JP2020514809A - 非再入型の２次的にひずめる（ｎｒｑｄ）回折格子及び回折格子プリズムに基づく４次元多平面広帯域結像システム - Google Patents

Abstract

【課題】結像の質を向上させ、回折格子プリズムのパラメータの理論的なカスタマイズを実現すること。【解決手段】３次元の多平面多色像をリアルタイムに記録可能な４次元（すなわち４Ｄ、３Ｄ＋時間）多平面広帯域結像システムである。当該結像システムは、複数の物平面／像平面（２）と同一の像平面／物平面（７）との間に波面情報をリアルタイムに伝送することを実現するための、各回折次数に対応する焦点距離及び空間的位置を生成する１つ以上の非再入型の２次的にひずめる（ｎｏｎ−ｒｅｅｎｔｒｙ ｑｕａｄｒａｔｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ：ＮＲＱＤ）回折格子（５）と、入射光を分散させてスペクトルの成分に従って横方向に配列された１束の平行光を形成することによって、色収差による画像の横方向の分散を制限する回折格子プリズムシステム（４）と、光路を調整するためのレンズシステム（３）と、光検出デバイス（６）とを含む。当該光学系において、複数の物平面／像平面（２）と、レンズシステム（３）と、回折格子プリズムシステム（４）と、ＮＲＱＤ回折格子（５）と、光検出デバイス（６）と、単一の像平面／物平面（７）とはいずれも同一の光軸（１）に配置される。簡単で使用しやすく集積化の程度が高いこの光学系は、様々なニーズを満たすことができるため幅広い利用が見込まれる。【選択図】図８

Description

本発明は、４次元（すなわち４Ｄ＝３次元＋時間）における多平面での広帯域結像に用いることのできる光学系に関し、物空間と像空間との間に４次元の波面情報を伝送し、すなわち複数の物平面の多色像を同時にキャプチャして同一の像平面に結像させるか、又は光路可逆の原理により、単一の物平面の色収差補正された像を一連の像平面に同時に記録することができる。当該技術は、様々な最新の技術、例えば顕微技術、天文光学、光によるデータ記憶、生物医学画像形成、波面解析及び仮想現実／拡張現実と組み合わせることができ、学術研究及び産業的に幅広く利用される見込みである。

近年登場している超解像顕微結像技術は、回折の限界を超えている。画像の空間分解能が大幅に向上しているが、高時間分解能での結像はまだ大きな課題に直面している。複数の平面による同時結像の可能性に関する研究は、盛んに行われてきており、このような技術により、細胞生物学、流体関連問題及び３次元トラッキング等分野で、高速で変化する対象に対するリアルタイムな結像が可能になると予想される。ブランチャード氏とグリーナウェイ氏は、新規な回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ、略称ＤＯＥ）−オフアクシス型フレネルゾーンプレートに基づき、簡単なコアクシス型光学装置を用いることにより３つ平面での同時結像を実現する３次元結像システムを初めて発明していた（特許文献１）。このような回折光学素子（ＤＯＥ）は、複数組の焦点距離を有するレンズのようなものであり、屈折の原理ではなく回折の原理を利用して結像しているため、回折次数によってその集束能力が異なる。そのため、当該素子に基づく３次元結像システムは、異なる物平面を同一の像平面に同時に結像するか、又は同一の物平面を異なる像平面に同時に結像することができる。ところが、非ゼロ回折次数における分散という固有的な性質により、色収差を制限するために、当該回折光学素子（ＤＯＥ）に基づく従来の技術は、狭帯域での結像のみに用いられ、システムの光束を減少させ、生体顕微結像におけるその最初の応用も制限されていた。特に試料が置かれた環境の光源強度が弱い場合、結像の質に対する光束の影響は顕著である。理論的には、これまでに提案されたいくつかの色収差補正方法は、入射された多色光ビームに対し操作して、予備分散された平行光ビームを出力することにより、光束をそれほど損失することなく、回折光学素子（ＤＯＥ）に基づく光学系を併用して多色の結像を実現できる（特許文献２）。しかし実際に応用する場合、コアな光学素子及び光学系の設計に不備があるため、これらの方法の適用は、３次元の広帯域結像ではなく色収差補正のテスト実験に限られていた。そのため本発明において、コアな光学素子を系統的に設計し、回折格子（grating）と回折格子プリズム（grism（grating+prism））のパラメータが良くマッチングする結像システムを構築することにより、当該光学装置の性能の大きな改善を図ろうとするとともに、様々な技術（例えば顕微技術、天文光学、光によるデータ記憶、生物医学画像形成、波面解析及び仮想現実／拡張現実）を併用することによって、多くの分野において４次元の多平面広帯域結像を実現したいものである。

１．従来の３次元狭帯域結像システム及びその問題点

初めての３次元狭帯域結像システムは、回折光学素子（ＤＯＥ）と、レンズシステム（１つ以上のレンズからなる）と、狭帯域バンドパスフィルタと、結像のためのいくつかのデバイス（例えば光源及びカメラ）とを含む。狭帯域３次元結像システムの基本設計を図１に概略的に示し、同図によると、間隔をΔｚとする複数の物平面は、同一の像平面に同時に結像でき、且つ各平面に形成される像が同じ拡大率を有するように、回折光学素子（ＤＯＥ）（２次的にひずめる（ｑｕａｄｒａｔｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ：ＱＤ）回折格子とも称する）をテレセントリック位置に配置する（特許文献３）。

ＱＤ回折格子のｍ次の回折次数における等価焦点距離ｆ_ｇは、以下のように表すことができる。

ここで、Ｒは、ＱＤ回折格子の半径であり、Ｗ_２０は標準的な焦点外れ係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｆｏｃｕｓ）である。いずれの回折次数ｍにおいても、等価焦点距離ｆ_ｇの値の大きさが等しく符号が異なる。

各物面の間隔Δｚは、以下のように表すことができる。

ここで、ｆ_ｅｆｆはレンズ組合せシステムの有效な組合せ焦点距離であり、Ｍは顕微鏡の対物レンズの拡大率である。

よって、カメラ平面上の各画像の中心間隔Δｄは、以下のように表すことができる。

ここで、λは入射光の波長であり、ｄ_０はＱＤ回折格子の中心周期である。

理論的には、ＱＤ回折格子に形成される最大分散ｓ_ｇは、以下のように表すことができる。

ここで、Δλは入射光スペクトルの帯域幅である。

広帯域結像及び光束に対する実際のニーズを満たすため、ＱＤ回折格子による非ゼロ回折次数の色収差を補正し光エネルギーの損失を減らすために、当該３次元結像システムに分散装置を加える。ブランチャード氏とグリーナウェイ氏は早くも、１対の反射式ブレーズド回折格子及び折畳型光路を使用し、互いに反対する分散を導入して互いに補償することによって色収差補正の目的を達成するという色収差補正方法を提案し、これは図２に示すとおりである（非特許文献１）。２つのブレーズド回折格子の間隔を変更することによって分散の度合いを制御できるが、折畳型光路のため回折格子の間隔を変更するといくつかの光学素子の角度及び位置をも調整しなければならないので、システムは非常に複雑になりユーザのデバイスに集積することが不可能になり、当該方法の実用性が制限されている。

馮艶氏らは、１対の回折格子プリズム（回折格子及びプリズムを組み合せた素子）を使用して色収差を補正する方法を提案したが、コアな光学素子の設計には不備があり、且つ回折格子−回折格子プリズムシステムのパラメータがマッチングしていないため、最初の結像装置は３つ平面における同時結像を実現できず、顕微鏡への利用も不可能であった（特許文献４）。従って、このような欠陥を含めた回折格子−回折格子プリズムシステムは、結像に用いることがほぼ不可能であった。これについて詳しくは、「２次的にひずめる（ＱＤ）回折格子及び回折格子プリズムを組み合わせたシステム」の部分を参照されたい。

２．回折光学素子ＤＯＥ（２次的にひずめる回折格子）の基本原理

上述したような回折光学素子ＤＯＥ（すなわち２次的にひずめる（ＱＤ）回折格子）は、一連の同心円弧からなり、これらの円弧は、交互に透明／非透明（振幅型）のようなものでもよければ、異なる光学的厚さを有する（位相型）ものでもよい。１回エッチング（２層又はバイナリ方式）により得られたＱＤ回折格子に対し、原点をＱＤ回折格子の幾何中心とし、ｘ軸がＱＤ回折格子の刻線に対して垂直であり、ｙ軸が刻線に平行であるように、図３に示す直交座標系を確立する。ここで、整数ｎを各円弧刻線の位置の番号として以下のように定義する。ｎ＝０は、ＱＤ回折格子の原点に対応し、且つｎの値は（順に）正の値から負の値に変更し、すなわちその符号の方向はｘ軸方向と反対する。

ＱＤ回折格子における弧状の刻線の設計は、下式を満たす。

ここで、ｘ及びｙは、ＱＤ回折格子平面における原点に対する直角座標であり、ｄ_０はＱＤ回折格子の中心周期であり、Ｗ_２０は標準的な焦点外れ係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｆｏｃｕｓ）であり、λは入射光の波長であり、ＲはＱＤ回折格子（中心が光軸に位置する）の半径である。式（５）では、デフォルトとしてＱＤ回折格子を円形とするが、設計原理はいかなる形状のＱＤ回折格子に対しても適用できる。

