JP2007510963A - デジタル画像化組立品、及びその方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の方法は制御された統計的処理のプロセスであり、そこでは、オブジェクトの位相を保持しながら、スペックル雑音を効果的に取り除くことができる。本質的に、動的な位相情報を照明干渉ビーム上で符号化し、入力コヒーレンスが失われる前に測定するプロセスを用いる。非常に安定した長いコヒーレンス長のレーザ(約1kHzの線幅を持つ)、高速画像化、及び高速位相処理の現在の可用度から、ここで、位相制御された統計の実現が可能である。
Description
本発明は、一般的には、画像化システムに関するものであり、特に、スペックルの量を低減したデジタル画像を作り出すコヒーレント放射画像化システムに関するものである。
画像科学の分野において、非常に小さなものの世界を画像化することが最も大変である。最初の顕微鏡以来、科学者達はこの道具に魅了されてきており、かつその使用により、事実上毎日、新しい問題及び古い問題の両方の新たな発見、及び解決が成されている。全般的に、顕微鏡が生物学及び医学の分野において最も大きな影響を有してきたことを、主張することができる。
顕微鏡の設計は、ある期間にわたって、ほとんど不変のままとどまっていた。今日研究所に行って、現代の光学顕微鏡をその基本部品に細かく分けた場合には、顕微鏡の最初の作成以来、顕微鏡に存在している同じ要素を見つけるであろう。
典型的な光学顕微鏡は、光源、高倍率の光学対物レンズ、顕微鏡本体、及び接眼レンズから構成される。
今日、接眼レンズは、集束レンズ、及びエリアセンサを収容する電子カメラで、しばしば置き換えられる。顕微鏡使用の歴史において、この事実は大きな進歩であって、そこで、人間の目及びスケッチブックは、電子カメラ、及びコンピュータ支援画像分析で置き換えられた。
また、照明器においても同様に、更なる進歩が生じた。蛍光マーカと組合せたレーザは、生物学の顕微鏡画像化を大いに進歩させた。最新式のシステムの幾つかは、レーザエネルギーを狭帯域光学ポンプとして使用する、何らかの形の蛍光分光画像化を含む。レーザ走査共焦点顕微鏡は、1つのそのような装置である。
顕微鏡がよく機能するために、高い拡大率、高いコントラスト、及び良い解像度が必要とされる。これを達成するために、顕微鏡の対物レンズが、大きい開口数(NA)を持つ必要がある。大きいNAを持つことは、動作焦点範囲、又は焦点深度(DOF)を減らすという犠牲を払って成されるので、この事実は、殆どの光学顕微鏡における基本的な制限に寄与する。
レンズを干渉計として視覚化することは、これを正しく捉えるのに役立ち得る。本質的に、NAの大きい光学システムは、多くの空間情報を持つ高回折オブジェクト生成光子を捕らえる。回折は、基本的には、オブジェクト粒子によってより多くの光子が局所化されるようになればなるほど、その位置がより不確定になる、量子不確定プロセスである。従って、より多くの光子の回折情報を捕らえ、理解することは、光子を第一の場所において回折させるオブジェクトをより良く定める。さらに、より多くの光子が粒子によって局所化され、その結果回折されればされるほど、それは、あまり高度に局所化されていない、或いは回折されていない、その近隣の光子とより干渉しないようになる。
コントラストはコヒーレンスの関数であるということから、NAの大きいシステムでは、所定の光学的統計の平均についてインコヒーレント光子対コヒーレント光子の高い収集率が存在するため、焦点の合っていない画像の輪郭がぼやける傾向がある。本質的に、より焦点のずれが進む時、その統計平均は、インコヒーレント光子によりますます圧倒され、それは、コントラストの低下につながる。言い換えると、NAがより大きくなればなるほど、焦点エラーによって、コントラスト及び関連する画像品質がより劣化する。この状況は、同じ拡大倍率を持つが、より小さいNAを持つシステムに匹敵する。
手短に言えば、高拡大率でNAの大きい顕微鏡は、非常に小さいDOFを持つ傾向がある。3次元空間において、微生物学世界が存在し、機能するという状況からして、この光学的事実は、如何なる科学者達にとっても重要な課題となり得る。結果として、この問題を軽減するために、最近、労力及びお金の両方において多くのものが注ぎ込まれている。
この問題の一部は、幾何光学システムが広帯域光(すなわち、白色光)を扱うことにとって、根本的なものである。実際、ガラス光学部品が、それらが役に立つほどよく機能するという事実は、自然界からの贈り物である。数個のガラス形式を単純な球面形状と組合せ、多くの異なるエネルギーの数兆の遠隔回折光子上に数兆の光子を瞬間的かつ統計的に一体化させ、それを波長のわずかな部分内において同相で行う品質画像システムを作り出すことができるという事実は、実に驚くべきことである。輝度ベースの画像化(殆どの画像化がそれである)において、この統計的平均化のプロセスはよく機能する。しかしながら、画像化システムに入る光子の真位相を捕らえることに興味がある場合には、この方法は全体的に不満足なものである。
位相は、光の重要な特性である。コヒーレント回折光子の(空間的かつ時間的な)相対位相分布を知ることは、四次元空間(3つの空間次元及び1つの時間次元)内でのオブジェクトの存在の直接的な認識を与える。
現在、最も良い商用の顕微鏡システムの1つは、高速z走査(DOF走査)プラットフォーム又は対物レンズを持つ、高速レーザ走査近IR(NIR)2光子吸収共焦点顕微鏡である。このシステムは、2光子吸収蛍光画像化を使って、背景雑音を減らす。これらのシステムは非常に高価で、1つにつき$100,000以上かかる。他の顕微鏡技術(研究段階)は、解像度を大幅に高めるための超広帯域光、及び近距離画像化の使用を探究している。より洗練されたモデルも、1つにつき最高でも$100,000で売ることができる。
これらのシステムのどれも、画像化プロセスで使用される光の位相情報を保持しない。従来、位相情報を測定するのには充分な時間を必要とし、それは、高度安定モードロックレーザのような長いコヒーレンス照明源を使用することを意味する。ここでは、レーザが第二のインコヒーレント光源を励起する蛍光画像化と異なり、レーザを直接照明のために使用する。長いコヒーレンス照明源を用いると、干渉型のホログラフィック画像化が可能である。しかしながら、そのような照明はしばしば、悪い画像品質という結果になるであろう。レーザは、位相情報の特定を可能にすることに優れているが、鏡面反射雑音(典型的には、スペックルと呼ばれる)のため、非常に悪い画像品質を生み出し得る。
当業者には既知であるように、スペックルは、粗い表面又は不均一な媒体による(レーザ源のような)高コヒーレント源からの光の散乱が、表面又は媒体に粒状の概観を与える光のランダムな輝度分布を生み出す現象である。例えば、McGraw‐Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, Sixth Edition(McGraw‐Hill Book Company, NewYork, NewYork, 2003)の1989ページを参照することができる。また、例えば米国特許第6,587,194号を参照することもでき、その開示全体が引用により本明細書に組み入れられる。
米国特許第6,587,194号で開示するように、「スペックル現象の包括的な説明を、T.S.McKechnie著, Speckle Reduction, In Topics in Applied Physics, Laser Speckle and Related Phenomena, 123(J.C.Dainty編, 2d ed., 1984)(以後、McKechnie)で見つけることができる。McKechnieの論文で論じるように、レーザ光の時間的コヒーレンス又は空間的コヒーレンスの削減によって、スペックルの削減を実現することができる。数年にわたって、スペックルを減らす、又は取り除く様々な試みがあった。上述のMcKechnieの論文を引用し、同じ問題に対処するもう1つの論文である、B.Dingel他著, 変更されたファイバアレイを使用した、仮想非干渉レーザ照明を用いたスペックル減少, Optik 94, at132(1993)(以後、Dingel)は、時間積分ベースに基づいて、ならびに統計的集合積分に基づいて、スペックルを減らすための幾つかの既知の方法を言及している。
