JP5213861B2 - イメージング装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームなどの電磁放射のビームの操作を含む装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、2次元平面又は3次元空間であってよいターゲット空間の中にレーザビームを選択的に集束させるなどして、ターゲット空間を画像化するためにレーザビームを使用する装置及び方法に関する。従来技術に対するいくつかの独立した改良が開示される。

レーザビームなどの電磁放射を3次元で高速で指向及び集束させる能力は、生物学、超微細加工及びデータストレージにおけるいくつかの用途にとって極めて魅力的である。

レーザ走査共焦点イメージングは、これによって、焦点を外れた光の悪影響を取り除くことによって、生きた組織内に蛍光指示薬を使って細胞内構造の高コントラストな可視化及び生理学的過程のモニタリングが可能になることから、生物学において重要でかつ広く使用されているツールである。従来の共焦点法は、光の浸透が良好で散乱が最小となる相対的に浅い深さの所で最も良く動作する。残念ながら、従来の共焦点イメージングは、生きた組織内の深い場所(100μmより深い)の生物学的活動を画像化するためには使用できない。しかし、より最近では、光強度が焦点体積(focal volume)の中心部で2光子閾値を超える場所で蛍光物質を選択的に励起させるために、非線形多光子励起に基づいた新しいタイプのレーザ走査共焦点顕微鏡が開発されている。蛍光光がこれらの蛍光物質によってあらゆる方向に放出され、高開口数レンズシステム及び光電子増倍管によってピックアップされる。焦点スポットが組織を端から端まで走査すると、蛍光物質によって放出される光強度は組織のその部分における蛍光指示薬による染色の強度に応じて変化する。光電子増倍管の信号を2光子焦点空間の知られた位置と組み合わせることによって、組織内の蛍光強度の2次元又は3次元画像を再構築できる。多光子励起のために従来の共焦点イメージングで使用されるものよりも散乱の少ないより長い励起波長(700〜1000nmの波長)が使用されることから、及び、本質的に共焦点性は、全ての放出された光子を画像の構築に使用できる励起空間から生じることから、2光子顕微鏡として知られるこの技法によって、より深い場所でのイメージングが可能になる。これらの特性は、達成可能な低レベルの光損傷とあいまって、2光子イメージングを、生体外及び生体内の双方の細胞及び細胞内レベルでの生理学的プロセスを研究するための極めて強力な方法にしている。

2光子イメージングはとりわけ神経科学の分野で広く普及してきたが、それは2光子イメージングによってカルシウム指示薬を使用して完全な状態のままの脳組織のニューロン網の活動の動的特性が画像化できたからである。2光子顕微鏡の空間分解能は、ニューロン間の微小なシナプス結合までも解像できるこの課題に極めて適している。また、多光子励起は神経伝達物質を放出する「ケージド(caged)化合物」を光分解するためにも使用され始めており、これによって、細胞へのシナプス入力が模擬できる。この技法は、シナプス統合を理解し、個々のニューロンが低レベルの計算をどのように行っているかを決定するために潜在的に極めて重要である。

従来のレーザ走査型顕微鏡は、伝統的にガルバノメータミラーを使用してレーザビームを走査させてきた。こうしたガルバノメータミラーはX-Y面内だけで走査するように構成される。Z方向の集束は、装置を標本に対して相対的に移動させることによって(例えば、対物レンズを標本に接近させ又は遠ざけるように移動させることによって)達成される。ガルバノメータミラーの使用は、ミラーが必然的に質量を有し、かつ、ミラーが一つの位置から他の位置へ移動できる速度が慣性によって制限されるという生来の欠点を有する。実際的な言い方をするなら、これは、ミラーを一つの選択された位置から他の選択された位置まで移動させるために200〜300μs程度を必要とすることを意味する。そして次に、これは、所定の時間フレームの間にレーザビームが集束できるスポットの数を制約する。

現状技術のガルバノメータに基づいた2光子イメージングシステムの時間分解能は、ニューロンネットワーク内のシグナル伝達を正確に画像化するには、1又は2桁の大きさで遅すぎる。これらのニューロンでは、要素的な信号イベント(活動電位)はミリ秒の時間スケール上で発生する。さらに、信号は、これらがニューロンネットワークを通って流れるに応じて3次元状に空間的に分配され、ガルバノメータベースの技術を使用して画像の3次元スタックを構築するには複数分かかる。さらに、樹枝上に分散したシナプスを刺激するためには励起ビームを多くの(例えば30)サイトに1ミリ秒以内で移動させることが必要であるから、ガルバノメータは光分解を使用して個々のニューロン内のシナプス統合を研究するには遅すぎる。例えば、ガルバノメータミラーを使用して一つのスポットから他のスポットまで移動させるために300μsかかり、各スポットで5μsの滞留時間が必要と仮定すると、30サイトを画像化するために9.15msかかるであろう。これは最近のニーズに対して約10も遅い。

これらの欠点のいくつかを克服するために従来技術で示唆された一つのアプローチは、2光子レーザビームを指向させるためにガルバノメータに代わって高速の音響光学偏向器(AOD)を使用することである。AODを使用することの利点は、AODによって、ガルバノメータベースのシステムよりもレーザビームが点から点にはるかに急速に移動できることである(AODでの5〜25μsの移動時間をガルバノメータの200〜400μsと比較されたい)。これはいくつかの潜在的な利点を有する。第1に、画像を急速に走査できる。第2に、長い滞留時間を備えた多点測定を極めて高い時間分解能で行うことができる(例えば、15μsの移動時間を持つAODシステムを使用して、33点を15μsの滞留時間と共に1KHzのサンプリング速度で同時にサンプリングできる、言い換えると、33点を毎秒1000回モニタできる)。したがって、AODの使用によって、より多くの時間を、サイト間のレーザビームの移動に使うよりも、問題とする領域からの光子の収集に充てることができる。

原理的には、レーザビームをX、Y面内で偏向させるばかりでなく、一軸当たり二つのAODを使用してZ次元にレーザビームを集束させることもできる。例えば、カプランら(Kaplan et al)は、「Acousto-Optic Lens with Very Fast Focus Scanning」、Optics Letters、26巻、14号、2001年7月15日、1078〜1080頁の中で、レーザビームをX及びZ面内に又はX、Y及びZ空間の任意の場所に集束させるために、二つ又は四つのAODを使用することを説明している。3次元空間での集束を達成するために、X-Z面内の集束のための二つのAODの後にY-Z面内の集束のための二つのAODが続いて設けられる。

多光子AOD走査に関連した一つの特定の問題は空間的及び時間的分散である。通常、多光子用途は例えば100fs程度の極短レーザパルスを必要とする。しかし、パルスが短くなるほど、パルス中に存在する波長の広がりも大きくなる。限定的な例は、完全に平坦な周波数スペクトル(すなわち白色スペクトル)を有する無限に短いパルスである。通常、100fsのパルスは約10nmの半値全幅スペクトル幅を有する。AODがレーザビームを偏向する角度はレーザビームの波長に関連する。より長い波長は短い波長よりも大きく偏向される。したがって、色収差としても知られている空間的分散の形態は極短パルスがAODにより偏向されるときに生じる。レーザパルスがAODを通して回折され次いで焦点に運ばれるときに、パルスの低周波数(長波長)部分は、パルスの高周波数(短波長)部分とは異なる位置に集束される。これによって、パルスはスポットではなく線の上に集束され、線の長さはパルスのスペクトル幅に関連づけられる。さらに、異なる波長の光は異なる速度でAODを通って進行し、これが時間的分散すなわち時間軸上のパルスの伸張を引き起こす。これらの問題は、アイヤーら(Iyer et al)による「Compensation of Spatial and Temporal Dispersion for Acousto-Optic Multiphoton Laser-Scanning Microscopy」、Journal of Biomedical Optics、8(3)、2003年7月、460〜471頁、の中で説明されている。

これらの分散の問題は、(i)それらによりシステムの空間分解能が悪化し、(ii)それらにより焦点で達成されるべき励起エネルギー密度が限定され、それによって励起効率が減少する、という二つのシステム制約をもたらす。

アイヤーら(Iyer et al)は、空間的分散のいくらかを緩和するために中心音響波長に一致させた回折格子の使用を提案している。しかし、この解決策は、像平面内の単一の点に対する色収差を補正するだけであり、色収差はこの像平面の中でこのスポットから遠ざかるにつれて着実に増加する。この効果は、像の長波長成分が短波長成分よりも大きな空間倍率を有するということによっても説明できるので、倍率色収差(magnification chromatic aberration)として知られる。

レディ及びサッガウ(Reddy & Saggau)(「Fast Three-Dimensional Laser Scanning Scheme Using Acousto-Optic Deflectors」、Journal of Biomedical Optics、10(6)、2005年11/12月号)、及び、サロームら(Salome et al)(「Ultrafast Random-Access Scanning in Two-Photon Microscopy using Acousto-Optic Deflectors」、Journal of Neuroscience Methods、154巻(2006年)、161〜174頁)は、イメージフィールド(image field)内で色収差を1本の線に補正するために二つのAODを使用したが、偏向が補償線から発散するにつれて色収差が増加するという類似の結果を開示している。これはレディ及びサッガウ(Reddy & Saggau)の図4cに示されている。

したがって、従来技術で開示された最良の補償システムを用いても、色収差は視野内のただ1点においてだけ解消できる。結果としての、レーザパルスの回折が限定されたスポットへではなく線への集束は、像平面内の解像可能なスポットの数を減少させる。3次元像空間の中では、色収差の影響はイメージフィールド内の解像可能な検出体積数(Number of Resolvable Detection Volumes )(NRDV)を考慮することによって定量化できる。2光子システムの検出体積は、その蛍光活性化閾値より上にある十分な強度を有する組織又は他の励起可能な物質の体積である。2光子プロセスは光強度の二乗に従うので、この体積は、集束されたレーザビームの点広がり関数の従来の焦点体積よりも常に小さい。従来の補償システムは補償点から遠ざかるにつれて増加する色収差を示し、したがって、NRDVは色収差が実質的に全体の像空間について補正された場合よりもはるかに少ない。したがって、こうした従来の補償システムは、大部分の3次元ランダムアクセス用途(例えば神経科学用途)などの多くの用途に効果的に使用されるための所望の空間分解能を提供しない。

こうした用途にとっては、ほぼ250×250×250μmの体積中の任意の位置を1×1×2μmの空間分解能で1点当たり20〜30μsの速度でランダムにアドレスできることが極めて望まれる。これは、780万個の解像可能な検出体積数(NRDV)に相当する。現在までに提案された設計の詳細なモデル化は、従来技術方法が200,000を超えるNRDVを達成するのに苦闘していることを示している。これは、神経科学用途のための望ましい目標値の1/40である。

レディ及びサッガウ(Reddy & Saggau)は、テレセントリックリレー光学系を使用して二つの隣接するAODを結合することを開示している(例えば、上記の彼らの論文の図1Cを参照されたい)。3次元体積内のスポットを走査できるシステムに四つのAODが設けられた場合には、これは少なくとも3組のテレセントリックリレー光学系を必要とする。従来技術のテレセントリックリレーの典型的な長さはレーザビームの方向で400mmである。したがって、三つのテレセントリックリレーを使用するという要件は、電磁放射の経路におけるシステム長さに1.2mを付加する。したがって、コンパクトな構成かつ最小の損失でデバイスを構築することが困難である。損失を持ち込む構成要素をより少なく、しかし、レーザビームを集束させる上でのAODの機能性を維持しながらより短い構成を実施することが望まれる。

AODがレーザビームを偏向する場合に、一般に、関心があるのは1次成分である。また、通常、AODは信号を妨害する恐れのある偏向されなかった0次成分も通過させる。カプランら(Kaplan et al)は、偏向されなかった0次成分がイメージフィールドに到達しないように二つのAODがレーザビームを同一方向に確実に偏向することによって、この問題を解決した。レディ及びサッガウ(Reddy & Saggau)によって提案された二つの平行AODの代替構成は、偏向されなかった0次成分がイメージフィールドに到達する恐れがあるという潜在的な問題に煩わされる。最高の効率のために偏向器の異方性結晶はせん断音響モード(shear acoustic mode)で使用されることに留意されたい。これらのAODは、回折された1次ビームの偏光が入射レーザビーム及び0次の偏向されずに透過されたビームに比較して90度回転された偏光を持つという特性を有する。

他の問題はAODの物理的設計にある。通常、AODデバイスは良好な透過効率(例えば約80%)をしかし極めて狭い範囲の入射受光角(通常±1.5mrad)に対してだけ有するように設計される。通常、入射受光角が変化すると効率は減少する。したがって、二つのAODが直列で使用されると、第2 AODは第1 AODの偏向角度によって規定される角度で光を受光する。第1 AODがビームを相対的に大きな(例えば、1.5mradより大きな)角度だけ偏向する場合は、これによって、第2 AODの回折効率は極めて低くされる可能性がある。したがって、より広い範囲の入射受光角においてより高い効率を有するAODを設計することが望まれる。

また、いくつかの用途にとってはレーザパワーの効率的な透過を得ることが最も重要であり、他の用途にとっては高い空間精度を獲得することが最重要であるという問題もある。例えば、光分解のための2光子システムの使用は、イメージングのために使用する場合よりもはるかに大きなレーザパワーを必要とする。さらに光分解用途では低減されたNRDVを許容できる。したがって、NRDVとパワーとのトレードオフを適用される用途に応じて変更できるシステムを持つことが望まれる。

選択された一つの波長で2光子顕微鏡又は光分解を実行できることは便利である。通常、有用な波長範囲は700nm〜1000nmである。しかし、本来的に、回折光学系は(波長が増加するにつれて回折角度が増加するという事実により)異なる波長では異なる大きさだけ偏向させるという問題がある。したがって、異なる波長の範囲のもとで動作できるシステムを提供することが、困難ではあるが望まれている。

さらに、選択可能な色収差補正を行うことができるシステムを提供することが望まれよう。例えば、一つのX-Y面内では全ての色収差を容易に補正するように構成できるシステムを提供することが望まれる。また好適には、こうしたシステムは、Z面内での全ての色収差を補正するように構成できるべきである。好ましくは、こうした構成は、構成要素を取り替えるのではなくレンズシステムを移動するなどの単純な手段を介してなされるべきである。

また、二つ以上のモードで動作できるシステムを提供することも望まれる。例えば、一連の所定の点を逐次的に訪れることができるポインティングモードが有用である。また、レーザビーム焦点がターゲットの上をスムーズに移動する走査モードも有用である。したがって、これらのモード間を容易に切り替えられるシステムが極めて望まれる。

音響光学偏向器を通過させることができる最小周波数と最大周波数には限界があるとしても、走査を円滑に遂行できるシステムを提供することがさらに望ましい。従来から、これらの限界値は、限界値に達した場合には走査を停止しなければならないことを意味していた。この問題を克服できるシステムが極めて望ましいであろう。

これらの及び他の課題は本発明の実施形態によって対処される。

第1の態様において、本発明はレーザビームを選択的に集束するためのシステムを提供sする。該システムは、レーザビームをイメージフィールド内に集束させるための回折光学系であって前記レーザビームがスペクトル幅を有する場合には前記イメージフィールド内に倍率色収差を使用中に引き起こすようになっている回折光学系と、前記倍率色収差を少なくとも部分的に補正するための少なくとも一つの光学要素であって、より長い波長の成分がより短い波長の成分よりも小さく拡大されるように前記イメージフィールドに変化を起こすように構成された光学要素と、を備える。

好ましくは、レーザビームを偏向及び/又は集束させるための回折光学系は一つ又は複数の音響光学偏向器である。

レーザビームのスペクトル幅(例えば100fsパルスレーザビームに関しては10nm)がイメージフィールド内に色収差を引き起こす。さらに、イメージフィールド内には異なる位置で異なる大きさの色収差が存在する。通常の場合、イメージフィールド内には色収差が最小となる補償点として知られる一つの点が存在する。一般に、色収差はイメージフィールド内でこの補償点から遠ざかった位置では増加する。補償点を横切る薄片をイメージフィールドから取り出すなら、色収差のグラフは、収差が負から正へと(又は逆の場合も同様に)変化するに応じて補償点でゼロの線と交わり、それゆえ、この補償点のどちらの側でもその量を通常は直線状に増加させる。この直線の勾配は倍率色収差として知られており、本発明の第1の態様は、この直線の勾配を減少させることによって倍率色収差を小さくするものである。したがって、イメージフィールド内の(その大きさが既にゼロである補償点を除いた)全ての点に存在する色収差の大きさが低減される。

好ましくは、システムはレーザビームを供給するためのレーザを備え、好ましくは、レーザは2ps以下、好適には500fs以下、より好適には約100fsのレーザパルスを有するパルスレーザである。

通常、レーザビームの中心周波数は600〜1000nmの範囲にあり、好ましくは700〜900nm、800〜875nm、さらにより好ましくは約850nmである。

補正は2次元の像平面の中で行うことができ、この場合に、倍率色収差を補正するための光学要素として、修正された顕微鏡対物レンズか、例えば通常の結像レンズの位置又は光学的リレーチェーンの前のいくつかの類似の位置などの対物レンズより前に置かれた付加的な分散レンズを使用できる。

