JP6978592B2 - Dynamic focus zoom system for wide-area confocal and multiphoton microscopy - Google Patents

Dynamic focus zoom system for wide-area confocal and multiphoton microscopy Download PDF

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Description

[関連出願との相互参照]
本願は、2019年1月25日に出願された米国特許出願第16258455号に基づく優先権を主張する。後者の出願は、2017年9月15日に出願された米国特許出願第15706331号の一部継続出願である。両出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
[Cross-reference with related applications]
This application claims priority under US Patent Application No. 162588455 filed January 25, 2019. The latter application is a partial continuation of US Patent Application No. 15706331 filed on September 15, 2017. The disclosures of both applications are incorporated herein by reference.

[連邦政府により支援された研究開発に関する宣言]
本発明は、2016年1月1日付けで国立科学基金(National Science Foundation)から授与された契約番号1548737号に基づく政府の支援を受けて行われた。連邦政府は本発明に所定の権利を有する。
[Federal-backed R & D Declaration]
The present invention was made with the support of the Government under Contract No. 1548737 granted by the National Science Foundation on January 1, 2016. The federal government reserves the right to the invention.

[発明の背景]
1.発明の領域
本発明は、主として顕微鏡技術の分野に関し、より具体的には、広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で使用するための動的フォーカス・ズームシステムに関する。
[Background of invention]
1. 1. Areas of Invention The present invention relates primarily to the field of microscopy technology, and more specifically to dynamic focus zoom systems for use in wide area confocal and multiphoton microscopy.

2.関連技術の説明
日常的に顕微鏡を扱う人々は、顕微鏡とは、いくつかの直線移動可能な又は回転可能な(回転により出し入れ可能な)固定焦点距離のレンズで構成されているものである、又は、倍率を変更するために異なる対物レンズを使用する必要があると考えるのが一般的である。また、焦点合わせ(フォーカス)は、試料と対物レンズの間の距離を変更するために試料ステージを上下に移動することによって行われることが通常である。レンズを直線移動する代わりに、単一要素である可変倍率/可変焦点/バリフォーカルの光学要素(これらの用語はここでは同義語として使用される。)は、人間の目のように高速にフォーカスを行う。焦点距離が変わっても位置を保ったままである。3つのバリフォーカルレンズを使用すると、倍率とフォーカスの両方を互いに独立して変更でき、これら3つのバリフォーカルレンズにより、単一のバリフォーカルレンズを使用する場合よりも焦点の範囲を広くできる。バリフォーカルレンズには、透過レンズ(ミラー)と反射レンズ(ミラー)の両方が含まれる。これらは、光が表面に当たった後に進む方向を除いて、同じように動作する。本発明は、従来の顕微鏡の欠点を克服するために、顕微鏡と共に使用可能な、又は顕微鏡に取り付け可能なデバイスに複数のバリフォーカルレンズを組み込む。
2. 2. Description of Related Techniques For those who work with microscopes on a daily basis, a microscope is composed of several linearly movable or rotatable (rotatable in and out) fixed focal length lenses, or It is common to think that different objective lenses need to be used to change the magnification. Also, focusing is usually performed by moving the sample stage up and down to change the distance between the sample and the objective lens. Instead of moving the lens linearly, the single element variable magnification / varifocal / varifocal optics (these terms are used here as synonyms) focus as fast as the human eye. I do. It remains in position even if the focal length changes. With three varifocal lenses, both magnification and focus can be changed independently of each other, and these three varifocal lenses provide a wider range of focus than with a single varifocal lens. Varifocal lenses include both transmissive lenses (mirrors) and reflective lenses (mirrors). They work the same, except in the direction in which the light travels after hitting the surface. The present invention incorporates multiple varifocal lenses into a device that can be used with or attached to a microscope to overcome the shortcomings of conventional microscopes.

微小電気機械システム(MEMS)可変形状ミラーは、可変焦点距離の反射レンズである。静電MEMSミラーでは、表面形状を細かく制御するためにそれらのミラーに電圧が直接印加される。MEMSミラーは、通常(但し、これに限定されるものではないが)、感光性ポリマーSU−8 2002と、アルミニウム、金、銀等の金属(これらは反射面を提供する。)とで作られる。本発明の観点では、MEMSミラーは、SU−8 2002の代わりに、二酸化チタン又は金属/酸化物の反射面を備えた窒化ケイ素で作製されてもよい。電圧の増加に伴ってミラーの曲率半径が減少すると、対象物(観察中)の位置が変化する。これらのタイプのMEMSミラーが拡大鏡の代わりとなる、又は十分なフォーカスができるようになったのは、直近の5年間ほどである。これらの長所は、改善された微細加工技術とミラーの構造変更によるものである。 Microelectromechanical system (MEMS) variable shape mirrors are reflective lenses with variable focal lengths. In electrostatic MEMS mirrors, a voltage is applied directly to those mirrors to finely control the surface shape. MEMS mirrors are usually (but not limited to) made of photosensitive polymer SU-8 2002 and metals such as aluminum, gold and silver, which provide a reflective surface. .. In view of the present invention, the MEMS mirror may be made of silicon nitride with a reflective surface of titanium dioxide or metal / oxide instead of SU-8 2002. As the radius of curvature of the mirror decreases with increasing voltage, the position of the object (under observation) changes. These types of MEMS mirrors have been an alternative to magnifying glasses or have been able to provide sufficient focus in the last five years or so. These advantages are due to improved microfabrication technology and structural changes in the mirror.

卓上顕微鏡で観察する場合、フォーカスを変更するには試料ステージを直線移動する必要がある。このため、多くの試料は、薄く、非生存で固定される。前述のように、従来のフォーカス・ズーム機構は、固定焦点距離レンズを回転させる技術、及び/又は試料若しくは固定焦点距離レンズを直線移動する技術を含む。従来のフォーカス機構の欠点としては、ステージの直線移動による試料の攪拌がある(これにより、液体中の固体粒子を観察するときに焦点を見つけるのが困難になり、試料が偶然対物レンズに当たったときに損傷を与え、フォーカス制御が遅くなり(通常自動ステージにより100Hz未満))、フォーカスが不正確となり、露出し過ぎにより光による損傷が過多となり、観察前の反応完了により実験が早期に終了し(対象の焦点面を見つけるのに時間がかかるため)、生きている試料でリアルタイムに伝播するニューロンの観察等、観察時間の制限により短い時間では生物学的現象を観察できなくなることがある。自動化された試料ステージは、分離されたフォーカスステップ位置と従来のズームシステムに制限されるため、分離された倍率変更を行う。高速な結像を行うために、共振型の対物レンズスキャナは、対物レンズを高速に上下動できる。共振型対物レンズスキャナは、焦点範囲全体で光学解像度を維持せず、単一の(比較的速い)速度でのみ動作し、質量が移動するため、共振時にシステムを振動させる又は揺さぶる。 When observing with a tabletop microscope, it is necessary to move the sample stage linearly to change the focus. For this reason, many samples are thin, non-survival and fixed. As mentioned above, conventional focus / zoom mechanisms include techniques for rotating a fixed focal length lens and / or linear movement of a sample or fixed focal length lens. A drawback of the conventional focus mechanism is the stirring of the sample by the linear movement of the stage (this makes it difficult to find the focus when observing solid particles in the liquid, and the sample accidentally hits the objective lens. Occasionally damage, slow focus control (usually less than 100 Hz due to automatic stage), inaccurate focus, excessive light damage due to overexposure, and early completion of the reaction before observation. (Because it takes time to find the focal plane of the object), it may not be possible to observe biological phenomena in a short time due to the limitation of observation time, such as observation of neurons propagating in real time in a living sample. Since the automated sample stage is limited to the separated focus step position and the conventional zoom system, the separated magnification change is performed. In order to perform high-speed imaging, the resonance type objective lens scanner can move the objective lens up and down at high speed. Resonant objectives scanners do not maintain optical resolution over the entire focal range, operate only at a single (relatively fast) speed, and move mass, causing the system to vibrate or shake during resonance.

バリフォーカルレンズ(MEMSミラーを含む。)は、広い焦点を実現するためにいくつかの共焦点及び多光子顕微鏡と組み合わせて使用されているが、顕微鏡の光学ズームには使用されておらず、一般的な生物学者にとってユーザ・フレンドリな小型でポータブルなユニットにも組み込まれていない。市販のバリフォーカルレンズは、平均的な生物学者にとって使い難いものである。例えば、顕微鏡の光学系の最初にある多くの動的フォーカス機構は、エンジニアによる設置が必要である。これらは、通常、1つの実験のためだけにエリート大学で行われる、単一のバリフォーカル要素を使用する特別な仕事であり、従って、広範囲に使用することはできない。バリフォーカルレンズの別形態である液体レンズは、焦点範囲全体で光学解像度を維持せず、アクロマートレンズではなく、付随する球面収差を効果的に制御することはできない。 Varifocal lenses (including MEMS mirrors) have been used in combination with several confocal and polyphoton microscopes to achieve a wide focal point, but have not been used in the optical zoom of microscopes and are commonly used. It is not even built into a small, portable unit that is user-friendly to typical biologists. Commercially available varifocal lenses are difficult for the average biologist to use. For example, many dynamic focus mechanisms at the beginning of microscope optics require engineer installation. These are special tasks that use a single varifocal element, usually done at an elite university for just one experiment, and therefore cannot be used extensively. Liquid lenses, another form of varifocal lenses, do not maintain optical resolution over the entire focal range and are not achromatic lenses and cannot effectively control the associated spherical aberrations.

前の段落では、現在のバリフォーカルレンズ技術に存在するいくつかの課題について説明している。上記のように、顕微鏡で光学ズームを実現するためにバリフォーカルレンズを利用する既存の技術はない。広い範囲の低倍率から狭い範囲の高倍率に切り替えると同時に、手で試料を操作することは困難である。例えば、励磁を伴うパッチクランプ技術(excited patch-clump techniques)の間、試料は最大30分間生存可能である。科学者は細胞全体を観察し、ガラス電極の先端で細胞膜の小さな部分を取り除き、倍率を2倍にするために対物レンズターレットを回転させ、再度焦点を合わせてガラス電極の先端における励磁された組織を観察する。本発明は、科学者が(音声操作又は足踏みボタンの使用により)両手を自由に保ちながら、低倍率及び高倍率の両方で細胞膜全体を観察することを可能にする。現在、顕微鏡で簡単に使用(又は取り付け)できる高速な光学式フォーカス又はズームの解決手段はない。本発明は、焦点範囲に亘ってシステムの解像度を維持し、可変速度フォーカスを可能にし、試料の静止状態の維持を可能にする。 The previous paragraph describes some of the challenges that exist in current varifocal lens technology. As mentioned above, there is no existing technology that utilizes a varifocal lens to realize optical zoom with a microscope. It is difficult to manipulate the sample by hand at the same time as switching from a wide range of low magnification to a narrow range of high magnification. For example, during excited patch-clump techniques, the sample can survive for up to 30 minutes. Scientists observe the entire cell, remove a small portion of the cell membrane at the tip of the glass electrode, rotate the objective lens turret to double the magnification, and refocus the excited tissue at the tip of the glass electrode. Observe. The present invention allows scientists to observe the entire cell membrane at both low and high magnification while keeping both hands free (by voice manipulation or the use of foot buttons). Currently, there is no fast optical focus or zoom solution that can be easily used (or mounted) on a microscope. The present invention maintains the resolution of the system over the focal range, allows variable speed focusing, and allows the sample to remain stationary.

顕微鏡の様々な改良については、多くの特許が存在する。しかしながら、これらの発明のいずれも、本発明の構造的特徴又は機能的改良を組み込んでいない。 本発明に直接関係はないが、拡大システムへの改良が発展した方向を示すために、いくつかをここで簡潔に参照する。これらの発明のいくつかは、顕微鏡への付属品の形態を取る。例えば、米国特許第7864996号(Hemmer他、2011年)は、組織表面に対する共焦点撮像装置の撮像位置をマクロ撮像装置と空間的に関連付けるように、マクロ撮像装置及び共焦点撮像装置がそれぞれ事前に設定された位置合わせで組織に対して個別に提示される組織取付装置を開示する。この発明では、ターレットが回転してマクロレンズ及び高倍率対物レンズを切り替えるのに対し、本発明では、倍率は、静止MEMSミラーの両端の電圧を変えることによって変更される。本発明は、直線移動や可動部品、可動部品を駆動するモータを有しておらず、これは、Hemmer及び他の同様の顕微鏡と比較して構造上の大きな差異を生じる。さらに、マクロイメージングから高倍率(共焦点)イメージングに切り替えるために2つの別個の機器を切り替えるのとは対照的に、本発明は、MEMSミラーへの電圧を変えることにより倍率を変える1つの静止ユニットを有する。 There are many patents on various improvements to the microscope. However, none of these inventions incorporates the structural features or functional improvements of the invention. Although not directly related to the present invention, some are briefly referred to here to indicate the direction in which improvements to the expansion system have evolved. Some of these inventions take the form of accessories to the microscope. For example, in US Pat. No. 7,864996 (Hemmer et al., 2011), the macroimaging device and the cofocal imaging device are respectively preliminarily associated with the macroimaging device so that the imaging position of the cofocal imaging device with respect to the tissue surface is spatially associated with the macroimaging device. Disclose a tissue mounting device that is individually presented to the tissue in a configured position. In the present invention, the turret rotates to switch between the macro lens and the high magnification objective lens, whereas in the present invention, the magnification is changed by changing the voltage across the stationary MEMS mirror. The present invention does not have motors that drive linear movements, moving parts, moving parts, which makes significant structural differences compared to Hemmer and other similar microscopes. Further, in contrast to switching between two separate devices to switch from macro imaging to high magnification (confocal) imaging, the present invention is one stationary unit that changes magnification by varying the voltage to the MEMS mirror. Has.

