(57)【要約】  本発明の種々の実施形態は、偏光顕微鏡画像内の離散的な場所で検出されたＬＢ信号を定量化する偏光顕微鏡画像のリアルタイム取り込み、解析および出力を対象にしている。本発明の一実施形態では、円偏光がサンプルの中に通され、従来型の偏光顕微鏡コンポーネントによって光学的に映像化される。その後に、結果として得られる画像は、４ウェイ偏光子または検光子によって４ウェイ分離され解析され、結果として得られる４個の解析副画像は、従来型の光学顕微鏡映像化コンポーネントによって生成された原画像の４分の１のサイズの表現の範囲内の各位置における画素毎の直線複屈折、消光角、および、透過を表す３個の疑似カラー、リアルタイム画像を生成するために計算処理される。疑似カラー画像は、高効率画像撮影と効率的なプログラミング技術による撮影画像の計算処理とを用いることによって毎秒３０フレーム以上のレートで生成され得る。
2009529707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを通過させられた円偏光から画像を生成する光学系と、
前記画像から複数の平面偏光された副画像を生成する多重化検光子と、
前記画像の偏光特性を符号化する処理画像を生成するために前記複数の平面偏光された副画像をリアルタイムで取り込みおよび処理する、画像取り込みおよび画像処理サブシステムと、
を備える、リアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項２】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた前記円偏光を生成するために前記偏光子によって放射された前記平面偏光された光に異方性位相変化を取り入れる４分の１波プレートと、
前記サンプルを通過させられた前記円偏光から画像を生成する光学系と、
をさらに備える、請求項１に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項３】
前記多重化検光子が、
前記光学系によって生成された前記画像から複数の副画像を生成する画像マルチプレクサと、
複数の解析された副画像を生成するために各副画像を異なる方向に平面偏光するマルチウェイ偏光子または検光子と、
をさらに備える、請求項１に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項４】
前記画像マルチプレクサが前記光学系によって生成された前記画像から４個の副画像を生成し、
前記マルチウェイ偏光子または検光子がマルチウェイ偏光子または検光子基準フレームに対して０ラジアン、π／４ラジアン、π／２ラジアン、および、３π／４ラジアンの角度方向で前記４個の副画像を平面偏光する、
請求項１に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項５】
前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが、
前記複数の解析された副画像の電子強度データ表現を生成する電子検出システムと、
前記光学系によって最初に生成された前記画像の偏光特性を符号化する処理画像を生成するために前記複数の解析された副画像の前記電子強度データ表現を生成する処理コンポーネントと、
をさらに備える、請求項１に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項６】
前記複数の解析された副画像の電子強度データ表現を生成する前記電子検出システムが前記複数の解析された副画像の前記電子強度データ表現を電子メモリバッファに保存した電荷結合検出器および画像取り込みソフトウェアサブシステムをさらに備える、請求項５に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項７】
前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが、
前記光学系によって最初に生成された前記画像の偏光特性を符号化する処理画像を生成するために画素強度アレイとして前記複数の解析された副画像の保存された前記電子強度データ表現を参照することにより、前記電子メモリバッファに保存された前記複数の解析された副画像の前記電子強度データ表現を処理する実行可能なソフトウェアコンポーネントをさらに備える、請求項６に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項８】
前記複数の解析された副画像が、
偏光子または検光子基準フレームに対して０ラジアンで平面偏光された第１の副画像Ｉ１と、
前記偏光子または検光子基準フレームに対してπ／４ラジアンで平面偏光された第２の副画像Ｉ２と、
前記偏光子または検光子基準フレームに対してπ／２ラジアンで平面偏光された第３の副画像Ｉ３と、
前記偏光子または検光子基準フレームに対して３π／４ラジアンで平面偏光された第４の副画像Ｉ４と、
を含む、請求項７に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項９】
前記副画像中の画素毎の強度が
【数１】
2009529707.tif 000022
として計算され、式中、
Ｉｉ＝角度αｉで測定された画素の強度であり、
Ｉ０＝画素に対応する前記サンプルの領域に入力された前記円偏光の強度であり、
αｉ＝強度Ｉｉを測定するために前記サンプルを透過した光を前記マルチウェイ偏光子または検光子が平面偏光する角度であり、および、
【数２】
2009529707.tif 000023
＝前記サンプルによって導入された解析的位相差であり、
ここで、ｄが前記サンプルの幅であり、ｎｙおよびｎｘが直交するｙ方向およびｘ方向における屈折率であり、λが前記円偏光の波長である、
請求項８に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１０】
前記副画像中の画素毎の強度が代替的に
Ｉｉ＝ａ０＋ａ１ｓｉｎ２αｉ＋ａ２ｃｏｓ２αｉ
として計算され、式中、
【数３】
2009529707.tif 000024
であり、かつ、係数ａ０、ａ１およびａ２が前記４個の副画像中の画素の強度から
【数４】
2009529707.tif 000025
として計算される、
請求項９に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１１】
前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが前記光学系によって生成された前記画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に複屈折を
【数５】
2009529707.tif 000026
として計算し、前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが疑似カラーの４分の１のサイズの画像を生成し表示し、前記疑似カラー画像中の各画素の強度が前記画素の前記計算された複屈折に比例する、
請求項１０に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１２】
画素毎の前記計算された複屈折が前記画素のカラーチャンネル中で数値的に線形符号化される、請求項１１に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１３】
前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが前記光学系によって生成された前記画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に消光角φを
