JP2013522684A - 光変調装置、および時空間光変調結像システム - Google Patents

Abstract

特に時空間光変調結像システム(200)用の光変調装置(100)は、変調器面(112)に配置されたミラー要素のアレイ(111)を含む光変調マイクロミラー・デバイス(110)と、第１状態(111a)のミラー要素(111)と変調器光軸(113)から外れた第１の光軸(121)との間を中継するよう配置された第１の光中継装置(120)とを含む。各ミラー要素は、変調器面(112)に垂直な変調器光軸(113)に対して第１傾斜角の第１状態(111a)と第２傾斜角の第２(111b)状態との間で切替わる。第１の光中継装置(120)は、変調器光軸(113)に垂直な平面光照射野(114)が第１の光軸(121)に垂直な第１の平面光照射野(115)に中継されるように形成された第１グループの結像要素(122,123,124)を含む。また、特に光変調装置を含む調査物体(1)の共焦点結像用の時空間光変調結像システム(200)、および結像システム(200)を用いた共焦点結像方法、が記載されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調装置に関し、特に、時空間光変調結像システムに適合化された光変調装置に関する。特に、本発明は、光変調マイクロミラー・デバイスと、マイクロミラー・デバイスから所定の光軸上に、例えば検出装置へと光を中継するよう配置された光中継装置と、を具えた光変調装置に関する。さらに、本発明は、時空間光変調結像システムに関し、特に、例えば共焦点光学的結像法（confocal optical imaging）のような光学切片（optical sectioning）を用いた光学的結像システムのような、時空間光変調結像システムに関する。さらに、本発明は、時空間光変調結像システムおよび光変調装置を用いた共焦点光学的結像方法に関する。本発明の適用例は、特に、共焦点顕微鏡法（confocal microscopy）におけるものである。

直接的な光学切片を用いて調査される物体（オブジェクト）の顕微鏡結像は、複数の共焦点顕微鏡法の技術を用いて得ることができる。全ての既知の共焦点顕微鏡法の技術は、物体内の焦点面における照明に応答して生成された光を集めるための、照明開孔と検出開孔からなる複数の共役対（conjugate pairs）を有する点またはパターン走査システムを用いる。マイクロミラー・デバイス（または“ＤＭＤ”、ディジタル・ミラー・デバイス）のような空間光変調器を用いる走査システムは、データ捕捉速度、空間的解像度または分解能、および光学的効率に関して、複数の利点を与える。ＤＭＤは、物体の焦点面での各共役位置（conjugate locations）に集中または集束された複数の照明スポットのパターン・シーケンス（配列）を用いて物体の照明を実現し、その一方で、それと同時に、検出器カメラを用いてその各共役位置からの検出光を集める（例えば、ＥＰ９１１６６７ＡｌおよびＥＰ９１６９８１Ａ１参照）。

図7には、物体１’を共焦点結像するための通常の空間光変調型結像システム（系）の一例が概略的に示されている（従来技術、ＥＰ９１１６６７Ａｌの図３参照）。通常のプログム可能な共焦点顕微鏡２００’は、光源装置２１０’、結像光学系２２０’、２つの検出器カメラ２３１’、２３２’を含む検出装置２３０’、および光変調装置（optical modulator device）１００’を具えている。それ（光変調装置１００’）は、光源装置２１０’からの照明光を物体１’へと向け、かつ物体１’からの検出光を検出装置２３０’へと中継するよう、配置されている。この目的を達成するために、光変調装置１００’は、マイクロミラー・デバイス１１０’、および第１と第２の光中継装置１２０’、１３０’を含んでいる。

マイクロミラー・デバイス１１０’は、マイクロミラー・デバイス１１０’の法線または垂線に対して第１と第２の傾斜角度で得られる２つの異なる傾斜状態の間で傾斜させることができる、ミラー要素（elements：エレメント）１１１’のアレイ（配列）を含んでいる。第１の傾斜状態１１１ａ’では、ミラー要素１１１’は、物体１’の各共役位置に集中または集束された各照明スポットを形成し、共役位置からの検出光（共役像）を第１の光中継装置１２０’を介して第１の検出器カメラ２３１’へ向ける。それと同時に、第２傾斜状態１１１ｂ’の残りのミラー要素１１１’は、物体１’における非共役位置（非共役像）からの検出光を集め（集光し）、その光は、第２の光中継装置１３０’を介して、第２の検出器カメラ２３２’へと向けられる。第１と第２の検出器カメラ２３１’、２３２’で集められた共役および非共役像の両方を用いて、物体１’の光学的切片（断面）像が得られる。

第１と第２の光中継装置１２０’、１３０’は、それぞれ平面鏡で構成され、その平面鏡は、第１の状態（１１１ａ’）および第２の状態（１１１ｂ’）のミラー要素１１１’からの検出光をそれぞれ光軸１２１’、１３１’へと中継する。光軸１２１’、１３１’は、互いに平行であり、結像光学系２２０’からマイクロミラー・デバイス１１０’までの軸に平行である。ミラー要素１１１’の傾斜に起因して、物体１’の各共役位置および非共役位置からの像（images：画像、映像）は、光軸１２１’、１３１’に対して直角ではなく傾斜している。像（画像）全体の像焦点またはピントを保持するために、検出器カメラ２３１’、２３２’は、光軸１２１’、１３１’に対して回転（傾斜）される。

回転（傾斜）された検出器カメラを有する通常の光学設計の結果として、共焦点顕微鏡像の品質を制限し得る複数の欠点が生じる。先ず、傾斜した入射に起因して、共役および非共役像を、回転された検出器カメラに向けた結果として、台形歪み（“キーストーン状態”）および増大された反射損失が生じる。これは、特に、本質的に低い強度を有する共役像に関する問題を表す可能性がある。さらに、検出器カメラの有効面積は、傾斜された検出器カメラ上への投影に起因して、減少する。別の欠点は、通常の技術では、別々の２つの検出器カメラが設けられる必要がある、という事実から生じる可能性がある。共通の検出器カメラ上の共役および非共役像の両方の結像には、光強度を再び減少させ得る複雑な光学要素が必要となるであろう。別々の検出器カメラの使用には、互いに対して異なる感度および解像度の較正に関する欠点、およびシステムをより高価で複雑にする欠点を生じる可能性がある。

