KR20090004925A

KR20090004925A - 마이크로어레이 영상 시스템 및 관련 방법론

Info

Publication number: KR20090004925A
Application number: KR1020087024612A
Authority: KR
Inventors: 클락 티베트
Original assignee: 테사레 엘엘씨
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2009-01-12
Also published as: CA2645104A1; WO2007104057A3; AU2007222986B2; JP2009529681A; WO2007104057A2; US20070263914A1; CN101400974A; NO20084245L; CN101400974B; US7961323B2; EP1996909A2; EP1996909A4; AU2007222986A1

Abstract

마이크로어레이의 이미지를 생성하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 상기 장치는 마이크로어레이를 향해 광을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 광원을 포함한다. 장치는 또한, 상기 광을 색선별 미러를 향해 제1 주파수대로 필터링 하도록 구성된 여기 필터를 포함한다. 색선별 미러는 상기 광을 마이크로어레이로 반사하여, 마이크로어레이로 하여금 전자기 에너지를 방출하도록 한다. 장치는 또한, 제2 주파수대 내에서 전자기 에너지를 필터링 하도록 구성된 방출 필터를 포함한다. 그 외에도, 장치는 전하 결합 소자(CCD)를 구비한 영상 유닛을 포함하며, 방출 필터로부터의 전자기 에너지가 핀홀 블라인드에 들어가는 경우 핀홀 블라인드에 의해 CCD의 영상 표면이 마스킹 되어 전체 마이크로어레이의 이미지가 생성된다.

마이크로어레이, 여기 필터, 색선별 미러, 전하 결합 소자, 핀홀 블라인드, 부호화 개구 어레이, 방출필터

Description

마이크로어레이 영상 시스템 및 관련 방법론{MICROARRAY IMAGING SYSTEM AND ASSOCIATED METHODOLOGY}

관련 출원 교차 참조

본 출원은 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, 선 출원된 "사용 지점에서의 마이크로어레이의 응용을 위한 간단한 영상 시스템(Simple Imaging System for Applications of Microarrays at Points of Use)"이란 제목의 2006년 3월 9일자 미국 가출원 제60/780,616호의 출원 일자의 이익을 청구하고 있다.

분석용 마이크로어레이는 연구 및 기타 다른 용도로 사용하기 위한 상업용 분석 기구로서의 통상적인 기능을 갖추고 있다. 이러한 기구는 분자 물질, 특히 핵산, 단백질, 탄수화물, 지질 그리고 특정한 방식으로 또는 일반적인 방식으로 결합 되어 있는 무수한 리간드(ligand) 분자의 상당히 다양한 특정 상호 작용 및 특성의 연구에 사용된다. 마이크로어레이는 그 전체 크기가 가변적이긴 하지만, 대개 1cm² 내지 1in² 정도의 크기를 갖는다. 이러한 마이크로어레이는 순서를 갖춘 어드레스 지정 위치, 셀(cell) 또는 특징(feature)을 포함하는데, 각각의 특징은 물리적인 방식으로 부착되어 있는, 상당량의 동일 프로브(probe) 물질 사본을 지탱 하고 있다. 직사각형 어레이의 경우, 적게는 대략 25개(5 x 5의 형태로 배열)에서부터 많게는 2,500,000개(1600 x 1600의 형태로 배열)의 범위의 서로 별개의 특징들로 이루어질 수도 있으며, 여기서 특징의 치수(직경 또는 정사각형의 한 변의 길이)는 1mm 내지 1㎛의 범위에 있다.

통상적으로, 마이크로어레이는 수작업으로 또는 로봇을 이용하여 프로브 물질을 어레이의 특정 특징 위치(site)에 예탁하는 방식으로 제조 또는 제작되고 있다. 그외에도, 변형예에 따르면, 광화학적 평판인쇄 공정을 사용하여 프로브 물질을 어레이의 특정 특징 위치에 평행하도록 새롭게 합성할 수도 있다. 프로브의 신규의 확장예 또는 수정예가 또한 프로브 물질로 개조되도록 사용되어, 중간 프로브 구성체의 독특한 또는 일반적인 화학적 또는 생화학적 특성의 장점을 취할 수도 있다.

마이크로어레이는, 일단 조립되고 나면, 간단한 또는 복잡한 분자 타깃(target) 혼합물과의 특정 및 불특정 상호 작용의 분석을 위한 다중 플랫폼의 형태를 나타내는데, 그러한 분자 타깃 혼합물은 어레이와 물리적으로 접촉하도록 되어 있으며 통상적으로 표면-용액 계면 매체의 형태를 갖는다. 타깃 물질에는, 고정되어 있는 프로브 어레이와 타깃 혼합물의 상호 작용 이전 또는 이후에, 비오틴(biotin)과 같은 중간 결합 요소 또는 형광 태그(tag)를 이용하여 일반적인 방식으로 또는 특정한 방식으로 표식(label)이 붙여질 수도 있다. 또는 변형예에 의하면, 고정 어레이 표면 상의 프로브 물질과 연관되어 있는 표식에 있어서의 타깃 또는 리간드 유도 변경에 의해 어레이를 가로질러 나타나는 위치 특정 상호 작용을 탐지할 수도 있다.

형광 표식의 내용을 구체적으로 살펴 보면, 광학 영상을 통해 어레이를 가로질러 순서대로 특징 하나하나의, 타깃-프로브 상호 작용 한도의 정량적 추정 경로를 제공받을 수 있다. 이때, 복수 개의 형광 표식을 제공함으로써 동일 프로브 위치에서의 서로 다른 타깃 물질 사이의 상대적인 상호 작용 한도를 평가할 수 있는 기회를 얻을 수 있다.

직사각형 마이크로어레이 형식 및 논리적 근거에 있어서의 주목할 만한 변화로서, 현수형 미소 구체, 즉 "마이크로스피어(microsphere)"의 용례를 들 수 있다. 이러한 마이크로스피어 구성에 있어서는, 각각의 구체에 하나 이상의 형광 표식이 독특한 방식으로 붙여질 수 있어, 구체 표면 상에 상호 작용 분석을 위한 독특한 프로브 물질을 제공하는 효과가 있다. 일 예로서, 텍사스 오스틴(Texas, Austin)에 소재하는 루미넥스 코포레이션(Luminex Corporation)에 의해 이러한 현수형 마이크로스피어 시스템이 제공되고 있다.

현수형 마이크로스피어 다중 혼합물은 처리가 이루어진 표면으로의 이차적인 결합을 위한 친화도 표시(marker)를 갖고 있는 특정 타깃 물질과 상호 작용하는 프로브에 의해 분리될 수도 있다. 이에 추가하여, 프로브는 상자성(常磁性) 비드(bead)를 분리시킬 수도 있다. 일 예로서, 캘리포니아 칼스배드(California, Carlsbad)에 소재하는 인비트로겐 코포레이션(Invitrogen Corporation)에 의해 이러한 상자성 비드가 상품명 다이나비드(Dynabeads^®)로 시판되고 있다. 혼합물로부 터 격리되어 있는 비드의 식별은, 비드 내에 박혀 있는 염료 표식의 형광 시그니쳐(signature)에 기초하여, 어레이형 또는 무작위 표면에 정착된 비드를 스캐닝하는 방식으로 이루어지거나, 현수 상태의 개개의 비드의 직접 세포 형태(flow cytometry)에 의해 이루어진다.

형광 마이크로어레이 이미지 데이타 획득은 통상, 마이크로어레이 필드(field)를 가로질러 픽셀 하나하나를 차례로 샘플링할 수 있도록, 정밀 기계 스테이지 이송 제어 및 공초점 형광(epi-fluorescence) 측정법을 이용하는 기계적으로 및 광학적으로 정교한 기구를 사용하여 이루어진다. 가장 빈번하게 사용되고 있는 것은 하나 이상의 레이저로서, 이러한 레이저는 각각의 픽셀 위치에서 형광 신호(들)의 광검출기 측정을 위해 단시간의 지속 시간 동안 충분한 여기 조명(excitation illumination) 효과를 제공하도록 사용될 수도 있다. 이러한 시스템은 그러나 비용이 상당히 비싸, 통상 ＄22K 내지 ＄180K 수준에 이른다.

이러한 스캐닝 검출기 시스템은 단일 어레이용으로 이용 가능하며, 또는 분석을 위한 복수 개의 어레이의 자동화된 연속 로딩에도 이용 가능하다. 그외에도, 잘 알려진 마이크로티터(microtiter) 트레이 내에 트레이 당 96 개에 이르는 마이크로어레이를 이차원 어레이(arrays of arrays) 형태로 높은 처리량으로 기계적인 방식으로 배치하는 경우에도 이용 가능하다.

