JP7438310B2 - 光学撮像システム - Google Patents

Description

本開示は、光学システムに関し、より詳細には、光学撮像システムに関する。

流体試料検査の適用要件は、生物医学および製薬産業、半導体産業、環境工学産業などの様々な分野で行われている。流体画像オブザーバが、流路を流れる試料の情報を観察し、撮影するために、使用され得る。しかしながら、既存の流体画像オブザーバは、拡大率が増加するにつれて、被写界深度が浅くなり、流路内の試料の画像が、合焦面だけ鮮明になる傾向があり、合焦面上にない試料は、ぼやけた画像でしか提示されず、試料分析の統計データが不正確になる。

これを考慮して、本開示の実施形態は、流路内の粒子の画像をより鮮明にし、流路内の粒子の情報を、より正確にカウントし、分析し得る光学撮像システムを提供する。

本開示の一実施形態は、粒子の画像を提示するように構成される光学撮像システムを提供する。光学撮像システムは、コリメート光源と、流路と、テレセントリックレンズと、を含む。コリメート光源は、平行ビームを放射するように構成される。流路は、平行ビームの伝送路上に配置され、粒子を通過し得るように構成される。テレセントリックレンズは、平行ビームの伝送路上に配置される。平行ビームは、テレセントリックレンズに伝送される前に流路を通過し、テレセントリックレンズは、平行ビームを撮像面上に収束させるように構成される。

本開示の実施形態における光学撮像システムは、コリメート光源およびテレセントリックレンズを用いて、平行ビームを流路に投影し、テレセントリックレンズによって像が作られる前に、平行ビームを流路に通過させ、これにより、光学撮像システムの被写界深度を改善し、流路内の粒子の画像をより鮮明にし得る。さらに、本開示の光学撮像システムは、画像倍率に対する粒子位置の影響をさらに低減し、それにより、流路内の粒子の情報を、より正確にカウントし、分析し得る。

本開示の一実施形態による光学撮像システムの概略図である。

図１の実施形態による、光学撮像システムの部分概略図である。

本開示の一実施形態による、コリメート光源の概略図である。

本開示の別の実施形態による、コリメート光源の概略図である。

本開示の一実施形態による、コリメート光源の概略図である。

本開示の一実施形態による、粒子および平行ビームの概略図である。

図６Ａの実施形態による粒子画像の概略図である。

図１は、本開示の一実施形態による、光学撮像システムの概略図である。図２は、図１の実施形態による、光学撮像システムの部分概略図である。図１および図２を参照すると、本開示の光学撮像システム１は、流路２０内の粒子Ｐの画像を提示するように構成される。粒子Ｐは、流体Ｌに混合されてもよい。いくつかの実施形態では、粒子Ｐは、細菌、半導体粒子、様々な材料の粒子など、試験される試料である。別のいくつかの実施形態では、粒子Ｐおよび流体Ｌは共に、血液、工業廃水、様々な溶液などの試験される試料として使用されるが、本開示はこれらに限定しない。本実施形態では、光学撮像システム１は、コリメート光源１０と、流路２０と、テレセントリックレンズ３０と、を含む。コリメート光源１０は、平行ビームＩを放射するように構成される。平行ビームＩとは、波形が略平面波であり、その波面がビームの進行方向と略直交するビームを指す。本開示の実施形態は、平行ビームＩを使用して粒子Ｐを照射して、回折を低減し、より鮮明な画像を得るものである。

別の観点から、本開示の実施形態における平行ビームＩは、ビーム角度θが－５度以上で、５度以下の範囲である実質的に平行なビームを含み得る。平行ビームＩのビーム角度は、当業者に知られている意味に従って画定され、光軸を通る接平面から見て、ビーム強度がビーム中心線でのビーム強度の５０％である２つの境界線によって形成される挟角を指す。図３は、本開示の一実施形態による、コリメート光源の概略図である。図４は、本開示の別の実施形態による、コリメート光源の概略図である。図３を参照すると、本実施形態では、コリメート光源１０ａは、ビーム角度θが５度の平行ビームＩを放射するように構成され、（図３に示すように）平行ビームＩの２つの境界線は、５度の挟角を形成する。図４を参照すると、本実施形態では、コリメート光源１０ｂは、ビーム角度θが－５度の平行ビームＩを放射するように構成され、（図４に示すように）平行ビームＩの２つの境界線は、－５度の挟角を形成する。

