JP5129166B2 - 単一光軸マルチ検出器スライドガラススキャンシステム及び方法 - Google Patents

Description

（関連発明）
本発明は２００６年２月２７日付け米国特許仮出願第６０／７７７５３１号の優先権を主張し、２００５年７月１日付け米国特許出願第１１／１７３８１８号の継続出願であり、それぞれ参照により全体を本願明細書に取り入れるものとする。

（技術分野）
本発明は一般的に仮想的な顕微法に関し、より具体的には単一光軸を用いるマルチ検出器スライドガラス（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｓｌｉｄｅ）スキャンシステム及び方法に関する。

従来の画像タイリング型スライドガラススキャナは、２次元センサアレイ上にスライドガラス試料の小領域の拡大画像を投影する単一光軸を利用する。試料全体を十分に画像化するためには、一般的に「タイル」と呼ばれる２次元センサアレイにより取り込まれる数百又は数千の個々の画像が必要である。試料の画像化に要する全時間は各タイルの大きさ及びそれぞれの露光期間の結果による。画像タイリング法の一例としては、米国特許第６２７２２３５号が挙げられる。

図１に、単一光軸２次元センサアレイシステム（従来の画像タイリングシステム）の構成を示す。拡大光学系の視野は円形であり、通常は２次元センサアレイの縦横の次元に合わせている。アレイは各行に「ｎ」個の規則配置された「画素」を有し、全体として「ｍ」行「ｎ」列を含む。一回の露光では試料の小部分のみの画像を取り込む。次いで、試料を新たな領域に移動して次の露光を実施し、これにより数百又は数千タイルの複合画像を構築する。より多くのセンサが適切なデータ処理と共に並列利用可能であれば、画像収集時間は劇的に短縮されるであろう。残念ながら、センサ追加が可能なほど光学系の視野の大きさは十分ではないため、画像収集速度は取り込みデバイス速度により制約される。タイリングシステムにおける収集時間は、典型的には数十分又は数時間の場合もある。

他のスキャンシステム（例えば並列光学経路スキャンシステム）では、試料を横切る平行経路を移動する複数の対物レンズを用いる。この複数光軸システムでは、独立した数十個の小型化した顕微鏡対物レンズ（すなわち、平行光学経路）が必要であり、対物レンズが試料を横切って移動するに従い、各経路は大きな２次元センサアレイの異なる領域を露光し、これにより画像獲得速度を大きく向上する。光学エレメントに互い違いの２次元パターンを用い、試料移動中に複数露光することにより、試料の全体領域が２−Ｄセンサアレイの種々の区画に露光される。この種のシステムには特注製作の２次元センサアレイが必要である。引用した画像獲得時間はこの種のシステムにおいては１分のオーダーである。多軸並列光学経路スキャン法の一例は、米国特許第６８４２２９０号に見られる。

スキャンシステムの第３のタイプにはラインスキャンシステムが挙げられ、これは直線状のセンサアレイを利用する。リニアアレイによるラインスキャンの技法及び利点は米国特許第６７１１２８３号に記載があり、参照により全体を本願明細書に取り入れるものとする。図２に、スライドガラスの拡大画像が上に投影される、幅「ｎ」画素の単一リニアアレイを示す。試料が一定速度「ｖ」で移動するにつれ、一連の露光が連続して取り込まれ（Ｓ１、Ｓ２．．．Ｓｍ）、長い縦方向のストライプ画素は幅「ｎ」、高さ「ｍ」の形状となり、「ｍ」は試料の高さ全体のみで（又はこのリニアアレイにより移動した距離であり試料の高さ以上であってもよい）制約される。必要な速度は、各ラインの露光時間「ｔ」の間に試料移動（１画素高さ「ｈ」）に要する距離を計算することにより単純に決定する。

必要な解像度及び利用可能なカメラに基づく典型的な値は、ｈ＝０．５マイクロメータ（ミクロン）、ｔ＝１０９ミリ秒、及びセンサ幅ｎ＝２０００画素である。この結果としてスキャン速度は４．５９ｍｍ／秒、及び幅１．０ｍｍである。典型的試料サイズ１５×１５ｍｍに対して、全体の画像はそれぞれが高さ１５ｍｍの１５個のストライプからなる。試料は４．５９ｍｍ／秒で連続移動しているため、各ストライプは約３．２６秒でスキャンされ、全画像獲得時間は４９秒である。特に、全画像獲得時間は、コンピュータバス上で大量のデータ転送に制約があることから、最良フォーカスの計算及び種々の他のデータ処理ステップの実施に要する時間と共に、増大する。データ処理を行うコンピュータの速度によるが、処理全体の代表的な時間は３分である。

本願明細書に記載のある実施形態は、単一光軸（すなわち単一対物レンズ）に沿った画像データを受ける複数センサアレイを備え、スキャン性能を大きく向上する。従って、単一、高品質、容易入手の顕微鏡対物レンズを、２以上のセンサアレイ上に画像を投影するために用いる。センサアレイはリニアでも２次元でもよく、単一光軸に沿って画像データを受け取る。同時センサ取り込み及び並列データ処理により画像獲得時間は「ｎ」倍短縮し、ここに「ｎ」は用いるセンサ数を表す。当業者であれば、他の特徴及び利点は、以下の詳細な記載及び添付図面を概観して直ちに明白となるであろう。

本願明細書に開示のある実施形態は、スキャニングの問題解決に全く異なるアプローチをとり、速度、画像品質及びデザインの簡潔さに種々の利点を有する、単一光軸スライドガラススキャンシステム及び方法を記載する。本願明細書に開示の実施形態は、マルチセンサアレイがもつ速度と共に、単一光軸の簡潔性と光学的利点とを結合する。

本記載の読了後は、当業者であれば本発明に種々の代替実施形態及び代替応用を実装する方法は明白になるであろう。しかしながら、本発明の種々の実施形態は本願明細書に記載されるものではあるが、これらの実施形態は例示のみにより提供されるもので制約ではないことを理解されたい。このように、種々の代替実施形態の詳細な記載は、添付の特許請求の範囲が設定する本発明の範囲又は技術的広さを制限するものと解釈してはならない。

単一光軸には次の利点が挙げられる。（１）単一、高品質、市販入手可能な顕微鏡対物レンズは、複数平行光路（すなわちマルチ対物レンズ）法に要する小型化モールドプラスチックマイクロレンズアレイよりも優れた性能を示す。（２）異なるタイプの試料に対してスキャン解像度の切り替えが必要なときには適切な顕微鏡対物レンズに入れ替える単純な手法となる。（３）複雑で製造困難なマイクロレンズアレイ及び特注の検出器デザインによらず、一般に入手可能でより安価なカメラ及び光学機器を用いうる。（４）センサ追加のみによりスキャン速度を向上可能。

図２に、単一視野内における単一リニアアレイが追加アレイ（図示せず）用のスペースを設けることを示す。中央アレイの上方又は下方に多くのリニアアレイを配置することもでき、これは光学歪みが最も少なくなる対物レンズの中心位置にまだ十分に入る。どの期間においてもスキャン領域の全体はセンサの線速度に制限され、より高速なカメラであれば１秒あたりにより多くのラインをスキャンできる。あるいは、線速度の等しい複数のセンサで同時サンプリングすれば、システムの有効線速度は２倍又は３倍となる。従って、スキャンシステムは、複数センサの対応する位置で複数センサを動機するよう構成される。

図３に、奇数及び偶数として参照される２つのアレイを含む単純な場合を示す。図示の実施形態において、２つのアレイは互いに直接隣接する場所にある。これらが同時に露光されるときに、他の構成では１本のライン取り込みに要する時間の長さで、２つの隣接する走査線（Ｏ１及びＥ１）がシステムに取り込まれる。単一センサラインスキャンの実施形態において試料は実質的に一定速度ｖで移動するため、図３に示す二重センサラインスキャンの実施形態においては、取り込まれた走査線が重複しないようスキャン速度は２倍の２ｖでなければならない。加えて、各センサの露光時間は半分のｔ／２でなければならない。これにより、各センサは他のセンサによりスキャンされたラインを効率的に読み飛ばすこととなる。

