JP2008529082A - Compensation scanning optical microscope - Google Patents

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マイケル ポットセッド,ベンジャミン
ベローアード,イヴ
ティー. ウェン,ジョン
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レンセレアー ポリテクニック インスティテュート
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Abstract

補償走査光学顕微鏡10は、物体平面の異なる部位から像を得ると共に当該像が得られるところの物体平面の部位の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する好ましくは湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体16を有する。ステアリングミラー14は、視野を選択すると共に物体12からの光であって物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦する。補償光学素子18は物体12からの操縦された光を受けると共に視野位置に依存する光学収差を補償し、補助的光学20はステアリングミラー14から補償光学素子18を通って最終像平面へと移動するように光を条件付けると共に集束するように光路の少なくとも一部に沿って配置される。
【選択図】図1
The compensated scanning optical microscope 10 is for obtaining images from different parts of the object plane and forming a preferably curved image surface having at least some aberrations that vary as a function of the part of the object plane from which the image is obtained. A scanning lens assembly 16 is provided. The steering mirror 14 selects the field of view and steers the light from the object 12 along the optical path from the object plane to the final image plane. The compensating optics 18 receives the steered light from the object 12 and compensates for optical aberrations dependent on the field position, and the auxiliary optics 20 moves from the steering mirror 14 through the compensating optics 18 to the final image plane. Is arranged along at least a portion of the optical path to condition and focus the light.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、概して、光学顕微鏡の分野に関するものであり、そして、特に、公知の光学顕微鏡に共通する解像度と視野との間の通例の相反関係の問題を処理し改善する新規且つ有用な補償走査光学顕微鏡に関するものである。   The present invention relates generally to the field of optical microscopy, and in particular, a new and useful compensated scan that addresses and improves the common reciprocity problem between resolution and field of view common to known optical microscopes. The present invention relates to an optical microscope.

本出願は2005年1月27日に出願された米国仮特許出願第60/647,572号に係る優先権を主張するものであり、当該仮出願は参照によって本明細書中に組み込まれる。   This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 647,572, filed Jan. 27, 2005, which is hereby incorporated by reference.

本発明者らは、2005年2月25日に出願された米国特許出願第10/525,422号において、解像度と視野との間の相反関係の問題を解決するための初期のアプローチを示した。本出願は、米国仮特許出願第60/411,038号及びWO2004/025331として公開された国際出願PCT/US2003/029332に係る優先権を主張するものであり、そしてこれらの全てはまた、参照によって本明細書中に組み込まれる。   In the US patent application Ser. No. 10 / 525,422, filed Feb. 25, 2005, the inventors presented an early approach to solving the problem of reciprocity between resolution and field of view. This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 60 / 411,038 and International Application PCT / US2003 / 029332 published as WO2004 / 025331, all of which are also incorporated herein by reference. Incorporated in the book.

広範囲の適用(例えば、微細組立、生物学的観察、バイオテクノロジーや医学的診断や製造や検査などのための観察及び操作)に関して、光学顕微鏡は依然として人間の裸眼の閾より下で観察するための最も重要な道具のうちの一つである。しかしながら、その従来の形式においては、光学顕微鏡は上述したような解像度と視野との間の相反関係に悩まされている。本発明は、獲得画像における解像度を保持しつつ視野を拡張するために、走査レンズ、ステアリングミラー、補償光学素子、補償光学(AO)条件付け光学、及び結像光学を組み合わせる新しい光学顕微鏡設計である。この装置は、増加した処理量によって高い画像収集率で作動する能力あるいは或る一定の空間的−一時的な観察を容易とするための能力を有している。   For a wide range of applications (eg, observation and manipulation for microassembly, biological observation, biotechnology and medical diagnostics, manufacturing and inspection, etc.), optical microscopes are still intended for observation below the threshold of the human naked eye. One of the most important tools. However, in its conventional form, the optical microscope suffers from the reciprocal relationship between resolution and field of view as described above. The present invention is a new optical microscope design that combines a scanning lens, steering mirror, adaptive optics, adaptive optics (AO) conditioning optics, and imaging optics to expand the field of view while retaining the resolution in the acquired image. This device has the ability to operate at high image acquisition rates with increased throughput or to facilitate certain spatial-temporary observations.

バイオテクノロジー及び微小電気機械システム(micro-electro-mechanical system:MEMS)の最近の進歩並びに微細化に向かう産業の傾向と共に、人間の裸眼の閾より下の尺度で観察し、相互に作用し、そして検査する必要性が増大している。この必要性を満たすことで、光学顕微鏡は興味を再度持たれており、これらの分野が進展する際における重要な道具であり続けている。しかしながら、本質的な光学的設計及び作動原理は前世紀において顕著には変化しておらず、また、光学顕微鏡は未だに結像系の視野と解像度との間の周知の固有の相反関係に悩まされている。   With recent advances in biotechnology and micro-electro-mechanical systems (MEMS) and industry trends towards miniaturization, observed and interacted with a scale below the human naked eye threshold, and The need for inspection is increasing. By meeting this need, the optical microscope has become re-interesting and continues to be an important tool as these fields evolve. However, the essential optical design and working principle has not changed significantly in the last century, and the optical microscope is still plagued by the well-known inherent reciprocal relationship between the field of view and resolution of the imaging system. ing.

本発明は、本明細書において後により十分に説明されるように、能動光学素子、動作制御及び従来の静止光学素子を用いた画像処理技術を密接に結合された様式において統合させることによって高解像度で拡張した視野を達成するものである。   The present invention achieves high resolution by integrating image processing techniques using active optics, motion control, and conventional stationary optics in a closely coupled manner, as will be more fully described herein. To achieve an expanded field of view.

視野を拡張する動機づけは、当初、微細組立及び正確な製造における本発明者らの経験から生じた。視覚誘導微細組立は、しばしば、ミクロン又はサブミクロンレベルの解像度で、かなり離れた部分の特徴をほぼ同時に観察すること(例えば、基板上に組付けられるマイクロミラーや光学センサーの複数のクリティカルエッジを観察すること)を必要とする。必要とされる解像度で十分に広い視野を単一の顕微鏡では提供することができないので、複数の顕微鏡及び/又は移動ステージが容易に利用可能な既製の解決策を提供している。しかしながら、1秒当りの移動に係る制限及び移動ステージによる標本の動揺、さらに、それぞれ新しい組立作業のために複数の顕微鏡を再配置し較正するのに要する相当な努力は、本発明者らに、これらの問題点を処理するための新たな光学顕微鏡の設計の必要性を示唆するものであった。   The motivation to expand the field of view initially originated from our experience in microassembly and accurate manufacturing. Visually guided microfabrication often observes features at very distant parts almost simultaneously with micron or sub-micron resolution (eg, multiple critical edges of micromirrors and optical sensors assembled on a substrate) To do). Since a single microscope cannot provide a sufficiently wide field of view at the required resolution, it provides an off-the-shelf solution where multiple microscopes and / or moving stages are readily available. However, the limitations on movement per second and sample swaying by the moving stage, as well as the considerable effort required to reposition and calibrate multiple microscopes for each new assembly operation, This suggests the necessity of designing a new optical microscope to deal with these problems.

同じ理由で、このような顕微鏡は、機械的視覚を用いて行われる生物学的及び医学的結像並びに工業的製造及び検査に対しても望ましいものである。上述した先の米国、PCT及び仮特許出願において、更に非特許文献1において開示された本発明者らの最初の設計は「走査光学モザイク鏡」(Scanning Optical Mosaic Scope:SOMS)と呼ばれ、微細組立及び生物学的結像に用いる高速ポストオブジェクティブ走査系を実時間モザイク構築技術と組み合わせる利点を実証した。先に開示したSOMSに関する光学的配置は、レーザー焼きなまし形状記憶合金のために製作した機械によって当初は示されたものである(非特許文献2)。このアプローチは、ポストオブジェクティブ2次元走査鏡の概念を共有するものである。この構成はいくつかの市販の製品においても用いられているが、それ自体の基本的形態においては走査レンズにおける軸外れ収差のために限られた視野を有するものである。本発明は、より大きな視野を提供するためにこの問題を処理するものである。
B.Potsaid,Y.Bellouard及びJ.T.Wen:Scanning optical mosaic scope for micro-manipulation,Int.Workshop on Micro−Factories(IWMF02),R.Hollis及びB.J.Nelson編集,pp.85-88,2002年 M.Hafez,Y.Bellouard,T.Sidler,R.Clavel及びR.−P.Salathe:Local annealing of shape memory alloys using laser scanning and computervision,Laser Precision Microfabrication,I.Miyamoto,K.Sugioka及びT.Sigmon編集,Proc.SPIE 4088,pp.160-163,2000年
For the same reason, such microscopes are also desirable for biological and medical imaging performed using mechanical vision and industrial manufacturing and inspection. In the above-mentioned US, PCT, and provisional patent applications described above, the first design of the present inventors disclosed in Non-Patent Document 1 is called “Scanning Optical Mosaic Scope (SOMS)”. The advantage of combining a fast post-objective scanning system used for assembly and biological imaging with real-time mosaic construction technology is demonstrated. The previously disclosed optical arrangement for SOMS was initially shown by a machine made for laser annealed shape memory alloys (Non-Patent Document 2). This approach shares the concept of a post-objective two-dimensional scanning mirror. This configuration is also used in some commercial products, but in its basic form it has a limited field of view due to off-axis aberrations in the scanning lens. The present invention addresses this problem to provide a larger field of view.
B. Potsaid, Y. Bellouard and JT Wen: Scanning optical mosaic scope for micro-manipulation, Int. Workshop on Micro-Factories (IWMF02), edited by R. Holris and B. J. Nelson, pp. 85-88, 2002 M. Hafez, Y. Bellouard, T. Sidler, R. Clavel and R.-P. Salathe: Local annealing of shape memory alloys using laser scanning and computer vision, Laser Precision Microfabrication, I. Miyamoto, K. Sugioka and T. Sigmon Edit, Proc. SPIE 4088, pp.160-163, 2000

広視野且つ高解像度の顕微鏡結像系は、(1)像抽出問題及び(2)結像性能問題の考察によって導き出される。第一に、ほぼ完全である(すなわち、光学収差が回折限界より十分に低い)光学を有する結像系を考えるべきである。このような系は、1つの像面において2つの重なり合うエアリーパターンのような距離dによって離間された2つの点光源を想像させるであろう。2つの点光源の間の距離が減少すると、臨界距離は2つの点光源をもはや個別に識別することができない距離rに達するであろう。レイリー基準によれば、解像と呼ばれるこの臨界距離は、1つのエアリーディスクの中心が他方の第一の最小の輪の上に落ちる際に生じ、そして系の開口数NA及び光の波長λに関係するものである。系のNAは、媒質の屈折率nと集束された物体からの光の円錐の半角との関数である。   A wide-field and high-resolution microscope imaging system is derived from consideration of (1) image extraction problems and (2) imaging performance problems. First, an imaging system with optics that is nearly perfect (ie, optical aberrations are well below the diffraction limit) should be considered. Such a system would imagine two point sources that are separated by a distance d, such as two overlapping Airy patterns in one image plane. As the distance between the two point sources decreases, the critical distance will reach a distance r at which the two point sources can no longer be individually identified. According to the Rayleigh criterion, this critical distance, called resolution, occurs when the center of one Airy disk falls over the other first smallest ring, and at the numerical aperture NA of the system and the wavelength of light λ. It is related. The NA of the system is a function of the refractive index n of the medium and the half angle of the cone of light from the focused object.

デジタルカメラは、ナイキストサンプリング基準に従い、エイリアシングしないようにエアリー中心部半径当り2つのピクセルでサンプリングしなければならない。この観察は、1つのエッジ当りのセンサーアレイピクセル数k及び解像度rに関する最大理論的な物体視野幅Woを与える。   Digital cameras must sample at 2 pixels per Airy center radius to avoid aliasing according to the Nyquist sampling standard. This observation gives the maximum theoretical object field width Wo with respect to the number k of sensor array pixels per edge and the resolution r.

顕微鏡結像系は1/4μm〜数μmの範囲の解像度を有するものとしてしばしば設計される一方で、CCDカメラのピクセルサイズにおけるより低い実際上の制限はノイズ効果のために約6μmである。これゆえ、光学系は、与えられたセンサーピクセルサイズsに関して要求される最小倍率ファクターMを用いて、適正なサンプリングが行えるようにエアリーパターンを拡張しなければならない。この臨界的倍率で対応する画像サイズWiはWi=ksである。これを達成するための結像光学は包括的なブラックボックスとみなされるかもしれない。光学的設計作業は、結像系の設計を特定すること、すなわち、特定のレンズ群若しくはミラー群の幾何学的配置、ガラスの種類及び間隔空けによって前述のブラックボックスを詳細に埋めることである。   While microscopic imaging systems are often designed as having a resolution in the range of ¼ μm to several μm, the lower practical limit on the pixel size of a CCD camera is about 6 μm due to noise effects. Therefore, the optical system must expand the Airy pattern to allow proper sampling using the minimum magnification factor M required for a given sensor pixel size s. The corresponding image size Wi at this critical magnification is Wi = ks. Imaging optics to achieve this may be considered a comprehensive black box. The optical design task is to specify the design of the imaging system, i.e. to fill the aforementioned black box in detail with specific lens or mirror group geometry, glass type and spacing.

