(57)【要約】  本発明は、調節可能な回折格子及び略同様の仕組みを有する調節可能な位相シフタなどの様々な光学活性素子（１，２０，２２）に関する。光学活性素子（１，２０，２２）は、駆動手段に対して機械的に相互接続される変形可能な材料から形成される中間層（４）を備えている。駆動手段は、中間層（４）の両側に互いに略対向して配置され且つ中間層（４）を部分的に覆う第１及び第２の駆動プレート（２，３）を備え、これにより、駆動プレート（２，３）による中間層（４）の局部的な圧縮が厚さの局部的な減少を第１の方向で引き起こす。この第１の方向での減少は、中間層の第２の方向での二次的な変形を引き起こし、その結果、光学活性素子の光学的挙動の変化がもたらされる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な材料から形成され且つ第１及び第２の駆動プレート（２，３）に対して機械的に相互接続される中間層（４）を備え、前記第１及び第２の駆動プレートが、前記中間層（４）の両側に互いに略対向して配置されるとともに、前記中間層（４）を部分的に覆い、これにより、前記駆動プレート（２，３）による前記中間層（４）の局部的な圧縮が、前記中間層（４）の厚さ（Ｂ）の局部的な減少を第１の方向（ｘ）で引き起こすとともに、前記中間層（４）の材料のポアソン比によって少なくとも１つのそれに関連する中間層（４）の二次的な変形を第２の方向（ｙ，ｚ，ｄｒ）で引き起こし、前記二次的な変形が光学活性領域（５）の光学的挙動の変化を引き起こす、光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項２】
前記第１及び第２の駆動プレート（２，３）が第１及び第２の電極であり、第１及び第２の電極（２，３）が、第１及び第２の電極（２，３）間に電圧（Ｖ）が印加されるときにクーロン力（Ｆｃ）に起因して第１及び第２の電極（２，３）が互いに引き付け合うように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項３】
前記電極（２，３）のうちの少なくとも一方がカーボンブラックから構成されることを特徴とする、請求項２に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項４】
前記中間層（４）が、前記中間層（４）が動作中に平面（ｙ，ｚ）から変形しないように予め伸長された態様で保持手段（６）に対して取り付けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項５】
前記保持手段（６）が円形又は正方形の開口を有し、この開口内に前記中間層（４）が配置されることを特徴とする、請求項４に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項６】
前記電極（２，３）が前記光学活性領域（５）の側方に配置されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一項に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項７】
前記中間層（４）が１００ｎｍ〜１５０μｍの範囲の厚さ（Ｂ）を有していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項８】
前記中間層（４）が１０μｍ〜５００ｍｍの範囲の直径を有していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項９】
前記駆動プレート（２，３）によって覆われていない中間層（４）の領域が、材料のポアソン比により中間層（４）の第１の方向（ｘ）の圧縮に関連する調整可能な直径を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１０】
調整可能な直径を有する領域が、調整可能な格子周期（ｄ）を有する回折格子（５）を備えることを特徴とする、請求項９に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１１】
前記回折格子（５）がフレスネルレンズであることを特徴とする、請求項１０に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１２】
前記回折格子（５）が、射出成形された材料又はスピンコーティングされた材料又はスタンピング加工された材料から構成されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１３】
前記駆動プレートによって覆われない前記中間層（４）の光学活性領域（５）が、透明であるとともに、材料のポアソン比により中間層（４）の第１の方向（ｘ）の圧縮に関連する調整可能な厚さ（Ｂ）を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１４】
前記光学活性領域（５）が位相シフト要素として作用することを特徴とする、請求項１３に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１５】
前記光学活性領域（５）が可変焦点を有するレンズとして作用することを特徴とする、請求項１３に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１６】
前記レンズが、２つの箔状領域（１４）によって画定されるレンズ形状チャンバ（１６）を備えることを特徴とする、請求項１５に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１７】
前記レンズ形状チャンバ（１６）が、周囲環境よりも高い屈折率を有する材料で満たされていることを特徴とする、請求項１６に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１８】
前記レンズ形状チャンバ（１６）が液体で満たされていることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項１９】
前記回折格子（５）が、前記中間層（４）の表面に形成され、あるいは、前記中間層（４）の表面に対して別個の要素として取り付けられていることを特徴とする、請求項９に記載の光学活性素子（１，２０，２１）。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの光学素子（１，２０，２１）を備える顕微鏡。
【請求項２１】
前記顕微鏡（５０）がレーザビーム（４７）を備え、このレーザビームによってレーザ（５１）が回折格子（１）へと方向付けられ、前記回折格子によって前記レーザビーム（４７）が幾つかの偏位された回折最大部（４８，４９）へと分解され、それにより、試料の構造化照明が行なわれることを特徴とする、請求項２０に記載の顕微鏡（５０）。
【請求項２２】
前記幾つかの分解されたレーザビーム（４８，４９）のうち４つが、光軸（４６）の周囲に回転対称に配置されることを特徴とする、請求項２１に記載の顕微鏡（５０）。
【請求項２３】
前記顕微鏡がテレセントリック（５０）ビーム系であることを特徴とする、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の顕微鏡（５０）。
【請求項２４】
前記顕微鏡（５０）の光学照明経路が、レーザビーム（４７）を形成するための第１のレンズ（６５）と、形成されたレーザビームを前記第１のレンズ（６５）の後で分解するための回折格子（１）と、分解されたレーザビーム（４８，４９）を前記回折格子（１）の後で収束させるための第２のレンズ（６３）と、分解されたレーザビーム（４８，４９）を光軸（４６）と平行に配置するための第３のレンズ（５９）とを備えることを特徴とする、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の顕微鏡（５０）。
【請求項２５】
顕微鏡（５０）の光学照明経路がラムダ１／２波長板（５２）と位相シフタ（５３）とを備えることを特徴とする、請求項２４に記載の顕微鏡（５０）。
【請求項２６】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の光学素子（１，２０，２１）を形成するための方法であって、
ａ）中間層（４）を２００％〜３００％伸長させるステップと、
ｂ）予め伸長された中間層（４）を保持手段（６）に対して取り付けるステップと、
ｃ）中間層（４）を少なくとも部分的に覆う電極（２，３）を中間層（４）の両側に付設するステップと、
を備える方法。
【請求項２７】
前記中間層（４）に対して格子（５）が付設されることを特徴とする、請求項２６に記載の光学素子（１，２０，２１）を形成するための方法。
【請求項２８】
前記格子（５）が、スピンコーティング、又は、射出成形、又は、熱成形によって形成されることを特徴とする、請求項２７に記載の光学素子（１，２０，２１）を形成するための方法。
【請求項２９】
前記電極（２，３）が、スタンピング加工され及び／又は噴射され及び／又はコーティングされ及び／又はコンタクト印刷されるカーボンブラック粉末から構成されることを特徴とする、請求項２６又は２７に記載の光学素子（１，２０，２１）を形成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば適応光学素子及び顕微鏡における位相シフタ及び透過格子などの調節可能な光学活性素子の分野にある。
【発明の背景】
【０００２】
回折格子は、その表面が等しく離間される細かい溝又は刻線を含む反射基板又は透明基板から構成される光学素子である。光が回折格子に入射すると、回折作用及び相互干渉作用が起こり、光は、次数と呼ばれる別個の方向で反射され或いは透過される。格子は、それらの分光特性により、モノクロメータ及びスペクトロメータにおいて一般に使用される。これらのデバイスは、１８２１年にドイツ物理学者Ｊｏｓｅｐｈ  ｖｏｎ  Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒによって最初に製造された。
【０００３】
回折格子は、数十年にわたって研究題目であった。当初は、格子の構造及び機能的原理が主要な興味であった。近年では、それらの物理的挙動を変えることができる調節可能な回折格子が一般的になってきた。主要題目のうちの１つは、大きな調節範囲がどのように達成され得るかということであった。新たなミクロ機械加工技術と組み合わされる熱心な研究活動は、幾つかのタイプの調節可能回折格子をもたらした。これらの調節可能な回折格子の例は、コムドライブに基づく調節可能格子又は機械回転格子の異なる実現である（Ａ．Ａｚｚａｍ  Ｙａｓｓｅｅｎ等  “Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｃａｎｎｅｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍｏｔｅｒｓ’’，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ／Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １９９９参照）。これらの格子のうちの幾つかは商業的に成功した製品で使用されるが、これらは、しばしば、それらの調節範囲が制限され、あるいは、多くの高価な製造ステップを必要とする。
