JP4452049B2 - 時間分解二次元微弱光検出方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光などの微弱な電磁波による画像を時間分解して得ることができる時間分解二次元微弱光検出方法および装置に関する。

バイオテクノロジーや生化学、医療などのライフサイエンスの分野または環境分野などにおいて、特定のＤＮＡやタンパク質、細胞などを検出する場合、または溶液中に含有されている微量物質を検出する場合、蛍光を利用した検出がしばしば行なわれる。例えば、特定のＤＮＡを検出する場合、これとハイブリッドを形成するＤＮＡ断片に蛍光プローブを添加し、レーザ光を照射して蛍光プローブから生じる蛍光の有無により行なっている。そして、バックグラウンドノイズを低減し、生体分子の時間的な構造変化や分子間の相互作用を分析する場合、蛍光の時間的変化を得る必要がある。

蛍光の時間的変化を測定可能な従来の時間分解蛍光測定装置は、一般に励起光であるレーザビームを１点に照射し、多数の試料を配置した試料台（ＸＹステージ）を機械的に移動させ、各試料に順次レーザビームを照射して蛍光を計測するようにしている。また、ガルバノミラーを機械的に駆動してレーザビームを走査し、各試料にレーザビームを照射する装置もある。従来のこれらの装置は、いずれも試料にレーザビームを短時間照射して計測するようになっており、計測に十分な蛍光を得るために、レーザビームの強度を大きくする必要がある。このため、試料にダメージを与えることになりやすい。

さらに、タイムゲートを遅延させながら蛍光を検出する時間分解蛍光測定装置もある。これは、試料にレーザビームを照射してから所定の時間後にタイムゲートを開き、その瞬間において光センサの出力を検出して蛍光の時間分析を行なうものである。そして、特許文献１には、一定間隔でパルス状レーザを検査対象（ＤＮＡ）に照射するとともに、レーザの照射後、所定時間を経過したときに、検査対象から放射される蛍光をＣＣＤカメラによって撮像するようにしている。

特開２００２−２８６６３９号公報

しかし、特許文献１のようにパルスレーザを試料に照射する場合、高圧パルスジェネレータ（約２００Ｖ）が必要である。さらに、パルスレーザの照射からΔｔ時間経過後の画像を得るようにしており、遅延させてゲートを開く必要があり、しかも、ＣＣＤカメラによってデータを読み出すようになっており、データの読み出しに０．１秒程度の時間を必要とする。このため、高い時間分解能を得るには何回もパルスレーザを照射する必要があり、効率が良くないうえに、微弱な蛍光による画像を得る場合、得たデータに含まれるバックグランドノイズの量が多く、データの解析を困難にする。

また、ＣＣＤカメラを使用する場合、蛍光を増幅する必要があるところから、光電面において光（蛍光）を電子（光電子）に変換して電子を増幅したのち、蛍光面において電子を光に変換し、さらに再度ＣＣＤ素子において光を電子に変換しており、都合３回の変換を行なっているため、変換効率が非常に悪い。また、蛍光（光電子）を増幅するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）→ファイバオプチック→ＣＣＤと形状の異なる媒体を通すため、面積効率が著しく低下するうえ、画像のコントラストが低下する。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、ナノ秒以上の時間分解能が得られるようにすることを目的としている。
また、本発明は、蛍光などの微弱な電磁波を効率よく検出できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、到来する光のゆらぎの影響を低減できるようにすることを目的として光検知器を複数個配置している。

上記の目的を達成するために、本発明に係る時間分解二次元微弱光検出方法は、マトリックス状に配置された多数のミラー素子からなるマイクロミラーアレイからの反射光を多チャンネル検出部によって受光し、前記マイクロミラーアレイは、前記多チャンネル検出部の各チャンネルに対応して前記マイクロミラーアレイを複数のブロックに区分し、前記ブロックごとに直交変調パターンを構成する複数の駆動パターンに従うように複数のブロックを同時に駆動し、前記各チャンネルが出力するパラレルに検出された検出信号を前記各チャンネルに対応させて記憶し、前記各ミラー素子を前記複数の駆動パターンのすべてについて駆動したのち、記憶された前記各チャンネルの検出信号について復調し、前記マイクロミラーアレイに入射した光による像を生成する、ことを特徴とする。

