JP2013517523A - 誘導放出抑制顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

本発明は、対象Ｏのための誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を用いた光学顕微鏡システム１０を開示する。光学素子６は、第１の励起ビーム１及び第２の抑制ビーム２を対象にフォーカスするために適用され、それによって、第１及び第２の両方のビームの共通光路ＯＰを規定する。位相変更部材５は、共通光路（ＯＰ）に挿入され、位相変更部材は、対象内に抑制されない関心領域ＲＯＩを生成するために、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、第２のビームの波面を変更する（２'）ように、光学的に構成される。位相変更部材は、それが第１のビームには影響を与えず、第２のビームには波面又は位相変化を引き起こし、その結果、対象の焦点面に抑制領域（例えばドーナツ形状のスポット）をもたらすすように、波面又は位相を適応させるので、第１のビーム及び第２のビームは、共通光路を有する。本発明は、ＳＴＥＤ顕微鏡のより小さい及び／又は改善された光学設計を容易にする。これは、例えば内視鏡及びカテーテルのような医用インビボイメージングに関して特に重要である。

Description

本発明は、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）に関する光学顕微鏡システム、及びこのようなシステムにより顕微鏡法を実施する対応する方法に関する。本発明は、好適には、医用イメージング用の内視鏡、カテーテル又はニードル、又は同様の装置の一部を形成する対応する光学サブユニットに関する。

誘導放出抑制（stimulated emission depletion、ＳＴＥＤ）顕微鏡において、画像解像度は、従来の顕微鏡の回折限界より十分低く達成されることができる（例えばB. Harke、J. Keller、C.K. Ullal、V. Westphal、A. Schonle及びS.W. Hellによる文献「Resolution scaling in STED microscopy」Optics Express 16 (2008) p. 4154-4162の図２を参照。）。ＳＴＥＤ顕微鏡では、蛍光マーカが、パルスレーザシステムによって励起される。この励起の直後、すなわち蛍光の減衰時間内に、蛍光発光波長の近傍の波長を有する第２のレーザパルスが、適用される。この第２のレーザパルスは、ドーナツ形状のスポット（又は第１のパルスの形状と異なる他の同様の形状）を有する。誘導放出により、この第２のパルスは、ドーナツ形状のスポット領域の中で、蛍光分子を非励起（de-excite）する。しかしながら、ドーナツの中心内の分子は、非励起されない。この中心領域は、従来の顕微鏡の回折限界のスポットサイズより概して小さい。それゆえ、２つのレーザパルスの後に残りの励起分子から生じる蛍光を検出することは、回折限界より小さい領域から生じるものであり、ゆえに、イメージングの回折限界以下の解像度をもたらす。これは、最近、この技術分野において興味を引いている。

２つのパルスレーザビームを生成するために、一般に、上記のHarke他による文献の図１に示される光学セットアップが使用される。これは、すべての３空間次元においてビームアライメントに重い制約を与え、一般に、光学セットアップにおける機械的、熱的及び／又は光学的なビームドリフトにより、再アライメントが周期的に必要とされる。更に、抑制ビームは、ドーナツ形状スポットを生成するために、さまざまな異なる光学コンポーネントを必要とする。同様に、２レーザビームは、インビボの医学的及び生物学的イメージングに非常に重要である光学ＳＴＥＤ顕微鏡の可能性のある小型化に制約を課す。

本願出願人による国際公開第2009087527号パンフレットを参照して、光学ファイバスキャナに関連して、このようなアプリケーションの場合、概して、励起ビーム及びＳＴＥＤビームの共通の光学ビームパスを有することが好ましい。

本発明の発明者は、改善されたＳＴＥＤ顕微鏡システムが有益であることを認識し、結果として、本発明を案出した。

改善された顕微鏡システムを達成することが有利である。更に、よりコンパクトな及び／又はロバストな顕微鏡システムを可能にすることが望ましい。概して、本発明は、好適には、単独で又は任意の組み合わせにおいて、上述の不利益の１又は複数を軽減する、緩和する又は除去することを追求する。特に、本発明の目的は、従来技術の上述の問題又は他の問題を解決する方法を提供することが理解されることができる。

これらの問題の１又は複数により良好に対処するために、本発明の第１の見地は、関連する対象について誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を用いる光学顕微鏡システムであって、システムは、
第１及び第２のビームを放出することができる放射線生成手段であって、第１のビームが励起ビームであり、第２のビームが、第１のビームに対する抑制ビームである、放射線生成手段と、
第１及び第２のビームを対象にフォーカスする光学素子であって、放射線生成手段と相対的に配置され、第１及び第２の両方のビームの共通光路を規定する光学素子と、
前記共通光路に挿入される位相変更部材であって、対象内に抑制されない関心領域を生成するために、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、第２のビームの波面を変更するように、光学的に構成される、位相変更部材と、
を有する。

