(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析方法であって、
画素に結像する光の、光学フィルタに入射するフィルタ入射角度を検出するフィルタ入射角度検出ステップと、
フィルタ入射角度に対応する光学フィルタのフィルタ帯域のシフト量を得るシフト量取得ステップと、
前記検体の種類を識別するステップと、
前記シフト量と前記検体の種類に応じた補正係数を設定する補正係数設定ステップと、
前記補正係数を用いて輝度値または輝度値に相当する値を補正する補正ステップと、
前記補正ステップで補正した補正値に基づいて検体の濃度情報を得る濃度取得ステップと
を有する分析方法。
【請求項２】
試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析装置であって、
画素に結像する光の、光学フィルタに入射するフィルタ入射角度を検出するフィルタ入射角度検出手段と、
フィルタ入射角度に対応する光学フィルタのフィルタ帯域のシフト量を得るシフト量取得手段と、
前記検体の種類を識別する識別手段と、
前記シフト量と前記検体の種類に応じた補正係数を設定する補正係数設定手段と、
前記補正係数を用いて輝度値または輝度値に相当する値を補正する補正手段と、
前記補正手段で補正した補正値に基づいて検体の濃度情報を得る濃度取得手段と
を備えた分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサを用いて検体の濃度情報を得る分析方法および分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試験片に担持された検体の濃度情報を得る従来の分析装置の構成を図５に示す。従来の分析装置では、光源１からの光を、検体２が担持された試験片３に照射し、その試験片３からの散乱光（または透過光や反射光の場合もある）を、レンズ４、絞り５、光学フィルタ６等により構成される光学系を通して、ＣＣＤなどからなるイメージセンサ７に照射させて結像させ、イメージセンサ７の各画素（ここで、図５において、画素Ｏは光学系の中心軸線である光軸Ｚの位置にある画素を示し、画素Ａは光軸から外れた画素を示す）にて得られる光の光量を画素出力値に変換して分析することで、試験片３に担持された検体２の濃度を定量化するよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−５１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記従来構成の分析装置において、試験片３に担持された検体２の濃度を求めるには検体２からの光（散乱光量、透過光量、または反射光量）をイメージセンサ７の画素にて取得することが必要であり、その画素出力値は、それぞれ波長特性を持った光源１、検体２、およびイメージセンサ７において、光源１の光量と、検体２の散乱強度と、イメージセンサ７の感度との積から得られる波長特性のうち、光学フィルタ６の透過波長帯域を満たす範囲の積分値として得られる。
【０００４】
例えば、図６、図７に示すように、波長に対して図６（ａ）に示すような光量分布を持つ光源１と、図６（ｂ）に示すような散乱特性を持つ検体２と、図６（ｃ）に示すような感度分布を持つイメージセンサ７とを用いた場合、輝度を表す波長特性は図６（ｄ）に示すような特性として得られる。さらに、図７（ａ）に示すような波長特性（図６（ｄ）に示す特性と同じ）において、図７（ｂ）に示すような透過特性を持つ光学フィルタ６により波長を制限すると、光学フィルタ６透過後の輝度を表す波長特性は、図７（ｃ）に示すようになり、その積分値（図７（ｃ）における斜線部の面積）がイメージセンサ７の画素出力値となる。
【０００５】
ところで、図５に示すように、光軸Ｚ上に存在する検体２からの光（散乱光）は、光学フィルタ６に対してほぼ垂直に（すなわち光軸Ｚに沿って）入射して画素Ｏへ結像されるが、画素Ａへ結像される、光軸Ｚから離れた検体２の散乱光は、光学フィルタ６に直交する垂線（光軸Ｚ）に対して入射角度θが生じる。この時、光学フィルタ６は光の入射角度θの大きさに応じて透過波長帯域がマイナスの方向へシフトする、いわゆる入射角度依存性を持っているため、図８（ｂ）において点線で示すように、画素Ａにおいては画素Ｏに比べて結像される光の波長帯域がマイナスの方向へシフトしてしまう。その結果、図８（ｃ）に示すように、画素Ａでの輝度の波長特性もまた波長帯域がマイナスの方向へシフトし、しかも、波長に対して図８（ａ）に示すような変化量を持っている場合は、その変化量分だけ画素Ａでの画素出力値も変化して（図８に示す場合は減少して）しまう。つまり、同一の検体２から得られる同一な光量の光であってもイメージセンサ７内の画素位置によって画素出力値が変わるため、測定誤差となってしまう。