JP2013531816A5 - - Google Patents

Description

本発明は、ＵＳ防衛進展陸軍研究事務所によって与えられた認可番号W911NF-10-1-0006のもと、政府のサポートでなされた。政府は本発明に所定の権利を有する。

本発明は、実例の目的だけのための以下の図面を参酌することで、より十分に理解されるであろう。
図１は、本発明による、微分干渉コントラストの連続した時間でエンコードされた増幅顕微鏡検査装置の一実施の形態の概略図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、本発明による、微分干渉コントラストの連続した時間でエンコードされた増幅顕微鏡検査装置の別の実施の形態の概略図である。 図３は、ミラーによって後方反射された対象物上で傾斜した二つの偏光ビームを示す、図１に示された実施の形態の断面の照射ビームトレースの概略図である。 図４は、本発明による、微分干渉コントラストの連続した時間でエンコードされた増幅顕微鏡検査法に対する方法の一実施の形態に対するフロー図である。

本発明は、半導体工程のモニタリングから生物学のスクリーニングまでの広い範囲の適用において用いられる、化学的な汚れを必要としない、透明なメディアの画像取得を可能にする一次元、二次元又は三次元で高速かつ高コントラストでイメージ化のための装置及び方法に関する。図１並びに図２Ａ及び図２Ｂの実施の形態は、同じテーマの変形例であり、本発明の好ましい装置を図示するために用いられる。

この図面において、回折格子２８，２０からの１Ｄ空間で分散されたビームは、垂直及び水平方向の両方においてビームの操作を可能にする二対の円柱望遠レンズ（垂直な一対３２と水平な一対３４）を用いて、サイズが変更される。別の実施の形態においては、ビームは、一対の球形の望遠レンズを用いること、又は、回折格子の方向を調整することによって、サイズが変更される。

図３を特に参照すると、ノマルスキープリズム４０と一つの対物レンズ４６を通過する照射ビームの各波長成分のビームトレースが概略で示されている。図３内のθは、直線偏光の角度である。二つの偏光されたビームは、対象物上の二つの傾いた点が二つの異なる偏光を有する各波長によって照射されるよう、透明な対象物に対して傾斜されている。

図２Ａ及び図２Ｂの実施の形態に戻ると、装置の別の構成が概略で示されている。この実施の形態は、細胞のスクリーニングに適用するような高い処理能力のイメージ化に特に適している。
ブロードバンドパルスレーザー源７０は、好ましくは、１５６０ｎｍの中心波長と３７ＭＨｚまでのパルス繰り返し率を有するフェムト秒でモードロックされたファイバーレーザー７２である。レーザーに続く極めて非直線のファイバー７４と光帯域フィルター７６は、照射ビームとして、１５９１ｎｍで中心とされて、２０ｎｍまでのバンド幅を有する一連のパルスを作る。この構成は好ましいが、別のレーザー源も用いられることができる。

別の円柱レンズ９８が、二つの直交して偏光された１Ｄ虹パターンを互いに平行にするように用いられる。また、球形レンズ１００と対物レンズ１０２が、サンプル対象物１０４上の照射の焦点を合わせるために用いられ、最終的には、対象物１０４上での平行な虹パターンを確実にする。ノマルスキープリズム９６と続く光学の設計は、ラインスキャンの方向の法線方向で、対象物において、約１μｍと約５μｍとの間で離れて、二つの直交して偏光したビームが好ましく分離されるようになっている。

別の対物レンズ１０６と球形レンズ１０８が、送られたビームを集めるために、サンプル対象物１０４の別側に存在する。そして、円柱レンズ１１０が、二つの直交して偏光したビームの焦点を、第二ノマルスキープリズム１１２の交点で合わせる。第二ノマルスキープリズム１１２は、通常、第一ノマルスキープリズム９６と、通常、同一になっている。分析器（すなわち偏光子）１１４は、再結合されたビームの干渉された成分をピックアップする。第二ノマルスキープリズム１１２を用いてフェーズエンコードされたビームを再結合した後で、二対の円柱レンズ（水平１１８及び垂直１２０）と一対の回折格子（好ましくは第一の対と同じ溝密度）の各々を用いて、スペクトル的にエンコードされたビームがサイズ変更され、空間的に圧縮される。したがって、半波長プレート１１６からのビームは、望遠レンズ１１８及び１２０によって大きさが形成され、第三回折格子１１２及び第四回折格子１２４に向けられる。そして、ビームは、図２Ｂ内の光ファイバーコリメーター１２６を用いて、光ファイバー１４２内で結合される。

