(57)【要約】  補償走査光学顕微鏡１０は、物体平面の異なる部位から像を得ると共に当該像が得られるところの物体平面の部位の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する好ましくは湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体１６を有する。ステアリングミラー１４は、視野を選択すると共に物体１２からの光であって物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦する。補償光学素子１８は物体１２からの操縦された光を受けると共に視野位置に依存する光学収差を補償し、補助的光学２０はステアリングミラー１４から補償光学素子１８を通って最終像平面へと移動するように光を条件付けると共に集束するように光路の少なくとも一部に沿って配置される。【選択図】図１
2008529082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された視野位置の関数として光学収差が変化するように物体の異なる前記選択された視野位置から有限の像を形成するための走査レンズ集合体であって一つの像面を形成する走査レンズ集合体と、各前記視野位置からの光であって前記物体から最終像平面までの光路に沿い波面を有する光を操縦する像操縦手段と、前記視野位置に依存する光学収差のうちの少なくともいくらかを補償して前記光路中の前記波面の形状に影響を及ぼすと共に前記光路に沿う前記光の波面に選択された形状を導入する補償光学素子と、前記補償光学素子に対する光及び前記最終像平面に対する光を条件付けするための前記光路の少なくとも一部に沿った補助的結像光学と、前記最終像平面に像を投射する最終結像光学とを含む補償走査光学顕微鏡。
【請求項２】
前記走査レンズ集合体によって形成される前記像面が湾曲しているものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項３】
前記像操縦手段がステアリングミラー及び該ミラーを操縦する手段を含むものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項４】
前記補償光学素子が可変鏡を含むものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項５】
前記補償光学素子の能動領域を使用するように、前記補償光学素子の開口寸法を前記走査レンズ集合体の光学的必要条件に適合させるために前記光路に沿った前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する前条件付けステージ、及び、前記補償光学素子の開口寸法を前記最終結像光学の必要条件に適合させるために前記光路に沿った前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する後条件付けステージを前記補助的結像光学が含むものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項６】
前記補償光学素子に対する前記前条件付けステージと前記補償光学素子に対する前記後条件付けステージとの双方が少なくとも１つの負レンズと少なくとも１つの正レンズとを含むものである請求項５記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項７】
当該装置によって受け入れられ、そして前記最終像平面上へ投射される前記光の束の境界を定めるための開口絞りを含むものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項８】
選択された全系倍率を達成するため及び最終像を前記最終像平面に投射するために付加的な拡大又は縮小を与える前記最終結像光学、並びに、前記最終像を感知する光センサーを含むものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項９】
前記走査レンズ集合体が、ガラスレンズ素子；合成樹脂レンズ素子；ＧＲＩＮレンズ素子；回折レンズ素子；球状の光学素子；非球状の光学素子；外部瞳孔、テレセントリック挙動、非テレセントリック挙動を示す少なくとも一つの素子；全ての視野位置に対する均一な開口数、異なる視野位置に対する不均一な開口数；ｆ−θ歪写像、ｆ−ｃｏｓθ歪写像、ｆ−ｓｉｎθ歪写像に実質的に従う少なくとも一つの素子；第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に球状である第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に放射状である第一の中間像平面で湾曲した像面とを投射する少なくとも一つの素子のうちの少なくとも一つを含む１又はそれ以上のレンズ又はミラー素子の光学的機械集合体を有するものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１０】
前記像操縦手段がステアリングミラー及び該ステアリングミラーを操縦する手段を有し、当該ステアリングミラーを操縦する手段が、少なくとも一つの検流計、音声コイルアクチュエーター、圧電アクチュエーター、静電アクチュエーター、ジンバル機構、並列機構、屈曲性機構、及び磁気浮揚からなる群から選択されたのものであり、さらに、前記ステアリングミラーは、平坦な反射表面、湾曲した反射表面、実質的に球状である湾曲した反射表面、実質的に非球面の湾曲した反射表面及び回転するプリズムのうちの少なくとも一つを有するものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１１】
前記補償光学素子が、可変鏡；空間光変調器；光学位相アレイ；可変レンズ；及び電気光学素子のうちの少なくとも一つを有するものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１２】
前記補助的結像光学が、ガラスレンズ素子、合成樹脂レンズ素子、ＧＲＩＮレンズ素子、回折レンズ素子、球状レンズ素子、非球状レンズ素子のうちの少なくとも一つを有する前記補償光学素子のための前方条件付け光学；ガラスレンズ素子、合成樹脂レンズ素子、ＧＲＩＮレンズ素子、回折レンズ素子、球状レンズ素子、非球状レンズ素子のうちの少なくとも一つを有する倒立条件付け光学；及び、ガラスレンズ素子、合成樹脂レンズ素子、ＧＲＩＮレンズ素子、回折レンズ素子、球状レンズ素子、非球状レンズ素子のうちの少なくとも一つを有する前記最終結像光学を有するものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１３】
前記最終像平面で光を受けるセンサーを有しており、当該センサーは、デジタルカメラ、帯電結合デバイス、ＣＭＯＳセンサー、分光計及び人間の目で見るための接眼レンズのうちの少なくとも一つを有するものである請求項１記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１４】
物体平面の異なる部位から像を得ると共に当該像が得られるところの前記物体平面の軸外れ領域の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体；前記像面からの光であって前記物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦するためのステアリングミラー；前記物体から前記像面への前記操縦された光を受けると共に少なくともいくらかの収差を動的に補償するための可変鏡；並びに、前記光が前記ステアリングミラーから前記可変鏡を通って前記最終像平面へと移動するように前記光をガイドするための前記光路の少なくとも一部に沿う補助的結像光学であって、前記光路に沿う前記ステアリングミラーと前記可変鏡との間の前方接眼レンズ、前記光路に沿う前記可変鏡と当該顕微鏡の系開口との間の倒立接眼レンズ、及び、前記倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を有する補助的結像光学を有する補償走査光学顕微鏡。
【請求項１５】
前記前方接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズ及び少なくとも一つの正レンズを含み、前記倒立接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズを有し且つ少なくとも一つの正レンズを含み、前記最終結像光学が少なくとも一つの正レンズを有するものである請求項１４記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１６】
