(57)【要約】光学顕微鏡システムのための空間光変調器。この装置は、光学ヘッドを顕微鏡のポートに取り付けるための取付フランジ３４、光のパターン画像を生成するためのDMD４８、照明源を受けるための光源取付台、および光を照明源からDMDに向け、DMDによって生成されたパターン画像を顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素５２、５４を備える光学ヘッドを含む。DMDコントローラ８０はデジタル入力部を有し、DMDに接続されてDMDの個々のマイクロミラーを駆動してパターン画像を生成する。パターン生成サブシステム１０３は、パターン画像データを出力するように構成され、デジタルインターフェースは、DMDコントローラのデジタル入力部とパターン生成サブシステムの間に接続され、デジタルインターフェースは、パターン画像データに対応してデジタル駆動信号をDMDコントローラに提供するように構成される。
2005508521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学顕微鏡システムのための空間光変調装置であって、
光学ヘッドを備え、
前記光学ヘッドは、該光学ヘッドを前記顕微鏡のポートに取り付ける取付フランジ、
光のパターン画像を生成するDMD、
照明源を収容する光源取付台、および
前記照明源からの光を前記DMDに向け、前記DMDによって生成された前記パターン画像を前記顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素を有し、
さらに、デジタル入力部を有しかつ前記DMDに接続されて前記DMDの個々のマイクロミラーを駆動して前記パターン画像を生成するDMDコントローラを備え、
さらに、パターン画像データを出力するように構成されたパターン生成サブシステムを備え、
さらに、前記DMDコントローラの前記デジタル入力部と前記パターン生成サブシステムの間に接続され、前記パターン画像に応じてデジタル駆動信号を前記DMDコントローラに提供するデジタルインターフェースを備えている装置。
【請求項２】
前記DMDコントローラは、前記光学ヘッド上で前記DMDに隣接して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記デジタルインターフェースは、コンピュータ内に収容されるPCカード上に搭載され、前記パターン生成サブシステムは、前記コンピュータ上で動作可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光学ヘッドは、照明光軸を有するハウジングを備え、前記DMDが前記ハウジング上で前記ハウジングの前記照明光軸上に配置され、前記取付フランジが前記ハウジング上の前記DMDと反対側で前記照明光軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光源取付台は、前記光学ヘッドハウジング上で前記照明光軸を横切る軸上に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記光学ヘッドは、光バッフルをさらに備え、前記光バッフルは、前記DMDの前記マイクロミラーがオフ状態の場合に、前記DMDによって反射された光が当該光バッフルに向けられるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光学顕微鏡はフィールド面を有し、前記光学ヘッドの前記DMDおよび前記光学要素は、前記DMDによって生成された前記パターン画像を前記光学顕微鏡の前記フィールド面に向けるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光学顕微鏡はフィールド面を有し、前記光学ヘッドの前記DMDおよび前記光学要素は、前記DMDによって生成された前記パターン画像を前記光学顕微鏡の前記フィールド面の共役面に向けるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記顕微鏡に取り付けられたカメラをさらに備え、前記カメラが視野を有し、前記光学要素は、前記DMDのパターン画像が前記カメラの前記視野の一部または全部を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記光源取付台に配置された光源をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記光源は、ハロゲン電球、閃光電球、アーク灯またはレーザ光源であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記光源取付台は、シャッターアセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光源取付台は、フィルタ保持アセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記光学ヘッドは、第２の光源取付台をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２の光源取付台は、シャッターアセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の光源取付台は、フィルタ保持アセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記光学ヘッドは、ビームスプリッタ取付台をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記デジタルインターフェースは、
クロック信号を提供するクロックと、
前記パターン画像データおよび前記クロック信号に応答し、画素を前記パターン画像データに割り当て、前記割り当てられた画素を前記クロック信号に従ってシリアル化し、前記パターン画像データをリフォーマットして、前記DMDの空間アドレス指定に対応させるように構成された論理デバイスを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記論理デバイスは、プログラム可能な論理デバイス、またはフィールドプログラマブルゲートアレイであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記デジタルインターフェースを前記DMDコントローラの前記デジタル入力部に接続するデジタルケーブルをさらに備えていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記DMDコントローラは、前記リフォーマットされたマスク画像データをバッファに入れ、前記DMDのメモリセルをロードするように構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記論理デバイスは、さらに、前記クロック信号に基づいて複数のタイミング信号を生成して、前記割り当てられた画素のシリアル化の同期をとるように構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記複数のタイミング信号は、DMDアドレスカウンタ信号に対応することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記DMDのミラーのより速いグローバルダークリセットを行なうために、いくつかのDMDアドレスカウンタ信号は、前記論理デバイスによって周波数が倍増されるように構成されていることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記論理デバイスは、さらに、前記DMDのミラーを全て同時にリセット、新規の状態に傾斜、または保持するための、リセットコマンド、新規状態コマンド、および保持コマンドを提供するように構成されていることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記光学顕微鏡は、前記顕微鏡によってディスプレイ上にライブで表示される試料を画像化するためのカメラを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
パターン画像データを出力するように構成された前記パターン生成サブシステムは、
入力デバイスに応答してパターン形状を描くための描画エディタと、
前記カメラおよび前記描画エディタに応答して、ディスプレイ上で前記試料画像を半透明に覆う前記描画パターン形状を表示するアルファーブレンディングルーチンとを含むことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記デジタルインターフェースは、前記描画エディタに応答して、前記DMDを制御して前記パターン画像を生成するデジタル駆動信号を提供する、請求２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記パターン生成サブシステムは、さらに、１組の格納校正値を有しているとともに、前記描画エディタと前記デジタルインターフェースの間に挿入されて、前記格納校正値に応答して前記描画パターン形状の画素を前記DMDの画素に相関させる空間スケールおよびオフセットルーチンを有していることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