上述の欠点は、図７（従来技術）の例で生じるだけでなく、マイクロミラー・デバイスを用いる通常のプログラム可能な共焦点顕微鏡の全てのその他の光学的設計でも、またマイクロミラー・デバイスのその他の適用例でも、例えば、抑制（空乏化、ＳＴＥＤ）顕微鏡観察方法（depletion microscopy methods）用のものでも、生じる。

欧州特許公開第９１１６６７号明細書 欧州特許公開第９１６９８１号明細書

発明の目的
本発明の目的は、通常の技術の欠点を回避できる、特に時空間光変調結像システム（系）用の、改善された光変調装置を実現することである。特に、本発明の目的は、検出器カメラ上への検出光の斜め入射の欠点を回避することができる、改善された光変調装置を実現することである。本発明の別の目的は、その光変調装置を備えた改善された空間光変調結像システムを実現することである。さらに、本発明の目的は、通常の結像技術の欠点を回避する改善された共焦点光学的結像方法を実現することである。

発明の概要
上述の目的または課題は、光変調装置、時空間光変調結像システム、および独立請求項中の１つの請求項の特徴を含む方法によって、実現または解決される。本発明の好ましい実施形態および適用例は従属請求項に記載されている。

第１の観点によれば、上述の目的は、マイクロミラー・デバイスおよび第１の光中継装置を含む、特に時空間光変調結像システム用の、光変調装置によって解決される。マイクロミラー・デバイスは、共通の変調器面（平面）に配置された複数の反射ミラー要素（エレメント）を含んでいる。マイクロミラー・デバイスは、光照射野（light field：光フィールド）を時空間変調することができ、即ち、光照射野を、所定の時間依存性の幾何学的変調パターンで振幅変調させることができる。複数のミラー要素の各々は、変調器面（または変調器光軸）上の法線または垂線に対するミラー要素の２つの異なる傾斜角度によって特徴づけられる２つの異なる傾斜状態間で、個々に切り替えることができる。その２つの異なる傾斜状態は、例えば共焦点顕微鏡法における照明スポットのパターン・シーケンス（配列）を与えるための、光変調装置の適用例に応じて、設定配置され変えられる。典型的には、マイクロミラー・デバイスは、その表面上に切替え可能な反射ミラー要素を支持する一体化されたマイクロメカニカル・デバイスまたは微小機械素子である。第１の光中継装置は、第１の状態の各ミラー要素によって反射された光を、変調器光軸から外れたまたは偏倚した（deviate）第１の光軸へ（またはその逆へ）と向ける光学的設定配置を含んでいる。

本発明によれば、第１の光中継装置は、第１の状態の各ミラー要素からの光を第１の光軸へと結像する第１のグループ（群）の結像要素（または複数の第１の結像光学コンポーネント）を含んでいる。その第１のグループの結像要素は、変調器光軸を超えて配置される。それらは、マイクロミラー・デバイス上に垂直に入射するよう方向付けられ、即ち変調器光軸に垂直に入射するよう方向付けられた平面光照射野（または平面像）が、第１の光軸に対して垂直な第１の平面光照射野を形成する形態で、湾曲した屈折部品および／または湾曲した反射部品を含んでいる。光路は可逆的なので、第１の光軸に垂直な第１の平面光照射野は、第１のグループの結像要素によって変調器光軸上の平面光照射野へと結像される。

主な利点として、本発明による光変調装置は、非垂直方位から観察した平面像の記録に関連する古典的な“シャインプルーフ”（Scheimpflug）問題を解決する。変調器光軸に沿って進む平面光照射野は、例えば、顕微鏡光学系を用いて集光された光の平面像を含んでいる。複数の平面鏡を用いる通常の中継技術とは対照的に、その顕微鏡像は、第１の光軸に垂直な平面像として中継することができる。従って、本発明による光変調装置によって、平面光照射野（例えば、顕微鏡像）を別の光軸上へと伝達することが可能になる。検出器カメラは、第１の平面光照射野（中継された顕微鏡像）が、第１の光軸またはその後続の光路上で法線方向または垂直方向の入射角で集光されるように、配置することができる。

本発明による光変調装置は、交換可能なモジュールとして、例えば共焦点顕微鏡のような、時空間光変調結像システムに設けることができる光学ユニットを表す。光変調装置の機能に応じて、変調器光軸および第１の光軸は、光学変調装置の光入射経路および／または光出射経路とすることができる。マイクロミラー・デバイスの幾何学的および光学的な特徴は、さらに第１の光中継装置の光学的結像特性と共に、その結像システムの特定の適用例に応じて選択することができる。

本発明の第２の観点によれば、例えばパターン化された照明を用いる共焦点顕微鏡のような時空間光変調結像システムは、上述の第１の観点による本発明による光変調装置を備えている。時空間光変調結像システムは、照明光を発生する光源装置、調査される物体における焦点面上に照明光を集中または集束させる結像光学系、光源装置と結像光学系の間に配置され照明光を空間変調させるマイクロミラー・デバイス、および、パターン化された照明に応答して物体に形成された検出光像を集光するよう構成された少なくとも１つの検出器カメラを有する検出装置、を含んでいる。用語“検出光”は、例えば蛍光灯または反射光または透過光のような照明に応答して物体に形成された任意のタイプの光を表す。

