JP5072688B2

JP5072688B2 - 走査型撮像装置

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Description

本発明は、基板の流路内に配置された検体に励起光を照射することで検体から発せられる光を検出する走査型撮像装置に関するものである。

基板内にマイクロ流路を形成し、その中に検体ＤＮＡ、試薬を流し、生化学的反応を行うマイクロＴＡＳの手法は、多くの分野で用いられ、その有用性は、周知のものである。

このマイクロ流路内の二本鎖ＤＮＡ量を検出する方法として、インターカレーター方式の蛍光標識を用いる手法が知られている。この手法では、二本鎖ＤＮＡを５０℃から９０℃程度まで加熱し、その時の蛍光強度の変化によってＤＮＡが一本鎖に分離する温度を求めてＤＮＡの種類が判定される。

しかし、マイクロ流路は、その断面が数μｍから百μｍ程度と大変小さい。このマイクロ流路の温度を変化させて流路内の蛍光強度を測定する場合、熱変化により、基板が撓み、流路の位置が変位する。特に基板が樹脂材料で構成されている場合には、基板の変形は大きく、流路位置の変位も大きい。さらに、流路内の蛍光標識からの微弱な蛍光を検知するためには、基板材料自身が発する自家蛍光の影響を避けることが好ましい。そのためには、撮像装置による撮像領域をできるだけ小さくし、自家蛍光は受光せずに蛍光標識からの蛍光のみを撮像することが好ましい。そのために、撮影光学系のＮＡを大きくし焦点深度を小さくする方法、コンフォーカル撮影の原理または光切断の原理を用いて光を検出する撮像深度を狭くする等の方法がある。しかし、これらの手法により撮像深度を小さくすると、流路の中にこの撮像深度が正確に配置されるように流路の位置を合わせなければ、蛍光を精度良く得ることはできない。さらに、上記のような基板の変形や、流路の製作誤差、配置誤差により、流路面と走査面がずれて部分的に撮像深度から流路が外れ、正確な測定ができないという問題もある。

このような問題を解決する手段として、撮像装置にオートフォーカス機構を搭載することが考えられる。リアルタイムにオートフォーカスを行う装置が、特許文献１に開示されている。この装置は、ＤＮＡチップのプローブに結合した蛍光標識を検知する装置において、励起光のＤＮＡチップ表面からの反射光を四葉素子で受光して、それらの素子の受光量の差分よりフォーカス位置の前後を判断する。そして、レンズ位置を調整して常にチップ表面にピントを保つ。

また、特許文献２には１次元のセンサー（マルチチャンネル光電子倍増管）を用いた撮像系にＡＦ機構を搭載した装置が開示されている。さらに、特許文献３には、４葉素子を用いて流路の上下の壁面を検知し、その間をジグザグにスキャンする方法が開示されている。
特開２００１−２４２０８１号公報特許第３５５１８６０号公報特開２００６−３２２７０７号公報

特許文献１に開示されている装置は、ダブルスキャニング方式のものである。すなわち、被検体上の一点に対物レンズを用いて励起光のスポット光を形成し、生じた蛍光を対物レンズを用いて光電子倍増管（ＰＭＴ）等の光量検知素子に導き、被写体とスポット光を相対的に移動しながら、被写体全面の情報を得る。この方式は、被写体を二次元方向に駆動し走査する場合には、走査に時間がかかり、装置が大掛かりになるという欠点があり、また、液体を内部に有する流路基板を動かすことは、泡の発生や液漏れ等のおそれがあるため現実的ではない。また、固定した被写体に対し、励起光の投影、蛍光の集光に用いる対物レンズを含むオプティカルヘッドをスキャンする方法も開示されている。この方法は、被写体を動かすよりは、小さい駆動部により、早く走査することが可能だが、やはり、駆動部が必要であるため、装置が大型化し、さらに撮像に時間がかかるという問題は解消されない。さらにＡＦ専用のセンサーも必要である。そして、対物レンズを光軸方向に駆動するボイスコイルモーターを対物レンズとともに走査するため、走査するオプティカルヘッドが重くなり、さらに走査に時間がかかる。

また、特許文献２に開示された装置は、撮像系と独立にフォーカス検知光学系を設け、一点に対してフォーカス調整するのみであり、スキャン中のフォーカスは固定である。このため、１ラインスキャンの途中での流路位置の変化に対してリアルタイムにフォーカス調整をすることはできない。

さらに、特許文献３に開示されたスキャン方法はダブルスキャニングのスキャナーに応用される方法であり、さらにスキャンに時間がかかるため非効率的である。

また、検体の温度を蛍光強度とともに正確に検知することはＤＮＡの種類を判別するために重要だが、蛍光検出とともに検体の温度測定も可能なスキャナーはこれまで提案されていない。

そこで本発明は、変形又は傾斜した流路に対しても、１回の走査動作で良好に被検体の撮像を行うことが可能な走査型撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の走査型撮像装置は、
基板内に形成された流路に配置された被検体に照射される励起用の第１のスポット光と、前記流路に照射される焦点検知用の２つの第２のスポット光とを前記基板の上の互いに異なる位置に照射し、かつ前記第１及び第２のスポット光を少なくとも前記流路に沿って走査するスポット光投影手段と、
前記第１のスポット光によって励起されて前記被検体から発せられた光と、一方の前記第２のスポット光が前記流路の上面で反射して生じた第１の反射光と、他方の前記第２のスポット光が前記流路の下面で反射して生じた第２の反射光とを撮像する撮像手段と、
前記流路の深さ方向に対する前記第１及び第２のスポット光の焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、を有し、
前記焦点位置調節手段は、前記第１及び第２の反射光の強度を比較して求められる、前記流路の深さ方向における前記第１及び第２のスポット光の焦点位置の偏差方向及び偏差量に応じて動作するように構成されている。

本発明によれば、変形又は傾斜した流路に対しても、１回の走査動作で良好に被検体の撮像を行うことが可能な走査型撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る走査型撮像装置を説明する。本実施形態の装置による主な検出対象は、マイクロ流路内の２本鎖ＤＮＡの量、ＤＮＡチップのプローブに結合したターゲットＤＮＡの量等である。

