路内に配置することができ、光ビームの少なくとも一部が、光学素子によって屈折及び／又は回折され得る。それにおいて、屈折は、異なる屈折率を有する材料内での光ビームの異なる伝播速度によって引き起こされる光ビームの光波の方向変化を指し得る。従って、屈折はビーム方向の変化につながり、放射方向に光学素子に突き当たる光ビームは、放射方向に等しい又は異なる少なくとも１つの更なる方向に向けられ得る。従って、屈折はまた、光ビームの少なくとも一部の反射につながり得る。一方、回折は、光学素子によって提供される障害物及び／又は開口部における光ビームの光波の曲げを指し、回折パターン及び／又は少なくとも１つの回折次数が生成され得る。換言すれば、光ビームの少なくとも一部が、少なくとも１つの回折次数へと回折され得る。さらに、光ビームの少なくとも一部の回折はまた、少なくとも１つの反射次数への光ビームの少なくとも一部の反射につながり得る。

また、光ビームの屈折及び／又は回折された部分は、対物レンズによって少なくとも部分的に集められることができ、代わって対物レンズが、光ビームの屈折及び／又は回折された部分の像をイメージセンサ上に生成及び／又は形成し得る。対物レンズはまた、ある一定の拡大を示し得る。対物レンズによって形成された像は、感光画素のうちの少なくとも一部によって検出されることができ、それぞれの感光画素に突き当たった光の強度と相関のある電気信号が生成及び／又は出力される。そして、プロセッシングモジュール及び／又は撮像ユニットが、少なくとも対物レンズによって形成された像を検出した感光画素の部分の電気信号を評価し得る。プロセッシングモジュール及び／又は撮像ユニットはまた、キャプチャされた画像のデジタル画像データを例えば装置のデータ記憶デバイスに格納し、該デジタル画像データを更に処理するように構成され得る。従って、キャプチャされた画像はデジタル画像データを指し得る。光強度と相関する感光画素の電気信号を評価することによって、及び／又はデジタル画像データを評価することによって、プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像の画像強度を分析し、それからサンプルの透過率及び／又は反射率を導出し得る。透過率及び／又は反射率に基づいて、プロセッシングモジュールは最終的にサンプルの屈折率を導出、決定及び／又は計算し得る。

概して、キャプチャされた画像、及び／又はキャプチャされた画像の画像強度を評価することによって、装置は、屈折率を決定するためのロバストで費用効率が良くて正確なアプローチを提供し得る。さらに、これは、例えばサンプルに含有される不純物によって推測される補正を屈折率の測定結果を適用することを可能にする。例として、尿の屈折率を決定すべき場合、粒子、ダスト、バクテリア、又はこれらに類するものが、尿の屈折率の測定及び／又は決定におけるバイアスを生じさせることがある。そのようなバイアス及び／又は不純物は、以下にて更に詳細に説明される装置を用いて容易に補正され得る。また、例えば、酵母などの発酵過程に起因する添加剤及び／又は不純物を含有するサンプルの屈折率を決定する場合、この装置は、それらの不純物を補正するために有利に使用されることができる。

それとは別に、多くの一般的に知られている方法とは対照的に、本発明に従った装置は、明確に画成されたビーム及び／又はビーム配向を必要とせず、例えば、精密なコリメーション及び／又はビームの特定の入射角などを必要としない。従って、この装置は、ロバストで費用効率が良くて正確な屈折率の決定を提供し得る。さらに、この装置は、例えば顕微鏡などの撮像システムに容易に統合され且つ／或いは組み込まれることができ得る。

また、有利なことに、この装置は、屈折率を決定するための干渉計法と共通して、固有の位相感度及び故に正確さを有し得るが、この装置は、干渉計と比較して、装置の固定され且つ／或いは静止したコンパクトな幾何学構成により、実際の使用において高度に単純化され得る。さらに、本発明の装置においては、既知の方法とは対照的に、角度的なビーム品質はクリティカルではないとし得る。これは概して、例えば撮像システムにおける非常に正確なアライメントを必要とせずに、装置のコンパクトで費用効果の良い設計を可能にし得る。

一実施形態によれば、プロセッシングモジュールは、サンプル中の添加剤及び／又は不純物に関係した、キャプチャされた画像内の所定の構造を除去（フィルタリングアウト）するように構成される。換言すれば、プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像から所定の構造を取り除くように構成され得る。所定の構造は、例えば、粒子、ダスト粒子、バクテリア、巨大分子、タンパク質、又はキャプチャされた画像上で視認可能な他の構造を有し、故に、サンプルの屈折率の決定に対するバイアスを示し得る。所定の構造は、例えば、装置のデータ記憶デバイスに含まれたルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像から所定の構造を除去するために、キャプチャされた画像内の所定の構造を自動的に及び／又は半自動的に決定するように構成され得る。これは、所定の構造によって示されるバイアスの補正を可能にし、それにより、屈折率の決定の正確さ及び精度が高められる。このフィルタ機能は、例えば実装されるソフトウェア及び／又は実装されるソフトウェアモジュールによって、プロセッシングモジュール内で実現され得る。

一実施形態によれば、プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像のセグメンテーションに基づいて所定の構造を除外するように構成される。換言すれば、プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像から所定の構造を除去するために、キャプチャされた画像にセグメンテーション技術を適用するように構成され得る。例として、プロセッシングモジュールは、キャプチャされた画像から所定の構造を除去するために、キャプチャされた画像のうち所定の構造が位置している及び／又はキャプチャされている領域を切り取るように構成され得る。故に、プロセッシングモジュールは、所定の構造を含まないものである、キャプチャされた画像のうち粒子のない領域及び／又はセクションを選択するように構成され得る。キャプチャされた画像のうち粒子のない領域及び／又はセクションのみを選択することにより、屈折率測定の品質及び／又は精度が向上され得る。

一実施形態によれば、プロセッシングモジュールは、所定の構造の、形態（モルフォロジ）分析、コントラスト分析、及び／又は分類に基づいて、所定の構造を特定するように構成される。形態分析を参照するに、所定の構造は、例えば、それら所定の構造の特定の構造、幾何学構成、形状、輪郭及び／又はフォームに基づいて特定されることができ、モルフォロジに関係するパラメータが、例えば装置のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。コントラスト分析を参照するに、例えばキャプチャされた画像の平均輝度に対する明るい領域及び／又は暗い領域などの、コントラスト変動が、プロセッシングモジュールによって特定され得る。この目的のために、例えばコントラスト及び／又は輝度の閾値が、例えば装置のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。分類を参照するに、プロセッシングモジュールは、それぞれの構造の特徴によって特定の所定の構造を分類するために、分類器を適用することによって機械学習するように構成され得る。そのような特徴及び／又は分類基準が、例えば装置のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。

一実施形態によれば、プロセッシングモジュールは、感光画素の少なくとも一部の画素強度値を決定するように構成され、プロセッシングモジュールは、決定された画素強度値の平均強度値に基づいて透過率及び／又は反射率を決定するように構成される。従って、プロセッシングモジュールは、画素強度値に基づいて平均強度値を決定するように構成され得る。平均強度値は、透過率及び／又は反射率についての信頼できる指標を提供し得る。故に、平均強度値を評価することにより、そして、それから反射率及び／又は透過率を導出することにより、屈折率が信頼性をもって正確に決定され得る。