【０００４】
従来の回折格子は、通常、変形できない硬質材料に基づいている。これらの材料は、格子の形状を変えることを不可能にする。したがって、これらの格子を調節させることができる唯一の可能性は回転である。従来技術の解決法が示すように、格子の回転は、ミクロシステムにおける実施が困難な高価な機械システムを伴う。近年、この問題が扱われ、また、それを解決しようとする幾つかの試みが企てられた。コムデバイス又は圧電アクチュエータに基づく調節可能な回折格子が開発された。そのようなデバイスは、複雑な製造プロセスに起因して高い投資を必要とし、あるいは、比較的小さい調節範囲しか達成しない。これは、主に、格子の実施のために使用される硬い材料に起因する。
【０００５】
調節可能な回折格子は従来技術から知られている。そのようなデバイスの１つの例は、高分子基板（すなわち、ＰＤＭＳ）に基づき且つ熱膨張に起因してその形状を変える回折格子である（Ｂａｒｔｏｓｚ  Ａ．Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ等  “Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｉｃ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  ｍｅｄｉａ’’，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ  １９９９参照）。同じ研究者は、外的な機械的圧力の印加によって調節される他の調節可能回折格子を開発した（Ｂａｒｔｏｓｚ  Ａ．Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ等  ’’Ｂｅａｍ  ｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ’’，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１４，１０  Ｍａｙ  １９９９参照）。機械的圧力は、２つの平行なガラスプレートによって回折格子を備える高分子の層に対して印加される。機能原理に起因して、両方の解決策は、例えばそれらを小型化することができないという欠点を有している。
【０００６】
Ｔａｐａｎｉ  Ｌｅｖｏｌａによる米国特許第２００４／０１０９２３４号（ＵＳ’２３４）は、２００４年に公開され、電気的に変形可能な回折格子構造を使用して光波を操作するための光学デバイスに関するものである。電気的に調節可能な回折格子は、異なる誘電定数を有する２つの材料の界面で電場の存在下において力が生じるという物理的作用に基づいている。この作用は、格子の回折挙動を調節させるために使用されるべく提案されている。
【０００７】
Ｃｕｒｔｉｓ  Ｋｅｖｉｎによる米国特許第２００２／０１８６９２８号（ＵＳ’９２８）及び欧州特許第１４７３７３号は、２００２年に公開され、波長分割多重通信システムにおいて１つ以上のチャンネルを加え或いは下げるための調節可能な光学デバイスについて記載している。調節可能な光学デバイスは１つ以上のフィルタを備えており、少なくとも１つのフィルタは少なくとも１つのエラストマーと１つ以上の格子とを備えている。エラストマーは、高分子であり、当該高分子にわたって印加される電圧の変化に伴って或いは特定の波長の光が高分子から回折され又は高分子を通じて透過されるときに拡張・収縮する。このデバイスは、交互屈折率パターンに基づくホログラフィック格子から構成される。この格子は、電圧が印加されるときにその厚さを変えるエラストマー内で具現化される。１つの欠点は、格子が交互屈折率の固定されたパターンに基づいているという点である。
【０００８】
Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ等による米国特許第６９３０８１７号（ＵＳ’８１７）は、２００４年に公開され、様々な電極を有する活性層を含む可変変調器アセンブリを開示している。変形可能な層が活性層の第１の表面に作動接触している。複数の電極を有する電極構造が活性層の第２の表面に作動接触している。コントローラは、電極構造の選択された電極に対して可変信号を選択的に印加するように構成されている。可変信号の印加により、変形可能な層は、別個の山及び谷を有する交互形状へと再構成する。山と谷との間の距離は、印加される可変信号の値によって決定される。光変調法において、可変変調器アセンブリは、変形可能な層で光源から光を受けるように位置される。コントローラによる電極構造の活性化が可変信号を生成し、それにより、帯電が引き起こされて、活性化された電極に対応するパターンへと変形可能な層が歪められる。
【０００９】
Ｓｃｈｒａｄｅｒによる米国特許第６９０３８７２号（ＵＳ’８７２）は、２００２年に公開され、少なくとも第１の電極構造に対向する誘電性の透明粘弾性材料から構成される層の使用に基づく電気的に再構成可能な光学デバイスについて記載している。この発明によれば、粘弾性層を変形させるための第１の電極構造における個々の電極領域の配置は、以下の代案のうちの１つに適合する。第１の代案によれば、第１の電極構造の電極領域が２つ以上の隣接する電極領域から構成されるグループに分類され、上記各グループ内で、個々の電極領域に対してそれぞれ実質的に異なる電圧が供給される。第２の代案によれば、第１の電極構造の電極領域は、略環状、楕円、矩形、又は、多角形のクローズドループ電極である。この発明は、例えば、電気的に再構成可能なブレーズド回折格子又はフレネルゾーンレンズの形成を可能にする。
【００１０】
Ｌａｕｄｅ等による米国特許第３９４２０４８号（ＵＳ’０４８）は、１９７６年に公開され、圧電基板を備える光学格子アセンブリに関するものである。圧電基板は、２つの対向する面上で金属層を支持する。また、基板のこれらの面のうち一方は、その面に形成される格子、その面によって支持される金属層に形成される格子、あるいは、その面によって支持される樹脂層に形成される格子を支持する。金属層間での可変電圧の印加は、基板内に可変強度の電場を形成し、また、これにより、基板の圧電性に起因して格子のピッチを変えることができる。この格子が基板の圧電効果に依存するという事実に起因して、限られたピッチ変化だけが可能となり、したがって、大きな調節範囲が得られない。更なる困難は、そのようなデバイスの形成が比較的高価であるという点にある。
【００１１】
Ｇｅｒｒｉｔｓｅｎによる米国特許第４８５０６８２号（ＵＳ’６８２）は、１９８９年に公開され、回折格子について記載している。回折格子は、所与の入射角度範囲内で回折格子に入射する放射線に応答して、入射放射線を構造体から比較的限られた範囲内の選択された方向へ向け直す。液晶材料が少なくとも１つの回折構造の回折面と接触して位置される。不活性化時、液晶材料は、回折構造の屈折率とほぼ同じ屈折率を有する。活性時、液晶材料の屈折率は実質的に異なり、それにより、所与の入射角度範囲内で入ってくる放射線は、構造を透過され、選択された方向で出る。
【００１２】
Ｔｒｅｘ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｃｏｒｐ．のＷＯ９９４８１９７（ＷＯ’１９７）は、１９９９年に公開され、取り付けられた或いは一体に形成された回折格子を有する圧電基板について記載している。格子と平行な圧電基板に対して電場が印加されると、圧電アクチュエータが格子を伸張させ、それにより、周期性及び回折角度が変化する。１つの問題は、電極が格子の側方に配置されるという点にある。これにより、デバイスを小型化することが不可能になる。
【００１３】
Ｓｉｅｍｅｎｓ  Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔの国際公開第２００５０８５９３０号（ＷＯ’９３０）は、２００５年に公開され、例えば両凸レンズとして構成され得る適応光学素子に関するものである。素子は、電気活性高分子層と幾つかの側方層電極とから構成される高分子アクチュエータを有している。層電極が異なる電圧に晒され、それにより、高分子層の変形に影響を与える電場の電界強さの勾配を生み出す。例えば描かれた両凸レンズなどのほぼ任意の状態の変形を達成できることが記載されている。しかしながら、レンズは、あまり正確でないように見える。
【００１４】
ＷＯ’９３０では、“Ｓｍａｒｔ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２００１’’，Ｖｏｌ．４３２９において公表された論文について言及されており、この論文は、円形フレームの開口内に配置される伝記活性高分子を備える膜アクチュエータについて記載している。膜の両側に配置された電極に対して電圧が印加されるという点で、膜の表面を改質することができる。膜がフレーム内に緩い態様で取り付けられるため、膜は、その表面が印加電圧に起因して増大されると弛み始める。それにより、膜を通じて進行するビームに影響を与えることが可能になる。
【００１５】
前述した従来技術のデバイスは、製造に高い費用がかかるだけでなく、透過形態において実用的ではないという欠点を有する。しかしながら、ＵＳ’９２８により知られるデバイスは、特定の用途では透過格子として使用できるが、波長フィルタとしてしか使用できず、また、光操向デバイスとして使用できない。
【発明の概要】
【００１６】
本発明は、例えば調節可能な回折格子、調節可能な光透過位相シフタ、調節可能なフレスネルレンズ、又は、調節可能なレンズなどの光学活性素子のデバイス及び方法に関する。
【００１７】
格子の基本的な特性は、（以下で示されるように）回折の角度が入射光の波長及び格子の周期によって決まることである。したがって、格子は、入射光をその単色成分へと空間的に分ける。すなわち、格子は、分光的であり、白色光照明下で多種多様の色を形成する。これは、視覚的にプリズムの作用に類似しているが、メカニズムは異なっている。回折の原理は１００年以上にわたって知られており、多くの市販の回折要素（例えば、Ｚｅｉｓｓ，Ｔｈｏｒｌａｂｓ，Ｅｄｍｕｎｄ  Ｏｐｔｉｃｓ）が存在する。
【００１８】
従来の回折格子は、大部分は、変形不可能な材料に基づいている。したがって、製造中に刻み込まれる周期的な構造を変えることができない。そのため、格子方程式ｎ・ｓｉｎ（Θｍ）−ｎｉ・ｓｉｎ（Θｉ）＝ｍλ／ｄにしたがって、入射角度Θｉを変えることにより、これらの格子を調節させることしかできない。格子方程式において、Θｍはｍ次回折角度を表わしており、ｎｉは入射媒体屈折率であり、ｎは回折次数が伝搬している媒体の屈折率であり、λは入射光の波長を示しており、ｄは格子の周期である。従来技術とは異なり、本明細書に開示される発明は、更に詳しく後述するように、簡単で且つ費用効率の高い態様で格子の周期を変えるための方法及びデバイスを提供する。
【００１９】
光学素子における更なる必要性は、例えば光ビームの位相を容易にシフトさせることができる光学素子にある。光が媒体を貫いて進行するとき、その波長は媒体の屈折率に反比例して減少する。λ＝λ０／ｎ．ここで、λは媒体中での光の波長を表わし、λ０は真空中での光の波長を表わし、ｎは媒体の屈折率である。屈折率ｎを有する媒体を貫いて光がｌの距離を進行する場合には、真空中で進行するビームと比べてφ＝２π（ｎ−１）ｌ／λの位相遅延がもたらされる。媒体の厚さがΔｌの値だけ変えられる場合には、２つのビーム間の位相差がΔφ＝２π（ｎ−１）Δｌ／λだけ変わる。以下の説明から明らかになるように、本明細書に開示される発明は、容易な費用効率の高い態様で光の位相をシフトさせることができる方法及びデバイスを提供する。
