(57)【要約】  本発明は、対象物面(40)と画像面(42)を有する結像系(32)の歪みを決定する方法を供する。当該方法は：画像データを解析することによって、イメージセンサ(34)の感光性領域(44)上の画像光スポット(46)の位置を決定する手順(204)；及び、前記画像光スポット(46)へ補助格子(48)の格子点をマッピングするようにマッピング関数をフィッティングさせる手順であって、前記補助格子(48)はプローブ光スポット(6)のブラベー格子(8)と幾何学的に相似する手順；を有する。本発明はまた、対象物面(40)と画像面(42)を有する結像系(32)を用いた試料の撮像方法をも供する。当該方法は：補助格子の格子点に対してマッピング関数を適用することによって、イメージセンサ(34)の感光性領域(44)上の読み出し点を決定する手順(304)であって、前記補助格子はプローブ光スポット(6)のブラベー格子(8)と幾何学的に相似する、手順；及び、前記の感光性領域(44)上の読み出し点から画像データを読み取る手順(305)を有する。また、結像系の歪みを決定する測定システム(10)及び多重スポット光学走査装置(10)も開示されている。
2011530708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物面と画像面を有する結像系の歪みを決定する方法であって：
前記対象物面内にプローブ光スポットのアレイを生成することで、前記プローブ光スポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを前記画像面内に生成する手順であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元のブラベー格子に従って配置される、手順；
イメージセンサを設置する手順であって、前記イメージセンサの設置により該イメージセンサの感光性領域が前記画像光スポットと相互作用する、手順；
前記イメージセンサから画像データを読み取る手順；
前記画像データを解析することによって、前記イメージセンサ上の前記画像光スポットの位置を決定する手順；
前記画像光スポットへ補助格子の格子点をマッピングするようにマッピング関数をフィッティングさせる手順であって、前記補助格子は前記プローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する、手順；
を有する方法。
【請求項２】
前記マッピング関数は回転関数と歪み関数の合成で、
前記回転関数は、前記画像面の全ての点を、前記画像面に対して垂直な軸の周りである角度だけ回転させ、
前記角度は前記画像面の全ての点について同じ角度で、
前記軸は中心点を通過し、
前記歪み関数は、前記画像面の全ての点を、前記中心点に対して半径方向に、半径方向に並進した点へ並進させ、
前記中心点と前記半径方向に並進した点との間の距離は、前記中心点と並進しない元の点との間の距離の関数である、
請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記歪み関数が次式で表される形態を有し、
【数１】
2011530708.tif 000007
太字のrは、前記の画像面の中心点から任意の点へのベクトルで、
太字のr’は、前記中心点から前記半径方向に並進した点へのベクトルで、
βは歪みパラメータで、
γはスケール因子で、
rはベクトルrの長さで、かつ
因子f(β,r)はβとrの関数である、
請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記因子f(β,r)は、f(β,r)=1+βr2によって与えられる、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記のマッピング関数をフッティングさせる手順は、最初に前記回転関数をフィッティングさせる手順；及び
続いて前記歪み関数をフィッティングさせる手順；
を有する、
請求項2に記載の方法。
【請求項６】
前記のマッピング関数をフッティングさせる手順は、最初にスケール因子γをフィッティングさせる手順；及び
続いて歪みパラメータβの値をフィッティングさせる手順；
を有する、
請求項3に記載の方法。
【請求項７】
前記のマッピング関数をフッティングさせる手順は、前記マッピング関数を反復的に決定する手順を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記マッピング関数を情報媒体上に記憶する手順をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
対象物面と画像面を有する結像系の歪みを決定する測定システムであって、
当該測定システムは：
プローブ光スポットのアレイを生成することで、前記プローブ光スポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを前記画像面内に生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；
前記画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、
−  前記イメージセンサと結合する情報処理装置；
を有し、
前記情報処理装置は、請求項1に記載の方法の： 
−  前記イメージセンサからデータを読み出す手順；
−  前記画像光スポットの位置を決定する手順；及び、
−  マッピング関数をフィッティングさせる手順；
の実行を可能にする命令を有する、測定システム。
【請求項１０】
対象物面と画像面を有する結像系を利用して試料を撮像する方法であって：
前記対象物面内に試料を設ける手順；
前記対象物面内つまりは前記試料内にプローブスポットのアレイを生成することで、前記プローブスポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを画像面内に生成する手順であって、前記プローブスポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、手順；