従って、ＱＤ回折格子のｎ番目の同心円弧刻線の半径Ｃ_ｎは、以下のように表すことができる。

ＱＤ回折格子で位置によってその周期が一定の常数ではないため、ｘ軸のある位置の周期ｄと当該位置のｘ座標とは以下の関係を満たす。

従って、ｘ＝−Ｒである場合、ＱＤ回折格子の最小周期は、以下のとおりである。

式（８）は、ＱＤ回折格子のマスクパターンの加工における精度を表すものである。

ここで、ＱＤ回折格子により入射光には、迂回位相（ｄｅｔｏｕｒ ｐｈａｓｅ）ともいう位相が追加されている。当該迂回位相は、ＱＤ回折格子刻線が元の刻線方向に対して垂直な方向（すなわち図３のｙ軸方向に対して垂直である）に２次的にひずめることによるものであり、一般的な回折格子のようにエッチング深さ（すなわち光学的厚さ）が異なることによる位相差ではない。ｍ次の回折次数に対し、波面に働く迂回位相差φ_mは、以下のように表すことができる。

式（９）は、ＱＤ回折格子は異なる回折次数に対し異なる位相遅れを生じさせることにより、各非ゼロ回折次数において異なる集束能力を備えるようにすることを表す。

３．２次的にひずめる（ＱＤ）回折格子及び回折格子プリズムを組み合わせたシステム

回折格子の回折角が波長に依存し、各回折次数における中心の間隔が回折角に依存するため、広帯域光源を用いて照明する場合、入射波長ごとにそれに対応する画像の中心位置を有する。そのため異なる波長による画像位置の差異を補正しないのであれば、非ゼロ回折次数に対応する多色画像のそれぞれに分散が生じることになる。２次的にひずめる（ＱＤ）回折格子における非周期的な刻線のズレという固有的な特徴を利用して、異なる波長の光を異なる回折格子の周期に対応させるようにすれば、各波長の光がＱＤ回折格子を通過して生じた回折角が等しく、すなわち色収差が補正される。図４に示すように、ＱＤ回折格子の周期的な変化に基づき、カスタマイズされた光学系は、コリメートされ予備分散された光ビームを出力して、（等しい回折角を得るように）異なる色の光ビームを回折格子の該当周期に対応する位置に「分散」させることによって、分散が補正される。

馮艶氏らは、１対の回折格子プリズム、すなわちブレーズド回折格子及びプリズムを組み合わせた素子を用いた色収差補正方法を提案していた（特許文献４）。当該方法の確実性を検証するために、くさび角を１８°８′とし基底材料をＮ−ＢＫ７をとするプリズムと、ブレーズ角を１７°３０′とし刻線数を３００刻線／ｍｍとし基底材料をＢ２７０とする透過式ブレーズド回折格子（いずれもＥｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ社から購入）と、２つの光学素子製品を一体に接着していた。接着時は十分に正確な操作がされていないため２つの回折格子プリズムの動作パラメータが同一ではないが、当該システムは依然として５３２ｎｍ近くの無偏光波長を提供できる。図５は、３平面多色結像システムの基本設計を概略的に示し、接着して作製された２つの回折格子プリズムを光軸方向に沿って、背中合わせ（すなわち互いに回折格子の面が対向する）になるように、光電素子（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社提供）で構築した光路システムに配置していた。中心波長５３２ｎｍの近くの光は、回折格子プリズムシステムを通過する時にズレが生じず、多色光ビームにおける長波長の光及び短波長の光は、１つ目の回折格子プリズムによって分散された後、２つ目の回折格子プリズムによってコリメートされる。

しかしながら、分散のほかにも、上記光学系における結像の質は、ＱＤ回折格子の再入型刻線による画像の重畳や、波長に依存するＱＤ回折格子の焦点距離といった要素にも影響される。ここでいう「再入型刻線（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ ｇｒｏｏｖｅｓ）」とは、ＱＤ回折格子のマスクパターンに現われた半円以上のフレネルゾーンプレートの刻線のことをいう。回折格子プリズムを組み合わせれば、色収差による分散を効果的に緩和できるが、系統的に設計せず且つ再入型刻線を有するＱＤ回折格子（図６を参照する）を用いるため、その結像の質は依然として理想的ではない（特許文献４）。また、回折格子プリズムにも系統的な設計を欠くため、ＱＤ回折格子と回折格子プリズムシステムは光学パラメータがマッチングできない。そのため、当該結像装置の光路が非常に長くなり（図７に示すように、全長は約１．３ｍである）、カメラは１回当たり単一の回折次数に対応する１枚の画像しか記録できない。このようなシステムでは、多平面／複数の回折次数による同時結像という最初の目的すら達成できない。加えて、安定的でない長光路に対する校正が正確に行われなかったり、回折格子プリズムやそれを載置するベースを加工する際に不都合が生じたりすることで様々な誤差が生じるため、当該結像システムは、顕微技術などその他の技術に利用することができない。

A.H.Greenaway and P.M.Blanchard,‘Three-dimensional imaging system’,International application published under the patent cooperation treaty(PCT),PCT/GB99/00658,(1999) P.M.Blanchard and A.H.Greenaway,‘Broadband simultaneous multiplane imaging’,Optics Communications 183(1),29-36(2000);Y.Feng,et al.‘Optical system’,UK Patent Application No.GB2504188-A,(2013) P.A.Dalgarno,et al.Multiplane imaging and three dimensional nanoscale particle tracking in biological microscopy.Optics Express 18(2),877-884(2010) Y.Feng,et al.‘Optical system’,UK Patent Application No.GB2504188-A,(2013)

P.M.Blanchard and A.H.Greenaway,‘Broadband simultaneous multiplane imaging’,Optics Communications 183(1),29-36(2000) W.A.Traub,‘Constant-dispersion grism spectrometer for channeled spectra’,Journal of the Optical Society of America A 7(9),1779-1791(1990) Y.Feng,et al.‘Chromatically-corrected,high-efficiency,multi-colour,multi-plane 3D imaging’,Optics Express 20(18),20705-20714(2012) Y.Feng,et al.‘Multi-mode(登録商標) microscopy using diffractive optical elements’,Engineering Review 31(2),133-139(2011) S.Abrahamsson,et al.‘Fast multicolor 3D imaging using aberration-corrected multifocus microscopy’,Nature Methods 10,60-63(2013) 馮艶氏、「二次位相回折格子に基づく３次元顕微結像システムの最適化設計」、中国科学技術大学博士学位論文、２０１３年 Feng,et al.‘Optical system’,UK Patent Application No.GB2504188-A,(2013)

本発明は、再入型刻線を有しないＱＤ回折格子について系統的に設計してそれを使用することにより、画像の質を向上させるものである。さらに、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａにより回折格子プリズムの光路設計モデルを確立することによって、理論的に回折格子プリズムのパラメータをカスタマイズすることを実現する。完備に設計された回折格子−回折格子プリズムシステムを用いることにより、かかる４次元多平面広帯域結像デバイスは、顕微技術などその他の技術にも利用して、質の高い結像を実現できる。

原理的には、光軸に対して垂直な像平面上の複数の画像がＱＤ回折格子構造により決まる各回折次数に対応する。そのため、ＱＤ回折格子構造につての系統的な設計は、特に重要である。このようなＱＤ回折格子を４次元多平面結像システムに用いるために、ブランチャード氏とグリーナウェイ氏が提案したゾーンプレートに基づく基本的な設計理論のほかに、ＱＤ回折格子のマスクパターン描画についての設計にも関心を抱える。式（６）と式（７）から分かるように、ｘ＝Ｒである場合、周期ｄが最大となり刻線半径Ｃ_ｎが最小となる。これは、Ｃ_ｎが負の値となり、ｄの値が非常に大きくなる可能性があることを示唆する。このような場合には、ＱＤ回折格子のマスクパターンに半円以上のいくつかの弧状の刻線が現われる可能性があり（さらには完全な円環状の刻線が現われる可能性もある）、これを「再入現象」と称する（図６を参照する）。このような再入現象は、当該分野以外のいくつかの分野で役立つものだろうが、本発明においては、当該現象がＱＤ回折格子の設計に際し避けておくべき点である。それは、再入型の刻線により画像が重畳する場合がよくあり、且つ回折格子プリズムにより生じた予備分散のため回折格子の正確な位置に対応できないため、４Ｄ結像システムの性能が低下し、さらには全く結像できない恐れがあるためである。ここでいう「再入型刻線（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ ｇｒｏｏｖｅｓ）」とは、ＱＤ回折格子のマスクパターンに現われた半円以上のフレネルゾーンプレート刻線のことをいう。本発明に係る光学系の回折光学素子として限定するために、再入型刻線を有しないＱＤ回折格子を非再入型の２次的にひずめる（ｎｏｎ−ｒｅｅｎｔｒｙ ｑｕａｄｒａｔｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ）回折格子として定義し、ＮＲＱＤ回折格子と略称する。

系統的に設計されている非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子及び回折格子プリズムを導入することによって、本発明は、走査を必要としない４次元多平面広帯域結像システムを確立し、これにより画像の空間分解能に影響を与えることなく、結像における時間分解能の向上を図る。当該技術は、物空間と像空間との間に４次元波面情報を伝送し、すなわち複数の物平面の多色像を同時にキャプチャしてそれを同一の像平面に結像するか、又は光路可逆の原理により、単一の物平面の色収差補正された像を一連の像平面に同時に記録することができる。当該４次元多平面広帯域結像システムは、図８に示すように、光学素子として、
再入型刻線を有しないＱＤ回折格子であって、多素子光学系で各回折次数に対応する焦点距離及び空間的位置を生成するための非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子と、
空間の中で波長に基づいて光路を調整することによって、非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子による広帯域光の分散を補正するためにペアで設けられた回折格子プリズムと、
非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子の各回折次数に対応する光学系の焦点距離を効果的に修正し、光路を調整することによって回折格子プリズムシステムの設計上のニーズを満たすためのレンズシステムと、
光検出デバイスとを含む。

ＮＲＱＤ回折格子は、２つ以上のＮＲＱＤ円弧マスクパターンを組み合わせたマスクパターンにより設計することによって、複数の物平面（４つ以上）の集束像を同一の像平面に合理的に分布させることができる。

