(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡又は顕微鏡のレンズ群であって、
それぞれ均一の屈折率の１つ又は複数のレンズ要素を備え、前記１つ又は複数のレンズ要素は、
ｉ）ストレール積べき乗
【数１】
0006549106.tif 000033
が、Ｎ光子撮像の場合、０．５以上であるような高い波面収差補正で、前記レンズ群の近位面に実質的に接触して配置される光学導波管の出口先端部から受け取られる駆動光又は励起光を、前記レンズ群の遠位面を超えて開口数が０．１５以上の狭い点像分布関数を有する点観測場に収束させ、及び
ｉｉ）ストレール積べき乗
【数２】
0006549106.tif 000034
が、Ｎ光子撮像の場合、０．５以上であるような高い波面収差補正で、前記点観測場から前記遠位面によって受け取られる蛍光戻り光又は反射戻り光を蛍光波長で前記光学導波管の前記出口先端部に送るように構成される、レンズ群。
【請求項２】
前記蛍光戻り光及び前記駆動光又は前記励起光は、同じ波長を有する、請求項１に記載のレンズ群。
【請求項３】
ｉ）前記遠位面に配置され、且つ前記遠位面を構成する回折光学要素か、又は
ｉｉ）前記遠位面に配置され、且つ前記遠位面を構成する回折光学要素であって、前記レンズ群が非収束ガラス棒を備え、収束が前記回折要素によって提供される回折光学要素
を備える、請求項１に記載のレンズ群。
【請求項４】
前記レンズ群が、
ピコ秒パルス幅未満であり、且つ前記駆動光の波長にセンタリングされた入力光波束が、ピークパルス強度の損失が３ｄＢ以下であるような前記レンズ群を通過する際にパルス幅が広がるように、
高度に補正された色シフトを有する、請求項１〜３の何れか一項に記載のレンズ群。
【請求項５】
前記レンズ群が、前記光学導波管の前記出口先端部から受け取った蛍光を前記点観測場に収束させるように補正された色シフトを有しており、
前記点観測場で測定される第１及び第２の対応するストレール比の積が、０．５以上であるか、又は一般化ストレール積
【数３】
0006549106.tif 000035
が０．５以上であるかの何れかであり、何れの定義であれ、蛍光撮像モードに適用可能であるような分解能及び収差補正基準を有する、請求項１に記載のレンズ群。
【請求項６】
ｉ）前記レンズ群が、ピコ秒パルス幅未満であり、且つ前記駆動光の波長にセンタリングされた入力光波束が、前記レンズ群を通過する際にパルス幅が広がるように、高度に補正された色シフトを有しており、前記レンズ群が、第１のパルス広がり基準を有し、
該第１のパルス広がり基準は、
第１の入力光波束は前記レンズ群からのマルチパス寄与により第２の入力光波束に幅広化され、
該第１の入力光波束は公称駆動波長でセンタリングされかつ持続時間が２０フェムト秒であり、
該第２の入力光波束は、前記第１の入力光波束に等しい中心波長であり、且つ１００フェムト秒未満の持続時間である
ように定義され、又は
ｉｉ）前記レンズ群が、透過波動場が０．５以上のストレール比を生成する程度まで分散させるのに不十分な透過時間を有するような量のガラスを含み、それにより、間隔の狭い駆動／蛍光波長対に適応する、
請求項１に記載のレンズ群。
【請求項７】
（ｉ）前記レンズ群内の、異なる材料からなる２つのガラスと、該２つのガラスがそれらの間に有する球形界面と、非球面である遠位面とを備え、それにより、波長４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの幅広可視光スペクトルの駆動／蛍光波長対に適応するか、又は
（ｉｉ）２つ以上のタイプの異なる色分散を有する複数のガラスは、相殺分散のために配置され、且つ幅広可視光スペクトル波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の任意の駆動／蛍光波長対との併用に適応する、
請求項５に記載のレンズ群。
【請求項８】
均質円柱ロッドと、前記均質円柱ロッドの遠位端部に接合された回折格子とを備え、
ｉ）前記格子が、前記駆動光を前記点観測場に収束させ、且つ前記戻り光を前記点観測場から前記光学導波管の前記出口先端部に案内するか、又は
ｉｉ）前記格子が、前記駆動光を前記点観測場に収束させ、前記格子は、前記戻り光を前記光学導波管の前記出口先端部に案内し、前記格子の第１の部分は前記駆動光を収束させるように構成され、第２の部分は前記戻り光を収集するように構成される、
請求項１に記載のレンズ群。
【請求項９】
製造後に一緒に接着されるか、又は他の方法で接合される複数のレンズ要素を備える、請求項１〜８の何れか一項に記載のレンズ群。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載のレンズ群を備える光学系。
【請求項１１】
前記光学導波管を備える、請求項１０に記載の光学系。
【請求項１２】
前記光学導波管を保持するように構成されるカンチレバーマウントと、
前記光学導波管に取り付けられる磁石と、
ｉ）前記レンズ群の前記遠位面が高速でスキャンされて、前記戻り光から広視野像を構築するような２平面で前記磁石を振動させる駆動系か、又はｉｉ）前記レンズ群の前記遠位面が高速でスキャンされて、前記戻り光から広視野像を構築するような２平面で前記磁石を振動させる駆動系であって、少なくとも５００Ｈｚの周波数で第１の方向でスキャンし、及び少なくとも０．５Ｈｚの周波数で、前記第１の方向に直交する第２の方向でスキャンするように構成され、それにより、視野が少なくとも２００μｍ×２００μｍである像を前記戻り光から取得することができる駆動系と
を更に備える、請求項１１に記載の光学系。
【請求項１３】
主コアと、高度マルチモード補助コアとを有する光学導波管と、
それぞれ均一の屈折率の１つ又は複数のレンズ要素と
を備え、前記光学導波管の出口先端部は、レンズ群の近位面に実質的に接触して配置され、
前記主コアは、駆動光又は励起光を光源から前記レンズ群に送るように構成され、
前記レンズ群は、
ｉ）ストレール積べき乗
【数４】
0006549106.tif 000036
が、Ｎ光子撮像の場合、０．５以上であるような高い波面収差補正で、前記レンズ群の近位面に実質的に接触して配置される光学導波管の出口先端部から受け取られる前記駆動光又は前記励起光を、前記レンズ群の遠位面を超えて開口数が０．１５以上の狭い点像分布関数を有する点観測場に収束させ、
ｉｉ）ストレール積べき乗
【数５】
0006549106.tif 000037
が、Ｎ光子撮像の場合、０．５以上であるような高い波面収差補正で、前記点観測場から前記遠位面によって受け取られる蛍光戻り光又は反射戻り光を蛍光波長で前記光学導波管の前記出口先端部に送るように構成される、光学系。
【請求項１４】
ｉ）前記光学導波管は、１つ又は複数の補助導光コアを更に備え、それにより、前記撮像開口数は、主高分解能値と低値との間で場合により中間ステップを有して切り換えられて、ユーザが、軸方向粗分解能並びに部位誤差及び手の不安定性に対する高耐性で、像を容易に位置決めし、次に、標的組織が識別されると、高分解能モードに切り換えられるようにすることができる、及び／又は
ｉｉ）前記光学導波管は、異なる撮像深度からの前記戻り光を選択的に受け取る１つ又は複数の軸方向導光コア及び横方向にオフセットした補助導光コアを更に備える、及び／又は
ｉｉｉ）前記レンズ群の頂点のスキャン面に平行であるように選択される表面形状を有する準楕円体光学窓を備え、それにより、前記レンズ群、前記光学窓の瞬間光学活性領域、及び前記光学窓の遠位側の前記点観測場の相対的ジオメトリは、スキャンの像取得部分全体を通して変わらないままである、
請求項１０〜１３の何れか一項に記載の光学系。
【請求項１５】
光学導波管と、複数のレンズ要素を備える請求項１に記載のレンズ群とを、前記光学導波管の出口先端部が前記レンズ群の近位面に実質的に接触する状態で、位置合わせ治具に取り付けることと、
前記光学導波管を光学的に駆動することと、
出力光を前記レンズ群から光学検出器に向けることと、
前記レンズ群及び前記光学導波管の相対位置及び向きを調整することにより、収差最小最適相対位置及び向きを確立することと、
前記レンズ要素を固定相対位置及び向きに接合するか、又は他の方法で組み立てることと
を含む、能動的位置合わせ方法。
【請求項１６】
請求項１０〜１４の何れか一項に記載の光学系を備える生体内一光子又は多光子デスキャン蛍光撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、決して限定的ではないが、特に、顕微鏡、内視鏡、又は内視顕微鏡としての用途の光学スキャナ及びスキャンレンズ光学プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光学系の光軸中心から物体が離れるほど、撮像システムのストレール比は悪化して、物体は暗く見え、信号対雑音比は悪化する。
さらに、視野と開口数との間にはトレードオフがあり、光学系の開口数(Numeral Aperture)が大きいほど（すなわち、分解できる物体が小さくなるほど）、系のストレール比が許容可能に大きく（特に生体内システムの場合）、口径食が許容可能に小さい視野は小さくなる。このトレードオフは、視野内の物体の位置が変化するにつれて、撮像系、物体、及び物体の象の相対的なジオメトリが変化することから生じる。
オンアクシス(on-axis)撮像に最適化された実際の光学系は、オフアクシス(off-axis)撮像に対して同時に最適化されない。系の開口数が多くなるほど、物体と、撮像系と、像との間の相対ジオメトリの変化に対する任意の設計の影響の受けやすさは大きくなる。収差、特にコマ収差は、オフアクシスを増大させる。駆動波長及び蛍光波長での焦点位置は、機器の側方分解能及び軸方向分解能以内で同じでなければならない。
【０００３】
例えば、図１は、視野（ＦＯＶ）全体にわたり０．３ＮＡ、０．８ストレール比、軸方向色シフト＜２ｍｍ、及び側方色シフト＜１５０ｎｍを有する背景技術の多要素共焦点コレクタレンズの概略図である。
視野全体にわたり０．５以上のストレール比でこのレンズを製造するためには、既存の製造技法の制限と、製造不完全性の積み重なり等とを考慮するとともに、組織内の撮像面の予期される曲率半径（この例では、＞３ｍｍ）を考慮に入れる必要がある。
したがって、駆動波長４８８ｎｍ及び蛍光放射ピーク波長５３２ｎｍの両方で、設計又は理論ストレール比０．９５が要求されるとともに、全視野にわたる２波長間に１５０ｎｍ未満の側方焦点色シフト及び２μｍ未満の軸方向焦点色シフトが要求され、これらは全て、３ｍｍを超える組織内の撮像面の半径曲率の場合である。これは、図１に示されるマルチ要素設計のレンズを使用することによって達成される。
【０００４】
一方、１０個の光学要素の連結は、必要とされる厳しい光学品質及び機械的許容差の達成をコストがかかるものにする。各表面の不完全性からの収差が非コヒーレントに加算されると仮定すると、１４の空気とガラスとの界面の収差は、各表面によって追加される収差の概ね√１４≒３．７倍である。最終組立体内での各表面に求められるＩＳＯ１０１１０仕様は、３／０．５（０．５／−）ＲＭＳｉ＜０．０５、λ＝６３３ｎｍ、及び４／５’である。
【０００５】
これらのシステムに伴う更なる問題は、ファイバの出力場の低開口数である。シングルモード４５０ｎｍファイバから出力される場の開口数（ＮＡ）は、約０．１である。多くの円柱形生体内撮像用途では、０．２以上の開口数が必要とされる。
したがって、２以上の倍数でこの開口数を上げるための共焦点ピンホールとしてシングルモード光ファイバのバウンド固有場が使用されるべき場合、光学拡大(optical magnification)が必要とされる。これは、ファイバのスキャン振幅が、組織内の視野のスキャン振幅の２倍以上でなければならないことを意味する。倍率２×を有するスキャンシステムは、望まれる視野の２倍のスキャン振幅の光ファイバを達成しなければならない。
【０００６】
より単純な光学構成を有するシステムが、（特許文献１）に開示されており、（非特許文献１）で更に探求されている。
（特許文献１）には、共焦点スキャン内視鏡の光学プローブが開示されている。プローブは、光学ガイドと、光学ガイドからの光を収束させる、光学ガイドの遠位端部に取り付けられた第１のレンズと、遠位端部及び第１のレンズを変位させて、光学スキャンを可能にするアクチュエータと、第１のレンズからの放射線を受け取るプローブ内部の第２のレンズとを備える。第２のレンズは、負レンズを含み、アクチュエータによる第１のレンズの変位方向に対応する方向に、第１のレンズからの放射線を偏向させる。