イメージセンサを設置する手順であって、前記イメージセンサの設置により該イメージセンサの感光性領域が前記画像光スポットと相互作用する、手順；
補助格子の格子点に対してマッピング関数を適用することによって、前記のイメージセンサの感光性領域上の読み出し点を決定する手順であって、前記補助格子は前記プローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する、手順；及び、
−  前記の感光性領域上の読み出し点から画像データを読み取る手順；
を有する方法。
【請求項１１】
前記プローブ光スポットのアレイと前記画像光スポットのアレイは前記イメージセンサに対して静止している、請求項10に記載の方法であって、
前記プローブ光スポットのアレイを介して前記試料を走査する手順を有する、方法。
【請求項１２】
請求項1に記載の方法によって前記マッピング関数をフィッティングさせる手順をさらに有する、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
対象物面と画像面を有する結像系；
前記対象物面内にプローブ光スポットのアレイを生成することによって、前記画像面内に画像光スポットのアレイを生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；
前記画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、
前記イメージセンサと結合する情報処理装置；
を有する多重スポット光学走査装置、特に多重スポット光学走査顕微鏡、であって、
前記情報処理装置は、請求項10に記載の方法の： 
−  前記イメージセンサ上の読み出し点を決定する手順；及び
−  前記読み出し点から画像データを読み取る手順；
を実行することを可能にする命令を有する、
多重スポット光学走査装置。
【請求項１４】
前記のイメージセンサの感光性領域は平坦である、請求項13に記載の多重スポット光学走査装置。
【請求項１５】
請求項9に記載の測定システムを有する、請求項13に記載の多重スポット光学走査装置。
【請求項１６】
前記スポット生成装置、前記イメージセンサ、及び前記情報処理装置はそれぞれ、前記測定システムのスポット生成装置、イメージセンサ、及び情報処理装置である、請求項15に記載の多重スポット光学走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物面と画像面を有する結像系の歪みを決定する方法に関する。
【０００２】
本発明はまた、対象物面と画像面を有する結像系の歪みを決定する測定システムにも関する。当該測定システムは：プローブ光スポットのアレイを生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、前記イメージセンサと結合する情報処理装置；を有する。
【０００３】
本発明はさらに、対象物面と画像面を有する結像系を用いた試料の撮像方法にも関する。
【０００４】
本発明はさらに、多重スポット光学走査装置−特に多重スポット光学走査顕微鏡−にも関する。当該多重スポット光学走査装置は：対象物面と画像面を有する結像系；前記対象物面内にプローブ光スポットのアレイを生成することによって、前記画像面内に画像光スポットのアレイを生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；前記画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、前記イメージセンサと結合する情報処理装置；を有する。
【背景技術】
【０００５】
光学走査顕微鏡は、ミクロな試料の解解像度画像を供する十分確立された手法である。この手法によると、1つ以上の明確な高強度光スポットが試料中に生成される。試料は光スポットの光を変調させるので、その光スポットからの光を検出及び分析することで、その光スポットでの試料についての情報が与えられる。試料の完全な2次元又は3次元像は、光スポットに対して試料の相対位置を走査させることによって得られる。その手法には、生命科学（生体試料の検査及び調査）、デジタル病理学（顕微スライドのデジタル画像を用いた病理学）、（たとえば子宮ガン、マラリア、結核のための）自動画像に基づく診断、ラピッドマイクロバイオロジー(RMB)のような微生物スクリーニング、及び産業計測での用途が見いだされている。
【０００６】
試料中に生成された光スポットは、ある方向で光スポットを飛び出す光を収集することによって、その方向から結像されて良い。特に光スポットは透過状態で−つまり、試料の面のうち、その光スポットから遠い面での光を検出することによって−結像されて良い。あるいはその代わりに、光スポットは反射状態で−つまり−結像されても良い。共焦点走査顕微鏡の手法では、光スポットは通常、その光スポットを生成する光学系−つまりスポット生成装置−を介した反射状態で結像される。
【０００７】
特許文献1は、対象物を照射する多数の各独立した集束光スポットのアレイ、及び、各独立したスポットについて対象物からの光を検出する、前記集束光スポットのアレイに対応するアレイ検出器を備える多重スポット走査光学顕微鏡を提案している。スポット列に対してわずかに角度をなした状態でアレイと対象物との相対位置を走査させることによって、その対象物の全領域を、順次照射して、長い画素の列で結像することが可能となる。それにより走査速度は顕著に改善される。
【０００８】
この目的のための必要とされる光スポットのアレイは通常、スポット生成装置によって、そのスポット生成装置からある距離だけ離れた点に、適切に変調されてコリメートされた光ビームから生成される。現状の技術によると、スポット生成装置は、屈折型又は回折型のいずれかである。屈折型スポット生成装置は、たとえばマイクロレンズアレイのようなレンズ系、及び、特許文献2で提案されたような二位相構造のような位相構造を有する。
【０００９】
本願の図に関しては、各異なる図中に現れる参照番号は、同一又は類似の構成要素を表す。
【００１０】