図示の実施形態においては、奇数センサは全ての奇数ラインで露光し、偶数センサは全ての偶数ラインで露光して間隙を埋めることを示す。これは全てセンサの最大線速度において行われるので、操作時間は２分の１に減少する。さらに、適切なセンサ間隔及びタイミングにより、速度は数倍となりうるこれまでに議論された典型的な値を用いると、３個のリニアセンサアレイのシステムは同一の１５×１５ｍｍ領域を１６秒をわずかに超える時間で操作するだろう。このような短い操作時間では、生体組織を含有するスライドのこうした領域のみを検出してスキャンする必要はなくなる。スライド全体をルーチン的にスキャンすることで、非常に小さいが潜在的に重要な試料断片を見失ういかなる可能性をも避けうる。

リニアアレイは一般的に高さ１画素、幅Ｎ画素であるが、一実施形態においては、電気的接続用にアレイ端部周辺に必要な領域のために、直接に隣り合わせてこれらを物理的に並べることは実用的ではない。非常に狭い寸法の特注（かつ高価な）センサを設計するよりも、むしろ通常の手頃なセンサを用い、単純な光学配置を用いて、論理的にはセンサが平行かつ連続的となるよう配向させる方がはるかに費用効率は高い。

従って、一実施形態において、スキャンシステムは、図４に示すような、単一光路がＮ個のセンサに向けられるような「Ｎ−方向」ビームスプリッタを用いる。これにおいては、各センサは平行で、正しい量（整数の画素数）だけ論理的な隣接からオフセットするようにマウントされなければならない。図４の２個のセンサの例では、偶数センサは１画素の寸法だけ下方に移動される。あるいは、センサは正確に同一直線状にマウントされ、露光タイミング回路により各センサ間での露光は交互に切り替えられる。

一実施形態において、重要ではない変更を伴い、図４に示したセンサ構成は複数焦点レベルにおける同時画像獲得のために用いる場合がある。例えば、画像化光学系の被写界深度を超える厚さを有するタイプの試料等である。これを取り扱うための一般的な技法は、種々の異なる焦点深度で試料をスキャンすることであり、ユーザはスキャンされた画像を眺めて最適焦点面を選択することができる。この技法の最も困難な点は、取り込み時間が増すこと以外に、試料移動を制御するステージポジショニングシステムが厳重でなければならないことにある。各焦点面の横位置がミクロン以下の精度まで同一でないと、ユーザが異なる面に移動するに従って画像は横に移動することになる。

好ましくは、ある正確な量だけ焦点深度を変化させるために、１以上の光学エレメントがスキャンシステムの１以上のセンサの光路に挿入される。代替の実施形態においては、試料からわずかに異なる縦方向の距離にセンサをマウントし、同一の効果となる。この単純な図式の利点は、いかなる横方向の位置決めエラーも全てのセンサに同時に影響することにより、全ての焦点面に一定の位置決めエラーを発生させることである。

説明を容易にするため、前述の記載ではセンサがグレースケールかカラーかは区別していない。カラーセンサにおいては概念はやや複雑化するが、適用する原理は同一である。１００％充填率の画素を維持しながらカラーを実現するための最も一般的な２つの方法は、「ビームスプリッタカメラ」又は「トライリニアアレイ」センサである。グレースケール画素には実際にはカラー感度がないため、３つの画素のそれぞれに３色の一つ（典型的には赤、緑、又は青）を検出可能とするグループ化が用いられる。

ビームスプリッタカメラにおいては、主要な光路はカメラ内で３つの経路に分割され、各１経路は赤、緑、及び青用である。カメラ内のこれらの経路はそれぞれ単一のグレースケールリニア検出器を有する。画素を重複するこれら３つのラインを結合すると、結果はフルカラー（ＲＧＢ）アレイと同一となる。この種のカメラは機械的及び光学的に複雑ではあるが、いかなる実用上の目的においてもカラー検出が可能な単純な単一リニアアレイであるため、使用においては理解しやすい。ビームスプリッタカメラはカラーラインスキャンカメラの最も一般的な形態である。一実施形態において、この種のマルチカラーカメラは、本願明細書に記載の単一光路、マルチセンサシステムでカラースキャンを提供するために用いうる。

カラーラインスキャンカメラの第２の形態は機械的にも光学的にもはるかに単純であり、このためより安価である。これはトライリニアアレイと呼ばれる。典型的には、３つの並列リニアセンサアレイを含む単一シリコン基板である。各リニアセンサアレイは、赤、緑、又は青のフィルタで覆われる。この種のカメラのデータ処理はより複雑である。いかなる瞬間においても、３つの行はわずかな量（リニアセンサアレイの間隔）だけ機械的にオフセットしているため、正確に同一領域を画像化しない。従って、画像処理ソフトウェア又はカメラアルゴリズムは、わずかに異なる時間でサンプリングされる行を正確に重複させる、いわゆる「空間補正」を実施しなければならない。

図５に、２つのトライリニアアレイがラインスペースを交互にサンプリングしてフルカラーＲＧＢサンプルを生成するよう構成するための方法を示す。図５の左方に、光学的視野の拡大部分を示す。２つのトライリニアアレイは、図示のように物理的に位置決めされる。２方向ビームスプリッタを用いることで、「奇数」アレイのＲＧＢライン間のブランクスペースには「偶数」アレイが光学的に位置決めされる。この例では、センサは両方とも同時に露光される。第１の露光期間において、試料は対物レンズの下方を通過してＲＧＢライン３つの全てに露出し、図５の右方に示すように「ライン１」及び「ライン２」の取り込みが発生する。試料は一定速度２ｖで移動しているため、次の露光期間ではライン３及びライン４を取り込む。この過程を続ければ、単一センサに対して可能な速度の２倍で、全画素位置が３色全てにおいて取り込まれる。

いかなるスライドガラススキャンシステムにも最大速度を制限する要素がいくつかある。カメラの最大画素速度はセンサの設計、及び非常に短い露光時間に必要とされる十分に強い照明強度を利用可能であることにより決定する。高速カメラは典型的な高速ＰＣＩデータバスの最大データ速度かこれに近い速度で動作する。画像サイズが大きいためにほぼ必須とも言えるデータ圧縮はコンピュータの速度に依存する。最終的にはコンピュータメモリ量が最大画像バッファのサイズを制限となる。

好ましくは、マルチセンサスキャニングは、並列データ処理経路を許容することによりこれらの制約を解消する。最も簡単に言えば、各センサに専用「データチャネル」を割り当ててもよい。最大速度で所与のセンサから獲得された画素が、専用フレームグラバーを用いて専用コンピュータ（プロセッサ等）に転送される。空間補正及びデータ圧縮を含む画像処理は、全ての並列処理の完了後に生成される最終画像ファイルに対して、独立して実施してもよい。最近のコンピュータアーキテクチャにおいては、これらの利点は、複数プロセッサユニット、複数データバス、及びこれらをサポートするオペレーティングシステムを含む単一のコンピュータで実現される場合がある。

単一光軸、複数センサスキャニングの性能上の利点はリニアアレイに限定するものではない。最も一般的なタイリングカメラセンサ寸法は６．３５〜１２．７ｍｍ（１／４〜１／２インチ）の間である。良好な品質の完備鏡対物レンズは少なくとも直径２５．４ｍｍ（１インチ）の画像を必要な解像度で投影可能であるため、図６に示唆するように、光学視野内に１以上の２次元センサアレイを構成可能である。