そして、本発明に係る時間分解二次元微弱光検出装置は、マトリックス状に配置した多数のミラー素子を有し、対象物の放射した電磁波が入射するマイクロミラーアレイと、前記マイクロミラーアレイが反射した前記電磁波を検出する多チャンネル検出部と、前記多チャンネル検出部の各チャンネルに対応して前記マイクロミラーアレイを複数のブロックに区分し、前記ブロックごとに予め与えられた駆動パターンに従って前記マイクロミラーアレイの全ミラー素子を傾斜させ、前記多チャンネル検出部に向けて前記ミラー素子に入射した前記電磁波を反射させるミラー駆動制御部と、前記多チャンネル検出部のブロック単位ごとにパラレルに出力された出力信号に基づいて、前記各ミラー素子への前記電磁波の入射状態を求め、前記対象物の画像を生成する画像生成部と、を有することを特徴としている。
前記複数の駆動パターンは、直交変調パターンを構成するように形成するとよい。

このようになっている本発明は、対象物から放射された電磁波をマイクロミラーアレイに入射させ、マイクロミラーアレイが反射した電磁波を直接多チャンネル検出部に入射させて並列に信号を検出するようにしているため、ナノ秒以下の短時間の画像を高速に得ることができる。また、本発明は、マイクロミラーアレイに入射した電磁波を直接多チャンネル検出部に入射して検出するようになっているため、光のゆらぎの影響を低減することができる。

ところで、蛍光のように微弱な光を検出する場合、光検出器に到来する光子の数が少なく、光子を検出（蛍光を検出）する信号は確率的となる。このため、１つの光検出器を使用した場合、受光信号を逆変換して復調し、像の再構築をしようとしても容易でない。そこで、本発明は、複数個の光検出器を配置した多チャンネル検出部により光子の検出を行なうと、逆変換して像を再構築する場合に収束が早くなり、容易、迅速に安定した画像を得ることができる。また、本発明は、マイクロミラーアレイからの反射光を多チャンネルの光検出部によって受光することにより、マイクロミラーアレイのミラー素子と多チャンネル検出部の各チャンネルとの対応関係を厳密化する必要がなく、ルーズな位置合わせであっても、並列検知能を生かすことができ、マイクロミラーアレイに入射した像を確実に再構築（生成）することができる。そして、多チャンネル検出部を光電子増倍管（ＰＭＴ）によって構成すると、単一の光子も検出することができる。この場合、光電子増倍管として、マルチアノード型光電子増倍管（ＭＡＰＭＴ）などを用いることができる。
なお、検出部にシンチレータを用いることにより、他の電磁波、例えばＸ線を受信することができ、軟Ｘ線を用いて生体や細胞などの画像を得ることができる。

本発明に係る時間分解二次元微弱光検出方法および装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図２は、本発明に係る時間分解二次元微弱光検出装置の概念を説明する模式図である。図２において、微弱光検出装置１０は、対象物である被写体１２から放射される蛍光１４を検出できるようにしてある。被写体１２は、例えば蛍光物質によって標識化されたＤＮＡを配置したＤＮＡチップやマイクロプレートなどである。そして、被写体１２は、図示しない光源からレーザ光などの励起光が照射され、電磁波である蛍光１４を放射する。なお、光源から放射された励起光は、レンズ系などを介して拡大され、被写体１２の全体を照射できるようになっている。また、光源は、パルスレーザ光源やフラッシュランプなどを用いることができ、望ましくはパルス幅が１ナノ秒以下の励起光を放射できるものを使用する。

微弱光検出装置１０は、被写体１２の放射した蛍光１４が入射するレンズ系１６、詳細を後述するマイクロミラーユニット１８、多チャンネル検出部である光検出部２０、検出信号出力部２２などを有している。レンズ系１６は、被写体１２から入射した蛍光１４をマイクロミラーユニット１８に投射し、被写体１２の像をマイクロミラーアレイ２４の面に結像する。

マイクロミラーユニット１８は、マイクロミラーアレイ２４と、マイクロミラーアレイ２４を配置したベース２６と、マイクロミラー制御回路（ミラー駆動制御部）２８とから構成してある。マイクロミラーアレイ２４は、微小な多数のミラー素子からなり、これらのミラー素子がマトリックス状に配置してある。また、マイクロミラーアレイ２４は、ベース２６を介してマイクロミラー制御回路２８に電気的に接続してある。そして、マイクロミラー制御回路２８は、後述するように、予め与えられたパターンに従ってマイクロミラーアレイ２４の各ミラー素子を駆動して傾斜させ、マイクロミラーアレイ２４に入射した蛍光１４を所定の方向に反射させる。

