KR20080097218A - 현미경 매체기반 시료로부터 디지털 이미지데이터를 수집하기 위한 방법 및 장치와 컴퓨터 프로그램 제품 - Google Patents

현미경 매체기반 시료로부터 디지털 이미지데이터를 수집하기 위한 방법 및 장치와 컴퓨터 프로그램 제품 Download PDF

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파스칼 밤포드
윌리엄 제이. 메이어
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모노젠, 인크.
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Abstract

디지털 이미지 수집시스템과 방법은 디지털 이미지 데이터를 얻기 위하여 구역을 스캔하는 광 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라를 포함한다. 시료 장착 유닛은 영역 스캔 카메라에 의해 시료를 스캔할 수 있도록 상부면에 탑재된 시료를 수신한다. 광 스캔축이 시료 장착 유닛의 상부면에 대해 기울어지도록, 시료 장착 유닛의 상부면은 영역 스캔 카메라에 대하여 소정 각으로 경사지게 된다.
영역 스캔, 라인 스캔, 이미지화, 시료, 스캔

Description

현미경 매체기반 시료로부터 디지털 이미지데이터를 수집하기 위한 방법 및 장치와 컴퓨터 프로그램 제품{METHOD AND APPARATUS AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR COLLECTING DIGITAL IMAGE DATA FROM MICROSCOPE MEDIA-BASED SPECIMENS}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 참조로서 본 명세서에 전체적으로 병합되는 2006년 2월 10일 출원된 "METHOD AND APPARATUS FOR COLLECTING DIGITAL IMAGE DATA FROM MICROSCOPE-BASED SAMPLES"이라는 명칭의 미국 가특허출원 제60/771,893호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 현미경 매체 상에 또는 그 내에 탑재된(mount) 시료(specimens)의 디지털 이미지(digital image)를 얻기 위한 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것으로, 특히 확장된 피사계심도(depth of field)로써 고해상 이미지 획득을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 소정 실시예에서, 본 발명은 투과광 이미지화 방식을 사용하여 광학적으로 두꺼운 시료를 디지털화하는 데 특히 적합한 다초점면 이미지를 제공한다.
현미경 매체의 디지털화는 상당히 분석적인 연구 대상이다. 이것은 컴퓨터 자동화 및 반자동화 이미지 처리 및 분석시에 가장 중요한 첫 단계이다. 또한 디 지털 이미지는 병리학에서 교육, 훈련, 숙련도 평가 및 공동 작업을 위해 점점 사용이 증가되고 있다. 이러한 디지털화의 목적은 통상적인 광학 투과광 현미경검사에서 관찰되어 질 수 있는 믿을 만한 주장을 얻기 위한 것이다. 따라서 엔지니어의 관점에서 볼 때 이것은 종래의 현미경검사에서 얻어지는 바와 유사한 공간적(X, Y, 및 Z 차원) 및 라디오메트릭(radiometric)(분광 및 광도의 모두) 해상도(resolution)의 이미지를 생성하는 데 필요하다. 또한 이미지는 검출가능한 인공물(artifacts)을 포함하지 않아야 하며 적당한 시간 프레임, 예를 들면 현미경 슬라이드 기판 상에서 사용가능한 시야(field of view)를 위해 5분 내에 포착(capture)되어야 한다.
현미경 상에 또는 그 내에 탑재된 시료는 3차원 물체이다. 따라서 디지털화할 볼륨(volume)으로 시료를 생각할 수 있다. 더욱이, 시간 차원은 결과적으로 4차원 이미지 또는 비디오 데이터 시퀀스가 되도록 디지털화될 수 있다. 최근까지, 디지털 현미경 검사는 현미경 매체 내에 포함되거나 탑재된 시료 부집합을 나타내는 불완전한 볼륨의 포착으로 제한되어 왔다. 이것은 특히 높은 공간적 해상도가 필요한 애플리케이션의 경우이다. 이 제한의 한가지 이유는 전형적 현미경 장치로써 임의 한 번에 디지털화할 수 있는 매체의 볼륨 또는 제한된 시야로 인한 것이다. 예를 들어 40x 대물렌즈 배율에서, 활성 이미지화 차원 10mm x 10mm의 카메라 센서는 0.25mm x 0.25mm 필드에서 2차원 샘플링 영역을 투사한다. Z 차원에서 샘플링은 시스템의 광학적 피사계심도에 의해 결정된다(물체가 선명하게 초점이 맞는 Z 축에서 거리). 40x 대물렌즈 배율에서, 전형적인 현미경 광학의 피사계심도는 약 1 마이크로미터이다. 따라서 이 예에서, 각 카메라 노출에서 0.25mm x 0.25mm x 0.001mm의 인포커스(in-focus) 시료를 샘플링하는 것이 가능하다. 이 고유한 시야 또는 뷰 볼륨보다 큰 볼륨을 디지털화하기 위하여, 확대 영역의 '모자익(mosaic)'을 형성하기 위하여 X, Y 및 Z에서 인접 위치의 다수 이미지를 포착할 필요가 있다. 높은 광학 배율, 예를 들면 40x 대물렌즈 배율에서, 모든 차원에서 심지어 별로 크지 않은 볼륨이라도 완전하게 디지털화기 위해 이러한 수많은 이미지를 포착할 필요가 있을 수 있다. 이것은 전형적으로, 기계적 스테이지(stage) 이동 및 카메라 노출 시간상에 미치는 큰 증가 효과로 인해 몇 시간의 획득 시간이 걸린다.
완전한 디지털화에 대한 또 다른 제한은 고가의 하드웨어를 필요로 하는 이들 파일의 시각적 또는 자동화된 저장, 네트워킹 및 처리를 행하는 관련된 큰 데이터 파일 크기가 있었다. 이 제한은 JPEG2000과 같은 이러한 애플리케이션을 위해 설계되었던 상승하는 계산력, 신속한 네트워크, 저비용 저장 및 새로운 이미지 포맷과 함께 최근에 다루어져 왔다. 특히 본 발명과 관련하여, JPEG2000 포맷은 다초점면 이미지에 제공되는 여분 정보를 이용할 수 있고 관련 파일 크기를 상당히 감소시키고 3차원 이미지를 공간적으로 처리하는 효율성을 증가시킬 수 있는 다중 구성요소 변환 모듈로 구성된다.
종래 접근방안의 주된 단점은 긴 획득 시간이지만, 또 다른 단점은, 각 개별 시야 이미지를 단일 몽타주로 자동적 및 "심리스하게(seamlessly)" 모자익 해야하는 필요성이다. 종래 디지털화에 대한 이들 문제는 종래기술, 예를 들면 미국 특 허출원 제6,711,283호에 상세히 기술된다.
몇몇 시스템은 최근에 현미경 기반 디지털화의 종래 방법과 관련된 획득 속도 문제를 다루어 왔다. 이들 시스템이 그 목적에서는 성공했지만 일반적으로 2차원(X 및 Y)에서만 완전히 샘플링한다. 따라서, 디지털화를 위해 사용되는 광학의 피사계심도보다 광학적으로 두꺼운 시료의 경우, 이들 시스템은 단지 부분적으로 포커싱(focusing)된 이미지를 생성한다. 본 발명은 X 및 Y 차원의 샘플링과 동시에 Z 차원을 완전히 샘플링하기 위한 방법을 제공함으로써 이 단점을 다룬다.
Aperio Technologies사는 친숙한 평저형 문서 스캐너와 유사한 방식으로 동작되는 선형 배열 카메라 및 이동 스테이지를 포함한 ScanScope 시스템을 개발하였으며, 이는 미국특허 제6,711,283호에 기술되어 있다. 이 시스템은 각 공간 위치에서 단일 초점면을 포착함으로써 광학적으로 두꺼운 시료를 위해 이미지가 부분적으로 포커싱된다. 이 영향을 감소시키기 위하여, 시스템은 스캔 스테이지를 시료를 가로질러 최적 초점 영역으로 향하게 하는 초점 맵을 얻기 위하여 사전 스캔 스테이지로 구성된다.