一つの実施形態で、テレセントリックリレーが必要な補正を行うために使用される。好ましくは、テレセントリックリレーは第1及び第2レンズを有し、この第1及び第2レンズについての波長に対する焦点距離の変化率は反対符号を有するものである。第1及び第2レンズについての波長に対する焦点距離の変化率は概ね同一の大きさであることが好ましい。好適には、第1レンズ(すなわち、レーザビームが最初に出会うレンズ)は、短波長に対するよりも長波長に対してより短い焦点距離を有し、第2レンズは短波長に対するよりも長波長に対してより長い焦点距離を有する。これは、テレセントリックリレーによって長波長がより小さく拡大され、このことが倍率色収差に必要な補正を行うことを意味する。

好ましくは、第1及び/又は第2レンズは分散性レンズであり、クラウンガラス、フリントガラス及び回折光学要素の組合せで作ることができる。

テレセントリックリレーの使用によって、倍率色収差は2次元平面だけでなく3次元イメージフィールド内の全ての点に関して少なくとも部分的に補正される。

一つの好適な実施形態において、補償係数Cは、Z方向の全ての色収差に対する完全な補償であればCの値が1、X及びY方向の全ての色収差に対する完全な補償であればCの値が2と定義でき、Cは2未満であるように選択される。

好ましくは、Cは約1.3であるように選択される。

本発明の第1の態様に関連して、回折光学系によってレーザビームの中に持ち込まれた倍率色収差を少なくとも部分的に補正するための方法も提供され、前記方法は、倍率色収差を少なくとも部分的に補正するように前記レーザビームに対して少なくとも一つの光学要素を通過させるステップを含む。

回折光学系は、レーザビームを偏向させかつ集束させるために、一つ若しくは複数のAOD又は任意の代替の動的に制御されるシステムであってよい。こうした代替の動的な回折システムは、例えば、液晶ホログラフィック光学要素、磁気光学アレイ、デジタルマイクロミラーアレイ又は任意の他の空間的光変調デバイスに基づいたものであってよい。

また、本発明の第1の態様に関連して、第1レンズと第2レンズとを備えた倍率色収差補正テレセントリックリレーも提供され、第1及び第2レンズに関する波長に対する焦点距離の変化率は問題とする波長範囲で反対の符号のものである。

好ましくは、第1及び第2レンズに関する波長に対する焦点距離の変化率は、概ね同じ大きさのものである。また、第1及び第2レンズは問題とする波長範囲で全ての波長に関してそれらの焦点距離の和にほぼ等しい距離だけ離隔されてよい。

レンズはクラウン及びフリントガラスの組合せで作られてよい。より好適には、レンズは従来のレンズに取り付けられた回折要素を備える。

本発明の第2の態様は、レーザビームを選択的に偏向させるための装置を提供し、前記装置は、レーザビームを少なくとも(i)入力レーザビームと同一偏光の0次成分と(ii)入力レーザビームに比較して90°だけ回転された偏光を有する1次成分とに調整するように構成された第1音響光学偏向器と、前記第1音響光学偏向器の出力の偏光を90°だけ回転するように構成された第1の2分の1波長板と、前記偏光が回転された1次成分を通過させ前記偏光が回転された0次成分を遮断するように構成された第1偏光子と、少なくとも(i)前記通過した1次成分と同じ偏光の第2の0次成分と(ii)前記通過した1次成分に比較して90°だけ回転された偏光の第2の1次成分とを発生させるために前記通過した1次成分を調整するように構成された第2音響光学偏向器と、前記第2の1次成分を通過させ前記第2の0次成分を遮断するように構成された第2偏光子とを備える。

2分の1波長板と二つの偏光子の使用によって、望ましい1次成分のパワーを概ね減衰させることなく望ましくない0次成分を有効に遮断できる。

第1及び第2音響光学偏向器は、レーザビームをX-Z面内で偏向及び集束させるために使用できる。付加的な第3及び第4音響光学偏向器はY-Z面内の付加的な集束を行うために設けてよい。付加的な2分の1波長板及びさらなる二つの偏光子は、第3及び第4音響光学偏向器の中で発生される恐れのある0次成分を遮断するために使用できる。

この構成により、望ましい出力ビーム(すなわち、各AODからの1次の回折ビーム)が最初に一つの方向に、次いで、各対の第2結晶中の反対に伝播する音響波によって反対方向に回折される。したがって、イメージフィールドの中央部における最終的な正味のビーム偏向はゼロとなる。これによって、構成は、イメージフィールドの中心部で色分散に対して自然に自動補償するようになる。偏光子を使用することによって、各AODからの潜在的に妨害性の0次の偏向されていないビームが取り除かれる。

また、第2の態様に関連して、第1音響光学偏向器と、第2音響光学偏向器と、第1偏光子と第2偏光子とを備えた、レーザビームを選択的に偏向させるための装置も提供される。

好ましくは、第1偏光子は第1及び第2音響光学偏向器の間に配置される。これにより、第1偏光子は望ましくない0次の回折を遮断し有用な1次の回折を透過させることができる。

好都合には、第1及び第2音響光学偏向器はレーザビームをX-Z面内などの第1の面内に偏向及び集束させるように構成され、好都合には第1及び第2偏光子は、回折の1次成分だけを通過させる(及び回折の0次成分を遮断する)ように構成される。

好適には、第1偏光子は第1音響光学偏向器に続き、好適には第2偏光子は第2音響光学偏向器に続く。

Y-Z面内での付加的な偏向及び集束を達成するために、第3及び第4音響光学偏向器を第3及び第4偏光子と共に設けることができる。

特に好ましい構成は、音響光学偏向器を第1、第3、第2、第4音響光学偏向器の順序に配置する。これは2分の1波長板の必要性を省く。代替として、音響光学偏向器は第1、第2、第3及び第4音響光学偏向器の順序に配置してよく、二つの2分の1波長板を、第1及び第2音響光学偏向器の間と第3及び第4音響光学偏向器の間とにそれぞれ配置してよい。

また、第2の態様によれば、レーザビームを選択的に偏向させるための方法も提供され、前記方法は、レーザビームを第1面に集束させるために第1及び第2音響光学偏向器を使用するステップと、回折の1次成分を通過させ回折の任意の0次成分を遮断するために第1及び第2偏光子を使用するステップとを含む。

好適には、第3及び第4音響光学偏向器は、レーザビームを第2の面に集束させるために使用され、第3及び第4偏光子は回折の1次成分を通過させ回折の任意の0次成分を遮断するために使用される。

好適には、レーザビームの偏光子は、レーザビームが第1及び第3音響光学偏向器を出た後に続いて、しかし、レーザビームが第2及び第4音響光学偏向器に入る前に、それぞれ90°だけ回転される。

本発明の第3の態様によれば、レーザビームを偏向させるための装置が提供され、前記装置は、入力レーザビーム角度における効率的な透過のために最適化された第1音響光学偏向器と、第1音響光学偏向器よりも低いピーク効率でありが、前記第1音響光学偏向器よりも広範囲の角度からのレーザビームをより良好な透過効率で受光する第2音響光学偏向器とを備える。

本発明のこの態様は、従来技術においてレーザビームが各X-Z又はY-Z対の第2音響光学偏向器に入射できる角度の範囲は大きいがこれはある入射角度では透過効率が極めて低いことも意味している、という課題に対処する。本発明のこの態様によれば、第2音響光学偏向器は、第1音響光学偏向器よりも平坦で幅広のピークを有する効率入射角曲線を有するように設計される。したがって、最適な入射角度では効率は減少するが、可能な入射角度の全範囲にわたって許容できる透過効率を与えるように効率は最適角度から離れた角度で高められる。2光子イメージングのためにシステムからの十分な出力パワーを維持するために、他のシステム損失を最小化するための高度の注意をはらう必要がある。パワー損失はレーザ源のパワーを増加させることによっても補償できる。

したがって、各AOD対の2番目のAOD(すなわち、第2及び第4 AOD)に関して最適設計された受光角度が存在する。それらの受光角が大きくなるにつれて走査可能な体積数も増加するのでNRDVも増加するが、受光角が最適値を超えて大きくなると突然に回折効率は極めて低い値に低下し、レーザスポットの強度が2光子蛍光発光に必要な閾値より下に低下し、NRDVは急速に減少する(NRDVは、レーザ強度が2光子閾値より上の検出体積を数えているだけであることに留意されたい)。こうした最適化曲線の例は図23及び24に見ることができる。

本発明の第3の態様はレーザビームを偏向させるための方法も提供し、前記方法は、ビームに対して入力レーザビーム角度において効率的透過のために最適化された第1音響光学偏向器を通過させるステップと、前記第1音響光学偏向器を使用して前記ビームを偏向させるステップと、前記偏向されたビームに対して前記第1音響光学偏向器よりも低いピーク効率を有するが前記第1音響光学偏向器よりも広範囲の角度からのレーザビームをより良好な透過効率で受光する第2音響光学偏向器を通過させるステップと、前記第2音響光学偏向器を使用して前記ビームを偏向させるステップと、を含む。

本発明の第4の態様において、レーザビームを第1方向に集束させるための第1及び第2音響光学偏向器と、レーザビームを第2方向に集束させるための第3及び第4音響光学偏向器とを備え、前記音響光学偏向器はレーザビームの経路に沿って第1、第3、第2、第4音響光学偏向器の順序に配置されるレーザビームを偏向させるための装置が提供される。

音響光学偏向器のこの特定の順序は、光の偏光を回転させるための2分の1波長板の必要性を省略する。この第1音響光学偏向器は、入力レーザビームに比較して90°だけ回転された回折の1次成分を透過させる。第3音響光学偏向器は、回折のこの1次成分を受光するのに適切であり、さらに90°だけ回転されるさらなる1次成分を透過する。第2音響光学偏向器はこのレーザビームを受光するのに適しており、再び、さらに90°だけ偏光を回転させ第4音響光学偏向器による受光に適するように変える。AODによって回折の1次成分に導入される固有の偏光回転は、AODのこの順序が使用される場合には、一連のAOD中の次のAODによる偏光の受け容れに適合する。

また、第4の態様によれば、レーザビームを偏向させるための方法が提供され、この方法は、レーザビームを第1方向に集束させるために第1及び第2音響光学偏向器を使用するステップと、レーザビームを第2方向に集束させるために第2及び第3音響光学偏向器を使用するステップとを含み、前記音響光学偏向器はレーザビームの経路に沿って、第1、第3、第2、第4音響光学偏向器のこの順序に配置される。

本発明の第5の態様は、入力レーザビームを回折する音響波を伝播させるための結晶と、結晶に音響振動を供給するための第1結晶変換器と、結晶に音響振動を供給するための第2結晶変換器とを備え、前記第1及び第2結晶変換器は結晶の同じ側の上に配置された音響光学偏向器を提供する。

好ましくは、第1結晶変換器は、前記第2結晶変換器よりも発散する音響波を結晶中に発生させるように構成される。

好ましくは、より発散する音響波の効果によって、レーザビームの効率的回折がより広い範囲の角度で起こることが可能になる。

より発散する音響波は、第1結晶変換器の幅を光の伝播方向と平行な方向でより小さくすることによって発生できる。例えば1mm未満の結晶変換器幅が適切に発散する音響波を発生できる。

好ましくは、第2結晶変換器は第1結晶変換器よりも光伝播方向で幅がより広い。これにより、第1結晶変換器はより発散する音響波を供給する結晶変換器となり、第2結晶変換器はより発散しない音響波を供給する結晶変換器となる。したがって、好ましくは、二つの変換器は、システムに付加的なフレキシビリティを与える異なる特性を有する音響波を発生させるために設計される。

好ましくは、各結晶変換器は、結晶中の音響波の発散性を調整するために一つ又は両方が励起されるように独立的に選択できる。

一つ、二つ、三つ、四つ又はそれ以上などの任意の数の結晶を設けることができる。

一つの変換器だけを励起させるか、二つの変換器を共に励起させるか、又は、三つの変換器を共に励起させるかを選択的に行うことができるスイッチ機構を設けることができる。好ましくは、変換器は互いに隣接される。

好適な実施形態において、各変換器の幅は、光の伝播方向と平行な方向に等比級数的に増加する。

本発明の第6の態様によれば、第1又は第2結晶変換器のいずれかを励起できる選択スイッチが提供される。より詳細には、本発明の第6の態様は、入力レーザビームを回折する音響波を伝播するための結晶と、結晶に音響振動を供給するための第1結晶変換器と、結晶に音響振動を供給するための第2結晶変換器と、前記第1又は第2結晶変換器を励起させるか否かを選択するための選択スイッチと、を備えた音響光学偏向器を提供する。

本発明の第6の態様はレーザビームを偏向させるための方法を提供し、前記方法は、結晶に音響振動を供給するように構成された第1又は第2結晶変換器のうちの一つを選択するステップと、音響波を前記結晶の中に伝播させるように前記選択された結晶変換器を励起するステップと、前記レーザビームを前記音響波で回折するステップと、を含む。

本発明の第7の態様によれば、音響光学偏向器の結晶は特定の方位を有する。より詳細には、本発明の第7の態様は、負のZ軸によって定義されるレーザ入力方向を有する結晶を備え、前記結晶構造はX軸の周りに約2°、Y軸の周りに約3°回転されている音響光学偏向器を提供する。

また、本発明の第7の態様によれば、その中を伝播する音響波がその波動ベクトルとポインティングベクトルとの間に約20°を有するように方位された結晶を備える音響光学偏向器が提供される。

好ましくは、音響光学偏向器対の第2の偏向器は本発明の第2の態様に従う構成を有する。このような場合、この対の第1の偏向器も同一の構成を有することが有用である。

本発明の第8の態様によれば、隣接したAOD間のゼロでない実効的光学離隔距離を考慮できるシステム及び方法が提供される。

好ましくは、これは、電磁放射のビームを操作するためのシステムを用意することによって達成でき、前記システムは、第1音響光学偏向器と、前記第1音響光学偏向器の下流に配置され前記第1音響光学偏向器から実効的光学離隔距離だけ離隔された第2音響光学偏向器と、前記第1及び第2音響光学偏向器の中に音響波を供給するためのドライバーであって、前記音響波は前記第1及び第2音響光学偏向器の間の前記実効的光学離隔距離を考慮するために異なるランプ率でチャープされるドライバーとを備える。

好ましくは、ドライバーは、電磁放射を空間内の静止した線に集束させる音響波を供給するように構成される。

好ましくは、前記ドライバーがランプ率a₁を有する音響波を前記第1音響光学偏向器に供給し、ランプ率a₂を有する音響波を前記第2音響光学偏向器に供給するシステムが提供され、前記ランプ率は、

によって関係付けられる。但し、d_lは前記第1及び第2音響光学偏向器間の実効的光学離隔距離であり、d₂'は第2音響光学偏向器から焦線までの実効的光学離隔距離である。

好適な実施形態において、システムは、第3音響光学偏向器と、前記第3音響光学偏向器の下流に配置され前記第3音響光学偏向器から実効的光学離隔距離だけ離隔された第4音響光学偏向器とをさらに備え、前記ドライバーは音響波を前記第3及び第4音響光学偏向器内に供給するように構成され、前記音響波は前記第3及び前記第4音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離を考慮するために異なるランプ率でチャープされる。

好適には、ドライバーは、ターゲットをX及び/又はY方向に走査する音響波の周波数を選択するように構成される。

ドライバーは、第1音響光学偏向器のランプ率a₁を

となるように調整し、第2音響光学偏向器のランプ率a₂を

となるように調整することによってδθ/δtの角度走査速度を達成するように前記第1及び第2音響光学偏向器の周波数を選択するように構成される。但し、Vは第1及び第2音響光学偏向器内の音の速度であり、λは偏向されるべきレーザビームの波長であり、d₂'は第2音響光学偏向器から焦線/点までの距離であり、d₁は前記第1及び第2音響光学偏向器間の実効的光学離隔距離である。

好ましくは、ドライバーはターゲットをZ及び/又はY方向に走査するように音響波を供給し、前記走査は、各ミニ走査の各アクティブ走査時間の間に非アクティブな走査期間を有する一連のミニ走査から構成される。

この非アクティブ期間は、焦点位置を移動させることなく周波数の値を調節するために使用でき、好ましくは、周波数リセット時間とAOD充填時間から構成される。

非アクティブ時間は、一つのミニ走査のアクティブ走査時間の終端で開始し、後続のミニ走査のアクティブ走査時間の始点で終了する。

好ましくは、アクティブ走査時間はそれに対して測定が行われる時間であり、一般に、測定は非アクティブ時間期間中には行われない。また、本発明の第8の態様に含まれるのは電磁放射のビームを操作するための方法であり、前記方法は、前記電磁放射に対して第1音響光学偏向器及び前記第1音響光学偏向器の下流の第2音響光学偏向器を通過させるステップであって偏向器は第1及び第2音響波をそれぞれ含むステップを含み、前記第1及び第2音響波は、前記第1及び第2音響光学偏向器間の実効的光学離隔距離を考慮するために異なるランプ率でチャープされる。

