JP2005534946A - 撮像システムおよび逆空間光学設計を用いる方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2001年7月6日に出願し、「撮像システムおよび逆空間光学設計を用いる方法」と題する米国特許出願番号09/900,218の利益を主張する。
本発明は、光学および/または撮像システムおよび方法に関する。本発明の一態様では、k空間フィルタは、撮像センサーレセプターをオブジェクト視界に相互に関係づける光学媒体のような像伝達媒体から構成され得る。1つ以上の使用目的を達成するためおよび多用途のために、さまざまな照明源も使用することができる。本発明の撮像システムのk空間設計は、従来システムにくらべ、実質的に高い有効分解倍率で高い視界(FOV)の像を得て、分析(例えば自動のおよび/または手動の)することを可能にする。これは、非常に高い有効分解倍率を得るのに、低倍率の対物レンズに付随して小さい開口数(NA)を採用することも含む。その結果、非常に高い有効分解倍率で、かなり大きい被写界深度(DOF)を有する像をも実現できる。また、k空間設計により、位置を変えても実質的に影響を受け難い均一の照明源を採用しやすくなり、これにより試験方法や分析方法を改善することができる。
s=f/ra
M=x/y 式1
式中、xはセンサー配列のピクセルピッチであり、yは所望の像分解能(最小スポットサイズ)である。それゆえ、ピクセルピッチが10μmである上記の例で、所望の像分解能が1μmであるとすると、式1から10倍の光学システムであることがわかる。つまり、レンズシステムは、10μmピクセルのそれぞれを物平面に逆投影し、それぞれのピクセルを分解可能なスポットサイズ1ミクロンに縮小するように構成される。
NA=0.5×λ/y 式2
式中、λは光学システムで使用する光波長であり、yは最小スポットサイズである(例えば710で決められる)。光学システムがy=1ミクロンの分解スポットサイズを有する例を続け、波長が約500nm(例えば緑色光)であると仮定すると、NA=0.25が式2を満たす。比較的廉価な市販の10倍率の対物レンズが開口数0.25であることが知られている。
(1)生物医学的分析(例えば細胞群体計数、組織学、凍結切片、細胞学、血液学、病理学、腫瘍学、蛍光、干渉、位相および他の多くの臨床顕微鏡アプリケーションなど)
(2)粒度測定アプリケーション(例えば医薬製造、塗料製造、化粧品製造、食品処理工学など)
(3)空気品質モニタリングおよび浮遊微小粒子測定(例えばクリーンルーム認証、環境認証など)
(4)光学欠陥分析および他の透過および不透明な物質の両方の高分解能顕微鏡検査に必要とされるもの(冶金、自動半導体検査および分析、自動視覚システム、三次元撮像などの場合)
(5)カメラ、複写機、FAX装置および医学システムのような撮像技術
・像形成レンズ916および/または偏向ミラー918を含むカメラ/センサーモジュール914
・k空間領域922に挿入するためのepi−照明モジュール920
・サンプルを保持および提示するモジュール924
・コンデンサー934を含む光整形モジュール930
・ステージの下の照明モジュール940
システム900は例えば以下のような市販の構成要素を有利に採用することができる。
・光を提示するためのコンデンサー光学系934(NA<=1)
・(例えばOlympus U−SC−2)
・任意の倍率のために、物平面での投影されたピクセルピッチが光学系の回折限界分解スポットと長さが同様であるという所望の特性を満たすために選択された、倍率と開口数が例えば(4×、0.10)、(10×、0.25)、(20×、0.40)、(40×、0.65)の標準のプラン/アクロマート対物レンズ944
・(例えばOlympus 1−UB222、1−UB223、1−UB225、1−UB227)
・安定した電流電源により駆動するLEDのような光源950
・(例えばHP HLMP−CW30)
・光源の均質化および空間仮想光源の使用のための950における透過ホログラム
・(例えばPOC light shaping diffuser polyester film 30−degree FWHM)