Interscope Technologies사는 WO 03/012518에 기술된 이동 스테이지로 인한 이미지 흐림(image blurring)을 제거하는 스트로브(strobe) 광원, 영역 스캔 카메라(area scan camera) 및 이동 스테이지를 포함한 Xcellerator 시스템을 개발했다. 획득 속도 문제는 종래의 정지-포착-진행(stop-capture-go) 시스템과 관련된 지연 주기를 제거하여 일정하게 이동하는 스테이지로서 다루어진다. 또한 이 시스템은 단일 초점면에서 이미지를 포착하고, 사전 스캔 초점 매핑 시퀀스를 통해 초점 오 류를 최소화한다.
DMetrix사는 병렬로 슬라이드를 이미지화함으로써 초고속 스캔 시간으로 도달할 수 있는 소형 광학 배열을 포함한 DX-40 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 신속한 획득 시간을 성취하지만, 매체의 각 통과(pass) 동안에 단일 초점면에서만 가능하다. 이 시스템은 WO 2004/028139에 기술된다.
단일 초점면을 디지털화하는 시스템에서 주요 문제는 가능한 한 많은 시료가 선명한 초점이 되도록 스캔 동안에 최적의 Z 위치를 유지관리하는 것이다. Trestle사는 광축에 관하여 카메라 및 카메라 센서를 상하로 움직임으로써(tilting) 초점 정보를 얻기 위한 방법을 개발했는데, 이는 WO 2005/010495에 기술된다. 이 초점 정보는 부차적 이미지 포착 시퀀스를 위한 Z축을 포지셔닝(positioning)하는 데 사용되었다.
단일 초점면 시스템의 또 다른 단점은 확장성(scalability)의 부족이다. 이들 시스템을 다중 초점면을 포착하도록 변환시키기 위해서는 요구되는 각 추가 초점면에 대하여 전체 시료의 하나의 추가 스캔을 수행할 필요가 있다. 이는 연속적으로 수행되어야 하므로, 이 접근 방안과 관련된 시간 패널티는 배가 된다. 또한 각 초점면은 정확한 3차원 이미지를 생성하도록 정합(coregister)되어야 한다. 이것은 각 스캔 동안에 위치적 오류의 누적으로 인해 사소한 동작은 아니다.
슬라이드 디지털화 영역에서 관련 특허는 다른 것들 중에서 "Optimized image processing for wavefront coded imaging systems"라는 명칭의 WO 03/073153, 그리고 "Apparatus and method for scanning laser imaging of micoscopic samples"라는 명칭의 미국특허 제6,072,624호를 포함한다.
본 발명은 Z 차원을 추가적으로 그리고 완전히 디지털화하기 위하여 다수 초점면의 포착과 동시에 높은 X 및 Y 공간 해상도로 현미경 매체 상에 또는 그 내에 탑재된 시료를 신속하게 디지털화하기 위한 방법을 제공한다. 바람직한 애플리케이션에서, 이것은 매체의 평면(따라서 시료의 평면)이 광축에 대해 수직으로 위치되지 않도록 현미경 매체를 광축에 대해 경사지게 함으로써 성취된다.
일 양상에서, 본 발명은 X 및 Y의 단일 초점면만을 포착하는 시스템과 유사한 타임프레임으로 종래의 현미경검사로 관찰될 수 있는 것에 비교할만한 X, Y, Z 공간 해상도를 가진 3차원 이미지를 제공한다.
다른 양상에서, 본 발명은 이미지를 제공하는데, 다중 초점면을 단일 평면으로 종합적으로 압축하고, 이로써 모든 이미지 물체는 단일 이미지로 초점을 맞추고 시각적 평가 및 컴퓨터 분석의 모두 동안에 3차원 이미지를 네비게이트(navigate)할 필요를 제거한다
본 발명의 일 양상에 따른 디지털 이미지 수집 시스템(digital image collection system)은 디지털 이미지 데이터를 얻기 위하여 구역(region)을 스캔하도록 구성되며 광 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라를 포함한다. 또한 시스템은 시료를 영역 스캔 카메라에 의해 스캔할 수 있도록, 상부면에 탑재된 시료를 수신하도록 구성된 시료 장착 유닛을 포함한다. 광 스캔축이 시료 장착 유닛의 상부면에 대해 기울어지도록(수직하지 않음), 시료 장착 유닛의 상부면은 영역 스캔 카메라에 대해 소정 각으로 경사지게 된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 디지털 이미지 수집방법은 시료를 영역 스캔 카메라에 의해 스캔할 수 있도록 시료 장착 유닛의 상부면에 시료를 탑재하는 단계를 포함하고, 이 영역 스캔 카메라는 광 스캔축을 가진다. 이 방법은 또한 디지털 이미지 데이터를 얻기 위하여 영역 스캔 카메라로써 영역을 스캔하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 영역 스캔 카메라에 대한 시료의 단일 통과(pass)를 기반으로 시료의 3차원 이미지를 얻기 위하여 디지털 이미지 데이터를 처리하는 단계를 더 포함한다. 광 스캔축이 시료 장착 유닛에 대해 기울어지도록, 장착유닛의 상부면은 영역 스캔 카메라에 대하여 소정 각으로 경사지게 된다.
본 발명에 따른 또 다른 양상에 따라서 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품이 제공되고, 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터상에서 실행될 시에 컴퓨터로 하여금, 시료가 광학 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라에 의해 스캔될 수 있도록 시료 장착 유닛의 상부면에 탑재된 후에 디지털 이미지 데이터를 얻기 위하여 영역 스캔 카메라로써 구역을 스캔하는 단계를 수행하게 한다. 그 후, 컴퓨터는 영역 스캔 카메라에 대한 시료의 단일 통과를 기반으로 시료의 3차원 이미지를 얻기 위해 디지털 이미지 데이터를 처리하는 단계를 수행한다. 광 스캔축이 시료 장착 유닛의 상부면에 대해 기울어지도록, 장착유닛의 상부면은 영역 스캔 카메라에 대하여 소정 각으로 경사지게 된다.
병합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 모범적인 실 시예(들)를 도시하고, 전술한 일반적인 설명과 함께 아래에 기술되는 실시예(들)의 상세한 설명으로써 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1은 도 2, 도 3 및 도 4에 사용되는 데카르트 좌표 시스템을 도시하는 도면. X 및 Z 차원은 종이와 동일 평면인 반면에 Y 차원은 종이에 수직임에 유의한다.
도 2는 광축에 대하여 경사진 필드를 도시하는 본 발명의 광학 구성의 개략적인 2차원 측면도로서, 경사각은 설명을 위해 상당히 과장되어 도시됨.
도 3은 필드의 Z 차원을 완전하게 샘플링하는데 필요한 픽셀 부집합을 도시하는 개략적인 투시도로서, 경사각은 설명을 위해 상당히 과장되어 도시됨.
도 4는 3차원 이미지 정보를 현미경 매체 내에서 이동하는 이미지 필드로부터 일련의 스택된 픽셀로서 도출하는 처리를 도시하는 개략적인 뷰로서, 경사각은 설명을 위해 상당히 과장되어 도시됨.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 멀티스펙트럼 이미지 포착을 도시하는 도면.
도 6은 컬러 이미지 합성을 위한 RGB 스펙트럼 정보를 얻기 위하여 컬러 카메라에 사용되는 베이어(Bayer) 패턴 예를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서, RGB 컬러 이미지를 얻기 위하여 베이어 컬러 카메라가 본 발명에 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서, 베이어 카메라를 사용하여 수집된 스펙트럼 데이터, 그리고 각 이미지 픽셀에 대해 단일 컬러성분만을 어떻게 보간해야 하는지를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 디지털 이미지 데이터 수집방법과 관련된 단계를 도시하는 흐름도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라서 디지털 이미지 데이터 수집장치의 투시도.