本発明は、特に、これに限らないが、よりコンパクトな及び／又はロバストなＳＴＥＤ顕微鏡システムを得るために有利である。この場合、第１の励起ビーム及び第２の抑制ビームは、第１のビームには影響を与えず、第２のビームには波頭又は位相の変化を与え、その結果、焦点面の関連する対象内に抑制領域（例えばドーナツ形状のスポット）をもたらすようなやり方で、波面又は位相を適応させる位相変更部材により、ビームをフォーカスする光学素子によって規定される共通光路を有する。

この技術分野では従来、例えば「ドーナツ」形状のビームを提供するために、位相板が、ＳＴＥＤセットアップの２つのパルスレーザビームの一方に使用されていたことに注意すべきである。この構造の欠点は、位相板がビームの一方になければならず、一緒の両方のビームに配されることができないことであった。従って、ファイバスキャナのような小型顕微鏡においてＳＴＥＤ技法を実現する場合、この制約は、以前は、小型顕微鏡の可能性のある小型化を制限していた。光学ファイバスキャナに関連して、例えば本願出願人による国際公開第2009087527号パンフレットを参照して、位相変更部材は、このようなアプリケーションの場合、国際公開第2009087527号パンフレットの図４のファイバ２と対物レンズ６ａとの間に位置付けられることができる。上記パンフレットの内容はすべて、参照によって本願明細書に盛り込まれるものとする。

本発明のコンテクストにおいて、実際的な観点から、誘導される小さい波面又は位相変化が一般にあるが、この変化は、得られる誘導放出抑制画像に結果をもたらさず又は少なくとも取るに足らない結果をもたらすという意味において、位相変更部材は、第１の励起ビームに対して影響を与えず又は実質的に与えないことが理解されるべきである。以下、これについてより詳しく説明される。

特定の有利な実施形態において、位相変更部材は、第１及び第２の領域を含む複数の領域をもつ表面を有する第２のビームの波面を変更することができ、第１の領域は、第２の領域の高さを上回る突出した高さを有する。第１及び第２の領域の高さの間に突出又はステップを有することによって、相対的に簡素なやり方で位相変更部材を生成することが可能であり、例えば一般にマイクロメートル以下の精度を有するステップ高さを生成するための高精度の製造方法を適用して、単一材料に生成されることができる。言うまでもなく、これは、各領域が位相変更部材の全体の技術目的と整合する突出を有する、２より多くの領域、すなわち３、４、５、６、７、８、９、１０等の領域にも一般化されうる。これは、高精度のレンズ製造から知られている技法を使用することによって可能である；例えば、B. H. W. Hendriks他による「Miniaturised High-Numerical Aperture Singlet Plastic Objective for Optical Recording」（Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 9A, 2005, pp. 6564-6567）及びM. A, H, van der Aa 他による「Small Form Factor Optical Drive: Miniaturized Plastic High-NA Objective and Optical Drive」（Proceedings from Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage 2002, IEEE, p. 251-253）を参照されたい。これらの両方の文献はそれら全体が、参照によって本願明細書に盛り込まれるものとする。これは、本発明の技術的効果を生成するために、一般に光学的、熱的及び機械的パラメータの相対的に複雑な整合／インタフェースを要求する２又はそれ以上の異なる光学材料を使用することと比較して、特に有益にある。

付加の有利な実施形態において、位相変更部材は、パイ（π）の２倍のモジュラスで第１のビームの位相を変更することによって、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにすることができる。そのようにして、例えば２又はそれ以上の異なる材料の光学特性を整合させる必要がない。

言及する価値のある他の利点は、位相変更部材に関して、必要とされるステップ高さは、概して相対的に小さく（数ミクロンのオーダー）、それゆえ、製造の観点で部材を相対的に容易にすることである。更に、ステップの幅は、ステップ高さに対して大きくなりうる。階段状（stepped）の位相構造のこれらの特性は、それらを、今日のレンズ製造技術により製造することを相対的に容易にする。上述の文献を参照されたい。

上述の好適な実施形態において、位相変更部材が、第１の及び第２の領域を含む複数の領域をもつ表面を有することによって、第２のビームの波面を変更することができる。第１の領域が、第２の領域の高さを上回る突出した高さを有する場合、その表面は、位相変更部材の外側の表面でありえ、これは、簡素な製造を可能にする。付加的に又は代替として、位相変更部材は、パイ（π）の２倍のモジュラスで第１のビームの位相を変更することによって、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにすることができる。製造の簡潔さ及び／又は容易さを増大するために、位相変更部材の表面の複数の領域は、１つの光学材料に製造されることができ、好適には、位相変更部材の全体が、１つの光学材料に製造されることができる。

有利な実施形態において、少なくとも前記光学素子及び位相変更部材は、例えば小型化の要求が特に迫られているインビボ光学イメージングのような、医用イメージング用の内視鏡、カテーテル又はニードルに位置する。

