(57)【要約】共焦点光学装置を開示する。この装置は、物体の三次元走査の実行が可能な３軸式走査鏡を含む。特に、この走査鏡は、環状ジンバル配置された２つの部材を取り付けた可変反射薄膜を備えることにより、２本の直交する軸の周囲で回転が得られる。装置内の別の適切な場所への設置も可能な可変薄膜を使用して、該装置から走査中の物体へと伝播された光ビームの焦点スポットの制御を行う。共焦点装置に関連した様々な方法についても記載している。【選択図】  図２
2007503623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、；
前記光源付近に配置された少なくとも１つの対物レンズと、；
前記光源付近に配置され、外部と内部を有し、前記内部が前記外部と接続し、前記内部が可変表面を有する、単体部材と、；
（１）前記可変表面の少なくとも一部分が部分的に湾曲した面に変形可能であり；（２）少なくとも1つの駆動装置を付勢すると、前記内部を前記外部に対して移動させるように構成されている、少なくとも１つの駆動装置とを備える、装置。
【請求項２】
光源と、；
前記光源付近に配置された少なくとも１つの対物レンズと、；
前記光源付近に配置され、外部と内部を有し、前記内部が前記外部と接続しており、前記外部が約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を有し、前記内部が可変表面を有する、単体部材と、；
（１）前記可変表面の少なくとも一部分が部分的に湾曲した面に変形可能であり；（２）少なくとも1つの駆動装置を付勢すると、前記内部を前記外部に対して移動させるように構成されている、少なくとも１つの駆動装置とを備える、装置。
【請求項３】
第１端部と第２端部の間で縦軸に沿って延びたハウジングと、；
光を前記第２端部へ送る光源と、；
光ビームを光源から前記第１端部へと向ける反射部分を有する、ハウジング内の前記第２端部付近に配置された少なくとも１つの対物レンズと、；
動作位置において、縦軸に対して湾曲した表面を画定する反射部分を有する、光源と少なくとも１つの対物レンズとの間に配置された部材とを備える、装置。
【請求項４】
ハウジングと、；
光ビームを供給する光源と、；
光ビームを、複数の焦点位置へと、光ビームによって画定された集束軸上で側方かつ軸方向に向かって移動させる手段とを備える、装置。
【請求項５】
第１端部と第２端部の間で縦軸に沿って延びたハウジングと、；
ハウジング内の第１位置に固定されており、光ビームを前記第２端部へと送る光源と、；
少なくとも１つの対物レンズと、；
光の第１焦点を、可変反射部分の第１動作位置において集束軸に沿ったハウジングから離れた位置に画定し、また、可変反射部分の第２動作位置において集束軸上に光の第２焦点を画定するために、ビームを少なくとも１つの対物レンズを介して方向付けを行う変形可能な反射部分を有する、前記光源と少なくとも１つの対物レンズの間に配置された部材とを備える、装置。
【請求項６】
第１端部と第２端部の間に縦軸に沿って延びたハウジングと、；
前記ハウジング内の第１位置に固定されており、光ビームを前記第２端部へと送る光源と、；
前記ハウジング内の前記第２端部付近の固定位置に配置された少なくとも１つの対物レンズをさらに備え；
前記第２端部付近に配置された部材であって、前記少なくとも１つの対物レンズを介して方向付けられたビームを反射する変形可能な反射部分を有し、これにより、前記可変反射部材の第１動作位置において前記方向付けされたビームによって画定された集束軸上の前記ハウジングから離れた場所に光の第１焦点が画定され、前記可変反射部材の第２動作位置の集束軸上に光の第２焦点が画定される部材とを備える、装置。
【請求項７】
縦軸に対して約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を有する、第１端部と第２端部の間で縦軸に沿って延びたハウジングと、；
光ビームを供給するための光源と、；
光ビームを、前記光ビームによって画定された集束軸上の第１焦点ポイントと第２焦点ポイントへと移動させる手段とをさらに備える、装置。
【請求項８】
縦軸に対して約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を有する、第１端部と第２端部の間で縦軸に沿って延びたハウジングと、；
光ビームを前記第２端部へ送る光源と、；
前記ハウジング内の前記第２端部付近に配置された少なくとも１つの対物レンズであって、前記少なくとも１つの対物レンズが１つの回折レンズと１つの屈折レンズを含む対物レンズとを備える、装置。
【請求項９】
入力部分であって、光ビームを前記入力部分を介して送る前記入力部分と、；
前記光ビームを、前記光ビームによって画定された集束軸上の複数の焦点位置において移動させる集束部分と、；
前記入力部分と前記焦点部分を包囲するために、第１端部と第２端部の間で縦軸に沿って延びるハウジングであって、縦軸に対して約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を有するハウジングとを備える、装置。
【請求項１０】
前記ハウジングが、前記縦軸に対して約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を設けたハウジングを備える、請求項３、４、６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ハウジングが、前記縦軸を概ね横断して測定した約１．８ミリメートルの外径を含み、前記縦軸に沿って約１０ミリメートルの長さで延びている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記ハウジングが、前記縦軸を概ね横断して測定した約１．５ミリメートルの外径を含み、前記縦軸に沿って約１０ミリメートルの長さで延びている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記光源、対物レンズ、およびハウジングが固定的な関係にある、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記単体部材が、前記支持部分上の第１位置と第２位置において反射部分と接続した、前記第１位置と第２位置の間に延びた傾斜軸を画定する支持部分を備え、前記反射部分は、前記反射部分と結合した第１駆動装置を少なくとも有し、少なくとも前記第１駆動装置が付勢されると前記反射部分を傾斜軸の周囲で回転させ、前記反射部分は、前記反射部分と表面と結合した第２駆動装置を少なくとも有し、少なくとも前記第２駆動装置が付勢されると表面を光源に向かって変形させる、請求項１および２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記単体部材が前記反射部分と結合した第３駆動装置を少なくとも備えており、少なくとも前記第３駆動装置が付勢された時に、第３位置と第４位置の間に延びた傾斜軸周囲で反射部分を支持部分に対して回転させる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記部材が、
前記少なくとも１つの対物レンズに取り付けた第１部材を備え、前記第１部材が、光ビームを第１端部へと反射する反射面を含む概ね平坦な壁部を有し、前記壁部が、少なくとも第１駆動装置と結合しているため、第１駆動装置が付勢されると、前記壁部の前記反射面が湾曲した反射面に変形し；さらに、
前記ポイント光源と前記少なくとも１つの対物レンズの間に第２部材をさらに備え、前記第２部材が、前記支持部分上の第１、第２位置において反射部分と接続した、前記第１位置と第２位置の間に延びたチルチング軸を画定する支持部分を含み、前記支持部分が、前記支持部分上の前記第３、第４位置において、傾斜軸を画定する反射部分と接続しており、前記部材が少なくとも第２駆動装置を有し、この第２駆動装置は、その付勢時に、少なくとも第２駆動装置が付勢されると、チルチング軸周囲で反射部分を回転させるべく反射部分と結合し、また、少なくとも第３駆動装置を有し、この第３駆動装置は、その付勢時に、反射部分を傾斜軸周囲で回転させるべく、反射部分と結合している、請求項３、５、６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記傾斜軸が、前記チルチング軸に対して概ね直交する軸を備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ハウジング内の前記第１端部付近に基部構造をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記基部構造が、前記縦軸に沿って離間した第1端部キャップと第２端部キャップを有するセラミック構造を備えており、前記セラミック構造が、前記端部キャップどうしを接続する壁部を設けており、前記壁部が、縦軸上で前記セラミック構造を通って延びた開口を画定する壁面を有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記セラミック構造が、Ｄ字型の断面を画定するべく、少なくとも１つの平坦面と交差する少なくとも１つの湾曲面を設けた外面を備えており、前記湾曲面と少なくとも１つの平坦面が前記縦軸に沿って延びている、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１端部キャップと第２端部キャップの一方が、縦軸を概ね横断する、少なくとも第２駆動装置と第３駆動装置が上に設置されている平坦面を備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１、第２、第３駆動装置が静電駆動装置を備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記光源が、前記ハウジング内において縦軸に沿って延びる光ファイバと結合した高強度の光を備え、少なくとも１つの光ビームを前記光ファイバの長さに沿って双方向に伝播する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記光ファイバが、約５００ナノメートルの波長を有する光ビームを伝播するシングルモード光ファイバを備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記光ファイバが、概ね縦軸と平行に、また縦軸からオフセットして延びたシングルモード光ファイバを備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記対物レンズが、少なくとも１つの回折光学要素と少なくとも１つの屈折光学要素を備える、請求項１〜３、５、６、および８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの駆動装置が、その付勢時に、前記内部を前記外部に対して回転させるよう構成された少なくとも１つの駆動装置を備える、請求項１および２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの屈折光学要素が、約０．４ミリメートルの開口数と約１ミリメートルの焦点長とを提供するべく、前記縦軸に沿って重ねられた３つの平凸光学要素を備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記部材が、前記反射部分から前記縦軸に沿って離間した基面を備えており、前記基面が、第１開口を画定するべく前記基面を通って延びた壁部を有し、前記反射部分が、第２開口を画定するべく前記反射部分を通って延びた壁部を設けており、前記第１開口と第２開口が、前記基面と反射部分を通って光を通過させるべく整列している、請求項３、５、６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