更なる例として、Joseph W.Goodman著 「統計光学」(John Wiley & Sons, NewYork, NewYork, 1985)の356ページにおいて、スペックル現象が説明されており、そこでは、「コヒーレント画像化におけるスペックルの影響を抑制するための方法が研究されているが、完全なコヒーレンスを維持し、画像化システムの回折限界まで画像詳細を保持しながら、スペックルを取り除く一般的な解決策は、全く見つけられていない」ということが開示されている。本発明は、そのような「一般的な解決策」を提供する。
前述のGoodmanの文書の355ページに示す式(式7.5〜14参照)により、画像内のスペックルの量を測定することができる。また、例えば、米国特許第5,763,789号を参照することもでき、それは、「スペックルセンサ及び装荷装置を提供するステップと、試験マシンの装荷装置内にサンプルを装荷するステップ、及びサンプルの測定領域の中心が常に、サンプルの装荷及び変位時に同じオブジェクト点にあるように、サンプルの装荷時のそのサンプルの移動に対応してスペックルセンサを動かすステップと、を含む試験マシン内のサンプルの伸張の測定のためのスペックル測定システムの測定範囲の拡大のための方法」を開示、及び特許請求する。この米国特許の開示全体が、引用により本明細書に組み入れられる。
この位相、及びそれを測定するための装置又はシステムはよく知られている。例えば、米国特許第5,541,608号、5,225,668号、4,012,689号、5,037,202号、5,789,829号、6,630,833号、3,764,897号等を参照することができる。これらの米国特許出願の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
当業者にはよく知られるているように、本明細書で説明した測定のうちの幾つか又は全てを行う際に利用することのできる分析サービスを実施する多くの会社が存在する。従って、例えば、NewMexico, Albuqurque, S.E., CentralAvenue 14810にあるWavefront Sciences Companyは、「輝度及び位相の同時測定」を含むサービスを提供する。
そのかわりに、或いはさらに、例えばConnecticut, MiddlefieldにあるZygo社から市販されている「NewView200」干渉計のような、市販されている分析装置を使用することもできる。
同様に、スペックルはインコヒーレント画像化においても存在するが、画像が形成される統計的時間ブロックについて、鏡面反射アーティファクトは完全に平均化されて消える。これは、フェムト秒台で、非常に素早く生じる。しかしながら、スペックルの統計的除去とともに、位相情報も同様に失われる。
必要とされることは、光学位相が破壊される前に、その二点間画像化の光学位相を測定するための時間であり、そのプロセスの間、充分な統計的情報を提供し、それによりスペックルはもはや問題ではなくなる。
Takemori他著の米国特許第5,361,131号は、「1.少なくとも、第1の時刻の瞬間におけるオブジェクトの位置を示す第1の画像、及び第2の時刻の瞬間におけるオブジェクトの位置を示す第2の画像を形成するための画像形成手段と、少なくとも第1の画像及び第2の画像を受け取り、該第1及び第2の画像、前記第1の時刻の瞬間と第2の時刻の瞬間との間で実現されるオブジェクトの変位量を表す該第1の画像と第2の画像との間の相対位置によってコヒーレント光を変調するための第1の変調手段と、前記第1の変調手段によって変調されたコヒーレント光をフーリエ変換させ、それにより第1のフーリエ画像を形成するための第1のフーリエ変換手段と、前記第1のフーリエ画像を受け取り、該第1のフーリエ画像によりコヒーレント光を変調する第2の変調手段と、前記第2の変調手段によって変調されたコヒーレント光をフーリエ変換させ、それにより第2のフーリエ画像を形成するための第2のフーリエ変換手段と、前記第2のフーリエ画像を受け取り、該第2のフーリエ画像の位置を直接検出するための位置感度光検出器を含む、前記第1の時刻の瞬間と第2の時刻の瞬間との間に達成されたオブジェクトの変位量を示す前記第2のフーリエ画像の位置を検出するための検出手段と、前記第2のフーリエ画像が前記位置感度光検出器で受け取られるように時間間隔の値を調整する、前記第1の時刻の瞬間と第2の時刻の瞬間との間で定められる時間間隔を調整するための時間間隔調整手段と、を備えるオブジェクトの変位量を光学的に測定するための光学変位測定装置」を開示及び特許請求する。
Takemori他の特許の装置は、画像内の鏡面反射雑音を取り除くことができない。本発明は、スペックルの量が低減されたデジタル画像を提供することができる。
(本発明の開示)
本発明の方法は制御された統計的処理のプロセスであり、そこでは、オブジェクトの位相を保持しながら、スペックル雑音を効果的に取り除くことができる。本質的に、動的な位相情報を照明干渉ビーム上で符号化し、入力コヒーレンスが失われる前に測定するプロセスを用いる。非常に安定した長いコヒーレンス長のレーザ(約1kHzの線幅を持つ)、高速画像化、及び高速位相処理の現在の可用度から、ここで、位相制御された統計の実現が可能である。
本発明の方法は制御された統計的処理のプロセスであり、そこでは、オブジェクトの位相を保持しながら、スペックル雑音を効果的に取り除くことができる。本質的に、動的な位相情報を照明干渉ビーム上で符号化し、入力コヒーレンスが失われる前に測定するプロセスを用いる。非常に安定した長いコヒーレンス長のレーザ(約1kHzの線幅を持つ)、高速画像化、及び高速位相処理の現在の可用度から、ここで、位相制御された統計の実現が可能である。
本発明の方法では、長いコヒーレンス長の光源からの放射を使用して、サンプルの画像を形成する。その出力コヒーレント波は、1コヒーレンス長内で、複数のウェーブレットに時間的に分けられる。次に、各ウェーブレットの空間位相を、空間位相変調器で変調する。各ウェーブレットの空間位相は、既知の異なる量だけ変調される。各位相変調されたウェーブレットはサンプルを照明し、そのサンプルとの相互作用により摂動される。次に、各摂動ウェーブレットの空間位相マッピングを測定し、その結果として生じるデータを、画像復元アルゴリズムでプログラムされたコンピュータによって、サンプルの画像に変換する。従って、形成された複数の画像を統計的に平均化して、最終画像を形成する。光学的に分解可能でない高周波スペックルは、連続的な統計的平均化によってゼロに平均化される傾向があり、光学的に分解可能な低周波位相情報のみが残る。
本発明の1つの顕微鏡実施形態では、完全な位相及び振幅情報が保持され、三次元空間でオブジェクトを観測し、コンピュータ読み取り可能なデジタルホログラムを使って、画像化されたサンプルを再生及び拡大縮小することを可能にする。
更なる実施形態では、本発明は、位相コントラストのエッジ強調を実現することを可能にする。本実施形態の一側面として、水成環境内で殆ど浮遊している生物学的構造のオブジェクトスライスを利用する。この側面において、光は、殆ど吸収されず、時々散乱及び回折されながら、(伝送において)通り抜ける傾向がある。これは、本質的に、位相オブジェクトを説明している。蛍光染色マーカが多くの光を吸収し、従って、これらのオブジェクトを見やすい状態にするという点で、これが、蛍光染色マーカがこれらのオブジェクトでとても一般的である理由の1つである。一方、位相コントラストは、相対光学位相の小さなずれ(おおよそ、波長の何分の一)を使って、オブジェクトの輪郭を認識させる。これは、吸収画像化と比較して、物を認識させるためのずっと良い感度、かつより負荷をかけない方法という結果になり、それは、外部コントラスト因子を適用することを必要とし、その外部コントラスト因子は、生物学サンプルにしばしば害を及ぼす。
