JP2008286623A - 分注検査装置および検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に形成された底面が平坦な窪み形状で容積が小さいウェル状反応部に液体が正しく分注されたかどうかを精度良く検査する検査装置および検査方法を提供する。
【解決手段】反応容器１１に対して光学系１２から同軸落射形式で照明が照射され、その観察画像がカメラ１３により撮像される。なお、照明制御装置１４により、照明は点灯／消灯制御および調光制御できるようになっている。１５は画像入力装置でカメラ１３に接続されている。１６はパーソナルコンピュータで、画像入力装置１５に接続され、画像処理および判定処理のための計算処理を行う。１７はモニタで、カメラ１３で撮像した画像および検査結果等を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は，遺伝子解析などのバイオ関連の研究・生産に用いられるマイクロチップ等において、それらが有する容器内に液体が少量の所定量ずつ注入（以下、分注と呼ぶ）されているかどうかを検査するための検査装置と検査方法に関する。なお、一般的にはマイクロチップとは集積回路を作り付けた半導体小片のことであるが、ここでは、半導体分野を中心に発展した微細加工技術を利用して、化学物質やＤＮＡ、たんぱく質などの反応、分離、精製、検出などを行う複雑な化学システムを１つの基板上に集積したものを指すものとする。

近年、化学反応やＤＮＡ反応、たんぱく質反応などをチップ上にて行うμ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ（μ−ＴＡＳ）技術やＬａｂ−Ｏｎ−Ｃｈｉｐ技術が実現してきており、今まで大型の実験装置や大量の試薬が必要であった反応実験が、数ミリ角以下のマイクロチップを用いて少量の試薬で行えるようになってきている。

このようなマイクロチップなどの反応容器を用いた反応実験における処理は、通常、容器上に規則的に配列された窪み形状をしたウェル状反応部の中に、検出対象となる検体を含んだ試薬液が分注された状態で行われる。このウェル内への試薬液分注工程においては、通常ピペット先端に装着されたピペットチップ内に試験管内から試薬液が吸引され、任意のウェル状反応部に試薬液が分注されるといった処理が繰り返される。このような試薬液の分注工程は自動化されてきており、先端部にピペットが装着されたヘッド部と前記反応容器とが相対的に移動して分注作業を行うことを特徴とする液体分注装置が研究され、開発されてきている（特許文献２参照）。

前記分注装置において、マイクロチップ設置時のアライメントミスや停電、そして動作異常等により試薬液の分注ミスが生じてしまう場合も想定される。前述したマイクロチップなどの反応容器を用いた反応実験においては、規定された複数個のウェル状反応部に試薬が正確に分注されていることが必要とされる。１カ所でも試薬の分注ミスが生じてしまった場合には、全体の反応処理過程に支障をきたしてしまい、正確な結果が得られなくなってしまう。したがって、試薬分注工程段階における分注液の在液検査が強く望まれている。

試薬液がウェル状反応部に微量分注されたかどうかを確認する手段として、例えば人間の目視による検査、つまり官能検査が行われている。しかし、人間の官能に依存する官能検査においては、検査員による判定結果のばらつきを回避することはできない。特に、マイクロチップなどの容器１つ１つの容積は非常に小さいことが多いため、目視で在液を判別するのは非常に困難であり作業性が低いという問題がある。また反応容器が樹脂やガラスのような透明な材質であり、かつ反応に用いる試薬液も透明である場合には、試薬液の存在を確認することは官能検査では主観的な要素に支配されやすく、判定ばらつきが生じやすいうえに時間もかかる。そこで、検査精度およびスループットを向上させるため、液有無検査の自動化を要求する声が高まっている。

従来の検査方法には、例えば液面高さをセンサで検出する方法、吸光度測定により検査を行う方法（特許文献３、４参照）等が存在するが、分注が確実に行われたかどうかを判定する手段は目視による確認手段に依存していることが多いのが実情であった。

