(57)【要約】  マイクロアレイのイメージを作る装置および方法が提供される。本装置は、マイクロアレイの方へ光を向けるように構成された少なくとも１つの光源を含む。本装置は、この光を、第１の周波数帯域内にフィルタ処理してダイクロイック・ミラーの方へ向けるように構成された励起フィルタを含む。ダイクロイック・ミラーは、光をマイクロアレイに反射して、マイクロアレイが電磁エネルギーを放射するようにする。本装置は、この電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された放射フィルタを含む。本装置は、さらに、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を有する撮像ユニットを含み、このＣＣＤは、ピンホール・ブラインドが放射フィルタから電磁エネルギーを受け取ったときマイクロアレイ全体のイメージが作られるように、撮像表面をピンホール・ブラインドでマスクされている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロアレイのイメージを作るための装置であって、
ターゲットによって活性化される少なくとも１つの標識の付いたアドレス指定プローブを有する前記マイクロアレイの方へ光を向けるように構成された少なくとも１つの光源と、
前記光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された励起フィルタと、
ダイクロイック・ミラーであって、前記第１の周波数帯域内の前記光を前記マイクロアレイに反射して、前記マイクロアレイに、前記ターゲットによって活性化された前記標識から、前記ダイクロイック・ミラーを透過する周波数範囲で電磁エネルギーを放射させるように構成されたダイクロイック・ミラーと、
前記電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された放射フィルタと、
ピンホール・ブラインドが前記放射フィルタから電磁エネルギーを受け取ったとき前記マイクロアレイ全体のイメージが作られるように、前記ピンホール・ブラインドによって撮像表面をマスクされた電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を含む撮像ユニットと、を備える装置。
【請求項２】
前記マイクロアレイ全体の前記イメージを受け取り、かつ前記マイクロアレイ全体の前記イメージのフーリエ変換に点広がり関数のフーリエ変換を掛けることによってイメージ・デコンボリュージョンを行うように構成されたデータ・プロセッサをさらに備え、前記点広がり関数が、前記ピンホール・ブラインドを通って前記ＣＣＤ撮像面に至るまでの前記アレイ面上の点光源の広がりをモデル化する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの発光ダイオードと前記励起フィルタの間に置かれたホログラフィ拡散体を、さらに備え
前記ホログラフィ拡散体は、前記少なくとも１つの光源から放射された前記光の照明強度の一様性を高めるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記マイクロアレイの前記イメージが作られるとき、前記ＣＣＤ撮像表面と前記ピンホール・ブラインドの間の第１の距離が、前記マイクロアレイ面と前記ピンホール・アパーチャの間の第２の距離に等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ピンホール・ブラインドが、ピンホール・アパーチャを有するレンズ・キャップである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ＣＣＤは、さらに、前記ＣＣＤが電荷蓄積からフラッシングされる電子信号を受け取るように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ＣＣＤが、前記マイクロアレイ内のフィーチャの数よりも多い撮像ウェルの数を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ＣＣＤの撮像ウェルの前記数と前記マイクロアレイのフィーチャの前記数の比が、少なくとも２５：１である、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
マイクロアレイのイメージを作るための装置であって、
ターゲットによって活性化される少なくとも１つの標識の付いたアドレス指定プローブを有する前記マイクロアレイの方へ光を向けるように構成された少なくとも１つの光源と、
前記光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された励起フィルタと、
ダイクロイック・ミラーであって、前記第１の周波数帯域内の前記光を前記マイクロアレイに反射して、前記マイクロアレイに、前記ターゲットによって活性化された前記標識から、前記ダイクロイック・ミラーを透過する周波数範囲で電磁エネルギーを放射させるように構成されたダイクロイック・ミラーと、
前記電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された放射フィルタと、
コード化アパーチャ・アレイが前記放射フィルタから電磁エネルギーを受け取ったとき前記マイクロアレイ全体のイメージが作られるように、前記コード化アパーチャ・アレイを有する表面によって撮像表面をマスクされた電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を含む撮像ユニットと、を備える装置。
【請求項１０】
エンクロージャが、さらに、
前記マイクロアレイ全体の前記イメージを受け取り、かつ前記マイクロアレイ全体の前記イメージのフーリエ変換に前記コード化アレイの逆関数のフーリエ変換を掛けることによってイメージ・デコンボリュージョンを行うように構成されたデータ・プロセッサをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記コード化アパーチャ・アレイが、修正された一様冗長アレイ（ＭＵＲＡ）である、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＭＵＲＡの寸法が、少なくとも２１１×２１１素子である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コード化アパーチャ・アレイが、それ自体の逆を含むように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの発光ダイオードと前記励起フィルタの間に置かれたホログラフィ拡散体を、さらに備え、
前記ホログラフィ拡散体は、前記少なくとも１つの光源から放射される前記光の照明強度の一様性を高めるように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記マイクロアレイの前記イメージが作られるとき、前記ＣＣＤ撮像表面と前記コード化アパーチャ・アレイの間の第１の距離が、前記マイクロアレイ面と前記コード化アパーチャ・アレイの間の第２の距離に等しい、請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＣＣＤは、さらに、前記ＣＣＤが電荷蓄積からフラッシングされる電子信号を受け取るように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＣＣＤが、前記マイクロアレイ内のフィーチャの数よりも多い撮像ウェルの数をさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１８】
