JP2001502820A

JP2001502820A - 双方向スキャンシステム

Info

Publication number: JP2001502820A
Application number: JP11509938A
Authority: JP
Inventors: デワード，ハーマン; ストークス，ブライアン; ベントソン，ハンス; ホンカケン，ピーター
Original assignee: ジェネラル・スキャンニング，インコーポレイテッド
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1998-07-20
Publication date: 2001-02-27
Also published as: DE69819860D1; AU8413198A; US5895915A; DE69819860T2; EP0928538B1; WO1999005852A1; EP0928538A1

Abstract

(57)【要約】双方向光学走査システムは、サーボ制御されるアクチュエータの回転運動を、固定された対物レンズに対するサンプルの並進（走査ラインすなわち「速軸」方向の）運動に変換する、ばね補強され、ピンと張ったベルトからなる機械式サブシステムを備える。第１のピンと張ったスチール製のベルトは、速軸上をサンプルを移動させるシャトルの第１の端部に取り付けられる。次に、このベルトは、サーボ制御されるアクチュエータによって回転させられる軽量のホイールのまわりに一方方向に部分的に巻き付けられる。ベルトの第２の端部は、予め負荷をかけられたばねに取り付けられ、このバネは次にホイールに取り付けられる。第２のピンと張ったスチール製のベルトは、ホイールのまわりに逆方向に部分的に巻き付き、そのベルトの一方の端部が、ホイールに取り付けられ、他方の端部が、シャトルの第２の端部に取り付けられる。ホイールが一方の方向に回転すると、シャトルは、前方に、または他方の回転方向においては後方に移動する。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称双方向スキャンシステム発明の分野本発明は、光学スキャナに関連し、さらに詳しくは、双方向の光学スキャナに関連する。発明の背景基本的に２つのタイプの光学スキャナがある。すなわち、走査ヘッド、及び／または関連する光学装置を固定したサンプル上を移動させるスキャナと、固定した走査ヘッド、及び／または光学装置に対してサンプルを移動させるスキャナである。２つのタイプのスキャナに共通に必要とされることは、固定した部分に対して移動する部分の位置を正確に判定し、及び／または予測することである。以下では、走査型レーザ顕微鏡に関してスキャナを説明する。しかし、本発明のシステムは、走査型レーザ顕微鏡の一部として使用することに制限されるものではない。走査型レーザ顕微鏡は、微小な物体の精細なディテールを調べるのに使用される光学スキャナである。例えば、走査型レーザ顕微鏡は、細胞、蛋白質、遺伝子及びＤＮＡ配列のような化学的に結合した生物学的なサンプルからの蛍光を調べるために使用される。顕微鏡は、ミクロン単位の大きさの連続する「画素」からデータを収集する。本明細書で対象とする用途は、比較的広い視野を備える顕微鏡によって最良に実現されるものである。一般的に、既知の広視野走査型顕微鏡は、ラスタースキャンと通常呼ばれる所定のパターンで、固定したサンプル上にレーザビームを走査させる。これらの顕微鏡では、移動する走査ヘッド内の光学部品を固定したレーザからのビームに正確に位置合わせしなければならないか、代替的に、レーザを移動する走査ヘッド上に担持しなければならない。固定したレーザは、比較的遅い速度でのみ移動する走査ヘッドに位置合わせすることができ、従って、システムの走査速度は本質的に制限される。前記代替的なシステムでは、レーザを担持するために比較的大きな走査ヘッドを必要とし、この走査ヘッドの大きさと重量により、走査速度が実質的に制限される。一般的に、既知の広視野システムでは、レーザビームが、サンプルを一方方向（前方方向）に走査するときにデータを収集する。レーザビームが、前方走査方向にサンプルを横断して移動するとき、目標画像にわたって存在する、選択された画素位置でデータが収集される。レーザビームは、次に、後方方向にサンプルを掃引する。これは、通常「フライバック」スキャンと呼ばれるが、この期間は、データは収集されない。レーザビームは、次に、前方に送られて、次の前方走査に沿って向けられ、この期間は、選択された画素位置で同様にデータが収集される。画像データのスキューを防止するために、各走査で収集されるデータの位置は、画素内の井戸（well）に位置合わせかされていなければならない。１方向システムでは、データ収集が、全体の走査距離の半分より少ない距離に制限されているために、そのデューティサイクルは短い。確かに、サンプルの走査時間を短くするための一つの方法は、走査の両方向てデータを収集することである。