一実施形態において、位相変更部材は、方位角方向のコンフィギュレーションを有することができ、前記複数の領域のの各領域が、方位角方向の間隔内に位置する。共通光路は、位相部材の中心の又は実質的に中心の位置を通ることが好適である。更に、複数の領域は、位相変更部材の表面において、方位座標に沿って、３、４、５又はそれより多くの離散ステップにより、連続的に増加する高さを有することができる。これに関して、図３及び以下の対応する説明を参照されたい。他の変形例において、複数の領域は、位相変更部材の表面において、連続的に増加する高さを有しなくてもよく、代わりに、方位座標に沿って高くなり、低くなる高さを有してもよい。

特定の実施形態において、位相変更部材の表面の高さは、方位角Φ（φ）の関数としての第２のビームの変更された位相が、方位角、
Φ（φ）＝φ φ∈［０，２π）
にほぼ等しくなるように高さ分布を有することができる。

厳密に述べると、これは、連続する高さ分布の場合にのみ満たされることができ、さまざまな高さ分布の場合、これは、合理的に近似されうる。代替として、条件は、セグメントの平均角度で近似されることができる。

他の特定の実施形態において、フォーカシング光学素子の焦点面における第２のビームスポット振幅（Ｕ）は、位相変更部材が、式、

をほぼ満たすことを要求することによって、光路の中心位置（ｒ＝０）においてほぼゼロでありうる。上式で、ｋは、セグメント数を示し、Φ_ｋは、セグメント位相を示し、ｗ_ｋは、セグメントｋの終了角度から開始角度を減じたものに等しいセグメントサイズである。いわゆる「ドーナツ」コンフィギュレーションに代わって、この式は、本質的なＳＴＥＤ要求を満たす変更部材の他の光学コンフィギュレーションのレンジを含む。

代替の実施形態において、フォーカシング光学素子の焦点面における第２のビームのスポット振幅Ｕは、位相変更部材が、式、

をほぼ満たすことを要求することによって、共通光路の周りでほぼ回転対称でありうる。ここで、ｋは、セグメント数を示し、Φ_ｋは、セグメント位相を示し、ｗ_ｋは、セグメントｋの終了角度から開始角度を減じたものに等しいセグメントサイズである。従って、これらの２つの式は、本発明による位相変更部材の多くの異なる光学的な実施形態を可能にする設計規則を当業者のために規定する。

全く異なる実施形態において、位相変更部材の第１及び第２の領域は、共通光路の周りで回転対称でありうる。これは、本発明の他の簡素で有利な実施形態を可能にする。図１０及び以下の記述を参照されたい。

第２の見地において、本発明は、関連する光学顕微鏡システムにおいて、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を使用して関連する対象を光学イメージングするように構成される光学サブユニットであって、関連する光学顕微鏡システムは、第１及び第２のビームを放出することができる放射線生成手段を有し、第１のビームは励起ビームであり、第２のビームは第１のビームに対する抑制ビームであり、光学サブユニットは、
第１及び第２のビームをサブユニットを通してガイドする光学ガイディング手段と、
第１及び第２のビームを対象にフォーカスする光学素子であって、放射線生成手段と相対的に配置され、第１及び第２のビームの両方の共通光路を規定する光学素子と、
前記共通光路に挿入される位相変更部材であって、対象内に抑制されない関心領域を生成するために、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、第２のビームの波面を変更するように、光学的に構成される位相変更部材と、
を有する光学サブユニットに関する。

好適には、光学サブユニットは、第１の見地による関連する光学顕微鏡システムにおいて、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を使用して関連する対象を光学イメージングするように構成されることができ、光学サブユニットは、医用イメージング用の内視鏡、カテーテル、ニードル又は生検ニードルの一部を形成する。非医用のものを含む他の種類のイメージング装置が更に、本発明の教示及び一般法則の中で企図される。医用分野において、これは特に有利であり、なぜなら、この種の装置は、一般に、衛生上の規制のため１回使用後に廃棄され、本発明によるこれらの医用装置の相対的に簡素な製造は、有利な医用装置のより広範囲の使用及び応用を容易にするからである。

第３の見地において、本発明は、対象について誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を用いて好学顕微鏡法を実施する方法であって、方法は、
第１及び第２のビームを含む放射線を放出するステップであって、第１のビームが励起ビームであり、第２のビームが第１のビームに対する抑制ビームである、ステップと、
第１及び第２の両方のビームの共通光路を規定する光学素子を使用して、第１及び第２のビームを対象にフォーカスするステップと、
前記共通光路に位相変更部材を提供するステップであって、位相変更部材は、対象内に抑制されない関心領域を生成するために、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、第２のビームの波面を変更するように、光学的に構成される、ステップと、
を含む方法に関する。この見地によれば、本発明は、光学ＳＴＥＤ顕微鏡システムが本発明に従って動作するように変更され及び／又は更新されることができる点で、特に有利である。

