(57)【要約】  周期的光パターンで試料領域（９５５）を照射するための光学部品（９１０）は、第１導波路（９１４）と、さらなる導波路（９１６、９１７、９１８、９１９）と、光学スプリッタ（９１３ａ）とを備える。光学スプリッタ（９１３ａ）は、光を受信するための入力（９１１）と、第１出力と、第２出力とを有する。第１導波路（９１４）は、第１方向（９１４ａ）へ試料領域（９５５）内に第１入射光を誘導するために、第１出力に光学的に結合されている。第２出力は、第２方向（９１５ａ）へ試料領域（９５５）内に第２入射光を誘導するために、試料領域（９５５）に光学的に結合されている。さらなる導波路（９１６、９１７、９１８、９１９）は、第３方向（９１６ａ、９１７ａ、９１８ａ、９１９ａ）へ試料領域内に誘導される第３入射光を受信するように配置されている。第１方向（９１４ａ）、第２方向（９１５ａ）、及び第３方向（９１６ａ、９１７ａ、９１８ａ、９１９ａ）は、互いに異なっている。第１及び第２入射光は、試料領域（９５５）内に周期的パターンを形成するために干渉する。光学部品（９１０）は、構造化照明顕微鏡法に使用され得る。
2020516881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的光パターンで試料領域を照射するための光学部品であって、前記光学部品は、第１導波路と、さらなる導波路と、光学スプリッタとを備え、前記光学スプリッタは、（ｉ）入射光を受信するための入力と、（ｉｉ）第１出力と、（ｉｉｉ）第２出力と、を有し、
前記光学スプリッタの前記第１出力は、第１入射光を前記第１導波路内に誘導するように、前記第１導波路に光学的に結合され、
前記第１導波路は、第１方向の第１経路に沿って前記試料領域内に前記第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
前記光学スプリッタの前記第２出力は、第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に第２入射光を誘導するように、前記試料領域に光学的に結合され、
前記さらなる導波路は、第３入射光を受信し、第３方向の第３経路に沿って前記試料領域内に前記第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置され、
使用中に、前記第１入射光が前記第２入射光に干渉して前記試料領域内に周期的光パターンを形成するように、前記第２方向は前記第１方向とは異なっており、
前記第３方向は前記第１方向とも前記第２方向とも異なっている、
光学部品。
【請求項２】
第２導波路をさらに備え、前記光学スプリッタの前記第２出力は前記第２導波路に光学的に結合されており、前記第２導波路は、前記第２方向に沿って前記試料領域内に前記第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置されている請求項１に記載の光学部品。
【請求項３】
前記光学スプリッタは、Ｙ分岐スプリッタ、エバネッセント導波路結合器、又はマルチモード干渉部品である、請求項１又は請求項２に記載の光学部品。
【請求項４】
光学部品の試料領域を照射する方法であって、前記方法は、
第１導波路と、さらなる導波路と、光学スプリッタとを備える光学部品を提供すること、
前記光学スプリッタで入射光を受信すること、
前記光学スプリッタの第１出力から前記第１導波路内の第１入射光を受信すること、
第１方向の第１経路に沿って前記試料領域内に前記第１入射光を誘導するために第１導波路内の全内反射を使用すること、
前記光学スプリッタの第２出力から、第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に第２入射光を誘導することであって、前記第２方向は前記第１方向とは異なる、誘導すること、
前記さらなる導波路内の第３入射光を受信すること、
第３方向の第３経路に沿って前記試料領域内に前記第３入射光を誘導するために前記さらなる導波路内の全内反射を使用することであって、前記第３方向は前記第１方向及び第２方向とは異なる、全内反射を使用すること、
前記試料領域内に周期的光パターンを形成するために、前記第１入射光及び前記第２入射光、又は前記第１入射光、第２入射光、及び第３入射光を一緒に干渉させること、
を含む方法。
【請求項５】
周期的光パターンで試料領域を照射するための光学部品であって、前記光学部品は、光学格子、第１導波路、第２導波路、及び第３導波路を備え、
前記第１導波路は、第１方向の第１経路に沿って前記試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
前記第２導波路は、第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
前記第３導波路は、第３入射光を受信し、前記光学格子上に前記第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置され、
前記光学格子は、第３方向の第３経路に沿って前記試料領域内に前記受信した第３入射光を誘導するように配置され、
前記第１方向及び前記第２方向は、第１平面に含まれる異なる方向であり、
前記第３方向は、前記第１方向とも前記第２方向とも異なり、前記第１平面内にはない、
光学部品。
【請求項６】
光学部品の試料領域を照射する方法であって、前記方法は、
光学格子、第１導波路、第２導波路、及び第３導波路を備える光学部品を提供すること、
前記第１導波路内の第１入射光を受信すること、
第１方向の第１経路に沿って前記試料領域内に前記第１入射光を誘導するために、前記第１導波路内の全内反射を使用すること、
前記第２導波路内の第２入射光を受信すること、
第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に前記第２入射光を誘導するために、前記第２導波路内の全内反射を使用すること、
前記第３導波路内の第３入射光を受信すること、
前記第３入射光を前記光学格子上に誘導するために、前記第３導波路内の全内反射を使用すること、
第３方向の第３経路に沿って前記試料領域内に前記第３入射光を誘導するために、前記光学格子を使用すること、
を備え、
前記第１方向及び前記第２方向は、第１平面に含まれる異なる方向であり、前記第３方向は、前記第１方向とも前記第２方向とも異なり、前記第１平面内にはない、
方法。
【請求項７】
周期的光パターンで試料領域を照射するための光学部品であって、前記光学部品は、
入射光を受信するように配置された入力インターフェースと、
前記入力インターフェースから第１入射光を受信し、第１方向の第１経路に沿って前記試料領域内に前記第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第１導波路と、
前記入力インターフェースから第２入射光を受信するように配置された第２導波路であって、前記第２導波路は、前記試料領域に向かって湾曲又は傾斜している湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路であり、前記第２導波路は、前記湾曲又は傾斜部分に沿って第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に前記第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置されている、第２導波路と、
前記入力インターフェースから第３入射光を受信し、第３方向の第３経路に沿って前記試料領域内に前記第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、さらなる導波路と、
を備え、
使用中に、前記試料領域内に周期的光パターンを形成するために前記第２入射光が前記第１入射光及び前記第３入射光のうちの少なくとも１つと干渉するように、前記第２方向は前記第１方向とは異なっており、前記第３方向は前記第１方向とも前記第２方向とも異なっている、
光学部品。
【請求項８】
光学部品の試料領域を照射する方法であって、前記方法は、
入力インターフェース、第１導波路、第２導波路、及び第３導波路を備える光学部品を提供することであって、前記第２導波路は、前記試料領域に向かって湾曲又は傾斜している湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路である、光学部品を提供すること、
前記第１導波路において、前記入力インターフェースから第１入射光を受信すること、
前記第２導波路において、前記入力インターフェースから第２入射光を受信すること、
第１方向の第１経路に沿って前記試料領域内に前記第１入射光を誘導するために前記第１導波路内で全内反射を使用すること、
前記第２導波路の前記湾曲又は傾斜部分に沿って、及び第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に前記第２入射光を誘導するために、前記第２導波路内で全内反射を使用することであって、前記第２方向は前記第１方向とは異なっている、全内反射を使用すること、
前記第３導波路において、前記入力インターフェースから第３入射光を受信すること、
第３方向の第３経路に沿って前記試料領域内に前記第３入射光を誘導するために前記第３導波路内で全内反射を使用することであって、前記第３方向は前記第１方向及び前記第２方向と異なっている、全内反射を使用すること、
前記試料領域内に周期的干渉パターンを形成するために、前記第２入射光を前記第１入射光及び前記第３入射光のうちの少なくとも１つと干渉させること、
を含む方法。
【請求項９】
前記光学部品はフォトニック集積部品である、請求項１〜請求項３、請求項５、及び請求項７のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１０】
前記第１方向は前記第２方向と平行かつ反対である、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、及び請求項９のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１１】
前記導波路のうちの少なくとも１つは、それぞれの光路に沿って前記試料領域に向かって受信光を導波するように配置されており、前記光路は、前記試料領域に向かう方向で増加する幅を有する、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、請求項９、及び請求項１０のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１２】
前記導波路のうちの少なくとも１つは、前記試料領域内に光を誘導するように配置された端面を備える、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、及び請求項９〜請求項１１のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１３】
前記導波路のうちの少なくとも１つは、前記導波路によって受信された光のエバネッセント場成分のみを、前記試料領域内に誘導するように配置されている、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、及び請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１４】
前記光学部品は、試料を保持するための試料ウェルを画定する、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、及び請求項９〜請求項１３のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１５】
コア層及び光クラッド層を備え、前記試料ウェルは少なくとも部分的に、前記光クラッド層及び前記コア層によって画定されている、請求項１４に記載の光学部品。
【請求項１６】
位相調整器をさらに備え、前記導波路のうちの１つは前記位相調整器に結合され、前記位相調整器は、入射光が前記試料領域内に誘導される前に入射光の位相を調整するように配置されている、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、及び請求項９〜請求項１５のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項１７】
前記光学部品の第４導波路内の第４入射光を受信すること、
第４方向の第４経路に沿って前記試料領域内に前記第４入射光を誘導するために前記第４導波路内の全内反射を使用することであって、前記第４方向は前記第１方向、第２方向、及び第３方向とは異なる、全内反射を使用すること、
前記試料領域内に第１周期的光パターンを形成するために前記第１入射光を前記第２入射光と干渉させること、
前記試料領域内に第２周期的光パターンを形成するために前記第３入射光を前記第４入射光と干渉させること、
をさらに備える、請求項４、請求項６、及び請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
構造化照明顕微鏡法を使用して試料を撮像するためのシステムであって、前記システムは、
光注入装置と、
前記光注入装置からの入射光を受信し、前記光学部品の試料領域を周期的光パターンで照射するように配置された、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、及び請求項９〜請求項１６のいずれか一項に記載の光学部品と、
前記試料領域から発せられた光を収集するように配置された対物レンズと、
前記収集された光で構造化照明顕微鏡法を実行するように配置された撮像ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項１９】
構造化照明顕微鏡法を使用して試料を撮像する方法であって、
請求項４、請求項６、請求項８、及び請求項１７のいずれか一項に記載の、光学部品の試料領域を周期的光パターンで照射すること、
前記試料領域から発せられた光を収集すること、
前記収集された光で構造化照明顕微鏡法を実行すること、
を含む方法。
【請求項２０】
構造化照明顕微鏡法を使用して試料を撮像するためのシステムであって、前記システムは、
光注入機構と、
導波路及び光学スプリッタを備える光学部品であって、前記光学スプリッタは、（ｉ）入射光を受信するための入力と、（ｉｉ）第１出力と、（ｉｉｉ）第２出力と、を有し、
前記光学スプリッタの前記第１出力は、第１入射光を前記導波路内に誘導するように、前記導波路に光学的に結合され、
前記導波路は、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に前記第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
前記光学スプリッタの前記第２出力は、第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に第２入射光を誘導するように、前記試料領域に光学的に結合され、
使用中に、前記第１入射光が前記第２入射光に干渉して前記試料領域内に周期的光パターンを形成するように、前記第２方向は前記第１方向とは異なっている、
光学部品と、
前記試料領域から発せられる光を収集するように配置された対物レンズと、
前記収集された光で構造化照明顕微鏡法を実行するように配置された撮像ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項２１】
構造化照明顕微鏡法を使用して試料を撮像するためのシステムであって、前記システムは、
光注入装置と、
光学部品であって、
入射光を受信するように配置された入力インターフェースと、
前記入力インターフェースから第１入射光を受信し、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に前記第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第１導波路と、
前記入力インターフェースから第２入射光を受信するように配置された第２導波路であって、前記第２導波路は、前記試料領域に向かって湾曲又は傾斜し、湾曲又は傾斜部分に沿って、第２方向の第２経路に沿って前記試料領域内に前記第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、前記湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路であり、使用中に、前記試料領域内に周期的光パターンを形成するために前記第１入射光が前記第２入射光と干渉するように、前記第２方向は前記第１方向とは異なっている、第２導波路と、
を備える光学部品と、
前記試料領域から発せられた光を収集するように配置された対物レンズと、
前記収集された光で構造化照明顕微鏡法を実行するように配置された撮像ユニットと、
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的光パターンで試料を照射するための光学部品、システム、及び方法に関する。より具体的には、ただし限定的ではなく、これは構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を使用して試料を撮像するための光学部品、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞などの生体試料を視認するために、組織学、細胞生物学、及び関連分野において光学顕微鏡が使用される。しかしながら、光の回折限界のため、光学顕微鏡の解像力は限られている。この限界は、可視光顕微鏡の解像度を約２００から３００ｎｍに制限する。この限界を克服するために、「ナノ顕微鏡法」、「超解像撮像」、又は「超解像顕微鏡法」と呼ばれるいくつかの技術が、当該技術分野において開発されてきた。
【０００３】
これらの超解像撮像技術は、２００ｎｍより高精度の、場合により約２０から５０ｎｍまでの解像度での生体試料の撮像を可能にする。これらは通常、生体試料に付着又は埋め込まれた、光スイッチ可能な蛍光体又は量子ドットなどのマーカから発せられた光を処理する。このような超解像技術の既知の例は、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）及び誘導放出抑制顕微鏡法（ＳＴＥＤ）などのアンサンブル技術、光活性化局在性顕微鏡法（ＰＡＬＭ）及び確率的光学再構築顕微鏡法（ＳＴＯＲＭ）などの単一分子局在化技術を含む。
【０００４】
単一分子局在化技術は通常、より良い解像度（たとえば２０から５０ｎｍ）を提供するが、これらは一般にアンサンブル技術よりも低速であり、したがって通常は生細胞試料の撮像に適していない。