米国特許第8425037号(Uhlhorn他、2013年)及び米国特許第9492080号(Uhlhorn et al、2016年)は、外科医がヒトの水晶体や角膜及び/又は硝子体等の他の構造のような眼の構造を視認しつつ、手術器具が視野に入っているように手術用顕微鏡に結合できる光干渉断層計(OCT)システムを提供する。前述の発明と同様に、この特定の発明は、本発明と同じ課題を解決しようとするものではなく、本発明と構造的に類似しておらず、本発明と同じ用途を有していない。これらの特許に記載されているOCTと分光計の両方とも干渉計を有する。干渉計には、再結合して干渉する2つの光路がある。本発明は、光が進行する1つの光路と、光が戻る1つの光路とを有する。2つの光路の再結合はない。本発明とは異なり、Uhlhornの発明は、印加電圧の下で動作するMEMSデバイスではない。むしろ、手術用顕微鏡は焦点距離が固定されており、眼の特定の位置を視覚的に見つけるために使用され、この点において、機器全体が固定され、OCTを介してイメージングが行われる。OCTにおけるフォーカスの変更は、干渉計の光路長を変更することによって行われる。 US Pat. No. 8425037 (Uhlhorn et al., 2013) and US Pat. No. 9,492,080 (Uhlhorn et al, 2016) allow surgeons to look at other structures such as the human lens, cornea and / or vitreous of the eye. Provided is an optical coherence tomography (OCT) system that can be coupled to a surgical microscope so that the surgical instrument is in the field of view while visually recognizing the structure. Similar to the invention described above, this particular invention does not attempt to solve the same problems as the present invention, is not structurally similar to the present invention, and does not have the same uses as the present invention. Both the OCT and the spectrometer described in these patents have interferometers. The interferometer has two optical paths that recombine and interfere. The present invention has one optical path through which light travels and one optical path through which light returns. There is no recombination of the two optical paths. Unlike the present invention, Uhlhorn's invention is not a MEMS device operating under an applied voltage. Rather, surgical microscopes have a fixed focal length and are used to visually locate a particular position in the eye, at which point the entire device is fixed and imaging is performed via OCT. The change of focus in OCT is performed by changing the optical path length of the interferometer.

米国特許第9256009号(Theriault他、2016年)は、顕微鏡ステージに近接した、可変焦点距離レンズの一種であるTAG(tunable acoustic gradient index of refraction)レンズと、顕微鏡ステージを照明可能であり、TAGレンズの動作周波数と同期してパルス出力可能なパルス式照明器とを組み込んだ顕微鏡を開示している。この発明の目的の1つは、空間光変調器の遅いスイッチング速度を克服することである。この発明は、主に、材料処理用途の処理能力を改善することに関する。Theriaultでは、レンズは圧電駆動される。対照的に、本発明のMEMSミラーは、電子的に(電圧のみによって)駆動される。Theriaultのレンズは2つの透明なウィンドウで構成され、屈折材料(気体、固体、液体、プラズマ等)で満たされる。光はレンズを透過し、MEMSミラーの場合のように反射はされない。Theriaultは単一のレンズを使用して拡大とフォーカスの両方を達成するが、本発明は3つのMEMSミラーを使用してこれらの機能を実行する。Theriaultの単一レンズの欠点の1つは、パルスレーザ又はカメラとフォーカス用の絞りを必要とすることであるが、本発明ではこれらのいずれも必要ない。 US Pat. No. 9,256,09 (Theriault et al., 2016) provides a TAG (tunable acoustic gradient index of refraction) lens, which is a type of variable focal length lens close to the microscope stage, and a TAG lens that can illuminate the microscope stage. A microscope incorporating a pulse-type illuminator capable of producing a pulse in synchronization with the operating frequency of the lens is disclosed. One of the objects of the present invention is to overcome the slow switching speeds of spatial light modulators. The present invention primarily relates to improving the processing capacity of material processing applications. In Theriault, the lens is piezoelectrically driven. In contrast, the MEMS mirrors of the present invention are driven electronically (only by voltage). Theriault's lens consists of two transparent windows, filled with refracting materials (gas, solid, liquid, plasma, etc.). Light passes through the lens and is not reflected as in the case of MEMS mirrors. Theriault uses a single lens to achieve both magnification and focus, but the invention uses three MEMS mirrors to perform these functions. One of the drawbacks of Theriault's single lens is the need for a pulsed laser or camera and aperture for focus, none of which is required in the present invention.

米国特許第9602715号(Gladnick、2017年)は、可変倍率レンズ部及び可変焦点距離レンズ(TAGレンズ)部から構成される撮像システムを開示している。この特定の発明は、精密マシンビジョン検査又は計測システムで使用されることを目的としている。この発明は本発明と構造的又は機能的に類似していないが、拡大技術の改善を提示する。Gladnickの発明では、Hemmer(上述)と同様、交換レンズを使用して拡大状態を変更する。拡大用交換レンズは、分離された拡大状態をもたらす。一方、本発明の電子制御式の可変焦点MEMSミラーは、1つの(最小)拡大状態から別の(最大)拡大状態への連続的な倍率変化を可能にする。Gladnickによると、その透過性TAGレンズは、2つの拡大状態に対応する2つの個別の一定の共振周波数で動作する。本発明のMEMSミラーは、DCから1kHzまでの広範囲の連続的な周波数範囲に亘って動作する。本発明は、全ての拡大及びフォーカスのために、対物レンズの後部開口を埋める(fills)。Gladnickの発明では、設計された拡大状態毎に絞りが対物レンズの背面開口部の大きさを変更するため、対物レンズの背面開口部を埋めない。 US Pat. No. 9,602,715 (Gladnick, 2017) discloses an imaging system including a variable magnification lens section and a variable focal length lens (TAG lens) section. This particular invention is intended for use in precision machine vision inspection or measurement systems. Although the present invention is not structurally or functionally similar to the present invention, it presents improvements in extended technology. In Gladnick's invention, as with Hemmer (above), an interchangeable lens is used to change the magnified state. The magnifying interchangeable lens provides a separated magnified state. On the other hand, the electronically controlled variable focus MEMS mirror of the present invention allows continuous magnification change from one (minimum) magnified state to another (maximum) magnified state. According to Gladnick, the transmissive TAG lens operates at two separate constant resonant frequencies corresponding to the two magnified states. The MEMS mirrors of the present invention operate over a wide continuous frequency range from DC to 1 kHz. The present invention fills the rear aperture of the objective lens for all magnification and focus. In Gladnick's invention, the diaphragm changes the size of the back opening of the objective lens for each designed magnified state, so it does not fill the back opening of the objective lens.

重要なことは、上記の発明のいずれも、MEMSミラーを使用することはなく、広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で動的なフォーカス及びズームを提供しない。本発明を除き、単一の携帯型ユニットとして構成され、研究室の科学者が使い易いように設計された上記のようなシステムはない。MEMSミラーの利点には、通常、焦点範囲が大幅に広がり、帯域幅が広いこと、温度に対する感度が低いこと、蛍光用途ではアクロマートであること等がある。 Importantly, none of the above inventions use MEMS mirrors and do not provide dynamic focus and zoom in wide area confocal and multiphoton microscopes. Except for the present invention, there is no such system configured as a single portable unit and designed to be easy for laboratory scientists to use. Advantages of MEMS mirrors usually include a large focal range, wide bandwidth, low temperature sensitivity, and achromat for fluorescent applications.

内容が参照により本明細書に組み込まれる、2014年に発表された記事(後記参考文献1)において、本発明の発明者は、(単一のMEMSミラーの形態の)可変倍率/可変焦点の光学要素が顕微鏡技術に組み込まれる可能性があることを予測した。しかしながら、本明細書で提供される動的フォーカス・ズームシステムの詳細はこれまで開示されていなかった。具体的には、2014年の論文では、本明細書で説明するように位置決めされて、フォーカスとズームの独立した調整を実現する3つのMEMSミラーの使用については触れられていない。MEMSミラー自体の基本構造については、2014年の記事で説明している。 In an article published in 2014 (Ref. 1 below), the content of which is incorporated herein by reference, the inventor of the invention describes varifocal / variable focus optics (in the form of a single MEMS mirror). Predicted that the element could be incorporated into microscopy technology. However, the details of the dynamic focus zoom system provided herein have not been disclosed so far. Specifically, the 2014 paper does not mention the use of three MEMS mirrors that are positioned to provide independent adjustment of focus and zoom as described herein. The basic structure of the MEMS mirror itself is explained in the 2014 article.

本発明は、広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で使用するための動的フォーカス・ズームシステムであって、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、
筐体内に配置され、内部プラットフォームに設けられた第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
直角プリズムと、
第1固定レンズ及び第2固定レンズを有する光学リレーと、
第3固定レンズと
を備え、
前記第1MEMSミラー、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーは楕円状であり、
前記直角プリズム、前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第1MEMSミラーは、前記光学リレーの長手方向軸に沿って直線状に位置決めされ、
前記第2MEMSミラー、前記第3固定レンズ及び前記第3MEMSミラーは、前記光学リレーの前記長手方向軸に対してそれぞれが平行となるように直線状に位置決めされ、
前記直角プリズムは、前記筐体の第1接続点に隣接して且つ前記第1固定レンズに対して45度の角度で配置され、
前記第1MEMSミラーは、前記第2固定レンズに対して45度の角度であり、
前記第2MEMSミラーは、前記第1MEMSミラーに対して90度の角度で隣接すると共に、前記第1MEMSミラーに45度の角度で当たる光線が前記第2MEMSミラーの中央に45度の角度で当たるように構成され、
前記第3固定レンズは、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーの間に配置され、
前記第3MEMSミラーは、前記筐体の第2接続点に隣接し且つ前記第2MEMSミラーから来る光線に対して45度の角度、及び前記第3固定レンズに対して45度の角度で配置される
ことを特徴とする。
The present invention is a dynamic focus zoom system for use in wide area confocal and multiphoton microscopy.
The dynamic focus / zoom system is
A first MEMS mirror, a second MEMS mirror, a third MEMS mirror, and a third MEMS mirror arranged in the housing and provided on the internal platform.
With a right-angle prism,
An optical relay having a first fixed lens and a second fixed lens,
Equipped with a third fixed lens
The first MEMS mirror, the second MEMS mirror, and the third MEMS mirror are elliptical.
The right-angle prism, the first fixed lens, the second fixed lens, and the first MEMS mirror are linearly positioned along the longitudinal axis of the optical relay.
The second MEMS mirror, the third fixed lens, and the third MEMS mirror are linearly positioned so as to be parallel to the longitudinal axis of the optical relay.
The right-angle prism is arranged adjacent to the first connection point of the housing and at an angle of 45 degrees with respect to the first fixed lens.
The first MEMS mirror has an angle of 45 degrees with respect to the second fixed lens.
The second MEMS mirror is adjacent to the first MEMS mirror at an angle of 90 degrees, and a light ray that hits the first MEMS mirror at an angle of 45 degrees hits the center of the second MEMS mirror at an angle of 45 degrees. Configured,
The third fixed lens is arranged between the second MEMS mirror and the third MEMS mirror.
The third MEMS mirror is arranged adjacent to the second connection point of the housing and at an angle of 45 degrees with respect to a light beam coming from the second MEMS mirror and at an angle of 45 degrees with respect to the third fixed lens. It is characterized by that.

別の実施形態において、本発明は、広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で使用するための動的フォーカス・ズームシステムであって、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、
筐体内に配置され、内部プラットフォームに設けられた第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
直角フラットミラーと、
第1固定レンズ及び第2固定レンズを有する光学リレーと、
第3固定レンズと
を備え、
前記第1MEMSミラー、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーは楕円状であり、
前記直角フラットミラー、前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第1MEMSミラーは、前記光学リレーの長手方向軸に沿って直線状に位置決めされ、
前記第2MEMSミラー、前記第3固定レンズ及び前記第3MEMSミラーは、前記光学リレーの前記長手方向軸に対してそれぞれが平行となるように直線状に位置決めされ、
前記直角プリズムは、前記筐体の第1接続点に隣接して且つ前記第1固定レンズに対して45度の角度で配置され、
前記第1MEMSミラーは、前記第2固定レンズに対して45度の角度であり、
前記第2MEMSミラーは、前記第1MEMSミラーに対して90度の角度で隣接すると共に、前記第1MEMSミラーに45度の角度で当たる光線が前記第2MEMSミラーの中央に45度の角度で当たるように構成され、
前記第3固定レンズは、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーの間に配置され、
前記第3MEMSミラーは、前記筐体の第2接続点に隣接し且つ前記第2MEMSミラーから来る光線に対して45度の角度、及び前記第3固定レンズに対して45度の角度で配置される。
In another embodiment, the invention is a dynamic focus zoom system for use in wide area confocal and multiphoton microscopy.
The dynamic focus / zoom system is
A first MEMS mirror, a second MEMS mirror, a third MEMS mirror, and a third MEMS mirror arranged in the housing and provided on the internal platform.
Right-angled flat mirror and
An optical relay having a first fixed lens and a second fixed lens,
Equipped with a third fixed lens
The first MEMS mirror, the second MEMS mirror, and the third MEMS mirror are elliptical.
The right-angled flat mirror, the first fixed lens, the second fixed lens, and the first MEMS mirror are linearly positioned along the longitudinal axis of the optical relay.
The second MEMS mirror, the third fixed lens, and the third MEMS mirror are linearly positioned so as to be parallel to the longitudinal axis of the optical relay.
The right-angle prism is arranged adjacent to the first connection point of the housing and at an angle of 45 degrees with respect to the first fixed lens.
The first MEMS mirror has an angle of 45 degrees with respect to the second fixed lens.
The second MEMS mirror is adjacent to the first MEMS mirror at an angle of 90 degrees, and a light ray that hits the first MEMS mirror at an angle of 45 degrees hits the center of the second MEMS mirror at an angle of 45 degrees. Configured,
The third fixed lens is arranged between the second MEMS mirror and the third MEMS mirror.
The third MEMS mirror is arranged adjacent to the second connection point of the housing and at an angle of 45 degrees with respect to a light beam coming from the second MEMS mirror and at an angle of 45 degrees with respect to the third fixed lens. ..

