(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル照射ビームを用いて半透明媒体を照射する工程と、
前記媒体によって散乱された散乱光を電子イメージセンサに導く工程と、
既知の特性を有する参照光ビームを提供する工程と、
前記参照光ビーム及び前記散乱光が前記電子イメージセンサ上に干渉パターンを形成するように、前記参照光ビームを前記電子イメージセンサに導く工程と、
前記干渉パターンの数値表現をデジタル式に記録する工程と、
前記干渉パターンの前記数値表現から前記散乱光の共役である共役ビームの特性を算出する工程と、
前記算出された特性を有する共役ビームを生成する工程と、
該共役ビームを前記半透明媒体に導く工程と、
が含まれる方法。
【請求項２】
更に、前記サンプル照射ビームからの光を選択的に散乱させるべく、前記半透明媒体における特徴部にタグを付与する工程が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記共役ビームを生成する工程には、更に、
既知の特性を有する再照射ビームが、構成変更可能な光学素子を介して導かれるときに、前記共役ビームを生成するべく、前記構成変更可能な光学素子をプログラミングする工程と、
前記既知の特性を有する再照射ビームを前記構成変更可能な光学素子を介して導く工程と、
が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記サンプル照射ビーム、前記参照光ビーム、及び前記再照射ビームは、同一の光源から生成される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記再照射ビームは、平面波又はガウスビームである、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記構成変更可能な光学素子は、空間光変調器を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記構成変更可能な光学素子には、音響光学偏向器及び電気光学変調器からなる群から選択された少なくとも１つの装置が含まれる、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記共役ビームを生成する工程には、更に、
既知の特性を有する再照射ビームが、構成変更可能な光学素子から反射されるときに、前記共役ビームを生成するべく、前記構成変更可能な光学素子をプログラミングする工程と、
前記既知の特性を有する再照射ビームを前記構成変更可能な光学素子から反射させる工程と、
が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記再照射ビームは、平面波又はガウスビームである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記構成変更可能な光学素子には、空間光変調器が含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記構成変更可能な光学素子には、音響光学偏向器及び電気光学変調器からなる群から選択された少なくとも１つの装置が含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記共役ビームの出力は、前記散乱光の出力より大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記共役ビームは、前記干渉パターンの前記数値表現を生成してデジタル式に記録するのに必要な時間よりも長い時間、前記半透明媒体に導かれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
更に、前記共役ビームが前記半透明媒体に導かれるときに、前記サンプル照射ビーム及び前記参照光ビームを消す工程が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記媒体によって散乱された散乱光は、前記サンプル照射ビームとほぼ同一の方向に伝播する光を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記媒体によって散乱された散乱光には、前記媒体から反射された光が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記算出された特性を有する前記共役ビームを生成する工程には、単一の光変調装置を用いて前記共役ビームを生成する工程が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記算出された特性を有する前記共役ビームを生成する工程には、２つの同期した変調装置を用いて前記共役ビームを生成する工程が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記半透明媒体は、生物組織であり、前記方法には、更に、
