JP2005519258A - 走査ｉｒ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

ＦＴ−ＩＲ顕微鏡は、走査分光計と組み合わされて、ＦＴ−ＩＲ顕微鏡の移動可能なステージの移動が走査分光計のスキャンと同期されるように動作される。これは、処理時間における遅延を最小にする。

Description

この発明は、ＦＴ−ＩＲ分光に使用できる顕微鏡に関する。ＦＴ−ＩＲ顕微鏡は一般にＦＴ−ＩＲ分光計と共に運用される。ＦＴ−ＩＲ顕微鏡により使用されるＩＲビームは、走査も制御する分光計により生成される。

赤外像を生成可能は市販のＦＴ−ＩＲ顕微鏡は、広く２つのカテゴリー、すなわち、焦点面アレイシステムと単独検出器システム、に分けられる。焦点面アレイシステムでは、比較的大きなアレイ検出器が、静止サンプルの一部の像を生成するために使用され、単独検出器システムでは、任意の大きさの像が、ラスタスキャンの形で、小さなステップでモータで駆動されるサンプルを移動することにより、個々の画素から作成される。この大きなアレイに基づくシステムは、典型的な検出器において使用される低いフレームレートにより、非常に遅い分光計のスキャン、しばしばステップごとのスキャン、を使用せざるを得ない。ここで、サンプルの干渉像は、分光計の各スキャン位置において、次のスキャン位置に移動する前に、取得される。その間、サンプルは移動しない。対照的に、単独検出器（複数）は、ずっと広いバンド幅をもつので、はるかに速い分光計のスキャンを可能にし、典型的にステップごとに移動することはなく、干渉データは、スキャンの間に連続的に収集される。この発明は、サンプルが各々のスペクトルの測定の後でそれ自身の面の上でステップ状に移動される後者の型のシステムに関連し、データ収集の速度と効率に関連する。上記の検出器は、１つの検出器である必要はなく、ＥＰ−Ａ−１１８４７０３号公報に開示されている種類の小さなアレイであってもよい。この文献の開示はこの明細書に組み込まれる。
ＥＰ−Ａ−１１８４７０３号公報

１つの公知のＦＴ−ＩＲ顕微鏡は、複数の像（またはマップ）を生成する。ここで、ステップごとに１つの時間に１つの画素を処理し、動作のシーケンスを繰り返す。この循環的シーケンスは以下のステップからなる。
（１）モータで駆動されるサンプルステージを次のサンプル位置にステップ移動する。
（２）分光計のスキャンを開始する。
（３）分光計のスキャンが完了し停止するのを待つ。
（４）データを転送する。
（５）次のサンプル位置へステージをステップ移動する。

動作のシーケンスの性質は、各動作が前の動作の完了を待つので、各動作で実質的な遅延を生じ、その結果、程よい大きさの像を収集するのに非常に長い時間を要する。

この発明の提案は、ステージの移動をスキャンと同期することである。これにより、損失時間を最小にし、好ましくは、反復されるステージ移動の自然の進行において生じるむだ時間の中でステージ移動を行う。単独の検出器の代わりに小さなアレイを用いることにより、複数の画素の並列のデータ収集へ動作原理を拡張すると、その結果、処理時間が劇的に減少するので、像の収集は、はるかに高価な大きなアレイを用いるシステムで達成されるのと同様な時間で行える。

発明の実施の形態は、以下のように実施される。
第１のステップは、停止位置からスキャンを開始するときに特有の遅延をなくすため、分光計が連続的にスキャンを続けることである。したがって、任意の希望の瞬間に顕微鏡のステージをステップ移動し、データが次の完全なスキャンから収集されるのを単純に待つことができる。これは、スキャンの間にデータが収集されるのを損なう、ステージの移動の間のスキャンの実質的進行を防止することを必要とする。

次のステップは、スキャンの損失がランダムであるよりはむしろ予測可能であるように、ステージの移動をスキャンと同期することである。たとえば、安定するまでの時間を含むステージの移動が個々のスキャン時間の大きな部分を占めると考える。次に、ステージの移動が正確にはどこで起こるかに依存して、１つ又は２つのスキャンが失われる可能性がある。ステージの移動をスキャンの完了と同期することは、１のスキャンのみが失われることを確実にする。この程度の同期は、単純にデータ転送が完了するのを待つことにより達成できるが、しかし、ステージの移動が前回のスキャンが終了するとデータ転送を待たずにすぐに開始できるので、好ましくは、前回のスキャンが終了するとすぐにステージ移動のトリガー信号が送られるように手配される。そのようなトリガー信号は、存在するソフトウェアチャンネルを用いてシステムを通って伝達される。