概して、本発明のさまざまな見地は、本発明の範囲内で可能な任意のやり方で組み合わせられ、結合されることができる。本発明のこれら及び他の見地、フィーチャ及び／又は利点は、以下に記述される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。

本発明による光学顕微鏡ＳＴＥＤシステムを示す概略図。 本発明による第１及び第２のビームの波面を示す概略図。 本発明による、方位角方向のコンフィギュレーションを有する位相変更部材のそれぞれのビューから見たより詳細な図。 対応する位相対角度を示すグラフ（左）及び焦点面に結果的に得られるスポット分布対スケーリングされた半径距離（右）の組を示す図。 対応する位相対角度を示すグラフ（左）及び焦点面に結果的に得られるスポット分布対スケーリングされた半径距離（右）の組を示す図。 対応する位相対角度を示すグラフ（左）及び焦点面に結果的に得られるスポット分布対スケーリングされた半径距離（右）の組を示す図。 表２−４の位相変更部材によって生成されるスポットの２次元強度分布を示す図。 等しいサイズのセグメントを有する理想的な位相変更部材の強度プロファイルを示す図。 ７つのセグメントを有する位相変更部材によって生成されるスポットの２次元強度分布を示す図。 本発明の他の実施形態による円形コンフィギュレーションを有する階段状の位相変更部材の一実施形態を示す図。 本発明による光学サブユニットを示す図。 本発明による方法のフローチャート。

本発明の実施形態は、図面を参照して、単なる例示として記述される。図１は、本発明による光学顕微鏡ＳＴＥＤシステム１０の概略図である。光学顕微鏡システム１０は、関連する対象Ｏ（それ自身は光学システム自体の一部を形成しない）の誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）イメージングのために適応される。ＳＴＥＤ方法に関する更なる技術的詳細については、Harke, J. Keller、C.K. Ullal、V. Westphal、A. Schonle及びS.W. Hell他による「Resolution scaling in STED microscopy」（Optics Express 16 (2008) p. 4154-4162）を参照されたい。その内容はすべて、参照によって本願明細書に盛り込まれるものとする。

光学システム１０は、例えば２又はそれ以上のパルスレーザ又は単一同調可能レーザ又は他の適切な放射線生成器である、少なくとも第１及び第２のビームを放出することができる放射線生成手段５を有する。第１のビーム１は、例えば対象の蛍光イメージングのための励起ビームであり、第２のビーム２は、対象Ｏの或るゾーンに抑制を引き起こすように、赤方遷移エネルギー、すなわち低エネルギーを一般にもつ、第１のビーム１に対する抑制ビームである。

付加的に、例えば非ゼロの屈折力をもつレンズ又は他のコンポーネントである光学素子６が、第１のビーム１及び第２のビーム２を対象Ｏにフォーカスするために提供される。光学素子は、放射線生成手段７に相対的に配置され、第１のビーム１及び第２のビーム２の両方の共通光路ＯＰを規定する。図１において、第１のビーム１及び第２のビーム２は、単に図における明確さの理由で垂直にずらされており、空間的な重なりは、一般に、ビームを利用するために可能である限り、実際の実現において最大にされる。

更に、位相変更部材５は、前記共通光路ＯＰに挿入され、位相変更部材５は、対象Ｏに抑制されない関心領域を生成するために、第１のビーム１の波面を実質的に変更されないままにし、第２のビーム２の波面を変更するように、光学的に配置される。同等に、位相変更部材５は、第１のビームの位相を、２パイ（π）の整数倍で変更するように、すなわち位相を効果的に変更されないままにし、及び第２のビームの位相を２πの整数倍と異なるように変更して、対象内に抑制されない関心領域を生成するように、光学的に構成されるものであると言うことができる。これは、特により容易な使用及び／又はよりコンパクトな光学設計のような多数の利点を提供するＳＴＥＤ顕微鏡と関連して、共通光路に沿って、単一ビームパスの使用を容易にする。

位相変更部材５及び光学素子６は、２つの別個のエンティティと同様の又は等価な機能を有する単一のエンティティ（図示せず）に組み合わせられることができる。

図２は、光路ＯＰに沿った、本発明による第１のビーム１及び第２のビーム２の波面の概略図であり、２つの異なる時間における２つのビームが図示されている；時間＝Ａ"ＥＸＣＩＴ"における、位相変更部材５を通過する第１の励起ビーム１が図示されており、ここで、波面は変更されておらず、又は同等に、第１のビームの光収差がない。これは、一般に第１のビーム１の波長に大きく依存することに注意すべきである。

その後、時間＝Ｂ"ＳＴＥＤ"において、位相変更部材５を通過する第２の抑制ビーム２の波面が、図示されており、ここで、波面２'は変更されており、波面のブレーク２'（突然の変化）によって概略的に示されている。第２のビーム２の波面の変更は、対象Ｏに抑制されない関心領域ＲＯＩを生成するようにサイズ設計されるべきである。これは、以下により詳しく説明される。

