JP6148177B2 - ラマンまたは他の分光法システムのためのライン光源 - Google Patents

Description

本願は、米国仮出願第６１／４４０，５６１号（２０１１年２月８日出願、名称「ＬＩＮＥ ＬＩＧＨＴ ＳＯＵＲＣＥ ＦＯＲ ＲＡＭＡＮ ＯＲ ＯＴＨＥＲ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＩＣ ＳＹＳＴＥＭ」、発明者：Ｂｒａｄｌｅｙ Ｂ．Ｒｏｓｓ，Ａｎｄｒｅｗ Ｐ．Ｂａｒｔｋｏ）の利益を主張する。該出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。

以下は、分光法技術、ラマン分光法技術、粒子検出またはサンプリング技術、光学的特性評価技術等に関する。

２００７年１月１８日公開の特許文献１は、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる。特許文献１は、生物学的および化学的検出のためのシステムおよび方法に関するものであり、出願人として、Ｂａｔｔｅｌｌｅ Ｍｅｍｏｒｉａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，Ｏｈｉｏ， ＵＳＡ）を指名する。

ラマン分光法は、微生物学的試験において、その使用が知られている。例証的実施例として、いくつかのそのような技法は、特許文献１に開示されており、ラマン分光法を採用する公知の微生物学的試験システムは、Ｂａｔｔｅｌｌｅ Ｍｅｍｏｒｉａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，Ｏｈｉｏ， ＵＳＡ）によって開発されたＲｅｓｏｕｒｃｅ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｂｉｏｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ（ＲＥＢＳ）である。

いくつかのタイプの顕微鏡検査では、ライン照明が、採用される。そのような照明は、有利には、ライン照明の「幅」または狭寸法によって制御される高分解能と、「長さ」またはラインの長寸法に沿った平行サンプリングとを提供する。いくつかの細胞検出またはサンプリング（例えば、計数）用途については、ライン照明の幅は、好ましくは、約１ミクロンであり、これは、医療、生物学的災害、または他の用途における、着目原核細胞（例証的実施例として、細菌）の典型的サイズに対応する。

顕微鏡視野を照明するための典型的光源は、アーク灯および半導体レーザを含む。そのような光源は、商業的に利用可能であるが、概して、円形照明を産生するように設計される。本来、高アスペクト比ビームを産生する端放射ダイオードレーザの場合、商業用製品は、典型的には、ビーム出力を円形にするための微小光学構成要素（例証的実施例として、微小円筒形レンズ）とともにパッケージ化される。円形ビームは、非球面レンズ、円筒形レンズ、または同等物を使用して、所望のアスペクト比のライン照明に変換される。

サンプリング用マイクロアレイの状況では、また、端放射ダイオードレーザの高アスペクト比ビームをフォーカスすることによって、ライン照明を産生することが提案されている。特許文献２を参照されたい。しかしながら、端放射レーザは、実際には、高度の非点収差を伴って、強く発散するビームを生成する。市販の端放射レーザパッケージでは、典型的には、出力ビームを円形にするために、微小レンズまたは他の近視野光学が提供される。さらに、ラマン分光法およびいくつかの他の分光法技法は、非常に単色性の光源を要求する。例えば、ラマンの場合、約０．１ナノメートル以下のスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）が、所望される。端放射レーザは、いくつかの市販の端放射レーザの場合、例えば、約３ナノメートルの大きなスペクトルＦＷＨＭを伴うビームを産生する。

国際公開第２００７／００９１１９号 国際公開第２００８／１１７５１８号

本明細書に開示されるある側面によると、装置は、顕微鏡視野に焦点を合わせられた顕微鏡対物レンズと、非点収差ビームを生成するレーザ、および、非点収差ビームを顕微鏡対物レンズ中に結合し、顕微鏡視野において、高アスペクト比照明を産生するように構成されている光学を含む光源と、高アスペクト比照明に応答して顕微鏡視野から発生する光に関するデータを生成するように構成されているデータ取得システムとを備える。いくつかの実施形態では、レーザは、端放射レーザであり、端放射レーザによって生成される非点収差ビームは、ｔａｎ（β）／ｔａｎ（α）が少なくとも４０の非点収差を有し、式中、βは、端放射レーザの放出平面を横断するビーム広がり角であり、αは、端放射レーザの放出平面内のビーム広がり角である。いくつかの実施形態では、光源の光学は、非点収差ビームの非点収差を補償するために配置されている非球面レンズを備える。いくつかの実施形態では、光源の光学は、レーザに対して、非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するために配置されている回折格子を備える。