１つのスキャンの損失は、なお、全体のマップ速度に実質的な影響を及ぼす。たとえば、もし画素あたり１つのスキャンのみを収集すれば、マップ速度は、１つおきのスキャンの損失により半分になる。明らかに、スキャンの損失のないことが好ましい。これは、機械的なスキャン方向の反転の間に生じる２つのスキャンの間の自然なむだ時間よりもステージをステップ移動する時間（落ち着くまでの時間を含む）を短くすることにより、達成できる。このステージのステップ移動時間がスキャンのむだ時間よりも少し長くても、１つの全体のスキャンを無くしてもとに戻るよりは、スキャンのむだ時間を人工的に増加することが効果的である。そのような厳しい同期は、前回のスキャンが完了するとすぐにスキャン制御器からステージ制御器までトリガー信号をむしろ速く通信することを要求し、そして、これは、典型的には非リアルタイム・オペレーティングシステムにおいて遅延を生じるソフトウェアを用いるよりは、むしろ、直接のハードウェアの通信を用いて、よりよく達成できる。

最後の可能性は、ステージを連続的に移動することと、同時に、連続的にスキャンすることである。これは困難を生じる。第１に、サンプルのスペクトルは、スキャンが進む間に、変化し続ける可能性があり、どのような不要な副次効果が生じたかを決定するために注意深い解析が必要である。第２の問題は、スキャンと有効なステージ位置との相関を確立することである。これは、たとえば各スキャンの開始のときなどのステージの座標を書き留めるための記録手段を必要とする。最後に、エラーからの回復の問題がある。もしステージとスキャンのいずれかが一定速度で動作しないならば、データは、ステージ移動の種々の位置増加分(increment)で現れる。これによる小さな問題は内挿により取り扱えるが、もし２つの機構のどちらかが瞬間的にでも誤動作すると、エラーからの回復はかなり複雑になる。

好ましい実施の形態は、最も適当な解決として、スキャンの間のむだ時間におけるステージの同期したステップ移動を用いる。スキャン制御器は、不要な遅延をなくすため専用のハードウェア制御を用いて、前のスキャンが終っており、ステージが移動されたことをステージ制御器に知らせる。イベントの循環的シーケンスは以下のようになる。
(１)現在進行中のスキャンからのデータ収集が完了するのを待つ。
(２)ステージ制御器に中間トリガー信号を送って
(３)モータ駆動されるサンプルステージを次のサンプル位置へステップ移動する。
(４)一方、同時に、データを転送する。
(５)スキャンの転換(turnaround)のすぐ後でその次のデータ収集を開始するスキャンを行わせる。

速いスキャンを行う分光計に基づくＦＴ−ＩＲ顕微鏡を提供することは新規な概念であると考えられる。ここで、サンプルステージの位置増加分の移動は、データ収集の損失を実際上招かないように分光計のスキャンの終了と同期される。この処理は、前に使用されていた単独の検出器の代わりに検出器の小さなアレイを使用する顕微鏡において特に効果的であると考えられる。そのような顕微鏡はＥＰ−Ａ−１−１８４７０３号公報に記載されている。

以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。

この発明は、本発明による実施の形態の図式的なブロック図である添付した図面を参照して、例を用いて説明される。

この発明は、スキャン分光系と共に動作する広い範囲のＦＴ−ＩＲ顕微鏡に適用可能である。図は、顕微鏡撮像システムを示し、このシステムは、４つの機能ブロック、すなわち、パーソナルコンピュータＰＣ（１０）、スキャン制御器（１２）（分光計の一部）、顕微鏡データ収集（１４）および顕微鏡ステージ制御器（１６）、を備える。４つのブロックの間のリアルタイムのリンク（速いと保障されている）は、実線で示され、非リアルタイムのリンクは破線で示される。

ＰＣ（１０）は、マスター制御器として動作し、残りの３つのブロック（１２，１４，１６）の動作を調整する全体的なタスクを有する。オペレーティングシステムの時々予測できなくなる遅い応答の結果、ＰＣはシステムの動作の間にリアルタイムの制御の決定をすることについてはあてにされていず、むしろ、時間的に先に他の制御器における制御機能を設定しておき、単に動作をモニターし、可能なときに、入ってくるデータを処理する。

スキャン制御器（１２）は、分光計（１８）における干渉計のスキャンを監督する機能を備える。当業者に知られているように、分光計は前と後とに連続的にスキャンし、干渉計の中のレーザ計測を用いて移動した距離の関数として発生されるサイン信号の期間を計数することにより、到達した位置をモニターする。こうして、スキャン制御器（１２）は、データを収集するべき動作中のスキャンの長さを制御し、モニターし、そして、スキャンの転換の性質とタイミングを決定する。

顕微鏡のデータ収集器（１４）は、ディジタル化データのストリームを発生する機能を備え、スキャン制御器（１２）により使用される同じサイン信号により決定される一定間隔で、顕微鏡の赤外検出器（２０）からのアナログ信号を数値の形に変換する。ディジタル化データは動作中のスキャンの間に収集され、スキャンの転換の間、すなわち、１つのスキャンの終わりとつぎのスキャンの始まりの間の期間、では無視される。データ収集器は、１つのスキャンが動作中であるときにスキャン制御器（１２）により出される「スキャン動作中」信号を受け取る。