実施形態の場合、マイクロミラー制御回路２８は、各ミラー素子を予め定めた２つの方向に傾斜させるようになっていて、各ミラー素子の一部を第１の方向に、残りのミラー素子を第２の方向に傾斜させせる。マイクロミラーアレイ２４が第１の方向に反射させた蛍光（反射光）３０は、レンズ系３２を介して光検出部２０に入射するようになっている。光検出部２０は、複数の光検出器から構成して多チャンネルになっており、反射光３０が入射すると検出信号をアナログ電気信号として出力する。光検出器は、例えばマルチアノード型光電子増倍管（ＭＡＰＭＴ）を用いることができる。そして、検出信号出力部２２は、光検出部２０の出力する検出信号を増幅して本図に図示しない画像生成部に出力する。
なお、検出信号出力部２２が出力する検出信号Ｓ（ｔ）は、光検出部２０を構成している各光検出器の検出信号からなっている。すなわち、検出信号Ｓ（ｔ）は、
である。

図１は、本発明に係る時間分解二次元微弱光検出装置の第１実施形態の具体例を示したものである。図１において、微弱光検出装置５０は、本図に図示しない被写体１２が放射した蛍光（光子）１４が入射する検出ユニット５１を有している。検出ユニット５１は、チャンバ５２内にレンズ系１６や、マイクロミラーユニット１８、光検出部２０などを収納している。すなわち、チャンバ５２には、前端の開口部５４に面してレンズ系１６が収納してある。そして、レンズ系１６の後方には、直角プリズム５６が配設してある。直角プリズム５６は、傾斜面がレンズ系１６から入射した蛍光１４を下方に反射し、マイクロミラーユニット１８を構成しているマイクロミラーアレイ２４に入射させる。

マイクロミラーアレイ２４は、直角プリズム５６から入射した蛍光１４を、入射方向と予め定めた角度θだけ異なった方向に反射する。マイクロミラーアレイ２４によって反射された蛍光（反射光３０）は、直角プリズム５６を透過して直角プリズム５６の上方の、適宜の位置に配設したレンズ系５８に入射する。このレンズ系５８の上方には、反射鏡６０が設けてある。反射鏡６０は、レンズ系５８から入射した反射光３０を光検出部２０に向けて反射する。光検出部２０は、後述するように、ＭＡＰＭＴからなる複数の光検出器から構成してあって、各光検出器の出力信号をパラレル信号として検出信号出力部２２を構成している増幅器６２に入力する。そして、増幅器６２は、光検出部２０の出力した検出信号を増幅してチャンバ５２の外部に設けたアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）６４にパラレル信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器６４は、多チャンネルの高速Ａ／Ｄ変換器であって、増幅器６２からのアナログのパラレル信号をディジタル信号に変換し、コンピュータなどからなる画像生成部６６に入力する。画像生成部６６は、マイクロミラー制御回路２８からミラー素子の駆動信号が入力し、これに同期してＡ／Ｄ変換器６４の出力信号を読み込む。

マイクロミラーアレイ２４は、図３に示したように、多数の微小なミラー素子７０をマトリックス状に配置して形成してある。各ミラー素子７０は、例えばシリコンから形成してあって、一辺が１０μｍ程度の大きさに形成してある。また、各ミラー素子７０は、１ビットの記憶回路が設けてある。そして、ミラー素子７０は、記憶回路が「１」を記憶した場合、駆動されていない状態に対して所定の角度＋θだけ傾斜させられ、反射光３０を光検出部２０に入射し、記憶回路が「０」を記憶した場合、反射光３０Ａが光検出部２０に入射しないように、所定の角度−θだけ傾斜させられる。

光検出部２０は、ＰＭＴなどからなる光検出器７４を複数個有していて、これらの光検出器７４が図４に示したようにマトリックス状に配置してある。この図４に示した光検出部２０は、光検出器７４を４×４のマトリックス状に１６個配置した例を示したものである。そして、各光検出器７４は、８×８個のミラー素子７０に対応している。すなわち、この例の場合、マイクロミラーアレイ２４は、ミラー素子７０から形成してあって、これらのミラー素子７０の３２×３２のマトリックスが対応している。

