JP2006515075A - Ｖｃｓｅｌ技術に基づく並列共焦点レーザ顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光ビームを発射するための垂直キャビティ型レーザ（VCSEL）のマトリックス（23）と、観察すべき物体（25）上に光ビームを集束させるための光学手段（24）とを備えた、並列共焦点レーザ顕微鏡装置（2）に関する。本発明によれば、夫々のVCSELレーザの背後に１つのフォトセンサー（22）が配置してあり、このフォトセンサーが物体（25）から後方散乱された光ビームをVCSELレーザのキャビティ（このキャビティは濾過用穴として使用される開口を備えている）を介して受光できるようになっている。

Description

本発明は並列共焦点レーザ顕微鏡装置および方法に関する。本発明は、特に、但し非排他的に、医療用イメージングの分野に関する。

一般に、共焦点顕微鏡術の原理は、点光源による試料の照明と、励起面と協働する濾過用穴を通ってこの試料から来る光子の検出とに立脚しており、これは特に光学的切断を得るのを可能にする。

成瀬誠等の文献“ピクセルアレイを用いた並列共焦点レーザ顕微鏡装置”（SPIE議事録、4092巻、pp. 94-101）（インターネットでは：“http://www.k2.t.u-tokyo.ac.jp/papers/optics/conf/naruse_confocal_SPIE00.pdf”）が知られており、この文献では著者は図１に基づいて並列共焦点顕微鏡装置１を記載している。VCSEL（Vertical-cavity surface-emitting laser）型レーザのマトリックス１０は光ビームをプレート１４上に載置された試料１３に向けて発射する。この入射ビームは先ず半透明ミラー１１を通過し、次いでビームを試料１３上に集束させるための光学系１２を通過する。ミラー１１は試料１３によって後方散乱された光ビームをフォトセンサーのマトリックス１６の方へ逸らすのを可能にする。共焦点性の概念を尊重するため、フォトセンサー１６の上流側に濾過用穴１５が設けてある。制御ユニット１８はフォトセンサーが発生した信号を処理装置を介して受信し、レーザマトリックス１０とプレート１４と光学系１２を制御する。

しかしながら、このような装置は嵩（容積）の点で最適化されていない。

更に、文献WO 0025165（CNRS；ゴレッキ等）が知られており、この文献には試料から来る後方散乱されたビームを受光するべくVCSELレーザに搭載されたフォトセンサーを備えた電子部品が記載されている。この電子部品はまた光ビームを発光し受光するためのチップを備えている。しかしながら、この文献は光ビームを集束させるための光学系を備えていない近範囲用の顕微鏡のみに関するものである。

本発明の目的は、共焦点顕微鏡のミニチュア装置を提供することである。
本発明の他の目的は、リアルタイムで画像を取得することの可能な顕微鏡装置を提供することである。
本発明の更に他の目的は、良好な品質の画像を取得するためのレーザ走査を可能にすることである。

前記目的の少なくとも１つは、
−光ビームを発射するための垂直キャビティ型VCSELレーザのマトリックスと、
−観察すべき物体上に光ビームを集束させるための光学手段；
とを特に備えた並列共焦点レーザ顕微鏡装置によって達成される。

本発明によれば、フォトセンサーが物体から来る光ビームをVCSELレーザのキャビティを介して受光し得るように、１つのフォトセンサーが夫々のVCSELレーザの一面に配置してあり、このキャビティは濾過用穴として使用される開口を有する。

本発明は、ほぼ点状のレーザ源を使用し、そのキャビティの開口が濾過用穴として作用する点で特に注目すべきである。好ましくは、VCSELレーザのキャビティの開口は数ミクロンの直径を有する。

