KR102419163B1 - 실시간 오토포커스 포커싱 알고리즘 - Google Patents

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KR102419163B1
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키란 살리그라마
윈루 조우
페이만 나지마바디
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라이카 바이오시스템즈 이미징 인크.
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Abstract

이미징 센서와 포커싱 센서 및 이미징 센서와 포커싱 센서에 의해 캡처된 이미지 데이터를 분석하고 그리고 스캐닝 작동 동안 실시간으로 스캐닝 장치의 포커스를 조정하기 위한 프로세서를 포함하는 디지털 스캐닝 장치가 제공된다. 이미징 센서의 개별적인 픽셀은 전부 디지털 스캐닝 장치의 광학 경로에 대하여 동일한 이미지 평면 내에 있다. 포커싱 센서의 개별적인 픽셀은 각각 광학 경로에 대하여 상이한 이미지 평면에 있고, 그리고 포커싱 센서의 하나의 픽셀은 이미지 센서와 동일한 이미지 평면에 있다. 프로세서가 이미징 센서와 포커싱 센서로부터 이미지 데이터를 분석하고 그리고 거리 및 방향을 결정하여 디지털 스캐닝 장치의 스테이지와 대물 렌즈의 상대적 위치를 조정해서 스캐닝 작동 동안 최상의 포커스를 달성한다.

Description

실시간 오토포커스 포커싱 알고리즘
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제62/566,145호(출원일: 2017년 9월 29일)의 우선권을 주장하고, 상기 기초출원은 전문이 제시된 바와 같이 참고로 본 명세서에 원용된다.
본 발명의 분야
본 개시내용은 일반적으로 디지털 병리학에 관한 것이고, 더 구체적으로, 디지털 슬라이드 스캐닝 장치의 실시간 오토포커싱에 관한 것이다.
관련 기술
디지털 병리학은 물리적 슬라이드로부터 생성된 정보의 관리를 허용하는 컴퓨터 기술에 의해 가능한, 이미지-기반 정보 환경이다. 디지털 병리학은 물리적 유리 슬라이드 상에서 시편을 스캐닝하고 그리고 저장, 관찰, 관리, 및 분석될 수 있는 디지털 슬라이드 이미지를 컴퓨터 모니터에서 생성하는 관행인, 가상 현미경 검사에 의해 부분적으로 가능하다. 전체 유리 슬라이드를 이미지 처리하는 능력을 사용하여, 디지털 병리학의 분야는 급증되었고 그리고 현재 진단 의학의 가장 유망한 방안 중 하나로서 간주되어, 중요한 질병, 예컨대, 암의 훨씬 더 우수한, 더 빠른, 그리고 더 저렴한 진단, 예상, 및 예측을 달성한다.
디지털 병리학 산업을 위한 주요 목적은 유리 슬라이드를 스캐닝하도록 필요한 시간을 감소시키는 것이다. 일부 종래의 디지털 스캐닝 디바이스는 사전-스캔 처리의 적어도 20초가 유리 슬라이드 상의 샘플에 걸쳐 포커스 지점을 획득하고 그리고 획득된 포커스 지점으로부터 초점면을 생성하게 요구한다. 따라서, 위에서 설명된 바와 같은 종래의 시스템에서 발견되는 이 상당한 문제를 극복하는 시스템 및 방법이 필요하다.
실시형태에서, 스캐닝 장치는 이미징 센서, 포커싱 센서, 및 이미징 센서와 포커싱 센서에 의해 캡처된 이미지 데이터를 분석하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 포커싱 센서가 경사질 수도 있어서 포커싱 센서의 개별적인 픽셀의 광학 경로에 따른 위치가 캡처되는 이미지 데이터의 각각의 라인에 대해 가변되고, 반면에 이미징 센서의 개별적인 픽셀의 광학 경로에 따른 위치가 전부 캡처되는 이미지 데이터의 각각의 라인에 대해 실질적으로 동일하다. 그러나, 이미지 데이터의 라인이 이미징 센서와 포커싱 센서 둘 다에 의해 캡처될 때, 경사진 포커싱 센서의 하나의 픽셀은 이미징 센서의 모든 픽셀로서 광학 경로를 따른 동일한 논리적 이미지 평면 내에 배치된다. 광학 경로를 따른 논리적 이미지 평면 내 공통 위치를 갖는 이 상태는 "동초점"으로 불린다.
실시형태에서, 스캐닝 동안, 프로세서는 이미징 센서와 포커싱 센서로부터 이미지 데이터를 분석하여 이의 최적의 포커스 위치(즉, 이미징 센서의 이미징 평면이 최적의 초점면과 일치하는 대물 렌즈의 위치)로부터 대물 렌즈의 거리 및 방향을 결정하도록 구성된다. 캡처된 이미지 데이터의 각각의 픽셀에 대해, 프로세서는 포커싱 센서로부터 이미지 데이터에 대한 콘트라스트 값 및 이미징 센서로부터 이미지 데이터에 대한 콘트라스트 값을 결정할 수도 있다. 이어서 프로세서는 각각의 픽셀에 대한 이미징 센서 콘트라스트 값으로 나눠진 포커싱 센서 콘트라스트 값의 비를 결정할 수도 있다. 프로세서는 콘트라스트 비를 그래프 처리하여 콘트라스트 곡선을 생성할 수도 있다. 이어서 프로세서가 콘트라스트 곡선의 피크를 식별하여 가장 높은 콘트라스트 값을 가진 픽셀을 결정할 수도 있다. 동초점이 또한 콘트라스트 곡선에 플롯팅될 수 있다. 광학 경로에 대하여 동일한 논리적 이미지 평면 내에 있는 이미징 센서 상의 픽셀과 포커싱 센서 상의 픽셀이 실질적으로 동일한 콘트라스트 값을 가질 것이므로, 동초점은 콘트라스트 곡선에 제공될 것이다. 콘트라스트 곡선 상의 동초점과 콘트라스트 곡선 상의 피크 콘트라스트 점 사이의 픽셀 거리(또한 "ΔX"로서 본 명세서에서 지칭됨)는 광학 경로를 따른 물리적 거리를 나타낸다. 이 물리적 거리는 대물 렌즈의 현재의 위치와 대물 렌즈의 최적의 포커스 위치(즉, 대물 렌즈의 광학 경로를 따라, 최적의 초점면이 이미징 센서의 개별적인 픽셀과 일치하는 위치) 사이의 거리를 나타낸다. 동초점으로부터 가장 높은 콘트라스트 점으로의 방향(또한 본 명세서에서 "X 방향"으로서 지칭되거나 또는 ΔX에 대한 양의 값 또는 음의 값으로 나타냄)은 대물 렌즈가 이동되어야 하는 광학 경로를 따른 방향을 나타낸다. 동초점이 콘트라스트 곡선 상의 피크 콘트라스트 점과 동일하다면(즉, ΔX=0), 대물 렌즈는 이미 최적의 초점 위치에 있다는 것이 이해되어야 한다.
실시형태에서, 포커싱 센서의 경사는 스캐닝 장치의 스캔 방향에 대해 수직이다. 이 경사는 이미징 센서와 또한 정렬되는, 포커싱 센서의 축을 따른다. 이 기하학적 구조는 비율법이 조직 변화 성분을 상쇄하고 그리고 포커스에 기인한 콘트라스트만을 남기므로, 조직 변동성 및 포커스에 기인한 콘트라스트 변화 간의 구별을 위해 유리하다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 검토한 후 당업자에게 더 손쉽게 분명해질 것이다.
본 발명의 구성 및 작동은 다음의 상세한 설명 및 유사한 참조 부호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면의 검토로부터 이해될 것이다.
도 1은 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 예시적인 이미징 센서를 예시하는 블록도;
도 2는 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 예시적인 포커싱 센서를 예시하는 블록도;
도 3은 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 이미징 센서 및 포커싱 센서의 예시적인 논리적 배열을 예시하는 블록도;
도 4는 실시형태에 따른, 이미징 센서 및 포커싱 센서로부터 이미지 데이터의 예시적인 콘트라스트 곡선을 예시하는 그래프 도면;
도 5는 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 대물 렌즈 조정에 대한 거리 및 방향을 결정하기 위한 예시적인 과정을 예시하는 흐름도;
도 6a는 본 명세서에 설명된 다양한 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있는 예시적인 프로세서-가능 디바이스를 예시하는 블록도;
도 6b는 본 명세서에 설명된 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있는 단일의 선형 어레이를 가진 예시적인 라인 스캔 카메라를 예시하는 블록도;
도 6c는 본 명세서에 설명된 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있는 3개의 선형 어레이를 가진 예시적인 라인 스캔 카메라를 예시하는 블록도; 및
도 6d는 본 명세서에 설명된 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있는 복수의 선형 어레이를 가진 예시적인 라인 스캔 카메라를 예시하는 블록도.