前記ＣＣＤの撮像ウェルの前記数と前記マイクロアレイのフィーチャの前記数の比が、少なくとも２５：１である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
物体の方へ光を向けるように構成された少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源によって放射された前記光の照明強度の一様性を高めるように構成されたホログラフィ拡散体と、
前記光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された励起フィルタと、を備える発光ユニット。
【請求項２０】
マイクロアレイのイメージを作る方法であって、
ターゲットによって活性化される少なくとも１つの標識の付いたアドレス指定プローブを有する前記マイクロアレイの方へ光を向けること、
前記光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理すること、
前記第１の周波数帯域内の前記光を前記マイクロアレイに反射して、前記マイクロアレイに、前記ターゲットによって活性化された前記標識から、ダイクロイック・ミラーを透過する周波数範囲で電磁エネルギーを放射させること、
前記電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理すること、および、
前記マイクロアレイ全体のイメージを、ピンホール・ブラインドによって撮像表面をマスクされたＣＣＤ上に形成することを含む方法。
【請求項２１】
マイクロアレイのイメージを作る方法であって、
ターゲットによって活性化される少なくとも１つの標識の付いたアドレス指定プローブを有する前記マイクロアレイの方へ光を向けること、
前記光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理すること、
前記第１の周波数帯域内の前記光を前記マイクロアレイに反射して、前記マイクロアレイに、前記ターゲットによって活性化された前記標識から、ダイクロイック・ミラーを透過する周波数範囲で電磁エネルギーを放射させること、
前記電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理すること、および、
前記マイクロアレイ全体のイメージを、コード化アパーチャ・アレイを有する表面によって撮像表面をマスクされたＣＣＤ上に形成することを含む方法。
【請求項２２】
コード化アパーチャ・アレイによってマスクされた表面を通して物体から光を受け取ること、および
撮像表面を有するＣＣＤ上に前記物体のイメージを形成することを含み、前記コード化アパーチャ・アレイが、前記ＣＣＤの前記撮像表面上の前記イメージを暗号化するように構成されている、光暗号化の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、「Simple Imaging System for Applications of Microarrays at Points of Use」という名称の２００６年３月９日に出願された米国特許仮出願第６０／７８０，６１６号の先行出願日の利益を主張し、この出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
解析マイクロアレイは、一般に、研究および他の用途のための市販解析ツールとして機能する。そのようなツールは、分子実体、特に核酸、蛋白質、炭化水素、脂質および無数の特定または一般結合配位分子の多種多様な特定の相互作用および特性を調べる。マイクロアレイは、全体的なサイズがいろいろであるが、多くの場合に約１平方センチメートルから１平方インチである。マイクロアレイは、きちんと配列されアドレス指定された位置、またはセル、またはフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）を含み、各フィーチャは同一プローブ実体の物理的に付けられた豊富なコピーを有している。長方形アレイは、約２５の別個のフィーチャ（５×５の場合のような）程度から２，５００，０００の別個のフィーチャ（１６００×１６００の場合のような）程度に及ぶことがあり、フィーチャ寸法（直径または正方形の辺）は１ｍｍから１μｍに及ぶ。
【０００３】
一般に、マイクロアレイは、プローブ実体の手操作またはロボット堆積によって、指定されたフィーチャ位置に製作または製造されるか、または代わりに、プローブ実体が、光化学リソグラフィプロセスを使用してアレイの特定のフィーチャ位置に同時に新たに合成されることがある。また、プローブの新しい拡大または修正が、中間プローブ構造物の固有の特性または一般化学的または生物化学的特性を利用して、プローブ実体を適合させるために使用されることがある。
【０００４】
いったん組み立てられると、マイクロアレイは、一般に表面−溶液界面の媒体でアレイと物理的に接触させられた分子ターゲットの単純なまたは複雑な混合物との特定または非特定の相互作用を解析するための多重プラットフォームである。ターゲット実体は、固定プローブ・アレイとターゲット混合物の相互作用前または後に、ビオチンのような蛍光タグまたは中間結合素子のように、一般的にまたは特別に標識（label）を付けられる。もしくは、アレイ全体にわたった位置固有の相互作用が、固定アレイ表面のプローブ実体に関連した標識の、ターゲットまたは配位子により誘起された変化によって監視されることがある。
【０００５】
蛍光標識（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌａｂｅｌ）の特定の状況では、光学撮像は、アレイ全体にわたってフィーチャごとに、ターゲット−プローブ相互作用の程度を定量的に推定するための道筋を与える。複数蛍光標識は、同じプローブ位置での異なるターゲット実体間の相互作用の相対的な程度を評価する機会を与える。
【０００６】
長方形マイクロアレイのフォーマットおよび原理の顕著な変化は、浮遊微小球の利用である。この構成では、各球は、１つまたは複数の蛍光標識を一意的に付けられ、球表面についての相互作用解析用の固有のプローブ実体を与える。例として、テキサス州オースティンのＬｕｍｉｎａｘ社は、そのような浮遊微小球システムを提供している。
【０００７】
微小球の浮遊複合混合物は、処理された表面への二次的結合に対するアフィニティ・マーカを持つ特定のターゲット実体と相互作用するプローブによって分離されることがある。さらに、プローブは、常磁性ビーズを分離することができる。例として、カリフォルニア州カールスバードのＩｎｖｉｔｒｏｇｅｎ社は、ブランド名Ｄｙｎａｂｅａｄｓ（登録商標）のもとで常磁性ビーズを提供している。混合物から分離されるビーズの区別は、ビーズに埋め込まれた染料標識の蛍光サインに基づき、アレイ表面または無秩序表面に沈殿されたビーズを走査すること、または、浮遊している個々のビーズの直接フロー・サイトメトリ（ｆｌｏｗ  ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ）によっている。
【０００８】
蛍光マイクロアレイ・イメージ・データの収集は、一般に、マイクロアレイ・フィールド全体にわたってピクセルごとにサンプリングするために、正確な機械ステージ移送制御および共焦点エピ蛍光測定を用いた機械的および光学的に精巧な計測を使用して行われる。最も多くの場合、各ピクセル位置で蛍光信号の光検出器測定を行うための短い停止時間の間に十分な励起照明を実現するために、１つまたは複数のレーザが使用されることがある。このシステムは、非常に高価であり、一般に約２万２千ドル〜１８万ドルである。
【０００９】