しかし、これを行うためには、システムは、２つの走査方向間でのシステムの移動における差違を、サブピクセル（１画素以下）のレベルまで下げて補償しなければならない。一つの既知の双方向走査システムでは、前方及び後方への走査に対して、異なる格子（grating）または位置符号化、幾何学的配置を使用する。これにより、システムの複雑さとコストが増加する。さらに、こうしたシステムは、２つの走査方向における移動に別様に影響する可能性のある、システム部品の熱膨張における差違のような環境要因を補償しない。これらの要因は、システムが、数ミクロンの解像度を有する画素位置を、各々の方向において調整しなければならない場合に重要である。システムの走査速度をあげる他の方法は、システムが、光学装置に対してサンプルを移動させる（逆の場合も同様であるが）速度をあげることである。双方向データ収集が実施される場合には、２つの走査方向におけるシステムの移動の間の差違を迅速に、かつ正確に補償して、データがそれぞれの方向における対応する画素位置で収集されるということを保証しなければならない。発明の概要本発明に従って構成される双方向光学走査システムは、ばね補強され、ピンと張ったベルト機械式のサブシステムを備えており、このサブシステムは、サーボ制御されたアクチュエータの回転運動を、固定の対物レンズに対するサンプルの並進（走査ラインまたは「速軸」方向への）運動に変換するものである。補強されたシステムはヒステリシスを最小化し、２つの走査方向の間の位置の違いを最小化する。ガルバノメータをベースとするサーボシステムは、サンプルの動きを制御して、走査ライン間の位置誤差を補償する。画素クロックシステムが、各走査中のデータ収集の時間を制御し、画素毎の位置誤差を補償する。一対のピンと張ったスチール製のベルトが、速軸上のサンプルの並進運動を制御する。第１のベルトが、サンプルを速軸上を移動させるシャトルの第１の端部に結合する。ベルトは、次に、サーボ制御されたアクチュエータによって回転させられる軽量のホイールのまわりに一方向に、部分的に巻き付く。ベルトの第２の端部が、予め負荷をかけられたばねに取り付けられ、このバネは、次にホイールに取り付けられる。第２のベルトが、これと反対方向にホイールのまわりに部分的に巻き付く。このベルトの一方の端部はホイールに取り付けられ、他方の端部はシャトルの第２の端部に取り付けられる。ホイールが一方方向に回転すると、第１のベルトが前方走査方向にシャトルを、従って、サンプルを引っ張る。ホイールが反対方向に回転するときは、第２のベルトが、後方走査方向にシャトルとサンプルを引っ張る。ホイールが回転するにつれて、第１のベルトが、第２のベルトのスリットにはめこまれ、そこで２つのベルトが重なり合う。従って、それぞれのベルトは、ホイールのまわりにしっかりと巻き付けられたままとなる。ホイール上の第１のベルトの覆いに関連した巻き付け角度は、以下の２つを保証するように注意深く選択される。すなわち、(i)ベルトが、サンプルの加速に関連する力に応答して、ホイールに対してスリップしないこと、及び、(ii) ベルトが、ホイールとベルトの熱膨張の違いに関連したより大きな力によってスリップしないこと、である。第１のベルトのすべりを制御し、ベルトをホイールにしっかりと保持するこの構成によって、変化する環境条件下において、ホイールの回転運動とサンプルの並進運動の間の既知の関係が、本質的に維持される。システムコントローラは、サーボ制御されるアクチュエータに位置命令信号を与えるが、この位置命令信号は、各走査方向に対して以下のセグメントを備える。すなわち、(i)アクチュエータに、サンプルを一定速度で移動させるように命令する一定のスロープのあるセグメント（部分）、及び(ii)アクチュエータに、サンプルを減速して停止させ、次に、逆の走査方向にサンプルを加速するように命令するためにスロープが変化する間の、末端の、または「方向転回」のセグメント（部分）、である。システムは、各走査の一定速度の部分の間にサンプルから収集したデータを記憶する。方向転回の時間の間、命令信号のスロープは、サンプルが、いずれかの走査方向においてなめらかに加速するように、除々に変化する。これによって、各走査の一定速度の部分の開始における位置誤差は最小化され、従って、データ訂正操作における誤差が最小化される。画素クロックシステムは、サンプルデータが記録される時間を制御する。クロックシステムは、サンプルの位置における画素間の差違を生じる、ヒステリシス、軸受けノイズ（bearing noise）などを補正する。画素クロックシステムは、位置センサからサーボアクチュエータの回転位置に関する情報を受け取る。サンプルが次の画素位置にあると予測される時間では、画素クロックシステムは、検出した位置を、サンプルの公称速度及び経過時間に基づいた所望の位置と比較することによって位置誤差を決定する。画素クロックシステムは、次に、画素のほんの何分の一かである位置誤差を、時間誤差信号に変換する。画素クロックシステムは、時間誤差信号を、サブピクセルレートで実行するシステムクロックのパルス数に等化する。