広視野且つ高解像度の結像系を設計する上での直感的アプローチは、既存の顕微鏡配置を採用し、より大きな視野を達成するために光学系を再設計する一方でカメラのピクセル数を単純に増加させるものであると思われる。このアプローチは確かに可能かもしれないが、視野サイズ、平坦像面及び開口数に関する必要条件がリソグラフィーレンズのそれらにすぐに近づくので、概して実際的ではない。1998年のニコン社のリソグラフィーレンズ(例えば米国特許第5,805,344号を参照)は、マスク及びウエハーイメージ用にそれぞれ93.6mm及び23.4mmの視野サイズを備えた0.65のNAを有している。   An intuitive approach to designing wide-field and high-resolution imaging systems takes existing microscope arrangements and redesigns the optics to achieve a larger field of view while simplifying the camera pixel count It seems that it is to increase. While this approach may certainly be possible, it is generally impractical because the requirements for field size, flat image plane, and numerical aperture quickly approach those of a lithographic lens. A 1998 Nikon lithography lens (see, for example, US Pat. No. 5,805,344) has a NA of 0.65 with field sizes of 93.6 mm and 23.4 mm for mask and wafer images, respectively. .

リソグラフィーレンズは、ほぼ完璧な製造及び非常に厳しい組立許容誤差(しばしば干渉的組立工程を必要とする)を必要とし、且つ数百万ドルの費用がかかり得るものである。また、負の倍率の素子が必要とされ、そして、顕微鏡及びリソグラフィーレンズの細い光線の領域並びに光線が太くなっている正の倍率の素子の位置に配置される。この設計技術は、平坦な像面(小さなペッツヴァル和)を達成するために使用され、そして、レンズ数の増大及び光学の複雑化をもたらしてしまう。考察すべき別の問題は、市販の大きなCCDカメラがわずか約9216×9216ピクセル(例えば、フェアチャイルド社のImaging CCD595)しか有しないということからしての像センサーのサイズである。より大きなピクセル数を達成するために、並列するイメージングチップからデータを読み込むことができるという利点(チップから像データを得るためのデータレートは最大リフレッシュレートを決定する限定因子になり得る)を有するモザイク中により小さなCCDアレイは組付けられ得るが、更なる精密な組付けが必要とするコストが生じる。最新の技術及び製造能力をもってしても、純粋な静的光学設計に基づく広視野且つ高解像度の結像系は、非常に高コスト、大型、厳しい組立許容誤差、及び光学の複雑さのために限られた適用のみであると思われる。   Lithographic lenses require near perfect manufacturing and very tight assembly tolerances (often requiring an interferometric assembly process) and can cost millions of dollars. Also, a negative magnification element is required and is placed at the location of the fine magnification region where the light beam is thick and the thin light beam area of the microscope and lithography lens. This design technique is used to achieve a flat image surface (small Petzval sum) and results in increased lens count and optical complexity. Another problem to consider is the size of the image sensor in that a large commercial CCD camera has only about 9216 × 9216 pixels (eg, Fairchild Imaging CCD595). Mosaic with the advantage that data can be read from parallel imaging chips to achieve a larger number of pixels (the data rate for obtaining image data from the chip can be a limiting factor in determining the maximum refresh rate) Smaller CCD arrays can be assembled, but at a cost that requires more precise assembly. Even with the latest technology and manufacturing capabilities, wide-field and high-resolution imaging systems based on purely static optical designs are very costly, large, tight assembly tolerances, and optical complexity It seems to be limited application only.

視野サイズと解像度との相反関係を解決する代替的な最近のアプローチのうちのいくつかの概要を表1に示す。なお、比較のため、表1には本発明の性能も示されている。最初の5つの方法(複数の顕微鏡による複数の同焦点対物レンズ)は十分に確立されてすっかり普通のものである。この表において「基本的ポストオブジェクティブ走査」法は、系のレイアウトの面から非常に低い開口数に限定され且つかなりの軸外れ収差の面で問題のある市販のユニットを意味するものである。Dmetrix社によって販売されたアレイ顕微鏡は特に興味深いものである。Dmetrix社はいくつかの特許によって保護されており、例えば、多軸結像系のための等化に関する米国特許第6,958,464号、アレイ顕微鏡のための小型顕微鏡対物レンズに関する米国特許第6,950,241号、空気軸受コンベアを有するスライドフィーダーに関する米国特許第6,905,300号、個々に調整可能な素子を有する多軸結像系に関する米国特許第6,842,290号などである。この系は、像を迅速に得るように並行して働く80個の小型顕微鏡のアレイ(各々3つの非球面設計の素子)を使用する。顕微鏡用スライドの範囲に沿って顕微鏡のアレイをゆっくり進めることによって大規模な合成像が構築され得る。並列結像軌道を与えれば、これは、本発明者らが現在知っている、静止物体の医療診断級画像を与える最速の面走査技術である(1つのピクセル当たり0.47ミクロンで225mmのエリアを58秒で走査し圧縮して格納する)。一つの関連ある技術は、センサーピクセルの直線状アレイを通過して標本(しばしば顕微鏡対物レンズを通して投射される)を掃引する線走査システムである。この線走査技術の主な欠点は、画像が、より典型的な面基準の像センサーのように一面一面(n×nピクセル)としてではなく一線一線(n×1ピクセル)として得られるということである。その結果は、高いスループットを得るために線走査システムが非常に短い露光時間及び/又は明るい照明を一般に必要とすることであり、これは、光損傷、漂白及び蛍光を考慮しなければならない生物学的適用においては多くの場合不可能である。 A summary of some of the recent alternative approaches to resolving the reciprocal relationship between field size and resolution is given in Table 1. For comparison, Table 1 also shows the performance of the present invention. The first five methods (multiple confocal objectives with multiple microscopes) are well established and quite normal. In this table, the “basic post-objective scanning” method refers to a commercially available unit that is limited to a very low numerical aperture in terms of system layout and is problematic in terms of significant off-axis aberrations. The array microscope sold by Dmetrix is of particular interest. Dmetrix is protected by several patents, such as US Pat. No. 6,958,464 for equalization for multi-axis imaging systems, US Pat. No. 6,950,241 for miniature microscope objectives for array microscopes, air bearings U.S. Pat. No. 6,905,300 for a slide feeder with a conveyor, U.S. Pat. No. 6,842,290 for a multi-axis imaging system with individually adjustable elements. This system uses an array of 80 miniature microscopes (each of three aspheric design elements) that work in parallel to obtain images quickly. Large scale composite images can be constructed by slowly advancing the array of microscopes along the extent of the microscope slide. Given the parallel imaging trajectory, this is the fastest surface scanning technique we currently know provides a medical diagnostic grade image of a stationary object (225 mm 2 at 0.47 microns per pixel). Scan the area in 58 seconds and store it compressed). One related technique is a line scanning system that sweeps a specimen (often projected through a microscope objective) through a linear array of sensor pixels. The main drawback of this line scanning technique is that the image is obtained as a single line (n × 1 pixel) rather than as a single line (n × n pixel) as in a more typical surface-based image sensor. is there. The result is that to obtain high throughput, line scanning systems generally require very short exposure times and / or bright illumination, which is a biology that must take into account photodamage, bleaching and fluorescence. In many cases it is not possible in a typical application.

並列の像取得と比較的遅い再配置速度とにより、Dmetrix社は静止且つ高いフィルファクターの適用において優れている。フィルファクターは、関心の対象であって考慮中の適用のために絶対的に画像化又は感応化されなければならない全観察可能領域の割合である。本発明のASOMは非常に速い再配置速度に合わせて像を連続的に得るので、当該ASOMは動的な及び/又は低いフィルファクターの適用において優れるであろう。低いフィルファクターの適用は、大きな細胞集団上での希有な事象の生物学的結像、複数の動いている有機体の追跡、顕微鏡用スライドの上にでたらめに置かれる針抽出によって抽出された組織の医学的診断などを含むものである。ほとんどの製造的な適用は、物体の動的な追跡或いは組立ての間に頻繁に要求される特徴を観察又は検査する必要がある一定の重要な領域のみに低いフィルファクターを要求する。   Due to the parallel image acquisition and relatively slow relocation speed, Dmetrix excels in stationary and high fill factor applications. Fill factor is the percentage of the total observable area that is of interest and must be absolutely imaged or sensitized for the application under consideration. Since the ASOM of the present invention continuously obtains images for very fast repositioning rates, the ASOM will be superior in dynamic and / or low fill factor applications. Low fill factor applications include biological imaging of rare events on large cell populations, tracking of multiple moving organisms, and tissue extracted by needle extraction placed on a microscope slide Including medical diagnosis. Most manufacturing applications require a low fill factor only in certain critical areas where it is necessary to observe or inspect the frequently required features during dynamic tracking or assembly of the object.

より一般的には、本発明のASOMは、広い視野及び高解像度の双方を必要とする困難な空間的−一時的な観察作業に対して特に適したものである。これらの問題点の考察はASOMの設計に対して動機づけし、そしてこれに寄与した。   More generally, the ASOM of the present invention is particularly suitable for difficult spatial-temporary viewing tasks that require both a wide field of view and high resolution. Discussion of these issues motivated and contributed to the design of ASOM.

Figure 2008529082
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可変鏡(deformable mirrors)を備えた補償光学技術は、人間の目の内部での高解像度の結像を可能とするために用いられてきた(H.Hoffer,L.Chen,G.Y.Yoon,B.Singer,Y.Yamauchi及びD.R.Williams,“Improvement in retinal image quality with dynamic correction of the eye's aberrations,”Opt.Express 8,631-543,2001年,http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-8-11-631を参照)。それは、目のレンズの収差を変化させる時間ゆえに特に困難である。同様に、可変鏡は、軸外れ収差を修正するため、及び共焦点顕微鏡における試料により引き起こされる波面乱れを修正するために用いられてきた。結像系における視野の拡張は、また、フォビエティド結像系を作成するために液晶空間光変調器によって以前に示されている(D.Wick,T.Martinez,S.Restaino及びB.Stone,“Foveated imaging demonstration,”Opt.Express 10,60-65,2002年,http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-10-1-60を参照)。   Compensation optics with deformable mirrors have been used to enable high resolution imaging inside the human eye (H. Hoffer, L. Chen, G. Y. Yoon). , B. Singer, Y. Yamauchi and D. R. Williams, “Improvement in retinal image quality with dynamic correction of the eye's aberrations,” Op. Express 8, 631-543, 2001, http: //www.opticsexpress. see org / abstract.cfm? URI = OPEX-8-11-631). It is particularly difficult because of the time to change the aberration of the eye lens. Similarly, deformable mirrors have been used to correct off-axis aberrations and to correct wavefront disturbances caused by samples in confocal microscopes. The expansion of the field of view in the imaging system has also been shown previously by liquid crystal spatial light modulators to create a forbidden imaging system (D. Wick, T. Martinez, S. Restaino and B. Stone, “ Foveated imaging demonstration, “Opt. Express 10, 60-65, 2002, see http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-10-1-60).

公知設計の共焦点顕微鏡は、物体平面に接合する平面に位置するピンホールスクリーンを使用する。このピンホールは、焦点面と同じ深さにない光を拒絶する。ピンホールは、さらに、像面の中心にない光を拒絶する。したがって、共焦点顕微鏡は、物体を点ごとに抽出する。像は点ごとに構築され、標本上の結像点の位置を走査するための手段を有する。共焦点顕微鏡の基礎的な入門はhttp://www.physics.emory.edu/~weeks/confocalに見出すことができる。   Known designs of confocal microscopes use a pinhole screen located in a plane that joins the object plane. This pinhole rejects light that is not at the same depth as the focal plane. The pinhole further rejects light that is not in the center of the image plane. Therefore, the confocal microscope extracts an object for each point. The image is constructed point by point and has means for scanning the position of the imaging point on the specimen. A basic introduction to confocal microscopy can be found at http://www.physics.emory.edu/~weeks/confocal.

本発明のASOMは有限の像を用いて画像を得る(つまり、完全な2次元像は、点ごとに像を構築するというよりむしろ全て一度に露わにされる)。有限の像を実行するための必要条件は、点抽出技術(共焦点顕微鏡)には必要ない、光学系上の一定の必要条件を課す。ASOMの有限の像に基づくアプローチの利点のうちのいくつかは、物体の複数の領域が並行して結像されることであり、取得時間がより速くなる。これは特に、低照明条件に対して或いは物体が運動している場合に重要なものである。さらに、照明必要条件に関しても有利である。しかしながら、有限の像に基づく系は、共焦点系が可能であるような垂直な「断面」に対する能力を試料に提供するものではない。   The ASOM of the present invention uses a finite image to obtain an image (ie, a complete two-dimensional image is exposed all at once rather than building an image point by point). The requirements for performing a finite image impose certain requirements on the optical system that are not necessary for point extraction techniques (confocal microscopy). Some of the advantages of ASOM's finite image-based approach are that multiple regions of the object are imaged in parallel, resulting in faster acquisition times. This is particularly important for low lighting conditions or when the object is moving. Furthermore, the lighting requirements are also advantageous. However, systems based on finite images do not provide the sample with the ability for vertical “cross-sections” such that confocal systems are possible.

米国特許第6,771,417号は、補償光学を含む非共焦点配置を開示するものである。補償光学を含む共焦点配置に関する米国特許第6,555,826号、及び収差制御及び精密な焦点化を助けるための走査共焦点顕微鏡における補償光学素子に関する米国特許第6,381,074号を参照のこと。米国特許第6,483,641号は、顕微鏡において使用される空間光変調器を開示している。   U.S. Patent No. 6,771,417 discloses a non-confocal arrangement that includes adaptive optics. See US Pat. No. 6,555,826 for confocal placement including adaptive optics and US Pat. No. 6,381,074 for adaptive optics in a scanning confocal microscope to aid in aberration control and precise focusing. US Pat. No. 6,483,641 discloses a spatial light modulator for use in a microscope.

