JP2019049751A

JP2019049751A - 全自動高速顕微鏡スライドスキャナ

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Publication number: JP2019049751A
Application number: JP2018226880A
Authority: JP
Inventors: ダーク・ソーンクセン; Soenksen Dirk
Original assignee: Leica Biosystems Imaging Inc
Current assignee: Leica Biosystems Imaging Inc
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2019-03-28
Also published as: US20170003492A1; US7978894B2; US8755579B2; US20170094095A1; JP2017194699A; US20090141126A1; US7035478B2; JP2017194700A; US7646495B2; EP1990667A1; US7457446B2; EP2282230A2; EP1317685A2; JP2011232762A; US9729749B2; EP2282230A3; US6917696B2; US20130162802A1; ATE406591T1; US7826649B2

Abstract

【課題】試料の連続的スキャンから得られた画像ストリップを単一の連続したデジタル画像を構成するためにコンピュータ制御された顕微鏡スライドスキャナを用いて、顕微鏡試料全体を全自動で迅速なスキャンおよびデジタル化するための装置及び方法を提供する。【解決手段】顕微鏡スライドスキャナ１１は、試料１２全体の低倍率のマクロ画像と一緒に、異なる倍率でこの大きなデジタル画像のサブ領域を静的に表示、もしくは連続したデジタル画像の部分を動的に表示する方法であって、スキャナの要素はすべてインターネットまたはローカルイントラネット４２に対して主要な接続を行っている。好ましい試料タイプは顕微鏡スライドであり、照明光学系および画像光学系は回折限界のデジタル画像のために最適化された透過モード光学系と一致している。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、光学顕微鏡の分野に関し、特に、全自動迅速顕微鏡用スライドスキャナに関する。

光学顕微鏡の特有の制限は、観察フィールドと、接眼レンズを介して観察される試料の部分と、試料の観察される倍率とがトレードオフであることである。高開口数（ＮＡ）を備える高倍率の顕微鏡対物レンズは、拡大され且つ高解像の画像を顕微鏡使用者に提供するが、倍率の二乗に比例して倍率が増加すると、観察フィールドが劇的に減少する。１．２５倍のような低倍率においてさえ、典型的な顕微鏡用スライドの小領域だけが、従来の顕微鏡の双眼鏡を通じて観察される。光学顕微鏡の観察フィールド制限の範囲は、サンプル又は試料の全観察を得るために、顕微鏡使用者が低倍率でスライドを手動スキャンすることを要求する。興味のある領域が低倍率の一つに現れたとき、試料の比例した小領域の拡大された高解像観察フィールドを得るために、顕微鏡使用者は高倍率対物レンズを手動で選択する。病理学者によって観察される組織学的試料のような試料に対して、病理学者が、試料について自分との向きを決めるために広い観察フィールドを備える低倍率対物レンズと、より詳細に試料を観察するために一つ以上の高倍率で視野の狭い対物レンズとにしばしば切換えることは普通である。

広い観察フィールドと高倍率とを同時に達成するという光学顕微鏡の制限を克服するためのアプローチは、連続した観察フィールドから個々のデジタル画像を複数で捕えられ、広い観察フィールドを作るということである。スキャンシステムが試料を動かすために使用されているが、二次元スキャン電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラのような方形の光学センサが所望倍率での各観察フィールドの画像を捉える。これらの小さな観察フィールド（これ以降、画像タイルと呼ぶ）を一つの一貫した画像に組立てるプロセスは、画像タイル化と呼ばれている。以前の画像タイル化システムは、米国特許４７６０３８５号（ジャンソンなど）に説明されたシステムのように、オペレータによって以前に且つ双方向に選択された試料の領域で捕えられた略３６個のビデオフレーム画像タイルから連続した高解像タイル化画像を作ることに基づかれている。同じであるがより高度な画像タイル化システムが最近利用可能になっている。そのようにシステムの一つが、ベイカス・ラボラトリ社スライドスキャナ（これ以降ＢＬＩＳＳと呼ぶ）の名前で、ベイカス・ラボラトリ社、ダウナーズ・グローブ、ＩＬによって売り出されている。ＢＬＩＳＳシステムの要素は、特許協力条約公報のＷＯ９８／３９７２８及びＷＯ９８／４４４４６に記載されている。

ＢＬＩＳＳシステムは、非常に低い倍率で得られた組織学試料の解剖学上の位置を、低倍率のタイル化画像やマクロ画像から病理学者によって双方向に選択された試料の領域の幾つかの高倍率視野に結合する必要性を有する病理解剖学者のために第一に設計されている。ＢＬＩＳＳシステムによって、病理学者は、２０倍又は４０倍で捕えられた選択領域の選択された高解像ミクロ画像と、１．２５倍で捕えられた低解像マクロ画像との間を素早く前後させることができ、従来の顕微鏡の病理学者の手動使用を再現させることができる。その代りに、ＢＬＩＳＳシステムのユーザーインターフェースは、分離された分割スクリーンを表示するモニタに設けられている。それにより、病理学者には、マクロ視野が全体的に示され、マーカーは、現在の高倍率視野がどこにあるかを示している。タイル化画像は、結合されたデータ構造を作り出すために高倍率で幾つかの隣接した元の顕微鏡視野とともに、試料のマクロ視野全体を得るために最初の倍率で幾つかの隣接した元の顕微鏡視野を組立てることによって構築される。データ構造は、地図座標を用いて低倍率画像タイルをデジタルでスキャンすること及び蓄えること、及び地図座標を用いて高倍率画像タイルをデジタルでスキャンすること及び蓄えることによって得られる。さらに、病理学者は、高解像度で蓄えられた画像ピクセルの数をかなり減らすために、デジタルでスキャンすること及び蓄えることのために試料の診断上重要な領域だけを双方向に選択することができる。データ構造は、バーチャル顕微鏡スライドに似て、インターネットのようなネットワークを通じて離れたビューワーに移される。離れたユーザーは、一連の隣接したタイル化画像を備える。各画像タイルは、二つの異なった光学倍率で一つの小さな光学観察フィールドに実質的に等しい。

ＢＬＩＳＳシステムは、ニューヨークのソーンウッドにあるカールツワイス社によって販売されたアキシオプラン２（Ａｘｉｏｐｌａｎ−２）顕微鏡システムのような、コンピュータ制御された自動顕微鏡に一体化されている。この種のハイエンドの顕微鏡は、照明サブシステム、フォーカスサブシステム、顕微鏡対物レンズサブシステム、フィルターサブシステム、最適なケラー照明を実現するために使用される複数のフィールドやコンデンサ絞り又は光学ストップを含む、幾つかのサブシステムのコンピュータ制御を可能にする。基本的に、顕微鏡の全ての可動要素は、コンピュータ制御され、そして原則として、インターネットを介して離れた場所から制御される。全ての絞りの位置やフォーカス及び照明レベルのような他の設定は、コンピュータに蓄えられ、手動をはさむことなく顕微鏡の対物レンズを変えることを可能にする。ＢＬＩＳＳシステムは、優れた位置決め性を提供するために位置用エンコーダ及び閉ループフィードバックコントロールを用いて、０．１μｍの位置決め精度を達成するコンピュータ制御された２軸（上下左右の動きに対するｘ／ｙ）の平行移動ステージを備えている。７５２×４８０ピクセルのＣＣＤカメラ及び画像フレーム取込み器がＢＬＩＳＳシステムに一体化されている。

画像タイルに基づいているので、ＢＬＩＳＳシステムは、画像タイルアプローチの幾つかの既知の不利な点がある。例えば、ＢＬＩＳＳシステムの第一の不利な点は、タイル化されたデータ構造を得るために時間（典型的には２０分以上）がかかることである。これらの時間見積は、手動をはさむ間に、例えば、低倍率マクロ画像の選択領域から高倍率タイル化画像を得る前に、受けるさらなる遅延が考慮されていない。タイル化は、単一の視野の幅に等しい個々のステップにおいて、及び、ＢＬＩＳＳシステムで使用されるＣＣＤカメラのような静止二次元スキャンカメラについては、電動ステージ上にあるスライドを動かすことを含んでいる。画像タイルは全てのステップで得られる。個々の画像は、興味のある領域の大きな継ぎ目のない画像を作るために共にタイル化される。画像のタイル化は、画像が捕えられている間に試料とカメラとの間での相対的な動きを最小にする必要があるために、時間がかかる。相対的な動きの主たる原因は、一連の停止及び進行という命令を出したあとでの、機械的位置決めステージの設定時間である。容認できない汚れのない画像を得るためには、理想的には一つより少ないピクセル内に、ステージが定着されるまで待つことが必要である。例えば、４０倍で、１／２インチ型ＣＣＤで捕えられた画像タイルの幅は、試料の１６０μｍに対応する。この倍率で、７５２ピクセルのワイドＣＣＤでの個々のピクセルは、試料の約０．２μｍの範囲を定める。単一のタイル化工程は、機械的なステージの関連した加速・減速で、１６０μｍという相対的に大きな移動を必要とする。画像の汚れを避けるために、画像タイルは、機械的なステージが動きの一つより少ないピクセルすなわち約０．２μｍに定着されたあとに捕えられるべきである。米国特許５９１２６９９号（ハエンガ等）は、ストロボ光と同期した従来の二次元スキャンカメラを用いて画像タイルを結合する他の方法を提案することによって、従来の画像タイル化システムのこのよく知られた設定時間制限に取り組んでいる。タイル化システムのＢＬＩＳＳシステムを含む遅い捕捉時間は、初期の非常に低倍率のマクロ画像の捕捉と高倍率捕捉に対する小領域のその後の選択との間に広範囲な手動をはさむことで、画像タイル化の有用性を二つのステップのプロセスに制限する。

タイル化システムに関係した遅い捕捉時間は、タイル化されたデータ構造を作るプロセスの間に手動をはさむ必要があるという、ＢＬＩＳＳシステムの第二の不利な点である。１．２５倍という非常に低い顕微鏡対物レンズ倍率でスライドをプレスキャンしたあと、ＢＬＩＳＳシステムの操作者は、高倍率対物レンズを用いて、スキャンされるべき興味のある関連領域に対するマクロ画像を調べる。手動をはさむことの動機は最終データ構造の大きさを制限することであるが、手動をはさむことは合理的な時間で得られる小さな領域を画定するのに絶対的に必須である。例えば、２０倍で顕微鏡スライドを完全にスキャンためにＢＬＩＳＳシステムを使用することは、捕捉時間を考慮するために、実用的ではない。２０倍では、７５２×４８０ピクセルの１／２インチ型二次元スキャンＣＣＤを用いて、顕微鏡スライドの２インチ×１インチの領域をデジタル化するために、約１６３００の個別画像タイルを捕捉しなければならない。各画像タイルを得るために約１秒かかることを仮定すると、停止及び進行の命令の１６３００の繰り返しのそれぞれに関連した相対的に長い機械的設定時間も手伝って、トータルの捕捉時間は４時間３０分になるであろう。４０倍では、捕捉時間が４倍になって１８時間になるであろう。１０倍でさえも、捕捉時間が１時間を越えるであろう。しかしながら、ＢＬＩＳＳシステムの１．２５倍という非常な低倍率では、６４の画像タイルだけが、顕微鏡の２×１インチ領域のマクロ画像を作るために必要である。マクロ画像に対するトータルの捕捉時間は約１分である。

捕捉時間制限が低倍率のマクロ画像の捕捉を必要とすることを理解すると、高倍率で捕捉されるべき小さな領域のこのマクロ画像から双方向に選択することに続いて、ＢＬＩＳＳシステムの第三の不利な点が明らかになる。この第三の不利な点は、低倍率のマクロ画像から興味のある領域を位置決めすることが、解剖学的基準情報が利用可能である試料に制限されていることに存する。ＢＬＩＳＳシステムは、Ｐａｐ汚れのような非組織学的試料に対する制限された有用性を有している。なぜならば、そのような細胞試料がもともと解剖学的位置についての情報を欠いているからである。そのような試料において、細胞は、顕微鏡スライドの広い領域にわたって多かれ少なかれランダムに分布している。画定する能力なく、マクロ画像を用いて、特定の小さな領域が高倍率でタイル化されているほど、代りのものが試料全体をスキャンし且つデジタル化する。しかしながら、前に説明したように、画像タイル化方法で必要とされた長い捕捉時間は、この代りのものを仮想的に非現実的にする。別の言いかたをすれば、高倍率での画像タイル化に対して顕微鏡スライドの特定且つ重要な小領域を画定するために手動をはさむことや細胞学的試料の不可能性がなく、タイル化アプローチは制限された有用性を有する。手動をはさまない、全自動スキャン顕微鏡スライドのシステムを人は好むであろう。そのようなシステムは、スライドが解剖学的基準情報を含むか否かにかかわらず、顕微鏡スライドの全タイプに適しているであろう。

ＢＬＩＳＳシステムの第四の不利な点は、複雑であることや高価であることである。ＢＬＩＳＳシステムは、規格品の部品から大部分できている。規格品の部品は、複数の対物レンズと高価な閉じたｘ／ｙのステージ制御ループを備える、ハイエンドで、全自動の第三者の顕微鏡を含む。ＢＬＩＳＳシステムの提示された消費者価格は約１０万ドルである。ＢＬＩＳＳシステムの複数の自動要素は、高価な自動化にもかかわらず、操作及び維持の難しい複雑なシステムを示している。簡単で信頼性が高くて、ＢＬＩＳＳシステムのコストの約１／３で利用可能となる顕微鏡スライドスキャンシステムを、人は好む。

従来の顕微鏡に基づいたあらゆる顕微鏡スライドスキャンシステムの幾つかの制限は、ＢＬＩＳＳシステムのコスト的に不利な点に固有である。ＢＬＩＳＳシステムの最も高価な部品は、自動化された顕微鏡それ自身である。全自動顕微鏡をＢＬＩＳＳシステムに組み入れる理由の一つは、顕微鏡の対物レンズタレットが自動的に回転して顕微鏡の対物レンズを変える（例えば１．２５倍〜４０倍）とき、多くの設定を自動的に変更するために必要である。顕微鏡の対物レンズを変えるときに典型的な顕微鏡は、異なった最適なフォーカス面を有し、ケラー照明を達成するために、フィールド及びコンデンサの絞りの新しい設定を必要とする。異なった照明強度は、ＣＣＤのダイナミックレンジを最適に満たすために必要である。顕微鏡の対物レンズを変える必要性が除去されたならば、そのような高価な自動化の必要性が除去される。人は、伝統的な光学顕微鏡の視野制限のフィールドに打ち勝つだけでなく、顕微鏡の複数の対物レンズの必要性を除去することができ、ＢＬＩＳＳのような画像タイル化システムを越える十分なコストの利点を備える素早いスキャン方法を好む。単一の顕微鏡の対物レンズの必要性は、伝統的な顕微鏡の光学系によって強いられた制約を削除することに極めて関係している。人は、顕微鏡スライドがスキャンし、回折限界の解像度でデジタル化すること、すなわち、顕微鏡の対物レンズの解像度で利用可能な全ての可能な空間詳細がデジタル画像で捕えられることを確実にする光学設計に基づいたシステムを好む。いったん、回折限界のデジタル画像が捕えられたならば、悪化した低い解像度と倍率の画像は、標準的なコンピュータアルゴリズムを用いて、作られる。

多くの顕微鏡の応用において、試料全体又は試料の大部分は、欠陥、特別な対象物又は異常な細胞のような対象の存在又は存在しないことを調べることが必要である。それに続く高解像度調査で興味のある特定の領域を同定するために、試料の大部分又は試料全体が低解像度（典型的には１０倍〜２０倍）で手動スキャンしなければならないとき、顕微鏡は、労働集約的なものである。単一フィールドの拡張された手動スクリーニング又は連続した観察によって、目の疲れ、疲労、生産性及び正確さに悪影響を及ぼす視覚順化が起こる。それに続く高解像度調査で興味のある関連の領域を素早く見つけ且つ位置決めすることの問題は、顕微鏡を、一次元に配置された補助検出器及び自動位置決めテーブルに結合させた従来のリアルタイムのスキャンシステムを使用することで、取り組まれている。それらの全てがコンピュータ制御されている。米国特許５９２２２８２号（レドレイ等）で説明されたシステムのような幾つかのアプローチは、対象物（この場合、特製のガラス顕微鏡スライド上にあるマイコバクテリア）の再配置を可能にする物理的スライドの領域上で見つけられた関連対象物のｘ／ｙステージの座標を蓄えることに基づいている。５μｍステップで動くステージに同期された一次元スキャンカメラで測定された強度情報に適用されている特化されたリアルタイムパターン認識回路を用いて、マイコバクテリアのｘ／ｙ座標が得られる。その代りに、ビデオカメラのような二次元スキャンセンサが、類似した回路とともに、選択された対象物のｘ／ｙ座標を導くための基礎として使用される。後者の場合、ステージは、タイル化方法で要求されたステージ移動に似て、完全な画像フィールドに対応した大きなステップで動かされる。瞬間的な自動フォーカス制御を用いて、フォーカスが維持される。米国特許４７００２９８号（パルシック等）に記載された他のシステムは、組織フラスコで成長する細胞のｘ／ｙ座標をリアルタイムで記録する目的で広い領域をスキャンするために、オートフォーカス手段を備えた、市販の顕微鏡に取り付けられた一次元配置のＣＣＤを用いる。これらの既知の方法及びシステムは、全て、スキャン過程の間に得られ且つ処理されたデジタル情報のリアルタイム分析に基づいている。多くの場合、特化された回路が、リアルタイムで決定することを可能にする一次元配置の検出器から読み出された強度データを直ちに処理するために使用される。他の新規なアプローチは、手動スライドスキャンの労働集約的な面を自動化するのに十分な光学解像度で顕微鏡スライド全体の大きな隣接画像を素早く組立てるために、一次元配置センサを使用することである。手動スライドスキャンの代替物として使用されるシステムを、デジタル画像処理方法とともに、人は好む。

顕微鏡スライドの手動スキャンに関係した他の共通の問題は、スライドの部分がスライドのｘ／ｙの手動スキャンの間に容易にミスすることである。特にスライドが顕微鏡から除去されたあと、前に同定したセルに再配置することは難しい。ｘ／ｙの手動スキャンの間にスライドのあらゆる領域をミスしないという問題は、ｘ／ｙ位置及び手動で調べられる物理的スライドの領域の滞留時間を記録する品質保証システムを位置エンコードし、このように失敗したか早く観察できるスライドの領域を強調表示することによって取り組まれている。米国特許５７９３９６９号（カメンツキ等）は、科学技術者によって再観察されるＰａｐ汚れスライドの品質保証方法を説明している。この方法は、スライド再観察の間に科学技術者によって訪問された全てのフィールドのｘ／ｙステージ座標を記録すること、及び、相対的スライド滞留時間のｘ／ｙ地図を作ることに基づいている。

顕微鏡スライド全体を素早くスキャンし且つデジタル化することのできる簡単で信頼性の高いシステムに対する明確な必要性が、存在する。スキャン及びデジタル化は、顕微鏡スライドのスキャン及びデジタル化に相当する光学解像度でなされるべきである。これにより、スライド全体を手動スキャンする代りに又はそれに加えて、デジタルイメージデータセットに画像処理アルゴリズムを適用することを可能にする。理想的には、そのようなシステムは、画像捕捉プロセスの間に手動をはさむことを要求するべきでない。そのようなシステムは、スライドが解剖学的基準情報を含むか否かにかかわらず、あらゆるタイプの顕微鏡試料に適するべきである。理想的には、そのようなシステムは、従来のシステムより低コストである。そのようなシステムは、従来の市販の顕微鏡の制限及び特有のコストによって制約されるべきでない。それは回折限界のデジタル画像の捕捉を可能にする光学設計を可能にする。本発明の第一の目的は、これらの必要性を解決し且つ関係する利点を与えることである。

本発明は、コンピュータ制御された顕微鏡スライドスキャナの部分である位置決めステージと同期した一次元配置検出器を用いて、顕微鏡試料全体、すなわち実質的に大部分の顕微鏡試料の迅速スキャン及びデジタル化を完全自動化するための装置及び方法を提供する。さらに、本発明は、試料の一連のスキャンから得られた画像ストリップを単一の連続したデジタル画像に組み立てる方法を提供する。さらに、本発明は、試料全体の低倍率のマクロ画像とともに、異なった倍率でこの大きなデジタル画像のサブ領域を静的に表示する方法を提供する。さらに、本発明は、連続したデジタル画像の部分を、操作者の相互作用の有無で、動的に表示する方法を提供する。本発明の好ましい実施形態において、スキャナの全ての要素は、インターネットか又はローカルインターネットのようなネットワークへの第一の接続を有する単線で囲った部分である。この実施形態において、好ましい試料の形態は、顕微鏡スライドであり、照明及び結像光学系は、回折限界のデジタル結像を最適化する透過モード光学系と一致している。

本発明を実行するためのベストモード
本発明の目的、利点、及び特徴は、添付図面とともに読むときに、以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

まず、図１を参照すると、本発明に係る光学顕微鏡システム１０の好ましい実施形態のブロック図が示されている。システム１０の心臓部は、試料又は試料１２をスキャンし且つデジタル化する顕微鏡スライドスキャナ１１である。試料１２は、光学顕微鏡によって調べられるあらゆるものである。例えば、試料１２は顕微鏡スライド又は光学顕微鏡によって調べられる他の試料タイプである。顕微鏡スライドが、組織や細胞、染色体、ＤＮＡ、蛋白質、血液、骨髄、尿、バクテリア、ビーズ、生検材料、生きているか死んでいるか、汚れているか錆ていないか、標示付きか標示なしかである他のタイプの生物学的な材料又は物質を含む試料に対する観察基板としてしばしば使用される。試料１２は、マイクロアレイとして良く知られた全ての試料を含む、ＤＮＡ又は、ｃＤＮＡかＲＮＡかあらゆるタイプのスライド又は他の基板の上に堆積蛋白質のようなＤＮＡに関連したあらゆるタイプの配置である。試料１２はマイクロタイター板（例えば９６ウェル板）であってもよい。試料１２の他の具体例は、集積回路基板、電気泳動レコード、ペトリ皿、フィルム、半導体材料、法医学材料または機械加工部品を含んでいる。

スキャナ１１は、電動ステージ１４、顕微鏡対物レンズ１６、一次元スキャンカメラ１８およびデータ処理装置２０を含んでいる。試料１２はスキャン用の電動ステージ１４の上に配置される。電動ステージ１４は、データ処理装置２０に順番に接続されるステージコントローラ２２に接続される。データ処理装置２０は、ステージコントローラ２２によって電動ステージ１４上の試料１２の位置を決定する。現在の好ましい実施形態では、電動ステージ１４は、少なくとも試料１２の平面にある２つの軸（ｘ／ｙ）にある試料１２を動かす。光学のＺ軸に沿った試料１２の微小な動きは、スキャナ１１の適用に、例えば焦点制御のために必要かもしれない。Ｚ軸動きは、ＰｏｌｙｔｅｃＰＩからのＰＩＦＯＣ、またはＰｉｅｚｏｓｙｓｔｅｍＪｅｎａからのＭＩＰＯＳ３のようなピエゾのポジショナー２４で好ましくは達成される。ピエゾのポジショナー２４は、顕微鏡対物レンズ１６に直接に取り付けられ、データ処理装置２０に接続され、且つ、ピエゾのコントローラ２６によってデータ処理装置２０によって監督される。粗い焦点調節を提供する手段も必要であってもよく、電動ステージ１４または手動のラック・アンド・ピニオンの粗い焦点調節（示されない）の一部としてＺ軸ムーブメントによって提供することができる。