画素クロックシステムは、次に、サンプルを現在の位置から次の画素の位置まで移動させるのに必要なシステムクロックのパルスの総数を決定する。適切なシステムクロックのパルス数を計数した後、画素クロックシステムは、システムコントローラにサンプルデータを記録するように命じる。従って、データは、サンプルが次の画素位置にあると予測されるときに記録される。同時に、画素クロックシステムは、関連する位置誤差を決定して、次の画素位置に到達するために必要なシステムクロックのパルスの総数を計算する。画素クロックシステムは、また、適切な画素数、及び／または画素の何分の一かの数だけ、所望の位置を修正することによって両方向のスキューを補償し、前方及び後方の走査方向の両方向において画素位置を調整する。サンプルが、走査ライン全体を一方の方向に移動されると、ステップモータが、サンプルを走査ラインに垂直な方向に一画素ずつ逐次的に「遅軸」上を移動させる。この移動は、データが記録されない、方向転回の時間の間に起こる。次に、サンプルは速軸上を逆の走査方向に移動され、データが走査の一定速度のセグメントの間に記録される。２つの走査方向間のシステム動作における差違を十分に低減する剛性を有し、及び、画素間の位置誤差を調整する画素クロックシステムを有する、目下のシステムは、サンプルが一秒あたり５以上の走査速度で移動される場合に、２つの走査方向において正確にデータを収集する。図面の簡単な説明図１は、本発明に従って構成されたシステムの機能ブロック図である。図２は、サンプルの走査パターンを示す図である。図３は、図１のシステムの機械式サブシステムの略図である。図４は、図３の機械式サブシステムの断面の等角図である。図５は、図３の機械式サブシステムの別の断面のより詳細な略図である。図６は、図１のシステムの制御サブシステムの機能ブロック図である。図７は、位置命令波形を示す図である。実施態様の詳細な説明図１に、一秒あたり５から６の走査速度でサンプル１２を移動し、前方及び後方への走査方向の両方向でデータを収集する、双方向光学走査システム１０を示す。「速軸」と表示された矢印１３は、２つの走査方向を示している。走査システムは、また、１走査に一度、「遅軸」と表示された矢印１４で図に示すように、走査ラインに垂直な方向にサンプルを移動させる。サンプル１２の移動を制御するシステムのコンポーネントについては、図３及び図４を参照して後で説明する。図２に、サンプル１２の移動を示す。サンプル１２は、双方向の走査にわたって移動するが、この双方向の走査は、それぞれ、(i)サンプルが、その間を、一定速度で移動する直線状の走査セグメント１０２、及び(ii)サンプルがその間で、減速し、停止して反対方向に加速する「方向転回（ターンアラウンド）」セグメント１０４を備えている。それぞれの方向転回時間の間に、サンプルは、遅軸１４に沿って一画素だけ進められる。図５を参照して、後で説明するように、サンプルのデータは、各直線状の走査セグメント１０２の中央部１０３の間に収集される。再度、図１を参照すると、システム１０は、一つ以上のレーザ１８からの互いに異なる波長を有する一つ以上のレーザビームをサンプル１２に向ける、固定した光学サブシステム１６を備える。図には、２つのレーザ１８、すなわち、赤色のヘリウムーネオンレーザ(HeNe laser)１８ａ及び緑色のヘリウム−ネオンレーザ１８ｂを示している。特定の用途に適応するように、単一のレーザ、またはこれより多くの数のレーザを、かわりにシステムに備えることができる。光学サブシステム１６は、さらに、レーザ減衰器２０を備えており、このレーザ減衰器は、ユーザの指示の下に、サンプル１２に向けられるレーザビームのパワーを制御する。レーザ減衰器２０は、例えば、アドレス可能に配列した、選択されたニュートラルフィルタ（neutral fixed-density filter）、連続可変のニュートラルフィルタ(neutral density filter)、少なくとも一つの回転偏光子を備える複数の偏光子、または、偏光子の前に配置された回転する偏光リターダ（ retarder）とすることができる。ミラー２２は、レーザ１８ａからの減衰されたビームをビーム結合器２４に向け、ビーム結合器は、レーザ１８ａによって発生された波長の光を通過させ、レーザ１８ｂによって生成された波長の光を反射する。ビーム結合器２４は、例えば、それぞれの波長の光を通過させ、反射する薄膜干渉コーティングを施された二色フィルタとすることができる。ビーム結合器２４は、２つのレーザからの減衰されたビームを一つの平行ビームに効果的に結合する。ミラー２６は、平行ビームをビームスプリッタ２８に向けて反射し、次に、ビームスプリッタが、ビームを反射して、レンズアセンブリ３０を通過させる。レンズアセンブリは、ビームを集束させてサンプル１２に向ける。以下にさらに詳細に説明するように、ビームスプリッタ２８は、また、レンズアセンブリ３０が、サンプル１２から収集する光を光検出器３８に向けて通過させる。