JP6313211B2 - 赤外撮像顕微鏡 - Google Patents

Description

米国政府は、米国国立科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）との契約番号ＮＳＦ ＳＢＩＲ Ｐｈａｓｅ Ｉ Ａｗａｒｄ Ｎｏ． １１−１０４６４５０に従って、本発明において特定の権利を有する。

本出願は、２０１１年１０月２５日出願の「ＩＮＦＲＡＲＥＤ ＩＭＡＧＩＮＧ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ ＵＳＩＮＧ ＴＵＮＡＢＬＥ ＬＡＳＥＲ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＩＣ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＡＭＰＬＥＳ」という名称の米国仮特許出第６１／５５１，１４７号に対する優先権を主張するものである。可能な限り、米国仮特許出願第６１／５５１，１４７号の内容を参照により本明細書に組み込む。

顕微鏡は、しばしば、裸眼では見ることができない試料の特定の詳細及び／又は特性を評価するために試料を解析するために使用される。試料の化学的特性に関するさらなる情報は、単色レーザ放射の異なる波長によって試料を照明して観察することによって得ることができる。このようにして解析することができる試料は、ヒト組織、爆発残渣、粉末、液体、固体、インク、及び他の材料を含む。ヒト組織試料は、癌性細胞及び／又は他の健康関連状態の存在に関して解析されることがある。他の材料は、爆発残渣及び／又は他の危険物質の存在に関して解析されることがある。

本発明は、試料の画像を生成するための撮像顕微鏡であって、ビーム源と、イメージ・センサと、像形成レンズ・アセンブリとを備える撮像顕微鏡を対象とする。ビーム源は、時間的にコヒーレントな照明ビームを放出し、照明ビームは、試料に向けられた複数の光線を含む。イメージ・センサは、光学像を電子信号のアレイ（すなわち一連の電子信号）に変換する。一実施例では、像形成レンズ・アセンブリは、試料を透過されたビーム源からの光線を受け取り、イメージ・センサ上に像を形成する。代替として、像形成レンズ・アセンブリは、試料から反射されたビーム源からの光線を受け取り、イメージ・センサ上に像を形成することができる。

特定の実施例では、撮像顕微鏡は、さらに、照明ビームを試料に向ける照明レンズ・アセンブリを備える。照明レンズ・アセンブリは、照明ビームが試料上の２次元照明領域を全て一度に照明するように照明ビームを調節する。さらに、そのような実施例では、イメージ・センサが、センサの２次元アレイを含む。

一実施例では、ビーム源は、中赤外（「ＭＩＲ」：ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ）ビーム源であり、照明ビームは、ＭＩＲ範囲内のビーム波長である。この実施例では、照明レンズ・アセンブリは、ＭＩＲ範囲内で屈折性である。

さらに、いくつかの実施例では、照明レンズ・アセンブリは、照明ビームを分割及び再結合することなく照明ビームを試料に向ける。

さらに、一実施例では、照明レンズ・アセンブリは、照明ビームを拡大する。さらに、照明レンズ・アセンブリは、試料上の照明領域が少なくとも約２５０ミクロン×２５０ミクロンとなるように照明ビームのサイズを調節することができる。

一実施例では、像形成レンズ・アセンブリは、像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた光線を指向する屈折レンズを含む。

さらに、いくつかの実施例では、像形成レンズ・アセンブリは、試料上の複数の点から光線を受け取り、受け取られた光線を分割及び再結合することなく、イメージ・センサ上に像を形成する。

本発明は、さらに、試料の画像を生成するための方法であって、ビーム源を用いて時間的にコヒーレントな照明ビームを放出するステップであって、照明ビームが複数の光線を含む、ステップと、複数の光線を試料に向けるステップと、イメージ・センサを用いて光学像を電子信号のアレイに変換するステップと、像形成レンズ・アセンブリを用いて、試料を透過されたビーム源からの光線を受け取るステップと、像形成レンズ・アセンブリによってビーム源から受け取られた、試料を透過された光線を用いて、イメージ・センサ上に像を形成するステップとを含む方法を対象とする。

追加及び／又は代替として、この方法は、さらに、像形成レンズ・アセンブリを用いて、試料から反射されたビーム源からの光線を受け取るステップと、像形成レンズ・アセンブリによってビーム源から受け取られた、試料から反射された光線を用いて、イメージ・センサ上に第２の像を形成するステップとを含むことができる。

本発明の新規の特徴及び本発明自体は、その構造とその動作の両方に関して、関連の説明と共に見た添付図面から最も良く明らかになろう。図面中、同様の参照符号は同様の部分を表す。

試料と、本発明の特徴を有する撮像顕微鏡の一実施例との簡略概略図である。 透過照明領域を含む、図１Ａに示される試料の簡略概略図である。 反射照明領域を含む、図１Ａに示される試料の簡略概略図である。 試料と、本発明の特徴を有する撮像顕微鏡の別の実施例との簡略概略図である。 試料と、本発明の特徴を有する撮像顕微鏡のさらなる別の実施例との簡略概略図である。 試料を解析するための本発明の特徴を有する撮像顕微鏡の使用を示す簡略流れ図である。

図１Ａは、試料１０と、本発明の特徴を有する撮像顕微鏡１２の第１の実施例との簡略概略図である。特に、撮像顕微鏡１２は、試料１０の様々な特性を解析及び評価するために使用することができる。例えば、一実施例では、撮像顕微鏡１２は、試料の特性を解析及び同定するために、可変波長レーザ放出を使用して１つ又は複数の試料１０を分光学的に調べる赤外撮像顕微鏡である。

概要として、撮像顕微鏡１２は、像照明のためのレーザ放射の使用により通常であれば生じ得る時間的及び／又は空間的コヒーレンスに起因して起こり得る複雑な問題をなくすように独特に設計される。さらに、本発明は、製造及び動作の複雑さ、サイズ及び時間要件の増加、電力消費の増加、高いコスト、及び非効率性といった生じ得る欠点を有さずにそのような利益を提供する。

試料１０は、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ：Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ）顕微鏡を使用して一般に解析されるヒト組織、動物組織、植物、爆発残渣、粉末、液体、固体、インク、及び他の材料を含めた、様々なものでよい。より特定的には、特定の非排他的な用途において、試料１０は、ヒト組織でよく、撮像顕微鏡１２は、癌性細胞及び／又は他の健康関連状態の存在に関して組織試料１０の高速スクリーニングを行うために利用することができ、及び／又は、撮像顕微鏡１２は、爆発残渣及び／又は他の危険な物質の存在に関する試料１０の高速スクリーニングなど特定の法医学的用途で利用することができる。さらに、試料１０は、解析の目的で実質的に撮像顕微鏡１２内部に位置決めされるとき、単独で存在することができ、或いは１つ又は複数のスライド、例えば赤外透過スライドを使用して定位置で保持することができる。

さらに、試料１０は、試料１０を通る照明ビーム、例えば赤外線照明ビームの透過による（すなわち透過モードでの）研究を可能にするのに十分に薄いことがあり、又は、試料１０は、試料による照明ビーム、例えば赤外線照明ビームの反射によって（すなわち反射モードで）解析される不透光性試料でもよい。例えば、図１Ａに示される実施例では、撮像顕微鏡１２は、透過モードと反射モードとの両方で代替的に利用することができる。

別の実施例では、撮像顕微鏡１２は、透過モードと反射モードとで同時に使用することができる。例えば、いくつかの試料１０は、特定の波長に対して透過性であり、他の波長に対しては反射性である。より具体的な非排他的な例として、透過モードでの使用のためには、可視スペクトルでの光を試料１０に向けることができ、反射モードでの使用のためには、ＭＩＲ光を試料１０に向けることができる。さらなる代替として、撮像顕微鏡１２は、透過モード又は反射モードの一方のみで動作するように設計することができる。

撮像顕微鏡１２の設計は変えることができる。図１Ａに示される実施例では、撮像顕微鏡１２は、剛性フレーム１３と、時間的にコヒーレントなビーム源１４と、試料１０を保定するステージ・アセンブリ１５と、像形成レンズ・アセンブリ１６（例えば１つ又は複数のレンズ）と、光学像を電子信号のアレイに変換するイメージ・センサ１８とを含む。これらの各構成要素の設計は、本明細書において提示される教示に従って変えることができる。

