(57)【要約】  本発明の方法は制御された統計的処理のプロセスであり、そこでは、オブジェクトの位相を保持しながら、スペックル雑音を効果的に取り除くことができる。本質的に、動的な位相情報を照明干渉ビーム上で符号化し、入力コヒーレンスが失われる前に測定するプロセスを用いる。非常に安定した長いコヒーレンス長のレーザ（約１ｋＨｚの線幅を持つ）、高速画像化、及び高速位相処理の現在の可用度から、ここで、位相制御された統計の実現が可能である。
2007510963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを画像化する方法であって、
（ａ）コヒーレント波を複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割するステップと、
（ｂ）前記各コヒーレントウェーブレットの位相を既知のそれぞれの量だけ空間変調し、それにより、複数の変調ウェーブレットを作り出すステップと、
（ｃ）各変調ウェーブレットを前記サンプルと相互作用させ、それにより、複数の摂動ウェーブレットを作り出すステップと、
（ｄ）各摂動ウェーブレットの空間位相マップを作るステップと、
（ｅ）各摂動ウェーブレットの空間位相マップからサンプル画像を構成するステップと、
（ｆ）前記サンプル画像の全てを統計的に平均化して、前記サンプルの最終平均画像を作り出すステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
１コヒーレント長又はそれより小さいコヒーレント波から、前記複数のコヒーレントウェーブレットが作られる
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コヒーレント波は、レーザからの電磁放射である
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コヒーレント波を光ファイバ遅延線内に送り込み、電子制御された結合要素で各コヒーレントウェーブレットに切断することにより、該コヒーレント波を、複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割する
ことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記光ファイバ遅延線がさらに、光損失を補償するための光学ポンプを備える
ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザが単一縦モードで作動する
ことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザが単一横モードで作動する
ことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記コヒーレント波が、約３０〜１０００ミクロンの範囲の波長を持つ電磁放射である
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記各コヒーレントウェーブレットの空間変調は、回転可能な平面反射器によって遂行され、前記平面反射器をそれぞれの角度量だけ回転させることにより、各コヒーレントウェーブレットのそれぞれの既知の量の空間変調を作り出す
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記各コヒーレントウェーブレットの空間変調は、液晶装置により遂行される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記各コヒーレントウェーブレットの空間変調は、音響光学装置により遂行される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
各変調ウェーブレットは、光学レンズによって前記サンプルに向けられる
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
各変調ウェーブレットは、導波管によって前記サンプルに向けられる
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
各変調ウェーブレットは、格子結合器によって導波管内で結合される
ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記格子結合器はさらに、複数の回折格子を備える
ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
各変調ウェーブレットは、前記サンプルを通って伝送される
ことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
各変調ウェーブレットは、前記サンプルで反射される
ことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
各サンプル画像は、画像構成プログラムでプログラムされた計算装置によって、各摂動ウェーブレットの空間位相マップから構成され、前記計算装置は、前記摂動ウェーブレットの空間位相マップを作成する一又はそれ以上の検出器システムに接続される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
前記一又はそれ以上の検出器システムの各々は、空間位相測定システムに接続されたデジタルカメラを備える
ことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記相互作用させるステップ（ｃ）の前に、前記サンプルを外部刺激で刺激するステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項２１】
前記外部刺激は、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記相互作用させるステップ（ｃ）と同時に、前記サンプルを外部刺激で刺激するステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項２３】
前記外部刺激は、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
サンプルの画像を形成するためのシステムであって、
コヒーレント波の放射を発する光源と、
前記コヒーレント波を収集するように配置され、該コヒーレント波を複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割する時間変調システムと、
各コヒーレントウェーブレットを収集するように配置され、該各コヒーレントウェーブレットの位相を既知のそれぞれの量だけ空間変調し、それにより、複数の変調ウェーブレットを作り出す空間変調システムと、
各変調ウェーブレットを前記サンプルへ向けるように配置され、それにより、各変調ウェーブレットが該サンプルと相互作用した結果として、複数の摂動ウェーブレットを作る放射伝送システムと、
各摂動ウェーブレットを検出するように配置され、各摂動ウェーブレットの空間位相マップを作成する検出システムと、
前記検出システムに接続され、前記各摂動ウェーブレットの空間位相マップに基づいて、複数のサンプル画像を構成し、該複数のサンプル画像を統計的に平均化して、前記サンプルの最終平均化画像を作り出す計算システムと、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
前記時間変調システムが、１コヒーレンス長又はそれより小さい前記コヒーレント波の放射内で、該コヒーレント波を複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割する
ことを特徴とする、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記光源がレーザを備える
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記時間変調システムは、電子制御された切断結合要素に接続された光ファイバ遅延線を備える
ことを特徴とする、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記光ファイバ線はさらに、光損失を補償するための光学ポンプを備える
ことを特徴とする、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記レーザは、単一縦モードで作動する