より高い回折効率を得るために、ＮＲＱＤ回折格子は、高度な加工を行うことによって、マルチレベル（デジタル型）又は連続（アナログ型）の断面構造にしてもよい。

様々なタイプのＮＲＱＤ回折格子を用いることができ、周期的に分布する溝構造が異なる透過率、反射率、光学的厚さ又は偏光感度を有するものを含むが、限定されないものではない。

回折格子プリズムは、回折格子及びプリズムを組み合わせた光学素子であり、４次元多平面広帯域結像システムにおける広帯域光の色収差補正に用いるために、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａにより光路モデルを確立してそれを設計する。本発明において、回折格子プリズムの設計は、その回折格子構造の刻線密度により限定することができる。回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．４〜１．５である場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし８００刻線であり、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．５〜１．６である場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし９００刻線であり、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．６〜１．７である場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし１２００刻線であり、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．７より大きい場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし１４００刻線である。

本発明に使用される回折格子プリズムは、体積位相ホログラフィック（ｖｏｌｕｍｅ ｐｈａｓｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ（ＶＰＨ））回折格子プリズムであってもよい。

回折格子プリズム構造を構成するブレーズ回折格子又はＶＰＨ回折格子とプリズムは、屈折率が異なってもよい。

２対以上の回折格子プリズムを用いて、２つ以上のＮＲＱＤ回折格子による広帯域光の分散に対して補正を行ってもよい。

入射光の全波長帯において、理論的に想定される予備分散及びコリメートを実現できるものであれば、回折格子プリズムは任意の位置に配置してもよい。

本発明に係る４次元多平面広帯域結像システムは、蛍光、明視野／暗視野、位相差、微分干渉（ＤＩＣ）及び構造化照明を含む様々な形態の顕微鏡製品に利用することができる。

単一の広帯域照明光源を一連の異なる平面に集束させることによって、当該システムは、単一の広帯域光源が複数の平面に同時で均一に照明するために用いることもできる。

当該技術は、様々な最新の技術、例えば顕微技術、天文光学、光によるデータ記憶、生物医学画像形成、波面解析及び仮想現実／拡張現実と柔軟に組み合わせることができ、学術研究においても産業的にも幅広く利用される見込みである。

３次元狭帯域結像システムの基本設計を概略的に示す図である。 ＱＤ回折格子に入る前の光ビームに対して予備分散を行う従来の色収差補正方法を概略的に示す図である。 ｘ−ｙ直交座標系におけるＱＤ回折格子構造を概略的に示す図である。 ＱＤ回折格子に入る前の広帯域入射光に対して予備分散及びコリメートを行うと、ＱＤ回折格子による分散を補正できることを示している。 ＱＤ回折格子及び回折格子プリズムに基づく多色結像システムの基本設計を概略的に示す図である。例えば、イギリス特許第ＧＢ２５０４１８８−Ａ号に記載されたように、結像システム（４０）は、１対の収色性レンズ（４２）、（４４）のコリメート光路の間に設けられた分散装置（１０）と、１束の多色光源（３２）と、ＱＤ回折格子（４６）と、マルチモード光ファイバー（３４）と、ＣＣＤ検出装置（図示せず）とを含む。 イギリス特許第ＧＢ２５０４１８８号に使用された再入型刻線を有するＱＤ回折格子のマスクの一部パターンを示している。 ＱＤ回折格子及び回折格子プリズムに基づく結像システムの長光路を示している。 ４次元多平面広帯域結像システムを概略的に示す図である。当該装置は、複数の物平面／像平面（２）と同一の像平面／物平面（７）との間に波面情報をリアルタイムに伝送することを実現するための、各回折次数に対応する焦点距離及び空間的位置を生成する１つ以上の非再入型の２次的にひずめる（ｎｏｎ−ｒｅｅｎｔｒｙ ｑｕａｄｒａｔｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ：ＮＲＱＤ）回折格子（５）と、入射光を分散させてスペクトルの成分に従って横方向に配列された１束の平行光を形成することによって、色収差による画像の横方向の分散を制限する回折格子プリズムシステム（４）と、光路を調整するためのレンズシステム（３）と、光検出デバイス（６）とを含む。当該光学系において、複数の物平面／像平面（２）と、レンズシステム（３）と、回折格子プリズムシステム（４）と、ＮＲＱＤ回折格子（５）と、光検出デバイス（６）と、単一の像平面／物平面（７）とはいずれも同一の光軸（１）に配置される。 単一の回折格子プリズムの光路モデルを概略的に示す図であり、光線が空気から回折格子プリズムに入り、そして空気に戻る経路を示す（本例ではブレーズ回折次数が＋１である）。 Ｂ２７０ショットグラスを基底材料とする場合の、異なる無偏光波長における回折格子プリズムのくさび角／ブレーズ角の設計を示す。凡例にはブレーズド回折格子の刻線数（刻線／ｍｍ）が示され、同図に下方から上方に描かれた各折線にそれぞれ対応する。 「艶の虹」を示す。本発明の結像技術は単写に用いる場合、初めて３つの回折次数の全てにおける４次元広帯域画像の記録に成功したものであり、しかも画像の質は、異なる波長の光に対するＮＲＱＤ回折格子の焦点距離の差異によりマイナスの影響を受けることがない。 白色光が一連のバンドパスフィルタを通過した後に得られた擬似カラー画像を示している。そのうち、（ｉ）は回折格子プリズムシステムによる色収差補正を行わなかったものである。図中の非中心波長に対応する各像点の深刻な分散現象は、色収差、異なる波長の光に対するＱＤ回折格子の焦点距離の差異、ＱＤ回折格子の再入型刻線により画像が重畳してぼけることによるものである。（ｉｉ）は回折格子プリズムシステムによる色収差補正を行ったものである。分散現象は効果的に補正されたものの、非中心波長に対応する各像点は依然として分散している。当該像点の分散現象は、異なる波長の光に対するＱＤ回折格子の焦点距離の差異、ＱＤ回折格子の再入型刻線により画像が重畳してぼけることによるものである。（ｉｉｉ）は色毎に集束を最適化させ、回折格子プリズムシステムによる色収差補正を行わなかったものである。 回折格子プリズムによる色収差補正がある／ない場合、白色光及び一連のバンドパスフィルタを組み合わせることによって、顕微結像実験により得られたｅＧＦＰ蛍光団の４次元３平面広帯域画像をシミュレーションしたものである。 回折格子プリズムによる色収差補正がある／ない場合の蛍光微小球の４次元３平面広帯域顕微画像を示している。 ヒト子宮頸癌（ＨｅＬａ）生細胞の明視野４次元３平面広帯域顕微画像を示している。各集束像平面の間隔（Δｚ、式（２）を参照）は２．３μｍであり、スペクトル帯域幅は５２５±３９ｎｍである。 位相差結像モード及び多平面結像の原理を組み合わせたＮＲＱＤ回折格子のマスクパターンの設計を示し、４次元３平面広帯域位相差顕微結像に用いることができる。 石英ガラスを基底材料とする場合の、異なる無偏光波長における回折格子プリズムのくさび角／ブレーズ角の設計を示す。凡例にはブレーズド回折格子の刻線数（刻線／ｍｍ）が示され、同図に下方から上方に描かれた各折線にそれぞれ対応する。 Ｎ−ＢＡＦ１０ショットグラスを基底材料とする場合の、異なる無偏光波長における回折格子プリズムのくさび角／ブレーズ角の設計を示す。凡例にはブレーズド回折格子の刻線数（刻線／ｍｍ）が示され、同図に下方から上方に描かれた各折線にそれぞれ対応する。 「交差」構造を有するＮＲＱＤ回折格子のマスクパターンの設計を概略的に示す図であり、当該マスクパターンの設計は、９つの異なる物平面を同時に結像し、互いに分離するように同一の像平面に示すことを実現できる。 Ｎ−ＳＦ１１ショットグラスを基底材料とする場合の、異なる無偏光波長における回折格子プリズムのくさび角／ブレーズ角の設計を示す。凡例にはブレーズド回折格子の刻線数（刻線／ｍｍ）が示され、同図に下方から上方に描かれた各折線にそれぞれ対応する。

当該光学系を設計する際に直面する最大な課題は、ＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムの系統的な設計、及びＮＲＱＤ回折格子−回折格子プリズム組合せシステムにおけるパラメータのマッチングである。実施する際は、再入型刻線の出現、さらには画像の重畳を避けるために、ＮＲＱＤ回折格子の中心周期ｄ_０及び焦点外れ係数Ｗ_２０を入念に設計する必要がある。特に中心周期は回折角を決定し、さらに画像検出装置（例えばカメラ）によって記録される画像の間の間隔を決定するため、入念な設計が必要である。次にレンズシステムを導入し、さらに、ＮＲＱＤ回折格子のその他のパラメータ、例えば入射光の波長帯、半径、基底材料の屈折率及びエッチング深さと組み合わせて、ＮＲＱＤ回折格子−レンズ組合せシステムの光路設計モデルを初歩的に確立する。高度な４次元多平面広帯域結像システムを設計するために、回折格子プリズムのパラメータを入念に選択して、色収差補正の機能を実現する上に、既に得られたＮＲＱＤ回折格子−レンズ組合せシステムの設計モデルと組み合わせて、最終的にＮＲＱＤ回折格子−レンズ−回折格子プリズムの組合せ光学系を最適化設計する必要がある。光学系の各パラメータが互いに影響するため、最終的な設計パラメータを得るには最適化を繰り返して行う必要がある。このプロセスでは、再入型刻線が「誤って」ＱＤ回折格子のマスクパターンに出現したり、ＮＲＱＤ回折格子の最小周期ｄ_min（式（８）を参照する）が非常に小さくなったりする可能性がある。このような状況は、ＮＲＱＤ回折格子の設計が誤ったり加工が難しくなりコストが増加したりする問題を引き起こす。よって、「最適化された」パラメータを実験に適用する前に、上記２つの要素について最終チェックを行う必要がある。なお、同一の原理に基づけば、いわゆる「最適化された」光路設計パラメータは、実際の応用において変化するものであり、多様に選択できる。

