JP2008547052A - 試料を光学走査する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、試料を光学走査する方法及び特に顕微鏡を有する装置に関する。このため、調整ユニット（２，３）及び走査装置（４，５）が設けられている。試料（１）が制御装置（７）によって制御される調整ユニット（２，３）によって走査装置（４，５）に対して移動されるか、又は、走査装置（４，５）がこの調整ユニット（２，３）によって試料（１）に対して移動される。本発明によれば、移動窓（Ｆ）が、調整ユニット（２，３）及び／又は走査装置（４，５）に対して定められる。試料（１）と走査装置（４，５）との間の機械的な衝突が、走査装置（４，５）によってこの移動窓（Ｆ）内で排除されている。このことは、生物学的な試料で特に好ましい。衝突から保護するため、例えば電磁波又は音響波に基づいて動作する非接触式の試料センサ（８）が提唱される。

Description

本発明は、調整ユニット及び走査装置を有する試料を光学走査する方法に関する。したがって、試料が制御装置によって制御される調整ユニットによって走査装置に対して移動されるか、又は、走査装置がこの調整ユニットによって試料に対して移動される。したがって、調整ユニット及び／又は走査装置に対する移動窓が、試料センサによって定められる。試料と走査装置との間の機械的な衝突が、この移動窓内で排除されている。

冒頭で説明した構成の方法は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第102 39 794号明細書中で説明されている。ここでは、測定装置が、その周りに保護装置を備える。この保護装置は、移動部材が物体に衝突することを阻止する。この保護装置は、保護装置本体及びセンサを有する。物体と保護装置本体との間の間隔をこの物体との接触時の弾性変形によって走査するため、このセンサは、保護装置本体から所定の長さにわたって突出している。

類似の構成が、特開平２−２４７９６７に記載されている。すなわち、調整ユニットのさらなる移動を阻止するため、試料との接触時に電気回路を閉じて警報を出力する電極が実現されている。

オーストリア共和国特許第197 096号明細書では、保護装置を有する顕微鏡対物レンズが最終的に設けられる。この場合、光学系を支持する部材が、弾性力に逆らって軸線方向にホルダ部材に向かって摺動可能に配置されている。接触部が、光学系を支持するこの部材の摺動時に動作される。この接触部自体が、音響信号又は光学信号を出力する。

この従来の技術の場合、いろいろに構成された摺動する試料センサと試料との間で機械的な接触を実現することが基本的に必要である。非常に傷つきやすい試料は、このために−僅かな接触だけでも−損傷を受けうるので、この接触は、非常に傷つきやすい試料の場合に欠点である。

一般に試料を光学測定するためには、試料の透過性が多くの場合に検査される。反射測定も基本的に可能である。それぞれの試料は、生物学的な試料，細胞の断面又は材料の断面のような材料科学的な試料でもよい。

一般に走査装置は、試料の特定の断面だけを希望する分解能で常に検出し、したがって個別画像を生成する。調整ユニットが、走査装置によって記録されたそれぞれの個別画像を制御装置内で少なくとも１つの全体画像に合成することに寄与する。

どんな場合でも、走査装置の大部分が、光学装置及び撮影装置を有する。光学装置は、限定されないものの１つ又は多数の顕微鏡対物レンズである一方で、撮影装置は、例えばＣＣＤチップ（ＣＣＤ＝電荷結合素子）として構成されているか又はこのような撮影装置を含む。個別画像を撮影して制御装置に伝達するため、撮影装置又はＣＣＤチップは、付随する顕微鏡対物レンズのイメージ面内に規則的に存在する。制御装置自体が、撮影装置を読み取り、それぞれの個別画像を記憶する。全ての個別画像が検出された後に、これらの個別画像は、１つ又は多数の全体画像に合成される。