前記生物組織内における特定の構造体にタグを付与する工程であって、該タグの付与された構造体が、タグの付与されていない周辺の組織によって散乱される光より多くの光を選択的に散乱させ、その結果、前記共役ビームによって、前記タグを付与されていない周辺の組織よりも強く照らされるようにタグを付与する前記工程が含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
特定の構造体にタグを付与する工程には、癌細胞にタグを付与する工程が含まれる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
更に、前記共役ビームを介して、前記癌細胞に対して有害な光照射量で、前記タグを付
与された癌細胞を照射する工程が含まれる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
光学系であって、
半透明媒体に導かれるサンプル照射ビームを生成する光源と、
前記半透明媒体から散乱された散乱光が導かれる電子イメージセンサと、
既知の特性を有する参照光ビームであって、前記散乱光と前記参照光ビームとの干渉によって、前記電子イメージセンサに干渉パターンが形成されるように、前記電子イメージセンサに同様に導かれる前記参照光ビームと、
前記干渉パターンのデジタル表現を前記電子イメージセンサから記録し、前記散乱光の共役である共役ビームの特性を前記デジタル表現から算出するように、プログラムされた処理ユニットと、
前記半透明媒体に導かれる前記共役ビームを前記処理ユニットの制御下で生成するように構成された光学装置と、が含まれる光学系。
【請求項２３】
前記電子イメージセンサには、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ又は相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサが含まれる、請求項２２に記載の光学系。
【請求項２４】
前記共役ビームの前記算出された特性には、振幅情報及び位相情報が含まれる、請求項２２に記載の光学系。
【請求項２５】
前記半透明媒体に再度導かれた前記共役ビームの出力は、前記散乱光の出力より大きい、請求項２２に記載の光学系。
【請求項２６】
前記共役ビームは、前記干渉パターンの前記数値表現を生成して記録するのに必要な時間よりも長い時間、前記半透明媒体に再度導かれる、請求項２２に記載の光学系。
【請求項２７】
前記媒体によって散乱された散乱光には、前記サンプル照射ビームとほぼ同一の方向に伝播する光が含まれる、請求項２２に記載の光学系。
【請求項２８】
前記媒体によって散乱された散乱光には、前記媒体から反射された光が含まれる、請求項２２に記載の光学系。
【請求項２９】
前記光学装置には、空間光変調器が含まれ、前記処理ユニットは、更に、既知の特性を有する再照射ビームが前記空間光変調器に入射するときに、前記空間光変調器を構成して前記共役ビームを生成するようにプログラムされる、請求項２２に記載の光学系。
【請求項３０】
前記空間光変調器は、透過時に動作する、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３１】
前記空間光変調器は、反射時に動作する、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３２】
前記空間光変調器は、光の振幅及び位相の双方を変調する単一の装置である、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３３】
前記空間光変調器には、２つの同期した変調装置が含まれる、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３４】
前記光学装置には、音響光学偏向器及び電気光学変調器からなる群から選択された少なくとも１つの装置が含まれる、請求項２２に記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、準実時間光位相共役に関する。
【背景技術】
【０００２】
