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JP2014164004A - Fluorescence microscope - Google Patents

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JP2014164004A
JP2014164004A JP2013032722A JP2013032722A JP2014164004A JP 2014164004 A JP2014164004 A JP 2014164004A JP 2013032722 A JP2013032722 A JP 2013032722A JP 2013032722 A JP2013032722 A JP 2013032722A JP 2014164004 A JP2014164004 A JP 2014164004A
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JP
Japan
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image
point spread
fluorescence
point
spread function
Prior art date
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Pending
Application number
JP2013032722A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takanobu Haga
孝信 芳賀
Atsushi Taniguchi
敦史 谷口
Tomohiro Shoji
智広 庄司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi High Technologies Corp, Hitachi High Tech Corp filed Critical Hitachi High Technologies Corp
Priority to JP2013032722A priority Critical patent/JP2014164004A/en
Publication of JP2014164004A publication Critical patent/JP2014164004A/en
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluorescence microscope configuration capable of correcting aberrations in the whole visual field and image degradations such as blurring of an image, and a correction process.SOLUTION: The fluorescence microscope comprises: a light source 102; an objective lens 109; a two-dimensional sensor 116; and a computer 101 connected to the two-dimensional sensor. The computer stores two or more point distribution functions obtained at different positions in the visual field, and corrects an image by, using the point distribution functions, performing deconvolution on a fluorescence image of a corresponding region in the visual field.

Description

本発明は蛍光顕微鏡に関し、例えば、核酸やタンパク質等を分離分析する際に用いる。   The present invention relates to a fluorescence microscope, and is used, for example, when separating and analyzing nucleic acids and proteins.

次世代DNAシーケンサは、広視野蛍光顕微鏡を基礎として作られる(非特許文献1、非特許文献2)。蛍光体が取り込まれたDNA断片をより多くパラレルに蛍光検出するためには、フォーカスずれによる像ボケや収差の少ない蛍光像を取得する必要がある。上記のような蛍光像では、DNA断片から発せられる蛍光をよりはっきした蛍光スポットとして検出できるので、DNA断片の認識精度が向上する。   The next-generation DNA sequencer is made on the basis of a wide-field fluorescence microscope (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2). In order to detect fluorescence in parallel with a larger number of DNA fragments into which the phosphor has been incorporated, it is necessary to acquire a fluorescent image with less image blur and aberration due to defocusing. In the fluorescence image as described above, since the fluorescence emitted from the DNA fragment can be detected as a clearer fluorescent spot, the recognition accuracy of the DNA fragment is improved.

蛍光顕微鏡の像ボケや収差を補正する手段として、蛍光顕微鏡の点像分布関数と測定画像をデコンボリューションする方法がある。特許文献1は、対物レンズを光軸方向に移動させて(フォーカスをずらして)取得したボケ画像を点像分布関数でデコンボリューションして補正することで、観察対象の3次元像を得る方法を開示している。特許文献2は、共焦点蛍光顕微鏡における像ボケを点像分布関数でデコンボリューションして補正する方法を開示している。共焦点蛍光顕微鏡は、観察視野が狭い欠点がある。特許文献3は、ブランドデコンボリューションの手法を利用して、点像分布関数を変化させてボケ画像をデコンボリューションする工程を繰り返すことで補正する方法を開示している。   As a means for correcting image blur and aberration of a fluorescence microscope, there is a method of deconvolution of a point spread function and a measurement image of the fluorescence microscope. Patent Document 1 discloses a method of obtaining a three-dimensional image of an observation target by correcting the blurred image obtained by moving the objective lens in the optical axis direction (shifting the focus) by deconvolution with a point spread function. Disclosure. Patent Document 2 discloses a method for correcting image blur in a confocal fluorescence microscope by deconvolution with a point spread function. The confocal fluorescence microscope has a drawback that the observation field of view is narrow. Patent Document 3 discloses a method of correcting by repeating a process of deconvolution of a blurred image by changing a point spread function using a brand deconvolution technique.

点像分布関数を取得する方法には、非特許文献3が示すように、基板上にランダムに固定された回折限界以下の大きさの蛍光ビーズ像から取得する方法がある。同じく非特許文献3には、サンプル基板上に回折限界程度に集光させたレーザスポットの像から点像分布関数を取得する方法が記載されている。特許文献1、特許文献2、特許文献3では、同一視野内で同じ点像分布関数を用いている。
As a method for acquiring a point spread function, as shown in Non-Patent Document 3, there is a method of acquiring from a fluorescent bead image having a size equal to or smaller than the diffraction limit that is randomly fixed on a substrate. Similarly, Non-Patent Document 3 describes a method of acquiring a point spread function from an image of a laser spot focused on a sample substrate to a diffraction limit. In Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3, the same point spread function is used in the same field of view.

特表2006-518050号公報Special Table 2006-518050 特開2010-39323号公報JP 2010-39323 A 特開平11-272866号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-272866

D. R. Bentley et al., Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry, Nature 456, 53-59 (2008)D. R. Bentley et al., Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry, Nature 456, 53-59 (2008) R. Drmanac et al., Human genome sequencing using unchained base reads on self-assembling DNA nanoarrays, Science 327, 78-81 (2010).R. Drmanac et al., Human genome sequencing using unchained base reads on self-assembling DNA nanoarrays, Science 327, 78-81 (2010). James B. Pawley, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Third Edition, Springer, Chapter 23.James B. Pawley, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Third Edition, Springer, Chapter 23.

次世代DNAシーケンサでは、広視野蛍光顕微鏡の収差や像ボケのために、DNA断片の蛍光体が発する蛍光を蛍光スポットとして認識できなかったり、間違ったDNA断片の蛍光スポットと誤認識したりする問題がある。特に、広視野になるほど視野の端で上記問題は顕著である。収差は主に、用いる対物レンズと結像レンズの性能、およびそれらレンズの空間的配置の光軸からのずれに起因する。収差は装置毎に異なる。像ボケは、収差の他に、対物レンズの焦点面とサンプル基板の発光面の位置ずれによって生じる。   In the next-generation DNA sequencer, due to the aberration and image blur of the wide-field fluorescence microscope, the fluorescence emitted by the fluorescent substance of the DNA fragment cannot be recognized as a fluorescent spot, or it is erroneously recognized as the fluorescent spot of the wrong DNA fragment. There is. In particular, the above problem becomes more conspicuous at the edge of the field of view as the field of view becomes wider. The aberration is mainly caused by the performance of the objective lens and the imaging lens used, and the deviation of the spatial arrangement of these lenses from the optical axis. Aberrations vary from device to device. Image blur occurs due to misalignment between the focal plane of the objective lens and the light emitting surface of the sample substrate, in addition to aberrations.

収差や像ボケは、点像分布関数を用いたデコンボリューションによって補正することができる。しかしながら、収差や像ボケは、視野内の位置によって異なるため、視野内の位置によって適した点像分布関数を用いなければ、像全体の収差や像ボケを良好に除去することはできない。   Aberrations and image blur can be corrected by deconvolution using a point spread function. However, since aberration and image blur differ depending on the position in the field of view, the aberration and image blur of the entire image cannot be satisfactorily removed unless a point spread function suitable for the position in the field of view is used.

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、視野全体の収差および像ボケ等の画像劣化を補正できる蛍光顕微鏡構成および補正工程を提供する。   The present invention is for solving the above-described problems, and provides a fluorescence microscope configuration and a correction process capable of correcting image deterioration such as aberration and image blur of the entire field of view.

本発明は特許請求の範囲に記載の構成を採用する。その具体的一例の蛍光顕微鏡は、光源と、対物レンズと、二次元センサと、前記二次元センサに接続されたコンピュータと、を備え、前記コンピュータは、2つ以上の観察位置で取得された点像分布関数を保存し、二次元センサで取得した蛍光画像を、観察位置近傍で取得した前記2つ以上の点像分布関数を用いてデコンボリューションして補正することを特徴とする。   The present invention employs the configurations described in the claims. A specific example of the fluorescence microscope includes a light source, an objective lens, a two-dimensional sensor, and a computer connected to the two-dimensional sensor, and the computer is acquired at two or more observation positions. The image distribution function is stored, and the fluorescence image acquired by the two-dimensional sensor is corrected by deconvolution using the two or more point image distribution functions acquired in the vicinity of the observation position.

本発明によれば、視野内の異なる2カ所以上で取得した点像分布関数を用いて、測定蛍光画像をデコンボリューションすることで、1つの点像分布関数でデコンボリューションするときよりも優れた蛍光画像補正効果を発揮する。   According to the present invention, by using a point image distribution function acquired at two or more different points in the field of view, the measured fluorescence image is deconvoluted, so that fluorescence superior to that obtained when deconvolution is performed using a single point image distribution function. Demonstrate image correction effect.