好適な実施形態において、前記第1・第2MEMSミラーそれぞれは、直径を伴う短軸を有し、前記第2MEMSミラーの前記短軸の前記直径は、前記第1MEMSミラーの前記短軸の前記直径と同じである。他の好適な実施形態において、前記第1・第3MEMSミラーそれぞれは、直径を伴う短軸を有し、前記第3MEMSミラーの前記短軸の前記直径は、前記第1MEMSミラーの前記短軸の前記直径の少なくとも2倍である。さらに別の好適な実施形態において、前記第1MEMSミラーは、直径を伴う短軸を有し、前記システムは、直径を伴う背面開口を有する対物レンズと共に用いられ、前記第1MEMSミラーの前記短軸の前記直径は、前記対物レンズの前記背面開口の前記直径と同じである。 In a preferred embodiment, each of the first and second MEMS mirrors has a short axis with a diameter, the diameter of the short axis of the second MEMS mirror with the diameter of the short axis of the first MEMS mirror. It is the same. In another preferred embodiment, each of the first and third MEMS mirrors has a short axis with a diameter, the diameter of the short axis of the third MEMS mirror being the short axis of the first MEMS mirror. At least twice the diameter. In yet another preferred embodiment, the first MEMS mirror has a short axis with a diameter, the system is used with an objective lens having a back aperture with a diameter, and the short axis of the first MEMS mirror. The diameter is the same as the diameter of the back opening of the objective lens.

前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第3固定レンズは、アクロマートレンズであることが好ましい。前記直角プリズムは、誘電性反射プリズムであることが好ましい。 The first fixed lens, the second fixed lens, and the third fixed lens are preferably achromat lenses. The right-angle prism is preferably a dielectric reflection prism.

本発明の第1実施形態の第1斜視図である。It is a 1st perspective view of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の第2斜視図である。It is a second perspective view of the 1st Embodiment of this invention. 筐体の上部カバーを取り除いた点を除いて図1と同じ図である。It is the same figure as FIG. 1 except that the upper cover of a housing is removed. プリント回路基板を取り除いた点を除いて図3と同じ図である。It is the same figure as FIG. 3 except that the printed circuit board is removed. スペーサと実装基板を取り除いた点を除いて図4と同じ図である。It is the same figure as FIG. 4 except that the spacer and the mounting board are removed. 筐体の側壁及びユニバーサルシリアルバス(USBs)を取り除いた点を除いて図5と同じ図である。It is the same figure as FIG. 5 except that the side wall of the housing and the universal serial bus (USBs) are removed. 本発明の第1実施形態の底面斜視図である。It is a bottom perspective view of the 1st Embodiment of this invention. 図5Aに示す実施形態の平面図である。It is a top view of the embodiment shown in FIG. 5A. 図1及び図2に示されているのと同じ実施形態の第3斜視図である。3 is a third perspective view of the same embodiment as shown in FIGS. 1 and 2. 本発明の第2実施形態において、対物レンズが筐体に直接取り付けられる状態を示す第1斜視図である。FIG. 3 is a first perspective view showing a state in which the objective lens is directly attached to the housing in the second embodiment of the present invention. 図9に示す実施形態において、対物レンズターレットが筐体に直接取り付けられる状態を示す第2斜視図である。FIG. 9 is a second perspective view showing a state in which the objective lens turret is directly attached to the housing in the embodiment shown in FIG. 本発明の第1・第2実施形態の光学レイアウトの図である。It is a figure of the optical layout of the 1st and 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第1・第2実施形態の光学系の図である。It is a figure of the optical system of 1st and 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の第1平面斜視図である。It is a 1st plan perspective view of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の底面斜視図である。It is a bottom perspective view of the 3rd Embodiment of this invention. 筐体の上側カバーを取り除いた点を除いて図12と同じ図である。It is the same figure as FIG. 12 except that the upper cover of a housing is removed. 本発明の第3実施形態において、筐体の上側カバー、プリント回路基板及びUSBを取り除いた状態を示す第2平面斜視図である。FIG. 3 is a second plan perspective view showing a state in which the upper cover of the housing, the printed circuit board, and the USB are removed in the third embodiment of the present invention. スペーサ及び実装基板を取り除いた点を除いて図15と同じ図である。It is the same figure as FIG. 15 except that a spacer and a mounting board were removed. 筐体の側壁を取り除いた点を除いて図16と同じ図である。It is the same figure as FIG. 16 except that the side wall of a housing is removed. 本発明の第3実施形態の平面図である。It is a top view of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の光学レイアウトの図である。It is a figure of the optical layout of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の光学系の図である。It is a figure of the optical system of the 3rd Embodiment of this invention.

A.概要
本発明は、無限共役像平面において既存の広領域の共焦点又は多光子顕微鏡に容易に挿入する又は取り付ける機械的構造物又は筐体から構成される。本発明は、対物レンズターレット及び対物レンズの間に配置するように特に設計されているが、接眼レンズの近くに配置されて同等に機能を持たせることもできる。筐体内では、3つの電子制御式の可変焦点レンズと1つの固定レンズが、大きな焦点ずらし(デフォーカス)とズームを実行する。実験により、発明者が確認したことは、1つのMEMSミラーではフォーカスを可能とするがズームを可能とならず、2つのMEMSミラーではフォーカス及びズームを可能とするが、相互に依存し(ズーム/倍率の特性を変更せずにフォーカスを変更することはできず、その逆も同様)、3つのMEMSミラーでは独立したフォーカス及びズームを可能とすること(つまり、他方に影響を与えることなく一方を変更可能であること)である。さらに、本発明は、顕微鏡の対物レンズターレットを回転させて対物レンズを切り替えることなく、且つ試料を静止したまま及び攪拌されないままで顕微鏡の倍率を変更することを可能にする。
A. Overview The invention comprises a mechanical structure or enclosure that is easily inserted or attached to an existing wide area confocal or multiphoton microscope in an infinite conjugate image plane. Although the present invention is specifically designed to be placed between the objective lens turret and the objective lens, it can also be placed close to the eyepiece to provide equivalent functionality. Inside the enclosure, three electronically controlled varifocal lenses and one fixed lens perform large defocus and zoom. Experiments have confirmed that one MEMS mirror allows focus but not zoom, and two MEMS mirrors allow focus and zoom, but they are interdependent (zoom / zoom /). The focus cannot be changed without changing the magnification characteristics, and vice versa). The three MEMS mirrors allow independent focus and zoom (ie, one without affecting the other). It can be changed). Further, the present invention makes it possible to change the magnification of the microscope without rotating the objective lens turret of the microscope to switch the objective lens and without keeping the sample stationary and agitated.

本発明が試料内のフォーカス位置を変更するとき、対物レンズの後焦点面はそのままである(remains filled)。従って、システムの開口数又は解像度は、利用可能な他の高速フォーカス技術とは異なり、一定のままである。本発明は、ズームから独立してデフォーカスを変更する。さらに、本発明は、フォーカスから独立して、(解像度を改善しないデジタルとは対照的に)光学倍率を変更することができる。 When the present invention changes the focus position in the sample, the posterior focal plane of the objective lens remains filled. Therefore, the numerical aperture or resolution of the system remains constant, unlike other fast focus techniques available. The present invention changes the defocus independently of the zoom. Moreover, the invention can change the optical magnification (as opposed to digital, which does not improve resolution) independently of focus.

B.図面の詳細な説明
図1は、本発明の第1実施形態の第1斜視図である。この図に示すように、本発明は、本発明の他の構成要素の周りに構造体を形成する筐体1を有する。筐体1は、上部カバー2、側壁3及びフロア(図示せず)を有する。ここでは、上部カバー2がねじで側壁3に取り付けられているように示されているが、本発明では、上部カバー2を側壁3に取り付ける方法はこれに限定されず、上部カバー2は、任意の方法で側壁3への取付け、固定、接続又は接合が可能である。別の実施形態において、上部カバー2及び側壁3は、一体成形(同じ部品の一部)とし又は一緒に溶接されてもよい。筐体1は、任意の適切で耐久性及び剛性がある材料(アルミニウム等)で作られてもよい。好適な実施形態において、上部カバー2は、熱放散のための1つ又は複数の通気孔5を有する。
B. Detailed Description of Drawings FIG. 1 is a first perspective view of a first embodiment of the present invention. As shown in this figure, the present invention has a housing 1 that forms a structure around other components of the present invention. The housing 1 has an upper cover 2, a side wall 3, and a floor (not shown). Here, it is shown that the upper cover 2 is attached to the side wall 3 with screws, but in the present invention, the method of attaching the upper cover 2 to the side wall 3 is not limited to this, and the upper cover 2 is optional. It is possible to attach, fix, connect or join to the side wall 3 by the above method. In another embodiment, the top cover 2 and the side wall 3 may be integrally molded (part of the same part) or welded together. The housing 1 may be made of any suitable, durable and rigid material (aluminum, etc.). In a preferred embodiment, the top cover 2 has one or more vents 5 for heat dissipation.

図1には、第1USB6も示されている。本発明では、3つのMEMSミラー(図示せず)のそれぞれに1つのUSBがある。筐体1は、対物レンズ8をメインウィンドウ9の第1側面に配置可能とするのに十分な大きさ及び形状の第1窪み7と、対物レンズターレット又はカメラ/接眼レンズ(図示せず)をメインウィンドウ9の第2側面に配置可能とするのに十分な大きさ及び形状の第2窪み10とを形成するように構成されることが好ましい。筐体1の上部カバー2及びフロア4(図5B参照)は、平坦であることが好ましく、側壁は上部カバー2及びフロア4の間に位置し、それぞれに垂直である。2つの窪み7、10は、メインウィンドウ9が内部に配置される筐体1の延長部11を形成する。メインウィンドウ9は、延長部11の前端全体に亘って延在し、延長部11の両側を跨ぎ、対物レンズ8及び対物レンズターレット(図示せず)をメインウィンドウ9の互いに対向する側でメインウィンドウ9に配置できるようにする(従って、対物レンズ8及び対物レンズターレットが互いに長手方向に位置決めされる。)。 FIG. 1 also shows the first USB6. In the present invention, each of the three MEMS mirrors (not shown) has one USB. The housing 1 includes a first recess 7 having a size and shape sufficient to allow the objective lens 8 to be arranged on the first side surface of the main window 9, and an objective lens turret or a camera / eyepiece (not shown). It is preferably configured to form a second recess 10 of sufficient size and shape to be dispositionable on the second side surface of the main window 9. The upper cover 2 and the floor 4 (see FIG. 5B) of the housing 1 are preferably flat, and the side walls are located between the upper cover 2 and the floor 4 and are perpendicular to each other. The two recesses 7 and 10 form an extension 11 of the housing 1 in which the main window 9 is arranged. The main window 9 extends over the entire front end of the extension portion 11, straddles both sides of the extension portion 11, and the objective lens 8 and the objective lens turret (not shown) are placed on opposite sides of the main window 9 as the main window. 9 can be placed (thus, the objective lens 8 and the objective lens turret are positioned longitudinally with each other).

図2は、本発明の第1実施形態の第2斜視図である。この図は、第2・第3MEMSミラー(図示せず)に対応する第2・第3USB12、13をそれぞれ示す。3つのUSB6、12、13は全て筐体1の側壁3の切欠きを通って延在することに留意されたい。各USBは、筐体1内部のMEMSミラーに近接して配置され(図5参照)、3つのMEMSミラーのうちの1つに駆動信号を供給する。プリント回路基板14は、3つのMEMSミラーそれぞれに対応し(図3参照)、各プリント回路基板14への電力は、USBの下方における筐体1の穴を通して供給される(例えば、図7参照)。 FIG. 2 is a second perspective view of the first embodiment of the present invention. This figure shows the second and third USBs 12 and 13 corresponding to the second and third MEMS mirrors (not shown), respectively. Note that all three USBs 6, 12, and 13 extend through the notch in the side wall 3 of the housing 1. Each USB is arranged close to the MEMS mirror inside the housing 1 (see FIG. 5) and supplies a drive signal to one of the three MEMS mirrors. The printed circuit board 14 corresponds to each of the three MEMS mirrors (see FIG. 3), and power to each printed circuit board 14 is supplied through a hole in the housing 1 below the USB (see, for example, FIG. 7). ..

図3は、筐体の上部カバーを取り除いた点を除いて図1と同じ図である。この図は、それぞれが1つのMEMSミラー(図5参照)を制御する3つのプリント回路基板14を示す。将来的な実施形態では、3つのMEMSミラー全てを単一のプリント回路基板で制御することが可能になるかもしれない。 FIG. 3 is the same as FIG. 1 except that the upper cover of the housing is removed. This figure shows three printed circuit boards 14, each controlling one MEMS mirror (see FIG. 5). In future embodiments, it may be possible to control all three MEMS mirrors with a single printed circuit board.