図1は、多重スポット光学走査顕微鏡の一例を概略的に図示している。当該顕微鏡10は、レーザー12、コリメータレンズ14、ビームスプリッタ16、前方検知光検出器18、スポット生成装置20、試料集合体22、走査台30、結像光学系32、画素化された光検出器の形態であるイメージセンサ34、ビデオ処理集積回路(IC)36、及びパーソナルコンピュータ(PC)38を有する。試料集合体22は、カバーガラス24、試料26、及び顕微鏡スライド28で構成されて良い。試料集合体22は、電気モータ（図示されていない）と結合する走査台30上に設けられる。結像光学系32は、光学画像を形成する第1対物レンズ32aと第2対物レンズ32bで構成される。対物レンズ32aと32bは複合対物レンズであっても良い。レーザー12は、コリメータレンズ14によってコリメートされてビームスプリッタ16へ入射する光ビームを放出する。光ビームのうちの透過した部分は、レーザー12の光出力を測定する前方検知光検出器18によって捕獲される。この測定結果は、レーザーの光出力を制御するレーザー駆動装置（図示されていない）によって用いられる。光ビームのうち反射した部分はスポット生成装置20へ入射する。スポット生成装置20は入射光ビームを変調させることで、試料26内に（図2に図示された）プローブ光スポット6のアレイを生成する。結像光学系32は、試料26の位置と一致する対象物面40、及び、画素化された光検出器32の感光性表面44と一致する画像面42を有する。結像光学系32は、走査スポットのアレイによって照射された試料26の光学画像を画像面44内に生成する。よって画像光スポットのアレイは画素化された光検出器34の感光性領域44上に生成される。光検出器34から読み出されるデータは、ビデオ処理IC36によって、デジタル画像へ処理される。そのデジタル画像は表示され、場合によってはPC38によってさらに処理される。
【００１１】
図2では、図3に図示された試料26内に生成された光スポットのアレイ6が概略的に表されている。アレイ6は、ピッチpの正方形基本セルを有する長方形の格子に沿って配置される。グリッドの2つの主軸は、それぞれx方向とy方向にとられる。アレイは、x方向又はy方向に対してスキュー角γをなす方向で、試料全体を走査する。そのアレイは、(i,j)のラベルが付されたLx×Lyのスポットを有する。ここでiとjはそれぞれ、1〜Lx及びLyまでの値をとる。各スポットは、x方向に線81,82,83,84,85,86を走査する。隣接線間のy方向での間隔はR/2である。ここでRは解像度で、R/2はサンプリング間隔である。解像度は、psinγ=R/2とpcosγ=LxR/2によって角度γと関係づけられる。走査された「ストライプ」の幅はw=LR/2である。試料は速度vで走査されることで、（単位時間内での走査面積内の）処理能力はwv=LRv/2となる。明らかに、処理能力の点では高走査速度は有利である。しかし走査方向に沿った解像度はv/fで与えられる。ここでfはイメージセンサのフレームレートである。
【００１２】
試料を走査しながらイメージセンサのどの基本領域からも強度データを読み取ることで、走査プロセスは非常に遅くなってしまうおそれがある。従って画像データは通常、画像光スポットの予測位置と一致するそれらの基本領域からのみ読み取るようにする。通常、画像光スポットの位置は、試料を走査する前の予備手順において、格子を記録された画像に適合させることによって決定される。格子を適合させるのは、スポット間の相関を考慮せずにスポットの位置を決定する手順と比較して、ある特定の利点を有する。第1には、測定誤差の影響を受けにくいことがある。第2に、スポットの個々の位置を記憶させる必要がなくなることがある。第3に、格子パラメータのスポット位置を計算することは、メモリからスポット位置を読み出すよりもはるかに迅速に行うことが可能なことである。
【００１３】
問題は、光学結像系−たとえば図1を参照しながら上で述べたレンズ系32−は一般に、歪みに悩まされることである。この歪みは樽型歪み又は糸巻型歪みのいずれも考えられ、その結果として生成された画像が内向き又は外向きに膨らんでしまう。この歪みは一般に、光学レンズ又は曲面レンズを有する全てのカメラ、顕微鏡、及び望遠鏡においてある程度は現れる。歪みは、長方形の格子を曲がった格子へ変形させる。その結果、ブラベー格子を記録された画像スポットへ適合させる手順は適切に機能しなくなる。一部の格子点では、実際のスポットは顕著に変位する。その結果、複数の格子点の近傍での強度が複数のスポットの近傍での強度に対応せず、デジタル画像中にアーティファクトが生じる。従来の光学顕微鏡と比較して、光学結像系による歪みの効果は、多重スポット走査光学系によって生成される画像中においてより顕著である。従来の光学系−たとえば従来の光学顕微鏡又はカメラ−では、歪みの効果は画像の角部ではより抑制される。対照的に、多重スポット走査光学系の場合では、歪みの効果はデジタル画像全体に分布する。これは、上述した図2から導くことができるように、隣接する走査線が、光学系の視野全体にわたって相当程度に分布するスポットを起源とすることが可能なことに起因する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第6248988号明細書
【特許文献２】国際公開第2006/035393号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、結像系の歪みを測定する方法及び装置の提供である。本発明の他の目的は、画質が改善されたデジタル画像を生成する方法及び光学走査装置の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的は独立請求項の特徴部によって実現される。さらなる詳細及び好適実施例は従属請求項に概要が記載されている。
【００１７】
本発明の第1態様によると、結像系の歪みを決定する方法は：
−  対象物面内にプローブ光スポットのアレイを生成することで、前記プローブ光スポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを画像面内に生成する手順であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元のブラベー格子に従って配置される、手順；