次世代DNAシーケンサに組み込まれた実施例1の蛍光顕微鏡の構成図。The block diagram of the fluorescence microscope of Example 1 integrated in the next-generation DNA sequencer. 点像アレイ基板。(a)上から見た構成、(b)AA’断面図。Point image array substrate. (a) Configuration viewed from above, (b) AA 'sectional view. 実施例1の点像分布関数の取得方法のフローチャート。2 is a flowchart of a point spread function acquisition method according to the first embodiment. 図3のフローチャートの内容の一部を図示。A part of the content of the flowchart of FIG. 3 is illustrated. 実施例1の点像分布関数を使った収差・像ボケ補正方法のフローチャート。5 is a flowchart of an aberration / image blur correction method using the point image distribution function according to the first exemplary embodiment. 図5のフローチャートの内容の一部を図示。A part of the content of the flowchart of FIG. 5 is illustrated. サンプル蛍光画像の補正例。Example of correction of sample fluorescence image. 実施例1の色間ピクセルずれ補正のための座標変換係数取得方法のフローチャート。3 is a flowchart of a coordinate conversion coefficient acquisition method for inter-color pixel shift correction according to the first exemplary embodiment. 実施例1の色間ピクセルずれ補正方法のフローチャート。3 is a flowchart of an inter-color pixel shift correction method according to the first exemplary embodiment. 点像アレイ基板の例。(a)上から見た構成、(b)AA’断面図。An example of a point image array substrate. (a) Configuration viewed from above, (b) AA 'sectional view. 点像アレイ基板の例。(a)上から見た構成、(b)AA’断面図。An example of a point image array substrate. (a) Configuration viewed from above, (b) AA 'sectional view. 点像アレイ基板の例。(a)上から見た構成、(b)AA’断面図。An example of a point image array substrate. (a) Configuration viewed from above, (b) AA 'sectional view. 制御用PC101に保存された定義ファイル1301内の点像分布関数の記述例。A description example of the point spread function in the definition file 1301 saved in the control PC 101. 次世代DNAシーケンサに組み込まれた実施例2の蛍光顕微鏡の構成図。The block diagram of the fluorescence microscope of Example 2 integrated in the next-generation DNA sequencer. 実施例2における点像分布関数の取得方法のフローチャート。10 is a flowchart of a method for acquiring a point spread function according to the second embodiment. 実施例2における点像分布関数を使った収差・像ボケ補正方法のフローチャート。9 is a flowchart of an aberration / image blur correction method using a point image distribution function in the second embodiment. 実施例2における色間ピクセルずれ補正のための座標変換係数取得方法のフローチャート。10 is a flowchart of a coordinate conversion coefficient acquisition method for correcting inter-pixel displacement in the second embodiment. 実施例2における色間ピクセルずれ補正方法のフローチャートFlowchart of inter-color pixel shift correction method in Embodiment 2 実施例3における点像アレイ基板を測定するときの蛍光顕微鏡構成図。FIG. 5 is a configuration diagram of a fluorescence microscope when measuring a point image array substrate in Example 3. 実施例4におけるブラインドデコンボリューションによる補正方法のフローチャートFlowchart of correction method using blind deconvolution in embodiment 4 実施例5における本実施例における点像分布画像の一部Part of the point image distribution image in the present embodiment in the fifth embodiment (a) 図21の直線BB’上の4つ点像に関する、X軸方向の画素強度プロファイル。(b) X座標のシフト量を補正して(a)の点像の強度プロファイルを重ねたプロット(a) A pixel intensity profile in the X-axis direction for the four point images on the straight line BB 'in FIG. (b) Plot in which the intensity profile of the point image in (a) is overlaid with the X-coordinate shift amount corrected (a) 実施例5における点像アレイ基板の形態。(b)点像アレイ基板201eの点像分布画像(a) The form of the point image array substrate in Example 5. (b) Point image distribution image of point image array substrate 201e

以下、本発明の新規な特徴と利益を、図面を参酌して説明する。ただし、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, the novel features and benefits of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the drawings are for explanation only, and do not limit the scope of the present invention.

(顕微鏡の構成)
図1は、次世代DNAシーケンサに組み込まれた蛍光顕微鏡の構成図である。蛍光顕微鏡の構成は、照射系と検出系に分けられる。
(Configuration of microscope)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fluorescence microscope incorporated in a next-generation DNA sequencer. The configuration of the fluorescence microscope is divided into an irradiation system and a detection system.

光が進む経路の順番に、照射系の構成を説明する。光源102から発せられる光は、コンデンサレンズ107で平行光束となり、フィルタキューブ108に入射する。バンドパスフィルタ103で特定の波長帯域のみが透過し、その他の帯域は反射する。透過した光は、ダイクロイックミラー113で反射したのち、対物レンズ109によって、フローチップ114上に検出視野領域よりも大きな領域に集光する。   The configuration of the irradiation system will be described in the order of the light traveling path. The light emitted from the light source 102 is converted into a parallel light flux by the condenser lens 107 and enters the filter cube 108. Only a specific wavelength band is transmitted by the band pass filter 103, and the other bands are reflected. The transmitted light is reflected by the dichroic mirror 113 and then collected by the objective lens 109 onto the flow chip 114 in a region larger than the detection visual field region.

次に検出系の構成を説明する。集光された光源からの光によって、フローチップ114上に固定された4種蛍光体のうち、上記特定の波長帯域に励起波長帯をもつ蛍光体1種類が励起される。励起された反応スポット上の蛍光体からの発光は、ダイクロイックミラー113を透過したのち、バンドパスフィルタ120で励起光の散乱成分を取り除いた後、結像レンズ121によって二次元センサ116上に蛍光スポットとして結像する。フィルタキューブ108は4セット用意されている。フィルタキューブ108を自動的に切り替えて、励起および検出波長帯を変更することで、4種蛍光体を順次検出することができる。フィルタキューブ108にはF1-F4の4種がある。フィルタキューブFiが蛍光体Fli(i=1-4)を最も高感度で検出するように、フィルタキューブ内のダイクロイックミラー113とバンドパスフィルタ103とバンドパスフィルタ120の透過率特性は設計されている。
Next, the configuration of the detection system will be described. Of the four types of phosphors fixed on the flow chip 114, one type of phosphor having an excitation wavelength band in the specific wavelength band is excited by the light from the condensed light source. Light emitted from the phosphor on the excited reaction spot passes through the dichroic mirror 113, and after the scattering component of the excitation light is removed by the bandpass filter 120, the imaging lens 121 causes the fluorescence spot on the two-dimensional sensor 116. To form an image. Four sets of filter cubes 108 are prepared. By automatically switching the filter cube 108 and changing the excitation and detection wavelength bands, the four types of phosphors can be sequentially detected. There are four types of filter cube 108, F 1 -F 4 . As the filter cube F i detects phosphor Fl i a (i = 1-4) in the most sensitive, the transmittance characteristic of the dichroic mirror 113 and the band pass filter 103 and the band-pass filter 120 in the filter cube is designed ing.

(DNA配列解読方法)
DNA配列の解読方法を説明する。フローチップ上には予め、同一DNA断片が密集した反応スポットが高密度に配置されている。DNA断片を増幅して、同一断片を密集させる方法は、D. R. Bentley et al., Nature 456, 53-59 (2008)に記載されている。DNA配列解読を以下の手順で行う:
1)4種蛍光体が標識された核酸塩基をフローチップ上に流す。ポリメラーゼの伸長反応により、反応スポット上のDNA断片に相補的な核酸塩基が取り込まれる。
2)蛍光顕微鏡で、反応スポットに取り込まれた4種蛍光体を蛍光検出する。ここで4枚のサンプル蛍光画像が生成する。サンプル蛍光画像を解析して、反応スポット毎に伸長された塩基種を同定する。
3)ステージ115を動かして、次の検出視野に移動して、2)を繰り返す。
4)3)をフローチップ全領域に関して繰り返す。
(DNA sequencing method)
Explain how to decode DNA sequences. On the flow chip, reaction spots in which the same DNA fragments are densely arranged are arranged in advance at a high density. A method for amplifying DNA fragments to consolidate identical fragments is described in DR Bentley et al., Nature 456, 53-59 (2008). DNA sequencing is performed as follows:
1) A nucleobase labeled with four kinds of phosphors is allowed to flow on a flow chip. A nucleobase complementary to the DNA fragment on the reaction spot is incorporated by the polymerase extension reaction.
2) Fluorescence detection of the four types of phosphors incorporated into the reaction spot with a fluorescence microscope. Here, four sample fluorescent images are generated. The sample fluorescence image is analyzed to identify the extended base species for each reaction spot.
3) Move the stage 115 to move to the next detection visual field, and repeat 2).
4) Repeat 3) for the entire flow chip area.