【数６】
2009529707.tif 000027
として計算し、前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが疑似カラーの４分の１のサイズの画像を生成し表示し、前記疑似カラー画像中の各画素の強度が前記画素の前記計算された消光角に比例する、
請求項１０に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１４】
画素毎の前記計算された消光角が前記画素のカラーチャンネル中で数値的に線形符号化される、請求項１３に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１５】
前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが前記光学系によって生成された前記画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に透過を
ａ０
として計算し、前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが疑似カラーの４分の１のサイズの画像を生成し表示し、前記疑似カラー画像中の各画素の強度が前記画素の前記計算された透過に比例する、
請求項１０に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１６】
画素毎の前記計算された透過が前記画素のカラーチャンネル中で数値的に線形符号化される、請求項１５に記載のリアルタイム直線複屈折測定顕微鏡。
【請求項１７】
サンプルを通過させられた光から画像を生成する光学系と、
前記画像から複数の平面偏光された複画像を生成する多重化検光子と、
前記画像の偏光特性を符号化する処理画像を生成するために前記複数の平面偏光された副画像をリアルタイムで取り込みし処理する画像取り込みおよび画像処理サブシステムと、
を備えるリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項１８】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた前記平面偏光された光から画像を生成する光学系と、
をさらに備える、請求項１７に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項１９】
非複屈折性サンプルの光学活性を計算し表示する、請求項１８に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２０】
前記光学系が、
光源と、
前記サンプルを通過させられた前記光から画像を生成する光学系と、
をさらに備える、請求項１７に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２１】
サンプルの直線二色性を計算し表示する、請求項２０に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２２】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
短波長エッチフィルタと、
前記サンプルと、
長波長エッチフィルタと、
前記サンプルを通過させられた前記平面偏光された光から画像を生成する光学系と、
をさらに備える、請求項１７に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２３】
サンプルからの異方性蛍光放射を計算し表示する、請求項２２に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２４】
偏光効果測定顕微鏡光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた円偏光を生成するために前記偏光子によって放射された前記平面偏光された光に異方性位相変化を取り入れる４分の１波プレートと、
前記サンプルを通過させられた前記円偏光からオルソスコピック画像を生成する光学系と、
をさらに備える、請求項１７に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２５】
サンプルの直線複屈折を計算し表示する、請求項２４に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２６】
偏光効果測定顕微鏡光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた円偏光を生成するために前記偏光子によって放射された前記平面偏光された光に異方性位相変化を取り入れる４分の１波プレートと、
前記サンプルを通過させられた前記円偏光からコノスコピック画像を生成する光学系と、
をさらに備える、請求項１７に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２７】
サンプルの直線複屈折を計算し表示する、請求項２６に記載のリアルタイム偏光効果測定顕微鏡。
【請求項２８】
サンプル中の偏光効果を測定し表示する方法であって、
サンプルの中に光を通過させる光学系を使用することにより画像を生成するステップと、
多重化検光子を使用して前記画像から複数の平面偏光された副画像を生成するステップと、
前記サンプルの偏光特性を符号化する処理画像を生成するために前記複数の平面偏光された副画像をリアルタイムで取り込みし処理するステップと、
を備える方法。
【請求項２９】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた円偏光を生成するために前記偏光子によって放射された前記平面偏光された光に異方性位相変化を取り入れる４分の１波プレートと、
前記サンプルを通過させられた前記円偏光からオルソスコピック画像を生成する光学系と、
をさらに備え、
直線複屈折が測定され表示される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた円偏光を生成するために前記偏光子によって放射された前記平面偏光された光に異方性位相変化を取り入れる４分の１波プレートと、
前記サンプルを通過させられた前記円偏光からコノスコピック画像を生成する光学系と、
をさらに備え、
直線複屈折が測定され表示される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
前記サンプルを通過させられた前記平面偏光された光から画像を生成する光学系と、
をさらに備え、
非複屈折性サンプルの光学活性が測定され表示される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記光学系が、
光源と、
前記サンプルを通過させられた前記光から画像を生成する光学系と、
をさらに備え、
直線二色性が測定され表示される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記光学系が、
光源と、
平面偏光された光を生成するために前記光源によって放射された光を平面偏光する偏光子と、
短波長エッチフィルタと、
前記サンプルと、
長波長エッチフィルタと、
前記サンプルを通過させられた前記平面偏光された光から画像を生成する光学系と、
をさらに備え、
異方性蛍光放射が測定され表示される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記多重化検光子が、
前記光学系によって生成された前記画像から複数の副画像を生成する画像マルチプレクサと、