好ましくは、フォトセンサーはVCSELレーザのキャビティの開口とは反対側の面に配置されている。図１の従来技術の装置と異なり、レーザ源とフォトセンサーは光軸（レーザビームの軸線）と整列してある。これら２つの素子は同一デバイス内に集積することができ、これは装置の嵩をかなり減らすのを可能にする。そうすれば、この装置はケーシングの形のミニチュアヘッドとして構成することができる。その場合には、内視鏡のような用途を想定することができ、ミニチュアヘッドは内視鏡の端部に配置される。例示として、ミニチュアヘッドの外径は２〜１０ｍｍにすることができ、長さは１０〜３０ｍｍにすることができる。

内視鏡に関しては、２つの使用態様を想定することができる。第１の態様では、ミニチュアヘッドは取り外し可能である。この場合には、このミニチュアヘッドとその電気配線（電源供給、制御信号、有効信号、等）は内視鏡の操作チャンネル（この操作チャンネルは通常は施術者が測定や採取を行うために必要とするツールを通す役割を果たす）内に挿入することができる。従って、特に光学的バイオプシー（生体観察）を行うように、ヘッドを内視鏡の端部まで持ち来す。第２の態様では、ミニチュアヘッドは固定式であり、内視鏡の端部に完全に組み込まれている。

一般に、本発明の装置は後方散乱の用途の際に使用することができる。

好ましくは、この装置は、画像を精巧にするべくレーザ走査を行う走査手段を更に備えることができる。

マトリックスは特に同時に多数のデータを処理し、従って、得られる画像の品質を向上させるのを可能にする。即ち、観察者は各点上により長時間滞ることができ、より長時間積分（統合）することができる。そうすれば、有効信号は品質処理を可能にするに充分な情報を有する。共焦点性を維持しながら同時に複数の点のデータを取得することができ、共焦点性はほぼ点状の光源全体（空間的濾過）と光学系によって保障される。共焦点性の基準は約１〜３ミクロンの光学的切断を行うのを可能にする。従って、VCSELレーザの選択（キャビティの有効直径と開口係数）と光学系の選択（倍率、開口係数）は特に共焦点性によって定まる。

好ましくは、この装置は、リアルタイムの画像取得を実現するべく走査手段を制御するための手段を更に備えている。

マトリックス（並列マルチポイントデータ取得）と用いる走査の形式に応じて、この装置は例えば400Hzという低い走査周波数に下降させることができ、この周波数では構成部品はリアルタイムの画像取得を許容しながらも非常に信頼性がある。リアルタイムとは、毎秒約１０画像以上のデータ取得を意味する。このような性能（毎秒約１０画像）に達するには、従来技術の装置は４kHzを超える走査周波数を必要としていた。

従来技術の装置（図１）に比較して、半透明ミラーがないので光束損失は減少する；同時に複数の点についてデータ取得が行われるので、データの積分時間を増加させることにより検出の感度を向上させることができる；そして、画像の横列走査の周波数は特に下方に調節することができる。

本発明のマトリックスによれば、観察範囲を充分に大きくすることができ、即ち、観察範囲は例えば少なくとも150ミクロン×150ミクロンの表面を有する。共焦点特性と充分に大きな観察範囲は、医療分野において、特に癌病巣の早期診断に役立つ点で、真の利点を提供する。

連続的な走査は、示された夫々のピクセルが試料から来る有用な情報を担持しているような画像を得るのを可能にする。

走査の周波数とレーザ源の数は、ほぼリアルタイムの画像取得を行うように定めることができる。医療用のようなある種の分野においては、リアルタイムは患者および施術者の動きを補償するために必要である。

好ましくは、走査手段はVCSELレーザのマトリックス及び／又は光学手段を変位させるようになったマイクロシステムMEMS（micro-electro-mechanical system）及び／又は圧電楔を備えることができる。

当業者が容易に理解できるように、光学系は１若しくは複数の屈折レンズ及び／又は回折レンズを有することができる。

本発明によれば、光学手段、特にレンズは、観察すべき物体から来る各光ビームをVCSELレーザのキャビティの方へ指向させるようになっており、キャビティの開口は次いで濾過を行う。