1) - 4)の操作を100回繰り返すことで、反応スポットあたり100塩基の塩基配列を決定することができる。伸長反応方法は、特許文献WO2004/018497A2に記載されている。上記の方法では、フローチップに試薬を導入するための送液機構が必要だが、図1ではこれを省略している。2)の操作には、4枚のサンプル蛍光画像を制御用PC101に保存して、蛍光画像を補正したのちに、蛍光スポットを抽出する作業が必要である。蛍光スポットとは、反応スポットの蛍光像である。反応スポット上に蛍光体Fliが存在するときは、フィルタキューブFiで取得したサンプル蛍光像に上記反応スポットの蛍光スポットが見られる。以下、点像分布関数の取得方法と画像補正方法を記す。
1)-By repeating the operation 4) 100 times, a base sequence of 100 bases per reaction spot can be determined. The extension reaction method is described in Patent Document WO2004 / 018497A2. In the above method, a liquid feeding mechanism for introducing the reagent into the flow chip is necessary, but this is omitted in FIG. For the operation 2), it is necessary to save the four sample fluorescence images in the control PC 101, correct the fluorescence images, and then extract the fluorescence spots. A fluorescent spot is a fluorescent image of a reaction spot. When the fluorescent substance Fl i exists on the reaction spot, the fluorescent spot of the reaction spot can be seen in the sample fluorescent image acquired by the filter cube F i . Hereinafter, a method for acquiring a point spread function and an image correction method will be described.

(点像分布関数の取得方法)
図2は、点像分布関数を取得するための点像アレイ基板201aの形態である。点像アレイ基板201aには、透明基板202上に直径200 nmの開口204が設けられた遮光性薄膜207があり、遮光性薄膜207の上に蛍光体層203が塗布されている。蛍光体層203には、DNA配列解読に使う4種蛍光体が高濃度で混ぜられている。
(Acquisition method of point spread function)
FIG. 2 shows a form of a point image array substrate 201a for obtaining a point image distribution function. The point image array substrate 201a has a light-shielding thin film 207 provided with an opening 204 having a diameter of 200 nm on a transparent substrate 202, and a phosphor layer 203 is coated on the light-shielding thin film 207. In the phosphor layer 203, four kinds of phosphors used for DNA sequence decoding are mixed at a high concentration.

蛍光体層203を除いたナノ開口アレイ基板の構造の作成方法を説明する。透明基板202表面にスパッタにてクロムを厚さ100nm程度になるように成膜し,遮光性薄膜207を形成させる。遮光性薄膜207には、アルミニウムのような金属膜が用いられる。アルミニウム以外の材質として,銀,金,クロム,炭化シリコンなどを用いても良い。遮光性薄膜207上に,Electron beam lithography技術により直径200nmの開口204を10μmの間隔で格子状に複数形成する。開口の直径は、顕微鏡の分解能(〜500 nm)以下であればよく、好ましくは分解能の半分程度(200-300 nm)である。   A method of creating the structure of the nano-aperture array substrate excluding the phosphor layer 203 will be described. A light-shielding thin film 207 is formed on the surface of the transparent substrate 202 by sputtering so that chromium is deposited to a thickness of about 100 nm. For the light-shielding thin film 207, a metal film such as aluminum is used. Silver, gold, chromium, silicon carbide, or the like may be used as a material other than aluminum. On the light-shielding thin film 207, a plurality of openings 204 having a diameter of 200 nm are formed in a lattice pattern at intervals of 10 μm by Electron beam lithography technology. The diameter of the aperture may be less than the resolution of the microscope (˜500 nm), and is preferably about half of the resolution (200-300 nm).

図3は、点像分布関数の取得方法のフローチャートである。図4はフローチャートの内容の一部を図示したものである。図4の(a)はフローチップ114上の全観察領域とそれぞれの観察視野401の関係を、(b)は各視野での点像分布像の取得方法を、(c)は点像分布像の模式図を、(d)は平均化像分布関数の模式図をそれぞれ表わしている。図3のフローチャートにしたがって、観察視野401毎に点像分布像が取得され、像内の位置によって異なる点像分布関数が取得される。分割数のNは大きいほど画像補正の精度が増す。フローチップ上の観察視野401領域が1mm^2、結像倍率20倍、二次元センサのサイズ2048×2048画素、センサの画素サイズ6.5μm(したがって、フローチップ上の1画素サイズは325nm)であれば、Nは8以上(すなわち、8×8分割以上)が好ましい。本発明の次世代DNAシーケンサでは、フローチップの全観察領域をX方向80mm、Y方向60mmとした。点像分布関数は、ΔX=15mmでX方向に5カ所、ΔY=10mmでY方向に5カ所の合計25カ所で取得された。画像補正の際は、サンプル蛍光画像にXY座標の最も近い視野で取得された点像分布関数を用いる。点像分布関数の測定を、上記よりも細かい間隔で行ってもよい。本実施例では、点像分布関数として、平均化点像分布の画素値を規格化した値を用いている。これを図13に示した。制御用PC101に保存された定義ファイル1301には、区画の座標の値とともに、点像分布関数を表わす規格化された配列値(画素値)が入力されている。他にも、点像分布を正規分布関数やベッセル関数等でフィッティングして得られる係数を点像分布関数の情報として定義ファイル1301に保存してもよい。この場合、フィッティングに使用する共通の関数式も定義ファイルに記載される必要がある。定義ファイルの特徴は、図13のように、一定の間隔を持った複数のX,Y座標値と点像分布関数のセットが複数収められていることである。このような点像分布関数のセットはDNAシーケンサ装置毎に異なる。したがって、制御用PCの定義ファイル内保存された点像分布関数の数値は装置毎に異なる。点像分布関数を用いて、サンプル蛍光画像を補正する方法を以下に示す。
FIG. 3 is a flowchart of a method for acquiring a point spread function. FIG. 4 shows a part of the contents of the flowchart. 4A shows the relationship between the entire observation area on the flow chip 114 and each observation field 401, FIG. 4B shows a method of acquiring a point image distribution image in each field, and FIG. 4C shows a point image distribution image. (D) is a schematic diagram of the averaged image distribution function. According to the flowchart of FIG. 3, a point image distribution image is acquired for each observation visual field 401, and a different point image distribution function is acquired depending on the position in the image. The larger the division number N, the more accurate the image correction. The observation field 401 area on the flow chip is 1mm ^ 2, the imaging magnification is 20 times, the size of the two-dimensional sensor is 2048 x 2048 pixels, the pixel size of the sensor is 6.5μm (therefore, one pixel size on the flow chip is 325nm) For example, N is preferably 8 or more (that is, 8 × 8 divisions or more). In the next-generation DNA sequencer of the present invention, the entire observation area of the flow chip is 80 mm in the X direction and 60 mm in the Y direction. Point spread functions were acquired at a total of 25 locations, 5 in the X direction with ΔX = 15 mm and 5 in the Y direction with ΔY = 10 mm. At the time of image correction, a point spread function acquired in the visual field closest to the XY coordinates is used for the sample fluorescence image. The point spread function may be measured at intervals smaller than those described above. In this embodiment, a value obtained by standardizing the pixel value of the averaged point image distribution is used as the point image distribution function. This is shown in FIG. In the definition file 1301 saved in the control PC 101, standardized array values (pixel values) representing the point spread function are input together with the values of the coordinates of the sections. In addition, the coefficient obtained by fitting the point spread with a normal distribution function, a Bessel function, or the like may be stored in the definition file 1301 as the point spread function information. In this case, a common function expression used for fitting needs to be described in the definition file. The feature of the definition file is that a plurality of sets of X, Y coordinate values and point spread functions having a constant interval are stored as shown in FIG. Such a set of point spread functions is different for each DNA sequencer apparatus. Therefore, the numerical value of the point spread function stored in the definition file of the control PC varies from device to device. A method for correcting the sample fluorescence image using the point spread function will be described below.

(画像補正方法)
点像分布関数をつかった画像補正工程は、収差・像ボケ補正工程と色間ピクセルずれ補正工程にわけられる。
(Image correction method)
The image correction process using the point image distribution function is divided into an aberration / image blur correction process and an inter-color pixel shift correction process.