一実施形態によれば、プロセッシングモジュールは、平均強度値と基準強度値との比に基づいて透過率及び／又は反射率を決定するように構成され、基準強度値は装置のルックアップテーブル及び／又はデータベースに格納されている。平均強度値と基準強度値との比は、反射率及び／又は透過率に比例することがあり、代わってそれらはサンプルの屈折率の関数であり得る。故に、この比を決定及び／又は計算することにより、屈折率が正確に決定され得る。基準強度値は、例えば、厳密結合波解析、モード法及び／又はＣｈａｎｄｅｚｏｎ法などの十分に確立された理論モデルに基づいて計算され得る。また、基準強度値は、較正測定にて決定されて、例えばルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶されてもよい。

一実施形態によれば、カートリッジは、光学素子が配置された第１の領域と、第２の領域とを有する。第２の領域は、光学素子を含んでいない及び／又は光学素子を全く含んでいないとし得る。換言すれば、第２の領域は、光学素子がないようにされることができ、及び／又は光学素子は第１の領域内にのみ配置され得る。撮像ユニットは、キャプチャされた画像が第１の領域の第１の画像セクションと第２の領域の第２の画像セクションとを有するように構成され、プロセッシングモジュールは、第１の画像セクションをキャプチャした感光画素の第１の平均強度値と、第２の画像セクションをキャプチャした感光画素の第２の平均強度値との比に基づいて、透過率及び／又は反射率を決定するように構成される。故に、プロセッシングモジュールは、第１の画像セクションをキャプチャした感光画素の第１の平均強度値と、第２の画像セクションをキャプチャした感光画素の第２の平均強度値とを決定するように構成され得る。第２の平均強度値は基準強度値を指し得る。第１の平均強度値と第２の平均強度値との比は、反射率及び／又は透過率に比例することがあり、代わってそれらはサンプルの屈折率の関数であり得る。故に、この比を決定及び／又は計算することにより、屈折率が正確に決定され得る。

一実施形態によれば、プロセッシングモジュールは、サンプルの決定された屈折率と変換関数とに基づいて、サンプルの比重値を決定するように構成される。変換関数は、例えば、屈折率に依存する例えば多項式関数、線形関数又は他の関数などの数学関数とし得る。変換関数のパラメータ及び／又はパラメータ値が、例えばルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。変換関数及び／又は対応するパラメータは、測定値及び／又は統計分析によって決定され得る。

一実施形態によれば、撮像ユニットは、暗画像をキャプチャするように構成される。暗画像は、光源がオフ状態に切り換えられていて、光源によって光が放たれていないとし得るときにキャプチャされ得る。プロセッシングモジュールは、キャプチャされた暗画像に基づいて暗強度値を決定するように構成され、プロセッシングモジュールは更に、暗強度値を考慮に入れて透過率及び／又は反射率を決定するように構成される。暗画像強度値は、例えば、キャプチャされた画像の平均強度値から減算され得る。これは、屈折率の決定における正確さ及び精度を更に向上させ得る。

一実施形態によれば、光学素子は、光ビームを少なくとも２つの回折次数に回折させるように構成された回折光学素子であり、対物レンズ及び回折光学素子は、対物レンズがこれら少なくとも２つの回折次数を受けるように構成され、撮像ユニットは、これら少なくとも２つの回折次数の２つの別々の画像をキャプチャするように構成される。換言すれば、回折次数ごとに１つの画像が撮像ユニットによってキャプチャされ得る。例えば、一度に１つの回折次数のみをイメージセンサに提供するために、及び／又はこれら少なくとも２つの回折次数の２つの別々の画像をキャプチャするために、これらの回折次数の各々を別々にフィルタリングするように装置及び／又は結像ユニットが構成され得る。対物レンズ及び光学素子は、例えば、それらの特徴的な特性及び／又はパラメータに関して調整及び／又は整合（マッチング）され得る。例として、対物レンズによって受けられ及び／又は集められ得る少なくとも２つの回折次数を解説光学素子が生成するように、対物レンズの開口、及び／又は回折光学素子までの対物レンズの距離が、回折光学素子として機能し得る回折格子のピッチ、溝高さ及び／又は線幅と整合され得る。これら少なくとも２つの回折次数の２つの別々の画像をキャプチャすることにより、屈折率の測定における冗長性を達成することができ、それによって測定の精度を高め得る。また、これら少なくとも２つの回折次数の画像を比較することにより、反射率及び／又は透過率を決定するために基準強度値を考慮に入れる必要がなくなり得る。

一実施形態によれば、光学素子は、光ビームを少なくとも、第１のビーム方向を持つ第１のビーム部分と、第２のビーム方向を持つ第２のビーム部分とに屈折させるように構成された屈折光学素子である。第１のビーム方向は第２のビーム方向とは異なるとし得る。対物レンズ及び屈折光学素子は、対物レンズが第１のビーム部分及び第２のビーム部分を受けるように構成され、撮像ユニットは、第１のビーム部分と第２のビーム部分との２つの別々の画像をキャプチャするように構成される。換言すれば、ビーム部分ごとに１つの画像がキャプチャされ得る。例えば、一度に１つのビーム部分のみをイメージセンサに提供するために、及び／又はこれら少なくとも２つのビーム部分の２つの別々の画像をキャプチャするために、これらのビーム部分の各々を別々にフィルタリングするように装置が構成され得る。例として、屈折光学素子は、ラインごとに配置されて衝突ビームを異なる方向を持つ３つのビーム部分に分割し得るものであるラインプリズムのような構造とし得る。故に、対物レンズのパラメータを調整し且つ／或いはそれらを屈折素子の形状及び／又は構造と整合させることにより、これら少なくとも２つのビーム部分が対物レンズで受けられ及び／又は集められ得る。これら少なくとも２つのビーム部分の２つの別々の画像をキャプチャすることにより、屈折率の測定における冗長性を達成することができ、それによって測定の精度を高め得る。また、これら少なくとも２つのビーム部分の画像を比較することにより、反射率及び／又は透過率を決定するために基準強度値を考慮に入れる必要がなくなり得る。

一実施形態によれば、光学素子は、位相回折光学素子、振幅回折光学素子、屈折素子、及び／又は互いに異なる屈折率の構造を有する素子、のうちの少なくとも１つである。光学素子は、例えば一定のピッチ、溝及び／又は線幅を有する線形格子などの、回折光学素子として機能し得る格子とし得る。そのような格子は、２次元又は３次元とし得る。光学素子はまた、回折光学素子として機能し得るグリッドであってもよい。また、例として、光学素子は、光ビームの少なくとも一部を屈折及び／又は回折させるために使用され得る特定の幾何学形状、例えば、台形、三角形、及び／又はプリズム状の幾何学形状などを有し得る。その幾何学形状が、光学素子の表面上にアレイ状に配列され得る。例えば、光学素子は、光ビームの少なくとも一部を屈折させるように構成されたラインプリズムのアレイを有し得る。