更なる実施形態では、(生体内での)非破壊細胞相互作用を実現し、従って、全く蛍光染料又はマーカを必要としない。画像化を高めるのに加えて、第二の有機又は無機マーキング成分が、生物学的プロセスを妨害又は変化させることもでき、より悪いケースのシナリオでは、光漂白による研究中に、その生物学サンプルを殺してしまう。
更なる実施形態では、本発明は、リアルタイムで生物学的プロセスを観察するための高速画像化を実現することを可能にし;従って、例えば、デジタルの形で、細胞の動的プロセスを観察して、自動分析を可能にすることもできる。
更なる実施形態では、本発明は、(例えば、700ナノメートルから400ナノメートルの間の見える範囲内の光子のような)エネルギーの低い光子を使って、0.1ミクロン以下(レイリー定義解像度リミット以下)の画像解像度を得ることを可能にする。本発明の実施形態による1つの顕微鏡は、50ナノメートルまでの解像度を獲得する、解像度システムを含む。
この顕微鏡は、個別のコヒーレントステップにおいて、光電子的に特定される光の位相を利用する。コヒーレントステップの後、高度に制御された所定のやり方で光学的統計量を変え、位相を再び特定する。スペックルを取り除くのに充分な情報を獲得するまで、これは繰り返し行われる。光学的統計量を遅れずに制御することにより、他の光学的顕微鏡の制限なく、品質画像を高めることができる。
この顕微鏡は、個別のコヒーレントステップにおいて、光電子的に特定される光の位相を利用する。コヒーレントステップの後、高度に制御された所定のやり方で光学的統計量を変え、位相を再び特定する。スペックルを取り除くのに充分な情報を獲得するまで、これは繰り返し行われる。光学的統計量を遅れずに制御することにより、他の光学的顕微鏡の制限なく、品質画像を高めることができる。
今日、光学顕微鏡画像化でできることには制限があり;これらの制限は、少なくとも一部は、ガラス光学部品の材料制限により作り出される。NAの大きい対物レンズを作り出すことは非常に困難であり、業界は現在、ガラス技術の限界に挑んでいる。本出願で開示された手法により、個々の光学システムを同相で集約することができる。光学部品、電子機器を組合せ、本出願で開示したような新たな方法で計算することにより、これを可能にする。
本特許出願で開示された顕微鏡は、三次元の相互作用する蛋白質、及びそれらの自然状態における細胞内の変遷の、直接的かつ自然な画像を可能にするであろう。さらに、内視鏡のような他の医用画像化装置にも同様に、この技術を拡張することができる。
本発明は、生きている細胞の新しい詳細画像化を可能にし、健康な細胞及び病気の細胞の両方がどのように機能するか、及び細胞の信号発信及び形質導入がどのように働くか、についての新たな見識を提供するであろう。
現在、生きている細胞を光学的に観察すること、さらに、その自然状態において、細胞が実施する4次元(空間及び時間)の動的な生物学的プロセスを観察することは不可能である。静的な観測断片、及びシミュレートモデルを用いて、DNA活動のような多くのプロセスを想定、或いは推論する。例えば、X線結晶学を使用したDNA分析は、最初に細胞を殺すことを必要とする。PCR、及び他の活動は、細胞からDNAを取り除いて、それに化学薬品を加えることを必要とする。
上で説明したような現在の光学顕微鏡の制限は、本出願で開示した顕微鏡には存在しない。
以下の図面を参照することにより本発明を説明するが、この図面において、同じ参照番号は同じ要素を参照する。
(本発明を実施するための最良な形態)
図1は、本発明の方法を示すブロック図である。コヒーレント放射源10は、サンプル18の画像化に使用されるコヒーレント波の放射11を提供する。本明細書において使用される限り、「コヒーレント放射」という語は、域内の異なる点間の明確な位相関係を持つ、同じ又はほぼ同じ波長の電磁放射を意味する。例えば、「McGraw−Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms」 SixthEdition(NewYork,NewYork,2003)の423ページを参照せよ。また例えば、米国特許第6,272,095号、6,094,300号、6,055,044号、6,002,499号、5,963,626号、5,754,511号等を参照することもできる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により、本明細書に組み入れられる。
図1は、本発明の方法を示すブロック図である。コヒーレント放射源10は、サンプル18の画像化に使用されるコヒーレント波の放射11を提供する。本明細書において使用される限り、「コヒーレント放射」という語は、域内の異なる点間の明確な位相関係を持つ、同じ又はほぼ同じ波長の電磁放射を意味する。例えば、「McGraw−Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms」 SixthEdition(NewYork,NewYork,2003)の423ページを参照せよ。また例えば、米国特許第6,272,095号、6,094,300号、6,055,044号、6,002,499号、5,963,626号、5,754,511号等を参照することもできる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により、本明細書に組み入れられる。
本発明で具現化されるプロセスは、コヒーレント放射の特定の波長範囲に限定されない。かつて、「光」という語は、およそ400nmから700nmの可視スペクトルのみを参照したが、短波及び長波センサ、及び光学材料の両方の進歩が、この慣習を変えた。「光学部品」及び「光」という語は、本明細書において幅広く使用されるが、特定の波長範囲を意味すると推量すべきではない。最近、30〜1000μmの範囲の電磁放射が、有用な応用例の見込みを示した。
当業者には既知であるように、時間的コヒーレンス、及び空間的コヒーレンス、の2つのコヒーレンスの尺度が存在する。Joseph W.Goodmanの「統計光学」(John Wiely&Sons, NewYork, NewYork, 1985)の157ページで開示されるように、時間的コヒーレンス、及び空間的コヒーレンスの2つのコヒーレンスの形式間の区別を、簡単に言及する価値がある。時間的コヒーレンスを考える時、光ビームのそれ自身の遅延(だが、空間的にすれていない)部分と干渉する能力を心配する。このような光ビームの分割を振幅分割と呼ぶ。これに対して、空間的コヒーレンスを考える時は、光ビームのそれ自身の空間的にずれた(だが、遅延していない)部分と干渉する能力を心配する。この形式の光の分割を波面分割と呼ぶ。
多くの米国特許が、これらの形式のコヒーレンスについて論じている。時間的干渉の議論については、例えば、米国特許第5,469,261号(レンズ特性の測定)、4,936,665号(高解像度画像システム及び方法)、4,869,593号(干渉型表面プロファイラー)、4,831,629号(インコヒーレントの光結合レーザアレイ)、6,557,429号(レーザ投影表示システム)等を参照することができる。これらの米国特許の各々の開示は、引用により本明細書に組み入れられる。
波がそれ自身の遅延コピーと組み合わされる場合には、それが目に見える干渉を生み出す遅延の継続時間は、「コヒーレンス時間」Δtとして知られる。これより、対応する「コヒーレンス長」を Δl=cΔt と計算することができ、ここでcは波の速度である。例えば、「McGraw−Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms」 Sixth Edition(NewYork, NewYork, 2003)の423ページを参照せよ。