そのような走査型検出器システムは、単一アレイまたは解析用の複数アレイの自動装着のために、または、普通のマイクロタイタ・トレイ（ｍｉｃｒｏｔｉｔｅｒ  ｔｒａｙ）にアレイを高スループット機械位置決めするために−１トレイ当たり最高９６マイクロアレイ−利用できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在、前述の制限のまったく無い簡略化されたより経済的な構造が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の例示の実施形態は、マイクロアレイのイメージを作るための装置に向けられる。本装置は、ターゲットによって活性化される少なくとも１つの標識の付いたアドレス指定プローブを有するマイクロアレイの方へ光を向けるように構成された少なくとも１つの光源を含む。本装置は、光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された励起フィルタと、第１の周波数帯域内の光をマイクロアレイに反射して、マイクロアレイに、ターゲットによって活性化された標識から、ダイクロイック・ミラーを透過する周波数範囲で電磁エネルギーを放射させるように構成されたダイクロイック・ミラーとを備える。本装置は、電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理するように構成された放射フィルタを含む。本装置は、さらに、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を含む撮像ユニットを含み、このＣＣＤは、ピンホール・ブラインドが放射フィルタから電磁エネルギーを受け取ったときマイクロアレイ全体のイメージが作られるように、ピンホール・ブラインドによって撮像表面をマスクされている。
【００１２】
本発明の他の例示の実施形態は、マイクロアレイのイメージを作る方法に向けられる。本方法は、ターゲットによって活性化される少なくとも１つの標識の付いたアドレス指定プローブを有するマイクロアレイの方へ光を向け、この光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理する。この光は、第１の周波数帯域でマイクロアレイに反射されて、マイクロアレイに、ターゲットによって活性化された標識から、ダイクロイック・ミラーを透過する周波数範囲で電磁エネルギーを放射させる。本方法は、さらに、電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理し、マイクロアレイ全体のイメージを、ピンホール・ブラインドによって撮像表面をマスクされたＣＣＤ上に形成する。
【００１３】
理解されるべきことであるが、本発明についての上述の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方は、本発明の例示であり、本発明を限定しない。
【００１４】
本発明およびそれの付随した有利点の多くの完全な理解は、添付の図面に関連して考察される以下の詳細な説明を参照してより適切に解釈されるようになるときに、容易に得られるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、とりわけ、個々の部品またはモジュールから形成される独立型の方法および装置および、全体として現場でほぼ実時間マイクロアレイ解析を可能にするターンキーシステムの部品としての撮像システムを提供する。さらに、これらの部品およびシステムには、当業者によって認められるように、この用途を超えた用途がある可能性がある。同様に、これらの部品およびシステムの設計および動作は、製造および応用においてさらなる小型化および改善をもたらす。
【００１６】
例示の実施形態では、本撮像システムは、レンズ無しエピ蛍光撮像システムに影響を与え、高度なイメージ・デコンボリューション方法を使用する。結果として得られる方法および装置は、ゲノム・マイクロアレイの現場でのほぼ実時間解析に適したイメージ・データ収集システムを実現する。用途は、医療診断に限定されない。というのは、当業者は監視およびスクリーニング、危険度評価および縦追跡における用途を認めるであろうからである。獣医、農業、環境および生物兵器防衛の用途は、しばしば、本明細書で説明される進歩によって十分に満たされる頑丈で可動な野外能力を必要とする。以下で説明されるシステムは、近視野蛍光、ルミネセンス、および明視野反射撮像用途のより広い範囲全体にわたって容易に応用され、これらについての説明は、ここでは、簡潔にするために省略される。
【００１７】
全アレイ撮像
図１は、例示の実施形態に従った撮像システムの高レベルのブロック図である。本システムは、全体的に１００と示され、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）２、ピンホール・アパーチャ４、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明アレイ６、およびマイクロアレイ８を含む。動作中に、ＣＣＤ２は、マイクロアレイ８のターゲットが活性化されたときマイクロアレイ８のイメージを取り込む。例えば、ＬＥＤ照明アレイ６がマイクロアレイ８を照明してマイクロアレイ８のターゲットを活性化する。マイクロアレイ８の活性化されたターゲットから放射された光は、ＣＣＤ２の方へ向かってピンホール・アパーチャ４を通過する。
【００１８】
例示のＣＣＤ２は、高分解能電荷結合デバイス（ＣＣＤ）であり、単一露出でマイクロアレイ８の同時イメージを生成する。ＣＣＤ２は、撮像ピクセルとして働く連結された、すなわち結合された光敏感キャパシタのアレイを含む集積回路から成るイメージ・センサである。
【００１９】
この例示のＣＣＤ２は、マイクロアレイ８のイメージを取り込むとき、マイクロアレイ８をオーバーサンプリングする。ＣＣＤ２は、ＣＣＤ２の撮像ピクセルの数がマイクロアレイ・イメージの別個のフィーチャの数を超えるとき、マイクロアレイをオーバーサンプリングする。マイクロアレイのフィーチャ当たりの撮像ピクセルの数は、オーバーサンプリング比と呼ばれる。例示の実施形態では、オーバーサンプリング比は、マイクロアレイのフィーチャ当たり１６（４×４）から１００（１０×１０）の連続したＣＣＤ２撮像ピクセルに及ぶ。
【００２０】
例として、１ｃｍ２に１００×１００＝１０，０００の別個のフィーチャとして組み立てられたマイクロアレイは、約１００μｍの直径（正方形の辺）のフィーチャを有している。５００×５００＝２５０，０００の撮像ウェル（ピクセル）を含む１ｃｍ２のＣＣＤ面積に映されたそのようなマイクロアレイのイメージは、マイクロアレイ・フィーチャ当たりのＣＣＤピクセルの許容可能な２５：１オーバーサンプリング比を実現する。そのような最密２０μｍピクセルを含むＣＣＤは、今日、民生用、プロ用および科学用のカメラおよび撮像デバイスで一般に使用されている。約３００万個の１５μピクセルを含む１インチ平方ＣＣＤは、例えば１０，０００フィーチャ・アレイのほぼ３００：１オーバーサンプリング、または６μｍ直径（正方形の辺）の約１００，０００フィーチャを含む１ｃｍ２アレイの２５：１サンプリングを可能にする。
【００２１】
可能なデータ・オーバーサンプリングの広い範囲は、ＣＣＤ撮像デバイスに投影されたマイクロアレイ・イメージのデータ収集を様々な倍率で最適化する機会を提供する。
【００２２】
デジタル・オーバーサンプリング原理によって、データ収集および解析システムは、マイクロアレイおよびＣＣＤ撮像アレイをそれぞれ画定するフィーチャおよびピクセルの長方形格子の小さな位置合せ不良を許容することができるようになる。このモデルは、回転マトリックス変換のようなイメージ処理技術が実質上の位置合せを達成することができるようになるのに十分なデータ密度を与える。したがって、オーバーサンプリングの容易さによって、生イメージ・データの処理が、従来のマイクロアレイ走査システムの精密な機械的位置決めおよび方向付け制御に取って代わることができるようになる。
【００２３】