複数の解析された副画像を生成するために各副画像を異なる方向に平面偏光するマルチウェイ偏光子または検光子と、
さらに備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
前記画像から複数の平面偏光された副画像を生成するステップが、
前記画像マルチプレクサを使用して前記画像から４個の副画像を生成するステップと、
前記マルチウェイ偏光子または検光子を使用してマルチウェイ偏光子または検光子基準フレームに対して０ラジアン、π／４ラジアン、π／２ラジアン、および、３π／４ラジアンの角度方向で前記４個の副画像を平面偏光するステップと、
をさらに備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記画像取り込みおよび画像処理サブシステムが、
前記複数の解析された副画像の電子強度データ表現を生成する電子検出システムと、
前記光学系によって最初に生成された前記画像の偏光特性を符号化する画像を生成するために前記複数の解析された副画像の前記電子強度データ表現を生成する処理コンポーネントと、
をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
前記複数の解析された副画像の電子強度データ表現を生成する前記電子検出システムが、前記複数の解析された副画像の前記電子強度データ表現を電子メモリバッファに保存した電荷結合検出器および画像取り込みソフトウェアサブシステムをさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記サンプルの偏光特性を符号化する画像を生成するために前記複数の平面偏光された副画像をリアルタイムで処理するステップが、
前記光学系によって最初に生成された前記画像の偏光特性を符号化する画像を生成するために画素強度アレイとして前記複数の解析された副画像の保存された前記電子強度データ表現を参照することにより、前記電子メモリバッファに保存された前記複数の解析された副画像の前記電子強度データ表現を処理するステップをさらに備える、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数の解析された副画像が、
偏光子または検光子基準フレームに対して０ラジアンで平面偏光された第１の副画像Ｉ１と、
前記偏光子または検光子基準フレームに対してπ／４ラジアンで平面偏光された第２の副画像Ｉ２と、
前記偏光子または検光子基準フレームに対してπ／２ラジアンで平面偏光された第３の副画像Ｉ３と、
前記偏光子または検光子基準フレームに対して３π／４ラジアンで平面偏光された第４の副画像Ｉ４と、
を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記副画像中の画素毎の強度を
【数７】
2009529707.tif 000028
として計算するステップをさらに備え、式中、
Ｉｉ＝角度αｉで測定された画素の強度であり、
Ｉ０＝画素に対応する前記サンプルの領域に入力された前記円偏光の強度であり、
αｉ＝強度Ｉｉを測定するために前記サンプルを透過した光を前記マルチウェイ偏光子または検光子が平面偏光する角度であり、および、
【数８】
2009529707.tif 000029
＝前記サンプルによって導入された解析的位相差であり、
ここで、ｄが前記サンプルの幅であり、ｎｙおよびｎｘが直交するｙ方向およびｘ方向における屈折率であり、λが前記円偏光の波長である、
請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記副画像中の画素毎の強度を
Ｉｉ＝ａ０＋ａ１ｓｉｎ２αｉ＋ａ２ｃｏｓ２αｉ
として計算するステップをさらに備え、式中、
【数９】
2009529707.tif 000030
であり、かつ、係数ａ０、ａ１およびａ２が前記４個の副画像中の画素の強度から
【数１０】
2009529707.tif 000031
として計算される、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に複屈折を
【数１１】
2009529707.tif 000032
として計算するステップと、
疑似カラー画像中の各画素の強度が前記画素の前記計算された複屈折に比例する状態で疑似カラーの４分の１のサイズの画像を生成し表示するステップと、
をさらに備える、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記光学系によって生成された前記画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に消光角φを
【数１２】
2009529707.tif 000033
として計算するステップと、
疑似カラー画像中の各画素の強度が前記画素の前記計算された消光角に比例する状態で疑似カラーの４分の１のサイズの画像を生成し表示するステップと、
をさらに備える、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記光学系によって生成された前記画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に透過を
ａ０
として計算するステップと、
疑似カラー画像中の各画素の強度が前記画素の前記計算された透過に比例する状態で疑似カラーの４分の１のサイズの画像を生成し表示するステップと、
をさらに備える、請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
サンプルを通過させられた光から画像を生成する光学サブシステムと、
前記画像から複数の平面偏光された副画像を生成する多重化検光子と、
前記画像の偏光特性を符号化する処理画像を生成するために前記複数の平面偏光された副画像をリアルタイムで取り込みし処理する画像取り込みおよび画像処理サブシステムと、
を備えるリアルタイム偏光効果測定の画像取り込みおよび画像処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光顕微鏡画像中の直線複屈折の指標を検出し表示すること、特に、円偏光が中を通される光学的異方性サンプル（sample）によって円偏光の異方性屈折から生じる偏光効果の表現を表示するためにリアルタイムで画像を取り込み (capture)、処理する機能強化された偏光顕微鏡に関係する。
【背景技術】
【０００２】
偏光顕微鏡は、特に、結晶材料およびその他の秩序性のある材料の特性を研究するために約２００年に亘って使用されている。「円二色性スペクトル偏光計」と呼ばれるより複雑な機器は、蛋白質およびその他の生体物質を含む光学活性物質の円二色性（「ＣＤ」）を測定するため使用される。平面偏光または円偏光が光学活性物質の中を通されるときに、４種類の現象、すなわち、（１）光学的異方性物質による光の異方性屈折から生じる直線偏光の伝播モードの間の位相シフトである直線複屈折（「ＬＢ」）、（２）光学活性サンプルの中を通る直線偏光の異方性吸収から生じる直線二色性（「ＬＤ」）、（３）左円偏光と右円偏光に対するサンプルの屈折率の差から生じる円複屈折（「ＣＢ」、光学活性または光学回転としても知られている）、および、（４）光学活性サンプルによる左円偏光と右円偏光の差分吸収から生じる円二色性（「ＣＤ」）が観測される。多くの場合、これらの現象のうちの２つ以上が様々な媒体を伝播する光の中に重畳され、従来は解析することが困難であった複雑な効果の観測を実現する。過去５０年の間に、これらの偏光関連現象の比較的簡単な数学的記述が開発され、偏光がサンプルの中を通される様々な機器においてＬＢ信号、ＬＤ信号、ＣＢ信号およびＣＤ信号を検出し、逆重畳し、定量化する機器および計算方法の開発を可能にさせている。一実施例として、Ｍｅｔｒｉｐｏｌ（登録商標）はＬＢを検出する偏光顕微鏡システムを製造している。
