(57)【要約】細胞またはその他の物体（１８ａ）から出る光を使用して周波数領域の速度測定と時間領域の速度測定を行う。光学回折格子（４６）を使用して、物体からの光を周波数が物体の速度に比例するように変調する。実施形態に応じて、光学回折格子のピッチは一様であるか、または可変である。変調された光が検出され、時間領域の高速フーリエ変換関数や処理などのさまざまな信号処理手法を使用して、物体の速度の表示を確定する。速度の表示を、物体のイメージと時間遅延積分検出器を使用する光学分析システム内の検出器信号との同期を取るために使用するタイミング信号を発生する操作に適用し、物体からの光に応答して物体の特性を判別するのが好ましい。
2004506919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
視野を通過する物体の速度の示度（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）を決定する速度測定システムであって、
（ａ）集光経路に沿って前記視野を通過する物体から進行する光の向きを決めるために配置されている光学素子と、
（ｂ）前記集光経路内に配置された実質的に一様なピッチを持つ少なくとも１つの光学回折格子であって、前記集光経路に沿って進行する前記光を変調し変調周波数が前記視野を通過する物体の速度に比例する変調された光を出力する光学回折格子と、
（ｃ）少なくとも１つの光検出器であって、前記変調された光が入射し前記変調された光に応答する信号を出力する前記少なくとも１つの光検出器と、
（ｄ）前記時間領域と前記周波数領域のうち少なくとも一方で前記信号を処理し、前記速度の前記示度を決定する手段とを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記光学回折格子のピッチを変化させて光学素子による歪みを補正することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項３】
前記信号を処理する前記手段は、プログラムされたコンピューティングデバイス、特定用途向け集積回路およびオシロスコープのうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項４】
前記信号を処理する前記手段に結合され前記手段を制御するシステムコントローラをさらに備え、前記システムコントローラがプログラムされたコンピューティングデバイスおよび特定用途向け集積回路のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項５】
前記システムコントローラは、
（ａ）前記信号の振幅を調整する機能、
（ｂ）前記信号の信号対雑音比を判別し、前記信号対雑音比が所定のしきい値よりも小さい場合に測定された速度の示度を拒絶する機能、および、
（ｃ）測定される物体の速度の前記示度の変動に対する応答として処理を行う前記手段により採用される局部発振周波数を調整する機能、のうちの少なくとも１つを実行する手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の測定システム。
【請求項６】
前記視野を通過する物体からの前記光は当該物体により散乱され、前記集光経路に沿って前記光学素子により向きを定められる散乱光を発生することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項７】
前記視野を通過する物体からの前記光は前記物体からの非誘導放出を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項８】
前記視野を通過する物体からの前記光は前記物体からの誘導放出を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のイメージ処理システム。
【請求項９】
前記視野を照らす少なくとも１つの光源をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光源は、コヒーレント光源、非コヒーレント光源、パルス光源、連続光源、連続波レーザー、パルスレーザー、連続波白熱灯、ストロボアーク灯および物体を照らす光の制限されたスペクトルを供給する光学フィルタ、のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項９に記載の測定システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光源は、前記視野を通過する物体を照らす入射光を供給するように配置されていることを特徴とする請求項９に記載の測定システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの光源は、コヒーレント光源、非コヒーレント光源、パルス光源、連続光源、連続波レーザー、パルスレーザー、連続波白熱灯、ストロボアーク灯および物体を照らす光の制限されたスペクトルを供給する光学フィルタ、のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１３】
前記入射光は前記視野を通過する物体からの放射を励起し、前記視野を通過する物体からの前記光が誘導放出を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１４】
前記入射光は前記視野を通過する物体により少なくとも一部が吸収され、前記集光経路に沿って通過する前記光は当該物体により吸収されなかった光を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１５】
前記入射光は、前記視野を通過する物体から前記光学素子へ反射されることを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１６】
前記入射光は前記視野を通過する物体を励起して蛍光を発し、前記視野を通過する物体からの前記光は当該物体により放射されることを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１７】
前記光学回折格子は、実質的に幅が等しい交互に並ぶ一連の不透明な帯状領域と透明な帯状領域とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの光検出器は、感光ダイオードおよび光電子増倍管のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項１９】
基準光照射野源（ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ ｆｉｅｌｄ）をさらに含み、前記視野を通過する物体からの光の強度が基準光照射野（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ ｆｉｅｌｄ）との位相干渉により変調されることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２０】
物体が巻き込まれている流体の流れが前記視野を通過し、前記流体に巻き込まれている物体の前記速度の前記示度が処理する手段により決定されることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２１】
複数の物体が配置されている支えが前記視野を通過し、前記支えに配置されている物体の前記速度の前記示度および支えの前記速度が処理する手段により決定されることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２２】
前記光学素子はレンズを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２３】
前記視野から下流に配置されている物体を選別する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２４】
前記視野と流体でやり取りがある流体供給をさらに含み、前記流体供給により複数の物体が巻き込まれている流体の流れを前記視野に送ることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２５】
前記複数物体のそれぞれが細胞および生体学的試料の微粒子成分のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項２４に記載の測定システム。
【請求項２６】
複数の物体が配置されている固体の支えを備え、前記固体の支えが前記視野を通過することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２７】
前記固体の支えを前記視野に通す原動力（ｐｒｉｍｅ ｍｏｖｅｒ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２５に記載の測定システム。
【請求項２８】
前記信号を処理する前記手段は、前記速度の前記示度を決定する前記変調周波数を決定することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項２９】
前記信号を処理する前記手段に入力されるデジタルサンプルのシーケンスに前記信号を変換する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項３０】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段に結合され前記手段を制御するコントローラと、前記信号を処理する前記手段とを備え、前記コントローラがプログラムされたコンピューティングデバイスおよび特定用途向け集積回路のうち１つを備えていることを特徴とする請求項２９に記載の測定システム。
【請求項３１】
前記信号を処理する前記手段は、高速フーリエ変換関数を前記デジタルサンプルのシーケンスに適用する手段を備えていることを特徴とする請求項２９に記載の測定システム。
【請求項３２】
前記信号を処理する前記手段は、前記高速フーリエ変換関数を適用する前に振幅窓操作関数（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を前記一連の数値サンプルに適用することを特徴とする請求項３１に記載の測定システム。
【請求項３３】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段は、
（ａ）前記検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記信号を増幅し、増幅された信号をその出力に出す増幅器と、
（ｂ）前記増幅器の前記出力に結合され、前記増幅された信号を濾過してパスバンド信号を発生するバンドパスフィルタと、
（ｃ）前記パスバンド信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換するアナログ−デジタルコンバータと、を備えていることを特徴とする請求項３１に記載の測定システム。
【請求項３４】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段は、
（ａ）前記検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記信号を増幅し、増幅された信号をその出力に出す増幅器と、
（ｂ）前記増幅された信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する増幅器の出力に結合されているアナログ−デジタルコンバータと、
（ｃ）直流バイアスと、前記デジタルサンプルのシーケンスからの高周波ノイズ成分を除去するデジタルバンドパスフィルタと、を備えていることを特徴とする請求項３１に記載の測定システム。
【請求項３５】
前記増幅器の利得制御部に結合され、前記光検出器から前記増幅器の前記入力に結合されている前記信号レベルの大きさに応答して前記増幅器の利得を制御する制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載の測定システム。
【請求項３６】
前記制御手段は前記信号の信号対雑音比を決定する手段を備え、前記制御手段は前記信号対雑音比が所定の最低値よりも小さいときに前記視野を通過する物体により発生する前記信号から前記速度の前記示度を決定しないことを特徴とする請求項３５に記載の測定システム。
【請求項３７】
前記制御手段は処理するための前記手段に結合され、前記視野を通過する物体の速度の変動に対する応答として、前記検出器からの前記信号の平均周波数を処理する前記手段により計算する際の周波数範囲を調整するための手段を備えていることを特徴とする請求項３５に記載の測定システム。
【請求項３８】
前記光学回折格子は、実質的に一様なピッチを持つ光学回折格子を含み、前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段は、
（ａ）前記光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記信号を増幅し、増幅された信号をその出力に出す増幅器と、
（ｂ）前記増幅器の前記出力に結合され、前記増幅された信号を濾過してパスバンド信号を発生するバンドパスフィルタと、
（ｃ）前記パスバンド信号を第１のデジタルサンプルのシーケンスに変換し、前記第１のデジタルサンプルのシーケンスが前記信号の実部を表す、第１のアナログベースバンドコンバータおよびアナログ−デジタルコンバータと、
（ｄ）前記パスバンド信号を第２のデジタルサンプルのシーケンスに変換し、前記第２のデジタルサンプルのシーケンスが前記信号の虚部を表す、第２のアナログベースバンドコンバータおよびアナログ−デジタルコンバータと、を備えていることを特徴とする請求項２９に記載の測定システム。
【請求項３９】
前記光学回折格子は一様なピッチを持ち、前記デジタルサンプルのシーケンスを処理する前記手段により前記信号のベースバンドの複素表現から前記位相サンプルを計算した後前記信号の位相サンプルの時系列の一次導関数から前記速度の前記示度を決定することを特徴とする請求項２９に記載の測定システム。
【請求項４０】
前記光学回折格子は非一様なピッチを持つことを特徴とする請求項２９に記載の測定システム。
【請求項４１】
前記光学回折格子は複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップとを備え、それらの幅が前記複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップの縦方向の広がりに垂直な方向に直線的に進むうちに変化することを特徴とする請求項４０に記載の測定システム。
【請求項４２】
前記光学回折格子は複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップとを備え、それらの幅が前記複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップの縦方向の広がりに垂直な方向に非直線的なパターンで変化することを特徴とする請求項４０に記載の測定システム。
【請求項４３】
前記光学回折格子は２つの実質的に同一のセクションを備え、それぞれのセクションはバーとギャップの幅が非一様なパターンで物体の運動軸に沿って配置され、物体からの光は前記セクションを順に横断することを特徴とする請求項４０に記載の測定システム。
【請求項４４】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段は、
（ａ）前記信号を受信するために前記集光経路内に配置された前記少なくとも１つの光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記信号を増幅し、増幅された信号をその出力に出す第１の増幅器と、
（ｂ）前記第１の増幅器の前記出力に結合され、前記増幅された信号を濾過してパスバンド信号を発生する前記第１のバンドパスフィルタと、
（ｃ）前記パスバンド信号を第１のデジタルサンプルのシーケンスに変換する第１のアナログ−デジタルコンバータと、
（ｄ）前記第２の集光経路内に配置されている前記他方の光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記第２の信号を増幅し、第２の増幅された信号をその出力に出す第２の増幅器と、
（ｅ）前記第２の増幅器の前記出力に結合され、前記増幅された第２の信号を濾過して第２のパスバンド信号を発生する第２のバンドパスフィルタと、
（ｆ）前記第２のパスバンド信号を第２のデジタルサンプルのシーケンスに変換する第２のアナログ−デジタルコンバータと、を備えていることを特徴とする請求項４３に記載の測定システム。
【請求項４５】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段は、
（ａ）前記集光経路内に配置された前記光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記信号を増幅し、増幅された信号をその出力に出す第１の増幅器と、
（ｂ）前記増幅された信号を第１のデジタルサンプルのシーケンスに変換する第１のアナログ−デジタルコンバータと、
（ｃ）直流バイアスと、前記第１のデジタルサンプルのシーケンスからの高周波ノイズ成分を除去する第１のデジタルバンドパスフィルタと、
（ｄ）前記第２の集光経路内に配置されている前記他方の光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記第２の信号を増幅し、第２の増幅された信号をその出力に出す第２の増幅器と、
（ｅ）前記第２の増幅された信号を第２のデジタルサンプルのシーケンスに変換する第２のアナログ−デジタルコンバータと、
（ｆ）直流バイアスと、前記第２のデジタルサンプルのシーケンスからの高周波ノイズ成分を除去する第２のデジタルバンドパスフィルタと、を備えていることを特徴とする請求項４３に記載の測定システム。
【請求項４６】
それぞれの光学回折格子を物体の運動軸に沿って直列に揃えて配置し、前記デジタルサンプルのシーケンスを処理して物体の前記速度の前記示度を決定する前記手段は前記集光経路内に配置されている前記光検出器からの前記信号と前記第２の集光経路内に配置されている前記他方の光検出器からの前記第２の信号との合成積（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を求めることにより生成される相互コレログラム（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌｏｇｒａｍ）の振幅ピークを計算することを特徴とする請求項４３に記載の測定システム。
【請求項４７】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前記手段に接続され制御することができる制御システムをさらに備えていることを特徴とする請求項４３に記載の測定システム。
【請求項４８】
前記制御システムは、
（ａ）前記信号と前記第２の信号のレベルの変化に応答する前記第１の増幅器および前記第２の増幅器のそれぞれの利得と、
（ｂ）物体の前記速度の変動に応答する相互相関操作の時間シフトの上限および下限と、を調整することを特徴とする請求項４７に記載の測定システム。
【請求項４９】
さらに、
（ａ）第１の集光経路に沿って物体からの光の方向を決めるように配置されている第１の光学素子と、
（ｂ）前記第１の集光経路内に配置され、前記第１の集光経路内で進行する前記光の一部を第２の集光経路に沿って進行するようにする第２の光学素子と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項５０】
他の光検出器を採用し、物体の前記速度の前記示度以外の前記視野を通過する物体の特性を決定することを特徴とする請求項４８に記載の測定システム。
【請求項５１】
前記物体が他の視野を通過し、