図７を参照し、一実施形態に係るリニアアレイ光学顕微鏡システム１０を示す。システム１０の心臓部は、標本又は試料１２のスキャン及びデジタル化を務めるスライドガラススキャナ１１である。試料１２は、光学顕微鏡に供されてもよい任意のものでありうる。例えば、試料１２は、光学顕微鏡に供されうるスライドガラス又は他のタイプの試料でもよい。スライドガラスは、組織及び細胞、細胞質、ＤＮＡ、タンパク、血液、骨髄、尿、バクテリア、ビーズ、生検材料、又は死亡又は生存している、染色された又は未染色の、標識付きの又は標識なしの、任意の他のタイプの生体材料又は物質を含む標本のための観察基板として頻繁に用いられる。試料１２は、任意のタイプのスライド又は他の基板上に沈殿する、任意のタイプのＤＮＡ又はｃＤＮＡ又はＲＮＡ等のＤＮＡ関連材料、又はタンパクのアレイであり、マイクロアレイとして周知の任意の全ての試料を含む。試料１２は、例えば９６ウェルプレート等のマイクロタイタープレートでもよい。試料１２の一例には、集積回路ボード、電気泳動記録、ペトリ皿、フィルム、半導体材料、法医学材料、又は機械加工部品が挙げられる。

スキャナ１１は、モータ駆動ステージ１４、顕微鏡対物レンズ１６、ラインスキャンカメラ１８及びデータプロセッサ２０を備える。試料１２はスキャンのためにモータ駆動ステージ１４上に位置決めされる。モータ駆動ステージ１４はステージコントローラ２２に接続され、これはさらにデータプロセッサ２０に接続される。データプロセッサ２０は、ステージコントローラ２２を介してモータ駆動ステージ１４上の試料１２の位置を決定する。一実施形態において、モータ駆動ステージ１４は、試料１２の面内の少なくとも２軸（ｘ／ｙ）内で試料１２を移動する。例えば焦点制御等のスキャナ１１のある応用に対しては光学的ｚ軸に沿った試料１２の微小移動も必要である。Ｚ軸移動は、好適には、Ｐｏｌｙｔｅｃ ＰＩ社製ＰＩＦＯＣ又はＰｉｅｚｏｓｙｓｔｅｍ Ｊｅｎａ社製ＭＩＰＯＳ ３等のピエゾポジショナ２４により行われる。ピエゾポジショナ２４は顕微鏡対物レンズ１６に直接取り付けられ、ピエゾコントローラ２６を介してデータプロセッサ２０に接続されて管理される。粗動焦点調節を提供する手段もまた必要であり、モータ駆動ステージ１４の一部としてのｚ軸移動により、又は手操作のラックピニオン粗銅焦点調節（図示せず）により提供可能である。

一実施形態において、モータ駆動ステージ１４は、滑らかな動き、優れた直線性及び平坦度の精度を提供するボールベアリング直線路を有する高精度ポジショニングテーブルを備える。例えば、モータ駆動ステージ１４は、一方を他方の上部に積んだ２つのＤａｅｄａｌ社製１０６００４型テーブルを備える。ボールベアリング以外の方法に基づく積み重ね１軸ステージ、中心が開口で試料下方からの照明通過に特に適する単一又は複数軸ポジショニングステージ、又は複数の試料を支持可能な大型ステージを含む、他のタイプのモータ駆動ステージ１４もまたスキャナ１１に適切である。一実施形態において、モータ駆動ステージ１４は積み重ねられた２つの１軸ポジショニングテーブルを備え、それぞれは２ミリメートルのリードスクリュー及びＮｅｍａ−２３ステッピングモータと結合する。毎秒２５回転の最大リードスクリュー速度において、モータ駆動ステージ１４上の試料１２の最大速度は毎秒５０ミリメートルである。例えば５ミリメートル等の、より直径の大きなリードスクリューを選択すれば、最大速度は毎秒１００ミリメートルよりも大きくなりうる。モータ駆動ステージ１４には機械的又は光学的位置エンコーダを装備可能であるが、システムに顕著な出費を追加するという欠点がある。従って、一実施形態には位置エンコーダを備えない。しかしながら、ステッピングモータに替えてサーボモータを使用するならば、適切な制御のためには位置フィードバックを用いなければならないだろう。

データプロセッサ２０からの位置決めコマンドは、ステージコントローラ２２においてモータ電流又は電圧コマンドに変換される。一実施形態において、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（Ｃｏｍｐｕｍｏｔｏｒ社製６Ｋ２）及び２つの４アンプマイクロステッピングドライバ（Ｃｏｍｐｕｍｏｔｏｒ社製ＯＥＭＺＬ４）を備える。マイクロステッピングは、１．８°の比較的大きな単一のモータステップよりもはるかに小さい増分でステッパモータを制御する手段を提供する。例えば、１００マイクロステップにおいて、試料１２はわずか０．１マイクロメートルステップの移動を制御されうる。２５０００マイクロステップを、本発明の実施形態では用いる。より小さなステップサイズも可能である。モータ駆動ステージ１４及びステージコントローラ２２の最適な選択は、試料１２の性質、試料デジタル化の所望の時間、得られる試料１２のデジタル画像の所望の解像度を含む多くの要因によることは明白である。

顕微鏡対物レンズ１６は一般に利用可能な任意の顕微鏡対物レンズでありうる。当業者であれば、いずれの対物レンズを使用すべきかという選択は特定の状況に依存することを理解するであろう。一実施形態において、顕微鏡対物レンズ１６は無限遠補正型である。

試料１２は、光源３０及び照明光学系３２を含む照明システム２８により照明される。一実施形態における光源３０には、光出力を最大化するための凹面鏡及び熱を抑えるためにＫＧ−１フィルタを有する種々の強度のハロゲン光源が挙げられる。しかしながら、光源３０は任意の他のタイプのアークランプ、レーザ、又は他の光源でもありうる。一実施形態における照明光学系３２には、光軸に垂直な２つの共役面を有する標準的なケーラー照明システムが挙げられる。照明光学系３２は、カールツァイス、ニコン、オリンパス、又はライカ等の会社が販売する最も市販入手可能な複合顕微鏡に見られる明視野照明の代表である。共役面の一つのセットは、（ｉ）光源３０により照明される視野開口絞り、（ｉｉ）試料１２の焦点面により画定する対物面、及び（ｉｉｉ）ラインスキャンカメラ１８の受光素子を含む面を含む。第２の共役面は、（ｉ）光源３０の一部である電球のフィラメント、（ｉｉ）照明光学系３２の一部であるコンデンサ光学系の直前に置かれるコンデンサ絞りの開口、（ｉｉｉ）顕微鏡対物レンズ１６の後焦点面を含む。一実施形態において、試料１２は照明されて透化モードで画像化され、ラインスキャンカメラ１８は試料１２を通過する光エネルギー、逆に言えば試料１２に吸収される光エネルギーを感知する。

一実施形態のスキャナ１１は、試料１２から反射される光エネルギーを検出するためにも同じく適切であり、この場合において光源３０、照明光学系３２、及び顕微鏡対物レンズ１６は反射イメージングとの適合性に基づいて選択されなければならない。そのため、ひとつの可能な実施形態は、試料１２の情報に位置決めされる光ファイバ束を通じる照明であろう。他の可能性としては、モノクロメータにより分光学的に条件付けられる励起を含む。顕微鏡対物レンズ１６が位相コントラスト顕微鏡と適合するよう選択されるならば、照明光学系３２の部分であるコンデンサ光学系内の少なくとも一つの位相絞りを組み入れることで、スキャナ１１は位相コントラスト顕微鏡に用いられうる。当業の通常の技能者であれば、微分干渉コントラスト及び共焦点顕微鏡等の他の種類の顕微鏡に必要な変更は直ちに明らかになるであろう。全体を通じ、スキャナ１１は、適当であるが公知の変更を行うことにより、いかなる光学顕微鏡の公知の様式においても顕微鏡試料への疑問点に適合可能である。

顕微鏡対物レンズ１６とラインスキャンカメラ１８との間には、顕微鏡対物レンズ１６により取り込まれる光学的信号をラインスキャンカメラ１８の光反応素子上に合焦する、ラインスキャンカメラ合焦光学系３４が取り付けられる。現代の無限遠補正された顕微鏡においては、顕微鏡対物レンズとアイピース光学系との間、又は顕微鏡対物レンズと外部のイメージングポートとの間にある合焦光学系は、顕微鏡の観察鏡筒の一部であるチューブレンズとして知られる光学素子からなる。多くの場合、チューブレンズはコマ収差又は非点収差の導入を防ぐための複数の光学素子からなる。伝統的な有限のチューブ長の光学系から無限遠補正された光学系への比較的最近の変化における動機の一つは、試料１２からの光学的エネルギーが平行である物理的空間を増加することにあり、この光学的エネルギーの焦点位置を無限遠にすることを意味していた。この場合には、光路倍率を変化させず、好ましくない光学アーティファクトを導入することなしに、ダイクロイックミラー又はフィルタ等のアクセサリ素子を無限遠スペースに挿入することができる。