本明細書に開示されるある側面によると、装置は、非点収差ビームを生成するレーザと、非点収差ビームを非点収差補正ビームに変換するように配置されている非球面レンズと、非点収差補正ビームを受光して、顕微鏡視野において、高アスペクト比照明を産生する、顕微鏡視野に焦点を合わされている顕微鏡対物レンズとを備える。いくつかの実施形態では、レーザは、端放射レーザである。端放射レーザを採用するいくつかの実施形態では、回折格子が、端放射レーザに対して、非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するために配置されている。

本明細書に開示されるある側面によると、直前の段落に記載される装置を採用するラマン分光法システムが、開示される。

本明細書に開示されるある側面によると、方法は、非点収差ビームを生成することと、非点収差ビームの非点収差を補正し、非点収差補正ビームを産生することと、顕微鏡対物レンズを使用して、非点収差補正ビームから、顕微鏡視野における高アスペクト比照明を産生することと、高アスペクト比照明に応答して顕微鏡視野から発生する光に関するデータを生成することとを含む。いくつかの実施形態では、生成することは、高アスペクト比照明のラマン散乱に関するデータを生成することを含む。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
顕微鏡視野に焦点を合わせられた顕微鏡対物レンズと、
非点収差ビームを生成するレーザと光学とを含む光源であって、前記光学は、前記非点収差ビームを前記顕微鏡対物レンズ中に結合することにより、前記顕微鏡視野において、高アスペクト比照明を産生するように構成されている、光源と、
前記高アスペクト比照明に応答して前記顕微鏡視野から発生する光に関するデータを生成するように構成されているデータ取得システムと
を含む、装置。
（項目２）
前記レーザは、端放射レーザを含む、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記レーザは、半導体系端放射ダイオードレーザを含む、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記半導体系端放射ダイオードレーザは、エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の積層を含む、項目３に記載の装置。
（項目５）
前記エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の積層は、二元、三元、または四元ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体活性層を含み、前記活性層は、Ｇａ、Ａｌ、およびＩｎから成る群から選択される少なくとも１つのＩＩＩ族種を含み、かつ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、およびＳｂから成る群から選択される少なくとも１つのＶ族種を含む、項目４に記載の装置。
（項目６）
前記データ取得システムは、前記データを生成するように構成されている分光計を含む、項目１−５のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目７）
前記分光計は、光学スペクトルを含む前記データを生成するように構成されている、項目６に記載の装置。
（項目８）前記分光計は、ラマンスペクトルを含む前記データを生成するように構成されている、項目６に記載の装置。
（項目９）
前記分光計は、（１）光分散要素と光検出器のアレイとの組み合わせ、（２）光分散要素と光検出器との組み合わせであって、前記光分散要素および前記光検出器のうちの一方が、他方に対して移動する、組み合わせ、（３）チェルニー−ターナモノクロメータ、および（４）フーリエ変換赤外線分光計（ＦＴＩＲ）から成る群から選択される、項目６−８のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１０）
サンプルステージをさらに含み、前記サンプルステージは、前記顕微鏡視野における前記高アスペクト比照明の長辺を横断する方向に、前記顕微鏡視野を横切って、表面を移動させるように構成されている、項目１−９のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１１）
前記サンプルステージは、ロールツーロール装置を含む、項目１０に記載の装置。
（項目１２）
前記データ取得システムは、（ｉ）反射光、（ｉｉ）透過光、（ｉｉｉ）前記高アスペクト比照明によって励起される蛍光発光、および（ｉｖ）前記顕微鏡視野において、ラマン散乱によって散乱された高アスペクト比照明のうちの少なくとも１つに関するデータを生成するように構成されている、項目１−１１のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１３）
前記レーザは、端放射レーザであり、前記端放射レーザによって生成される前記非点収差ビームは、ｔａｎ（β）／ｔａｎ（α）が少なくとも４０の非点収差を有し、式中、βは、前記端放射レーザの放出平面を横断する、ビーム広がり角であって、αは、前記端放射レーザの放出平面内のビーム広がり角である、項目１−１２のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１４）