본 명세서에 개시된 특정한 실시형태는 시편의 스캐닝 동안 실시간 오토포커스를 제공한다. 실시형태에서, 실시간 오토포커스 알고리즘은 프로세서-제어된 장치의 작동을 개선시키도록 디지털 병리학 스캐닝 장치에서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 하나의 시스템은 디지털 스캐닝 장치의 대물 렌즈 및/또는 스테이지의 상대적 위치를 조정하여, 스캐닝 작동 동안 최상의 포커스를 달성하기 위해서, 이미징 센서 및 포커싱 센서로부터 이미지 데이터를 분석하고 그리고 거리 및 방향을 결정하도록 구성되는 프로세서를 제공한다. 이 설명을 읽은 후, 본 발명을 다양한 대안적인 실시형태 및 대안적인 적용으로 구현하는 방식이 당업자에게 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시형태가 본 명세서에 설명될지라도, 이 실시형태가 제한이 아닌 오직 실시예로서 제공된다는 것을 이해한다. 이와 같이, 다양한 대안적인 실시형태의 이 상세한 설명은 첨부된 청구항에 제시된 바와 같이 본 발명의 범주 또는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
도 1은 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 예시적인 이미징 센서(10)를 예시하는 블록도이다. 예시된 실시형태에서, 이미징 센서(10)는 광학 경로(605)를 통해 시야를 감지하도록 구성되는, 복수의 픽셀(20)을 포함한다. 이미징 센서(10)의 픽셀(20)의 각각은 광학 경로(605)에 대하여 실질적으로 동일한 이미지 평면 내에 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "이미지 평면"은 광학 경로(605)에 대해 직교하는 평면이다.
이미징 센서(10)는 임의의 다양한 센서 유형(예를 들어, 도 6a 내지 도 6d 참조)일 수 있고 그리고 픽셀(20)의 다양한 길이 및 다양한 수를 가질 수 있다. 예시된 실시형태에서, 이미징 센서(10)는 이미징 센서(10)를 위한 범위(15)를 규정하는 N개의 픽셀을 갖는다. 이미징 센서(10)의 범위(15)는 제1 단부의 픽셀(1)로부터 제2 단부의 픽셀(n)로 광학 경로(605)에 대해 직교하고, 그리고 실시형태에서, 스캐닝 방향에 대해 직교하는 방향으로 연장된다. 실시형태에서, 이미징 센서(10)의 범위(15)는 약 43㎜일 수 있다. 그러나, 다른 실시형태는 예를 들어, 5㎜ 내지 95㎜의 다른 범위를 가질 수도 있다.
도 2는 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 예시적인 포커싱 센서(30)를 예시하는 블록도이다. 예시된 실시형태에서, 이미징 센서(10)와 유사하게, 포커싱 센서(30)는 복수의 픽셀(20)을 포함한다. 그러나, 이미징 센서(10) 내 픽셀과 달리, 포커싱 센서(30)의 각각의 픽셀(20)은 포커싱 센서(30)의 임의의 다른 픽셀(20)과 상이한 이미지 평면에 있다.
포커싱 센서(30)는 임의의 다양한 센서 유형(예를 들어, 도 6a 내지 도 6d 참조)일 수 있고 그리고 픽셀(20)의 다양한 길이 및 다양한 수를 가질 수 있다. 예시된 실시형태에서, 포커싱 센서(30)는 포커싱 센서(30)를 위한 범위(35)를 규정하는 N개의 픽셀을 갖는다. 포커싱 센서(30)의 범위(35)는 제1 단부의 픽셀(1)로부터 제2 단부의 픽셀(n)로 스캐닝 방향에 대해 수직인 방향으로 연장된다. 실시형태에서, 포커싱 센서(30)의 범위(35)는 약 43㎜일 수 있다. 그러나, 다른 실시형태는 예를 들어, 5㎜ 내지 95㎜의 다른 범위를 가질 수도 있다.
도 3은 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 예시적인 논리적 배열을 예시하는 블록도이다. 예시된 실시형태에서, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)가 광학 경로(605)에 대해 배치되어 이미징 센서(10)의 범위(15) 및 포커싱 센서(30)의 범위(35)가 논리적으로 동일하다. 게다가, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)는 또한 이들이 스캐닝되는 동일한 샘플(590)의 논리적 시야를 갖도록 배치된다.
부가적으로, 실시형태에서, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)는 이미징 센서(10)의 개별적인 픽셀(20)이 광학 경로에 대하여 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀(20)과 논리적으로 정렬되도록 배치된다. 즉, 이미징 센서(10)의 각각의 개별적인 픽셀(20)이 포커싱 센서(30)의 대응하는 개별적인 픽셀(20)과 쌍을 이룰 수도 있고, 그리고 쌍의 픽셀 둘 다가 광학 경로(605)와 논리적으로 정렬되어 이들이 동일한 샘플(590)의 논리적 시야를 갖는다. 대안적으로, 포커싱 센서(30)의 2개 이상의 픽셀(20)의 세그먼트가 이미징 센서(10)의 2개 이상의 픽셀(20)의 대응하는 세그먼트와 논리적으로 정렬될 수도 있고, 그리고 포커싱-센서 세그먼트와 이미징-센서 세그먼트의 쌍이 동일한 수 또는 상이한 수의 픽셀(20)을 포함할 수도 있다.
대안적으로, 실시형태에서, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)는, 이미징 센서(10)의 개별적인 픽셀(20)의 적어도 일부가 광학 경로(605)에 대하여, 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀(20)로부터 오프셋되고, 이미징 센서(10)의 다양한 개별적인 픽셀(20)이 포커싱 센서(30)의 이들의 대응하는 픽셀(20)과 동일한 샘플(590)의 논리적 시야를 가질 수도 있거나 또는 갖지 않을 수도 있도록 배치된다. 이러한 대안적인 실시형태에서, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)는 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀(20)이 광학 경로(605)에서 논리적으로 정렬되지 않도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀(20)은 광학 경로(605)에 대하여 이미징 센서(10)의 개별적인 픽셀(20)로부터 부분적으로 또는 완전히 논리적으로 오프셋될 수도 있다. 포커싱 센서(30)의 일부 픽셀(20)은 광학 경로(605)에 대하여 이미징 센서(10)의 대응하는 픽셀(20)과 논리적으로 정렬될 수도 있고, 반면에 포커싱 센서(30)의 다른 픽셀(20)은 광학 경로(605)에 대하여 이미징 센서(10)의 대응하는 픽셀(20)로부터 부분적으로 논리적으로 오프셋될 수도 있고, 그리고 반면에 포커싱 센서(30)의 또 다른 픽셀(20)은 광학 경로(605)에 대하여 이미징 센서(10)의 대응하는 픽셀(20)로부터 완전히 논리적으로 오프셋될 수도 있다. 부가적으로, 포커싱 센서(30)의 범위(35)는 이미징 센서(10)의 범위(15)보다 작을 수도 있거나 또는 클 수도 있다.
예시된 실시형태에서, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)가 광학 경로(605)에 대하여 배치되어, 포커싱 센서(30) 상의 동초점(50)에서 포커싱 센서(30)의 하나의 픽셀의 이미지 평면이 이미징 센서(10)의 이미지 평면과 논리적으로 정렬된다. 이 배열은 광학 경로(605)에 대한 동초점 이미지 평면을 규정한다. 중요하게는, 동초점 이미지 평면은 광학 경로(605)에 대한, 공통 기준 프레임을 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)에 의해 캡처된 이미지 데이터에 제공한다. 예를 들어, 이미지 데이터의 단일의 시야가 이미징 센서(10)와 포커싱 센서(30) 둘 다에 의해 캡처될 때, 동초점(50)(즉, 동초점 이미지 평면 내)에 있는 포커싱 센서 픽셀에 대한 콘트라스트 값은 이미징 센서(10)에 대한 콘트라스트 값과 유사할 것이다. 게다가, 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀(20)이 이미징 센서(30)의 대응하는 개별적인 픽셀(20)과 각각 논리적으로 정렬된다면, 동초점(50)에 있는 포커싱 센서(30)의 픽셀(20)에 대한 콘트라스트 값은 동초점 포커싱-센서 픽셀과 논리적으로 정렬되는 이미징 센서(10) 내 대응하는 픽셀(20)에 대한 콘트라스트 값과 실질적으로 동일할 것이다.