このようになっている実施形態に係る微弱光検出装置５０の作用は、次のとおりである。まず、ＤＮＡチップやマイクロプレートなどの、図２に示した被写体（試料）１２の全体にレーザ光を励起光として照射し、蛍光１４を放射させる。蛍光１４は、図１に示したように、チャンバ５２の開口部５４を介してレンズ系１６に入射する。そして、蛍光１４は、レンズ系１６から直角プリズム５６に入射し、直角プリズム５６の傾斜面で反射されてマイクロミラーアレイ２４に投射され、被写体１２の像をマイクロミラーアレイ２４の表面に結像する。マイクロミラーアレイ２４は、図３に示したように、多数のミラー素子７０がマトリックス状に配置してあって、これらのミラー素子７０が図２に示したマイクロミラー制御回路２８によって、所定のパターンに従って駆動させられ、入射した蛍光を予め定めた方向に反射する。

ミラー素子７０は、「１」または「０」の２値を記憶できる１ビットの記憶回路を有していて、この記憶回路にマイクロミラー制御回路２８から「１」または「０」が書き込まれ、トリガ信号によっていっせいに駆動されて傾斜する。すなわち、ミラー素子７０は、記憶回路に「１」が書き込まれたとき、所定の角度＋θ傾斜し、入射した蛍光１４を光検出部２０に入射するように反射し、記憶回路に「０」が書き込まれたとき、蛍光１４を所定の角度−θ傾斜して反射光が光検出部２０に入射しないようにする。したがって、マイクロミラーアレイ２４は、入射した蛍光１４を変調して光検出部２０に入射し、空間変調するためのマスクの役割をなす。

マイクロミラーアレイ２４に入射した蛍光１４を反射するパターン、すなわち各ミラー素子７０の駆動パターンは、予めマイクロミラー制御回路２８に与えてある。そして、マイクロミラー制御回路２８は、図示しないシステム制御部からレーザ光源駆動部に与える発光トリガ信号が入力するようになっていて、システム制御部が出力した発光トリガ信号に同期して各ミラー素子７０の駆動パターンを順次切り替えるようになっている。この駆動パターンは、実施形態の場合、直交変調パターンの１つであるアダマール行列を構成するようになっている。

アダマール行列は、要素が「＋１」と「−１」とからなっていて、対角線に沿った対象位置にある要素が同じである対称行列となっている。例えば、一次のアダマール行列Ｈ⁽¹⁾ を具体的に書くと、
のようになる。また、二次、三次のアダマール行列Ｈ⁽²⁾ 、Ｈ⁽³⁾ は、数式３、数式４のように書くことができる。
すなわち、アダマール行列は、一般的に次の漸化式によって定義することができる。
ただし、数式５において、ｋは次数を示す。また、実施形態においては、ミラー素子７０が＋θに回転した場合をアダマール行列の「＋１」に対応させ、ミラー素子７０が−θに回転した場合をアダマール行列の「−１」に対応させる。

ミラー素子７０がＮ行Ｎ列の正方行列の形に配置されているマイクロミラーアレイ２４においては、ミラー素子７０の各行と各列とがそれぞれ別のアダマール行列の行に対応しており、（ｉ，ｊ）番目の駆動パターンの（ｐ，ｑ）要素は、次の数式６によって表される。
したがって、マイクロミラーアレイ２４の駆動パターン（マスクパターン）は、図５に示したように、Ｎ²個ある。そして、マイクロミラー制御回路２８は、システム制御部から発光トリガ信号が入力すると、Ｎ²個の駆動パターンを順次切り替えて各ミラー素子を駆動し、傾斜させる。

図６は、マイクロミラーアレイ２４を区分する後述のブロックが８×８個のミラー素子７０によって形成された場合を示しており、列と行との組合せパターンは、それぞれ符号７６、７８のようになる。そして、図６において斜線を施したミラー素子７０が＋θ傾斜してアダマール行列の「＋１」に対応し、白抜きのミラー素子７０が−θ傾斜してアダマール行列の「−１」に対応している。

