JP4091248B2

JP4091248B2 - スキャナ装置

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Publication number: JP4091248B2
Application number: JP2000393231A
Authority: JP
Inventors: 和浩牧野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2020-12-25
Also published as: US20020085261A1; JP2002199187A; US6507426B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スキャナ装置に関し、検出手段として積分アンプ検出手段を用いたスキャナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低輝度の光を高感度に検出する手段として、積分アンプを用いた手段がある。この積分アンプ検出手段は、光電子増倍管（ＰＭＴ）やフォトダイオードにより光電変換された出力電荷を、積分アンプで蓄積し電圧に変換して読み出すものである。
【０００３】
従来、この積分アンプ検出手段は、主に一点の観察を時系列に行なうものとして用いられていたが、近年、微弱な光を発するシート状の測定対象物を観察するために、この積分アンプ検出手段を２次元的に走査を行うスキャナへ応用する試みがなされつつある。
【０００４】
この積分アンプ検出手段を用いたスキャナは、主走査を行う際に、走査速度に応じて、情報取得の周期を指示する走査位置検出クロックを生成し、この走査位置検出クロックを基準として、タイミングパルスを生成し、このタイミングパルスにより積分アンプ検出手段に対して積分を行う期間、すなわち測定期間の指示や、積分アンプ検出手段に蓄積された電荷の開放を行うリセット期間の指示を行うものである。
【０００５】
このような積分アンプ検出手段を用いたスキャナを使用した場合、例えば、本出願人により提案されている、放射線（Ｘ線，α線，β線，γ線，電子線，紫外線等）を照射するとこの放射線エネルギーの一部が蓄積され、その後可視光等の励起光を照射すると蓄積されたエネルギーに応じて輝尽発光を示す蓄積性蛍光体（輝尽性蛍光体）を利用して、人体等の被写体の放射線画像を一旦シート状の蓄積性蛍光体に撮影記録し、この蓄積性蛍光体シートをレーザー光等の励起光で走査して輝尽発光光を生ぜしめ、得られた輝尽発光光を光電的に読み取って画像信号を得、画像記録再生装置を用いてこの画像信号に基づき被写体の放射線画像をＣＲＴ上に表示したり、感光フイルム上に可視画像として出力する放射線画像記録再生システム（特開昭55-12429号等）における輝尽発光光の検出にも有効である。
【０００６】
さらに、このような積分アンプ検出手段を用いたスキャナ装置の読取速度（スループット）を向上させるためには、検出部を主走査方向に走査する際に、往路と帰路の両方で情報を検出できる双方向走査を行うのが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の原理の積分アンプ検出手段を用いたスキャナで双方向の走査を行った場合、スキャナ部の走査の往路と帰路で各画素の情報取得のための積分アンプ検出手段の積分開始時間に誤差が生じ、往路と帰路とで走査方向に画素の位置にずれを生じるため、主走査方向にジッタが発生する。
【０００８】