図２の右側には、それぞれ異なる時間の対応する焦点面ＦＰが図示されており、時間＝Ａ"ＥＸＣＩＴ"に、円は、例えば対象Ｏに蛍光を生じさせることができる放射線によって照明される。時間＝Ｂ"ＳＴＥＤ"に、変更された抑制ビーム２'が、円周領域に抑制を生じさせる；図２に円形の非抑制領域の周りに黒で概略的に示されている。より後の時間＝Ｃ"ＲＯＩ"には、蛍光は、主として抑制の程度に依存して、中心の関心領域ＲＯＩからのみ生じ、それは、放出される蛍光の波長以下、すなわち回折限界以下の空間的拡張（例えば円の直径）を有しうる。

図３は、本発明による方位角方向のコンフィギュレーションを有する位相変更部材５の、さまざまな異なるビューから見たより詳しい図である。方位角方向のコンフィギュレーションという語は、中心軸、すなわち一般的な光路ＯＰ、の周りの従来の円筒座標によって記述されるコンフィギュレーションによって合理的に表現され又は近似されることができるコンフィギュレーションを意味する。図３に示される部材５は、３つの領域又は方位角セグメント３１、３２及び３３を含む。位相変更部材５は、少なくとも第１の領域３１、第２の領域３２及び第３の領域３３を含む複数の領域を有する表面をもつことによって、第２のビーム２の波面を変更することができる。第２の領域３２は、第１の領域３１の高さを上回る突出した高さｈを有し、第３の領域又はセグメント３３は、第２の領域３２を上回る高さを有する。これは、部材の下の、高さｈ対方位角φを示すグラフに示されている。

部材５の表面は、例えばガラス、ポリマ又は空気のような別の光学材料又は媒体とインタフェースされることができ、それにより、位相変更部材を設計する際、効果的な波面変更がこれを考慮することに言及しなくてはならない。一般に、これは、製造プロセスの簡潔さの理由で、例えばＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ＣＯＣのようなポリマ、ジアクリルの類の硬化可能な樹脂である単一材料に作られる部材５である。従って、図３にも示されるように、それぞれ異なる領域の異なる高さは、部材５の外側表面上にありうる。

図４−図６は、特定の例について、対応する位相対角度（左側）及び焦点面で結果的に得られるスポット分布対スケーリングされた半径距離（右側）を示すグラフの３つの組を示している。

位相変更部材５をＰＭＭＡから作成するものとする。ＰＭＭＡの屈折率は、励起波長６３５ｎｍに対して１．４９０であり、抑制波長７３５ｎｍに対して１．４８７である。位相板が、波面に位相Φ（φ）を導入するものとする。抑制ビームの開口数ＮＡをＮＡ＝０．６とする。焦点面のＳＴＥＤスポット振幅は、

によって与えられる。上式で、焦点面（ｒ，Ψ）の円筒座標を使用して、ｋ＝２π／λであり（Born及びWolfによる「Principles of Optics」（Seventh Edition, Pergamon Press, chapter 9）を参照）、積分（ρ，φ）について、ρは無次元である。この場合、積分下で、方位角に関する位相、
Φ（φ）＝φ （３）
を近似すると、下式が得られる：

波長６３５ｎｍにおいて、ステップが２πの位相をもたらすように、ステップ高さを次のように規定する：
ｈ＝λ／ｎ−ｎｓ （５）
ここで、λは６３５ｎｍの波長であり、ｎは、ステップが作成される材料の屈折率であり、ｎｓは、周囲媒体の屈折率である。ここで、周囲媒体は空気であり、ゆえにｎｓ＝１であるとする。

この特定の例において、ｈ_ｅｘ＝１．２９５９ミクロンであることが分かる。これらのステップは、ゆえに、励起ビームに影響を与えない。

７３５ｎｍにおいて、このステップは、２πの位相ステップをもはや生成しないが、位相は、０．８５８７＊２πに等しい。表１には、７３５ｎｍ波長において、さまざまなステップ高さに関してもたらされる位相がリストされている。

表１：６３５ｎｍ波長で２πの倍数の位相を生成するさまざまなステップ高さと、７３５ｎｍ波長でもたらされる対応する位相を示すリスト

焦点面ＦＰにドーナツ形状のスポット分布を生成するために、位相変更部材５、すなわち「位相板」によって生成される位相は、ラジアンで表現される角度であるΦ（φ）＝φと等しくなりうる。

