(57)【要約】  音響光学レンズ（ＡＯＬ）システムの効率を最適化し、改善し、又は最大化するための方法及び装置を開示する。ＡＯＬを形成する音響光学装置（ＡＯＤ）の駆動周波数を選択するために、効率に関するデータを使用し、それにより、使用可能な視野が増大し、先行技術のパターン形成問題も低減される。本発明により、ＡＯＬを通る透過効率を最大化する駆動周波数が選択されるのが好ましい。走査の際、各走査線の中心は、最高効率となるように最適化される。
2013531220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間内の所望の位置に向かって屈折及び集束させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するステップであって、ここで、空間内の関連した考え得る位置についての好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連した考え得る位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、
空間内の前記所望の位置に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップと、
前記参照ステップの結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記記憶されたデータは、周波数変更データを含み、
前記データを参照するステップは、
空間内の前記所望の位置に関する基準周波数の対を決定するステップであって、当該基準周波数の対は、前記対の前記基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームは、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、
周波数変更データを得るために前記記憶されたデータを参照するステップと、
前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変更するステップは、
前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、前記第一及び第二の駆動周波数が、前記好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するステップを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記データを参照するステップは、
前記所望の位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定するステップと、
そのデータが空間内の前記所望の位置に関する前記好ましい周波数の対に関係することを決定するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、
前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するステップを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記変更するステップは、
前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
最小走査経路に沿って開始位置から終了位置まで走査するように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するステップであって、ここで、空間内の関連した考え得る位置についての好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連した考え得る位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、
前記最小走査経路に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップと、
前記参照ステップの結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記参照するステップは、
前記最小走査経路に沿って存在する基準位置を決定するステップと、
前記決定された基準位置に従って好ましい駆動周波数の対を決定するステップと、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記基準位置は、前記最小走査経路の中間点にある、請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記記憶されたデータは、周波数変更データを含み、
前記データを参照するステップは、
空間内の前記基準位置に関する一対の基準周波数を決定するステップであって、当該一対の基準周波数は、前記対の前記基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記基準位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、
周波数変更データを得るために前記記憶されたデータを参照するステップと、
前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するステップと、
を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記変更するステップは、
前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、前記第一及び第二の駆動周波数が、前記好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するステップを含む、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記データを参照するステップは、
前記基準位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定するステップと、
そのデータが前記基準位置に関する前記好ましい周波数の対に関係することを決定するステップと、
を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、
前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するステップを含む、請求項８から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記変更するステップは、
前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
好ましい周波数の対に関係する前記データは、電磁放射の前記ビームが空間内の前記関連した考え得る位置に向かって最高効率で前記音響光学レンズを通過する、周波数の対の決定を可能にするデータである、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップは、前記好ましい周波数の対を得るために前記記憶されたデータに関する計算を実行するステップを含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも九つの空間位置のそれぞれに関する好ましい周波数の対に関係するデータが別個に記憶される、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記音響光学レンズは、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含み、
空間内の前記考え得る複数の位置のそれぞれに関して、第二の好ましい周波数の対に関係するデータを記憶するステップであって、ここで、空間内の関連した考え得る位置についての第二の好ましい周波数の対が、前記第三の音響光学偏向器の第三の好ましい駆動周波数と、前記第四の音響光学偏向器の第四の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該第二の好ましい周波数の対は、前記第二の対の前記第三及び第四の好ましい駆動周波数が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連した考え得る位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、
前記所望の位置又は基準位置に基づいて第二の好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップと、
前記参照するステップの結果として第三及び第四の駆動周波数を決定するステップと、
をさらに含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
電磁放射のビームを屈折させる方法であって、
請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法に従って第一及び第二の駆動周波数を決定するステップと、
前記第一の音響光学偏向器に前記第一の駆動周波数を適用するステップと、
それと同時に前記第二の音響光学偏向器に前記第二の駆動周波数を適用するステップと、
それと同時に前記第一の音響光学偏向器の入力開口に電磁放射の前記ビームを供給するステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
空間内の所望の位置に向かって屈折及び集束させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを制御する装置であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するように構成されたメモリであって、ここで、空間内の関連した考え得る位置についての好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連した考え得る位置に向かって屈折するようなものである、メモリと、
空間内の前記所望の位置に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するように構成されたコントローラであって、前記データの参照の結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するように構成された、コントローラと、
を含む、装置。
【請求項２３】
前記メモリは、周波数変更データを含むデータを記憶するように構成され、
前記コントローラは、
空間内の前記所望の位置に関する一対の基準周波数であって、前記対の基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するようになる、一対の基準周波数を決定し、
周波数変更データを得るために前記記憶されたデータを参照し、
前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するように構成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記コントローラは、前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するように構成される、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記コントローラは、前記第一及び第二の駆動周波数が、前記好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するように構成される、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記コントローラは、前記所望の位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定し、そのデータが空間内の前記所望の位置に関する好ましい周波数の対に関係することを決定するように構成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記コントローラは、前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するように構成される、請求項２２から２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記コントローラは、前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するように構成される、請求項２２から２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
最小走査経路に沿って開始位置から終了位置まで走査するように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを制御する装置であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するように構成されたメモリであって、ここで、空間内の関連した考え得る位置についての好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連した考え得る位置に向かって屈折するようなものである、メモリと、
前記最小走査経路に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するように構成されたコントローラと、
を含む装置において、
前記コントローラは、前記データの参照の結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するように構成される、装置。
【請求項３０】
前記メモリは、周波数変更データを含むデータを記憶するように構成され、
前記コントローラは、
前記基準位置に関する一対の基準周波数であって、前記対の基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準位置に向かって屈折するようになる、一対の基準周波数を決定し、
周波数変更データを得るために前記記憶されたデータを参照し、
前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するように構成される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記コントローラは、前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するように構成される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記コントローラは、前記第一及び第二の駆動周波数が、前記好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するように構成される、請求項２９から３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記コントローラは、前記基準位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定し、そのデータが前記基準位置に関する前記好ましい周波数の対に関係することを決定するように構成される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３４】
前記コントローラは、前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するように構成される、請求項２９から３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
前記コントローラは、前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から作動モード成分を減算するように構成される、請求項２９から３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記音響光学レンズは、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含み、
前記メモリは、空間内の前記考え得る複数の位置のそれぞれに関して、第二の好ましい周波数の対に関係するデータをさらに記憶するように構成され、ここで、空間内の関連した考え得る位置に関する第二の好ましい周波数の対が、前記第三の音響光学偏向器の第三の好ましい駆動周波数と、前記第四の音響光学偏向器の第四の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該第二の好ましい周波数の対は、前記第二の対の前記第三及び第四の好ましい駆動周波数が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連した考え得る位置に向かって屈折するようなものであり、
前記コントローラは、前記所望の位置又は基準位置に基づいて第二の好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するように構成され、
前記コントローラは、前記データの参照の結果として第三及び第四の駆動周波数を決定するように構成される、請求項２２から３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