本発明は上記のような問題点に鑑みて、積分アンプ検出手段を用いて双方向に走査を行うスキャナ装置において、上記のようなジッタを排除することが可能なスキャナ装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるスキャナ装置は、往路帰路それぞれ走査可能な双方向走査機能を有するスキャナ装置であって、１周期Ｔｐ内の測定期間Ｔｉでは検出された光量を蓄積し、リセット期間Ｔｒでは蓄積した光量を開放する積分アンプ検出手段と、積分アンプ検出手段により情報を取得する周期Ｔｐに等しい間隔の走査位置検出クロックを生成する走査位置検出クロック生成手段と、走査位置検出クロックに基づき積分アンプ検出手段のリセット期間Ｔｒおよび測定期間Ｔｉを決定し、リセット期間Ｔｒおよび測定期間Ｔｉを指示するタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成手段と、積分アンプ検出手段に蓄積された光量の値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段とを備え、タイミングパルス生成手段が、帰路においては、往路と帰路の間で生じる誤差期間Ｔｄ遅延させてタイミングパルスを生成するものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によるスキャナ装置において、往路帰路それぞれ走査可能な双方向走査機能を有するとは、被走査物が機械的に往復動するものに限らず、固定した被走査物に対して走査光学系が往復動するものも含むことを意味する。
【００１１】
走査位置検出クロック生成手段は、測定条件に応じて前記走査位置検出クロックの周期Ｔｐを変化させるものとすることができる。
【００１２】
測定条件とは、感度を低下させ分解能を向上させる分解能優先モードまたは、分解能を低下させ感度を向上させる感度優先モードなどの条件を意味する。
【００１３】
また、タイミングパルス生成手段は、誤差期間Ｔｄを正の値の時間となるようにタイミングパルスを生成するものとしてもよいし、検出誤差１％以下の精度で走査位置検出クロックの検出を行うものとしてもよいし、リセット期間Ｔｒに対して測定期間Ｔｉが４倍以上となるようにタイミングパルスを生成するものとしてもよいし、さらに、情報を取得する周期Ｔｐの１．５倍の期間に走査位置検出クロックが検出されない場合、リセット期間Ｔｒを指示するタイミングパルスを生成するものとしてもよい。
【００１４】
ここで、誤差期間Ｔｄの算出方法を、走査位置検出クロックとタイミングパルスの時間的関係を示す図２に基づいて説明する。
【００１５】
図中の走査方向１は主走査方向の往路を指し、走査方向２は主走査方向の帰路を指す。また、図中のＴｐは走査位置検出クロックの周期を、Ｔｗは走査位置検出クロックのパルス幅を、Ｔｒは積分アンプ検出手段の積分器のリセット時間を、Ｔｉは積分アンプ検出手段の積分時間を、Ｔｄは主走査方向において同一の場所の情報を取得する際の往路と帰路との誤差期間を示す。
【００１６】
走査位置検出クロックの周期Ｔｐとパルス幅Ｔｗは、往路、帰路ともに同じであり、またパルスの発生位置も主走査の位置に対して同じである。
【００１７】
タイミングパルス発生手段は、走査方向１、すなわち検出部の往路では、左からＮ番目の画素を検出する場合は、走査位置検出クロックのＮ番目のパルスの立上がりエッジを基準に、立上がりエッジから時間Ｔｒの間リセットを指示するパルスを、立上がりエッジから時間Ｔｒ経過後、時間Ｔｉの間測定を指示するパルスを発生させる。
【００１８】
走査方向２、すなわち検出部の帰路では、往路においてＮ番目に検出した場所と主走査方向でほぼ同一の位置を検出するために、走査位置検出クロックの左からＮ+１番目のパルスの立上がりエッジを基準に、立上がりエッジから時間Ｔｒの間リセットを指示するパルスを、立上がりエッジから時間Ｔｒ経過後、時間Ｔｉの間測定を指示するパルスを発生させる。
【００１９】
ここで、測定期間Ｔｉの中心を測定位置とした場合、往路と帰路では、測定期間Ｔｉの中心の位置が誤差期間Ｔｄだけずれてしまう。
【００２０】
この誤差期間Ｔｄは下記（１）式により求められるが、１画素以内の誤差であるため、情報検出後に主走査のラインごとに画素単位で左右に位置を移動させても修正することができず、この誤差期間Ｔｄがジッタとなってしまう。
【００２１】
Ｔｄ＝Ｔｐ＋Ｔｗ−（２×Ｔｒ＋Ｔｉ）（１）
そのため、帰路においては、誤差期間Ｔｄだけ遅延させてタイミングパルスを発生させ、往路と帰路において、測定期間Ｔｉの中心がずれないようにする。