前記前方接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズ及び少なくとも一つの正レンズを含み、前記倒立接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズを有し且つ少なくとも一つの正レンズを含み、前記最終結像光学が少なくとも一つの正レンズを有し、当該顕微鏡が前記最終像平面で光を受けるためのカメラを含むものである請求項１４記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１７】
物体平面の異なる部位から像を得ると共に当該像が得られるところの前記物体平面の領域の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体；前記像面からの光であって前記物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦するためのステアリングミラー；前記物体から前記像面への前記操縦された光を受けると共に少なくともいくらかの収差を動的に補償するための可変鏡；前記光が前記ステアリングミラーから前記可変鏡を通って前記最終像平面へと移動するように前記光をガイドするための前記光路の少なくとも一部に沿う補助的結像光学であって、前記光路に沿う前記ステアリングミラーと前記可変鏡との間の前方接眼レンズ、前記光路に沿う前記可変鏡と当該顕微鏡の系開口との間の倒立接眼レンズ、及び、前記倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を有する補助的結像光学；並びに、前記最終像平面で光を受けるためのサイエンスカメラを有する補償走査光学顕微鏡。
【請求項１８】
前記前方接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズ及び少なくとも一つの正レンズを含み、前記倒立接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズを有し且つ少なくとも一つの正レンズを含み、前記最終結像光学が少なくとも一つの正レンズを有するものである請求項１７記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項１９】
走査レンズ集合体を用いて物体平面の異なる部位から有限の像を得ると共に拡大し更に前記像が得られるところの前記物体平面の前記部位の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する像面を形成し；前記走査レンズ集合体からの光であって前記物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦し；前記物体から前記像面への前記操縦された光の波面に対する変形を用いて少なくともいくらかを収差を動的に補償し；さらに、前記光路の少なくとも一部に沿う補助的結像光学を用いて前記光が前記操縦段階から前記変形段階を経て前記最終像平面へと移動するように前記光を集束させることを有するものである拡大すべき像のために物体平面を補償走査する方法。
【請求項２０】
前記走査レンズ集合体によって形成される前記像面が湾曲しているものである請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記光路に沿う前記操縦段階を実行するためのステアリングミラーに続く前方接眼レンズ及び前記変形段階を実行する可変鏡、当該可変鏡と顕微鏡の系開口との間の前記光路に沿う倒立接眼レンズ、当該倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を前記補助的結像光学が有するものである請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記接眼レンズのうちの少なくとも一方は負レンズを含むものである請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記光路に沿う前記顕微鏡の系開口及び前記倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を含み、前記前方及び倒立接眼レンズの双方が負レンズ及び正レンズを有するものである請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
選択された視野位置の関数として光学収差が変化するように物体の異なる前記選択された視野位置から有限の像を形成するための走査レンズ集合体であって第一の中間像を形成する走査レンズ集合体と、各前記視野位置に対する開口の第一の像からの光であって前記物体から最終像平面までの光路に沿い波面及び第一の中間像平面を有する光を操縦する像操縦手段と、前記視野位置に依存する光学収差のうちの少なくともいくらかを補償して前記光路中の前記波面の形状に影響を及ぼすと共に前記光路に沿う前記光の波面に選択された形状を導入する補償光学素子であって開口の第二の像に位置する補償光学素子と、前記補償光学素子の能動領域を有効に使用するように前記補償光学素子の開口寸法を前記走査レンズ集合体の光学的必要条件に適合させるように前記光路に沿う前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する前条件付けステージと、最終結像光学のための及び第二の中間像平面で光を投射するための必要条件に前記補償光学素子の開口寸法を適合させるように前記光路に沿う前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する後条件付けステージと、前記第二の中間像平面からの像を前記最終像平面で投射するための最終結像光学とを有する補償走査光学顕微鏡。
【請求項２５】
前記結像系を通して受け入れられると共に前記最終像平面に投射される前記光の束の境界を定めるための開口絞りを含むものである請求項２４記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項２６】
前記最終像を抽出すると共に光情報を計測可能な量に転換するための少なくとも一つのセンサーを有するものである請求項２４記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項２７】
前記ステアリングミラーの位置を制御すると共に前記補償光学素子への作動信号を制御するための少なくとも一つの電子的システムを含むものである請求項２６記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項２８】
前記センサーからのデータを読み込むための少なくとも一つの電子的システムを含むものである請求項２７記載の補償走査光学顕微鏡。
【請求項２９】
前記最終像平面において得られた光のデータの表示と加工と収納とのうちの少なくとも一つを行うための少なくとも一つの電子的システムを含むものである請求項２８記載の補償走査光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、光学顕微鏡の分野に関するものであり、そして、特に、公知の光学顕微鏡に共通する解像度と視野との間の通例の相反関係の問題を処理し改善する新規且つ有用な補償走査光学顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願は２００５年１月２７日に出願された米国仮特許出願第60／647,572号に係る優先権を主張するものであり、当該仮出願は参照によって本明細書中に組み込まれる。
【０００３】
本発明者らは、２００５年２月２５日に出願された米国特許出願第10／525,422号において、解像度と視野との間の相反関係の問題を解決するための初期のアプローチを示した。本出願は、米国仮特許出願第60／411,038号及びＷＯ2004／025331として公開された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ2003／029332に係る優先権を主張するものであり、そしてこれらの全てはまた、参照によって本明細書中に組み込まれる。
【０００４】