포커싱 센서(30)에 의해 캡처되는 이미지 데이터의 각각의 단일의 시야에 대해, 단일의 이미지 평면 내 단일의 픽셀은 가장 높은 콘트라스트를 가질 것이다. 예시를 위해서, 이미지 평면(60)이 가장 높은 콘트라스트를 가진 단일의 이미지 평면이라고 가정한다. 그러나, 이것은 단순히 예임이 이해되어야 한다. 실제로, 센서 범위(35) 내 특정한 시야에 대해 가장 높은 콘트라스트를 가진 이미지 평면은 이미지_평면(1) 내지 이미지_평면(n)(예를 들어, 이미지_평면(동초점)을 포함함) 중 임의의 이미지 평면일 수 있다.
유사하게, 포커싱 센서(30)에 의해 캡처되는 이미지 데이터의 각각의 연속된 시야의 세트에 대해, 단일의 이미지 평면(예를 들어, 설명의 용이성을 위해 이미지 평면(60)으로서 예시됨)은 가장 높은 평균 콘트라스트를 가질 것이다. 실시형태에서, 연속된 시야의 세트는 1,000개의 시야를 포함할 수도 있고, 각각의 개별적인 시야는 단일의 스캔 라인을 나타낸다. 시야의 세트는 본 명세서에서 "버퍼(buffer)"로서 지칭될 수도 있다. 용어 "버퍼"는 임의의 특정한 수의 스캔 라인 또는 임의의 특정한 물리 메모리 세그먼트와 관련 없고, 따라서, 버퍼의 크기는 스캐닝 장치의 속도 또는 물리 메모리 세그먼트에 따라 가변될 수 있고, 여기서 속도는 스테이지 속도에 의해 또는 이미지 데이터 캡처 속도에 의해 규정될 수 있다.
실시형태가 특정한 픽셀에 대한 콘트라스트 값을 계산하는 것으로서 본 명세서에서 주로 설명되지만, 대신에, 콘트라스트 값이 이미지 데이터가 버퍼에 저장되는 픽셀의 열에 대해 계산될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 구체적으로, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30) 내 각각의 픽셀(20)은 예시된 범위(15 및 35)에 대해 직교하고(예를 들어, 도 1 내지 도 3에서 페이지 내 또는 외로 연장됨) 그리고 이 픽셀과 동일한 평면 내 픽셀의 열을 나타낼 수도 있다. 이 경우에, 열에 대한 콘트라스트 값은 열 내 모든 픽셀에 대한 콘트라스트 값의 평균으로서 계산될 수도 있다. 그래서 범위(15 및 35)를 각각 교차하는, 이미징-센서 픽셀 및 포커싱-센서 픽셀의 각각의 열에 대한 콘트라스트 값은 범위(15 및 35)에 걸친 개별적인 픽셀에 대한 콘트라스트 값 대신에, 본 명세서에 설명된 비를 계산하도록 사용될 수 있다.
더 일반적으로, 이미징 센서(10)에 대한 콘트라스트 값은 콘트라스트 값의 제1 벡터로서 나타날 수도 있고, 그리고 포커싱 센서(30)에 대한 콘트라스트 값은 콘트라스트 값의 제2 벡터로서 나타날 수도 있다. 제1 벡터와 제2 벡터의 각각 내 각각의 값은 단일의 픽셀에 대한 콘트라스트 값, 픽셀의 열에 대한 콘트라스트 값(예를 들어, 평균 콘트라스트 값), 또는 픽셀의 임의의 세그먼트에 대한 콘트라스트 값(예를 들어, 평균 콘트라스트 값)을 나타낼 수도 있다. 그러나, 각각의 경우에, 제1 벡터 내 각각의 콘트라스트 값은 범위(15)에 걸친 하나 이상의 이미징-센서 픽셀(20)의 세그먼트의 위치를 나타내고, 제2 벡터 내 각각의 콘트라스트 값은 범위(35)에 걸친 하나 이상의 포커싱-센서 픽셀(20)의 세그먼트의 위치를 나타내고, 그리고 제1 벡터 내 각각의 콘트라스트 값은 제2 벡터 내 대응하는 위치에서의 콘트라스트 값에 대응한다.
도 4는 실시형태에 따른, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 각각으로부터 이미지 데이터에 대한 예시적인 콘트라스트 곡선(70)을 예시하는 그래프 도면이다. 콘트라스트 곡선(70)은 이미지 데이터의 단일의 스캔 라인에 대해 또는 이미지 데이터의 단일의 버퍼에 대해 계산될 수 있다. 작동 시, 대응하는 이미지 데이터가 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)에 의해 캡처될 때, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 각각의 픽셀에 의해 제공되는 원(raw) 강도 값은 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 각각의 픽셀, 열, 또는 다른 세그먼트에 대한 콘트라스트 값을 계산하도록 사용된다. 후속하여, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30) 상의 대응하는 위치(예를 들어, 픽셀, 열, 또는 다른 세그먼트)의 콘트라스트 값의 비는 각각의 이미징-센서 위치의 콘트라스트 값을 이의 대응하는 포커싱-센서 위치의 콘트라스트 값으로 분할(예를 들어, 제1 벡터 내 이의 대응하는 콘트라스트 값에 의해 제2 벡터 내 콘트라스트 값의 각각을 분할)함으로써 결정된다. 발생된 비 값이 대응하는 위치(예를 들어, 도 4에서 픽셀 번호)에 대하여 그래프 상에 플롯팅되어 콘트라스트 곡선(70)을 생성할 수 있다.
유리하게는, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 이전에 설명된 논리적 배열에 기인하여, 이미징 센서(10)의 각각의 위치(예를 들어, 개별적인 픽셀)가 포커싱 센서(30)의 대응하는 위치(예를 들어, 개별적인 픽셀)와 논리적으로 정렬되는 것에 의해, 동초점(50)이 콘트라스트 곡선(70) 상에 속할 것이다. 이것은 이미징 센서(10)와 동일한 논리적 이미지 평면 내에 있는, 포커싱 센서(30) 상의 위치(예를 들어, 개별적인 픽셀)가 알려져 있거나 또는 결정될 수 있기 때문이다. 부가적으로, 배치된 대응하는 이미징-센서의 콘트라스트 값에 대한 동초점(50)에서 포커싱-센서 위치(예를 들어, 픽셀)의 콘트라스트 값의 비(예를 들어, 포커싱-센서 픽셀은 이미징-센서 픽셀과 논리적으로 정렬됨)는 이 2개의 픽셀이 실질적으로 동일한 콘트라스트 값을 가질 것이므로 실질적으로 1일 것이다.
동초점(50)을 갖는 것에 더하여, 콘트라스트 곡선(70)은 또한 가장 높은-콘트라스트 점(60)을 나타내는 피크를 갖는다. 가장 높은-콘트라스트 점(60)은 단일의 스캔 라인 또는 단일의 버퍼에 대한 최상의 포커스를 나타낸다. 동초점(50)이 이미징 센서(10)의 이미지 평면을 나타내기 때문에, 가장 높은-콘트라스트 점(60)이 동초점(50)과 동일하지 않다면, 이미징 센서(10)의 포커스는 최적의 상태가 아니다. 따라서, 콘트라스트 곡선(70)의 픽셀축(즉, 도 4에 예시된 X-축)을 따라, 동초점(50)과 가장 높은-콘트라스트 점(60) 사이의 거리는 대물 렌즈가 최적의 포커스를 달성하도록 조정되어야 하는 거리를 나타낸다. 유사하게, 픽셀축을 따라, 동초점(50)으로부터 가장 높은 콘트라스트 점(60)으로의 방향은 대물 렌즈가 최적의 포커스를 달성하도록 광학 경로 내에서 조정되어야 하는 방향을 나타낸다.