例示の実施形態では、ＣＣＤセンサを含むデジタル・カメラが、マイクロアレイの撮像のために使用される。撮像に適したデジタル・カメラおよびＣＣＤについての議論は、ＨａｎＶｉｓｉｏｎ製品シート（２００４）ＨＶＤＵＯ−ＦｏｖｅｏｎＸ（登録商標）ＣＭＯＳカラー・イメージ・センサを備える１０Ｍデジタル・カラー・カメラ、およびＯｐｔｒｏｎｉｃｓ製品シート−ＱｕａｎｔｉＦＩＲＥ顕微鏡用最新科学級（冷却）ＣＣＤ撮像（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｇｒａｄｅ［ｃｏｏｌｅｄ］ＣＣＤ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）に見出され、これらの全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２４】
レンズ無し撮像
今日使用されているマイクロアレイ走査装置は、共焦点顕微鏡光学を利用してアレイに撮像されるべき局部領域の面に励起（レーザ）光を集束させ、かつ同じ小さなサンプル場所から放射された蛍光光を取り戻す。このことは、アレイの面への光路の集束を保証するようにアレイのｘ−ｙ面を横切っておよび垂直なｚ軸方向に走査移動することに、機械的並びに光学的な複雑さを含んでいる。例示の実施形態では、図１に示されるような微小なピンホール・アパーチャ４が、精密な機械的移送制御および精巧な顕微鏡光学部品の代わりに使用される。
【００２５】
イメージ分解能は、ピンホール・アパーチャ４の寸法に逆比例する。例えば、ピンホール・アパーチャ４の直径が減少するとき、アパーチャに入る光はより鋭い角度で曲げられるので、イメージ分解能は高くなる。例示の実施形態では、ピンホールは、レーザを使用して薄い箔に約１から数１００μｍの大きさの穴を開けて容易に製造される。この範囲の下限は、上で開示された寸法および撮像仕様と一致している。物理的および機械的な簡単さは別にして、ピンホール・アパーチャ方式は異常な被写界深度の有利点を与え−アレイ表面からアパーチャを通り抜けて撮像ＣＣＤまでの物理的な距離の小さな変化は、イメージの焦点特性に影響を及ぼさない。
【００２６】
アパーチャ・サイズの最小化は、２つの効果を有している。第１に、ＣＣＤ上にアレイの量的なイメージを生じさせるのに十分な光を利用できるために、小さなアパーチャ・サイズほど、アパーチャの面積に逆比例して露出時間の増加を必要とする。第２に、ピンホール・アパーチャは、アパーチャを通過する光を回折させて、結果として得られるイメージにぼけパターンを生じさせる。
【００２７】
回折のぼけ効果は、生デジタルＣＣＤイメージにおいて、イメージ処理に任意の望ましいデコンボリューション技術を使用して補正される。デコンボリューションは、イメージからぼけ効果を除去するプロセスである。例示の実施形態では、デコンボリューションは、生デジタルＣＣＤイメージのフーリエ変換に点広がり関数（ＰＳＦ）のフーリエ変換を掛け、かつその積の逆フーリエ変換を行うことによって達成される。ＰＳＦは、アパーチャを通ってＣＣＤ撮像面に至るまでのマイクロアレイ面の点光源の広がりを記述するモデル化関数（経験的または理論的な）である。デコンボリュージョン法は、以下の式で示される。
ｆ（ｘ）は信号ｘのフーリエ変換を表し、一方で、ｆ−１（ω）は信号ωの逆フーリエ変換を表すとする。Ｒは、ＣＣＤ撮像面上の受け取られたコンボリュート・イメージである。Ｙは、ＰＳＦを表す信号である。したがって、ｆ（Ｒ）は、受け取られたイメージのフーリエ変換であり、一方で、ｆ（Ｙ）はＰＳＦのフーリエ変換である。受け取られたイメージとＰＳＦのフーリエ変換積は、
ｆ（Ｒ）・ｆ（Ｙ）      （１）
である。Ｉは、ぼけの除去されたイメージを表すとする。ぼけの除去されたイメージ（すなわち、デコンボリュート・イメージ）は、フーリエ変換積（１）のイメージ逆フーリエ変換である。すなわち、
Ｉ＝ｆ−１（ｆ（Ｒ）・ｆ（Ｙ））      （２）
である。
【００２８】
ＰＳＦの経験的モデルは、撮像されるべきマイクロアレイの面のガラス・カバースリップ上の市販の蛍光着色微小球を撮像することによって容易に得られる。図２は、ピンホール・アパーチャを通してＣＣＤ撮像面上に回折された光の効果を示す。図２は、ピンホール・アパーチャを通って撮像面に進んだ点光源の光の結果を示す。したがって、図２は、経験的ＰＳＦを示す。理想的には、光の１つの点が撮像面に現れる筈である。しかし、ピンホール・アパーチャは光を回折するので、同心のリングが撮像面に現れる。同心リングの直径は、光の波長、ピンホールのサイズ、および撮像面までのピンホールの焦点距離に依存する。図２に示されたイメージのフーリエ変換を行うと、ＰＳＦ（すなわち、ｆ（Ｙ））のフーリエ変換が生じる。
【００２９】
例示の実施形態は、経験的ＰＳＦを決定するための蛍光点光源として、緑色（５０５／５１５）および橙色（５４０／５６０）染料標識（励起ｎｍ／放射ｎｍ）の付いた０．１７５μｍ球を含むＰＳ−Ｓｐｅｃｋ（商標）顕微鏡点光源キット（Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  Ｐｏｉｎｔ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｋｉｔ）を使用する。代替実施形態は、ＩｎＳｐｅｃｋ−顕微鏡強度較正キット（Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｋｉｔｓ）、すなわち、経験的ＰＳＦを決定するための蛍光点光源として、１つの球あたり１００％、３０％、１０％、３％、１％、および０．３％の相対的な蛍光の付いた緑色および橙色微小球、２．５および６．０μを使用する。
【００３０】
特定の撮像システムの点広がり関数を導き出し、または予測し、これをイメージ処理デコンボリュージョンに使用するためのソフトウェア実行アルゴリズムは、当業者に知られている。
【００３１】
高出力ＬＥＤ照明
マイクロアレイ・イメージ・データ収集用の従来の高性能共焦点エピ蛍光走査システムは、プローブまたはターゲット蛍光体標識を励起しまたはマッピングするために、１つまたは複数のレーザを使用してマイクロアレイを照明する。レーザ・ビームの高強度が、１つの撮像ピクセルから次の撮像ピクセルへの連続した移動において、スキャナの短い通過期間中に十分な照明を可能にする。
【００３２】
そのような共焦点マイクロアレイ走査装置の例は、英国ハンプシアのＧｅｎｅｔｉｘ社によって製造されたａＱｕｉｒｅシステムである。このシステムは、核酸解析で使用される普通の蛍光体を照明するために最高３つの異なるレーザ、すなわち、５３２ｎｍ／５７５ｎｍフィルタ（Ｃｙ３、Ｃｙ３．５、Ａｌｅｘａ  蛍石５３２、５４６、５５５、５６８、ＴＡＭＲＡ）、６３９ｎｍ／６９５ｎｍフィルタ（Ｃｙ５、Ｃｙ５．５、Ａｌｅｘａ蛍石６３３、６４７、６６０、６８０、ＢＯＤＩＰＹ）、４８８ｎｍ／５３５ｎｍフィルタ（ＧＦＰ、ＦＩＴＣ、Ａｌｅｘａ蛍石４８８、５００、５１４、Ｃｙ２およびフィコエリトリン）で動作する。この共焦点システムは、５ミクロンのピクセル分解能で、１ｃｍ２当たり約１分の単位でマイクロアレイを走査することができる。
【００３３】
本発明の例示の実施形態は、図１に示されるように、より低コストより長い耐用寿命の実効高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）６を使用して、ＣＣＤイメージャにアレイを撮像露出する期間の間、全アレイ表面を照明する。現代のＬＥＤデバイスは、実時間ポリメラーゼ連鎖反応（ＲＴＰＣＲ）のような方法で標識付き核酸および蛋白質を定量的に蛍光解析するために使用されている。ＬＥＤデバイスは、レーザ・システムに比べて長い寿命、小さなエネルギーの要求、小さなサイズ、簡単な電子回路および少ない動作危険の有利点を実現する。ＬＥＤデバイスは、マイクロアレイで一般に使用される蛍光標識選択肢の範囲に適した放射波長で利用可能である。
