JP2010169686A - スペクトル・時間励起成形によるコヒーレント・ラマン顕微鏡法における選択的検出およびイメージングのためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源システム、スペクトル成形器、変調器システム、光学システム、光学検出器、および処理装置を含む顕微鏡イメージング・システムが開示される。光源システムは、第1のパルス列と第2のパルス列を提供するためのものである。スペクトル成形器は、広帯域範囲の周波数成分の少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正して、前記広帯域範囲の周波数成分を成形し、成形された第1のパルス列を生成して、試料から対象のスペクトル特徴を明確に検査しかつ試料から対象でない特徴から情報を減少させるようにするためのものである。変調器システムは、成形された第1のパルス列と第2のパルス列の少なくとも一方の特性を変調周波数で変調するためのものである。光学検出器は、共通焦点体積内で透過または反射された対象のパルス列の実質的にすべての光学周波数成分の積分強度を検出するためのものである。処理装置は、共通焦点体積内で変調されるような成形された第1のパルス列と第2のパルス列との非線形干渉による対象パルス列の実質的にすべての光学周波数成分の積分強度の変調周波数での変調を検出し、顕微鏡イメージング・システム用の画像の画素の出力信号を提供するためのものである。
【選択図】なし
Description
本出願は、2009年1月26日に出願された米国仮特許出願番号61/147,190号の優先権を主張する。
および
Claims (28)
- 顕微鏡イメージング・システムであって、
第1の広帯域範囲の周波数成分を含む第1のパルス列と、第2の光学周波数を含む第2のパルス列とを提供して、前記第1の広帯域範囲の周波数成分と前記第2の光学周波数の1組の差が、焦点体積内の試料の1組の振動周波数と共鳴し、前記第2のパルス列が、前記第1のパルス列と同期するようにするための光源システムと、
前記広帯域範囲の周波数成分のうちの少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正して、前記広帯域範囲の周波数成分が、成形された第1のパルス列を生成するように形成されて、試料から対象のスペクトル特徴を明確に検査し、かつ前記試料から対象でない特徴からの情報を減少させるためのスペクトル成形器と、
前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の少なくとも一方の特性を変調周波数で変調して、変調されたパルス列を提供するための変調器システムと、
前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列を共通焦点体積の方に変調されるように導き集中させるための光学システムと、
前記共通焦点体積内に透過または反射された対象パルス列の実質的にすべての光学周波数成分の積分強度を検出するための光学検出器と、
前記共通焦点体積内で変調されたような前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列との前記非線形干渉による前記対象パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記変調周波数の変調を検出し、前記顕微鏡イメージング・システム用の画像の画素の出力信号を提供するための処理装置と、
を含む顕微鏡イメージング・システム。 - 前記成形されたレーザ・パルス列または前記第2のパルス列の一方だけが、前記変調周波数で変調されて前記変調パルス列が提供され、その結果、前記成形されたレーザ・パルス列と前記第2のパルス列の他方が、非変調パルス列のままになり、
前記光学検出器は、前記変調パルス列を遮断することによって前記共通焦点体積内に透過または反射された前記非変調パルス列の実質的にすべての光学周波数成分の前記積分強度を検出し、
前記処理装置は、前記共通焦点体積内の前記変調パルス列と前記非変調パルス列との前記非線形干渉による前記非変調パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記変調周波数での変調を検出する、請求項1に記載の顕微鏡イメージング・システム。 - 変調された前記成形された第1のパルス列または前記第2のパルス列のいずれかの前記光学特性が振幅である、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 変調された前記成形された第1のパルス列または前記第2のパルス列のいずれかの前記光学特性が偏光であり、前記システムが、更に、偏光分析器を含む、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記スペクトル成形器と前記変調器システムが、同じ装置に含まれる、請求項1に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記広帯域範囲の周波数成分が、少なくとも0.5nmの一連の周波数成分を含む、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記広帯域範囲の周波数成分は、不連続である、請求項1に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記第2のパルス列は、広帯域範囲の周波数成分を有する、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記変調周波数は、少なくとも100kHzである、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記イメージング・システムは、コントラスト機構として誘導ラマン分光を使用し