一実施例では、ビーム源１４は、（ｉ）時間的にコヒーレントな第１の照明ビーム２０を放出し、このビーム２０は、透過モードで試料１０を照明及び解析するために使用可能であり、及び／又は（ｉｉ）時間的にコヒーレントな第２の照明ビーム２２を放出し、このビーム２２は、反射モードで試料１０を照明及び解析するために使用可能である。第１の照明ビーム２０は、試料１０に向けられる複数の照明光線２０Ｉから構成され、第２の照明ビーム２２は、試料１０に向けられる複数の照明光線２２Ｉから構成される。各照明ビーム２０、２２は、同じビーム源１４から放出することができる。代替として、各照明ビーム２０、２２は、別々の異なるビーム源から放出することができる。用語「第１の照明ビーム」及び「第２の照明ビーム」の使用は、説明を容易にするためのものにすぎず、照明ビーム２０、２２のいずれかを「第１の照明ビーム」又は「第２の照明ビーム」と呼ぶことができることに留意すべきである。

特定の実施例では、ビーム源１４は、（ｉ）第１の照明ビーム２０、例えば第１のレーザビームを放出する第１のレーザ源１４Ａと、（ｉｉ）第２の照明ビーム２２、例えば第２のレーザビームを放出する第２のレーザ源１４Ｂとを含むことができる。代替として、例えば、ビーム源１４は、適切なビーム指向装置を有する単一のレーザ源を含むように設計することができる。

さらに、１つの非排他的な実施例では、ビーム源１４は、中赤外（「ＭＩＲ」）範囲スペクトル内にある照明ビーム２０、２２を提供するように設計される。より特定的には、いくつかのそのような実施例では、レーザ源１４Ａ、１４Ｂの一方又は両方が中赤外（ＭＩＲ）ビーム源でよく、このビーム源は、ＭＩＲ範囲内にあるビーム波長での第１の照明ビーム２０及び／又は第２の照明ビーム２２を放出する。例えば、レーザ源１４Ａ、１４Ｂの一方又は両方は、約２〜２０ミクロン（２〜２０μｍ）の間のスペクトル領域内での放射を発生することが可能な任意のタイプのレーザでよい。さらに、代替実施例では、レーザ源１４Ａ、１４Ｂは、パルスレーザ及び／又は連続波（ＣＷ）レーザでよい。

本明細書において提示されるように、レーザ源１４Ａ、１４Ｂの一方又は両方は、レーザ・フレーム１４Ｃと、利得媒体１４Ｄと、キャビティ光学アセンブリ１４Ｅと、出力光学アセンブリ１４Ｆと、波長依存（「ＷＤ」）フィードバック・アセンブリ１４Ｇとを含む外部キャビティ・レーザでよい。

レーザ・フレーム１４Ｃは、各レーザ源１４Ａ、１４Ｂの構成要素のための剛性支持体を提供する。一実施例では、各レーザ源１４Ａ、１４Ｂ用のレーザ・フレーム１４Ｃは、それぞれのレーザ源１４Ａ、１４Ｂのための構造完全性を提供する単一の機械的な接地板である。特定の実施例では、レーザ・フレーム１４Ｃは、比較的高い熱伝導率を有する剛性材料から形成される。

利得媒体１４Ｄの設計は、本明細書において提示される教示に従って変えることができる。１つの非排他的な実施例では、各レーザに関する利得媒体１４Ｄは、周波数変換なしで、それぞれのビーム２０、２２を直接放出する。非排他的な例として、利得媒体１４Ｄの一方又は両方は、量子カスケード（ＱＣ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ）利得媒体、インターバンド・カスケード（ＩＣ：Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ Ｃａｓｃａｄｅ）利得媒体、又は中赤外ダイオードでよい。代替として、別のタイプの利得媒体１４Ｄを利用することができる。

図１Ａで、各利得媒体１４Ｄは、（ｉ）それぞれのキャビティ光学アセンブリ１４Ｅ及びフィードバック・アセンブリ１４Ｇに面する第１の切子面（ファセット）と、（ｉｉ）出力光学アセンブリ１４Ｆに面する第２の切子面とを含む。この実施例では、各利得媒体１４Ｄは、両方の切子面から放出する。一実施例では、各第１の切子面は、反射防止（「ＡＲ」：ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングでコーティングされ、各第２の切子面は、反射コーティングでコーティングされる。ＡＲコーティングは、利得媒体１４Ｄから第１の切子面に向けられた光が、フィードバック・アセンブリ１４Ｇに向けられるビームとして容易に出ることができるようにし、また、フィードバック・アセンブリ１４Ｇから反射された光ビームが、利得媒体１４Ｄに容易に入ることができるようにされている。ビーム２０、２２は、それぞれの第２の切子面から出る。各利得媒体１４Ｄの第２の切子面上の部分反射コーティングは、各利得媒体１４Ｄの第２の切子面に向けられた光の少なくとも幾らかを反射して、それぞれの利得媒体１４Ｄに戻す。１つの非排他的な実施例では、ＡＲコーティングは、約２パーセント未満の反射率を有することができ、反射コーティングは、約２〜９５パーセントの間の反射率を有することができる。

一実施例では、各レーザ源１４Ａ、１４Ｂに関して、（ｉ）利得媒体１４Ｄの第２の切子面での反射コーティングが、外部キャビティの第１の端部（出力カプラ）として作用し、（利得媒体１４Ｄから離隔された）フィードバック・アセンブリ１４Ｇが、各外部キャビティの第２の端部を画定する。用語「外部キャビティ」は、ＷＤフィードバック・アセンブリ１４Ｇが利得媒体１４Ｄの外側に位置決めされることを表すために利用される。

キャビティ光学アセンブリ１４Ｅは、レージング軸に沿って利得媒体１４Ｄとフィードバック・アセンブリ１４Ｇとの間に位置決めされる。キャビティ光学アセンブリ１４Ｅは、これらの構成要素の間を通過するビームをコリメート及び合焦する。例えば、各キャビティ光学アセンブリ１４Ｅは、１つ又は複数のレンズを含むことができる。例えば、レンズは、それぞれのレージング軸に位置合わせされた光軸を有する非球面レンズでよい。

出力光学アセンブリ１４Ｆは、レージング軸に沿って利得媒体１４Ｄとビーム再指向装置アセンブリ２８との間に位置決めされて、利得媒体１４Ｄの第２の切子面から出るビーム２２をコリメート及び合焦する。例えば、各出力光学アセンブリ１４Ｆは、１つ又は複数のレンズを含むことができ、これらのレンズは、キャビティ光学アセンブリ１４Ｅのレンズと設計上、幾分同様のものである。

ＷＤフィードバック・アセンブリ１４Ｇは、ビームを反射して利得媒体１４Ｄに戻し、外部キャビティのレージング周波数及び光のパルスの波長を厳密に選択及び調節するために使用される。言い換えると、ＷＤフィードバック・アセンブリ１４Ｇは、比較的狭帯域の波長を利得媒体１４Ｄにフィードバックするために使用され、この波長は次いで、それぞれの利得媒体１４Ｄで増幅される。このようにすると、それぞれのビーム２０、２２は、それぞれの利得媒体１４Ｄを調節することなく、ＷＤフィードバック・アセンブリ１４Ｇを用いて整調させることができる。したがって、本明細書で開示する外部キャビティ構成により、ＷＤフィードバック・アセンブリ１４Ｇは、どの波長が最も大きな利得を受けるかを、すなわちビーム２０、２２の波長を支配することを決定付ける。