도 11은 도 10의 디지털 이미지 데이터 수집장치의 일부로서, 시료 탑재 영역 및 카메라 장착 영역을 상세히 도시하는 도면,
도 12는 도 10의 디지털 이미지 데이터 수집장치의 일부로서, 짐벌(gimbal) 장착 및 눈금을 상세히 도시하는 도면.
본 발명은 도면을 참조하여 후술된다. 이들 도면은 본 발명의 시스템, 방법 및 프로그램을 구현하는 특정 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 도면과 함께 본 발명을 설명시에 도면에 존재할 수 있는 임의 제한을 본 발명에 부과하여 구성되어서는 안된다. 본 발명은 그 동작을 성취하기 위해 임의 머신 판독가능 매체상의 방법, 시스템 및 프로그램 제품을 고려한다. 본 발명의 실시예는 기존 컴퓨터 프로세서를 사용하여, 또는 본 목적 또는 다른 목적을 위해 병합된 특용 컴퓨터 프로세서에 의해 또는 하드와이어(hardwired) 시스템에 의해 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 범주 내의 실시예는 저장된 머신 실행가능 인스트럭션 또는 데이터 구조를 지니거나 가지기 위한 머신 판독가능 매체를 포함한 프로그램 제품을 포함한다. 이러한 머신 판독가능 매체는 범용 또는 특수 용도의 컴퓨터 또는 프로세서를 가진 머신에 의해 액세스될 수 있는 임의 사용가능 매체일 수 있다. 예를 들면, 이러한 머신 판독가능 매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장소, 자기디스크 저장소 또는 다른 자기 저장장치, 또는 범용 또는 특수 용도의 컴퓨터 또는 프로세서를 가진 다른 기계에 의해 액세스될 수 있고 머신 실행가능 인스트럭션 또는 데이터 구조의 형태인 바람직한 프로그램 코드를 지니거나 저장하는 데 사용될 수 있는 임의 다른 매체를 포함할 수 있다. 정보가 네트워크 또는 다른 통신 연결(하드와이어, 무선, 또는 하드와이어 또는 무선의 결합)을 통해 머신으로 전달 또는 제공될 때, 머신은 아마도 머신 판독가능 매체로서 연결을 본다. 따라서 이러한 임의 연결은 아마도 머신 판독가능 매체로 불린다. 또한 전술한 결합은 머신 판독가능 매체의 범주내에 포함된다. 머신 실행가능 인스트럭션은 예를 들면 범용 컴퓨터, 특수 용도 컴퓨터, 또는 특수 용도 처리 머신이 소정 기능 또는 기능 그룹을 수행하도록 하는 인스트럭션 및 데이터를 포함한다.
본 발명의 실시예는 예를 들면 네트워크 환경에서 머신에 의해 실행되는 프로그램 모듈 형태로 프로그램 코드와 같은 머신 실행가능 인스트럭션을 포함한 프로그램 제품에 의해 일 실시예에서 구현될 수 있는 방법 단계의 일반적 내용으로 기술될 것이다. 통상, 프로그램 모듈은 특정 작업을 수행하거나 또는 특정 추상 데이터 유형을 구현하는 루틴, 프로그램, 물체, 구성요소, 데이터 구조 등을 포함한다. 머신 실행가능 인스트럭션, 관련 데이터 구조, 그리고 프로그램 모듈은 여기에 개시된 방법의 실행 단계를 위한 프로그램 코드의 예를 나타낸다. 이러한 특 정 실행가능 인스트럭션 시퀀스 또는 관련 데이터 구조는 이러한 단계에 기술된 기능을 구현하기 위한 대응하는 행동의 예를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 프로세서를 가진 하나 이상의 원격 컴퓨터로의 논리적 연결을 사용하여 네트워크 환경에서 실행될 수 있다. 논리적 연결은 여기서 예로써 제시되며 이로 제한되지 않는 LAN(local area network) 및 WAN(wide area network)을 포함할 수 있다. 이러한 네트워크 환경은 전-오피스 또는 전-엔터프라이즈 컴퓨터 네트워크, 인트라넷 및 인터넷에서 흔하며, 폭넓게 다양한 상이한 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. 당업자라면 이러한 네트워크 컴퓨팅 환경이 전형적으로 퍼스널 컴퓨터, 핸드헬드 장치, 멀티프로세서 시스템, 마이크로프로세서기반 또는 프로그램가능 소비자 전자기기, 네트워크 PC, 미니컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터 등을 포함한 다수 유형의 컴퓨터 시스템 구성을 포함할 것이라는 것을 알 것이다. 또한 본 발명의 실시예는 작업이 통신망을 통해 (하드와이어 링크, 무선 링크, 또는 하드와이어 또는 무선 링크의 결합에 의해) 연결된 로컬 및 원격 처리장치에 의해 수행되는 분산 컴퓨팅 환경에서 실행될 수 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈은 로컬 및 원격 메모리 저장장치에 위치될 수 있다.
전-시스템 또는 본 발명의 일부를 구현하기 위한 모범적인 시스템은 처리유닛, 시스템 메모리, 그리고 시스템 메모리를 포함한 다양한 시스템 구성요소를 처리유닛으로 연결하는 시스템 버스를 포함한 컴퓨터 형태의 범용 컴퓨팅장치를 포함할 수 있다. 시스템 메모리는 ROM(read only memory) 및 RAM(random access memory)를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 자기 하드디스크로부터 판독 및 기록하기 위 한 자기 하드 디스크 드라이브, 착탈가능 자기 디스크로부터 판독 또는 기록하기 위한 자기 디스크 드라이브, 그리고 CD-ROM 또는 다른 광학 매체와 같은 착탈가능 광디스크로부터 판독 또는 기록하기 위한 광학 디스크 드라이브를 포함할 수 있다. 드라이브 및 그들의 관련된 머신 판독가능 매체는 머신 실행가능 인스트럭션, 데이터 구조, 프로그램 모듈 및 컴퓨터를 위한 다른 데이터의 비휘발성 저장을 제공한다.
통상, 본 발명은 목표 매체에 동일한 공간 위치의 다중 스캔 시퀀스를 수행할 필요없이, Z 차원을 완전하게 샘플링하는 광학 섹션을 얻기 위하여 사전스캔 초점 매핑 단계와 Z에서 다중 이미지 포착을 수행할 필요없이, 적어도 3차원 이미지 정보를 포착하는 디지털화 시스템을 지향한다. 바람직한 실시예에서, 이것은 도 2에 도시된 바와 같이 시료가 탑재된 매체를 광축에 대해 경사지게 함으로써 성취된다. 이미지 평면에서 초점 경사(focal gradient)를 성취하는 다른 방법이 사용될 수 있다. '이미지 필드(Image Field)'로 표시된 영역은 광학 구성소자에 의해 2차원 카메라 센서상으로 투사되는 3차원 이미지화 볼륨을 도시한다. 이 이미지 필드는 X, Y 및 Z 차원에 의해 특징지어진다. 이 볼륨내의 물체만이 선명한 초점으로 카메라 센서에 나타낼 것이다. 이미지 필드의 X, Y 및 Z 위치는 일반적으로 광 구성소자의 정적 배치에 의해 고정된다. 도 1은 도 2, 도 3 및 도 4에 사용된 데카르트(Cartesian) 좌표 시스템을 도시한다. X 및 Z 차원은 종이와 동일 평면인 반면에, Y 차원은 종이에 수직한다는 점에 유의한다.
도 2는 카메라 센서, 튜브렌즈, 대물렌즈를 구비한 본 발명의 광학 구성을 도시하며, 튜브렌즈 및 대물렌즈는 표준 현미경 광학 구성소자에 대응한다. 또한 도 2에 도시된 시료 장착 유닛(또는 스테이지)은 시료를 영역 스캔 카메라에 의해 스캔할 수 있도록 상부면에 탑재된 매체-장착 시료를 수신한다. 시료 장착 유닛의 상부면은 영역 스캔 카메라에 대해 각 α로 경사짐으로써, 영역 스캔 카메라의 광 스캔축은 시료 장착 유닛의 상부면에 수직하지 않는다(예를 들면 기울어짐). 또한 도 2는 영역 스캔 카메라가 현재 스캔중인 시료의 구역에 대응하는 이미지 필드를 도시한다.