再び図１および図２を参照すると、流路２０は、粒子Ｐが通過し得るように構成される。詳細には、流路２０は、流体Ｌと粒子Ｐとの混合物が、流路２０の端部２０Ａから流路２０の端部２０Ｂに流れ得るように構成される。いくつかの実施形態では、粒子Ｐのサイズは、１マイクロメートル以上で、１００マイクロメートル以下の範囲であるが、本開示はこれらに限定しない。いくつかの実施形態では、流路２０は、マイクロ流路であってもよい。例えば、流路２０の内径Ｒ１は、０．１ミリメートル以上で、１ミリメートル以下の範囲であり得るが、本開示はこれらに限定しない。流路２０は、マイクロ流体チップ２２上に配置されてもよいが、本開示はこれに限定しない。

流路２０は、平行ビームＩの伝送路上に配置される。平行ビームＩが、流路２０の壁、および流路２０内の流体Ｌを通過して、テレセントリックレンズ３０に伝送され得るように、流路２０は、透光性材料で作られてもよい。本開示は、透光性材料の種類および光透過率を限定しない。いくつかの実施形態では、流路２０およびコリメート光源１０ｂは、平行ビームＩと流路２０との間の挟角が－５度以上で、５度以下の範囲内になるように配置され、挟角は、平行ビームＩのビーム中心線、および流路２０の中心線によって画定されてもよい。本実施形態では、平行ビームＩは、流路２０に対して略直交する。言い換えれば、平行ビームＩのビーム中心線は、良好な画像を得るために、流路２０の中心線に実質的に直交してもよい。

いくつかの実施形態では、コリメート光源１０と流路２０との間の距離Ｄ１が、１００ミリメートル以上、５００ミリメートル以下の範囲内になるように、コリメート光源１０および流路２０は配置されるが、本開示はこれらに限定しない。流路２０における平行ビームＩのビーム径ＲＬは、流路２０の内径よりも大きくてもよい。この場合、平行ビームＩは、流路２０を流れる粒子Ｐを十分に照射し得る。例えば、光強度がピーク強度の１／ｅ²である場合のスポット径を指すように、ビーム径は、当業者に知られている意味に従って画定されてもよい。いくつかの実施形態では、流路２０における平行ビームＩのビーム径ＲＬは、均一に照射するために、１０ミリメートル以上で、８０ミリメートル以下の範囲であるが、本開示はこれらに限定しない。

テレセントリックレンズ３０は、平行ビームＩの伝送路上に配置される。平行ビームＩは、流路２０、および流路２０内の流体Ｌを通過した後、テレセントリックレンズ３０に伝送される。平行ビームＩが、流路２０を通過した後、テレセントリックレンズ３０は、平行ビームＩを撮像面ＩＰ上に収束させ、撮像するように構成される。したがって、粒子Ｐの画像が、撮像面ＩＰ上に提示され得る。テレセントリックレンズ３０は、被写界深度Ｄを有する。いくつかの実施形態では、流路２０およびテレセントリックレンズ３０は、平行ビームＩによって照射される流路２０の部分が、テレセントリックレンズ３０の被写界深度Ｄ内に位置するように構成される。これにより、流路２０を通過するすべての粒子Ｐを、撮像面ＩＰ上での鮮明な画像で提示し得る。一般的に言えば、テレセントリックレンズ３０は、より鮮明な画像を提供するために、大きな被写界深度Ｄを有し得る。いくつかの実施形態では、テレセントリックレンズ３０の有効焦点距離は、１４４マイクロメートル以上で、２１６マイクロメートル以下の範囲であり得るが、本開示はこれらに限定しない。

本実施形態では、光学撮像システム１は、流体ポンプ４０と、収容空洞４２と、をさらに含み得る。収容空洞４２は、流路２０と流体連通する。収容空洞４２は、試験対象の流体Ｌおよび粒子Ｐを収容する。流体ポンプ４０は、収容空洞４２に接続され、流体Ｌと粒子Ｐとの混合物が、収容空洞４２から流路２０に流れ、流体Ｌおよび粒子Ｐが流路２０を通過するように、流体Ｌを動かすように構成される。流体ポンプ４０は、機械式マイクロポンプまたは非機械式マイクロポンプであってもよいが、本開示はこれらに限定しない。いくつかの実施形態では、流体ポンプ４０が流路２０と協働すると、流体Ｌの流量は、０．３ｍｌ／分以上で、３ｍｌ／分以下の範囲であるが、本開示はこれらに限定しない。