広範囲の適用（例えば、微細組立、生物学的観察、バイオテクノロジーや医学的診断や製造や検査などのための観察及び操作）に関して、光学顕微鏡は依然として人間の裸眼の閾より下で観察するための最も重要な道具のうちの一つである。しかしながら、その従来の形式においては、光学顕微鏡は上述したような解像度と視野との間の相反関係に悩まされている。本発明は、獲得画像における解像度を保持しつつ視野を拡張するために、走査レンズ、ステアリングミラー、補償光学素子、補償光学（ＡＯ）条件付け光学、及び結像光学を組み合わせる新しい光学顕微鏡設計である。この装置は、増加した処理量によって高い画像収集率で作動する能力あるいは或る一定の空間的−一時的な観察を容易とするための能力を有している。
【０００５】
バイオテクノロジー及び微小電気機械システム（micro-electro-mechanical  system：ＭＥＭＳ）の最近の進歩並びに微細化に向かう産業の傾向と共に、人間の裸眼の閾より下の尺度で観察し、相互に作用し、そして検査する必要性が増大している。この必要性を満たすことで、光学顕微鏡は興味を再度持たれており、これらの分野が進展する際における重要な道具であり続けている。しかしながら、本質的な光学的設計及び作動原理は前世紀において顕著には変化しておらず、また、光学顕微鏡は未だに結像系の視野と解像度との間の周知の固有の相反関係に悩まされている。
【０００６】
本発明は、本明細書において後により十分に説明されるように、能動光学素子、動作制御及び従来の静止光学素子を用いた画像処理技術を密接に結合された様式において統合させることによって高解像度で拡張した視野を達成するものである。
【０００７】
視野を拡張する動機づけは、当初、微細組立及び正確な製造における本発明者らの経験から生じた。視覚誘導微細組立は、しばしば、ミクロン又はサブミクロンレベルの解像度で、かなり離れた部分の特徴をほぼ同時に観察すること（例えば、基板上に組付けられるマイクロミラーや光学センサーの複数のクリティカルエッジを観察すること）を必要とする。必要とされる解像度で十分に広い視野を単一の顕微鏡では提供することができないので、複数の顕微鏡及び／又は移動ステージが容易に利用可能な既製の解決策を提供している。しかしながら、１秒当りの移動に係る制限及び移動ステージによる標本の動揺、さらに、それぞれ新しい組立作業のために複数の顕微鏡を再配置し較正するのに要する相当な努力は、本発明者らに、これらの問題点を処理するための新たな光学顕微鏡の設計の必要性を示唆するものであった。
【０００８】
同じ理由で、このような顕微鏡は、機械的視覚を用いて行われる生物学的及び医学的結像並びに工業的製造及び検査に対しても望ましいものである。上述した先の米国、ＰＣＴ及び仮特許出願において、更に非特許文献１において開示された本発明者らの最初の設計は「走査光学モザイク鏡」（Ｓcanning  Ｏptical  Ｍosaic  Ｓcope：ＳＯＭＳ）と呼ばれ、微細組立及び生物学的結像に用いる高速ポストオブジェクティブ走査系を実時間モザイク構築技術と組み合わせる利点を実証した。先に開示したＳＯＭＳに関する光学的配置は、レーザー焼きなまし形状記憶合金のために製作した機械によって当初は示されたものである（非特許文献２）。このアプローチは、ポストオブジェクティブ２次元走査鏡の概念を共有するものである。この構成はいくつかの市販の製品においても用いられているが、それ自体の基本的形態においては走査レンズにおける軸外れ収差のために限られた視野を有するものである。本発明は、より大きな視野を提供するためにこの問題を処理するものである。
【非特許文献１】Ｂ.Ｐotsaid，Ｙ.Ｂellouard及びＪ.Ｔ.Ｗen：Ｓcanning  optical  mosaic  scope  for  micro-manipulation，Ｉnt．Ｗorkshop  on  Ｍicro−Ｆactories（ＩＷＭＦ０２），Ｒ.Ｈollis及びＢ.Ｊ.Ｎelson編集，pp.85-88，２００２年
【非特許文献２】Ｍ.Ｈafez，Ｙ.Ｂellouard，Ｔ.Ｓidler，Ｒ.Ｃlavel及びＲ.−Ｐ.Ｓalathe：Ｌocal  annealing  of  shape  memory  alloys  using  laser  scanning  and  computervision，Ｌaser  Ｐrecision  Ｍicrofabrication，Ｉ.Ｍiyamoto，Ｋ.Ｓugioka及びＴ.Ｓigmon編集，Ｐroc．ＳＰＩＥ  ４０８８，pp.160-163，２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
広視野且つ高解像度の顕微鏡結像系は、（１）像抽出問題及び（２）結像性能問題の考察によって導き出される。第一に、ほぼ完全である（すなわち、光学収差が回折限界より十分に低い）光学を有する結像系を考えるべきである。このような系は、１つの像面において２つの重なり合うエアリーパターンのような距離ｄによって離間された２つの点光源を想像させるであろう。２つの点光源の間の距離が減少すると、臨界距離は２つの点光源をもはや個別に識別することができない距離ｒに達するであろう。レイリー基準によれば、解像と呼ばれるこの臨界距離は、１つのエアリーディスクの中心が他方の第一の最小の輪の上に落ちる際に生じ、そして系の開口数ＮＡ及び光の波長λに関係するものである。系のＮＡは、媒質の屈折率ｎと集束された物体からの光の円錐の半角との関数である。
【００１０】
デジタルカメラは、ナイキストサンプリング基準に従い、エイリアシングしないようにエアリー中心部半径当り２つのピクセルでサンプリングしなければならない。この観察は、１つのエッジ当りのセンサーアレイピクセル数ｋ及び解像度ｒに関する最大理論的な物体視野幅Ｗｏを与える。
【００１１】
顕微鏡結像系は１／４μｍ〜数μｍの範囲の解像度を有するものとしてしばしば設計される一方で、ＣＣＤカメラのピクセルサイズにおけるより低い実際上の制限はノイズ効果のために約６μｍである。これゆえ、光学系は、与えられたセンサーピクセルサイズｓに関して要求される最小倍率ファクターＭを用いて、適正なサンプリングが行えるようにエアリーパターンを拡張しなければならない。この臨界的倍率で対応する画像サイズＷｉはＷｉ＝ｋｓである。これを達成するための結像光学は包括的なブラックボックスとみなされるかもしれない。光学的設計作業は、結像系の設計を特定すること、すなわち、特定のレンズ群若しくはミラー群の幾何学的配置、ガラスの種類及び間隔空けによって前述のブラックボックスを詳細に埋めることである。
【００１２】
広視野且つ高解像度の結像系を設計する上での直感的アプローチは、既存の顕微鏡配置を採用し、より大きな視野を達成するために光学系を再設計する一方でカメラのピクセル数を単純に増加させるものであると思われる。このアプローチは確かに可能かもしれないが、視野サイズ、平坦像面及び開口数に関する必要条件がリソグラフィーレンズのそれらにすぐに近づくので、概して実際的ではない。１９９８年のニコン社のリソグラフィーレンズ（例えば米国特許第5,805,344号を参照）は、マスク及びウエハーイメージ用にそれぞれ９３．６ｍｍ及び２３．４ｍｍの視野サイズを備えた０．６５のＮＡを有している。
【００１３】
リソグラフィーレンズは、ほぼ完璧な製造及び非常に厳しい組立許容誤差（しばしば干渉的組立工程を必要とする）を必要とし、且つ数百万ドルの費用がかかり得るものである。また、負の倍率の素子が必要とされ、そして、顕微鏡及びリソグラフィーレンズの細い光線の領域並びに光線が太くなっている正の倍率の素子の位置に配置される。この設計技術は、平坦な像面（小さなペッツヴァル和）を達成するために使用され、そして、レンズ数の増大及び光学の複雑化をもたらしてしまう。考察すべき別の問題は、市販の大きなＣＣＤカメラがわずか約９２１６×９２１６ピクセル（例えば、フェアチャイルド社のＩmaging  ＣＣＤ５９５）しか有しないということからしての像センサーのサイズである。より大きなピクセル数を達成するために、並列するイメージングチップからデータを読み込むことができるという利点（チップから像データを得るためのデータレートは最大リフレッシュレートを決定する限定因子になり得る）を有するモザイク中により小さなＣＣＤアレイは組付けられ得るが、更なる精密な組付けが必要とするコストが生じる。最新の技術及び製造能力をもってしても、純粋な静的光学設計に基づく広視野且つ高解像度の結像系は、非常に高コスト、大型、厳しい組立許容誤差、及び光学の複雑さのために限られた適用のみであると思われる。
【００１４】
