(57)【要約】装置は、試料に干渉光を照射する干渉光源(103)と、試料に励起光を照射する励起光源(101)と、試料上の励起光の照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御する走査ユニット(102)と、試料からの混合信号を干渉信号および分光信号に分離する信号分離ユニット(106)と、分光信号および干渉信号を測定する少なくとも一つの検出器(109,112)と、分光信号を分光データに変換し、干渉信号を干渉画像に変換する少なくとも一つの処理ユニット(110, 113)と、干渉画像に基づいて走査ユニット(102)を制御するフィードバックユニット(118)と、を備えている。【選択図】図１
2016525673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に干渉光を照射する干渉光源と、
前記試料に励起光を照射する励起光源と、
前記試料上の前記励起光の照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御しながら前記励起光を走査する走査ユニットと、
前記試料からの混合信号を干渉信号および分光信号に分離する信号分離ユニットと、
前記分光信号および前記干渉信号を測定する少なくとも一つの検出器と、
前記分光信号を分光データに変換し、前記干渉信号を干渉画像に変換する少なくとも一つの処理ユニットと、
前記干渉画像に基づいて前記走査ユニットを制御するフィードバックユニットと、
を備えた装置。
【請求項２】
前記分光データと前記干渉画像を組み合わせて追加の補足情報を提供する組合せユニットをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記フィードバックユニットは、
前記干渉画像を解析することによって前記試料上の前記励起光の前記照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御するためのフィードバック信号を出力する解析ユニットと、
前記フィードバック信号に基づいて前記走査ユニットを制御する制御ユニットと、
を備える請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記フィードバックユニットは、
前記補足情報を解析することによって前記励起光の前記照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御するためのフィードバック信号を出力する解析ユニットと、
前記フィードバック信号に基づいて前記走査ユニットを制御する制御ユニットと、
を備える請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記解析ユニットは前記試料の形状を特定し、前記試料上の注視位置を決定し、前記注視位置に対応する信号を前記フィードバック信号として出力し、
前記制御ユニットは、前記フィードバック信号に基づいて前記試料上の注視位置に励起光を照射する前記走査ユニットを制御する請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
前記制御ユニットは、前記フィードバック信号を前記走査ユニットに送られる物理量に対応する走査命令に変換する請求項３から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記走査ユニットはアクチュエータと少なくとも一つのミラーを備え、
前記アクチュエータは受けとった前記走査命令に応じてミラー位置を変更する請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル分解法による試料の分光データの測定と狭帯域光源を用いた試料のイメージングとを同時に行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光法は、一般的に、電磁波と試料との相互作用の測定を通じて、試料の組成に関する多量の情報を提供するものであり、測定される波長はそれぞれ、特定の化学的組成に関連する。分光法は、通常、波長幅および／または励起光源の中心値によって定義され、これは、得られる化学的情報の種類（原子組成、分子組成、化学結合の性質など）を決定している一方で、また吸収、ラマン分散、共振誘導放出など、測定される物理的特性にも依存している。この適用の広さの範囲内において、振動分光法は、一般的に可視光線(optical)、紫外線、赤外線の範囲の波長での励起光源を用いて、電子振動により分子の化学結合
をより特異的に測定している。
【０００３】
特に、可視光線では、振動分光法は、通常、取得時間が遅いという問題があり、これは記録される信号が弱く、長い照射時間によってしか現状の検出器のノイズを克服することができないからである。より高速に測定を行うために、表面増強ラマン分光法や多重光源励起による周波数共振のような、物理的方法を用いた放射信号の増幅によるものなど（特許文献１）、いくつかの方法が提案されている。他のアプローチでは、例えば、２Ｄ検出器（非特許文献１）や走査中の特定信号積分パターン（特許文献２）による並行スキームによって、検出を最適にしている。
【０００４】
さらに、干渉イメージングは、今日、様々な方法でまだ広く用いられており、吸収イメージング、干渉複素場イメージング（非特許文献２）および、例えば位相回復法（非特許文献３）を用いた位相イメージングのような、種々のイメージングの可能性に及んでいる。干渉イメージングは光源として比較的狭帯域幅の励起光の使用と関係しており、このためイメージングモダリティの大多数を含み、今日の多くの技術は狭帯域の光源の例としてレーザーのような光源を用いている。本発明では、出願人は基本的に広視野イメージングに基づく干渉イメージング技術を用いており、取得の間の走査は必要ではないため、高速で容易に画像を提供することができる。
【０００５】
近年では、分光イメージングと干渉イメージングは二つの測定を検出するために共に用いられることもあり（非特許文献４）、同時に用いることもある（非特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第8027032号明細書
【特許文献２】独国特許第102009013147号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】D. K. Veirs, J. W. Ager III, E. T. Loucks and G. M. Rosenblatt, 「Mapping materials properties with Raman spectroscopy utilizing a 2D detector」Applied Optics ,1990年, 第29巻, p.4969-4980.