図5は、点像分布関数を使った収差・像ボケ補正方法のフローチャートである。図6はフローチャートの内容の一部を図示したものである。図6の(a)はフローチップ114上の全観察領域と観察視野401の関係を、(b)は各視野での反応スポット601の模式図を、(c)はサンプル蛍光画像602から補正画像604を取得する概念図をそれぞれ表わしている。図5に従って、サンプル蛍光画像を補正した例を図7に示す。サンプル蛍光画像602の蛍光スポット603は対物レンズのフォーカスずれのために画像全域でボケている。画像の端では、像面歪曲のためにボケ量が大きい。加えて、画像の端では、ディストーション、コマ収差、非点収差等の影響により、蛍光スポットが楕円形になっている。図7には、同じ視野で所得した、4×4分割した平均化点像分布画像も示されている。この点像分布画像の点像分布関数を用いて、サンプル画像を補正した結果が図7の一番下に示されている。補正画像では、鮮明な蛍光スポットが得られている。サンプル蛍光画像と補正画像の隣に示す2つグラフは、それぞれの同一位置での断面A-A’の強度プロファイルである。補正前のサンプル蛍光画像のプロファイルで見られる2つの山(図の2つ黒矢印)は、補正画像のプロファイルでは3つの山(図の3つの黒矢印)に分離されている。このように、上記の画像補正方法によって、サンプル蛍光画像で分離されていない蛍光スポットを分離して正しく認識できるようになる。図7の例では、4×4分割を用いたが、さらに細かい分割でもかまわない。なお、点像分布関数をデコンボリューションすることによる画像補正方法として、Lucy-Richardson法やIterative Back Projection法などを用いることができる。また、使用するセンサや露光条件等により、画像にノイズが多く含まれる場合には、画像補正の前にノイズ除去処理を施す。   FIG. 5 is a flowchart of an aberration / image blur correction method using a point spread function. FIG. 6 shows a part of the contents of the flowchart. 6A shows the relationship between the entire observation region on the flow chip 114 and the observation field 401, FIG. 6B shows a schematic diagram of the reaction spot 601 in each field, and FIG. 6C shows a corrected image from the sample fluorescence image 602. A conceptual diagram for acquiring 604 is shown. FIG. 7 shows an example in which the sample fluorescence image is corrected according to FIG. The fluorescent spot 603 of the sample fluorescent image 602 is blurred throughout the image due to the focus shift of the objective lens. At the edge of the image, the amount of blur is large due to field distortion. In addition, at the edge of the image, the fluorescent spot is elliptical due to the influence of distortion, coma, astigmatism, and the like. FIG. 7 also shows an averaged point image distribution image divided by 4 × 4 and obtained in the same field of view. The result of correcting the sample image using the point spread function of the point spread image is shown at the bottom of FIG. In the corrected image, a clear fluorescent spot is obtained. Two graphs shown next to the sample fluorescent image and the corrected image are intensity profiles of the cross section A-A ′ at the same position. Two peaks (two black arrows in the figure) seen in the profile of the sample fluorescence image before correction are separated into three peaks (three black arrows in the figure) in the profile of the corrected image. As described above, the above-described image correction method makes it possible to separate and correctly recognize fluorescent spots that are not separated in the sample fluorescent image. In the example of FIG. 7, 4 × 4 division is used, but finer division may be used. Note that the Lucy-Richardson method, the Iterative Back Projection method, or the like can be used as an image correction method by deconvolution of the point spread function. Also, if the image contains a lot of noise due to the sensor used, exposure conditions, etc., noise removal processing is performed before image correction.

色間ピクセルずれは、異なるフィルタキューブ108で同一視野のサンプル蛍光画像を取得した時の座標ずれである。これは、ダイクロイックミラー113やバンドパスフィルタ120のウェッジ角が0度ではないことや、色収差によって起こる。色間ピクセルずれがあると、同じ反応スポット上の異なる蛍光体による蛍光スポットは、検出される座標が異なる。このために色間で反応スポットを誤認識する可能性がある。   The inter-color pixel shift is a coordinate shift when sample fluorescent images having the same field of view are acquired using different filter cubes 108. This is caused by the fact that the wedge angle of the dichroic mirror 113 and the bandpass filter 120 is not 0 degrees, and chromatic aberration. When there is an inter-color pixel shift, the detected coordinates of the fluorescent spots of different phosphors on the same reaction spot are different. For this reason, there is a possibility that a reaction spot is erroneously recognized between colors.

図8は色間ピクセルずれ補正のための座標変換係数取得方法のフローチャートである。本実施例では、図8のフローチャートに従って、色間ピクセルずれ補正のための座標変換係数(a, b, c, d, e, f)を取得する。第一のステップは、点像分布関数のピーク位置を求めることである。点像分布関数のピーク位置は、正規分布関数やベッセル関数で点像分布をフィッティングして求められる。そのほか、各点像分布内の最大強度を示す画素位置をピーク位置の座標としてもかまわない。フローチャートに従って取得された座標変換係数は、定義ファイルに保存される。   FIG. 8 is a flowchart of a coordinate conversion coefficient acquisition method for correcting inter-pixel displacement. In the present embodiment, coordinate conversion coefficients (a, b, c, d, e, f) for correcting inter-pixel displacement are acquired according to the flowchart of FIG. The first step is to obtain the peak position of the point spread function. The peak position of the point spread function is obtained by fitting the point spread with a normal distribution function or a Bessel function. In addition, the pixel position indicating the maximum intensity in each point image distribution may be used as the coordinate of the peak position. The coordinate conversion coefficient acquired according to the flowchart is stored in the definition file.

図9は色間ピクセルずれ補正方法のフローチャートである。本実施例では、このフローチャートに従って、サンプル蛍光画像の全画素を座標変換した補正画像を作成することができる。
FIG. 9 is a flowchart of the inter-color pixel shift correction method. In this embodiment, a corrected image obtained by coordinate-converting all the pixels of the sample fluorescent image can be created according to this flowchart.

(点像アレイ基板の形状)
点像アレイ基板は、図2の構造の他に、図10〜12に示すような構造でもかまわない。
(Shape of point image array substrate)
The point image array substrate may have a structure shown in FIGS. 10 to 12 in addition to the structure shown in FIG.

図10は図2の蛍光体層203を除いた点像アレイ基板の開口204に発光粒子205を閉じ込めた点像アレイ基板201bである。発光粒子205には、直径50nmの蛍光ビーズを用いた。蛍光ビーズは、200nm直径の開口に複数個入る。蛍光ビーズには、DNA配列解読で使用する蛍光体4種が混入している。発光粒子205は、開口径よりも小さく、観察波長帯域で発光する粒子であれば良い。蛍光ビーズの他には、量子ドットを用いてもよい。   FIG. 10 shows a point image array substrate 201b in which luminescent particles 205 are confined in the openings 204 of the point image array substrate excluding the phosphor layer 203 of FIG. As the luminescent particles 205, fluorescent beads having a diameter of 50 nm were used. A plurality of fluorescent beads enter a 200 nm diameter opening. Fluorescent beads are mixed with 4 types of phosphors used for DNA sequencing. The luminescent particles 205 may be particles that are smaller than the aperture diameter and emit light in the observation wavelength band. In addition to fluorescent beads, quantum dots may be used.

図11は格子状に並べた接着層1101の上に発光層1102を塗布した点像アレイ基板201cである。発光層1102にはDNA配列解読で使用する4種蛍光体を用いたが、量子ドットや観察波長帯域で発光する分子であればよい。点像アレイ基板201cの作製方法を説明する。透明基板202には合成石英を用いて、半導体技術により直径200nmの円形にチタン層を格子状に形成した。オゾンアッシングにより、チタンを酸化チタンにしたのち、Poly(vinylphosphonic acid) (PVPV)を酸化チタン表面に塗布した。PVPAは酸化チタンに特異的に吸着する。石英には吸着しない。その後、PVPAをビオチン化して、ストレプトアビジンをビオチンに結合させて接着層1101を作成した。接着層1101の表面にはストレプトアビジンが結合している。その後、ビオチン化した4種蛍光体をビオチン-ストレプトアビジン-ビオチンのサンドイッチ構造により接着層1101表面に固定することで、発光層1102を作製した。接着層1101および発光層1102の作成方法は、上記以外でも構わない。   FIG. 11 shows a point image array substrate 201c in which a light emitting layer 1102 is coated on an adhesive layer 1101 arranged in a grid. For the light emitting layer 1102, four kinds of phosphors used for DNA sequence decoding are used, but any molecule that emits light in a quantum dot or an observation wavelength band may be used. A method for manufacturing the point image array substrate 201c will be described. Synthetic quartz was used for the transparent substrate 202, and a titanium layer was formed in a circular pattern with a diameter of 200 nm by a semiconductor technique in a lattice shape. After the titanium was changed to titanium oxide by ozone ashing, Poly (vinylphosphonic acid) (PVPV) was applied to the titanium oxide surface. PVPA specifically adsorbs to titanium oxide. It does not adsorb to quartz. Thereafter, PVPA was biotinylated, and streptavidin was bound to biotin to form an adhesive layer 1101. Streptavidin is bonded to the surface of the adhesive layer 1101. Thereafter, the four types of biotinylated phosphors were immobilized on the surface of the adhesive layer 1101 by a biotin-streptavidin-biotin sandwich structure, whereby a light emitting layer 1102 was produced. The method for creating the adhesive layer 1101 and the light emitting layer 1102 may be other than the above.