【０００３】
ＬＢ信号、ＬＤ信号、ＣＢ信号およびＣＤ信号の検出および定量化は多種多様のアプリケーションに有用な情報を提供可能である。たとえば、蛋白質サンプルから生成されたＣＤ信号は、蛋白質サンプル内の光学活性二次構造および三次構造の存在に関連し、蛋白質サンプル内の動的構造変化を特徴付ける手段を提供する。生体サンプル中の偏光効果は、画像コントラスト目的のために、同時に、多種多様の生物学的効果および現象に関連した、動的に変化する高分子構造とポリマー配向とを検出するために使用されることがある。一つの最近認識されたアプリケーションでは、結晶が成長させられるサンプルウェル(sample well)内のＬＢ信号のリアルタイム検出は、自動結晶検出の基礎を提供し、プロテオミクス、構造ゲノミクス、および、構造生物学における最新の努力の基礎であるＸ線結晶学による高容量かつ高スループットの分子構造決定のため必要とされる大規模な結晶化の努力を容易化することがある。
【０００４】
残念ながら、最新の偏光顕微鏡技術は、サンプルおよび／または偏光子の機械的回転を含む比較的複雑なハードウェアに依存し、同様に、画像内の個別の場所におけるＬＢ信号の有無を示す最終的な画像を生成するために複数の取り込み画像の比較的集約的な計算解析にも依存する。これらの方法は、これまでのところ、結晶の自動検出、リアルタイム生体サンプル映像化、および、多数のその他の用途で用いるには非常に遅く、扱いにくく、費用がかかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、研究者、開発者、および、機器供給元は、偏光顕微鏡およびその他の技術によって収集された画像内のＬＢ信号を明らかにし、定量化する、リアルタイム映像化システムの必要性を認識している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の種々の実施形態は、画像内の離散的な場所で検出されたＬＢ信号を定量化する偏光顕微鏡画像のリアルタイム取り込み、解析および出力を対象にしている。本発明の一実施形態では、円偏光がサンプルの中に通され、従来型の偏光顕微鏡コンポーネントによって光学的に映像化される。その後に、結果として得られる画像は、４ウェイ偏光子または検光子によって４ウェイで分離され解析され、結果として得られる４個の解析副画像は、従来型の光学顕微鏡映像化コンポーネントによって生成された原画像の４分の１のサイズの表現の範囲内の各位置における画素毎の直線複屈折、消光角、および、透過を表す３個の疑似カラー、リアルタイム画像を生成するために計算処理される。疑似カラー画像は、高効率画像取り込みと効率的なプログラミング技術による取り込み画像の計算処理とを用いることによって毎秒３０フレーム以上のレートで生成され得る。本発明の付加的な実施形態は、画像の光学活性領域を識別し特徴付けるために光学画像および疑似カラー画像の付加的な処理を含むことがあり、その他の定量化された偏光現象を表す疑似カラー画像を生成することを対象にすることがある。本発明のさらに付加的な実施形態では、レンズおよびその他の映像化システムから生成された様々な異なる光学画像中の偏光効果は、本発明の方法の実施形態を使用して、画像をマルチウェイ(malti-way)で多重化および解析し、偏光効果を計算することによって検出され表示され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施形態は、偏光顕微鏡によるサンプルのリアルタイム映像化と、光学画像中の各点における直線複屈折（「ＬＢ」）信号の計算と、元の偏光顕微鏡で生成された画像中の各点での計算直線複屈折、計算消光角、および、計算透過を表す計算画像のリアルタイム生成および表示とを対象にしている。以下の第１の小節では、偏光の概要について記載されている。第２の小節では、本発明の一実施形態を表す機能強化された偏光光学顕微鏡が検討されている。第３の小節では、本発明の一実施形態を表し、光学画像中の各点における直線複屈折、消光角および透過を表す疑似カラー画像を生成する画像解析ソフトウェアプログラムが検討されている。
【０００８】
偏光
図１Ａ−Ｂは、簡単な平面偏光波と平面偏光波の電気ベクトルのパスのｚ軸投影とを示している。図１Ａ−Ｂは、図２Ａ−Ｂ、３Ａ−Ｃ、および、４Ａ−Ｃで引き続き使用される説明図の慣例を用いている。図１Ａにおいて、平面偏光波１０２は３次元デカルト座標系に関してプロットで表されている。光波１０２はｚ軸１０４によって表現されたｚ方向に進む。光は、任意の電磁妨害と同様に、直交する電気ベクトルおよび磁気ベクトルによって表現される直交配置された電界振動および磁界振動を備えるが、電気ベクトルだけが図解され、検討されている。各時点で、光波の実数部、すなわち、電気部分は、ｚ軸上の位置から光波を指し、換言すると、ｚ軸上の位置に対応する光波上の点を描く。たとえば、電気ベクトル１０６は、空間または時間の任意の零点１０８における光波の位置を表す。電気ベクトルは、ｚ軸と垂直であり零点１０８と一致するｘ／ｙ平面に存在する。このｘ／ｙ平面は図１Ａにおいてディスク１１０によって表現されている。ｚ軸に沿った種々の点におけるｘ／ｙ平面のディスク状の表現は、ｚ軸に沿った種々の点における電気ベクトルの大きさおよび向きを表すために図１Ａに表されている。図１Ａ、および、後続の図において、ｘ／ｙ平面のディスク状の表現は、π／４ラジアンという規則的な間隔で表され、２πラジアンが光波の１回の完全な振動を表している。ｚ軸は、プロットされた波１０２の全体が３次元空間内のある時点における平面偏光波を表す場合に、空間軸のようにみなすことができ、または、様々な時点での３次元空間内の特定の点における光波の電気ベクトルの大きさおよび向きを表す時間軸とみなされることもある。
【０００９】
図１Ａに表された平面偏光波では、空間内の各点、または、各時点における電気ベクトルは、ｚ軸と平行した単一平面内に存在し、ｘ軸１１２およびｙ軸１１４のそれぞれに関して４５°、すなわち、π／４ラジアンの角度に向けられている。ｚ軸に沿って時間的または空間的に各点で電気ベクトルの運動を投影することにより、図１Ｂに表されたｚ軸投影１１６が得られる。この投影は、矢印１１８および１２０によって示されているように、図１Ａにおけるディスクの背後からｚ軸へ向かう見え方を表現している。ｚ投影で見ると、電気ベクトルは対角線１２２に沿って振動する。
【００１０】
図２Ａ−Ｂは、図１Ａ−Ｂに示された平面偏光波の２個の直交した同相光波への分解を示している。図２Ａに表されているように、電気ベクトル２０１のような図１Ａに表された平面偏光波の電気ベクトルは、ｙ軸に平行であるベクトル２０２と、ｘ軸に平行であるベクトル２０３とに分解され得る。ｙ軸電気ベクトル成分はｙ方向に平面偏光されたｙ軸成分波２０６を描く。ｘ軸成分はｘ方向に平面偏光されたｘ軸成分光波２０８を描く。２個の成分光波のベクトル結合は、図１Ａに示され、図２Ａにおいて破線によって表された平面偏光波２１０を生成する。よって、任意の平面偏光波は、任意のｘ／ｙ平面内での光波の平面の方向とは無関係に、ｘ軸およびｙ軸に平行である２個の直交した光波のベクトル結合であるとみなされ得る。ｚ軸成分光波およびｙ軸成分光波によって表された平面偏光波のｚ軸投影は、図２Ｂに示されているように、変化がない。
【００１１】
