位相測定用システムと方法
本発明の好ましい実施例は、共通路干渉計検査、位相基準化、能動的安定化及び差動測定を含むが、それらに限定されない、多数の戦略の組み合わせを用いて、位相ノイズの問題に取り組む位相測定用システムに向けられている。実施例は光を用いて小さな生物学的対象を画像形成する光学デバイスに向けられている。これらの実施例は、例えば、細胞生理学及び神経科学の分野に適用出来る。これらの好ましい実施例は位相測定及び画像形成技術の原理に基づく。位相測定及び画像形成技術を使う科学的動機付けは、例えば、限定せぬが、形成異常の起源の画像形成、細胞接合、神経伝達及び遺伝暗号の実施を含むことが出来るが、それらに限定されない、μｍ以下のレベルでの細胞生物学から導出される。細胞以下の構成部分の構造とダイナミックスは、例えば、Ｘ線及び中性子散乱を含む現在の方法と技術を使ってはそれらの自然な状態で現在研究することは出来ない。対照的に、ナノメーターの解像度を有する光ベースの技術は細胞マシナリー（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）がその自然な状態で研究されることを可能にしている。かくして、本発明の好ましい実施例は干渉計検査及び／又は位相測定の原理に基づくシステムを含み、細胞生理学を研究するため使われる。これらのシステムは位相を測定するために光学的干渉計を使う低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）又は細胞部分自身内の干渉が使われる光散乱スペクトロスコピー（ＬＳＳ）の原理を含むか、又は代わりにＬＣＩ及びＬＳＳの原理が組み合わされ本発明のシステムに帰着する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に光の位相測定に関し、特に細胞生理学の研究のみならず半導体部品検査にも使用可能な光学的干渉及び位相測定に関する。
政府援助（ＧＯＶＥＲＮＭＥＮＴ ＳＵＰＰＯＲＴ）
本発明は国立衛生院（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ ｆｏｒ Ｈｅａｌｔｈ）からの補助金番号（Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．）Ｐ４１−ＲＲ０２５９４により、全体的に或いは部分的に援助された。政府は本発明の或る権利（ｃｅｒｔａｉｎ ｒｉｇｈｔｓ）を有する。
【関連出願との相互参照】
【０００２】
本出願は特許文献２の一部継続出願である特許文献１の一部継続出願であり、特許文献３の特典を請求する。上記出願の全内容はそれら全体での引用によりここに組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
位相ベースの光学的干渉計検査技術（Ｐｈａｓｅ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）は、波長以下の距離感度（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を要する光学的距離測定で広く使われる。光学的距離（Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）は屈折率と長さの積として規定される。しかしながら、大抵のこの様な技術は、相互に離れた軸方向走査の干渉縞の決定での困難として規定され得る、２π曖昧さ（２πａｍｂｉｇｕｉｔｙ）又は整数曖昧さ（ｉｎｔｅｇｅｒ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）で整理されるフアイルされて広く知られる課題により制限を受ける。未修整の調波位相ベースの（Ｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ ｂａｓｅｄ）低コヒーレンス干渉計検査（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＬＣＩ）方法は、もしその光学距離がＬＣＩにより測定した差の位相がその２πのラップオーバー（ｗｒａｐ ｏｖｅｒ）を通して追跡され得るよう徐々に増加されるなら、差の光学距離（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）、
【０００４】
【数１】
【０００５】
を決定するため使われ得るものであり、ここでＬは物理的距離、
【０００６】
【数２】
【０００７】
は、それぞれ波長λ１とλ２に於ける屈折率である。例えば、溶液内のＤＮＡ用の
【０００８】
【数３】
【０００９】
を決めるためには、該ＤＮＡ濃度は測定クベット内で徐々に増加させられる。この様な測定アプローチは制御された環境では良く作動するが、そのサンプルに少ない操作性（ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ）しかない状況では実施されることは難しく成る。例えば、該方法は１つが全体を保つよう拘束される材料の固定スラブ（ｆｉｘｅｄ ｓｌａｂ ｏｆ
ｍａｔｅｒｉａｌ）では働かない。
【００１０】
問題は未修整ＬＣＩが、２π曖昧性課題としてここで説明した、相互に離れた軸方向走査の干渉縞（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｉｎｇｅｓ）を告げ得ない事実にある。それは最も位相ベース的な光学干渉計技術（ｍｏｓｔ ｐｈａｓｅ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を悩ます問題である。結果として、これらの技術は光学距離を絶対的に決めることは出来ない。従って、大抵のこれらの技術は、隣接点間又は短時間的インクレメント間の位相比較を通して位相アンラッピング（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）が可能な、連続面の織物組織（ｔｅｘｔｕｒｅ）の評価又は時間に左右される距離変化の検出、の様な応用に使われる。
【００１１】
多くの応用では、サンプルを透過する又はそれから反射される光の位相を定量的に測定することが重要である。特に、生物学的サンプルを透過又はそれから反射される光の位相は活きた又は活きてない細胞での構造と機能の強力なプローブを形成し得る。
【００１２】
干渉計検査（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）は光の位相を測定するための用途の広い技術である。定量的干渉計検査での１つの共通の問題は振動、空気運動、及び熱的ドラフトの様な外乱による位相ノイズへの感受性（ｓｕｓｃｅｐｔａｂｉｌｉｔｙ）である。位相ノイズの問題を解く位相測定用システムのニーヅが残っている。
【００１３】
干渉計検査は標本（ｓｐｅｃｉｍｅｎ）に付随する位相情報へアクセスする１つの方法である。位相差顕微鏡検査及びノマルスキー顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ
ａｎｄ Ｎｏｍａｒｓｋｉ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の様な技術は唯造影剤として光学的位相を使い、その大きさについて定量的情報を提供しない。殆ど透明なサンプルを透過した光の位相を測定するための幾つかの技術は存在する。これらはデジタル的に記録された干渉顕微鏡検査（ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）（ＤＲＩＭＡＰＳ）と、輝度伝達方程式を介した位相プロフアイルの非干渉計測的検出（ｎｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）と、を含む。
【００１４】
反射干渉計検査は使用光の波長より遙かに短い検出（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）が可能である。数分の１ナノメーター以下のスケールでの測定は度量衡学（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）及び微小構造特性化（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）では普通である。しかしながら、生物学的細胞及び組織の様な弱い反射のサンプルでのナノメーター規模の干渉計検査では殆ど研究は行われてない。光学的コヒーレンストモグラフイー（Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、生物学的サンプルで使われる干渉計検査技術は、反射光からの干渉の位相より寧ろ振幅に主として関わり、従って解像度では、典型的に２−２０マイクロメーターである、使用光のコヒーレンス長さに限定される。
【００１５】
位相基準の反射干渉計検査は細胞の単層での容積変化を測定するため使われて来た。使用される調波位相ベース干渉計は２つの源（ｓｏｕｒｃｅ）を要し、比較的ゆっくりしており（５Ｈｚ）、このバンド幅に亘り約２０ｍｒａｄの位相感度を有する。かくして、位相ノイズの問題を解き、種々の画像形成応用の開発に役立つ位相測定用の有効なシステムのニーヅが残っている。
【特許文献１】米国特許出願公開第１０／８２３、３８９号明細書、２００４年４月１３日出願
【特許文献２】米国特許出願公開第１０／０２４、４５５号明細書、２００１年１２月１８日出願
【特許文献３】米国特許仮出願公開第６０／４７９，７３２号明細書、２００３年６月１９日出願
【非特許文献１】Ｄｒｅｘｌｅｒ、Ｗ．ｅｔ．ａｌ、Ｉｎ Ｖｉｖｏ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｅｒ Ｖｏｌｕｍｅ ２４，Ｎｏ．１７、ｐａｇｅｓ １２２１−１２２３