空間光変調装置システムのための光学ヘッドであって、
当該光学ヘッドを顕微鏡のポートに取り付けるための取付フランジと、
光のパターン画像を生成するための空間光変調デバイスと、
照明源を受けるための光源取付台と、
光を前記照明源から前記空間光変調デバイスに向け、前記空間光変調デバイスによって生成された前記パターン画像を顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素と、
前記空間光変調デバイスに接続されて、前記空間光変調デバイスを駆動して前記パターン画像を生成し、デジタル駆動信号に応答するデジタル入力部を有するコントローラとを備える光学ヘッド。
【請求項３１】
前記空間光変調デバイスがDMDであることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項３２】
前記光学ヘッドは、照明光軸を有するハウジングを備え、前記DMDは、前記ハウジング上で前記ハウジングの前記照明光軸上に配置され、前記取付フランジは、前記ハウジング上の前記DMDの反対側で前記照明光軸上に配置されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項３３】
前記光源取付台は、前記光学ヘッドハウジング上で前記照明光軸を横切る軸上に配置されていることを特徴とする請求項３２に記載の光学ヘッド。
【請求項３４】
前記光学ヘッドは、光バッフルをさらに備え、前記光バッフルは、前記DMDの前記マイクロミラーがオフ状態の場合に、前記DMDによって反射された光が当該光バッフルに向けられるように位置付けられていることを特徴とする請求項３１に記載の光学ヘッド。
【請求項３５】
前記光学顕微鏡はフィールド面を有し、前記空間光変調デバイスおよび前記光学要素は、前記空間光変調装置によって生成された前記パターン画像を前記フィールド面に向けるように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項３６】
前記光学顕微鏡はフィールド面を有し、前記空間光変調デバイスおよび前記光学要素は、前記空間光変調デバイスによって生成された前記パターン画像を前記フィールド面の共役面に向けるように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項３７】
前記顕微鏡に取り付けられた、視野を有するカメラをさらに備え、前記光学ヘッドの前記光学要素は、前記空間光変調デバイスによって生成されたパターン画像が前記カメラの前記視野を満たすように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項３８】
前記光源取付台に配置された光源をさらに備えていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項３９】
前記光源は、ハロゲン電球、アーク灯、閃光電球、またはレーザ光源であることを特徴とする請求項３８に記載の光学ヘッド。
【請求項４０】
前記光源取付台は、シャッターアセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項４１】
前記光源取付台は、フィルタ保持アセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項４２】
第２の光源取付台をさらに備えていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項４３】
前記第２の光源取付台は、シャッターアセンブリをさらに備えていることを特徴とする請求項４２に記載の光学ヘッド。
【請求項４４】
前記第２の光源取付台は、フィルタ保持センブリをさらに備えていることを特徴とする請求項４２に記載の光学ヘッド。
【請求項４５】
ビームスプリッタ取付台をさらに備えていることを特徴とする請求項３０に記載の光学ヘッド。
【請求項４６】
空間光変調デバイスのためのコントローラとパターン生成サブシステムの間で相互接続されたデジタルインターフェースであって、
クロック信号を提供するクロックと、
前記パターン生成サブシステムによって出力されたパターン画像データおよび前記クロック信号に応答し、画素を前記パターン画像データに割り当て、前記割り当てられた画素を前記クロック信号に従ってシリアル化し、前記パターン画像データをリフォーマットして前記空間光変調デバイスの空間アドレス指定に対応するように構成された論理デバイスとを備えているデジタルインターフェース。
【請求項４７】
前記空間光変調装置は、DMDであることを特徴とする請求項４６に記載のデジタルインターフェース。
【請求項４８】
前記論理デバイスは、プログラム可能な論理デバイス、またはフィールドプログラマブルゲートアレイであることを特徴とする請求項４６に記載のデジタルインターフェース。
【請求項４９】
前記デジタルインターフェースを前記DMDに接続されたDMDコントローラに接続するデジタルケーブルをさらに備えることを特徴とする請求項４７に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５０】
前記DMDコントローラは、前記リフォーマットされたパターン画像データをバッファに入れ、前記DMDのメモリセルをロードするように構成されていることを特徴とする請求項４９に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５１】
前記論理デバイスは、さらに、前記クロック信号に基づいて複数のタイミング信号を生成して、前記割り当てられた画素のシリアル化の同期をとるように構成されていることを特徴とする請求項４６に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５２】
前記複数のタイミング信号は、DMDアドレスカウンタ信号に対応することを特徴とする請求項５１に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５３】
より速いグローバルダークリセットを提供するために、前記DMDアドレスカウンタ信号のいくつかは、前記論理デバイスによって周波数が倍増されていることを特徴とする請求項５２に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５４】
前記論理デバイスは、さらにリセットコマンド、新規の状態コマンド、および保持コマンドを提供するように構成されていることを特徴とする請求項５３に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５５】
前記デジタルインターフェースは、コンピュータ内に収容されるPCカード上に搭載され、前記パターン生成サブシステムは、前記コンピュータ上で動作可能とされていることを特徴とする請求項４６に記載のデジタルインターフェース。
【請求項５６】
パターン画像データを空間光変調装置に出力するように構成されたパターン生成サブシステムであって、
入力デバイスに応答してパターン形状を描く描画エディタと、
カメラおよび前記描画エディタに応答して、ディスプレイ上で試料画像を半透明に覆う描画パターン形状を表示するアルファーブレンディングルーチンとを含むパターン生成サブシステム。
【請求項５７】
前記空間光変調装置は、DMDであることを特徴とする請求項５６に記載のパターン生成サブシステム。
【請求項５８】
前記描画エディタに応答して、前記空間光変調装置を制御して前記パターン画像を生成するデジタル駆動信号を提供するデジタルインターフェースをさらに含むことを特徴とする請求項５６に記載のパターン生成サブシステム。
【請求項５９】
さらに、１組の格納された校正値を有しているとともに、前記描画エディタと前記デジタルインターフェースの間に挿入されて、描かれたパターン形状の画素を前記格納された校正値に応答して前記空間光変調装置の画素に相関させる空間スケールおよびオフセットルーチンを有していることを特徴とする請求項５８に記載のパターン生成サブシステム。
【請求項６０】
光学顕微鏡のための空間光変調装置システムであって、
光学ヘッドを備え、
前記光学ヘッドは、該光学ヘッドを前記顕微鏡の反射光ポートまたは透過光ポートに取り付けるための取付フランジ、
光のパターン画像を生成するための空間光変調装置、
照明源を収容するための光源取付台、
光を前記照明源から前記空間光変調装置に向け、前記空間光変調装置によって生成された前記パターン画像を前記顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素、および
前記光学ヘッド上で前記空間光変調装置に隣接して取り付けられ、デジタル入力部を有するコントローラを有し、
さらに、コンピュータを備え、
前記コンピュータは、パターン画像データを出力するように構成されたパターン生成サブシステム、および