本発明の第9の態様によれば、ターゲット体積(target volume)を電磁放射のビームで走査する方法が提供され、前記方法は、前記電磁放射に対して第1音響光学偏向器及び前記第1音響光学偏向器の下流の第2音響光学偏向器を通過させるステップであって、偏向器は前記ビームの焦点位置を前記ターゲット体積内の走査経路に沿って移動させるように第1及び第2音響波をそれぞれ含むステップを含み、前記第1及び第2音響波は常に増加又は減少する周波数を有するようチャープされ、前記音響波の一つが所定の最大又は最小周波数値に達したときは各音響波の前記周波数を、前記所定の最大周波数より低い周波数を有する期間及び前記所定の最小周波数よりも高い周波数を有する期間は音響波がチャープされ続けられるようにオフセットする。

周波数オフセットは、音響光学偏向器がテレセントリックに結合されているか、又は、偏向器の間に実際の光学的離隔距離が存在するかどうかに関わらず行うことができる。好適には、前記第1及び第2音響光学偏向器は実効的光学離隔距離d₁だけ離隔され、前記焦点位置は前記第2音響光学偏向器から実効的光学距離d₂'にあり、前記オフセットは、

を満たす。但し、Δf₁は第1音響波に関する周波数オフセットであり、Δf₂は第2音響波に関する周波数オフセットである。

好ましくは、ターゲット体積は一連のミニ走査として走査され、各ミニ走査のアクティブ走査時間は各音響波の前記周波数がオフセットされる点で概ね終止し、後続のミニ走査のアクティブ走査時間は非アクティブ期間の後で前のミニ走査の前記終止点から開始する。

また、本発明の第9の態様によれば、ターゲット体積を走査するためのシステムが提供され、前記システムは、第1音響光学偏向器と、前記第1音響光学偏向器の下流に配置された第2音響光学偏向器と、前記第1及び第2音響光学偏向器内に音響波を供給するためのドライバーとを備え、前記ドライバーは、前記音響波の一つが所定の最大又は最小周波数値に到達したときに、前記第1及び第2音響波に関する周波数の絶対値を前記所定の最小及び最大周波数値の間に保ちながら前記音響波に対する所定のチャープ率を維持するように、各音響波の周波数をオフセットするように構成される。

本発明の第10の態様によれば、電磁放射のビームを選択的に集束させるためのシステムが提供され、前記システムは、イメージフィールド内にビームを集束させるための、前記イメージフィールドに色収差を引き起こす回折光学系と、前記色収差を少なくとも部分的に補正するための補正光学系とを備え、前記補正光学系は電磁放射が問題とする波長範囲に入る波長を有する場合は前記色収差を少なくとも部分的に補正できるように調整可能である。

好ましくは、補正光学系は、問題とする波長範囲に入る概ね全ての波長に関して電磁放射の前記ビームが同一設計システムアパーチャを確実に満たすようにできる。例えば、最大の集束分解能を実現するために放射がシステム対物レンズのアパーチャを満たすようにできる。

好ましくは、補正光学系は第1及び第2の回折補償板を備える。

また、これらの補償板は従来のレンズを備えてもよい。

好ましくは、第1補償板は負の焦点距離の実レンズに取り付けられた正の屈折力を有する第1回折要素を有し、第2補償板は正の焦点距離の実レンズに取り付けられた負の屈折力を有する第2回折要素を有する。好適には、付着品は例えば光学的接着によって密着される。

好ましくは、各補償板の回折光学要素及び実レンズは、動作範囲の中間の所定の波長(例えば800〜850nm)において両方の補償板がゼロに近い実効屈折力の補償板であるようにバランスされる。

さらなるレンズを補償板のいずれかの側に配置できる。

これらのさらなるレンズは一対のズームレンズによって実現されてよい。

第10の態様によれば、電磁放射のビームを選択的に集束させるための方法が提供され、前記方法は、イメージフィールド内にビームを集束させるために、前記電磁放射のビームに対して前記イメージフィールドに色収差を引き起こす回折光学系を通過させるステップと、前記電磁放射の波長が問題とする波長範囲の中で変化したときに補正光学系を調整するステップと、少なくとも部分的に前記色収差を補正するために前記電磁放射に対して前記調整された補正光学系を通過させるステップとを含む。

本発明の第11の態様によれば、電磁放射のビームを選択的に集束させるためのシステムが提供され、前記システムは、イメージフィールド内にビームを集束させるための、前記イメージフィールドに色収差を引き起こす回折光学系と、前記色収差を少なくとも部分的に補正するための補正光学系であって、補償係数Cが2に等しい場合にはX-Y面内の色収差を概ね完全に補正でき、前記補償係数Cが1に等しい場合にはZ面内の色収差を概ね完全に補正でき、前記補償係数はユーザ選択可能である補正光学系とを備える。

好ましくは、補償係数Cは回折要素を移動させることによって設定できる。

好ましくは、システムは、ユーザから所望の補償係数及び電磁放射波長を受信するように構成される。

好ましくは、こうした入力を受信したときにシステムは、所望の波長における補償係数に従って色収差補正を行うように補正光学系の要素を移動させる。

第11の態様によれば、電磁放射のビームを選択的に集束させる方法が提供され、前記方法は、前記電磁放射に対してイメージフィールド内に色収差を引き起こす回折光学系を通過させるステップと、補償係数Cを選択するステップと、前記選択された補償係数Cに従って補正光学系を構成するステップと、前記色収差を少なくとも部分的に補正するために前記電磁放射に対して前記補正光学系を通過させるステップとを含み、前記補正光学系は前記補償係数Cが2に等しい場合はX-Y面内の色収差を概ね完全に補正でき、前記補償係数Cが1に等しい場合はZ面内の色収差を概ね完全に補正できる。

本発明の第12の態様によれば、電磁放射のビームを操作するためのシステムが提供され、前記装置は、第1音響光学偏向器と、第2音響光学偏向器と、前記第1及び第2音響光学偏向器に第1及び第2音響波をそれぞれ供給するためのドライバーと、ランダムアクセスモードと走査モードとの間を選択するためのユーザにより操作されるスイッチとを備える。

好ましくは、前記ランダムアクセスモードが選択されたときは、ターゲット体積内の一連の点が前記システムの中にプログラムでき、その後で、音響光学偏向器は、所定の滞留時間にわたって電磁放射のビームを前記ターゲット体積内の前記複数の点のそれぞれに向けて集束させるために使用される。

好ましくは、走査モードが選択されたときは、システムは、前記音響光学偏向器を使用して焦点位置を所定の経路に沿って走査するように構成される。

好ましくは、走査は、走査が行われるZ位置によって部分的に決定される期間を有する複数のミニ走査で構成される。

好ましくは、装置は、以下の方法、すなわち、ターゲットを3次元で走査するステップと、ターゲットの画像をユーザに表示するステップと、ターゲット内の複数の点を特定する入力をユーザから受信するステップと、電磁放射のビームをターゲット内の前記選択された複数の点に逐次的に指向させるために、前記ドライバーに供給する信号を計算するステップと、電磁放射のビームを前記選択された複数の点に逐次的に指向させるステップとを遂行するように構成される。

また、本発明の本態様は電磁放射のビームを操作する方法も提供し、前記方法は、ユーザからの選択を決定するステップと、前記電磁放射のビームに対して第1及び第2音響波をそれぞれ含む第1及び第2音響光学偏向器を通過させるステップとを含み、ユーザがランダムアクセスモードを選択したときは、前記音響波は前記電磁放射のビームを所定のそれぞれの滞留時間にわたって3次元空間内の一連の点に逐次的に指向させるように構成され、前記ユーザが走査モードを選択したときは、前記音響波は前記電磁放射のビームに対して所定の走査速度で前記3次元空間内の経路を走査させるように構成される。

加えて、本態様は電磁放射のビームを操作する方法を提供でき、前記方法は、3次元体積の画像を形成するために前記体積内の経路を巡って電磁放射のビームを走査するステップと、ユーザから前記ターゲット体積内の複数の点の特定を受信するステップと、前記電磁放射のビームを前記複数の特定された点に逐次的に指向させるステップとを含む。

本発明の第13の態様によれば、電磁放射のビームでターゲット体積を走査する方法が提供され、前記方法は、前記電磁放射に対して第1音響光学偏向器及び前記第1音響光学偏向器の下流の第2音響光学偏向器を通過させるステップであって、前記偏向器は、前記ビームの焦点位置を前記ターゲット体積内の走査経路に沿ってδθ/δｔで与えられる角度走査速度で移動させるように第1及び第2音響波をそれぞれ含むステップ、を含み、前記第1及び第2音響波は常に増加又は減少する周波数を有するようにチャープされ、前記チャープされた音響波のランプ率は、

に従って選択される。但し、a₁は第1音響光学偏向器のランプ率であり、a₂は第2音響光学偏向器のランプ率であり、Vは第1及び第2音響光学偏向器内の音の速度であり、λは電磁放射のビームの波長であり、d₁は第1及び第2音響光学偏向器間の実効的光学離隔距離であり、d₂'は第2音響光学偏向器から焦点位置までの距離である。

d₁の値はゼロにすることができ、その場合には音響光学偏向器はテレセントリックリレーによって共に結合されることが可能である。

代替として、d₁の値を非ゼロにすることができ、(構成要素のアライメントの小さな誤差を考慮するために必要とされる、これらの式に対する僅かな補正を考慮に入れて)チャープ率の値を上記の式に従って見出すことができる。

好ましくは、第2音響光学偏向器内の音響波のランプ率a₂は、前記焦点位置の走査を規定するためなどに、前記第2音響光学偏向器によって前記電磁放射の波面に形成される付加的曲率が前記電磁放射が前記第1音響光学偏向器から前記第2音響光学偏向器に到達した時点の波面の曲率よりも大きい、又は、小さい所定の大きさとなるように決定される。

本態様によれば、電磁放射のビームでターゲット体積を走査するためのシステムが提供され、前記システムは、第1音響光学偏向器と、前記第1音響光学偏向器の下流に配置され前記第1音響光学偏向器から実効的光学離隔距離だけ離隔された第2音響光学偏向器と、前記第1及び第2音響光学偏向器の中にそれぞれの第1及び第2音響波を供給するためのドライバーとを備え、前記第1音響波は、

で与えられるランプ率を有し、前記第2音響波は

で与えられるランプ率を有する。

但し、a₁は第1音響光学偏向器内のランプ率であり、a₂は第2音響光学偏向器内のランプ率であり、Vは第1及び第2音響光学偏向器内の音の速度であり、λは電磁放射ビームの波長であり、d₁は第1及び第2音響光学偏向器間の実効的光学離隔距離であり、d₂'は第2音響光学偏向器から焦点位置までの距離である。

本発明の任意の態様において、以降の内容は好ましい特徴である。

電磁放射は、線及び/又は点に選択的に集束される。

電磁放射は、例えば顕微鏡対物レンズを含むシステムなどの顕微鏡光学系を備えたシステムを通過する。

本発明の方法、装置及びシステムは、多光子プロセス又は2光子システムなどの非線形光学プロセスを実施するために特に有用である。

好ましくは、全ての実施形態において、色収差は3次元イメージフィールド全体にわたって概ね補正される。

好ましくは、本発明の任意の音響光学偏向器は、TeO₂はその一例である高周波数異方性音響光学結晶で作られる。

これより本発明は、単に非制限的な例として、添付の概略図を参照しながらさらに説明されよう。

音響光学偏向器(AOD)及び超音波音響波を使用したレーザビームの回折の原理を示す図である。 レーザビームを集束させるAODを示す図である。 単一のAODで得られる移動する焦点を示す図である。 図4aは時間に伴って変化する音響波の周波数のグラフである。図4bはAODを横切る距離に伴って変化する音響波の周波数のグラフである。 レーザビームがX-Z面内の固定したスポットに集束できる、二つのAODを備えた構成を示す図である。 回折の非回折0次成分を付加的に示す、図5に類似の図である。 図7a〜図7cは、AOD出力をターゲット内の実位置に集束させるためにレンズ70がいかに使用できるかを示す図である。 本発明による二つの平行AODの構成を示す図である。 入力レーザがスペクトル幅を有する場合に起こる色収差を示す図8に類似の図である。 本発明による2光子システムの構成要素を示す概略図である。 イメージフィールド内の距離Xに対する色収差のグラフを示す図である。図11aは完全に補正されていないグラフ、図11bはイメージフィールド内の単一の点で補正されたグラフ、図11cは倍率色収差も補正されたグラフをそれぞれ示す。 イメージフィールド内の様々な点における色収差を示すグラフである。 イメージフィールド内の様々な点における色収差を示す、図12に類似のグラフである。 本発明による修正結像レンズ又は顕微鏡対物レンズを備えたシステムを示す図である。 本発明による分散レンズを示す図である。 本発明によるテレセントリックリレーを示す図である。 本発明によるテレセントリックリレーを対物レンズと共に示す図である。 本発明の他の構成によるテレセントリックリレー及び対物レンズを示す図である。 本発明のさらなる構成によるテレセントリックリレー及び対物レンズを示す図である。 本発明で得ることができる倍率色収差の改良を示すグラフである。 解像可能な検出体積数(NRDV)、及び、長波長に比べて短波長が被りやすい倍率の大きさに関連した補正係数Cに伴ってNRDVがいかに変化するかを示すグラフである。 色収差がX方向で完全に補正された、図20に類似のグラフである。 色収差がZ方向で完全に補正された、図20に類似のグラフである。 従来技術による解像可能な検出体積数(NRDV)、及び、AOD対の第2 AODの設計受光角範囲に伴ってNRDVがいかに変化するかを示すグラフである。 本発明による解像可能な検出体積数(NRDV)、及び、AOD対の第2 AODの設計受光角範囲に伴っていかにNRDVが変化するかを示すグラフである。 本発明による二つのAODの構成を示す図である。 本発明による四つのAODの構成の二つの直交図を示す図である。 知られたAODの回折効率の3次元プロットである。 図28と同一であるが異なる方向から見たプロットである。 本発明によるAODの回折効率のプロットを示す図である。 幅の広い超音波変換器を有するAOD結晶を示す図である。 幅の狭い超音波変換器を有するAOD結晶を示す図である。 選択可能な一対の変換器を有するAOD結晶を示す図である。 三つの別々に選択可能な変換器を有するAOD結晶を示す図である。 図35a及び図35bはAOD及びテレセントリックリレーの実際の構成を示す図である。 二つのAODによって集束されたレーザビームを示す図である。 図36の構成で使用されるAOD駆動周波数を示す図である。 図36のAOD構成で使用されるランプ率を説明するための式を導くために使用される距離を示す図である。 図39a及び図39bは四つのAODの構成を示す図である。 X-Y面内での走査パターンを示す図である。 四つのAODを使ったラスター走査を示す図である。 静止したスポットに集束させるために二つのAODに加えられる周波数を示す図である。 X偏向走査を行うためにこれら周波数をどのように変化させる必要があるかを示す図である。 AOD内の最大及び最小駆動周波数が走査時間をいかに制限するかを示す図である。 Xにおける一連のミニ走査を示す図である。 ミニ走査の間に適用される周波数オフセットを示す図である。 周波数オフセットを決定する上で有用な幾何学的誘導を示す図である。 時間に対するX-Y面内での走査角度θの一定な変化をもたらすための4 AODシステムを示す図である。 走査角度φの一定の変化がY-Z面内でもたらされる4 AODシステムを示す図である。 色収差を補正するための装置の実施形態を示す図である。 図51a〜図51cは、回折光学要素がビームの波長に応じてビーム幅をいかに調整するかを示す図である。 回折光学要素が軸方向に移動した状態の図50の実施形態を示す図である。 三つの異なる波長におけるレーザパルス列のスペクトルを示す図である。 図50の実施形態に及ぼすビーム波長の影響を示す図である。 ズームレンズ及び回折光学要素を使用した色収差補償システムの実施形態を示す図である。 図55の実施形態及びズームレンズの焦点距離を示す図である。 図55の実施形態を説明するために有用なグラフである。 図55の実施形態を説明するために有用な他のグラフである。 900nmの波長を使用した場合の図55の実施形態を示す図である。 短波長を使用した場合の図55の実施形態を示す図である。 色収差補償システムの全長を示す図である。

技術的背景
本発明を完全に理解するために本発明に関連する技術的効果を説明することは有用である。図1は音響光学偏向器の中でのブラッグ回折の原理を示す。

音響光学偏向器は結晶10及び結晶変換器12を備える。好ましくはこの結晶はTeO₂結晶などの高効率な異方性音響光学結晶である。結晶変換器12は結晶の一側に取り付けられ、好ましくは超音波音響波14を伝播の低速せん断モードを使用して結晶を通じて伝播させるように構成される。

結晶に角度Φ₁で入る入力レーザビーム16は音響波によって回折され、回折の1次成分は図1に示すように角度Φ₂を有するであろう。図1では回折の1次成分は18の符号が付けられている。また、入力レーザビーム16の単なる継続である回折の0次成分も存在し、すなわち、0次の回折は偏向されなかったレーザビームである。