一般に試料は、調整ユニットによって走査装置に対して移動される。さらに試料は、試料台によって規則的に保持される。この試料台自体が、変位装置又は調整ユニットによって移動される。この場合、それぞれの個別画像を撮影して制御装置内に記憶するため、少なくともＸ平面／Ｙ平面内だけで移動するのではない。実際には、調整ユニットは、一般にＺ方向につまり高さ方向にも調整を実施する。この調整は、例えば顕微鏡対物レンズ又は光学装置によって焦点合わせされなければならない時に常に必要である。この場合、この焦点合わせは、自動式にも手動式にも実施され得る。上述した場合では、イメージコントラストが、グレー値のずれによって検査され、コントラストに富むイメージが、焦点合わせされたとして評価される。これに加えて、手動の焦点合わせも当然に可能である。調整ユニット又は試料台が、走査装置に対して移動されるのではなくて、走査装置が、追加して又は代わりに調整ユニットに対して移動されるように、同様に本発明は別の実施の形態を有する。最後に説明する使用状況が明らかにするように、明らかに双方が移動することも可能である。

このとき試料台は、Ｘ平面／Ｙ平面内で移動される。他方で走査装置は、Ｚ方向に移動する。このような実施の形態の場合及びその他の実施の形態でも、試料が不本意に損傷される危険がある。このことは、試料が特に高価な物品又は生きている細胞培養である場合に対して特に致命的である。これらの試料は、このような過程によって回復不可能に破壊されうる。ここで本発明が使用される。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第102 39 794号明細書 特開平２−２４７９６７ オーストリア共和国特許第197 096号明細書

本発明の課題は、試料の損傷があらゆる場合に排除され得るように冒頭で説明した構成の方法をさらに改良することにある。さらに、これに応じて適した装置が示されなければならない。

この技術的な課題を解決するため、本発明は、試料を光学走査する種類の方法の場合に試料センサが非接触に、つまり特に電磁波及び／又は超音波の下で動作することを提唱する。最初に説明した場合では、（干渉計的な）走査測定及び時間測定（パルスの経過時間）が考えられる。同様に超音波の場合でも動作される。

したがって、移動窓が、−多くの場合に制御装置内に−調整ユニット及び／又は走査装置に対して設けられる。その結果、調整ユニット及び／又は走査装置が、この移動窓内だけで移動できるか、又は、警報が、移動窓から離れる時に出力される。この移動窓は、非接触に動作する試料センサによって算出されてプリセットされる。

この場合、移動窓が、異なるパラメータに応じて調整されることが分かる。限定されないものの、試料の大きさ，始点及び調整ユニットの速度並びに／又は走査装置（４，５）及び場合によってはこの走査装置（４，５）の構造が、これらのパラメータに属してもよい。これに応じて、移動窓がその都度可変に調整される。

試料センサは、−既に説明したように−上述した移動窓を定める。この場合、この試料センサは、試料及び／又は調整ユニットと走査装置との間の間隔測定値を制御装置に特に１回又は連続して伝える。

試料センサは、実際には例えば試料の大きさを走査し、付随する試料の寸法値を制御装置に伝達できる。さらに調整ユニットの始点及び例えば試料を収容する試料台の構造が、制御装置内に記憶されている場合、試料と走査装置との間の自由空間が、上述した試料の寸法値につながって問題なく測定され得る。この自由空間は、最大許容移動窓と同一にみなすことができる。一般に移動窓は、少なくともＺ方向の範囲内の調整ユニット及び／又は走査装置の移動を制限する。試料と走査装置との間の自由空間が既知である場合、この自由空間は、このＺ方向の移動窓に対する値に直接変換され得る。この場合、移動窓は、安全性の理由から多くの場合に上述した自由空間より明らかに小さく選択される。ここでは、50％〜80％の値が考えられる。すなわち移動窓は、自由空間の50％〜80％を占める。

試料センサに加えて、変位センサが、追加して実現されることが分かる。調整ユニットの移動が、−この調整ユニットの先で算出した始点で出発して−この調整ユニットによって検出できる。この例の場合では、変位センサは、調整ユニットのＺ方向の移動を記録して評価するために使用される。移動窓が、Ｚ方向に固定されている場合、調整ユニット及び試料が移動窓の両限界の方向に移動したか否かが、変位センサによって直接算出され得る。この場合、移動窓は、走査装置に対する試料の移動に対してその都度可変に適合される。その結果として、試料と走査装置との間の間隔測定値も当然に変化し、自由空間の大きさが明らかに変化する。