前記パターン生成サブシステムによって生成されたパターン画像データに応じて、デジタル駆動信号を前記コントローラに提供するように構成されたデジタルインターフェースPCカードを有しているシステム。
【請求項６１】
光学顕微鏡システムのための空間光変調装置であって、
光学ヘッドを備え、
前記光学ヘッドは、該光学ヘッドを前記顕微鏡の反射光ポートまたは透過光ポートに取り付けるための取付フランジ、
光のパターン画像を生成するためのDMD、
照明源を受けるための光源取付台、および
光を前記照明源から前記DMDに向け、前記DMDによって生成された前記パターン画像を前記顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素を有し、
さらに、DMDコントローラを備え、前記DMDコントローラは、デジタル入力部を有し、前記DMDに接続されて前記DMDの個々のマイクロミラーを駆動して前記パターン画像を生成するように設けられ、
さらに、パターン画像データを出力するように構成されたパターン生成サブシステムを備え、
さらに、デジタルインターフェースを備え、前記デジタルインターフェースは、前記DMDコントローラの前記デジタル入力部と前記パターン生成サブシステムの間に接続され、前記デジタルインターフェースは、
前記DMDコントローラに接続されたデジタル出力部、
クロック信号を提供するクロック、および
前記パターン画像データおよび前記クロック信号に応答し、画素を前記パターン画像データに割り当て、前記割り当てられた画素を前記クロック信号に従ってシリアル化し、マスク画像データをリフォーマットして前記DMDの前記空間アドレス指定に対応させるように構成された論理デバイスを有している装置。
【請求項６２】
光学顕微鏡のための空間光変調装置システムであって、
光学ヘッドを備え、
前記光学ヘッドは、該光学ヘッドを前記顕微鏡の反射光ポートまたは透過光ポートに取り付けるための取付フランジ、
光のパターン画像を生成するためのDMD、
照明源を受けるための光源取付台、および
光を前記照明源から前記DMDに向け、前記DMDによって生成された前記パターン画像を前記顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素を有し、
さらに、DMDコントローラを備え、前記DMDコントローラは、デジタル入力部を有し、前記DMDに接続されて前記DMDの個々のマイクロミラーを駆動して前記パターン画像を生成するように設けられ、
さらに、パターン画像データを出力するように構成されたパターン生成サブシステムを備え、前記パターン生成サブシステムは、
入力デバイスに応答してパターン形状を描くための描画エディタ、および
カメラおよび前記描画エディタに応答してディスプレイ上で試料画像を半透明に覆う描画パターン形状を表示するアルファーブレンディングルーチンを含み、
さらに、デジタルインターフェースを備え、前記デジタルインターフェースは、デジタル駆動信号を前記パターン画像に応答して前記DMDコントローラに提供するように構成されているシステム。
【請求項６３】
光学顕微鏡のための空間光変調装置システムであって、
光学ヘッドを備え、
前記光学ヘッドは、前記光学ヘッドを前記顕微鏡の反射光ポートまたは透過光ポートに取り付けるための取付フランジ、
光のパターン画像を生成するための空間光変調装置、
照明源を受けるための光源取付台、および
光を前記照明源から前記空間光変調装置に向け、前記空間光変調装置によって生成された前記パターン画像を前記顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素を有し、
さらに、コントローラを備え、前記コントローラは、デジタル入力部を有し、前記空間光変調装置に接続されて前記空間光変調装置を駆動して前記パターン画像を生成するよう設けられ、
さらに、パターン画像データを出力するように構成されたパターン生成サブシステムを備え、前記パターン生成サブシステムは、
入力デバイスに応答してパターン形状を描くための描画エディタ、および
前記カメラおよび前記描画エディタに応答して、前記試料画像を半透明に覆う前記パターン形状をディスプレイ上に表示するアルファーブレンディングルーチンを含み、
さらに、デジタルインターフェースを備え、前記デジタルインターフェースは、前記DMDコントローラの前記デジタル入力部と前記パターン生成サブシステムの間に接続され、前記パターン画像データに応じてデジタル駆動信号を前記コントローラに提供するように構成され、前記デジタルインターフェースは、
クロック信号を提供するクロック、および
前記パターン画像データおよび前記クロック信号に応答し、画素を前記パターン画像データに割り当て、前記割り当てられた画素を前記クロック信号に従ってシリアル化し、マスク画像データをリフォーマットして、前記空間光変調装置の前記空間アドレス指定に対応させるように構成された論理デバイスを有しているシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡と共に使用する空間光変調器（空間光変調装置）およびシステムに関する。
【０００２】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２００１年１１月８日に出願の米国仮出願第６０／３３７，８０１号、「AN ILLUMINATION SYSTEM FOR MICROSCOPES WHICH EMPLOYS A SPATIAL LIGHT MODULATOR DEVICE」の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置（LCD）および（たとえば、Texas Instrumentsから入手可能な）デジタルミラーデバイス（DMD）などの空間光変調器は、入射光を空間パターンに変調して電気的な入力または光学的な入力に対応する光学像を形成するために使用される。DMDは、たとえばビデオプロジェクタやプリンタにうまく組み込まれるようになってきている。本明細書に援用された米国特許第５，５３５，０４７号を参照されたい。
【０００４】
顕微鏡の分野では、透過照明、落射照明、暗視野照明、明視野照明、傾斜照明、微分的に陰影付けされた照明、位相差照明、微分偏光照明などの技法を使用して、顕微鏡の照明特性ないし表示特性を変えるためにマスクパターンを作ることが望ましいことが多い。一例では、蛍光退色回復法（FRAP）として周知の技術は、生きた細胞内の特定のタンパク質に蛍光色素で標識付けし、次いで選択した領域を強い閃光で不可逆的に光退色させ、退色タンパク質の非退色タンパク質との交換による蛍光性回復を測定することによって、タンパク質の拡散移動度を測定するものである。この例では、細胞が入っているスライドの小さい領域を標的に定めて、それを周囲の構造と比較して測定する。この手法では、標的を定めて測定を行うために、顕微鏡の照明の空間的分布を制御する能力が重要である。
【０００５】
過去において、そして現在においてすらも、こうした技法は、機械的なピンホールまたは絞りを使用してマスクパターン像を形成することによって行われている。本明細書に援用される米国特許第４，５６１，７３１号明細書を参照されたい。
【０００６】
しかしLCDおよびDMDなどの空間光変調器が登場してから、まもなく当業者は、マスクパターンを形成するため、ピンホールまたは絞りではなく、顕微鏡システムにおいてこれらLCDおよびDMDなどのタイプの変調器を提案し始めた。DMDは、本明細書に援用される米国特許第５，５３５，０４７号明細書に記載されている。
【０００７】
しかし驚くことに、この技法は現在、a）LCDおよびDMDを使用する特殊な構成の顕微鏡（たとえば、本明細書に援用される米国特許第５，９２３，０３６号明細書、第５，５８７，８３２号明細書、第５，９２３，４６６号明細書を参照されたい）、もしくは別構成として、b）完成品のビデオプロジェクタ（ビデオプロジェクタ自身は、特にLCDないしDMD、光源、ならびに関連するドライバが組み込まれている）に結合された顕微鏡に限られている。本明細書に援用される米国特許第６，２４３，１９７号明細書を参照されたい。
【０００８】
こうした構成には欠点が多い。特別に設計された顕微鏡は値段が高く、ユーザの既存の顕微鏡を旧式の使用できないものにしてしまう。一方、既存の顕微鏡に結合するビデオプロジェクタタイプの照明デバイスは、過度に複雑で嵩張り、設計のコストが高いものになる。その上、このタイプの照明デバイスは、ちらつきを起したり、顕微鏡で使用できる波長範囲が制限されたりする。これは、特にビデオプロジェクタの設計およびビデオプロジェクタを動かすビデオ入力信号に起因している。
【０００９】
たとえば、顕微鏡（米国特許第６，２４３，１９７号明細書）内の照明用のコンピュータグラフィックスカードにより制御されるDMDを備えた市販のビデオプロジェクタの使用には重大な欠点がある。ビデオプロジェクタは、通常、光源とDMDの間で回転するカラーホイールを使用するため、マイクロミラーを回転ホイールの原色のセグメントと同期させなければならない。このタイプの照明に固有の「ちらつき」は、間接投影には許容可能であるが、科学的顕微鏡検査法には適していない。投影システムの強度レベルを変えるために使用するパルス幅変調（PWM）法に固有の時間的切替えは、コンピュータグラフィックカードインターフェースの電気ノイズと組み合わされて、顕微鏡システムに許容不可能なちらつきをもたらすことがある。さらに、ビデオプロジェクタで使用される光源および光学的コーティングのスペクトル特性により、顕微鏡による研究が通常よりも狭い波長範囲に制限される。
