(57)【要約】選択された関心領域から出力するための読出しコントロールと共に能動素子のアレイを使用する撮像装置を開示する。光トラップされた物体を検出するために使用する場合、高速読出し速度は、光トラップの微細制御を可能にし、物体を安定させる。相互に対して移動している物体を制御することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動画素のアレイを含み、１つ以上の物体によって散乱または放出される光を集光するための画像センサと、前記能動画素の全数のうちの選択された部分の出力を読み出すための読出しコントロールと、前記読出しコントロールと通信して前記読出しコントロールによってアドレス指定される能動画素を選択するように構成されたコントローラとを備え、前記選択された能動画素が少なくとも１ｋＨｚの速度で前記読出しコントロールによってアドレス指定されて成る撮像装置。
【請求項２】
前記選択された能動画素が少なくとも１０ｋＨｚの速度で前記読出しコントロールによってアドレス指定される、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記コントローラが、撮像される物体の断面プロファイルに実質的に一致する形状の所定のパターンを形成する能動画素を選択するように構成された、請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記コントローラが、前記物体の周縁プロファイルに実質的に一致する形状の所定のパターンを形成する能動画素を選択するように構成された、請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記コントローラが、変化するパターンを形成する異なるグループの能動画素を順次選択するように構成された、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項６】
物体を証明するための光源をさらに備え、前記画像センサが前記物体によって散乱する照明光を集光する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項７】
レーザ源と、前記レーザ源からの光を集束して１つ以上の光トラップを生成させる１つ以上の光学素子とをさらに備えた、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記画像センサが、光トラップ内の物体によって散乱する前記光トラップからのレーザ光を集光する、請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記光トラップの空間位置を制御するためのトラップコントロールをさらに備えた、請求項７または８のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記コントローラがさらに前記トラップコントロールと通信し、前記コントローラが前記光トラップの位置および前記画像センサから読み出された画像データを解析して前記トラップコントロールに補正調整を生成するように構成された、請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記コントローラが、前記トラップコントロールにフィードバック制御データを提供するように構成された、請求項９または１０のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１２】
試料空間で１つ以上の光トラップを発生させて制御するためのトラップ発生器と、
前記試料空間内の１つ以上の物体の移動を検出するように構成された能動画素のアレイと、
少なくとも１ｋＨｚの速度で前記能動画素の１つ以上の選択された部分集合を読み出すように構成された読出しコントロールと、を備えた装置。
【請求項１３】