ことを特徴とする、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記レーザは、単一横モードで作動する
ことを特徴とする、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記コヒーレント波の放射が、約３０〜１０００ミクロンの範囲の波長を持つ
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３２】
前記空間変調システムが回転可能な平面反射器を備え、該反射器の様々な回転角により、それぞれの既知の量の空間変調を作り出す
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３３】
前記空間変調システムが、液晶装置を備える
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３４】
前記空間変調システムが、音響光学装置を備える
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３５】
前記放射伝送システムが、光学レンズを備える
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３６】
前記放射伝送システムが、導波管を備える
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記放射伝送システムがさらに、前記変調ウェーブレットを前記導波管内で結合する格子結合器を備える
ことを特徴とする、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記格子結合器はさらに、複数の回折格子を備える
ことを特徴とする、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
各変調ウェーブレットは、前記サンプルを通って伝送される
ことを特徴とする、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
各変調ウェーブレットは、前記サンプルで反射される
ことを特徴とする、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記検出システムは、空間位相測定システムに接続された一又はそれ以上のデジタルカメラを備える
ことを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４２】
各変調ウェーブレットが前記サンプルと相互作用する前に、該サンプルを外部刺激で刺激するサンプル刺激システム
をさらに備えることを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４３】
前記外部刺激が、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
各変調ウェーブレットが前記サンプルと相互作用するのと同時に、該サンプルを外部刺激で刺激するサンプル刺激システム
をさらに備えることを特徴とする、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４５】
前記外部刺激は、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、画像化システムに関するものであり、特に、スペックルの量を低減したデジタル画像を作り出すコヒーレント放射画像化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像科学の分野において、非常に小さなものの世界を画像化することが最も大変である。最初の顕微鏡以来、科学者達はこの道具に魅了されてきており、かつその使用により、事実上毎日、新しい問題及び古い問題の両方の新たな発見、及び解決が成されている。全般的に、顕微鏡が生物学及び医学の分野において最も大きな影響を有してきたことを、主張することができる。
【０００３】
顕微鏡の設計は、ある期間にわたって、ほとんど不変のままとどまっていた。今日研究所に行って、現代の光学顕微鏡をその基本部品に細かく分けた場合には、顕微鏡の最初の作成以来、顕微鏡に存在している同じ要素を見つけるであろう。
【０００４】
典型的な光学顕微鏡は、光源、高倍率の光学対物レンズ、顕微鏡本体、及び接眼レンズから構成される。
【０００５】
今日、接眼レンズは、集束レンズ、及びエリアセンサを収容する電子カメラで、しばしば置き換えられる。顕微鏡使用の歴史において、この事実は大きな進歩であって、そこで、人間の目及びスケッチブックは、電子カメラ、及びコンピュータ支援画像分析で置き換えられた。
【０００６】
また、照明器においても同様に、更なる進歩が生じた。蛍光マーカと組合せたレーザは、生物学の顕微鏡画像化を大いに進歩させた。最新式のシステムの幾つかは、レーザエネルギーを狭帯域光学ポンプとして使用する、何らかの形の蛍光分光画像化を含む。レーザ走査共焦点顕微鏡は、１つのそのような装置である。
【０００７】
顕微鏡がよく機能するために、高い拡大率、高いコントラスト、及び良い解像度が必要とされる。これを達成するために、顕微鏡の対物レンズが、大きい開口数（ＮＡ）を持つ必要がある。大きいＮＡを持つことは、動作焦点範囲、又は焦点深度（ＤＯＦ）を減らすという犠牲を払って成されるので、この事実は、殆どの光学顕微鏡における基本的な制限に寄与する。
【０００８】
レンズを干渉計として視覚化することは、これを正しく捉えるのに役立ち得る。本質的に、ＮＡの大きい光学システムは、多くの空間情報を持つ高回折オブジェクト生成光子を捕らえる。回折は、基本的には、オブジェクト粒子によってより多くの光子が局所化されるようになればなるほど、その位置がより不確定になる、量子不確定プロセスである。従って、より多くの光子の回折情報を捕らえ、理解することは、光子を第一の場所において回折させるオブジェクトをより良く定める。さらに、より多くの光子が粒子によって局所化され、その結果回折されればされるほど、それは、あまり高度に局所化されていない、或いは回折されていない、その近隣の光子とより干渉しないようになる。
【０００９】
コントラストはコヒーレンスの関数であるということから、ＮＡの大きいシステムでは、所定の光学的統計の平均についてインコヒーレント光子対コヒーレント光子の高い収集率が存在するため、焦点の合っていない画像の輪郭がぼやける傾向がある。本質的に、より焦点のずれが進む時、その統計平均は、インコヒーレント光子によりますます圧倒され、それは、コントラストの低下につながる。言い換えると、ＮＡがより大きくなればなるほど、焦点エラーによって、コントラスト及び関連する画像品質がより劣化する。この状況は、同じ拡大倍率を持つが、より小さいＮＡを持つシステムに匹敵する。
【００１０】
手短に言えば、高拡大率でＮＡの大きい顕微鏡は、非常に小さいＤＯＦを持つ傾向がある。３次元空間において、微生物学世界が存在し、機能するという状況からして、この光学的事実は、如何なる科学者達にとっても重要な課題となり得る。結果として、この問題を軽減するために、最近、労力及びお金の両方において多くのものが注ぎ込まれている。
【００１１】
この問題の一部は、幾何光学システムが広帯域光（すなわち、白色光）を扱うことにとって、根本的なものである。実際、ガラス光学部品が、それらが役に立つほどよく機能するという事実は、自然界からの贈り物である。数個のガラス形式を単純な球面形状と組合せ、多くの異なるエネルギーの数兆の遠隔回折光子上に数兆の光子を瞬間的かつ統計的に一体化させ、それを波長のわずかな部分内において同相で行う品質画像システムを作り出すことができるという事実は、実に驚くべきことである。輝度ベースの画像化（殆どの画像化がそれである）において、この統計的平均化のプロセスはよく機能する。しかしながら、画像化システムに入る光子の真位相を捕らえることに興味がある場合には、この方法は全体的に不満足なものである。
【００１２】
位相は、光の重要な特性である。コヒーレント回折光子の（空間的かつ時間的な）相対位相分布を知ることは、四次元空間（３つの空間次元及び１つの時間次元）内でのオブジェクトの存在の直接的な認識を与える。
【００１３】
現在、最も良い商用の顕微鏡システムの１つは、高速ｚ走査（ＤＯＦ走査）プラットフォーム又は対物レンズを持つ、高速レーザ走査近ＩＲ（ＮＩＲ）２光子吸収共焦点顕微鏡である。このシステムは、２光子吸収蛍光画像化を使って、背景雑音を減らす。これらのシステムは非常に高価で、１つにつき＄１００,０００以上かかる。他の顕微鏡技術（研究段階）は、解像度を大幅に高めるための超広帯域光、及び近距離画像化の使用を探究している。より洗練されたモデルも、１つにつき最高でも＄１００,０００で売ることができる。