−  イメージセンサを設置する手順であって、前記イメージセンサの設置により該イメージセンサの感光性領域が前記画像光スポットと相互作用する、手順；
−  前記イメージセンサから画像データを読み取る手順；
−  前記画像データを解析することによって、前記イメージセンサ上の前記画像光スポットの位置を決定する手順；
−  前記画像光スポットへ補助格子の格子点をマッピングするようにマッピング関数をフィッティングさせる手順であって、前記補助格子はプローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する手順；
を有する。
【００１８】
本明細書において、マッピング関数は、ある面の任意の点をその面の他の点へ移すと解されている。よってマッピング関数は、結像系の歪みを示す。さらに、マッピング関数は、1つ以上のパラメータに依存する既知の関数であると推定されている。よってマッピング関数のフィッティングには、これらのパラメータの値の調節が含まれる。1つ以上のパラメータはたとえば、マッピングされた補助格子点と画像光スポットの位置との間での平均偏差を最小化するように調節されて良い。ブラベー格子が2次元である場合では、5種類ある既存のブラベー格子−斜交格子、長方形格子、中心を有する長方形格子、六角格子、及び正方格子−のいずれであっても良い。補助格子はプローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似である。補助格子は、プローブ光スポットの格子と同一種類のブラベー格子である。よって2つの格子は、せいぜい、サイズと画像面内での配向が異なるくらいである。ブラベー格子に従ってプローブ光スポットを配置することは特に有利である。なぜなら歪み以外のパラメータ−特に補助格子に対する画像光スポットの歪んだ格子の配向及び補助格子に対する画像光スポットの歪んだ格子のサイズ比−を迅速に識別することが可能となるからである。
【００１９】
マッピング関数は、回転関数と歪み関数の合成であって良い。回転関数は、画像面の全ての点を、その面に対して垂直な軸の周りである角度だけ回転させる。その回転角はその画像面の全ての点について同じ角度で、その軸は中心点を通過する。歪み関数は、画像面の全ての点を、中心点に対して半径方向に、半径方向に並進した点へ並進させる。中心点と並進した点との間の距離は、中心点と並進しない元の点との間の距離の関数である。中心点−つまり回転軸が画像面を交差している点−は、画像領域の中心に位置して良い。回転軸は特に、結像系の光軸と一致して良い。しかしこれは必ずしも一致しなくても良い。回転軸は、画像面内の任意の点を通過して良い。たとえ実際にはセンサによって捕獲される画像面の一部の外側に位置する点を通過しても良い。よって「中心」という語は歪みの中心を指称するのであって、たとえば画像領域又はイメージセンサの感光性領域の中間点を指称するのではない。プローブ光スポットの補助格子とブラベー格子がある角度で相互に回転する場合には、回転関数が必要である。たとえば補助格子の補助格子の格子ベクトルのうちの1つがイメージセンサの感光性領域の端部の1つに対して平行となるように、その補助格子が画定される一方で、画像光スポットの格子の対応する格子ベクトルと感光性領域の端部は0°ではない角度を画定する。歪み関数に関しては、中心点と並進された点との間の距離は特に、中心点と並進されない元の点との間の距離の非線形関数であって良い。
【００２０】
歪み関数は次式のような形態を有して良い。
【００２１】
【数１】
2011530708.tif 000003
ここで、太字のrは画像面の中心点から任意の点へのベクトル、太字のr’は中心点から半径方向に並進した点へのベクトル、βは歪みパラメータ、γはスケール因子、rはベクトルrの長さで、因子f(β,r)はβとrの関数である。
【００２２】
因子f(β,r)は、f(β,r)=1+βr2によって与えられて良い。よって歪み関数は次式によって与えられる。
【００２３】
【数２】
2011530708.tif 000004
上式は当技術分野において周知である。
【００２４】
マッピング関数をフィッティングさせる手順は、最初に回転関数をフィッティングさせて、その後歪み関数をフィッティングさせる手順を有して良い。回転関数はたとえば、歪みの効果を無視することができる感光性領域の中心部分にのみ関連する記録された画像データにフィッティングされて良い。一旦回転関数が決定されると、少なくとも近似的には歪み関数はより容易にフィッティングさせることができる。当然のこととして、マッピング関数は歪み関数と共にさらに調節されて良い。
【００２５】
マッピング関数をフィッティングさせる手順は、最初にスケール因子γをフィッティングさせ、その後に歪みパラメータβの値をフィッティングさせる手順を有して良い。スケール因子γはたとえば、歪みの効果を無視することのできる感光性領域の中心部分に関連するデータから、少なくとも近似的に決定されて良い。
【００２６】
マッピング関数をフィッティングさせる手順では、マッピング関数が反復的に決定されて良い。マッピング関数はたとえば、汎用的なアルゴリズム又は最急降下法によって決定されて良い。
【００２７】
マッピング関数は情報媒体上に記憶されて良い。ここで「マッピング関数の記憶」とは、マッピング関数を表すのに必要なすべてのパラメータ−たとえば回転角や歪みパラメータ−を記憶することを意味する。マッピング関数は特に、イメージセンサと結合する情報処理装置のランダムアクセスメモリ内に記憶されて良い。
【００２８】
本発明の第2態様によると、結像系の歪みを決定する測定システムは：
−  プローブ光スポットのアレイを生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；
−  画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、
−  前記イメージセンサと結合する情報処理装置；
