JP2010525342A - 少なくとも１つの撮像器械を使用して媒体を光学的に分析するための分析装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの撮像装置（３）を用いて媒体を光学的に分析するための分析装置に関する。分析装置は、少なくとも１つの試料ホルダー（６、８）を備えており、試料ホルダー（６、８）及び／又は少なくとも１つの撮像装置（２）は、少なくとも１つの駆動機構を用いて軸回転又は回転させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの撮像器械を使用して媒体を光学的に分析するための分析装置に関する。この装置は、撮像測定装置とも呼ぶことができ、分離された形態、濃縮された形態、又は小型の試料の形態、又は画像で入手することができる分散系の、大きさ、形状、色、数、及び濃度の様な特性データを求めるのに用いられる。

本発明は、厳密には、必要に応じて、オフライン、オンライン、更にはインラインでも使用することができるモジュール構造の測定装置に関する。適合させた光学的構成部品を使い、試料の準備を整え、運搬モジュールを使用すれば、乾燥試料及び液体試料を、小型の形態（例えば、断面）でも処理でき、又は画像を処理できることを意味している。

多くの化学的及びプロセス工学的な工程では、生産は、主に安全性のために、温度、圧力、粘度、処理量などの様な代表的な実測変数を使用して制御される。益々厳しくなる生産品質要件と、財務的な理由に起因するアウトプットの増加に対する要求は、更に、化学的及び物理的品質の点から生産された材料を評価することができる特別な測定方法の開発及び使用に繋がっている。例えば、濃度及び大きさの分布の様な情報を提供する機械的及び光学的な方法は、ここでは、特に、生産に随伴し「オフライン」で適用して使用されている。データの信頼性及びデータ品質における更なる改良は、画像処理測定法を使用することで実現されてきた。コンピュータ、データ処理、カメラ、及び光源の分野の激烈な開発は、画像処理を、直接的及び間接的に、大幅にその適用範囲を広げ、多くの生産工程で使用することに繋がっている。工程からの前記不可欠の情報に加えて、画像処理方法は、形状、色、数、及び濃度に関する追加的結果を提供する。ここでもたらされているのは、統合的方法なので、結果は、集合的に使用できるだけでなく、どの様なオブジェクト（例えば、粒子）にでも関係付けることができる。

分類及び光学的消光又は散乱光方法に加えて、画像処理方法も、特に、生産制御及び分散製品の品質管理の分野で使用されている。測定装置は、研究室のみならず生産方法のオンライン又はインラインでも使用されていることが、知られている。搬送機構、攪拌器、超音波分散器、フローセル、レンズ、カメラ、顕微鏡、光ファイバー、光源などの様な、異なる準備方法、機械的及び光学的構成部品が、評価される試料の大きさ及び状態に応じて使用されている。

上で述べた画像処理法は、幾つかの欠点を有している。例えば、よく知られている測定装置は、個別の用途に合わせて設計されており、非常に狭い適用性及び測定範囲限界内でしか使用することができない。顕微鏡的に小な材料を評価するために、例えば、異なるレンズ及び照明システムを備えた標準の又は倒立の顕微鏡が、通常は使用されており、それらは、浅い作業深さ、小さい観察プロット及び小さい操作距離、従って異なる型式の試料準備及び試料運搬に対する小さい遊びを許容しているに過ぎない。他の装置は、乾燥材料又は液体内に分散した材料を処理することだけしかできないか、又は静止材料又は動いている材料用に最適化されている。よく知られている方法は、衝撃感受性が高く、作業用途に対して十分な頑丈さと柔軟性を有していない場合が多い。

本発明の目的は、従って、非常に単純な手段で非常に広い適用性及び測定範囲限界に適合させることのできる、モジュール構造の、普遍性を有する頑丈な画像処理分析及び測定装置を提供することである。