［装置構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る走査型撮像装置を示す概略構成図である。図２は、図１に示したスポット光投影部、撮像部及び基板等の構成を図１のＡ矢視方向から見た概略透視図である。

本実施形態の走査型撮像装置は、筐体１４内に配置されたスポット光投影部１０１及び撮像部１０２と、複数のマイクロ流路５，６，７が形成された基板４を支持する温調ブロック８及び温調部９とを有している。本実施形態の走査型撮像装置はさらに、筐体１４を図１に示す方向１５ａに移動させる駆動部１５と、メモリ１７、ＣＰＵ１８及びＡ／Ｄ変換部１９を備えた制御回路１６と、温調部９の温度を制御する温調制御部１０とを有している。

スポット光投影部１０１は、マイクロ流路５〜７内の被検体に加えられた蛍光標識を励起する励起用の波長４８８ｎｍのレーザー光を出射するレーザー光源１と、焦点検知用の波長５３２ｎｍのレーザー光を出射するレーザー光源２１，２２とを有している。したがって、レーザー光源１から照射される第１のスポット光１ａ（図４参照）は第１の波長（４８８ｎｍ）を有し、レーザー光源２１，２２から照射される２つの第２のスポット光２１ａ，２２ａ（図４参照）はそれぞれ第２の波長（５３２ｎｍ）を有している。スポット光投影部１０１は、それらのレーザー光を走査するスキャンミラー等からなる走査部２と、レーザー光のスキャン位置を走査部２による偏向角度に比例した位置に変換するｆθレンズ３と、をさらに有している。

また、撮像部１０２は、結像光学系である結像素子アレイ（例えば、セルフォックレンズアレイ：日本板硝子社の登録商標）１１と、蛍光フィルター１２と、センサアレイであるラインセンサー１３と、を有している。蛍光フィルター１２は、励起光である第１の波長（４８８ｎｍ）の光は遮断し、第１の波長によって励起された蛍光標識から発せられる蛍光（波長５００ｎｍ〜５３０ｎｍ）および第２の波長（５３２ｎｍ）の光は透過する特性を有している。

基板４には、複数種類の試薬に対応したマイクロ流路５，６，７が形成され、それらの中には、バッファー液で分離された複数の被検体ＤＮＡ及び蛍光標識が入っている。この蛍光標識は、ＤＮＡの二本鎖の中に取り込まれた状態で励起され、蛍光を発するインターカレーター方式の蛍光標識（例えば、ＳＹＢＲＧｒｅｅｎＩ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＰｒｏｂｅ社の登録商標）である。この蛍光標識の励起波長は４７０〜４９０ｎｍであり、５００ｎｍ〜５３０ｎｍの蛍光を発する。この液体は不図示の送液手段により流路の中を移動する。基板４は温調ブロック８により下面が覆われ、温調ブロック８は温調部９により加熱冷却される。温調部９の設定温度は温調制御部１０によりコントロールされる。

スポット光投影部１０１及び撮像部１０２を収容した筐体１４は、ステッピングモーターや超音波モーター等からなる駆動部１５により、走査部２の主走査方向２ａ（図２参照）に対して垂直な副走査方向１５ａに移動可能に構成されている。本実施形態の走査型撮像装置は、走査部２の主走査方向２ａへの走査と、筐体１４（すなわちスポット光投影部１０１及び撮像部１０２）の副走査方向１５ａへの移動とを行うことによって、流路５〜７内の蛍光標識の蛍光画像を撮像することが可能である。

レーザー光源２１，２２から出射される焦点検知用の波長５３２ｎｍのレーザー光は、蛍光フィルター１２を透過する。これらの光源２１，２２から出射されたレーザー光は、レーザー光源１から出射されたレーザー光と同様に走査部２により走査される。そして、それらのレーザー光のうち、流路５〜７の上面及び下面で反射した反射光が、結像素子アレイ１１によってラインセンサー１３に導かれる。

結像素子アレイ１１を構成する素子は、屈折率分布型の材料により形成された光学素子であり、被写体像を一度レンズ内部に結像した後、像面に正立の被写体像を形成する。結像素子アレイ１１は、このようなレンズを直線上に配列した部材であり、像面に広い範囲の正立被写体像を形成することができる。

走査型撮像装置の全体を制御する制御回路１６は、メモリ１７、ＣＰＵ１８及びＡ／Ｄ変換部１９を有し、走査部２の動作制御、ラインセンサー１３の動作制御、温調制御部１０の制御、駆動部１５の制御を行う。制御回路１６の働きにより、ラインセンサー１３からの出力はＡ／Ｄ変換部１９に送られ、さらにＡ／Ｄ変換部１９によるＡ／Ｄ変換結果はメモリ１７に送られる。

メモリ１７は、制御回路１６が装置の制御に使う領域以外の領域にスキャン動作時の主走査用のメモリ領域を有する。その領域では、ラインセンサー１３のデータの保存を目的とする複数のラインメモリを構成している。各画素を光スポットが通過する時間を一区切りとして、それぞれの時間に対してラインセンサー１３の全画素のデータを保存するラインメモリが領域として確保されている。これらを時間別データ用ラインメモリと称する。さらに、それぞれのラインメモリの保存データから求められる値を保存するためにラインメモリが別途領域として確保されている。これを合成データ用ラインメモリと称する。
さらに、主走査と副走査との組合せの２次元データを保存するために主走査の複数回に対応して合成データ用ラインメモリのデータを記憶する複数のラインメモリも別途領域として確保されている。

本実施形態の装置に用いることができる走査部２としては、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー、マイクロミラーアレイ、ポリゴンミラー等がある。また、本実施形態の装置に用いることができる結像光学系としては、結像素子アレイの他、マイクロレンズアレイや、通常の結像光学系を挙げることができる。また、本実施形態の装置に用いることができるセンサアレイとしては、ライン型のＣＣＤセンサー、及び複数ラインを有する面積型のＣＣＤセンサー、ライン型のＣＭＯＳセンサー、及び複数ラインを有する面積型のＣＭＯＳセンサーがある。