【非特許文献２】E. Cuche, P. Marquet and C. Depeursinge,「Simultaneous amplitude-contrast and quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconstruction of Fresnel off-axis holograms」,Applied Optics, 1999年, 第38巻, 第34号, p. 6994-7001.
【非特許文献３】J. R. Fienup, 「Phase retrieval algorithms: a comparison」, Applied Optics, 1982年, 第21巻, 第15号, p. 2758-2769.
【非特許文献４】J. W. Kang, N. Lue, C.-R. Kong, I. Barman, N.C. Dingari, S.J. Goldfless, J. C. Niles, R.R. Dasari and M. S. Feld, “Combined confocal Raman and quantitative phase microscopy system for biomedical diagnosis”, Biomedical Optics Express, 2011年, 第2巻, 第9号, p. 2484-2492.
【非特許文献５】N. Pavillon, A. J. Hobro, K. Fujita and N. I. Smith,「Multimodal label-free imaging through combined Raman spectroscopy and quantitative phase imaging」, 2012年, 73rdAutumn JSAP conference - OSA/JSAP Joint meeting.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
分光法は測定される試料の分子や化学組成についての情報を提供することができる一方で、空間分解的な情報を得るために、試料における選択された位置での特異的な取得ができることについてもかなり多くの場合望まれている。これは測定が２次元の全領域で実行され、分光画像を得るケースについても言えることである。しかし、分光法は一般的に画像を提供する能力が制限されているが、これは異なる位置での情報を測定するために空間走査を必要とするからであり、このため現在の検出器ではその取得速度が本質的に制限される。これは、２次元測定が例えば標準的な明視野イメージングよりも必然的に遅くなることを意味しており、このため高い時間分解能での２次元信号の測定能力は、更にスペクトル次元で取得される多量の情報のために妨げられる。
【０００９】
従って、分光データは測定される試料の分子組成について非常に価値のある情報を提供するが、一般的に測定に長い時間を必要とし、その間に試料が動いたり変化する場合がある。これは、このモダリティが強い特異性を持つ一方で、その時間的サンプリング能力が一般的に低いことを意味している。
【００１０】
一方で、干渉画像は高速な情報取得を提供することができるが、通常、分光法測定よりも特異性が低い。これは、標準的な干渉イメージングは例えば吸収データおよび／または位相データを光源の波長でのみ提供し、このため、少ない情報しか持たないからである。
【００１１】
上記の点に関して、本発明は、干渉イメージングの同時測定を分光イメージングの測定に加えることで、特に時間領域と空間領域で分光測定の取得処理を最適化することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面によれば、装置は、試料に干渉光を照射する干渉光源と、前記試料に励起光を照射する励起光源と、前記試料上の前記励起光の照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御する走査ユニットと、前記試料からの混合信号を干渉信号および分光信号に分離する信号分離ユニットと、前記分光信号および前記干渉信号を測定する少なくとも一つの検出器と、前記分光信号から分光データを検出し、前記干渉信号から干渉画像を検出する少なくとも一つの処理ユニットと、前記干渉画像に基づいて前記走査ユニットを制御するフィードバックユニットと、を備えている。
【００１３】
前記構成によれば、試料との相互作用の後で信号分離器によって分光信号と高速の干渉信号をそれぞれ独立させて同時に測定している。高速の干渉画像はフィードバックユニットにおいて、時間と空間の点で試料をトラッキングすることを可能にしており、分光測定は、走査ユニットを制御することによって、注視する試料またはその試料の一部の既知の位置に正確に標的化することができる。この特異的な標的化により高速の時間的空間的分
解での分光測定を得ることができる。
【００１４】
さらに、本発明は、同時に２つの測定方法を組み合わせることによって、１つのモダリティのみに制限されるか、単に連続して用いられた複数のモダリティを用いる通常の実施に比べて、試料から抽出できる情報量を増やす。
【発明の効果】
【００１５】