예를 들어, X-축을 따라, 동초점(50)이 위치(A)(예를 들어, 특정한 픽셀)에 있고 그리고 가장 높은-콘트라스트 점(60)이 위치(B)(예를 들어, 특정한 픽셀)에 있다면, 대물 렌즈를 이동시켜서 최상의 포커스를 달성하기 위한 거리는 ΔX=|A-B|로 나타날 수 있다. 유사하게, X-축을 따라, 위치(A)의 동초점(50)으로부터 위치(B)의 가장 높은-콘트라스트 점(60)을 향하는 방향이 음의 방향이라면, 광학 경로(605)에서 대물 렌즈(600)를 이동시키기 위한 방향은 샘플(590)을 향하는(즉, 대물 렌즈와 샘플 사이의 거리를 감소시키는) 것으로 결정될 수도 있다. 반면에, 이 방향이 양의 방향이라면, 광학 경로(605)에서 대물 렌즈(600)를 이동시키기 위한 방향은 샘플(590)로부터 이격되는(즉, 대물 렌즈와 샘플 사이의 거리를 증가시키는) 것으로 결정될 수도 있다.
하나의 실시형태에서, ΔX의 값은 물리적 거리에 도착하도록, 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀 사이에서, 광학 경로(605)를 따르는, 물리적 거리(D)(예를 들어, ㎛)로 곱해질 수 있다. 발생된 곱은 스테이지(580) 상의 샘플(590)과 대물 렌즈(600) 사이의 상대적 거리를 제어하는 포지셔닝 시스템(예를 들어, 대물 렌즈 포지셔너(630))에 대한 명령어로 변환될 수 있는 물리적 거리를 나타낸다. 명령어가 포지셔닝 시스템에 제공되어 스테이지(580) 상의 샘플(590)과 대물 렌즈(600) 사이의 상대적 거리의 적절한 조정을 이룰 수 있다.
도 5는 실시형태에 따른, 실시간 오토포커스를 위한 대물 렌즈 조정에 대한 거리 및 방향을 결정하기 위한 예시적인 과정을 예시하는 흐름도이다. 예시된 과정은 디지털 스캐닝 장치 시스템, 예컨대, 도 1 내지 도 3 및 도 6a 내지 도 6d에 대하여 설명된 디지털 스캐닝 장치 시스템에 의해 수행될 수 있다. 명료성을 위해, 과정은 개별적인 픽셀에 대한 콘트라스트 값을 결정하는 것에 대하여 설명된다. 그러나, 위에서 논의된 바와 같이, 과정은 다수의 픽셀의 열 또는 다른 세그먼트에 대한 콘트라스트 값(예를 들어, 평균 콘트라스트 값)을 결정하도록 일반화될 수도 있다.
처음에, 단계(100)에서, 시스템은 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)로부터 수신된 이미지 데이터의 각각의 픽셀에 대한 콘트라스트 값(즉, 강도 값)을 결정하고, 이미징 센서(10) 및 포커싱 센서(30)의 개별적인 픽셀의 적어도 일부는 광학 경로(605)에 대한 논리적 배열에서 서로에 대응(즉, 시야의 동일한 부분에 대응)한다. 다음에, 단계(110)에서, 시스템은 분자로서 포커싱 센서로부터 픽셀의 콘트라스트 값 그리고 분모로서 이미징 센서로부터 픽셀의 콘트라스트 값을 사용하여, 대응하는 픽셀의 각각의 쌍에 대한 콘트라스트 값의 비를 계산한다.
다음에, 단계(120)에서, 시스템은 단계(110)에서 계산된, 콘트라스트-값 비의 곡선의 표현을 생성하고, 콘트라스트-값 비는 Y-축에 나타나고 그리고 이미징 센서와 포커싱 센서의 대응하는 픽셀 쌍의 픽셀 수는 X-축에 나타난다. 실시형태에서, 이미징 센서(10)의 픽셀의 각각은 광학 경로(605)를 따라 논리적 정렬하는 포커싱 센서(30)의 대응하는 픽셀을 갖는다. 부가적으로 또는 대안적으로, 포커싱 센서(30)의 픽셀의 각각은 광학 경로(605)를 따라 논리적 정렬하는 이미징 센서(10)의 대응하는 픽셀을 갖는다. 실시형태에서, 이미징 센서(10)의 각각의 픽셀과 포커싱 센서(30)의 대응하는 픽셀 사이에 일-대-일 논리적 정렬이 있어서, 센서 둘 다의 각각의 픽셀이 다른 센서 상의 정확한 하나의 대응하는 픽셀과 논리적으로 쌍을 이룬다(즉, 광학 경로(605) 내에서 공통 시야를 공유한다).
곡선이 콘트라스트-값 비에 피팅된 후, 단계(130)에서, 시스템은 콘트라스트-값 비의 곡선에서 피크점(60) 및 동초점(50)을 식별한다. 이어서, 단계(140)에서, 시스템은 동초점(50)과 피크점(60) 사이의 거리 값을 계산한다. 동초점(50)과 피크점(60)이 동일하게 1인 것으로 판명된다면, 이 거리 값은 0일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 단계(150)에서, 시스템은 동초점(50)으로부터 피크점(60)으로의 방향 값을 결정한다. 실제 구현예에서, 단계(140 및 150)는 피크점(60)을 동초점(50)으로부터 간단히 공제함으로써 결합될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 이것은 0의 값(즉, 피크점(60)이 동초점(50)과 동일함), 제1 방향을 나타내는 음의 값(즉, 피크점(60)이 동초점(50)보다 더 큰 픽셀 수에 있음), 또는 제1 방향과 반대인 제2 방향을 나타내는 양의 값(즉, 피크점(60)이 동초점(50)보다 더 낮은 픽셀 수에 있음) 중 하나를 발생시킬 것이다.
실시형태에서, 시스템은 단계(140)에서 계산된 거리 값을 대물 렌즈를 이동시키기 위한 물리적 거리로 변환하고, 그리고 단계(150)에서 결정된 방향 값을 대물 렌즈를 광학 경로를 따라 이동시키는 물리적 방향으로 변환한다. 유리하게는, 시스템은 샘플(590)에 대하여 대물 렌즈(600)의 상대적 위치를 조정하여 최적의 포커스를 달성하도록 시스템이 포지셔닝 시스템(예를 들어, 대물 렌즈 포지셔너(630))에 제공할 수 있는, 대물 렌즈 조정 명령어를 생성하도록 물리적 거리 및 물리적 방향을 사용할 수도 있다.
도 6a는 본 명세서에 설명된 다양한 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있는 예시적인 프로세서-가능 디바이스(550)를 예시하는 블록도이다. 디바이스(550)의 대안적인 형태가 또한 당업자가 이해할 바와 같이, 사용될 수도 있다. 예시된 실시형태에서, 디바이스(550)는 하나 이상의 프로세서(555), 하나 이상의 메모리(565), 하나 이상의 움직임 제어기(570), 하나 이상의 인터페이스 시스템(575), 하나 이상의 샘플(590)과 함께 하나 이상의 유리 슬라이드(585)를 각각 지지하는 하나 이상의 이동식 스테이지(580), 샘플(590)을 조명하는 하나 이상의 조명 시스템(595), 광학축을 따라 이동하는 광학 경로(605)를 각각 규정하는 하나 이상의 대물 렌즈(600), 하나 이상의 대물 렌즈 포지셔너(630), 하나 이상의 임의의 에피-조명 시스템(635)(예를 들어, 형광 스캐너 시스템에 포함됨), 하나 이상의 포커싱 광학 기기(610), 하나 이상의 라인 스캔 카메라(615), 및/또는 샘플(590) 및/또는 유리 슬라이드(585) 상에서 분리된 시야(625)를 각각 규정하는, 하나 이상의 추가의 카메라(620)(예를 들어, 라인 스캔 카메라 또는 영역 스캔 카메라)를 포함하는, 디지털 이미징 디바이스(또한 스캐너 시스템, 스캐닝 시스템, 스캐닝 장치, 디지털 스캐닝 장치, 디지털 슬라이드 스캐닝 장치 등으로서 지칭됨)로서 제공된다. 스캐너 시스템(550)의 다양한 구성요소는 하나 이상의 통신 버스(560)를 통해 통신 가능하게 연결된다. 스캐너 시스템(550)의 다양한 구성요소의 각각의 하나 이상이 있을 수도 있지만, 명료성을 위해서, 이 구성요소는 적절한 정보를 전달하기 위해 복수형으로 설명되는 것이 필요할 때를 제외하고 단수형으로 본 명세서에서 설명된다.
