JP4064550B2 - プログラム可能であり空間的に光変調された顕微鏡および顕微鏡による方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点点顕微鏡、特にプログラム可能であり空間的に光変調されたまたはプログラム可能なアレイ顕微鏡と、照射および／または検出のために自由にプログラム可能なパターンを使用する顕微鏡方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポイント走査システムに基づいた照射および検出開口の共役対を有する共焦点点顕微鏡は、直接光区分により極微物体を調査するように極微物体をイメージする有用な器具である。ディスクリートな開口スポットは顕微鏡の対物平面で照射され、そこから反射された光または蛍光性の光が画像平面の共役検出開口を通じて観察される。機械的に変形された開口ディスク（いわゆる複数の開口を有するニコウの円板）を有する走査システム、またはレーザビームで物体を走査するように構成された回転ミラーを有する走査システムに基づいた共焦点顕微鏡（共焦点レーザ走査顕微鏡、ＣＳＬＭ）が通常使用されている。
【０００３】
両走査システムはある制限を有する。開口ディスクは特に照射フィールドに関する制限、劣化したコントラストおよび高い強度損失を有する。ピンホール間の間隔が共焦点効果を維持するだけの大きさでなければならないので、典型的にディスクの３％に満たない程度が透過性である。一方、ＣＳＬＭの走査ミラーは逐次的な１つの点のデータ獲得により低いデューティサイクルを生じる。
【０００４】
強度損失の問題は開口補正顕微鏡の導入により発生し、このことはR. JuskaitisとT. Wilson による“Nature”（383 巻、1996年、 804〜806 頁）と、T. Wilson とR. Juskaitisによる“Optics Letters”（21巻、1996年、1879〜1881頁）に記載されている。図９で概略して示されているようなこのような顕微鏡は、試験体照射のために光源とプログラム可能な開口マスクとの組合わせにより形成される多点光源を使用している。試験体により反射される光の検出は、同一の開口マスクを通じてカメラにより行われる。開口マスクは、アドレス可能な画素のアレイにより形成される高速度の空間的光変調器または固定して変調コードが付けられている回転ディスクである。
【０００５】
マスクは補正されていない開口と閉塞のパターンを有し、ディスクの透過性を約５０％まで増加する。 Juskaitis等により使用されるコード化シーケンスを防止する相関のため、検出された画像は共焦点画像と一般的な画像との重畳されたものである。最終的な共焦点画像を獲得するため、前記重畳から削除するように分離する一般的な画像を（例えば回転ディスクのブランクセクタにより）独立して検出することが必要である。
【０００６】
一般的な画像のこの付加的な検出は時間を浪費し、それによって限定されたデータ獲得速度しか得られない。開口補正技術の適用性は透過性の制限によりさらに制限される。それ故、蛍光測定は高い蛍光が生じる例外的な場合でのみ可能である。照射強度の対応する増加により、受入れがたい光損傷または漂白反応が起こる。
【０００７】
これらの欠点に関して、改良された空間的に光変調された顕微鏡がM. Liangによる“Optics Letters”（22巻、1997年、 751〜753 頁）と、対応する米国特許第5 587 832 号明細書に記載されている。この従来技術の顕微鏡が図１０で概略して示されている。２次元の空間光変調器はデジタルマイクロミラー装置（以下“ＤＭＤ”と言う）により形成され、これは光源（レーザまたは白色光源）から照射光をプローブへ反射し、検出光をプローブから２次元検出器へ反射する。ＤＭＤの各マイクロミラーは照射と検出スポットを形成するかしないかを個々に制御可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器としてＤＭＤを使用することによって共焦点画像の直接検出を可能にする。さらに共焦点性に妥協せずに最小の共焦点パターン周期（照射スポットを形成するマイクロミラーの距離）を決定することが可能である。それにもかかわらず、米国特許第5 587 832 号明細書の顕微鏡は、物体の反射光の一部のみしかイメージ形成に使用されることができないので、照射強度が制限される。さらに、イメージ形成に使用されるこの光は“焦点が合っていない”オフセットを有し、不都合な方法で共焦点画像のＳＮＲに影響する。したがって従来技術の顕微鏡は一般的な画像を獲得する可能性なしに共焦点イメージに特定化される。
【０００９】
特に細胞またはその一部等の生物物体をイメージする分野における実時間共焦点顕微鏡またはイメージでは、感度、検出速度に関する改良と、さらに測定原理の実行により応用性を拡張することが要求されている。
【００１０】