【非特許文献２】Ｃｒｅａｔｈ、Ｋ．、Ｐｈａｓｅ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”、ｉｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．ＸＸＶＩ、Ｅ．Ｗｏｌｆ、Ｅｄ．、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ、１９８８、ｐｐ、３４９−３９３
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の好ましい実施例は、例えば、共通路干渉計検査（ｃｏｍｍｏｎ−ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、位相基準化（ｐｈａｓｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ）、能動的安定化（ａｃｔｉｖｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）及び種々の測定を含むが、それに限定されない、多数の戦略の組み合わせを使って、位相ノイズ（ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）の様な問題を取り組む位相測定用システムに向けられている。実施例は、光で、組織又は小さな生物学的対象の画像形成するための光学的デバイスに向けられている。これらの実施例は、例えば、細胞生理学（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ）及び神経科学（ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ）の分野に応用され得る。これらの好ましい実施例は位相測定と画像形成技術の原理に基づいている。位相測定と画像形成技術を使う科学的動機付けは、例えば、形成異常源（ｏｒｉｇｉｎｅｓ ｏｆ ｄｙｓｐｌａｓｉａ）の画像形成、細胞接合（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、神経伝達（ｎｅｕｒｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）そして遺伝暗号（ｇｅｎｅｔｉｃ ｃｏｄｅ）を使う手順の実施、を、限定せずに、含むマイクロメーター以下のレベルでの細胞生物学から導き出される。細胞以下の構成成分の構造とダイナミックスは、例えば、Ｘ線や中性子線散乱（ｎｅｕｔｒｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を含む現在の方法と技術を使ってそれらの自然な状態（ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｎａｔｉｖｅ ｓｔａｔｅ）で研究することは現在出来ない。対照的に、ナノメーターの解像度を有する光ベースの技術は細胞マシナリー（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）がその自然な状態で研究されることを可能にする。かくして、本発明の好ましい実施例は干渉計検査及び／又は位相測定の原理に基づくシステムを含み、細胞生理学を研究するため使われる。これらのシステムは位相を測定するために光学的干渉計を使う低コヒーレンス干渉計検査（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＬＣＩ）、又は細胞成分自身内の干渉が使われる光散乱分光計検査（ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（ＬＳＳ）、の原理を含むか、又は代わりに、ＬＣＩ及びＬＳＳの原理が本発明のシステムに帰着するよう組み合わされる。
【００１７】
位相測定及び画像形成システム用の好ましい実施例は能動的に安定化された干渉計、分離干渉計（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）、共通路干渉計を含
み、空間光変調（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を使う位相差顕微鏡検査を含み得る。
【００１８】
好ましい実施例では、本発明の方法は、好ましくはナノメーター以下の精度で、任意に長い光学距離の測定用の、精密な位相ベースの技術に向けられる。本発明の好ましい実施例は、調波的に関係付けられた光源、１つの連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）（ＣＷ）そして低コヒーレンス（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）（ＬＣ）を有する第２源を備える干渉計、例えば、マイケルソン干渉計（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を使う。該低コヒーレンス源は、好ましくは１マイクロメーター波長用に５ｎｍより大きいバンド幅がよい、広いスペクトルバンド幅を提供し、例えば、所要バンド幅は波長及び応用の関数として変化し得る。該低コヒーレンス源の中心波長を目標サンプルの走査間で僅かに調整することにより、該ＣＷと低コヒーレンス光のヘテロダイン信号間の位相関係は、反射するインターフエース間の隙間をナノメーター以下の精度で測定するため使われ得る。この方法は２π曖昧性、大抵の位相ベースの技術を悩ませる課題、から完全に自由なので、それは精度の損失無しに、任意の長い光学距離を測定するため使われ得る。本発明の方法の好ましい実施例の応用は、既知の物理的厚さを有するサンプルの、与えられた波長での屈折率の精密決定である。本発明の方法の好ましい実施例のもう１つの応用は、既知の屈折率を有するサンプルの物理的厚さの精密決定である。本発明の方法の好ましい実施例の更に進んだ応用は、２つの与えられた波長での屈折率の比の精密決定である。
【００１９】
代わりの好ましい実施例では、該低コヒーレンス光源は、約２ｎｍより多くだけ相互に離れたそれぞれの中心波長を有する第１低コヒーレンス波長と第２低コヒーレンス波長を同時提供するために、好ましくは５ｎｍより大きいのがよい、充分に広いバンド幅光を提供する。該低コヒーレンス波長用の周波数スペクトラムは意味のある程重畳はしない。該２つの低コヒーレンス波長を送信し、検出するために追加の検出器とフイルターが該干渉計内に配置される。
【００２０】
該好ましい実施例の方法は精密な光学距離測定を行うため使われ得る。この様な測定値から、目標対象の光学特性が精密に測定される。該目標の分散プロフアイルを測定することにより、該目標の構造的及び／又は化学的特性が評価され得る。該分散プロフアイルは種々の波長で屈折率差を正確に概説する。生体臨床医学的背景（ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｃｏｎｔｅｘｔ）では、本発明の好ましい実施例は、非接触及び非侵襲性の方法で生物学的組織の分散特性を精密に決定するため使われ得る。この様な分散決定は眼の角膜（ｃｏｒｎｅａ）又は房水（ａｑｕｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ）に関し使われ得る。達成される感度はブドウ糖濃度に左右される光学的変化を検出するのに充分であり得る。本発明の方法の好ましい実施例では、房水及び／又は硝子体液（ｔｈｅ ａｑｕｅｏｕｓ ａｎｄ／ｏｒ
ｖｉｔｒｅｏｕｓ ａｑｕｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ）か又は眼の角膜か何れかの分散プロフアイルの非侵襲性測定を通して血液ブドウ糖レベルが決定され得る。本発明の好ましい実施例は、集積回路及び／又は光電子部品の製造中に形成される小特徴（ｓｍａｌｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ）を測定するため半導体製造の測定技術として応用され得る。該方法の好ましい実施例は非接触で、非破壊的なので、それらが製造される時に半導体構造体又は光学部品の厚さをモニターするため使われ得る。
【００２１】
マッハツエンダーヘテロダイン干渉計（Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を使う本発明の好ましい実施例に依れば、サンプルの部分を通過する光の位相を測定する方法は、第１波長の光を提供する過程と、該第１波長の光を第１光路と第２光路に沿って導く過程と、を具備し、該第１光路は測定されるべきサンプル媒体上へ延びており、該第２路は路長の変化を受け、そして該方法は又該サンプル媒体上の２つの別々の点を通過する光の位相の変化を測定するために、該サンプル媒
体からの光と該第２光路からの光を検出する過程を具備する。該媒体は例えばニューロン（ｎｅｕｒｏｎ）の様な生物学的組織を含む。該方法は、同時に複数の位置でサンプルの位相を画像形成するために、光ダイオード配列又は光ダイオード結合されたフアイバー束を使う過程を含む。該方法は更に、該第２光路で光を周波数シフトする過程を有する。該方法は第１波長を放射するヘリウムネオンレーザー光源又は低コヒーレンス光源を提供する過程を有する。
【００２２】
本発明のもう１つの側面に依れば、能動的に安定化された干渉計はサンプルの部分の通過光の位相を測定する方法で使用されるが、該方法はそれぞれ第１光源と第２光源により発生される第１信号と第２信号を提供する過程を有し、該第２光源は低コヒーレンス源としている。該方法は、第１光路と第２光路に沿い該第１信号と該第２信号を導く過程と、該第１光路と第２光路の間の路長差を変える過程と、それら間の路長遅延を有する該第１信号と第２信号の和を示す出力信号を発生する過程と、干渉計ロック変調周波数で該出力信号を変調する過程と、そして該干渉計ロック位相のタイムエボリューション（ｔｉｍｅ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）により該サンプルの位相を決定する過程と、を有する。該第１及び第２信号は共に低コヒーレンス信号である。該方法は更にミキサー又はロックイン増幅器により該第１信号を復調する過程を有する。該方法は該干渉計ロック位相を電子的に発生する過程を有する。