本発明によれば、時空間光変調結像システムは、マイクロミラー・デバイスを含む本発明による光変調装置を備える。光変調装置は、変調器光軸に沿って進む検出光像が第１の光軸に沿って検出装置に向けて方向付けられる形態で、配置されている。少なくとも１つの検出器カメラは、検出光像が、第１の光軸または後続の光路において垂直方向入射（または実質的に垂直方向入射）で集光されるように、配置されている。ここで使用される用語“法線方向入射”（normal incidence）または“垂直入射”（perpendicular incidence）は、検出光像が、正確に垂直方向入射または０度から外れた非ゼロの角度を有し、例えば最大で５度まで、好ましくは最大で３度までの角度を有することを示している。その非ゼロの角度は、理想的でない調整の結果として、または理想的垂直入射からの意図された外れ（偏倚、逸脱）として、実用的な光学設定配置に応じて実現され得る。換言すれば、用語“法線方向入射”は、理想的な法線方向入射の場合と、僅かに傾いた入射の場合（その傾いた入射は、像品質に対する劣化作用が無いかまたは無視できる劣化作用しか持たない）の両方の場合を包含する。

利点として、本発明による時空間光変調結像システムは、第１の光中継装置によって少なくとも１つの検出器カメラを用いた顕微鏡像の回折限界の垂直方向検出が可能になるので、例えばＥＰ９１１６６７Ａ１による通常のＤＭＤベースのプログム可能なアレイ顕微鏡の改善を表す。

本発明第３の観点によれば、上述の第２の観点による結像システムを用いた共焦点光学的結像の方法が実現される。その方法は、光源装置で照明光を生成するステップと、結像光学系を用いて、調査される物体における焦点面に照明光を集中または集束するステップと、照明光に応答して物体に形成された検出光を、検出装置を用いて集める（集光する）ステップとを含んでいる。本発明によれば、その検出光は、本発明による変調装置で、第１の光軸を経由して検出装置に向けて方向付けられ、その検出装置において少なくとも１つの検出器カメラによって垂直入射方向で受け取られる。その照明光は、本発明による光変調装置を用いて第１の光軸から結像光学系へと中継されることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、光変調装置は、第２の光中継装置を含んでいる。第２の光中継装置は、マイクロミラー・デバイス、特に第２の傾斜状態のミラー要素と、変調器光軸から外れた第２光軸との間に配置されている第２のグループの結像要素を含んでいる。再び、第２の結像要素は、第２の状態のミラー要素によって反射された変調器光軸に垂直な平面光照射野（平面像）が第２の光軸へと中継され、そこで第２の光軸に垂直な平面において伸びる（広がる）第２の平面光照射野を形成する形態で、形成される。

光変調装置に第１と第２の光中継装置を設けることによって、光照射野の各部分を、変調器光軸上で互いに異なる光軸に沿って検出装置に向けて進むように同時に方向付けるという、利点がある。本発明による共焦点顕微鏡法の適用例では、第１の状態の各ミラー要素によって反射された変調器光軸に垂直な平面光照射野は共役像を表し、その一方で、第２の状態の各ミラー要素によって反射された変調器光軸に垂直な平面光照射野は非共役像を表す。共役像と非共役像の双方は、検出装置の少なくとも１つの検出器カメラ上での垂直入射で、同時に集光することができる。

利点として、複数の設計の変形形態が、第１および／または第２の光中継装置の複数の結像要素に関して存在する。好ましい実施形態によれば、第１と第２のグループの結像要素の中の少なくとも一方（のグループ）は、少なくとも１つの反射コンポーネント（構成要素）、即ち少なくとも１つの結像反射器（湾曲した反射面を有する反射器）と、少なくとも１つの屈折コンポーネント（構成要素）（即ち、結像特性を有する少なくとも１つの光透過性の要素、例えば、少なくとも１つの光学レンズ）とを含んでいる。

特に好ましい実施形態によれば、第１と第２のグループの結像要素の中の少なくとも一方（のグループ）は、第１または第２の状態のミラー要素からの光をそれぞれ第１または第２の光軸に向けて反射する球面状の鏡と、第１と第２の光軸に対して傾斜している少なくとも１つの補正レンズ、好ましくは２つの補正レンズと、を含んでいる。発明者たちは、この、１つの球面状の鏡と、少なくとも１つの補正レンズ、好ましくは２つの補正レンズとの組み合わせによって、平面光照射野を、変調器光軸から第１（または第２）の光軸へと（またはその逆へと）中継できること、を発見した。それでも、第１と第２のグループの結像要素の各グループにおいて３つ以下の光学要素を用いて光変調装置を実現するには充分である。

結像要素の光学結像特性または特徴、特に、マイクロミラー・デバイスから第１（または第２）光軸に向かう光路に対する各結像要素の、幾何学的な特性または特徴（例えば、形状および／サイズ）、材料（特に、１つ以上の屈折コンポーネントの屈折率）、および位置および方位は、光変調装置の適用例の特定の要件または要求に応じて選択することができる。設計の課題は、例えば商用ソフトウェア“ＺＥＭＡＸ”（製造業者：米国のＺＥＭＡＸデベロップメント社）によって供給される、利用可能な反復的アルゴリズムによって解決される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、第１と第２の光軸のうちの少なくとも一方は、変調器光軸に平行な方位を与えられている。第１および／または第２の光軸は変調器光軸に対して変位できるが、互いに平行な方位を有し、その結果として、例えば共焦点顕微鏡のような空間光変調結像システムのコンパクトな設計が得られる。代替形態として、第１と第２の光軸の少なくとも一方は、変調器光軸に対して平行でない方位を有することができる。

さらに、光変調装置に少なくとも１つのビーム・ダンプ（beam dump）装置が設けられる場合には、その結果として、ビーム・ダンプ装置は、ミラー要素において形成された残りの光を集める（集光する）よう適合化されるので、改善された像品質が得られる。例えば、ビーム・ダンプ装置は、共焦点顕微鏡の適用例における第２の状態のミラー要素によって反射された照明光を集める（集光する）ように配置することができる。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、第１と第２の光中継装置は、変調器光軸に対して対称に配置される。変調器光軸を含み、かつ変調光軸および第１と第２の光軸の平面に垂直な中心の平面に関して、特に好ましい鏡面対称性が得られる。その対称構造の結果として、結像システムの第１と第２のブランチ（分枝）において集光された像を較正することに関して、利点が得られる。