前記ハウジング、光源、部材、対物レンズが前記縦軸周囲に対称的に配置されており、前記ハウジングが、約１．８ミリメートルの外径を有し、縦軸に沿って約１０ミリメートルの長さで延びている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３１】
前記ハウジング、光源、部材、対物レンズが前記縦軸周囲に対称的に配置されており、前記ハウジングが、約１．５ミリメートルの外径を有し、縦軸に沿って約１０ミリメートルの長さで延びている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３２】
前記対物レンズが、前記縦軸に沿って重ねられた少なくとも１つの回折光学要素と３つの平凸光学要素を備えており、前記第１部材が前記少なくとも１つの回折光学要素上に取り付けられている、請求項１６に記載の装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの対物レンズが、不可視光および可視光の少なくとも一方を伝播するように構成された対物レンズを備える、請求項８に記載の装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの屈折レンズが、３つの平凸レンズを備えており、これらレンズの各々が少なくとも１つの別の平凸レンズと接触していることで、４８０〜６００ナノメートル光の波長について、１ミクロン未満の側方への色シフト、４ミクロン未満の色シフトを提供する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの屈折レンズが３つの平凸レンズを備えており、これらレンズの各々が少なくとも１つの別の平凸レンズと接触していることで、エアリーディスクの図形表示の主要ローブの半値全幅にて、軸上共焦点ポイント分散が約０．５２ミクロンの、１０００ラインペア/ミリメートルのコントラスト反応を提供する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの屈折レンズが３つの平凸レンズを備えており、これらのレンズの各々が、少なくとも１つの別の平凸レンズと接触していることで、４８０〜６００ナノメートルの光の波長について、１ミクロン未満の側方への色シフト、４ミクロン未満の軸方向への色シフト、また、エアリーディスクの図形表示の主要ローブの半値全幅にて、軸上共焦点ポイント分散が約０．５２ミクロンの、１０００ラインペア/ミリメートルのコントラスト反応を提供する、請求項８に記載の装置。
【請求項３７】
少なくとも１つの対物レンズから、光のビームによって画定された焦点軸上の第１、第２焦点ポイントへと光のビームを集束する手段をさらに備える、請求項８に記載の装置。
【請求項３８】
前記手段が、光ビームによって画定された集束軸に対して側方に在る少なくとも別の焦点ポイントへと光ビームを走査する手段を備える、請求項７、３７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３９】
前記光源と前記少なくとも１つの対物レンズの間に配置された部材をさらに備え、前記部材が、前記可変反射部材の第１動作位置内において前記ハウジングから集束軸に沿って離れた光の第１焦点ポイントを画定するべく、また、前記可変反射部材の第２動作位置内において前記集束軸上に光の第２焦点ポイントを画定するべく、前記少なくとも１つの対物レンズを介して方向付けられたビームを反射する可変反射部分を有する、請求項８に記載の装置。
【請求項４０】
前記部材が、第１位置と第２位置の間に延びたチルチング軸を画定する、前記支持部分上の第１位置、第２位置において反射部分と接続した支持部分を備えており、前記反射部分はこれと結合した少なくとも第１駆動装置を有しているため、前記第１駆動装置を付勢すると前記反射部分がチルチング軸周囲で回転し、また、前記反射部分は、その壁と結合した少なくとも第２駆動装置を含むため、前記少なくとも第２駆動装置を付勢すると、前記壁が光源に向かって変形し、さらに、前記反射部分と結合している少なくとも第３駆動装置を有しているため、前記少なくとも第３駆動装置を付勢すると、反射部分が前記支持部分に対し、第３位置と第４位置の間に延びた傾斜軸の周囲で回転する、請求項３、５、６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの対物レンズが屈折レンズを備え、前記屈折レンズが、光ビームを光源から前記ハウジングの第１端部へと方向付ける反射部分を含む、請求項２、３、５、６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４２】
前記ハウジングが、画像を取得するための環境内に配置されており、前記環境が、多孔性媒体形態のバイオフィルム；核貯蔵施設；人間身体内部；人間身体の表面外部のうち１つを備えて成るグループから選択される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４３】
外部と内部を有し、前記内部が前記外部と接続しており、前記内部が可変表面を有する、単体部材と、；
少なくとも１つの駆動装置と、を備え、前記少なくとも１つの駆動装置は、（１）前記可変表面の少なくとも一部分が部分的に湾曲した面に変形可能であり；（２）前記少なくとも1つの駆動装置を付勢すると、前記内部を前記外部に対して移動させるように構成されている、ダイナミックレンズ。
【請求項４４】
前記単体部材の最大断面部分が３平方ミリメートル未満である、請求項４３に記載のダイナミックレンズ。
【請求項４５】
外部と、；
前記外部と接続した光学内部であって、軸に沿って離間した基部と可変部を有し、前記基部が、第１基面と第２基面を接続している第１壁部分によって第２基面から離間した第１基面を有し、前記壁部が、第１開口を画定するべく軸周囲に配置されており、前記可変部分が、第１面と第２面を接続している第２壁部によって、軸に沿って第２面から離間した第１面を含み、前記第２壁部が、概ね前記第１開口と整列した第２開口を画定するべく、前記軸周囲に配置されている、光学内部と、；
少なくとも１つの駆動装置を付勢すると、第１面が湾曲した固い部分的な面に変形するように、可変部分の前記第１面と連続した少なくとも１つの駆動装置とを備える、ダイナミックレンズ。
【請求項４６】
前記外部が前記内部を包囲する第１環状部材を備えており、前記第１環状部材は、前記軸と概ね直交するチルチング軸の周囲で前記内部部材が回転できるようにするために、第１環状部材を前記内部と接続する第１の直径上に配置されたビーム部材を有する、請求項４５に記載のダイナミックレンズ。
【請求項４７】
前記外部が前記第１環状部材を包囲する第２環状部材を備えており、前記環状部材が、前記第１環状部材がチルチング軸と概ね直交する傾斜軸周囲で回転できるようにするべく前記第２環状部材を第１環状部材と接続している、前記直径上に配置された第２ビーム部材を設けている、請求項４５に記載のダイナミックレンズ。
【請求項４８】
少なくとも別の駆動装置をさらに備え、該少なくとも別の駆動装置が、付勢されると、前記内部を前記チルチング軸と傾斜軸のいずれか一方の周囲で回転させるべく、前記内部と接続している、請求項４５に記載のダイナミックレンズ。
【請求項４９】
前記第１表面が反射面を備える、請求項４５に記載のダイナミックレンズ。
【請求項５０】
光の検出に基づいてグラフィカルディスプレイへ信号を生成する、光検出器と、；
光源と、；
第１端部と第２端部を有し、前記第１端部が前記光源と連通している、光ファイバと、；
前記光源と連通している共焦点光学プローブとを備え、
前記共焦点光学プローブは、
第１端部と第２端部の間で縦軸に沿って延び、前記縦軸に対して約９平方ミリメートルの最大断面部分を有するハウジングと、；
前記光ファイバの前記第２端部と接続し、前記ハウジング内で前記縦軸に沿って延びており、前記光ファイバの第２端部を前記ハウジングに関連した固定位置に配置した基部構造と、；
前記ハウジング内の前記第２端部付近の固定位置に配置された少なくとも１つの対物レンズであって、前記光源の光ビームを、前記光ファイバを介して前記ハウジングの第１端部へと、方向付けされた光のビームとして方向付ける反射部分を有する、少なくとも１つの対物レンズとを含む、共焦点光学システム。
【請求項５１】
前記少なくとも１つの対物レンズから集束軸上に延びる前記方向付けされた光ビームの第１焦点ポイントと第２焦点ポイントを確立する手段をさらに備える、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記光源と少なくとも１つの対物レンズの間に配置された部材をさらに備えており、可変反射部材の第１動作位置で、集束軸に沿った、ハウジングから離れた場所に光の第１焦点ポイントを画定するために、また、可変反射部材の第２動作位置で、集束軸上に光の第２焦点ポイントを画定するために、前記部材が、少なくとも１つの対物レンズを介して方向付けされたビームを反射する可変反射部分を有する、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記部材が、前記集束軸に沿って、１００ミクロンの距離にかけて、１キロヘルツよりも高い反復速度にて、複数の焦点ポイントを画定している、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記共焦点光学プローブが、多孔質媒体形態のバイオフィルム；核貯蔵施設；人間身体の内部；人間身体の表面外部のうち１つを備えたグループから選択された環境からの画像を記録するよう適合されている、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５５】
前記ハウジングが前記縦軸を概ね横断して測定した約１．８ミリメートルの外径を含み、前記ハウジングが前記縦軸に沿って約１０ミリメートルの長さで延びている、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５６】
前記ハウジングが前記縦軸を概ね横断して測定した約１．５ミリメートルの外径を含み、前記ハウジングが前記縦軸に沿って約１０ミリメートルの長さで延びている、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５７】
光学装置の焦点を制御する方法であり、前記方法が；