このコヒーレントスペックル軽減プロセスが機能するためには、高コヒーレント光が必要とされる。必要とされる照明コヒーレンスの量は、まったく、(主に)位相測定カメラのフレームレートに依存するであろう。これは、フレームを取り込むことが全ての他の時間的プロセスより遅いことを、仮定する。例として、コヒーレンス時間についての、少なくとも20の制御された統計平均を実施したいと仮定する。1kHzの線幅を持つレーザと想定すると、コヒーレンス時間は τC=(1・kHz)-1=1・ms であり、これは、λC=c・τC=300km のコヒーレンス長を与える。従って、カメラは、FR=20/τC=20,000fps の最小取得フレームレートを必要とする。そのようなカメラは、現在、様々な会社から市販されている。
空間的コヒーレンスの議論については、例えば、米国特許第5,923,425号(斜め入射干渉計)、5,534,970号(走査型露光装置)、4,420,218号、4,936,665号、4,732,483号(干渉型表面プロファイラ)、4,396,289号等を参照することができる。これらの米国特許の各々の全開示は、引用により本明細書に組み入れられる。
米国特許文献において、多くのコヒーレント光源が説明されている。例えば、米国特許第5,321,718号、5,309,907号、6,424,449号、5,978,109号、5,596,409号、4,142,773号、6,480,272号、4,921,352号等を参照することができる。これらの米国特許の各々の開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
当業者にはよく知られているように、コヒーレント光源は容易に市販されている。従って、1999 Melles Griot Catalog(Melles Griot社版)を参照して、そのようなカタログの44.11のページで論じられる「研究のための安定化ヘリウムネオンレーザシステム」組立品を使用することができる。一実施形態では、図1のコヒーレント源10は、単一縦モード、及び単一横モードにおいて動作できるレーザ光源である。
再び図1を参照すると、本発明の方法における、ブロック12で表されるステップでは、光源10からの放射は、1コヒーレンス時間Δt内に、複数のウェーブレット13に時間的に分割され、各ウェーブレットは、コヒーレンス時間Δtの数分の一である、連続的な時間間隔δtを占有する。ブロック14で表されるステップにおいて、各ウェーブレット13の空間位相は、空間位相変調器によって、それぞれの既知の量だけ変調される。
図2Aは、図1のブロック10〜14を実装するための一物理実施形態の概略的な要素の図である。レーザ302は、コヒーレント放射源として使用される。レーザ302は、装置の光学部品によって定められるような最小の分解可能オブジェクト要素について位相を特定できるように、充分大きいコヒーレンスボリュームを持つものである。レーザ生成光11は、入力要素308によって遅延線306に送り込まれる。入力要素308は、電子制御された光ファイバカプラである。遅延線306は長い光ファイバ線(トラック)であり、そこでは、コヒーレンス、位相、及び偏光情報が保持される。これらの要素の幾つかの説明について、例えば、ウェブサイトhttp://www.ozoptics.comを参照することができる。遅延線306は、光損失を補償するための光学ポンプ310を備える。そのような光学ポンプは、当業者にはよく知られている。
再び図2Aを参照すると、電子制御された切断結合器312は、遅延線306からの光の一部を、視準レンズ318へ直接向ける、或いは任意で、光線路314によって波長アップコンバータ316、そしてレンズ318に送り込む。波長アップコンバータは、通常、当業者によく知られた非線形結晶であり、それにより波長を低減することができる。
視準レンズ318を出た光は、空間位相変調器320を通って反射、或いは伝送されるのいずれかであるが、この空間位相変調器320は、基準と比べて X*λ(Δx,Δy)だけ位相を正確に調整することができ、ここではX≧0である。本発明の一実施形態では、空間位相変調器は、サンプルとの相互作用の前に照明ビームに様々な位相チルトを与える、回転可能な平面反射器である。位相チルトだけでなく、一般的には、他の形式の波面符号化も可能である。しかしながら、様々な振幅のチルト及び位相シフトされた平面波の無限級数によって、全ての波形を合成的かつ一意的に生成することのできるフーリエ数学的解析ということから、提案されたプロセスは全く一般的である。広義には、コヒーレント投光器の空間的及び時間的コヒーレンスボリューム内で全ての位相符号化要素を利用する限り、本出願で説明するプロセスはまさにこれである。オブジェクトボリュームじゅうで、上記位相プロセスによって様々な波形を合成できる場合には、位相符号化照明を使用して、焦点画像化の深度を拡張することができる。画像焦点深度移動位相オブジェクトは、様々な位相照明によって変化しないわけではなく、従って、オブジェクト深度情報を一意に計算することができる。
そのかわりに、空間位相変調器320は、機械(MEMS)装置、電気光学(液晶、音響光学等の)装置、又はその組合せ装置、のような装置とすることができるであろう。図2Bは、位相変調器の音響光学実施形態の概略図である。図2Aに示した実施形態において、空間位相変調器320を出た光は、図1の位相変調ウェーブレット15と同じであるので、数字15で示される。
再び図1を参照すると、照明光学部品16は、位相変調ウェーブレット15でサンプル18を照明する。照明光学部品16は、格子、プリズム、レンズ、或いは空間変調器320及び遅延線(要素308、310、306、及び312)により符号化された位相情報が維持されるような何らかの他の所定の光学位相入力装置、とすることができる。位相変調ウェーブレット15は、サンプル18と相互作用し、それにより摂動ウェーブレット19に変換される。次に、集光光学部品20によって、摂動ウェーブレットを、高速シャッタ22を通して、摂動ウェーブレット19から摂動位相情報を抽出して、位相再生ウェーブレット25を作り出す空間位相測定システム24に向ける。再生ウェーブレット25は、その再生ウェーブレット25の空間位相マッピングを作り出す高速光学センサ26によって検出される。次に、画像再生プログラム28が、センサ26からの空間位相マッピングを、サンプル18の画像に変換する。この時点において、単一ウェーブレットから形成される画像は、高周波鏡面反射雑音(スペックル)をまだ含んでいる。スペックルを減らすために、全てのウェーブレットからの複数の画像を加算し、統計的平均化プログラム30により平均化して、最終画像32を作り出す。光学的に分解可能でない高周波スペックルは、連続的な統計的平均化によってゼロに平均化される傾向があり、光学的に分解可能なより低周波の位相情報のみが残り、それにより、スペックルを大幅に低減した最終平均画像を作り出す。
図3は、上で説明した本発明の方法を実施するための顕微鏡100の要素の概略図である。図3において、光源110は、図1でブロック10〜14として示される要素を表しており、それは位相変調ウェーブレット15を作り出す。光源110は、通信線154を介して、プログラム可能な論理演算機構(PLU)150に接続されるが、とはいえ、他の通信システム及び方法も使用することができる。
一実施形態では、PLU150は、例えば、複数の通信ポート、表示装置、データ記憶装置(例えば、RAM、ROM、或いは他のメモリ記憶装置)、入力装置(例えば、キーボード、マウス、又は他の入力装置)等を持つプログラム可能なコンピュータである。
本明細書において使用される限り、「通信線」という語は、二又はそれ以上の要素間の情報の伝達を可能にするための、任意の数のシステム及び方法を参照する。このようなシステム及び方法は、情報を送信及び受信するために必須な各要素における変換器を伴った光ファイバケーブル、導電線等を含むが、これらに限定されない。