【００１０】
多様な既存の顕微鏡に簡単に結合することができ、DMDまたは他の空間光変調技術を用いてリアルタイムでマスクパターンをデジタル化して生成し、他の構成要素を必要とせず、ビデオプロジェクタに関連する制限を受けない光学ヘッドが必要とされている。こうした空間光変調器は、たとえばFRAPおよびその他の技法ならびに手法を実行する場合に有用である。
【特許文献１】
米国仮出願第６０／３３７，８０１号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，５３５，０４７号明細書
【特許文献３】
米国特許第４，５６１，７３１号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，５３５，０４７号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，９２３，０３６号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，５８７，８３２号明細書
【特許文献７】
米国特許第５，９２３，４６６号明細書
【特許文献８】
米国特許第６，２４３，１９７号明細書
【特許文献９】
米国特許第５，９３３，２７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、変更や追加が必要になってしまう完成したビデオプロジェクタよりは複雑でなく、より低コストで、しかも性能が一層優れた空間光変調器を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、既存の顕微鏡に用いられ、顕微鏡に簡単に接続される装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、通常ユーザの既存の顕微鏡の変更をほとんど、または全く必要としない装置および全く完全なシステムさえ提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、ユーザの特定の顕微鏡に簡単に合わせることができる装置およびシステムを提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、別体のプロジェクタを必要とすることなく、現在ならびに未来のDMD技術の高い画素密度および広いスペクトル幅を使用する装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、DMDに直接連結する装置を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、ビデオプロジェクタに関連するちらつきをなくした装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、特殊な構造とされた顕微鏡を設計したり、あるいは完成した一体のビデオプロジェクタを既存の顕微鏡に結合したりする代わりに、次の点を実現することにある。すなわち、コンピュータが用いられるパターン生成サブシステムに応答するデジタルインターフェースによってデジタル式に制御されるDMDコントローラと、それ自身DMDを内部に有した特別に設計された光学ヘッドとを組合せ、パターン生成サブシステムによって生成されたパターン画像データに応じて、デジタル駆動信号をDMDコントローラに提供することで、リアルタイムにマスクパターン画像を生成する、より低コストの空間光変調器を実現することである。
【００１９】
本発明は、特許第′１９７号で述べたコンピュータグラフィックスカードから出力されるアナログVGA信号に応答するビデオプロジェクタの代わりに、主に、ユーザが望むマスクパターンに対応するDMDミラー設定のマップをDMDコントローラに提供するDMDインターフェースの使用によって、もっぱらデジタルの領域だけで動作する。こうすると、照明灯を変調器と一体式にする必要がなく、その代わりに多様な光源による入力を使用することができる。さらに、変調器の複雑性およびコストが大幅に低減し、DMDコントローラが単純な緩衝器（バッファ）になり、変調器を顕微鏡の反射光ポート、透過光ポート、またはカメラポートに取り付けることができ、レーザ光入力も使用することができ、リアルタイムのイメージングを行うことができる。
【００２０】
本発明は、光学顕微鏡システム用空間光変調器を特徴とし、この装置は、光学ヘッドを顕微鏡のポートに取り付けるための取付フランジ、光のパターン画像を生成するためのDMDなど空間光変調デバイス、照明源を収めるための光源取付台、および光を照明源からDMDに向け、DMDによって生成されたパターン画像を顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素を備える。DMDコントローラは、デジタル入力部を有し、DMDに接続されてDMDの個々のマイクロミラーを駆動してパターン画像を生成する。パターン生成サブシステムは、パターン画像データを出力するように構成され、デジタルインターフェースは、DMDコントローラのデジタル入力部とパターン生成サブシステムの間に接続され、パターン画像データに対応してデジタル駆動信号をDMDコントローラに提供するように構成される。
【００２１】
好ましくは、DMDコントローラは、光学ヘッド上でDMDに隣接して取り付けられ、デジタルインターフェースは、コンピュータ内に収容されるPCカード上に搭載され、パターン生成サブシステムはコンピュータ上で動作可能である。
【００２２】
一例では、光学ヘッドは、照明光軸を有するハウジングを備え、DMDは、ハウジング上でハウジングの照明光軸上に配置され、取付フランジは、ハウジング上でDMDの反対側におけるハウジングの照明光軸上に配置される。光源取付台は、通常、光学ヘッドハウジング上で照明光軸を横切る軸上に配置される。同じ例で、光学ヘッドはさらに、光バッフルを備え、この光バッフルが、DMDのマイクロミラーがオフ状態の場合にDMDによって反射された光が該光バッフルに向けられるように配置されている。光学顕微鏡はフィールド面を有し、光学ヘッドのDMDおよび光学要素は、DMDによって生成されたパターン画像を光学顕微鏡のフィールド面に向けるように構成することができる。あるいは、光学ヘッドのDMDおよび光学要素は、DMDによって生成されたパターン画像を光学顕微鏡のフィールド面の共役面に向けることができる。
【００２３】
通常、視野を有するカメラが顕微鏡に取り付けられており、光学ヘッドの光学要素は、DMDパターン画像がカメラの視野の一部または全部を満たすように構成される。
【００２４】
通常、ハロゲン電球、閃光電球、アーク灯、またはレーザ光源などの光源は、光源取付台に設置される。好ましい実施形態では、光源取付台はさらに、シャッターアセンブリおよびフィルタ保持アセンブリを備える。光学ヘッドはさらに、シャッターアセンブリおよびフィルタ保持アセンブリを備えた第２の光源取付台を備えることができる。また光学ヘッドは、ビームスプリッタ取付台を備えることができる。
【００２５】
好ましい実施形態では、デジタルインターフェースは、クロック信号を提供するクロック、および論理デバイスを備えており、この論理デバイスは、パターン画像データとクロック信号に応答し、画素をパターン画像データに割り当て、この割り当てられた画素をクロック信号に従ってシリアル化し、パターン画像データをリフォーマットしてDMDの空間アドレス指定に対応するように構成され、さらに、クロック信号に基づいて複数のタイミング信号を生成し、割り当てられた画素のシリアル化の同期をとるように構成される。複数のタイミング信号は、通常、DMDアドレスカウンタ信号に対応する。複数のタイミング信号のいくつかを論理デバイスによって周波数を倍増させ、DMDのミラーのより速いグローバルダークリセット（global dark reset）を提供できる。好ましい実施形態では、論理デバイスは、フィールドプログラマブルゲートアレイであり、デジタルケーブルは、デジタルインターフェースをDMDコントローラのデジタル入力部に接続する。DMDコントローラは、リフォーマットしたマスク画像データをバッファに入れ、DMDのメモリセルをロードするように構成される。DMDコントローラはさらに、それぞれDMDのミラーを全て同時に、リセットし、新規状態、または保持するためのリセットコマンド、新規状態コマンド、および保持コマンドを提供するように構成される。
【００２６】