【００２３】
本発明のもう１つの側面に依れば、双ビーム反射干渉計（ｄｕａｌ ｂｅａｍ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）が、サンプルの１部分を通過する光の位相の測定用システムで使われる。該システムは、第１信号を発生する第１光源と、該第１信号から時間遅延により分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する干渉計と、該サンプルと連通する該干渉計からの第１光路及び基準体と連通する該干渉計からの第２光路と、そして該サンプル及び該基準からのそれぞれ該第１及び該第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプル及び該基準体から反射される光の間の干渉と、を測定する検出器システムと、を有する。該システムは該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示すヘテロダイン信号の位相の検出を含む。該第１信号は低コヒーレンス信号である。該第１光源はスーパールミネッセントダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅ）又はマルチモードレーザーダイオード（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）の１つを、限定無しで、有することが出来る。該干渉計の第２路は更に第１路と第２路を備え、該第２路は音響光学的変調器（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を有する。該システムは光フアイバーを有する光学的通路（ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈｗａｙ）を備える。該システムは振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｒｅｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を有する。該干渉計は更に光路長差を調整するために並進ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ）に取り付けられたミラーを有する。該検出システムは該サンプルから反射された信号を検出する第１検出器と該基準体から反射された信号を検出する第２検出器を有する。
【００２４】
もう１つの側面に依れば、本発明は位相差顕微鏡検査と空間光変調（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）とを使ってサンプルの画像形成を行う方法を提供する。種々の実施例では、該方法は該サンプルを照明する過程を有し、該光は、低周波空間成分（ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）と高周波空間成分（ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）とを有する該照明により該サンプルから発している。該低周波空間成分の位相は、少なくとも３つの位相シフトされた低周波空間成分を提供するようシフトされる。好ましくは該位相は、π／２、πそして３π／２の位相シフトを有する位相シフトされた低周波空間成分を発生するよう、例えば、π／２のインクレメントでシフトされるのがよい。
【００２５】
該シフトされない低周波空間成分と、少なくとも３つの位相シフトされた低周波空間成分と、は各別々の干渉用の輝度信号を作るために、共通光路に沿う該高周波空間成分と別々に干渉させられる。次いで、例えば、該輝度信号の少なくとも４つを使って、該サンプル用に画像、又は位相画像（ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｅ）が発生される。
【００２６】
もう１つの側面に依れば、本発明は反射する表面を有するサンプルの非接触光学測定用の方法を提供するが、該方法は、第１信号を発生する第１光源を提供する過程と、双ビーム干渉計を使って該第１信号から時間遅延により分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する過程と、該サンプルと連通する該干渉計からの第１光路と基準体と連通する該干渉計からの第２光路とを提供する過程と、そして該サンプル及び該基準体からのそれぞれ該第１信号と該第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプル及び該基準体から反射される光間の干渉と、を測定し、そして該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示す該ヘテロダイン信号の位相を検出する過程と、を有する。
【００２７】
好ましい実施例では、該第１信号は低コヒーレンス信号である。該第１光源はスーパールミネッセントダイオード又はマルチモードレーザーダイオードとすることが出来る。該干渉計は更に第１路と第２路を備え、第２路は音響光学的変調器を有する。該方法は更に光フアイバーを有する光学的通路を備える。該サンプルは神経細胞の１部分とすることが出来る。
【００２８】
好ましい実施例では、該干渉計は振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計を有する。該干渉計は更に、光路長差を制御可能に調整するために並進ステージに取り付けられたミラーを有する。好ましい実施例は神経腫脹（ｎｅｒｖｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ）の最初の非接触で、最初の干渉計検査の、測定を行うための、ヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を有する。神経腫脹の生物物理的機構（ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）は、本発明の好ましい実施例による個別軸索（ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ａｘｏｎｓ）を使って画像形成され、解析される。該双ビーム低コヒーレンス干渉計は活きた細胞のナノメーター規模の運動の測定で多くの他の応用を有する。他の実施例は活動電位（ａｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）に付随する１つのニューロン内の機械的変化を検出するために、干渉計に基づく顕微鏡を有し得る。関連した干渉計検査方法は又培養された細胞単層（ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｃｅｌｌ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）内の細胞容積変化（ｃｅｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ｃｈａｎｇｅｓ）を測定するため使われる。
【００２９】
本発明のもう１つの側面はサンプルを光学的に画像形成するための光フアイバープローブを具備しているが、該プローブは、近位の端部と遠位の端部とを有するハウジングと、該ハウジングの該近位の端部内の光源に結合されたフアイバーコリメーターと、そして該ハウジングの該遠位の端部内の段階的屈折率保有レンズ（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ）と、を備えており、該レンズは第１及び第２面を有し、該第１面は基準面であり、そして該プローブの開口数はサンプルの散乱表面からの効率的光収集を提供する。該プローブは更に、２次元位相画像形成と３次元共焦点位相画像形成の少なくとも１つを行うために並進器ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ ｓｔａｇｅ）上への該光フアイバーの設置部（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）を有する。該並進器ステージは走査用ピエゾ並進器（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｉｅｚｏ ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）を有する。該プローブの開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）は約０．４から０．５の範囲内にある。
【００３０】
位相測定用のシステムと方法の前記及び他の特徴と利点は、付属する図面で図解された該システムと方法の好ましい実施例の下記の特定的な説明から明らかになるであろうが、該図面では、種々の図を通して似た参照文字が同じ部品を参照している。該図面は必ずしもスケール合わせされておらず、代わりに本発明の原理の図解に力点が置かれている。
【実施例１】
【００３１】
距離測定用調波干渉計検査（Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）