・光源950のNAを撮像光学系のNAに制限するための960における可変の開口で、これにより像形成光学経路に入る散乱光の影響を軽減できる
・(例えばThorlabs iris diaphragm SM1D12 0.5−12.0mm aperture)
・仮想源950から集めた光を最大にして、光源のk空間特性を撮像光学系の特性に一致させるために採用される集光レンズ960
・(例えばf=50mmの非球面レンズ、f=50mmのアクロマートダブレット)
・同軸光路および像の経路を形成するために採用される一部を反射するビームスプリッター964。例えば光学系964は、第1面で(45度の傾斜で)50%の反射率を与え、第2面には広帯域の反射防止がコートされている。
・光源970(安定した電流電源で駆動するLED)
・(例えばHP HLMP−CW 30)
・光源の均質化と空間仮想源の使用のための(光源970に付随する)透過ホログラム
・(例えばPOC light shaping diffuser polyester film 30−degree FWHM)
・仮想源970から集めた光を最大にして、光源のk空間特性を撮像光学系の特性に一致させるために採用される集光レンズ974
・(例えばf=50mmの非球面レンズ、f=50mmのアクロマートダブレット)
・光源970のNAを撮像光学系のNAに制限するための可変の開口980で、これにより像形成光学経路に入る散乱光の影響を軽減できる
・(例えばThorlabs iris diaphragm SM1D12 0.5−12.0mm aperture)
・光路を90度方向を変え、光学モジュールを正確に整列するために微調整に利用される鏡988、および
・可変の開口980のなかの像を物平面の上に(スライド990で)正確に位置を合わせるために採用されるリレーレンズ(図示せず)で、これにより、適当なホログラフィックディフューザの配置とあわせて、ケーラー照明を得ることができる。
・(例えばf=100mmの単純な平凸レンズ)
1) 上述した全ての方法および透過媒体に加えて
2) キュベット、スライドおよび/または透過媒体中の個々の手動サンプル
3) 例えばガスまたは液体の流れの中の粒子の連続流入
4) 反射撮像用に構成された撮像装置で、サンプルは不透明であり、分析する物質に実質的に関係しない不透明な「キャリアー」の上に乗せられる(自動でおよび/または手動で)
・機器の較正および標準化
・産業衛生調査
・材料研究
・エネルギーおよび燃焼研究
・ディーゼルおよびガソリンエンジンの排気物測定
・産業排出物測定
・基本的なエーロゾル研究
・環境調査
・生物エーロゾル検出
・医薬品研究
・健康および農業の実験
・吸入毒物検査、および/または
・フィルタ試験
1) すべての種類の被覆薄膜を有する基材の手動観察
2) 合否検査のための、すべての種類の被覆薄膜を有する基材の自動観察/分析およびキャラクタライゼーション
3) コンピュータ制御の比較処理のための、すべての種類の被覆薄膜を有する基材の自動観察およびキャラクタライゼーションで、これは、検証、認証などのための、選択した記録媒体(例えばCD―ROM、DVD−ROMなど)に書き込んだ像データを含む。
1) 光学走査方法による光学撮像路長の動き
2) 機械的な動きおよび制御(コンピュータによる自動のまたは操作者による手動の)による検査対象物体の直接の索引付け。これにより、要望に応じ表面全体または表面の部分を検査するのが容易になる。粒度測定の文中で上述したように、選択した時間間隔および/または同時に、基材のそれぞれの走査範囲(例えばFOVによって決める)を、一般的なビデオ速度および/または像をとらえる速度で非同期に撮像できる。索引をつけたおよび/または走査した範囲の像を、後の像処理のために所定の頻度でとらえる。加えてサンプルは、手動でおよび/またはコンベアシステムのような「供給装置」から自動化して装置に導入できる。
1) 限定されないが、薄膜の表面(または内部)の粒子および穴を含むさまざまなきずおよび特性の撮像
2) 反射および透明の両方の表面用に必要に応じ変化するモジュール設計
3) 連続して索引をつけた(および/または「走査した」)像範囲を、サイズ、位置および/または数により、(それぞれのサンプル表面の索引の識別と総計で)表面のきずの自動計数および分類