현재, 전술한 바와 같은 제약을 회피할 수 있는, 간단하면서도 보다 경제적인 구성이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 예시적인 실시예는 마이크로어레이 이미지를 생성하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 타깃에 의해 활성화되는 적어도 하나의 표식을 갖춘 어드레스 지정 프로브를 구비하는 마이크로 어레이를 향해 광을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 광원을 포함한다. 상기 장치는 또한, 광을 제1 주파수대로 필터링하도록 구성된 여기(excitation) 필터, 그리고 제1 주파수대의 광을 마이크로어레이 상으로 반사하도록 구성된 색선별 미러로서 마이크로어레이로 하여금 색선별 미러를 통하여 전달되는 주파수 범위에서 타깃에 의해 활성화된 표식으로부터 전자기 에너지를 방출할 수 있도록 하는 색선별 미러를 포함한다. 상기 장치는 제2 주파수대 범위 내에서 전자기 에너지를 필터링하도록 구성된 방출 필터를 포함한다. 장치는 또한, 전하 결합 소자(CCD)를 구비한 영상 유닛을 포함하며, 방출 필터로부터의 전자기 에너지가 핀홀 블라인드(pinhole blind)에 들어가는 경우 상기 CCD의 영상 표면이 핀홀 블라인드에 의해 마스킹되어, 전체 마이크로어레이의 이미지가 생성된다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예는 마이크로어레이의 이미지를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 타깃에 의해 활성화되는 적어도 하나의 표식을 갖춘 어드레스 지정 프로브를 구비하는 마이크로어레이를 향해 광을 조사하며 상기 광을 제1 주파수대로 필터링한다. 이 제1 주파수대의 광은 마이크로어레이 상으로 반사되어, 마이크로어레이로 하여금 색선별 미러를 통하여 전달되는 주파수 범위에서 타깃에 의해 활성화된 표식으로부터 전자기 에너지를 방출하도록 한다. 상기 방법은 또한, 제2 주파수대 범위 내에서 전자기 에너지를 필터링하며, 핀홀 블라인드에 의해 영상 표면이 마스킹되는 CCD 상에 전체 마이크로어레이의 이미지를 형성한다.

본 발명의 전술한 개괄적인 설명 및 후술하는 상세한 설명은 예시적인 것으로서, 본 발명이 범위가 이로만 제한되는 것은 아님을 이해하여야 한다.

도 1은 본 명세서에 의해 제안되고 있는 본 발명에 따른 영상(imaging) 시스템의 예시적인 실시예의 상위(high-level) 블록도.

도 2는 PSP(point spread function ; 점확산 함수)의 이미지를 도시한 도면.

도 3은 도 1에 따른 LED 어레이의 이미지를 도시한 도면.

도 4는 상부 패인(pane)의 LED 조명 상태 및 하부 패인의 광 확산을 보여주는, 도 3의 어레이의 이미지를 도시한 도면.

도 5는 도 1의 영상 시스템의 확장도.

도 6은 광학 필터의 여과 특성을 도시한 그래프.

도 7은 광학 필터의 여과 특징을 도시한 그래프.

도 8은 부호화 개구 어레이(coded aperture array)의 개략도.

도 9는 영상 시스템의 다른 예시적인 실시예의 확장도.

도 10은 MURA 개구 본체 캡의 이미지를 도시한 도면.

도 11은 MURA 포지티브 어레이와 MURA 네거티브 어레이의 이미지를 도시한 도면.

도 12는 반전된 MURA 이미지의 흑/백 이미지를 도시한 도면.

도 13은 마이크로어레이의 이미지를 생성하기 위한 예시적인 방법의 순서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 영상 시스템 102 : 마이크로어레이

104 : LED 조명 어레이 106 : 홀로그래픽 디퓨저

108 : 여기 필터 110 : 색선별 미러

112 : 방출 필터 114 : 핀홀 개구

116 : CCD 영상 평면

본 발명은 특히, 현장에서 거의 실시간으로 마이크로어레이 분석이 이루어질 수 있도록 하기 위해 전체가 턴키 시스템(turnkey system)의 일 구성 요소를 구성하는 영상 시스템과 개별 구성 요소 또는 모듈로 이루어진 독립적인 장치 및 방법을 제공한다. 또한, 당업계의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 이러한 구성 요소 및 시스템은 본 용례 외에도 다수의 용례에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 이들 구성 요소 및 시스템의 디자인 소형화 및 작동 간소화가 가능하여, 향상된 제조 및 용례를 제공할 수 있다.

본 발명의 보다 완벽한 이해 및 그 다수의 부수적인 장점이 첨부 도면과 연계하여 후술하는 상세한 설명을 참조함으로써 용이하게 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

예시적인 일 실시예에 있어서, 영상 시스템은 무렌즈 형광 영상 시스템으로서 작용하며 진보적인 이미지 디컨벌루션(deconvolution) 방법론을 사용한다. 그 결과로써 얻어진 방법 및 장치는 게놈 마이크로어레이를 현장에서 거의 실시간으로 분석하기에 적합한 이미지 데이터 획득 시스템을 제공한다. 본 발명의 용례가 당업계의 숙련자라면 알 수 있는 감시 및 적격 심사, 위험성 측정 및 종방향(longitudinal) 추적 용례와 같은 의학적 진단법으로만 제한되는 것은 아니다. 수의학, 농업, 환경 분야 및 바이오디펜스(biodefense) 용례는 대개 본원에서 앞서 기술한 바와 같은 개선점에 의해 적절히 제공되는 견고하면서도 유동적인 필드 능력을 필요로 한다. 후술되는 시스템은 보다 광범위한 근접-필드(close-field) 형광, 발광 및 브라이트-필드(bright-field) 반사 영상 용례들에 용이하게 적용 가능하며, 여기에서는 설명의 간결함을 위해 이들 용례에 대한 설명은 생략하기로 한다.

전체 어레이 영상

도 1은 예시적인 실시예에 따른 영상 시스템의 상위 블록도이다. 전체적으로 도면 부호 100으로 지시되어 있는 이러한 영상 시스템은 전하 결합 소자(CCD)(2), 핀홀 개구(4), 발광 다이오드(LED) 조명 어레이(6), 그리고 마이크로어레이(8)를 포함한다. 작동 시에, 마이크로어레이(8) 상의 타깃이 활성화되면 CCD(2)가 마이크로어레이(8)의 이미지를 캡쳐링한다. 예를 들어, LED 조명 어레이(6)가 마이크로어레이(8)에 광을 조사하여 마이크로어레이(8) 상의 타깃을 활성화시킨다. 마이크로어레이(8) 상의 활성화된 타깃으로부터 방출되는 광은 핀홀 개구(4)를 통해 CCD(2)로 보내진다.

예시적인 CCD(2)는 고해상도 전하 결합 소자로서, 한 번의 노광 처리로 마이 크로어레이(8)의 동시 이미지(simultaneous image)를 생성한다. 이러한 CCD(2)는 영상 픽셀의 역할을 하는 연결되거나 결합되어 있는, 광감성 커패시터(capacitor)를 포함하는 집적 회로로 구성된 이미지 센서이다.

상기 예시적인 CCD(2)는 마이크로어레이(8)의 이미지 캡쳐링 시에 마이크로어레이(8)를 오버샘플링한다. 즉, CCD(2)의 영상 픽셀의 개수가 마이크로어레이 이미지의 별개의 특징(feature)의 개수를 초과하게 되면, CCD(2)가 마이크로어레이(8)의 오버샘플링을 수행하게 된다. 마이크로어레이(8)의 특징에 대한 영상 픽셀의 개수를 "오버샘플링 비(oversampling ratio)"라 한다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 마이크로어레이(8)의 특징에 대한 CCD(2)의 연속적인 영상 픽셀의 개수인 이러한 오버샘플링 비는 16 (4 x 4) 내지 100 (10 x 10)의 범위에 있다.