本発明は、干渉計内に分光不平衡（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｍｂａｌａｎｃｅ）を導入することにより整数又は２π曖昧性問題を克服した光学距離測定用の位相交叉ベース（ｐｈａｓｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ）のシステムと方法に向けられている。該方法の好ましい実施例は又面上の２隣接点の相対高さ差を精度を有して測定出来る。更に、サンプルの屈折率は、該サンプルの物理的厚さが実験的に測定され得る精度に依ってのみ制限される精度で見出され得る。
【００３２】
調波位相ベースの干渉計検査（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ ｂａｓｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＨＰＩ）で低コヒーレンス光源の１つの連続波（ＣＷ）光源との交換は、該低コヒーレンスヘテロダイン信号が測定され得る光学的ルーラー（ｏｐｔｉｃａｌ ｒｕｌｅｒ）の形で付随ＣＷヘテロダイン信号の使用を可能にする。該低コヒーレンス光源は、例えば、１μｍ波長用に５ｎｍより大きいスペクトルバンド幅を提供する。この様な変型されたエイチピーアイを使う利点の１つは、測定された位相が
【００３３】
【数４】
【００３４】
の代わりに長さ尺度ｎＬに感応的であり、ここでｎは該低コヒーレンス波長での屈折率である。該量ｎは該複合品
【００３５】
【数５】
【００３６】
より実用的に有用である。該低コヒーレンス波長を僅かに、例えば、約２ｎｍだけ、調整することにより、該量ｎＬは２π曖昧性無しでそしてナノメーター以下の感度で見出され得る。この方法は光学距離が測定される基準光学ルーラーとして該ＣＷヘテロダイン干渉信号を使う。
【００３７】
容易に入手可能な低コヒーレンス光源を使う干渉計光学距離測定システムは数十波長の桁の解像度（ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｅｎｓ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を達成した。この技術は比較的鈍感であるが、それは該２π曖昧さの課題と戦う必要がない（ｎｏｔ ｈａｖｅ ｔｏ ｃｏｎｔｅｎｄ）。好ましい実施例は、ナノメーター以下の精度で任意の長い光学距離を測定するために位相を使う低コヒーレンス干渉計検査方法を含む。この方法は整数の干渉フリンジを決めるための低コヒーレンス位相交叉技術と、分数フリンジを精密に得るための該測定からの追加位相情報と、を使う。加えて、それは深さ解像度を提供し、層化サンプルのトモグラフイー的プロフアイリング（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）用に使用され得る。該方法は精度を有して長い光学距離を測定出来るので、それは複数材料の屈折率を精密に決定するため使われ得る。これは位相ベースの方法であるので、かくして見出された屈折率は位相屈折率（ｐｈａｓｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）であり、グループ屈折率（ｇｒｏｕｐ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）ではない。
【００３８】
図１は変型（ｍｏｄｉｆｉｅｄ）マイケルソン干渉計を含む本発明のシステム１０の好ましい実施例を図解する。入力光１２は、例えば、７７５．０ｎｍで放射するチタン：サファイアレーザーからの１５０−ｆｓモードロックされた光と、例えば、半導体レーザーからの連続波（ＣＷ）１５５０．０ｎｍ光と、から成る２カラー複合ビーム（２−ｃｏｌｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ）である。好ましい実施例では、該方法は該ＣＷ波長、（この実施例では正確に１５５０．０ｎｍ）の表現（ｔｅｒｍｓ）で光学距離を評価し、全ての光学距離はこの基準（ｂａｓｉｓ）に基づいて計算される。該複合ビームはビームスプリッター１４で２つに分けられる。１つの部分信号は目標サンプル１６に入射し、一方もう１つは、例えば、約０．５ｍｍ／ｓで動いているのが好ましい基準ミラー３２に入射しており、該ミラーは該基準ビーム３４上でドップラーシフト（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｈｉｆｔ）を誘起する。該ドップラーシフトは、例えば、電気光学変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の使用を通しての様な、他の手段により誘起されることも出来る。後方反射されたビームは該ビームスプリッター１４で再組み合わされ、ダイックロイックミラー（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）１８によりそれらの波長成分に分離され、光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）２０，２２で別々に測定される。最終信号は、例えば、１６ビット１００ＫＨｚＡ−Ｄ変換器の様な、Ａ−Ｄ変換器｛エイデーシー（ＡＤＣ）｝２４によりデジタル化される。更にそのデータを処理するためにパーソナルコンピュータ｛ピーシー（ＰＣ）｝の様なデータプロセサー２６が該エイデーシー２４と通信している。それらのそれぞれのドップラーシフトされた周波数での最終ヘテロダイン信号はそれらのそれぞれの中心ヘテロダイン周波数付近でバンドパスされ、該ヘテロダイン信号の対応する位相、ΨＣＷとΨＬＣ、を抽出（ｅｘｔｒａｃｔ）するためにヒルベルト変換（Ｈｉｌｂｅｒｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）される。添え字ＣＷとＬＣは該１５５０．０ｎｍ連続波と７７５．０ｎｍ低コヒーレンス波長成分とをそれぞれ示している。
【００３９】
低コヒーレンス光の中心波長は次いで約１−２ｎｍだけ調整され、ΨＣＷとΨＬＣ値の第２セットが測定される。これらの２セットの読み値から、該目標サンプル内の種々のインターフエースがナノメーター以下の精度でローカライズされ得る。ローカライズ用のデータの処理は下記で説明される。
【００４０】
該ビームスプリッター１４から未知の距離ｘ１の１つのインターフエースから成るサンプルを考える。該ビームスプリッター１４から該基準ミラー３２までの距離、ｘ、は、該基準ミラーの走査の各時点で既知量である。
【００４１】
ｘ１用の近似値を見出す方法はｘを走査し、再組み合わされた低コヒーレンス光ビーム内の最終ヘテロダイン信号をモニターすることに依る。ｘがｘ１に近似的に等しい時、該ヘテロダイン信号振幅でのピークが期待される。この様な方法の精度は該光源のコヒーレンス長さ、ｌｃと該ヘテロダイン信号のＳ−Ｎの質とにより限定される。実在の実験条件では、この様に決められたｘ１の誤差は該コヒーレンス長さの５分の１より良くは無さそうである。
【００４２】
典型的低コヒーレンス源のコヒーレンス長さが名目的に約１０μｍであるとすれば、これはこの様な長さ決定手段の誤差は約２μｍに限定される。
【００４３】
該ヘテロダイン信号の位相の考慮の中で、検出された該ヘテロダイン信号の変動成分は下記で表される。
【００４４】
【数６】
【００４５】
ここでＥｒｅｆとＥｓｉｇはそれぞれ該基準の電場振幅と信号電場振幅であり、ｋは光学的波数（ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）、ωは光学的周波数である。該指標（ｅｘｐｏｎｅｎｔ）内の２の係数は、該ミラー／サンプルへ行くそして該ビームスプリッターへ戻るように、該通路を光が２回進行する事実に依る。
【００４６】
ｘがｘ１に正確にマッチする時、該ヘテロダイン信号はピークになると期待されることに注意する。該２つの戻りビームは強め合い干渉（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）に入る。従ってこの性質は該インターフエースをローカライズするため使われる。ｘ１は該２つのビームが強め合い干渉に入るｘの値を見出すことにより見出される。位相は精密に測定され得るので、この様なアプローチは約５ｎｍの長さ感度を与える。不幸にして、この方法は計算集約的であり、何故ならば、該ヘテロダイン信号がピークとなるｘの多数の値があるからであり、特定的には該ヘテロダイン信号は下記でピークとなり
【００４７】
【数７】
【００４８】
ここでａは整数、λは光学的波長である。これは該２π曖昧性の課題の表明（ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎ）である。
【００４９】
好ましい実施例は正しいピークを区別する方法を有する。ｘ＝ｘ１の時、該ヘテロダイン信号は光学的波長に関係なくピークとなることを注意しておく。他方、次のピークは、図２に図解される様に、波長に左右される。図２はサンプル内の反射インターフエース５２に付随する低コヒーレンスヘテロダイン信号を図解する。従って、該低コヒーレンス波長を調整することにより、該ヘテロダイン信号は該インターフエースと、ｘ−ｘ１が正確に区別され得る状況に付随する正しいピーク付近に圧縮される。該ヘテロダイン信号は該調整方向に依り、該インターフエース付近で圧縮され、又は膨張させられてもよいことは注意されるべきである。該ローカライズを可視化する直観的方法は、正確にｘ＝ｘ１となるフリンジ（ｆｒｉｎｇｅ）の中へスクイーズするか又はそれから離れるよう膨張する該ヘテロダイン信号を描く（ｐｉｃｔｕｒｅ）ことである。
【００５０】