本発明の目的は、特に実効的な光による区分、高い空間的解像度および／または高い光効率で急速なデータ獲得を可能にする共焦点イメージ形成のための改良された装置および方法を提供することである。本発明の特別な目的は、生物または化学材料（例えば生きた細胞、反応生成物等）の２次元または３次元イメージ、およびしたがって分子構造および機能についての情報を迅速に与えることである。固有の感度および選択性により、分子蛍光は新しいイメージ装置および方法で実行するのに好ましい分光現象である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の目的は、それぞれ請求項１または請求項１４の特徴をもつ共焦点画像装置または方法により解決される。本発明の有用な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明の基本的な考えは、空間光変調器手段（以下ＳＬＭとする）を有するプログラム可能な空間的に光変調された共焦点顕微鏡（以下ＰＡＭとする）として共焦点光イメージシステムの動作であり、それによって試験体または物体から出力された光出力全体は同時または順次的に集められる２つの画像に分解される。通常、空間光変調器手段は変調器素子のアレイを具備し、その透過または反射特性は個々に制御可能である。ＳＬＭ変調器素子の第１のグループ（“オン”−素子）により、物体は照射され、焦点共役画像が集められ、一方、ＳＬＭ変調器素子の第２のグループ（“オフ”−素子）により、非共役画像が集められる。非共役画像は焦点が合っていない光を含んでいる。ＳＬＭ変調器素子により形成される焦点スポットは物体の焦点平面に焦点を結ばれる。
【００１３】
顕微鏡の画像平面に位置されるとき、物体の焦点平面の異なった点に対してそれぞれ共役されたＳＬＭ素子は照射および／または検出に使用されるプログラム可能なアレイを限定する。
【００１４】
第１のグループの変調器素子は個々に制御可能であり、それによって照射スポットのパターンシーケンスは時間依存性の体系的にシフトしたグリッドパターン、または有限の長さの疑似ランダムシーケンスに基づくパターンにより表される。第１のケースでは、第１の画像は共焦点画像に対応する画像であり、第２の画像は非共焦点画像と第１の画像との差画像である。第２のケースでは、第１の画像は共焦点画像と非共焦点画像の重畳であり、第２の画像は非共焦点画像と共焦点画像との差画像である。どんなケースでも、第１の画像は図２で示されているように共役画像の一部を含むことができる。
【００１５】
ＳＬＭは透過または反射モードで動作されることができる。検出手段の検出器システム数に応じて、ＰＡＭはいわゆる単一通路または二重通路のＰＡＭとして構築されることができる。好ましい配列にしたがって、共焦点光イメージシステムの光源手段は白色光ランプと、波長選択手段とを含んでいる。
【００１６】
共焦点光イメージシステムの好ましい応用は、細胞および組織の生物学的調査、解析／生物工学処理、遺伝解析におけるもとの位置の交配、位置選択光化学反応のための光マスクの形成、チップ上における生化学アレイの生成および読出し、半導体産業および／または光記録および読出しにおける大規模の表面検査である。
【００１７】
本発明は以下の利点を有する。ＰＡＭは現存の顕微鏡のモジュール拡張として構成されることができる。一般的なＣＬＳＭで通常拒否される焦点が合っていない光が集められ、焦点の合った画像を強調するために使用される。変調器素子の第１のグループの各素子は個々に制御可能であるかプログラム可能であり、それによって照射スポットのパターンシーケンスは、物体に関する少なくとも１つの予め定められた問題領域を照射する。（任意選択的にレーザにより）全（フル）フィールドおよび／または共焦点イメージができる高度のフレキシブルな白色光顕微鏡の構成が利用可能である。高い光スループットにより、白色光照射は顕微鏡の拡張された応用能力が得られることを可能にする。
【００１８】
“オン”素子および“オフ”素子を介して伝送される両画像の同時の使用は、本発明の特有の特徴であり、特定の改良されたデコンボリューションアルゴリズムで可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のさらに詳細な点および利点を添付図面を参照して以下説明する。
本発明にしたがったプログラム可能なアレイ顕微鏡（ＰＡＭ）は、透過のときに動作する（例えば液晶に基づいたプログラム可能な開口マスクまたはマイクロメカニカルスイッチ）空間光変調器（以下ＳＬＭとする）、または反射のときに動作する空間光変調器（例えばＤＭＤ）に基づいて、構成されることができる。以下の説明では、（１例として）ＤＭＤを有する反射ＳＬＭとを限定ではない方法で参照する。本発明を類似の方法で透過ＳＬＭで実行することができる。
【００２０】
図１は本発明にしたがった蛍光ＰＡＭ100 の概略図を表している。ＰＡＭ100 は基本的に、白色光ランプまたはレーザ源である光源110 と、ＳＬＭとして動作するＤＭＤ120 と、イメージ光学系130 と、プローブ部分140 と、検出システム150 、160 とを含んでいる。
【００２１】
ＤＭＤ120 は方形ミラー 121ａ、 121ｂ…からなり（１つの素子だけがそれぞれ示されている）、それぞれ垂線に対して予め定められた傾斜角度±αにわたって２つの安定な固定状態に別々に傾斜されることができる。傾斜角度αの値は実際に使用されるＤＭＤに依存する。各ミラー素子はＤＭＤに依存する予め定められた面積を有する。好ましいパラメータは例えば２０μｍ以下の方形ミラーでα＝±１０°である。各ミラー素子は予め定められた変調パターンにしたがって、ＫＨｚ範囲の特徴周波数により固定状態間で切換えられることができる。固定状態は、検出システム150 、160 へ偏向される検出された光のそれぞれの共役貢献と非共役貢献にしたがって“オン”と“オフ”位置と呼ばれる。以下概略するように得られる所望の共焦点画像に基づいて両者の貢献は焦点共役画像Ｉ_c と非共役画像Ｉ_ncをそれぞれ生じる。