従来の顕微鏡レンズアセンブリに類似したレンズアセンブリ３０は、金属のセル３２に取り付けられた複数のエレメント（不図示）を備える。好ましくは、このレンズアセンブリは、比較的大きな開口、大きな対物距離、制限された色補正範囲を有しており、０．５〜０．８ｍｍの範囲の大きな開口数の対物レンズを備えている。図示したシステムでは、レンズアセンブリは６つのエレメントからなり、開口が１０ｍｍ、対物距離が０．８ｍｍであり、４８８ｎｍから６９０ｎｍの範囲のレーザ及び蛍光波長に対して色補正を行い、開口数が０．７５で、焦点距離が６．６７ｍｍの対物レンズを備える。レンズアセンブリ３０は、それがビームスプリッタ２８から受け取った結合された平行ビームを、半波高全幅値の位置で測定した直径が、好ましくは、ほぼ１〜２０ミクロンの範囲内にあるスポットに集束させる。図示のシステムでは、レンズアセンブリは、直径が１０ミクロンの集束（合焦した）したレーザスポットを生成するが、この１０ミクロンの直径は、後で説明するように「画素」の幅である。レンズアセンブリは、特定の用途に適応するように、他の種々の直径を有するレーザスポットを生成することができる。例えば、レンズアセンブリは、サンプルが比較的大きなターゲットを含む場合には、より大きな直径のレーザスポットを生成することができる。レーザスポットに反応して、サンプル内の蛍光性の化学的タグ（fluorescent chemical tags）が、レーザ光よりも通常長い波長の蛍光を放射する。レンズアセンブリ３０は、放射された蛍光の一部を収集する。より詳しくは、レンズアセンブリ３０は、対物レンズの開口数に対応する立体角円錐を表す領域内に放射される蛍光を収集する。従って、対物レンズの開口数が大きくなるに従い、レンズアセンブリはより多くの光を集めることになる。レンズアセンブリ３０は、収集した蛍光を平行化して、それをビームスプリッタ２８に向ける。ビームスプリッタは、平行化された蛍光を回転ミラー３３に向けて通過させ、回転ミラーは、この蛍光を検出レンズ３４に向ける。検出レンズは、平行化された蛍光を従来の光検出器３８上に集束させる。光検出器３８は、光電子増倍管検出器（ＰＭＴ）として図に示されている。光検出器３８は、この集束した蛍光に関連する情報を、この情報（「サンプルのデータ」）を後で使うために所定の時間に記録するシステムコントローラ８２（図６）に送る。システムコントローラの動作については、図６及び図７を参照して後でさらに詳細に説明する。集束した蛍光が光検出器３８に到達する前に、この光はフィルタリングを施される。２つのレーザ１８ａと１８ｂを備えるシステム１０には、２つのフィルタ３７ａと３７ｂがあり、これらは、エミッションフィルタホイール（emission f ilter wheel）３６の一部である。エミッションフィルタホイール36は、ステップモータ（不図示）の制御の下に動作して、蛍光の光路内で、フィルタ３７ａと３７ｂをそれぞれ位置決めする。各フィルタ３７ａと３７ｂは、所望のピークを示す蛍光の波長の光を通過させて、サンプルから反射されるレーザ１８ａ及び１８ｂからの光を含む他の波長の光を阻止する帯域通過フィルタである。エミッションフィルタホイール３６と検出レンズ３４の位置は、交換可能であり、その場合は、フィルタ３７ａと３７ｂが、平行化された光をフィルタリングして、検出レンズ３４がこのフィルタリングされた光を集束させる。システムは、平行化された蛍光の光路内に複数のビームスプリッタ２８を備えることができ、また複数の光検出器３８を備えることができる。各ビームスプリッタは、所望の波長の蛍光を関連する光検出器３８に向け、他の全ての波長の光を通過させる。光検出器３８を、特定の波長に特別に整合させることができ、複数の波長を伴う走査動作を同時に実行することができる。データが収集されるサンプル１２の領域（すなわち「画像」）は、画素単位の大きさである。図示の実施態様では、画素は１０μｍ×１０μｍの正方形である。サンプルのデータを正確に取得するために、固定のレンズアセンブリ３０に対して移動するサンプル１２の位置は、一画素より小さい範囲内に決定されなければならないが、このことは、システムが、前方及び後方の走査方向のそれぞれの方向において、１画素以下（サブピクセル）の精度を有していなければならないことを意味する。さらに、画像のスキューを避けるために、システムは、それぞれの走査方向における画素の位置をサブピクセルの精度で調整しなければならない。上述したように、サンプルがほぼ一定の速度で移動するときの走査のアクティブな走査部分１０３（図２）の間のみ、データが収集される。この部分の走査の間は、レーザのパワーに何らかの変調を行うことを要せずに、一様なレーザパワーが画像を横断して与えられる。サブピクセルの精度を提供するために協働する２つのサブシステムがある。すなわち、サンプルを移動させる機械式サブシステム５０（図３）と、機械式サブシステムの動作を制御すると共に、走査ライン毎及び画素毎の位置誤差の両方を補正する制御システム８０（図６）である。