現在の好ましい実施形態では、電動ステージ１４は、滑らかな運動および優れた直線および平面精度を提供するために、玉軸受一次元法を備えた高精度位置決めテーブルを含んでいる。例えば、電動ステージ１４は、互いのトップに積み重ねられた２つのダエダル（Ｄａｅｄａｌ）モデル１０６００４テーブルを含む。他のタイプの電動ステージ１４は、スキャナ１１に適しており、玉軸受とは第二方法で積み重ねられた単一軸ステージ、中央が開いており試料の下からの透過照明に特に適している単一軸または複数軸の位置決めステージ、又は複数の試料を支持することのできる大きなステージを含んでいる。現在の好ましい実施形態では、電動ステージ１４は２つの積み重ねられた単一の軸位置決めテーブルを含んでおり、各々は、２ミリメートルの親ネジおよびネマ（Ｎｅｍａ）２３ステッピングモータに連結されている。毎秒２５回転という最大の親ネジ速度で、電動ステージ１４上の試料１２の最大速度は、毎秒５０ミリメートルである。大きな直径（例えば５ミリメートル）を備えた親ネジの選択は、最大速度を毎秒１００ミリメートル以上に増加させることができる。電動ステージ１４は、システムにかなり費用を加えるという欠点を有している機械的又は光学的位置エンコーダを具備することができる。従って、現在の好ましい実施形態は位置エンコーダを含んでいない。しかしながら、人がステッピングモータの代わりのサーボモータを用いるのであれば、人は適切なコントロールのために位置フィードバックを用いなければならないだろう。

データ処理装置２０からの位置コマンドは、ステージコントローラ２２における、モータ電流または電圧コマンドに変換される。現在の好ましい実施形態では、ステージコントローラ２２は２軸のサーボ／ステッパーモーターコントローラ（Ｃｏｍｐｕｍｏｔｏｒ６Ｋ２）および２つの４アンプのマイクロステッピング駆動装置（ＣｏｍｐｕｍｏｔｏｒＯＥＭＺＬ４）を含んでいる。マイクロステッピングは、１．８度の比較的大きな単一のモータ・ステップよりはるかに小さなインクリメントにおけるステッパーモーターを命令するための手段を備える。例えば、１００のマイクロステップでは、試料１２は、０．１マイクロメータと同じ小さなステップで移動することを命令することができる。２５，０００のマイクロステップは、本発明の現在の好ましい実施形態で用いられる。また、より小さなステップサイズは可能である。電動ステージ１４およびステージコントローラ２２の最適な選択が、試料１２の特性、試料をデジタル化するための所望時間、および試料１２の得られたデジタル画像の所望の解像度を含む多くの要因に依存することは明らかに違いない。

顕微鏡対物レンズ１６は一般に利用可能なあらゆる顕微鏡対物レンズであってもよい。当業者は、どの対物レンズを用いるべきかの選択が特別の状況に依存するだろうということを理解するだろう。本発明の好ましい実施形態では、顕微鏡対物レンズ１６は無限修正タイプのものである。

試料１２は、光源３０及び照明光学系３０を含んでいる照明システム２８によって照明される。現在の好ましい実施形態における光源３０は、フィルタ光出力を最大限にするための凹面反射鏡及び熱を抑えるＫＧ−１を備えた可変強度ハロゲン光源を含んでいる。しかしながら、光源３０は、また他のタイプのアークランプ、レーザーまたは他の光源でありえる。現在の好ましい実施形態における照明光学系３２は、光軸に直角な２つの結合した平面を備えた標準のケラー照明システムを含んでいる。照明光学系３２は、カールツワイス、ニコン、オリンパスまたはライカのような会社によって販売された最も商業上利用可能な複数顕微鏡上で見つけることができる明視野照明光学系の代表である。１セットの結合した面は、（ｉ）光源３０によって照明されたフィールド絞り口径、（ｉｉ）試料１２の焦点面によって画定される対象面、および（ｉｉｉ）一次元スキャンカメラ１８の光応答性要素を含む面を含んでいる。別の結合した平面は、（ｉ）光源３０の一部であるバルブのフィラメント、（ｉｉ）照明光学系３２の一部であるコンデンサー光学系の前に配置されるコンデンサー絞りの口径、及び（ｉｉｉ）顕微鏡対物レンズ１６の後ろの焦点面を、含んでいる。現在の好ましい実施形態では、試料１２は、透過モードで照らされ且つ画像にされ、一次元スキャンカメラ１８は、試料１２によって放射される光学エネルギーか、反対に、試料１２で吸収される光学エネルギーを感知する。

本発明のスキャナ１１は、試料１２から反射される光学エネルギーを検出するのに適している。その場合、光源３０、照明光学系３２および顕微鏡対物レンズ１６は、反射画像との適合性に基づいて選択されなければならない。したがって、可能な一つの実施形態は、試料１２の上に位置決めする光ファイバーバンドルによる照明であってもよい。他の可能性は、モノクロメータによってスペクトルで規定される励起を含んでいる。顕微鏡対物レンズ１６が位相差顕微鏡の顕微鏡使用と互換性をもつために選択されているならば、照明光学系３２の一部であるコンデンサー光学系の少なくとも一つの位相停止の組み込みによって、スキャナ１１が位相コントラスト顕微鏡に使用されることが可能になるだろう。当業者にとっては、微分干渉コントラスト及び共焦点顕微鏡のような他のタイプの顕微鏡に必要な修正は、容易に明白に違いない。全体として、スキャナ１１は、適切であるがよく知られた修正で、光学顕微鏡のあらゆる既知のモードにおける微視的な試料の調査に適している。

顕微鏡対物レンズ１６と一次元スキャンカメラ１８との間に、一次元スキャンカメラ１８の光応答性要素の上にある顕微鏡対物レンズ１６によって捕えられた光学信号に焦点を合わせる一次元スキャンカメラ合焦光学系３４が位置している。現代の無限修正顕微鏡において、顕微鏡対物レンズと接眼レンズ光学との間にある、または顕微鏡対物レンズと外部の画像ポートとの間にある合焦光学系は、顕微鏡の観察チューブの一部であるチューブレンズとして知られている光学要素から成る。しばしば、コマまたは非点収差の導入を防ぐために、チューブレンズは複数の光学要素から成る。従来の有限の筒長光学系から無限修正光学系までの比較的最近の変化の動機の中の一つは、試料１２からの光学エネルギーが平行である物理的なスペースを増加させることであり、この光学エネルギーの焦点ポイントが無限にあることを意味する。この場合、ダイクロイックミラーまたはフィルタのような付属要素は、光学パス倍率を変更せず、かつ、好ましくない光学人工品を導入せずに、無限スペースに挿入することができる。

無限修正の顕微鏡対物レンズは、無限マークを典型的に記入される。無限修正の顕微鏡対物レンズの倍率は、対物レンズの焦点距離で除せられたチューブレンズの焦点距離の商から与えられる。例えば、９ミリメートルの焦点距離を備えた対物レンズが用いられるならば、１８０ミリメートルの焦点距離を備えたチューブレンズは２０ｘの倍率となるだろう。異なる顕微鏡メーカーによって製造された対物レンズが互換性をもたないという理由の一つは、チューブレンズ焦点距離における標準化がないためである。例えば、オリンパス（１８０ミリメートルのチューブレンズ焦点距離を用いる会社）からの２０ｘ対物レンズは、２００ミリメートルの異なる筒長焦点距離に基づくニコン顕微鏡上で２０ｘ倍率を提供しないだろう。代わりに、２０ｘが刻まれて、９ミリメートルの焦点距離を有しているオリンパス対物レンズの有効な倍率は、対物レンズの９ミリメートルの焦点距離で２００ミリメートルのチューブレンズ焦点距離を割ることにより得られた２２．２ｘになるだろう。顕微鏡を取り外さずことなく、従来の顕微鏡上のチューブレンズの変更は、事実上不可能である。チューブレンズは顕微鏡の重要な固定要素の一部である。異なるメーカーによって製造された対物レンズと顕微鏡との間の非互換性へのもう一つの寄与する要因は、接眼レンズ光学系、試料が観察される双眼鏡の設計である。ほとんどの光学系の補正は顕微鏡対物レンズにおいて設計されているが、ほとんどの顕微鏡ユーザは、最良の可視像を達成するために、その同じメーカーの顕微鏡対物レンズと一つのメーカーの双眼鏡光学系とを一致させることにある利益があると確信し続けている。

一次元スキャンカメラ合焦光学系３４は、機械的なチューブの内部にマウントされたチューブレンズ光学系を含んでいる。その好ましい実施形態において、スキャナ１１が、従来の視覚観察用の双眼鏡または接眼レンズを欠いているので、対物レンズと双眼鏡との間の潜在的な非互換性という従来の顕微鏡によって受けられた問題は、直接除去される。当業者は、いかなる接眼レンズも有していないことによって、顕微鏡の接眼レンズとディスプレイモニタ上のデジタル画像との間の焦点面の同一を達成する問題も除去されることを同様に理解するであろう。スキャナ１１が試料１２の物理的な境界によってだけ実際に制限された観察フィールドを提供することにより、従来の顕微鏡の観察フィールド制限を克服するので、現在のスキャナ１１によって提供されるような全デジタルの画像顕微鏡における倍率の重要性が制限されている。一旦、試料１２の一部分がデジタル化されたならば、その倍率を増加させるために、試料１２の画像に、電気的なズームとして知られた数倍の電子倍率を適用することは簡単である。画像の倍率を電子的に増加させることは、画像を表示するために用いられるモニタ上にあるその画像サイズを増加させる効果を有する。あまりに大きな電子ズームが適用されるならば、ディスプレイモニタは拡大画像の部分だけを示すことができるだろう。しかしながら、まず第一にデジタル化されたオリジナルの光学信号になかった情報を表示するために電子倍率を用いることは可能ではない。スキャナ１１の対物レンズの一つが高品質デジタル画像を提供することであるので、顕微鏡の接眼レンズによる視覚観察の代わりに、スキャナ１１によって得られた画像の内容ができるだけ詳細な画像を含むことは重要である。解像度という用語はかかる画像詳細を記載するために典型的に用いられる。また、回折限界という用語は光学信号において利用可能な波長制限のある最大の空間の詳細を記載するために用いられる。スキャナ１１は、チューブレンズ焦点距離の選択による回折限界のデジタル画像化を提供する。チューブレンズ焦点距離は、良く知られたナイキスト・サンプリング標準によれば、一次元スキャンカメラ１８のような光を感知するカメラにおける個々の画素要素のサイズと、顕微鏡対物レンズ１６の開口数とに一致する。倍率ではなく開口数が、顕微鏡対物レンズ１６の解像度を制限する属性であることは有名である。

具体例は、一次元スキャンカメラ合焦光学系３４の一部であるチューブレンズ焦点距離の最適選択を図示するのを役立つであろう。前に説明した９ミリメートルの焦点距離を備えた２０ｘ顕微鏡対物レンズ１６を再び考慮して、この対物レンズが０．５０の開口数を有していると仮定すること。コンデンサーからの大幅な低下がないことを仮定すると、５００ナノメーターの波長でのこの対物レンズの回折限界の解像力は、およそ０．６マイクロメータであり、よく知られたアッベ（Ａｂｂｅ）の関係を利用して得られる。一次元スキャンカメラ１８が試料１２の部分を検出するために用いられるとさらに仮定する。一次元スキャンカメラ１８は、その好ましい実施形態において複数の１４マイクロメータの２乗の画素を有する。サンプリング理論に従って、少なくとも２つのセンサ画素が最も小さな分解可能な空間の特徴に内在する必要がある。この場合、２８マイクロメータで除されることにより得られて、４６．７の倍率を達成するためにチューブレンズが選択されなければならない。それは０．６マイクロメータで除されることにより得られた２つの１４マイクロメータの画素に一致する。最も小さな分解可能な特徴寸法である。したがって、最適のチューブレンズ光学の焦点距離は、約４２０ミリメートルであり、４６．７×９とすることにより得られる。４２０ミリメートルの焦点距離を有するチューブレンズ光学系を備えた一次元スキャン合焦光学系３４は、最良の可能な空間分解能を備えた画像を得ることができるであろう。２０ｘ対物レンズを用いて、顕微鏡で試料を観察することにより得られるであろうものに似ている。繰り返すために、スキャナ１１は、高倍率の光学構成における従来の２０ｘ顕微鏡対物レンズ１６を利用する。回折限界のデジタル画像を得るためにこの具体例では約４７ｘである。より高い開口数（おおよそ０．７５）を備えた従来の２０ｘ倍率対物レンズ１６が用いられるならば、回折限界の画像のための必要なチューブレンズ光学倍率が約６１５ミリメートルである。６８ｘの全体の光学倍率に対応する。同様に、２０ｘ対物レンズの開口数が０．３だけであるならば、最適のチューブレンズ光学倍率が約２８ｘだけであろう。それは、およそ２５２ミリメートルのチューブレンズ光学焦点距離に相当する。一次元スキャンカメラ合焦光学系３４はスキャナ１１のモジュール要素であり、最適のデジタル画像化に必要なときに交換することができる。回折限界のデジタル画像化という利点は、例えば明視野顕微鏡への適用に特に重要な意義を持つ。明視野顕微鏡では、倍率の増加に伴う信号輝度の減少は、適切に設計された照明システム２８の強度を増加させることにより、容易に補償される。

ちょうど現在のスキャナ１１に対して記載されているように、回折限界の画像化を達成するために、チューブレンズ倍率を有効に増加させる従来の顕微鏡に基づいたデジタル画像システムに、外部の倍率増加光学系を取り付けることは原則としては可能である。しかしながら、結果として生じる視野の減少は、受け入れがたいものであり、このアプローチを非変実的にする。更に、顕微鏡の多くのユーザが、独力でこれらの技術を有効に使用するために典型的には回折限界の画像化の詳細に関して十分に理解しない。実際上、接眼レンズを通して見ることができるものに似ているものに観察フィールドのサイズを増加させることを試みるために、デジタルカメラは、倍率を減少するオプティカルカプラーを備えた顕微鏡ポートに取り付けられる。ゴールが回折限界のデジタル画像を得ることであるならば、非拡大光学系を加える標準的な行為は間違ったステップである。

従来の顕微鏡では、異なる解像度および倍率で試料を観察するために、異なるパワー対物レンズが典型的に用いられている。標準顕微鏡は、５つの対物レンズを保持する対物レンズ取り付け台を有している。現在のスキャナ１１のような全くデジタル画像システムでは、最も高い望ましい空間解像度に対応する開口数を備えた単一の顕微鏡対物レンズ１６も必要性がある。スキャナ１１の現在の好ましい実施形態は、一つだけの顕微鏡対物レンズ１６を提供する。一旦、回折限界のデジタル画像がこの解像度で捕えられたならば、いかなる望ましい低い解像度および倍率でも画像情報を示すために、標準のデジタル画像処理技術を用いることは簡単である。

スキャナ１１の現在の好ましい実施形態は、一次元配列で整列された１０２４ピクセル（画素）を備えたダルサ・スパーク（ＤａｌｓａＳＰＡＲＫ）の一次元スキャンカメラ１８に基づく。各ピクセルは１４×１４マイクロメータの寸法を有している。あらゆる他のタイプの一次元配列は、カメラの一部としてパッケージにされたか、画像化電子モジュールに顧客注文で統合されているとしても、用いることができる。現在の好ましい実施形態における一次元配列は、８ビット量子化を有効に提供する。しかし、より高いかより低いレベルの量子化を提供する他の配列も用いられる。３チャネルの赤・緑・青（ＲＧＢ）の色情報または時間遅れ積分（ＴＤＩ）に基づいた代りの配列も用いられる。ＴＤＩ配列は、試料の前の画像化領域からの強度データを合計して、積分ステージ数の平方根に比例しているＳＮＲを増加させることにより、出力信号において実質的によりよい信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供する。ＴＤＩ配列は、一次元配列の複数ステージを含むことができる。ＴＤＩ配列は、２４、３２、４８、６４、９６、またはそれより多くのステージで利用可能である。スキャナ１１は、５１２ピクセルのもの、１０２４ピクセルのもの、４０９６ピクセルのものを含む様々なフォーマットで製造される一次元配列をサポートする。照明システム２８および一次元スキャンカメラ合焦光学系３４への適切であるがよく知られた修正が、大きな配列を提供するために必要とされるかもしれない。様々なピクセルサイズを備えた一次元配列もスキャナ１１で用いることができる。あらゆるタイプの一次元スキャンカメラ１８を選択するための顕著な要件は、高品質像を得るために、試料１２のデジタル化の間に、試料１２が一次元スキャンカメラ１８に対して動くことができるということであり、先行技術で既知の従来の画像タイル化アプローチの静止の要件を克服する。

一次元スキャンカメラ１８の出力信号はデータ処理装置２０に接続される。現在の好ましい実施形態におけるデータ処理装置２０は、ビデオカードまたはフレーム取込み器のような少なくとも一つの信号デジタル化電子基板を支持するために、付随的な電子装置（例えばマザーボード）を備えた中央処理装置を含んでいる。現在の好ましい実施形態では、ビデオカードはＥＰＩＸＰＩＸＣＩＤ２４ＰＣＩバスのビデオカードである。しかし、ＥＰＩＸ基板の代わりに用いることができる、様々なメーカーからの他の多くのタイプのビデオカードまたはフレーム取込み器がある。他の実施形態は、ビデオカードをすべて無視し、かつハードディスクのようなデータ記憶装置３にデータを直接格納するために、Ｆｉｒｅｗｉｒｅとして知られているＩＥＥＥ１３９４のようなインタフェースを用いる一次元スキャンカメラであってもよい。

データ処理装置２０も、データの短期間格納のためにランダムアクセス記憶装置（ＲＡＭ）のようなメモリ３６に接続され、長期的なデータ記憶のためにハードドライブのようなデータ記憶装置３８に接続される。さらに、データ処理装置２０は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）のようなネットワーク４２、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、大都市圏ネットワーク（ＭＡＮ）、イントラネット、エクストラネットまたはグローバルなインターネットに接続される通信ポート４０に接続される。メモリ３６およびデータ記憶装置３８も互いに接続される。また、データ処理装置２０は、一次元スキャンカメラ１８およびステージコントローラ２２のようなスキャナ１１の重要な要素を制御するために、すなわち様々な画像処理機能、画像解析機能またはネットワーキングのために、計算機プログラムをソフトウェアの形で実行することができる。データ処理装置２０は、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ、ＯＳ／２、ＭａｃＯＳおよびＵｎｉｘ（登録商標）のようなＯＳを含むあらゆるＯＳに基づくことができる。現在の好ましい実施形態では、データ処理装置２０は、ＷｉｎｄｏｗｓＮＴというＯＳに基づいて作動する。

データ処理装置２０、メモリ３６、データ記憶装置３８および通信ポート４０は、各々従来のコンピュータに見られる要素である。ある具体例は、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）ＩＩＩ５００ＭＨｚのプロセッサおよびＲＡＭの７５６メガバイト（ＭＢ）以内を特色とするデル・ディメンジョンＸＰＳＴ５００のようなパーソナルコンピュータである。現在の好ましい実施形態では、コンピュータ、データ処理装置２０を含む要素、メモリ３６、データ記憶装置３８および通信ポート４０は、すべてスキャナ１１に内部にある。その結果、システム１０の他の要素に対するスキャナ１１の接続部だけが、通信ポート４０である。スキャナ１１の他の実施形態では、コンピュータ要素は、コンピュータ要素とスキャナ１１との間で対応する接続を備えたスキャナ１１の外部にある。

スキャナ１１は、本発明の現在好ましい実施形態では、光学顕微鏡による検査、デジタル画像化、電動試料の位置決め、計算、及び単一のカバーのユニットにネットワークベースの通信を行なうことを統合する。データの入出力の検出部と同じ通信ポート４０を備えた単一のカバーのユニットのようなスキャナ１１をパッケージすることの主な利点は、複雑さを減らし、信頼性を高めることである。スキャナ１１の様々な要素は、従来の顕微鏡ベースの画像システムと対比して、ともに機能するように最適化される。従来の顕微鏡ベースの画像システムでは、顕微鏡、光源、電動ステージ、カメラおよびコンピュータが異なるベンダーによって典型的に提供され、多くの組み込みおよびメンテナンスを必要とする。

通信ポート４０は、システム１０の他の要素との迅速な通信手段を提供し、ネットワーク４２を含む。通信ポート４０用の現在の好ましい通信プロトコルは、伝送制御およびインターネットワーキング用のＴＣＰ／ＩＰプロトコルと一緒に、イーサーネットのようなキャリヤーセンスの共同利用の競合検出プロトコルである。スキャナ１１は、あらゆるタイプのトランスミッション媒体で作動することを意図しており、広帯域、ベースバンド、同軸ケーブル、撚線対、光ファイバー、ＤＳＬまたはワイヤレスを含んでいる。

現在の好ましい実施形態では、スキャナ１１のコントロール、およびスキャナ１１によって捕えられた画像データの再検討は、ネットワーク４２に接続されるコンピュータ４４上で行なわれる。オペレータに画像情報を提供するために、コンピュータ４４は、その現在の好ましい実施形態では、ディスプレイモニタ４６に接続される。複数のコンピュータ４４は、ネットワーク４２に接続される。現在の好ましい実施形態では、コンピュータ４４は、ＡＯＬからのネットスケープ・コミュニュケータ又はマイクロソフトからのインターネット・エキスプローラーのようなネットワーク・ブラウザーを用いて、スキャナ１１と通信する。画像は、最も商用ブラウザーに既に組み込まれる標準的な画像圧縮方法と互換性がある画像フォーマットであるＪＰＥＧのような共通の圧縮形式でスキャナ１１に格納される。他の標準または非標準か、損失があるか、損失がないか、画像の圧縮フォーマットは作動するだろう。現在の好ましい実施形態では、スキャナ１１は、スキャナ１１からコンピュータ４４へ送られるウエブページに基づくオペレータ・インタフェースを提供するウエブサーバーである。画像データの動的な再調査のために、スキャナ１１の現在の好ましい実施形態は、マイクロソフトからのメディア・プレイヤー、アップルコンピュータからのクイックタイム、あるいはリアルネットワークからのリアルプレイヤーのようなソフトウェアパッケージと互換性のある標準的な複数フレームのブラウザを用いて、コンピュータ４４に接続されたディスプレイモニタ４６についての再調査のために、画像データの複数フレームを再生することに基づいている。現在の好ましい実施形態では、コンピュータ４４上のブラウザは、伝送制御のためのＴＣＰと一緒に、ハイパーテキスト・トランスミッション・プロトコル（ｈｔｔｐ）を用いる。

スキャナ１１がコンピュータ４４または複数のコンピュータと通信することのできる、様々な手段およびプロトコルが現在及び将来に存在するであろう。現在の好ましい実施形態は、標準的な手段およびプロトコルに基づいているが、アプレットとして知られている一つまたは複数のカスタマイズされたソフトウェア・モジュールを開発する方法が、実現可能であり、スキャナ１１の選択された将来の適用に好ましい。さらに、コンピュータ４４は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）のような特定の型式であること、デルのようなあらゆる特定の会社によって製造されたものであるという制約はない。標準化された通信ポート４０の利点の一つは、共通ネットワークブラウザ・ソフトウェアを操作するあらゆるタイプのコンピュータ４４がスキャナ１１と通信することができるということである。

人が望むならば、スペクトルで分解された画像を得ることは、スキャナ１１にある修正を行なうことで可能である。スペクトルで分解された画像は、スペクトルの情報がすべての画像ピクセルで測定される画像である。スキャナ１１の一次元スキャンカメラ１８を、光学スリットおよび画像分光器に置換することにより、スペクトルで分解された画像が得られる。画像分光器は、検出器の行のそれぞれに沿って光学スリットに合焦される光学信号を分散させるためにプリズムまたは回折格子を用いることにより、画像ピクセルのカラム用の波長に特有の強度データを捕らえるために、二次元のＣＣＤ検出器を用いる。

さて図２を参照すると、本発明に係る光学顕微鏡による検査システム１０の別の実施形態のブロック図が示される。このシステム１０では、スキャナ１１は、図１で示される現在の好ましい実施形態より、複雑で高価である。示されるスキャナ１１の追加の属性は、必ずしも、正確に機能するあらゆる他の実施形態に存在している必要はない。図２は、スキャナ１１に組み入れることができた追加の特徴および能力の合理的な具体例を提供することを意図している。

図２の他の実施形態は、図１の現在の好ましい実施形態より大幅に自動化されたものを提供する。照明システム２８のより完全なレベルの自動化は、データ処理装置２０と光源３０および照明システム２８の照明光学系３２との間での接続によって達成される。光源３０への接続は、光源３０の強度を制御するために、開いているか閉じたループのように、電圧又は電流を制御する。現在の好ましい実施形態では、光源３０がハロゲン・バルブであることを思い出すこと。データ処理装置２０と照明光学系３２との接続は、最適のケラー照明が維持されることを保証する手段を提供するために、フィールド絞り口径およびコンデンサー絞りの閉ループ制御を設ける。