種々様々な分野における先行技術を超える改良された性能を有する補償走査光学顕微鏡を提供することが本発明の目的の一つである。   It is an object of the present invention to provide a compensated scanning optical microscope having improved performance over the prior art in a wide variety of fields.

本発明のASOM設計はSOMS(米国特許出願第10/525,422号を再度参照)の走査及びモザイク構築原理を共有するものであるが、本発明のASOMは、回折限界に達しない収差を許容する注文設計された走査レンズを導入することによって軸外れ収差を解決する補償光学素子を当該ASOMが組込んだという点で、SOMS及び有限の像を実行する関連するポストオブジェクティブシステムとは異なるものである。加えて、ASOMは、平坦像面要求を緩めることによって走査レンズが単純化され、それ自体の中心周りに回転する顕著に湾曲した中間像面を投射するためのステアリングミラーを用いて作動する点において既存の技術と異なるものである。光学的な複雑さを単純化すると共に製造及び組立ての必要条件を低減するこれらの発想を用い、新規なASOMの基本的概念は、ポストオブジェクティブ走査配置を形成するために走査レンズと結像光学との間に位置した少数且つ非常に早いステアリングミラーを用いるものである。   While the ASOM design of the present invention shares the scanning and mosaic construction principles of SOMS (see again US patent application Ser. No. 10 / 525,422), the ASOM of the present invention is an order that allows aberrations that do not reach the diffraction limit. It differs from related post-objective systems that perform SOMS and finite images in that the ASOM incorporates an adaptive optics that solves off-axis aberrations by introducing a designed scanning lens. In addition, ASOM simplifies the scanning lens by relaxing the flat image surface requirement and works in that it uses a steering mirror to project a significantly curved intermediate image surface that rotates around its own center. It is different from existing technology. Using these ideas to simplify the optical complexity and reduce manufacturing and assembly requirements, the basic concept of the new ASOM is to form a scanning lens and imaging optics to form a post-objective scanning arrangement. A few and very fast steering mirrors are used.

像が各走査位置において得られ、そして、像モザイク技術によって物体の大きな合成画像を迅速に構築することができる。このような配置の利点は、高解像度の大きな有効視野、試料に対する攪乱がないこと、及び、秒当たりに多くの動作/画像を得る能力である。しかしながら、このような装置構成はまた、軸外れ結像に起因する重要な設計及び実施要求を引き起こすものであり、これらはさらに本発明によって以下により解決される。   An image is obtained at each scan position and a large composite image of the object can be quickly constructed by image mosaic techniques. The advantages of such an arrangement are a high resolution large effective field of view, no disturbance to the sample, and the ability to obtain many motions / images per second. However, such an arrangement also raises important design and implementation requirements due to off-axis imaging, which are further solved by the present invention by:

1.走査レンズの複雑さを大幅に減少させるために像面湾曲を設計中に明白に組み入れること。   1. Incorporating field curvature explicitly in the design to significantly reduce the complexity of the scanning lens.

2.1つの運転モードにおいて1つの像が得られ、そして関連光は走査位置に依存する残存収差を修正するために補償光学素子(例えば可変鏡、空間光変調器、光学位相配列、可変レンズ或いは同様の光学素子)を含む光路に沿って進行する。   2. One image is obtained in one mode of operation, and the associated light is a compensating optical element (eg, variable mirror, spatial light modulator, optical phase array, variable lens or It travels along an optical path including a similar optical element.

3.像ひずみを除去する画像加工。   3. Image processing that removes image distortion.

本発明のASOM設計は、高い処理量を要求する適用、比較的低照明の条件、及び/又は重要な空間的−一時的観察において優れたものであるが、移動ステージに関連する事実上無制限の視野を提供するものではない。   The ASOM design of the present invention excels in applications requiring high throughput, relatively low illumination conditions, and / or important spatial-temporary observations, but is virtually unlimited in connection with moving stages. It does not provide a field of view.

ASOMが魅力的になるであろうところの生物学的適用は、生細胞の多くの個体群に亘る動的な細胞の事象(有糸分裂、ウイルス付着、運動性、薬品適用に対する細胞反応)を観察することや、試料に関する選択した関心領域についての観察を包含する。ASOMは、また、迅速にウェルプレートから像を得るために、或いはマイクロインジェクション若しくはマニュプュレーション活性において視覚的フィードバックを提供するために有用であろう。光路に光を照射すると共に適当なフィルターを挿入することによって、追加照明モードは蛍光結像を可能とするであろう。開口の近くに位相板を挿入することによって、生物学において一般的である優越相の物体の観察のための位相コントラスト結像が達成されるであろう。   Biological applications where ASOM would be attractive are dynamic cell events (mitosis, virus attachment, motility, cellular response to drug application) across many populations of living cells. This includes observing and observing a selected region of interest on the sample. ASOM may also be useful to quickly obtain images from well plates or to provide visual feedback in microinjection or manipulation activity. By illuminating the light path and inserting an appropriate filter, the additional illumination mode will allow fluorescence imaging. By inserting a phase plate near the aperture, phase contrast imaging for the observation of dominant phase objects common in biology will be achieved.

工業的には、ASOMは、より高い製品処理量の可能性もって、視覚誘導微細組立、処理及び迅速な部品の検査を可能とする。医学的診断に関しては、ASOMは、生物学的試料の迅速な結像を可能とする。例えば、針抽出で得られた生検の場合には、試料はスライドの上にでたらめに置かれ、そしてスライド面積のほんのわずかな部位のみを占める。ASOMは非常に迅速なバックグラウンド走査及びその後の関心領域の生検部位のみの高品質の走査を行うことができる。迅速なバックグラウンド走査の高速性は、ステアリングミラーの動きを止めることなく結像することにより得られる。これらの像はわずかにぼけるであろうが、組織試料位置が識別されることを可能にする。その後、ASOMは、関心領域を捕捉するために走査軌道を計画する。その後、各露出のために完全に止められ定置されたステアリングミラーを用いて当該像を得ることにより、試料の高品質画像が得られる。   Industrially, ASOM allows for visually guided microassembly, processing and rapid part inspection with the potential for higher product throughput. For medical diagnosis, ASOM allows for rapid imaging of biological samples. For example, in the case of a biopsy obtained by needle extraction, the sample is placed on the slide randomly and occupies only a small portion of the slide area. ASOM can perform very fast background scans and subsequent high quality scans of only the biopsy site of the region of interest. The high speed of rapid background scanning is obtained by imaging without stopping the movement of the steering mirror. These images will be slightly blurred but allow the tissue sample location to be identified. The ASOM then plans a scan trajectory to capture the region of interest. A high quality image of the sample is then obtained by obtaining the image using a steering mirror that is completely stopped and placed for each exposure.

それゆえに、本発明のさらに別の目的は、物体平面の異なる部位からの像を得るため及び像が得られる物体平面の部分の関数として変化する少なくともいくらかの収差を有する好ましく湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体と、像面からの光であって物体平面から最終像平面に至る光路に沿った光を操縦するステアリングミラーと、物体平面から像面への操縦された光を受けるため及び収差を動的に補償するための補償光学構成要素と、ステアリングミラーから補償光学素子を通って最終像平面へ光が移動するように光を誘導し条件付けし更に集束させるために光路の少なくとも一部に沿って設けられた補助的光学とから構成される補償走査光学顕微鏡を提供することである。   Therefore, yet another object of the present invention is to obtain images from different parts of the object plane and to form a preferably curved image plane with at least some aberrations that vary as a function of the portion of the object plane from which the image is obtained. A scanning lens assembly, a steering mirror that steers light from the image plane along the optical path from the object plane to the final image plane, and steered light from the object plane to the image plane Compensation optics for dynamically compensating for aberrations and at least a path of the light path for directing, conditioning and further focusing the light so that it travels from the steering mirror through the compensation optics to the final image plane. It is to provide a compensation scanning optical microscope composed of auxiliary optics provided along a part.

本発明を特徴づける新規な種々の特徴は、添付されて本開示の一部をなす請求の範囲において詳細に言及される。本発明、その作動利点、及びその使用によって達成される特定の課題のより良好な理解のために、添付の図面及び本発明の好ましい実施形態が説明された記載が参照される。   Various novel features that characterize the invention are pointed out with particularity in the claims appended hereto and forming a part hereof. For a better understanding of the invention, its operating advantages, and specific problems achieved by its use, reference is made to the accompanying drawings and the description in which preferred embodiments of the invention are described.

同じ或いは同様の要素に言及するために同様の参照番号が用いられている図面を参照すると、図1は、物体12から連続的に小さな空間に置き換えられた像のシーケンスをとり、次に、大規模な合成像(モザイク)或いはいくつかに解体されておそらくオーバーラップしている光景の像を組み立てることによって作動する補償走査光学顕微鏡或いはASOM10を示す。   Referring to the drawings in which like reference numerals are used to refer to the same or similar elements, FIG. 1 takes a sequence of images that are continuously replaced from object 12 by a small space, and then large 1 shows a compensated scanning optical microscope or ASOM 10 that operates by assembling a scaled composite image (mosaic) or an image of a scene that has been disassembled into several and possibly overlapping.

モザイク構築を通じて解像力を維持する一方で視野を拡張する一般的な概念は公知であり、生物学的結像(J.Zemek,C.Monks,and B.Freiberg,“Discovery through automation,”Biophotonics International 10,54-57,2003年を参照)並びに工業的結像(C.Guestrin,F.Cozman,and S.Godoy,“Industrial applications of image mosaicing and stabilization,”in Proceedings of IEEE International Conference on Knowledge−Based Intelligent Electronic Systems−Institute of Electrical and Electronics Engineers,New York,1998年,vol.2,pp.174-183を参照)に応用されているが、一般的な移動ステージに代えて、本発明の機構及び走査原理は、特別に設計された走査レンズ集合体(scanner lens assembly)16、補償光学(Adaptive Optics:AO)素子18(例えば、可変鏡、空間光変調器、光学位相アレイ、可変レンズ、或いは同様の光学素子)及び補助的結像光学20と協働して作動する高速2次元ステアリングミラー14を含むものである。像は、例えば適当な性能及び速度のデジタルカメラ、分光計、その他の光感知装置といったセンサー22によって結局は抽出される。   The general concept of expanding the field of view while maintaining resolution through mosaic construction is well known, and biological imaging (J. Zemek, C. Monks, and B. Freiberg, “Discovery through automation,” Biophotonics International 10). , 54-57, 2003) and industrial imaging (C. Guestrin, F. Cozman, and S. Godoy, “Industrial applications of image mosaicing and stabilization,” in Proceedings of IEEE International Conference on Knowledge-Based Intelligent Intelligent. Electronic Systems—Institute of Electrical and Electrical Engineers, New York, 1998, vol.2, pp.174-183), but instead of a general moving stage, the mechanism and scanning of the present invention The principle is that a specially designed scanner lens assembly 16, adaptive optics (AO) element 18 (example) For example, a variable mirror, spatial light modulator, optical phase array, variable lens, or similar optical element) and a high-speed two-dimensional steering mirror 14 operating in cooperation with the auxiliary imaging optics 20 are included. The image is eventually extracted by a sensor 22 such as a digital camera, spectrometer, or other light sensitive device of appropriate performance and speed.

結像光学20は、前方AO(補償光学)条件付け光学若しくは接眼レンズ32、倒立AO条件付け光学若しくは接眼レンズ34及び最終結像光学36を含み、これらは各々1つ以上の素子から構成され得る。   The imaging optics 20 includes a forward AO (compensating optics) conditioning or eyepiece 32, an inverted AO conditioning optics or eyepiece 34 and a final imaging optics 36, each of which can be comprised of one or more elements.

図1は、さらに、スタアリングミラーの位置を制御するための少なくとも一つの電子システム15、及び、補償光学素子への作動信号を制御するための少なくとも一つの電子システム17を図示する。少なくとも一つの電子システム19も、センサー(例えばカメラ22)からのデータを読み込むために、さらに、最終像平面での光の獲得データの表示、加工、及び/又は格納のうちの少なくとも一つを行うために備えられる。   FIG. 1 further illustrates at least one electronic system 15 for controlling the position of the steering mirror and at least one electronic system 17 for controlling the actuation signal to the adaptive optics. The at least one electronic system 19 also performs at least one of displaying, processing and / or storing light acquisition data at the final image plane to read data from a sensor (eg, camera 22). Provided for.

図2は、本発明のASOMの共役画像及び開口平面を示すものであり、また、光学素子を、走査レンズ16、前方接眼レンズ32、倒立接眼レンズ34及び最終結像光学36に分けるものであり、これらの後ろの3つの光学集合体若しくは素子群は補助的結像光学20を形成する。瞳孔の像に位置するステアリングミラー14が投射された実の中間像を照準する間に、走査レンズ16は物体12若しくは物体平面1からの光を集める。開口の第一の像A1は、第一の中間像平面2に近く光路中に続いているSLA16の結果として生成される。従来の光学顕微鏡における周知の接眼レンズと同様に作用して、ASOM10中の接眼レンズ32は第一の中間像2を抽出し、そして可変鏡18が位置する外部瞳孔を投射する。   FIG. 2 shows a conjugate image and an aperture plane of the ASOM of the present invention, and the optical elements are divided into a scanning lens 16, a front eyepiece 32, an inverted eyepiece 34, and a final imaging optics 36. The three optical assemblies or element groups behind these form the auxiliary imaging optics 20. The scanning lens 16 collects light from the object 12 or the object plane 1 while aiming the actual intermediate image projected by the steering mirror 14 positioned on the image of the pupil. A first image A1 of the aperture is produced as a result of the SLA 16 continuing in the optical path close to the first intermediate image plane 2. Acting like a known eyepiece in a conventional optical microscope, the eyepiece 32 in the ASOM 10 extracts the first intermediate image 2 and projects the external pupil where the deformable mirror 18 is located.