フラウンホーファー回折及びフーリエ光学の関連理論に基づき、ＮＲＱＤ回折格子の２次元的数学モデルを確立することにより、ＮＲＱＤ回折格子の結像原理について深く研究するとともにＮＲＱＤ回折格子の設計（例えば、ＮＲＱＤ回折格子のマスクパターンの設計、及び最適化されたエッチング深さを含む加工パラメータの設計）を改善することができる。本発明がなされる前に、ゼルニケ多項式に基づき、Ｍａｔｌａｂによりプログラムが開発され、ＱＤ回折格子のマスクパターンの設計にも用いられていた。ただし、当該アルゴリズムの複雑性、動作時間が長い（一般的に１０時間より長い）、マスクパターンを描画するプロセスを目視できないため、回折格子の初期設計パラメータの選択が不適切であるため再入型刻線が現われる場合が多い。よって、当該方法は回折格子のパラメータ設計に対する操作性が劣り、マスクパターンの設計プログラムによる全ての演算が終わってからでないと再入型刻線の存否を検査しないため、回折格子を柔軟に設計できない。もう一つの問題は、このようなアルゴリズムは「円弧」型の刻線のみを生成し、それ以外の別の形態の組合せ型の刻線構造、例えば「交差」型の刻線（詳しくは「実施例３」を参照する）を生成できないため、ＮＲＱＤ回折格子の設計改善が大きく制限されている。本発明において、ＮＲＱＤ回折格子の２次元的数学モデルに基づき、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ及びＭａｔｌａｂソフトウェアを用いて一連のコードを書いて、マスクパターンのパラメータ設計に用いる。次にこれらのパラメータに基づき、ＡｕｔｏＣＡＤソフトウェアで開発した作図プログラムを用いてＮＲＱＤ回折格子のマスクパターンの描画を行う。このような可視化された描画プロセスにおいて、マスクパターンに存在する設計上の欠点は発現しやすいのである。また、マスク生成コードの動作時間が大幅に短縮され、経験を持つＡｕｔｏＣＡＤユーザの場合は数分間だけで完了できる。さらに、単一のＮＲＱＤ回折格子マスクパターンでも、いくつかのＮＲＱＤ回折格子を複合させたマスクパターンでも、それを生成し柔軟に操作することができ、様々な結像のニーズを満たすことができる。重ね合わせて使用される回折格子が多ければ多いほど、光学系のエネルギー損失が多くなるが、本発明において、任意の組合せ刻線構造を有するマスクパターンを設計してそれを製作することにより、２つ以上のＮＲＱＤ回折格子を重ね合わせることでシステムに光エネルギーの損失が生じることを防ぎ、９つ以上の平面での同時結像を効果的に実現できる。いかなる場合においても、２つ以上のＮＲＱＤ回折格子、または組合せマスクパターンを備える単一のＮＲＱＤ回折格子により生じた分散は、１対の回折格子プリズムを用いて補正できる。

トラウブ氏の設計に基づき、単一の回折格子プリズムの光路モデルを確立した（非特許文献２）。図９に示すように、矢印で示す１束の光線が角度Ａでプリズムに入射して屈折し、角度αで回折格子に到達し、最終的に回折角βで空気に入る（ここに示すのは＋１回折次数の場合）。図中の破線は、プリズムの法線方向（ＰＮ）、回折格子の外面の法線方向（ＧＮ）及びブレーズ面の法線方向（ＦＮ）をそれぞれ表す。以下のように符号を規定する。法線から入射面にかけて角度を計測する場合、反時計回り方向の角度は正の値で表す。プリズムの表面に回折格子構造を加工してこのような回折格子プリズムを得ることができる。現段階では、回折格子プリズムの光路トラッキング数学モデルの全ての細部を示すのではなく、簡単で実用的な回折格子プリズムの設計をメインにする。

図９に示される回折格子プリズムモデルは、その回折角βを以下のように表すことができる。

ここで、ｍは回折次数であり、λは入射波長であり、ｄは回折格子の周期であり、ｎは回折格子プリズムの基底材料の屈折率である。回折次数ゼロに対し、正の回折次数は時計回り方向に位置し、負の回折次数は反時計回り方向に位置する。式（１０）ではデフォルトとして回折格子プリズムを構成する２つの光学素子（回折格子及びプリズム）が同じ屈折率ｎを有するものとするが、それらの屈折率は異なってもよい。同じ回折格子プリズム光路モデルに基づくものであれば、各素子の屈折率を容易に変更できる。

回折格子プリズムの光路トラッキング数学モデルに基づき、回折格子プリズムの設計パラメータに関する一連の図表で表す関数を得ることができる。実際の応用において、回折格子プリズムの基底ガラス材料及び無偏光波長の選択と組み合わせて、回折格子プリズムの主な設計パラメータ、例えばくさび角、ブレーズ角、ブレーズド回折格子の刻線数は、対応する１組の図表で表す関数から選択してもよい。さらに、ＮＲＱＤ回折格子の設計パラメータ及び光学系の結像の要件に基づいて、回折格子プリズムのパラメータの選択について最適化を行う。また、Ｚｅｍａｘソフトウェアを用いて光路トラッキングのシミュレーションを行って、最終的に回折格子プリズムの設計を検証する。上記ステップで回折格子プリズムの設計パラメータの選択を段階的に最適化した後、ＮＲＱＤ回折格子と回折格子プリズムのパラメータが良くマッチングし、且つ光学系全体の性能が最適化されていることが確認できる。これで、カスタマイズされたＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムに基づく４次元多平面広帯域結像システムが確立される。理論的には、同一の結像システムに使用される回折格子プリズムは、任意のタイプであってもよく、必ずしも同じ設計を採用するものとは限らず、光学系におけるその位置も任意の位置であってもよく、色収差を補正するために必要な予備分散量を十分に実現できるものであればよい。

本発明において、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ及びＭａｔｌａｂソフトウェアに基づく一連のコアな光学素子、及びＮＲＱＤ回折格子と回折格子プリズムの組合せシステムの設計の数学モデルを確立している。これらの理論的なモデルに基づき、光学系はカスタマイズが可能であり、顕微技術、天文光学、光によるデータ記憶、生物医学画像形成、波面解析及び仮想現実／拡張現実など様々な最新の技術と柔軟に組み合わせて、様々な場合に用いることができる。ここには、当該光学系を４次元多平面広帯域結像に用いるいくつかの例を挙げる。光路可逆の原理に基づき、当該光学装置は単一の物平面の広帯域光／広帯域像を一連の像平面に記録するために用いることもできる。当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、光学系のいくつかの設計パラメータを変更することもできる。よって、以下の実施例に係る光学系の設計パラメータは、各パラメータを限定するものではなく、いくつかの例を用いて本発明の可能性を証明するためのものである。言うまでもないが、当業者はシステムの正常な動作に影響を与えることなく各パラメータに対し微調整を行うこともできる。

実施例１：４次元３平面広帯域結像のシミュレーション実験

上記内容には、４次元多平面広帯域結像システムの原理及び設計を記載している。当該技術を実際の結像に用いる前に、まずいくつかの４次元多平面広帯域結像のシミュレーション実験を行って、理論的なモデル及び光学装置を定性的に検証し、さらに、実際の応用における当該技術の潜在的な性能及びその効果を検証する。

結像の環境をシミュレーションするために、１束の連続白色レーザー（Ｆｉａｎｉｕｍ 超連続光源ＳＣ４５０−ＰＰ−ＨＥ、利用可能な波長範囲は約４５０ｎｍ〜１７５０ｎｍ以上である）を１本のシングルモード光ファイバー（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番Ｐ１−４８８ＰＭ）によって結像システムに接続する。ここで、以下のように、従来使用していた簡単な光学系を構築する（図５を参照する）。約３ｍｍの直径の孔を開口絞りとして使用し、焦点距離を２５０ｍｍとする２つの収色性レンズを互いに２００ｍｍの間隔で配置して、同じ大きさ（拡大率は１）で、等価焦点距離が２０８ｍｍである組合せ光学系を形成する。本例では、ＮＲＱＤ回折格子を屈折率が約１．４６の石英ガラスに加工し、その名目上の軸方向の周期（すなわち中心周期）は５０μｍであり、曲率パラメータＷ_２０は５０倍の波長であり、半径は１０ｍｍである。よって、入射光の波長が５２７ｎｍである場合、当該ＮＲＱＤ回折格子の第１の回折次数における焦点距離は±１８９８ｍｍとなる。ＮＲＱＤ回折格子が組合せレンズシステムの第２の主平面から２０８ｍｍ（２番目のレンズと約４２ｍｍ）離隔する場合、各回折次数に対応する像は、同じ拡大率を有する。ＮＲＱＤ回折格子の各回折次数における異なる集束能力により、当該光学系は、多平面での同時結像を実現できる。