図３Ａ−Ｃは円偏光波を示している。円偏光波は、図３Ａに表されているように、ｙ軸成分に関して図１Ａおよび２Ａに表された平面偏光波のｘ軸成分の位相シフトによって獲得される。すなわち、図３Ａに表されているように、光波のｙ成分の振動のピークは０ラジアン位置３０２で現れるが、ｘ軸成分振動のピークはπ／２ラジアン位置３０４で現れる。ｘ軸成分が、図３Ａに表されているようにｙ軸成分より先にπ／２ラジアンだけ位相シフトされるとき、ｚ軸に沿った各点におけるｘ方向およびｙ方向の成分電気ベクトルは、ベクトル加算によって、結果として得られる一定の大きさの電気ベクトルに加わる。合成ベクトルの向きは、ｚ軸に沿って見たとき、半時計回りの方向へ連続的に移動する。図３Ｂは、ｘ軸成分光波およびｙ軸成分光波のプロットなしで、合成円偏光波３０６だけを表している。図３Ｂにおいて明瞭に理解されるように、円偏光波は、ｚ軸と平行であり、かつ、ｚ軸の付近に中心が置かれた螺旋を描く。電気ベクトルのｚ軸投影は、図３Ｃに表されているように、円形３０８である。矢印３１０および３１２によって示されている方向にｚ軸に沿って見たとき、電気ベクトルは原点の周りで反時計方向に回転する。よって、円偏光は、図２Ｃおよび２Ａに表された平面偏光の直線表現とは違って、ｚ軸投影では円によって表される。ｚ軸投影における電気ベクトルの回転の向きは２個の成分波のうち位相が進んでいる方の成分波に依存する。
【００１２】
平面偏光波のｘ軸成分およびｙ軸成分が０ラジアンより大きく、π／２ラジアンより小さい量、または、π／２ラジアンより大きく、πラジアンより小さい量によって位相シフトされるとき、結果として得られる光波は楕円偏光されている。図４Ａ−Ｃは楕円偏光を示している。図４Ａにおいて、光波のｙ軸成分のピーク振動は０ラジアン位置４０１で現れ、光波のｘ軸成分のピーク振動はπ／４ラジアン位置４０２でピークに達する。したがって、光波のｘ軸成分は、光波のｙ軸成分に先だってπ／４ラジアンだけシフトされている。この場合に、ｘ軸電気ベクトルおよびｙ軸電気ベクトルのベクトル合成から生じる電気ベクトルは、ｚ軸に沿って大きさと向きの両方が変化する。図４Ｂは、ｘ軸成分光波およびｙ軸成分光波なしに、螺旋状であるが、しかし、偏心している形式の光波を明瞭に示している合成楕円偏光波４０４を表している。図４Ｃは楕円偏光波のｚ軸投影を表している。図４Ｃにおいて理解できるように、楕円偏光波は、投影の際に、楕円偏光波の電気ベクトルが反時計回りに回転している楕円４０６を描く。楕円はｙ方向に長軸を有し、ｘ方向に短軸を有する。
【００１３】
楕円偏光は直線偏光が光学的異方性サンプルの中を通されるときに現れることがある。光学的異方性サンプルは、異なる方向に異なる屈折率を見せることがあり、すなわち、屈折率に異方性を見せることがある。この屈折率の異方性は、サンプル内の光の位相速度の異方性に対応する。屈折率が増加するのに伴って、位相速度が減少する。よって、図４Ａ−Ｃに表された実施例では、屈折率の異方性は、ｙ軸屈折率ｎｙとｘ軸屈折率ｎｘとに分解される。楕円の長軸と短軸の比は、ｙ方向とｘ方向の屈折率の比に比例する。長軸は遅軸と呼ばれるが、その理由は、大きい屈折率が衝突する直線偏光から楕円偏光を生成する物質内の遅い位相速度に対応するからである。ＬＢは直線偏光だけに作用するように限定されない。直線偏光成分に分離され得る任意の形式の偏光は、ＬＢに起因して何らかの変更が加えられるであろう。すなわち、円偏光は一般に楕円偏光になるであろう。
【００１４】
本発明の一実施形態を表す直線複屈折検出偏光顕微鏡
図５は本発明の一実施形態を表す直線複屈折検出偏光顕微鏡（「ＬＢ顕微鏡」）の一実施形態を示している。図５において、垂直上向き矢印５０２のような垂直上向き矢印はＬＢ顕微鏡内の光路を表している。顕微鏡は、光を顕微鏡５０６の光学系へ向かって上方へ導く光源５０４を含む。光は最初にサンプルおよび光学系を通過するよう所望の波長範囲または周波数範囲の光を選択するために干渉フィルタ５０８を通過し、その後に光学系の方へ導かれる平面偏光を生成するために平面偏光子５１０を通過する。次に、平面偏光は、図３Ａ−Ｃを参照して上述されているように、平面偏光のｘ軸成分とｙ軸成分との間にπ／４位相シフトを導入する４分の１波プレート５１２を通される。４分の１波プレート５１２は、衝突する平面偏光の面が４分の１波プレートの固有線に対して４５度、すなわち、π／４ラジアンの角度になるように向けられる。その後に４分の１波プレートを通過する平面偏光から生じる円偏光はステージ５１８に取り付けられたスライド５１６上のサンプル５１４を通過する。その後に、光学的異方性サンプルを通過するため楕円偏光されている可能性がある光は、光学画像を生成する顕微鏡の光学系５０６に入射する。光学画像は、光学画像マルチプレクサ５１８によって４個の副画像に分離される。結果として生じた４個の副画像のうち１個ずつは、それぞれが光学系５０６によって生成された原画像のサイズの４分の１である４種類の結果として生じた解析副画像を生成するために、４ウェイ偏光子または検光子５２０の４個の偏光領域のうちの別々の１個を通過させられる。４個の解析副画像は、４個の副画像内の画素と呼ばれる離散点で衝突光の強度をリアルタイムに測定する電荷結合デバイスカメラ（「ＣＣＤカメラ」）５２２に衝突する。強度データは、毎秒３０画像のレートのような固定フレームレートで、ＬＢ顕微鏡の光学系５０６によって生成された原光学画像の４分の１のサイズの表現における各画素の計算直線複屈折、計算消光角、および、計算透過を表す疑似カラー画像を生成するために画像を処理するコンピュータシステムへ転送される。
【００１５】
図６は、図５に示されたＬＢ顕微鏡の主光学変換ステージを、各変換によって生成された光波のｚ軸投影表現と共に表している。光源６０２と平面偏光子６０４との間で、単色光は、ｚ軸投影６０６に表された、様々な方向性をもつ多数の異なる光波により構成されている。平面偏光子６０４を通過した後、光は、ｚ軸投影６０８に表されているように平面偏光される。４分の１波プレート、または、リターダ６１０を通過した後、光波は、ｚ軸投影６１２に表されているように円偏光される。サンプル６１４を通過した後、光波は、サンプルが異方性屈折率を示すときに、すなわち、サンプルが光学的異方性であるときに、ｚ軸投影６１６に表されているように楕円偏光される。サンプルによってもたらされる位相変化δは、
【数１】
2009529707.tif 000003
として計算され、式中、ｄは光学的異方性サンプルの幅６１８であり、ｎｙおよびｎｘは屈折率のｘ成分およびｙ成分であり、λは光の波長である。その後に光は４ウェイ偏光子６２０を通過する。４ウェイ偏光子は、４ウェイ偏光子の基準フレームに対して、零ラジアンで光を偏光する領域６２２、π／４ラジアンで光を偏光する領域６２４、π／２ラジアンで光を偏光する領域６２６、および、３π／４ラジアンで光を偏光する領域６２８を有する。一般に、本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡中のサンプルは検光子に対して向きを合わされていないので、４ウェイ偏光子６２０のような検光子を通る楕円偏光の通過は検光子の基準フレームに対して配向角φ６３０を取り入れることがある。固有モードの傾斜角はこの配向角φであり、消光角とも呼ばれる。
【００１６】
図７は、本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡によって取り込まれた画像の計算解析の導出のための初期説明点として簡略化された直線複屈折検出システムを表している。図７において、強度がＩ０  ７０２である平面偏光は、楕円偏光７０６を生成するために光学活性サンプル７０４を通過する。楕円偏光７０６は、１８０度、すなわち、πラジアンに亘って離散的な角度間隔αｉまで回転させられる平面偏光検光子７０８によって解析される。各角度αｉで、偏光子７０８を通過する光の強度Ｉｉが測定される。測定強度Ｉｉは、次式
【数２】
2009529707.tif 000004
によって初期的な円偏光強度Ｉ０に関連付けられる。周知の三角関数の公式