【００２０】
以下、調節可能な回折格子の第１の実施形態及びその後の調節可能な光透過位相シフタの実施形態について更に詳しく説明する。
【００２１】
調節可能な回折格子の一般的な仕組み及び反射型の調節可能な回折格子を伴う実施形態が同じ発明者の欧州特許出願第０６００２４１１．１に記載されており、その優先権が本明細書で主張されていることに留意すべきである。
【００２２】
一般に、例えば調節可能な回折格子などの本発明に係る光学活性素子は、一般に、駆動手段によって作動される例えばエラストマー材料から構成される半透明な或いは半透明でない変形可能な中間層を備えるアクチュエータを備えており、それにより、アクチュエータの特定の領域では、中間層の横方向の拡張及び／又は厚さが調整可能になる。適用分野に応じて、エラストマー中間層は、デバイスの性能を高めるために予め伸張された態様で周囲の保持フレーム内に配置されてもよい。一実施形態において、駆動手段は、一般に中間層の両側に互いに対向して配置される第１及び第２の駆動プレートとしての機能を果たす第１及び第２の電極を備えている。電極は、電流の負の流れを回避するために、互いに対して十分に電気的に絶縁されて配置される。第１及び第２の電極間に電圧を印加することにより、第１及び第２の電極間の領域にある中間層をクーロン力に起因して電圧印加により圧縮させることができ、それにより、局部的な変形（厚さの減少）が第１の方向で引き起こされるとともに、少なくとも１つのそれに関連する二次的な変形（拡張）が第２の横方向で引き起こされる。一般に、第２の変形は、中間層の材料のポアソン比によって第１の変形に関連付けられる。一実施形態において、変形可能な格子は、変形可能な中間層に対して直接的に或いは間接的に相互接続される。それにより、回折格子の変形は、一般に、中間層の変形に関連付けられ、主に、材料のポアソン比によって一次変形に関連付けられる二次的な横方向の変形に起因して得られる変形に関連する。しかしながら、更なる変形が重ね合わされてもよい。更なる実施形態では、例えばスタンピング加工、熱変形、又は、成形によって、格子が中間層の表面に一体化される。しかしながら、これらの実施形態は、性能に関して特定の制限を有する。
【００２３】
回折格子又はフレネルレンズなどの光学素子は、通常、１ミリメートル当たりのライン又は溝密度で表わされるそれらの周期（溝密度）によって特徴付けられる。溝の寸法及び周期は、対象の波長及び達成されるべき効果に準じていなければならない。格子の使用が最も一般的な光学素子において、これは、一般に、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長に対応している（これは可視光範囲であり、例えば１０ｎｍ〜１０μｍなどの他の範囲も可能である）。溝密度は、一般に、１ミリメートル当たり数十個の溝〜数千個の溝と様々である。周期的構造（溝）の形状は格子の効率を決定する。例えば、格子は、三角形断面を有する或いは丸い球から構成される直線状の溝によって形成することができる。あるいは、格子は、球形状又はピラミッド形状の規則的なパターンによって形成することができる。例えばフレネルレンズにおいては他の形状が可能である。
【００２４】
従来技術の回折格子は幾つかの制限を受ける。１つの主要な問題は、複雑な巨視的回転機構又は高価で複雑な微視的機械アクチュエータを使用しなければ回折格子が連続的に調節可能でないという事実である。１つの理由は、標準的な調節可能格子における硬質材料（シリコン）の使用である。これらの材料の剛性は、格子周期を大きく変えることを不可能にする。
【００２５】
本発明は、エラストマーなどの比較できるほどに軟らかい材料の助けによってこの問題を克服するが、柔軟な材料に基づく回折格子の形成は一般に新しい考えではない。熱又は外圧を使用することによって格子をどのように調節させることができるかについて記載する幾つかの利用可能な報告がある（例えば、Ｂａｒｔｏｓｚ  Ａ．Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ等  “Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  ｍｅｄｉａ’’，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ  １９９９  又は  Ｂａｒｔｏｓｚ  Ａ．Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ等  “Ｂｅａｍ  ｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ’’，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１４，１０  Ｍａｙ  １９９９）。
【００２６】
しかしながら、従来技術からは、電気活性高分子アクチュエータ、特にエラストマーアクチュエータを使用することによって格子を調節させることが知られていない。電気的調節は、現在公知の方法と比べてかなりの利点を有している。加熱又は冷却による調節は、非常に遅く、制御が難しい。また、外圧による調節は小型デバイスに組み入れることが難しい。
【００２７】
また、回折格子と圧電セラミックとの組み合わせは従来技術からも知られているが、実験により、そのようなデバイスが限られた光学調節範囲しか有さないことが明らかになった。これは、主に、圧電セラミックを用いて達成され得る限られた歪み（＜０．３％）に起因する。
【００２８】
透明アクチュエータ及び格子領域を通過し或いは反射型格子又は半透明格子上に示される入射白色光は、格子の横方向変形及び格子周期に応じて特定の角度で発せられる異なる放射線の成分に分割される。格子周期の変化により、光の成分が異なる角度で発せられる。電極、すなわち、カーボンブラックから形成される電極に対して電圧が印加されると、電極間にある変形可能なエラストマー材料がクーロン力に起因して圧縮される。材料のポアソン比、すなわち、０．４９９のポアソン比に起因して、第１の方向での圧縮は、第２の方向での平面的な拡張をもたらす。電極領域のこの横方向の拡張により、予め伸張された高分子に対して機械的に相互接続される格子領域が平面方向で収縮する。この収縮（圧縮）が格子周期の変化をもたらし、それにより、ｍ次回折の角度が増大する。変形可能材料がエラストマー材料から構成される与えられた例において、５３２ｎｍの波長における回折角度の変化は、２０ｍｒａｄ〜１００ｍｒａｄを越える。
【００２９】
本発明の一実施形態において、アクチュエータ及び適切な場合には格子は、少なくとも１つの変形可能な材料において実施される。そのような実施の１つの利点は、格子周期方向でのより高い線形歪みである。これは、格子が大きな調節範囲（圧電セラミックアクチュエータ材料に基づく任意の既知の実施よりも約１５０倍高い）を達成できるという効果を有する。本発明の更なる利点は、製造プロセスが非常に低コストであり、簡単であり、高速であるという点である。幾つかの複雑なミクロ機械加工プロセスを必要とするこれまでのシステム（すなわち、コムドライブ駆動の調節可能な格子）とは異なり、本発明の好ましい実施形態の製造は、相対的に安価な市販材料、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン、幅広く使用されるシリコン系有機ポリマー）、カーボンブラック、又は、３Ｍ  ＶＨＢ４９１０、３Ｍ  ９４６０アクリルエラストマー、Ｅｌａｓｔｏｓｉｌ  ６２５、及び、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）又はＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）などのコーティング金属を必要とするが、これは製品の選択だけである。
【００３０】
例えばコーティング材料のような比較的柔軟性がない材料が使用される場合、あるいは、電極においては、少なくとも１つの方向で向上された横方向柔軟性が得られるように柔軟性がない材料に対して特定の形状を適用することにより、向上された柔軟性が達成されてもよい。良好な結果は、主に曲げに起因する横方向変形を可能にする波状の蛇腹型折り畳み状の進展によって達成されてもよい。一実施形態において、蛇腹型折り畳み状の進展は、格子自体の結果である。更なる実施形態において、蛇腹型折り畳み状の層は、非変形状態で、鋭い縁部又は特定の半径の混合体又は一連の相互接続された半円によって相互接続される真直ぐな側壁を伴う波状断面を有している。
【００３１】
本発明に係る格子及び位相シフタは小型化することができ、これは、例えば、小さいピクセルを有するディスプレイを形成するため或いは顕微鏡で使用されるために重要である。回折格子は、回折格子毎に１０ラインに至るまでの良好な回折特性（波長分離）を有する。このことは、理論的に１０×１０μｍ２の分解能（最も小さい格子サイズ）を得ることができることを意味している。更なる利点は、機械的衝撃が面内にある（回転格子構造と同様ではない）という点である。
【００３２】
本発明に係る調節可能な回折格子の実施形態は、以下のステップを備える手続きによって得られてもよい。
１．特定の量だけ、例えば２００％〜３００％だけ、前述したように高分子テープ（中間層として作用するエラストマー材料）を伸張させるステップ；
２．予め伸張された高分子膜を、保持手段、例えば囲繞フレームに対して取り付けるステップ；
３．例えば、スタンプ又はスプレー／コーティング又はコンタクト印刷によって表面上にカーボンブラック粉末が印刷されるという点で、高分子膜の両側に電極を付設するステップ；
４．高分子から構成される変形可能な格子を、電極に隣接する高分子膜の表面の少なくとも１つに対して付設するステップ。
【００３３】
特定の適用分野では、中間層として作用する高分子膜は、変形可能な格子が高分子膜上に取り付けられる前に特定の量だけ予め伸張され、その後、高分子膜及び変形可能な格子は、それらが囲繞保持手段に取り付けられ且つ電極が付設される前に再び伸張されるのが有利であることが分かった。高分子膜が２００％だけ伸張され、その後、変形可能な格子が付設されて、高分子膜及び変形可能な格子が全体で３００％まで伸張され、その後、電極が付設されて高分子膜が保持手段に対して取り付けられるという点で、向上された光学的効率が得られてもよい。
【００３４】
本発明に係る調節可能な回折格子の第２の実施形態は、以下のステップを備える手続きによって得られてもよい。
１．高分子膜中に格子を成形するステップ；
２．高分子膜及び格子を特定の度合いまで伸張させるステップ；
３．予め伸張された高分子膜を保持手段、保持手段、例えば囲繞フレームに対して取り付けるステップ；
４．例えば、スタンプ又はスプレー／コーティング又はコンタクト印刷によって表面上にカーボンブラック粉末が印刷されるという点で、高分子膜の両側に格子を囲繞する電極を付設するステップ。
【００３５】