、前記第1のパルス列は、ポンプ・ビームを提供し、前記第2のパルス列は、前記変調器システムによって前記変調周波数で変調されてポンプ・ビームとストークス・ビームの一方を提供して、前記信号処理装置において前記変調周波数でラマン損失が検出されるようにする、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記イメージング・システムは、コントラスト機構として誘導ラマン分光を使用し、前記第1のパルス列は、ポンプ・ビームを提供し、前記第2のパルス列は、前記変調器システムによって前記変調周波数で変調されてポンプ・ビームとストークス・ビームの一方を提供して、前記信号処理装置において前記変調周波数でラマン利得が検出されるようにする、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記処理装置は、前記共通焦点体積内で変調されたような前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列との非線形干渉による反ストークス・パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の変調を検出する、請求項1に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記システムは、コントラスト機構として、前記第1のパルス列からの1つの光子と前記第2のパルス列からの第2の光子が同時に吸収される2光子吸収を使用する、請求項1に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記スペクトル成形器は、空間光変調器、dazzlerシステム、多重電気光学変調器、多重電気音響変調器、または音響光学可変同調フィルタのうちの1つを含む、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記スペクトル成形器は、前記第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の様々な周波数成分の偏光を異なるように修正する、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記スペクトル成形器は、前記第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の様々な周波数成分の振幅を異なるように修正する、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 前記スペクトル成形器は、スペクトル分散ユニットと偏光空間光変調器を含み、前記変調器は、偏光変調器であり、前記システムが、更に、前記変調器の前または後に位置決めされた偏光分析器を含む、請求項2に記載の顕微鏡イメージング・システム。
- 周波数変調を使用する顕微鏡イメージングを実行する方法であって、
第1の広帯域範囲の光学周波数成分を含む第1のパルス列を提供する段階と、
第2の光学周波数を含む第2のパルス列を提供して、前記第1の広帯域範囲の周波数成分と前記第2の光学周波数との1組の差が、焦点体積内の試料の1組の振動周波数と共鳴し、前記第2のパルス列が、前記第1のパルス列と同期されるようにする段階と、
前記第1の広帯域範囲の周波数成分の少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正して、試料から対象のスペクトル特徴を明確に検査しかつ前記試料から対象でない特徴からの情報を減少させるように成形される、成形された第1のパルス列を提供する段階と、
前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の一方の光学特性を、変調パルス列を提供する変調周波数で変調し、かつ前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の他方を非変調パルス列として提供する段階と、
前記変調パルス列と前記非変調パルス列を共通焦点体積の方に導き集束させる段階と、
前記変調パルス列を遮断することによって前記共通焦点体積内を透過または反射された前記変調パルス列と前記非変調パルス列の他方の実質的にすべての光学周波数成分の積分強度を検出する段階と、
前記共通焦点体積内の前記非変調パルス列と前記変調パルス列との前記非線形干渉により前記非変調パルス列の実質的にすべての光学周波数成分の前記積分強度の前記変調周波数での変調を検出する段階と、
前記検出した変調を顕微鏡イメージング・システム用の画像の画素の前記信号として提供する段階と、
を含む方法。 - 少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正する前記段階と、前記成形された第1のパルス列と前第2のパルス列の一方の光学特性を変調して変調パルス列を提供する段階が、同じ装置によって実行される、請求項18に記載の方法。
- 前記方法は、更に、
前記第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の少なくとも更に他の周波数成分の光学特性を更にスペクトル的に修正して更に成形された第1のパルス列を提供して、前記試料から前記対象スペクトル特徴と干渉する試料からのスペクトル特徴を明確に検査する段階と、
前記焦点体積内の前記更に他の成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の前記非線形干渉による前記非変調パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記検出された変調を、前記焦点体積内の前記最初に成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の前記非線形干渉による非変調パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記検出した変調から減算する段階と、