試料が、移動窓の限界まで移動した場合、例えば警報信号が音響的に及び／又は光学的に出力される。しかし、移動窓の限界に達した時に、試料が調整ユニットによってもはやさらに移動され得ないような処置を施してもよい。したがって、調整ユニットが遮断される。

試料センサが非接触式に動作するので、この試料センサは、試料と走査装置との間にある自由空間を適切な方法で、つまり試料が損傷されることなしに検出する。この場合、試料センサは、（超）音波及び／又は電磁波によって動作する。ここでは、例えば干渉計による連続した方法が、自由空間を測定し、この自由空間から移動窓を導き出すために考えられる。しかしこの方法は、波パルスによって動作されてもよい。これらの波パルスは、例えば走査装置から出射され、試料によって反射される。自由空間が、波パルスの経過時間つまり付随する時間測定から算出でき、したがって移動窓が導き出せる。しかも試料センサは、多くの場合に試料の寸法を走査することができる。

変位センサは、一般に調整ユニットの１つ又は多数の調整装置に付設されている。変位センサが、走査装置又は顕微鏡対物レンズのＺ方向の移動を検出しなければならない場合、変位センサは、一般にこの場所に設けられているハンドル車又は対応するＺ方向駆動部に付設される。最初に説明した場合では、変位センサは、回転角度センサとして構成され得る。最後に述べた場合では、変位センサは、移動型センサ又はこれに類似のセンサである。

したがって、調整装置に対する移動窓を定めることによって、試料と走査装置との間の機械的な衝突が確実に排除され得ることを保証する任意の方法が使用できる。主にこのことは、試料と走査装置との間の自由空間が非接触式に算出されて変化する移動窓を定める基礎として使用されることによって良好に実施される。

この場合、特に電磁波及び／又は（超）音波に基づく非接触式に動作する試料センサは、付随する試料が損傷されないことを保証する。すなわち、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第102 39 794号明細書による従来の技術とは違って、機械的な接触があらゆる場合で省略される。この状況は、多くの場合の生物学的な試料が最小の接触でも回復不可能に損傷されうるという背景から特に重要である。この損傷は、本発明の範囲内であらゆる場合で排除されている。

さらに試料センサは、本発明にしたがって単純に非接触式に動作するだけではなくて、この試料センサは、好ましい構成にしたがって言わば試料の横のイメージつまり試料のシルエットも検出する。この場合、本発明は、自由空間すなわち移動窓を決定するための精度がこの方法によって向上できるという認識から出発する。

実際には、試料と走査装置との間の間隔が、調整の間に持続して変化し、この方法によってより信頼性の高い基準に設定され得る。すなわち影の投影が、固定した試料センサによって測定できる。この試料センサは、試料と走査装置との間の自由空間を横から検出できる。これに対して自由空間を横から検出しない場合は、試料センサは、走査装置及び／又は調整ユニット内に設置されている。その結果、この走査装置及び／又は調整ユニットの間隔の変化が、（影の投影の場合のように）間隔の変化の方向に動作してこの方向に対して垂直に動作しない試料センサによって一緒に算出される。

本発明は、請求項６中で説明されているように試料を光学走査する装置にも関する。この装置の好適な構成は、請求項７〜１０中に記載されている。

以下に、本発明を１つの実施の形態だけを説明している図面に基づいて詳しく説明する。

図中には、試料１を光学走査する装置が示されている。この試料は、限定されない透明な生物組織片である。この生物組織片は、調整ユニット２，３の下に存在する白色光源Ｗ等によって透過される。調整ユニット２，３は、調整ユニット２及び試料台３から構成される。