一実施形態において、アクチュエータの中間層は、所定のファクタだけ、すなわち、３００％×３００％のファクタだけ伸張され、それにより、６２．５μｍの膜厚ｔが得られるとともに、４０ｍｍの外径及び３０ｍｍの開口を有するリング形状の保持手段上に装着される。５ｍｍの幅及び２０ｍｍの直径を有する２つの円形の柔軟なカーボンブラック電極は、カーボンブラックコーティングされたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）スタンプを使用することによってコンタクト印刷される。カーボン電極は、適切な電圧源に対する相互接続を可能にする金属電極に対して接続されてもよい。
【００３６】
変形可能な格子は、例えば、成形によって達成されてもよく、あるいは、コーティング流体、例えば高分子コーティング流体が、マスターグリッドを備えるウェーバの表面上にスピンコーティングされるという点で達成されてもよく、あるいは、マスターグリッドを備える表面上に流体が加えられ、その後、コーティング流体が均等に分布されるまでウェーバが特定の速度で回転されるという点で達成されてもよい。コーティング流体の硬化後、マスターグリッドを備える表面から変形可能なグリッドをマスターグリッドの正確な画像として除去することができる。その後、変形可能な格子が、格子のための基板としての機能を果たす変形可能材料から形成される高分子膜に対して付設される。適切な場合には、半透明材料から電極を形成することができ、あるいは、例えば気化によって異なる態様で電極を付設することができる。
【００３７】
一実施形態において、回折格子は、格子を支持して所定位置に保持するための基体としての機能を果たす前述したようなエラストマーなどの変形可能な半透明材料の層の上面に組み込まれ或いは当該上面に対して相互接続される。格子の溝間の距離を決定する二次的な横方向の変形（面内層変形）は、変形可能な材料がその層面に対して垂直な一次方向で少なくとも部分的に変形される（圧縮される）という点で達成されてもよく、その場合、変形比率は材料のポアソン比によって決定される。利用される層材料及び層の形状及び支持に応じて、かなりの透過比率を得ることができる。横方向変形が特定の材料のポアソン比に関連付けられるため、何の層材料が使用されるのかが関係する。良好な結果は、ＰＤＭＳ（Ｗａｃｋｅｒ  Ｅｌａｓｔｏｓｉｌ  ＲＴ６２５）又は３Ｍ  ＶＨＢテープなどの材料によって利用できる。ＰＤＭＳは、一般に、０．５のポアソン比を有しており、ＶＨＢは０．４９９のポアソン比を有している。
【００３８】
一次方向で変形を形成する好ましい方法は、クーロン力によるものである。変形可能な材料の層は、通常は光学デバイスの光軸に対して同軸な互いに対向してほぼ配置される上側電極と下側電極との間に少なくとも部分的に配置される。電極間に電圧を印加することにより、電極がクーロン力によって互いに引き付け合い、それにより、変形可能な材料の層は、第１の方向に圧縮される（一次変形）とともに、横方向に面内で拡張する（二次変形）。変形は、変形可能な材料のポアソン比によって定められる。回折格子の光学活性素子は、変形可能な材料の層と一体化され或いは当該層に対して相互接続され、それにより、変形が回折格子の周期的な構造（形状の周期性）に影響を及ぼす。この変形を妨げないように、回折格子及び電極はそれぞれ、それ自体が特定の段階まで変形可能でなければならない。これは、例えば、それが少なくとも一方向で横方向変形を可能にする蛇腹型折り畳み状の或いは鋸歯状の断面を有するという点で達成され得る。これに代えて或いはこれに加えて、電極は、中間層の表面にスタンピング加工され或いは印刷されるカーボンブラックなどの導電粉末材料から形成することができる。適切な場合には、電極が半透明材料から形成されてもよい。
【００３９】
これに代えて或いはこれに加えて、回折格子は、互いの距離を調整できるように支持されて結合される硬質の光学活性素子を備えていてもよい。例えば、回折格子は、互いに隣接して位置合わせされ且つ柔軟材料の層上に直接的に或いは間接的に結合される導電材料（例えば、金又は他の金属）の薄いバンドから構成される。
【００４０】
本発明に係る調節可能な回折格子は、顕微鏡、ディスプレイ、光源、カメラなどの多くの技術分野において、あるいは、光を異なるチャンネル間で切り換える必要がある通信システムにおいて適用されてもよい。本発明は、簡単且つ安価に製造できるため、また、提案されたデバイスを用いて大きな調節範囲を得ることができるため、多くの商業的用途における可能性を有している。１つの可能性は、例えば米国特許２００４１０９２３４に記載される用途に類似する画像表示デバイスにおけるビーム拡大器としての使用である。また、それは、単色光源として使用することもできる。白色光が格子上に照らされると、光はその単色成分へと分けられる。この単色光はディスプレイデバイスにおいて使用され得る。そのようなディスプレイの１つの利点は、表示される色が従来技術のディスプレイデバイスの色域に制限されないという点である。
【００４１】
無論、本発明は、ビーム切り換えが必要とされる通信用途で使用される可能性も有している。１つの用途は、光学系における調節可能な回折格子としての使用である。また、調節可能な回折格子は、形状変化する格子／構造に晒されるときの異なる系（生物系）の挙動を調べるための実験装置として使用されてもよい。本発明に係る回折格子は、例えば、ハンドヘルドコンピュータ、携帯情報端末デバイス（ＰＤＡ）、携帯電話、デジタルビデオ、カメラ、又は、高性能調節可能回折格子を使用する任意のデバイスにおいてフレネルレンズの形態で適用されてもよい。
【００４２】
良好な結果は、アクチュエータとして使用される電気活性高分子によって得られる。電気活性高分子は、電圧又は電流が印加されるときにその形状が変えられる高分子である。圧電セラミック又は形状記憶合金を備えるアクチュエータは、周知であり、幾つかのデバイスで適用される。この１０年間、電気活性高分子（ＥＡＰ）に基づく新たなタイプのアクチュエータが高い関心を引いてきた。ＥＡＰは、それらが特定の範囲で同様に自然筋としての特性を有しているため、将来有望である。これは、哺乳類の動きが模倣されるロボット用途においてそれらのＥＰＡを非常に興味深くする。また、これは、ＥＡＰがしばしば人工筋肉と呼ばれる理由でもある。今日知られるＥＡＰは、３８０％までの歪みを生じることができる。ＥＡＰは、一般に、２つの異なるクラスに分けられてもよい。
【００４３】
ＥＡＰの第１のクラスは、電極間の静電気力によって作動が引き起こされる誘電電気活性高分子（ＤＥＡＰ）として要約され得る。電極は、一般に、変形可能な高分子材料の両側で互いに対向して配置される。電圧が印加されると、対向する電極が互いに引き付け合い、電極間に配置された高分子材料が圧縮される。ポアソン比に起因して、圧縮材料が垂直方向（横方向）に拡張する。この種の電気活性高分子は、比較的大きな作動電圧及び匹敵する低い電力消費量によって特徴付けられる。妨害応力を減少させるため、電極が変形可能に形成され及び／又は電極が例えばリング形状構造を有して変形可能材料を部分的にのみ覆うことが有益である。一実施形態において、基体は、別個の横方向収縮挙動を伴う誘電エラストマーアクチュエータを備えている。そのようなエラストマーは、人工筋肉としても知られている。格子は、例えば接着によってそのような誘電エラストマーアクチュエータの制御可能に変形できる表面に対して相互接続されてもよく、あるいは、上記表面中に組み込まれてもよい。格子は基体に対して変形される。
【００４４】
格子周期を変えて格子の角度を変えない利点は、簡単な実施であり、また、−ｍ次及び＋ｍ次がそれらの角度を等しく変えるという事実である。これは、幾つかの他の用途間で、調節可能な構造化照明顕微鏡（後述する）での使用を可能にする。また、そのようなシステムは、安価な天然色ディスプレイ及び小型調節可能スペクトロメータにおいて或いはビジュアルディスプレイにおけるエクスパンダとして使用され得る。調節可能な透過格子は、技術的観点から既存の製品よりも性能が優れているだけでなく、商業的に非常に魅力的でもある。製造において使用される材料が安価なだけでなく、高分子が優れた光学特性も示す。透過率測定によれば、例えば、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲内で１％未満の光が１ｍｍ厚層によって吸収されることが分かった。他の主要な利点は簡単な製造プロセスである。実施形態に応じて、２つ或いは３つの製造ステップが必要とされる。
【００４５】
本発明の一実施形態は、互いに対して第２の横方向に変位可能な距離を隔てて配置される光学活性素子を有する調節可能な回折格子を備えている。光学活性素子は、変形可能な材料から形成される層に対して機械的に相互接続され、それにより、第２の横方向に対して略垂直な第１の方向での層の変形は、光学活性素子の相対的な距離及び／又は周期的な構造の変化を引き起こす。横方向の変形は、通常、層材料のポアソン比によって第１の変形に関連付けられる。好ましい実施形態において、変形可能な材料から形成される層は上側電極と下側電極との間に配置され、これらの電極は、電圧が電極間に印加されるときにクーロン力によって層を圧縮する。一般に、上側電極の長さは、少なくとも１つの横方向で調整可能であり、また、上側電極は、層が上側電極の横方向の変形を横方向でもたらすように、層に対して機械的に相互接続される。適用分野に応じて、光学活性素子は、鋸歯状、ｓ形状、又は、ｖ形状の断面を有していてもよいが、他の形状も可能である。例えば、光学活性素子は、互いに隣接して横方向に配置され且つそれらの相対距離を調整できるように変形可能材料から形成される基体によって支持される材料の薄いストリップから構成される。適切な場合には、材料の薄いストリップが電極としての機能を果たしてもよい。光学活性素子は、ピラミッド状又は球状の要素を備えていてもよく、また、それらの相対的距離を調整できるように変形可能材料から形成される基体によって支持されてもよい。更なる実施形態は、本明細書で説明される調節可能な回折格子の配列を備えていてもよい。
【００４６】
本明細書に開示される発明は、前述した透過格子と略同様の仕組みを有するいわゆる位相シフタとして作用する光学素子を提供できる可能性を与える。光が媒体を貫いて進行するとき、その波長は媒体の屈折率に反比例して減少する。λ＝λ０／ｎ．ここで、λは媒体中での光の波長を表わし、λ０は真空中での光の波長を表わし、ｎは媒体の屈折率を示す。屈折率ｎを有する媒体を貫いて光がｌの距離を進行する場合には、真空中で進行するビームと比べてφ＝２π（ｎ−１）ｌ／λの位相遅延がもたらされる。媒体の厚さがΔｌの値だけ変えられる場合には、２つのビーム間の位相差がΔφ＝２π（ｎ−１）Δｌ／λだけ変わる。
【００４７】
本発明に係る位相シフタの一実施形態は、例えば１．７９の屈折率を有する３Ｍによる市販のＶＨＢ３４１０テープなどのエラストマー透明材料に基づいている。波長λ＝４８８ｎｍにおいて、位相シフトはΔφ［ｒａｄ］＝２π（１．９７−１）Δｌ［ｎｍ］／４８８［ｎｍ］に等しい。
【００４８】
本発明に係る位相シフタの一実施形態において、弾性材料から構成される層は、少なくとも部分的に囲繞する保持手段の開口内に配置される。第１及び第２の電極は、弾性材料の層の両側に互いに対向して配置されるとともに、少なくとも１つの絶縁層によって互いに対して電気的に絶縁される。一実施形態において、弾性材料の層は、３Ｍによって提供される特定の屈折率ｎを有するＶＨＢ４９１０アクリルテープなどの誘電アクリルエラストマー膜から構成される。２つの電極間に電圧が供給されるという点で、電極はクーロン力に起因して互いに引き付け合い、それにより、電極間にある弾性材料の層は、その厚さが変化するように圧縮される。