【００３４】
例として、ニュージャージ州のＬａｍｉｎａ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ社によって生産される高出力ＬＥＤのようなどんな望ましい高出力ＬＥＤでも使用されることがある。図３は、７つのクラスタ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ）の六角形アレイを有するＩＣチップ２０を示し、各クラスタは、６個の個別ＬＥＤ素子の六角形アレイである。各ＬＥＤ素子は、ＬＥＤからの熱の直接放散を容易にするセラミック基板中に埋め込まれている。
【００３５】
Ｌａｍｉｎａ  Ｃｅｒａｍｉｃｓで生産されたＬａｍｉｎａＬＥＤアレイのＢ−２０００シリーズの２つの例が、４７０ｎｍ（青色）および５３０ｎｍ（緑色）波長を中心にした強い狭帯域放射を生成するので、適している。これらの波長は、特にマイクロアレイ用途および、ＲＴ−ＰＣＲおよび他の分子生化学方法に関して、核酸および蛋白質の解析で一般に使用される蛍光体から蛍光を引き出すために好都合である。表１は、特定のＬＥＤアレイの仕様を示す。
【表１】
2009529681.tif 000003
【００３６】
オーストラリアのＣｏｒｂｅｔｔ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓは、Ｓｙｂｒ−Ｇｒｅｅｎ  Ｉ、Ｆａｍ、Ｔｅｔ、Ｊｏｅ、Ｖｉｃ、Ｍａｘ、Ｒｏｘ、Ｔａｍｒａ、Ｃｙ３、Ｃｙ５、Ｃｙ５．５、Ｔｅｘａ  Ｒｅｄを含んだ核酸に一般に使用される染料標識を使用する多重蛍光測定のために、４７０ｎｍ、５３０ｎｍ、５８５ｎｍ、および６２５ｎｍの励起波長（上のＬａｍｉｎａＬＥＤとの対応に留意されたい）を有する複数のＬＥＤを利用する実時間ＰＣＲ装置（ＲｏｔｏｒＧｅｎｅ−３０００）を、製造している。
【００３７】
ＬＥＤデバイスの性能は、（１）ＬＥＤによって生成される熱の放散および（２）撮像されるべきアレイ全体にわたった光強度分布の一様性によって、改善されることがある。例示の実施形態では、ＬＥＤ設計は、小さなＬＥＤ素子（１ｍｍ２未満）のアレイを、デバイスから付着されたヒートシンクの伝導表面への熱の伝達を容易にするセラミック基板の中に取り付ける。
【００３８】
そのようなアレイ内のＬＥＤ素子の各々からの光の拡散は、光源から増加する距離のところでますます簡単なランバート分布をもたらす。
【００３９】
ＬＥＤアレイと照明されるマイクロアレイの間にホログラフィ拡散体を配置することは、アレイ全体にわたっていっそう一様な照明強度を実現する。図４は、Ｌａｍｉｎａ青色ＬＥＤアレイを示す。図４の上部ペインは、２６０μピンホール・アパーチャを通したＬａｍｉｎａ青色ＬＥＤアレイ（Ｎｉｋｏｎ  Ｄ７０）の直接撮像を示す。下部のペインは、介在する４０°円形ホログラフィ拡散体素子（ニュージャージ州、Ｅｄｍｏｎｄ  Ｉｎｄｕｔｒｉａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ）がＬＥＤアレイとピンホール・アパーチャの間にある状態での、同じ構成の同じＬＥＤアレイのイメージを映す。下部ペインは、ホログラフィ拡散体がＬＥＤアレイからの照明を一様に拡散させることを示す。したがって、個々のＬＥＤは、目に見えない。
【００４０】
例示の実施形態は、アレイの照明の最悪の場合の図示を扱うことができ、このときには、ＬＥＤ空洞の各々からの光拡散設計は、ＬＥＤ光源自体のアパーチャ集束イメージよりも遥かに広い。
【００４１】
マイクロアレイ上の蛍光をマッピングする同じＣＣＤ撮像システムは、アレイ表面から反射された入射光を測定し、さらに、照明フィールドの中心点からの距離の関数として励起光レベルの変化に対してＣＣＤ蛍光イメージを計算補正することに対応するように構成されてもよい。
【００４２】
完全な撮像システム１００の例示の実施形態が図５に示されている。例として図５に示された、ＣＣＤ撮像面１１６および検出器１１６ａを有する典型的なＣＣＤカメラは、撮像デバイスとして使用され、ピンホール・アパーチャがカメラの表面にある（取付けレンズ・システムの代わりに）。例として、アパーチャからＣＣＤ面１１６までの典型的な距離は約５０ｍｍであり、同等の対物距離がマイクロアレイからアパーチャまでの光路を含むように求める。
【００４３】
本発明の例示の実施形態に従って、マイクロアレイ１０２のイメージ全体をＣＣＤ撮像面１１６の物理寸法内に含むために、表面１１４の中間ピンホール・アパーチャとアレイ面１０２およびＣＣＤ面１１６との間の物理距離は同じに保たれる。等距離からのいくらかの変化は、ＣＣＤ面上のアレイのイメージの実効的な拡大または縮小を行うために活用されることがある。上で述べたように、ピンホール・アパーチャの有利点は、それの焦点特性がイメージ源からアパーチャまでの対物距離と無関係であることである。
【００４４】
ＬＥＤ照明アレイ１０４は、ホログラフィ拡散体１０６および励起フィルタ１０８を通してマイクロアレイ１０２を照明する。上に開示されたように、ホログラフィ拡散体１０６は、ＬＥＤ照明アレイから放射される電磁放射の照明強度の一様性を高める。例として、１から２インチの動作範囲は、好都合なことに、エピ蛍光顕微鏡のほぼ１立方インチのキューブ中に取り付けられる光学フィルタ・セットの寸法と一致している。そのようなフィルタ・キューブは、照明光フィールド（この発明では、ＬＥＤアレイ１０４からの）の入り口としてのこのキューブの１つの面に励起帯域通過フィルタ１０８を備える。励起フィルタ１０８は、望ましい波長の照明光がダイクロイック・ミラー１１０およびマイクロアレイ１０２まで通過することができるようにする。入射ビームは、入射ビームに対して４５度の角度で内部に取り付けられたダイクロイック・ミラー１１０によって、キューブの垂直な開いた面の方へ内部反射される。
【００４５】
図５に示されるように、マイクロアレイ１０２の面は、ＬＥＤ照明装置１０４からの反射入射光を受け取る開いたキューブ面の近傍に一列に並んで配置されている。マイクロアレイ表面１０２に局在する蛍光ターゲット１０２ａは、特定の蛍光体の放射波長特性を有する点光源として扱われる。照明ビームの反対方向の蛍光（キューブの中に戻る）は、同じダイクロイック・ミラー１１０に係合し、このダイクロイック・ミラーは、この場合、励起光よりも長い蛍光波長に対して透明である。蛍光光はキューブを出るときに、マイクロアレイ１０２と反対側のキューブ面にある放射帯域通過フィルタ１１２を通過する。この例または模型では、撮像システムの表面１１４のピンホール・アパーチャは、放射フィルタ１１２の直ぐ近傍に配置されている。
【００４６】
図６および７は、本発明の例示の実施形態で使用された２つのエピ蛍光フィルタのフィルタ特性を示すグラフである。本発明の例示の実施形態に従って、ニューヨーク州のＳｅｍｒｏｃｋ社の２つの製品−ＦＩＴＣおよびＴＲＩＴＣフィルタ・セットは、Ｌａｍｉｎａ青色（４７０ｎｍ）（図６）および緑色（５２５ｎｍ）（図７）ＬＥＤ照明アレイと共にそれぞれ使用されることがある。表２は、これらのフィルタ・セットの特性を示す。
【表２】
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【００４７】
本発明の他の例示の実施形態では、検出器モデルは、同じマイクロアレイと相互作用するターゲット混合物に付いた複数の蛍光体標識を活用するように異なるフィルタ・キューブおよびＬＥＤ照明装置を使用して、同じマイクロアレイを連続撮像することを含む。カラー撮像ＣＣＤアレイと共に使用するために励起および放射フィルタおよびダイクロイック・ミラーを適切に選ぶことは、また、１つよりも多い蛍光体標識の同時解析に対応することができる。
【００４８】