蛍光画像にスキャナ１１を使用することは、光源３０、照明光学系３２および顕微鏡対物レンズ１６に対して容易に認識された修正を必要とする。図２の第二の実施形態は、また励起フィルタ、二色フィルタおよびバリアーフィルタを含む蛍光フィルタ立方体５０を提供する。蛍光フィルタ立方体５０は、一次元スキャンカメラ合焦光学系３４と顕微鏡対物レンズ１６との間に存在する無限修正ビーム・パスに位置決めされる。入手可能な様々な蛍光性染料またはナノクリスタルに適切なスペクトルの励起を提供するために、蛍光画像に関する一つの実施形態は、照明光学系３２にフィルタ・ホイールまたはチューナブルフィルターの追加を含むことができる。

画像化パスに少なくとも一つのビームスプリッター５２を追加することによって、光学信号が少なくとも２つのパスに分割される。前に説明したように、一次元スキャンカメラ１８による回折限界画像化を可能にするために、主要なパスは一次元スキャンカメラ合焦光学系３４を経由する。第二のパスは、二次元スキャンカメラ５６によって画像化するために二次元スキャンカメラ合焦光学系５４を経由して提供される。これらの２つの合焦光学系の適切な選択が、異なるピクセルサイズを有している２つのカメラ・センサによる回折限界画像化を保証できることは、明白である。二次元スキャンカメラ５６は、現在利用可能な多くのタイプの一つであり、単純なカラー・ビデオカメラ、高機能で冷却されたＣＣＤカメラ、または可変積分時間の速いフレーム・カメラを含む。二次元スキャンカメラ５６はスキャナ１１に従来の画像システム構成を提供する。二次元スキャンカメラ５６はデータ処理装置２０に接続される。２つのカメラ、例えば、一次元スキャンカメラ１８および二次元スキャンカメラ５６が用いられるならば、両方のカメラ・タイプは、単一の二つの機能を兼ねたビデオカード、２つの異なるビデオカードまたはＩＥＥＥ１３９４のＦｉｒｅｗｉｒｅインタフェースのいずれかを用いて、データ処理装置に接続される。その場合には、一つまたは両方のビデオカードは必要ではないかもしれない。また、データ処理装置２０に画像化センサを接続するという他の関連した方法が、利用可能である。

スキャナ１１はネットワーク４２を介してコンピュータ４４に接続されが、例えばネットワーク４２のない場合がある。ディスプレイモニタ５８のようなローカルの出力装置にスキャナ１１を直接に接続することができ、またスキャナ１１のデータ処理装置２０に直接に接続されるキーボードとマウスの６０のようなローカルの入力装置を設けることできることは、有益である。この場合では、適切なドライバ・ソフトウェアおよびハードウェアが同様に提供されなければならないだろう。

図２で示される第二の実施形態は、大幅に自動化された画像化性能を備える。スキャナ１１の画像化が増強された自動化は、オートフォーカスというよく知られた方法を用いて、ピエゾのポジショナー２４、ピエゾのコントローラ２６およびデータ処理装置２０を含む閉焦点制御ループにより達成される。第二の実施形態は、いくつかの対物レンズを提供するために電動の前金具６２に備える。電動の前金具６２は、データ処理装置２０に接続され、前金具コントローラ６４を通じてデータ処理装置２０で監督される。

組込まれるスキャナ１１の他の特徴および能力がある。例えば、試料１２のｘ／ｙ平面において実質的に静止している顕微鏡対物レンズ１６に関して試料１２をスキャンする過程は、静止している試料１２に関して顕微鏡対物レンズ１６のスキャンすることを含むように修正される。試料１２をスキャンすること、顕微鏡対物レンズ１６をスキャンすること、又は試料１２および顕微鏡対物レンズ１６の両方を同時にスキャンすることは、前に説明したのと同様に試料１２の大きな連続したデジタル画像を提供することができるスキャナ１１の予定された実施形態である。

スキャナ１１は、多くのタイプの顕微鏡ベースの分析を自動化するための汎用プラットフォームを提供する。レーザー励起で試料１２をスキャンすることを可能にするために、従来のハロゲン・ランプまたはアークランプからレーザーベースの照明システムに照明システム２８を修正することができる。一次元スキャンカメラ１８または二次元スキャンカメラ５６に加えて又はその代わりに、光電子増倍管または他の非画像検出器の組み込みを含む修正が、試料１２を備えたレーザー・エネルギの相互作用から生じた光学信号を検出する手段を提供するために用いられる。

図３Ａ〜３Ｃを参照すると、連続した画像ストリップが本発明に係る一次元配列検出器によって得られる方法が示される。図１の一次元スキャンカメラ１８は、図３Ａに示されるような一次元スキャンカメラ観察フィールド７０を観察する。一次元スキャンカメラ観察フィールド７０は、図３Ｂに示されるような一次元配列７４に一次元で整列される多くの個々のピクセル要素７２によって画像化されている図１の試料１２の領域を含む。現在の好ましい実施形態の一次元配列７４は、１０２４の個々のピクセル要素７２を備え、ピクセル要素７２のそれぞれは、１４×１４マイクロメータである。現在の好ましい実施形態の一次元配列７４の物理的な寸法は、１４．３４ミリメートル×１４マイクロメータである。スキャナ１１の操作を説明するために、試料１２と一次元スキャンカメラ１８との間の倍率が１０であると仮定すると、一次元スキャンカメラ観察フィールド７０は、１．４マイクロメータ×１．４３ミリメートルと等しい寸法の試料１２の領域に相当する。各ピクセル要素７２は、約１．４マイクロメータ×１．４マイクロメータの領域を画像化する。

試料１２をデジタルスキャンする間に、第一の画像ストリップ７８から始まって、第二の画像ストリップ８０が続いて、画像７６をデジタル化するのに必要な最後の画像ストリップ８２が得られるまで、画像ストリップ７７のような画像ストリップで画像７６が得られることを、図３Ｃは図示する。当業者は、スキャンが、頂部から底部に又は底部から頂部になされるか、試料上のいかなるポイントでスタートしてもよいことを理解するだろう。デジタルスキャンは、水平の画像ストリップよりも垂直の画像ストリップを含む。望ましいが、連続したやり方で画像ストリップを得る必要はない。画像７６は試料１２の全体または試料１２の部分だけを含むことができる。スキャナ１１の現在の好ましい実施形態では、図３Ａに示されるように、スキャン及びデジタル化は、画像ストリップを交互にする進行方向８４へ行なわれる。この種の双方向スキャンは、単一方向のスキャンより迅速なデジタル化プロセスを備え、スキャン及びデジタル化の方法は各画像ストリップの同じ進行方向８４を必要とする。

一次元スキャンカメラ１８の能力は、スキャナ１１の現在の好ましい実施形態と同様に、スキャンが二方向に行われるか、単一方向に行なわれるかを典型的に決める。単一方向のシステムは、しばしば、図３Ｂに示される３つのチャネル・カラー配列８６またはマルチチャネルＴＤＩ配列８８のような一つ以上の一次元配列７４を含む。カラー配列８６は、カラー画像を得るために必要なＲＧＢ強度を検出する。カラー情報を得るための他の実施形態は、３つのカラー・チャネルに広帯域の光学信号を分割するためのプリズムを用いる。速いデータ速度を維持している間、およびデジタル画像データの信号対雑音比の大きなロスなしで、一次元スキャンカメラ１８の有効な積分時間を増加させる手段を提供するために、他の実施形態のスキャナ１１において、ＴＤＩ配列８８が用いられる。

図４を参照すると、本発明に係る光学顕微鏡による検査システム１０の操作の単純化されたフローチャートが示されている。試料１２はステップ２００でスキャナ１１に装填される。試料装填の最も単純な方法は、オペレータが電動ステージ１４に物理的に試料１２を置くか位置決めすることである。試料装填の最も高度な方法は、スキャナ１１が、前に装填された試料カセットから一つ、または複数の試料１２を自動的に装填することである。試料装填の他の実施形態は、従来技術で知られている。本発明の現在の好ましい実施形態では、試料装填は、システム費用および機械的な複雑さを減じるために手動で行なわれる。

スキャナ１１は、コンピュータ４４から、または同様にスキャナ１１の他の実施形態の一部であるボタンから出された命令によって、ステップ２０１で初期化される。デジタル化プロセスの所望の解像度、画像７６を作成するためにデジタル化される試料１２の部分、および関係したキャリブレーションファイルの名前を含む初期設定パラメータは、ステップ２０１でオペレータによって入力される。もし他に指示されないならば、スキャナ１１は、試料全体をデジタル化することを失敗する。試料を装填し、スキャナを初期化した後、以下の画像収集プロセスにおいてオペレータの手動の介入が不要であることに注目することは重要である。

試料１２を画像７６に自動スキャンおよびデジタル化することは、ステップ２０２〜２１０を含んでいる。これらのステップは、一度に一次元スキャンカメラ１８から１ラインまたは画像ストリップで画像データの読み出しを同期させるデータ処理装置２０によって結集されるが、試料１２が、ステージコントローラ２２で制御されている電動ステージ１４で実質的に一定速度で移動されている。スキャナ１１は、ステップ２０２で試料１２の自動デジタル化を開始して、試料１２の移動と、一次元スキャンカメラ１８からの単一のライン画像の収集を行なう。試料１２の予め決められた領域、例えば、図３Ｃで示されるように試料１２の左上側のコーナーにおいてスタートする。ステップ２０２において、電動ステージ１４は、前に説明した双方向すなわち前後に、一次元スキャンカメラ１８に関して移動される。ステップ２０４の決定ブロックの制御ロジックは、画像ストリップ７７のような画像ストリップの端が到達したかどうかを決定する。位置エンコーダからの位置フィードバックなしでこのロジックを実行する多くの可能な方法がある。例えば、一次元スキャンカメラ１８によって読み取られた画像ラインの全数は、画像ストリップの端が到達したときを知る手段として用いられる。合計の経過したスキャン時間や、試料１８の部分であるかまたは試料１８に隣接して位置決めされたキャリブレーションマークのような他のパラメータが使用される。新しいスキャンのために電動ステージ１４の位置を変える時間を示すために、光学リミットスイッチは、スキャナ１１の現在の好ましい実施形態の電動ステージ１４に設けられる。画像ストリップ７７の端がステップ２０４に達していなければ、デジタル化プロセスは、ステップ２０２で、次のライン画像の収集を継続する。試料１２は、デジタル化プロセスの間、略一定速度で移動し続ける。そして、いかなる必要な焦点調整も、ステップ２０６で示されるように機械的なステージ１４の継続的な運動と並行して行なわれる。焦点が一つの画像ストリップから次のものに劇的に変わらないので、焦点調整は比較的ゆっくり且つ徐々に行われる。スキャナ１１の操作の説明のために、１０ｘの倍率でデジタル化される試料１２の領域は、５０ミリメートル×２５ミリメートルであることを再び仮定すると、画像ストリップ７７に似て、１８個の画像ストリップ（各々が１．４３ミリメートル×５０ミリメートルの寸法である）が、画像７６を生成するために得なければならない。各画像ストリップ７７は、約３６，０００×１８，０００ピクセルを含み、全ての画像７６は、約３６，０００×１０２４ピクセルの要素を含むだろう。画像７６を作成するために試料１２の所望部分をデジタル化するプロセスが終了しないならばおよびそのプロセスが終了するまで、ステップ２０８の決定ロジックによって決定されるように、新しいスキャンのための試料１２の位置調整がステップ２１０で起こる。ステップ２１０は、新しいスキャン用の電動ステージ１４を位置決めするために、ある画像ストリップから他の画像ストリップまで電動ステージ１４を動かすことを含んでいる。

画像７６を得るのに必要な合計時間は、一次元スキャンカメラ１８が情報をデジタル化することができるライン速度に比例する。スキャナ１１の現在の好ましい実施形態では、ライン速度は、用いられるＤＡＬＳＡＳＰＡＲＫモデルＳＰ１２−０１Ｋ３０では、毎秒２７，６００ラインであるか、または毎秒２８３０万個のピクセルである。毎秒２７，６００ピクセルのライン速度で、説明のために３６，０００×１０２４ピクセルを含む各画像ストリップ７７は、約１．３秒（３６，０００／２７，６００）でデジタル化することができる。現在の実施形態における電動ステージ１４は、Ｘ軸に沿って毎秒約３８ミリメートルで移動して、これらの１．３秒の間に５０ミリメートルの画像ストリップ７７の全長をカバーする。画像７６が１８の画像ストリップ７７を含むので、試料１２の所望の部分をデジタル化するために、２３．４秒が必要である。前に説明したように、本発明の好ましい実施形態で用いられているように、この時間は双方向の一次元スキャンカメラだけに有効である。一次元スキャンカメラは、Ｘ軸に沿った右から左まで、また左から右までスキャンすることができる。他の実施形態は、左からだけ右までスキャンすることができる、単一方向タイプの一次元スキャンカメラを利用することができる。この場合、電動ステージ１４は、最大のステージ速度で、Ｘ軸に沿って同じ左基準位置に戻される。また、画像ストリップ７７のような画像ストリップはすべて、左から右まで行く単一方向の方法で得られる。画像ストリップ７７のような個々の画像ストリップのデジタル化を完成した後に、電動ステージ１４は、減速し、停止して、Ｙ軸に沿って下降し、次の画像ストリップをスキャンするために再び加速する。スキャンおよびデジタル化プロセスの間に電動ステージ１４が実質的に一定速度で確実に移動するために、電動ステージ１４が、スキャンされる各画像ストリップの始めと終わりで加速し減速することを時間及び距離において許容しなければならない。加速及び減速のために必要な付加的な時間は、電動ステージ１４のＸ軸性能およびステージコントローラ２２のＸ軸属性に依存する。現在の好ましい実施形態では、滑らかな運動および最小のピックとした動きのためにＳ字カーブプロファイルを用いると、加速および減速時間は、およそ０．７秒である。電動ステージ１４の加速及び減速を考慮すると、ステップ２１０を含む新しいスキャンセット・アップの間に、一次元スキャンカメラ１８がデジタル化されることになっている試料１２の部分のエッジから移動することが必要である。新しいスキャン準備時間は、電動ステージ１４の特別なＹ軸性能およびステージコントローラ２２のＹ軸属性に依存し、発明の現在好ましい実施形態ではおよそ半分である。このように、１８画像ストリップ×１．４秒によって得られた合計時間の２５．２秒は、各画像ストリップの始めおよび終わりでＸ軸に沿って加速及び減速のために加えられる。また、さらに９秒が、次のスキャンのためにＹ軸に沿ってモーター駆動された位置を変えるために付け加えられる。したがって、現在の具体例で画像７６を捕らえるのに必要なプロセスのすべての部分のために必要な合計処理時間は、双方向スキャン実施形態では約１分である。

スキャナ１１をさらに最適化すると、画像７６の収集時間の合計がさらに最小化される。スキャナ１１によって達成することができる画像収集時間は、一次元スキャンカメラ１８のライン速度に部分的に依存する。現在の具体例の毎秒２７，６００ラインのライン速度では、各ライン画像が約０．０４ミリ秒で捕えられる。５０ワットのバルブを含む光源からの照明は、一次元スキャンカメラ上の十分な信号対雑音比で信号を登録するための十分な光を提供する。速い読み出し速度で、１ライン当たりの露光時間が減じられる。また、スキャナ１１の照明システム２８への改良および増強が必要かもしれない。同様に、光、例えば、蛍光がほとんど利用されないスキャナ１１の適用では、有効なライン積分時間が増加しなければならない。ＴＤＩタイプの一次元スキャンカメラは、画像データの信号対雑音比の大きなロスなしで、速いデータ読み出しを維持する間に有効な積分時間を増加させる優れた手段を備える。

速い一次元スキャンカメラは商業上利用可能で、速い電動ステージと同期することができる。代わりに、一次元配列７４のような一次元配列（１０２４を越えるピクセル要素７２を備える）の選択が、画像７６を捕らえるためにスキャンされなければならない画像ストリップ数が減じられ、少数の加速及び減速のサイクルを必要とする。２０４８以上のピクセルを含む配列は、しばしば１０２４のピクセルを備えた配列より小さな比例したライン速度を有している。ライン積分時間を増加させる間に、画像捕捉時間の合計の減らすことなく、大きな配列の減少したライン速度は、電動ステージ１４によって必要とされた最高速度を減じる２重の利益を有している。大きなフォーマット一次元配列の欠点は、大きくて高価な光学系および照明システムが、口径食および他の光学収差なしに、高品質の光学信号を備えることを必要とすることである。画像収集時間全体を減らすために複数のセンサを用いることは可能である。

スキャナ１１は、その現在の好ましい実施形態において、動的なオートフォーカスのコストおよび複雑さを除去するか最小化するために比較的大きな被写界深度を有する顕微鏡対物レンズを用いて、試料のデジタル化を行なう。０．１５の開口数（ＮＡ）を備えた対物レンズの理論的な被写界深度は、２０マイクロメータ以上である。被写界深度は、０．３に等しいＮＡで約５マイクロメータに低下し、０．５に等しいＮＡで約１．８マイクロメータに下がる。適度な開口数を備えた対物レンズを用いるときでさえ、適用に依存して、試料全体または試料１２の部分は、焦点面を調節する必要がなく、スキャンされる。相対的に低いＮＡの対物レンズの選択は、試料１２の広範囲な手動スキャンへの補助としてそれが用いられるスキャナ１１の一つの適用と一致している。典型的には、かかる従来の手動スキャンは、低い開口数および低い倍率で行なわれる。試料１２の画像７６は、このように、試料１２の選択された領域の高い解像度調査のための基礎としてコスト効率良く用いることができる。ステップ２２０を含む決定ロジックに基づいて、ステップ２２２で示された従来の光学顕微鏡またはステップ２２４で示されたスキャナ１１の高解像度の実施形態のいずれかは、試料１２の高解像度再調査のために用いられる。後者の場合では、動的なオートフォーカスが必要かもしれない。現在利用可能な計算能力を用いて、顕微鏡スライドのように試料１２の全体、または試料１２の大部分の高解像度デジタル化は実際的でないかもしれないし、コスト効率が良くないかもしれない。しかしながら、データ処理、メモリおよびデータ記憶装置の将来のコスト低減及び改良が、高解像度の迅速なデジタル化を現実のものにすると予想される。

スキャン中に合焦することの必要性は、ステップ２０６で示されており、スキャナ１１の特別な用途に非常に依存する。スキャナ１１はキャリブレーション方法を用い、その方法では、予め決められる形およびサイズの標準化キャリブレーション試料がデジタル化される。また、最良の焦点は、従来技術でよく知られた方法を用いて、電動ステージ１４のｘ／ｙ位置の関数として決定される。スキャンおよびデジタル化プロセスの間に、顕微鏡対物レンズ１６の位置は、このｘ／ｙ焦点地図に従って移動される。オートフォーカスにする様々な方法が、試料１２に関して顕微鏡対物レンズ１６の相対的な位置を変更するために用いられる従来技術において知られている。本発明の現在の好ましい方法は、その代りに、商業上利用可能なピエゾのポジショナー２４を用いて、顕微鏡対物レンズ１６を移動させることであるが、電動ステージ１４の垂直ｚ軸成分はオートフォーカスのために使用される。顕微鏡対物レンズ１６に付けられる、ピエゾのポジショナー２４の総範囲が、比較的小さく、典型的に１００マイクロメータであり、ピエゾの帯域幅は重い電動ステージのそれより高い。高いピエゾの帯域幅（典型的に１５０ヘルツ）は堅い機械的なステージより望ましく、小さな焦点変化に関係した振動を最小限にする。

スキャナ１１の利点の一つは、試料１２を労働集約的に手動スキャンすることと比較すると、効率的に処理してコストを低減することができる画像７６を提供するために、試料１２の大部分の迅速なデジタル化である。これと一致して、スキャナ１１は、その最も基礎的な実施形態において、いくつかの従来の画像システムで見られる動的なオートフォーカスの複雑さを必要としない。ｘ／ｙ位置の関数として最良の焦点の予備スキャンすることおよびマッピングすることは、ほとんどの用途に適切な焦点を提供する。スキャナ１１の代替物だが高価な実施形態は、二次元スキャンカメラ５６のような付随的な二次元スキャンカメラを用いて、広範囲なオートフォーカス能力を提供する。オートフォーカスにするための空間情報が試料１２の一部（例えばキャリブレーションマークを備えたガラス顕微鏡スライド）である高度なキャリブレーション方法も、可能である。

画像７６の全体的性能は、試料１２が実質的に一定速度で移動されるという能力と関係している。一次元スキャンカメラ１８と電動ステージ１４との間の同期が十分に維持されないならば、画像ゆがみに導くサンプリング誤差が起こる。適用および画像解像度の必要性によって、スキャナ１１は、試料動きと同期してデータを捕らえるために異なる方法を支持する。既知の形のキャリブレーションターゲット（例えば顕微鏡スライド上のＲｏｎｃｈｉ罫線）を予備スキャンすることは、スキャナ１１が一定の試料速度を達成する一つの手段である。電動ステージ１４へ送られる位置コマンドの両方の時間プロフィールを制御し、かつ一次元スキャンカメラ１８のライン・データ読み出し速度を動的に変更するための能力が、データ処理装置２０に設けられる。電動ステージ１４での大多数の速度関係誤差が再生できるので、位置プロフィールの最適化または一次元スキャンカメラ１８の読出し速度の最適化は、キャリブレーションスキャンの間の最適画像を得るために、試料１２がスキャンされデジタル化されるときに、優れた画像を提供するのに十分である。高解像度画像をデジタル化するのに適したスキャナ１１の他の実施形態は、電動ステージ１４からの位置フィードバックを利用する。スキャナ１１の現在の好ましい実施形態は、高価な位置エンコーダからのフィードバックを必要としないで、キャリブレーションターゲットに適用されたキャリブレーション方法を用いて、低くて適度な解像度で高品質画像を生成することができる。

具体例として前に説明した３６，０００×１８，０００ピクセルの画像がピクセル当たりの８ビット（１バイト）の量子化で捕えられると仮定すると、ＲＡＭの６億４８００万バイト（メガバイトまたはＭＢ）は、メモリ３６におけるそれらの非圧縮の生のフォーマットにおいて全ての画像ストリップ７７の全てのデータを蓄えるために必要とされる。複数の画像ストリップ７７がステップ２１２の間に画像７６に組み入れられる。試料１２のデジタル化の間に収集した、複数の画像ストリップ７７からの画像を組み立てる多くの可能な方法がある。本発明の現在の好ましい実施形態の画像組立方法は、わずかに画像ストリップ７７をオーバーラップさせる、例えば１０〜２０画素だけ重ならせるために、かつ連続した画像７６に画像ストリップ７７のｘ／ｙアラインメントを微調整するために重なるピクセルを用いるために、試料１２をスキャンすることである。ＪＰＥＧまたは他の画像の圧縮方法を用いると、多くの場合、特別な適用によって必要とされた情報量のかなりのロスをすることなく、画像７６のデータサイズ、すなわち個々の画像ストリップ７７のサイズは、それらの元のサイズの５〜１０パーセント以下に減らされる。スキャナ１１は、意味のある画像データを含んでいない空の領域を画像７６から除去することができ、画像７６のデータ記憶要件をさらに減じる。

試料１２を大きな連続した画像７６にデジタル化する動機の一つは、典型的に、従来の光学顕微鏡下で試料１２を手動スキャンするために用いられる適度な低い光学解像度で、得られた画像データに特定の計算機プログラムを適用することができることである。ステップ２１４において、試料１２のデジタル化された部分を示す画像７６の分析は、画像７６の中の特定のタイプの対象物（例えば、正常か異常な細胞）を同定したり場所を見つける形態的アルゴリズムの適用のような様々な方法を含む。分析方法関数の他の具体例は、計数又は測定のアルゴリズム、または画像７６での欠陥を同定するために比較または品質保証のアルゴリズム、または既に測定された同様の画像を画像７６と区別するために他のタイプのアルゴリズムを含む。一旦、試料１２の画像のデジタル化が完成したならば、ステップ２１４を含む分析法が試料１２が物理的に存在するか又は利用可能であることを必要としないことは明らかに違いない。ステップ２１４の方法は、自動的に適用することができるか、または反復プロセスの一部としてネットワーク４２によってスキャナ１１に接続されるコンピュータモニタ４６上で、ステップ２１６で示されるような画像７６を対話式に精査するオペレータを含むことができる。

