JP7025530B2 - 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
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Description
本願は、2017年9月15日に出願された米国特許出願第15/706,331号に基づく優先権を主張する。同出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
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。
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。
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。
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る第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
前記第1MEMSミラーに隣接して配置され、前記第1MEMSミラーに駆動信号を供給するように構成された第1ユニバーサルシリアルバス、前記第2MEMSミラーに隣接して配置され、前記第2MEMSミラーに駆動信号を供給するように構成された第2ユニバーサルシリアルバス、及び前記第3MEMSミラーに隣接して配置され、前記第3MEMSミラーに駆動信号を供給するように構成された第3ユニバーサルシリアルバスと、
前記第1MEMSミラー、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーを制御するように構成された少なくとも1つの回路基板と、
第1プリズム及び前記第1プリズムに隣接して配置された第2プリズムと、
第1固定レンズ及び第2固定レンズを有し、前記第2プリズムの直後に配置された光学リレーと、
前記第2固定レンズの直後に配置された第1ビームスプリッタと、
前記第2固定レンズの前に配置された第2ビームスプリッタと
を備え、
前記第2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1ビームスプリッタは、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1MEMSミラー及び前記第2MEMS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90度となるように直線状に位置決めされる
ことを特徴とする。
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。
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。
1. Lukes, S.J.及びDickensheets, D.L., SPIE BiOS, International Society for Optics and Photonics, 2014年, pp. 89490W- 89411
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
Claims (44)
- 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る第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
(b)前記第1MEMSミラーに近接して配置されて前記第1MEMSミラーに駆動信号を供給するように構成された第1ユニバーサルシリアルバス、前記第2MEMSミラーに近接して配置されて前記第2MEMSミラーに駆動信号を供給するように構成された第2ユニバーサルシリアルバス、及び前記第3MEMSミラーに近接して配置されて前記第3MEMSミラーに駆動信号を供給するように構成された第3ユニバーサルシリアルバスと、
(c)前記1MEMSミラー、前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーを制御するように構成された少なくとも1つのプリント回路基板と、
(d)第1プリズム及び前記第1プリズムに隣接して配置された第2プリズムと、
(e)第1固定レンズ及び第2固定レンズを有し、前記第2プリズムの直後に配置された光学リレーと、
(f)前記第2固定レンズの直後に配置された第1ビームスプリッタと、
(g)前記第2MEMSミラーの前に配置された第2ビームスプリッタと
を備え、
前記第2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1ビームスプリッタは、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1MEMSミラー及び前記第2MEMSミラーは、前記光学リレーの前記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
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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、
前記筐体は、熱放散のための複数の通気孔を有する上部カバーを備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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、
前記筐体は、光線が通過することによって前記第1プリズム及び前記第2プリズムに到達することを可能にするように構成されるメインウィンドウを備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項3に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、対物レンズを前記メインウィンドウの第1側面に配置できるように大きさが設定された第1窪みと、対物レンズターレットを前記メインウィンドウの第2側面に配置できるように大きさが設定された第2窪みとを形成するように構成される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項3に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、対物レンズを前記メインウィンドウの第1側面に配置できる大きさの第1窪みと、カメラを前記メインウィンドウの第2側面に配置できる大きさの第2窪みとを形成するように構成される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項3に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、対物レンズを前記メインウィンドウの第1側面に配置できるように大きさが設定された第1窪みと、接眼レンズを前記メインウィンドウの第2側面に配置できるように大きさが設定された第2窪みとを形成するように構成される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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、
前記第1固定レンズ及び前記第2固定レンズは、前記筐体のフロアのスロット内にスライド可能に設けられる
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項3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3MEMSミラーは、前記第2MEMSミラーより前記メインウィンドウに近接して配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、第3固定レンズをさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項9に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、前記第1ビームスプリッタ及び前記第1MEMSミラーの間に配置された第1波長板と、前記第2ビームスプリッタ及び前記第2MEMSミラーの間に配置された第2波長板とをさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項10に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、前記第3固定レンズの直前に配置される第3波長板をさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項11に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、前記第3波長板の直前に配置された第3ビームスプリッタと、前記第3ビームスプリッタの直前に配置された第3プリズムとをさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項12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3MEMSミラー、前記第3固定レンズ、前記第3波長板、前記第3ビームスプリッタ及び前記第3プリズムは、前記光リレーの前記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
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項12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3プリズムは、前記第1固定レンズ及び前記第2固定レンズの間の前記光学リレーの中央部分に当接し、
前記第3プリズムは、前記第1プリズム及び前記第3プリズムの直線状の配置が前記光リレーの前記長手方向軸に平行になるように、前記第1プリズムと直線状に位置決めされる
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項9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3固定レンズは、前記第3MEMSミラーの直前に配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項12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3固定レンズは、前記第1プリズム及び前記第3プリズムの間に配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項12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3固定レンズは、前記第2ビームスプリッタ及び前記第3ビームスプリッタの間に配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項12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ビームスプリッタ、前記第2ビームスプリッタ及び前記第3ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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、
前記第1MEMSミラー及び前記第2MEMSミラーの間には第1距離があり、
前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーの間には第2距離があり、
前記第1距離は前記第2距離未満である