일 예로서, 1cm² 당 100 x 100 = 10,000 개의 별개의 특징이 포함되도록 구성된 마이크로어레이의 경우, 특징은 대략 100μ의 직경 (또는 정사각형의 한 변의 길이)을 갖는다. 1cm² 의 CCD 면적에 500 x 500 = 250,000 개의 영상 웰(imaging well)(픽셀)을 갖는 마이크로어레이의 이미지의 경우, 마이크로어레이 특징에 대한 CCD 픽셀의 허용 가능한 오버샘플링 비는 25:1 이 된다. 오늘날 전문적인 그리고 과학적인 용도의 카메라 및 영상 장치를 사용하는 소비자 사이에서는 이와 같이 밀접하게 꾸려진 20㎛의 픽셀을 구비하는 CCD가 보통 사용되고 있다. 1 in² 의 면적당 대략 3백만 개의 15μ 크기의 픽셀을 갖는 CCD의 경우, 예를 들어, 10,000 개의 특징으로 이루어진 어레이의 오버샘플링 비는 거의 300:1 이며, 또는 직경 (또는 정사각형의 한 변의 길이)이 6μ인 대략 100,000 개의 특징을 갖는 어레이의 1cm² 에 대한 오버샘플링 비는 거의 25:1이다.

이와 같은 광범위한 데이터 오버샘플링 가능성은 CCD 영상 장치에 투사되는 상이한 배율의 마이크로어레이 이미지의 데이터 획득을 최적화할 수 있는 기회를 제공한다.

디지털 오버샘플링의 논리적 근거에 기초하여 각각 마이크로어레이 및 CCD 영상 어레이를 정의하는 특징 및 픽셀의 장방형 격자의 미미한 오정렬을 허용할 수 있는 데이터 획득 및 분석 시스템을 실현할 수 있다. 또한, 이러한 시스템의 모델을 통해 버츄얼(virtual) 정렬에 영향을 미치는 회전 매트릭스 변환과 같은 이미지 처리 기술을 가능하게 하는 충분한 데이터 밀도를 제공할 수 있다. 따라서, 오버샘플링이 용이하게 이루어질 수 있음에 따라 통상의 마이크로어레이 스캐닝 시스템의 정밀한 기계적인 위치 설정 및 방위 제어를 대신할 수 있는 원본 이미지(raw image) 데이터의 처리가 가능하게 된다.

전술한 예시적인 실시예에 있어서는, 마이크로어레이의 영상 촬영을 위해 CCD 센서를 구비한 디지털 카메라가 사용된다. 이러한 영상 촬영에 적당한 디지털 카메라 및 CCD 센서에 대해서는, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, FoveonX3^®CMOS 칼라 이미지 센서를 구비한 HVDUO-10M 디지털 칼라 카메라에 관한 "한 비젼" 제품 설명서(Han Vision Product Sheet)(2004); 그리고 현미경용의 QuantiFIRE 선진 과학 등급(냉각형) CCD 영상에 관한 "옵트로닉스" 제품 설명 서(Optronics Product Sheet)에 설명되어 있다.

무렌즈 영상

오늘날 사용되고 있는 마이크로어레이 스캐닝 기구는 공초점 현미경 광학을 채용하여, 여기(excitation)(레이저) 광을 어레이 상의 영상 촬영 국부 영역의 평면에 초점을 맞추도록 되어 있는 한편, 동일 소형 샘플링 스폿(spot)으로부터 방출된 형광성 광을 복구하도록 되어 있다. 이것은 광 경로의 초점이 어레이의 평면 상에 맞추어질 수 있도록 어레이의 x-y 평면 및 이에 수직한 z-축선을 가로질러 이루어지는 스캐닝에 있어서 광학적인 복잡성뿐만 아니라 기계적인 복잡성을 수반한다. 예시적인 본 실시예에 있어서는, 정밀 기계 이송 제어 및 정교한 현미경 광학 대신에, 도 1에 도시된 바와 같은 미세한 핀홀 개구(4)가 사용된다.

이미지의 해상도는 핀홀 개구(4)의 치수에 반비례한다. 예를 들어, 핀홀 개구(4)의 직경이 감소하면 이미지의 해상도는 증가하는데, 그 이유는 개구에 입사한 광이 예리한 각도로 휘어지기 때문이다. 예시적인 본 실시예에 있어서, 핀홀은 레이저를 사용하여 백 ㎛ 내지 수백 ㎛ 정도 크기의 박형 호일(foil)을 천공하는 방식으로 용이하게 제조된다. 상기 크기 범위의 하한은 전술한 치수 및 영상의 사양과 일치한다. 물리적 및 기계적인 단순성 외에도, 전술한 바와 같은 핀홀 개구에 관한 접근법은 필드 깊이에 관한 두드러진 장점을 제공하는데, 다시 말해, 어레이 표면으로부터 개구를 통과하여 영상 CCD까지의 물리적인 거리에 있어서의 가변성이 적어 이미지의 초점 품질에 영향을 미치지 않는다는 장점이 있다.

개구의 크기를 최소화하는 것은 다음의 두 가지 결과를 초래한다. 첫째, CCD 상에 어레이의 정량적 이미지를 생성하기에 충분한 광을 제공하기 위해서는, 개구의 크기가 작아질수록 개구의 면적에 반비례하여 노광 시간을 증가시킬 필요가 있다. 둘째, 핀홀 개구는 개구를 통과하는 광을 회절시켜, 그 결과로써 얻어진 이미지에 블러링(blurring) 패턴을 유발하게 된다.

이러한 회절에 의한 블러링 현상을 교정하기 위해서는 이미지 처리를 위한 소정의 디컨벌루션 기술을 사용하여 원본 디지털 CCD 이미지를 처리하여야 한다. 즉, "디컨벌루션"이란 이미지로부터 블러링 현상을 제거하는 과정이다. 예시적인 일 실시예에 있어서는, PSF(point spread function ; 점 확산 함수)의 푸리에(Fourier) 변환과 원본 디지털 CCD 이미지의 푸리에 변환을 곱하여 그 생성 값의 역 푸리에 변환을 취하는 방식으로 디컨벌루션이 이루어진다. 여기서, "PSF"는 마이크로어레이 평면 상의 점 광원으로부터의 광이 개구를 통과하여 CCD 영상 평면에 이르기까지의 광의 확산을 설명하기 위한 모델링 함수이다(실험적인 또는 이론적인 함수). 전술한 바와 같은 디컨벌루션 방법은 이하의 수학식으로 나타내어질 수 있다.

이하의 수학식에서, "f(x)"는 신호x의 푸리에 변환을 나타내는 것이며, "f^-1(#)"은 신호(#)의 역 푸리에 변환을 나타내는 것이다. "R"은 CCD 영상 평면 상에 수신된 컨벌루션 처리된(convoluted) 이미지를 나타나며, "Y"는 PSF를 나타내는 신호이다. 따라서, "f(R)"은 수신 이미지의 푸리에 변환을 나타내며, "f(Y)"는 PSF의 푸리에 변환을 나타낸다. 수신 이미지 및 PSF의 푸리에 변환의 곱은 이하의 수 학식 1로 나타내어진다.

"I"는 블러링 제거 이미지를 나타낸다. 이와 같은 블러링 제거 이미지(즉, 디컨벌루션 처리된 이미지)는 이하의 수학식 2로 나타내어진 푸리에 변환 곱(I)의 역 푸리에 변환 이미지이다.

PSF의 실험 모델은 영상 촬영되는 마이크로어레이의 평면에 배치된 유리 커버 슬립 상의 시판되고 있는 형광 물질로 착색된 미소 구체(마이크로스피어)를 영상 촬영하는 방식으로 용이하게 얻을 수 있다. 도 2에는 핀홀 개구를 통과하여 CCD 영상 평면으로 회절된 광의 현상이 도시되어 있다. 즉, 도 2는 점 광원의 광이 핀홀 개구를 통과하여 영상 평면에 도달하였을 때의 결과를 도시한 것이며, 이에 따라, 도 2에는 실험적인 PSF가 도시되어 있다. 영상 평면 상에 단일 점 광원이 나타나는 것이 이상적이긴 하지만, 핀홀 개구가 광을 회절시키기 때문에, 영상 평면 상에는 동심의 링 형태의 광원이 나타나게 된다. 이러한 동심 링의 직경은 광의 파장과, 핀홀의 크기, 그리고 영상 평면까지의 핀홀의 초점 길이에 좌우된다. 도 2에 도시된 이미지의 푸리에 변환으로부터 PSF의 푸리에 변환(즉, f(Y))을 구할 수 있다.

예시적인 일 실시예에서는, 실험적인 PSF를 결정하기 위한 형광성 점 광원으로서, 그린(505/515) 및 오렌지(540/560) 염료 라벨(여기(nm)/방출(nm))을 갖는 0.175μ 구체로 이루어진 상품명 피에스-스펙(PS-Speck^TM)의 현미경 점 광원 키트가 사용된다. 또한, 변형예에서는, 실험적인 PSF를 결정하기 위한 형광성 점 광원으로서, 구체마다 100%, 30%, 10%, 3%, 1% 및 0.3%의 상대적인 형광도를 갖는, 2.5μ 및 6.0μ의 그린 및 오렌지 미소 구체로 이루어진 상품명 인스펙(InSpeck)의 현미경 세기 보정 키트가 사용될 수도 있다.

