JP5620502B2 - オートフォーカス装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

関連出願とのクロスレファレンス
本出願は、2009年10月16日付で提出された米国仮特許出願第61/252,263号の利益を求めるものであり、その内容は、参照することにより本願に組み込まれる。

本発明は、一般的には顕微鏡法(microscopy)装置に関するものであり、特に適切な焦点を得る為のステージ(stage)の位置を自動的に調整する為の技術に関するものである。

あらゆる光学装置と同様に、顕微鏡(microscope)は、結像レンズ(対物レンズ)の倍率及びNA(開口数)が増大するにつれて被写界深度に悩まされる。顕微鏡を用いる時、ユーザは、その対物レンズ(objective)に対してサンプルを動かすことよりサンプルの適切な焦点を得る責任がある。顕微鏡法が自動化されユーザが各像を見ることにもはや関わっていないとき、オートフォーカス法が必要である。関連技術においては、前面レンズと容器の底(例えば、スライド、ウェルプレート等)との間の距離を測ることによって自動焦点を達成する技術が述べられている。斯かる技術は、第1の表面から光線を反射させてこの反射を測定することに基づいている。しかしながら、斯かる技術の欠陥は、サンプルが置かれている容器が、殆どのプラスチックのように、一貫性のない厚みを有している場合には、その結果得られる像が基板の偏差量から焦点がずれてしまう場合があるということである。

細胞イメージング(cellular imaging)は、ガラス又はプラスチック基板の底部に細胞が成長することに依存している。細胞は表面と平行に成長し、基板に固着させるたんぱく質を分泌する。細胞の成長を維持するため、栄養素が豊富な液体媒体が、細胞を養い且つ適切な生理的な状態を維持するために添加される。このシナリオでは、水溶液でプラスチックの表面を覆っており、これによって細胞の位置を検出するのに使用することができる。プラスチックと液体との間の屈折率変化の指標は、低雑音・高感度反射型光学装置(light setup)を用いて決めることができる。

本発明の実施態様では、オートフォーカス顕微鏡法装置が提供される。この装置は、光源と；該光源によって照らされた光ビームを光信号の第１部分及び第２部分に分けるためのスプリッタと；第１ポート、第２ポート及び第３ポートを有する光ファイバサーキュレータであって、該光ファイバサーキュレータにおける光信号が該第１ポートから該第２ポート及び該第２ポートから第３ポートのみに進行し、該光ファイバサーキュレータは該第１ポートにおいて該光信号の第２部分と連結するものと；該光ファイバサーキュレータの第２ポートからの光出力をダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介してサンプル上に導く光コリメータであって、該サンプルが可調節顕微鏡法ステージ上に設置されているものと；該サンプルが置かれている基板から反射した光信号をアナログ電圧信号に変換するバランス検出器であって、該反射光信号は該顕微鏡対物レンズによって捕捉され、該ダイクロイックミラー及び光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの該第２ポートに送られ該第３ポートから出力されて該バランス検出器に送られ、該バランス検出器が該光信号の第１部分を入力として使用するものと；該バランス検出器からのアナログ電圧信号を処理するためのマイクロプロセッサと；を備え、該バランス検出器が該反射光信号を該光信号の第１部分によって割り、以て該光源の光度の時間的な変化を打ち消すことを特徴とする。

本発明の他の実施態様として、オートフォーカス顕微鏡法装置が提供される。この装置は、光源と；第１ポート、第２ポート、及び第３ポートを有する光ファイバサーキュレータであって、該光ファイバサーキュレータにおける該光信号が該第１ポートから該第２ポート及び該第２ポートから該第３ポートのみに進行し、該光ファイバサーキュレータが該第１ポートにおいて該光源の光信号出力に連結しているものと；該光ファイバサーキュレータの該第２ポートからの光出力をダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介して、可調節顕微鏡法ステージ上に置かれているサンプル上に導く光コリメータと；該サンプルが置かれている基板から反射する光信号をアナログ電圧信号に変換するためのフォトダイオード検出器であって、該反射した光信号が該顕微鏡対物レンズによって捕捉され、該ダイクロイックミラー及び該光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの第２ポートに送られ且つ該第３ポートから出力されて該フォトダイオード検出器に送られるものと；該フォトダイオード検出器からの該アナログ電圧信号を処理するためのマイクロプロセッサと；を備え、該光源の光強度の変化の時間経過が該可調節顕微鏡法ステージを移動させるための期間より長いことを特徴とする。