本発明の初期設計における前方AO条件付け光学32は、負の視野レンズ33と正の接眼レンズ35との間に中間像2が位置する点でホイヘンスの接眼レンズと類似している。顕著な違いは、負の視野レンズ33の使用である。これは、補償光学素子レリーフ(接眼レンズ35と補償光学素子例えば可変鏡18との間の距離)を延長する効果があるが、より大きな接眼レンズ35という代償を払う。開口の第二の像A2は、接眼レンズ35の結果として生成される。倒立AO条件付け光学34は、ケルナー接眼レンズに似ているが、正レンズ及び開口の第二の像A2に続く負の視野レンズ37を有する。負の視野レンズ37はまた、結像光学における負のぺッツヴァル和に寄与することを助け、そして、第二の中間像平面3を確立する。   The forward AO conditioning optics 32 in the initial design of the present invention is similar to Huygens eyepieces in that the intermediate image 2 is located between the negative field lens 33 and the positive eyepiece 35. A significant difference is the use of a negative field lens 33. This has the effect of extending the relief optical element relief (the distance between the eyepiece 35 and the compensation optical element such as the deformable mirror 18), but at the cost of a larger eyepiece 35. A second image A2 of the aperture is generated as a result of the eyepiece 35. The inverted AO conditioning optics 34 is similar to a Kelner eyepiece, but has a negative field lens 37 following the positive lens and the second image A2 of the aperture. The negative field lens 37 also helps to contribute to the negative Petzval sum in the imaging optics and establishes a second intermediate image plane 3.

本発明の有効性の調査のために、発明者は、ホイヘンスやケルナー接眼レンズに似た構成を実際に使用した。とはいえ、本発明において良好に作動する多くの接眼レンズの構成がある。研究所に組み立てた本発明の実験装置においては、7つまでのレンズ素子を含む接眼レンズ構成を使用する。重要なのは接眼レンズのタイプではなく、ASOMを定義づけるのに重要なのは接眼レンズの機能である。この理由から、本発明の前方及び倒立接眼レンズが、前方及び倒立AO条件付け光学として、一層詳しく説明される。   In order to investigate the effectiveness of the present invention, the inventor actually used a configuration similar to Huygens and Kelner eyepieces. Nonetheless, there are many eyepiece configurations that work well in the present invention. The experimental device of the present invention assembled in the laboratory uses an eyepiece configuration including up to seven lens elements. What matters is not the type of eyepiece, but what is important in defining ASOM is the function of the eyepiece. For this reason, the front and inverted eyepieces of the present invention are described in more detail as front and inverted AO conditioning optics.

ここでまた重要な点は、前方接眼レンズ瞳孔結像光学、倒立接眼レンズ瞳孔結像光学及び最終結像光学を構築する多くの異なる方法があるということである。例えば、本明細書で詳細に論じられる模擬設計は、接眼レンズ群に2つのレンズ素子を使用し、最終結像光学に1つのレンズ素子を使用する。研究室に組み立てた実験装置は、前方接眼レンズに7つの素子を使用し、倒立接眼レンズに3つの素子を使用し、そして最終結像光学に7つの素子を使用する。光学の分野における通常の技能を持つ人は、本発明の原理を一度理解しさえすれば、本発明の他の実施形態を組立て得るであろう。   Also important here is that there are many different ways of constructing the front eyepiece pupil imaging optics, the inverted eyepiece pupil imaging optics, and the final imaging optics. For example, the simulated design discussed in detail herein uses two lens elements for the eyepiece group and one lens element for the final imaging optics. The laboratory setup assembled in the laboratory uses 7 elements for the front eyepiece, 3 elements for the inverted eyepiece, and 7 elements for the final imaging optics. Those with ordinary skill in the field of optics will be able to assemble other embodiments of the present invention once they understand the principles of the present invention.

最終結像光学36は、エイリアシングを防ぐのに適切な倍率をもって、最終像平面4に位置するセンサー(例えばサイエンスカメラ22、図1参照)へと第二の中間像3を中継する。系開口絞りは、結像系によって受け入れられた光線束の境界を定める。結局、センサーの作動領域は視野絞りのために与えられるであろうが、付加的な視野絞りが、系において迷光及び不必要な光を低減するために第一及び第二の中間像面に付加され得る。機械的ハウジング内の機械加工溝や表面に適用される黒色被覆のような、方向不定な迷走する光を低減するその他の機構は、ASOM光路の全体にわたって好ましく使用され得る。   The final imaging optics 36 relays the second intermediate image 3 to a sensor (eg, the science camera 22, see FIG. 1) located at the final image plane 4 with an appropriate magnification to prevent aliasing. The system aperture stop delimits the beam bundle received by the imaging system. Eventually, the working area of the sensor will be provided for the field stop, but an additional field stop is added to the first and second intermediate image planes to reduce stray and unwanted light in the system. Can be done. Other mechanisms that reduce undirected stray light, such as machined grooves in the mechanical housing and black coating applied to the surface, can be preferably used throughout the ASOM optical path.

本発明はまた、顕微鏡対物レンズやリソグラフィーレンズとは異なる湾曲像面走査配置を有利に用いる。   The present invention also advantageously uses a curved field scan arrangement that is different from a microscope objective or lithography lens.

図3を参照すると、範囲(c)では、本発明のASOM10の走査レンズ16は、比較的大きなペッツヴァル和を有する顕著な像面湾曲Cを示すように設計されている。図3において薄肉レンズに関する範囲(a)及び人間の目に関する範囲(b)に示されるように、レンズの「自然な」作用は湾曲した像面を用いて結像することであるので、この平坦像面要求の緩和は、非常に少ないレンズ素子を用いて非常に単純化された光学設計を行えるという利点を提供するものである。   Referring to FIG. 3, in range (c), the scanning lens 16 of the ASOM 10 of the present invention is designed to exhibit a pronounced field curvature C having a relatively large Petzval sum. As shown in the range (a) for the thin lens and the range (b) for the human eye in FIG. 3, the “natural” action of the lens is to form an image using a curved image plane. Relaxation of the image plane requirement provides the advantage that a very simplified optical design can be made using very few lens elements.

正レンズ素子は正のペッツヴァル和に寄与し、負レンズ素子は負のペッツヴァル和に寄与するので、平坦像面結像系の設計は、ほぼゼロに近い系全体のペッツヴァル和を達成するように、正レンズ素子と負レンズ素子との両方を注意深く使用することを必要とする。非単一倍率は、負レンズ素子を光線直径が細い領域に配置すると共に正レンズ素子を光線直径が太い領域に配置することにより得られる。図3に示される湾曲した像面を許容する比較的単純なASOM走査レンズを、平坦像面顕微鏡対物レンズ及びリソグラフィーレンズと比較してみるとよい。さらに、湾曲像面設計の利点は相当な軽量化及び設計単純性を提供するものとして航空宇宙用途に関して認識されている(J.M.Rodgers,“Curved Focal Surfaces:Design Optimization Through Symmetry,Not Complexity,”Photonics,Tech Briefs−Online,2003年,http://www.ptbmagazine.com/content/040103ora.htmlを参照)ことに留意すべきである。   Since the positive lens element contributes to the positive Petzval sum and the negative lens element contributes to the negative Petzval sum, the design of the flat image plane imaging system will achieve a Petzval sum of the entire system that is nearly close to zero. It requires careful use of both positive and negative lens elements. The non-single magnification is obtained by arranging the negative lens element in a region where the light beam diameter is thin and arranging the positive lens element in a region where the light beam diameter is thick. Compare the relatively simple ASOM scanning lens shown in FIG. 3 that allows for a curved image plane with a flat field microscope objective and a lithographic lens. In addition, the advantages of curved field designs have been recognized for aerospace applications as providing significant weight savings and design simplicity (J. M. Rodgers, “Curved Focal Surfaces: Design Optimization Through Symmetry, Not Complexity, (See “Photonics, Tech Briefs-Online, 2003, http://www.ptbmagazine.com/content/040103ora.html”).

ASOM走査システムの代表的な光学設計目的ではない追加的な特性は次のものを含んでいる。   Additional characteristics that are not typical optical design objectives for ASOM scanning systems include:

1.像面湾曲の中心、2次元ステアリングミラーの回転中心、当該ミラーの表面、及び光学瞳孔平面は、全て相互に一致する。   1. The center of field curvature, the center of rotation of the two-dimensional steering mirror, the surface of the mirror, and the optical pupil plane all coincide with each other.

2.投射像表面の形状は、像面湾曲に関連するより典型的な放物線状表面ではなく、ほとんど球状である。これはより高い程度で収差制御を通じて達成される。   2. The shape of the projected image surface is almost spherical, rather than the more typical parabolic surface associated with field curvature. This is achieved through aberration control to a greater extent.

上記の言及された条件の下で、ステアリングミラーの角度を変更すると、図4に示すように、投射された湾曲した像表面がそれ自身の中心周りに回転する。ステアリングミラーの角度を変更すると、適合する負に湾曲した像面を有する静止結像光学が像表面の部分を抽出するためのフレーム絞りと共に作動し、像走査及び選択機構が提供される。   Under the above mentioned conditions, changing the angle of the steering mirror causes the projected curved image surface to rotate around its own center, as shown in FIG. When the angle of the steering mirror is changed, the stationary imaging optics with a matching negatively curved image surface operate with a frame stop to extract a portion of the image surface, providing an image scanning and selection mechanism.

この配置は、大きく且つ平坦な像面の結像系の必要性を排除するので有利である。代わりに、図5に示されるように、この系は、(1)走査レンズに関連した大きな正に湾曲した像面及び(2)結像光学に関連した小さな負に湾曲した像面を示し、これゆえ、上記で議論したような大きな連続的平坦像面の結像系を設計すること及び製造することに係る顕著な困難性を回避するものである。実際、結像光学は低開口数であり小さな視野サイズであり且つ主に軸上で使用されるものであるので、発明者らは、中位の大きさのセンサーアレイ(512×512ピクセル)と共に使用された場合に、既製の光学が回折限界性能に十分な収差補正を提供することができることを見出した。より大きなセンサーアレイは注文品の結像光学を必要とするであろう。   This arrangement is advantageous because it eliminates the need for a large and flat image plane imaging system. Instead, as shown in FIG. 5, the system exhibits (1) a large positively curved image surface associated with the scanning lens and (2) a small negatively curved image surface associated with the imaging optics; This avoids the significant difficulties associated with designing and manufacturing a large continuous flat image plane imaging system as discussed above. In fact, the imaging optics are low numerical aperture, small field size and mainly used on-axis, so we have a medium size sensor array (512 × 512 pixels) It has been found that off-the-shelf optics can provide sufficient aberration correction for diffraction limited performance when used. Larger sensor arrays will require custom imaging optics.

次に、図6により、本発明の補償光学素子波面補正を詳述する。   Next, the compensation optical element wavefront correction according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.

走査レンズ16及び全体的系配置は像面湾曲を取り扱うように明白に設計されるが、その他の軸外れ収差(例えばコマ収差、非点収差及びその他のより高いオーダーの収差)はそれでも存在する。従来の解決法ではこれらの残余の収差の平衡を保つためにレンズ素子を加えることになるであろうが、ASOMにおいて生じるこのような激しい軸外れ結像では、完全に補償されたレンズ集合体は法外に大きなレンズ数を必要とするであろう。   Although the scanning lens 16 and the overall system arrangement are clearly designed to handle field curvature, other off-axis aberrations (eg, coma, astigmatism and other higher order aberrations) are still present. While conventional solutions would add lens elements to balance these residual aberrations, with such intense off-axis imaging that occurs in ASOM, the fully compensated lens assembly is It would require an excessively large number of lenses.

本発明は、顕著な波面収差(光路差のいくつかの波まで)を備えた「良好な」走査レンズを設計することによってこの問題を回避し、その上、選択された特定の視野上の収差を補償するために補償光学素子18として可変鏡を使用する。収差における変動は、走査範囲の全体にわたる個々の視野位置の間で許容される。しかしながら、可変鏡が一度に一つの特定形状だけを達成することができるとすれば、視野位置間の収差における変化率は、選択されている全ての部分視野にわたって回折限界的結像性能を可能とするほどに十分に小さくなければならない。   The present invention avoids this problem by designing a “good” scanning lens with significant wavefront aberrations (up to several waves in the optical path difference), as well as aberrations on the specific field of choice. In order to compensate for this, a variable mirror is used as the compensating optical element 18. Variations in aberrations are tolerated between individual field positions throughout the scan range. However, if the deformable mirror can only achieve one specific shape at a time, the rate of change in aberrations between field positions allows diffraction limited imaging performance across all selected partial fields. It must be small enough to do.