濁った又は半透明媒体は、光学系に対して特別な問題を提示する。例えば、生物組織等の媒体は、光を効率的に透過するが、その光を相当散乱させる場合がある。このため、その組織を透かして見たり撮像することが困難であったり、その組織を介して光を特定の対象に導くことが困難であったりする。この困難性は、本来、サンプルによる光吸収に起因するのではなく、従来の画像形成と干渉する散乱に主に起因している。
【０００３】
散乱は、ランダムに見えるが、実際には、決定論的である。この決定論が、高度な光学技術に使用されて、濁った媒体における散乱を補償することができる。例えば、ヤクーボ（Ｙａｑｏｏｂ）らは、濁った媒体を介して撮像するために、ホログラフィ記録技術を用いて、位相共役鏡を製作した。非特許文献１を参照されたい。ヤクーボらの光学系では、像が、濁ったサンプルを介して投影されるが、このサンプルは、投影光をニオブ酸リチウム結晶中で散乱してしまう。参照光ビームもこの結晶を介して導かれ、散乱光と参照光ビームとの干渉によって生成された干渉パターン即ちホログラムが、結晶によって記録される。しばらくして、参照光ビームのスイッチがオフにされ、参照光ビームの共役が結晶を通過し、これにより、元の散乱光の共役が生成される。散乱光の共役は、元の散乱光の通った跡を（反対方向に）辿り、濁ったサンプルを通過し、撮像光学装置を再度通過し、カメラに到達して、そこで像が記録される。散乱の現象は、このように逆転されるので、濁った又は半透明の媒体を介して撮像できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ヤクーボ（Ｙａｑｏｏｂ）らによる「生体サンプルにおける濁度抑制のための光学位相共役（Ｏｐｔｉｃａｌ＿Ｐｈａｓｅ＿Ｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ＿ｆｏｒ＿Ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ＿Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ＿ｉｎ＿Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ＿Ｓａｍｐｌｅｓ）」、ネイチャーフォトニクス（ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ）２，１１０−１１５（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の光学系の不利点は、ホログラムの記録に数分を要することである。特に、医療分野では、対象物の起こり得る運動を補償するために共役ビームをより速く生成する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、方法には、サンプル照射ビームを用いて半透明媒体を照射する工程と、媒体によって散乱された散乱光を電子イメージセンサに導く工程と、が含まれる。本方法には、更に、既知の特性を有する参照光ビームを提供する工程と、参照光ビーム及び散乱光が電子イメージセンサ上に干渉パターンを形成するように、参照光ビームを電子イメージセンサに導く工程と、が含まれる。干渉パターンの数値表現が、デジタル式に記録される。干渉パターンの数値表現から、共役ビームの特性が算出される。共役ビームは、散乱光の共役である。本方法には、更に、算出された特性を有する共役ビームを生成する工程と、この共役ビームを半透明媒体に導く工程と、が含まれる。
【０００７】
本方法には、更に、サンプル照射ビームからの光を選択的に散乱させるべく、半透明媒体における特徴部にタグを付与する工程を含み得る。或る実施形態では、共役ビームを生成する工程には、更に、既知の特性を有する再照射ビームが、構成変更可能な光学素子を介して導かれるときに、共役ビームを生成すべく、構成変更可能な光学素子をプログラミングする工程と、既知の特性を有する再照射ビームを構成変更可能な光学素子を介して導く工程と、が含まれる。サンプル照射ビーム、参照光ビーム、及び再照射ビームは、同一の光源から生成し得る。再照射ビームは、平面波であり得る。再照射ビームは、ガウスビームであり得る。構成変更可能な光学素子には、空間光変調器を含み得る。構成変更可能な光学素子には、音響光学偏向器を含み得る。構成変更可能な光学素子には、電気光学変調器を含み得る。
【０００８】