本発明のさらに別の実施態様として、顕微鏡法装置を作動させる方法が提供される。この方法は、オートフォーカス装置を自動的に作動するための方法であって、光ビームをスプリッタに照射して該光ビームを光信号の第１部分及び第２部分に分け；該光信号の該第１部分をバランス検出器に入力させ；光ファイバサーキュレータを、第１のポートにおいて該光信号の該第２部分に連結し、さらに光コリメータを第２のポートにおいて連結し、バランス検出器を第３のポートに連結すると共に、該光ファイバサーキュレータにおける光信号が該第１ポートから該第２ポートへ及び該第２ポートから該第３ポートへのみ進行させ；該光ファイバサーキュレータの該第２ポートからの光ビームをダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介して該光コリメータによって、可調節顕微鏡法ステージ上に置かれるサンプル上に導き；該顕微鏡対物レンズによって該反射した光ビームを捕捉し該光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの第２ポートへ送り且つ該第３ポートから出力して該バランス検出器に送り：該サンプルが置かれている基板から反射した該光信号を該バランス検出器によってアナログ電圧信号に変換し：該サンプルと対物レンズ間の所望の分離が維持されるように該バランス検出器の出力を処理し；さらに、該光信号の第１部分によって該反射した光信号を割り、以て光源の強度における時間的な変化を打ち消す；ことを備えたことを特徴とする。

本発明は一実施態様としてオートフォーカス顕微鏡法装置として実現することができる。マイクロプロセッサは、バランス検出器(balance detector)の出力及び可調節顕微鏡法ステージからの位置フィードバックに基づいて、所望の光学焦点を得るために可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させる命令を発生することができる。

他の実施態様として、本発明は追跡(トラッキング)装置として実現することができる。マイクロプロセッサは、アナログ電圧信号を絶えず監視し命令を発生することによってサンプルからの特定の距離を維持することができ、この場合、絶えず電圧信号を監視し、サンプルと顕微鏡対物レンズとの間の距離を変化させることによって検出器からの電圧を最大にし、或いは、特定点での電圧を維持することができる。

別の実施態様では、マイクロプロセッサは、アナログ電圧信号及び位置フィードバックに基づいてサンプルの位置を決定することができる。

本発明の実施態様（実施例）に従って設計されたオートフォーカス装置を示す図である。

本発明の他の実施態様に従って設計されたオートフォーカス装置を示す図である。

ステージ位置の関数として信号電圧をプロットした図である。

好適な実施態様の詳細な説明

ここでは、現在考えられる本発明を実施するものとしてのベストモードを記載する。この説明は限定的な意味で解釈されるようには意図されておらず、当業者が本発明の利点及び構造が分かるように添付図面を参照することにより例示目的でのみ提供される本発明の実施例を提供するものである。図面においては、同じ参照記号は同じ又は同様の部分を示す。なお、全ての光ファイバ装置(系統)は自由空間均等物(free space equivalents)で置き換えることができる。

図１は、本発明の実施態様に従って設計されたオートフォーカス装置100の例示的且つ非限定的な図を示している。この装置100は少なくとも、光源110、光ファイバスプリッタ120、バランス検出器140、光ファイバサーキュレータ130、光コリメータ150、マイクロプロセッサ180、及びコントローラ190を含んでいる。光源110は、限定されるものではないが、例えばレーザダイオードを含み得る。他の光源も考えられる。