この発明は、安価で使い捨ての光学プローブの視野（ＦＯＶ）を増大させるのに特に有用であると言える。したがって、第１のレンズは光学ガイドに機械的に結合され、レンズ、撮像組織、及びカバースリップの相対的ジオメトリがスキャン全体を通してオンアクシスジオメトリと同じままであるため、視野と開口数とのトレードオフが回避され、高値の両パラメータが可能であるとともに、側方色シフトがなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２１１１０４号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｎｄ  ｎｏｎｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｉｂｅｒ−ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｃｏｎｆｏｃａｌ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  １６（２），０２６００７（Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、（特許文献１）のシステムは、第１のレンズを光学ガイドに結合するスキャン鋼管に沿って延びる幾つかの電気チャネルを含み、大きく重いレンズを利用し、（多光子撮像でのパルス拡散を計算する他は）色収差の問題に対処しない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の広い態様では、本発明は、内視鏡又は顕微鏡のレンズ群であって、
それぞれ均一の屈折率の１つ又は複数のレンズ要素を備え、１つ又は複数のレンズ要素は、
ｉ）高い波面収差補正で、レンズ群の近位面に実質的に接触して配置される光学導波管（光ファイバ等）の出口先端部から受け取られる駆動光又は励起光を、レンズ群の遠位面（遠位面に相対して遠位に配置された光学窓の外側等）を超えて狭い点像分布関数を有する点観測場に収束させ、及び
ｉｉ）高い波面収差補正で、点観測場（及び蛍光波長点像分布関数によって画定されるその近傍）から遠位面によって受け取られる蛍光戻り光又は反射戻り光を蛍光波長で光学導波管の出口先端部に送るように構成される、
レンズ群を提供する。
【００１１】
したがって、レンズ群は、レンズ群、撮像検体、カバースリップの相対的ジオメトリを、スキャン全体を通してオンアクシスジオメトリと同じに保つことにより、高値の視野及び開口数の両方のパラメータを有することができるとともに、側方色シフトを最小化するか又はなくすことができるため、視野と開口数との従来のトレードオフを克服する。
【００１２】
レンズ群は、収差及び色シフトの両方を高度に光学的に補正（後述するように、「能動的」又は「受動的」の何れかで）しながら、非常に小型で軽量であるスキャナに提供し得、むき出しの光学導波管（例えば、専用外装又は他の剛性／慣性変更デバイスを有さない、全てガラスの従来の光ファイバ）を使用することができ、それにより、レンズ系は、十分に小型化し、高速（すなわち、一部の背景技術で参照される１５０Ｈｚよりも１桁高速の共振周波数）でスキャンすることが可能である。レンズ群は、光学導波管と導波管の第１の要素との間に基本的にエアギャップなしで（スキャン）光学導波管に直接接合し得、これにより、構築が簡易になり、能動的な位置合わせを容易に実行することが可能になる。
【００１３】
本発明は、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍスペクトルにわたり最高で０．５ＮＡまで、可能な場合には０．７ＮＡという大きな開口数まで、全ての波長を２μｍ以内で同じ焦点に届けながら、効率的に任意の数の蛍光を用いての一光子及び二光子同時撮像が可能な「ユニバーサル」プローブの構築を可能にする。さらに、色補正は、上述した背景技術よりも良好な二光子撮像性能を提供する。
【００１４】
一実施形態では、蛍光戻り光及び駆動光又は励起光は、同じ波長を有する（すなわち、システムは反射モード撮像システムである）。
【００１５】
一実施形態では、レンズ群は、遠位面に接合される回折格子要素を更に備える。レンズ群は、非収束ガラス棒を備え得、収束は回折要素によって提供される。
【００１６】
別の実施形態では、レンズ群は、レンズ群が光学導波管の出口先端部から受け取った蛍光を点観測場に小さな許容誤差内で収束させる（したがって、駆動光及び蛍光の両方が、許容誤差内で共通点観測場に収束する）ように高度に補正された色シフトを有する。これに関連して、「小さな許容誤差」は、軸方向分解能と比較した場合に小さいことを意味する。
【００１７】
一実施形態では、レンズ群は、ピコ秒パルス幅未満であり、且つ駆動光の波長にセンタリングされた入力光波束が、レンズ群を透過する際にパルス幅がわずかにのみ広がる（したがって、ピークパルス強度及び二光子結合効率の損失が小さく）、したがって、システムを多光子撮像に特に適合させる）ように高度に補正された色シフトを有する。例えば、１ｄＢ未満の損失が望ましいが、２ｄＢ又は３ｄＢの損失を有するレンズ群（又はレンズ群を用いて提供されるシステム）も有価値である。
【００１８】
レンズ群は、
ａ）レンズ群によって収束される光の開口数が、（ｉ）レンズ群が公称駆動光波長での光学導波管から光を受け取る場合、０．１５以上であり、及び（ｉｉ）ピーク蛍光放射の波長で０．１５以上であり、且つ
ｂ）点観測場で測定される第１及び第２の対応するストレール比の積が、０．５以上であるか、又は一般化ストレール積
【数１】
0006549106.tif 000002
が０．５以上であるかの何れかであり、何れの定義であれ、蛍光撮像モードに適用可能であるような分解能及び収差補正基準を有し得る。
【００１９】
レンズ群は、公称駆動波長でセンタリングされ、且つ持続時間が２０フェムト秒である入力光波束が、レンズ群からのマルチパス寄与により、等しい中心波長であり、且つ１００フェムト秒未満の持続時間の波束に幅広化されるように定義されるパルス広がり基準を有し得る。
【００２０】
レンズ群は、外径１ｍｍ未満、長さ５ｍｍ未満、及び質量２０ｍｇ未満を有し得る。
【００２１】
レンズ群は、（ｉ）レンズ群内の２つの異なるガラスと、（ｉｉ）２つの異なるガラス間の球形界面と、（ｉｉｉ）非球面である遠位面とを備え、それにより、レンズ群は、波長４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの幅広可視光スペクトルの駆動／蛍光波長対に適応し得る。
【００２２】
一実施形態では、レンズ群は１つのタイプのガラスを備え（且つ色シフト補正デバイスを有さず）、レンズ群は、透過波動場が０．５以上のストレール比を生成する程度まで分散させるのに不十分な透過時間を有するような量のガラスを含み、それにより、レンズ群は、間隔の狭い駆動／蛍光波長対（典型的には、５０ｎｍ以下の間隔）に適応する。
【００２３】
レンズ群は２つ以上のタイプの複数のガラスを備え得、レンズ群は相殺分散を有し、且つレンズ群は、幅広可視光スペクトル波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の任意の駆動／蛍光波長対（蛍光波長及び駆動波長が同じ対を含む）との併用に適応する。ガラスのうちの２つは中間ギャップ（エアギャップ又は自由空間等）で分離され得る。
【００２４】
したがって、この実施形態では、複数のガラスは少なくとも２つのタイプのガラスを含む。実際には、複数のガラスは全て、互いに異なり得る。しかし、全体的に、複数のガラスは相殺分散を提供する。実際には、これは一般に（常にではない）、ガラス順がタイプＡの後にタイプＢが続き（近位群内）、次に、タイプＢの後にタイプＡが続く（遠位群内）ことを意味する。
【００２５】
一実施形態では、レンズ群は、均質円柱ロッドと、均質円柱ロッドの遠位端部に接合された回折格子とを備え、格子（回折面ではなく）は、駆動光を点観測場に収束させ、且つ戻り光を点観測場から光学導波管の出口先端部に案内する。
【００２６】
別の実施形態では、レンズ群は、均質円柱ロッドと、均質円柱ロッドの遠位端部に接合された回折格子とを備え、格子（回折面ではなく）は、駆動光を点観測場に収束させ、格子は、戻り光を光学導波管の出口先端部に案内し、格子の第１の部分は、駆動光を収束させるように構成され、及び第２の部分は戻り光（例えば、蛍光）を収集するように構成される。
【００２７】
更に別の実施形態では、レンズ群は、典型的には、機械加工により、製造後に一緒に接着されるか、又は他の方法で接合される複数のレンズ要素（同様又は異なるガラスの）を備える。これにより、本発明を用いない場合には、横プロファイルが長すぎ、薄すぎるシャッターレンズになりがちなレンズ製作ＣＮＣロボットによりレンズ要素を容易に構築することが可能になる。
【００２８】
第２の広い態様では、本発明は、上述したレンズ群を備える光学系を提供する。
【００２９】
光学系は、光学導波管を備え得る。
【００３０】
一実施形態では、光学系は、光学導波管を保持するように構成されるカンチレバーマウントと、光学導波管に取り付けられる磁石と、レンズ群の遠位面が高速でスキャンされて、戻り光（例えば、蛍光）から広視野像を構築するような２平面で磁石を振動させる駆動系とを更に備える。
【００３１】
駆動系は、少なくとも５００Ｈｚの周波数で第１の方向でスキャンし、及び少なくとも０．５Ｈｚの周波数で、第１の方向に直交する第２の方向でスキャンするように構成され得、それにより、視野が少なくとも２００μｍ×２００μｍである像を戻り光（例えば、蛍光）から取得することができる。
【００３２】
第３の広い態様では、本発明は、
主（例えば、シングルモード）コアと、高度マルチモード補助コアとを有する光学導波管と、
それぞれ均一の屈折率の１つ又は複数のレンズ要素と
を備え、光学導波管の出口先端部は、レンズ群の近位面に実質的に接触して配置され、
主コアは、駆動光又は励起光を光源からレンズ群に送るように構成され、
レンズ群は、
ｉ）高い波面収差補正で、光学導波管の出口先端部から受け取られる駆動光又は励起光を、レンズ群の遠位面（遠位面に相対して遠位に配置された光学窓の外側等）を超えて狭い点像分布関数を有する点観測場に収束させ、
ｉｉ）中程度の収差補正で、蛍光を点観測場（及び蛍光波長点像分布関数によって画定されるその近傍）から蛍光波長での光学導波管の出口先端部に送る
ように構成され、且つ
補助コアは、蛍光を受け取るように構成される、光学系を提供する。
【００３３】
一実施形態では、光学系は、
ａ）光学導波管が公称駆動波長で駆動される場合、収束光の開口数が０．１５以上であり、及び
ｂ）ストレール積べき乗
【数２】
0006549106.tif 000003
が、Ｎ光子撮像（すなわち、二光子撮像の場合、べき乗Ｎ＝２であり、三光子撮像の場合、Ｎ＝３等）の場合、０．５以上であるような分解能及び収差補正基準を有する。
【００３４】
第２及び第３の態様の光学系では、光学導波管は、１つ又は複数の補助導光コアを更に備え得、それにより、撮像開口数は、主高分解能値と低値（例えば、０．１ＮＡ）との間で場合により中間ステップを有して切り換えられて、ユーザが、軸方向粗分解能並びに部位誤差及び手の不安定性に対する高耐性で、像を容易に位置決めし、次に、標的組織が識別されると、高分解能モード（許容差がより低い）に切り換えられるようにすることができる。
【００３５】
第２及び第３の態様の光学系では、光学導波管は、異なる撮像深度からの戻り光を選択的に受け取る１つ又は複数の軸方向導光コア及び横方向にオフセットした補助導光コアを更に備え得る。
【００３６】
一実施形態では、光学系は、レンズ群の頂点のスキャン面に平行であるように選択される表面形状を有する準楕円体光学窓を備え、それにより、レンズ群、光学窓の瞬間光学活性領域、及び光学窓の遠位側の点観測場の相対的ジオメトリは、スキャンの像取得部分全体を通して変わらないままである。
【００３７】
第４の広い態様では、本発明は、
光学導波管と、複数のレンズ要素を備える上述したレンズ群とを、光学導波管の出口先端部がレンズ群の近位面に実質的に接触する状態で、位置合わせ治具に取り付けることと、
光学導波管を光学的に駆動することと、
出力光をレンズ群から光学検出器（波面センサ、天文学者の星テスト装置又は干渉計等）に向けることと、
レンズ群及び光学導波管の相対位置及び向きを調整することにより、収差最小最適相対位置及び向きを確立することと、
レンズ要素を固定相対位置及び向きに接合するか、又は他の方法で組み立てることと
を含む、能動的位置合わせ方法を提供する。
【００３８】
第５の広い態様では、本発明は、レンズ表面品質評価方法であって、
上述した光学系の焦点に既知の直径のピンホールを位置決めすることと、
光学導波管を光学的に駆動することと、
ピンホール透過電力を測定することと、
ピンホールを除去し、及び合計出力電力を測定することと、
合計電力に対するピンホール透過電力の比率から、レンズの二乗平均平方根表面粗さの測定値を特定することと
を含む、方法を提供する。
【００３９】
第６の広い態様では、本発明は、上述した光学系を備える生体内一光子又は多光子デスキャン蛍光撮像システムを提供する。
【００４０】
本発明の上記態様のそれぞれの任意の様々な個々の特徴及び特許請求の範囲内を含め、本明細書に記載される実施形態の任意の様々な個々の特徴が、適宜所望のように組み合わせ可能なことに留意されたい。
【００４１】
本発明をより明確に確かめることができるように、これより、実施形態について添付図面を参照して、例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】背景技術の多要素共焦点コレクタレンズの概略図である。
【図２】本発明の実施形態によるスキャナの概略図である。