時空間光変調結像システム用の交換可能なモジュールを実現するために、特に好ましい光変調装置は支持板（プレート）を含み、その支持板の上に、マイクロミラー・デバイス、第１の光中継装置、および（任意選択的に）第２の光中継装置が固定される。これらのコンポーネント（構成要素）は、支持板に直接的に固定するかまたはそのコンポーネントの各々について調整要素を用いて固定することができる。その調整要素は、光学的設定配置の結像特性を微調整するのに使用することができる。

本発明による結像システムの光源装置は、第１のビームの照明光を形成する少なくとも１つの第１の光源を含んでいる。例えば、第１のビームの照明光は、例えばレーザ装置で生成された平行（collimated：コリメート）ビームである。本発明の特に好ましい実施形態によれば、第１の光中継装置は、第１の状態のミラー要素からの光を第１の光軸へと伝達するだけでなく、逆方向に、その平行ビームの照明光を第１の光軸に沿ってマイクロミラー・デバイスへと伝達しそれをそのマイクロミラー・デバイスにおいて変調器光軸へと反射するのにも使用される。この目的を達成するために、第１の光軸は、平行ビームの照明光を第１の光軸へと結合または供給するよう配置された第１の平面ダイクロイック・ミラーを含んでいる。本発明による第１のグループの結像要素の結像特性によって、その平行ビームの照明光は、第１の状態のミラー要素のパターンでパターン化される変調器光軸に沿った平行ビームの照明光へと中継される。

従って、共焦点顕微鏡法における好ましい適用例で、第１の状態の各ミラー要素は、調査中の物体を、変調器光軸に沿って物体における各共役位置に集中または収束された所定パターン・シーケンスの照明スポットで照明し、共役位置（共役像）からの検出光を変調器光軸に沿って第１の光軸および検出装置へと反射して、少なくとも１つの検出器カメラ上に垂直方向の入射で共役像を形成する。それと同時に、第２状態の各ミラー要素は、非共役位置からの検出光（非共役像）を、変調器光軸に沿って、第２の光軸と、非共役像の垂直方向の入射で検出装置の少なくとも１つの検出器とへ反射することができる。

本発明の適用は、例えばＥＰ９１１６６７Ａ１において提案された共役像および非共役像の集光に制限されるものではない。代替形態として、他の顕微鏡方法を、実装することができ、例えば、活性、抑制（depletion）、または基底状態と電子的励起状態の間の変換に基づいて、実現することができる。顕微鏡方法に応じて、本発明による時空間光変調結像システムは、好ましくは、第２の光軸に沿って第２の平行ビームの照明光を生成する少なくとも１つの第２の光源を含んでいる。第２のダイクロイック・ミラーは、第２の平行ビームの照明光を第２の光軸に結合または供給するように配置されることが好ましく、その第２の光軸において、それ（ビーム）が、第２の光中継装置およびマイクロミラー・デバイスを経由して、調査される物体に向けて中継される。

本発明の他の利点は、検出側で得ることができる。検出装置を実現するために複数の設計変形形態が利用可能である。第１の変形形態によれば、検出装置は、第１と第２の光軸にそれぞれ垂直に配向された別々の２つの検出器カメラを含んでいてもよい。２つの検出器カメラの各々は、垂直方向の入射を有する第１と第２の光軸上に平面光照射野を集光するよう配置されている。この場合、結像システムの光学的設定が容易になり得る。

代替形態として、検出装置は、像合成装置によって形成される共通の検出器経路において横並びに配置された２つの検出器カメラを含んでもよい。像合成装置は、第１と第２の光軸に沿って共通の検出器経路中へと進む光照射野を反射するよう構成されている各像合成反射器（合成器反射器）を含んでいる。別の特に好ましい実施形態によれば、単一の検出器カメラを共通の検出器経路中に設けることができ、第１と第２の光軸からの光照射野が単一の検出器カメラ・チップの異なる光感応野（感光領域）で集光される。好ましくは、検出器カメラはＣＣＤチップを含み、特に電子増倍型ＣＣＤのチップ（ＥＭ−ＣＣＤチップ）、またはＣＭＯＳチップ、特にノイズ低減型の、任意選択的に冷却型の、ＣＭＯＳチップ（製造業者：フェアチャイルド イメージング社、米国）を含み、それによって、低減されたノイズおよび増大された信号の捕捉レート（率）に関する利点が得られる。

本発明の別の変形形態によれば、像合成反射器は、第１と第２の光軸からの各光照射野が共通の検出器経路に沿って互いに交差するような形態で、配置することができる。第１の利点として、交差領域において、両方の光軸の重畳された光照射野の直径は、両方の光照射野が単に濾波されるかまたはそうでなければ検出効率を改善するよう操作することができるように、狭くされている。一例として、照明光の残りの部分を、好ましくは共通の検出器経路における光照射野の交差位置において、検出光から濾波して除去することができる。別の利点として、像合成反射器によって生じる最終的な意図しないビネット（vignetting：口径食、けられ）効果を回避することができる。光照射野の交差配置によって、少なくとも１つの検出器カメラ上の垂直方向の入射は、理想的な垂直方向入射から外れる。しかし、入射角度が５°未満、特に好ましくは３°未満になるように、交差角度が、好ましくは１０°未満、特に好ましくは６°未満に選択された場合に、本発明の利点は維持される。

本発明の別の好ましい観点によれば、像合成装置は、共通の検出器経路を、変調器光軸および第１と第２の光軸から外れた別の平面へと向ける点に関する第２の機能を実現することができる。一例として、マイクロミラー・デバイスは第１および／または第２の光中継装置と共に結像システムの第１の水平平面内に配置され、その一方で、検出装置は、第１の水平平面から垂直方向に分離された異なる水平平面に配置される。従って、その光学的設定配置には、より小型のまたはコンパクトな構造を与えることができる。その結像システムのサイズは最小化される。