この目的は、本発明により、請求項１の特徴を備えている測定装置によって達成される。測定装置の好都合な実施形態は、従属請求項２から３０までの特徴から現れる。請求項１から２９までの請求項の何れかによる分析装置を用いて試料を分析するための方法は、請求項３１から３３で請求されている。

カメラ、レンズ、光源、及び／又は試料キャリヤ又は試料ガイド用の、具体的には３６０度軸回転させることのできる保持装置を備えた任意に寸法を決めることのできる中心スタンドを使用することによって、非常に広範囲に亘る測定作業及び範囲をカバーすることができる。試料を案内する領域も、使用される光学的部品の鮮明度にとって非常に重要である。例えば、ガラスプレート、フローセル、反応器、クロステーブル、機械式、油圧式及び空圧式の試料運搬システム、並びに、０から３６０度までの軸回転範囲内のそれぞれの問題定義に適合させることのできる画像及び試料ホルダーが、この領域に使用されている。試料の準備は、様々な設計の、中心スタンドに連結できるか又は配置することのできるモジュールで実行することができる。完全自動操作としオンラインアプリケーションへ組み込むことも、自動試料給送及び試料採取の様なロボット及びプロセス工学構成部品を使用することで可能になる。測定装置全体は、モジュール式試料準備モジュール又はその部品を含め、開放又は閉鎖構造の何れでもよい。

分析又は測定装置は、好都合なことに、分離された形態又は濃縮された形態、又は小型の試料の形態、又は画像で入手できる分散系の、大きさ、形状、色、数、及び濃度の様な特性データを求めるために、具体的には約１度から３６０度まで軸回転させることができる、具体的にはベースプレートの形態をした、基部保持装置を備えている中心スタンドを有している。少なくとも１つの試料キャリヤ、及び／又は具体的にはカメラの形態をしている撮像器械は、駆動機構によって回転又は軸回転させることができるこの基部保持装置上に、固定され又は可動的に配置されている。基部保持装置上に配置されている個々の構成部品は、適したアクチュエータによって動かすことができる。従って、関心対象のオブジェクトの写真を撮るために、１つ又はそれ以上のカメラを異なる配置で（例えば、平行に又は直角に）基部保持装置上に配置することができる。駆動ユニットは、自動でカメラの焦点を合わせるために、例えばＺ駆動装置として使用することができる。同様に、標準的レンズ、顕微鏡レンズ、テレセントリックレンズの様な複数のレンズを１つのカメラと関係付けることができ、これらは、随意的にカメラの上流に接続することができる。同様に、異なるフィルターを、自動的にカメラの上流に接続することもできる。

更に、一定の光源、及び異なる強度、波長、及びパルス時間を備えている閃光源を、基部保持装置上に配置することもできる。更に、スタンドの上に固定的に配置された、又は適した駆動装置で回転させることができる、及び／又はスタンドの上に可動的に配置された、少なくとも１つの第２の保持装置を、スタンドの上に設けることができる。試料キャリヤ、カメラ、給送システム、光源などを、この追加の保持装置上に配置してもよい。

ガラスプレート、フローセル、反応器などを、本発明の目的内で、試料キャリヤとして使用することができる。従って、試料キャリヤを、具体的には、オブジェクト面内で、クロステーブル又は適した機械式、油圧式又は空圧式に駆動される試料運搬システムで動かし又は調節することができる。

試料キャリヤ、混合及び分散装置、ポンプ、振動シュート、計量スクリュー、ベルト、又はファンのような運搬システムは、スタンド又は基部保持装置上に配置することができる。