これは、補償光学望遠鏡の分野において広く認識されている大気中のアイソプラナティックな(コマ収差のない)パッチの概念に似たものである。ASOMにおいて類推すれば、走査レンズのアイソプラナティックパッチは選択された部分視野より大きいに違いない。そうでなければ、像は各部分視野の端部でぼけるであろう。   This is similar to the concept of atmospheric isoplanatic (coma-free) patches that are widely recognized in the field of adaptive optics telescopes. By analogy in ASOM, the scan lens isoplanatic patch must be larger than the selected partial field of view. Otherwise, the image will be blurred at the end of each partial field.

以下のシミュレーション結果は、高い再現性のZEMAXシミュレーションに基づくものであり、既存の顕微鏡技術と比較したときにASOMが解像度を保持しながら拡張した視野を有効に提供することができることを実証するものである。表2は本明細書において述べた特定のASOM設計の性能仕様を列挙するものであるが、この設計に適当な変更を加えることで視野面積及び開口数を考慮中の観察作業に適合させることができる。しかしながら、一般に、視野面積が増加するにつれて実現可能なNAは物理的及び実際的な制限によって減少するであろう。   The simulation results below are based on highly reproducible ZEMAX simulations and demonstrate that ASOM can effectively provide an extended field of view while maintaining resolution when compared to existing microscopy techniques. is there. Table 2 lists the performance specifications for the specific ASOM design described herein, but with appropriate modifications to this design, the viewing area and numerical aperture can be adapted to the observation task under consideration. it can. In general, however, the achievable NA will decrease due to physical and practical limitations as the viewing area increases.

Figure 2008529082
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図7は、4096×4096カメラ(標準的顕微鏡対物レンズを有する全視野カメラを考慮)を備えた固定顕微鏡及びより一般的な1024×1024カメラを備えた固定顕微鏡とASOMとの観察可能な視野を比較するものである。ASOMは、高い再現性のシミュレーションに基づくすべての視野位置において回折限界(ストレール比>0.8)を提供する。固定顕微鏡設計のための視野サイズは、完全な結像を仮定すると共に、光(緑色光は生きている生物細胞の結像に対して相対的に非破壊的であって望ましい)の波長に関してλ=0.510μmで0.21の開口数を用いて計算された。   FIG. 7 shows the observable field of view of an ASOM with a stationary microscope with a 4096 × 4096 camera (considering a full field camera with a standard microscope objective) and a more general 1024 × 1024 camera. To compare. ASOM provides a diffraction limit (Strehl ratio> 0.8) at all field positions based on highly reproducible simulations. The field size for the fixed microscope design assumes perfect imaging and λ with respect to the wavelength of the light (green light is relatively non-destructive and desirable for imaging of living biological cells) = 0.510 μm and a numerical aperture of 0.21.

このASOM装置において使用される512×512カメラによって提供される部分視野もまた図7に示される。本設計において、比較的単純な結像光学が回折限界性能に関してカメラセンサーサイズを直径約6.0mmに制限する。これはまた、ASOMのただ一つの特定の装置の性能を示す。レンズ幾何、レンズ間隔及びデジタルカメラのピクセル数を変更することで、視野サイズ及び開口数を考慮中の観察作業に適合させることができる。しかしながら、一般に、最大観察可能視野サイズと系の開口数との間に結局のところ相反関係が存在するであろう。   The partial field of view provided by the 512 × 512 camera used in this ASOM device is also shown in FIG. In this design, relatively simple imaging optics limit the camera sensor size to about 6.0 mm in diameter for diffraction limited performance. This also shows the performance of a single specific device of ASOM. By changing the lens geometry, the lens spacing and the number of pixels of the digital camera, the field size and numerical aperture can be adapted to the observation task under consideration. In general, however, there will eventually be a reciprocal relationship between the maximum observable field size and the numerical aperture of the system.

結像光学の適切な設計変更によって、結像光学の回折限界的視野サイズは、より高いピクセル数のカメラを使用するために拡張することが可能である。しかしながら、小さな512×512カメラを用いた場合でさえ、表3に列挙された走査時間は既存の技術と競合し得るものである。この表は、1秒当たり100、250及び500フレームのカメラ速度並びに100%、50%及び10%のフィルファクターに対する見積走査時間を示す。これらの計算は、走査動作の総数が、走査数=総有効視野面積/部分視野面積によって与えられることを仮定している。   With appropriate design changes in imaging optics, the diffraction-limited field size of imaging optics can be expanded to use higher pixel count cameras. However, even with a small 512 × 512 camera, the scan times listed in Table 3 can compete with existing technologies. This table shows the estimated scan times for 100, 250 and 500 frame per second camera speeds and 100%, 50% and 10% fill factors. These calculations assume that the total number of scanning operations is given by the number of scans = total effective field area / partial field area.

Figure 2008529082
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図8は、希有な事象の検出、時間内の移動している物体の追跡、関心領域のみの結像、及び全領域網羅といった本発明のASOMの異なる作動モードを図示するものである。   FIG. 8 illustrates the different modes of operation of the ASOM of the present invention, such as detection of rare events, tracking moving objects in time, imaging only the region of interest, and full area coverage.

図9は、各視野位置に関連した特定の波面収差をDMがどのように修正するか示すものである。全視野に亘り且つ全ての視野位置に関してストレール比は回折限界0.8よりも十分大きく、ほぼ完全な結像がなされる。範囲(a)は5つの異なる視野位置を示す。範囲(b)はそれぞれの視野位置に関する5つの対応する最適可変鏡形状を示し、さらに、範囲(c)は選択された視野上で抽出されたストレール比を与えるものである。   FIG. 9 shows how the DM corrects the specific wavefront aberration associated with each field position. The Strehl ratio over the entire field of view and for all field positions is well above the diffraction limit of 0.8, resulting in almost complete imaging. Range (a) shows five different field positions. Range (b) shows five corresponding optimal variable mirror shapes for each field position, and range (c) gives the Strehl ratio extracted on the selected field of view.

ここに示された結果はすべて、レンズ及び光学的ハウジングは製造及び組立許容誤差に常に従うという現実を無視して理想化されたシミュレーションに基づくものである。   All the results presented here are based on idealized simulations ignoring the reality that lenses and optical housings always obey manufacturing and assembly tolerances.

本発明の走査及び像モザイク構築の基本原理を実証するため、走査光学モザイクスコープ(Scanning Optical Mosaic Scope:SOMS)と呼ばれる第一世代プロトタイプとして以下の実験的装置が製作された。この設計の正式な最適化は何ら行われず、そして、当該プロトタイプ装置は、ThorLabs社から入手可能な標準カタログレンズ、ソニー社のXC−77BB CCDカメラ、Matrox Meteor II フレームグラバー、Cambridge technologies社の検流計及びサーボドライバー、並びにTI社製品ベースのDSPボードを使用して構築された。   In order to demonstrate the basic principles of scanning and image mosaic construction of the present invention, the following experimental device was fabricated as a first generation prototype called a scanning optical mosaic scope (SOMS). No formal optimization of this design was done, and the prototype device was a standard catalog lens available from ThorLabs, Sony XC-77BB CCD camera, Matrox Meteor II frame grabber, Cambridge technologies galvanization Built using a meter and servo driver and a DSP board based on TI products.

それは、本明細書中で提案されたより高度なASOM設計は、(1)光学的配置が単純化されていること、(2)可変鏡又は補償光学が存在しないこと、(3)全てのレンズが標準カタログ製品として入手可能であること、(4)走査レンズは単一の標準色消しダブレットであること、の点で異なるものである。SOMSのこれらの結果は、ASOMを用いて実施することができる作動の可能モード、機能性及び能力を実証するために本明細書に含まれているが、ASOM設計を用いることによってより良好な性能が発揮される。   The more advanced ASOM designs proposed here are: (1) simplified optical placement, (2) no variable mirrors or adaptive optics, (3) all lenses are It is different in that it is available as a standard catalog product and (4) the scanning lens is a single standard achromatic doublet. These results of SOMS are included here to demonstrate possible modes of operation, functionality and capabilities that can be performed using ASOM, but better performance is achieved by using ASOM design. Is demonstrated.

本発明の微細組立に関する実証は、作業空間内の2つの固定された物体の間を移動する形状記憶合金のミクログリッパーに基づいている。グリッパー先端の動きを追跡するために、基本的な相関に基づく画像マッチングアルゴリズムとカルマンフィルタとが用いられる。3×3のタイルモザイクがグリッパーを結像し、そして、走査パターンがグリッパー先端を中心のタイル内に維持するように自動的に調整される。走査パターンはまた、作業空間内の2つの静止物体も含んでおり、ほぼ同時に作業空間内で複数の静止及び移動している物体を観察するというSOMSの能力を実証するものである。   The microassembly demonstration of the present invention is based on a shape memory alloy microgripper that moves between two fixed objects in the workspace. To track the motion of the gripper tip, a basic correlation based image matching algorithm and a Kalman filter are used. A 3x3 tile mosaic images the gripper and the scan pattern is automatically adjusted to keep the gripper tip within the center tile. The scan pattern also includes two stationary objects in the workspace, demonstrating SOMS 'ability to observe multiple stationary and moving objects in the workspace almost simultaneously.

ビデオフート数の配列が、特に生きている生物細胞(テロメラーゼ不滅化されたhTERT-RPE1)のために採用される。3×3タイル像モザイクは、温度調整された栄養液中で生存し続ける細胞に障害を起こさせることなく大きな細胞集団を監視する。有糸分裂(細胞分裂)のいくつかの事象は視野全体の至る所で生じているのを見ることができる。ASOMは、有糸分裂及び他の事象の発現を自動的に検知する可能性を提示するだけでなく、複数の事象を同時に追跡し記録するように容易にプログラムすることができる。移動ステージを用いて自動化された定量的細胞分析は最近提案されているが、システム全体の帯域幅は当該ステージの応答性及び細胞標本の移動に対する敏感性によって未だ制限される。   A sequence of video foot numbers is employed especially for living biological cells (telomerase-immortalized hTERT-RPE1). The 3x3 tile image mosaic monitors large cell populations without damaging cells that continue to survive in temperature-controlled nutrient solutions. It can be seen that several events of mitosis (cell division) occur throughout the entire field of view. ASOM not only offers the possibility of automatically detecting the onset of mitosis and other events, but can also be easily programmed to track and record multiple events simultaneously. Although automated quantitative cell analysis using a moving stage has recently been proposed, the overall system bandwidth is still limited by the responsiveness of the stage and the sensitivity to movement of the cell specimen.

本発明のASOMはこれらの問題の双方を解消するものである。   The ASOM of the present invention solves both of these problems.

本発明者らはまた、第二世代の実験的プロトタイプを製作した。   We have also created a second generation experimental prototype.

この実験的ASOM装置の目的はASOM設計の本質的な光学的側面を実証することであったが、低コストで且つ短い開発時間で行った。   The purpose of this experimental ASOM device was to demonstrate the essential optical aspects of the ASOM design, but at a low cost and with a short development time.

このような理由から、注文品の光学の相当なコストを回避すると共に数日以内に発送されるカタログ入手可能な部品の現存する在庫の利点を取るために既製の光学が専ら使用された。しかしながら、多くの在庫レンズは一般的な用途に関して特定の様式(例えば無限共役で)で使用されるように設計されており、焦点距離、レンズ直径及びガラス選択の粗い範囲の中で提供される。走査レンズの変則的な結像特性を考慮すれば、既製の光学のみを使用する実験的ASOM設計は最適とはかけ離れたものであり、そしてそれゆえ、名目上20mmの視野サイズにわたり0.1のNAを達成するために顕著に多いレンズ数を示すものである。しかしながら、既製の光学のみを使用した場合でさえ、この実験装置は、湾曲像面光学走査アプローチ及び補償光学要素として可変鏡を使用した波面補正光学を含み、ASOMを定義する重要な光学特性を実証するように注意深く設計された。この装置においては、静止若しくはゆっくり動いている物体の観察のための顕微鏡に制限し、ステアリングミラーは手動で作動させられる。市販版の補償走査光学顕微鏡は、動作制御された高速ステアリングミラーを組み込むのと同様に、より高い開口数及びより大きな作業空間を達成するASOM概念の潜在能力を完全に現実化させるため、注文製造された光学を利用するであろう。   For this reason, off-the-shelf optics were used exclusively to avoid the considerable cost of custom optics and take advantage of the existing inventory of catalog-available parts that are shipped within a few days. However, many off-the-shelf lenses are designed to be used in a particular manner (eg, infinite conjugate) for general applications and are offered within a coarse range of focal length, lens diameter and glass selection. Given the anomalous imaging characteristics of the scanning lens, an experimental ASOM design using only off-the-shelf optics is far from optimal, and is therefore 0.1 over a nominal field size of 20 mm. This indicates a significantly large number of lenses in order to achieve NA. However, even when using only off-the-shelf optics, the experimental setup includes a curved field optical scanning approach and wavefront correction optics using a deformable mirror as the compensating optical element, demonstrating important optical properties that define ASOM. Designed carefully to do. In this device, the steering mirror is manually operated, limited to a microscope for observation of stationary or slowly moving objects. Commercial versions of compensated scanning optical microscopes are custom built to fully realize the potential of the ASOM concept to achieve higher numerical apertures and larger workspaces, as well as incorporating motion-controlled high-speed steering mirrors. Will take advantage of the optics that have been made.