回折格子プリズムのパラメータの設計について、構造が同じで背中合わせに配置された（回折格子ブレーズの面が対向する）１対の回折格子プリズムの光路モデルを確立することにより、回折格子プリズムのカスタマイズされたパラメータを１組の図表で表す関数として記述する。特定の光学ガラス及び特定の無偏光波長を使用する場合、回折格子プリズムのくさび角、ブレーズ角及びブレーズド回折格子の刻線数など主な設計パラメータは、光学系の実際のニーズに応じて、図表で表す関数の中から選択してもよい。本例でカスタマイズされた回折格子プリズムは、その基底材料が、屈折率が約１．５３のショットＢ２７０ガラスであり、断面寸法が２５ｍｍ×２５ｍｍである。図１０に示される図表で表す関数によれば、回折格子プリズムの無偏光波長が５２７ｎｍである場合、くさび角及びブレーズ角（それぞれ図９中のＥ及びＥ′に対応する）を１７．５°、ブレーズド回折格子の刻線数を３００刻線／ｍｍに選択できる。ここで、ブレーズド回折格子の構造は、直角プリズムの斜辺に加工でき、プリズムのくさび角と回折格子のブレーズ角は等しい。図５に示される類似の簡易光学系において、カスタマイズされた回折格子プリズムは、波長に基づいて入射された１束の平行の多色光を分散させて１組の平行光ビームを形成でき、出射光ビームの「幅」（入射光が回折格子プリズムによって分離させる度合いとして理解してよい）は、２つの回折格子プリズムの間隔を変更することで制御できる。なお、２つの回折格子プリズムの間隔だけに注意を払えばよく、２つの収色性レンズの間におけるそれらの具体的な位置は、さほど重要なものではない。

結像実験を行う前に、各像の像平面（カメラチップ）における間隔を合理的に設計して、多平面の画像が重なることを避けることを前提として、カメラの感光チップを可能な限り効果的に利用する。カメラの感光チップの物理的寸法に基づき、チップ上の複数（２〜９個）の像の位置及び寸法を合理的に設定する必要がある。本例に使用されたカメラは、Ａｎｄｏｒ Ｚｙｌａ ４．２ ｓＣＭＯＳであり、その画像分解能は２０４８×２０４８であり、画素のサイズは６．５μｍであり、よって、感光チップのサイズは１３．３×１３．３ｍｍ^２である。物体側テレセントリック光路システムの設計（光学系の拡大率は１：１である）に基づき、上記のとおりに選択された光学パラメータを用いてリアルタイムな３平面広帯域結像システムを構築している。光線が垂直に入射し、設計波長が５２７ｎｍで中心周期が５０μｍであるＮＲＱＤ回折格子を使用する場合、第１の回折次数の回折角は約０．６°であり、これにより３つの像（それぞれ回折次数ゼロ及び回折次数±１に対応する）の中心間隔は２．１８ｍｍであり、これは３つの像が互いに重畳しないようにするための最小間隔でもある。よって、３つの像がカメラの横方向に占有するその寸法は３×２．１８ｍｍ＝６．５４ｍｍとなり、カメラの感光チップの幅の約５０％であるため、当該光路の設計は合理的である。

４次元多平面広帯域結像システムの可視光範囲全体における結像性能を示すために、大出力の連続白色レーザー（Ｆｉａｎｉｕｍ ＳＣ４５０−ＰＰ−ＨＥ）を、帯域幅が２０ｎｍで、ステップ幅が２０ｎｍで、中心波長が４５０ｎｍ〜６５０ｎｍである一連のバンドパスフィルタ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製）に通過させることにより、帯域幅が２０ｎｍである１１組のスペクトルをシミュレーションしている。次に、光ファイバー光源の位置を調整することにより、３つの物平面にそれぞれ対応する異なる撮影距離をシミュレーションする。各波長帯のグレースケール画像は、ｓＣＭＯＳカメラ（Ａｎｄｏｒ Ｚｙｌａ ４．２）によって順に取得し、次にＩｍａｇｅＪソフトウェアを用いて各波長帯に対応する像点の全光束に対して正規化を行う。次に、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａソフトウェアを用いて各波長帯の中心波長に対応するＲＧＢ値を算出し、各画像に対してＲＧＢモードと互換性のある正規化を行い、各画像からＲ、Ｇ、Ｂモードにそれぞれ対応する擬似カラー画像を生成でき、最終的に各画像に対応する３枚の擬似カラー画像を合わせて擬似カラー画像を生成する。当該画像は、ある中心波長の擬似カラー画像に対応し、これで単一の波長帯の画像に対する擬似カラー処理を完了する。最後に１１の波長帯（中心波長は４５０ｎｍ〜６５０ｎｍであり、ステップ幅は２０ｎｍであり、各波長帯の帯域幅は２０ｎｍである）の擬似カラー画像を合わせれば、多色画像を生成する。当該実験では各色が、虹に出現する順で並ぶ現象を示しているものであり、発明者の馮艶氏は、その名前にある「艶」という文字を用いて、当該実験を「艶の虹」と命名し、回折格子プリズムによる色収差補正がある／ない場合の、広帯域光がＮＲＱＤ回折格子を通過して形成した多平面の多色画像を特に指すものである。グレースケール形式の虹画像は、図１１に示すとおりである。

艶の虹では、ＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムに基づく４次元結像技術を初めてリアルタイムな多平面広帯域結像に用いて成功したものを示している。馮艶氏らが２０１３年に提案した類似の光学設計（特許文献４）と比べると、艶の虹ではコアな光学素子及び結像システムを最適化設計することによるいくつかの利点を示している。第一、本発明のシステムは、収色性の３つの平面（本例を参照する）での同時結像に好適に用いることができるのに対し、馮艶氏らが２０１３年に提案した従来のシステムは、１回の撮影当たり３つの回折次数のうちいずれかの回折次数に対応する単一の平面の像しか記録できず（図１２を参照する）、カメラチップに３つの平面の像を同時に記録できない。第二、本発明のシステムはＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムのパラメータを合理的に設計することによって、異なる波長の光に対するＮＲＱＤ回折格子の焦点距離の差異のために生じた像点の分散を緩和することに成功し、馮艶氏らがこれまでにしたことのように、カメラが一連の集束点像を記録するように、各波長帯の中心波長に対応する焦点距離に基づき、光源の位置をそれぞれ移動させる必要がない（図１２（ｉｉｉ）を参照する）。各波長の光ファイバー光源の位置をリセットして、異なる波長光に対するＮＲＱＤ回折格子の焦点距離の差異を補償する必要がないため、本例の結像システムでは、最初の３つの回折次数における各焦点位置はシステムの無偏光／中心波長から５３０ｎｍまでの焦点距離のみにより決まり、これに基づいて、回折格子プリズムによる色収差補正がある／ない場合のシミュレーション結像実験をそれぞれ行う。言うまでもないが、艶の虹では、中心波長帯（５２０ｎｍ〜５４０ｎｍ）から外れた各非ゼロ回折次数における像点の分散現象は、効果的に緩和され、回折次数ゼロにおける像点には、ＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムによる影響が認められない（光エネルギーの低減はある）。艶の虹とは異なり、分散が効果的に補正されているが、図１２（ｉｉ）に示される中心波長帯から外れた各像点は依然として分散している。これは画像の質を影響する要因に、ＱＤ回折格子の再入型刻線（図６を参照する）により画像が重畳してぼけることや、波長に依存するＮＲＱＤ回折格子の焦点距離も含まれるからである。しかも、ＱＤ回折格子の各色（波長）の光に対して生じる焦点距離の線形的変化に適応するために、最適な焦点距離を得るために色毎にその光源の位置を手動的で調整することは（図１２（ｉｉｉ）を参照する）、実際の結像実験では実現できない。そのため、有効な４次元多平面広帯域結像を実現するために、再入型刻線が存在しないＱＤ回折格子（すなわちＮＲＱＤ回折格子）の合理的な設計が必要不可欠であり、且つ数学モデルを確立してパラメータの検証を行うことによって、ＮＲＱＤ回折格子、回折格子プリズム及び収色性接合レンズに基づく光学系に対し最適化を行って設計する必要がある。

なお、虹実験は、４次元多平面広帯域結像の効果をシミュレーションするためのものに過ぎないため、本例において、小さい回折格子プリズムの間隔として、１４０ｍｍを選択している。確立された数学モデルによれば、１４０ｍｍの回折格子プリズムの間隔は、約１００ｎｍの帯域幅までは分散を補正可能である（本例では、入射光の帯域幅が２２０ｎｍである）。そのため図１１に示すように、第１の回折次数の画像には依然として分散が残っている。事実上、回折格子プリズムの間隔をより大きくするだけでも、より大きな帯域幅範囲における色収差の補正を得ることができる。球面収差、コマ収差などより多くの光学収差を解析することを含む、より正確な４次元多平面広帯域結像システムの数学モデルを確立するために作業している。

４次元多平面広帯域結像システムの実用性をより一層示すために、本発明は、１組の蛍光団顕微結像実験をシミュレーションし、シミュレーション実験の結像モデルとして、細胞生物学に幅広く用いられる蛍光団であるｅＧＦＰを選択している。顕微鏡を使用しない場合、下記方法で蛍光団の４次元多平面広帯域結像実験をシミュレーションする。すなわち白色光を帯域幅２０ｎｍの一連のバンドパスフィルタに通過させることにより、特定の波長帯の１組のスペクトルを得る（スペクトルを一部切り取った虹実験として理解してよい）。次に、１組の像点を蛍光団の発光スペクトルに従って配列し（ステップ幅を２０ｎｍとし、波長範囲を４８０ｎｍ〜６００ｎｍとする）、蛍光団の発光スペクトルのエネルギー分布をシミュレーションして、各像点の強度に対し加重修正を行う。対応するフィルタを利用して光学系に対する焦点調整と校正を行うことによって、対応する中心像点の波長を蛍光団のピーク波長５２０ｎｍとマッチングさせる。光学系の最適化設計により、ＱＤ回折格子の再入型刻線により画像が重畳してぼけることがないだけでなく、異なる波長の光に対するＮＲＱＤ回折格子の焦点距離の差異による影響も無視でき、本例では、光源の位置を固定して、回折次数ゼロに対応する像のみに集束させる。波長が蛍光団発光スペクトルの範囲にある１組のバンドパスフィルタによって、帯域幅２０ｎｍの一連の像点を取得し、各フィルタ（波長帯）に対応する像点は非常に鮮明である。次に、これらの像点に対して以下のように処理する。まず、蛍光団のピーク波長帯に対応する像点の全光束により、各フィルタ（波長帯）に対応する像点の全光束に対して正規化を行い、そして蛍光団の発光スペクトルの輪郭をシミュレーションして、各波長帯に対応する像点の光束を対応する係数に基づいて加重する。図１３に示すように、各波長帯に対応する画像を合わせれば、回折格子プリズムによる色収差補正前及び補正後の３つの平面に同時結像されたシミュレーションｅＧＦＰ蛍光団像点をそれぞれ得ている。シミュレーションｅＧＦＰ蛍光団の３平面広帯域像が同時に記録されていることが確認され、なお、赤色の波長帯範囲には依然としてわずかな色収差が認められる（図１３中の上方の図を参照する）。