이미지 필드의 외부에 놓인 시료를 완전하게 이미지화하기 위하여, 기존 시스템에서는 디지털화할 다음 볼륨이 이미지 필드의 3차원 영역 내에 배치되도록 매체를 옮길 필요가 있었다. X 및 Y 변위는 일반적으로 스캔 전자기계 스테이지에 의해 제공된다. Z 변위는 일반적으로 기계적 스테이지에 의해, 혹은 피에조(piezo) 구동 대물렌즈 또는 소정 다른 메카니즘 또는 메카니즘 결합에 의해 동일하게 제공된다. 기존 시스템은 Z 축의 평면 내 샘플링을 일으키도록 광축에 수직인 각으로 매체를 배치한다. 이 접근방안의 단점은 시료의 Z 차원을 완전하게 샘플링하기 위하여 이미지 필드의 Z 차원을 변위시키고 다중 이미지를 포착할 필요가 있다는 것이다. 대조적으로, 본 발명에 따라 매체를 경사지게 함으로써, 초점 경사가 카메라 센서 상으로 투사되어, 상이한 초점 심도(focal depths)가 센서를 통해 샘플링된다. 경사각(slant angle)이 충분한 경우, Z 축에서 더 이상의 변위없이 시료의 Z 차원을 완전히 샘플링할 수 있다. 그 후에 3차원으로 시료를 완전히 샘플링하기 위하여 X 및 Y 차원으로 시료를 변위시킬 필요가 있다.
시료의 Z 차원을 완전히 샘플링하는데 필요한 경사각은 시료의 광학 두께 dl와 필드에 투사된 센서 차원 ds의 비로서 계산될 수 있다. 이 비는 arctan(dl/ds)에 의해 광축에 수직하는 각으로 표현될 수 있다. 예는 비교적 두꺼운 시료의 경우일지라도 이 각은 여전히 작다는 것을 설명할 것이다. 20 마이크로미터의 시료 광학 두께, 40x의 대물렌즈 배율, 그리고 10 밀리미터의 평면내 차원을 가진 카메라 센서라고 가정시에, 필요한 경사각은 단지 4.57도이다(arctan(0.02/(10/40)). 광학 피사계심도 do가 1 마이크로미터라고 가정시에, 이 각은 전형적 시스템보다 20배 큰 유효 피사계심도를 제공한다. 제한이 아닌 예를 들면, 경사각은 시료를 스캔하는 데 사용되는 카메라의 광축에 대해 2도와 10도 사이에서 변할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 영역 스캔 카메라는 이미지 평면에서 이미지화 센서로서 사용된다. 다른 실시예는 영역 스캔 카메라 또는 카메라들 상에 초점 경사를 부과하는 고유 초점 위치 또는 렌즈 구성을 각각 수신하도록 광학적으로 장착된 일련의 라인 스캔 카메라를 포함할 수 있다. 당업자라면 다른 구성을 알 것이다. 도 3은 픽셀 컬럼(columns)이 주 X 이동 방향과 평행하고 픽셀 로우(rows)는 이 방향에 수직하도록 이러한 영역 스캔 카메라의 뷰를 도시하고, 여기서 광학 피사계심도가 또한 도시된다. 이미지 센서에서 초점 경사는 얕으며, 그 결과 인접한 픽셀 로우는 상당히 유사한 초점 위치에 대응한다. 바람직한 실시예에서, X 및 Y 차원의 샘플링이 후술되는 바와 같이 필드 평면에서 매체의 주(primary) 및 2차 이동에 의해 지원되므로 Z에 인접한 픽셀 로우만을 판독하는 것으로 충분하다. 따라서 센 서를 가로질러 균일하게 이격된 로우, 즉 20 마이크로미터의 시료 광학적 심도와 1 마이크로미터의 피사계심도의 전술한 예를 사용하여 센서를 가로질러 동일하게 이격된 로우, 즉 20 로우를 판독할 필요가 있다(M=dl/d0). 현대 디지털 카메라에서, 이 카메라 픽셀을 부샘플링하게 되면 프레임율이 선형 증가할 수 있다. 따라서 1024 × 1024 장치로부터 20 × 1024 로우만을 포착한 경우, 카메라 전 프레임에서 50× 승산기를 이끄는 데 2%보다 적은 픽셀이 요구된다. 카메라 처리량이 설계에서 유일한 제한 요소이므로, 이것은 상당히 신속한 3D 이미지 포착을 지원한다.
영역 스캔 카메라는 고유 Z 위치에 광학적으로 위치된 일련의 라인 스캔 카메라로서 효과적으로 행동한다. 여기서 픽셀 로우는 상이한 배율, 유효 피사계심도 및 Z 샘플링율을 위한 소프트웨어에서 선택될 수 있으므로, 이는 본 발명의 유용한 융통성 소스이다. Z 차원을 충분히 샘플링하기 위해 카메라 광학의 피사계심도 및 매체의 경사각을 알아내어 인접한 픽셀 로우를 선택할 수 있다.
매체는 경사각 방향에 평행한 주 X 방향으로 이동된다. 이 이동은 각 이미지 노출 타임프레임 동안에 매체가 하나의 투사된 픽셀 폭보다 작게 이동하도록 일정한 속도로 행해진다. 각 노출 시기(exposure epoch)에서, M Z-인접 픽셀 로우가 카메라로부터 판독된다. 다음 노출 시기는 동일 픽셀 로우가 주 이동 방향으로 이전 시기에서 포착된 것과 정확히 인접하도록 조절된다. 도 4는 이 처리가 N 노출 동안 반복되는 경우에(N은 양의 정수), 포착된 픽셀 로우는 X, Y 및 Z 차원에서 서로 효과적으로 스택됨으로써 3차원 이미지를 생성할 것이다. 도 4는 X 및 Z 디지 털화 처리만을 디스플레이하는 단면임을 주목해야 한다. Y 축은 도 1에 의해 정의되는 바와 수직하게 발생된다. 노출 1에서, 포착된 픽셀은 흑색 픽셀로서 도시된다. 노출 2에서, 이전 포착 픽셀에 인접한 픽셀이 포착되고(주 이동 방향에 대해 이전 포착된 픽셀의 바로 뒤에 새로 포착된 픽셀), 그리고 회색 픽셀로서 도시된다. 노출 3에서, 노출 3에서 이전에 포착된 픽셀에 인접한 픽셀이 포착되고, 회색 픽셀로서 도시된다. 이 처리는 노출 N까지 반복되고, 여기서 모든 픽셀은 시료의 3차원 이미지를 얻기 위하여 이때까지 포착되었다.