알고리즘 수행 소프트웨어는 당업계의 숙련자에게는 잘 알려진 것으로서, 특정 영상 시스템용의 점 확산 함수를 추출 또는 예고하도록 사용되고 있으며 또한, 이미지 디컨벌루션 처리에 상기 점 확산 함수를 사용한다.

고출력 LED 조명

마이크로어레이 이미지 데이터 획득을 위한 통상의 고성능 공초점 형광 스캐닝 시스템은 프로브 또는 타깃 플루오로포어(fluorophore) 라벨의 여기(excitation) 및 맵핑(mapping)을 위해 마이크로어레이에 광을 조사하기 위해 하나 이상의 레이저를 사용한다. 레이저 빔의 세기가 강할수록 스캐너의 하나의 영상 처리 픽셀로부터 다음 픽셀로의 연속 통과를 위한 짧은 통과 주기 동안 충분한 광을 조사할 수 있다.

이러한 공초점 마이크로어레이 스캐닝 기기의 일 예가 영국 햄프셔(Hampshire)에 소재하는 제네틱스 코포레이션(Genetix Corporation)에 의해 제조 되고 있는 어콰이어 시스템(aQuire system)이다. 이 시스템은 핵산 분석에 사용되는 잘 알려진 플루오로포어에 광을 조사하기 위한 세 개에 이르는 서로 다른 레이저와; 532nm/575nm 필터(Cy3, Cy3.5, 알렉사 플루오로(Alexa Fluoro) 532, 546, 555, 568, TAMRA); 639nm/695nm 필터(Cy5, Cy5.5, 알렉사 플루오로 633, 647, 660, 680, BODIPY); 488nm/535nm 필터(GFP, FITC, 알렉사 플루오로 488, 500, 514, Cy2 및 파이코에리드린(Phycoerythrin))을 사용하여 작동된다. 이 공초점 시스템은 1 분 동안 1cm² 당 5 μ의 픽셀 해상도로 마이크로어레이를 스캔할 수 있다.

본 발명의 예시적인 일 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 보다 저렴하면서도 보다 수명이 긴 효과적인 고출력 발광 다이오드(LED)(6)를 사용하여, 어레이를 CCD 이미지로 영상 처리하기 위한 노광 주기 동안 전체 어레이 표면에 광을 조사한다. 현대적인 LED 소자는 실시간 중합효소 연쇄 반응(RTPCR;real time polymerase chain reaction)과 같은 방법에서 표식이 붙여진 핵산 및 단백질의 정량적인 형광 분석에 사용되어 왔다. LED 소자는 수명이 길며, 에너지 요구량이 적고, 크기가 작다는 장점이 있으며, 또한 레이저 시스템과 비교하여 전자 기술이 보다 간단하고 작동 위험이 보다 적다는 장점이 있다. 이러한 LED 소자는 통상적으로 마이크로어레이와 사용되는 형광 표식 옵션의 범위에 적합한 방출 파장으로 이용 가능하다.

일 예로서, 뉴저지(New Jersey)에 소재하는 라미나 세라믹스 코포레이션(Lamina Ceramics Corporation)에 의해 생산되고 있는 고출력 LED와 같은 소정의 고출력 LED가 사용될 수도 있다. 도 3에는 각기 여섯 개의 개별 LED 요소로 이루어진 육각형 어레이 형태로 형성되는, 일곱 개의 클러스터(20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g)로 이루어진 육각형 어레이를 구비한 IC 칩(20)이 도시되어 있다. 각각의 LED 요소는 LED로부터의 직접적인 열 소산을 촉진하도록 세라믹 기판 내에 매립되어 있다.

라미나 세라믹스에 의해 생산된 라미나 LED 어레이 중에서도, 대략 470nm(블루) 및 530nm(그린)의 파장의 강렬하면서도 좁은 대역폭으로 광을 방출하는 B-2000 시리즈의 두 개의 예가 적당하다. 전술한 파장은 특히, 마이크로어레이 용례, RTPCR 및 기타 분자 생화학 방법론과 관련하여, 핵산 및 단백질의 분석에 공통적으로 사용되는 플루오로포어로부터의 형광성 광 유도(elicitation)에 바람직하다. 이하의 표 1은 특정 LED 어레이용의 사양을 나타낸 것이다.

시리즈	조명 색상	파장 범위	출력	광속(Flux)
BL-22B1-0140	블루	470±5nm	4.5W	28 루멘
BL-22C1-0141	그린	525±10nm	4.3W	78 루멘
BL-21EO-0131	앰버	589±7nm	13.7W	290 루멘
BL-21A0-0121	레드	618±5nm	13.6W	270 루멘

오스트레일리아에 소재하는 코베트 로보틱스(Corbett Robotics)는 실시간 PCR 기기(상품명 로터진-3000(RotorGene-3000))를 제조하고 있는데, 이 실시간 PCR 기기는 Sybr-Green I, Fam, Tet, Joe, Vic, Max, Rox, Tamra, Cy3, Cy5, Cy5.5, Texas Red를 포함하는 공통적으로 사용되고 있는 핵산용 염료 표식을 사용하여 다중성 형광을 측정하기 위해 470nm, 530nm, 585nm 및 625nm의 여기 파장을 갖는 복수 개의 LED(전술한 라미나 LED에 대응함에 주목하여야 한다)를 채용하고 있다.

LED 소자의 성능은 (1) LED에 의해 발생되는 열의 소산, 그리고 (2) 영상 촬영되는 어레이 전체에 걸친 광 강도의 분포 균일성에 의해 개선될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 있어서, LED 소자는 소자로부터 이에 부착된 히트 싱크(heat sink)의 전도 표면으로의 열 전달을 촉진하는 세라믹 기판 내부에 소형(1mm² 미만)의 LED 요소로 이루어진 어레이가 장착되는 형태로 설계된다.

이러한 어레이의 각각의 LED 요소로부터의 광 분산에 의해, 광원으로부터의 거리가 증가할수록 보다 간단한 람베르트(lambertian) 분포를 제공할 수 있다.

LED 어레이와 이에 의해 광이 조사되는 마이크로어레이 사이에 홀로그래픽 디퓨저(holographic diffuser)를 배치함으로써 어레이 전체에 걸쳐 보다 균일한 광 강도를 제공할 수 있다. 도 4에는 라미나 블루 LED 어레이가 도시되어 있다. 도 4의 상부 패인은 260μ 크기의 핀홀 개구를 통해 라미나 블루 LED 어레이(니콘(Nikon) D70)로 직접 촬영한 영상을 보여주고 있다. 이 패인은 아래의 동일한 구성의 동일한 LED 어레이를 영상화한 것으로, LED 어레이와 핀홀 개구 사이에 40°원형 홀로그래픽 디퓨저 요소(뉴저지(New Jersey)에 소재하는 에드몬드 인더스트리얼 옵틱스(Edmond Industrial Optics)에 제조됨)가 개재되어 있다. 하부 패인은 LED 어레이로부터의 조명 광을 균일하게 확산시키는 홀로그래픽 디퓨저를 보여주고 있다. 이에 따르면, 개개의 LED는 눈에 보이지는 않게 된다.

예시적인 본 실시예에 의하면, 각각의 LED 공동으로부터의 광 분산 디자인이 LED 광원 자체의 개구에 초점이 맞춰진 이미지보다 상당히 폭이 넓은 경우와 같은, 최악의 어레이 조명 디자인도 취급이 가능하다.

마이크로어레이 상의 형광도를 맵핑하기 위한 동일 CCD 영상 시스템이 어레이 표면으로부터의 반사 입사광을 측정하도록 구성될 수 있으며, 또한 조명 필드의 중심점으로부터의 거리 함수로서의 여기 광 레벨 변화에 대한 CCD 형광 영상을 컴퓨터 처리를 통해 교정할 수 있다.

완벽한 영상 시스템(100)의 예시적인 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 일 예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, CCD 영상 평면(116)과 검출기(116a)를 구비한 통상의 CCD 카메라가 영상 장치로서 사용되며, 카메라의 표면에는 핀홀 개구가 형성되어 있다(렌즈 장착 시스템 대신). 다른 일 예에 따르면, 핀홀 개구로부터 CCD 평면(116)까지의 통상적인 거리는 대략 50mm로서, 마이크로어레이로부터 개구까지의 광 경로를 포함할 수 있는 비교 가능한 작동 거리를 제공한다.