ｓｉｎ（ｘ−ｙ）＝ｓｉｎ（ｙ）ｃｏｓ（ｙ）−ｃｏｓ（ｘ）ｓｉｎ（ｙ）
を使用して、上記の測定強度の式は、多項式形式
Ｉｉ＝ａ０＋ａ１ｓｉｎ２αｉ＋ａ２ｃｏｓ２αｉ
に置くことが可能であり、式中、
【数３】
2009529707.tif 000005
である。本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡では、図７に示されている従来型の機器のように多数の角度αｉで光強度を測定するのではなく、強度は４ウェイ偏光子の基準フレームに対して４個の角度０、π／４、π／２および３π／４だけで測定される。４ウェイで多重化された光学画像を４ウェイ偏光子の中に通すことにより生じる解析副画像はこのようにして以下の表１
【表１】
2009529707.tif 000006
において特徴付けられている。
【００１７】
したがって、４個の解析副画像に対応する４個の測定強度は、角度αｉが４ウェイ偏光子内の４個の偏光素子の配向によって予め決定されるので、４個の異なる形式の方程式
Ｉｉ＝ａ０＋ａ１ｓｉｎ２αｉ＋ａ２ｃｏｓ２αｉ
を生成する。従来型の最小二乗法は、測定強度から係数ａ０、ａ１およびａ２の最良値を計算するために使用され得る。最小二乗法は、以下に表された関数Ｄ
【数４】
2009529707.tif 000007
が最小化される最小化問題に対する解を与え、式中、Ｉｉは４個の角度０、π／４、π／２、３π／４のうちの１個で測定された強度であり、Ｉｃは上記の多項式により計算された強度であり、ｗは以下の微分では無視される重み付け係数である。関数Ｄは、３個係数ａ０、ａ１およびａ２のそれぞれに関するＤの偏微分
【数５】
2009529707.tif 000008
が零であるときに最小である。表記
ｘ１ｉ＝ｓｉｎ２αｉ
ｘ２ｉ＝ｃｏｓ２αｉ
を使用すると、３個の偏微分方程式は
【数６】
2009529707.tif 000009
になる。測定強度の多項式
Ｉｉ＝ａ０＋ａ１ｓｉｎ２αｉ＋ａ２ｃｏｓ２αｉ
を使用すると、上記の３個の偏微分方程式は、行列形式で
【数７】
2009529707.tif 000010
として表現され得る。以下の表は、本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡の４個の測定角度αｉでのｘ１およびｘ２の値を要約している。
【表２】
2009529707.tif 000011
【００１８】
上記の行列方程式中の総和を計算するためにこれらの値を使用すると、行列方程式は
【数８】
2009529707.tif 000012
に簡略化され得る。３×３行列は対角行列であるので、この行列の逆は、３×３行列の逆数である値を有する要素を含んでいる対角行列として容易に計算される。したがって、左から上記の行列方程式の両辺に逆３×３行列を乗算することにより
【数９】
2009529707.tif 000013
が得られる。測定強度ベクトルに逆行列を乗算することは、上記の式では、係数ａ０、ａ１およびａ２についての以下の３個の式
【数１０】
2009529707.tif 000014
を生じる。
【００１９】
ＬＢ顕微鏡から取り込まれた光学画像の複屈折、消光角θ、および、透過は、上記の取得された結果を使用して、画素単位で計算され得る。複屈折（birefringence）は、
【数１１】
2009529707.tif 000015
として計算され、ここで、計算複屈折は、複屈折がないことを示す０から、最大複屈折を示す１まで値が変化する。消光角（exitinction angle）は、
【数１２】
2009529707.tif 000016
として計算され、ここで、計算消光角は０からπまで変化し、４ウェイ偏光子または検光子の基準フレームに対する楕円偏光のｚ軸投影における楕円の遅軸、すなわち、主軸の配向角に対応する。透過は、
ａ０
として計算され、ここで、計算透過は、サンプルに衝突する光の不透過を表す零から全透過を表す１まで変化する。
【００２０】
図８Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡システムの処理コンポーネントにより４ウェイ多重化され、４ウェイ解析された画像の取り込みおよび計算処理を示している。図８Ａに示され、かつ、上述されているように、４ウェイ多重化された画像は、０ラジアンの角度に置かれた副偏光子８０４、π／４ラジアンの角度に置かれた副偏光子８０６、π／２ラジアンの角度に置かれた副偏光子８０８、および、３π／４ラジアンの角度に置かれた副偏光子８１０を備えた４ウェイ偏光子８０２を通過させられる。その後に、４個の解析副画像は、ＣＣＤカメラ８１２によって取り込まれ、ＣＣＤカメラによって、ＣＣＤカメラ内の検出器のアレイに対応した画素強度のアレイ内で固定サイズの画素強度として、電子メモリ８１４内のバッファに転送される。ＣＣＤカメラから電子メモリ（図８Ｂ中の８１６）に転送された生データから始めて、４個のサブアレイＩ１、Ｉ２、Ｉ３およびＩ４を備える生データは、最初に、４個の正規化サブアレイ８１７  Ｉ’１、Ｉ’２、Ｉ’３およびＩ’４を生成するため、平面偏光子、４分の１波プレート、および、サンプルなしで生成された蓄積画像に関して正規化され、ＬＢ顕微鏡の光学コンポーネントによって生成された初期光学画像の１／４のサイズの表現の画素単位で計算複屈折、計算消光角、および、計算透過を表す疑似カラー画像８１８、８１９、および、８２０は、画素毎の係数ａ０、ａ１およびａ２の最適化値に基づいて上記の導出された計算を使用して、４個の正規化サブアレイＩ’１、Ｉ’２、Ｉ’３およびＩ’４から生成される。
【００２１】
図９Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡のＣＣＤカメラによって記録された４ウェイ偏光子で解析された光学画像の実施例、および、４ウェイ解析画像中で検出された偏光現象の表現を表示するコンピュータで生成された出力の実施例を表している。図９Ａに表された４ウェイ解析画像は、ＬＢ顕微鏡内のスライドのサンプルウェル中の小さな結晶の溶液から生成される。４個の画像のそれぞれの最も下にある結晶の斜め部分は、０ラジアン画像およびπ／４ラジアン画像では暗く着色されているが、π／２ラジアン画像および３π／４ラジアン画像では明るく着色されていることに注意を要する。結晶のその他の部分は４個の画像に亘って明暗の循環パターンを示している。しかし、画像中の大きなダンベル形状の物体は４個の画像に亘って陰影に著しい変化がないことに注意を要する。ＬＢ顕微鏡からコンピュータで生成された出力は４個のペインドウィンドウ(four-paned window)９０４に表されている。第１のウィンドウ９０６は、最初に取り込まれた光学画像の４分の１のサイズのバージョン中の各画素における計算複屈折を表示する。角張った形状の結晶に対応する画像の領域に対する計算複屈折は、周囲の溶液およびダンベル形状の物体より明るく、したがって、値が大きいことに注意を要する。第２のペイン(pane)９０８は、最初に取り込まれた光学画像の４分の１のサイズの表現内で画素毎に計算消光角を表している。複屈折結晶は一般にダンベル形状の物体および周囲の溶液より大きい消光角を有することに注意を要する。第３のペイン９１０は、最初に取り込まれた光学画像の４分の１のサイズの表現の画素単位で計算された透過を表している。最後に、第４のペイン９１２は、ユーザが表示すべき疑似カラー画像を選択し、関連したキャリブレーションファイルを選択するために倍率を選択し、コンピュータで生成された疑似カラー画像をリアルタイムで見るか、または、コンピュータで生成された疑似カラー画像を蓄積データから見るかを選択することによって、表示された出力をカスタマイズするために用いるインターフェイスを提供する。