試料１２の選択された領域の高解像度調査のためにリターン決定は、画像７６から得られた情報（例えば、ステップ２１４および２１６において画像７６の分析から得られた対象座標）を用いて、ステップ２１８の一部として行なわれる。ステップ２１８での決定ロジックが試料１２に分析を返さないならば、オペレータの仕事が完了している。オペレータがステップ２１８の一部として試料１２に戻すことを望むならば、ステップ２２０の決定ロジックは、ステップ２２２で示されるように高解像度調査が従来の光学顕微鏡上で行なわれるか、ステップ２２４によりスキャナ１１を用いるかを決める。低い解像度から画像７６の適度な解像度分析まで得られた座標情報が、従来の顕微鏡上の試料１２の高解像度調査をガイドするのに十分であることは理解されるべきである。スキャナ１１を用いる試料１２の高解像度調査は、ステップ２２４を含み、図２の他の実施形態の前に記載された特徴の多くを用いて、スキャナ１１を遠隔制御する能力を含んでいる。例えば、ピエゾのポジショナー２４の位置と同様に、電動ステージ１４の位置および光源３０の照明強度も、ステップ２２４の間にオペレータの遠隔制御下にあってもよい。例えば二次元スキャンカメラ５６からのリアルタイムの画像は、試料１２からのデジタル化された情報ではなくこの再調査に基づいている。その代わりに、オペレータは、一次元スキャンカメラ１８または二次元スキャンカメラ５６のいずれかを用いて、高解像度でデジタル化される試料１２の小さな部分を選択してもよい。前の場合では、プロセスは、試料１２のデジタル化を含むステップ２１０からステップ２０２に戻り、次に、ステップ２２４に直接戻る。デジタル化される試料１２の部分のサイズと、利用される顕微鏡対物レンズ１６の被写界深度とに基づいたオートフォーカスが、必要なときに利用されるだろう。

図５Ａ及び５Ｂを参照すると、本発明に係る画像観察フレーム１００の模式図が示されており、それは、ステップ２１６により画像７６の対話式調査のためにディスプレイモニタ４６に画像７６を表示するために、グラフィカル・ユーザー・インタフェースの一つの実施形態を表わす。約３６，０００×１８，０００ピクセル以上のオーダーである画像７６のディスプレイは、先の具体例で記述された画像７６のような、ディスプレイモニタ４６のような従来のモニタまたは表示装置上では不可能である。１９インチの日立ＣＭ７５１モニタのような現在利用可能なモニタの最大数のピクセルは、約１６００×１２００ピクセルであり、典型的には１０２４×７６８ピクセルである。したがって、画像７６の部分だけは、画像７６の全体の十分な解像度でいつでも表示することができる。しかしながら、マクロ画像１０２（それは、画像７６の部分に相当する高解像度ズーム画像１０４とともに、ディスプレイモニタ４６の画像７６の低解像度バージョンである）を表示することは可能である。ズーム画像１０４において表示されるマクロ画像１０２の領域は、オペレータによってマクロ画像１０２全体に関して対話式に大きさが合わせられ移動されることができるズーム領域１０６としてマクロ画像１０２それ自体の上に示される。その最も単純な実施形態では、ズーム領域１０６は固定の長方形の領域であるが、手動で描かれた領域を含む他のアイコンまたは形状を実行することができる。ズーム領域１０６は、マクロ画像１０２とズーム画像１０４との間の重要な基準を備える。マクロ画像１０２の拡大された観察フィールドが、図５Ｂに示される。マクロ画像１０２の中の８つの模式対象の存在を図示で強調表示しており、４つの円および４つの長方形としてここに示され、Ｏ１１０８、Ｏ２１１０、Ｏ３１１２、Ｏ４１１４、Ｏ５１１６、Ｏ６１１８、Ｏ７１２０およびＯ８１２２として指定された。個々の対象は、同じクラスでこの場合同じ形で、ユニークなパターンによる同じクラスの他の対象と区別される。非常に単純な対象の使用は、単に画像観察フレーム１００において表示された異なるタイプの情報の関係を図示し明確にすることだけを意図している。この場合、対象Ｏ１１０８およびＯ２１１２は、ズーム領域１０６内にあり、オペレータのかなり大きいズーム窓１２４の一部であるズーム画像１０４にこのように表示される。ユーザは、画像観察フレーム１００の一部であるユーザ命令窓１２６の一部であるアイコンを用いて、ズーム画像１０４の電子ズームを増加させるための能力を有している。一つの実施形態では、これらのアイコンが、指示デバイスとしてマウスを用いてクリックされる。しかしながら、アイコンを指すか、アイコンと関係した機能を生じる他の手段は、従来技術で知られており、ここで同様に用いることができる。命令アイコンは、画像観察フレーム１００の部分であるいずれの窓でも組み入れられ、ユーザ命令窓１２６を含む。例えば、電子ズーム・アイコンは、ズーム窓１２４の一部である。電子ズームが増加するとき、ズーム領域１０６のサイズは、一定サイズのズーム画像１０４を維持するためにマクロ画像１０２上で小さくなる。

あらゆる画像に関する一般情報は、その画像に対応する窓の一部として表示することができる。例えば、マクロ窓１２８は、ピクセルでマクロ画像１０２のサイズ、ピクセルでズーム領域１０６のサイズ、およびズーム領域１０６の中心ピクセル座標を表示する。ズーム窓１２４は、物理的な寸法の基準と一緒にズーム画像１０４に適用された電子ズームの量を表示する。オペレータは、マクロ窓１２８およびズーム窓１２４のようなすべての窓のサイズおよび形を、あらゆるウインドウズに基づいたソフトウェアが働く方法に似ていて、異なる試料タイプを異なる縦横比で適合するために、対話式に変更することができる。

ステップ２１４の結果、画像７６に特定の計算機プログラムを適用することは、画像観察フレーム１００の対象窓１３０に表示される。本発明の現在の好ましい実施形態における対象窓１３０は、対象画像１３２のような、各々が大きな連続したデジタル画像７６の異なる部分に相当する多くの対象画像を含む。それらのサイズに依存して、対象画像１３２は、画像ギャラリー・タイプ配置で低解像度の刻印画像として表示することができる。対象画像１３２の一つをクリックするか指すことは、ズーム窓１２４の一部であるズーム画像１０４のように、対象画像１３２のそれを十分な解像度で表示することとなる。対象窓１３０中の対象画像１３２を表示する基準は、ステップ２１４の画像７６に適用される特別の計算機プログラムに基づく。現在の具体例において、特別の計算機プログラムは、すべての対象、この場合対象Ｏ１１０８から対象Ｏ８１２２までの存在を求めて画像７６を探索するために単純な境界検出およびセグメンテーション・アルゴリズムを用い、対象窓１３０に対象画像１３２としてこれらの対象を表示する。異なる特別の計算機プログラム、例えば対象を数えることができ、正方形と円とを識別することができるものは、分類のレベルを提供するために、各対象画像１３２に適用することができる。その結果、この場合、数の結果が画像観察フレーム１００の分析窓１３４に表示される。現在の具体例における分析窓１３４は、形、正方形および丸の２つのクラスのいずれかでの対象の総計と同様に、対象の総計、この場合には８を含むことができる。画像７６に適用することができる多くのタイプの特別の計算機プログラム、および、かかる特別の計算機プログラムの画像７６への適用の結果として対象窓１３０に表示される多くのタイプの対象画像１３２がある。また、様々なフォーマットで分析窓１３４に後で表示するために高いレベルの対象分類を提供するために、多くの対象画像１３２に適用される特別の計算機プログラムをより洗練した多くのタイプがある。画像観察フレーム１００のユーザコマンド窓１２６は、ステップ２１４の一部として行なわれる画像解析の属性およびステップ２１６での画像７６の再調査の基準を対話式に選択するための窓を与える。

図６Ａ及び６Ｂを参照すると、動的画像観察フレーム１５０の模式図は、ステップ２１６の通りに画像７６を対話式で調査するためにディスプレイモニタ４６に画像７６を動的に表示するための本発明に係るグラフィック・ユーザー・インターフェースを表わす。画像７６を対話式に調査する方法は、顕微鏡の接眼レンズを通して光学信号を観察する間に、従来の顕微鏡で適度な低解像度で試料１２を手動スキャンすることの代りにデジタル画像を提示することを意図している。現在の好ましい発明の目的の一つは、ディスプレイモニタ４６上で、試料１２の部分のデジタル化、及び、好ましくは試料１２の回折限界のデジタル化である画像７６を動的に観察することにより、試料１２の手動スキャンを交換する手段を提供することである。この方法には多くの利点があり、快適に制御された観察環境を含んでいる。その環境では、デジタル画像データに適用された知的なスキャン・電子ズーミング方法が、画像で選択対象（例えば異常細胞）を発見する責任を負ったオペレータの生産性を増すことができる。同定される特定の対象は、従来の顕微鏡で、又はスキャナ１１を用いて、再配置され、ステップ２１８および２２０の決定ロジックに依存する。スキャナ１１の接続によってネットワーク４２に与えられたもう一つの利点は、試料１２へのアクセスを必要とせずに、画像７６の動的な調査を遠隔で行なうことができるということである。さらに、試料１２（すなわち画像７６）のデジタル化されたバージョンの調査は、観察された画像７６の特定の領域をモニタするための様々な技術に向いている。また、オペレータが画像７６の特定の領域を観察するのに費やした時間を測定することは簡単である。

動的な画像観察フレーム１５０は、図５Ａの前に説明された画像観察フレーム１００のそれと同様に、マクロ窓１２８内のマクロ画像１０２を含んでいる。動的な画像観察フレーム１５０は、ズーム窓１２４内のズーム画像１０４と、前に記載した画像観察フレーム１００と同様に、マクロ画像１０２をズーム画像１０４に関係づけるズーム領域１０６とを含んでいる。オペレータはすべての窓のサイズを変更することができるが、動的な画像観察フレーム１５０におけるズーム窓１２４は、典型的には、映画画像１５２が、映画窓１５４内で十分な解像度で表示されることを可能にするために、前に記載された画像観察フレーム１００中のものよりも小さくなる。映画画像１５２は、必要があれば更新される十分な解像度の動的画像であり、オペレータによって決定された速度および方向で画像７６をスキャンすることをシミュレートする。画像７６（３６，０００×１８，０００ピクセル）のような画像の具体例に再び戻ると、大きな画像７６を、ユーザの選択可能な解像度でディスプレイモニタ４６に表示される複数の映画画像ストリップ１５６に分割することにより、映画画像１５２を生成することができる。例えば、所望の映画画像解像度が６００×６００ピクセルである場合、画像７６は、３０個の６００×３６，０００ピクセルの映画画像ストリップ１５６に分割されるか、または代わりに、６０個の６００×１８，０００ピクセルの映画画像ストリップ１５６に分割される。映画画像ストリップ１５６は、試料１２の画像７６のスキャンをシミュレートするために、動的な画像観察フレーム１５０の映画窓１５４に表示される。Ｘ軸あるいはＹ軸に沿ったスキャンをシミュレートする一つの方法は、映画画像１５２の対向するエッジに沿って画像ピクセルの新しい少なくとも一つのカラムを加える間に、映画画像１５２の一つのエッジに沿ってピクセルの前に示した少なくとも一つのカラムを除去することである。記載したように互いに異なった一連の映画画像１５２は、マイクロソフトからのメディア・プレイヤーのような従来のブラウザー・ソフトウェアを用いて、ディスプレイモニタ４６上の映画窓１５４においてプレイされ且つ表示されるデジタル映画の個々のフレームを含むことができる。この種のシミュレートされたスキャンは、手動で試料１２をスキャンする間に従来の顕微鏡の双眼鏡で観察されるものに似ている。

試料１２の画像７６のこの種のシミュレートされたスキャンの潜在的な欠点の一つは、映画画像１５２における対象が、典型的に動いているということであり、オペレータが対象を同定することを挑戦させ、かつ、試料１２の画像７６をスキャンするプロセスの間に複数の停止及び進行コマンドを実行することをオペレータに要求する。動くことの負の効果ない他のスキャン方法もスキャナ１１で達成される。この代替のプロセスは、映画画像ストリップ１５６を、例えば６００×６００ピクセルの連続した画像フィールドに分割することを含む。そして、一連の映画画像１５２として、好ましくは画像間で重なった状態で、これらの連続した画像フィールドを一度に表示することを含む。他のサイズの画像を用いることができるので、６００×６００ピクセルの画像への特定の参照は、その考えの原理を図示することを意味するだけである。従来の顕微鏡上にある試料１２を観察している間に長所を提供する画像７６を動的に調査する多くの方法があることは、明白である。映画画像１５２として前に観察された画像７６のそれらの領域を示すためにマクロ画像１０２自身の上に、スキャントラッカー１５８が示される。オペレータが画像７６のシミュレートされたスキャン速度を制御することができるので、オペレータは他の領域よりある領域上で多くの時間を費やしてもよい。スキャントラッカー１５８は、例えば、相対的な滞在時間を示すためにカラー符号化され、画像７６の調査の完全さに関してオペレータに即時フィードバックを提供する。他のより高度なシミュレートされた画像スキャン方法が可能である。例えば、特別のコンピュータ・アルゴリズムは、それらの重要性の観点から画像７６の領域を並べて、かかる相対的重要性基準に従って映画画像１５２を与える。まばらな画像については、空の領域を完全にスキップして、画像７６上の本質的に空フィールドの観察を不要とすることにより、オペレータが効率的になる。映画画像１５２から画像７６のある要素を除去するために、特別のコンピュータ・アルゴリズムを使用することができる。例えば、画像７６の分析にとって重要でないか、画像７６に関係した判断をする際に関係しないクラッタまたは対象または細胞は、映画画像１５２を表示する前に画像７６から削除される。動的な画像観察フレーム１５０のユーザコマンド窓１２６において、アイコンまたはボタンをクリックすることおよび指すことの間に性能改良をさらに提供するために、ジョイスティック、トラックボール、ゲームパッドまたは踏子のようなエルゴノミックスのコントローラを利用することができる。動的に画像７６を調査するのに有用な機能の具体例は、前に送る、後に送る、速く前に送る、戻す、休止、ループ、そして従来のビデオ再生や編集環境で見られるものに似ている他の機能のような機能を含んでいる。状況によって、個々の画像フレーム、対象の座標、あるいは画像７６の将来の参照または後の再調査のための他のデータを格納する必要性があることは理解されるべきである。

本発明が特定の実施形態によって図示され且つ記載されているが、添付された請求項および等価物で画定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多く変形および修正がなされることは理解されるべきである。

本明細書は、好ましい設計、材料、製造方法および使用方法を記載しているが、当業者は添付された請求項を参照して本発明の範囲および精神を十分に理解するであろう。

本発明に係る光学顕微鏡システムの好ましい実施形態のブロック図である。本発明に係る光学顕微鏡システムの第二の実施形態のブロック図である。本発明に係る、一次元配置検出器によって得られた連続画像ストリップが試料の一部分をデジタル化する方法を説明する図である。本発明に係る、一次元配置検出器によって得られた連続画像ストリップが試料の一部分をデジタル化する方法を説明する図である。本発明に係る、一次元配置検出器によって得られた連続画像ストリップが試料の一部分をデジタル化する方法を説明する図である。本発明に係る、光学顕微鏡システムの操作の単純化されたフローチャートである。本発明に係る、画像観察フレームの模式図である。本発明に係る、画像観察フレームの模式図である。本発明に係る、動的画像観察フレームの模式図である。本発明に係る、動的画像観察フレームの模式図である。

本発明は、一般に光学顕微鏡の分野に関し、より詳細には全自動高速顕微鏡スライドスキャナに関する。

光学顕微鏡に固有の制限の１つは、顕微鏡の接眼レンズを介して見ることができる試料の部分である視野と、試料を見ることができる倍率との間のトレードオフである。開口数（ＮＡ）が高い高倍率の顕微鏡対物レンズにより顕微鏡使用者は、拡大された、かつ多くの場合に高解像度の画像を得るが、倍率が増加すると視野は倍率の二乗に比例して劇的に減少する。１．２５倍（１．２５×）のような非常に低い倍率でも、従来の顕微鏡の双眼鏡によっては典型的な顕微鏡スライドの小領域しか見ることができない。光学顕微鏡の視野制限により顕微鏡使用者は、スライドを低倍率で手動スキャンして試料または標本の全体視像を得る必要がある。対象の領域が低倍率の視野の１つに現れたとき、顕微鏡使用者はより高い倍率の対物レンズを手動で選択して、標本の比例して小さくなった領域の拡大された高解像度の視像を得る。病理学者が見る組織学的な標本のような試料では、病理学者にとって、標本に自分自身を向けるための視野が広い低倍率対物レンズと、より詳細に試料を見るための高倍率で視野の狭い１つ以上の対物レンズとの間で交互に頻繁に切換えることは普通のことである。

広い視野と高倍率の両方を同時に達成するという光学顕微鏡の限界を克服するための１つの手法は、連続した視野から個別の複数のデジタル画像を取り込み、それによって広い視野の画像を作成するというものである。スキャンシステムが試料を動かすために使用され、面スキャン電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラなどの方形の光学センサが所望の倍率で各視野の画像を取り込む。これらの小さな視野（これ以降、画像タイルと呼ぶ）を１つの一貫した画像に組み合わせるプロセスは、画像タイル化と呼ばれる。米国特許第４，７６０，３８５号（Ｊａｎｎｓｏｎら）で論じられているシステムなど、初期の画像タイル化システムは、オペレータによってあらかじめ対話式に選択された試料の領域で取り込まれた、およそ３６個の個別のビデオフレーム画像タイルから連続した高解像タイル化画像を作成することに基づいていた。類似しているがより高度な画像タイル化システムがもっと最近では利用可能になっている。このようなシステムの１つが、ＢａｃｕｓＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．、ＤｏｗｎｅｒｓＧｒｏｖｅ、ＩＬ．から、ＢａｃｕｓＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．、ＳｌｉｄｅＳｃａｎｎｅｒ（これ以降「ＢＬＩＳＳ」と呼ぶ）の名称で販売されている。ＢＬＩＳＳシステムの要素は、特許協力条約公報のＷＯ９８／３９７２８およびＷＯ９８／４４４４６に記載されている。

ＢＬＩＳＳシステムは主に、非常に低い倍率で得られる組織学的な標本の解剖学上の向きと、マクロ画像とも呼ばれる、低倍率のタイル化画像から病理学者によって対話式に選択された標本の領域のいくつかの高倍率視像とを一緒に合成することを必要とする病理解剖学者のために設計されている。ＢＬＩＳＳシステムによって、病理学者は、２０倍または４０倍で取り込まれた選択領域の選択された高解像度ミクロ画像と、１．２５倍で取り込まれた低解像度マクロ画像とを素早く交互に取り替えて、従来の顕微鏡を病理学者が手動で使用することをある意味で模倣することができる。あるいは、ＢＬＩＳＳシステムのユーザインターフェースは、別々の分割スクリーンを表示モニタに提示し、それにより病理学者には、全体のマクロ視像と、現在の高倍率視像がどこに位置するかを示すマーカとが示される。１つのタイル化画像は、標本の全体の大視野を得るための第１の倍率のいくつかの隣り合う元の顕微鏡視像を、高倍率のいくつかの隣り合う元の顕微鏡視像と組み合わせて、結合されたデータ構造を作成することによって構築される。データ構造は、低倍率画像タイルをそのマッピング座標でデジタル的にスキャンし格納すること、および同様に、高倍率画像タイルをそのマッピング座標でデジタル的にスキャンし格納することによって得られる。さらに、病理学者は標本の診断上重要な領域だけをデジタル的にスキャンし格納するために対話式に選択して、高解像度で格納される画像画素の数を大幅に減らすことができる。仮想顕微鏡スライドに似ているデータ構造は、次に、インターネットなどのネットワークを通じて遠隔の閲覧者に転送することができる。したがって、遠隔のユーザには、一連の連続したタイル化画像が提供され、各画像タイルは、２つの異なる光学倍率それぞれで、１つの小さな光学視野に実質的に等しい。

ＢＬＩＳＳシステムは、ニューヨークのソーンウッドにあるＣａｒｌＺｅｉｓｓ社から販売されているＡｘｉｏｐｌａｎ−２顕微鏡システムなどの、コンピュータ制御自動化顕微鏡の周辺に一体化されている。このタイプのハイエンドの顕微鏡は、照明サブシステム、合焦サブシステム、顕微鏡対物レンズサブシステム、フィルタリングサブシステム、ならびに最適なケーラー照明を実現するために使用できる複数の視野絞りおよびコンデンサ絞り、または光学止め具を含む、いくつかのサブシステムのコンピュータ制御のための機能を有する。本質的に、顕微鏡のすべての可動要素はコンピュータから、また原則としてインターネットを介して遠隔地から、制御することができる。すべての絞りの位置、ならびにフォーカスおよび照明レベルなどの他の設定はコンピュータに格納されて、手作業の介在なしに顕微鏡の対物レンズを変えることが可能になる。ＢＬＩＳＳシステムはまた、優れた位置調整性能を得るための位置エンコーダおよび閉ループフィードバック制御を用いて０．１μｍの位置調整精度を達成する、コンピュータ制御２軸（上下左右の動きに対するｘ／ｙ）平行移動ステージを備える。７５２×４８０画素を有するＣＣＤカメラ、および画像フレームグラバもまた、ＢＬＩＳＳシステムに一体化される。

画像タイルに基づいているので、ＢＬＩＳＳシステムには、画像タイル手法のいくつかの知られている不利な点がある。例えば、ＢＬＩＳＳシステムの第１の不利な点は、タイル化データ構造を取得するのに長時間（通常は２０分以上）かかることである。これらの時間見積には、手作業の介在中に、例えば低倍率マクロ画像の選択領域から高倍率タイル化画像を取得する前に、受ける可能性のあるいかなる追加的な遅延も考慮されていない。タイル化には、電動ステージ上にあるスライドを、単独の視野の幅に等しい離散的な段階で、ＢＬＩＳＳシステムで使用されるＣＣＤカメラなどの静止面スキャンカメラに対して動かすことを要する。画像タイルは段階ごとに得られる。次に、個々の画像は一緒にタイル化されて、対象の領域の継ぎ目のない大きい画像が作成される。画像のタイル化は、画像が取り込まれている間の試料とカメラとの間のいかなる顕著な相対的動きも最小にする必要があるために、比較的遅い。相対的動きの主たる原因は、一連の停止および進行コマンドを発行した後の、機械的位置調整ステージの整定時間である。容認できないスミアリングのない画像を取得するには、ステージが整定されるまで、理想的には１つ未満の画素内まで、待つことが必要である。例えば、４０×倍率で、１／２インチ型ＣＣＤカメラで取り込まれた単一の画像タイルの幅は、試料の１６０μｍに相当する。この倍率で、７５２画素幅のＣＣＤカメラの個々の画素それぞれは、試料の約０．２μｍの範囲を定める。したがって、単一のタイル化ステップには、機械ステージの加速および減速に伴って、比較的大きな１６０μｍの移動が必要となる。画像のいかなるスミアリングも避けるために、画像タイルは、機械ステージが１つより少ない画素、すなわち約０．２μｍの動きまでに整定した後でしか取り込まれてはならない。米国特許５，９１２，６９９号（Ｈａｙｅｎｇａら）では、従来の面スキャンカメラを用いる画像タイル化とストロボ光同期とを組み合わせる代替方法を提案することによって、従来の画像タイル化システムのこのよく知られた整定時間制限に対処している。ＢＬＩＳＳシステムを含むタイル化システムの取り込み時間が遅いことにより、画像タイル化の実際的な実用性は、最初の非常に低い倍率のマクロ画像と、後に続く高い倍率の取り込みのための小領域の選択との間に長い手作業介在がある、２ステッププロセスに限定される。