マイクロミラー制御回路２８は、マイクロミラーアレイ２４を区分する後述のブロックが図６のように８×８個のミラー素子７０によって構成されている場合、まず、記憶部から行または列のいずれか（例えば列とする）の０次の駆動パターン（組合せパターン）を読み出す。そして、マイクロミラー制御回路２８は、記憶部から行の０次のパターンを読み出して列の０次のパターンに乗じ、その結果に基づいてマイクロミラーアレイ２４の各ミラー素子７０に「１」または「０」を記憶させ、各ミラー素子７０を駆動して傾斜させる。さらに、マイクロミラー制御回路２８は、行の１次のパターンを読み出して列の０次のパターンに乗じ、その結果に基づいて各ミラー素子７０を傾斜させる。マイクロミラー制御回路２８は、以下同様にして、行の７次のパターンまでを読み出して各ミラー素子７０を駆動すると、次に列の１次のパターンを読み出し、この列の１次のパターンに対して行の０次から７次までのパターンを順次乗じてミラー素子７０を駆動する。このようにして、マイクロミラー制御回路２８は、ｍ ^２個のすべての駆動パターン（変調パターン）に従ってミラー素子７０を駆動する。なお、マイクロミラー制御回路２８は、行と列の組合せが「１」と「１」とである場合「１」、「１」と「−１」とである場合「−１」、「−１」と「−１」とである場合「１」とし、組合せの結果が「１」であるときにミラー素子７０の記憶回路に「１」を書き込み、組合せ結果が「−１」であるときにミラー素子７０の記憶回路に「０」を書き込む。

所定角度＋θ傾斜したミラー素子７０からの反射光３０は、図１に示したように、直角プリズム５６を透過してレンズ系５８に入射し、平行光にされて反射鏡６０に入射する。反射鏡６０は、入射した反射光３０を反射して光検出部２０に入射する。光検出部２０は、図４に示したように、実施形態の場合、ＭＡＰＭＴなどからなるｎ×ｎ個の光検出器７４がマトリックス状に配置してある。そして、各光検出器７４は、ｍ×ｍ個のミラー素子７０に対応している。マイクロミラーアレイ２４による入射光の変調は、Ｎ×Ｎ個の全ミラー素子７０に対して行なわれる。したがって、いずれかのミラー素子７０によって反射された蛍光（光子）１４は、Ｎ＝ｎ×ｍとすると、いずれかの光検出器７４に入射し、該当する光検出器７４が検出信号を出力する。なお、各光検出器７４をｍ×ｍ個のミラー素子に正確に対応させようとすると、相当の実装精度が要求され、組立てなどに困難を伴う。しかし、実施形態においては、光検出部２０に反射光３０が入射すればよく、各光検出器７４をｍ×ｍ個のミラー素子７０に正確に対応させる必要がない。

光検出部２０は、検出信号出力部を構成している増幅器６２に検出信号Ｓ（ｔ）を入力する。この検出信号Ｓ（ｔ）は、パルス幅が数百ピコ秒から数ナノ秒のアナログ電気信号であって、前記した数式１のように、各光検出器７４の出力信号からなっていて、各光検出器７４に対応した検出信号がパラレル信号として出力される。増幅器６２は、光検出部２０の出力信号を増幅してアナログのパラレル信号でＡ／Ｄ変換器６４に入力する。Ａ／Ｄ変換器６４は、増幅器６２から入力したアナログ信号をディジタル信号に変換し、画像生成部６６に送出する。画像生成部６６は、マイクロミラー制御回路２８から駆動パターンの切替え信号が入力するようになっており、このパターン切替え信号に同期してＡ／Ｄ変換器６４の出力信号を読み込む。

画像生成部６６は、Ａ／Ｄ変換器６４から読み込んだ光検出部２０の出力信号を、記憶部（図示せず）に各光検出器７４と対応させてデータとして格納する。そして、画像生成部６６は、Ｎ²個の駆動パターンのすべてについてマイクロミラーアレイ２４の駆動が終了すると、記憶部に格納してあるデータを読み出し、このデータを逆変換して復調し、マイクロミラーアレイ２４に入射した被写体１２の画像を生成（再構築）する。画像の生成は、以下のようにして行なわれる。

最初に、光検出部２０が１つの光検出器７４によって構成されている場合について説明する。直交変調としてアダマール行列を用いる場合、マイクロミラーアレイ２４の各ミラー素子７０の記憶回路が「１」を記憶しているときと、「０」を記憶しているときとの両方の反射光を受光する場合、アダマール行列は、前記数式５のように定義することができる。