上述したように、本発明の装置によれば、分光測定が行われるのと同時に干渉イメージングを加えることにより、特に、時間領域と空間領域において、分光測定の取得処理を最適化することができる。干渉画像によって、分光測定の間の試料の特異的な位置の空間的および／または時間的トラッキングが可能となる。
【００１６】
さらに、二つの測定方法を同時に組み合わせることによって、従来の実施に比べて、試料から抽出できる情報量を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の装置の一実施形態に係るブロック図であり、装置は複合信号、すなわち分光信号と干渉信号を測定し、２つの独立した信号を同時に得るための分離原理であり、干渉画像は分光測定で試料の特異的部分を高速に強力に自動的にトラッキングするためにフィードバック信号として用いることができる。
【図２】リアルタイムで取得される干渉信号と、よりゆっくりと取得される分光信号との間での測定のタイムラインの説明図であり、分光測定は、干渉信号情報処理に基づいた測定位置がフィードバック信号として提供されることを要求する。
【図３】本実施形態の装置の例であり、分光信号はレーザー走査ラマン分光装置として実施され、干渉信号はデジタルホログラフィー顕微鏡として実施される。
【図４】２つの複合信号の分離を可能とする原理の説明図であり、（ａ）広帯域の励起分光光源の場合、（ｂ）スペクトル的に狭帯域の分光光源の場合である。干渉信号は、広帯域の分光信号から離れて位置し、エッジフィルタリングやバンドフィルタリングを可能とするか（１）、分光帯域内に位置し、バンドフィルタリングを可能とする（２）。
【図５】同時に測定される分光画像と干渉画像両方の２つの測定例を含んでおり、（ａ）（ｂ）は干渉画像、（ｃ）（ｄ）は対応する分光画像であり、各ピクセルは（ｅ）に示すようなスペクトル情報を含んでいる。
【図６】高速の分光信号を得るために干渉信号によって試料の特異的部分をトラッキングする（ここでは背景なしの細胞領域である）例である。（ａ）標準的なレーザ走査の図であり、全体画像を作成するのに長時間を要する。（ｂ）干渉画像の勾配の大きさであり、エッジを強調する。（ｃ）勾配の大きさの最大抑制によって鮮明化されたエッジ。（ｄ）高速走査のためのマスクとして用いることのできる（ｃ）の強いエッジの検出に基づいた、区分された細胞領域。（ｅ）干渉画像と分割された領域の重ね合わせであり、細胞の検出と一致していることを示している。（ｆ）高速分光走査測定の結果の図であり、背景は測定されていない。
【図７】フィードバックユニットと走査ユニットのブロック図である。計算処理はセルのエッジを検出する例としてフィードバックユニットの解析ユニットを含み、キャニーエッジ検出の原理に基づき、細胞を含んだ領域を区分するために用いられる。フィードバック信号は抽出されたピクセル位置を走査のための制御位置に変換するために制御ユニットにより処理される。走査ユニットは、ここではガルバノミラーを例としており、電圧を走査のためのミラーに送る。
【図８】高速トラッキングの他の適用例を示す。（ａ）図（ｄ）のマスクに基づく走査を示す図であり、細胞を含む領域のみが測定される。（ｂ）選択された点または（ｃ）細胞内の領域の測定原理であり、それらがより小さいサイズであることにより測定時間が最小となる。（ｄ）干渉画像から抽出されることが可能な軌跡を得る時間内に細胞の特異的特徴をトラッキングする原理。
【図９】複合信号を同時に測定する装置の実施形態の変形例であり、分光信号と干渉信号は共に組み合わせられ、試料についての追加の情報を引き出すために処理され、トラッキングのために干渉情報および／または補足情報の使用を可能にする。
【図１０】追加の補足情報の原理の例であり、ここでは分光信号のＣ-Ｈストレッチ領域を干渉画像から引くことにより得られ、細胞核を強調する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の装置の実施形態について、図を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は実施形態のブロック図である。分光測定のための分光励起光源（１０１）は励起光を提供し、走査ユニット（１０２）によって調整され、試料（１０４）に励起光を照射する。走査ユニット（１０２）は試料上の励起光の照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御し、試料内での励起光の制御と走査を可能とする。干渉測定のための干渉光源（１０３）も独立して試料に干渉光を照射する。干渉光源（１０３）は分光測定を制限せずに同時の取得が可能となるよう選択され、後述する分離ユニット（１０６）により分光測定から正確に分離されたスペクトルで厳密に定められる。
【００２０】
試料と相互作用した信号は混合され（１０５）、分離ユニット（１０６）によって分離することができる。分離ユニット（１０８）は混合信号を分光信号（１０７）と干渉信号（１０８）に分離し後の検出のためにこれらを独立とする。分光検出器（１０９）は分光信号を取り込み、分光信号は第１の処理ユニット（１１０）に送られ、第１の処理ユニット（１１０）は分光信号を分光データ（１１１）に変換する。同様に、干渉信号（１０８）は検出器（１１２）により取り込まれ、第２の処理ユニット（１１３）（第１の処理ユニット（１１０）と一体である場合もある）に送られ、干渉画像（１１４）となる。