本実施形態では、光学撮像システム１は、円偏光子５０をさらに含み得る。円偏光子５０は、１／４波長板および直線偏光子を含んでもよい。本実施形態では、円偏光子５０は、平行ビームＩの伝送路上に配置され、平行ビームＩが、流路２０を通過した後、円偏光子５０を通ってテレセントリックレンズ３０に伝送されるように、円偏光子５０は、流路２０とテレセントリックレンズ３０との間に配置されてもよい。１／４波長板は、例えば、直線偏光子とテレセントリックレンズ３０との間に配置されてもよい。円偏光子５０は、周囲光の影響を低減し、画質を改善するために、一部の迷光（流路２０の壁によって反射された周囲光など）を除去し得る。

本実施形態では、光学撮像システム１は、撮像面ＩＰ上に配置される画像検知装置６０をさらに含み得る。画像検知装置６０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を含んでもよい。また、画像検知装置６０は、撮像面ＩＰ上の粒子Ｐの画像を電子信号に変換してもよい。

図５は、本開示の一実施形態によるコリメート光源の概略図である。図５を参照すると、本実施形態では、コリメート光源１０は、点光源１２と、コリメートレンズ１４と、を含む。点光源１２は、１つまたは複数の高出力発光ダイオードデバイスを含み得るが、本開示はこれに限定しない。図５に示すように、本実施形態では、点光源１２は、発散ビームＩ’を放射し得る。コリメートレンズ１４は、単一の凸レンズであってもよいし、複数のレンズの組合せであってもよい。平行ビームＩを得るために、点光源１２によって放射された発散ビームＩ’が、コリメートレンズ１４によってコリメートされ得るように、点光源１２とコリメートレンズ１４との間の距離Ｄ２は、コリメートレンズ１４の有効焦点距離ｆと実質的に同じになるように構成され得る。

図６Ａは、本開示の一実施形態による、粒子および平行ビームの概略図である。図６Ｂは、図６Ａの実施形態による、粒子画像の概略図である。図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、図６Ａに示すように、第１の粒子Ｐ１および第２の粒子Ｐ２は、平行ビームＩによって照射された流路２０の部分を通過する。第１の粒子Ｐ１は、流路２０においてコリメート光源１０に近い側に位置し、第２の粒子Ｐ２は、流路２０においてコリメート光源１０から遠い側に位置している。第１の粒子Ｐ１および第２の粒子Ｐ２を照射した平行ビームＩは、テレセントリックレンズ３０に伝送される前に、流路２０、および流路２０内の流体Ｌを通過する。その後、平行ビームＩは、テレセントリックレンズ３０を通って画像検知装置６０に収束され、図６Ｂに示す画像ＩＭを形成する。

画像ＩＭは、第１の粒子画像Ｐ１’と、第２の粒子画像Ｐ２’と、を含む。第１の粒子画像Ｐ１’は、第１の粒子Ｐ１に対応する光学画像であり、第２の粒子画像Ｐ２’は、第２の粒子Ｐ２に対応する光学画像である。第１の粒子画像Ｐ１’の倍率Ｍ１は、第２の粒子画像Ｐ２’の倍率Ｍ２と同様である。例えば、第２の粒子画像Ｐ２’の倍率Ｍ２に対する第１の粒子画像Ｐ１’の倍率Ｍ１の比率は、１以上で、１．０３５８以下の範囲であってもよいが、本開示はこれらに限定しない。本実施形態では、第１の粒子画像Ｐ１’の倍率Ｍ１は、第２の粒子画像Ｐ２’の倍率Ｍ２と略同一である。したがって、第１の粒子画像Ｐ１’および第２の粒子画像Ｐ２’は、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２との間のサイズ関係を、より正確に示し得る。例えば、第１の粒子Ｐ１のサイズと第２の粒子Ｐ２のサイズとが、実質的に同じである場合、第１の粒子Ｐ１および第２の粒子Ｐ２が、流路２０内のどこに位置するかにかかわらず、第１の粒子画像Ｐ１’のサイズおよび第２の粒子画像Ｐ２’のサイズも実質的に同じである。したがって、本開示の光学撮像システム１は、より正確に、粒子を分析し、粒径を測定し得る。第１の粒子画像Ｐ１’の倍率Ｍ１および第２の粒子画像Ｐ２’の倍率Ｍ２は、３．８４４７以上で、３．９８２２５３以下の範囲であればよいが、本開示はこれらに限定しない。