一般的であるようなマイクロアレイが、透明なスライド・ガラスまたは好ましくは薄いガラス・カバースリップの表面上に製作される場合、アレイは、反射ミラー表面で裏打ちされることがある。この裏打ちは、アレイ表面の蛍光ターゲットを通り抜けた入射ビームの第２の通路を実現して、ターゲットの実効的な照明およびおそらくターゲットからの蛍光信号を２倍にする。また、さもなければ検出を逃れるかもしれない蛍光信号の裏面反射からの感知有利点があることがある。しかし、この後者の信号は、アレイ表面上の点光源との屈折および角度の相違のために、ＣＣＤ面の蛍光イメージの品質を悪くする可能性が高い。この観念的に４倍の信号増加方法の実用性は、まだ決定されないでいる。可能なことであるが、追加のデコンボリュージョン・イメージ処理ステップまたはエピ蛍光経路中の追加の光学フィルタ処理部品の利用によって、実際的な有利点が実感されることがある。
【００４９】
シャッタの無い露出制御
１つの設計上の考慮すべきことは、機械的な複雑さ（可動部分）を最小限にすることである。例示の実施形態は、試作品撮像にデジタル・カメラを使用する。代替実施形態では、高分解能ＣＣＤ撮像アレイが利用され、このアレイは、より多数の撮像ピクセルと、ＣＣＤ素子の暗電流およびバックグランドを下げるためのペルチエ冷却との特徴を持つ。そのような例には、デジタル・カメラ、特にＳＬＲ型のカメラを使用することに優る感知有利点がある。ＣＣＤが光学的に含まれる場合、さらにそのとき蛍光マイクロアレイが入射ビーム照明を受けている場合だけ、ＣＣＤは、フィルタ・キューブからの低強度の蛍光光にさらされるに過ぎない。ピンホール・アパーチャを通した露出は、十分な継続時間（秒から分）であると予想されるので、事実上の電子シャッタ（機械的でない）が使用されることがある。ＳＬＲ内部ミラーを機械的に急に動かす代わりに、ＣＣＤへの電子信号が、残留またはバックグランド電荷蓄積からアレイをフラッシングし、実効的に光子収集を再起動することができる（事実上のシャッタ、可動部分なし）。
【００５０】
コード化アパーチャ・アレイ
上で指摘されたように、天文学、顕微鏡法およびトモグラフィ撮像の分野は、デコンボリュージョン・イメージ処理を利用して、小さなアパーチャによる分解能制限回折からのぼけを明らかにしている。これらのシステムのいくつかは、単一光子放射計算トモグラフィ（ＳＰＥＣＴ）を使用するｘ線望遠鏡法または近視野撮像を含んで、撮像に関して光回折の影響を受けやすくない。これらの用途の方法は、発達してコード化アパーチャ・アレイを利用するようになり、その結果、撮像分解能と露出時間の減少の両方について好都合な結果となった。
【００５１】
図８は、コード化アパーチャ・アレイの例示の実施形態を示す。図８の概念は、ピンホール・アパーチャのアレイ−（修正）一様冗長アレイ（（Ｍ）ＵＲＡ）配置としてランダムなまたは擬似ランダムな−は、各アパーチャを通して見られるようにイメージ源を畳み込むか、または重畳する。マイクロアレイ中の活性化ターゲットなどの光源光８は、コード化アパーチャ・アレイ１４２を通って検出器１４４に進む。検出器１４４は、ＣＣＤのような任意の望ましい撮像デバイスである。
【００５２】
検出器１４４上に結果として得られるイメージは、コード化アパーチャ・アレイを通過するコンボリュート・イメージである。検出器は複数のピンホールから光を受け取るので、結果として得られるイメージはぼかされる。どんな望ましいイメージ・デコンボリュージョン技術でも、結果として得られたイメージのぼけを除くために使用されてもよい。例えば、ｆ（Ｒ）がコード化アパーチャ・アレイを通過した後のコンボリュート・イメージのフーリエ変換を表すとし、一方で、Ｍは、コード化アパーチャ・アレイの逆マスクを表し、またｆ（Ｍ）は、逆マスクのフーリエ変換を表す。Ｉがデコンボリュート・イメージに等しい場合には、
Ｉ＝ｆ−１（ｆ（Ｒ）・ｆ（Ｍ））      （３）
である。上の式に示されるように、コード化アパーチャ・アレイの特定の逆マスクについての知識なしに、イメージがデコンボリュートされる（すなわち、ぼけを除去される）ことはない。したがって、コード化アパーチャ・アレイの逆マスクは、イメージを暗号化するための瞬時光暗号化キーとして働く。
【００５３】
例示の実施形態では、コード化アパーチャ・アレイは、それ自体の逆であるように設計される。それ自体の逆であるコード化アパーチャ・アレイを作り、かつイメージのぼけを除く方法は、Ｇｏｔｔｅｓｍａｎ，ＳＲおよびＦｅｎｉｍｏｒｅ，ＥＥ（１９８９）、Ｎｅｗ  ｆａｍｉｌｙ  ｏｆ  ｂｉｎａｒｙ  ａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  ｃｏｄｅｄ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｉｍａｇｉｎｇ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  ２８、４３４４〜４３５２およびＶａｎｉｅｒ（１９７３）、Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｃｏｄｅｄ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｎｅｕｔｒｏｎ  ｉｍａｇｉｎｇ  ＢＮＬ−７１４６８−２００３−ＣＰに記載されており、これらの内容は、上で指摘された文献全てについて、参照して本明細書に組み込まれる。コード化アパーチャ・アレイについての議論は、また、Ｆｅｎｉｍｏｒｅ，ＥＥ（１９７８）、Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ  ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  ａｒｒａｙｓ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  １７、３５６２〜３５７０、Ｆｅｎｉｍｏｒｅ，ＥＥ（１９８０）、Ｃｏｄｅｄ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｉｍａｇｉｎｇ：ｔｈｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ  ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  ａｒｒａｙｓ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  １９、２４６５〜２４７１、Ｆｅｎｉｍｏｒｅ，ＥＥおよびＣａｎｎｏｎ，ＴＭ（１９７８）、Ｃｏｄｅｄ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ  ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  ａｒｒａｙｓ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  １７、３３７〜３４７（また、同じ名称および発明者の米国特許第４，２０９，７８０号に留意されたい）、Ａｃｃｏｒｓｉ，Ｒ（２００１）、Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｎｅａｒ  ｆｉｅｌｄ  ｃｏｄｅｄ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｃａｍｅｒａｓ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｍｅｄｉｃａｌ  ａｎｄ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｇａｍｍａ−ｒａｙ  ｉｍａｇｉｎｇ、Ｄｏｃｔｏｒａｌ  ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＭＡ、およびＡｃｃｏｒｓｉ，Ｒ、Ｇａｓａｒｉｎｉ，ＦおよびＬａｎｚａ，ＲＣ（２００１）、Ａ  ｃｏｄｅｄ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ｐｌａｎａｒ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ａｎｇｅｒ  ｃａｍｅｒａ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｒｅｓｕｌｔｓ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ  Ｎｕｃ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ４８、２４１１〜２４１７に見出され、これらの全内容は、上で指摘された文献全てについて、参照して本明細書に組み込まれる。