（ａ）他の集光経路に沿って前記他の視野を通過する物体からの光の向きを決めるために配置されている他の光学素子と、
（ｂ）前記他の集光経路に沿って進行する前記光を受け取れるように配置され、物体の前記速度の示度以外の前記他の視野を通過する物体の特性を判別するために使用される少なくとも１つの追加光検出器と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
【請求項５２】
前記物体からの光を使用して運動している物体の速度の示度を決定する方法であって、
（ａ）実質的に一様なピッチを持つ光学回折格子を使用して、変調周波数が前記物体の前記速度に応じて変化する変調された光を発生する前記物体からの光を変調するステップと、
（ｂ）前記変調された光の強度に対応する信号を発生するステップと、
（ｃ）前記時間領域と前記周波数領域のうち少なくとも一方で前記信号を処理し、前記速度の前記示度を決定するステップと、を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５３】
前記信号を処理する前記ステップは、前記変調周波数を決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換するステップをさらに含み、前記信号を処理する前記ステップは前記デジタルサンプルのシーケンスを処理して前記速度の前記示度を決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前に前記信号を増幅するステップを含んでいることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する前および前記信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換した後の少なくとも一方で、前記信号を濾過するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記信号を濾過する前記ステップは、
（ａ）前記信号から直流バイアスを除去するステップと、
（ｂ）前記信号から所定のナイキスト限界を超える周波数を除去するステップとを含んでいることを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記信号を処理するステップは、前記周波数領域においてデジタルサンプルの前記シーケンスを処理して前記速度の前記示度を決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記周波数領域においてデジタルサンプルの前記シーケンスを処理する前記ステップは、前記変調周波数を決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
デジタルサンプルの前記シーケンスを処理して前記速度の前記示度を決定するステップは、デジタルオシロスコープ、プログラムされたコンピューティングデバイスおよび特定用途向け集積回路のいずれかを使用して前記必要な処理を実行するステップを含んでいることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
デジタルサンプルの前記シーケンスを処理して前記速度の前記示度を決定するステップは、デジタルサンプルの前記シーケンスの周波数領域表現（ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）を決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項６２】
デジタルサンプルの前記シーケンスを処理するステップは、前記周波数領域表現を分析してピーク値を決定するステップをさらに含み、前記ピーク値は前記の物体の前記速度を示す周波数に対応することを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
デジタルサンプルの前記シーケンスを処理するステップは、
（ａ）高速フーリエ変換関数を使ってデジタルサンプルの前記シーケンスから周波数スペクトルを求めるステップと、
（ｂ）移動平均フィルタ（ｍｏｖｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ ｆｉｌｔｅｒ）を使用して前記周波数スペクトルを平滑化するステップと、
（ｃ）微分データ点の間に線形補間関数を適用して、前記平滑化のステップから得られる前記周波数スペクトル内のゼロ交差周波数をより正確に定義するステップと、
（ｄ）ゼロ交差周波数の積、光学的回折格子のスペーシング、信号を発生するために使用する物体の画像に対する倍率の逆数を決定することにより前記物体の速度の前記示度を決定するステップと、をさらに含んでいることを特徴とする請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
光学的回折格子を使用して前記物体からの光を変調するステップは、実質的に一様なパターンを持つ光学的回折格子を利用するステップを含んでいることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項６５】
さらに、
（ａ）前記処理ステップの前に前記信号を増幅し、増幅された信号を出力するステップと、
（ｂ）前記増幅された信号を複素アナログベースバンド信号に変換するステップと、
（ｃ）前記複素アナログベースバンド信号を前記増幅された信号の実部を表す第１のデジタルサンプルシーケンスに変換するステップと、
（ｄ）前記複素アナログベースバンド信号を前記増幅された信号の虚部を表す第２のデジタルサンプルシーケンスに変換するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
さらに、
（ａ）前記処理ステップの前に前記信号を増幅し、増幅された信号を出力するステップと、
（ｂ）前記増幅された信号を濾過し、パスバンド信号を出力するステップと、
（ｃ）前記パスバンド信号を複素アナログベースバンド信号に変換するステップと、
（ｄ）前記複素アナログベースバンド信号を前記パスバンド信号の実部を表す第１のデジタルサンプルシーケンスに変換するステップと、
（ｅ）前記複素アナログベースバンド信号を前記パスバンド信号の虚部を表す第２のデジタルサンプルシーケンスに変換するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
前記処理ステップは、
（ａ）前記信号のベースバンド複素表現を出力するステップと、
（ｂ）前記信号の前記ベースバンド複素表現の位相サンプリングを行い、前記ベースバンド複素表現の位相サンプルの時系列を決定するステップと、
（ｃ）前記位相サンプルの前記時系列の一次導関数を決定し、前記物体の速度の前記示度を決定するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６８】
前記処理ステップは、
（ａ）前記信号のサンプリングを実行し、デジタルサンプルのシーケンスを出力するステップと、
（ｂ）デジタルサンプルの前記シーケンスを複数のベースバンド信号ペアに分割するステップと、
（ｃ）あらかじめ定義されている基準に従って前記複数のベースバンド信号ペアを複数のサンプルパケットに分割するステップと、
（ｄ）位相接続アルゴリズムをそれぞれのサンプルパケットに適用するステップと、
（ｅ）幅があらかじめ定義されている上下限を超えているサンプルパケットを拒絶するステップと、
（ｆ）拒絶されていないサンプルパケットに基づき、前記物体の速度の前記示度を決定するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６９】
前記ベースバンド信号ペアを複数のサンプルパケットに分割するステップの前にローパスフィルタをそれぞれのベースバンド信号ペアに適用するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記方法の自動制御のため複素ベースバンドサンプルの前記シーケンスから誘導された上側波帯（ｕｐｐｅｒ ｓｉｄｅｂａｎｄ）サンプルと下側波帯（ｌｏｗｅｒ ｓｉｄｅｂａｎｄ）サンプルのシーケンスを採用するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
さらに、
（ａ）前記処理ステップの前にヒルベルト変換を前記信号に適用し、上側波帯デジタルサンプルおよび下側波帯デジタルサンプルのシーケンスを生成するステップと、
（ｂ）上側波帯デジタルサンプルと下側波帯デジタルサンプルを使用して、
（ｉ）光検出器と関連する周波数を決定し、
（ｉｉ）前記物体の速度の前記示度を決定するために使用するベースバンド復調器の局部発振器周波数を設定するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項７２】
さらに、
（ａ）制御システムを備えるステップと、
（ｂ）前記制御システムを使用して、
（ｉ）レベルが変化する信号に応答して前記信号に適用される増幅利得を調整する機能と、
（ｉｉ）周波数測定に適用されるしきい値を調整する際に使用する信号の信号対雑音比を決定する機能と、
（ｉｉｉ）前記物体の前記速度の関数として前記処理ステップで使用されるベースバンドコンバータの局部発振器の周波数を調整する機能、のうちの少なくとも１つを実行するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項７３】
光学的回折格子を使用して前記物体からの光を変調するステップが実質的に非一様なパターンを持つ光学的回折格子を利用するステップを含んでいることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項７４】
光学的回折格子を使用するステップは、
（ａ）複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップであって、それらの幅が前記バーと前記透明ギャップの縦方向の広がりに垂直な方向に直線的に進むうちに変化する不透明バーと透明ギャップと、
（ｂ）複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップであって、それらの幅が前記バーと前記透明ギャップの縦方向の広がりに垂直な方向に非直線的パターンで変化する不透明バーと透明ギャップと、のうちの少なくとも１つを備える光学的回折格子を使用するステップを含んでいることを特徴とする請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
光学的回折格子を使用するステップは、２つの実質的に同一のセクションを備える光学的回折格子を使用するステップを含み、それぞれのセクションはバーとギャップの幅が非一様なパターンで前記物体の運動軸に沿って配置され、前記物体からの光が前記セクションを順に横断することを特徴とする請求項７３に記載の方法。
【請求項７６】
光学的回折格子を使用して前記物体からの光を変調するステップは、第１の光学的回折格子を使用して前記物体からの第１の光線を変調し第１の変調された光を出力するステップと、第２の光学的回折格子を使用して前記物体からの第２の光線を変調し第２の変調された光を出力するステップとを含み、前記第１と第２の光学的回折格子が実質的に非一様なパターンを持つことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項７７】
光学的回折格子を使用して前記物体からの光を変調するステップは前記第１と第２の光学的回折格子の位置を合わせるステップを含み、前記第１と第２の光学的回折格子の画像フィールドが前記物体の運動の軸に沿って直列に配置されることを特徴とする請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記変調された光の強度に対応する信号を出力するステップは前記第１の変調された光に対応する第１の信号を出力し前記第２の変調された光に対応する第２の信号を出力するステップを含み、さらに、前記第１の信号をデジタルサンプルの第１のシーケンスに変換するステップと、前記第２の信号をデジタルサンプルの第２のシーケンスに変換するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項７６に記載の方法。
【請求項７９】
前記第１の信号と前記第２の信号をデジタルサンプルの前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスに変換する前に、前記第１の信号と前記第２の信号を増幅するステップを含んでいることを特徴とする請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記第１の信号と前記第２の信号をそれぞれデジタルサンプルの前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスに変換する前に、前記第１の信号と前記第２の信号を濾過するステップを含んでいることを特徴とする請求項７８に記載の方法。
【請求項８１】
前記処理ステップは、
（ａ）前記第１の信号と前記第２の信号を重畳（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｎｇ）して合成積（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を求めるステップと、
（ｂ）前記合成積に基づき相互コレログラム（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌｏｇｒａｍ）を生成するステップと、
（ｃ）前記相互コレログラムのピーク振幅から前記速度の前記示度を決定するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項７６に記載の方法。
【請求項８２】
さらに、
（ａ）制御システムを備えるステップと、
（ｂ）制御システムを使用し、前記物体の前記速度の変動に応答して相互相関機能の時間シフトの上限および下限を調整するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項７６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０００年８月２５日出願の先行する同時係属仮出願第６０／２２８，０７６号に基づいており、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいてその出願日の特典をここに主張する。
【０００２】
（政府の権利）
本発明は、国立保健研究所ＳＢＩＲ付与第１Ｒ４３ＧＭ５８９５６−０１号に基づいてなされ、米国政府は本発明に一定の権利を有することがある。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、一般に、物体の速度を測定する方法および装置に関し、より詳細には、光検出器により、光信号の振幅が光回折格子により変調されている物体からの光を感知し、変調された光信号を解析して物体の速度を測定することに関する。
【０００４】
（発明の背景）
細胞および細胞集団は、空間情報が豊富な三次元（３Ｄ）物体である。増加の一途を辿る多数のプローブを使って、セル内のさまざまな膨大な数の生体分子の分布を識別することができる。このポストゲノム時代には、細胞を静的な構造としてだけではなく、多数の相互作用するフィードバック制御システムの動的な組合せとして理解することに対する関心が高まっている。こうした理解は、新しい薬品、より優れた診断方法、より効果的な治療法、よりよい健康管理戦略に通じる可能性がある。しかし、このようなことを理解するためには、現在可能な以上に細胞から多数の情報を引き出せなければならない。
【０００５】
細胞を分析する主要な技術が、自動化された顕微鏡による手法とフローサイトメトリ（ｆｌｏｗ ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ）である。これらの成熟した技術により得られる情報は、有用ではあるが、多くの場合、それほど詳しくはない。自動顕微鏡手法では、スライド上の細胞に対し単色から三色までの二次元（２Ｄ）イメージ処理を行うことができる。通常のビデオフレームレートでは、運動学的研究が３０ミリ秒の時間間隔に制限される。
【０００６】
現在、フローサイトメータと呼ばれる計測器により、懸濁液内の細胞に関する光学測定を実施して臨床医学および生物医学研究に重要な情報を得ている。全血、血液の分画成分、生検標本および細胞培養からの細胞の懸濁液、およびタンパク質と核酸連鎖の懸濁液はフローサイトメトリによる分析に適した候補のうちのいくつかである。日常的な血液サンプル分析専用のフローサイトメータでは、細胞によって散乱された光の角分布と特別な処置が行われ着色された細胞による光の吸収を測定することにより細胞の種別分類を行う。数種類の赤血球、白血球、および血小板のおおよその個数が血球数の差として報告される。血液関係の疾患の一部は、形態的な組織化学的細胞異常を示すずれなど基準光学特性と比較したときの光学特性のずれとして検出できる。フローサイトメータは、特定のタンパク質ターゲットに付着する蛍光抗体プローブとともに使用するように、またハイブリット形成により特定のＤＮＡおよびＲＮＡ塩基配列に結合する蛍光核酸プローブとともに使用するように改造されている。このようなプローブには、白血病の検出と分類を行う医学、たとえば、生物医学研究や薬品発見に応用がある。このような従来技術を採用することにより、フローサイトメトリを利用して生きている細胞から４色から１０色を測定することができる。しかし、このような従来技術のフローサイトメトリは、空間分解能がほとんどなく、また時間の経過に応じた細胞の研究を行う機能がない。高速、高感度の細胞イメージ処理のための新規性のプラットフォームにより既存の細胞分析技術の制限を取り払う動機が明らかにある。
【０００７】
イメージ処理システムにより実行される細胞分析で生じる主要な課題として、イメージ処理システムを通じて細胞やその他の物体の速度を測定する方法が挙げられる。従来の時間領域の方法論では、細胞速度は飛行時間計測式（ＴＯＦ）で測定する。２つの検出器を知られている距離だけ離して配置し、時計により、１つの細胞がこの２つの検出器を横切るのに要する時間を測定する。ＴＯＦ測定の精度は、検出器の間隔を広げることにより高められる。しかし、こうすると、複数の細胞が測定領域を占有し、視野内にあるすべての細胞を同時に追跡するために複数のタイマーが必要になる。最初に、サンプルフローを開始する前に検出器の間の領域から遮るものをなくする。複数の細胞が測定領域に入ると、それぞれの入信号が別々に計時される。このシステムは、最初の出信号（ｅｘｉｔ ｓｉｇｎａｌｓ）の前に発生する入信号（ｅｎｔｒｙ ｓｉｇｎａｌｓ）の個数を記録することによりサンプルと同期をとる。
【０００８】
ＴＯＦ速度測定システムは、入信号と出信号がしきい値に近い場合、あるいはノイズがある場合、あるいは細胞の種類および向きが異なるため予期した波形特性が変化すると、同期を外れがちである。同期が外れると、速度測定に誤差が生じ、同期はずれ状態が検出され対処されるまで、信号品質が低下し、細胞の誤診が生じる可能性がある、再同期化には、すべての細胞を検出器の間にある領域から除去して、その後、サンプルフローを再開する必要があるため、サンプルが喪失することになる。
【０００９】
フローサイトメトリの分野における著しい進歩について、２００１年６月１９日に発行された「ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＯＦ ＳＭＡＬＬ ＭＯＶＩＮＧ ＯＢＪＥＣＴＳ ＳＵＣＨ ＡＳ ＣＥＬＬＳ」という表題の同一出願人による米国特許第６２４９３４１号、さらに２００１年４月３日に発行された「ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＯＦ ＳＭＡＬＬ ＭＯＶＩＮＧ ＯＢＪＥＣＴＳ ＳＵＣＨ ＡＳ ＣＥＬＬＳ」という表題の同一出願人による米国特許第６２１１９５５号に説明がある。それぞれの特許の明細書と図面を特に、引用により本発明に取り込む。