【００２１】
干渉画像（１１４）はフィードバックユニット（１１８）に送られる。フィードバックユニット（１１８）は干渉画像（１１４）に基づき走査ユニット（１０２）を制御する。フィードバックユニット（１１８）は解析ユニット（１１５）と制御ユニット（１１７）とを備える。解析ユニット（１１５）は干渉画像（１１４）を解析し、試料内の分光測定の位置または／および形状を正確に定める。そして、解析ユニット（１１５）はフィードバック信号（１１６）を出力し、試料上の励起光の放射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御する。フィードバック信号（１１６）は、フィードバック信号（１１６）に基づいて走査ユニット（１１４）を制御する制御ユニット（１１７）に送られる。
【００２２】
上述したように、この装置によって、２つの信号すなわち分光信号と干渉信号を同時に得ることが可能となり、高速の干渉画像は解析ユニット（１１５）によって自動で処理されうる指示器として用いることが可能となる。解析ユニット（１１５）はフィードバック信号（１１６）を、走査ユニット（１０２）を駆動する制御ユニット（１１７）に送り、このため分光データ（１１１）を特異的な既知の位置において自動で高速に取得することが可能となる。
【００２３】
さらに、上述の説明は自動処理の場合であるが、自動の解析ユニット（１１５）の使用に代えて、処理によっては分光測定の位置を選択する際に、干渉信号の手動測定を用いることも可能である。
【００２４】
図２はこの装置の動作原理を示し、測定処理の典型的なタイムラインが表されている。高速の干渉信号を得るという事実は、測定される試料の空間構成を把握するために用いることができる。これは分光信号を測定する注視位置を決定するためである。干渉信号が高速で（一般的に何分の１秒）連続して測定される一方、分光信号は低速（一般に数秒）で
測定される。
【００２５】
分光信号が測定される際には、分光測定の正確な位置を選択するために、測定位置を制御ユニット（１１７）が用いるフィードバック信号として戻すために、干渉信号が解析ユニット（１１５）によって処理される。そして、分光信号が測定される。干渉信号は分光測定の間も連続して測定できる。分光信号の測定が終了した後で、干渉信号は解析ユニット（１１５）によって再び処理され、分光測定の正確な位置が連続したトラッキングのために選択される。
【００２６】
上述した編成によれば、この装置は、試料との相互作用の後で信号分離器によって分光信号と高速の干渉信号をそれぞれ独立させて同時に測定している。高速の干渉画像はフィードバックユニットで時間的空間的に試料のトラッキングを可能とし、分光測定は、走査ユニットを制御することによって、試料の注視部分やその一部での既知の位置に向けて正確に標的化することができる。この特異的な標的化により高速な時間分解と空間分解での分光測定を得ることが可能となる。
【００２７】
図３は顕微鏡法で実施した具体的な装置の例である。分光測定はラマン分散により、干渉イメージングはデジタルホログラフィー顕微鏡として実施され、位相画像を発生する。
【００２８】
分光測定の励起光源（１０１）からの励起は連続波レーザーによって行われ、連続波レーザーの光は顕微鏡対物レンズ（ＭＯ）で対物面に正確に焦点が合わせられている。後方拡散光は、ラマン信号を含んでおり、ロングパスダイクロイックミラー（ＤＭ）で励起光線から分離され、光学リレー（ＲＯ）を備えた分光計のスリットに焦点が合わせられる。分光検出器（１０９）は、ここでは分光計と低ノイズ検出器からなるが、格子を採用することでラマン周波数を分離し、スペクトル線を画像化する。走査顕微鏡によってイメージングを行うために、走査ユニット（１０２）の一部として一対の走査ミラー（GM1とGM2）が、両方向の光線を制御するために用いられている。
【００２９】
実験装置の干渉イメージング部分はマッハツェンダー干渉計であり、試料は光変調により観察される。干渉光源（１０３）であるレーザーダイオードによって放射される光は、その波長がラマン放射の広帯域波長外で選択され、ビームスプリッター（ＢＳ）によって２つの光に分けられる。コンデンサレンズ（Ｃ）で焦点が合わせられた後、対物光は観察視野に照射される。試料から放射する分散光はＭＯで集められ、視野レンズ（ＦＬ）でイメージングされ、検出器（１１２）に照射される。参照光は第２のＢＳで再び重ね合わされ、カメラは２つの干渉波の間の干渉縞を記録する。複素波動場はフーリエ変換フィルタ方法によって検出され、位相が抽出できる複素場を検出するよう再調整される。
【００３０】
この例では、分光信号と干渉信号の分離は、分離ユニット（１０６）であるショートパスダイクロイックミラーによって行われ、分離ユニット（１０６）はスペクトルを下側の分光と上側の干渉に分離する。
【００３１】