一実施例では、ＷＤフィードバック・アセンブリ１４Ｇは、回折格子１４Ｈと、格子移動装置１４１とを含み、格子移動装置１４１は、格子１４Ｈを選択的に移動（例えば回転）させて、利得媒体１４Ｄのレージング波長及びそれぞれのビーム２０、２２の波長を調節する。格子１４Ｈは、格子移動装置１４１の閉ループ制御を提供するエンコーダを用いて連続的に監視することができる。この設計により、それぞれのビーム２０、２２の波長を閉ループ様式で選択的に調節することができ、それにより、ＭＩＲスペクトルの全体又は一部にわたって、多くの異なる、厳密な、選択的に調節可能な波長で試料１０を像形成することができる。

ビーム源１４が第１の照明ビーム２０及び／又は第２の照明ビーム２２を放出した後、照明ビーム２０、２２は、照明ビーム２０、２２によって適切に且つ効果的に試料１０を照明することができるように試料１０に向けて指向される。例えば、撮像顕微鏡１２が透過モードで動作しているとき、第１の照明ビーム２０（複数の照明光線２０Ｉを含む）が、試料１０を適切に且つ効果的に照明するように試料１０に向けて指向される。この例では、試料１０を透過される光線を、透過光線２０Ｔと呼ぶ。別の例では、撮像顕微鏡１２が反射モードで動作しているとき、第２の照明ビーム２２（複数の照明光線２２Ｉを含む）が、試料１０を適切に且つ効果的に照明するように試料１０に向けて指向される。この例では、試料１０から反射される光線を、反射光線２２Ｒと呼ぶ。

図１Ａに示される実施例では、透過モードで動作するとき、ビーム源１４から出る第１の照明ビーム２０は、透過照明レンズ・アセンブリ２４によって試料１０に向けて指向されて、試料１０に衝突する。一実施例では、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、第１の照明ビーム２０を試料１０に向ける１つ又は複数の屈折レンズ２４Ａ（想像線で１つだけが示されている）を含むことができる。さらに、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、ＭＩＲ範囲内で屈折性であることがある。

特定の実施例では、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、第１の照明ビーム２０が少なくとも、２次元１０である試料１０上の（図１Ｂに示される）透過照明領域１０Ａを全て一度に照明するように第１の照明ビーム２０を調節する。言い換えると、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、第１の照明ビーム２０が少なくとも試料１０上の２次元透過照明領域１０Ａを同時に照明するように第１の照明ビーム２０を調節する。この設計により、試料１０全体又は試料１０のかなりの部分が、同時に照明され、同時に検査することができる。これは、試料１０の解析を速める。

特定の実施例では、透過照明レンズ・アセンブリ２４を使用して、第１の照明ビーム２０のサイズを変換、すなわち増加（拡大）又は減少して、試料１０上の所望の透過照明領域１０Ａに合致させ、その透過照明領域１０Ａを同時に照明することができる。言い換えると、透過照明レンズ・アセンブリ２４を使用して、第１の照明ビーム２０が試料１０上で適正な又は所望のサイズ及びビーム・プロファイルを有するように第１の照明ビーム２０を調整及び合焦することができる。特定の実施例では、試料１０の透過照明領域１０Ａのサイズは、イメージ・センサ１８及び像形成レンズ・アセンブリ１６の設計に対応するように調整される。

図１Ｂは、図１Ａに示される試料１０の簡略概略図であり、同時に照明される透過照明領域１０Ａ（想像線でのボックスで示される）を含む。特定の実施例では、２次元透過照明領域１０Ａは、長方形状である。より特定的には、いくつかのそのような実施例では、２次元透過照明領域１０Ａは、正方形状でよい。例えば、代替の非排他的な実施例では、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、試料１０上の同時に照明される透過照明領域１０Ａが少なくとも約（ｉ）２５０ミクロン（２５０μｍ）×２５０ミクロン（２５０μｍ）、（ｉｉ）５００ミクロン（５００μｍ）×５００ミクロン（５００μｍ）、（ｉｉｉ）７５０ミクロン（７５０μｍ）×７５０ミクロン（７５０μｍ）、（ｉｖ）１ミリメートル（１ｍｍ）×１ミリメートル（１ｍｍ）、（ｖ）１．５ミリメートル（１．５ｍｍ）×１．５ミリメートル（１．５ｍｍ）、（ｖｉ）２ミリメートル（２ｍｍ）×２ミリメートル（２ｍｍ）、又は（ｖｉｉ）３ミリメートル（３ｍｍ）×３ミリメートル（３ｍｍ）となるように第１の照明ビーム２０のサイズを調節することができる。さらなる代替として、透過照明領域１０Ａは、非正方形状を有することができる。非排他的な例として、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、試料１０上の透過照明領域１０Ａが少なくとも約２００ミクロン（２００μｍ）×３００ミクロン（３０μｍ）又は（ｉｉｉ）５０ミクロン（５０μｍ）×５００ミクロン（５００μｍ）となるように第１の照明ビーム２０のサイズを調節することができる。代替として、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、試料１０上の透過照明領域１０Ａが上に提示された例とは異なるサイズ又は形状を有するように第１の照明ビーム２０のサイズを調節することができる。例えば、代替の非排他的な実施例では、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、透過照明領域１０Ａが少なくとも約２０、３０、３０、５０、６０、７０、８０、９０、１００ミリメートルの正方形状となるように第１の照明ビーム２０のサイズを調節することができる。さらなる代替として、例えば、２次元透過照明領域１０Ａは、円形又は楕円形状でよい。

さらに、図１Ｂに示されるように、透過照明領域１０Ａは、現実には、実効照明領域（実質的に均一な強度を有する）であり、実効照明領域は、（図１Ａに示される）第１の照明ビーム２０によって同時に照明されるより大きな完全照明領域１０Ｂの内部に存在する。例示されるように、完全照明領域１０Ｂは実質的に円形状でよく、実質的に円形状の断面を有する第１の照明ビーム２０により生じることがある。代替として、第１の照明ビーム２０、したがって完全照明領域１０Ｂは、別の形状を有することができる。

さらに、図１Ａを再び参照すると、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、望みであれば、第１の照明ビーム２０の照明光線２０Ｉを複数の経路に分割することなく第１の照明ビーム２０のサイズ及びプロファイルを変換する。分割された光線は、再結合される場合に、試料１０で干渉を引き起こすことがある。言い換えると、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、第１の照明ビーム２０の照明光線２０Ｉを分割及び再結合することなく第１の照明ビーム２０を試料１０に向ける。

代替として、別の実施例では、第１の照明ビーム２０が、試料１０の所望の領域サイズの照明を可能にするのに十分な大きさを有する場合、撮像顕微鏡１２は、透過照明レンズ・アセンブリ２４なしで設計することができ、第１の照明ビーム２０を試料１０に直接照射することができる。

図１Ａに例示される実施例では、撮像顕微鏡１２は、反射モードで動作するときに第２の照明ビーム２２を試料１０に向けるための反射照明レンズ・アセンブリ２６を含むこともできる。一実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、１つ又は複数のレンズ２６Ａと、再指向装置２８、例えばミラーと、透過装置−再指向装置３０、例えばビーム・スプリッタとを含む。この実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６のレンズ２６Ａの１つ又は複数は、ＭＩＲ範囲内で屈折性であることがある。図１Ａに例示される非排他的な実施例では、レンズ・アセンブリ２６は、２つの離隔されたレンズ２６Ａを含む。

さらに、特定の実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、第２の照明ビーム２２が少なくとも、２次元である試料１０上の（図１Ｃに示される）反射照明領域１０Ｃを全て一度に照明するように第２の照明ビーム２２を調節する。言い換えると、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、第２の照明ビーム２２が試料１０上の２次元反射照明領域１０Ｃを同時に照明するように第２の照明ビーム２２を調節する。この設計により、試料１０全体又は試料１０のかなりの部分が同時に照明され、同時に検査することができる。これは、試料１０の解析を速める。特定の実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、像形成レンズ・アセンブリ１６の第１のレンズ３２を通して反射照明領域１０Ｃの広範な照明を可能にするように第２の照明ビーム２２を調整する。この実施例では、同じ第１のレンズ３２が、第２の照明レンズ２２を試料１０に向けるために使用され、試料１０から反射されるビームのための対物レンズとして使用される。