【００１０】
上記の特許で開示されている発明では、フロー内の細胞で時間遅延積分（ＴＤＩ）電子イメージ収集機能を使用して高分解能、高感度の２Ｄおよび３Ｄイメージ処理を実行する。これらの計測器は、従来のフローサイトメータの限界を超えて懸濁流動体内の生体学的試料の分析を拡大するように設計されている。ＴＤＩセンサーは、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイや光誘導電荷のシフトラインなどの固体光検出器を使用して、試料の流れと同期をとる。この方法では、ぼけを避けながら露光時間を長くしてイメージ内の信号対雑音比（ＳＮＲ）を高めることができる。しかし、移動するターゲットの動きとＴＤＩ検出器のタイミングとの正確な同期が必要である。たとえば、ターゲットがＴＤＩセンサーのライン１００本を横切って像を結び、ぼけが１ライン幅未満と予想される場合、ターゲットの速度は実際の値の１％未満で知られている必要がある。したがって、このような移動するターゲットの非常に精度の高い流速度を発生させられる方法と装置を提示することが望ましい。
【００１１】
従来技術では、ＴＯＦ速度測定の制限を撤廃し、細胞などの移動するターゲットについて非常に精度の高い位置流れ速度を求めるための方法がいくつか提案されている。このような手法の１つが、レーザードップラー流体速度測定（ＬＤＡ）であり、１つまたは複数のレーザー光線を使用して移動するターゲットへのインテロゲーション（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）を行う。ドップラー周波数偏移は、装置内の異なる経路を横切った複数の光線の干渉からの変調として検出される。このような装置の一例は、１９７４年８月２７日に発行された、「ＦＬＯＷ ＶＥＬＯＣＩＴＹ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＡＲＲＡＮＧＥＭＥＮＴ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＤＯＰＰＬＥＲ ＰＲＯＢＥ」という表題の米国特許第３８３２０５９号で開示されている。その装置では、収束する角度で移動するターゲットに向かう２つのレーザー光線を採用している。両方の光線からの後方散乱光が集まり、共通の光検出器に焦点を結ぶ。検出器の可干渉性により、周波数がドップラー周波数偏移の２倍に等しい変調が発生し、ターゲットの速度を検出することができる。ＬＤＡは有効な手法であるが、米国特許第３８３２０５９号で説明されているＬＤＡシステムは、精密で、高価であり、不安定になりがちである。
【００１２】
レーザー波長の不安定性の問題を解決しようとして、１９９３年７月２０日に発行された、「ＤＯＰＰＬＥＲ ＶＥＬＯＣＩＭＥＴＥＲ」という表題の米国特許第５２２９８３０号で改良されたＬＤＡ装置が開示されている。この改良された装置では、ターゲットへのインテロゲーションに使用する回折サイドローブを抽出する目的で回転回折格子が追加されている。このアプローチにより、速度測定における波長への依存がなくなるが、速度計がますます高価なものとなり、複雑性も増す。
【００１３】
干渉性の光の干渉による物体速度の測定に対する他のアプローチが、測定場のフリンジパターンを発生するＬＤＡ測定に見られる。複数のレーザー光線により、周期が知られている静止フリンジパターンまたは伝播フリンジパターンのいずれかが発生する。このフリンジを横切る物体が、計測器によって集められた光を変調する。変調周波数は、フリンジパターン周期で速度を割った値に等しい。このタイプのＬＤＡ計測器は、１９７９年４月１０日に発行された、「ＴＨＲＥＥ ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＬＡＳＥＲ ＤＯＰＰＬＥＲ ＶＥＬＯＣＩＭＥＴＥＲ」という表題の米国特許第４１４８５８５号、１９９２年１１月３日に発行された、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩＯＮ ＯＦ ＶＥＬＯＣＩＴＹ ＵＳＩＮＧ ＣＲＯＳＳＥＤ ＩＮＴＥＲＦＥＲＥＮＣＥ ＦＲＩＮＧＥ ＰＡＴＴＥＲＮＳ」という表題の米国特許第５１６０９７６号で開示されている。これら２つの特許のうち最初のものに開示されている装置は、回転回折格子とビームスプリッターを使用し、４本のインテロゲーションビームを発生し、これらの光線は、さまざまな組合せで交差し（３Ｄ）ベクトルとして速度を測定する。米国特許第５１６０９７６号で開示されている装置は、専用設計の光ファイババンドルと異なる波長の２本のレーザーを使用して、ターゲットに２つのフリンジパターンを発生させ、パターンが互いに垂直方向を向くようにして、速度を２Ｄベクトルとして測定する。このようなフリンジパターンの速度計は、複雑な流れ場をマッピングする際に使用できるように改造されている。しかし、複数の可干渉光線を試料に送ることに内在するコスト、複雑さ、不安定性が、強固に制約された波長と整列性とともに、その使用の妨げになっている。この問題に対する従来の解決法に比べて安価で、許容できる流体の流れに乗っている物体の速度を測定する他の方法と装置を提供することが望ましい。
【００１４】
上述のＬＤＡシステムは速度の測定に関してドップラー偏移と波の干渉のメカニズムに依存している。流体内の物体の速度を測定する他のアプローチとして、注意深く計時した間隔の短いバーストでデータを収集する、つまり物体のストロボスナップショットを収集する方法がある。このアプローチは、上述のＴＯＦ法に関係するが、それよりも複雑であり、オブジェクトイメージングベロシメトリ（ＰＩＶ）と呼ばれる。このようなシステムの１つは、１９８８年３月１日に発行された、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＴＨＥ ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴＳ ＯＦ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＩＭＡＧＥＳ ＦＯＲ ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＥＸＰＯＳＵＲＥ ＶＥＬＯＣＩＭＥＴＲＹ」という表題の米国特許第４７２９１０９号で開示されている。この特許では、ストロボ光源がターゲット場を照らす。円柱状レンズがこのターゲット場のイメージを２つの直交する直線的投影につぶし、これを光検出器のリニアアレイにより捕捉する。ストロボライトのフラッシュ毎に検出器アレイから信号が収集される。それぞれの軸について、最初の露光からの信号とその後の露光からの信号との相関を求めターゲットの変位を測定する。変位を露光間の時間で割って速度に変換する。装置は、ターゲットによる光の吸収によりコントラストが生じるイメージを形成する。
【００１５】
ターゲットの蛍光発光を利用するＰＩＶ計測器は、１９９４年７月２６日に発行された、「ＦＬＵＯＲＥＳＣＥＮＴ ＩＭＡＧＥ ＴＲＡＣＫＩＮＧ ＶＥＬＯＣＩＭＥＴＥＲ」という表題の米国特許第５，３３３，０４４号で開示されている。この特許で説明されている装置では、この流れの場の平面領域がストロボコヒーレント光源を使って照らされる。検出器は、蛍光染料で着色された物体の蛍光放射の２Ｄイメージを形成する。捕捉されたイメージシーケンスをコンピュータで解析することにより照らされている平面内の物体の運動を追跡する。
【００１６】
ＰＩＶシステムの安定化と配置はＬＤＡシステムに比べて問題が少ないが、ＰＩＶシステムはタイミングを取るために、光のパルスで照らす必要があるか、またはゲートデータを取得する必要があることに注意しなければならない。ＰＩＶシステムはさらに、速度測定を行うために、検出器のアレイを配置し、精密なデータ解析を行う必要がある。
【００１７】
流体内の物体の速度を測定するＬＤＡおよびＰＩＶの代わりになる単純で費用効果のある他の手段を実現する技術は、フォトセンサーの光経路内で不透明なバーと透明なバーが平行に交互に並ぶ回折格子を挿入する方法に基づく。移動する物体から出る光を光回折格子パターンにより変調し、周波数が光回折格子バーに垂直な速度成分に直接比例する信号を発生する。物体の運動がこの垂直方向に制約される場合、周波数は光回折格子の周期、つまりピッチで割った真の速度に等しい。計測器に関する反射面の移動の速度を測定するこの原理に基づくレーザー速度計は、１９６９年３月１１日に発行された、「ＶＥＬＯＣＩＴＹ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」という表題の米国特許第３４３２２３７号で開示されている。この特許の開示されているシステムでは、ターゲットの表面は連続波レーザーが照射され、移動する表面によって散乱された光はレンズによって集められ、回折格子を通り光電検出器に送られる。光回折格子のバーは、運動の軸に垂直な向きになっている。周波数測定電子回路を使用して、光電検出器の周波数を求める。周波数は、直接表示装置に送られ、表示と速度への変換が行われる。
【００１８】
流体中で懸濁している物体へのこの方法の応用は、１９７６年４月２７日に発行された、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＮＶＯＬＵＴＩＯＮ ＶＥＬＯＣＩＭＥＴＥＲ」という表題の米国特許第３，９５３，１２６号で開示されている。この特許の開示されている装置では、レンズによって視準された光は流体の流れを通り、反射材料のバーと吸収材料のバーが交互に並んでいる鏡より反射される。反射バーは、流体の流れを通して光を戻し、レンズで集光する。レンズによって、反射された光の焦点が光電検出器に定められる。電子回路を使用して、検出器信号の周波数を推定し、その周波数を表示装置に送って表示する。
【００１９】
レーザー速度計の以前の実装で使用されていたハードウェアシグナルプロセッサはほとんど、コンピュータベースのデジタルシグナルプロセッサに取って代わられていることに留意されたい。フォトセンサーのシグナルプロセッサに対する要求は、アプリケーションの性質により異なるが、最も厳しいアプリケーションでは高速、高精度が低ＳＮＲおよび急激に変化する流速度の条件のもとで要求される。
【００２０】
回折格子ベースのレーザー速度計のフォトセンサー信号から速度を抽出する効果的な方法の一例が、１９９９年１月１２日に発行された、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＶＥＬＯＣＩＭＥＴＥＲ ＰＲＯＢＥ」という表題の米国特許第５，８５９，６９４号で開示されている。この特許では、デジタイズされたフォトセンサー信号はサンプルのブロック内に捕捉され、処理される。ブロック毎に、シグナルプロセッサはヒルベルト変換を使って複素信号を発生し、その複素信号の自己相関を求め、自己相関の各時間サンプルについてフェーズを抽出するステップを実行する。複素フーリエ変換を実行し、スペクトルの大きさを平方し、その後フーリエ逆変換を適用するステップを使って自己相関を求める。最後に、最適化ルーチンにより、フェーズサンプルの最良適合速度値を見つける。この特許で説明している方法には、ＳＮＲを構築し、正確な速度推定値を送出して、長い信号セグメントを与えられるという利点がある。しかし、この方法は、計算集約的であり速度推定値を更新する速度が制限される。
【００２１】
物体の速度を測定する目的で周期的回折格子を検出器の経路に挿入することにより移動する物体からの光を変調する原理を利用し、さらに、改良された信号処理、優れた制御システム設計、および／または独自の回折格子設計を採用してイメージ処理フローサイトメータで高精度の速度測定を実行することが望ましい。
【００２２】
（発明の概要）
本発明は、物体の速度を判別するシステムと方法を対象とする。この方法は、物体のイメージまたは物体からの光から物体の１つまたは複数の特性を判別できるように改造されたイメージ処理または光学システムとともに使用するのが好ましい。物体とイメージ処理システムとの間には相対運動があり、オブジェクトとイメージ処理システムのいずれかまたは両方が運動していることも考えられるが、物体が運動中で、イメージ処理システムが固定されているのが好ましい。時間遅延積分（ＴＤＩ）検出器を組み込んだイメージ処理システムとともに使用したときに、本発明により判別された速度を用いて、ＴＤＩ検出器とＴＤＩ検出器の上のイメージの移動の同期をとるためのクロック信号を供給する。
【００２３】
以下の説明の一部および頭書の請求項は「１つの物体」を指しているが、本発明は複数の物体とともに使用することを意図しており、特に物体の１つの流れをイメージ処理することと関連して有用であると明らかに考えられる。少なくとも一実施形態では、物体の流れは移動する細胞または細胞集合をなす。さらに、ここで引用している例は主に、液体の流れの中を流れる細胞などの物体の速度を測定することと関係しているが、本発明はイメージ処理システムに相対的に移動する固体基板に装着されている物体だけでなく、気体の流れの中を流れる微粒子または液滴にも適用される。
【００２４】
本発明は、物体からの光を検出するステップを含み、また任意選択により、物体の照射のための手段を組み込むことができる。速度を測定するにあたって、検出された光は時間による物体の位置の変化に関する情報も伝達する必要がある。物体は、波長が検出器に届いた光の波長と同じになるように散乱、屈折、回折、または吸収により照明光を修正することができる。それとは別に、照明光により物体に蛍光または燐光が発生することで、検出器に届く照明光の波長と異なる波長の光が発生することがある。さらに、物体は物体の速度を判別するために使用される光を放出することができるが、他の光源で前もって物体を照らす必要はない。
【００２５】
基本速度測定システムには、物体が通過する視野（ＦＯＶ）があり、流体内に同伴するのが好ましい。ＦＯＶ内の物体は光が照らされ、速度測定のため物体からの光が集められる。物体からの光は変調され、変調された光を出力するが、その周波数は、物体の速度に依存する。変調された光が検出され、電気信号が出力され、さらに、その電気信号はデジタルサンプルのシーケンスに変換される。デジタイズされた信号を分析して、物体の速度を抽出する。ほとんどの実施形態では、運動している物体を照らす光源が含まれる。光回折格子により光が変調され、光検出器がその変調された光に反応し、速度を判別するためにデジタイズされ処理される対応する電気信号が出力される。
【００２６】
光源はレーザー、発光ダイオード、白熱電球、または気体放電アーク灯をたとえば、レンズ、アパーチャ、およびフィルタなどの光調整素子と組み合わせて、望む光の波長を速度の検出に必要な強度で物体に送出することができる。光検出器は、光電子増倍管または固体光検出器でよく、またレンズ、アパーチャ、およびフィルタなどの光調整素子と組み合わせて、目的の波長を送出し、物体からの光を集光経路に沿って光検出器に向けることができる。
【００２７】
少なくとも一実施形態は、高解像度リニアエンコーダを備える、ステージベースのモーションシステムを含み、そこでは、物体が支えの上に配置され、その支えはＦＯＶを通る。物体が流体内に巻き込まれるかまたは支えの上に配置されているかどうかに関係なく、物体の速度は信号処理システムにより判別される。好ましい応用では、処理システムはＴＤＩ検出器とＴＤＩ検出器上を移動する物体から出る光との同期を取るために使用されるクロック信号を発生する。信号処理は、周波数領域または時間領域内で実行できる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に基づく処理を周波数領域の処理で採用すると都合がよい。
【００２８】
物体から出た光は、物体がＦＯＶを通るときに受信される。ＦＯＶは照明場のプロフィールと、光検出器の受光窓により束縛されるため、物体がＦＯＶを通過するのに要する時間から物体の速度を推定することが可能である。しかし、ＦＯＶは識別可能なエッジではなく勾配が境界となり、ＦＯＶの寸法を高い精度で維持することは実用的でない場合がある。
【００２９】
上記の問題を解消するため、１つまたは複数の光学回折格子を使用して計算速度の距離測定スケールを定め、ＦＯＶの寸法を高い精度で維持することに関する気遣いを不要にする。光学回折格子は、写真平板エッチングなどの高精度の方法を使用して、不透明な材料のバーと透明な材料のバーが交互に並ぶパターンを作成することで製作することが好ましい。光学回折格子の製作に必要な精度は、速度測定で必要な精度によって異なる。光学回折格子は、実質的に幅が等しい交互に並ぶ一連の不透明な帯状領域と透明な帯状領域を含むのが好ましい。
【００３０】
上記のように、速度測定システムは、好ましくはＴＤＩ検出器を採用するイメージ処理システムとともに使用することができる。ＴＤＩイメージ処理では、ＴＤＩ検出器の電荷がＴＤＩ検出器上に入射したイメージと同期して移動するため、従来のフレームイメージ処理に比べて積分時間は何倍にも増える。ＴＤＩイメージ処理は従来、サンプルの移動を直接測定し、検出器上の電荷とイメージとの同期状態を保持することで、検出器からのピクセル出力とクロック同期することにより実行されている。流体の流れにより物体が運ばれるのでエンコーダを使用できないため、流れの中の物体のイメージ処理を行うシステムは、ＴＤＩ検出器と移動する物体との同期をとる、従ってＴＤＩ検出器上の物体の移動するイメージとの同期をとる他の手段を必要とする。本発明は、このようなＴＤＩベースのイメージ処理システムで使用する移動する物体（細胞など）の速度を測定する容認できるアプローチを提供する。
【００３１】
本発明は、広い意味で、好ましい実施形態の２つの異なるグループを包含し、第１の実施形態のグループでは信号処理が周波数領域で実行され、第２の実施形態のグループでは信号処理を時間領域で実行する。少なくとも一実施形態では、物体は、ＦＯＶまたは測定体積内を移動する支え上に配置され、他の実施形態では物体は流体の流れの中に巻き込まれ、ＦＯＶまたは測定体積内を流される。
【００３２】
周波数領域で信号処理が実行される実施形態毎に、また時間領域で信号処理を実行する少なくとも一実施形態では、ピッチが実質的に一様な光学回折格子を採用して移動する物体から受け取った光を変調する。変調された光は電気信号に変換され、その後好ましくはコンピューティングデバイスまたは特定用途向け集積回路を使用してデジタイズされ、処理され、物体の速度の表示であるか、または測定システムに相対的な物体の実際の速度であるかを判別する。それぞれの実施形態は監視プログラムの制御の下で実行されるのが好ましい。時間領域で信号処理を実行する少なくとも一実施形態では、ピッチが一様でない２つの光学回折格子を採用している。
【００３３】
本発明による速度測定システムは、光学素子が配置されており、ＦＯＶを通過する物体から光が集光経路に沿って向かうようになっている。光学回折格子は、集光経路内に配置され、変調周波数がＦＯＶを通る物体の速度に比例する変調された光を発生する。回折格子のピッチは、光学素子による光学ひずみを補正するためわずかに変化し（たとえば、ＦＯＶ上の倍率の変動）、より一貫性のある変調周波数を出力することができる。光検出器を集光経路内に配置し、変調された光を受け取り、その変調された光を電気信号に変換する。このシステムはさらに、電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する手段と、デジタルサンプルのシーケンスを処理して物体の速度を求める手段を備える。
【００３４】
周波数領域に基づく実施形態については、デジタルサンプルのシーケンスを処理する手段ではＦＦＴ関数を使用する。少なくとも一実施形態では、デジタルサンプルのシーケンスを処理する手段により、振幅窓関数（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を数値サンプルのシーケンスに適用してからＦＦＴ関数を適用する。デジタルサンプルのシーケンスを処理する手段は、コンピュータ、特定用途向け集積回路、またはデジタルオシロスコープを備えることができる。周波数領域に基づく実施形態で採用されている光学回折格子はピッチが実質的に一様である。