【００１４】
これらのシステムのどれも、画像化プロセスで使用される光の位相情報を保持しない。従来、位相情報を測定するのには充分な時間を必要とし、それは、高度安定モードロックレーザのような長いコヒーレンス照明源を使用することを意味する。ここでは、レーザが第二のインコヒーレント光源を励起する蛍光画像化と異なり、レーザを直接照明のために使用する。長いコヒーレンス照明源を用いると、干渉型のホログラフィック画像化が可能である。しかしながら、そのような照明はしばしば、悪い画像品質という結果になるであろう。レーザは、位相情報の特定を可能にすることに優れているが、鏡面反射雑音（典型的には、スペックルと呼ばれる）のため、非常に悪い画像品質を生み出し得る。
【００１５】
当業者には既知であるように、スペックルは、粗い表面又は不均一な媒体による（レーザ源のような）高コヒーレント源からの光の散乱が、表面又は媒体に粒状の概観を与える光のランダムな輝度分布を生み出す現象である。例えば、ＭｃＧｒａｗ‐Ｈｉｌｌ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｔｅｒｍｓ,  Ｓｉｘｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ（ＭｃＧｒａｗ‐Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｙ,  ＮｅｗＹｏｒｋ，  ＮｅｗＹｏｒｋ,  ２００３）の１９８９ページを参照することができる。また、例えば米国特許第６,５８７,１９４号を参照することもでき、その開示全体が引用により本明細書に組み入れられる。
【００１６】
米国特許第６,５８７,１９４号で開示するように、「スペックル現象の包括的な説明を、Ｔ．Ｓ．ＭｃＫｅｃｈｎｉｅ著,  Ｓｐｅｃｋｌｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ,  Iｎ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ,  Ｌａｓｅｒ  Ｓｐｅｃｋｌｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ,  １２３（Ｊ．Ｃ．Ｄａｉｎｔｙ編,  ２ｄ  ｅｄ.,  １９８４）（以後、ＭｃＫｅｃｈｎｉｅ）で見つけることができる。ＭｃＫｅｃｈｎｉｅの論文で論じるように、レーザ光の時間的コヒーレンス又は空間的コヒーレンスの削減によって、スペックルの削減を実現することができる。数年にわたって、スペックルを減らす、又は取り除く様々な試みがあった。上述のＭｃＫｅｃｈｎｉｅの論文を引用し、同じ問題に対処するもう１つの論文である、Ｂ．Ｄｉｎｇｅｌ他著,  変更されたファイバアレイを使用した、仮想非干渉レーザ照明を用いたスペックル減少,  Ｏｐｔｉｋ  ９４,  ａｔ１３２（１９９３）（以後、Ｄｉｎｇｅｌ）は、時間積分ベースに基づいて、ならびに統計的集合積分に基づいて、スペックルを減らすための幾つかの既知の方法を言及している。
【００１７】
更なる例として、Ｊｏｓｅｐｈ  Ｗ.Ｇｏｏｄｍａｎ著  「統計光学」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ,  ＮｅｗＹｏｒｋ,  ＮｅｗＹｏｒｋ,  １９８５）の３５６ページにおいて、スペックル現象が説明されており、そこでは、「コヒーレント画像化におけるスペックルの影響を抑制するための方法が研究されているが、完全なコヒーレンスを維持し、画像化システムの回折限界まで画像詳細を保持しながら、スペックルを取り除く一般的な解決策は、全く見つけられていない」ということが開示されている。本発明は、そのような「一般的な解決策」を提供する。
【００１８】
前述のＧｏｏｄｍａｎの文書の３５５ページに示す式（式７.５〜１４参照）により、画像内のスペックルの量を測定することができる。また、例えば、米国特許第５，７６３,７８９号を参照することもでき、それは、「スペックルセンサ及び装荷装置を提供するステップと、試験マシンの装荷装置内にサンプルを装荷するステップ、及びサンプルの測定領域の中心が常に、サンプルの装荷及び変位時に同じオブジェクト点にあるように、サンプルの装荷時のそのサンプルの移動に対応してスペックルセンサを動かすステップと、を含む試験マシン内のサンプルの伸張の測定のためのスペックル測定システムの測定範囲の拡大のための方法」を開示、及び特許請求する。この米国特許の開示全体が、引用により本明細書に組み入れられる。
【００１９】
以下の式により、デジタル画像の位相を計算することができ、
2007510963.tif 000003
ここでは、様々な変数が、Ｊｏｓｅｐｈ  Ｗ.Ｇｏｏｄｍａｎ著,「統計光学」,  ｓｕｐｒａの３５４ページの式７．５〜１４において定義される。
【００２０】
この位相、及びそれを測定するための装置又はシステムはよく知られている。例えば、米国特許第５,５４１,６０８号、５,２２５,６６８号、４,０１２,６８９号、５,０３７,２０２号、５,７８９,８２９号、６，６３０，８３３号、３,７６４,８９７号等を参照することができる。これらの米国特許出願の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
【００２１】
当業者にはよく知られるているように、本明細書で説明した測定のうちの幾つか又は全てを行う際に利用することのできる分析サービスを実施する多くの会社が存在する。従って、例えば、ＮｅｗＭｅｘｉｃｏ,  Ａｌｂｕｑｕｒｑｕｅ,  Ｓ．Ｅ．,  ＣｅｎｔｒａｌＡｖｅｎｕｅ  １４８１０にあるＷａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  Ｃｏｍｐａｎｙは、「輝度及び位相の同時測定」を含むサービスを提供する。
【００２２】
そのかわりに、或いはさらに、例えばＣｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ,  ＭｉｄｄｌｅｆｉｅｌｄにあるＺｙｇｏ社から市販されている「ＮｅｗＶｉｅｗ２００」干渉計のような、市販されている分析装置を使用することもできる。
【００２３】
同様に、スペックルはインコヒーレント画像化においても存在するが、画像が形成される統計的時間ブロックについて、鏡面反射アーティファクトは完全に平均化されて消える。これは、フェムト秒台で、非常に素早く生じる。しかしながら、スペックルの統計的除去とともに、位相情報も同様に失われる。
【００２４】
必要とされることは、光学位相が破壊される前に、その二点間画像化の光学位相を測定するための時間であり、そのプロセスの間、充分な統計的情報を提供し、それによりスペックルはもはや問題ではなくなる。
【００２５】
Ｔａｋｅｍｏｒｉ他著の米国特許第５，３６１，１３１号は、「１．少なくとも、第１の時刻の瞬間におけるオブジェクトの位置を示す第１の画像、及び第２の時刻の瞬間におけるオブジェクトの位置を示す第２の画像を形成するための画像形成手段と、少なくとも第１の画像及び第２の画像を受け取り、該第１及び第２の画像、前記第１の時刻の瞬間と第２の時刻の瞬間との間で実現されるオブジェクトの変位量を表す該第１の画像と第２の画像との間の相対位置によってコヒーレント光を変調するための第１の変調手段と、前記第１の変調手段によって変調されたコヒーレント光をフーリエ変換させ、それにより第１のフーリエ画像を形成するための第１のフーリエ変換手段と、前記第１のフーリエ画像を受け取り、該第１のフーリエ画像によりコヒーレント光を変調する第２の変調手段と、前記第２の変調手段によって変調されたコヒーレント光をフーリエ変換させ、それにより第２のフーリエ画像を形成するための第２のフーリエ変換手段と、前記第２のフーリエ画像を受け取り、該第２のフーリエ画像の位置を直接検出するための位置感度光検出器を含む、前記第１の時刻の瞬間と第２の時刻の瞬間との間に達成されたオブジェクトの変位量を示す前記第２のフーリエ画像の位置を検出するための検出手段と、前記第２のフーリエ画像が前記位置感度光検出器で受け取られるように時間間隔の値を調整する、前記第１の時刻の瞬間と第２の時刻の瞬間との間で定められる時間間隔を調整するための時間間隔調整手段と、を備えるオブジェクトの変位量を光学的に測定するための光学変位測定装置」を開示及び特許請求する。
【００２６】
Ｔａｋｅｍｏｒｉ他の特許の装置は、画像内の鏡面反射雑音を取り除くことができない。本発明は、スペックルの量が低減されたデジタル画像を提供することができる。