或る実施形態では、共役ビームを生成する工程には、更に、既知の特性を有する再照射ビームが、構成変更可能な光学素子から反射されるときに、共役ビームを生成すべく、構成変更可能な光学素子をプログラミングする工程と、既知の特性を有する再照射ビームを構成変更可能な光学素子から反射させる工程と、が含まれる。再照射ビームは、平面波であり得る。再照射ビームは、ガウスビームであり得る。構成変更可能な光学素子には、空間光変調器を含み得る。構成変更可能な光学素子には、音響光学偏向器を含み得る。構成変更可能な光学素子には、電気光学変調器を含み得る。
【０００９】
或る実施形態では、共役ビームの出力は、散乱光の出力より大きい。共役ビームは、干渉パターンの数値表現を生成してデジタル式に記録するのに必要な時間よりも長い時間、半透明媒体に向かって導かれる。本方法には、更に、共役ビームが半透明媒体に向かって導かれるときに、サンプル照射ビーム及び参照光ビームを消す工程が含まれる。或る実施形態では、媒体によって散乱された散乱光には、サンプル照射ビームとほぼ同一の方向に伝播する光が含まれる。或る実施形態では、媒体によって散乱された散乱光には、媒体から反射された光が含まれる。算出された特性を有する共役ビームを生成する工程には、単一の光変調装置を用いて共役ビームを生成する工程が含まれる。算出された特性を有する共役ビームを生成する工程には、２つの同期した変調装置を用いて共役ビームを生成する工程が含まれる。
【００１０】
或る実施形態では、半透明媒体は、生物組織であり、本方法には、更に、生物組織内における特定の構造体にタグを付与する工程であって、タグを付与された構造体が、タグを付与されていない周辺の組織によって散乱されるよりも多くの光を選択的に散乱させ、また、その結果、共役ビームによって、タグを付与されていない周辺の組織よりも強く照らされるように、タグ付けする工程が含まれる。特定の構造体にタグを付与する工程には、癌細胞にタグを付与する工程を含み得る。本方法には、更に、共役ビームを介して、細胞に対して有害な光照射量でタグを付与された癌細胞を照射する工程を含み得る。
【００１１】
他の実施形態によれば、光学系には、半透明媒体に導かれるサンプル照射ビームを生成する光源と、半透明媒体から散乱された散乱光が導かれる電子イメージセンサと、が含まれる。本光学系には、更に、既知の特性を有する参照光ビームであって、散乱光と参照光ビームとの干渉によって、電子イメージセンサに干渉パターンが形成されるように、電子イメージセンサに導かれる参照光ビームがさらに含まれる。本光学系には、更に、干渉パターンのデジタル表現を電子イメージセンサから記録するようにプログラムされ、また、散乱光の共役である共役ビームの特性をデジタル表現から算出するようにプログラムされた処理ユニットが含まれる。本光学系には、更に、処理ユニットの制御下で共役ビームを生成するように構成された光学装置が含まれる。電子イメージセンサには、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサを含み得る。電子イメージセンサには、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサを含み得る。共役ビームの算出された特性には、振幅情報及び位相情報を含み得る。半透明媒体に再度導かれた共役ビームの出力は、散乱光の出力より大きいもので
あり得る。共役ビームは、干渉パターンの数値表現を生成して記録するのに必要な時間よりも長い時間、半透明媒体に再度導き得る。
【００１２】
或る実施形態では、媒体によって散乱された散乱光には、サンプル照射ビームとほぼ同一の方向に伝播する光が含まれる。媒体によって散乱された散乱光には、媒体から反射された光を含み得る。光学装置は、空間光変調器であってよく、処理ユニットは、更に、既知の特性を有する再照射ビームが空間光変調器に入射するときに、空間光変調器を構成して共役ビームを生成するようにプログラムしてよい。空間光変調器は、透過時に動作し得る。空間光変調器は、反射時に動作し得る。空間光変調器は、光の振幅及び位相の双方を変調する単一の装置であり得る。空間光変調器には、２つの同期した変調装置を含み得る。光学装置には、音響光学偏向器を含み得る。構成変更可能な光学素子には、電気光学変調器を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に基づく光学系を示す図。
【図２】ホログラムを記録するために構成された図１の光学系を示す図。
【図３】散乱媒体を再照射するために構成された図１の光学系を示す図。
【図４】干渉パターンを記録するために構成された別の実施形態例に基づく光学系を示す図。