一実施形態によれば、撮像ユニットは、光学切片顕微鏡法を実行するように構成される。それに代えて、あるいは加えて、装置は更に、カートリッジを支持するステージを有することができ、該ステージの主平面に対して撮像ユニットの光源及びイメージセンサが傾けられる。例えば、サンプルの全体画像を取得するために、サンプルが走査され得る。斯くして、判定における精度が高められ得る。

本発明の第２の態様によれば、上述の及び後述の装置で使用されるカートリッジが提供される。当該カートリッジは、第１のプレート、第２のプレート、及び第１のプレートと第２のプレートとの間に配置されたチャンバとを有し、該チャンバは、サンプルを受け入れる及び／又は収容するように構成される。当該カートリッジは更に、光ビームの少なくとも一部を少なくとも１つの回折次数に回折させるように構成された、第１の幾何学形状を持つ第１の回折光学素子と、光ビームの少なくとも一部を少なくとも１つの回折次数に回折させるように構成された、第２の幾何学形状を持つ第２の回折光学素子とを有する。それにおいて、第１の回折光学素子及び第２の回折光学素子は、第１のプレート及び第２のプレートのうちの少なくとも一方上に配置される。第１及び第２の回折光学素子は、同一のプレート上に配置されてもよいし、相異なるプレート上に配置されてもよい。第１及び第２の光学素子は、これらのプレートのうちの少なくとも一方のプレートの面上に配置されることができ、その面がチャンバの方に向けられ及び／又はチャンバと直に接触し得る。チャンバは、第１及び第２のプレートによって形成され及び／又は少なくとも部分的に包囲され得る。また、第１の幾何学形状は、プロファイル形状において、第２の幾何学形状とは異なる。プロファイル形状とは、この文脈において、第１及び第２の幾何学形状それぞれの幾何学的特徴を指し得る。例として、第１及び第２の幾何学形状は、台形、三角形、対称及び／又は非対称な幾何学形状、並びに、例えば特定のピッチ、線幅及び／又は溝高さを持つ特定の格子プロファイル、のうちの少なくとも１つを指し得る。従って、第１の幾何学形状は、例えば、形状、寸法、幾何学構成において、及び／又は第１及び第２のプロファイルの前述の特徴のうちの任意の他のものにおいて、第２の幾何学形状とは異なり得る。これは、第１及び第２の回折光学素子の各々を特定の範囲の屈折率に対して最適化することを可能にし、それにより、単一のカートリッジで広範囲の屈折率を決定することを可能にする。カートリッジはまた、３つ以上の回折光学素子を有していてもよい。

一実施形態によれば、第１の回折光学素子及び第２の回折光学素子は、格子及び／又は回折格子であり、第１の幾何学形状は、ピッチ、溝高さ、及び線幅のうちの少なくとも１つにおいて、第２の幾何学形状と異なる。従って、これらの格子の各々で特定の屈折率範囲が決定され、それにより、単一のカートリッジで広範囲の屈折率を決定することが可能になる。

本発明の第３の態様によれば、サンプルの屈折率を決定する方法が提供される。当該方法は、
・ サンプルと光学素子とを有するカートリッジを用意するステップと、
・ 光源で、カートリッジの少なくとも一部を光ビームで照射するステップと、
・ 光学素子で、光ビームの少なくとも一部を屈折及び／又は回折させるステップと、
・ 対物レンズで、光ビームの屈折及び／又は回折された部分を受けるステップと、
・ イメージセンサで、対物レンズによって生成及び／又は形成された画像をキャプチャするステップと、
・ プロセッシングモジュールで、キャプチャされた画像の画像強度を分析することによって、サンプルの透過率及び／又は反射率を決定するステップと、
・ 透過率に基づいて、且つ／或いは反射率に基づいて、サンプルの屈折率を決定するステップと、
を有する。

なお、装置及び／又はカートリッジに関する上述の及び後述の特徴、特性、要素及び／又は機能が、方法の特徴、特性、要素及び／又はステップとなることができ、その逆もまた然りである。

本発明のこれら及びその他の態様が、以下に記載される実施形態を参照して明らかになる。

以下にて、添付の図面に示す例示的な実施形態を参照して、本発明に係る事項を更に詳細に説明する。
一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置を概略的に示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置を概略的に示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置を概略的に示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置でキャプチャされた画像を示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置でキャプチャされた画像を示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置でキャプチャされた画像を示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置の機能を示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置の機能を示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定するための装置の機能を示している。 一実施形態に従ったカートリッジの上面図を概略的に示している。 一実施形態に従ったサンプルの屈折率を決定する方法のステップを例示するフローチャートを示している。

図面においては、原則として、同一の、同様の、及び／又は類似の部分には同じ参照符号を付す。図は縮尺通りではない。

図１は、一実施形態に従ったサンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するための装置１００を概略的に示している。装置１００は、サンプル１２及び／又はサンプル材料１２を受け入れるカートリッジ１０を有する。

装置１００は更に撮像ユニット１０２を有する。撮像ユニット１０２は、カートリッジ１０の少なくとも一部を光ビーム１０６で照射するための光源１０４を有する。光源１０４は、任意の波長を持つ光ビーム１０６を放射し得る。光源１０４は、例えば、白色光源１０４又はレーザ装置１０４とし得る。

撮像ユニット１０２は更に、光源１０４で照射されたカートリッジの部分の画像１２２ａ、１２２ｂ（図４Ａ、４Ｂ参照）をキャプチャする感光画素１１２のアレイ１１０を有したイメージセンサ１０８を有する。感光画素１１２は、例えば、ＣＣＤベース及び／又はＣＭＯＳベースの画素１１２とすることができ、画素１１２は、突き当たってくる光を電気信号へと変換するように構成される。

撮像ユニット１０２は更に、カートリッジ１０の照射された部分の像をイメージセンサ１０８上に形成するように構成及び／又は配置された対物レンズ１１４を有する。対物レンズ１１４は、一般に対物レンズ１１４を指し、複数のレンズを有し得る。

撮像ユニット１０２は更に、イメージセンサ１０８によってキャプチャされた画像１２２ａ、１２２ｂ（図４Ａ、４Ｂ参照）を分析するように構成されたプロセッシングモジュール１１６、プロセッシング回路１１６、処理回路１１６、及び／又はプロセッシングユニット１１６を有する。プロセッシングモジュール１１６は、画素１１２からの電気信号を直接的に評価及び／又は分析するように構成され得る。それに代えて、あるいは加えて、画素１１２の電気信号は、撮像ユニット１０２によって、撮像ユニット１０２のデータ記憶デバイス１１５に格納され得るデジタル画像データへと変換されてもよい。故に、キャプチャされた画像１２２ａ、１２２ｂは、格納されたデジタル画像データを指すことができ、それがプロセッシングモジュール１１６によって評価及び／又は処理されてもよい。