【００２７】
（本発明の開示）
本発明の方法は制御された統計的処理のプロセスであり、そこでは、オブジェクトの位相を保持しながら、スペックル雑音を効果的に取り除くことができる。本質的に、動的な位相情報を照明干渉ビーム上で符号化し、入力コヒーレンスが失われる前に測定するプロセスを用いる。非常に安定した長いコヒーレンス長のレーザ（約１ｋＨｚの線幅を持つ）、高速画像化、及び高速位相処理の現在の可用度から、ここで、位相制御された統計の実現が可能である。
【００２８】
本発明の方法では、長いコヒーレンス長の光源からの放射を使用して、サンプルの画像を形成する。その出力コヒーレント波は、１コヒーレンス長内で、複数のウェーブレットに時間的に分けられる。次に、各ウェーブレットの空間位相を、空間位相変調器で変調する。各ウェーブレットの空間位相は、既知の異なる量だけ変調される。各位相変調されたウェーブレットはサンプルを照明し、そのサンプルとの相互作用により摂動される。次に、各摂動ウェーブレットの空間位相マッピングを測定し、その結果として生じるデータを、画像復元アルゴリズムでプログラムされたコンピュータによって、サンプルの画像に変換する。従って、形成された複数の画像を統計的に平均化して、最終画像を形成する。光学的に分解可能でない高周波スペックルは、連続的な統計的平均化によってゼロに平均化される傾向があり、光学的に分解可能な低周波位相情報のみが残る。
【００２９】
本発明の１つの顕微鏡実施形態では、完全な位相及び振幅情報が保持され、三次元空間でオブジェクトを観測し、コンピュータ読み取り可能なデジタルホログラムを使って、画像化されたサンプルを再生及び拡大縮小することを可能にする。
【００３０】
更なる実施形態では、本発明は、位相コントラストのエッジ強調を実現することを可能にする。本実施形態の一側面として、水成環境内で殆ど浮遊している生物学的構造のオブジェクトスライスを利用する。この側面において、光は、殆ど吸収されず、時々散乱及び回折されながら、（伝送において）通り抜ける傾向がある。これは、本質的に、位相オブジェクトを説明している。蛍光染色マーカが多くの光を吸収し、従って、これらのオブジェクトを見やすい状態にするという点で、これが、蛍光染色マーカがこれらのオブジェクトでとても一般的である理由の１つである。一方、位相コントラストは、相対光学位相の小さなずれ（おおよそ、波長の何分の一）を使って、オブジェクトの輪郭を認識させる。これは、吸収画像化と比較して、物を認識させるためのずっと良い感度、かつより負荷をかけない方法という結果になり、それは、外部コントラスト因子を適用することを必要とし、その外部コントラスト因子は、生物学サンプルにしばしば害を及ぼす。
【００３１】
更なる実施形態では、（生体内での）非破壊細胞相互作用を実現し、従って、全く蛍光染料又はマーカを必要としない。画像化を高めるのに加えて、第二の有機又は無機マーキング成分が、生物学的プロセスを妨害又は変化させることもでき、より悪いケースのシナリオでは、光漂白による研究中に、その生物学サンプルを殺してしまう。
【００３２】
更なる実施形態では、本発明は、リアルタイムで生物学的プロセスを観察するための高速画像化を実現することを可能にし；従って、例えば、デジタルの形で、細胞の動的プロセスを観察して、自動分析を可能にすることもできる。
【００３３】
更なる実施形態では、本発明は、（例えば、７００ナノメートルから４００ナノメートルの間の見える範囲内の光子のような）エネルギーの低い光子を使って、０．１ミクロン以下（レイリー定義解像度リミット以下）の画像解像度を得ることを可能にする。本発明の実施形態による１つの顕微鏡は、５０ナノメートルまでの解像度を獲得する、解像度システムを含む。
この顕微鏡は、個別のコヒーレントステップにおいて、光電子的に特定される光の位相を利用する。コヒーレントステップの後、高度に制御された所定のやり方で光学的統計量を変え、位相を再び特定する。スペックルを取り除くのに充分な情報を獲得するまで、これは繰り返し行われる。光学的統計量を遅れずに制御することにより、他の光学的顕微鏡の制限なく、品質画像を高めることができる。
【００３４】
今日、光学顕微鏡画像化でできることには制限があり；これらの制限は、少なくとも一部は、ガラス光学部品の材料制限により作り出される。ＮＡの大きい対物レンズを作り出すことは非常に困難であり、業界は現在、ガラス技術の限界に挑んでいる。本出願で開示された手法により、個々の光学システムを同相で集約することができる。光学部品、電子機器を組合せ、本出願で開示したような新たな方法で計算することにより、これを可能にする。
【００３５】
本特許出願で開示された顕微鏡は、三次元の相互作用する蛋白質、及びそれらの自然状態における細胞内の変遷の、直接的かつ自然な画像を可能にするであろう。さらに、内視鏡のような他の医用画像化装置にも同様に、この技術を拡張することができる。
【００３６】
本発明は、生きている細胞の新しい詳細画像化を可能にし、健康な細胞及び病気の細胞の両方がどのように機能するか、及び細胞の信号発信及び形質導入がどのように働くか、についての新たな見識を提供するであろう。
【００３７】
現在、生きている細胞を光学的に観察すること、さらに、その自然状態において、細胞が実施する４次元（空間及び時間）の動的な生物学的プロセスを観察することは不可能である。静的な観測断片、及びシミュレートモデルを用いて、ＤＮＡ活動のような多くのプロセスを想定、或いは推論する。例えば、Ｘ線結晶学を使用したＤＮＡ分析は、最初に細胞を殺すことを必要とする。ＰＣＲ、及び他の活動は、細胞からＤＮＡを取り除いて、それに化学薬品を加えることを必要とする。
【００３８】
上で説明したような現在の光学顕微鏡の制限は、本出願で開示した顕微鏡には存在しない。
【００３９】
以下の図面を参照することにより本発明を説明するが、この図面において、同じ参照番号は同じ要素を参照する。
【００４０】
（本発明を実施するための最良な形態）
図１は、本発明の方法を示すブロック図である。コヒーレント放射源１０は、サンプル１８の画像化に使用されるコヒーレント波の放射１１を提供する。本明細書において使用される限り、「コヒーレント放射」という語は、域内の異なる点間の明確な位相関係を持つ、同じ又はほぼ同じ波長の電磁放射を意味する。例えば、「ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｔｅｒｍｓ」  ＳｉｘｔｈＥｄｉｔｉｏｎ（ＮｅｗＹｏｒｋ,ＮｅｗＹｏｒｋ,２００３）の４２３ページを参照せよ。また例えば、米国特許第６，２７２，０９５号、６，０９４，３００号、６，０５５，０４４号、６，００２，４９９号、５，９６３，６２６号、５，７５４，５１１号等を参照することもできる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により、本明細書に組み入れられる。
【００４１】
本発明で具現化されるプロセスは、コヒーレント放射の特定の波長範囲に限定されない。かつて、「光」という語は、およそ４００ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトルのみを参照したが、短波及び長波センサ、及び光学材料の両方の進歩が、この慣習を変えた。「光学部品」及び「光」という語は、本明細書において幅広く使用されるが、特定の波長範囲を意味すると推量すべきではない。最近、３０〜１０００μｍの範囲の電磁放射が、有用な応用例の見込みを示した。
【００４２】
当業者には既知であるように、時間的コヒーレンス、及び空間的コヒーレンス、の２つのコヒーレンスの尺度が存在する。Ｊｏｓｅｐｈ  Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎの「統計光学」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｅｌｙ＆Ｓｏｎｓ,  ＮｅｗＹｏｒｋ,  ＮｅｗＹｏｒｋ,  １９８５）の１５７ページで開示されるように、時間的コヒーレンス、及び空間的コヒーレンスの２つのコヒーレンスの形式間の区別を、簡単に言及する価値がある。時間的コヒーレンスを考える時、光ビームのそれ自身の遅延（だが、空間的にすれていない）部分と干渉する能力を心配する。このような光ビームの分割を振幅分割と呼ぶ。これに対して、空間的コヒーレンスを考える時は、光ビームのそれ自身の空間的にずれた（だが、遅延していない）部分と干渉する能力を心配する。この形式の光の分割を波面分割と呼ぶ。
【００４３】