図10は、この実験装置に関する光学的配置を示すものである。この最初のプロトタイプは、透過光方式を利用し、そして現在の設計が色収差に非常に敏感であるので、500nm未満及び520nm以上の光スペクトルの多くを除去するために510nmの波長のノッチフィルターを使用するものである。光は対物コントラストパターンを通して透過され、次に、テレセントリック系の12素子の走査レンズ集合体によって集束され、それは、球状に湾曲した像面に物体の像を投射する。それ自身の銀色の正面表面周りに鏡を旋回させる運動性を有する手動で作動させるステアリングミラーが走査レンズ集合体の後方に配置され、そして波面補正光学中の視野絞りと協働して作動し、球状に湾曲した像面のどの部位がカメラで像を形成するために系を通して通過するかを選択する。この走査機構は作業空間内で部分視野の操縦を有効に可能とするものである。しかしながら、この時点における光は走査レンズの不十分な光学補正の結果として顕著な波面収差を示す(不十分な補正を許容することがASOM設計の特徴であり、これは走査レンズ集合体の複雑さ及びレンズ数を顕著に低減するゆえであることに留意せよ)。   FIG. 10 shows the optical arrangement for this experimental apparatus. This first prototype uses a transmitted light scheme and uses a 510 nm wavelength notch filter to remove much of the light spectrum below 500 nm and above 520 nm because the current design is very sensitive to chromatic aberration To do. The light is transmitted through the objective contrast pattern and then focused by a telecentric 12-element scanning lens assembly, which projects an image of the object onto a spherically curved image plane. A manually actuated steering mirror having the motility to pivot the mirror about its own silver front surface is located behind the scanning lens assembly and operates in cooperation with the field stop in the wavefront correction optics; Select which part of the spherically curved image plane passes through the system to form an image with the camera. This scanning mechanism effectively enables partial field operations in the work space. However, the light at this point exhibits significant wavefront aberrations as a result of insufficient optical correction of the scanning lens (allowing insufficient correction is a feature of the ASOM design, which is the complexity of the scanning lens assembly. And note that the number of lenses is significantly reduced).

視野絞りを通過した、ステアリングミラーからのこの不十分な補正をされた光は、次に、波面補正光学中へと進み続ける。補償走査光学顕微鏡のこの実施形態においてMEMS可変鏡が用いられる。鏡の反射面の形を波面エラーの形状と反対(ただし半分の振幅で)となるように正確に制御することによって、可変鏡は波面収差を回折限界内に補正することができる。したがって、可変鏡から発せられる光は十分に補正され、完全な回折限界像とほとんど判別不能な像をカメラ上に形成するであろう。Boston Micromachines社から入手可能な3層MEMS可変鏡がこのプロトタイプにおいて使用された。この鏡は、400μmアクチュエーター間隔且つ2.5μmアクチュエーターストロークの32の静電アクチュエーターを有すると共に直径2.0mmの能動的に制御された領域を有する。2.5μmストロークは、収差のいくつかの波を補正し得るものであり、軸外れ視野位置に対してまでも高い結像性能を可能とし、ASOMにおいて大きく拡張された視野を可能とする。また、補償光学素子の2.0mmの有効直径と一致するように光を条件付けるために補償光学素子のための前条件付けステージ及び補償光学素子のための後条件付けステージを正及び負のレンズ素子の適当な組合わせにより構成することをこの設計において注目すべきである。補償光学素子のための前条件付けステージは、ステアリングミラーが開口像の近くに位置するように開口の像を形成するものである。開口像の位置或いはその近くにステアリングミラーを配置することで、より迅速な動的特性のためにステアリングミラーの慣性を低減するようにステアリングミラーの直径を小さなものとすることが可能になる。さらに、開口像の位置或いはその近くにステアリングミラーを配置することは、そうすることが走査の間に走査レンズの対称な使用を容易とする(つまり、すべての視野位置用の主光線は開口平面中の同じ位置から始まる)ので光学上望ましい。単一のステアリングミラーを使用することの光学的利点は周知であるが、コストと動的性能とを含む様々な理由から、本明細書で述べられる単一のステアリングミラーが2つの単軸ステアリングミラーによって代替され得ることは考えられることである。そのようにすることは光学的見地からはそれほど望ましくはないが、多くの場合必要条件を満たしとてもしばしば実際上行われる。2枚又はそれ以上の回転鏡を用いてASOMは構築され得る。   This poorly corrected light from the steering mirror that has passed through the field stop then continues to travel into the wavefront correcting optics. A MEMS deformable mirror is used in this embodiment of the compensated scanning optical microscope. By precisely controlling the shape of the mirror's reflective surface to be opposite (but half the amplitude) of the wavefront error shape, the deformable mirror can correct the wavefront aberration to within the diffraction limit. Therefore, the light emitted from the deformable mirror will be sufficiently corrected and will form a complete diffraction limited image on the camera that is almost indistinguishable. A three-layer MEMS deformable mirror available from Boston Micromachines was used in this prototype. This mirror has 32 electrostatic actuators with 400 μm actuator spacing and 2.5 μm actuator stroke and has an actively controlled area of 2.0 mm in diameter. The 2.5 μm stroke can correct some waves of aberrations, enables high imaging performance even for off-axis field positions, and allows for a greatly expanded field of view in ASOM. Also, a preconditioning stage for the compensation optics and a postconditioning stage for the compensation optics to condition the light to match the effective diameter of 2.0 mm of the compensation optics are provided for the positive and negative lens elements. It should be noted in this design that it is configured by an appropriate combination. The preconditioning stage for the adaptive optics element forms an image of the aperture so that the steering mirror is located near the aperture image. By arranging the steering mirror at or near the position of the aperture image, the diameter of the steering mirror can be reduced so as to reduce the inertia of the steering mirror for faster dynamic characteristics. Furthermore, placing the steering mirror at or near the position of the aperture image facilitates symmetrical use of the scanning lens during scanning (ie, the chief rays for all field positions are aperture planes). It is optically desirable because it starts from the same position inside). The optical advantages of using a single steering mirror are well known, but for a variety of reasons including cost and dynamic performance, the single steering mirror described herein is two single axis steering mirrors. It is conceivable that can be replaced by. Doing so is less desirable from an optical standpoint, but often meets the requirements and is very often done in practice. An ASOM can be constructed using two or more rotating mirrors.

ステアリングミラーと同様に、補償光学素子は開口の像の近くに配置される。開口の像の位置或いはその近くに補償光学素子を配置することで、光線束の全てがこの位置でオーバーラップする(つまり、主光線は光学的軸と交差する)ので、補償光学素子の能動領域を有効に利用することができる。主光線が交差する位置或いはその近くに補償光学素子を配置することはまた、それらが各瞬間的視野を同様に横切るので、1つの補償光学波面補正(例えば可変鏡形状)が各光線束の中の収差を有効に補正することを可能とする。   Similar to the steering mirror, the adaptive optics is located near the image of the aperture. By placing the compensating optical element at or near the position of the image of the aperture, all of the beam bundles overlap at this position (ie, the chief ray intersects the optical axis), so that the active area of the compensating optical element Can be used effectively. Placing adaptive optics at or near the chief rays also crosses each instantaneous field of view as well so that one adaptive optical wavefront correction (eg, variable mirror shape) is included in each ray bundle. It is possible to effectively correct the aberration.

本発明者らはまた、像に基づくパフォーマンスメトリック(計量)及び並列の確率的な勾配下降最適化アルゴリズムを用いる次世代プロトタイプでの較正及びオンライン最適化を行った。   We have also performed calibration and online optimization on next generation prototypes using image-based performance metrics and parallel probabilistic gradient descent optimization algorithms.

補償走査光学顕微鏡の最終結像性能は、系での残余の波面収差の大きさ及び形状に依存する。さらに、走査レンズは各視野位置(ステアリングミラー角度)に特有の収差をもたらしてしまう。したがって、波面形状に対する補償光学素子の影響が制御信号によって制御されると共に波面収差上に直接の効果を持っているとすれば、補償走査光学顕微鏡の初期較正は行われるべきである。この較正の終局目標は、それぞれ異なる視野位置における波面収差を最小化する一組の制御信号を見出すことである。ひとたび較正しておけば、最適制御信号は通常の作動の間ルックアップテーブルから補間法を用いて呼び戻すことができる。この較正は、製造及び組立エラー、許容誤差、或いは製造におけるその他の変動を補償することができ、そして環境温度の変化、光学成分の変動若しくは変化、或いは系における収差のその他の原因を補償するために定期的に繰り返される。作動中、ステアリングミラー及び補償光学素子は結像中の光学収差の有効な補償のための電子装置によって調整されるであろう。   The final imaging performance of the compensated scanning optical microscope depends on the magnitude and shape of the residual wavefront aberration in the system. Further, the scanning lens introduces aberrations specific to each field position (steering mirror angle). Therefore, if the influence of the compensating optical element on the wavefront shape is controlled by the control signal and has a direct effect on the wavefront aberration, an initial calibration of the compensating scanning optical microscope should be performed. The ultimate goal of this calibration is to find a set of control signals that minimize wavefront aberrations at different field positions. Once calibrated, the optimal control signal can be recalled from the lookup table using interpolation methods during normal operation. This calibration can compensate for manufacturing and assembly errors, tolerances, or other variations in manufacturing, and to compensate for environmental temperature changes, optical component variations or changes, or other sources of aberrations in the system. Repeated regularly. In operation, the steering mirror and the compensating optics will be adjusted by an electronic device for effective compensation of optical aberrations during imaging.

波面センサー、実験的方法とアルゴリズムとを評価する波面、干渉計に基づく方法或いは他の画像に基づく技術を使用することを含む最適な補償光学制御信号を得る多くの潜在的な方法がある。さらに、波面収差のリアルタイム測定と、参照波面としてガイドスターを用いる補償光学望遠鏡にて行われているのと同様なフィードバック制御とを用いて、実行中に補償光学素子の制御信号を更新する補償走査光学顕微鏡システムが考えられる。   There are many potential ways to obtain an optimal adaptive optical control signal, including using wavefront sensors, wavefront evaluating experimental methods and algorithms, interferometer based methods or other image based techniques. In addition, compensation scanning that updates the control signal of the compensation optical element during execution using real-time measurement of wavefront aberrations and feedback control similar to that performed in an adaptive optics telescope using a guide star as a reference wavefront An optical microscope system is conceivable.

この実験的プロトタイプに関してパフォーマンスメトリック及び数値最適化アルゴリズムが使用された。一般に、パフォーマンスメトリックQ(u)は補償光学制御信号uの非線形関数であり、そしてQ(u)は結像性能の改善と共に低下するものであると定義される。結果的に生じる最適化問題はまた、補償光学制御信号における上限及び下限に従うものである。高周波画像含有量に基づくメトリックと並列の確率的な勾配下降(parallel stochastic-gradient-descent:PSGD)最適化アルゴリズムとを組み合わせることによって系を有効に較正することが実証された。一般的に、補償光学制御信号最適化は様々な可能なオプション及び特定の組み合わせが存在する2つの部分を必要とする。
1.結像性能を表すためのメトリックQ(u)、及び
2.Q(u)を最小化するための最適化アルゴリズム。
Performance metrics and numerical optimization algorithms were used for this experimental prototype. In general, the performance metric Q (u) is defined as a nonlinear function of the adaptive optics control signal u, and Q (u) is defined as decreasing with improved imaging performance. The resulting optimization problem is also subject to upper and lower limits in the adaptive optics control signal. It has been demonstrated to effectively calibrate the system by combining a metric based on high frequency image content and a parallel stochastic-gradient-descent (PSGD) optimization algorithm. In general, adaptive optics control signal optimization requires two parts where there are various possible options and specific combinations.
1. 1. Metric Q (u) for representing imaging performance, and An optimization algorithm for minimizing Q (u).

上述したASOMに対する付加的な向上は、カメラの代わりに分光計を用いることを包含する。開口の近くに位相板を導入すること、及び/又は波面に位相摂動を導入するために補償光学素子を用いることは、ASOMが位相コントラスト結像を行うことを可能とするであろう。光路中にビームスプリッターを導入することによって物体を照射する手段としてASOM中に光を投入することも可能である。   Additional improvements to the ASOM described above include using a spectrometer instead of a camera. Introducing a phase plate near the aperture and / or using adaptive optics to introduce a phase perturbation in the wavefront will allow the ASOM to perform phase contrast imaging. It is also possible to inject light into the ASOM as means for irradiating an object by introducing a beam splitter in the optical path.

結論として、本発明は、高い解像度及び大きい有効視野を同時に達成することができ、また、或る一定の空間的−一時的事象を観察するための現状の技術に勝るいくつかの利点を提供する新しい顕微鏡概念である。この設計は、光学的、機械的、動作制御、及び画像処理設計の相乗作用に大きく依存するものである。ZEMAX光学シミュレーションは大幅に拡張した視野上における回折限界的結像性能を示し、一方、計算は高速の移動及び像取得作動の可能性を示す。低減した機能性の概念証明のプロトタイプはミラーを基礎とする走査アプローチの基本的有効性を実証するために構築され、そして我々は微細組立作業及び生物学的観察作業の双方において実証した。   In conclusion, the present invention can achieve high resolution and a large effective field of view simultaneously, and provides several advantages over current techniques for observing certain spatial-temporal events. It is a new microscope concept. This design relies heavily on the synergies of optical, mechanical, motion control, and image processing design. ZEMAX optical simulations show diffraction-limited imaging performance over a greatly expanded field of view, while calculations show the potential for fast movement and image acquisition operations. A reduced proof-of-concept prototype was built to demonstrate the basic effectiveness of the mirror-based scanning approach, and we have demonstrated it in both micro-assembly and biological observation work.