【０００５】
一般に、ＳＴＥＤは、約３０ｎｍの実用的な光学解像度を有する。しかしながら、これは走査ベースの技術（たとえば、ラスタ走査ベースの技術）であるので、生細胞撮像にあまり適していない遅い撮像速度（広い視野で約０．１Ｈｚ）にも悩まされる。この問題は、広い視野が必要とされるときに（すなわち広い試料面積が走査される必要があるときに）悪化する。また、ＳＴＥＤ技術は通常、発光マーカ（たとえば発光体）を励起するために高出力の照明を必要とし、これは光退色効果及び光毒性を生じる可能性があるので問題である。
【０００６】
ＳＩＭベースの技術では、試料は異なる周期的光パターンで照射される。通常、周期的光パターンは、回折格子を使用して生成される周期的な縞模様の光パターンである。撮像処理中、周期的光パターンの干渉縞は、試料を生成して複数の異なる周期的光パターンで照射するように、一連のフレームにわたり、試料に対して通常シフトされ、また試料に対して回転される。次いで、異なる照明パターンから生じる発光マーカからの異なる放射パターンのフーリエ解析に基づいて、試料の超解像画像が構築され得る。これらの放射パターンは、周期的な照明パターンによって生じるモアレ効果のため、撮像システムの解像度の限界を超える試料の構造に関する情報を明らかにする。
【０００７】
従来のＳＩＭ設定は通常、約１００〜１３０ｎｍの光学解像度を有し、ＳＴＥＤ及び単一分子局在化設定よりも速く画像を取得する（たとえば、広い視野では約０．１〜１ＨｚのＳＩＭ撮像速度が典型的である）。さらに、走査ベースの設定とは異なり、従来のＳＩＭベース設定は、１回で試料の広視野画像（たとえば５０〜１００μｍ２以上）をキャプチャできる。しかしながら、従来のＳＩＭベース設定によって提供される撮像速度の改善は（ＳＴＥＤよりも低い解像度にもかかわらず）、一般に依然として多くの実用的な生細胞実験にとって十分に高速であるとは見なされない。
【０００８】
ＳＩＭ設定の撮像速度を向上するために、画像が撮影される視野を縮小することが可能である。このアプローチを使用して、８μｍ×８μｍの視野にわたり１１Ｈｚの速度で画像を撮影するＳＩＭベース設定が報告されている。しかしながら、広視野が必要とされる場合には、試料全体の合成画像を取得するために、試料及び撮像機構は互いに対して再位置決め及び再整列される必要があるので、視野を縮小することは多くの場合に望ましくない。これは、生細胞試料を撮像するときに、特に問題となる。
【０００９】
いくつかの構造化光撮像設定は、周期的光パターンをシフト及び／又は回転させるために、可動レンズ、ステージ、可動格子又はミラーなどの光機械配置を利用する。このような設定の問題は、これらの部品が移動する速度によって撮像速度が制限されることである。
【００１０】
たとえば、米国特許第６，２５５，６４２Ｂ１号明細書（マサチューセッツ工科大学）は、試料に対して干渉縞をシフトさせるために使用される可動ミラーを伴うシステムを記載している。
【００１１】
一般に、ＳＩＭタイプ設定の光学解像度は、周期的光パターン中の干渉縞間隔（たとえば、縞模様の照明パターンにおける干渉縞の間の間隔）によって制限される。しかしながら、他の要因もまた解像度を制限し得る。たとえば、撮像対物レンズで照明パターンが形成される、従来のＳＩＭ設定では、光学解像度は、対物レンズの回折限界によってさらに制限され得る。対物レンズの回折限界は、λｏ／（２＊Ｎ．Ａ．）で与えられ、ここでλｏは波長、Ｎ．Ａ．は対物レンズの開口数である。ＳＩＭの解像度増大係数は、所与の対物レンズの２倍、すなわちλｏ／（４＊Ｎ．Ａ．）であり、これは通常、可視波長（５００〜６５０ｎｍ）で１００〜１３０ｎｍである。多くの用途で（たとえば生細胞撮像用途で）、ＳＩＭ設定の光学解像度を向上させることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、超解像顕微鏡法に適した周期的光パターンを生成するための既知のアプローチにおけるこれらの欠点の少なくともいくつかを解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１態様から、本発明は、周期的光パターンで試料領域を照射するための光学部品であって、光学部品は、第１導波路と、さらなる導波路と、光学スプリッタとを備え、光学スプリッタは、（ｉ）入射光を受信するための入力と、（ｉｉ）第１出力と、（ｉｉｉ）第２出力と、を有し、
光学スプリッタの第１出力は、第１入射光を第１導波路内に誘導するように、第１導波路に光学的に結合され、
第１導波路は、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
光学スプリッタの第２出力は、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するように、試料領域に光学的に結合され、
さらなる導波路は、第３入射光を受信し、第３方向の第３経路に沿って試料領域内に第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置され、
使用中に、第１入射光が第２入射光に干渉して試料領域内に周期的光パターンを形成するように、第２方向は第１方向とは異なっており、
第３方向は第１方向とも第２方向とも異なっている、
光学部品を提供する。
【００１４】
第２態様から、本発明は、第１導波路と、さらなる導波路と、光学スプリッタとを備える光学部品の試料領域を照射する方法であって、方法は、
光学スプリッタで入射光を受信すること、
光学スプリッタの第１出力から第１導波路内の第１入射光を受信すること、
第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために第１導波路内の全内反射を使用すること、
光学スプリッタの第２出力から、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導することであって、第２方向は第１方向とは異なる、誘導すること、
さらなる導波路内の第３入射光を受信すること、
第３方向の第３経路に沿って試料領域内に第３入射光を誘導するためにさらなる導波路内の全内反射を使用することであって、第３方向は第１及び第２方向とは異なる、全内反射を使用すること、
試料領域内に周期的光パターンを形成するために、第１入射光及び第２入射光、又は第１、第２、及び第３入射光を一緒に干渉させること、
を含む方法を提供する。
【００１５】
本発明によれば、単一の光学部品（たとえば光学チップ）は、試料領域内に２ビーム及び３ビーム干渉パターンを形成するために、同時に又は異なる時間に、異なる方向に沿って試料領域内に３つの別個の光ビームを誘導し得ることが、当業者によって理解されるだろう。
【００１６】
試料領域内で少なくとも２つの光のビームを互いに向かって直接又は間接的に誘導することによってビームを干渉させることが、理解されるだろう。この干渉は、試料領域内の試料を照射するのに適した周期的光パターン（すなわち周期的干渉パターン）を生成する。試料を周期的光パターンで照射することは、たとえば照明パターンが試料中の蛍光を励起する、超解像顕微鏡法（たとえばＳＩＭ撮像）などの用途において有用である。いくつかの実施形態では、試料からの発光パターン（すなわち蛍光パターン）は、既知のＳＩＭ処理方法を用いて撮像及び分析され得る。
【００１７】
試料領域内で干渉するように、試料領域内の異なる方向に沿って光ビームを生成及び誘導するための複数の別個の光学機械部品の必要性を回避することによって、この単一の光学部品は、従来のＳＩＭ撮像設定に伴うアライメントの複雑さの多くを回避する。さらに、このような部品の使用を削減又は排除することによって、光学部品は、ＳＩＭ撮像のためのはるかに小さく安価で複雑ではない設定を容易にすることができる。
【００１８】
（第１）光学スプリッタは、１つの入射光ビーム（たとえば前記入射光）から周期的光パターンを生成するために、少なくとも２つの光のビーム（たとえば前記第１入射光及び第２入射光）を形成することを可能にする。これは外部部品の正確なアライメントに依存しないので、試料領域に対する光学スプリッタの２つの出力間の経路長のいかなる差も、これにより正確に維持され得る。
【００１９】
いくつかの実施形態では、この１つの入射光ビームは光学部品の単一の面で受信されることが可能であり、これによって光学部品を完全な撮像システムに組み込むことを比較的容易にする。第３入射光も、光学部品の同じ面で受信されてもよい。
【００２０】
したがって、導波路スプリッタは少なくとも２つの干渉ビームを生成するために入射光を有利に分割するので、単一の光学部品は３ビーム干渉パターンを生成するために３つ未満の入射光ビームを受信し得ることが、理解されるだろう。たとえば、導波路スプリッタは、その入力で入射光を受信し、第１、第２、及び第３入射光を生成するように配置されてもよい。この場合、第３入射光は、光学スプリッタの第３出力からさらなる導波路内に誘導されてもよい。これにより、３ビーム干渉パターンは、光学スプリッタの入力で受信された単一の入射光ビームから試料領域内で生成されることが可能になり、複数の個別の光学素子の注意深いアライメントの必要性をさらに低減する。
【００２１】
任意に、光学部品は追加の導波路を備えてもよい。便宜上、この追加の導波路は、以下において「第２導波路」と呼ばれる。スプリッタの第２出力は、第２導波路を介して試料領域内に第２入射光を誘導するように配置されてもよい。第２導波路は、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置されてもよい。やはり便宜上、たとえば光学スプリッタの第２出力が試料領域内に直接結合されている場合など、いくつかの実施形態では「第２導波路」がないことが理解されるものの、前述の「さらなる導波路」は、本明細書において「第３導波路」と呼ばれる。
【００２２】
光が第１、第２、及び第３方向に同時に誘導される場合、試料領域内に生じる周期的干渉パターンは、第１、第２、及び第３光ビームが干渉した結果である。このようにして少なくとも３つのビームで周期的干渉パターンを生成することで、２ビーム干渉パターンより多くの干渉縞を有するパターンを生み出す可能性がある。干渉縞の数を増加させることは、スペックルＳＩＭ技術を使用するときなど、特定の撮像条件下でＳＩＭ撮像品質を向上させるのに役立つだろう。干渉縞位置は、部分的には隣接するビーム対の間の角度オフセットによって決定されてもよい。干渉縞位置を変更することは、ＳＩＭ画像品質を調整するのに有用である。特に、導波路によって形成された干渉縞パターンは、たとえば２以上の有効屈折率を与える材料など、高屈折率材料から導波路を製造することにより、従来のＳＩＭ及び従来のスペックルＳＩＭで通常使用される対物レンズによって生成される干渉縞よりも小さくできる。
【００２３】
任意に、第１、第２、及び第３方向は同一平面上にある（ポジションレスベクトル（ｐｏｓｉｔｉｏｎｌｅｓｓ  ｖｅｃｔｏｒｓ）と見なされたとき）。関連する第１、第２、及び第３経路（位置及び方向を有する）は、好ましくは共通の平面内にある。あるいは、第３方向は第１及び第２方向と同一平面上になくてもよく、たとえば第３方向は、第１及び第２方向を含む平面に直交してもよい。
【００２４】
第３導波路は、光学スプリッタの第３出力から第３入射光を受信するように、任意に配置されてもよい。このようにして、光学部品は１つのみの入射光で３ビーム干渉パターンを生成することができる。本発明の実施形態は、従来の遠視野光学系を使用して達成できるよりも複雑な照明光パターンを生成することを可能にし得る。
【００２５】
いくつかの実施形態では、光学部品は、第４入射光を受信し、第１、第２、及び第３方向とは異なる第４方向の第４経路に沿って試料領域内に第４入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第４導波路を備える。
【００２６】
この場合、必ずしも全て同時でなくてもよいが、単一の光学部品（たとえば光学チップ）が４つの別個の光ビームを形成し、これらを異なる方向に沿って試料領域内に誘導することを、当業者は理解するだろう。特に、異なる２対の光ビームが形成され、異なる方向に沿って試料領域内に誘導されてもよい。たとえば、第１導波路からの第１入射光及び光学スプリッタの第２出力からの第２入射光は、第１対の干渉光ビームを形成するために試料領域内に誘導されてもよい。さらなる導波路からの第３入射光及び第４導波路からの第４入射光は、第２対の干渉ビームを形成するために試料領域内に誘導されてもよい。このようにして、光学スプリッタで入射光を選択的に受信すること、又はさらなる導波路及び第４導波路で第３及び第４入射光をそれぞれ受信することによって、異なる対の干渉ビームは異なる時間に起動されてもよい。これにより、ＳＩＭ撮像処理に適した、試料領域に対して異なる配向での少なくとも２つの明確な干渉パターンの生成を容易にする。当然ながら、光学スプリッタで入射光を受信し、さらなる導波路及び第４導波路で第３及び第４入射光をそれぞれ受信することによって、４ビーム干渉パターンもまた試料領域内で生成され得る。
【００２７】
したがって、本発明を具現化する方法は、
光学部品の第４導波路内の第４入射光を受信する工程と、
第４方向の第４経路に沿って試料領域内に第４入射光を誘導するために第４導波路内の全内反射を使用する工程であって、第４方向は第１、第２、及び第３方向とは異なる、工程と、
試料領域内に第１周期的光パターンを形成するために第１入射光を第２入射光と干渉させる工程と、
試料領域内に第２周期的光パターンを形成するために第３入射光を第４入射光と干渉させる工程と、
をさらに備えてもよい。
【００２８】
任意に、第３導波路は、光学スプリッタの第３出力から第３入射光を受信してもよい。第４導波路は、光学スプリッタの第４出力から第４入射光を受信してもよい。あるいは、光学部品は第２光学スプリッタを備えてもよく、第３導波路は、第２光学スプリッタの出力から第３入射光を受信するように配置されてもよい。第４導波路は、第２光学スプリッタの異なる出力から第４入射光を受信してもよい。
【００２９】
第１対の干渉光ビームは試料領域内で第１周期的光パターンを形成し得ることが、理解されるだろう。第２対の干渉光ビームは、試料領域内に第２周期的光パターンを形成し得る。第２周期的光パターンは好ましくは、試料領域に対して第１周期的光パターンとは異なる配向になっている。第１及び第２周期的光パターンは、直線干渉縞を形成し得る。第１周期的光パターンの直線干渉縞は、試料領域の軸に対して直角に延在してもよく、第２周期的光パターンの直線干渉縞は、試料領域の異なる軸に対して直角に延在してもよい。
【００３０】
使用中、光は、試料領域内で第１周期的光パターンを形成するように、同時に第１方向及び第２方向へ試料領域内に光を誘導するように光学スプリッタ内に誘導されてもよい。加えて、又は代わりに、光は、試料領域内で第２周期的光パターンを形成するように、光が第４方向へ試料領域内に誘導されるのと同時に第３方向へ試料領域内に誘導されてもよい。代わりに、又は加えて、光は、試料領域内で第３周期的光パターンを形成するように、光が第１及び第２方向へ試料領域内に誘導されるのと同時に第３方向へ試料領域内に誘導されてもよい。代わりに、又は加えて、光は、試料領域内で第４周期的光パターンを形成するように、光が第１及び第２方向へ試料領域内に誘導されるのと同時に第４方向へ試料領域内に誘導されてもよい。代わりに、又は加えて、光は、試料領域内で第５周期的光パターンを形成するように、光が第１及び第２方向へ試料領域内に誘導されるのと同時に第３及び第４方向へ試料領域内に誘導されてもよい。この最後のケースでは、４ビーム干渉パターンが生成される。
【００３１】
光学部品は、好ましくは導光層（すなわちコア層）を備える。光学部品は好ましくは、光の一部又は全てを導光層内に誘導することによって、大気からの入射光の一部又は全てを遮蔽するように配置される。この導光層は、好ましくは空気ではない（ただし、当然ながら、空気に隣接するか、又は空気に包囲されていてもよい）。これは好ましくは固体である。このようにして、光学部品は、たとえば気流及び空気の組成の変動による、大気中のランダムな変動によって引き起こされる干渉パターンの変動を最小化又は回避することができるが、さもなければこれらは干渉ビーム間のランダムな位相シフト、ひいては干渉パターンの望ましくない不安定をもたらす可能性がある。
【００３２】
さらに、導波路スプリッタによって形成された干渉ビームは同じ入射光から得られるので、どのような原因であれ、導波路スプリッタに入射する前に入射光が経験するいずれの時間的変動も、干渉ビームの各々に同じように影響を及ぼすと予想されることが、理解されるだろう。そのため、変動は、干渉ビーム間の相対的な位相シフトを引き起こすことはない。したがって、本発明の実施形態によって生成される干渉パターンは、たとえば自由空間内で伝播する明視野を使用する代替のＳＩＭ技術で形成されたパターンよりも安定し得る。
【００３３】
好適な１組の実施形態では、光学部品は、試料領域内で試料から発せられた光を収集するために対物レンズを使用する撮像ユニットを備えるシステムにおいて使用される。対物レンズは撮像ユニットの一部であってもよく、又は別個の部品であってもよい。従来のＳＩＭ技術は、干渉パターンを生成するため、及び試料を撮像するためにも、試料領域内に光を誘導するために同じ対物レンズを使用する。しかしながら、本発明の実施形態は、撮像レンズとは別に、試料上に光を誘導するために光学部品を使用する。したがって、撮像ユニットの対物レンズは、試料からの光を収集するためだけに最適化されることが可能である。特に、レンズは非常に精密に照明光を合焦する必要がなく、したがって光学解像度の損失を伴わずに試料をより広範囲に撮像するためにより広い視野を有利に提供できるので、従来技術と比較して開口数が小さいレンズが使用され得る。試料領域が光学部品の一面に隣接しているとき、撮像ユニットは、試料領域から直接光を収集してもよく、たとえば対物レンズが光学部品の試料領域と同じ側に配置されてもよく、又は撮像ユニットは、たとえば対物レンズを光学部品の試料領域と反対側に配置して、試料領域から光学部品を透過する光を収集してもよい。
【００３４】
好ましくは、光学部品はフォトニック集積部品である。つまり、たとえば、光学部品は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）又は集積光回路であってもよい。一般に、ＰＩＣは、少なくとも１つの導波路（たとえば一次元又は二次元導波路）を間に有する、少なくとも２つのセクションを備えることになる。
【００３５】