多くの米国特許が、これらの形式のコヒーレンスについて論じている。時間的干渉の議論については、例えば、米国特許第５，４６９，２６１号（レンズ特性の測定）、４，９３６，６６５号（高解像度画像システム及び方法）、４,８６９,５９３号（干渉型表面プロファイラー）、４,８３１,６２９号（インコヒーレントの光結合レーザアレイ）、６,５５７,４２９号（レーザ投影表示システム）等を参照することができる。これらの米国特許の各々の開示は、引用により本明細書に組み入れられる。
【００４４】
波がそれ自身の遅延コピーと組み合わされる場合には、それが目に見える干渉を生み出す遅延の継続時間は、「コヒーレンス時間」Δｔとして知られる。これより、対応する「コヒーレンス長」を  Δｌ＝ｃΔｔ  と計算することができ、ここでｃは波の速度である。例えば、「ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｔｅｒｍｓ」  Ｓｉｘｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ（ＮｅｗＹｏｒｋ,  ＮｅｗＹｏｒｋ,  ２００３）の４２３ページを参照せよ。
【００４５】
このコヒーレントスペックル軽減プロセスが機能するためには、高コヒーレント光が必要とされる。必要とされる照明コヒーレンスの量は、まったく、（主に）位相測定カメラのフレームレートに依存するであろう。これは、フレームを取り込むことが全ての他の時間的プロセスより遅いことを、仮定する。例として、コヒーレンス時間についての、少なくとも２０の制御された統計平均を実施したいと仮定する。１ｋＨｚの線幅を持つレーザと想定すると、コヒーレンス時間は  τC＝（１・ｋＨｚ）-1＝１・ｍｓ  であり、これは、λC＝ｃ・τC＝３００ｋｍ  のコヒーレンス長を与える。従って、カメラは、ＦＲ＝２０／τC＝２０，０００ｆｐｓ  の最小取得フレームレートを必要とする。そのようなカメラは、現在、様々な会社から市販されている。
【００４６】
空間的コヒーレンスの議論については、例えば、米国特許第５,９２３,４２５号（斜め入射干渉計）、５，５３４，９７０号（走査型露光装置）、４,４２０,２１８号、４,９３６,６６５号、４,７３２,４８３号（干渉型表面プロファイラ）、４,３９６,２８９号等を参照することができる。これらの米国特許の各々の全開示は、引用により本明細書に組み入れられる。
【００４７】
米国特許文献において、多くのコヒーレント光源が説明されている。例えば、米国特許第５,３２１,７１８号、５,３０９,９０７号、６,４２４,４４９号、５，９７８，１０９号、５，５９６，４０９号、４,１４２,７７３号、６,４８０,２７２号、４，９２１，３５２号等を参照することができる。これらの米国特許の各々の開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
【００４８】
当業者にはよく知られているように、コヒーレント光源は容易に市販されている。従って、１９９９  Ｍｅｌｌｅｓ  Ｇｒｉｏｔ  Ｃａｔａｌｏｇ（Ｍｅｌｌｅｓ  Ｇｒｉｏｔ社版）を参照して、そのようなカタログの４４．１１のページで論じられる「研究のための安定化ヘリウムネオンレーザシステム」組立品を使用することができる。一実施形態では、図１のコヒーレント源１０は、単一縦モード、及び単一横モードにおいて動作できるレーザ光源である。
【００４９】
再び図１を参照すると、本発明の方法における、ブロック１２で表されるステップでは、光源１０からの放射は、１コヒーレンス時間Δｔ内に、複数のウェーブレット１３に時間的に分割され、各ウェーブレットは、コヒーレンス時間Δｔの数分の一である、連続的な時間間隔δｔを占有する。ブロック１４で表されるステップにおいて、各ウェーブレット１３の空間位相は、空間位相変調器によって、それぞれの既知の量だけ変調される。
【００５０】
図２Ａは、図１のブロック１０〜１４を実装するための一物理実施形態の概略的な要素の図である。レーザ３０２は、コヒーレント放射源として使用される。レーザ３０２は、装置の光学部品によって定められるような最小の分解可能オブジェクト要素について位相を特定できるように、充分大きいコヒーレンスボリュームを持つものである。レーザ生成光１１は、入力要素３０８によって遅延線３０６に送り込まれる。入力要素３０８は、電子制御された光ファイバカプラである。遅延線３０６は長い光ファイバ線（トラック）であり、そこでは、コヒーレンス、位相、及び偏光情報が保持される。これらの要素の幾つかの説明について、例えば、ウェブサイトｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｏｚｏｐｔｉｃｓ.ｃｏｍを参照することができる。遅延線３０６は、光損失を補償するための光学ポンプ３１０を備える。そのような光学ポンプは、当業者にはよく知られている。
【００５１】
再び図２Ａを参照すると、電子制御された切断結合器３１２は、遅延線３０６からの光の一部を、視準レンズ３１８へ直接向ける、或いは任意で、光線路３１４によって波長アップコンバータ３１６、そしてレンズ３１８に送り込む。波長アップコンバータは、通常、当業者によく知られた非線形結晶であり、それにより波長を低減することができる。
【００５２】
視準レンズ３１８を出た光は、空間位相変調器３２０を通って反射、或いは伝送されるのいずれかであるが、この空間位相変調器３２０は、基準と比べて  Ｘ＊λ（Δｘ,Δｙ）だけ位相を正確に調整することができ、ここではＸ≧０である。本発明の一実施形態では、空間位相変調器は、サンプルとの相互作用の前に照明ビームに様々な位相チルトを与える、回転可能な平面反射器である。位相チルトだけでなく、一般的には、他の形式の波面符号化も可能である。しかしながら、様々な振幅のチルト及び位相シフトされた平面波の無限級数によって、全ての波形を合成的かつ一意的に生成することのできるフーリエ数学的解析ということから、提案されたプロセスは全く一般的である。広義には、コヒーレント投光器の空間的及び時間的コヒーレンスボリューム内で全ての位相符号化要素を利用する限り、本出願で説明するプロセスはまさにこれである。オブジェクトボリュームじゅうで、上記位相プロセスによって様々な波形を合成できる場合には、位相符号化照明を使用して、焦点画像化の深度を拡張することができる。画像焦点深度移動位相オブジェクトは、様々な位相照明によって変化しないわけではなく、従って、オブジェクト深度情報を一意に計算することができる。
【００５３】
そのかわりに、空間位相変調器３２０は、機械（ＭＥＭＳ）装置、電気光学（液晶、音響光学等の）装置、又はその組合せ装置、のような装置とすることができるであろう。図２Ｂは、位相変調器の音響光学実施形態の概略図である。図２Ａに示した実施形態において、空間位相変調器３２０を出た光は、図１の位相変調ウェーブレット１５と同じであるので、数字１５で示される。
【００５４】
再び図１を参照すると、照明光学部品１６は、位相変調ウェーブレット１５でサンプル１８を照明する。照明光学部品１６は、格子、プリズム、レンズ、或いは空間変調器３２０及び遅延線（要素３０８、３１０、３０６、及び３１２）により符号化された位相情報が維持されるような何らかの他の所定の光学位相入力装置、とすることができる。位相変調ウェーブレット１５は、サンプル１８と相互作用し、それにより摂動ウェーブレット１９に変換される。次に、集光光学部品２０によって、摂動ウェーブレットを、高速シャッタ２２を通して、摂動ウェーブレット１９から摂動位相情報を抽出して、位相再生ウェーブレット２５を作り出す空間位相測定システム２４に向ける。再生ウェーブレット２５は、その再生ウェーブレット２５の空間位相マッピングを作り出す高速光学センサ２６によって検出される。次に、画像再生プログラム２８が、センサ２６からの空間位相マッピングを、サンプル１８の画像に変換する。この時点において、単一ウェーブレットから形成される画像は、高周波鏡面反射雑音（スペックル）をまだ含んでいる。スペックルを減らすために、全てのウェーブレットからの複数の画像を加算し、統計的平均化プログラム３０により平均化して、最終画像３２を作り出す。光学的に分解可能でない高周波スペックルは、連続的な統計的平均化によってゼロに平均化される傾向があり、光学的に分解可能なより低周波の位相情報のみが残り、それにより、スペックルを大幅に低減した最終平均画像を作り出す。
【００５５】
図３は、上で説明した本発明の方法を実施するための顕微鏡１００の要素の概略図である。図３において、光源１１０は、図１でブロック１０〜１４として示される要素を表しており、それは位相変調ウェーブレット１５を作り出す。光源１１０は、通信線１５４を介して、プログラム可能な論理演算機構（ＰＬＵ）１５０に接続されるが、とはいえ、他の通信システム及び方法も使用することができる。