空間内の所望の位置に向かって電磁放射のビームを屈折させるための顕微鏡であって、
少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器、及び第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器を含む音響光学レンズと、
前記音響光学レンズを制御するための、請求項２２から３６のいずれか一項に記載の装置と、
顕微鏡光学素子と、
電磁放射の前記ビームを供給するためのレーザと、
を含む、顕微鏡において
前記コントローラは、
前記第一の音響光学偏向器に前記第一の駆動周波数を適用し、
それと同時に前記第二の音響光学偏向器に前記第二の駆動周波数を適用し、
それと同時に前記第一の音響光学偏向器の入力開口に電磁放射の前記ビームを前記レーザに供給させるように構成される、顕微鏡。
【請求項３８】
音響光学レンズを設定するのに有用であるデータを準備する方法であって、
前記音響光学レンズを使用して電磁放射のビームを屈折させることができる空間内の考え得る複数の位置を選択するステップと、
空間内の前記考え得る位置のそれぞれに関して、駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するステップであって、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記考え得る位置に照準を合わせるようなものである、ステップと、
前記群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、
駆動周波数候補の各対に関する前記決定された効率に従って前記群から駆動周波数候補の対を好ましいものとして選択するステップと、
を含む、方法。
【請求項３９】
前記選択するステップは、駆動周波数候補の対の前記群から、前記群内の駆動周波数候補の全ての対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする駆動周波数候補の対を選択するステップを含む、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
空間内の所望の位置に照準を合わせるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するステップであって、個々で、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものである、ステップと、
前記群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、
駆動周波数候補の各対に関する前記決定された効率に従って前記群から駆動周波数候補の対を選択するステップと、
を含む、方法。
【請求項４１】
前記選択するステップは、駆動周波数候補の対の前記群から、前記群内の駆動周波数候補の全ての対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする駆動周波数候補の対を選択するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
走査経路に沿って走査するように電磁放射のビームを操作するために、音響光学レンズを設定する方法であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
前記走査経路に沿って基準点を決定するステップと、
基準点駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するステップであって、ここで、前記基準点駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の基準点駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の基準点駆動周波数候補とから構成されており、当該前記基準点駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の基準点駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準点に照準を合わせるようなものである、ステップと、
前記基準点に関する前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの既知の透過効率に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するステップと、
を含む、方法。
【請求項４３】
前記基準点は、前記走査経路の中間点にある、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
基準点駆動周波数候補の対を選択する前記ステップは、
前記群内の基準点駆動周波数候補の対から、基準点駆動周波数の全ての特定された対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数の対を選択するステップを含む、請求項４２又は４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記選択するステップは、
前記群内の基準点駆動周波数候補の各対に関して、前記走査経路に関する走査経路駆動周波数の複数の対を決定するステップと、
走査経路駆動周波数の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、
走査経路駆動周波数の各対に関する前記決定された効率に従って前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択するステップと、
走査経路駆動周波数の前記選択された対に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するステップと、
を含む、請求項４２又は４３に記載の方法。
【請求項４６】
前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択する前記ステップは、
前記走査の継続時間の間、所定の下側閾値を超える効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するステップを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択する前記ステップは、
前記走査の継続時間の間、ある所定の閾値を超えない最高効率と最低効率との比率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するステップを含む、請求項４５又は４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記音響光学レンズは、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含み、
駆動周波数候補の複数の対を含む第二の群を決定するステップであって、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第三の音響光学偏向器の第三の駆動周波数候補と、前記第四の音響光学偏向器の第四の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第三及び第四の駆動周波数候補が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものである、ステップと、
前記第二の群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、
駆動周波数候補の各対に関する前記決定された効率に従って前記第二の群から駆動周波数候補の対を選択するステップと、
をさらに含む、請求項４０から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
空間内の所望の位置に照準を合わせるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを制御するための装置であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するように構成されたコントローラであって、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものである、コントローラを含み、
前記コントローラは、前記群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するように構成され、
前記コントローラは、駆動周波数候補の各対に関する前記決定された効率に従って前記群から駆動周波数候補の対を選択するように構成される、装置。
【請求項５０】
前記コントローラは、
駆動周波数候補の対の前記群から、前記群内の駆動周波数候補の全ての対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする駆動周波数候補の対を選択するように構成される、請求項３５に記載の装置。
【請求項５１】
走査経路に沿って走査するように電磁放射のビームを操作するために、音響光学レンズを制御するための装置であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
前記走査経路に沿って基準点を決定するように構成されたコントローラを含み、
前記コントローラは、基準点駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するように構成され、ここで、前記基準点駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の基準点駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の基準点駆動周波数候補とから構成されており、当該基準点駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の基準点駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準点に照準を合わせるようなものであり、
前記コントローラは、前記基準点に関する前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの既知の透過効率に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するように構成される、装置。
【請求項５２】
前記基準点は、前記走査経路の中間点にある、請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記コントローラは、
前記群内の基準点駆動周波数候補の対から、基準点駆動周波数の全ての特定された対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数の対を選択するように構成される、請求項５１又は５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記コントローラは、
前記群内の基準点駆動周波数候補の各対に関して、前記走査経路に関する走査経路駆動周波数の複数の対を決定し、
走査経路駆動周波数の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定し、
走査経路駆動周波数の各対に関する前記決定された効率に従って前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択し、
走査経路駆動周波数の前記選択された対に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するように構成される、請求項５１又は５２に記載の装置。
【請求項５５】
前記コントローラは、
前記走査の継続時間の間、所定の下側閾値を超える効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するように構成される、請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
前記コントローラは、
前記走査の継続時間の間、ある所定の閾値を超えない最高効率と最低効率との比率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するように構成される、請求項５４又は５５に記載の装置。
【請求項５７】
前記音響光学レンズは、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含み、
前記コントローラは、
駆動周波数候補の複数の対を含む第二の群を決定し、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第三の音響光学偏向器の第三の駆動周波数候補と、前記第四の音響光学偏向器の第四の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第三及び第四の駆動周波数候補が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものであり、
前記第二の群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定し、
駆動周波数候補の各対に関する前記決定された効率に従って前記第二の群から駆動周波数候補の対を選択するようにさらに構成される、請求項４９から５６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５８】
請求項４９から５７のいずれか一項に記載のコントローラ装置と、
前記音響光学レンズと、
顕微鏡光学素子と、
電磁放射の前記ビームを供給するためのレーザと、
を含む、顕微鏡システム。
【請求項５９】
空間内の所望の位置に向かって屈折させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
詳細な効率データに従って第一及び第二の駆動周波数を選択するステップであって、前記選択された第一及び第二の駆動周波数が、最終画像を形成する最小走査の少なくとも５０％の所定の体素に関する考え得る最も効率的な駆動周波数から１ＭＨｚ内となるようにするステップを含む、方法。
【請求項６０】
空間内の所望の位置に向かって屈折させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法であって、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、
詳細な効率データに従って第一及び第二の駆動周波数を選択するステップであって、前記選択された第一及び第二の駆動周波数が、最終画像を形成する最小走査の少なくとも５０％の所定の体素において可能な最高効率から１０％内にある透過効率をもたらすようにするステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームなどの電磁放射ビームの操作を含む装置及び方法に関する。より具体的には、本発明は、ビームを所望の方法で屈折させるように音響光学レンズを設定するための装置及び方法に関する。好ましい実施形態では、例えば、点、１Ｄ線、２Ｄ平面、又は３Ｄ体積となり得る目標空間にビームを選択的に集束させることによりビームが形成されて目標空間を画像処理する。
【背景技術】
【０００２】
三次元で迅速にレーザビームなどの電磁放射線を方向付け、集束させる能力は、生物学、微細加工、及びデータ記憶のいくつかの用途では極めて魅力的である。
【０００３】
レーザ走査共焦点画像処理は、質を悪化させる焦点外れの光を除外することにより、細胞下構造の高コントラストな視覚化、及び生体組織内の蛍光指示薬による生理学的プロセスの監視を可能にするので、生物学では重要且つ広く使用されるツールである。従来の共焦点法は、透光が良く、散乱が最小となる、比較的浅い深さで最も良く機能する。通常、従来の共焦点画像処理は、生体組織内の生物学的活性深さ（＞１００μｍ）を画像処理するのに使用することができない。しかし、光強度が焦点体積の中心で多光子閾値を超える、短波長の二次又は高次の高調光を生成し、又は蛍光体を選択的に活性化するために、非線形多光子励起に依存するレーザ走査共焦点顕微鏡のタイプが開発されてきている。そうした蛍光は、これらの蛍光体により全方向に放出され、通常、高開口数のレンズシステム及び好都合な場所ならどこでも配置される光電子増倍管により、ピックアップされるが、高調光は、より指向性があり、適当に配置される高開口数レンズを必要とする可能性がある。焦点が組織にわたって走査するとき、高調波プロセス又は蛍光体により放出された光の強度は、生体組織の非線形性、又は組織の一部分内の蛍光指示薬による染色強度にそれぞれ従って変化する。光電子増倍管信号と二光子焦点体積の既知の位置とを組み合わせることにより、組織内の蛍光強度の点、１Ｄ、２Ｄ、及び３Ｄ画像を再構成することができる。二光子顕微鏡として知られたこの技法は、従来の共焦点画像処理に使用される波長よりも散乱しない、多光子励起に使用される長い励起波長（７００〜１０００ｎｍ）により、また、使用される全ての放射光子が画像を構成することを可能にする励起体積から共焦点性が元々生じることにより、共焦点顕微鏡よりもはるかに深い深さでの画像処理を可能にする。実現可能な低レベルの光損傷を伴うこれらの特性は、二光子画像処理を、生体外及び生体内の両方において細胞及び細胞下レベルで生理学的プロセスを試すための極めて強力な方法にした。