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項6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窪みは、前記筐体と一体であり且つ対物レンズを保持するように構成された第1ねじ付きアダプタを含む
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項6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2窪みは、前記筐体と一体であり且つ対物レンズターレット、カメラ又は接眼レンズを保持するように構成された第2ねじ付きアダプタを備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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る第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
(b)第1プリズム及び前記第1プリズムに隣接して配置された第2プリズムと、
(c)第1固定レンズ及び第2固定レンズを有し、前記第2プリズムの直後に配置された光学リレーと、
(d)前記第2固定レンズの直後に配置された第1ビームスプリッタと、
(e)前記第2MEMSミラーの前に配置された第2ビームスプリッタと
を備え、
前記第2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1ビームスプリッタは、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1MEMSミラー及び前記第2MEMSミラーは、前記光学リレーの前記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
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項22に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、熱放散のための複数の通気孔を有する上部カバーを備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項22に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、光線が通過することによって前記第1プリズム及び前記第2プリズムに到達することを可能にするように構成されるメインウィンドウを備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項24に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、対物レンズを前記メインウィンドウの第1側面に配置できるように大きさが設定された第1窪みと、対物レンズターレットを前記メインウィンドウの第2側面に配置できるように大きさが設定された第2窪みとを形成するように構成される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項24に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、対物レンズを前記メインウィンドウの第1側面に配置できる大きさの第1窪みと、カメラを前記メインウィンドウの第2側面に配置できる大きさの第2窪みとを形成するように構成される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項24に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記筐体は、対物レンズを前記メインウィンドウの第1側面に配置できるように大きさが設定された第1窪みと、接眼レンズを前記メインウィンドウの第2側面に配置できるように大きさが設定された第2窪みとを形成するように構成される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項22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固定レンズ及び前記第2固定レンズは、前記筐体のフロアのスロット内にスライド可能に設けられる
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項24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3MEMSミラーは、前記第2MEMSミラーより前記メインウィンドウに近接して配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項22に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、第3固定レンズをさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項30に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、前記第1ビームスプリッタ及び前記第1MEMSミラーの間に配置された第1波長板と、前記第2ビームスプリッタ及び前記第2MEMSミラーの間に配置された第2波長板とをさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項31に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、前記第3固定レンズの直前に配置される第3波長板をさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項32に記載の動的フォーカス・ズームシステムにおいて、
前記動的フォーカス・ズームシステムは、前記第3波長板の直前に配置された第3ビームスプリッタと、前記第3ビームスプリッタの直前に配置された第3プリズムとをさらに備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項33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3MEMSミラー、前記第3固定レンズ、前記第3波長板、前記第3ビームスプリッタ及び前記第3プリズムは、前記光リレーの前記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
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項33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3プリズムは、前記第1固定レンズ及び前記第2固定レンズの間の前記光学リレーの中央部分に当接し、
前記第3プリズムは、前記第1プリズム及び前記第3プリズムの直線状の配置が前記光リレーの前記長手方向軸に平行になるように、前記第1プリズムと直線状に位置決めされる
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項30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3固定レンズは、前記第3MEMSミラーの直前に配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項33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3固定レンズは、前記第1プリズム及び前記第3プリズムの間に配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項33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3固定レンズは、前記第2ビームスプリッタ及び前記第3ビームスプリッタの間に配置される
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項33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ビームスプリッタ、前記第2ビームスプリッタ及び前記第3ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項22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ミラー及び前記第2MEMSミラーの間には第1距離があり、
前記第2MEMSミラー及び前記第3MEMSミラーの間には第2距離があり、
前記第1距離は前記第2距離未満である
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項27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窪みは、前記筐体と一体であり且つ対物レンズを保持するように構成された第1ねじ付きアダプタを含む
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 請求項27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2窪みは、前記筐体と一体であり且つ対物レンズターレット、カメラ又は接眼レンズを保持するように構成された第2ねじ付きアダプタを備える
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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る第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
(b)第1プリズムと、
(c)第1固定レンズ及び第2固定レンズを有し、前記第1プリズムの直後に配置された光学リレーと、
(d)前記第2固定レンズの直後に配置された第1ビームスプリッタと、
(e)前記第2MEMSミラーの前に配置された第2ビームスプリッタと
を備え、
前記第1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1ビームスプリッタは、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1MEMSミラー及び前記第2MEMSミラーは、前記光学リレーの前記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
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。 - 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る第1MEMSミラー、第2MEMSミラー及び第3MEMSミラーと、
(b)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、
(c)前記光学リレーの第1端に対してオフセットして配置された第1プリズムと、
(d)前記第2固定レンズの直後に配置された第1ビームスプリッタと、
(e)前記第2MEMSミラーの前に配置された第2ビームスプリッタと
を備え、
前記第1固定レンズ、前記第2固定レンズ及び前記第1ビームスプリッタは、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1MEMSミラー及び前記第2MEMSミラーは、前記光学リレーの前記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
ことを特徴とする動的フォーカス・ズームシステム。
Applications Claiming Priority (3)
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