JP2011059100A - 三次元干渉顕微鏡観察 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 サンプル内にあるスイッチャブル光源のうち統計的に散在するサブセットが活性化され、活性化されたスイッチャブル光源が励起され、それにより、光ビームが、少なくとも2つの光路に沿って、活性化されたスイッチャブル光源から放出される。活性化されたスイッチャブル光源から第1の光路に沿って放出される第1の光ビームでの第1の波面修正が導入され、活性化されたスイッチャブル光源から第2の光路に沿って放出される第2の光ビームでの第2の波面修正が導入され、第2の波面修正が、第1の波面修正とは異なる。第1および第2の光ビームが、互いに干渉されて、複数の出力ビームを生成し、光源の三次元位置情報が、複数の出力ビームからの各出力ビームの強度に基づいて決定される。
【選択図】図1
Description
本出願は、「三次元干渉顕微鏡観察のためのシステムおよび方法(System and Methods for 3-Dimensional Interferometric Microscopy)」という名称で2006年12月21日に出願された米国仮特許出願第60/871,366号ならびに「三次元干渉顕微鏡観察のためのシステムおよび方法(System and Methods for 3-Dimensional Interferometric Microscopy)」という名称で2007年3月27日に出願された米国仮特許出願第60/908,307号に基づく優先権を主張する「三次元干渉顕微鏡観察のためのシステムおよび方法(Systems and Methods for 3-Dimensional Interferometric Microscopy)」という名称の2007年12月20日に出願された米国特許出願第11/961,601号の一部継続出願である。これら全ての出願は、それらの全体が参照により本明細書に援用されるものとする。
開示する主題は、たとえば、空間的に解像可能な点光源を含む、またはそのような点光源で標識されたサンプルの干渉顕微鏡観察を含めた、干渉顕微鏡観察に関する。
干渉位相を測定する顕微鏡観察システムは公知である。たとえば、1つの公知の顕微鏡観察システムは、外部光源で対象物の延在表面を照明することにより干渉位相を測定する。サンプルから反射された光は、ビームスプリッター中で参照ビームと干渉する。干渉ビームは、ディテクター上に画像化される。参照ビームとサンプルビームとの光路差は、出力干渉ビームの振幅を変調して、対象物の高さの尺度を提供することが可能である。また、対向する対物レンズを介してサンプルからの2つのビームを干渉させて1つの干渉出力ビームだけを測定する顕微鏡観察システムも公知である。
1つの一般的な態様では、第1および第2の直交次元によって定義されるサンプル平面に概して沿って延在するサンプル内にある光源が光駆動され、光源が複数の伝搬方向に光ビームを放出する。光源から放出された2つ以上の光ビームは互いに干渉されて複数の出力ビームが生成され、複数のディテクターに向けられる。複数の出力ビームからの各出力ビームの画像の中心領域に基づいて、第1の直交次元および第2の直交次元での光源の位置が決定される。複数の出力ビームそれぞれから個別に検出される強度に基づいて、サンプル平面に垂直な第3の直交次元での光源の取り得る位置の組が決定される。第3の直交次元での光源の位置と共に変化する波面修正に基づいて、1つまたは複数の光ビームおよび出力ビームの画像の形状が分析される。波面修正は、光源から放出される少なくとも1つの光ビームの波面の曲率および形状のうちの1つまたは複数の修正である。分析された形状に基づいて、光源の位置が取り得る組の中から第3の直交次元での位置が決定される。
Ifj(z)=Ioj+Gj×If(1+βj×Xf×cos(φi(z)+φj))
Gj、βjは、基準単位、すなわちIf=1およびXf=1およびαi=ATi 2/Ifに規格化することによって定義することができる。
Iij=Ioj+Gj×ATi 2(1+βj×Xi×cos(φi+φj))
Dij=(Iij−Ioj)/(Gj×If) 再スケール調整された強度データ
Dij=αi×(1+βj×Xi×cos(φi+φj))
上述したように、φ1は循環解であり、したがって一意に決定可能な範囲は、2πごとにλ/2nである。したがって、初めに、取り得るz方向位置δiの組が上述したように決定され、装備に応じて上述の一般式によって与えられる。たとえば、2つの対物レンズを有するシステムに関して、取り得るz方向位置の組に関する一般式は、δi≒λ×φi/(4πn)=λ/(4πn)×atan(ΣjDijsin(φj)/ΣjDijcos(φj))である。図28〜40Bに関して以下に論じるように、上述したシステムおよび方法は、取り得る位置の組の中から第3の直交次元(z次元)での光源の位置を決定するように修正することができる。
130 光学素子
132 光路
140 光学素子
142 光路
150 ビームスプリッター
160 光学素子
165 ディテクター
170 光学素子
175 ディテクター
250 ビームスプリッター
260 レンズ
265 ディテクター
270 レンズ
275 ディテクター
S サンプル
Claims (28)
- 概して第1および第2の直交次元によって定義されるサンプル平面に沿って延在するサンプル内にある光源を光駆動して、光源が複数の伝搬方向に光ビームを放出させる工程と、