4) 後の手動検査のための欠陥位置の記録
5) 後の移植(例えばEthernet(登録商標)または他のプロトコル経由で)のためにまたはコンピュータ、サーバーおよび/またはクライアント上のアーカイブおよび文書化用に、手動および/または自動の像処理のために、標準形式で像を得る、および/または
6) 総面積に依存する数秒から数分の表面当たりの名目走査時間。走査および索引づけの速度は、一般に、サンプル面積および後処理で変わる。
Claims (12)
- 1つ以上のレセプターを有するセンサーと、1つ以上のレセプターをオブジェクト視界へ縮尺する像伝達媒体とを含む撮像システム。
- 前記像伝達媒体が、1つ以上のレセプターに関係するピッチをオブジェクト視界内の回折限界スポットに相関させるk空間フィルタを備えるものである、請求項1に記載のシステム。
- 前記ピッチが、オブジェクト視界内の回折限界スポットのサイズとほぼ同じサイズに単位毎に位置づけられるものである、請求項2に記載のシステム。
- 前記像伝達媒体が、さらに非球面レンズ、複合レンズ構成、繊維光学テーパ、像用導管およびホログラフィック光学要素のうち少なくとも1つを含むものである、請求項1に記載のシステム。
- 前記センサーが、さらに1つ以上のレセプターに関係するピクセルのMN配列を含むものであり、MおよびNは整数の行と列をそれぞれ表し、前記センサーが、さらにデジタルセンサー、アナログセンサー、電荷結合素子(CCD)センサー、CMOSセンサー、電荷注入素子(CID)センサー、配列センサーおよび直線走査センサーのうち少なくとも1つを含むものである、請求項1に記載のシステム。
- さらにセンサーからの出力を受けるコンピュータおよびメモリーを含むものであり、前記コンピュータは、メモリーに出力を保存すること、メモリーの出力の自動分析を行うことおよび像の手動分析を可能にするようにメモリーをディスプレイに位置づけることのうち少なくとも1つを行う、請求項1に記載のシステム。
- さらにオブジェクト視界内の1つ以上の非発光性物体を照明する照明源を含むものであり、前記照明源は、さらに発光ダイオード、波長特定照明、広帯域照明、連続照明、ストロボ照明、ケーラー照明、アッベ照明、位相差照明、暗視野照明、明視野照明、Epi照明、干渉光、非干渉光、可視光、および、非可視光に適応するセンサーに適合する非可視光のうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記非可視光がさらに赤外および紫外波長のうち少なくとも一つを含むものである、請求項7に記載のシステム。
- さらに付随するアプリケーションを含むものであり、前記アプリケーションが、撮像、制御、検査、顕微鏡自動分析、生物医学的分析、細胞群体計数、組織学、凍結切片分析、細胞学、血液学、病理学、腫瘍学、蛍光、干渉、位相解析、生体物質分析、粒度測定アプリケーション、薄膜分析、空気品質モニタリング、浮遊微小粒子測定、光学欠陥解析、冶金、半導体検査および分析、自動視覚システム、三次元撮像、カメラ、複写機、FAX装置および医学システムアプリケーションのうち少なくとも一つを含むものである、請求項1に記載のシステム。
- センサー上の隣り合うピクセル間のピッチサイズを決め、
オブジェクト視界の分解可能な物体サイズを決め、
分解可能な物体サイズに相当するように光学媒体によりピッチサイズを縮尺することを含む像を作る方法。 - 製品または処理から像データを集める撮像システムと制御装置とを含み、
前記撮像システムは1つ以上のレセプターを有するセンサーと、オブジェクト視界からの光をセンサーの1つ以上のレセプターに導く少なくとも1つの光学装置とを含むものであり、前記少なくとも1つの光学装置はレセプターサイズをオブジェクト視界にあらわれる回折限界物体のサイズとほぼ同じサイズにマッピングし、
前記制御装置は像データを受けて、製品または処理の製造または制御に関係して像データを利用するものである、
機械視覚システム。 - 半導体に関係する製造システムに利用される、請求項11に記載の機械視覚システム。
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