매체는 동일 방향으로 시료의 차원과 동일하거나 또는 보다 큰 거리에서 주 방향으로 이동된다. 이것보다 작은 거리로 인하여 소정 실시예에서 바람직할 수 있는 시료의 부샘플링을 행할 것이다. 이것은 X, Z 차원으로 시료를 완전히 디지털화하는 반면에, Y 차원은 카메라 센서의 Y 차원 및 광학 배율로써 결정되는 거리에 의해서만 샘플링된다. Y 차원의 샘플을 완전히 디지털화하기 위하여, 래스터 스캔 패턴 결과를 일으키는 주 방향에 수직하는 2차 방향으로 매체를 이동시킴으로써 다수 스와스(swath)를 디지털화한다. 이 2차 이동의 거리는 인접한 연속 스와스가 필드 평면에서 카메라 센서의 투사된 Y 차원에 인접하도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 설명은 단일 전-픽셀 로우를 M 인접한 초점 Z 위치에 대응하여 수집하는 방법과 관련있다. 당업자라면 이런 식으로 단색 이미지 정보만을 포착할 수 있다는 것을 분명히 알 것이다. 소정 실시예에서, 멀티스펙트럼 데이터를 포착할 필요가 있을 수 있다(여기서 red-green-blue(RGB)는 인간의 시각적 평가에 적당한 한 예이다). 본 발명은 당연히 멀티스펙트럼 또는 다중 파장 데이터 포착으로 그 자체를 제공한다. 일련의 라인 스캔 카메라로서 영역 스캔 카메라를 사용하는 유추법이 이 개념을 사용하도록 확장될 수 있다. RGB 라인 스캔 카메라는 일반적으로 예를 들면 3 컬럼의 픽셀로써 구성되고, 여기서 각 컬럼은 (각 픽셀에서 대역통과 마이크로렌즈를 사용하여) RGB 성분중의 단지 하나를 수집할 책임이 있다. 필드에서 디지털화할 각 공간 위치는 RGB 데이터를 본 발명에 의해 수집된 3D 정보와 유사한 방식으로 수집하도록 연속적으로 각 컬럼에 의해 샘플링된다. 지금까지 기술된 발명은 각 X, Y, Z 공간 위치를 한번만 디지털화함으로써, 단색 이미지 포착만을 허용한다. 그러나 M 인접한 Z 위치의 각각에서 하나 이상의 L 로우를 포착하면 멀티스펙트럼 이미지 포착이 간단하다. 도 5는 관심이 되는 M 카메라 센서 영역중의 단지 하나를 고려하는 RGB 경우에 대한 예를 도시한다. 단색 카메라는 이 예에서 나타난다. 각 노출 시기에, 모든 L 로우는 첫 광파장을 사용하여 노출된다(이 경우에 적색). 다음 노출 시기에, 제2 광파장(이 경우에 녹색)이 광원에 의해 방출되고 모든 L 로우가 다시 포착된다. 이것은 멀티스펙트럼 광원의 모든 L 파장에 대해 반복된다(이 경우 L=3). 일단 모든 L 파장이 샘플링되면, 처리는 그 자체를 반복하여 모든 픽셀이 모든 파장 데이터를 가질 것이다. 이 처리는 RGB 라인 스캔을 모방하여 시각화하는데 가장 간단하지만, 본 발명은 RGB 또는 3 광파장으로 제한되지 않는다.
멀티스펙트럼 이미지 포착 동안에 각 M 로우는 이미지 센서에서 부과된 초점 경사로 인하여 Z에서 완벽하게 정렬되지 않는다. 적은 수의 파장(예를 들면 RGB에 대한 3)인 경우, Z에서의 차이는 무시할만 하다. 또한 멀티스펙트럼 이미지 데이터는 인간의 시각적 평가(즉 RGB)를 위해 드물게 결합되고, 여기서 각 스펙트럼 성분은 이미지를 생성하기 위해 동시에 사용된다. 이 시점은 멀티플렉스된 시료 슬라이드의 경우를 취함으로서 확장되고, 여기서 다수의 진단 마커(선택적으로 양자점 또는 소정 다른 신호 증폭 기술)가 상이한 광파장의 신호를 발생한다. 주로, (초기 정량화 데이터에 차후 적용되는 데이터 퓨전(data fusion) 및 다중차원 패턴 인식 방법이 있을지라도) 이들 신호 각각의 정량화가 먼저 독립적으로 처리될 것이다. 따라서 각 신호에 대한 멀티스펙트럼 데이터가 X, Y 및 Z에서 완전히 샘플링되는 한, 이들 신호의 각각이 Z에서 공간적으로 정렬되는 것은 기본 요건이 아니다.
RGB 데이터 포착의 발생시에, 본 발명은 전술한 경우로 제한되지 않으므로, 단색 카메라는 멀티스펙트럼 광원과 결합하여 사용된다. 대부분 '컬러' 카메라는 RGB 데이터를 포착하기 위해 베이어(Bayer) 마스크 접근방안을 사용한다. 베이어 마스크의 예는 도 6에 도시된다. 여기서 각 픽셀은 단지, 단일 광 파장으로부터 스펙트럼 데이터를 수집하고(사실상, 이들 카메라에 광대역 RGB 필터를 사용하지만, 설명의 단순히 하기 위하여 여기서는 단일 파장이라고 가정), 후포착 보간 처리를 통해 각 픽셀에 대한 완전한 RGB 데이터를 얻는다. 이 유형의 카메라는 전술한 바와 유사한 기법을 사용함으로써 RGB 이미지 포착을 위해 발명과 호환가능하다. 이 경우, 두 로우는 단색 경우를 위한 것이라기보다 M 인접한 Z 위치의 각각에서 포착된다. 도 7은 각 노출 시기에서 두 로우를 포착함으로써 부분 컬러 정보 를 어떻게 수집하는 지를 도시한다. 픽셀 마스크가 각각 녹-적 및 녹-청인 이들 두 로우의 첫 두 컬럼을 고려하여 도시된다. 베이어 패턴으로 인해, 적 및 청의 두 배나 많은 녹색 픽셀이 있고, 모든 픽셀은 녹색 정보를, 그리고 이러한 이미지 포착의 완료시에 적 또는 청을 포함할 것이다. 이것은 도 8에 도시된다. 그 후, 각 픽셀에 대한 나머지 컬러성분은 종래의 RGB 컬러 포착과 유사한 방식으로 보간을 통해 구해진다. 전형적 컬러 보간법에 비해 본 발명의 장점은 둘 보다는 오히려 하나의 컬러성분만을 각 픽셀에서 보간한다는 것이다. 당업자라면 베이어 카메라가 또한 단지 적, 녹 또는 청색 데이터, 또는 하나, 둘 또는 모든 세 스펙트럼 성분의 임의 결합을 포착하는데 사용될 수 있다는 것을 알 것이다.
전술한 예는 Z 이미지 '스택'이 더 이상의 조정없이 모든 물체를 포착하도록 시료가 매체와 완전히 한 평면에 놓인다고 가정하였다. 본 발명이 상당히 확장된 피사계심도를 포착할지라도, 실제 시료는 전체 매체를 가로질러 Z의 위치에서 단일 위치에 놓이지 않는다. 이미지 필드의 Z 스캔 위치가 고정되었다면,이 변동은 본 발명의 확장된 피사계심도 샘플링을 초과할 수 있어 초점이 맞지 않을 수 있다. 따라서 소정 실시예에서, 전체 Z 스택 위치는 매체 평면성의 변경 및 시료 증착을 허용하도록 시료에 걸쳐 조정된다. 실시간 초점 정보가 기법에서 고유하므로, 이것은 본 발명에서 쉽게 성취된다. 각 X, Y 공간 위치의 경우, 표준 기법을 사용하여 초점 메트릭을 계산한다. 그 후, 전체 Z 스택 정보는 필요한 경우에 스택내 시료를 위치시키기 위하여 정밀하게 조정된다. 초점 정보는 완전한 Z 정보가 사용가능한 위치에 대해서만 계산될 수 있다. 본 발명에서 이 데이터 누적의 대기시간으 로 인해, 이 정보는 스캔 방향의 투사된 이미지 센서 차원과 동일한 거리만큼 오프셋된다. 초점 변위가 Z 리포지셔닝(repositioning)의 응답 시간에 비해 더 많이 단계적이므로, 이 대기시간은 실제 초점 정확도에 영향을 주지 않는다. 따라서 이미지 필드의 Z 위치로 미세한 조정을 행하면 동일한 공간 위치에 걸쳐 다수 번 통과를 행할 필요가 없다.