位相変調ウェーブレット15は、照明光学部品16を介して、サンプルホルダ120に向けられ、そこで、サンプルの輪郭によって散乱及び/又は回折されて、摂動ウェーブレット19になる。摂動ウェーブレットは、レンズ126、及び対物レンズ128を通過する。示された実施形態では、対物レンズ128は、高速シャッタ132に接続される。高速シャッタ132は、通信線153を介して、PLU150に接続される。制御位相機構134は、高速シャッタ132に接続される。通信線152を介して、PLU150に接続及びPLU150により制御される制御位相機構134は、図1の空間位相測定システム24に対応し、それにより、摂動ウェーブレット19から位相情報を抽出して、再生ウェーブレット25を作り出す。
PLU150によって制御される制御位相機構134を使用して、米国特許6,545,790号で説明されるプロセスを実施することができ、この米国特許の全開示が引用により本明細書に組み入れられる。この特許は、「(a)第一の面に配置された試験体の材料を実質的に単色のコヒーレント放射で放射するステップと、(b)実質的に第一の面に配置された一又はそれ以上のフィルタに対応するN個の所定のフィルタリングパターンにより、試験体で変調された放射をフィルタリングするステップと、(c)N個のフィルタリングパターンの各々について、前記第一の面について共役な回折面である第二の面において、前記フィルタリングされた変調放射の空間輝度値を捕らえて、N個の対応する輝度分布を作り出すステップと、(d)対応するフィルタリングパターンの影響を修正することを含む、前記第二の面において捕らえられた前記N個の輝度分布を処理して、前記第一の面における波面の推定値を提供するステップと、(e)前記提供された波面の推定値をN個の異なるフィルタリングパターンを使用してフィルタリングして、N個のフィルタ推定値を得るステップと、(f)前記フィルタ推定値を処理して、前記第二の面におけるN個の推定輝度分布を作り出すステップと、(g)前記第二の面において前記捕らえられ、かつ推定された輝度分布と関連付けられるエラー測定が所定の閾値に達するまで、ステップ(d)、(e)、及び(f)を繰り返すステップと、を含む実質的に単色のコヒーレント放射に対応する波面から情報を回復するための方法」を説明、及び特許請求する。
そのかわりに、PLU150によって制御される制御位相機構134を使用して、米国特許第6,369,932号のプロセスを実施することもでき、この米国特許の全開示が引用により本明細書に組み入れられる。本特許は、「1.実質的に単色のコヒーレント波形の波面の位相情報を回復するための方法であって、(a)関連する後方焦点面(BFP)、及び画像面(IP)を持つレンズを提供するステップと、(b)前記波面を、前記レンズを通過させ、該波面に既知の位相のずれを与える該レンズの前記BFPに配置された位相フィルタを通過させるステップと、(c)前記IPにおける前記波面の空間輝度値を記録するステップと、(d)様々な値の前記与えられた位相のずれについて、ステップ(b)及び(c)をN−1回繰り返して、前記IPにおける前記波面のN個の輝度画像を獲得するステップと、(e)前記波面の前記N個の輝度画像の各々について位相値を対応付けて、N個の合成波面画像を形成するステップと、(f)前記N個の合成波面画像を処理して、前記BFPにおける前記波面の単一の推定値を獲得するステップと、(g)各画像について記録された前記空間輝度値、前記BFPにおける前記波面の推定値、及び前記対応する位相のずれに基づいて、変更されたN個の合成波面画像を生成するステップと、(h)前記N個の合成波面画像と関連づけられるエラー測定値が所定の値に達するまで、ステップ(f)及び(g)におけるプロセスを繰り返すステップと、を含むことを特徴とする方法」を、説明及び特許請求する。
当業者に知られている空間変調器のどれも、制御位相機構134のために使用することができる。例えば、米国特許第6,624,756号、6,567,163号、6,563,167号、6,552,777号、6,538,800号、6,538,791号,6,430,328号等を参照することができる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。Greshberg特許第6,365,932号、及び6,545,790号で開示される位相測定プロセスが、図1における空間位相測定ブロック24を実装するたった2つの例である。例えば、ミケルソン干渉計のような他のプロセスも、当業者には明らかであろう。
再び図3を参照すると、デジタルカメラ142が制御位相機構134に接続される。通信線146を介してPLU150に接続されるデジタルカメラ142は、再生ウェーブレット25を捕らえ、その再生ウェーブレット25の位相マッピングを作り出す。PLU150はさらに、デジタルカメラ142によって捕らえられたウェーブレット25の位相マッピングをサンプル122の画像に変換する画像再生プログラムでプログラムされる。PLU150は、レーザ302のコヒーレンス長内で光源110によって作り出された複数のウェーブレットについて、そのようなサンプル122の画像を形成するように、さらにプログラムされる。PLU150はさらに、全てのウェーブレットからの複数の画像を加算し、統計的に平均化するようにプログラムされて、サンプル122の最終画像を生み出す。光学的に分解可能でない、個々のウェーブレット画像内の高周波スペックルは、連続的な統計的平均化によってゼロに平均化される傾向があり、光学的に分解可能なより低周波の位相情報のみが残り、それにより、スペックルを大いに低減した最終平均画像を作り出す。最終画像は、例えば、2次元画像、3次元画像、ホログラム等である。
さらに、PLU150は、デジタルカメラ142及び144から受け取った両方の生データを格納するための装置、並びに再生画像を格納するための装置を備える。一実施形態では、PLU150は、データ及び画像を、他の記憶装置及び記憶媒体、複数または1つのコンピュータ、及び/又は通信ネットワーク等へ伝送するための装置を備える。
デジタルカメラ142は、例えば、AndorのiXon87 電子複式CCDカメラ、或いは他の高速デジタルカメラである。一実施形態では、デジタルカメラ142は、サンプリングが光学システムの点広がり関数(PFS)の中央ローブの25%以下である充分な解像度を持つ。カメラの速度は、光源‐サンプルの相互作用領域内で定められるτC(コヒーレンスタイ)以上である必要がある。所定のセンサ量子効率及び光学領域振幅におけるカメラの感度は、画像連鎖全体のS/N(信号対雑音比)より大きい。画像センサは、光捕獲→統計的光学雑音→センサ→統計的センサ雑音→デジタル変換→統計的電子雑音→アルゴリズム処理を含む。
図4Aは、図3の顕微鏡100の代替の実施形態である顕微鏡200の要素の概略図である。図4Aを参照すると、光源110からのウェーブレット15は、光学導波管116内でコヒーレントなウェーブレット15を結合するために使用される格子結合器112を通過する。明らかなように、格子結合器112の機能は、サンプル122内に光を伝達することである。プリズム(示されていない)のような他の結合装置もまた使用することができる。
図4Aに示す実施形態では、ウェーブレット15は、光の幾らかが導波管116を通り抜け、光の幾らかが「導波管モード」として導波管の長さだけ伝えられるように光を結合する回折格子112と接触する。この機能の概略図を図4Bに示す。図4Bより明らかなように、サンプル、及びその特性に依って、光害を最小化するが、サンプルを照明するのには充分な導波管照明装置を選択することができる。
本明細書の、及び本明細書に添付された図面、及びその議論より明らかなように、照明光の位相情報が限定されない方法で変えられないように導波管照明装置を選択し、それにより、分析できないデータを生み出す。この目的を達成するために、検出器125(図4B参照)によって検出される光の信号対雑音比は1より大きく、一実施形態では約2より大きい。