前記光源から放出された2つ以上の光ビームを干渉させて、複数のディテクターに向けられる複数の出力ビームを生成する工程と、
前記複数の出力ビームからの各出力ビームの画像の中心領域に基づいて、前記第1の直交次元および前記第2の直交次元での前記光源の位置を決定する工程と、
前記複数の出力ビームそれぞれの個別に検出される強度に基づいて、前記サンプル平面に垂直な第3の直交次元での前記光源の取り得る位置の組を決定する工程と、
前記第3の直交次元での前記光源の位置と共に変化する波面修正に基づいて、光ビームおよび出力ビームのうちの1つまたは複数のビームの画像の形状を分析する工程であって、前記波面修正が、前記光源から放出される少なくとも1つの光ビームの波面の曲率および形状のうちの1つまたは複数の修正である工程と、
前記分析された形状に基づいて、取り得る位置の組の中から第3の直交次元での前記光源の位置を決定する工程と
を含む方法。 - 前記1つまたは複数の画像の形状を分析する工程が、前記波面修正を所定の波面修正と比較する工程を含む請求項1に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の画像の形状を分析する工程が、前記波面修正をモデル化された波面修正と比較する工程を含む請求項1に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の画像の形状を分析する工程が、前記波面修正によって引き起こされ、前記第3の直交次元での前記光源の位置と共に変化する複素位相を分析する工程を含む請求項1に記載の方法。
- 取り得る位置の組の中から前記第3の直交次元での前記光源の位置を決定する工程が、前記1つまたは複数の画像の形状を、所定の波面修正に基づいて決定される所定の画像の形状と比較する工程を含む請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光ビームに前記波面修正を導入する工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光ビームに前記波面修正を導入する工程が、前記ビーム伝搬方向に対して当該の横方向にそれぞれ1つの焦点を有する焦点面間に、前記伝搬方向に沿ったずれを導入する工程を含む請求項6に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光ビームに前記波面修正を導入する工程が、前記ビーム伝搬方向に対する1つまたは複数の横方向に沿って前記波面の曲率を導入する工程を含む請求項6に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光ビームに前記波面修正を導入する工程が、前記少なくとも1つの光ビームの画像の輝度を変える工程を含む請求項6に記載の方法。
- 前記画像の輝度が、前記光ビームおよび出力ビームのうちの1つまたは複数のビームの1つの横方向に沿って、第2の横方向とは異なるように変えられる請求項9に記載の方法。
- 概してサンプル平面に沿って延在するサンプル内にある光源が複数の光路に光ビームを放出するように構成された光駆動システムと、
前記光源から放出された第1および第2の光ビームを受け取り、前記各光ビームを2つ以上の分割ビームに分割し、前記分割ビームの少なくとも2つ以上を組み合わせて複数の合成ビームを形成するように構成された干渉システムであって、前記各合成ビームが、前記2つ以上の分割ビーム間の干渉を含み、前記干渉が、前記光源の位置に対する前記光ビームの光路長の差による前記光ビーム間での光源位相の差によって少なくとも部分的に引き起こされる干渉システムと、
前記干渉システムから出力された前記各合成ビームの強度およびプロファイルの1つまたは複数を個別に検出するように構成された少なくとも2つのディテクターと、
前記少なくとも2つのディテクターから出力を受け取り、
各合成ビームの画像の中心領域に基づいて、サブ回折確度で、前記サンプル平面内での光源の位置を計算し、
各合成ビームの個別に検出された強度に基づいて、前記サンプル平面に垂直な第3の直交次元での前記光源の取り得る位置の組を計算し、
前記第3の直交次元での前記光源の位置と共に変化する波面修正に基づいて、光ビームおよび合成ビームのうちの1つまたは複数のビームの画像の形状を分析し、その際、前記波面修正が、前記光源から放出される少なくとも1つの光ビームの波面の曲率および形状のうちの1つまたは複数の修正であり、
前記分析された形状に基づいて、前記取り得る位置の組から前記第3の直交次元での前記光源の位置を決定する
ように構成されたプロセッサーと
を備える装置。 - 前記光駆動システムが、前記サンプルに光学的に結合され、前記サンプル内にあるスイッチャブル光源のうち統計的に散在するサブセットを活性化させ、前記活性化されたスイッチャブル光源を励起するように構成され、それにより前記光ビームが、前記活性化されたスイッチャブル光源から、前記干渉システムに向けられた少なくとも2つの光路に沿って放出される請求項11に記載の装置。
- 第1の光路に沿って放出された前記第1の光ビームを受け取り、少なくとも前記第1の光ビームを前記干渉システムに向け直すように構成された第1の光学素子と、
第2の光路に沿って放出された前記第2の光ビームを受け取り、少なくとも前記第2の光ビームを前記干渉システムに向け直すように構成された第2の光学素子と