カートリッジ１０は、互いに実質的に平行に配置された第１のプレート１４と第２のプレート１６とを有する。第１のプレート１４及び／又は第２のプレート１６は、窓及び／又はプレート状の支持構造を指し得る。第１のプレート１４及び第２のプレート１６は、第１のプレート１４と第２のプレート１６との間に例えば平面チャンバといったチャンバ１８が形成されるように互いに離間されている。チャンバ１８内にサンプル１２が収容及び／又は配置され、チャンバはサンプル１２及び／又はサンプル材料１２で部分的に又は完全に充たされ得る。第１のプレート１４、第２のプレート１６、及び／又はカートリッジ１０は、何らかのポリマーから及び／又はガラスから製造され得る。特に、第１のプレート１４、第２のプレート１６、及び／又はカートリッジ１０の材料は、光学的に透明とし得る。例として、その材料は、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、及び／又はスチレン−ブタジエンコポリマー（ＳＢＣ）を有し得る。光源１０４からイメージセンサ１０８へと伝播する光ビーム１０６の光路に関して、第１のプレート１４の方が第２のプレート１６よりも光源１０４の近くに配置される。従って、この光路に関し、第１のプレート１４が頂部プレート１４を指すとともに、第２のプレート１６が底部プレート１６を指し得る。

カートリッジ１０は更に、光ビーム１０６の少なくとも一部を屈折及び／又は回折させるように構成された光学素子２０を有している。光学素子２０は、チャンバ１８に面する及び／又は向けられた第１のプレート１４の面上に配置されている。この配置は、サンプル１２中に含まれる可能性がある粒子及び／又は構造の沈降及び／又は集塊を回避し得る。概して、光学素子２０は、位相回折光学素子２０、振幅回折光学素子、屈折プリズム２０、微細構造素子２０、及び／又は互いに異なる屈折率の構造を有する素子２０、のうちの少なくとも１つとし得る。

また、光学素子２０は、カートリッジ１０且つ／或いは第１のプレート１４と一体的に形成され得る。例えば、カートリッジ１０は１つのピースにて射出成形され得る。それに代えて、光学素子２０は、第１のプレート１４に接着及び／又ははんだ付けされてもよい。光学素子２０は、第１のプレート１４及び第２のプレート１６と同じ材料から製造されてもよいし、異なる材料から製造されてもよい。特に、光学素子２０は、例えばＰＭＭＡ、ＣＯＰ、ＰＣ、ＰＳ、及び／又はＳＢＣなどのポリマー、及び／又は例えばＰ−ＳＦ６７、Ｐ−ＰＫ５３、及び／又はＮ−ＢＫ７などのガラスから製造され得る。特に、光学素子２０は、等級付けられたポリマー及び／又は光学等級のガラスから製造され得る。さらに、光学素子２０の材料は、材料の屈折率の温度依存性が最小化され、除去され、且つ／或いはサンプル１２の屈折率ｎ_ｓの該当する温度依存性に合わせて調整されるように選択され得る。これは、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓのいっそうロバストで正確な決定を可能にする。

例示的に、図１に示す光学素子２０は、例えばライン格子２０としてなど、格子２０として描かれている。しかしながら、別段の断りがない限り、図１を参照して記述される特徴は、光学素子２０が格子２０であることに限定されない。図１に示すように、光学素子２０は、各々が部分的に又は完全にサンプル材料１２で充たされる複数の実質的に平行な溝２２及びリッジ（尾根部）２３を有している。溝２２は、隣接する溝２２間に一定のピッチ及び／又は距離を置いて配列されている。例として、光学素子２０は、約０．５μｍ−約２μｍのピッチと約０．５−２μｍの溝高さｈと有した、約１００μｍ^２−約３ｍｍ^２のサイズのライン格子とし得る。

また、光学素子２０は、カートリッジ１０の第１の領域２４に配置されており、カートリッジ１０は更に、光学素子２０のない及び／又は光学素子２０がなくされた第２の領域２６を有する。換言すれば、カートリッジ１０の第２の領域２６には光学素子２０は配置されない。更に詳細に後述するように、第２の領域２６は、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するために使用され得るものであるカートリッジ１０の基準のエリア、セクション、及び／又は領域を指し得る。

以下にて説明するように、装置１００を用いてサンプル１２の屈折率ｎ_ｓが決定及び／又は測定され得る。光ビーム１０６が光源１０４によって放たれ、光ビーム１０６の第１の部分１０６ａが、光学素子２０が配置されているカートリッジ１０の第１の領域２４に伝播する。光ビーム１０６の第２の部分１０６ｂは、光学素子２０が配置されていないカートリッジ１０の第２の領域２６に伝播する。図１では格子２０として例示的に設計されている光学素子２０を通って伝播する光ビーム１０６の第１の部分１０６ａは、リッジ２３によって、サンプル材料１２で充たされた溝２２に対して異なるように位相遅延される。故に、溝２２及び／又はリッジ２３を通過した光ビーム１０６の第１の部分１０６ａは、干渉、すなわち、建設的干渉又は相殺的干渉を受け、少なくとも１つの回折次数１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃが生成される。図１の例では、３つの回折次数１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃが示されている。それに代えて、あるいは加えて、光ビーム１０６の第１の部分１０６ａの回折は、図１に概略的に示すように、少なくとも１つの反射次数１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃでの第１の部分１０６の少なくとも一部の反射をもたらし得る。この効果は、回折次数１１８ａ−１１８ｃのうちの少なくとも１つの画像をキャプチャすることによって、及び／又は反射次数１１９ａ−１１９ｃのうちの少なくとも１つの画像をキャプチャすることによって、屈折率ｎ_ｓを決定することを可能にする。

原理的に、図１に示す装置１００は、単一の回折次数１１８ａ−ｃ（例えば、透過された０次の回折次数１１８ｂ）又は複数の回折次数１１８ａ−ｃを測定、キャプチャ及び／又は決定する回折測定によって、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するように構成される。ここでも留意されるべきことには、屈折率ｎ_ｓを決定するために回折次数１１８ａ−ｃ及び／又は反射次数１１９ａ−ｃの双方が使用されてもよい。回折次数１１８ａ−ｃ及び／又は反射次数１１９ａ−ｃは、光学素子２０とサンプル１２との間の境界で生成され、故に、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓの情報を担持する。換言すれば、図１で格子として表されている光学素子２０は、複数の高次回折ビームを生成し、すなわち、入来する光ビーム１０６ａが、光学素子２０によって、回折次数１１８ａ−ｃ及び／又は反射次数１１９ａ−ｃとして描かれた複数の明確に画成されたビームへと分けられる。回折次数１１８ａ−ｃ及び／又は反射次数１１９ａ−ｃの間での光エネルギーの再分配はサンプル１２の屈折率ｎ_ｓに強く依存し、次数１１８ａ−ｃ、１１９ａ−ｃの方向が格子ピッチによって決定され得る一方で、光学素子２０の材料の屈折率及び光学素子２０のプロファイル形状が回折／反射効率を決定し得る。なお、第１のプレート１４及び第２のプレート１６の材料の屈折率は既知であるとともにサンプル１２の屈折率ｎ_ｓとは異なっていることが想定される。

光学素子２０を透過した及び／又はそれによって反射された光ビーム１０６の第１の部分１０６ａに推定される位相遅延Δφは、サンプル１２（及び／又はサンプル材料１２）と光学素子との屈折率の差Δｎに比例する。Δｎと表記するこの屈折率差は、Δｎ＝ｎ_ｓ−ｎ_ｏとして表されることができ、ｎ_ｓはサンプル１２の屈折率を表し、ｎ_ｏは光学素子２０の屈折率を指す。さらに、サンプル１２の透過率もまた位相遅延Δφに比例する。