特開２００６−２５４８３８号公報 特開２００５−６１９５７号公報 特開２００３−４７５３号公報 特開２００６−１０４９１号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、例えばマイクロチップのようにウェル状反応部１つ１つの容積が非常に小さい反応容器内に液体が正しく分注されたかどうかを精度良く検査することができる検査装置、および検査方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の請求項１においては、基板上に底面が平坦な窪み形状のウェル状反応部を少なくとも１個以上有する反応容器の、前記ウェル状反応部に所定量の少量液体が注入（以下、分注とよぶ）されているかどうか確認する分注検査装置であって、
前記平坦なウェル状反応部底面に対して照明光を照射する照明手段と、
前記照明手段の点灯および消灯および光強度の調節を行う照明制御手段と
少なくとも１個の前記ウェル状反応部を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の出力をディジタル化した画像情報とする画像入力手段と、
前記画像入力手段により得られた画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最小の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える収縮処理を行うことにより収縮処理画像情報を得て、更に、前記収縮処理画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最大の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える膨張処理を行うことにより膨張処理画像情報を得る処理を行う画像処理手段と、
前記画像処理手段が処理した処理画像情報に基づき前記基板の位置決めを行う位置決め手段と、
前記画像処理手段が処理した処理画像情報のうちの、前記ウェル状反応部底面を検査判定領域に設定する検査判定領域設定手段と、
前記検査判定領域設定手段により設定された判定領域の画素群の輝度平均値を算出し、該輝度平均値と所定しきい値とを比較演算することにより、前記ウェル状反応部における液体の有無を判定する演算処理手段と、
前記撮像手段で撮像した画像、および前記画像処理手段による処理画像、および前記検査判定領域設定手段による検査判定領域、および前記演算処理手段による検査結果を表示する表示手段と、を具備することを特徴とする分注検査装置としたものである。

また請求項２に記載の発明は、前記照明手段が前記平坦なウェル状反応部底面に対して垂直に平行光を照射し、前記撮像手段が前記平坦なウェル状反応部底面に対して垂直な反射光のみを抽出する光学系を有することを特徴とする、請求項１に記載の分注検査装置としたものである。

また請求項３に記載の発明は、前記照明手段が少なくとも波長６００ｎｍ以上の光を、前記反応容器に対して照射することができることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の分注検査装置としたものである。

また請求項４に記載の発明は、基板上に底面が平坦な窪み形状のウェル状反応部を少なくとも１個以上有する反応容器の、前記ウェル状反応部に所定量の少量液体が注入（以下、分注とよぶ）されているかどうか確認する分注検査方法であって、
前記平坦なウェル状反応部底面に対して照明光を照射する照明段階と、
前記照明段階の点灯および消灯および光強度の調節を行う照明制御段階と
少なくとも１個の前記ウェル状反応部を撮像する撮像段階と、
前記撮像段階での出力をディジタル化した画像情報とする画像入力段階と、
前記画像入力段階により得られた画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最小の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える収縮処理を行うことにより収縮処理画像情報を得て、更に、前記収縮処理画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最大の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える膨張処理を行うことにより膨張処理画像情報を得る処理を行う画像処理段階と、
前記画像処理段階で処理した処理画像情報に基づき前記基板の位置決めを行う位置決め段階と、
前記画像処理段階で処理した処理画像情報のうちの、前記ウェル状反応部底面を検査判定領域に設定する検査判定領域設定段階と、
前記検査判定領域設定段階で設定された判定領域の画素群の輝度平均値を算出し、該輝度平均値と所定しきい値とを比較演算することにより、前記ウェル状反応部における液体の有無を判定する演算処理段階と、
前記撮像段階で撮像した画像、および前記画像処理段階における処理画像、および前記検査判定領域設定段階における検査判定領域、および前記演算処理段階における検査結果を表示する表示段階と、
を具備することを特徴とする分注検査方法としたものである。

本発明の分注検査装置および検査方法によれば、例えばマイクロチップのようにウェル状反応部１つ１つの容積が非常に小さい反応容器内に、液体が正しく分注されたかどうかを精度良く検査することができる。