一例では、光学顕微鏡は、顕微鏡で表示される試料をディスプレイ上に生（ライブ）で画像化するためのカメラを備える。パターン生成サブシステムは、パターン画像データを出力するように構成されており、出力装置に応答してパターン形状を描くための描画エディタを備えるとともに、カメラおよび描画エディタに応答してディスプレイ上で試料画像を透かして覆うパターン形状を描くためのアルファーブレンディングルーチンを備える。デジタルインターフェースは、描画エディタに応答して、DMDを制御してディスプレイ上に表示された透けたパターンと形状が同一のパターン画像を生成するデジタル駆動信号を提供する。通常、パターン生成サブシステムはさらに、１組の格納された校正値（格納校正値）を有し、描画エディタとデジタルインターフェースの間に挿入されて、描かれたパターン形状の画素をDMDの画素に相関させるために格納校正値に応答する空間スケール（spatial scale）とオフセットのルーチンを有している。本発明は、空間光変調器システムのための光学ヘッドも特徴とする。この光学ヘッドは、光学ヘッドを顕微鏡のポートに取り付けるための取付フランジ、光のパターン画像を生成する空間光変調デバイス、照明源を受けるための光源取付台、光を照明源から空間光変調デバイスに向け、空間光変調デバイスによって生成されたパターン画像を顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素、および空間光変調デバイスに接続されて空間光変調デバイスを駆動しパターン画像を生成するコントローラを備えており、コントローラは、デジタル駆動信号に応答するデジタル入力部を有する。通常、空間光変調デバイスは、ハウジング上でハウジングの照明光軸上に配置されたDMDであり、取付フランジは、ハウジング上でDMDの反対側の照明光軸上に配置される。
【００２７】
本発明は、空間光変調デバイス（たとえばDMD）用コントローラとパターン生成サブシステムの間に相互接続されたデジタルインターフェースも特徴とする。このデジタルインターフェースは、クロック信号を提供するクロック、および論理デバイスを備え、この論理デバイスは、パターン生成サブシステムによって出力されるパターン画像データおよびクロック信号に応答し、画素をパターン画像データに割り当て、この割り当てられた画素をクロック信号に従ってシリアル化し、パターン画像データをリフォーマットして、空間光変調デバイスの空間アドレス指定に対応するように構成され、論理デバイスはさらに、クロック信号に基づいて複数のタイミング信号を生成し、割り当てられた画素のシリアル化を同期させるように構成される。通常、この複数のタイミング信号は、DMDアドレスカウンタ信号に対応し、前記DMDアドレスカウンタ信号のいくつかは、論理デバイスによって周波数が倍増されて、より速いグローバルダークリセットを提供することが好ましい。通常、論理デバイスは、プログラム可能な論理デバイス、またはフィールドプログラマブルゲートアレイであり、デジタルインターフェースをDMDに接続されたDMDコントローラに接続するデジタルケーブルをさらに備える。このDMDコントローラは、リフォーマットしたパターン画像データをバッファに入れ、DMDのメモリセルをロードするように構成されることが好ましい。論理デバイスはさらに、リセットコマンド、新規状態コマンド、および保持コマンドを提供するように構成される。好ましくは、デジタルインターフェースは、コンピュータ内に収容されるPCカードに搭載され、パターン生成サブシステムは、当該コンピュータ上で動作することができる。
【００２８】
本発明は、パターン画像データを空間光変調器（たとえばDMD）に出力するように構成されたパターン生成サブシステムも特徴とする。このパターン生成サブシステムは、入力デバイスに応答してパターン形状を描く描画エディタを備えるとともに、カメラおよび描画エディタに応答してディスプレイ上で試料の画像を半透明に覆う描画パターン形状を表示するアルファーブレンディングルーチンを備える。描画エディタに応答してデジタルインターフェースが設けられ、これにより、空間光変調器を制御してパターン画像を生成するデジタル駆動信号を提供するようになっていてもよい。さらに、１組の格納校正値が含まれるとともに、描画エディタとデジタルインターフェースの間に挿入されて、格納校正値に応答して描画のパターン形状の画素を空間光変調器の画素に相関させる空間的なスケールとオフセットのルーチンが含まる。
【００２９】
好ましい一実施形態では、光学顕微鏡のための空間光変調器システムは、本発明によれば、光学ヘッドを特徴とする。この光学ヘッドは、光学ヘッドを顕微鏡の反射光ポートまたは透過光ポートに取り付けるための取付フランジ、光のパターン画像を生成するための空間光変調器、照明源を受けるための光源取付台、および光を照明源から空間光変調器に向け、空間光変調器によって生成されたパターン画像を顕微鏡に向ける１つまたは複数の光学要素を備える。コントローラは、光学ヘッド上で空間光変調器に隣接して取り付けられ、デジタル入力部を有する。コンピュータは、パターン画像データを出力するように構成されたパターン生成サブシステム、およびパターン生成サブシステムによって生成されたパターン画像データに対応して、デジタル駆動信号をコントローラに提供するように構成されたデジタルインターフェースPCカードを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
当業者であれば、以下の好ましい実施形態の説明および添付の図面から、他の目的、特徴および利点を思いつくであろう。
【００３１】
好ましい実施形態または以下に開示する実施形態とは別に、本発明は、他の実施形態でも実施可能であり、多様な方法で実施または実行することができる。したがって、本発明の適用は、以下の説明で述べ、または図面で示した構成要素の構造および構成の詳細に限定されないことを理解されたい。
【００３２】
図１で示した、顕微鏡１２用の従来技術の照明デバイス１０は、完備されたビデオプロジェクタユニットであり、このユニットは、LCDないしDMD１４、光源１５、およびビデオケーブル１６を介して「制御／計算デバイス」２０のグラフィックカード１８に接続された駆動装置２３を使用するものとされている。このデバイス１０は、顕微鏡１２の透過光ポート２２に連結され、グラフィックスカード１８は、画像信号を生成してLCD／DMD１４を駆動する。このシステムの他の構成要素は、米国特許第６，２４３，１９７号明細書に記載されている。こうしたシステムに関連する欠点、制約、および問題は、上記の背景技術の項目において論じられている。
【００３３】
本発明によれば、一実施形態において、空間光変調器は、図２の光学ヘッド３０を含んでおり、この光学ヘッド３０は、ハウジング３２を備え、このハウジング３２が、光学ヘッド３０を顕微鏡３８の反射光ポート３６に取り付けるための取付フランジ３４を有している。別法として、光学ヘッド３０を、透過光源４１の代わりにポート４０に、または通常ではカメラ５６用のカメラポート４２に取り付けることもできる。
【００３４】
光源取付台４４は、ハロゲン電球、閃光電球、アーク灯、またはレーザ光源などといった照明源４６を収容する。照明された光源４６からの光は、光学要素５８（たとえばミラー）を介して空間光変調デバイス、好ましくはDMD４８に向けられ、DMD４８によって生成されたパターンは、光学要素５２、５４（たとえば屈折または反射光学要素、あるいはその両方の組合せ）を介して顕微鏡３８に向けられる。光バッフル５１は、図で示したように、DMD４８のマイクロミラーがオフ状態の場合は、DMD４８によって反射された光が光バッフル５１に向けられるように配置されている。
【００３５】
こうして、光学ヘッド３０は光学的サブシステムを含み、このサブシステムは、DMD４８によって生成された画像を顕微鏡３８のフィールド面３７またはフィールド面３７の共役面に光学的に中継する。フィールド面３７は、試料面３９と共役であるため、DMD４８の表面の画像は、試料面３９に投影される。DMD４８の表面上の各空間位置は、試料面３９に置かれた試料４５上の空間位置で表示される。この表示のサイズは、光学要素５２および５４を含む光学サブシステムの倍率、並びに顕微鏡３８の反射光ポート３６および対物レンズ４３の倍率に依存する。顕微鏡３８の反射光部分ならびに透過光部分における倍率は、様々な顕微鏡の型によって異なる。そのため、光学要素５２および５４を含む光学サブシステムは、DMD４８の画像サイズが使用可能限度内に入るように調節可能とすることができる。DMD画像が視野全体を大きく超えて占める場合、マイクロミラー間の間隔がユーザに明らかになり、試料４５の照明は格子様に見える。DMD画像が視野を著しく下回って占める場合は、本発明の利点が同様に実現されない。したがって、理想的にはDMD画像がカメラ５６の視野全体を占めなければならない。
【００３６】
図で示した特定の実施形態では、ハウジング３２は、照明光軸６０を規定し、DMD４８はハウジング３２上で照明光軸６０上に配置され、取付フランジ３４はDMD４８の反対側のハウジング３２上で、やはり照明光軸６０上に配置される。光源取付台４４はハウジング３２上で、DMD４８にある照明光軸６０と交差する軸上に配置される。
【００３７】
図３〜図５で示したプロトタイプの設計では、図４のDMDコントローラ８０は、光学ヘッド３０上でDMD４８に隣接して取り付けられ、さらに図３の光源取付台４４用のシャッターアセンブリ８２およびフィルタ保持アセンブリ８４が備えられている。図３では、シャッターアセンブリ８８およびフィルタ保持アセンブリ９０を備えた第２の光源取付台８６、およびビームスプリッタ取付台９２が示されている。本明細書に援用される米国特許第５，９３３，２７４号明細書を参照されたい。