この例の場合の試料台３は、調整ユニット２によってＸ／Ｙ方向に移動され得る。その結果、試料１の異なる領域が記録され得る。さらに試料台３は、場合によってはＺ方向にも調整することができる。しかし、このことは図示されていない。すなわち、別の調整ユニット６が、走査装置４，５に割り当てられているように、試料１と走査装置４，５との間の相対移動が主に実施される。この調整ユニット６は、限定されないＺ方向調整歯車に連結しているハンドル車である。

走査装置４，５は、光学装置４として多数の対物レンズつまり顕微鏡の対物レンズ４から構成される。これらの対物レンズは、試料１の異なる大きさのイメージ領域を撮影装置５上に選択的に投影する。この撮影装置５は、例えば百万画素のＣＣＤチップである。透過された試料１のＣＣＤチップ上に生成されたイメージが、制御装置７内でフレームＥとして記録される。説明したように、制御装置７は、多数のフレームＥを１つの全体イメージに合成する。

希望する対物レンズ４が選択されることによって、制御装置７は、調整ユニット２又は調整ユニット２，３及び場合によっては光学装置４も制御する。さらに制御装置７は、調整ユニット６もＺ方向に制御する。図示された装置は、この調整ユニット６によって選択された対物レンズ４による試料１の自動焦点合わせ及び示されたハンドル車６による手動焦点合わせの双方を可能にする。

焦点合わせの場合、試料１と走査装置４，５との間の間隔Ａが、調整ユニット６によって変化する。この間隔Ａは、走査装置４，５に対する調整ユニット２，３の線画で示された調整ユニット２，３の始点から出発して調整ユニット２，３用の最大許容移動窓Ｆを定める。走査装置４，５との機械的な衝突が排除されている（図３）。移動窓Ｆは、実際には多くの場合に上述した（最大）間隔Ａより小さく設定される。例えば移動窓Ｆは、間隔Ａの80％である。すなわち：
（１） Ｆ＝0.8Ａ．
明らかにその他の値も考えられる。すなわち以下の範囲が好ましくカバーされる：
・ ０．５Ａ≦Ｆ＜１．０Ａ．
移動窓Ｆつまり間隔Ａを細かく変えて確定し検出するため、図示された装置は、少なくとも１つの試料センサ８を有する。この試料センサ８は、距離測定値、すなわち試料１及び／又は調整ユニット２，３と走査装置４，５との間の間隔Ａを制御装置７に対して１回又は連続して伝える。試料１の寸法が、試料センサ８によって走査され得る。すなわち、多くの場合に実施される。

図１の例の場合、試料センサ８が、走査装置４，５用の固定された保持アームに対して又はこの走査装置４，５内に配置されている。試料センサ８は、試料台３に対するこの試料センサ８の間隔Ａ′を非接触式に及び多くの場合に連続して又は制御装置７によってプリセットされている時間間隔で測定する。選択された対物レンズ４が既知であり、この対物レンズ４の寸法も既知である場合、試料台３に対する対物レンズ４の間隔が、試料センサ８から対物レンズ４の下縁部までの距離に相当する保持アームの下縁部に対する対物レンズ４の突出部分

から以下のように求められる：

この場合、Ｈは、例えば予め測定した試料台３上の試料１の「高さ」を示す。明らかに試料センサ８は、対物レンズ４（のヘッド側）に直接取り付けられ、間隔Ａを制御装置７に対して連続して伝達する。

別の実施の形態としては、試料センサ８が、試料１の寸法を走査する。このことは、同様に非接触式に実施される。この目的のため、試料センサ８は、試料１の横を照射し、そのシルエットからこの試料１の高さ「Ｈ」を測定する（図３参照）。図示された実施形の場合、しかし試料センサ８は、走査装置４，５又は対物レンズ４に固定して取り付けられていて、この試料センサ８の取付箇所から試料１のヘッドまでの間隔Ａを直接測定する。このヘッドは、一般にカバーガラスの表面と重なる。この場合、試料１は、図３が明らかにするようにこのカバーガラスとスライドガラスとの間に配置されている。