［蛍光検出］
次に、図１及び図２を参照して、上述した走査型撮像装置を用いて、基板４内に形成された流路５〜７内の蛍光標識の撮像（蛍光検出）を行う方法を説明する。

レーザー光源１から出射されたレーザー光は、走査部２によって反射され、ｆθレンズ３により直径１０μｍ程度の第１のスポット光１ａに集光される。走査部２は、光線の反射点を含む直交する２軸を回転軸として回転自在なマイクロミラーデバイスであり、第１の回転軸２ｂを中心とした角振動で主走査を行い、第２の軸２ｃを中心とする角度調整によりフォーカス調整を行う。走査部２で反射したレーザー光は、主走査方向２ａに１秒間に１０回程度の速さで往復振動する。これにより、スポット光は、図３に示すように、流路５，６，７に略平行な方向２３０１に１０往復／秒の周期で走査される。この走査は、等速走査が望ましいが、実際には正確な等速走査は困難であり速度が生じる。そのため、正弦波状の非等速走査でも良い。この光スポットのスキャン開始の基準位置は、不図示の光センサーを光スポットが通過することにより検知される。

走査部２の光線反射点は、ｆθレンズ３の焦点位置と一致している。そのため、ｆθレンズ３の屈折により光線は、走査部２による偏向角度に比例した距離だけ離れ、光軸に平行に進む収束光になる。結像素子アレイ１１とラインセンサー１３は、このスポット光の投影位置とラインセンサー１３の受光部とが共役となるように配置されている。これにより、照明光束の通過領域のみが照明領域となるため、この光線幅が撮像深度となり、基板４の自家蛍光の影響を受けない高精度な撮像（蛍光検出）が可能となる。したがって、撮像光路と照明光路との交点に流路５〜７が一致した場合には、流路５〜７内の蛍光標識から発せられた蛍光は、結像素子アレイ１１によりラインセンサー１３の受光部に導かれる。

走査部２による一走査が終了すると、スポット光投影部１０１及び撮像部１０２を収容した筐体１４は、主走査方向２ａに対して垂直な方向である副走査方向１５ａに駆動部１５によって移動させられる。すなわち、走査部２により主走査が行われ、駆動部１５により副走査が行われる。この主走査と副走査とを組み合わせることにより、図３に破線で示す撮像範囲２３０２，２３０３，２３０４における蛍光画像が撮像される。図３に示すように流路５〜７の長さ方向と平行に主走査を行う際には、流路５〜７の間を飛び越して副走査することが可能であるため、走査動作の効率が良い。本実施形態では結像素子アレイ１１のような小さな光学部品を用いているため、このような飛び越し走査を短時間で行うことが可能である。

［フォーカス検知］
上述したように、レーザー光源２１，２２は、フォーカス検知用の波長５３２ｎｍのレーザー光を出射する光源である。この波長の光は蛍光フィルター１２を透過する。レーザー光源２１，２２から出射されたレーザー光も、上述したレーザー光源１からのレーザー光と同様、走査部２によって反射され、ｆθレンズ３により直径１０μｍの第２のスポット２１ａ，２２ａに集光される。このとき、これらの光線は、走査部２の反射面では一致するが、基板４の流路５〜７が形成されている面では、図４に示すように励起用スポット光１ａとは、異なる位置に投影される。図４は、マイクロ流路６における、各レーザー光源１，２１，２２から出射されたレーザー光によるスポット光１ａ，２１ａ，２２ａの位置関係を示している。破線矢印線３０はスポット光１ａの走査軌跡と方向を示す線であり、スポット光２１ａ，２２ａは、スポット光１ａに対して走査方向及びこれに対して垂直な方向に、それぞれ互いに逆方向に変位して投影される。

図５は、各レーザー光源１，２１，２２から出射されたレーザー光がマイクロ流路の上面及び下面で反射する様子を示す図である。

励起光の光源であるレーザー光源１からの励起光の投影光軸１ｂと、マイクロ流路６内の蛍光標識が励起されて発する蛍光の撮像光軸１３ｂとの交点がマイクロ流路６内に位置した合焦状態では、それらの光軸１ｂ，１３ｂは以下の関係になっている。すなわち、レーザー光源１からの励起光の投影光軸１ｂと、ラインセンサー１３の受光部に入射する光の撮影光軸１３ｂとは、マイクロ流路６の流路上面６ａと流路下面６ｂとの中間で交わる。すなわち、ラインセンサー１３はマイクロ流路６内から発せられる蛍光のみを受光する。

励起光は、流路５〜７に到るまでの間、及び流路５〜７を通過した後も、基板４の材料を励起し、基板４も自家蛍光を発する。しかし、撮影光軸１３ｂとの交点より離れた位置で発した自家蛍光は、ラインセンサー１３の画素に対し、画素の配列方向に対して垂直な方向にずれた位置に投影されるため、基板４の自家蛍光が信号としてラインセンサー１３に受光されることはない。そのため、ラインセンサー１３では本来の検出対象であるマイクロ流路６内から発せられる蛍光のみが検出されるので、Ｓ／Ｎ比が良好な検出が可能である。

また、各レーザー光源２１，２２から照射された２つのスポット光２１ａ，２２ａのうち、レーザー光源２１から照射された一方のスポット光２１ａは、光軸２１ｂに沿って基板４の上面４ａにおいて励起光の投影光軸１ｂから偏心した位置に投影される。そして、流路上面６ａに向かう。基板４の材質と流路６中の流体とは屈折率が異なるため、光軸２１ｂに沿って照射されたスポット光２１ａは、流路上面６ａにおいてその一部が反射される。スポット光２１ａの流路上面６ａで反射した光である第１の反射光は、蛍光フィルター１２を透過し、結像素子アレイ１１によりラインセンサー１３に導かれる。図６に示すように、レーザー光源２１からの出射光によるスポット光２１ａの流路上面６ａでの反射像２１ｃは、ラインセンサー１３の受光部１３ａの画素配列方向に対して垂直な方向に、その一部がラインセンサー１３にかかる程度に偏心している。