大まかな０次近似を適用するに、光学素子２０（及び／又はリッジ２３）と溝２２の１つの中のサンプル１２との間の屈折率差Δｎ＝ｎ_ｓ−ｎ_ｏに比例するものである位相遅延Δφの関数依存性、及び透過率Ｔは、
Ｔ ∝ ｓｉｎ^２（Δφ）＝ｓｉｎ^２（（π／λ）・ｈ・Δｎ）
によって与えられることができ、ここで、λは光の波長であり、ｈはリッジ２３及び／又は溝２２（すなわち、格子ライン）の高さである。理解され得るように、溝高さｈの賢い選択は、透過率Ｔを、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓの変化に敏感なものにする。しかしながら、留意されるべきことには、この式は大まかな近似にすぎない。より正確な計算のための他の理論が利用可能である。それらは全て、マクスウェルの方程式、厳密な境界条件、及び照明条件に基づいている。そのような方法の例は、厳密結合波解析（rigorous coupled-wave analysis；ＲＣＷＡ）、モード法、及びＣｈａｎｄｅｚｏｎ法である。

エネルギー保存の結果として、透過率Ｔと反射率Ｒとの合計は１に等しい。故に、反射率Ｒも位相遅延Δφに比例する。従って、透過率Ｔ及び反射率Ｒは位相差Δφの関数であり、故に、屈折率差Δｎの関数でもある。従って、透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒを決定することにより、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定することができる。

一般に、キャプチャされた画像の画像強度Ｉは、透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒの関数である。これは、プロセッシングモジュール１１６によって画像強度Ｉを分析することに基づいて、透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒを決定することを可能にする。故に、プロセッシングモジュール１１６は、画像強度Ｉを分析することによってサンプル１２の透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒを決定し、そして、透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒに基づいて屈折率ｎ_ｓを決定するように構成される。

さらに、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓの決定の精度を向上させるために、基準ビームとして機能し得るものである光ビーム１０６の第２の部分１０６ｂの強度Ｉ_ｒｅｆと、光学素子２０を通って伝播した光ビーム１０６の第１の部分１０６ａの強度Ｉ_ｏと、の間での相対的な強度比較が、サンプルの屈折率ｎ_ｓに関する指標を提供する。強度Ｉ_ｏ及びＩ_ｒｅｆは、キャプチャされた画像１２２ａ、ｂ（図４Ａ、４Ｂ参照）から導出されることができ、及び／又は、光ビーム１０６の第１の部分１０６ａを検出した画素１１２の平均強度値及び第２の部分１０６ｂを検出した画素１１２の平均強度値から導出されることができる。従って、撮像ユニット１０２は、キャプチャされた画像が第１の領域２４の第１の画像セクションと第２の領域２６の第２の画像セクションとを有するように構成され、プロセッシングモジュール１１６は、第１の画像セクションをキャプチャした感光画素１１２の第１の平均強度値Ｉ_ｏと第２の画像セクションをキャプチャした感光画素１１２の第２の平均強度値Ｉ_ｒｅｆとの比に基づいて、透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒを決定するように構成される。それに代えて、あるいは加えて、カートリッジ１０の第２の領域２６を通って伝播する及び／又はそれによって反射される第２の部分１０６ｂの強度値Ｉ_ｒｅｆはまた、確立された理論モデルを適用して、及び／又は較正測定を実行して強度値Ｉ_ｒｅｆを例えば装置１００のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶することによって計算されてもよい。換言すれば、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓと、キャプチャされた画像の第１のセクションにおいて測定された信号及び／又は決定された平均強度値Ｉ_ｏとの間の関係が、測定及び／又は十分に確立された理論に基づくモデル化によって確立され得る。屈折率ｎ_ｓを測定するための他の一手法は、０次１１８ｂ（１１９ｂ）を含む２つ以上の回折次数１１８ａ−ｃ（及び／又は反射次数１１９ａ−ｃ）を使用するものである。

装置１００の前述の態様、特徴、機能及び／又は要素とは別に、サンプルの屈折率ｎｓの決定の品質を向上させるために、他の様々な態様、特徴、機能及び／又は要素が装置１００で採用され得る。そのような追加の特徴を以下にまとめる。

オプションで、撮像ユニット１０２は、暗画像をキャプチャするように構成されることができ、プロセッシングモジュール１１６は、キャプチャされた暗画像に基づいて暗強度値Ｉ_ｄａｒｋを決定するように構成されることができる。暗強度値Ｉ_ｄａｒｋは、光源１０４がオフに切り換えられているときに、画素１１２の一部の又は全ての画素１１２の強度値を平均することによって決定され得る。そして、暗強度値Ｉ_ｄａｒｋが、第１の画像セクションをキャプチャした感光画素１１２の第１の平均強度値Ｉ_ｏ及び第２の画像セクションをキャプチャした感光画素１１２の第２の平均強度値Ｉ_ｒｅｆから減算され得る。

また、照明されてのキャプチャされた画像は、光学素子２０を有するカートリッジ１０の第１の領域２４がキャプチャされた第１の画像セクションと、カートリッジ１０の第２の領域２６がキャプチャされた第２の画像セクションとに分割される及び／又は切り取られることができる。故に、第１の画像セクションは、光学素子２０を有して取得された領域を指し、第２の画像セクションは、光学素子２０を有さずに取得された領域を指し得る。

さらに、図４Ａ−４Ｃを参照して更に詳細に説明するように、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓに関係しない異常な効果及び／又はバイアスを生じさせる所定の構造（例えば、粒子、及び／又は例えばカートリッジ１０における不完全性などの他の発生源など）を特定するために、撮像ユニット１０２及び／又はプロセッシングモジュール１１６によって、セグメンテーション及び／又はセグメンテーション技術が適用され得る。

また、画素１１２の機能を検証するためにプロセッシングモジュール１１６においてフィルタが使用されてもよい。例として、プロセッシングモジュール１１６は、過大／過小な感度の画素１１２、飽和した画素１１２、及び／又は機能しない画素１１２を決定及び／又は除去するように構成され得る。セグメント分けされた画素１１２の相補的セット（検証済み画素セットと表記する）が、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓの更なる決定に使用されるものとされ得る。

また、プロセッシングモジュール１１６は、第１及び第２の画像セクション内の画素強度値を平均し、例えばＴ＝（Ｉ_ｏ−_{Ｉｄａｒｋ}）／（Ｉ_ｒｅｆ−Ｉ_ｄａｒｋ）により、透過率Ｔを計算するように構成され得る。

透過率Ｔとサンプル１２の屈折率ｎ_ｓとの間の関係を含むルックアップテーブルから、及び／又はそれぞれの関数に基づいて、透過率Ｔから屈折率ｎ_ｓが決定され得る。類似のやり方で、透過率Ｔの代わりに反射率Ｒが使用されてもよい。ｎ_ｓとＴとを相関付けるルックアップテーブル及び／又は関数は、較正測定にて決定され得る。