【図５】媒体を再照射する構成において図４の光学系を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、一実施形態に基づく光学系１００を示す。レーザ１０１は、濁った又は半透明な媒体１０３に入射するサンプル照射ビーム１０２を生成する。媒体１０３は、例えば、光を容易に透過するが通過する光を散乱させる皮膚組織等の生体媒体であり得る。媒体１０３内の一定の部位１０４は、それらの部位が、周辺の組織より多量の光を選択的に散乱するように、タグを付与され又はラベルを付与され得る。例えば、公知の技術を用いて、金属ナノ粒子で媒体１０３内の癌細胞にタグを付与し得る。
【００１５】
サンプル照射ビーム１０２が媒体１０３を通過した後、サンプル光１０５が生成される。サンプル光１０５には、媒体１０３によって散乱された散乱光が含まれる。散乱は、ランダムに見えるが、実際には決定論的であり、媒体１０３内における特定の特徴部に起因する。サンプル光１０５は、電子イメージセンサ１０６に導かれる。例えば、サンプル光１０５が、半反射鏡１０７から反射され得る。図１には示さないが、１つ又は複数のレンズ又は他の光学素子を媒体１０３とセンサ１０６との間に置いて、例えば、サンプル光１０５の拡散を抑制してよい。
【００１６】
電子イメージセンサ１０６には、好適には、複数の感光性部位によるアレイ状の感光性部位であって、これらの感光性部位は、それらの部位に当たる光の強度に比例する割合で電荷を生成する。これら感光性部位は、画素と呼ぶことがある。通常の撮像動作では、各画素に付随する電荷はクリアされ、そして、画素が所定の露光時間の間、露光される。高輝度の光を受光するそれらの画素は、より低高輝度の光を受光する画素より多くの電荷を蓄積する。露光時間が経過すると、電荷は、電荷結合素子等の記憶部位に移動する。シャッタ１０８を閉じて、センサ１０６内への更なる電荷蓄積を防止し得る。そして、電荷は、例えば、読み出し回路やアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器の助けを借りて、電子イメージセンサから移動させて計測し得る。結果的に生じる数値の配列は、デジタル画像とも呼称し得るが、露光時間中、センサ１０６に当たる光の分布を表す。
【００１７】
電荷結合素子が含まれる電子イメージセンサ１０６は、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサとしても知られている。他の種類の光センサ、例えば、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯ
Ｓ）センサも同様に用いることができ、このセンサは、読み出しのために、電荷をセンサ外に移動させる必要がない。科学計測用ＣＭＯＳ（ｓＣＭＯＳ）センサを用いてもよい。
【００１８】
光学系１００では、更に、参照光ビーム１０９が、電子イメージセンサ１０６に供給される。参照光ビーム１０９の特性、例えば、その振幅及び位相分布は、既知である。参照光ビーム１０９は、鏡１１０、１１１、及び１１２によって、サンプル照射ビーム１０２から得られるが、これらにより供給された参照光ビーム１０９も半反射鏡１０７を通過し、センサ１０６に到達する。サンプル光１０５及び参照光ビーム１０９は、干渉して、電子イメージセンサ１０６の表面に干渉パターン、即ち、ホログラムを生成する。センサ１０６及び関連する回路が、干渉パターンの数値表現をデジタル式に記録するために用いられる。記録が完了した後、サンプル照射ビーム１０２は、例えば、シャッタ１１７を用いて遮断して、媒体１０３に到達しないようにしてよい。
【００１９】
処理ユニット１１３は、センサ１０６と通信状態にあり、干渉パターンの数値表現を受信する。また、処理ユニット１１３は、数値表現の生成も支援し得る。例えば、処理ユニット１１３には、センサ１０６からの情報をデジタル化するために用いられるＡ／Ｄ変換器を含み得る。処理ユニット１１３は、例えば、適切にプログラムされたコンピュータシステムであり得る。処理ユニット１１３は、サンプル光１０５と共役である光の特性を干渉パターンの数値表現から算出する。そのような算出は、当業者に公知である。例えば、処理ユニット１１３は、サンプル光１０５と共役である光の振幅及び位相分布を算出し得る。
【００２０】