レーザー光源２２から出射された照射された他方のスポット光２２ａも同様に、図５に示す光軸２２ｂに沿って進み、光軸１ｂに対して光軸２１ｂとは反対側に偏心した位置に投影される。このスポット光２２ａは、光軸２１ｂに沿って進むスポット光２１ａと同様に流路上面６ａによって一部が反射されるが、残りの光はマイクロ流路６内を透過し、さらに流路下面６ｂに達する。基板４の材質と流路６中の流体との屈折率が異なるため、流路下面６ｂでもその一部の光が反射される。スポット光２２ａの流路下面６ｂで反射した光である第２の反射光は、蛍光フィルター１０を透過し、結像素子アレイ１１によりラインセンサー１３に投影される。このスポット光２２ａの流路下面６ｂによる反射像２２ｃは、図６に示すように受光部１３ａに対して反射像２１ｃとは反対側に偏心した位置に導かれる。このとき、反射像２２ｃは、その一部がラインセンサー１３の受光部１３ａに掛かる程度に偏心して投影される。また、反射像２２ｃは、ラインセンサー１３のライン方向に対して、レーザー光源２１からのスポット光２１ａによる反射像２１ｃ及びレーザー光源１からの励起光による反射像１ｃと重ならない程度に偏心して投影される。

なお、光軸２１ｂに沿って進むスポット光２１ａの流路下面６ｂでの反射像及び光軸２２ｂに沿って進むスポット光２２ａの流路上面６ａでの反射像は、それぞれラインセンサー１３の受光部１３ａから反射像２１ｃ，２２ｃよりもさらに離れた位置に投影される。そのため、それらの反射像がラインセンサー１３によって信号として認識されることはない。

図７は、各反射像１ｃ，２１ｃ，２２ｃを図６に示すようにラインセンサー１３の受光部１３ａで受光した場合の、ラインセンサーの画素からの出力Ｐを示すグラフである。図中において、符号１ｄ，２１ｄ，２２ｄはそれぞれ反射像１ｃ，２１ｃ，２２ｃの出力Ｐを示している。上述したように、励起光の投影光軸１ｂと撮像光軸１３ｂとが流路内で交わる場合には、反射像２１ｃ，２２ｃの結像位置におけるラインセンサー１３の受光部１３ａの画素からの出力Ｐは、図７の符号２１ｄ，２２ｄに示すように略等しい。

図８は、基板４およびその内部に形成されているマイクロ流路６が、図５に示した位置よりも距離４ｄだけスポット光投影部１０１及び撮像部１０２に近づいた状態を示している。

スポット光投影部１０１及び撮像部１０２（図１参照）に対してマイクロ流路６が図８に示す位置関係にあるとき、レーザー光源２１から出射されて光軸２１ｂに沿って進む光線は、流路上面６ａの撮像光軸１３ｂに近い位置７０１で反射される。また、レーザー光源２２から出射されて光軸２２ｂに沿って進む光線は、流路下面６ｂの撮影光軸１３ｂから離れた位置７０２で反射される。これにより、これらの光軸２１ｂ，２２ｂに沿って進む光線による反射像２１ｃ，２２ｃの、ラインセンサー１３の受光部１３ａに対する位置関係は、図９に示すようになる。すなわち、レーザー光源２１からの光線による反射像２１ｃはラインセンサー１３の受光部１３ａの付近に結像するが、レーザー光源２２からの光線による反射像２２ｃは受光部１３ａから離れた位置に結像する。このようにマイクロ流路６がスポット光投影部及び撮像部に近づいている場合には、反射像２１ｃの結像位置におけるラインセンサー１３の受光部１３ａの画素からの出力２１ｄは、反射像２２ｃの結像位置における出力２２ｄよりも強い（図１０参照）。

図１１は、基板４およびその内部に形成されているマイクロ流路６が、図５に示した位置よりも距離４ｅだけスポット光投影部１０１及び撮像部１０２から遠ざかった状態を示している。

スポット光投影部１０１及び撮像部１０２（図１参照）に対してマイクロ流路６が図１１に示す位置関係にあるとき、レーザー光源２１から出射されて光軸２１ｂに沿って進む光線は、流路上面６ａの撮像光軸１３ｂから離れた位置１００１で反射される。また、レーザー光源２２から出射されて光軸２２ｂに沿って進む光線は、流路下面６ｂの撮影光軸１３ｂに近い位置１００２で反射される。これにより、これらの光軸２１ｂ，２２ｂに沿って進む光線による反射像２１ｃ，２２ｃの、ラインセンサー１３の受光部１３ａに対する位置関係は、図１２に示すようになる。すなわち、レーザー光源２１からの光線による反射像２１ｃはラインセンサー１３の受光部１３ａから離れた位置に結像するが、レーザー光源２２からの光線による反射像２２ｃは受光部１３ａの付近に結像する。このようにマイクロ流路６がスポット光投影部及び撮像部から遠ざかっている場合は、反射像２１ｃの結像位置におけるラインセンサー１３の受光部１３ａの画素からの出力２１ｄは、反射像２２ｃの結像位置における出力２２ｄよりも弱い（図１３参照）。

上記から、スポット光投影部１０１及び撮像部１０２（図１参照）とマイクロ流路５〜７との距離が、ラインセンサー１３の受光部１３ａで検出される２つの反射像２１ｃ，２２ｃの強度が略等しくなるように保たれていることが好ましいことがわかる。すなわち、上記距離がそのように保たれているときには、レーザー光源１からの励起光の投影光軸１ｂと撮影光軸１３ｂとの交点が流路５〜７内に位置するため、ラインセンサー１３は流路５〜７内の蛍光標識から発せられる蛍光を常に捉えることができる。