フォトセンサーが各VCSELレーザの背後に配置されているので、VCSELレーザの背後に発射されフォトセンサーによって捕捉された漏洩光ビームは、観察すべき物体から来る有効光ビームに比較して無視できない。本発明の有利な特徴によれば、有効光ビームしか検出しないようにするため、マトリックスから出る光ビームを変調するための手段を設ける。これらの手段は音響−光式又は電気−光式モジュレータ、又は他のすべての形式の適当な変調手段であり得る。従って、観察すべき物体から来る光ビームもまた変調される。この場合、各フォトセンサーが発生した電気信号から有効な信号を抽出するための同期検出手段を更に設けることができる。

好ましくは、光学手段は、観察すべき物体の異なる深度における画像を取得するのを可能にする少なくとも１つの可動レンズを備えていることができる。このようにすれば、三次元画像を形成することができる。また、深度方向の走査を行うため、可変曲率レンズを使用するか、或いはマトリックスを軸方向に（即ち、Ｚ軸に沿って）変位させることもできる。

本発明の他の観点においては、本発明は、垂直キャビティ型レーザVCSELのマトリックスから複数の光ビームを発射し、これらの光ビームを例えばレンズのような光学手段を用いて観察すべき物体上に集束させることからなる並列共焦点レーザ顕微鏡方法を提供する。本発明によれば、物体から来る光ビームをVCSELレーザのキャビティを介してフォトセンサーに受光させるべく、１つのフォトセンサーを夫々のVCSELレーザの一面に配置し、このキャビティの開口を物体から来る光ビームを濾過するための穴として使用する。

好ましくは、フォトセンサーはレーザキャビティの開口とは反対側の面に配置してある。

本発明の他の利点や特徴は些かも限定的ではない実施例の詳細な説明および添付図面に従い明らかとなろう。

次に、図２から図６の非限定的な略図を用いて本発明のミニチュアヘッドを説明する。

本発明の装置の一般的原理を図２に示す。図１に示したような従来技術とは異なり、本発明の装置２は半透明のミラーを備えていない。即ち、本発明の装置においては、エミッタ（即ち、VCSELレーザ）とレセプタ（即ち、フォトセンサー）とは光ビームの軸線に沿って整列してある。夫々のフォトセンサー２２は夫々のVCSELレーザ２３に搭載してある。

マトリックスの夫々のVCSELレーザ２３は単色かつ単モードの光を発射し、この光は光学系２４によって試料２５のような観察すべき物体内に集束される。

特に波長が630〜1200ナノメーターのVCSELレーザ２３を使用する。試料２５から後方散乱された光ビームは、光学系２４を経て入射ビームと同じ光路を取り、次いでVCSELレーザ２３へ戻り、後者を通過してフォトセンサー２２に至る。

フォトセンサー２２によって発生された電気信号は、増幅手段とディジタル化手段を特に備えた処理装置２１によって処理される。ディジタル信号２９は次いで制御ユニット２６へ送られる。素子２２および２３によって構成されるマトリックスと、光学系２４は、夫々、制御信号２８と２７により、制御ユニット２６が制御することができる。制御信号２８は、図６から分かるように二次元画像を取得するべく２つの方向ｘおよびｙに沿ってマトリックスを変位させる指令と、VCSELレーザの光強度の制御信号と、フォトセンサーの制御信号と、処理装置の制御信号とで構成することができる。制御信号２７は、図５から分かるように光学系の変位を管理することができる。