図12は接着層1101の上に発光粒子205を固定した点像アレイ基板201dである。接着層1101は図11の点像アレイ基板201cと同様に作成される。発光粒子205に、ビオチン化した直径200nmの蛍光ビーズを用いることで発光粒子205を接着層1101に固定することができる。蛍光ビーズの他には、量子ドットや、観察波長帯域で発光する粒子を用いることができる。蛍光粒子205のサイズは顕微鏡の分解能以下であればよく、好ましくは200-300nmである。
FIG. 12 shows a point image array substrate 201d in which luminescent particles 205 are fixed on an adhesive layer 1101. FIG. The adhesive layer 1101 is formed in the same manner as the point image array substrate 201c in FIG. By using biotinylated fluorescent beads having a diameter of 200 nm as the luminescent particles 205, the luminescent particles 205 can be fixed to the adhesive layer 1101. In addition to fluorescent beads, quantum dots or particles that emit light in the observation wavelength band can be used. The size of the fluorescent particles 205 may be less than the resolution of the microscope, and is preferably 200-300 nm.

本実施例は、4台の二次元センサを用いて、4種蛍光体を同時に検出することを特徴とする。図14は実施例2の蛍光顕微鏡の構成図である。3つのダイクロイックミラー1401,1402,1403と4つの二次元センサ116a,116b,116c,116dを用いて、4種蛍光体の蛍光を同時に検出することができる。バンドパスフィルタ103は4種蛍光体の励起波長帯域の光を透過させるような透過率特性を持っている。すなわち、バンドパスフィルタ103は、2つ以上の分離した波長帯域で励起光を透過させる。フローチップ114上の反応スポット上の4種蛍光体Fl1,Fl2,Fl3,Fl4は、励起光により同時に励起されて4種蛍光シグナルを発する。4種蛍光シグナルのうち、ダイクロイックミラー1401で蛍光体Fl1,Fl2の蛍光成分を反射させて、蛍光体Fl3,Fl4を透過させる。反射光路のうち、蛍光体Fl1の蛍光成分は、ダイクロイックミラー1402で反射して、蛍光体Fl1の発光波長帯域のみを透過させるバンドパスフィルタ120bを透過したのち、結像レンズ121bによって、二次元センサ116b上に蛍光スポットとして結像する。同様に蛍光体Fl2の蛍光成分はダイクロイックミラー1402と蛍光体Fl2のみを透過させるバンドパスフィルタ120bを透過して結像レンズ121aによって二次元センサ116a上に、蛍光体Fl3の蛍光成分はダイクロイックミラー1403で反射して、蛍光体Fl3のみを透過させるバンドパスフィルタ120dを透過して結像レンズ121dによって二次元センサ116d上に、蛍光体Fl4の蛍光成分はダイクロイックミラー1403を透過して、蛍光体Fl4のみを透過させるバンドパスフィルタ120cを透過して結像レンズ121cによって二次元センサ116c上に、それぞれ蛍光スポットとして結像する。ここで、4種蛍光体の発光波長帯域は、Fl1,Fl2,Fl3,Fl4の順に長波長となる。4つの二次元センサ116a,116b,116c,116dは制御用PC101 によって同期しながら画像を取得するので、4種蛍光体の蛍光スポットは4枚の画像上で同時に検出される。 This embodiment is characterized in that four types of phosphors are detected simultaneously using four two-dimensional sensors. FIG. 14 is a configuration diagram of the fluorescence microscope of the second embodiment. Using the three dichroic mirrors 1401, 1402, and 1403 and the four two-dimensional sensors 116a, 116b, 116c, and 116d, the fluorescence of the four types of phosphors can be detected simultaneously. The band pass filter 103 has a transmittance characteristic that transmits light in the excitation wavelength band of the four types of phosphors. That is, the band pass filter 103 transmits the excitation light in two or more separated wavelength bands. The four types of phosphors Fl 1 , Fl 2 , Fl 3 , and Fl 4 on the reaction spot on the flow chip 114 are simultaneously excited by excitation light to emit four types of fluorescence signals. Of the four types of fluorescence signals, the fluorescent components Fl 1 and Fl 2 are reflected by the dichroic mirror 1401, and the phosphors Fl 3 and Fl 4 are transmitted. Of the reflected light path, the fluorescent component of the phosphor Fl 1 is reflected by the dichroic mirror 1402, passes through the bandpass filter 120b that transmits only the emission wavelength band of the phosphor Fl 1 , and then is reflected by the imaging lens 121b. An image is formed as a fluorescent spot on the dimension sensor 116b. Similarly fluorescent component of the fluorescent Fl 2 is on a two-dimensional sensor 116a by the dichroic mirror 1402 and the phosphor Fl 2 alone imaging lens 121a is transmitted through the band-pass filter 120b which transmits the fluorescence component of the phosphor Fl 3 is reflected by the dichroic mirror 1403, on a two-dimensional sensor 116d by the imaging lens 121d passes through the band-pass filter 120d which transmits only phosphor Fl 3, the fluorescence component of the phosphor Fl 4 is transmitted through the dichroic mirror 1403 Te, on a two-dimensional sensor 116c by the imaging lens 121c is transmitted through the band-pass filter 120c which transmits only phosphor Fl 4, respectively imaged as fluorescent spots. Here, the emission wavelength bands of the four types of phosphors have longer wavelengths in the order of Fl 1 , Fl 2 , Fl 3 , and Fl 4 . Since the four two-dimensional sensors 116a, 116b, 116c, and 116d acquire images while being synchronized by the control PC 101, the fluorescent spots of the four types of phosphors are simultaneously detected on the four images.

図15は実施例2における点像分布関数の取得方法を、図16は、実施例2における点像分布関数を使った収差・像ボケ補正方法を、図17は、実施例2における色間ピクセルずれ補正のための座標変換係数取得方法を、図18は実施例2における色間ピクセルずれ補正方法をそれぞれ示している。実施例2における画像補正は、図15−図18のフローチャートに従って実施される。DNA配列解読方法は実施例1と同じである。   15 shows a method for acquiring a point spread function in the second embodiment, FIG. 16 shows an aberration / image blur correction method using the point spread function in the second embodiment, and FIG. 17 shows an inter-color pixel in the second embodiment. FIG. 18 shows a method for correcting inter-pixel displacement in the second embodiment. Image correction according to the second embodiment is performed according to the flowcharts of FIGS. The DNA sequencing method is the same as in Example 1.

本実施例では、4種蛍光体のシグナルを同時に検出することができるので、DNA配列解読時間を短縮する固有の効果がある。
In this example, since signals of four kinds of phosphors can be detected simultaneously, there is an inherent effect of shortening the DNA sequence decoding time.

図19は、点像アレイ基板201を蛍光測定するときの構成である。DNA配列解読の際の構成や方法は実施例1と同じである。DNA配列解読の際に用いる二次元センサよりも画素サイズの小さい二次元センサ1901とこれにXY駆動部1902を付加した構成で点像分布像を取得することを特徴とする。   FIG. 19 shows a configuration when the point image array substrate 201 is subjected to fluorescence measurement. The configuration and method for decoding the DNA sequence are the same as in Example 1. A point image distribution image is obtained by a configuration in which an XY driving unit 1902 is added to a two-dimensional sensor 1901 having a pixel size smaller than that of a two-dimensional sensor used for DNA sequence decoding.