サンプリングされたディジタルなデータ数列｛Ｘ（ｍ）｝に対するアダマール変換は、次のように表される。
ただし、ここにＨ^(k)は、Ｎ行Ｎ列のアダマール行列であり、Ｘ^(k)、Ｙ^(k)は、Ｎ個の要素をもつ次のような行列ベクトルである。
ここに、数式８、数式９のＴは、転置を表す。
Ｈ^(k)は、直交行列であって、Ｎ行Ｎ列の単位行列をＥ^(k)とすると、
と書くことができる。そして、Ｈ^(k)の逆行列は、規格化因子を除けばそれ自身に等しいので、
と書くことができる。

上記の性質から、アダマール逆変換は、アダマール変換そのものと同じになり、次のように表すことができる。
そして、二次元時間依存アダマール変換は、マイクロミラーアレイ２４上の画素となる各ミラー素子７０における時間ごとの光子の到来数をＸ^(k)（ｔ）、各ミラーの駆動パターンに対応した光検出器が受信した光子数をＹ^(k)（ｔ）とすると、
と表される。したがって、各画素（ミラー素子７０）における時間ごとの光子到来数は、二次元時間依存アダマール逆変換により、次のように求まる。
ただし、Ｘ^(k)（ｔ）、Ｙ^(k)（ｔ）、Ｈ^(k)は、Ｎ×Ｎ行列である。また、ｋ＝log₂Ｎである。

光検出器が１つだけの場合、ミラー素子７０が「１」または「０」のいずれかを一方の状態のときにのみ反射した反射光を受光するとき、以下に示すように、ほぼ上記と同様にして画像を生成することができる。
マイクロミラーアレイ２４上の各ミラー素子７０における時間ごとの光子の到来数をＸ^(k)（ｔ）、各ミラーの駆動パターンに対応した光検出器が受信した光子数をＹ^(k)（ｔ）とする。そして、ミラー素子７０の負の回転（−θ）に対応したデータを取らない場合、Ｙ^(k)（ｔ）は、
となる。
ここで、要素が０と１とだけの行列
を次のように定義する。
ただし、ここにＥ^(k)は、全要素が１の行列（ｅ_i,j＝１；すべてのｉ、ｊの組合せについて）である。そして、この数式１８を用いると、数式１７は、次のようになる。
さらに、二次元時間依存アダマール逆変換は、
として求めることができる。ただし、
この式から、ｉ≦Ｎ−１、ｊ≦Ｎ−１のとき、（Ｘ^(k)（ｔ））_i、_jは、
となる。ｉ、ｊが１の場合にも、容易に（Ｘ^(k)（ｔ））_i、_jを求めることができる。

次に、光検出部２０を実施形態のようにマトリックス状に配置した複数の光検出器７４によって構成されている場合について説明する。微弱な光を受光する場合、光子の到来数は、確率過程であるから、その平均値にどれだけ早く収束させるかが問題となる。これは、計測したデータからアダマール逆変換により、各ミラー素子７０について求めた光子数の分散σを小さくすることと同等である。この分散σは、複数の光検出器７４をマトリックス状に配置した場合、用いた光検出器の数の平方根に逆比例して小さくなることを示すことができる。すなわち、確率論的分散σは、複数の光検出器を並べて配置すると、光検出器の数の平方根に逆比例するので、像の収束が早くなり、微弱光による画像が短時間で得られ、映像化することができる。したがって、高い時間分解能を得ることができ、効率の向上を図ることができる。

ミラー素子７０をＮ×Ｎの正方行列に配置したマイクロミラーアレイ２４において、Ｎ＝ｎ×ｍ
とおくと、ミラー素子７０をｎ×ｎのブロックに分けることができる。そして、各ブロックを１つの光検出器７４に対応させると、上記の分散σは、σ∝１／ｎとなる。簡単のためにミラー素子７０を一次元に配列した場合について説明する。二次元的に配列した場合も同様である。

Ｎ個のミラー素子からなる一次元マイクロミラーアレイの各ミラー素子（画素）における時間ごとの光子の当来数をＸ^(k)（ｔ）、各ミラー駆動パターンに対応したｎ個の光検出器が受信した全光子数をＹ^(k)（ｔ）とすると、Ｘ^(k)（ｔ）、Ｙ^(k)（ｔ）は、
と表すことができる。なお、時間を固定して考えるので、以後は時間変数ｔを省略する。