コンピュータなどの処理装置が分光検出器（１０９）と干渉検出器（１１２）に接続されており、分光信号と干渉信号を受信する。処理装置はコントローラ、メモリ、インターフェースを含む。インターフェースは信号を送信し、または受信する装置である。メモリは、例えば、フラッシュメモリや不揮発性メモリであり、受信した分光信号や受信した干渉信号、コントローラによって実行されるプログラムを記憶する。コントローラは例えば、ＣＰＵやＧＰＵと、ワークエリアとしてのメモリを含む。図３の装置では、コントローラはメモリに記録されたプログラムを実行することで、処理ユニット（１１０）、処理ユニット（１１３）およびフィードバックユニット（１１８）として機能する。
【００３２】
コントローラを用いることで、処理ユニット（１１０）は分光信号を分光データ（１１１）に変換し、処理ユニット（１１３）は干渉信号（１０８）を干渉画像（１１４）に変換する。処理ユニット（１１３）は干渉画像（１１４）をフィードバックユニット（１１８）に送る。フィードバックユニット（１１８）は解析ユニット（１１５）と制御ユニット（１１７）を含む。解析ユニット（１１５）は干渉画像（１１４）に基づくフィードバック信号（１１６）を出力する。制御ユニット（１１７）はフィードバック信号（１１６）に基づいて走査ユニット（１０２）に走査命令を送る。図３の場合、走査命令は物理量、例えばアクチュエータ（１０２ｂ）に送られる電圧に対応している。
【００３３】
走査ユニット（１０２）は走査ミラー（ＧＭ１とＧＭ２）（１０２ａ）とアクチュエータ（１０２ｂ）を備えている。フィードバック信号（１１６）に基づく電圧はミラー（１０２ａ）を制御するためにアクチュエータ（１０２ｂ）を駆動し、励起光は試料上の既知の位置に向けて標的化する。走査ユニット（１０２）のミラー（１０２ａ）は１つまたはいくつかの走査ミラー、回折要素、動的可変反射素子や伝送装置、または集積反射素子を備えていてもよい。
【００３４】
処理ユニットと解析ユニットは、少なくとも一つのコンピュータ処理ユニット、画像処理ユニット、フレームグラバー(動画取り込み装置)、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、専用電子デバイスまたは分散コンピュータアーキテクチャやネットワークに
基づくコンピュータアーキテクチャを備えていてもよい。
【００３５】
励起光源（１０１）は、そのスペクトルが紫外線領域、可視領域、赤外領域、遠赤外領域に位置していてもよく、広帯域幅の光源、レーザー源、またはスイープ（掃引）、すなわち動的に波長が変化する光源を備えていてもよい。分光測定のための分光検出器（１０９）は、格子要素、分散要素、または波長を分散する動的要素、そして、例えば光検出器、ライン検出器、アレイ検出器のような電子検出器、を備えていてもよい。
【００３６】
分光信号（１０７）は紫外線領域、可視領域、赤外領域、遠赤外領域に位置していてもよく、また以下に制限されないが、吸光度スペクトルや、ストークシフトやアンチストークシフトを含む誘導振動スペクトル(a stimulated vibrational spectrum)や、共鳴誘導
スペクトル(a resonance stimulated spectrum)であってもよい。さらに、分光信号（１
０７）は、例えば、基準キャリブレーションやバックグラウンド除去、後処理法によって調整された、処理されたスペクトルであってもよい。
【００３７】
任意の中心波長の干渉光源（１０３）とスペクトル分布は少なくとも、例えば固体レーザー、ガスレーザー、ダイオードレーザーなどのレーザー光源や、発熱電球、水銀ランプ、キセノンランプなどのフィルタ処理された白色光源、ダイオード、発光ダイオード、スーパールミセントダイオードなどの集積光源であってもよい。干渉信号の検出器（１１２）はどのようなアナログの検出器またはアレイ検出器のような電子検出器であってもよい。干渉信号（１０８）は強度信号や、偏波依存信号や、少なくとも一つの入射電磁波の非線形の物理的作用で構成されてもよい。干渉画像（１１４）は強度や、振幅や、位相や、偏波や、分散光信号のいずれかであってもよい。
【００３８】
試料は、体外（in vitro）、生体内（in vivo）、生体外（ex vivo）の手法によって取得する、細胞や、組織や、生体分子のような生体試料からなっていてもよい。そして、試料は、有機化合物や、産業製品からなっていてもよい。さらに、試料は、細胞（マクロファージ、リンパ球、樹状細胞など）や、組織や組織の一部（リンパ節、脾臓、肝臓など）や、体液（血液、間質液など）のような免疫学に関連のある生体試料からなっていてもよい。
【００３９】
上述の例とアプローチの実現可能性についての説明は、発明の同じコンセプトが、例えば、光吸収法および／または紫外吸収法、赤外分光法などのような他の分光測定に適用できるという意味で、これに限定されるものではない。同様に、他の干渉信号を用いてもよく、例えば、異なる位相画像法（位相シフト、位相回復など）や、吸収イメージングなど、唯一限定されるのは他のモダリティの光源の正確なスペクトル位置である。
【００４０】