【００２２】
計算複屈折、計算消光角、および、計算透過の符号化には数多くの可能性がある。本発明の一実施形態では、複屈折、消光角、および、透過の計算数値は、１つのカラーチャンネル、たとえば、赤色チャンネルで線形に符号化され、他の２つのカラーチャンネルは線形符号化された複屈折値、消光角値、および、透過値の範囲に亘って正弦波状に変化するように計算される。この符号化は、計算複屈折値、計算消光角値、および、計算透過値が蓄積画像およびビデオファイルから直接的に復元されることを可能にする。多数の他のタイプの符号化が可能である。
【００２３】
結晶検出アプリケーションでは、ＬＢ顕微鏡は、複屈折を示す画像の領域が容易に識別される疑似カラー画像を生成可能である。図９Ｂに表された例示的な疑似カラー画像では、ダンベル形状の物体は明らかに結晶質ではない。実際に、ダンベル形状の物体は気泡であると判定された。残念ながら、結晶は形状によって容易に検出できない。蛋白質結晶は、丸みを帯びた面、または、曲面を有するように見え、アモルファス不純物は多くの場合に角張った形状を有することがある。ＬＢ顕微鏡は自動結晶検出システムの基礎として使用され得る。ＬＢ顕微鏡は、サンプルが内部基準フレームに対して正しい向きに合わされる必要がなく、よって、さらなる結晶成長の阻害をもたらす可能性がある費用のかかる結晶溶液の機械的な操作を回避するので、このアプリケーションのため特に適している。さらに、リアルタイム画像取り込みおよび処理は、数千、または、数十万の結晶溶液が映像化されなければならないときに、膨大な時間を節約可能である。付加的な画像処理が複屈折を示す画像の領域を決定し、検出された結晶の体積を決定するためにこれらの領域から収集されたデータをさらに処理し、結晶品質の実験的決定を行うために使用され得る。
【００２４】
取り込み画像の計算処理
本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡から、４ウェイ多重化され、解析された画像を取り込みし、かつ、取り込み画像を計算解析し、画素毎に計算複屈折、計算消光角、および、計算透過を表す疑似カラー画像を生成するために、ＣＣＤカメラで取り込まれた画像データは、疑似カラー画像がサードパーティの画像取り込みソフトウェアによって提供される取り込みの頻度のような適度な頻度で生成され表示され得るように、コンピュータメモリに効率的に蓄積され、効率的に操作される必要がある。本発明の一実施形態では、画像は毎秒３０画像のレートで取り込まれ処理される。
【００２５】
図１０は、本発明の一実施形態を表すコンピュータプログラムのコア画像取り込みおよび画像処理ループの制御フロー図である。このコアループは、図１０では、無限に反復するように表されているが、実際には、このループはエンクロージングコンピュータプログラムから開始および終了させられる。ステップ１００２は、所定の画像取り込みレートで反復する無限ｄｏループを表している。ステップ１００４において、ＣＣＤカメラによって生成された次の画像がコンピュータメモリに保存される。このステップは、多数のサードパーティの画像取り込みソフトウェアパッケージのうちのいずれかによって、または、入力ポートおよびオペレーティングシステムドライバとインターフェイスをとる専用に開発されたルーチンによって実行されることがある。次に、ステップ１００６において、画素配列ポインタは取り込み画像を参照するため初期化される。これは、本発明の一実施形態を表すリアルタイム画像取り込みおよび画像処理ループの基本演算である。多数の市販されている画像処理ルーチンでは、ＣＣＤカメラによって生成されたデータは、最初に、ビットマップを保存するコンピュータメモリバッファに移され、その後に、データはコンピュータメモリバッファから、よく知られたアレイベースの演算による操作のため画素アレイにコピーされる。しかし、画像のリアルタイム取り込みおよび処理のため、このような内部メモリコピーは時間的なコストが非常に高い。リアルタイムシステムの場合、ＣＣＤカメラデータが書き込まれるメモリバッファは、内部メモリコピーを用いることなく、画像操作および処理のための画素アレイとして二重に使用されることが重要である。ステップ１００８において、複屈折、消光角、および、透過は、最初に取り込まれた光学画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に、上述されているように画素単位で計算される。最後に、ステップ１０１０において、計算複屈折、計算消光角、および、計算透過を表す４分の１のサイズの疑似カラー画像は、コンピュータスクリーンに表示された、図９Ｄに表されているユーザインターフェイスのようなユーザインターフェイスへの出力を生成した。種々の強度および色の符号化スキームのいずれかが、画素毎の計算複屈折、計算消光角、および、計算透過の上述された値の範囲を表すために使用され得る。
【００２６】
図１１は図１０のステップ１００８における複屈折、消光角、および、透過の計算の制御フロー図を表している。第１のステップ１１０２において、生データは、原強度値に、サンプルが存在しないＬＢ顕微鏡から取得された対応する画素値を乗算することによって正規化される。この演算は、４個の副画像を相互に正規化し、機器に存在するかもしれないある特定の系統的強度誤差を除去する。次に、ステップ１１０４において、ＣＣＤカメラによって取り込まれた４個の副画像の配向は、４個の副画像のすべてが互いに位置合わせされるように調整される。その後に、ステップ１１０６−１１０９のｆｏｒループにおいて、直線複屈折、消光角、および、透過が最初に取り込まれた光学画像の４分の１のサイズの表現中の画素毎に計算され、計算複屈折、計算消光角、および、計算透過をそれぞれに表す強度／カラー値を備えた３個の４分の１のサイズの画素アレイを生成する。
【００２７】
次に、本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡による画像取り込みおよび処理を実行する計算ソフトウェアの一実施形態の一部分が説明されている。コンピュータプログラムはオブジェクト指向型Ｐａｓｃａｌで記述されている。このコンピュータプログラムは、特定のＬＢ顕微鏡のための選択された画像取り込み頻度で反復するコア画像取り込みおよび処理ルーチンと、図９Ｂに表されたユーザインターフェイスおよび付加的なユーザインターフェイスを生成する大規模なコードと、さらに、画像取り込みおよび画像処理のため使用される大規模な初期化コードおよびルーチンとを含む。本発明の一実施形態を表すコンピュータプログラムのコア画像取り込みおよび画像処理ループが以下に記載されている。
【００２８】
【表３】
2009529707.tif 000017
【表４】
2009529707.tif 000018
【表５】
2009529707.tif 000019
【表６】
2009529707.tif 000020
【表７】
2009529707.tif 000021
【００２９】