前記レーザによって生成される前記非点収差ビームは、ｔａｎ（β）／ｔａｎ（α）が少なくとも４０の非点収差を有し、式中、βは、前記非点収差ビームの最大ビーム広がり角であり、αは、前記非点収差ビームの最小ビーム広がり角である、項目１−１２のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１５）
前記顕微鏡視野における前記高アスペクト比照明は、少なくとも４０：１のアスペクト比を有する、項目１−１４のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１６）
前記顕微鏡視野における前記高アスペクト比照明は、５ミクロン未満の短寸法と、少なくとも３０ミクロンの長寸法とを有する、項目１−１５のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目１７）
前記高アスペクト比照明は、１〜３ミクロン（１ミクロンおよび３ミクロンを含む）の短寸法を有する、項目１６に記載の装置。
（項目１８）
前記高アスペクト比照明は、約１ミクロンの短寸法を有する、項目１６に記載の装置。
（項目１９）
前記光源の光学は、前記非点収差ビームの非点収差を補償するために配置されている非球面レンズを含む、項目１−１８のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目２０）
前記非球面レンズは、前記非点収差ビームを平行ビームに変換し、前記顕微鏡対物レンズは、前記平行ビームを前記顕微鏡視野において結像することにより、前記顕微鏡視野において、前記高アスペクト比照明を産生する、項目１９に記載の装置。
（項目２１）
前記非点収差ビームは、ｔａｎ（β）／ｔａｎ（α）の非点収差を有し、式中、βは、前記非点収差ビームの最大広がり角であり、αは、前記非点収差ビームの最小広がり角であり、前記顕微鏡視野における前記高アスペクト比照明は、ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）のアスペクト比を有する、項目１−２０のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目２２）
ｔａｎ（β）／ｔａｎ（α）は、３０以上である、項目２１に記載の装置。
（項目２３）
前記光源の光学は、前記レーザに対して、前記非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するために配置されている回折格子を含む、項目１−２２のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目２４）
前記レーザは、前記回折格子を伴わずに、少なくとも１ナノメートルのスペクトルＦＷＨＭを有するビームを産生するように動作可能である端放射レーザであり、前記非点収差ビームの前記スペクトルＦＷＨＭは、０．１ナノメートル未満である、項目２３に記載の装置。
（項目２５）
前記回折格子は、少なくとも１０倍、前記非点収差ビームのスペクトルＦＷＨＭを減少させる、項目２３−２４のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目２６）
前記回折格子は、体積位相格子を含む、項目２３−２５のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目２７）
前記回折格子は、体積位相ホログラフィ回折格子を含む、項目２３−２５のうちのいずれか一項に記載の装置。
（項目２８）
非点収差ビームを生成するレーザと、
前記非点収差ビームを非点収差補正ビームに変換するように配置されている非球面レンズと、
顕微鏡視野に焦点を合わせられた顕微鏡対物レンズであって、前記顕微鏡対物レンズは、前記非点収差補正ビームを受光して、前記顕微鏡視野において、高アスペクト比照明を産生する、顕微鏡対物レンズと
を含む、装置。
（項目２９）
前記レーザは、端放射レーザである、項目２８に記載の装置。
（項目３０）
回折格子をさらに含み、前記回折格子は、前記端放射レーザに対して、前記非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するために配置されている、項目２９に記載の装置。
（項目３１）
前記回折格子は、少なくとも１０倍、前記非点収差ビームのスペクトルＦＷＨＭを減少させる体積位相格子を含む、項目３０に記載の装置。
（項目３２）
項目２８−３１のいずれか一項に記載の装置を採用しているラマン分光法システム。
（項目３３）
非点収差ビームを生成することと、
前記非点収差ビームの非点収差を補正し、非点収差補正ビームを産生することと、
顕微鏡対物レンズを使用して、前記非点収差補正ビームから、顕微鏡視野において、高アスペクト比照明を産生することと、
前記高アスペクト比照明に応答して前記顕微鏡視野から発生する光に関するデータを生成することと
を含む、方法。
（項目３４）
前記生成することは、前記高アスペクト比照明のラマン散乱に関するデータを生成することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目３５）
前記生成することは、ラマンスペクトルを生成することを含む、項目３３−３４のいずれか一項に記載の方法。
（項目３６）
端放射レーザを使用して、前記非点収差ビームを生成することをさらに含む、項目３３−３５のいずれか一項に記載の方法。
（項目３７）
回折格子を使用して、フィードバックを提供することにより、前記非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させることをさらに含む、項目３６に記載の方法。