本発明の原理によれば、光源１１０によって照らされた光は、バランス検出器１４０のポートの１つに元の光の第１部分１２２を導く光ファイバスプリッタ１２０にファイバ結合されており、すなわち焦点が合わされている。本発明の一実施態様としては、光源１１０の波長は１３１０ｎｍである。他の値も考えられる。光ファイバサーキュレータ１３０は、第１ポート（１）、第２ポート（２）及び第３ポート（３）を備えている。スプリッタ１２０から出た第２部分１２４は、光ファイバサーキュレータ１３０の第１ポート（１）に与えられる。第２部分１２４は、第１部分１２２よりかなり大きい（例えば、９９％対１％）。光はサーキュレータ１３０を通過して第２ポート（２）に出力され、ここで光信号はコリメータ１５０によってビームに平行化（コリメート）される。なお、光信号はサーキュレータ１３０によって第１ポート（１）からのみ第２ポート（２）へ及び第２ポート（２）から第３ポート（３）へ進むことができる。

ビームはダイクロイックミラー170で反射する(これは所定の波長を越えた波長のみを反射し、それ以下を通過させるように設計されている)。一実施例としては、この所定波長は1300nmである。光ビームは顕微鏡対物レンズ160を通過し、可調節顕微鏡法ステージ上に配置されたサンプル195上に焦点が合わされる。光は、サンプル195が置かれているプラスチック又はガラス基板で反射し、対物レンズ160で捕捉され、そしてコリメータ150によってファイバに送り戻される。もしサンプル195がガラス又はプラスチック基板に入れられていない場合には、反射はサンプル195それ自体から生じ得る。

コリメータ１５０からの光信号は、光がサーキュレータ１３０内を一方向にしか進まないので、サーキュレータ１３０の第２ポート（２）に入力されて第３ポート（３）から出力される。サーキュレータ１３０からの出力はバランス検出器１４０のポートの別の一つに与えられる。バランス検出器１４０の回路においては、対物レンズ１６０からの信号は、スプリッタ１２０によって与えられた元の光の第１の部分１２２からの信号によって電子的に分割され（割られ）、以て時間と共に光源強度のいかなる変化も打ち消す。バランス検出器１４０はさらに、対物レンズ１６０からの補正された信号をアナログ電圧信号に変換し、これはさらにマイクロプロセッサ１８０におけるＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換される。

デジタル信号及び位置フィードバックの値に基づき、マイクロプロセッサ180は、コントローラ190に指示することによってZ軸に沿って顕微鏡法ステージを動かす。例えば図1に示すように、サンプル195は、Z軸に沿って可調節位置を有する顕微鏡法ステージ198上に置かれており、これによってサンプル195と対物レンズ160との間の分離を調節可能にして焦点を維持する。マイクロプロセッサ180は、バランス検出器140によって測定された電圧値並びにサンプル195と対物レンズ160との間のいろいろな距離における可調節顕微鏡法ステージ位置を記録する。電圧信号ピークが分析され、そして顕微鏡法ステージ198は、コントローラ190によって、所望の光学焦点に最も相関している電圧信号ピークの位置に移動するように指示される。図3は、顕微鏡法ステージの位置に対して電圧信号ピークをプロットした例を示している。

図2は、本発明の別の非限定的な実施態様に従って実施されるオートフォーカス装置200を例示的に示している。この実施態様においては、装置200は光ファイバスプリッタを含んでおらず、簡単なフォトダイオード検出器240がバランス検出器の代わりに用いられている。光源110によって照らされる光は、光ファイバサーキュレータ130の第1ポート(1)にファイバ結合されており、すなわち焦点が合わされる。この光はサーキュレータ130内を進み第2ポート(2)から出力されるが、この場合、光信号はコリメータ150によりビームに焦点が合わされる。コリメータ150から戻される光信号はサーキュレータ130の第2ポート(2)に入力されて第3ポート(3)から出力される。サーキュレータ130の出力はフォトダイオード検出器240に供給される。フォトダイオード検出器240は光信号を電圧信号出力に変換する。図2に示される実施例は、光強度の変化の時間経過がステージの移動の期間より長いときに有効である。