再び図4Aを参照すると、格子結合器112は、市販されている従来の格子結合器である。従って、限定ではなく例証として、米国特許第5,218,584号、5,153,860号、5,070,488号、4,868,803号、5,363,226号、5,481,516号等で説明する一又はそれ以上の格子結合器を使用することができる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
更なる格子結合器の一実施形態712を、図4Cに示す。図4Cを参照すると、コヒーレントな光線714、716、718、及び720が、それぞれ回折格子G3、G2、G4、及びG1にぶつかることがわかるであろう。これらの格子によって回折された光の幾らかは、導波管722を通過する。サンプルの領域724において、光波はコヒーレントに相互作用して、制御可能な干渉パターンを形成し、このパターンでは、空間における2つの次元、及び時間が制御される。明らかなように、所望の出力を作り出す他の装置又はシステムも使用することができる。従って、例えば、一又はそれ以上の結合領域を持つ導波管116を使用することができる。
再び図4A及び4Bを参照すると、導波管116は、対象の照明波長において良い伝送特性を持つ平面導波管である。例えば、米国特許第6,432,292号、6,215,928号、6,160,824号、5,485,277号、6,546,163号、5,365,243号、及び4,961,618号の特許請求の範囲で説明する平面導波管のような、従来技術で説明される一又はそれ以上の平面導波管を、例えば使用することができる。これらの米国特許の各々の全開示が、引用により本明細書に組み入れられる。
一実施形態では、導波管116は、(例えば、ガラスのような)アモルファス材料、及び/又は結晶材料で作られる。
再び図4A及び4Bを参照すると、結合されたインコヒーレント光118が、導波管116を通って,サンプルホルダ120に伝わり、そこで、サンプルの輪郭によって散乱及び/又は回折されて、摂動ウェーブレット19となる。
図3にように直接ではなく、図4A及び4Bのように、サンプル上に照明放射を向けるような導波管の使用は、高度に構造化された暗視野照明、又は近視野画像化の一種の形である。導波管キャビティ内で干渉モードに空間的に接続されるエバネッセント波は、導波管の表面を超えて、その上に置かれたオブジェクトサンプル内まで延びる。対象のオブジェクトは、これらのエバネッセント領域と相互作用し、光エネルギーを顕微鏡内で側方散乱させるであろう。このように、<<λ/2である、高密度導波管における輪郭と干渉する波は、より直接的な照明手法を使って、オブジェクトのより詳細な部分を解像することができる。
図5は、光学顕微鏡250の更なる実施形態の要素の概略図である。図3に示した実施形態、及び添付の説明文で説明した要素に加えて、光学顕微鏡250は、サンプル刺激機構202を備える。サンプル刺激装置202は、サンプル122の一部、或いは全体にぶつかる刺激信号204を発する。例えば、刺激信号204は、レーザ、及び/又は他の光波、音波、電界、磁界、液体刺激剤、気体刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及び/又は他のサンプル刺激装置である。(示されない)更なる実施形態では、サンプル刺激装置は、サンプルホルダ120の一部として包含されることができ、サンプル122との機械的接触によるサンプルのシミュレーションのために使用される、例えばナノチューブ等のような一又はそれ以上のナノプローブを含むことができる。更なる実施形態では、サンプル刺激機構202はさらに、例えば、温度、表面膜の張力、サンプル122によって放出される気体、サンプル122によって放出される電磁(光を含む)信号、サンプルの形状等のような、サンプルの生理学的及び/又は他の特性を検出するための検出装置又はシステムを備える。特定の刺激を与えると、生体システム内で生じることを観察することができる。観察されるシステムが生きているということから、少し制御された刺激を加えることが、実験のために効果がある。
再び図5を参照すると、サンプル刺激機構202が任意で、通信線206を介してPLU150に接続されることがわかるであろう。一実施形態では、サンプル刺激機構202は、PLU150内のプログラム可能なアルゴリズムによって制御される。更なる実施形態では、サンプル刺激機構202が、PLU150内のプログラム可能なアルゴリズムによって制御され、それらのアルゴリズムは、一部又は全部、時間順に基づいている。更なる実施形態では、PLU150は、サンプル刺激機構202から検出データを受け取る。また更なる実施形態では、PLU150は、検出データをサンプルするアルゴリズムに基づいて、サンプル122の刺激を調整する。更なる実施形態では、PLU150は、検出データをサンプルする、及びデータベースをサンプルする、さもなければデータベースに問い合わせするアルゴリズムに基づいて、サンプル122の刺激を調整する。また更なる実施形態では、PLU150は、顕微鏡200のオペレータ(示されていない)がサンプル刺激機構202のパラメータ、及び機能性をリアルタイムで調整することを可能にする。
更なる実施形態では、図には示されていないが、図3、4A、又は5においてサンプル122を閉じ込める密封された封入器が提供される。更なる実施形態では、顕微鏡の他の要素の一部、又は全部が閉じ込められる。一実施形態では、封入器が、顕微鏡を通る光の全ての経路を閉じ込め、さもなければ、それらの経路は大気に開放されるであろう。更なる実施形態では、封入器を使用して、気体を保持する。更なる実施形態では、封入器は真空ポンプに接続され、部分真空を維持するために使用される。
図6は、通信線422、436、450、458を介して、それぞれPLU150に接続される多重デジタルカメラ420、434、448、456を持つ光学顕微鏡400の要素の図である。ウェーブレット19は、ビームスプリッタ410、424、438によって、分けられ、各カメラ内に向けられる。多重デジタルカメラの使用は、摂動ウェーブレット位相情報のより高速な並列処理を可能にする。また、この機構を使用して、位相ダイバーシティ、位相符号化、又はサンプル‐光の相互作用後の他の位相処理によって、サンプルの画像化された光学位相情報をアルゴリズム的に抽出することができる。
図7は、リモートのコンピュータシステム604への双方向ネットワーク通信システム606を持つ光学顕微鏡600の要素の図である。一実施形態では、PLU602は、画像構成ソフトウェア(示されていないが、上で参照したGerchberg他の画像構成の特許を参照)を実行するリモートのコンピュータシステム604へ、生の画像データを伝送して、最終画像(示されていない)を構成する。リモートのコンピュータシステム604は、最終画像(示されていない)をローカルのPLUシステム602に伝送して、ローカルの顕微鏡のオペレータ(示されていない)に呈示する。一実施形態では、リモートのコンピュータシステム604が、収集された生の画像データ、及び構成画像の両方を、データ記憶媒体(示されていない)内に格納する。更なる実施形態では、リモートのコンピュータシステム604が、構成画像(示されていない)を受け取り、画像化サンプルの3Dコンピュータ支援設計、又は他のコンピュータモデル(示されていない)を作り出す更なるモデリングソフトウェア(示されていない)を備える。リモートのコンピュータシステム604は、3Dコンピュータモデル(示されていない)を、更なるソフトウェア(示されていない)を持つローカルの顕微鏡のPLUシステム602に伝送して、受信された3Dコンピュータモデル(示されていない)をローカルの顕微鏡のオペレータ(示されていない)に呈示する。
更なる実施形態では、示されていないが、図3、4A、5、6又は7のような顕微鏡は、ロボットのサンプルローダ(示されていない)を持つ。この実施形態では、ローカルの顕微鏡のオペレータは全く存在しない。一実施形態では、サンプルローダ(示されていない)は、PLU602内のプログラム(示されていない)によって制御される。更なる実施形態では、サンプルローダ(示されていない)は、リモートのコンピュータシステム604上のコンピュータプログラムインターフェース(示されていない)、及びそのコンピュータプログラムインターフェースを通してコマンドを発行するリモートのオペレータ(示されていない)によってリモートで制御される。