液体又は気体発生状態の測定濃度まで分散させ、希釈するための試料準備モジュールでは、試料又は画像運搬を、更に提供することができる。

生産ユニットの関心対象の点から自動的に試料採取すること、及びそれを準備モジュールの中へ又は適した装置でオブジェクト面の中へ直接運搬することも、可能である。

結果を評価し、視覚化し、上位ネットワークとインターフェースを取って保存するデータ処理システムは、本発明による分析装置を完成させる。

本発明による分析及び測定装置の或る好都合な実施形態では、装置は、スタンドと、軸回転式基部保持装置とを備えており、基部保持装置上に、光源、オブジェクト面、レンズ及びカメラが配置されている。液体処理及び試料の分散のために、撹拌器付き試料ホルダー及び懸濁液を運搬するためのホースポンプは、中心スタンドに固定され、ホースポンプは、ポンプとホースで、又は特に重要な試料の場合には重力の力だけで、試料を一体式試料分配器付き試料キャリヤ保持装置まで給送する。透明な又は不透明な試料プレートを試料キャリヤとして使用することができる。試料キャリヤ保持装置は、容易に取り換えることができ、非常に容易に洗浄することができ、オブジェクト面に設置されている試料プレートを受け入れ、容易に調節できる傾斜角度でオブジェクト面を通して測定される懸濁液を運搬する。傾斜角度は、試料の流れの粘度及び所望の層の厚さによって予め決められている。

例えば、ガラスプレートは、好都合に、様々な被覆によって懸濁液の境界面特性に適合させることができる。開放式の試料運搬は、閉鎖式セルで知られている粒子遮断と、領域の範囲の深さに関わる大きな問題を引き起こす最大粒子によって予め決められている最小の層の厚さと、の問題を回避する。連続又は「ストップアンドゴー」技術における試料の流れの自動制御と、コントラスト遷移に関する自動的な閾値により制御されている光源とによって、非常に高濃度の試料であっても測定することができるようになっている。基本的に、円形作業モード及び通過作業モードは、試料運搬の場合に使用することができる。

測定装置は、好都合なことに、異なる波長、強度、及び伝播方向を備えている、一定の、パルス状の、及び／又はトリガー付きの光源を備えている。光は、例えば入射光線、透過光線、明視野又は暗視野で、異なる方向に放射され、標準的レンズ、顕微鏡レンズ、テレセントリックレンズの様な適合するレンズと組み合わされ、使用している１つ又はそれ以上の、望ましくはデジタル式の、白黒又はカラーカメラに、試料の明瞭で高コントラストの画像を提供する。必要な解像度、感度、及び露出速度は、問題定義の関数として広い限界内で変えることができる。而して、例えば、毎秒２５画像より多いリアルタイム処理が、「１００万画素カメラ」と、望ましくは５００ｎｓから６０μｓの範囲のパルス状光源（通常、フラッシュユニット、レーザー又は発光ダイオード）と、特別に開発された画像評価ユニットと、を用いることで可能になる。

別の好適な実施形態は、中心スタンドに連結することができる、外部的に、手動式、自動式又はロボット式に制御及び統制された試料採取及び試料準備モジュールを使用しており、モジュールは、代表的な試料採取段階と、試料運搬段階と、分割、湿潤化、希釈、及び分散の様な準備段階と、を含んでいる。振動式搬送シュート、ウォーム、ベルト、又はロボット式システムの様な機械的な構成部品、並びに、例えばファン又はポンプを使用している空圧式及び油圧式機構が、乾燥試料又は液体試料の運搬に使用されている。

更に、オブジェクト面には、例えば、単純な又は温度制御された反応器が取り付けられており、沈殿、結晶化、膨潤化の様な周辺処理技法を組み込んで、又は組み込むこと無く、画像分析に関して観測することができ、度量衡学的に検出することができるようになっている。ここで重要なのは、３６０度に亘って軸回転させることができ、光源、オブジェクト面、レンズ、及びカメラを含んでいる保持装置は、目標の動きを送信し、試料に対する位置を変えることができることである。各位置毎に異なる化学的及びプロセス工学的な境界条件を用いることによって、連続的な観察及び画像処理を、「水平標準的」（試料は、カメラとオブジェクトキャリヤの間に配置されている）から、「垂直」を経由して「水平倒立」（カメラは、オブジェクトキャリアを通して試料の画像を撮影する）までの、何れの所望の配置角度ででも行うことができる。