通常、レーザビーム16は10〜15nmの幅を有し、図1に示された複数のビームは単一の広いレーザビームを単に説明するためのものである。

回折の角度を支配している等式は、

であり、但し、Φ₂-Φ₁は回折の角度、λ₀はレーザビームの波長、f_acは結晶中を伝播する音響波の周波数、V_acは結晶中を伝播する音響波の速度である。図1で音響波は一定の周波数f_acを有する。

この式から、レーザビームが受ける偏向の大きさはレーザビームの波長に直接比例することが明らかである。したがって、光のより高い波長成分はより低い波長成分よりもより大きく偏向される。

結晶中を伝播する音響波を操作することによって特殊な効果を達成できる。

例えば、音響波は、周波数に例えば次の形式、
f_ac(t)=f_ac(0)+at (2)
を付与することによってその周波数が時間と共に直線的に増加又は減少するように「チャープ」され得る。

この式で、定数aは「チャープ率」として知られており、MHz毎秒の単位で測定される。この式から、超音波の周波数は時間の線形な関数であることが明らかである。図2は、チャープ率aが負、すなわち音響波の周波数が時間と共に線形に減少することを示す。回折角は音響波の周波数に比例するので、音響波の高周波数部分によって偏向されるレーザビームの当該部分は、低周波数部分によって回折される部分よりも、より大きく偏向される。これは図2に示されており、その効果はレーザビームを図2の点線矢印20の全体方向の中のある位置に集束させることであることが分かる。垂直方向における焦点位置までの距離Dは、以下の式、

により与えられる。

図3に示されるように、音響波は音響波速度V_acで矢印24の方向に移動する。したがって、集束するレーザビームによって形成される焦点位置22も音響速度で矢印26方向に移動する。したがって、一つのAODを使用してレーザを音響速度V_acで移動する位置に集束させることができる。

また、回折効率はAODの設計範囲の外側では急速に低下するので、結晶10を通って伝播可能な音響周波数の範囲は制限されることを指摘しておくことも適切である。図4aは音響波の周波数を時間と共に変化するものとして示し、図4bは音響波の周波数を距離と共に変化するものとして示す。

図4aから分かるように、音響波の周波数を限界値f_maxとf_minとの間に保つことが必要である。したがって、音響波の周波数を無限にチャープすることはできなく、周波数がf_minに達すると、チャーピングを継続できるように周波数をf_maxまで極めて急速に変化させることが必要である。これは図4aの「鋸歯状」のグラフを作る。図4bでもこの同じ鋸歯状パターンが生じているが、結晶の右手側に存在する音響波の周波数は、結晶の左手側に存在する音響波の周波数よりもより早い時点の周波数を表しているから、そのパターンは逆である。

AODの一つの設計に関して、f_minについての代表的な値は50〜60MHzでありf_maxについての代表的な値は90〜100MHzである。しかし、例えば20〜50MHz、より好適には25〜45MHz、さらにより好ましくは30〜40MHz、なおさらに好適には32〜37MHzのより低い周波数で、より効率的であるというAODの特殊な設計を行うことができる。したがって、f_min及びf_maxは、これらのより低い、及びより高い限界値に従って選択されてよい。低い範囲の音響周波数は、これらが任意の一つのAODによって行われる偏向を最小にし、大きな受光角を有するAODを用意する必要性を低減するので有用である。これによって効率が高く維持できる。

グラフの「帰線」部分が図4bの中央部分に存在している時点では、言い換えるとAODの結晶中に最高周波数と最低周波数との間の不連続性が存在する時点では、適切な集束を達成できない。したがって、AODを集束のために使用できないある時間期間が存在する。したがって、2光子用途では、AOD全体にわたってチャープされた周波数の最小限の不連続が存在するその時点においてだけ、レーザパルスで誘起された信号を測定することが重要である。したがって、AODに対する「デューティサイクル」限界が存在し、このデューティサイクルはAODを有用な集束のために使用できる百分率で表された時間の大きさである。このデューティサイクルは、図4a及び図4bの周波数増加/減少の勾配を大きくすることによって低減されることは明らかである。

カプランら(Kaplan et al、前掲)によって説明されたようにかつ図5に示されるように、第2のAODを使用することによって焦点22を静止させることができる。

この構成では、第2のAOD結晶10と超音波変換器12とが使用され、AOD内の超音波は概ね反対方向に伝播するようになされる。図5で、第1(上流)のAODは右から左に伝播する超音波を有し、第2のAODは左から右に伝播する超音波を有する。第1のAODは、入力レーザビーム16を概ね右から左に移動する焦点を有する集束されたレーザビーム18となるように変更し、第2のAODは、レーザビーム18を静止し集束されたレーザビーム28となるように変更する。図5に示すように結果としての焦点22は移動しない。

図6は図5と同じセットアップを示すが、付加的に第1のAODを通って透過される(「回折の0次成分」として知られる)回折されなかったビームを示す。AODをオフセットさせて配置しているので、都合よく非回折ビームは焦点22の右を通過し、したがって、焦点22に到達している光に干渉しない。バッフル又は他の機構を使用して非回折ビームをシステムから完全に取り除くことができる。

示された音波の方向及び回折の次数に関して、(図1に示したように)ゼロのチャープ率の使用は平行なレーザビームを形成する。(図2に示したように)負のチャープ率の使用は集束するレーザビームを形成する。正のチャープ率の使用は発散するレーザビームを形成する。これらの三つの可能性が図7a、図7b及び図7cに示される。任意の実際のシステムでは、AODの後にさらなる集束を行うために働く一つ又は複数のレンズ70が後続する。したがって、AODシステムを離れるレーザビームが集束する(図7a)にせよ、平行(図7b)又は発散(図7c)するにせよ、後続のレンズシステムがレーザビームを実焦点に運ぶ。好ましくは、システムは、AODシステムを離れるレーザビームが平行な場合(図7b)に後続のレンズシステム70がビームを集束する点はZ=0点を示すように校正される。したがって、この構成に関して、正のチャープ率を適用することは結果としての焦点を上方に移動させ(図7aを参照されたい)、負のチャープ率を適用することは焦点を下方に移動させる(図7bを参照されたい)。実際には、レーザビームは物理的ターゲットに到達する前にいくつかのレンズを通過する。

図6から、第1及び第2のAODが平行になるように調整された場合は問題が起こる恐れがあることが明らかであろう。この場合は、非回折ビーム16が焦点22に到達するビームに干渉する可能性がある。この問題は本発明の第2の態様によって緩和される(後述部分を参照されたい)。

図8は、焦点22がターゲット容積の中でいかにして移動できるかを示す。説明を分かりやすくするため、以降及び後続の説明は(図7のレンズ70などの)後続のレンズシステムを無視するものとする。任意の実際の実施形態ではそうしたレンズシステムが存在し、以下の原理はAOD自体が発散するレーザビームを形成する場合にも等しく適用される(この場合には後続のレンズ光学系によって負のZ位置にリレーされる虚焦点がレーザビームの上方に存在する)。本発明の本態様の理解を助けるために、以降の図面は、本構成では集束するレーザビームを発生させるチャープ率が正である例を用いる。

上記で説明したように、焦点位置までの距離はチャープ率aに逆比例する。したがって、チャープ率を増加させることは焦点位置をZ方向で上方に持って行き、チャープ率を減少させることは焦点位置をZ方向で下方に持って行く。図8に説明するように、周波数-時間のグラフの勾配を変化させること(すなわち、チャープ率aを変更すること)は、焦点位置22をZ方向に移動させるように作用する。また図8に示すように、焦点位置22は、周波数-時間のグラフの二つのランプ間の離隔を変化させることによってX方向に移動させることができる。二つのAODが、同一でいかなるチャープもされていない音響波で励振された場合は、結果としての焦点位置はX=0、Z=0の位置として定められる。チャープが導入されるとこれは焦点位置をZ方向に移動させる。二つのAODに加えられる波の周波数の絶対値が異なるときは、これは焦点位置22をX方向に移動させる原因になる。

図9は色収差の問題を示し、この色収差によって任意種類のスペクトル幅を有するレーザビームがX-Z面内の別の位置というよりぼやけた領域にいかにして集束される原因となるかを示す。

図9で、入力レーザビームはあるスペクトル幅を有する。入力レーザビームは、いくつかのスペクトル成分を有する連続的なレーザビーム、又は、単一周波数のパルスレーザビームであってよい。レーザビームがパルス発光されたとき(すなわち、レーザをモードロックすることによって時間窓が開けられたとき)、これがレーザビームにスペクトル幅を持ち込む。パルスの最も長い波長成分が矢印16、18、28で示され(図9で灰色に表示され)、パルスの最も短い波長成分が矢印16a、18a、28aで示される(図9で黒く描かれる)。

図9から、より長い波長はより大きな角度で回折されることが分かる。

図9に示すように、長い波長成分に関する焦点22はより短い波長成分に関する焦点22aとは一致しない。示された二つの間にある波長は、焦点22と焦点22aを結ぶ線上のある地点に集束するであろう。したがって、AODの効果はスペクトル幅を有するレーザビームを唯一の点に適切に集束させることではない。

この問題は、(より狭いスペクトル幅を持つことができる)より長いレーザパルスを使用して緩和できる。しかし、2光子顕微鏡効果は極めて短い時間の隙間に多数の光子を供給できることにその根拠を置いているので、パルスをより長くすることによってそのパルスは2光子顕微鏡用途に適さないものになる。

2光子顕微鏡システム
図10は本発明による2光子顕微鏡システムを示す。

入力レーザビーム16は四つの音響光学偏向器30、40、50、60及びレンズ70を通過する。レーザビームはデカルト軸Xi1、Yi1、Zi1を有する第1イメージフィールドの中に焦点22を形成する。この像は、第2イメージフィールドXi2、Yi2、Zi2を形成できる他のリレー光学系(分かりやすくするために図示せず)を通じて投影される。これは顕微鏡対物レンズ90を通じて結像レンズ80によって投影されて、第3イメージフィールドXi3、Yi3、Zi3の中に焦点32を形成する。この第3イメージフィールドはターゲットフィールド(target field)であり、2光子用途ではターゲットがこのフィールドの中に配置される。こうしたターゲットは、イメージングを必要とする脳組織又は蛍光を発する染料を備えた生物学的材料の薄片であってよい。

2光子用途における入力レーザビーム16は、焦点で十分に強力な電界を得るために極短のフェムト秒パルス又はピコ秒パルスの形態を取る。通常、パルスは、パルス長さよりも極めて長い期間で時間的に間隔をあけられる。典型的なパルス長さは2ps以下、好ましくは500fs以下、より好適には50〜200fsである。通常、パルスは50〜200MHz(例えば80MHz)の周波数で繰り返される。

2光子顕微鏡システムを使って二つの別個の実験を行うことができる。第1の実験は、蛍光材料を画像化することであり、通常、こうした実験はたかだか1μm²の領域に10mWのパワーが集束される(約600,000W/cm²のパワー密度に相当する)ことを必要とする。800〜1000nm(例えば850nm)の典型的なレーザ波長が使用される。第2の実験は、レーザを使用して生物学的に活性な化合物をアンケイジ(uncage)する光分解である。しばしば、720nmの波長を有するレーザが使用され、パワー要件は極めて高く、平方ミクロン当たり100mWを超えるパワーの要求がある。

本発明の好適な実施形態で、レーザは、近赤外領域で調整可能で1〜10Wの平均パワーを有し80MHzで100fsパルスを供給するモードロックTiサファイアレーザによって実現される。

ターゲット内の蛍光物質の2光子励起からの任意の蛍光発光をピックアップするために、センシティブコレクション(sensitive collection)光電子増倍管がターゲット領域の近傍で使用される。これによってイメージング用途において3次元画像が構築でき、さらに、動的な生物学的プロセス期間中の各時点における組織状態を繰り返してモニタするために、レーザビームによって3次元空間内の任意のスポット系列を調べることができる。

好ましくは、本発明で使用されるAODはせん断モード異方性AODである。AOD結晶のための適切な材料はTeO₂結晶である。こうしたAODは、入射するレーザ光の偏光を90°だけ回転させる。AOD 30、40、50、60がこれらの間に介在する構成要素が無い状態で図10(及び本出願の他の図面)に概略的に示される。しかし、実際にはこうした構成要素は存在する。通常、これら構成要素は2分の1波長板及び偏光子を含む(その理由は後に説明される)。さらに、AODを適切に一緒に結合させるために、(レディ及びサッガウ(Reddy & Saggau)によって開示されたように)テレセントリックリレーを各AOD間に使用できる。こうしたテレセントリックリレーが使用されないならば、その場合には他の手段を取ることなく静止した焦点位置を達成することは困難であろう。

蛍光物質により放出された光は、標準的なやり方でダイクロイックミラーによってシステムに結合された光電子増倍管(図示せず)でピックアップされる。

図11a及び図11bは、従来技術によって、イメージフィールド内の単一の点に関する色収差がどのように補正できるかをグラフ的に例示したものである。図11aは補正前の状態を示す。図11aから明瞭に分かるように、色収差はイメージフィールド内の全ての点に対して正の大きさを有し、色収差の大きさはイメージフィールドの全体にわたって全体的に線形に変化する。図11aで、イメージフィールドの右手側の色収差はイメージフィールドの左手側の色収差よりも大きい。当技術分野で知られた最良の補償法を使用すると、色収差は、イメージフィールド内の単一の点に関して図11bに示すように補正できる。ここで、イメージフィールドの末端における色収差の大きさが等しく符号が反対になるように、単一の点はイメージフィールドの中心にくるように選択される。これは最も小さな全体的色収差をもたらす。しかし、図11a及び図11bから、色収差を規定している直線の勾配は決して変化していないことが明らかである。本発明は、図11cに類似の色収差グラフが得られるようにこの勾配を修正するための装置及び方法を開示する。この勾配を修正することを、本明細書では倍率色収差の少なくとも部分的な補正と呼ぶ。

色収差補正
図12は、図10の第1イメージフィールドXi1、Yi1、Zi1内の点に関する(図9で説明したような)色収差の影響を示す。

本実施形態では、レンズ70は0.3mの焦点距離を有し、この焦点はZ軸に沿ったゼロ点に割り当てられる。X軸に沿ったゼロ点はレンズ70の対称の中心(すなわち中心線)である。図12内のドットはイメージフィールドの中の位置を示し、これは、X-Z面内に集束させるために使用される第1及び第2 AOD間のチャープ並びに周波数差を変化させることによって、850nmにおける1psレーザパルスの最も短い波長成分がそれに向けて集束できる位置である。ドットから発出している線は、1psパルスの他の波長成分が集束する点を示す。したがって、ドットから最も遠い線の端部はパルスの最も長い波長成分が集束する場所を表す。

色収差の性質に関していくつかの観察ができる。第1に、カプラン(Kaplan)、サローム(Salome)、レディ及びサッガウ(Reddy & Saggau)(前掲)の結果と同じように、点Xi1=Zi1=0では色収差は存在しない。この理由は、この点では正味のX偏向が存在せず、AODは単一周波数を有する音響波で動作され、Z集束を発生させるためのチャープがないからである。したがって、全ての周波数成分が同一のスポットに集束する。この「補償点」からX-軸に沿って移動すると色収差の大きさがそれに応じて増加する。同様にZ-軸に沿って移動すると色収差の大きさが増加する。図12を全体として眺めると、像平面内でZが0.15m未満の位置については、色収差は、像平面内で短波長成分よりも長波長成分を拡大する効果を有するように思われる。言い換えると、長波長の成分がドットで表されるように図12を描きなおすなら、このグラフは短波長成分を表すドットの拡大したバージョンのように見えるであろう。色収差のこの倍率効果を本明細書では倍率色収差と呼ぶ。

図12は1psパルスに関して示されている。100fsなどのさらに短いパルスに関してはより大きな色収差が明らかである。

図12から得られるもう一つの観察は、X分散(すなわち、X-軸の方向の色収差)がZ=0.15の値についてゼロに低減することである。これを分析すると、結像レンズ70が最終AODに極めて近接する場合には、一般に、この現象はレンズ70の焦点距離のほぼ半分のZの値に対して生じることが分かる。

図13は図12に類似した見え方を示すが、ここでは、像は40倍の倍率を持つ対物レンズのもとで得られたものである。図12のように尾は色収差の方向及び相対的なサイズを表す。この場合には、イメージフィールドが台形ではなく矩形になるようにシステムレンズがテレセントリック位置の中に配置されている。図12の場合のように、色収差はX=Z=0に関してはゼロに低減しているが、この補償点から遠ざかると増大する値を有している。

本発明は、少なくとも一つの光学要素を使用して倍率色収差を少なくとも部分的に補正することを教示する。

第1の実施形態において、この少なくとも一つの光学要素は特別に製造された結像レンズ80又は顕微鏡対物レンズ90であってよい。

あるZの値での特定のX-Y面に関して、全ての色収差は対物レンズ90から遠ざかるように放射状に向けられた方向に存在する。この事実は、対物レンズ90が分散性を有するように製造することによってうまく活用できる。すなわち、対物レンズ90は、短波長よりも長波長をより小さく拡大する材料で製造される。こうしたレンズは、従来のクラウンガラスとフリントガラスとの組合せから、又は、回折要素から製造できる。正確な量の分散が対物レンズ90(又は代替として結像レンズ80)に導入されるならば、選択されたX-Y面の全体において色収差が概ね補正できる。これは、そのX-Y面内のNRDVを50倍以上増やすことができる。