特定の実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６を使用して、第２の照明ビーム２２のサイズを変換、すなわち増加（拡大）又は減少して、試料１０上の所望の反射照明領域１０Ｃに合致させることができる。言い換えると、反射照明レンズ・アセンブリ２６を使用して、第２の照明ビーム２２が試料１０上で所望のビーム・プロファイルを有するように第２の照明ビーム２２を調整及び合焦することができる。

図１Ｃは、反射照明領域１０Ｃを含む試料１０の簡略概略図である。特定の実施例では、２次元反射照明領域１０Ｃは、長方形状である。より特定的には、いくつかのそのような実施例では、２次元反射照明領域１０Ｃは、正方形状でよい。例えば、代替の非排他的な実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、試料１０上の同時に照明される反射照明領域１０Ｃが少なくとも約（ｉ）２５０ミクロン（２５０μｍ）×２５０ミクロン（２５０μｍ）、（ｉｉ）５００ミクロン（５００μｍ）×５００ミクロン（５００μｍ）、（ｉｉｉ）７５０ミクロン（７５０μｍ）×７５０ミクロン（７５０μｍ）、（ｉｖ）１ミリメートル（１ｍｍ）×１ミリメートル（１ｍｍ）、（ｖ）１．５ミリメートル（１．５ｍｍ）×１．５ミリメートル（１．５ｍｍ）、（ｖｉ）２ミリメートル（２ｍｍ）×２ミリメートル（２ｍｍ）、又は（ｖｉｉ）３ミリメートル（３ｍｍ）×３ミリメートル（３ｍｍ）となるように第２の照明ビーム２２のサイズを調節することができる。さらなる代替として、反射照明領域１０Ｃは、非正方形状を有することができる。非排他的な例として、透過照明レンズ・アセンブリ２４は、試料１０上の透過照明領域１０Ａが少なくとも約２００ミクロン（２００μｍ）×３００ミクロン（３００μｍ）又は（ｉｉｉ）５０ミクロン（５０μｍ）×５００ミクロン（５００μｍ）となるように第１の照明ビーム２０のサイズを調節することができる。代替として、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、試料１０上の反射照明領域１０Ｃが上に提示された例とは異なるサイズ又は形状を有するように第２の照明ビーム２２のサイズを調節することができる。例えば、代替の非排他的な実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、反射照明領域１０Ｃが少なくとも約２０、３０、３０、５０、６０、７０、８０、９０、１００ミリメートルの正方形状となるように第２の照明ビーム２２のサイズを調節することができる。さらなる代替として、例えば、２次元反射照明領域１０Ｃは、円形又は楕円形状でよい。

さらに、図１Ｃに示されるように、反射照明領域１０Ｃは、実効照明領域（実質的に均一な強度を有する）でよく、実効照明領域は、（図１Ａに示される）第２の照明ビーム２２によって照明されるより大きな完全照明領域１０Ｄの内部に存在する。例示されるように、完全照明領域１０Ｄは実質的に円形状でよく、実質的に円形状の断面を有する第２の照明ビーム２２により生じることがある。代替として、第２の照明ビーム２２、したがって完全照明領域１０Ｃは、別の形状を有することができる。

図１Ａを再び参照すると、いくつかの実施形態では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、望みであれば、照明光線２０Ｉを複数の経路に分割して再結合することなく第２の照明ビーム２２のサイズ及びプロファイルを変換する。分割された光線は、再結合される場合に、試料１０で干渉を引き起こすことがある。言い換えると、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、第２の照明ビーム２２の照明光線２２１を分割及び再結合することなく第２の照明ビーム２２を試料１０に向ける。

さらに、代替実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ２６は、第２の照明ビーム２２が再指向装置２８によって再指向される前及び／又は後に、第２の照明ビーム２２が反射照明レンズ・アセンブリ２６を通過するように位置決めすることができる。

再指向装置２８は、まず、第２の照明ビーム２２を試料１０の１つの面（例えば、設計に応じて底面又は上面）に適切に向けることができるように第２の照明ビーム２２を再指向するために利用され、試料１０は、第２の照明ビーム２２を像形成レンズ・アセンブリ１６に向けて反射する。再指向装置２８の設計は変えることができる。一実施例では、再指向装置２８は、第２の照明ビーム２２の経路を約９０度再指向するように位置決めされた（所望の波長スペクトルで反射性を有する）ミラーでよい。代替として、再指向装置２８は、異なる設計を有することができ、及び／又は再指向装置２８は、第２の照明ビーム２２の経路を約９０度よりも大きい又は約９０度よりも小さい角度で再指向するように位置決めすることができる。さらなる代替として、再指向装置２８は、第２の照明ビーム２２を調整する湾曲ミラーを含むことができ、（ｉ）反射照明レンズ・アセンブリ２６を補完し、又は（ｉｉ）反射照明レンズ・アセンブリ２６の一部若しくは全て省くことを可能にする。

さらに、図１Ａでの反射モードでは、第２の照明ビーム２２は、複数のビーム経路をなくすように透過装置−再指向装置３０を用いて試料１０に向けられて、反射又は散乱される第２の照明ビーム２２が試料１０からイメージ・センサ１８に進むときに取ることがある経路の数を減少させる。透過装置−再指向装置３０の設計は、撮像顕微鏡１２の特定の要件に適するように変えることができる。特定の実施例では、透過装置−再指向装置３０は、ビーム・スプリッタ、例えば５０パーセント（５０％）ビーム・スプリッタでよく、これは、第２の照明ビーム２２の照明光線２２Ｉの第１の部分２２Ｆを試料１０に向けて再指向し、第２の照明ビーム２２の照明光線２２Ｉの第２の部分（図示せず）を透過する。第２の照明ビーム２２の第２の部分は、その後、システムから離れるように方向付けられ、撮像顕微鏡１２によって使用されない。透過装置−再指向装置３０を通るこの第１の通過により生成される第２の照明ビーム２２の第２の（又は廃棄される）部分は、分かりやすくするために、図１Ａには示されていないことに留意すべきである。

上で提示されたように、第２の照明ビーム２２が、試料１０に衝突する前に透過装置−再指向装置３０によって再指向されることにより、反射照明レンズ・アセンブリ２６を使用して、試料１０にわたる２次元反射照明領域１０Ｃに対する照明を提供するように第２の照明ビーム２２を変換することができ、第２の照明ビーム２２は、像形成レンズ・アセンブリ１６の第１のレンズ３２によって一点に合焦されるのではない。特定の実施例では、透過装置−再指向装置３０は、ＺｎＳｅやＧｅなどの様々な赤外透過材料又は他の材料から形成することができる。さらに、透過装置−再指向装置３０は、平坦−平坦ビーム・スプリッタでよく、一方の側が反射防止（ＡＲ）コーティングされ、他方の側が、部分反射のためにコーティングされる又はコーティングされない。また、透過装置−再指向装置３０は、望みであれば、第２の照明ビーム２２を変換するためのレンズ作用を提供することもできる。また、透過装置−再指向装置３０は、照明ビーム２２のコヒーレント性質による一次及び二次表面干渉効果をなくすための設計要素を組み込むこともできる。非排他的な例として、表面干渉効果を減少させる設計要素は、（ビームの波長に関する）反射防止コーティング、楔形要素、及び／又は湾曲光学表面を含む。

ステージ・アセンブリ１５は、試料１０を保定し、試料１０を適切に位置決めするために使用することができる。例えば、ステージ・アセンブリ１５は、試料１０を保定するステージ１５Ａと、ステージ１５Ａ及び試料１０を選択的に移動させるステージ移動装置１５Ｂとを含むことができる。例えば、ステージ移動装置１５Ｂは１つ又は複数のアクチュエータを含むことができ、又はステージ１５Ａは手動で位置決めすることができる。