視野サイズと解像度との相反関係を解決する代替的な最近のアプローチのうちのいくつかの概要を表１に示す。なお、比較のため、表１には本発明の性能も示されている。最初の５つの方法（複数の顕微鏡による複数の同焦点対物レンズ）は十分に確立されてすっかり普通のものである。この表において「基本的ポストオブジェクティブ走査」法は、系のレイアウトの面から非常に低い開口数に限定され且つかなりの軸外れ収差の面で問題のある市販のユニットを意味するものである。Ｄmetrix社によって販売されたアレイ顕微鏡は特に興味深いものである。Ｄmetrix社はいくつかの特許によって保護されており、例えば、多軸結像系のための等化に関する米国特許第6,958,464号、アレイ顕微鏡のための小型顕微鏡対物レンズに関する米国特許第6,950,241号、空気軸受コンベアを有するスライドフィーダーに関する米国特許第6,905,300号、個々に調整可能な素子を有する多軸結像系に関する米国特許第6,842,290号などである。この系は、像を迅速に得るように並行して働く８０個の小型顕微鏡のアレイ（各々３つの非球面設計の素子）を使用する。顕微鏡用スライドの範囲に沿って顕微鏡のアレイをゆっくり進めることによって大規模な合成像が構築され得る。並列結像軌道を与えれば、これは、本発明者らが現在知っている、静止物体の医療診断級画像を与える最速の面走査技術である（１つのピクセル当たり０．４７ミクロンで２２５ｍｍ２のエリアを５８秒で走査し圧縮して格納する）。一つの関連ある技術は、センサーピクセルの直線状アレイを通過して標本（しばしば顕微鏡対物レンズを通して投射される）を掃引する線走査システムである。この線走査技術の主な欠点は、画像が、より典型的な面基準の像センサーのように一面一面（ｎ×ｎピクセル）としてではなく一線一線（ｎ×１ピクセル）として得られるということである。その結果は、高いスループットを得るために線走査システムが非常に短い露光時間及び／又は明るい照明を一般に必要とすることであり、これは、光損傷、漂白及び蛍光を考慮しなければならない生物学的適用においては多くの場合不可能である。
【００１５】
並列の像取得と比較的遅い再配置速度とにより、Ｄmetrix社は静止且つ高いフィルファクターの適用において優れている。フィルファクターは、関心の対象であって考慮中の適用のために絶対的に画像化又は感応化されなければならない全観察可能領域の割合である。本発明のＡＳＯＭは非常に速い再配置速度に合わせて像を連続的に得るので、当該ＡＳＯＭは動的な及び／又は低いフィルファクターの適用において優れるであろう。低いフィルファクターの適用は、大きな細胞集団上での希有な事象の生物学的結像、複数の動いている有機体の追跡、顕微鏡用スライドの上にでたらめに置かれる針抽出によって抽出された組織の医学的診断などを含むものである。ほとんどの製造的な適用は、物体の動的な追跡或いは組立ての間に頻繁に要求される特徴を観察又は検査する必要がある一定の重要な領域のみに低いフィルファクターを要求する。
【００１６】
より一般的には、本発明のＡＳＯＭは、広い視野及び高解像度の双方を必要とする困難な空間的−一時的な観察作業に対して特に適したものである。これらの問題点の考察はＡＳＯＭの設計に対して動機づけし、そしてこれに寄与した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
可変鏡（deformable mirrors）を備えた補償光学技術は、人間の目の内部での高解像度の結像を可能とするために用いられてきた（Ｈ.Ｈoffer，Ｌ.Ｃhen，Ｇ.Ｙ.Ｙoon，Ｂ.Ｓinger，Ｙ.Ｙamauchi及びＤ.Ｒ.Ｗilliams，“Ｉmprovement  in  retinal  image  quality  with  dynamic  correction  of  the  eye's  aberrations，”Ｏpt．Ｅxpress  ８，631-543，２００１年，http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-8-11-631を参照）。それは、目のレンズの収差を変化させる時間ゆえに特に困難である。同様に、可変鏡は、軸外れ収差を修正するため、及び共焦点顕微鏡における試料により引き起こされる波面乱れを修正するために用いられてきた。結像系における視野の拡張は、また、フォビエティド結像系を作成するために液晶空間光変調器によって以前に示されている（Ｄ.Ｗick，Ｔ.Ｍartinez，Ｓ.Ｒestaino及びＢ.Ｓtone，“Foveated  imaging  demonstration，”Opt．Express  10，60-65，２００２年，http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-10-1-60を参照）。
【００１９】
公知設計の共焦点顕微鏡は、物体平面に接合する平面に位置するピンホールスクリーンを使用する。このピンホールは、焦点面と同じ深さにない光を拒絶する。ピンホールは、さらに、像面の中心にない光を拒絶する。したがって、共焦点顕微鏡は、物体を点ごとに抽出する。像は点ごとに構築され、標本上の結像点の位置を走査するための手段を有する。共焦点顕微鏡の基礎的な入門はhttp://www.physics.emory.edu/~weeks/confocalに見出すことができる。
【００２０】
本発明のＡＳＯＭは有限の像を用いて画像を得る（つまり、完全な２次元像は、点ごとに像を構築するというよりむしろ全て一度に露わにされる）。有限の像を実行するための必要条件は、点抽出技術（共焦点顕微鏡）には必要ない、光学系上の一定の必要条件を課す。ＡＳＯＭの有限の像に基づくアプローチの利点のうちのいくつかは、物体の複数の領域が並行して結像されることであり、取得時間がより速くなる。これは特に、低照明条件に対して或いは物体が運動している場合に重要なものである。さらに、照明必要条件に関しても有利である。しかしながら、有限の像に基づく系は、共焦点系が可能であるような垂直な「断面」に対する能力を試料に提供するものではない。
【００２１】
米国特許第6,771,417号は、補償光学を含む非共焦点配置を開示するものである。補償光学を含む共焦点配置に関する米国特許第6,555,826号、及び収差制御及び精密な焦点化を助けるための走査共焦点顕微鏡における補償光学素子に関する米国特許第6,381,074号を参照のこと。米国特許第6,483,641号は、顕微鏡において使用される空間光変調器を開示している。
【００２２】
種々様々な分野における先行技術を超える改良された性能を有する補償走査光学顕微鏡を提供することが本発明の目的の一つである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明のＡＳＯＭ設計はＳＯＭＳ（米国特許出願第10/525,422号を再度参照）の走査及びモザイク構築原理を共有するものであるが、本発明のＡＳＯＭは、回折限界に達しない収差を許容する注文設計された走査レンズを導入することによって軸外れ収差を解決する補償光学素子を当該ＡＳＯＭが組込んだという点で、ＳＯＭＳ及び有限の像を実行する関連するポストオブジェクティブシステムとは異なるものである。加えて、ＡＳＯＭは、平坦像面要求を緩めることによって走査レンズが単純化され、それ自体の中心周りに回転する顕著に湾曲した中間像面を投射するためのステアリングミラーを用いて作動する点において既存の技術と異なるものである。光学的な複雑さを単純化すると共に製造及び組立ての必要条件を低減するこれらの発想を用い、新規なＡＳＯＭの基本的概念は、ポストオブジェクティブ走査配置を形成するために走査レンズと結像光学との間に位置した少数且つ非常に早いステアリングミラーを用いるものである。
【００２４】
像が各走査位置において得られ、そして、像モザイク技術によって物体の大きな合成画像を迅速に構築することができる。このような配置の利点は、高解像度の大きな有効視野、試料に対する攪乱がないこと、及び、秒当たりに多くの動作／画像を得る能力である。しかしながら、このような装置構成はまた、軸外れ結像に起因する重要な設計及び実施要求を引き起こすものであり、これらはさらに本発明によって以下により解決される。
【００２５】
１．走査レンズの複雑さを大幅に減少させるために像面湾曲を設計中に明白に組み入れること。
【００２６】
２．１つの運転モードにおいて１つの像が得られ、そして関連光は走査位置に依存する残存収差を修正するために補償光学素子（例えば可変鏡、空間光変調器、光学位相配列、可変レンズ或いは同様の光学素子）を含む光路に沿って進行する。
【００２７】
３．像ひずみを除去する画像加工。
【００２８】