図4は、プリント回路基板を取り除いた点を除いて図3と同じ図である。この図に示されるように、複数のスペーサ15は、実装基板16及びプリント回路基板14の間において1つ以上の実装基板16の上に配置されることが好ましい。実装基板16は、プリント回路基板14の下方に配置される。スペーサ15の目的は、プリント回路基板14が実装基板16と電気的に接触しないようにすることである。実装基板16の穴17により、電気配線が実装基板16を通過して、下方のUSB13等からプリント回路基板14に至る。 FIG. 4 is the same as FIG. 3 except that the printed circuit board is removed. As shown in this figure, the plurality of spacers 15 are preferably arranged on one or more mounting boards 16 between the mounting board 16 and the printed circuit board 14. The mounting board 16 is arranged below the printed circuit board 14. The purpose of the spacer 15 is to prevent the printed circuit board 14 from electrically contacting the mounting board 16. The holes 17 in the mounting board 16 allow electrical wiring to pass through the mounting board 16 and reach the printed circuit board 14 from the lower USB 13 and the like.

図5は、スペーサと実装基板を取り除いた点を除いて図4と同じ図である。この図に示すように、本発明は、いずれも好ましくは円状である3つのMEMSミラー18、19、20を含む。(図5では、部品番号18、19、20は、円状ミラーがテープ又はエポキシで接着された小さな正方形のプリント回路基板として示されている。)本発明は、様々な光学部品を適切に位置決めできるようにする内部プラットフォーム21を含むことが好ましい。 FIG. 5 is the same as FIG. 4 except that the spacer and the mounting substrate are removed. As shown in this figure, the present invention includes three MEMS mirrors 18, 19, 20 which are all preferably circular. (In FIG. 5, part numbers 18, 19 and 20 are shown as small square printed circuit boards with circular mirrors glued with tape or epoxy.) The present invention properly positions various optical components. It is preferred to include an internal platform 21 that allows it.

図5Aは、筐体の側壁とUSBが取り除いた点を除いて図5と同じ図である。内部プラットフォーム21の1つ又は複数の穴22により、本発明をねじで光学台に固定できることに留意されたい。この図に示すように、第1プリズム23と、第1プリズム23に隣接する第2プリズム24とは、メインウィンドウ9の直ぐ内側に配置されている。ここには示されていないが、メインウィンドウ9は、ガラス又は類似の透明材料で覆われてもよい。第2プリズム24の直後には、第1固定レンズ25及び第2固定レンズ26を有する光学リレーがある。第1・第2固定レンズは、筐体1のフロア4のスロット27内にスライド可能に取り付けられ、それらの間の距離を調整できるように止めねじ(図示せず)で所定の位置に固定されることが好ましい。 FIG. 5A is the same as FIG. 5 except that the side wall of the housing and the USB are removed. It should be noted that one or more holes 22 of the internal platform 21 allow the invention to be screwed to the optical table. As shown in this figure, the first prism 23 and the second prism 24 adjacent to the first prism 23 are arranged immediately inside the main window 9. Although not shown here, the main window 9 may be covered with glass or a similar transparent material. Immediately after the second prism 24, there is an optical relay having a first fixed lens 25 and a second fixed lens 26. The first and second fixed lenses are slidably mounted in the slot 27 of the floor 4 of the housing 1 and fixed in place with set screws (not shown) so that the distance between them can be adjusted. Is preferable.

第2固定レンズ26の直後に配置されているのは、第1ビームスプリッタ28である。第1ビームスプリッタ28は、第2プリズム24、第1固定レンズ25、第2固定レンズ26及び第1ビームスプリッタ28が全て光学リレーの長手方向軸に沿って直線状に整列するように配置される。波長板29は、第1ビームスプリッタ28及び第1MEMSミラー18の間に配置される。第1・第2MEMSミラー18、19は、光学リレーの長手方向軸に対して90度の角度で互いに直線状に位置決めされる。第2ビームスプリッタ30は、第2MEMSミラー19の前に配置され、波長板29は、第2ビームスプリッタ30及び第2MEMSミラー19の間に配置される。第3MEMSミラー20は、メインウィンドウ9に近接して配置される。第3固定レンズ31は、第3MEMSミラー20の直前に位置し、波長板29は、第3固定レンズ31の直前に位置する。本発明は可能な限り小さく設計されているため、実質的にかさばることなく既存の顕微鏡に取り付けることができる。好適な実施形態では、第3固定レンズ31(正の固定焦点距離レンズ)の追加により、一次光学要素の長さを4インチ未満に維持することが可能になった。別の実施形態では、第3固定レンズ31は、第1プリズム23及び第3プリズム33の間に配置される。さらに別の実施形態では、第3固定レンズ31は、第2ビームスプリッタ30及び第3ビームスプリッタ32の間に配置される。第3固定レンズ31は、それが配置される場所に応じて異なる焦点距離を有するであろうが、この焦点距離は、以下に記載される方程式を使用して計算され得る。 Immediately after the second fixed lens 26 is a first beam splitter 28. The first beam splitter 28 is arranged so that the second prism 24, the first fixed lens 25, the second fixed lens 26, and the first beam splitter 28 are all linearly aligned along the longitudinal axis of the optical relay. .. The wave plate 29 is arranged between the first beam splitter 28 and the first MEMS mirror 18. The first and second MEMS mirrors 18 and 19 are positioned linearly with each other at an angle of 90 degrees with respect to the longitudinal axis of the optical relay. The second beam splitter 30 is arranged in front of the second MEMS mirror 19, and the wave plate 29 is arranged between the second beam splitter 30 and the second MEMS mirror 19. The third MEMS mirror 20 is arranged close to the main window 9. The third fixed lens 31 is located immediately before the third MEMS mirror 20, and the wave plate 29 is located immediately before the third fixed lens 31. Since the present invention is designed to be as small as possible, it can be attached to an existing microscope without being substantially bulky. In a preferred embodiment, the addition of a third fixed lens 31 (positive fixed focal length lens) has made it possible to keep the length of the primary optical element below 4 inches. In another embodiment, the third fixed lens 31 is arranged between the first prism 23 and the third prism 33. In yet another embodiment, the third fixed lens 31 is disposed between the second beam splitter 30 and the third beam splitter 32. The third fixed lens 31 will have different focal lengths depending on where it is placed, but this focal length can be calculated using the equations described below.

図5Aを参照すると、第3ビームスプリッタ32は、第3固定レンズ31の前にある波長板29の直前に位置し、第3プリズム33は、第3ビームスプリッタ32の直前に位置する。第3MEMSミラー20、第3固定レンズ31、波長板29、第3ビームスプリッタ32及び第3プリズム33は全て、光リレーの長手方向軸に対して90度の角度で互いに直線状に位置決めされる。第3プリズム33は、光学リレーの中央部分(2つの固定レンズ25、26の間)に当接し、第1プリズム23及び第3プリズム33の直線状の位置決めが光リレーの長手方向軸と平行になるように第1プリズム23と直線状に位置決めされる。第1・第2・第3ビームスプリッタ28、30、32は、いずれも偏光ビームスプリッタであることが好ましい。好適な実施形態では、第1・第2MEMSミラー18、19間の距離は、第2・第3MEMSミラー19、20間の距離よりも短い。この構成は図6にも示されている。 Referring to FIG. 5A, the third beam splitter 32 is located immediately before the wave plate 29 in front of the third fixed lens 31, and the third prism 33 is located just before the third beam splitter 32. The third MEMS mirror 20, the third fixed lens 31, the wave plate 29, the third beam splitter 32, and the third prism 33 are all positioned linearly with each other at an angle of 90 degrees with respect to the longitudinal axis of the optical relay. The third prism 33 abuts on the central portion of the optical relay (between the two fixed lenses 25 and 26), and the linear positioning of the first prism 23 and the third prism 33 is parallel to the longitudinal axis of the optical relay. It is positioned linearly with the first prism 23 so as to be. It is preferable that the first, second and third beam splitters 28, 30, and 32 are all polarized beam splitters. In a preferred embodiment, the distance between the first and second MEMS mirrors 18 and 19 is shorter than the distance between the second and third MEMS mirrors 19 and 20. This configuration is also shown in FIG.

図6は、ユニバーサルシリアルバス(USB)ポートを取り除いた点を除いて、図5に示す実施形態の平面図である。顕微鏡は、透過照明と反射照明(光はシステムの中を前方に進み、反射してカメラ/接眼レンズに戻って観察される。)で使用できる。本発明では、カメラ/接眼レンズ及び対物レンズをいくつかの異なる位置に配置することができる。1つの可能な構成では、カメラ/接眼レンズ(又は対物レンズターレット)が図6の「X」の位置に配置され、対物レンズ(透過用の照明源を提供する。)が「Y」の位置に配置される(図1も参照)。或いは、カメラ/接眼レンズを位置「Z」に配置し、対物レンズを位置「Y」に配置してもよい。この構成では、第1プリズム23が取り除かれる。さらに別の構成では、カメラ/接眼レンズは「X」の位置にあり、対物レンズは「Z」の位置にある。この構成では、第2プリズム24が取り除かれる。これらの構成の全てにおいて、カメラ/接眼レンズは、反射のための照明源を提供することができる。以下の段落では、これらの3つの構成をそれぞれ「構成A」、「構成B」、「構成C」と称する。 FIG. 6 is a plan view of the embodiment shown in FIG. 5, except that the universal serial bus (USB) port is removed. Microscopes can be used in transmitted and reflected illumination (light travels forward through the system and is reflected back to the camera / eyepiece for observation). In the present invention, the camera / eyepiece and objective lens can be placed in several different positions. In one possible configuration, the camera / eyepiece (or objective lens turret) is located at the "X" position in FIG. 6 and the objective lens (which provides an illumination source for transmission) is located at the "Y" position. Arranged (see also Figure 1). Alternatively, the camera / eyepiece may be placed at position "Z" and the objective lens may be placed at position "Y". In this configuration, the first prism 23 is removed. In yet another configuration, the camera / eyepiece is in the "X" position and the objective lens is in the "Z" position. In this configuration, the second prism 24 is removed. In all of these configurations, the camera / eyepiece can provide a source of illumination for reflection. In the following paragraphs, these three configurations are referred to as "configuration A", "configuration B", and "configuration C", respectively.

構成Aでは、光は、対物レンズ8からメインウィンドウ9を通って進み、入射光線に対して45度の角度である第2プリズム24に当たる。次に、光線は、第1固定レンズ25及び第2固定レンズ26を通って導かれ、第1ビームスプリッタ28に当たる。次に、光は波長板29を通って進み、第1MEMSミラー18に当たり、そこで反射されて第1ビームスプリッタ28に戻り、第1ビームスプリッタ28を通過して第2ビームスプリッタ30に入る。次に、光線は、第2MEMSミラーの前の波長板29を通って進み、第2MEMSミラー19に当たり、そこで反射されて波長板29に戻り、さらに第2ビームスプリッタ30に戻る。次に、光線は、第2ビームスプリッタ30から第3ビームスプリッタ32に向けて垂直に方向転換される。次に、光は、第3MEMSミラー20の前の波長板29を通り、続いて第3固定レンズ31を通り、第3MEMSミラー20に進む。次に、光線は、第3MEMSミラー20で反射されて、第3固定レンズ31、波長板29及び第3ビームスプリッタ32を介して戻り、第3プリズム33に当たる。第3プリズム33では、光線を第1プリズム23に向け、メインウィンドウ9の側面を通過させ、光線は、「X」の位置でデバイスから放出される。3つの全てのプリズム23、24、33は、入射光線が45度の角度でプリズムに当たり、その入射方向に対して90度の角度で方向転換されるように構成される。 In configuration A, the light travels from the objective lens 8 through the main window 9 and hits the second prism 24 at an angle of 45 degrees with respect to the incident light beam. Next, the light beam is guided through the first fixed lens 25 and the second fixed lens 26 and hits the first beam splitter 28. Next, the light travels through the wave plate 29, hits the first MEMS mirror 18, is reflected there, returns to the first beam splitter 28, passes through the first beam splitter 28, and enters the second beam splitter 30. Next, the light beam travels through the wave plate 29 in front of the second MEMS mirror, hits the second MEMS mirror 19, is reflected there, returns to the wave plate 29, and then returns to the second beam splitter 30. The light beam is then directed vertically from the second beam splitter 30 towards the third beam splitter 32. Next, the light passes through the wave plate 29 in front of the third MEMS mirror 20, subsequently through the third fixed lens 31, and proceeds to the third MEMS mirror 20. Next, the light beam is reflected by the third MEMS mirror 20, returns through the third fixed lens 31, the wave plate 29, and the third beam splitter 32, and hits the third prism 33. In the third prism 33, the light beam is directed toward the first prism 23 and passes through the side surface of the main window 9, and the light ray is emitted from the device at the “X” position. All three prisms 23, 24, 33 are configured such that the incident light beam hits the prism at an angle of 45 degrees and is turned at an angle of 90 degrees with respect to the direction of incidence.

光線がMEMSミラー18、19、20に当たると、3つのMEMSミラーのデフォーカスと球面収差を制御するソフトウェアを介して、これらの3点のそれぞれで倍率及び/又はフォーカスに影響を与える機会がある。好適な実施形態では、第1MEMSミラー18は、1:1の補正比で対物レンズの後焦点面に直接マッピングされる。好適な実施形態では、第3MEMSミラー20は、他の2つのMEMSミラー18、19よりも大きいビーム直径を有し、より大きな倍率をもたらす。 When the light beam hits the MEMS mirrors 18, 19 and 20, there is an opportunity to affect the magnification and / or focus at each of these three points via software that controls the defocus and spherical aberration of the three MEMS mirrors. In a preferred embodiment, the first MEMS mirror 18 is directly mapped to the posterior focal plane of the objective lens with a 1: 1 correction ratio. In a preferred embodiment, the third MEMS mirror 20 has a larger beam diameter than the other two MEMS mirrors 18, 19 and results in greater magnification.