無限遠補正された顕微鏡対物レンズには、通常は無限遠マークが記される。無限遠補正された顕微鏡対物レンズには、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比率が与えられる。例えば、焦点距離１８０ミリメートルのチューブレンズは、焦点距離９ミリメートルの対物レンズが用いられる場合に２０ｘの倍率となる。異なる顕微鏡メーカにより製造される対物レンズに互換性がない理由の一つは、チューブレンズの焦点距離に標準化が欠けているためである。例えば、１８０ミリメートルのチューブレンズを用いる会社であるオリンパス製２０ｘ対物レンズは、焦点距離が２００ｍｍの異なるチューブ長に基づくニコン製顕微鏡では２０ｘの倍率を得られない。その代わりに、２０ｘと刻印され９ミリメートルの焦点距離を有するこのようなオリンパス製対物レンズは、２００ミリメートルチューブレンズ焦点距離を対物レンズ焦点距離の９ｍｍで割ることにより、２２．２ｘの倍率となる。従来の顕微鏡においてチューブレンズの変さらには顕微鏡の分解なしには不可能に思われる。チューブレンズは顕微鏡の決定的な固定エレメントの一部である。異なるメーカにより製造された対物レンズと顕微鏡との間の非互換性に貢献する別の要因は、アイピース光学系、すなわちそれを通じて試料を観察する双眼鏡のデザインである。光学補正のほとんどが顕微鏡対物レンズ内に設計されている一方、ほとんどの顕微鏡ユーザは最良の視覚画像に到達するためには一つのメーカの双眼鏡光学系を同一メーカの顕微鏡対物レンズと整合することにいくらかの利益があるものと確信したままである。

ラインスキャンカメラ合焦光学系３４はメカニカルチューブ内にマウントされるチューブレンズ光学系を備える。スキャナ１１は、その好適な実施形態において、通常の視覚観察のための双眼鏡又はアイピースを欠いているので、通常の顕微鏡にある対物レンズと双眼鏡との間に潜在する非互換性の問題は直ちに除かれる。当業者であれば、同様に、顕微鏡アイピースとディスプレイモニタ上のデジタル画像との間を同焦点とする問題は、いかるアイピースも仮想的に有さないことにより除かれることを理解するであろう。スキャナ１１は、実用上は試料１２の物理的境界のみに制約される視野を提供することにより伝統的な顕微鏡の視野の制約も克服するので、本発明のスキャナ１１により提供されるような全デジタル画像化顕微鏡における倍率の重要性は限られている。いったん試料１２の一つがデジタル化されると、電子ズームとして知られることもあるように、直ちに倍率を増大するための電子的な拡大が試料１２の画像に適用される。電子的に画像の倍率を増大することは画像表示に用いるモニタ上でその画像サイズを拡大する効果を有する。電子ズームを適用しすぎると、ディスプレイモニタは拡大された画像の一部のみを表しうるであろう。しかしながら、第１の場所においてデジタル化されたオリジナルの光学信号中に存在しない情報を表示するために電子的拡大を用いることはできない。スキャナ１１の目的の一つは、顕微鏡のアイピースを通じる視覚観察の代わりに、高品質なデジタル画像を提供することであり、スキャナ１１により得られる画像の内容が可能な限りの画像の詳細を含むことが重要である。解像度という用語は通常はこのような画像の詳細を既述するために用い、回折制限という用語は光学的信号において利用可能な空間的詳細の最大が波長制限されることを指す。スキャナ１１は、ラインスキャンカメラ１８等の光感受性カメラ内の個々の画素の寸法と顕微鏡対物レンズ１６の絞り数字の両方に対して、周知のナイキストサンプリング規範に従って適合されるチューブレンズ焦点距離を選択することにより、回折制限されるデジタル画像を提供する。顕微鏡対物レンズ１６の解像度を制約する属性は絞り数字であって倍率ではないことはよく知られている。

ライン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な選択の手助けを例示する。再び、前述の焦点距離９ミリメートルの２０ｘ顕微鏡対物レンズ１６を考え、この対物レンズの絞り数字は０．５０であるとする。コンデンサからの劣化が検知しえないとすると、この対物レンズの波長５００ナノメートルにおける回折制限解像力はおよそ０．６マイクロメートルであることが、公知のアッベ関係式を用いて得られるさらに、ラインスキャンカメラ１８は、その好適な実施形態において、複数の１４マイクロメートルの正方画素を有し、試料１２の一部を検出するために用いられる。サンプリング理論によれば、最小の解像可能な空間構造に対して少なくとも２つのセンサ画素が必要である。この場合には、チューブレンズは、２つの１４マイクロメートル画素に対応する２８マイクロメートルを、最小解像可能構造の寸法である０．６マイクロメートルで割って得られる、倍率４６．７に達するよう選択されなければならない。そのため、最適なチューブレンズ光学焦点距離は、４６．７を９倍して得られる約４２０ミリメートルである。そのため、焦点距離４２０ミリメートルを有するチューブレンズ光学系を伴うラインスキャン合焦光学系３４は、同一の２０ｘ対物レンズを用いる顕微鏡かの試料を観察して得られるものと同様の、可能な最良の空間解像度を有する画像を獲得可能である。繰り返しになるが、スキャナ１１は、回折制限デジタル画像を獲得するために、通常の２０ｘ顕微鏡対物レンズ１６をより高倍率の光学構成において利用し、この例においては約４７ｘである。より絞り数字の大きい、０．７５等の通常の倍率２０ｘ対物レンズ１６が用いられるとすると、回折制限画像化に必要なチューブレンズ光学系倍率は、全体の光学倍率が６８ｘであることに対応して、約６１５ミリメートルとなる。同様に、２０ｘ対物レンズの絞り数字が０．３に過ぎないと、最適なチューブレンズ光学倍率は約２８ｘにすぎず、これはおよそ２５２ミリメートルのチューブレンズ光学焦点距離に対応する。ライン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、光学デジタル画像化のために必要に応じ交換可能である。回折制限デジタル画像化の利点は、特にアプリケーションに対して顕著であり、例えば、明視野顕微鏡においては倍率増大に伴う信号輝度の低下を、適切に設計された照明システム２８の強度を増すことにより直ちに補正する。

原理的には、本発明のスキャナ１１のために記載してきたように、チューブレンズの倍率を効率的に増強して回折制限イメージングを達成するために通常の顕微鏡系デジタル画像システムに対して外付けの倍率拡大光学系を付加することが可能であるが、生じる視野の減少を容認できず、この手法が実用的でない場合がしばしばある。さらに顕微鏡ユーザの多くは、自己の顕微鏡において効率的にこの技法を利用するための回折制限イメージングの詳細については通常は十分に理解していない。実際には、アイピースを通じて眺めうるものといくらか同等に近づくよう視野の大きさを増加することを意図して、倍率減少光学カプラと共に顕微鏡ポートにデジタルカメラが取り付けられる。縮小光学系の追加を標準実施することは、回折制限デジタル画像を獲得することが目標であるならば悪い方向へのステップである。

従来の顕微鏡においては、異なる解像度及び倍率において試料を見るために、通常は異なる倍率の対物レンズが用いられる。標準的な顕微鏡は５個の対物レンズを保持する対物鏡ホルダを有する。本発明のスキャナ１１等の全デジタルイメージングシステムにおいては、最も高い所望の空間解像度に対応する絞り数字を有する１個の対物レンズのみが必要である。スキャナ１１の一実施形態は、１個の対物レンズ１６のみに対して設けられる。この解像度で回折制限デジタル画像が取り込まれると、スキャナは直ちに標準的なデジタル画像処理技法を用い、任意に所望に減少させた解像度及び倍率において画像情報を提示する。