前記読出しコントロールと通信し、前記能動画素の１つ以上の部分集合を選択するように構成されたコントローラをさらに備えた、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記コントローラが、前記試料空間内の前記１つ以上の物体の移動に応答して、前記能動画素の１つ以上の部分集合を変更するように構成された、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記コントローラが、前記１つ以上の光トラップの変化に応答して、前記能動画素の１つ以上の部分集合を変更するように構成された、請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記１つ以上の光トラップ内に前記１つ以上の物体を保持するように構成された、請求項１２ないし１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
１つ以上の物体を撮像する方法であって、
前記物体によって散乱または放出される光を、能動画素のアレイを含む能動画素センサで集光するステップと、
前記能動画素の全数の一部分を選択するステップと、
前記能動画素の前記選択部分をアドレス指定するステップと、
前記能動画素センサの前記選択部分の前記アドレス指定を少なくとも１ｋＨｚの速度で繰り返すステップと、を含む方法。
【請求項１８】
前記アドレス指定を繰り返す前記ステップが、少なくとも１０ｋＨｚの速度で行なわれる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記能動画素の前記選択部分が、前記物体の断面プロファイルと実質的に一致する形状のパターンを形成する、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記能動画素センサの前記選択部分が、前記物体の周縁プロファイルと実質的に一致する形状のパターンを形成する、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２１】
アドレス指定された前記能動画素センサの前記選択部分がその後のアドレス指定サイクルで変更されて変動パターンを形成する、請求項１７ないし２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記物体を照明するステップをさらに含み、前記能動画素のアレイが前記物体によって散乱する照明光を集光する、請求項１７ないし２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
１つ以上の前記物体を光トラップするステップをさらに含む、請求項１７ないし２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
１つ以上の前記光トラップを再配置するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記光トラップの位置および前記物体の画像データを解析して、前記光トラップ内に保持された前記１つ以上の物体の位置データを提供するステップをさらに含む、請求項２３または２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記１つ以上の光トラップを再配置する前記ステップで前記物体の前記画像データを使用する、請求項２４または２５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光トラップされた物体の撮像および追跡に特によく適した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光トラッピングは、研究用の微小粒子（ミクロンサイズ以下）を捕獲しかつ保持するために使用することができ、ウィルス、バクテリア、生細胞、およびオルガネラをはじめとする生物学的試料の研究にきわめて有用であることが立証されている。ひとたびトラップされた物体は、ＣＣＤアレイを用いて撮像することができる。しかし、ＣＣＤアレイは、トラップ内の物体の比較的高速でランダムなブラウン運動に対応することができない。したがって、光トラップ内に保持された物体の位置を監視する場合、ＭＨｚの読出し速度を持つ４分割フォトダイオードが一般的に使用される。
【０００３】
光トラップ内の物体の位置を監視するための方法は幾つか知られている。よく使用される方法は、トラップ用ビームまたは２次光源から前方または後方散乱光を、後部焦点面が４分割フォトダイオード上に突出した集光レンズで集光するものである。光トラップされた物体の横方向変位は、４分割ダイオードの対の信号を比較することによって監視される（例えば上部２つと下部２つのダイオードの比較により、垂直運動に関する情報が得られる）一方、軸方向変位はダイオード信号の和の変化を通して監視される。