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本発明の好ましい実施形態の詳細および他の利点を、図面を参照して以下で説明する。

図１は、本発明による光変調装置を含む本発明による時空間光変調結像システムの第１の実施形態を示している。 図２は、マイクロミラー・デバイスの詳細を示している。 図３は、第１の光中継装置の好ましい実施形態を示している。 図４は、光変調装置を含む、本発明による時空間光変調結像システムの第２の実施形態を示している。 図５は、時空間光変調結像システムの第１の実施形態の斜視図を示している。 図６は、本発明による時空間光変調結像システムの別の実施形態の断面図を示している。 図７は、通常のプログラム可能な共焦点顕微鏡の光学的設定配置（従来技術）を示している。

発明の好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、プログラム可能な共焦点顕微鏡におけるモジュールとしての光変調装置の適用例を例示的な形態で参照する。光変調装置の使用は、その顕微鏡の適用例に限定されるものではなく、例えば通常の非共焦点顕微鏡のようなその他の時空間光変調（spatio-temporally light modulated）結像システムでの対応する形態でも実現可能であることを、強調しておく。好ましい実施形態を、時空間光変調結像システムの光変調装置および光学的設計の各特徴を具体的に参照して説明する。共焦点顕微鏡の操作の詳細は、例えばＥＰ９１１６６７Ａ１およびＥＰ９１６９８１Ａ１で知られているようにして、実現できる。特に、マイクロミラー・デバイスは、通常知られている照明スポットのパターン・シーケンスまたは各パターン・シーケンスの照明スポットで動作させることができる。さらに、検出装置で集光された共焦点および／または非共焦点像（画像）を評価することができ、通常の顕微鏡法技術で知られているように、場合によってさらに処理することができる。特に、発明による時空間光変調結像システムは、例えば、単分子活性／局在、基底状態または励起状態 抑制、励起状態寿命（持続時間）および励起および／または放出偏光、ハイパースペクトルおよび励起および／または放出マイクロオプティクス（光学系）またはマイクロレンズ・アレイに基づく光照射野技術、に基づく、超解像蛍光を含む、光活性、光変換および結像モードを用いる通常の技術に適合する。

図１は、本発明による時空間光変調結像システムまたは時空間光変調撮像システム２００のコンポーネント（構成要素）として設けられた本発明による光変調装置１００の第１の実施形態を示している。結像システム２００は、例えば共焦点顕微鏡を含み、それは、光源装置２１０、結像光学系２２０、検出装置２３０、像合成装置２４０および制御装置２５０を含んでいる。光変調装置１００（任意選択的に、光源装置２１０を有するもの）には、共通のプラットフォーム上の共通平面に（図１、図４および５参照）、または互いに垂直方向に変位した異なる平面上に（図６参照）、像合成装置２４０および検出装置２３０を設けることができる。

時空間光変調結像システム２００の光学的設定配置は、光源装置２１０から光変調装置１００および結像光学系２２０を経由して調査対象の物体１へと伸びる照明光路と（概略的に実線で示されている）、物体１から、結像光学系２２０、光変調装置１００および像合成装置２４０を経由して検出装置２３０へと伸びる検出光路と、を含んでいる。検出光路は、光変調装置１００によって、第１の光中継装置１２０を経由して第１の光軸１２１に沿って像合成装置２４０へと伸びる第１の光路（破線で示されている）と、第２の光中継装置１３０および第２の光軸１３１を経由して像合成装置２４０へと伸びる第２の光路（太い点線で示されている）とに分割される。実線、破線および太い点線は、例示のみを目的として示されているに過ぎないことを強調しておく。実際には、全ての光路の主軸が互いに一致し、その一方で、各光照射野は、第１の光路中に細い点線で示されているように或る横方向の広がりを有する。

本発明の第１の独立した観点を表す光変調装置１００は、マイクロミラー・デバイス１１０および第１の光中継装置１２０、並びに任意選択的に第２の光中継装置１３０およびビーム・ダンプ装置１４０を含んでいる。通常の顕微鏡法では、第２の光中継装置１３０およびビーム・ダンプ装置１４０を省略することができる。さらに、第２の光源が設けられる（図４参照）場合には、別のビーム・ダンプ装置を光変調装置１００上に配置することができる。

マイクロミラー・デバイス１１０は、共通の変調器面（平面）１１２に配置された１つのアレイ（配列）をなすミラー要素１１１を含んでいる。変調器光軸（変調光軸）１１３（照明光路と検出光路の共通部分）は、変調器面１１２に垂直であり、即ち変調器面１１２上の垂直方向（法線）は変調器光軸１１３と一致する。マイクロミラー・デバイス１１０は、特にＤＭＤに含まれるようなマイクロメカニカル・ミラー・アレイを含み、例えば、１９２０×１０８０のミラー要素１１１のアレイを有する“ＴＩ社のＤＭＤディスカバリ１０８０ｐ”（製造業者：テキサスインスツメンツ社（Texas Instruments））。マイクロメカニカル・ミラー・アレイは、マイクロミラー装置１１０の全帯域幅（例えば、２５ｋＨｚのストリームの２進画像）の使用を可能にする電子およびソフトウェア・モジュールと組み合わされる。従って、非常に高速のフレームレート（周波数）の光学切片像を、共役および非共役像とその組み合わせを光学切片像とするリアルタイム表示で、得ることができる。画像捕捉のレート（周波数、速度）は、例えば、照明の強度（照度）、照明パターン生成の２進シーケンス（順序）の長さ、検出装置の性能パラメータ、および物体の性質のような、結像条件に応じて決まる。