【００３５】
ピッチが実質的に一様な回折格子を採用する時間領域に基づく一実施形態では、信号からホモダイン方式でベースバンドを取り出し、通過域を制限してＳＮＲを改善する。時間領域で低位相干渉について選択した信号パケットから変調された光の周波数を抽出する。この方法は、高速なパイプラインプロセッサでの実行に適しており、精度および感度とも比較的高い。このような実施形態では、電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する手段に、検出器から受信した電気信号に基づき増幅した電気信号を発生する増幅器が含まれることが好ましい。この手段はさらに、増幅された電気信号を濾過してパスバンド信号を発生するバンドパスフィルタを含む。この手段はさらに、パスバンド信号を２つの成分、実成分と虚成分でパスバンド信号を表す一組の信号に変換するベースバンドコンバータを含む。２つのベースバンド信号のそれぞれをアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）によりデジタルサンプルのシーケンスに変換する。
【００３６】
光学回折格子が一様なピッチを持つ時間領域の実施形態では、デジタルサンプルのシーケンスを処理する手段により、電気信号のベースバンドの複素表現から位相サンプルを計算した後、電気信号の位相サンプルの時系列の一次導関数から速度を求めるのが好ましい。このような電気信号の処理は、プログラムされたコンピュータ、ＡＳＩＣ、その他のハードウェアロジック回路、またはデジタルオシロスコープにより実行することができる。
【００３７】
他の時間領域に基づく実施形態では、２つの光学回折格子を使用し、流れの軸に沿って互いから離して、物体からの光を変調し、変調された光が２つの異なる検出器に入射するようにする。検出器から得られる２つの信号の相互相関を計算することで、物体の速度に関する非常に正確な推定値がすばやく得られる。それぞれが不透明なバーと透明なバーのギャップ幅の一様でないパターンを持つ２つの実質的に同じ光学回折格子を使用し、物体が順次セクションを横断するように物体の運動の軸に沿って配置することが好ましい。
【００３８】
非一様なピッチを持つ２つの光学回折格子を組み込んだ時間領域に基づく一実施形態では、電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する手段は集光経路内に配置された検出器に結合された第１の増幅器を備える。第１の増幅器は第１の光検出器から送られてきた電気信号を増幅して、増幅された電気を発生し、第１のバンドパスフィルタは増幅された電気信号を濾過して第１のパスバンド信号を出力する。第１のＡＤＣは、パスバンド信号をデジタルサンプルの第１のシーケンスに変換する。電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する手段はさらに、第２の集光経路内に配置されている第２の増幅器を備える。第２の増幅器は第２の電気信号を増幅し、第２の増幅された電気信号を発生し、この電気信号を第２のバンドパスフィルタにより濾過し、第２のパスバンド信号を発生する。第２のパスバンド信号は第２のＡＤＣに入力され、このＡＤＣにより第２のパスバンド信号がデジタルサンプルの第２のシーケンスに変換される。それとは別に、バンドパスフィルタは、ＡＤＣの後のデジタルバンドパスフィルタを使用して作動させることもできる。
【００３９】
他の実施形態については、電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する手段が少なくとも１つのＡＤＣを備えることが好ましい。ほとんどのこのようなシステムはそれぞれの光検出器に電気的に結合された少なくとも１つの増幅器を備え、電気信号を増幅してから、その電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換することが多い。いくつかの実施形態では、バンドパスフィルタを使用して、電気信号を濾過（ｆｉｌｔｅｒ）してからデジタルサンプルのシーケンスに変換する。それとは別に、増幅の直後に電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換し、デジタルバンドパスフィルタを利用することもできる。デジタルサンプルのシーケンスを処理する手段は、コンピュータ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはデジタルオシロスコープを備えることができる。
【００４０】
本発明はさらに、電気信号の取得を制御し、電気信号をデジタルサンプルのシーケンスに変換する手段を制御し、デジタルサンプルのシーケンスを処理する手段を制御するシステムコントローラを備えるのが好ましい。システムコントローラは、プログラムされたコンピューティングデバイスを備えるのが最も好ましいが、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはその他のハード配線されたロジック回路をシステムコントローラとして採用でき有益であることも理解されるであろう。システムコントローラは、光検出器からの増幅器の入力に結合されている電気信号レベルの大きさに応答して増幅器の利得を制御する手段と、電気信号のＳＮＲを測定しＳＮＲが所定の最低値よりも小さい場合にＦＯＶを通過する物体の速度を測定しなくて済むようにする手段と、ＦＯＶを通過する物体の速度の変動に応答して処理を行う手段により検出器からの電気信号の平均周波数を計算する際の周波数範囲を調整する手段を備えることが好ましい。
【００４１】
ＦＯＶを通過する物体から集めた光は、その物体により散乱された光、物体からの非誘導放出、または物体からの誘導放出を含むことができる。物体の速度は周囲光を使用して測定できると考えられるが、ＦＯＶを照らすために少なくとも１つの光源を備えるのが好ましい。少なくとも１つの光源を配置し、ＦＯＶを通過する物体を照らす入射光を与えるか、またはＦＯＶを通過する物体から放出または蛍光を励起することが最も好ましい。また、光源からの光は少なくとも一部は、ＦＯＶを通過する物体により吸収され、光学素子を通過する物体からの光を変化させることができる。それとは別に、ＦＯＶを通過する物体から光学素子に向かって入射光が反射される。光源は、１つまたは複数のコヒーレント光源であり、非コヒーレント光源、パルス光源、連続光源、連続波レーザー、パルスレーザー、連続波白熱灯、ストロボアーク灯、および光学フィルタのうち１つまたは複数とし、照明の制限されたスペクトルを選択することができる。
【００４２】
本発明によるシステムでは、光の向きを定めるさまざまな種類の光学素子を組み込むことができ有益である。少なくとも一実施形態では、光学素子はレンズであり、他の実施形態では、光学素子はビームスプリッターであり、さらに他の実施形態では、光学素子は光を物体から少なくとも２つの光検出器のそれぞれに振り向ける分散体である。
【００４３】
本発明は、ＦＯＶを通過する流体の流れに巻き込まれている物体の速度を測定する際に使用することが最も好ましい。他の実施形態では、ＦＯＶを通過する支えの上に配置されている物体の速度を測定することができる。少なくとも一実施形態は、高解像度のリニアエンコーダを持つステージベースの運動システムを備える。
【００４４】
速度測定システム、または速度測定およびイメージ処理システムの組合せは、本発明により、ＦＯＶの下流に配置された物体を選別するメカニズムを備えると都合がよいと予想される。特定の実施形態に関係なく、光検出器は、フォトダイオード、光電子増倍管、またはその他の種類の光検出器のいずれかとすることができる。
【００４５】
少なくとも一実施形態では、物体は他のＦＯＶを通過し、システムはさらに他の集光経路に沿って他のＦＯＶを通過する物体からの光を振り向けるように配置された他の光学素子と、他の集光経路に沿って進行する光を受信するように配置され、他のＦＯＶを通過する物体の特性を判別するために採用されている少なくとも１つの追加光検出器を備える。
【００４６】
本発明の他の実施形態は、物体と光学分析システムとの間の相対的移動の速度および物体の少なくとも１つの追加特性を判別するために採用されている光学分析システムを対象とする。光学分析システムは、第１の集光経路に沿って物体からの光を振り向けるように配置された第１の光学素子と、第１の集光経路に沿って物体から進行する光の一部を第２の集光経路に振り向けるように第１の集光経路内に配置された第２の光学素子と、第２の集光経路内に配置された実質的に一様なピッチを持つ光学回折格子を備える。光学回折格子により、第２の集光経路に沿って進行する光を変調し、それにより、変調周波数が物体と光学分析システムとの間の相対的移動の速度に比例する変調された光を発生する。この実施形態はさらに、第２集光経路内に配置され、変調された光を受け取るように配置された光検出器を備え、その光検出器は変調された光に対する応答として電気信号を発生する。システムは、電気信号を受信する光検出器に結合された手段を備え、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）関数を使用して電気信号の関数として物体と光学分析システムとの間の相対的移動の速度を判別し、速度の関数としてタイミング信号を発生する。システムはさらに、第１の集光経路に沿って進行する光を受信するように配置されたＴＤＩ検出器を備え、このＴＤＩ検出器は速度を判別する手段に結合され、ＴＤＩ検出器はタイミング信号を使用して物体の少なくとも１つの速度以外の特性を示す出力信号を発生する。制御装置は速度およびＴＤＩ検出器を判別する手段に結合され、その手段を制御することが好ましい。
【００４７】
本発明の前述の態様およびその結果の利点の多くは、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することにより容易に理解できるため明白であろう。
【００４８】
（好ましい実施形態の説明）
本発明の概要
本発明では、移動する物体は照らされ、物体からの光が光学回折格子を通った後検出器上にイメージを形成する。光学回折格子は、複数の透明バーと不透明バーを備え、物体から受け取った光を変調し、変調の周波数が光の送り元の物体の速度に対応する変調された光を発生する。これらのバーが照らされる物体のサイズにおおよそ等しくなるように光学倍率および光学回折格子のルーリングピッチ（ｒｕｌｉｎｇ ｐｉｔｃｈ）を選択することが好ましい。したがって、細胞やその他の物体から集められた光は、物体がインテロゲーション領域、つまりＦＯＶを横断するときに光学回折格子のルーリングを通じて遮断と透過を交互に繰り返す。変調された光は光検出器に向かい、プロセッサが解析し物体の速度を判別することができる信号を発生する。
【００４９】
本発明は、４つの異なる好ましい実施形態として開発されている。第１の実施形態と第２の実施形態では、第１の光学回折格子および周波数領域速度測定に基づく信号処理手法を採用している。第３の実施形態ではさらに、第１の光学回折格子を採用するが、時間領域速度測定（ＴＤＶＭ）に基づく信号処理手法を使用している。第４の実施形態では、第１の光学回折格子を採用し、また第２の光学回折格子を備え、時間領域に基づく信号処理手法を使用して速度を判別する。第１の実施形態と第２の実施形態の違いは、第１の実施形態は特にＦＯＶを通過する支え上に配置されている物体を分析することを目指しているが、第２の実施形態は同じ一般的な処理手法を適用して、ＦＯＶを通じて流体の流れの中に巻き込まれている物体の速度を判別するという点である。すべての実施形態に一般的に適用可能な概念について簡単に説明した後、これらの特定の実施形態の詳細を以下で述べる。
【００５０】
本発明は、図１、２、および３に示されているさまざまな照明および集光構成のどれとでも使用することができる。しかし、これらの構成は、本発明の範囲を制限するとみなすべきではなく、単に構成例としてのみ提示されている。それぞれの図は、光源、光源に照らされている運動している物体（好ましくは流体の流れに巻き込まれている物体）、および物体から光を受け取る速度検出器を示す。光源はレーザー、発光ダイオード、白熱電球、または気体放電アーク灯とすることができ、またシステムはレンズ、アパーチャ、およびフィルタなどの光調整素子を備え、これは１つまたは複数の望む光の波長を速度（およびオプションで、物体の１つまたは複数のその他の特性）の検出に必要な強度で物体に送出するのに使用される。速度検出器は、たとえば、光電子増倍管または固体光検出器を含む光検出器（これらの図では別々に示されていない）、およびレンズ、アパーチャ、および／またはフィルタなどのその他の１つまたは複数の光調整素子を備え、変調された光を光検出器に送出する（これもまたこれらの図に別々に示されていない）。
【００５１】
図１は、流管１６内を移動する物体１８によって散乱される光を使用するシステム１０ａの構成を示している。照明器１２の光線軸と速度検出器１４の受入軸とがなす角度２０（角度θとして示されている）を調整し、物体から散乱された光が特定の散乱角度で速度検出器に送出されるようにできる。散乱された光の強度プロファイルは、散乱素子のサイズと入射光の波長との比の関数となっている。比較的多数の散乱素子が物体内、物体上に存在する可能性があり、それらの素子について望むサイズ範囲内で素子からの散乱光が検出されるように角度θを調整できる。
【００５２】
図２は、照明器１２からの光を物体が吸収することに対して流管１６内を進行する物体１８により放射された光を使用するシステム１０ｂの構成を示している。この場合、速度検出器１４に達する入射光の量が最小になるように、検出軸は通常、照明軸に直交する。通常、フィルタまたはフィルタセット（別々に示されていない）は速度検出器に含まれ、光検出器にたとえば物体内の蛍光または燐光分子によって放射される波長に対応する検出経路２２に沿って進行する狭帯域（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ）の波長の光のみを送出し、照明器１２によって与えられる波長の光が実質的に排除される。
【００５３】
図３は、照明軸に沿って速度検出器１４へ伝播し続ける照明器１２からの光を利用するシステム１０ｃの構成を示しており、この光は、吸収、回折、または屈折により流管１６内を進行する物体１８により修正される。システム１０ｃは、物体１８から放射された光の強度に関して照明器１２によって放射された光の高強度ゆえに蛍光または燐光によって放射された光を検出するのにあまりよく適合しておらず、また両タイプの光は同じ経路を辿って速度検出器１４に達することに留意されたい。吸収により引き起こされる物体による光の修正は、速度検出器に入射する光の強度を測定することにより検出できる。レンズ系を使用して、集められた光の原点を物体の流れの経路内の望む場に制限することができる。回折または屈折で生じる物体による光の修正は、位相差法（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｅｔｈｏｄ）を使用して検出することができ、そこでは、物体による位相修正を受ける光のみが見え、修正されていない光は基準光線（図に別々に示されていない）との干渉により相殺されている。
【００５４】
上記のそれぞれの構成において、速度検出器に届いた光は、ＦＯＶを通過する物体により修正される。このＦＯＶは照明場のプロフィールと、速度検出器の受光窓により束縛されるため、物体がＦＯＶを通過するのに要する時間から物体の速度を推定することが可能であると思われる。しかし、ＦＯＶは識別可能なエッジではなく勾配が境界となり、ＦＯＶの寸法を高い精度で維持することは実用的でない可能性がある。この制限は、特に、照らされている、あるいは検出される光を放出している物体が、細胞のようにサイズが小さいときに生じる。
【００５５】
光回折格子を速度検出器に入射する光の経路内に置くことで、非常に正確な距離スケールが定まり、物体の速度を測定できる。光回折格子の概念を図４に示す。この図は、背景に関して物体の陽性造影（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ）を示しており、これは、検出される光が蛍光または燐光により物体から放射された場合、または物体が散乱する光である場合に発生する。示されている光回折格子では、不透明バーの幅と透明バーの幅は実質的に等しく、また実質的に、速度が測定される物体の平均直径に等しいのが好ましい。光回折格子と物体のサイズをこのように一致させることで、光変調振幅が増すが、光回折格子により光回折格子のピッチに関して物体のサイズの広い範囲にわたって望む変調機能が得られる。
【００５６】
図４は、等間隔のサンプル時間、ｔ１−ｔ４での光回折格子２６の４つのスナップショット２４ａ−２４ｄと、その時間に光検出器に入射した信号の振幅２８を示している。各回折格子２６は一様なピッチの不透明ゾーン３４と透明ゾーン３２の交互の並びを含む。光放出物体３０が光回折格子内の透明ゾーン３２の１つを横切ると、振幅は物体の露出領域が増えるとともに増大し、物体が不透明ゾーン３４の１つの背後に移動するにつれ減少する。理想的な場合には、物体からの直接光のみが検出器に到達する。しかし、通常、散乱光または迷蛍光からの光は連続的に、透明ゾーンを通過し、光検出器の出力信号に一定のバイアスまたはオフセットを生じる。
【００５７】
図５は、物体が蛍光プロセスを通じて光子を放出する場合に光回折格子に基づく検出システムをどのように実装できるかを説明する光学系１０ｄを示している。レンズ３６は、ＦＯＶ３８内に波長λ１で焦点が絞られた照明場を形成する。この照明により生じた物体１８ａ内の蛍光の結果、より長い波長λ２で全方位に物体により光子が放出される。これらの放射された光子の一部は、検出器の軸上にあるレンズ４０により集められる。放出フィルタ４２を使用して、λ２以外の波長の光を排斥する。レンズ４０とレンズ４４は、光学回折格子４６上に物体の焦点を合わせた像を結ぶ。物体と光学回折格子の共役像をカメラのところに結ぶことが可能であり、この場合、カメラは図４に示されているように光学回折格子の鋭利な境界を横切るピントがきちんとあった物体の像を結ぶ。しかし、移動する物体からの光が光学回折格子を通過するとき発生する変調された光の正確な定期的サンプリングは、速度測定を行うのに十分なものであり、イメージを捕捉し、分析する煩雑な作業が不要になる。好ましいアプローチでは、レンズ４８を使用して、光学回折格子によって伝達された光を集め、それを光検出器５０に送出する。凹面鏡などのその他の光学素子を上述のレンズの代わりに使用できることに留意されたい。
【００５８】
好ましい応用例では、物体１８は流体内に巻き込まれている生体細胞であることが好ましい。流体は、流れのさや（ｆｌｏｗ ｓｈｅａｔｈ）で流体力学的焦点を合わせることにより光学系のＦＯＶ ３８を通過する狭いカラムに閉じ込められる。細胞はレンズ４０および４４の場の深さ内に保持され、ピントが適切に保たれ、したがって、物体の速度を判別するのに十分な変調振幅が得られる。
【００５９】
一様な速度でＦＯＶを通る単一の物体からの光は、光学回折格子により変調されると、その周波数は以下の関係式により定義されるように速度に直接比例する。
【００６０】
【数１】
2004506919.tif 000003
【００６１】
ただし、
ｆ＝周波数（Ｈｚ）
ｓ＝回折格子のピッチ（ミクロン）
ｖ＝速度（ミクロン／秒）。
【００６２】
単一の物体からの光により光検出器のところに発生した信号の振幅は、照明場の輪郭に追随する。例えば、照明場プロフィールがガウス形状であれば、信号は以下の式で記述される。
【００６３】
【数２】
2004506919.tif 000004
【００６４】
ただし、
Ａ０＝ピーク振幅
ＡＬ＝迷光からの漏れの振幅
ｔｐｋ＝照明場のピークでの到着時間
τ＝エンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ：包絡線）崩壊定数
ｔ０＝回折格子イメージのエッジのところの到着時間
【００６５】