本発明のＡＳＯＭ設計は、高い処理量を要求する適用、比較的低照明の条件、及び／又は重要な空間的−一時的観察において優れたものであるが、移動ステージに関連する事実上無制限の視野を提供するものではない。
【発明の効果】
【００２９】
ＡＳＯＭが魅力的になるであろうところの生物学的適用は、生細胞の多くの個体群に亘る動的な細胞の事象（有糸分裂、ウイルス付着、運動性、薬品適用に対する細胞反応）を観察することや、試料に関する選択した関心領域についての観察を包含する。ＡＳＯＭは、また、迅速にウェルプレートから像を得るために、或いはマイクロインジェクション若しくはマニュプュレーション活性において視覚的フィードバックを提供するために有用であろう。光路に光を照射すると共に適当なフィルターを挿入することによって、追加照明モードは蛍光結像を可能とするであろう。開口の近くに位相板を挿入することによって、生物学において一般的である優越相の物体の観察のための位相コントラスト結像が達成されるであろう。
【００３０】
工業的には、ＡＳＯＭは、より高い製品処理量の可能性もって、視覚誘導微細組立、処理及び迅速な部品の検査を可能とする。医学的診断に関しては、ＡＳＯＭは、生物学的試料の迅速な結像を可能とする。例えば、針抽出で得られた生検の場合には、試料はスライドの上にでたらめに置かれ、そしてスライド面積のほんのわずかな部位のみを占める。ＡＳＯＭは非常に迅速なバックグラウンド走査及びその後の関心領域の生検部位のみの高品質の走査を行うことができる。迅速なバックグラウンド走査の高速性は、ステアリングミラーの動きを止めることなく結像することにより得られる。これらの像はわずかにぼけるであろうが、組織試料位置が識別されることを可能にする。その後、ＡＳＯＭは、関心領域を捕捉するために走査軌道を計画する。その後、各露出のために完全に止められ定置されたステアリングミラーを用いて当該像を得ることにより、試料の高品質画像が得られる。
【００３１】
それゆえに、本発明のさらに別の目的は、物体平面の異なる部位からの像を得るため及び像が得られる物体平面の部分の関数として変化する少なくともいくらかの収差を有する好ましく湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体と、像面からの光であって物体平面から最終像平面に至る光路に沿った光を操縦するステアリングミラーと、物体平面から像面への操縦された光を受けるため及び収差を動的に補償するための補償光学構成要素と、ステアリングミラーから補償光学素子を通って最終像平面へ光が移動するように光を誘導し条件付けし更に集束させるために光路の少なくとも一部に沿って設けられた補助的光学とから構成される補償走査光学顕微鏡を提供することである。
【００３２】
本発明を特徴づける新規な種々の特徴は、添付されて本開示の一部をなす請求の範囲において詳細に言及される。本発明、その作動利点、及びその使用によって達成される特定の課題のより良好な理解のために、添付の図面及び本発明の好ましい実施形態が説明された記載が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
同じ或いは同様の要素に言及するために同様の参照番号が用いられている図面を参照すると、図１は、物体１２から連続的に小さな空間に置き換えられた像のシーケンスをとり、次に、大規模な合成像（モザイク）或いはいくつかに解体されておそらくオーバーラップしている光景の像を組み立てることによって作動する補償走査光学顕微鏡或いはＡＳＯＭ１０を示す。
【００３４】
モザイク構築を通じて解像力を維持する一方で視野を拡張する一般的な概念は公知であり、生物学的結像（Ｊ.Ｚemek，Ｃ.Ｍonks，and  Ｂ.Ｆreiberg，“Ｄiscovery  through  automation，”Ｂiophotonics  Ｉnternational  １０，54-57，２００３年を参照）並びに工業的結像（Ｃ.Ｇuestrin，Ｆ.Ｃozman，and  Ｓ.Ｇodoy，“Ｉndustrial  applications  of  image  mosaicing  and  stabilization，”in  Ｐroceedings  of  ＩＥＥＥ  Ｉnternational  Ｃonference  on  Ｋnowledge−Ｂased  Ｉntelligent  Ｅlectronic  Ｓystems−Ｉnstitute  of  Ｅlectrical  and  Ｅlectronics  Ｅngineers，Ｎew  Ｙork，１９９８年，vol.2，pp.174-183を参照）に応用されているが、一般的な移動ステージに代えて、本発明の機構及び走査原理は、特別に設計された走査レンズ集合体（scanner  lens  assembly）１６、補償光学（Ａdaptive  Ｏptics：ＡＯ）素子１８（例えば、可変鏡、空間光変調器、光学位相アレイ、可変レンズ、或いは同様の光学素子）及び補助的結像光学２０と協働して作動する高速２次元ステアリングミラー１４を含むものである。像は、例えば適当な性能及び速度のデジタルカメラ、分光計、その他の光感知装置といったセンサー２２によって結局は抽出される。
【００３５】
結像光学２０は、前方ＡＯ（補償光学）条件付け光学若しくは接眼レンズ３２、倒立ＡＯ条件付け光学若しくは接眼レンズ３４及び最終結像光学３６を含み、これらは各々１つ以上の素子から構成され得る。
【００３６】
図１は、さらに、スタアリングミラーの位置を制御するための少なくとも一つの電子システム１５、及び、補償光学素子への作動信号を制御するための少なくとも一つの電子システム１７を図示する。少なくとも一つの電子システム１９も、センサー（例えばカメラ２２）からのデータを読み込むために、さらに、最終像平面での光の獲得データの表示、加工、及び／又は格納のうちの少なくとも一つを行うために備えられる。
【００３７】
図２は、本発明のＡＳＯＭの共役画像及び開口平面を示すものであり、また、光学素子を、走査レンズ１６、前方接眼レンズ３２、倒立接眼レンズ３４及び最終結像光学３６に分けるものであり、これらの後ろの３つの光学集合体若しくは素子群は補助的結像光学２０を形成する。瞳孔の像に位置するステアリングミラー１４が投射された実の中間像を照準する間に、走査レンズ１６は物体１２若しくは物体平面１からの光を集める。開口の第一の像Ａ１は、第一の中間像平面２に近く光路中に続いているＳＬＡ１６の結果として生成される。従来の光学顕微鏡における周知の接眼レンズと同様に作用して、ＡＳＯＭ１０中の接眼レンズ３２は第一の中間像２を抽出し、そして可変鏡１８が位置する外部瞳孔を投射する。
【００３８】
本発明の初期設計における前方ＡＯ条件付け光学３２は、負の視野レンズ３３と正の接眼レンズ３５との間に中間像２が位置する点でホイヘンスの接眼レンズと類似している。顕著な違いは、負の視野レンズ３３の使用である。これは、補償光学素子レリーフ（接眼レンズ３５と補償光学素子例えば可変鏡１８との間の距離）を延長する効果があるが、より大きな接眼レンズ３５という代償を払う。開口の第二の像Ａ２は、接眼レンズ３５の結果として生成される。倒立ＡＯ条件付け光学３４は、ケルナー接眼レンズに似ているが、正レンズ及び開口の第二の像Ａ２に続く負の視野レンズ３７を有する。負の視野レンズ３７はまた、結像光学における負のぺッツヴァル和に寄与することを助け、そして、第二の中間像平面３を確立する。
【００３９】
本発明の有効性の調査のために、発明者は、ホイヘンスやケルナー接眼レンズに似た構成を実際に使用した。とはいえ、本発明において良好に作動する多くの接眼レンズの構成がある。研究所に組み立てた本発明の実験装置においては、７つまでのレンズ素子を含む接眼レンズ構成を使用する。重要なのは接眼レンズのタイプではなく、ＡＳＯＭを定義づけるのに重要なのは接眼レンズの機能である。この理由から、本発明の前方及び倒立接眼レンズが、前方及び倒立ＡＯ条件付け光学として、一層詳しく説明される。
【００４０】
ここでまた重要な点は、前方接眼レンズ瞳孔結像光学、倒立接眼レンズ瞳孔結像光学及び最終結像光学を構築する多くの異なる方法があるということである。例えば、本明細書で詳細に論じられる模擬設計は、接眼レンズ群に２つのレンズ素子を使用し、最終結像光学に１つのレンズ素子を使用する。研究室に組み立てた実験装置は、前方接眼レンズに７つの素子を使用し、倒立接眼レンズに３つの素子を使用し、そして最終結像光学に７つの素子を使用する。光学の分野における通常の技能を持つ人は、本発明の原理を一度理解しさえすれば、本発明の他の実施形態を組立て得るであろう。
【００４１】