DNA配列解読に用いる蛍光顕微鏡の二次元センサの分解能(フローチップ面での1画素のサイズ)は、反応スポットサイズの半分から同等サイズであればよい。例えば、反応スポットサイズが直径1μmであれば、二次元センサの1画素のフローチップ面でのサイズは、0.5μmから1μm程度になるように二次元センサの画素サイズおよび結像倍率を設計すれば良い。二次元センサの1画素のサイズが大きすぎると(例えば5μm),空間分解能が低下するので,近接する2つのスポットの分離がより困難になる。結像倍率を大きくして、二次元センサの1画素のサイズを小さくすると、観察視野が小さくなるので、1視野で検出できる反応スポット数が少なくなる。したがって、スループットが低下する。   The resolution (the size of one pixel on the flow chip surface) of the two-dimensional sensor of the fluorescence microscope used for DNA sequence decoding may be from half the reaction spot size to the same size. For example, if the reaction spot size is 1 μm in diameter, the pixel size and imaging magnification of the two-dimensional sensor are designed so that the size of one pixel of the two-dimensional sensor on the flow chip surface is about 0.5 μm to 1 μm. good. If the size of one pixel of the two-dimensional sensor is too large (for example, 5 μm), the spatial resolution is lowered, so that it becomes more difficult to separate two adjacent spots. When the imaging magnification is increased and the size of one pixel of the two-dimensional sensor is reduced, the observation field of view is reduced, and the number of reaction spots that can be detected in one field of view is reduced. Therefore, the throughput decreases.

一方、点像アレイ基板201を測定するときの二次元センサは、蛍光顕微鏡の光学分解能の2倍程度の分解能を有することが望ましい。例えば、光学分解能が0.3-0.4μmであれば、二次元センサのフローチップ面での1画素サイズは0.15-0.20μm程度が望ましい。これによって、点像分布の広がりを複数画素で検出できるので、より正確な点像分布関数を求めることができる。   On the other hand, it is desirable that the two-dimensional sensor for measuring the point image array substrate 201 has a resolution of about twice the optical resolution of the fluorescence microscope. For example, if the optical resolution is 0.3-0.4 μm, the size of one pixel on the flow chip surface of the two-dimensional sensor is preferably about 0.15-0.20 μm. Thereby, since the spread of the point image distribution can be detected by a plurality of pixels, a more accurate point image distribution function can be obtained.

上記の例のように、二次元センサ1画素のサイズの最適値は、DNA配列解読の場合の方が、点像アレイ基板を測定するときの場合よりも大きくなることがある。このような場合、点像アレイ基板201を測定するときの二次元センサには、DNA配列解読で使用される二次元センサよりも、小さい画素サイズのものを用いた方が良い。一般的には、画素サイズの小さい二次元センサはセンサ部分の面積も小さいために、点像分布画像を撮像するときの視野領域は、DNA配列解読での視野領域よりも小さくなる。そこで、XY駆動部1902を用いて、二次元センサ1901をXY平面上に動かして隣接する複数視野を撮像することで、DNA配列解読で観察される視野領域全体の点像分布関数を取得できる。ここで、Z軸は検出系(対物レンズ109や結像レンズ121)の光軸と平行である。XY平面はZ軸に垂直な平面である。X軸とZ軸を図19に図示した。   As in the above example, the optimal value of the size of one pixel of the two-dimensional sensor may be larger in the case of DNA sequence decoding than in the case of measuring a point image array substrate. In such a case, it is better to use a two-dimensional sensor having a smaller pixel size than the two-dimensional sensor used for DNA sequence decoding when measuring the point image array substrate 201. In general, since a two-dimensional sensor with a small pixel size has a small area of the sensor portion, the visual field area when capturing a point image distribution image is smaller than the visual field area in DNA sequence decoding. Therefore, by using the XY driving unit 1902 to move the two-dimensional sensor 1901 on the XY plane and image adjacent plural visual fields, a point spread function of the entire visual field region observed by the DNA sequence decoding can be acquired. Here, the Z axis is parallel to the optical axis of the detection system (the objective lens 109 and the imaging lens 121). The XY plane is a plane perpendicular to the Z axis. The X axis and Z axis are shown in FIG.

本実施例では、図3のフローチャートにしたがって点像分布関数を取得した。ただし、1回あたり複数毎の点像分布画像を取得する点が異なる。例えば、DNA配列解読での視野領域が1mm×1mmで、点像分布画像を取得する際の視野領域が0.5mm×0.5mmであれば、0.5mmずつXとY方向にXY駆動部1902で二次元センサ1901を動かして、隣接する4つの点像分布画像を取得する。4枚の点像分布画像を並べた画像を、図3における点像分布画像とする。ただし,得られる平均化点像分布画像の画素数は,DNA配列解読で用いる二次元センサで取得される画像の画素数と異なる。そこで,上記2つの画像の画素数が同じになるように,ビニング等の信号処理で平均化点像分布画像を圧縮した後、その点像分布関数を図13のように定義ファイルに保存する。   In this embodiment, the point spread function is acquired according to the flowchart of FIG. However, it differs in that a plurality of point image distribution images are acquired at one time. For example, if the field of view in the DNA sequence decoding is 1 mm x 1 mm and the field of view when acquiring the point spread image is 0.5 mm x 0.5 mm, the XY drive unit 1902 doubles it in the X and Y directions in increments of 0.5 mm. The dimension sensor 1901 is moved to acquire four adjacent point image distribution images. An image in which four point image distribution images are arranged is referred to as a point image distribution image in FIG. However, the number of pixels of the averaged point spread image obtained is different from the number of pixels of the image acquired by the two-dimensional sensor used for DNA sequence decoding. Therefore, after the averaged point image distribution image is compressed by signal processing such as binning so that the two images have the same number of pixels, the point image distribution function is stored in a definition file as shown in FIG.

本実施例は、実施例2の4つの二次元センサをXY駆動部1902付き二次元センサ1901に変更して実施することもできる。   In the present embodiment, the four two-dimensional sensors of the second embodiment can be changed to the two-dimensional sensor 1901 with the XY driving unit 1902.

本実施例は、点像分布関数を取得する際に、より高分解能の二次元センサを用いることで、点像分布関数の決定精度を高める効果がある。
The present embodiment has an effect of improving the accuracy of determining the point spread function by using a higher-resolution two-dimensional sensor when acquiring the point spread function.

実施例1,2,3に記載の画像補正方法は、装置ごとに点像分布関数を取得し、光学系に起因する画像歪みを補正していた。装置ごとの光学系の性能ばらつきが少ない場合には、ある装置にて計測した点像分布関数を元に、他の装置にて取得した画像を補正することができる。これにより、装置ごとの点像分布計測作業を省き、生産効率を上げることができる。   In the image correction methods described in the first, second, and third embodiments, a point spread function is acquired for each apparatus, and image distortion caused by the optical system is corrected. When there is little performance variation of the optical system for each apparatus, an image acquired by another apparatus can be corrected based on a point spread function measured by a certain apparatus. Thereby, the point image distribution measurement work for each apparatus can be omitted, and the production efficiency can be increased.

図20に画像補正のフローを示す。装置Aにて図3の方法を用いて計測範囲内各点の点像分布関数を計測する。次に、装置Bにて取得された画像を、装置Aにて取得した点像分布関数を初期値として、ブラインドデコンボリューションを施し、装置Bの点像分布関数を推定し、補正する。装置Aにて取得された点像分布関数を初期値として用い、反復処理を実施する過程において、装置Aで点像分布関数を取得した時のzと、装置Bにてサンプル蛍光画像を取得した時のzの違いも補正できる。なお、初期値にガウス関数を用いる等、事前情報なしにて、本手法を実施することも可能だが、デコンボリューションでの点像分布推定にて局所解に陥る可能性が高くなるという欠点がある。   FIG. 20 shows a flow of image correction. The apparatus A measures the point spread function at each point in the measurement range using the method of FIG. Next, the image acquired by the device B is subjected to blind deconvolution using the point spread function acquired by the device A as an initial value, and the point spread function of the device B is estimated and corrected. Using the point spread function acquired by the device A as an initial value, in the process of performing the iterative process, z when the point spread function was acquired by the device A and the sample fluorescence image were acquired by the device B Differences in z in time can also be corrected. Although it is possible to implement this method without prior information, such as using a Gaussian function as the initial value, there is a drawback that the possibility of falling into a local solution increases with point image distribution estimation in deconvolution. .

本実施例に記載の画像補正方法は実施例1,2,3に記載のいずれの光学系、点像アレイ基板を用いても実施可能である。
The image correction method described in this embodiment can be carried out using any of the optical systems and point image array substrates described in Embodiments 1, 2, and 3.

本実施例は、点像アレイ基板を観察視野に対して傾けて点像分布画像を取得することを特徴とする。   The present embodiment is characterized in that the point image array substrate is tilted with respect to the observation field and the point image distribution image is acquired.