構成Bにおいて、光路は、第1プリズム23が取り除かれて、光が図6の「Z」の位置でデバイスから放出される点を除いて、構成Aに関する上述の説明と同じである。この構成では、カメラ/接眼レンズは対物レンズ8に垂直である。構成Cでも、カメラ/接眼レンズが対物レンズ8に垂直であるが、第1プリズム23ではなく第2プリズム24が取り除かれる。光路は、光がメインウィンドウ9の前面からデバイスに入射し、光リレーの第1固定レンズ25に当たる点を除いて、構成Aについて上述したものと同じである。 In configuration B, the optical path is the same as described above for configuration A, except that the first prism 23 is removed and light is emitted from the device at position "Z" in FIG. In this configuration, the camera / eyepiece is perpendicular to the objective lens 8. Also in configuration C, the camera / eyepiece is perpendicular to the objective lens 8, but the second prism 24 is removed instead of the first prism 23. The optical path is the same as described above for configuration A, except that light enters the device from the front of the main window 9 and hits the first fixed lens 25 of the optical relay.

図7は、図1及び図2に示されているのと同じ実施形態の第3斜視図である。この図は、第1プリズム23及び第2プリズム24並びに第1固定レンズ25が視認可能なメインウィンドウ9をより明確に示す。第1プリズム23に当たるまでに光線の直径が大きくなるため、第1プリズム23の直径(大きさ)は第2プリズム24の直径よりも大きいことに留意されたい。同様に、より大きな直径の光線のために、MEMSミラー20の直径は、他の2つのMEMSミラー18、19の直径よりも大きい。 FIG. 7 is a third perspective view of the same embodiment shown in FIGS. 1 and 2. This figure more clearly shows the main window 9 in which the first prism 23, the second prism 24, and the first fixed lens 25 are visible. It should be noted that the diameter (magnitude) of the first prism 23 is larger than the diameter of the second prism 24 because the diameter of the light beam becomes large by the time it hits the first prism 23. Similarly, due to the larger diameter of the rays, the diameter of the MEMS mirror 20 is larger than the diameter of the other two MEMS mirrors 18, 19.

図8は、対物レンズが筐体に直接取り付けられる本発明の第2実施形態の第1斜視図であり、図9は、対物レンズターレットが筐体に直接取り付けられる図8に示す実施形態の第2斜視図である。この特定の実施形態では、装置を既存の顕微鏡に直接取り付けることができる。図示されているように、対物レンズ8は、筐体1に一体化された第1ねじ付きアダプタ34を介して位置「Y」(位置の指定については図6を参照)で筐体にねじ込まれる。対物レンズターレット(図示せず)は、これも筐体1と一体である第2ねじ付きアダプタ35を介して位置「X」で筐体にねじ込まれる。メインウィンドウ9は削除され(対物レンズと対物レンズターレットが筐体に直接ねじ込まれているため)、延長部11はねじ付きアダプタ34、35を収容するように長くなっているが、他の全ての点で、本発明は前述の通りである。 FIG. 8 is a first perspective view of the second embodiment of the present invention in which the objective lens is directly attached to the housing, and FIG. 9 is the first perspective view of the embodiment shown in FIG. 8 in which the objective lens turret is directly attached to the housing. 2 is a perspective view. In this particular embodiment, the device can be attached directly to an existing microscope. As shown, the objective lens 8 is screwed into the housing at position "Y" (see FIG. 6 for position designation) via a first threaded adapter 34 integrated with the housing 1. .. The objective lens turret (not shown) is screwed into the housing at position "X" via a second threaded adapter 35, which is also integral with the housing 1. The main window 9 has been removed (because the objective lens and objective lens turret are screwed directly into the housing) and the extension 11 has been lengthened to accommodate the threaded adapters 34, 35, but all others. In that respect, the present invention is as described above.

以下の説明は、本発明に適用される方程式に関する。図10は、本発明の第1・第2実施形態の光学レイアウトの図である。図10では、1つの固定レンズF(参照符号31)及び3つのバリフォーカルレンズv1、v2、v3(それぞれ参照符号20、19、18)が示されている。固定レンズFとバリフォーカルレンズv1を組み合わせることが可能であり、Gと表記する。バリフォーカルレンズv2及びv3を組み合わることが可能であり、Hと表記する。距離aは、固定焦点距離レンズFとバリフォーカルレンズv1の間の距離を表す。距離bは、バリフォーカルレンズv1とバリフォーカルレンズv2の間の距離を規定する。距離b及びcは正の値である。図示されているように、バリフォーカルレンズv1の前にある場合、距離aは正の値である。距離aは、負の値として、バリフォーカルレンズv1の後ろにすることもできる。Fの最も簡単で最適な位置はv1に近いと予想される。距離a及びcは、システムを2つのレンズリレーとみなすのに十分小さいと想定される。G、Hの同等の焦点距離f、fはそれぞれ次の通りである。 The following description relates to equations applied to the present invention. FIG. 10 is a diagram of the optical layout of the first and second embodiments of the present invention. In FIG. 10, one fixed lens F (reference numeral 31) and three varifocal lenses v1, v2, v3 (reference numerals 20, 19, 18 respectively) are shown. It is possible to combine a fixed lens F and a varifocal lens v1, and it is expressed as G. It is possible to combine varifocal lenses v2 and v3, and it is expressed as H. The distance a represents the distance between the fixed focal length lens F and the varifocal lens v1. The distance b defines the distance between the varifocal lens v1 and the varifocal lens v2. The distances b and c are positive values. As shown, the distance a is a positive value when in front of the varifocal lens v1. The distance a can also be behind the varifocal lens v1 as a negative value. The simplest and most suitable position for F is expected to be close to v1. The distances a and c are assumed to be small enough to consider the system as two lens relays. The equivalent focal lengths f G and f H of G and H are as follows.

Figure 0006978592
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ここで、f、fv1、fv2、fv3は、それぞれレンズF、v1、v2、v3の焦点距離である。距離が無限共役結像(infinite conjugate imaging)又はb=f+fであるとすると、第2窪み10で観察される試料の倍率Mは次のようになる。 Here, f F , f v1 , f v2 , and f v3 are the focal lengths of the lenses F, v1, v2, and v3, respectively. Assuming that the distance is infinite conjugate imaging or b = f G + f H , the magnification M of the sample observed in the second recess 10 is as follows.

Figure 0006978592
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第1MEMSミラー18(v3)を直径6mmとすると、1:1のスケールでほとんどの0.8NA対物レンズの後開口の直径と合致し、本発明に対する開口絞りとして機能する。これにより、MEMSミラーの形状を細かく制御することで、システムの球面収差やその他の収差を簡単に補正できる。また、動的フォーカス範囲に亘って解像度が維持されるように、システム全体の開口絞りが対物レンズの全開口であることを保証する。 Assuming that the first MEMS mirror 18 (v3) has a diameter of 6 mm, it matches the diameter of the rear aperture of most 0.8NA objective lenses on a 1: 1 scale and functions as an aperture diaphragm for the present invention. As a result, spherical aberration and other aberrations of the system can be easily corrected by finely controlling the shape of the MEMS mirror. It also ensures that the aperture aperture of the entire system is the full aperture of the objective so that resolution is maintained over the dynamic focus range.

6mmのMEMSミラーの焦点距離は60mmから無限大まで可能である。好適な実施形態では、第1・第2MEMSミラー18、19は、fv2=fv3=60mmである。ビームスプリッタと波長板の大きさにより、第1・第2MEMSミラー18、19間のスペースcは少なくとも20mmである。上記式を使用すると、f=(60*60)/(60+60−20)=36mmである。2倍の場合、M=f/36=2、又はf=72mmである。第3MEMSミラー20は、倍率2倍では、MEMSミラー18、19の直径の2倍でなければならない。従って、その直径は12mmである。MEMSミラー20は、200mmから無限までの焦点距離範囲を有する。好適な実施形態では、倍率2倍とするケースの場合、固定レンズFの光学倍率を低減しつつ、導入された収差を最小化するために、値fv1=600mmが選択された。通常、固定レンズの光学倍率を大きくするほど、システムに収差を生じさせる。焦点距離fv1の値が600mmの場合、fをさらに減少させることにより、システムの倍率を減少させることができる。第3固定レンズ31を選択する際、f=72mmであるとした場合、固定焦点距離レンズ31とvlとの間の間隔aは少なくとも5mmである。これを解くと、f=72mm=f*600/(f+600−5)、f=82である。 好適な実施形態では、ユニット全体の大きさを比較的小さく保つために、fとfとの間の距離は100mm未満である。 The focal length of a 6 mm MEMS mirror can range from 60 mm to infinity. In a preferred embodiment, the first and second MEMS mirrors 18 and 19 have f v2 = f v3 = 60 mm. Depending on the size of the beam splitter and the wave plate, the space c between the first and second MEMS mirrors 18 and 19 is at least 20 mm. Using the above equation, f H = (60 * 60) / (60 + 60-20) = 36 mm. In the case of doubling, M = f G / 36 = 2, or f G = 72 mm. The third MEMS mirror 20 must be twice the diameter of the MEMS mirrors 18 and 19 at 2x magnification. Therefore, its diameter is 12 mm. The MEMS mirror 20 has a focal length range from 200 mm to infinity. In a preferred embodiment, in the case of a 2x magnification case, the value fv1 = 600mm was selected in order to minimize the introduced aberration while reducing the optical magnification of the fixed lens F. Generally, the higher the optical magnification of a fixed lens, the more aberrations the system will have. When the value of the focal length f v1 is 600 mm, the magnification of the system can be reduced by further reducing f G. When f G = 72 mm when selecting the third fixed lens 31, the distance a between the fixed focal length lens 31 and vr is at least 5 mm. Solving this, f G = 72 mm = f F * 600 / (f F + 600-5), f G = 82. In a preferred embodiment, the distance between f G and f H is less than 100 mm in order to keep the overall size of the unit relatively small.

図11に示す光学系には、上記の図の説明で参照した、1つの12mm(v1)及び2つの6mm(v2及びv3)MEMSミラーが含まれている。大きいMEMSミラーは第3MEMSミラー20であり、2つの小さいMEMSミラーは第1・第2MEMSミラー18、19である。2つのリレーレンズ(第1・第2固定レンズ25、26)は、MEMSミラー18(v3)を対物レンズの後焦点面に1:1のスケールで結像する。これにより、球面収差を容易に補正可能となる。(通常、後焦点面は対物レンズ内にあり、光学リレーにより共役像面をそこに正確に配置できる。)このリレーに沿った2つの固定レンズの配置(つまり、それらの間の距離)は、デバイスが接続されている顕微鏡と2つのリレーレンズの倍率に依存する。 The optical system shown in FIG. 11 includes one 12 mm (v1) and two 6 mm (v2 and v3) MEMS mirrors referred to in the description of the above figure. The large MEMS mirror is the third MEMS mirror 20, and the two smaller MEMS mirrors are the first and second MEMS mirrors 18, 19. The two relay lenses (first and second fixed lenses 25 and 26) form a MEMS mirror 18 (v3) on the posterior focal plane of the objective lens on a 1: 1 scale. This makes it possible to easily correct spherical aberration. (Usually, the posterior focal plane is in the objective lens and the optical relay allows the conjugated image plane to be placed exactly there.) The placement of the two fixed lenses along this relay (ie, the distance between them) is It depends on the magnification of the microscope to which the device is connected and the two relay lenses.

ここで説明するシステムは、Zemax社(Zemax, LLC)の光学試験プラットフォームであるOPTICSTUDIO(登録商標)でモデル化された。表1は、0.8NAの水性試料における連続的な207ミクロンの範囲に亘るいくつかの焦点位置を示す。表1には、いくつかの連続的な1〜2倍の範囲で可能な倍率も示されている。 The system described here was modeled on OPTIC STUDIO®, an optical test platform from Zemax (Zemax, LLC). Table 1 shows several focal positions over a continuous 207 micron range in an aqueous sample of 0.8 NA. Table 1 also shows the possible magnifications in the range of several consecutive 1-2x.

Figure 0006978592
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本発明は、少しのデフォーカスの微調整を可能にするだけでなく、0.8開口数で200μmを超える焦点範囲、又は0.2NAで800μmを超える焦点範囲を可能とする。 The present invention not only allows for slight defocus fine-tuning, but also allows for a focal range of more than 200 μm with a numerical aperture of 0.8 or a focal range of more than 800 μm with 0.2 NA.

現在、既存のMEMSミラーを電子的にアクティブ化するには、約100〜150ボルトが必要である。MEMSミラーは、卓上型の高電圧電源で駆動できるであろう。好適な実施形態では、高電圧昇圧コンバータが、USB電力からMEMSミラーを駆動するために使用される。 Currently, about 100-150 volts is required to electronically activate an existing MEMS mirror. The MEMS mirror could be driven by a desktop high voltage power supply. In a preferred embodiment, a high voltage boost converter is used to drive the MEMS mirror from USB power.