光源からの縦軸に沿った光ビームが対物レンズを通り、集束軸上の焦点ポイントに集束するように、相互に対して固定された対物レンズを有する光源と、ハウジングとを提供することと、；
前記焦点ポイントを前記集束軸に沿って移動させることとを含む、方法。
【請求項５８】
前記移動が、前記集束軸に対して側方へ移動することを備える、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記集束軸に対して側方へ移動することをさらに備える、請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
物体を走査する方法であり、前記方法が、：
光源からの光ビームが前記対物レンズを通り、集束軸に沿って焦点ポイントに集束するよう、光学装置の前記光源、対物レンズ、ハウジング間の固定関係を確立することと、；
第１時間間隔の間に、前記焦点ポイントを前記集束軸に沿って移動させることとを備える、方法。
【請求項６１】
前記移動が、前記第１時間間隔と重なる第２時間間隔の間に、前記焦点ポイントを前記集束軸に対して側方へ移動させることを備える、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記移動が、約１キロヘルツの反復速度で、前記焦点を前記集束軸に沿って移動させることを備える、請求項５７、６０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６３】
前記移動が、約２０ミリ秒のフレーム内で２００ラインを提供するのに十分な反復速度で、前記焦点ポイントを前記集束軸に沿って移動させることを備える、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記移動が、１ｋＨｚの反復速度で、前記焦点ポイントを前記集束軸に対して側方へ移動させることを備える、請求項５８、６１のいずれか１項に記載の方法
【請求項６５】
前記移動が、約２０ミリ秒のフレーム内で２００ラインを提供するのに十分な反復速度で、前記焦点ポイントを前記集束軸に沿って移動させることを備える、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記第１時間間隔と重なる第２時間間隔の間に、前記焦点ポイントを前記集束軸に対して側方へ移動させることをさらに備える、請求項６５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して光学走査装置に関する。或る態様では、本発明は光学三次元共焦点タイプの走査装置に関する。別の態様では、本発明はさらに、小型共焦点顕微鏡・プローブおよびシステムにも関する。これに加えて、本発明はまた、共焦点顕微鏡・プローブの様々な構成要素にも関する。さらに本発明は、光学システムの焦点スポットを制御する方法に関する。またさらに、本発明は対象物を走査する方法にも関する。
【０００２】
（優先権）
本願明細書は、２００３年３月３日付けで提出された米国仮特許明細書第６０/４５１、５２４号の恩恵を請求するものであり、この特許の開示の完全なる全ては本願明細書中で参照により援用されている。
【背景技術】
【０００３】
従来の顕微鏡は、被検物の画像を拡大することによって被検物を観察することができた。光学顕微鏡は用途によっては適当であるが、２ミリメートルを越える厚い層状の被検物の研究を要する用途では、このような顕微鏡は不利になることがある。このような用途では、画像の焦点ずれ部分によってグレアが生じることが一般的である。さらに、顕微鏡の深い視野により、被検物の離散層を研究する機能が干渉されてしまい、光学顕微鏡が厚みのある被検物の光学断面画像を提供できない場合もある。光学顕微鏡と共に蛍光染料を使用する場合には、焦点ずれしている被検物の様々な部分を二次蛍光発光することで、焦点の合っている部分または区間が干渉され、その関心のある区間の画像が研究での使用に実質的に不適合となってしまう場合が多い。
【０００４】
光学顕微鏡に伴うこれらおよびその他の欠点を克服するために、対物レンズ、走査鏡、高強度の光源、光検出器の組み合わせを使用した異なるタイプの顕微鏡が開発された。典型的に、共焦点顕微鏡は、さらにピンホールのような光学要素を含み、またさらに、マイクロプロセッサを用いたコンピュータまたは類似の装置のような何らかの形態のプロセッサを含んでいる。このタイプの顕微鏡では主に、画像が形成されるポイントは、対物レンズが焦点されるポイント（つまり「焦点」ポイント）と「共役」である。そのため、このタイプの顕微鏡は「共焦点」顕微鏡と呼ばれる。このような顕微鏡の動作原理を図９Ａに示す。この図では、画像ポイント（例えばＣＰ１またはＣＰ２）は「焦点」ポイント（ＦＰ１またはＦＰ２）と対を成している。
【０００５】
共焦点顕微鏡の注目すべき利点の１つは、焦点のずれた領域からの光を拒絶するという装置機能である。共焦点顕微鏡の主な動作を説明する目的で、このような装置の略図を図９Ａに示す。図９Ａでは、被検物の区間Ａが焦点ポイントＦＰ１にあるため、光線ライン１を介した区間Ａの画像が、共役ポイントＣＰ１において焦点されることができる一方で、ＦＰ２（ポイントＣＰ２と共役である）における区間Ｂが焦点ずれとなる。ピンホールＰＨが設けられていないと仮定すると、光線ライン２（光線ライン１と比較して焦点ずれである）によって形成された画像は、ＣＰ１にて光線ライン１を介して形成された画像を干渉するため、区間Ｂからの光のいくらかが、共役ポイントＣＰ１へ方向付けされ、また、区間Ａにおける光強度測定に影響が生じる可能性がある。共役ポイントＣＰ１からの光強度が非常に低い場合には、共役ポイントＣＰ２からの光が、共役ポイントＣＰ１において人工的に高い強度を生じることができる。これにより、この画像のダイナミックレンジが低減し、その「鮮明さ」に影響する場合がある。ピンホールを設けることにより、焦点のずれた共役ポイントＣＰ２からの光を拒絶しながら、図９Ａの顕微鏡は共役焦点ＣＰ１の選択を行うことができる。これは、共役ポイントＣＰ１以外の場所からの光によって生じる画像記録制限を緩和する補助となる。
【０００６】
図９Ｂに概略的に示すように、共焦点顕微鏡の既知の用途では、光源ＬＳ、ピンホールＰＨ１、ダイクロイックミラＤＭ、走査鏡ＳＭ、光検出器ＰＤ、ピンホールＰＨ２、対物レンズＯＬを使用してレーザ光ＬＳを被検物ＳＰにかけて走査させる。レーザ光源ＬＳは、高い強度の光を提供するために使用され、ダイクロイックミラＤＭと対物レンズＯＬの両方を介して方向付けられる。光源ＬＳを移動する、または対物レンズのＯＬの焦点を変更することにより所望の焦点ＦＰが得られる。反射したレーザ光ＬＳは走査鏡へ、そしてダイクロイックミラＤＭへと戻され、ここで、この反射した光の一部分が光受容器ＰＤの通過を許容される。一度に観察できる部分は、焦点における、またその周囲における汎用範囲（つまり、「エアリー」ディスクとして知られている汎用円形範囲）のみであるため、走査鏡ＳＭで被検物ＳＰの、複数の焦点ポイントにかけて走査を行い、被検物の完全な画像を電子的に構成しなければならない。つまり、画像を形成するためには、共焦点顕微鏡がコンピュータを利用して、光源を静止状態の被検物にかけて走査するか、または被検物を静止状態の光源にかけて移動させることでグラフィカル画像を構成する。画像を電子的に構成することにより、共焦点顕微鏡が、コンピュータ・グラフィカル・ディスプレイ上または出力する紙上で、被検物の二次元画像さらには三次元画像を生成することができる。
【０００７】
この既知の共焦点顕微鏡は、電子顕微鏡と光学顕微鏡の間の画像解像ギャップを補うため、研究において非常に便利である。これにより、いくつかの分野での研究において、共焦点顕微鏡を使用して生体システムを画像化する、例えば生体画像化を実施することが可能になった。しかし、従来の共焦点顕微鏡は研究所内で場所をとり、その使用が複雑であると考えられている。
【０００８】
これらの欠点を克服するために、小型の共焦点顕微鏡が開発された。米国特許第５，９０７，４２５号に記載されているこの小型共焦点顕微鏡は、サブミリメートル精度の走査鏡を生成するためのシリコンマイクロ機械加工を施した鏡を、サブミリメートルの対物レンズを生成するためのバイナリ光学技術と組み合わせたものである。プロトタイプの共焦点レーザ走査顕微鏡の走査ヘッド部分の寸法は厚み１．２ｍｍ未満×幅２．５ｍｍ×長さ６．５ｍｍでありながら、０．２５の開口数（“ＮＡ”）を用いた１μｍよりも優れた画像解像を達成できる。この共焦点顕微鏡は、外径たった３．４ｍｍの皮下管の形態をしたハウジング内で光源と走査鏡の両方を移動させることで焦点制御を提供するように製造されている。また、機器が画像化中の表面と接触している場合にのみ、その５０ミリ秒の画像取得時間によりモーションアーチファクトが低減し、機器を手に持った状態での画像取得時にマイクロメートル解像がほぼ達成された。
【０００９】
最初のデモンストレーションまたは試作的な機器は、小型精密光学機器の分野において著しい前進を示した。これにより、高解像光学顕微鏡観察に基本的なパラダイムシフトがもたらされた。顕微鏡で画像化を行うために、例えば生体内のような自然サンプルを採取するのではなく、原位置にて小型共焦点顕微鏡をサンプル環境へ移動させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、プロトタイプの小型共焦点顕微鏡もやはり、生物学研究所、さらにはこの研究所外での日常的な使用には実用的な装置ではなかった。プロトタイプのパッケージはかなり大型であり、例えば外径は約３ミリメートルを越える。形成された画像は白黒画像であり、さらにこの機器は、バイナリ光学レンズの分散が極端であるため、また、効率的な蛍光画像化を行うには開口数が低いため、蛍光画像を取得するようには構成されていない。しかし、さらにこのプロトタイプを日常的に使用する障害となるのは、扱い難い光学、専門の使用者による操作を要する電子インターフェース、リアルタイムの画像表示および制御の欠如であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の概要について説明する前に、本願明細書中に記載する全ての出版物および特許明細書は、個々の出版物または特許明細書を参照により援用するべく特別かつ個別に提示するように、参照により援用されていることを特筆する。これは、ここで提供するあらゆる情報が従来技術のもの、または現在請求されている発明に関連する、あるいは特定的または事実上参照したあらゆる発行物が従来技術のものであるということの自白ではない。
【００１２】
本発明の或る態様では、共焦点光学装置が提供される。この装置は光源、少なくとも１つの対物レンズ、単体部材、さらに少なくとも１つの駆動装置を備える。少なくとも１つの対物レンズは光源付近に配置されている。単体部材は光源付近に配置されている。単体部材は外部と内部を設けている。この内部は外部と接続し、内部は可変表面を設けている。少なくとも１つの駆動装置は、可変表面の少なくとも一部分が湾曲面に変形可能であり、少なくとも１つの駆動装置を付勢すると、内部を外部に対して移動させるように構成されている。
【００１３】