この様な方法では２つの理由で該ＣＷ光源が必要である。第１に、干渉計内で該値を絶対的にそして精密に知ることは実際には非常に難しい。該干渉計のＣＷ成分は、該基準ミラーが走査される時、ｘの高度に精密な測定が行われることを可能にする。特に好ましい実施例では、該サンプル内の２つのインターフエース間の距離を決定するために、ｘ１が図１に示す第１インターフエースまでの距離に等しい所と、ｘ２（ｘ２＝ｘ１＋ｎＬ、ここでｎは該サンプルの屈折率）が該第２インターフエースまでの距離に等しい所と、の間で起こるＣＷ干渉フリンジの数のカウントが行われる。図３はサンプル内の２つの反射インターフエースに付随するヘテロダイン信号を図解する。該低コヒーレンス波長を調整することは該インターフエース付近の８２，８４すなわち該ヘテロダイン信号７８，８０を
圧縮する。
【００５１】
第２に、該インターフエースのローカライズ用の前に説明した方法はもし該反射過程に付随した位相シフトがあるなら部分的に失敗するかも知れない。例えば、該面が金属性であるなら、該位相シフトは些細とは言えず（ｎｏｎ−ｔｒｉｖｉａｌ）、該ヘテロダイン信号の位相は正確にｘ＝ｘ１である所で或る他の値を取る。前の方法は正しい干渉フリンジがｘ＝ｘ１の所で識別されることを可能にするが、しかしながら波長以下の感度は危うくされる。該シーダブリューヘテロダイン信号の存在は該ＨＰＩ方法経由で差位相（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｐｈａｓｅ）が見出されることを可能にする。この値の知識は、高いレベルの感度で該インターフエースのローカライズを可能にする。
【００５２】
該ＨＰＩ方法の原理が、７７５ｎｍの波長に於ける厚さ、Ｌ及び屈折率、ｎ７７５ｎｍのサンプルの例示的実施例を通して図解される。該サンプルの２つのインターフエースは該ビームスプリッターからそれぞれ光学距離ｘ１及びｘ２にある
【００５３】
【数８】
【００５４】
。該方法が、もし該光学距離の隙間（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が、例えば、典型的に、該低コヒーレンス光源の１μｍと１００μｍの間で、該コヒーレンス長さより大きい場合のみに、働くことを注意しよう。さもないと、該インターフエースに付随する該ヘテロダイン位相信号は一緒に現れ、不精密なインターフエースローカライズに帰着する。説明の明確さのために、反射に付随する位相シフトの入り込みは後刻まで延ばすことにする。
【００５５】
図４は数学的説明を図解する走査である。該走査は２つのインターフエースを有するサンプルのものである。信号１００は低コヒーレンスヘテロダイン信号である。トレース１０２はΨＣＷ（ｘ）である。拡大図１０４はその位相フリンジを示す。各フリンジはλＣＷの光学距離に対応する。ΨＤ（ｘ）の下方のトレースはΔの２つの異なる値に於けるものである。矢印１０６，１１０は位相交叉点を示す。垂直軸はラディアンである。基準ミラーが走査されると、該低コヒーレンスヘテロダイン信号の位相は下記で与えられ、
【００５６】
【数９】
【００５７】
ここでＲＬＣｊは該低コヒーレンス波長でインターフエースｊの反射率、ｋは光学的波数、ａ＝４ｌｎ（２）／ｌＣ、ｌＣはコヒーレンス長さ、ｘは該ビームスプリッターからの基準ミラーの距離、そしてｈＣは｜ｘ｜＜２ｌＣでは１そしてさもなくば０の値を有する区分的に連続な関数（ｐｉｅｃｅｗｉｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。該指標内の２の係数は後方反射構造での光路の実効的に２倍になることに依る。式３は位相が、ノイズのため、該コヒーレンス包絡線を遙かに越えては測定され得ない事実を反映する。モデル化される該コヒーレンス包絡線はプロフアイルでガウス型である（Ｇａｕｓｓｉａｎ）が、同じ位相の取り扱いはどんなゆっくり変化する包絡線のプロフアイル用にも妥当（ｖａｌｉｄ）である。
【００５８】
該ＣＷヘテロダイン信号の位相は下記で与えられ、
【００５９】
【数１０】
【００６０】
ここでＲＣＷｊは該ＣＷ波長での該インターフエースの反射率、ｎ１５５０ｎｍは該サンプルの屈折率、
【００６１】
【数１１】
【００６２】
はそれぞれ該ビームスプリッターからの有効平均反射率及び距離である。もし該２つの光源の中心波長が下記の様に選ばれるなら、
ｋＬＣ＝２ｋＣＷ＋Δ （５）
ここでΔは小さな意図的に付加されたシフトであるが、すると下記形の差位相、ΨＤが得られる。
【００６３】
【数１２】
【００６４】
上記量は該区間（ｘ２−ｘ１）でのフリンジの近似数と、波長以下の精度を提供する分数フリンジ（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｒｉｎｇｅ）と、両者を提供する。
【００６５】
該パラメーターΔが少量だけ（約１−２ｎｍの波長シフトに対応して）変化すると、ΨＤ（ｘ）の傾斜はｘ＝ｘ１及びｘ＝ｘ２である点の付近で旋回（ｐｉｖｏｔｓ）する。換言すれば、Δの種々の値での位相走査はそれらの点で交叉する。ｘ１からｘ２までの光学距離は該２つの位相交叉点（ｐｈａｓｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ）間でΨＣＷ（ｘ）が通って進むフリンジをカウントすることにより見出され得る。こうして見出された量の２倍がＳｆｒｉｎｇｅと称され、それは整数値でなく、低コヒーレンス波長でのフリンジの数に対応する。１つのインターフエースについて多数の位相交叉点が起こる場合は、該インターフエースの位置に対応する点はΔの追加的値で多数の走査を行うことにより見出され得る。該インターフエースの位置はΨＤ（ｘ）が全てのΔ値について交叉する位置のみである。
【００６６】
該位相シフト情報は、更に該インターフエース間隔をローカライズするため使われる。特に、ｘ＝ｘ１及びｘ＝ｘ２に於ける位相シフト間の差は下記である。
【００６７】
【数１３】
【００６８】
これは分数フリンジを高精度で測定する。
【００６９】
絶対的な光学的間隔（ｘ２−ｘ１）はＳｆｒｉｎｇｅとＳｐｈａｓｅから下記式を通して精密に決定出来る。
【００７０】
【数１４】
【００７１】
ここでΔＳ＝ｒｅｓ（Ｓｆｒｉｎｇｅ）−ＳｐｈａｓｅそしてＵ（）は単位階段関数（ｕｎｉｔ ｓｔｅｐ ｆｕｎｃｔｉｏ）である。ここでは、ｉｎｔ（）及びｒｅｓ（）はそれぞれ独立変数（ａｒｇｕｍｅｎｔ）の整数及び分数部分である。第１項はＳｐｈａｓｅと、Ｓｆｒｉｎｇｅの分数部分と、間の誤差を最小化することによりフリンジの正しい整数まで該光学的距離をローカライズする。光学的間隔決定の誤差はＳｐｈａｓｅの測定誤差によってのみ制限される。実験では、この様な誤差は約０．５ｎｍの（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄ内の誤差に解釈される。Ｓｆｒｉｎｇｅの測定誤差は、正しい干渉フリンジが確立され得るようにフリンジの半分より小さくあればよく、この基準を充たすと、それは（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの誤差内に入らない。測定可能な最大の光学的距離は２つの交差点間のフリンジを正確に数える該システムの能力と、光源の周波数安定性と、にのみ左右される。
【００７２】
上記式は正しいフリンジ（ｃｏｒｒｅｃｔ ｆｒｉｎｇｅ）と分数フリンジ（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｒｉｎｇｅ）を見出す方法の凝縮した表現である。演算は下記例と、ＳｐｈａｓｅとＳｆｒｉｎｇｅに基づく見積間の誤差を最小化する値を選択することにより（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの正しい見積の決定を示す図５と、を通して図解される。ＳｆｒｉｎｇｅとＳｐｈａｓｅは２６．７と０．１１１であると仮定する。Ｓｐｈａｓｅの測定から、光学的距離の値は下記である。
【００７３】
【数１５】
【００７４】
ここでａは整数である。Ｓｆｒｉｎｇｅの値が与えられると、（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの起こり得る値は次の３つの値：（λＣＷ／４）（２５．１１１）、（λＣＷ／４）（２６．１１１）、（λＣＷ／４）（２７．１１１）に限定され得る。（λＣＷ／４）（２７．１１１）が（λＣＷ／４）（Ｓｆｒｉｎｇｅ）に最も近いとすると、それが（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの正しい見積である。
【００７５】
調波的に関係付けられた光源に基づく干渉計検査の測定用の好ましい実施例では、光源
の適切に選択された対と、差位相を抽出する方法と、が該干渉計内のジッター（ｊｉｔｔｅｒ）の影響を最小化し、好ましくは除去することさえ可能にするが、該ジッターは、さもなければ、高精度光学的距離測定を不可能にするものである。又ジッターの除去は異なる時期に行われた走査の比較をも可能にする。
【００７６】
本方法の好ましい実施例の能力を示すよう、該システムが、物理的厚さ、Ｌ＝２３７±３μｍ、を有する溶融水晶カバースリップの頂面と底面の間の光学的距離を探る（ｐｒｏｂｅ）ため使われた。この実施例では、第１インターフエースからの反射に付随するπの位相シフトがあり、それは正の屈折率移行（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を示す（ｍａｒｋｓ）。従って、式１と２内の係数ＲＬＣ，１とＲＣＷ，１に付随するｅ−ｉπ項がある。これはＳｆｒｉｎｇｅとＳｐｈａｓｅ上の半分の修正係数に帰着する。図４は７７３．０ｎｍと７７７．０ｎｍのＬＣ波長での典型的走査の結果を示す。４つの走査の結果は表１に抄録されるが、該表は水晶カバースリップの１片上の（ｎ７５５ｎｍＬ）の測定値を表す。該実験データの再現性（ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ）はその光源が充分安定な周波数を有することを示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