【００２２】
【発明の効果】
上記のように構成された本発明によるスキャナ装置は、往路と帰路で積分アンプ検出手段の測定タイミングを変えることにより、測定期間Ｔｉの中心が主走査ライン毎にずれるのを防止することができるので、ジッタの発生を防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスキャナ装置の具体的な実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態によるスキャナ装置のブロック図であり、図２は走査位置検出クロックとタイミングパルスの時間的関係を示す図であり、図３は図１に示したスキャナ装置によるスキャンの対象となるハイブリダイズ処理後のマイクロアレイチップ１０の一例を示す図、図４はハイブリダイズ処理前のマイクロアレイチップの一例を示す図である。
【００２４】
図１に示すマイクロアレイチップを画像担体として使用するスキャナ装置１は、具体的には、ステージ移動部２と、光学系３と、および信号処理部４とから構成されるものである。
【００２５】
図４に示すマイクロアレイチップ１０″は、スライドガラス１１の、マトリックス状に高密度に予め設定された所定の位置に、それぞれ互いに異なるｃＤＮＡが塗布されたものであり、予め塗布されているｃＤＮＡはいずれも既知で、塗布されている位置とそのｃＤＮＡとは対応関係が予め明らかになっている。そして遺伝子疾患を有する被検体のＤＮＡに蛍光色素で標識したものを、この図４に示したマイクロアレイチップ１０″にハイブリダイズし、このハイブリダイズされた結合物（被検出物）１２だけをスライドガラス１１上に残留させたものが、図３に示すマイクロアレイチップ１０である。なお説明のために、図４に示したマイクロアレイチップ１０″と図３に示したマイクロアレイチップ１０とを比較することにより、残留している結合物１２の位置を肉眼で識別することができるように記載しているが、実際のマイクロアレイチップにおいては、ｃＤＮＡが高密度に塗布されているため、これらの位置を肉眼で識別することは困難である。
【００２６】
このマイクロチップ１０を励起光Ｌで走査し、走査位置に結合物１２が存在したときは、結合物１２は励起光Ｌにより照射され、これにより結合物１２の蛍光色素が励起され、蛍光Ｋを発光する。一方励起光Ｌで照射された走査位置に結合物１２が存在しないときは、マイクロアレイチップ１０からは蛍光Ｋが発光することはない。
【００２７】
ステージ移動部２は、図２に示したマイクロアレイチップ１０が載置される２次元状に可動の光透過性のステージ２１と、該ステージ２１上に載置されたマイクロアレイチップ１０を励起光Ｌが走査するようにステージ２１をＹ軸方向に移動させる第１のステッピングモータ２２およびＸ軸方向に移動させる第２のステッピングモータ２３と、ステッピングモータ２２，２３を駆動するステッピングモータ制御回路２４とを有している。これにより、図１中ＸＹ平面内において励起光Ｌがマイクロアレイチップ１０を所定速度で走査することになる。
【００２８】
光学系３は、励起光Ｌを出射する励起光源３１と、該励起光源３１から出射された励起光Ｌを平行光束にするコリメータレンズ３２と、励起光Ｌを透過し蛍光Ｋを反射する偏光ビームスプリッタ３３と、偏光ビームスプリッタ３３を透過した励起光Ｌをステージ２１上に載置されたマイクロアレイチップ１０上に所定サイズとなるように集光する集光レンズ３４とを有している。
【００２９】
信号処理部４は、マイクロアレイチップ１０から発光された蛍光Ｋを光電検出する光電子増倍機能を有するフォトマル４０と、該フォトマル４０から出力された電流信号を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換回路としての積分回路５０と、該積分回路５０の積分動作におけるチャージインジェクションに起因して発生し得るオフセット電圧を低減させる（相殺する）ためのオフセット補償回路６０と、積分回路５０から出力された電圧信号を対数変換する対数変換回路７０と、該対数変換回路７０により対数変換されて圧縮されたアナログの電圧信号を１０〜１０００ＫＨｚ程度のサンプリング周波数ｆｓでデジタルの電圧信号に変換するＡ／Ｄ変換回路８０と、動作モード設定回路９０と、積分タイミング設定回路９１と、その他の周辺回路を有している。