最終結像光学３６は、エイリアシングを防ぐのに適切な倍率をもって、最終像平面４に位置するセンサー（例えばサイエンスカメラ２２、図１参照）へと第二の中間像３を中継する。系開口絞りは、結像系によって受け入れられた光線束の境界を定める。結局、センサーの作動領域は視野絞りのために与えられるであろうが、付加的な視野絞りが、系において迷光及び不必要な光を低減するために第一及び第二の中間像面に付加され得る。機械的ハウジング内の機械加工溝や表面に適用される黒色被覆のような、方向不定な迷走する光を低減するその他の機構は、ＡＳＯＭ光路の全体にわたって好ましく使用され得る。
【００４２】
本発明はまた、顕微鏡対物レンズやリソグラフィーレンズとは異なる湾曲像面走査配置を有利に用いる。
【００４３】
図３を参照すると、範囲（ｃ）では、本発明のＡＳＯＭ１０の走査レンズ１６は、比較的大きなペッツヴァル和を有する顕著な像面湾曲Ｃを示すように設計されている。図３において薄肉レンズに関する範囲（ａ）及び人間の目に関する範囲（ｂ）に示されるように、レンズの「自然な」作用は湾曲した像面を用いて結像することであるので、この平坦像面要求の緩和は、非常に少ないレンズ素子を用いて非常に単純化された光学設計を行えるという利点を提供するものである。
【００４４】
正レンズ素子は正のペッツヴァル和に寄与し、負レンズ素子は負のペッツヴァル和に寄与するので、平坦像面結像系の設計は、ほぼゼロに近い系全体のペッツヴァル和を達成するように、正レンズ素子と負レンズ素子との両方を注意深く使用することを必要とする。非単一倍率は、負レンズ素子を光線直径が細い領域に配置すると共に正レンズ素子を光線直径が太い領域に配置することにより得られる。図３に示される湾曲した像面を許容する比較的単純なＡＳＯＭ走査レンズを、平坦像面顕微鏡対物レンズ及びリソグラフィーレンズと比較してみるとよい。さらに、湾曲像面設計の利点は相当な軽量化及び設計単純性を提供するものとして航空宇宙用途に関して認識されている（Ｊ.Ｍ.Ｒodgers，“Ｃurved  Ｆocal  Ｓurfaces：Ｄesign  Ｏptimization  Ｔhrough  Ｓymmetry，Ｎot  Ｃomplexity，”Ｐhotonics，Ｔech  Ｂriefs−Ｏnline，２００３年，http://www.ptbmagazine.com/content/040103ora.htmlを参照）ことに留意すべきである。
【００４５】
ＡＳＯＭ走査システムの代表的な光学設計目的ではない追加的な特性は次のものを含んでいる。
【００４６】
１．像面湾曲の中心、２次元ステアリングミラーの回転中心、当該ミラーの表面、及び光学瞳孔平面は、全て相互に一致する。
【００４７】
２．投射像表面の形状は、像面湾曲に関連するより典型的な放物線状表面ではなく、ほとんど球状である。これはより高い程度で収差制御を通じて達成される。
【００４８】
上記の言及された条件の下で、ステアリングミラーの角度を変更すると、図４に示すように、投射された湾曲した像表面がそれ自身の中心周りに回転する。ステアリングミラーの角度を変更すると、適合する負に湾曲した像面を有する静止結像光学が像表面の部分を抽出するためのフレーム絞りと共に作動し、像走査及び選択機構が提供される。
【００４９】
この配置は、大きく且つ平坦な像面の結像系の必要性を排除するので有利である。代わりに、図５に示されるように、この系は、（１）走査レンズに関連した大きな正に湾曲した像面及び（２）結像光学に関連した小さな負に湾曲した像面を示し、これゆえ、上記で議論したような大きな連続的平坦像面の結像系を設計すること及び製造することに係る顕著な困難性を回避するものである。実際、結像光学は低開口数であり小さな視野サイズであり且つ主に軸上で使用されるものであるので、発明者らは、中位の大きさのセンサーアレイ（５１２×５１２ピクセル）と共に使用された場合に、既製の光学が回折限界性能に十分な収差補正を提供することができることを見出した。より大きなセンサーアレイは注文品の結像光学を必要とするであろう。
【００５０】
次に、図６により、本発明の補償光学素子波面補正を詳述する。
【００５１】
走査レンズ１６及び全体的系配置は像面湾曲を取り扱うように明白に設計されるが、その他の軸外れ収差（例えばコマ収差、非点収差及びその他のより高いオーダーの収差）はそれでも存在する。従来の解決法ではこれらの残余の収差の平衡を保つためにレンズ素子を加えることになるであろうが、ＡＳＯＭにおいて生じるこのような激しい軸外れ結像では、完全に補償されたレンズ集合体は法外に大きなレンズ数を必要とするであろう。
【００５２】
本発明は、顕著な波面収差（光路差のいくつかの波まで）を備えた「良好な」走査レンズを設計することによってこの問題を回避し、その上、選択された特定の視野上の収差を補償するために補償光学素子１８として可変鏡を使用する。収差における変動は、走査範囲の全体にわたる個々の視野位置の間で許容される。しかしながら、可変鏡が一度に一つの特定形状だけを達成することができるとすれば、視野位置間の収差における変化率は、選択されている全ての部分視野にわたって回折限界的結像性能を可能とするほどに十分に小さくなければならない。
【００５３】
これは、補償光学望遠鏡の分野において広く認識されている大気中のアイソプラナティックな（コマ収差のない）パッチの概念に似たものである。ＡＳＯＭにおいて類推すれば、走査レンズのアイソプラナティックパッチは選択された部分視野より大きいに違いない。そうでなければ、像は各部分視野の端部でぼけるであろう。
【００５４】
以下のシミュレーション結果は、高い再現性のＺＥＭＡＸシミュレーションに基づくものであり、既存の顕微鏡技術と比較したときにＡＳＯＭが解像度を保持しながら拡張した視野を有効に提供することができることを実証するものである。表２は本明細書において述べた特定のＡＳＯＭ設計の性能仕様を列挙するものであるが、この設計に適当な変更を加えることで視野面積及び開口数を考慮中の観察作業に適合させることができる。しかしながら、一般に、視野面積が増加するにつれて実現可能なＮＡは物理的及び実際的な制限によって減少するであろう。
【００５５】
【表２】
2008529082.tif 000004
【００５６】
図７は、４０９６×４０９６カメラ（標準的顕微鏡対物レンズを有する全視野カメラを考慮）を備えた固定顕微鏡及びより一般的な１０２４×１０２４カメラを備えた固定顕微鏡とＡＳＯＭとの観察可能な視野を比較するものである。ＡＳＯＭは、高い再現性のシミュレーションに基づくすべての視野位置において回折限界（ストレール比＞０．８）を提供する。固定顕微鏡設計のための視野サイズは、完全な結像を仮定すると共に、光（緑色光は生きている生物細胞の結像に対して相対的に非破壊的であって望ましい）の波長に関してλ＝０．５１０μｍで０．２１の開口数を用いて計算された。
【００５７】
このＡＳＯＭ装置において使用される５１２×５１２カメラによって提供される部分視野もまた図７に示される。本設計において、比較的単純な結像光学が回折限界性能に関してカメラセンサーサイズを直径約６．０ｍｍに制限する。これはまた、ＡＳＯＭのただ一つの特定の装置の性能を示す。レンズ幾何、レンズ間隔及びデジタルカメラのピクセル数を変更することで、視野サイズ及び開口数を考慮中の観察作業に適合させることができる。しかしながら、一般に、最大観察可能視野サイズと系の開口数との間に結局のところ相反関係が存在するであろう。
【００５８】
結像光学の適切な設計変更によって、結像光学の回折限界的視野サイズは、より高いピクセル数のカメラを使用するために拡張することが可能である。しかしながら、小さな５１２×５１２カメラを用いた場合でさえ、表３に列挙された走査時間は既存の技術と競合し得るものである。この表は、１秒当たり１００、２５０及び５００フレームのカメラ速度並びに１００％、５０％及び１０％のフィルファクターに対する見積走査時間を示す。これらの計算は、走査動作の総数が、走査数＝総有効視野面積／部分視野面積によって与えられることを仮定している。
【００５９】
【表３】
2008529082.tif 000005
【００６０】
図８は、希有な事象の検出、時間内の移動している物体の追跡、関心領域のみの結像、及び全領域網羅といった本発明のＡＳＯＭの異なる作動モードを図示するものである。
【００６１】
図９は、各視野位置に関連した特定の波面収差をＤＭがどのように修正するか示すものである。全視野に亘り且つ全ての視野位置に関してストレール比は回折限界０．８よりも十分大きく、ほぼ完全な結像がなされる。範囲（ａ）は５つの異なる視野位置を示す。範囲（ｂ）はそれぞれの視野位置に関する５つの対応する最適可変鏡形状を示し、さらに、範囲（ｃ）は選択された視野上で抽出されたストレール比を与えるものである。