タイル化システムに付随する遅い取得時間は、タイル化されたデータ構造を作成するプロセス中に手作業が介在する必要があるという、ＢＬＩＳＳシステムの第２の不利な点につながる。１．２５×という非常に低い顕微鏡対物レンズ倍率でスライドをプレスキャンした後、ＢＬＩＳＳ操作者は、高倍率対物レンズを用いてスキャンされるべき対象の関連領域のマクロ画像を調べる。手作業介在の１つの動機付けは最終データ構造の大きさを制限することであり得るが、手作業介在は妥当な時間で取得できるより小さな領域を画定するのに絶対に必要である。例えば、２０×で顕微鏡スライドを完全にスキャンするためにＢＬＩＳＳシステムを使用することは、取得時間の考慮の故に、実用的ではない。２０×倍率では、７５２×４８０画素の１／２インチ型面スキャンＣＣＤを用いて、顕微鏡スライドの２インチ×１インチの領域をデジタル化するために、約１６，３００の個別画像タイルを取り込まなければならない。各画像タイルを得るために約１秒かかると仮定すると、繰り返される１６，３００の停止および進行のコマンドのそれぞれに伴う比較的長い機械的整定時間に大部分は起因して、合計取得時間は４時間３０分になるはずである。４０×倍率では、取得時間が４倍の１８時間になるはずである。１０×倍率でさえも、取得時間が１時間を越えるはずである。しかし、ＢＬＩＳＳシステムの１．２５×という非常に低い倍率では、顕微鏡の２インチ×１インチ面積のマクロ画像を作成するのに６４の画像タイルしか必要がない。このようなマクロ画像の合計取得時間は約１分である。

どんな画像タイル化システムの取得時間制限でも非常に低い倍率のマクロ画像の取り込みを必要とし、高倍率で取り込まれるべき小さな領域のこのマクロ画像から対話式に選択することが後に続くことをここで理解すると、ＢＬＩＳＳシステムの第３の不利な点が明らかになる。この第３の不利な点は、非常に低い倍率のマクロ画像から対象の領域の位置を特定することが、解剖学的参照情報が利用可能である試料に実際上限定されるという認識にある。したがって、ＢＬＩＳＳシステムは、Ｐａｐスミアリングなどの非組織学的試料では有用性が限定されている。なぜならば、このような細胞試料は本来的に解剖学的な向きについての情報を欠いているからである。このような試料では、細胞は、顕微鏡スライドの広い領域にわたって多かれ少なかれランダムに分布している。高い光学倍率でタイル化されるべき対象の特定の小さな領域を画定する機能を用いずに、マクロ画像を用いる、唯一の代替法は試料全体をスキャンしデジタル化することである。しかし、前に説明したように、画像タイル化方法で必要とされた長い取得時間により、この代替法は実際には非実用的なものになる。別の言いかたをすれば、高倍率での画像タイル化で顕微鏡スライドの特定の、かつ著しく小さい領域を画定するための手作業介在がなければ、細胞学的試料が不可能性、タイル化手法は有用性が限定される。手作業介在の必要がない、全自動であるスキャン顕微鏡スライドのシステムが好まれるはずである。このようなシステムはまた、スライドが解剖学的参照情報を含むか否かにかかわらず、すべてのタイプの顕微鏡スライドに適しているはずである。

ＢＬＩＳＳシステムの第４の不利な点は、複雑であることや高価であることである。ＢＬＩＳＳシステムは大部分が、複数の対物レンズおよび高価なｘ／ｙステージ閉制御ループを備えたサードパーティのハイエンド全自動顕微鏡を含む、市販の構成要素に基づいている。ＢＬＩＳＳシステムの提示エンドユーザ価格は１０万ドルを優に超える。ＢＬＩＳＳシステムの多数の自動化要素は、その高価な自動化にもかかわらず、操作および維持が困難なことがある複雑なシステムである。簡単で信頼性が高く、ＢＬＩＳＳシステムのコストの約１／３で得ることができる、顕微鏡スライドをスキャンするシステムが好ましいはずである。

ＢＬＩＳＳシステムの固有のコスト的に不利な点は、従来の顕微鏡に基づくあらゆる顕微鏡スライドスキャンシステムのいくつかの制限事項である。ＢＬＩＳＳシステムの最も高価な構成要素は、自動化顕微鏡自体である。全自動顕微鏡をＢＬＩＳＳシステムに組み入れる理由の１つは、顕微鏡の対物レンズタレットが自動的に回転して顕微鏡の対物レンズを例えば１．２５×から４０×へ変えるとき、多くの設定を自動的に変更する必要性である。典型的な顕微鏡は、顕微鏡の対物レンズを変えると最適な焦点面が異なることになり、ケーラー照明を得るには視野絞りおよびコンデンサ絞りの新しい設定が必要になる。また異なる照明強度もＣＣＤのダイナミックレンジを最適に満たすために必要になる。顕微鏡の対物レンズを変える必要性をなくすことができれば、このような大規模な自動化の必要性がなくなる。従来の光学顕微鏡の視野制限事項を克服することができるだけでなく、顕微鏡の複数の対物レンズの必要性をなくすこともできる、ＢＬＩＳＳなどの画像タイル化システムに勝る十分なコストの利点が得られる高速スキャン方法が好ましい。単一の顕微鏡の対物レンズの必要性はまた、従来の顕微鏡の光学部品によって課せられた制限事項を削除することにも密接な関係がある。顕微鏡スライドがスキャンされ、回折制限解像度でデジタル化されること、すなわち、顕微鏡の対物レンズの解像度で得られるすべての可能な空間細部がデジタル画像で取り込まれることを確実にする光学設計に基づいたシステムが好ましい。回折制限デジタル画像が取り込まれた後、悪化した低い解像度と倍率の画像を標準的なコンピュータアルゴリズムを用いて作成することができる。

多くの顕微鏡の用途において、試料全体または試料の大部分が、欠陥がないか、あるいは特殊な物体、例えば異常な細胞が存在するか存在しないかを調べられる必要がある。それに続く高解像度調査で対象の特定の領域を識別するために、試料の大部分または試料全体さえも低解像度（通常は１０×〜２０×）で手動スキャンしなければならないとき、顕微鏡検査は非常に労働集約的なものになる。長時間の手動スクリーニング、または単一視野を見続けることにより、生産性および正確さに悪影響を及ぼし得る疲れ目、疲労および視覚順化が起こる。それに続く高解像度調査に関する、対象の関連領域を素早く見つけ位置を特定することの問題は、顕微鏡を、補助的なリニアアレイ検出器付きの顕微鏡と自動位置調整テーブルとを組み合わせ、すべてコンピュータ制御される従来のリアルタイムのスキャンシステムを使用して対処されている。米国特許第５，９２２，２８２号（Ｌｅｄｌｅｙら）で論じられているシステムなど、いくつかの手法は、物理的スライドの領域上で見つけた関連対象物のｘ／ｙステージの座標を格納して、対象物（この場合、特製のガラス顕微鏡スライド上にあるマイコバクテリア）の再配置を可能にすることに基づいている。マイコバクテリアのｘ／ｙ座標は、専用のリアルタイムパターン認識回路を用いて得られ、この座標は、比較的大きい５μｍステップで動くステージに同期しているラインスキャンカメラで測定された強度情報に適用される。あるいは、ビデオカメラなどの面スキャンセンサを類似した回路とともに、選択された対象物のｘ／ｙ座標を得るための基礎として使用することができる。この後者の場合、ステージは、タイル化方法で必要なステージ移動と同様に、完全な像フィールドに対応した大きなステップで動く。フォーカスは即時自動焦点制御を用いて維持される。米国特許第４，７００，２９８号（Ｐａｌｃｉｃら）で論じられている代替システムでは、組織フラスコで成長する細胞のｘ／ｙ座標をリアルタイムで記録する目的で広い領域をスキャンするために、オートフォーカス手段を備えた、市販の顕微鏡に取り付けられたリニアアレイＣＣＤを用いる。これらの既知の方法およびシステムはすべて、スキャン過程の間に取得され処理されるデジタル情報のリアルタイム分析に基づいている。多くの場合、専用回路が、リニアアレイ検出器から読み出された強度データを直ちに処理して決定をリアルタイムで行うことを可能にするために使用される。新規の代替アプローチは、手動スライドスキャンの労働集約的態様を自動化するのに十分な光学解像度で顕微鏡スライド全体の大きな連続した画像を素早く組み立てるために、リニアアレイセンサを使用することである。デジタル画像処理方法と一緒に使用できるシステムが、手動スライドスキャンの代替として好ましい。

顕微鏡スライドの手動スキャンに付随する別の共通問題は、スライドの一部分がスライドの手動のｘ／ｙスキャンの間に容易に見逃されることである。特にスライドが顕微鏡から取り外されされた後では、以前に特定した細胞を再配置することは難しい可能性がある。ｘ／ｙの手動スキャンの間にスライドのあらゆる領域を見逃さないという課題は、手動で調べられた物理的スライドの領域のｘ／ｙ位置および滞留時間を記録して、見逃された、または場合によって速く見すぎたスライドの領域を強調表示する位置エンコード品質保証システムによって対処されてきた。米国特許第５，７９３，９６９号（Ｋａｍｅｎｔｓｋｙら）では、技術者が以前に見直したＰａｐスミアリングスライドの品質保証の方法を論じている。この方法は、スライド見直しの間に技術者が訪れたすべてのフィールドのｘ／ｙステージ座標を記録すること、および関係のあるスライド滞留時間のｘ／ｙマップを作成することに基づいている。

顕微鏡スライド全体を高速でスキャンしデジタル化することができる簡単で信頼性の高いシステムが確かに必要とされている。このスキャンおよびデジタル化は、顕微鏡スライドの手動スキャンで用いられるものと同等の光学解像度で実施されるべきであり、それによって、スライド全体を手動スキャンする代わりに、またはそれに加えて、デジタル画像データセットに画像処理アルゴリズムを適用することが可能になる。理想的には、このようなシステムは、画像取得プロセス中にいかなるタイプの手作業介在も必要とされるべきではない。このようなシステムはまた、スライドが解剖学的参照情報を含むか否かにかかわらず、あらゆるタイプの顕微鏡標本に適しているべきである。理想的には、このようなシステムは、従来のシステムよりも低コストであるべきである。このようなシステムはまた、従来の市販の顕微鏡の制限事項および固有のコストによって制約されるべきでもなく、それによって回折制限デジタル画像の取得を可能にする光学設計が可能になる。本発明の主たる目的は、これらの必要性を解決すること、および関係するさらなる利点をもたらすことである。

本発明は、コンピュータ制御顕微鏡スライドスキャナの一部である位置調整ステージと同期したリニアアレイ検出器を用いて、顕微鏡試料全体、または顕微鏡試料のかなり大きい部分を完全自動化高速スキャンおよびデジタル化するための装置および方法を提供する。本発明はまた、試料の一連のスキャンから得られた画像ストリップを単一の連続したデジタル画像に構成する方法を提供する。本発明はさらに、この大きなデジタル画像のサブ領域を異なる倍率で、試料全体の低倍率のマクロ画像とともに、静止状態で表示する方法を提供する。本発明はまた、連続したデジタル画像の一部分を、操作者と対話して、または対話せずに、動的に表示する方法も提供する。本発明の好ましい１つの実施形態では、スキャナのすべての要素は、インターネットまたはローカルインターネットなどのネットワークとの一次接続を有する単一のエンクロージャの一部である。この実施形態では、好ましい試料のタイプは顕微鏡スライドであり、照明および画像化光学部品は、回折制限デジタル画像化用に最適化された透過モード光学部品と一致している。

本発明の目的、利点、および特徴は、添付の図面と併せ読めば以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。

本発明による光学顕微鏡システムの好ましい実施形態のブロック図である。本発明による光学顕微鏡システムの第２の実施形態のブロック図である。本発明による、リニアアレイ検出器によって得られた連続した画像ストリップにより試料の一部分をデジタル化する方法を示す図である。本発明による、リニアアレイ検出器によって得られた連続した画像ストリップにより試料の一部分をデジタル化する方法を示す図である。本発明による、リニアアレイ検出器によって得られた連続した画像ストリップにより試料の一部分をデジタル化する方法を示す図である。本発明による光学顕微鏡システムの動作の簡略化フローチャートである。本発明による画像表示フレームの概略図である。本発明による画像表示フレームの概略図である。本発明による動画像表示フレームの概略図である。本発明による動画像表示フレームの概略図である。

まず、図１を参照すると、本発明による光学顕微鏡システム１０の好ましい実施形態のブロック図が示されている。システム１０の心臓部は、標本または試料１２をスキャンしかつデジタル化する機能を果たす顕微鏡スライドスキャナ１１である。試料１２は、光学顕微鏡によって調べられるあらゆるものであり得る。例えば、試料１２は、光学顕微鏡によって調べられる顕微鏡スライドまたは他の試料タイプであり得る。顕微鏡スライドが、生きている、または死んでいる、標示付きまたは標示なしの組織や細胞、染色体、ＤＮＡ、蛋白質、血液、骨髄、尿、バクテリア、ビーズ、生検材料、または他のタイプの生物学的な材料もしくは物質を含む標本の観察基板としてしばしば使用される。試料１２はまた、マイクロアレイとして通常知られている任意の、およびすべての試料を含めて、あらゆるタイプのスライドまたは他の基板の上に堆積されている、ｃＤＮＡもしくはＲＮＡなどのあらゆるタイプのＤＮＡもしくはＤＮＡ関連材料または蛋白質のアレイであり得る。試料１２はマイクロタイター板（例えば９６ウェルプレート）でよい。試料１２の他の例には、集積回路基板、電気泳動レコード、ペトリ皿、フィルム、半導体材料、法医学材料または機械加工部品が含まれる。

スキャナ１１は、電動ステージ１４、顕微鏡対物レンズ１６、ラインスキャンカメラ１８およびデータ処理装置２０を含む。試料１２はスキャン用の電動ステージ１４の上に配置される。電動ステージ１４はステージコントローラ２２に接続され、このステージコントローラはデータ処理装置２０に接続される。データ処理装置２０は、ステージコントローラ２２によって電動ステージ１４上の試料１２の位置を決定する。好ましい本実施形態では、電動ステージ１４は、試料１２の平面にある少なくとも２つの軸（ｘ／ｙ）で試料１２を動かす。光学のｚ軸に沿った試料１２の微小な動きもまた、スキャナ１１の特定の用途に、例えば焦点制御のために必要になり得る。ｚ軸の動きは、ＰｏｌｙｔｅｃＰＩのＰＩＦＯＣ、またはＰｉｅｚｏｓｙｓｔｅｍＪｅｎａのＭＩＰＯＳ３などのピエゾポジショナー２４を用いて好ましくは実現される。ピエゾポジショナー２４は、顕微鏡対物レンズ１６に直接取り付けられ、データ処理装置２０に接続され、かつ、ピエゾコントローラ２６を介してデータ処理装置２０によって指示される。粗い焦点調節を行う手段もまた必要になる場合があり、電動ステージ１４または手動のラックアンドピニオンの粗い焦点調節（図示せず）の一部としてのｚ軸の動きによって行うことができる。

好ましい本実施形態では、電動ステージ１４は、滑らかな運動および優れた直線および平面精度を得るために、ボールベアリングリニアウェイを備えた高精度位置調整テーブルを含む。例えば、電動ステージ１４は、互いに上に積み重ねられた２つのＤａｅｄａｌモデル１０６００４テーブルを含む。他のタイプの電動ステージ１４は、スキャナ１１にも適しており、ボールベアリング以外の方法に基づいた、積み重ねられた１軸ステージ、中央が開いており試料の下からの透過照明に特に適している１軸もしくは複数軸の位置調整ステージ、または複数の試料を支持することのできる大きなステージを含む。好ましい本実施形態では、電動ステージ１４は２つの積み重ねられた一軸の位置調整テーブルを含んでおり、それぞれが、２ミリメートルの親ネジおよびＮｅｍａ−２３ステッピングモータに連結されている。毎秒２５回転という最大親ネジ速度で、電動ステージ１４上の試料１２の最大速度は、毎秒５０ミリメートルになる。直径の大きい（例えば５ミリメートル）親ネジを選択することにより、最大速度を毎秒１００ミリメートル以上に増加させることができる。電動ステージ１４は、機械的または光学的位置エンコーダを装備することができるが、システムにかなりの費用が加わるという欠点がある。それゆえに、好ましい本実施形態は位置エンコーダを含まない。しかし、ステッピングモータの所定の場所にサーボモータを使用する場合には、適切な制御のために位置フィードバックを使用しなければならない。

データ処理装置２０からの位置コマンドは、ステージコントローラ２２においてモータ電流コマンドまたは電圧コマンドに変換される。好ましい本実施形態では、ステージコントローラ２２は２軸サーボ／ステッパモータコントローラ（Ｃｏｍｐｕｍｏｔｏｒ６Ｋ２）および２つの４アンプマイクロステッピングデバイス（ＣｏｍｐｕｍｏｔｏｒＯＥＭＺＬ４）を含む。マイクロステッピングは、１．８度の比較的大きな単一モータステップよりはるかに小さな刻みでステッパモータに命令する手段になる。例えば、１００のマイクロステップでは、試料１２は、０．１マイクロメートルほどにも小さなステップで移動するように命令することができる。２５，０００のマイクロステップが、本発明の好ましい本実施形態で用いられる。より小さなステップサイズもまた可能である。電動ステージ１４およびステージコントローラ２２の最適な選択が、試料１２の性質、試料をデジタル化するための所望の時間、および試料１２の得られるデジタル画像の所望の解像度を含む多くの要因に依存することは明らかなはずである。

顕微鏡対物レンズ１６は一般に利用可能なあらゆる顕微鏡対物レンズとすることができる。当業者には、どの対物レンズを用いるべきかの選択が特定の状況によって決まることが理解されよう。本発明の好ましい実施形態では、顕微鏡対物レンズ１６は無限補正タイプのものである。

試料１２は、光源３０および照明光学部品３２を含む照明システム２８によって照明される。好ましい本実施形態の光源３０は、光出力を最大限にするための凹面反射鏡、および熱を抑えるＫＧ−１フィルタを備えた可変強度ハロゲン光源を含む。しかし、光源３０はまた、他のタイプのアークランプ、レーザーまたは他の光源とすることもできる。好ましい本実施形態の照明光学部品３２は、光軸に直角である２つの結合した平面を備える標準のケーラー照明システムを含む。照明光学部品３２は、カールツァイス、ニコン、オリンパスまたはライカなどの会社から販売される市販の最も入手可能な複合顕微鏡に見いだすことができる、明視野照明光学部品を代表するものである。結合した面の１つの組は、（ｉ）光源３０によって照明される視野絞り開口、（ｉｉ）試料１２の焦点面によって画定される対物面、および（ｉｉｉ）ラインスキャンカメラ１８の光感応要素を含む面、を含む。第２の結合した平面は、（ｉ）光源３０の一部であるバルブのフィラメント、（ｉｉ）照明光学部品３２の一部である集光器光学部品の直前にある集光器絞りの開口、および（ｉｉｉ）顕微鏡対物レンズ１６の後焦点面、を含む。好ましい本実施形態では、試料１２は透過モードで照らされ、試料１２によって放射される光エネルギー、または逆に試料１２で吸収される光エネルギーを感知するラインスキャンカメラ１８を用いて撮像される。

本発明のスキャナ１１は、試料１２から反射される光エネルギーを検出するのに同様に適している。この場合、光源３０、照明光学部品３２および顕微鏡対物レンズ１６は、反射撮像との適合性に基づいて選択されなければならない。したがって、可能な１つの実施形態は、試料１２の上に配置された光ファイバー束を介する照明であり得る。他の可能性には、モノクロメータによってスペクトル的にコンディショニングされる励起が含まれる。顕微鏡対物レンズ１６が位相差顕微鏡との互換性をもつように選択される場合、照明光学部品３２の一部である集光器光学部品の少なくとも１つの位相止めを組み込むことにより、スキャナ１１を位相差顕微鏡に使用することが可能になる。当業者には、微分干渉コントラスト顕微鏡法および共焦点顕微鏡法などの他のタイプの顕微鏡法に必要な修正がすぐに明らかになるはずである。全体として、スキャナ１１は、適切であるがよく知られている修正によって、光学顕微鏡の任意の既知のモードで顕微鏡を用いる試料の調査に適している。

顕微鏡対物レンズ１６とラインスキャンカメラ１８との間に、顕微鏡対物レンズ１６によって取り込まれる光信号の焦点をラインスキャンカメラ１８の光感応要素の上に合わせるラインスキャンカメラ合焦光学部品３４がある。現代の無限補正顕微鏡では、顕微鏡対物レンズと接眼レンズ光学部品との間、または顕微鏡対物レンズと外部画像ポートとの間の合焦光学部品は、顕微鏡の観察チューブの一部であるチューブレンズとして知られている光学要素からなる。多くの場合チューブレンズは、コマまたは非点収差が生じることを防ぐために複数の光学要素からなる。比較的最近の、従来の有限チューブ長光学部品から無限補正光学部品への変化の動機のうちの１つは、試料１２からの光エネルギーが平行である物理的な空間を増加させることであって、この光エネルギーの焦点ポイントが無限遠にあることを意味する。この場合、ダイクロイックミラーまたはフィルタなどの付属要素は、光学パス倍率を変更せず、または、好ましくない光学アーチファクトを生じさせずに無限空間に挿入することができる。

無限補正の顕微鏡対物レンズには通常、無限マークが記される。無限補正顕微鏡対物レンズの倍率は、チューブレンズの焦点距離を対物レンズの焦点距離で割った商で与えられる。例えば、焦点距離が９ミリメートルの対物レンズが用いられる場合、焦点距離が１８０ミリメートルのチューブレンズでは倍率２０×になる。別々の顕微鏡メーカーによって製造された対物レンズが互換性をもたないことの理由の１つは、チューブレンズ焦点距離の標準化がされていないためである。例えば、オリンパス（１８０ミリメートルのチューブレンズ焦点距離を使用する会社）の２０×対物レンズは、２００ミリメートルの異なるチューブ長焦点距離に基づくニコン顕微鏡では２０×倍率が得られない。代わりに、２０×が記された焦点距離が９ミリメートルのオリンパス対物レンズの有効倍率は、２００ミリメートルのチューブレンズ焦点距離を対物レンズの９ミリメートルの焦点距離で割ることにより得られる２２．２×になる。顕微鏡を分解しなければ、従来の顕微鏡のチューブレンズの変更は実際上不可能である。チューブレンズは顕微鏡の重要な固定要素の一部である。別々のメーカーによって製造された対物レンズと顕微鏡との間の非互換性をもたらすもう１つの要因は、接眼レンズ光学部品、試料を観察するための双眼鏡の設計である。光学補正のほとんどは顕微鏡対物レンズの中で設計されているが、ほとんどの顕微鏡ユーザは、１つのメーカーの双眼鏡光学部品とその同じメーカーの顕微鏡対物レンズとを一致させることには、最良の視像を得るための何らかの利益があると依然として確信している。

ラインスキャンカメラ合焦光学部品３４は、機械的なチューブの内部に装着されたチューブレンズ光学部品を含む。その好ましい実施形態では、スキャナ１１が従来の視覚観察用の双眼鏡または接眼レンズを欠いているので、対物レンズと双眼鏡との間の潜在的な非互換性という従来の顕微鏡による問題は直ちになくなる。当業者には、顕微鏡の接眼レンズとディスプレイモニタ上のデジタル画像との間で同焦点を実現する問題もまた、いかなる接眼レンズもないために解消されることが同様に理解されよう。スキャナ１１もまた、試料１２の物理的な境界によってのみ実際に制限される視野を得ることによって従来の顕微鏡の視野制限を克服するので、このスキャナ１１によって実現されるような全デジタル撮像顕微鏡における倍率の重要度が限定される。試料１２の一部分がデジタル化された後は、その倍率を増加させるために、ときには電気的ズームとしても知られる電子倍率を試料１２の画像に適用することは簡単である。画像の倍率を電子的に増大させることには、画像を表示するために用いられるモニタ上のその画像サイズを増大させる効果がある。あまりに大きな電子ズームが適用される場合には、ディスプレイモニタは拡大画像の一部分しか示すことができない。しかし、電子倍率を用いて、最初にデジタル化された元の光信号になかった情報を表示することは不可能である。スキャナ１１の目的の１つが高品質デジタル画像を得ることであるので、顕微鏡の接眼レンズによる視覚観察の代わりに、スキャナ１１によって得られた画像の内容が可能な限り画像の細部を含むことが重要である。解像度という用語はこのような画像の細部を記述するために通常用いられる。また、回折制限という用語は光信号で得られる波長制限最大空間細部を記述するために用いられる。スキャナ１１は、チューブレンズ焦点距離を選択することによる回折制限デジタル撮像を行う。このチューブレンズ焦点距離は、よく知られているナイキストサンプリング基準に従って、ラインスキャンカメラ１８などの光感知カメラの個々の画素要素のサイズと、顕微鏡対物レンズ１６の開口数との両方に適合する。倍率ではなく開口数が顕微鏡対物レンズ１６の解像度制限属性であることはよく知られている。