更に、光学系１００には、任意の振幅及び位相特性を光に付与し得る空間光変調器１１４等の構成変更可能な光学素子が設けられている。しかしながら、空間光変調器１１４は、本発明の実施形態に用い得る構成変更可能な光学素子の一例である。構成変更可能な光学素子は、音響光学偏向器、電気光学変調器、又は他の種類の装置又は装置の組合せを利用し得る。空間光変調器は、例えば、装置に入射する光の振幅及び位相を変調し得るアレイ状の液晶装置であり得る。そのような装置は、当業者に知られており、また、既知の特性を有する光が供給されると、液晶装置の寸法にも部分的に影響されるが、多種多様な所望の光特性に近い光を生成することができる。或る実施形態では、空間光変調器１１４は、二次元光形状の振幅及び位相の双方を変調し得る単一の装置である。他の実施形態では、２つの正確に整合した空間光変調装置をコンピュータ及び電子回路の制御下で同時に同期して用いて、振幅及び位相変調を行うことができる。
【００２１】
処理ユニット１１３は、空間光変調器１１４と通信状態にあり、そして、事前に算出された特性の共役ビームを生成するように空間光変調器１１４を構成する。平面波ガウスビーム、又は既知の特性を有する他の適当な光であり得る再照射ビーム（reillumination beam）１１５が、空間光変調器１１４に供給され、空間光変調器１１４は、その波を所望
の共役ビーム１１６に変調する。再照射ビーム１１５は、サンプル照射ビーム１０２からの光を、例えば、鏡１１８及び１１９を用いてサンプル照射ビーム１０２の一部の方向を変えて得られる。シャッタ１２０又は他の手段を設けて、例えば、センサ１０６による干渉パターンの記録中に、再照射ビーム１１５を遮断し得る。
【００２２】
図２は、干渉パターンを記録するための構成の光学系１００を示す。この構成において、シャッタ１１７は、開いており、このためサンプル光１０５は、センサ１０６に到達する。シャッタ１２０は、閉じられており、このため空間光変調器１１４に到達する波はない。
【００２３】
図３は、媒体１０３の再照射の構成の光学系１００を示す。この構成において、シャッタ１１７は、閉じられ、サンプル照射ビーム１０２が媒体１０３に直接到達するのが防止
される。シャッタ１２０は、開いており、このため再照射ビーム１１５は、空間光変調器１１４に到達し、共役ビーム１１６が生成される。共役ビーム１１６は、サンプル光１０５の共役であり、また、サンプル光１０５に整合されていることから、共役ビーム１１６は、サンプル光１０５の光線経路を逆方向に戻る光束であると考えてよい。即ち、共役ビーム１１６の光は、光が散乱されてサンプル光１０５が生成された媒体１０３中の場所や特徴部に伝播する。このことは、サンプル光１０５を整形又は修正するために用いられる追加のレンズや他の光学素子が存在する場合でも、共役ビーム１１６がさらに追加の光学素子を伝播する限り、当てはまる。そのような素子の影響は、センサ１０６によって読み出される干渉パターンに存在し、従って、共役ビーム１１６において補正される。
【００２４】
干渉パターンの記録、共役ビーム特性の算出、及び空間光変調器１１４又は他の種類の構成変更可能な光学素子の構成は、非常に迅速に、例えば、コンマ何秒で達成し得ることから、本光学系は、その散乱が特徴付けられた後、極めて迅速に媒体１０３を再照射できる。この光学系１００の準実時間の態様は、特に、医療分野において有用であり得る。例えば、媒体１０３は、サンプル照射ビーム１０２からの光を選択的に散乱するようにタグを付与された癌細胞を有する皮膚であり得る。可能な治療は、タグを付与された癌細胞を、例えば、熱生成（熱分解）、たんぱく質不活性化、又は音波生成により癌細胞に対して有害である光照射量で、しかも、その周辺の細胞に害を与えない程低い光照射量で選択的に照射することであり得る。好適には、対象細胞は、周辺の細胞より非常に多くの光を、理想的には少なくとも１００倍以上の光を散乱させる。そのような治療が成功するか否かは、癌細胞の位置の正確な同定、そして、細胞又は媒体が動く前の、放射線による迅速なその後の照射に依存し得る。この治療方法は、対象部位を絞った放射光線を生物組織に１０ミリメートル以上の深さまで伝播させるのに効果的であると予想される。
【００２５】
１つの動作モードにおいて、媒体１０３を再照射するために用いられる光（共役ビーム１１６によってに供給された光）は、サンプル光１０５を特徴付けるために用いられる光量より高い線量のものである。例えば、一旦、サンプル光１０５が特徴付けられると、より高いレーザ出力が再照射ビーム１１５に供給され、後続の共役ビーム１１６を供給し得るが、これにより、共役ビーム１１６の出力は、サンプル光１０５の出力より更に大きい光線となる。このように、タグを付与された細胞には、媒体１０３が移動する前に、より高い光照射量を選択的に与えることができる。他の動作モードにおいて、共役ビーム１１６は、単に、干渉パターンの数値表現を生成し記録するために必要な時間よりも長い時間、供給され得る。他のモード又は用途では、共役ビーム１１６の出力は、サンプル光１０５の出力より大きいものであったり、干渉パターンの数値表現を生成し記録するために必要な時間よりも長い時間、供給したりする必要はない。