本発明は、種々の構成要素および構成要素の配置ならびに種々のプロセス動作およびプロセス動作の配置の形態をとり得る。図面は、好ましい実施形態を図示する目的のためにすぎず、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
図１は、ラマン分光法システムを図式的に示す。 図２は、図１のラマン分光法システムの光源の斜視図を図式的に示す。

図１および２を参照すると、例証的ラマン分光法システムは、顕微鏡視野１２に焦点を合わされた顕微鏡対物レンズ１０と、非点収差ビーム２４を生成するレーザ２２を含む光源２０と、非点収差ビーム２４を顕微鏡対物レンズ１０中に結合し、顕微鏡視野１２において、高アスペクト比照明２６を産生するように構成されている光学とを含む。図１では、顕微鏡視野１２は、主要図では、「端面」で示されるが、破線矢印によって示される差し込み図は、高アスペクト比照明２６の概略描写を含む顕微鏡視野１２の平面図を示す。例証的光源２０の光学は、非点収差ビーム２４の非点収差を補償し、非点収差補正ビーム３２を形成するように配置されている非球面レンズ３０を含む。例証的光学はまた、レーザ２２に対して、非点収差ビーム２４のスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するために配置されている回折格子３４を含む。非点収差ビーム２４のスペクトルＦＷＨＭを減少させることはまた、本質的に、非点収差補正ビーム３２および高アスペクト比照明２６のスペクトルＦＷＨＭも減少させることを理解されるであろう。

図１の例証的実施例では、追加の鏡４０、４２、４４（随意に、二色鏡または部分的反射鏡であり得る）が、非点収差補正ビーム３２を顕微鏡対物レンズ１０中に方向付けるために含まれる。これらの鏡４０、４２は、随意であり、省略され得、あるいは他の光学、例えば、他のまたは追加の鏡、ビーム操向レンズまたは格子等によって、置換もしくは補完され得ることを理解されるであろう。例証的鏡４２は、部分的反射鏡であり、鏡４２は、高アスペクト比照明２６に応答して顕微鏡視野１２から発生する光が、顕微鏡対物レンズ１０を使用して捕捉され、データ取得システム５０に方向付けることを可能にする。代替として、別個の照明および取得（または、収集）顕微鏡対物レンズが、採用され得る。追加の光学構成要素（偏光子、ビーム幅修正レンズセット、中性密度フィルタ、監視目的のためにビームの一部を強度計に方向転換するためのダイバータ等）が、光源の光学内に含まれ得る。図２は、顕微鏡対物レンズ１０と結合された光源２０の簡略化バージョンを示し、鏡４０、４２、４４は、省略されている。

データ取得システム５０は、高アスペクト比照明２６に応答して顕微鏡視野１２から発生する光に関するデータを生成するように構成される。図１の例証的実施例は、顕微鏡視野１２上に分散された粒子５２を検出するように設計されたラマン分光法システムである。例証的ラマンデータ取得システム５０は、随意の光学５２（例えば、ラマン散乱に無関係の波長成分を除去するためのフィルタリング）と、それに続く、光分散要素５６および光学検出器５８（いくつかの実施形態では、光検出器５８のアレイであり得る）を含む分光計５４とを含む。いくつかの実施形態では、光分散要素は、分散光の異なる部分（すなわち、波長または波長ビン）を検出するように配置される光検出器要素を伴う光検出器のアレイと結合される。他の実施形態では、例えば、異なる波長が、光出力スリットを通過し、光検出器によって検出されるように回折格子が傾斜されるチェルニー−ターナモノクロメータにおけるように、光分散要素は、固定光検出器に対して回転または移動する。代替として、光分散要素は固定され、光検出器が移動し得る。フーリエ変換赤外線分光計（ＦＴＩＲ）として具現化されるように、他の実施形態もまた、分光計５４に対して想定される。