光学部品は、好ましくはモノリシック部品である。これは好ましくは、独立して移動可能な部分を含まない。光学部品の素子（たとえば（１つ又は複数の）光学スプリッタ、（１つ又は複数の）導波路、及び（１つ又は複数の）試料領域）は好ましくは、直接的又は間接的に、互いに接合されている。これらは共通の基板上に成長又は堆積され得る。光学部品の素子は、半導体材料及び誘電体材料のうちの１又は複数（たとえば二酸化ケイ素）を備えてもよい。半導体材料及び／又は誘電体材料は、基板（たとえばガラス、シリコン、又はＩＩＩ−ＩＶ属材料基板）上に成長させられてもよい。たとえば、半導体材料及び／又は誘電体材料は、エピタキシャルプロセス（たとえば分子ビームエピタキシ）又は堆積プロセス（たとえばスパッタリングプロセス又は化学蒸着）によって成長させられてもよい。光学部品の素子は、平面基板であってもよい光学部品の基板上に、モノリシックに集積されてもよい。素子を集積することにより、光学部品によって受信された入射光が変動する環境（たとえば温度の変動）の影響から保護されることを、さらに保証する。したがって、本明細書に開示される光学部品は、干渉光ビームの位相変動を低減するために、同時に光を誘導して光を遮蔽するように機能することが、理解されるだろう。このように、（ｉ）光を誘導し、（ｉｉ）温度、湿度、及び／又は気流の変化から光を保護するための、別個の光学機械部品は必要とされない。したがって、有利には、本明細書に開示される光学部品は、従来技術の配置よりも小さく安価にできる。
【００３６】
光学部品の基板は、シリコン又はガラスであってもよく、又はこれらを備えてもよい。基板は好ましくは、１６０〜１７０マイクロメートルなど、２００マイクロメートル未満の最大又は平均（たとえば中間）厚さを有する。いくつかの実施形態では、基板を通じて試料領域から光を収集できるようにするために、基板は透明であってもよい。
【００３７】
いくつかの実施形態では、第１方向は、第２方向と平行かつ反対であってもよい。したがって、試料領域内の第１及び第２入射光は、対向ビームであり得る。２つの対向ビームを干渉させることによって生成される周期的干渉パターンは、通常、実質的に縞模様である。
【００３８】
他のいくつかの実施形態では、第２方向は、１８０度未満の角度で第１方向に対して角度的にオフセットされていてもよい。任意に、角度オフセットは、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、又は１６０度未満であってもよい。
【００３９】
一般に、本発明の実施形態によって生成される周期的光パターンは、任意の形状を有し得る。いずれの特定の空間的周期、又はいずれの特定の周期的繰り返し回数にも限定されない（周期的構造を有するようにパターンを確立するために、一般的な素子の３つの事例は通常は最小限であるが、数百万回以上の繰り返しがあり得る）。パターンは、たとえばまっすぐな縞模様など、単純であってもよく、又はたとえば規則的な構造を呈するスポットのパターンなど、より複雑であってもよい。パターンは、一次元のみで、若しくは二次元又は三次元で、周期的であってもよい。各次元での周期は異なってもよい。任意の一次元での周期は、パターンにわたって変化してもよく、たとえば中央領域から離れるにつれて距離と共にゆっくりと増加し、これはパターンが周期的と見なされるのを妨げないことが、理解されるだろう。
【００４０】
通常、干渉縞周期はλｏ／２．ｎｅｆｆ．ｓｉｎφに等しく、ここでλｏは第１及び第２方向に誘導された光の波長、ｎｅｆｆは導波モードの有効屈折率、及びφは第１方向と第２方向との間のオフセット角である。この式により、波長及びオフセット角の適切な選択によって所望の干渉縞周期を生成することを可能にする。１対の方向の間のオフセット角が全て同じではない場合、これにより、同じ波長の入射光でも（異なる配向にもかかわらず）、干渉縞が異なる周期で生成されることを可能にする。干渉縞周期を容易に変更できることは、たとえば、フーリエ空間を満たすために照明パターンの干渉縞周期を変化させる必要があり得る、（広い視野を可能にするために）低倍率及び低開口数の対物レンズを使用して撮像するときなど、特定の撮像用途において有用であり得る。
【００４１】
先に述べられたように、いくつかの実施形態では、光学部品は、第４入射光を受信し、第４光ビームとして、第１、第２、及び第３方向とは異なる第４方向の第４経路に沿って試料領域内に第４入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第４導波路を備えてもよい。
【００４２】
いくつかの実施形態では、第１、第２、第３、及び第４方向は同一平面上にある（ポジションレスベクトルと見なされたとき）。第１及び第２経路は、試料領域を通る第１軸に沿っていてもよいが、反対方向である。第３及び第４方向は、試料領域を通る第２軸に沿っていてもよいが、反対方向である。第２軸は、第１軸から角度的にオフセットされていてもよい。第１軸と第２軸との間の角度オフセットは９０度に等しくてもよいが、しかしこれらの軸は好ましくは９０度未満の鋭角でオフセットされており、１０、２０、３０、４０、４５、５０、６０、７０、又は８０度未満であってもよい。
【００４３】
他の実施形態では、第３方向は、１８０度未満の角度で第１方向に対して角度的にオフセットされていてもよい。角度オフセットは、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、又は１６０度未満であってもよい。第４方向は、１８０度未満の角度で第３方向に対して角度的にオフセットされていてもよい。角度オフセットは、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、又は１６０度未満であってもよい。
【００４４】
第４導波路は、光学スプリッタの第４出力から第４入射光を受信するように配置されてもよい。このようにして、光学部品は１つのみの入射光で４ビーム干渉パターンを生成することができる。
【００４５】
あるいは、第４導波路は、第２光学スプリッタの第２出力から第４入射光を受信するように配置されてもよい。このように、光学部品は、入射光が第１光学スプリッタ又は第２光学スプリッタのどちらで受信されたかに応じて、（たとえば試料領域を通る第１軸に沿った）第１及び第２光ビームの干渉による干渉パターンの生成と、（たとえば試料領域を通る第２軸に沿った）第３及び第４光ビームによる干渉パターンの生成との間で切り替えられてもよい。
【００４６】
いくつかの実施形態では、光学部品は、それぞれの経路に沿って、５、６、７、８、又はそれ以上の方向へ試料領域内に入射光を誘導するように配置されている。１組の実施形態では、光学部品は、３つの異なる軸の各々に沿って反対方向へ、試料領域内に光を誘導するように配置されている。光学部品は３つの光学スプリッタを備えてもよく、その各々は、３つの軸のそれぞれに沿ってそれぞれ反対方向へ光を誘導するように配置された２つのそれぞれの導波路に結合された、２つの出力を有する。３つの軸は同一平面上にあってもよく、回転可能に規則的に、すなわち互いに１２０度で、離間してもよい。これにより、試料領域内の試料は、互いに１２０度回転した３つの方向に干渉縞パターンで照射されることが可能になり、これにより既知のＳＩＭ処理技術を容易に使用できるようになる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、光学部品は、試料領域に光学的に結合された格子を備えてもよい。光学格子は、第３方向の第３経路に沿って試料領域内に受信光を誘導するように配置されてもよい。第３導波路は、格子を介して第３入射光を第３方向へ試料領域内に誘導するように、光学的に格子に結合されてもよい。第３導波路は外部光源から第３入射光を受信してもよく、たとえば本明細書のシステムでは、光注入装置が第３入射光を第３導波路に注入してもよいことは、理解されるだろう。好ましくは、第１方向及び第２方向へ試料領域内に誘導された光は第１平面内にあり、第３方向は第１平面内にない。第３方向は第１平面に対して直角であってもよい。
【００４８】
あるいは、第３導波路は、第１導波路からの光の少なくとも一部を受信するように、第１導波路に光学的に結合されてもよい。第１導波路及び第３導波路の光学的に結合された配置は、方向性結合器（たとえばエバネッセント導波路結合器）を形成し得る。したがって、第１導波路に入射する光は、受信光の一部が第１導波路内を伝播し、受信光の別の部分は第３導波路内を伝播するように、分割される。
【００４９】
第１及び第２方向と同じ平面内にない第３方向へ試料領域内に光を誘導するために光学格子を使用するように配置された、いくつかの実施形態では、光学部品は、第１導波路及び第２導波路を介して試料領域内に第１及び第２入射光をそれぞれ誘導するように配置されてもよい。本出願人は、第１導波路及び第２導波路が光学スプリッタから光を受信することは必須ではないことを認識した。
【００５０】
したがって、別の態様から、周期的光パターンで試料領域を照射するための光学部品であって、光学部品は、光学格子、第１導波路、第２導波路、及び第３導波路を備え、
第１導波路は、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
第２導波路は、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
第３導波路は、第３入射光を受信し、光学格子上に第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置され、
光学格子は、第３方向の第３経路に沿って試料領域内に受信した第３入射光を誘導するように配置され、
第１方向及び第２方向は、第１平面に含まれる異なる方向であり、
第３方向は、第１方向とも第２方向とも異なり、第１平面内にはない、
光学部品が提供される。
【００５１】
さらなる態様から、本発明は、光学部品の試料領域を照射する方法であって、光学部品は、光学格子、第１導波路、第２導波路、及び第３導波路を備え、方法は、
第１導波路内の第１入射光を受信すること、
第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために、第１導波路内の全内反射を使用すること、
第２導波路内の第２入射光を受信すること、
第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために、第２導波路内の全内反射を使用すること、
第３導波路内の第３入射光を受信すること、
第３入射光を光学格子状に誘導するために、第３導波路内の全内反射を使用すること、
第３方向の第３経路に沿って試料領域内に第３入射光を誘導するために、光学格子を使用すること、
を含み、
第１方向及び第２方向は、第１平面に含まれる異なる方向であり、第３方向は、第１方向とも第２方向とも異なり、第１平面内にはない、
方法を提供する。
【００５２】
使用中、３ビーム干渉パターンを形成するために、（第１及び第２入射光から異なる平面内を進む）第１入射光、第２入射光、及び第３入射光が試料領域内で干渉することは、理解されるだろう。結果として得られる３ビーム干渉パターンは、３Ｄ  ＳＩＭ撮像にとって特に有用であることが見出された。
【００５３】
本発明の他の態様に関連して言及された特徴のいずれも、この態様の特徴でもあり得る。
【００５４】
第１入射光及び第２入射光が光学スプリッタからそれぞれ第１導波路及び第２導波路内に誘導される任意の態様の実施形態では、３ビーム干渉パターンは、光学スプリッタ内への唯一の入射ビーム、及び第３入射光から、便利かつ正確に生成されることが可能である。第３導波路が、第３入射光として第１導波路からの光の少なくとも一部を受信するように第１導波路に光学的に結合されている実施形態では、３ビーム干渉パターンは、光学部品の光学スプリッタ内への唯一の入力ビームから便利かつ正確に生成され得ることがわかる。
【００５５】
好適な実施形態では、光学部品は基板を備え、光学格子は試料領域と光学部品の基板との間に配置される。好ましくは、格子は試料領域の直下に配置される。このようにして、格子は試料領域の下から第３方向へ試料領域内に第３入射光を誘導する。好ましくは、第３導波路は、試料領域と基板との間に配置される。第３導波路は、格子に隣接して、好ましくは格子と同じ平面内に、配置され得る。
【００５６】
光学部品は、実質的に平面状であってもよく、又は平面基板を備えてもよい。したがって、部品又は基板は平面を画定し得る。第１及び第２方向は、（ポジションレスベクトルと見なされるときに）光学部品の平面内にあってもよい。第３方向もまた平面内にあってもよく、又は平面に対して傾斜していてもよい。
【００５７】
光学部品は、好ましくは入力インターフェースを備える。入力インターフェースは、導波路のいずれか１又は複数、好ましくはその全てに、光学的に結合され得る。これは、光学部品上の１又は複数の結合導波路の手段であり得る。入力インターフェースは、結合導波路によって光学スプリッタに結合され得る。入力インターフェースは、光学部品の複数の面にわたって分布してもよいが、好ましくは光学部品の一面に形成される。入力インターフェースは、単一のソケット又はその他の接続手段によって提供されてもよく、これは複数の入力ポートを備えてもよい。各入力ポートは、１又は複数の導波路のそれぞれのセットに対応してもよい。これらのセットは重複してもよい。入力インターフェースは、光学部品に入射光を提供することができる１又は複数の光ファイバケーブル（たとえばファイバアレイ又はファイバアダプタ）と結合するように配置され得る。このような入力インターフェースの使用は、接続及び設定プロセスを簡素化することができる。
【００５８】
光学部品は、第１入力ポート及び第２入力ポートを備えてもよい。第１及び第２入力ポートは両方とも第１導波路に光学的に結合されてもよく、たとえば、光学部品は、第１入力ポートに光学的に結合された第１入力と、第２入力ポートに光学的に結合された第２入力と、第１導波路に光学的に結合された出力とを有する、光コンバイナを備えてもよい。光コンバイナは、Ｙ分岐導波路接合部を備えることができる。光コンバイナは、光学スプリッタの下流に配置されてもよい。第１及び第２入力ポートはまた、両方とも第２又は第３導波路に光学的に結合されてもよい。入射光の少なくとも一部の波長では、光学部品は、第１入力ポートに入射光を供給することによって試料領域内に第１干渉パターンを作成し、その一方で代わりに第２入力ポートに入射光を供給することによって試料領域内に第２干渉パターンを作成するように、配置されてもよく、第１及び第２干渉パターンは共通の配向を有するが、第２干渉パターンは第１干渉パターンからオフセット（すなわち、位相シフト）している。
【００５９】
本明細書に開示される方法のいくつかの実施形態では、第１、第２（あれば）、又は第３導波路のうちのいずれか１又は複数は、好ましくは第１、第２、及び第３入射光と同じ波長の、それぞれの第１、第２、又は第３補助入射光を追加で受信する。第１導波路は、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１補助入射光を誘導し得る。同様に、存在する場合、第２導波路は、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２補助入射光を誘導し得る。第３導波路は、第３方向の第３経路に沿って試料領域内に第３補助入射光を誘導し得る。したがって、補助入射光を用いて試料領域内に２ビーム干渉パターン又は３ビーム干渉パターンが生成され得ることは、理解されるだろう。試料領域内の第１補助入射光は、試料領域内の第１入射光に対してオフセットされた非ゼロ位相を有してもよい。これは、入力から光学部品までの光路長の差を有する光学チップ、及び第１入射光と第１補助入射光との間の試料領域によって、達成され得る。試料領域内の第２補助入射光は、試料領域内内の第２入射光に対してオフセットされた非ゼロ位相を有してもよい。試料領域内の第３補助入射光は、試料領域内内の第３入射光に対してオフセットされた非ゼロ位相を有してもよい。このように、第１、第２、及び第３導波路のうちの１又は複数について、入射光の代わりに補助光を選択的に入射することによって、干渉パターンの横方向シフトが得られる。
【００６０】
光学チップは、第１及び／又は第２及び／又は第３補助導波路を備えてもよい。第１、第２、及び第３導波路のうちのいずれか１又は複数は、たとえば光コンバイナを介して、それぞれの第１、第２、及び第３補助導波路に光学的に結合されてもよい。第１、第２、及び第３補助導波路は、第１、第２、及び第３補助導波路内に第１、第２、及び第３補助入射光を誘導するように、それぞれ配置されてもよい。好ましくは、第１、第２、及び第３補助導波路のうちのいずれか１又は複数は、１又は複数の補助導波路スプリッタから第１、第２、及び第３補助入射光をそれぞれ受信するように配置される。１又は複数の補助導波路スプリッタは、好ましくは光学部品の一部である。
【００６１】
当然ながら、補助導波路を用いて補助入射光の位相をオフセットすることが必須ではないこと、並びにいくつかの実施形態では光学部品の１又は複数の素子によって受信された補助入射光が、入射光に対してオフセットされた非ゼロ位相を本質的に有してもよいことは、理解されるだろう。
【００６２】
試料領域内で干渉する補助入射光ビームのうちの１つ以上の位相をオフセットすることで、試料領域内の入射光ビームのうちの２つ以上を干渉させることによって生成される干渉パターンのうちのいずれとも異なる干渉パターンを生成し得ることは、理解されるだろう。たとえば、第１方向へ試料領域内に第１補助入射光を、及び第２領域の試料領域内に第２補助入射光を誘導することによって生成される補助干渉パターンは、第１方向の試料領域内に第１入射光を、及び第２領域の試料領域内に第２入射光を誘導することによって生成される干渉パターンとは異なる。特に、この補助干渉パターンにおける干渉縞の位置が異なることは、理解されるだろう。
【００６３】
第４導波路を備える実施形態では、第４導波路は、４補助入射光を受信し、第４方向の第４経路に沿って試料領域内に第４補助入射光を誘導するように、配置されてもよい。この場合、第４導波路は、第４補助導波路に光学的に結合されてもよい。第４補助導波路は、第４補助入射光を第４導波路内に誘導し得る。第４補助導波路は、補助導波路スプリッタから第４補助入射光を受信し得る。
【００６４】
したがって、有利には、試料領域内で生成された周期的光パターンの干渉縞は、補助入射光又は入射光のいずれかと干渉するように選択することによって、軸方向にシフトされ得る。
【００６５】
いくつかの実施形態では、第１、第２（あれば）、第３、又は第４（あれば）導波路のうちのいずれか１つは、それぞれの補助導波路スプリッタの出力から補助入射光を受信し得る。この場合、補助導波路スプリッタの出力から試料領域までの光路は、第１光学スプリッタの出力、又は補助導波路スプリッタの他の部分から、試料領域までの光路よりも長くてもよい。より長い経路長は、入射光に対して補助入射光の位相をオフセットすることが、理解されるだろう。