경사각은 마지막 3D 이미지 데이터 상에 두 인공물을 부과한다. 첫 인공물은 수직 Z 차원이 경사각에 의해 기울어지는 것이다. 이것은 부정확한 이미지 데이터에서 Z 차원을 통해 물체를 봄에 따라, 작은 측면 시프트가 관찰될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 이미지 재샘플링 변환 후처리를 통해 약간 보정된다. 또한 측면 시프트는 모든 포착 데이터에 대해 고정된 보정을 행하는 스캔 경사각의 지식에 의해 잘 특징지어진다. 또한 두 번째 인공물은 기울어진 수직 차원으로 인한 것이다. 현미경 광학 구성의 흐림 기능은 더블 콘으로 보여질 수 있고, 여기서 각 콘의 포인트는 최적 초점면에서 교차한다. 시료가 완전히 직교하는 방식으로 이들 콘을 통해 초점이 흐리게 된다면, 형성된 이미지는 균일하게 초점이 흐려진다. 그러나 시료가 이들 콘에 빗각으로 배치되고 또한 초점이 흐려진다면, 형성된 이미지는 균일하게 초점이 흐려지지 않을 것이다. 이 두 번째 인공물은 작은 경사각에 비해 미미하고, 시각 또는 자동 분석의 어디에도 사용될 수 없는 초점이 맞지않는 이미지 데이터에도 적용될 수 있다. 그러나 또한 이 인공물은 예를 들면 웨이브릿(wavelet)기반 이미지 처리에 이어 균일하게 초점이 흐려진 이미지 데이터의 재합성을을 통해 확장된 피사계심도 계산을 포함한 다수의 방식으로 보정될 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 종래의 현미경과 상당히 유사한 방식으로 네비게이트될 수 있는 3차원 이미지를 제공한다. 보다 중요한 것은, 시료의 초점 정보가 완전히 표현되어, 중요한 초점 정보의 부족으로 인해 다른 시스템에서 일어날 수 있는 시료 병상을 잘못 분석할 가능성을 감소시킨다.
또한, 초점 이미지 정보는 모든 대상물이 종합적으로 초점이 맞는 단일 평면으로 축약될 수 있다. 이것은 이미지 분석 분야의 당업자에게 알려진 방법을 사용하여 성취될 수 있고, 예를 들면 웨이브릿 분해(wavelet decomposition)에 이은 계수 선택 및 웨이브릿 재구성을 포함할 수 있다. 이러한 유형의 이미지는 리포커싱(re-focus)할 필요없이, 따라서 다중 면을 처리하고 그 결과를 병합할 필요없이 강건하고 효율적인 이미지 처리를 할 수 있는 보다 효율적인 이미지 네비게이션을 포함한 몇몇 사용을 가진다.
이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라서 디지털 이미지 데이터를 수집하는 방법을 설명할 것이다. 제1 단계(510)에서, 시료가 광 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라에 의해 스캔될 수 있도록 시료를 시료 장착 유닛의 상부면에 탑재한다. 상술한 바와 같이, 광 스캔축이 시료 장착 유닛의 상부면에 수직하지 않도록(예를 들면 기울어짐), 시료 장착 유닛의 상부면은 영역 스캔 카메라에 대하여 소정 각으로 경사지게 된다. 제2 단계(520)에서, 영역 스캔 카메라로써 구역(region)을 스캔하여 이로부터 디지털 이미지 데이터를 얻는다. 이 단계 동안에, 도 3에 도시된 주 이동방향과 같은 방향으로 시료 장착 유닛을 이동시키는데, 여기서 이동은 바람직하게 일정한 속도로 행해진다. 제3 단계(530)에서, 영역 스캔 카메라에 대한 시료의 단일 통과를 기반으로 시료의 3차원 이미지를 얻기 위하여 디지털 이미지 데이터를 처리한다.
본 발명의 전술한 방법은 다음의 설계표준을 만족시키는 스캐닝 이미지화 현미경을 사용하여 수행될 수 있다. 현미경 스테이지의 주요 요건은 높은 위치 정밀도 및 절대적인 일정 속도로써 광학 중심선에 대한 빗각(oblique angle)으로 시료 슬라이드를 이동시키는 것이다. 이들 두 요건을 성취하기 위하여, 본 발명의 현미경은 종래의 스캐닝 전자기계적 스테이지를 개선한다.
거의 모든 상업용 현미경에서 스테이지는 광축으로 슬라이드를 병진시키기 위한 X 및 Y, 그리고 포커싱축을 위한 Z의 3 모션축(axis of motion)을 사용한다. 일반적으로 볼베어링 스크류를 재순환시키는 리드 스크류(lead screw)가 X축 및 Y축을 이동시키는 데 사용된다. 포커싱축 Z축의 경우, 기어랙 및 피니온(gear rack and pinion) 시스템이 일반적으로 사용된다. 작업 해상도가 전형적으로 50 나노미터보다 작을 때, 이들 시스템은 차선책이다. 이들 고해상도를 성취하기 위해서는 또 다른 모션 시스템이 필요하다.
고해상도 이미지는 우수한 시스템 강성(rigidity)을 요구한다. 스테이지 모션축을 위한 이 안정된 플랫폼을 성취하기 위하여, 본 발명에 따르는 스캐닝 이미지화 현미경은 현미경 프레임에 강성하고 움직일 수 없이 탑재되도록 설계된다. 이것은 스테이지 어셈블리가 또한 포커싱축에서 이동하는 전형적인 현미경 프레임과 대조적이다. 이 어셈블리로부터 포커싱축을 제거하게 되면 이제 X/Y 스캐닝 스 테이지가 프레임에 단단하게 고정된다. 이 강성한 장착 설계를 하게 되면 현미경의 광축에 대한 빗각으로 모션축 중의 하나를 위치시킬 수 있게 된다. 이 빗각은 전술한 바와 같은 배율비와 이미지화를 위해 사용되는 광학 특성에 의해 지시된다.
포커싱축 Z축은 스테이지 기하학에 독립적이며, 현미경 어셈블리의 컬럼 구성소자에 독립적으로 장착된다. 모션의 포커싱축은 기하학적으로 광축에 평행하며, X와 Y 스테이지 모션 간의 상호작용 가능성을 제거한다.
모션 시스템에서 나노미터 해상도와 높은 기하학적 정확성을 성취하기 위하여, 이동 부재는 요(yaw), 피치(pitch) 및 롤(roll) 오류를 최소화하기 위해 정확하게 미리 설치된 정밀한 감마(anti-friction) 볼 또는 롤러 베어링에 장착된다. 시스템에서 원동기는 1 나노미터까지 모션 해상도를 가질 수 있는 세라믹 피에조 선형 모터이다. 시스템은 나노미터 해상도까지 포지셔닝 정보를 제공하는 광 인코더로써 폐쇄루프 서보모드에서 동작중이다.
구동 전자기기는 세라믹 피에조 모터를 그들의 공진 주파수에서 동작시키는 데 필요한 초음파 주파수를 전개하는 상업용 서보 제어기 구동 증폭기를 포함한다. 광 인코더는 서보 제어기로 직접 공급되고, 들어가고, 이번에는 서보 제어기가 모터를 동작시키고 카메라 프레임 그래브, 펄스 조명원, 초점 모션 등에 트리거 펄스를 제공한다.
자동화 처리의 경우, 스테이지 모션의 한 축이 부가적인 슬라이드 처리, 즉 슬라이드 마킹, 자동화된 슬라이드 로딩, 저해상도 이미지화 등을 위한 액세스를 제공하도록 연장될 수 있다.
도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예에 따라서 디지털 데이터 수집장치의 설명을 기술할 것이다. 이제 도 10을 참조하면, 현미경 프레임(1)은 (여기서 또한 "현미경"으로 언급되는) 디지털 데이터 수집장치를 위한 강성하게 구성된 장착부(mounting)이고, 포커싱 어셈블리, 조명 시스템 및 이미지화 카메라를 위한 장착부이다. 스테이지 장착 섹션(2)은 조정가능 짐볼(gimbals)에 매달린 스테이지 어셈블리(2A)를 움직이지 않도록 지지한다. 스테이지 어셈블리의 두 단부가 지지되어 위치로 단단하게 클램핑(clamp)된다. 인덱싱(indexing)축은 광축에 수직하며, 스캐닝축은 광축에 대하여 기울어진 사전결정된 양, 예를 들면 6도까지 조정가능하다. 조명원(3)이 제공되고, 하나 이상의 조명 시스템을 수용토록 구성된다. 카메라 마운트(camera mount)(4)는 카메라/튜브렌즈 어셈블리(도 10에 도시되지 않음)를 현미경 프레임(1)으로 단단하게 고정시키기 위해 제공된다. 카메라 마운트(4)는 현미경의 광축과 동일 중심을 가지고 회전될 수 있다. 카메라 방위각 조정부(5)는 사용자가 스캐닝축과 카메라 픽셀 어레이를 정확하게 정렬시킬 수 있도록 현미경 카메라 방위각 조정을 허용하기 위해 제공된다.