본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 어레이 평면(102)과 CCD 평면(116) 사이의 표면의 중간 핀홀 개구(114)로부터의 물리적인 거리는 CCD 영상 평면(116)의 물리적 치수 범위 내에 마이크로어레이(102)의 전체 이미지가 포함될 수 있도록 동일하게 유지된다. 이들 동일 거리간의 약간의 변화는 CCD 평면 상의 어레이 이미지의 효과적인 확대 또는 축소와 같은 장점을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 핀홀 개구의 장점은 그 초점 품질이 이미지 공급원으로부터 개구까지의 작동 거리와 무관하다는 점이다.

LED 조명 어레이(104)는 홀로그래픽 디퓨저(106)와 여기 필터(108)를 통해 마이크로어레이(102)에 광을 조사한다. 전술한 바와 같이, 홀로그래픽 디퓨저(106)는 LED 조명 어레이로부터 방출된 전자기 방출 광 강도의 균일성을 증가시키는 역할을 한다. 일 예로서, 편리하게는, 1∼2 인치의 작동 범위는 형광 현미경용의 대략 1 in³의 입방체 내에 장착된 광학 필터 세트의 치수와 일치하는 것이다. 이러한 필터 입방체는 (본 발명의 LED 어레이(104)로부터의) 조명 광이 조사되는 입방체의 일면 상에 여기 통과(bandpass) 필터(108)를 제공한다. 이러한 여기 통과 필터(108)를 통해 소정 파장의 조명 광이 색선별 미러(110)와 마이크로어레이(102)로 보내질 수 있다. 입사 빔은 입사 빔에 대하여 45°의 각도로 장착된 색선별 미러(110)에 의해 입방체의 수직 개방 면을 향해 반사된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 마이크로어레이(102)의 평면은 LED 조명 장치(104)로부터의 반사 입사광을 수용하는 입방체 개방 면에 근접한 위치에 개방 면과 정렬되어 배치된다. 마이크로어레이 표면(102) 상의 국부적으로 형성된 형광 타깃(102a)은 특정 플루오로포어(들)의 방출 파장 특성을 갖는 점 광원으로서 처리된다. 조명 빔의 반대 방향(입방체 내로의 역방향)의 형광성 광이 동일 색선별 미러(110)에 들어가게 되는데, 이 경우에 색선별 미러(110)는 여기 광보다 파장이 긴 형광성 광에 대해 투과성을 갖는다. 형광성 광이 입방체에서 나옴에 따라, 마이크로어레이(102)에 대향하는 입방체 면에서 방출 통과 필터(112)를 통과하게 된다. 전술한 바와 같은 예 또는 그 모범예에 있어서, 영상 시스템의 표면의 핀홀 개구(114)는 방출 필터(112)에 바로 근접하여 배치된다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 사용되는 두 개의 형광 필터의 필터링 특성을 보여주는 그래프이다. 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 뉴욕(New York)에 소재하는 샘록 코포레이션(Semrock Corporation)의 두 개의 제품, 즉 FITC 및 TRITC 필터 세트가 각각, 라미나 블루(470nm, 도 6) 및 그린(525nm, 도 7) LED 조명 어레이와 사용될 수 있다. 이하의 표 2는 이러한 필터 세트의 특성을 나타낸 것이다.

	여기	색선별	방출
FITC 세트(470nm)	460nm - 500nm	506nm	515nm - 555nm
TRITC 세트(525nm)	475nm - 545nm	555nm	560nm - 580nm

본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 동일 마이크로어레이와 상호 작용하는 타깃 혼합물 상의 복수 개의 플루오로포어 표식의 장점을 취할 수 있도록, 서로 다른 필터 입방체와 LED 조명 장치를 사용하여 촬영한 동일 마이크로어레이의 연속 영상이 검출기 모델에 포함된다. 또한, 유색의 영상 CCD 어레이와 사용하기 위한 여기 필터 및 방출 필터 그리고 색선별 미러(들)를 신중하게 선택함으로써, 하나 이상의 플루오로포어 표식의 동시 분석을 달성할 수 있다.

통상적인 마이크로어레이가 투명 유리 슬라이드, 또는 바람직하게는 박형 유리 커버 슬립의 표면 상에 제조되면, 이 마이크로어레이는 반사 미러 표면에 의한 후방 지지가 가능하다. 이러한 구성은 또한, 입사 빔이 어레이 표면 상의 형광 타깃을 이차적으로 통과할 수 있도록 하여, 타깃의 효율적인 조명 효과를 배가시키는 한편 추측하기에는, 타깃으로부터의 형광성 광 신호를 배가시키는 효과가 있다. 다시 말해 검출되지 않을 수도 있었던 형광성 광 신호의 역반사를 통해 제공되는 장점을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 형광성 광 신호는 어레이 표면 상의 점 광원으로부터의 반사 및 각도 다양성으로 인해, CCD 평면에서의 형광 이미지의 품질을 저하하는 경향이 있다. 이러한 개념적인 4중 신호 증강 접근법의 실효성에 대해서는 결정의 여지가 있다. 형광 경로에서의 추가적인 디컨벌루션 이미지 처리 단계 또는 추가적인 광학적 필터링 성분의 용례에 의해 실제적인 장점을 실현할 수도 있다.

셔터를 사용하지 않는 노광 제어

기계적인 복잡성(이동 부품)을 최소화하기 위한 일 디자인을 고려할 수 있다. 예시적인 일 실시예에서는 모범예의 영상 처리를 위한 디지털 카메라를 사용하는 반면, 변형예에서는 고해상도 CCD 영상 처리 어레이를 채용할 수도 있는데, 이러한 CCD 영상 처리 어레이는 보다 많은 수의 영상 픽셀 및 CCD 요소의 보다 낮은 암전류 및 배경(background)에 대한 펠티어(Peltier) 냉각 특징을 제공한다. 이 경우에, 디지털 카메라, 특히 SLR 타입 카메라의 사용을 능가하는 장점이 제공됨을 알 수 있을 것이다. CCD가 광학적으로 포함되어 있는 경우 그리고 형광성 마이크로어레이가 입사 빔 조명 하에 있는 경우에만, CCD가 필터 입방체로부터의 저강도의 형광성 광에만 노출된다. 핀홀 개구를 통한 노광 공정이 상당 시간(수초 내지 수분) 지속 되는 것으로 예상되기 때문에, 버츄얼(Virtual) 전자 셔터(비기계적인 유형)가 사용될 수도 있다. SLR 내부 미러를 기계적인 플립(flip) 방식으로 조작하는 대신에, CCD로 전송된 전자 신호를 사용하여 어레이에서의 잔류 또는 배경 전하 축적을 촉진할 수도 있으며, 광자 포집(버츄얼(Virtual) 셔터 사용, 이동 부품은 없음)을 효과적으로 재개할 수도 있다.

부호화 개구 어레이

전술한 바와 같이, 천문학, 현미경 및 단층 촬영 영상 분야에서는 소형 개구를 통한 해상도 제한 회절로 인한 블러링 현상을 명확하게 규명하기 위하여 디컨벌루션 이미지 처리를 채용하여 왔다. 그러나, 이러한 시스템 중 일부는 x-레이 망원경 또는 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT;single photon emission computed tomography)을 사용한 근접 필드 영상 처리를 포함하는 영상 처리용 광학 굴절 방식에는 적합하지 않을 수도 있다. 따라서, 이들 용례의 방법론은 영상 해상도 및 노광 시간 감소 모두에 대해 바람직한 결과를 초래하는 부호화 개구 어레이를 채용하는 방향으로 개발되어 왔다.

도 8에는 부호화 개구 어레이의 예시적인 일 실시예가 도시되어 있다. 도 8에 도시된 개념에 있어서, 각각의 개구를 통해 보면, (변형) 균일 중복 어레이((M)URA;(modified) uniformly redundant array) 레이아웃을 나타내는, 무작위 또는 의사 난수 핀홀 개구 어레이가 이미지 공급원을 둘러싸거나 중첩 배치된다. 광원(140)으로부터의 광은, 마이크로어레이(8)의 활성 타깃과 같은, 부호화 개구 어레이(142)를 통과하여 검출기(144)로 보내진다. 검출기(144)는 CCD와 같은 소정의 영상 장치이다.