前記差を、前記顕微鏡イメージング・システム用の画像の画素の信号として提供する段階と、
を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の少なくとも更に他の周波数成分の光学特性を更にスペクトル的に修正する前記段階が、得られた実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記検出された変調を、前記非変調パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記検出された変調から減算する段階の前に、スキャン領域全体に実行される、請求項20に記載の方法。
- 前記第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の少なくとも更に他の周波数成分の光学特性をスペクトル的に更に修正する前記段階と、得られた実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記検出された変調を、非変調パルス列の実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記検出された変調から減算する前記段階が、1つの画素に実行され、その後で次の画素がレーザ・スキャンされる、請求項21に記載の方法。
- 前記成形された第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正する前記段階が、振幅変調を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記成形された第1のパルス列の前記広帯域範囲の周波数成分の少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正する前記段階が、偏光変調を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記方法は、様々な変調周波数における様々なスペクトル・マスクを提供する段階と、前記様々な変調周波数に同調された複数のロックイン検出器を使用して複数の対象パルス列を検出して、複数の化学種が同時に検査されるようにする段階とを含む、請求項18に記載の方法。
- 顕微鏡イメージングを実行する方法であって、
a)第1の広帯域範囲の光学周波数成分を含む第1のパルス列を提供する段階と、
b)第2の光学周波数を含む第2のパルス列を提供して、前記第1の広帯域範囲の周波数成分と前記第2の周波数成分との1組の差が、焦点体積内の試料の1組の振動周波数と共鳴し、前記第2のパルス列が前記第1のパルス列と同期されるようにする段階と、
c)前記第1の広帯域範囲の周波数成分の少なくともいくつかの周波数成分の光学特性をスペクトル的に修正して、前記第1のパルス列を成形し、成形された第1のパルス列を提供して試料から対象スペクトル特徴を検査するようにする段階と、
d)前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の一方の特性を変調周波数で変調して、変調パルス列を提供しかつ前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の他方を非変調パルス列として提供する段階と、
e)前記変調パルス列と前記非変調パルス列を共通焦点体積の方に導き集束させる段階と、
f)前記変調パルス列を遮断することによって、前記共通焦点体積内で透過または反射された変調周波数で前記非変調パルス列の実質的にすべての光学周波数成分の積分強度を検出する段階と、
g)前記共通焦点体積内の前記変調パルス列と前記非変調パルス列との非線形干渉による実質的にすべての前記変調パルス列の前記積分強度の前記変調周波数での変調を検出する段階と、
h)前記第1の広帯域範囲の周波数成分の少なくともいくつかの周波数成分の光学特性を更にスペクトル的に変調して、前記第1のパルス列を、負に成形し、負に成形された第1のパルス列が提供され、前記試料から前記対象スペクトル特徴と干渉する試料からのスペクトル特徴が明確に検査されるようにする段階と、
i)前記負に成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の一方の特性を、更に他の変調パルス列を提供する変調周波数で変調して、前記成形された第1のパルス列と前記第2のパルス列の他方を更に他の非変調パルス列として提供する段階と、
j)前記更に他の変調パルス列と更に他の非変調パルス列を共通焦点体積の方に導き集束させる段階と、
k)前記更に他の変調パルス列を遮断することによって、前記共通焦点体積内で透過または反射された変調周波数で、更に他の非変調パルス列と前記更に他の変調パルス列の実質的にすべての光学周波数成分の積分強度の変調を検出する段階と、
l)得られた実質的にすべての前記光学周波数成分の前記積分強度の前記変調を、共通焦点体積内の前記更に他の変調パルス列と前記更に他の非変調パルス列の前記非線形干渉による実質的にすべての前記更に他の変調パルス列の前記積分強度の変調から減算して差分信号を得る段階と、
m)前記差分信号に応じて前記顕微鏡イメージング・システム用の画像を提供する段階と、
を含む方法。 - 前記段階a)〜m)がそれぞれ、顕微鏡イメージング・システムにおける各画素に実行され、その後で前記段階a)〜m)がそれぞれ別の画素に実行される、請求項26に記載の方法。
- 前記段階a)〜g)がそれぞれ、顕微鏡イメージング・システムにおける各画素に実行され、その後で前記段階h)〜m)がそれぞれ各画素に実行される、請求項26に記載の方法。
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