【００５４】
コード化アパーチャ・アレイ・マスクの逆に関してのフーリエ変換ベースのコンボリュージョンは、コード化アパーチャ・アレイの個々のピンホール素子の限界寸法に近づく分解能でのイメージ再構築になる。さらに、（生）イメージのための露出時間は、マスク中のアパーチャの数に比例して減少される。
【００５５】
図９は、撮像システム２００の他の実施形態を示す。撮像システム２００は、マイクロアレイ２０２（ターゲット２０２ａを有する）、ＬＥＤ照明アレイ２０４、ホログラフィ拡散体２０６、および励起フィルタ２０８、ダイクロイック・ミラー２１０、および放射フィルタ２１２、および検出器２１６ａを有するＣＣＤ撮像面２１６を含む。これらの部品の機能は、図５に示された相当部品について説明されたものと同様である。撮像システム２００は、図５のピンホール・アパーチャ１１４の代わりにコード化アパーチャ・アレイ２１４を使用する。
【００５６】
例示のコード化アパーチャ・アレイは、ほぼ５０％の空きスペースおよび単一素子アパーチャの集光能力の２２，０００倍を持っている２１１×２１１素子（開いた、または閉じた）の（Ｍ）ＵＲＡである。
【００５７】
この発明の範囲内で、コード化アパーチャ・アレイの（Ｍ）ＵＲＡまたは他の設計は、意図された用途のために、高分解能白黒またはカラー・フィルム縮小によって、印刷されたコード化アパーチャ・アレイのポジ・イメージおよび／またはネガ・イメージとして製作される。この方式は、今日使用されている一般的なデジタル・プリンタの分解能限界（１４００ディー・ピー・アイ（ｄｐｉ）で２５格子（ｇ））を超えて、普通のマイクロフィルム／マイクロフィッシュ基板のより微細な分解能（１から５μ）になる。
【００５８】
この発明のコード化アパーチャ・アレイの世代の基板としてマイクロフィルムを利用することは、ＭＥＭＳ製造におけるフォトリソグラフィ・マスクの製造の低コスト方法と似ている。ＭＥＭＳについての説明は、Ｄｏｔｓｏｎ，ＮＡ、Ｋｉｍ，ＰＴ、およびＭａｓｏｎ，Ａ（２００４）、Ｌｏｗ  ｃｏｓｔ  ＭＥＭＳ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００４  ＡＳＥＥ／ＮＣＳ  Ｓｐｒｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、４月（２００４年）に与えられており、これの全内容は、参照して本明細書に組み込まれる。
【００５９】
さらに、アパーチャ・マスクを生成するためのカラー透明膜の使用は、この発明の領域内で、さもないとアパーチャ・アレイの透明な空きスペースによる光（放射）フィルタ処理の主要なまたは二次的な一体化の機会を与える。
【００６０】
この一体化は、主題の発明並びに他の用途のためにこれらの部品を生産するための経済的に成り立つ品質の保証された道筋として想像される。また、指摘されることであるが、特定のマイクロアレイの製造で使用されるフォトリソグラフィ・マスクは、本質的に、この発明の範囲内で想像されるコード化アパーチャ・アレイ設計と同様な縮小比および複雑さである。
【００６１】
生イメージ・データの決定特性情報への変換
本発明の例示の実施形態に従って、どんな望ましいＣＰＵプロセッサでも、任意の望ましいインタフェースを介してＣＣＤに接続される。ＣＰＵプロセッサは、ＰＳＦ経験的モデルおよびコード化アパーチャ・アレイ用の逆マスクを格納する記憶装置を備える。ＣＰＵは、ＣＣＤ、コード化アパーチャ・アレイのＰＳＦ経験的モデルまたは逆マスクによって取り込まれた任意のイメージに対して、フーリエ変換を行うソフトウェアまたはファームウェア、または任意の他の望ましいアルゴリズムを実行する。
【００６２】
同様に、当業者は認めることであろうが、プログラマブル論理ＡＳＩＣＳ、パーソナル・コンピュータ、その他のような任意の数のデータ・プロセッサが使用されることがある。例示の実施形態は、ＣＣＤ、コード化アパーチャ・アレイのＰＳＦ経験的モデルまたは逆マスクによって取り込まれた任意のイメージに対してフーリエ変換または任意の他の望ましいアルゴリズムを計算するために、撮像システム内に実現されたデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）・チップを使用する。
【００６３】
ＭＵＲＡアパーチャ−本体キャップの準備
図１０に見られるように、標準黒色プラスチック本体キャップ２４０の前面が写真に撮られた。マイクロソフト・パワーポイント（ＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ）のデジタル・イメージが拡大され、重ね合せ円がキャップ・イメージと同じ直径に描かれた。印刷されたコピーでは、この円の幾何学的中心は、２つの割線の交点によって決定された。キャップに開口をあけるための中心を案内するために、鋭い鋼鉄パンチが使用された。ピンホール・アパーチャは２４０ａで示されている。キャップは、木製の作業表面に締め具で固定され、さらに、キャップを貫通する穴をあけ１／３２インチ刻みで中心穴を１／１６インチから少しずつ拡大するために、Ｄｒｅｍｅｌ手工具が、溶融を防止するように低速設定で使用された。最終直径は、取り付けられるべきＭＵＲＡ素子の直径よりもほんの少しだけ大きいように選ばれる。開口の前縁は、Ｄｒｅｍｅｌ手工具と共に円錐砥石または１／８インチ案内ルータ・ビットを使用して面取りされる。当業者は認めることであろうが、標準カメラ本体キャップは、不可欠ではないが、都合のよい説明として使用された。
【００６４】
他の例示の実施形態では、ＣＣＤデバイスは、図５に示された素子１１２および図６に示された素子２１２などのピンホール・アパーチャまたはコード化アパーチャ・アレイを有する任意の望ましい表面によってそれぞれマスクされる。ピンホール・アパーチャを有するどんな表面も、ピンホール・ブラインドと呼ばれる。
【００６５】
例示の実施形態は、ＧｏｔｔｅｓｍａｎおよびＦｅｎｉｍｏｒｅ（１９８７）（上で引用された）によって与えられた明示アルゴリズム記述に従って、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ（ｖ５．２）プログラムを使用して、正方形ＭＵＲＡアパーチャ・アレイをデジタル・イメージとして組み立て、かつ表現する。派生的なイメージは黒−白反転によって組み立てられ、このイメージは、４インチ×６インチ寸法の白長方形の中心に置かれる。大きな長方形の中心の正方形ＭＵＲＡのサイズは、一般に、アレイの各正方形アパーチャ素子を０．０１インチ、０．０２インチ、または０．０３インチで表すように調整される。合成長方形および中心に置かれたＭＵＲＡイメージが黒／白ネガ・フィルム上に写真に撮られたとき（以下を参照されたい）、長方形寸法のほぼ４分の１縮小は、結果として、６０μ、１２０μおよび２４０μのアパーチャ素子サイズをフィルム上にそれぞれ生じる。
【００６６】