図２には、マイクロミラー・デバイス１１０の２つの例示的なミラー要素１１１の拡大図が示されている。ミラー要素１１１は、ミラー要素１１１が変調器光軸１１３（変調器面１１２の法線または垂線）に対して第１の角度θａ、例えば＋１２°だけ傾斜した第１の状態１１１ａと、ミラー要素１１１が変調器光軸１１３に対して第２の角度θｂ、例えば−１２°を有する第２の状態１１１ｂと、の間で切り替えることができる。その結果、第１の状態１１１ａでは、照明光は、角度２×θａ、例えば２４°でマイクロミラー・バイス１１０上へと向けられて、その光がミラー要素１１１によって変調器光軸１１３に沿って結像光学系２２０へと反射されるようにされる。それと同時に、物体１の焦点面（平面）における各共役位置からの検出光は、結像光学系２２０から変調器光軸１１３に沿って第１の光中継装置１２０に向けて方向付けられる。逆に、第２の状態１１１ｂのミラー要素１１１は、照明光を別の方向へと方向付け、ビーム・ダンプで集められる（集光される）（図１参照）。それと同時に、物体１における各非共役位置からの検出光は、非共役像を集光するように第２の光中継装置１３０へ向けられる。

図３には、マイクロミラー・デバイス１１０および第１の光中継装置１２０を含む光変調装置１００の別の詳細が示されている。第１の光中継装置１２０は、球面鏡１２２、例えば軸外し放物面鏡（off-axis parabolic mirror）と、２つの傾斜補正レンズ１２３、１２４とを含んでいる。変調器光軸１１３に沿って進む光照射野は、第１の状態のミラー要素１１１ａによって球面鏡１２２へ向けて反射され、また、球面鏡１２２によって第１の光軸１２１へと反射される。変調器光軸１１３に垂直な平面光照射野（像）１１４は、マイクロミラー・デバイス１１０での反射によって傾斜される（１１５の概略的図示参照）。この歪みは、第１光軸１２１に垂直な第１の平面光照射野１２５が得られるように、ミラー（鏡）とレンズの組合せ１２２、１２３、１２４の結像特性によって補償される。平面光照射野１２５は、第１の光軸１２１に沿って進み、そこで別の結像光学系に向けられる。

一例として、球面鏡１２２および２つの傾斜補正レンズ１２３、１２４は、次の特性を有する。球面鏡１２２は、ガラスで形成され、好ましくは、例えば５０ｍｍの半径を有し、例えば５００ｍｍの放物線（パラボラ）の曲率を有する広帯域反射被覆（コーティング）を有するものである。補正レンズ１２３、１２４は、ガラスで形成され、好ましくは、例えばＮ−ＳＦ６−ＨＴまたはＮ−ＦＫ５ガラスのような蛍光体非含有のガラスで形成され、例えば２４ｍｍの半径を有し、それぞれ４または４．３ｍｍの厚さを有し、それぞれ１４０．４ｍｍおよび１３４．２ｍｍ／それぞれ４７．７ｍｍおよび４７．３ｍｍの前面曲率および背面曲率を有するものである。

マイクロミラー・デバイス１１０および第１の光中継装置１２０は、共通の支持板（図６の１５０参照）上に配置される。第２の光中継装置１３０（図１参照）は、第１の光中継装置１２０と同様に、第１の光中継装置１２０の結像要素１１２、１２３、１２４に対して鏡面対称関係にある結像要素１３２、１３３、１３４を有するように設計される。第２の光中継装置１３０は、第２の状態１１１ｂのミラー要素１１１によって第２光軸１３１に向けて反射された検出光に対して同様の効果を有していて、第２の平面光照射野１３５が、第２の光軸１３１に沿って進むように形成される。

再び図１を参照すると、光源装置２１０は、第１の光源２１１、第１のダイクロイック励起フィルタ２１３、および第１のコリメート（平行化）光学系２１４を含んでいる。第１の光源２１１は、例えば、単一のレーザ線または複数のレーザ線を放出する単一のレーザ装置、各々が少なくとも１つのレーザ線を放出する複数のレーザ装置、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）、または広い波長帯域の白色灯を含んでいる。第１の光源２１１は、３５０ｎｍ乃至８５０ｎｍの範囲の照明光を発生することが好ましい。好ましい例として、選択可能な発光波長（例えば、タイプ “PhlatLight”、製造業者：ルミナスデバイス社（Luminus Devices, Inc.））を有するＬＥＤアレイ光源、または例えば１７０ｎｍ乃至８００ｎｍの範囲で発光する広い波長帯域のレーザ−プラズマ光源（例えば、タイプ“ＥＱ−９９”、製造業者：エナジェティック社（Energetiq））が使用される。励起フィルタ２１３は、光源２１１で形成された照明光の波長特性を整形するために設けられる任意選択的な機能である。光源が単一ライン・レーザのみを含む場合、励起フィルタは省略することができる。コリメート光学系２１４は、平行ビームの照明光２１６を形成し、それ（ビーム）が、ダイクロイック・ミラー２１２、第１の光中継装置１２０、空間ミラー（鏡）１１０、および結像光学系２２０を経由して、調査中の物体１へと向けられる。

結像光学系２２０は、顕微鏡対物光学系（レンズ）２２１および顕微鏡中継光学系２２２を含んでいる。顕微鏡対物光学系（レンズ）２２１は、物体１内の所定の焦点面（平面）に照明光を集中または収束するように設けられている。焦点面に形成された検出光照射野は、顕微鏡像面（平面）２２３に結像され、それが顕微鏡中継光学系２２２でマイクロミラー・デバイス１１０に結像される。顕微鏡中継光学系２２２は、顕微鏡像面２２３のテレセントリック（telecentric）像をマイクロミラー・デバイス１１０上に形成する。その後、検出光照射野は、第１の光軸１２１および像合成装置２４０を経由して検出装置２３０へと中継される。