【００３８】
図６は、顕微鏡３８上に取り付けられる図３〜５で示した実施形態のブロック図であり、さらに光源取付台４４に取り付けたレーザ照明源を示している。ビームスプリッタ取付台９２は、DMD４８によって生成されたマスクパターン画像が通過して顕微鏡３８内に入ることができるようにし、その一方で、第２の光源取付台８６に取り付けられた第２の光源からの照明を受け、その照明をDMD４８によって生成されたマスクパターンと同軸で顕微鏡３８内に向ける光学要素の配置を可能にする。したがって、顕微鏡３８上の試料４５を１つの光源で従来の方法で全体に照明し、かつ同時にマスクパターンで照明することができる。
【００３９】
本発明による完全な空間光変調器は、図７のDMDコントローラ８０も特徴とし、このDMDコントローラ８０は、デジタルインターフェースケーブル１０２を介してコンピュータ１０６のデジタルインターフェース１０４に接続されるデジタル入力コネクタ１００を有する。パターン生成サブシステム１０３もコンピュータ１０６上で動作し、以下でより詳細に論じるように、パターン画像データをデジタルインターフェース１０４に出力するように構成される。デジタルインターフェース１０４は、パターン画像データに応答して、デジタル駆動信号をデジタルケーブル１０２を介してDMDコントローラ８０に提供する。DMDコントローラ８０は、DMD４８に接続され、DMD４８の個々のマイクロミラーを駆動して、図２および図６の光学要素５２および５４を介して顕微鏡３８に伝送されるパターン画像を生成する。
【００４０】
一実施形態では、図７のデジタルインターフェース１０４は、図７のコンピュータ１０６内に収納される図８のPCカード１２０上に搭載され、図７のデジタルケーブル１０２に接続されたデジタル出力コネクタ１０５を有する。図８で示されるように、デジタルインターフェース１０４は、クロック信号を論理デバイス１２４（たとえばフィールドプログラマブルゲートアレイ〔FPGA〕）に提供するクロック１２２を含む。論理デバイス１２４は、コンピュータバスインターフェース１８０、およびPCカード接続部１８１、並びにクロック信号を介してパターン生成サブシステム１０３によって提供されるパターン画像データに応答して、パターン画像データに画素を割り当てるように構成されるとともに、さらにこの割り当てがなされた画素をクロック信号に応じてシリアル化し、これにより、DMD４８の空間アドレス指定に対応するようにパターン画像データをリフォーマットするよう構成される。図７のDMDコントローラ８０は、リフォーマットされたマスクパターン画像データをバッファに入れ、DMD４８のスタティックRAM（SRAM）メモリセルをロードするように構成される。また、図８のデジタルインターフェース１０４の論理デバイス１２４は、クロック信号に基づいて複数のタイミング信号を生成し、割り当てがなされた画素のシリアル化の同期をとるように構成される。好ましい実施形態では、複数のタイミング信号はDMDアドレスカウンタ信号に対応するが、論理デバイス１２４によって周波数的に逓倍ないし倍増されて図７のDMD４８のミラーのより高速のグローバルダークリセットを提供するようにできる。図８の論理デバイス１２４は、好ましくは、図７の全ミラーのリセット、新規状態、または保持を同時に行うために、リセットミラーコマンドを出し、新規のミラー状態コマンドおよび保持ミラー状態コマンドの切り替えを行うように構成される。
【００４１】
次に再び図７を参照すると、パターン生成サブシステム１０３、すなわちコンピュータ１０６上で動作するソフトウェアは、パターン画像データをデジタルインターフェース１０４に出力するように構成され、デジタルインターフェース１０４は、パターン画像データに応じて、デジタル駆動信号をデジタルケーブル１０２を介してDMDコントローラ８０に提供する。パターン生成サブシステム１０３は、情報モードヘッダを含む図９のビットマップマスク画像１７０を提供する。図７の顕微鏡に搭載されたカメラ５６は、カメラケーブル１５０を介してコンピュータ１０６内に配置されたカメラインターフェース１５２に接続される。カメラインターフェース１５２は、アナログカメラのビデオ信号とインターフェースを取り、こうした信号をビデオデータにデジタル化し、そのデータをコンピュータデータバスに分配するフレームグラバータイプのカードとすることができる。他の実施形態では、カメラインターフェース１５２は、IEEE１３９４デジタル通信規格に準拠したカメラを使用可能にするIEEE１３９４インターフェースなどのデジタルデバイスである。
【００４２】
通常、各DMD４８は、表面上に数１０万個のマイクロミラーのアレイを備える。各マイクロミラーは通常、１６平方ミクロンであり、それぞれ互いに１ミクロンの間隔を置いて配置されている。各マイクロミラーは電子的にアドレス指定可能である。マイクロミラーの下のSRAMにおける論理状態がハイであると、通常、マイクロミラーは正の１０°の位置に傾斜し、これを本明細書で「オン」状態と呼ぶ。論理状態がローであると、通常、マイクロミラーは負の１０°の位置に傾斜し、これを本明細書で「オフ」状態と呼ぶ。オフ状態のDMD４８のマイクロミラーに入射する、図２の照明源４６から放出された光は、照明光軸６０ではない軸に沿って反射され、光バッフル５１に入る。マイクロミラーが「オン」状態の場合は、照明源４６から放出された光はDMD４８のこうしたマイクロミラーから照明光軸６０に沿って反射され、顕微鏡３８に入る。次いで光は、顕微鏡３８によって試料面３９に向けられ、DMD４８の「オン」状態のマイクロミラーに一致するパターンで試料４５を照明する。照明されたパターンのサイズは、上述の光学倍率に依存する。
【００４３】
説明のため、試料４５が幾分反射性であると仮定し、照明源４６のスイッチを入れ、パターン「X」を表すDMD４８のマイクロミラーを「オン」状態にする。視点６３での画像は、DMD４８のマイクロミラーパターン「X」の画像上に重ね合わされた試料４５の画像である。同じ画像が、図７のカメラ５６およびコンピュータモニタ１５４に表示される。図２の顕微鏡３８の対物レンズ４３をより高倍率のものと交換した場合、同じ位置にある試料４５の画像は大きくなるが、DMD４８のマイクロミラーのアレイのパターン「X」画像の視点６３におけるサイズは変わらない。
【００４４】
当技術分野では、「画素」という用語は多様なコンテキストで使用されている。たとえば、DMD４８の製造者は、各マイクロミラーを画素と呼び、DMD４８は、画素と呼ばれる複数の別々の領域に光を分布すると言われており、顕微鏡３８の下で試料４５のデジタルビデオ画像は画素で構成され、図７のモニタ１５４は画素に解像する。混同を避けるため、以下の命名法を本明細書で使用する。図２および図７のDMD４８の各マイクロミラーの空間表示をDMD画素と呼び、カメラ５６によって捉えられ、コンピュータモニタ１５４上に表示される画像の空間表示をスクリーン画素と呼ぶ。
【００４５】
ユーザは、本発明の特注ソフトウェア１０３と共に、キーボード１５６およびコンピュータマウス１５８を使用して、試料の照明を制御することができる。ソフトウェア１０３は、デジタルインターフェース１０４、デジタルインターフェースケーブル１０２、およびDMDコントローラ８０によってDMD４８を制御する。
【００４６】
図１１のソフトウェア１０３は、カメラ５６によって捉えられてカメラケーブル１５０を介してカメラインターフェース１５２に伝送される試料のライブビデオ画像をモニタ１５４上に表示する。試料のライブビデオ画像は、マスクすべき領域を標的とするため、単に参照用にモニタ１５４上に表示される。ユーザは、マウス１５８およびソフトウェア１０３の一部の描画エディタ１６０を使用して、試料の画像上に重ね合わせる所望の任意の形状の半透明マスクオーバレイを描くことができる。ユーザはなお、半透明のマスクオーバレイの下のライブビデオ画像を見ることができる。ユーザは、（全フィールドを含む）予め決められた半透明マスクオーバレイのセットの中から選択することもできるし、あるいはユーザ定義の半透明マスクオーバレイを蓄積されたコンピュータファイルの中から選択して再現することもできる。ユーザは、試料がこうしたオーバレイの形状と同一のパターンで照明されるように選択することができる。
【００４７】
図１１のパターン生成サブシステム１０３の描画エディタ１６０は、図７のキーボード１５６、またはマウス１５８、あるいはパターンの形状を描くための任意の他の入力デバイスに反応する。図１１のアルファーブレンディングルーチン１６２は、ディスプレイないしモニタ１５４上においてカメラ５６によって捉えられた試料画像の上を半透明に覆うような、描画エディタ１６０を使用して描かれたパターンを表示するよう、図１１の描画エディタ１６０と、（カメラインターフェース１５２を介して）図７のカメラ５６とに応答する。こうして、図７のデジタルインターフェース１０４は、図１１の描画エディタ１６０に反応して、DMDコントローラ８０を介して図７のDMD４８を制御するデジタル駆動信号を提供し、これにより、半透明パターン形状を示すパターンマスク画像が生成される。パターン生成サブシステム１０３はさらに、図１１の格納された１組の校正値１６６（格納校正値）を含むとともに、空間スケールおよびオフセットルーチン１６８を含むことができる。このルーチン１６８は、描画エディタ１６０とデジタルインターフェース１０４の間に挿入され、格納された校正値１６６に応答して、描画パターン形状の画素をDMD４８の画素と相関させる。