図１並びに図２Ａ及び図２Ｂで図示されているように、レーザー光源からのビームは、ノマルスキープリズムを通過してサンプルに向けられる前に、空間的に分散されて偏光されることによって、サンプルにさらされるように準備される。空間分散は、好ましくは、一対の回折格子によって達成されることが好ましいが、他の空間分散も用いられてもよい。空間分散要素は、焦点を合わせるための光レンズ、又は、回折格子が用いられる場合には回折効率を最大化するための半波長プレート及び四分の一波長プレートを含んでもよい。

本発明は、一次元、二次元又は三次元のイメージ化を提供することができる。図１又は図２Ａ及び図２Ｂに示されるような一次元配置は、見本を照射するための１Ｄパターンを作るために、回折格子又はプリズムを用いる。二次元配置は、１Ｄ配置と同じ、二つの直交して配置された１Ｄ分散と周波数時間マッピング工程を用いる。三次元イメージ化は、２Ｄ配置内でリカバーされる相対的なフェーズシフトと比較されたサンプルと、ノマルスキープリズムの前の参照ビームスプリットを用いることによる絶対的なフェーズシフトをリカバーすることによって得られる。参照ビームをサンプリングビームで干渉することによって、絶対的なフェーズシフトが強度情報に変換される。

本発明の概念を示すために、図２Ａ及び図２Ｂで概略が示されたシステムに対するコンピュータモデルが作られ、システムをテストするために３０μｍの幅の円鋸歯状のサンプルが用いられる。モデル見本は、病気になった細胞のようなタイプの識別のように、典型的な応用の加工されていない例として意味される。このシミュレーションにおいて、解消度は０．５ミクロンであり、二つの隣接点は０．２μｍ離れていることが想定される。これらは従来のＤＩＣ顕微鏡に対する典型的な数字である。

図２Ａ及び図２Ｂのモデルが用いられ、ブロードバンドパルスレーザーがプローブビームを作るために用いられた。回折格子又はプリズムのような空間分散を用いて、ビームがスペースにマップ化された。空間的に分散されたビームは、ノマルスキー／ウォラストンプリズムを用いる直交して偏光された状態の二つのビームに分割される。二つのビームは、全ての二つの隣接された点が、ある波長であるが二つの異なる偏光で照射されるように、サンプル上で焦点が合わせられる。サンプルを通過して伝播した後で、二つの偏光されたビームが第二ノマルスキー／ウォラストンプリズムを用いて結合される。二つの隣接する点の光路差は、ある波長の構築的／非構築的な干渉になる。空間的に分散され、かつ、スペクトル的にエンコードされたパルスは、別の回折格子（又はプリズム）を用いて、空間的に圧縮される。増幅された分散フーリエ変換は、パルススペクトルを時間に変換し、それらを同時に増幅することによって行われる。分散型の増幅は、ラマン増幅と、分散補償ファイバーを用いることによって達成されうる。シングルピクセル光検知部と商業的なデジタイザーが時間エンコードされたパルスを受けるために用いられうる。後信号処理がイメージを構築するために行われる。

その技術は、上述された２Ｄアプローチにおける相対的なフェーズシフトと比較して、サンプルによる絶対的なフェーズシフトをリカバーすることによる３Ｄイメージ化に広げられることもできる。２Ｄ構成において、干渉工程は、二つの直交して偏光されるビームの間の相対的なフェーズシフト差を振幅に変換する。これは、二つの隣接する面内の点の間の相対的な光路長さについての情報を提供する。３Ｄイメージ化にリカバーされなければならない軸情報は、絶対的なフェーズシフトに含まれる。このフェーズシフトは、参照ビームを加えることによってリカバーされる。図２Ａ及び図２Ｂの実施の形態に示されるように、ビームは、ノマルスキープリズムの前で二つのビームに分割され、第二ノマルスキープリズムの後で再び結合される。このため、光検知部によって検知される全体的な強度は、

のように記載される。

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