【０００４】
４分割フォトダイオードの基本的な問題は、幾何学的に単純な物体、特に球状物体の横方向および軸方向の変位を測定することにのみ適していることである。不規則な形状を有する物体の場合、４分割フォトダイオードを用いて横方向および軸方向の変位を分離することは一般的に不可能である。この目的のために、多くの試料が最初に球状ビーズに付着され、次いでそれが光トラップに保持される。
【０００５】
加えて、標準的なインコヒーレント光を用いて複数のトラップされた物体を監視する場合、撮像光の望ましくない分割のみならず、４分割アレイの相対位置を正確に移動させる手段も必要になるので、４分割フォトダイオードは非実用的である。特に、物体が移動トラップ内に保持される場合、４分割アレイの移動を移動トラップのそれと正確に相関させなければならず、さもなければ移動トラップ内の物体の測定位置は不正確になる。
【０００６】
かなり大きいＣＣＤアレイは言うまでもなく、アレイを不必要に移動させることなく、不規則な形状の物体を撮像し、物体の移動を追跡することができる。しかし、比較的遅い読出し速度のため、ＣＣＤアレイはブラウン運動を認識することができない。したがって、結果的に生じる熱雑音は、高感度力測定をはじめとする多くの用途にＣＣＤアレイを不構成にする。
【０００７】
したがって、不規則な形状を有する光トラップされた物体を、ほとんどの熱雑音を解消することのできる速度で、撮像することのできる撮像装置が必要である。さらに、再びほとんどの熱雑音を解消することのできる速度で、撮像光を分解することなく複数の物体を撮像するだけでなく、撮像装置を移動させる必要なく移動トラップ内に保持された物体を撮像することもできる撮像装置が必要である。本発明の目的は、先行技術の上述した不利点の１つ以上を克服する撮像装置を提供することである。
【発明の開示】
【０００８】
したがって、第１態様で、本発明は、１つ以上の物体によって散乱または放出される光を集光するための画像センサであって、能動画素のアレイを含む画像センサと、能動画素の選択された部分の出力を読み出すための読出しコントロールと、読出しコントロールと通信して読出しコントロールによってアドレス指定される能動画素を選択するように構成されたコントローラとを備え、選択された能動画素が少なくとも１ｋＨｚ、好ましくは少なくとも１０ｋＨｚの速度で読出しコントロールによってアドレス指定されて成る、撮像装置を提供する。
【０００９】
能動画素を使用することで、電荷転送の必要性が排除され、したがって撮像装置はＣＣＤアレイより高い読出し速度が可能である。さらに、選択数の画素のみを読み出すことで、撮像装置は、全部でないとしても大部分のブラウン運動を認識できる速度で、従来の４分割フォトダイオードでは不可能な新規の画像データを提供することができる。加えて、選択数の画素のみを読み出すことで、撮像装置は幾つかの物体を高速で同時に撮像することができる。
【００１０】
選択的に読み出される画素の個数および配列は、撮像される物体のみならず、探求される情報によっても異なる。例えば、球状物体の周縁の変化を測定して物体の軸方向変位に関する情報を得るには、円環状の画素を使用することができる。
【００１１】
撮像装置は、撮像される物体を光トラップするための要素、つまりレーザ源と、レーザ源からの光を集束させて物体の空間位置に光トラップを形成するための光学要素（レンズ、ミラー等）とを含むことができる。画像センサは、物体によって散乱した光をレーザトラップから集光することができる。代替的に、撮像装置は物体を照明するためのさらなるコヒーレントまたは非コヒーレント光源を含むことができ、画像センサはこのさらなる光源からの散乱光を集光する。
【００１２】
光トラップが移動するときに、撮像装置は、画像センサを物理的に移動させる必要なく、トラップ内に保持された物体を撮像することができる。読出し手段によって選択的に読み出された画素は関心領域にグループ化され、各関心領域は特定の物体の撮像に応答可能である。特定の物体を保持する光トラップが移動すると、トラップされた物体を追跡するように、関心領域の位置も移動する。
【００１３】