図21は本実施例における点像分布画像の一部である。点像アレイ基板201を観察視野に対してθ度傾けて点像分布画像を取得した。このため、点像の格子配置は観察視野のXY軸に対してθ度傾いている。図ではθ=4.1度である。白い格子線で区切られた区画は画素を、画像周囲の数値は座標をそれぞれ表わしている。図22(a)は、図21の直線BB’上の4つの点像に関する、X軸方向の画素強度プロファイルである。ただし、画素値はY方向の3点の移動平均値である。点像のY座標は、点像分布画像をY方向に3点の移動平均処理をした後、直線BB’上で画素値が最も大きな値を示す画素位置である。実質的には、この座標位置が点像のピークの画素位置(または中心位置)である。4つの点像の強度プロファイルは、Y座標の値が大きくなるに従い、強度のピークがX座標の右へ(X座標が大きくなる方向へ)シフトしている。これは、点像の格子配置がθ=4.1度傾いているためである。図22(b)は、X座標のシフト量を補正して図22(a)の点像の強度プロファイルを重ねたプロットである。このように、傾いた点像のX座標シフトを補正して、強度プロファイルを重ねることで、データ点の多い強度プロファイルを得られる。X軸方向にも同様の操作を行うことで、X軸方向に複数の点像を重ねたY軸断面の強度プロファイルを取得することができる。このように強度プロファイルのデータ点を多くすることで、フィッティングで得られる点像分布関数の決定精度が高める効果がある。この方法は、前記実施例のいずれとも組み合わせられる。傾き角度θは、0<θ<5°が好ましい。0と45度以外で90度以下の任意の角度を選ぶことができる。   FIG. 21 is a part of a point image distribution image in the present embodiment. A point image distribution image was obtained by tilting the point image array substrate 201 by θ with respect to the observation field. For this reason, the lattice arrangement of the point image is inclined by θ degrees with respect to the XY axis of the observation field. In the figure, θ = 4.1 degrees. Sections separated by white grid lines represent pixels, and numerical values around the image represent coordinates. FIG. 22A is a pixel intensity profile in the X-axis direction for four point images on the straight line BB ′ in FIG. However, the pixel value is a moving average value of three points in the Y direction. The Y coordinate of the point image is a pixel position where the pixel value shows the largest value on the straight line BB 'after the point image distribution image is subjected to moving average processing of three points in the Y direction. In effect, this coordinate position is the pixel position (or center position) of the peak of the point image. In the intensity profiles of the four point images, as the value of the Y coordinate increases, the intensity peak shifts to the right of the X coordinate (in the direction of increasing the X coordinate). This is because the lattice arrangement of the point image is inclined by θ = 4.1 degrees. FIG. 22 (b) is a plot in which the intensity profile of the point image of FIG. 22 (a) is overlaid by correcting the shift amount of the X coordinate. In this way, an intensity profile with many data points can be obtained by correcting the X coordinate shift of the tilted point image and superimposing the intensity profiles. By performing the same operation in the X-axis direction, an intensity profile of the Y-axis cross section obtained by superimposing a plurality of point images in the X-axis direction can be acquired. By increasing the number of data points of the intensity profile in this way, there is an effect of increasing the accuracy of determining the point spread function obtained by fitting. This method can be combined with any of the previous embodiments. The inclination angle θ is preferably 0 <θ <5 °. Any angle other than 0 and 45 degrees and 90 degrees or less can be selected.

X座標シフトの補正方法を示す。点像分布画像は予めY方向に移動平均処理がされているとする。上記では、3点の移動平均画像を取得したが、2点以下または4点以上の移動平均でも構わない。点像のY座標位置は、移動平均画像の画素値に閾値を設けて、閾値以上となる画素領域の最大値を示す座標として求められる。点像アレイ基板の格子間隔、結像倍率、傾き角θから画像中の点像分布の間隔を計算して、点像の座標位置を求めても構わない。各点像を関数でフィッティングして求まるピーク位置を座標位置としても構わない。この様にしても求められるY座標の値を用いて、補正後のX座標X’を、X’=X-Y×tanθとして求められる(Xは補正前のX座標。Yはピーク位置のY座標。)。上記、XをY、YをXとすれば、Y方向のY座標シフトの補正も同様に行える。図22では、(a)のX軸の値をそれぞれ、X’に変換した後に、4つの強度プロファイルを同一のグラフにプロットして(b)を求めた。   The correction method of X coordinate shift is shown. It is assumed that the point image distribution image has been subjected to moving average processing in the Y direction in advance. In the above, a moving average image of 3 points is acquired, but a moving average of 2 points or less or 4 points or more may be used. The Y coordinate position of the point image is obtained as a coordinate indicating the maximum value of the pixel region that is equal to or greater than the threshold value by providing a threshold value for the pixel value of the moving average image. The coordinate position of the point image may be obtained by calculating the point image distribution interval in the image from the lattice interval of the point image array substrate, the imaging magnification, and the tilt angle θ. The peak position obtained by fitting each point image with a function may be used as the coordinate position. Using the value of the Y coordinate thus obtained, the X coordinate X ′ after correction is obtained as X ′ = XY × tan θ (X is the X coordinate before correction, Y is the Y coordinate of the peak position). ). Assuming that X is Y and Y is X, the Y coordinate shift in the Y direction can be similarly corrected. In FIG. 22, the X-axis value in (a) is converted into X ′, and then four intensity profiles are plotted on the same graph to obtain (b).

点像アレイ基板201の傾きθの求め方を示す。点像アレイ基板201をステージ115に載せたときの傾きを測定してθを求める場合や点像分布画像を解析してθを求める場合がある。点像分布画像を解析して求める場合を示す。点像分布関数をX方向またはY方向の一般的な微分フィルタによるフィルタ処理をして、点像領域内のゼロクロス点の座標を、点像のピーク位置(または中心位置)として小数点第一位以下の精度(0.1画素の精度)で求める。ここで、微分フィルタには、Prewittオペレータ、Sobelオペレータ、Savitzky-Golay平滑化微分フィルタ等を用いることができる。求めた複数点のXY座標をX方向またはY方向の列毎に一次関数(y=ax+b)でフィッティングして、その傾き(a)をtanθとして求める。上記θの算出は、点像分布画像をN×N分割して,分割区画毎に行われるのが望ましい。収差の影響により、像がゆがむため、区画毎に傾きθが異なる場合がある。図23(a)は本実施例における点像アレイ基板201eの形態である。図に示すように、開口204の他に、開口の格子配置と平行な長方形開口231を設けることを特徴とする。長方形開口231に図2で示すように蛍光体層203が塗布されている。図23(b)に示すように、点像分布画像上で、長方形開口231は、長方形の蛍光像として検出される。傾き角度θは、上記長方形開口像のエッジを検出することで求められる。エッジの位置は、微分フィルタで2回フィルタ処理したときのゼロクロス点により求められる。その後、エッジ位置の座標を上記同様に一次関数でフィッティングしたときの傾きからtanθを求め、傾き角度θを決定できる。上記長方形開口を用いることで、より多くのエッジ位置のデータ点を用いられるので、より正確に角度θを求められる効果がある。
A method for obtaining the inclination θ of the point image array substrate 201 will be described. There are cases where θ is obtained by measuring the tilt when the point image array substrate 201 is placed on the stage 115, or θ is obtained by analyzing a point image distribution image. A case where the point image distribution image is obtained by analysis will be described. The point spread function is filtered by a general differential filter in the X or Y direction, and the zero cross point coordinates in the point image area are set to the peak position (or center position) of the point image and the first decimal place It is calculated with the accuracy of (0.1 pixel accuracy). Here, as the differential filter, a Prewitt operator, a Sobel operator, a Savitzky-Golay smoothing differential filter, or the like can be used. The obtained XY coordinates of a plurality of points are fitted with a linear function (y = ax + b) for each column in the X direction or Y direction, and the inclination (a) is obtained as tan θ. The calculation of θ is preferably performed for each divided section by dividing the point image distribution image into N × N. Since the image is distorted due to the influence of aberration, the inclination θ may be different for each section. FIG. 23A shows a form of the point image array substrate 201e in the present embodiment. As shown in the drawing, in addition to the openings 204, a rectangular opening 231 parallel to the lattice arrangement of the openings is provided. A phosphor layer 203 is applied to the rectangular opening 231 as shown in FIG. As shown in FIG. 23 (b), the rectangular opening 231 is detected as a rectangular fluorescent image on the point image distribution image. The inclination angle θ is obtained by detecting the edge of the rectangular aperture image. The position of the edge is obtained from the zero cross point when the filtering process is performed twice by the differential filter. Thereafter, tan θ is obtained from the inclination when the coordinates of the edge position are fitted with a linear function in the same manner as described above, and the inclination angle θ can be determined. By using the rectangular opening, data points at more edge positions can be used, so that the angle θ can be obtained more accurately.

以上、本発明の例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解される。各実施例を適宜組み合わせることも、本発明の範囲である。   As mentioned above, although the example of this invention was demonstrated, this invention is not limited to this, It is understood by those skilled in the art that various changes are possible in the range of the invention described in the claim. The It is also within the scope of the present invention to appropriately combine the embodiments.