スキャナ１１の一実施形態は、リニアアレイに配列される１０２４素子（画素）を有するＤａｓｌａ ＳＰＡＲＫラインスキャンカメラ１８に基づき、各画素は１４×１４マイクロメートルの寸法を有する。カメラの一部として組み込まれたものであれ、イメージングモジュールにカスタム統合されたものであれ、任意の他のタイプのリニアアレイも用いうる。一実施形態におけるリニアアレイは量子化８ビットを備えるが、より高水準又は低水準の量子化を備える他のアレイも用いてよい。３チャネルの赤・緑・青（ＲＧＢ）色情報又は時間遅延統合（ＴＤＩ）系の代替アレイも用いてよい。ＴＤＩアレイは、以前に画像化された試料領域からの強度データを合計することにより出力信号において実質的により良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供するものであり、積算段数の平方根に比例してＳＮＲの向上を得ている。ＴＤＩアレイは複数段のリニアアレイを含みうる。ＴＤＩアレイは、２４、３２、４８、６４、９６又はこれ以上の段数が利用可能である。スキャナ１１は、５１２画素を有する物、１０２４画素を有する物、あるいは４０９６もの画素を有する物を含む、種々のフォーマットで製作されるリニアアレイもサポートする。照明システム２８及びラインスキャンカメラ合焦光学系３２に対し、より大きなアレイに適応するために適切な、しかし周知の変更が必要な場合がある。種々の画素サイズを有するリニアアレイもまた、スキャナ１１に用いうる。任意のタイプのラインスキャンカメラ１８を選択するために特に必要なことは、高品質画像を獲得する目的で試料１２をデジタル化する間に、試料１２がラインスキャンカメラ１８に対して移動している可能性があることであり、これは従来技術に知られる通常の画像化タイリング手法の静止状態の要求よりも厳しい。

ラインスキャンカメラ１８の出力信号はデータプロセッサ２０に接続される。一実施形態におけるデータプロセッサ２０は、イメージングボード又はフレームグラバ等の少なくとも一つの信号デジタル化電子ボードをサポートするために、例えばマザーボード等の補助的な電子回路を有する中央演算ユニットを備える。一実施形態において、イメージングボードはＥＰＩＸ ＰＩＸＣＩＤ２４ ＰＣＩバスイメージングボードであるが、ＥＰＩＸボードの代わりに用いうるイメージングボード又はフレームグラバには種々の製造メーカ製の多くの種類がある。代替実施形態は、イメージングボードを全くバイパスしてハードディスク等のデータストレージ３８に直接データを保存するための、Ｆｉｒｅｗｉｒｅとしても知られるＩＥＥＥ１３９４等のインタフェースを用いるラインスキャンカメラでありうる。

データプロセッサ２０は、短期間のデータ保存のためにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のメモリ３６に、長期間のデータ保存のためにハードドライブ等のデータストレージ３８にも接続される。さらに、データプロセッサ２０は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、メトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）、イントラネット、エクストラネット、又は地球規模のインターネット等のネットワーク４２に接続される通信ポート４０に接続される。メモリ３６及びデータストレージ３８は相互にも接続される。データプロセッサ２０は、ソフトウェアの形式において、ラインスキャンカメラ１８及びストレージコントローラ２２等のスキャナ１１の重要要素を制御するための、又は種々の画像処理機能、画像解析機能、又はネットワーキングのためのコンピュータプログラムを実行することも可能である。データプロセッサ２０は、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、ＬｉｎｕｘＯＳ／２、Ｍａｃ ＯＳ、及びＵｎｉｘ（登録商標）等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を基礎としうる。一実施形態において、データプロセッサ２０はＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標） ＮＴオペレーティングシステムを基礎としうる。

データプロセッサ２０、メモリ３６、データストレージ３８、及び通信ポート４０は、従来のコンピュータに見られうる各構成要素である。一例としては、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標） ＩＩＩ ５００ＭＨｚプロセッサ及び最大７５６メガバイト（ＭＢ）のＲＡＭを特徴とするＤｅｌｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ＸＰＳ Ｔ５００等のパーソナルコンピュータであろう。一実施形態において、データプロセッサ２０、メモリ３６、データストレージ３８、及び通信ポート４０を備える構成要素であるコンピュータは、全体がスキャナ１１に内蔵され、システム１０の他の構成要素に対するスキャナ１１の接続箇所は通信ポート４０のみである。スキャナ１１の代替実施形態において、コンピュータ構成要素とスキャナ１１とを対応して接続させて、コンピュータ構成要素はスキャナ１１の外部にある。

スキャナ１１は、本発明の一実施形態において、光学顕微鏡、デジタルイメージング、モータ駆動試料ポジショニング、コンピューティング、及びネットワーク系通信を単一筐体ユニットに統合する。通信ポート４０を主要なデータ入出力手段としてスキャナ１１を単一筐体ユニットにまとめることには、複雑化を低減し、信頼性を向上する主な利点がある。スキャナ１１の種々の構成要素は協動するよう最適化され、顕微鏡、光源、モータ駆動ステージ、カメラ及びコンピュータが典型的には異なるベンダにより提供されて統合化及びメンテナンスを必要とする伝統的な顕微鏡系イメージングシステムとは、際だって対照的である。

通信ポート４０は、ネットワーク４２を含むシステム１０の他の構成要素との高速通信手段を提供する。本発明に好適な通信ポート４０に対する通信プロトコルは、転送制御及びインターネットワーキングのためのＴＣＰ／ＩＰプロトコルと組み合わせたＥｔｈｅｒｎｅｔ等の、搬送波感知多重アクセス衝突回避プロトコルである。スキャナ１１は、ブロードバンド、ベースバンド、同軸ケーブル、ツイストペア、光ファイバ、ＤＳＬ又は無線を含む任意の種類の伝送媒体で動作することを意図している。

一実施形態において、スキャナ１１の制御及びスキャナ１１により取り込まれた画像データの参照は、ネットワーク４２に接続されるコンピュータ４４上で実施される。コンピュータ４４は、本発明の好適な実施形態において、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をネットワーク４２に接続してもよい。一実施形態において、コンピュータ４４はＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社製Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ又はＡＯＬ社製Ｎｅｔｓｃａｐｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｏｒ等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すでに組み込まれている標準的な画像伸張方法であるＪＰＥＧ等の汎用圧縮フォーマットで、スキャナ１１に保存される。他の標準的、又は非標準的な、損失性又は非損失性の画像圧縮フォーマットも役立つ。一実施形態において、スキャナ１１は、スキャナ１１からコンピュータ４４に送られるウェ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ェブサーバである。画像データを動的に参照するためには、現時点でのスキャナ１１の好適な実施形態は、コンピュータ４４に接続されるディスプレイモニタ４６上での点検のために、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ社製Ｍｅｄｉａ−Ｐｌａｙｅｒ、Ａｐｐｌｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ社製Ｑｕｉｃｋｔｉｍｅ、又はＲｅａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ社製ＲｅａｌＰｌａｙｅｒ等の標準的なマルチフレームブラウザ互換ソフトウェアパッケージを用いて画像データの複数のフレームをプレイバックすることに基づく。一実施形態において、コンピュータ４４上のブラウザは、転送制御のためのＴＣＰと共にハイパーテキスト転送プロトコル（ｈｔｔｐ）を用いる。

スキャナ１１がコンピュータ４４又は複数のコンピュータと通信しうる手段及びプロトコルには多くの異なるものがあり、将来もあるだろう。一実施形態には標準的な手段及びプロトコルに基づく一方、アプレットとして知られる１以上の複数のカスタム化ソフトウェアモジュールを開発する手法が同等に実現可能であり、スキャナ１１に選択される将来のアプリケーションに対して望ましい場合がある。さらに、コンピュータ４４がパーソナルコンピュータ等の特定の種類であるとか、Ｄｅｌｌ社等の特定の会社により製造されるといった制約は全く存在しない。標準化された通信ポート４０の利点の一つは、汎用のネットワークブラウザを動作させる任意の種類のコンピュータ４４がスキャナ１１と通信しうることである。