図14は、X-Z面を貫く切断面を示し、この面内で集束できるように設計された第1及び第2 AOD 30、40も示す。当然に、好適な実施形態は、Y-Z平面内で集束するための第3及び第4 AODも含み、補償要素80又は90はY方向の倍率色収差を等しく補正できる。

したがって、色収差が単一の点X=Y=Z=0に対してだけでなくイメージフィールドの平面全体に対して補正できるから、倍率色収差を補正するための分散レンズを備えることは、当技術分野における著しい進歩である。

本発明の最良モードの動作を表すより好適な実施形態は、2次元平面内だけでなく大部分の3次元イメージフィールドにわたって倍率色収差の著しい補正を規定する。これは、本実施形態において倍率色収差を補正するためのテレセントリックリレーを使用して達成できる。

有利には、テレセントリックリレーは共に分散性能を有する二つのレンズを備える。好ましくは、第1レンズは波長が長くなるとともに焦点距離が低下するレンズである。好適には、第2レンズは、波長が長くなるとともに焦点距離が増加するレンズである。したがって、第1レンズは、短波長成分よりも長波長成分を第1レンズにより近い点に向けて投影する傾向を有する。これが図15に示される。(ここでは、半円の湾曲部の中心にドットを有する半円の)像120が、波長の増加と共に焦点距離が短くなる性能を有する分散レンズ110を通して投射される。像120を形成している光があるスペクトル幅を有するものと仮定すると、長波長成分は投影されて像130を形成し、短波長成分は投影されて像140を形成するであろう。図15から分かるように、長波長成分は短波長成分140よりもレンズ110により近い点に投影される。この結果、長波長成分130は短波長成分140よりもより小さく拡大される。分散レンズ110の性質を別の方法で説明すれば、Fを焦点距離、λをレンズ110を透過する光の波長としたとき、レンズ110は負のdF/dλを有すると言える。

図16は、第1レンズ110及び第2レンズ150を有するテレセントリックリレーを示す。

第2レンズ150は正のdF/dλの性質を有する。言い換えれば、長波長に関する焦点距離は短波長に関する焦点距離よりも長い。投影された像120の長波長成分130は短波長成分140よりもレンズ150から遠く離れているので、レンズ150を通った投影は像130、140の中心点を再び一致させる傾向を示して投影像160、170をそれぞれ形成する(図16を参照されたい)。さらに、長波長成分130は短波長成分140よりもレンズ150から遠く離れているので、長波長成分130は短波長成分よりも小さく拡大される。したがって、結果として得られるものは、互いに中心を一致させているがその位置で長波長成分は短波長成分より小さく拡大された長波長成分160と短波長成分170とを備えた像である。

こうしたテレセントリックリレーは、(Xi1,Yi1,Zi1座標系の)第1の像を第2の像(図示せず)に投影するために、又は第2の像を(Xi3,Yi3,Zi3座標系の)第3の像に投影するために図10のシステムで使用できる。図12の考察から明らかなように、長波長成分の倍率を減少させるリレーの効果は、第1の像に存在する倍率色収差を実質的に補正することになる。

テレセントリックリレーのレンズは従来のクラウン及びフリントガラスレンズ並びに回折要素の組合せなどの任意の分散性材料で作ることができる。さらに、本発明は二つのレンズを使用することに限定されず、これより多くの又は少ないレンズを使用してもよい。

図17は、図16に類似のしかしまた顕微鏡対物レンズ90も含む図を示す。図16と同様に、第1レンズ110は負のdF/dλを有し、第2レンズ150は正のdF/dλを有する。対物レンズ90はゼロのdF/dλを有する。図17の破線は実線よりも長波長の光を示す。最終の像の位置で、長波長がより大きな開口数からの像の上に集束するという事実は、長波長がより小さな倍率を有することを示している。

図18は、第1レンズ110が負のdF/dλを有し、第2レンズ150がゼロのdF/dλを有し、対物レンズ90が負のdF/dλを有する代替の実施形態を示す。この図から、また再び、長波長は短波長よりもより小さく拡大されることが明らかである。

図19はさらなる代替の実施形態を示す。ここでは、第1レンズ110はゼロのdF/dλを有し、第2レンズ150は負のdF/dλを有し、対物レンズ90は正のdF/dλを有する。他の実施形態と同じように、長波長は短波長よりもより小さく拡大される。

長波長をより小さく拡大することの技術的効果を達成するために、レンズの様々な他の組合せを使用できることは当業者に明らかであろう。本明細書に呈示された図面は、多数の可能性の中からの単なるいくつかの例である。

図20は補正後の像を示し、色収差を表している線がはるかに短いことがただちに分かる。これは、30倍を超えるNRDVの増加に置き換えられる。

本発明のシステムを使用しても、達成できる倍率はX、Y、Z体積中で等方的ではない。一般に、Z方向の倍率はX及びY方向の倍率の二乗に等しい。したがって、X及びY座標が2倍だけ拡大された場合Z座標は4倍だけ拡大されよう。同様に、X及びY座標が0.5だけ拡大されたときはZ成分は0.25だけ拡大される。

図21は、NRDVが「補償係数」Cに対してどのように変化するかを示すグラフである。補償係数C=1は、Z方向の全ての色収差に関して完全な補償を与える補償器内の色分散の大きさに一致するように選択される。この色分散の2倍の値(C=2)は、X及びY方向の完全な補償を与える。補償係数は本装置が置かれる用途に従って選択されてよい。例えば、本装置が異なるZ位置の異なる点への集束を必要としない2次元イメージングシナリオに適用される場合は、補償係数Cは、X-Y面内の全体で完全な色収差補正を達成するように2に等しく設定されてよい。また、この補償係数は最大のNRDVを与え、問題にしている深さが高分解能Zの範囲にとどまる3次元空間のイメージングに適している。より高分解能のイメージングが最大可能なZ範囲にわたって必要とされるなら、この場合には、X及びY範囲の両端部で分解能のある程度のロスを負担したとしても1に近い補償係数がベターである(図21を参照されたい)。

図21のパラメータCは図17を参照してさらに定義できる。この対称性のある場合には、設計の中心波長において、第1レンズ110の焦点距離の変化率は、第2レンズ150の焦点距離の正の変化率に等しく、入力ビームと出力ビームとは平行かつ等しい直径のものであり、

ここで、
f1=レンズ110の焦点距離
f2=レンズ150の焦点距離
λ=動作波長
である。

図20は、元の像の長波長成分は元の像の短波長成分よりもより小さく拡大されていることを示す。補償は、Z方向で僅かに過剰補償され、X方向で僅かに補償不足であるようなものである(C=1.3)。用途に応じて、X方向について完全に(しかし、Z方向では不完全に)補償するレンズ(C=2、図22を参照されたい)、又は、Z方向について完全に(しかし、X方向については不完全に)補償するレンズ(C=1、図23を参照されたい)を選択あるいは配置できる。図20の例は折衷的な解決策である(C=1.3)。

図24及び図25は別の方法で本発明の効果を示す。

図24は、AOD対のうちの第2 AODが±1.5mradの受光角範囲を有する従来技術のシステムに関するNRDVを示す。図23から分かるようにこれにより約200,000の最大NRDVとなる。NRDVは、2光子効果を達成するための十分なパワーを供給できるイメージフィールド内の識別可能な点の数として計算される。2光子効果の達成のために選択された閾値密度は600,000W/cm²であり、図24は各光学要素の損失を考慮している。

また、図24はレーザパワー6W、12W及び24Wについての理論上のグラフも示す。現在市販されている最良のレーザは3Wのパワーを有する。したがって、図24は、24Wのパワーを有するレーザが実用可能になったとしても従来技術システムを使用しては780万個の目標NRDVには決して到達できないことをグラフ的に表している。実際、図24は、±1.5mradの従来技術のAOD入力受光角を使用することによって約200,000のNRDVを有するシステムが得られることを示す。

図25は、図24と類似しているが本発明によって提供される倍率色収差補正を考慮したグラフを示す。図25から、対のうちの第2 AODに関する入力受光角範囲を±1.5mradに選択した場合でも、NRDVは従来技術よりも大きいことが第一に明らかである。さらに、倍率色収差補正が、3Wレーザを使用して今度は240万個のNRDVを得られるようにグラフを移動させている。これは従来技術においては全く不可能であった。これは従来技術に比べて12倍のNRDVの改善を表している。また、本発明者らは、さらなる最適化を行って780万個の目標NRDVが達成できることも確信している。例えば、閾値600,000W/cm²は、(顕微鏡内の時間分散を考慮して)400fsの長さであると推定されたレーザパルスを使用して実験的に決定された。顕微鏡に入射するレーザパルスを予備補償するために(アイヤーら(Iyer et al)によって示唆されたように)光学的前段チャーパーを使用することによって100fsパルスを対物レンズから供給できるようになり、したがって、この閾値を大幅に低下させ、より広い受光角範囲のAODが使用できる。これによって、780万個のNRDV目標は容易に達成できよう。

0次成分の遮断
上記の図6と図8とを比較すると、図8の第1 AOD内で生じている回折の任意の0次成分は、第2 AODを通って透過されイメージフィールドと干渉する恐れがあることが分かる。この理由は、図8が、図6とは異なり、回折されていないビームが回折されたビームと極めて類似の方向に通過するように平行配置に取り付けられたAODを有するからである。この問題は、回折の0次成分の透過を妨げるための偏光子及びオプションの2分の1波長板の使用を含む本発明の第2の態様によって緩和される。

AODによって受光され成功裏に回折されるためには、光は適正な偏光を有していなければならない。特に、(例えば、異方性二酸化テルル結晶を使用した)高効率で低速の音響波AODに関しては、光学的入力偏光は音響波の伝播方向に位置合わせされている必要がある。したがって、音響波が入力レーザビームをX-Z面内に集束させるようなものである場合は、入力レーザビームはX偏光している必要がある。AODによって透過された回折の任意の一次成分は、それらがY偏光状態になるように偏光を90°だけ回転させる。こうした光は、例えば図7に示された第2 AODに適合しない。したがって、本発明の本態様によれば、図26に示すように、2分の1波長板及び一対の偏光子が使用される。X偏光を有する入力レーザビーム16が第1 AOD 30に供給される。回折の1次成分18はY偏光状態で第1 AOD 30を離れる。回折の偏向されなかった0次成分はX偏光状態のままである。偏光を90°だけ回転させるために2分の1波長板200が第1 AOD 30の後に配置される。したがって、回折のY偏光された1次成分が今度はX偏光状態になり、回折のX偏光された0次成分がここでY偏光状態になる。X偏光子210が2分の1波長板の後に配置され、X偏光された光だけを通過させる機能を有する。したがって、回折のX偏光された1次成分は通過し、回折の0次成分は遮断される(2分の1波長板による回転の後でこれらはY偏光状態であるために)。これらの回折のX偏光された1次成分は第2 AOD 40への入力として適切であり、ここで回折のY偏光された1次成分になるために90°だけ回転される。第2 AOD 40を離れる任意の非回折光はX偏光されており、したがって、第2 AODの下流に配置されたY偏光子220によって遮断される。このようにして、焦点22に到達する光は完全に回折の1次成分からなり、回折の任意の0次成分は偏光子によって効果的に遮断される。

図26に示した構成のもとでは、焦点22は、Y方向への集束が存在しないために実際には頁に垂直な一つの線である。好適なことであるが集束がY方向にも必要とされるなら、その場合には、Z軸の周りに90°だけ単に回転させた図26と同一の構成が使用できる。この構成では、第1及び第2 AOD 30、40はX-Z面内の集束を行い、第3及び第4 AOD 50、60がY-Z面内の集束を行う。

本構成では、全てのAODは平行に取り付けられ、言い換えると、AODを貫通して進行する音響波は平行な平面(X-Y面に平行な)を進む。また、この構成では、構成要素は(レーザ伝播の方向で)次の、第1 AOD、2分の1波長板、X偏光子、第2 AOD、Y偏光子、第3 AOD、2分の1波長板、Y偏光子、第4 AOD、X偏光子の順序に取り付けられる。

AODのさらにより好ましい構成があり、これは図10及び図27に示される。

図27はAOD構成の二つの直交する図を示す。第1 AOD 30及び第2 AOD 40は、X-Z面内での集束を行うために使用される。第3 AOD 50及び第4 AOD 60はY-Z面内での集束を行うために使用される。図27から明らかなように、AODは、レーザビームの入口端から開始しレーザビームの出口端で終了する、第1、第3、第2、第4の順に構成される。この構成は、2分の1波長板を使用する必要がないので好適である。図27には示されていないが実際の実施形態で好適に存在するものが第1〜第4偏光子である。偏光子は各AODの後に続けて配置される。第1 AOD 30に入射するレーザ光16は、X偏光の0次成分及びY偏光の1次成分に変換される。1次成分だけを透過させることが望ましい。したがって、0次成分を遮断するためにY偏光子が第1 AODの後に配置される。このY偏光された光は、Y偏光の0次成分及びX偏光の1次成分が作られる第3 AOD 50の入力に適する。したがって、X偏光子が第3 AODの後に配置される。こうしたX偏光された光は、X偏光を有する0次成分及びY偏光を有する1次成分を作る第2 AOD 40の入力に適している。したがって、Y偏光子が第2 AOD 40の後に配置される。このY偏光子は0次成分を遮断する働きをする。こうしたY偏光された光は、Y偏光を有する0次成分及びX偏光を有する1次成分を作る第4 AOD 60による受光に適している。したがって、Y偏光された0次成分を遮断するためにX偏光子がAOD 60の後に配置される。結果として、焦点22に到達する全ての光は適切に回折された1次成分の結果であり、いかなる回折されていない0次成分もシステムを通り抜けられない。さらに、この構成は、偏光を様々な段階に適合させるための2分の1波長板を必要としない。

AODの当業者によく知られているように、1次回折波の厳密な偏光度は、音響波の伝播方向に対して線形かつ90°に近いけれども正確ではない。特に、AOD結晶が、音響波の伝播方向から光軸を意図的に2又は3度未満異なる方向に向けた状態で切断されている場合には、最適化された入力ビーム並びに光の回折された及び0次の出力ビームは、僅かに楕円的に偏光される可能性があり、そのため、線形偏光子を使用している本明細書で説明した構成は、回折波を最大限に透過させず、また、光の望ましくない回折されていない0次成分を完全には抑制しない恐れがある。こうした場合は、性能をさらに向上させるために、挿入した2分の1波長板の微小な回転、又は、ごく僅かの波長補正(例えば1/4又は1/20波)を伴う適切な位相板の挿入によって、当該の構成の性能を微調整できる。各AODの後の偏光子にとっての要点は、求められている回折された1次ビームを最大限に透過させ、不必要な0次ビームを最大に阻止することである。偏光子が他のAODの前にあるときは、この場合には、その性能を最適化するために次のAODの前にさらなる偏光状態調整が存在してもよい。

改良された受光角の結晶
通常、AODを製造するために使用される異方性音響光学結晶は、レーザ光に対して値付けされた受光角を有する。結晶自体はこの受光角に関して最大の透過効率になるように最適化されている。一定の受光角でレーザ光を受光するシステム内の第1及び第3 AODにとっては、こうした結晶は極めて適している。しかし、こうした結晶が第2及び第4 AODに使用されるときには問題が生じ、それは、第1及び第3 AOD内でそれぞれなされ得る偏向角度範囲によって規定される範囲にわたって受光角度が変化するからである。これらの知れられたデバイスは、3Wの音響パワーを有する800nmのレーザを±20mradにわたって偏向できる(17.43mrad=1°)。透過効率は80%を超える。

図28は、知られているAOD結晶の効率のグラフである。図29は、僅かに別の角度から見た同じグラフである。両方のグラフは、様々な周波数の音響波及び様々な入射光角度に対する回折効率を示す。グラフから、最大効率は、約95MHzの音響波の中心周波数及び約0.121radの瞬時角で得られることが分かる。図29は、この結晶では、許容できる回折効率が約±1.5mradの入射角範囲で得られることを示す。結晶に向けられる入射角がこの範囲の外に外れると、その場合は極めて低い回折効率が現れ、これが順に焦点に供給されるエネルギーを制限し、これが2光子顕微鏡に必要な2光子相互作用を行う可能性を制限する。AODの回折効率は、概ねその設計入力受光角に逆比例して減少することが見出されている。これは、4 AODシステムの全体の偏向角度が標準のデバイス対で可能な±3mrad(=2×±1.5mrad)から増加するにつれて、効率は設計偏向角の逆二乗に比例して低下することを意味する。