像合成装置２４０は複数の像反射器２４１を含み、それらの像反射器２４１は、第１と第２の光軸１２１、１３１を組み合わせまたは結合させて共通の検出器軸２４２を形成する。像合成反射器（合成器反射器）２４１は、例えば図示されたような平面鏡および／または中央のプリズムのような複数の平面反射面を含んでいる。代替形態として、その像合成反射器は、結像のために湾曲させることができる。さらに、像合成装置２４０は、蛍光フィルタまたは吸収フィルタ（emission filter）２４３、光学的絞り２４４および結像レンズ２４５を含んでいる。蛍光フィルタ２４３は、例えば物体１からの蛍光（蛍光発光）のような検出光のみの波長の光を透過し、その一方で、例えば照明波長のようなその他の波長を遮断するために、設けられる。結像レンズ２４５は、第１と第２の光軸１２１、１３１からの光照射野のテレセントリック結像（telecentric imaging）を、検出装置２３０の検出器カメラ２３１、２３２上に形成する。

図１に示されているように、像合成反射器（合成器反射器）２４１は、第１と第２の光軸１２１、１３１からの各光照射野が共通の検出器経路２４２において互いに交差するように配置される。その交差位置は、テレセントリック結像のために配置された絞り（ダイアフラム）２４４の位置に配置される。代替形態として、像合成反射器２４１は、第１と第２の光軸１２１、１３１からの光照射野が交差することなく互いに隣接して配置されるように、配置することができる。その両方の場合において、入射角度は、０°より僅かに大きく、例えば０°〜５°の範囲の角度、例えば２°である。

図１によれば、制御装置２５０が設けられ、制御装置２５０は、特に、光源装置２１０、マイクロミラー・デバイス１１０、結像光学系２２０および検出装置２３０に接続される。制御装置２５０は、本発明による共焦点光学的結像の方法の各ステップを制御するよう配置構成され、特に、上述の各コンポーネントを制御し、検出装置２３０から画像データのような電気信号を収集するように配置構成されている。制御装置２５０の特定の機能は、適合化された制御回路と共にパーソナルコンピュータによって実装することができ、共焦点顕微鏡の特定のタイプに応じて決定される。制御装置２５０は、共役および非共役画像データをリアルタイムで処理するための高速グラフィックカードを含んでいることが好ましい。

図４は時空間光変調結像システム２００の代替実施形態を示しており、時空間光変調結像システム２００は、光源装置２１０、光変調装置１００、結像光学系２２０および検出器カメラ２３１、２３２を含み、図１の実施形態と同様の設計を有する。相違点は、第２の光源２１５、第２のビーム・ダンプ１４１を設けた点、および像合成装置を省略した点に関する。さらに、図１の実施形態とは逆に、検出装置の２つの検出器カメラ２３１、２３２が、互いに離して光軸１２１、１３１に直接配置される。図４の実施形態は、本発明による時空間光変調結像システム２００を用いて、例えば抑制顕微鏡観察方法（depletion microscopy methods）のような、蛍光体の互いに異なる電子状態間を切り替えるための２つの異なる光源を必要とする顕微鏡法を実現するのに特に有用である。

図５は、２つの光源２１１、２１５を用いて物体を照明するように適合化された時空間光変調結像システム２００の各光学コンポーネント（部品）の概略的な斜視図を示している。図５の時空間光変調結像システムは、基本的に、図１を参照して上述したように構成される。図５は、さらに、光変調装置の全ての光学コンポーネント１１０、１２０、１３０、像合成装置２４０、および検出装置２３０が、モニタ光軸１１３および第１と第２の光軸１２１、１３１を含む共通の平面２０１に配置されていること、を示している。図６に示されている代替実施形態では、像合成装置２４０は、共通の検出器経路２４２が、光軸１１３、１２１および１３１の平面２０１に対して垂直方向に移動（シフト）された平面２０２に配置されるように、変形することができる。

以上の説明、図面および特許請求の範囲に開示された発明の各特徴は、個々にもまたはその組合せた形でも、本発明をその相異なる実施形態として実現するために、等しく重要であり得る。

Claims (15)