本発明の別の局面によれば、この装置は光源、少なくとも１つの対物レンズ、単体部材、さらに少なくとも１つの駆動装置を備えている。少なくとも１つの対物レンズは光源付近に配置されている。単体部材は光源付近に配置されている。単体部材は外部と内部を設けている。この内部は外部と接続し、外部は約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を有する。内部は可変表面を有する。少なくとも１つの駆動装置は、可変表面の少なくとも一部分が独立部分１枚の湾曲面に変形可能であり、少なくとも1つの駆動装置を付勢すると、内部を外部に対して移動させるように構成されている。
【００１４】
本発明のさらに別の局面によれば、この装置はハウジング光源、少なくとも１つの対物レンズ、および部材を備える。ハウジングは第１端部と第２端部の間の縦軸に沿って延びている。光源は光ビームを第２端部へ伝播する。少なくとも１つの対物レンズは、ハウジング内の第２端部付近に配置されている。少なくとも１つの対物レンズは、光ビームを光源から第１端部へ方向付けるための反射部分を設けている。部材は、光源と少なくとも１つの対物レンズの間に配置されている。この部材は、その動作位置内で、縦軸に対して湾曲した面を画定する反射部分を設けている。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態によれば、装置はハウジング、光を提供する光源、光ビームを複数の焦点位置へと、光ビームによって画定された集束軸上で側方および軸方向に移動させる手段を備える。
【００１６】
本発明の別の局面によれば、装置はハウジング、光源、少なくとも１つの対物レンズ、部材を備える。ハウジングは、第１端部と第２端部の間の縦軸に沿って延びている。光源は光ビームを第２端部へと伝播する。この光源はハウジング内の第１位置に固定されている。部材は光源と少なくとも１つの対物レンズの間に配置されている。この部材は可変反射部分を設けている。この可変反射部分は、その第１動作位置において、焦点軸に沿ったハウジングから離れた場所に第１焦点ポイントを画定するべく、ビームを少なくとも１つの対物レンズを介して方向付ける。可変反射部分は、その第２動作位置において、集束軸上に第２焦点ポイントを画定するべく、ビームを少なくとも１つの対物レンズを介して方向付ける。
【００１７】
さらなる実施形態によれば、装置はハウジング、光源、少なくとも１つの対物レンズ、部材を備える。ハウジングは、第１端部と第２端部の間の縦軸に沿って延びている。光源は光ビームを第２端部へ伝播する。光源はハウジング内の第１位置に固定されている。少なくとも１つの対物レンズは、ハウジング内の第２端部付近の固定位置に配置されている。部材は第２端部付近に配置されている。この部材は可変反射部分を設けている。可変反射部分は、方向付けされたビームによって画定された集束軸上の、ハウジングから離れた場所に光の第１焦点ポイントを画定するべく、第１動作位置において、少なくとも１つの対物レンズを介して方向付けされたビームを反射する。可変反射部分は、集束軸上に第２焦点ポイントを画定するべく、第２動作位置において、少なくとも１つの対物レンズを介して方向付けされたビームを反射する。
【００１８】
本発明のこれ以外の局面によれば、装置はハウジング、光ビームを提供する光源、光ビームを移動させるための部材を備えている。ハウジングは第１端部と第２端部の間の縦軸に沿って延びている。このハウジングは、縦軸に対して約９平方ミリメートル未満の最大断面部分を有する。光ビームを移動させるための手段は、光ビームを、光ビームによって画定された集束軸上の第１焦点ポイントと第２焦点ポイントへ移動させる。
【００１９】
本発明のさらに別の局面によれば、装置はハウジング、光源、少なくとも１つの対物レンズを備える。このハウジングは、第１端部と第２端部の間の縦軸に沿って延びている。さらにこのハウジングは、縦軸に対した９ミリ平方メートル未満の最大断面部分を有する。光源は光ビームを第２端部へ送る。少なくとも１つの対物レンズは、ハウジング内の第２端部付近に配置されている。この少なくとも１つの対物レンズは１つの回折レンズと１つの屈折レンズを含む。
【００２０】
本発明のさらに別の局面によれば、装置は入力部、焦点部分、ハウジングを備える。入力部分は入力部分から光ビームを送る。焦点部分は、光ビームによって画定された集束軸上の複数の焦点位置において光ビームを移動させる。ハウジングは、第１端部と第２端部縦軸に沿って延びており、入力部と焦点部分を封入している。ハウジングは、縦軸に対して約９ミリメートル未満の最大断面部分を有する。
【００２１】
本発明の別の局面ではダイナミックレンズが提供される。ダイナミックレンズは、単体部材と少なくとも１つの駆動装置を備えている。単体部材は外部と内部を設けている。内部は外部と接続している。内部は可変表面を設けている。少なくとも１つの駆動装置は、可変表面の少なくとも一部分を湾曲部分面に変形し、また、少なくとも１つの駆動装置の付勢時に、内部を外部に対して移動させる。
【００２２】
本発明の別の局面によれば、ダイナミックレンズが提供される。このダイナミックレンズは外部、光学内部、および少なくとも１つの駆動装置を備える。光学内部は外部と接続している。光学内部は、軸に沿って離間した基部と可変部を設けている。この基部は、第１基面と第２基面を接続する第１壁部によって第２基面から離間した第１基面を含む。この壁部は、第１開口を画定するために軸周囲に配置されている。可変部分は、第１面と第２面を接続している第２壁部により、軸に沿って第２面から離間した第１面を含む。第２壁部は、第１開口とほぼ整列した第２開口を画定するべく、軸周囲に配置されている。少なくとも１つの駆動装置は可変部分の第１面と連続しているため、少なくとも１つの駆動装置を付勢すると、第１面が、１枚の湾曲固体断面に変形する。
【００２３】
本発明の別の局面では、共焦点光学システムが提供される。共焦点光学システムは光検出器、光源、光ファイバ、さらに共焦点光学プローブを備えている。光検出器は、検出した光に基づいてグラフィカルディスプレイへの信号を生成する。光ファイバは第１端部と第２端部を設けている。第１端部は光源と連通している。共焦点光学プローブはハウジング、基部構造、少なくとも１つの対物レンズを備えている。ハウジングは、第１端部と第２端部の間の縦軸に沿って延びている。このハウジングは、縦軸に関連した９平方メートル未満の最大断面部分を有する。基部構造は光ファイバの第２端部と接続している。この基部構造は、ハウジング内に縦軸に沿って延びており、光ファイバの第２端部をハウジングに関連した固定位置に配置する。少なくとも１つの対物レンズは、ハウジング内の第２端部付近の固定位置に配置されている。少なくとも１つの対物レンズは反射部分を備えており、この反射部分は、光ファイバを介して、光源の光ビームを方向付けされた光ビームとして、ハウジングの第１端部へ方向付ける。
【００２４】
本発明の別の局面では、光学装置の焦点を制御する方法が提供される。この方法は、対物レンズどうしが相互に対して、さらにハウジングに対して固定されている光源を提供し、これにより、光源からの縦軸に沿った光ビームが対物レンズを通って集束軸上の焦点ポイントに集束し、さらに焦点ポイントを集束軸に沿って移動することができる。
【００２５】
本発明の別の局面では、物体を走査する方法が提供される。この方法は、光学装置の光源、対物レンズ、ハウジングの固定関係を確立することで、光源からの光ビームが対物レンズを通って集束軸上の焦点ポイントに集束し、さらに、第１時間間隔の間に焦点ポイントを集束軸に沿って移動させることができる。
【００２６】
本発明のこれ以外の利点および特徴は、ここで提供する明細書と図面を考察することで当業者に明白となる。したがって、本発明の特徴と利点は以下の記述から明瞭となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
特に明記されていない限り、ここで使用している全ての技術用語および科学用語は、関連する技術分野の当業者によって一般に理解されている意味と同一の意味を有する。
【００２８】
図１〜図８は好ましい実施形態を例証している。特に図１は、共焦点光学システム１０の一例を例証している。システム１０は、共焦点マイクロプローブ４０で結合された光検出ユニット２０とグラフィカル・ディスプレイ・ユニット３０を含むことができる。例えば光ファイバタイプのビームスプリッタのような光学インターフェース２２を介して、マイクロプローブ４０を光検出ユニット２０と結合し、これをさらにディスプレイ３０に結合することができる。マイクロプローブ４０は電気インターフェース２４によって制御できる。システム１０をデスクトップ・ユニットとして図示しているが、システム１０の構成要素を持ち運び可能なまたは携帯型システム１０’内において構成することが可能である。
【００２９】
図１を参照すると、マイクロプローブ４０は、この説明において図２、図３として例証的に示しているように、少なくとも２つの異なる配置において構成することができる。これら２つの配置を特定のエンドユーザ・アプリケーションについて構成することが可能であるが、両配置に示す各々要素は概ね同様の機能を備える。そのため、２つの実施形態間で相互交換が可能な共通の要素には同一の参照番号を付し、また、その本質的に重要な違いについて記述する。
【００３０】
好ましい実施形態では、マイクロプローブ４０の好ましい実施形態の各々は、第１ハウジング端部４２ａと第２ハウジング端部４２ｂの間で、縦軸Ａ−Ａ（図４Ａ）に沿って延びたプローブハウジング４２を含むことができる。プローブハウジング４２の外径は３．４ミリメートル未満である。しかし、これ以外の形状を用いることも可能であり、この場合には、ハウジング４２の最大断面部分が、縦軸Ａ−Ａに対して約９平方ミリメートルを超えないことが好ましい。また、軸Ａ−Ａを走査鏡４８ａのＺ軸、あるいは対物レンズから発せられた集束した光ビームと一致した状態で示しているが、走査鏡アセンブリ４８の動作によっては、これらが同軸である必要はないことを強調する。
【００３１】
図４Ａに示すように、プローブハウジング４２は、光ファイバケーブル４４の一部分、フェルール４６、走査鏡アセンブリ４８、スペーサ５０、さらに、レンズ５２上に逆反射鏡５２ｅを設けた少なくとも１つの対物レンズ５２を収納している。これらの構成要素は、縦軸Ａ−Ａ上に対称的に配置されていることが好ましい。これらの構成要素は別個の部材として図示および記述しているが、１つまたはそれ以上の構成要素を単体構成要素として一体的に形成することもできる。例えば、対物レンズ５２は、適切なガラスまたは重合体材料から、ハウジング４２の一体形部分として形成することができる。
【００３２】