【図３】図２の（ａ）及び（ｂ）のスキャナのレンズ群のより詳細な概略図である。
【図４】非球面の定義の図表現である。
【図５】レンズ群を省いた「データム系」の概略図である。
【図６】本発明の実施形態による、導光管からの０．０９５ＮＡ入力の光線を有する０．２６ＮＡ非補正系の概略図である。
【図７】本発明の実施形態による、０．３０ＮＡ非補正系「非補正０．４７／０．３０ＮＡ」の場合のプロファイルの概略図である。
【図８】本発明の実施形態による０．３３ＮＡユニバーサル系「ユニバーサル０．５０／０．３３ＮＡ」のプロファイルの概略図である。
【図９】本発明の実施形態によるレンズ位置合わせ誤差の補償の概略図である。
【図１０】本発明の様々な実施形態での、駆動ファイバ偏心の関数としての一光子共焦点顕微鏡法で戻されるピーク光子数のプロットである。
【図１１】本発明の様々な実施形態での、駆動ファイバ偏心の関数としての一光子顕微鏡法の横方向分解能の概略図である。
【図１２】本発明の様々な実施形態での、駆動ファイバ偏心の関数としての一光子顕微鏡法の軸方向分解能の概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態の「ユニバーサル０５０／０３３」システムでの球形界面偏心の関数としての一光子顕微鏡法で戻されるピーク光子数のプロットである。
【図１４】１０μｍ球形界面偏心を有する本発明の実施形態によるシステムでのファイバ位置の関数としての一光子顕微鏡法で戻される能動的補償方式ピーク光子数の有効性のプロットである。
【図１５】色補正の有効性のプロットであり、波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の波長での本発明の一実施形態の「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでの軸方向応答の概略図である。
【図１６】色補正の有効性のプロットであり、本発明の実施形態による理想的なシステム及び補正システムでの波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の波長での「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでの軸方向焦点位置のシフトの概略図である。
【図１７】補償後の色補正の有効性のプロットであり、本発明の実施形態による理想的なシステム及び補正システムでの波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の波長での「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでの横方向色シフトの概略図である。
【図１８】補償後の色補正の有効性のプロットであり、本発明の実施形態による理想的なシステム及び補正システムでの波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の波長での「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでの収差損失の概略図である。
【図１９】補償後の色補正の有効性のプロットであり、本発明の実施形態による理想的なシステム及び補正システムでの波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の波長での「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでの横方向分解能の概略図である。
【図２０】本発明の実施形態による「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでの全システム及び中心光線のみの位相応答のプロットである。
【図２１】本発明の実施形態による「ユニバーサル０５０  ０３３」システムでのマルチパス位相（中心光線に相対する位相）のプロットである。
【図２２】本発明の実施形態による非補正システム及び補正システムでの出力パルスの概略図である。
【図２３】本発明の実施形態による補正システムからの出力パルスの概略図である。
【図２４】寸法φ０．５ｍｍ×５ｍｍのＳｃｈｏｔｔ  Ｎ−ＳＦ６６ガラス棒を通して回折する１Ｗ０．１ＮＡビームによる局所加熱の像である。
【図２５】７０：１スケールでの本発明の実施形態による「ユニバーサル０．８０／０．５７ＮＡ」システムの概略図である。
【図２６】図２５のシステムでの二重コリメーションの概略図である。
【図２７】本発明の実施形態による非デスキャン多光子システムの概略図である。
【図２８】本発明の実施形態による多コアファイバシステムの概略図である。
【図２９】本発明の別の実施形態による多コアファイバシステムの概略図である。
【図３０】本発明の実施形態による、スキャンされる円筒基板上にホログラフィック（格子）レンズを有する光学系の概略図である。
【図３１】光学系と、図３０の（ａ）の０．２ＮＡ  １ｍｍ作動距離回折レンズとの概略図である。
【図３２】半分の格子が駆動光の収束専用であり、残りの半分が蛍光の収束専用である、図３０の（ｂ）の光学系の扇形ホログラフィック（格子）レンズの概略である。
【図３３】（左）４８８ｎｍ駆動波長（右）５３２ｎｍ蛍光波長での図３２の扇形格子の焦点面点像分布関数の概略図である。
【図３４】（左)サブ分解可能蛍光の共焦点応答と、（右）共焦点応答の二乗平方根とを含む、４８８ｎｍ駆動ピーク波長及び５３２ｎｍ蛍光ピーク波長を有する図３２の扇形格子の焦点面共焦点応答の概略図である。
【図３５】本発明の実施形態による能動的位置合わせ装置の概略図である。
【図３６】本発明の実施形態による表面粗さ品質評価装置の概略図である。
【図３７】本発明の実施形態による０．３ＮＡでの円半径の関数としての円内エネルギーの概略図である。
【図３８】ＲＭＳレンズ表面粗さの関数としての図３６の品質評価装置でのピンホール透過電力のピーク割合の概略図である。
【図３９】励起波長及び蛍光波長の両方で同じ公称焦点で収差仕様がいかに満たされなければならないかをそれぞれ示す、許容可能な収差仕様及び非許容可能な収差仕様の概略図である。
【図４０】本明細書で利用されるＮＡのピーターマンＩＩ（Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ  ＩＩ）定義の調整の概略図である。
【図４１】様々なスポット分離での正規化横方向変位に対して正規化強度をプロットすることにより２つのガウススポットの分解可能性を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の第１の群の実施形態によれば、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ波長の幅広化可視光スペクトル内の広範囲の駆動／蛍光波長対に適する光学系が提供され、この光学系は、（ｉ）２つの異なるガラスのレンズ群と、（ｉｉ）それらの間の球形界面と、（ｉｉｉ）レンズ群の遠位面又は出力面上の非球面とを備える。
【００４４】
図２の（ａ）及び（ｂ）は、この第１の群の実施形態による光学系１０の概略図である。静止した光学系１０を示す図２の（ａ）を参照すると、光学系１０は、スキャン光ファイバ１２と、光ファイバ１２の遠位先端部１６に結合されたレンズ群１４とを含む。
この実施形態では、光ファイバ１２は、直径１２５μｍを有するシングルモード４５０ｎｍシリカ光ファイバの形態である。
レンズ群１４は一般に、直径２５０μｍ及び長さ２．４９ｍｍを有する円柱形である。レンズ群１４の近位１．７９ｍｍは、基板として機能し、Ｎ−ＳＦ６６ガラスを含む。一方、レンズ群１４の遠位又は前方０．７ｍｍは、Ｌ−ＬＡＭ６０ガラス（更に詳細に後述する）の非球面レンズ１８を含む。レンズ群１４は２つの異なるガラスを含み、この例では、基板はＮ−ＳＦ６６ガラスを含む。一方、非球面レンズ１８はＬ−ＬＡＭ６０ガラスを含む。レンズ群１４の２つの構成要素の界面は、非球面であり、非球面レンズ１８の前面又は遠位面は非球面である。
【００４５】
カラー２０が、レンズ群１４の近位又は後方端部に設けられて、レンズ群１４及び光ファイバ１２をしっかりと接続する。カラー２０は一般に、接着剤のメニスカスを含むが、この機能の実行に適し、光学系１０の意図される用途に対応する任意の他の材料を含み得る。代替的には、カラー２０はレンズ群１４と一体であり得る。
【００４６】
スキャナ１２は、内部に光ファイバ１２が保持される、米国特許第７，９２０，３１２号明細書（参照により本明細書に組み込まれる）の図２の（ａ）に示されるタイプ等のカンチレバーベアリングの形態のマウント２２及びマウント２２とレンズ群１４との間で光ファイバ１２に取り付けられる、スキャナの駆動に使用される磁石２４も含む。
この実施形態では、磁石２４はサマリウムコバルト磁石であり、正方形断面７００μｍ×７００μｍ及び公称平均密度７０８３ｋｇ・ｍ−３を有して、光ファイバ１２を収容するために切り込まれたボア又はスロットを説明する。
【００４７】
使用に当たり、光学系１０は一般に、例えば、望ましくは光学窓を含む内視鏡ヘッド内に収容される。この実施形態では、この光学窓は楕円体の窓又はカバースリップ２６の形態であり、非球面レンズ１８の移動に適応するとともに、楕円体であることで、楕円体ではない場合には窓によって導入されるおそれがある光学歪みを低減し、それにより、スキャン表面曲率及び／又はスキャナ開口数が高い場合、全体視野にわたって光学性能を維持する。この実施形態及び後述される他の実施形態では、窓２６はＮ−ＢＫ７のものであり、Ｎ−ＢＫ７は良好な生体適合性も有する。
【００４８】
図２の（ｂ）は、使用中の光学系１０を示し、光学系１０が第１の倍音振動モードで利用される場合、非球面レンズ１８が０．５ｍｍ振幅スキャンの一端にあるときの構成要素の湾曲又は変位を示す。
そのようなスキャン移動を達成するために、磁石２４は、０．１５ｍｍの左右並進移動（回転なし）を実行するように駆動される。このモードの共振周波数は１６１７Ｈｚである。適する駆動機構が米国特許第７，９２０，３１２号明細書に開示されており、この機構は、磁石２４の上及び下に配置される一対のＹ駆動コイル（非共振線形Ｙスキャンを実行するために：米国特許第７，９２０，３１２号明細書の図３のコイル５４ａ及び５４ｂ参照）と、磁石２４の片側に配置される一対のＸ駆動コイル（共振正弦波Ｘスキャンを実行するために：米国特許第７，９２０，３１２号明細書の図３のコイル５６ａ及び５６ｂ参照）とを備える。
【００４９】
光学系１０がラスタスキャン像を構築する場合、視野の約７０％が使用されることが予期され、残りは正弦波スキャンの進む−戻る部分であり、したがって、方向を切り換えるためのレンズ先端部の減速に起因して酷く歪む）。光学系１０は、約７００μｍ×７００μｍの視野を有する。
【００５０】
この例のスキャン表面曲率は高く、高速共振Ｘスキャンの曲率半径は２．６ｍｍである。直交方向又はＹ（非共振低速スキャン）方向での主曲率は８．２ｍｍである。そうであっても、この高曲率で、スキャン表面は７００μｍ×７００μｍの視野全体にわたり２４μｍしか平坦からずれない。本発明の他の実施形態により、より低い周波数のより長いシステムも、それに対応してより長い曲率半径で可能である。
【００５１】
図３は、レンズ群１４及び光ファイバ１２への結合（しかし、簡単にするためにカラー２０を省いている）のより詳細な概略図である。上述したように、レンズ群１４は、Ｎ−ＳＦ６６ガラスの近位基板３０と、Ｌ−ＬＡＭ６０ガラスの遠位非球面レンズ１８とを備え、これらは両方とも静止光軸３２を有する。レンズ群１４は、波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍでの撮像に適応する。図４は、非球面の定義の図表現である。
【００５２】
代替の実施形態では、光学系１０は、蛍光スキャナとしての使用に適応し、間隔の狭い駆動／蛍光波長対（典型的には５０ｎｍ以下の間隔）に適応する。この代替の実施形態では、レンズ群１４は、１つのみのタイプのガラスを含み、色シフト補正デバイスは省かれ、代わりに、色シフト性能は、ごく小量のガラスを利用して、後述するストレール比積目標の到達の阻止に十分に分散させるのに十分な飛行時間を透過光に与えないことによって達成される。
【００５３】
非球面レンズ１８の非球形前面３４は、公称的に軸対称であり（すなわち、光軸の回りで回転対称を有する）、標準機能形態
【数３】
0006549106.tif 000004
によって指定される。式中、ｚ（図４参照）は、光軸からの直交距離ｒの関数として、頂点Ｖ（すなわち、表面が光軸と交わる場所）を通る光軸に直交する平面に相対して測定される表面の「たるみ」である。図４の例では、ｚは負である。（問題となっている点での表面が頂点Ｖの右側にある場合、ｚは正である）。
【００５４】
様々な実施形態（図２〜図３の実施形態を含む）のパラメータを表１に提示する。これらの例は、異なるタスクに向けて設計されており、異なる程度の構築の難しさが予見される。例は網羅的ではなく、平面又は球面界面で交わる非球面レンズ及び１つの基板を用いて現実的に達成し得るもののサンプルである。他の実施形態では、図２〜図３に示される等、非球面遠位面と組み合わせて球面又は非球面界面を有する異なるガラスの幾つかの基板を使用することにより、より高度の補正を得ることができるが、これらの利得は小さいと思われる。