所望であれば、スキャナ１１をいくらか変更しスペクトル分解画像を獲得することが可能である。スペクトル分解画像は画素毎に分光学的情報が測定される画像である。スペクトル分解画像はスキャナ１１のラインスキャンカメラ１８を光学スリット及びイメージング分光計に置き換えることにより得られる。イメージング分光計は２次元ＣＣＤ検出器を用い、検出器の各行に沿って光学スリット上に合焦する光学信号を分散するためのプリズム又は回折格子を用い、画素の列に対して波長特異的な強度データを獲得する。

図８に戻り、一実施形態に従った光学顕微鏡システム１０の第２の実施形態を示す。このシステム１０においては、スキャナ１１は図７に示した現状の好適な実施形態よりも複雑で高価である。図示のスキャナ１１の追加属性は、正しく機能する任意の代替実施形態に対して全てが存在する必要はない。図８は、スキャナ１１に取り込みうる追加の仕様及び特徴の例を提供することを意図している。

図８の代替実施形態は、図７の一実施形態よりもはるかに高レベルの自動化を提供する。データプロセッサ２０及び照明システム２８の光源３０と照明光学系３２との接続により、照明システム２８の自動化はより完全なレベルで達成される。光源３０の強度を制御するために、光源３０への接続を開放又は閉ループ方式で電圧又は電流制御してもよい光源３０は一実施形態のハロゲン電球であることを想起されたい。データプロセッサ２０と照明光学系３２とを接続することにより、最適なケーラー照明を確実に維持する手段を提供するための視野絞り及びコンデンサー絞りの閉ループ制御を提供しうる。

蛍光イメージングにスキャナ１１を用いるには、光源３０、照明光学系３２、及び顕微鏡対物レンズ１６に、容易に理解される変更が必要である。図８の第２の実施形態は、励起フィルタ、ダイクロイックフィルタ、及びバリアフィルタを含む蛍光フィルタキューブ５０も提供する。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系３４との間に存在する、強度補正されたビーム経路に位置決めされる。蛍光イメージングのための一実施形態は、市販入手可能な種々の蛍光色素又はナノ結晶に対して適切な分光学的励起を提供するために、照明光学系３２内にフィルタホイール又は回転式フィルタを追加することを含む。

イメージング経路に少なくとも一つのビームスプリッタ５２を追加することにより、光学信号を少なくとも２つの経路に分割することが可能になる。主要経路は、ラインスキャンカメラ１８により回折制限イメージングを可能にするために、前述のようにラインスキャンカメラ合焦光学系３４を介する。エリアスキャンカメラ５６によるイメージングのために、エリアスキャンカメラ合焦光学系５４を介して第２の経路が提供される。これら２つの合焦光学系を適切に選択し、異なる画素サイズを有する２つのカメラセンサでイメージングすることにより、回折制限イメージングが確実になりうることは直ちに明らかである。エリアスキャンカメラ５６は単純なカラービデオカメラ、高性能な冷却ＣＣＤカメラ、又は可変積分時間高速フレームカメラを含む、現状で利用可能な多くの種類の一つでありうる。エリアスキャンカメラ５６は、スキャナ１１に対して伝統的なイメージングシステム構成を提供する。エリアスキャンカメラ５６はデータプロセッサ２０に接続される。例えばラインスキャンカメラ１８とエリアスキャンカメラ５６の２つのカメラを用いるならば、単一の両目的イメージングボード、２つの異なるイメージングボード、又はＩＥＥＥ１３９４ Ｆｉｒｅｗｉｒｅインタフェースを用いて両種類のカメラをデータプロセッサに接続可能であり、いずれの場合もイメージングボードの一方又は両方は必要とならない場合がある。イメージングセンサをデータプロセッサ２０にインタフェースするための他の関連する方法も利用可能である。

コンピュータ４４へのスキャナ１１の主要なインタフェースはネットワーク４２を介する一方、例えばネットワーク４２の故障等の場合があると、スキャナ１１をディスプレイモニタ５８等のローカル出力デバイスに直接接続し、スキャナ１１のデータプロセッサ２０に直結しているキーボード及びマウス６０等のローカル入力デバイスも提供できれば好都合である。この例においては、適切なドライバソフトウェア及びハードウェアも同様に提供されなければならない。

図８に示す第２の実施形態は、ずっと高度に自動化されたイメージング性能も備える。スキャナ１１のイメージングの自動化を強化することは、周知のオートフォーカス方法を用いてピエゾポジショナ２４、ピエゾコントローラ２６、及びデータプロセッサ２０を含む焦点制御を閉ループとすることにより達成可能である。当該第２の実施形態は、種々の対物レンズに適応するためのモータ駆動対物レンズホルダ６２も提供する。モータ駆動対物レンズホルダ６２は対物レンズホルダ６２を通じてデータプロセッサ２０に接続され、指示を受ける。

スキャナ１１には他の特徴及び能力を取り込みうる。例えば、試料１２のｘ／ｙ平面内で実質的に静止している顕微鏡対物レンズ１６に対して試料１２をスキャンする過程は、静止した試料１２に対する顕微鏡対物レンズ１６のスキャンを含む変更が可能である。試料１２のスキャン、又は顕微鏡対物レンズ１６のスキャン、又は試料及び顕微鏡対物レンズ１６の両者の同時スキャンは、前述したように、試料１２の同一の大きな連続デジタル画像を提供可能なスキャナ１１の可能な実施形態である。

スキャナ１１は、多種の顕微分析を自動化するために一般目的のプラットフォームも提供する。照光システム２８は、通常のハロゲンランプ又はアークランプからレーザ系照明システムに変更することも可能であり、レーザ励起を伴い試料１２をスキャンできる。試料１２とレーザ励起の相互作用から発生する光学信号の検出手段を提供するために、光電子増倍管又は他の非イメージング検出器の導入を含めて、スキャンカメラ１８への追加又は代替の変更を用いることも可能である。

図９は、本願明細書に記載の種々の実施形態との接続に用いてもよい例示的なコンピュータシステム５５０を示すブロック図である。例えば、コンピュータシステム５５０は、上述の様々な種類のスキャンシステムの実施形態との接続に用いてもよい。しかしながら、当業者であれば明らかであるように、他のコンピュータシステム及び／又はアーキテクチャを用いてもよい。

好適にはコンピュータシステム５５０はプロセッサ５５２等の１以上のプロセッサを備える。入力／出力を管理するための外部プロセッサ、浮動小数点数学演算を実施するための外部プロセッサ、信号処理アルゴリズムの高速実行に適切なアーキテクチャを有する特定目的のマイクロプロセッサ（例えばデジタルシグナルプロセッサ）、メインプロセッサシステムに対して従属するスレーブプロセッサ（例えばバックエンドプロセッサ）、デュアル又は複数プロセッサシステムのためのコントローラもしくは追加マイクロプロセッサ、又はコプロセッサ等の追加プロセッサが提供されてもよい。このような外部プロセッサは独立したプロセッサでもよく、プロセッサ５５２と統合されていてもよい。

プロセッサ５５２は、好適には通信バス５５４に接続される。通信バス５５４は、コンピュータシステム５５０のストレージと他の周辺コンポーネントとの情報転送を容易にするためのデータチャネルを備える場合がある。通信バス５５４は、さらに、データバス、アドレスバス、及びコントロールバス（図示せず）を含むプロセッサ５５２との通信用の信号セットを提供してもよい。通信バス５５４は、例えば工業標準アーキテクチャ（“ＩＳＡ”）、拡張工業標準アーキテクチャ（“ＥＩＳＡ”）、マイクロチャネルアーキテクチャ（“ＭＣＡ”）、周辺コンポーネント相互接続（“ＰＣＩ”）ローカルバス、又は、ＩＥＥＥ４８８汎用インタフェースバス（“ＧＰＩＢ”）、ＩＥＥＥ６９６／Ｓ−１００及び同様のものを含む電気電子学会（“ＩＥＥＥ”）公布標準に準拠したバスアーキテクチャ等の、標準又は非標準バスアーキテクチャを任意に含む場合がある。