本発明を適用する分注検査装置の実施形態について説明する。図１は本発明による分注検査装置１の構成図である。

図１において、反応容器１１に対して光学系１２から同軸落射形式で照明光が照射され、その観察画像がカメラ１３により撮像される。なお、照明制御装置１４により、照明は点灯／消灯制御および照明光強度の調節ができるようになっている。１５は画像入力装置でカメラ１３に接続されている。１６はパーソナルコンピュータで、画像入力装置１５に接続され、画像処理および判定処理のための計算処理を行う。１７はモニタで、カメラ１３で撮像した画像および検査結果等を表示する。

図２に、光学系１２の詳細を模式的に示す。光学系１２では、光源２１、レンズ系２２、ハーフミラー２３、レンズ系２４を備えた同軸落射照明方式をとっている。光源２１から出射された光は、ハーフミラー２３へと向けられる。ハーフミラー２３によって反射された光はレンズ系２２を介して平行光となり、反応容器１１表面へ照射される。反応容器１１表面から反射してきた光のうち、鉛直方向成分の光は再びレンズ系２２を通り、ハーフミラー２３を透過してレンズ系２４を介して平行光となり、カメラ１３へと向かう。本発明における観察画像例を図３に模式的に示す。正しく液体が分注されたウェル状反応部は中心部が暗くなっており、分注ミスが生じている箇所ではウェル状反応部中心が明るくなっている。

なお、本実施例では、光源２１として、波長６２０．５ｎｍ〜６４５ｎｍの光を発する赤色パワーＬＥＤを用いた。赤色光は波長が長く散乱率が低いため、ハレーションの影響を受けにくいという利点がある。

本発明における、分注液有無の判定方法原理の模式図を図４に示す。本発明を適用する反応容器１１におけるウェル状反応部の底面は平坦な形状となっている（特許文献１参照）。光学系１２における同軸落射照明による撮像は、液体の有無により前記ウェル状反応部の底面における平坦部分の占める割合が変化することに着目したものである。

図４（ａ）は、ウェル状反応部に液体が正常に分注された場合の（ｉ）画像例、（ｉｉ）ウェル状反応部の断面図、をそれぞれ示したものである。ウェル状反応部に液体が有る場合、ウェル状反応部の中央部の平坦部分は、液体が無い場合に比べて少なくなる。つまり、垂直入射した光で、垂直方向に反射する光は、液体が無い場合に比べて少なくなるということになる。したがって、液体が無い場合に比べてウェル状反応部の底面は暗い画像となる。

一方、図４（ｂ）は、ウェル状反応部に液体が分注されなかった場合の（ｉ）画像例、（ｉｉ）ウェル状反応部の断面図、をそれぞれ示したものである。ウェル状反応部に液体が無い場合、ウェル状反応部の中央部の平坦部分は、液体が有る場合に比べて多いため、垂直方向に反射する光は液が有る場合に比べて多いことになる。したがって、液体が有る場合に比べてウェル状反応部の底面は明るい画像となる。

図５は、本発明の実施の形態による検査方法を示すフローチャート図である。本発明の実施の形態による検査方法は、各種条件設定ステップ（図中Ｓで示す。以下、Ｓと略記することがある）３１、被検査画像の取り込み（Ｓ３２）、収縮・膨張処理（Ｓ３３）、判定領域設定（Ｓ３４）、判定領域内輝度平均値算出（Ｓ３５）、液有無判定（Ｓ３６）、および検査結果表示（Ｓ３７）という一連のステップによって行われる。以下、各ステップの内容をステップ順に説明する。