撮像装置はさらに、光トラップの位置を制御するための手段、例えば音響光学偏向器、光学機械偏向器、または空間光変調器を含むことができる。その場合、読出し手段によって取得された画像データを使用して光トラップの位置を制御することができるように、読出し手段および光トラップを制御するための手段はフィードバック構成にすることができる。約１０ｋＨｚ（０．１ｍｓ周期）より高いフィードバックレートで動作することにより、ブラウン運動の圧倒的大部分を認識することができるだけでなく、物体をその所望の位置に引き戻すように光トラップを即座に再配置することによって、トラップされた物体のブラウン変位にも素早く対抗することができる。
【００１４】
上述した特徴はいずれも、
１つ以上の光トラップを試料空間で発生させて制御するためのトラップ発生器と、
試料空間内の１つ以上の物体の移動を検出するように構成された能動画素のアレイと、
少なくとも１ｋＨｚ、および好ましくは少なくとも１０ｋＨｚの速度で能動画素の１つ以上の選択された部分集合を読み出すように構成された読出しコントロールと、
を備えた装置にも使用することができる。
【００１５】
第２の態様で、本発明は、１つ以上の物体を撮像する方法であって、物体によって散乱または放出された光を、能動画素のアレイを含む能動画素センサで集光するステップと、全数の能動画素の一部分を選択するステップと、能動画素の選択部分をアドレス指定するステップと、能動画素センサの選択部分のアドレス指定を少なくとも１ｋＨｚ（１．０ｍｓの読出し周期）、および好ましくは少なくとも１０ｋＨｚの速度で繰り返すステップとを含む方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、試料１０を光トラップしかつ撮像する撮像装置を示す。該装置は、レーザ源１、焦点および視準レンズ２、音響光学偏向器（ＡＯＤ）３、ダイクロイックミラー４、第１対物レンズ５、第２対物レンズ６、照明源７、画像センサ８、ならびにＡＯＤ２および画像センサ８の両方と通信するコンピュータ９を含む。
【００１８】
レーザ源１からの光は焦点および視準レンズ２によって視準され、視準されたビームは第１対物レンズ５によって集束され、試料１０における光トラップを形成する。この構成をトラップ発生器と呼ぶことができる。レーザ源１は、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードレーザ、およびチタンサファイアレーザのような、近赤外領域の波長出力を有する連続波レーザであることが好ましい。生物学的試料は一般的に赤外領域では吸収特性が低い。したがって、トラップされた試料の局所的加熱および潜在的損傷を最小化するために、赤外波長を有するレーザが好ましい。レーザの出力は言うまでもなく、トラップされる試料の性質に依存しており、トラップされた試料がブラウン運動のために逃避したり、あるいは試料が周囲媒体を介して光トラップによって引っ張られたときに逃避できないように、充分に強力であることが理想的である。
【００１９】
ＡＯＤ３は、試料に形成された光トラップの位置を制御するために使用される。さらに、ＡＯＤは、レーザ光を２つ以上の部位の間で高速移動させることによって、つまり各光トラップの滞留時間を好ましくはおよそ５０μｓにして、レーザ光を時間分割することによって、複数のトラップを生成するために使用される。音波がＡＯＤを横切る時間に依存するＡＯＤの応答時間は一般的におよそ１μｓであり、したがってＡＯＤは、トラップの剛性の受け入れられない損失無しに、レーザ光を幾つかのトラップ部位に時間分割することができる。複数の光トラップを生成する好適な方法は、「Creating multiple time-shared laser traps with simultaneous displacement detection using digital signal processing hardware」Analytical Biochemistry 326(2004)153 166と題するGuildfordらの論文に記載されており、その内容を参照によって本書に援用する。
【００２０】
空間光変調器（ＳＬＭ）はＡＯＤの代替物として使用することができる。レーザ光は時間分割ではなく空間分割され、トラップ部位におけるレーザ光の強度は、全レーザ出力のごく一部である。しかし、ＳＬＭ技術は現在、１０ｋＨｚで高速フィードバックを達成するには依然として遅すぎる。さらなる代替物として、複数のレーザ源を使用して複数のトラップを提供することができ、各レーザ源はトラップの位置を制御するためにＡＯＤまたは光学機械偏向器（例えば操縦可能なミラー）を有する。