精度を向上させるために、対物レンズ１１４及び光学素子２０は更に、対物レンズ１１４が少なくとも２つの回折次数１１８ａ−ｃを受けるように構成されることができ、撮像ユニット１０２は、これら少なくとも２つの回折次数１１８ａ−ｃの２つの別々の画像をキャプチャするように構成される。

さらに、プロセッシングモジュール１１６は、図５Ａ−５Ｃを参照して更に詳細に説明するように、サンプル１２の決定された屈折率ｎ_ｓと変換関数とに基づいて、サンプル１２の比重（specific gravity）値ＳＧを決定するように構成され得る。

また、留意されるべきことには、例えば曇ったサンプル１２の場合、透過回折信号が、サンプル１２内での光散乱による光ビーム１０６の角度分散によって強く乱されることがある。故に、透過率測定のための集光が、散乱損失によって及び／又は散乱された高次ビームからの寄与によって影響され得る。

曇ったサンプル１２からの散乱効果を克服するアプローチ及び／又は方法は、サンプル厚さを薄くすること、及び／又は、反射信号１１９ａ−ｃ及び／又は反射次数１１９ａ−ｃを測定することである。反射回折次数１１９ａ−ｃは、サンプル１２中を伝播することなく、サンプル−光学素子境界を探査しているのみである。これが意味することは、反射次数１１９ａ−ｃは、さもなければビーム方向の角度分散につながることになるサンプル１２内での光散乱によって影響されないということである。反射測定は、窓及び／又はサンプル１２の後ろの壁からの反射信号が回避するために、斜めの入射角の光ビーム１０６に対して行われ得る。

図２は、一実施形態に従ったサンプル１２の屈折率ｎｓを決定するための装置１００を概略的に示している。別段の断りがない限り、図２の装置１００は、図１を参照して説明した装置１００と同じ特徴、機能及び／又は要素を有する。

図１の装置１００とは異なり、図２に示す装置１００は、光ビーム１０６の第１の部分１０６ａの少なくとも一部を屈折させるように構成された屈折光学素子２０を有している。屈折光学素子２０は、例えば台形、三角形、対称及び／又は非対称な幾何学形状などの、屈折幾何学形状を有し得る。例として、屈折光学素子２０は、光ビーム１０６の第１の部分１０６ａを、異なる方向を持つ３つのビーム部分１１８ａ−１１８ｃに分割するように構成された、ラインプリズム状の構造及び／又はラインプリズムのアレイを有し得る。屈折光学素子２０は、それに代えて、あるいは加えて、図２に示すように、光ビームの第１の部分１０６ａを、異なる方向を持つ３つのビーム部分１１９ａ−ｃに反射してもよい。

概して、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するために、例えば、屈折光学素子２０内での及び／又は屈折光学素子２０の幾何学形状内での全反射（ＴＩＲ）が使用され得る。これは、例えばプリズム及び／又はプリズム面に、ＴＩＲが起こる臨界角に近い傾斜を設けることによって達成され得る。サンプル１２の屈折率ｎ_ｓが変化すると、それに従って臨界角も変化する。これは、屈折光学素子２０によって反射される光の量及び／又はそれを透過する光の量の変化をもたらすことができ、代わってそれが、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定することを可能にし得る。

サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するために、図１を参照して説明したのと同じ原理が適用される。唯一の違いは、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するために、少なくとも１つの回折次数１１８ａ−ｃ及び／又は反射次数１１９ａ−ｃが使用されるのではなく、ビーム部分１１８ａ−ｃ、１１９ａ−ｃのうちの少なくとも１つが使用されることである。

また、対物レンズ１１４及び屈折光学素子２０は、対物レンズ１１４が第１のビーム部分１１８ｂと第２のビーム部分１１８ａ、１１８ｃとを受けるように構成されることができ、撮像ユニット１０２は、第１のビーム部分１１８ｂと第２のビーム部分１１８ａ、１１８ｃとの２つの別々の画像をキャプチャするように構成される。第１のビーム部分１１８ｂは、光を曲げることなくカートリッジ１０を真っ直ぐに透過し得るビーム部分を指し得る。

図３は、一実施形態に従ったサンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するための装置１００を概略的に示している。別段の断りがない限り、図３の装置１００は、図１及び２を参照して説明した装置１００と同じ特徴、機能及び／又は要素を有する。

図３の装置１００は、その上にカートリッジ１０が配置されてカートリッジ１０を支持及び／又は担持するように構成されたステージ１２０を有している。ステージ１２０がステージ１２０の主平面に配置され、撮像ユニット１０２が光学切片顕微鏡法を実行するように構成される。従って、図３に示すように、ステージ１２０の主平面に対して撮像ユニット１０２の光源１０４及びイメージセンサ１０８が傾けられる。換言すれば、光学軸がステージ１２０の主平面に対して傾けられ得る。カートリッジ１０の完全な画像を取得するために、ステージ１２０と撮像ユニット１０２とを互いに対して変位させて、カートリッジ１０が走査され得る。

例として、サンプル１２の各点が、１°から８９°の範囲、特に１°から２０°の範囲、好ましくは７°から８°の範囲の入射角を持つ光で照射され得る。また、対物レンズ１１４の受光角は、−２０°から＋２０°、好ましくは７°から８°の範囲とし得る。

概して、対物レンズ１１４の開口数（ＮＡ）が、対物レンズ１１４によって集められる少なくとも１つの回折次数１１８ａ−ｃとそれに隣接する回折次数１１８ａ−ｃとの間の角度隔たりよりも小さくなり得る。同じことが、光学素子２０が屈折光学素子２０である場合のビーム部分１１８ａ−ｃにも当てはまり得る。これは、所望の回折次数１１８ａ−ｃ（及び／又はビーム部分１１８ａ−ｃ）のみを集めること及び／又は他の回折次数１１８ａ−ｃによる（すなわち、２つ以上の回折次数１１８ａ−ｃを集めることによる）検出回折次数１１８ａ−ｃの汚染を回避することを可能にし得る。また、図３に例示するように、光源１０４も角度分布を有するので、それに従って対物レンズ１１４の開口数が低下され得る。結果として、対物レンズ１１４の開口数は、単一の回折次数１１８ａ−ｃのみを集めて、この単一の回折次数１１８ａ−ｃに基づくサンプル１２の像を形成するように選択され得る。同じことが、光学素子２０が屈折光学素子２０である場合のビーム部分１１８ａ−ｃにも当てはまり得る。それに代えて、あるいは加えて、対物レンズ１１４が単一の回折次数１１８ａ−ｃ及び／又は単一のビーム部分１１８ａ−ｃのみを集めるように光学素子２０が選択されてもよい。

図４Ａ−４Ｃは各々、一実施形態に従ったサンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するための装置でキャプチャされた画像１２２ａ−ｃを示している。キャプチャされた画像１２２ａ−ｃは、図１−３の各々を参照して説明した装置１００のうちのいずれかを用いて取得され得る。図４Ａはロー（未加工）画像１２２ａを示し、図４Ｂは、図４Ａの画像１２２ａの切り取り部分１２２ｂを示し、図４Ｃは、図４Ｂの切り取り画像１２２ｂのセグメント分けされた画像１２２ｃを示している。画像１２２ａ−ｃは各々、任意の単位及び／又は座標で示されている。