図３を参照して後でさらに詳細に説明するように、機械式サブシステムは、前方及び後方への走査方向のシステムの移動における差違を最小化するために最大の剛性を有している。今度は、図３及び図４を参照すると、機械式サブシステム５０は、サンプル１２を保持するためにスプリングピン５３を使用するサンプルホルダー５２を備えている。サンプルホルダーは、開口部５２ａを有しており、この開口部を通して、レンズアセンブリ３０（図１）が、集束されたレーザ光をサンプルに導き、放射された蛍光をサンプルから収集する。サンプルホルダー５２は、ねじ５５によってシャトル５８に取り付けられる。シャトル５８は、サーボアクチュエータ５４によって（矢印１３によって示される速軸に沿って）前方及び後方の走査方向に移動される。本実施態様では、サーボアクチュエータ５４は、可動マグネット回転ガルバノメータ（moving-magnet rotary galvanometer）であり、これは、磁気ヒステリシスが小さいものである。従って、ガルバノメータの移動は、２つの走査方向において本質的に同じである。サーボアクチュエータ５４は、シャフト５６を回転させ、シャフト５６は、それに取り付けられた軽量の金属ホイール６０を回転させる。ホイールには、全体の重量、従って慣性を低減するためのさまざまな切り抜き（不図示）があってもよい。一対のベルト６６と６８が、ホイール６０のまわりに部分的に巻き付けられて、さらにシャトル５８の端部５８ａ、５８ｂにそれぞれ取り付けられ、これによって、ホイール６０の回転運動をサンプル１２の並進運動に変換する。さらに図５を参照すると、ベルト６８は、その一方の端部６８ａにおいてホイール６０にリベット６９ａで取り付けられ、他方の端部６８ｂにおいてシャトルの端部５８ｂにねじ（不図示）で取り付けられる。ベルト６６は、その一方の端部６６ａにおいてシャトル５８の端部５８ａにねじ６９ｂで取り付けられ、他方の端部６６ｂにおいて予め負荷をかけられた（pre-loaded）ばね７０に取り付けられる。次に、ばね７０は、Ｃ字形のくぼみ６４にかかるようにホイール６０に取り付けられる。ベルト６６には裂け目（スプリット）があり、切り抜き６６ｃを備えている。切り抜き６６ｃは、ベルト６８の比較的狭い部分６８ｃを収容するのに十分広いものである。ホイール６０が回転して、ベルト６８をホイールにさらに巻き付けると、ベルト６８の狭い部分６８ｃが、ベルト６６の切り込む部分にはまり込み、こうして、２つのベルトがホイールにしっかりと保持される。従って、一対のベルトは、本質的に一つのベルトのように動作して、取り付けられたシャトル５８を速軸１３に沿って移動させる。シャトル５８を、例えば、前方走査方向に移動させるために、サーボアクチュエータは、シャフト５６を時計方向に回転させる。シャフトが、次に、ホイール６０を時計方向に回転させる。ホイール６０が回転すると、この回転によって、ベルト６８が、シャフト５６が回転する角度に比例する距離にわたって、シャトル５８の端部５８ａを引っ張ることになる。シャトル５８を、後方の走査方向に移動させるために、サーボアクチュエータはシャフトを反時計方向に回転させる。シャフトが、次に、ホイール６０を回転させ、ホイール６０が、ベルト６６を介して、同じくシャフト５６が回転する角度に比例する距離にわたって、シャトルの端部５８ｂを引っ張る。ベルト６６の巻き付け角は、本質的には、くぼみ６４の湾曲６４ａによって規定されるものであるが、以下のように決められる。すなわち、(i)関連する巻き付け角による摩擦力が、方向転回の時間の間にサンプルを加速するために生じる力に応答して、ベルト６６がホイール６０に対してすべることを阻止するのに十分大きいものであること、及び(ii)この摩擦力が、ばね７０の制御の下に、ホイール６０とベルトの熱膨張の違いよって生じるより大きな力に応答して、ベルト６６がすべることができるように十分小さいものであること、である。システム１０においては、ホイール６０はアルミニウムからできており、従って、ベルト６６よりも急速に膨張する。ばね７０により、基本的にすべての環境条件の下で、ベルト６６をホイールのまわりにピンと張った状態のままにして、バックラッシュ、またはデッドバンドが生じないようにすることが保証される。従って、シャフト５６が所定の角度だけ回転すると、一対のベルトにより、シャトル５８が所定の距離だけ移動される。ベルト６８の巻き付け角は、システムの動力学に関連する力によっても、システムコンポーネントの熱膨張に関連する力によっても、ベルト６８がホイール６０に対してすべることがないように決められる。両方向における速軸上のサンプル１２の移動は、サーボアクチュエータ５４によって全体にわたって駆動される。サーボアクチュエータ５４は、上述したように、磁気ヒステリシスの小さい、可動マグネット回転ガルバノメータである。２つの走査方向における移動間の差違を生じやすい、芯出し用ばね（centering sp ring）、親ねじ（lead screw）や他のメカニズムは存在しない。従って、シャフト５６を所定の角度だけ回転させることによって、サンプルをどちらの走査方向においても予測した位置に移動させることができる。