第１の照明ビーム２０の照明光線２０Ｉが試料１０を照明しているとき、試料１０を透過された透過光線２０Ｔの少なくとも一部は、像形成レンズ・アセンブリ１６によって受け取られ、イメージ・センサ１８上に像形成される。幾分同様に、第２の照明ビーム２２の照明光線２２Ｉが試料１０を照明しているとき、試料１０から反射された反射光線２２Ｒの少なくとも一部が、像形成レンズ・アセンブリ１６によって受け取られ、イメージ・センサ１８上に像形成される。言い換えると、像形成レンズ・アセンブリ１６は、試料１０を透過された透過光線２０Ｔの少なくとも一部、又は試料１０から反射された反射光線２２Ｒの少なくとも一部を受け取り、イメージ・センサ１８上に像を形成する。

本明細書で使用する際、用語「像形成光線」１８Ａは、像形成レンズ・アセンブリ１６によって収集され、イメージ・センサ１８上に像形成される透過光線２０Ｔ又は反射光線２２Ｒを意味するものとする。本明細書に提示されるように、像形成レンズ・アセンブリ１６は、試料１０上の複数の点から像形成光線１８Ａを受け取り、像形成光線１８Ａを分割及び再結合することなくイメージ・センサ１８上に像を形成する。これは、イメージ・センサ１８での干渉効果を減少させる。

一実施例では、像形成レンズ・アセンブリ１６は、第１のレンズ３２と第２のレンズ３４を含むことができ、これらのレンズ３２、３４は、イメージ・センサ１８上に試料１０の像を形成するように協働する。代替として、像形成レンズ・アセンブリ１６は、３つ以上のレンズ又はただ１つのレンズを含むことができる。

一実施例では、第１のレンズ３２は、像形成光線１８Ａを収集し、イメージ・センサ１８上に像形成光線１８Ａを合焦させる対物レンズでよい。さらに、例示されるように、第１のレンズ３２は、実質的に試料１０と第２のレンズ３４との間に位置決めされる。追加として、一実施例では、第２のレンズ３４は、イメージ・センサ１８に向かって像形成光線１８Ａを投影する投影レンズでよい。さらに、例示されるように、第２のレンズ３４は、実質的に第１のレンズ３２とイメージ・センサ１８との間に位置決めされる。さらに、一実施例では、レンズ３２、３４の一方又は両方が、ＭＩＲ範囲又は照明ビームの波長で屈折性であることがある。さらに、レンズ３２、３４の一方又は両方は、複合レンズであることがある。

各レンズ３２、３４は、平坦−凸形、平坦−凹形、メニスカス、及び非球面などのタイプ、並びに他のタイプでよい。屈折レンズに関して、ＺｎＳｅ、Ｇｅ、カルコゲナイドガラスなどの材料、及び他の材料を採用することができる。反射レンズは、楕円形、放物面、又は他の形状でよい。反射面は、ダイクロイック・コーティング、Ａｕ、Ａｇ、又は他の表面タイプでよい。１つの非排他的な実施例では、第１のレンズ３２、すなわち対物レンズは、直径が１０ミリメートルであり焦点距離が１０ミリメートルの平坦−非球面のＧｅレンズでよく、第２のレンズ３４、すなわち投影レンズは、直径が２０ミリメートルであり焦点距離が５０ミリメートルの平坦−凸形のＧｅレンズでよい。これは、イメージ・センサ１８で５倍の倍率を提供し、１７μｍのピッチ画素に関して、３．４μｍの画像解像度を可能にする。イメージ・センサ１８の解像度は以下により詳細に説明することに留意すべきである。代替として、異なる倍率を可能にする他のレンズが可能である。所望の赤外スペクトル領域にわたるアクロマート・レンズであるように設計された単一及び複合レンズを使用することもできる。

さらに、図１Ａに例示される実施例で示されるように、第１のレンズ３２によって収集される透過光線２０Ｔ又は反射光線２２Ｒは、この例では第１のレンズ３２と第２のレンズ３４との間に位置決めされた透過装置−再指向装置３０に向けられる。この実施例では、透過装置−再指向装置３０が５０パーセント（５０％）ビーム・スプリッタである場合、第１のレンズ３２によって収集される透過光線２０Ｔ又は反射光線２２Ｒは、（ｉ）イメージ・センサ１８上に像形成される像形成光線１８Ａと、（ｉｉ）イメージ・センサ１８から離れるように向けられる廃棄光線とに分割される。

イメージ・センサ１８は、像形成光線１８Ａを感知し、像形成光線１８Ａ（光学像）を、試料の画像を表現する電子信号のアレイに変換する。

特定の実施例では、イメージ・センサ１８は、２次元画像を構成するために使用される照明ビーム２０Ｉ、２２Ｉの波長に対して感受性がある感光性素子（画素）の２次元アレイ（例えば焦点面アレイ（ＦＰＡ：ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ））を含む。画素素子間の間隔は、アレイのピッチと呼ばれる。例えば、照明ビーム２０Ｉ、２２ＩがＭＩＲ範囲内にある場合、イメージ・センサ１８は、ＭＩＲ像形成装置である。より具体的には、照明ビーム２０Ｉ、２２Ｉが２〜２０μｍの赤外スペクトル領域内にある場合、イメージ・センサ１８は、２〜２０μｍの赤外スペクトル領域に対して感受性がある。

適切な赤外イメージ・センサ１８の例は、（ｉ）酸化バナジウム（ＶＯ_Ｘ）マイクロボロメータ・アレイ、例えば、典型的には７〜１４μｍのスペクトル範囲内で応答性を有するＦＬＩＲ Ｔａｕ ６４０赤外カメラでのＦＰＡ、（ｉｉ）水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ又はＭＣＴ）アレイ、例えば、７．７〜１１．５μｍのスペクトル範囲内で応答性を有するＦＬＩＲ Ｏｒｉｏｎ ＳＣ７０００シリーズのアレイ、（ｉｉｉ）アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）アレイ、例えば、１．５〜５．５μｍのスペクトル範囲内の応答性を有するＦＬＩＲ Ｏｒｉｏｎ ＳＣ７００シリーズのアレイ、（ｉｖ）インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、（ｖ）２〜２０μｍのスペクトル範囲内で応答性を有するＤＲＳからのＶＯ_Ｘ及び他の材料を含む非冷却ハイブリッド・アレイ、又は（ｖｉ）２〜２０μｍの範囲内の赤外光に対して感受性があるように設計され、画像情報の２次元アレイを生成するために各素子の信号レベルの読み出しを可能にする電子回路を有する任意の他のタイプのイメージ・センサ１８を含む。

代替の非排他的な実施例では、イメージ・センサ１８に関する画素寸法は、例えば、１辺当たり５、８、１０、１２、１３、１７、２５、３５、及び５０μｍでよい。さらに、画素は、正方形、長方形、又は任意の他の形状でよい。非排他的な例として、イメージ・センサ１８は、５０×５０画素アレイ、１００×１００画素アレイ、２００×２００画素アレイ、３２０×２４０画素アレイ、４００×４００画素アレイ、５００×５００画素アレイ、６４０×４８０画素アレイ、又は他のサイズの画素アレイを含むように設計することができる。さらに、アレイは、正方形若しくは長方形でよく、又は物理的に若しくはデータ処理によって特定の形状のためにマスクされてもよい。

非排他的な一例では、イメージ・センサ１８は、１７ｍの画素ピッチと、６４０×５１２のフレーム・サイズとを有するマイクロボロメータ・アレイでよく、１０．８８ｍｍ×８．７ｍｍの物理的なＦＰＡサイズをもたらす。第１のレンズ３２、すなわち対物レンズと、第２のレンズ３４、すなわち投影レンズとに関する５倍の倍率により、これは、試料１０での像形成される領域を２．２ｍｍ×１．７ｍｍにする。したがって、照明ビーム２０、２２のサイズは、試料１０上のこの領域にわたる照明を提供するのに十分なものにすべきである。９５％ビーム直径が少なくとも３ミリメートルである場合、照明ビーム２０、２２は、必要に応じて、試料１０にわたる適切な照明を提供することができる。