【００６２】
ここに示された結果はすべて、レンズ及び光学的ハウジングは製造及び組立許容誤差に常に従うという現実を無視して理想化されたシミュレーションに基づくものである。
【００６３】
本発明の走査及び像モザイク構築の基本原理を実証するため、走査光学モザイクスコープ（Ｓcanning  Ｏptical  Ｍosaic  Ｓcope：ＳＯＭＳ）と呼ばれる第一世代プロトタイプとして以下の実験的装置が製作された。この設計の正式な最適化は何ら行われず、そして、当該プロトタイプ装置は、ＴhorＬabs社から入手可能な標準カタログレンズ、ソニー社のＸＣ−７７ＢＢ  ＣＣＤカメラ、Ｍａｔｒｏｘ  Ｍｅｔｅｏｒ  II  フレームグラバー、Ｃambridge  technologies社の検流計及びサーボドライバー、並びにＴＩ社製品ベースのＤＳＰボードを使用して構築された。
【００６４】
それは、本明細書中で提案されたより高度なＡＳＯＭ設計は、（１）光学的配置が単純化されていること、（２）可変鏡又は補償光学が存在しないこと、（３）全てのレンズが標準カタログ製品として入手可能であること、（４）走査レンズは単一の標準色消しダブレットであること、の点で異なるものである。ＳＯＭＳのこれらの結果は、ＡＳＯＭを用いて実施することができる作動の可能モード、機能性及び能力を実証するために本明細書に含まれているが、ＡＳＯＭ設計を用いることによってより良好な性能が発揮される。
【００６５】
本発明の微細組立に関する実証は、作業空間内の２つの固定された物体の間を移動する形状記憶合金のミクログリッパーに基づいている。グリッパー先端の動きを追跡するために、基本的な相関に基づく画像マッチングアルゴリズムとカルマンフィルタとが用いられる。３×３のタイルモザイクがグリッパーを結像し、そして、走査パターンがグリッパー先端を中心のタイル内に維持するように自動的に調整される。走査パターンはまた、作業空間内の２つの静止物体も含んでおり、ほぼ同時に作業空間内で複数の静止及び移動している物体を観察するというＳＯＭＳの能力を実証するものである。
【００６６】
ビデオフート数の配列が、特に生きている生物細胞（テロメラーゼ不滅化されたhTERT-RPE1）のために採用される。３×３タイル像モザイクは、温度調整された栄養液中で生存し続ける細胞に障害を起こさせることなく大きな細胞集団を監視する。有糸分裂（細胞分裂）のいくつかの事象は視野全体の至る所で生じているのを見ることができる。ＡＳＯＭは、有糸分裂及び他の事象の発現を自動的に検知する可能性を提示するだけでなく、複数の事象を同時に追跡し記録するように容易にプログラムすることができる。移動ステージを用いて自動化された定量的細胞分析は最近提案されているが、システム全体の帯域幅は当該ステージの応答性及び細胞標本の移動に対する敏感性によって未だ制限される。
【００６７】
本発明のＡＳＯＭはこれらの問題の双方を解消するものである。
【００６８】
本発明者らはまた、第二世代の実験的プロトタイプを製作した。
【００６９】
この実験的ＡＳＯＭ装置の目的はＡＳＯＭ設計の本質的な光学的側面を実証することであったが、低コストで且つ短い開発時間で行った。
【００７０】
このような理由から、注文品の光学の相当なコストを回避すると共に数日以内に発送されるカタログ入手可能な部品の現存する在庫の利点を取るために既製の光学が専ら使用された。しかしながら、多くの在庫レンズは一般的な用途に関して特定の様式（例えば無限共役で）で使用されるように設計されており、焦点距離、レンズ直径及びガラス選択の粗い範囲の中で提供される。走査レンズの変則的な結像特性を考慮すれば、既製の光学のみを使用する実験的ＡＳＯＭ設計は最適とはかけ離れたものであり、そしてそれゆえ、名目上２０ｍｍの視野サイズにわたり０．１のＮＡを達成するために顕著に多いレンズ数を示すものである。しかしながら、既製の光学のみを使用した場合でさえ、この実験装置は、湾曲像面光学走査アプローチ及び補償光学要素として可変鏡を使用した波面補正光学を含み、ＡＳＯＭを定義する重要な光学特性を実証するように注意深く設計された。この装置においては、静止若しくはゆっくり動いている物体の観察のための顕微鏡に制限し、ステアリングミラーは手動で作動させられる。市販版の補償走査光学顕微鏡は、動作制御された高速ステアリングミラーを組み込むのと同様に、より高い開口数及びより大きな作業空間を達成するＡＳＯＭ概念の潜在能力を完全に現実化させるため、注文製造された光学を利用するであろう。
【００７１】
図１０は、この実験装置に関する光学的配置を示すものである。この最初のプロトタイプは、透過光方式を利用し、そして現在の設計が色収差に非常に敏感であるので、５００ｎｍ未満及び５２０ｎｍ以上の光スペクトルの多くを除去するために５１０ｎｍの波長のノッチフィルターを使用するものである。光は対物コントラストパターンを通して透過され、次に、テレセントリック系の１２素子の走査レンズ集合体によって集束され、それは、球状に湾曲した像面に物体の像を投射する。それ自身の銀色の正面表面周りに鏡を旋回させる運動性を有する手動で作動させるステアリングミラーが走査レンズ集合体の後方に配置され、そして波面補正光学中の視野絞りと協働して作動し、球状に湾曲した像面のどの部位がカメラで像を形成するために系を通して通過するかを選択する。この走査機構は作業空間内で部分視野の操縦を有効に可能とするものである。しかしながら、この時点における光は走査レンズの不十分な光学補正の結果として顕著な波面収差を示す（不十分な補正を許容することがＡＳＯＭ設計の特徴であり、これは走査レンズ集合体の複雑さ及びレンズ数を顕著に低減するゆえであることに留意せよ）。
【００７２】
視野絞りを通過した、ステアリングミラーからのこの不十分な補正をされた光は、次に、波面補正光学中へと進み続ける。補償走査光学顕微鏡のこの実施形態においてＭＥＭＳ可変鏡が用いられる。鏡の反射面の形を波面エラーの形状と反対（ただし半分の振幅で）となるように正確に制御することによって、可変鏡は波面収差を回折限界内に補正することができる。したがって、可変鏡から発せられる光は十分に補正され、完全な回折限界像とほとんど判別不能な像をカメラ上に形成するであろう。Ｂoston  Ｍicromachines社から入手可能な３層ＭＥＭＳ可変鏡がこのプロトタイプにおいて使用された。この鏡は、４００μｍアクチュエーター間隔且つ２．５μｍアクチュエーターストロークの３２の静電アクチュエーターを有すると共に直径２．０ｍｍの能動的に制御された領域を有する。２．５μｍストロークは、収差のいくつかの波を補正し得るものであり、軸外れ視野位置に対してまでも高い結像性能を可能とし、ＡＳＯＭにおいて大きく拡張された視野を可能とする。また、補償光学素子の２．０ｍｍの有効直径と一致するように光を条件付けるために補償光学素子のための前条件付けステージ及び補償光学素子のための後条件付けステージを正及び負のレンズ素子の適当な組合わせにより構成することをこの設計において注目すべきである。補償光学素子のための前条件付けステージは、ステアリングミラーが開口像の近くに位置するように開口の像を形成するものである。開口像の位置或いはその近くにステアリングミラーを配置することで、より迅速な動的特性のためにステアリングミラーの慣性を低減するようにステアリングミラーの直径を小さなものとすることが可能になる。さらに、開口像の位置或いはその近くにステアリングミラーを配置することは、そうすることが走査の間に走査レンズの対称な使用を容易とする（つまり、すべての視野位置用の主光線は開口平面中の同じ位置から始まる）ので光学上望ましい。単一のステアリングミラーを使用することの光学的利点は周知であるが、コストと動的性能とを含む様々な理由から、本明細書で述べられる単一のステアリングミラーが２つの単軸ステアリングミラーによって代替され得ることは考えられることである。そのようにすることは光学的見地からはそれほど望ましくはないが、多くの場合必要条件を満たしとてもしばしば実際上行われる。２枚又はそれ以上の回転鏡を用いてＡＳＯＭは構築され得る。
【００７３】
ステアリングミラーと同様に、補償光学素子は開口の像の近くに配置される。開口の像の位置或いはその近くに補償光学素子を配置することで、光線束の全てがこの位置でオーバーラップする（つまり、主光線は光学的軸と交差する）ので、補償光学素子の能動領域を有効に利用することができる。主光線が交差する位置或いはその近くに補償光学素子を配置することはまた、それらが各瞬間的視野を同様に横切るので、１つの補償光学波面補正（例えば可変鏡形状）が各光線束の中の収差を有効に補正することを可能とする。