【００６６】
好ましくは、第１光学スプリッタは、Ｙ分岐スプリッタ、エバネッセント導波路結合器（本明細書では方向性結合器とも呼ばれる）、又はマルチモード干渉（ＭＭＩ）部品であり得る。ＭＭＩを使用することの利点は、低損失分割を提供し、３つ以上の出力を提供し得ることである。
【００６７】
いくつかの実施形態では、導波路のうちの少なくとも１つ（たとえば、少なくとも第１導波路）は、それぞれの光路に沿って試料領域に向かって受信光を導波するように配置されており、前記光路は、試料領域に向かう方向で増加する幅を有する。これは、試料領域のより広い面積を受信光で照射し、それによってより大きい干渉パターンを生成するのに、有用であり得る。幅は好ましくは、導波路の単一モード状態が維持され得るように、断熱的に増加する。これは、特定のＳＩＭ撮像技術にとって有用であり得る。
【００６８】
試料領域は、好ましくは光学部品内に、又はこれに隣接して配置される。試料領域は、少なくとも部分的に、光学部品の１又は複数の表面によって画定され得る。これら１又は複数の表面は、生体適合性層、たとえばＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）、又はＰＬＬ（ポリ−Ｌ−リジン）分子を含む層で、被覆されてもよい。光学部品は、１又は複数の壁、たとえば４つ以上の平面側壁を有する試料ウェルを、画定してもよい。試料領域は、試料ウェル内にあってもよい。試料領域又は試料ウェルは、好ましくは基部を備え、これは好ましくは平面状である。試料ウェルは、少なくとも部分的に、光学部品のクラッド層又は領域によって画定されてもよい。試料ウェルは、少なくとも部分的に、光学部品に当接する、又は光学部品から突起する、（たとえば、ポリジメチルシロキサンの）１又は複数の部材によって画定されてもよい。これらの部材は、開いたチャンバ又は閉じたチャンバを画定し得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、試料領域の面（たとえば、基部）は、光学部品の導光層（すなわちコア層）の表面によって画定されてもよい。導光層の表面は、（少なくとも、試料が存在しないときに）少なくとも試料領域に隣接して、（たとえば、空気又は水に）さらされてもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、空気又は水などの流体は、（１つ又は複数の）導波路の上部クラッド層として使用され、その場合、試料領域の基部は（１つ又は複数の）導波路の導光層の上面によって画定され得る。このようにして、試料は、導波路内の導波光のエバネッセント場と相互作用するために、導波路内に直接載置され得る。このような配置では、試料ウェルは必ずしも必要とは限らず、試料は、導波路上に直接これを載置して導波路内で２つの対向するビームを導波することによって、干渉パターンで照射されてもよい。しかしながら、場合により、試料を収容するために、たとえば導波路表面上に試料チャンバを載置することによって、試料ウェルが提供されてもよい。
【００７０】
１組の実施形態では、少なくとも第１導波路は、そこから受信する光（たとえば第１入射光）が試料領域内に誘導される端面を備える。好ましくは、第２導波路（あれば）は、そこから受信する光（すなわち第２入射光）が試料領域内に誘導される端面を備える。好ましくは、第３導波路は、そこから受信する光（すなわち第３入射光）が試料領域内に誘導される端面を備える。このような配置では、少なくとも第１及び第３導波路の端面は試料ウェルのそれぞれの側壁を画定し得ることが、理解されるだろう。したがって、少なくとも第１及び第２導波路の端面は、試料領域内で試料が位置決め可能な表面領域の横に位置決めされ得る。さらに、これらの側壁のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの導波路層を備える。試料領域は端面に当接してもよい。あるいは、端面と試料又は試料領域との間に、空隙及び／又は細胞緩衝溶液（たとえば、リン酸緩衝生理食塩水、ＰＢＳ）などの媒体があってもよい。縁面は、たとえばＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）、又はＰＬＬ（ポリ−Ｌ−リジン）分子を含む、生体適合性層で被覆されてもよい。
【００７１】
このような配置は有利なことに、蛍光体（又は試料内に埋め込まれた他の類似の発光マーカ）を、試料の表面領域を超えて、たとえば、通常は数百ナノメートルである、導波路のエバネッセント場が浸透するよりも試料内に深く、励起させることができる。
【００７２】
このような配置はまた、励起出力が比較的低く、通常は総入射光パワーの約１０％未満である、既知のエバネッセント場ベースの照明技術と比較して、蛍光体（又は他の類似の発光マーカ）を、任意の光源（たとえばレーザ）で、比較的高出力で効率的に励起させる。
【００７３】
少なくとも第１導波路の端面からの光は、好ましくは光シートとして成形される。光シートは好ましくは、光学部品の主平面（たとえば光学部品の平面基板の平面）と実質的に平行な平面内の試料領域に侵入する。光シートを生成することにより、好ましくは試料領域の断面全体が照射され得る。したがって、周期的干渉パターンは、試料領域の断面全体を照射し得る。
【００７４】
少なくとも第１導波路の端面から発する光ビーム又は光シートの厚さは、好ましくは５００、１０００、又は２０００ナノメートル未満である。これを容易にするために、少なくとも第１導波路の導波路層は、透明材料の光透過性薄膜として堆積されてもよい。この薄膜は、１マイクロメートル未満の厚さを有し得る。
【００７５】
別の組の実施形態では、少なくとも第１導波路は、受信する光のエバネッセント場成分のみを試料領域内に誘導するように配置される。このような実施形態では、試料領域は、好ましくは少なくとも第１導波路と接触している。
【００７６】
導波路のうちのいずれか１又は複数は、それぞれの第１コア領域、及び第１コア領域と接触している第１クラッド領域を備えてもよく、第１コア領域は、第１クラッド領域よりも高い屈折率を有し、全内反射を使用して導波路に沿って受信光を導波するように配置されている。好ましくは、導波路のうちの２つ以上（たとえば、第１及び第２導波路）は、同じコア領域及びクラッド領域を備える。光学スプリッタの多くの１つ（たとえば第１光学スプリッタ）は、同じコア領域及びクラッド領域を備えてもよい。（１つ又は複数の）導波路及び／又は（１つ又は複数の）光学スプリッタの第１クラッド領域（たとえば下部光クラッド領域）は、第１コア領域と光学部品の基板との間に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、第１コア領域は、第１クラッド領域と第２クラッド領域（たとえば上部光クラッド領域）との間に配置されてもよい。第２クラッド領域は、好ましくは、第１コア領域よりも低い屈折率を有する。いくつかの実施形態では、空気又は水が、第２クラッド領域として使用されてもよい。この場合、空気又は水の領域は、第２クラッド領域を構成し、光学部品の一部を形成すると見なされてもよく、若しくは空気又は水は、光学部品自体が上部クラッド層を備えないように、光学部品とは分離していると見なされてもよい。
【００７７】
本明細書で使用される際に、「上部」、「下部」、「ウェル」、及び「基部」などの用語は、必ずしも光学部品をいずれか特定の傾斜角で使用するように限定すると理解されるべきではない。しかしながら、いくつかの実施形態では、試料領域内に試料を維持するために重力が使用されてもよく、すると光学部品は自然な使用角度、又は使用可能角度範囲を有することができる。
【００７８】
照明パターンが撮像対物レンズを用いて形成される従来のＳＩＭ設定では、ＳＩＭの光学解像度はおよそλｏ／４．Ｎ．Ａ．であり、ここでＮ．Ａ．は対物レンズの開口数である。通常、このような従来技術で使用される最も高いＮ．Ａ．は１．４９であり、場合により、試料は、水に近い屈折率（すなわち約１．３３）を有する溶液中に浸漬される。
【００７９】
本明細書に開示される配置の少なくともいくつかは、λｏ／２（Ｎ．Ａ．＋ｎｅｆｆ）の光学解像度を有し、ここでｎｅｆｆは導波路の内部の導波モードの有効屈折率であり、Ｎ．Ａ．は撮像対物レンズの開口数である。これにより、Ｎ．Ａ．よりも高いｎｅｆｆを使用することで解像度を改善できる。これは、試料領域内で干渉のために光を誘導するために光学部品内の高屈折率素子を適切に使用することによって、可能となる。たとえば、五酸化タンタル又は窒化ケイ素の導波路を使用して、約１．９から２のｎｅｆｆが実現され得る。
【００８０】
光パターンの干渉縞間の間隔は、通常はλｏ／２ｎｅｆｆに比例し、ここでλｏは真空での干渉ビームの波長、ｎｅｆｆは導波路の内部の導波モードの有効屈折率である。いくつかの従来技術の配置では、干渉領域内の干渉ビームのエネルギーの大部分又は全ては空気又は水ベースの媒体中にあるので、ｎｅｆｆは通常、約１から１．３３である。
【００８１】
１又は複数の光誘導素子の中に（たとえば、試料領域内に光を誘導する導波路、又は試料領域内に光を誘導する光学スプリッタ内に）その光エネルギーの大部分を有する干渉光ビームによって光パターンが形成される、本発明の実施形態（たとえばエバネッセント光が周期的光パターンを形成する実施形態）では、干渉光が受ける有効屈折率は、主に空気又は水ではなく光誘導素子の屈折率組成に依存し、結果として、光誘導素子は１．３３よりも高い屈折率を有する材料から製造され得るのでｎｅｆｆは１．３３よりも高くできることが、理解されるだろう。たとえば、五酸化タンタル又は窒化ケイ素のコア層及びシリコンのクラッド層を備える導波路内で、約１．７から２のｎｅｆｆ値が得られる。
【００８２】
ｎｅｆｆ値が高い方が、干渉パターンの干渉縞間の間隔を狭めるが、これはＳＩＭ画像の解像度を向上させるので望ましい。したがって、好ましくは、いくつかの実施形態では、導波路のうちの少なくとも１つは、好ましくはコア層内に五酸化タンタル又は窒化ケイ素を備える。好ましくは、導波路のうちの少なくとも１つは、シリコンを備えるクラッド層を有する。好ましくは、光学部品は、ｎｅｆｆが試料領域内で１．３３よりも大きく、好ましくは少なくとも２、たとえば２．５、３、３．５、又はそれ以上となるようになっている。
【００８３】
試料領域が試料を保持するための試料ウェルを備える実施形態では、試料ウェルは少なくとも部分的に第１クラッド領域及び第１コア領域の一方又は両方によって画定されてもよい。
【００８４】
第１導波路の第１クラッド領域、及び好ましくは、第２導波路（あれば）は少なくとも部分的に、試料を保持するための試料領域（たとえば試料ウェル）を画定する形状であってもよい。特に、第１クラッド領域及び第１コア領域の一方又は両方は、試料ウェル又は試料領域を画定する形状であってもよい（たとえば試料領域又はウェルに基準平面を提供する）。
【００８５】
１組の実施形態では、少なくとも第１導波路は一次元導波路であるか、又は二次元導波路である。いくつかの実施形態では、導波路のうちの１又は複数は単一モード導波路である。いくつかの実施形態では、導波路のうちの１又は複数は、二次元リブ導波路、又は二次元ストリップ導波路、又は一次元スラブ導波路である。
【００８６】
リブ導波路では、コア層とクラッド層の間の屈折率コントラストによって横方向導光（すなわちコア及びクラッド層／領域の平面に垂直な方向）が提供されることは、理解されるだろう。側方導光は、上部クラッド層にリッジを有することによって設けられる。リブ導波路構造における側方導光は、コア層の外側に伝播するエバネッセント光（すなわちエバネッセント場）の強度を増加させる。したがって、（リッジを有していない）従来のスラブ導波路の使用と比較すると、試料領域と重複するエバネッセント光の強度を増加させることができる。したがって、リブ導波路を使用することによって、リブ導波路から試料領域内に誘導されるエバネッセント光の強度を増加させることができ、より強い周期的光パターンを生成できるようにする。
【００８７】
（横方向導光のみを提供する）スラブ導波路と比較してリブ導波路を使用することの別の利点は、光漏れが少なく、より鋭い屈曲及び曲がりを可能にすることである。このようにして、フットプリントの小さいよりコンパクトな光学部品を提供するために、導波路内のより鋭い屈曲及び曲がりが使用され得る。特に、導波路内のより鋭い屈曲及び曲がりは、異なる周期的光パターンを生成するために、光学部品の片側から（たとえば入力面から）試料領域の異なる側に、及び試料領域内の異なる方向に沿って、入射光を誘導するために使用され得る。
【００８８】
導波路内の曲げ損失をさらに低減し、これによって光学部品をさらにコンパクトにするためさらに鋭い屈曲及び曲がりを可能にするために、本明細書の実施形態における導波路のうちの１又は複数はストリップ導波路を備えてもよい。ストリップ導波路はまた、側方導光を提供するリッジも有する。しかしながら、リブ導波路とは異なり、リッジは上部クラッド層を通り、導波路のコア層を通って（又は少なくとも部分的に通って）延在する。
【００８９】
ストリップ導波路を使用することのさらなる利点は、コア層の外側に伝播する強力なエバネッセント場を提供することである。したがって、エバネッセント場（すなわちエバネッセント光）のみが試料領域内に誘導される実施形態では、試料を照射する周期的光パターンの強度は、試料領域内に光を誘導するためにストリップ導波路を使用することによって増加され得る。
【００９０】
いくつかの実施形態では、特に高出力及び鋭い屈曲／曲がりが必要とされない場合、導波路のうちの１又は複数はスラブ導波路であってもよい。リブ及びスラブ導波路よりも製造しやすいため、スラブ導波路が好ましい場合があることもまた、理解されるだろう。
【００９１】
スラブ導波路の幅は、１００μｍから５００μｍ、又は１００μｍから１５０μｍ、又は１００μｍから２００μｍ、又は１００μｍから３００μｍ、又は１００μｍから４００μｍであってもよいが、これらの範囲外となる可能性もある。リブ導波路又はストリップ導波路のリッジの幅ｒｗは：１μｍ≦ｒｗ＜１００μｍ；又は１μｍ≦ｒｗ≦１０μｍ；又は１０μｍ≦ｒｗ≦３０μｍ；又は１０μｍ≦ｒｗ≦５０μｍ；又は１０μｍ≦ｒｗ＜１００μｍであってもよいが、これらの範囲外となる可能性もある。
【００９２】
任意に、導波路のうちの少なくとも１つ（たとえば、第１又は第２導波路）は、試料領域内に誘導される前に受信光（たとえば、第１入射光）の少なくとも一部の位相を調整するように配置された、それぞれの位相調整器に結合される。光学部品は、前記位相調整器のうちの１又は複数を備えてもよい。
【００９３】
好ましくは、（１つ又は複数の）位相調整器は、熱位相調整器又は電気光学位相調整器などの能動位相調整器である。しかしながら、（１つ又は複数の）位相調整器は受動位相調整器であってもよい。受動位相調整器は、たとえば、位相調整器が結合されるそれぞれの導波路の上部クラッド層に充填可能なギャップを備えてもよく、これは導波路の有効屈折率を変化させるように、異なる屈折率の１又は複数の材料（たとえば二酸化ケイ素、ＰＭＭＡ、又はＳＵ８）で選択的に充填するのに適しているかも知れない。
【００９４】
現在の能動位相調整器の速度は、通常ｋＨｚ範囲の変調速度を有する現在の光学機械部品よりもはるかに速い、１ＧＨｚ超である。したがって、位相調整器は、従来技術の光機械設定よりもはるかに速い速度で試料領域に対して周期的光パターンがシフトすることを可能にする。
【００９５】
導波路のうちのいずれか１又は複数は、試料領域に向かって湾曲又は傾斜し、湾曲又は傾斜部分に沿って試料領域内にそれぞれの入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置されている、湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路であってもよい。
【００９６】
このような二次元導波路の使用は、光学部品が必ずしも光学スプリッタを備えない場合でさえ、新規で発明的であると信じられている。
【００９７】
したがって、さらなる態様によれば、本発明は、周期的光パターンで試料領域を照射するための光学部品であって、光学部品は、
入射光を受信するように配置された入力インターフェースと、
入力インターフェースから第１入射光を受信し、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第１導波路と、
入力インターフェースから第２入射光を受信するように配置された第２導波路であって、第２導波路は、試料領域に向かって湾曲又は傾斜している湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路であり、第２導波路は、湾曲又は傾斜部分に沿って第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置されている、第２導波路と、
入力インターフェースから第３入射光を受信し、第３方向の第３経路に沿って試料領域内に第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、さらなる導波路と、
を備え、
使用中に、試料領域内に周期的光パターンを形成するために第２入射光が第１入射光及び第３入射光のうちの少なくとも１つと干渉するように、第２方向は第１方向とは異なっており、第３方向は第１方向とも第２方向とも異なっている、
光学部品を提供する。
【００９８】
別の態様によれば、本発明は、入力インターフェース、第１導波路、第２導波路、及び第３導波路を備える光学部品の試料領域を照射する方法であって、第２導波路は、試料領域に向かって湾曲又は傾斜している湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路であり、方法は、
第１導波路において、入力インターフェースから第１入射光を受信すること、
第２導波路において、入力インターフェースから第２入射光を受信すること、
第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために第１導波路内で全内反射を使用すること、
第２導波路の湾曲又は傾斜部分に沿って、及び第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために、第２導波路内で全内反射を使用することであって、第２方向は第１方向とは異なっている、全内反射を使用すること、
第３導波路において、入力インターフェースから第３入射光を受信すること、
第３方向の第３経路に沿って試料領域内に第３入射光を誘導するために第３導波路内で全内反射を使用することであって、第３方向は第１方向及び第２方向と異なっている、全内反射を使用すること、