【００２２】
検出システム150 、160 は共通通路二重反射システムである。この命名法を以下の理由で使用する。“共通通路”は照射および検出が照射開口と検出開口との間の基本的に共通の光路に従うことを意味する。“二重反射”はＳＬＭ素子が光を２つの縦続的な光路に沿って導くことができることを意味する。したがって画像Ｉ_ncとＩ_c （以下参照）は同時に集められることができる。二重通路単一反射システムとして別のシステムを後述する（図４）。
【００２３】
再び図１を参照すると、各通路は２次元カメラ151 、161 と検出光学系111 、112 、162 をそれぞれ含んでいる。カメラ151 は“オン位置”でミラーにより反射された光を検出し、カメラ161 は“オフ位置”で反射された光を受けるように構成されている。
【００２４】
以下、図１にしたがったシステムのカメラ151 による焦点共役画像Ｉ_c の検出と、カメラ161 による焦点共役画像Ｉ_ncの検出を説明する。検出後、画像処理、記憶、表示等のさらに別のステップが付加される。これらのステップは走査システムからよく知られているので、詳細には説明しない。
【００２５】
フレーム集積期間中、ＳＬＭ（ＤＭＤ120 ）の変調パターンは共焦点画像（走査）を発生するためにＮ回変更される。ＳＬＭのｉ番目の変調は以下のように示される。

ここで、ｘ_d ，ｙ_d はＳＬＭの連続座標であり、素子（ミラー）の形状および定型サイズはＳ_i に含まれている。
（焦点共役画像の検出）
焦点共役画像Ｉ_c を得るため、変調Ｓ_i は以下説明するグリッドパターン方法または疑似ランダムシーケンス方法にしたがって選択されることが好ましい。グリッドパターン方法は簡単な構成であり、後処理せずに共焦点画像を生成する利点を有する。疑似ランダムシーケンス方法では幾らかの後処理が必要とされるが、所定の信号レベルに対するフレーム積分時間は基本的に短い。
（ｉ）グリッドパターン方法
グリッドパターン方法では、ＳＬＭの素子（例えばマイクロミラーまたは液晶素子）はグリッドパターンおよびシフトされた体系にしたがってオンに切換えられる。変調パターンは次式にしたがって選択される
Ｓ_a,b （ｘ_d ，ｙ_d ）＝Ｇ（ｘ_d −ａη，ｙ_d −ｂη） （２）
ここで、ηは素子のサイズであり（方形素子は１００％の充填率であると仮定する）、式（１）の指数ｉは２次元整数指数ａ、ｂにより置換され、０≦ａ＜ｎ_x 、０≦ｂ＜ｎ_y である。グリッドは以下の特性により限定される。
【００２６】
【数１】

δ_x ＝ｎ_x ηおよびδ_y ＝ｎ_y ηはグリッドの格子（lattice ）距離である。関数Ｇに含まれている真の格子パラメータは異なった適切な形状を生じる。これらの形状は例えば正方形の形状を有するが、疑似六角形状のグリッドまたは線パターンまたはより複雑な形状も可能である。
【００２７】
距離ｚ_s にわたる変位により軸方向で走査される場合の、物体空間での座標システム（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）中の物体Ｏ（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）の焦点共役画像は次式により得られる。
【００２８】
【数２】

ここでＭは倍率であり、Ｔは総フレーム積分時間であり、Ｈ_em（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）は対物レンズの放射ＰＳＦ（ポイントスプレッド関数）である。Ｉ_G は次式にしたがった総照射である。
【００２９】
【数３】

ここで、Ｈ_em（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）は対物レンズの励起ＰＳＦである。総照射は式（４）を入力し、横方向の空間的に可変のシフトは次式により得られる。
Φ_x ＝ｘ_d ｍｏｄη Φ_y ＝ｙ_d ｍｏｄη （６）
式（４）にしたがった画像はΦ_x 、Φ_y 、ｘ_d 、ｙ_d の依存性により空間的に可変のＰＳＦを有する３次元のコンボリューションとして観察されることができる。ＳＬＭは連続的に走査できず、Ｇ（ｘ_d ，ｙ_d ）は（いわゆるタンデム走査顕微鏡のような既知の顕微鏡における連続動作とは対照的に）ηの整数倍にわたってシフトするだけである。η／Ｍが画像のサンプリング密度と比較して小さいならば、差は無視できる程度である。ηが非常に大きい場合、画像の画素化が生じる。ＰＳＦはηにわたってＳＬＭを走査することにより空間的に不変にされることができる（いわゆるデイザリング）。
【００３０】
式（４）にしたがって無限に薄い蛍光平面の応答における数字のシミュレーションが、焦点平面に関する平面位置の関数として図２に示されている。シミュレーションは例えばパラメータδ_x ＝δ_y ＝｛２，３，５，１０，２０｝、η，素子サイズη＝１７μｍ、ＮＡ＝１．４、Ｍ＝１００、励起波長λ_ex＝６３３ｎｍ、放射波長λ_ex＝６６５ｎｍ、屈折率１．５１５の可変格子距離の正方形グリッドに基づいている。これらのパラメータは本発明の実際的構造にのみ適合する例である。通常の顕微鏡および理想的な共焦点顕微鏡の画像と比較して結果が標準化（正規化）される。通常の応答（以下説明する図２または図５の測定されたデータの最上部線）は有限サイズの画像における無限に大きい物体をシミュレートする結果として予測された直線から偏位している。比較的小さい格子距離においてさえも、背景が増加していることによるが区分効果は明白である。格子距離間隔が増加している場合、応答はより急峻になり、背景抑圧はより効率的である。図２で示されているようなオフセット上昇の類似の動作が、有限長の疑似ランダムシーケンスにおける傾斜間隔が変化されるときに得られる。