【００５５】
４８８ｎｍ波長の市販のシングルモードファイバが、各例の主開口数の計算に仮定される。このファイバはピーターマンＩＩモードフィールド直径３．４μｍと、ピーターマンＩＩ出力開口数０．０９５を有する（そのマルチモード「材料」開口数は０．１２であると示されるにも関わらず）。
【００５６】
表１に詳述される例示的なレンズは、より高い開口数の専用ファイバが利用可能であり、望まれる場合、そのようなファイバに対応するように設計される。
したがって、例えば、第１のシステム（「非補正０．４０／０．２６ＮＡ」）は、現在のＳＭ４５０ファイバを用いて０．２６ＮＡを達成するが、行「λＤでのファイバ出力ピーターマンＩＩモードフィールド直径」中の２つの数字０．０９５（０．１５）により示されるように、最高で０．１５ＮＡまでの入力場を補正するように設計される。
この後者の開口数が、専用ファイバを用いて（例えば、「ホーリーファイバ」技術において）達成される場合、この設計の列の下に列挙されたストレール比と同等のストレール比を有する０．４ＮＡという括弧付き開口数を予見することができる。
同様に、設計「ユニバーサル０．５０／０．３３ＮＡ」は、現在のシングルモードファイバを用いて０．５０ＮＡを達成するが、その設計の列の下に列挙されたストレール比と同じストレール比を達成しながら、出力開口数が０．５０である場合、設計それ自体は最高で０．１５までの入力開口数に対応することができる。
【００５７】
【表１】
0006549106.tif 000005
【００５８】
スキャナ性能は、表１の理論的性能パラメータによって評価される。ストレール比が波長でのピークストレール比ではなく、むしろ、以下に定義されるストレール比、すなわち、駆動波長及び蛍光波長での２つのストレール比の積を最大化する点として定義される焦点でのストレール比であることに留意されたい。
【００５９】
表２は、表１のスキャナの機械的性能パラメータを提示する。
スキャナの機械的性能は、スキャン磁石が純粋な左右並進移動を受け、第１の倍音共振で回転しないように、カンチレバーベアリングとスキャン磁石の最も近い縁部との間のファイバの長さｌＣ（図２の（ａ）及び（ｂ）参照）を調整することによって設定された。
図５に概略的に示される「データム」システム５０の対応する性能パラメータが最後の列に与えられている。これらのパラメータは、スキャンレンズなしのむき出しのファイバに関連し、表１のその他のスキャナのパラメータを達成する難しさの大凡の目安を与える。
例えば、行「低速スキャン方向での駆動力振幅」は、「ユニバーサル０．５０／０．３３ＮＡ」レンズ群をスキャンするシステムが、データムシステムの４８５／２００＝２．４倍強い低速スキャン駆動力を必要とすることを示す。
遠位レンズ群を省くことを別として、データムシステム５０は図２の（ａ）及び（ｂ）の光学系１０と同様であり、直径１２５μｍを有するシングルモード４５０ｎｍシリカ光ファイバの形態の光ファイバ５２と、光ファイバ５２が内部に保持されるカンチレバーベアリングの形態のマウント５４と、マウント２２の間で光ファイバ５２に取り付けられる、光ファイバ５２の駆動に使用するための磁石５６とを有する。磁石５６はサマリウムコバルト磁石であり、正方形断面５５０μｍ×５５０μｍを有する。
【００６０】
【表２】
0006549106.tif 000006
【実施例】
【００６１】
例１：色非補正０．２６ＮＡシステム「非補正０．４０／０．２６ＮＡ」
図６は、窓又はカバースリップ６８と、組織検体６９と、導光管からの０．０９５ＮＡ入力の場合の光線とを有して示される、光学系１０等のスキャナでの使用に適するレンズ群６０の概略図である。
この設計は、焦点が検体６９内の５０μｍ又は９９μｍ深さである（表１の「公称撮像深度」参照）と仮定する。
レンズ群６０は、０．２６ＮＡ非補正システムを構成し、フルオロフォアとしてＦＩＴＣを用いるＦＩＴＣ（フルオレセインイソチオシアネート）一光子蛍光共焦点撮像に適応し、したがって、駆動波長は４８８ｎｍであり、蛍光は、蛍光ピーク波長５３２ｎｍの概ね５２０ｎｍから５５０ｎｍまで広がる帯で戻る。
光学性能は、図１に示されるタイプのバルク光学系よりもわずかに良好であるように設計される。
レンズ群６０は、Ｓｃｈｏｔｔ（商標）Ｎ−ＳＦ６６の基板６２と、Ｏｈａｒａ（商標）Ｌ−ＬＡＭ６０の非球面レンズ６４とを有し、基板６２と非球面レンズ６４は平坦界面６６において交わる。基板６２は、平坦界面６６に部分的な色補正性を持たせ、非球面レンズ６４は（後述するように）、用途での最小正味分散ガラスに近い。
【００６２】
例２：色非補正０．３０ＮＡシステム「非補正０．４７／０．３０ＮＡ」
図７は、窓又はカバースリップ７８と、組織検体７９とを有して示されるレンズ群７０の概略図である。
この例も、光学系１０等のスキャナでの使用に適し、ＦＩＴＣ一光子蛍光共焦点撮像に適応するが、図１のバルク光学系よりもはるかに良好な光学性能を有する。長さがより短く、倍率がより高いことにより、製造不完全性（後述）の影響をわずかにより受けやすい。
レンズ群７０は、ＯｈａｒａのＳ−ＮＰＨ２の基板７２と、ＳｃｈｏｔｔのＬ−ＬＡＭ６０の非球面レンズ７４とを備え、ＯｈａｒａのＳ−ＮＰＨ２の基板７２は、より高い開口数でわずかに良好な部分色補正をもたらす。
【００６３】
この開口数は、この種の非補正システムを用いて得る努力をする価値がある概ね最高の開口数である。
その理由は、駆動波長及び蛍光波長での軸方向応答（すなわち、一定軸方向位置の所与の平面での、その平面の軸方向位置の関数としての収束光の最大強度）が、大まかなサイズの示される２つの非補正システムのレンズ群の場合、約５μｍのみ互いから軸方向にシフトしたピークを有するためである。
このシフトは、設計（請求項０に記載の実施形態に限定される場合）及び開口数から概ね独立している。この設計は原理上、補正を必要としない。
長く薄い要素を破損することなく一体的に機械加工することが非常に困難であるため、レンズ群７０は生産のみを理由として２ピース（すなわち、基板７２及び非球面レンズ７４）である。したがって、レンズ群７０は、この例では、２ピースで製造された上で、ともに接着される。
しかし、製造の便宜を図るために、２ピースのガラスを使用すべきであることを考えると、２つのタイプの同様のガラスを利用して、平坦界面７６から小量の補正を得ることが可能になる。しかし、このデバイスと、１つのガラスで作られるデバイス（１つのガラスの二ピースであろうと）との性能差は非常に小さい。したがって、この例は「非補正」として説明され、小さな補正は重要ではなく、後述するいわゆる「補正」設計（例えば、例３参照）の補正と比較して小さい。
【００６４】
低開口数では、軸方向応答の広い軸方向拡散は、シフト、ひいては駆動ストレール比と蛍光ストレール比との最大積が、最大ストレール比の積とそれほど変わらないにもかかわらず、駆動応答及び周波数応答が略全体的に重なることを意味する。
しかし、開口数が上がるにつれて、２つの軸方向応答でのシフト及びピークの程度もより明確に解像されることになり、各波長の最大ストレール比が非常に高いにも関わらず、最大ストレール積は１よりもはるかに低い。
要するに、開口数の増大に伴って軸方向色シフトの程度が大きくなり、したがって、開口数増大の恩恵を受けるためには、色補正が必要になる。
【００６５】
例３：完全色補正０．３３ＮＡシステム「ユニバーサル０．５０／０．３３ＮＡ」
図８は、窓又はカバースリップ８８と、組織検体８９とを有して示されるレンズ群８０の概略図である。この例も、光学系１０等のスキャナでの使用に適し、ＯｈａｒａのＳ−ＮＰＨ２の基板８２と、非球面レンズ８４  ＯｈａｒａのＬ−ＬＡＭ６０とを備え、これらは球面界面８６において交わる。レンズ群８０は、一方では球面界面８６からの屈折力と、非球面レンズ８４のＯｈａｒａ  Ｌ−ＬＡＭ６０ガラスとレンズ群８０の遠位先端部での自由空間との間の非球面界面８７からの屈折力の逆の波長変動により、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長での光をマイクロメートル以内で基本的に同じ焦点に送るように構成される。
【００６６】
その結果、レンズ群８０は、様々なマルチチャネル一光子又は二光子蛍光／反射共焦点顕微鏡法又は内視鏡システムに使用することができる。
４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの帯内の任意の多くの駆動波長が使用可能であり、これらは共通焦点に運ばれる。共通焦点はまた、帯内の任意の蛍光／反射でレンズ群８０を通して光ファイバ（図２〜図３の光ファイバ１２参照）に再び結合する確率が最大の点である。
セクション０での幾らかより詳細な分析が、これらの文章を裏付けし、請求項０のスキャン完全色補正レンズ群がいかに広く適用可能かを示す。
書いている時点（２０１２年）で利用可能な共焦点又は二光子システムは、特にこれらのシステムで予見される非常に広い全体視野（最高で１ｍｍ×１ｍｍ）にわたり、これら全ての機能を有するものはない。
【００６７】
より一般的には、大半の用途で非球面レンズ１４に好ましい材料は、アッベ（Ａｂｂｅ）チャートの中央に見出される。
低屈折率低分散材料、いわゆる「クラウンガラス」（例えば、Ｎ−ＦＫ５１Ａ）は、所与の屈折率に対して非常に重度の非球面を必要とし、それにより、材料は分散性がないが、表面それ自体が分散性を有するようになる。
アッベチャートの反対側では、高屈折率高分散材料、いわゆる「フリントガラス」（例えば、Ｎ−ＳＦ６６）は、高い分散性を有するが、同じ屈折率を得るために、比較的軽度の非球面のみを必要とする。
Ｌ−ＬＡＭ６０等のアッベチャートの中央は、最良の歩み寄りであり、非球面は軽度であり、材料自体は、Ｎ−ＳＦ６６又はＳ−ＮＰＨ２のような高屈折率材料よりも分散性が低い。
【００６８】
この原理の例外は、非常に低い分散性（概ねＮ−ＢＫ７の分散性）及び屈折率２．４を有するダイアモンドである。これは、適する機械加工方法が良質の非球面の製造に使用される場合、非補正システムに最適な材料であり得る。
機械加工方法、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）成長ダイアモンド非球面レンズの電子ビーム旋盤加工がより実行可能になる場合、ダイアモンドは、将来、本発明の実施形態で使用される主要材料であることが予見される。
【００６９】
幾つかの実施形態では、スキャナに、３つ以上の光学要素を含むレンズ群が提供される（開口数が非常に高いデバイスで使用される等）。
しかし、図２〜図３のレンズ群１４の２要素構成では、最高で約０．６の開口数まで、光ファイバ１２の出力での励起光を楕円体窓２６外部の高分解能（狭い点像分布関数）点に高い波面収差補正で収束させるとともに、同じ点（及び蛍光波長点像分布関数によって画定される近傍）からの蛍光及び／又は反射光を蛍光波長での光ファイバ１２の出力に再び、これもまた高い波面収差補正で伝達することが可能である。
この構成は、以下の特別なジオメトリ特性及び製造特性も有する：
ｉ）潜在的な一製造不完全性は、レンズ群１４の２つの要素の位置合わせずれであり、これは、非球面要素１８に相対する基板３０間の界面が球面であり、したがって、補償オフセットにより基板３０への光ファイバ１２の取り付け点を横方向にシフトすることによる能動的位置合わせで略全体的に相殺することができることにより、非球面要素１８に相対する基板３０の純粋な回転（例えば、角度δθによる）に低減され、
ｉｉ）別の潜在的な製造不完全性は、球面（基板３０と非球面要素１８との界面を構成する）の偏心であるが、この影響も、基板３０に対する光ファイバ１２の取り付け点の補償横方向オフセットによって相殺することができ、
ｉｉｉ）長く薄いレンズは、高い砕けリスクなしでは、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）レンズ構築ロボットにより容易に操作し機械加工されず、したがって、１要素設計であっても、同じ材料の間に平坦界面を有する２部分から最良に作られる。界面の両側に異なる材料を利用して、部分的色補正を提供することにより、製造制約を利用し得る。
【００７０】
これらの特性のうちのこれらの第１は、図９を参照することによって更に説明される。図９は、レンズ群９０（図２〜図３のレンズ群１４と同等）の概略図であるが、基板３０と非球面レンズ１８とが位置合わせずれを有する。位置合わせずれの影響は、オフセットδｘのみファイバ取り付け点を横方向にシフトさせることによる能動的位置合わせ中に略全体的に相殺することができる。
図９に示されるように、光ファイバ１２が補償位置にある状態では、光ファイバ１２から出た光円錐は、完全に位置合わせされたシステムと略同じ媒質を通って非球面レンズ１８に伝搬する。
図９のシステムと完全に位置合わせされたダブレットとの唯一の光学差は、補償後に残る基板３０の有効厚の小さな変化δｚであり、図３の記号では、この軸方向変位は、
【数４】
0006549106.tif 000007
である。
【００７１】