実験データはナノメーター以下の精度で光学的絶対距離測定を産み出す。見出された光学的距離は該低コヒーレンス光源に組み合わされる。該ＣＷヘテロダイン信号は光学的ルーラーとして役立つ。もし水晶カバースリップのＬが精密に既知であるなら、波長７７５．０ｎｍでの該水晶用ｎ７７５ｎｍは（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄから非常に高度の精度で見出され得る。
【００７９】
代わりに、Ｌの正確な値を知ることなく、２つの異なる波長での屈折率比が、これらの波長での低コヒーレンス光とそれらのそれぞれの調波でのＣＷ光とを使って対応する光学的距離を測定することにより決定され得る。低コヒーレンス波長の範囲を使って、材料の分光プロフアイル（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）が精密に決定され得る。該分光プロフアイル種々の波長で屈折率差を正確に概説（ｍａｐｓ ｏｕｔ）する。好ましい実施例の実験結果は約１ｍｍの厚さのサンプルで精密な約７つの重要指標（ｆｉｇｕｒｅｓ）が達成され得ることを予測する。
【００８０】
もう１つの好ましい実施例では、該システムの光源は、１５５０．０ｎｍで放射する低コヒーレンススーパールミネッセントダイオード（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅ）（ＳＬＤ）と、７７５．０ｎｍで放射するＣＷのチタン：サファイアレーザーと、に換えられた。該ＳＬＤを通る動作電流を調整することにより、中心波長は約２ｎｍだけ変えられ、これは位相公差を達成するのに好適である。本発明のシステムのこの好ましい実施例を使って、光学距離は１５５０．０ｎｍで測定された。この測定結果と前の測定との比を取り、水晶用に屈折率の比、ｎ７７５ｎｍ／ｎ１５５０ｎｍが決定された。見出された該屈折率比は好ましい実施例で使われた源により調和的に関係付けられた波長についてであることは注意されるべきである。他の波長に
ついて屈折率比は光源の他の適当な選択で測定され得る。比較用に、種々の材料についてｎ７７５ｎｍ／ｎ１５５０ｎｍの測定としてガラスとアクリルプラスチック（ａｃｒｙｌｉｃ ｐｌｓｔｉｃ）についての対応するデータが表２に作表されている。
【００８１】
【表２】
【００８２】
該低コヒーレンス波長が該ＣＷ波長のそれの半分である時使われる幾つかの式がここで前に提示された式と僅かに異なることを注意する。例えば、
【００８３】
【数１６】
【００８４】
２π曖昧性を克服するための方法の好ましい実施例は、薄膜固体材料（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）の高精度深さ範囲測定（ｄｅｐｔｈ
ｒａｎｇｉｎｇ）及び高精度屈折率決定の様な応用で重要な有用性を示す。
【００８５】
該好ましい方法の使用はガラスのスラブ（ｓｌａｂ ｏｆ ｇｌａｓｓ）の考慮を通して図解され得る。該システムから該ガラススラブの平均中心までの距離を非常に精密に測定するシステムが存在する。又該ガラス表面の粗さを非常に精密に測定出来るシステムがある。本発明のシステムの好ましい実施例は該ガラススラブの端部面（ｇｌａｓｓ ｓｌａｂ ｅｎｄ−ｆａｃｅ）の厚さをナノメーターの感度で測定する。
【００８６】
該光学的距離を決定する方法の好ましい実施例の実施の過程は、図６Ａ及び６Ｂのフローチャート１２４で図解される。該方法１２４は、その１つがＣＷ源であり、一方もう１つが低コヒーレンス源であるマイケルソン干渉計の２つの調波的に関係付けられた光源の使用を含む。そのインターフエース間の光学距離が測定される必要のあるサンプルは過程１２６により信号干渉計アームの端部反射部（ｅｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）として使われる。基準干渉計アーム内の基準ミラーは過程１２８により走査される。該方法は該信号及び基準アームからの反射が組み合わされ、波長により分離される過程１３０を有する。更に、過程１３２により、該組み合わされた光の輝度でのヘテロダイン振動が検出される。両波長のヘテロダイン信号の位相が、例えば、過程１３４でヒルベルト変換又は何等かの代わりの位相抽出方法を介して見出される。過程１３６で、より短い波長からより長い波長の位相の２倍を引き算することによる差位相が全走査について評価される。過程１３７で該走査は僅かに同調を外された光の波長で繰り返される。過程１３０−１３６は次いで繰り返される。
【００８７】
過程１３８で、該２つの走査から見出された該２つの差位相は次いで、該基準ミラーの変位を表すｘ軸を有するグラフ上で相互にスーパーポーズされる。差位相の抽出は又適当な光源又はクロマチックフイルター又は１つの走査に関するソフトウエア／ハードウエア信号処理を用いて行われ得ることは注意されるべきである。
【００８８】
方法１２４の次の過程は、過程４０によりサンプルインターフエースの場所をマークするためにグラフ上で位相交叉点を決定する過程を有する。過程１４２により、該ＣＷ光に付随するヘテロダイン信号が該２つの交叉点間で２だけラップオーバーする回数をカウントすることにより、該インターフエース間の光学的間隔（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が、波長の約数分の１、例えば約０．２までの精度で決定される。該交差点での差位相を測定することによる、更に波長の非常に小さい分数、例えば、約０．００１までのローカライズ及び／又は間隔の精密化が得られる。
【００８９】
光学的距離を測定するためのシステムの略図による線図である図７で図解されるもう１つの好ましい実施例では、該低コヒーレンス光源は、例えば、４ｎｍより大きく、バンド幅で充分広い。検出端部では、第３の検出器１７４が２つの検出器１６６，１７６に付加される。これは更に２つに分割された低コヒーレンス光信号１６８に帰着する。検出器に到達する前に、該２つの光ビームは異なるフイルター１７０，１７２を通過する。該フイルターは該スペクトラムの異なる部分を透過させる。１つはより長い波長のスペクトル成分を通過させ、一方第２は、より短い波長スペクトル成分を通過させる。好ましくは、該２つの透過したビームは２ｎｍより多くだけそれらのスペクトラムで分離されるのがよい。
【００９０】
次いで該光ビームは該検出器に入射し、それらのヘテロダイン信号は図１に関連して論じられた流儀で処理される。代わりの好ましい実施例のこの方法の利点は該方法が調整さ
れた低コヒーレンス波長を用いた処理の繰り返しを除くことである。該２信号は同じ走査で得られる。
【００９１】
図８Ａ及び８Ｂは本発明の好ましい実施例による光学的距離を測定する代わりの方法のフローチャート１８４を図解する。該方法１８４は干渉計内で２つの調波的に関係付けられた光源の使用を含み、該光源の１つはＣＷ源であり、一方もう１つは低コヒーレンス源である。過程１８６により、光学的距離が測定される必要があるサンプルは信号干渉計アームの端部反射部（ｅｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）として使われる。基準干渉計アームの基準ミラーは過程１８８で走査される。該方法は更に、該信号及び基準アームからの反射を組み合わせ、それらを波長により分離する過程１９０を有する。過程１９２で該低コヒーレンス波長は更にフイルターを使って分離される。該方法１８４は少なくとも３つの検出器で該ヘテロダイン振動を検出する過程１９４を有する。次の過程１９６は該組み合わされた光の輝度内のヘテロダイン振動を検出する過程を有する。過程１９８で両波長用のヘテロダイン信号の位相は、例えば、ヒルベルト変換又は他の代わりの位相抽出方法を介して見出される。次いで該ＣＷ信号を用いた各低コヒーレンス信号についての差位相が過程２００で評価される。
【００９２】
次いで過程２０２で該２つの差位相は、該基準ミラーの変位を表すｘ軸線を有するグラフ上で相互にスーパーポーズされる。残りの過程２０４，２０６，２０８は図６Ｂに関連して論じられた過程１４０，１４２，１４４と同様である。
【００９３】
本方法の好ましい実施例はナノメーター以下の精度で任意に長い光学的距離を絶対的に測定するため使われ得る。該システムの好ましい実施例は自由空間ベースか又はフアイバーベースで存在し得る。図９は光学的距離を測定するフアイバーベースのシステムの好ましい実施例を図解する。
【００９４】
入力光２５６はフアイバー２５１内を進む、近似的に調波的に関係付けられた、波長λ１を有する低コヒーレンス光と、波長λ２を有するＣＷ光ビームと、を含む。該複合ビームは２つに分けられ、該信号の１つの部分は目標レンズ２５４とサンプル２５６に入射し、フアイバー２５３内を進む一方、もう１つはレンズ２６８経由で基準ミラー２６６に入射し、フアイバー２５１内を進む。該基準ミラーの移動は該反射ビーム上にドップラーシフトを導入する。反射されたビームは再組み合わせされ、次いでダイクロイックミラー２５８によりそれらの成分波長成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）に分けられる。これらの波長成分は光検出器２６０，２６２で別々に測定される。それらのそれぞれのドップラーシフトされた周波数での最終ヘテロダイン信号はそれらのそれぞれの中心ヘテロダイン周波数付近でバンドパスされ、該ヘテロダイン信号に対応した位相、ΨＣＷとΨＬＣを抽出するためヒルベルト変換される。
【００９５】