（ii）疑似ランダムシーケンス方法
疑似ランダムシーケンス方法では、ＳＬＭの素子も有限長の疑似ランダムシーケンスにしたがって切換えられる。ＳＬＭが所定の積分フレーム内でそのパターンを変化することができる回数が限定されているので、完全に相関されていない変調の理想的な状況を実際に実現することは困難である。それ故、完全な平面はＮ個の２次元パターンＲ_i （ａ，ｂ）の反復されたシーケンスで変調される。数Ｎと１パターンの周期は、シーケンスが１フレームの積分時間と比較して短いように選択されることができる。しかしながら別の選択も可能である。パターンシーケンスＲ_i （ａ，ｂ）は以下の特性を有する。
【００３１】
【数４】

ここで、Ｒ_i （ａ，ｂ）は値１または−１を有する。特性（７）を有する２次元パターンの疑似ランダムシーケンスは周期的なアダーマールマトリックスの１次元行または列の適切なマッピングから得られ、これはHarwit等の“Hadamard Transform Optics ”（Academic Press、1979年、ニューヨーク）に記載されている。Ｓ_i （ｘ_d ，ｙ_d ）は値０および１のみと想定されることができるので、シーケンス（１＋Ｒ_i （ａ，ｂ））／２が使用される。Juskaitis 等の前述の文献にしたがった別の開口相関シーケンス方法が使用されることができる。
【００３２】
ｉ番目のパターンを“傾斜”するための式（３）にしたがったグリッドを基礎として、完全な変調パターンＳ_i （ｘ_d ，ｙ_d ）が形成される。Ｇ（ｘ_d −ａη，ｙ_d −ｂη）＝１の全てのＳＬＭ素子がシーケンス（１＋Ｒ_i （ａ，ｂ））／２を使用して同一方法で切換えられる。ｉ番目の変調は、全ての素子が同時に切換えられるとき全てのａおよびｂにわたる合計により与えられる。
【００３３】
【数５】

結果的な変調と、それにしたがって結果的な信号は２つの部分からなり、ここで第１の部分は一般的なフルライト画像を生成する“一定”変調である。
【００３４】
座標システム（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）の物体Ｏ（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）の焦点共役画像は次式により得られる。
【００３５】
【数６】

疑似ランダムシーケンス方法は全てのＳＬＭの５０％が“オン”であるとき、非常に少ない効率を有する。これは式（９）により支持され、式（９）は第２項のＴ／ｎ_x ｎ_y の代わりに係数Ｔ／４が使用されている点を除いて式（４）に等しい。両者の方法は同一のグリッドＧ（ｘ_d ，ｙ_d ）で同一の共焦点画像を生成するが、疑似ランダムシーケンスは非常に大きい信号を発生し、その強度はシーケンス長とは独立している。
【００３６】
式（９）にしたがった無限の薄い蛍光平面の応答における数値シミュレーションは、一定のオフセットを除いて図２の数値シミュレーションと同一である。
【００３７】
疑似シーケンス方法により共焦点画像を得るため、補償項が減算されなければならない。これはJuskaitis 等により記載された前述の技術にしたがった一般的画像であるか、好ましくは非共役画像である。後者の場合、前者に関して２倍の共焦点信号が得られる。
（非共役画像の検出）
非共役画像Ｉ_ncは第２のカメラ161 でイメージされることができる。代わりに、共役画像Ｉ_c と同様のカメラで非共役画像Ｉ_ncをイメージすることが可能である。共通の通路タイプのこのような単一カメラシステムの１例を図７のＡ、Ｂを参照して以下説明する。本発明にしたがって、全ての蛍光、またはＳＬＭ上に落ちる物体から反射された光はカメラにより収集される。それ故、検出された画像の合計は通常の画像でなければならず、それによって非共役画像Ｉ_ncは式（４）または（９）で得られる通常の画像と共焦点画像との差である。疑似ランダムシーケンスに対して、Ｉ_c とＩ_ncの差は所望の共焦点画像に等しい。
（デコンボリューション）
画像が前述の方法にしたがって得られたならば、さらに改良された物体の再構成または回復のためにデコンボリューションアルゴリズムが条件的に実行されることができる。これはデコンボリューションアルゴリズムの性能が入力画像の特性およびＳＮＲにより強く限定されるので基本的な利点である。共焦点顕微鏡の検出された信号が劣化した回復結果により非常に騒音が大きく、（劣化した分解能を有し区分能力がない）一般的な顕微鏡の検出された信号が非常に強く、改良されたデコンボリューションを可能にする。本発明はデコンボリューションにより共焦点イメージおよび一般的なイメージとの両者の利点を組合わせることを可能にする。前述の限定はデコンボリューションアルゴリズムにしたがって減少され、１以上の光セクションの両画像は適切な増強アルゴリズムで結合される。
【００３８】