試料領域内に周期的干渉パターンを形成するために、第２入射光を第１入射光及び第３入射光のうちの少なくとも１つと干渉させること、
を含む方法を提供する。
【００９９】
好適で所望により特徴及び利点を含む、上記態様による光学部品及び方法、並びにその導波路に関して上記で説明された特徴及び利点は、適切な場合はいつでも、この光学部品及び方法の実施形態に等しく適用され得る。
【０１００】
単一の光学部品（たとえば光学チップ）が、（必ずしも全て同時でなくてもよいが）３つの別個の光ビームを形成し、３つの導波路を使用してこれらを異なる方向に沿って試料領域内に誘導することを、当業者は理解するだろう。具体的には、第１導波路は、受信した第１入射光を入力インターフェースから試料領域内に、第１光ビームとして、第１方向へ誘導することがわかるだろう。第２導波路は、二次元導波路であり、受信した第２入射光を入力インターフェースから試料領域内に、第２光ビームとして、第１光ビームに向かう第２方向へ誘導するように、試料領域に向かって湾曲又は傾斜している湾曲又は傾斜部分を有する。第３導波路（さらなる導波路とも呼ばれる）は、受信した第３入射光を入力インターフェースから試料領域内に、第３光ビームとして、第３方向へ誘導する。
【０１０１】
たとえば、第３入射光は、３ビーム干渉パターンを形成するように、第１及び第２入射光と干渉し得ることが、理解されるだろう。３ビーム干渉パターンは、「スペックル」又は「セミスペックル」照明を生成するのに有用である。スペックル状の照明パターンは、いくつかのタイプのＳＩＭ撮像に有用である。あるいは、第２入射光は、２つの異なる干渉パターンを形成するために、第１入射光又は第３入射光のいずれかと干渉してもよい。有利には、光学部品を再位置決めする必要性を伴わずに、２つの異なる干渉パターンが形成され得る。第３干渉パターンは、第１入射光を第３入射光と干渉させることによって生成され得る。
【０１０２】
したがって、第１態様と同様に、この態様を具現化する光学部品は、複数の光学機械部品の必要性を回避でき、現在知られているシステムよりも位置合わせしやすい、ＳＩＭ撮像のためにより小型で安価で簡単な設定を提供できることがわかるだろう。
【０１０３】
さらに、二次元導波路を使用することにより、第２方向に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために屈曲（すなわち湾曲又は傾斜部分）を使用できるようにすることで、光学部品のフットプリントをはるかに小さくできる。屈曲のため、第２導波路のフットプリントは、従来技術の代替品のフットプリントよりもはるかに小さくできることが、理解されるだろう。
【０１０４】
加えて、この態様による光学部品は、干渉パターンの変動を最小限に抑えるために、大気中の変動から入射光を保護することもできることを、当業者は理解するだろう。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、入力インターフェースは、（ｉ）入力インターフェースからの入射光を受信するための入力と、（ｉｉ）第１出力と、（ｉｉｉ）第２出力と、を有する光学スプリッタを備えてもよく、第１出力は、第１入射光を第１導波路内に誘導するように、第１導波路に光学的に結合され、第２出力は、第２入射光を第２導波路内に誘導するように、第２導波路に光学的に結合されている。このようにして、光学部品は１つのみの入射光ビームから周期的光パターンを生成してもよく、いくつかの実施形態では、この入射ビームは光学部品の１面で受信されるだけでよい。第１態様と同様に、これはより簡単なＳＩＭ撮像設定をもたらす。
【０１０６】
好ましくは、光学スプリッタは、Ｙ分岐スプリッタ、エバネッセント導波路結合器、又はマルチモード干渉（ＭＭＩ）部品であり得る。ＭＭＩを使用することの利点は、低損失分割を提供し、３つ以上の出力を提供し得ることである。
【０１０７】
任意に、光学スプリッタは第３出力を備えてもよい。第３出力は、第３入射光を第３導波路内に誘導するように、第３導波路に光学的に結合されてもよい。このようにして、光学部品は１つのみの入射光で３ビーム干渉パターンを生成することができる。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、入力インターフェースは、第１入力、第２入力、及び第３入力のうちの１又は複数を備える。第１入力は、第１入射光を第１導波路内に誘導するように、第１導波路に光学的に結合されてもよい。第２入力は、第２入射光を第２導波路内に誘導するように、第２導波路に光学的に結合されてもよい。第３入力は、第３入射光を第３導波路内に誘導するように、第３導波路に光学的に結合されてもよい。
【０１０９】
好ましくは、少なくとも第１入力及び第２入力は、光学部品の共通周縁部又は面上に位置決めされる。これにより、光源からの入射光が光学部品の一面に誘導されるだけでよいことを保証する。
【０１１０】
任意に、第１及び／又は第３導波路の各々は二次元導波路であってもよい。第１導波路及び／又は第３導波路は、試料領域に向かって湾曲又は傾斜している湾曲又は傾斜部分を備えてもよい。第１導波路は、湾曲又は傾斜部分に沿って、及び第１方向に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置されてもよい。したがって、第１導波路は、わずかな光損失で光を誘導するためにより鋭い屈曲を使用してもよく、このようにして光学部品はさらに小さくできる。加えて、又は代わりに、第３導波路は、湾曲又は傾斜部分に沿って、及び第３方向に沿って試料領域内に第３入射光を誘導するために全内反射を使用するように、配置されてもよい。
【０１１１】
第１、第２、及び／又は第３方向は、先に説明されたとおりであってもよい。
【０１１２】
任意に、第１、第２、及び第３方向は同じ平面内にある。あるいは、先に説明されたように、第３方向は第１及び／又は第２方向に対して異なる平面内、たとえば直交面内にあってもよい。後者の場合、先に述べられたように、３Ｄ  ＳＩＭ撮像用の３ビーム干渉パターンが生成され得る。
【０１１３】
任意に、第３導波路は、入力インターフェースの第３入力から第３入射光を受信するように配置されてもよい。このようにして、光学部品は、入射光が入力インターフェースの２つ以上の入力で受信されたか否かに応じて、２ビーム干渉パターンと３ビーム干渉パターンとの間で選択的に切り替えてもよい。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、光学部品は、第４入射光を受信し、第１、第２、及び第３方向とは異なる第４方向の第４経路に沿って試料領域内に第４入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第４導波路を備えてもよい。
【０１１５】
これら４つの方向は、先に説明されたのと同じ特徴及び利点を有し得る。
【０１１６】
前述の実施形態では、入力インターフェースは光学スプリッタを備え、第４導波路は、光学スプリッタの第４出力から第４入射光を受信するように、任意に配置され得る。あるいは、第４導波路は、入力インターフェースの別の光学スプリッタの出力から第４入射光を受信するように任意に配置されてもよい。
【０１１７】
あるいは、第４導波路は、入力インターフェースの第４入力から第４入射光を受信するように配置されてもよい。このようにして、光学部品は、入射光が入力インターフェースに入射する場所に応じて、異なる干渉パターンの間で選択的に切り替えてもよい。たとえば、第１、第２、第３、及び第４入射光ビームが入力インターフェースのそれぞれの入力ポートから受信される実施形態では、干渉パターンは、（たとえば試料領域の第１軸に沿って）第１及び第２光ビームと干渉するために入力インターフェースの第１及び第２入力に選択的に光を入射させることによって、生成され得る。さらに、たとえば、干渉パターンは、（たとえば試料領域の第２軸に沿って）第３及び第４光ビームを干渉させるために入力インターフェースの第３及び第４入力に選択的に光を入射させることによって、生成され得る。
【０１１８】
いくつかの例では、光学部品は、試料領域に光学的に結合された格子を備えてもよい。光学格子は、第３方向の第３経路に沿って試料領域内に受信光を誘導するように配置されてもよい。第３導波路は、格子を介して第３入射光を第３方向へ試料領域内に誘導するように、光学的に格子に結合されてもよい。好ましくは、第１方向及び第２方向へ試料領域内に誘導された光は第１平面内にあり、第３方向は第１平面内にない。
【０１１９】
先の態様と同様に、導波路のうちの少なくとも１つは、補助入射光を追加で受信するように配置されてもよい。たとえば、第１導波路は、第１補助入射光を受信するように配置されてもよい。第１態様の実施形態と同様に、第１補助入射光は好ましくは、第１入射光に対してオフセットされた非ゼロ位相を有する。少なくとも第１導波路は、それぞれの補助導波路からそれぞれの補助入射光を受信するために、光学的に結合されてもよい。
【０１２０】
好ましくは、（１つ又は複数の）補助導波路は、入力インターフェースから（たとえば、１又は複数の導波路スプリッタ又は入力インターフェースの入力から）補助光を受信してもよい。たとえば、第１及び第２導波路にそれぞれ結合された第１及び第２補助導波路は、入力インターフェースの補助光学スプリッタの出力から補助光を受信してもよい。好ましくは、補助導波路の光路長は、第１、第２、第３、又は第４入射光のうちのいずれか１つの周期の整数倍ではない。
【０１２１】
以前のように、（１つ又は複数の）補助導波路は、試料領域内で入射光又は補助入射光と干渉するように選択することによって、試料領域内で生成された周期的光パターンの干渉縞を軸方向にシフトさせることができる。たとえば、試料領域内で第１入射ビームを第２入射ビームと干渉させることによって生成される干渉パターンの干渉縞は、試料領域内で第１補助入射ビームを第２補助入射ビームと別個に干渉させることによって、軸方向にシフトされ得る。
【０１２２】
上述のように、少なくとも第１補助導波路は、入力インターフェースの補助導波路スプリッタの出力から補助入射光を受信してもよい。好ましくは、この導波路スプリッタの出力は、第１入射光を第１導波路内に誘導する入力インターフェース（あれば）の第１光学スプリッタの出力よりも長い光路長を有する。より長い経路長は、第１入射光に対して第１補助入射光の位相をオフセットすることが、理解されるだろう。このようにして、以前のように、第１導波路内に第１入射光又は第１補助入射光を供給する配置は、干渉ビーム間の相対位相差を調整するための位相調整器を提供する。
【０１２３】
本明細書に記載される態様のいずれかによる、本発明を具現化する特定の方法は、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を実行するために１つ又は複数の周期的光パターンを使用することを、さらに備える。既知のＳＩＭ技術を使用して分析が行われてもよい。好ましくは、光パターンは、撮像中に、本明細書に記載される仕組みの１又は複数を使用して、直線的に（たとえば軸方向に）、及び／又は角度的に調整される。この調整は、撮像ユニットによって、又は別個の制御ユニットによって、行われてもよい。
【０１２４】
したがって、さらなる態様から、本発明は、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を使用して試料を撮像するためのシステムであって、システムは、
光注入機構と、
光注入装置から入射光を受信し、試料領域を周期的光パターンで照射するように配置された、本明細書に開示されるいずれかの態様による光学部品と、
試料領域から発せられた光を収集するように配置された対物レンズと、
収集された光で構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を実行するように配置された撮像ユニットと、
を備えるシステムを提供する。
【０１２５】
別の態様から、本発明は、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を使用して試料を撮像する方法であって、
本明細書に開示されるいずれかの方法によって、光学部品の試料領域を周期的光パターンで照射すること、
試料領域から発せられた光を収集すること、
収集された光で構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を実行すること、
を含む方法を提供する。
【０１２６】
試料領域は、好ましくは試料、たとえば生体試料を含む。試料は、必須ではないものの、好ましくは蛍光マーカを含む。
【０１２７】
本出願人は、光学部品が上記で説明されたよりも少ない特徴を有する場合でも、このような撮像システム及びＳＩＭ向けのその使用もまた、新規で発明的であると信じる。
【０１２８】
したがって、さらなる態様から、本発明は、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を使用して試料を撮像するためのシステムであって、システムは、
光注入機構と、
導波路及び光学スプリッタを備える光学部品であって、光学スプリッタは、（ｉ）入射光を受信するための入力と、（ｉｉ）第１出力と、（ｉｉｉ）第２出力と、を有し、
光学スプリッタの第１出力は、第１入射光を導波路内に誘導するように、導波路に光学的に結合され、
導波路は、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置され、
光学スプリッタの第２出力は、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するように、試料領域に光学的に結合され、
使用中に、第１入射光が第２入射光に干渉して試料領域内に周期的光パターンを形成するように、第２方向は第１方向とは異なっている、
光学部品と、
試料領域から発せられる光を収集するように配置された対物レンズと、
収集された光で構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を実行するように配置された撮像ユニットと、
を備えるシステムを提供する。
【０１２９】
またさらなる態様から、本発明は、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を使用して試料を撮像するためのシステムであって、システムは、
光注入機構と、
光学部品であって、
入射光を受信するように配置された入力インターフェースと、
入力インターフェースから第１入射光を受信し、第１方向の第１経路に沿って試料領域内に第１入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、第１導波路と、
入力インターフェースから第２入射光を受信するように配置された第２導波路であって、第２導波路は、試料領域に向かって湾曲又は傾斜し、湾曲又は傾斜部分に沿って、第２方向の第２経路に沿って試料領域内に第２入射光を誘導するために全内反射を使用するように配置された、湾曲又は傾斜部分を有する二次元導波路であり、使用中に、試料領域内に周期的光パターンを形成するために第１入射光が第２入射光と干渉するように、第２方向は第１方向とは異なっている、第２導波路と、
を備える光学部品と、
試料領域から発せられた光を収集するように配置された対物レンズと、
収集された光で構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を実行するように配置された撮像ユニットと、
を備えるシステムを提供する。
【０１３０】
さらなる態様は、上記２つの段落のいずれかによるシステムを使用することを備える、構造化照明顕微鏡法を使用して試料を撮像する方法を提供する。
【０１３１】
これらの態様のいずれにおいても、光注入機構は、光源からの入射光を光学部品に合焦させるためのレンズを備え得る。光源は、光注入機構の一部を形成してもよい。光源は好ましくは、周期的光パターンを生成するためのレーザ又はその他いずれかのコヒーレント光源である。たとえば、光源は、固体レーザ、ファイバレーザ、又はダイオードレーザなどのレーザ光源であってもよい。入射光の波長は、可視スペクトル（たとえば、約４００から約８００ナノメートル）、又は近赤外（たとえば、約８００から約１５００ナノメートル）の範囲内であってもよい。第１、第２、第３、及び第４入射光（あれば）は、好ましくは共通の波長を有する。
【０１３２】
他の実施形態では、光注入機構は、光源からの光を光学部品内に、たとえば光学部品の入力インターフェースに誘導する、光ファイバを備えてもよい。あるいは、ファイバが光源からレンズに光を誘導してもよい。
【０１３３】
システムは、複数の経路のうちの１又は複数に沿って光源からの光を選択的に誘導するように配置された、光スイッチなどの光マルチプレクサを備えてもよい。各経路は、レンズ又は１又は複数の光ファイバによって、光学部品に（たとえば入力インターフェースの１又は複数の異なる入力ポートに）光を注入してもよい。どの光ビームを出力すべきかを制御することによって、光マルチプレクサは、どの入力、又は入力の組み合わせが入射光を受信するかを、選択的に制御できるようにする。このようにして、試料領域内の干渉パターンを変化させることができる。
【０１３４】
光マルチプレクサは、好ましくは電気通信ネットワークで使用されるタイプ（たとえば、４０Ｇ光スイッチ）である。周期的光パターンの生成は、従来技術の設定のように光学機械部品（たとえば可動ミラー）の動きではなく、光マルチプレクサの速度によって制限されるため、これは有利である。実際、電気通信のものなど、現在の光マルチプレクサは１ＧＨｚを超える変調速度を有し、これは通常ＫＨｚ範囲の変調速度を有する現在の光学機械部品よりもはるかに速い。
【０１３５】
さらに、光注入機構は、光学部品に注入される入射光の各ビームの振幅を調整するための、１又は複数の振幅変調器を備えてもよい。振幅変調器は、周期的光パターンの干渉縞の強度を制御できるようにする。
【０１３６】
任意に、光注入機構は、１又は複数の波長を有する入射光を光学部品に注入するように配置されてもよい。入射光の異なる波長は、波長可変レーザ、又は各波長の光源を備える光源のセットによって、生成され得る。入射光の１つ又は複数の波長は、発光マーカを発光させるように選択され得る。入射光の異なる波長は、干渉縞の数を変更し、試料に対する干渉縞の位置をシフトするために、使用され得る。
【０１３７】
いくつかの実施形態では、撮像ユニットはまた、第１入射光と第２入射光との間の位相オフセットを制御するように配置される。
【０１３８】
撮像ユニットは、画像センサ、プロセッサ、メモリ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、入力、及び出力のうちの１又は複数を備えてもよい。これは、ＳＩＭ撮像の１又は複数の工程を実行するように撮像ユニットに命令するためのソフトウェア命令を格納する、メモリを備えてもよい。