分光計５４（あるいは、より具体的には、光検出器または光検出器アレイ５８）の出力は、好適には、好適なデータ分析アルゴリズム６２を実行するデジタルプロセッサ（例えば、コンピュータ、ネットワークサーバ、グラフィカル処理ユニットまたはＧＰＵ、専用デジタル処理デバイス等）として具現化されるシステム制御ユニット６０に入力される電気信号である。例証的ラマン分光法実施例では、システム制御ユニット６０は、ラマン散乱データを分光計５４の出力から生成し、いくつかの実施形態では、システム制御ユニット６０は、ラマンスペクトルを表示あるいは印刷するためのディスプレイおよび／または印刷デバイス（図示せず）を含む。

図１のラマン分光法システムは、光源２０の例証的分光法用途である。反射光分光法システム（例えば、顕微鏡視野における、材料の反射スペクトルを測定するため）、（ｉｉ）透過光分光法システム（例えば、顕微鏡視野において、材料を通る透過性を測定するため）、高アスペクト比照明によって励起される蛍光発光を測定するように構成される蛍光発光分光法システム、および、顕微鏡視野においてラマン散乱によって散乱された高アスペクト比照明を測定する例証的ラマン分光法システム等、他の分光法システムもまた、光源２０を採用することができる。参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる、２００７年１月１８日公開の特許文献１は、追加のラマン分光法実施形態および側面、ならびに異なるタイプの分光法システムの種々の組み合わせを含む他のタイプの分光法システムの実施形態を開示する。

図１の例証的ラマン分光法システムは、好適には、生物学的および化学的検出のために使用される。例証的実施例では、ロールツーロール装置７０として具現化され、サンプルステージは、源ロール７２と、顕微鏡視野１２を横切って表面７６を移動させる巻き取りロール７４とを含む。表面７６上に配置される粒子７８は、高アスペクト比照明２６に応答して粒子７８によって生成される特性ラマン散乱信号に基づいて検出される。他の実施形態では、粒子は、蛍光発光分光法システムによって検出される特性蛍光発光信号を放出し得る。この点において、本明細書で使用される場合、用語「分光法システム」は、連続的スペクトル範囲にわたるスペクトル集合を要求せず、むしろ、例証的実施例として、分光法システムは、粒子７８の特性である、１つ以上のラマン散乱波長（または、蛍光発光分光法実施形態では、蛍光発光波長）を監視し得ることに留意されたい。粒子７８のタイプおよび性質は、用途特定的である。いくつかの医療用途について、粒子７８は、細菌細胞または他の原核細胞であり得る。希少細胞検出用途では、粒子７８は、あるタイプの癌を示すあるタイプの上皮細胞であり得る。さらに別の実施例として、粒子７８は、検出されるべきある危険材料または化学物質の粒子であり得る。

粒子検出について、顕微鏡視野１２において、移動するサンプル表面と高アスペクト比照明２６とが、図１に示されるように、相対的に配向されることが有利である。すなわち、サンプル表面７６は、顕微鏡視野１２において、高アスペクト比照明２６の長辺を横断する方向に、顕微鏡視野１２を横切って移動する。この相対的配向では、サンプリング分解能の観点から、顕微鏡視野１２における高アスペクト比照明２６の短辺が、検出されるべき粒子７８の平均サイズに相当することは、さらに有利である。細菌または他の原核細胞の場合、この寸法は、約１ミクロンであり、したがって、顕微鏡視野１２における高アスペクト比照明２６の短辺が、いくつかの実施形態では、１〜３ミクロン（それらを含む）の寸法を有することが有利である。顕微鏡視野１２における高アスペクト比照明２６の長辺の寸法は、サンプリング速度に影響を及ぼす（辺が長いほど、表面７６の単位時間移動あたり、より多くの面積をサンプリングする）。しかしながら、長辺は、統計的に、粒子７８のうちの２つ以上を同時にサンプリングする可能性が高くなるほど、長くあるべきではない。いくつかの実施形態では、長辺は、少なくとも３０ミクロンの寸法を有する。いくつかの実施形態では、長辺は、少なくとも４０ミクロンの寸法を有する。いくつかの実施形態では、長辺は、少なくとも５０ミクロンの寸法を有する。これらは、単に、例証的実施例であり、顕微鏡視野１２における高アスペクト比照明２６の寸法は、好適には、検出されるべき粒子の平均サイズおよびサンプル表面上のそのような粒子の密度等の要因を考慮して、用途特異性に基づいて決定される。