増強アルゴリズムは、３以上のセクションが単一の増強された画像を発生するために使用される最隣接方法、または画像の３Ｄスタックが全（フル）３Ｄ再構成に対して使用されるアルゴリズムであり、これはP. J. Verveer とT. M. Jovin の“Journal of the Optical Society of America A ”（14巻、1997年、1696〜1706）に記載されている。後者のモデルは以下のマトリックス表記で説明される。
【００３９】
多次元のディスクリートな画像は画素の積重ねによりベクトルで表示される。多次元線形ぼけ（blurring）動作は１つのマトリックスにより表される。これは次のようなイメージ式を導く。
ｉ＝Ｎ［Ｈｆ＋ｂ］ （１０）
ここでｉ、ｆ、ｂは検出された画像、物体、既知の背景をそれぞれ表している。顕微鏡光学系により誘発されたぼけは線形であると仮定され、マトリックスＨによる乗算で与えられる。関数Ｎ［．］はベクトルアーギュメントの各素子、通常は蛍光イメージにおけるポアッソン分布へ雑音プロセスを適用することを表している。
【００４０】
共役画像ｉ_c ＝Ｎ［Ｈ_c ｆ＋ｂ_c ］および非共役画像ｉ_nc＝Ｎ［Ｈ_ncｆ＋ｂ_nc］の対応する式は、ｉ_c とｉ_ncを１つのベクトルにスタックし、Ｈ_c とＨ_ncを複素演算子へスタックすることによって、本発明にしたがって次のような１つの式に結合されることができる。
【００４１】
【数７】

式（１１）は式（１０）と同一形態であるので、利用可能なアルゴリズムは式 （１１）で簡単に変形されることができる。
【００４２】
式（１０）、（１１）では、画像の次元は無関係である。Ｈの構成は次元に依存するが、アルゴリズム自体はそれに依存しない。通常、次元は３（空間的次元）に等しい。しかしながら、スペクトルまたは時次元等のさらに別の次元が、ただ１つだけのＨの変化に付加されることができる。例えば、時間依存が各画像画素または画像画素のグループで測定されるならば、次元は４に等しい。ぼけが時次元中に存在するならば、これは時次元でＨを拡張することによりデータからデコンボリューションされることができる。以前は空間次元に限定されていたこれらのデコンボリューションアルゴリズムをスペクトルおよび時次元にも適用する能力は本発明の基本的な利点を表している。
（さらに別のＰＡＭ配列）
図３は本発明にしたがった共通通路二重反射ＰＡＭ300 の概略図を示している。図１で示されているのと同様に、ＰＡＭ300 は基本的に、光源310 、ＳＬＭ320 、イメージ光学系330 、プローブ部分340 、検出システム350 、360 を含んでいる。ＰＡＭ300 は側面照射ポート（例えばZeiss Axioplan）を有する顕微鏡とＣＣＤカメラ（例えば、光度測定計のCH220 カメラ、Tucson、米国、コダックKAF1400 CCD センサ付）と組合わせた光源として（例えばテキサスインストルメント社、ダラス、米国）のデジタル光処理キットが使用されることができる。プローブ部分340 は、例えばLudl Electronics Products 社、ホーソン、米国のコンピュータ化された焦点制御装置のようなｚ変位（焦点平面に対して垂直）のための駆動装置を含んでいる。ＰＡＭ300 は変調器素子を制御するための駆動装置、制御装置、計算およびデコンボリューション回路、表示装置（図示せず）を付加的に含んでいる。照射通路はハッチで示されている。
【００４３】
（前述したように）ＤＭＤであるＳＬＭ320 は濾光された白色ランプ光源310 により照射される。フィルタは問題の予め定められた波長範囲用の帯域通過フィルタである。“オン素子” 320ａ（１つの素子のみを図示する）からの反射は対物レンズ342 によって対物平面341 に焦点を結ばれる。対物平面341 で励起された蛍光光は同一の光路を経てＳＬＭ320 へ戻り、ここで、光は半透明ミラー311 上で反射されてＩ_c 路に沿ってフィルタ353 とレンズ352 を経てカメラ351 へ反射される。焦点が外れた位置（例えば図３の挿入図中の平面ｎｃ）から発生した光は“オフ”素子 321ｂ（１つの素子のみが図示されている）によりミラー364 上で反射されてＩ_nc路に沿ってフィルタ363 とレンズ362 を経てカメラ361 へ入射される。共焦点配列は対応するＳＬＭ素子がオフに切換えられたとき焦点平面から光を拒否することを可能にする。フィルタ353 と363 は蛍光測定に適合された長波長の通過フィルタであることが好ましい（λ_em＞λ₀ ）。
【００４４】
図１で示されているように、焦点共役画像Ｉ_c はカメラ351 により収集され、非焦点共役画像Ｉ_ncはカメラ361 により収集される。
【００４５】
図４は本発明の別の実施形態である二重通路単一反射ＰＡＭ400 の概略図を示している。“二重通路”は照射および検出が２つの異なった光路に従うことを意味する。さらに、ＳＬＭは光を２方向で誘導することができるが、単一の反射方向だけが使用される。図３の実施形態では、共焦点は同一のＳＬＭ素子により限定され、図４にしたがって共焦点は照射側のＳＬＭ素子と、検出側のＣＣＤ画素により限定される。
【００４６】
ＰＡＭ400 は、１つの光軸を有する一般的な顕微鏡に簡単な方法で適合され、その光軸上にプローブ部分440 と、画像光学系430 と検出システム450 が配置されている。顕微鏡は前述した構成要素と同じ基本構成要素を具備することができる。光源410 からの照射光は顕微鏡のＳＬＭ420 と側面ポートを経て光軸上でビームスプリッタ（例えば半鍍銀ミラー）へ反射される。