特定の実施例では、本発明は、低価格の室温イメージ・センサ１８、例えばマイクロボロメータなどのＦＰＡの使用を可能にする。これらのＦＰＡは、より低い電力消費を必要とし、より小さい全体の体積を有し、それにより、現場設置型の市販の機器がより実用的なものになる。さらに、可変波長赤外レーザ、例えばＱＣレーザ１４Ａ、１４Ｂの使用は、これらのより低い感受性の室温ＦＰＡの使用を可能にするのに十分な光を発生する。特に、そのようなＦＰＡの使用は、各波長で完全な像が捕捉されることを可能にする。さらに、そのようなレーザ１４Ａ、１４Ｂによって提供される出力はより高いので、それにより信号平均化があまり必要なくなり、これは、レーザ１４Ａ、１４Ｂを高速で整調し、次いで、ＦＴＩＲ顕微鏡で一般に必要な数分ではなく数十秒で解析できるようにスペクトル画像キューブを構成することができることを意味する。

非排他的な例として、可変波長赤外レーザ、例えばＱＣレーザ１４Ａ、１４Ｂは、単一波長で、約０．２ｍＷ〜２０ｍＷの間でレーザを発生することができる。これは、より低い感受性のマイクロボロメータ・アレイの背景画素雑音レベルを克服するのに十分な強度を提供する。

本明細書において提示されるように、特定の実施例では、像形成デバイス１２は、（ｉ）第１のレーザ源１４Ａによって発生される照明光線２０Ｉが、照明光線２０Ｉの分割及び再結合なく試料１０に向けられる、例えば、照明光線２０Ｉが試料１０への単一経路に従うように、（ｉｉ）第２のレーザ源１４Ｂによって発生される照明光線２２Ｉが、照明光線２２Ｉの分割及び再結合なく試料１０に向けられるように、例えば、照明光源２２Ｉが試料１０への単一経路に従うように、及び（ｉｉｉ）像形成光線１８Ａが、像形成光線１８Ａの分割及び再結合なく試料１０からイメージ・センサ１８に進むように、例えば、像形成光線１８Ａが、イメージ・センサ１８への主として単一の経路に従うように設計される。この設計により、特定の干渉効果、例えば干渉縞など、時間的にコヒーレントな光源の使用により生じ得る欠点を回避することができる。空間的コヒーレンスは、光の電界波面の変化が照明領域にわたって同様であるときに生じる。像形成に対する空間的コヒーレンスの影響は、スペックル及び回折を含む。時間的コヒーレンスは、光の電界が、有意な期間にわたって正弦波振動など同じ振動パターンを示すことを意味する。空間的コヒーレンスは、規則的な正弦波電界を有さない波に関してさえ生じることがあるが、時間的コヒーレンスは、電界の周期的な規則的な振動を必要とする。これは、像形成に関する特定の課題を生み出す。なぜなら、単一の源から生じ、その後、一部が異なる経路を進むように分割され、次いで再結合されるレーザ光は、干渉効果を示すことがあり得るからである。例えば、時間的コヒーレンスの影響は、干渉縞として見られることがある。より特定的には、照明レーザから発し、分割されて２つの個別経路を通され、その後、試料で再接合される光は、照明される試料上で明瞭な干渉縞をもたらすことがある。本明細書で詳述するように、本発明の設計は、そのような生じ得る欠点を回避することを効果的に可能にする。

さらに、図１Ａに示されるように、撮像顕微鏡１２は、さらに、１つ又は複数の処理装置及び／又は記憶デバイスを含む処理デバイス３６を含むことがあり、及び／又はそのような処理デバイス３６に結合されることがある。例えば、処理デバイス３６は、イメージ・センサ１８の画素からの情報を受信し、試料の画像を生成することができる。さらに、処理デバイス３６は、レーザ源１４Ａ、１４Ｂ、及びステージ・アセンブリ１５の動作を制御することができる。

図２は、試料１０と、本発明の特徴を有する撮像顕微鏡２１２の別の実施例との簡略概略図である。図２に示される撮像顕微鏡２１２は、図１Ａに関して例示して上述した撮像顕微鏡１２と幾分同様である。例えば、撮像顕微鏡２１２は、レーザ源２１４Ａを含む時間的にコヒーレントなビーム源２１４と、ステージ・アセンブリ２１５と、像形成レンズ・アセンブリ２１６と、イメージ・センサ２１８と、処理デバイス２３６とを含み、これらは、図１Ａに関して例示して上述した対応する構成要素と幾分同様である。しかし、図２に示される実施例では、撮像顕微鏡２１２は、直列形態で透過モードでのみ機能するように設計され、反射モードでは機能しない。

この実施例では、撮像顕微鏡２１２は、透過モードでのみ機能するように設計されるので、照明光学系なしで設計することができ、そのような照明光学系は、図１Ａに例示される実施例では、撮像顕微鏡１２が代替的に反射モードで機能することを可能にするために含まれている。したがって、この実施例では、撮像顕微鏡２１２は、反射照明レンズ・アセンブリ２６と、再指向装置２８と、透過装置−再指向装置３０とを含まず、それらは、図１Ａに例示される実施例には少なくとも任意選択で含まれる。

前述した実施例と同様に、時間的にコヒーレントなビーム源２１４は、時間的にコヒーレントな照明ビーム２２０を放出し、この照明ビーム２２０は、透過モードで試料１０を照明及び解析するための複数の照明光線２２０Ｉを含む。

ここでも、透過照明レンズ・アセンブリ２２４は、照明ビーム２２０が２次元透過照明領域、例えば図１Ｂに示される試料１０上の透過照明領域１０Ａを全て一度に照明するように照明ビーム２２０を調節することができる。

その後、試料１０を透過された透過光線２２０Ｔの少なくとも幾らかは、次いで、像形成レンズ・アセンブリ２１６を用いてイメージ・センサ２１８に向けて指向される。像形成レンズ・アセンブリ２１６によって収集され、イメージ・センサ２１８に向けられる透過光線２２０Ｔは、像形成光線２１８Ａと呼ばれる。前述した実施例と同様に、像形成レンズ・アセンブリ２１６は、第１のレンズ２３２と第２のレンズ２３４を含むことができ、これらのレンズ２３２、２３４は、イメージ・センサ２１８上に試料１０の像を形成するように協働する。代替として、像形成レンズ・アセンブリ２１６は、３つ以上のレンズ又はただ１つのレンズを含むことができる。

図３は、試料１０と、本発明の特徴を有する撮像顕微鏡３１２のさらなる別の実施例との簡略概略図である。図３に示される撮像顕微鏡３１２は、図１Ａに関して例示して上述した撮像顕微鏡１２と幾分同様である。例えば、撮像顕微鏡３１２は、レーザ源３１４Ｂを含む時間的にコヒーレントなビーム源３１４と、ステージ・アセンブリ３１５と、像形成レンズ・アセンブリ３１６と、イメージ・センサ３１８と、処理デバイス３３６とを含み、これらは、図１Ａに関して例示して上述した対応する構成要素と幾分同様である。しかし、図３に示される実施例では、撮像顕微鏡３１２は、反射モードでのみ機能するように設計され、透過モードでは機能しない。より特定的には、撮像顕微鏡３１２は、反射モードでのみ機能するように設計されるので、図１Ａに例示される実施例には少なくとも任意選択で含まれる透過照明レンズ・アセンブリ２４なしで設計することができる。

前述した実施例と同様に、時間的にコヒーレントなビーム源３１４は、時間的にコヒーレントな照明ビーム３２２を放出し、この照明ビーム３２２は、反射モードで試料１０を照明及び解析するための複数の照明光線３２２Ｉを含む。

ここでも、反射照明レンズ・アセンブリ３２６は、照明ビーム３２２が２次元反射照明領域、例えば図１Ｃに示される試料１０上の反射照明領域１０Ｃを全て一度に照明するように照明ビーム３２２を調節することができる。

その後、試料１０から反射された反射光線３２２Ｒの少なくとも幾らかは、次いで、像形成レンズ・アセンブリ３１６を用いてイメージ・センサ３１８に向けて指向される。像形成レンズ・アセンブリ３１６によって収集され、イメージ・センサ３１８に向けられる反射光線３２２Ｒは、像形成光線３１８Ａと呼ばれる。前述した実施例と同様に、像形成レンズ・アセンブリ３１６は、第１のレンズ３３２と第２のレンズ３３４を含むことができ、これらのレンズ３３２、３３４は、イメージ・センサ３１８上に試料１０の像を形成するように協働する。代替として、像形成レンズ・アセンブリ３１６は、３つ以上のレンズ又はただ１つのレンズを含むことができる。