好ましい実施例の方法は精密な光学的距離測定を行うために使われ得る。この様な測定から、目標対象の光学的特性が精密に測定され得る。該目標の分光プロフアイル（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）を測定することにより、該目標の構造及び／又は化学的特性が評価され得る。生物医学的背景では、本発明の好ましい実施例は非接触、非侵襲性の仕方で生物学的組織の分光特性を精密に決定するため使われ得る。この様な分光的判定は眼の角膜又は房水（ｃｏｒｎｅａ ｏｒ ａｑｕｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｅｙｅ）に関して使われ得る。達成される感度はブドウ糖濃度に左右される光学的変化を検出するのに充分であり得る。本発明の好ましい実施例では、血液ブドウ糖レベルが、眼の房水、硝子体液又は角膜（ｔｈｅ ａｑｕｅｏｕｓ， ｖｉｔｒｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ ｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｎｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｅｙｅ）の何れかの分光プロフアイルの非侵襲性の測定を通して決定され得る。
【００９６】
上文で論じた様に、位相ベースの干渉計検査方法は光学的距離を非常に高感度で測定出来る。しかしながら、それらは該２π曖昧性問題としてその分野で広く知られる問題によりそれらの応用では限定されるのが典型的である。この問題の核心は１０．１波長の長さを１１．１波長の長さから区別することが不可能なことである。本発明の好ましい実施例はこの限定を克服し、ナノメータ以下の精度で絶対的な光学的距離測定を可能にする。
【００９７】
概略的に該ナノメーター範囲の感度で光学的距離の変化を測定する数多くの位相ベースの方法がある。その変化が小さく、徐々である限り、該変化は連続的に追跡され得る。概略数マイクロメーターの反射器感度の異なるインターフエースから反射された光の検出器での到着の遅延を追跡することにより絶対的に光学的距離を測定する低コヒーレンス方法がある。上文で論じた様に、干渉計でのＣＷ及び低コヒーレンス光源の同時使用は光学的距離を測定するための方法を提供する。該２つの波長に付随する信号のヘテロダイン位相は本質的に関係付けられている。該好ましい実施例により該位相を処理することにより、運動ノイズ（ｍｏｔｉｏｎａｌ ｎｏｉｓｅ）は最小化され、我々の測定から除去されるのが好ましい。
【００９８】
好ましい実施例の応用は、眼の硝子体液及び／又は房水の屈折率の測定を用いたブドウ糖レベル決定である。この技術の感度は臨床的に妥当な感度で化学的濃度を測定する能力を与える。好ましい実施例の方法のより明らかな応用の１つはその眼で行われる測定を通しての血液ブドウ糖レベルの決定である。該眼の中の流体のブドウ糖レベルは臨床的に重要でない時間遅延を伴ってその血液のそれを鏡写しする。
【００９９】
好ましい実施例の方法は、図１０で図解された少なくとも２つの別々のセットの波長を使って眼の硝子体液及び／又は房水の層の光路長を測定する。該方法は該低コヒーレンス波長での屈折率と、２つのインターフエース間の物理的間隔との積を測定する。該低コヒーレンス光源の波長を変化させること（そしてマッチするよう該ＣＷ波長を適当に変えること）により、種々の波長での屈折率差が測定される。例えば、１つのセットの測定が、ｎ５００ｎｍＬを抽出するために、同調可能な５００ｎｍ低コヒーレンス光源と１μｍＣＷ光源とを用いて行われるが、ここでＬは該測定点での硝子体液及び／又は房水の物理的厚さである。もう１つのセットの測定が、ｎ９００ｎｍＬを抽出するために、同調可能な１０００ｎｍ低コヒーレンス光源と１８００ｎｍＣＷ光源とを用いて行われる。これら２測定値の比を取ることにより、該硝子体液及び／又は房水の該屈折率比、ｎ５００ｎｍ／ｎ９００ｎｍが抽出される。本システムの好ましい実施例の現在の感度、例えば、０．５ｎｍ光路感度、を用いると、１０−８の感度で該比ｎ５００ｎｍ／ｎ９００ｎｍが人間の硝子体液及び／又は房水のそれに等しい厚さの材料について測定され得る。これは約０．２５ｍｇ／ｄｌのブドウ糖レベルの変化に対する感度を提供する。典型的血液ブドウ糖レベルが約１００ｍｇ／ｄｌであると与えられたとして、本発明の好ましい実施例は血液ブドウ糖評価用に良く適合している。光学的波長の選択は柔軟であり、上文で使われた波長は単に図解目的用である。最大感度のために、波長の間隔は出来るだけ大きいのが好ましい。好ましい実施例は５００ｎｍより大きい間隔を有する。
【０１００】
該硝子体液及び／又は房水内で変化する他の化学品（ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）の存在のためにこの様な屈折率比が絶対的血液ブドウ糖レベル決定用に不充分な場合、光路長測定のもっと完全な範囲は他の波長の範囲で作られ得る。もっと完全な測定のこのセットはその測定値をブドウ糖及び他の化学品の既知の分光プロフアイルに適合させることによりブドウ糖レベル及び他の化学品濃度の決定を可能にする。
【０１０１】
本発明の好ましい実施例は半導体製造の測定技術として応用され得る。その方法の好ましい実施例は非接触、非破壊的なので、半導体構造体の厚さをそれらが製造される時にモニターするため使われ得る。加えて、該半導体構造体の構成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）
は硝子体液及び／又は房水測定の特性付けに関連して論じられたそれと全く同じ仕方で評価され得る。
【０１０２】
位相測定及び画像形成システム（Ｐｈａｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ）
本発明の代わりの好ましい実施例は光を用いた小さな生物学的対象又は特徴の画像形成に向けられる。これらの実施例は、例えば、細胞生理学及び神経科学の分野に応用され得る。これらの好ましい実施例は位相測定及び画像形成技術の原理に基づいている。位相測定及び画像形成技術を使う科学的動機付けは、例えば、μｍ以下のレベルでの細胞生物学から導出されており、該細胞生物学は、形成異常源の画像形成、細胞接合（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、神経伝達（ｎｅｕｒｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）そして遺伝暗号のインプレメンテーション（ｉｍｐｌｅｍｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ｃｏｄｅ）を含み得るが、それらに限定されない。細胞以下の構成成分の構造とダイナミックス（ｄｙｎａｍｉｃｓ）は、例えば、Ｘ線及び中性子線散乱を含む現在の方法及び技術を使ってそれらの自然な状態（ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｎａｔｉｖｅ ｓｔａｔｅ）で現在研究され得る。対照的に、ナノメーター解像度を有する光ベースの技術は細胞マシナリー（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）がその自然な状態で研究されることを可能にする。本発明の好ましい実施例は干渉計検査及び／又は位相測定の原理に基づくシステムを含み、細胞生理学を研究するため使われる。これらのシステムは位相を測定するために光学的干渉計を使う低コヒーレンス干渉計検査（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＬＣＩ）又は細胞成分自身内での干渉が使われる光散乱スペクトロスコピー（ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（ＬＳＳ）の原理を含むか、又は代わりにＬＣＩ及びＬＳＳの原理が本発明のシステム内で組み合わされる。
【０１０３】
位相測定及び画像形成システム用の好ましい実施例は能動的に安定化された干渉計（ａｃｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）、隔離干渉計（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）、共通路干渉計（ｃｏｍｍｏｎ ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）そして差測定（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）を提供する干渉計を含む。差測定システムへ向けられた実施例は２点ヘテロダイン干渉計（ｔｗｏ−ｐｏｉｎｔ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）及び双ビーム干渉計（ｄｕａｌ ｂｅａｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）を含む。共通路干渉計を使う実施例は空間的光変調（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を使う位相差顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を含むことが出来る。
【０１０４】
光学的低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）は生物学的媒体の研究で多くの応用を見出した。最も広く使われるＬＣＩ技術は光学的コヒーレンストモグラフイー（ｏｐｔｉｃａｌ
ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）（ＯＣＴ）であり、それは生物学的サンプルの２Ｄ又は３Ｄ後方散乱プロフアイル（２Ｄ ｏｒ ３Ｄ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｆｉｌｅ）を画像形成する。該ＬＣＩ技術はその全体的開示が引用によりここに組み入れられる非特許文献１で説明された。ＯＣＴは使われる光源のコヒーレンス長さにより限定される深さ感度（ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を有する。超広帯域源（ｕｌｔｒａ−ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ）は１μｍの桁の寸法の特徴を解像（ｒｅｓｏｌｖｅｄ）した。