주로 현미경의 스테이지 어셈블리(2A)를 도시하는 도 11을 이제 참조하면, 현미경의 광축은 선(6)에 의해 도시된다. 기울어진 스테이지 스캐닝축을 제외한 모든 다른 시스템은 광축(6)에 평행하거나 또는 수직한다. 선(7)은 스테이지 어셈블리의 스캐닝축이 광축(6)에 관하여 빗각으로 회전할 수 있도록 하는 짐볼을 위한 스테이지 회전중심을 도시한다. 스테이지 회전중심(7)은 시료 이미지 평면에 있다. 선(8)은 (시료 슬라이드(12)를 유지하는) 시료 유지 메카니즘을 지원하는 슬 라이드 시스템을 위한 스캐닝축을 도시한다. 스캐닝축(8)은 슬라이드 로딩 등과 같은 다른 동작을 수용하도록 추가 운행을 가진다. 선(9)은 슬라이드 시스템이 스캐닝축 어셈블리를 인덱싱하고 지원하도록 하기 위한 현미경의 인덱싱축을 도시한다. 인덱싱 시스템은 본 발명의 한 가능한 구현에서 초음파 피에조 모터의 활동에 의해 구동된다. 또한 도 11은 포커싱 시스템(10)을 도시한다. 포커싱 시스템은 광축(6) 상에 현미경 대물렌즈(6A)를 위치시키는 슬라이드 시스템을 포함하고 이미지 초점을 얻기 위해 광을 마이크로-포지셔닝할 수 있는 능력을 가진다. 포커싱 시스템은 본 발명의 가능한 일 실시예에서 초음파 피에조 모터의 활동에 의해 구동된다. 통상적인 현미경에 대조적으로, 슬라이드 시스템은 초고감도 보정된 대물렌즈만을 이동시킨다. 도 11은 포커싱 시스템의 이동을 위해 사용되는 초음파 피에조 모터를 수용하는 피에조 모터 하우징(11)을 더 도시한다. 초음파 피에조 모터는 1 나노미터만큼 작게 이동시킬 수 있는 능력을 가진다. 도 11은 또한 표준 25 × 75 × 1 mm 실험실 슬라이드 또는 임의 다른 유형의 슬라이드일 수 있는 시료 슬라이드(12)를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 현미경의 일부를 상세히 도시하고, 여기서 짐볼 마운트 구조, 그리고 광축에 관한 기울기를 표시하는 눈금(calibration)이 도시된다. 보다 상세히 말하면, (짐볼에 제공되는) 빗각 그라데이션 설정선(13)은 광축에 관한 스캐닝축 빗각을 각각 표시하는 (스테이지 어셈블리에 제공되는) 다수의 빗각 그라데이션(13A) 중의 하나로 설정되고, 여기서 선 그라데이션 중의 하나로 설정선(13)을 정렬시키는 것을 고정된 경사각(예를 들면 1도, 2도, 3도 등)에 대응한다. 또한 도 12는 스테이지 및 슬라이드 시스템의 모든 축을 각각 구동시키는 데 사용되는 초음파 피에조 모터인 구동 모터를 수용하는 스캐닝축 구동모터 하우징(14)을 도시한다. 이들 모터는 1 나노미터만큼 작게 이동시킬 수 있는 능력을 가진다.
본 발명은 발명의 소정 실시예를 참조하여 도면에 도시하고 전술하였지만, 본 발명은 단지 예일 뿐인 이러한 실시예로 제한되지 않는다. 당업자라면 여기에 개시내용으로 볼 때 변경, 대체 및 변형을 행할 수 있을 것이고, 모든 이러한 변경, 대체 및 변형은 본 발명의 범주 내에서 고려된다.

Claims (37)

  1. 디지털 이미지 데이터를 얻기 위해 구역(region)을 스캔하며 광 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라(area scan camera)와,
    상기 영역 스캔 카메라에 의해 시료(specimen)를 스캔할 수 있도록 상부면에 탑재된 상기 시료를 수용하는 시료 장착 유닛
    을 포함하고,
    상기 광 스캔축이 상기 시료 장착 유닛의 상부면에 대해 기울어지도록, 상기 시료 장착 유닛의 상부면은 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 소정 각으로 경사지게 되는
    디지털 이미지 수집시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    카메라 센서와,
    상기 광 스캔축을 따라 상기 카메라 센서의 아래로(downstream) 제공되는 튜브렌즈(tube lens)와,
    상기 광 스캔축을 따라 상기 카메라 센서의 상기 튜브렌즈의 아래에 제공되는 대물렌즈
    를 더 포함하는 디지털 이미지 수집시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영역 스캔 카메라에 대하여 단일 평면을 따라 상기 시료 장착 유닛을 이동시키는 이동유닛
    을 더 포함하고,
    상기 광 스캔축은 X, Y, Z 3차원 좌표시스템에서 Z 방향을 따라 제공되는 디지털 이미지 수집시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛의 상부면이 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 경사지는 각은 2 도와 10 도 사이인 디지털 이미지 수집시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛의 상부면이 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 경사지는 각은 이미지화(imaging)할 상기 시료의 두께를 기반으로 결정되는 디지털 이미지 수집시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영역 스캔 카메라는 라인 스캔 카메라(line scan cameras)의 각각이 상기 영역 스캔 카메라상에 초점 경사(focal gradient)를 부과하는 고유 초점 위치 또는 렌즈 구성을 수용하도록 광학적으로 장착된 복수의 라인 스캔 카메라를 포함 하는 디지털 이미지 수집시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 라인 스캔 카메라는 이미지화할 시료의 X축 및 Y축을 따라 복수의 인접한 픽셀 위치를 효과적으로 스캔하도록 구성되는 디지털 이미지 수집시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 이동유닛은 상기 단일 평면을 따라 일정한 속도로 상기 시료 장착 유닛을 이동시키도록 구성되는 디지털 이미지 수집시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시료의 Z 방향 이미지는 X, Y, Z 3차원 좌표시스템에 대하여 하나의 스캔으로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻기 위하여 X 방향 이미지 및 Y 방향 이미지와 함께 얻어지는 디지털 이미지 수집시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 이동유닛은 적어도 하나의 초음파 피에조 모터(ultrasonic piezo motor)를 포함하는 디지털 이미지 수집시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    초점 경사는 상기 영역 스캔 카메라에 대한 단일 평면을 따라 상기 시료 장착 유닛 상에서 상기 시료를 이동시키므로 상기 영역 스캔 카메라상으로 투사되며, 여기서 상기 영역 스캔 카메라의 상기 광축은 X, Y, Z 3차원 좌표시스템상의 Z 방향에 대응하고,
    상기 시스템은
    상기 경사각과 동일한 평면에서 센서 차원을 가로질러 얻어지는 상이한 초점 심도(focal depth)를 샘플링하는 처리유닛
    을 더 포함하고,
    상기 처리유닛은 결과적으로 상기 영역 스캔 카메라에 대해 상기 단일 평면상에서 상기 시료 장착 유닛의 단일 통과(pass)로 시료의 3차원 이미지를 얻는
    디지털 이미지 수집시스템.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 시료의 3차원 이미지는 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 단일 평면상에서 이동하는 상기 시료 장착 유닛의 단일 통과를 기반으로 얻어지고, 단일 평면의 결과로 상기 시료는 상기 단일 통과 동안에 상기 영역 스캔 카메라에 근접하거나 또는 이로부터 멀리 이동되는 디지털 이미지 수집시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    베이어 패턴(Bayer pattern)을 기반으로, 상기 영역 스캔 카메라에 의해 얻은 상기 디지털 이미지 데이터에서 RGB 컬러 구별을 위해 한 쌍의 컬러성분을 결정하는 프로세서 부분
    을 더 포함하고,
    상기 RGB 컬러 구분을 위한 제3 컬러성분은 보간(interpolation)을 통해 얻어지는 디지털 이미지 수집시스템.