【００２１】
レーザ源１の光は光トラップを形成するために使用される一方、照明源７の光は、試料１０を照明して画像センサ８上に結像させるために使用される。照明源７からの光は試料１０によって前方散乱し、散乱光のための集光レンズとして働く第１対物レンズ５によって、画像センサ８上に結像される。画像センサ８は、光トラップの散乱光ではなく照明源７の散乱光を集光するので、センサ８によって撮像される物体を光トラップ内に保持する必要が無い。例えば、２つのトラップされたポリスチレンビーズの間にＤＮＡストランドを拘束して伸張させることができる。次いでビーズの１つをトラップから解放してもなお、ストランドの弾性に関する情報を得るために追跡することができる。
【００２２】
画像センサ８は、直接アドレス指定可能な能動画素の５１２×５１２のアレイを含み、各画素のサイズが２５×２５μｍである能動画素センサ（ＡＰＳ）の形を取る。ＡＰＳを使用することで、電荷転送の必要性が排除され、したがって撮像センサはＣＣＤアレイより高い読出し速度が可能である。個々の画素のサイズならびにアレイにおける画素の個数およびそれらの配列は、特定の用途に応じて変えることができる。画像センサ８に様々なフォーマットを使用することができると予想される。
【００２３】
好適な実施形態では、各能動画素は、少なくとも１０ビットの分解能、より好ましくは１６ビットの分解能、および少なくとも１０ｋＨｚの読出し速度のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を有する。ショット雑音を適切に解消するために、各画素センサはおよそ４００，０００ｅ-のウェル深さを有することが好ましい。ショット雑音の低下が要求されることを前提として、画素の有効ウェル深さを増大することができ、あるいは読出し雑音の増大を犠牲にしてウェル付近に追加キャパシタンスを設けることができる。ショット雑音をいっそうよく解消するために、言うまでもなくＡＤＣの分解能を増大させることができる。しかし、ＡＤＣの分解能が増大すると、画像センサ８の読出し速度は当然低減される。代替的に、各画素が１０ビットの解像度を持つことができ、画像センサ８は撮像される物体をオーバーサンプリングする。次いで、１０ビットより高い解像度を達成するために、隣接する画素はビニングされる。ＡＤＣは、必要に応じてチップ上もしくはチップ外または画素上に配置することができ、こうしてオフチップ、オンチップ、列平行、またはオン画素ＡＤＣの間の選択が可能になる。
【００２４】
画像センサ８は、試料１０の画像データを提供するために、コンピュータ９によって制御され、読み出される。各アドレス指定サイクルで直接アドレス指定可能な能動画素のアレイを使用することで、センサアレイ全体を読み出すことを必要とせず、選択された能動画素（利用可能な画素の全数未満）の群だけからの信号を読み出すことができる。以下でさらに詳述するように、この特徴は、第２対物レンズ６の視野内の物体をずっと高い速度で選択的に撮像することを可能にする。
【００２５】
コンピュータ９はまた、光トラップの個数および位置を制御するために、ＡＯＤをも制御する。画像センサ８からコンピュータ９によって取得された画像データは、ＡＯＤおよびしたがって光トラップの位置を制御するために、フィードバックに使用することができる。したがって、トラップされた物体がトラップ位置から漂遊する場合、コンピュータ９は、センサ画像を解析しかつ光トラップの位置に対する全ての必要な補正を決定するプログラミングを含む。次いでこの情報は即座にＡＯＤに伝達され、トラップされた物体が所望のトラップ位置に引き戻されるように、光トラップは迅速に再配置される。
【００２６】