101 制御用PC
102 光源
103 バンドパスフィルタ
107 コンデンサレンズ
108 フィルタキューブ
109 対物レンズ
113、1401,1402,1403 ダイクロイックミラー
114 フローチップ
115 ステージ
116、1901、116a,116b,116c,116d 二次元センサ
120 バンドパスフィルタ
121 結像レンズ
201、201b、201c、201d、201e 点像アレイ基板
202 透明基板
203 蛍光体層
204 開口
205 発光粒子
207 遮光性薄膜
401 観察視野
402 点像分布画像
403 平均化点像分布画像
601 反応スポット
602 サンプル蛍光画像
603 蛍光スポット
1101 接着層
1102 発光層
1301 定義ファイル
1902 XY駆動部
231 長方形開口
101 Control PC
102 Light source
103 Band pass filter
107 condenser lens
108 Filter cube
109 Objective lens
113, 1401,1402,1403 Dichroic mirror
114 flow chip
115 stages
116, 1901, 116a, 116b, 116c, 116d Two-dimensional sensor
120 band pass filter
121 Imaging lens
201, 201b, 201c, 201d, 201e Point image array substrate
202 Transparent substrate
203 Phosphor layer
204 opening
205 luminous particles
207 Light-shielding thin film
401 Observation field
402 Point distribution image
403 Averaged point spread image
601 reaction spots
602 sample fluorescence image
603 fluorescent spot
1101 Adhesive layer
1102 Light emitting layer
1301 Definition file
1902 XY drive unit
231 rectangular opening

Claims (15)

光源と、
対物レンズと、
二次元センサと、
フローチップと、
前記二次元センサに接続されたコンピュータと、
を備え、
前記コンピュータは、2つ以上の観察位置で取得された点像分布関数を保存し、前記二次元センサで取得した前記フローチップの蛍光画像を、前記2つ以上の異なる点像分布関数を用いてデコンボリューションして補正すること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
A light source;
An objective lens;
A two-dimensional sensor,
Flow chip,
A computer connected to the two-dimensional sensor;
With
The computer stores point spread functions acquired at two or more observation positions, and the fluorescence image of the flow chip acquired by the two-dimensional sensor is used using the two or more different point spread functions. A fluorescence microscope characterized by deconvolution and correction.
請求項1において、
前記コンピュータ内に保存された2つ以上の点像分布関数は、
観察視野の座標値と
対物レンズの光軸方向の位置情報と
点像分布関数を規定する2つ以上の数値配列と
を含んでおり、
点像分布関数の座標位置の間隔は実質一定である
ことを特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
Two or more point spread functions stored in the computer are:
A coordinate value of an observation field, position information in the optical axis direction of the objective lens, and two or more numerical arrays defining a point spread function,
A fluorescence microscope characterized in that the interval between the coordinate positions of the point spread function is substantially constant.
請求項1において、
前記コンピュータは、点像分布関数を取得するときに、
前記対物レンズと前記フローセルのフォーカス位置を動かしながら前記基板の点像分布画像を連続的に取得し、
前記取得した画像を2つ以上に分割し、
分割区分内の複数発光点像を平均して平均化発光点像を作成し、
前記平均化発光点像の強度を規格化してこれを点像分布関数とし、
前記点像分布関数の座標値と前記フォーカス位置を保存する
ように制御することを特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
When the computer obtains the point spread function,
While continuously moving the focus position of the objective lens and the flow cell, acquire a point image distribution image of the substrate,
Divide the acquired image into two or more,
Create an averaged luminescent spot image by averaging multiple luminescent spot images in the division,
Normalize the intensity of the averaged light emission point image and use this as a point spread function,
A fluorescent microscope characterized by controlling the coordinate value of the point spread function and the focus position.
請求項1において、
前記コンピュータは、前記蛍光画像を補正するときに、
前記蛍光画像が取得されたときの前記対物レンズと前記フローセルのフォーカス位置を規定し、
前記蛍光画像を、2つ以上の区画で分割し、
同じ区画かつ前記規定されたフォーカス位置と同じフォーカス位置で取得された点像分布関数を用いて区画毎にデコンボリューションし、
前記デコンボリューション後の区画画像を再結像して補正蛍光画像とする、
ように制御することを特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
When the computer corrects the fluorescent image,
Define the focus position of the objective lens and the flow cell when the fluorescent image is acquired,
Dividing the fluorescent image into two or more sections;
Deconvolution for each section using the point spread function acquired at the same focus position as the specified focus position,
Re-image the section image after the deconvolution to obtain a corrected fluorescence image,
A fluorescence microscope characterized by being controlled as follows.
請求項1において、
前記点像分布関数は、
回折限界以下のサイズの2つ以上の発光点が格子状に配置された基板を前記顕微鏡で取得した蛍光像の画素強度分布によって求められること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
The point spread function is
A fluorescent microscope characterized in that a substrate in which two or more light emitting points having a size equal to or smaller than a diffraction limit are arranged in a lattice pattern is obtained from a pixel intensity distribution of a fluorescent image obtained by the microscope.
請求項5において、
前記基板は、
透明基板と、
透明基板上に成膜された遮光幕薄膜と、
薄膜に設けられた2つ以上の格子状にならんでおり、回折限界以下のサイズの開口と、
前記開口内の透明基板上に塗布された発光物質と、
を有して構成させることを特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 5,
The substrate is
A transparent substrate;
A light-shielding curtain thin film formed on a transparent substrate;
Two or more gratings provided in the thin film, an opening having a size less than the diffraction limit,
A luminescent material coated on the transparent substrate in the opening;
And a fluorescent microscope characterized by comprising:
請求項6において、
前記開口のサイズは200-300ナノメートルであること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 6,
The fluorescence microscope characterized in that the size of the opening is 200-300 nanometers.
請求項5において、
前記発光物質は顕微鏡観察に使用される蛍光体であることを特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 5,
The fluorescent microscope, wherein the luminescent material is a phosphor used for microscopic observation.
請求項1において、
4種のフィルタを備え、
前記蛍光画像は、対物レンズで集めた光が前記フィルタを透過して前記二次元センサで取得された4枚の蛍光画像であること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
It has 4 kinds of filters,
The fluorescence microscope, wherein the fluorescence image is four fluorescence images acquired by the two-dimensional sensor through transmission of light collected by an objective lens.
請求項1において、
4つの二次元センサと、
3枚の二色鏡を備え、
前記蛍光画像は、対物レンズで集めた光が前記二色鏡で4つの光路に分けられて前記二次元センサで取得された4枚の蛍光画像であること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
Four two-dimensional sensors,
With three dichroic mirrors,
The fluorescence microscope is characterized in that the light collected by the objective lens is divided into four optical paths by the dichroic mirror and is acquired by the two-dimensional sensor.
請求項1において、
点像分布関数を取得する際の二次元センサの画素サイズは、フローチップの蛍光画像を取得するときの二次元センサの画素サイズよりも小さいこと
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
A fluorescence microscope characterized in that a pixel size of a two-dimensional sensor when acquiring a point spread function is smaller than a pixel size of a two-dimensional sensor when acquiring a fluorescence image of a flow chip.
請求項12において、
点像分布関数を取得する際の二次元センサには、観察視野平面と平行に二次元センサを駆動させるステージを備えること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 12,
A fluorescence microscope comprising a stage for driving a two-dimensional sensor in parallel with an observation field plane in a two-dimensional sensor for acquiring a point spread function.
請求項1において、
前記コンピュータ内に保存された2つ以上の点像分布関数が、
同じ構成の異なる蛍光顕微鏡にて取得されたものであり、
画像を補正する工程にて、異なる蛍光顕微鏡にて取得された点像分布関数を初期値として推定する工程を含むことを特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 1,
Two or more point spread functions stored in the computer are:
It was acquired with a different fluorescence microscope of the same configuration,
A fluorescence microscope comprising a step of estimating, as an initial value, a point spread function acquired by a different fluorescence microscope in the step of correcting an image.
請求項5において、
前記発光点の格子方向が前記二次元センサの画素格子に対して傾いた状態で前記基板を蛍光検出すること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 5,
A fluorescence microscope characterized in that the substrate is subjected to fluorescence detection in a state where a lattice direction of the light emitting point is inclined with respect to a pixel lattice of the two-dimensional sensor.
請求項15において、
前記傾いた状態とは、その傾き角が0より大きく5度以下であること
を特徴とする蛍光顕微鏡。
In claim 15,
The tilted state is a fluorescence microscope characterized in that the tilt angle is greater than 0 and 5 degrees or less.
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