を有する。前記情報処理装置は、請求項1に記載の方法の以下の手順の実行を可能にする命令を有する。前記以下の手順とは：
−  前記イメージセンサからデータを読み出す手順；
−  前記画像光スポットの位置を決定する手順；及び、
−  マッピング関数をフィッティングさせる手順；
である。
イメージセンサは特に、画素化されたイメージセンサ−たとえば画素化された光検出器−であって良い。情報処理装置は集積回路、PC、又は他の種類のデータ処理手段−具体的には任意のプログラム可能な情報処理装置−を有して良い。
【００２９】
本発明の第3態様によると、試料を撮像する方法は：
−  対象物面内に試料を設ける手順；
−  前記対象物面内つまりは前記試料内にプローブスポットのアレイを生成することで、前記プローブスポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを画像面内に生成する手順であって、前記プローブスポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、手順；
−  感光性領域が前記画像光スポットと相互作用するようにイメージセンサを設ける手順；
−  補助格子の格子点に対してマッピング関数を適用することによって、イメージセンサの感光性領域上の読み出し点を決定する手順であって、前記補助格子はプローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する、手順；及び、
−  前記の感光性領域上の読み出し点から画像データを読み取る手順；
を有する。
イメージセンサは特に、画素化されたイメージセンサ−たとえば画素化された光検出器−であって良い。画像データを読み取る手順は、読み出された集合(set)から画像データを読み取る手順を有して良い。ここで、前記読み出された集合の各々は対応する読み出し点に関連し、かつ
前記イメージセンサの1つ以上の画素を有し、前記1つ以上の画素は対応する読み出し点（の付近）に位置する。
【００３０】
プローブ光スポットのアレイと画像光スポットのアレイはイメージセンサに対して静止して良い。よって当該方法は、プローブ光スポットのアレイを介して試料を走査する手順を有して良い。それによりプローブ光スポットのアレイは試料に対して変位して良いので、前記試料上の様々な位置を探索することができる。
【００３１】
当該方法はさらに、本発明の第1態様による方法によってマッピング関数をフィッティングさせる手順を有して良い。
【００３２】
本発明の第4態様によると、多重スポット光学走査装置のイメージセンサと結合する情報処理装置は、本発明の第3態様を参照しながら述べた方法に係る以下の手順を実行することを可能にする命令を有する。前記以下の手順とは：
−  前記イメージセンサ上の読み出し点を決定する手順；及び
−  前記読み出し点から画像データを読み取る手順；
である。
よってイメージセンサ上の読み出し点は自動的に決定されて良く、かつ画像データは自動的に読み出し点から読まれて良い。マッピング関数は、本発明の第1態様を参照しながら述べた方法によって決定された。マッピング関数はたとえば、上で紹介した歪みパラメータβによって特徴付けられて良い。
【００３３】
イメージセンサの感光性領域は平坦であって良い。画像の歪みのほとんどは、略曲面の感光性領域を有するイメージセンサを用いることによって補償されても良いことに留意して欲しい。しかし、平坦なイメージセンサは、曲面のものよりもはるかに製造するのが単純であり、かつ平坦なイメージセンサを用いるときに通常生じる歪みの問題は、上述したように、適切な方法で読み出し点を決定することによって解決することができる。
【００３４】
多重スポット光学走査装置は、本発明の第2態様に関連して述べた測定システムを有して良い。これにより、多重スポット光学走査装置自体によるマッピング関数のフィッティングが可能となる。
【００３５】
この場合、スポット生成装置、イメージセンサ、及び情報処理装置はそれぞれ、測定システムのスポット生成装置、イメージセンサ、及び情報処理装置であって良い。よってこれらの構成要素の各々は2つの目的のために使用されて良い。前記2つの目的とは具体的に、結像系の歪みの決定と試料の探索である。
【００３６】
まとめると、本発明は、多重スポット走査光学装置−特に多重スポット走査光学顕微鏡−の光学結像系で一般的な歪みによって生じるアーティファクトを補正する方法を与える。光学装置内のスポットのアレイに係る既知の規則性は、最初にその光学結像系に存在する樽型又は糸巻き型のレンズ歪みを測定し、その後補正するのに利用されて良い。それにより多重スポット顕微鏡によって生成された画像中での前記歪みによって生じたアーティファクトは、完全に除去されないにしても顕著に緩和される。当該方法は一般的に、多重スポット装置により取得された画像の改善を可能にする。同時に当該方法は、同程度の画質を維持しながら強い樽型歪みを有する安価なレンズの使用を可能にする。それに加えて、ここでまとめられた本発明は、多くの種類の光学系のレンズ歪みの測定に用いられて良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】多重スポット光学走査装置の一例を概略的に図示している。
【図２】試料内部に生成された光スポットのアレイを概略的に図示している。
【図３】画像光スポットの記録されたアレイと補助格子を図示している。
【図４】図3に図示された画像光スポットの記録されたアレイとマッピングされた補助格子を図示している。
【図５】回転関数を図示している。
【図６】歪み関数を図示している。
【図７】本発明の第1態様による方法のフローチャートである。
【図８】本発明の第3態様による方法のフローチャートである