Ｓ３１：各種条件設定
まず、照明手段の照明光強度条件、画像処理条件、検査判定のためのしきい値設定条件、検査判定領域設定条件といった、各種条件の設定を行う。

Ｓ３２：被検査画像の取り込み
光学系１２を介してカメラ１３より反応容器１１の原画像を撮像し、画像入力装置１５は、撮像した原画像を取得する。本実施例では、検査判定領域を一括で撮像できる視野を確保できるように、検査装置にはＣＣＤ素子サイズ２／３インチのエリアカメラと、光学倍率０．２倍の両側テレセントリックレンズを組み込んでいるが、より高倍率画像での検査判定を行うために、光学系１２およびカメラ１３，または反応容器１１をＸＹ方向にステップ移動させながら順次撮像、検査判定するようにしてもよい。

Ｓ３３：収縮・膨張処理
前記ウェル状反応部に液体が有る場合、反応部の中心部において液面への照明光の写り込みが生じ、それがノイズとしての振る舞いを見せる場合がある。そこで、Ｓ３２において取得された画像情報に対して任意の回数だけ収縮処理を施すことにより、ノイズ除去を行う。前記収縮処理により、Ｓ３２にて取得された画像情報のうちノイズ部分ではない明るい画素も収縮されてしまう。そこで、前記収縮処理された画像情報に対して膨張処理を任意の回数だけ施すことにより、本来の明るい画素サイズを復元することができる。Ｓ３３の一連の流れにより、Ｓ３２にて取得した画像情報におけるノイズを除去することが可能となる。図６に、収縮・膨張処理によるノイズ除去を模式的に示す。

Ｓ３４：判定領域設定
Ｓ３３において収縮・膨張処理が施された画像情報のうち、前記ウェル状反応部上に形成された特徴的部分、つまり反応部底面を構成する円形状の画素群をマスターとする。ウェルの個数・ピッチなどのパラメータ変更やワークの位置決め調整を行い、マスターに正方形状の領域が内接するようにパターンマッチングすることによって判定領域設定およびワークの位置決めを行う。図７に判定領域の設け方を模式的に示す。なお、ワークの位置決め処理は収縮・膨張処理前に行うことも可能であるが、収縮・膨張処理後の画像はノイズが除去されているため、より正しい位置決めを行うことができるという利点がある。

Ｓ３５：判定領域内輝度平均値算出
各ウェル状反応部について、Ｓ３４にて設定した判定領域内に含まれる画素群の輝度平均値Ｉ_ＡＶＥ．を算出する。

Ｓ３６：液有無判定
Ｓ３６では、Ｓ３５において計算されたＩ_ＡＶＥ．の値に基づき、前記ウェル状反応部における液有無の判定を行うものとする。つまり、
「Ｉ_ＡＶＥ．の値が、所定のしきい値Ｔｈ_ＮＧ以上である」
場合には「分注ミス」と判定される。このとき、前記ウェル状反応部内には液が入っていない状態である。また、
「Ｉ_ＡＶＥ．の値が、所定のしきい値Ｔｈ_ＮＧ未満、かつ所定のしきい値Ｔｈ_ＧＲＡＹ以上である」
場合には「グレー」と判定される。このとき、前記ウェル状反応部内で液が偏って分注されている等により、前記ウェル状反応部底面の平坦部分が占める割合が「分注ミス」の場合に比べて少なくなっている。つまり、正しく分注が行われていないという可能性があり、「グレー」な状態である。そして、
「Ｉ_ＡＶＥ．の値が、所定のしきい値Ｔｈ_ＧＲＡＹ未満である」
場合には「分注ＯＫ」と判定する。このとき、前記ウェル状反応部には液が正しく分注されている状態である。
なお、これらの判定結果はモニタ１７に表示される（Ｓ３７）。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、マイクロチップのようにウェル状反応部１つ１つの容積が非常に小さい反応容器内に液体が正しく分注されたかどうかを精度良く検査することができる。

本発明の分注検査装置の概略構成を示す模式図である。 図１中の光学系１２の部分を詳細に示した模式図である。 本発明における観察画像例の模式図である。 本発明における、分注液有無の判定方法原理を模式的に示した図である。 本発明の検査方法の実施形態を示すフローチャート図である。 Ｓ３３における収縮・膨張処理によるノイズ除去を模式的に示した図である。 Ｓ３４における判定領域の設け方を模式的に示した図である。