さらに図３〜５を参照すると、一体型のフレーム７２が、シャトル５８、サーボアクチュエータ５４、及び、シャフト５６の角位置を判定する、取り付けられた位置検出器５７を支持している。フレーム７２、従って、サンプル１２は、ステップモータによって、方向転回の時間の間（矢印１４によって示される遅軸に沿って）走査方向に垂直な方向に移動される。ステップモータは、親ねじ７４を適切な角度だけ回転させることによって、遅軸に沿ってフレームを移動させて、サンプルを一画素分だけ進める。フレーム７２は、システムの剛性を最大にするために一体型で構成されており、親ねじ７４の回転位置と、遅軸に沿ったサンプルの対応する位置の間の差違を最小化する。さらに、サーボアクチュエータ５４と位置検出器５７が、サンプル１２に沿って移動して、速軸に沿ったサンプル１２の移動が、遅軸に沿ったサンプルの位置によって影響を受けないようにしている。図６に示すように、制御サブシステム８０は、システムコントローラ８２を備えており、システムコントローラ８２は、サーボコントローラ８４に向けてライン８１上にサーボ位置決め命令信号を与える。サーボコントローラ８４は、ライン８３上に駆動信号を生成し、この駆動信号により、サーボアクチュエータ５４が駆動されて、位置決め命令信号による指示に従ってサンプルを位置決めする。位置検出器５７は、サーボアクチュエータのシャフト５６（図３）の回転位置を判定して、サーボコントローラ８４に向けてライン８５上にアクチュエータ位置信号を与える。本実施態様では、位置検出器５７は、位置に比例した電圧を発生する容量性の位置変換器である。サーボコントローラは、この位置を、システムコントローラによって与えられたサーボ位置決め命令信号によって指示された、所望の位置に対応する電圧と比較し、位置誤差信号を生成する。サーボコントローラ８４は、従来の位置−積分−微分、すなわち、ＰＩＤサーボループを動作させることにより、サーボアクチュエータ５４に命じて、シャフト５６を所望の角度位置まで回転させる。図７に、システムコントローラ８２によって生成されて、電圧テーブルの形式でサーボコントローラ８４に与えられる位置決め命令波形５００を示す。命令信号は、直線状のセグメント１０２（図２）に対応する一定速度の対称期間５０２、及び、それらの間にあって方向転回セグメント１０４（図２）に対応する方向転回期間５０４を生成する任意の波形とすることができる。そのような波形の一つの例は、点線で示す三角波形５０１である。しかし、本用途に対しては、三角波形ではなくて波形５００を選択する。なぜなら、波形５００のスロープは、方向転回の時間の間、除々に変化するからである。波形５００によって、各方向転回の時間において、サンプルはその一定速度までなめらかに加速される。このなめらかな加速によって、もしそうでなければ、直線状の走査セグメント１０２（図２）の開始時に起こるであろう位置誤差が少なくなる。選択する波形５００は、波形のフーリエ変換により、含まれる高調波の割合が最低であることが示されるまで、三角波形５０１を変化させることによって決定される。システムコントローラ８２は、各サンプル毎に、前方及び後方の走査の間のいくつかの時間におけるアクチュエータ、従ってサンプルの所望の位置に対応する電圧のテーブルを生成する。テーブル内の電圧によって示される位置は、走査全体におよぶ画素の位置に対応する。従って、テーブルは、直線状の走査セグメント１０２に対応する２つの直線状の部分と、２つの方向転回セグメント１０４に対応する２つの非直線状の部分を備える。再び図２を参照すると、サンプルのデータは、直線状の走査セグメント１０２の中央のアクティブ部分１０３の間に収集される。アクティブ走査セグメントの一定速度の「ランイン（run-in）」部分１０６の間に、サーボループは、サンプルの移動に同期して、その位置誤差が画素の何分の一かの比較的小さい範囲内に収まるようにする。これによって、方向転回に先行する時間の間のサンプルの移動に関連する、すなわち、サンプルの速度の変化の結果生じる、より大きな位置誤差が除去される。データの収集動作を、前方及び後方走査の両方に対して一貫したものに維持するために、データは、例えば、後方走査の走査開始部分１０６に対応する前方走査の「ランアウト（run-out）」部分１０８では収集されない。その逆の部分についても同様である。サーボシステムは、最大の走査範囲、及びその走査範囲にわたって最大の速度を具備するように設計される。特定のサンプルに対する位置電圧のテーブルを構築するために、システムコントローラ８２（図６）には、画像の開始位置のＸ座標と、サンプル内で走査される画像の幅が与えられる。システムコントローラは、次に、画像と同じ幅の中央部のアクティブセグメント１０３を含む、サンプルの走査範囲、走査開始及び走査終了セグメント１０６及び１０８、及び２つの方向転回セグメント１０４の適切な部分を決定する。システムコントローラは、次に、サンプルの走査範囲のシャトルの公称速度と、画素位置に対応するその時点でのアクチュエータの所望の位置を計算する。