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図3には、図1を参照しながら述べたイメージセンサ34の感光性領域44が表されている。また結像光学系32によって感光性領域44上に集光された画像光スポット46も表されている。図1に図示されたプローブ光スポット6のブラベー格子8と幾何学的に相似する補助的ブラベー格子46もまた表されている。補助的ブラベー格子48のサイズと配向の選択は、補助的ブラベー格子48の格子点−つまり格子48を図示するのに用いられる線の交差点−が感光性領域44の中心点を取り囲む領域内の画像光スポット48と一致し、かつ前記中心点が、結像系34の光軸（図示されていない）が感光性領域を交差する点となるようなものである。画像光スポット46が目に見えるものである一方で、補助格子48は抽象的な概念であることに留意して欲しい。記録された光強度が読み出される感光性領域44上の読み出し点を決定する単純な方法は、読み出し点として補助格子48の格子点を選ぶことである。しかし結像系32の樽型歪みのため、補助格子48の点と画像光スポット46との間での一致は、感光性領域44の角部付近ではかなり不十分である。その一致は感光性領域44の中心で完全な一方で、問題の点と画像の中心との間での距離に関しては悪化する。よって記録された強度が補助的ブラベー格子の格子点で読み出された場合、その読み出し点で記録された強度は一般に、画像光スポット46の位置での強度よりもはるかに大きくなるので、試料のデジタル画像中には相当のアーティファクトが生じることになる。
【００３９】
図4には、図3を参照しながら述べた感光性領域44と画像光スポット46が図示されている。また歪んだ格子50も示されている。歪んだ格子50は、ブラベー格子48の各格子点に、図の面（つまり図1の画像面42）の任意の点をその図の面の他の点に移すマッピング関数を適用することによって、図3を参照して述べた補助的ブラベー格子48から得られる。マッピング関数は、最も一般的な形式では、並進、回転、及び歪みの合成である。しかし格子の周期性のため、並進関数は無視しても良い。図示された例では、マッピング関数は、最初にイメージセンサの感光性領域44の全体を解析して画像光スポット46の位置を求め、その後、歪んだ格子50の各格子点が対応する画像光スポット46の位置と一致するように歪みパラメータβをフィッティングさせることによって決定された。よって歪んだブラベー格子50の格子点は、読み出し点として選ばれる。読み出し点を網羅する感光性領域44の画素から強度データのみを抽出することによって、図1に図示されたプローブ光スポット6の位置での図1に図示された試料についての正しい（アーティファクトの存在しない）情報が得られる。ブラベー格子48の格子点ではなく歪んだブラベー格子50の格子点でのスポット強度が取得されるモードで多重スポット顕微鏡を動作させることで、結果として得られた画像の強度とコントラストにおいてアーティファクトは顕著に小さくなる。付加的利点として、この歪みが補償された読み出し点を求める方法はまた、光学系の歪み特性（歪み軸及び強度）を元に戻す。
【００４０】
よって多重スポット画像における歪みを除去する提案された方法は2つの手順を有する。第1の手順は、スポットアレイの既知の規則構造を利用することによって、光学結像系の実際の樽型又は糸巻き型のレンズ歪みに係るパラメータを測定することである。第2の手順は、個々のスポットについての強度データが取得されるイメージセンサ上での位置を調節することである。本発明によると、いずれの手順も、イメージセンサから取得されたデジタル画像を利用することによって、デジタルの分野で有利に実行される。
【００４１】
スポットアレイの規則構造を利用することによってレンズ歪みを測定するわかりやすい方法は反復である。補助的ブラベー格子48がセンサ画像注のスポットの記録された配置に適合するまで、補助的ブラベー格子48を繰り返し歪ませることによって、（複数の）レンズ（系）の歪みパラメータが得られる。
【００４２】
たとえば正方格子の場合では、スポット(i,j)の位置（ここでi,jは整数である）は次式によって与えられる。
【００４３】
【数３】
2011530708.tif 000005
ここでベクトルr0は画像の中心で、かつx軸とy軸はアレイの方向にとられた。よって歪んだ格子はスポット(i,j)の位置を次式で与える。
【００４４】
【数４】
2011530708.tif 000006
βはレンズ歪みを表すパラメータ（樽型ではβ>0で、糸巻き型ではβ<0）である。先の手順で少なくとも近似的には独立して決定することが可能な間隔pと場合によって回転角は別として、フィッティングされる必要は1つしか存在しない。それは具体的には歪みパラメータβである。
【００４５】
よって擬似的に任意の光学結像系の歪みは、スポットのアレイによって前記光学結像系の領域を照射し、記録された画像全体にわたって歪んだアレイをフィッティングさせることによって測定可能である。これは、長期間にわたってあり得る歪みの変化を監視するため、連続的に行われて良い。
【００４６】
図3に図示された歪みによるデジタル画像の画質に通常は影響を及ぼす誤差が補正される一方で、個々のスポットの強度データはイメージセンサのデータから抽出される。画像スポット46が（図1に図示された）プローブスポット6の歪んでいない投影の場合に画素から強度データを抽出する代わりに、強度データは、画像スポット46の実際の位置でサンプリングされることで、（複数の）レンズ（系）の歪みが考慮される。
【００４７】
図5と図6はそれぞれ、回転（回転関数）と歪み（歪み関数）を概略的に表している。
【００４８】
図5を参照すると、回転関数は、画像面42の全ての点を、その面に対して垂直な軸の周りで、回転角68だけ回転させる。回転角68はその画像面42の全ての点について同じ角度である。その軸は中心点54を通過する。元の点56と回転された点60との間の角68と、元の点58と回転した点62との間の角70の大きさは等しい。
【００４９】
図6を参照すると、歪み関数は、画像面の全ての点を、中心点に対して半径方向に、半径方向に並進した点へ並進させる。中心点54と並進した点64との間の距離は、中心点54と並進しない元の点との間の距離の関数である。従って元の点56が半径方向に並進した点64へ半径方向に並進される一方で、元の点58は半径方向に並進された点66へ半径方向に並進される。
【００５０】