【０００４】
二光子画像処理は、カルシウム指示薬を使用して無処置の脳組織内で神経細胞ネットワーク活動の動特性を画像処理することを可能にしたので、神経科学では特に普及してきた。二光子顕微鏡の空間分解能は、この作業に極めて適しており、神経細胞間の小さいシナプス結合を解像することも可能である。神経伝達物質を放出する「かご形化合物（caged compound）」を光分解し、細胞へのシナプス入力を再現することができるように、多光子励起も使用され始めてきた。この技法は、シナプスの統合を理解し、従って、個々の神経細胞が低レベル計算をいかにして実行するかを特定するのに、極めて重要である可能性がある。
【０００５】
光学顕微鏡の他の用途は、形態構造を画像処理すること、及び光活性化蛋白質が遺伝子的にエンコードされる神経細胞活性を制御することを含む。
【０００６】
興味のある多くの生理学的プロセスは、光を吸収及び散乱する組織内の小さい細胞構造において１〜１００ｍｓの時間スケールで短時間に起こる。二光子顕微鏡が提供する深い組織透過及びサブミクロンの分解能は、そうした生物学的現象を検討するためにこの方法を普及させた。しかし、レーザビームを方向付け、画像を構築するのに検流計を使用する、現在の二光子顕微鏡は、画像を形成するのに通常１００ｍｓ掛かるので、１〜１００ｍｓの時間スケールで起こる、多くの高速空間分布プロセスを監視するには遅すぎる。さらに、これまで開発されたほとんどの顕微鏡は、単一のＸＹ平面を画像処理するために最適化される。通常、Ｚ方向の焦点合せは、装置をサンプルに対して動かすことにより（例えば、対物レンズをサンプルに近づけ、又はそれから遠ざけることにより）実現される。
【０００７】
検流計ミラーの使用は、ミラーがどうしても質量を有し、ミラーをある位置から別の位置に動かすことができる速度が慣性により制限される点で特有の欠点を有する。実際の問題として、これは、ミラーをある選択位置から別の選択位置まで動かすのに２００〜３００μｓ程度掛かることを意味する。今度は、これは、所与の時間フレーム中にレーザビームを集束することができる点の数を制限する。特に、これらの制約は、情報がエンコードされ、３Ｄ空間に分布する神経細胞の群の短い電気インパルス（約１ｍｓ）として伝送されるので、脳機能を検討するのを制限する。
【０００８】
現在の最先端の検流計ベースの画像処理システムの時間分解能は、３Ｄ空間の神経細胞ネットワークの信号伝達を正確に画像処理するには一桁又は二桁遅い。そうした神経細胞では、一ミリ秒の時間スケールで基本的信号イベント（活動電位）が生じる。さらに、信号は、神経細胞ネットワークを通るので、三次元に空間的に分布し、検流計ベースの技法を使用した画像の３Ｄ積層を構築するのに数分掛かる。さらに、検流計は、体積全体を走査するのではなく、興味のある領域から別の領域に高速で照準を合わせるように監視が制限されるときでも、カルシウム感受性染料を使用して神経細胞ネットワークのカルシウム濃度を監視するには遅すぎる。そうした画像処理は、細胞内のカルシウム濃度が細胞膜電位に依存するので、神経細胞の活動電位を監視することができる。ネットワーク中に分布する信号を監視するために、一ミリ秒内で多く（例えば３０個）の別個の神経細胞位置に、励起ビームを動かす必要がある。例えば、検流計ミラーを使用してある点から別の点に動かすのに３００μｓ掛かり、各点における滞留時間が５μｓであると仮定すると、３０個の位置を画像処理するのに９．１５ｍｓ掛かるであろう。これは、今日の必要なものより約１０倍遅い。
【０００９】
画像処理の際の時間分解能を改善するために、いくつかの方法を使用してきた。これらの方法は、高速走査及び画像取得が滞留時間を低減する共鳴スキャナを使用することを含み、それにより、最も明るい蛍光剤調製（fluorescent preparation）を除くその利用性を限定する。
【００１０】
これらの欠点のいくつかに対処する先行技術に示された一つの方法は、二光子レーザビームを方向付ける検流計ではなく、高速な音響光学偏向器（ＡＯＤ）を使用することである。ＡＯＤは、慣性に制限されない、質量のない高速な走査方法を提供する。ＡＯＤを使用する利点は、ＡＯＤが放射ビームを点から点に、検流計ベースのシステムよりもはるかに高速で移動させることである（ＡＯＤの５〜２５μｓの移動時間を検流計の２００〜４００μｓと比較されたい）。これは、いくつかの潜在的な利点を有する。第一に、画像を高速で走査することができる。第二に、極めて高い時間分解能と長い滞留時間とにより、複数点測定を行うことができる（例えば、１５μｓの移動時間を有するＡＯＤシステムを使用して、１５μｓの滞留時間と共に１ＫＭｚのサンプリング速度で３３点を同時にサンプリングすることができ、又は言い換えれば、一秒当り１０００回、異なる３３点を監視することができる）。これは、ランダムアクセス多光子（ＲＡＭＰ）顕微鏡として知られている。従って、ＡＯＤの使用は、時間の大部分を、複数の位置の間でビームを動かすのに使うのではなく、興味のある領域からの光子を実際に収集するのに充てるようにする。
【００１１】
ＸＹ平面でビームを屈折させるのに加えて、一軸当り二つのＡＯＤの使用は、原理上、Ｚ次元にレーザビームを集束させるのにも使用される。例えば、カプラン（Ｋａｐｌａｎ）らは、非特許文献１に、Ｘ及びＺ平面又はＸＹＺ体積の任意の場所にレーザビームを集束させるために二つ又は四つのＡＯＤを使用することを記載している。３Ｄ体積での焦点合せを実現するために、ＸＺ平面での焦点合せ用の二つのＡＯＤに、ＹＺ平面での焦点合せ用の二つのＡＯＤが続く。これらのアイディアは、ＡＯＤの小型構成部が最初に開示され、これらのＡＯＤを駆動するための実用的な式が最初に与えられる、特許文献１でさらに進歩する。
【００１２】
いくつかの研究所は、神経細胞の高速二光子蛍光測定を行い、２Ｄでの単一の光子光分解を行うために、二つのＡＯＤを有するスキャナを開発した。しかし、この方法の欠点は、色分散及び時間的分散により画像形成が複雑になること、並びに、走査速度が増加すると、ＡＯＤが焦点効果を招くことである。照明点分布関数（ｉＰＳＦ）の得られた収差は、レンズにより補正することができるが、走査速度が単一でなければ、二つのＡＯＤを使用するほとんどの顕微鏡は、画像を構築するためにポイント測定を使用し、画像の構築は、遅く、一画像当り数秒掛かる可能性がある。さらに、二つのＡＯＤにより３Ｄの信号を監視することは、焦点が走査速度及び滞留時間に厳然と関係するので、制限される。
【００１３】
高速度３Ｄ画像処理に最近、いくつかの進展があった。皮質の２５０μｍの立方体内の多くの場所（約１００個の神経細胞）を１０Ｈｚでサンプリングすることを、対物レンズの高速圧電気制御と高度検流計ベースの走査との組合せにより実現した（非特許文献２参照）。より高速な連続焦点合せは、ピストンミラー、及び球面収差を補正する巧妙な二重対物レンズシステムを使用することを示した（非特許文献３参照）。ＡＯＤの焦点特性を高速度焦点合せでも使用した。
【００１４】
Ｋａｐｌａｎらは、高速度（４００ｋＨｚ）円筒レンズを作成するために、逆伝播チャープ音波と共に二つのＡＯＤを使用することができることを最初に示した。彼らは、球面レンズを形成するために、四つのＡＯＤを使用できる可能性があることも示した。これらのアイディアがさらに進歩し、高速で焦点を合わせ、ＲＡＭＰ測定を行うことができる３Ｄ二光子顕微鏡の原理の証明を最近構築した（非特許文献４参照）。しかし、従来の四つのＡＯＤに基づくこのシステムの制約は、対物レンズの自然焦点面から±２５μｍを超えた位置に光を集束させると、透光効率が急速に降下することであった。神経細胞プロセスのカルシウム遷移を測定することにより、３Ｄ八面体形状視野内での高速照準合せを示したが、レーザパルスのピコ秒範囲の時間的分散は、二光子励起効率の低下をもたらした。さらに、画像形成は、ポイント測定に限定されるので、遅かった（数秒）。これは、ＲＡＭＰ測定が、ＲＯＩを正確に選択することができるように、体積の高分解能画像の積層を検討することを要求するので問題である。これら及び他の技術的困難により、これまで、ＡＯＤが二光子顕微鏡に適した偏向器として広く受け入れられることがなかった。
【００１５】
特許文献１に開示されるように、フェムト秒レーザビームを高速で走査し、集束させるために使用することができる小型球面音響光学レンズ（ＡＯＬ）を使用することにより、これらの技術的な困難の多くに対処してきた。このＡＯＬの中心部には、機能のために最適化された特性を有する四つの音響光学結晶がある。ＡＯＬを従来の二光子顕微鏡に組み込むことにより、ラスタ走査モードで迅速に画像処理し、３０ｋＨｚで３ＤのＲＡＭＰ測定を行うことができる、高速３Ｄ二光子顕微鏡を作成することができる。この出願の革新技術のいくつかに起因する性能の改善は、非特許文献５に報告された。
【００１６】
二つのＡＯＤから形成された動的円筒レンズは、特許文献１の図８に示されている。各ＡＯＤ結晶の音響変換器は、結晶の光学的開口を通って伝播する超音波を生成する。音波は、結晶の屈折率の変化を導き、音波の周波数により決定された角度で入射レーザビームを回折させる。時間と共に音響周波数を変化させること（チャーピング）により、光波面を曲げ、それをＸＺ平面の線焦点に導くことができる。固定された焦点は、音が結晶中を伝播するとき、二つの逆伝播ＡＯＤに対してその音のカーテンにより生成された動きを消去するように要求する。従って、固定された円筒レンズを形成するために、二つのＡＯＤを使用することができる。
【００１７】
特許文献１の図７及び８に示されるように、マイナスのチャープ率（ｃｈｉｒｐ  ｒａｔｅ）を増加させると、線焦点は上方に動く（Ｚが増加する）が、ランプ中心周波数間の差の調整により、Ｘ位置が調整される。プラスのチャープ率を変化させると、ＡＯＤ上の虚焦点と共に光波面の発散がもたらされる。逆伝播ＡＯＤの第一の対に直角な第二の対は、ＹＺ平面内に焦点を合わせるのに使用することができる（特許文献１の図１０参照）。特許文献１に開示されるように、これらのＡＯＤは、第一のＡＯＤと交互配置され、半波長板及び偏光板を伴うのが好ましい。四つのＡＯＤは、ビームを球状に発散又は収束させるために、光波面を形成することができる。これは、後続の固定レンズシステムの自然焦点面の上及び下の点に焦点を合わせるために使用することができる。
【００１８】
特許文献１の装置は、極めて良好な結果をもたらすが、二つの欠点を有する。第一に、視野、すなわちシステムを使用して指定可能な空間の全体積は、添付の図面の図２に示すように八面体形状である。この形状は、底面どうしを接合した二つの四角錐として示すことができる。典型的な座標系を使用する際、（特許文献１の図７ｂに示されるように）チャープされていない周波数がＡＯＤに供給されるときに実現される焦点がＺ＝０の深さに等しくなるように、最大のサイズのＸＹ平面をＺ＝０の深さに指定することができる。これは、特許文献１の図７及び８を参照することでも理解することができる。Ｚ＝０の平面に関して、駆動周波数ランプの傾きは、０に設定される。従って、駆動信号のチャープはなく、電磁放射ビームはＸＹ平面内のいかなる位置にも照準を合わせることができ、唯一の制限は、ＡＯＤに許容される考え得る最大屈折角度である。Ｚ≠０の深さでは、駆動信号に周波数ランプ（チャープ信号）を適用しなければならない。Ｚ＝０の平面からの深さが大きくなるほど、要求されるランプは急勾配になる。適用するランプが急勾配になるほど、ＡＯＤを駆動するための最小許容周波数（ｆｍｉｎ）又は最大許容周波数（ｆｍａｘ）のいずれかに速く到達する。
【００１９】
最大の使用可能な信号を得るために、ＡＯＤが一つのランプ速度を有する音波で満たされることが必要である。これは、ＡＯＤ開口に応じて、一ＡＯＤ充填時間、通常は２４μｓ掛かる。それに加えて、光子を収集するために選択位置における一定の最小滞留時間、例えばさらに４μｓが必要である。従って、最小許容周波数ｆｍｉｎから最大許容周波数ｆｍａｘまでの周波数ランプ上昇は正確に２８μｓ掛かる、Ｚの一つの値が存在する。Ｚのより大きい値（従って、必要なより大きいランプ勾配）に関して、ｆｍｉｎからｆｍａｘまで動くのに掛かる時間はより短く、従って、これらの場合には、空間内の点を画像処理するのに必要な滞留時間に関して駆動信号に必要なランプ昇降をもたらすのは不可能である。その結果、図２に示す八面体視野が得られ、八面体の上部頂点及び下部頂点がＺの値を表し、ランプチャープは、ＡＯＤ周波数限界に達するまで、Ｚ軸に沿った単一の点を画像処理することができるようにする。Ｚ＝０の平面は、考え得るＸ及びＹ屈折の最大範囲を表すが、それは、チャーピングは必要でなく、従って、Ｘ又はＹ平面内でビームを屈折させるために、考え得る周波数の範囲全体を使用することができるためである。Ｚ＝０の平面と頂点との間の点で、Ｘ、Ｙ、及びＺ屈折量の制限が可能である。
【００２０】
この八面体視野は望ましくないが、それは、多くの用途で、限定がより少ない視野を有するのがより効果的であるためである。特に、Ｘ及びＹの屈折量がＺ屈折量の関数として制限されないように、より直方体に近い視野を有するのが効果的である。従って、第一の問題は、カプラン（Ｋａｐｌａｎ）の装置及び特許文献１により達成可能な限定された八面体視野にある。
【００２１】
特許文献１の装置を使用して得られた画像結果を添付の図面の図３に示す。この図は、０．２のステップ及び半走査（ｓｅｍｉｓｃａｎ）角度ｓ＝４．３での−０．８から＋０．８までの規格化Ｚ範囲に関して、ＮＡ＝０．４７、２０Ｘの対物レンズの下の視野全体を示す。画像は、銅から形成された、４２μｍピッチの六角形電子顕微鏡（ＥＭ）グリッドを上に配置した蛍光プラスチックスライド（クローマテクノロジーズ（Ｃｈｒｏｍａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ））にわたるビーム走査を含む二光子画像処理により形成される。これは、発光する背景上に六角形の影のパターンを形成し、視野を正確に測定できるようにする。各２Ｄ画像平面に関して、ステージは、ＡＯＤ焦点設定（Ｚ軸）により定義されたＺ焦点面で像に焦点を合わせるために、機械的に動かされる。Ｚの様々な値で得られる、全部で九つの画像を示す。八面体画像処理能力は、図３より直ちに明らかになる。
【００２２】
得られた画像の多くでパターン形成（ｐａｔｔｅｒｎａｔｉｏｎ）効果も明らかになる。これは、Ｚ＝０の平面の直上及び直下の画像で特に明らかである。これらのパターン形成効果は、Ｚ≠０の平面内に画像全体を構築するために、一連の「最小走査」を使用することが必要であることから生じる。これらは、特許文献１の明細書の図４６を参照して説明される。要するに、周波数限界に達すると、ＡＯＤ駆動周波数をリセットすることが必要であるが、それは、透過効率がＡＯＤに適用される周波数に多少依存し、最終画像に様々な輝度が見られるためである。高透過効率につながる駆動周波数では、体素（voxel）は、低透過効率につながる駆動周波数の体素よりも明るい。
【００２３】
理論的には、パターン形成効果は、ＡＯＤを駆動するのに使用する周波数の範囲をさらに限定する（すなわち、ｆｍｉｎを増加させ、ｆｍａｘを低減することができる）ことにより低減することができる。その際、各最小走査の透過効率のより小さい変化があり、輝度変化は低減される。しかし、これ自体は、視野の低減につながり、図２の八面体をさらに小さくするように効果的に機能する。従って、パターン形成問題を解決するこの試みは、視野の低減につながり、それにより、上述の視野問題を増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】ＷＯ２００８／０３２０６１
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Ｋａｐｌａｎなど、「Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｌｅｎｓ  ｗｉｔｈ  Ｖｅｒｙ  Ｆａｓｔ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１４、２００１年７月１５日、１０７８〜１０８０頁
【非特許文献２】Ｗ．Ｇｏｂｅｌ、Ｂ．Ｍ．Ｋａｍｐａ、及びＦ．Ｈｅｌｍｃｈｅｎ、「Ｉｍａｇｉｎｇ  ｃｅｌｌｕｌａｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｉｎ  ｔｈｒｅｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ｆａｓｔ  ３Ｄ  ｌａｓｅｒ  ｓｃａｎｎｉｎｇ」、Ｎａｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ４、７３〜７９（２００７）
【非特許文献３】Ｅ．  Ｊ．  Ｂｏｔｃｈｅｒｂｙ、Ｒ．  Ｊｕｓｋａｉｔｉｓ、Ｍ．  Ｊ．  Ｂｏｏｔｈ、及びＴ．  Ｗｉｌｓｏｎ、「Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｉｎ  ｈｉｇｈ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」Ｏｐｔ  Ｌｅｔｔ  ３２、２００７〜２００９  （２００７）
【非特許文献４】Ｇ．  Ｒｅｄｄｙ、Ｋ．  Ｋｅｌｌｅｈｅｒ、Ｒ．  Ｆｉｎｋ、及びＰ．  Ｓａｇｇａｕ、「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｎｅｕｒｏｎａｌ  ａｃｔｉｖｉｔｙ」、  Ｎａｔ  Ｎｅｕｒｏｓｃｉ  １１，  ７１３〜７２０  （２００８）