要約すると、本開示の光学撮像システムは、コリメート光源およびテレセントリックレンズを用いて、平行ビームを流路に投影し、テレセントリックレンズによって像が作られる前に、平行ビームを流路に通過させ、これにより、光学撮像システムの被写界深度を改善し、流路内の粒子の画像をより鮮明にし得る。さらに、本開示の光学撮像システムは、画像倍率に対する粒子位置の影響をさらに低減し、それにより、流路内の粒子の情報を、より正確にカウントし、分析し得る。

本開示の光学撮像システムは、流体試料検査技術に適用されてもよい。

１：光学撮像システム
１０，１０ａ，１０ｂ：コリメート光源
１２：点光源
１４：コリメートレンズ
２０：流路
２０Ａ，２０Ｂ：流路の端部
２２：マイクロ流体チップ
３０：テレセントリックレンズ
４０：流体ポンプ
４２：収容空洞
５０：円偏光子
６０：画像検知装置
Ｉ：平行ビーム
Ｉ’ ：発散ビーム
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：粒子
Ｐ１’，Ｐ２’ ：粒子画像
Ｌ：流体
Ｄ：被写界深度
Ｄ１，Ｄ２：距離
ＩＰ：撮像面
ＩＭ：画像
Ｒ１：内径
ＲＬ：ビーム径
θ：ビーム角度

Claims (13)

1. 粒子の画像を提示するように構成される光学撮像システムであって、
   平行ビームを放射するように構成されるコリメート光源と、
   前記平行ビームの伝送路上に配置され、前記粒子が通過し得るように構成される流路と、
   前記平行ビームの前記伝送路上に配置されるテレセントリックレンズであって、前記平行ビームが、前記テレセントリックレンズに伝送される前に、前記流路を通過し、前記テレセントリックレンズが、前記平行ビームを撮像面上に収束させるように構成される、テレセントリックレンズと、
   前記平行ビームの前記伝送路上に配置される円偏光子と、
   を備え、
   前記平行ビームが、前記円偏光子を通って前記テレセントリックレンズに伝送される前に、前記流路を通過する、光学撮像システム。
2. 前記平行ビームのビーム角度が、－５度以上で、５度以下の範囲である、請求項１に記載の光学撮像システム。
3. 前記コリメート光源が、点光源と、コリメートレンズと、を備える、請求項１に記載の光学撮像システム。
4. 前記平行ビームと前記流路との間の挟角が、－５度以上で、５度以下の範囲である、請求項１に記載の光学撮像システム。
5. 前記平行ビームによって照射される前記流路の一部が、前記テレセントリックレンズの被写界深度内に位置する、請求項１に記載の光学撮像システム。
6. 前記流路における前記平行ビームのビーム径が、前記流路の内径よりも大きい、請求項１に記載の光学撮像システム。
7. 前記流路における前記平行ビームのビーム径が、１０ミリメートル以上で、８０ミリメートル以下の範囲である、請求項１に記載の光学撮像システム。
8. 前記流路の内径が、０．１ミリメートル以上で、１ミリメートル以下の範囲である、請求項１に記載の光学撮像システム。
9. 前記コリメート光源と前記流路との間の距離が、１００ミリメートル以上で、５００ミリメートル以下の範囲である、請求項１に記載の光学撮像システム。
10. 前記粒子が、流体に混合され、前記粒子が前記流路を通過するように、前記流体を動かすように構成される流体ポンプを、前記光学撮像システムがさらに備える、請求項１に記載の光学撮像システム。
11. 前記流体の流量が、０．３ｍｌ／分以上で、３ｍｌ／分以下の範囲になるように、前記流体ポンプが、前記流路と協働する、請求項１０に記載の光学撮像システム。
12. 前記粒子のサイズが、１マイクロメートル以上で、１００マイクロメートル以下の範囲である、請求項１に記載の光学撮像システム。
13. 前記光学撮像システムが、前記撮像面上に配置される画像検知装置をさらに備える、請求項１に記載の光学撮像システム。