本発明は、ＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムに基づく４次元多平面広帯域結像システムの開発に成功し、色収差が補正された、効率的で、簡単で実用的な３平面同時結像を初めて実現している。時間分解能が高いため、当該光学系は、動的プロセスの計測、例えば単一粒子のトラッキングのために用いられると予想される。実際の結像と同等な条件（例えば、同一の波長帯及び光エネルギーの分布）で得たシミュレーション結像実験の結果は、複数平面の像で４次元画像を再構成する場合、後期の画像処理時に参照する基準として、非ゼロ回折次数の像の収差に対して補正を行うことによって、より正確な４次元画像を得ることができる。

実施例２：４次元３平面広帯域マルチモード顕微結像

いくつかの最新の光学顕微技術は、超高空間分解能を実現しているものの、１回の撮影では試料の１つの焦平面におけるその情報、すなわち２次元（２Ｄ）的な情報しか得られない。しかしながら、生細胞などの生体試料は、３次元（３Ｄ）的なもので絶えず変化しているため、基礎的な生物学研究及び臨床診断・治療分野で、生体試料を３次元的に観察し、その立体的な構造について解析するニーズが高まっている。従来の３Ｄ顕微結像技術は、その大半が試料の深さ方向に沿う走査の方法に依存するものであり、時間がかかるため、光学的に感度が高い試料の結像及び生体試料の動的プロセスの観察を大きく制限しており、高速な動的プロセスのトラッキングが必要な場合は、この問題が特に顕著である。一方で、空間分解能と時間分解能は互いに対立するものであり、より精細な構造を見るためには往々にして時間分解能を犠牲にしてしまう。そのため、空間分解能に制限されることなく、高いフレームレートで被検試料の３次元の動的情報を記録する高時間分解能の結像技術を新たに開発する必要がある。

本発明において、時間分解能が高く、効率的で、簡単で実用的な４次元多平面広帯域結像システムを確立しており、様々な最新の技術、例えば顕微技術、天文光学、光によるデータ記憶、生物医学画像形成、波面解析及び仮想現実／拡張現実と柔軟に組み合わせることができる。回折格子の効率を以下のように定義する。計測対象の各回折次数における光エネルギーの和と入射光の総エネルギーとの比の値である。精度の高い回折格子の加工（例えば多層エッチング）により、マルチレベル（デジタル型）又は連続（アナログ型）の回折格子の断面構造を得て、ＮＲＱＤ回折格子の回折効率を最適化することができる。結像の応用のニーズの違いに応じて、様々なタイプのＮＲＱＤ回折格子、例えば周期的に分布する溝構造が異なる透過率、異なる反射率、異なる光学的厚さ又は異なる偏光感度を有するものを使用できる。最適化されたカスタマイズ式回折格子プリズムを狭帯域フィルタに代わって使用することにより、ＮＲＱＤ回折格子による分散の現象が効果的に緩和されるだけでなく、結像システムの光束が大幅に向上する。次に、４次元多平面広帯域結像技術と顕微結像技術を組み合わせたいくつかの適用例を示す。当該４次元多平面広帯域結像装置は、アクセサリとして顕微鏡製品のカメラインタフェースに接続するだけで、複数の物平面の４次元多色像をリアルタイムに記録するとともに、蛍光、明視野、位相差、微分干渉（ＤＩＣ）、構造化照明など様々な結像モードに用いることができる。当該４次元多平面広帯域顕微結像システムに狭帯域フィルタ及び複雑な光路調整を必要としないため、（結像に利用可能な）光束が限られ被検物体が継続的に変化する生物顕微結像への応用に特に好適である。当該技術はまた、粒子の特定とトラッキングや、全視野、デコンボリューションされたｚ積層試料に基づく３次元的な画像再構成にも利用可能である。複数の平面画像間のｚ方向の間隔は、ミクロンスケールまでは変化可能である。

蛍光微小球の４次元３平面広帯域顕微結像

４次元多平面広帯域結像技術を用いれば、蛍光団の発光スペクトルの全波長帯の光情報を取得できることから、４次元多平面広帯域蛍光顕微結像は当該技術の一つの重要な応用になる。４次元多平面広帯域結像技術と顕微技術を組み合わせて用いる場合、その簡単で集積化された光学装置を顕微鏡製品のカメラインタフェースに接続して、顕微試料の４次元的な光学視野情報をキャプチャし記録することができる。ここで、蛍光微小球の４次元３平面広帯域顕微結像を例として、当該結像システムの光学性能を示す。

結像実験では、まず蛍光微小球試料を調製する。カバーガラス（ＢＲＡＮＤ社製、型番４７０８２０）を順にアセトン及び１ＭのＮａＯＨ溶液で３０ｍｉｎ超音波処理し、次に超純水で複数回洗浄する（２回以上とし、必要であれば超音波処理を行う）。最後に、これらのカバーガラスに窒素を吹き付けて乾燥する。ポリビニルアルコール（ＰＶＡ：Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ、型番８１３８１、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製）は粘度及び光学的性能に優れているため、蛍光微小球を載せるキャリアとして選択する。ＰＶＡ粉末を水に溶解し、攪拌して１００℃に加熱することにより、３０％のＰＶＡ水溶液を調製する。次に、１：１０で希釈した蛍光微小球懸濁液（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ社製、型番Ｆ８８２７、２μｍ、５０５／５１５）とＰＶＡ水溶液とを１：１０の割合で十分に混合し、混合する過程で超音波振盪、ボルテックスによる均一な混合、７０℃水浴加熱等の操作を繰り返して、蛍光微小球の凝集を避けるとともに、ＰＶＡの一定の溶解性を保持して蛍光微小球と十分に混合させる。最後に、分散された蛍光微小球／ＰＶＡ溶液１００μｌを清潔なカバーガラスに徐々に滴下し（厚さが均一な薄膜を得たい場合、スピンコーターを使用して回転塗布を行ってもよい）、４５℃のオーブンに入れて数分間乾燥させる。顕微鏡を使用して乾燥された試料に対し迅速に検査したところ、各蛍光微小球が単一で（凝集せず）、ほぼ乱数一様分布に従ってＰＶＡコロイドに固定されている。試料の光分解を避けるために（発生する可能性が低いが）、冷暗所で保管する。

結像実験は、オリンパスＩＸ７３顕微鏡（１００倍の油浸レンズ）において行われ、光学装置を設計することにより、試料の３つの異なる平面が同一の像平面に同時に結像するとともに、色収差の補正を実現する。蛍光微小球の発光スペクトルを完全に示すために、ＮＲＱＤ回折格子と回折格子プリズムの組合せシステムの無偏光（中心）波長を蛍光団の発光スペクトルのピーク波長に基づいて設計する。実施例１の光学パラメータに基づき、４次元３平面広帯域蛍光顕微結像システムを設計して構築し、その３つの物平面の間隔（Δｚ）は２．３μｍである。当該結像システムにおいて、ＮＲＱＤ回折格子をレンズシステムのフーリエ平面に配置しているが、回折格子プリズムの絶対位置は厳格に定義する必要がない。蛍光団試料を波長４７３ｎｍのレーザーで励起させる。次に、バンドパスフィルタ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番ＦＢ５５０−４０）を用いて発射光に対してフィルタリングを行うことにより、８０ｎｍの発光スペクトル帯域幅（Δλ）を形成する。数学モデルに基づき、当該広帯域光がＮＲＱＤ回折格子を通過する時に生じた分散を補正するために、回折格子プリズムの間隔を１０８ｍｍに設定すべきである。ｓＣＭＯＳカメラ（Ａｎｄｏｒ Ｚｙｌａ ４．２）で画像を取得し、露出時間を５０ｍｓとし、次にＩｍａｇｅＪソフトウェアで処理する。回折格子プリズムによる色収差補正前及び補正後の、ＮＲＱＤ回折格子の最初の３つの回折次数に対応する３つの物平面の画像は、図１４に示すとおりである。同図から分かるように、単写は蛍光微小球の３つの異なる平面を同時に結像でき、第１の回折次数における分散現象が効果的に補正されている。