ｔｓ＋ｒｉ＝１０ｍｍ及び１°の位置合わせずれを有する長いデバイスの場合、上記誤差は約３μｍである。したがって、誤差は、能動的位置合わせにより、この実施形態による設計が大方影響を受けない小さな要素厚誤差に変わる。
そのようなデバイスの任意の性能を酷く損なうには、厚さ誤差が２０μｍのオーダでなければならないと推定される。界面が平面界面（半径＝∞）である場合、レンズ群の要素間の任意の横方向位置合わせずれは、光ファイバの補正横方向オフセットによって補償することができる。
【００７２】
別の製造不完全性は、球面の偏心である。
偏心は、球面の中心と遠位非球面の光軸（すなわち、回転対称軸）との横方向オフセットとして説明し得る。この偏心は、ファイバの先端位置の光軸からの横方向オフセットと同じ種類の収差、すなわち、三次コマを生じさせる。したがって、光ファイバ先端部の意図的な横方向オフセットを使用して、球面の偏心から生じる三次収差を相殺することができる。
この相殺又は「補償」方式は光学性能を回復させることが分かっている。すなわち、上述した不完全性を有するが、光ファイバ先端位置の能動的な位置合わせによって補償されたシステムは、そのような不完全性がない理想的なシステムと略同じ光学性能（数百分の１デシベル以内で）を有する。
【００７３】
したがって、図２の（ａ）及び（ｂ）等の本発明による２レンズ要素を有する実施形態の２要素構成での能動的な位置合わせにより、主な製造不完全性の影響が相殺可能なことを見て取ることができる。
【００７４】
不完全性の他の潜在的な原因はレンズ要素厚誤差であり、本発明の実施形態によるレンズ要素厚誤差の影響の受けやすさははるかに低い。
【００７５】
製造不完全性への耐性
４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの幅広化可視光スペクトル内の励起／蛍光波長と併用するように構成される、球面界面を間に有するレンズ群内の２つの異なるガラスと、非球面遠位とを有する本発明の実施形態を通る磁場伝搬をシミュレートして、生じ得る性能と、製造不完全性の予見可能な原因への耐性とを特定した。
図１０は、ピーク光子数とファイバオフセット（μｍ）との関係として表される、基板３０の近位面上の設計公称中心位置からのファイバオフセット（光軸に直交）の関数としての、光学系１０（及びその変形）を備える一光子共焦点顕微鏡によって収集される蛍光のプロットである。
顕微鏡は、システムの焦点に配置された１０００個のナトリウムフルオレセインフルオロフォアを含むサブ分解可能物体を撮像する場合、表１に付与される特徴を有し、システムは、１００μＷ、４８８ｎｍ光源によって駆動され、ピクセル滞留時間３００ｎｓを有する。
【００７６】
全ての計算は、球面波電磁場シミュレーション方法を用いて行われた。（「ユニバーサル０８０  ０５７」と記されたシステムについて以下に説明する）。
【００７７】
図１１及び図１２は、側方分解能及び軸方向分解能のそれぞれの対応するプロットである。
【００７８】
図１０等の性能低下のこれらの曲線は、本発明による能動的位置合わせ方法を使用して、ファイバ及び球面界面の両方の位置合わせずれの影響を一緒に研究することにより、そのような製造不完全性を補償するのに十分に正確にファイバを位置決めすることができることを示す。
【００７９】
図１３は、μｍ単位での球面界面の偏心の関数として色補正システムによって収集された光子数によって測定された性能低下のプロットである。概ね４／４０’のＩＳＯ１０１１０−６仕様に等しい５μｍまでの偏心の場合（界面半径は約０．４ｍｍであり、したがって、５μｍ偏心は、５μｍ／０．４ｍｍ＝０．０１２５ｒａｄ＝４０分の表面傾斜に等しい）、性能低下が軽いことが見られる。
図１４は、１０μｍの球面界面偏心によって損なわれる「不完全」システムのファイバ横方向位置の関数としての光子数と一緒の図１０の光子数曲線（その図の左に向けて）を再現する。例えば、システムが１０μｍの球面界面の偏心（ＩＳＯ１０１１０−６  ４／１°２０’）を受ける場合、ファイバを概ね７．５μｍ±２．０μｍずらすことにより、完全に近い性能が回復されることが図１４から見られる。
【００８０】
この実施形態による色補正の有効性の指示として、システム「ユニバーサル０５０  ０３３」の「完全」版によって達成される色補正は、図１５に示され、図１６によってまとめられる。図１６は、システムの理想的なバージョンと、適切なファイバ位置シフトによって補正された後の５μｍ及び１０μｍの球面界面横方向オフセットを有するバージョンとの焦点のシフトを示す。
【００８１】
システムが、球面界面（基板と非球面レンズとの）の不完全な位置決めによって損なわれる場合、間隔の狭い蛍光波長及び駆動波長を用いて（例えば、４８８ｎｍ駆動波長及び５３２ｎｍ蛍光ピーク）一光子撮像が行われているとき、ファイバ位置の補償シフトにより、完全に近い光学性能を回復可能なことが既に示されている。
しかし、そうして補償されたシステムは、非球面に相対する逆にオフセットされたファイバ及び球面界面により、もはや軸対称ではない（すなわち、光軸を中心とした回転対称性をもはや有さない）。
したがって、そのような「補償済み」システムは、側方色シフト及び軸方向色シフトも受ける。
【００８２】
図１７は、５μｍ及び１０μｍのそれぞれの球面界面偏心（ＩＳＯ１０１１０−６  ４／４０’及び４／１°２０’にそれぞれ等しい）に適切なファイバ位置オフセットにより補償された場合の「ユニバーサル０５０  ０３３」システムの蛍光波長の関数としてのｍｍ単位での駆動場焦点に相対する蛍光焦点の横方向（側方）シフトを示す。理想的なシステムは、軸対称であり、側方色シフトを有さない。同じプロットは、理論上の横方向共焦点分解能も示し、
【数５】
0006549106.tif 000008
式中、λｄは駆動又は励起波長であり、λｆは蛍光ピーク波長である。式５は、明視野非アポダイズ系のエアリー円盤側方分解能式に類似する共焦点系である（ここで、ω１，１≒３．８３は次数１の第１種ベッセル関数のファーストゼロである）。
【数６】
0006549106.tif 000009
半値全幅分解能は、式５によって与えられる値の
【数７】
0006549106.tif 000010
倍である。
【００８３】
図１８は、理想的な（すなわち、偏心、オフセット、又は他の製造不完全性がない）システム及び補償されたシステムの周波数範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の「ユニバーサル０５０  ０３３」システムの収差損失のプロットであり、補償後の色補正の有効性を示す。
図１７は、球面界面の５μｍ及び１０μｍ偏心を有する補償済みシステムの横方向色シフトが共焦点分解能よりもはるかに低いことを示し、したがって、不完全性に起因する収差損失（図１８にプロットされるように）は、５μｍ偏心システムの場合には「完全」な場合よりも０．２２ｄＢ大きいだけであり、１０μｍシステムの場合の損失増大は１ｄＢ未満である。
同様に、偏心システムの波長の関数としての側方分解能のプロットは、理論値と略同じであり、これは図１９に示され、図１９は、理想的なシステム及び補償済みシステムの波長範囲４５０ｎｍ〜８５０ｎｍでの「ユニバーサル０５０  ０３３」システムの横方向分解能のプロットである。
【００８４】
したがって、レンズ群内に２つの異なるガラスと、２つの異なるガラス間の球面界面と、非球面遠位面とを有するそのようなシステムを使用して、拡張帯４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ内の駆動波長及び蛍光波長の任意の数の対を用いる一光子共焦点撮像を実行することができ、それでもなお、全ての撮像波長を基本的に同じ焦点にすることを見て取ることができる。これにより、その波長帯内の任意の数の対での真のマルチチャネル一光子共焦点撮像が可能になる。
【００８５】
これらのシステムは、異なるレベルの有効性を有する二光子及び多光子撮像に使用することもできる。そのような撮像システムの成功は、１００ｆｓ以下まで下がる幅の非常に狭いパルスの放射に依存する。
レンズ系は、補正されない場合、パルス幅を損なうおそれがある。
レンズ系は、２つの成分にパルス拡散を導入する。
第１の成分は、不可避の材料分散であり、周波数への依存性は平滑であり、周波数への四次依存性によって良好に近似される。したがって、その依存性は、搬送ファイバによって導入される分散に非常によく類似し、したがって、例えば、補償格子又は分散補償ファイバによって略完全に補償することができる。
第２の成分は、「マルチパス」成分であり、非中心光線の飛行時間と、レンズ系を通る光軸に沿って伝搬する主光線との差から生じるものとして見なすことができる。不良マルチパスは、周波数に伴う急な位相変動に繋がり、格子又は分散補償ファイバによって補償することができない。
非補正レンズでは、周辺光線と主光線との飛行時間差の単純な推定値は、
【数８】
0006549106.tif 000011
によって与えられる。式中、Ｆは焦点距離であり、λは中心動作波長であり、ｃは自由空間光速であり、λＦ及びλＣはフラウンホーファーＦ線及びＣ線波長であり、ＶＣはこれらの線から計算されるアッベ数である。
本明細書でのシステムでは、ＮＡ≒０．４の場合、この非補正式は１２２ｆｓという推定値を生成する。しかし、これらの３つのシステムの実際の補正された位相応答は、３８４．３ＴＨｚ（６１９ｎｍ〜１０５４ｎｍの波長及び中心波長７８０ｎｍに対応する）を中心とした２００ＴＨｚ幅帯について計算される場合、結果は図２０に示されるようなものである。
図２０は、３つのシステムの全体システムの位相応答及び各システムでの中心光線のみの位相が示されている。３つのシステムは、それぞれの場合で略同じように見え、差位相、すなわち、上述した第２の「マルチパス」位相遅延は図２１に示されている。
図２１での微細構造は、レンズ群を通る生じ得る多くの異なるパスに沿って延びる光構成要素間の干渉と、色補正によるこれら全てのパスのわずかに不完全な等化に起因するものである。
【００８６】
時間依存性を有する１０ｆｓ幅光パルス（ここでは、Ｔ＝１０ｆｓ及びλＣ＝７８０ｎｍ）
【数９】
0006549106.tif 000012
がシステムに入力される場合の対応する時間領域出力応答は、図２２及び図２３に示される。図２２は、相対サイズを示すために補償済みパルスが重ねられた、材料分散が補償される前のレンズ系全体からの応答を示す。一方、図２３は、マルチパスのみによるパルス幅広化を示す。
各システムの色補正がマルチパス遅延を２０ｆｓ未満に保つことが明らかであり、これは上記の非補正値１２２ｆｓよりもはるかに短い。チャープ格子を用いる現在の群遅延補償は、約５０ｆｓ幅のパルスを実現することができ、図２３は、これらのシステムがこの程度の補償を妨げないように十分以上に補正され、補償されたシステムにより２０ｆｓ以下のパルスを実現可能な場合のみ、パルス幅広化への大きな一因として示し始めることを明らかにする。
【００８７】
二光子撮像は多くの場合、ノイズに対する良好な信号のために非常に高い電力を必要とする。フルオレセインについての計算は、用途に応じて１０ｍＷ〜５Ｗの電力が慣れていることを示す。しかし、光学ガラスの非常に高い透明度（低吸収性）は、中間エアギャップなしでのスキャンファイバへのレンズ群の直接接合が、これらの高電力での熱負荷からレンズを破損しないことを意味する。Ｓｃｈｏｔｔは、Ｎ−ＳＦ６６ガラスの概ね０．９９５ｍｍ〜２５ｍｍの透過率を示し、これは吸収係数０．２ｍ−１に対応する。
【００８８】
この吸収係数を用いて、図２４は、０．１ＮＡの１ワットビームがロッドの左側に入力される場合、直径０．５ｍｍ及び長さ５μｍのＳｃｈｏｔｔ  Ｎ−ＳＦ６６ロッドでの、ロッド外部に相対しての定常状態温度情報を示す。
これらの状況は、上述した「ユニバーサル０５０  ０３３」システムへの光入力に対応する。ここでは、ロッドが空中で素早くスキャンされることによる対流によってかなり効率的に冷却され、したがって、ロッドの縁部が周囲温度近くに維持されると仮定される。１００μＷ未満がロッド自体によって吸収され、温度上昇は１ケルビン未満である。（図２４でのピーク上昇は０．２８８Ｋである）。
【００８９】
上述したシステムは、構築を容易にする単純性を有する。しかし、実際の屈折実施形態は、開口数約０．５に制限されているように見え、大きな口径食損失を伴ってのみこれらを達成する。
【００９０】
本発明の第２の群の実施形態によれば、２つ以上の異なるガラスの第１のレンズ群と、それに加えて、第１のレンズ群の前方に配置された１つ又は複数の要素の第２のレンズ群とを備える光学系が提供され、これらの実施形態の幾つかでは、第１のレンズ群と第２のレンズ群との間にはギャップ（例えば、エアギャップ又は自由空間であり得る）がある。
レンズ群のこの組み合わせは、相殺分散を提供し、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍ波長の広い光スペクトル内の駆動／蛍光波長対（蛍光波長及び駆動波長が同じである場合を含む）に適応する。これにより、より高い開口数が可能になるが、複雑性の増大及び製造の難しさの増大という代償がある。
【００９１】
最も実用的なそのような実施形態は、そのようなエアギャップ又は自由空間を含む。そのような実施形態による光学系は、図２５において１００で概略的に示される。