上述の１行目および２行目に、画素アレイポインタ「ＰＣｏｌｏｒＡｒｒａｙ」および画素アレイ「ＴＣｏｌｏｒ  ａｒｒａｙ」の宣言が与えられている。８−１８行目の関数「ＢｍｐＴｏＡｒｒａｙ」は、ＣＣＤカメラからダウンロードされたビットマップデータを格納しているインメモリバッファへのポインタ参照を生成する。よって、この関数は、画素アレイポインタ型「ＰＣｏｌｏｒＡｒｒａｙ」と共に、ＣＣＤで生成されたデータを格納するインメモリバッファが、内部コピーまたは費用のかかる変換を用いることなく、適切に、画素アレイとして使用されることを可能にする。本発明の一実施形態を表すコンピュータプログラムのコアループは２７−２１４行目に含まれている。次の画像は４０−４５行目でＣＣＤカメラから獲得される。５９行目で、型「ＰＣｏｌｏｒＡｒｒａｙ」の変数「ＰＣｏｌｏｒｓ」が、ＣＣＤ画像がロードされているビットマップバッファを参照するために設定される。この場合も、画素アレイへのバッファのインメモリコピーは必要とされず、その代わりに、バッファが画素アレイとして使用されることを可能にする。６５−７０行目で、取り込み画像が正規化される。７２−８６行目で、取り込み副画像は、必要に応じて、４個の副画像の全部を位置合わせするため、互いに回転させられる。８７−１３２行目で、複屈折、消光角、および、透過が最初に取り込まれた光学画像の４分の１のサイズの表現に対し画素単位で計算される。コアループの残りの部分では、複屈折、消光角、および、透過を表す疑似カラー画像がユーザインターフェイスへの出力のため計算され保存される。
【００３０】
上述の本発明のＬＢ顕微鏡の実施形態は、多数の異なる分野およびアプリケーションにおいて多種多様の用途が見出される。一例として、ＬＢ顕微鏡は、溶液中の結晶の有無を検出するために、結晶化実験装置の大型アレイの光学的解析の自動化システムに組み込まれ得る。このＬＢ顕微鏡のアプリケーションは、プロテオミクス、構造ゲノミクス、および、構造生物学の先端分野における不可欠な作業である生体分子の高スループット構造決定を容易化することができる。現行の偏光顕微鏡は、機械的な部品の移動、顕微鏡を用いる基準フレームに対するサンプルの配向、計算集約的かつ時間のかかる画像処理に依存するので、この作業のため不適当である。さらなるアプリケーションは、脳組織内のアミロイド斑中の蛋白質アミロイドＡのような生体分子の特有の規則正しい配列を検出するため多種類の生体サンプルを解析することを含む。ポリマー材料および結晶材料中の機械的応力の監視および定量化と、材料の映像化のための一般的なコントラスト強調と、その他のこのような用途とを含む多数の材料科学アプリケーションが存在する。
【００３１】
上記の実施形態では、オルソスコピック画像が生成され、処理されている。代替的な実施形態では、光学系の後部焦点面から取得され、光源の画像を表すコノスコピック画像が、複屈折性サンプルを通過する光から生じる位相遅延および消光角を計算し表示するために、生成され処理されることがある。多数のさらなる代替的な実施形態は、異なる偏光状態および効果を測定するために異なる物理的構造の光学系を利用することがある。たとえば、４分の１波プレートが存在しないとき、複屈折の不在下で光学活性が測定され表示されることがある。別の例では、４分の１波プレートも平面偏光子も存在しないとき、直線二色性が測定され表示されることがある。さらに付加的な例では、４分の１波プレートが存在せず、エッチフィルタが光路に挿入されるとき、サンプルからの異方性蛍光放射が測定され表示されることがある。
【００３２】
本発明は特定の実施形態に関して記載されているが、発明がこれらの実施形態に限定されることは意図されていない。発明の精神の範囲内における変更は当業者に明白である。たとえば、ＬＢ顕微鏡から画像を取り込みし処理するコンピュータプログラムには、様々なモジュール構成、制御構造、データ構造、および、その他のプログラミングパラメータを含み、多数の異なるオペレーティングシステムおよびハードウェアプラットフォーム上での実行のため多種多様なプログラミング言語のうちのいずれかで記述された、殆ど無限個の異なる実装が考えられる。多種多様のコンポーネントが本発明のＬＢ顕微鏡を製造するために使用されることがある。市販されている画像マルチプレクサが取り込まれた光学画像を多重化するため使用されることがあり、または、他の実施形態では、単純な４ウェイプリズム配置が入力光学画像を４個の副画像に分離するため使用されることがある。画像取り込みおよび処理は、機能強化された光学顕微鏡に電子的に接続されたパーソナルコンピュータ上で実行されてもよく、または、機器に直接的に組み込まれたプロセッサおよびソフトウェアによって実行されてもよい。さらなる実施形態では、多方向画像多重化および解析と、その後に続く多数の副画像の取り込みおよび計算処理は、画像中で本発明の方法によって検出された偏光効果を計算し表示するために、写真用カメラ、光学望遠鏡、および、その他のこのような映像化システムを含む様々な映像化システムによって取得された画像に関して実行され得る。
【００３３】
上記の記載は、説明の目的のため、発明の完全な理解を与えるように特定の術語を使用している。しかし、特定の詳細が発明を実施するために必要とされないことは当業者に明白である。本発明の特定の実施形態についての上記の記載は、例示と解説の目的のために示されている。上記の記載は、網羅的であること、または、発明を開示されたそのままの形式に制限することが意図されていない。当然ながら、多数の変更および変形が上記の教示内容に照らして可能である。実施形態は、発明の原理および発明の実際的なアプリケーションを最も良く説明するために明らかにされ、解説され、それによって、当業者が、発明、および、考慮されている特定の使用に適するように様々な変更が加えられた種々の実施形態を最も良く利用できるようにする。発明の範囲は特許請求の範囲に記載された事項およびその均等物によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】簡単な平面偏光波を示す図である。
【図１Ｂ】平面偏光波の電気ベクトルのパスのｚ軸投影を示す図である。
【図２Ａ】図１Ａに示された平面偏光波の２個の直交する同相光波への分解を示す図である。
【図２Ｂ】図１Ｂに示された平面偏光波の２個の直交する同相光波への分解を示す図である。
【図３Ａ】円偏光波を示す図である。
【図３Ｂ】円偏光波を示す図である。
【図３Ｃ】円偏光波を示す図である。
【図４Ａ】楕円偏光を示す図である。
【図４Ｂ】楕円偏光を示す図である。
【図４Ｃ】楕円偏光を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態を表す直線複屈折検出偏光顕微鏡（「ＬＢ顕微鏡」）の一実施形態を示す図である。
【図６】図５に示されたＬＢ顕微鏡の主光学変換ステージを、各変換によって生成された光波のｚ軸投影表現と共に表す図である。
【図７】本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡によって取り込まれた画像の計算解析の導出のための初期説明点として、簡略化された直線複屈折検出システムを表す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡システムの処理コンポーネントにより４ウェイ多重化され４ウェイ解析された画像の取り込みおよび計算処理を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡システムの処理コンポーネントにより４ウェイ多重化され４ウェイ解析された画像の取り込みおよび計算処理を示す図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態を表すＬＢ顕微鏡のＣＣＤカメラによって記録された、４ウェイ偏光子が解析した光学画像の実施例を表す図である。
【図９Ｂ】４ウェイ解析された画像中で検出された偏光現象の表現を表示するコンピュータが生成した出力の実施例を表す図である。
【図１０】本発明の一実施形態を表すコンピュータプログラムのコア画像取り込みおよび画像処理ループの制御フロー図である。
【図１１】図１０のステップ１００８における複屈折、消光角、および、透過の計算の制御フロー図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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