(57)【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て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光検出器と、
(d)前記信号を定期的にサンプリングしてデジタルサンプルのシーケンスを出力することにより、前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する変換手段と、
(e)時間領域と周波数領域のうち少なくとも一方で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処理手段と
を備え、
前記視野を通過する物体からの光の強度が基準光線との位相干渉により変調され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周期を変化させて前記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に記載のシステム。
【請求項３】
前記処理手段は、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に記載のシステム。
【請求項４】
前記処理手段に結合され前記処理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)前記信号が前記デジタルサンプルのシーケンスに変換される前に前記信号の振幅を調整する機能、
(b)前記信号が前記デジタルサンプルのシーケンスに変換される前に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前記処理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、前記物体が励起されることなく生じる、前記物体からの光の放出を含んでいることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【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蛍光を発するように励起して、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に記載のシステム。
【請求項１９】
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前記処理手段により決定されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【請求項２０】
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前記処理手段により決定されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【請求項２１】
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に記載のシステム。
【請求項２２】
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に記載のシステム。
【請求項２３】
複数の物体が巻き込まれている流体の流れをさらに備え、前記流体の流れに巻き込まれている前記複数の物体が前記視野を通過することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【請求項２４】
前記複数の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２３に記載のシステム。
【請求項２５】
複数の物体が配置されている支えを備え、前記支えが前記視野を通過することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【請求項２６】
前記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２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記処理手段は、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に記載のシステム。
【請求項２８】
前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する前記変換手段および前記処理手段に結合され、かつ前記変換手段および前記処理手段を制御するコントローラを備え、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1に記載のシステム。
【請求項２９】
前記処理手段は、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1に記載のシステム。
【請求項３０】
前記処理手段は、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)を前記デジタルサンプルのシーケンスに適用することを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する前記変換手段は、
(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フィルタリングするバンドパスフィルタと、
(c)前記バンドパスフィルタがフィルタリングした信号を変換してエンコードし、前記デジタルサンプルのシーケンスを出力するアナログ−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３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する前記変換手段は、
(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、前記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３０に記載のシステム。
【請求項３３】
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３２に記載のシステム。
【請求項３４】
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３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記制御手段は前記処理手段に結合され、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前記処理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３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記光学回折格子は、実質的に一様な周期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変換手段は、
(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フィルタリングするバンドパスフィルタと、
(c)前記バンドパスフィルタがフィルタリングした信号を第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)前記バンドパスフィルタがフィルタリングした信号を第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1に記載のシステム。
【請求項３７】
前記光学回折格子は一様な周期を持ち、前記デジタルサンプルのシーケンスを処理する前記処理手段により、前記変調された光に応答して前記少なくとも１つの光検出器により生成された前記信号のベースバンドの複素表現から前記デジタルサンプルのシーケンスの位相サンプルを計算した後、前記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1に記載のシステム。
【請求項３８】
前記光学回折格子は非一様な周期を持つことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３９】
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、それらの幅が前記光学回折格子の一端から他端まで直線的に変化することを特徴とする請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
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３８に記載のシステム。
【請求項４１】
視野を通過する物体の速度の示度(indication)を決定するシステムであって、
(i)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、
(ii)前記集光経路内に配置された少なくとも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て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、
(iii)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光検出器と、
(iv)前記少なくとも１つの光検出器からの前記信号を定期的にサンプリングしてデジタルサンプルのシーケンスを出力することにより、前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する変換手段と、
(v)時間領域と周波数領域のうち少なくとも一方で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処理手段と
を備え、
前記光学回折格子は非一様な周期を持ち、
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し、
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変換手段は、
（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、前記少なくとも１つの光検出器からの前記信号を増幅し、増幅された第１の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フィルタリングして第１のパスバンド信号を発生する第１のバンドパスフィルタと、
（ｃ）前記第１の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）別の集光経路内に配置されている他の光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記他の光検出器からの第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の信号をフィルタリングして第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システム。
【請求項４２】
視野を通過する物体の速度の示度(indication)を決定するシステムであって、
(i)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、
(ii)前記集光経路内に配置された少なくとも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て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、
(iii)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光検出器と、
(iv) 前記少なくとも１つの光検出器からの前記信号を定期的にサンプリングしてデジタルサンプルのシーケンスを出力することにより、前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換する変換手段と、