単純な又は自動的に操作されるｘｙクロステーブル、試料ホルダー、及び画像運搬及びフィルム巻取り機構は、簡単に準備された試料、絵画的原本、及び例えば断面又は顕微鏡写真の形態をした小型の試料を度量衡学的に処理するため、軸回転保持装置に取り付けることができる。

全ての説明した適用例において、鮮明度は、手動で又は自動的に、望ましくはｚ軸方向に、レンズとカメラを使用して調節できるようになっている。較正及び制御測定は、例えば分散材料、レチクル、又は絵画的原本を使用して、手動で又は自動的に実施することができる。

本発明による分析装置を示す図である。 「水平で標準的」な位置にあるスタンド上に回転可能に取り付けられている２つの保持装置を備えている或る代替的な実施形態を示す図である。 「水平で倒立」の位置にある図２による或る実施形態を示す図である。

好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明してゆく。

図１は、測定装置の、安定したスタンド１として構成されている中心部分の上に、駆動装置（図示せず）で軸Ａ周りに回転させることができるように配置されている基部保持装置２の第１の取り得る位置を示している。カメラ３、レンズ４、光源５、及び試料キャリアホルダー６は、３６０度に亘って軸回転させることができる基部保持装置２上に配置されている。カメラ３と光源５は、共に、ガイドレール３ａ、５ａ上に長手方向に変位可能に取り付けられており、駆動装置（図示せず）で動かすことができる。

記載されている構成部品の位置は、望ましくは光軸上の、何れの方向にでも変えることができる。

一体型の試料分配器７を備えている試料キャリアホルダー６は、試料を測定面の中へ、即ち、ホルダーに固定されている透明又は不透明なプレート８（試料キャリヤ）の上に給送するために使用されており、ホルダーは、境界面特性に適合するよう異なる被覆を有していてもよい。試料ホルダー６はガイド６ａを備えており、試料キャリヤ８をこれに沿って変位可能に案内できるようになっている。

異なる撹拌器及び／又は超音波発振器が装備されている撹拌容器９、及び／又は試料分配気に連結されている分散モジュール１０は、試料準備のために設けられている。

試料の入れ物から測定又はオブジェクト面へ試料を運搬するのは、例えば、重力によって、又は試料に適したポンプ１１によって行われる。

上で述べた分析装置は、更に、関心対象オブジェクトの画像を撮るために異なる配置の（例えば、平行、又は直角に配置した）追加のカメラの様な追加の部品を有していてもよい。例えば、ソフトウェア制御の自動焦点合わせが更に実施され、その際、カメラに適したアクチュエータがこの目的で設けられていてもよい。

同様に、標準的レンズに加えて顕微鏡レンズ又はテレセントリックレンズを使用してもよく、これらは、カメラの上流に手動で配置してもよいし、例えば回転式機構で自動的に配置してもよい。多種多様なフィルターが、同様に上流に、特に自動的に、カメラ付属品として接続されていてもよい。異なる強度、波長、パルス時間、及び方向を備えている一定の閃光源を、更に、保持装置２又はレンズ４上に配置することもできる。

液体又は気体発生状態の測定濃度まで分散させ、希釈するための試料準備モジュールでは、試料又は画像の運搬装置は、スタンド１、保持装置２に、又は分析装置の隣の何れかに配置することができる。

同様に、各分析作業の後、又は所定の間隔で、試料キャリヤ８を洗浄する洗浄システムを設けることができる。洗浄装置は、少なくとも部分的には基部保持装置２上に配置することができ、従って、試料キャリヤ８の動きに追従する。同様に、試料キャリアを、基部保持装置上に変位可能に配置して、アクチュエータが、試料キャリヤを、洗浄システムを通過させて動かすことができるようにすることもできる。