励起ビームで効果を生じさせないために、この分布を階段状の分布によって近似することができる。表２、表３及び表４には、３、４及び５の等しい大きさのセグメントを有する位相変更部材５の例を与えるさまざまなステップのリストが示されている。図４−図６には、抑制ビーム２'に関して焦点面の対応するスポット分布を通る横断面がプロットされている。この図は、実際、位相変更部材５が、中心にくぼみ又は最小値を有するスポット分布をもたらすことを示している。この例では、ｒ＝０での強度値が最も低いので、最適結果は、この例では５段の位相変更部材５に関する。再び励起ビーム１に対しては、位相変更部材５は、効果をもたらさず又は非常にわずかな効果しかもたらさない。

表２：３段の位相板の場合のさまざまなステップ及び抑制ビームに対してステップによってもたらされる位相のリスト

表３：４段の位相板の場合のさまざまなステップ及び抑制ビームに対してステップによってもたらされる位相のリスト

表４：５段の位相板の場合のさまざまなステップ及び抑制ビームに対してステップによってもたらされる位相のリスト

図７及び図８は、表２−４の位相変更部材によって生成されるスポットの２次元強度分布と、等しい大きさのセグメントを有する理想的な位相変更部材の強度プロファイルとをそれぞれ示している。

図７は、表２−４の位相板によって生成されるスポットの２次元強度分布を示す。明らかに、強度プロファイルは回転対称からは程遠い。スポットの２次元強度分布は、表２（左）、表３（中心）及び表４（右）の位相板によって生成されたものである。ｘ軸及びｙ軸は、［−２λ，２λ］のレンジを有する。

比較のために、図８は、等しい大きさのセグメントを有する理想的な位相板の強度プロファイルを示す。３、４及び５の等しい大きさのセグメントを有し、表１の値に制限されないがそれらの理想値をもつ位相を有する理想的な位相板のスポット強度プロファイル（左から右）が、示されている。結果的に得られるスポットは、期待される３重、４重及び５重の対称性を示す。明らかに、３セグメント位相板は、完全な回転対称から最も逸脱しており、蛍光の一様な抑制を提供することができないので、４セグメント及び５セグメント位相板が、３セグメント位相板より好ましい。

表１のものに制限された位相値を有する位相板によって生成されるスポット形状は、セグメントがすべて同じ大きさでないことを可能にされる場合に、改善されることができる。こうして生成される付加の自由度は、スポットをより高い回転対称をもつようにするために使用されることができる。位相板の設計基準が、いわゆる回折積分の式（２）からどのように導き出されることができるかを以下に示す。式（２）の半径にわたる積分は、解析的に実施されることができ、その結果、下式を与える：

ここで、

式（６）の右辺は、ａ及びＮＡの累乗で拡張されることができ、その結果、次式を与える：

式（６−８）を式（２）に挿入し、
ｃｏｓ（Ψ−φ）＝ｃｏｓΨｃｏｓφ＋ｓｉｎΨｓｉｎφ （９）
を使用すると、下式が得られる。

Φ（φ）が各セグメントにわたって一定であって、積分レンジがセグメントにわたって再分割される場合、式（１０）のφにわたる積分は、解析的に実施されることができ、結果として、セグメントにわたる合計を与える：

上式で、ｋは、セグメント数を示し、Φ_ｋは、（表１から選択される）セグメント位相であり、ｗ_ｋは、セグメントサイズ（すなわちセグメントｋの終了角度から開始角度を引いたもの）であり、φ_ｋは、平均セグメント角度（すなわち、開始角度及び終了角度の平均）である。式（１１）を導き出す際、サイン及びコサインの差のよく知られた関係が使用された：

式（１１）を調べると、光学軸（ｒ＝０）上でゼロ強度を有することが望まれる場合、右辺の第１項はゼロであるべきである：

更に、光学軸近傍で、可能な限り高い回転対称性をもつ抑制ビームの強度プロファイルを有するために、強度｜Ｕ（ｒ，Ψ）｜^２がΨから独立することが望まれる。これは、式（１１）のｃｏｓΨ及びｓｉｎΨによって生じる係数の比が以下である場合に達成される：

これは、以下の関係を考慮することによって理解されることができる：

（Ａ、Ｂ複素数）。Ｂ／Ａ≠±ｉのとき、式（１５）はΨから独立するようになる。この場合、｜Ｂ／Ａ｜^２＝１及びＲｅ（Ｂ／Ａ）＝０である。式（１５）において、Ａ及びＢは、式（１１）のｃｏｓΨ及びｓｉｎΨによって生じる係数を表し、式（１４）の分母及び分子を形成する。これを使用することによって、Ψに関する強度バリエーションに比例する係数に関して、式（１４）の代替の等価な式は、次のようになる：

要するに、式（１３）及び（１４'）は、位相変更部材又は位相板５の設計規則を提供する：位相Φ_ｋの組が与えられる場合、セグメントの開始及び終了角度は、式（１３）及び（１４'）が可能な限り満たされるように、選択されなければならない。代替として、セグメントサイズが何らかのやり方で予め決められる場合、これらの設計規則は、可能な位相の組から位相Φ_ｋを選択するために使用されることができる。式（１３）及び（１４'）を可能な限り十分に満たすような位相が、選択されるべきである。