光学系１００は、搬送光ファイバ（図示せず）から出た光をコリメートするコリメータダブレット１０４ａ、１０４ｂを含む第１のレンズ群１０２を含む（近位端部から遠位端部に）。コリメータダブレット１４０ａ、１０４ｂの後に自由空間のギャップ１０６が続き、次に、第２のレンズ群１０８が続く。
第２のレンズ群１０８は、低屈折率低分散ガラス（Ｓｃｈｏｔｔ  Ｎ−ＦＫ５１Ａ等）のビーム縮小又はコリメート要素１１０ａと、屈折率がより高く、分散がより高いガラス（Ｓｃｈｏｔｔ  Ｎ−ＬＡＫ３４等）の非球面レンズ１１０ｂとを含む。
ビーム縮小又はコリメート要素１１０ａは、コリメートビームをわずかに縮小し、低倍率ガリレオ式望遠鏡として機能する。非球面レンズ１１０ｂは、結果として生成されたビームを出力フォーカスに変換する。ビーム縮小又はコリメート要素１１０ａは、コリメータダブレット１０４ａ、１０４ｂ、及び非球面レンズ１１０ｂの分散の影響を相殺する波長に応じて、正又は負の屈折をビームに加える。
第２のコリメータダブレット要素１０４ｂ及び第２のレンズ群１０８は、円筒形筐体スリーブ１１２内に配置される。カバースリップは１１４で示される。
【００９２】
図２５の光学系１００の光学性能を、図２６のレイトレーシングプロット１２０（コリメートビーム部分１２０及び１２２−それぞれ自由空間ギャップ１０６及び非球面レンズ１１０ｂ内−が示される）に示されるようにシミュレートした。そのシミュレーションで光学系１００に使用した特性、特に、表面、中心厚、及び材料のデータを表３に提示し、その光学性能を表４に提示し、その機械的性能を表５に提示する。
【００９３】
【表３】
0006549106.tif 000013
【００９４】
第１のレンズ群１０２と第２のレンズ群１０８との間のコリメートは、あまり完全ではなく、したがって、２つのレンズ群１０２、１０８の相対位置の調整が、球面収差をビームに導入する。したがって、屈折面の不完全な軸方向シフトから生じる球面収差は、２つのレンズ群１０２、１０８の隔たりへの補償調整によって補正することができる。
不完全性から生じるコマ収差は、入力光ファイバの側方位置の調整によって補償することができる。しかし、系光学１００内の多くの表面により、この光学系には非点収差が存在することもあり、必要な場合、能動的補償方法を使用して、第１のレンズ群１０２に相対する第２のレンズ群１０８の側方位置を調整することができる。
そのような方法は、
ｉ）筐体スリーブ１１２内の特大ボア又は第２のレンズ群１０８の小さな外径、及び
ｉｉ）相対位置を調整するための押し棒を受け入れるとともに、第２のレンズ群１０８に接着剤を塗り、能動的位置合わせ後に最適位置に固定する、筐体スリーブ１１２を通るアクセスポート
を利用する。
【００９５】
【表４】
0006549106.tif 000014
【００９６】
【表５】
0006549106.tif 000015
【００９７】
本発明の第３の群の実施形態による光学系は、戻り蛍光を受け入れ、案内することができる高度にマルチモード化された補助コアを有する光ファイバを利用する。これは、蛍光戻りパスの設計を簡易化し、したがって、中程度の収差補正で、多光子撮像に合う単純化されたシステムをもたらす。
【００９８】
図２７は、第３の群の実施形態による、光ファイバ１３２と、レンズ群１３４とを備える非デスキャン多光子光学系１３０の概略図である。
光ファイバ１３２は中央一モード駆動コア１３６を備え、このコアは、多光子駆動波長でシステムを駆動し、多光子蛍光戻り光を収集し、それ自体がファイバ外装１４０によって囲まれたマルチモード蛍光収集コア１３８によって囲まれる。
レンズ群１３４は、基板１４２と、非球面レンズ１４４と、それらの間の平坦界面１４６とを備える。レンズ群１３４は、検体（生物学的組織等）内に強い焦点を配置する。
多光子蛍光は、マルチモード蛍光収集コア１３８内に撮像され、このコアの高マルチモード性蛍光は、波面がかなりの収差を有し得る場合であっても、蛍光を受け入れ案内することを意味する。したがって、レンズ群を色補正する必要性が回避され、光学系１３０を含む走査型顕微鏡又は内視鏡は、非デスキャン多光子系として機能することができる。
【００９９】
本発明の第４の群の実施形態による光学系は、スキャン光ファイバに配置された１つ又は複数の補助導光コア（「ナビゲータ」コアと呼ぶことができる）を利用し、それにより、１つ又は複数のナビゲータコアを使用して、撮像開口数を主高分解能値（中央撮像コアを使用）と低値（例えば、０．１ＮＡ）との間で切り換えることができる。
複数のそのようなナビゲータコアがある場合、徐々により高い分解能の１つ又は複数の中間ステップを提供することが可能である。
この手法により、ユーザは、粗い軸方向分解能並びに配置誤差及び手の不安定性に対する高い許容差で画像を容易に位置決めし、次に、標的組織が識別されるか、見つけられると、高分解能モード（より低い許容差を有する）に切り換えることができる。
【０１００】
図２８及び図２９は、この第４の群の実施形態によるマルチコア光学系１５０、１６０の概略図である。それぞれは、図２７のレンズ群１３４と同等のレンズ群を有し、同様の参照番号が同様の特徴の識別に使用されている。
【０１０１】
図２８を参照すると、マルチコア光学系１５０は、光ファイバ１５２と、レンズ群１３４とを含む。光ファイバ１５２は中央一モードコア１５４を含み、このコアは主撮像チャネルを提供する。
中央コア１５４を用いて実行される撮像は、非常に鮮鋭な軸方向分解能を提供することができ、その結果、検体内の関心のある特徴を見つけることが難しくなり得る。したがって、光ファイバ１５２は、粗い軸方向分解能を有するナビゲーションチャネルを提供する１つ又は複数のオフセット極低ＮＡ単一モード又は少数モード「ナビゲータ」コア１５６も含む。
コア１５４、１５６はファイバ外装１５８によって囲まれる。したがって、ナビゲータコア１５６を通しての撮像は、関心のある特徴の発見をより容易にすることができ、検体内のこれらの特徴がユーザによって見つけられると、システムは、主撮像コア１５４を通しての撮像に切り換えることができる。
この切り換えは、２つのコア１５４、１５６の出力に別個の光検出器が光学系１５０に設けられた顕微鏡又は内視鏡を提供し、例えば、その結果生成される検体の画像がユーザに表示されるディスプレイの入力として、これらの光検出器を切り換えることによって行うことができる。
ナビゲータコア１５６は、光軸１６０から横方向に変位するが、その低開口数は、この概念上の不完全性がシステムの共焦点性能をあまり低下させないことを意味する。
ナビゲータコア１５６は：
ｉ）コア１５４、１５６の間を結合するエバネセント場を通して、中央コア１５４の案内性をあまり変えないように光軸１６０から十分離れるが、
ｉｉ）横方向オフセットに起因するコマ収差が、ナビゲータコア１５６の共焦点性能を過度に損なわないように光軸１６０に十分に近くに
横方向に変位する。
【０１０２】
図２９を参照すると、マルチコア光学系１７０は、光ファイバ１７２と、レンズ群１３４とを含み、この実施形態による技法を示し、それにより、撮像ファイバコアを切り換えることにより、検体への撮像深度を異なる間で切り換えることができ、したがって、粗い撮像深度調整を行うことができる。光ファイバ１７２は、中央主一モードコア１７４と、１つ又は複数の側方オフセットコア１７６とを含む。コア１７４、１７６はファイバ外装１７８によって囲まれる。
【０１０３】
この実施形態では、１つ又は複数の側方オフセットコア１７６のそれぞれは、ｚ方向（すなわち、光軸１６０に平行する方向）においてもオフセットした出口先端部を有する。ここでも、別個のコアの横方向変位は、側方オフセットから生じるコマ収差が、各オフセットコア１７６の共焦点性能を過度に損なわないように十分に小さいが、エバネセント結合を回避するのに十分遠く離れる。検体へのシステムの撮像深度は、軸方向オフセットが異なるコア１７６間で撮像を切り換えることにより、異なる値間で切り換えられる。
【０１０４】
レンズ群１３４は、共焦点性能を大きく損なわずに、異なる軸方向オフセットに対応することができるように設計される。例えば、表１の低ＮＡ設計（非補正０４０  ０２６又は非補正０４７  ０３０）は、ファイバ先端部の軸方向位置の影響をかなり受けにくい性能を有し、したがって、撮像深度は、コア先端部と基板との隔たりを調整することによって制御することができる。
焦点の軸方向シフトはシステムの線形倍率の二乗に反比例するため、倍率がより低く、ＮＡがより小さいシステムの使用により、より大きな深度制御が提供可能である。
低倍率システムでは、それに対応してより高いピーターマンＩＩ  ＮＡの単一モードファイバコア出力場を利用して、一定光学性能を維持する。
【０１０５】
本発明の第５の群の実施形態は、上述した非球面屈折レンズを使用するのではなく、屈折レンズ要素を利用する。そのような一実施形態では、上述した屈折レンズの寸法と同等の寸法（例えば、直径約０．５ｍｍ×長さ２ｍｍ〜３ｍｍ）の円柱形ガラス基板が、スキャンファイバの端部に取り付けられる。回折格子は、ファイバから円柱形基板の他端部に取り付けられ、組立体全体は、上述した屈折レンズと同じようにスキャンされる。
図３０の（ａ）は、そのような光学系１８０の概略図であり、光学系１８０は、スキャン光ファイバ１８２と、スキャン円柱形ガラス基板１８４と、円柱形基板１８４の遠位端部１８８に配置されたホログラフィック（回折格子）レンズ１８６とを備える。
【０１０６】
ファイバ出力場は、光ファイバ１８２の先端部から円柱形基板１８４を通して回折格子レンズ１８６の近位面に回折し（ファイバ先端部から図２〜図３の実施形態の非球面に回折するのと同じ）、回折格子レンズ１８６により（非球面回折面ではなく）検体に収束される。
【０１０７】
図３１は、光学系１８０の概略側面図（立面で示され、寸法、回折格子平面１９０、及び焦点面１９２が示される）と、回折格子レンズ１８６の図とを含み、回折格子レンズ１８６は、反射モード撮像（蛍光波長及び駆動波長が同じ）又は多光子蛍光及び非デスキャンシステムで最も容易に使用し得るタイプの回折格子レンズであり、非補償格子は、低コストでかなり実用的なものと予期される。
【０１０８】
しかし、回折レンズを使用することにおける主な問題の１つは、波長の影響の受けやすさであり、駆動波長での焦点は典型的には、蛍光波長での焦点よりも、格子から数十μｍ遠くになる。
一光子又はデスキャン多光子蛍光用途では、格子の波長依存性は大きな問題である。例えば、駆動波長λＤ＝４８８ｎｍ及び蛍光ピーク波長λＦ＝５３２ｎｍを有し、ホログラフィックレンズが、格子レンズの平面から１ｍｍの軸方向距離において駆動光を収束させる一光子共焦点用途では、蛍光波長は、レンズ面から距離４８８／５３２ｍｍのところ、すなわち、駆動波長焦点から８３μｍの距離のところで収束することを予期することができる。この量の色シフトは、全ての共焦点撮像方式を妨げることになる。
【０１０９】
しかし、ホログラフィックレンズの半分が、駆動光を収束させる格子に与えられ、残り半分が蛍光を収束させる格子に与えられる場合、２つのシステム焦点は、同じ点まで戻すことができる。
図３０の（ｂ）は、そのような「補償」回折格子レンズ２００を含むが、その他の点では図３０の（ａ）の光学系１８０と同等である光学系２００の概略図である。
図３２は、補償回折格子レンズ２００の図である。補償回折格子レンズ２００では、回折格子は８つの４５°扇形に分割される。１つ置きの扇形（それぞれ「ＩＤ格子」と記される）は、格子レンズの平面から１ｍｍの軸方向距離にある点に４８８ｎｍ光を収束させる格子を含む。一方、その他の全ての扇形（それぞれ「ＩＦ格子」と記される）には、５３２ｎｍ光で同様に行う格子が与えられる。扇形の縁部には急な格子不連続性がある。
【０１１０】
図３３は、（左記録）４８８ｎｍ駆動波長及び（右記録）５３２ｎｍ蛍光波長での扇形格子（格子２０２等）の焦点面点像分布関数の図を含む。両像は、１２．４×１２．４μｍを有する。カラーキーは任意の単位である。
図３４は、４８８ｎｍ駆動波長及び５３２ｎｍ蛍光ピーク波長を有する扇形格子の焦点面共焦点応答の図を含む。左記録は、サブ分解可能なフルオロフォアの共焦点応答を示し、一方、右記録は共焦点応答の二乗平方根を示す。両像は、１２．４×１２．４μｍの辺長を有し、カラーキーはここでも任意の単位である。半値全幅側方分解能は１．２μｍである。
【０１１１】
図３２の例のように、扇形の角度が４５°である場合、駆動波長及び蛍光波長の両方のストレール比は約０．２５である。その理由は、格子面積の半分が各波長に与えられ、したがって、収束場のピーク振幅が、仮に格子全体が単一の波長に完全に調整された場合の概ね半分であるためである。したがって、光学系２００は、上述した回折系に相対して概ね１２ｄＢの感度損失を受ける。
しかし、回折解決策は、幾つかの用途では有用で低コストな代替であり得る。さらに、蛍光格子が駆動光格子よりも広い面積であるように、各波長に向けられる格子表面の割合を変更することができ、その場合、駆動波長焦点強度の損失は、より高い駆動光パワーで補償することができ、又はその逆も同様である。
【０１１２】
能動的な位置合わせ