上述した装置は、測定された２つの混合信号を分離する方法に特に依存している。これは干渉イメージングがスペクトルにおける正確に定義された位置を備えるという事実に基づいており、このため、信号分離ユニット（１０６）によって他の信号から分離することができる。信号分離ユニット（１０６）は、少なくともダイクロイックミラー、ノッチフィルタ、分散素子、格子分散素子、集積分散素子、動的可変分散素子、その他スペクトル的な能力を備えた装置などのスペクトルフィルタリング装置を備えている。
【００４１】
取りうる可能性のある様々な構成に対して分離の原理を図４に示す。図４（ａ）では、一般的に吸収分光法に用いられる、広帯域幅や掃引分光光源（灰色の領域）の場合を検討しており、灰色の領域の測定内に示される吸収スペクトルを有している。干渉信号（黒線）は分光光源幅の外に配置されることができ（干渉信号１）、この場合、分離は例えばエッジフィルタ（分離１、破線）かバンドパスフィルタを用いて行ってもよい。同じことをスペクトルの左側の干渉信号に適用する。干渉信号は分光光源幅内に配置されることもでき（干渉信号２）、この場合、分離はバンドパスフィルタ（分離２、破状の矩形）によって行ってもよいが、分光測定でこの帯域を失うことになる。
【００４２】
同様の原理は、図４（ｂ）に示すように、分光光源がスペクトル内に局在する場合に用いることができ、例えば、ラマン分光法の場合、局所的な光源と比べて分光信号は移動している。この場合、干渉信号は分光信号の外に配置されてもよく（干渉信号１）、例えばエッジフィルタ（分離１、破線）やバンドパスフィルタによる分離が可能となる。同じことをスペクトルの左側の干渉信号に適用する。干渉信号は分光信号の内側に配置されてもよく（干渉信号２）、この場合バンドパスフィルタが用いられる（分離２、破状の矩形）。
【００４３】
図３の例では、分光信号と干渉信号との分離は、スペクトルを下側の分光と上側の干渉に分離するショートパスダイクロイックミラーによって行われ、これは図４（ｂ）の干渉信号１の場合に相当する。
【００４４】
図５は同時に測定された分光画像と干渉画像の両方の測定の２つの例を示しており、図５（ａ）と図５（ｂ）は干渉画像、図５（ｃ）と図５（ｄ）は対応する分光画像であり、各ピクセルは図５（ｅ）に示すスペクトル情報を含んでいる。これらの２つの例は２つの異なる測定のためにin vitroで培養されたHeLa細胞の測定に基づいており、出願人はラマン高速スペクトル画像（Raman hyper-spectral stacks）の取得の間に連続して干渉画像
を記録している。図５（ａ）と図５（ｂ）に示す画像は双方とも、実験の開始時のHeLa細胞に相当し、図５（ｃ）と図５（ｄ）のC-Hストレッチバンド(2890-2960 cm-1)で表され
るラマン画像と対応させることができる。１つのラマン画像取り込みの記録には１０分間必要である一方、それに一致する干渉画像はこの時間の間、連続して同時に記録され、1
画像取り込み速度は一定で、この場合、１秒間に１５フレームのカメラ取り込み速度である。分光測定によって提供されるさらに特異的な情報を表示するために、図５（ｅ）は細胞内細胞質基質で記録されたスペクトルを示し、様々なスペクトル幅を示している。図５（ｃ）、図５（ｄ）の画像は分光画像であるため、各ピクセルは図５（ｅ）に示されるような特異的な分光の特徴を含んでおり、これは局部的な分子含有量に依存する。
【００４５】
図６の例は、高速に分光信号を得るために干渉信号によって試料の特異的部分をトラッ
キングする原理を示す（ここでは背景なしの細胞領域）。図７は試料の特異的部分をトラッキングする計算処理のブロック図であり、フィードバックユニット（１１８）と走査ユニット（１０２）を含む。図６に示す例は図５（ｂ）に描かれた干渉情報を用いている。
【００４６】
解析ユニット（１１５）は試料の形状を特定し、試料上の注視位置を定め、注視位置に相当する信号をフィードバック信号として出力する。制御ユニット（１１７）は走査ユニット（１０２）を制御し、フィードバック信号に基づき、励起光を試料上の注視位置に放射する。図３の装置に相当する場合、制御ユニット（１１７）はフィードバック信号を水平位置と垂直位置に相当する走査命令に変換し、走査命令を走査ユニット（１０２）に送る。走査ユニット（１０２）はアクチュエータ（１０２ｂ）とミラー（１０２ａ）を備え、アクチュエータ（１０２ｂ）は受信した走査命令に応じてミラー位置を変更する。
【００４７】
上述したように、特異的かつ高速に所望の位置で分光情報を得るために、上記に示す干渉画像のような高速信号を取得することにより、試料の特異的領域をトラッキングすることが可能となる。このトラッキングは、例えば細胞が存在する場所だけを測定し、情報が含まれていない背景（図５（ｄ）の暗いピクセル）の測定を避けることにより分光信号の測定時間を最小化するために用いることができる。
【００４８】
図６（ａ）に記載されたような、各空間点が連続して走査されて画像を構築し、かなりの時間を要する（上述の例では１０分）標準的なラスター走査を、以下に述べる選択的走査と比較することができる。
【００４９】
このトラッキングは、例えば、図７のフィードバック信号（１１８）の解析ユニット（１１５）により処理過程が示されているキャニーエッジ検出器のようなエッジ検出技術を用いることで行うことができる。解析ユニット（１１５）は必要なフィードバック信号の種類に応じて設計されている。
【００５０】