参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる、２００７年１月１８日公開の特許文献１は、ラマン分光法、蛍光発光等を採用する生物学的および化学的検出の追加の実施形態および側面を開示する。さらに、粒子検出は、単に、例証的用途であることを理解されたい。より一般的には、光源２０は、分光法の他の用途で採用され得る。

特に、図２を参照すると、光源２０のさらなる側面が、説明される。非点収差ビーム２４を生成する、レーザ２２は、例証的実施例では、半導体系端放射ダイオードレーザ等の端放射レーザである。半導体系端放射レーザは、半導体層８０の積層を含み、そのうちの１つ以上は、放射の誘導放出による光増幅（すなわち、レージングまたはレーザ作用）が生じる活性層を規定する。例証的実施例として、半導体層８０の積層は、エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の積層であり得る。エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のそのような積層は、Ｇａ、Ａｌ、およびＩｎから成る群から選択される少なくとも１つのＩＩＩ族種を含み、かつ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、およびＳｂから成る群から選択される少なくとも１つのＶ族種を含む、二元、三元、または四元ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体活性層を含み得る。

レーザ空洞を形成するために、少なくとも、活性層を含み、可能性として、追加の光学クラッディング層を含む共鳴空洞が、半導体層８０の積層の光学的反射層によって、および／または半導体層８０の積層の層と平行する金属コーティングまたは層あるいは他の非半導体反射層によって、規定される。その結果、端放射レーザ２２の共鳴空洞は、高アスペクト比を有する。すなわち、本質的に、放出「平面」となる。

図２に標識されるように、非点収差ビーム２４は、端放射レーザ２２の放出平面を横断する、最大ビーム広がり角βを有し、端放射レーザの放出平面内の最小ビーム広がり角αを有する。（より一般的には、非点収差ビーム２４は、本質的に、ビームの周囲の角度に伴って変動する、広がり角を有し、故に、本質的に、最大ビーム広がり角βおよび最小ビーム広がり角αを有する。式中、β＞α）。非点収差ビーム２４は、高アスペクト比ｙ：ｘ（式中、ｙ＝ｄ×ｔａｎ（β）およびｘ＝ｄ×ｔａｎ（α））を伴う、遠視野内の断面を有する（図２では、距離ｄによって示される）。（この遠視野推定は、端放射レーザ２２の実際の放出平面の小さいが有限の寸法を無視する）。したがって、非点収差ビーム２４は、ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）のアスペクト比を伴う遠視野内の断面を有する。このアスペクト比は、遠視野内までの距離ｄと無関係であることに留意されたい。

引き続き図２を参照すると、非球面レンズ３０は、非点収差ビーム２４の非点収差を補償し、非点収差補正ビーム３２を形成するように配置される。遠視野内の非点収差ビーム２４の断面のアスペクト比ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）は、遠視野内までの距離ｄと無関係であることに留意されたい。故に、非球面レンズ３０は、端放射レーザ２２から、遠視野内の任意の距離に設置することができる。例証的実施例として、非球面レンズ３０は、図２では、距離ｄに位置する。さらに、非球面レンズ３０は、「遠視野内」に位置する必要はないことに留意されたい。レーザ２２に対して、より近い非球面レンズ３０の設置は、単に、端放射レーザ２２の有限放出「平面」の影響により、若干、断面アスペクト比を歪曲させるにすぎない。

非球面レンズ３０は、図２に示されるように、直交方向、すなわち、「ｘ」および「ｙ」方向に、異なる焦点を有する。非球面レンズ３０の焦点は、非点収差ビーム２２の非点収差に対して、非点収差ビーム２４の非点収差を補償し、非点収差補正ビーム３２を形成するように、選択および整合される。したがって、「ｙ」方向に対する非球面レンズ３０の焦点距離は、最大ビーム発散βを有する光を平行化するように選択されるべきであり、「ｘ」方向に対する非球面レンズ３０の焦点距離は、最小ビーム発散αを有する光を平行化するように選択されるべきである。いくつかの実施形態では、最小ビーム発散αは、無視できるほど十分に小さい。そのような実施形態では、「ｘ」方向に対する非球面レンズ３０の焦点距離は、好適には、無限であるように選択され、非球面レンズ３０は、好適には、「ｘ」方向に沿って曲率を有しない円筒形レンズとして具現化される。