本発明の上述した実施形態によれば、能動的な位置合わせ方法も提供され、それにより、光ファイバ及びレンズ群（図２の（ａ）及び（ｂ）の光ファイバ１２及びレンズ群１４等）を位置合わせすることができる。
概して、光ファイバは位置合わせ治具に配置され、位置合わせ治具により、励起光が光ファイバに入力され、レンズ群からの出力光が適する光検出器波面センサ、天文学者の星テスト装置又は干渉計等）に向けられながら、光ファイバ及びレンズ群の相対位置及び無機を位置合わせすることができる。
次に、最小収差最適相対位置及び向きが得られるまで、相対位置及び向きが調整され、最小収差最適相対位置及び向きが得られた時点で、光ファイバはレンズ群に接合される。
【０１１３】
図３５は、上述した実施形態の光学系を位置合わせするように構成された、本発明の実施形態による能動的位置合わせ装置２１０の図である。
位置合わせ装置２１０は、全体Ｘ、Ｙ並進移動器２１２、全体回転器２１４、全体Ｚ並進移動器２１６、相対Ｘ、Ｙ並進移動器２１８、及び相対Ｚ並進移動器２２０を含む。
位置合わせ装置２１０は、相対Ｚ並進移動器２２０に取り付けられるファイバクランプ２２２と、全体回転器２１４から延びるアーム２２６に取り付けられる（所定位置にカバースリップを保持するばねを含む）レンズクランプ２２４と、垂直ポスト２２８と、水平レール２３０（ポスト２２８によって支持される様々な構成要素及びそれ自体のｚ方向での並進移動をサポートし可能にする）と、レール２３０上の取り外し可能な大まかな位置合わせターゲット２３２と、レール２３０の遠位端部に配置された光検出器２３４とも含む。
位置合わせ装置２１０は任意選択的に、光検出器２３４の前に光学的に配置されるＮＤフィルタ２３６（減衰が必要な場合）を含む。
【０１１４】
光検出器２３４は、波面センサ、自己参照干渉計（点回折干渉計等）、又はＣＣＤカメラ（少なくとも５０×５０ピクセル格子にわたり略コリメートされた点像分布関数を見えるのに十分に高い分解能と、相対強度を線形測定する、すなわち、所与の輝度が同じ強度の光に再現可能に対応するように、オートゲインなしで測定する能力とを有する）等の任意の適する形態であり得る。この実施形態では、光検出器２３４はハートマンセンサの形態である。
【０１１５】
全体回転器２１４により、ユーザは、ファイバ及びレンズ群の相対位置を一定に保ちながら、ファイバクランプ２２２に保持される光ファイバと、レンズクランプ２２４に保持されたレンズ群とを水平軸の回りで回転させることができる。
全体Ｘ、Ｙ並進移動器２１２及び全体Ｚ並進移動器２１６により、ユーザは、ファイバ及びレンズ群の相対位置を一定に保ちながら、回転する狭持されたファイバ及びレンズ群を任意の方向に並進移動させることができる。
相対Ｘ、Ｙ並進移動器２１８及び相対Ｚ並進移動器２２０により、ユーザは、入力ファイバ及びレンズ群の相対位置を調整することができる。
【０１１６】
位置合わせ装置２１０は、レール２３０の近位端部２４０に取り付けられた高開口数コリメート対物レンズ２３８と、コリメート対物レンズ２３８からのコリメート出力ビーム幅を光検出器２３４の測定面積に合わせる可変ガリレオ式望遠鏡２４２とを更に含む。
【０１１７】
ガリレオ式望遠鏡２４２は、レール２３０に取り付けられる摺動式レンズホルダ２４４ａ、２４４ｂ、２４４ｃに配置された複数の個々のレンズを備える。
位置合わせ装置２１０の較正は、コリメート対物レンズ２２２からのコリメート出力ビーム幅を光検出器２３４の測定面積に合わせるこれらのレンズのレンズ倍率を選び、次に、そうして識別されたレンズをガリレオ式望遠鏡２４２に装填し、レンズホルダ２４を位置決めすることによってこれらのレンズ間の理論上の軸方向隔たりを設定することによって実行される。
これらのレンズのうちの最も遠いものは、両凸レンズ（レンズホルダ２４４ｃ内）であり、その倍率及びレール２３０での軸方向位置は、ガリレオ式望遠鏡２４２の所望のズームを提供するように選択される。
【０１１８】
能動的位置合わせワークフローは以下である。
ｉ）光ファイバ及びレンズ群が、ファイバクランプ２２２及びレンズクランプ２２４にそれぞれ装填される。
ｉｉ）光ファイバの先端部が、相対Ｚ並進移動器２２０を使用してレンズ群の近位面の１０μｍ以内に運ばれる。
ｉｉｉ）レンズの目視中央Ｘ位置について、相対Ｘ、Ｙ並進移動器２１８を用いてＸ位置を調整し、次に、ファイバ−レンズ群組立体を９０°回転させ、次に、目視中央Ｙ位置について、相対Ｘ、Ｙ並進移動器２１８を用いてＹ位置を調整し、次に、回転して戻すことにより、計画閲覧顕微鏡（plan viewing microscope）（図示せず）を用いて、光ファイバの大まかに正確な横方向（Ｘ，Ｙ）位置が設定される。
ｉｖ）目視でファイバが中央に配置され、レンズ群の近位面の１０μｍ以内にあるとユーザが見なすまで、必要に応じてステップｉｉ及びｉｉｉが繰り返される。
ｖ）光ファイバに、約１ｍＷの駆動波長光が供給される。
ｖｉ）公称動作ビーム幅（波面センサ若しくは干渉計が使用される場合）又は点像分布関数での最大ピーク強度（ＣＣＤカメラが使用される場合）で光検出器２３４を照明するように、全体Ｘ、Ｙ、及びＺ並進移動器２１２を用いてＸ、Ｙ、及びＺ位置が調整される。
ｖｉｉ）Ｘ及びＹ位置が、相対Ｘ、Ｙ並進移動器２１８を用いてわずかに調整されて、測定収差を補正し、次に、ステップｖｉが繰り返される。
ｖｉｉｉ）全体システムの最小全体収差（光検出器２３４がＣＣＤカメラの形態の場合、最大スポット輝度に対応する）が達成されるまで、ステップｖｉ及びｖｉｉが繰り返される。
ｉｘ）次に、レンズ−ファイバ組立体が、計画閲覧顕微鏡を用いて接着される。
【０１１９】
レンズ面品質評価
本発明の上述した実施形態によれば、レンズ面品質評価方法も提供される。概ね、この方法によれば、既知の直径のピンホールが、光学系（任意の上述した実施形態による）の焦点に位置決めされ、ピンホールを透過した電力が測定され、ピンホールが取り外されて、合計出力電力を測定することもでき、次に、合計出力電力に対するピンホール透過電力の比率が、二乗平均平方根レンズ面粗さに関連することができる。
【０１２０】
粗いレンズ面は、透過光を収差がないが、減衰した部分と、ランダム拡散部分とに分割する。非収差部分の電力減衰係数は、
【数１０】
0006549106.tif 000016
である。式中、σは表面粗さによって誘導される波中のＲＭＳ波面誤差であり、λは光の波長である。入力光の割合１−Τ２はランダム拡散部分に変換され、密な焦点に収束しない。したがって、密な焦点に寄与する光の割合を測定することに基づく表面粗さ品質保証テストは以下である。
【０１２１】
図３６は、上述した実施形態の光学系を位置合わせするように構成された、本発明の実施形態によるレンズ面品質評価装置２５０の図である（テスト下のレンズ又はレンズ群２５２と共に示される）。評価装置２５０は、レーザ源２５４と、約５０−５０方向性結合器２５６と、退避可能なピンホール２５８と、第１の電力測定ヘッド２６０と、第２の電力測定ヘッド２６２とを含む。
【０１２２】
レーザ源２５４からの光は、結合器２５６によって参照ファイバ２６４（光を第１の電力測定ヘッド２６０に送る）と、光をレンズ２５２に送る駆動ファイバ２６６とに分割される。レンズ２５２を透過した光の幾らかは、ピンホール２５８を透過し、第２の電力測定ヘッド２６２に達する。
【０１２３】
上述したように、粗いレンズ面は、透過光を収束部分（収差がないが、減衰する）２６４と、ランダム拡散部分２６６とに分割する。
【０１２４】
結合器２５６の精密な分割比は重要ではなく、参照ファイバ２６４及び駆動ファイバ２６６の出力での感知可能な光レベルで十分である。代替的には、ビームスプリッタを使用して、光を基準ビーム及び駆動ビームに分割することができる。
全ての測定は、第１の測定ヘッド２６０への電力Ｐ１と、第２の電力測定ヘッド２６２への電力Ｐ２との比率としてとられ、Ｐ１及びＰ２は同時に測定される。望ましくは、これは、トリガーすることができるタイプのものである場合、電力測定ヘッド２６０、２６２の両方へのトリガー信号を用いて行われる。
原理上、電力出力が略変動しない、高度に安定したレーザ源２５４を用いる場合、結合器２５６及び第１の電力測定ヘッド２６０を省くことができ、単純に第２の電力測定ヘッド２６２への絶対電力を測定することができる。
しかし、トリガーされる同時測定から得られる比率Ｐ２／Ｐ１の使用により、品質のより低い変動する出力レーザ源の使用が可能になる。
ピンホール２５８は、取り外し可能であり、これもまた、ＸＹＺ並進移動ステージ（図示せず）に取り付けられる。並進移動ステージは、レンズ２５２の焦点、すなわち、第２の電力測定ヘッド２６２にピーク電力を与える位置でのピンホール２５８のアパーチャに調整される。このピーク電力は、Ｐ１に対するＰ２の比率の測定比率として記録され、次に、ピンホール２５８が退避する。Ｐ１に対するＰ２の比率として記録される第２の電力測定ヘッド２６２への電力も再び測定される。
ピンホール２５８がない状態での測定値に対するピンホール２５８がある状態での測定値の比率が、レンズ品質の測定値として使用される最終的な実験結果である。
【０１２５】
所与の直径のピンホール及びレンズ開口数の場合、ＲＭＳ表面粗さは、最終的なＱＡ尺度から計算することができる。図３７は、ｎｍ単位での円内半径の関数としての焦点それ自体にセンタリングされた焦点面での円形穴によって囲まれた焦点面を通って流れる合計電力の計算された割合の、０ｎｍ〜２００ｎｍＲＭＳの１０ｎｍ刻みでの表面粗さでのプロットである。ＲＭＳ表面粗さと曲線との対応性が図から不明瞭である場合、曲線が、垂直シーケンスにおいて、プロットの右に示される表面粗さ値のシーケンスに対応することに留意されたい。
【０１２６】
曲線は、表面粗さを有する０．３ＮＡレンズを通しての光の伝搬を記述する全マクスウェル方程式の数値積分によって計算された。各円内エネルギー曲線は、５つのモンテカルロシミュレーションで得られた曲線の平均曲線である。５０ｎｍ、６０ｎｍ、及び７０ｎｍＲＭＳ表面粗さ曲線では、両側９８％信頼誤差バーも示される。図３７の所与の円内半径について、ＲＭＳ表面粗さの関数としてのその半径での図３７の各曲線の値のプロットは、この所与の半径を有するピンホール２５８が使用され、レンズ出力が０．３ＮＡ場である場合の図３６の評価装置２５０の較正曲線をもたらす。
【０１２７】
図３８は、直径５μｍ、１０μｍ、及び１５μｍのピンホール並びに０．３ＮＡレンズ及び０．２６６ＮＡレンズの両方の場合での、ｎｍ単位のＲＭＳ表面粗さの関数としての、ピンホール位置がピーク電力スループットに調整された場合のそのようなプロット、すなわち、ピンホールを透過することができる、レンズの合計電力出力の割合のプロットである。
【０１２８】
図３８にプロットされた割合が、厳密なピンホール直径の影響もあまり受けなければ、特に５μｍピンホールにおいて場開口数の影響もあまり受けないことを見て取ることができる。したがって、これらの結果から、図３６の評価装置２５０が表面粗さの信頼できる測定値を生成するはずであることが分かる。５μｍピンホール結果での最小二乗最良近似ガウス曲線も図３８に示されている。したがって、レンズのＲＭＳ表面粗さの良好な作業推定値が、
【数１１】
0006549106.tif 000017
によって与えられることを見て取ることができる。式中、ｆはテストで測定された割合であり、σはナノメートル単位での、５ｎｍ直径ピンホールが使用される場合である。
式１０の関係は、図３８に示されるガウス最小二乗最良近似曲線
【数１２】
0006549106.tif 000018
の逆である。
図３７に示されるような焦点面にわたる光の拡散は、表面粗さの統計学的特性（特に、相関長）に幾らか依存するが、式１１は、式９の電力割合と略同じである。
実際に、表面粗さの妥当な推定値は、単純に式９の電力割合式の逆を使用することによって得ることができる。これは、５μｍ直径ピンホール及び０．３ＮＡレンズの場合、ピンホール透過電力が粗いレンズによって収束されている電力の割合であることを意味する。
５μｍ直径ピンホールは、収束光２６４と拡散光２６６との良好な弁別子であり、したがって、式１０は焦点面内の拡散光の分布に非常に弱く依存するのみである可能性が高く、問題なのは、拡散光２６６がピンホール２５８のアパーチャから外れるべきであることのみである。したがって、式１０は、図３６の評価装置２５０を用いて実行されたテストからレンズ面粗さを推定するロバストな方法である。
【０１２９】
付録１：生体内撮像系でのストレール比／色収差結合仕様
ストレール仕様と色シフト仕様とを結合する一方法は、図３９の（ａ）及び（ｂ）に概略的に示される考えられる実験を通してであり、この実験は、収差の許容可能な定義（図３９の（ａ））と非許容可能な定義（図３９の（ｂ））とを比較する。
収差の許容可能な定義は、収差仕様が励起波長及び蛍光波長の両方で同じ公称焦点で満たされるものである。
図３９の（ａ）及び（ｂ）では、λ＝４８８ｎｍの場合での波面及びＲＭＳ誤差＜０．０５が２７０に示され、λ＝５３２ｎｍの場合での波面及びＲＭＳ誤差＜０．０５が２７２に示される。
図３９の（ａ）では、λ＝４８８ｎｍ及びλ＝５３２ｎｍでの収差測定に同じ公称焦点が選ばれる（２７４で示される）。図３９の（ｂ）では、λ＝４８８ｎｍ及びλ＝５３２ｎｍでの収差測定に異なる公称焦点が選ばれ（それぞれ２７６及び２７８で示される）、焦点２７６、２７８間の変位は、色シフト２８０の測定値である。