原則的に、他の設計規則は、ａのより高い次数まで式（８）を拡張し、これらのより高い次数を含む上述の導出を繰り返すことによって、生成されることができる。

式（１３）及び（１４'）を使用して設計される７セグメント位相変更部材５によって生成されるスポットの例が、図９に示されている。スポットの中心付近のほぼ完全な回転対称性に注意されたい。位相板設計のパラメータが表５にリストされる。

表５：７段の位相板の場合のさまざまなステップ及び抑制ビームに対してもたらされる位相のリスト

（収集対物レンズとして機能する）光学素子６によって捕えられる蛍光光は、それがファイバ端によって捕えられる前に、位相板５を通過しなければならない。これもまた、ドーナツ形状を有する。検出に関する問題を回避するために、例えばLing Fu他による「Nonlinear optical microscopy based on double-clad photonic crystal fibers」（OPTICS EXPRESS 5528, July 2005, Vol. 13, No. 14）に記述されるようなファイバのクラディングを通じて光を検出するような代替の方法を用いることが可能である。

図１０は、本発明の他の実施形態による円形コンフィギュレーションを有する階段状の位相変更部材の実施形態を示している。中空のスポットを生成するための別の方法は、図７に示す階段状の位相板を使用することによる。入射瞳の半径のｂの何分の一かのステップが生じるものとする。更に、分布の強度が、等方性であり、ステップによってもたらされる位相が、Ｑであるものとする。焦点面の振幅分布は、次式から与えられる：

例えばＱ＝π及びｂ＝１／√２である場合、強度分布は、ｒ＝０においてゼロである。ここで、上述したのと同様のやり方で、抑制ビームに対して２πの０．４３４７倍の位相ステップを生成するが励起ビームには影響を与えない５．１８３６ミクロン（ｎ＝４）の高さを有するステップを選ぶことが可能である。抑制ビームに対する位相ステップはπに近いので、スポットは、略ドーナツ形状を有する。

図３の方位角方向に階段状である位相板の実施形態と、図１０の回転対称であり半径方向に階段状である実施形態に加えて、方位角方向及び半径方向の両方で階段状である実施形態が、本発明の教示及び一般法則の範囲内で使用されることができ、例えば、図１０の半径方向のステップと方位角方向のステップのリングの組み合わせ、又は、セグメントのいくつか若しくはすべてがスポットプロファイルを最適化するように半径方向（おそらくセグメントごとに異なる境界半径）で再分割される方位角方向に階段状である位相板を含む。

図１１は、光学顕微鏡システム１０において誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を使用して対象Ｏを光学イメージングするように構成される光学サブユニット１００を示す。光学サブユニット１００は、本発明（図１１に示さないビーム）に従って第１のビーム１及び第２のビームを放出することができる放射線生成手段７を有し、手段７は、両矢印によって概略的に示されるように、サブユニット１００に光学的に接続される。光学サブユニット１００は、第１及び第２のビームをサブユニットを通してガイドするための、例えば光ファイバ又は他の適切な光学素子のような光学ガイディング手段１１０を有する。サブユニットは更に、第１及び第２のビームを対象Ｏにフォーカスするための光学素子６であって、放射線生成手段に相対的に配置され、第１及び第２の両方のビームの共通光路を規定する光学素子と、共通光路に挿入される位相変更部材５と、を有する。

光学サブユニット１００、又はその構成素子は、例えばインビボ光学イメージング及び診断のための、医用イメージング用内視鏡、カテーテル、ニードル又は生検ニードルの一部を構成することができる。

図１２は、本発明による方法のフローチャートであり、方法は、第１のビーム１及び第２のビーム２を含む放射線を放出するステップＳ１であって、第１のビームが励起ビームであり、第２のビームが第１のビームに対する抑制ビームである、ステップＳ１と、第１及び第２のビームの両方の共通光路ＯＰを規定する光学素子６を使用して、第１及び第２のビームを対象にフォーカスするステップＳ２と、前記共通光路に位相変更部材５を提供するステップＳ３であって、位相変更部材５は、対象内に抑制されない関心領域を生成するために、第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、第２のビームの波面を変更する（２'）ように、光学的に構成される、ステップＳ３と、を有する。

本発明は、図面及び上述の説明に詳しく図示され記述されるが、このような図示及び記述は、説明的又は例示的なものとして考えられるできであり、制限的なものではない。本発明は、開示される実施形態に限定されない。開示される実施形態の他の変更例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され達成されることができる。請求項において、「含む、有する（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数性を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に列挙されるいくつかのアイテムの機能を実現することができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示さない。コンピュータプログラムは、適切な媒体（例えば他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又はソリッドステート媒体）に記憶され／配布されることができるが、他の形で、例えばインターネット又は他のワイヤード若しくはワイヤレス通信システムを通じて、配布されてもよい。請求項におけるいかなる参照符号も、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (14)