非点収差補正ビーム３２は、平行にされ、大アスペクト比のｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）を有する。この非点収差補正ビーム３２は、顕微鏡対物レンズ１０によって結像され、顕微鏡視野１２において、同様に、大アスペクト比のｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）を有する高アスペクト比照明２６を形成する。

いくつかの実施形態では、顕微鏡視野１２における高アスペクト比照明２６は、細菌または他の原核細胞の検出のために好適であるように、約１ミクロンの短寸法を有するように選択される。有利には、レーザ２２によって放出されるビームは、典型的には、この桁のサイズである。故に、非球面レンズ３０および顕微鏡対物レンズ１０を含む、全体的光学システムの倍率は、約１である。高拡大または高縮小が関与しないので、レンズ収差または他の光学システムの不完全による、誤差または歪みは、有利には、低減される。

図２の光源２０では、端放射レーザ２２は、従来、商業用端放射レーザパッケージ内に含まれるような非点収差ビームを円形にするためのマイクロレンズまたは他の近視野光学を含まない。むしろ、図２の光源２０は、非点収差ビーム２４が、高度の非点収差（例えば、いくつかの想定される実施形態では、５０以上のｔａｎ（β）：ｔａｎ（α））を伴って出力されるように、そのような円形にする光学を伴わずに、レーザ２２を採用する。ビームを円形にする試みの代わりに、光源２０は、高非点収差と大量の発散（少なくとも、「ｙ」方向に）の組み合わせを利用して、（ｉ）比較的に大きく（精密なサイズは、図２における距離ｄによって決定される）、かつ（ｉｉ）大アスペクト比を有する断面を伴うビームを自動的に生成する。非球面レンズ３０は、次いで、非点収差を補償するが、高アスペクト比を補償しないように動作し、非点収差を有しないが、非点収差に相当する大アスペクト比（アスペクト比は、約ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）である）を有する非点収差補正ビーム３２を提供する。非点収差は、近視野内では補正されないため、非球面レンズ３０は、微小光学構成要素ではなく、その結果、その製造は、簡略化される。

引き続き図２を参照すると、いくつかの分光法用途は、光源のスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）が小さいことを要求する。例えば、ラマン分光法では、光源のスペクトルＦＷＨＭは、好ましくは、０．１ナノメートル未満であり、いくつかの実施形態では、好ましくは、約０．０５ナノメートル以下である。しかしながら、半導体レーザは、実質的に、これより大きいスペクトルＦＷＨＭを伴うビームを生成する傾向がある。例えば、半導体系端放射ダイオードレーザの典型的スペクトルＦＷＨＭは、約３ナノメートルである。いくつかの実施形態では、光源の光学は、厳しい分光法要件を満たす、狭スペクトル通過帯域を有するレーザラインフィルタを含む。しかしながら、本アプローチは、非点収差ビームのスペクトルの大部分を取り除く（故に、強度の大部分を取り除く）。

図示される実施形態では、スペクトルＦＷＨＭ狭小化は、レーザ２２に対して、非点収差ビーム２４のスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するために配置される回折格子３４を使用することによって達成される。前述のように、これは、本質的に、非点収差補正ビーム３２および高アスペクト比照明２６のスペクトルＦＷＨＭも減少させる。実際、回折格子３４は、図２に標識されるような長さＤ_{ｃａｖｉｔｙ}の拡張共鳴空洞を作成する。非点収差ビーム２４の共鳴条件は、レーザ２２の空洞の内部共鳴内の共鳴を含み、レーザ２２と回折格子３４との間の相対的分離によって規定される長さＤ_{ｃａｖｉｔｙ}の共鳴空洞に対する共鳴も含む。

実質的に、任意の回折格子を採用することができる。いくつかの実施形態では、回折格子３４は、（例証的実施例として）体積位相ホログラフィ回折格子等の体積位相格子として具現化される。例証的図２では、回折格子３４は、光学列内の非球面レンズ３０の後に位置するが、また、レーザと非球面レンズとの間に回折格子を設置することも想定される。さらに、回折格子３４を伴わずに動作するレーザ２２のスペクトルＦＷＨＭが、具体的分光法用途に適正である場合、回折格子３４は、随意に、完全に省略される。

本願は、１つ以上の好ましい実施形態を説明した。修正および改変は、先行する発明を実施するための形態の熟読および理解に応じて、当業者に想起され得る。本願は、添付の請求項またはその均等物の範囲内にある限り、全てのそのような修正および改変を含むものと解釈されるべきであることが意図される。