【００４７】
検出システム450 が１つのカメラ451 しか有しないとき、Ｉ_c とＩ_nc画像の分離はカメラ画像の解析を基礎として行われる。解析再構成と組合わせた二重通路ＰＡＭは、簡単な構成能力と高い効率と光学的処理能力とを有する利点がある。
【００４８】
シフトされたグリッド方法にしたがって、“オン”素子の画像画素は最大のグレー値を選択することにより記録されたセットで発見される。ＤＭＤの各ＳＬＭ素子は１つのシリーズで丁度１回だけ“オン”に切換えられ、“オン”状態の画素は最大の強度を有する。Ｉ_c 画像はこれらの選択された画素から再構成され、一方、Ｉ_nc画像は残りの画素の合計から生じる。
【００４９】
疑似ランダムシーケンス方法では、全体の半分を占める最も輝度の高い画像はＩ_c 画像であり、残りの半分はＩ_nc画像である。Ｉ_c 画像とＩ_nc画像は一般的な画像と共焦点画像の和と差をそれぞれ表しているので、共焦点画像は差Ｉ_c −Ｉ_ncにより計算されることができる。
【００５０】
図５は、（５４４μｍのスポット距離に対応する）３２×３２の正方形格子と、１００×１．３ＮＡ（開口の数）のオイル充填対物レンズと、λ＝４５０〜４９０ｎｍであるＤＭＤを使用してＰＡＭの軸応答特性を示している。反射表面の軸方向ｚの走査は、図２のシミュレーションにしたがって強力な光区分能力を示す強度をもつ共焦点画像を生成する。
【００５１】
光区分中の背景信号の抑圧の実験による確証が図６で示されている。反射表面（ミラー）は焦点平面を通ってｚ軸に沿って走査される。パラメータは距離δ_x ＝δ_y ＝｛３，５，１０，２０｝η，η＝１７μｍ（１６μｍサイズ＋ミラー間のギャップ１μｍに対応する）、１００×１．３ＮＡのオイル充填対物レンズと、λ＝４５０〜４９０ｎｍである正方形格子である。
【００５２】
図７のＡ、Ｂは、画像収集用に単一のカメラを使用している２つの照射軸を有する共通通路二重反射ＰＡＭ700 の別の例を示している。この概念は１つのカメラだけを使用して価格を節約し、画像Ｉ_c 、Ｉ_ncに対する光路を形成する素子の光学的整列が簡単であるという利点を有する。
【００５３】
ＰＡＭ700 は図３で示されているＰＡＭ300 と基本的に類似の構成要素、特に光源 710a 、 710ｂ、ＳＬＭ720 、画像光学系730 、対物レンズ743 、プローブ部分740 、検出システム750 を具備している。１つの全（フル）画像の収集は２つのステップで行われる。画像シーケンスの収集では、画像Ｉ_c 、Ｉ_ncは交互に集められる。
【００５４】
最初に、画像Ｉ_c は、半透明ミラー711 、ＳＬＭ720 、画像光学系730 を経て、光源 710ａにより第１の側面から物体を照射し、逆方向の光路に沿ってＳＬＭ720 、半透明ミラー711 、フィルタ753 、レンズ752 を経てカメラ751 により焦点平面画像を検出することにより収集される。この状況は図７のＡに示されている。ＳＬＭ720 の制御に使用されるパターンはＳＬＭで表示される疑似ランダムシーケンスまたはその他のシーケンスに対応して“正”表示と呼ばれる。
【００５５】
次に、図７のＢで示されているように、画像Ｉ_ncは、第２の側面（光源 710ｂ）から物体を照射し、前述の第１のステップでオン素子を制御するために使用したシーケンスにしたがって全てのオフ素子が制御されるいわゆる“負”表示でＳＬＭ720 を制御することにより収集される。照射光が第１のステップ照射と対称的に配置された第２の軸に沿って誘導されるとき、画像Ｉ_c 、Ｉ_ncの位置は逆にされる。
【００５６】
種々の方法にしたがって、例えば２つの照射軸に沿ってミラーにより誘導される単一の光源により、または２つの同一の光源により２面の照射が実行されることができる。
（その他の利点および方法）
一般的な共焦点レーザ走査顕微鏡（ＣＬＳＭ）と比較して本発明によるＰＡＭの改良された性能は以下のような相対的なパラメータ（ＰＡＭ／ＣＬＳＭ）、即ちα 焦点平面における相対的放射、β 相対的な検出器の量子効率、γ １画素当りの相対的な滞留時間、δ 走査開口の相対数から得られることができる。以下の例では、画像フィールドが１０³ ×１０³ 素子（総画素数：Ｎ＝１０⁶ ）、グリッド周期がｎ＝１０と仮定される。したがって、δはＮ／ｎ² ＝１０⁴ に等しい。αとβの典型的な値は、１０^-2（回折が制限されているレーザ光源と比較した全（フル）フィールドランプ照射）と、１０（光増倍器の陰極と比較したＣＣＤセンサ）である。１ｍｓ（ＰＡＭ）と１０μｓ（ＣＬＳＭ）の滞留時間では、γは１００であり、速度（δ／γ）の比例的増加を表している。α・β・γによって表される相対的な信号強度はＰＡＭでは１０倍高くなる。疑似ランダムシーケンス方法は、各ＳＬＭ素子の５０％の活性状態のために信号レベルのさらなる増加（この例ではｎ² ／２）を生じる。したがって、疑似ランダムシーケンス方法は生体内の生物サンプルの顕微鏡調査に好ましい。
【００５７】
ＰＡＭは獲得速度を２桁増加させる潜在性を有する。ＰＡＭのランプ光源はＣＬＳＭのレーザよりも焦点平面で非常に低い放射を生じるが、これは並列に走査されるより多数の点（より長い滞留時間を可能にする）と、検出器におけるより高い量子効率により補償される。
【００５８】