【００３０】
また、信号処理部４にはステッピングモータ制御回路２４から走査位置を示す走査位置検出クロックが入力されることにより励起光Ｌの走査位置が対応づけられており、積分タイミング設定回路９１は、ステッピングモータ制御回路２４から入力される信号と連動して、積分回路５０のリセットや測定のタイミングおよび期間を指示するタイミングパルスを発生させる。
【００３１】
ここで、積分回路としては、高速積分回路５０ａと低速積分回路５０ｂの２系統を設けているが、調整入力としては１組しか用意していないので、調整無しの状態で２系統の積分回路それぞれを調整できる構成にする。各積分回路５０ａ，５０ｂは、Ｓ／Ｎを劣化させないように、フォトマル出力電流を直接積分するＤＣ直結構成となっている。また積分回路５０ａ，５０ｂは積分タイミング設定回路９１によって積分タイミングが設定されるように構成されている。
【００３２】
次にフォトマル４０の周辺回路について説明する。フォトマル４０の周辺には、図１に示すように、該フォトマル４０を駆動するための抵抗分割型（ブリーダ回路型）の高圧回路４１と、異常電流からフォトマル４０を保護するための過電流保護回路４２が設けられる。
【００３３】
高圧回路４１からフォトマル４０に約９００Ｖの高電圧ＨＶが印加されるが、図示しない高圧電源のスイッチングノイズをカットする（ＨＶノイズ対策）ためにＬＣ回路を介して高電圧ＨＶを印加することとする。また、フォトマル４０のダイノードの最終段の電圧をモニタするため、高圧回路４１の分割抵抗の最終段の回路電圧をモニタ可能な構成とする。
【００３４】
過電流保護回路４２としては、積分回路５０ａ，５０ｂの出力のどちらか一方が５Ｖを越えたらフォトマル４０が過電流状態であると見なして、図示しないフリップフロップで保持された過電流検出出力によって高電圧ＨＶを０Ｖにするとともに、過電流の原因を取り去った後リセット信号（ＨＶ−ＲＥＳＥＴ）によりクリアできる構成とする。
【００３５】
なお、過電流保護回路４２は積分回路５０ａ，５０ｂの出力を検出するため、積分動作のリセット間隔により過電流保護にならない場合や誤動作する場合が生じ得る。これを避けるには、リセット間隔を考慮して、例えば１００μｓｅｃ間隔で検出したときにフォトマル最大出力となっている場合に過電流保護が働くようにするとよい。
【００３６】
フォトマル４０は、比較的高感度であるが、フォトマル４０の光電面やダイノードからの熱雑音などによる暗電流が大きい。そこで、暗電流を低減させるために、フォトマル４０を載置したペルチェ素子４６および該ペルチェ素子を駆動する駆動回路４７からなる冷却手段４５を設け、フォトマル４０を冷却するように構成している。なお、ペルチェ素子を用いた冷却手段に限らず、例えばヒートシンクを用いるなど、周知の種々の冷却方法を用いることもできる。これにより極めて微弱な光を検出する場合に暗電流の影響を受けるおそれが低減する。
【００３７】
次に本実施形態のスキャナ装置１の作用について説明する。
【００３８】
まずステージ２１上の決められた位置に、図２に示したマイクロアレイチップ１０が載置される。このとき、マイクロアレイチップ１０上の、ｃＤＮＡが塗布されていた各所定の位置は、ステージ２１上のＸ軸方向の位置およびＹ軸方向の位置に対応付けられる。この対応付けはステッピングモータ制御回路２４から各ステッピングモータ２２，２３に入力される。
【００３９】
一方、励起光源３１からは励起光Ｌが出射され、この励起光Ｌはコリメータレンズ３２に入射して平行光束とされる。平行光束とされた励起光Ｌはビームスプリッタ３３を透過し、集光レンズ３４により、ステージ２１上に載置されたマイクロアレイチップ１０上に集光される。
【００４０】