Claims (12)

1. 顕微鏡視野に焦点を合わせられた顕微鏡対物レンズと、
   非点収差ビームを生成するレーザと光学とを含む光源であって、前記非点収差ビームは、非点収差を有し、βは、前記非点収差ビームの最大ビーム広がり角であり、αは、前記非点収差ビームの最小ビーム広がり角であり、前記光学は、前記非点収差ビームを前記顕微鏡対物レンズ中に結合することにより、前記顕微鏡視野において、高アスペクト比照明を生成するように構成されており、前記光源の前記光学は、非球面レンズを含み、前記非球面レンズは、前記非点収差ビームを非点収差補正平行化ビームに変換するために、前記最大ビーム広がり角βを有する光を平行化するために有効である前記最大ビーム広がり角βの方向において有限の焦点距離を有し、かつ、前記最小ビーム広がり角αを有する光を平行化するために有効である前記最小ビーム広がり角αの方向において有限の焦点距離を有するように配置されており、前記顕微鏡対物レンズは、前記非点収差補正平行化ビームを前記顕微鏡視野において結像することにより、前記顕微鏡視野において、ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）のアスペクト比を有する高アスペクト比照明を生成する、光源と、
   前記高アスペクト比照明に応答して前記顕微鏡視野から発生する光に関するデータを生成するように構成されているデータ取得システムと
   を含む、装置。
2. 前記レーザは、半導体系端放射ダイオードレーザを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記半導体系端放射ダイオードレーザによって生成される前記非点収差ビームは、ｔａｎ（β）／ｔａｎ（α）が少なくとも４０の非点収差を有し、βは、前記半導体系端放射ダイオードレーザの放出平面を横断するビーム広がり角であり、αは、前記半導体系端放射ダイオードレーザの放出平面内のビーム広がり角である、請求項２に記載の装置。
4. 前記データ取得システムは、ラマンスペクトルを含む前記データを生成するように構成されている分光計を含む、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の装置。
5. ロールツーロール装置を含むサンプルステージをさらに含み、前記ロールツーロール装置は、前記顕微鏡視野における前記高アスペクト比照明の長辺を横断する方向に、前記顕微鏡視野を横切って、表面を移動させるように構成されている、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の装置。
6. 前記顕微鏡視野における前記高アスペクト比照明は、少なくとも４０：１のアスペクト比を有する、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記光源の前記光学は、回折格子を含み、前記回折格子は、前記レーザに対して、前記非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させるフィードバックを提供するように配置されている、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記回折格子は、少なくとも１０倍、前記非点収差ビームのスペクトルＦＷＨＭを減少させる、請求項７に記載の装置。
9. 前記回折格子は、体積位相格子を含む、請求項７〜８のうちのいずれか一項に記載の装置。
10. 非点収差ビームを生成することであって、前記非点収差ビームは、非点収差を有し、βは、前記非点収差ビームの最大ビーム広がり角であり、αは、前記非点収差ビームの最小ビーム広がり角である、ことと、
    非球面レンズを使用して、前記非点収差ビームを平行化非点収差補正ビームに変換することにより、ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）のアスペクト比を有する非点収差補正平行化ビームを生成することであって、前記非球面レンズは、前記最大ビーム広がり角βを有する光を平行化するために有効である最大ビーム広がりの方向における有限の焦点距離と、前記最小ビーム広がり角αを有する光を平行化するために有効である最小ビーム広がりの方向における有限の焦点距離とを有する、ことと、
    顕微鏡対物レンズを使用して、前記平行化非点収差補正ビームを顕微鏡視野において結像することにより、前記平行化非点収差補正ビームから、前記顕微鏡視野において、ｔａｎ（β）：ｔａｎ（α）のアスペクト比を有する高アスペクト比照明を生成することと、
    前記高アスペクト比照明に応答して前記顕微鏡視野から発生する光に関するデータを生成することと
    を含む、方法。
11. 前記生成することは、前記高アスペクト比照明のラマン散乱に関するデータを生成することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 端放射レーザを使用して、前記非点収差ビームを生成することと、
    回折格子を使用して、フィードバックを提供することにより、前記非点収差ビームのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）を減少させることと
    をさらに含む、請求項１０〜１１のうちのいずれか一項に記載の方法。

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