本発明の第3の態様は、より大きな受光角範囲にわたって適度な回折効率を有する音響光学偏向器結晶を提供することによってこの問題を緩和する。新しい結晶に関する図28及び図29に示されたものと類似のグラフが図30に示される。ここから分かるように、このような方法で構成された結晶は10mradの入射角範囲にわたってそのピークの少なくとも80%の回折効率を維持している。しかし、得られるピーク回折効率は従来のAODによるときと同じようには高くない。したがって、本発明のAODは従来のAODより低いピーク効率を有するが、従来のAODよりも良好な透過効率で従来のAODよりも広い範囲の角度からレーザビームを受光する。この効果を達成する方法を図31及び図32を参照して説明しよう。図31は、超音波変換器12がその一方の側に取り付けられた従来のAOD結晶10を示す。超音波変換器12は、光伝播方向と平行方向に約3mmの幅Wを有する。これによって、結晶10内に形成される音響波14は大きく発散しないようになる。この結果、レーザビーム16が狭い入射角範囲内に入力されたときだけ、入力レーザビーム16は偏向されてレーザビーム18になる。

図32は、超音波変換器12が光伝播方向にはるかに狭く製作された本発明の本態様によるAODを示す。この実施形態で超音波変換器12の幅Wは1mm以下である。図32に示すように、これによって、伝播される超音波14はより発散する形態を取る。これが、次に、より広範囲の角度のレーザビーム16を受光可能にし、レーザビーム18にうまく回折することを意味する。したがって、幅の狭い結晶がより発散する音響波を発生させ、これにより、(図31のように)音響波が発散していない場合よりも広い範囲の角度から、レーザビームの効率的回折が生じることが可能になる。

適切な結晶変換器の幅は1mm未満、より好適には0.5mm未満、さらに好ましくは約0.25mm以下である。

デュアル変換器AOD
本発明の本態様は二つの結晶変換器を有するAODを提供する。これは図33に示される。第1結晶変換器12aは光の伝播方向に狭い幅を有するように構成され、第2結晶変換器12bは光の伝播方向に広い幅を有するように構成される。本実施形態において、変換器12aは0.25mmの幅を有し変換器12bは3mmの幅を有する。変換器に電力を供給するために励起源300が設けられ、スイッチ310により、オペレータは次に第1又は第2変換器を励起させるかどうかを選択できる。

このスイッチを設けることにより、AODは二つのモードのうちの一つで動作できるようになる。第1モードではより広い変換器12bが使用でき、これにより、狭い範囲の受光角に関して効率が最適化される。これは、アンケイジング(uncaging)(光分解)用途などの大量のパワーを小さなターゲット体積に供給することが望まれる用途に有用である。第2変換器は、例えばより大きなターゲット体積がより大きなNRDVで画像化されることが望ましい場合などの、より大きな受光角範囲にわたって適度な透過を達成することが重要である場合に選択できる。

上記に説明したように、二つの結晶変換器を用いて設計されたAODは、本発明の第2及び/又は第4 AODの中での使用に極めて適している。

多変換器AOD
本発明の本態様を図34に示す。一つのAOD結晶には二つ以上の結晶変換器を設けることができる。各結晶変換器は音響波の伝播を助けるために選択的に使用できる。図34の例では、三つの結晶変換器12a、12b及び12cが示される。好ましくは、変換器の幅は例えばそれぞれの度に2倍だけ幾何級数的に増加する。好適には、結晶変換器は、それぞれ後続の変換器が先行する変換器の幅より2倍広いという特性を有する。例えば、変換器12aは0.25mm幅であってよく、変換器12bは0.5mm幅及び変換器12cは1mm幅であってよい。スイッチ310a、310b又は310cの適切な選択により0.25mmと1.75mmの範囲内の実効的変換器幅が得られる。これにより、AODは使用される用途に最も適した方法で利用できる。したがって、これは、多様に異なる実験に使用できる汎用目的装置の実現を助ける。必要であればより多くの変換器を設けることができる。

図34に示すように、スイッチ310aが「オン」位置にあり全ての他のスイッチが「オフ」位置にあるときは、ドライバー300は結晶12aだけを励起する。この結晶は極めて幅が狭いので、この結晶は大きな発散角を有する音響波W1を生成する。スイッチ310a及び310bが入れられると、これは発散がより小さな音響波W2を発生させる。スイッチ310a、310b及び310cが入れられると、これはさらになお発散が小さく最小量の発散を有する音響波W3を発生させる。最も幅の広い実効的変換器を使用した場合は、これは入力レーザビームに対して最も高い効率を有するが最も狭い受光角を有するAODを作る。最も幅の狭い変換器を使用した場合は、これは入ってくるレーザビームに対して効率は低いが良好な範囲の受光角を備えたAODを作る。したがって、変換器の幅は、AODの効率と受光角の範囲との間の所望のトレードオフに従って選択されてよい。例えば、4 AODシステムにおける第1又は第3 AOD(すなわち、X-Z面内に集束させるための最初のAOD及びY-Z面内に集束させるための最初のAOD)には、良好な効率と狭い範囲の受光角を与えるために幅の広い変換器が設けられてよく、各集束対の2番目のAODには、効率を低く犠牲にして優れた範囲の受光角を与えるように、より幅の狭い変換器が設けられてよい。

改良された結晶方位
普通、AOD結晶はX軸の周りに約6°及びY軸の周りに0°だけ回転される。これによって、偏向角範囲を最大化し回折されたビームからのパワーの縮退再回折(degenerate re-diffraction)を避けるために、中心周波数を増加できる。音波伝播は高度に異方性であるので、6°の結晶回転が、Y軸に対して約50°の角度の音波パワー伝播をもたらす。

結晶方位は結晶軸を基準にして測定され、結晶軸はヤングら(Young et al)が「Optically Rotated Long Time Aperture TeO₂ Bragg Cell」、Advances in Optical Information Processing IV、1990年、SPIE第1296巻、304〜316頁、で説明しているようにX線回折技法によって決定できる。

また、図32及び図33は、音響光学偏向器の結晶が特定の方位を有する本発明の他の態様の典型でもある。この方位では、入力レーザビームは負のZ軸([001]方向)をなしていると定義され、結晶構造はX軸([110]方向)の周りに2°、Y軸([110]方向)の周りに3°だけ回転されている。この結晶方位のもとで、音波パワーはY軸に対して約20°の角度で伝播し、これが像の収差を減少させることが数学的にモデル化された。Y軸の周りの3°の傾きは縮退モードからの損失を避けるために必要である。

また、音響波の中心周波数を50〜90MHzの範囲から30〜50MHzの範囲に低下させることがこの設計の回折効率を向上させることも見出された。

本態様によれば、結晶は、結晶を通って伝播する音響波がそれらの波動ベクトルとポインティングベクトルとの間で約20°を有するように方位を定められる。適切な集束を達成するために、AODを通る音波の伝播速度は、第1変換器12a又は第2変換器12bのいずれが使用されるにせよ同一にしなければならない。

この改良された結晶方位は、集束対のうちの一つの2番目のAOD(すなわち、40及び60と符号が付けられたAOD)で使用できる。さらに、改良された結晶方位は、各対のそれぞれのうちの最初のAOD(すなわち、30及び50と符号が付けられたAOD)でも使用できる。システム中の全てのAODがこの改良された結晶方位を有することが好ましい。

本明細書で説明された任意の実施形態及び態様には本方位によるAODが設けられてよい。

コンパクトなAOD構成
図35a及び図35bは、図27に示した4 AODシステムに関する典型的な実際の構成を示す。これから分かるように、AOD 30、50、40、60のそれぞれは、テレセントリックリレー400により後続のAODに結合されている。通常、このようなテレセントリックリレーは、レーザ光路ビームに沿って400mm以上の長さを有する。図35bから分かるように、各テレセントリックリレーは4fの全長を有し、但しfは一つのリレーレンズの焦点距離である。典型的にはf=100mmである。したがって、AODを共に結合させるために少なくとも三つのテレセントリックリレーを使用するという要件は、システムの全ビーム長に1.2mを付け加える。上記で説明したように、光の様々な波長が異なる大きさだけ回折される。そのため、レーザ波長が変化すると、AOD及びテレセントリックリレーは再度位置決めされなければならない。図35bは、二つの変位H₁及びH₂を示す。これらは、入力ビーム中心線と比較した出力ビーム中心線の変位である。この変位は光の波長と共に変化する。波長λ=700nmではこの変位は約32mmである。波長λ=900nmではこの変位は約40mmである。したがって、レーザ波長を700nmから900nmまで変化させると、光学的構成要素は8mmだけ再アライメントされなければならない。こうした再アライメントはテレセントリックリレーを使用することの必然的結果である。したがって、レーザ波長を頻繁に変えることが意図されたシステムでは、テレセントリックリレーは理想的ではない。それゆえ、本発明の本態様はテレセントリックリレーを不要にするための手段を提供し、これによって、よりコンパクトで構成可能なシステムが提供できる。

従来技術で提供されるテレセントリックリレーは、AODを共に適切に結合することが必要である。図8に示したように、第1 AODは入力レーザビーム16を湾曲した波面を有するレーザビーム18になるように変調する。この波面は音速でX方向に移動している。第2 AODは入射してくるレーザビーム18を湾曲した波面を有するレーザビーム28になるように変調する。ここでの湾曲は、第1 AODによってもたらされた湾曲に第2 AODによってもたらされた湾曲を加えた和に等しくなろう。結果として生じる焦点位置22は、第2 AODによってレーザビームに与えられた曲率が第2 AODに入る波面の曲率に等しい場合だけ静止するであろう。第2 AODがない場合は、レーザビーム18の曲率は第1 AODから遠くに移動するに応じて増加することが図8から明らかである。AODが入力レーザビームに同一の曲率を付与するようにセットアップされる場合(すなわち、AODが同一のランプ率でセットアップされる場合)は、したがって、AODを著しく共に接近させて配置するか、さもなければ、一方のAODの出力を次のAODの入力にテレセントリックにリレーする必要がある。

本発明の本態様は、AOD間の現実的な実際の離隔がテレセントリックリレーを必要とせずにできるにように、AOD 30、AOD 40を異なる音響波で励起できるという認識に基づいている。音響波は完全に静止した焦点位置22を形成できるように変調でき、又は正確に制御された走査に変調できる。

図36で、d₁は第1 AOD 30と第2 AOD 40との間の離隔距離であり、d₂'は第2 AODから焦点22までの距離である。

本発明の本態様は、第2 AOD 40に到達する波面の曲率は、第2 AOD 40によって誘起される付加される曲率に厳密に一致しなくてはならないという理解に基づいている。図36から明らかなように、距離d₁が増加すると、光は焦点に向かって下方に集束しているから到達する波面の曲率も増加する。本発明においては、これは、第2 AOD 40に対するよりも第1 AOD 30に対するランプ(チャープ)をより緩やかに行うことによって補償される。これが図37に示されており、第1 AOD 30に対するランプ率(ramp rate)a₁は、第2 AOD 40に対するランプ率a₂よりも小さい(a₁は線31の勾配に等しくa₂は線41の勾配に等しい)ことが分かる。このことが図37に示すようにX方向に静止している焦点位置22を形成するのに役立つ。

図38を参照すると、第1 AOD 30はチャープ率a₁を有する音響波で励起される。したがって、入射してくるレーザビーム16は、第1 AOD 30から距離d₁'の点23に集束する集束レーザビーム18に変換される。よく知られているように、この距離d₁'は、

によって与えられ、
ここで、
V=AOD内の音速(m/s)
a₁=第1 AOD駆動のランプ率(Hz/s)
λ=光の波長(m)
である。

この式から、第2 AOD 40と出会う点におけるレーザビーム18の波面の曲率半径は、

によって与えられる。

結果としての焦点位置22が静止しているためには、第2 AOD 40によってレーザビーム18に付加される曲率は、レーザビーム18が第2 AOD 40に到達したときの曲率に等しくなければならない。したがって、

第2 AOD 40によって付加された曲率は、レーザビーム18が第2 AODに入射するときにレーザビーム18に既に存在していた曲率に等しいことから、上式には係数2が現れる。したがって、レーザビーム28の結果として生じる曲率はレーザビーム18の曲率の2倍である。これらの式から、

が演繹される。

これらの式でd₁は常に正の値である。値d₂'、a₁及びa₂は、図7aに示したような集束光線については正、図7cに示したような発散光線については負である。先に説明したように、光線が発散していてもレンズ70などの後続の光学系を使用して実焦点位置が実現される。

式(9)を吟味すると、d₁がゼロにされればa₁はa₂に等しいことが明らかである。これは、二つのAODをテレセントリックリレーで共に結合することは第1 AODの出力を第2 AODの入力に厳密に結合させ、したがってゼロのAODの実効的離隔距離を与えるから、従来技術に使用された仮定である。現在まで、(テレセントリックリレーを使用していることから)二つのAODを横切る周波数チャープは同一であるべきで、AOD間の実効的離隔距離はゼロであるべきと常に考えられてきた。本発明者らにより導出されたこれらの式は、AOD間にテレセントリックリレーを用いずに静止した焦点位置22をもたらすシステムを実現するために、二つのAODを横切るチャープ率は二つのAOD間の実際の離隔距離d₁を考慮するために式(9)に従って僅かに異なるように作ることができることを示している。

これは、第1 AOD 30と第2 AOD 40との間の波面曲率の変化を考慮に入れるために、式(8)に従って第1 AOD 30のランプ率a₁を調整することによって達成される。好ましくは、第2 AOD 40に到達する波面の曲率は第2 AOD 40によって付加される追加の曲率に等しい。この「曲率のマッチング」が静止した焦点位置を実現する。

上記の式及び分析で、距離は見かけの光学的厚さである。2分の1波長板及び偏光子などのさらなる光学的構成要素がAODの間にさしはさまれる場合は、そのときは、そうした付加的構成要素の屈折率を考慮して見かけの光学的離隔距離が計算される必要がある。また、AOD自体の屈折率も考慮される必要がある。これは、見かけの光学距離d₁が、AOD間の空中距離に、第1 AOD 30の厚さの1/2をその屈折率で除したものを加え、さらに第2 AOD 40の厚さの1/2をその屈折率で除したものを加えた距離に等しくなるように、音響波はAODのその厚さの中点に入射しかつそこから出射するものと仮定することによって行うことができる。二つのAODが同じ場合、そのとき値d₁は、空中距離にAODの厚さをその屈折率で除したものを加えた値に等しい。

これらの原理はより多くの次元の中で集束させるために四つのAODを使用するシステムに拡張できる。上記で議論したように二つのAODを使用した場合、図38に示すように焦点位置22は頁から垂直に延在する線となる。点焦点位置22を形成するために、X及びYの両方で集束させるために四つのAODを使用することができる。

図39a及び図39bは、好適な4 AODシステムの二つの直交する図を示している。図38のように、第1 AOD 30は第2 AOD 40から距離d₁だけ離隔されており、第2 AOD 40は焦点22から距離d₂'にある。さらに、第3及び第4 AOD 50、60が設けられ、第3 AOD 50と第4 AOD 60との間の距離はd₃とされ、第4 AOD 60から焦点22までの距離はd₄'とされる。第3及び第4 AODに対するランプ率は、第1及び第2 AODに対するときと同様な方法で計算できる。極めて類似の式、

が当てはまる。

したがって、4 AODシステムでは、第1及び第2 AODは2-AOD実施形態の第1及び第2 AODシステムと同様な方法で励起される。これはX-Z面内での必要な集束を行う。さらに、第3及び第4 AODは、第4 AODに到達する波面の曲率が第4 AODによって付加された追加の曲率に等しくなり、それゆえ第4 AODを離れるときに波面の曲率を2倍にするように励起される。これは、Y-Z面での必要な集束を行う。距離d₂'及びd₄'は、最終の焦点位置22が希望する位置に確実になるように選択される。図39a及び図39bから明らかなように、d₁、d₃、d₂'及びd₄'を決定する際には、AOD間の実際の距離及び任意の挿入される構成要素並びにAODそれ自体の光学的厚さを考慮に入れることが必要である。

使用する実際の構成に応じて、厳密に静止したスポットを達成するためにさらなる調整が加えられてよい。上記の式は、光の伝播方向におおよそ垂直な面を有するAOD結晶の単純化した仮定に基づいている。僅かに斜めの面を有するAODを製造することが可能であり(これを厳密に行う実用上の理由もある)、これが、焦点位置の僅かな残留運動をもたらしうる、等式に使用された離隔距離の誤差を生じさせる可能性がある。これらの残留運動は、ランプ率の比a₁/a₂、a₂/a₄に対する僅かな調整によって補正できる。これらの補正量は、実験によるか、又は、Zemaxのような市販プログラムを使用して正確な光学モデルを構築することによって見出すことができる。こうような傾いた面が使用される場合、典型的な補正量は、各AODのランプ率に対してほぼ±2%未満である。同様に、焦点位置22の非点収差を微調整するために、小さな補正量をYランプ率に対するXランプ率の比に適用することができる。これは、X-Z面及びX-Y面内の焦点位置のZ値が同一であるようにd₄'に対するd₂'の比を調整することと等価である。これらの微調整補正量は、焦点スポットのZ位置の関数であり、各走査の前にAODのランプ率を計算するアルゴリズムの中に容易に組み込むことができる。