本発明は、試料ステージ又は対物レンズの動きを伴わずに、一般の人が、広領域の共焦点又は多光子顕微鏡を用いて迅速なフォーカス及びズームを実行することを可能にするという点で、従来技術に対する大幅な改善である。本発明の利点には、以下が含まれるが、これらに限定されない。(a)フォーカス及びズームが全て機器内で光学的に行われている間、試料は静止したままである。(b)大きな質量の直線移動がないため、システムの振動が最小限に抑えられる。(c)フォーカスとズームを個別に制御できる。(d)(従来技術と比較して)比較的大まかなフォーカス及びズームは、小さな構成要素で達成される。(e)対物レンズの背面開口は、焦点範囲とズーム範囲全体に亘って十分であるため、高解像度の結像が維持される。(f)可変で連続的なフォーカス速度が可能である。(g)MEMSミラーは、1kHzを超える速度で動作してフォーカスし、細かい連続的なフォーカス制御を提供できる。 The present invention allows the general public to perform rapid focusing and zooming using a wide area confocal or multiphoton microscope without the movement of the sample stage or objective lens. This is a significant improvement over the prior art. Advantages of the present invention include, but are not limited to: (A) The sample remains stationary while all focus and zoom are performed optically within the instrument. (B) Since there is no linear movement of large mass, vibration of the system is minimized. (C) Focus and zoom can be controlled individually. (D) Relatively rough focus and zoom (compared to prior art) are achieved with small components. (E) The back aperture of the objective lens is sufficient over the focal range and the entire zoom range, so that high resolution imaging is maintained. (F) Variable and continuous focus speed is possible. (G) The MEMS mirror can operate and focus at speeds above 1 kHz to provide fine continuous focus control.

本発明の将来的な実施形態は、フォーカス及び/又はズームの音声動作制御と、ユーザが自身の手を自由に保つことができるようにズームを制御するための足踏みボタンと、MEMSミラーの同心円状のリングを用いて低次及び高次の球面収差を制御するソフトウェアと、高精細の非対称形状制御が可能な可変レンズを用いて他の収差を制御するソフトウェアと、低速度(time-lapse)実験中のオートフォーカス用のソフトウェアとを含み得る。 Future embodiments of the invention are concentric circles of focus and / or zoom voice motion control, a foot button to control zoom so that the user can keep his or her hands free, and a MEMS mirror. Software that controls low-order and high-order spherical aberrations using the ring, and software that controls other aberrations using a variable lens capable of high-definition asymmetric shape control, and low-speed (time-lapse) experiments. May include software for autofocus inside.

図12〜図20は、第1・第2実施形態よりもコンパクトな本発明の第3実施形態を示す。図12は、本発明の第3実施形態の第1平面斜視図である。第1・第2実施形態と同様に、第3実施形態は、上部カバー37、側壁38及びフロア39を有する筐体36を備える。上部カバー37は、1つ以上の通気口40を備えることが好ましい。この実施形態では、単一のUSB41が上部カバー37を通って延在し、複数のMEMSミラーに駆動信号を供給する。対物レンズ42は、好ましくは筐体36と一体である第1ねじ付きアダプタ43を介して筐体36の第1側壁38に取り付けられる。本明細書では、この接続点を第1ポータル58と称する。筐体の上部にある穴47により、電力ケーブルをプリント回路基板48に接続することができる。筐体の他の穴は組立て用である。 12 to 20 show a third embodiment of the present invention, which is more compact than the first and second embodiments. FIG. 12 is a first plan perspective view of the third embodiment of the present invention. Similar to the first and second embodiments, the third embodiment includes a housing 36 having an upper cover 37, a side wall 38 and a floor 39. The top cover 37 preferably includes one or more vents 40. In this embodiment, a single USB 41 extends through the top cover 37 to supply drive signals to the plurality of MEMS mirrors. The objective lens 42 is preferably attached to the first side wall 38 of the housing 36 via a first threaded adapter 43 that is integral with the housing 36. In the present specification, this connection point is referred to as a first portal 58. A hole 47 at the top of the housing allows the power cable to be connected to the printed circuit board 48. The other holes in the housing are for assembly.

図13は、本発明の第3実施形態の底面斜視図である。この図に示すように、装置は、ねじ44で光学ベンチに固定できる。対物レンズタレット(図示せず)は、好ましくは筐体36と一体である第2ねじ付きアダプタ45を介して筐体36の第2側壁38に取り付けられる。本明細書では、この接続点を第2ポータル59と称する。図16に関連して詳述するスロット46も示されている。 FIG. 13 is a bottom perspective view of the third embodiment of the present invention. As shown in this figure, the device can be secured to the optical bench with screws 44. The objective lens turret (not shown) is preferably attached to the second side wall 38 of the housing 36 via a second threaded adapter 45 that is integral with the housing 36. In the present specification, this connection point is referred to as a second portal 59. Slot 46, which is detailed in connection with FIG. 16, is also shown.

図14は、筐体の上側カバーを取り除いた点を除いて図12と同じ図である。この図に示すように、USB41は、筐体36内のプリント回路基板48に接続される。好適な実施形態では、プリント回路基板48は、3つ全てのMEMSミラー51、52、56を制御する。明確化のため、対物レンズ42及びねじ付きアダプタ43、45は、後続の図から省略している。様々なメーカーの機器に取り付ける目的で、対物レンズ42又は対物レンズタレット(図示せず)のいずれかを筐体36に接続するために、様々なねじ付きアダプタを使用できることに留意されたい。 FIG. 14 is the same as FIG. 12 except that the upper cover of the housing is removed. As shown in this figure, the USB 41 is connected to the printed circuit board 48 in the housing 36. In a preferred embodiment, the printed circuit board 48 controls all three MEMS mirrors 51, 52, 56. For clarity, the objective lens 42 and the threaded adapters 43, 45 are omitted from the following figures. It should be noted that various threaded adapters can be used to connect either the objective lens 42 or the objective lens turret (not shown) to the housing 36 for attachment to equipment from various manufacturers.

図15は、プリント回路基板及びUSBが取り除かれた状態で示される第3実施形態の第2平面斜視図である。この図に示すように、プリント基板48及び実装基板50の間には、複数のスペーサ49が配置される。実装基板50の穴61は、プリント回路基板48からの配線がMEMSミラー51、52、56に接続することを可能にする。図16は、スペーサと実装基板を取り除いた点を除いて図15と同じ図である。MEMSミラー51、52、56、プリズム/ミラー55及び第3固定レンズ57は全て、内部プラットフォームとして機能するベースプレート60に取り付けられる。プリズム/ミラー55は、直角平面ミラー又は直角プリズムとすることができる。ベースプレート/内部プラットフォーム60には、スロット46も形成されることに留意されたい。図17は、筐体の側壁が取り除いた点を除いて図16と同じ図である。 FIG. 15 is a second plan perspective view of the third embodiment shown in a state where the printed circuit board and the USB are removed. As shown in this figure, a plurality of spacers 49 are arranged between the printed circuit board 48 and the mounting board 50. The holes 61 of the mounting board 50 allow the wiring from the printed circuit board 48 to be connected to the MEMS mirrors 51, 52, 56. FIG. 16 is the same as FIG. 15 except that the spacer and the mounting substrate are removed. The MEMS mirrors 51, 52, 56, prism / mirror 55 and third fixed lens 57 are all mounted on a base plate 60 that acts as an internal platform. The prism / mirror 55 can be a right-angled planar mirror or a right-angled prism. Note that the base plate / internal platform 60 is also formed with slots 46. FIG. 17 is the same as FIG. 16 except that the side wall of the housing is removed.

図18は、本発明の第3実施形態の平面図である。この図に示すように、この実施形態は、第1MEMSミラー51及び第2MEMSミラー52を備える。これらのMEMSミラーのそれぞれは、楕円状であることが好ましく、これにより、光を適切に導くためのビームスプリッタ及び1/4波長板を不要にすることができる。これらの部品を不要にすることで、光の損失が減少するだけでなく、よりコンパクトな設計も可能になる。楕円状のMEMSミラーを使用すると、円状のMEMSミラーを斜めに使用したときに発生する非点収差をシステムから取り除き、より高い光学品質が得られる。円状のMEMSミラーによって引き起こされる非点収差と、楕円状のMEMSミラーでこの非点収差を克服するために使用される軸の比率は、本発明者による博士論文で説明されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる(後記の参考文献2)。 FIG. 18 is a plan view of the third embodiment of the present invention. As shown in this figure, this embodiment includes a first MEMS mirror 51 and a second MEMS mirror 52. Each of these MEMS mirrors is preferably elliptical, which eliminates the need for beam splitters and quarter wave plates to properly guide light. Eliminating the need for these components not only reduces light loss, but also allows for a more compact design. Using an elliptical MEMS mirror removes astigmatism from the system that occurs when the circular MEMS mirror is used at an angle, resulting in higher optical quality. The ratio of astigmatism caused by the circular MEMS mirror to the axis used to overcome this astigmatism in the elliptical MEMS mirror is described in the dissertation by the present inventor and its content. Is incorporated herein by reference (reference 2 below).

上述のように、本発明の第3実施形態は、筐体のフロアのスロット46をさらに備える。第1・第2実施形態と同様に、第1・第2固定レンズ53、54は光学リレーを形成し、スロット46内にスライド可能に取り付けられ、それらの間の距離を調整できるように止めねじ(図示せず)で適所に固定される。本明細書では、対物レンズ42に最も近いスロットの端をスロットの「近位」端と称し、対物レンズから最も遠いスロットの端を「遠位」端と称する。第1MEMSミラー51は、第1・第2レンズ53、54を通過する光線が第1MEMSミラー51の中心に当たるように、スロット46の遠位端で第1・第2レンズ53、54と長手方向に位置決めされる。プリズム/ミラー55、第1固定レンズ53、第2固定レンズ54及び第1MEMSミラー51の中心点は、同じ水平面上にある。 As described above, the third embodiment of the present invention further comprises a slot 46 on the floor of the housing. Similar to the first and second embodiments, the first and second fixed lenses 53, 54 form an optical relay, which is slidably mounted in the slot 46 and has a set screw so that the distance between them can be adjusted. It is fixed in place (not shown). As used herein, the end of the slot closest to the objective lens 42 is referred to as the "proximal" end of the slot, and the end of the slot farthest from the objective lens is referred to as the "distal" end. The first MEMS mirror 51 is longitudinally oriented with the first and second lenses 53, 54 at the distal end of the slot 46 so that the light rays passing through the first and second lenses 53, 54 hit the center of the first MEMS mirror 51. Positioned. The center points of the prism / mirror 55, the first fixed lens 53, the second fixed lens 54, and the first MEMS mirror 51 are on the same horizontal plane.

第1MEMSミラー51は、第1・第2レンズ52、53を通過する光線が第1MEMSミラー51に45度で当たるように、第2レンズ54に対して45度の角度で配置される。第2MEMSミラー52は、第1MEMSミラー51と同じ大きさ及び形状であることが好ましい。第2MEMSミラー52は、第1MEMSミラー51に対して90度の角度で第1MEMSミラー51に近接して配置され、また、45度の角度で第1MEMSミラー51に当たる光線が、45度の角度で第2MEMSミラー52の中心に当たるように構成される。そして、この同じ光線は、スロット46(第1・第2レンズ53、54によって形成される光リレーの長手方向軸に沿ったスロット)に平行な軌道に沿うように、第2MEMSミラー52によって方向転換される。好適な実施形態では、第1・第2固定レンズ53、54は、直径6.25mm及び焦点距離50.0mmのアクロマートレンズである。 The first MEMS mirror 51 is arranged at an angle of 45 degrees with respect to the second lens 54 so that the light rays passing through the first and second lenses 52 and 53 hit the first MEMS mirror 51 at 45 degrees. The second MEMS mirror 52 preferably has the same size and shape as the first MEMS mirror 51. The second MEMS mirror 52 is arranged close to the first MEMS mirror 51 at an angle of 90 degrees with respect to the first MEMS mirror 51, and the light beam that hits the first MEMS mirror 51 at an angle of 45 degrees is the first at an angle of 45 degrees. 2 It is configured to hit the center of the MEMS mirror 52. The same light beam is then redirected by the second MEMS mirror 52 along a trajectory parallel to the slot 46 (the slot along the longitudinal axis of the optical relay formed by the first and second lenses 53, 54). Will be done. In a preferred embodiment, the first and second fixed lenses 53, 54 are achromatic lenses having a diameter of 6.25 mm and a focal length of 50.0 mm.

好適な実施形態では、プリズム/ミラー55は、6.25mmの誘電反射プリズムである。好適な実施形態では、第1・第2MEMSミラー51、52は、それぞれ5mm(短軸)×7.07mm(長軸)の直径の楕円状ミラーであり、第1MEMSミラー51の短軸は、対物レンズ42の背面開口(back aperture)の直径と同じである。好適な実施形態では、第3MEMSミラー56は、10mm(短軸)×14.14(長軸)の直径の楕円状ミラーである。 In a preferred embodiment, the prism / mirror 55 is a 6.25 mm dielectric reflective prism. In a preferred embodiment, the first and second MEMS mirrors 51 and 52 are elliptical mirrors having a diameter of 5 mm (minor axis) × 7.07 mm (major axis), respectively, and the minor axis of the first MEMS mirror 51 is an objective. It is the same as the diameter of the back aperture of the lens 42. In a preferred embodiment, the third MEMS mirror 56 is an elliptical mirror with a diameter of 10 mm (minor axis) x 14.14 (major axis).