【００５６】
一実施形態では、ＰＬＵ１５０は、例えば、複数の通信ポート、表示装置、データ記憶装置（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、或いは他のメモリ記憶装置）、入力装置（例えば、キーボード、マウス、又は他の入力装置）等を持つプログラム可能なコンピュータである。
【００５７】
本明細書において使用される限り、「通信線」という語は、二又はそれ以上の要素間の情報の伝達を可能にするための、任意の数のシステム及び方法を参照する。このようなシステム及び方法は、情報を送信及び受信するために必須な各要素における変換器を伴った光ファイバケーブル、導電線等を含むが、これらに限定されない。
【００５８】
位相変調ウェーブレット１５は、照明光学部品１６を介して、サンプルホルダ１２０に向けられ、そこで、サンプルの輪郭によって散乱及び／又は回折されて、摂動ウェーブレット１９になる。摂動ウェーブレットは、レンズ１２６、及び対物レンズ１２８を通過する。示された実施形態では、対物レンズ１２８は、高速シャッタ１３２に接続される。高速シャッタ１３２は、通信線１５３を介して、ＰＬＵ１５０に接続される。制御位相機構１３４は、高速シャッタ１３２に接続される。通信線１５２を介して、ＰＬＵ１５０に接続及びＰＬＵ１５０により制御される制御位相機構１３４は、図１の空間位相測定システム２４に対応し、それにより、摂動ウェーブレット１９から位相情報を抽出して、再生ウェーブレット２５を作り出す。
【００５９】
ＰＬＵ１５０によって制御される制御位相機構１３４を使用して、米国特許６,５４５,７９０号で説明されるプロセスを実施することができ、この米国特許の全開示が引用により本明細書に組み入れられる。この特許は、「（ａ）第一の面に配置された試験体の材料を実質的に単色のコヒーレント放射で放射するステップと、（ｂ）実質的に第一の面に配置された一又はそれ以上のフィルタに対応するＮ個の所定のフィルタリングパターンにより、試験体で変調された放射をフィルタリングするステップと、（ｃ）Ｎ個のフィルタリングパターンの各々について、前記第一の面について共役な回折面である第二の面において、前記フィルタリングされた変調放射の空間輝度値を捕らえて、Ｎ個の対応する輝度分布を作り出すステップと、（ｄ）対応するフィルタリングパターンの影響を修正することを含む、前記第二の面において捕らえられた前記Ｎ個の輝度分布を処理して、前記第一の面における波面の推定値を提供するステップと、（ｅ）前記提供された波面の推定値をＮ個の異なるフィルタリングパターンを使用してフィルタリングして、Ｎ個のフィルタ推定値を得るステップと、（ｆ）前記フィルタ推定値を処理して、前記第二の面におけるＮ個の推定輝度分布を作り出すステップと、（ｇ）前記第二の面において前記捕らえられ、かつ推定された輝度分布と関連付けられるエラー測定が所定の閾値に達するまで、ステップ（ｄ）、（ｅ）、及び（ｆ）を繰り返すステップと、を含む実質的に単色のコヒーレント放射に対応する波面から情報を回復するための方法」を説明、及び特許請求する。
【００６０】
そのかわりに、ＰＬＵ１５０によって制御される制御位相機構１３４を使用して、米国特許第６，３６９，９３２号のプロセスを実施することもでき、この米国特許の全開示が引用により本明細書に組み入れられる。本特許は、「１．実質的に単色のコヒーレント波形の波面の位相情報を回復するための方法であって、（ａ）関連する後方焦点面（ＢＦＰ）、及び画像面（ＩＰ）を持つレンズを提供するステップと、（ｂ）前記波面を、前記レンズを通過させ、該波面に既知の位相のずれを与える該レンズの前記ＢＦＰに配置された位相フィルタを通過させるステップと、（ｃ）前記ＩＰにおける前記波面の空間輝度値を記録するステップと、（ｄ）様々な値の前記与えられた位相のずれについて、ステップ（ｂ）及び（ｃ）をＮ−１回繰り返して、前記ＩＰにおける前記波面のＮ個の輝度画像を獲得するステップと、（ｅ）前記波面の前記Ｎ個の輝度画像の各々について位相値を対応付けて、Ｎ個の合成波面画像を形成するステップと、（ｆ）前記Ｎ個の合成波面画像を処理して、前記ＢＦＰにおける前記波面の単一の推定値を獲得するステップと、（ｇ）各画像について記録された前記空間輝度値、前記ＢＦＰにおける前記波面の推定値、及び前記対応する位相のずれに基づいて、変更されたＮ個の合成波面画像を生成するステップと、（ｈ）前記Ｎ個の合成波面画像と関連づけられるエラー測定値が所定の値に達するまで、ステップ（ｆ）及び（ｇ）におけるプロセスを繰り返すステップと、を含むことを特徴とする方法」を、説明及び特許請求する。
【００６１】
当業者に知られている空間変調器のどれも、制御位相機構１３４のために使用することができる。例えば、米国特許第６，６２４，７５６号、６，５６７，１６３号、６，５６３，１６７号、６，５５２，７７７号、６，５３８，８００号、６，５３８，７９１号,６，４３０，３２８号等を参照することができる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。Ｇｒｅｓｈｂｅｒｇ特許第６,３６５,９３２号、及び６，５４５，７９０号で開示される位相測定プロセスが、図１における空間位相測定ブロック２４を実装するたった２つの例である。例えば、ミケルソン干渉計のような他のプロセスも、当業者には明らかであろう。
【００６２】
再び図３を参照すると、デジタルカメラ１４２が制御位相機構１３４に接続される。通信線１４６を介してＰＬＵ１５０に接続されるデジタルカメラ１４２は、再生ウェーブレット２５を捕らえ、その再生ウェーブレット２５の位相マッピングを作り出す。ＰＬＵ１５０はさらに、デジタルカメラ１４２によって捕らえられたウェーブレット２５の位相マッピングをサンプル１２２の画像に変換する画像再生プログラムでプログラムされる。ＰＬＵ１５０は、レーザ３０２のコヒーレンス長内で光源１１０によって作り出された複数のウェーブレットについて、そのようなサンプル１２２の画像を形成するように、さらにプログラムされる。ＰＬＵ１５０はさらに、全てのウェーブレットからの複数の画像を加算し、統計的に平均化するようにプログラムされて、サンプル１２２の最終画像を生み出す。光学的に分解可能でない、個々のウェーブレット画像内の高周波スペックルは、連続的な統計的平均化によってゼロに平均化される傾向があり、光学的に分解可能なより低周波の位相情報のみが残り、それにより、スペックルを大いに低減した最終平均画像を作り出す。最終画像は、例えば、２次元画像、３次元画像、ホログラム等である。
【００６３】
さらに、ＰＬＵ１５０は、デジタルカメラ１４２及び１４４から受け取った両方の生データを格納するための装置、並びに再生画像を格納するための装置を備える。一実施形態では、ＰＬＵ１５０は、データ及び画像を、他の記憶装置及び記憶媒体、複数または１つのコンピュータ、及び／又は通信ネットワーク等へ伝送するための装置を備える。
【００６４】
デジタルカメラ１４２は、例えば、ＡｎｄｏｒのｉＸｏｎ８７  電子複式ＣＣＤカメラ、或いは他の高速デジタルカメラである。一実施形態では、デジタルカメラ１４２は、サンプリングが光学システムの点広がり関数（ＰＦＳ）の中央ローブの２５％以下である充分な解像度を持つ。カメラの速度は、光源‐サンプルの相互作用領域内で定められるτC（コヒーレンスタイ）以上である必要がある。所定のセンサ量子効率及び光学領域振幅におけるカメラの感度は、画像連鎖全体のＳ／Ｎ（信号対雑音比）より大きい。画像センサは、光捕獲→統計的光学雑音→センサ→統計的センサ雑音→デジタル変換→統計的電子雑音→アルゴリズム処理を含む。
【００６５】
図４Ａは、図３の顕微鏡１００の代替の実施形態である顕微鏡２００の要素の概略図である。図４Ａを参照すると、光源１１０からのウェーブレット１５は、光学導波管１１６内でコヒーレントなウェーブレット１５を結合するために使用される格子結合器１１２を通過する。明らかなように、格子結合器１１２の機能は、サンプル１２２内に光を伝達することである。プリズム（示されていない）のような他の結合装置もまた使用することができる。
【００６６】
図４Ａに示す実施形態では、ウェーブレット１５は、光の幾らかが導波管１１６を通り抜け、光の幾らかが「導波管モード」として導波管の長さだけ伝えられるように光を結合する回折格子１１２と接触する。この機能の概略図を図４Ｂに示す。図４Ｂより明らかなように、サンプル、及びその特性に依って、光害を最小化するが、サンプルを照明するのには充分な導波管照明装置を選択することができる。
【００６７】