なお、当然のことながら、当業者にとって、図1及び2に例示されたオートフォーカス機構は、光ファイバサーキュレータを用いた低バックグラウンド高感度検出器として設計されていることが分かるであろう。光路にサーキュレータを加えることにより、レーザからサンプルに送られる光が検出器に見えるのを防いでいる。この照射の手段は、検出器へのバックグラウンド信号を、サーキュレータが与える阻止量だけ減少させる。一つの実施態様としてはこの阻止は45dBよりよい。

本発明のオートフォーカス装置は、ハイコンテントスクリーニング及び生体撮像に特に適している。一つの実施態様としては、このオートフォーカスは、調査員が現在の解法によるより高い空間解像度で且つより経済的に細胞ベースアッセイ(cell-based assays)をより早く展開させることを可能にするように設計された自動化された蛍光マイクロプレート撮像装置で用いることができる。裏付けられているこの細胞ベースアッセイのいくつかは、限定されるものではないが、核・細胞質転位、プラズマ薄膜転位、タンパク質の発現(expression)、脂肪滴形成、DNA含有量、細胞毒性、細胞生存率(アポトーシス/壊死)等を含んでいる。

図1に示すように、位置フィードバックは、一つの実施態様として、ステージ構造内に埋め込まれた線形エンコーダスケールを用いてより促進される。ここではリニアエンコーダスケールを述べているが、他の位置決め手段も考えられる。

限定されない一つの実施例としては、サンプルに対する顕微鏡のいかなる部分、或いは顕微鏡に対するサンプルのいずれかを位置決めするためにステージが用いられるという顕微鏡法についてである。その一例がここでは図１−２に関連して示されている。他の非限定例には、機械視覚検査又は非接触型寸法検査を含む。他の産業上の用途も考えられる。

サンプルの位置も時間変化し得ることが考えられる。焦点を維持するため、サンプルの位置を追跡し続けることが望ましい場合がある。本発明の実施態様においては、本システムは追跡装置として実現することができる。本発明の原理を用いると、その追跡装置は、信号電圧を追跡し且つ絶えずｚ位置を調節することによりサンプルと装置との間の特定の距離を維持することができる。サンプル195の位置が変化すると、バランス検出器140又はフォトダイオード検出器240が受信する反射光信号が変化する。その結果、バランス検出器140又はフォトダーオード検出器240からの電圧信号の変化をマイクロプロセッサ180が検出する。マイクロプロセッサ180は、検出器からの同じ電圧を受信するために対応する移動指令を発生し、以て対物レンズ160とサンプル195との間の同じ距離を維持する。

本発明は計測計器として使用することができる。特に、本発明は寸法及び距離計測の良好な非接触技術を提供する。

本発明の別の実施態様では、本装置を距離計測装置として実現することができる。この場合、いかなる移動指令を発生する必要もない。バランス検出器140又はフォトダイオード検出器240が受信する反射光信号はアナログ電圧信号を発生するために使用される。図3に示すように、その電圧はステージの位置に依存する。マイクロプロセッサ180はステージからの位置フィードバック及び電圧信号を分析し、以てサンプルの位置を決定する。

本発明は、いくつかの記述した実施態様について或る一定の長さ及び何らかの特殊性を持って説明したが、そのような特殊性又は実施態様或いは特別な具体例に限定すべきであるという意図はなく、付属の特許請求の範囲について解釈されるものであり、以て先行技術を考慮した斯かる特許請求の範囲の最も広い可能な解釈をもたらし、従って本発明の意図した範囲を有効に包含させるものである。さらに、本発明の重要でない変形(現在は予想されないが)が対応する均等物を表すが、可能な記載が得られる本発明の予測される実施態様の観点で上記において本発明を記述したものである。

Claims (18)