第1構成(光路透過のみ)では、対物レンズ42からの光線は、最初に、筐体36の第1ポータル58の内側に配置された反射プリズム又はミラー55に当たる。このプリズム/ミラー55は、第1・第2レンズ53、54及び第1MEMSミラー51と全て同じ長手方向軸(すなわち、光学リレーの長手方向軸)上にあり且つプリズム/ミラー55がスロット46の近位端に近接して配置されるように、第1・第2レンズ53、54及び第1MEMSミラー51と位置決めされる。プリズム/ミラー55は、対物レンズからの光線に対して45度の角度であり、従って、プリズム/ミラー55は、スロット46上で横方向に向けられている第1・第2レンズ53、54に対して45度の角度でもあることに留意されたい。このようにして、光線は、プリズム/ミラー55によって、第1・第2のレンズ53、54を介して、第1MEMSミラー51、第2MEMSミラー52に向けられ、その後、プリズム/ミラー55に隣接して(好ましくはプリズム/ミラー55に当接して)配置された第3MEMSミラー56に当たるまで、スロット46(又は光学リレーの長手方向軸)に平行になる。第2MEMSミラー52、第3固定レンズ57及び第3MEMSミラー56の中心点は、同じ水平面上にある。 In the first configuration (optical path transmission only), the light beam from the objective lens 42 first hits the reflecting prism or the mirror 55 arranged inside the first portal 58 of the housing 36. The prism / mirror 55 is all on the same longitudinal axis as the first and second lenses 53, 54 and the first MEMS mirror 51 (ie, the longitudinal axis of the optical relay) and the prism / mirror 55 is close to slot 46. It is positioned with the first and second lenses 53, 54 and the first MEMS mirror 51 so as to be arranged close to the position end. The prism / mirror 55 is at an angle of 45 degrees with respect to the light beam from the objective lens, so the prism / mirror 55 is directed to the first and second lenses 53, 54 laterally oriented on the slot 46. Note that it is also an angle of 45 degrees. In this way, the light beam is directed by the prism / mirror 55 to the first MEMS mirror 51 and the second MEMS mirror 52 via the first and second lenses 53 and 54, and then adjacent to the prism / mirror 55. It becomes parallel to the slot 46 (or the longitudinal axis of the optical relay) until it hits the third MEMS mirror 56 arranged (preferably in contact with the prism / mirror 55). The center points of the second MEMS mirror 52, the third fixed lens 57, and the third MEMS mirror 56 are on the same horizontal plane.

第3MEMSミラー56は、第2MEMSミラー52から来る光線に対して45度の角度であり、それによって、光が第2ポータル59を通過するように方向転換する。第3MEMSミラー56に当たる前に、光線は第3固定レンズ57を通過する。その目的は、光路長を短くし、本発明全体の大きさを小さくすることである。第3固定レンズ57は、第2・第3MEMSミラー52、56の間に配置される。好適な実施形態では、第3固定レンズ57は、直径10mm、焦点距離150mmのアクロマートレンズである。この図では、第3固定レンズ57は位置調整可能として示されているが、最終製品では移動可能であってもなくてもよい。 The third MEMS mirror 56 is at an angle of 45 degrees with respect to the light beam coming from the second MEMS mirror 52, thereby redirecting the light through the second portal 59. Before hitting the third MEMS mirror 56, the light beam passes through the third fixed lens 57. An object of the present invention is to shorten the optical path length and reduce the size of the entire invention. The third fixed lens 57 is arranged between the second and third MEMS mirrors 52 and 56. In a preferred embodiment, the third fixed lens 57 is an achromatic lens having a diameter of 10 mm and a focal length of 150 mm. In this figure, the third fixed lens 57 is shown as position adjustable, but may or may not be movable in the final product.

別の構成(光路反射)では、光は第2ポータル59を介して本発明に入り、第3MEMSミラー56に当たり、(第3固定レンズ57を通過した後)スロット46(又は光リレーの長手方向軸)に平行である軌道に沿って第2MEMSミラー52に向けられる。45度の角度で第2MEMSミラー52に当たると、光は90度の角度で第1MEMSミラー51に方向転換される。光が第1MEMSミラー51に当たると、光は再び90度の角度で方向転換され、第2レンズ54を通過し、次に第1レンズ53を通過する。次に、光線はプリズム/ミラー55に当たり、そこで90度の角度で方向転換され、筐体の第1ポータル58を通過し、対物レンズを通過して、試料に到達し、そこで光線は試料により反射して、対物レンズを通ってプリズム/ミラー等に戻る。光は当初の光路をたどり、筐体内の第2ポータル59(この構成では、光が第3MEMSミラー56に当たる前に本発明に入ったのと同じポータルである。)を通って放出される。 In another configuration (optical path reflection), light enters the invention via the second portal 59, hits the third MEMS mirror 56, and (after passing through the third fixed lens 57) slot 46 (or the longitudinal axis of the optical relay). ) Is directed toward the second MEMS mirror 52 along an orbit parallel to). When it hits the second MEMS mirror 52 at a 45 degree angle, the light is turned to the first MEMS mirror 51 at a 90 degree angle. When the light hits the first MEMS mirror 51, the light is turned again at a 90 degree angle and passes through the second lens 54 and then through the first lens 53. The ray then hits the prism / mirror 55, where it is redirected at a 90 degree angle, through the first portal 58 of the housing, through the objective lens, and into the sample, where the ray is reflected by the sample. Then, it returns to the prism / mirror etc. through the objective lens. Light follows the original optical path and is emitted through a second portal 59 within the housing (in this configuration, the same portal that entered the invention before the light hits the third MEMS mirror 56).

好適な実施形態では、第3MEMSミラー56は、2倍の倍率変化のため、第1MEMSミラー51より少なくとも2倍大きい。1.5倍の倍率変更のためには、第3MEMSミラー56は、第1MEMSミラー51より少なくとも1.5倍大きくなければならない。3倍の倍率変更のためには、第3MEMSミラー56は、第1MEMSミラー51より少なくとも3倍大きくなければならない。 In a preferred embodiment, the third MEMS mirror 56 is at least twice as large as the first MEMS mirror 51 due to a two-fold change in magnification. The third MEMS mirror 56 must be at least 1.5 times larger than the first MEMS mirror 51 for a 1.5x magnification change. The third MEMS mirror 56 must be at least three times larger than the first MEMS mirror 51 for a 3x magnification change.

図19は、本発明の第3実施形態の光学レイアウトの図である。図19では、1つの固定レンズF(参照符号57)と3つのバリフォーカスレンズv1、v2、v3(それぞれ参照符号56、52、51)が示されている。固定レンズFとバリフォーカルレンズv1を組み合わせることが可能であり、Gと表記する。バリフォーカルレンズv2及びv3を組み合わせることが可能であり、Hと表記する。距離aは、固定焦点距離レンズFとバリフォーカルレンズv1の間の距離を表す。距離bは、固定焦点距離レンズFとバリフォーカルレンズv2の間の距離を規定する。距離b及びcは正の値である。図示するように、固定焦点距離レンズがバリフォーカルレンズv1の後ろにある場合、距離aは正の値になり得る。固定焦点距離レンズがバリフォーカルレンズv1の前にある場合、距離aは負の値にもなり得る。Fの最も簡単で最適な場所はv1に近いと予想される。距離a及びcは、システムを2つのレンズリレーとみなすのに十分小さいと想定される。G、Hの同等の焦点距離f、fはそれぞれ次の通りである。 FIG. 19 is a diagram of an optical layout according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 19, one fixed lens F (reference numeral 57) and three varifocus lenses v1, v2, v3 (reference numerals 56, 52, 51, respectively) are shown. It is possible to combine a fixed lens F and a varifocal lens v1, and it is expressed as G. It is possible to combine varifocal lenses v2 and v3, and it is expressed as H. The distance a represents the distance between the fixed focal length lens F and the varifocal lens v1. The distance b defines the distance between the fixed focal length lens F and the varifocal lens v2. The distances b and c are positive values. As shown, if the fixed focal length lens is behind the varifocal lens v1, the distance a can be a positive value. If the fixed focal length lens is in front of the varifocal lens v1, the distance a can also be a negative value. The simplest and most suitable location for F is expected to be close to v1. The distances a and c are assumed to be small enough to consider the system as two lens relays. The equivalent focal lengths f G and f H of G and H are as follows.

Figure 0006978592
Figure 0006978592

ここで、f、fv1、fv2、fv3は、それぞれレンズF、v1、v2、v3の焦点距離である。距離が無限共役結像又はb=f+fであるとすると、第2ポータル59で観察される試料の倍率Mは次のようになる。 Here, f F , f v1 , f v2 , and f v3 are the focal lengths of the lenses F, v1, v2, and v3, respectively. Assuming that the distance is infinite conjugated imaging or b = f G + f H , the magnification M of the sample observed in the second portal 59 is as follows.

Figure 0006978592
Figure 0006978592

好適な実施形態では、第1MEMSミラー51(v3)を直径5mmとすると、1:1のスケールで高NAエア対物レンズの後開口の直径と合致し、本発明に対する開口絞りとして機能する。これにより、MEMSミラーの形状を細かく制御することで、システムの球面収差やその他の収差を簡単に補正できる。また、動的フォーカス範囲に亘って解像度が維持されるように、システム全体の開口絞りが対物レンズの全開口であることを保証する。 In a preferred embodiment, where the first MEMS mirror 51 (v3) has a diameter of 5 mm, it matches the diameter of the rear aperture of the high NA air objective lens on a 1: 1 scale and functions as an aperture diaphragm for the present invention. As a result, spherical aberration and other aberrations of the system can be easily corrected by finely controlling the shape of the MEMS mirror. It also ensures that the aperture aperture of the entire system is the full aperture of the objective so that resolution is maintained over the dynamic focus range.

5mmのMEMSミラーの焦点距離は60mmから無限大まで可能である。好適な実施形態では、距離bは、卓上顕微鏡において、対物レンズターレット及び対物レンズの間への挿入及び使用を容易としつつ本発明を小さく維持するため、190mmに限定される。距離a及びcは、それぞれ10及び9.015である。それらは、システムにおける他の光学部品の物理的な制限及びアセンブリの考慮に基づく。2倍の場合、M=2=f/f 及び無限共役結像の場合、b=f+f 、f=64.83mm、f=129.67mm、fv2=93.5mm、fv3=191mmである。倍率2倍のためには、第3MEMSミラー56は、第1MEMSミラー51の直径(短軸)の少なくとも2倍でなければならない。従って、その直径は10mmである。MEMSミラー56は、焦点距離範囲が200mmから無限大である。好適な実施形態では、倍率2倍で導入される収差を最小限にする場合、固定レンズFの光学倍率を低減するために、値fv1 = 893mmが選択された。通常、固定レンズの光学倍率が大きいほど、システムには多くの収差が生じる。第3固定レンズ57を選択するために、f =129.67mmであり、固定焦点距離レンズ57とv1との間の間隔aは10mmであると仮定し、これを解くと、f =129.67mm=f=893/(f+893−10)、f=150mmとなる。 The focal length of a 5 mm MEMS mirror can range from 60 mm to infinity. In a preferred embodiment, the distance b is limited to 190 mm in order to keep the invention small while facilitating insertion and use between the objective lens turret and the objective lens in a tabletop microscope. The distances a and c are 10 and 9.015, respectively. They are based on the physical limitations of other optics and assembly considerations in the system. In the case of doubling, M = 2 = f G / f H, and in the case of infinite conjugated imaging, b = f G + f H , f H = 64.83 mm, f G = 129.67 mm, f v2 = 93.5 mm, f v3 = 191 mm. For a magnification of 2x, the 3rd MEMS mirror 56 must be at least 2 times the diameter (minor axis) of the 1st MEMS mirror 51. Therefore, its diameter is 10 mm. The MEMS mirror 56 has a focal length range of 200 mm to infinity. In a preferred embodiment, the value f v1 = 893 mm was selected to reduce the optical magnification of the fixed lens F when minimizing the aberration introduced at 2x magnification. Generally, the higher the optical magnification of a fixed lens, the more aberrations the system will have. To select the third fixed lens 57, it is assumed that f G = 129.67 mm and the distance a between the fixed focal length lens 57 and v1 is 10 mm, and when this is solved, f G = 129. .67 mm = f F = 893 / (f F +893-10), f F = 150 mm.

図20は、本発明の第3実施形態の光学系の図である。図20に示す光学系には、上記の図の説明で参照した、1つの10mm(v1)及び2つの5mm(v2及びv3)のMEMSミラーが含まれている。大きいMEMSミラーは第3MEMSミラー56であり、2つの小さいMEMSミラーは第1・第2MEMSミラー51、52である。この図ではいずれも示されていない2つのリレーレンズ(第1・第2固定レンズ51、52)は、MEMSミラー56(v3)を対物レンズの後焦点面に1:1のスケールで結像する。これにより、球面収差を容易に補正可能となる。(通常、後焦点面は対物レンズ内にあり、光学リレーにより共役像面をそこに正確に配置できる。)このリレーに沿った2つの固定レンズの配置(つまり、それらの間の距離)は、デバイスが接続されている顕微鏡の対物レンズと各リレーレンズの焦点距離に依存する。図20において、fは、第3固定レンズ57である。 FIG. 20 is a diagram of an optical system according to a third embodiment of the present invention. The optical system shown in FIG. 20 includes one 10 mm (v1) and two 5 mm (v2 and v3) MEMS mirrors referenced in the description of the above figure. The large MEMS mirror is the third MEMS mirror 56 and the two smaller MEMS mirrors are the first and second MEMS mirrors 51 and 52. The two relay lenses (first and second fixed lenses 51 and 52), neither of which are shown in this figure, form a MEMS mirror 56 (v3) on the posterior focal plane of the objective lens on a 1: 1 scale. .. This makes it possible to easily correct spherical aberration. (Usually, the posterior focal plane is in the objective lens and the optical relay allows the conjugated image plane to be placed exactly there.) The placement of the two fixed lenses along this relay (ie, the distance between them) is It depends on the objective lens of the microscope to which the device is connected and the focal distance of each relay lens. In FIG. 20, f F is the third fixed lens 57.