1. 対象について誘導放出抑制を用いる光学顕微鏡システムであって、
   励起ビームである第１のビームと、前記第１のビームに対する抑制ビームである第２のビームと、を放出することができる放射線生成手段と、
   前記第１及び前記第２のビームを前記対象にフォーカスする光学素子であって、前記放射線生成手段に相対的に配され、前記第１及び前記第２のビームの共通光路を規定する光学素子と、
   前記共通光路に挿入される位相変更部材であって、前記対象内に抑制されない関心領域を生成するために、前記第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、前記第２のビームの波面を変更するように、光学的に構成される、位相変更部材と、
   を有するシステム。
2. 前記位相変更部材は、第１及び第２の領域を含む複数の領域を具える表面をもつことによって、前記第２のビームの波面を変更することができ、前記第１の領域が、前記第２の領域の高さを上回る突出した高さをもつ、請求項１に記載のシステム。
3. 前記位相変更部材は、前記第１のビームの位相をπの２倍のモジュラスで変更することによって、前記第１のビームの波面を実質的に変更されないままにすることができる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記位相変更部材の前記表面の前記複数の領域が、１つの光学材料に製造される、請求項２に記載のシステム。
5. 少なくとも前記光学素子及び前記位相変更部材が、医用イメージング用の内視鏡、カテーテル、ニードル又は生検ニードルに位置する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記位相変更部材は、方位角方向のコンフィギュレーションを有し、前記複数の領域の各領域が、方位角間隔の範囲内に位置する、請求項２に記載のシステム。
7. 前記複数の領域は、前記位相変更部材の前記表面において連続的に増加する高さを有する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記位相変更部材の前記表面における前記高さは高さ分布を有し、方位角Φ（φ）の関数として変更される前記第２のビームの位相が、方位角、
   Φ（φ）＝φ φ∈［０，２π）の場合
   に略等しい、請求項６に記載のシステム。
9. 前記光学素子の焦点面における前記第２のビームのスポット振幅は、前記位相変更部材が式、
   

   

   をほぼ満たすことを要求することによって、前記光路の中心位置でゼロであり、上式で、ｋはセグメント数を示し、Φ_ｋはセグメント位相を示し、ｗ_ｋは、セグメントｋの終了角度から開始角度を減じた角度に等しいセグメントサイズを示す、請求項６に記載のシステム。
10. 前記光学素子の焦点面における前記第２のビームのスポット振幅は、前記位相変更部材が、式、
    

    

    をほぼ満たすことを要求することによって、前記共通光路の周りで略回転対称であり、上式で、ｋはセグメント数を示し、Φ_ｋはセグメント位相を示し、ｗ_ｋは、セグメントｋの終了角度から開始角度を減じた角度に等しいセグメントサイズを示す、請求項６に記載のシステム。
11. 前記位相変更部材の前記第１及び前記第２の領域は、前記共通光路の周りで回転対称である、請求項２に記載のシステム。
12. 光学顕微鏡システムにおいて誘導放出抑制を使用して対象を光学イメージングするように構成される光学サブユニットであって、前記光学顕微鏡システムが、励起ビームである第１のビーム及び前記第１のビームに対する抑制ビームである第２のビームを放出することができる放射線生成手段を有し、前記光学サブユニットが、
    前記第１及び前記第２のビームを前記光学サブユニットを通してガイドする光学ガイディング手段と、
    前記第１及び前記第２のビームを前記対象にフォーカスする光学素子であって、前記放射線生成手段に相対的に配され、前記第１及び前記第２のビームの両方の共通光路を規定する光学素子と、
    前記共通光路に挿入される位相変更部材であって、前記対象内に抑制されない関心領域を生成するために、前記第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、前記第２のビームの波面を変更するように、光学的に構成される、位相変更部材と、
    を有する、光学サブユニット。
13. 前記光学サブユニットは、医用イメージング用の内視鏡、カテーテル、ニードル又は生検ニードルの一部を形成する、請求項１２に記載の光学サブユニット。
14. 対象について誘導放出抑制を用いて光学顕微鏡法を実施する方法であって、
    励起ビームである第１のビームと、前記第１のビームに対する抑制ビームである第２のビームと、を含む放射線を放出するステップと、
    前記第１及び前記第２のビームの両方の共通光路を規定する光学素子を使用して、前記第１及び前記第２のビームを前記対象にフォーカスするステップと、
    前記共通光路に位相変更部材を提供するステップであって、前記位相変更部材は、前記対象内に抑制されない関心領域を生成するために、前記第１のビームの波面を実質的に変更されないままにし、前記第２のビームの波面を変更するように、光学的に構成される、ステップと、
    を含む方法。

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