【非特許文献５】Ｐａｕｌ  Ａ．  Ｋｉｒｋｂｙ、Ｋ．  Ｍ．  Ｎａｇａ  Ｓｒｉｎｉｖａｓ  Ｎａｄｅｌｌａ、及びＲ．  Ａｎｇｕｓ  Ｓｉｌｖｅｒ、「Ａ  ｃｏｍｐａｃｔ  ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ  ｌｅｎｓ  ｆｏｒ  ２Ｄ  ａｎｄ  ３Ｄ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｂａｓｅｄ  ２−ｐｈｏｔｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  １８、１３７２０〜１３７４４  （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
視野又はパターン形成低減のいずれかに関して妥協を必要とすることなく、上述の問題のどちらにも同時に対処することができる方法及び装置を発明するのが極めて望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、実際に、上述の問題のどちらにも同時に対処し、特にＺ≠０で視野を増大させることと、パターン形成効果を低減することの両方に使用することができる方法及び装置を提供する。従って、本発明は、当技術分野の極めて大きい進歩を表す。
【００２８】
一つの態様では、本発明は、空間内の所望の位置に向かって屈折及び集束させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法を含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記方法は、空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するステップであって、ここで、空間内の関連の考え得る位置に関する好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連の考え得る位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、空間内の前記所望の位置に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップと、前記参照ステップの結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するステップとを含む。
【００２９】
本方法は、高効率動作の領域を迅速且つ簡単に呼び戻すことを可能にし、それにより、先行技術よりも高効率でＡＯＬを使用することを可能にし、パターン形成を低減し、視野を増大させる。
【００３０】
一つの方法では、前記記憶されたデータは、周波数変更データを含み、前記データを参照するステップは、空間内の前記所望の位置に関する基準周波数の対を決定するステップであって、ここで、前記基準周波数の対は、前記対の基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、周波数変更データを得るために記憶データを参照するステップと、前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するステップとを含む。
【００３１】
前記変更するステップは、前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するステップを含むことができる。
【００３２】
第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、前記第一及び第二の駆動周波数が、好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するステップを含むことができる。
【００３３】
本方法は、参照テーブルと共に実施されるのが好ましい。所望の位置に関する最適値を近似することは、コモンモード周波数オフセット量を構築するのを可能にする。
【００３４】
別の方法では、前記データを参照するステップは、前記所望の位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定するステップと、そのデータが空間内の前記所望の位置に関する好ましい周波数の対に関係することを決定するステップとを含む。
【００３５】
前記第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するステップを含むのが好ましい。
【００３６】
前記変更ステップは、前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するステップを含むことができる。
【００３７】
本方法も、参照テーブルと共に実施されるのが好ましい。コモンモードオフセット量を記憶するのではなく、好ましい周波数の対を直接記憶することができる。所望の位置を近似する位置に関する最適値であることは、好ましい周波数の対を構築するのを可能にする。好ましい対は、正確な正しい位置に行くように変更することができる。これは、再び、高効率の領域で動作する。
【００３８】
本発明によって使用することができる他の方法が利用可能である。例えば、生効率データは、実時間で記憶及び参照することができる。
【００３９】
別の態様では、本発明は、最小走査経路に沿って開始位置から終了位置まで走査するように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法を含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記方法は、空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するステップであって、ここで、空間内の関連の考え得る位置に関する好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連の考え得る位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、前記最小走査経路に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップと、前記参照ステップの結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するステップとを含む。
【００４０】
本方法は、高効率動作領域の情報を使用して走査を実行することを可能にする。従って、パターン形成が低減され、視野が増大する。
【００４１】
前記参照するステップは、前記最小走査経路に沿って存在する基準位置を決定するステップと、決定された基準位置に従って好ましい駆動周波数の対を決定するステップとを含むのが好ましい。
【００４２】
基準位置は、前記最小走査経路の中間点にあるのが好ましい。
【００４３】
一つの方法では、記憶データは、周波数変更データを含み、前記データを参照するステップは、空間内の前記基準位置に関する一対の基準周波数を決定するステップであって、ここで、当該一対の基準周波数は、前記対の基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記基準位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、周波数変更データを得るために記憶データを参照するステップと、前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するステップとを含む。
【００４４】
前記変更するステップは、前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するステップを含むことができる。
【００４５】
第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、前記第一及び第二の駆動周波数が、好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するステップを含むことができる。
【００４６】
別の方法では、前記データを参照するステップは、前記基準位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定するステップと、そのデータが前記基準位置に関する好ましい周波数の対に関係することを決定するステップとを含む。
【００４７】
前記第一及び第二の駆動周波数を決定するステップは、前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するステップを含むことができる。
【００４８】
前記変更するステップは、前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するステップを含むことができる。
【００４９】
好ましい態様では、好ましい周波数の対に関係する前記データは、電磁放射の前記ビームが空間内の前記関連の考え得る位置に向かって最高効率で前記音響光学レンズを通過する、周波数の対の決定を可能にするデータである。
【００５０】
好ましい態様では、前記好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップは、好ましい周波数の対を得るために記憶データに関する計算を実行するステップを含む。
【００５１】
通常、少なくとも九つの空間位置のそれぞれに関する好ましい周波数の対に関係する記憶データが別個に存在する。
【００５２】
以上の方法のいずれかにおいて、前記音響光学レンズは、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含むことができ、前記方法は、空間内の前記考え得る複数の位置のそれぞれに関して、第二の好ましい周波数の対に関係するデータを記憶するステップであって、ここで、空間内の関連の考え得る位置に関する第二の好ましい周波数の対が、前記第三の音響光学偏向器の第三の好ましい駆動周波数と、前記第四の音響光学偏向器の第四の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該第二の好ましい周波数は、前記第二の対の前記第三及び第四の好ましい駆動周波数が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連の考え得る位置に向かって屈折するようなものである、ステップと、前記所望の位置又は基準位置に基づいて第二の好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するステップと、前記参照ステップの結果として第三及び第四の駆動周波数を決定するステップとをさらに含む。
【００５３】
第一及び第二のＡＯＤに追加した第三及び第四のＡＯＤの使用は、（一座標方向当り二つのＡＯＤを使用することにより）ビームが、Ｘ方向及びＹ方向のどちらにも屈折し、さらにＺ方向に焦点を合わせるように、球面レンズを提供することを可能にする。
【００５４】
別の態様では、本発明は、電磁放射のビームを屈折させる方法を含み、前記方法は、上述の方法のいずれかに従って第一及び第二の駆動周波数を決定するステップと、前記第一の音響光学偏向器に前記第一の駆動周波数を適用するステップと、それと同時に前記第二の音響光学偏向器に前記第二の駆動周波数を適用するステップと、それと同時に前記第一の音響光学偏向器の入力開口に電磁放射の前記ビームを供給するステップとを含む。
【００５５】
本発明は、空間内の所望の位置に向かって屈折及び集束させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを制御する装置をさらに含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記装置は、空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するように構成されたメモリであって、ここで、空間内の関連の考え得る位置に関する好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連の考え得る位置に向かって屈折するようなものである、メモリと、空間内の前記所望の位置に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するように構成されたコントローラであって、前記データの参照の結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するように構成された、コントローラとを含む。
【００５６】
前記メモリは、周波数変更データを含むデータを記憶するように構成されるのが好ましく、前記コントローラは、空間内の前記所望の位置に関する一対の基準周波数であって、前記対の基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するようになる、一対の基準周波数を決定し、周波数変更データを得るために記憶データを参照し、前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するように構成される。
【００５７】
前記コントローラは、適宜、前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するように構成される。
【００５８】
前記コントローラは、適宜、前記第一及び第二の駆動周波数が、好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するように構成される。
【００５９】
前記コントローラは、適宜、前記所望の位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定し、そのデータが空間内の前記所望の位置に関する好ましい周波数の対に関係することを決定するように構成される。
【００６０】
前記コントローラは、適宜、前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するように構成される。
【００６１】
前記コントローラは、適宜、前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するように構成される。
【００６２】
本発明は、最小走査経路に沿って開始位置から終了位置まで走査するように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを制御するための装置をさらに含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記装置は、空間内の考え得る複数の位置のそれぞれに関して、好ましい周波数の対に関係するデータを別個に記憶するように構成されたメモリであって、ここで、空間内の関連の考え得る位置に関する好ましい周波数の対が、前記第一の音響光学偏向器の第一の好ましい駆動周波数と、前記第二の音響光学偏向器の第二の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該好ましい周波数の対は、前記対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連の考え得る位置に向かって屈折するようなものである、メモリと、前記最小走査経路に基づいて好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するように構成されたコントローラであって、前記データの参照の結果として第一及び第二の駆動周波数を決定するように構成された、コントローラとを含む。
【００６３】
そうした装置では、前記メモリは、適宜、周波数変更データを含むデータを記憶するように構成され、前記コントローラは、前記基準位置に関する一対の基準周波数であって、前記対の基準周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準位置に向かって屈折するようになる、一対の基準周波数を決定し、周波数変更データを得るために記憶データを参照し、前記好ましい周波数の対を得るために前記周波数変更データに従って基準周波数の前記対を変更するように構成される。
【００６４】
前記コントローラは、適宜、前記基準周波数の対にコモンモード成分を加算し、又は前記基準周波数の対からコモンモード成分を減算するように構成される。
【００６５】
前記コントローラは、適宜、前記第一及び第二の駆動周波数が、好ましい周波数の対の前記第一及び第二の好ましい駆動周波数にそれぞれ等しくなるように設定するように構成される。
【００６６】
前記コントローラは、適宜、前記基準位置に最も近い考え得る位置に関して記憶されるデータを特定し、そのデータが前記基準位置に関する好ましい周波数の対に関係することを決定するように構成される。
【００６７】
前記コントローラは、適宜、前記駆動周波数の対の駆動周波数が、前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準位置に向かって屈折するような駆動周波数の対を得るために、前記好ましい周波数の対を変更するように構成される。
【００６８】
前記コントローラは、適宜、前記好ましい周波数の対に差動モード成分を加算し、又は前記好ましい周波数の対から差動モード成分を減算するように構成される。
【００６９】