［ラインセンサー制御］
図１４は、図１等に示したラインセンサーの構成を示す概略構成図である。図１４に示すように、ラインセンサー１３の受光部１３ａは、それぞれフォトダイオード等の光電変換素子から成る複数の画素ｃ１，ｃ２，ｃ３,…で構成され、光電変換された電荷を蓄積する機能を有している。ラインセンサー１３は、受光部１３ａに蓄積された電荷を電荷読出し指示信号に対応して受け取るＣＣＤ１３ｂと、ＣＣＤ転送指示信号に対応して、ＣＣＤ１３ｂの画素順に電荷蓄積量に応じた電圧値に変換するアンプ１３ｃと、をさらに有している。ＣＣＤ１３ｂは、受光部１３ａに蓄積された電荷を電荷読出し指示信号に対応して受け取る。その後、ＣＣＤ１３ｂに蓄積された電荷は、ＣＣＤ転送指示信号に対応して、ＣＣＤ１３ｂの画素順に蓄積量に応じた電圧値に変換するアンプ１３ｃを経由して、電圧信号としてラインセンサー１３の外部に次々と出力される。

図１３は、ラインセンサー１３の受光部１３ａを構成する画素ｃ１，ｃ２，ｃ３，…の上に反射像１ｃ、２１ｃ，２２ｃが仮想的に投影された様子も示している。これらの反射像１ｃ、２１ｃ，２２ｃは、走査部２によるスキャン動作にしたがって、これらの画素の配列方向に移動する。

次に、ラインセンサー１３からの信号読出しについて説明する。反射像１ｃ、２１ｃ，２２ｃを受光部１３ａ上にスキャンしている間、制御回路１６（図１参照）は、ラインセンサー１３の画素１３ａの蓄積と読出しとを繰り返す。たとえば、１０往復／ｓｅｃでスキャンする場合には、１ラインの走査にかかる時間は５０ｍｓｅｃである。長さ２０ｍｍの流路の画像を１０μｍピッチでサンプリングするためには、
サンプリング周波数＝１／５ｍｓｅｃ／１０μｍ＊２０ｍｍ＝４０ｋＨｚ
の周波数でラインセンサー１３から信号を読み出す。このとき、蓄積時間は２５μｓｅｃである。

図１５は、マイクロ流路６に投影された各スポット光の配置を示している。流路６内には、複数の検体６０１，６０３，６０５，６０７が、それらの間にバッファー液６０２，６０４，６０６を挟んで配置されている。時刻がＴ１からＴ２、さらにＴ３へと進むと、上記で説明した走査部２の動作により、３つのスポット光は流路６に沿って図示右方向に移動する。

そのときラインセンサー１３から読み出した信号の波形を図１６に示す。図１６において、横軸はラインセンサー１３の画素配列方向の位置を示し、縦軸は各画素からの信号強度を示している。時刻Ｔ１における信号波形では、３つの山１５０１，１５０２，１５０３が現れている。そのうちの左右の２つ山１５０１，１５０３はフォーカス検知用の反射像２１ｃ，２２ｃの強度を示し、中央の山１５０２は励起光による流路６内からの反射像１ｃの蛍光強度を示している。時刻Ｔ１においては、励起スポット光１ａが検体６０１を照射しているため、強い蛍光強度が得られる。時刻Ｔ２では、励起スポット光１ａはちょうど検体６０１とバッファー液６０２との中間に照射されているため、検出される蛍光強度は時刻Ｔ１のときよりも弱くなる。したがって、時刻Ｔ２における中央の山１５０５は時刻Ｔ１のときの中央の山１５０２よりも低くなっている。ただし、時刻Ｔ２における左右の山１５０４，１５０６は、流路上面及び流路下面からの反射光によるものであるため、強度に大きな変化はない。時刻Ｔ３では励起スポット光１ａはバッファー液６０２を照射しているため、時刻Ｔ３における蛍光強度（中央の山１５０８の高さ）はさらに低くなっている。

図１７は、ラインセンサー１３の画素配列方向の位置（横軸）と、各画素からの信号強度（縦軸）との関係を示すグラフである。図１７中の黒丸は、信号強度を示す実際の波形から得られた値を示している。この黒丸の位置は、蛍光強度を表す山１５０２，１５０５，１５０８（図１６）の位置に対応している。図１６では山の波形を曲線で示したが、実際には図１８に示すようにラインセンサーの個々の画素からの出力により構成される。したがって、この山の位置の計算方法は、例えば、蛍光強度のピークの２０％程度を閾値とし、その波形の重心や面積中心を山の位置とすることができる。また、黒丸の高さは、山の波形１５０２を構成する各画素の出力を足し合わせた値である。このようにして求めた黒丸の座標をプロットすると、図１７のＴ１，Ｔ２，Ｔ３で示すようになる。その他の黒丸も同様に波形より求めたものである。このようにして、上述したとおり、４ＭＨｚの速さでラインセンサー１３の全画素の読み出しが行われる。すなわち、図１６に示した波形を示すデータが、１回の主走査の間に２０００通り得られることになる。

上記においても述べたように、走査部２によるスキャン速度を一定に保つことは困難である。したがって、スポット光の単位時間あたりの移動距離は、このスキャン速度により異なる。図１７は、このスキャンスピードが徐々に速くなる場合を示し、スポット光の進行とともに黒丸の横方向の間隔が徐々に広くなっている。画像を生成する場合には一定の距離間隔の情報が必要であるため、演算により、図１７において白丸に示したような一定間隔の強度データを求める。すなわち、黒丸のデータの座標をＸとし、そのＸにおける強度をＹとする近似多項式Ｙ＝Ｆ（Ｘ）を求め、この関数のＸに一定間隔の座標を代入すれば、その座標における強度を求めることができる。このように求めた強度データを用いて画像を構成することにより、スキャン速度誤差に影響を受けず、歪みのない、位置の信頼性の高い画像を得ることができる。しかも、これらの強度データは、全て蓄積時間が一定であるため、強度情報の信頼性も高い。

フォーカス検知用のスポット光の２つの山の強度をリアルタイムに比較することで、ピントずれの方向（投影部及び撮像部が流路に近づいているか、あるいは流路から遠ざかっているか）を検知することができる。なお、フォーカス検知用の２つのスポット光の信号については、励行光のスポット光の蛍光強度に関係なく一定の強度が得られる。そのため、励行光のスポット光による中央の山の強度が弱い場合等には、これらの信号を用いて中央の山の位置を求めることが可能である。中央の山の位置はフォーカス検知用の２つのスポット光の中間に位置するため、中央の山の位置はそれらの２つのスポット光の位置から求めることができる。このように、フォーカス検知用の２つのスポット光による強度信号から、励行光のスポット光による信号強度の山の位置を精度よく求めることができるため、正確な画像を撮像することが可能である。