그 결과 생성된 검출기(144) 상의 이미지는 부호화 개구 어레이를 통과하는 컨벌루션 처리된 이미지이다. 이 이미지는 블러링 현상을 나타내는데 그 이유는 복수 개의 핀홀을 통과한 광이 검출기에 입사하기 때문이다. 따라서, 상기 생성 이미지의 블러링 현상을 해소하기 위하여 소정의 이미지 디컨벌루션 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, f(R)은 부호화 개구 어레이를 통과한 후의 컨벌루션 처리된 이미지의 푸리에 변환을 나타내며, M은 부호화 개구 어레이의 반전 마스크를 나타내고, f(M)은 반전 마스크의 푸리에 변환을 나타낸다. 따라서, "I"를 디컨벌루션 처리된 이미지와 등가로 하면, 다음의 수학식 3으로 나타내어질 수 있다.

상기 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 부호화 개구 어레이의 특정 반전 마스크 지식 없이는 이미지의 디컨벌루션 처리(즉, 블러링 현상 제거)가 불가능하다. 따라서, 부호화 개구 어레이의 반전 마스크는 이미지를 암호화하기 위한 순간 광학 암호화 키(key)의 역할을 한다.

예시적인 일 실시예에 있어서, 부호화 개구 어레이는 그 자체가 반전형으로 설계된다. 이러한 반전 부호화 개구 어레이를 생성하여 이미지의 블러링 현상을 해소하기 위한 방법은, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되어 있는, 고츠만(Gottsman), S. R. 및 페니모어(Fenimore), E. E. 의 "부호화 개구 영상 처리를 위한 신규 바이너리 어레이 군(New family of binary arrays for coded aperture imaging)"(1989, Appl. Optics 28, 4344-4352); 그리고 바니에르(Vanier)의 "부호화 개구 열 중성자 영상에 관한 개선(Improvements in coded aperture thermal neutron imaging)"(1973, BNL-71468-2003-CP)에 기술되어 있다. 또한, 부호화 개 구 어레이에 대해서도, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되어 있는, 페니모어, E. E. 의 "균일 중복 어레이의 예상 성능(Predicted performance of uniformly redundant arrays"(1978, Appl. Optics. 17, 3562-3570); 페니모어, E. E.의 "부호화 개구 영상(Coded aperture imaging): "균일 중복 어레이용의 변조 전이 함수(the modulation transfer function for uniformly redundant arrays)"(1980, Appl. Optics. 19, 2465-2471); 페니모어, E. E. 및 캐논(Cannon), T. M. 의 "균일 중복 어레이를 이용한 부호화 개구 영상(Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays)"(1978, Appl. Optics. 17, 337-347)(또한, 동일 제목 및 발명자의 미국 특허 출원 제4,209,780호 참조); 어코시(Accorsi), R.의 "고해상도 의학용 및 산업용 감마선 영상을 위한 근접 필드 부호화 개구 어레이의 설계(Design of near field coded aperture cameras for high-resolution medical and industrial gamma-ray imaging)"(2001, 캠브리지의 매사추세츠 공학 대학(MIT) 박사 논문); 그리고 어코시, R., 가스파리니(Gasparini) F. 및 란자(Lanza), R. C.의 "통상의 앵거(Anger) 카메라를 이용한 고해상도 핵의학 평면 영상을 위한 부호화 개구 : 실험 결과들(A coded aperture for high resolution nuclear medicine planar imaging with a conventional Anger camera : Experimental results)"(2001, IEEE Trans Nuc Science 48, 2411-2417)의 실험 결과들에 논의되어 있다.

부호화 개구 어레이 반전 마스크를 이용한 푸리에 변환 컨벌루션은 부호화 개구 어레이의 개개의 핀홀 요소의 한계 치수에 접근하는 해상도에서의 이미지 재구성을 야기한다. 이에 추가하여, 마스크의 개구의 개수에 비례하여 (원본) 이미 지의 노광 시간이 감소 된다.

도 9에는 다른 실시예의 영상 시스템(200)이 도시되어 있다. 영상 시스템(200)은 마이크로어레이(202)(타깃(202a)을 구비함)와, LED 조명 어레이(204)와, 홀로그래픽 디퓨저(206)와, 여기 필터(208)와, 색선별 미러(210)와, 방출 필터(212), 그리고 검출기(216a)를 구비한 CCD 영상 평면(216)을 포함한다. 상기 언급한 구성 요소들의 기능성은 도 5에 기술된 대응 구성 요소에 대해 기술된 바와 유사하다. 도시된 영상 시스템(200)은 도 5의 핀홀 개구(114) 대신에 부호화 개구 어레이(214)를 사용하고 있다.

예시적인 부호화 개구 어레이는 요소들이 211 x 211의 배열(개방형 또는 폐쇄형)을 갖는 (M)URA로서, 단일 요소 개구의 22,000배의 광 포집력을 제공하는 한편 거의 50% 가 개방 공간을 제공하고 있다.

본 발명의 영역 내에서, 고해상도 흑백 또는 유색 필름 축소 방식을 채용하여, 의도한 용례에 적당한 (M)URA 또는 다른 디자인의 부호화 개구 어레이가 인쇄 부호화 개구 어레이의 포지티브 또는 네거티브 이미지로서 제조될 수도 있다. 이 접근법에 의하면, 오늘날 사용되고 있는 통상의 디지털 프린터의 해상도 한계치(1400 dpi에서 대략 25g)를 초월하여 잘 알려진 마이크로필름/마이크로피시(microfiche) 기판(1μ 내지 5μ)의 보다 미세한 해상도에 도달할 수 있다.

본 발명의 부호화 개구 어레이의 생산에 사용하기 위한 기판으로서의 마이크로 필름의 용례는 MEMS 제조에 사용되는 포토리소그래픽 마스크의 제조를 위한 저비용 방법론과 유사하다. 이러한 MEMS에 대해서는, 전체 내용이 본 명세서에 참조 로써 인용되고 있는, 도슨(Dotson), N. A, 김(Kim), P. T, 및 마슨(Mason), A의 "저비용 MEMS 처리 기술(Low cost MEMS processing techniques)"(2004년 4월, "2004 ASEE/NCS 스프링 컨퍼런스의 회보에 개재됨)에 설명되어 있다.

또한, 개구 마스크를 형성하기 위해 유색 투명 필름을 사용함으로써, 본 발명의 분야가 개구 어레이의 다시 말해 투명한 개방 공간을 통한 광학적 (방출) 필터링의 일차적인 또는 이차적인 통합을 위해 적용될 수 있는 기회가 마련된다.

이것은 본 발명의 주제뿐만 아니라 기타 용례에 적당한 전술한 바와 같은 구성 요소의 생산을 위한 경제적으로 실행 가능하면서도 품질을 보장할 수 있는 경로로서 고려되고 있다. 또한, 특정 마이크로어레이의 제조에 사용되는 포토리소그래픽 마스크는 본 발명의 영역 내에서 고려되고 있는 부호화 개구 어레이 디자인과 비교하여 본질적으로 유사한 스케일과 복잡성을 갖추고 있음에 주목하여야 한다.

감시 품질 정보로의 원본 이미지 데이터 번역

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 소정의 CPU 프로세서가 소정의 계면을 통해 CCD에 연결된다. CPU 프로세서는 부호화 개구 어레이용의 반전 마스크 및 PSF 실험 모델이 저장되어 있는 메모리 소자를 구비하고 있다. CPU 프로세서에 의해 CCD, PSF 실험 모델 또는 부호화 개구 어레이의 반전 마스크에 의해 캡처링된 이미지에 대한 푸리에 변환 또는 기타 다른 소정의 알고리즘을 수행하기 위한 소프트웨어 또는 펌웨어가 운용된다.

마찬가지로, 당업계의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 프로그램 가능한 로직 ASICS, 퍼스널 컴퓨터 등과 같은 소정 개수의 데이터 프로세서가 채용될 수도 있다. 예시적인 일 실시예는 CCD, PSF 실험 모델 또는 부호화 개구 어레이의 반전 마스크에 의해 캡처링된 이미지에 대한 푸리에 변환 또는 기타 다른 소정의 알고리즘을 컴퓨터 처리하기 위해 영상 시스템 내에서 실행되는 디지털 신호 프로세서(DSP) 칩을 사용한다.