顕微鏡のステージ制御器（１６）は、ある位置でのデータ収集が完了した後、かつ、次の位置でのデータ収集が始まる前に、顕微鏡のステージの前進を制御する機能を備える。サンプルのスイープにおいて、ステップの大きさは一定であり、スキャンは前もって設定される。その結果、ステージ制御器（１０）は、いつ次のステップに進むかを知らされるだけでよく、これは、顕微鏡のデータ収集器（１４）から、１つの信号線（２４）を介して通信される。

このシステムは、以下のように動作する。ＰＣ（１０）は、測定の基本的なパラメータについて他の制御システム（１２、１４、１６）を指示する。このパラメータは、顕微鏡のスキャンの長さ及びスキャンの転換の任意の詳細、顕微鏡のデータ収集器のため各位置で収集するスキャンあたりのデータ点の数とスキャンの数、及び、最後に、顕微鏡のステージ制御器のためのサンプルステップサイズである。それらのシステムがこれらを初期化した後で、ＰＣは、測定を開始する命令を出す。

スキャン制御器（１２）は、スキャン開始が到達するとすぐに、顕微鏡のデータ収集器にライン（２６）で「データ有効（valid）」信号を出し、そして、データ収集器は、スキャンの終わりの信号が「データ有効」信号を用いてスキャン制御器により送られるまで、ディジタル化データを集める。データの収集は、スキャンの開始とともに始まり、このサイクルは、そのサンプルについて必要な数のスキャンが収集されるまで続く。もしエラーが検出されたなら、データ収集器は、そのときのスキャンをすて、単にその代わりにその次のスキャンを待つことができる。データ収集器が、現在のサンプルの位置で十分なスキャンを収集すると、ステージ制御器に、ライン（２４）を介してサンプル位置を前進する信号を送ることができる。この時は、最後のスキャンの終わりに起こる。「データ有効」信号がスキャンの終わりを示し、データ収集器はスキャンが満足であることを照合する。もし不要な遅延が避けられるなら、ステージをステップ移動する信号は、データ収集器（１４）により、スキャンの終了の後で転換が始まっているときに、ステージ制御器に送られる。典型的には、次のスキャンの前にサンプルを前進する十分な時間があり、そのサンプル位置でのデータ収集は、収集効率を損なうことなく、それに続くスキャンにおいて再開される。

状況のある組み合わせにおいては、サンプルステップは、次のスキャンの前には完了できない。移動中のサンプルについてのデータ収集に対して保護するため、ステージ制御器は、データ収集器（１４）にライン（２８）を介して、ステージが移動中であることを示すフラグを送ることができる。もしデータ収集器が、移動が完了する前に次のスキャンが開始したことを検出すると、次のスキャンを捨てて、続くスキャンを待つ。そのときまでに、ステージ制御器は、サンプルを進めるというタスクを確かに終了するべきである。

発明の実施の形態によるシステムの図式的なブロック図

符号の説明

１０ パーソナルコンピュータＰＣ、 １２ スキャン制御器、 １４ 顕微鏡データ収集器、 １６顕微鏡ステージ制御器。

Claims (10)

1. 走査分光計と組み合わされたＦＴ−ＩＲ顕微鏡の動作方法であって、
   ＦＴ−ＩＲ顕微鏡の移動可能なステージの移動が走査分光計のスキャンと同期されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載された方法であって、
   前記の顕微鏡の移動可能なステージの移動が走査分光計の各々のスキャンの終了と同期されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載された方法であって、
   前記の走査分光計のスキャンが連続的に行われることを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された方法であって、
   前記のＦＴ−ＩＲ顕微鏡が単独の検出器を用いることまたは複数の検出器の小さなアレイを用いることを特徴とする方法。
5. 走査分光計と、移動可能なステージを備えるＦＴ−ＩＲ顕微鏡とを用いてＦＴ−ＩＲ分光を行うシステムであって、
   前記の移動可能なステージの移動が前記の走査分光計のスキャンと同期されることを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載されたシステムであって、
   前記のＦＴ−ＩＲ顕微鏡の移動可能なステージの移動が走査分光計の各々のスキャンの終了と同期されることを特徴とするシステム。
7. 請求項５または６に記載されたシステムであって、
   前記の走査分光計のスキャンが連続的に行われることを特徴とするシステム。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載されたシステムであって、
   前記のＦＴ−ＩＲ顕微鏡が単独の検出器を用いることまたは複数の検出器の小さなアレイを用いることを特徴とするシステム。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載されたシステムであって、
   さらに前記の走査分光計の走査を制御する走査制御器、前記の顕微鏡の１以上の検出器から信号を生成するためのデータ収集器と、ＦＴ−ＩＲ顕微鏡の前記のステージの移動を制御するステージ制御器と、前記の走査制御器、データ収集器及びステージ制御器を制御するマスター制御器とを備えることを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載されたシステムであって、
    １つの走査の終了が、前記の走査制御器により発生され前記のデータ収集器を介して前記のステージ制御器に送られる信号により前記のステージ制御器に知らされることを特徴とするシステム。
    

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