空間変調モードｋのときの任意のミラー素子（画素）ｉへの光子の到来数は、確率変数ｘ_ｉ（ｋ）である。求めようとしている画素ｉでの光子数をｘ_ｉとし、ｈ_ｉ，ｊ＝Ｈ^（ｋ） _ｉ，ｊとおくと、ｘ_ｉは、
のようになる。ここで、便宜上、変数を次のように定義する。
確率変数ｘ_ｉ（ｋ）（ｉ＝１，２，３，………Ｎ）の分散をｉにかかわらず全て等しいと仮定してσとする。さらに、これらの確率変数は、相互に独立であると仮定する。光検知部は、ｎ個の光検出器からなっており、各光検知器がｍ＝（Ｎ／ｎ）の画素（ミラー素子）に対応している。このため、上記の変数Ｂは、ｌがｉを含む光検知器が属するものだけに影響する。したがって、変数Ａの平均値μ_Ａと変数Ｂ平均値μ_Ｂとは、
となる。また、変数Ａの分散σ_Ａと変数Ｂの分散σ_Ｂとは、
として求めることができる。そして、光検出器に対応したミラー素子の数ｍが大きい場合、σ_Ｂ＝σ／ｎ^１/２となる。すなわち、分散は、光検出器の数ｎの平方根に逆比例し、像の収束が早くなる。

このようにして、画像生成部６６は、二次元アダマール逆変換を行なう。この逆変換は、光検出器７４が出力したデータごとに行なわれ、逆変換の結果がその光検出器のカバーするミラー素子にのみ適用される。そして、すべての光検出器に対する処理が行なわれることにより、マイクロミラーアレイ２４のすべてのミラー素子（画素）７０についての光子数が求まる。したがって、二次元画像が求められ、表示装置に映像として表示することができる。

このように、実施形態においては、被写体１２の放射した蛍光１４をマイクロミラーアレイ２４によって反射し、光学系を介して直接光検出部２０に入射するようにしてある。そして、マイクロミラーアレイ２４は、光子を直接に反射するため、時間軸での周波数特性がよく、ナノ秒以下の短時間における画像を得ることができ、時間分解能を向上することが可能となる。また、実施形態においては、マイクロミラーアレイ２４によって反射した蛍光を直接的に光検出部２０に入射させているため、微弱な蛍光を効率よく検出することができ、蛍光から電気信号への変換効率が向上するとともに、外部のノイズを低減することができる。しかも、光検出部２０の複数の光検出器７４によって構成し、多チャンネルとしたことにより、画像を迅速に得ることができる。

なお、実施形態においては、電磁波が蛍光である場合について説明したが、遠赤外線などの他の光であってもよい。また、検出器にシンチレータを用いることにより、Ｘ線を検出することができ、軟Ｘ線を用いることにより、生体や細胞などの映像を得ることができる。

図７は、第２実施形態の要部の説明図である。この第２実施形態は、微弱光検出装置を構成している検出ユニット１００がチャンバ５２内に、被写体(試料)１２に励起光を照射する光源を内蔵している。光源は、実施形態の場合、パルスレーザを出力するレーザ光源１０２となっている。レーザ光源１０２は、チャンバ５２の上部に光検出部２０と並べて配置してある。そして、レーザ光源１０２は、図７において反射鏡６０の上方に位置している。また、チャンバ５２には、レーザ光源１０２の出力窓１０４と反射鏡６０との間に半透鏡(ハーフミラー)１０６が配設してある。

半透鏡１０６は、チャンバ５２の開口部５４から入射し、前記第１実施形態と同様にしてマイクロミラーアレイ２４によって反射された反射光３０を光検出部２０側に反射する。そして、レーザ光源１０２から出力されたレーザビーム１０８は、半透鏡１０６を透過し、反射光３０の光路を逆に辿ってチャンバ５２の開口部５４に達し、開口部５４に設けたレンズによって拡大され、試料台１１０の上に配置してある被写体１２の全体に励起光として照射される。一方、半透鏡１０６によって反射された反射光３０は、レンズ系１１２を介して反射鏡１１４に入射し、反射鏡１１４によって反射されたのち、レンズ系１１６を介して光検出部２０に入射する。なお、チャンバ５２の内部には、レーザ光源１０２を制御する光源制御回路や、光検出部２０の出力を増幅する増幅器、その出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器などを配置した回路収容部１１８が設けてある。