図１１は、３７×３７素子のＭＵＲＡポジ・アレイ２５０を示す。このアレイは、黒バックグランド２５０ａと、白バックグランドを有する対応するネガ・アレイ２５０ｂを含む。ネガ・イメージの正方形のサイズは、ほぼ２．２２、４．４４および８．８８ｍｍの辺に縮小するように作られる。したがって、これらの正方形ＭＵＲＡイメージの対角線は、それぞれほぼ３．１４、６．２８および１２．５６ｍｍである。次に、これらのフィルム・ネガ・イメージは、ほぼ１／８インチ、１／４インチおよび１／２インチの開口直径で、本体キャップの中心にそれぞれ置かれ、取り付けられる。
【００６７】
ＭＵＲＡアパーチャ・アレイのフィルム・イメージ
逆ＭＵＲＡイメージの黒／白イメージは、緩性のＩＩｆｏｒｄ  Ｄｅｌｔａ  １００（ＩＳＯ１００）３５ｍｍ白黒ネガ・フィルムで、６０ｍｍＮｉｋｋｏｒ  ＭＩＣＲＯレンズを使用して写真に撮られた（Ｎｉｋｏｎ  Ｎ１８０カメラ）。印刷されたＭＵＲＡ逆イメージは、カメラから約４０ｃｍ離れた４つの５２００Ｋ写真電球の付いたコピー・スタンドで照明され、レンズ開口ｆ８の露出速度設定が、１／１２０秒のグレー・カード計測速度の近くでブラケット露出された。フィルムは、コントラストを高めるように攪拌を延長して、白黒Ｄ７１プロセスによって手操作で現像された。黒不透明度および白透明度として、最良の結果は、典型的にはグレー・カード計測の２から３倍の露出、−すなわちｆ８で約１／６０秒であった。もっと長い露出は、黒の不透明度を増すが、また白アパーチャの増加するグレー・トーンおよび透明度損失をもたらす。
【００６８】
図１２は、ＨＰ  ｏｆｆｉｃｅｊｅｔ５５００ｖによって９６００ｄｐｉで走査されたネガのイメージを示す。上部ペイン２６０ａは、１／１８０、１／１２０および１／９０秒でのブラケット露出された露出をそれぞれ示す。１／１２０秒でのグレー・カード計測露出が、細部を示すように下部ペイン２６０ｂに拡大されている。円は、ＭＵＲＡイメージが取り付けられたＮｉｋｏｎ本体の１／２インチの開口を表す。
【００６９】
ＭＵＲＡアパーチャ・アレイの選ばれたネガ・イメージは、Ｎｉｋｏｎ  ＢＦ−１の本体キャップの裏面の直径３７．５ｍｍの内面円の中に中心が置かれるやり方でぴったりはまるように、スライドの角が切り落とされた。４０ｍｍ取付けディスクは、中心穴が本体キャップの中心開口に一致するように掘られた黒色ポリスチレン板（Ｅｖｅｒｇｒｅｅｎ  Ｓｃａｌｅ  Ｍｏｄｅｌｓ、Ｗｏｏｄｉｎｖｉｌｌｅ、ＶＡ；厚さ０．２５から０．５ｍｍの板）から切り出された。切り落とされたネガ・フィルムが本体キャップの中心に置かれ、次に、ポリスチレン・ディスクで覆われ、このポリスチレン・ディスクは、今度は、プラスチック接着剤の小滴でキャップの周囲に固定された。
【００７０】
代替実施形態では、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａプログラムによって設計されたコード化アパーチャ・アレイは、任意の望ましいコンピュータ自動設計（ＣＡＤ）プログラムで実現される。ＣＡＤプログラムで実現された設計を使用して、コード化アパーチャ・アレイがフォトリソグラフィ・マスクにエッチングされる。フォトグラフィ・マスクは、次に、カメラの本体キャップに配置される。例示の実施形態では、フォトレジスト・マスクは、面積１ｃｍ２を有するフォトレジスト・ウェーハである。コード化アパーチャ・アレイは、ピンホールが直径１００ミクロンである状態で、フォトレジスト・ウェーハの中心の３ｍｍ２の面積内にエッチングされる。
【００７１】
図１３は、マイクロアレイのイメージを作る例示の方法を示す流れ図である。ステップ３００は、光源から光を放射する。ステップ３０２は、放射された光を第１の周波数帯域内にフィルタ処理する。ステップ３０４は、第１の周波数帯域内の光をマイクロアレイ上に反射して、マイクロアレイが電磁エネルギーを放射するようにする。ステップ３０６は、この電磁エネルギーを第２の周波数帯域内にフィルタ処理する。ステップ３０７は、ピンホール・ブラインド・マスクを通して光を向ける。代替実施形態では、ステップ３０７は、コード化アパーチャ・アレイを有する表面を通して光を向ける。ステップ３０８は、マイクロアレイのイメージをＣＣＤ上に形成する。
【００７２】
流れ図の中のどんなプロセス説明またはブロックも、プロセスにおいて特定の論理機能またはステップを実現する１つまたは複数の実行可能な命令を含むコードのモジュール、セグメント、部分を表すものとして理解されるべきであり、また、代わりの実施は、含まれる機能に依存して、実質的に同時または逆の順序を含んだ、示されまたは述べられた順次と違った順序で機能が実行されることがある本発明の例示の実施形態の範囲内に含まれるが、それは当業者によって理解されるであろう。
【００７３】
明らかに、本発明の容易に認識できる修正および変形は、上の教示を考慮して可能である。したがって、理解されるべきことであるが、添付の特許請求の範囲内で、本発明は、本明細書で具体的に説明されたのとは違ったやり方で実施されることがある。例えば、相互に作用して協働するソフトウェアとハードウェア部品の両方に関して説明されたが、本明細書で説明されたシステムがソフトウェアで完全に実施されることがあることは考えられる。そのソフトウェアは、磁気または光ディスクのようなキャリアで、または無線周波数またはオーディオ周波数の搬送波で具体化されることがある。
【００７４】
したがって、上記の議論は、本発明の例示の実施形態をただ単に開示し説明するだけである。当業者によって理解されるように、本発明は、その精神または基本的な特徴から逸脱することなしに他の特定の形で具体化されることがある。したがって、本発明の開示は、例示であり、他の特許請求項だけでなく本発明の範囲を限定しないように意図されている。本明細書の教示のどんな容易に認識できる変形も含んで、本開示は、発明の内容が大衆に捧げられることがないように上記の請求用語の範囲を部分的に定義する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】明細書で包含された本発明に従った撮像システムの例示の実施形態を示す高レベルのブロック図である。
【図２】点広がり関数（ＰＳＦ）のイメージを示す図である。
【図３】図１に従ったＬＥＤアレイのイメージを示す図である。
【図４】上部ペインに図３の点灯ＬＥＤアレイのイメージを、下部ペインに光の拡散を示す図である。
【図５】図１の撮像システムを示す拡大図である。
【図６】光学フィルタのフィルタ特性を示すグラフである。
【図７】光学フィルタのフィルタ特性を示すグラフである。
【図８】コード化アパーチャ・アレイを示す図である。
【図９】撮像システムのさらに進んだ例示の実施形態を示す拡大図である。
【図１０】ＭＵＲＡアパーチャ本体キャップのイメージを示す図である。
【図１１】ＭＵＲＡポジ・アレイおよびＭＵＲＡネガ・アレイのイメージを示す図である。
【図１２】逆ＭＵＲＡイメージの黒／白イメージを示す図である。
【図１３】マイクロアレイのイメージを作る例示の方法を示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009529681.tif 000014
【図１１】
2009529681.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年4月22日(2009.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
2009529681.tif 000019
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2009529681.tif 000025
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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