マトリックスと光学系は内視鏡の末端に配置されたミニチュアヘッド２０内に組み込むことができる。

図３には本発明の装置の寸法設定の一例を示す。この例では、光学系は２つの回折レンズからなる。寸法設定パラメータは以下の通りである：
波長：698〜880ｎｍ
光源範囲：２Δｘ＝400〜600μｍ
VCSELキャビティの開口の直径：φ_{キャビティ}＝２〜４μｍ
VCSELキャビティの開口係数：＝sin（α）＝0.25（空中）
第１レンズの焦点：ｆ１＝３ｍｍ
第１レンズの直径：φ_total＝２ｍｍ
第２レンズの焦点：ｆ２＝１.１７ｍｍ
第２レンズの直径：φ２＝１.６ｍｍ
光学系の倍率：Ｇ＝３
イメージングされた範囲：２Δｘ_物体＝160〜240μｍ
物体の開口係数＝ｎ sin（α_２）＝0.75（水中ではｎ＝1.33）

試料中に集束された各スポットの直径は、イメージングされた全範囲にわたって回折により限定されている。

図２に示したような装置によれば、画像を形成するためには、後で図５から分かるようにMEMS装置によって光学系のレンズを変位させるか、或いは、図６から分かるように圧電楔によってマトリックスを変位させることにより、レーザ走査を行う。走査の周波数はマトリックス内で同時に使用される点光源（VCSELレーザ）の数に応じて選ばれる。例えば、10×10のマトリックスでは、10ヘルツ（フレーム）および400ヘルツ（横列）の周波数を使用する。これらの周波数は二次元走査をリアルタイムで行うのを可能にする。

試料から出た信号は入射信号と同じ光路を取りながらVCSELレーザの入口に集束される。レーザのキャビティの開口は数ミクロン台であるので、共焦点性に必要な空間的濾過はVCSELレーザの入口／出口で行われる。共焦点性は、光学系の開口係数および倍率、並びに、レーザの開口係数に依存している。このように濾過された信号は次いでレーザのキャビティの背後に配置されたフォトセンサーによって検出される。

VCSELレーザのキャビティの増幅ファクターは約１０^６である。

以下のような２つの検出モードを想定することができる：
−連続モード：VCSELレーザは連続的に発光する。センサー側のキャビティのブラッグ（Bragg）ミラーは約１％の透過率を有するので、発射されたこの光の一部はフォトセンサーによって検出される。フォトセンサーにより検出されキャビティから来るバックグランド信号は約１０^−２である。他方、後方散乱しながら試料から来る信号は約１０^−５〜１０^−６であるから、この信号はキャビティ内で１〜１０の値に達するまでキャビティによって増幅される。ブラッグミラーを通過するとその値は１０^−２〜１０^−１になる。従って、フォトセンサーによって発生される有効な信号は少なくともバックグランド信号のオーダーである。

−同期モード：VCSELレーザの出力信号は、光学系２４内に配置された音響−光モジュレータ（図示せず）によって変調される。従って、有効な信号はそれ自体同じ周波数に変調される。従って、有効な信号を抽出しバックグランド信号を廃棄するためには変調信号との同期検出を使用すれば足りる。

図４ａには本発明の電子部品がやや詳細に示してあり、この電子部品においては、同じ基板から、エピタキシャル成長によりフォトセンサーとVCSELレーザが形成される。フォトセンサーはレーザの発光面とは反対側のレーザの背面に配置してある。図４ｂは図４ａの電子部品の正面図である。特に光ビームが出るVCSELレーザのキャビティの開口が分かる。参考までに、この開口の直径は２〜８μｍであり、電子部品全体では長さは５０μｍである。図４ｃは図４ａの電子部品の複数をマトリックス状に配置した正面図である。図４ｂの寸法によれば、かつ、10×10のマトリックス内に部品を配置すれば、一辺が500ミクロンに等しいマトリックスが得られ、これは充分に大きな観察範囲を得るのを可能にする。

図５には本発明のミニチュアヘッドが示してあり、このヘッドにおいてはレーザ走査は２つのレンズの変位により得られる。図５のミニチュアヘッドはケーシング５０を備え、その基部にはVCSELレーザ／フォトセンサーのマトリックス５１が配置してある。マトリックスのレーザは複数の平行な軸線に沿ってケーシング５０の内側に向けて発射する。発射された光ビームは３つのレンズ５２、５３、５４を通過し、マトリックス５１を収容する基部とは反対側の基部に配置された出口窓５５の他方の側でケーシングの外側において物体（図示せず）内に集束される。光ビームはすべて観察すべき物体（図示せず）内に配置された画像範囲面内に収斂する。