この実施例では、反射照明レンズ・アセンブリ３２６は、やはり、１つ又は複数のレンズ３２６Ａ（図３には２つが示されている）と、再指向装置３２８と、透過装置−再指向装置３３０とを含み、これらは、図１Ａで上述して例示した対応する構成要素と同様である。

図４は、試料を解析するための本発明の特徴を有する撮像顕微鏡の使用を例示する概略流れ図である。撮像顕微鏡の使用で採用されるステップが特定の順序で実施されることを開示するが、それらのステップは異なる順序で行うこともでき、及び／又は１つ又は複数のステップを、意図された本発明の全体的な範囲及び範疇を変えることなく組み合わせる又はなくすこともできることに留意すべきである。

まず、ステップ４０１で、撮像顕微鏡を利用して解析することが望まれる試料が得られる。さらに、ステップ４０３で、試料は、その試料が透過モードでの解析に適しているか又は反射モードでの解析に適しているかを判断するために目視検査される。特に、試料が薄い及び／又は実質的に透明である場合、試料は、透過モードでの解析により適している。代替として、試料が実質的に不透明であり、したがって照明ビームが試料によって反射される可能性が高い場合には、試料は、反射モードでの解析により適している。

ステップ４０５で、試料は、解析のために、撮像顕微鏡内部の時間的にコヒーレントなビーム源の近くに位置決めされる。さらに、ステップ４０７で、撮像顕微鏡の時間的にコヒーレントなビーム源、例えば２〜２０μｍの間の赤外スペクトル領域内で動作するレーザ源が、特定の波長に調整される。

次いで、ステップ４０９で、試料の第１の像を形成するためにビーム源が作動される。本明細書において上で開示したように、ビーム源は、試料の２次元領域を全て一度に照明し、これが次いで、１つ又は複数のレンズ、例えば対物レンズ及び投影レンズを通して、イメージ・センサ、例えば２〜２０μｍの赤外スペクトル領域内のどこかで応答性を有するイメージ・センサ上に像形成される。ビーム源によって提供される照明は、必ず、照明ビームからの１組の単一経路光線が、試料と衝突する前に、且つ試料とイメージ・センサとの間で、単一経路を横切るように制御される。言い換えると、ビーム源によって提供される照明は、１組の単一経路光線がビーム源と試料との間で分割及び再結合されず、また１組の単一経路光線が試料とイメージ・センサとの間で分割及び再結合されないように制御される。

撮像顕微鏡が、解析される特定の試料に関して透過モードで適切に利用されると判断されている場合には、ビーム源は、試料を実質的に直接照明するように作動されるべきである。代替として、撮像顕微鏡が、解析される特定の試料に関して反射モードで適切に利用されると判断されている場合には、ビーム源は、適切な光学要素を利用して試料の背面を照明するように作動されるべきである。選択されたモード、すなわち透過モード又は反射モードで撮像顕微鏡によって不十分な像しか生成されない場合、代替のモードを作動させて、試料から生成されるより十分な像及び／又はより適切な像を提供することができることに留意すべきである。

ステップ４１１で、ビーム源が作動停止され、すなわちオフに切り替えられ、試料の第２の像が、時間的にコヒーレントなビーム源を使用せずにイメージ・センサによって捕捉される。次いで、ステップ４１３で、ビーム源を用いずに獲得された第２の像が、ビーム源を利用して獲得された試料の第１の像から差し引かれて、ビーム源からの透過光又は反射光のみからなる試料の差分像を形成する。

その後、ステップ４１５で、必要に応じて、さらなる適切な波長に変調されたビーム源によってステップ４０７〜４１３のプロセスが繰り返される。これは、スペクトル画像キューブ又はハイパーキューブとして知られている、ビーム源の様々な波長での１組の像を形成する。次いで、ステップ４１７で、透過又は反射スペクトルを生成するために、各画素又は１組の画素でスペクトル画像キューブを解析することができる。次に、ステップ４１９で、試料にわたる様々な位置での試料の特性を決定するためにスペクトルを解析することができる。これらの特性は、例えば、化学的特性、構造的特性、又は位相でよい。最後に、ステップ４２１で、解析されたデータが、試料特性の２次元マップを生成するために使用され、この２次元マップは、様々な試料特性を有する試料の領域を同定するために試料のピクチャに視覚的に重畳することができる。

要約すると、本明細書で開示したように、本発明は、ＦＴＩＲ分光計に基づく従来の技術に勝る多くの利点を有するスペクトル解析用の赤外撮像顕微鏡の作製を可能にする。特に、本発明は、レーザなど時間的にコヒーレントなビーム源から生じる時間的にコヒーレントな照明ビームによる照明及び像形成の難点に対処することを意図される。本明細書で開示したように、均一な、干渉縞のない照明を提供する方法は、ビーム源から試料１０への、及び試料１０からイメージ・センサへの複数のビーム経路をなくすことである。より具体的には、本明細書において提示されるように、反射要素及びレンズ要素のみによって変換され、異なる経路に分割されず再結合もされない照明ビームを使用することによって干渉のない試料の照明を可能にするように、光学系が設計される。同様に、イメージ・センサ上、例えば焦点面アレイ上に試料１０を像形成するための光学系の列は、レーザ照明からのほぼ単一の透過ビーム又は反射ビームと相互作用し、このビームを異なる経路に分割して再結合することなくイメージ・センサにマップすることを意図される。

一実施例では、撮像顕微鏡は、透過モードで試料１０に直接向けることができる照明ビーム、例えば変調可能なＱＣレーザからの赤外レーザビームを含むことができる。そのような実施例では、照明ビーム、例えば赤外レーザビームは、約３ｍｍ×３ｍｍの大きさを有することができ、それにより、目に見える干渉縞なしで、試料１０をほぼ均一に照明する。この直接照明は、複数のビーム経路をなくす。本発明を用いないと、そのような照明ビームを用いる照明は、ビーム源の時間的コヒーレンスにより、大きな干渉効果を生み出すことになる。本発明を用いると、これらの効果が消え、干渉アーチファクトを有さない像の高速獲得が可能になる。

さらに、反射モードでは、同じ効果を提供するために、透過装置−再指向装置、例えばビーム・スプリッタを通して照明ビームを結合させることができる。照明ビームは、試料１０に衝突する前に対物レンズを横切るので、照明レンズを採用して、十分な照明を提供するのに十分な大きさで照明ビームを試料１０上に投影することができる。

さらに、本発明は、屈折光学構成要素に基づくコンパクトな光学列の使用を可能にする。これは、さらに、製造をより容易にし、現場設置のためにより頑強にし、且つ市販の製品に関する費用対効果をより高くするのに役立つ。

撮像顕微鏡１２のいくつかの例示的な態様及び実施例を上で論じてきたが、当業者は、特定の修正、置換、追加、及び部分的な組合せを認識されよう。したがって、添付の特許請求の範囲、及び本明細書で以下に導入される特許請求の範囲は、全てのそのような修正、置換、追加、及び部分的な組合せを、真の精神及び範囲内にあるものとして含むものと解釈されることが意図される。

Claims (26)