【０１３０】
結合仕様を使用して、生体内系での色収差の有害な影響を明確に可視化することができる。図３９の（ａ）及び（ｂ）の例は、駆動波長４８８ｎｍ及び蛍光ピーク５３２ｎｍを有する一光子蛍光共焦点撮像の場合であるが、原理は駆動波長及び蛍光波長の任意の組に適用される。
【０１３１】
図３９の（ａ）を参照すると、この考えられる実験では、所望の出力ＮＡ及び所望の撮像点を得るように照明された干渉計内のレンズ系を用いて、波長の１つでの最良の焦点が見つけられる。ストレール比が測定される。次に、干渉計を決して調整せずに、ソースの波長が他方の波長に変更され、ストレール比が測定される。これらの２つのストレール比の積は、機器の感度を定義する。
【０１３２】
この考えられる実験では、テスタは、干渉計を異なる公称焦点に再収束し、上記測定を繰り返して、よりよい結果を得ることができるか否かを調べる。再収束がストレール比積の更なる低減を与えないような焦点が見つかる場合、この最小結果が結合仕様であり、さらに、最終公称焦点は焦点面上の点を定義する。
【０１３３】
２つのストレール比の測定間で干渉計は調整されないため、軸方向及び横方向（色合わせ）の両方の許容可能な色シフト仕様が、この仕様では暗示的なことに留意されたい。逆に、図３９の（ｂ）に示される「非許容可能測定」方法では、２つのストレール比測定間で調整が可能である。この技法は、色シフトの明示的な測定値を与える。色シフトは、駆動波長及び蛍光ピーク波長でのストレール比を別個に最適化する、２つの一般に異なる焦点間の変位に等しい。
【０１３４】
したがって、Ｓ（ｒ，λ）が、システムが波長λで駆動される場合の位置ベクトルｒを有する位置における物体空間でのストレール比である場合、その波長での最適ストレール比は、
【数１３】
0006549106.tif 000019
である。この波長での「焦点」は、最適ストレール比を達成する位置ｒｍａｘである。そして、レンズ系の最適ストレール積仕様は、
【数１４】
0006549106.tif 000020
である。式中、λＤは駆動波長であり、λＦは蛍光ピーク波長である。すなわち、個々の波長の最大ストレール比の積ではなく、最大化され、仕様として使用される積である。共焦点系焦点は、この最大ストレール比を達成する位置ｒである。
【０１３５】
実際に、
【数１５】
0006549106.tif 000021
である合計収差損失を定義することができ、色収差損失
【数１６】
0006549106.tif 000022
も定義することができる。色収差損失は、最適ストレールの積に対する最適ストレール積の比率である。
潜在的な収差損失
【数１７】
0006549106.tif 000023
は、システムに色シフトがない場合に達成することができる収差損失である。色シフトがない場合、最適ストレールの積は、最適ストレール積と同じであり、共焦点系焦点及び２つの別個の波長での焦点は同じ点である。一般に、合計損失は常に潜在的な損失よりも大きく、
【数１８】
0006549106.tif 000024
である。
この考えられた実験が、照明点が撮像面上でスキャンされるにつれて変化する、考えられる全ての撮像位置に対応する全ての最小ストレール比積点の軌跡として、焦点面の定義に使用されることに留意されたい。
【０１３６】
多光子系では、上記概念が使用されるが、ストレール比は、駆動波長の場合、格子蛍光プロセス次数のべき乗（すなわち、Ｎのべき乗）になる。システムがデスキャンではない（すなわち、α＝０である）場合、蛍光波長ストレール比は１で置換される。したがって、例えば、デスキャン二光子撮像では、
【数１９】
0006549106.tif 000025
である。
【０１３７】
付録２：収束電磁場の開口数の一般定義
本明細書では、収束光場の開口数の以下の定義が使用されている。これは、遠視野強度測定のみを使用してシングルモードファイバ固有場の半径を測定する証明された方法である焦点面スポットの半径のピーターマンＩＩ定義の概念に基づいている。
【０１３８】
図４０は、光軸２９２で焦点２９０から放射状に延び、遠視野強度パターンを焦点を中心とした半径Ｒ（電磁場が焦点からのこの半径で遠視野挙動に達するのに十分大きい）の球殻に投射した光円錐の図である。遠視野殻上の座標は、変更された球形極座標であり、縦角度φ及び真空内の正規化光学半径ρは、問題となっている点を焦点に結ぶ光線と光軸とによってなされる緯度角θの正弦である。焦点が屈折率ｎの材料である場合、
ρ＝ｎ  ｓｉｎθ                                              式１９
である。
【０１３９】
従来の円柱座標系での物理的半径は、正規化半径が媒質の屈折率に近づく（すなわち、真空中では１に近づく）につれて無限大に発散する。
【０１４０】
これらの定義を所与として、ピーターマンＩＩ開口数は、
【数２０】
0006549106.tif 000026
であり、式中、Ｉ（ρ，φ）は、変更された座標の関数としての遠視野強度、すなわち、球殻上の各点での単位面積を通る電力束である。
【０１４１】
この定義は、強度分布のセントロイドが光軸上にあることを必要とする。光軸上にない場合、セントロイドの位置ベクトルを計算し、光軸がセントロイドを通るように座標軸を位置決めし直さなければならない。
【０１４２】
開口数のこの定義は以下の特性を有する。
ｉ）場が非アポダイズである場合、すなわち、球殻がクリアな開口内部で均一に照明される場合、開口数の望まれる定義、すなわち、照明円錐の半角の正弦になる。
ｉｉ）ハイゼルベルク不等式、すなわち、
【数２１】
0006549106.tif 000027
を満たす。
【０１４３】
不等式中、ｒ２は、強度点像分布関数の光軸の回りの旋回の半径であり、すなわち、
【数２２】
0006549106.tif 000028
であり、式中、Ｉは強度焦点面であり、ｒは光軸２９２からの距離であり、面積分は全焦点面Ｆにわたって行われる）。同じことが、
ｉ）点像分布関数（ひいては遠場分布）が、ゼロ位相（自由空間で収束する場でのゼロ収差に対応する）を有するガウスであり、且つ
ｉｉ）ガウススポットサイズが方向から独立する、すなわち、場の分布が放射対称である（方位角から独立する）
とき且つそのときに限り当てはまる。
【０１４４】
したがって、ピーターマンＩＩ半径は、収差が存在しない場合の射出瞳場の潜在的な側方分解能を測定する。上記特性は、アポダイズ系の潜在的な分解能の優れた特徴付けに役立ち、新しい定義は、非アポダイズ状況では通常のものになり、したがって、これはＯｐｔｉｓｃａｎによって専ら使用される定義である。
【０１４５】
ガウス焦点、すなわち、場の振幅がｅｘｐ（−ｒ２／（２σ２））に比例する焦点では、旋回の半径はσであり、モードフィールド直径は
【数２３】
0006549106.tif 000029
である。同じスポットサイズ及び電力の２つのガウスビームが様々な距離、離間される場合、２つのスポット焦点を結ぶ線に沿った中点からの横方向変位ｘの関数としてのビーム強度は、図４１に示されるようなものであり、図４１は、ａ×σに関して様々なスポット隔たりでの正規化横方向変位に対して正規化強度をプロットすることにより、２つのガウススポットの分解性を示す。ａの値は図に示され、上から下の順序で強度曲線に対応する（図の一番上の曲線がａ＝２．８２に対応し、一番下の曲線がａ＝２に対応するように）。
【０１４６】
水平軸上の変位は、σ＝１であるように正規化される。垂直軸は、焦点ｘ＝０の中点での強度が１であるように正規化される。スポットが１σ離れている場合、スポット間に強度のディップはなく、分解されない。しかし、最小ディップとピーク強度とのコントラストは、１σ間隔よりも広い分離距離に伴って急に増大する。非アポダイズ場のレイリー基準は、ディップの輝度とピーク輝度との２６．３％コントラストに対応する。ガウス場では、図４１は、このコントラストが約２．５σで達成されること、又は式２１から、隔たりが０．５６λ／ＮＡであるときに達成されることを示す。これは、非アポダイズ場でのレイリー分解能に極めて近く、０．６１λ／ＮＡである。したがって、ガウス分解能として
【数２４】
0006549106.tif 000030
を使用することが妥当であることが分かり、その理由は、これがピーターマンＩＩモードフィールド直径であり、広く理解されているためである。したがって、この定義に従うガウスビームの明視野分解能は、
【数２５】
0006549106.tif 000031
である。
【０１４７】
Ｎ光子共焦点像分布関数は、駆動波長点像分布関数のＮ乗と、蛍光点像分布関数との積である。したがって、ガウスビームの場合、共焦点点像分布関数もガウスであり、スポットサイズは、構成ビームの全ての逆数スポットサイズの和の逆数である（ガウス関数内の指数が加算されるため）。したがって、完全に色補正されたシステムの共焦点分解能は、
【数２６】
0006549106.tif 000032
である。
【０１４８】
本発明の範囲内の変更形態は、当業者により容易に行うことができる。したがって、本発明が、例として上述された特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。
【０１４９】
以下の特許請求の範囲及び本発明の上記説明では、明確な言葉又は必然的な暗示により、文脈により別段のことが要求される場合を除き、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」又は「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」若しくは「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の変形は、包含的な意味で使用されており、すなわち、述べられた特徴の存在を指定するが、本発明の様々な実施形態での更なる特徴の存在又は追加を除外しない。
【０１５０】
さらに、本明細書での従来技術へのいかなる言及も、そのような従来技術がいかなる国でも共通一般知識の部分をなすか、又はなしたことを暗示することを意図していない。
【図１】
0006549106.tif 000038
【図２】
0006549106.tif 000039
【図３】
0006549106.tif 000040
【図４】
0006549106.tif 000041
【図５】
0006549106.tif 000042
【図６】
0006549106.tif 000043
【図７】
0006549106.tif 000044
【図８】
0006549106.tif 000045
【図９】
0006549106.tif 000046
【図１０】
0006549106.tif 000047
【図１１】
0006549106.tif 000048
【図１２】
0006549106.tif 000049
【図１３】
0006549106.tif 000050
【図１４】
0006549106.tif 000051
【図１５】
0006549106.tif 000052
【図１６】
0006549106.tif 000053
【図１７】
0006549106.tif 000054
【図１８】
0006549106.tif 000055
【図１９】
0006549106.tif 000056
【図２０】
0006549106.tif 000057
【図２１】
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【図２２】
0006549106.tif 000059
【図２３】
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【図２４】
0006549106.tif 000061
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0006549106.tif 000065
【図２９】
0006549106.tif 000066
【図３０】
0006549106.tif 000067
【図３１】
0006549106.tif 000068
【図３２】
0006549106.tif 000069
【図３３】
0006549106.tif 000070
【図３４】
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【図３５】
0006549106.tif 000072
【図３６】
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【図３７】
0006549106.tif 000074
【図３８】
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【図３９】
0006549106.tif 000076
【図４０】
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【図４１】
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