本明細書の、及び本明細書に添付された図面、及びその議論より明らかなように、照明光の位相情報が限定されない方法で変えられないように導波管照明装置を選択し、それにより、分析できないデータを生み出す。この目的を達成するために、検出器１２５（図４Ｂ参照）によって検出される光の信号対雑音比は１より大きく、一実施形態では約２より大きい。
【００６８】
再び図４Ａを参照すると、格子結合器１１２は、市販されている従来の格子結合器である。従って、限定ではなく例証として、米国特許第５，２１８，５８４号、５,１５３,８６０号、５，０７０，４８８号、４，８６８，８０３号、５，３６３，２２６号、５，４８１，５１６号等で説明する一又はそれ以上の格子結合器を使用することができる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
【００６９】
更なる格子結合器の一実施形態７１２を、図４Ｃに示す。図４Ｃを参照すると、コヒーレントな光線７１４、７１６、７１８、及び７２０が、それぞれ回折格子Ｇ３、Ｇ２、Ｇ４、及びＧ１にぶつかることがわかるであろう。これらの格子によって回折された光の幾らかは、導波管７２２を通過する。サンプルの領域７２４において、光波はコヒーレントに相互作用して、制御可能な干渉パターンを形成し、このパターンでは、空間における２つの次元、及び時間が制御される。明らかなように、所望の出力を作り出す他の装置又はシステムも使用することができる。従って、例えば、一又はそれ以上の結合領域を持つ導波管１１６を使用することができる。
【００７０】
再び図４Ａ及び４Ｂを参照すると、導波管１１６は、対象の照明波長において良い伝送特性を持つ平面導波管である。例えば、米国特許第６,４３２,２９２号、６,２１５,９２８号、６，１６０，８２４号、５，４８５，２７７号、６，５４６，１６３号、５，３６５，２４３号、及び４,９６１,６１８号の特許請求の範囲で説明する平面導波管のような、従来技術で説明される一又はそれ以上の平面導波管を、例えば使用することができる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
【００７１】
一実施形態では、導波管１１６は、（例えば、ガラスのような）アモルファス材料、及び／又は結晶材料で作られる。
【００７２】
再び図４Ａ及び４Ｂを参照すると、結合されたインコヒーレント光１１８が、導波管１１６を通って,サンプルホルダ１２０に伝わり、そこで、サンプルの輪郭によって散乱及び／又は回折されて、摂動ウェーブレット１９となる。
【００７３】
図３にように直接ではなく、図４Ａ及び４Ｂのように、サンプル上に照明放射を向けるような導波管の使用は、高度に構造化された暗視野照明、又は近視野画像化の一種の形である。導波管キャビティ内で干渉モードに空間的に接続されるエバネッセント波は、導波管の表面を超えて、その上に置かれたオブジェクトサンプル内まで延びる。対象のオブジェクトは、これらのエバネッセント領域と相互作用し、光エネルギーを顕微鏡内で側方散乱させるであろう。このように、＜＜λ／２である、高密度導波管における輪郭と干渉する波は、より直接的な照明手法を使って、オブジェクトのより詳細な部分を解像することができる。
【００７４】
図５は、光学顕微鏡２５０の更なる実施形態の要素の概略図である。図３に示した実施形態、及び添付の説明文で説明した要素に加えて、光学顕微鏡２５０は、サンプル刺激機構２０２を備える。サンプル刺激装置２０２は、サンプル１２２の一部、或いは全体にぶつかる刺激信号２０４を発する。例えば、刺激信号２０４は、レーザ、及び／又は他の光波、音波、電界、磁界、液体刺激剤、気体刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及び／又は他のサンプル刺激装置である。（示されない）更なる実施形態では、サンプル刺激装置は、サンプルホルダ１２０の一部として包含されることができ、サンプル１２２との機械的接触によるサンプルのシミュレーションのために使用される、例えばナノチューブ等のような一又はそれ以上のナノプローブを含むことができる。更なる実施形態では、サンプル刺激機構２０２はさらに、例えば、温度、表面膜の張力、サンプル１２２によって放出される気体、サンプル１２２によって放出される電磁（光を含む）信号、サンプルの形状等のような、サンプルの生理学的及び／又は他の特性を検出するための検出装置又はシステムを備える。特定の刺激を与えると、生体システム内で生じることを観察することができる。観察されるシステムが生きているということから、少し制御された刺激を加えることが、実験のために効果がある。
【００７５】
再び図５を参照すると、サンプル刺激機構２０２が任意で、通信線２０６を介してＰＬＵ１５０に接続されることがわかるであろう。一実施形態では、サンプル刺激機構２０２は、ＰＬＵ１５０内のプログラム可能なアルゴリズムによって制御される。更なる実施形態では、サンプル刺激機構２０２が、ＰＬＵ１５０内のプログラム可能なアルゴリズムによって制御され、それらのアルゴリズムは、一部又は全部、時間順に基づいている。更なる実施形態では、ＰＬＵ１５０は、サンプル刺激機構２０２から検出データを受け取る。また更なる実施形態では、ＰＬＵ１５０は、検出データをサンプルするアルゴリズムに基づいて、サンプル１２２の刺激を調整する。更なる実施形態では、ＰＬＵ１５０は、検出データをサンプルする、及びデータベースをサンプルする、さもなければデータベースに問い合わせするアルゴリズムに基づいて、サンプル１２２の刺激を調整する。また更なる実施形態では、ＰＬＵ１５０は、顕微鏡２００のオペレータ（示されていない）がサンプル刺激機構２０２のパラメータ、及び機能性をリアルタイムで調整することを可能にする。
【００７６】
更なる実施形態では、図には示されていないが、図３、４Ａ、又は５においてサンプル１２２を閉じ込める密封された封入器が提供される。更なる実施形態では、顕微鏡の他の要素の一部、又は全部が閉じ込められる。一実施形態では、封入器が、顕微鏡を通る光の全ての経路を閉じ込め、さもなければ、それらの経路は大気に開放されるであろう。更なる実施形態では、封入器を使用して、気体を保持する。更なる実施形態では、封入器は真空ポンプに接続され、部分真空を維持するために使用される。
【００７７】
図６は、通信線４２２、４３６、４５０、４５８を介して、それぞれＰＬＵ１５０に接続される多重デジタルカメラ４２０、４３４、４４８、４５６を持つ光学顕微鏡４００の要素の図である。ウェーブレット１９は、ビームスプリッタ４１０、４２４、４３８によって、分けられ、各カメラ内に向けられる。多重デジタルカメラの使用は、摂動ウェーブレット位相情報のより高速な並列処理を可能にする。また、この機構を使用して、位相ダイバーシティ、位相符号化、又はサンプル‐光の相互作用後の他の位相処理によって、サンプルの画像化された光学位相情報をアルゴリズム的に抽出することができる。
【００７８】
図７は、リモートのコンピュータシステム６０４への双方向ネットワーク通信システム６０６を持つ光学顕微鏡６００の要素の図である。一実施形態では、ＰＬＵ６０２は、画像構成ソフトウェア（示されていないが、上で参照したＧｅｒｃｈｂｅｒｇ他の画像構成の特許を参照）を実行するリモートのコンピュータシステム６０４へ、生の画像データを伝送して、最終画像（示されていない）を構成する。リモートのコンピュータシステム６０４は、最終画像（示されていない）をローカルのＰＬＵシステム６０２に伝送して、ローカルの顕微鏡のオペレータ（示されていない）に呈示する。一実施形態では、リモートのコンピュータシステム６０４が、収集された生の画像データ、及び構成画像の両方を、データ記憶媒体（示されていない）内に格納する。更なる実施形態では、リモートのコンピュータシステム６０４が、構成画像（示されていない）を受け取り、画像化サンプルの３Ｄコンピュータ支援設計、又は他のコンピュータモデル（示されていない）を作り出す更なるモデリングソフトウェア（示されていない）を備える。リモートのコンピュータシステム６０４は、３Ｄコンピュータモデル（示されていない）を、更なるソフトウェア（示されていない）を持つローカルの顕微鏡のＰＬＵシステム６０２に伝送して、受信された３Ｄコンピュータモデル（示されていない）をローカルの顕微鏡のオペレータ（示されていない）に呈示する。
【００７９】
更なる実施形態では、示されていないが、図３、４Ａ、５、６又は７のような顕微鏡は、ロボットのサンプルローダ（示されていない）を持つ。この実施形態では、ローカルの顕微鏡のオペレータは全く存在しない。一実施形態では、サンプルローダ（示されていない）は、ＰＬＵ６０２内のプログラム（示されていない）によって制御される。更なる実施形態では、サンプルローダ（示されていない）は、リモートのコンピュータシステム６０４上のコンピュータプログラムインターフェース（示されていない）、及びそのコンピュータプログラムインターフェースを通してコマンドを発行するリモートのオペレータ（示されていない）によってリモートで制御される。