ここで図7を参照すると、図1に図示された結像系32の歪みを測定する方法の一例が示されている（図7に現れない参照符号の全てについては図1〜6を参照のこと）。当該方法は手順200で開始される。続く手順201では、対象物面内にプローブ光スポット6のアレイが生成される。それにより対応する画像光スポット46のアレイが画像面42内に生成される。プローブ光スポット6は1次元又は2次元のブラベー格子8に従って配置される。手順201と同時に行われる手順202では、イメージセンサ34は、該イメージセンサ34の感光性領域44が画像光スポット46と相互作用するように設けられる。手順202と同時に行われる手順203では、画像データがイメージセンサ34から抽出される。続く手順204では、イメージセンサ34上での画像光スポット46の位置が、画像データを解析することによって決定される。続く手順205では、補助格子48の格子点を画像光スポット46の決定された位置へ移すようにマッピング関数がフィッティングされる。ここで補助格子48はプローブ光スポット6のブラベー格子8と幾何学的に相似である。続く手順206では、マッピング関数を特徴付ける少なくとも1つのパラメータ−特に少なくとも1つの歪みパラメータ−が、PCのランダムアクセスメモリ(RAM)内に記憶されることで、マッピング関数は、たとえばイメージセンサ34の感光性領域44上の読み出し点を定めるのに利用可能となる。
【００５１】
図7を参照しながら述べた方法は、結像系32を調節するフィードバックループを有して良い。この場合、手順205に続いて結像系32を調節する手順（図示されていない）が行われる。この手順では、結像系32の歪みを減らすように、たとえばレンズを移動させることによって、又は、たとえば流体レンズの場合ではレンズの曲率を変化させることによって、結像系32は調節される。その調節は、反復的な「試行錯誤の」プロセスであって良い。先の手順205で決定されたマッピング関数の関数として結像系32を調節することによって、調節プロセスの速度は増大する。結像系32の調節後、プロセスは手順203へ戻る。このプロセスは、たとえば結像系における温度変化又は他の変化を補償するため、歪みを安定な状態に保持するのに用いられて良い。
【００５２】
ここで図8を参照すると、図1に図示された結像系32の歪みを測定する方法の一例が示されている（図8に現れない参照符号の全てについては図1〜6を参照のこと）。当該方法は、図1を参照しながら例示的に述べた対象物面40と画像面42を有する結像系32を利用する。当該方法は手順300で開始される。続く手順301では、試料−たとえば生体細胞を含む透明スライド−が対象物面40内に設けられる。同時にプローブ光スポット6のアレイが対象物面40内に生成され、ひいては試料中に生成される。ここでプローブ光スポット6は1次元又は2次元のブラベー格子8に従って配置される。それにより対応する画像光スポット46のアレイが画像面42内に生成される（手順302）。同時にイメージセンサ34は、該イメージセンサ34の感光性領域44が画像光スポット46と相互作用するように設けられる（手順303）。たとえば手順301前の準備手順として実行されても良い手順304では、イメージセンサ34の感光性領域44の読み出し点は、マッピング関数を補助格子48の格子点に適用することによって決定される。ここで補助格子48はプローブ光スポット6のブラベー格子8と幾何学的に相似である。マッピング関数は、手順304に先行する手順においてPC38のメモリから読み取ることができるパラメータ−具体的には−少なくとも1つの歪みパラメータ−で定められて良い。続く手順305では、画像データが、感光性領域44上の読み出し点から読まれる。画像データは、可視像が生成されるようにPC38によってさらに処理される。
【００５３】
図8を参照しながら述べた方法の変化型では、イメージセンサ34の読み出しフレームあたり、たとえば1回の走査を行う間に、結像系32の歪みは何回も測定及び補償される。これは、手順304と305にわたるループ（図示されていない）によって表されて良い。そのループはさらに、手順304の前に実行されるマッピング関数を決定する手順（図示されていない）を有する。
【図１】
2011530708.tif 000008
【図２】
2011530708.tif 000009
【図３】
2011530708.tif 000010
【図４】
2011530708.tif 000011
【図５】
2011530708.tif 000012
【図６】
2011530708.tif 000013
【図７】
2011530708.tif 000014
【図８】
2011530708.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月15日(2011.2.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物面と画像面を有する結像系の歪みを決定する方法であって：
前記対象物面内にプローブ光スポットのアレイを生成することで、前記プローブ光スポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを前記画像面内に生成する手順であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元のブラベー格子に従って配置される、手順；
イメージセンサを設置する手順であって、前記イメージセンサの設置により該イメージセンサの感光性領域が前記画像光スポットと相互作用する、手順；
前記イメージセンサから画像データを読み取る手順；
前記画像データを解析することによって、前記イメージセンサ上の前記画像光スポットの位置を決定する手順；
前記画像光スポットへ補助格子の格子点をマッピングするようにマッピング関数をフィッティングさせる手順であって、前記補助格子は前記プローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する、手順；
を有する方法。
【請求項２】
前記マッピング関数は回転関数と歪み関数の合成で、
前記回転関数は、前記画像面の全ての点を、前記画像面に対して垂直な軸の周りである角度だけ回転させ、