生産工程から採取され、分析される試料は、重力又は搬送システム（図示せず）によって、試料キャリヤ８から受け入れコンテナ１３の中へ送られ、随意的に再び生産工程へ給送することもできる。

図２は、スタンドに回転可能に取り付けられている２つの保持装置２、２ａを備えている代替的な実施形態を示しており、試料ホルダー６は、第１基部保持装置２上に変位可能に配置されており、カメラ３と照明５は、第２保持装置２ａ上に変位可能に配置されている。保持装置２、２ａは、共に、駆動装置（図示せず）によって軸Ａ周りに互いに独立して回転させることができる。これによって、試料をカメラ３に対して多種多様な位置に配置できるようになる。図解している位置では、カメラ３は、試料キャリヤ８の上側に配置されており、試料は、試料キャリヤ８とカメラ３の間に置かれている（水平で標準的）。

図３は、カメラ３が試料キャリヤ８の下側に配置されている配置を示しており、写真は、試料キャリヤのガラスを通して撮影される（水平で倒立）。

Claims (33)

1. 少なくとも１つの撮像器械（３）を使用して媒体を光学的に分析するための分析装置であって、前記分析装置は、少なくとも１つの試料キャリヤ（６、８）を備えており、前記試料キャリヤ（６、８）及び／又は前記少なくとも１つの撮像器械（２）は、少なくとも１つの駆動機構を用いて軸回転又は回転させることができる、分析装置。
2. 前記試料キャリヤ（８）は、プレート、特にガラスプレートであることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
3. 前記試料キャリヤは、少なくとも１つの領域を備えており、前記領域は、少なくとも１つの撮像器械の受け入れ領域であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の分析装置。
4. 前記試料キャリヤは、入口領域と出口領域を備えており、分析される前記媒体は、給送システムを用いて、前記試料キャリヤの前記入口領域に届けられることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の分析装置。
5. 前記媒体は、重力によって又は運搬又は洗浄装置を用いて前記試料キャリヤから送り出される、特に前記試料キャリヤから前記出口領域を経由して送り出されることを特徴とする、請求項４に記載の分析装置。
6. 前記試料キャリヤは、少なくとも１つの物質、特に分析される前記媒体用の少なくとも１つのリザーバを備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
7. 少なくとも前記試料キャリヤを軸回転させることによって、分析される物質又は前記媒体を、リザーバから少なくとも１つの受け入れ領域に運ぶことができることを特徴とする、請求項６に記載の分析装置。
8. 前記受け入れ領域は、少なくとも２つの物質を、反応させ、又は互いに混合又は調合することができる領域でもあることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
9. 前記少なくとも１つの撮像器械は、カメラ、特にＣＣＤカメラであって、少なくとも１つのレンズが前記カメラに関係付けられていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
10. 少なくとも１つの給送システムは、分析される媒体を、自動的且つ連続的又は不連続的に試料キャリヤに給送することを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
11. 前記分析装置は、前記試料キャリヤと前記撮像器械の動きを制御する制御装置を備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
12. 前記撮像器械は、特に焦点を合わせるために、少なくとも１つの駆動装置を用いて前記試料キャリヤに対して動かすことができることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
13. 前記少なくとも１つの撮像器械は、前記試料キャリヤの上又は中に位置している分析される前記媒体を分析するため、随意的に前記試料キャリヤの上側又は下側に配置することができることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
14. 分析装置は、静止状態に配置されているか、又は自身の駆動装置又は前記試料キャリヤの前記駆動装置を用いて軸回転させることができる少なくとも１つの照明源を備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
15. 少なくとも１つの給送システムは、駆動装置によって前記試料キャリヤと一緒に軸回転させることができることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
16. 前記少なくとも１つの試料キャリヤは、少なくとも１８０度に亘って（３６０度は全周に相当）、好都合には少なくとも２７０度、特に望ましくは３６０度に亘って前記試料キャリヤの軸の周りに軸回転又は回転させることができることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