最初に、解析ユニット（１１５）において、画像は平滑化の処理と水平方向(hx)および垂直方向(hy)の勾配の処理とがなされる。勾配の大きさと位相は水平成分と垂直成分から計算され、図６（ｂ）に示されるような明るさとして表され、エッジは勾配操作により強調される。エッジは、非最大抑制（non-maxima suppression）によって鮮明化されることができるが、これは、勾配の大きさの最も高い値だけが保持され、結果として図６（ｃ）に示すようにエッジが鮮明になるものである。最も強いエッジがヒステリシス閾値によって検出でき、ここで図６（ｃ）の最も強い値はそれを始点として、それ未満の値を追跡し、エッジを調べるために使われる。
【００５１】
細胞の内部は、細胞表面を示すマスクで満たすことができ（図６（ｄ））、細胞表面は分光測定で走査されるべき領域に一致する。エッジ検出の結果は図６（ｅ）のオリジナル画像と比較され、細胞領域と区分線との間の一致を見ることができる。解析ユニット（１１５）はエッジ検出の結果から試料の形状を特定し、試料上の注視位置を決定し、フィードバック信号として注視位置に一致するピクセル位置を出力する。対応する分光測定は、概略的に図６（ｆ）に示されており、細胞領域のみ実行され、測定時間は背景のピクセルを測定しないため減少している。
【００５２】
図７では、フィードバック信号は走査ユニット（１０２）を制御するために制御ユニット（１１７）で変換されなくてはならない。図７に示す実施形態では、フィードバック信号は制御ユニット（１１７）で処理されてピクセル座標の水平位置と垂直位置を抽出し、それらを走査命令として電圧に変換する（図７の制御ユニット（１１７）を参照）。制御ユニット（１１７）は電圧を走査命令として走査ユニット（１０２）に送る。走査ユニット（１０２）は図３のガルバノミラー（１０２ａ）とアクチュエータ（１０２ｂ）に相当
し、制御はミラーアクチュエータ（１０２ｂ）に適用する電圧に相当する。アクチュエータ（１０２ｂ）は電圧に応じてミラー位置を変更する。
【００５３】
ピクセル位置から走査命令への変換が電圧として与えられることは、分光励起に対する励起位置を制御するために用いられている走査ユニット（１０２）が干渉チャネルで提供される画像でうまく調節されることを意味している。このことにより、一般的に、既知の対象物を測定するのに先立ってキャリブレーションが必要とされることがあるが、これは干渉画像ピクセルを用いてレーザー走査位置をマップするためである。自動的に抽出された電圧は走査ユニット（１０２）に送られ、アクチュエータ（１０２ｂ）は受け取った電圧に応じてミラー位置を変更する。
【００５４】
図６に示す細胞の形状に基づくトラッキングの原理は、実施形態の高速トラッキングの機能適用可能な例の一つに過ぎない。トラッキングが可能な他のいくつかの例を図８に示すが、これが全てではない。
【００５５】
上述した、細胞の区分に基づいて走査される領域が図８（ａ）に示されており、走査領域は全視野よりも小さく、このため同じ情報を高速な測定で提供することができる。他の可能性としては、図８（ｂ）に示すような点の測定を含み、例えば、２つの特異点が干渉画像から選択され、分光測定で測定されてもよい。同様に、図８（ｃ）に示すように、任意の領域を選択することもできる。動的なトラッキングによって、干渉画像を用いて試料の特異的要素を追跡することも可能であり、これは、図８（ｄ）に概略的に示すように、任意の軌跡を用いてそれらを時間内に分光測定で追跡するためである。
【００５６】
上に示す実現可能性の説明に示される原理は、複数の位置をトラッキングするために容易に一般化できる。例えば連続して所望の位置に励起光源を高速に送るために適切に駆動される高速走査装置を用いることによって一般化できる。別の可能性としては、例えば、複数の点を同時に励起することができる動的回折素子を用いることであり、複数の所望の位置で並列検出が可能となるためである。最後に、選択された位置で連続した高速の取得を行うことによりこの取得の時間的な解決が可能である。
【００５７】
図９では実施形態の変形例を示すが、さらに組合せユニット（２０１）を備え、分光データ（１１１）と干渉画像（１１４）とが組合せユニット（２０１）によって組合せられる。組み合わせユニット（２０１）では、分光信号と干渉信号との組合せによって、試料についての追加補足情報（２０２）を提供することができる。この追加情報は高速のトラッキングに用いられることが可能であるが、独立した単独の測定のみでは得られない場合がある。解析ユニット（１１５）は補足情報（２０２）を解析することによって、少なくとも励起光の放射位置および放射形状のいずれかを制御するためのフィードバック信号（１１６）を出力する。
【００５８】
さらに、他の変形例では、信号の組合せは、それらの完全な空間形状において２つの信号から追加情報を得るために用いられ、このためフィードバックユニット（１１８）は任意となる。
【００５９】
最後に、図１０は分光信号と干渉信号の両方を組合せることによって得られる補足情報の例であり、上述の変形例として提案され図９に示されている。この適用例では、図５（ｄ）に示すようにC-Hストレッチ領域を選択することによって