하나 이상의 프로세서(555)는 예를 들어, 명령어를 동시에 처리할 수 있는 중앙 처리 장치(central processing unit: CPU) 및 독립형 그래픽 처리 장치(graphics processing unit: GPU)를 포함할 수도 있거나, 또는 하나 이상의 프로세서(555)는 명령어를 동시에 처리할 수 있는 멀티코어 프로세서를 포함할 수도 있다. 추가의 독립형 프로세서는 또한 특정한 컴포넌트를 제어하거나 또는 특정한 기능, 예컨대, 이미지 처리를 수행하도록 제공될 수도 있다. 예를 들어, 추가의 프로세서는 데이터 입력을 관리하기 위한 보조 프로세서, 부유점 수학 연산을 수행하기 위한 보조 프로세서, 신호-처리 알고리즘의 고속 실행에 적합한 아키텍처를 가진 특수-목적 프로세서(예를 들어, 디지털-신호 프로세서), 메인 프로세서에 종속된 슬레이브 프로세서(예를 들어, 벡-엔드 프로세서), 라인 스캔 카메라(615), 스테이지(580), 대물 렌즈(225), 및/또는 디스플레이(미도시)를 제어하기 위한 추가의 프로세서를 포함할 수도 있다. 이러한 추가의 프로세서는 독립형 이산 프로세서일 수도 있거나 또는 프로세서(555)와 통합될 수도 있다.
메모리(565)는 프로세서(555)에 의해 실행될 수 있는 프로그램을 위한 데이터 및 명령어의 저장을 제공한다. 메모리(565)는 데이터 및 명령어를 저장하는 하나 이상의 휘발성 및/또는 비-휘발성 컴퓨터-판독 가능한 저장 매체, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 하드 디스크 드라이브, 외장형 저장 드라이브 등을 포함할 수도 있다. 프로세서(555)는 메모리(565)에 저장되는 명령어를 실행시키고 그리고 통신 버스(560)를 통해 스캐너 시스템(550)의 다양한 구성요소와 통신하여 스캐너 시스템(550)의 전체 기능을 수행하도록 구성된다.
하나 이상의 통신 버스(560)는 아날로그 전기 신호를 전달하도록 구성되는 통신 버스(560)를 포함할 수도 있고 그리고 디지털 데이터를 전달하도록 구성되는 통신 버스(560)를 포함할 수도 있다. 따라서, 프로세서(555), 움직임 제어기(570), 및/또는 인터페이스 시스템(575)으로부터 하나 이상의 통신 버스(560)를 통한 통신은 전기 신호와 디지털 데이터 둘 다를 포함할 수도 있다. 프로세서(555), 움직임 제어기(570), 및/또는 인터페이스 시스템(575)은 또한 무선 통신 링크를 통해 스캐닝 시스템(550)의 다양한 구성요소의 하나 이상과 통신하도록 구성될 수도 있다.
움직임 제어 시스템(570)은 스테이지(580) 및/또는 대물 렌즈(600)의 XYZ 이동을 (예를 들어, 대물 렌즈 포지셔너(630)를 통해) 정확하게 제어 및 조정하도록 구성된다. 움직임 제어 시스템(570)은 또한 스캐너 시스템(550) 내 임의의 다른 이동 부품의 이동을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 형광 스캐너 실시형태에서, 움직임 제어 시스템(570)은 에피-조명 시스템(635) 내 광학 필터 등의 이동을 조정하도록 구성된다.
인터페이스 시스템(575)은 스캐너 시스템(550)이 다른 시스템 및 인간 조작자와 인터페이싱하게 한다. 예를 들어, 인터페이스 시스템(575)은 정보를 조작자에게 직접적으로 제공하고/하거나 조작자로부터 직접적인 입력을 허용하기 위한 사용자 인터페이스를 포함할 수도 있다. 인터페이스 시스템(575)은 또한 스캐닝 시스템(550)과, 스캐닝 시스템(550)에 직접적으로 연결되는 하나 이상의 외부 디바이스(예를 들어, 프린터, 외장형 저장 매체 등) 또는 네트워크(미도시)를 통해 스캐너 시스템(550)에 연결되는, 원격 디바이스, 예컨대, 이미지 서버 시스템, 조작자 스테이션, 사용자 스테이션, 및/또는 행정 서버 시스템 사이의 통신 및 데이터 전달을 가능하게 하도록 구성된다.
조명 시스템(595)은 샘플(590)의 적어도 일부를 조명하도록 구성된다. 조명 시스템은 예를 들어, 광원 및 조명 광학 기기를 포함할 수도 있다. 광원은 광 출력을 최대화하기 위한 오목한 반사 거울 및 열을 억제하기 위한 KG-1 필터를 구비한 가변-강도 할로겐 광원일 수 있다. 광원은 또한 아크-램프, 레이저, 또는 다른 광원의 임의의 유형일 수 있다. 실시형태에서, 조명 시스템(595)이 샘플(590)을 전송 모드에서 조명하여 라인 스캔 카메라(615) 및/또는 카메라(620)가 샘플(590)을 통해 전송되는 광에너지를 감지한다. 대안적으로 또는 조합하여, 조명 시스템(595)이 또한 샘플(590)을 반사 모드에서 조명하여 라인 스캔 카메라(615) 및/또는 카메라(620)가 샘플(590)로부터 반사되는 광에너지를 감지한다. 어느 경우든, 조명 시스템(595)은 광학 현미경의 임의의 공지된 모드에서 미세한 샘플(590)의 인터로게이션(interrogation)에 적합하도록 구성된다.
실시형태에서, 스캐너 시스템(550)은 형광 스캐닝을 위한 스캐너 시스템(550)을 최적화하도록 에피-조명 시스템(635)을 임의로 포함한다. 형광 스캐닝은 특정한 파장(여기)에서 광을 흡수할 수 있는 광자-민감성 분자인, 형광 분자를 포함하는 샘플(590)의 스캐닝이다. 이 광자-민감성 분자는 또한 광을 더 높은 파장(방출)에서 방출할 수도 있다. 이 포토루미네선스 현상(photoluminescence phenomenon)의 효율이 매우 낮으므로, 방출된 광의 양은 종종 매우 적다. 방출된 광의 이 적은 양은 보통 샘플(590)을 스캐닝하고 그리고 디지털화하기 위한 종래의 기법(예를 들어, 전송 모드 현미경 검사)을 실패하게 한다. 유리하게는, 스캐너 시스템(550)의 임의의 형광 스캐너 시스템 실시형태에서, 다수의 선형 센서 어레이를 포함하는 라인 스캔 카메라(615)(예를 들어, 시간 지연 적분(time delay integration: "TDI") 라인 스캔 카메라)의 사용은, 라인 스캔 카메라(615)의 다수의 선형 센서 어레이의 각각에 대해 샘플(590)의 동일한 영역을 노출시킴으로써 라인 스캔 카메라(615)의 광에 대한 민감도를 증가시킨다. 이것은 소량의 형광 샘플을 저 방출된 광으로 스캐닝할 때 특히 유용하다.
따라서, 형광 스캐너 시스템 실시형태에서, 라인 스캔 카메라(615)는 바람직하게는 단색 TDI 라인 스캔 카메라이다. 유리하게는, 단색 이미지는 이들이 샘플(590) 상에 존재하는 다양한 채널로부터 실제 신호의 더 정확한 표현을 제공하므로 형광 현미경 검사에서 이상적이다. 당업자가 이해할 바와 같이, 형광 샘플(590)은 "채널"로서 또한 지칭되는, 상이한 파장에서 광을 방출하는 다수의 형광 염료에 의해 표기될 수 있다.