したがって試料センサ８は、試料台３の表面に対する試料１の高さＨを測定することができ、試料１から対物レンズ４の下縁部までの間隔Ａ、場合によっては間隔Ａ′も測定することができる。どの対物レンズ４が実際に使用されるかが制御装置７で既知であるという前提条件の下で、つまり関連する寸法、特に突出部分Uを考慮して、例えば試料センサ８が、間隔Ａ′を測定する時に、間隔Ａが、直接測定され得る。すなわち、この間隔Ａは、先に示された方程式（３）に応じて選択された対物レンズ４つまりこの対物レンズ４の突出部分Uの距離及び試料１の高さＨを除いた試料台３の表面に対するこの対物レンズ４の距離から簡単に求めることができる。

この算出された可変な間隔Ａに基づいて、制御装置７が、先に説明した規則（１）又は（２）にしたがって移動窓Ｆをプリセットする。試料１に対する走査装置４，５の移動を動的に考慮するため、試料センサ８に加えて変位センサ９がさらに実現されている。この変位センサ９は、調整ユニット２，３の移動を検出する。この実施の形態では、この変位センサ９は、ハンドル車６つまり走査装置４，５をＺ方向に移動させる調整ユニット６に付設されている。

調整ユニット９は、実際には回転角度センサである。この回転角度センサは、ハンドル車６又は追加して又は代わりに設けられている調整ドライバ６′の移動を検出する。走査装置４，５が、−その始点で開始して−試料台３すなわち試料１に対してどれだけ移動したかに応じて、制御装置７が、顕微鏡の対物レンズ４と試料１つまり試料１のヘッドとの間の残りの間隔Ａを−変位センサ９によって検出する−付随する変位から算出する。このため、間隔Ａが、試料１に対する走査装置４，５の始点で１回だけ算出される。このとき、間隔Ａの全ての変化が、変位センサ９及び制御装置７によって変位を介して考慮される。信頼性を上げるため、しかしながら一般には間隔Ａが、連続して測定され、変位及び変位センサ９によって算出された値と一致するかに関して制御装置７内で検査される。

ずれが生じた場合、警報信号が出力され、及び／又は、調整ユニット６が、制御装置７によって遮断される。調整ユニット２，３が、移動窓Ｆの縁又はこの移動窓Ｆに達した場合、同じことが実施される。この場合、移動窓Ｆを間隔Ａから導き出すため、Ｚ方向の変位の速度に応じて、0.8と異なる乗数が、方程式（１）及び（２）で処理されてもよい。走査装置４，５のＺ方向の速度が大きい場合、この乗数を0.5までに減らすことが考えられる。これに対してＺ方向の遅い変位は、場合によってはこれらの値をほぼ1.0までにもできる。

したがって走査装置４，５が、この過程で試料１に対する最小間隔Ａつまり移動窓Ｆの下限に達した場合、ハンドル車６が空転するか又は警報信号が出力される。実際には、したがってハンドル車６が、調整ドライバ等に機械式に直接連結されているのではなくて、ハンドル車６の多数回の回転運動が、調整センサ９によって検出されて処理され、そして制御装置７によって追加に設けられている調整ドライバ６′の調整運動に初めて変換される。予め、ハンドル車６のこれらの調整運動、すなわち変位センサ９の変位が、制御装置７内で評価される、つまり関連する変位が可能であるかどうかが評価される。試料１と顕微鏡の対物レンズ４との間の最小距離（例えば、１mm又はその他の値）を下回った場合、使用状況に応じて、最小間隔が保持されるまで、制御装置７が、この例の場合に調整ドライバ６′を調整する。

さらに、既に説明した機能に関係なく、試料センサ８は、可変な間隔Ａを制御装置７によって算出すること及び移動窓Ｆをプリセットすることができるだけではない。むしろ、さらに試料１に対する走査装置４，５のそれぞれの位置が、試料センサ８によって制御装置７内で一緒に記録され得る。これらの記録された値が、変位センサ９の値と同時に比較される場合、ハンドル車６又は追加に若しくは代わりに設けられている調整ドライバ６′の調整精度に関する情報が入手され得る。