【０１３９】
撮像ユニットは、試料領域内の複数の周期的光パターンから収集された光でＳＩＭ撮像を実行するように配置されてもよい。これは、収集された光で、フーリエ解析などの周波数解析を実行するように配置されてもよい。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、第１方向及び第２方向は第１平面内にあり、対物レンズはまた、光注入機構から入射光を受信し、第４方向に沿って試料領域内に入射光を誘導するように配置されており、第４方向は第１及び第２方向と同じ平面内にはない。
【０１４１】
全ての態様において、干渉光は同じ偏光を有してもよい。光学部品の素子（たとえば少なくとも第１導波路及び／又は少なくとも第１光学スプリッタ）は、コア層の平面内、又は光学部品の平面内（たとえば、光学部品の基板の平面内）に偏光させて光を誘導するように配置されてもよい。同じ偏光を有する干渉光は、干渉縞の視認性を向上させ、これによってより良いＳＩＭ画像を提供する。視認性は、コア層の平面内、又は光学部品の平面内（たとえば光学部品の基板の平面内）の偏光を有する干渉光のときに、最大となる。
【０１４２】
本明細書に記載されるいずれの態様又は実施形態の特徴も、適切な場合には常に、本明細書に記載される他のいずれの態様又は実施形態にも適用され得る。異なる実施形態又は異なる組の実施形態が参照される場合、これらは必ずしも別個ではなく重複する可能性があることを、理解すべきである。
【０１４３】
ここで、以下の添付図面を参照して、例示のみにより、本発明の特定の好適な実施形態が説明される。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】図１は、本発明による光学部品を備えるＳＩＭ撮像設定の概略図である。
【図２】図２は、図１の光学部品の平面図である。
【図３】図３は、試料領域を横切る図１の光学部品の側面図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｃ】図４ｃは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｄ】図４ｄは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｅ】図４ｅは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｆ】図４ｆは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｇ】図４ｇは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図４ｈ】図４ｈは、本発明による、３つの代替タイプの導波路の断面プロファイルである。
【図５】図５は、図１の光学部品の試料領域内で生成された周期的干渉パターンの平面図である。
【図６】図６は、本発明による光学部品の側面図である。
【図７】図７は、本発明による光注入配置及び光学部品の平面図である。
【図８ａ】図８ａは、図７の光学部品の試料領域内の周期的光パターンの角度を変化させることによって生成され得る照明パターンの平面図を示す。
【図８ｂ】図８ｂは、図７の光学部品の試料領域内の周期的光パターンの角度を変化させることによって生成され得る異なる照明パターンの平面図を示す。
【図８ｃ】図８ｃは、図７の光学部品の試料領域内の周期的光パターンの角度を変化させることによって生成され得るさらに異なる照明パターンの平面図を示す。
【図９】図９は、本発明による光注入配置及び光学部品の平面図である。
【図１０】図１０は、本発明による光注入配置及び光学部品の平面図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、変形光注入配置及び光学部品の概略図である。
【図１１】図１１は、３Ｄ  ＳＩＭ画像を生成するための、本発明による光学部品の側面図である。
【図１２】図１２は、図１１の光学部品の試料領域内で生成された周期的干渉パターンの側面図である。
【図１３】図１３は、本発明による光学部品を備える３Ｄ  ＳＩＭ撮像のためのＳＩＭ撮像設定の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１４５】
図１は、光学部品１０の試料領域５５に面する前方視野３２を有する、Ｐｌａｎ  Ｎ  ２０ｘ／０．４オリンパス（登録商標）対物レンズなどの対物レンズ３０を含む、蛍光顕微鏡検査を実行するための機構１００を示す。これはまた、光学部品１０の入力インターフェース１１に光学的に結合された光注入装置４０も含む。試料５０が試料領域５５内に配置される。機構１００はまた、前方視野３２内で対物レンズ３０によって収集された光を受信及び処理するように構成された、撮像ユニット６０も含む。
【０１４６】
この例の試料５０は、蛍光体又は量子ドットなどの発光マーカが埋め込まれた生体細胞であるが、当然ながら他のタイプの試料が使用されてもよい。たとえば、試料は、弾性及び非弾性散乱を伴う生体細胞であってもよい。
【０１４７】
光注入装置４０は、レンズ４６と、この例では可視波長レーザ源である光源４２とを備える。レンズ４６は、光源４２から光４４を受信し、これを光学部品１０の入力インターフェース１１内に合焦するように、配置されている。この注入光は、光学部品１０の入射光を形成する。
【０１４８】
図２に最もよく示されるように、光学部品１０の入力インターフェース１１は、光注入装置４０から入射光を受信する入力導波路１２を備える。入力導波路１２は、この例ではＹ分岐導波路スプリッタである光学スプリッタ１３内に入射光を誘導するように配置されているが、これはマルチモード干渉結合器（ＭＭＩ）又はエバネッセント導波路結合器など、その他いずれのタイプの光学スプリッタであってもよい。
【０１４９】
Ｙ分岐スプリッタ１２の２つの出力は、それぞれの第１及び第２導波路１４、１５に各々光学的に結合されている。第１及び第２導波路１４、１５は、平行及び対向する方向１４ｘ、１５ｘに沿って試料領域５５内に入射光の２つの対向ビームを誘導するように、試料領域５５のそれぞれ対向する側面５５ａ、５５ｂに向かって湾曲し、これらに光学的に結合されている。方向１４ｘ及び１５ｘは、いずれも試料領域５５の軸５５ｘに沿っている。
【０１５０】
２つ以上の光ビームを（異なる方向、たとえば１４ｘ、１５ｘに沿って）試料領域５５内で互いに向かって誘導することで、ビームが干渉して周期的干渉パターンを生成するようになることは、理解されるだろう。周期的干渉パターンは、試料５０を照射し、試料５０内の発光粒子を発光させる。発光パターンは、試料５０の構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）を実行するために、撮像ユニット６０によって使用され得る。
【０１５１】
図５は、図２の導波路１４及び１５から試料領域内に入射光の２つの対向ビームを誘導することによって生成される周期的光パターンの一例を示す。以下でさらに説明されるように、周期的干渉パターンの干渉縞は、干渉光ビーム間の相対位相差を調整することによって、軸５５ｘに沿ってシフトされ得る。
【０１５２】
光学部品の導波路１２、１４、１５は二次元リブ導波路（図４ｂに示されるとおり）であるが、以下でさらに説明されるように、導波路は代わりに二次元チャネル導波路又はストリップ導波路（たとえば図４ｃに示されるとおり）、又は一次元スラブ導波路（たとえば図４ａに示されるとおり）であり得る。このような一次元及び二次元導波路構造を製造する方法は、当技術分野で知られている。導波路の層構造は、図１、図３、及び図４ｂに見ることができる。図示されるように、導波路１２、１４、１５の各々は、基板２０１上に形成され、上部クラッド層２０４と下部クラッド層２０２との間に挟まれた導光層２０３（本明細書ではコア層２０３と呼ばれることもある）を備える。下部クラッド層２０２は、基板２０１と、コア層２０３の第１面２０８との間に配置されている。上部クラッド層２０４は、コア層２０３の第１面２０８の反対側のコア層２０３の第２面２０９上に配置されている。コア層２０３は、クラッド層２０２、２０４よりも高い屈折率を有し、全内反射を使用して導波路１２、１４、１５に沿って入射光を導波する。
【０１５３】
いくつかの実施形態では、一次元又は二次元導波路は、空気又は水などの流体を上部クラッド層として使用することによって形成され得る。図４ｄから図４ｆは、導波路のこのような代替形態を示す。具体的には、図４ｄは一次元スラブ導波路を示し、図４ｅは二次元次元リブ導波路を示し、図４ｆは二次元チャネルストリップ導波路を示す。これらの導波路の各々は、基板２０１’上に配置された下部クラッド層２０２’、及び下部クラッド層２０２’上に配置されたコア層２０３’をそれぞれ備える。各導波路内のコア層２０３’の上面２０５’は、空気又は水などの流体にさらされている。スラブ導波路内のコア層の幅（図４ｄ）は、１００μｍから５００μｍ、又は１００μｍから１５０μｍ、又は１００μｍから２００μｍ、又は１００μｍから３００μｍ、又は１００μｍから４００μｍ、又はそれ以上であってもよい。
【０１５４】
図４ｅのリブ導波路のコア層２０３’の上面２０５’は、コア層２０３’のバルクから突起するリッジ２０６を画定するように（たとえば反応性イオンエッチング又はウェットエッチングなどの適切なエッチングプロセスを用いて）成形される。リッジ２０６の側壁２０７は、コア層２０３’から立ち上がっている。
【０１５５】
図４ｆのストリップ導波路のコア層２０３’は、幅広の下部クラッド層２０２’の上部に着座している、リッジ２０８として（たとえば反応性イオンエッチング又はウェットエッチングなどの適切なエッチングプロセスを用いて）完全に成形される。リッジ２０８の側壁２０９は、コア層２０３’の全高まで延在する。
【０１５６】
リブ導波路及びストリップ導波路のリッジ２０６、２０８が周囲の流体媒体との側方屈折率コントラストを提供することは、理解されるだろう。側方屈折率コントラストは、光を側方平面内（すなわち基板２０１’の平面に平行な平面内）で導波するために使用される。
【０１５７】
リブ導波路内のリッジ２０６の幅、ｒｗ、及びストリップ導波路内のリッジ２０７の幅は、１μｍ≦ｒｗ＜１００μｍ；又は１μｍ≦ｒｗ≦１０μｍ；又は１０μｍ≦ｒｗ≦３０μｍ；又は１０μｍ≦ｒｗ≦５０μｍ；又は１０μｍ≦ｒｗ＜１００μｍであってもよいが、これよりも広い場合もある。たとえば、リッジ２０６、２０７は、幅２５から５００μｍ、厚さ１５０から２２０ｎｍであってもよい。
【０１５８】
代替配置では、図４ｅのリブ導波路又は図４ｆのストリップ導波路は、図４ｇ及び図４ｈにそれぞれ示されるような固体上部クラッド層２０４’を備えてもよい。図４ｇでは、固体上部クラッド層２０４’はリブ導波路のリッジ２０６を覆う。図４ｈでは、固体上部クラッド層２０４’はストリップ導波路のリッジ２０８を覆う。
【０１５９】
本明細書に記載される一次元導波路の各々が、図４ａ及び図４ｄに示される導波路のいずれかによる一次元スラブ導波路であってもよいことは、理解されるだろう。本明細書に記載される二次元導波路の各々は、図４ｂ、図４ｃ、図４ｅ、図４ｆ、又は図４ｇに示される導波路のいずれかによる二次元リブ又はストリップ導波路であってもよい。
【０１６０】
リブ導波路及びその他のこのような二次元導波路は、導波された入射光の光場を横方向（すなわちコア層に垂直な方向）及び側方方向（すなわちコア層の平面を横切る方向）に閉じ込める。対照的に、一次元導波路は、導波された入射光の光場を横方向（すなわちコア層に垂直な方向）にのみ閉じ込める。
【０１６１】
導波路のいずれか（すなわち一次元又は二次元）において、その中で導波されている入射光の一部は、導波路コア領域２０３の外側に進むことも、理解されるだろう。光のこの部分は、当該技術分野においてエバネッセント場として知られている。通常、エバネッセント場は、上部及び下部クラッド層の中を伝播する。
【０１６２】
この例は、図３の試料領域５５の側面図に最もよく見られるように、試料領域５５は試料ウェルの形態である。試料ウェル５５は、導波路１４が導波路１５と出会う場所にあり、導波路１４、１５の上部クラッド層２０４を通るウェルによって画定される。試料ウェル５５をこの領域に位置決めした結果として、導波路１４、１５の上部クラッド層２０４内を伝播するエバネッセント光のみが各導波路１４、１５から試料ウェル５５内に誘導される（そしてコア層２０３内を伝播する光は誘導されない）。したがって、この例では、試料ウェル５５（すなわち試料領域５５）内で生成された周期的光パターン（たとえば図５の５１０）が、導波路１４及び１５から試料ウェル内に誘導されたエバネッセント光の干渉によって引き起こされることが、理解されるだろう。試料領域５５内に誘導される光は、本明細書では励起光と呼ばれ、生成された周期的光パターンは、照明パターン又は励起パターンと呼ばれる。励起光がそこから試料５０内に誘導される導波路の面は、本明細書では出力面と呼ばれる。
【０１６３】
撮像ユニット６０は、ＣＣＤ又はｓＣＭＯＳセンサなどの、試料５０からの光を検出する蛍光検出装置６２と、蛍光検出装置６２及び光注入装置４０を制御し、既知のＳＩＭ撮像技術を使用して試料５０のＳＩＭ画像を生成するために検出された光を処理するための、電子制御ユニット６４とを含む。
【０１６４】
導波路１４はまた、熱位相調整器、光流体又は電気光学位相調整器などの能動位相調整器１８（図２参照）も備える。位相調整器１８は、導波路１６からの試料領域５５内の光ビームの位相に対して導波路１４からの試料領域５５内の光ビームの位相をシフトするために導波路１４の屈折率を調整する。これらの干渉光ビーム間の相対位相差を変化させることで、試料領域５５に対して軸方向に、得られた干渉パターン内の干渉縞の位置をシフトさせる。任意に、導波路１６もまた位相調整器を備えてもよい。
【０１６５】
撮像ユニット６０は、たとえば、位相調整器１８に供給される電流及び／又は電圧を調整することによって干渉縞シフトを制御する。
【０１６６】
一例として、試料領域内の試料のＳＩＭ画像を撮影するために、光注入装置４０は、入力インターフェース１１の入力導波路１２に入射光を注入する。入力導波路１２は、後に入射光を第１及び第２入射光に分割する光学スプリッタ１３に入射光を誘導する。第１入射光は光学スプリッタ１３の第１出力から第１導波路１４によって受信され、第２入射光は光学スプリッタ１３の第２出力から第２導波路１５によって受信される。第１及び第２導波路１４、１５は、それぞれ第１方向１４ｘに沿って試料領域５５内に第１入射光を誘導し、第２方向１５ｘに沿って試料領域５５内に第２入射光を誘導するように、試料領域に向かって湾曲している。第１方向１４ｘ及び第２方向１５ｘは、試料５０を励起するための第１周期的光パターンを生成するように、互いに向かう。好ましくは、第１及び第２方向１４ａ、１５ｘは平行かつ反対である。第１周期的光パターン５１０（すなわち第１励起パターン）の結果として試料５０から出射される蛍光パターンは、以下に説明されるように、撮像ユニット６０によって記録及び処理される。
【０１６７】
第１周期的光パターン（すなわち第１励起パターン）で試料５０を励起した後、撮像ユニット６０は、軸５５ｘに沿ってもう１回分の位相シフト（たとえば２π／３）だけ第１周期的光パターンの干渉縞をシフトするように、位相調整器１８の位相を調整する。シフトされた周期的光パターンは、第２周期的光パターン（すなわち第２励起パターン）を形成する。当然ながら、他の実施形態では、第２周期的光パターンは、０から２πまでの間のいずれの量だけ干渉縞をシフトすることによって形成されてもよい。
【０１６８】
次に、干渉縞は、第３周期的光パターン（すなわち第３励起パターン）を形成して試料に照射するように、軸５５ｘに沿って２π／５（又は代わりの任意の量）だけさらにシフトされる。
【０１６９】
干渉縞は当然ながら、試料をさらに多くの励起パターンで照射するために、さらに何回もシフトされてもよい。
【０１７０】
各励起パターンは、試料５０内の蛍光体に蛍光及び光を出射させる。対物レンズ３０は、各励起パターンについて蛍光体から出射された光を収集する。対物レンズ３０によって収集された光は、蛍光検出装置６２に向けて誘導される。蛍光検出装置６２は、受信光を電気信号として検出し、各励起パターンについて電気信号を電子制御ユニット６４に送信する。電子制御ユニット６４は、試料の画像を生成するための既知のＳＩＭ処理方法を使用して、励起パターンの全てに関連付けられた電気信号を処理する。
【０１７１】
電子制御ユニット６４は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、メモリ、及びソフトウェア命令を含むメモリのうちの１又は複数などの、いずれか適切な処理手段を備えてもよい。これはデスクトップＰＣなどの単一の装置を備えてもよく、若しくは遠隔サーバ又はサーバのクラウドなどのように、離散していてもよい。
【０１７２】
任意に、撮像ユニット６０はまた、対物レンズ４によって収集された光をフィルタリングするためのバンドフィルタなどの、１又は複数のフィルタを含んでもよい。たとえば、フィルタは、励起光に対応する光を遮断し、蛍光体によって出射された光に対応する光を透過するように構成されてもよい。
【０１７３】
上記の例、及び本明細書に記載される他の実施形態では、周期的光パターン（すなわち励起パターン）は、光学部品１０の一面で光注入装置４０からの光を受信することによって生成されることが、理解されるだろう。これにより、たとえば光学部品１０の２つの異なる面からの試料領域５５内の光の２つの対向ビームを誘導するために追加の光学機械部品が必要とされないので、周期的光パターンで試料５０を照射するために、従来の設定よりも簡単でコンパクトな配置が得られる。さらに、可動ミラーなどの光学機械部品は、試料に対して干渉パターンの干渉縞をシフトするために必要とされない。
【０１７４】
リブ導波路では、コア層２０３とクラッド層２０２、２０４との間の屈折率コントラストによって横方向導光（すなわち層の平面に垂直な方向）が提供されることが、理解されるだろう。側方導光は、上部クラッド層２０４内を途中まで延在するが導波路のコア層２０３内には延在しないリッジを有することによって、提供される。リッジ導波路４００ｂ構造における側方導光は、コア層２０３の外側に伝播するエバネッセント光（すなわちエバネッセント場）の強度を増加させる。したがって、（リッジを有していない）従来のスラブ導波路４００ａの使用と比較すると、試料領域５５と重複するエバネッセント光の強度は増加する。したがって、リブ導波路構造を使用することによって、試料５０と相互作用する励起光の強度は増加し、これによってより強い蛍光が生成される。（横方向導光のみを提供する）スラブ導波路と比較してリブ導波路を使用することの別の利点は、光漏れが少なく、より鋭い屈曲及び曲がりを可能にすることである。このようにして、フットプリントの小さいよりコンパクトな光学部品１０を提供するために、導波路内のより鋭い屈曲及び曲がりが使用され得る。特に、導波路内のより鋭い屈曲及び曲がりは、異なる周期的光パターンを生成するために、光学部品の片側から（たとえば入力インターフェースから）試料領域５５の異なる側に、及び試料領域５５内の異なる方向に沿って、入射光を誘導するために使用され得る。