  14. 광 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라에 의해 시료를 스캔하기 위하여 시료 장착 유닛의 상부면에 상기 시료를 탑재하는 단계와,
    디지털 이미지 데이터를 얻기 위하여 상기 영역 스캔 카메라로써 구역을 스캔하는 단계와,
    상기 영역 스캔 카메라에 대하여 상기 시료의 단일 통과를 기반으로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻기 위해 상기 디지털 이미지 데이터를 처리하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광 스캔축이 상기 시료 장착 유닛의 상부면에 대해 기울어지도록, 상기 시료 장착 유닛의 상부면은 상기 영역 스캔 카메라에 대해 소정 각으로 경사지게 되는
    디지털 이미지 수집방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 영역 스캔 카메라에 대해 단일 평면을 따라 상기 시료 장착 유닛을 이동시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 광 스캔축은 X, Y, Z 3차원 좌표시스템에서 Z 방향을 따라 제공되는 디지털 이미지 수집방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛의 상부면이 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 경사되는 각은 2 도와 10 도 사이인 디지털 이미지 수집방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛의 상부면이 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 경사되는 각은 이미지화할 상기 시료의 두께를 기반으로 결정되는 디지털 이미지 수집방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 영역 스캔 카메라는 라인 스캔 카메라의 각각이 상기 영역 스캔 카메라상에 초점 경사를 부과하는 고유 초점 위치 또는 렌즈 구성을 수용하도록 광학적으로 장착된 복수의 라인 스캔 카메라를 포함하는 디지털 이미지 수집방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 라인 스캔 카메라의 각각은 이미지화할 상기 시료의 X축 및 Y축 을 따라서 인접한 복수의 픽셀 위치를 효과적으로 스캔하는 디지털 이미지 수집방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛은 상기 단일 평면을 따라 일정 속도로 이동하는 디지털 이미지 수집방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 시료의 Z 방향 이미지는 X, Y, Z 3차원 좌표시스템에 대하여 하나의 스캔으로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻기 위하여 X 방향 이미지 및 Y 방향 이미지와 함께 얻어지는 디지털 이미지 수집방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛은 적어도 하나의 초음파 피에조 모터에 의해 이동되는 디지털 이미지 수집방법.
  23. 제14항에 있어서,
    초점 경사는 단일 평면을 따라 상기 시료 장착 유닛상에서 상기 시료를 이동시키므로 상기 영역 스캔 카메라상으로 투사되며, 여기서 상기 영역 스캔 카메라의 상기 광축은 X, Y, Z 3차원 좌표시스템상에서 Z 방향에 대응하고,
    상기 처리 단계는
    상기 경사각과 동일한 평면에서 센서 차원을 가로질러 얻어지는 상이한 초점 심도를 샘플링하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 처리 단계는 결과적으로 상기 영역 스캔 카메라에 대한 상기 시료 장착 유닛의 단일 통과로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻는
    디지털 이미지 수집방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 시료의 3차원 이미지는 상기 영역 스캔 카메라에 대한 단일 평면상에서 이동하는 상기 시료 장착 유닛의 단일 통과를 기반으로 얻어지고, 상기 단일 평면의 결과로 상기 시료는 상기 단일 통과 동안에 상기 영역 스캔 카메라에 근접하게 또는 이로부터 멀리 이동되는 디지털 이미지 수집방법.
  25. 제14항에 있어서,
    베이어 패턴(Bayer pattern)을 기반으로, 상기 영역 스캔 카메라에 의해 얻은 상기 디지털 이미지 데이터에서 RGB 컬러 구별을 위한 제1 컬러성분쌍을 결정하는 단계와,
    보간을 통해 상기 RGB 컬러 구별을 위한 제3 컬러성분을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 디지털 이미지 수집방법.
  26. 컴퓨터 판독가능 매체에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 상기 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터상에서 실행될 시에 상기 컴퓨터로 하여금,
    광 스캔축을 가진 영역 스캔 카메라에 의해 시료를 스캔할 수 있도록 하기 위해 시료 장착 유닛의 상부면에 상기 시료를 탑재시키는 단계와,
    디지털 이미지 데이터를 얻기 위하여 상기 영역 스캔 카메라로써 구역을 스캔하는 단계와,
    상기 영역 스캔 카메라에 대한 상기 시료의 단일 통과를 기반으로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻도록 상기 디지털 이미지 데이터를 처리하는 단계
    를 수행하게 하고,
    상기 광학 스캔축이 상기 시료 장착 유닛의 상부면에 대해 기울어지도록, 상기 시료 장착 유닛의 상부면은 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 소정 각으로 경사지게 되는 컴퓨터 프로그램 제품.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 영역 스캔 카메라에 대해 단일 평면을 따라 상기 시료 장착 유닛을 이동시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 광 스캔축은 X, Y, Z 3차원 좌표시스템에서 Z 방향을 따라 제공되는 컴퓨터 프로그램 제품.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛의 상부면이 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 경사지는 각은 2 도와 10 도 사이인 컴퓨터 프로그램 제품.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛의 상부면이 상기 영역 스캔 카메라에 대하여 경사지는 각은 이미지화할 상기 시료의 두께를 기반으로 결정되는 컴퓨터 프로그램 제품.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 영역 스캔 카메라는 각 라인 스캔 카메라가 상기 영역 스캔 카메라상에 초점 경사를 부과하는 고유 초점 위치 또는 렌즈 구성을 수용하도록 광학적으로 장착된 복수의 라인 스캔 카메라를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 복수의 라인 스캔 카메라의 각각은 이미지화할 상기 시료의 X축 및 Y축을 따라 인접한 복수의 픽셀 위치를 효과적으로 스캔하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛은 상기 단일 평면을 따라 일정 속도로 이동하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  33. 제26항에 있어서,
    상기 시료의 Z 방향 이미지는 X, Y, Z 3차원 좌표시스템에 대하여 하나의 스캔으로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻기 위하여 X 방향 이미지 및 Y 방향 이미지와 함께 얻어지는 컴퓨터 프로그램 제품.
  34. 제26항에 있어서,
    상기 시료 장착 유닛은 적어도 하나의 초음파 피에조 모터에 의해 이동되는 컴퓨터 프로그램 제품.
  35. 제26항에 있어서,
    초점 경사는 상기 단일 평면을 따라 상기 시료 장착 유닛상에서 상기 시료를 이동시키므로 상기 영역 스캔 카메라상으로 투사되며, 여기서 상기 영역 스캔 카메라의 상기 광축은 X, Y, Z 3차원 좌표시스템상에서 Z 방향에 대응하고,
    상기 처리 단계는
    상기 경사각과 동일한 평면에서 센서 차원을 가로질러 얻은 상이한 초점 심도를 샘플링하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 처리 단계는 결과적으로 상기 영역 스캔 카메라에 대한 상기 시료 장착 유닛의 단일 통과로 상기 시료의 3차원 이미지를 얻는
    컴퓨터 프로그램 제품.
  36. 제27항에 있어서,
    상기 시료의 3차원 이미지는 상기 영역 스캔 카메라에 대해 단일 평면상에서 이동하는 상기 시료 장착 유닛의 단일 통과를 기반으로 얻어지고, 상기 단일 평면의 결과로 상기 시료는 상기 단일 통과 동안에 상기 영역 스캔 카메라에 근접하거나 또는 이로부터 멀리 이동하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  37. 제26항에 있어서,
    베이어 패턴을 기반으로 상기 영역 스캔 카메라에 의해 얻은 상기 디지털 이미지 데이터에서 RGB 컬러 구별을 위해 한 쌍의 컬러성분을 결정하는 단계 및,
    보간을 통해 상기 RGB 컬러 구별을 위한 제3 컬러성분을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
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