変位センサ９に応じた基準値に対する走査装置４，５の実際に測定される位置の場合によっては起こりうるずれから、場合によっては補正を実施することも可能である。すなわち、試料１に対する走査装置４，５の一定の間隔Ａが、調整ドライバ６′又はハンドル車６によって調整され、実際に得られて試料センサ８によって測定される値と比較される。この処理が、異なる間隔Ａに対して実施される場合、距離Ａに依存するそれぞれの補正値ＫをＫ（Ａ）に応じてプリセットすることができる。

このため、変位センサ９に接続している試料センサ８及び制御装置７が、場合によっては起こりうる（機械的な）不正確さを適切に補正し調整するので、本発明は、特に経費をかけて加工された調整ドライバ６′又はハンドル車６を省略することができる。

本発明の装置を概略的に示す。 図１の一部の拡大部分を示す。 図１の一部の拡大部分を示す。

符号の説明

１ 試料
２ 調整ユニット
３ 試料台
４ 走査装置，顕微鏡の対物レンズ，光学装置
５ 走査装置，撮影装置
６ 調整ユニット，ハンドル車
６′調整ドライバ
７ 制御装置
８ 試料センサ
９ 変位センサ
Ｅ フレーム
Ａ 間隔
Ｗ 白色光源
Ｆ 移動窓
Ｈ 試料の高さ

Claims (10)

1. 調整ユニット（２，３）及び走査装置（４，５）を有する試料（１）を光学走査する方法にあって、これによって、試料（１）が制御装置（７）によって制御される調整ユニット（２，３）によって走査装置（４，５）に対して移動されるか、又は、走査装置（４，５）がこの調整ユニット（２，３）によって試料（１）に対して移動され、これによって、調整ユニット（２，３）及び／又は走査装置（４，５）に対する移動窓（Ｆ）が、試料センサ（８）によって定められ、試料（１）と走査装置（４，５）との間の機械的な衝突が、この移動窓（Ｆ）内で排除されている方法において、この試料センサ（８）は、非接触に、例えば電磁波及び／又は超音波の下で動作することを特徴とする方法。
2. 移動窓（Ｆ）は、試料（１）の大きさ，始点及び調整ユニット（２，３）の速度並びに／又は走査装置（４，５）及び場合によってはこの走査装置（４，５）の構造のような異なるパラメータに応じて可変に調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 移動窓（Ｆ）は、１つの寸法内の調整ユニット（２，３）及び／又は走査装置（４，５）の移動を制限することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 試料センサ（８）は、試料（１）及び／又は調整ユニット（２，３）と走査装置（４，５）との間の間隔測定値を制御装置（７）に１回又は連続して伝えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 変位センサ（９）が、試料センサ（８）に加えて実現され、この変位センサ（８）は、調整ユニット（２，３）の移動を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 調整ユニット（２，３）及び走査装置（４，５）を有する試料（１）を光学走査する装置にあって、これによって、試料（１）が制御装置（７）によって制御される調整ユニット（２，３）によって走査装置（４，５）に対して移動されるか、又は、走査装置（４，５）がこの調整ユニット（２，３）によって試料（１）に対して移動され、これによって、調整ユニット（２，３）及び／又は走査装置（４，５）に対する移動窓（Ｆ）が、試料センサ（８）によって定められる、試料（１）と走査装置（４，５）との間の機械的な衝突が、この移動窓（Ｆ）内で排除されている方法において、この試料センサ（８）は、非接触に、例えば電磁波及び／又は超音波の下で動作することを特徴とする装置。
7. 試料センサ（８）は、試料（１）と走査装置（４，５）との間にある自由空間を検出することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 試料センサ（８）は、試料（１）を追加に又は代わりに走査することを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
9. 変位センサ（９）が、試料センサ（８）に加えて設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 変位センサ（９）は、調整ユニット（２，３）の１つ又は多数の調整装置（２，６）に付設されていることを特徴とする６〜９のいずれか１項に記載の装置。

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