【０１７５】
導波路内の曲げ損失をさらに低減し、これによって光学部品をさらにコンパクトにするためさらに鋭い屈曲及び曲がりを可能にするために、本明細書の実施形態における導波路は、ストリップ導波路の形態であってもよい。図４ｃに示されるように、ストリップ導波路４００Ｃもまた、側方導光を提供するリッジを有する。しかしながら、リブ導波路とは異なり、リッジは上部クラッド層２０４を通り、導波路のコア層２０３を通って（又は少なくとも部分的に通って）延在する。ストリップ導波路４００Ｃを使用することのさらなる利点は、これらがコア層の外側に伝播するエバネセント場の強度を増加させることである。したがって、エバネッセント場のみが試料領域内に誘導される実施形態では、試料を照射する周期的光パターンの強度は、試料領域内に光を誘導するためにストリップ導波路４００ｃを使用することによって増加され得る。したがって、たとえば、図２の導波路１４及び１５はストリップ導波路であってもよい。
【０１７６】
代替実施形態では、特に高出力及び鋭い屈曲／曲がりが必要とされない場合、本例の導波路はスラブ導波路であってもよい。スラブ導波路は、製造しやすく安価であり、リブ及びスラブ導波路と比較してフォトリソグラフィ工程が少ないか又は全くないので、場合によっては好ましい場合があることも、理解されるだろう。
【０１７７】
一般に、本明細書に記載される波長範囲及び導波路では、２０ミクロンを超えるリッジ幅に対して側方導光は無視できるかも知れない。
【０１７８】
本明細書の実施形態では、リブ、ストリップ、及びスラブ導波路は、好ましくはシリコン又は透明基板２０１上に形成され、五酸化タンタルＴａ２Ｏ５又は窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４の薄いコア層２０３（好ましくは５００ｎｍ未満、理想的には１００から２００ｎｍ）、二酸化ケイ素ＳｉＯ２の下部クラッド層２０２、及び二酸化ケイ素ＳｉＯ２の上部クラッド層２０４を備える。あるいは、上部２０４及び下部２０２クラッドは、試料５０の屈折率に非常に近い屈折率（たとえばｎ＝１．３８）を有する材料で作られてもよい。しかしながら、他の実施形態では、光学部品の基板はガラスで作られてもよい。加えて、又は代わりに、導波路の上部クラッド層は空気であってもよい。導波路のクラッド層が空気である実施形態では、試料は、それぞれの光ビームを干渉させるために導波路が出会う領域で導波路の上に直接配置することによってエバネッセント光ビームを干渉させることで形成される励起パターンで照射されてもよい。この場合、試料領域は、試料が干渉光ビームで照射される領域であり、試料領域は試料ウェルを備えなくてもよい。
【０１７９】
リブ導波路２００ｂ及びストリップ導波路２００Ｃのリッジは、適切なエッチングプロセスによって画定され得る。たとえば、リッジを画定するために上部クラッド層２０４をエッチングするため、イオンビームミリング又は反応性イオンエッチングが使用されてもよい。上部クラッド層２０４は、好ましくはコア層２０３の上２００ｎｍの深さまでエッチングされる。イオンビームミリングは、導波路の側壁粗さを有利に低減することが見出された。このようにして、導波路構造内の光伝播損失が低減され得る。
【０１８０】
本明細書の実施形態では、試料領域内の干渉ビームのうちの１又は複数の方向は、試料領域内の別の干渉ビームの方向に対して角度的にオフセットされてもよい。角度オフセットは、０〜１８０度の範囲の間であってもよい。たとえば、図２を参照すると、導波路１６は、第１方向１４ｘに対して０〜１８０度の間の角度で試料領域５５（すなわち試料ウェル）内に入射光を誘導するように、試料領域の非対向側（たとえば図２の側面５５ｃ）に向かって湾曲し、これと光学的に結合されてもよい。さらなる例として、試料領域５５は、第１方向１４ｘに対して角度的にオフセットされた方向に沿って側面５５ｃから試料領域５５内に第２入射光を誘導するように、光学スプリッタ１３の第２出力に直接結合されてもよい。
【０１８１】
本明細書の実施形態では、位相調整器は、好ましくは熱位相調整器又は電気光学位相調整器などの能動位相調整器である。しかしながら、代替実施形態では、位相調整器は受動位相調整器であってもよい。受動位相調整器は、たとえば、位相調整器が結合されたそれぞれの導波路の上部クラッド層内の充填可能なギャップであってもよく、異なる屈折率の材料（たとえば二酸化ケイ素、ＰＭＭＡ、又はＳＵ８）でギャップを選択的に充填することで、導波路の有効屈折率を変化させる。
【０１８２】
任意に、本明細書の実施形態の光注入装置は、光学部品の入力インターフェース内に光源からの光を誘導する光ファイバを備えてもよい。さらに任意に、レンズは光ファイバからの光を入力インターフェース内に結合してもよい。
【０１８３】
さらに任意に、光スイッチなどの光マルチプレクサは、１又は複数の異なる経路に沿って光源からの光を選択的に誘導するように配置されてもよく、各経路は、レンズ及び／又は光ファイバによって入力インターフェースの１又は複数の異なる入力に注入される。他の実施形態では、光注入装置は、１又は複数の異なる波長を有する入射光を、光学部品の入力インターフェースに注入してもよい。入射光の異なる波長は、波長可変レーザ、又は各波長の光源を備える光源のセットによって、生成され得る。入射光の１つ又は複数の波長は、発光マーカを発光させるように選択され、たとえば入射光の（１つ又は複数の）波長は、可視スペクトル（４００から８００ナノメートル）、又は近赤外（８００から１５００ナノメートル）の範囲内であってもよい。さらに、各光源は、固体レーザ、ファイバレーザ、又はダイオードレーザなどのレーザ光源であってもよい。加えて、又は代わりに、各光源は、ＬＥＤ光源又はＳＩＭに適したその他いずれの光源であってもよい。このような代替光注入装置配置の例は、図７、図９、図１０、及び図１３に示されている。
【０１８４】
任意に、本明細書の実施形態の（１つ又は複数の）導波路、（１つ又は複数の）光学スプリッタ、位相調整器、及び試料領域５５は、光学部品１０の基板２０１上にモノリシックに集積されてもよい。
【０１８５】
任意に、導波路は、図２に例示されるように、フレア端部領域１５、１７を備えてもよい。フレア端部領域１５、１７は、試料ウェル５５の幅を増加させるために、その長さに沿って広がる。導波路の幅を増加させることで、導波路に沿って伝播する光学明視野の幅を広げ、試料５０を保持するためのより大きい試料ウェル５５を可能にする。より広い励起明視野と組み合わせたより大きい試料ウェル５５は、より大きい試料面積がＳＩＭ撮像のために撮像されることを有利に可能にする。
【０１８６】
試料ウェル５５は、それぞれの導波路の上部クラッド層２０４内にギャップを画定するためにフォトリソグラフィ及びエッチング技術（たとえばウェットエッチング又はイオンビームミリング）を使用することによって、形成され得る。たとえば、リブ導波路４００ｂ又はストリップ導波路４００ｃのリッジ内に試料ウェル５５を画定するために、ウェットエッチングが使用されてもよい。
【０１８７】
本発明の実施形態では、試料ウェル５５は、１つの導波路のみ（たとえば導波路１４）の上部クラッド層２０４内に画定されてもよい。
【０１８８】
試料領域内に試料を載置する前に、光学部品１０を５％（ｖ／ｖ）Ｈｅｌｌｍａｎｅｘ（登録商標）（シグマアルドリッチ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）（登録商標）より）に７０℃で１０分間沈めることによって、光学部品が洗浄されてもよい。続いて、Ｈｅｌｌｍａｎｅｘ（登録商標）は、最初に脱イオン水に、次にイソプロパノール（シグマアルドリッチ（登録商標）より）、次に脱イオン水に沈めることによって、除去され得る。
【０１８９】
本明細書に記載される実施形態の試料ウェルは、図３に示されるように、導波路コア層２０３上に配置されたバイオ層２０５を含んでもよい。バイオ層は、導波路コア層２０３に対する試料中の蛍光体の非特異的結合を防止し、ＢＳＡ又はＰＥＧを備えてもよい。加えて、バイオ層２０５は、直接試料ウェル内の試料の培養を容易にする。バイオ層２０５は、好ましいが必須ではない。また、バイオ層２０５の厚さは、干渉するエバネッセント場によって生成された周期的光パターンが依然として試料ウェル内の試料と重複することを保証するように選択され、通常は２０ｎｍ未満である。
【０１９０】
任意に、試料は、たとえばカバーガラスへの細胞付着に使用される既知のプロトコルなど、標準的なプロトコルにしたがって、試料ウェル内で直接調製され得る。
【０１９１】
図６は、第１及び第２導波路６１４、６１６の端面６１４’、６１６’が試料ウェル６５５（すなわち試料領域６５５）を画定する、代替配置を示す。試料ウェル６５５は、各導波路を基板層２０１まで、又はこれを通って終端することによって、画定され得る。通常、導波路は、導波路をエッチング又は開裂することによって、終端され得る。本明細書における端面という用語は、当該技術分野における通常の意味を有し、コア層内の実質的に全体の導波光モードがそこから出力される導波路の出力面であることが、理解されるだろう。図３に示される例では、導波路１４及び１５は、試料ウェル５５の下に連続コア層２０３を形成するために導波路が接合するような端面を有していないことが、理解されるだろう。
【０１９２】
図６に示される例では、導波路６１４に沿って導波される第１入射光は、導波路の端面６１４’から試料ウェル６５５内に誘導される。同様に、導波路６１６に沿って導波される第２入射光は、第２方向に沿って導波路の端面６１６’から試料ウェル６５５内に誘導される。第２方向は第１方向に向かうので、導波路６１４からの第１光ビームは、試料に照射するための周期的干渉パターンを形成するために、導波路６１６からの第２光ビームと干渉する。
【０１９３】
図７から図１０は、異なる方向に沿って試料領域内に入射光を誘導するために、光学部品が追加の導波路を備え、場合によっては追加の光学スプリッタも備える実施形態を示す。以下に説明されるように、複数の入力方向によって、光学部品は試料領域の軸に対して所与の周期的光パターンを回転させることができる（すなわち、試料に対して励起パターンの配向を変化させることができる）。加えて、複数の入力方向によって、３つ以上の入射光ビームで周期的干渉パターンを生成することができる。さらに、別の光ビームの方向と平行ではない方向に沿って試料領域内に光ビームを誘導できるようにする。このように、本発明の光学部品は、試料領域内の光の対向ビームのみと干渉するように限定されるものではない。
【０１９４】
図７は、好ましくは二次元リブ導波路４００ｂである、６つの導波路７１４から７１９を備える光学部品７１０を示す。導波路７１４から７１９は、互いに接続されておらず、光学部品７１０の共通面で終端している。終端した端部は、光注入装置７４０に光学的に結合され、したがって光学部品７１０の入力インターフェース７１１を画定する。導波路の各々は、６つの異なる方向７１４ａから７１９ａに沿って試料領域７５５内に光注入装置７４０からの入射光を誘導するように、試料領域の異なる側に向かって湾曲し、これと光学的に結合されている。
【０１９５】
具体的には、導波路７１４及び７１５は、それぞれ方向７１４ａ及び７１５ａに沿って試料領域７５５内に入射光を誘導するように配置されている。方向７１４ａ及び７１５ａは、試料領域７５５の第１軸７５５ｘに沿って対向する方向である。導波路７１６及び７１７は、それぞれ方向７１６ａ及び７１７ａに沿って試料領域７５５内に入射光を誘導するように配置されている。方向７１６ａ及び７１７ａは、試料領域７５５の第２軸７５５ｙに沿って対向する方向である。第２軸７５５ｙは、第１軸７５５ｘから角度的に６０度オフセットされ、したがって方向７１６ａ及び７１７ａは方向７１４ａ及び７１５ａから６０度オフセットされている。導波路７１８及び７１９は、それぞれ方向７１８ａ及び７１９ａに沿って試料領域７５５内に入射光を誘導するように配置されている。方向７１８ａ及び７１９ａは、対向する方向であり、試料領域７５５の第３軸７５５ｚに沿っている。第２軸７５５ｙは、第１軸７５５ｘ及び第２軸７５５ｙから角度的に６０度オフセットされている。したがって、方向７１８ａ及び７１９ａは、方向７１４ａ及び７１５ａから６０度オフセットされ、方向７１６ａ及び７１７ａから６０度オフセットされている。
【０１９６】
試料領域７５５のより広い領域を照射するために、各導波路７１４から７１９は好ましくは、試料領域７５５内に誘導される前にそのそれぞれの入射光の光場を拡大するための、フレア端部領域７１４ｂから７１９ｂを備える。
【０１９７】
光注入装置７４０は、光源７４２（たとえば可視又は近赤外レーザ光源）、ビームスプリッタ７４５、２つの振幅変調器７１８ａ、７１８ｂ、２つの光マルチプレクサ７１９ａ、７１９ｂ、及びレンズ７４６を備える。光注入装置７４０は、レンズ７４６によって各々がそれぞれの導波路７１４から７１９内に光学的に結合された、６つの可能な光ビーム７４４ａから７４４ｆを生成する。６つの可能な光ビームは、以下のように生成される。最初に、ビームスプリッタ７４５を使用して、レーザ７４２からの光が２つのビームに分割される。次いで２つのビームは、それぞれの光マルチプレクサ７１９ａ、７１９ｂに送られる前に、それぞれの振幅調整器７１８ａ、７１８ｂに誘導される。振幅調整器７１９ａ、７１９ｂは、導波路７１４から７１９に注入されている光の振幅を調整することによって、周期的光パターンの干渉縞の視認性を制御する。光マルチプレクサ７１９ａ、７１９ｂは、好ましくは電気通信ネットワークで使用されるタイプ（たとえば、４０Ｇ光スイッチ）であり、光ビーム７４４ａ、７４４ｂ、７４４ｃ、７４４ｄ、７４４ｅ、及び７４４ｆのうちのいずれか１つ、又はこれらの組み合わせを、選択的に出力するように設定されている。どの光ビームを出力すべきかを制御することによって、光マルチプレクサ７１９ａ、７１９ｂは、導波路７１４〜７１９のうちのどれに、又は導波路７１４〜１７９のうちのどの組み合わせに入射光が注入されるかを、選択的に制御する。
【０１９８】
この例では、光は、周期的光パターンを生成するために導波路７１４から７１９のうちのいずれか２つ以上に注入され得ることが、理解されるだろう。さらに、試料を照射するための異なる周期的光パターンは、（たとえば、方向７１４ａ、７１５ａ、及び７１８ａに沿って試料領域７５５内に光を誘導するためにそれぞれ導波路７１４、７１５、及び７１８を使用して）導波路の異なる組み合わせに光を注入することによって、生成されてもよい。さらに、所与の周期的光パターンの干渉縞の配向は、導波路の適切な組み合わせから試料領域７５５内に光を選択的に誘導することによって試料領域に対して回転させられてもよいことが、理解されるだろう。たとえば、図８に示されるように、「格子状」周期的光パターン８００ａから８００ｃ（対向する導波路、たとえば７１４及び７１５から試料領域７５５内に２つの対向光ビームを誘導することによって生成される）は、異なる対の対向する導波路（たとえば７１４と７１５、７１６と７１７、及び７１８と７１９）から導波路領域７５５内に光を誘導することによって、試料領域７５５に対して異なる配向で生成され得る。
【０１９９】
図８に示される「格子状」周期的光パターン８００ａから８００ｃを使用して試料領域７５５内に存在する試料のＳＩＭ画像を取得するために、以下の工程が取られ得る。
【０２００】
まず、入射光は、試料領域内の軸７５５ｘに沿って対向光ビームを配向するように、導波路７１４及び７１５に注入される。２つの対向ビームの干渉は、試料を励起するための第１周期的光パターン８００ｂを生成する。第１周期的光パターン８００ｂ（第１励起パターン）の結果として試料から出射された蛍光パターンは、対物レンズ３０によって収集され、前述の実施形態により、撮像ユニット６０によって記録及び処理される。
【０２０１】
次に、試料領域７５５に対して第１周期的光パターンの配向を変更するために、光マルチプレクサは、試料領域７５５内の軸７５５ｙに沿って対向光ビームを誘導するために、導波路７１６及び７１７に入射光を注入するように設定される。結果として生じる干渉パターンは、第２周期的光パターン（すなわち第２励起パターン）を形成する。第２周期的光パターン８００ｂの結果として試料から出射された蛍光パターンは、対物レンズ３０によって収集され、撮像ユニット６０によって記録及び処理される。
【０２０２】
続いて、試料領域７５５に対して第１周期的光パターンの配向をさらに変更するために、光マルチプレクサは、試料領域７５５内の軸７５５ｚに沿って対向光ビームを誘導するために、導波路７１８及び７１９に入射光を注入するように設定される。結果として生じる干渉パターンは、第３周期的光パターン（すなわち第３励起パターン）を形成する。第３周期的光パターン８００ｃの結果として試料から出射された蛍光パターンは、対物レンズ３０によって収集され、撮像ユニット６０によって記録及び処理される。
【０２０３】
第１周期的光パターンの配向は当然ながら、試料をさらに多くの励起パターンで照射するために、さらに何回も変更されてもよい。いくつかの例では、入射光の波長は、パターンが必ずしも全て同じ周期を有するとは限らないように、異なる配向間で変動し得ることが、理解されるだろう。
【０２０４】
最後に、先の実施形態と同様に、撮像ユニット６０の電子制御ユニット６４は、試料のＳＩＭ画像を生成するための既知のＳＩＭ処理方法を使用して、励起パターンの全てに関連付けられた電気信号を処理する。
【０２０５】
好ましくは、対向する導波路対（たとえば７１４及び７１５）は各々、導波路のうちの１つ（たとえば７１４）に結合された位相調整器を備えてもよい。位相調整器は、励起パターンをさらに生成するために、各配向について周期的光パターンの干渉縞間隔をシフトするために使用されてもよい。撮像ユニット６０は、ＳＩＭ画像を生成するために、これらのさらなる励起パターンから生じる放射パターンを使用してもよい。
【０２０６】
任意に、振幅調整器（たとえば、可変光吸収器）は、様々な周期の光パターン（すなわち励起パターン）で干渉縞間のコントラストを強化するように調整されてもよい。
【０２０７】
図９は、入力インターフェース９１１における入力数が、１又は複数の異なる方向９１４ａから９１９ａに沿って試料領域９５５内に入射光を誘導するための１又は複数の導波路９１４から９１９内に光注入装置９４０からの入射光を結合するために光学スプリッタ９１３ａから９１３ｃを使用することによって減少した、配置の一例を示す。