게다가, 다양한 형광 샘플의 로우-엔드 신호 레벨 및 하이-엔드 신호 레벨이 라인 스캔 카메라(615)가 감지하는 파장의 넓은 스펙트럼을 제공하기 때문에, 라인 스캔 카메라(615)가 감지할 수 있는, 이 로우-엔드 신호 레벨 및 하이-엔드 신호 레벨이 유사하게 넓은 것이 바람직하다. 따라서, 형광 스캐너 실시형태에서, 형광 스캐닝 시스템(550)에서 사용되는 라인 스캔 카메라(615)는 단색 10-비트 64-선형-어레이 TDI 라인 스캔 카메라이다. 그러나, 라인 스캔 카메라(615)에 대한 다양한 비트 깊이는 스캐닝 시스템(550)의 형광 스캐너 실시형태에 의한 사용을 위해 채용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이동식 스테이지(580)는 프로세서(555) 또는 움직임 제어기(570)의 제어하에서 정확한 XY 이동(즉, 이동식 스테이지(580)의 평면 내에서 2개의 방향으로의 이동)을 위해 구성된다. 이동식 스테이지(580)는 또한 프로세서(555) 또는 움직임 제어기(570)의 제어하에서 Z 이동(즉, 이동식 스테이지(580)의 평면과 직교하는 방향으로의 이동)을 위해 구성될 수도 있다. 이동식 스테이지(580)는 라인 스캔 카메라(615) 및/또는 영역 스캔 카메라(620)에 의한 이미지 데이터 캡처 동안 샘플(590)을 목적하는 위치에 배치하도록 구성된다. 이동식 스테이지(580)는 또한 샘플(590)을 스캐닝 방향으로 실질적으로 일정한 속도로 가속하고 그리고 이어서 라인 스캔 카메라(615)에 의한 이미지 데이터 캡처 동안 실질적으로 일정한 속도를 유지하도록 구성된다. 실시형태에서, 스캐너 시스템(550)은 이동식 스테이지(580) 상의 샘플(590)의 위치를 돕도록 높은 정확도 및 단단히 조정된 XY 격자를 채용할 수도 있다. 이동식 스테이지(580)는 X축과 Y축 둘 다에서 채용되는 높은 정확도의 인코더를 구비한 선형-모터-기반 XY 스테이지일 수도 있다. 예를 들어, 매우 정확한 나노미터 인코더는 스캐닝 방향의 축에서, 그리고 스캐닝 방향에 대해 수직이고 그리고 스캐닝 방향과 동일한 평면 내에 있는 방향인 축에서 사용될 수 있다. 스테이지(580)는 또한 샘플(590)이 배치되는 유리 슬라이드(585)를 지지하도록 구성된다.
샘플(590)은 광학 현미경에 의해 인터로게이팅될 수도 있는 어느 것일 수 있다. 예를 들어, 유리 현미경 슬라이드(585)는 조직 및, 세포, 염색체, DNA, 단백질, 혈액, 골수, 소변, 세균, 비드, 생체 검사 물질, 또는 죽거나 또는 살아 있거나, 착색되거나 또는 착색되지 않았거나, 표기되거나 또는 표기되지 않은 임의의 다른 유형의 생물학적 물질 또는 실체를 포함하는 시편을 위한 관찰 기판으로서 흔히 사용된다. 샘플(590)은 또한 마이크로어레이로서 흔히 알려진 임의의 그리고 모든 샘플을 포함하는, 임의의 유형의 슬라이드 또는 다른 기판 상에 증착되는 임의의 유형의 DNA 또는 DNA-관련 물질, 예컨대, cDNA 또는 RNA 또는 단백질의 어레이일 수도 있다. 샘플(590)은 마이크로타이터 플레이트(예를 들어, 96-웰 플레이트)일 수도 있다. 샘플(590)의 다른 예는 집적 회로 기판, 전기 영동 기록부, 페트리 접시, 막, 반도체 물질, 포렌식 물질, 및 기계가공된 부분을 포함한다.
대물 렌즈(600)는 대물 렌즈(600)에 의해 규정된 광학축을 따라 대물 렌즈(600)를 이동시키도록 매우 정확한 선형 모터를 채용할 수도 있는, 대물 렌즈 포지셔너(630) 상에 장착된다. 예를 들어, 대물 렌즈 포지셔너(630)의 선형 모터는 50 나노미터 인코더를 포함할 수도 있다. XYZ축에서 스테이지(580)와 대물 렌즈(600)의 상대적 위치는 스캐닝 시스템(550)의 전체 작동을 위한 컴퓨터-실행 가능한 프로그래밍된 단계를 포함하는, 정보 및 명령어를 저장하기 위한 메모리(565)를 채용하는 프로세서(555)의 제어하에서, 움직임 제어기(570)를 사용하여 폐루프 방식으로 조정 및 제어된다.
실시형태에서, 대물 렌즈(600)는 바람직한 가장 높은 공간 분해능에 대응하는 개구수를 가진 플랜 아포크로매틱(apochromatic"APO") 무한-정정형 대물 렌즈이고, 대물 렌즈(600)는 전송-모드 조명 현미경 검사, 반사-모드 조명 현미경 검사, 및/또는 에피-조명-모드 형광 현미경 검사(예를 들어, 올림푸스사의 40X, 0.75NA 또는 20X, 0.75 NA)에 적합하다. 유리하게는, 대물 렌즈(600)는 색 수차 및 구면 수차를 정정할 수 있다. 대물 렌즈(600)가 무한-정정형이기 때문에, 포커싱 광학 기기(610)는 대물 렌즈(600) 위의 광학 경로(605)에 배치될 수 있고, 대물 렌즈를 통과하는 광빔은 시준된 광빔이 된다. 포커싱 광학 기기(610)는 라인 스캔 카메라(615) 및/또는 카메라(620)의 광-반응성 구성요소 상에서 대물 렌즈(600)에 의해 캡처된 광신호를 포커싱하고, 그리고 광학 컴포넌트, 예컨대, 필터, 배율 변경기 렌즈 등을 포함할 수도 있다. 포커싱 광학 기기(610)와 결합된 대물 렌즈(600)는 총 배율을 스캐닝 시스템(550)에 제공한다. 실시형태에서, 포커싱 광학 기기(610)는 튜브 렌즈 및 임의의 2X 배율 변경기를 포함할 수도 있다. 유리하게는, 2× 배율 변경기는 네이티브 20× 대물 렌즈(600)가 40× 배율로 샘플(590)을 스캐닝하게 한다.
라인 스캔 카메라(615)는 사진 구성요소("픽셀")의 적어도 하나의 선형 어레이를 포함한다. 라인 스캔 카메라는 단색 또는 다색일 수도 있다. 컬러 라인 스캔 카메라는 보통 적어도 3개의 선형 어레이를 갖고, 반면에 단색 라인 스캔 카메라는 단일의 선형 어레이 또는 복수의 선형 어레이를 가질 수도 있다. 단일의 또는 복수의 선형 어레이의 임의의 유형이, 카메라의 일부로서 패키징되거나 또는 이미징 전자 모듈에 주문-통합되든지 간에, 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 3-선형-어레이("적-녹-청" 또는 "RGB") 컬러 라인 스캔 카메라 또는 96 선형 어레이 단색 TDI가 사용될 수도 있다. TDI 라인 스캔 카메라는 보통 시편의 이전에 이미지 처리된 구역으로부터 강도 데이터를 합산함으로써 실질적으로 더 우수한 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio: "SNR")를 출력 신호에 제공하여, 통합 스테이지의 수의 제곱근과 비례하는 SNR의 증가를 생성한다. TDI 라인 스캔 카메라는 다수의 선형 어레이를 포함한다. 예를 들어, 24개, 32개, 48개, 64개, 96개 또는 심지어 더 많은 선형 어레이를 구비한 TDI 라인 스캔 카메라가 이용 가능하다. 스캐너 시스템(550)은 또한 512개의 픽셀을 구비한 일부, 1024개의 픽셀을 구비한 일부, 및 4096개의 픽셀만큼 많은 픽셀을 구비한 다른 것을 포함한 다양한 포맷으로 제작되는 선형 어레이를 지원한다. 유사하게, 다양한 픽셀 크기를 가진 선형 어레이가 또한 스캐너 시스템(550)에서 사용될 수 있다. 임의의 유형의 라인 스캔 카메라(615)의 선택을 위한 핵심적인 필요조건은 스테이지(580)의 움직임이 라인 스캔 카메라(615)의 라인 속도와 동기화될 수 있어서, 스테이지(580)가 샘플(590)의 디지털 이미지 캡처 동안 라인 스캔 카메라(615)에 대해 이동할 수 있다는 것이다.
라인 스캔 카메라(615)에 의해 생성된 이미지 데이터가 메모리(565)의 일부에 저장되고 그리고 프로세서(555)에 의해 처리되어 샘플(590)의 적어도 일부의 연속된 디지털 이미지를 생성한다. 연속된 디지털 이미지가 프로세서(555)에 의해 더 처리될 수 있고, 그리고 보정된 연속된 디지털 이미지가 또한 메모리(565)에 저장될 수 있다.