以上説明してきた方法では、スポット光をスキャンしている間、一定時間間隔で、ラインセンサー１３の全ての画素から信号を読出してメモリに記録している。そのため、Ａ／Ｄ変換部１９（図１参照）等に処理速度が高速な部品を使うことが要求され、また大容量のメモリ１７（図１参照）が必要とされる。しかしながら、Ａ／Ｄ変換部の処理速度を高速化させず、かつ少ない容量のメモリでスキャンを行うために、スポット光のおおよその位置を予めメモリに記憶しておき、その周辺の画素の信号のみを取り出すようにしてもよい。この場合でも、上記と同様に画像情報を得ることができる。

また、スポット光の位置は走査部２（図１等参照）の角度により決まるため、走査部２の角度を検知し、スポット光の位置に対応した画素の情報のみを読み出すことにより、信号読出しの速度を低下してデータ量を減らすこともできる。

図１９は、ラインセンサーの各画素における電荷の蓄積状態と、各画素からの電荷読出し動作とを示す図である。図１９において、縦方向は順番に配列されたラインセンサーの各画素ｃ１，ｃ２，…ｃ２０…を示し、横方向は時間ｔの進行を示している。本実施形態のラインセンサー１３は、各画素の蓄積読出しのタイミングを外部から制御可能なＣＭＯＳセンサーであり、走査部２の主走査角度を検知して、その検知した角度に同期して、蓄積画素を変えながら順次電荷の読出しを行う。より詳しく説明すると、図１９にＣＨで示すように、まず、スポット光の位置に対応する画素ｃ１，ｃ５，ｃ９に電荷蓄積を行う。そして、それらの画素から読み出した電荷をＡ／Ｄ変換部１９で変換してメモリ１７に記憶するとともに、次の画素ｃ２，ｃ６，ｃ１０において電荷蓄積を開始する。そして、蓄積した電荷を読出し、Ａ／Ｄ変換部１９で変換してメモリ１７に記憶する。このようにして、上述したように焦点検知用のスポット光２１ｃ，２２ｃの強度を検知する。ＣＰＵ１８は、メモリ１７からデータを逐次読出し、２つのスポット光２１ｃ，２２ｃの強度を比較することにより、ピントのずれ方向を検知して必要な補正を行う。この場合には電荷の蓄積時間が変化するため、蓄積時間を検知してスポット光１ｃの蛍光強度を補正するとさらに良い。

制御回路１６は、上述したように、第１及び第２の反射光（反射像２１ｃ，２２ｃ）の強度を比較して、マイクロ流路の深さ方向における各スポット光１ａ，２１ａ，２２の焦点位置の偏差方向及び偏差量を求める。そして、後述するように、それらの偏差方向及び偏差量に応じて焦点位置調節手段を動作させて、各スポット光１ａ，２１ａ，２２の焦点位置を調節する。

［焦点補正］
基板４中のマイクロ流路５〜７に対する、スポット光投影部１０１から照射される各スポット光の焦点位置の調節は、以下のような焦点位置調節手段を用いて行うことができる。

１つめの手段として、図１に示した筐体１４内に設置されたスポット光投影手段１０１及び撮像手段１０２を基板４に対して垂直な方向（マイクロ流路の深さ方向）に移動させる上下駆動機構（不図示）を設けてもよい。これにより、前述したフォーカス検知用の２つの反射像２１ｃ，２２ｃの強度が等しくなるようにスポット光投影手段１０１及び撮像手段１０２を上下に移動させることで、焦点補正を行うことができる。ただし、スポット光投影手段１０１及び撮像手段１０２は重量が大きいため、これらを素早く移動させるためには上下駆動機構には大型のものを用いる必要がある。

また、スポット光投影手段１０１のみを、上下駆動機構（不図示）や駆動部１５によって、基板４に対して垂直方向または水平方向に移動させることによっても焦点補正を行うことが可能である。この場合は、移動させるのがスポット光投影手段１０１のみであるため駆動機構の負担を軽減できるので、焦点補正を高速に行うことが可能となる。

２つめの手段として、基板４の流路５〜７の長さ方向に沿った方向である主走査方向へのスポット光の走査を行うとともに、基板４の厚さ方向へのスポット光を偏向させる手段を用いることができる。このような手段を用いた場合には、上記のような大型の上下駆動機構を用いることなく、迅速な焦点補正を行うことができる。

図２０は、流路に沿った方向である主走査方向（第１の方向）へのスポット光の偏向と、流路の上面及び下面と平行な平面において第１の方向に対して直交する第２の方向へのスポット光の偏向とを行うことが可能な走査部を示す斜視図である。図２０に示す走査部２は、第１の軸１５０２，１５０３によって枠体１５０４に回転自在に支持されたミラー部１５０１を有している。さらに、枠体１５０４は、第１の軸１５０２，１５０３に対して直交する第２の軸１５０５，１５０６によって他の枠体（図２０では不図示）に回転自在に支持されている。ミラー部１５０１は既知の駆動手段によって第１の軸１５０２，１５０３を中心として回転方向に揺動するように駆動制御され、これによってスポット光の主走査が行われる。また、ミラー部１５０１を支持している枠体１５０４は既知の駆動手段によって第２の軸１５０５，１５０６を中心として回転するように駆動制御され、これによって基板４の厚さ方向へのスポット光の偏向が行われる。

すなわち、上述したようにフォーカス検知信号（反射像２１ｃ，２２ｃ）によって流路の上下方向（深さ）における焦点ずれが検知された場合には、図２１に示すように走査部２を主走査方向とは９０°異なる方向に角度制御しながら回転させて焦点補正を行う。たとえば図１１に示したように流路６距離４ｅだけ光学系から離れている場合には、光軸２１ｂ，２２ｂに沿って進むスポット光の反射像のうち、図１２に示すように反射像２１ｃは受光部１３ａから離れ、反射像２２ｃは受光部１３ａに接近する。この場合、図２１に示すように、走査部２を主走査方向に対して垂直な方向に回転調整することにより、光源２１，２２から発せられた光線は符号２１ｅ，２２ｅで示すように図示下方に偏向される。これにより、光線２１ｅ，２２ｅの２つの反射像をラインセンサー１３の受光部１３ａに対して等距離の位置に形成することができる。この状態では、励起光の光源１から発した光線により形成される光軸１ｅに沿って進む光線は、流路上面６ａと流路下面６ｂとの中間位置で撮像光軸１３ｂと交わるため、ラインセンサー１３は流路６内からの蛍光画像を効率良く捉えることができる。