【００２６】
媒体１０３又はこの媒体１０３の内部の特定の細胞に適度な移動が予想される場合に、光学系１００は、周期的に使用される。例えば、対象の細胞が移動するため、それらの細胞の位置の特徴付けが１秒間だけしか充分に正確でないと予想される場合に、媒体１０３は、１秒間未満の間で、特徴付けられ再照射され得る。その際、媒体１０３は、再度特徴付けされ、そして、別の再照射期間が設けられる。この周期は、必要ならば、繰り返してよく、任意の適切な間隔で繰り返し得るが、この間隔は、他の実施形態例では、１秒間より短くても長くてもよい。繰り返し最大速度は、共役ビームを如何に速く算出し生成できるかによって支配される。媒体１０３の対象部位を絞った位置への光の供給精度は、用いられる光学素子の品質、デジタルイメージセンサの画素サイズ、及び空間光変調器の特性によって部分的に支配される。
【００２７】
光学系１００の動作については、次のように数学的に記述し得る。媒体１０３の散乱特性は、以下の散乱行列によって表わすことができる。
【００２８】
【数１】
0005597712.tif 000002
サンプル照射ビーム１０２が下式によって記述される（サンプルへの入射は、片側からのみであるため）場合、
【００２９】
【数２】
0005597712.tif 000003
媒体１０３によって散乱された後のサンプル光１０５は、下式によって記述される。
【００３０】
【数３】
0005597712.tif 000004
記録後、処理ユニットは、ｂ２＝Ｓ２１ａ１の干渉及び既知の参照光ビームに関する情報を有する。共役ビーム１１６の特性を算出した後、処理ユニットは、空間光変調器が生成すべき種類の光に関する情報を有し、これは、下式で表わすことができる。
【００３１】
【数４】
0005597712.tif 000005
この式中の値は、全て複素数であり、サンプル光が振幅及び位相の双方で特徴付けられることを示す。共役ビーム１１６は、媒体１０３によって再度「散乱され」、結果的に生じる光は、下式で表わすことができる。
【００３２】
【数５】
0005597712.tif 000006
上式において、Ｃは、媒体１０３における吸収及び本光学系中の他の損失を説明するための係数である。Ｃがスカラー量であると仮定すると、Ｓ１２＝Ｓ２１であることから、
【００３３】
【数６】
0005597712.tif 000007
であり、これは、共役ビーム１１６が、本質的にサンプル光１０５の通った跡を辿ることを示す。
【００３４】
他の実施形態において、本光学系は、反射モードで動作し得る。上述した実施形態において、サンプル光１０５は、部位１０４から散乱した後、媒体１０３中を移動し、照射ビーム１０２とほぼ同じ方向に伝播する。それらの実施形態において、サンプル光には、前方散乱から生じた光が含まれている。図４は、代替例の光学系４００を示すが、光学系４００では、サンプル光１０５には、部位１０４から反射された光及び照射ビーム１０２のほぼ逆方向に伝播する光が含まれる。本実施形態において、サンプル光１０５には、後方散乱から生じた光が含まれる。他の反射光、例えば、側方散乱を用いる光学系を想定することができる。図４は、センサ１０６における干渉パターンを記録するために構成された光学系４００を示す。この構成では、シャッタ１１７及び１０８は開いており、シャッタ１２０は、閉じている。
【００３５】
サンプル照射ビーム１０２は、半反射鏡１１０を通過する。サンプル照射ビーム１０２の一部は、第２半反射鏡４０１にぶつかり、第２半反射鏡４０１は、同第２半反射鏡に入射する光の一部の進路を変えて、センサ１０６に向かう参照光ビーム１０９を形成する。サンプル照射ビーム１０２の別の一部は、鏡１１０を通過し、もう１つの半反射ビームスプリッティング鏡４０２にぶつかる。鏡４０２は、透過する光より多くの光を反射し得る。例えば、鏡４０２は、その鏡４０２に入射する光の約８０乃至９０パーセントを反射し、約１０乃至２０パーセントを反射し得る。（少量の光が吸収される場合もある。）透過対反射の他の比率を用いることもできる。例えば、鏡４０２は、名目上半反射性であり得る。サンプル照射ビームの透過した一部は、媒体１０３に伝播し、そこで、その一部は、反射されて、サンプル光１０５を形成する。媒体１０３内における特定の部位１０４は、媒体１０３の他の部位と比較して、選択的に光を反射し得る。
【００３６】