撮像装置は、２つのモードすなわちＶＤＵモードおよび追跡モードのうちの１つで動作することができる。ＶＤＵモードでは、画像センサ８の全ての画素センサがコンピュータ９によって読み出され、画像センサ８は従来のＣＭＯＳカメラとして働く。ＶＤＵモード時には、高倍率の対物レンズを使用して、光トラッピングの前に試料１０を視覚的に配置することができる。ひとたび試料が光トラップされると、撮像装置は追跡モードに切り替えられる。追跡モードで、撮像装置は、第２対物レンズ６の視野内で選択された個数の物体の位置を追跡する。これは、各アドレス指定サイクルで、画像センサ８の選択された画素だけからの出力を読み出すことによって達成される。その結果、画像データがコンピュータ９によって収集される速度は、ＶＤＵモード時より追跡モード時の方がずっと高い。ＶＤＵモードでは、全ての画素センサからの画像データは、ビデオレートで４０ｍｓ毎に取得することができる。しかし、追跡モードでは、画像データは少なくとも１０ｋＨｚ（０．１ｍｓの読出し周期に対応する）の速度で取得される。
【００２７】
図１の撮像装置のレイアウトは単なる実施例として提示したものであり、言うまでもなく代替的配列が可能である。図１の装置では、照明源７からの光が試料１０を撮像するために使用される。この構成は、非トラップ物体を撮像装置によって撮像しかつ追跡することができるという利点を有する。しかし、代替的に、試料をトラップするために使用されるレーザ光を使用して試料を撮像することもできる。加えて、撮像装置は、画像センサ８が前方散乱光ではなく後方散乱光を集光するように、構成することができる。
【００２８】
今から、追跡モードで動作しているときの撮像装置および特に画像センサ８について言及する。追跡モード時に、コンピュータ９は「関心領域」（ＲＯＩ）に対応する画素のみを選択的に読み出す。各ＲＯＩは、視野内の特定の物体を撮像するために応答可能である。アドレス指定サイクルで利用可能な画素の全数のうちの一部分だけを読み出すことによって、画像センサ８の読出し速度は、全ての画素を読み出した場合よりずっと高くなる。したがって、関心領域（ＲＯＩ）を使用することによって、画像センサ８は、比較的高い速度で複数の物体を同時に撮像することが可能である。
【００２９】
関心領域（ＲＯＩ）は、要求される用途に応じて様々なサイズおよび形状を持つように構成することができる。これの明瞭な例は、様々なサイズおよび／または形状の物体を撮像または追跡しようとする場合である。ＲＯＩの個数およびサイズは、画像データが収集される速度を決定する。１０から２０ｋＨｚの間の読出し速度を持つＡＰＳの場合、各ＲＯＩがおよそ３６画素を含む場合の６個のＲＯＩの画像データは、少なくとも１０ｋＨｚ（０．１ｍｓの読出し周期に対応する）の速度で読み出すことができる。ＲＯＩの形状、それらの個数、各ＲＯＩ内の画素数、および読出し分解能の間にはトレードオフがあることは明らかである。高い分解能、つまりより高い１画素当たりビット数は通常、より低速の読出し速度を必要とする。より高い画素数またはＲＯＩの個数はまた、システムの速度をも低下させる。形状が異なると、同一画素数に対して必要になる読出し時間も異なってくる。例えば読出しが行平行の概念に基づく場合、同一行の画素の読出しは、同一列の画素の読出しより速くなる。
【００３０】
図２は、異なる形状およびサイズを有するＲＯＩを示す。図２ａは、物体の横方向移動を測定するのに特によく適した、従来の４分割構成を表わす。他方、図２ｂおよび２ｃは、物体の周縁だけを測定するように意図されている。したがって、エッジ効果をより高感度で測定することができ、それは物体の軸方向の移動を測定するのに特に重要である。周囲媒体と異なる屈折率を有する透明な物体が光軸に沿って変位する場合、ベッケ線またはハローが物体の周縁部に観察される。物体の周縁の変化だけを測定するＲＯＩを使用することにより、軸方向の変位を、現在４分割フォトダイオードを用いて可能であるより正確に、測定することができる。これは不透明な物体にも当てはまり、その場合、軸方向の変位は、物体の周縁のコントラストの変化としてより高感度で測定される。図２ｂのＲＯＩは、球状物体のエッジ効果を測定するように意図されたものである一方、図２ｃに示されたものは、楕円形の物体のエッジ効果を測定するように意図されている。
【００３１】
従来の４分割フォトダイオードでは、回転運動を横方向の移動から分離することが極めて難しく、あるいは事実上不可能であることを立証することができる。しかし、変化する形状およびサイズのＲＯＩを使用することにより、物体の横方向および軸方向の移動のみならず、形状の変化も正確に追跡することができる。
【００３２】
各ＲＯＩの初期形状、サイズ、および位置は、撮像装置が追跡モードに入る前に、ＶＤＵモード中にコンピュータ制御によって視覚的に操作することができる。ひとたび追跡モードに入ると、各ＲＯＩの形状、サイズ、および位置も変化することができる。例えば、物体の横方向および軸方向の位置をそれぞれ測定するために、特定の物体の追跡に応答可能なＲＯＩの形状を図２ａのそれと図２ｂのそれとの間で交互に切り替えることができる。