図４Ａでは、光学素子２０を有するカートリッジ１０の第１の領域２４のキャプチャされた画像１２２ａがロー形態で示されている。従って、画像１２２ａは、上の説明でより詳細に説明した、光学素子２０がキャプチャされている第１の画像セクションを指し得る。図４Ａにて見て取れるように、サンプル１２及び／又はサンプル材料１２は、構造１３及び／又は所定の構造１３として識別可能な不純物及び／又は添加剤を含有している。所定の構造１３は、図４Ｂの切り取り画像１２２ｂにおいてもっと明瞭に視認できる。例えば、サンプル１２は尿とすることができ、構造１３は、粒子、ダスト粒子、バクテリア、巨大分子、タンパク質、及び／又は、カートリッジの第１のプレート１４及び／又は第２のプレート１６の中の不純物を指し得る。このような構造１３は、測定にバイアスを示すことによって、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓの決定に悪影響を及ぼし得る。

サンプル１２の屈折率ｎ_ｓの決定の品質及び精度を向上させるため、プロセッシングモジュール１１６は、キャプチャされた画像１２２ａ、１２２ｂ内の所定の構造１３を除去する及び／又は取り除くように構成される。この目的のため、プロセッシングモジュール１１６は、キャプチャされた画像１２２ａ、１２２ｂのセグメンテーションを適用及び／又は実行するように構成される。所定の構造のセグメンテーション及び／又は特定のため、プロセッシングモジュール１１６は、所定の構造の、形態（モルフォロジ）分析、コントラスト分析、及び／又は分類を適用及び／又は実行するように構成される。形態分析を参照するに、所定の構造１３は、例えば、それら所定の構造１３の特定の構造、幾何学構成、形状、輪郭及び／又はフォームに基づいて特定されることができ、モルフォロジに関係するパラメータが、例えば装置１００のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。コントラスト分析を参照するに、例えばキャプチャされた画像１２２ａ、１２２ｂの平均輝度に対する明るい領域及び／又は暗い領域などの、コントラスト変動が、プロセッシングモジュール１１６によって特定され得る。この目的のために、例えばコントラスト及び／又は輝度の閾値が、例えば装置１００のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。分類を参照するに、プロセッシングモジュール１１６は、それぞれの構造１３の特徴によって特定の所定の構造１３を分類するために、分類器を適用することによって機械学習するように構成され得る。そのような特徴及び／又は分類基準が、例えば装置のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶され得る。これらの技術のいずれかを適用して、図４Ｃに示されるようなセグメント分けされた画像１２２ｃを導出することができ、そこから所定の構造１３を容易に検出することができ、ひいては、ロー画像１２２ａ、１２２ｂから所定の構造１３を取り除くことができ、そして、所定の構造１３を除去した後に、それを用いて、図１−３を参照して詳細に説明したようにしてサンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定し得る。

図５Ａ−５Ｃは、一実施形態に従ったサンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定するための装置１００の機能を示している。図５Ａ−５Ｃを参照して説明する機能は、これまでの図にて説明した装置１００のいずれにも適用され得る。

図５Ａに、装置１００において適用される測定及び／又は検出の原理を概略的に示す。これまでの図で更に詳細に説明したように、光源１０４によって放たれた光ビーム１０６の第１の部分１０６ａが、光学素子２０が配置されているカートリッジ１０の第１の領域２４を通って伝播し、最終的に、キャプチャされた画像１２２ａにおける第１の画像セクションとしてキャプチャされる。また、光ビーム１０６の第２の部分１０６が、カートリッジ１０の第２の領域２６を通って伝播し、それが、キャプチャされた画像における第２の画像セクションとしてキャプチャされる。第１の画像セクションがプロセッシングモジュール１１６によって評価されて、第１の平均強度値Ｉ_ｏが導出される。さらに、第２の画像セクションがプロセッシングモジュール１１６によって評価されて、第２の平均強度値Ｉ_ｒｅｆが導出される。透過率Ｔは、第１の平均強度値Ｉ_ｏと第２の平均強度値Ｉ_ｒｅｆとの比に比例するので、キャプチャされた画像から透過率を決定することができる。

図５Ｂは、透過率Ｔとサンプル１２の屈折率ｎ_ｓとの関係及び／又は関数依存性を任意単位で示している。見て取れるように、透過率Ｔを知ることによって、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定することができる。

また、サンプル１２の屈折率ｎ_ｓに基づいて、例えば、サンプルの比重値ＳＧを導出してもよい。この目的のため、サンプル１２の比重値ＳＧと屈折率ｎ_ｓとの関数依存性を記述する変換関数が使用され得る。そのような変換関数を、例示的に２つの異なる動物の尿サンプル１２について、図５Ｃに任意単位で示す。

尿サンプル１２の測定された屈折率ｎ_ｓを比重ＳＧにする変換関数は、例えば人間、犬及び猫に関して、十分に確立されている。これらの確立された関係は、規格として、２０℃の基準温度及び５８９．３ｎｍの照明基準波長（ナトリウムＤ線）で報告されている。例として、比重ＳＧと屈折率ｎ_ｓとの間の図５Ｃに示す変換関数は、３次の多項式関数とすることができ、変換関数のパラメータが、例えば装置１００のルックアップテーブル及び／又はデータベースに記憶されることで、装置１００がサンプル１２の決定された屈折率ｎ_ｓに基づいて比重値ＳＧを計算することを可能にする。

図６は、一実施形態に従ったカートリッジ１０の上面図を概略的に示している。別段の断りがない限り、図６に示すカートリッジ１０は、これまでの図で説明したカートリッジ１０と同じ特徴、機能及び／又は要素を有する。

カートリッジ１０は、光ビーム１０６、１０６ａの少なくとも一部を少なくとも１つの回折次数１１８ａ−ｃへと回折させるように構成された複数の回折光学素子２０を有している。トータルで、カートリッジは、カートリッジ１０内に２列４行に配列された８個の光学素子２０を有している。しかしながら、光学素子２０は任意のパターンで配列されることができる。さらに、カートリッジ１０はまた、８個よりも多い又は少ない光学素子２０を有することもできる。特に、カートリッジ１０は、少なくとも、第１の光学素子２０と第２の光学素子２０とを有し得る。

光学素子２０の各々が特定の幾何学形状２１を有し、複数の光学素子２０のうち少なくとも一部の幾何学形状２１は、プロファイル形状において互いに異なり得る。プロファイル形状とは、この文脈において、幾何学形状２１の幾何学的特徴を指し得る。例として、幾何学形状２１は、台形、三角形、対称及び／又は非対称な幾何学形状２１、並びに、例えば特定のピッチ、線幅及び／又は溝高さを持つ特定の格子プロファイル２１、のうちの少なくとも１つを指し得る。従って、複数の光学素子２０の幾何学形状２１のうち少なくとも一部は、例えば、形状、寸法、幾何学構成において、及び／又は幾何学形状２１の前述の特徴のうちの任意の他のものにおいて、互いに異なり得る。これは、光学素子２０の各々又は少なくとも一部を特定の範囲の屈折率に対して最適化することを可能にし、それにより、単一のカートリッジ１０で広範囲の屈折率を決定することを可能にする。