一例が、ラインスキャンカメラ合焦光学部品３４の一部であるチューブレンズ焦点距離の最適選択を説明する助けになる。前に論じた９ミリメートルの焦点距離を有する２０×顕微鏡対物レンズ１６を再び考察し、この対物レンズが０．５０の開口数を有していると仮定する。集光器からのかなりの低下がないと仮定すると、５００ナノメートルの波長でのこの対物レンズの回折制限解像力は、およそ０．６マイクロメートルになり、よく知られているアッベ（Ａｂｂｅ）の関係を利用して得られる。好ましい実施形態で複数の１４平方マイクロメートルの画素を有するラインスキャンカメラ１８が、試料１２の一部分を検出するために用いられるとさらに仮定する。サンプリング理論に従って、少なくとも２つのセンサ画素が最も小さな分解可能な空間的特徴に内在する必要がある。この場合チューブレンズは、２つの１４マイクロメートル画素に相当する２８マイクロメートルを０．６マイクロメートル（最小の分解可能な特徴寸法）で割って得られる４６．７の倍率を達成するように選択されなければならない。したがって、最適のチューブレンズ光学焦点距離は、４６．７×９で得られる約４２０ミリメートルになる。したがって、４２０ミリメートルの焦点距離を有するチューブレンズ光学部品を備えたラインスキャン合焦光学部品３４は、最良の可能な空間分解能を備えた画像を、同じ２０×対物レンズを用いて、顕微鏡で標本を観察することにより得られものと同様に、取得することができる。繰り返すと、スキャナ１１は、高倍率（この例では約４７×）光学構成の従来の２０×顕微鏡対物レンズ１６を、回折制限のデジタル画像を得るために利用する。より高い開口数（例えば０．７５）を有する従来の２０×倍率対物レンズ１６が用いられる場合、回折制限撮像のために必要なチューブレンズ光学倍率は、６８×の全体の光学倍率に対応する約６１５ミリメートルになる。同様に、２０×対物レンズの開口数が０．３だけである場合、最適のチューブレンズ光学倍率は、およそ２５２ミリメートルのチューブレンズ光学焦点距離に対応する約２８×にしかならない。ラインスキャンカメラ合焦光学部品３４はスキャナ１１のモジュール要素であり、最適なデジタル画像化に必要なときに交換することができる。回折制限デジタル撮像の利点は、例えば、倍率の増加に伴う信号輝度の減少が、適切に設計された照明システム２８の強度を増加させることにより容易に補償される、明視野顕微鏡の用途で特に重要な意義を持つ。

ちょうどこのスキャナ１１について説明されているように、チューブレンズ倍率を有効に増加させる従来の顕微鏡に基づいたデジタル画像システムに、外部の倍率増加光学部品を取り付けて回折制限撮像を実現することが原則としては可能である。しかし、結果として生じる視野の減少は受け入れがたいことが多く、この手法が非実際的なものになる。さらに、顕微鏡の多くのユーザが、独力でこれらの技術を有効に使用するために、通常は回折制限撮像の詳細に関して十分に理解してない。実際上、接眼レンズを通して見ることができるものにより似ているものに視野のサイズを増加させようとして、デジタルカメラは、倍率を減少する光学カプラを備えた顕微鏡ポートに取り付けられる。目標が回折制限のデジタル画像を得ることである場合、非拡大光学部品を加える標準的な行為は誤ったステップである。

従来の顕微鏡では、異なる解像度および倍率で標本を観察するために、異なる能力の対物レンズが典型的に用いられている。標準顕微鏡は、５つの対物レンズを保持する対物レンズ取り付け台を有している。このスキャナ１１などの全デジタル撮像システムでは、望ましい最高空間解像度に対応する開口数を備えた単一の顕微鏡対物レンズ１６が必要とされる。スキャナ１１の好ましい本実施形態では、１つだけの顕微鏡対物レンズ１６を提供する。一旦回折制限デジタル画像がこの解像度で取り込まれたら、標準のデジタル画像処理技術を用いて、任意の望ましい低い解像度および倍率で画像情報を提示することは簡単である。

スキャナ１１の好ましい本実施形態は、リニアアレイで整列された１０２４個の画素（画像素子）を備えた、各画素が１４×１４マイクロメートルの寸法を有する、ＤａｌｓａＳＰＡＲＫラインスキャンカメラ１８に基づく。任意の他のタイプのリニアアレイは、カメラの一部としてパッケージ化されていても、撮像電子モジュールにカスタム組み込みされていても、用いることができる。好ましい本実施形態におけるリニアアレイは、８ビット量子化を有効に行うが、より高い、または低いレベルの量子化を行う他のアレイも用いことができる。３チャネルの赤緑青（ＲＧＢ）の色情報または時間遅延積分（ＴＤＩ）に基づいた別のアレイも用いられてよい。ＴＤＩアレイは、試料の以前の画像化領域からの強度データを合計して、積分段階数の平方根に比例しているＳＮＲを増加させることによって、出力信号の実質的によりよい信号対雑音比（ＳＮＲ）を実現する。ＴＤＩアレイは、リニアアレイの複数の段階を含むことができる。ＴＤＩアレイは、２４、３２、４８、６４、９６、またはそれより多くの段階で利用可能である。スキャナ１１はまた、５１２画素のもの、１０２４画素のもの、４０９６画素のものを含む様々なフォーマットで製造されるリニアアレイもサポートする。照明システム２８およびラインスキャンカメラ合焦光学部品３４への適切であるがよく知られている修正が、より大きなアレイを収容するために必要とされ得る。様々な画素サイズを備えたリニアアレイもスキャナ１１に用いることができる。任意のタイプのラインスキャンカメラ１８を選択するための顕著な要件は、高品質像を得るために、試料１２のデジタル化の間に、試料１２がラインスキャンカメラ１８に対して動くことができるということであり、従来技術で知られている従来の画像タイル化手法の静止要件を克服する。

ラインスキャンカメラ１８の出力信号はデータ処理装置２０に接続される。好ましい本実施形態におけるデータ処理装置２０は、撮像基板またはフレームグラバなどの少なくとも１つの信号デジタル化電子回路基板をサポートするための、付随的な電子装置（例えばマザーボード）を備えた中央処理装置を含む。好ましい本実施形態では、撮像基板はＥＰＩＸＰＩＸＣＩＤ２４ＰＣＩバスの撮像基板であるが、ＥＰＩＸ基板の代わりに用いることができる、様々なメーカーからの他の多くのタイプの撮像基板またはフレームグラバがある。一代替実施形態は、撮像基板をすべてバイパスし、ハードディスクなどのデータ記憶装置３８にデータを直接格納するために、Ｆｉｒｅｗｉｒｅとして知られているＩＥＥＥ１３９４などのインターフェースを用いるラインスキャンカメラであり得る。

データ処理装置２０もまた、データの短期記憶のためにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのメモリ３６に接続され、長期データ記憶のためにハードドライブなどのデータ記憶装置３８に接続される。さらに、データ処理装置２０は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などのネットワーク４２、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、大都市圏ネットワーク（ＭＡＮ）、イントラネット、エクストラネットまたはグローバルインターネットに接続される通信ポート４０に接続される。メモリ３６およびデータ記憶装置３８もまた互いに接続される。データ処理装置２０はまた、ラインスキャンカメラ１８およびステージコントローラ２２などのスキャナ１１の重要な要素を制御するために、または様々な画像処理機能、画像解析機能もしくはネットワーキングのために、コンピュータプログラムをソフトウェアの形で実行することができる。データ処理装置２０は、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ、ＯＳ／２、ＭａｃＯＳおよびＵｎｉｘ（登録商標）などのオペレーティングシステムを含む任意のオペレーティングシステムに基づくことができる。好ましい本実施形態では、データ処理装置２０は、ＷｉｎｄｏｗｓＮＴオペレーティングシステムに基づいて動作する。

データ処理装置２０、メモリ３６、データ記憶装置３８および通信ポート４０はそれぞれ、従来のコンピュータに見られる要素である。一例は、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）ＩＩＩ５００ＭＨｚプロセッサおよび最大７５６メガバイト（ＭＢ）のＲＡＭを特徴として備えるＤｅｌｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎＸＰＳＴ５００などのパーソナルコンピュータである。好ましい本実施形態では、コンピュータ、データ処理装置２０、メモリ３６、データ記憶装置３８を含む要素および通信ポート４０は、すべてスキャナ１１に内部にあり、その結果、システム１０の他の要素とのスキャナ１１の唯一の接続部は通信ポート４０になる。スキャナ１１の代替実施形態では、コンピュータ要素は、コンピュータ要素とスキャナ１１の間の対応する接続部を備えたスキャナ１１の外部にある。

スキャナ１１は、本発明の好ましい本実施形態では、光学顕微鏡検査、デジタル撮像、電動の試料位置調整、計算、およびネットワークベースの通信手段を単一エンクロージャユニットに組み込む。データの入出力の主要手段として通信ポート４０を備えた単一エンクロージャユニットのようにスキャナ１１をパッケージすることの主な利点は、複雑さの低減、および信頼性の向上である。顕微鏡、光源、電動ステージ、カメラおよびコンピュータが通常は別々の供給業者から供給され、大幅な統合化およびメンテナンスを必要とする従来の顕微鏡ベースの撮像システムとは非常に対照的に、スキャナ１１の様々な要素は一緒に機能するように最適化される。

通信ポート４０は、ネットワーク４２を含めた、システム１０の他の要素との高速通信手段を提供する。通信ポート４０用の好ましい本通信プロトコルは、伝送制御およびインターネットワーキング用のＴＣＰ／ＩＰプロトコルと共に、イーサーネットなどのキャリヤ検知多重アクセス衝突検出プロトコルである。スキャナ１１は、広帯域、ベースバンド、同軸ケーブル、撚線対、光ファイバー、ＤＳＬまたは無線を含む、任意のタイプの伝送媒体で動作することが意図されている。

好ましい本実施形態では、スキャナ１１の制御、およびスキャナ１１によって取り込まれた画像データの見直しは、ネットワーク４２に接続されているコンピュータ４４で行われる。コンピュータ４４は、その好ましい実施形態において、オペレータに画像情報を提供するためにディスプレイモニタ４６に接続される。複数のコンピュータ４４は、ネットワーク４２に接続することができる。好ましい本実施形態では、コンピュータ４４は、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＩｎｔｅｒｎｅｔＥｘｐｌｏｒｅｒまたはＡＯＬのＮｅｔｓｃａｐｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｏｒなどのネットワークブラウザを用いて、スキャナ１１と通信する。画像は、ほとんどの市販ブラウザに既に組み込まれる標準的な画像圧縮方法と互換性がある画像フォーマットである、ＪＰＥＧなどの共通圧縮形式でスキャナ１１に格納される。他の標準または非標準、不可逆または可逆の画像圧縮フォーマットもまた機能する。好ましい本実施形態では、スキャナ１１は、スキャナ１１からコンピュータ４４へ送られるウェブページに基づくオペレータインターフェースを提供するウェブサーバである。画像データの動的な見直しでは、スキャナ１１の好ましい本実施形態は、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＭｅｄｉａ−Ｐｌａｙｅｒ、ＡｐｐｌｅＣｏｍｐｕｔｅｒのＱｕｉｃｋｔｉｍｅ、あるいはＲｅａｌＮｅｔｗｏｒｋのＲｅａｌＰｌａｙｅｒなどのソフトウェアパッケージと互換性のある標準的な複数フレームのブラウザを用いて、コンピュータ４４に接続されているディスプレイモニタ４６上での見直しのために、画像データの複数フレームを再生することに基づいている。好ましい本実施形態では、コンピュータ４４上のブラウザは、伝送制御のためのＴＣＰと一緒に、ハイパーテキストトランスミッションプロトコル（ｈｔｔｐ）を用いる。

スキャナ１１がコンピュータ４４または複数のコンピュータと通信することのできる、多くの様々な手段およびプロトコルが現在あり、将来にもあろう。好ましい本実施形態は、標準的な手段およびプロトコルに基づいているが、アプレットとして知られている１つまたは複数のカスタマイズされたソフトウェアモジュールを開発する方法が同様に実施可能であり、スキャナ１１の選択された将来の用途には望ましい可能性がある。さらに、コンピュータ４４が、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの何らかの特定のタイプであること、またはＤｅｌｌなどの特定の会社によって製造されたものであること、という制約はない。標準化された通信ポート４０の利点の１つは、共通ネットワークブラウザソフトウェアを操作する任意のタイプのコンピュータ４４がスキャナ１１と通信できるということである。

要望があれば、スペクトル的に分解された画像を得ることは、スキャナ１１に対するいくつかの修正によって可能である。スペクトル的に分解された画像とは、スペクトルの情報が画像画素ごとに測定される画像のことである。スペクトルで分解された画像は、スキャナ１１のラインスキャンカメラ１８を光学スリットおよび撮像分光器に置き換えることによって得られる。撮像分光器は、検出器の列のそれぞれに沿って光学スリットに合焦される光信号をプリズムまたは回折格子を用いて分散させることによって画像画素の列の波長に特定的な強度データを捕捉するために、二次元のＣＣＤ検出器を用いる。

ここで図２を参照すると、本発明による光学顕微鏡検査システム１０の第２の実施形態のブロック図が示されている。このシステム１０では、スキャナ１１は、図１で示された好ましい本実施形態よりも複雑で高価である。示されているスキャナ１１の付加的な属性は、任意の代替実施形態にすべてが存在して適正に機能する必要はない。図２は、スキャナ１１に組み入れることができる付加的な特徴および機能の適切な一例を提示するものである。

図２の代替実施形態は、図１の好ましい本実施形態よりもはるかに大きいレベルの自動化を提示する。照明システム２８のより完全なレベルの自動化は、データ処理装置２０と、照明システム２８の光源３０および照明光学部品３２両方との間を接続することによって達成される。光源３０への接続部は、光源３０の輝度を制御するために、ループが開いているか閉じているかで電圧または電流を制御することができる。好ましい本実施形態では、光源３０がハロゲンバルブであることを思い起こされたい。データ処理装置２０と照明光学部品３２との接続部には、視野絞り開口および集光器絞りの閉ループ制御を設けて、最適のケーラー照明が維持されることを保証する手段にすることもできる。

蛍光撮像のためにスキャナ１１を使用することは、光源３０、照明光学部品３２および顕微鏡対物レンズ１６への容易に識別される修正を必要とする。図２の第２の実施形態ではまた、励起フィルタ、ダイクロイックフィルタおよびバリアフィルタを含む蛍光フィルタキューブ５０を設ける。蛍光フィルタキューブ５０は、顕微鏡対物レンズ１６とラインスキャンカメラ合焦光学部品３４との間に存在する無限補正ビーム経路に配置される。蛍光撮像の１つの実施形態は、市販されている様々な蛍光色素またはナノクリスタルに対して適切なスペクトルの励起を行うために、照明光学部品３２へのフィルタホイールまたはチューナブルフィルタの追加を含むこともできる。

撮像経路に少なくとも１つのビームスプリッタ５２を追加すると、光信号を少なくとも２つの経路に分割することが可能になる。前に論じたように、ラインスキャンカメラ１８による回折制限撮像を可能にするために、主要な経路はラインスキャンカメラ合焦光学部品３４を経由する。第２の経路は、面スキャンカメラ５６によって撮像するために、面スキャンカメラ合焦光学部品５４を経由して設けられる。これらの２つの合焦光学部品を適切に選択することにより、画素サイズが異なる２つのカメラセンサによる回折制限撮像を保証できることは、すぐに明らかになるはずである。面スキャンカメラ５６は、単純なカラービデオカメラ、高性能冷却ＣＣＤカメラ、または可変積分時間高速フレームカメラを含む、現在利用可能な多くのタイプのうちの１つとすることができる。面スキャンカメラ５６は、スキャナ１１に従来の撮像システム構成をもたらす。面スキャンカメラ５６はデータ処理装置２０に接続される。２つのカメラ、例えばラインスキャンカメラ１８および面スキャンカメラ５６が用いられる場合、両カメラタイプは、単一の二目的撮像基板、２つの異なる撮像基板、または一方もしくは両方の撮像基板が不要になり得るＩＥＥＥ１３９４Ｆｉｒｅｗｉｒｅインターフェースのいずれかを用いて、データ処理装置に接続することができる。撮像センサとデータ処理装置２０をインターフェースする別の関連方法もまた利用可能である。

スキャナ１１の、コンピュータ４４との主要インターフェースはネットワーク４２によるが、例えばネットワーク４２が機能停止する場合もあり、この場合、ディスプレイモニタ５８などのローカル出力デバイスにスキャナ１１を直接に接続できること、およびスキャナ１１のデータ処理装置２０に直接接続されるキーボードとマウス６０などのローカル入力デバイスを設けることができることは、有益である。この場合には、適切なドライバソフトウェアおよびハードウェアが同様に提供されなければならない。

図２に示された第２の実施形態はまた、より高いレベルの自動化撮像性能を実現する。スキャナ１１の増強された撮像の自動化は、よく知られているオートフォーカスの方法を用いて、ピエゾポジショナー２４、ピエゾコントローラ２６およびデータ処理装置２０を含む焦点制御ループを閉じることによって達成され得る。第２の実施形態はまた、いくつかの対物レンズに対応するための電動対物レンズ取り付け台６２を設ける。電動対物レンズ取り付け台６２は、データ処理装置２０に接続され、対物レンズ取り付け台コントローラ６４を介してデータ処理装置２０によって指示される。

組み込むことができるスキャナ１１の他の特徴および機能がある。例えば、試料１２のｘ／ｙ平面に実質的に固定されている顕微鏡対物レンズ１６に対して試料１２をスキャンするプロセスは、固定されている試料１２に対して顕微鏡対物レンズ１６をスキャンすることを含むように修正することもできる。試料１２をスキャンすること、または顕微鏡対物レンズ１６をスキャンすること、または試料１２と顕微鏡対物レンズ１６の両方を同時にスキャンすることは、前に論じたのと同じ試料１２の大きな連続したデジタル画像を提供できるスキャナ１１のあり得る実施形態である。

スキャナ１１はまた、多くのタイプの顕微鏡ベースの分析を自動化するための汎用プラットフォームも提供する。照明システム２８は、レーザー励起によって試料１２をスキャンすることを可能にするために、従来のハロゲンランプまたはアークランプからレーザーベースの照明システムに修正することができる。光電子増倍管または他の非イメージング検出器を組み込むことを含む修正が、ラインスキャンカメラ１８もしくは面スキャンカメラ５６に加えて、またはその代わりに、試料１２とのレーザーエネルギーの相互作用から生じた光信号を検出する手段を提供するために用いられる。

ここで図３Ａ〜３Ｃを参照すると、本発明によるリニアアレイ検出器によって連続画像ストリップが得られる方法が示されている。図１のラインスキャンカメラ１８は、図３Ａに示されるラインスキャンカメラ視野７０を観察する。ラインスキャンカメラ視野７０は、図３Ｂに示されるリニアアレイ７４になるように直線に配列されている多くの個々の画素要素７２によって撮像される、図１の試料１２の領域を含む。好ましい本実施形態のリニアアレイ７４は、１０２４個の個々の画素要素７２を備え、画素要素７２のそれぞれは１４平方マイクロメートルである。好ましい本実施形態のリニアアレイ７４の物理的寸法は、１４．３４ミリメートル×１４マイクロメートルである。スキャナ１１の動作について論じる目的のために、試料１２とラインスキャンカメラ１８の間の倍率が１０であると仮定すると、ラインスキャンカメラ視野７０は、１．４３ミリメートル×１．４マイクロメートルに等しい寸法を有する試料１２の領域に相当する。各画素要素７２は、約１．４マイクロメートル×１．４マイクロメートルの領域を撮像する。

図３Ｃは、試料１２をデジタルスキャンする間に、画像ストリップ７７などの画像ストリップの画像７６が、第１の画像ストリップ７８から始まり、第２の画像ストリップ８０が続き、以下同様に画像７６をデジタル化するのに必要な最後の画像ストリップ８２が得られるまで、取得される。当業者には、このスキャンが、頂部から底部または底部から頂部のいずれでもよく、あるいは試料上の任意の点から開始してもよいことが理解されよう。デジタルスキャンはまた、水平画像ストリップではなく垂直画像ストリップでもよい。望ましいが、画像ストリップが連続して得られる必要もない。画像７６は試料１２全体を含むことも試料１２の一部分だけを含むこともできる。スキャナ１１の好ましい本実施形態では、図３Ａに示されるように、スキャンおよびデジタル化は、画像ストリップ間で交代する進行方向８４で行われる。この種の双方向スキャンは、画像ストリップごとに同じ進行方向８４を必要とするスキャンおよびデジタル化の方法である単方向スキャンよりも高速のデジタル化処理を実現する。

ラインスキャンカメラ１８の機能により通常、スキャナ１１の好ましい本実施形態と同様に、スキャンを双方向で行うことができるか、単方向で行うことができるかが決まる。単方向システムは、しばしば、図３Ｂに示される３チャネルカラーアレイ８６またはマルチチャネルＴＤＩアレイ８８などの２つ以上のリニアアレイ７４を含む。カラーアレイ８６は、カラー画像を得るために必要なＲＧＢ輝度を検出する。カラー情報を得るための代替実施形態では、広帯域の光信号を３つのカラーチャネルに分割するためのプリズムを用いる。ＴＤＩアレイ８８は、スキャナ１１の代替実施形態で使用して、速いデータ速度を維持しながら、またデジタル画像データの信号対雑音比の顕著な低下なしで、ラインスキャンカメラ１８の有効積分時間を増加させる手段を得ることもできる。

ここで図４を参照すると、本発明による光学顕微鏡検査システム１０の動作の単純化されたフローチャートが示されている。試料１２はステップ２００でスキャナ１１に装填される。試料装填の最も単純な方法は、オペレータが電動ステージ１４上に試料１２を物理的に置くか配置することである。試料装填の最も高度な方法とは、スキャナ１１が、あらかじめ装填された試料カセットから１つまたは複数の試料１２を自動的に装填するものである。試料装填の他の実施形態が当技術分野で知られている。本発明の好ましい本実施形態では、試料装填は、システム費用および機械的な複雑さを減らすために手動で行われる。

スキャナ１１は、コンピュータ４４から、またはスキャナ１１の代替実施形態の一部であり得るボタンから同様に出されたコマンドによって、ステップ２０１で初期化される。デジタル化プロセスの所望の解像度、画像７６を作成するためにデジタル化される試料１２の部分、および関連較正ファイルの名前を含む初期設定パラメータは、ステップ２０１でオペレータによって入力される。別に指示がない限りスキャナ１１は、デフォルトで試料全体をデジタル化する。試料を装填し、スキャナを初期化後、後に続く画像取得プロセスにおいてオペレータの手作業介在の必要がないはずであることに留意することが重要である。