球面レンズを提供するために、前記音響光学レンズは、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含むことができ、前記メモリは、空間内の前記考え得る複数の位置のそれぞれに関して、第二の好ましい周波数の対に関係するデータをさらに記憶するように構成され、ここで、空間内の関連の考え得る位置に関する第二の好ましい周波数の対が、前記第三の音響光学偏向器の第三の好ましい駆動周波数と、前記第四の音響光学偏向器の第四の好ましい駆動周波数とから構成されており、当該第二の好ましい周波数の対は、前記第二の対の前記第三及び第四の好ましい駆動周波数が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記関連の考え得る位置に向かって屈折するようなものであり、前記コントローラは、前記所望の位置又は基準位置に基づいて第二の好ましい周波数の対を決定するために前記データを参照するように構成され、前記コントローラは、前記データの参照の結果として第三及び第四の駆動周波数を決定するように構成される。
【００７０】
別の態様では、本発明は、空間内の所望の位置に向かって電磁放射のビームを屈折させるための顕微鏡をさらに含み、前記顕微鏡は、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器、及び第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器を含む音響光学レンズと、前記音響光学レンズを制御するために以上又はここに説明する装置と、顕微鏡光学素子と、電磁放射の前記ビームを供給するためのレーザとを含み、前記コントローラは、前記第一の音響光学偏向器に前記第一の駆動周波数を適用し、それと同時に前記第二の音響光学偏向器に前記第二の駆動周波数を適用し、それと同時に前記第一の音響光学偏向器の入力開口に電磁放射の前記ビームを前記レーザに供給させるように構成される。
【００７１】
別の態様では、本発明は参照テーブル又は同様のものを構築するようにする方法を含む。
【００７２】
本発明の一つの方法では、音響光学レンズを設定するのに有用であるデータを準備する方法を提供する。本方法は、音響光学レンズを使用して電磁放射のビームを屈折させる空間内の考え得る複数の位置を選択するステップと、空間内の前記考え得る位置のそれぞれに関して、駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するステップであって、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記考え得る位置に照準を合わせるようなものである、ステップと、前記群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、駆動周波数候補の各対に関する決定された効率に従って前記群から駆動周波数候補の好ましい対として選択するステップとを含むことができる。
【００７３】
前記選択するステップは、適宜、駆動周波数候補の対の前記群から、前記群内の駆動周波数候補の全ての対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする駆動周波数候補の対を選択するステップを含む。
【００７４】
別の態様では、空間内の所望の位置に照準を合わせるように電磁放射のビームを操作するための音響光学レンズを設定する方法を提供する。音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含むのが好ましい。本方法は、駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するステップであって、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものである、ステップと、前記群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、駆動周波数候補の各対に関する決定された効率に従って前記群から駆動周波数候補の対を選択するステップとを含むことができる。
【００７５】
前記選択するステップは、適宜、駆動周波数候補の対の前記群から、前記群内の駆動周波数候補の全ての対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする駆動周波数候補の対を選択するステップを含む。
【００７６】
本発明は、走査経路に沿って走査するように電磁放射のビームを操作するために、音響光学レンズを設定する方法をさらに含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記方法は、前記走査経路に沿って基準点を決定するステップと、基準点駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するステップであって、ここで、前記基準点駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の基準点駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の基準点駆動周波数候補とから構成されており、当該基準点駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の基準点駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準点に照準を合わせるようなものである、ステップと、前記基準点に関する前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの既知の透過効率に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するステップとを含む。
【００７７】
前記基準点は、前記走査経路の中間点にあるのが好ましい。
【００７８】
基準点駆動周波数候補の対を選択する前記ステップは、適宜、前記群内の基準点駆動周波数候補の対から、基準点駆動周波数の全ての特定された対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数の対を選択するステップを含む。
【００７９】
前記選択するステップは、適宜、前記群内の基準点駆動周波数候補の各対に関して、前記走査経路に関する走査経路駆動周波数の複数の対を決定するステップと、走査経路駆動周波数の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、走査経路駆動周波数の各対に関する決定された効率に従って前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択するステップと、走査経路駆動周波数の選択された対に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するステップとを含む。
【００８０】
前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択する前記ステップは、適宜、前記走査の継続時間の間、所定の下側閾値を超える効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するステップを含む。
【００８１】
前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択する前記ステップは、適宜、前記走査の継続時間の間、ある所定の閾値を超えない最高効率と最低効率との比率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するステップを含む。
【００８２】
前記音響光学レンズは、適宜、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含み、前記方法は、駆動周波数候補の複数の対を含む第二の群を決定するステップであって、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第三の音響光学偏向器の第三の駆動周波数候補と、前記第四の音響光学偏向器の第四の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第三及び第四の駆動周波数候補が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものである、ステップと、前記第二の群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するステップと、駆動周波数候補の各対に関する決定された効率に従って前記第二の群から駆動周波数候補の対を選択するステップとをさらに含む。
【００８３】
一般に、ビームを一方向に屈折させるための開示する方法及び装置の全ては、円筒レンズを球面レンズに変換するために直角方向に関して反復させることができる。
【００８４】
本発明は、空間内の所望の位置に照準を合わせるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを制御するための装置を含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記装置は、駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するように構成されたコントローラを含み、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものであり、前記コントローラは、前記群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定するように構成され、前記コントローラは、駆動周波数候補の各対に関する決定された効率に従って前記群から駆動周波数候補の対を選択するように構成される。
【００８５】
前記コントローラは、適宜、駆動周波数候補の対の前記群から、前記群内の駆動周波数候補の全ての対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする駆動周波数候補の対を選択するように構成される。
【００８６】
本発明は、走査経路に沿って走査するように電磁放射のビームを操作するために、音響光学レンズを制御するための装置をさらに含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記装置は、前記走査経路に沿って基準点を決定するように構成されたコントローラを含み、前記コントローラは、基準点駆動周波数候補の複数の対を含む群を決定するように構成され、ここで、前記基準点駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第一の音響光学偏向器の第一の基準点駆動周波数候補と、前記第二の音響光学偏向器の第二の基準点駆動周波数候補とから構成されており、当該基準点駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第一及び第二の基準点駆動周波数候補が、同時に前記第一及び第二の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、前記基準点に照準を合わせるようなものであり、前記コントローラは、前記基準点に関する前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの既知の透過効率に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するように構成される。
【００８７】
前記基準点は、前記走査経路の中間点にあるのが好ましい。
【００８８】
前記コントローラは、適宜、前記群内の基準点駆動周波数候補の対から、基準点駆動周波数の全ての特定された対の最高効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数の対を選択するように構成される。
【００８９】
前記コントローラは、適宜、前記群内の基準点駆動周波数候補の各対に関して、前記走査経路に関する走査経路駆動周波数の複数の対を決定し、走査経路駆動周波数の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定し、走査経路駆動周波数の各対に関する決定された効率に従って前記群から走査経路駆動周波数の少なくとも一つの対を選択し、走査経路駆動周波数の選択された対に基づいて前記群から基準点駆動周波数候補の対を選択するように構成される。
【００９０】
前記コントローラは、適宜、前記走査の継続時間の間、所定の下側閾値を超える効率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するように構成される。
【００９１】
前記コントローラは、適宜、前記走査の継続時間の間、ある所定の閾値を超えない最高効率と最低効率との比率で、電磁放射の前記ビームが前記音響光学レンズを通過するようにする基準点駆動周波数候補の単一の対に関係する走査経路駆動周波数の対を選択するように構成される。
【００９２】
前記音響光学レンズは、適宜、第三の駆動周波数により駆動される第三の音響光学偏向器と、第四の駆動周波数により駆動される第四の音響光学偏向器とをさらに含み、前記コントローラは、駆動周波数候補の複数の対を含む第二の群を決定し、ここで、前記駆動周波数候補の複数の対のそれぞれが、前記第三の音響光学偏向器の第三の駆動周波数候補と、前記第四の音響光学偏向器の第四の駆動周波数候補とから構成されており、当該駆動周波数候補の複数の対は、前記対の前記第三及び第四の駆動周波数候補が、同時に前記第三及び第四の音響光学偏向器の各々に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが、空間内の前記所望の位置に照準を合わせるようなものであり、前記第二の群内の駆動周波数候補の各対に関して、前記音響光学レンズを通る電磁放射の前記ビームの透過効率を決定し、駆動周波数候補の各対に関する決定された効率に従って前記第二の群から駆動周波数候補の対を選択するようにさらに構成される。
【００９３】
本発明は、コントローラ装置、前記音響光学レンズ、顕微鏡光学素子、及び電磁放射の前記ビームを供給するためのレーザを含む顕微鏡システムをさらに含む。
【００９４】
前記コントローラ装置は、以上及びここに説明する装置のいずれかとすることができる。
【００９５】
本発明は、空間内の所望の位置に向かって屈折させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法をさらに含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記方法は、詳細な効率データに従って第一及び第二の駆動周波数を選択するステップであって、前記選択された第一及び第二の駆動周波数が、最終画像を形成する最小走査の少なくとも５０％の所定の体素に関する考え得る最も効率的な駆動周波数から１ＭＨｚ内となるようにするステップを含む。
【００９６】
本発明は、空間内の所望の位置に向かって屈折させるように電磁放射のビームを操作するために音響光学レンズを設定する方法をさらに含み、前記音響光学レンズは、少なくとも、第一の駆動周波数により駆動される第一の音響光学偏向器と、第二の駆動周波数により駆動される第二の音響光学偏向器とを含み、前記方法は、詳細な効率データに従って第一及び第二の駆動周波数を選択するステップであって、前記選択された第一及び第二の駆動周波数が、最終画像を形成する最小走査の少なくとも５０％の所定の体素において可能な最高効率から１０％内にある透過効率をもたらすようにするステップを含む。
【００９７】
前記詳細な効率データは、少なくとも九つの異なるビーム位置に関する透過効率のデータとすることができる。前記詳細な効率データは、処理及び変換することができ、周波数データ、オフセット量データ、又は生透過効率データとして表すことができる。最終画像を形成するのに使用される走査の５０％は、本方法を使用して設定されるのが好ましい。しかし、走査の７０％、９０％、又は１００％でも同様に設定することができる。
【００９８】
本発明のコントローラは、汎用コンピュータ上で実行されるソフトウェアにより、又は特注の配線電子回路若しくは他の制御チップとして具体化されることを含めて、任意の適当な形態をとることができる。コントローラの目的は、通常、ビームが適当に屈折することを確実にするために、ＡＯＤに補正信号を提供することである。コントローラは、画像データを処理することもできるが、これは、不可欠なものではない。
【００９９】
ここで、添付の概略図面を参照して、非限定的な例のみにより、本発明をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の駆動周波数アルゴリズムを実施するための顕微鏡システムの主要素を示す図である。
【図２】先行技術の顕微鏡により得られる八面体視野を示す図である。
【図３】先行技術の顕微鏡により得られる画像、及びＺ≠０の平面における最小走査から生じたパターン形成効果を示す図である。
【図４】本発明と共に使用するのが好ましい四つのＡＯＤ小型構成部の二つの直交する図である。
【図５】縦軸に第一（上流）のＡＯＤの駆動周波数、横軸に第二（下流）のＡＯＤの駆動周波数をプロットしたグラフである。
【図６】いかにして通常の走査をコモンベクトル及び微分ベクトルから構成することができるかを示す、図５と同様のグラフである。
【図７】Ｚ≠０の平面における一連の最小走査を実行するために、いかにして各ＡＯＤに適用される周波数を時間と共に変化させることができるかを示す、周波数対時間のグラフである。
【図８】第二のＡＯＤの駆動周波数に対する第一のＡＯＤの駆動周波数を再びプロットし、いかにして周波数限界及び最小走査を視覚化することができるかを示す図である。