1. 光源と；
   該光源によって照らされた光ビームを光信号の第１部分及び第２部分に分けるためのスプリッタと；
   第１ポート、第２ポート及び第３ポートを有する光ファイバサーキュレータであって、該光ファイバサーキュレータにおける光信号が該第１ポートから該第２ポート及び該第２ポートから第３ポートのみに進行し、該光ファイバサーキュレータは該第１ポートにおいて該光信号の第２部分と連結するものと；
   該光ファイバサーキュレータの第２ポートからの光出力をダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介してサンプル上に導く光コリメータであって、該サンプルが可調節顕微鏡法ステージ上に設置されているものと；
   該サンプルが置かれている基板から反射した光信号をアナログ電圧信号に変換するバランス検出器であって、該反射光信号は該顕微鏡対物レンズによって捕捉され、該ダイクロイックミラー及び光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの該第２ポートに送られ該第３ポートから出力されて該バランス検出器に送られ、該バランス検出器が該光信号の第１部分を入力として使用するものと；
   該バランス検出器からのアナログ電圧信号を処理するためのマイクロプロセッサと；
   を備え、該バランス検出器が該反射光信号を該光信号の第１部分によって割り、以て該光源の光度の時間的な変化を打ち消すことを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 請求項１において、該マイクロプロセッサが、該バランス検出器によって測定された電圧信号ピーク及び該可調節顕微鏡法ステージから受信した位置フィードバックに基づいて所望の光学焦点を実現するために可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させるための指令を発生することを特徴としたオートフォーカス装置。
3. 請求項１において、該マイクロプロセッサは、該電圧信号を連続的に監視し、該サンプルと該顕微鏡対物レンズとの間の特定の距離を維持するために該可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させるための指令を発生することを特徴としたオートフォーカス装置。
4. 請求項１において、該マイクロプロセッサは、該電圧信号を連続的に監視し、該検出器からの電圧を最大にするため、或いは特定の点における該電圧を維持するために該サンプルと該顕微鏡対物レンズとの間の距離を変化させることを特徴としたオートフォーカス装置。
5. 請求項１において、該マイクロプロセッサは、該バランス検出器からの該アナログ電圧信号に基づいて該サンプルの位置を決定し、さらに焦点を維持するため該可調節顕微鏡ステージの位置を制御することを特徴としたオートフォーカス装置。
6. 光源と；
   第１ポート、第２ポート、及び第３ポートを有する光ファイバサーキュレータであって、該光ファイバサーキュレータにおける該光信号が該第１ポートから該第２ポート及び該第２ポートから該第３ポートのみに進行し、該光ファイバサーキュレータが該第１ポートにおいて該光源の光信号出力に連結しているものと；
   該光ファイバサーキュレータの該第２ポートからの光出力をダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介して、可調節顕微鏡法ステージ上に置かれているサンプル上に導く光コリメータと；
   該サンプルが置かれている基板から反射する光信号をアナログ電圧信号に変換するためのフォトダイオード検出器であって、該反射した光信号が該顕微鏡対物レンズによって捕捉され、該ダイクロイックミラー及び該光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの第２ポートに送られ且つ該第３ポートから出力されて該フォトダイオード検出器に送られるものと；
   該フォトダイオード検出器からの該アナログ電圧信号を処理するためのマイクロプロセッサと；
   を備え、該光源の光強度の変化の時間経過が該可調節顕微鏡法ステージを移動させるための期間より長いことを特徴とするオートフォーカス装置。
7. 請求項６において、該マイクロプロセッサは、該フォトダイオード検出器で測定された該電圧信号ピークに基づいて所望の光学焦点を得るために該可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させるための指令を発生することを特徴としたオートフォーカス装置。
8. 請求項６において、該マイクロプロセッサは、該電圧信号を連続的に監視し、該サンプルと該顕微鏡対物レンズとの間の特定の距離を維持するために該可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させるための指令を発生することを特徴としたオートフォーカス装置。