図６は、光検出器の信号調整および捕捉システムの代表的な実施形態を示している。このシステムの中心的な機能は、バンドパスフィルタ５４を使用して光検出器５０からの信号を濾過することである（信号が増幅された後）。このバンドパスフィルタの目的は、直流（ＤＣ）成分ＡＬを排除し、ＡＤＣ ５６のナイキスト限界ｆｓａｍｐ／２以上の周波数をなくすことであり、ｆｓａｍｐは注目している最も高い光変調周波数である。可変利得増幅器５２を使用して、ＡＤＣ ５６のダイナミックレンジに一致するように信号の振幅を調整する。デジタイズされた信号を分析のためデジタルシグナルプロセッサ５８に送る。デジタルシグナルプロセッサ５８は、プログラムされたコンピューティングデバイス（たとえば、マイクロプロセッサとマイクロプロセッサに信号を適切に処理させるための機械語命令を格納するメモリ）、または処理を実行する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）チップ、またはそのような信号処理機能を備えるデジタルオシロスコープを備えることができる。図７Ａは、光学回折格子場を通過する単一の物体からの光により発生する濾過されていない検出器信号例６０を示しているが、図７Ｂはバンドパスフィルタ５４（図６を参照）を信号に適用した後の濾過された検出器信号例６２を示している。
【００６６】
上述のように、本発明は異なる好ましい実施形態を含む。これら４つの好ましい実施形態では、光検出器からの信号を分析するため３つの異なる手法を採用しており、これにより物体の正確な速度推計値を送出することができる。これらの異なる信号処理方法について以下で詳述する。
【００６７】
上述のように、本発明の速度測定の好ましい用途の１つとして、フローサイトメータなどの小さな移動する物体の特性を判別する光学系にタイミング信号を供給する用途があげられる。フローサイトメータと一般に呼ばれる非イメージ処理光電子増倍管（ＰＭＴ）計測器では、流速の推計値を使用して信号積分時間に依存する測定値を補正し、分析後の細胞の選別を正確に遅らせる。光学回折格子に基づく速度決定方法を使用することにより、このようなフローサイトメトリ測定の精度と信頼性を高め、またより正確な流速推定値を供給することにより選別された細胞サンプルの純度を高めることができる。
【００６８】
２００１年６月１９日に発行された「ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＯＦ ＳＭＡＬＬ ＭＯＶＩＮＧ ＯＢＪＥＣＴＳ ＳＵＣＨ ＡＳ ＣＥＬＬＳ」という表題の同一出願人による米国特許第６，２４９，３４１号と、さらに、２００１年４月３日に発行された「ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＯＦ ＳＭＡＬＬ ＭＯＶＩＮＧ ＯＢＪＥＣＴＳ ＳＵＣＨ ＡＳ ＣＥＬＬＳ」という表題の同一出願人による米国特許第６，２１１，９５５号で開示されている流れイメージ処理システムは、ＴＤＩ検出器のクロック同期のため流速について非常に正確な測定を必要とする。ＴＤＩ検出器内で一方の列から次の列への電荷の移動は、物体がフローセルを通るのと同期しなければならない。これら２つの特許のそれぞれの明細書と図面は、特に引用により本発明に取り込まれていることに留意されたい。
【００６９】
上述の特許引用で採用されているようなＴＤＩ検出器の動作理論を図８に示す。物体が流管１６内を移動し、ＴＤＩ検出器によりイメージ処理された体積内を通過すると、そのイメージはＴＤＩ検出器の表面を通過する。ＴＤＩ検出器は、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ６４を備え、これは、列毎の形式（ｒｏｗ−ｂｙ−ｒｏｗ ｆｏｒｍａｔ）でクロックサイクル毎に電荷を移動できる専用設計であり、所定の１列分の電荷はイメージ内の１列にロックされるか、または同期が保たれる。電荷列はアレイの底に到達するとクロックに合わせてアレイからメモリ６６に移動する。物体のイメージに対応するＴＤＩ検出器によって出力された信号の各列の強度が、イメージおよび対応する信号がＣＣＤアレイ上に伝播するのに合わせて時間で積分される。この手法により、非積分型の検出器に比べてＴＤＩ検出器のＳＮＲが大幅に向上するが、これは、たとえば、物体の低レベル蛍光放出からのイメージに対応するときに大きな価値のある特徴である。
【００７０】
ＴＤＩ検出器の動作は、図８で、ＣＣＤアレイ６４によりイメージ処理された領域を物体６８が横断するのを観察し、ＣＣＤアレイ６４による物体６８に対する応答として発生する電荷の履歴を調べることで理解できる。電荷は、物体のイメージがアレイを降りるときにアレイ内の列から列へ移動する。１列分の電荷がアレイの底部に到達すると、これはスクロールメモリ６６に移され、そこで表示または分析することができる。図８で、物体７０および７２は物体６８の前の流管１６を横切るが、物体７４は物体６８の後の流管１６を横切る。ＴＤＩ検出器を適切に動作させるには、電荷信号をクロックに同期させてＣＣＤアレイ内で下に移動させ、その際に、物体のイメージがＣＣＤアレイを横切る速度に同期させる必要がある。物体の速度がわかっていると、このような同期を簡単に行えるようにする正確なクロック信号を得ることができ、また本発明では物体の速度の正確な推計値が得られるので、ＴＤＩ検出器のＣＣＤアレイ上のイメージの速度が得られる。
【００７１】
図９は、ＴＤＩに基づく物体イメージ処理システム１０ｅに速度検出器を組み込む例を示している。光検出器５０からの信号は、シグナルプロセッサ８４により処理され、オプションにより、増幅およびフィルタ処理などの機能を実行することができる。信号処理についてさらに詳しく以下で述べる。シグナルプロセッサ８４は、プログラム可能なコンピューティングデバイスを備えるが、ＡＳＩＣチップまたはデジタルオシロスコープもこの目的に使用することができる。光検出器信号の周波数が測定され、物体１８ａの速度がその周波数の関数として計算される。速度は定期的にＴＤＩ検出器のタイミング制御機能８２に送られ、ＴＤＩ検出器８０のクロック速度を調整するのに使用される。ＴＤＩ検出器のクロック速度は、ＴＤＩ検出器上の物体のイメージの速度と、わずかな誤差内で一致している必要があるが、これは、ＴＤＩ検出器の出力信号内の縦方向イメージスミアリングを最小にするためである。速度更新率（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｕｐｄａｔｅ ｒａｔｅ）は、流（物体）速度が変化するときに誤差帯域（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｂａｎｄ）内でクロック周波数を維持できる十分な頻度でなければならない。２色光線スプリッタ７６を使用して光の一部を物体１８ａから光検出器５０へ方向転換させ、光の一部を物体１８ａからＴＤＩ検出器８０に方向転換させていることに留意されたい。結像レンズ７８は、物体１８ａのイメージの焦点をＴＤＩ検出器８０に結ぶ。
【００７２】
図１０は、速度検出システム８８がＴＤＩ検出器タイミング制御装置８２（図９に示されている）によりどのように好ましく採用されているかを示している。速度検出システム８８は、図９に示されているように構成することも、また他の構成（図５に示されているような構成）で用意することも可能であることに留意されたい。速度検出システム８８は、流れの速度または流れの中の物体の速度を示すクロック信号を供給し、ＴＤＩ検出器上の物体のイメージの移動とイメージに対する電荷の移動との同期をとる。ＴＤＩ検出器は、フローサイトメトリシステムに組み込むのが好ましいが、本発明の他の応用も考えられる。好ましくは、速度検出システムをＣＰＵ ９０により制御し、これで、メモリに格納されている機械語命令によって定義されている速度検出監視プログラムを実行する（図に別々に示されていない）。ＣＰＵ ９０はさらに、速度検出システム８８の信号処理機能を実行するためにも採用できることに留意されたい。ＴＤＩ検出器９４を通る電荷のクロック供給は、垂直シフトコントローラ９２と水平読み出しコントローラ９６により実行され、両方ともＴＤＩ検出器タイミング制御システム８２によって駆動される。速度検出システム８８は、クロック周波数コマンドをＴＤＩ検出器タイミング制御システム８６に渡し、電荷の列がＴＤＩ検出器アレイ内で下へシフトされる速度を設定する。検出器タイミング制御システム８６は、水平読み出しコントローラ９６と垂直シフトコントローラ９２との同期をとる。
【００７３】
イメージ情報はアナログ信号としてＴＤＩ検出器９４を出ると、増幅器９８によって増幅され、ＡＤＣ １００によってデジタイズされる。ＡＤＣ出力はタイミング制御システム８６の制御の下でメモリ１０２に格納され、そこで、表示および分析のためアクセスできる。
【００７４】
ＴＤＩに基づく流れイメージ処理システム１０ｅの他の実施形態を図１１に示す。この実施形態は、流体力学的焦点合わせがよくないシステムでの場合のように、ＴＤＩ検出器と、異なる速度で移動する個々の物体との同期をとるという問題を解決することを目的としている。ＴＤＩに基づく流れイメージ処理システム１０ｆでは、イメージが捕捉される地点の上流で速度測定を実行する。速度測定は十分高速に更新されるため、ＴＤＩ検出器のタイミングコントローラにその速度測定結果を渡して、ＴＤＩ検出器を横切る特定の物体のイメージの速度と一致するようにＴＤＩ検出器クロック（図に示されていない）を設定するのに間に合う。流れイメージ処理システム１０ｆの構成は、図５に示されているのと似ているが、速度検出用のＦＯＶ ３８がＴＤＩイメージ取得に使用されるＦＯＶ ３８ａとは別であるという点が異なる。イメージ処理システム１０ｆは、別の光源１２ａ、別のレンズ３６ａ、４０ａ、４４ａ、および別のフィルタ４２ａを使用し、これらは、ＴＤＩ検出器８０に向かう物体からの光の集光経路内に配置される。光検出器信号は、信号調整コンポーネント１０４と物体の新規の速度推計値を十分に高速に、つまり、物体が速度測定ＦＯＶ ３８からイメージ処理ＦＯＶ ３８ａまで移動するのに要する時間よりも短く、タイミングコントローラ８２に送ることができるＦＦＴベースの高速速度計算器１０５を使用して処理される。イメージ処理システム１０ｆでは、図１０の信号処理ブロック８４は信号調整コンポーネント１０４と高速速度計算器１０６に分けられていることに留意されたい。
【００７５】
正確な細胞速度測定を行うことにより、液滴に基づく流選別器内の選別純度を高めることもできる。このようなシステムは、通常、ＰＭＴベースのフローサイトメータであり、蛍光放出の光散乱特性により細胞を選別するために装備されている。このようなシステムでは、細胞の特徴付けは、細胞を運ぶ液体が液滴形成ノズルを出た途端に実行される。光学測定に基づき、流れの途絶えていない部分は、細胞を含む液滴が流れから自由に切れる前に帯電するか若しくは帯電しない。静電場を使用して帯電液滴を、帯電していない液滴をとらえている容器と別の容器とに進路からそらす。
【００７６】
図１２は、本発明の光学回折格子に基づく速度検出システムがイメージ捕捉のためにＴＤＩ検出器の同期をとることと、液滴帯電システムのタイミングを取ることの両方に使用される計測器を示している。システム１０ｇでは、速度検出とイメージ捕捉は両方とも共通のＦＯＶ ３８で実行される。ＴＤＩ検出器８０からのイメージは、高速細胞分類器１１０に送られる。この分類器は、注目している物体のイメージを検索する。このような物体が見つかったら、分類器は自動的に、その物体の特性に基づき物体が容器１３０に選別されるのか、容器１３２に選別されるのかを決定する。物体を容器１３２に入れることが決定された場合、この分類器により、時間遅延オペレータ１１２、電荷パルス発生器１１４、および電荷カラー１１６を備える帯電システムが起動される。時間遅延オペレータ１１２によって使用される時間遅延は、速度検出器の信号処理ブロック８４内で実行される速度測定に応じて物体がＦＯＶ ３８から付加された液滴１２０へ移動する時間と一致するように設定される。上述のように、速度検出器は光学回折格子４６、光検出器５０、および信号処理ブロック８４を備えることに留意されたい。帯電している液滴１２２は電極１２４と１２６の間の静電場により容器１３２に偏向される（進路をそらされる）。光感知領域と電荷カラーとの間の距離は十分に長くし、イメージベースの物体分類が完了に達する十分な時間の余裕をみる。このようにして、選別決定では従来の細胞選別フローサイトメータの場合よりも大きくそして複雑な機能群を使用できる。
【００７７】
支えの上の物体の測定のＦＤＶＭ
第１および第２の実施形態はＦＤＶＭ法を対象としており、これは、細胞またはその他の物体から出た光を速度に比例する特性周波数を持つ振幅変調（ＡＭ）信号に変換する。たとえば流体の流れの中を同じ速度で進行する任意の数の細胞が同時に感知領域にある場合があり、それぞれの運動に反応して発生した変調された光は基本周波数が同じで、位相のみが異なる。従来技術の時間領域方式とは異なり、ＦＤＶＭ法は、同期を必要とせず、細胞によって発生する時間ベースの波形の微細構造の変動にかなり強い。
【００７８】
ＦＤＶＭ法では、移動する発光細胞または照らされている細胞は、透明バーと不透明バーのルーリング上に像が形成され、振幅変調光信号を発生する。これらのバーが細胞のサイズ（たとえば直径）におおよそ等しくなるように光学倍率およびルーリングピッチを選択する。光学回折格子で使用されるルーリングのピッチは一様である。したがって、細胞から集められた光は、細胞が感知領域を横切るときにルーリング内で遮断と透過を交互に繰り返す。変調された光は、検出器に向かい、基本周波数が細胞の速度に比例するアナログ出力信号を発生する。このアナログ信号は、デジタルサンプルに変換される。ＦＦＴアルゴリズムにより、得られたデジタル信号は周波数領域内のスペクトルピークに分解され、処理されて、速度が求められる。第１のＦＤＶＭ実施形態は、物体が支えの上に配置される方法を志向しており、支えはＦＯＶ内を通る。第２のＦＤＶＭ実施形態は、物体がＦＯＶを流れる流体内に巻き込まれる方法を志向している。
【００７９】
速度検出システムの第１のＦＤＶＭ実施形態のブロック図が図１３に示されている。ビーズが、ＦＯＶに通されるスライド１３１上に配置されている。最初の実現可能性調査では、採用されている物体は移動する顕微鏡用スライドに固定された直径７．９μｍのビーズ（Ｂａｎｇｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入）を備えていた。スライドを閉ループＤＣサーボステージ１３３（Ｎｅｗｐｏｒｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている）に取り付けてスライドをＦＯＶに通せるようにし、そのステージに含まれる１ミクロンの解像度のリニアエンコーダを使用してサンプル速度を監視した。このステージは最高速度１００ｍｍ／ｓであり、比例積分微分（ＰＩＤ）制御システム（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能）を使用して制御できた。リニアエンコーダにより、独立に、スライドの移動（したがって、スライド上のビーズの移動）を監視し、ＦＤＶＭ速度検出システムの正確さと精度を確認するのに使用できる比較データを得ることができた。流体に巻き込まれている物体の速度を判別する操作は広い用途を持つと予想されるが、移動する支え（スライド）の実施形態も特に、流体内に簡単にまたは安定して巻き込まれる、または懸濁することができない物体に対し使用できることも予想される。
【００８０】
サンプルビーズを、ダイオードレーザー１３４（Ｔｈｏｒ Ｌａｂｓ，Ｉｎｃ．製）からの光で照らし、ビーズに当たる光を集光システム内に散乱させた。移動するサンプルイメージを約５倍の倍率で対物（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）１３６とレンズ１３８によりサンプルの運動に対して直角に向く５０ミクロンのバーのルーリング（Ｇａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製）を備える光学回折格子１３５に投影した。その後、ルーリングとサンプルをまとめて、結像レンズ１３７で調節可能なスリット１３９上にそれらの像を結ぶが、結像レンズは、流れに基づく計測器の視野をシミュレートするように配置されている。このスリットを通過する光をレンズ１４１で集め、ＰＭＴ １４８（Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｃｏｒｐ．製Ｍｏｄｅｌ ５７８３−０ １）上に誘導し、光学系のアパーチャの像をＰＭＴ（１４３）に結んだ。この方法により、ビーズの像がルーリングを横切ったときにＰＭＴ上を信号が移動しなかった。
【００８１】
速度検出システムのこの実施形態の信号処理部分は図１３にも示されている。増幅器／フィルタ１５０（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ製Ｍｏｄｅｌ ＳＲ５７０）によりＰＭＴからの信号を増幅し、ハイパスフィルタに通した。濾過された信号を、ＡＤＣ １４７を使ってデジタイズし、ＦＦＴプロセッサ１４９を使用してデジタイズされた信号を処理し、適切に定義されたピークがビーズの速度に対応する周波数である周波数スペクトルを発生する。移動平均フィルタ１５１を使用してＦＦＴスペクトルを平滑化し、処理ブロック１５３、１５５、および１５７で、平滑化されたＦＦＴスペクトルの微分のゼロ交差を求めた。デジタルストレージオシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ Ｃｏｒｐ．製）で、すべての信号処理を実行した。ゼロ交差で定義された周波数の積、ルーリング間隔、および速度変換ブロック１５９内の倍率の逆数を取ってスライド上の物体の速度を計算した。微分データ点間の線形補間により測定精度を高め、ゼロ交差周波数をより適切に定義できるようにした。
【００８２】
図１４Ａは、ビーズ、ルーリング、および調整可能なスリットの像を示している。ビームスプリッター、レンズ、および検出器をルーリングの後に挿入し、光源をスライドの背後に置き、見えるようにスリットを開くことによりイメージを取得した。ルーリングへの結像の前にビーズを４．９２培に拡大して、線幅が５０．８μｍ（９．８４２ ｌｐ／ｍｍ）になるようにした。図１４Ｂは、暗視野照明が使用されている散乱光イメージ、および２００ミクロンまで閉じられているスリット（物体空間内で４０ミクロン）であるが、これはデータ収集時のものである。動作中、モーター駆動ステージがビーズを視野内で２０ｍｍ／ｓの速度により移動したが（図の例では左から右へ）、データは約１秒で取得された。
【００８３】
上述の方法および装置を使用して、３つの実験でデータを取り、この手法の精度および正確さを決定した。図１５、１６、および１７は、これらの実験の結果を要約したものである。図１５に示されている精度実験の結果では、３４回の試行により２０ｍｍ／ｓで移動するステージを指令した。このステージのエンコーダと本発明のＦＤＶＭ法により測定した速度を記録し、プロットした。ＦＤＶＭ法を較正するために、第１の指令された速度とＦＤＶＭ法によって発生した周波数ピークの商を取って補正定数を決定した。その後のそれぞれの測定結果にこの値を掛けた。３４回の試行に対する変動係数（ＣＶ）を計算することによりＦＤＶＭ法の精度を求めた。図１６に示されているように、この測定により、エンコーダ法の精度は０．０９％であり、本発明のＦＤＶＭ法の精度は０．０１％であることが分かる。この実験の結果、ＦＤＶＭ法の精度はターゲットのパフォーマンス要件を５０倍超えていることが実証される。
【００８４】
エンコーダ法の見かけのパフォーマンスが劣るのは、サーボフィードバックシステムの内部速度計算の結果である可能性があることを指摘しておく。サーボシステムは、２００００カウントをすべて使用して１試行あたり１回速度測定を行うものではなく、リアルタイムの運動制御の目的で６０カウント毎に速度測定を行う。ステージフィードバックシステムは、１回の試行での個々の速度測定の平均値をとる関数を用意している。エンコーダの高精度プロットでの各点は、したがって、３３３回の個々の速度測定の平均である。
