JP6978592B2 - 広領域の共焦点及び多光子顕微鏡で用いる動的フォーカス・ズームシステム - Google Patents

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。

［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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１実施形態の第１斜視図である。 本発明の第１実施形態の第２斜視図である。 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。 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。 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。 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。 本発明の第１実施形態の底面斜視図である。 図５Ａに示す実施形態の平面図である。 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。 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。 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。 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。 本発明の第１・第２実施形態の光学系の図である。 本発明の第３実施形態の第１平面斜視図である。 本発明の第３実施形態の底面斜視図である。 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。 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。 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。 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。 本発明の第３実施形態の平面図である。 本発明の第３実施形態の光学レイアウトの図である。 本発明の第３実施形態の光学系の図である。

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。

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。

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。

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。）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_Ｇ、ｆ_Ｈはそれぞれ次の通りである。

ここで、ｆ_Ｆ、ｆ_ｖ１、ｆ_ｖ２、ｆ_ｖ３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_Ｇ＋ｆ_Ｈ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。

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。

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、ｆ_ｖ２＝ｆ_ｖ３＝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_Ｈ＝（６０＊６０）／（６０＋６０−２０）＝３６ｍｍである。２倍の場合、Ｍ＝ｆ_Ｇ／３６＝２、又はｆ_Ｇ＝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ｆ_ｖ１の値が６００ｍｍの場合、ｆ_Ｇ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_Ｇ＝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_Ｇ＝７２ｍｍ＝ｆ_Ｆ＊６００／（ｆ_Ｆ＋６００−５）、ｆ_Ｇ＝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_Ｇとｆ_Ｈとの間の距離は１００ｍｍ未満である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_Ｇ、ｆ_Ｈはそれぞれ次の通りである。

ここで、ｆ_Ｆ、ｆ_ｖ１、ｆ_ｖ２、ｆ_ｖ３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_Ｇ＋ｆ_Ｈ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。

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。

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_Ｇ／ｆ_Ｈ 及び無限共役結像の場合、ｂ＝ｆ_Ｇ＋ｆ_Ｈ 、ｆ_Ｈ＝６４．８３ｍｍ、ｆ_Ｇ＝１２９．６７ｍｍ、ｆ_ｖ２＝９３．５ｍｍ、ｆ_ｖ３＝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ｆ_ｖ１ ＝ 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_Ｇ ＝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_Ｇ ＝１２９．６７ｍｍ＝ｆ_Ｆ＝８９３／（ｆ_Ｆ＋８９３−１０）、ｆ_Ｆ＝１５０ｍｍとなる。

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_Ｆは、第３固定レンズ５７である。

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。

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。

［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

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
   

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