1. 光変調装置（１００）、特に時空間光変調結像システム（２００）用の光変調装置であって、
   − 変調器面（１１２）に配置されたミラー要素（１１１）のアレイであって、前記ミラー要素（１１１）の各々が、前記変調器面（１１２）に垂直な変調器光軸（１１３）に対して第１の傾斜角度（θａ）と第２の傾斜角度（θｂ）をそれぞれ有する第１の傾斜状態（１１１ａ）と第２の傾斜状態（１１１ｂ）の間で個々に切り替えることができる、ミラー要素のアレイと、
   − 前記第１の状態（１１１ａ）の前記ミラー要素（１１１）と、前記変調器光軸（１１３）から外れた第１の光軸（１２１）との間で光を中継するよう配置された第１の光中継装置（１２０）と、
   を含み、
   − 前記第１の光中継装置（１２０）は、前記変調器光軸（１１３）に垂直な平面光照射野（１１４）が前記第１の光軸（１２１）に垂直な第１の平面光照射野（１２５）に中継される形態で形成された、第１グループの結像要素（１２２、１２３、１２４）を含むものであることを特徴とする、光変調装置。
2. − 前記第２の傾斜状態（１１１ｂ）の前記ミラー要素（１１１）と前記変調器光軸（１１３）から外れた第２の光軸（１３１）との間で光を中継するよう配置された第２の光中継装置（１３０）を、さらに含み、
   − 前記第２の光中継装置（１３０）は、前記変調器光軸（１１３）に垂直な平面光照射野（１１４）が前記第２の光軸（１３１）に垂直な別の平面光照射野（１３５）へと中継される形態で形成された、第２グループの結像要素（１３２、１３３、１３４）を含むものである、請求項１に記載の光変調装置。
3. 前記第１グループと第２グループの結像要素（１２２、１２３、１２４、１３２、１３３、１３４）の中の少なくとも一方は、少なくとも１つの屈折コンポーネントおよび少なくとも１つの反射コンポーネントを含むものである、請求項１または２に記載の光変調装置。
4. 前記第１グループと第２グループの結像要素（１２２、１２３、１２４、１３２、１３３、１３４）の中の少なくとも一方は、球面鏡と、少なくとも１つの補正レンズ、好ましくは、前記第１と第２の光軸（１２２１、１３１）に対して傾斜された２つの補正レンズと、を含むものである、請求項３に記載の光変調装置。
5. − 前記第１の光軸（１２１）が前記変調器光軸（１１３）に平行である、
   − 前記第２の光軸（１３１）が前記変調器光軸（１１３）に平行である、
   − 少なくとも１つのビーム・ダンプ装置（１４０、１４１）が、前記ミラー要素（１１１）において形成された残りの光を集めるよう配置されている、
   − 前記光中継装置（１２０）および前記第２の光中継装置（１３０）が前記変調器光軸（１１３）に対して互いに対称に配置されている、
   − 前記マイクロミラー・デバイス（１１０）、前記第１の光中継装置（１２０）および前記第２の光中継装置（１３０）が、共通の支持板（１５０）上に配置されている、
   という複数の特徴の中の少なくとも１つの特徴を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調装置。
6. 時空間光変調結像システム（２００）、特に調べられる物体（１）の共焦点結像用の時空間光変調結像システムであって、
   − 照明光を供給するように配置された光源装置（２１０）と、
   − 前記照明光を前記物体（１）に集中させるよう配置された結像光学系（２２０）と、
   − 前記照明光に応答して前記物体（１）に形成された検出光を集めるよう配置された少なくとも１つの検出器カメラ（２３１、２３２）を含む検出装置（２３０）と、
   − 前記検出光が、少なくとも前記第１の光軸（１２１）に沿って前記検出装置（２３０）に向けて方向付けられる形態で配置された、請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調装置（１００）と、
   を含み、
   − 前記少なくとも１つの検出器カメラ（２３１、２３２）は、前記検出光が垂直方向の入射で集められる形態で、配置されるものである、
   時空間光変調結像システム。
7. 前記光源装置（２１０）は、
   − 第１の平行ビームの照明光を形成する第１の光源（２１１）と、
   − 前記第１の平行ビームの照明光を、前記第１の光軸（１２１）および前記第１の光中継装置（１２０）に沿って前記マイクロミラー・デバイス（１１０）に向けて方向付けるよう、前記第１の光軸（１２１）に配置された第１のダイクロイック・ミラー（２１３）と、
   を含むものである、請求項６に記載の結像システム（２００）。
8. 前記光源装置（２１０）は、
   − 第２の平行ビームの照明光を形成する第２の光源（２１５）と、
   − 前記第２の平行ビームの照明光を、前記第２の光軸（１３１）および前記第２の光中継装置（１３０）に沿って前記マイクロミラー・デバイス（１１０）に向けて方向付けるよう、前記第２の光軸（１３１）に配置された第２のダイクロイック・ミラー（２１６）と、
   を含むものである、請求項６または７に記載の結像システム（２００）。
9. 前記検出装置（２３０）は２つの検出器カメラ（２３１、２３２）を含み、各検出器カメラは、前記第１と第２の光軸（１２１、１３１）のいずれか一方に前記検出光が垂直方向に入射する形態で配置されているものである、
   請求項６乃至８のいずれかに記載の結像システム（２００）。
10. − 前記第１と第２の光軸（１２１、１３１）を、共通の検出器経路（２４２）上で合成するよう配置された像合成反射器（２４１）、を含む像合成装置（２４０）、
    をさらに含み、
    − 前記少なくとも１つの検出器カメラ（２３１、２３２）は、前記共通の検出器経路（２４２）に前記検出光が垂直方向に入射する形態で配置されているものである、
    請求項６乃至９のいずれかに記載の結像システム（２００）。
11. 前記像合成反射器（２４１）は、前記第１と第２の光軸（１２１、１３１）に沿って進む前記検出光の各部分が、前記共通の検出器経路（２４２）に沿って５度未満の角度で、特に３度の角度で、互いに交差するような形態で、配置されているものである、請求項１０に記載の結像システム（２００）。
12. 前記像合成装置（２４０）は、前記変調器光軸（１１３）、前記第１の光軸（１２１）および前記第２の光軸（１３１）を含む第１の平面（２０１）からの検出光を、前記共通の検出器経路（２４２）を含む第２の平面および前記検出装置（２３０）へと偏向させるよう配置されているものである、請求項１０または１１に記載の結像システム（２００）。
13. 前記光変調装置（１００）は、
    − 前記第１の傾斜状態（１１１ａ）の前記ミラー要素（１１１）が、前記変調器光軸（１１３）に沿って前記物体（１）の共役位置へと集中される所定のパターン・シーケンスの照明スポットによって前記物体（１）を照明するよう、また、前記共役位置から前記変調器光軸（１１３）に沿って前記第１の光軸（１２１）へと進む前記検出光を、前記検出装置（２３０）に向けて反射して、共役像Ｉ_ｃを形成するよう適合化され、
    − 前記第２の傾斜状態（１１１ａ）の前記ミラー要素（１１１）が、非共役位置から前記変調器光軸（１１３）に沿って前記第２の光軸（１２１）へと進む前記検出光を、前記検出装置（２３０）へ向けて反射して、非共役像Ｉ_ｎｃを形成するよう適合化される
    形態で配置されるものである、請求項６乃至１２のいずれかに記載の結像システム（２００）。
14. 請求項６乃至１３のいずれかに記載の結像システム（２００）を用いる共焦点光学的結像方法であって、
    − 前記光源装置（２１０）を用いて照明光を供給するステップと、
    − 前記結像光学系（２２０）を用いて、調べられる前記物体（１）に前記照明光を集中させるステップと、
    − 前記照明光に応答して、前記物体（１）に形成された検出光を前記少なくとも１つの検出器カメラ（２３１、２３２）を用いて集めるステップと、
    を含み、
    − 前記検出光は、少なくとも前記第１の光軸に沿って前記検出装置（２３０）に向けて方向付けられ、前記少なくとも１つの検出器カメラ（２３１、２３２）によって垂直方向の入射形態で受け取られるものである、方法。
15. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調装置（１００）を用いて、物体の共焦点光学的結像を行う、または蛍光抑制または光活性顕微鏡法を行う方法。

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