2개 이상의 라인 스캔 카메라(615)에 대한 실시형태에서, 라인 스캔 카메라(615) 중 적어도 하나는 이미징 센서(10)로서 기능하도록 구성되는 라인 스캔 카메라(615) 중 적어도 하나와 결합하여 작동하는 포커싱 센서(30)로서 기능하도록 구성될 수 있다. 포커싱 센서(30)는 이미징 센서(10)와 동일한 광학축 상에 논리적으로 배치될 수 있거나 또는 포커싱 센서(30)는 스캐너 시스템(550)의 스캐닝 방향에 대하여 이미징 센서(10) 앞에 또는 뒤에 논리적으로 배치될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 포커싱 센서(30)로서 기능하는 적어도 하나의 라인 스캔 카메라(615)를 사용하여, 포커싱 센서(30)에 의해 생성된 이미지 데이터가 메모리(565)의 일부에 저장되고 그리고 하나 이상의 프로세서(555)에 의해 처리되어 포커스 정보를 생성하여 스캐너 시스템(550)이 샘플(590)과 대물 렌즈(600) 사이의 상대적 거리를 조정해서 스캐닝 동안 샘플(590) 상의 포커스를 유지한다. 부가적으로, 실시형태에서, 포커싱 센서(30)로서 기능하는 적어도 하나의 라인 스캔 카메라(615)는, 포커싱 센서(30)의 복수의 개별적인 픽셀의 각각이 광학 경로(605)를 따라 상이한 논리적 높이에 배치되도록 지향될 수도 있다.
작동 시, 메모리(565)에 저장된 프로그래밍된 모듈 및 스캐너 시스템(550)의 다양한 컴포넌트는 유리 슬라이드(585) 상에 배치되는, 샘플(590)의 자동 스캐닝 및 디지털화를 가능하게 한다. 유리 슬라이드(585)는 샘플(590)을 스캐닝하기 위해 스캐너 시스템(550)의 이동식 스테이지(580) 상에 단단히 배치된다. 프로세서(555)의 제어하에서, 이동식 스테이지(580)는 라인 스캔 카메라(615)에 의한 감지를 위해 샘플(590)을 실질적으로 일정한 속도로 가속하고, 스테이지의 속도는 라인 스캔 카메라(615)의 라인 속도와 동기화된다. 이미지 데이터의 스트립을 스캐닝한 후, 이동식 스테이지(580)는 감속되고 그리고 샘플(590)을 실질적으로 완전한 정지 상태로 둔다. 이어서 이동식 스테이지(580)가 스캐닝 방향과 직교하는 방향으로 이동되어 이미지 데이터의 후속의 스트립(예를 들어, 인접한 스트립)의 스캐닝을 위해 샘플(590)을 배치한다. 추가의 스트립은 샘플(590)의 전체 부분 또는 전체 샘플(590)이 스캐닝될 때까지 후속하여 스캐닝된다.
예를 들어, 샘플(590)의 디지털 스캐닝 동안, 샘플(590)의 연속된 디지털 이미지는 이미지 스트립을 형성하도록 함께 결합되는 복수의 연속된 시야로서 획득된다. 복수의 인접한 이미지 스트립은 유사하게 샘플(590)의 일부 또는 전체 샘플(590)의 연속된 디지털 이미지를 형성하도록 함께 결합된다. 샘플(590)의 스캐닝은 수직 이미지 스트립 또는 수평 이미지 스트립의 획득을 포함할 수도 있다. 샘플(590)의 스캐닝은 상단부터 하단으로, 하단부터 상단으로, 또는 둘 다로(양방향으로) 이루어질 수도 있고 그리고 샘플 상의 임의의 지점에서 시작될 수도 있다. 대안적으로, 샘플(590)의 스캐닝은 좌측부터 우측으로, 우측부터 좌측으로, 또는 둘 다로(양방향으로) 이루어질 수도 있고 그리고 샘플 상의 임의의 지점에서 시작될 수도 있다. 부가적으로, 이미지 스트립이 인접한 또는 연속된 방식으로 획득되는 것이 불필요하다. 샘플(590)의 발생된 이미지는 전체 샘플(590)의 이미지 또는 오직 샘플(590)의 일부일 수도 있다.
실시형태에서, 컴퓨터-실행 가능한 명령어(예를 들어, 프로그래밍된 모듈 및 소프트웨어)는 메모리(565)에 저장되고 그리고, 실행될 때, 스캐닝 시스템(550)이 본 명세서에 설명된 다양한 기능을 수행하게 한다. 이 설명에서, 용어 "컴퓨터-판독 가능한 저장 매체"는 컴퓨터 실행 가능한 명령어를 프로세서(555)에 의한 실행을 위해 스캐닝 시스템(550)에 저장 및 제공하도록 사용되는 임의의 매체를 나타내도록 사용된다. 이 매체의 예는 직접적으로 또는 간접적으로, 예를 들어, 네트워크(미도시)를 통해, 스캐닝 시스템(550)과 통신 가능하게 연결된 임의의 외장형 또는 외부 저장 매체(미도시) 및 메모리(565)를 포함한다.
도 6b는 전하 결합 디바이스(charge coupled device: "CCD") 어레이로서 구현될 수도 있는, 단일의 선형 어레이(640)를 가진 라인 스캔 카메라를 예시한다. 단일의 선형 어레이(640)는 복수의 개별적인 픽셀(20)을 포함한다. 예시된 실시형태에서, 단일의 선형 어레이(640)는 4096개의 픽셀을 갖는다. 대안적인 실시형태에서, 선형 어레이(640)는 더 많거나 또는 더 적은 픽셀을 가질 수도 있다. 예를 들어, 선형 어레이의 공통 포맷은 512개, 1024개 및 4096개의 픽셀을 포함한다. 픽셀(20)은 선형 어레이(640)에 대한 시야(625)를 규정하도록 선형 방식으로 배열된다. 시야(625)의 크기는 스캐너 시스템(550)의 배율에 따라 변경된다.
도 6c는 3개의 선형 어레이를 가진 라인 스캔 카메라를 예시하고, 선형 어레이의 각각은 CCD 어레이로서 구현될 수도 있다. 3개의 선형 어레이는 컬러 어레이(650)를 형성하도록 결합된다. 실시형태에서, 컬러 어레이(650) 내 각각의 개별적인 선형 어레이는 상이한 컬러 강도, 예를 들어, 적색, 녹색, 또는 청색을 검출한다. 컬러 어레이(650) 내 각각의 개별적인 선형 어레이로부터 컬러 이미지 데이터는 컬러 이미지 데이터의 단일의 시야(625)를 형성하도록 결합된다.
도 6d는 복수의 선형 어레이를 가진 라인 스캔 카메라를 예시하고, 선형 어레이의 각각은 CCD 어레이로서 구현될 수도 있다. 복수의 선형 어레이는 TDI 어레이(655)를 형성하도록 결합된다. 유리하게는, TDI 라인 스캔 카메라는 시편의 이전에 이미지 처리된 구역으로부터 강도 데이터를 합산함으로써 실질적으로 더 우수한 SNR을 이의 출력 신호에 제공할 수도 있어서, 선형 어레이(또한 통합 스테이지로서 지칭됨)의 수의 제곱근과 비례하는 SNR의 증가를 생성한다. TDI 라인 스캔 카메라는 다양한 더 큰 수의 선형 어레이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, TDI 라인 스캔 카메라의 공통 포맷은 24개, 32개, 48개, 64개, 96개, 120개 그리고 심지어 더 많은 선형 어레이를 포함한다.
개시된 실시형태의 위의 설명은 당업자가 본 발명을 만들거나 또는 사용하게 하도록 제공된다. 이 실시형태에 대한 다양한 변경은 당업자에게 손쉽게 명백할 것이고, 그리고 본 명세서에 설명된 일반적인 원리는 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어나는 일 없이 다른 실시형태에 적용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 제공된 설명 및 도면이 본 발명의 현재 바람직한 실시형태를 나타내고 따라서 본 발명에 의해 넓게 고려되는 주제를 나타낸다는 것이 이해된다. 본 발명의 범위가 당업자에게 분명할 수도 있는 다른 실시형태를 완전히 포괄하고 그리고 본 발명의 범위가 이에 따라 제한되지 않는다는 것이 더 이해된다.