図２の第１の好ましい実施形態では、マイクロプローブ４０は、前面画像化（「端面ビューイング」）を行うべく、外径約１．５ミリメートル、縦軸Ａ−Ａに沿った長さ約１０ミリメートルのハウジングを設けるように構成されている。図３の第２の好ましい実施形態では、マイクロプローブ４０は、外径約１．８ミリメートル、縦軸Ａ−Ａに沿った長さが約１０ミリメートルのハウジングを備えた反射装置５３によって側面画像化を行うべく構成されている。これらの好ましい実施形態において構成されているように、光６０が光ファイバ４４によって開口５６（例えばピンホール）へ伝播されることで、光ビーム６０ａが逆反射鏡５２ｅへと向けられる。反射鏡５２ｅは、光ビーム６０ａの或る部分または全体を、方向転換したビーム６０ｂとして、走査鏡アセンブリ４８へと反射する。走査鏡アセンブリ４８は、この方向転換したビーム６０ｂの或る部分または全体を対物光ビーム６０ｃとして反射し、対物レンズを通し、焦点Ｆ１に集束させる。また、１０ミリメートルの長さが好ましいと記述したが、例えば、動作に必要なパラメータを維持しながら、対物レンズの個数を減らしてマイクロプローブ４０の長さを短縮することで、これ以外の適切な長さを用いることが可能である。
【００３３】
次に図４Ａを参照すると、光ファイバケーブル４４は、第１ファイバ端部４４ａと第２ファイバ端部または末端部４４ｂとの間で内部を通過して伝播される適用可能な光の波長に合ったサイズのコアを設ける、シングルモードまたはマルチモードの光ファイバ４４であってよい。マルチモードの光ファイバを使用する場合は、内部を通って伝播されるモードの数に基づいた差分画像が得られる。或る好ましい実施形態では、光ファイバ４４はシングルモードの光ファイバ４４であるため、シングルモードファイバによって物体が照明される。このシングルモードファイバ４４をデュアルモード光ファイバ４４で包囲して、被検物から反射された光を検出するいわゆるダブルクラッド光ファイバとすることができる。或る実施形態では、光ファイバ４４は送受両方においてシングルモード光ファイバであり、この場合、光ファイバ４４は、約４８８ナノメートルの波長で光を通過させるために、約６ミクロンのコアと、約０．１３の開口数を設けている。別の実施形態では別の寸法を採用することができ、これには例えば、１よりも大きな波長における動作をサポートするのに適した寸法が含まれる。例えば、或るアプローチでは、赤、緑、青の波長が適切であるだろう。光ファイバ４４は、走査鏡の駆動装置のための電気コネクタと共に保護管状部材４４ｃ内に配置することができる。ここで使用する「約」または「概ね」という用語は、共焦点光学装置あるいはその構成要素を光学画像化装置として機能させる、それらの適切なレベルの耐性または変化を意味するものである。
【００３４】
図４Ａの展開図に示すように、フェルール４６は、縦軸Ａ−Ａに沿って延びた第１フェルール端部４６ａ、第２フェルール端部４６ｂを備える。図４Ｂの、フェルール４６を拡大した図では、フェルール４６は、平坦部分４６ｄが縦軸Ａ−Ａに沿って断面４６ｃと直交して延びた多角形断面４６ｃを有することで、駆動装置４６ｅ〜４６ｈ、駆動装置４８ｃ、４８ｇ用の制御回路または通信配線５４を取り付けるための取り付け面と、走査鏡要素４８ｅ、４８ｉ用の接地部とを提供することが好ましい。表面４６ｃ上に１つまたはそれ以上のボス部分４６ｊ、４６ｋを形成することにより、走査鏡アセンブリ４８と駆動装置４６ｅ〜４６ｈの間に隙間４６ｉを設けることができる。フェルール４６は、十分な硬性を有する例えば非金属、シリコン、セラミック、ガラス、またはこれら材料の様々な組み合わせを含む非導電性あるいは半導性材料によって、単体あるいは結合体として形成することができる。フェルール４６はセラミックとガラスの組み合わせであることが好ましい。
【００３５】
プローブハウジング４２を、少なくとも１本の光ファイバケーブル４４、フェルール４６、走査鏡アセンブリ４８、少なくとも１つの対物レンズ５２を装備した共軸配置にて示したが、しかし、ハウジング４２と、プローブ４０の少なくとも１つの構成要素とが共軸となっていないこれ以外の用途特定配置を使用することも可能である。ハウジング４２は光ファイバケーブル４４、フェルール４６、鏡アセンブリ４８、少なくとも１つの対物レンズ５２と同軸であることが好ましい。また、プローブ４０のハウジング４２は概ね円形の断面を有する重合体であることがさらに好ましく、この場合、この円形の断面は、概ね縦軸Ａ−Ａを横断し、約９平方ミリメートルの最大断面部分について外径が３．４ミリメートル未満、より好ましくは約２．０ミリメートル未満である。しかし、これ以外の外部形状を有するプローブハウジング４２の使用も可能である。好ましい実施形態では、プローブ４０のハウジング４２の断面は、概ね縦軸Ａ−Ａに沿って延び、約２５立方ミリメートルの円筒形容量を画定している。
【００３６】
図５Ａ、図５Ｂに示すように、フェルール４６は、フェルール壁４６ｃによって接続した第１フェルール端部４６ａと第２フェルール端部４６ｂを含む。フェルール壁４６ｃは、フェルール４６全長にかけて、Ｚ軸に沿って延びた開口５６を形成する壁面４７を備えている。開口５６は、概ね円筒形の通し穴であってよく、その直径は典型的に１０〜１２５ミクロンの範囲内、好ましくは７５ミクロンである。フェルール４６の第１フェルール端部４６ａは、プローブ４０と電気インターフェース２４の様々な構成要素を制御する、またはこれらをつなぐための回路基板５８を含んでいてよい。例えばエッチングまたは気相成長のような適切な技術により、フェルール４６の平坦面４６ｄ（Ｄ字型の断面を形成している）上に電気接続を形成できる。第２フェルール端部４６ｂは、例えば結合または接着のような適切な技術によって端面４６ｃ上に鏡４８ａを取り付けた、概ね平坦な端面４６ｃであってよい。また、好ましい実施形態では、送受光を行う光ファイバ４４を示しているが、光ファイバ４４ではなくレーザ源を開口５６内に配置することもできる。あるいは、レーザ源と適切な光検出器の組み合わせを開口５６内の、第２フェルール端部付近、および第１フェルールの末端部に配置してもよい。ここで用いている「光検出器」という用語は、例えば光電子増倍管またはフォトダイオード（例えばシリコン・フォトダイオード）のような適切な光検出装置を意味する。「光源」はレーザ源であることが好ましいが、用途によっては、これ以外の適切なパワー密度を有する光源が適切であるものもある。さらに光源には、例えば約３ミクロンに対して２００ナノメートルの（例えば人間の目に対する）可視光または不可視光を含むことができるが、これに限定されるものではない。また、光（例えば人間の目に対して可視あるいは不可視の光）は特定の波長に限定されるのではなく、様々な波長の組み合わせであってよい。
【００３７】
図６Ｃ、図７Ａに示すように、走査鏡アセンブリ４８は支持表面４８ｂを備え、その上に走査鏡４８が支持されていることが好ましい。走査鏡４８ａは、２つの鏡部分４８ｃ、４８ｄを概ね同心配置にて提供するように形成することができる。両方の鏡部分４８ｃ、４８ｄはジンバル設置した板部材４８ｅによって支持されている。鏡４８ａは、第１組の直径上に配置されたビーム部材４９によって、Ｘ−Ｘ軸、つまり走査鏡アセンブリ４８の支持面に対して傾斜した軸の周囲で回転する。ジンバル設置した板部材４８ｅは第２組の直径上に配置されたビーム部材４９（図６Ｂ）によって支持され、Ｙ−Ｙ軸、つまり、走査鏡アセンブリ４８の支持面に対して傾斜したチルチング軸の周囲で回転する。図７Ｂに示すように、鏡４８ａは、傾斜軸Ｘ−Ｘの周囲で回転することで、鏡４８ａの軸Ｚが縦軸Ａ−Ａに対する開先角度θにかけて傾斜するように示されている。同様に、鏡４８ａはジンバル設置した配置（明瞭性の目的から図７Ｂ中には示されていない）に基づいてチルチング軸Ｙの周囲でも回転できる。この配置のために、鏡４８ａは２本の軸において回転でき、これにより、２本の軸における光ビームの焦点Ｆ１を焦点Ｆ２へと移動させ、少なくとも１つの対物レンズ５２を介して光ビームの焦点の二次元走査（図２、図３）を行うことができる。走査鏡アセンブリの外径は約７００ミクロンであることが好ましい。
【００３８】
図２に示すように、走査鏡アセンブリ４８をさらに、光ビームによって画定された第３軸、つまりＺ軸に沿って、焦点Ｆ１を別の焦点Ｆ３へと移動させるように構成することで、光源（例えば光ファイバ４４）または少なくとも１つの対物レンズをプローブハウジング４２内へ移動しなくても、三次元走査を実施できるようになる。この機能は、好ましい実施形態では、基面４８ｉから離間した可変反射薄膜４８ｈ（図７Ｂ）を画定する第１壁面４８ｇを備える走査鏡部分４８ｃ、４８ｄを形成することによって提供される。反射薄膜４８ｈは、適切な駆動装置によって、少なくとも１つの対物レンズ５２から延びる光ビームの焦点の調整を提供する所望の曲線面へと変形できる。例えば、図７Ｂに示すように、反射薄膜４８ｈを概ね放物線形状に変形して、光ファイバ４４からの光ビームの集束を制御することができる。これと類似した反射薄膜４８ｈの例が、特許協力条約の下で提出され、出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０４／０１８９６号が指定された国際特許明細書であり、２００４年１月２６日付けで合衆国受理官庁に提出された、”Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃｕｓ  Ａｎｄ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｍｉｒｒｏｒｓ，”に示され、記述されており、本願明細書ではこの明細書全体を参照により援用している。さらに、ここで使用している「反射性」という用語は、入射面への入射光と比較した、入射面からの全ての光を反射する能力と、入射面全体にかけての均等な反射とを要すると限定されない何らかの能力を意味する。
【００３９】
走査鏡アセンブリ４８は、利点であると考えられる設計特徴をいくつか備えている。鏡４８ａは、鏡４８ａの中心軸Ｚに沿って離間した基部４８ｉ、可変部分４８ｈを含むことができる。基部は第２基面４８ｌから離間した第１基面４８ｋを備えており、第１基面４８ｋと４８ｌの間は、これらを接続するための第１壁部４８ｎによって分離されている。壁部４８ｎは、中心軸周囲に回転面を形成し、これにより第１開口５６ａが画定される。可変反射薄膜４８ｈは第１面４８ｈを備え、この第１面４８ｈは、第１薄膜面４８ｈと第２薄膜面４８ｊを接続するための薄膜壁部４８ｍによって、第２面４８ｊから中心軸に沿って離間している。第２薄膜壁部は中心軸周囲に回転面を形成し、これにより、第１開口５６ａと整列した第２開口５６ｂが画定され、この第２開口５６ｂを介して、光ファイバ４４の末端部からの光が逆反射鏡５２ｅに供給される。その結果、逆反射鏡５２ｅが、光ビームを走査するべく少なくとも２本の軸の周囲で動かすことができる可変反射薄膜４８ｈへと光を反射して戻すことができるようになる。開口５６ａ、５６ｂを画定している壁部４８ｎ、４８ｍは、中心軸周囲の回転面ではない、例えば矩形または他の多角形開口を作成する別の形状であってもよい。
【００４０】