本発明の、走査レンズ集合体、前方及び倒立の条件付け光学、及び最終結像光学は、各々1つ又はそれ以上のガラスレンズ素子;合成樹脂レンズ素子;GRIN(graduated index of refraction:屈折率分布)素子;回折レンズ素子;球状の光学素子;非球状の光学素子;外部瞳孔、テレセントリック挙動、非テレセントリック挙動を示す素子或いは素子の集合体;全ての視野位置に対する均一な開口数、異なる視野位置に対する不均一な開口数;f−θ歪写像、f−cosθ歪写像、f−sinθ歪写像に実質的に従う素子或いは素子の集合体;第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に球状である第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に放射状である第一の中間像平面で湾曲した像面とを投射する素子或いは素子の集合体、によって構築され得る。   The scanning lens assembly, forward and inverted conditioning optics, and final imaging optics of the present invention each comprise one or more glass lens elements; synthetic resin lens elements; GRIN (graduated index of refraction) Element; Diffractive lens element; Spherical optical element; Non-spherical optical element; External pupil, telecentric behavior, non-telecentric behavior element or collection of elements; uniform numerical aperture for all field positions, no for different field positions Uniform numerical aperture; f-θ strain map, f-cos θ strain map, element or collection of elements substantially following f-sin θ strain map; curved image plane at first intermediate image plane and substantially spherical And an element or a group of elements that project an image plane curved at the first intermediate image plane and a substantially radial image plane curved at the first intermediate image plane. It may be.

像ステアリングミラーは操縦機能を行うための任意の像操縦手段若しくは等価物として一般化することができ、これらの手段は、検流計、音声コイルアクチュエーター、圧電アクチュエーター、静電アクチュエーター、ジンバル機構、並列機構、屈曲性機構、或いは磁気浮揚のうちの少なくとも一つを有する操縦手段を含み得るものである。ステアリングミラーは、平坦な反射表面、湾曲した反射表面、実質的に球状である湾曲した反射表面、実質的に非球面の湾曲した反射表面或いは回転するプリズムのうちの少なくとも一つであり得る。最終像平面で光を受けるためのセンサーは、デジタルカメラ、帯電結合デバイス、CMOSセンサー、分光計或いは人間の目で見るための接眼レンズのうちの少なくとも一つであり得る。   The image steering mirror can be generalized as any image steering means or equivalent for performing the steering function, which includes galvanometer, voice coil actuator, piezoelectric actuator, electrostatic actuator, gimbal mechanism, parallel It may include a steering means having at least one of a mechanism, a flexible mechanism, and a magnetic levitation. The steering mirror can be at least one of a flat reflective surface, a curved reflective surface, a curved reflective surface that is substantially spherical, a substantially aspherical curved reflective surface, or a rotating prism. The sensor for receiving light at the final image plane can be at least one of a digital camera, a charge coupled device, a CMOS sensor, a spectrometer, or an eyepiece for viewing with the human eye.

本発明の特定の実施例が示され、そして発明の原理の適用を説明するために詳細に述べたが、本発明はこのような原理より乖離することなくその他のものに具体化され得ることは理解されよう。   While specific embodiments of the invention have been shown and described in detail to illustrate the application of the principles of the invention, it is to be understood that the invention may be embodied in others without departing from such principles. It will be understood.

本発明に係る補償走査光学顕微鏡若しくはASOMの概略概念的図面である。1 is a schematic conceptual drawing of a compensation scanning optical microscope or an ASOM according to the present invention. 本発明の種々の共役画像及び開口平面を示す複合図である。FIG. 3 is a composite diagram illustrating various conjugate images and aperture planes of the present invention. (a)は薄肉レンズに関する像面の形状を、(b)は人間の目における非常に単純なレンズを可能とする網膜(像センサー)の曲面を、及び(c)は湾曲した像面を可能とすることにより単純化される本発明のASOM走査レンズを示す複数部分の説明図である。(A) is the shape of the image plane for a thin lens, (b) is the curved surface of the retina (image sensor) that allows a very simple lens in the human eye, and (c) is a curved image plane. It is explanatory drawing of several parts which shows the ASOM scanning lens of this invention simplified by doing. 本発明の走査レンズ集合体の湾曲した像面の複合説明図である。It is a compound explanatory view of the curved image surface of the scanning lens assembly of the present invention. 本発明の走査レンズ集合体及び結像光学の像面湾曲の複合説明図である。It is a compound explanatory drawing of the field curvature of the scanning lens aggregate of this invention and imaging optics. 本発明のASOMの初期設計を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the initial design of ASOM of this invention. 本発明のASOMの40mmの実際上の視野を1024×1024及び4096×4096のカメラ(全ての系が0.21のNAで作動する)を用いる従来の顕微鏡によって提示された視野と比較して示すものであり、また、40mmの視野全体をカバーするために多くの走査運動を必要とする512×512カメラを用いたASOMの0.38mmサイズの部分視野が示される。Shown is a 40 mm practical field of view of the ASOM of the present invention compared to the field of view presented by a conventional microscope using 1024 × 1024 and 4096 × 4096 cameras (all systems operating at 0.21 NA). Also shown is an ASOM 0.38 mm size partial field of view using a 512 × 512 camera that requires a lot of scanning motion to cover the entire 40 mm field of view. 本発明のASOMの異なる作動モードのうちのいくつかを示す図面である。2 is a diagram illustrating some of the different modes of operation of the ASOM of the present invention. (a)は発明の異なる視野位置を、(b)はそれぞれの特定の視野位置に対する最適な可変鏡の形状を、そして(c)は選択された視野上に抽出されたストレール比を説明する複合図である。(A) is a different field position of the invention, (b) is the optimal deformable mirror shape for each particular field position, and (c) is a compound that explains the Strehl ratio extracted on the selected field of view. FIG. 本発明の原理を実証するための本発明者らの最新の実験装置の光学的配置である。Fig. 2 is an optical arrangement of our latest experimental device to demonstrate the principle of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 物体平面
2 第一の中間像平面
3 第二の中間像平面
4 最終像平面
A1 開口の第一の像
A2 開口の第二の像
10 補償走査光学顕微鏡或いはASOM
12 物体
14 ステアリングミラー
15 スタアリングミラーの位置を制御するための電子システム
16 走査レンズ集合体
17 補償光学素子への作動信号を制御するための電子システム
18 補償光学素子(例えば可変鏡)
19 センサーからのデータを読み込むために、さらに、
最終像平面での光の獲得データの表示、加工、及び/又は格納のうちの
少なくとも一つを行うための電子システム
20 補助的結像光学
22 センサー(例えばカメラ)
32 前方AO条件付け光学若しくは接眼レンズ
33 負の視野レンズ
34 倒立AO条件付け光学若しくは接眼レンズ
35 正の接眼レンズ
36 最終結像光学
37 負の視野レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Object plane 2 1st intermediate image plane 3 2nd intermediate image plane 4 Final image plane A1 First image A2 of opening A2 Second image of opening 10 Compensation scanning optical microscope or ASOM
12 Object 14 Steering mirror 15 Electronic system 16 for controlling the position of the steering mirror 16 Scanning lens assembly 17 Electronic system 18 for controlling the actuation signal to the compensating optical element 18 Compensating optical element (eg variable mirror)
19 To read the data from the sensor,
Electronic system 20 for performing at least one of displaying, processing and / or storing light acquisition data at the final image plane Auxiliary imaging optics 22 Sensor (eg camera)
32 Front AO Conditioning Optics or Eyepieces 33 Negative Field Lens 34 Inverted AO Conditioning Optics or Eyepieces 35 Positive Eyepiece 36 Final Imaging Optics 37 Negative Field Lenses

Claims (29)