Claims (16)

  1. 디지털 스캐닝 장치로서,
    스테이지에 의해 지지된 샘플의 일부를 관찰하기 위해 배치된 대물 렌즈로서, 광학 경로를 규정하는, 상기 대물 렌즈;
    상기 대물 렌즈와 광학적으로 연결된 이미징 센서로서, 상기 이미징 센서는 상기 광학 경로를 통해 이미지 데이터를 캡처하도록 구성된 복수의 이미징-센서 픽셀을 포함하고, 그리고 모든 복수의 이미징-센서 픽셀은 상기 광학 경로와 직교하는 단일의 제1 이미지 평면 내에 있는, 상기 이미징 센서;
    상기 대물 렌즈와 광학적으로 연결된 포커싱 센서로서, 상기 포커싱 센서는 상기 광학 경로를 통해 이미지 데이터를 캡처하도록 구성된 복수의 포커싱-센서 픽셀을 포함하고, 상기 포커싱 센서는 상기 광학 경로에 대하여 논리적으로 경사져서 상기 복수의 포커싱-센서 픽셀의 각각이 모든 다른 포커싱-센서 픽셀과 상이한 이미지 평면에 있고, 그리고 상기 포커싱 센서 상의 동초점 위치는 상기 제1 이미지 평면과 동초점인, 상기 포커싱 센서; 및
    다음의 작업을 수행하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 디지털 스캐닝 장치:
    상기 복수의 이미징-센서 픽셀의 각각으로부터 이미지 데이터를 수신하고, 그리고 상기 이미징 센서 상의 복수의 이미징-센서 위치의 각각에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 콘트라스트 값을 결정하는 작업,
    상기 복수의 포커싱-센서 픽셀의 각각으로부터 이미지 데이터를 수신하고, 그리고 상기 포커싱 센서 상의 복수의 포커싱-센서 위치의 각각에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 콘트라스트 값을 결정하는 작업,
    대응하는 이미징-센서 위치와 포커싱-센서 위치의 복수의 쌍의 각각에 대해, 쌍 내 상기 대응하는 이미징-센서 위치에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 상기 콘트라스트 값에 대한, 쌍 내 상기 포커싱-센서 위치에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 상기 콘트라스트 값의 콘트라스트-값 비를 계산하는 작업,
    계산된 콘트라스트-값 비의 피크 값을 식별하는 작업,
    동초점 값으로서 상기 포커싱 센서 상의 상기 동초점 위치와 연관된 콘트라스트-값 비를 식별하는 작업,
    상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 거리 및 방향을 결정하는 작업으로서, 상기 결정된 거리 및 방향은 상기 이미징 센서로부터 수신한 상기 이미지 데이터에서의 피크 초점을 달성하는 상기 대물 렌즈의 위치에 대응되는, 작업, 및
    상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 결정된 거리 및 방향에 따라, 상기 샘플의 스캐닝 동안, 상기 대물 렌즈와 상기 샘플 사이의 거리를 상기 피크 초점을 달성하는 상기 대물 렌즈의 상기 위치로 조정하는 작업.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이미징 센서 및 상기 포커싱 센서는 동일한 수의 픽셀로 이루어지는, 디지털 스캐닝 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 이미징-센서 위치의 각각은 상기 복수의 이미징-센서 픽셀 중 개별적인 이미징-센서 픽셀로 이루어지는, 디지털 스캐닝 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 포커싱-센서 위치의 각각은 상기 복수의 포커싱-센서 픽셀 중 개별적인 포커싱-센서 픽셀로 이루어지는, 디지털 스캐닝 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 포커싱-센서 픽셀의 각각은 상기 광학 경로 내 위치에 대하여, 대응하는 이미징-센서 픽셀과 논리적으로 정렬되어, 대응하는 이미징-센서 픽셀과 동일한 샘플의 시야를 감지하는, 디지털 스캐닝 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 포커싱-센서 픽셀 중 적어도 하나의 포커싱-센서 픽셀은 상기 광학 경로 내 위치에 대하여, 대응하는 이미징-센서 픽셀과 논리적으로 정렬되어, 대응하는 이미징-센서 픽셀과 동일한 샘플의 시야를 감지하는, 디지털 스캐닝 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 포커싱-센서 픽셀 중 어느 것도 상기 광학 경로 내 위치에 대하여, 임의의 대응하는 이미징-센서 픽셀과 논리적으로 정렬되지 않는, 디지털 스캐닝 장치.
  8. 제1항, 제2항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미징 센서와 상기 포커싱 센서는 상기 샘플의 스캐닝 동안 동일한 샘플의 시야를 갖는, 디지털 스캐닝 장치.
  9. 제1항, 제2항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 경로는 상기 대물 렌즈와 상기 이미징 센서 사이의 제1 광학 경로 및 상기 대물 렌즈와 상기 포커싱 센서 사이의 제2 광학 경로를 포함하는, 디지털 스캐닝 장치.
  10. 제1항, 제2항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 거리를 결정하는 것은 상기 동초점 위치와 상기 피크 값에 대응하는 포커싱-센서 위치 사이의 포커싱-센서 픽셀의 수를 계산하는 것을 포함하는, 디지털 스캐닝 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 방향을 결정하는 것은 상기 피크 값 또는 상기 동초점 값 중 하나를 상기 피크 값 또는 상기 동초점 값 중 다른 하나로부터 공제하고, 그리고 상기 값이 음인지 또는 양인지를 결정하는 것을 포함하는, 디지털 스캐닝 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 결정된 거리 및 방향에 따라 상기 대물 렌즈와 상기 샘플 사이의 상기 거리를 조정하는 것은,
    상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 상기 거리를 물리적 거리로 변환하는 것;
    상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 상기 방향을 상기 광학 경로를 따른 물리적 방향으로 변환하는 것; 및
    상기 대물 렌즈와 상기 샘플 사이의 상기 거리를 상기 물리적 방향에서 상기 물리적 거리에 의해 변경하는 것을 포함하는, 디지털 스캐닝 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 상기 거리를 물리적 거리로 변환하는 것은, 포커싱-센서 픽셀의 계산된 수와 상기 복수의 포커싱-센서 픽셀 중 2개 이상의 포커싱-센서 픽셀 사이의 물리적 거리를 곱하는 것을 포함하는, 디지털 스캐닝 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복수의 이미징-센서 위치의 각각은 이미징-센서 픽셀의 열로 이루어지고, 그리고 상기 복수의 포커싱-센서 위치의 각각은 포커싱-센서 픽셀의 열로 이루어지는, 디지털 스캐닝 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 복수의 이미징-센서 위치의 각각에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 상기 콘트라스트 값은 이미징-센서 픽셀의 각각의 열에 대한 평균 콘트라스트 값이고, 그리고 상기 복수의 포커싱-센서 위치의 각각에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 상기 콘트라스트 값은 포커싱-센서 픽셀의 각각의 열에 대한 평균 콘트라스트 값인, 디지털 스캐닝 장치.
  16. 디지털 스캐닝 장치의 대물 렌즈와 상기 디지털 스캐닝 장치에 의해 스캐닝되는 샘플 사이의 거리를 자동으로 조정하는 방법으로서, 상기 샘플의 스캐닝 동안,
    이미징 센서의 복수의 이미징-센서 픽셀의 각각으로부터 이미지 데이터를 수신하고, 그리고 상기 이미징 센서 상의 복수의 이미징-센서 위치의 각각에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 콘트라스트 값을 결정하는 단계;
    포커싱 센서의 복수의 포커싱-센서 픽셀의 각각으로부터 이미지 데이터를 수신하고, 그리고 상기 포커싱 센서 상의 복수의 포커싱-센서 위치의 각각에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 콘트라스트 값을 결정하는 단계;
    대응하는 이미징-센서 위치와 포커싱-센서 위치의 복수의 쌍의 각각에 대해, 쌍 내 상기 대응하는 이미징-센서 위치에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 상기 콘트라스트 값에 대한, 쌍 내 상기 포커싱-센서 위치에 대한 상기 이미지 데이터에 대한 상기 콘트라스트 값의 콘트라스트-값 비를 계산하는 단계;
    계산된 콘트라스트-값 비의 피크 값을 식별하는 단계;
    동초점 값으로서 상기 복수의 포커싱-센서 위치 중 동초점 위치와 연관된 콘트라스트-값 비를 식별하는 단계로서, 상기 동초점 포커싱-센서 위치는 상기 대물 렌즈에 의해 규정된 광학 경로와 직교하는 상기 이미징 센서의 이미지 평면과 동초점인, 상기 콘트라스트-값 비를 식별하는 단계;
    상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 거리 및 방향을 결정하는 단계로서, 상기 결정된 거리 및 방향은 상기 이미지 센서로부터 수신한 상기 이미지 데이터에서의 피크 초점을 달성하는 상기 대물 렌즈의 위치에 대응되는, 단계; 및
    상기 피크 값과 상기 동초점 값 간의 결정된 거리 및 방향에 따라, 상기 샘플의 스캐닝 동안, 상기 대물 렌즈와 상기 샘플 사이의 거리를 상기 피크 초점을 달성하는 상기 대물 렌즈의 상기 위치로 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
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