【００４８】
より詳細には、図１１の描画エディタ１６０は、好ましくは、モニタ１５４上に表示すべきマスクオーバレイ画像のためのデータを生成し、そのデータを、ルーチン１６８を介した校正された空間スケールとオフセットの情報ならびに１６６に格納された校正値と組合せて、DMD４８に伝送すべき密な濃いマスク画像を作成する。３つの画像は個々のデータの組である。試料の画像は密で濃く、マスクオーバレイ画像は半透明で、試料画像上にオーバレイされており、第３に、マスク画像は密で濃く、スケール化され、かつオフセットされている。
【００４９】
記憶された校正値１６６と結びつけることで、スケールとオフセットのルーチン１６８は、２本の空間軸におけるスケーリングおよびオフセットを可能にし、半透明のマスクオーバレイのスクリーン画素とDMDの画素の間に正確で繰返し可能な位置決めを行うことができるようにする。DMD画素は、図６の試料面３９での空間位置に光学的に対応し、試料面３９は、図１１のモニタ１５４上のライブビデオ画像のスクリーン画素に対応するカメラ画素に対応する。こうすると、正確な照明のシーケンスに先立って、所望の領域に標的を定めることができる。校正は頻繁に必要とされるものではないが、通常、システムの設定時、または図２の光学サブシステム５２、５４を変更した直後にだけ行われる。図１１の描画エディタ１６０のマスクオーバレイ画像用データは、望み通りに半透明に生成されてからモニタ１５４上に表示されるよう、アルファーブレンディングルーチン１６２を介して伝送される。描画エディタ１６０のデータは、スケール／オフセットルーチン１６８を介しても伝送され、次いでコンピュータのデータバスを介してデジタルインターフェース１０４に向けられる。
【００５０】
上述のように、デジタルインターフェース１０４は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）など、図８の論理デバイス１２４を内部に有している。デジタルインターフェース１０４は、マスク画像データを図１１のDMD４８の空間アドレス指定に対応するようにリフォーマットし、タイミングおよび制御シーケンスを生成し、リフォーマットしたデータおよびシーケンスをDMDコントローラ８０にデジタルインターフェースケーブル１０２を介して提供する。図１０のDMDコントローラ８０は、マスク画像データおよびシーケンスをバッファに入れ、DMD４８のメモリセルをロードし、追加の制御信号およびDMD４８に必要な電圧を提供する。
【００５１】
図７のソフトウェア１０３は、ユーザがプルダウンメニューなどを用いてフォーマットにおける照明のタイミングを制御できるようにする。ユーザは、予め決められたタイミングスケジュールならびにユーザ定義によるタイミングスケジュールを使用できる。自動、手動、および外部からのトリガによる動作モードが可能である。
【００５２】
こうして、図１１の描画エディタ１６０を使用して、マスク画像が描かれ、スケールおよびオフセットルーチン１６８によってその画像が格納校正値１６６に従って処理される。このデジタルインターフェース１０４への出力は、ビットマップ画像の形態であり、この画像に図１１のソフトウェア制御モジュール１６５からの命令モードヘッダを加えて、動作モード（単一のマスク画像、画像の複数回の繰返し、ユーザが描画エディタ１６０を操作している間にマスクをできるだけ迅速に生成する場合の「ライブ」モード）を指定し、さらに、開始時刻、および／またはマスクの（定刻の）内部または外部トリガの継続時間、および／またはトリガ選択（ユーザの光源または検出器をトリガするためのもの）など、どのようにしてマスク画像を生成するかについての情報を指定することができる。このデータのブロックを、図９のダイレクトメモリアクセス（DMA）１９０と呼ばれる標準技術により、コンピュータPCIバスを介してデジタルインターフェース１０４に転送することができる。
【００５３】
あるいはマスク画像は、ビットマップデータの代わりに、ベクトル化したデータの形態でもよい。たとえば、正方形など形状の角についての座標が、DMAを介してより速く転送される。しかしこの場合、デジタルインターフェース１０４の論理デバイス１２４は、データをDMDのアレイに対応するようにビットマップ化し、さらにそのデータをRAMメモリに対して「OR」することで最後のフレームから変更された領域だけを重ね書きする追加のタスクを有することになる。DMDコントローラに出力するためのFPGAによるデータのシリアル化は同じままである。
【００５４】
したがって、図８および図９のデジタルインターフェース１０４は、好ましくは、コンピュータバスに対応するPCインターフェース１８０を有する。データのブロックは、PCインターフェース１８０および論理デバイス１２４を介して流れる。論理デバイス１２４は、情報モードヘッダを取り除き、保持し、図９で示したようにビットマップデータがランダムアクセスメモリ（RAM）１８２内に流れることができるように機能する。次いで論理デバイス１２４は、クロック１２２を使用して適切なカウンタリセット信号を生成（タイミング生成）し、同時にビットマップデータをRAM１８２から直列方式で読み取る。たとえばDMDアドレス指定方式の構成と整合性が取れるように９６００ビット長×５０チャネル幅である。タイミング信号と共にこうしたデータを、図７のデジタルインターフェースケーブル１０２を介してDMDコントローラ８０によりDMD４８上のSRAMアドレスに送信する。この操作が行われた場合、図８の論理デバイス１２４は、動作モード設定（トリガ、継続など）に従って、「ミラー駆動コマンド」を出す。この「ミラー駆動コマンド」は、図１０のDMDコントローラ８０によって解釈されると、DMD４８のマイクロミラーをリセットさせ、次いでマイクロミラーの新規の状態をDMDのSRAMアドレスから読み取らせ、こうした新規の状態に傾斜させ、次のこうしたコマンドまで保持させる。
【００５５】
外部からのトリガまたはソフトウェア（継続）によって、操作者が指定した時は、モードに従って、DMDは暗くなるよう要求される。マスクを表示した後にDMDが一層迅速に暗くなることができればできるほど、短パルスの光を必要とする状況における性能がそれだけ一層向上する。DMDデバイスを制御する従来の方法では、「暗」はDMDコントローラを介してDMDにワイヤで接続されたグローバルコマンドラインである。暗コマンドは主に、データ入力状態に関係なくタイミング信号のシーケンス中にDMD上のRAMのアドレス全てにローの論理状態を書き込む。アドレスはタイミング信号によって選択されるため、瞬時に有効にならないが、通常は６４０クロックサイクルにわたって分配される。本発明のシステムでは、論理デバイス１２４は、暗シーケンスを出し、論理デバイス１２４は、暗コマンドをハイに保持し、さらに特別に圧縮した（４分の１に圧縮した）タイミング信号を生成して暗コマンドを通常より４倍速くグローバルアドレス指定できるようにする。論理デバイスは、最後のマスク画像からのRAMメモリ１８２のビットマップ画像を乱さなくてもよい。論理デバイス１２４は、繰返しモードで上述のように機能する。論理デバイス１２４は、ライブモードでは、暗シーケンスを入力することなく、その代わりに、画像が図７のDMDコントローラ８０に送信されてミラー駆動コマンドが出されたことを知らせるために、バスインターフェース１８０を介してソフトウェアと通信する。このコマンドは、ソフトウェアが、DMDを介して図８のデジタルインターフェース１２０に転送されるデータブロック（ビットマップ画像およびヘッダ）の別のシーケンスを開始するように命令する。こうすると、操作者が図１１の描画エディタ１６０で描画し、または描いた形状を移動させる場合に、マスクはこうした動作に追従し、その速さは、システムが暗いフレームを間に入れさせない速さと同じ程度となる。
【００５６】
図１０のDMDコントローラ８０は、上記で論じたようにデジタルインターフェースケーブル１０２に接続され、タイミング信号２０２および暗信号と共にパターン画像データ２００を符号２１０において示されるようにバッファに入れ、それらをDMD４８に送信する。また、DMDコントローラ８０は、DMD４８のミラーを静電気的に傾斜させるために必要となる符号２０８において示されるような高電圧のアナログ波形にミラー駆動コマンド信号を変換する。DMD４８は、さらにそれぞれミラー駆動コマンドラインを有する１５グループの横列に分割されるが、こうしたラインのすべてが均一の照明のために同時に駆動される。好ましいDMD４８の製造者であるTexas Instrumentsは、こうしたグループを順に作動して、これにより各縦列を上から下まで書込むことをうまく活かしていることに留意されたい。横列のグループが書き込まれ、次いで次の横列のグループが書き込まれている間に、最初のグループに対するミラー駆動コマンドが出される。しかしこの結果、画像は上から下までブロックに描かれるが、本発明のシステムでは、画像は全て一度に現れる。