【００７４】
本発明者らはまた、像に基づくパフォーマンスメトリック（計量）及び並列の確率的な勾配下降最適化アルゴリズムを用いる次世代プロトタイプでの較正及びオンライン最適化を行った。
【００７５】
補償走査光学顕微鏡の最終結像性能は、系での残余の波面収差の大きさ及び形状に依存する。さらに、走査レンズは各視野位置（ステアリングミラー角度）に特有の収差をもたらしてしまう。したがって、波面形状に対する補償光学素子の影響が制御信号によって制御されると共に波面収差上に直接の効果を持っているとすれば、補償走査光学顕微鏡の初期較正は行われるべきである。この較正の終局目標は、それぞれ異なる視野位置における波面収差を最小化する一組の制御信号を見出すことである。ひとたび較正しておけば、最適制御信号は通常の作動の間ルックアップテーブルから補間法を用いて呼び戻すことができる。この較正は、製造及び組立エラー、許容誤差、或いは製造におけるその他の変動を補償することができ、そして環境温度の変化、光学成分の変動若しくは変化、或いは系における収差のその他の原因を補償するために定期的に繰り返される。作動中、ステアリングミラー及び補償光学素子は結像中の光学収差の有効な補償のための電子装置によって調整されるであろう。
【００７６】
波面センサー、実験的方法とアルゴリズムとを評価する波面、干渉計に基づく方法或いは他の画像に基づく技術を使用することを含む最適な補償光学制御信号を得る多くの潜在的な方法がある。さらに、波面収差のリアルタイム測定と、参照波面としてガイドスターを用いる補償光学望遠鏡にて行われているのと同様なフィードバック制御とを用いて、実行中に補償光学素子の制御信号を更新する補償走査光学顕微鏡システムが考えられる。
【００７７】
この実験的プロトタイプに関してパフォーマンスメトリック及び数値最適化アルゴリズムが使用された。一般に、パフォーマンスメトリックＱ（ｕ）は補償光学制御信号ｕの非線形関数であり、そしてＱ（ｕ）は結像性能の改善と共に低下するものであると定義される。結果的に生じる最適化問題はまた、補償光学制御信号における上限及び下限に従うものである。高周波画像含有量に基づくメトリックと並列の確率的な勾配下降（parallel  stochastic-gradient-descent：ＰＳＧＤ）最適化アルゴリズムとを組み合わせることによって系を有効に較正することが実証された。一般的に、補償光学制御信号最適化は様々な可能なオプション及び特定の組み合わせが存在する２つの部分を必要とする。
１．結像性能を表すためのメトリックＱ（ｕ）、及び
２．Ｑ（ｕ）を最小化するための最適化アルゴリズム。
【００７８】
上述したＡＳＯＭに対する付加的な向上は、カメラの代わりに分光計を用いることを包含する。開口の近くに位相板を導入すること、及び／又は波面に位相摂動を導入するために補償光学素子を用いることは、ＡＳＯＭが位相コントラスト結像を行うことを可能とするであろう。光路中にビームスプリッターを導入することによって物体を照射する手段としてＡＳＯＭ中に光を投入することも可能である。
【００７９】
結論として、本発明は、高い解像度及び大きい有効視野を同時に達成することができ、また、或る一定の空間的−一時的事象を観察するための現状の技術に勝るいくつかの利点を提供する新しい顕微鏡概念である。この設計は、光学的、機械的、動作制御、及び画像処理設計の相乗作用に大きく依存するものである。ＺＥＭＡＸ光学シミュレーションは大幅に拡張した視野上における回折限界的結像性能を示し、一方、計算は高速の移動及び像取得作動の可能性を示す。低減した機能性の概念証明のプロトタイプはミラーを基礎とする走査アプローチの基本的有効性を実証するために構築され、そして我々は微細組立作業及び生物学的観察作業の双方において実証した。
【００８０】
本発明の、走査レンズ集合体、前方及び倒立の条件付け光学、及び最終結像光学は、各々１つ又はそれ以上のガラスレンズ素子；合成樹脂レンズ素子；ＧＲＩＮ（graduated  index  of  refraction：屈折率分布）素子；回折レンズ素子；球状の光学素子；非球状の光学素子；外部瞳孔、テレセントリック挙動、非テレセントリック挙動を示す素子或いは素子の集合体；全ての視野位置に対する均一な開口数、異なる視野位置に対する不均一な開口数；ｆ−θ歪写像、ｆ−ｃｏｓθ歪写像、ｆ−ｓｉｎθ歪写像に実質的に従う素子或いは素子の集合体；第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に球状である第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に放射状である第一の中間像平面で湾曲した像面とを投射する素子或いは素子の集合体、によって構築され得る。
【００８１】
像ステアリングミラーは操縦機能を行うための任意の像操縦手段若しくは等価物として一般化することができ、これらの手段は、検流計、音声コイルアクチュエーター、圧電アクチュエーター、静電アクチュエーター、ジンバル機構、並列機構、屈曲性機構、或いは磁気浮揚のうちの少なくとも一つを有する操縦手段を含み得るものである。ステアリングミラーは、平坦な反射表面、湾曲した反射表面、実質的に球状である湾曲した反射表面、実質的に非球面の湾曲した反射表面或いは回転するプリズムのうちの少なくとも一つであり得る。最終像平面で光を受けるためのセンサーは、デジタルカメラ、帯電結合デバイス、ＣＭＯＳセンサー、分光計或いは人間の目で見るための接眼レンズのうちの少なくとも一つであり得る。
【００８２】
本発明の特定の実施例が示され、そして発明の原理の適用を説明するために詳細に述べたが、本発明はこのような原理より乖離することなくその他のものに具体化され得ることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る補償走査光学顕微鏡若しくはＡＳＯＭの概略概念的図面である。
【図２】本発明の種々の共役画像及び開口平面を示す複合図である。
【図３】（ａ）は薄肉レンズに関する像面の形状を、（ｂ）は人間の目における非常に単純なレンズを可能とする網膜（像センサー）の曲面を、及び（ｃ）は湾曲した像面を可能とすることにより単純化される本発明のＡＳＯＭ走査レンズを示す複数部分の説明図である。
【図４】本発明の走査レンズ集合体の湾曲した像面の複合説明図である。
【図５】本発明の走査レンズ集合体及び結像光学の像面湾曲の複合説明図である。
【図６】本発明のＡＳＯＭの初期設計を示す説明図である。
【図７】本発明のＡＳＯＭの４０ｍｍの実際上の視野を１０２４×１０２４及び４０９６×４０９６のカメラ（全ての系が０．２１のＮＡで作動する）を用いる従来の顕微鏡によって提示された視野と比較して示すものであり、また、４０ｍｍの視野全体をカバーするために多くの走査運動を必要とする５１２×５１２カメラを用いたＡＳＯＭの０．３８ｍｍサイズの部分視野が示される。
【図８】本発明のＡＳＯＭの異なる作動モードのうちのいくつかを示す図面である。
【図９】（ａ）は発明の異なる視野位置を、（ｂ）はそれぞれの特定の視野位置に対する最適な可変鏡の形状を、そして（ｃ）は選択された視野上に抽出されたストレール比を説明する複合図である。
【図１０】本発明の原理を実証するための本発明者らの最新の実験装置の光学的配置である。
【符号の説明】
【００８４】
１  物体平面
２  第一の中間像平面
３  第二の中間像平面
４  最終像平面
Ａ１  開口の第一の像
Ａ２  開口の第二の像
１０  補償走査光学顕微鏡或いはＡＳＯＭ
１２  物体
１４  ステアリングミラー
１５  スタアリングミラーの位置を制御するための電子システム
１６  走査レンズ集合体
１７  補償光学素子への作動信号を制御するための電子システム
１８  補償光学素子（例えば可変鏡）
１９  センサーからのデータを読み込むために、さらに、
最終像平面での光の獲得データの表示、加工、及び／又は格納のうちの
少なくとも一つを行うための電子システム
２０  補助的結像光学
２２  センサー（例えばカメラ）
３２  前方ＡＯ条件付け光学若しくは接眼レンズ
３３  負の視野レンズ
３４  倒立ＡＯ条件付け光学若しくは接眼レンズ
３５  正の接眼レンズ
３６  最終結像光学
３７  負の視野レンズ
【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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【国際調査報告】
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