上記から理解されるように、本発明を使って、二つ又は四つのAODを使用してターゲットの内側又はその上に完全に静止した焦線又は焦点を達成することができる。これは、AODに加えられる音響波のランプ率を適切に操作することにより、AOD間の長々としたテレセントリックリレーを用いずに達成できる。したがって、結果としてのシステムは、極めて高速でのランダムアクセスフォーカシングを達成するために使用できる。例えば、ターゲットの内部又は上の30箇所の異なる位置に1000Hzの周波数で繰り返し集束させることが可能である。言い換えると、1秒間に、レーザビームを30箇所に対して1千回集束させることができる。これを達成するために、レーザビームの焦点は1秒間に30,000回、再位置決めされる。これは従来技術のガルバノメータミラーでは簡単には達成できない。

ターゲットの走査
ターゲットの3次元画像を構築するためには、ターゲットを通る所定の経路に沿って焦点でラスター走査を行うことができることが有用である。一つの可能なラスター走査は、Y値及びZ値を一定に維持しながら焦点をX方向に移動させ、次いである小量だけY位置を増加させ、新たな走査をX方向で行い、走査の2次元グリッドが達成されるまでこれを続けることである。その後でZ方向を増加させ、3次元体積が構築されるまで新たな2次元グリッドが走査される。これは、3次元画像が形成できるようになされた本発明のシステムで極めて迅速に行うことができる。

本発明のシステムを使用してラスター走査を実施するときに遭遇する一つの問題は、AODを通過できる音響波の周波数に最小及び最大許容限度があることである。これは例えば図4aのf_max及びf_minとして示される。典型的な値は最小周波数について30Mhz、最大周波数について40Mhzである。図4aに示すように、(正のチャープ率を加えている場合は)周波数が最大周波数からより低い周波数に突然切り替わり、又は、(負のチャープ率を加えている場合には)最小周波数からより高い周波数に突然切り替わる「帰線」部分が存在する。X、Y及びZ位置は、第1及び第2 AODの間のチャープ率及び周波数の絶対値の差に依存するであろう(図8を参照されたい)。したがって、両周波数の絶対値のこの突然の変化は、それが適切に実施されるならば焦点スポットのX、Y、Z位置の移動を引き起こさないであろう。

必要であるなら、Y走査をX走査よりもはるかに低速にすることによってX及びY走査を同時に実施できる。これは図40に示した2次元走査パターンを導く。

図41は、X-Y面内で行われるラスター走査がどのようにして達成されるかを示す。X又はYの移動はAODシステムからの出力レーザビームの角度の変化に対応する。

上記の式及び図42から明らかなように、静止したスポットをX=0に集束させるためには、式(9)によりa₂がa_lよりも僅かに大きいことが必要である。図41及び図42に示された状態では、AODシステムの励起と同時にレーザビームが集束するように焦点位置は正のZ値を有する。ある一定の線形な速度で移動するX偏向を形成するためには、第1 AOD内の音響波の絶対周波数と第2 AOD内の周波数の絶対値との差が線形に増加するように、a_l及びa₂を変化させることが必要になる。これが図43に示され、二つの破線はa₁が減少されa₂が増加されることを示している。これは、図43の下部に示すように焦点のX値が時間に伴って線形に減少する走査型のX偏向を実現する。

図8に示すように、ランプの勾配a_l、a₂を変化させるとZ位置が変わる。Z=0に関しては、a_l及びa₂=0並びにX走査は、a_lを僅かに負にし、a₂を僅かに正にすることによって容易に達成できる。Zの他の値に関してはより大きな値のa_l及びa₂が必要とされ、AODの最小及び最大駆動周波数についての限界値は、限界値のうちの一つに極めてすぐに達する可能性があることを意味する。Zのゼロでない値については、ターゲットの端から端までのX走査を完了させる前に、最小又は最大駆動周波数のいずれかに達する可能性がある。こうした場合には、周波数が「帰線」期間中にリセットできるように全体としてのX走査が様々な時点で中断される一連のXの「ミニ走査」を行うことが好都合である。これは図42をトリミングしたバージョンである図44に示され、最大及び最小駆動周波数が発生可能なX偏向の大きさをどのように制限するかを示している。

図45はXについての一連のミニ走査を示す。第1 AOD 30内の音響波の周波数は線31で示され、第2 AOD 40内の音響波の周波数は線41で示される。この例では、線31は線41より浅い勾配を有し、これはa₁がa₂未満であることを意味し、これは式(9)からd₂'が正であることを意味し、これは順に、この状態があるZの正の値のためのものであることを意味している。図45に示すように、第1 AOD 30内の音響波の周波数の絶対値が最大値f_maxに達したときには周波数をリセットさせることが必要になる。図45から明らかなように第1 AOD 30内の周波数をf_minとなるように変化させることは不可能であり、それは、二つのAOD間の周波数の差が確実にXの正しい値を与え続けるためには第2 AOD 40内の周波数は第1 AOD 30内の周波数未満でなければならないからである。したがって、第2 AOD 40内の周波数がf_minまで低減され第1 AOD 30内の周波数もその同じ大きさだけ低減される。この周波数リセットは、レーザが切られる非アクティブ期間(又は少なくとも測定が記録されない間若しくは無視される間)に行われる。全体的に、非アクティブな時間は二つの構成部分を有する。「リセット時間」として知られる第1の構成部分は、周波数を最大値から新しい値まで、又は、最小値から新しい値までリセットするために費やす時間である。通常、これは4μsである。「AOD充填時間(fill time)」として知られる第2の構成部分は、AODを適切な音響波で充填するために費やす時間である。通常、これはAOD内の音響波の速度で除されたAODの幅に等しい。例えば、AODが15mmの幅であるなら音響波は600m/sで進行するから、AOD充填時間は25マイクロ秒になろう。したがって、通常、全体の非アクティブ時間は約3Oμsである。

AOD充填時間が経過した後で、AOD内の周波数は、前のミニ走査の終了時の差異に等しい大きさだけ異なっているはずである。周波数は同じ大きさだけ異なっているから、第2のミニ走査の開始時のX位置は第1ミニ走査の終了時の位置と同じであることが期待される。AODがテレセントリックに中継されている場合にはこれは正しい。しかし、AOD間にある離隔が存在する場合には真実ではないことが分かっている。そうではなく、X位置は図45の下部のグラフに示されるように期待された位置とは異なる。このグラフで、X位置は2番目のミニ走査の開始時において最初のミニ走査の終了位置と異なることが分かる。

本発明者らは、この理由がランプ(ramp)の離隔だけがXの変動を引き起こすという仮定にあることを見出した。この仮定は、AOD間に物理的な離隔が存在しない場合にだけ、又は、言い換えると、AODがテレセントリックリレーで結合されている場合にだけ正しい。AOD間に実際の離隔が在る場合は、一つのミニ走査の終端と次のミニ走査の開始との間のXに関する位置を維持するために必要な周波数オフセットを計算するためには、より複雑なアルゴリズムを使用する必要がある。図45で、周波数オフセットは、第2 AOD内の周波数をゼロとし、次のミニ走査の開始時に周波数差を同じにさせるある大きさだけ第1 AOD内の周波数を減少させることによって計算される。実際には図46に示すように各AODに対して異なるオフセット値が必要になろう。本明細書では、第1 AOD内の周波数はΔf₁だけ低減され、第2 AOD内の周波数はΔf₂だけ低減される。この第2の周波数低減量Δf₂は、オフセットが第2 AOD内の周波数をf_minまで低減させる必要があるものとして計算されている。Δf₁及びΔf₂は、以下の式、

で関係付けられることが分かった。

この式は図47を参照することにより証明される。第1 AODの中心線は30で参照され第2 AODの中心線は40で参照される。最終の焦点は22に示される。周波数オフセットが第1 AODの音響波に導入されると、これがAODの中央位置(X=0)でΔθ₁の角度の偏向を生じさせる。これは、図47において偏向前のレーザビームの線(図47で垂直下方に向いた)と偏向後のレーザビームの線35との間の角度Δθ₁によって図示される。しかし、第2 AODにおいては、X=0の位置で光線は異なる角度Δθ₂だけ明らかに偏向される。図47から明らかなように、Δθ₂はΔθ₁より大きい。幾何学的演繹により、(全ての小さな角度のΔθ₁及びΔθ₂について成り立つ)式、

が導かれる。

式(14)は、先に理解されたようにビームの角度の変化は周波数の変化に直接比例することから導かれる。図46の下部に示されるように、式(13)の関係を有するオフセットを適用することは、X偏向が一つのミニ走査の終端と次のミニ走査の開始との間で変化しないことを意味する。実際には図45に示したようにAOD充填時間が存在するけれども、図46は分かりやすくするために任意のAOD充填時間を示していないことに留意されたい。実際には、Δf₁及びΔf₂は、データ収集が再開されるAOD充填時間の終端で補正されるように計算される。式(13)を図39a及び39bの記号に変換すると、

が得られる。

同様に、四つのAODが存在するときには、

が得られる。

走査速度δθ/δtは以下のようにして計算できる。

AODがテレセントリックリレーで結合されている単純な場合(すなわち、d₁がゼロであると考えられる場合)については、走査速度は各AODに供給されるチャープ信号の勾配の差に比例する。実際には走査速度は、

により与えられる。

d₁=0の単純な場合には、ランプ率a₂及びa₁に関して以下の式、

がもたらされる。

これらの式から、ランプ率a₂はランプ率a₁が減少したのと同じ大きさだけ増加することが分かる。しかし、これは、d₁がゼロであると考えられる場合(すなわち、AODがテレセントリックに結合されている場合)にだけ当てはまる。d₁がゼロでないより複雑な場合は、代わりに、a_l及びa₂に関する値は、

で与えられる。

これらの式は、四つのAODがあるときに図48に示すようにX-Z面内に集束させるための二つのAODが存在する場合に当てはまる。この場合には、角度走査速度δθ/δtは第2 AOD 40に関して測定されたものである。最後のAOD 60について測定された見かけの速度はこの走査速度に

だけ乗じて得られる。

図49はY-Z面に対して適切な式を示す。ここでΦは第4 AOD 60から測定された場合の角度である。

図39a及び図39bから理解されるように、各隣接するAODの間の離隔距離は以下の式によって距離d_l、d₃、d₂'及びd₄'と関係付けられ、
第1 AOD 30と第3 AOD 50との間の実効的離隔距離は

であり、第3 AOD 50と第2 AOD 40との間の実効的離隔距離は

であり、第2 AOD 40と第4 AOD 60との間の実効的離隔距離は

である。

多波長システム
上記の図20〜図23は、Z平面での色収差を完全に補正する(図23)か、Z及びY平面での色収差を完全に補正する(図22)か、又は、色収差は全ての面で補正されるが最大限度までは補正されないある中間的補正を達成する(図20)かのいずれかのために、補償係数Cを変化させることの可能性を示している。この補償係数Cを変化させるためには、テレセントリックリレーに使用されるレンズの屈折強度を変化させる必要がある。例えば、図17のレンズ110及び150は、補償係数Cを変えるためにより強い又はより弱い分散性レンズに取り替えることができる。システムの任意の実際の実施形態では、レンズを物理的に交換せずに補償係数Cを変化させる方法をシステムの設計に盛り込むことが有益である。

他の問題は、多くの神経科学用途において、使用される電磁放射の波長を選択できることが望ましいという事実に存する。通常、神経科学用途では690〜1000nmの波長が使用される。回折光学系を通過するレーザビームの波長を変化させることは、(偏向角度は波長に比例するために)そうした回折光学系で導かれた偏向角を自動的に変化させる。したがって、単一のレーザ波長で動作できるシステムを設計することは単純明瞭であるが、波長の範囲をまたがって動作できるシステムを設計することはより難しい。

一つの可能なアプローチは、システムを最大波長(例えば1000nm)で動作するように設計することである。こうしたシステムでは最大回折角が与えられ、設計値よりも大きな角度を通して回折された光によっても光が損失しないことが保証され得る。こうしたシステムの重大な欠点は、本来的にシステムが1000nm未満の任意の波長に対しては最適化されない状態で動作することである。特に、1000nm未満の波長が使用された場合には回折角がより小さくなることから対物レンズのアパーチャが満たされなくなり、これは、焦点位置でのターゲッットに導かれ得るパワーの量を深刻に低減する。

ターゲットに供給されるパワーの量又は形成される焦点の強度に影響を与えることなく、電磁放射の波長を変化させ得るシステムを設計することが望ましいであろう。

図50は、図17に示したシステムの一つの実施形態を示す。ここで、第1光学要素110は正の焦点屈折力を有するレンズ112及び補償板111によって形成される。第2光学要素150は、正の焦点屈折力を有するレンズ152及び第2補償板151によって形成される。補償板111は、負の焦点距離の従来レンズの平面上に密接に取り付けられた(例えば接着された)正の焦点距離の回折光学要素115を備える。補償板151は、正の焦点距離の従来レンズ156の平面上に密接に取り付けられた(例えば接着された)負の焦点距離の回折光学要素155を備える。したがって、補償板111とレンズ112とを組み合わせた効果はdF/dλを負にすることであり、補償板151とレンズ152とを組み合わせた効果はdF/dλを正にすることである。

レンズ112及び152は、光の全ての波長に対しておおよそ同一の効果を有する。したがって、実質的に、全ての色収差補正は補償板111及び151によって達成される。図51a〜図51cは、レーザ波長を変化させたときの補償板111及び151の色収差補正に及ぼす効果を示す。

図51aに示すように、設計中心波長においては補償板111及び151は何ら全体的なレンズ作用をもたらさない。これは、この波長においては回折光学要素115、155の焦点距離が取り付けられたレンズ116、156の焦点距離に厳密に等しく方向が逆だからである。したがって、設計波長では光は補償板を平面ガラス板のように通過する。

レーザ光の波長が設計波長よりも大きくなると、回折光学要素115、155は、図51bに示すようなレンズ作用を発生させるようにより強くなる(回折角度は波長に比例する)。

設計波長未満の波長では、回折光学要素は弱くなり図51cに示すようなレンズ作用を発生させる。図51a〜図51cから、回折光学要素115、155の変化するレンズ作用のために出力レーザビームの直径がレーザの中心波長によって影響されることが明らかである。

図50に示した構成の一つの利点は、補償板111、151の位置を色収差補正の程度を変えるために変更できることである。これは設計波長においてのみ当てはまることであり、その理由は、回折光学要素を設計波長のもとで共に近づけ又は遠ざけて移動させても何らレンズ作用が持ち込まれないからである(回折光学要素は設計波長に在る図51aの場合のように平面ガラス板のように作用する)。したがって、設計波長においては、補償板111、151の軸上の位置を単に移動させるだけで色収差補正Cの程度を変更できる。それゆえ補償係数Cを変更する場合にいかなるレンズも取り替える必要がない。図52にはCの値が1未満の場合が示される。図50にはC=2の値の場合が示されている。したがって、補償板111、151を図50に示した位置から図52に示した位置までゆっくり移動させると、色収差補正の程度が、(図23に示した補正を行う)C=2の補正から(図22に示した補正を行う)C=1又はそれ未満の補正までゆっくりと変化する。

図51a〜図51cに関連して上記に説明したように、補償板111、151は、設計波長においてのみ色収差補正Cを独立的に調整するために移動できる。他の波長においては、補償板はある大きさのレンズ効果を持ち込み、したがってこれら補償板を移動させることは出力ビーム直径を変化させる。図53はシステムを動作させることが望ましい代表的な波長範囲を示す。この図は、三つの可能なレーザスペクトル、すなわち、850nmを中心として10nmの幅を有する第1スペクトル81、約980nmを中心として10nmの幅を有する第2スペクトル82、及び約720nmを中心として10nmの幅を同様に有する第3スペクトル83を示す。10nmのスペクトル幅を有するこれらのレーザパルスストリームは、時間領域で100fsの持続時間を有するパルスに典型的なものである。

したがって、課題は、単一レーザパルスストリームのスペクトル幅による色収差を補正するために十分な差分倍率(differential magnification)を提供するが、レーザパルスストリームの中心波長がいかなるものであれ一定の出力ビームサイズを発生させるシステムをどのように設計するかである。

図54は課題を図的に示したものである。850nmの設計波長では対物レンズ90はおおよそ完全に満たされる。これはスポット22が最小サイズのものである(又は、言い換えると、スポットは最大限に集束されている)ことを意味する。より長い波長(例えば1000nm)では、色収差補正のメカニズムによってレーザビームはより大きく偏向され、補償板151を離れるいくらかの光は後続の光学系で捕捉されない。光が失われるために焦点位置22に供給されるパワーは減少する。図54に示されるように例えば700nmのより短い波長では、レーザビームはより小さな角度を通じて偏向され、焦点位置22は対物レンズ90の位置でのより小さな直径のビームから形成される。対物レンズがビームで十分に満たされていないために、回折が不十分な焦点22の直径は、この波長で形成可能な最小の直径に比べて大きくなり、したがってスポットの強度はとり得る強度よりも少なくなろう。

神経科学用途にとって2光子顕微鏡の一つの重要な使用目的は、特定のニューロンを選択的に励起するために神経伝達物質化学薬品をアンケイジング(uncaging)するためである。一般に、これは焦点位置において2光子イメージングよりもはるかに高い光強度を必要とする。2光子アンケイジングに効果的な大部分の分子は、チタンサファイアの動作範囲(約600〜750nm)の短波長端の近くで感度が良いことが見出されている。したがって、短波長において対物レンズのアパーチャを満たせることが極めて望ましい。