をさらに備える請求項12に記載の装置。 - 少なくとも1つの光ビームの可変の波面修正を導入するように構成された波面修正システムを、光路の少なくとも1つにさらに備える請求項11に記載の装置。
- 前記波面修正システムが、1つまたは複数の光ビームおよび合成ビームの横方向に沿った焦点面をずらすように構成されたデフォーカスシステムを、前記光路の少なくとも1つに備える請求項14に記載の装置。
- 前記デフォーカスシステムが、
前記光源と前記干渉システムとの間で第1の光ビームの第1の光路内にあり、前記第1の光ビームの横方向に沿った焦点面をずらすように構成された第1のデフォーカスシステムと、
前記光源と前記干渉システムとの間で第2の光ビームの第2の光路内にあり、前記第2の光ビームの横方向に沿った焦点面をずらすように構成された第2のデフォーカスシステムと
を備える請求項15に記載の装置。 - 前記デフォーカスシステムが、前記サンプルと前記干渉システムとの間にある請求項15に記載の装置。
- サンプル内にあるスイッチャブル光源のうち統計的に散在するサブセットを活性化する工程と、
前記活性化されたスイッチャブル光源から少なくとも2つの光路に沿って光ビームが放出されるように、前記活性化されたスイッチャブル光源を励起する工程と、
前記活性化されたスイッチャブル光源から第1の光路に沿って放出される第1の光ビームに第1の波面修正を導入し、前記活性化されたスイッチャブル光源から第2の光路に沿って放出される第2の光ビームに第2の波面修正を導入する工程であって、前記第2の波面修正が前記第1の波面修正と異なる工程と、
複数の出力ビームを生成するために前記第1の光ビームと第2の光ビームを干渉させる工程と、
前記複数の出力ビームからの各出力ビームの強度に基づいて、前記光源の三次元位置情報を決定する工程と
を含む方法。 - 前記第2の波面修正が、前記第1の波面修正と方向が逆である請求項18に記載の方法。
- 前記第1の波面修正を導入する工程が、第1の横方向に沿った第1の光ビームの焦点面を第2の横方向に沿った前記第1の光ビームの焦点面に対して第1のシフト値だけシフトさせる工程を含み、前記第1および第2の横方向が前記第1の光路に対して横方向である請求項18に記載の方法。
- 前記第2の波面修正を導入する工程が、第1の横方向に沿った第2の光ビームの焦点面を第2の横方向に沿った前記第2の光ビームの焦点面に対して第2のシフト値だけシフトさせる工程を含み、前記第1および第2の横方向が前記第2の光路に対して横方向であり、前記第2のシフト値が前記第1のシフト値と逆である請求項18に記載の方法。
- 前記第1の波面修正を導入する工程が、前記第1の光路に対して横方向である少なくとも1つの方向に沿って、前記活性化されたスイッチャブル光源から放出される第1の光ビームをアンダーフォーカスする工程を含み、
前記第2の波面修正を導入する工程が、前記第2の光路に対して横方向である少なくとも1つの方向に沿って、前記活性化されたスイッチャブル光源から放出される第2の光ビームをオーバーフォーカスする工程を含む
請求項18に記載の方法。 - 前記第1および第2の光ビームに前記第1および第2の波面修正を導入する前に、平行化された光ビームを形成する工程をさらに含む請求項18に記載の方法。
- 三次元位置情報を決定する工程が、前記サンプルが概して延在するサンプル平面に垂直な次元での前記光源の位置を決定する工程を含む請求項18に記載の方法。
- 前記第1の光ビームに前記第1の波面修正を導入する工程が、前記第1の光ビームに波面曲率を導入する工程を含み、
前記第2の光ビームに前記第2の波面修正を導入する工程が、前記第2の光ビームに波面曲率を導入する工程を含む
請求項18に記載の方法。 - 各波面修正が、当該の光ビームの波面の曲率および形状のうちの1つまたは複数の修正である請求項18に記載の方法。
- 点光源から放出される第1および第2の光ビームを、当該の第1および第2の異なる光路に関連する第1および第2の異なる方向に沿って向ける工程と、
前記第1の光路での前記第1の光ビームに対して横方向で、焦点面を第1のシフト値だけシフトさせ、前記第2の光路内の前記第2の光ビームに対して横方向で、焦点面を第2のシフト値だけシフトさせる工程であって、前記第2のシフト値が前記第1のシフト値と逆である工程と、
前記第1および第2の光ビームの焦点面をシフトさせた後、前記第1および第2の光ビームをそれぞれ2つ以上の分割ビームに分割し、前記分割ビームの少なくとも2つ以上を組み合わせて複数の合成ビームを形成する工程であって、前記各合成ビームが、2つ以上の分割ビーム間の干渉を含み、前記干渉が、前記第1および第2の光ビームの前記光路長の差によって少なくとも部分的に引き起こされる工程と、
前記各合成ビームの画像を個別に検出する工程と、
第1の直交次元および第2の直交次元での前記光源の位置を決定する工程と、
前記各合成ビームの個別に検出された画像に基づいて、第3の直交次元での前記光源の位置を決定する工程と
を含む方法。 - 前記合成ビームそれぞれの個別に検出された画像に基づいて前記第3の直交次元での前記光源の位置を決定する工程が、個別に検出された画像の強度を所定の値と比較することによって前記光源の位置を決定する工程を含む請求項27に記載の方法。
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