【００４９】
電極が透明材料から形成される場合には、電極の領域が位相シフタとして作用してもよい。
【００５０】
位相シフタの一実施形態において、電極は、弾性材料の層の光学活性領域に隣接する弾性材料層を部分的に覆っている。２つの電極間に電圧が印加されるという点で、２つの電極間の弾性材料は、電極間を引き付けるクーロン力に起因して圧縮される。電極間の弾性材料のポアソン比に起因して、当該弾性材料は、光学活性領域の材料を制御された態様で面内圧縮する電極間のクーロン力に対して略垂直に変形される。この二次的な面内変形に起因して、光学活性領域は、材料のポアソン比により、その厚さの増大を受ける。良好な結果を得るため、弾性材料の層は、予め伸張された態様で特定の張力下において保持手段内に配置され、それにより、面内圧縮が例えば負の力に起因して面外変形をもたらさない。光学活性領域の厚さの変化は、材料の屈折率ｎに起因して、光学活性領域を通過する光ビームの位相変化をもたらす。適用分野及び囲繞保持手段に応じて、電極が異なる形状を有していてもよい。例えば、電極は、開口を有して或いは環状の規則的な又は不規則な形状を有して保持手段に沿って（等距離で）配置される。また、電極は、弾性材料の層の上面に隣接して配置されてもよく及び／又は弾性材料の層内に少なくとも部分的に埋め込まれてもよい。
【００５１】
本明細書に記載される発明は、添付の特許請求の範囲に記載される発明に対する限定と見なされるべきでない添付図面及び以下で与えられる詳細な説明更に十分に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
図１〜図６は、本発明に係る光学素子１の第１の実施形態、ここでは半透明の調節可能な回折格子１を概略的に示している。図１は回折格子１を非変形状態で示しているが、図４は同じ回折格子１を変形状態で示している。図２は、線ＡＡに沿って図１に係る回折格子の中心を通るｘｚ平面に沿う断面を示している。図５は、線ＣＣに沿って図４に係る回折格子の中心を通るｘｚ平面に沿う断面を示している。図３は図２の詳細Ｂを示しており、図６は図５の詳細Ｄを示している。
【００５３】
回折格子１は、半透明中間層４を取り囲む上側及び下側電極２，３と、光学活性格子領域５とを備えている。電極２，３は、駆動手段１５の駆動プレートとしての機能を果たし、制御された態様で中間層４を局部的に圧縮する。本明細書に示される実施形態において、格子領域５は、後に例えば接着又は溶着によって中間層４上に取り付けられる変形可能材料から別個の要素として形成される。適切な場合には、格子領域５は、例えばそれが中間層４の側面に埋め込まれるという点で、中間層４の一部となり得る。図示のように、中間層４は、ここでは、非変形状態において一定の厚さＢを有しており、囲繞保持手段（保持フレーム）６の開口７内の所定位置に予め伸張された態様で保持される。電極２，３は、ここでは環状構造を有して中間層４の両側に互いに対向して配置される。また、これらの電極は、保持手段５から等しい距離をもって配置される。電極２，３及び機能的に相互接続された中間層４は、制御された態様で格子領域５を変形するためのアクチュエータ８を形成している。
【００５４】
図４〜図６に概略的に示されるように、電極２，３間に電圧Ｖが印加されると、電極２，３がクーロン力Ｆｃにより互いに引き付け合い、それにより、電極２，３間の領域で中間層４が第１の方向（ｘ方向）に局部的に圧縮し、その結果、非変形状態（Ｂ）と比べて局部的に減少された厚さＢ’がもたらされる。
【００５５】
２つの柔軟電極２，３間に電圧Ｖが印加されると、エラストマー電極界面で増大する電荷に起因して、電界圧ｐ＝εε０（Ｖ／ｔ）２が生じる。ε０は自由空間の誘電率と見なされ、εは誘電エラストマーの誘電定数である（例えば、ＶＨＢのεは約３．２１である）。電界圧は、材料歪みをもたらす応力を引き起こす。したがって、電圧の印加は、厚さの圧縮、及び、それに関連するエラストマー膜の平面方向での局部的な伸長をもたらす。この平面伸長は、機械的に相互接続される高分子回折格子へと伝えられ、格子周期の変化をもたらす。これにより、回折角度が変化する。中間層の材料のポアソン比に起因して、電極２，３間にある圧縮材料の横方向の、図示の実施形態では回転対称な拡張が、矢印ｄｒによって示されるように（ここでは、径方向に）起こる。その結果、電極２，３によって径方向で取り囲まれる中間層４の領域及びこれに相互接続される格子領域５が径方向に、ここでは回転対称に圧縮する。それにより、格子周期ｄ（図３参照）が図６に示されるように異なる値ｄ’へと変化し、これにより、回折格子１の光学的挙動が変化する。更なる効果は、中間層４の局部的な厚さがＢ’’まで増大することにある。この効果は、図７〜図１４にしたがって更に詳しく説明するように、位相シフト光学素子に関与する。言うまでもなく、格子周期ｄ（Ｖ＝０），ｄ’（Ｖ≠０）は印加電圧Ｖの関数である。
【００５６】
光学デバイス１の回折格子５は、異なる光学的作用をもたらす異なる格子パターンを備えることができる。格子パターンが平行な直線溝から構成されるという点で、デバイスは、調節可能な回折格子としての機能を果たす。格子パターンが同心溝から構成されるという点で、デバイスは、調整可能なフレスネルレンズとしての機能を果たす。
【００５７】
良好な結果は、中間層４が４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長において１％未満の吸収を伴うＶＨＢ４９１０などの柔軟で変形可能な材料から構成されるという点で得られる。誘電エラストマー材料から形成される中間層４を使用することが好ましい。これは、最大３８０％の範囲の大きい歪みが可能だからである。更なる利点は、匹敵する高い電気機械効率、及び、中帯域幅〜高帯域幅（１ｋＨｚを越える）を達成できる可能性である。したがって、これらのアクチュエータは、格子周期を１０％〜３００％の範囲で変えるために使用できる。例えば、光軸１１（ｘ方向）に沿って進行してアクチュエータ８及び格子領域５を通過する入射白色光１０は、格子５の横方向の変形によって画成される格子周期ｄに応じて特定の第１の角度α１，α２で発せられる異なる波長の成分１２，１３に分けられる。格子周期ｄ’を変えることにより、光の成分が異なる角度β１，β２で発せられる。変形可能な材料がエラストマー材料から構成される与えられた実施例では、５３２ｎｍの波長における回折角の変化が２０ｍｒａｄ〜１００ｍｒａｄ以上となる。電極、すなわち、カーボンブラックから形成される電極に対して電圧が印加されると、電極間にある変形可能なエラストマー材料が圧縮される。材料のポアソン比、すなわち、０．４９９のポアソン比に起因して、第１の方向での圧縮が第２の方向での平面的な拡張をもたらす。電極領域のこの拡張により、予め歪みがかけられた同じ高分子に対して機械的に相互接続される格子領域が平面方向に圧縮する。この圧縮が格子周期の減少をもたらし、それにより、ｍ次回折の角度が増大する。
【００５８】
図７は、本発明に係る位相シフタ２０の機能的原理を概略的に説明している。入射光１０が媒体（中間層）４を貫いて進行すると、その波長が媒体の屈折率に反比例して減少する。λ＝λ０／ｎ。ここで、λは媒体４中での光の波長を表わしており、λ０は真空中での光の波長であり、ｎは媒体４の屈折率を示している。光が屈折率ｎを有する中間層４の媒体（図８〜図１５参照）を通じてＢの距離を進行した後に媒体を出ると、真空中で進行するビームと比べてφ＝２π（ｎ−１）Ｂ／λの位相遅延がもたらされる。媒体４の厚さがΔＢだけ変化する場合には、２つのビーム間の位相シフトΔΦがΔφ＝２π（ｎ−１）ΔＢだけ変化する。
【００５９】
本発明に係る位相シフタ２０は、一般に、前述したようなエラストマー透明材料に基づく調節可能な回折格子に類似する仕組みを有している。１つの想定し得る材料は、既に述べた市販の３ＭのＶＨＢ３４１０タイプである。この材料は１．７９の屈折率を有している。したがって、先に与えられた位相シフタのための式を用いると、波長λ＝４８８ｎｍにおいて、位相シフトはΔΦ［ｒａｄ］＝２π０．７９ΔＢ／０．４８８［ｍｉｃｒｏｎｓ］に等しい。
【００６０】
図８〜図１１は第１の実施形態の位相シフタ２０を示しており、また、図１２〜図１５は第２の実施形態の位相シフタ２１を示しており、これらはいずれも前述したような誘電高分子アクチュエータ８に基づいている。図８は、電圧が電極２，３に対して印加されていないとき（Ｖ＝０）の非変形状態における第１の実施形態の位相シフタ２０を示している。図９は、図８の線ＤＤに沿って第１の実施形態２０を貫くｘｚ平面に平行な断面を示している。図１０は、電圧（Ｖ≠０）が電極２，３に対して印加されるときの変形状態における第１の実施形態を示している。図１１は、図１０の線ＥＥに沿って第１の実施形態２０を貫くｘｚ平面に平行な断面を示している。図１２は、電圧が電極２，３に対して印加されていないとき（Ｖ＝０）の非変形状態における第２の実施形態の位相シフタ２１を示している。図１３は、図１２の線ＦＦに沿って第２の実施形態２１を貫くｘｚ平面に平行な断面を示している。図１４は、電圧（Ｖ≠０）が電極２，３に対して印加されるときの変形状態における第２の実施形態２１を示している。図１５は、図１４の線ＧＧに沿って第２の実施形態２１を貫くｘｚ平面に平行な断面を示している。図８〜図１１に係る第１の実施形態と図１２〜図１５に係る第２の実施形態との間の違いは、主に、第１の実施形態の電極２，３が中間層４上に配置され且つ第２の実施形態の電極２，３が中間層の内部に配置されるという点にある。両方の位相シフタの機能は原則的に同じである。両方の実施形態２０，２１において、アクチュエータ８は、誘電エラストマーアクチュエータ８のコアを形成する例えばＶＨＢ４９１０アクリルタイプ、ＶＨＢ４９６０又はＥｌａｓｔｏｓｉｌ  ６２５などのエラストマー膜（中間層）４を備えている。
【００６１】
この例の中間層４は、例えば３００％×３００％のファクタだけ予め歪みが加えられており、それにより、膜厚ｔが約６２．５μｍとなる。その後、中間層４は、３０ｍｍの直径を有する内孔７を持つ外径が４０ｍｍのリングホルダ上に装着される。次に、ここで、２ｍｍ〜５ｍｍの幅及び２０ｍｍ〜２８ｍｍの直径を有する円形の環状カーボンブラック電極が、カーボンブラックコーティングされたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）スタンプを使用して互いに対向してコンタクト印刷される。カーボン電極２，３は、高電圧デバイスへの接続を可能にする金属電極（詳しく図示せず）に対して接続される。
【００６２】
電圧源９によって電圧Ｖが電極２，３に対して印加されると、電極２，３間のエラストマーがクーロン力Ｆｃに起因して電極２，３によって圧縮される。これにより、電極間の領域における中間層４の厚さがＢからＢ’へと減少される。中間層４の材料のポアソン比、例えば０．４９９のポアソン比により、圧縮は、ｙｚ平面と平行な横方向ｄｒ（ここでは、径方向）の平面的な拡張を引き起こす。電極２，３間にある中間層４のこの拡張は、中間層の透明中央領域９の横方向圧縮をもたらす。この横方向の圧縮は、材料のポアソン比に起因して透明領域９の厚さのＢからＢ’’への局部的な増大を引き起こす。したがって、電圧Ｖを印加することにより、位相シフタ２０，２１を通じた光ビームの伝送経路の長さをＢからＢ’’へと変えることができる。