少なくとも１つの駆動装置を使用することにより、軸周囲で走査鏡４８ａを動かし、薄膜４８ｈを変形させることができる。導電面４６ｅ〜４６ｈをフェルール４６の平坦面所に設けることで、導電面４６ｅ〜４６ｈを付勢すると走査鏡４８ａを移動させるようにすることが好ましい。この実施形態では、鏡４８ａとジンバルリング４８ｅが、静電駆動を行うためのカウンタ電極を形成する。走査鏡４８ａの移動は、熱電気、静電気、またはその他適切な駆動技術によって行うことができる。熱電気駆動では、導電面４６ｅ〜４６ｈを介して電流を鏡４８ａの抵抗性部分に付加することで熱を発生させる。この部分に２種類の異なる材料を設けることで、鏡４８ａの異なる拡張、さらに移動を提供できる。静電駆動では、鏡４８ａを基底状態と接続し、隙間によって導電面４６ｅ〜４６ｈから分離することで、電圧印加時に、鏡４８ａが、導電面４６ｅ〜４６ｈ、つまり鏡４８ａを移動させるための電極へと引き寄せられる。両方の配置において、開ループまたは閉ループ制御によって鏡４８ａの移動を制御できる。開ループ制御では、走査鏡４８ａの運動反応は予測パラメータ内にあるため、駆動電圧を確立することで、用途に合った十分な精度で鏡位置を画定できる。閉ループ制御では、走査鏡４８ａの位置が独立して監視され、この情報を、走査鏡４８ａの動作を駆動電圧波形にロックしようと試みるフィードバック（例えば比例、積分、導関数、またはこれらの組み合わせ）信号として用いることができる。鏡４８ａの位置を監視するための或る技術は、走査鏡４８ａと電極の間の静電容量を測定するための技術である。この静電容量は鏡４８ａの角度位置に従って変化するので、静電容量の変動を監視することで、鏡位置をほぼ直接的に監視することできる。別の技術は、各々のビーム部材４９への歪みを、ビーム部材４９上、またはその内部にマイクロ機械加工した適切な圧電要素によって測定する技術である。鏡位置を決定するために、ビームの光学的監視、あるいは位置または振幅の断続的な監視を含むこれ以外の様々なアプローチの利用が可能である。閉ループ制御に適した制御装置を用いることで、制御ループは、鏡に駆動電圧を実質的に追随させ、その結果、鏡の運動を予測しなくても制御装置の強度を走査鏡４８ａの正確な位置にマップできるようになる。二次元走査のための走査鏡４８ａの駆動は、第１部材４８ｅまたはジンバル設置した部材４８ｆのうち少なくとも一方の共振（例えば１キロヘルツまたは適切な周波数）開ループ制御を介した静電駆動によって生じ、走査鏡４８ａと導電面４６ｅ〜４６ｈ（図６Ｂ）の間における容量４６ｉ中の気団によって制動されることが好ましい。好ましい実施形態では、駆動装置が、鏡をＸ軸、Ｙ軸の各々の周囲で約±５°回転させる。
【００４１】
可変反射薄膜４８ｈの表面を所望の曲線面に変形させるには、静電駆動装置を使用して所望の表面形状を達成することができる。特に、反射面４８ｈの付近に２つの駆動装置Ａ１、Ａ２を設けることができる。この実施形態では、基部４８ｉが、静電駆動のためのカウンタ電極として機能する。第１駆動装置Ａ１は、付近にある反射面４８ｈの中心部を各々の電気コネクタで包囲するように形成し、電動源と電気連通できるようにすることが可能である。第２駆動装置Ａ２は、第１駆動装置Ａ１を包囲し、走査鏡４８ａの外縁付近に配置できる。２つの駆動装置Ａ１、Ａ２に異なる差分電圧（例えば異なる電圧レベル）を設けて、表面４８ｈがＺ軸に沿った区画化された放物体表面に変形するようにすることができる。可変反射薄膜４８ｈの中心に配置された駆動装置Ａ１に固定電圧を提供することにより、可変電圧の関数としての様々な湾曲を介して、外部駆動装置Ａ２が反射薄膜４８ｈの湾曲を変更できる。２つの駆動装置のそれぞれの電圧を調整することで球体収差を低減、増加、さらには除去することもできる。走査鏡アセンブリを制御するための特定の技術が、Ｙｕｈｅ  ＳｈａｏとＤａｖｉｄ  Ｌ．Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓ著の”ＭＥＭＳ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｓｃａｎ  Ｍｉｒｒｏｒ”、ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．５３４８、ｐｐ．１７５−１８３、２００４年１月２６〜２７日に示され、記述されており、本願明細書中ではその全体を参照により援用している。
【００４２】
反射面４８ｈ、または反射面４８ｈを部分的に、表面４８ｈの軸（つまりＺ軸）に沿って、表面４８ｈの中心から縁までの中心軸Ｚの周囲において、任意の適切な移動位置へ移動して、三次元的に湾曲した所望の反射面を提供できる。好ましい実施形態では、反射面４８ｈの最大移動は５ミクロンであってよく、また、適切に設計された薄膜とその支持部を用いた場合にはこれよりも大きくてよい。あるいは、２つの駆動装置に同一の電圧を供給し、両方の駆動装置を単一の駆動装置として動作することも可能である。もしくは、２つよりも多い駆動装置を使用して、薄膜形状の制御をより優れたものにすることもできる。好ましい実施形態では、湾曲した反射面は放物線体と非常に類似している場合、焦点調整の範囲“ｄＦ”は次式として近似し、
ｄＦ＝４＊δ／（ＮＡ）２
ここで、δは可変反射薄膜の最大移動であり、ＮＡは開口数である。
【００４３】
或る好ましい実施形態では、可変反射薄膜４８ｈの最大移動δは約５ミクロンであるため、焦点調整の範囲ｄＦは約１２５ミクロンになる。約６．１または１２ミリメートルから無限の焦点長が好ましい。
【００４４】
走査鏡アセンブリ４８は、例えばシリコンのような基板にマイクロ機械加工を施すことで形成できる。熱酸化層を基板上に配置することができる。さらに、熱酸化物の上に犠牲のホスホシリケート・ガラス層を設け、パターン処理を施すことにより、隙間Ｇの側方容量を確定する。ホスホシリケート・ガラス層と熱酸化物層の上に窒化ケイ素層を形成できる。接触開口部をパターン処理し、窒化ケイ化物およびその下の酸化物にかけてエッチング加工し、その後、リン注入および焼成を施すことで、シリコン基板材料の鏡４８ａ、ジンバルリング４８ｅ、支持リング４８ｂの領域に電気接触部を確立できる。この電気接触部により、鏡４８ａ、ジンバルリング４８ｅの領域におけるシリコン基板材料を、静電駆動のためのカウンタ電極として機能させることができる。さらに、窒化物層上に導電層を形成し、パターン処理することで、導電性および反射面４８ｈと具体的には駆動装置Ａ１、Ａ２を提供し、さらに、接触開口部内の注入領域との電気接続を提供し、またさらに、これら様々な導電面との外部接続のためのトレースを提供することができる。この導電層は、薄いクロミウム層の上に配置した金であることが好ましい。さらに、鏡の輪郭とその他の構造を、パターン処理し、窒化ケイ素層内にエッチング処理し、その後、異方性シリコンエッチングを施して、鏡およびジンバルリング構造を画定することができる。ディープ反応イオンエッチングのような技術を使用したこの異方性エッチングは、基板全体を貫通できる。あるいは、このエッチングは基板内の特定の深度まで貫通することができ、また、所望の基板薄さが得られるまで、またその後、前面異方性エッチング特徴が鏡板４８ａとジンバルリング４８ｅの厚さ全体を貫通するまで、別の薄型化エッチングを基板の裏面に適用し、バルク基板材料を除去することができる。犠牲酸化物エッチング処理を施してガラス層を除去することが好ましい。このエッチング処理は、例えばフッ化水素酸のような酸エッチング処理を用いることが好ましい。このエッチング処理は、ホスホシリケートガラス（その層が存在する場合）を除去し、さらに、薄膜４８ｈを形成している窒化物層の下にある熱二酸化ケイ素も除去する。その後の、水酸化カリウムまたは水酸化テトラメチルアンモニウムのような湿タイプであってよい異方性エッチング処理を施して、基板層のいくらかを除去することで、可変反射薄膜４８ｈとその基板の間に隙間Ｇを設け、さらに、窒化ケイ素蝶番４９の下から基板材料を除去することが好ましい。あるいは、例えばフッ化水素酸、硝酸、酢酸（ＨＮＡ）のような等方性湿エッチング処理を用いることで、隙間Ｇを設け、蝶番４９の下から基板材料を除去してもよい。あるいは、例えばキセノン・ジフルオリド蒸気のような異方性乾エッチング処理を用いることで、隙間Ｇを設け、蝶番４９の下から基板材料を除去してもよい。単体の操作アセンブリと、単体走査鏡を製造および制御する技術の詳細は、Ｙｕｈｅ  ＳｈａｏとＤａｖｉｄ  Ｌ．Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓ著の”ＭＥＭＳ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｓｃａｎ  Ｍｉｒｒｏｒ”、ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．５３４８、ｐｐ．１７５−１８３、２００４年１月２６〜２７日に示され、記述されており、本願明細書中ではその全体を参照により援用している。類似のマイクロ機械加工した鏡の製造の詳細は、２００２年１０月２１日付けで米国特許・商標受理官庁に提出された国際特許明細書第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３３３５１号（２００３年５月１日付けで国際公開番号ＷＯ０３／０３６７３７  Ａ２として公開）に示され、記載されている。マイクロ機械加工した可変鏡の一般的な詳細は当業者にはよく知られており、これについては例えば米国特許第６，６６１，５６１号；５，６５６，７６８号；６，５０７，０８２号；６，３９８，３７２号；６，２９３，６８０号；６，２３６，４９０号；６，１８１，４５９号；６，１０８，１２１号；６，００２，６６１号；５，９８６，７９５号；５，７７７，８０７号；５，６６１，５９２号；５，３１１，３６０号、および、Ｄａｖｉｄ  Ｌ．Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓ著、”Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃｏｎｆｏｃａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，”（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｖｏｌ．７，  Ｎｏ．１、１９９８年３月）を参照することができ、また本願明細書中ではその全体を参照により援用している。
【００４５】
好ましい実施形態では、鏡アセンブリ４８の酸化層の厚さは約１００ｎｍであり、ガラス層の厚さは約２００ナノメートルであり、窒化物層は厚さ約１ミクロンのＬＰＣＶＤ低応力窒化ケイ素で、５０〜１００ＭＰａの残余応力を有し、また、薄膜４８ｈの金属層は、厚さ約５０オングストロームのクロミウムのスパッタリング付着層、および厚さ約１０００オングストロームの金層であってよい。好ましい実施形態では、最頂部の金属層が、静電駆動装置用の電極を各々画定する２つの導電性部材にパターン処理される。このように形成された反射薄膜４８ｈは、窒化ケイ素層４８ｊとベース基板材料４８ｉ（図７Ｂ）の間に、約１５ミクロンの隙間Ｇを設けている。隙間Ｇは周囲の空気と連通できることが好ましい。この構成は、可変反射薄膜４８ｈに最大で５ミクロンの歪曲を設けながら、反射波面の光学収差を、λ＝５００〜６００ｎｍにて測定した場合の波長の２倍未満、好ましくは波長の１／５未満に各々維持するように例証されている。可変鏡の集束および収差の修正についての詳細は、Ｐｈｉｌｌｉｐ  Ａ．  Ｈｉｍｍｅｒ、Ｄａｖｉｄ  Ｌ．  Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ａ．  Ｆｒｉｈｏｌｍ著、”Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｆｏｒ  ｆｏｃｕｓ  ｃｏｎｔｒｏｌ，”（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ２６，  Ｎｏ．  １６，  ｐｐ  １２８０−１２８２、２００１年８月）に記載されており、また本願明細書中ではその全体を参照により援用している。