サーボコントローラ８４によってその動作が行われるＰＩＤサーボループの帯域幅は、命令波形の周波数より十分高い。従ってサーボループは、例えば、システムノイズに関連する一時的な誤差に応答することなく、サンプルを所望の位置に駆動し、複数の走査よって生じる誤差を補正する。しかし、サーボループの特性のために、走査ラインを横断する量の変化分だけ、アクチュエータの位置が所望の位置から遅れた位置になる。従って、システム１０は、画素毎の位置誤差を補償する画素クロックシステム８６を備えている。再度図６を参照すると、画素クロックシステム８６は、光検出器３８（図１）からのデータがシステムコントローラ８２によって記録される時間を制御する。画素クロックシステムは、システムクロック８８を備えている。このシステムクロックは、一定の、サブピクセルの速度で動作するものであり、すなわち、速軸に沿って一画素の距離を移動する最大の速度の何倍もの速度でパルスを発生するクロックである。例えば、この画素速度の「ｑ」倍の速度でパルスを発生するシステムクロックを使用すると、画素毎の位置誤差を画素の１／ｑまで補償することができる。アクチュエータによって、サンプルが次の画素位置に、すなわち一画素だけ前に移動したことが予期されたときには、画素クロックシステム８６は、システムコントローラ８２にサンプルのデータを記録するように命じる。画素クロックシステム８６は、ライン８５で、位置検出器５７からの位置電圧を、及び、ライン８１で、システムコントローラ８２からの位置決め命令電圧を受け取る。画素クロックシステム８６は、次に、これらの電圧を比較して、位置の誤差値を決定する。画素クロックシステム86は、サンプルの公称速度に基づいて、サンプルをその現在の位置から命令された位置まで移動させるのに必要なシステムクロック８８のクロックパルス数を決定することによって、位置の誤差値を時間誤差信号に変換する。次に、画素クロックシステムは、これに、サンプルを次の画素位置に、すなわち、さらに一画素だけ前に移動させるのに要する追加のカウント数を加えて、全画素時間カウントを生成する。次に、画素クロックシステムは、システムクロックのパルスをカウントして、そのカウント値が、全画素時間カウントに等しくなったときに、画素クロックパルスをシステムコントローラ８２にライン８７を介して与える。このパルスが、システムコントローラ８２に、光検出器３８（図１）によって生成されるサンプルのデータ信号を記録するように命じる。同時に、画素クロックシステム８６は、関連する位置の誤差値を決定する。シャトル５８の実際の位置と、位置検出器５７によって検出された位置との間には、本質的に多少の誤差が常に存在する。誤差は、各走査方向において異なる影響を有する傾向にあるので、この誤差によって、前方及び後方走査の間にライン間の画像スキューが発生する。この誤差を補償するために、画素クロックシステム８６は、一方のまたは両方の走査方向の電圧テーブルから読み取った各電圧に、オフセット値を加える。本質的に、画素位置をわずかに前に進めるものであるこのオフセット値は、２つの走査方向の対応する画素位置を整列させるために選択される。オフセット値は、走査速度、スキャナの重量などのような特定のシステム設計パラメータに基づいて、経験的に決定することができる。代替的には、オフセットは、画素の何分の一かに換算して、前方走査ライン及び後方走査ラインの両方における、サンプルの既知のターゲットラインのエッジの位置を指定することによって決定することができる。２つの走査におけるエッジの位置間の画素のずれがオフセットである。システムは、次に、実際のオフセットに関連するオフセット値によって、一方または両方の走査方向の画素位置を調整して、両方の走査方向の画素位置を一致させる。システム１０は、剛性であり、前方及び後方走査の間の機械的な動作における差違はごくわずかのものである。システム１０は、一走査ライン及び走査ライン間の両方の範囲にある画素毎の位置誤差を補正する画素クロックシステムを用いて、任意の差違をサブピクセルレベルまで下げることによって補償する。従って、システム１０は、数ミクロンの解像度に対して、一秒あたり５以上の走査速度でデータを正確に記録することができる。以上の説明は、本発明の特定の実施態様に制限したものである。しかしながら、本発明のいくつかのあるいは全ての利点を達成しつつ、本発明に変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。それゆえ、本発明の真の思想及び範囲内に入る全ての変更及び修正をカバーすることが、特許請求の範囲の目的である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＵ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者ストークス，ブライアンアメリカ合衆国ニューハンプシャー州 03087，ウィンドハム，キャッスル・ヒル・ロード・123 (72)発明者ベントソン，ハンスアメリカ合衆国マサチューセッツ州01776, サドルバリー，ベント・ロード・57 (72)発明者ホンカケン，ピーターアメリカ合衆国マサチューセッツ州01821, ビレリカ，エインスレイ・サークル・10