光のコヒーレントボリュームを変更するための好ましい手段
図8以下参照は、出願人のプロセス及び機構で解決することのできる問題の1つを、概略的に示している。
図8以下参照は、出願人のプロセス及び機構で解決することのできる問題の1つを、概略的に示している。
エアリーディスクは、一様に照射され、収差のない円形光学要素又はシステムの、焦点回折パターンの(第一のゼロ、又は暗リング内部の全てのものを含む)中央ピークである。例えば、米国特許第6,385,157号、5,612,818号、5,457,363号、5,392,271号、4,975,237号等を参照することができる。これらの米国特許の全開示は、引用により、本明細書に組み入れられる。図8は、平面波1002がそこを通って伝送されるレンズ1000を示している。レンズ1000を回折制限し、それによりエアリーディスクを作り出すことが好ましい。この理想化された状況を図8に示す。一般的には、画像化システムの点広がり関数は、エアリーディスクの直径と等しい、又はそれより大きい。エアリーディスクの直径を、本出願で示された式を参照することにより、図8に与える。
本明細書のこの節の議論の残りの部分では、理想化されたエアリーディスクの状況を参照する。しかしながら、そのようなエアリーディスクについて成された如何なる注釈も、点広がり関数に等しく関係していることを、理解すべきである。
図9は、分解可能な細胞レベル以下のユニット1102、及び分解不可能な細胞レベル以下のフィーチャ1104から成る細胞1100の概略図である。
エアリーディスクの直径「dairy」をM(画像化システムの光学倍率)で割ると、ボリューム基準係数が得られる。寸法の各々1106、及び1108は、少なくとも2倍、好ましくは少なくとも3倍、このボリューム基準係数より実質的に大きい。
細胞レベル以下のユニット1102の直径は、一般的には、ボリューム基準係数の少なくとも2倍の大きさである。一実施形態では、ユニット1102の屈折率は、ユニット1104の屈折率とは異なり、また、細胞全体の屈折率が、ユニット1102及び1104の屈折率とは異なることが好ましい。
図10は、入力電界の位相ボリュームとの相互作用の概略図である。入力電界1200は、ある期間(Δt参照)にわたって、オブジェクト1202と相互作用する。「Δt」は、関数En(x,y,tn)の各々において、画像化システムが検出器からの散乱及び/又は回折光の光学位相を獲得するのに、充分大きくなければならない。好ましいシステムの他の要件についても、図10で扱う。これらの要件は、入力電界Enをどのくらい空間変調及び時間変調するのが好ましいかを定める。
図11は、当業者が出願人のプロセスを正しく実践したかどうか判断することを可能にする試験組み立て品の概略図である。図11を参照すると、出願人のプロセスは、そのような図面で明示された条件を満たす画像を作り出す。
図12は、ビームスプリッタ3002を利用したプロセス3000の概要である。光のコヒーレントビーム3004(光の基準バンドル)は、コヒーレントボリューム3004/1、3004/2、3004/3等から構成される。この光ビーム3004は、矢印3006の方向に伝わることが好ましい。
同時に、光のコヒーレントビーム3008は、サンプル3012を通って、矢印3010の方向に伝わる。コヒーレントボリューム3008/1はコヒーレントボリューム3004/1と相互作用し、コヒーレントボリューム3008/2はボリューム3004/2と相互作用し、及びコヒーレントボリューム3008/3はコヒーレントボリューム3004/3と相互作用する。これらの相互作用は干渉型であり、それらは、サンプルと相互作用した光の位相についての情報を与える。
図13は、図12に示したプロセスと似た「共有‐干渉型」プロセス3100を示しているが、そこでは、光の基準バンドル3004が、矢印3006(図12参照)の方向ではなく、矢印3011(図13参照)の方向に伝わる。明らかなように、図1〜7に示す何れの装置でも、図12及び/又は図13のプロセスのいずれか又は両方を使用することができる。
図14は、三軸で示されていない三次元サンプルを、複数のコヒーレントスレッド3802及び3804を使って走査するためのプロセス3800の概要である。
図14Aは、軸4004、軸4006、及び軸4008の三軸における三次元サンプル4002を走査するためのプロセス4000の概略図である。
示された実施形態では、コヒーレントスレッド4010を、基準ゾーン4012内でx、y、及びz軸について動かし、従って、作り出される干渉情報は、摂動相互作用ゾーン4014内に存在する。明らかなように、コヒーレントスレッド4010は、より大きいコヒーレントボリューム4016の一部であり、示された実施形態では、このコヒーレントボリューム4016は変則的な三次元形状を持つ。また明らかなように、一より多くのこのようなコヒーレントスレッドを使用することもできる。
一実施形態では、光バンドル3004(基準バンドル)を運搬するための手段が、その中心の直径が約1ミクロンより小さい、より好ましくは約0.5ミクロンより小さい遠位端を持つ光ファイバである。この実施形態では、そのような遠位端を使用して、細胞壁の外側又は内側のいずれかで、細胞ボリュームを走査することができる。そのようなファイバの遠位端は、細胞膜を突き抜けるための手段で構成されることが好ましい。光ファイバは、生体適合ガラスで作られることが好ましい。
図15は、基準ゾーン4012がサンプル4002の外側にあり、基準ゾーン4013が基準ゾーン4012とは異なり、かつコヒーレントスレッド4011がコヒーレントスレッド4010とは異なることを除いて、図14で示したものと似たプロセスを示している。結果として生じる観察ゾーン4015は、観察ゾーン4014とは異なる。
Claims (45)
- サンプルを画像化する方法であって、
(a)コヒーレント波を複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割するステップと、
(b)前記各コヒーレントウェーブレットの位相を既知のそれぞれの量だけ空間変調し、それにより、複数の変調ウェーブレットを作り出すステップと、
(c)各変調ウェーブレットを前記サンプルと相互作用させ、それにより、複数の摂動ウェーブレットを作り出すステップと、
(d)各摂動ウェーブレットの空間位相マップを作るステップと、
(e)各摂動ウェーブレットの空間位相マップからサンプル画像を構成するステップと、
(f)前記サンプル画像の全てを統計的に平均化して、前記サンプルの最終平均画像を作り出すステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 1コヒーレント長又はそれより小さいコヒーレント波から、前記複数のコヒーレントウェーブレットが作られる
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 前記コヒーレント波は、レーザからの電磁放射である
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記コヒーレント波を光ファイバ遅延線内に送り込み、電子制御された結合要素で各コヒーレントウェーブレットに切断することにより、該コヒーレント波を、複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割する
ことを特徴とする、請求項3に記載の方法。 - 前記光ファイバ遅延線がさらに、光損失を補償するための光学ポンプを備える
ことを特徴とする、請求項4に記載の方法。 - 前記レーザが単一縦モードで作動する
ことを特徴とする、請求項3に記載の方法。 - 前記レーザが単一横モードで作動する
ことを特徴とする、請求項3に記載の方法。 - 前記コヒーレント波が、約30〜1000ミクロンの範囲の波長を持つ電磁放射である