このような焦点補正制御をレーザースポット光を走査しながらリアルタイムに行うことにより、流路５〜７が変形または製造誤差等によって撮像深度により形成される撮像面からずれている場合でも、流路内の蛍光標識の蛍光画像を効率良く撮像することができる。

以上に説明した例では、励起光の投影位置のみを変化させて焦点補正を行っているため、蛍光検出面が結像素子アレイ１１の焦点面からずれてしまい、反射像がラインセンサー１３上に結像しないことが懸念される。しかし，一般にこのような結像素子アレイの焦点深度は２００〜３００μｍであり、数十μｍ程度のずれによって反射像の測定値が影響を受けることはない。

［温度測定］
次に、上述した走査型撮像装置を用いて、蛍光画像の撮像と同時に流路内の液温を測定する方法について説明する。

前述の通り、流路内の検体を加熱及び冷却させ、その際の蛍光強度の変化の情報をもとに検査を行う手法は広く行われている。その際、撮像領域全体に亘って検体の温度を把握することは重要である。基板の表面の温度を測定して流路内の温度を推定する方法も考えられるが、外部環境の影響を受けやすく正確な測定はできない。したがって、時々刻々変化する流路内の温度を蛍光検出とともに計測することにより、蛍光強度の検出の精度をさらに向上することができる。

流路の上面及び下面での反射率は、基板の材質の屈折率、および流路の内部を流れる流体の屈折率により決定される。そして、流路の内部を流れる液体の屈折率は、図２２に示すように温度に依存するため、流路の上下面で反射した光の強度から、流路内の液体の温度を求めることができる。

図２２に示すように、４０℃における屈折率は水が１．３３２、石英が１．４６０９であり、５０℃においては水が１．３３１７、石英が１．４６１０であり、６０℃においては水が１．３３１２、石英が１．４６１１である。したがって、流路への入射角を３０°とすると、それぞれの温度での反射率は、４０℃では０．４０３％、５０℃では０．４０７％、６０℃では０．４１１％となる。すなわち、温度変化に対する反射光強度の変化率は、４０℃から５０℃に変化する場合には０．４０７／０．４０３＝１．０１であり、５０℃から６０℃に変化する場合には０．４１１／０．４０７＝１．０１である。このことから、温度が１０℃変化すると反射光の強度が約１％変化することがわかる。制御回路１６のメモリ１７には、上述したような、基板４及びその流路に流される液体の温度と、その温度における流路と液体との界面（流路上面６ａ及び流路下面ｂ）における光の反射率との相関関係が記憶されている。

図２３は、横軸に時間Ｔ、縦軸に１回の主走査中の反射像２１ｃ，２２ｃの強度Ｐを示すグラフである。符号２１ｆ，２２ｆはそれぞれフォーカス検知用のレーザー光源２１，２２から発せられたレーザー光が流路の上下面で反射して形成された反射像の強度を示し、破線１８０１はその平均値を示している。強度２１ｆ，２２ｆは、焦点のずれにより個々には変動があるものの、特にその２つが等しい強度のときは、温度が一定であれば反射像２１ｃ，２２ｃの位置が変化しても常に等しい。しかし、前記のとおり、流路中の液体の温度が変化し、屈折率の変化により反射率が変化した場合には、この平均強度１８０１が変化する。図中の符号１８０２で示した領域では、それらの平均強度が強くなっている。これは、この付近では、反射率が増加している、つまり基板と液体との屈折率差が大きくなっていることを示している。これにより、図２２から、液体の屈折率が低下していること、すなわち、液体の温度が上昇していることがわかる。この平均強度１８０１は、２つの強度２２ｆ，２１ｆが等しくなった点、例えば符号１８０２，１８０３，１８０４等で示す点を滑らかに結ぶことで得ることもできる。

制御回路１６のＣＰＵ１８は、フォーカス検知用のレーザー光源２１，２２から発せられたレーザー光（第２のスポット光）の強度に対する、この平均強度１８０１の比率から、流路上面及び流路下面での光の反射率を求める。なお、レーザー光源２１，２２から発せられるレーザー光の強度に関する情報は制御回路１６に入力されるようになっている。そして、求められた反射率に基づいて、制御回路１６のＣＰＵ１８によって、メモリ１７に記憶されている反射率と液体の温度との相関関係から流路内の液体の温度を求めることができる。さらに、焦点ずれによる２つの反射光強度の平均値のずれ方を予めメモリ１７に記憶しておき、その値に基づいてＣＰＵ１８によって液体の温度を演算することもできる。

以上の方法によれば、流路内の検体の蛍光スキャンをする際に同時に流路内の液体の温度を検知することができる。そのため、流路内の液体の温度を検知するための特別な構成を装置に備える必要がなく、装置を大型化することなく、検体を精度良く検査することが可能になる。

［その他］
上記では光検出手段としてセンサアレイの中でも特にラインセンサーを用いた例を用いて説明したが、撮像素子が二次元上に配列されたエリアセンサーを用いて光検出（撮像）を行ってもよい。エリアセンサーはラインセンサーが複数配列されたものであり、エリアセンサーの中の特定のラインを用いて光を検出することによって、上述したようなラインセンサーと同様に光検出を行うことが可能である。

また上記では、メモリ１７、ＣＰＵ１８及びＡ／Ｄ変換部１９を含む制御回路１６を制御手段として走査型撮像装置が有し、その制御回路１６が走査型撮像装置に接続されている例を示した。この制御回路１６に代えて、メモリ１７、ＣＰＵ１８及びＡ／Ｄ変換部１９が行う上述の動作を実行する外部コンピュータ（不図示）を用意し、その外部コンピュータを走査型撮像装置に接続してもよい。この場合には、その外部コンピュータが制御手段として機能する。