MURA 개구 - 본체 캡 준비-

도 10은 표준 흑색 플라스틱 본체 캡(240)의 전면 촬영 사진을 도시한 것이다. 마이크로소프트 파워포인트(Microsoft PowerPoint)로 디지털 이미지가 확대되어 있으며, 캡 이미지와 동일한 직경으로 중첩 원이 그려져 있다. 이렇게 해서 얻은 인쇄 사본 상에서, 원의 기하학적 중심은 두 개의 분할선의 교차점을 사용하여 결정되어 있다. 캡에 개구를 천공하기 위해 중심을 조종하도록 날카로운 강철 펀치가 사용되며, 핀홀 개구가 도면 부호 240a로 지시되어 있다. 캡을 나무로 된 작업면에 클램핑 고정한 다음, 용해 방지를 위해 저속으로 셋팅되어 있는 드레멜(Dremel) 수공구를 사용하여 캡을 천공하고 그 중심 홀을 1/16인치로부터 1/32 인치까지 확장시키게 된다. 이때, 홀의 최종 직경은 장착되는 MURA 요소의 대각선 길이보다 아주 약간 크게 선정된다. 개구의 전방 가장자리는 원추형 돌을 사용하여 또는 드레멜 수공구를 구비한 1/8 인치 조정 라우터 비트(router bit)를 사용하여 비스듬하게 가공된다. 당업계의 숙련자라면, 표준 카메라 본체 캡이 반드시 필요한 것은 아니며 다만 설명의 편의를 위해 사용되고 있음을 이해할 수 있을 것이다.

예시적인 다른 실시예에 있어서, CCD 장치는 도 5에 도시된 요소(112) 및 도 6에 도시된 요소(212)와 같은, 핀홀 개구 또는 부호화 개구 어레이를 구비한 소정의 표면에 의해 마스킹 처리된다. 핀홀 개구를 갖는 표면을 핀홀 블라인드(pinhole blind)라 한다.

예시적인 일 실시예에서는 디지털 이미지로서 정사각형 MURA 개구 어레이를 구성 및 표현하도록 매쓰매티카(Mathematica)(v5.2) 프로그램을 사용하여, 고츠맨 및 페니모어(1987)에 의해 제공된 외연적(Explicit) 알고리즘 기술(앞서 인용한 바와 같은)을 달성하고 있다. 흑백 반전에 의해 유도 이미지가 구성되며, 이러한 유도 이미지는 4inch x 6inch 의 백색 직사각형의 내부에 중심이 맞춰져 있다. 크기가 큰 직사각형의 중심의 정사각형 MURA의 크기는 통상, 0.01 inch, 0.02 inch 또는 0.03 inch로, 어레이의 각각의 정방형 개구 요소를 나타내도록 조절된다. 직사각형 및 이에 중심이 맞춰진 MURA 복합 이미지를 흑백 네거티브 필름(이하에 후술되는 바와 같은)으로 촬영하게 되면, 직사각형의 치수가 대략 네 배 정도 감소 되어, 필름 상의 개구 요소의 크기가 각각 60μ, 120μ 및 240μ가 된다.

도 11에는 37 x 37 의 요소 배열을 갖는 MURA 포지티브 어레이(250)가 도시되어 있다. 도시된 어레이는 블랙 배경을 갖는 포지티브 어레이(250a) 및 백색 배경을 갖는 대응하는 네거티브 어레이(250b)를 포함한다. 네거티브 이미지의 정사각형들은 대략 한변의 길이가 각각 2.22, 4.44 및 8.88mm로 감소된 크기를 갖는다. 이러한 정사각형 MURA 이미지의 대각선은 따라서, 각각 대략 3.14mm, 6.28mm 및 12.56mm이다. 도시된 필름의 네거티브 이미지는 각각 대략 1/8inch, 1/4inch 및 1/2inch의 개구 직경을 갖는 본체 캡에 중심이 맞춰져 장착된다.

MURA 개구 어레이의 필름 이미지

반전 MURA 이미지의 흑백 이미지는 저속 I1ford Delta 100(ISO 100) 35mm 흑백 네거티브 필름을 이용하여 60mm 니코(Nikkor) 마이크로 렌즈를 사용하여 촬영된다(니콘 N80 카메라). 인쇄 MURA 반전 이미지에는 카메라로부터 대략 40cm 거리의 스탠드 상에서 네 개의 5200K 촬영용 일광등을 이용하여 광이 조사되며, 렌즈 개구율(f8)에서의 노광 속도 셋팅은 1/120초의 그레이 카드 미터링(gray card metering) 속도를 중심으로 구분된다. 필름은 대비성을 향상시키도록 연장된 교반 시간으로 흑백 D71 공정을 사용하여 수작업으로 현상하였다. 최적의 결과, 즉 흑색 불투과성 및 백색 투과성은 통상, 그레이 카드 미터링 속도, 즉 대략 개구율(f8)에서의 1/60초의 속도보다 두 배 내지 세 배 긴 노광 시간에 의해 얻어진다. 노광 시간이 길어질수록 흑색 불투과성은 증가하지만, 백색 개구의 투과성 손실 및 회색톤의 증가와 같은 결과를 초래하게 된다.

도 12에는 HP 사무용 잉크젯 프린터 5500v를 이용하여 9600 dpi의 해상도로 스캐닝 처리하여 얻은 네거티브 이미지가 도시되어 있다. 상부 패인(260a)은 1/180초, 1/120초 및 1/90초로 구분된 노광 시간의 결과를 보여주고 있다. 하부 패인(260b)에는 1/120초의 그레이 카드 미터링 노광 결과가 보다 상세히 확대 도시되어 있다. 여기서, 원은 MURA 이미지가 장착되어 있는 니콘 본체의 1/2inch 직경의 개구를 나타낸다.

MURA 개구 어레이의 선택된 네거티브 이미지는 니콘 BF-1A 본체 캡의 후면부 상의 37.5mm 직경의 원의 내면 안에 중심이 맞춰져 끼워질 수 있도록 슬라이드의 모서리에서 트리밍 처리된다. 40mm 장착 디스크 또한 블랙 폴리스티렌 시트(버지니아주 우딘빌리(VA, Woodinville)에 소재하는 에버그린 스케일 모델스(Evergeen Scale Models)의 0.25mm 내지 0.5mm 두께의 시트)로부터 절단되어 형성되며, 본체 캡의 중심 개구에 일치하도록 중심 홀이 절단 형성된다. 트리밍 처리된 필름 네거티브 이미지가 본체 캡 상에 중심이 맞춰진 상태로 배치된 다음 폴리스티렌 디스크가 이미지를 덮도록 배치된다. 폴리스티렌 디스크는 그 후, 외주연을 중심으로 플라스틱 접착제 몇 방울을 사용하여 고정된다.

변형예에 있어서, 전술한 매쓰매티카 프로그램을 통해 설계된 부호화 개구 어레이는 소정의 컴퓨터 자동화 설계(CAD) 프로그램에 의해 실현된다. CAD 프로그램을 사용하여 실현된 디자인을 사용하여 부호화 개구 어레이가 포토리소그래픽 마스크로 식각 된다. 포토리소그래픽 마스크는 그 후, 카메라의 본체 캡 상에 배치된다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 포토레지스트 마스크는 1cm² 의 면적을 갖는 포토레지스트 웨이퍼이다. 부호화 개구 어레이는 직경이 100μ인 핀홀을 구비한 포토레지스트 웨이퍼의 중심에서 3mm²의 면적을 갖도록 식각 된다.

도 13은 마이크로어레이의 이미지를 생성하기 위한 예시적인 방법을 보여주는 순서도이다. 단계(300)는 광원으로부터의 광 방출 단계이다. 단계(302)는 방출 광이 제1 주파수 대역으로 필터링되는 단계이다. 단계(304)는 제1 주파수대의 광을 마이크로어레이로 반사하여 마이크로어레이로 하여금 전자기 에너지를 방출하도록 하는 단계이다. 단계(306)는 제2 주파수 대 내에서 전자기 에너지를 필터링 하는 단계이다. 단계(307)는 핀홀 블라인드 마스크를 통해 광을 조사하는 단계이다. 변형예에 있어서는, 단계(307)가 부호화 개구 어레이를 구비한 표면을 통해 광을 조사하는 단계일 수도 있다. 단계(308)는 CCD 상에 마이크로어레이 이미지를 형성하는 단계이다.

순서도의 각각의 블록 또는 공정 설명은 공정의 특정한 논리적인 기능 또는 단계를 실시하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 지시 사항을 포함하는 모듈, 세그먼트, 또는 코드 부분을 나타내는 것으로 이해하여야 하며, 당업계의 숙련자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 전술한 기능들이 그 기능성에 따라 도시 또는 설명된 순서 이외의 방식으로, 예를 들어 실질적으로 동시 발생적으로 또는 역순으로 이루어질 수도 있는 변형예의 실시 방법 또한 본 발명의 예시적인 실시예의 범위 내에 포함된다.