前記角度は前記画像面の全ての点について同じ角度で、
前記軸は中心点を通過し、
前記歪み関数は、前記画像面の全ての点を、前記中心点に対して半径方向に、半径方向に並進した点へ並進させ、
前記中心点と前記半径方向に並進した点との間の距離は、前記中心点と並進しない元の点との間の距離の関数である、
請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記歪み関数が次式で表される形態を有し、
【数１】
2011530708.tif 000016
太字のrは、前記の画像面の中心点から任意の点へのベクトルで、
太字のr’は、前記中心点から前記半径方向に並進した点へのベクトルで、
βは歪みパラメータで、
γはスケール因子で、
rはベクトルrの長さで、かつ
因子f(β,r)はβとrの関数である、
請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記因子f(β,r)は、f(β,r)=1+βr2によって与えられる、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記のマッピング関数をフッティングさせる手順は、最初に前記回転関数をフィッティングさせる手順；及び
続いて前記歪み関数をフィッティングさせる手順；
を有する、
請求項2に記載の方法。
【請求項６】
前記のマッピング関数をフッティングさせる手順は、最初にスケール因子γをフィッティングさせる手順；及び
続いて歪みパラメータβの値をフィッティングさせる手順；
を有する、
請求項3に記載の方法。
【請求項７】
前記のマッピング関数をフッティングさせる手順は、前記マッピング関数を反復的に決定する手順を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記マッピング関数を情報媒体上に記憶する手順をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
対象物面と画像面を有する結像系の歪みを決定する測定システムであって、
当該測定システムは：
プローブ光スポットのアレイを生成することで、前記プローブ光スポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを前記画像面内に生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；
前記画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、
前記イメージセンサと結合する情報処理装置；
を有し、
前記情報処理装置は、請求項1に記載の方法の： 
前記イメージセンサからデータを読み出す手順；
前記画像光スポットの位置を決定する手順；及び、
マッピング関数をフィッティングさせる手順；
の実行を可能にする命令を有する、測定システム。
【請求項１０】
対象物面と画像面を有する結像系を利用して試料を撮像する方法であって：
前記対象物面内に試料を設ける手順；
前記対象物面内つまりは前記試料内にプローブスポットのアレイを生成することで、前記プローブスポットのアレイに対応する画像光スポットのアレイを画像面内に生成する手順であって、前記プローブスポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、手順；
イメージセンサを設置する手順であって、前記イメージセンサの設置により該イメージセンサの感光性領域が前記画像光スポットと相互作用する、手順；
補助格子の格子点に対してマッピング関数を適用することによって、前記のイメージセンサの感光性領域上の読み出し点を決定する手順であって、前記補助格子は前記プローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する、手順；及び、
前記の感光性領域上の読み出し点から画像データを読み取る手順；
を有する方法。
【請求項１１】
前記プローブ光スポットのアレイと前記画像光スポットのアレイは前記イメージセンサに対して静止している、請求項10に記載の方法であって、
前記プローブ光スポットのアレイを介して前記試料を走査する手順を有する、方法。
【請求項１２】
請求項1に記載の方法によって前記マッピング関数をフィッティングさせる手順をさらに有する、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
対象物面と画像面を有する結像系；
前記対象物面内にプローブ光スポットのアレイを生成することによって、前記画像面内に画像光スポットのアレイを生成するスポット生成装置であって、前記プローブ光スポットは1次元又は2次元ブラベー格子に従って配置される、スポット生成装置；
前記画像光スポットのアレイとの相互作用が可能となるように配置された感光性領域を有するイメージセンサ；及び、
前記イメージセンサと結合する情報処理装置；
を有する多重スポット光学走査装置、特に多重スポット光学走査顕微鏡、であって、
前記情報処理装置は、請求項10に記載の方法の： 
補助格子の格子点に対してマッピング関数を適用することによって、前記イメージセンサ上の読み出し点を決定する手順であって、前記補助格子は前記プローブ光スポットのブラベー格子と幾何学的に相似する、手順；及び
前記読み出し点から画像データを読み取る手順；
を実行することを可能にする命令を有する、
多重スポット光学走査装置。
【請求項１４】
前記のイメージセンサの感光性領域は平坦である、請求項13に記載の多重スポット光学走査装置。
【請求項１５】
請求項9に記載の測定システムを有する、請求項13に記載の多重スポット光学走査装置。
【請求項１６】
前記スポット生成装置、前記イメージセンサ、及び前記情報処理装置はそれぞれ、前記測定システムのスポット生成装置、イメージセンサ、及び情報処理装置である、請求項15に記載の多重スポット光学走査装置。
【国際調査報告】
2011530708.tif 000017
2011530708.tif 000018
2011530708.tif 000019