このようになっている第２実施形態の検出ユニット１００は、レーザ光源１０２から出力されレーザビーム１０８が半透鏡１０６を透過して反射鏡６０に入射する。そして、レーザビーム１０８は、反射鏡６０に反射されてレンズ系５８、直角プリズム５６を介してマイクロミラーアレイ２４に入射し、マイクロミラーアレイによって反射される。このとき、マイクロミラーアレイ２４は、本図に図示しない各ミラー素子７０のすべてが同方向に所定の角度（−θ）傾斜し、入射したレーザビーム１０８を所定の方向に反射する。

マイクロミラーアレイ２４によって反射されたレーザビーム１０８は、直角プリズム５６の傾斜面によってチャンバ５２の開口部５４に向けて反射され、レンズ系１６を通って被写体１２に励起光として照射される。被写体１２は、レーザビーム１０８が照射されると蛍光１４を放射する。この蛍光１４は、前記第１実施形態と同様に、レーザビーム１０８の経路を逆に辿ってマイクロミラーアレイ２４に反射され、反射光３０として反射鏡６０に入射し、半透鏡１０６に向けて反射される。さらに、反射光３０は、半透鏡１０６によってレンズ系１１２に向けて反射され、レンズ系１１２、反射鏡１１４、レンズ系１１６を介して光検出部２０に入射する。なお、マイクロミラーアレイ２４は、レーザビーム１０８を反射したのち、蛍光１４を反射するときには、前記実施形態において説明したように、各ミラー素子７０がアダマール行列を構成する変調パターンによって駆動される。

本発明に係る時間分解二次元微弱光検出装置の第１実施形態の具体例を示す図である。 本発明に係る時間分解二次元微弱光検出装置の概念を説明する模式図である。 実施の形態に係るマイクロミラーアレイの詳細説明図である。 実施の形態に係る光検出部の詳細説明図である。 実施の形態に係るマイクロミラーアレイの駆動パターンの一例を示す図である。 実施の形態に係るマイクロミラーアレイの駆動パターンの詳細説明図である。 第２実施形態に係る検出ユニットの説明図である。

符号の説明

１０、５０………微弱光検出装置、１２………対象物（被写体）、１４………電磁波（蛍光）、１８………マイクロミラーユニット、２４………マイクロミラーアレイ、２０………多チャンネル検出部（光検出部）、２２………検出信号出力部、５１、１００………検出ユニット、６６………画像生成部、７０………ミラー素子、７４………光検出器、１０２………レーザ光源。

Claims (3)

1. マトリックス状に配置された多数のミラー素子からなるマイクロミラーアレイからの反射光を多チャンネル検出部によって受光し、前記マイクロミラーアレイは、前記多チャンネル検出部の各チャンネルに対応して前記マイクロミラーアレイを複数のブロックに区分し、前記ブロックごとに直交変調パターンを構成する複数の駆動パターンに従うように複数のブロックを同時に駆動し、前記各チャンネルが出力するパラレルに検出された検出信号を前記各チャンネルに対応させて記憶し、前記各ミラー素子を前記複数の駆動パターンのすべてについて駆動したのち、記憶された前記各チャンネルの検出信号について復調し、前記マイクロミラーアレイに入射した光による像を生成する、ことを特徴とする時間分解二次元微弱光検出方法。
2. マトリックス状に配置した多数のミラー素子を有し、対象物の放射した電磁波が入射するマイクロミラーアレイと、前記マイクロミラーアレイが反射した前記電磁波を検出する多チャンネル検出部と、前記多チャンネル検出部の各チャンネルに対応して前記マイクロミラーアレイを複数のブロックに区分し、前記ブロックごとに予め与えられた駆動パターンに従って前記マイクロミラーアレイの全ミラー素子を傾斜させ、前記多チャンネル検出部に向けて前記ミラー素子に入射した前記電磁波を反射させるミラー駆動制御部と、前記多チャンネル検出部のブロック単位ごとにパラレルに出力された出力信号に基づいて、前記各ミラー素子への前記電磁波の入射状態を求め、前記対象物の画像を生成する画像生成部と、を有することを特徴とする時間分解二次元微弱光検出装置。
3. 請求項２に記載の時間分解二次元微弱光検出装置において、前記複数の駆動パターンは、直交変調パターンを構成していることを特徴とする時間分解二次元微弱光検出装置。