本発明は、細胞および生物組織に関する生物学、実時間の医療診断処理における中間情報としての画像データの導出、（例えば遺伝解析におけるもとの位置の交配等の）分析／生物工学処理、チップ上の生化学アレイの読出し、例えば半導体産業および／または光記録および読出し等における大規模表面検査等の好ましい応用が期待される。
【００５９】
本発明による顕微鏡システムは、例えばプロテイン合成のような光化学反応を開始し同時に監視することを可能にする。適切な波長で予め定められた物質を放射することにより開始が実現され、監視はこれらの物質または反応生成物を顕微鏡測定することによって行われる。特定の応用は（例えばＤＮＡシーケンスの合成等の）位置選択性の光化学反応のための光マスクを基体上に形成することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがった蛍光ＰＡＭの概略図。
【図２】照射スポット格子距離に依存する無限平面のイメージングのシミュレーションのグラフ。
【図３】本発明にしたがった共通通路二重反射ＰＡＭの概略図。
【図４】本発明にしたがった二重通路単一反射ＰＡＭの概略図。
【図５】ＰＡＭの軸応答特性のグラフ。
【図６】区分と背景抑圧のグラフ。
【図７】本発明にしたがった単一カメラの共通通路二重反射ＰＡＭの概略図。
【図８】光区分能力を示している本発明にしたがった顕微鏡画像の図。
【図９】回転ディスク技術（従来技術）を使用している補正されていない開口を生成するための既存のシステムの概略図。
【図１０】空間的に光変調された共焦点顕微鏡（従来技術）の概略図。

Claims (24)

1. 光源手段と、少なくとも１つの２次元検出器カメラを有する検出器手段と、変調器素子の第１および第２のグループを有する空間的光変調器手段とを具備し、変調器素子の第１のグループは、物体の位置を共役するように焦点を結ばれた照射スポットの予め定められたパターンシーケンスにしたがって、検査されるべき物体を照射するように構成され、共役位置からの検出光は検出器手段において第１の画像Ｉ_c を形成する共焦点光イメージシステムにおいて、
   素子の第２のグループは物体の非共役位置で光を集めるように構成され、非共役位置からの検出光は検出器手段において第２の画像Ｉ_ncを形成することを特徴とする共焦点光イメージシステム。
2. 変調器素子の第１のグループの各素子は、照射スポットのパターンシーケンスが時間依存性の体系的シフトグリッドパターンにより表され、第１の画像Ｉ_c が共焦点画像であり、第２の画像Ｉ_ncが非共焦点画像と第１の画像Ｉ_c との差画像であるように個々に制御可能である請求項１記載の共焦点光イメージシステム。
3. 変調器素子の第１のグループの各素子は、照射スポットのパターンシーケンスが有限長の疑似ランダムシーケンスに基づく時間依存性のパターンにより表され、第１の画像Ｉ_c が共焦点画像と非共焦点画像の重畳されたものであり、第２の画像Ｉ_ncが共焦点画像と非共焦点画像との差画像であるように個々に制御可能である請求項１記載の共焦点光イメージシステム。
4. 前記パターンシーケンスは、
   有限長の疑似ランダムシーケンスにしたがって、またＳマトリックスタイプのアダマールシーケンスにしたがって規則的な間隔またはランダムな間隔の体系的にシフトされた単数または複数のラインであり、
   三角形、正方形、長方形、六角形等の規則的なドット格子と、
   いわゆるウォルシュ、シルヴェスター、アダマール、またはゴレイシーケンスに基づいて有限長のランダムパターンまたは疑似ランダムパターンと、
   交差するラインパターンから形成される正方形または長方形グリッドと、
   全（フル）フィールド“オン”パターンと、
   ＳＬＭで逐次的に生成されるとき整数の回数だけＳＬＭ素子をオン切換えするように構成された平面充填パターンと、
   循環アダマールマトリックスの行または列から得られた２次元パターンの反復シーケンスと、または
   上記パターンシーケンスの組合わせとから選択される請求項２または３記載の共焦点光イメージシステム。
5. 検出器手段は両画像Ｉ_c 、Ｉ_ncの結合された検出によってシステムの画像平面で得られる光を収集するように構成されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステム。
6. 空間的光変調器手段は透過マスクまたは反射マスクを具備している請求項１乃至５のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステム。
7. 反射マスクは複数のマイクロミラーを有するデジタルマイクロミラー装置であり、複数のマイクロミラーはそれぞれ垂線に対して予め定められた傾斜角度±αで２つの安定した静止状態に別々に傾斜されることができ、第１、第２の静止状態はそれぞれ変調器素子の第１、第２のグループに影響する請求項６記載の共焦点光イメージシステム。
8. 検出器手段は２つの検出器システムを具備し、それらの検出器システムはそれぞれ第１の画像Ｉ_c または第２の画像Ｉ_ncを集めるための２次元カメラを備えている請求項１乃至７のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステム。
9. 検出器手段は１つの検出器システムを具備し、その検出器システムは第１の画像Ｉ_c と第２の画像Ｉ_ncを同時または逐次的に集めるための２次元カメラを有する請求項１乃至７のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステム。