サンプル光１０５は、半反射鏡４０２に再度到り、サンプル光１０５の一部が反射される。サンプル光１０５は、オプションとして、撮像光学装置４０３を通過し得るが、これにより、サンプル光１０５の発散を抑制し得る。そして、サンプル光１０５は、別の半反射鏡４０４にぶつかる。鏡４０４は、反射する光より多くの光を透過し得る。例えば、鏡４０４は、それに入射する光の約８０乃至９０パーセントを透過し、約１０乃至２０パーセントを反射し得る。透過対反射の他の比率を用いることもできる。例えば、鏡４０４は、名目上半反射性であり得る。鏡４０４によって透過されたサンプル光１０５の一部は、開いたシャッタ１０８を通過し、電子センサ１０６に到達する。干渉パターンが、センサ１０６に到達するサンプル光１０５の一部と参照光ビーム１０９との干渉によって、センサ１０６に形成される。センサ１０６及び関連する回路は、干渉パターンの数値表現をデジタル式に記録するために用いられる。記録が完了した後、サンプル照射ビーム１０２は、例えば、シャッタ１１７を用いて、媒体１０３に到達しないように遮断し得る。処理ユニット１１３は、干渉パターンの数値表現を受信し、共役ビームの特性を算出する。例えば、処理ユニット１１３は、センサ１０６から受信された、サンプル光１０５の共役である光の振幅及び位相分布を算出し得る。
【００３７】
図５は、媒体１０３を再照射する構成の光学系４００を示す。この構成において、シャッタ１１７は、サンプル照射ビーム１０２が媒体１０３に直接到達するのを防止するために閉じられる。処理ユニット１１３は、空間光変調器１１４と通信状態にあり、空間光変
調器１１４又は他の構成変更可能な光学装置を構成して、予め算出された特性の共役ビームを生成する。再照射ビーム１１５は、平面波、ガウスビーム、又は他の適切な光であってよいが、空間光変調器１１４に供給され、この空間光変調器１１４は、その波を所望の共役ビーム１１６に変調する。再照射ビーム１１５は、サンプル照射ビーム１０２から導き出し得るが、例えば、鏡１１１、１１８及び１１９を用いて、サンプル照射ビーム１０２の一部の進路を変更して導き出し得る。シャッタ１０８は、センサ１０６から反射された参照光ビーム１０９を全て阻止するために閉じるのが好ましい。
【００３８】
既に述べたように、共役ビーム１１６は、サンプル光１０５の通った跡を辿り、従って、サンプル照射ビーム１０２からの光を反射した媒体１０３の一部を再照射する。共役ビーム１１６は、サンプル光１０５より高い、等しい、又は、低い出力であり得る。或る実施形態では、共役ビーム１１６は、干渉パターンの数値表現を生成して記録するのに必要であった時間よりも長い時間、供給してよい。
【００３９】
上述した実施形態には、透過時動作し、空間光変調器１１４を通過する光を変調する空間光変調器１１４が含まれる。当業者は、この光学構成は、反射によって動作し空間光変調器から反射する光を変調する空間光変調器の用途のために容易に再構成し得ることを認識されるであろう。反射モード空間光変調器は、米国マサチューセッツ州ウーバン（Ｗｏｂｕｒｎ）の「ケンブリッジ研究＆計装（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ＿Ｒｅｓｅａｒｃｈ＿ａｎｄ＿Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）」から入手可能である。反射モード空間光変調器は、バーテルズ（Ｂａｒｔｅｌｓ）らの米国特許Ｎｏ．７，５７６，９０７号明細書にも記載されており、この特許は、本明細書に引用・参照し、本明細書の全ての目的に供する。
【００４０】
本明細書に添付された請求項において、語「ａ」又は「ａｎ」（不定冠詞）は、「１つ又は複数」を意味するものとする。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（が含まれる、を含む）」及び、その変体、例えば、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（が含まれる、を含む）」や「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（が含まれる、を含む）」は、ステップ又は要素の列挙に先行する場合に、更なるステップ又は要素の追加が選択自由であり除外されないことを意味するものとする。本発明について、明瞭に理解することを目的に、ここまで詳細に述べた。しかしながら、当業者は、何らかの変更や修正を添付の請求項の範囲内において行い得ることを認識されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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