9. 請求項６において、該マイクロプロセッサは、該電圧信号を連続して監視し、該サンプルと該顕微鏡対物レンズとの間の特定の距離を維持するために該対物レンズの位置を移動させるための指令を発生することを特徴としたオートフォーカス装置。
10. 請求項６において、該マイクロプロセッサは、該フォトダイオード検出器からの該アナログ電圧信号及び該可調節顕微鏡法ステージから受信した位置フィードバックに基づいて該サンプルの位置を決定することを特徴としたオートフォーカス装置。
11. オートフォーカス装置を自動的に作動するための方法であって、
    光ビームをスプリッタに照射して該光ビームを光信号の第１部分及び第２部分に分け；
    該光信号の該第１部分をバランス検出器に入力させ；
    光ファイバサーキュレータを、第１のポートにおいて該光信号の該第２部分に連結し、さらに光コリメータを第２のポートにおいて連結し、バランス検出器を第３のポートに連結すると共に、該光ファイバサーキュレータにおける光信号が該第１ポートから該第２ポートへ及び該第２ポートから該第３ポートへのみ進行させ；
    該光ファイバサーキュレータの該第２ポートからの光ビームをダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介して該光コリメータによって、可調節顕微鏡法ステージ上に置かれるサンプル上に導き；
    該顕微鏡対物レンズによって該反射した光ビームを捕捉し該光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの第２ポートへ送り且つ該第３ポートから出力して該バランス検出器に送り：
    該サンプルが置かれている基板から反射した該光信号を該バランス検出器によってアナログ電圧信号に変換し：
    該サンプルと対物レンズ間の所望の分離が維持されるように該バランス検出器の出力を処理し；さらに
    該光信号の第１部分によって該反射した光信号を割り、以て光源の強度における時間的な変化を打ち消す；
    ことを備えたことを特徴とする方法。
12. 請求項１１において、さらに、該バランス検出器によって測定された電圧信号ピークに基づいて所望の光学焦点を得るために該可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させる指令を発生することを備えたことを特徴とする方法。
13. 請求項１１において、さらに、該電圧信号を連続的に監視すること及び該サンプルと該顕微鏡対物レンズとの間の特定の距離を維持するために該可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させる指令を発生することを備えたことを特徴とする方法。
14. 請求項１１において、さらに、該バランス検出器からの該アナログ電圧信号及び該可調節顕微鏡法ステージから受信した位置フィードバックに基づいて該サンプルの位置を決定することを備えたことを特徴とする方法。
15. オートフォーカス装置を自動的に作動させるための方法であって、
    光ファイバサーキュレータを第１ポートにおいて光源の光信号出力、第２ポートにおいて光コリメータ、及び第３ポートにおいてフォトダイオード検出器に連結し、この場合、該光ファイバサーキュレータにおける光信号を該第１ポートから該第２ポート及び該第２ポートから該第３ポートへのみ進行させ；
    該光ファイバサーキュレータの該第２ポートからの光ビームをダイクロイックミラー及び顕微鏡対物レンズを介して該光コリメータによって、可調節顕微鏡法ステージ上に置かれたサンプル上に導き；
    該顕微鏡対物レンズによって該反射した光ビームを捕捉し該光コリメータを介して該光ファイバサーキュレータの第２ポートに送り且つ該第３ポートから出力させて該フォトダイオード検出器に送り；
    該サンプルが置かれている基板から反射した該光信号を該フォトダイオード検出器によってアナログ電圧信号に変換し；
    該フォトダイオード検出器の出力を処理する；
    ことを備え、該光源の該光強度の変化の時間経過が、該可調節顕微鏡法ステージを移動させるための期間より長いことを特徴とする方法。
16. 請求項１５において、さらに、該フォトダーオード検出器によって測定された電圧信号ピークに基づいて所望の光学焦点を得るために該可調節顕微鏡法ステージの位置を移動させるための指令を発生することを備えたことを特徴とする方法。
17. 請求項１５において、さらに、該電圧信号を連続的に監視すること及び該サンプルと該顕微鏡対物レンズとの間の特定の距離を維持するために該可調節顕微鏡法ステージの位置を変化させるための指令を発生することを備えたことを特徴とする方法。
18. 請求項１５において、さらに、該フォトダイオード検出器からの該アナログ電圧信号に基づいて該サンプルの位置を決定することを備えたことを特徴とする方法。

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