コンピュータシステム５５０は、好適にはメインメモリ５５６を備えてもよく、同様に第２メモリ５５８を備えてもよい。メインメモリ５５６はプロセッサ５５２上でプログラムが実行する命令及びデータの記憶領域を提供する。メインメモリ５５６は、典型的にはダイナミックランダムアクセスメモリ（“ＤＲＡＭ”）及び／又はスタティックランダムアクセスメモリ（“ＳＲＡＭ”）等の半導体系メモリである。他の半導体メモリは、例えば、同期ダイナミックランダムアクセスメモリ（“ＳＤＲＡＭ”）、ラムバス（Ｒａｍｂｕｓ）ダイナミックランダムアクセスメモリ（“ＲＤＲＡＭ”）、強誘電性ランダムアクセスメモリ（“ＦＲＡＭ”）、及び同様のものを含み、読み出し専用メモリ（“ＲＯＭ”）を含む。

第２メモリ５５８は、ハードディスクドライブ５６０及び／又はフロッピー（登録商標）ディスクドライブ、磁気テープドライブ、コンパクトディスク（“ＣＤ”）、デジタル多目的ディスク（“ＤＶＤ”）、他のリムーバブルストレージドライブ５６２を適宜含む場合がある。リムーバブルストレージドライブ５６２は、周知の方式によりリムーバブルストレージ媒体５６４からの読み込み及び／又はこれへの書き込みを行う。リムーバブルストレージ媒体５６４は、例えばフロッピー（登録商標）ディスク、磁気テープ、ＣＤ、ＤＶＤ、他でもよい。

リムーバブルストレージ媒体５６４は、好適には、これに保存されたコンピュータ実施可能コード（すなわちソフトウェア）及び／又はデータを有するコンピュータ可読媒体である。リムーバブルストレージ媒体５６４に保存されたコンピュータ実施可能コード及び／又はデータは、電気通信信号５７８としてコンピュータシステム５５０に読み込まれる。

代替の実施形態において、第２メモリ５５８は、コンピュータシステム５５０にコンピュータプログラム又はデータがロードできるための他の同様な手段を備えてもよい。このような手段には、例えば、外部ストレージ媒体５７２及びインタフェース５７０含む場合がある。外部ストレージ媒体５７２の例には、外部ハードディスクもしくは外部光学ドライブ、又は外部光磁気ディスクを含む場合がある。

第２メモリ５５８の他の例には、プログラム可能読み出し専用メモリ（“ＰＲＯＭ”）、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（“ＥＰＲＯＭ”）、電気的消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（“ＥＥＰＲＯＭ”）、又はフラッシュメモリ（ＥＥＰＲＯＭ類似のブロックオリエンテッドメモリ）等の半導体系メモリを含む場合がある。任意の他のリームーバブルストレージユニット５７２及びインタフェース５７０も含まれ、ソフトウェア及びデータはリームーバブルストレージユニット５７２からコンピュータシステム５５０に転送される。

コンピュータシステム５５０はまた通信インタフェース５７４を備える場合もある。通信インタフェース５７４は、コンピュータシステム５５０と外部機器（例えばプリンタ）、ネットワーク、又は情報源との間でソフトウェア及びデータの転送を可能にする。例えば、コンピュータソフトウェア又は実行可能コードは、通信インタフェース５７４を介してネットワークサーバからコンピュータシステム５５０に転送される場合がある。通信インタフェース５７４の例には、数個を列挙するとすれば、モデム、ネットワークインタフェースカード（“ＮＩＣ”）、通信ポート、ＰＣＭＣＩＡスロット及びカード、赤外線インタフェース、及びＩＥＥＥ１３９４が挙げられる。

通信インタフェース５７４は、好適には、イーサネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）（登録商標）ＩＥＥＥ８０２標準、ファイバチャネル（Ｆｉｂｅｒ Ｃｈａｎｎｅｌ）、デジタル加入者線（“ＤＳＬ”）、非対称デジタル加入者線（“ＡＤＳＬ”）、フレームリレー、非対称転送モード（“ＡＴＭ”）、統合デジタルサービスネットワーク（“ＩＳＤＮ”）、パーソナル通信サービス（“ＰＣＳ”）、転送制御プロトコル／インターネットプロトコル（“ＴＣＰ／ＩＰ”）、シリアル回線インターネットプロトコル／ポイントトゥポイントプロトコル（“ＳＬＩＰ／ＰＰＰ”）、等を実装するが、同様に特注又は非標準インタフェースプロトコルを実装する場合もある。

通信インタフェース５７４を介して転送されるソフトウェア及びデータは、一般的には電気通信信号５７８の形式である。これらの信号５７８は、好適には通信チャネル５７６を介して通信インタフェース５７４に提供される。通信チャネル５７６は信号５７８を転送し、数例を列挙するとすれば、配線又はケーブル、光ファイバ、通常電話回線、携帯電話リンク、無線データ通信リンク、ラジオ周波数（ＲＦ）リンク、又は赤外リンクを含む有線又は無線通信手段を用いて実装されうる。

コンピュータ実施可能コード（すなわちコンピュータプログラム又はソフトウェア）はメインメモリ５５６及び／又は第２メモリ５５８に保存される。コンピュータプログラムも同様に通信インタフェース５７４を介して受信され、メインメモリ５５６及び／又は第２メモリ５５８に保存されうる。このようなコンピュータプログラムは、実行時に、コンピュータシステム５５０による上記記載の実施形態の様々な機能の実施を可能にする。

本願明細書において、用語「コンピュータ可読媒体」は、コンピュータ実施可能コード（すなわちソフトウェア及びコンピュータプログラム）をコンピュータシステム５５０に提供するために使用する任意の媒体を指すために用いる。これらの媒体の例には、メインメモリ５５８（ハードディスクドライブ５６０、リムーバブルストレージ媒体５６４、及び外部ストレージ媒体５７２を含む）、及び通信インタフェース５７４（ネットワーク情報サーバ又は他のネットワーク機器を含む）と通信上で結合した任意の周辺機器が挙げられる。これらのコンピュータ可読媒体は実行可能コード、プログラミング命令、及びソフトウェアをコンピュータシステム５５０に提供する手段である。

ソフトウェアを用いて実装される一実施形態において、該ソフトウェアはコンピュータ可読媒体に保存され、リムーバブルストレージドライブ５６２、インタフェース５７０、又は通信インタフェース５７４を経由してコンピュータシステム５５０にロードされる場合がある。このような実施形態において、該ソフトウェアは電気通信信号５７８の形式でコンピュータシステム５５０にロードされる。該ソフトウェアは、プロセッサ５５２による実行時に、好適には本願明細書に既述の特徴及び機能をプロセッサ５５２に実施させる。

例えば、特定アプリケーション統合回路（“ＡＳＩＣ”）、又は現場でプログラミング可能なゲートアレイ（“ＦＰＧＡ”）等の構成要素を用いて、様々な実施形態が主としてハードウェアに実装される場合もある。本願明細書に記載の機能を実施可能なハードウェア状態の機器の実装もまた、関連技術分野に技能を有する者には明らかであろう。ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを用いて様々な実施形態が同様に実装される場合もある。

さらに、当業者であれば、上述に記載の図及び本願明細書に開示の実施形態に伴う様々な図示の論理ブロック、モジュール、回路、及び方法ステップは、電子的ハードウェア、コンピュータソフトウェア、又は両者の組み合わせとして実装可能な場合がしばしばあることを考慮するであろう。ハードウェア及びソフトウェアのこうした交換可能性を明瞭に示すために、種々の図示の構成要素、ブロック、モジュール、回路、及びステップを、一般的にそれらの機能を示す用語で上記記載してきた。このような機能の実装がハードウェアであるかソフトウェアであるかは、特定のアプリケーション及びシステム全体に課せられる設計の制約に依存する。熟練者であればそれぞれの特定のアプリケーションに対して記載の機能を実装可能であるが、こうした実装の決定は本発明の範囲からの逸脱を生じるものと解釈してはならない。加えて、モジュール、ブロック、回路、又はステップ内への機能のグループ化は記載を容易にするためである。本発明の範囲を逸脱することなく、特定の機能又はステップを一つのモジュール、ブロック又は回路から別のものに移動することができる。