選択された視野位置の関数として光学収差が変化するように物体の異なる前記選択された視野位置から有限の像を形成するための走査レンズ集合体であって一つの像面を形成する走査レンズ集合体と、各前記視野位置からの光であって前記物体から最終像平面までの光路に沿い波面を有する光を操縦する像操縦手段と、前記視野位置に依存する光学収差のうちの少なくともいくらかを補償して前記光路中の前記波面の形状に影響を及ぼすと共に前記光路に沿う前記光の波面に選択された形状を導入する補償光学素子と、前記補償光学素子に対する光及び前記最終像平面に対する光を条件付けするための前記光路の少なくとも一部に沿った補助的結像光学と、前記最終像平面に像を投射する最終結像光学とを含む補償走査光学顕微鏡。   A scanning lens assembly for forming a finite image from the selected field positions of different objects so that optical aberrations change as a function of the selected field position, forming a single image plane A body, image steering means for steering light from each field position and having a wavefront along an optical path from the object to a final image plane, and at least some of the optical aberrations depending on the field position. A compensation optical element that compensates to affect the shape of the wavefront in the optical path and introduces a selected shape to the wavefront of the light along the optical path; light for the compensation optical element and light for the final image plane Compensating scanning optical microscope comprising: auxiliary imaging optics along at least a portion of the optical path for conditioning and final imaging optics for projecting an image onto the final image plane. 前記走査レンズ集合体によって形成される前記像面が湾曲しているものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The compensation scanning optical microscope according to claim 1, wherein the image plane formed by the scanning lens assembly is curved. 前記像操縦手段がステアリングミラー及び該ミラーを操縦する手段を含むものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   2. The compensation scanning optical microscope according to claim 1, wherein the image steering means includes a steering mirror and a means for steering the mirror. 前記補償光学素子が可変鏡を含むものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The adaptive scanning optical microscope according to claim 1, wherein the adaptive optical element includes a variable mirror. 前記補償光学素子の能動領域を使用するように、前記補償光学素子の開口寸法を前記走査レンズ集合体の光学的必要条件に適合させるために前記光路に沿った前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する前条件付けステージ、及び、前記補償光学素子の開口寸法を前記最終結像光学の必要条件に適合させるために前記光路に沿った前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する後条件付けステージを前記補助的結像光学が含むものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The compensating optical element that conditions the light along the optical path to adapt the aperture size of the compensating optical element to the optical requirements of the scanning lens assembly to use the active area of the compensating optical element And a preconditioning stage for the adaptive optics to condition the light along the optical path to adapt the aperture size of the adaptive optics to the requirements of the final imaging optics The compensation scanning optical microscope according to claim 1, wherein the imaging optical includes. 前記補償光学素子に対する前記前条件付けステージと前記補償光学素子に対する前記後条件付けステージとの双方が少なくとも1つの負レンズと少なくとも1つの正レンズとを含むものである請求項5記載の補償走査光学顕微鏡。   6. The adaptive scanning optical microscope according to claim 5, wherein both the preconditioning stage for the compensating optical element and the postconditioning stage for the compensating optical element include at least one negative lens and at least one positive lens. 当該装置によって受け入れられ、そして前記最終像平面上へ投射される前記光の束の境界を定めるための開口絞りを含むものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The compensated scanning optical microscope of claim 1 including an aperture stop for demarcating the bundle of light received by the apparatus and projected onto the final image plane. 選択された全系倍率を達成するため及び最終像を前記最終像平面に投射するために付加的な拡大又は縮小を与える前記最終結像光学、並びに、前記最終像を感知する光センサーを含むものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   Including the final imaging optics to provide additional magnification or reduction to achieve a selected system magnification and to project a final image onto the final image plane, and a light sensor for sensing the final image. The compensation scanning optical microscope according to claim 1. 前記走査レンズ集合体が、ガラスレンズ素子;合成樹脂レンズ素子;GRINレンズ素子;回折レンズ素子;球状の光学素子;非球状の光学素子;外部瞳孔、テレセントリック挙動、非テレセントリック挙動を示す少なくとも一つの素子;全ての視野位置に対する均一な開口数、異なる視野位置に対する不均一な開口数;f−θ歪写像、f−cosθ歪写像、f−sinθ歪写像に実質的に従う少なくとも一つの素子;第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に球状である第一の中間像平面で湾曲した像面と、実質的に放射状である第一の中間像平面で湾曲した像面とを投射する少なくとも一つの素子のうちの少なくとも一つを含む1又はそれ以上のレンズ又はミラー素子の光学的機械集合体を有するものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The scanning lens assembly is a glass lens element; a synthetic resin lens element; a GRIN lens element; a diffractive lens element; a spherical optical element; an aspherical optical element; at least one element exhibiting an external pupil, telecentric behavior, and non-telecentric behavior Uniform numerical aperture for all field positions, non-uniform numerical aperture for different field positions; at least one element substantially following the f-θ distortion map, f-cos θ distortion map, f-sin θ distortion map; Projecting an image plane curved at the intermediate image plane, an image plane curved at the first intermediate image plane that is substantially spherical, and an image plane curved at the first intermediate image plane that is substantially radial. 2. Compensated scanning light according to claim 1, comprising an optical mechanical assembly of one or more lenses or mirror elements including at least one of at least one element. Microscope. 前記像操縦手段がステアリングミラー及び該ステアリングミラーを操縦する手段を有し、当該ステアリングミラーを操縦する手段が、少なくとも一つの検流計、音声コイルアクチュエーター、圧電アクチュエーター、静電アクチュエーター、ジンバル機構、並列機構、屈曲性機構、及び磁気浮揚からなる群から選択されたのものであり、さらに、前記ステアリングミラーは、平坦な反射表面、湾曲した反射表面、実質的に球状である湾曲した反射表面、実質的に非球面の湾曲した反射表面及び回転するプリズムのうちの少なくとも一つを有するものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The image steering means has a steering mirror and a means for steering the steering mirror, and the means for steering the steering mirror is at least one galvanometer, voice coil actuator, piezoelectric actuator, electrostatic actuator, gimbal mechanism, parallel The steering mirror includes a flat reflective surface, a curved reflective surface, a substantially spherical curved reflective surface, substantially 2. The compensation scanning optical microscope according to claim 1, comprising at least one of an aspherical curved reflecting surface and a rotating prism. 前記補償光学素子が、可変鏡;空間光変調器;光学位相アレイ;可変レンズ;及び電気光学素子のうちの少なくとも一つを有するものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   The compensation scanning optical microscope according to claim 1, wherein the compensation optical element includes at least one of a variable mirror, a spatial light modulator, an optical phase array, a variable lens, and an electro-optical element. 前記補助的結像光学が、ガラスレンズ素子、合成樹脂レンズ素子、GRINレンズ素子、回折レンズ素子、球状レンズ素子、非球状レンズ素子のうちの少なくとも一つを有する前記補償光学素子のための前方条件付け光学;ガラスレンズ素子、合成樹脂レンズ素子、GRINレンズ素子、回折レンズ素子、球状レンズ素子、非球状レンズ素子のうちの少なくとも一つを有する倒立条件付け光学;及び、ガラスレンズ素子、合成樹脂レンズ素子、GRINレンズ素子、回折レンズ素子、球状レンズ素子、非球状レンズ素子のうちの少なくとも一つを有する前記最終結像光学を有するものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   Forward conditioning for the compensating optical element, wherein the auxiliary imaging optics comprises at least one of a glass lens element, a synthetic resin lens element, a GRIN lens element, a diffractive lens element, a spherical lens element, and a non-spherical lens element Optics: Glass lens element, synthetic resin lens element, GRIN lens element, diffractive lens element, spherical lens element, inverted conditioned optics having at least one of aspherical lens element; and glass lens element, synthetic resin lens element, The compensation scanning optical microscope according to claim 1, comprising the final imaging optical element having at least one of a GRIN lens element, a diffractive lens element, a spherical lens element, and an aspherical lens element. 前記最終像平面で光を受けるセンサーを有しており、当該センサーは、デジタルカメラ、帯電結合デバイス、CMOSセンサー、分光計及び人間の目で見るための接眼レンズのうちの少なくとも一つを有するものである請求項1記載の補償走査光学顕微鏡。   A sensor for receiving light at the final image plane, the sensor having at least one of a digital camera, a charge coupled device, a CMOS sensor, a spectrometer, and an eyepiece for viewing by the human eye The compensation scanning optical microscope according to claim 1. 物体平面の異なる部位から像を得ると共に当該像が得られるところの前記物体平面の軸外れ領域の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体;前記像面からの光であって前記物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦するためのステアリングミラー;前記物体から前記像面への前記操縦された光を受けると共に少なくともいくらかの収差を動的に補償するための可変鏡;並びに、前記光が前記ステアリングミラーから前記可変鏡を通って前記最終像平面へと移動するように前記光をガイドするための前記光路の少なくとも一部に沿う補助的結像光学であって、前記光路に沿う前記ステアリングミラーと前記可変鏡との間の前方接眼レンズ、前記光路に沿う前記可変鏡と当該顕微鏡の系開口との間の倒立接眼レンズ、及び、前記倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を有する補助的結像光学を有する補償走査光学顕微鏡。   A scanning lens assembly for obtaining an image from different parts of the object plane and forming a curved image plane having at least some aberrations varying as a function of the off-axis region of the object plane from which the image is obtained; A steering mirror for steering light from the image plane along the optical path from the object plane to the final image plane; receiving the steered light from the object to the image plane and at least some aberrations; A variable mirror for dynamically compensating; and along at least a portion of the optical path for guiding the light so that the light travels from the steering mirror through the variable mirror to the final image plane Auxiliary imaging optics, a front eyepiece between the steering mirror and the variable mirror along the optical path, and the variable mirror along the optical path. Inverted eyepiece between the system aperture of the microscope, and the compensation scanning optical microscope with an auxiliary imaging optics having a final imaging optics between the final image plane and the inverted eyepiece. 前記前方接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズ及び少なくとも一つの正レンズを含み、前記倒立接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズを有し且つ少なくとも一つの正レンズを含み、前記最終結像光学が少なくとも一つの正レンズを有するものである請求項14記載の補償走査光学顕微鏡。   The front eyepiece includes at least one negative field lens and at least one positive lens; the inverted eyepiece includes at least one negative field lens and includes at least one positive lens; The compensation scanning optical microscope according to claim 14, which has at least one positive lens. 前記前方接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズ及び少なくとも一つの正レンズを含み、前記倒立接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズを有し且つ少なくとも一つの正レンズを含み、前記最終結像光学が少なくとも一つの正レンズを有し、当該顕微鏡が前記最終像平面で光を受けるためのカメラを含むものである請求項14記載の補償走査光学顕微鏡。   The front eyepiece includes at least one negative field lens and at least one positive lens; the inverted eyepiece includes at least one negative field lens and includes at least one positive lens; 15. The compensation scanning optical microscope of claim 14, comprising at least one positive lens, the microscope including a camera for receiving light at the final image plane. 物体平面の異なる部位から像を得ると共に当該像が得られるところの前記物体平面の領域の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する湾曲した像面を形成するための走査レンズ集合体;前記像面からの光であって前記物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦するためのステアリングミラー;前記物体から前記像面への前記操縦された光を受けると共に少なくともいくらかの収差を動的に補償するための可変鏡;前記光が前記ステアリングミラーから前記可変鏡を通って前記最終像平面へと移動するように前記光をガイドするための前記光路の少なくとも一部に沿う補助的結像光学であって、前記光路に沿う前記ステアリングミラーと前記可変鏡との間の前方接眼レンズ、前記光路に沿う前記可変鏡と当該顕微鏡の系開口との間の倒立接眼レンズ、及び、前記倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を有する補助的結像光学;並びに、前記最終像平面で光を受けるためのサイエンスカメラを有する補償走査光学顕微鏡。   A scanning lens assembly for obtaining an image from a different part of the object plane and forming a curved image plane having at least some aberrations varying as a function of the area of the object plane from which the image is obtained; A steering mirror for steering the light from the object plane along the optical path from the object plane to the final image plane; receiving the steered light from the object to the image plane and dynamically at least some aberrations An auxiliary imaging along at least a portion of the optical path for guiding the light such that the light travels from the steering mirror through the variable mirror to the final image plane. A front eyepiece between the steering mirror and the variable mirror along the optical path, and the system opening of the variable mirror along the optical path and the microscope. And an auxiliary imaging optics having a final imaging optics between the inverted eyepiece and the final image plane; and a science camera for receiving light at the final image plane Compensating scanning optical microscope. 前記前方接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズ及び少なくとも一つの正レンズを含み、前記倒立接眼レンズが少なくとも一つの負の視野レンズを有し且つ少なくとも一つの正レンズを含み、前記最終結像光学が少なくとも一つの正レンズを有するものである請求項17記載の補償走査光学顕微鏡。   The front eyepiece includes at least one negative field lens and at least one positive lens; the inverted eyepiece includes at least one negative field lens and includes at least one positive lens; The compensation scanning optical microscope according to claim 17, wherein at least one positive lens is included. 走査レンズ集合体を用いて物体平面の異なる部位から有限の像を得ると共に拡大し更に前記像が得られるところの前記物体平面の前記部位の関数として変動する少なくともいくらかの収差を有する像面を形成し;前記走査レンズ集合体からの光であって前記物体平面から最終像平面までの光路に沿う光を操縦し;前記物体から前記像面への前記操縦された光の波面に対する変形を用いて少なくともいくらかを収差を動的に補償し;さらに、前記光路の少なくとも一部に沿う補助的結像光学を用いて前記光が前記操縦段階から前記変形段階を経て前記最終像平面へと移動するように前記光を集束させることを有するものである拡大すべき像のために物体平面を補償走査する方法。   Using a scanning lens assembly to obtain and enlarge a finite image from different parts of the object plane and further form an image plane with at least some aberrations that vary as a function of the part of the object plane from which the image is obtained Steering the light from the scanning lens assembly along the optical path from the object plane to the final image plane; using deformations to the wavefront of the steered light from the object to the image plane Dynamically compensating for at least some aberrations; and using auxiliary imaging optics along at least a portion of the optical path so that the light travels from the steering phase through the deformation phase to the final image plane. A method of compensating scanning the object plane for an image to be magnified, which comprises focusing the light onto the surface. 前記走査レンズ集合体によって形成される前記像面が湾曲しているものである請求項19記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the image plane formed by the scanning lens assembly is curved. 前記光路に沿う前記操縦段階を実行するためのステアリングミラーに続く前方接眼レンズ及び前記変形段階を実行する可変鏡、当該可変鏡と顕微鏡の系開口との間の前記光路に沿う倒立接眼レンズ、当該倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を前記補助的結像光学が有するものである請求項19記載の方法。   A front eyepiece following a steering mirror for performing the steering step along the optical path, a variable mirror for performing the deformation step, an inverted eyepiece along the optical path between the variable mirror and a system opening of the microscope, The method of claim 19, wherein the auxiliary imaging optics has a final imaging optics between an inverted eyepiece and the final image plane. 前記接眼レンズのうちの少なくとも一方は負レンズを含むものである請求項21記載の方法。   The method of claim 21, wherein at least one of the eyepieces comprises a negative lens. 前記光路に沿う前記顕微鏡の系開口及び前記倒立接眼レンズと前記最終像平面との間の最終結像光学を含み、前記前方及び倒立接眼レンズの双方が負レンズ及び正レンズを有するものである請求項22記載の方法。   Including a system aperture of the microscope along the optical path and final imaging optics between the inverted eyepiece and the final image plane, both the front and inverted eyepieces having a negative lens and a positive lens. Item 23. The method according to Item 22. 選択された視野位置の関数として光学収差が変化するように物体の異なる前記選択された視野位置から有限の像を形成するための走査レンズ集合体であって第一の中間像を形成する走査レンズ集合体と、各前記視野位置に対する開口の第一の像からの光であって前記物体から最終像平面までの光路に沿い波面及び第一の中間像平面を有する光を操縦する像操縦手段と、前記視野位置に依存する光学収差のうちの少なくともいくらかを補償して前記光路中の前記波面の形状に影響を及ぼすと共に前記光路に沿う前記光の波面に選択された形状を導入する補償光学素子であって開口の第二の像に位置する補償光学素子と、前記補償光学素子の能動領域を有効に使用するように前記補償光学素子の開口寸法を前記走査レンズ集合体の光学的必要条件に適合させるように前記光路に沿う前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する前条件付けステージと、最終結像光学のための及び第二の中間像平面で光を投射するための必要条件に前記補償光学素子の開口寸法を適合させるように前記光路に沿う前記光を条件付ける前記補償光学素子に対する後条件付けステージと、前記第二の中間像平面からの像を前記最終像平面で投射するための最終結像光学とを有する補償走査光学顕微鏡。   Scanning lens assembly for forming a finite image from different selected field positions of an object such that optical aberrations vary as a function of the selected field position, forming a first intermediate image An image steering means for steering light from a first image of an aperture for each field position and having a wavefront and a first intermediate image plane along an optical path from the object to a final image plane; A compensating optical element that compensates for at least some of the optical aberrations depending on the field position to affect the shape of the wavefront in the optical path and introduces a selected shape to the wavefront of the light along the optical path Compensating optical element located in the second image of the aperture and the aperture size of the compensating optical element to effectively use the active area of the compensating optical element and the optical requirements of the scanning lens assembly A preconditioning stage for the adaptive optics to condition the light along the optical path to be adapted, and the adaptive optics to the requirements for final imaging optics and for projecting light at a second intermediate image plane A post-conditioning stage for the adaptive optics that conditions the light along the optical path to match the aperture size of the element, and a final result for projecting an image from the second intermediate image plane at the final image plane. A compensation scanning optical microscope having image optics. 前記結像系を通して受け入れられると共に前記最終像平面に投射される前記光の束の境界を定めるための開口絞りを含むものである請求項24記載の補償走査光学顕微鏡。   25. A compensated scanning optical microscope according to claim 24 including an aperture stop for demarcating the bundle of light received through the imaging system and projected onto the final image plane. 前記最終像を抽出すると共に光情報を計測可能な量に転換するための少なくとも一つのセンサーを有するものである請求項24記載の補償走査光学顕微鏡。   25. The adaptive scanning optical microscope according to claim 24, further comprising at least one sensor for extracting the final image and converting optical information into a measurable amount. 前記ステアリングミラーの位置を制御すると共に前記補償光学素子への作動信号を制御するための少なくとも一つの電子的システムを含むものである請求項26記載の補償走査光学顕微鏡。   27. The adaptive scanning optical microscope according to claim 26, comprising at least one electronic system for controlling the position of the steering mirror and controlling the actuation signal to the adaptive optics. 前記センサーからのデータを読み込むための少なくとも一つの電子的システムを含むものである請求項27記載の補償走査光学顕微鏡。   28. A compensated scanning optical microscope according to claim 27, comprising at least one electronic system for reading data from the sensor. 前記最終像平面において得られた光のデータの表示と加工と収納とのうちの少なくとも一つを行うための少なくとも一つの電子的システムを含むものである請求項28記載の補償走査光学顕微鏡。   29. The compensation scanning optical microscope according to claim 28, comprising at least one electronic system for displaying, processing and storing light data obtained in the final image plane.
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