【００８０】
光のコヒーレントボリュームを変更するための好ましい手段
図８以下参照は、出願人のプロセス及び機構で解決することのできる問題の１つを、概略的に示している。
【００８１】
エアリーディスクは、一様に照射され、収差のない円形光学要素又はシステムの、焦点回折パターンの（第一のゼロ、又は暗リング内部の全てのものを含む）中央ピークである。例えば、米国特許第６，３８５，１５７号、５,６１２,８１８号、５，４５７，３６３号、５,３９２,２７１号、４,９７５,２３７号等を参照することができる。これらの米国特許の全開示は、引用により、本明細書に組み入れられる。図８は、平面波１００２がそこを通って伝送されるレンズ１０００を示している。レンズ１０００を回折制限し、それによりエアリーディスクを作り出すことが好ましい。この理想化された状況を図８に示す。一般的には、画像化システムの点広がり関数は、エアリーディスクの直径と等しい、又はそれより大きい。エアリーディスクの直径を、本出願で示された式を参照することにより、図８に与える。
【００８２】
本明細書のこの節の議論の残りの部分では、理想化されたエアリーディスクの状況を参照する。しかしながら、そのようなエアリーディスクについて成された如何なる注釈も、点広がり関数に等しく関係していることを、理解すべきである。
【００８３】
図９は、分解可能な細胞レベル以下のユニット１１０２、及び分解不可能な細胞レベル以下のフィーチャ１１０４から成る細胞１１００の概略図である。
【００８４】
エアリーディスクの直径「ｄａｉｒｙ」をＭ（画像化システムの光学倍率）で割ると、ボリューム基準係数が得られる。寸法の各々１１０６、及び１１０８は、少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、このボリューム基準係数より実質的に大きい。
【００８５】
細胞レベル以下のユニット１１０２の直径は、一般的には、ボリューム基準係数の少なくとも２倍の大きさである。一実施形態では、ユニット１１０２の屈折率は、ユニット１１０４の屈折率とは異なり、また、細胞全体の屈折率が、ユニット１１０２及び１１０４の屈折率とは異なることが好ましい。
【００８６】
図１０は、入力電界の位相ボリュームとの相互作用の概略図である。入力電界１２００は、ある期間（Δｔ参照）にわたって、オブジェクト１２０２と相互作用する。「Δｔ」は、関数Ｅn（ｘ,ｙ,ｔn）の各々において、画像化システムが検出器からの散乱及び／又は回折光の光学位相を獲得するのに、充分大きくなければならない。好ましいシステムの他の要件についても、図１０で扱う。これらの要件は、入力電界Ｅnをどのくらい空間変調及び時間変調するのが好ましいかを定める。
【００８７】
図１１は、当業者が出願人のプロセスを正しく実践したかどうか判断することを可能にする試験組み立て品の概略図である。図１１を参照すると、出願人のプロセスは、そのような図面で明示された条件を満たす画像を作り出す。
【００８８】
図１２は、ビームスプリッタ３００２を利用したプロセス３０００の概要である。光のコヒーレントビーム３００４（光の基準バンドル）は、コヒーレントボリューム３００４／１、３００４／２、３００４／３等から構成される。この光ビーム３００４は、矢印３００６の方向に伝わることが好ましい。
【００８９】
同時に、光のコヒーレントビーム３００８は、サンプル３０１２を通って、矢印３０１０の方向に伝わる。コヒーレントボリューム３００８／１はコヒーレントボリューム３００４／１と相互作用し、コヒーレントボリューム３００８／２はボリューム３００４／２と相互作用し、及びコヒーレントボリューム３００８／３はコヒーレントボリューム３００４／３と相互作用する。これらの相互作用は干渉型であり、それらは、サンプルと相互作用した光の位相についての情報を与える。
【００９０】
図１３は、図１２に示したプロセスと似た「共有‐干渉型」プロセス３１００を示しているが、そこでは、光の基準バンドル３００４が、矢印３００６（図１２参照）の方向ではなく、矢印３０１１（図１３参照）の方向に伝わる。明らかなように、図１〜７に示す何れの装置でも、図１２及び／又は図１３のプロセスのいずれか又は両方を使用することができる。
【００９１】
図１４は、三軸で示されていない三次元サンプルを、複数のコヒーレントスレッド３８０２及び３８０４を使って走査するためのプロセス３８００の概要である。
【００９２】
図１４Ａは、軸４００４、軸４００６、及び軸４００８の三軸における三次元サンプル４００２を走査するためのプロセス４０００の概略図である。
【００９３】
示された実施形態では、コヒーレントスレッド４０１０を、基準ゾーン４０１２内でｘ、ｙ、及びｚ軸について動かし、従って、作り出される干渉情報は、摂動相互作用ゾーン４０１４内に存在する。明らかなように、コヒーレントスレッド４０１０は、より大きいコヒーレントボリューム４０１６の一部であり、示された実施形態では、このコヒーレントボリューム４０１６は変則的な三次元形状を持つ。また明らかなように、一より多くのこのようなコヒーレントスレッドを使用することもできる。
【００９４】
一実施形態では、光バンドル３００４（基準バンドル）を運搬するための手段が、その中心の直径が約１ミクロンより小さい、より好ましくは約０．５ミクロンより小さい遠位端を持つ光ファイバである。この実施形態では、そのような遠位端を使用して、細胞壁の外側又は内側のいずれかで、細胞ボリュームを走査することができる。そのようなファイバの遠位端は、細胞膜を突き抜けるための手段で構成されることが好ましい。光ファイバは、生体適合ガラスで作られることが好ましい。
【００９５】
図１５は、基準ゾーン４０１２がサンプル４００２の外側にあり、基準ゾーン４０１３が基準ゾーン４０１２とは異なり、かつコヒーレントスレッド４０１１がコヒーレントスレッド４０１０とは異なることを除いて、図１４で示したものと似たプロセスを示している。結果として生じる観察ゾーン４０１５は、観察ゾーン４０１４とは異なる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の方法のブロック図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による、コヒーレント光源システムの概略的な要素の図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による、音響光学位相変調器の概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、顕微鏡の概略的な要素の図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による、サンプルの間接照明を持つ顕微鏡の概略的な要素の図である。
【図４Ｂ】間接的なサンプル照明をさらに示す概略図である。
【図４Ｃ】多重回折格子結合器の概略図である。
【図５】本発明の実施形態による、サンプルシミュレータを持つ顕微鏡の概略的な要素の図である。
【図６】本発明の実施形態による、多重デジタルカメラを持つ顕微鏡の概略的な要素の図である。
【図７】本発明の実施形態による、通信ネットワークに接続された顕微鏡の概略的な要素の図である。
【図８】本発明の実施形態による、光学顕微鏡における使用のための検出システム内のレンズのブロック図である。
【図９】分解可能な細胞レベル以下のユニット、及び分解不可能な細胞レベル以下のユニットを持つサンプルの透視図である。
【図１０】電界のサンプルとの相互作用の透視図である。
【図１１】本発明の実施形態を試験するための試験サンプルの透視図である。
【図１２】基準ビームが第一の方向に伝わる、サンプルを通過するコヒーレント光源からのコヒーレント光の透視図である。
【図１３】基準ビームが第二の方向に伝わる、サンプルを通過するコヒーレント光源からのコヒーレント光の透視図である。
【図１４】サンプル内の基準ゾーンで複数のコヒーレントスレッドを使用した、三次元サンプルの走査の図である。
【図１５】三軸における三次元サンプルの走査の図である。
【図１６】サンプル外の基準ゾーンで複数のコヒーレントスレッドを使用した、三次元サンプルの走査の図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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