【０２０８】
図示されるように、光学部品９１０の入力インターフェース９１１は、３つのＹ分岐光学スプリッタ９１３ａから９１３ｃを備える。各光学スプリッタ９１３ａから９１３ｃの入力は、光学部品９１０の左面で終端し、光注入装置９４０から光学部品９４０内に注入された入射光を受信するように配置されている。各光学スプリッタ９１３ａから９１３ｃの２つの出力は各々、それぞれの導波路９１４から９１９に光学的に結合されている。導波路９１４から９１９は、好ましくはリブ導波路であり、各導波路は、６つの異なる方向９１４ａから９１９ａに沿って試料領域９５５内に光注入装置９４０からの入射光を誘導するように、試料領域９５５の異なる側に向かって湾曲し、これと光学的に結合されている。
【０２０９】
具体的には、導波路９１４及び９１５は、それぞれ方向９１４ａ及び９１５ａに沿って試料領域９５５内に入射光を誘導するように配置されている。方向９１４ａ及び９１５ａは、試料領域９５５の第１軸９５５ｘに沿って対向する方向である。導波路９１６及び９１７は、それぞれ方向９１６ａ及び９１７ａに沿って試料領域９５５内に入射光を誘導するように配置されている。方向９１６ａ及び９１７ａは、試料領域９５５の第２軸９５５ｙに沿って対向する方向である。第２軸９５５ｙは、第１軸９５５ｘから角度的に６０度オフセットされている。したがって、方向９１６ａ及び９１７ａは、方向９１４ａ及び９１５ａから６０度オフセットされていることが、理解されるだろう。導波路９１８及び９１９は、それぞれ方向９１８ａ及び９１９ａに沿って試料領域９５５内に入射光を誘導するように配置されている。方向９１８ａ及び９１９ａは、試料領域９５５の第３軸９５５ｚに沿って対向する方向である。第２軸９５５ｙは、第１軸９５５ｘ及び第２軸９５５ｙから角度的に６０度オフセットされている。したがって、方向９１８ａ及び９１９ａは、方向９１４ａ及び９１５ａから６０度オフセットされ、方向９１６ａ及び９１７ａから６０度オフセットされている。
【０２１０】
試料領域９５５のより広い領域を照射するために、各導波路９１４から９１９は好ましくは、試料領域９５５内に誘導される前にそのそれぞれの入射光の光場を拡大するための、フレア端部領域を備える。
【０２１１】
光注入装置９４０は、光源９４２（たとえば可視又は近赤外レーザ光源）、光ファイバ９４４、光マルチプレクサ９１９、及びレンズ９４６を備える。光源９４２からの光は、光ファイバ９４２によって光マルチプレクサ９１９内に誘導される。本明細書の他の実施形態と同様に、光マルチプレクサ９１９は、好ましくは電気通信ネットワークで使用されるタイプであり、どの導波路、又は複数の導波路に入射光が注入されるかを制御するように配置されている。好ましくは、光マルチプレクサは、本明細書に開示される波長、たとえば４００から７００ｎｍの領域の可視波長向けに最適化されている。
【０２１２】
この例では、光学スプリッタ９１３ａ内に入射光を注入した結果として、対向光ビームが、導波路対９１４及び９１５から軸９５５ｘに沿って試料領域９５５内に注入されることが、理解されるだろう。これらの導波路対９１４及び９１５からの入射光は、方向９１４ａ及び９１５ａに沿って試料領域９５５内にそれぞれ進み、第１周期的光パターン８００ｂを生成するために干渉する。光学スプリッタ９１３ｂに注入された入射光の結果として、入射光は、導波路対９１６及び９１７によって方向９１６ａ及び９１７ｂに沿って試料領域９５５内に注入される。方向９１６ａ及び９１７ｂに沿って試料領域９５５内に進む入射光は、第２周期的光パターン８００ｃを生成するために干渉する。第３周期的光パターンは、導波路９１８及び９１９を使用して方向９１８ａ及び９１９ａに沿って試料領域９５５内に入射光を誘導するように、光学スプリッタ９１３ｃに入射光を注入することによって、生成され得る。
【０２１３】
したがって、入射光は、異なる周期的光パターンを生成するために、光学スプリッタのうちのいずれか２つ以上に注入され得ることが、理解されるだろう。さらに、周期的光パターンの配向は、どの光学スプリッタに入射光を注入するかを変更することによって、試料領域に対して回転させることができる。
【０２１４】
したがって、たとえば、この配置で試料のＳＩＭ画像を取得するために、光注入装置９４０は、光学スプリッタ９１３ａ、９１３ｂ、及び９１３ｃに入射光を順次注入することによって、試料領域９５５内の試料に第１、第２、及び第３周期的光パターンを順次照射してもよい。異なる周期的光パターンの結果として試料から出射された光パターンは、レンズによって収集され、本明細書の他の実施形態により、既知のＳＩＭ処理技術を使用して試料のＳＩＭ画像を生成するために、撮像ユニット６０によって処理される。
【０２１５】
好ましくは、導波路９１４から９１９は各々、位相調整器９１８ａから９１８ｃ、９１８ａ’から９１８ｃ’を備え得る。先の実施形態と同様に、位相調整器は、励起パターンをさらに生成するために、各配向について周期的光パターンの干渉縞間隔をシフトするために使用されてもよい。撮像ユニット６０は、ＳＩＭ画像を生成するために、これらのさらなる励起パターンから生じる放射パターンを使用してもよい。
【０２１６】
上記の配置では、周期的光パターンの干渉縞の配向及び位置は、光注入装置及び／又は光学部品を移動させる必要性を伴わずに、試料領域に対して変更され得ることが、理解されるだろう。さらに、光注入装置９４０は、光学部品９５５の１面のみに入射光を注入し、結果的に従来の設定と比較してよりコンパクトなＳＩＭ撮像設定をもたらす。さらに、光マルチプレクサを備える実施形態では、第１、第２、及び第３周期的光パターンの生成は、従来の設定のように光学機械部品（たとえば可動ミラー）の動きではなく、光マルチプレクサの速度によって制限される。電気通信のものなど、現在の光マルチプレクサは１ＧＨｚを超える変調速度を有し、これは通常ＫＨｚ範囲の変調速度を有する現在の光学機械部品よりもはるかに速いので、これは有利である。
【０２１７】
代替配置では、所与の周期的干渉パターンの干渉縞は、干渉ビームのうちの少なくとも１つの光路長を短縮又は延長することによって、軸方向にシフトできる。上記の例では、これは好ましくは、熱位相調整器などの位相調整器（すなわち９１８ａから９１８ｃ）を使用することによって達成される。しかしながら、変形例では、これは２つの異なる光路長を有する２つの異なる光学スプリッタから導波路内に光を選択的に誘導することによって、達成される。異なる光路長は、たとえば、異なる屈折率の材料から光学スプリッタを作ることによって、又は好ましくは、より長い出力長（たとえば、より長いＹ分岐出力）を有することによって、達成され得る。
【０２１８】
図１０は、２つの異なるＹ分岐光学スプリッタ１０１３ａ〜１０１３ｆから入射光を受信するために各導波路１０１４〜１０１９が結合されている配置を示す。したがって、たとえば、導波路１０１４は、光学スプリッタ１０１３ａの出力のうちの１つに、及び光学スプリッタ１０１３ｂからの出力のうちの１つに、結合されている。光学スプリッタ１０１３ａからの出力は、光学スプリッタ１０１３ｂからの出力よりも比較的短い光路長を有するので、導波路１０１４から試料領域１０５５内に誘導された（他の干渉光ビームに対する）光ビームの位相は、第１導波路１０１４に光を注入するために光学スプリッタ１０１３ａ又は光学スプリッタ１０１３ｂのどちらが使用されるかに応じて変更されてもよい。光学スプリッタ１０１３ａ〜１０１３ｆのいずれを使用すべきか選択することは、当然ながら、光学スプリッタ１０１３ａ〜１０１３ｆのいずれの入射光が光注入装置１０４０から注入されるかに依存する。たとえば、光注入装置１０４０は、光源１０４２からの光を光学スプリッタ１０１３ａ〜１０１３ｆのいずれに注入すべきかを制御するために、光マルチプレクサ１０４６を使用してもよい。
【０２１９】
この例では、光学部品１０５５の導波路１０１４〜１０１９の各々は、２つの異なる光学スプリッタの出力から入射光を受信するように配置されており、出力は異なる光路長を有する。したがって、所与の導波路１０１４〜１０１９から試料領域１０５５内に誘導されている入射光の相対位相は、導波路がどの光学スプリッタから入射光を受信するかを選択することによって調整される。
【０２２０】
したがって、たとえば、試料領域１０５５内に存在する試料のＳＩＭ画像を取得するために、入射光は最初に、第１周期的干渉パターンで試料を照射するために光学スプリッタ１０１３ａに注入されてもよい。次に、第１周期的干渉パターンの干渉縞の位置を軸方向にシフトするために（たとえば試料領域１０５５の軸１０５５ｘに沿って干渉縞をπ／３だけ直線的にシフトするために）、入射光は光学スプリッタ１０１３ｂに注入されてもよい。
【０２２１】
試料領域１０５５に対して第１周期的干渉パターンの干渉縞の配向を変更（たとえば回転）するために（すなわちそれにより第２周期干渉パターンで試料領域１０５５を照射するために）、入射光は光学スプリッタ１０１３ｃに注入されてもよい。第２周期光パターンの干渉縞は、光学スプリッタ１０１３ｄに入射光を注入することによって、軸方向にシフトされ得る。
【０２２２】
試料領域１０５５に対して第１周期的干渉パターンの干渉縞の配向をさらに変更し、それにより第３周期干渉光で試料領域１０５５を照射するために、入射光は光学スプリッタ１０１３ｅに注入されてもよい。第３周期光パターンの干渉縞は、光学スプリッタ１０１３ｆに入射光を注入することによって、軸方向に変位され得る。
【０２２３】
他の実施形態と同様に、異なる照明周期的光パターン（すなわち異なる配向及び干渉縞変位に関連付けられた異なる照明パターン）に応じた試料からの光は、試料のＳＩＭ画像を生成するために、既知のＳＩＭ処理方法を使用して収集及び処理されてもよい。
【０２２４】
代替実施形態では、図１０に示されるのと類似の光学部品は、追加の３つのＹ分岐光学スプリッタを備えてもよく、合計で９つのＹ分岐光学スプリッタとなり、図１０ｂに示されるように、入力インターフェース１０１１において９つそれぞれの入力から供給される。６つの導波路１０１４〜１０１９の各々は、３つの異なるＹ分岐スプリッタからのそれぞれの入射光を受信するように結合されている。
【０２２５】
他の配置では、４つ以上の追加のＹ分岐光学スプリッタが図１０の光学部品に追加されてもよい。当然ながら、試料領域内に光を出力する７つ以上の導波路があってもよい。
【０２２６】
３Ｄ  ＳＩＭ画像を生成するために、入射光はまた、光学部品のコア領域の平面に対して傾斜した方向に沿って試料領域内に誘導される必要もある。これは、本明細書の実施形態において、図１１に示されるような格子及び導波路結合器配置を使用することによって、又は図１３に示されるような対物レンズを使用して試料領域内に光を誘導することによって、達成され得る。
【０２２７】
図１１では、エバネッセント導波路結合器１１２０は、導波路１１１４内の入射光の一部を受信するように、光学部品１１５５（たとえばこれは、光学部品の前述の導波路のうちの１つ、又は導波路結合器１１２０を介して試料領域１１５５内に光を誘導するための別個の専用導波路であり得る）の導波路１１１４の下に載置され、これと光学的に結合される。好ましくは、エバネッセント導波路結合器１１２０は、導波路１１１４内の入射光のエバネッセント場と重複するように、光学部品１１５５の基板と導波路１１１４のコア層との間に配置される。この重複の結果、導波路１１１４内の入射光の一部は、エバネッセント導波路結合器１１２０に結合される。導波路結合器１１２０は、試料領域１１５５の下に配置された格子１１２１上に受信光を誘導するように配置されている。通常、エバネッセント導波路結合器１１２０は、前述の導波路と同じように、その長さに沿って受信光を導波するためのコア層を備えてもよい。コア層は、上部クラッド層と下部クラッド層との間に挟まれてもよく、格子１１２１は、エバネッセント導波路結合器１１２０内の導波光のエバネッセント場と重複するように、上部クラッド層内にエッチングされてもよい。格子１１２１は、上に置かれた試料領域１１５５に向かって重複光の一部を誘導するように、既知の技術を使用して配置されてもよい。この上方誘導光１１２２は当然ながら、試料領域１１５５の平面に対して傾斜させられる。加えて、この上方誘導光１１２２はまた、それに沿って入射光が導波路１１１４、１１１５から試料領域１１５５内に注入される方向１１１４ａ、１１１５ａに対しても、傾斜させられる。ここでの「上方」の使用が、これらの実施形態が他の配向で使用されないように制限するものではないことは、理解されるだろう。
【０２２８】
図１２は、（ｉ）試料領域１１５５の平面に対して直交方向へ試料領域１１５５内の格子１１２１からの入射光を誘導すること、及び（ｉｉ）導波路１１１４、１１１５の平面内の対向する平行な方向１１１４ａ、１１１５ａに沿って試料領域１１５５内に入射光を（たとえば前述の対向する導波路のいずれかを用いて）誘導すること、の結果として生成される３Ｄ周期的光パターンのシミュレーションを示す。
【０２２９】
一例として、試料の３Ｄ  ＳＩＭ画像を取得するために、以下の工程が撮られ得る。まず、入射光１１２２は、図８の第１周期的光パターン８００ｂと重複するように、格子１１２１から試料領域１１５５内に上方に誘導され得る。次に、格子１１２１からの入射光１１２２は、図８の第２周期的光パターン８００ｃと干渉する可能性がある。続いて、格子１１２１からの入射光１１２２は、図８の第３周期的光パターン８００ａと干渉する可能性がある。
【０２３０】
任意に、第１、第２、及び第３周期的光パターンの干渉縞は、先の実施形態により、位相調整器を使用してシフトされてもよい。
【０２３１】
異なる照明周期的光パターン（すなわち異なる配向及び干渉縞変位に関連付けられた異なる照明パターン）に応じた試料から出射された光は、試料の３Ｄ  ＳＩＭ画像を生成するために、既知のＳＩＭ処理方法を使用して収集及び処理されてもよい。
【０２３２】
図１３は、光学部品１３１０の試料領域１３５５に面する前方視野１３３２を有する、Ｐｌａｎ  Ｎ  ２０ｘ／０．４オリンパス（登録商標）対物レンズなどの対物レンズ１３３０を含む、蛍光顕微鏡検査を実行するための機構１３００を示す。これはまた、光学部品１３１０の入力インターフェース１３１１に光学的に結合された光注入装置１３４０も含む。試料１３５０が試料領域１３５５内に配置される。機構１３００はまた、前方視野１３３２内で対物レンズ１３３０によって収集された光を受信及び処理するように構成された、撮像ユニット１３６０も含む。撮像ユニット１３６０は、図１の撮像ユニット６０と同じ部品を備えてもよい。
【０２３３】
光注入装置４０は、レンズ１３４６と、この例では可視波長レーザ源である光源１３４２とを備える。光源からの光は、外部のスプリッタ１３３３（たとえば、光ファイバマルチプレクサスプリッタ）によって２つのビームに分割される。スプリッタ１３３３の出力ビームのうちの１つは、第１光ファイバ１３４４ａによって第１レンズ１３４６ａに誘導される。スプリッタ１３３３の他の出力ビームは、第２光ファイバ１３４４ｂによって第２レンズ１３４６ｂに誘導される。第１レンズ１３４６ａは、第１光ファイバ１３４４ａからの光を光学部品１３１０の入力インターフェース１３１１内に合焦するように配置されている。光学部品１３１０は、受信光を用いて第１入射ビーム及び第２入射ビームを形成し、本明細書に開示される方法及び配置のいずれかにしたがって、これらのビームを（たとえば２Ｄ導波路を介して）試料領域内に誘導してもよい。
【０２３４】
第２レンズ１３４６ｂは、第２光ファイバ１３４４ｂからの光をミラー１３４７上に合焦するように配置されている。ミラー１３４７は、受信光を対物レンズ１３３０に誘導する。対物レンズ１３３０は、ミラー１３４７からの光を、試料領域１３５５の平面に対して９０度の角度で第３入射光１３４８として試料領域１３５５内に合焦する。しかしながら、いくつかの実施形態では、対物レンズ１３３０は、試料領域１３５５の平面に対していずれの角度で試料領域１３５５内に第３入射光を誘導するように配置されてもよい。好ましくは、対物レンズ１３３０の視野は試料領域１３５５に面し、対物レンズ１３３０は、試料領域１３５５内の試料１３５０からの光を収集するように配置されている。
【０２３５】
３Ｄ画像を生成するために、図１３の機構は、光学部品１３１０によって生成された第１周期的光パターンと干渉するように対物レンズ１３３０を使用して試料領域内に入射光を誘導するために、使用され得る。たとえば、第１周期的光パターンは、図８ｂの周期的光パターン８００ｂであってもよい。対物レンズ１３３０からの第３入射光はその後、光学部品１３１０によって生成された他の周期的光パターンと干渉してもよい（たとえば、第３入射光は、図８ｃの周期的光パターン８００ｃと干渉し、その後図８ａの周期的光パターン８００ａと干渉してもよい）。
【０２３６】
任意に、第１、第２、及び第３周期的光パターンの干渉縞は、先の実施形態により、位相調整器を使用して変位されてもよい。
【０２３７】
異なる照明周期的光パターン（すなわち異なる配向及び干渉縞変位に関連付けられた異なる照明パターン）に応じた試料から出射された光は、試料の３Ｄ  ＳＩＭ画像を生成するために、既知のＳＩＭ処理方法を使用して収集及び処理されてもよい。
【０２３８】
試料上に誘導された励起光が導波路の縁面から発せられる配置では、導波路の上部クラッド層は空気であってもよい。つまり、導波路の層は、光学部品の基板上に配置された下部クラッド領域と、下部クラッド領域上に配置されたコア領域２０３とを備えてもよい。
【０２３９】
（１つ又は複数の）導波路の上部クラッド層として空気が使用される代替実施形態では、試料は導波路内の導波光のエバネッセント場と相互作用するために導波路上に直接載置されてもよいことが、理解されるだろう。したがって、この配置では、試料ウェルは必要ではなく、試料には、導波路上に直接載置して導波路内の２つの対向ビームを導波することによって、干渉パターンが照射され得る。
【０２４０】
上記の実施形態では、光学スプリッタはＹ分岐導波路スプリッタであるが、ただしこれらはあるいはマルチモード干渉結合器（ＭＭＩ）又はエバネッセント導波路結合器などその他いずれのタイプの光学スプリッタであってもよいことが、理解されるだろう。
【０２４１】
本発明は、そのいくつかの特定の実施形態によって示されてきたが、これらの実施形態に限定されるものではなく、添付請求項の範囲内で多くの変形及び修正が可能であることは、当業者によって理解されるだろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図４ｈ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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