本発明の４次元多平面広帯域顕微結像技術は、複数種の蛍光団の多平面同時結像にも利用可能である。一連のＮＲＱＤ回折格子（各回折格子は異なる動作波長に用いるように設計される）、複数対の回折格子プリズム、特定のＮＲＱＤ回折格子と対応するカメラとの間に配置された二色性フィルタを使用することにより、一連の単色カメラに複数種の蛍光団の多平面集束像をそれぞれ同時に記録できる。前例に示すように（非特許文献３）、蛍光が二色性フィルタにより分離されて、蛍光団が発した短波長の蛍光を１つのカメラで受光し、長波長の蛍光をもう１つのカメラで受光すると、これらの蛍光団が発した異なる波長帯の蛍光は、２つの独立したカメラにそれぞれ３次元的で同時に結像できる。次に、発射光のピーク波長が中間波長にある第３種の蛍光団を選択し、これにより、それが発した蛍光が同時に３次元的に上記２つのカメラにより検出される。２つのカメラにおける重ねられた画像は、発光スペクトルが中間波長帯にある蛍光団の発した蛍光によるものであり、各カメラにおける残りの画像は、それぞれ上記短波長又は長波長の蛍光によるものである。類似する原理に基づくと、３つ以上のＮＲＱＤ回折格子及び３対以上の回折格子プリズムを使用し、蛍光団の発した光が一連の二色性フィルタにより分離されて各カメラがいずれも１つの波長帯の蛍光を受光できるのであれば、複数の異なる波長帯の蛍光団の発した光を、同時に多平面的に一連の独立したカメラにそれぞれ結像できる。各蛍光団の発した光がいずれも同時に多平面的に結像できるため、細胞の複数成分の間における色収差が補正された４次元的な動的交換現象の高度な研究が可能になる。

ヒト子宮頸癌（ＨｅＬａ）生細胞の４次元３平面広帯域明視野顕微結像

ヒト子宮頸癌（ＨｅＬａ）の生細胞を３７℃、５％のＣＯ_２インキュベータで培養し、細胞培養用の培地ＤＭＥＭ（米Ｈｙｃｌｏｎｅ社製）に１０％のウシ胎児血清（米Ｈｙｃｌｏｎｅ社製）を加える。細胞を３５ｍｍガラス製シャーレ（Ｓｈｅｎｇｙｏｕ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）に接種する。細胞が良好な状態になるまで培養した後、明視野顕微結像を行う前に、ＰＢＳ緩衝液で細胞を複数回洗浄し（一般的に３回）、新しい培地を入れ替える。中心周期３０μｍのＮＲＱＤ回折格子（その他のパラメータは変わらない）を使用し回折格子プリズムの間隔を１７６ｍｍに変更すること以外に、本実験の光学的設定は、いずれも実施例１のシミュレーション実験のパラメータと一致する。また、新たなバンドパスフィルタ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番ＭＦ５２５−３９）を使用して７８ｎｍの出力スペクトル帯域幅（Δλ）を得る。最後に、オリンパスＩＸ７３顕微鏡装置（１００倍の油浸レンズ）を使用して、フィルタリングをかけない白色光ハロゲンランプ照明の条件で、ＨｅＬａ生細胞に対し４次元３平面広帯域明視野顕微結像を行う。

ＨｅＬａ生細胞の４次元３平面広帯域明視野顕微画像は、図１５に示すように、当該細胞の３つの異なる平面の像に顕著な差異が認められ、且つ細胞の形状及び寸法が非ゼロ回折次数の画像に歪みがない。これらの画像が十分に鮮明でないものの、各物平面が依然として効果的に集束されているものと見なすことができる。その理由は、３つの物平面の間隔Δｚ＝２．３μｍが非常に大きいため、視野の深さが細胞の軸方向の寸法を超えているからである。細胞の内部構造のより多くの細部をキャプチャできるように、更なる実験は小さい物平面の間隔（Δｚは約１μｍ）で行う。

４次元３平面広帯域位相差顕微結像

本発明による４次元多平面広帯域結像システムは、様々な顕微結像モード、例えば、明視野／暗視野、蛍光、位相差、微分干渉（ＤＩＣ）、及び構造化照明に、低コストで柔軟に用いることができる。本例では、図１６に示すように、湾曲させて一部変位したＮＲＱＤ回折格子構造を用いることにより、４次元多平面広帯域結像技術と位相差顕微結像モードを組み合わせている（非特許文献４）。ＮＲＱＤ回折格子の外周構造を参考にして、その内部の回折格子構造を１／４周期分だけ変位させると、＋１回折次数にπ／２の位相変移が生じ且つ−１回折次数に−π／２の位相変移が生じ、これにより異なる回折次数に基づき（回折次数ゼロに対し影響はない）、回折参考光ビームの位相を遅らせるか、又は前倒しする。

本例に使用されたＮＲＱＤ回折格子は、屈折率が約１．４６の石英ガラスに加工され、その名目上の軸方向の周期（すなわち中心周期）は３２μｍであり、曲率パラメータＷ_２０は１５０倍の波長であり、半径は１０ｍｍであるため、入射光の中心波長が６２０ｎｍである場合、当該ＮＲＱＤ回折格子の第１の回折次数における焦点距離は±５３８ｍｍである。回折格子プリズムの光路モデルから得られた図表で表す関数（図１７を参照）によると、回折格子プリズムの基底材料が屈折率１．４６以下の石英ガラスで、且つ回折格子プリズムの無偏光波長が６２０ｎｍである場合、くさび角及びブレーズ角（それぞれ図９中のＥ及びＥ′に対応する）を１５．７°、ブレーズド回折格子の刻線数を２００刻線／ｍｍに選択する。焦点距離を３００ｍｍとする２つの収色性レンズを互いに２５０ｍｍの間隔で配置して、同じ大きさ（拡大率は１）で、等価焦点距離が２５７ｍｍである組合せ光学系を形成する。バンドパスフィルタ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番ＭＦ６２０−５２）を用いて帯域幅（Δλ）１０４ｎｍのスペクトルを出力し、回折格子プリズムの間隔を１８９ｍｍに設定することによって当該広帯域光がＮＲＱＤ回折格子を通過する時に生じた分散を補正できる。上記光路設計に基づき、１００倍の油浸対物レンズを用いることにより、３つの集束用物平面の間隔（Δｚ）を１２．３μｍにする。当該光学系は、大きなスケール範囲における高速で移動する透明な物体に対し４次元多平面広帯域顕微結像／トラッキング（例えばヒト精子細胞の移動計測）を行うことができ、生体力学の高度な研究のために新たな角度を提供する。

４次元３平面広帯域微分干渉（ＤＩＣ）顕微結像

本例では、４次元多平面広帯域結像システムを微分干渉（ＤＩＣ）顕微結像モードに用いる。結像実験は、オリンパスＩＸ７３顕微鏡で行ってもよく、顕微鏡システムを設けることによって、３つの異なる物平面による色収差が補正された微分干渉（ＤＩＣ）顕微結像を同一の像平面において同時に実現できる。

本例に使用されたＮＲＱＤ回折格子は、屈折率が約１．４６の石英ガラスに加工され、その名目上の軸方向の周期（すなわち中心周期）は３０μｍであり、曲率パラメータＷ_２０は５０倍の波長であり、半径は１０ｍｍであるため、入射光の中心波長が４７９ｎｍである場合、当該ＮＲＱＤ回折格子の第１の回折次数における焦点距離は±２０８８ｍｍである。回折格子プリズムの光路モデルから得られた図表で表す関数（図１８を参照）によると、回折格子プリズムの基底材料が屈折率１．６８以下のＮ−ＢＡＦ１０（ＳＣＨＯＴＴ社製）ガラスで回折格子プリズムの無偏光波長が４７９ｎｍである場合、くさび角及びブレーズ角（それぞれ図９中のＥ及びＥ′に対応する）を４４．８°、ブレーズド回折格子の刻線数を１０００刻線／ｍｍに選択してもよい。焦点距離を１５０ｍｍとする２つの収色性レンズを互いに１３０ｍｍの間隔で配置して、同じ大きさ（拡大率は１）で、等価焦点距離が１３２ｍｍである組合せ光学系を形成する。バンドパスフィルタ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番ＭＦ４７９−４０）を使用して帯域幅（Δλ）８０ｎｍのスペクトルを出力し、回折格子プリズムの間隔を１０８ｍｍに設定することによって当該広帯域光がＮＲＱＤ回折格子を通過する時に生じた分散を補正できる。上記光路設計に基づき、１００倍の油浸対物レンズを用いることにより、３つの集束用物平面の間隔（Δｚ）を８３９ｎｍにする。ノマルスキープリズム又は１／４波長板を設けることにより（必要な場合）、多平面像のコントラストを調整可能にする。４次元３平面広帯域位相差顕微結像の場合と比べ、４次元３平面広帯域微分干渉（ＤＩＣ）顕微結像は、被検試料の３つの異なる平面におけるより多くのエッジ構造の細部を得ることができ、人的要因によるレンズフレアは認められない。

まとめ

４次元多平面広帯域結像技術と様々な顕微結像モードを組み合わせた適用例により、当該技術の有効性及び実用性が十分に証明されている。当該４次元多平面広帯域結像システムは、簡単で使用しやすく且つ集積化の程度が高いため、顕微鏡のアクセサリとして用いることができ、顕微鏡製品及びカメラシステムにおいて好適に利用できる。また、顕微鏡の光路システムに集積させることにより、カスタマイズされた新規な顕微鏡を得ることもできる。

実施例３：４次元９平面広帯域結像

上記実施例に記載されているＮＲＱＤ回折格子は、半径が等しくない一連の同心円弧刻線（半円未満）で構成され、これらの円弧構造の回折格子刻線が入射光に迂回位相を生じさせることにより、３つの異なる物平面の物体を同時に結像し、互いに分離するように同一の像平面に示す。より多くの平面（最大９個まで）の像を同時に記録するために、２つの「円弧」構造のＮＲＱＤ回折格子のマスクパターン（「円弧」構造は図３を参照する）を互いに垂直に組み合せて、新たなＮＲＱＤ回折格子のマスクパターン、すなわちいわゆる「交差」構造のマスクパターンとして設計する（図１９を参照する）。一定の光エネルギーを損失してもシステムの結像性能にさほど大きな影響を与えない場合、互いに直交して重ね合わせられた２つの「円弧」構造を用いるＮＲＱＤ回折格子（以下「円弧」ＮＲＱＤ回折格子と略称する）を、同じ設計パラメータを有する「交差」構造のＮＲＱＤ回折格子（以下「交差」ＮＲＱＤ回折格子と略称する）に代わって使用してもよい。一方、実際に結像に用いる際は、回折効率は光学系の結像性能を左右する重要な要因の一つである場合が多いため、４次元９平面広帯域結像を効率的に実現するために、「交差」ＮＲＱＤ回折格子の組合せマスクパターンの設計及び簡単な色収差補正方法の実現に工夫することにより、システムの広帯域光エネルギーを高い回折効率で利用する必要がある。