【００３３】
様々な形状およびサイズを有する物体の位置を正確に追跡することに加えて、本発明の画像センサ８はまた、画像センサ８を物理的に移動させる必要なく、移動トラップ内に保持された物体、または事実上複数の物体を追跡することができる。移動トラップ内の物体の正確な追跡は、多くの用途に、特に、移動する物体が別の物体と接触または近接触するようになる力顕微鏡に、重要である。従来の４分割フォトダイオード検出器では、Guilfordによって採用されたようなコヒーレント干渉技術を使用しない限り、検出器の移動は精密に光トラップのそれをミラーリングしなければならず、さもなければ移動トラップ内の物体の測定位置は不正確になる。しかし、本発明の画像センサ８では、移動トラップ内の物体の位置は、ＲＯＩの位置を移動させることによって円滑に追跡することができ、それにより画像センサ８を物理的に移動させる必要性は解消される。
【００３４】
図３は、その光トラップによって斜め下向きおよび右に引っ張られる物体を示し、ＲＯＩの画素は黒で強調表示される一方、トラップされた物体の位置は破線で示される。簡潔にするために、ＲＯＩは４分割構成を表わす。ＡＯＤ３を制御するコンピュータ９によって光トラップを移動させる前に、ＲＯＩは移動の方向に拡張される。この場合、ＲＯＩは２×２画素から３×３画素に拡張され、画素の追加の行および列はそれぞれ元のＲＯＩの下および右側である。トラップされた物体の位置を得るために、９個の画素全部からの信号が使用される。トラップ内の物体の動きおよびトラップの移動による物体の動きを分離するために、ＲＯＩの個々の画素の信号は、光トラップの実際の位置に従って重み付けされる。各画素に重み付けを行なうために、２×２画素の公称サイズを有する仮想ＲＯＩが光トラップ位置にセンタリングされ、仮想ＲＯＩが重なる各画素の部分が算出される。例えば図３ｂで、光トラップの位置は、十字で示されるように中央画素の中心にある。仮想ＲＯＩは破線で示される。したがって、中央画素は１の重みを有する。中央画素の真上、真下、左、および右の４つの画素は１／２の重みを有し、４隅の画素は各々１／４の重みを有する。光トラップがその最終位置に達すると、ＲＯＩはその公称サイズの２×２画素に戻る。この方法で、画像センサ８を動かす必要なく、移動するトラップ内の物体の位置を正確かつ円滑に追跡することができる。さらに、拡大ＲＯＩを形成する画素の個数は比較的小さいままであるので、画像データ取得の高い速度が維持される。
【００３５】
前述の通り、撮像装置はフィードバックモードで動作することができ、コンピュータ９は、撮像センサ８によって取得された画像データに応答してＡＯＤ３を制御する。ＲＯＩの使用を通して、本発明の撮像装置は、少なくとも１ｋＨｚの速度で（ＲＯＩの個数、形状、およびサイズによって異なる）、一般的には１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの速度で、幾つかのトラップされた物体を監視することができる。次いで画像センサ８から得られた位置データを使用して、光トラップの位置への高速（好ましくは１０ｋＨｚの速度またはそれ以上の高速度）フィードバックが行なわれる。少なくとも１ｋＨｚ、好ましくは１０ｋＨｚより高いフィードバックレートで動作することにより、トラップされた物体のブラウン変位に対し、トラップされた物体をその原位置に引き戻すように光トラップの中心を即座に再配置することによって、素早く対抗することができる。フィードバックモードを使用して、とりわけ定分離力測定または単純にずっと高い剛性のトラップをもたらすこともできる。
【００３６】
高速でＲＯＩを撮像できる結果、上述した撮像装置は、分光学的事象をはじめとする時間分解事象を撮像するためにも使用することができ、その場合、ＲＯＩのサンプリングは、撮像される物体に付加される外部事象／力、例えば物体のフェムト秒またはピコ秒パルス照射と同期される。
【００３７】