【図９】第一及び第二のＡＯＤの駆動周波数の異なる組合せに関する音響光学レンズの総合透光効率を決定する実験の結果を示す図である。
【図１０】透過効率が、第三及び第四のＡＯＤの駆動周波数により、どのように変化するかを示す、図９と同様の図である。
【図１１】照準モード（ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｍｏｄｅ）に使用される周波数を最適化するための方法を説明するのに効果的な図である。
【図１２】ＡＯＬの透過効率が、図１１の線７０に沿ってどのように変化するかを示すグラフである。
【図１３】必要な計算量を低減するために、参照テーブル内に記憶することができるコモンモードオフセット量を説明するのに効果的な図である。
【図１４】Ｚが非ゼロであるとき、照準モードに使用される周波数を最適化するための方法を説明するのに効果的な図である。
【図１５】走査モードに使用される周波数を最適化するための方法を説明するのに効果的な図である。
【図１６】走査モードに使用される周波数を最適化するための別の方法を説明するのに効果的な図である。
【図１７】走査モードに使用される周波数を最適化するためのさらに別の方法を説明するのに効果的な図である。
【図１８】好ましい周波数の対、又は体積領域のコモンモードオフセット量を参照テーブル内に記憶することができるように、いかにして視野をタイル状にすることができるかを示す図である。
【図１９】図８に示す、固定された駆動周波数限界を使用する際に得られる画像である。
【図２０】本発明の最適化周波数限界を使用する際に得られる画像である。
【発明を実施するための形態】
【０１０１】
本発明は、特許文献１に記載された装置及び方法の改良型であり、限定されないが、ＡＯＤの小型構成部（任意の半波長板及び偏光板を含む）、色収差補正用の手段、並びに様々な上流及び下流のＡＯＤ構造（ＴｅＯ２結晶を含む）を含めて、特許文献１に記載された手段のいずれかと共に実施することができる。特許文献１に記載された、必要な駆動周波数を計算するための式は、本発明にも適用できる。特許文献１の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれている。特許文献１の技術用語は、本明細書に採用されている。例えば、ａ１は、第一のＡＯＤに適用される駆動信号の周波数ランプ速度を表す。
【０１０２】
本発明は、小型のＡＯＤ構成部及びその対応する駆動用の式（ｄｒｉｖｅ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）を参照して説明するが、本発明は、ＡＯＤを互いに結合するのにテレセントリックリレー（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ  ｒｅｌａｙ）を使用する構成などの他のＡＯＤ構成に同様に適用できる。そうしたテレセントリックに結合された構成部を駆動するための一般式は、小型構成部のものよりも単純であり、当業者に知られている。
【０１０３】
本発明は、任意の電磁放射線を操作するために実施することができるが、レーザビームで実施するのが好ましい。ＷＯ２００８／０３２０６２などでは、７００〜１０００ｎｍの典型的なレーザ波長が使用されるが、これは、本発明を限定しない。レーザの中心周波数は、２００〜２０００ｎｍ、好ましくは４００〜１２００ｎｍ、より好ましくは７００〜１０００ｎｍの範囲でもよく、さらに好ましくは約８５０ｎｍである。レーザは、２ｐｓ以下、好ましくは５００ｆｓ以下、より好ましくは１００ｆｓ以下の長さを有するパルスでパルス化される。
【０１０４】
図１は、顕微鏡法、好ましくは二光子顕微鏡法を実行するために使用することができる装置全体の概略図を示す。本発明は、具体的には、画像品質の点で改善された結果をもたらすために二つ又は四つのＡＯＤを駆動する方法に関する。本発明は、ＡＯＤの構成に適した式に基づいてＡＯＬ１１を駆動するコンピュータ制御システム（図に示さず）を含むのが好ましい。
【０１０５】
プリチャーパ（ｐｒｅｃｈｉｒｐｅｒ）２を除いて、図１に示す二光子顕微鏡全体の他の要素は、一般に、標準的な二光子顕微鏡の要素と同様であるが、ＡＯＤ及び画像再構成用の駆動電子回路は、検流計と同等のものよりも多少複雑である。
【０１０６】
レーザ１は、Ｔｉサファイヤレーザであることが好ましいが、実施する実験に応じて、いかなるレーザも使用することができる。レーザは、特許文献１に記載されるように、例えば１００ｆｓ程度の極めて狭いパルスの放射線を放出する。
【０１０７】
他の面では、そのうちにレーザパルスを拡大し、二光子放出効果を大幅に低減する、ＴｅＯ２の高色分散の影響を補償するために、プリチャーパ２を含むのが好ましい（レディ・ケルハー（Ｒｅｄｄｙ，Ｋｅｌｌｅｈｅｒ）ら２００８年）。
【０１０８】
全レーザ強度にわたる制御を提供するために、適宜、ポッケルスセル３を使用し、ＡＯＬ１１を通る前にビーム直径を拡大するために、ビーム拡大器４を使用することができる。図１のＡＯＬでは、四つのＡＯＤを示すが、一方向（例えばＸ方向）のみの屈折が望まれるとき、二つだけを使用することができる。
【０１０９】
電磁放射ビームは、リレー５を通ってＡＯＬを出ることができ、任意の検流計ミラー６によって屈折させることができ、その後、ビームは、顕微鏡対物レンズ９に到達する前に別のリレー７（この例では、視野レンズ及びチューブレンズを含む）を通ることができる。
【０１１０】
対物レンズ９は、通常、ビームを所望の位置に集束させ、反射光又は散乱光なら何でも、対物レンズ９を通って戻るのが好ましく、反射光又は散乱光は、任意のダイクロイックミラー８により、ここでは光電子増倍管の形態であるセンサ１０に導かれる。光電子増倍管からのデータ取得は、通常、ＡＯＤの駆動と正確に同期し、その結果、各データ収集タイムスロット（通常１〜４μｓの長さ）において、コンピュータは、その間にＡＯＬが指示を合わせる体素の３Ｄ座標における測定光強度を、コンピュータメモリに挿入することができる。
【０１１１】
図４は、ＡＯＬを形成する四つのＡＯＤの配列及び向きを示す。第一のＡＯＤ３０は、Ｘ方向の屈折をもたらすように、第二のＡＯＤ４０と共に機能する。第一及び第二のＡＯＤは、それぞれにおける音波が反対方向（図４に矢印で示す）に進むように配置されるのが好ましい。第三のＡＯＤ５０は、Ｙ方向の屈折をもたらすように、第四のＡＯＤ６０と共に機能する。第三及び第四のＡＯＤは、それぞれにおける音波が反対方向に進むように配置されるのが好ましい。さらに、第三及び第四のＡＯＤの音波はそれぞれ、第一及び第二のＡＯＤの音波と直角であるのが好ましい。図示する小型構成部では、ＡＯＤは、（ビーム方向に関して上流から下流に向かって）第一、第三、第二、第四の順である。特許文献１に記載されるように、これは、半波長板及び／又は偏光板を用いて、最小の補正／フィルタリングが要求される、ＡＯＤ間の偏光を合わせる点で、有利な構成である。図４は、半波長板（Ｈ）及び偏光板（Ｐ）を示さないが、これらは、図１に示し、特許文献１により詳細に説明されている。或いは、ＡＯＤは、ＷＯ２０１０／０７６５７９に開示されるように、第一、第三、第四、第二の順に配置することができる。
【０１１２】
本発明は、Ｘ方向の屈折をもたらすために、第一のＡＯＤ及び第二のＡＯＤのみを有するシステムなどの、二つのＡＯＤのみを有するシステムに同様に適用することができる。そうした構成は、第一のＡＯＤの回折偏光出力を第二のＡＯＤの要求偏光入力と合わせる半波長板と、第一のＡＯＤからの非回折光を抑える偏光板と共に、第一のＡＯＤ及びそれに続く第二のＡＯＤを有する。当然、そうしたシステムは、Ｘ方向にのみ屈折させることができ、収差を回避するために、ＹＺ平面上に焦点を合わせるのと同様にＺ平面上に焦点を合わせることだけができる。
【０１１３】
図４は、四つのＡＯＤシステムの二つの直交図を示す。第三のＡＯＤ５０及び第四のＡＯＤ６０は、図示するように、第一のＡＯＤ３０及び第二のＡＯＤ４０と交互配置され、第三のＡＯＤ５０と第四のＡＯＤ６０との間の距離はｄ３であり、第四のＡＯＤ６０から焦点までの距離は、ｄ４’である。特許文献１に開示されるように、視野のいかなる所望の点にも光を集束させるのに、この構成部を駆動するための駆動信号に適用する周波数ランプ速度を計算することができる。
【０１１４】
第一及び第二のＡＯＤ３０、４０は、選択されたＸＺ平面に焦点を合わせるが、第三及び第四のＡＯＤ５０、６０は、ＹＺ平面に焦点を合わせる。距離ｄ２’及びｄ４’は、最終的な焦点が両平面で確実に同じになるようになるのが好ましい。一般に、任意の誤差が収差をもたらす。そうした場合に、焦点の収差を微調整するために、Ｘランプ速度とＹランプ速度との比率に細かい補正を加えることができる。これは、ｄ２’とｄ４’との比率を調整することと等しく、その結果、ＸＺ平面及びＸＹ平面における焦点位置のＺの値が同じになる。これらの微調整補正は、焦点のＺ位置の関数とすることができ、各走査の前にＡＯＤのランプ速度を計算するアルゴリズムに容易に組み込むことができる。しかし、そうした微調整は、不可欠なものではない。
【０１１５】
特許文献１に開示されるように、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ２’、及びｄ４’を決定する際、ＡＯＤ間の実際の距離及び任意の介在する要素の光学的厚さ、並びにＡＯＤ自体を考慮に入れる必要がある。さらに、半波長板及び偏光板などの光学要素をＡＯＤ間に挿置するとき、そうした付加的要素の屈折率を考慮に入れることにより、見かけの光学距離間隔を計算することができる。さらに、ＡＯＤ自体の屈折率が考慮される。これは、見かけの光学距離ｄ１が、ＡＯＤ間の空隙距離と、ＡＯＤ１の厚さの半分をその屈折率で割った商と、ＡＯＤ２の厚さの半分をその屈折率で割った商との和に等しくなるように、音波がＡＯＤの厚さの中間点でＡＯＤを出入りすると仮定することにより行うことができる。二つのＡＯＤが等しいとき、値ｄ１は、空隙距離と、ＡＯＤの厚さをその屈折率で割った商との和に等しい。
【０１１６】
理論的には、視野内のＺの任意の選択値における定常焦点を実現するために、ＡＯＬの小型構成部を使用することができる。
【０１１７】
本発明は、照準モード（ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｍｏｄｅ）（光を定常点に集束させる）に適用できるのと同様に、一般に、固定されたＺ平面でＸ及びＹ平面走査速度の正確な制御を必要とする走査モードにも適用できる。ＡＯＤが限定された動作周波数範囲を有し、Ｚ集束の周波数ランプ速度が高いことは、駆動周波数を動作周波数範囲の反対側にリセットすることがしばしば必要であることを意味する。最小走査を実現するために、これを行う方法は、特許文献１に開示されている。
【０１１８】
第一及び第二のＡＯＤ３０、４０によるＸＺ屈折及び集束の場合には、平均駆動周波数ｆａｖ２及びｆａｖ１は、図５に示すように、グラフのＸ軸及びＹ軸上にプロットすることができる。これらの「ｆ平均」記号は、検討される特定の時間におけるＡＯＤの中心の周波数を表す。ランプ速度ａ１及びａ２が、時間及び空間のどちらにおいても線形であるとき、中心の周波数は、その時点でのＡＯＤ開口の周波数の空間平均であり、次に、ＡＯＤの平均屈折角度を決定する。再び図５を参照すれば、平均周波数の任意の対は、ｆａｖ２、ｆａｖ１平面の点として、このプロット図上に表すことができる。駆動中心周波数の対の漸進的変化又はステップ変化は、平面内にあるベクトルで表すことができる。ベクトルの方向は、焦点位置に起こっていることを決定する。ｆａｖ２及びｆａｖ１が、コモンモード駆動勾配Ｒｃｏｍｍとして表示された微分勾配と共に変化するとき、その点の位置変化はない。コモンモード駆動周波数変化は、周波数変化の比率が、
【数１】
2013531220.tif 000003
【０１１９】
である変化として定義される。周波数変化のこの比率は、ちょうど、最後のＡＯＤからの距離ｄ２’における定常焦点をもたらす、ランプ速度の比率であることに留意されたい。この比率は、任意の特定の選択Ｚ焦点面に関して一定値を有する。定常焦点に関して、二つのＡＯＤの中心の二つの周波数が時間と共に変化するとき、これらの周波数をプロットすれば、これらの周波数は、図示したベクトルに平行な線に沿って動くであろう。この結果は、コモンモード屈折線上にある周波数の任意の対に関して、焦点が空間的に同じ位置にあることを示す。
【０１２０】
その逆は、
【数２】
2013531220.tif 000004
【０１２１】
により定義される、このプロット図上の差動モード線に適用される。この方向の変化は、コモンモード周波数差の変化を伴わない、焦点のＸ位置の変化をもたらす。その勾配は、定義によれば−１とコモンモード勾配との積である。図５及び６を参照すれば、ｆａｖ２、ｆａｖ１周波数空間において、ベクトルＲｃｏｍｍ＝［１，Ｒｃｏｍｍ］及びＲｄｉｆｆ＝［１，Ｒｄｉｆｆ］（ここでベクトルはボールドで示し、スカラは普通の書体で使用する）は、２Ｄベースの単位ベクトルとして使用することができる。従って、この平面内の任意の一般ベクトルは、そのコモンモード及び差動モードベースのベクトル成分に関して分析することができる。
【０１２２】
図６の点「Ｐ」は、特定のｆａｖ２、ｆａｖ１座標を表す。これは、ベクトル式
［ｆａｖ１，ｆａｖ２］＝［ｆｃ，ｆｃ］＋Ａ  ｘ  Ｒｃｏｍｍ＋Ｂ  ｘ  Ｒｄｉｆｆ
により同様に十分に表すことができる。
【０１２３】
ここで、ｆｃはＡＯＤ駆動範囲の中心周波数であり、Ａ及びＢは、図上の矢印１３、１４で示すＲｃｏｍｍ及びＲｄｉｆｆ方向に照準を合わせる単位ベクトルのスカラ乗数である。勾配Ｒｃｏｍｍ（スカラ）を有する点「Ｐ」を通る点線１２は、同様に十分に同じ物理的位置に照準を合わせる他の全ての点のコモンモード線である。Ｚ≠０の平面に関して、一つのランプ速度をＡＯＤに適用しなければならず、周波数が時間と共に一定で増加又は減少しなければならないことを意味する。従って、固定された物理的位置に焦点を合わせるとき、周波数空間の点Ｐは、コモンモード線Ｒｃｏｍｍに沿って動く。このプロット図を使用するとき、点Ｐが照準を合わせるものと同じ３Ｄ空間内の位置に反復して照準を合わせる場合、駆動周波数がＡＯＤの高効率領域の外側に行かなければ、ランプ昇降は、反復して、青い点線の左下端部で定義された周波数の対で開始し、右上端部で止まらなければならないことがわかる。始点に急に戻るとき、ＡＯＤが照準を合わせる位置の変化は生じない。
【０１２４】
図６は、［ｆａｖ２，ｆａｖ１］座標の時系列を表す線１５も示す。これらを分析し、線１６及び１７で示す、そのＡ  ｘ  Ｒｃｏｍｍ＋Ｂ  ｘ  Ｒｄｉｆｆの対にすることもできる。この場合には、線１５は、点がＸ方向に徐々に動くことを意味する、小さい微分成分を有する焦点ビームをもたらす駆動である。時間内のコモンモード走査速度は、線１６及び１７で示すように、Ｚ焦点面（及び、このプロット図上のＲｃｏｍｍ及びＲｄｉｆｆの単位ベクトルの正確な方向）を決定する。
【０１２５】
全体的には、図６は、周波数の任意の対又は周波数ベクトルの対の差を分析して、コモンモード成分及び差動モード成分にすることができる方法を示す。ボールド文字はベクトルを示し、普通文字はスカラを示す。点線は、ビームを点Ｐに向けるＡＯＤ駆動制限周波数間の周波数の全ての対を表す。反復してＡＯＤにこの線を上らせ、低位置に急に戻すことは、Ｐにおける静止周波数の対が照準を合わせるものと同じ横方向オフセット量（Ｘ）の単一の点に焦点を合わせるのに必要な周波数の鋸歯（ｓａｗｔｏｏｔｈ）に対応する。線に沿った変化速度は、焦点（Ｚ）、及びこのコモンモード線の正確な方向を決定する。図６の１５で表すベクトルは、大きいコモンモード１６を小さい差動モード１７と組み合わせ、この線１５に沿った安定移動は、固定されたＺ集束、及び焦点の比較的緩やかなＸ方向移動をもたらす。
【０１２６】
半透明のサンプル（脳組織など）の三次元画像を構築するために、サンプルを通る所定の経路に沿って焦点のラスタ走査を行うことを可能にするのが効果的である。最も一般に使用されるラスタ走査は、Ｙ及びＺの値を一定に保ちながら、焦点をＸ方向に動かし、次に、Ｙ位置を少量だけ増加させ、二次元格子の走査を達成するまで、Ｘ方向などの走査をさらに行うことである。次に、Ｚ方向に増加させ、三次元体積を構築するまで、さらに二次元格子を走査する。このタイプのラスタ走査は、全ての点に順次対処する照準モードを使用して画像を構築するよりもはるかに速い。照準モードは、各点からのデータを取得するのに、一ＡＯＤ充填時間及び一データ収集時間（滞留時間）掛かる。２５μｓのＡＯＤ充填時間及び典型的な４μｓの滞留時間があれば、このプロセスは、照準モードでは、対象システムが解像することができる７８０万体素に関して約４分掛かる。ラスタ走査を用いれば、連続する体素にわたって一体素当り一滞留時間の速度で焦点を動かすことにより、各ＡＯＤ充填時間に、多くのデータ点が集められる。ラスタ走査の長さが増加するにつれて、合計走査時間は、一体素当り一滞留時間の限界に向かって漸近的に減少し、４μｓの滞留時間に対して約３０秒で３Ｄ体積全体を走査する。そうしたラスタ走査の式は、特許文献１で導出され、これらを参照する。
【０１２７】
第一のＡＯＤ３０は、第一の駆動信号により駆動され、第二のＡＯＤ４０は、第二の駆動信号により駆動される。これらの駆動信号は、同じ周波数の音波をＡＯＤ開口に加える。図７は、第一及び第二の駆動信号周波数と、Ｘ方向に屈折し、固定されたＹの値におけるラスタの一つの線を横切る固定されたＺ平面に焦点を当てる、最小走査のシーケンスの一部分に関する時間との対比を上部に示す。図７の下部は、時間の関数としてＸ方向の屈折を示す。
【０１２８】