「交差」ＮＲＱＤ回折格子の溝構造（例えば曲率、周期及びエッチング深さ）及び２組の同心円弧の円心位置の設計を最適化することにより、エネルギーが各平面（最大９個まで）に均一に分布する像が、九宮格（３×３の９つの格子）のように配列して像平面に同時に示されることを実現できる。特に、「交差」ＮＲＱＤ回折格子のマスクパターンが、２つの同じ構造の「円弧」ＮＲＱＤ回折格子のマスクパターンが互いに直交して組み合わせて構成される場合、当該結像システムが５つ以下の集束用物平面に対しリアルタイムに結像できる。これは同じ構造を有する２つの「円弧」ＮＲＱＤ回折格子の、九宮格の４つの対角における焦点距離は大きさが等しく且つ符号が異なるため、エネルギーを互いに相殺して、最終的に対角の４つの像が消失するからである。等間隔の９つの物平面における集束像を同時に記録するために、「交差」ＮＲＱＤ回折格子の組合せマスクパターンを構成する互いに垂直な２つの「円弧」ＮＲＱＤ回折格子の曲率比（Ｗ_２０）は、１：３とすべきである（図１９を参照する）。言い換えれば、１つの「円弧」ＮＲＱＤ回折格子に光学系によりなされた物平面の間隔（Δｚ、式（２）を参照）は、もう１つの「円弧」ＮＲＱＤ回折格子になされた物平面の間隔の３倍とすべきである。拡大率１：１のテレセントリック４次元多平面広帯域結像システムの場合、像面及び物面の視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）は、画像検出装置の物理的寸法又は絞りの寸法のみにより決まる。そのため、これまでに類似の原理に基づいて開発された多焦平面顕微結像デバイスにて得られた視野、約３５×３５平方ミクロン（６０倍の拡大率）又は約２０×２０平方ミクロン（１００倍の拡大率）（非特許文献５）と比べると、本発明による４次元９平面広帯域結像システムを顕微結像技術と組み合わせる場合、同等な結像条件（例えば光源、顕微鏡の規格、被検試料の質など）で、より大きな視野を実現できる。

「交差」ＮＲＱＤ回折格子による広帯域光の分散を補正するには、２対の回折格子プリズムを使用してもよい。そのうち１対の回折格子プリズムは上記のように使用し、もう１対の回折格子プリズムを、「交差」ＮＲＱＤ回折格子における９０°回転した「円弧」構造による広帯域入射光の分散を補正させるために光軸を中心として９０°回転させる必要がある。上記実施例に記載されている回折格子プリズムの光路モデル（図９を参照）に基づき、２対の回折格子プリズムは、図表で表す関数（図１０、図１７及び図１８を参照）により設計でき、具体的なパラメータは、回折格子プリズムの基底材料にどのタイプのガラスを選択するかにより決まる。高い屈折率の光学ガラス、例えばＮ−ＳＦ１１（ＳＣＨＯＴＴ社製）ガラスを必要とする場合には、回折格子プリズムのパラメータは、図２０の図表で表す関数に基づき選択できる。光学系における各回折格子プリズムは、その設計が同じでも異なってもよく、光路の設計に依存する度合いが大きい。しかも入射光の全波長帯において理論的に想定される予備分散及びコリメートを実現できるものであれば、回折格子プリズムを光学系の任意の位置に設けてもよい。なお、回折格子プリズム及び４次元多平面広帯域結像システムの動作波長帯は可視光のスペクトル範囲にとどまらず、非可視光波長帯への応用も見込まれ、光学設計の原理は上記内容を参照する。

本発明では、回折格子の効率を、計測対象の回折次数における光エネルギーの和と入射光の総エネルギーとの比の値として定義する。高回折効率のＮＲＱＤ回折格子及び回折格子プリズムは、いずれも４次元多平面広帯域結像にとって必要不可欠であり、特に、高速で移動する目的物体を計測／トラッキングする場合、光信号の弱さやノイズの大きい背景のため、各像に得られた光エネルギーが非常に低い。特に４次元９平面広帯域結像システムの場合、限られた光エネルギーを９つの像に均一に「配分」する必要があり、且つＮＲＱＤ回折格子による広帯域光の分散を補正するには２対の回折格子プリズムが必要であるため、各光学素子の回折効率を向上させながらシステムの光損失を減らすことは、光学系の結像性能に決定的な影響を与えることになる。これまでには、複数回のオーバーレイエッチングを行うことにより、回折格子の位相輪郭を多階段状に量子化して、回折効率を向上させる方法を検討していた（非特許文献６）。よって、より高い回折効率を得るために、ＮＲＱＤ回折格子を高度に加工して、マルチレベル（デジタル型）又は連続（アナログ型）の断面構造にしてもよい。色収差補正装置の回折効率を向上させるには、体積位相ホログラフィック（ｖｏｌｕｍｅ ｐｈａｓｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ：ＶＰＨ）回折格子プリズムを、一般的な回折格子プリズム（回折格子とプリズムを組み合せた素子）に代わって使用してもよい。このようなＶＰＨ回折格子プリズムの構造はサンドイッチに似たようなものであり、すなわちホログラフィック回折格子の両側にプリズムが１つずつ設けられる（非特許文献７）。ＶＰＨ回折格子の両側のプリズムは、回折格子に正確な入射角及び回折角を提供して、回折効率を最大にするためのものである。回折格子プリズム構造を構成するブレーズ回折格子／ＶＰＨ回折格子とプリズムは、その屈折率が異なってもよい。本発明は、ＶＰＨ回折格子プリズムシステムは、システムの回折効率を向上させながら、その色収差補正性能が、従来使用している一般的な回折格子プリズムに近いということを理論的に証明している。超高速レーザー彫刻技術を使用して、ＶＰＨ回折格子の溝を適切な角度でプリズムの表面に直接加工することが可能である。これにより、２つ目のプリズムを使用しなくて済むため、システムの光エネルギー損失をより一層削減できる。色収差補正方法に関する研究はこれからも引き続き行われていく。

Claims (13)

1. 光学素子として、
   再入型刻線を有しないＱＤ回折格子であって、多素子光学系で各回折次数に対応する焦点距離及び空間的位置を生成するための非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子と、
   空間の中で波長に基づいて光路を調整することによって、非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子による広帯域光の分散を補正するためにペアで設けられた回折格子プリズムと、
   非再入型の２次的にひずめる（ＮＲＱＤ）回折格子の各回折次数に対応する光学系の焦点距離を効果的に修正し、光路を調整することによって回折格子プリズムシステムの設計上のニーズを満たすためのレンズシステムと、
   光検出デバイスとを含む
   ことを特徴とする４次元多平面広帯域結像システム。
2. 前記ＮＲＱＤ回折格子は、２つ以上のＮＲＱＤ円弧マスクパターンを組み合わせたマスクパターンにより設計することによって、複数の物平面（４つ以上）の集束像を同一の像平面に合理的に分布させる
   請求項１に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
3. 前記ＮＲＱＤ回折格子は、マルチレベル（デジタル型）又は連続（アナログ型）の断面構造である
   請求項１または２に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
4. 周期的に分布する溝構造が異なる透過率、異なる反射率、異なる光学的厚さ又は異なる偏光感度を有するものを含む様々なタイプのＮＲＱＤ回折格子が使用される
   請求項１ないし３のいずれかに記載の４次元多平面広帯域結像システム。
5. 前記回折格子プリズムが、体積位相ホログラフィック（ｖｏｌｕｍｅ ｐｈａｓｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ（ＶＰＨ））回折格子プリズムである
   請求項１に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
6. 前記回折格子プリズムの設計は、その回折格子構造の刻線密度により限定でき、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．４〜１．５である場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし８００刻線である
   請求項１に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
7. 前記回折格子プリズムの設計は、その回折格子構造の刻線密度により限定でき、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．５〜１．６である場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし９００刻線である
   請求項１に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
8. 前記回折格子プリズムの設計は、その回折格子構造の刻線密度により限定でき、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．６〜１．７である場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし１２００刻線である
   請求項１に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
9. 前記回折格子プリズムの設計は、その回折格子構造の刻線密度により限定でき、回折格子プリズムの基底材料の屈折率が１．７より大きい場合、刻線密度の範囲は１ｍｍ当たり１００ないし１４００刻線である
   請求項１に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
10. 回折格子プリズム構造を構成する回折格子とプリズムは、屈折率が異なる
    請求項１または５に記載の４次元多平面広帯域結像システム。
11. ２対以上の回折格子プリズムを使用して、２つ以上のＮＲＱＤ回折格子による広帯域光の分散を補正する
    請求項１、２、５のいずれかに記載の４次元多平面広帯域結像システム。
12. 蛍光、明視野／暗視野、位相差、微分干渉（ＤＩＣ）及び構造化照明を含む様々な形態の顕微鏡製品に利用可能である
    請求項１、２、５のいずれかに記載の４次元多平面広帯域結像システム。
13. 顕微技術、天文光学、光によるデータ記憶、生物医学画像形成、波面解析及び仮想現実／拡張現実を含む様々な最新の技術と柔軟に組み合わせることができる
    請求項１、２、５のいずれかに記載の４次元多平面広帯域結像システム。
    

Images