【００８５】
直線性実験の結果が図１７に示されている。このステージは、パフォーマンス要件で指定されているように５ｍｍ／ｓから１００ｍｍ／ｓの速度範囲で移動するよう指令された。ＦＤＶＭ法とステージエンコーダを使用して速度測定を行った。この範囲で、両方の測定により、ＦＶＤＭ法およびステージエンコーダに対する勾配１．０００２および１．０００７のユニティ（ｕｎｉｔｙ）の相関性の高いＲ２値が得られた。これらの結果から、本発明のＦＤＶＭ法は１桁分を超える速度測定の範囲で良好な直線性を持つことが判明した。
【００８６】
図１８は、図２のように、サンプルスライドを見られるように構成されているＴＤＩ検出器を使用して捕捉したイメージである。ＴＤＩ検出器または検出器は、イメージ処理中にクロックに同期してチップ上を移動する電荷と同じ速度で移動する物体の鮮明な像を捕捉する。ＴＤＩ検出器は、静止ルーリングの背後に配置されているため、ルーリングは、視野全体で不鮮明であった。ルーリングは、各ビーズイメージがイメージ処理プロセスでルーリング全体を横切るときにある程度のイメージ劣化に関わる。本発明のＦＤＶＭ法により決定された速度を使用してＴＤＩ検出器のピクセルクロックを発生した。イメージの包括的分析は実施していないが、速度の正確さは、ＴＤＩ検出器の運動の水平軸内のイメージの伸張を防ぐのに十分なものであることは明白である。
【００８７】
スライド上にビーズを採用する実現可能性調査の目標は、高い精度、高い正確さ、良好な直線性、およびサンプル密度の大きな変動の許容性を持つ速度検出システムを開発することであった。これらの目標を超え、システムは、ＴＤＩ検出器を使用してイメージを捕捉するのに正常に使用できた。０．５％の実現可能性要件を設定し、１００ステージＴＤＩ検出器に合わせて速度検出システムを使用したときにぼけが１ピクセル未満になるようにした。実際、この実現可能性システムでは、精度、正確さ、および直線性が０．０５％以上優れていることを実証しており、したがって、１０００ステージＴＤＩ検出器とともに使用できる。本発明が含まれる開発中の細胞分析システムの文脈において、より多くステージを使用して、より大きな視野にわたりイメージを集めることができ、それにより、計測器の積分時間および感度を高められる。逆に、視野を一定に保った場合、ピクセルサイズを減らし、計測器の空間解像度を高めることができる。正確な速度検出も、細胞の選別に役立ち、そのために、流れ速度の知識を活用して落下遅延を能動的に調整し、実験の過程のドリフトを補正することができる。
【００８８】
速度測定システムの監視制御
すべての実施形態において、本発明では、（１）光学回折格子の平面内で注目する物体が像を結ぶステップと、（２）光学回折格子によって透過された変調された光を光検出器の表面に送出するステップと、（３）変調された光信号を電気信号に変換するステップと、（４）信号を取得し処理するステップと、（５）速度を判別するステップを含む。これらの操作の１つまたは複数を監視ソフトウェアにより、速度測定システムと汎用コンピュータまたはその他のコンピューティングデバイスとのインターフェイスを取り、制御することが好ましい。
【００８９】
図１９は、好ましくはプログラム可能コンピュータのＣＰＵ １４４によって実行される、監視プログラム１４２によって制御される信号取得および分析システムの機能ブロック図である。それとは別に、監視プログラム１４２は、デジタルオシロスコープ内の対応するＣＰＵまたはＡＳＩＣチップにより実行することもできる。光検出器５０からの信号は、信号取得および調整プロセスブロック１０４、速度計算プロセスブロック１０５（図１１の高速な速度計算プロセスブロック１０６ではＦＦＴ処理を採用しているが、速度計算プロセスブロック１０５はより一般化されており、ＦＦＴ信号処理だけとは反対に他の種類の信号処理を採用できることに留意されたい）、および速度移動平均計算ブロック１４０により処理される。決定された物体の速度に基づき、監視プログラム１４２はクロック信号をＴＤＩ検出器８０を制御するタイミングジェネレータ１４６に供給する。ＴＤＩ検出器は本発明を採用できる唯一のデバイス例であることに留意されたい。他の種類のデバイスはこの方法でタイミング信号を供給できることが期待される。
【００９０】
流れの中の物体のＦＤＶＭ
本発明の第２の好ましい実施形態では、物体から出る光は、光学回折格子により変調され、変調された光は図５に示されている光検出器により感知される。光検出器信号を捕捉し、処理し、分析するために使用する機能ブロックを図２０に示す。入力信号を処理する多段デジタル信号処理操作１５０の詳細を図２１に示した。図２０に示されているシステム全体は、パイプラインプロセッサとして動作し、信号サンプルのブロック、さらにパイプラインを下ってサンプルのブロックから計算で求められたパラメータが一方の動作から次の動作へ中断することなく連続して渡される。
【００９１】
図６に関して上で説明したように、光検出器５０によって発生した信号は可変利得増幅器５２に入力される。可変利得増幅器５２の出力はバンドパスフィルタ５４によって濾過され、迷光と可変利得増幅器５２のバイアス電圧により生じたＤＣバイアスが除去され、ＡＤＣ ５６のナイキスト限界を超える周波数が除去されるが、この制限はサンプル周波数ｆｓａｍｐの１／２に等しい。バンドパスフィルタ処理の後、信号は平均値０を中心とする正と負の両方向に振れる。
【００９２】
ＡＤＣ ５６は、周波数ｆｓａｍｐで信号をサンプリングし、信号を、連続する各サンプル時刻の信号振幅を表すデジタルサンプル系列にエンコードする。コンバータは、信号を正数と負数の両方に対応する２の補数形式（２’ｓ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ ｆｏｒｍａｔ）などの数体系にエンコードすることにより信号の２極特性を保持しなければならない。
【００９３】
別の方法として、ＡＤＣ ５６を可変利得増幅器５２の直後に配置し、バンドパスフィルタ５４をアナログタイプのフィルタの代わりにデジタルフィルタとして実装することができる。ＡＤＣに加えられる信号は単極であり、信号は単純な２進数にエンコードされ処理される。
【００９４】
多段デジタル信号処理ブロック１５０では、１つの信号セグメントが処理される。図２１を参照すると、ブロック１５０で、所定の長さＮ＿ｓｅｇｍｅｎｔの信号サンプルの連続系列を分析し、光検出器信号の平均周波数を抽出し、その周波数を物体速度の推定値に変換する。この操作の第１のステップ１６０で、入力信号からのセグメントに対する望む数のサンプルを捕捉する。
【００９５】
オプションにより、次の信号処理ステップ１６２で、振幅窓操作またはアポディゼーション機能（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を捕捉されたばかりの信号セグメントに適用する。このアポディゼーションステップがないと、セグメントの両端での信号の急激な切り捨てにより、信号の周波数成分を側波帯（ｓｉｄｅｂａｎｄｓ）の集合に広げるが、その周波数および振幅は矩形窓のフーリエ変換、周波数空間内のサイン関数に適合する。当業者であれば、Ｈａｍｍｉｎｇ、Ｈａｎｎｉｎｇ、または二乗コサイン関数などの関数によるアポディゼーションが、たとえば、サイン関数の代わりに低い振幅のより滑らかな側波帯構造の代わりになることは理解するであろう。側波帯の振幅を低減すると、特に、速度のバラツキがある場合に、光検出器信号の平均周波数を推定する精度が向上する。それとは別に、肩が滑らかな強度のプロフィールを使用してＦＯＶを照らすことによりアポディゼーションを光学的に実行し、それにより、ＦＯＶのエッジで信号の急激な切り捨てをなくすことができる。さらに他のアポディゼーションの方法では、ルーリングを可変透過勾配フィルタ上に重ね合わせ、ＦＯＶのエッジの光信号を滑らかに減衰させる。
【００９６】
ステップ１６２のオプションのアポディゼーション操作の後に、ブロック１６４で複素ＦＦＴ関数を実行する。複素ＦＦＴアルゴリズムを使用するには、信号を実入力としてＦＦＴに印加し、すべての値がＦＦＴへの虚数入力として０に設定されている長さＮ＿ｓｅｇｍｅｎｔの配列を適用する。実数変換に対しＦＦＴアルゴリズムをより効率的に使用する他の方法もあるが、これらの方法では、入力配列を特別なパターンでパックし（ｐａｃｋｉｎｇ）、出力配列をアンパックする（ｕｎｐａｃｋｉｎｇ）必要がある。しかし、このような方法を使用して、処理時間を節約することができる。
【００９７】
次に、その結果の複素数スペクトルをブロック１６６のオペレータに適用し、以下の関係式を使ってスペクトルの実部と虚部をスペクトルの大きさに変換する。
【００９８】
【数３】
2004506919.tif 000005
【００９９】
ただし、
Ｍｊ＝サンプルｊでの大きさ
Ｒｅｊ＝サンプルｊの実部
Ｉｍｊ＝サンプルｊの虚部
【０１００】
通常、この操作は、ルックアップテーブルまたは高速近似アルゴリズムを使って実行し、実行速度を上げる。
【０１０１】
通常、ＴＤＩ検出器で物体の像を結ぶ速度は、平均速度からほんのわずかずれる。したがって、光検出器からの信号のスペクトルの電力は平均周波数を中心とする狭帯域に集中し、この帯域外のスペクトルは、平均周波数の計算で無視することができる。
【０１０２】
図２２は、中心周波数を２５００Ｈｚとしガウス形状エンベロープ（包絡線）を持つ正弦波バーストにより発生するスペクトルである。図９に示されているような流れイメージ処理システムのフローセルを通過する単一の物体からこのような信号が発生することがある。単純なピーク検出器が図２１のブロック１６８内の図２２内のスペクトルに適用され、分析のため注目するスペクトルの領域１７８を局在化する。図２３は、信号バーストのスペクトルのピークに中心があるスペクトルのセグメント１８０を示している。このセグメントには、スペクトル内の電力のほとんどすべてが含まれ、このセグメントを使用して平均速度を計算することができる。
【０１０３】
図２１のブロック１７２で、図１７の信号セグメントからＦＦＴビンのスケール上の平均周波数を見つけることにより平均速度を決定する。次の関係式により、この計算を行う。
【０１０４】
【数４】
2004506919.tif 000006
【０１０５】
ただし、
ａ，ｂ＝窓内のサンプルの終点
Ｓ＝スペクトルの大きさ
【０１０６】
【数５】
2004506919.tif 000007
【０１０７】
Ｈｚを単位とする平均周波数を次のように平均ＦＦＴビン数から計算する。
【０１０８】
【数６】
2004506919.tif 000008
【０１０９】
ただし、
ｆＮｙｑ＝ナイキスト周波数
Ｎ＝ＦＦＴ長さ
【０１１０】
【数７】
2004506919.tif 000009
【０１１１】
最後に、平均周波数に光学回折格子のピッチを掛けて平均速度１７６を求める。
【０１１２】
【数８】
2004506919.tif 000010
【０１１３】
ただし、
ｓ＝回折格子のピッチ（ミクロン）
【０１１４】
【数９】
2004506919.tif 000011
【０１１５】
速度検出システムでは、処理している信号セグメント内に捕捉されている信号が非常にわずかであるか、まったくない可能性にも対処できなければならない。本発明のこの実施形態では、スペクトルのピークを中心とする局所領域にわたって積分されるスペクトルの大きさは次のようにブロック１７０で計算される。
【０１１６】
【数１０】
2004506919.tif 000012
【０１１７】
ただし、
Ｍｓｉｇ＝積分された大きさ、このセグメント
Ｓ＝スペクトルの大きさ
ａ＝ピークを中心とする局所領域の第１のビン
ｂ＝ピークを中心とする局所領域の最後のビン
【０１１８】
続く速度検出システムの監視プログラムの説明から明らかなように、平均速度の通算記録が、スーパーバイザによって維持され、これを使用して、局所領域の境界ａおよびｂを確立し、平均周波数と積分された大きさ１７４を計算する。
【０１１９】
図２０を再び参照すると、操作１５０からの平均速度および積分された信号の大きさが決定ステップ１５２に適用される。決定ステップ１５２からは、（１）処理されるセグメントのＳＮＲが速度の計算に適したものであり、新しい速度値を速度リスト１５４に追加する、または（２）ＳＮＲが速度の計算に不適切（定義済みの値以下）で、速度リストに変更がないという２つの可能な結果が得られる。新しい速度値を速度リストに追加すると、リスト上の最も古い値が削除される（リストが満杯になると）。速度リスト１５４およびステップ１５６の移動平均の計算から、新しい信号セグメントが処理される毎に新しい速度推定値が得られる。移動平均速度は、所定のｍ個の速度値にわたる平均である。移動平均で使用する値の個数ｍを増やすと、移動平均の精度が向上し、減らすと、速度検出器が速度の急激な変更に追随する応答性が向上する。
【０１２０】
速度検出器は、流れ速度と光検出器ＳＮＲの変動に適応し、精度および信頼性の高い速度推計値を出力する必要がある。図１９に示されている、監視プログラム１４２を使用して、速度検出器を制御し、速度検出器の動作とイメージ処理システムの残り部分との調整を行う。図２４は、本発明の第２の好ましい実施形態の監視プログラムによって実行されるステップを示す流れ図である。プログラムの３つの主要な出力であるＳＮＲ決定しきい値、スペクトル積分限界、および光検出器増幅器利得が速度測定システムにフィードバックされ、そのパフォーマンスが最適化される。
【０１２１】
速度検出システムの動作は、計測器較正ステップ１９０で開始し、光信号がない場合に光検出器チャネルからのノイズが判別され、分析される。これは、システム内の光源をオフにするか、またはフローセルを通る物体の流れを停止することにより行う。ノイズ測定の目的は、情報伝達信号を速度測定結果を受理するか拒絶するかのしきい値を設定するために比較する際の基準を確立することである。
【０１２２】
較正操作で、複数の増幅器利得設定でノイズレベルを測定し、それらの測定結果をノイズレベルと利得との比較表１９２に入れる。表１９２を使用して、増幅器５２の初期利得設定を選択する。通常動作時に信号強度を調整するため増幅器利得を変化させるときに、決定しきい値を設定する正しいノイズレベルを表１９２から読み込み、しきい値計算器１９４に適用する。較正操作が完了すると、１つの光源または複数の光源がオンになり、物体が流れの中に導かれ、ステップ１９６に示されているように、イメージの取得が行われる。
【０１２３】
監視プログラムの次の作業は、ステップ１９８でスペクトルのピークを探し、分析するスペクトル領域の上限と下限を設定することである。流速についてアプリオリな知識がない場合、この初期の探索で、スペクトル内の全周波数範囲をスパンし、スペクトルピーク周波数２００を表す強いピークが見つかるまで多数の信号セグメントを捕捉する必要がある場合がある。そのピークの位置を利用して、ベクトルの予想される幅に関する知識を用いて、局所領域の境界を設定する。この幅は、照明場の光線プロフィール、アポディゼーション関数の形状、および物体速度の予想される分散によって異なる。この情報は、計測器の設計から理解される。
【０１２４】
光検出器増幅器利得を開始値に設定し、決定しきい値および積分限界値を設定すると、信号セグメントのパイプライン処理が開始する。セグメントが処理される毎に、移動平均速度値１５８がリスト２０４に追加され、リスト内の最も古い値が削除される。ステップ２０６でリスト２０４内の速度値の平均を取る。分析する局所スペクトル領域の境界が設定されるステップ２０２でこの長期間の速度平均を使用する。積分限界を調整するプロセスは、監視プログラム内のフィードバック制御ループを構成する。このループの応答時間は、リスト２０４に保持され、ステップ２０６で平均がとられたサンプルの個数を調整することにより修正できる。
【０１２５】
光検出器増幅器の利得はシステム動作時にも調整され、試料特性が変化したときに速度検出器のＳＮＲを最適化する。ステップ２０８の監視プログラムの増幅器利得調整システムは、それぞれの信号セグメントのヒストグラムを作成し、ステップ２１０でＡＤＣ出力スケールの上近くで所定の個数のレベルを占有するサンプルの数をカウントし、ステップ２１２で表の中の一番最近のカウントの結果のリストを保持し、ステップ２１４でその表を分析して利得調整を出力する機能を備えている。
【０１２６】
速度測定システムのＦＯＶに物体が到着する時間は確率変数である。試料に高濃度の物体が含まれる場合、物体が所定の間隔でＦＯＶを通過する確率は高く、ステップ２１２のカウント表は増幅器利得を設定するのに役立つ多くのサンプルを含む。しかし、試料に非常に低濃度の物体が含まれる場合、速度検出システムによって処理される信号セグメントの多くは信号を欠いており、それらのセグメントについてステップ２１２のカウント表に格納されるカウント値は０になる。自動利得制御システムの当業者であれば、この問題がラジオ受信機やスタジオマイク増幅器の利得を調整する問題と似ており、処理される信号の振幅は大きく変化し中断される可能性のあることを認識するであろう。このような場合の慣例として、「速く攻撃して（ｆａｓｔ ａｔｔａｃｋ）」、「遅く回復する（ｓｌｏｗ ｒｅｃｏｖｅｒｙ）」というフィードバック制御システムを使用する。このようなシステムでは、高振幅の信号が急に到着した場合、増幅器利得を素早く下げることにより対処すると、飽和を防ぐことができる。他方、信号が長時間中断した場合は、利得をゆっくり上げることで対処するが、ただし大きな信号は早く到着する確率が高いが、より高い利得を必要とする振幅の永続的な喪失が発生しているということを前提条件とする。ステップ２１４で決定した利得調整により、「速く攻撃して」、「遅く回復する」というアルゴリズムを使用して、光検出器増幅器利得を調整する。移動平均の決定１５８、およびステップ２０８および２１０、およびその関連するフィードバック制御メカニズムは、監視プログラムにより終了されるまで信号セグメントの逐次処理を持続する。
【０１２７】
ノイズ較正表１９２に関して可変利得増幅器５２の新しい利得設定をステップ２１６で行う。利得制御フィードバックループの応答時間は、表２１２に保持され、ステップ２１４で分析されるサンプルの個数を調整することにより修正できる。
【０１２８】
単一の非一様光学回折格子を使用した物体のＴＤＶＭ
本発明の第３の好ましい実施形態では、速度測定のために集められた光は、光学回折格子により変調され、第２の実施形態の場合とまったく同様に、図５に示されている光検出器により感知される。しかし、光検出器信号の分析はベースバンド領域で実行される。ベースバンドの復調は通信やその他の信号処理用途で受信機の同調およびキャリア除去によく使われる。信号を上下の側波帯に分割する機能をさらに持つベースバンド復調器の基本的なアーキテクチャを図２５に示すが、これは、「両側波帯受信機」（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｂａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）とここでは呼ぶ。
【０１２９】
図２５に示されているように、光検出器から入力された信号は乗算器（またはミキサー）２２２および２２６に送られ、そこで、信号に２つの連続正弦波関数を掛けるが、これは局部発振器信号と呼ばれる。この２つの局部発振器信号は、同じ周波数であるが、互いに９０度位相がずれている。つまり、第１の局部発振器信号２２４は、同相局部発振器信号であり、コサイン関数であるが、第２の局部発振器信号２２８は、４位相局部発振器信号であり、サイン関数である。ミキサーの後にローパスフィルタ２３０および２３２を置き、ベースバンド復調を完了する。
【０１３０】
光検出器からの信号に周波数ｆＬＯの正弦波を乗算した結果、入力信号のスペクトルがｆＬＯだけ上にオフセットされ、和周波数が得られ、−ｆＬＯだけ下にオフセットされ、差周波数が得られる。図２６で、１５００Ｈｚの中心周波数のグラフ２５０に示されているスペクトルを持つ正弦波バーストがミキサー２５２および２５６に加えられ、２０００Ｈｚに設定されている局部発振器信号２５４および２５８により駆動される。ミキサーの出力のところのスペクトルの中心周波数は、グラフ２６４に示されているように、差周波数５００Ｈｚと和周波数３５００Ｈｚである。ローパスフィルタ２６０および２６２は、和周波数を抑制し、グラフ２７０に示されているように、Ｉ（ｔ）２６８およびＱ（ｔ）２６６の信号の差周波数のみを残す。