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光学フィルタの入射角度依存性による測定誤差を低減できる分析方法および分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析方法であって、画素に結像する光の、光学フィルタに入射するフィルタ入射角度を検出するフィルタ入射角度検出ステップと、フィルタ入射角度に対応する光学フィルタのフィルタ帯域のシフト量を得るシフト量取得ステップと、前記検体の種類を識別するステップと、前記シフト量と前記検体の種類に応じた補正係数を設定する補正係数設定ステップと、前記補正係数を用いて輝度値または輝度値に相当する値を補正する補正ステップと、前記補正ステップで補正した補正値に基づいて検体の濃度情報を得る濃度取得ステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析装置であって、画素に結像する光の、光学フィルタに入射するフィルタ入射角度を検出するフィルタ入射角度検出手段と、フィルタ入射角度に対応する光学フィルタのフィルタ帯域のシフト量を得るシフト量取得手段と、前記検体の種類を識別する識別手段と、前記シフト量と前記検体の種類に応じた補正係数を設定する補正係数設定手段と、前記補正係数を用いて輝度値または輝度値に相当する値を補正する補正手段と、前記補正手段で補正した補正値に基づいて検体の濃度情報を得る濃度取得手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記分析方法および分析装置によれば、試験片の検体をイメージセンサにより撮像して、イメージセンサの画素への光が光学フィルタに対して入射角度を有して（傾斜して）通る場合でも、この画素への光の入射角度に応じて、フィルタ入射角度に対応する光学フィルタのフィルタ帯域のシフト量と検体の種類から輝度を補正する補正係数を得て、検体の濃度情報が良好に補正され、この結果、光学フィルタの入射角度依存性による測定誤差を低減することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の分析方法および分析装置によれば、光学フィルタの入射角度依存性による測定誤差を低減することができて、検体を分析する際の測定精度および信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態に係る分析方法および分析装置を、図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る分析装置の概略構成を示す正面図である。大まかな構成は、図５に示す従来の分析装置の構成と同じであり、同じ構成要素には同符号を付してその説明は省略する。なお、従来の分析装置と同様に、この分析装置においても、試験片３に光を照射する光源を有しているが、図１においては省いている。
【００１２】
ここで、本発明の実施の形態に係る分析装置が、従来の分析装置と異なる点は、イメージセンサ７の各画素からの画素出力値に補正をかけるための独自の補正アルゴリズムを実行する制御部（図示せず）が設けられていることである。この補正アルゴリズムを実行する制御部には、画素に結像する光の、光学フィルタ６に入射するフィルタ入射角度を検出するフィルタ入射角度検出手段と、フィルタ入射角度に対応する光学フィルタ６のフィルタ帯域のシフト量（移動量）を得るシフト量取得手段と、前記シフト量に応じた補正係数を設定する補正係数設定手段と、前記補正係数を用いて輝度値を補正する補正手段と、補正輝度値に基づいて検体の濃度情報を得る濃度取得手段とを備えている。
【００１３】
前記補正アルゴリズムについて、以下に詳しく説明する。
まず、第一に、検体２からの光が光学フィルタ６を通過する時の入射角度を検出する。図１は、レンズ４、絞り５、光学フィルタ６等により構成される光学系における光路を示した図である。図１において、光学フィルタ６への入射角度が垂直、つまり光学フィルタ６に直交する垂線に対して０°となる光の主光線を光学系の光軸Ｚであると定義し、光軸Ｚ上に位置する検体２からの光は画素Ｏへ結像するとする。ここで、画素Ｏに結像する光は、絞り５の開口部５ａを底面とした円錐内に無数に分布する光線の集合であるため、光軸以外の各光線は光学フィルタ６への若干の入射角度（光軸Ｚに対する傾斜角度）を持っているが、ここでは絞り径が十分に小さい場合を仮定して、つまり全ての光線を１本の光軸Ｚに近似した場合で考えることにする。この場合、画素Ｏに対応する光学フィルタ６の透過帯域は入射角度依存性を持たず、設計値通りの透過帯域であるため、画素Ｏにて得られる画素出力値は真値である。
【００１４】
これに対して、光学フィルタ６への入射角度依存性を持つ画素Ａへ結像する光の場合、画素Ｏの場合と同様に、全ての光線を主光線に近似した場合で考えると、入射角度θは以下の（式１）のようになる。
【００１５】
θ＝ｔａｎ−１（Ｈ１／Ｌ）      ・・・（式１）
ここで、Ｌは、試験片３と絞り５との間の距離（試験片・絞り間距離）、Ｈ１は画素Ａに対する物体高（試験片３における画素Ａに対応する検体２の部分の、光軸位置からの距離）である。
【００１６】
また、画素Ａに対する物体高Ｈ１は、画素Ａの像高（イメージセンサ７における光軸にＺ対応する中心部から画素Ａまでの距離）Ｈ２と、光学系の像倍率Ｂとから求めることができ、以下の（式２）のようになる。
【００１７】
Ｈ１＝Ｈ２／Ｂ      ・・・（式２）
よって、（式１）および（式２）より、画素Ａに結像される光の入射角度θを求めることができる。
【００１８】
次に、光学フィルタ６の角度依存性によって起こる透過帯域シフト量（透過帯域移動量）を求める。光学フィルタ６への入射角度θとそれに対する透過帯域シフト量とは、光学フィルタ６の仕様として決まっており、例えば光学フィルタ６の製造時の設計データとして、また光学フィルタ入手後に測定することで容易に入手が可能である。光学フィルタ６への入射角度θと透過帯域シフト量との関係は、例えば図２に示すような右下がりの曲線を描く。特性として、光学フィルタ６への入射角度が大きくなるほど透過帯域はマイナス方向にシフトする。このグラフを参照することにより、画素Ａへ結像する光の波長帯域を知ることができる。
【００１９】