(v)時間領域と周波数領域のうち少なくとも一方で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処理手段と
を備え、
前記光学回折格子は非一様な周期を持ち、
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し、
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変換手段は、
（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、
前記少なくとも１つの光検出器からの前記信号を増幅し、増幅された第１の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）別の集光経路内に配置されている他の光検出器に結合されている入力と出力とを備え、前記他の光検出器からの第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システム。
【請求項４３】
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に記載のシステム。
【請求項４４】
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、
（i）光学回折格子を使用して前記物体からの光を変調して、前記物体の前記速度に応じて変化する変調周波数を有する変調された光を発生するステップと、
（ii）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、
（iii）前記信号を定期的にサンプリングしてデジタルサンプルのシーケンスを出力することにより、前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換するステップと、
（iv）時間領域と周波数領域のうち少なくとも一方で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と
を含んでおり、
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は、前記デジタルサンプルの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おり、
前記デジタルサンプルの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し、
前記デジタルサンプルの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前記デジタルサンプルの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方法。
【請求項４５】
前記信号の前記処理は、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４４に記載の方法。
【請求項４６】
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４４に記載の方法。
【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、前記信号をフィルタリング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４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記信号をフィルタリングするステップは、
（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４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記示度を決定するステップは、前記周波数領域において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４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記周波数領域において前記デジタルサンプルのシーケンスを処理するステップは、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４９に記載の方法。
【請求項５１】
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４９に記載の方法。
【請求項５２】
制御システムを備えるシステムに用いられる請求項４４に記載の方法において、
（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つを実行する制御システムを用いるステップをさらに含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５３】
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透明バー及び不透明バーの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４４に記載の方法。
【請求項５４】
光学的回折格子を使用するステップは、複数の交互に並ぶ不透明バーと透明ギャップであって、それらの幅が前記光学的回折格子の一端から他端まで直線的に変化する不透明バーと透明ギャップ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５３に記載の方法。
【請求項５５】
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５３に記載の方法。
【請求項５６】
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）光学回折格子を使用して前記物体からの光を変調して、前記物体の前記速度に応じて変化する変調周波数を有する変調された光を発生するステップと、
（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）前記信号を定期的にサンプリングしてデジタルサンプルのシーケンスを出力することにより、前記信号を前記デジタルサンプルのシーケンスに変換するステップと、
（ｄ）時間領域と周波数領域のうち少なくとも一方で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と
を含んでおり、
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透明バー及び不透明バーの実質的に非一様なパターンを持つことを特徴とする方法。
【請求項５７】
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前記物体の運動の軸に沿って配置するステップを含むことを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
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５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記第１の信号と前記第２の信号を前記デジタルサンプルの第１のシーケンスと前記デジタルサンプルの第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５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１の信号と前記第２の信号をそれぞれ前記デジタルサンプルの第１のシーケンスと前記デジタルサンプルの第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の信号をフィルタリング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】
時間領域と周波数領域のうち少なくとも一方で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５８に記載の方法。
【請求項６２】
制御システムを備えるシステムに用いられる請求項５６の方法において、
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をさらに含んでいることを特徴とする方法。
【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】
0004994560.tif 000002
【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】
0004994560.tif 000003
【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】
0004994560.tif 000004
【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】
0004994560.tif 000005
【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】
0004994560.tif 000006
【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】
0004994560.tif 000007
【０１０９】
ただし、
fNyq=ナイキスト周波数
N=FFT長さ
【０１１０】
【数７】
0004994560.tif 000008
【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】
0004994560.tif 000009
【０１１３】
ただし、
s=回折格子のピッチ(ミクロン)
【０１１４】
【数９】
0004994560.tif 000010
【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】
0004994560.tif 000011
【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】
0004994560.tif 000012
【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】
0004994560.tif 000013
【０１４８】
かつ
【０１４９】
【数１３】
0004994560.tif 000014
【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】
0004994560.tif 000015
【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】
0004994560.tif 000016
【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】
0004994560.tif 000017
【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】
0004994560.tif 000018
【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】
0004994560.tif 000019
【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】
0004994560.tif 000020
【図２】
0004994560.tif 000021
【図３】
0004994560.tif 000022
【図４】
0004994560.tif 000023
【図５】
0004994560.tif 000024
【図６】
0004994560.tif 000025
【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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