【００５７】
また、DMDコントローラ８０は、多数の電圧調整／変換機能２０６を備え、この機能により、DMD４８に給電するとともに、多数のDMDピンをそれぞれ所定の電圧に保つことによって符号２１２において示されるようなDMD４８の属性を選択するようになっている。
【００５８】
従来技術に勝る本発明の利点はいくつかあり、しかも重要である。達成された最も顕著な利点は、従来の顕微鏡で照明の空間的分布を制御し、標的を合わせられることである。照明すべき試料の領域は、約数ミクロンなど非常に小さいこともあれば、数百ミクロンなど非常に大きい領域であることもある。本発明の他の主な利点は、顕微鏡の試料に移送される照明のパターンをカスタマイズできることである。この特徴は、ほとんど幾何学的でなく一様でもない生物学的構造を照明し、またはマスクする必要がある生命科学産業の研究者には非常に利益がある。研究者は、試料を選択的に照明できるため、光手段によって同じ制御レベルで試料の選択領域を監視し測定する能力を得ることができる。
【００５９】
高速度、高い画素密度、および顕微鏡検査法で望ましい近紫外まで広がる広範なスペクトル帯域を示すデジタルミラーデバイスの使用により、従来の顕微鏡における照明のタイミングを制御する性能において、同じように顕著な利点がもたらされる。数百マイクロ秒持続するパルスから連続照明に至る範囲で変えられる持続時間と繰返しとを無限に組合せて試料の複数の領域を照明できる。従来の機械的シャッターを顕微鏡の照明光路内に搭載することができるが、それらは本発明のシステムよりも動作が遅い。たとえば、ビームの形は機械的シャッターだけでは制御することができない。なぜなら、通常は絞りの開口が予め決められているからである。本発明は、標準的なパルス幅変調DMDインターフェースを備えたDMDプロジェクタとは違い、真に黒と白を一時静止させるやり方で直接DMDと通信する。これにより、マスク画素のラスタタイプの走査が要らなくなる。このラスタタイプの走査は、光学的スループットを低減し、敏感な科学実験に悪影響を与える可能性がある。半透明ライブビデオインターフェースを使用してリアルタイムに顕微鏡の照明をカスタマイズできる点は、本発明に独特のものである。
【００６０】
このように、本発明は、従来の顕微鏡に照明システムを提供し、ユーザが、試料の照明に関して空間的かつ時間的制御ができるようにするものである。プログラム可能なマイクロミラーのアレイを、照明光軸に挿入して、作動状態に置かれた場合に、光が照明光軸に沿って試料面に反射されるようにする。各マイクロミラーは、試料面の所定の空間的な位置に向けて光を指向させる。この試料面の所定の空間的な位置は、共役面にあるマイクロミラーの所定の空間的な位置と対応関係にある。開発された上述の革新的なソフトウェアにより、ユーザは、照明すべき視野内の領域、あるいは逆にマスクをして光源によって照明されないようにすべき視野内の領域を選択できるようになる。ユーザは、様々な長さの単一のパルスから連続した照明まで、照明のタイミングを制御することもできる。
【００６１】
一例として、図２のハロゲン光源４１を使用して、従来の顕微鏡のステージ上の生きた細胞の培養を下から透過照明することができる。ビデオカメラ５６は、顕微鏡３８のカメラポートに取り付けられる。顕微鏡３８は、図７のコンピュータ１０６のカメラインターフェース１５２に接続されたデータ出力部を備え、コンピュータ１０６は、コンピュータモニタ１５４上に試料のライブビデオ画像を表示する。研究者は、視野内の細胞のいくつかに第２の光源で照明し、つまりは標的を定め、他の細胞は標的にしたくないと思っている。ユーザは、コンピュータマウス１５８および本発明のソフトウェア１０３を使用し、標的の細胞に重ね合わされるが標的を覆い隠したりはしないようにしながらコンピュータモニタ１５４上で半透明のオーバレイを描く。次いでユーザは、エピ蛍光（epifluorescence）励起に使用されるアーク灯といったような、光学要素５８によってDMD４８を照明するように構成された照明源４６によって上記のターゲットが照明されるように選択する。パターン化された光を照明光軸６０に沿って顕微鏡３８内に指向し、試料面３９にある試料の培養を上から下に照らす。試料画像に対するマスクオーバレイの空間位置は、DMDのマイクロミラーの空間位置に対応する。次いでユーザは、時間シーケンスを選択し、ソフトウェアをトリガする。オーバレイの空間マップを符号化し、DMDに向け、DMDは、光源４６からの光を選択された時間にわたって細胞培養に反射させる。このようにして、研究者は今や培養試料の一部で独自の光実験を行うことができ、その一方で実験を制御したりあるいは同じ試料の関係のある部分に追加の実験を行うことができる。
【００６２】
本発明の特定の特徴を一部の図面で示し、他の図面では示していないが、これは単に便宜上のためであり、本発明によるどの特徴も任意のまたは全ての特徴と組合せることができる。本明細書で使用した語「含む」、「備える」、「有する」、および「持つ」は、広範かつ包括的に解釈されるべきであり、任意の物理的相互関係に限定されるべきではない。さらに、本出願で開示したどの実施形態も唯一の可能な実施形態と考えられるべきではない。
【００６３】
当業者は他の実施形態も想到するであろうが、それらは特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】米国特許第６，２４３，１９７号明細書で述べられているような完成した一体のビデオプロジェクタを使用する従来技術の顕微鏡用照明デバイスの概略図である。
【図２】本発明の空間光変調器の一実施形態に関連する主な構成要素、特に本発明の光学ヘッドを示す概略図である。
【図３】本発明の光学ヘッドの他の実施形態を上側から見て示す図である。
【図４】図３で示した光学ヘッドを後側から見て示す図である。
【図５】図３および図４で示した光学ヘッドを底部の側から見て示す図である。
【図６】本発明による、顕微鏡に結合された図３〜図５の光学ヘッド、および該光学ヘッドに結合されたレーザ光源を示す概略図である。
【図７】本発明による完全な空間光変調器に関連する主な構成要素を示すブロック図である。
【図８】図７で示した装置のデジタルインターフェースに関連する主な構成要素を示すブロック図である。
【図９】図８で示したデジタルインターフェースの操作を示す機能の流れ図である。
【図１０】本発明のDMDコントローラに関連する主な構成要素を示すブロック図である。
【図１１】本発明による完全なシステムの様々なコンピュータソフトウェアとハードウェア構成要素の間の相互関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０    デバイス
１２    顕微鏡
１４    LCD／DMD
１５    光源
１６    ビデオケーブル
１８    グラフィックスカード
２０    制御／計算デバイス
２２    透過光ポート
２３    駆動装置
３０    光学ヘッド
３２    ハウジング
３４    取付フランジ
３６    反射光ポート
３７    フィールド面
３８    顕微鏡
３９    試料面
４０    ポート
４１    透過光源
４２    カメラポート
４３    対物レンズ
４４    光源取付台
４５    試料
４６    照明源
４８    DMD
５１    光バッフル
５２、５４、５８    光学要素
５６    カメラ
６０    照明光軸
６３    視点
８０    DMDコントローラ
８２    シャッターアセンブリ
８４、９０    フィルタ保持アセンブリ
８６    第２の光源取付台
８８    シャッターアセンブリ
９２    ビームスプリッタ取付台
１００    デジタル入力コネクタ
１０２    デジタルインターフェースケーブル
１０３    パターン生成サブシステム
１０４    デジタルインターフェース
１０５    デジタル出力コネクタ
１０６    コンピュータ
１２０    PCカード
１２２    クロック
１２４    論理デバイス
１５０    カメラケーブル
１５２    カメラインターフェース
１５４    コンピュータモニタ
１５６    キーボード
１５８    マウス
１６０    描画エディタ
１６２    アルファーブレンディングルーチン
１６５    ソフトウェア制御モジュール
１６６    校正値
１６８    スケールおよびオフセットルーチン
１７０    ビットマップマスク画像
１８０    PCインターフェース
１８１    PCカード接続部
１８２    ランダムアクセスメモリ（RAM）
１９０    ダイレクトメモリアクセス（DMA）
２００    パターン画像データ
２０２    タイミング信号
２０６    変換機能
【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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