各ステッピングモータ２２，２３はステッピングモータ制御回路２４から入力された走査指令に基づいて、励起光Ｌがマイクロアレイチップ１０上の所定の走査位置を照射するように、ステージ２１をＸＹ平面内で駆動しその位置で停止する。
【００４１】
積分タイミング設定回路９１は走査位置検出クロックの各パルスの立上がりエッジを基準に、立上がりエッジから時間Ｔｒの間リセットを指示するパルスを、立上がりエッジから時間Ｔｒ経過後、時間Ｔｉの間測定を指示するパルスを発生させる。積分回路５０は、このパルスによる指示により、リセットおよび測定を繰り返す。
【００４２】
ここで、Ｘ軸方向の往路走査中において左からＮ番目の画素を検出するためには、Ｎ番目の走査位置検出クロックのパルスを基準にリセット期間Ｔｒおよび測定期間Ｔｉのパルスを生成し、積分回路５０の制御を行う。
【００４３】
励起光Ｌで照射された走査位置に結合物１２が存在したときは、結合物１２は励起光Ｌにより照射され、これにより結合物１２の蛍光色素が励起され、蛍光Ｋを発光する。一方励起光Ｌで照射された走査位置に結合物１２が存在しないときは、マイクロアレイチップ１０からは蛍光Ｋが発光することはない。
【００４４】
結合物１２が存在し蛍光Ｋが発光されたときは、その蛍光Ｋは集光レンズ３４、偏光ビームスプリッタ３３を順次通過してフォトマル４０に入射し、その光量に応じた電流信号に変換されて、後段の積分回路５０に入力されて電圧信号に変換され、さらに対数変換回路７０により対数圧縮された後Ａ／Ｄ変換回路８０により信号振幅幅に適したスケールファクタでデジタル信号に変換される。
【００４５】
最初の走査位置への励起光Ｌの照射から一定時間経過すると、ステッピングモータ制御回路２４から次の走査位置がステッピングモータ２２，２３に入力され、例えばステッピングモータ２３のみが駆動されて、ステージ２１をＸ軸方向に所定距離だけ移動させ、次の走査位置で励起光Ｌが照射するように移動させたのち停止する。そして、励起光Ｌがこの次の走査位置を照射し、前述同様に、結合物１２が存在したときは蛍光Ｋが発せられてフォトマル４０に検出され、存在しないときは検出されない。
【００４６】
マイクロチップ１０の端までの走査が終了したら、ステッピングモータ２２によりステージ２１をＹ軸方向に向けて１画素分の距離を移動させ、再びＸ軸方向において往路とは逆方向に向けて主走査の帰路方向の走査が行われる。
【００４７】
帰路の走査を行う際も、往路と同様に積分タイミング設定回路９１は走査位置検出クロックの各パルスの立上がりエッジを基準に、立上がりエッジから時間Ｔｒの間リセットを指示するパルスを、立上がりエッジから時間Ｔｒ経過後、時間Ｔｉの間測定を指示するパルスを発生させるが、帰路においては左からＮ番目の画素を検出するために、左からＮ＋１番目の走査位置検出クロックのパルスを基準に、前述の原理により求められる往路と帰路で生じる誤差期間Ｔｄを遅延させてタイミングクロックを生成し、積分回路５０の制御を行う。
【００４８】
以上の処理を、マイクロアレイチップ１０の全面に亘って繰り返す。信号処理部４にはステッピングモータ制御回路２４から走査位置を示す信号が入力されており、励起光Ｌの走査位置と蛍光Ｋの検出の有無およびその光量が対応づけられ、Ａ／Ｄ変換回路８０から出力されたデジタル信号に基づいて画像出力することにより、前記対応関係に基づいて遺伝子疾患の被検体のＤＮＡの機能分析がなされる。
【００４９】
以上本発明のスキャナ装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、被測定物を固定とし、走査光学系を移動させるものとしてもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、本発明のスキャナ装置をマイクロアレイチップを利用した蛍光スキャナとして構成していたが、これに限らず、遺伝子発現解析、塩基配列の決定、変異解析、多型解析など、遺伝子の解析に供されるマイクロアレイチップ以外のものを用いた蛍光検出システムに使用されるスキャナ装置に適用することもできる。
【００５１】