【０１３１】
ローパスフィルタ出力は、ＩおよびＱ信号である、つまり同相信号と４位相信号である。図２７は、ベースバンド復調器を出入りする信号がオシロスコープ上にどのように現れるかを示している。毎回、サンプルが入力信号２７２の複素数表現であり、Ｉチャネル２６８は複素数信号の実部を表し、Ｑ信号２６６は複素信号の虚部を表す。グラフ２７６は、同相出力信号を示しているが、グラフ２７４は４位相出力信号を示している。Ｉ、Ｑのペアは、信号の大きさと局部発振器に関する入力信号２７２の位相の両方を伝達する。Ｉ、Ｑペアの時系列は、正の周波数と負の周波数の両方を表すことができ、それぞれ局部発振器周波数よりも上の周波数と局部発振器周波数よりも下の周波数から導かれる。Ｉ、Ｑペアの時系列は、「分析信号」と呼ばれることが多い。
【０１３２】
入力信号の大きさと位相は、図２８に示されているベクトル操作を使用して分析信号から計算することができる。信号２８２の大きさは、ステップ２７８で計算される。Ｉ（ｔ）およびＱ（ｔ）は、ベクトルＭ（ｔ）のカーテシアン射影（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）であり、したがって、Ｍ（ｔ）は他の２つの側がＩ（ｔ）およびＱ（ｔ）である直角三角形の斜辺の長さにすぎない。Ｍ（ｔ）を計算する式は次のとおりである。
【０１３３】
【数１１】
2004506919.tif 000013
【０１３４】
そこで、実Ｉ（ｔ）軸と斜辺Ｍ（ｔ）とがなす角度はＱ（ｔ）／Ｉ（Ｔ）の逆タンジェント、つまり
【０１３５】
Φ（ｔ）＝ａｒｃｔａｎ［Ｑ（ｔ）／Ｉ（ｔ）］
である。
【０１３６】
分析信号は、速度検出器の光検出器信号周波数を追跡するための用途の広い方法を提供する。各サンプル時間での周波数を求めるには、ステップ２８０で分析信号の位相の時間微分を取る。しかし、Φ（ｔ）のグラフ２８４に示されているように、位相は周期関数である。値πと−πは、同じ角度を定義し、グラフ２８４に急な遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）が生じている。
【０１３７】
各時間サンプルについて位相微分を計算するために、周期関数Φ（ｔ）を連続関数に変換しなければならない。図２９は、一定周波数信号の位相の位相接続を示している。関数Φ（ｔ）はグラフ２８８に示されている。極座標プロット２８６は、振幅一定、周波数一定の信号の回転ベクトル表現を示している。プロット２８６から、位相が周期毎に１回πから−πへの急な遷移を行っていることがわかる。位相接続アルゴリズム（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）２９０は、これらの遷移を感知して補正し、グラフ２９２に示されているように、位相の単調増加関数を出力する。
【０１３８】
図３０では、位相接続アルゴリズムを説明している。最初のステップ２９４で、Φ（ｎ）およびΦ（ｎ−１）の値に関係なく時間サンプルから次の時間サンプルへの位相の変化を計算する。次の２つのステージ、２９６および２９８で、π、−π境界を越える遷移の存在を感知し、位相微分を補正する。ステップ２９６および２９８の両方の最初の部分で、一方の半平面から他方の半平面に位相が移動したことを検出する。Φ（ｎ−１）が０または正であった場合、遷移は上半平面から下半平面へであり、ステップ２９６が実行される。Φ（ｎ−１）が負である場合、遷移は下半平面から上半平面へであり、ステップ２９８が実行される。ステップ２９６で、さらにテストを実行し、Φ（ｔ）が負の方向にπ以上変化したかどうかを調べる。そうであれば、半平面同士の間の遷移は、π、−π境界にあったということである。この場合、＋２πのオフセットがΔΦに加えられ、境界遷移の影響が取り除かれる。同様にして、ステップ２９８で位相がπ、−π境界を超えて時計回りに回転した場合、ΔΦから２πを引いて、境界線の影響を取り除く。位相接続アルゴリズムをベースバンド復調器からの位相信号に適用することにより、図２９のグラフ２９２に示されているように、滑らかな位相プロットΦｍ（ｔ）を生成する。このプロットの勾配は、半径方向の周波数、ω（ｔ）である。
【０１３９】
実際のシステムで発生する信号には何らかのランダムノイズが含まれる。ω（ｔ）は差演算子を使用して計算され、真のランダムノイズはサンプル毎に無相関なので、ω（ｔ）計算が正確になればＳＮＲの低下とともに急激に劣化する。このため、ω（ｔ）の時間サンプルを速度計算に受け入れるのは、信号の大きさが定義済みしきい値よりも大きい場合に限る。この考え方は、図３１Ａおよび３１Ｂに示されている。図３１Ａのグラフ３０２では、しきい値０．１が大きさＭ（ｔ）に適用される。ベースバンド周波数は、しきい値を超えるサンプルについてのみ計算し、図３１Ｂのグラフ３０８に示されているような結果が得られる。グラフ３０８で使用されている「分数周波数（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）」３１０という用語は、周波数をベースバンドにおけるナイキスト限界の分数として表していることを意味する。分数周波数の値は０．０から１．０である。
【０１４０】
図３２は、第３の実施形態の信号処理およびデータ経路を示している。光検出器５０からの信号が可変利得増幅器５２に適用され、その利得は監視プログラムにより調整されＳＮＲを最適化する。増幅された信号をバンドパスフィルタ５４に印加し、ＤＣオフセットを除去し、信号帯域を制限してエイリアシング（ａｌｉａｓｉｎｇ）を防止する。濾過された信号は、ＡＤＣ ５６によりデジタルサンプルのシーケンスに変換される。ミキサー２２２および２２６およびローパスフィルタ２３０および２３２（図２５）は、ステップ３１１のベースバンド変換で実装される。ベースバンド信号のペアＩ（ｎ）、Ｑ（ｎ）は、２つのステップで使用される。１つは、ステップ３１２の上側波帯と下側波帯の信号３１４および３２２の生成である。もう１つは、フローセルを通る物体の速度を測定することである。
【０１４１】
図３３は、Ｉ、Ｑ信号ペアから上および下側波帯信号の発生を示している。Ｉ（ｎ）信号３２６とＱ（ｎ）信号３２８は、それぞれ、ステップ２３４および２３６で適用される、ヒルベルト変換演算子により処理される。当業者であれば、この演算子により入力信号がπ／２ラジアン（９０度）だけ遅れることを理解するであろう。回転は広範囲の周波数にわたって入力信号の周波数に無関係なπ／２であるため位相回転は時間遅延ではないことに留意されたい。しかし、時間遅延はヒルベルト変換アルゴリズムに内在しており、時間遅延２３８および２４０と整合していなければならない。側波帯分離の最後のステージは、ノード２４２での回転Ｑ（ｎ）信号と上側波帯信号ＵＳＢ（ｎ）３３０を発生する非回転Ｉ（ｎ）信号の総和、およびノード２４４での回転Ｉ（ｎ）信号と下側波帯信号ＬＳＢ（ｎ）３３２を発生する非回転Ｑ（ｎ）信号との総和である。ノード２４２での総和で、Ｉ、Ｑ平面２８６（図２９を参照）内で反時計回りに回転する信号ベクトルが相殺され、Ｉ、Ｑ平面内で時計回りに回転する信号ベクトルが強められる。ノード２４４での総和で、Ｉ、Ｑ平面２８６内で時計回りに回転する信号ベクトルが相殺され、Ｉ、Ｑ平面内で反時計回りに回転する信号ベクトルが強められる。上および下側波帯信号はシステム起動時に監視プログラムによって、光検出器の周波数の検索およびベースバンド復調器の局部発振器周波数の設定に使用される。
【０１４２】
Ｉ、Ｑ複素信号はさらに、ブロック３１６（図３２を参照）内のパイプラインプロセスに適用され、流れの中の個々の物体から信号を検出し、セグメントに分割して、それらの信号を所定の合格基準に照らしてテストし、受け入れた信号から物体速度を計算する。ブロック３１６で実行されるステップの詳細については、図３４に示されている。
【０１４３】
グラフ３０２（図３１Ａ）に示されている信号しきい値の概念を使って、信号ストリームをサンプルパケットにセグメント分割し、それぞれが流れの中の物体または物体の集合を表すようにする。最も正確な速度測定は、孤立した単一物体からの信号から導いたものである。物体の集合からの信号、つまり速度検出器のＦＯＶに共存する複数の物体からの信号が、個々の物体からの信号間の干渉により生じる位相誤差を伝達する。セグメント化では、エンベロープ幅が現在の予想される速度でＦＯＶを通過する単一物体について予想されるものに近い信号のみを受け付ける。エンベロープ幅は速度に反比例するため、監視プログラムは既知の速度を追跡し、速度が変化するときに幅制限を補正する。
【０１４４】
図３４を参照すると、Ｉ、Ｑ複素信号の基本ペアをブロック３３４から始めて分析する。信号の大きさがしきい値３７１を横切るときにパケットのセグメント化が開始し、立ち上がりがステップ３３６で検出され、大きさがしきい値３７１を横切って戻ったときに終わり、ステップ３４２で検出される。サンプルカウントｎおよびラップされない位相（ｕｎｗｒａｐｐｅｄ ｐｈａｓｅ）Φｍ（ｎ）は、ステップ３３８で、パケットの立ち上がりエッジが検出されたときに０に設定される。ラップされていない位相は、立ち上がりエッジに続く各サンプルについてステップ３４４で計算され、サンプルカウントは新しいサンプルがステップ３４０で取得される毎に増分される。パケットの立ち下がりが検出されると、サンプルカウントｎがパケットの幅３６４として取られる。位相サンプルΦｍ（０）からΦｍ（ｎ）は、信号パケットの平均周波数の計算で使用され、その後、物体の速度の計算に使用される。
【０１４５】
しかし、各パケットは使用される信号として受け付けられる前に２つの基準を満たしている必要がある。１つは、ステップ３４６でパケット幅を幅の上限および下限と比較することである。パケットは、幅が上下限を外れている場合に却下される。ステップ３４８でパケット内のサンプル毎に半径方向分数周波数ω（ｎ）を計算する。位相接続アルゴリズムでは、ナイキスト限界が−πとπラジアン／サンプルなので、−πからπの範囲を外れた値を出力できない。操作３４８においてπで割ると、ω（ｎ）がナイキスト限界の無次元分数として表される。ステップ３５０で値ω（１）からω（ｎ）の集合について分散を計算し、ステップ３６０で最大限界３７３と比較する。この限界値は、拒絶された物体の数を制限しながら速度測定の必要な精度を達成するために経験から求めた定数である。
【０１４６】
波形パケットが単一物体を表すものとして、また許容できる低周波数分散を持つものとして受け入れられる場合、物体速度３６８は次のようにステップ３６２で計算される。
【０１４７】
【数１２】
2004506919.tif 000014
【０１４８】
かつ
【０１４９】
【数１３】
2004506919.tif 000015
【０１５０】
ただし、
ω（ｉ）＝サンプルｉの分数周波数
ｆＮｙｑ＝ベースバンドのナイキスト周波数
【０１５１】
【数１４】
2004506919.tif 000016
【０１５２】
ｆＬＯ＝局部発振器周波数（Ｈｚ）
ｓ＝回折格子のピッチ（ｍｍ）
ｖ０＝粒子速度（ｍｍ／秒）。
【０１５３】
図３５Ａでは、グラフ３７０は、ベースバンド周波数とグラフ３０２（図３１Ａ）に示されている大きさ信号に対する時間との対比のプロットであるが、適格な信号のみが保持されている。図３５Ｂのグラフ３７２は、操作３６２（図３４を参照）でグラフ３７０に示されているベースバンド周波数データから計算した一連の物体速度を示している。
【０１５４】
受け入れられた物体毎に、速度ｖ０は図３２のスクロールする物体速度リスト３１８に送られる。新しい速度値がスクロールするリストに追加される毎に、最も古い値がリストから削除される。ステップ３２０での移動平均計算により常時、監視プログラムによって決定される繰り返し速度でスクロールする速度リスト内の値の移動平均３２４が求められる。
【０１５５】
図３６は、本発明の第３の実施形態の監視プログラムの構造を示している。速度検出システムの動作は、ステップ３７４の計測器較正で開始し、光信号がない場合に光検出器チャネルからのノイズが判別され、分析される。これは、システム内の光源をオフにするか、または流管を通る物体の流れを停止することにより行う。ノイズ測定の目的は、情報伝達信号を位相サンプルを受理するか拒絶するかのしきい値を設定するために比較する際の基準を確立することである。
【０１５６】
較正操作で、複数の増幅器利得設定でノイズレベルを測定し、それらの測定結果をノイズレベルと利得との比較表３７６に入れる。表３７６を使用して、可変利得増幅器５２の初期利得設定を選択する。通常動作時に信号強度を調整するため増幅器利得を変化させるときに、決定しきい値を設定する正しいノイズレベルを表３７６から読み込み、ステップ３７８のしきい値計算に適用する。較正操作が完了すると、１つの光源または複数の光源がオンになり、物体が流れの中に導かれ、ステップ３８０に示されているように、イメージの取得が行われる。
【０１５７】
ステップ３８２に示されている監視プログラムの次の作業は、光検出器信号のスペクトルを検索することである。流速についてアプリオリな知識がない場合、この初期の探索で、スペクトル内の全周波数範囲をスパンし、強い信号が見つかるまで何回もスペクトルを掃引する必要がある場合がある。ステップ３８２で、局部発振器の周波数を掃引して、上側波帯３３０と下側波帯３３２の信号の短い時間セグメントを捕捉する（図３３を参照）。局部発振器が光検出器信号の実際の周波数について掃引されると、下側波帯振幅が一度大きくなってそれから低くなる。次に、上側波帯振幅が大きくなり、それから下がる。広い掃引でおおよその光検出器周波数を見つけるには、局部発振器を大きな増分で変化させ、検索速度を高め、ステップ３８２での検索で、次のようにして側波帯の二乗平均平方根（ｒｍｓ）和を測定する。
【０１５８】
【数１５】
2004506919.tif 000017
【０１５９】
ただし、
Ｕ［ｉ］＝ｉ番目のサンプルの上側波帯振幅
Ｌ［ｉ］＝ｉ番目のサンプルの下側波帯振幅
Ｎ＝テストされている信号セグメントの時間サンプルの個数
Ｐｓｕｍ＝信号セグメントの積分された側波帯電力
【０１６０】
図３７は、積分された側波帯電力と広い検索掃引に対する局部発振器周波数の対比のグラフ４０６である。電力エンベロープ４０８の幅は、ベースバンド復調器内のローパスフィルタ２３０と２３２（図２５を参照）の帯域幅の２倍である。望む局部発振器周波数は、電力エンベロープの中の２つのピークの間のディップ（ｄｉｐ）４１０にある。しかし、この周波数は、検索掃引３８２で使用しているステップが大きいため分解能がよくない。
【０１６１】
図３６を参照すると、望む局部発振器周波数のより正確な推定値は、ステップ３８４で、局部発振器周波数を電力エンベロープを含む狭い範囲にわたって変化させることにより得られる。この狭い掃引は図３８のグラフ４１４に示されており、これは、局部発振器周波数の関数としてＰｕｓｂと呼ばれる上側波帯電力４１６とＰｌｓｂと呼ばれる下側波帯電力４１８の重なりである。図３６のステップ３８４の検索で、上側波帯および下側波帯が等しい電力を持つ図３８の周波数４２０を見つける。図３８から明らかなように、この周波数は約２５００Ｈｚである。この条件の下で、局部発振器周波数はおおよそ、光検出器信号中心周波数に等しく、ベースバンド復調システムを使用して、正確な光検出器信号周波数を測定することができる。
【０１６２】
大きさのしきい値と局部発振器周波数を設定すると、物体処理が開始できる。物体処理中、監視プログラムは信号処理ステップ３１６（図３２を参照）により受け入れられるサンプル位置を使用してステップ３８８（図３６）で側波帯信号を連続的に監視する。選択された側波帯サンプルを使用して、上側波帯信号の電力と、下側波帯信号の電力とのバランスを監視する。この２つの側波帯信号がアンバランスであると、光検出器周波数はずれてしまい、局部発振器周波数を調整しなければならなくなる。ステップ３８８で側波帯のバランスを繰り返し計算し、表３９０にそのバランス値を格納し、ステップ３９４で発振器の調整を計算し、ステップ３８６で適用する。表３９０に保持されている値の数を修正して、局部発振器のフィードバックループの応答時間および安定性を調整することができる。
【０１６３】
側波帯信号レベルをチェックし、ステップ３９２で失われていないか調べる。上側波帯および下側波帯の信号が失われている場合、監視プログラムが信号処理を中断し、検索ルーチン３８２に戻り、可能ならばシステムを光検出器信号周波数に同調させる。監視プログラムは、信号が取得されるか、または速度検出システムがオフになるまで、検索モードのままである。
【０１６４】
可変利得増幅器の利得はシステム動作時にも調整され、試料特性が変化したときに速度検出器のＳＮＲを最適化する。ステップ３９６で実装されている監視プログラムの増幅器の利得調整システムは、受け入れた信号パケットの大きさのピークのヒストグラムを作成する。ステップ３９８で、ＡＤＣ出力スケールの上近くに所定の数のレベルを占有するサンプルの数をカウントし、表４００に一番最近のカウント結果のリストを保持する。ステップ４０２でその表を分析して、利得調整を決定する。ステップ４０２で実装した利得調整では、上述のように「速く攻撃して」、「遅く回復する」というアルゴリズムを使用して、可変利得増幅器の利得を調整する。
【０１６５】
新しい利得設定をステップ４０４で行い、ノイズ較正表３７６に送る。利得制御フィードバックループの応答時間および安定性は、表４００に保持され、ステップ４０２で分析されるサンプルの個数を調整することにより修正できる。
【０１６６】
ペアの非一様光学回折格子を使用した物体のＴＤＶＭ
本発明の第４の好ましい実施形態では、速度測定のために集められた光は、図４３に示されているように、２つの光学回折格子により変調され、２つの光検出器により感知される。第１の光検出器からの信号と第２の光検出器からの信号との相互相関を求めることにより速度を測定し、物体の速度に変換される飛行時間型（ｔｉｍｅ−ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）の値を求める。
【０１６７】
２つの信号の相互相関を求めるには、２つの信号の合成積（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を求め、合成積演算の出力から情報を抽出するが、これは、コレログラム（ｃｏｒｒｅｌｏｇｒａｍ）と呼ばれる。時間領域における合成積は、次の式により定義される。
【０１６８】
【数１６】
2004506919.tif 000018
【０１６９】
時間サンプルｔ毎の合成積の値は、２つの関数の積の無限大にわたる総和であるが、第２の関数は時間ｔで相殺される。合成積演算子の有用性は、周波数領域での乗算に相当するという事実にある。
【０１７０】
以下の一般的な表記を使用する。
【０１７１】
Ｆ（ｅｊｗ）＝ｆ（ｔ）のフーリエ変換
もし
ｆ３（ｔ）＝ｆ１（ｔ）＊ｆ２（ｔ）
であれば、
Ｆ３（ｅｊｗ）＝Ｆ１（ｅｊｗ）・Ｆ２（ｅｊｗ）
【０１７２】
望む周波数応答Ｈ（ｅｊｗ）を持つフィルタを時間領域の演算として実装できるが、それには、たとえば、逆フーリエ変換ｈ（ｔ）を合成積積分中で適用する。しかし、本発明では、合成積演算子の有用性は２つの信号の間の時間遅延を測定することにある。最も単純な場合、２つの信号は、第２の信号が時間ｔ０だけ遅延されることを除き、互いに同じである。以下の式に示されているように、時間遅延を信号に適用することは、その信号と遅延されたインパルス関数δ（ｔ−ｔ０）との合成積を計算することと同じである。
【０１７３】
ｆ２（ｔ）＝ｆ１（ｔ−ｔ０）
であれば、
ｆ２（ｔ）＝ｆ１（ｔ）＊δ（ｔ−ｔ０）
【０１７４】
合成積は結合的なので、第１の信号ｆ１（ｔ）と第２の信号ｆ２（ｔ）との合成積を取る問題は、ｆ１（ｔ）とそれ自身および結果の時間遅延との合成積を計算することで解くことができる。そこで、
【０１７５】