【００４６】
可変反射薄膜４８ｈを好ましくは走査鏡４８ａの単体部分として示し、記述したが、可変反射薄膜４８ｈを走査鏡４８ａとは別個に、共焦点光学装置内の別の場所に設けながら、三次元操作機能を維持することも可能である。例えば、可変反射薄膜４８ｈの代わりに、少なくとも１つの対物レンズ５２の逆反射鏡５２ａを使用することにより、走査鏡アセンブリ４８の走査機能からの集束を別に分けることができる。その結果、走査鏡４８ａを、変形可能にするのではなく、概ね平坦な形状に固定された反射面を設けるように形成することができ（つまり「非可変鏡」）、また、少なくとも１つの対物レンズ５２に、その縦軸Ａ−Ａに沿った集束を変更させるように表面が変形する可変反射薄膜４８ｈを設けることができる。別の好ましい実施形態では、この非可変走査鏡を少なくとも１つの対物レンズ５２の回折光学要素５２ａ上に配置しながら、可変反射薄膜４８ｈをフェルール端部キャップ４６ｃ上の、光学光源４４ｂの付近に取り付けることができる。
【００４７】
図１を参照すると、走査鏡４８ａの移動と反射面４８ｈｓの変形は、マルチストランドケーブル５４によってマイクロプローブ４０と接続した電子インターフェース２４によって得られることが好ましい。マルチストランドケーブル５４は、走査鏡アセンブリ４８の各々対応する駆動装置４６ｅ〜４６ｈ、Ａ１、Ａ２、基板と接続している。
【００４８】
図８Ａを参照すると、少なくとも１つの対物レンズ５２の好ましい実施形態を示している。少なくとも１つの対物レンズ５２は、好ましくは水不透過性の複数のレンズのグループであってよく、これらのレンズは、マイクロプローブ２０と共に組み立てると、焦点の長さが空中にて約１ミリメートルで、４００〜６００ナノメートルの範囲内の波長についての開口数が約０．４である、約２００ミクロンの視野上に物体を拡大する能力が４倍となる。このレンズのグループは、少なくとも１つの対物レンズ５２を通過する光の色消し（例えば、彩度および球状収差の修正）を行うために、少なくとも１つの反射光学要素を備えた少なくとも１つの回折光学要素を含んでいる。このレンズのグループは、純粋なシリカガラスから成る回折光学要素５２ａと、ＢＫ７（例えばホウケイ酸クラウン）ガラスから成る３つの回折光学要素５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを設けていることが好ましい。回折光学要素５２ｂ〜５２ｄは、各々のレンズの端面にて相互に接触している平凸レンズであることが好ましい。さらに回折光学要素５２ａは、対物レンズのグループ全体の長さが約５ミリメートルとなるようにするべく、屈折光学要素５２ｂ〜５２ｄの１つと接触するように組み立てることが可能である。対物レンズ５２の長さ（さらに、したがってハウジング４２の長さ）をより短くすることが望ましい場合には、例えばダイヤモンドまたはサファイアのようなより高い指数の回折ガラス材料を使用することができる。あるいは、対物レンズ５２は単体要素レンズであるか、またはモノリシック構造としてハウジング４２と一体的に形成することができる。好ましい実施形態では、対物レンズ５２ａ〜５２ｄのグループをハウジング４２の内壁に固定することができ、この場合、ハウジングは、概ね約９平方ミリメートル未満の縦軸Ａ−Ａを横断する最大断面部分を有する。別の好ましい実施形態では、対物レンズ５２ａ〜５２ｄのグループは、１．５ミリメートルの最大外径を有するハウジング４２の内壁に固定されている。レンズの断面は円形であることが好ましいことを特筆する。図８Ａに、レンズの直径を１．６ｍｍとした対物レンズの好ましい実施形態を相対的な縮小率で示しており、好ましい実施形態について適切に測定した場合、対物レンズが他の構成要素と共に動作して、物体の共焦点画像化が可能になる。さらに、当業者は、従来の市販されている光学設計ソフトウェアを使用し、ここで示し、記述した選択されたパラメータに基づいて、適切なレンズ構造を決定することもできる。
【００４９】
図８Ｂを参照すると、好ましい対物レンズ５２の反対の反応の例証を示している。図中のプロットライン１００は、対物レンズ５２の、１０００ラインペア／ミリメートルを超えるその中心軸上での許容可能な反対の反応を示す。プロットライン１０２は、やはり１０００ラインペア／ミリメートル以上に許容可能な、軸から約１００ミクロンオフセットした対物レンズ５２の反対の反応を示す。
【００５０】
図８Ｃを参照すると、対物レンズ５２の解像度の図を、軸上と軸からオフセットした場所の２つのデータについて示している。プロットライン１０４にて示すように、主要ローブの半値での共焦点反応における軸上ポイント分散関数の幅（幅は、プロットされた「一方向」ポイント分散関数の最大値である０．７０７）は、約０．５２ミクロンにて許容可能であると考えられる。プロットライン１０６に示すように、軸から約１００ミクロンオフセットした場所における共焦点反応ポイント分散関数の半値での幅は約．７ミクロンである。
【００５１】
動作時に、共焦点マイクロプローブ４０は、光ファイバ４４と光学インターフェース２２を介して光検出ユニット２０と接続している。マイクロプローブ４０のハウジング４２の先端を適切な被検物または物体（図示せず）の付近に配置することができる。例えばＬｅｉｃａ  ＣＬＳＭ  Ｍｏｄｅｌ  ＮＴのような市販のユニットであってよい光検出ユニット２０から光が提供される。光検出ユニット２０にて生成された光６０が光学インターフェース２２を介して光ファイバ４４の末端部４４ｂへ伝播される。この場合、光６０ａは、走査鏡アセンブリ４８上に形成された開口５６を介して伝播され、対物レンズ５２に形成した逆反射鏡５２ａで反射され、方向転換した光ビーム６０ｂとなる。方向転換した光ビーム６０ｂは、可変反射薄膜４８ｈに衝突し、対物レンズ５２へと反射されて対物的な光のビーム６０ｃとなる。この物体光６０ｃが走査中の物体を照明し、さらに、用途に従って、明視野または蛍光画像の各々についてレーリー散乱光またはストークスシフト光を収集できる。
【００５２】
上述した好ましい実施形態に基づき、プローブ４０の焦点スポットＦ１を制御する、または物体を走査する方法が達成される。この方法では、物体光６０ｃの焦点制御または物体光６０ｃの走査制御を、離散間隔、重複間隔、または同時時間間隔にて実施する。詳細には、焦点制御は、各々の電極Ａ１、Ａ２に供給された差分静電圧を用いて反射薄膜４８ｈを変形させることにより、焦点スポットＦ１が、光ビームによって画定された焦点軸Ｚに沿って、例えばＦ３のような別のスポットへと移動する。焦点制御は物体光に実施されているが、さらに、走査鏡４８ａの基部４８ｉをそれぞれ直交軸Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙの周囲で傾斜させ、焦点スポットＦ１が焦点軸Ｚに対して側方に焦点スポットＦ２へと移動できるようにすることで、走査制御も実施できる。より詳細には、共焦点マイクロプローブ４０は、３つ全ての次元において、例えば１秒毎の物体画像が２４、３６、４２フレームといった、物体を表示するのに十分な走査速度で走査を実施することができる。好ましくは、共焦点マイクロプローブ４０は、焦点ポイントをＸ−Ｙ平面に沿って、焦点軸に対して側方に、少なくとも１キロヘルツの走査速度で移動させることができるため、この走査速度は、１つのフレーム中に少なくとも２００本のラインを２０ミリ秒以内で十分生成できる。つまり、物体を２０キロヘルツの走査速度で走査するために、走査鏡と対物レンズが焦点ポイントを焦点軸に沿って移動できる。側方および軸方向走査について、１００ＫＨｚを越える軸速度（焦点調整）を含むこれ以外の走査速度を用いることができる。環境または被走査物体が長時間静止した状態にある場合には、走査速度を任意に選択しても十分に実用的な画像を得ることができる。さらに、（走査鏡アセンブリ４８の）可変薄膜４８ｈと駆動装置Ａ１およびＡ２によって、光ビームによって画定された焦点軸Ｚ上の複数の焦点位置において光ビームを移動させる手段を提供することが好ましい。特に、非可変鏡（例えば、表面が平坦面または湾曲面へと選択的に変形しない鏡）を装備した走査鏡アセンブリ４８は、概ね焦点軸Ｚに対して直交する平面にかけて光ビームを走査する手段を提供する。より好ましくは、走査鏡アセンブリ４８と対物レンズ５２が、複数の焦点位置において光ビームを、光ビームによって画定された焦点軸Ｚに対して軸方向および側方に向かって約１００ミクロン離れた場所へと移動させる手段を提供する。
【００５３】
これにより、可変反射薄膜４８ｈは、多くの望ましい焦点Ｆ１、Ｆ３の１つにおける物体光を、初期焦点軸Ｚ（図２、図３）に沿って、対物レンズ５２の最後のガラス面から０〜１００ミクロン離れた距離へ配置することができる。つまり、可変反射薄膜４８ｈを制御することにより、初期焦点軸Ｚに沿った深度走査を実施できる。他方で、焦点を、直交軸ＸおよびＹに沿って、初期焦点軸Ｚに対して側方に移動させることにより、側方走査（つまり二次元走査）を実施できる。したがって、側方走査と深度走査を組み合わせることにより、物体の三次元画像を提供する三次元走査を実施することができる。
【００５４】
好ましい実施形態の装置は、焦点ポイントに変化を達成するための、被走査物体、光源、または対物光学レンズを移動させることなく光ビームの焦点を３つの次元において移動させるその機能により、例えばホログラフィック・ディスプレイ、複数の焦点面を有する走査光ディスプレイ、仮想網膜ディスプレイ、非平坦面にかけてのバーコード（または他の記号論および文字）走査、さらに、例えば光学面（例えばコンパクトディスクまたはデジタルビデオディスク媒体）に対する送信、読み取り、書き込みを含む三次元光学信号処理のような三次元画像化に非常に適していると考えられる。
【００５５】
さらなる好ましい実施形態の用途は、以前は接触不可能であると考えられていた様々な環境での画像化（二次元または三次元画像化）であり、これには例えば、地下水、核貯蔵施設、人間の身体またはその器官の内部および外部を含む自然環境におけるバイオフィルムが含まれる。以下において、例証的な各々の環境について説明する。
【００５６】
多孔性媒体におけるバイオフィルムの形成
好ましい場面においてバイオフィルムが利用される場所の１つとして、地下水流中での操作が確実に挙げられるだろう。バイオフィルムは、多孔性媒体を通る水の流れを最大９９．５％まで遮断する機能を備え、またこの方法は、二次オイル回収操作において、地表下の汚染物を隔離する、または「突破」ゾーンを遮断するためにも使用できる。二次回収で使用される射出容器から水を搬送する「ストリンガー」を選択的に発生源と直接つなぐことにより、全体のオイル生成が増分的に１５％増加すると計算されていた。米国に限って言えば、これによってさらに莫大な量のオイルを回収することが可能になる。この技術について小規模商業的で大規模な試験的デモンストレーションが実施されてきた。次に挙げられる表面下バイオフィルム技術の再利用は、岩盤と接近して固められ、地下水源を危機に晒す汚染物の周囲に貫通不能なバリアを形成する機能を備えた、非常に低コストの「生体バリア」である。これに関しては非常に大規模なデモンストレーション・プロジェクトが実施されている。