【００６３】
本発明に係る位相シフタ２０，２１の性能は、４８８ｎｍの波長の２ビームレーザ干渉計を用いて測定された。位相シフタ２０，２１は、１つのビーム（ビーム直径が１ｍｍ〜５ｍｍの間で変えられた）の光路中へ挿入されるとともに、電極２，３間に電圧Ｖを印加することにより調節された。最初に、位相シフト膜４の光学的な品質が検査された。このため、２つのレーザビームを干渉させ、その後、生成されたパターンが、位相シフタを伴い及び伴わずに顕微鏡を用いて観察された（干渉縞の形状及び真直度）。干渉パターンの構造が変化しなかったため、膜の厚さ変化がλ／５未満であると結論付けられた。
【００６４】
印加電圧Ｖと位相シフトΔΦとの間の依存関係がＣＣＤカメラによって測定された。この場合、干渉パターンの動きが記録された。一連の画像の比較により、図１６に示される電圧−位相シフト依存関係が得られた。電圧を０から４ｋＶまで変化させると、１６波長の位相遅延が生じる（１周期の位相シフトが１波長（２πラジアン）の遅延に対応する）。この例では、出力の多項式２．３を用いて図１６に示されるグラフを近似することができる。
【００６５】
本明細書に記載される位相シフタ２０，２１は、任意の光ビーム経路中へ挿入することができ、それにより、顕微鏡検査、光データ送信、分光分析、及び、位相シフトデバイスを必要とする任意の他の光学用途における光学テーブルでの実験用途に適するようになる。また、それは非常に正確に調整可能であり、製造が安価であり、また、構造（サイズ、形状、調節レンジ）を所定の要件に容易に適合させることができる。例えば、レーザ顕微鏡検査では、光のコヒーレンスが問題を引き起こす。光学系において常に存在する反射は、照明領域の均一性を低下させる干渉縞を生み出す。照明を改善するため、いわゆる光スクランブルを使用することができる。光スクラブルは、画像取得時間中にサンプルにわたって局部干渉パターンを掃引することにより当該局部干渉パターンを破壊する。本発明に係る位相シフタ２０，２１は、それがＡＣ電圧を用いて駆動されるときにこの問題を解決することができる。位相シフタは、オシレーションモードにおいて、干渉の効果が画像取得時間にわたって平均するようにレーザ光の出力位相を絶えず変える。位相シフタは、光源としてレーザを使用する任意の広視野顕微鏡において光スクランブラとして実施され得る。
【００６６】
続いて、顕微鏡、特に内部全反射顕微鏡（ＴＩＲ−顕微鏡）における位相シフタ及び調節可能回折格子の適用例が与えられる。過去２０年間にわたって、内部全反射蛍光顕微鏡（ＴＩＲＦ−顕微鏡）は、細胞生物学者のための選択方法になった（Ｓｃｈｎｅｃｋｅｎｂｕｒｇｅｒ，Ｈ．，Ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｎｏｖｅｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｏｐｉｎｉｏｎ  ｉｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５．１６（１）：ｐ．１３−１８．；Ａｘｅｌｒｏｄ，Ｄ．，Ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｃｅｌｌ  ｂｉｏｌｏｇｙ，ｉｎ  Ｂｉｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｐｔ  Ｂ．２００３，ＡＣＡＤＥＭＩＣ  ＰＲＥＳＳ  ＩＮＣ：Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ．Ｐ．１−３３参照）。ＴＩＲＦ技術は、カバースリップに対して数百ナノメートル内に位置される蛍光分子の選択的励起を可能にする。今までに、この方法は、膜の動力学、エンドサイトーシス、エキソサイトーシスを調査する研究、タンパク質輸送などの研究において数多くの用途を見出してきた。ＴＩＲＦ技術の基礎は、内部全反射（ＴＩＲ）の効果に基づいている。
【００６７】
異なる反射率ｎ１，ｎ２を有する２つの媒体の界面において、密度の高い媒体（反射率ｎ１）内を進行する光は、界面で内部全反射を受けることができる。ＴＩＲは、いわゆる臨界角αｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）よりも大きい角度において生じる。密度の低い方の媒体において、光は、いわゆるエバネセント場を形成する。このエバネセント場の強度は、界面に対して垂直な方向で急激に衰える。エバネセント場の主な特徴は侵入深さである。
【数１】
2009526254.tif 000003
ここで、λは入射光λの波長であり、ｎ１，ｎ２は高密度媒体及び低密度媒体のそれぞれの屈折率である。αは入射角度を示している。
【００６８】
実験システムにおいて、侵入深さの範囲は７０ｎｍ〜３００ｎｍである。このようにして得られる距離分解能は、従来の蛍光顕微鏡の距離分解能（８００ｎｍ）及び共焦点顕微鏡の距離分解能（６００ｎｍ）よりも数倍良好である。エバネセント場の侵入深さは入射角αに大きく依存するため、幾つかの入射角において得られる蛍光画像の比較により、距離分解能の更なる増大の機会がある（Ｒｏｈｒｂａｃｈ，Ａ，Ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ  ｓｅｃｒｅｔｏｒｙ  ｇｒａｎｕｌｅｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｕｌｔｉａｎｇｌｅ  ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ，２０００．７８（５）：ｐ．２６４１−２６５４参照）。
【００６９】
開発されたＴＩＲ装置は、対物レンズ発射（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−ｌａｕｎｃｈｅｄ）方式を使用する（Ａｘｅｌｒｏｄ，Ｄ．，Ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｃｅｌｌ  ｂｉｏｌｏｇｙ．Ｔｒａｆｆｉｃ，２００１．２（１１）：ｐ．７６４−７７４参照）。レーザビームは、対物レンズの後焦点面上に合焦される。これにより、平行レーザビームが対物レンズから出現する。出現するビームの入射角及び方向は、対物レンズの後焦点面内で焦点を操向することにより変えることができる。油−水界面でＴＩＲモードを達成するためには、１．３３よりも大きいＮＡを有する対物レンズを使用しなければならない。実験装置において、本発明者等は、Ｚｅｉｓｓ  α−Ｐｌａｎ−Ｆｌｕａｒ  １００×ＮＡ  １．４５油浸対物レンズを使用した。
【００７０】
図１７は、この例ではレーザ２７のレーザビーム２６をシステム内へ発射するために使用されたＺｅｉｓｓ  Ａｘｉｏｖｅｒｔ  ２００Ｍ倒立顕微鏡のエピ蛍光経路２５に基づく本発明に係る顕微鏡２４のＴＩＲ装置を典型的な態様で概略的に示している。顕微鏡の対物レンズ３１の後焦点面３２は、顕微鏡の開口絞り面３４と共役である。したがって、対物レンズ型ＴＩＲ方式の実現のため、レーザビーム２６は、開口絞り面３４上に合焦されなければならない。平行レーザビーム２６は、ビーム拡大器３７を用いて例えばファクタ５だけ広げられる。この拡大されたビームは、本明細書で論じられる発明に係る回折格子１へと方向付けられる。試料面内の照明場の直径を画成するビーム直径は、虹彩絞り３８を用いて調整することができる。本明細書で説明される実験装置では、５０μｍの直径を有する試料照明領域が選択された。回折格子１に入射するビームは、異なる方向（次数）へ伝搬する光へと分解される。一次を除く全ての回折最大部は、ダイヤフラム３６を用いて遮られる。簡単のため、中央の最大部及び２つの第１の回折最大部だけが概略的に示されている。回折格子３５はレンズ２９の焦点面内に設置される。この例では、９０ｍｍ焦点距離の平凸レンズが使用された。当該レンズは、遮られない一次回折最大部の光を、顕微鏡２４の開口絞り面３４上に合焦させる。調整を容易にするため、レンズがＸＹ並進ホルダ（詳しく図示せず）内に装着された。
【００７１】
第１の較正ステップにおいて、集束レンズ２９は、対物レンズ３１から出現する平行ビームを得るために軸方向に調整された。視準の質を調べるため、ビーム外形が解析されるとともに、ここでは顕微鏡の光路内に更なるバードランドレンズ（詳しく図示せず）を伴って、対物レンズ３１の後焦点面３２内の焦点が検査された。
【００７２】
ビーム操向のために従来技術の並進ステージ及び回転ステージを使用する代わりに、レーザ焦点を開口絞り面３４内に位置決めするため、電気的に調節可能な本発明に係る透過回折格子１が使用された。光操向は、調節可能な回折格子に対して電圧が印加されるときに格子周期が変化するという事実に基づいている。この格子周期変化は一次回折角の変化へと変換される。したがって、電圧Ｖの変化は、ビームの出現角度を変える。そのため、ＴＩＲ顕微鏡からエピ蛍光顕微鏡へと容易に切り換えることができる。対物レンズの後焦点面３２内での焦点の急速な動きは、対物レンズの絞りによって許容される全ての可能な角度をもった試料の照明を可能にするとともに、対物レンズの分解能を十分に利用する。
【００７３】
前述した例において、撮像は、（ファイバの出力で）１０ｍＷの典型的なレーザ強度において行なわれた。これは、一次回折ビームにおいて０．５ｍＷ又は５％のレーザ強度に対応する。デジタル画像、冷却ＣＣＤカメラ（ＯＲＣＡ  ＥＲＧ，浜松）を使用して取得された。
【００７４】
本明細書に記載されたＴＩＲ装置は、適切な光発射ポートを選択することにより、市販の顕微鏡の多くに対して接続できる。図１８は、顕微鏡２４、例えばＺｅｉｓｓ  Ａｘｉｏｖｅｒｔ  ２００Ｍの蛍光ポート上に装着された前述の装置の写真を示している。無論、顕微鏡スライダポート（詳しく図示せず）上でのセットアップを実現することもできる。図１９にしたがって光学装置３９を更に詳しく説明する。
【００７５】
図１９は、図１８に示され且つ図１７にしたがって説明された光学実施形態の詳細図を示している。装置は、ジョイント接続部４２によって横方向に調整可能な４つの平行ロッド４１を有する保持手段４０を備えている。保持手段４０は前端にコネクタ４３を備えており、このコネクタによって保持手段が顕微鏡２４に対して取り付けられる（図１８参照）。ロッド４１上には、後端にレーザ源ホルダ２７が取り付けられており、それに引き続いて、ビーム拡大器３７と、虹彩絞り３８と、本明細書で論じられる発明に係る光透過回折格子１が取り付けられている。また、収束レンズ２９は、９０ｍｍの焦点距離を有する図示の実施形態では、コネクタ４３の前に配置される。
【００７６】
図２０には、本発明に係るＴＩＲ顕微鏡（図２０ｂ）及び従来のＴＩＲ顕微鏡（図２０ｄ）（本明細書には図示せず）を用いて得られる緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）を表わすＨｅＬａ細胞の画像の比較が示されている。同じ細胞の標準的なエピ蛍光画像（図２０ａ）及びｃ））も与えられている。図２０ａ）のエピ蛍光画像は、多くのぼやけた曖昧な画像内容を含んでいる。図２０ｂ）のＴＩＲ画像は、本明細書に記載されるＴＩＲ顕微鏡の利点を明確に示している。図示のように、ＴＩＲモードでは、エピモードと比べてかなり多くの内容が視認可能になっている。これは、カバースリップに近い領域だけが励起されるという事実に起因している。