該撮像装置は、米国特許第5445011号に記載されているような光トラップ内に保持することのできるマイクロプローブと共に使用することができる。該撮像装置は、その場合、マイクロプローブに加えられる力の大きさおよび方向を測定するために使用することができる。フィードバックで動作するときに、マイクロプローブを感知された力の方向に移動させる（「ハンターモード（hunter mode）」）か、あるいはその反対の方向に移動させる（「ハンテッドモード（hunted mode）」ことができる。代替的に、マイクロプローブは、一定の力が維持されるように制御することができる。感知された力が荷電粒子に由来する場合、該撮像装置およびマイクロプローブ（これは静電気を帯電することがある）を使用して、マイクロプローブによって直接接触することなく、または粒子を光トラップすることによって、粒子を操作することができる。現在、これは、検出器が広い光学場内の粒子を追跡することも、安定した追跡を達成するのに充分な高速度で粒子を相互に対して操作することもできないので、４分割フォトダイオードまたは従来の撮像装置では不可能である。
【００３８】
該撮像装置は、異物が無いか画像センサ８が視野を連続的に監視する、「保護モード」で動作することができる。これは、視野の完全な画像が生成されるようにＶＤＵモードに時々入ることによって達成することができる。代替的に、適切なサイズのＲＯＩ（例えば１行もしくは１列の全画素、または例えば４×４画素の窓）で画像センサを走査して視野全体を撮像することができる。異物粒子が識別されると、粒子は光トラッピングによって、あるいは粒子を光トラップすることができない場合には、光トラッピングにより制御可能なマイクロツール（例えばピンセットとして使用できる１対のガラスビーズ）によって、視野から除去される。
【００３９】
ＲＯＩを使用する際の画像センサ８の高い読出し速度のおかげで、該撮像装置は、視野に入ってくる高速で移動する粒子を素早く検出して捕獲し（例えば光トラッピングによって、または光制御可能なマイクロツールによって）、種類、サイズ、形状、質量等によって粒子を分類することができる。したがって、該撮像装置は、とりわけ環境センシング、製品管理、および細胞分類に用途を有する。
【００４０】
画像センサ８は、物体によって散乱、吸収、または放出される光を直接または間接的に監視することができるので、本発明は、何らかの形の物理的変化、例えば物質の相転移、または化学的変化等を受けている試料を実時間で監視することができる。さらに、画像センサ８の高速読出しは、ＦＴベースの干渉計測深さプロファイリング、ならびに広帯域非コヒーレント光および狭帯域コヒーレント光の両方を用いる位置測定を使用する特定の用途で、ナノメートルないしミクロンスケールの干渉計測トモグラフィを可能にする。
【００４１】
選択された個数の画素センサのみを読み出すことによって、本発明の撮像装置は、ブラウン運動を認識できる速度で、不規則な形状を有する物体の横方向の移動、軸方向の移動、および回転運動を撮像し、かつ追跡することができる。さらに、比較的大きいアレイの画素センサを使用し、一度にその一部分だけを読み出すことで、該撮像装置は幾つかの物体を同時に高速で撮像し追跡することができ、かつ画像センサを物理的に移動させる必要なく、移動するトラップ内の物体の位置を円滑に追跡することができる。
【００４２】
ＲＯＩの個数、形状、およびサイズと共に個々の画素センサの読出し速度によって決定される撮像装置の速度は、利用可能なデータ転送速度および処理能力によって著しく制限される。データ転送速度および処理能力が増大するにつれて、ＲＯＩの個数およびサイズのみならず、個々のセンサの分解能も増大することができる。
【００４３】
該撮像装置は特に、光トラップされた物体の撮像およびその位置の追跡によく適しているが、該装置は、装置の視野内の任意の物体を１ｋＨｚ、好ましくは１０ｋＨｚまたはそれ以上の速度で撮像するために使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る撮像装置を示す図である。
【図２】追跡モードでの動作時に本発明の撮像装置によって選択的に読み出された「関心領域」と呼ばれる例示的画素群を示す図である。
【図３】移動光トラップに保持された物体の、本発明の撮像装置による追跡に関係するステップを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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