17. 前記分析装置は、前記少なくとも１つの試料キャリヤと前記少なくとも１つの撮像器械が、軸回転可能に又は回転可能に取り付けられている中心スタンドを備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
18. 基部保持装置、特に基部プレートは、前記スタンドに回転可能に取り付けられていて、駆動機構を用いて回転させることができ、少なくとも、前記少なくとも１つの試料キャリヤは、前記基部プレートの上に配置されていることを特徴とする、請求項１７に記載の分析装置。
19. 前記少なくとも１つの撮像器械も、前記基部プレートの上に配置されていることを特徴とする、請求項１８に記載の分析装置。
20. 前記少なくとも１つの試料キャリヤ及び／又は前記少なくとも１つの撮像器械は、特にそれぞれの場合の駆動装置を用いて変位可能な様に取り付けられていることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の分析装置。
21. 前記少なくとも１つの試料キャリヤ及び／又は前記少なくとも１つの撮像器械は、クロステーブルの上に配置されており、１つの駆動装置が、それぞれ１つの軸毎に設けられていることを特徴とする、請求項２０に記載の分析装置。
22. 前記試料キャリヤは、ガラスプレート、ガラスセル、フローチューブ、又は反応器であることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
23. 前記分析装置は、試料キャリヤ用の試料ホルダーを備えており、同ホルダーは、前記少なくとも１つの撮像器械の前記受け入れ領域に前記試料キャリヤを保持し、及び／又はそれを前記受け入れ領域へ給送することを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
24. 前記分析装置は、少なくとも１つの試料キャリヤを前記撮像器械の前記受け入れ領域に連続的に給送することができる試料キャリヤ搬送システムを備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
25. 前記分析装置は、分析される前記媒体が、分析に備えて機械的に及び／又は化学的に準備される試料準備ユニットを備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
26. 前記分析装置は、様々な物質の分析及び様々な分析法を行えるようにする様々な試料キャリヤを備えており、前記分析装置の前記制御装置は、各場合に必要な前記試料キャリヤを選択し、搬送システム、特に回転式マガジンを用いて、それを分析に供することを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
27. 前記分析装置は、冷却及び／又は加熱装置を備えており、それを用いて、分析される前記物質又は試料を所定の温度まで冷却及び／又は加熱することができるようになっていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
28. 前記冷却及び／又は加熱装置は、前記試料キャリヤ又は前記基部プレート上に配置されていることを特徴とする、請求項２７に記載の分析装置。
29. 前記少なくとも１つの撮像器械は、前記少なくとも１つの試料キャリヤの周りを動かすことができ、前記試料キャリヤは、その軸周りに前記撮像器械と共に軸回転させられるか、又は１つの位置に置かれていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
30. 前記基部保持装置（２）の前記回転軸（Ａ）は、前記試料プレート又は前記試料キャリヤ（８）の面に配置されていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の分析装置。
31. 上記請求項の何れかに記載の分析装置を用いて試料を分析するための方法において、分析される物質又は試料は、前記給送システムを用いて前記少なくとも１つの試料キャリヤへ給送され、前記少なくとも１つの試料キャリヤは、前記駆動機構を用いて、前記少なくとも１つの撮像器械が、前記試料の少なくとも１つの画像を作り出し、その画像を更に処理するために前記データ処理ユニットへ転送する、特定の位置へと、軸回転されることを特徴とする、方法。
32. 前記必要な分析方法に応じて、前記少なくとも１つの撮像器械は、前記試料キャリヤの側部から、前記試料キャリヤの上側又は下側から、分析される前記物質又は試料の画像を生成することを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
33. 前記分析手順の間、前記試料キャリヤは、単独で又は前記少なくとも１つの撮像器械と共に動き、特に軸の周りに回転され、前記撮像器械は、回転している間、及び／又は回転と回転の間に、更に評価するために画像を生成することを特徴とする、請求項３１又は３２に記載の方法。

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