自動スキャンおよび試料１２を画像７６にデジタル化することは、ステップ２０２〜２１０を含む。これらのステップは、ラインスキャンカメラ１８からの画像データの読み出しを１度に１つのラインまたは１つの画像ストリップに同期させるデータ処理装置２０によって調整され、試料１２は、ステージコントローラ２２の制御下にある電動ステージ１４上で実質的に一定速度で移動する。スキャナ１１は、ステップ２０２で試料１２の自動デジタル化を、試料１２のあらかじめ決められた領域、例えば、図３Ｃで示される試料１２の左上側のコーナでスタートする試料１２の移動、およびラインスキャンカメラ１８からの単一ライン画像取得と共に開始する。ステップ２０２で、電動ステージ１４は、ラインスキャンカメラ１８に対して前に論じたように、双方向の前後に動く。ステップ２０４の決定ブロックの制御論理は、画像ストリップ７７などの画像ストリップの端に到達したかどうかを判定する。この論理を実施する多くの可能な方法があり、いくつかは位置エンコーダからの位置フィードバックがない。例えば、ラインスキャンカメラ１８によって読み取られた画像ラインの合計数は、画像ストリップの端にいつ到達したかを知る手段として用いることができる。総経過スキャン時間や、試料１８の一部分であるかまたはそれに隣接して配置された較正マーキングなどの他のパラメータもまた使用することができる。光学リミットスイッチがスキャナ１１の好ましい本実施形態の電動ステージ１４に、新しいスキャンのために電動ステージ１４の位置を変える時間がいつかを示すために設けられる。ステップ２０４で画像ストリップ７７の端に達していなければ、デジタル化プロセスはステップ２０２で、次のライン画像の取得を継続する。試料１２は、デジタル化プロセスの間、常にほぼ一定速度で移動し続け、いかなる必要な焦点調整も、ステップ２０６で示されるように機械ステージ１４の進行中の運動と並行して行われる。焦点は１つの画像ストリップから次のもので劇的に変わらないので、焦点調整は比較的遅く徐々に行われる。スキャナ１１の動作について論じる目的のために、１０×の倍率でデジタル化されるべき試料１２の領域が５０ミリメートル×２５ミリメートルであると再び仮定すると、画像ストリップ７７と同様の、それぞれの寸法が１．４３ミリメートル×５０ミリメートルである１８個の画像ストリップが、画像７６を生成するために取得されなければならない。各画像ストリップ７７は、約３６，０００×１８，０００画素を含む全画像７６を備えた約３６，０００×１０２４画素の要素を含む。画像７６を作成するために試料１２の所望部分をデジタル化する、ステップ２０８の判定によって判定されるプロセスが終了しない限り、かつ終了するまで、新しいスキャンのための試料１２の位置調整がステップ２１０で行われる。ステップ２１０は、新しいスキャンのために電動ステージ１４を位置調整するために、１つの画像ストリップから別の画像ストリップまで電動ステージ１４を動かすことを含む。

画像７６を得るのに必要な総時間は、ラインスキャンカメラ１８が情報をデジタル化することができるライン速度に比例する。スキャナ１１の好ましい本実施形態では、ライン速度は、使用されるＤＡＬＳＡＳＰＡＲＫモデルＳＰ１２−０１Ｋ３０では、毎秒２７，６００ライン、または毎秒２８３０万画素である。毎秒２７，６００画素のライン速度で、論じる目的のための、３６，０００×１０２４画素を含む各画像ストリップ７７は、約１．３秒（３６，０００／２７，６００）でデジタル化することができる。したがって現在の実施形態の電動ステージ１４は、ｘ軸に沿って毎秒約３８ミリメートルで移動して、この１．３秒の間に５０ミリメートルの画像ストリップ７７の全長をカバーする。画像７６が１８の画像ストリップ７７を含むので、試料１２の所望の部分をデジタル化するには２３．４秒が必要になる。前に論じたように、この時間は、本発明の好ましい実施形態で用いられているものなど、ｘ軸に沿って右から左へ、また左から右へもスキャンできる双方向ラインスキャンカメラだけに有効である。一代替実施形態では、左からだけ右へだけスキャンできる単方向タイプのラインスキャンカメラを利用することができる。この場合、電動ステージ１４は、ｘ軸に沿って同じ左基準位置まで最大のステージ速度で戻され、画像ストリップ７７などのすべての画像ストリップが、左から右へだけ行く単方向のようにして得られる。画像ストリップ７７などの個々の画像ストリップのデジタル化が完了した後に、電動ステージ１４は、減速し、停止し、ｙ軸に沿って下方に移動し、次の画像ストリップをスキャンするために再び加速する。スキャンおよびデジタル化プロセスの間に電動ステージ１４が実質的に一定速度で確実に移動するように、スキャンされる各画像ストリップの始めと終わりで電動ステージ１４が加速し減速するための余裕が、時間および距離両方にとられなければならない。加速および減速のために必要な付加的な時間は、電動ステージ１４のｘ軸性能およびステージコントローラ２２のｘ軸属性に依存する。好ましい本実施形態では、滑らかな運動を得るための、またぎくしゃくした動きを最小にするためのＳ字カーブプロファイルを用いると、加速および減速時間はおよそ０．７秒になる。電動ステージ１４の加速および減速を考慮すると、ステップ２１０を含む新しいスキャンセットアップの間にラインスキャンカメラ１８が、デジタル化されるべき試料１２の部分のエッジを離れて移動することが必要である。新しいスキャンセットアップ時間は、電動ステージ１４の特別なｙ軸性能およびステージコントローラ２２のｙ軸属性に依存し、本発明の好ましい本実施形態ではおよそ１／２秒である。したがって、１８画像ストリップ×１．４秒で得られた合計の２５．２秒が、ｘ軸に沿った加速および減速に対し、各画像ストリップの始めと終わりに加えられ、また、さらなる９秒が、次のスキャンでｙ軸に沿って電動ステージの位置を変えるために付け加えられる。したがって、現在の本例で画像７６を取り込むのに必要なプロセスのすべての部分に必要な総時間は、双方向スキャン実施形態では約１分になる。

スキャナ１１は、画像７６の総取得時間をさらに最小化するように最適化することができる。スキャナ１１によって達成することができる画像取得時間は、ラインスキャンカメラ１８のライン速度に一部依存する。本例の毎秒２７，６００ラインのライン速度では、各ライン画像が約０．０４ミリ秒で取り込まれる。５０ワットバルブを含む光源からの照明は、ラインスキャンカメラで十分な信号対雑音比の信号を記録するための十分な光をもたらす。より速い読み出し速度では、１ライン当たりの露光時間が低減され、スキャナ１１の照明システム２８の改善および増強が必要になり得る。同様に、例えば蛍光である、利用できる光が少ないスキャナ１１の適用例では、有効ライン積分時間が増加されなければならない。ＴＤＩタイプのラインスキャンカメラは、速いデータ読み出しを維持しながら、画像データの信号対雑音比の大きな低下なしで、有効積分時間を増加させる優れた手段を提供する。

速いラインスキャンカメラが市販されており、速い電動ステージと同期することができる。あるいは、リニアアレイ７４などの、しかし１０２４個を越える画素要素７２を備えるリニアアレイを選択することにより、画像７６を取り込むためにスキャンされなければならない画像ストリップの数が低減され、必要な加速および減速サイクルが少なくなる。２０４８個以上の画素を含むアレイは、１０２４個の画素を含むアレイよりもライン速度が比例して小さいことが多い。このような大きいアレイのライン速度の低減には、ライン積分時間を増加させながら、画像取り込み総時間を減らすことなく、電動ステージ１４に必要とされる最高速度が低下するという二重の利益がある。大きなフォーマットのリニアアレイの欠点は、より大きくより高価な光学部品および照明システムが、口径食および他の光学収差なしに、高品質の光信号を供給する必要があることである。複数のセンサを使用して全体の画像取得時間をさらに低減することさえ可能である。

スキャナ１１は、その好ましい本実施形態において、動的オートフォーカスのコストおよび複雑さを除去または最小化するために、比較的大きな被写界深度を有する顕微鏡対物レンズを用いて、試料のデジタル化を行う。開口数（ＮＡ）が０．１５の対物レンズの理論的な被写界深度は２０マイクロメートル以上である。被写界深度は、０．３に等しいＮＡで約５マイクロメートルに低下し、０．５に等しいＮＡで約１．８マイクロメートルに低下する。用途に応じて、開口数が中程度の対物レンズを用いるときでさえ、試料１２の全体または一部分を、焦点面を調節する必要が全くなしにスキャンすることができる。比較的小さいＮＡの対物レンズを選択することは、それが試料１２の広範囲な手動スキャンの補助として用いられるスキャナ１１の１つの適用例と一致している。このような従来の手動スキャンは通常、小さい開口数および低い倍率で行われる。したがって、試料１２の画像７６は、試料１２の選択された領域の後続の高解像度調査のための基礎としてコスト効率よく用いることができる。ステップ２２０を含む判定論理に基づいて、ステップ２２２で示された従来の光学顕微鏡、またはステップ２２４で示されたスキャナ１１の高解像度の実施形態のいずれかを、試料１２の高解像度見直しのために用いることができる。後者の場合では、動的なオートフォーカスが必要になり得る。顕微鏡スライドなどの試料１２全体、または試料１２の大部分の、現在利用可能な計算能力を用いる高解像度デジタル化は、実際的でない、またはコスト効率がよくない可能性がある。しかし、データ処理、メモリおよびデータ記憶装置の将来のコスト低減および改善が、高解像度高速デジタル化を現実のものにすると予想される。

スキャン中に合焦することの必要性はステップ２０６に示されており、スキャナ１１の特定の用途に非常に大きく依存する。スキャナ１１は、所定の形およびサイズの標準化キャリブレーション試料がデジタル化され、かつ最良焦点が当技術分野でよく知られている方法を用いて電動ステージ１４のｘ／ｙ位置の関数として決定される、キャリブレーション方法を用いる。スキャンおよびデジタル化プロセスの間に、顕微鏡対物レンズ１６の位置がこのｘ／ｙ焦点地図に従って移動する。顕微鏡対物レンズ１６の相対的な位置を試料１２に対して変更するために用いることができる、オートフォーカスの様々な手法が当技術分野で知られている。電動ステージ１４の垂直ｚ軸成分はオートフォーカスのために使用することができるが、本発明の好ましい本方法は、その代わりに市販のピエゾポジショナー２４を使用して顕微鏡対物レンズ１６を移動させるものである。顕微鏡対物レンズ１６に取り付けられているピエゾポジショナー２４の全範囲は比較的小さく、一般に１００マイクロメートルであるが、ピエゾ帯域幅は重い電動ステージの帯域幅よりも大きい。大きいピエゾ帯域幅（一般に１５０ヘルツ）は、小さい焦点変更に伴う振動を最小限にするのに、より堅い機械ステージよりもいっそう望ましい。

スキャナ１１の利点の１つは、試料１２を労働集約的に手動スキャンすることと比較すると効率的に処理しコスト効率をよくすることができる画像７６を得るための、試料１２の大部分の高速デジタル化である。これと一致して、スキャナ１１は、その最も基本的な実施形態において、いくつかの従来の画像システムで見られる動的なオートフォーカスの複雑さを必要としない。ｘ／ｙ位置の関数としての最良の焦点のプリスキャンおよびマッピングにより、ほとんどの用途で適切な焦点が得られる。スキャナ１１の、代替であるがより高価な実施形態では、面スキャンカメラ５６などの補助的な面スキャンカメラを用いて、広範囲なオートフォーカス能力を実現する。オートフォーカスのための空間情報が試料１２の一部（例えば較正マーク付きのガラス顕微鏡スライド）になっている、より進歩した較正方法もまた実施可能である。

画像７６の全体性能は、試料１２を実質的に一定速度で移動させる能力と関係している。ラインスキャンカメラ１８と電動ステージ１４との間の同期が適切に維持されなければ、画像歪みにつながるサンプリング誤差が起こり得る。用途および画像解像度の必要性に応じて、スキャナ１１は、試料動きと同期してデータを取り込むための様々な手法をサポートする。既知の形の較正ターゲット（例えば顕微鏡スライド上のＲｏｎｃｈｉ罫線）をプリスキャンすることは、スキャナ１１が一定の試料速度を達成するための１つの手段である。電動ステージ１４へ送られる位置コマンドの時間プロファイルを制御し、かつラインスキャンカメラ１８のラインデータ読み出し速度を動的に変えるための両方の機能が、データ処理装置２０に設けられる。電動ステージ１４の速度関連誤差の大部分が再現可能であるので、較正スキャンの間に最適画像を得るための位置プロファイルの最適化またはラインスキャンカメラ１８の読み出し速度の最適化は、試料１２が続いてスキャンされデジタル化されるときに優れた画像を得るのに十分である。高解像度画像をデジタル化するのにより適しているスキャナ１１の一代替実施形態では、電動ステージ１４からの位置フィードバックを利用する。スキャナ１１の好ましい本実施形態は、較正ターゲットに適用された較正方法を用いて、高品質画像を低度から中度の解像度で、高価な位置エンコーダからのフィードバックを必要とせずに生成することができる。

一例として前に論じた３６，０００×１８，０００画素の画像が８ビット（１バイト）の１画素当たり量子化で取り込まれると仮定すると、６億４８００万バイト（６４８メガバイトすなわち６４８ＭＢ）のＲＡＭが、すべての画像ストリップ７７のすべてのデータをその非圧縮の生のフォーマットでメモリ３６に格納するのに必要になる。複数の画像ストリップ７７がステップ２１２の間に組み立てられて画像７６になる。試料１２のデジタル化の間に取得された複数の画像ストリップ７７から画像を組み立てるための多くの可能な方法がある。本発明の好ましい本実施形態の画像組立方法は、画像ストリップ７７をわずかにオーバラップするように、例えば１０〜２０画素だけオーバラップするようにスキャンし、これらのオーバラップする画素を、連続した画像７６になるように、画像ストリップ７７のｘ／ｙアラインメントの微調整に使用するものである。ＪＰＥＧまたは他の画像の圧縮方法を用いると、多くの場合、特定の用途に必要な情報コンテンツのはっきり認められる損失なしに、画像７６のデータサイズ、または個々の画像ストリップ７７のデータサイズをその元のサイズの５〜１０パーセント以下に減らすことができる。スキャナ１１はまた、意味のある画像データを何ら含んでいない空の領域を画像７６から除去して、画像７６のデータ記憶要求値をさらに低減することができる。

試料１２を大きな連続した画像７６に、通常は従来の光学顕微鏡下で試料１２を手動スキャンするために用いられる低度から中度の光学解像度で、デジタル化する動機の１つは、得られた画像データに専用コンピュータプログラムを適用できることである。ステップ２１４において、試料１２のデジタル化された部分を示す画像７６の分析は、画像７６の中の特定のタイプの対象物（例えば、正常または異常な細胞）を識別し、その位置を特定するための形態的アルゴリズムを適用することなどの様々な方法を含む。分析方法機能の他の例には、計数または測定アルゴリズム、または画像７６での欠陥を識別するための比較もしくは品質保証アルゴリズム、または画像７６を以前に測定された同様の画像と区別するための他のタイプのアルゴリズムが含まれる。試料１２の画像のデジタル化が完了した後、ステップ２１４を含む分析法が、試料１２が物理的に存在すること、または入手可能であることを必要としないのは明らかなはずである。ステップ２１４の方法は、自動的に適用すること、あるいは、ステップ２１６で示されるように画像７６を対話式に、ネットワーク４２を介してスキャナ１１に接続されるコンピュータモニタ４６で見直すオペレータを伴う反復プロセスの一部として適用することができる。

試料１２の選択された領域の高解像度調査に戻る決定は、画像７６から得られた情報（例えば、ステップ２１４および２１６において画像７６の分析から得られた対象物座標）を用いて、ステップ２１８の一部として行われる。ステップ２１８の決定論理で分析を試料１２に戻さない場合、オペレータのタスクが完了する。オペレータがステップ２１８の一部として試料１２に戻ることを望む場合、ステップ２２０の決定論理で、高解像度調査がステップ２２２に示されるように従来の光学顕微鏡上で行われるか、それともステップ２２４によりスキャナ１１を用いるかを決定する。画像７６の低度から中度の解像度分析から得られた座標情報が、従来の顕微鏡による試料１２の高解像度調査を案内するのに十分であることは理解されるはずである。スキャナ１１を用いる試料１２の高解像度見直しはステップ２２４を含み、また図２の代替実施形態の以前に説明された特徴の多くを用いてスキャナ１１を遠隔制御できることを含む。例えば、電動ステージ１４の位置、ならびにピエゾポジショナー２４の位置、および光源３０の照明強度が、ステップ２２４の間はオペレータの遠隔制御下にあり得る。例えば面スキャンカメラ５６からのリアルタイム画像は、試料１２からのデジタル化情報の代わりに、この見直しの基礎になり得る。あるいは、オペレータは、ラインスキャンカメラ１８または面スキャンカメラ５６のいずれかを用いて高解像度でデジタル化されるべき試料１２の、より小さい部分を選択することもできる。前者の場合には、プロセスは、試料１２のデジタル化を含むステップ２１０を経由してステップ２０２に戻り、次に、ステップ２２４へ直接戻る。オートフォーカスが必要に応じて、デジタル化されるべき試料１２の部分のサイズと、利用される顕微鏡対物レンズ１６の被写界深度とに基づき、利用される。

ここで図５Ａおよび５Ｂを参照すると、本発明による画像表示フレーム１００の模式図が示されており、これは、ステップ２１６による画像７６の対話式調査の目的で、ディスプレイモニタ４６に画像７６を表示するためのグラフィカルユーザインターフェースの１つの実施形態を表す。先の例で示された画像７６など、約３６，０００×１８，０００画素以上のオーダーであり得る画像７６の表示は、ディスプレイモニタ４６などの従来のモニタまたは表示デバイス上では不可能である。１９インチの日立ＣＭ７５１モニタなどの現在利用可能なモニタの画素の最大数は、約１６００×１２００画素であり、１０２４×７６８画素がより一般的である。したがって、どの時点でも画像７６の一部分しか、画像７６全体の完全な解像度で表示することができない。しかし、画像７６の低解像度バージョンであるマクロ画像１０２をディスプレイモニタ４６上に、画像７６の一部分に相当する高解像度ズーム画像１０４と一緒に表示することは可能である。ズーム画像１０４として表示されるマクロ画像１０２の領域は、オペレータによってマクロ画像１０２全体にわたって対話式にサイズ設定し移動できるズーム領域１０６として、マクロ画像１０２自体の上に表示される。その最も単純な実施形態では、ズーム領域１０６は固定された長方形領域であるが、手描きされた領域を含む他のアイコンまたは形状もまた実施することができる。ズーム領域１０６は、マクロ画像１０２とズーム画像１０４との間の重要な関連性を提示する。マクロ画像１０２の拡大された視像が図５Ｂに、マクロ画像１０２の中の８つの模式対象物の存在を説明の目的だけで強調表示して、Ｏ１１０８、Ｏ２１１０、Ｏ３１１２、Ｏ４１１４、Ｏ５１１６、Ｏ６１１８、Ｏ７１２０およびＯ８１２２と示された４つの円および４つの長方形として、示されている。同様の部類の、この場合は同様の形状の対象物のそれぞれは、特有なパターンによって同じ部類の他の対象物と区別される。非常に単純な対象物を使用するのは、画像表示フレーム１００に表示された異なるタイプの情報間の関係を図示し明確にすることだけを意図している。この場合、対象Ｏ１１０８およびＯ２１１２は、ズーム領域１０６内にあり、したがって、オペレータがサイズ設定可能なズーム窓１２４の一部であるズーム画像１０４に表示される。ユーザは、画像表示フレーム１００の一部でもあるユーザコマンド窓１２６の一部であるアイコンを用いて、ズーム画像１０４の電子ズームを増大させることができる。１つの実施形態では、これらのアイコンが、指示デバイスとしてマウスを用いてクリックされるが、１つのアイコンを指し示す、または１つのアイコンと関係づけられた機能を呼び出す他の手段が従来技術で知られており、ここで同様に用いることができる。コマンドアイコンは、画像表示フレーム１００の一部であるいずれの窓にも、ユーザコマンド窓１２６も含め、取り入れることができる。例えば、電子ズームアイコンは、ズーム窓１２４の一部とすることができる。電子ズームが増大するにつれて、ズーム領域１０６のサイズは、一定サイズのズーム画像１０４が維持されるようにマクロ画像１０２上で小さくなる。

画像のいずれかに関する一般的な情報は、その画像に対応する窓の一部として表示することができる。例えば、マクロ窓１２８は、マクロ画像１０２のサイズを画素単位で、ズーム領域１０６のサイズを画素単位で表示し、またズーム領域１０６の中心画素座標を表示することができる。ズーム窓１２４は、ズーム画像１０４に適用された電子ズーム量を、物理的な寸法との関連性と一緒に表示することができる。マクロ窓１２８およびズーム窓１２４などのすべての窓のサイズおよび形は、任意のｗｉｎｄｏｗｓベースのソフトウェアが機能するのと同様に、縦横比が異なる別々の試料タイプに対応するようにオペレータが対話式に変更することができる。

ステップ２１４の結果として、画像７６に専用コンピュータプログラムを適用することが、画像表示フレーム１００の対象物窓１３０に表示される。本発明の好ましい本実施形態の対象物窓１３０は、対象物画像１３２などの、各々が大きな連続デジタル画像７６の異なる部分に相当する多くの対象物画像を含む。そのサイズに応じて、対象物画像１３２は、低解像度サムプリント画像として画像ギャラリータイプ配置で表示することができる。対象物画像１３２の１つをクリックする、または指し示すことによりまた、対象物画像１３２が、ズーム窓１２４の一部であるズーム画像１０４のように最高解像度で表示されることになる。対象物窓１３０の中に対象物画像１３２を表示するための基準は、ステップ２１４で画像７６に適用される専用コンピュータプログラムに基づく。本例において、専用コンピュータプログラムは、すべての対象物、この場合、対象物Ｏ１１０８から対象物Ｏ８１２２までが存在するか画像７６を探索するために、単純な境界検出およびセグメンテーションアルゴリズムを用い、対象物窓１３０に対象物画像１３２としてこれらの対象物を表示する。その場合、別の専用コンピュータプログラム、例えば対象物を数えることができ、正方形と円とを識別することができるものは、各対象物画像１３２に適用して、さらなるレベルの分類を行うことができる。その結果を、この場合では多数の結果を、画像表示フレーム１００の分析窓１３４に表示することができる。本例における分析窓１３４は、対象物の総計、この場合には８を、正方形および丸の２つの種類の形のいずれかの対象物の総計と同様に含むことができる。画像７６に適用することができる多くのタイプの専用コンピュータプログラムと、このような専用コンピュータプログラムを画像７６に適用することの結果として対象物窓１３０に表示され得る、多くのタイプの対象物画像１３２とがある。また、多くの対象物画像１３２に適用されて、様々なフォーマットで分析窓１３４に後で表示するために高いレベルの対象物分類を行うことができる、多くのタイプのより洗練された専用コンピュータプログラムもある。画像表示フレーム１００のユーザコマンド窓１２６は、ステップ２１４の一部として行われる画像解析の属性と、ステップ２１６での画像７６の見直しの基準とを対話式に選択するための窓を提供する。

ここで、動的画像表示フレーム１５０の概略図が、ステップ２１６に従って画像７６を対話式で見直す目的のためにディスプレイモニタ４６に画像７６を動的に表示する、本発明によるグラフィックユーザインターフェースを表す図６Ａおよび６Ｂを参照する。画像７６を対話式に見直す方法は、試料１２を従来の顕微鏡で低度から中度の解像度で、同時に顕微鏡の接眼レンズを通して光信号を見ながら手動スキャンする代わりに、デジタル画像を提示することが意図されている。好ましい本発明の目的の１つは、試料１２の手動スキャンを、ディスプレイモニタ４６上で、試料１２の一部分のデジタル化である、かつ好ましくは試料１２の回折制限のデジタル化である、画像７６を動的に見ることに置き換える手段を提供することである。この方法には、快適かつ制御された観察環境を含めて、多くの利点があり、この観察環境では、デジタル画像データに適用される知的スキャン電子ズーミング方法が、画像中に選別対象物（例えば異常細胞）を発見する責任を負ったオペレータの生産性を増すことができる。識別される特定の対象物は次に、ステップ２１８および２２０の決定論理に応じて、従来の顕微鏡下で、またはスキャナ１１を用いて、再配置することができる。スキャナ１１をネットワーク４２に接続することによって得られる別の利点は、試料１２にアクセスする必要なしに、画像７６の動的観察を遠隔で実施できることである。さらに、試料１２のデジタル化バージョン（すなわち画像７６）を見直すこと自体が、観察された画像７６の特定の領域を監視するための様々な技術に加わる。また、オペレータが画像７６の特定の領域を観察するのに費やした時間を測定することも簡単である。