Ｚ方向に必要な集束をもたらすために、図７に示す両ＡＯＤのランプ速度は、比較的高い。周波数範囲が制限されるので、考え得る最大Ｘ走査範囲を完全に横切って単一の走査を行うことはできない。従って、走査プロセスを最小走査のシーケンスに分割しなければならない。これらの最小走査周波数軌跡の二つが図７にプロットされ、それら二つの間の遷移を示す。ＡＯＤの最大及び最小の駆動周波数は、この場合には、効率がピーク効率のあるパーセンテージ（例えば５０％）未満まで降下する場所の観測の結果として、任意に定義される。最大及び最小の周波数は、それぞれ、第一及び第二のＡＯＤのどちらにおいても同じと見なされる。
【０１２９】
音波がＡＯＤ開口を充填するのに、一ＡＯＤ充填時間掛かり、その結果、データ記録を開始することができ、特定の周波数がＡＯＤの中間点に達する時間は、その周波数が変換器により伝送された後、ＡＯＤ充填時間の半分となる。従って、ＡＯＤ全体からのデータの記録は、周波数ランプの始点又は終点のいずれかよりＡＯＤ充填時間の半分を超える時間で、変換器により送られる周波数に関してのみ可能である。これは、図７に挿入されたボールド点線で示す利用可能周波数範囲をさらに減少させる。従って、ある最小走査のデータ収集の終点から次の最小走査のデータ収集の始点までの合計時間は、ＡＯＤ充填時間と、駆動周波数を電子的にリセットする任意の「帰線（ｆｌｙｂａｃｋ）」時間との和である。
【０１３０】
各最小走査の正確な開始周波数及び停止周波数を計算する際、新規の最小走査の第一の体素の開始時における焦点の位置は、前の最小走査の最後の体素の経路端部であったものと正確に同じ位置になるように配置される。これは、図７の下部に示す。周波数オフセット量Δｆ１及びΔｆ２は、通常、この条件を満たすために、（小型構成部に関して）正確な比率Ｒｃｏｍｍとならなければならない。線４８は、ある最小走査の終点におけるＸ屈折が、次の最小走査の始点におけるＸ屈折と同じになることを示す。あるデータ収集シーケンスの終点と次のシーケンスの始点との間の「帰線時間」中、この時間中はデータを収集しないことを表すために、線を点線で示す。
【０１３１】
図８は、一つのＸ走査全体を形成する最小走査のシーケンス全体を、ｆａｖ２−ｆａｖ１平面に示す。矢印４４は、図７における、時間に対する図示されたＡＯＤの中心の駆動周波数３２、４２の対に対応する。ベクトル４４は、小さい差動モード成分を有するとき、特定のＺ平面を走査し、それに焦点を合わせる。これは、差動モード線４６により示される。データをＡＯＤ全体から収集することだけができるので、データ収集のための周波数限界を効率限界に組み込まなければならない。（破線で示す）コモンモード帰線４５は、次の最小走査でデータ収集が再び開始されるとき、確実に同じ位置からそれを開始するようにする。最小走査の開始周波数及び停止周波数は、図８に示すように、ランプ昇降４４を駆動周波数限界まで延ばすことにより定義される。
【０１３２】
照準モードと同様に、コモンモード単位ベクトル４５及び差動モード単位ベクトル４６の正確な方向は、選択された焦点Ｚ平面に依存する。
【０１３３】
Ｘ走査速度δθ／δｔは、一つの体素を走査するのに一滞留時間掛かる速度に設定される。これは、各体素を走査するとき、ＡＯＤの半走査角度「ｓ」、通常１００〜５００の走査時の体素の数Ｎｖｏｘ、及び焦点の滞留時間を定義することにより行われる。
【０１３４】
特許文献１の式は、ＸＺ平面に焦点を合わせるための二つのＡＯＤが存在する場所、又は、図４に示すように、四つのＡＯＤが存在する時間に適用される。この場合、走査角速度δθ／δｔは、第二のＡＯＤ４０の周りで測定されるものである。第四のＡＯＤ６０の周りで測定される見かけの速度は、この走査速度にｄ２’／ｄ４’を乗算することにより得ることができる。
【０１３５】
上側周波数及び下側周波数ｆｍａｘ及びｆｍｉｎに関する一定値に基づいて、これらの走査を行い、特許文献１の式を使用するアルゴリズムは、ＡＯＤ効率を高く保つために、各ＡＯＤがＡＯＤ用に設定された絶対周波数限界内に常に留まらなければならないという仮定に基づいているので、絶対周波数限界（ＡＦＬ）アルゴリズムと呼ばれる。驚いたことに、固定された周波数限界を放棄し、その代わりに各点又は各最小走査線に関して独立に周波数限界を最適化することにより、高効率でより大きい体積を走査することができることがわかった。
【０１３６】
本発明の発明者は、特許文献１に示すように、個々のＡＯＤ効率と、ＡＯＤ構成部の駆動周波数との対比に関する多くの測定を行った。これらの測定は、少なくとも３０〜４０ＭＨｚの駆動周波数にわたる高効率が、固定された入力角度では６．５ｍｒａｄの半走査屈折角度に対応することを示した。これは、ｆｍｉｎが３０ＭＨｚに設定され、ｆｍａｘが４０ＭＨｚに設定される絶対周波数限界の概念につながる。他のＡＯＤ構成部は、様々な周波数が特定されることにつながる可能性がある。
【０１３７】
しかし、入力角度が、実際にシステムの主な限界である、各対における第二のＡＯＤの入力許容角度であることがわかったので、これらのプロット図は、ＡＯＬ総合性能をモデル化するには十分でない。入力ビームの正確な微細な屈折を起こすために、ＡＯＤの前に別のＡＯＤを使用することなく、ＡＯＤの入力許容角度の正確な高速測定を行うことは、実際には難しい。
【０１３８】
この難しさを解決するために、発明者は、ＡＯＬの総合性能を測定し、各ＡＯＤの性能を推定するために、この情報を使用した。この方法の難しさは、そこに大面積の検出器を配置する十分なスペースがないので、ＡＯＤ間の光出力レベルを測定するのは実用的でないことである。四つのＡＯＤ構成部で行われる測定に関して、ＡＯＬ総合効率の得られた測定値は、四つ全てのＡＯＤの効率を順次掛けた積である。これは、特定の任意の挙動の根本原因に関する不確かさを招く可能性がある。しかし、システムの視点から見れば、これは、理解するのが最も重要である性能である。最も効果的であることがわかった測定は、ビーム透過効率と、第三及び第四のＡＯＤ駆動周波数を一定にした状態の第一及び第二のＡＯＤに必要な駆動周波数（及びその逆）との対比をプロットすることである。図９及び１０は、この作業の結果を図式的に示す。
【０１３９】
図９は、第一及び第二のＡＯＤ３０、４０に対する駆動周波数の関数として、音響光学レンズ（ＡＯＬ）総合効率を輪郭線プロットしたものであるが、第三及び第四のＡＯＤ５０、６０は、３５ＭＨｚの一定周波数で駆動される。輪郭線は、蛍光プラスチックスライド（クローマテクノロジーコープ（Ｃｈｒｏｍａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐ））にわたって焦点を走査することにより測定された規格化された二光子効率である。ピーク規格化強度は、最も明るい（中心の）輪郭の中心では１であり、各輪郭線は０．１のステップである。最も外側の輪郭線は、０．１規格化強度を表す。新規の最適化周波数限界（ＯＦＬ）アルゴリズムが、各最小走査の効率を改善し、最適化し、又は最大化するために行うことができる一つの計算を図示するために、線図をプロット図上に重ね合せる。対角線９１は、Ｚ＝０の平面内で同じＸ屈折をもたらすコモンモード駆動周波数を含む。十字形９２は、透過が最高の効率である各コモンモード線９１上の点を表す。これらの十字形９２は、問題のコモンモード線９１の最も高い輪郭線上にある。一つの走査方法では、駆動周波数のこの対を最小走査の体素の一つ（例えば中心体素）に関して選択することができる。
【０１４０】
図１０は、第三及び第四のＡＯＤ５０、６０に対する駆動周波数の関数として音響光学レンズ（ＡＯＬ）総合効率を輪郭線プロットしたものであるが、第一及び第二のＡＯＤ３０、４０は、３５ＭＨｚの一定周波数で駆動される。輪郭線は、蛍光プラスチックスライド（クローマテクノロジーコープ（Ｃｈｒｏｍａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐ））にわたって焦点を走査することにより測定された規格化された二光子効率である。ピーク規格化強度は、最も内側の輪郭線の中心では１であり、各輪郭線は０．１のステップである。新規の（ＯＦＬ）最小走査アルゴリズムが、各最小走査の効率を最大化するために行うことができる一つの計算を図示するために、線図をプロット図上に重ね合せる。ここで、直角走査の各線に関して一つ、１００個の独立した考え得る屈折が計算され、特定のＹ走査全体を形成する各最小走査に関して反復して使用される。対角線は、同じＹ屈折をもたらすコモンモード駆動周波数である。十字形は、透過が最高の効率である各コモンモード線上の点を表す。一つの走査方法では、駆動周波数のこの対をこのＹ走査の一つの体素（例えば中心体素）に関して選択することができる。
【０１４１】
図１０は、第一及び第二のＡＯＤを固定された周波数に維持した状態での第三及び第四のＡＯＤ５０、６０の二光子効率の同じタイプのプロット図を示す。これは、第四のＡＯＤ周波数範囲の下端部であまり高効率でない以外は同様の結果を示す。これは、最適でない第四のＡＯＤの配置により生じる可能性がある。
【０１４２】
これらの輪郭線プロット点は、全プロット範囲にわたる第二の駆動信号周波数を走査し、その範囲を４μｓ／ピクセルの１００ピクセルに分割し、各線の後に第一の駆動周波数をその全範囲の百分の一ずつステップすることにより、高速で測定される。ＡＯＤの中心の周波数が、ＡＯＤ充填時間の半分と第二のＡＯＤランプ速度との積だけ変換器の周波数より遅れることを可能にするために、その駆動周波数データ点に対して第二の駆動信号周波数をプロットするとき、小さい補正がある。
【０１４３】
１１ｍｒａｄの半走査角度に対応する、２７から４４ＭＨｚまで変化する第二のＡＯＤ駆動周波数に関して、有用な二光子効率（０．２規格化二光子効率輪郭線まで）を得ることができるが、第一のＡＯＤの周波数範囲は、４．５ｍｒａｄの半走査角度に対応する、約３１〜３８ＭＨｚであることを、この輪郭線プロット図が示すことに留意されたい。第一のＡＯＤの高効率屈折角度が、４．５ｍｒａｄの半走査角度よりもはるかに大きいことがわかるので、第一のＡＯＤの高効率周波数の限定された範囲の原因は、第二のＡＯＤの限定された許容角度であることを推定することができる（このプロット図からわからないが）。
【０１４４】
これら両プロット図では、第一のＡＯＤよりもはるかに広い周波数範囲にわたり各対の第二のＡＯＤを駆動し、高効率をもたらす駆動周波数の組合せをさらに見出すことができるのは明らかである。後の結果に示すように、これにより、走査体積は、これまで説明した八面体形状から、その体積の三倍を超える直方体に変化することができる。
【０１４５】
いかにして固定された駆動周波数限界の制限を克服することができ、視野及びパターン形成挙動の驚くべき改善につながるかを示すために、以上から導かれたコモンモード及び差動モード周波数駆動を理解すると共に、これらの測定値を使用する。
【０１４６】
上述した絶対周波数限界（ＡＦＬ）アルゴリズムは、四つのＡＯＤのいずれも駆動することが許容される最大及び最小駆動周波数を最初に簡単に特定することにより動作する。それと対照的に、新規の最適化周波数限界（ＯＦＬ）アルゴリズムは、性能を改善し、最適化し、又は最大化するために使用する周波数を選択することができる。一つの実施形態では、このアルゴリズムは、各最小走査の総合回折効率を改善するために、ピーク探索アルゴリズムを使用して、図９及び１０の効率プロット図から最小走査駆動周波数を選択するのと等しい計算を実行する。
【０１４７】
本発明は、以下のように、照準合せ又は走査のためのいくつかの方法を含む。
【０１４８】
Ａ．照準モード、Ｚ＝０での所望の位置における考え得る最高効率
考え得る走査体積空間内の所望の位置に関して、一般に、ビームを所望の位置に屈折させるのに使用することができる全ての周波数候補の対を定義する、Ｘ屈折の一つのコモンモード線が存在する。コモンモード線の傾きは、所望の位置のＺの値に依存する。
【０１４９】
この方法によれば、最高効率を有するコモンモード線に沿った点は、図９（図９では、最高効率を有する各コモンモード線９１に沿った点は、十字形９２で示す）から特定することができ、この点における周波数は、ビームを屈折させるために使用することができる。
【０１５０】
一例をＺ＝０の平面に関して説明する。ビームを固定点に屈折させ、ＡＯＤ周波数をリセットするのを必要とすることなく、ビームをそこに合わせたままにすることができるのは、この平面内だけであるので、この平面は、特別な場合である。この理由は、Ｚ＝０で、ＡＯＤにランプ昇降を適用する必要がなく、固定された変化しない周波数が、Ｘ及び／又はＹ方向の必要な屈折をもたらすにすぎないからである。
【０１５１】
簡単にするために、Ｘ＝ｋ、Ｙ＝０、及びＺ＝０の点を選択する。これは、Ｘ屈折をもたらすために、第一及び第二のＡＯＤのみを使用する必要があることを意味する。Ｙが非ゼロであれば、図９の代わりに図１０の効率プロット図を使用して、Ｙ屈折をもたらすために、第三及び第四のＡＯＤを駆動するための周波数を導くために同じ原理を使用することができる。
【０１５２】
Ｘ屈折の値ｋは、第一及び第二の駆動周波数間に必要なオフセット量を決定する。次に、これは、図１１（図９と同じプロット図である）の適当なコモンモード線の特定につながる。Ｘ＝ｋの屈折が、図１１の線７０に沿って存在する周波数のいずれでも実現可能であると仮定されたい。効率を最大化するために、使用すべき正確な周波数の対は、線７０上にある全ての対の最高効率を有する、線７０に沿って存在する周波数の対を選択することにより、選択することができる。これは、線７０に沿って存在する周波数の対の効率がプロットされた図１２に示される。最良の周波数の対を得るために、図１２のプロット図の最高点は、ここで示すように、点７２と特定される。対応する点を図１１にさらに示す。この点が特定されると、図１１から周波数の値をｆ１ｋｂ及びｆ２ｋｂと決定するのは簡単である。例えば、ｆ１ｋｂ及びｆ２ｋｂは、各それぞれ、約３３ＭＨｚである。この方法によれば、空間ｋ，０，０の位置は、第一のＡＯＤ駆動周波数ｆ１ｋｂ及び第二のＡＯＤ駆動周波数ｆ２ｋｂを使用して、照準を合わせられる。理論的には、線７０に沿って存在する他の周波数の対７３のいずれかを使用することにより、同じ位置を得ることができたであろう。しかし、点７２に対応する対は、最高効率の透過につながるので、それが使用された。
【０１５３】
実際には、この方法は、駆動周波数候補７２、７３の複数の対を含む群を最初に特定することにより、実時間で実施することができる。これらの周波数の対の候補７２、７３は、所望のＸ屈折をもたらし、従って、興味のある領域のコモンモード線７０に沿って存在する周波数の対となるものである。対の候補は、図１１の点７３で示す。
【０１５４】
対の候補７３を含む群を決定すると、対の周波数をＡＯＤで使用するならば、この群の各対が提供するであろう透過効率を決定するために、図１１のデータを使用することができる。これらの効率を図１２に番号７２及び７３で図式的に示す。
【０１５５】
次に、決定された効率に基づいて、使用すべき一対の周波数を選択することができる。この例では、最高効率を特定し、最高効率を有する群の対７２をＡＯＤに使用する。
【０１５６】
この群は、例えば、２対から１００対の間、好ましくは５対から５０対の間、より好ましくは５対から２０対の間の好都合な任意の数の周波数の対を含むことができる。より少ない数の対を使用する場合、使用すべき正確な周波数を決定する際、内挿法を使用することができる。
【０１５７】
方法１の参照テーブル
実時間処理能力要求は、参照テーブルのいくつかのコモンモード線の最良の周波数の対に関するデータを事前記憶することにより低減することができる。例えば、Ｚの値の範囲（例えば３０個の値）のそれぞれに関して、３０個程度のコモンモード線に関する最良の周波数の対を記憶することができる。これは、２０ｘ３０＝６００の好ましい周波数の対、又はＸに関する２０ｘ３０ｘ２＝１２００のデータ位置及びＹに関する別の１２００のデータ位置に対応する。そうした場合には、使用すべきＡＯＤ駆動周波数を決定するのに、以下の方法を使用することができる。
【０１５８】
点Ｘ＝ｋ、Ｙ＝０、Ｚ＝０では、参照テーブルの適当なセクションを参照することができ、真のコモンモード線（正しいＸ屈折を正確に与える）の最も近くにあるデータを記憶するコモンモード線を特定することができる。好ましくは周波数の対を参照することができる。テーブルが、興味のある正確なコモンモード線に関するデータをたまたま含んでいれば、ＡＯＤ駆動周波数として、好ましい周波数の対を単純に使用することができる。
【０１５９】
テーブルが、興味のあるコモンモード線に関するデータを含んでいなければ、最も近いコモンモード線に関する好ましい周波数の対が得られ、次に、その周波数の対は、ビームを正確な正しい位置に合わせるように変更される。
【０１６０】
そうした補正は、周波数を正しいコモンモード線にシフトさせる差動モード成分を加減することにより、実現することができる。或いは、第一及び第二の駆動周波数のいずれかを、正しいコモンモード線上の点に達するまでシフトさせることができる。
【０１６１】
方法２の参照テーブル
好ましい周波数の対自体を記憶するのではなく、代わりに、コモンモードオフセット量データなどの、好ましい周波数の対に関係するデータを記憶するのが有利である可能性がある。これらのオフセット量を、図１３のベクトル７６として図示する。
【０１６２】
ここで、点３５ＭＨｚ、３５ＭＨｚを通る差動モード線６９は、座標系の原点と見なされる。コモンモードオフセット量７６は、それぞれのコモンモード線に沿って測定され、図１３の最高効率の点に達するのに必要な周波数シフトの量を与える。例えば、コモンモードオフセット量７６ａでは、コモンモード線７７の傾きの値と共に、量ｆｏｆｆｓｅｔが記憶される。
【０１６３】