【００７７】
調節可能な回折格子に基づくＴＩＲを用いて取得される画像（図２０ｂ）と従来のＴＩＲ顕微鏡を用いて取得されるＴＩＲ画像（図２０ｄ）との間の比較は、この発明が従来のＴＩＲ顕微鏡（図２０ｄ）と比べてそれに匹敵する画質の画像を生成することを示している。本発明に係る調節可能な透過回折格子を有する装置の１つの利点は、電圧Ｖをデバイスに対して印加するだけでデバイスを調節させることができるという事実である。機械的な調整を避けることができ、したがって、振動が殆ど引き起こされない。更なる利点は、エバネセント場の深さを制御するために光方向を正確に調整することが容易であるという点にある。幅広い角度範囲にわたって光方向を調整できるという事実は、異なる値の屈折率を有する異なるタイプのサンプルの使用も可能にする。他の利点は、強い機械的振動をもたらすことのない高速切換えである。
【００７８】
後焦点面内の単一のレーザスポットを用いるエピ撮像は、顕微鏡の分解能を低下させる場合がある。直線偏光レーザビームは、偏光面内で双極子モーメントを有する蛍光プローブだけを励起する。全ての蛍光プローブを励起するため、１／４波長板を加えることによりレーザ光の直線偏光を円偏光に調節させることができる。円偏光の使用は、試料中で固定双極子方向をもつ蛍光プローブの想定し得る異方性励起を最小限に抑える。全ての蛍光プローブを励起できる他の可能性は、対物レンズの後焦点面内での焦点の急速移動である。これも、励起における異方性を減少させる。無論、両方の方法を組み合わせることができる。エピモードにおける他の問題は、コヒーレントなレーザ光を使用する際の反射に起因する干渉縞である。これらの縞は、レーザ光のコヒーレンスを破壊する光スクラブル（圧電素子を用いて光ファイバを振動させる）によって回避できる。これに加えて或いはこれに代えて、本発明に係る位相シフタ２０，２１（図８〜図１５参照）を使用できる。
【００７９】
図２１は、本発明に係るＨＥＬＭ顕微鏡５０の仕組みを概略的に示している。定在波（Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｗａｖｅ）顕微鏡又は構造化照明（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）顕微鏡とも称される調和励振光学顕微鏡（ＨＥＬＭ）は、従来の光学顕微鏡の分解能を最大２倍まで高めるとともにデコンボリューション技術と組み合わされるときには更にそれ以上高める技術である。市販の従来技術の共焦点顕微鏡は、標準的な顕微鏡と比べてファクタ１．４の向上を達成する。
【００８０】
調和励振光学顕微鏡手法では、４つの干渉レーザビームによって生成される２Ｄコサインパターンを用いて試料が照明される。この調和励振は、従来のカットオフ周波数を越える試料の空間周波数を、顕微鏡の通過帯域へとシフトする。拡大された通過帯域は、シフトされた照明パターンを用いて取得される画像の組から計算によって再構成される。当該技術は、従来の蛍光顕微鏡と比べて２のファクタだけ向上される１００ｎｍの方位分解能を達成する（Ｊ．Ｔ．Ｆｒｏｈｎ等  Ｔｒｕｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｂｅｙｏｎｄ  ｔｈｅ  Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｌｉｍｉｔ  ａｃｈｉｅｖｅｄ  ｂｙ  ｓｔａｎｄｉｎｇ  ｗａｖｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ＰＮＡＳ，Ｖｏｌ．９７，Ｎｏ．１３，ｐｐ．７２３２−７２３６  （２０００）；Ｍ．Ｇ．Ｌ．Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎ，Ｓｕｒｐａｓｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ｌａｔｅｒａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔ  ｂｙ  ａ  ｆａｃｔｏｒ  ｏｆ  ｔｗｏ  ｕｓｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ．１９８，ｐｐ．８２−８７  （２０００）参照）。
【００８１】
一般に使用される干渉パターンは、試料に対して２つの方向にシフトされ得る。パターンの異なる位置における５つの画像がカメラによって記録される。これらの５つの画像から、従来の顕微鏡ではアクセスできない更なる情報を代数的な解法によって抽出することができる。干渉ビーム間の角度を変えることにより、システムはＴＩＲモードを与えることもできる（Ｅ．Ｃｈｕｎｇ等  Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｗｉｄｅ−ｆｉｅｌｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ：ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−ｌａｕｎｃｈｅｄ  ｓｔａｎｄｉｎｇ−ｗａｖｅ  ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３１，Ｉｓｓｕｅ  ７，ｐｐ．９４５−９４７  （２００６）参照）。
【００８２】
図２１には、本明細書で論じられる発明に係る構造化照明顕微鏡における仕組みが概略的に示されている。この実施形態は、顕微鏡５０の機能の制限をもたらさない対物レンズ発射照明を使用する。
【００８３】
図示の実施形態において、例えば１．１ｍｍの直径を有する直線偏光レーザビーム４７は、レーザ５１によって発せられ、ここでは第１のレンズ６５を介して本発明に係る回折格子１へと方向付けられる。調節可能な光透過回折格子１による回折の結果として、入射レーザビーム４７は、偏位されないゼロ最大部（詳しく図示せず）及び幾つかの偏位回折最大部４８，４９（概略図では、２つの回折最大部４８，４９のみが示されている）へと分解される。実際には、４つのビームが装置で使用される。これらのビームは、一般に、光軸４６の周囲に互いに９０°の距離を隔てて回転対称に配置される。
【００８４】
干渉パターンを形成するため、光軸４６に対して１００ｍｒａｄの角度を成す第１の回折最大部の４つのビーム（図では、２つのビーム４８，４９だけが見える）が使用される。互いに独立する２対のレーザビームを得るため、１つの対は、偏光を９０度回転させる１／２波長板５２を通過する（垂直偏光を伴う光ビームは互いに干渉できない）。回折されたビームは、後に、移動可能に配置される可動ダイヤフラム５４を用いて遮ることができる。その位置を変えることにより、ＨＥＬＭ（一次最大部が通過する）とエピ蛍光モード（ゼロ次最大部が通過する）との間で選択することができる。ビームは、それらを後焦点面５７に合焦させる例えばｆ１＝４０ｍｍ（第２のレンズ６３）、ｆ２＝５０ｍｍ（第３のレンズ５９）の焦点距離を有する第２及び第３のレンズ６３，５９を備えるテレセントリックレンズ系を通過する。対物レンズの入射瞳の直径に近い（対物レンズの後開口面５７内の）光軸４６までのビーム距離を選択すると、ＴＩＲモードの照明が得られる。ＴＩＲモードにおいて、エバネセント場の侵入深さは、照明の角度によって決まり（３３頁の方程式参照）、単一ビームと光軸４６との間の距離を変えることにより調整できる。エピ照明の質を高めるため、ＴＩＲ実施形態に記載される方法と同じ方法を使用することができる。
【００８５】
ガウスビームの発散は、調節可能な回折格子１の前方に配置される第１のレンズ６５によって制御される。光軸４６に沿って第１のレンズ６５を移動させることにより、第３のレンズ５９の後で所定範囲の発散を実現できる。このことは、異なる顕微鏡に適するように任意の入力レーザビーム４７を調整できることを意味している。また、それは、各サンプル毎に独立に照明領域のサイズを選択するために使用することができ、このようなことは、例えば非観察領域での蛍光プローブの光退色を減らすために重要である。
【００８６】
図２２は、ビームの偏光を変えることなく行なわれた予備実験の結果を示している。５つ（０次及び１次）の平行な偏光ビームの干渉パターンが図２２ａ）に示されている。図２２ｂ）は対応するフーリエスペクトルを示している。
【００８７】
図２３ａ）及びｂ）に示されるように、後焦点面５７内の光軸とビームとの間の距離は、第１のレンズ６３に対する位相格子１の正確な並進と、顕微鏡ポートで平行なビームを形成するのに適した第２のレンズ５９の移動とによって、従来の方法で制御できる。距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４のそれぞれの変化は、システムをテレセントリックに維持するため、以下の方程式
【数２】
2009526254.tif 000004
にしたがっていなければならず、これはコンピュータ制御されるリニアステージを用いて行なうことができる。ここで、ｄｏｕｔは、後焦点面５７内における光軸とビームとの間の距離である。照明パターンの移動は、任意の従来の位置決めデバイスを用いて達成できる。格子１は、例えばｘｙ圧電アクチュエータ（詳しく図示せず）上に装着することができる。光軸４６に対して垂直な格子の並進は、試料面内で干渉パターンを移動させる。距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４はそれぞれ、所与の偏角において照明角度β（β１，β２）を決定する。焦点ｆ１へ近づく格子の移動及び前述した方程式にしたがった増大ｄ２は、より小さい照明角度β２＜β１をもたらす。
【００８８】
ｘｙ圧電アクチュエータを使用する代わりに、照明パターンの位置を制御するために、本明細書で論じられる発明に係る位相シフタ２０，２１（図８〜図１５参照）を使用できる。位相シフタは、光路内の任意の場所に導入することができるとともに、各ビームの位相を独立に制御することができる。
【００８９】
対物レンズの後焦点面５７におけるビーム間の距離は、本明細書に開示される発明に係る調節可能な回折格子の格子周期を変えることによって制御することができる（図１〜図６参照）。格子周期ｄの減少は、一次最大部の回折角を増大させ、したがって、試料面における照明角度を増大させる。照明パターンの位置制御は、例えば、ｘｙ圧電アクチュエータを用いて格子を光軸４６に対して横方向に移動させることによって行なうことができる。
【００９０】
本発明によれば、回折格子の回折角を電気的に変えることによるビーム距離が変化する。パターンを移動させるため、前述した位相シフタがシステム内に導入される。位相シフタは、各干渉対において１つのビームの位相を制御する。位相のシフトは、干渉の方向に沿うパターンの並進をもたらす。
【００９１】