符号の説明

１ 分注検査装置
１１ 反応容器
１２ 光学系
１３ カメラ
１４ 照明制御装置
１５ 画像入力装置
１６ パーソナルコンピュータ
１７ モニタ
２１ 光源
２２ レンズ系
２３ ハーフミラー
２４ レンズ系

Claims (4)

1. 基板上に底面が平坦な窪み形状のウェル状反応部を少なくとも１個以上有する反応容器の、前記ウェル状反応部に所定量の少量液体が注入（以下、分注とよぶ）されているかどうか確認する分注検査装置であって、
   前記平坦なウェル状反応部底面に対して照明光を照射する照明手段と、
   前記照明手段の点灯および消灯および光強度の調節を行う照明制御手段と
   少なくとも１個の前記ウェル状反応部を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段の出力をディジタル化した画像情報とする画像入力手段と、
   前記画像入力手段により得られた画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最小の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える収縮処理を行うことにより収縮処理画像情報を得て、更に、前記収縮処理画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最大の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える膨張処理を行うことにより膨張処理画像情報を得る処理を行う画像処理手段と、
   前記画像処理手段が処理した処理画像情報に基づき前記基板の位置決めを行う位置決め手段と、
   前記画像処理手段が処理した処理画像情報のうちの、前記ウェル状反応部底面を検査判定領域に設定する検査判定領域設定手段と、
   前記検査判定領域設定手段により設定された判定領域の画素群の輝度平均値を算出し、該輝度平均値と所定しきい値とを比較演算することにより、前記ウェル状反応部における液体の有無を判定する演算処理手段と、
   前記撮像手段で撮像した画像、および前記画像処理手段による処理画像、および前記検査判定領域設定手段による検査判定領域、および前記演算処理手段による検査結果を表示する表示手段と、
   を具備することを特徴とする分注検査装置。
2. 前記照明手段が前記平坦なウェル状反応部底面に対して垂直に平行光を照射し、前記撮像手段が前記平坦なウェル状反応部底面に対して垂直な反射光のみを抽出する光学系を有することを特徴とする、請求項１に記載の分注検査装置。
3. 前記照明手段が少なくとも波長６００ｎｍ以上の光を、前記反応容器に対して照射することができることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の分注検査装置。
4. 基板上に底面が平坦な窪み形状のウェル状反応部を少なくとも１個以上有する反応容器の、前記ウェル状反応部に所定量の少量液体が注入（以下、分注とよぶ）されているかどうか確認する分注検査方法であって、
   前記平坦なウェル状反応部底面に対して照明光を照射する照明段階と、
   前記照明段階の点灯および消灯および光強度の調節を行う照明制御段階と
   少なくとも１個の前記ウェル状反応部を撮像する撮像段階と、
   前記撮像段階での出力をディジタル化した画像情報とする画像入力段階と、
   前記画像入力段階により得られた画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最小の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える収縮処理を行うことにより収縮処理画像情報を得て、更に、前記収縮処理画像情報の全画素について、各画素を順次、注目画素とし、注目画素およびその近傍画素のうちの最大の輝度値を注目画素の輝度値に置き換える膨張処理を行うことにより膨張処理画像情報を得る処理を行う画像処理段階と、
   前記画像処理段階で処理した処理画像情報に基づき前記基板の位置決めを行う位置決め段階と、
   前記画像処理段階で処理した処理画像情報のうちの、前記ウェル状反応部底面を検査判定領域に設定する検査判定領域設定段階と、
   前記検査判定領域設定段階で設定された判定領域の画素群の輝度平均値を算出し、該輝度平均値と所定しきい値とを比較演算することにより、前記ウェル状反応部における液体の有無を判定する演算処理段階と、
   前記撮像段階で撮像した画像、および前記画像処理段階における処理画像、および前記検査判定領域設定段階における検査判定領域、および前記演算処理段階における検査結果を表示する表示段階と、
   を具備することを特徴とする分注検査方法。