ここで説明するシステムは、Zemax社(Zemax, LLC)の光学試験プラットフォームであるOPTICSTUDIO(登録商標)でモデル化された。表2は、取り付けた対物レンズなしに、空気中の−1367.8mmから109.1mmまでの連続範囲に亘って1倍の倍率の際の本発明のいくつかの焦点距離を示す。また、表2は、取り付けた対物レンズなしに、空気中の−194.8mmから98.5mmまでの連続範囲に亘って2倍の倍率の際の本発明のいくつかの焦点距離を示す。無限共役の既製の対物レンズは、無限共役での入射光線の収差を最小限に抑えるように、非常に精緻に設計されている。本発明は、負から正の範囲を有することにより、無限共役を中心とする自身の焦点距離を維持することで、不要な収差を最小限に抑える。最後に、この表は、1倍〜2倍の連続範囲に亘って倍率を変更しながら、200nmの焦点距離を維持する本発明の能力を示す。本発明が20倍の対物レンズと共に使用される場合、結像された試料の倍率は、20倍〜40倍の範囲である。 The system described here was modeled on OPTIC STUDIO®, an optical test platform from Zemax (Zemax, LLC). Table 2 shows some focal lengths of the invention at 1x magnification over a continuous range from -1367.88 mm to 109.1 mm in air without an attached objective lens. Table 2 also shows some focal lengths of the invention at 2x magnification over a continuous range from -194.8 mm to 98.5 mm in air, without an attached objective. Infinitely conjugated off-the-shelf objectives are very finely designed to minimize the aberration of incident rays at infinitely conjugated. The present invention minimizes unwanted aberrations by maintaining its own focal length centered on infinite conjugation by having a negative to positive range. Finally, this table shows the ability of the invention to maintain a focal length of 200 nm while varying the magnification over a 1x to 2x continuous range. When the present invention is used with a 20x objective lens, the magnification of the imaged sample is in the range of 20x to 40x.

Figure 0006978592
Figure 0006978592

本発明の好適な実施形態を示し、説明してきたが、本発明から逸脱することなく、本発明の幅広い観点で、多くの変更及び修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲に含まれるそのような全ての変更及び修正を包含することを意図している。 Although preferred embodiments of the invention have been shown and described, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and modifications can be made from a broad perspective of the invention without departing from the invention. .. Accordingly, the appended claims are intended to include all such modifications and modifications contained within the true spirit and scope of the invention.

[参考文献]
1. Lukes, S. J.及びDickensheets, D.L., SPIE BiOS, International Society for Optics and Photonics, 2014年, pp. 89490W- 89411
2. Lukes, S. J., Imaging performance of elliptical-boundary varifocal mirrors in active optical systems, モンタナ州立大学 博士論文, 2015年, p. 52, Figs. 30 and 31
[References]
1. 1. Lukes, SJ and Dickensheets, DL, SPIE BiOS, International Society for Optics and Photonics, 2014, pp. 89490W-89411
2. 2. Lukes, SJ, Imaging performance of elliptic-boundary varifocal mirrors in active optical systems, Montana State University Doctoral Dissertation, 2015, p. 52, Figures. 30 and 31

1 筐体
2 (筐体の)上部カバー
3 (筐体の)側壁
4 (筐体の)フロア
5 (上部カバーの)通気口
6 第1USB
7 第1窪み
8 対物レンズ
9 メインウィンドウ
10 第2窪み
11 (筐体の)延長部
12 第2USB
13 第3USB
14 プリント回路基板
15 スペーサ
16 実装基板
17 (実装基板の)穴
18 第1MEMSミラー
19 第2MEMSミラー
20 第3MEMSミラー
21 内側プラットフォーム
22 (内側プラットフォームの)穴
23 第1プリズム
24 第2プリズム
25 第1固定レンズ
26 第2固定レンズ
27 スロット
28 第1ビームスプリッタ
29 波長板
30 第2ビームスプリッタ
31 第3固定レンズ
32 第3ビームスプリッタ
33 第3プリズム
34 第1ねじ付きアダプタ
35 第2ねじ付きアダプタ
36 筐体(第3実施形態)
37 上側カバー
38 側壁
39 フロア
40 通気口
41 USB
42 対物レンズ
43 第1ねじ付きアダプタ
44 ねじ
45 第2ねじ付きアダプタ
46 スロット
47 (筐体の上側カバーの)穴
48 プリント回路基板
49 スペーサ
50 実装基板
51 第1MEMSミラー
52 第2MEMSミラー
53 第1固定レンズ
54 第2固定レンズ
55 プリズム/ミラー
56 第3MEMSミラー
57 第3固定レンズ
58 第1ポータル
59 第2ポータル
60 ベースプレート/内側プラットフォーム
61 (実装基板の)穴
1 Housing 2 Top cover (of housing) 3 Side wall (of housing) Floor 5 (of housing) Ventilation port 6 First USB
7 1st recess 8 Objective lens 9 Main window 10 2nd recess 11 Extension (of housing) 12 2nd USB
13 3rd USB
14 Print circuit board 15 Spacer 16 Mounting board 17 (Mounting board) hole 18 1st MEMS mirror 19 2nd MEMS mirror 20 3rd MEMS mirror 21 Inner platform 22 (Inner platform) hole 23 1st prism 24 2nd prism 25 1st fixing Lens 26 2nd fixed lens 27 Slot 28 1st beam splitter 29 Waver plate 30 2nd beam splitter 31 3rd fixed lens 32 3rd beam splitter 33 3rd prism 34 1st threaded adapter 35 2nd threaded adapter 36 housing (Third Embodiment)
37 Top cover 38 Side wall 39 Floor 40 Ventilation 41 USB
42 Objective lens 43 1st threaded adapter 44 Thread 45 2nd threaded adapter 46 Slot 47 (on the upper cover of the housing) Hole 48 Printed circuit board 49 Spacer 50 Mounting board 51 1st MEMS mirror 52 2nd MEMS mirror 53 1st fixed Lens 54 2nd fixed lens 55 Prism / Mirror 56 3rd MEMS mirror 57 3rd fixed lens 58 1st portal 59 2nd portal 60 Base plate / inner platform 61 Hole (of mounting board)

Claims (7)

広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で使用するための動的フォーカス・ズームシステムであって、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、
(a)筐体内に配置され、内部プラットフォームに設けられた第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
(b)直角プリズムと、
(c)第1固定レンズ及び第2固定レンズを有する光学リレーと、
(d)第3固定レンズと
を備え、
前記第1MEMSミラー、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーは、楕円状であると共に互いに独立したフォーカス及びズームが可能であり、
前記直角プリズム、前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第1MEMSミラーは、前記光学リレーの長手方向軸に沿って直線状に位置決めされ、
前記第2MEMSミラー、前記第3固定レンズ及び前記第3MEMSミラーは、前記光学リレーの前記長手方向軸に対して平行となるように直線状に位置決めされ、
前記直角プリズムは、前記第1固定レンズに対して45度の角度で配置され、
前記第1MEMSミラーは、前記第2固定レンズに対して45度の角度であり、
前記第2MEMSミラーは、前記第1MEMSミラーに対して90度の角度で隣接すると共に、前記第1MEMSミラーに45度の角度で当たる光線が前記第2MEMSミラーの中央に45度の角度で当たるように構成され、
前記第3固定レンズは、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーの間に配置され、
前記第3MEMSミラーは、前記第2MEMSミラーから来る光線に対して45度の角度、及び前記第3固定レンズに対して45度の角度で配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
A dynamic focus / zoom system for use with wide-area confocal and multiphoton microscopes.
The dynamic focus / zoom system is
(A) A first MEMS mirror, a second MEMS mirror, and a third MEMS mirror arranged in the housing and provided on the internal platform.
(B) Right-angle prism and
(C) An optical relay having a first fixed lens and a second fixed lens,
(D) Equipped with a third fixed lens
Wherein the 1MEMS mirror, the first 2MEMS mirror and said second 3MEMS mirror, elliptical der Rutotomoni, are possible mutually independent focus and zoom,
The right-angle prism, the first fixed lens, the second fixed lens, and the first MEMS mirror are linearly positioned along the longitudinal axis of the optical relay.
The second MEMS mirror, the third fixed lens, and the third MEMS mirror are linearly positioned so as to be parallel to the longitudinal axis of the optical relay.
The right-angle prism is disposed at an angle of front Symbol 45 degrees with respect to the first fixed lens,
The first MEMS mirror has an angle of 45 degrees with respect to the second fixed lens.
The second MEMS mirror is adjacent to the first MEMS mirror at an angle of 90 degrees, and a light ray that hits the first MEMS mirror at an angle of 45 degrees hits the center of the second MEMS mirror at an angle of 45 degrees. Configured,
The third fixed lens is arranged between the second MEMS mirror and the third MEMS mirror.
Wherein the 3MEMS mirror, before Symbol dynamic focus zoom system, wherein 45 degree angle with respect to light coming from the 2MEMS mirror, and to be placed at an angle of 45 degrees from the third fixed lens ..
広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で使用するための動的フォーカス・ズームシステムであって、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、
(a)筐体内に配置され、内部プラットフォームに設けられた第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
(b)直角フラットミラーと、
(c)第1固定レンズ及び第2固定レンズを有する光学リレーと、
(d)第3固定レンズと
を備え、
前記第1MEMSミラー、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーは、楕円状であると共に互いに独立したフォーカス及びズームが可能であり、
前記直角フラットミラー、前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第1MEMSミラーは、前記光学リレーの長手方向軸に沿って直線状に位置決めされ、
前記第2MEMSミラー、前記第3固定レンズ及び前記第3MEMSミラーは、前記光学リレーの前記長手方向軸に対して平行となるように直線状に位置決めされ、
前記直角フラットミラーは、前記第1固定レンズに対して45度の角度で配置され、
前記第1MEMSミラーは、前記第2固定レンズに対して45度の角度であり、
前記第2MEMSミラーは、前記第1MEMSミラーに対して90度の角度で隣接すると共に、前記第1MEMSミラーに45度の角度で当たる光線が前記第2MEMSミラーの中央に45度の角度で当たるように構成され、
前記第3固定レンズは、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーの間に配置され、
前記第3MEMSミラーは、前記第2MEMSミラーから来る光線に対して45度の角度、及び前記第3固定レンズに対して45度の角度で配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
A dynamic focus / zoom system for use with wide-area confocal and multiphoton microscopes.
The dynamic focus / zoom system is
(A) A first MEMS mirror, a second MEMS mirror, and a third MEMS mirror arranged in the housing and provided on the internal platform.
(B) Right-angled flat mirror and
(C) An optical relay having a first fixed lens and a second fixed lens,
(D) Equipped with a third fixed lens
Wherein the 1MEMS mirror, the first 2MEMS mirror and said second 3MEMS mirror, elliptical der Rutotomoni, are possible mutually independent focus and zoom,
The right-angled flat mirror, the first fixed lens, the second fixed lens, and the first MEMS mirror are linearly positioned along the longitudinal axis of the optical relay.
The second MEMS mirror, the third fixed lens, and the third MEMS mirror are linearly positioned so as to be parallel to the longitudinal axis of the optical relay.
The right-angle flat mirror is disposed at an angle of front Symbol 45 degrees with respect to the first fixed lens,
The first MEMS mirror has an angle of 45 degrees with respect to the second fixed lens.
The second MEMS mirror is adjacent to the first MEMS mirror at an angle of 90 degrees, and a light ray that hits the first MEMS mirror at an angle of 45 degrees hits the center of the second MEMS mirror at an angle of 45 degrees. Configured,
The third fixed lens is arranged between the second MEMS mirror and the third MEMS mirror.
Wherein the 3MEMS mirror, before Symbol dynamic focus zoom system, wherein 45 degree angle with respect to light coming from the 2MEMS mirror, and to be placed at an angle of 45 degrees from the third fixed lens ..
請求項1又は2に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記第1・第2MEMSミラーそれぞれは、直径を伴う短軸を有し、前記第2MEMSミラーの前記短軸の前記直径は、前記第1MEMSミラーの前記短軸の前記直径と同じである
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
In the dynamic focus / zoom system according to claim 1 or 2.
Each of the first and second MEMS mirrors has a short axis with a diameter, and the diameter of the short axis of the second MEMS mirror is the same as the diameter of the short axis of the first MEMS mirror. Dynamic focus zoom system.
請求項1又は2に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記第1・第3MEMSミラーそれぞれは、直径を伴う短軸を有し、前記第3MEMSミラーの前記短軸の前記直径は、前記第1MEMSミラーの前記短軸の前記直径の少なくとも2倍である
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
In the dynamic focus / zoom system according to claim 1 or 2.
Each of the first and third MEMS mirrors has a short axis with a diameter, and the diameter of the short axis of the third MEMS mirror is at least twice the diameter of the short axis of the first MEMS mirror. A dynamic focus / zoom system featuring.
請求項1又は2に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記第1MEMSミラーは、直径を伴う短軸を有し、前記システムは、直径を伴う背面開口を有する対物レンズと共に用いられ、前記第1MEMSミラーの前記短軸の前記直径は、前記対物レンズの前記背面開口の前記直径と同じである
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
In the dynamic focus / zoom system according to claim 1 or 2.
The first MEMS mirror has a short axis with a diameter, the system is used with an objective lens having a back aperture with a diameter, and the diameter of the short axis of the first MEMS mirror is the diameter of the objective lens. A dynamic focus zoom system characterized by having the same diameter as the back opening.
請求項1又は2に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第3固定レンズは、アクロマートレンズである
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
In the dynamic focus / zoom system according to claim 1 or 2.
The dynamic focus zoom system, wherein the first fixed lens, the second fixed lens, and the third fixed lens are achromatic lenses.
請求項1に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記直角プリズムは、誘電性反射プリズムである
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
In the dynamic focus / zoom system according to claim 1.
The right-angle prism is a dynamic focus / zoom system characterized by being a dielectric reflection prism.
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