1. 試料の複数の異なる像を異なる波長で生成するための撮像顕微鏡において、
   複数の光線を含む時間的にコヒーレントな照明ビームを放出する可変波長赤外レーザを有するビーム源であって、前記ビーム源は、異なる複数の照明ビームを経時的に前記試料に向けるように構成され、前記複数の照明ビームはそれぞれ異なる波長である、ビーム源と、
   光学像を一連の電子信号に変換するイメージ・センサと、
   前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料を透過した複数の光線を受け取り、前記複数の照明ビームのそれぞれのために前記イメージ・センサ上に像を形成する像形成レンズ・アセンブリと
   を有する撮像顕微鏡。
2. 前記像形成レンズ・アセンブリが、さらに、前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料で反射された複数の光線を受け取り、前記イメージ・センサ上に第２の像を形成する請求項１に記載の撮像顕微鏡。
3. 前記照明ビームを前記試料に向ける照明レンズ・アセンブリをさらに有し、前記照明レンズ・アセンブリは、前記照明ビームが前記試料上の２次元照明領域を全て一度に照明するように前記照明ビームを調節し、また前記イメージ・センサが、センサの２次元配列を含む請求項１に記載の撮像顕微鏡。
4. 前記ビーム源がＭＩＲビーム源であり、前記照明ビームが、前記ＭＩＲ範囲内のビーム波長のものであり、前記照明レンズ・アセンブリが、前記ＭＩＲ範囲内で屈折性である請求項３に記載の撮像顕微鏡。
5. 前記照明レンズ・アセンブリが、前記照明ビームを分割及び再結合することなく前記照明ビームを前記試料に向ける請求項３に記載の撮像顕微鏡。
6. 前記照明レンズ・アセンブリが、前記照明ビームのサイズを拡大する請求項３に記載の撮像顕微鏡。
7. 前記照明レンズ・アセンブリは、前記試料上の前記照明領域が少なくとも約２０ミリメートルの正方形状となるように前記照明ビームのサイズを調節する請求項３に記載の撮像顕微鏡。
8. 前記ビーム源がＭＩＲビーム源であり、前記照明ビームが、前記ＭＩＲ範囲内のビーム波長のものであり、前記照明レンズ・アセンブリが、前記ＭＩＲ範囲内で屈折性である請求項７に記載の撮像顕微鏡。
9. 前記像形成レンズ・アセンブリが、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた前記光線を方向付ける屈折レンズを含む請求項１に記載の撮像顕微鏡。
10. 前記像形成レンズ・アセンブリが、前記試料上の複数の点から光線を受け取り、前記受け取られた光線を分割及び再結合することなく、前記イメージ・センサ上に前記像を形成する請求項１に記載の撮像顕微鏡。
11. 前記像形成レンズ・アセンブリが、前記受け取られた光線をコリメートする請求項１に記載の撮像顕微鏡。
12. 試料の複数の異なる像を異なる波長で生成するための撮像顕微鏡において、
    複数の光線を含む時間的にコヒーレントな照明ビームを放出する可変波長赤外レーザを有するビーム源であって、前記ビーム源は、異なる複数の照明ビームを経時的に前記試料に向けるように構成され、前記複数の照明ビームはそれぞれ異なる波長である、ビーム源と、
    光学像を一連の電子信号に変換するイメージ・センサと、
    前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料で反射された複数の光線を受け取り、前記複数の照明ビームのそれぞれのために前記イメージ・センサ上に像を形成する像形成レンズ・アセンブリと
    を有する撮像顕微鏡。
13. 前記像形成レンズ・アセンブリが、対物レンズと投影レンズとを含み、前記撮像顕微鏡が、前記対物レンズと投影レンズとの間に位置決めされたビーム・スプリッタをさらに含み、前記ビーム・スプリッタが前記照明ビームを前記試料に再指向し、また前記ビーム・スプリッタが、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた光線の一部を透過する請求項１２に記載の撮像顕微鏡。
14. 前記照明ビームを前記試料に向ける照明レンズ・アセンブリをさらに有し、前記照明レンズ・アセンブリは、前記照明ビームが前記試料上の２次元照明領域を全て一度に照明するように前記照明ビームを調節し、また前記イメージ・センサが、センサの２次元配列を含む請求項１２に記載の撮像顕微鏡。
15. 前記ビーム源がＭＩＲビーム源であり、前記照明ビームが、前記ＭＩＲ範囲内のビーム波長のものであり、前記照明レンズ・アセンブリが、前記ＭＩＲ範囲内で屈折性である請求項１４に記載の撮像顕微鏡。
16. 前記照明レンズ・アセンブリが、前記照明ビームを分割及び再結合することなく前記照明ビームを前記試料に向ける請求項１４に記載の撮像顕微鏡。
17. 前記照明レンズ・アセンブリが、前記照明ビームのサイズを拡大する請求項１４に記載の撮像顕微鏡。
18. 前記照明レンズ・アセンブリは、前記試料上の前記照明領域が少なくとも約２０ミリメートルの正方形状となるように前記照明ビームのサイズを調節する請求項１４に記載の撮像顕微鏡。
19. 前記像形成レンズ・アセンブリが、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた前記光線を方向付ける屈折レンズを含む請求項１２に記載の撮像顕微鏡。
20. 前記像形成レンズ・アセンブリが、前記試料上の複数の点から光線を受け取り、前記受け取られた光線を分割及び再結合することなく、前記イメージ・センサ上に前記像を形成する請求項１２に記載の撮像顕微鏡。
21. 前記像形成レンズ・アセンブリが、前記受け取られた光線をコリメートする請求項１２に記載の撮像顕微鏡。
22. 試料の複数の異なる像を異なる波長で生成するための方法において、
    可変波長赤外レーザを有するビーム源を用いて時間的にコヒーレントな照明ビームを放出するステップであって、前記照明ビームが複数の光線を含むステップと、
    それぞれが異なる波長の前記複数の照明ビームを前記試料に経時的に向けるステップと、
    イメージ・センサを用いて光学像を一連の電子信号に変換するステップと、
    像形成レンズ・アセンブリによって、前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料を透過した複数の光線を受け取るステップと、
    前記複数の照明ビームのそれぞれのために、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた前記試料を透過した前記複数の光線を用いて、前記イメージ・センサ上に像を形成するステップと
    を含む方法。
23. 前記像形成レンズ・アセンブリを用いて、前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料で反射された複数の光線を受け取るステップと、前記複数の照明ビームのそれぞれのために、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた前記試料で反射された前記複数の光線を用いて、前記イメージ・センサ上に第２の像を形成するステップとをさらに含む請求項２２に記載の方法。
24. 試料の複数の異なる像を異なる波長で生成するための方法において、
    可変波長赤外レーザを有するビーム源を用いて時間的にコヒーレントな照明ビームを放出するステップであって、前記照明ビームが複数の光線を含むステップと、
    それぞれが異なる波長の前記複数の照明ビームを前記試料に経時的に向けるステップと、
    イメージ・センサを用いて光学像を一連の電子信号に変換するステップと、
    像形成レンズ・アセンブリによって、前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料で反射された複数の光線を受け取るステップと、
    前記複数の照明ビームのそれぞれのために、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた前記試料で反射された前記複数の光線を用いて、前記イメージ・センサ上に像を形成するステップと
    を含む方法。
25. 前記像形成レンズ・アセンブリが、対物レンズと投影レンズとを有し、また前記方法が、前記対物レンズと前記投影レンズとの間に位置決めされたビーム・スプリッタを用いて、前記照明ビームを前記試料に再指向するステップと、前記ビーム・スプリッタを用いて、前記像形成レンズ・アセンブリによって受け取られた前記光線の一部を透過するステップとをさらに含む請求項２４に記載の方法。
26. 試料の複数の異なる像を異なる波長で生成するための撮像顕微鏡において、
    複数の光線を含む時間的にコヒーレントな照明ビームを放出する可変波長赤外レーザを有するビーム源であって、前記ビーム源は、異なる複数の照明ビームを前記試料に経時的に向けるように構成され、前記複数の照明ビームはそれぞれ異なる波長である、ビーム源と、
    広い反射照明領域を同時に照明するように、照明ビームを調整し、且つ前記複数の照明ビームを試料に向ける反射照明レンズ・アセンブリと、
    光学像を一連の電子信号に変換するイメージ・センサと、
    前記ビーム源から放出された複数の照明ビームのそれぞれから、前記試料で反射された複数の光線を受け取り、前記複数の照明ビームのそれぞれのために前記イメージ・センサ上に像を形成する像形成レンズ・アセンブリと
    を有し、
    前記像形成レンズ・アセンブリが、前記試料で反射された前記複数の光線のための対物レンズとして使用され、前記照明ビームが、前記レンズを通して前記試料に向けられる
    撮像顕微鏡。