また、例えば蓄積性蛍光体シートを用いて試料中の放射性標識物質の位置情報を電気信号に変換して得た画像データをＣＲＴなどの画面上に画像として表示するオートラジオグラフィ、サザン・ブロッティング法によるハイブリタイゼーション法を利用した遺伝子の位置情報を解析するオートラジオグラフィ、ポリアクリルアミドゲル電気泳動法によって蛋白質の分離、同定、分子量や特性の評価などを行なうオートラジオグラフィ、あるいは電子顕微鏡による検出システム、放射線回折画像検出システムなどに使用されるスキャナ装置に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスキャナ装置のブロック図
【図２】走査位置検出クロックとタイミングパルスの時間的関係を示す図
【図３】図１に示した読取装置において読取りの対象となるハイブリダイズ処理後のマイクロアレイチップを示す図
【図４】図３に示したマイクロアレイチップのハイブリダイズ処理前の状態を示す図
【符号の説明】
１スキャナ装置
２ステージ移動部
３光学系
４信号処理部
１０マイクロアレイチップ
１１スライドガラス
１２結合物（被検出物）
２１ステージ
２２，２３ステッピングモータ
２４ステッピングモータ制御回路
３１励起光源
３２コリメータレンズ
３３ビームスプリッタ
３４集光レンズ
４０フォトマル
５０積分回路
６０オフセット補償回路
７０対数変換回路
８０Ａ／Ｄ変換回路
Ｌ励起光、レーザ光
Ｋ蛍光、輝尽発光光

Claims

往路帰路それぞれ走査可能な双方向走査機能を有するスキャナ装置において、
１周期Ｔｐ内の測定期間Ｔｉでは検出された光量に応じた電荷を蓄積し、リセット期間Ｔｒでは蓄積した電荷を開放する積分アンプ検出手段と、
前記周期Ｔｐに等しい周期でパルス幅Ｔｗの走査位置検出クロックを生成する走査位置検出クロック生成手段と、
該走査位置検出クロックを検出し、該走査位置検出クロックに基づき前記積分アンプ検出手段のリセット期間Ｔｒおよび測定期間Ｔｉを決定し、リセット期間Ｔｒおよび測定期間Ｔｉを指示するタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成手段と、
前記積分アンプ検出手段に蓄積された電荷量の値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段とを備え、
前記タイミングパルス生成手段が、往路帰路で同一位置を示す前記タイミングパルスについて、往路と帰路の間で生じる誤差期間Ｔｄを、式Ｔｄ＝Ｔｐ＋Ｔｗ−（２×Ｔｒ＋Ｔｉ）に基づいて算出し、
帰路においては該誤差期間Ｔｄ分遅延させて前記タイミングパルスを生成するものであることを特徴とするスキャナ装置。
前記走査位置検出クロック生成手段が、測定条件に応じて前記走査位置検出クロックの周期Ｔｐを変化させるものであることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
前記タイミングパルス生成手段が、誤差期間Ｔｄを正の値の時間となるようにタイミングパルスを生成するものであることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
前記タイミングパルス生成手段が、検出誤差１％以下の精度で前記走査位置検出クロックの検出を行うものであることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
前記タイミングパルス生成手段が、リセット期間Ｔｒに対して測定期間Ｔｉが４倍以上となるようにタイミングパルスを生成するものであることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
前記タイミングパルス生成手段が、前記情報を取得する周期Ｔｐの１．５倍の期間に走査位置検出クロックが検出されない場合、リセット期間Ｔｒを指示するタイミングパルスを生成するものであることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。