画像が分光データから抽出されており、図５（ｂ）に示される干渉画像から引き算される。C-Hストレッチ領域と位相画像に一致する信号の特性により、この例の結果として細胞
核は強調される。
【００６０】
分光データ（１１１）と干渉画像（１１４）との組合せにより引き出される情報は、結果として補足情報（２０２）を備える画像を導き出し、これは特異的な特徴を備えており、試料の特異的位置をトラッキングするために用いられ、これは干渉画像（１１４）単独から抽出するのが困難な場合がある。図１０に示される補足情報（２０２）は、組合せユニット（２０１）によるC-Hストレッチ領域の分光データと干渉画像との引き算の結果で
あり、例えば、信号の組合せにより強調される核の構造をトラッキングするために用いることができる。
【００６１】
図１０の例は両方の信号の組合せの特定の例（C-Hストレッチ領域での引き算）であり
、原理はこれに制限されるものではなく、他の数学的手法や他の組合せを用いてもよい。分光データからの他のスペクトル領域を用いてもよい。追加の情報を引き出すために用いることのできる数学的手法の例は、足し算、掛け算、割り算、引き算、相互相関、追加の情報を引き出し強調するための２つの信号を用いた任意の手法である。
【００６２】
前述の説明は、説明の目的のために、本発明の完全な理解を与えるために具体的な用語を用いた。しかし、具体的な詳細は発明を実施するために要求されないことは当業者には明らかである。前述の具体的な実施形態の説明は、例示と説明の目的で表されている。これらは全てを挙げ尽くすものではなく、発明を開示した形態そのものに限定することを意図していない。むしろ、前述の教示の観点から、多くの変更や変形例が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図７】
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【図９】
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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８】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年1月26日(2015.1.26)
【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】
試料に干渉光を照射する干渉光源と、
前記干渉光源と独立して設けられ、前記試料に分光測定のための励起光を照射する励起光源と、
前記試料上の前分光測定のための記励起光の照射位置を制御しながら前記励起光を走査する走査ユニットと、
前記干渉光源が前記干渉光を前記試料に照射し前記励起光源が前記励起光を前記試料に照射することにより前記試料から発生した混合信号を干渉信号および分光信号に同時に分離する信号分離ユニットと、
前記信号分離ユニットで分離された前記分光信号を測定する第１の検出器と、
前記信号分離ユニットで分離された前記干渉信号を測定する第２の検出器と、
前記検出器で測定された前記分光信号を分光データに変換し、前記検出器で測定された前記干渉信号を干渉画像に変換する少なくとも一つの処理ユニットと、
前記干渉画像に基づいて前記走査ユニットを制御するフィードバックユニットと、
を備え、
前記フィードバックユニットは、
前記干渉画像を解析することによって前記試料上の前記励起光の前記照射位置を制御するためのフィードバック信号を出力する解析ユニットと、
前記フィードバック信号に基づいて前記走査ユニットを制御する制御ユニットと、を備え、
前記解析ユニットは前記試料の形状を特定し、前記試料上の次の前記照射位置である注視位置を決定し、前記注視位置に対応する前記干渉画像上のピクセル位置を前記フィードバック信号として出力し、
前記制御ユニットは、前記ピクセル位置である前記フィードバック信号から変換されたピクセル座標の位置に基づいて前記試料上の注視位置に励起光を照射するように前記走査ユニットを制御する装置。
【請求項２】
前記分光データと前記干渉画像を組み合わせて追加の補足情報を提供する組合せユニットをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記フィードバックユニットは、
前記補足情報を解析することによって前記励起光の前記照射位置および照射形状の少なくともいずれかを制御するためのフィードバック信号を出力する解析ユニットと、
前記フィードバック信号に基づいて前記走査ユニットを制御する制御ユニットと、
を備える請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記フィードバック信号を前記走査ユニットに送られる物理量に対応する走査命令に変換する請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記走査ユニットはアクチュエータと少なくとも一つのミラーを備え、
前記アクチュエータは受けとった前記走査命令に応じてミラー位置を変更する請求項４に記載の装置。 
【国際調査報告】
2016525673.tif 000013
2016525673.tif 000014