Claims

【特許請求の範囲】１．Ａ．前方走査及び後方走査の両方の走査において、サンプルから収集したデータを記録する固定された光学システムと、Ｂ．サンプルを前記光学システムに対して位置決めするためのサンプル移動システムを備える双方向光学スキャナであって、該サンプル移動システムが、 i.ホイールを所望の回転位置まで回転させるためのサーボ制御されるアクチュエータと、 ii.前記ホイールの回転運動を、前記サンプルの並進運動に変換するためのばね制御されるシステムを備え、該ばね制御されるシステムが、ａ．前記サンプルを担持するシャトルと、ｂ．第１の端部で前記ホイールに結合し、該ホイールのまわりに部分的に巻き付き、及び、第２の端部で前記シャトルの第２の端部に結合する第１のベルトと、ｃ．前記ホイールのまわりに部分的に巻き付き、第１の端部で前記シャトルの第１の端部に結合し、第２の端部でばねに結合する第２のベルトであって、前記ホイールが回転するにつれて、前記第１のベルトをはめ込むスプリットを備える該第２のベルトと、ｄ．第１の端部で前記第２のベルトに結合し、第２の端部で前記ホイールに結合する前記ばねを備えており、該ばね制御されるシステムは、前記シャトルを、前記ホイールの前方への回転に伴って一方の方向に、及び、前記ホイールの後方への回転に伴って反対側の方向に、引っ張っることにより、前方及び後方走査において前記サンプルを移動させること。２．データの記録を命令するための画素クロックシステムをさらに備える請求項１のシステムであって、該画素クロックシステムが、ａ．サンプルの位置を判定するための手段と、ｂ．前記サンプルの所望の位置と、該サンプルの前記位置の間の位置誤差を決定するための手段と、ｃ．サブピクセル速度で実行するシステムクロックと、ｄ．前記サンプルを次の所望の位置まで移動させるのに必要な前記システムクロックのクロック数を決定するための手段と、ｅ．前記システムクロックが適切な回数だけクロックを刻んだあとに、データの記録を命令するための手段を備えること。３．位置誤差を決定するための前記手段が、前記所望の位置を調整して、前方及び後方走査方向における画素位置を整列させるための手段を備える、請求項２のシステム。４．Ａ．サンプルを走査して、該サンプルからのデータを収集するための固定した光学サブシステムと、Ｂ．前方走査及び後方走査において、前記サンプルを前記光学サブシステムに対して移動させる機械式サブシステムと、Ｃ．前記機械式サブシステムの動作を制御し、前記光学サブシステムによって収集されたデータを記録するための制御システムを備える双方向走査システムであって、該制御システムが、ｉ．前記機械式サブシステムに対して、直線状のスロープからなる対称的な部分と、各直線状の部分に続き、各々が除々に変化するスロープを有する２つの末端部分を備える波形に対応する、位置決め命令を与えるための位置決め命令手段と、 ii.前記サンプルを、前記位置決め命令信号に対応する位置に移動させるように、所定の時間に前記機械式サブシステムに命じるサーボシステムと、 iii.前記サンプルが、直線状のスロープを有する位置決め命令信号の部分に関連する次の位置にあるべきことが予期される時間に、データの記録を命じる画素クロックシステムを備えること。５．前記位置決め命令手段が、高調波が最低である位置決め命令信号を使用する請求項４のシステム。６．前記画素クロックシステムが、両方の走査方向において一致する画素位置に対応する時間にデータの記録を命令する、請求項４のシステム。７．前記画素クロックシステムが、ａ．２つのそれぞれの走査方向における画素位置を決定するための手段と、ｂ．一方または両方の走査方向における画素位置を修正して、各方向において対応する画素位置に整列させるための手段と、ｃ．サンプルの現在の位置と、次の修正された両素位置との間の位置誤差を決定するための手段と、ｄ．サンプルを前記次の画素位置まで移動させるのに要する時間を決定するための手段と、ｅ．サンプルが、前記次の画素位置まで移動したことが予期される時間に、データの記録を命令するための手段を備える請求項６のシステム。８．Ａ．サンプルからデータを収集するための固定した光学システムと、Ｂ．サンプルを、一秒間に５以上の走査速度で、前記光学システムに対して移動させるための機械式システムであって、該サンプルを、前方走査方向及び後方走査方向の両方向に移動させる該機械式システムと、Ｃ．データ記録の時間を制御するための画素クロックシステムを備える双方向走査システムであって、該画素クロックシステムが、 i.前方及び後方走査における対応する画素位置を整列させるための手段と、 ii.サンプルが、前記光学システムに対して次の画素位置に移動したことが予期されるときに、データ収集を命令するための手段を備えること。