もしも、補償板が1000nmでアパーチャを満たすように設計されている場合(この波長で光が全く損失しないように、図54を参照されたい)は、700nmでのビームの直径は、1000nmでのビームの直径のたかだか約70%になる。これは1.4倍の直径の焦点を形成し、適切に満たされた対物レンズで生成される焦点の2倍の面積を有する焦点に相当する。したがって、焦点位置での光は、アパーチャが満たされた状況に比較して1/2の強度及び1/4の2光子励起率を有することになる。したがって、波長範囲の最も短い端でアパーチャを満たし同時に波長範囲の上端でいかなる光も損失しないことが望ましい。これが達成されるとともに色収差補償の程度が少なくともC=1〜2の範囲にわたって調整でき、使用中に任意のレンズの取り外し又は取り替えを必要としないシステムを設計することが好ましい。レンズは正確な配置を行うためにシステム内で単純に移動されることが好ましい。

これを達成するための一つの解決策が図55に示される。このシステムで、図54のレンズ112は一対のズームレンズ113、114に取り替えられる。同様に、図54のレンズ152は一対のズームレンズ153、154に取り替えられる。したがって、図55のシステムは、第1の一対の正の焦点距離ズームレンズ113、114、一対の補償板111、151及び第2の一対の正の焦点距離ズームレンズ153、154を含む。ズームレンズ113、114、153、154の位置はそれらの実効的焦点距離を変えるために調節可能である。さらに、補償係数Cを変化させ又デバイスで使用される光の異なる波長も考慮するために、二つの補償板111、151間の離隔距離が調節可能である。図55は、レンズL及び回折光学要素Dを説明するために以降の説明で使用される記号を示す。

ここで、ズーム補正器を設計する方法を説明する。まず第1に、回折光学要素115、155のアパーチャ直径d3は、入力ビームの直径d1に対する比Rになるように選択できる。比R=0.5により700〜900nmの波長範囲をカバーするシステムが設計できることが見出された。より広い比例範囲をカバーするためにより小さな比を選択できる。

次いで、補償板111、151のs3の最大離隔距離は、回折光学要素(及び他のレンズ)の最小動作f値(レンズの直径に対する焦点距離の比)に直径d3を乗じた値よりも大きくなるように選択できる。

最大補償係数(C=2)のためには、レンズL3及びL4の焦点距離を補償板の最大離隔距離s3に等しくなるようにすることができる。上述のように、L3は負の焦点屈折力を有し、L4は正の焦点屈折力を有し、両方のL3及びL4の焦点距離はs3に等しい。

中間点波長における回折光学要素の焦点距離(F(D3)及びF(D4))は最大離隔距離s3に等しくなるように作ることができる。F(D3)は正、F(D4)は負になる。これは、中間点の波長において補正器がゼロのレンズ力を有することを保証する。

使用時には、ズームレンズ離隔距離s1及びs2は、各動作波長に対して平行な入力光がL3とL4の中点に集束されるように調整される。次いで、離隔距離s4及びs5が必要とされる一定の平行出力ビーム直径を与えるように調整される。問題とする波長での補正器板の屈折力を仮定し、補正直径平行外部ビームと中央焦点との間に変換することが必要とされるズームレンズの実効焦点距離を計算することによって、離隔距離s1及びs2を計算できる。

例えば、補正器板がゼロの屈折力を有する中間点波長において、R=0.5であるならこの場合は、入力及び出力ズームレンズ対の実効焦点距離は離隔距離s3に等しい。続いて、単純に中心点から補正器までの距離はs3/2でありR=0.5であるから、光円錐の直径は平行になる前に2倍にされる。このことが図56に示される。

ズームレンズの実効焦点距離は、補償板の外側の光円錐の要求外の発散又は集束を考慮することによって異なる動作波長に対しても計算できる。より短い動作波長(例えば700nm)では、ビームが短波長ではこうした大きな角度で回折しないのでs3はより長くされなければならない。同様に、長波長についてはビームが長波長でより回折されるので距離s3はより短くする必要がある。s3が選択されると、第1ズームレンズ対の焦点距離FT1及び第2ズームレンズ対の焦点距離FT2を計算できる。一般に、長いs3は長いFT2を必要とし、小さなs3はより短いFT2を必要とする。したがって、この条件を満たすズームレンズの位置は、ズームレンズに関する標準教科書の幾何光学の等式を使用して決定できる。

図57及び図58は、例として800nmの中心波長のもとで、選択された離隔距離s3が75mmの場合の実際の値を示す。中心波長ではFT1=FT2=s3であることが分かる。より長い波長については、全てのこれらの値が低下し、より短い波長については全てのこれらの値が増加している。

図58は、二つの125mm焦点距離レンズを使用した場合に、s1又はs5の変化に応じてs2又はs4の値並びにFT1及びFT2の値がどのように変化するかを示す。したがって、FT1及びFT2を設定でき、その後でs1、s2、s4及びs5を導くことができる。

図59は、900nmのより長い波長についてのレンズの位置を示す。図60は、700nmのより短い波長についてのレンズ位置を示す。図59及び図60を比較することにより、出力ビームの直径は、長波長又は短波長のいずれが使用されようとも概ね同一であることが確認される。さらに、補償板111、151の位置決めによって、両方の場合で同じ大きさの選択可能な色収差補正Cが達成される。

本発明のズーム補正器によって、レーザビームの中心波長が変化した場合でもシステム内のアパーチャ(例えば対物レンズアパーチャ)を完全に満たすことができることを理解される。一般に、補正器はシステム内の任意のアパーチャを満たすように修正できる。本明細書では、システムアパーチャとは、システム(又は関連するサブシステム)の入射面において、光学系内部の任意の中間アパーチャで遮断された任意の光線を除いて最終の像まで全システムを通過できる最大部直径光学ビームの直径であると定義される。したがって、本ズーム補正器の補正光学系は、ビームが問題とする波長範囲に入る概ね全ての波長に対して同一設計システムアパーチャを満たすことを保証できる。このことは対物レンズアパーチャを満たすビームを示すことによって図59及び図60に表されているが、任意のシステムアパーチャにも適用できる。

上記に説明した解決策に関して、値FT1及びFT2は使用される電磁放射の波長に伴って変化する。これは、図61に示すようにテレセントリックリレーズーム補正器の全長を変化させる。図61には最終のAOD回折格子の出力部から顕微鏡への入射面までの長さが示されている。図61から明らかなように、全長はFT1の2倍にFT2の2倍を加えたものに等しい。

したがって、このシステムを実施するためには、レーザ波長が変更される度に対物レンズをAODに対して移動させる必要がある。これは実行可能ではあるが、使用される光の波長が何であれ一定長さのものであるテレセントリックリレーを用意することが便利である。

一つの解決策は、全体の光路長を一定にするためにズーム補正器の前、又は好適には後ろで、標準の「光学的トロンボーン」構成の四つのミラーを使用することである。

他の可能性は、FT1とFT2との和が一定になるようにシステムを設計することである。これは、波長に応じてRを変化させることにより行うことができる。Rを変えるとC(補償係数)も変化させるので、Cを狙い通りに維持するようにこれをバランスさせるためにs3を変えることができる。Rとs3との積が一定であればCは一定になる。

本ズーム補正器の上記の説明は、本発明者らの特許請求の範囲を限定するものとして扱われるべきでないいくつかの特定の態様を有する。第1に、例は入力アパーチャ(図61)の直径が出力アパーチャの直径に等しいことを示している。これは、FT1及びFT2の焦点距離を調節により簡単に変化させることができる。第2に、各補償板111、151の副構成要素115、116、155及び166の焦点距離は、設計中央波長においてその大きさが互いに等しいものとして扱われた。しかし、本明細書でシステムは異なる焦点距離で設計でき、その要点は、好ましくはフィールド端部の収差が最小になるよう中間部でもゼロ収差点を備えた状態で倍率色収差が動作フィールド全体で低減されるように、結果としての全体システムが全体のテレセントリックリレー内で正及び負の色補正をバランスさせることである。

したがって、本発明は、異なる波長でもビーム光で満たされた対物レンズアパーチャ(full objective lens aperture)を達成するように色収差補正システムの全体的倍率を調整するために、ズームレンズシステムの使用を提案する。

Claims (20)

1. 電磁放射のビームを操作するためのシステムであって、
   第1音響光学偏向器と、
   前記第1音響光学偏向器の下流に直列に配置され、前記第1音響光学偏向器から実効的光学離隔距離だけ離隔された第2音響光学偏向器と、
   前記第1及び第2音響光学偏向器内に音響波を供給するためのドライバーであって、前記音響波は、前記第1及び第2音響光学偏向器の間の前記実効的光学離隔距離を考慮するために異なるランプ率でチャープされるドライバーと、
   を備えるシステム。
2. 第3音響光学偏向器と、
   前記第3音響光学偏向器の下流に配置され、前記第3音響光学偏向器から実効的光学離隔距離だけ離隔された第4音響光学偏向器と
   をさらに備え、
   前記ドライバーは音響波を前記第3及び第4音響光学偏向器内に供給するように構成され、前記音響波は前記第3及び前記第4音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離を考慮するために異なるランプ率でチャープされる請求項1に記載のシステム。
3. 前記ドライバーは、電磁放射のビームを空間内の定常点（焦点）に集束させる音響波を供給するように構成された請求項2に記載のシステム。
4. 前記ドライバーは、ランプ率a₁を有する音響波を前記第1音響光学偏向器に供給し、ランプ率a₂を有する音響波を前記第2音響光学偏向器に供給し、前記ランプ率は、
   

   

   によって関係付けられ、d_lは前記第1及び第2音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d₂'は前記第2音響光学偏向器から前記焦点までの前記実効的光学離隔距離であり、
   前記ドライバーは、ランプ率a₃を有する音響波を前記第3音響光学偏向器に供給し、ランプ率a₄を有する音響波を前記第4音響光学偏向器に供給し、前記ランプ率は、
   

   

   によって関係付けられ、d₃は前記第3及び第4音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d₄'は前記第4音響光学偏向器から前記焦点までの前記距離であり、請求項3に記載のシステム。
5. 前記音響光学偏向器は、前記レーザビームの光路内で、
   第1音響光学偏向器、
   第3音響光学偏向器、
   第2音響光学偏向器、
   第4音響光学偏向器、
   の順序で配置される、請求項2、3又は4に記載のシステム。
6. 前記ドライバーは、ターゲットをX及び/又はY方向に走査するように前記音響波の周波数を選択するように構成された請求項2ないし6のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記ドライバーは、前記第1音響光学偏向器のランプ率a₁を
   

   

   となるように調整し、前記第2音響光学偏向器のランプ率a₂を
   

   

   となるように調整することによってδθ/δtの角度走査速度を達成するように前記第1及び第2音響光学偏向器の周波数を選択するように構成され、式中、Vは前記第1及び第2音響光学偏向器内の音の速度であり、λは偏向されるべき前記レーザビームの前記波長であり、d₂'は前記第2音響光学偏向器から焦線/点までの前記距離であり、d₁は前記第1及び第2音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離である、請求項6に記載のシステム。
8. 前記ドライバーは、ターゲットを前記X及び/又はY方向に走査するように音響波を供給し、前記走査は、各ミニ走査の各アクティブ期間の間に非アクティブ期間を有する一連の前記ミニ走査から構成され、
   選択的に、前記非アクティブ期間は、焦点位置を移動させることなく前記音響光学偏向器に供給される前記周波数の絶対値を調節するためのものであり、
   選択的に、前記ドライバーは、2次元又は3次元でターゲット上の点を、各ミニ走査の各アクティブ期間の間に非アクティブ期間を有する一連のミニ走査をするように4つの音響波を供給し、
   選択的に、前記非アクティブ期間は、前記焦点位置を移動させることなく前記第1、第2、第3及び第4音響光学偏向器に供給される前記周波数の前記絶対値を調整するためのものであり、
   選択的に、前記第1及び第2音響光学偏向器に供給される前記周波数の絶対値は、
   

   

   に従って変化され、Δf₁は前記第1音響光学偏向器内の前記音響波の前記周波数の変化であり、Δf₂は前記第2音響光学偏向器内の前記音響波の前記周波数の変化であり、d₁は前記第1及び第2音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d₂'は前記第2音響光学偏向器から前記焦点までの前記距離であり、
   選択的に、前記第3及び第4音響光学偏向器に供給される前記周波数の前記絶対値は、
   

   

   に従って変化され、Δf₃は前記第3音響光学偏向器内の前記音響波の前記周波数の変化であり、Δf₄は前記第4音響光学偏向器内の前記音響波の前記周波数の変化であり、d₃は前記第3及び第4音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d₄'は前記第4音響光学偏向器から前記焦点までの前記距離である、請求項6又は7に記載のシステム。
9. 電磁放射を第1音響光学偏向器に通過させ、次に、当該第1音響光学偏向器の下流側の第2音響光学偏向器に通過させるステップを含み、
   前記第1及び第2音響光学偏向器は、第1及び第2音響波をそれぞれ含んでおり、
   前記第1及び第2音響波は、前記第1及び第2音響光学偏向器の間の実効的光学離隔距離を考慮するために、異なるランプ率でチャープされる、電磁放射のビームを操作する方法。
10. さらに、第3音響光学偏向器、及び当該第3音響光学偏向器の下流の第4音響光学偏向器に、前記電磁放射を通過せるステップを含み、
    前記第3及び第4音響光学偏向器は、第3及び第4音響波をそれぞれ含んでおり、
    前記第3及び第4音響波は、前記第3及び第4音響光学偏向器の間の実効的光学離隔距離を考慮するために、異なるランプ率でチャープされる、請求項9に記載の方法。
11. 前記電磁放射のビームは、空間定留点に焦点が合わせられている、請求項10に記載の方法。
12. 前記第1音響波はランプ率a₁を有し、前記第2音響波はランプ率a₂を有し、前記ランプ率は、
    

    

    によって関係付けられ、d_lは前記第1及び第2音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d ₂ 'は前記第2音響光学偏向器から焦点までの前記実効的光学離隔距離であり、
    前記ドライバーは、ランプ率a₃を有する音響波を前記第3音響光学偏向器に供給し、ランプ率a₄を有する音響波を前記第4音響光学偏向器に供給し、前記ランプ率は、
    

    

    によって関係付けられ、d₃は前記第3及び第4音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d₄'は前記第4音響光学偏向器から焦点までの前記実効的光学離隔距離である請求項10又は11に記載の方法。
13. 前記電磁放射のビームは、前記音響光学偏向器を、
    第1音響光学偏向器、
    第3音響光学偏向器、
    第2音響光学偏向器、
    第4音響光学偏向器
    の順序で通過する、請求項10ないし12のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記電磁放射のビームはターゲットをX及び/又はY方向に走査する請求項10ないし13のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記第1及び第2音響波は、前記電磁放射のビームがδθ/δtの角度走査速度を達成できるように構成され、前記第1音響波は、
    

    

    で与えられるランプ率a₁を有し、前記第2音響波は、
    

    

    で与えられるランプ率a₂を有し、但し、Vは第1及び第2音響光学偏向器中の音の速度であり、λは偏向されるべき前記レーザビームの前記波長であり、d₂'は前記第2音響光学偏向器から焦点までの前記距離であり、d₁は前記第1及び第2音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離である、請求項14に記載の方法。
16. 前記電磁放射のビームはターゲットをX及び/又はY方向に走査し、前記走査は、各ミニ走査の間に非アクティブ期間を有する一連のミニ走査から構成され、
    選択的に、前記非アクティブ期間は、前記焦点位置を移動させることなく前記音響光学偏向器に供給される周波数の絶対値を調節するためのものであり、
    選択的に、前記非アクティブ期間は周波数リセット時間及びAOD充填時間を含み、
    選択的に、前記第1及び第2音響波の周波数の前記絶対値は、
    

    

    に従って変化され、ここで、Δf₁は前記第1音響光学偏向器内の前記第1音響波の周波数変化であり、Δf₂は前記第2音響光学偏向器内の前記第2音響波の周波数の変化であり、d₁は前記第1及び第2音響光学偏向器間の前記実効的光学離隔距離であり、d₂'は前記第2音響光学偏向器から焦点までの前記距離である、請求項10ないし15のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記電磁放射のビームは、１つの点が2又は3方向に走査されるように四つの音響波を通過し、
    前記走査は、各ミニ走査の各アクティブ期間の間の非アクティブ期間を有する一連のミニ走査から構成された請求項10ないし16のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ビームの入力方向は、負のZ軸によって定義され、
    前記第2音響光学偏向器の前記結晶構造は、X軸の周りに2°以下だけ回転されている、請求項1ないし8のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記第2音響光学偏向器の前記結晶構造は、Y軸の周りに約3°だけ回転されている、請求項18に記載のシステム。
20. 前記第2音響光学偏向器は、伝播する音響波がその波動ベクトルとポインティングベクトルとの間に約20°の角度を有するように方位されている、請求項18又は19に記載のシステム。

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