例として、図６に示す複数の光学素子２０のうち少なくとも一部は、格子２０及び／又は回折格子２０とすることができ、複数の光学素子２０のうち少なくとも一部の幾何学形状２１は、ピッチ、溝高さ、及び線幅のうちの少なくとも１つにおいて異なり得る。

さらに、光学素子２０のうち１つが配置されているカートリッジの第１の領域２４と、光学素子２０が配置されていないカートリッジの第２の領域２６とが示されている。第２の領域２６は、カートリッジ１０の、光学要素２０がない任意の領域とし得る。

図７は、一実施形態に従ったサンプル１２の屈折率ｎ_ｓを決定する方法のステップを例示するフローチャートを示している。この方法は、これまでの図で説明した装置１００のいずれかによって実行され得る。

第１のステップＳ１にて、サンプル１２と光学素子２０とを有するカートリッジ１０が用意される。第２のステップＳ２にて、カートリッジ１０の少なくとも一部が光源１０４によって光ビーム１０６で照射される。更なるステップＳ３にて、光ビーム１０６の少なくとも一部が光学素子２０で回折及び／又は屈折される。更なるステップＳ４にて、光ビーム１０６の屈折及び／又は回折された部分が対物レンズ１１４で受けられる。更なるステップＳ５にて、対物レンズ１１４によって生成された画像１２２ａがイメージセンサ１０８でキャプチャされる。更なるステップＳ６にて、キャプチャされた画像１２２ａの画像強度をプロセッシングモジュール１１６で分析することによってサンプル１２の透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒが決定される。更なるステップＳ７にて、透過率Ｔ及び／又は反射率Ｒに基づいてサンプル１２の屈折率ｎ_ｓが決定される。

図面及び以上の記載にて本発明を詳細に図示して説明してきたが、これらの図示及び説明は、限定的ではなく、例示的あるいは典型的なものとみなされるべきであり、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではない。開示した実施形態へのその他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。

請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解されるべきでない。

Claims (13)

1. サンプルの屈折率を決定するための装置であって、
   サンプルを受け入れるカートリッジと、
   撮像ユニットと
   を有し、
   前記撮像ユニットは、
   前記カートリッジの少なくとも一部を光ビームで照射する光源と、
   前記カートリッジの前記一部の画像をキャプチャする複数の感光画素を有するイメージセンサと、
   前記光源と前記イメージセンサとの間の光路内に配置された対物レンズと、
   前記キャプチャされた画像を分析するプロセッシングモジュールと
   を有し、
   前記カートリッジは、前記光ビームの少なくとも一部を屈折及び／又は回折させるように構成された光学素子を有し、
   前記対物レンズは、前記光ビームの前記屈折及び／又は回折された部分を受けるように構成され、
   前記プロセッシングモジュールは、前記キャプチャされた画像の画像強度を分析することによって、前記サンプルの透過率及び／又は反射率を決定するように構成され、且つ
   前記プロセッシングモジュールは、前記透過率に基づいて、且つ／或いは前記反射率に基づいて、前記サンプルの前記屈折率を決定するように構成される、
   装置。
2. 前記プロセッシングモジュールは、前記サンプル中の添加剤に関係した、前記キャプチャされた画像内の所定の構造を除去するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記プロセッシングモジュールは、前記キャプチャされた画像のセグメンテーションに基づいて前記所定の構造を除外するように構成される、請求項２に記載の装置。
4. 前記プロセッシングモジュールは、前記所定の構造の、形態分析、コントラスト分析、及び／又は分類に基づいて、前記所定の構造を特定するように構成される、請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記プロセッシングモジュールは、前記感光画素の少なくとも一部の画素強度値を決定するように構成され、且つ
   前記プロセッシングモジュールは、前記決定された画素強度値の平均強度値に基づいて前記透過率及び／又は前記反射率を決定するように構成される、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記プロセッシングモジュールは、前記平均強度値と基準強度値との比に基づいて前記透過率及び／又は前記反射率を決定するように構成され、
   前記基準強度値はルックアップテーブルに格納されている、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記カートリッジは、前記光学素子が配置された第１の領域と、第２の領域とを有し、
   前記撮像ユニットは、前記キャプチャされた画像が前記第１の領域の第１の画像セクションと前記第２の領域の第２の画像セクションとを有するように構成され、且つ
   前記プロセッシングモジュールは、前記第１の画像セクションをキャプチャした感光画素の第１の平均強度値と、前記第２の画像セクションをキャプチャした感光画素の第２の平均強度値との比に基づいて、前記透過率及び／又は前記反射率を決定するように構成される、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 前記プロセッシングモジュールは、前記サンプルの前記決定された屈折率と変換関数とに基づいて、前記サンプルの比重値を決定するように構成される、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 前記撮像ユニットは、暗画像をキャプチャするように構成され、
   前記プロセッシングモジュールは、前記キャプチャされた暗画像に基づいて暗強度値を決定するように構成され、且つ
   前記プロセッシングモジュールは、前記暗強度値を考慮に入れて前記透過率及び／又は前記反射率を決定するように構成される、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
10. 前記光学素子は、前記光ビームを少なくとも２つの回折次数に回折させるように構成された回折光学素子であり、
    前記対物レンズ及び前記回折光学素子は、前記対物レンズが前記少なくとも２つの回折次数を受けるように構成され、且つ
    前記撮像ユニットは、前記少なくとも２つの回折次数の２つの別々の画像をキャプチャするように構成される、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
11. 前記光学素子は、前記光ビームを少なくとも、第１のビーム方向を持つ第１のビーム部分と、第２のビーム方向を持つ第２のビーム部分とに屈折させるように構成された屈折光学素子であり、
    前記対物レンズ及び前記屈折光学素子は、前記対物レンズが前記第１のビーム部分及び前記第２のビーム部分を受けるように構成され、且つ
    前記撮像ユニットは、前記第１のビーム部分と前記第２のビーム部分との２つの別々の画像をキャプチャするように構成される、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
12. 前記光学素子は、位相回折光学素子、振幅回折光学素子、屈折素子、及び／又は互いに異なる屈折率の構造を有する素子、のうちの少なくとも１つである、
    請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
13. サンプルの屈折率を決定する方法であって、
    サンプルと光学素子とを有するカートリッジを用意することと、
    光源で、前記カートリッジの少なくとも一部を光ビームで照射することと、
    前記光学素子で、前記光ビームの少なくとも一部を屈折及び／又は回折させることと、
    対物レンズで、前記光ビームの前記屈折及び／又は回折された部分を受けることと、
    イメージセンサで、前記対物レンズによって生成された画像をキャプチャすることと、
    プロセッシングモジュールで、前記キャプチャされた画像の画像強度を分析することによって、前記サンプルの透過率及び／又は反射率を決定することと、
    前記透過率に基づいて、且つ／或いは前記反射率に基づいて、前記サンプルの前記屈折率を決定することと、
    を有する方法。

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