さらに、本願明細書に開示の実施形態と組み合わせて記載の様々な図示の論理ブロック、モジュール、及び方法は、本願明細書に記載の機能を実施するために設計された汎用目的プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（“ＤＳＰ”）、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又は他のプログラム可能ロジック素子、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア構成要素、又はこれらの任意の組み合わせにより実装又は実施されうる。汎用目的プロセッサはマイクロプロセッサでありうるが、代替としてこのプロセッサは任意のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、又はステートマシンでありうる。同様にプロセッサは、例えばＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと組み合わせた１以上のマイクロプロセッサ、又は任意の他のこうした構成等のコンピューティング機器の組み合わせとして実装されうる。

加えて、本願明細書に開示の実施形態と組み合わせて記載の方法又はアルゴリズムのステップは、直接的にハードウェアにおいて、プロセッサにより実行されるソフトウェアモジュールにおいて、又は二者の組み合わせにおいて具体化しうる。ソフトウェアモジュールはＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又はネットワーク媒体を含む任意の他の形式のストレージ媒体に記録されうる。例えばストレージ媒体は、プロセッサが該ストレージ媒体から情報を読み、及び情報を書き込みうるように、プロセッサと結合しうる。代替において、ストレージ媒体はプロセッサに統合しうる。プロセッサ及びストレージ媒体はＡＳＩＣにも記録されうる。

開示した実施形態の上記記載は、当技術分野の技能を有する者が本発明を製作又は利用しうるために提供するものである。当業者であればこれらの実施形態に対する種々の変形は直ちに明らかであり、本願明細書に記載の一般原理は本発明の範囲から離れることなく他の実施形態にも適用しうる。従って、本願明細書に提示される記載及び図面は本発明の現状の好適な実施形態であり、それゆえに本発明により広範に想定される主題を代表するものであると理解すべきである。さらに、本発明の範囲は当業者に自明となりうる他の実施形態を十分に想定するものであり、従って本発明の範囲は記載の実施形態に制約されないものと理解すべきである。

本発明の詳細は、構造及び動作の両者において、添付図面の熟読から部分的に徐々に明らかになり、図中で同様の参照番号は同様の部分を指すものとする。
従来の単一光軸、単一２次元センサアレイ画像タイリングスキャンシステムのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、単一光軸単一リニアアレイラインスキャンシステムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、単一光軸マルチリニアアレイラインスキャンシステムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、ビームスプリッタ付き、単一光軸マルチリニアアレイラインスキャンシステムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、カラー取り込みのためのトライリニアセンサを用いる単一光軸マルチリニアアレイラインスキャンシステムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、単一光軸、複数２次元アレイ画像タイルスキャンシステムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、光学顕微鏡システム例のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、光学顕微鏡システム例のブロック図である。 本発明の種々の実施形態と接続して用いうるコンピュータシステムの例を示すブロック図である。

Claims (15)

1. 顕微鏡試料を支持して前記顕微鏡試料をスキャン方向に実質的に一定速度で移動するためのモータ駆動ステージと；
   単一光軸を有する対物レンズであって、前記対物レンズは前記顕微鏡試料の照明された部分を観察するために位置決めされる前記対物レンズと；
   前記対物レンズと光学的に結合して前記対物レンズから受け取られた画像データを複数のセンサアレイに提供するために構成されるビームスプリッタと；
   前記ビームスプリッタを介して前記対物レンズと光学的に結合して前記顕微鏡試料の一部の画像を取り込むために構成される第１のセンサアレイと；
   前記ビームスプリッタを介して前記対物レンズと光学的に結合して前記第１のセンサアレイにより取り込まれる画像と実質的に同時に前記顕微鏡試料の画像を取り込むために構成される第２のセンサアレイであって、前記第１のセンサアレイにより取り込まれる第１の画像のエッジは前記第２のセンサアレイにより取り込まれる第２の画像のエッジと隣接し、それぞれの隣接するエッジは前記スキャン方向に直角であり、前記第１及び第２のセンサアレイのそれぞれは前記顕微鏡試料が前記スキャン方向に実質的に一定速度で移動している間に前記顕微鏡試料の複数の部分の複数の画像を取り込むために構成され、前記第１のセンサアレイ及び前記第２のセンサアレイそれぞれの露光時間は、重複したスキャンラインを取り込むことを避けるように構成される前記第２のセンサアレイと；
   前記第１のセンサアレイ及び第２のセンサアレイからの隣接する画像部分を前記顕微鏡試料の一部の連続するデジタル画像中に配列するために構成される画像編集部と、
   を含む、顕微鏡試料の一部の連続デジタル画像を生成するためのシステム。
2. 前記第１及び第２のセンサアレイはリニアセンサアレイである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１及び第２のリニアセンサアレイは複数の並列リニアセンサを含み、前記複数の並列リニアセンサは特定の色に関連付けられる画像データを取り込むために構成される、請求項２に記載のシステム。
4. 第１のリニアセンサは赤色に関連付けられる画像データを取り込むために構成され、第２のリニアセンサは緑色に関連付けられる画像データを取り込むために構成され、第３のリニアセンサは青色に関連付けられる画像データを取り込むために構成される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１及び第２のセンサアレイは時間遅延積分センサアレイである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１及び第２のセンサアレイは長方形センサアレイである、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１及び第２のセンサアレイは対物レンズの光軸に沿って設置され、前記対物レンズの前記光軸に沿って互いに隣接する、請求項１に記載のシステム。
8. さらに前記ビームスプリッタに対して前記対物レンズと光学的に結合される第３のセンサアレイを含んでなる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記第３のセンサアレイは、前記第１及び第２のセンサアレイが画像を取り込むときに実質的に同一の時間において前記顕微鏡試料の一部の画像を取り込むために構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記第３のセンサアレイにより取り込まれる第３の画像の第１のエッジは、前記第２のセンサアレイにより取り込まれる第２の画像のエッジに隣接し、前記第１のセンサアレイにより取り込まれる第１の画像のエッジに隣接し、前記隣接するエッジは互いにスキャン方向に垂直である、請求項９に記載のシステム。
11. 単一の光軸を有する対物レンズに対して、第１の経路に沿って実質的に一定速度で顕微鏡試料を移動するステップと；
    前記顕微鏡試料が実質的に一定速度で移動している間に前記対物レンズを通じて画像データを受け取るステップと；
    複数の独立したセンサアレイ上へ前記画像データを複製するステップであって、前記複数の独立したセンサアレイは、前記対物レンズを通じて受け取られた実質的に隣接する画像データを読み取るために隣接するセンサアレイと離間しており、前記独立したセンサアレイそれぞれは、重複したスキャンラインを取り込むことを避けるステップと；
    前記顕微鏡試料が実質的に一定速度で移動する間に、複数の独立したセンサアレイのそれぞれにおいて実質的に同一の時間で実質的に隣接する画像データを取り込むステップと；
    前記複数の独立したセンサアレイのそれぞれにおいて取り込まれた前記実質的に隣接する画像データを保存するステップと；
    前記複数の独立したセンサアレイのそれぞれにおいて取り込まれた前記実質的に隣接する画像データを前記顕微鏡試料の一部の連続するデジタル画像に配列するステップと、
    を含む、顕微鏡試料の一部の連続するデジタル画像を生成する方法。
12. 前記複数の独立したセンサアレイはリニアセンサアレイである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記複数の独立したセンサアレイは長方形センサアレイである、請求項１１に記載の方法。
14. 前記複数の独立したセンサアレイは時間遅延積分センサアレイである、請求項１１に記載の方法。
15. 前記複製するステップはさらに、
    前記対物レンズの光軸からの前記画像データを再現するステップ；
    前記対物レンズの前記光軸に対して角度を有する光路を介してセンサアレイ上に前記再現した画像データを入射するステップと、
    を含む、請求項１１に記載の方法。

Images