【００５７】
表面下バイオフィルムの分野において今日まで直面してきた大きな問題は、大規模な浸漏計内に長期間に亘って形成されるバリアの性能の改善によって生じる、流量および栄養素流送量のような様々なパラメータを微細に調整する必要性であった。バリアの性能は、バクテリア細胞の多孔性材料の孔の周囲の表面への付着と、栄養素の摂取が可能になったことで粘着性細胞が形成するマトリックス材料の量とに基づくと考えられている。しかし、バイオフィルムよる遮断を試みる細胞の粘着性、または孔空間内におけるマトリックス材料の生成を定量化する方法は現在のところ存在しないと考えられており、また、これらの数値は、多孔性媒体の各部分において不均等となると予測されている。或る将来性の高い構成では、好ましい実施形態の１つによる共焦点マイクロプローブを、医療用トロカールを介して多孔性媒体の異なる場所に挿入するものである。観察者は、記録された画像によって、バクテリア細胞が存在している範囲、粒子の表面と関連した範囲、観察者がこの場所に作成したマトリックス材料の量を視覚的に見ることが可能になる。さらに、好ましい実施形態の共焦点プローブは、細胞活動用の化学プローブと組み合わせて使用できるため、バイオリミジエーション作用を含む、バクテリアの存在と活動が主要要素である表面下の接触し難い範囲におけるバクテリアの活動の観察を補助することもできる。
【００５８】
核貯蔵施設
ネバダ州のユッカマウンテン核貯蔵施設が出現するまで、多くのエネルギー施設部署では増加する核廃棄物の海上貯蔵施設への貯蔵を余儀なくされ、これらの作業のいくつかは、生物付着および微生物腐食（ＭＩＣ）に伴う問題を報告している。金属面上へのバイオフィルム形成とＭＩＣの開始との間の機能的つながりの理論的な研究する大型契約が開始されたと考えられてきたが、放射線の安全性問題のために実際の施設への出入りは制限されている。これら施設の低倍率観察用の光ファイバ探知機が市販されており、これらの機器は水の懸濁度、金属面に腐食ピットの形成開始について優れたデータを提供する。しかし、水の懸濁とピットの形成は、重大な問題において相当に進行した段階で見られる症状であり、ＭＩＣと金属欠陥の原因となるものはバイオフィルムであるため、これら表面上のバイオフィルム形成の程度についての精密なデータが必要である。好ましい実施形態の１つによる共焦点プローブは、特定の施設内での保管が可能であり、優れた移動能力と多くの表面を検査する機能を有し、また、共焦点的解釈および画像分析を行うべく標準的なモバイル機器パッケージと安全な相互作用を実施することができる。好ましい共焦点プローブは、水中生態系での静止状態において、接触可能な全ての表面上に形成される同一の粘着性を有するバイオフィルムを取得するが、このプローブはシステムから取り外して洗浄でき、さらに、統計的に著しい数の表面部位に導入され、バイオフィルムの厚さに関する精格な判断を行う。
【００５９】
自然環境における混合種バイオフィルム
従来の共焦点マイクロプローブで使用するフローセルにおいて、健康な口中の歯肉溝を占める混合種バイオフィルムを確立することは非常に困難であると考えられている。数人の研究家が８種の多動物種用のバイオフィルムを開発したが、これらの人工バイオフィルムは、実際に口中に見られる非常に複雑で、機構的に非常に強力な副歯肉プラークを表すとは考えられなかった。同様に、歯肉内流体の安定した流れをフローセルで模造することは困難であり、歯肉洗浄のような作業によって生じる流体の局所的摂動をフローセルで複製することは不可能である。歯肉溝は、人間の身体内におけるバクテリアと細胞の間の最も広範囲の接触範囲の１つであり、また、健康の維持には、このような並置によって生じる炎症を最小化することが必要である。この重要な自然生態系では、バクテリアの実際の成長モードは極めて重要であるが、その理由は、プランクトン（浮遊生物）細胞はバイオフィルム細胞と異なり、組織に対して遥かに刺激的であるのに対し、バイオフィルムは隙間に対して耐性を有するが、通常炎症を発生しない傾向にあるためである。
【００６０】
やはり器具類に容易に接触する別の自然微生物の集団が人間の膣内で成長しており、これら通常の微生物の成長モードも同等に、またはそれ以上に重要である。人間の身体系統を研究する微生物生態学者は、これら両方の生態系における化学条件に十分な関心を寄せているため、特に近年では膣システムにおけるｐＨおよび酸素の張力の連続的な多数の粗測定値を、大型直径の機器を用いて計測した。好ましい実施形態による共焦点プローブは、蛍光染色に頼ることなくバクテリア細胞を生体内で分解できると考えられている。回答が得られると考えられる１つの問題は、プランクトン形態またはバイオフィルム形態のバクテリア細胞における優勢な成長モードであり、別の質問は、組織表面がバクテリアバイオフィルムによって実際に遮断される範囲である。好ましい実施形態による蛍光性およびその他の化学タイプの共焦点プローブは、バクテリアを視覚化するために使用でき、人間システムの代わりとなる公知の動物（膣に関してはヒヒ、歯科研究にはビーグル犬）が使用され得り、また、これら両システムのバクテリア密集度の完全なマッピングを行うことが可能である。さらに重要なのは、微生物マップを、バイオフィルム内に特別な場所を形成することによって生じる化学異種のマップとつなぐことができる点である。そのため、隔離された組織がバクテリアに対して何を「見る」かを確実に判断できると考えられる。隔離された臓器システム内の組織表面上に直接バクテリアバイオフィルムを視覚化することで、この分野に劇的な進歩をもたらすと考えられる。
【００６１】
組織表面上へのバイオフィルム処置の研究
バイオフィルムの特徴は、そのプランクトン相対物を容易に破壊してしまう抗菌性因子に対する抵抗性が特に高いことである。これら抗菌性要素のうち最も重要なものの１つは、自然界（アメーバ）および体内（好中球）バクテリアを事実上飲み込もうと試みる食細胞であり、フローセルにおける未完全な研究は、バイオフィルムはこれらの食細胞から非常に上手く保護されることを示している。バイオフィルムはガラス面も形成され、問題が発生する溶媒は人工溶液（生理食塩水）であるため、これらの生体内フローセル研究はバイオフィルムと食細胞の間の自然な接触を示すものではない。体内で生じる実際の処置は、血管の内皮のような組織表面上で発生し、血液全体において発生する。これらの理由から、フローセル実験は実際に現実を表すものでないのに対し、好ましい実施形態の共焦点マイクロプローブでは人間の身体の体内環境をリアルタイムで画像化することができる。
【００６２】
好ましい実施形態のマイクロプローブは、心内膜炎の誘発に用いるカテーテル瘢痕技術によってバクテリアバイオフィルムを形成するべく誘発された動物の血管内に配置することができる。この共焦点プローブは、適切な血管の管腔内で操作され、また、バクテリアバイオフィルムが内皮面上に配置されるまで、一般的な処置を蛍光透視法によって導くことができる。バイオフィルム付近における組織の炎症性の処置は組織構造の変化によって検出でき、動物のサイトカイン反応を利用可能な多くの技術によって観察することができ、血小板反応を共焦点マイクロプローブによって容易に視覚化することができる。非常に急速に発生する血小板反応の次には、多形核白血球（ＰＭＮ）のインテグリン誘導された攻撃と、さらに、この攻撃と、バイオフィルム内でのバクテリア細胞の殺滅または除去におけるその効能との記録が予想される。除去は顕微鏡によって観察され、殺滅は従来の共焦点マイクロスコープと共に使用されると考えられる「生−死」着色によって判断される。好ましい実施形態の共焦点マイクロプローブは、例えば無傷の血管の組織表面上の、血清内での食細胞に対するバイオフィルムバクテリアの高い抵抗性といったバイオフィルム処置を検査する機能を提供する。これは、平坦なガラス表面上の生理食塩水内で同一の処置を検査する現在の検査方法に多大な進歩をもたらし、さらに、この共焦点マイクロプローブの好ましい実施例に基づき、これ以外の多くのバイオフィルム処置を遥かに現実的にモデリングできると考えられる。
【００６３】
生体内光学生検
小型共焦点光学顕微鏡への或る特定の関心範囲は、組織の疾病状態を判断する目的で、無傷の組織のセルラー解像による直接的な画像化である。これは光学生検と呼ばれる。共焦点顕微鏡は無傷組織の表面下の深度を画像化できるため、表面付近の細部および深い位置にある細胞について、細胞の大きさ、核の大きさ、核の細胞質比率、およびその他の形態的特徴のような重要な特徴を入手することができる。これにより、例えば癌または前癌検出のため、あるいは癌性病巣の縁を判断するために、健康な細胞と疾病細胞とを区別することができる。小型顕微鏡は、顕微鏡を画像化する組織付近へ導くために必要な特別なプローブ、カテーテル、内視鏡、針、その他の搬送用器具を使用した、身体の表面上または体内の微視的な検査を可能にする。明視野画像化と蛍光性画像化をここで記述したとおりに１つのプローブ内に組み合わせることにより、屈折指数、自動蛍光量、さらに外因的なマーカーによって生じた蛍光発光における変化により、構造をコントラストを付けて画像化することが可能になる。生体光学生検の研究用途と臨床用途の両方は、好ましい実施形態の適切な使用に基いた場合に実用的であると考えられる。
【００６４】
本発明をその特定の実施形態に関連して記述したが、さらなる変更が可能であると理解され、また、本願明細書は、一般に本発明の原理に追随し、本発明が関連する技術上知られた従来的あるいは慣習的な実用に包含され、先に説明した本質的特徴に適用でき、付属の特許請求項の範囲に含まれる本開示からの逸脱を含む、本発明の任意の応用形、使用、適合を網羅することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】好ましい実施形態の共焦点顕微鏡システムの断面図を示す。
【図２】図１のシステムで使用できるマイクロ共焦点プローブの第１の好ましい実施形態を示す。
【図３】図１のシステムで使用できるマイクロ共焦点プローブの第２の好ましい実施形態を示す。
【図４】図２のプローブの展開図を示す。
【図５Ａ−Ｃ】フェルールおよび関連する構成要素の平面図、端面図、側面図を各々示す。
【図６Ａ−Ｃ】図５Ｃのナノ機械加工を施した走査鏡の端面図および２つの異なる断面図を各々示す。
【図７Ａ−Ｂ】或る動作条件にあるマイクロ機械加工を施した鏡の半断面図と、別の動作条件にあるマイクロ機械加工を施した鏡の半断面図を示す。
【図８Ａ】図２のプローブ用の好ましいマルチ要素対物レンズの側面図を示す。
【図８Ｂ−Ｃ】好ましいマルチ要素対物レンズの性能パラメータを示す。
【図９Ａ−Ｂ】一般的な共焦点顕微鏡の主要動作と、従来の共焦点顕微鏡の略図を各々示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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