さらに上記では、被検体に発光標識として蛍光標識を加え、その蛍光標識から発せられる蛍光を検出する例について説明したが、発光標識として用いることができる標識はこれに限られない。例えば、燐光を発光する標識を発光標識として被検体に加え、その発光標識から発せられる光として燐光を検出する構成であってもよい。

本発明の一実施形態に係る走査型撮像装置を示す概略構成図である。図１に示したスポット光投影部、撮像部及び基板等の構成を図１のＡ矢視方向から見た概略透視図である。マイクロ流路に対するスポット光の主走査方向を示す図である。マイクロ流路における、各レーザー光源から出射されたスポット光の位置関係を示す図である。各レーザー光源から出射されたレーザー光がマイクロ流路の上面及び下面で反射する様子を示す図である。ラインセンサーの受光部に対する各反射像の位置を示す図である。各反射像を図６に示すようにラインセンサーの受光部で受光した場合の、ラインセンサーの画素からの出力を示すグラフである。基板およびその内部に形成されているマイクロ流路が、図５に示した位置よりも距離４ｄだけスポット光投影部及び撮像部に近づいた状態を示す図である。図８に示す状態における、ラインセンサーの受光部に対する各反射像の位置を示す図である。各反射像を図９に示すようにラインセンサーの受光部で受光した場合の、ラインセンサーの画素からの出力を示すグラフである。基板およびその内部に形成されているマイクロ流路が、図５に示した位置よりも距離４ｅだけスポット光投影部及び撮像部から遠ざかった状態を示す図である。図１１に示す状態における、ラインセンサーの受光部に対する各反射像の位置を示す図である。各反射像を図１２に示すようにラインセンサーの受光部で受光した場合の、ラインセンサーの画素からの出力を示すグラフである。図１等に示したラインセンサーの構成を示す概略構成図である。マイクロ流路に投影された各スポット光の配置を示す図である。図１５に示すようにマイクロ流路に各スポット光を投影したときにラインセンサーから読み出した信号の波形を示す図である。ラインセンサーの画素配列方向の位置（横軸）と、各画素からの信号強度（縦軸）との関係を示すグラフである。ラインセンサーの個々の画素からの出力を示す図である。ラインセンサーの各画素における電荷の蓄積状態と、各画素からの電荷読出し動作とを示す図である。主走査方向へのスポット光の偏向と、基板の厚さ方向へのスポット光の偏向とを行うことが可能な走査部を示す斜視図である。図２０に示した走査部を用いて、基板の流路に対するスポット光の焦点調節を行う動作を説明する図である。基板の材質の屈折率および流路の内部を流れる流体の屈折率と温度との関係を示すグラフである。横軸に時間Ｔ、縦軸に１回の主走査中の２つの反射像の強度Ｐを示すグラフである。

符号の説明

４基板
５，６，７マイクロ流路
１６制御回路
１０１スポット光投影部
１０２撮像部

Claims

基板内に形成された流路に配置された被検体に照射される励起用の第１のスポット光と、前記流路に照射される焦点検知用の２つの第２のスポット光とを前記基板の上の互いに異なる位置に照射し、かつ前記第１及び第２のスポット光を少なくとも前記流路に沿って走査するスポット光投影手段と、
前記第１のスポット光によって励起されて前記被検体から発せられた光と、一方の前記第２のスポット光が前記流路の上面で反射して生じた第１の反射光と、他方の前記第２のスポット光が前記流路の下面で反射して生じた第２の反射光とを撮像する撮像手段と、
前記流路の深さ方向に対する前記第１及び第２のスポット光の焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、を有し、
前記焦点位置調節手段は、前記第１及び第２の反射光の強度を比較して求められる、前記流路の深さ方向における前記第１及び第２のスポット光の焦点位置の偏差方向及び偏差量に応じて動作するように構成されている走査型撮像装置。
前記スポット光投影手段は、前記第１及び第２のスポット光を、前記流路に沿った第１の方向と、前記流路の上面及び下面と平行な平面において前記第１の方向に対して直交する方向である第２の方向との２つの方向に偏向させる走査手段を備えており、
前記走査手段による前記第２の方向への前記第１及び第２のスポット光の偏向によって前記焦点位置の調節が行われる、請求項１に記載の走査型撮像装置。
前記焦点位置調節手段は、前記スポット光投影手段及び前記撮像手段のうちの少なくとも前記スポット光投影手段を前記流路の深さ方向に移動させる駆動機構で構成されている、請求項１に記載の走査型撮像装置。
前記撮像手段は、前記流路に沿った方向に対して平行に複数の画素が配列されたラインセンサーを有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の走査型撮像装置。
前記第１のスポット光は第１の波長を有し、前記第２のスポット光は前記第１の波長とは異なる第２の波長を有しており、
前記撮像手段は、前記第１の波長の光は遮断し、前記第１の波長とは異なる波長を有する前記被検体から発せられた光及び前記第２の波長の光は透過するフィルターを備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型撮像装置。
前記第１及び第２の反射光の強度を比較して、前記流路の深さ方向における前記第１及び第２のスポット光の焦点位置の偏差方向及び偏差量を求め、該偏差方向及び偏差量に応じて前記焦点位置調節手段を動作させて前記焦点位置を調節する制御手段に接続される、請求項１から５のいずれか１項に記載の走査型撮像装置。
前記制御手段は、前記流路内に入れられた液体の温度を、前記第１及び第２の反射光の強度に基づいて求めるように構成されている、請求項６に記載の走査型撮像装置。
前記制御手段には、前記液体の温度と、前記流路の上面及び下面における光の反射率との相関関係が記憶されており、
前記制御手段は、前記スポット光投影手段から照射された前記第２のスポット光の強度に対する、前記撮像手段で撮像された前記第１及び第２の反射光の平均の強度の比率から前記反射率を求め、さらに前記相関関係に基づいて前記液体の温度を求めるように構成されている、請求項７に記載の走査型撮像装置。