10. カメラは第１および第２の画像を同時に集めるように構成され、前記イメージシステムはさらに第１の画像Ｉ_c と第２の画像Ｉ_ncを分離するように構成されている画像解析用の回路を具備している請求項９記載の共焦点光イメージシステム。
11. カメラは第１および第２の画像を逐次的に集めるように構成され、それにおいて第１に、変調器素子の第１のグループの各素子が、第１の画像Ｉ_c を集めるための前記パターンシーケンスにしたがって個々に制御され、それに続いて、変調器素子の第２のグループの各素子が、第２の画像Ｉ_ncを集めるための前記パターンシーケンスにしたがって個々に制御され、光源手段は２つの軸に沿って物体を照射する第１、第２の光源を具備している請求項９記載の共焦点光イメージシステム。
12. 検出光は、物体から放射された蛍光または燐光またはラマン散乱光である請求項１乃至１０のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステム。
13. プログラム可能な空間的に光変調された共焦点顕微鏡の一部である請求項１乃至１１のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステム。
14. 光源手段から、変調器素子の第１、第２のグループを有する空間的光変調器手段へ光を導き、
    物体の共役位置に焦点を結ばれた照射スポットの予め定められたパターンシーケンスにしたがって検査されるべき物体に変調器素子の第１のグループから光を導き、
    共役位置から検出器手段へ検出光を導くことによって検出器手段により第１の画像Ｉ_c を収集するステップを有する共焦点光イメージ形成方法において、
    物体の非共役位置から検出器手段へ前記検出光を導くことによって、変調器素子の第２のグループにより物体の非共役位置から検出光を収集し、第２の画像Ｉ_ncを形成することを特徴とする共焦点光イメージ方法。
15. 変調器素子の第１のグループの各素子は個々に制御され、それにおいて照射スポットのパターンシーケンスは物体に関する少なくとも１つの予め定められた問題領域を照射する時間依存性の体系的シフトグリッドパターンであり、第１の画像Ｉ_c は共焦点画像であり、第２の画像Ｉ_ncは非共焦点画像と第１の画像Ｉ_c との差画像である請求項１４記載の共焦点光イメージ方法。
16. 変調器素子の第１のグループの各素子は個々に制御可能であり、それにおいて照射スポットのパターンシーケンスは有限長の疑似ランダムシーケンスに基づき、物体の問題となる少なくとも１つの予め定められた領域を照射する時間依存性のパターンであり、第１の画像Ｉ_c は共焦点画像と非共焦点画像の重畳されたものであり、第２の画像Ｉ_ncは共焦点画像と非共焦点画像との差画像である請求項１５記載の共焦点光イメージ形成方法。
17. 変調器素子の第のグループの各素子は、照射スポットのパターンシーケンスが２次元パターンの反復されたシーケンスにより表されるように個々に制御される請求項１６記載の共焦点光イメージ形成方法。
18. 検出器手段は２次元カメラをそれぞれ含んでいる２つの検出器システムを具備し、第１および第２の画像はそれぞれ２つのカメラにより収集される請求項１４乃至１７のいずれか１項記載の共焦点光イメージ形成方法。
19. 検出器手段は２次元カメラを有する１つの検出器システムを具備し、第１および第２の画像は共にカメラにより収集される請求項１４乃至１７のいずれか１項記載の共焦点光イメージ形成方法。
20. 第１および第２の画像を分離する画像解析をさらに含み、第１の画像の画像画素が最大のグレー値を選択することによって、または最高の半分の輝度の画素を選択することによって収集された画像中で発見される請求項１９記載の共焦点光イメージ形成方法。
21. 光源手段から空間的光変調手段へ光を導くステップが波長選択を含んでいる請求項１４乃至２０のいずれか１項記載の共焦点光イメージ形成方法。
22. デコンボリューション処理をさらに含み、物体は１以上の収集された光セクションの第１および第２の両画像を結合するデコンボリューションアルゴリズムによって再構成される請求項１４乃至２１のいずれか１項記載の共焦点光イメージ形成方法。
23. デコンボリューションアルゴリズムは最隣接方法を有する増強アルゴリズムを含んでおり、単一の増強画像を生成するために３以上のセクションが使用される請求項２２記載の共焦点光イメージ形成方法。
24. 細胞および組織の生物学的調査と、
    予め定められた物質を適切な波長で放射することを含む基体上の光化学反応の位置選択開始および物質または反応生成物による蛍光測定を含む同時の監視と、
    分析／生物工学処理過程と、
    遺伝解析におけるもとの位置の交配と、
    位相変調技術および／または偏極測定等による位置選択蛍光測定および寿命時間測定と、
    チップ上での生化学アレイの生成および読出しと、
    半導体産業における大規模な表面検査と、
    光学的な記録および読出しと、
    ２以上のマルチ光子顕微鏡検査と、
    立体顕微鏡検査との応用に対する請求項１乃至２３のいずれか１項記載の共焦点光イメージシステムまたはイメージ形成方法の使用方法。

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