収斂用レンズ５４はケーシング５０に一体に固定してあるのに対して、２つのレンズ５２および５３はマイクロシステムMEMS５６および５７に固定してあるので可動である。MEMS５６はレーザ発射軸線に垂直な平面内でＸ方向に沿ってレンズ５２を変位させるのを可能にする。MEMS５７はレーザ発射軸線およびＸ軸に垂直なＹ方向に沿ってレンズ５３を変位させるのを可能にする。これらの変位はＸＹ平面内におけるレーザ走査を行うのを可能にする。次に、フォトセンサーの下流における信号処理により、画像範囲を再構成することができる。マイクロシステムMEMSの走査の振幅は例えばイメージング範囲の少なくとも150×150ミクロンに達するように定められる。データ処理は従来のアルゴリズムで構成することができる。

変化形によれば、或いは補足的に、レーザ走査はマトリックスの変位により行うことができる。このため、ミニチュアヘッドはケーシング６０であり、その基部にマトリックス６１が配置してある。マトリックスの側面とケーシング６０の側面との間に圧電楔を挿入する。これらの圧電楔は平行な両側辺上に二項状に配置する。楔６２は軸線Ｘに沿った変位を可能にし、楔６３はマトリックスを軸線Ｙに沿って変位させるのを可能にする。この場合、光ビームを集束させるためのレンズ６４および６５は固定することができる。その場合には、前述した３つのレンズに代えて２つのレンズのみを用いる。圧電楔の変位の振幅は各VCSELレーザをカバーするのを可能にする。例示として、図４ａから図４ｃの寸法を使用すれば、この振幅は約５０ミクロンである。

図５および図６に示したようなレーザ走査はイメージングすべき範囲の二次元画像を得るのを可能にする。この場合には、観察すべき物体における可視化の深度を選択するため、光ビームの走査を軸方向に導入することができる。Ｘ方向およびＹ方向に垂直なＺ方向に沿った走査は、観察される物体の三次元的な再構成を可能にする。このため、異なる深度における異なる二次元データを取得し、これをデータ処理して容積を再構成する。

より詳しくは、図５および図６を参照するに、図５のレンズ５４を可動にし、図６のレンズ６４又は６５を可動にすることにより、深度方向の走査を実現する。この新たな可動レンズは、横方向に走査された範囲の全体（二次元画像）を観察中の物体内の異なる深度に集束することを可能にする。このレンズの変位は、圧電素子又はマイクロシステムMEMSにより得ることができる。Ｚ方向の走査は、２つのモードで行うことができる：即ち、ショット毎に可視化の深度を変えることにより、所与の複数の深度におけるデータ取得を行うか、或いは、深度における“フィルム”を形成することによる（即ち、データ取得は三次元的に再構成する前に前後の異なる複数の平面について自動的に行われる）。

勿論、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内においてこれらの実施例に種々の設計変更を加えることができる。即ち、装置の性能を最適化するために、特に、装置の用途に応じて、収差欠陥を回避するために、光学手段の複雑さを増加させることができる。

図２は本発明の顕微鏡装置の作動を示す概略図である。 図３は本発明の顕微鏡装置の主要構成要素の寸法設定の例を示す概略図である。 図４ａはフォトセンサー上に形成したVCSEL型レーザを備えた電子部品の断面図である。 図４ｂは図４ａのVCSELレーザの上面図である。 図４ｃはマトリックス状に配置された図４ａの複数の構成要素の上面図である。 図５はMEMS装置を用いてレンズを変位させることによりレーザ走査が行われるようになった本発明の装置の略図である。 図６は圧電楔を用いてマトリックスを変位させることによりレーザ走査が行われるようになった本発明の装置の略図である。