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記各コヒーレントウェーブレットの空間変調は、回転可能な平面反射器によって遂行され、前記平面反射器をそれぞれの角度量だけ回転させることにより、各コヒーレントウェーブレットのそれぞれの既知の量の空間変調を作り出す
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記各コヒーレントウェーブレットの空間変調は、液晶装置により遂行される
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記各コヒーレントウェーブレットの空間変調は、音響光学装置により遂行される
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 各変調ウェーブレットは、光学レンズによって前記サンプルに向けられる
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 各変調ウェーブレットは、導波管によって前記サンプルに向けられる
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 各変調ウェーブレットは、格子結合器によって導波管内で結合される
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 前記格子結合器はさらに、複数の回折格子を備える
ことを特徴とする、請求項14に記載の方法。 - 各変調ウェーブレットは、前記サンプルを通って伝送される
ことを特徴とする、請求項15に記載の方法。 - 各変調ウェーブレットは、前記サンプルで反射される
ことを特徴とする、請求項15に記載の方法。 - 各サンプル画像は、画像構成プログラムでプログラムされた計算装置によって、各摂動ウェーブレットの空間位相マップから構成され、前記計算装置は、前記摂動ウェーブレットの空間位相マップを作成する一又はそれ以上の検出器システムに接続される
ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記一又はそれ以上の検出器システムの各々は、空間位相測定システムに接続されたデジタルカメラを備える
ことを特徴とする、請求項18に記載の方法。 - 前記相互作用させるステップ(c)の前に、前記サンプルを外部刺激で刺激するステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記外部刺激は、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項20に記載の方法。 - 前記相互作用させるステップ(c)と同時に、前記サンプルを外部刺激で刺激するステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記外部刺激は、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項22に記載の方法。 - サンプルの画像を形成するためのシステムであって、
コヒーレント波の放射を発する光源と、
前記コヒーレント波を収集するように配置され、該コヒーレント波を複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割する時間変調システムと、
各コヒーレントウェーブレットを収集するように配置され、該各コヒーレントウェーブレットの位相を既知のそれぞれの量だけ空間変調し、それにより、複数の変調ウェーブレットを作り出す空間変調システムと、
各変調ウェーブレットを前記サンプルへ向けるように配置され、それにより、各変調ウェーブレットが該サンプルと相互作用した結果として、複数の摂動ウェーブレットを作る放射伝送システムと、
各摂動ウェーブレットを検出するように配置され、各摂動ウェーブレットの空間位相マップを作成する検出システムと、
前記検出システムに接続され、前記各摂動ウェーブレットの空間位相マップに基づいて、複数のサンプル画像を構成し、該複数のサンプル画像を統計的に平均化して、前記サンプルの最終平均化画像を作り出す計算システムと、
を備えることを特徴とするシステム。 - 前記時間変調システムが、1コヒーレンス長又はそれより小さい前記コヒーレント波の放射内で、該コヒーレント波を複数のコヒーレントウェーブレットに時間的に分割する
ことを特徴とする、請求項24に記載のシステム。 - 前記光源がレーザを備える
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記時間変調システムは、電子制御された切断結合要素に接続された光ファイバ遅延線を備える
ことを特徴とする、請求項26に記載のシステム。 - 前記光ファイバ線はさらに、光損失を補償するための光学ポンプを備える
ことを特徴とする、請求項27に記載のシステム。 - 前記レーザは、単一縦モードで作動する
ことを特徴とする、請求項26に記載のシステム。 - 前記レーザは、単一横モードで作動する
ことを特徴とする、請求項26に記載のシステム。 - 前記コヒーレント波の放射が、約30〜1000ミクロンの範囲の波長を持つ
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記空間変調システムが回転可能な平面反射器を備え、該反射器の様々な回転角により、それぞれの既知の量の空間変調を作り出す
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記空間変調システムが、液晶装置を備える
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記空間変調システムが、音響光学装置を備える
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記放射伝送システムが、光学レンズを備える
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記放射伝送システムが、導波管を備える
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記放射伝送システムがさらに、前記変調ウェーブレットを前記導波管内で結合する格子結合器を備える
ことを特徴とする、請求項36に記載のシステム。 - 前記格子結合器はさらに、複数の回折格子を備える
ことを特徴とする、請求項37に記載のシステム。 - 各変調ウェーブレットは、前記サンプルを通って伝送される
ことを特徴とする、請求項38に記載のシステム。 - 各変調ウェーブレットは、前記サンプルで反射される
ことを特徴とする、請求項38に記載のシステム。 - 前記検出システムは、空間位相測定システムに接続された一又はそれ以上のデジタルカメラを備える
ことを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 各変調ウェーブレットが前記サンプルと相互作用する前に、該サンプルを外部刺激で刺激するサンプル刺激システム
をさらに備えることを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記外部刺激が、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項42に記載の方法。 - 各変調ウェーブレットが前記サンプルと相互作用するのと同時に、該サンプルを外部刺激で刺激するサンプル刺激システム
をさらに備えることを特徴とする、請求項25に記載のシステム。 - 前記外部刺激は、電磁放射、音波、電界、磁界、化学刺激剤、イオンビーム、電子ビーム、及びそれらの組合せから成る群より選択される
ことを特徴とする、請求項44に記載の方法。
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