次に、透過帯域シフト量に応じた補正係数の求め方について図３を用いて説明する。図３に示すグラフは、上述した図６の（ｄ）に示した輝度の波長特性であり、この特性が光学フィルタ６の入射角度依存性による測定誤差の変化量を表すものであるため、補正係数を求めるにはこのグラフを用いる。
【００２０】
まず、画素Ｏへ結像する光の波長帯域の中心波長をλｏとすると、先ほど述べたようにこれは光学フィルタ６の透過帯域の設計値である。また、画素Ａへ結像する光の波長帯域の中心波長をλａとすると、λａの値は入射角度と透過帯域シフト量とにより求めることができる。中心波長λｏおよび中心波長λａでの輝度は、このグラフより求めることができ、それぞれＩｏ、Ｉａとする。これは画素Ａにおいて本来、輝度Ｉｏとして得られるはずの輝度が光学フィルタ６の角度依存性による透過帯域シフトにより輝度Ｉａとして得られることを意味しており、補正を行うには輝度がＩｏとなるような補正係数を輝度Ｉａに乗算する必要がある。つまり、補正係数αａは以下のようになる。
【００２１】
αａ＝Ｉｏ／Ｉａ      ・・・（式３）
最後に、上記補正係数を用いた補正方法について、図４を用いて説明する。図４に示すように、光学フィルタ６の入射角度依存性の影響を受けている画素Ａでの画素出力値に対して先ほどの補正係数αａを乗算する。すると各波長における輝度は補正係数αａを乗算した分だけ上がり、画素Ｏでの輝度と同じレベルになる。つまり、波長に対する輝度の積算値である画素Ａでの画素出力値もまた画素Ｏでの画素出力値、つまり真値と近い値になり、光学フィルタ６の入射角度依存性の影響は補正されて、光学フィルタ６の入射角度依存性が無い状態に近づけられる。また、イメージセンサ７上の他の画素においても同様の過程にて補正係数を算出し、得られた画素出力値に対してそれぞれの画素位置に対応した補正係数を乗算することで、光学フィルタ６の入射角度依存性の影響を最小限に抑えることができる。
【００２２】
例えば、検体２の波長特性が時間もしくは環境等によって変化しないものである場合、輝度の波長特性も変化しないものであるため、各画素で持っておく補正係数は１パターンでよい。また、検体２が数種類ある場合は、それぞれの検体２の波長特性に対応した補正係数を事前に作成しておき、各検体２に対してその都度、補正係数のパターンを変更すればよい。
【００２３】
以上のように、光学フィルタ６への入射角度を求め、その角度に対する光学フィルタ６の透過帯域シフト量を求め、そのシフト量に対する輝度の変化より求められた補正係数を対応する画素出力値へ乗算するというアルゴリズムを用いることで、イメージセンサ７上のどの画素においても真値に近い画素出力値を得ることができる。
【００２４】
このように、本発明の分析方法および分析装置によれば、光学フィルタ６の入射角度依存性による測定誤差を低減することができて、検体２を分析する際の測定精度および信頼性を向上させることができる。例えば、光を用いて被写体（検体２）の濃度を測定する指標として広く用いられている吸光度での測定誤差について観察した場合、光学フィルタ６への入射角度θが約３０度の場合に、上記の補正を行わない場合には、検体７の測定誤差は５％以上あったが、上記アルゴリズムを用いて補正した場合には、検体２の濃度の測定誤差を０．２％〜０．３％に抑えることが可能となった。
【００２５】
なお、上記実施の形態では、補正係数を用いて輝度値を補正し、この輝度補正値に基づいて検体２の濃度情報を得たが、これに限るものではなく、輝度値に相当するデジタルデータ等を補正し、この補正データに基づいて検体２の濃度情報を得てもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る分析方法および分析装置は、光学フィルタの入射角度依存性による測定誤差の低減機能を有し、高精度での濃度検出が必要な生化学分析方法および装置等に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る分析装置の構成を概略的に示す正面図
【図２】同実施の形態に係る分析装置および分析方法の光学フィルタへの入射角度と透過帯域シフト量との関係（特性）を示す図
【図３】同実施の形態に係る分析装置および分析方法の輝度の波長特性を示す図
【図４】同実施の形態に係る分析装置および分析方法の光学フィルタ透過後の輝度の波長特性を示す図
【図５】従来の分析装置の構成を概略的に示す斜視図
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ分析装置の光源の波長特性を示す図、検体の散乱特性を示す図、イメージセンサの感度分布を示す図、輝度の波長特性を示す図
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、分析装置における、輝度の波長特性を示す図、光学フィルタの透過特性を示す図、光学フィルタ透過後の輝度の波長特性を示す図
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、分析装置における、輝度の波長特性を示す図、光学フィルタの透過特性を示す図、光学フィルタ透過後の輝度の波長特性を示す図
【符号の説明】
【００２８】
１      光源
２      検体
３      試験片
４      レンズ
５      絞り
６      光学フィルタ
７      イメージセンサ
【図１】
0005274031.tif 000002
【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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