Claims (24)

1. −光ビームを発射するための垂直キャビティ型レーザVCSELのマトリックスと、
   −観察すべき物体上に光ビームを集束させるための光学手段；
   とを備えた並列共焦点レーザ顕微鏡装置であって：
   フォトセンサーが当該物体から来る光ビームをVCSELレーザのキャビティを介して受光し得るように、１つのフォトセンサーが夫々のVCSELレーザの一面に配置してあり、このキャビティは濾過用穴として使用される開口を有することを特徴とする並列共焦点レーザ顕微鏡装置。
2. フォトセンサーはVCSELレーザのキャビティの開口とは反対側の面に配置されていることを特徴とする請求項１に基づく装置。
3. 画像を精巧にするべくレーザ走査を行うための走査手段を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に基づく装置。
4. リアルタイムの画像取得を実現するべく走査手段を制御するための手段を更に備えていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
5. 走査手段はマイクロシステムMEMSを備えていることを特徴とする請求項３又は４に基づく装置。
6. 走査手段は圧電楔を備えていることを特徴とする請求項３から５のいづれかに基づく装置。
7. 走査手段はVCSELレーザのマトリックスを変位させるようになっていることを特徴とする請求項３から６のいづれかに基づく装置。
8. 走査手段は光学手段を変位させるようになっていることを特徴とする請求項３から７のいづれかに基づく装置。
9. 光学手段は観察すべき物体から来る各光ビームをVCSELレーザのキャビティの方へ指向させるようになっていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
10. マトリックスから出る光ビームを変調するための変調手段を更に備えていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
11. 観察すべき物体から来る光ビームが変調されるようになった請求項１０に基づく装置であって、各フォトセンサーが発生した電気信号から有効な信号を抽出するための同期検出手段を更に備えていることを特徴とする装置。
12. 観察すべき物体の異なる深度における画像を取得するのを可能にするため、光学手段は少なくとも１つの可動レンズを備えていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
13. 観察すべき物体の異なる深度における画像を取得するのを可能にするため、光学手段は少なくとも１つの可変曲率レンズを備えていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
14. 観察すべき物体の異なる深度における画像を取得するのを可能にするべくマトリックスを軸方向に変位させる手段を備えていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
15. ケーシングの形のミニチュアヘッドからなることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
16. ミニチュアヘッドが内視鏡の端部に配置されるように請求項１５に基づく装置を応用すること。
17. 垂直キャビティ型レーザVCSELのマトリックスから複数の光ビームを発射し、観察すべき物体上にこれらの光ビームを集束させることからなる並列共焦点レーザ顕微鏡方法であって；物体から来る光ビームをVCSELレーザのキャビティを介してフォトセンサーに受光させるべく、１つのフォトセンサーを夫々のVCSELレーザの一面に配置し、このキャビティの開口を物体から来る光ビームの濾過用穴として使用することを特徴とする方法。
18. 画像を精巧にするべくレーザ走査を行うことを特徴とする請求項１７に基づく方法。
19. リアルタイムの画像を取得するべくレーザ走査を行うことを特徴とする請求項１７又は１８に基づく方法。
20. 光ビームを集束させるために用いる光学手段を変位させることによりレーザ走査を行うことを特徴とする請求項１８又は１９に基づく方法。
21. マトリックスを変位させることによりレーザ走査を行うことを特徴とする請求項１８から２０のいづれかに基づく方法。
22. レーザ走査を行うためにMEMS型マイクロシステムを用いることを特徴とする請求項１８から２１のいづれかに基づく方法。
23. レーザ走査を行うために圧電楔を用いることを特徴とする請求項１８から２２のいづれかに基づく方法。
24. マトリックスから出る光ビームを変調し、フォトセンサーのところで同期検出を行うことを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく方法。

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