ｆ１（ｔ）＊ｆ２（ｔ）＝ｆ１（ｔ）＊ｆ１（ｔ）＊δ（ｔ−ｔ０）
もし
ｆ３（ｔ）＝ｆ１（ｔ）＊ｆ１（ｔ）
であれば、
ｆ１（ｔ）＊ｆ２（ｔ）＝ｆ３（ｔ−ｔ０）
【０１７６】
逆に、一方と他方との合成積を求め、その結果の中の時間遅延の量を検出することにより２つの信号の間の時間遅延を測定することも可能である。
【０１７７】
図３９は、２つの類似の信号４２２および４２４の合成積を示しており、これらは異なる時間に到着した合成積演算子４２６の入力である。コレログラム４２８は、信号４２２と４２４の積分された積の振幅のプロットである。コレログラムの横軸は、時間サンプルの単位をスケールとして合成積演算を使用して信号４２４に関して信号４２２に適用される時間遅延を表す。信号４２２を信号４２４と合わせるために約４００個のサンプルの遅延が必要であり、これは、コレログラム振幅のピーク値から明らかである。コレログラムは２つの信号のいずれよりも広いことに留意されたい。この条件は、信号とそれ自身との合成積を求めることはその信号のスペクトルを平方すること、スペクトル分布を圧縮するステップに相当するという認識から理解できる。信号の帯域幅を狭めることで、時間領域の信号を広くすることができる。
【０１７８】
速度検出システムで、信号４２２および４２４は図４０に示されているように、光学回折格子４３２を横断する２つの物体により発生している可能性がある。グラフ４３０は、光学回折格子４３２の場に適用されるガウス照明プロフィールを表す。照明プロフィールを横断する物体はガウスエンベロープを持ち、発振周波数が直接物体の速度に比例し、光学回折格子のピッチに反比例する信号を発生する。
【０１７９】
コレログラム４２８のピークを検出するには、単純なピーク検出器を使用することができる。しかし、コレログラムは広く、エンベロープのピークは発振サイクルのピークと一致しない場合もあり得る。より精密な検出方法は、精度を高めるが、より明確に定められたピークを持つより狭いコレログラムの生成に使用できる。この目的は、図４１に示されている光学回折格子４３６を使用して達成される。光学回折格子４３６は非一様なピッチを持ち、ライン幅（不透明バーと透明バーの幅）は光学回折格子の左端から光学回折格子の右端まで直線的に減少する。光学回折格子の位置を光線プロフィール４３４に合わせる。図４２のグラフ４３８および４４０は、光学回折格子４３６を通過する２つの物体からの光への応答として光検出器により発生することができる信号を表す。その結果得られるコレログラム４４２は、コレログラム４２８に比べてコンパクトであり、時間遅延値をコレログラム４２８からよりもコレログラム４４２からのほうが容易に抽出できることが示唆される。
【０１８０】
相関に基づく信号発生システムの好ましい実施形態では、非一様な光学回折格子のピッチを利用する検出システムを使用する。図４３は、好ましい実施形態で使用されるコンポーネントを示している。光源１２およびレンズ３６は速度測定のために流管１６のＦＯＶを照らす。レンズ４０、４４、および７８とビームスプリッター７６からなる光学系は、ＦＯＶを通過する物体の像を非一様だが同一のパターンを持つ不透明バーと透明バーの２つの光学回折格子４４４および４４６上に結ぶ。
【０１８１】
図４４に示されているように、光学回折格子４４４および４４６のイメージ４５０と４５２は流れの軸に沿って端と端を接して位置を合わせる。２つのイメージの間の境界の位置を照明プロフィール４５４の中点と合わせる。流れの中の物体により散乱または放射される光は、光学回折格子４４４および４４６により変調され、変調された光はそれぞれレンズ４８およびレンズ４４８で光検出器５０および５０ａに送られる（図４３を参照）。
【０１８２】
図４５は、図４４に示されている光学回折格子の幾何形状を使用して生成される信号の相関操作の実行を示している。照明場の上流側で光学回折格子４４４により変調された光に対する応答として出力される信号４５６は、時間とともに振幅が大きく、周波数が高くなり、物体が照明場の下流側の場の中に移動すると終了する。照明場の下流側にある光学回折格子４４６により変調される光に対する応答として出力される信号４５８は、高振幅と低周波数から始まる。振幅は周波数が高まるにつれ時間とともに減少する。コレログラム４６０は、２つの信号を揃える正確な遅延値で非常に際立ったピークを示している。
【０１８３】
図４６は、コレログラム４６０の展開図４６２である。この図面で、相互相関操作４２６の遅延制限が拡大されており、信号４５８の遅延が最適な位置揃えの遅延に近づくにつれまずコレログラムに非常にノイズが多いように見える領域４６６を通ることが示される。この領域は、信号４５６の高振幅部分と信号４５８の高振幅部分とを合わせる場所である。しかし、図４４に示されている特定の光学回折格子構成には、コレログラム４６０の主ピーク４６４が非常に低いレベルの信号４６８により両側に接するという利点がある。拡大されたコレログラムのノイズの多い領域は、上流の回折格子の位置から下流の回折格子の対応する位置まで物体の実際の飛行時間に近い遅延値のみを使用することで回避される。監視プログラム中のフィードバックループを使用して、合成積時間遅延制限を調整してその状態を維持する。
【０１８４】
図４７は、本発明のこの実施形態の信号取得および処理に使用する機能的処理ブロックを示している。光検出器５０および５０ａからの信号を、それぞれ、可変利得増幅器５２および５２ａに適用する。増幅器の出力をバンドパスフィルタ５４および５４ａに適用し、信号がＡＤＣ ５６および５６ａによりサンプリングされるときに、ＤＣバイアスを排除し、エイリアシングを防止する。ＡＤＣのデジタル出力を信号処理ステージ４７０に送り、このステージは所定の長さの信号セグメントを受け付け、フローセルを横断する物体からの許容可能な信号がそのセグメント内に存在している場合に、物体速度の推定値をスクロールする速度リスト４７２に送る。信号処理操作により新しい速度値を送出すると、リスト４７２に追加され、リスト上の最も古い値が削除される。ステップ４７４において、リスト４７２内の速度値の平均をシグナルプロセッサが信号セグメントを捕捉する速度で送出し、移動平均４７６の計算を行いやすくする。
【０１８５】
図４８は、信号処理操作の詳細なアーキテクチャを示している。シグナルプロセッサのサイクル間隔毎に、光検出器５０および５０ａからのデジタイズされた信号の同時実行セグメントがステップ４７８ａと４７８ｂで捕捉される。捕捉されたセグメントは大きさ計算器４８０ａと４８０ｂおよびステップ４８２に同時に適用され、相互相関を求められるようになる。それぞれの大きさ計算器は次のアルゴリズムを使用して信号レベルを計算する。
【０１８６】
【数１７】
2004506919.tif 000019
【０１８７】
ただし、
Ｎ＝信号セグメントの長さ
Ａ［ｉ］＝セグメントのｉ番目のサンプルの値
Ｍｊ＝ｊ番目の信号セグメントの大きさ
【０１８８】
大きさの値は監視プログラム４８６に送信され、これを使用して、光検出器増幅器の利得を調整する。
【０１８９】
ステップ４８２で実行される合成積（または相互相関）により、次のアルゴリズムを使用するコレログラムを生成する。
【０１９０】
2004506919.tif 000020
【０１９１】
図４９は、相関アルゴリズムの結果を示している。一連の乗算・累算の演算により第１の光検出器からの信号セグメント４９６と第２の光検出器からの信号セグメント４９８との合成積を計算しコレログラム５０８を出力する。コレログラム５０８の各値について、信号４９６のＰ＝相関の長さとする第１のＰ個のサンプルに、Ｑ＝遅延とするサンプルＱからＲ＝遅延＋相関の長さとするサンプルＲまでの信号４９８の対応するサンプルを掛ける。サンプル毎の乗算の積和を求めて、コレログラムの値を出力する。遅延値はＭｉｎ＿Ｄｅｌａｙ ５０４から始まり、コレログラム５０８内のサンプル毎に１サンプルずつ進め、Ｍａｘ＿Ｄｅｌａｙ ５０６に到達するまで続ける。
【０１９２】
ステップ４８４（図４８を参照）で、次のように、単純なピーク検出アルゴリズムを使ってコレログラムのピークの位置を求める。
【０１９３】
Ｃｐｋ＝０
ｆｏｒ（ｄ＝１⇒ｄ＝Ｎ）
ｉｆ（Ｃ［ｄ］＞Ｃｐｋ）
したがって、
［（Ｃｐｋ＝Ｃ［ｄ］）ａｎｄ（Ｎｄ＝ｄ）］
ただし、
Ｃ［ｄ］＝遅延ｄでのコレログラムの値
Ｎｄ＝コレログラムのピークの位置
Ｃｐｋ＝コレログラムのピーク振幅
【０１９４】
ステップ４８８で、コレログラムのピーク振幅をしきい値と比較する。このしきい値は、監視プログラム４８６からアクセス可能な固定値である。可変利得増幅器５２および５２ａを使用して光検出器信号レベルの調整を行うことにより、固定しきい値を使用できる。
【０１９５】
コレログラムのピーク振幅がしきい値を超えた場合、ステップ４８４からのピーク位置が受け付けられ、ステップ４９０に渡され、そこで、速度が計算される。ステップ４９０で計算された速度で、スクロールする速度リスト４７２（図４７を参照）内の最も古い速度値を置き換える。コレログラムの振幅がしきい値以下であれば、シグナルプロセッサはＮＵＬＬ値４９４を返し、スクロールする速度リスト４７２は変更されない。
【０１９６】
有効なコレログラムについて、次の関係式を使用して、速度４９２をコレログラムピーク位置から計算する。
【０１９７】
ｔｔ＝Ｎｄ・ｔｓａｍｐ
および
ｖ＝ｓ／ｔｔ
ただし、
ｔｔ＝遷移時間、回折格子から回折格子へ（秒）
ｔｓａｍｐ＝信号サンプル時間
ｓ＝回折格子と回折格子との距離（ｍｍ）
ｖ＝速度（ｍｍ／秒）。
【０１９８】
図１９に示されているように、監視プログラムにより移動平均速度推計値を求め、計測器タイミングジェネレータ１４６で使用する周波数信号に変換する。
【０１９９】
図５０は、本発明の第４の実施形態の監視プログラムの構造を示している。システム動作は、可変利得増幅器の利得が公称値に設定されているときに開始ブロック５１０で開始され、物体が流れの中に導かれ、イメージ収集が行われる。
【０２００】
ステップ５１２で、監視プログラムは広いスパンの相関遅延を使用して２つの光検出器信号のセグメント間の相互相関を求める。ステップ５１４でコレログラム内の最大ピークが得られる遅延値を使用して初期速度を計算する。ステップ５１６で相互相関遅延制限値を設定し、この初期遅延値をブラケットで囲む。
【０２０１】
相互相関遅延制限値を設定すると、物体速度処理が開始する。この処理中、監視プログラムは相互相関方法を使用して速度を連続的に測定し、相関遅延制限値を調整して現在の流速に必要な遅延の近傍内に短いスパンの相互相関の実行を維持する。短いスパンの相互相関を使用することで計算時間が短縮する。
【０２０２】
ステップ４７８ａで光検出器信号セグメントの捕捉を行い、ステップ４８２で短い遅延スパンの相互相関を計算し、ステップ４９０で速度を計算してその結果をスクロールする速度リスト４７２に追加し相関制限値を調整するための情報を供給する。ステップ５１８で速度表４７２の中の値の平均をとって制限値を決定する。この平均速度を期待相関時間遅延値に変換し、制限をこの期待遅延を中心として対称的に配置する。期待値から最小遅延までのオフセットおよび期待値から最大遅延までのオフセットは経験的に決定され、ルックアップテーブルに格納され、制限値計算ステップ５１８で使用される。ステップ５１６で、相関オフセット制限値を設定し、光検出信号の次のセグメントを処理する際に使用するステップ４８２の相互相関決定ステップからアクセス可能な場所に格納する。
【０２０３】
監視プログラムはさらに、ＡＤＣで飽和を引き起こさないようにして、可変利得増幅器の利得を連続的に最適化し、ＳＮＲを試料特性の変化として最大化する。増幅器の利得を調整するプロセスをステップ４８０ａと４８０ｂで開始し、信号セグメントの積分された大きさを計算する。これらの大きさを表５２０と５２６に格納するが、これは一番最近の大きさの集まりを含む。ステップ５２２および５２８で、表５２０および５２６内の最大の大きさから利得の調整を計算し、可変利得増幅器５２および５２ａの新しい設定をステップ５２４および５３０で行う。ステップ５２４および５３０での利得調整では、上述のように「速く攻撃して」、「遅く回復する」というアルゴリズムを使用して、可変利得増幅器の利得を調整する。
【０２０４】
ＴＤＶＭを使用して第３の実施形態および第４の実施形態の光検出器により出力される電気信号を処理するための上述の方法はＦＯＶを通される基板に配置された物体の速度（および基板の速度）を決定するステップにも適用できることに留意されたい。一般に、ＴＤＶＭまたはＦＤＶＭアプローチは、いずれも、ＦＯＶを通る物体の任意の構成の速度を判別するために使用できる。
【０２０５】
本発明は本発明を実践する好ましい形態と関連して説明したが、当業者であれば、頭書の請求項の範囲内で多数の修正を加えられることは理解できるであろう。したがって、本発明の範囲はいかなる形でも上記説明の制限を受けないものとし、その代わりに、請求項を全体的に引用することにより決定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
物体によって散乱された光を検出することにより流れの中の物体の速度を測定するシステムの概略図である。
【図２】
物体による蛍光発光により放射された光を検出することにより流れの中の物体の速度を測定するシステムの概略図である。
【図３】
物体による光の吸収を検出することにより流れの中の物体の速度を測定するシステムの概略図である。
【図４】
回折格子上を明るい物体のイメージが通過することから信号を発生するという概念を示す概略図である。
【図５】
光学回折格子を流速測定システムに組み込むことを示している概略図である。
【図６】
物体速度測定のため光検出器からの信号を処理する複数のステージを示すブロック図である。
【図７Ａ】
バンドパスフィルタ処理の前の代表的な光検出器信号のグラフである。
【図７Ｂ】
バンドパスフィルタ処理の後の代表的な光検出器信号のグラフである。
【図８】
ＴＤＩ検出器の動作を示す概略表現である。
【図９】
ＴＤＩ検出器とのタイミングを取る流速測定システムを備える流れイメージ処理システムの概略図である。
【図１０】
ＴＤＩ検出器および流れイメージ処理システムの関連するサブシステムの構造のブロック図である。
【図１１】
物体速度測定をイメージ取得から上流で実行する流れイメージ処理システムの概略図である。
【図１２】
液滴帯電システムを制御する速度測定システムの素子を含む細胞選別装置の概略図である。
【図１３】
物体が支えの上のＦＯＶを通って移動する周波数領域の速度測定の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図１４Ａ】
ビームスプリッター、レンズ、および検出器をルーリングの後に挿入し、光源をスライドの背後に置き、見えるようにスリットを開くことにより、取得されたビーズ、ルーリング、および調節可能スリットのイメージである。
【図１４Ｂ】
図２Ａのスリットを２００ミクロンまで閉じた（物体空間内で４０ミクロン）散乱光イメージであり、ここではビーズは視野を２０ｍｍ／ｓの速度で横切るが、データはおおよそ１秒で取得されている。
【図１５】
顕微鏡用スライドに張り付けた７．９ミクロンのビーズを２０ｍｍ／ｓの速度で駆動する閉ループＤＣサーボ駆動ステージに対する実験結果を示すグラフである。
【図１６】
ＦＤＶＭおよびエンコーダについて、指令された速度と測定された速度とを比較した実験結果を示すグラフである。
【図１７】
ＦＤＶＭおよびエンコーダについて、指令された速度と測定された速度の直線性を示す実験結果のグラフである。
【図１８】
周波数領域の速度フィードバックを使用して捕捉されたＴＤＩイメージである。
【図１９】
システムコントローラの制御のもとにある本発明による流速測定システムの共通コンポーネントのブロック図である。
【図２０】
本発明の第２の好ましい実施形態に対する信号処理および速度計算のステップを示すブロック図である。
【図２１】
図２０の実施形態に対する信号処理を含むステップを示すブロック図である。
【図２２】
単一の物体に対する無変調の光センサー信号のスペクトル例のグラフである。
【図２３】
信号のピークを示す、図２２のグラフの拡大図である。
【図２４】
本発明の第２の好ましい実施形態を制御する監視プログラムによって使用されるステップを示すブロック図である。
【図２５】
本発明の第３の実施形態で使用する両側波帯受信機のブロック図である。
【図２６】
ベースバンドコンバータによる光センサー信号例のスペクトルの修正を示す概略図である。
【図２７】
ベースバンドコンバータによる図２６の光センサー信号例のスペクトルの修正を示す概略図である。
【図２８】
ＩおよびＱベースバンド信号での計算による図２６の光センサー信号例の大きさと位相列の分析を示す概略図である。
【図２９】
単調位相系列を供給する、図２６の光センサー信号例の位相列に対する位相接続アルゴリズムの応用を示す概略図である。
【図３０】
位相接続アルゴリズムで使用するステップを示すブロック図である。
【図３１Ａ】
ランダムノイズの影響を低減する、図２９の単調位相系列を表す信号に適用される大きさのしきい値を示すグラフである。
【図３１Ｂ】
図２９の単調位相系列から分数周波数を計算する前に図３１Ａの大きさのしきい値を使用した結果を示すグラフである。
【図３２】
本発明の第３の実施形態に対する信号処理および速度計算のステップのブロック図である。
【図３３】
上側および下側の側波帯信号を供給するＩおよびＱベースバンド信号のスペクトルに対する計算修正を示す概略図である。
【図３４】
本発明の第３の実施形態に対する物体のセグメント化と分析を含むステップを示すブロック図である。
【図３５Ａ】
ベースバンド周波数と局部発振器周波数の和を示すグラフである。
【図３５Ｂ】
図３５Ａの合計を速度に変換することを示すグラフである。
【図３６】
本発明の第３の好ましい実施形態を制御する監視プログラムによって使用されるステップを示すブロック図である。
【図３７】
局部発振器周波数の広い掃引に対する上側波帯電力と下側波帯電力の合計のグラフである。
【図３８】
局部発振器周波数の狭い掃引に対する上側波帯から下側波帯への電力の遷移を示すグラフである。
【図３９】
一様なピッチを持つ従来の光学回折格子により発生する２つの信号の合成積を示す概略図である。
【図４０】
従来の光学回折格子の設計と、照明ビームのガウスプロフィールへの位置合わせを示す概略図である。
【図４１】
直線的に掃引されたピッチを持つ光学回折格子の設計と照明ビームのガウスプロフィールへの位置合わせを示す概略図である。
【図４２】
直線的に掃引されるピッチを持つ光学回折格子により発生する２つの信号の合成積を示す概略図である。
【図４３】
本発明の第４の実施形態により非一様なピッチの積み上げられた回折格子を使用する速度測定システムの概略図である。
【図４４】
照明ビームのガウスプロフィールに関して非一様なピッチの２つの回折格子のイメージの位置合わせを示す概略図である。
【図４５】
本発明の第４の実施形態の積み上げられた非一様な回折格子を使用する２つのを光センサーからの信号の合成積を示す概略図である。
【図４６】
積み上げられた非一様な回折格子により発生する信号の展開された相関のグラフである。
【図４７】
本発明の第４の実施形態による信号処理および速度計算に必要なステップを広範に示すブロック図である。
【図４８】
本発明の第４の実施形態の信号セグメントの処理に対する詳細ステップを示すブロック図である。
【図４９】
第２の類似だが遅延された信号による第１の信号の合成積の概念を示す概略図である。
【図５０】
本発明の第４の実施形態を制御する監視プログラムによって実装された論理ステップを示すブロック図である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【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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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004506919.tif 000189