動画像表示フレーム１５０は、前に論じられた図５Ａの画像表示フレーム１００内のものと同一の、マクロ窓１２８の中のマクロ画像１０２を含む。動画像表示フレーム１５０はまた、ズーム窓１２４内のズーム画像１０４と、前に示した画像表示フレーム１００と同様の、マクロ画像１０２をズーム画像１０４に関係づけるズーム領域１０６とを含む。すべての窓のサイズはオペレータが変えることができるが、動画像表示フレーム１５０内のズーム窓１２４は通常、動画像１５２を動画窓１５４内で十分な解像度で表示できるようにするために、前に示した画像表示フレーム１００内のものよりも小さくなる。動画像１５２は、オペレータによって決定された速度および方向で画像７６をスキャンすることをシミュレートするための、必要に応じて更新される最高解像度の動的画像である。３６，０００×１８，０００画素である画像７６などの画像の例を再び参照すると、動画像１５２は、大きな画像７６を、ユーザ選択可能解像度でディスプレイモニタ４６に表示できる複数の動画像ストリップ１５６に分割することによって、生成することができる。例えば、所望の動画像解像度が６００×６００画素である場合、画像７６は、６００×３６，０００画素からなる３０個の動画像ストリップ１５６に分割されるか、または別法として、６００×１８，０００画素からなる６０個の動画像ストリップ１５６に分割される。動画像ストリップ１５６は次に、試料１２の画像７６のスキャンをシミュレートするために、動画像表示フレーム１５０の動画窓１５４に表示される。ｘ軸またはｙ軸に沿ったスキャンをシミュレートする１つの方法は、動画像１５２の対向するエッジに沿って画像画素の少なくとも１つの新しい列を追加しながら、前に示した少なくとも１つの画素の列を動画像１５２の１つのエッジに沿って除去することである。説明した互いに異なる一連の動画像１５２は、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＭｅｄｉａＰｌａｙｅｒなどの従来のブラウザソフトウェアを用いて、ディスプレイモニタ４６上の動画窓１５４で再生され表示されるデジタル動画の個々のフレームを含むことができる。このタイプのシミュレートされるスキャンは、手動で試料１２をスキャンしながら従来の顕微鏡の双眼鏡で観察され得るものと類似している。

試料１２の画像７６のこのタイプのシミュレートされたスキャンの潜在的な欠点の１つは、動画像１５２内の対象物が通常は動いていることであり、それによって、オペレータが対象物を識別することが困難になり、あるいは、試料１２の画像７６をスキャンするプロセスの間にオペレータが複数の停止および進行コマンドを実行することが必要になる。動くことのマイナス効果がない代替スキャン方法もまたスキャナ１１によって実現することができる。この代替プロセスは、動画像ストリップ１５６を、例えばそれぞれ６００×６００画素の連続した画像フィールドに分割し、次に、これらの連続した画像を一度に１つずつ、好ましくは画像間でいくらかオーバラップして、一連の動画像１５２として表示することを含む。６００×６００画素の画像に特に言及しているのは、この発案の原理を単に説明するためということにすぎない。というのは、他のサイズの画像もまた用いることができるからである。従来の顕微鏡で試料１２を観察することに勝る利点が得られる、画像７６を動的に見直す方法が多くあることは明らかなはずである。動画像１５２として前に観察された画像７６の領域を示すために、マクロ画像１０２自体の上に、スキャントラッカー１５８を示すことができる。オペレータが画像７６のシミュレートされたスキャン速度を制御することができるので、オペレータは、いくつかの領域では他よりも多くの時間を費やすことができる。スキャントラッカー１５８は、相対的滞在時間を示すために例えばカラーコード化して、画像７６の見直しの完全さに関するオペレータへの即時フィードバックをすることができる。シミュレートされた画像のより進歩した他のスキャン方法もまた実現可能である。例えば、専用コンピュータアルゴリズムにより、画像７６の領域をその重要性に関してランク付けし、このような相対的重要性基準に従って動画像１５２を提示することができる。まばらな画像については、空き領域を完全にスキップして、画像７６の本質的に空白のフィールドの観察を不要にすることにより、オペレータがより有能になり得る。動画像１５２から画像７６のいくつかの要素を除去するために、専用コンピュータアルゴリズムを使用することができる。例えば、画像７６の分析には重要ではないであろう、または画像７６に関係した診断をするのに関係がないであろうクラッタもしくは対象物、または細胞は、動画像１５２を表示する前に画像７６から削除することができる。ジョイスティック、トラックボール、ゲームパッドまたは足踏みペダルなどの人間工学的コントローラもまた、動画像表示フレーム１５０のユーザコマンド窓１２６内のアイコンまたはボタンをクリックすること、および指し示すことについてのさらなる性能改善を実現するために、利用することができる。画像７６を動的に見直すのに有用であり得る機能の例には、前方再生、後方再生、早送り、巻き戻し、休止、ループなどの機能、および従来のビデオ再生または編集環境で見ることができるものに類似している他の機能が含まれる。状況によって、個々の画像フレーム、対象物座標、または画像７６の将来の参照または後の見直しのための他のデータを格納する必要があり得ることもまた理解されたい。

本発明を特定の実施形態によって図示し説明したが、添付の特許請求の範囲およびその等価物により定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更および修正が加えられ得ることを理解されたい。

Claims

最大領域を有する試料の表面によって画定された主要試料面を有する顕微鏡試料の少なくとも一つの部分を自動的にデジタル化するためのスキャナであって、
第一方法および第二方法で試料を取り付けとともに移動させるための電動ステージであって、第一方法は、第一位置及び第二位置で画定された主要進行軸に沿って、予め決められた第一位置と予め決められた第二位置との間を実質的に一定速度で試料面にある試料を動かすことであり、第二方法は、進行主軸に直角であり試料面にある第二の軸に沿って試料を動かすことである電動ステージと、
試料の少なくとも一つの部分が照明される照明システムと、
照明システムによって照明された試料の部分に関して中心にある光軸に沿って位置決めされ、試料面に直角である少なくとも一つの顕微鏡対物レンズと、
顕微鏡対物レンズからの光学信号が光軸に直角の画像面上に合焦されている合焦光学系と
、
少なくとも一つの一次元配列で配置された複数の光応答性要素を備える少なくとも一つのカメラであって、カメラが照明システムによって照明された電動ステージの上に試料の領域の一次元の観察フィールドを有するように光応答性要素が、電動ステージに関する画像面に位置決めされ、且つ進行主軸に直角であるカメラと、
予め決められた試料の動きに同期して、複数の光応答性要素からの光強度をデジタル化、処理、および格納するためのデータ処理装置であって、試料動きは、試料の第一の画像ストリップを得るために第一方法で試料を動かすものであり、次に、第二の連続した画像ストリップを得て、試料の完全な画像を生成するために試料の部分をデジタル化するために必要なときに試料を動かすことを繰り返すことのためにカメラを位置決めする第二方法で試料を動かすものであるデータ処理装置と、
を備えることを特徴とするスキャナ。
電動ステージとデータ処理装置との間に接続されたステージコントローラをさらに備え、上記データ処理装置が電動ステージの位置を決定することを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
電動ステージは、光軸に沿って試料を動かす第三の方法で試料を移動させることができることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
光軸に沿って対物レンズを移動させるために、少なくとも一つの顕微鏡対物レンズに取り付けられたピエゾのポジショナーをさらに備えることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
ピエゾのポジショナーとデータ処理装置とに接続されたピエゾのコントローラをさらに備え、データ処理装置がピエゾのポジショナーを監督することを特徴とする、請求項４記載のスキャナ。
電動ステージが複数のステッパーモーターを備えることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
電動ステージが複数のサーボモータと複数の位置決めエンコーダとを備えることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
照明システムが、光源及び照明光学系を備えることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
光源および照明光学系は、透過モード光学顕微鏡検査に最適化されていることを特徴とする、請求項８記載のスキャナ。
光源は、強度可変のハロゲンランプ、凹面の反射鏡および熱抑止フィルタを備えることを特徴とする、請求項９記載のスキャナ。
光源および照明光学系は、試料の少なくとも一つの実質的に円形部分を照明することを特徴とする、請求項８記載のスキャナ。
光源および照明光学系は、反射モード光学顕微鏡検査に最適化されていることを特徴とする、請求項８記載のスキャナ。
光源および照明光学系は、蛍光モード光学顕微鏡検査に最適化されていることを特徴とする、請求項８記載のスキャナ。
光源および照明光学系が各々データ処理装置に接続され、データ処理装置が最適の照明を維持することを特徴とする、請求項８記載のスキャナ。
少なくとも一つの顕微鏡対物レンズが無限修正タイプであることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
合焦光学系が機械的なチューブの内部に取り付けられたチューブレンズ光学を備えることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
チューブレンズ光学系は回折限界の画像を提供するために選択されていることを特徴とする、請求項１６記載のスキャナ。
少なくとも一つのカメラは一次元スキャンカメラを含むことを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
一次元スキャンカメラは、双方向スキャンすることができることを特徴とする、請求項１８記載のスキャナ。
データ処理装置に接続されたメモリーをさらに備え、データが格納されることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
データ処理装置に接続された通信ポートをさらに備え、スキャナがネットワークを介して少なくとも一つのコンピュータと通信することを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
少なくとも一つの顕微鏡対物レンズと合焦光学系との間で光軸に沿って位置決めされた蛍光フィルタ立方体をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
少なくとも一つの顕微鏡対物レンズと合焦光学系との間で光軸に沿って位置決めされたビームスプリッターをさらに備え、顕微鏡対物レンズからの光学信号が、少なくとも一つの第二光軸に分割されていることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
ビームスプリッターからの光学信号が、少なくとも一つの第二光軸と直角である第二画像面の上に合焦される第二合焦光学系と、
第二画像面に位置決めされた複数の光応答性要素を含む少なくとも一つの第二カメラと、
をさらに備え、
第二カメラがデータ処理装置に接続されていることを特徴とする、請求項２３記載のスキャナ。
少なくとも一つの第二カメラは二次元スキャンカメラを備えることを特徴とする、請求項２４記載のスキャナ。
複数の顕微鏡対物レンズを保持することができる電動前金具と、
少なくとも一つの第二顕微鏡対物レンズと、
をさらに備え、
少なくとも一つの顕微鏡対物レンズおよび少なくとも一つの第二顕微鏡対物レンズの両方は、電動前金具によって保持されていることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
電動前金具とデータ処理装置との間に接続された前金具コントローラをさらに備え、データ処理装置は、電動前金具によって保持された複数の顕微鏡対物レンズの中から選択することを特徴とする、請求項２６記載のスキャナ。
第一方法及び第二方法で少なくとも一つの顕微鏡対物レンズを保持し且つ動かすことのできる電動前金具をさらに備え、
第一方法は、第一位置及び第二位置で画定された進行主軸に沿って、予め決められた第一位置と予め決められた第二位置との間で実質的に一定速度で試料面に並行に顕微鏡対物レンズを動かすものであり、
第二方法は、進行主軸に直角であり試料平行面にある第二軸に沿って顕微鏡対物レンズを動かすものであることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
電動前金具とデータ処理装置との間に接続された前金具コントローラをさらに備え、
データ処理装置は、電動前金具によって保持された顕微鏡対物レンズの位置を決定することを特徴とする、請求項２８記載のスキャナ。
ローカルの出力装置および少なくとも一つのローカルの入力装置をさらに備え、それぞれがスキャナのデータ処理装置に接続されていることを特徴とする、請求項１記載のスキャナ。
最大領域を有する試料の表面によって画定された主要試料面を有する顕微鏡試料の少なくとも一つの部分を自動的にデジタル化するためのスキャナであって、
試料を取り付けるためのステージと、
試料の少なくとも一つの部分が照明される照明システムと、
照明システムによって照明された試料の部分に関して中心にある光軸に沿って位置決めされ、試料面に直角である少なくとも一つの顕微鏡対物レンズと、
第一方法および第二方法で少なくとも一つの顕微鏡対物レンズを保持し且つ動かすことのできる電動前金具であって、第一方法が、第一位置及び第二位置で画定された進行主軸に沿って、予め決められた第一位置と予め決められた第二位置との間で実質的に一定速度で試料面と並行に顕微鏡対物レンズを動かすものであり、第二方法が、進行主軸に直角であり且つ試料平行面にある第二軸に沿って顕微鏡対物レンズを動かすものである電動前金具と、
顕微鏡対物レンズからの光学信号が光軸に直角の画像面上に合焦される合焦光学系と、
少なくとも一つの一次元配列で配置された複数の光応答性要素を備える少なくとも一つのカメラであって、光応答性要素は、カメラが照明システムによって照明されたステージ上にある試料の領域の一次元の観察フィールドを有し、且つ、進行主軸に直角であるようにステージに関して画像面に位置決めされているカメラと、
予め決められた顕微鏡対物レンズの動きに同期して、複数の光応答性要素からの光強度をデジタル化、処理、及び格納するためのデータ処理装置であって、顕微鏡対物レンズの動きが、試料の第一のストリップ画像を得るために第一方法で顕微鏡対物レンズを動かすものであり、次に、第二の連続したストリップ画像を得て、試料の部分の完全な画像を生成するために試料の部分をデジタル化するために必要なときに顕微鏡対物レンズを動かすことを繰り返すことのためにカメラを位置決めする第二方法で顕微鏡対物レンズを動かすものであるデータ処理装置と、
を備えることを特徴とするスキャナ。
電動前金具とデータ処理装置との間に接続された前金具コントローラをさらに備え、データ処理装置が電動前金具によって保持された顕微鏡対物レンズの位置を決定することを特徴とする、請求項３１記載のスキャナ。
ステージは、第一方法及び第二方法で試料を取り付け且つ動かすための電動ステージをさらに備え、
第一方法は、第一位置及び第二位置で画定された進行主軸に沿って、予め決められた第一位置と予め決められた第二位置との間で実質的に一定速度で試料面にある試料を動かすものであり、
第二方法は、進行主軸に直角であり試料面にある第二軸に沿って試料を動かすものであることを特徴とする、請求項３１記載のスキャナ。
電動ステージとデータ処理装置との間に接続されたステージコントローラをさらに備え、データ処理装置が電動ステージの位置を決定することを特徴とする、請求項３３記載のスキャナ。
最大領域を有する試料の表面によって画定された主要試料面を有する顕微鏡試料の少なくとも一つの部分を自動的にデジタル化し且つ調査するための光学顕微鏡使用システムであって、
ネットワークと、
ネットワークに接続された少なくとも一つのコンピュータと、
ネットワークに接続されたスキャナであって、
第一方法および第二方法で試料を取り付け且つ動かすための電動ステージであって、第一方法は、第一位置及び第二位置で画定された進行主軸に沿って、予め決められた第一位置と予め決められた第二位置との間で実質的に一定速度で試料面にある試料を動かすものであり、第二方法は、進行主軸に直角であり試料面にある第二軸に沿って試料を動かすものである電動ステージと、
試料の少なくとも一つの部分が照明される照明システムと、
照明システムによって照明された試料の部分に関して中心にある光軸に沿って位置決めされ且つ試料面に直角である少なくとも一つの顕微鏡対物レンズと、
光軸に直角の画像面上に顕微鏡対物レンズからの光学信号が合焦される合焦光学系と、
少なくとも一つの一次元配列で配置された複数の光応答性要素を備える少なくとも一つのカメラと、カメラが照明システムによって照明された電動ステージ上に試料の領域の一次元の観察フィールドを有し、進行主軸に直角であるように、光応答性要素が電動ステージに関して画像面に位置決めされているカメラと、
予め決められた試料の動きに同期して、複数の光応答性要素からの光強度をデジタル化、処理、及び格納するためのデータ処理装置であって、試料の動きが、試料の第一のストリップ画像を得るために第一方法で試料を動かすものであり、次に、第二の連続したストリップ画像を得て、試料の部分の完全な画像を生成するために試料の部分をデジタル化するために必要なときに試料を動かすことを繰り返すことのためにカメラを位置決めする第二方法で試料を動かすものであるデータ処理装置と、を備えるスキャナと、
を備えることを特徴とする光学顕微鏡使用システム。
ローカルの出力装置および少なくとも一つのローカルの入力装置をさらに備え、各々がスキャナに接続されていることを特徴とする、請求項３５記載のシステム。
最大領域を有する試料の表面によって画定された主要試料面を有する顕微鏡試料の少なくとも一つの部分をスキャナで自動的にデジタル化する方法であって、
上記スキャナが一次元配列カメラデジタル検出器を備え、
該方法が、
試料が実質的に一定速度で一次元配列カメラデジタル検出器に関して移動する間、試料の一部分から第一の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップと、
試料の連続した一部分に対して検出器を位置決めするために試料を動かすステップと、
試料が実質的に一定速度で検出器に関して動いている間、試料の連続した一部分から第二の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップと、
顕微鏡試料の部分が完全にデジタル化されるまで、連続した画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップを繰り返すステップと、
を備えることを特徴とする方法。
第一の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップが第一方向で実行され、第一の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップが第一方向と反対方向の第二方向で実行されることを特徴とする、請求項３７記載の方法。
複数の連続した画像ストリップから連続した画像を組み立てるステップをさらに備えることを特徴とする、請求項３７記載の方法。
最大領域を有する試料の表面によって画定された主要試料面を有する顕微鏡試料の少なくとも一つの部分を、光学顕微鏡使用システムで自動的にデジタル化し且つ調査する方法であって、
光学顕微鏡使用システムが、ネットワーク、ネットワークに接続された少なくとも一つのコンピュータ、及びネットワークに接続されたスキャナを備え、
スキャナが一次元配列カメラデジタル検出器を有し、
上記方法が、
スキャナを初期化するステップと、
スキャナで顕微鏡試料の部分の画像を自動的にデジタル化するステップであって、
試料が実質的に一定速度で一次元配列カメラデジタル検出器に関して動いている間、試料の一部分から第一の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップと、
試料の連続した部分に検出器を位置決めするために試料を動かすステップと、
試料が実質的に一定速度で検出器に関して動いている間、試料の連続した部分からの第二の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップと、
顕微鏡試料の部分が完全にデジタル化されるまで、連続した画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップを繰り返すステップと、
を通じてスキャナで顕微鏡試料の部分の画像を自動的にデジタル化するステップと、
コンピュータでデジタル化された画像の調査するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
第一の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップが第一方向で実行され、第二の画像ストリップをデジタルでスキャンし且つ格納するステップが、第一方向と反対方向である第二方向で実行されることを特徴とする、請求項４０の方法。
デジタル化画像の調査に基づいて試料にリターン分析すべきかどうか決定するステップと、
リターン分析を支持する決定に際して、リターン分析が従来の顕微鏡またはスキャナによって行なわれるかどうかを決定するステップと、
をさらに備えることを特徴とする、請求項４０の方法。
顕微鏡試料の一部分の少なくとも一つの完全な画像に対するコンピュータ画像観察フレームは、
マクロ画像が表示されるマクロ窓と、
低解像度での少なくとも一つの対象画像が表示される対象窓と、
高解像度でのズーム画像または対象画像が表示されるズーム窓と、
少なくとも一つのコントロールアイコンが表示されるユーザコマンド窓と、
を備えることを特徴とするコンピュータ画像観察フレーム。
少なくとも一つの統計量が表示されている分析窓をさらに備えることを特徴とする、請求項４３記載のフレーム。
いずれの複数の画像属性も、分析の基礎として対話式に選択されることを特徴とする、請求項４４記載のフレーム。
いずれの窓も、全てのフレーム内に対話式に大きさを合わせられ且つ動かされることを特徴とする、請求項４３記載のフレーム。
ズーム窓に表示されたズーム画像に相当するマクロ窓に表示されたズーム領域をさらに備えることを特徴とする、請求項４３記載のフレーム。
ズーム領域は、マクロ画像全体に関して対話式に大きさを合わせられ且つ動かされることを特徴とする、請求項４７記載のフレーム。
顕微鏡試料の一部分の少なくとも一つの完全な画像に対するコンピュータ画像観察フレームを生成する方法であって、
上記方法は、
マクロ窓にマクロ画像を表示するステップと、
対象窓に少なくとも一つの対象画像を低解像度で表示するステップと、
ズーム窓にズーム画像または対象画像を高解像度で表示するステップと、
ユーザコマンド窓に少なくとも一つのコントロールアイコンを表示するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
分析窓に少なくとも一つの統計量を表示するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項４９記載の方法。
分析の基礎としていずれの複数の画像属性をも対話式に選択するステップを備えることを特徴とする、請求項５０記載の方法。
全てのフレーム内にいずれの窓をも対話式に大きさを合わせるとともに動かすステップをさらに備えることを特徴とする、請求項４９記載の方法。
ズーム窓に表示されたズーム画像に相当するマクロ窓にズーム領域を表示するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項４９記載の方法。
マクロ画像全体に関してズーム領域を対話式に大きさを合わせるとともに動かすステップをさらに備えることを特徴とする、請求項５３記載の方法。
顕微鏡試料の一部分の少なくとも一つの完全な画像に対する動的なコンピュータ画像観察フレームであって、
マクロ画像が表示されるマクロ窓と、
映画画像が表示される映画窓と、
ズーム画像が表示されるズーム窓と、
少なくとも一つのコントロールアイコンが表示されるユーザコマンド窓と、
を備えることを特徴とする動的なコンピュータ画像観察フレーム。
少なくとも一つの統計量が表示される分析窓をさらに備えることを特徴とする、請求項５５記載のフレーム。
いずれの複数の画像属性も、分析の基礎として対話式に選択されることを特徴とする、請求項５６記載のフレーム。
いずれの窓も、全てのフレーム内に対話式に大きさを合わせられるとともに動かされることを特徴とする、請求項５５記載のフレーム。
ズーム窓に表示されたズーム画像に相当するマクロ窓に表示されたズーム領域を備えることを特徴とする、請求項５５記載のフレーム。
ズーム領域がマクロ画像全体に関して対話式に大きさを合わせられ且つ動かされることを特徴とする、請求項５９記載のフレーム。
映画窓に表示されているマクロ画像の領域に相当するマクロ窓に表示されたスキャントラッカーをさらに備えることを特徴とする、請求項５５記載のフレーム。
顕微鏡試料の一部分の少なくとも一つの完全な画像に対する動的なコンピュータ画像観察フレームを生成する方法であって、
上記方法は、
マクロ窓にマクロ画像を表示するステップと、
映画窓中に映画画像を表示するステップと、
ズーム窓にズーム画像を表示するステップと、
ユーザコマンド窓に少なくとも一つのコントロールアイコンを表示するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
分析窓に少なくとも一つの統計量を表示するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項６２記載の方法。
分析の基礎としていずれの複数の画像属性をも対話式に選択するステップを備えることを特徴とする、請求項６３記載の方法。
全てのフレーム内にいずれの窓をも対話式に大きさを合わせるとともに動かすステップをさらに備えることを特徴とする、請求項６２記載の方法。
ズーム窓に表示されたズーム画像に相当するマクロ窓にズーム領域を表示するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項６２記載の方法。
マクロ画像全体に関してズーム領域を対話式に大きさを合わせるとともに動かすステップをさらに備えることを特徴とする、請求項６６記載の方法。
映画窓に表示されているマクロ画像の領域に相当するマクロ窓にスキャントラッカーを表示するステップをさらに備える、請求項６２記載の方法。
顕微鏡試料の一部分の少なくとも一つの完全な画像に対して動的なコンピュータ映画画像を生成する方法であって、
上記方法は、
完全な画像を複数の映画画像ストリップに分割するステップと、
従来の顕微鏡の手動スキャンの動きをシミュレートする方法で映画窓に複数の映画画像ストリップの一つの少なくとも一つの部分を表示するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
それらの画像内容に基づいた映画画像ストリップの部分をランク付けするステップと、ランク順でそれらの部分を表示するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項６９記載の方法。
重要でないランクの映画画像ストリップの部分は表示されないことを特徴とする、請求項７０記載の方法。
重要度が低ランクの映画画像ストリップの部分は、第一の速度で表示され、重要度が高ランクの映画画像ストリップの部分は、第二の速度で表示され、第一の速度が第二の速度より速いことを特徴とする、請求項７０記載の方法。
それらの画像内容に基づいた映画画像ストリップの要素を評価するステップと、ユーザにとって重要でない要素を除去するステップとをさらに備えることを特徴とする、請求項６９記載の方法。