半透明中間層と一対の対向する略同軸な電極とを備える前述したアクチュエータの使用は、従来の機械的な対応部分と比べて幾つかの利点を与える。それは、任意の機械的な障害をシステムにもたらすことなく偏角の高速変化を可能にする。特にＴＩＲマルチカラー撮像において、格子は、照明波長に適合されなければならない。同じことがＨＥＬＭマルチカラーモードにおいても当てはまる。全ての色において均一な分解能を達成するため、干渉パターンの周期は一定に保たれなければならない。これは、機械的な並進ステージによって与えられなくてもよいビームの正確で且つ再現可能な調整を必要とする。機械的障害が光学マウントに作用しないため、前述したアクチュエータに基づく適応光学素子の使用がシステムの安定性を高めると考えられる。また、高速作動デバイスは、画像取得時間を劇的に減少させるのに役立つ。一般に、前述した装置は、顕微鏡ポートに適したコネクタを選択することにより、任意の市販の蛍光顕微鏡に実装することができる。波長板及びダイヤフラムを有する格子は、干渉パターンを横方向で与えるために回転ステージ内に装着できる。
【００９２】
図２４は、ビームがミラー及び／又はビームスプリッタキューブ７２を介して顕微鏡（詳しく図示せず）内へ方向付けられる装置を示している。ビームスプリッタ７２を使用すると、マルチカラー撮像のために例えばＵＶレーザ又は他のレーザなどの更なる光源を接続することができる。
【００９３】
更なる実施形態（詳しく図示せず）において、顕微鏡のスライダ部は、自由に移動できるスライダランチ及び自立構造ビーム制御システムと共に使用される。この装置は幾つかの利点を与える。すなわち、（i）装着が容易であり、それにより、素早い取り付け及び取り外しが可能である。（ii）スライダにおけるビームスプリッタの使用が顕微鏡の十分な機能を維持する。これは、従来のエピ照明のために通常のランプを依然として使用できるからである。（iii）光学テーブルを介して顕微鏡に結合される自立構造制御システムが高い機械的安定性を与え、また、そのコンパクトな構造に起因して、低周波振動に影響され難い。
【００９４】
本発明の更なる用途は、ナノ粒子の位置決めのためのシステムの分野にある。しかしながら、ＴＩＲシステムのエバネセント場におけるナノ粒子の光トラッピングは既に報告されている（Ｓ．Ｋａｗａｔａ等  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ−ｓｉｚｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ａ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１１，ｐ．７７２  （１９９２）；Ｍ．Ｇｕ等  Ｌａｓｅｒ  ｔｒａｐｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  ｕｎｄｅｒ  ｆｏｃｕｓｅｄ  ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４，２１  （２００４）参照）。本明細書に開示される本発明により、単一の強度ピークは、粒子の選択的なトラッピングのために使用でき、位置決めのためにピークをシフトすることができる。
【００９５】
構造化照明顕微鏡の分野における最近の開発は、干渉させられ得る制御可能なレーザビームの組を形成するという課題を主に扱っている。Ｅ．Ｃｈｕｎｇ等は、２つのビームを形成するためにビームスプリッタを使用した。１つのビームは、その位相を制御するために圧電トランスデューサ上に装着される逆反射体上にわたって偏位される。両方のビームは、その後、ＸＹＺ並進器上に配置されるミラーマウント内に収容される光ファイバチップへ結合され、ＸＹＸ並進器から顕微鏡へと発射される。こちらに向かう理由は幾つかある。高分解能撮像においては、位相パターンを安定させなければならない。しかし、この方法は幾つかの欠点を有しており、その１つは、コスト集約的なトランスデューサ及び並進器の使用である。他の欠点は単なる一次元パターンである。二次元分解能の向上を得るために、サンプルを９０°回転させなければならない。この場合、観察領域の中心がその位置に正確に留まらなければならない。
【００９６】
構造化照明を形成できる他の可能性は、Ｍ．Ｇ．Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎによって実現された。彼は、一次元位相格子を使用して、それを試料上に投影する。格子を移動させることによって、彼はパターンも移動させる。この装置におけるビーム出現角度にわたる制御の欠如により、それはＴＩＲ顕微鏡に適さない。
【００９７】
本発明において、構造化照明に基づく格子の利点は、前述した低コストな調節可能格子を使用することにより出現ビームの角度を距離制御する必要性と組み合わされる。好ましくは、分解能をｘ，ｙ，ｚ方向で同時に向上させるために４つのビームがＴＩＲモードで使用される。
【００９８】
提案されたシステムでは、ＴＩＲ照明を実現するために、円形の回折パターンを形成する格子を使用することが可能である。一次最大部の光リングは、２軸格子から生じる４つのビームとして扱うことができる。前述したものと同じ調整及び光路が有効である。対物レンズの後焦点面内で円全体を満たすＴＩＲシステムは、図１７に示される実施形態において記載された問題の全てを解決することができる。光軸周りで単軸格子又はｎ軸格子を回転させるだけで同じ効果を生み出すことができる。
【００９９】
図２５〜図２９は、ここでは調節可能なレンズの形態を成す本発明に係る光学素子１の更なる実施形態を示している。図２５は、デバイス１を斜視形態で示している。図２６は、電圧（Ｖ＝０）が印加されないときの非変形態様のデバイスを正面図で示しており、また、図２７は、デバイス１の内側が非変形状態で明らかになるように図２６の線ＥＥに沿う側断面図を示している。図２６及び図２７と比較すると、図２８は、電圧（Ｖ≠０）が印加されるときの変形態様のデバイス１を正面図で示している。図２９は、内側が変形状態で明らかになるようにデバイス１を図２８の線ＧＧに沿う側断面図で示している。
【０１００】
調節可能なレンズ１は、互いに対向して配置され且つ光学活性レンズ領域５として作用する半透明中間領域４を取り囲む上側及び下側電極２，３を備えている。電極２，３は、駆動手段１５の駆動プレートとしての機能を果たし、制御された態様で中間層４を特定の外周領域で局部的に圧縮する。本明細書に示される実施形態において、レンズ領域５は、特定の外側曲率を有しており、光学的に透明な材料から形成され且つここではレンズ形状チャンバ１６を囲繞する２つの円形箔状領域１４から構成される。適切な場合には、箔状領域１４は、中間層４と同じ材料から成っていてもよい。適用分野に応じて、レンズ形状チャンバ１６は、同じ或いは異なる材料で満たされてもよい。良好な結果は、液体、特により高い屈折率を有する液体を用いて達成されてもよい。中間層４は、非変形状態において電極２，３の領域で一定の厚さＢを有しており、通常は、囲繞保持手段（保持フレーム）６の開口７内の所定位置に予め伸張された態様で保持される。電極２，３は、環状構造を有して中間層４の両側に互いに対向して配置される。また、これらの電極は、保持手段６から等しい距離をもって配置される。中間層４は、電極２，３及び保持フレーム６に対して同軸に中央に配置される光学活性レンズ領域５に融合する。適切な場合には、例えば横方向に配置される電極を有する円柱レンズなど、他のレンズ形状及び対応する電極配置が可能である。電極２，３間に電圧Ｖが印加されると（図２８及び図２９参照）、電極２，３がクーロン力Ｆｃにより互いに引き付け合い、それにより、電極２，３間で中間層４が第１の方向（ｘ方向）に圧縮され、その結果、局部的に減少された厚さＢ’がもたらされる。中間層４の材料のポアソン比に起因して、電極２，３間にある圧縮材料の横方向の、図示の実施形態では回転対称な拡張が、矢印ｄｒによって示されるように（ここでは、径方向に）起こる。その結果、電極２，３によって径方向で取り囲まれる中間層４の領域及びこれに相互接続されるレンズ領域５が径方向に、ここでは回転対称に圧縮する。それにより、レンズ領域５の曲率／焦点は、印加電圧に応じて制御された態様で（矢印ｔによって示されるように）変化する。光学デバイスは、非常に小さく形成することができ、したがって、モバイル機器（携帯電話）のレンズ系、デジタルカメラ、自動車のライトなどの照明、ビーマーなどのプロジェクタ、ガラスのレンズなど、幅広い範囲の用途で使用することができる。適用分野に応じて、本発明に係る少なくとも１つの光学素子を、例えばデジタルカメラ又はモバイル機器のためのＣＣＤ配列を備えるモジュールに組み込むことができる。
【０１０１】
レンズ形状チャンバ１６を液体で満たすため、箔状領域１４の縁をフレームによって例えば支持することができ且つ真空によって変形させることができる。変形された箔１４を液体で満たすことができ、また、連続的なステップで、対向箔１４がレンズの液体で満たされた第１の箔に対して結合される。あるいは、液体を凍結状態で箔状領域１４内に組み込むことができる。
【０１０２】
本発明をその特定の実施形態に関して説明してきたが、多くの他の変形及び改良並びに他の用途が当業者に明らかになる。したがって、本発明が本明細書中の特定の開示内容によって限定されず添付の請求項によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】調節可能な光透過回折格子の斜視図を示している。
【図２】図１に係る回折格子の断面を示している。
【図３】図２の詳細Ｂを示している。
【図４】変形状態における図１に係る回折格子を示している。
【図５】図４に係る回折格子の断面を示している。
【図６】図５の詳細Ｄを示している。
【図７】位相シフタの概略的な仕組みを示している。
【図８】位相シフタの第１の実施形態の斜視図を示している。
【図９】図８に係る位相シフタの断面を示している。
【図１０】変形状態における図８に係る位相シフタを示している。
【図１１】図１０に係る位相シフタの断面を示している。
【図１２】位相シフタの第２の実施形態の斜視図を示している。
【図１３】図１２に係る位相シフタの断面を示している。
【図１４】変形状態における図１３に係る位相シフタを示している。
【図１５】図１４に係る位相シフタの断面を示している。
【図１６】位相シフトと印加電圧との間の関係を示すグラフを示している。
【図１７】本発明に係る光学素子を備える顕微鏡の光路の第１の実施形態を概略的に示している。
【図１８】図１７に係る光路を備える顕微鏡を示している。
【図１９】図１７に係る光路の装置の詳細を示している。
【図２０】図１８に係るＴＩＲ顕微鏡の性能と従来のＴＩＲ顕微鏡の性能との比較を示している。
【図２１】本発明に係る光学素子を備える顕微鏡の光路の第２の実施形態を概略的に示している。
【図２２】図に係る顕微鏡の画面内の干渉パターン（図２１ａ）及びこの干渉パターンのフーリエ変換（図２１ｂ）を示している。
【図２３】図２１に係る光路の機能を概略的に示している。
【図２４】図２１に係る光路の装置を示している。
【図２５】本発明に係る光学素子の更なる実施形態を示している。
【図２６】非変形態様の図２５に係る光学素子を正面図で示している。
【図２７】図２６の光学素子を線ＥＥに沿う側断面で示している。
【図２８】変形態様の図２５に係る光学素子を正面図で示している。
【図２９】図２８の光学素子を線ＧＧに沿う側断面で示している。
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【図７】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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