従って、参照テーブル内のデータは、Ｚの特定の値に対応し、複数のコモンモード線のそれぞれに関する最良の周波数の対に対する特定のオフセット量を提供する。
【０１６４】
テーブルを以下のように使用する。最初に、入力として空間内の所望の位置を取得する、既知の式（特許文献１参照）が使用され、これらの式は、出力として適当なコモンモード線上の点を提供する。例えば、位置ｋ，０，０では、式は、図１３に示すように、基準周波数の対７７を提供する。
【０１６５】
次に、参照テーブルを参照し、点７７に最も近い周波数に関して記憶されたコモンモード周波数オフセット量データを得る。次に、このオフセット量データ７６ｂは、ＡＯＤに関する駆動周波数として使用することができる好ましい周波数の対７８を得るように、基準周波数の対７７を変更するために適用される。
【０１６６】
後に明らかになるように、参照テーブルの使用は、必要な実時間処理量を低減することができる一方で、最良の周波数を選択する際に、わずかな量の誤差を導くが、それは、記憶された好ましい周波数の多少の変更が必要であり、又は、最も近いコモンモードオフセット量を選択する際の多少の妥協が必要であるからである。
【０１６７】
Ｂ．照準モード、Ｚ≠０での所望の位置における考え得る最高効率
照準モードは、物理的位置が全く動かないが、Ｚ≠０であるので、周波数をリセットするために最小走査線を使用する必要がある場合も含む。このモードは、実際に、概念的には、後に説明する走査モードに極めて似ている。本説明で、「走査」及び「最小走査」は、周波数を昇降させる必要があり、従って、Ｚ≠０での照準モードを含む、任意の場合を指す。
【０１６８】
この場合には、本方法は、上述したものと同様であるが、最小走査経路に沿って存在する基準位置は、最高効率の点と一致するように特定及び形成される。最小走査線の中心の点が選択されるのが好ましいが、実際には、いかなる点も使用することができる。
【０１６９】
ｋ及びｍが走査体積内の位置である場合に、位置Ｘ＝ｋ、Ｙ＝０、Ｚ＝ｍに３０μｓ間、照準を合わせることが必要であると仮定されたい。Ｚ≠０のとき、正しいＸ屈折をもたらすために、第一の駆動周波数と第二の駆動周波数との間の必要なオフセット量を維持しながら、周波数を昇降させる必要がある。実際には、これは、図１４に示すように、ある長さ（Ｚ位置及び３０μｓの滞留時間に関する）を有するベクトル１３に従う必要があることを意味する。図１４からわかるように、コモンモード線７０に沿ったベクトル７４を配置する場所に関して、選択する。この方法によれば、ベクトル７４の中心は、基準点として選択され、線７０の最高効率点と一致するように形成される。これにより、図１４に示すように、効率的であることがわかる、動作領域内の最小走査ベクトルが配置される。
【０１７０】
二つの参照テーブル方法は、所望の位置の代わりに基準位置を使用して、上述したように、同様に使用することができる。
【０１７１】
Ｃ．走査モード、最小走査線に沿った点における考え得る最高効率
走査モードは、位置の範囲にわたってビームを走査するために、Ｘ又はＹが、時間と共に系統的に増加又は減少する場合を含む。Ｚ≠０での照準モードと同様に、最小走査線は、プロット図上のベクトルであるように見える。しかし、照準モード最小走査線とは対照的に、ベクトルは、走査モードでは差動モード成分を含み、従って、正確にコモンモード線に沿っては存在しない。それでも、同じ原理が適用される。
【０１７２】
所望の最小走査線（通常は最小走査線の中心点である、通常は最小走査線に沿って存在する基準位置、並びに、走査を行う走査速度及びＺの値により定義された最小走査線勾配に関する）が定義されると、基準点に関してコモンモード線を特定することができる。通常、これは、既知の式を使用して実現される。（照準モードに関して図１１及び１２に示すように）最高効率のこのコモンモード線に沿った点を特定することができ、この周波数の対を任意の最小走査の基準点（例えば中心点）として使用することができる。使用すべき開始及び終了の周波数の対は、特定された基準点を通って、正しい勾配の線を描くことにより、最小走査線勾配の情報から導くことができる。
【０１７３】
例えば、（Ｘ１，Ｚ１）の点Ａから（Ｘ２，Ｚ１）の点Ｂまで最小走査を行うのが望まれると仮定されたい。値Ｘ１は、この場合は線５１として特定された線である、図１５のコモンモード線の一つに対応する。値Ｘ２は、図１５の線５２に対応する。値Ｚ１及び所望の走査角速度は、図１５に示すように、経路線５３の傾きを固定する。
【０１７４】
従って、最小走査を開始する周波数に関して選択する。一般には、線５１に沿って存在する周波数のいかなる対も、開始周波数として選択することができる。
【０１７５】
走査を改善するためのこの方法は、走査の中心で使用される周波数が、考え得る最高効率の利用可能な選択肢を有することを要求する。
【０１７６】
これを計算するために、図１５ではここに線５４で示すように、正確に線５１と線５２との間にあるコモンモード線を特定する。次に、この線に沿った最高効率の点を特定し、その点を図１５の５５で示す。
【０１７７】
次に、最小走査線５３は、その中心にこの点５５を確実に有するように、これらの制約に合わせられることが可能である。従って、これは、開始周波数の対として使用する周波数の対５６、及び終了周波数の対として使用する対５７を構築する。
【０１７８】
この方法は、最小走査線５３に沿った点５５、好ましくは最小走査線の中心で、考え得る最高効率を与える周波数の対を最小走査が確実に使用するようにする。図１５の効率マップが、効率が上下する一連の山及び谷を有するとき、この方法は、山ピークを特定し、それを最小走査線の中心に置く。これは、考え得る最も明るい画像を得ることを意味する。
【０１７９】
この方法は、各最小走査内で体素ごとの効率の変化を最小化するのも助ける。この方法は、周波数の高効率群を特定し、それを最小走査に使用することを確実にする傾向がある。
【０１８０】
二つの参照テーブル方法は、所望の照準位置の代わりに基準位置５５（最小走査線に沿ったある点、好ましくは中心の空間位置）を使用して、上述したように同様に使用することができる。
【０１８１】
Ｄ．最小走査線の最小閾値
最小走査線の第二の方法は、最小走査線全体に関して、ある閾値を超える連続した効率をもたらす正しい勾配で、始点から描くことができる最も長い最小走査線を特定することである。これは、最小走査線長を最大化することを助け（従って、必要に応じてリセットされるＡＯＤの量を低減し、それにより、ＡＯＤ充填に関わる休止時間を回避する）、さらに、生じる可能性がある効率変化を低減することにより、パターン形成を低減するように機能する。
【０１８２】
これは、図１６において説明される。Ｘ１（始点コモンモード線を定義する）及びＺ１（図１６の走査線勾配を定義する）の情報があれば、効率が最小閾値を超える、図１６の領域にわたってのみその経路を描くことができる最も長い線を計算することができる。
【０１８３】
例えば、３０％の閾値を設定することができる。走査開始位置は、走査が図１６のコモンモード線１９２から開始されなければならないことを意味するものと仮定されたい。Ｚ平面及び走査速度は、図１６のベクトル１９３で示す勾配を与える。効率が３０％以上である領域にわたって描くことができる、最も長い連続線は、図１６の線１９３として示す。線１９３全体は、ここでは３０％である、ある最小閾値を効率が超える、図１６の領域にわたって存在する。
【０１８４】
最小閾値は、任意の適当な値、通常は１０％〜９０％、適宜２０％〜８０％、又は３０％〜７０％、又は４０％〜６０％、又は５０％の範囲とすることができる。
【０１８５】
この方法では、走査経路の基準点は、走査開始位置となるように選択されるのが好ましい。これは、図１６で開始位置に関するコモンモード線を構築する。開始位置の駆動周波数は、図１６の点１９４に示すように、コモンモード線が効率＝３０％の輪郭線と交差する場所に注目することにより得ることができる。次に、線１９３は、効率が３０％未満に落ち始める、図１６の領域に達するまで延びる。これは、図１６で１９５の符号がついた終点駆動周波数をもたらす。
【０１８６】
実際に、効率＝３０％の輪郭線とコモンモード線１９２との交点は、コモンモード線に沿ったいくつかの駆動周波数の対の候補を特定し、３０％を超える関連の効率を有するが、３０％に最も近い効率を有する対でもある、周波数の対を選択することにより得ることができる。
【０１８７】
別の方法は、駆動周波数候補のそれぞれに関する走査経路線を描き、効率が３０％以下まで低減する際に線を終了させ、次に、最も長い線を選択するために各線を比較することである。
【０１８８】
Ｅ．走査長にわたる効率の限界変化
第三の方法は、走査経路にわたって、効率がどれくらい変化する可能性があるかにより制限する。これは、パターン形成を大幅に低減するのを助けるが、それは、最終画像で利用可能な輝度の範囲を効果的に制限するからである。
【０１８９】
一例を図１７に関して説明する。図１７に示すように、コモンモード線８０からコモンモード線８２まで走査する必要があると仮定されたい。考え得る最高効率の点を通る走査を線８４として示す。しかし、効率が、線に沿って、始点の約２５％から、中心近傍の１００％を通り、次に終点の４２％まで大幅に変化することがここでは特徴的である。従って、得られた画像は、深刻なパターン形成を有し、それは、輝度が走査にわたって２５％から１００％の間で変化するためである。
【０１９０】
その代わりに、アルゴリズムは、必要な始点コモンモード線８０から開始し、必要な終点コモンモード線８２で終了し、Ｚ集束及び走査速度制約により要求される勾配を有し、例えば３０％の最大閾値を超えない、その長さに沿った効率の変化を有する、図１７の線を見出すことができる。そうした線は、５０％効率を有する周波数の対で開始し、効率が最小走査線に沿う途中で約６５％となるように上昇しながら、５０％効率を有する点で終了する、線８６として示される。従って、線に沿った変化は、１５％だけになり、最終画像のパターン形成を低減する。
【０１９１】
この方法は、走査継続時間の間、所定の閾値を超えない最高効率と最低効率との比率を有する、対の最長の連続した組に関する周波数の対の群に沿って探索するアルゴリズムの使用により実施することができる。以上の例では、最高効率は６５％で、最低効率は５０％であるので、最高効率と最低効率との比率は、６５／５０＝１．３である。従って、この走査は、２を超えない最高効率と最低効率との比率の要求を満たす。
【０１９２】
多くの最小走査の駆動周波数の最適な対を計算するために実行される反復計算の数を最小化するのに、ここで説明した方法とほぼ同じ結果をもたらす、よく知られた方法及び近似式を使用することができることに留意されたい。例えば、最小走査は、互いに十分に近接するタイルなどの領域に分類することができ、図１８に示すように、最適なコモンモードオフセット周波数の小さい誤差のみが、タイルの中心に位置する中間体素に関して単一の最適化計算を使用することから生じる。ここで、１６個のタイル１２２に分割されたＸＹ視野全体１２０を示す一つのＺ平面を図示する。各タイルは、中心位置１２４を有し、好ましい周波数の対又はコモンモードオフセット量のデータは、各タイルのＸ及びＹの両方に関して記憶される。図１８の例では、これは、ある好ましい対又は四つの考え得るＸ屈折のそれぞれに関するオフセット量、及び別の好ましい対又は四つの考え得るＹ屈折のそれぞれに関するオフセット量を記憶し、従って、トータルで八つの記憶イベントを要求することを意味する。
【０１９３】
それに加えて、全タイル又はさらに全最小走査に関して一度だけ実行される最適化コモンモードオフセット量計算の結果は、上述のように、データの後続の再使用のために座標ベースの参照テーブル内に記憶することができる。これは、特定の最小走査線又は近接した最小走査線の群に関する駆動周波数を計算する必要がある毎に、より複雑な最適化及びピーク効率発見アルゴリズムの反復を回避する。
【０１９４】
本発明は、音響光学レンズを設定する際に使用することができる参照テーブルを編集するための方法及び装置も含む。
【０１９５】
この態様によれば、音響光学レンズを設定するのに有用なデータが取得され、好ましくはコンピュータ読取可能形式で記憶される。
【０１９６】
最初に、音響光学レンズを使用して電磁放射ビームを屈折することができる、空間内の考え得る複数の位置が定義される。通常、これは、考え得る走査体積に広がる位置のマトリクスになる。次に、空間内の考え得る位置のそれぞれに関して、駆動周波数の候補の複数の対を含む群が特定される。この群を上述の実時間モードと同様の方法で得ることができ、例えば、２０個程度の駆動周波数の対の候補を特定することができる。上述のように、駆動周波数候補の各対は、前記第一の音響光学偏向器に関する第一の駆動周波数候補、及び前記第二の音響光学偏向器に関する第二の駆動周波数候補から構成され、それらの対は、対の前記第一及び第二の駆動周波数候補が同時にそれぞれの第一及び第二の音響光学偏向器に適用されるとき、電磁放射の前記ビームが空間内の前記考え得る位置に照準を合わせるようにする。従って、これまで、データは、空間内のいくつかの位置のそれぞれに関して、その位置にビームを合わせるために使用することができる考え得る周波数の対の群を含む。
【０１９７】
次に、各群の特定された周波数の対の候補のそれぞれに関して、ＡＯＬの透過効率を評価する。これは、周波数候補の各対を有するＡＯＬを実際に駆動し、空間内の関連の点の透過効率を測定することにより行うのが好ましい。しかし、その代わりに、これは、図９及び他の図に示すデータなどの詳細なデータを参照し、必要に応じて内挿することにより、行うことができる。
【０１９８】
最後に、駆動周波数候補の対は、各群から選択される。そうした選択は、駆動周波数候補の各対に関する決定された効率に合わせるのが好ましい。通常、群内の最高効率を有する対の候補が選択される。
【０１９９】
次に、この選択された対の候補は、空間内の特定の考え得る位置に関する好ましい駆動周波数として記憶することができる。或いは、上述のように中心からどれくらい離れているかを表す値であるコモンモード周波数オフセット値を決定することができ、差動モード線から好ましい周波数の対が決定される。従って、このオフセット量データは、好ましい周波数の対に関するデータである。異なる座標系又は原点に基づくオフセット量データなどの、好ましい周波数の対に関する他のデータを保存することができる。
【０２００】
その結果、ＡＯＬシステムの効率を効果的な方法で表す一連のデータ（表形式が好ましい）が存在するが、それは、極めて大きい処理能力を得ることなく、使用効率を最適化するように、ＡＯＬデバイスを高速で設定することを可能にするためである。
【０２０１】
以上のものの代わりに、ＡＯＬコントローラには、図９及び１０に示すデータなどの詳細な効率データを提供することができ、点又は走査のために使用する駆動周波数に関する決定を行うとき、このデータを実時間で参照することができる。
【０２０２】
パターン形成問題を低減し、視野を大幅に増大させるようにする進歩を図１９及び２０に示す。
【０２０３】
図１９及び２０は、ｓ＝６ｍｒａｄのＡＦＬ（絶対周波数限界）走査アルゴリズム（図１９）、及び６ｍｒａｄの半走査角度をプログラムされたＯＦＬ（最適化周波数限界）走査アルゴリズム（図２０）を使用して４０Ｘ、ＮＡ＝０．８の対物レンズの下の視野の比較を提供する。各画像のＸＹ視野は、約１８０μｍである（電子顕微鏡グリッドは４２μｍピッチである）。
【０２０４】
図１９は、ＡＦＬアルゴリズムを使用してＮＡ＝０．８、４０Ｘの対物レンズの下の視野を増大させるために、半走査角度ｓを６ｍｒａｄまで増加させるとき、何が起こるかを示す。ＡＯＤがその周波数限界を超えるのを回避するために、大きいＺ変位の極めて小さい走査領域により、独特のプログラムされた八面体形状を見ることができる。この画像のパターン形成は、ｓ＝４．３ｍｒａｄよりもむしろ６  ｍｒａｄで各最小走査線におけるＡＯＤが、より大きい周波数範囲を走査することが可能になるので、図３よりもはるかに明瞭であることに留意されたい。Ｚ＝＋３７．５μｍ及び−４２．５μｍの各最小走査線の両端で、二光子画像の強度は、大幅に降下する。
【０２０５】
同じＸＹ走査範囲に関して設定された新規のＯＦＬ（最適化周波数限界）アルゴリズムの結果を図２０に示す。ＯＦＬ走査アルゴリズムが、ほぼ一定の走査面積、及び約１６０μｍの軸方向範囲にわたるＥＭグリッドの明瞭な画像を示していることに留意されたい。視野の端部での強度の減衰は、これらの大きいＸＹ屈折における深刻な色収差、及びＡＯＬ効率の低減により生じるものと推定される。しかし、視野を拡張する際も、パターン形成を低減する際も、十分に進歩したのは明らかである。
【０２０６】
図２０の画像上のわずかな格子模様は、アルゴリズムが、ある高効率最大値から別の値に急に移る際に生じる効率の変化に対する駆動強度補償又はポッケルスセル補償を使用しなかったことにより生じる。同様に、各最小走査のピーク効率の変化により生じる、視野にわたる効率の変化を補償する試みを行わなかった。そうした微調整は、後に加えることができる。
【０２０７】
図１９及び２０を比較することにより示すように、Ｚ＝０での同じ走査寸法に関して、ＡＦＬアルゴリズムに対するＯＦＬアルゴリズムの視野は、八面体ではなく直方体であり、従って、例えば分解能の損失により生じるＺ走査の限界に正確に依存して、約三倍の大きさの走査体積を有する。より大きいこの直方体の視野及びパターン形成の低減は、極めて大きい進歩であることは明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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