전술한 가르침에 비추어 본 발명의 식별 가능한 수정예 및 변형예가 명확하면서도 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 이하에 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 본 발명이 전술한 구체적인 기술 내용과 다른 방식으로 실시될 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 전술한 내용이 서로 상호 작용하는 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소의 관점에서 기술되어 있긴 하지만, 본 명세서에 기술된 시스템이 전체적으로 소프트웨어적으로 실시될 수도 있음을 예상할 수 있다. 이 경우 소프트웨어는 자기 디스크 또는 광 디스크와 같은 캐리어 또는 무선 주파수 또는 가청 주파수 반송파로서 구체화될 수도 있다.

따라서, 전술한 기술 내용은 단지 본 발명의 예시적인 실시예를 개시 및 설 명한 것으로서, 당업계의 숙련자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 그 정신 및 기본적인 특징을 벗어남이 없이 기타 특정 형태로 구체화될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명의 개시 내용은 이하의 특허청구범위뿐만 아니라 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니며 단지 예시를 목적으로 하는 것이다. 본 명세의 가르침과 관련한 용이하게 인식 가능한 변형예를 포함하는 본 발명의 개시 내용은 부분적으로는, 본 발명과 무관한 주제가 공중에게 제공되지 않도록 전술한 전문 용어의 범위를 규정하고 있다.

Claims

타깃(target)에 의해 활성화되는 적어도 하나의 표식(label)을 갖춘 한 어드레스 지정 프로브(probe)를 포함하는 마이크로어레이를 향해 광을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 광원과;

상기 광을 제1 주파수대로 필터링 하도록 구성된 여기(excitation) 필터와;

상기 제1 주파수대의 광을 마이크로어레이로 반사하도록 구성된 색선별 미러로서, 마이크로어레이로 하여금 색선별 미러를 통하여 전달되는 주파수 범위에서 타깃에 의해 활성화된 표식으로부터 전자기 에너지를 방출하도록 하는 색선별 미러와;

제2 주파수대 내에서 상기 전자기 에너지를 필터링 하도록 구성된 방출 필터; 그리고

전하 결합 소자(CCD)를 구비하며, 방출 필터로부터의 전자기 에너지가 핀홀 블라인드(pinhole blind)에 들어가는 경우 핀홀 블라인드에 의해 CCD의 영상 표면이 마스킹 되어, 전체 마이크로어레이의 이미지가 생성되도록 되어 있는 영상 유닛

을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 전체 마이크로어레이의 이미지를 수신하여, 전체 마이크로어레이의 이미지의 푸리에 변환과 점 확산 함수의 푸리에 변환을 곱하는 방식으로 이미지 디컨벌루션(deconvolution)을 수행하도록 구성된 데이터 프로세서를 추가로 포함하며, 상기 점 확산 함수는 CCD 영상 평면으로의 핀홀 블라인드를 통한 어레이 평면 상의 점 광원의 광 확산을 모델링 하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 여기 필터와 적어도 하나의 발광 다이오드 사이에 배치된 홀로그래픽 디퓨저(diffuser)를 추가로 포함하며,

상기 홀로그래픽 디퓨저는 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 조명 강도의 균일성을 증대시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 CCD 영상 표면과 핀홀 블라인드 사이의 제1 거리는 마이크로어레이 이미지가 생성된 경우의 마이크로어레이 평면과 핀홀 개구 사이의 제2 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 핀홀 블라인드는 핀홀 개구를 구비한 렌즈 캡(lens cap)인 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 CCD는 또한 전자 신호를 수신하도록 구성되어, 전하 축적이 충분히 이루어지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 CCD는 마이크로어레이의 특징(feature)의 개수보다 많은 개수의 영상 우물(imaging well)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제5항에 있어서, 상기 CCD의 영상 웰(well)의 개수 대 마이크로어레이의 특징의 개수의 비는 적어도 25:1인 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
타깃에 의해 활성화되는 적어도 하나의 표식을 갖춘 어드레스 지정 프로브를 포함하는 마이크로어레이를 향해 광을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 광원과;

상기 광을 제1 주파수대로 필터링 하도록 구성된 여기 필터와;

상기 제1 주파수대의 광을 마이크로어레이로 반사하도록 구성된 색선별 미러로서, 마이크로어레이로 하여금 색선별 미러를 통하여 전달되는 주파수 범위에서 타깃에 의해 활성화된 표식으로부터 전자기 에너지를 방출하도록 하는 색선별 미러와;

제2 주파수대 내에서 상기 전자기 에너지를 필터링 하도록 구성된 방출 필터; 그리고

전하 결합 소자(CCD)를 구비하며, 방출 필터로부터의 전자기 에너지가 부호화 개구 어레이에 들어가는 경우 CCD의 영상 표면이 부호화 개구 어레이를 구비한 표면에 의해 마스킹 되어 전체 마이크로어레이의 이미지가 생성되도록 되어 있는 영상 유닛

을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 전체 마이크로어레이의 이미지를 수신하여, 전체 마이크로어레이의 이미지의 푸리에 변환과 반전 부호화 개구 어레이의 푸리에 변환을 곱하는 방식으로 이미지 디컨벌루션을 수행하도록 구성된 데이터 프로세서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 부호화 개구 어레이는 변형 균일 중복 어레이(MURA;modified uniformly redundant array)인 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제11항에 있어서, 상기 MURA는 요소들이 적어도 211 x 211 의 배열로 배치되는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 부호화 개구 어레이는 자체 반전 형태를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 여기 필터와 적어도 하나의 발광 다이오드 사이에 배 치된 홀로그래픽 디퓨저(holographic diffuser)를 추가로 포함하며,

상기 홀로그래픽 디퓨저는 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 조명 강도의 균일성을 증대시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 CCD 영상 표면과 부호화 개구 어레이 사이의 제1 거리는 마이크로어레이 이미지가 생성된 경우의 마이크로어레이 평면과 부호화 개구 어레이 사이의 제2 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 CCD는 또한 전자 신호를 수신하도록 구성되어, 전하 축적이 충분히 이루어지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제9항에 있어서, 상기 CCD는 마이크로어레이의 특징의 개수보다 많은 개수의 영상 웰을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
제17항에 있어서, 상기 CCD의 영상 웰의 개수 대 마이크로어레이의 특징의 개수의 비는 적어도 25:1인 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장 치.
물체를 향해 광을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 광원과;

상기 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광의 조명 강도 균일성을 증대시키도록 구성된 홀로그래픽 디퓨저(holographic diffuser); 그리고

상기 광을 제1 주파수대로 필터링 하도록 구성된 여기 필터

를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 장치.
타깃에 의해 활성화되는 적어도 하나의 표식을 갖춘 어드레스 지정 프로브를 구비한 마이크로어레이를 향해 광을 조사하는 단계와;

상기 광을 제1 주파수대로 필터링 하는 단계와;

제1 주파수대의 광을 마이크로에너지로 반사하여, 마이크로어레이로 하여금 색선별 미러를 통해 전달되는 주파수 범위에서 타깃에 의해 활성화되는 표식으로부터 전자기 에너지를 방출하도록 하는 단계와;

제2 주파수대 내에서 전자기 에너지를 필터링 하는 단계; 그리고

핀홀 블라인드에 의해 마스킹 되는 영상 표면을 구비한 CCD 상에 전체 마이크로어레이의 이미지를 형성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 방법.
타깃에 의해 활성화되는 적어도 하나의 표식을 갖춘 어드레스 지정 프로브를 구비한 마이크로어레이를 향해 광을 조사하는 단계와;

상기 광을 제1 주파수대로 필터링 하는 단계와;

제1 주파수대의 광을 마이크로어레이로 반사하여, 마이크로어레이로 하여금 색선별 미러를 통해 전달되는 주파수 범위에서 타깃에 의해 활성화되는 표식으로부터 전자기 에너지를 방출하도록 하는 단계와;

제2 주파수대 내에서 전자기 에너지를 필터링 하는 단계; 그리고

부호화 개구 어레이를 구비한 표면에 의해 마스킹 되는 영상 표면을 구비한 CCD 상에 전체 마이크로어레이의 이미지를 형성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이의 이미지 생성 방법.
부호화 개구 어레이에 의해 마스킹 되는 표면을 통해 물체로부터 광을 수신하는 단계; 그리고

영상 표면을 구비한 CCD 상에 물체의 이미지를 형성하는 단계를 포함하며,

상기 부호화 개구 어레이는 CCD의 영상 표면 상의 이미지를 암호화하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학적 암호화 방법.