【０１０５】
位相感応低コヒーレンス干渉計検査はサンプル内の波長以下の光路変化に感応する。位相感応型ＬＣＩの主な困難は該干渉計のアーム内の光路変動（ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ
ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）による位相ノイズである。殆ど同一の光路を通過する種々の波長のレーザービームは干渉計位相ノイズを測定するため使われ得るが、該ノイズは次
に真のサンプル位相シフトを抽出するために、同様にノイズを有するサンプル信号から引き算される。他の研究者は差動位相コントラスト（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ）測定するために共通光路に沿う直交レーザー偏波か又は高い位相感度を有する複屈折を使った。両技術では、基準アーム路が走査され、最終フリンジデータから（ヒルベルト変換を経由して）該位相を抽出するためコンピュータ計算が要求され、加えて、該位相測定の２π曖昧性を除くために位相アンラッピング（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）アルゴリズムが使われねばならない。該フリンジ走査と情報処理手順は該測定の速度を実質的に減じ、ノイズを増大させるかも知れない。
【０１０６】
能動的に安定化された干渉計を有するシステム（Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ａｃｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）
本発明の好ましい実施例は、基準ビームによる干渉計の能動的安定化が広いバンド幅での非常に小さい位相シフトの連続検出と最小のコンピュータ処理を可能にするＬＣＩ方法を使う。任意の位相角度へロックする基準ビーム（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ ｌｏｃｋｉｎｇ ｔｏ ａｎ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｐｈａｓｅ ａｎｇｌｅ）は基準アーム走査無しに直接のサンプル位相測定をもたらす。好ましい実施例は２次元及び３次元位相画像形成を提供する。
【０１０７】
好ましい実施例は基準レーザービームによるマイケルソン干渉計の能動的安定化に依存する。能動的に安定化された干渉計３００の好ましい実施例の略図が図１１に示される。該能動的に安定化されたマイケルソン干渉計システム３００は、ミラー３０６，移動ミラー３１０，ビームスプリッター３０４，位相変調器３０８，検出器３１８，ローカル発信器源３２０，３２２，ミキサー３１６そして加算増幅器（ｓｕｍｍｉｎｇ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）３１２を有する。ビームスプリッター３０４により分割された連続波レーザービームは２つの干渉計アームをトラバース（ｔｒａｖｅｒｓｅｓ）し、検出器３１８で再組み合わせされる。該干渉計アームの１つは電気光学的変調器又はピエゾ電気変換器上に設置されたミラーの様な、位相変調要素（ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）３０８を有する。該光路差への大きな調整が並進ミラー３１０又は何等かの他の何等かの可変の光学的遅延線（ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）により行われてもよい。コンピュータ３１５の様な処理デバイスがフイードバックを提供し、位相シフト測定を処理するために使われる電子機器と通信する。電子的画像デイスプレー３１７が該位相シフトと関連画像を表示するため使われる。
【０１０８】
該２つの干渉計アーム間の位相差は下記の様に正弦波状に変調されるが
Φ＝Ψ＋Ψｄｓｉｎ（Ωｔ） （１６）
ここでΨ＝ｋ（Ｌ１−Ｌ２）＝ｋΔＬは該２つのアーム間の位相差、Ψｄ＜２πは変調深さ、そしてΩは変調周波数である。検出された干渉計信号は該２つの干渉計アームからのビームのコヒーレントな加算を与えられ、下記となる。
【０１０９】
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１Ｉ２）１／２ｃｏｓφ （１７）
Ｉとφの間の非線形的関係は変調周波数Ωの多くの調波での周波数成分を有する検出信号に帰着する。第１（ＩΩ）及び第２（Ｉ２Ω）調波項は下記で与えられる。
【０１１０】
ＩΩ＝４Ｊ１（Ψｄ）（Ｉ１Ｉ２）１／２ｓｉｎΨｓｉｎ（Ωｔ） （１８）
Ｉ２Ω＝４Ｊ２（Ψｄ）（Ｉ１Ｉ２）１／２ｃｏｓΨｃｏｓ（Ωｔ） （１９）
それぞれΩ及び２Ωに於けるＩΩ及びＩ２Ωの復調がミキサー３１６又はロックイン増幅器を介して行われ、該２つの信号は下記のΨの関数として等しい振幅を与えるよう増幅される。
【０１１１】
Ｖ１＝Ｖ０ｓｉｎΨ （２０）
Ｖ２＝Ｖ０ｃｏｓΨ （２１）
アナログ又はデジタル回路を用いて、該線形組み合わせＶ０は時間変化するパラメーターとしてのθを用いて下記の様に計算される。
【０１１２】
Ｖθ＝ｃｏｓθ＊Ｖ１−ｓｉｎθ＊Ｖ２＝Ｖ０ｓｉｎ（Ψ−θ） （２２）
この信号は正の傾斜を有して何れかのゼロ交叉に該干渉計をロックするための誤差信号として使われる。Ｖθ（ｔ）は、能動的に干渉計ノイズを打ち消すため、該位相変調器（高周波）及び路長変調器（低周波）へフイードバックされる前に、積分され、フイルターされ、そして増幅される。該線形組み合わせＶθ（ｔ）は任意の位相θにロックすることを可能にするために誤差信号として使われる。
【０１１３】
該安定化された干渉計はここで説明される様に位相感応型低コヒーレンス干渉計検査と組み合わされてもよい。ここで説明されるシステムのセットアップの全ては自由空間光学機器又はフアイバー光学機器を経由して実施されてもよい。明確さのために、図解は自由空間光学機器の実施例を示す。
【０１１４】
光学的遅延位相感応型ＬＣＩ用の基準ビーム安定化された干渉計についての略図が図１２に示される。低コヒーレンス源からのビーム３５３は安定化干渉計内ではロック用ビーム（ｌｏｃｋｉｎｇ ｂｅａｍ）３５５と同じ通路を通過する。該干渉計の２アーム間の（安定化された）路長差を変えることにより出力ビームが用意されるが、該出力ビームは、それら間に高度に安定で、連続的に可変の光路遅延を有し、該干渉計ロック変調周波数で変調された該エルシービームの２つの“コピー（ｃｏｐｉｅｓ）”の和から成る。
【０１１５】
サンプル３８２は、該サンプルと接触する側上を該ＬＣ波長での反射防止コートされたカバーガラス上に置かれる。該ＬＣビームは該ガラス及びサンプルを通るよう顕微鏡対物レンズ３８０により焦点合わせされる。後方散乱された光は同じ光学機器により集められ、検出器３６６上に焦点合わせされる。該検出される信号は時間遅延ΔＬ／ｃを有する後方散乱場の自己相関（ａｎ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙΔＬ／ｃ）である。それは、ゼロ遅延と、サンプルアーム内の散乱又は反射面の対の間の光路長の２倍に対応する遅延と、での図１３で図解される干渉フリンジを表示して、示されている。特に、該カバーガラスのコートされない側は該サンプルから約１カバーガラス厚さｄ離れるよう配置され、該サンプルからの干渉信号は、ｎをガラスの屈折率とすると、光路遅延ｎｄで見られる。
【０１１６】
ΔＬ＝〜２ｎｄを用いて、該サンプル信号は、サンプル位相の連続測定を与えるために、該変調周波数でミキサー又はロックイン増幅器により復調される。該干渉計ロック位相θは、今度は、該復調された低コヒーレンス信号内のゼロ交叉にロックするよう、電子的に変えられてもよい。この仕方では、該干渉計ロック位相のタイムエボリューション（ｔｉｍｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）が該サンプル位相の直接測定として使われる。このロック案はサンプル信号の振幅から独立している利点を有する。
【０１１７】
好ましい実施例のこのシステムは、該低コヒーレンス光がサンプルに入る前に光学的遅延が用意され、検出される信号がサンプルと干渉計の間の距離の変化に鈍感である点で、双ビームの光学的に計算されるトモグラフイー（ＯＣＴ）技術に似ている。代わりの好ましい実施例では、該低コヒーレンスビームを用意するためにマッハツエンダー干渉計構成（Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）も又使われてもよい。
【０１１８】
可変減衰器を該干渉計アームの１つ又は両方内に導入することにより、該２つの時間遅延した場の相対振幅が干渉信号を最適化するために調整されることが可能になる。
【０１１９】
基準ビーム安定化された位相感応型ＬＣＩの略図が図１４Ａで示される。該システムのセットアップは、該干渉計ミラーの１つの代わりにカバーガラス４３０上のサンプルを有することを除けば、図１１のそれと同様である。２つの低コヒーレンス源（ＬＣ１及びＬＣ２）からの２つのビーム４２２及び４２４は干渉計の入力部に入射する。その基準ビームは該カバーガラスの厚さ、例えば、１５０μｍ、と比肩されるか又はそれよりも幾分大きいコヒーレンス長さを有する。該カバーガラス反射は該干渉計をロックするため使われる。該基準ビームの短いコヒーレンス長さは該干渉計ロックが該顕微鏡対物レンズ及び他の面からの不要な反射により影響されることを防止する。
【０１２０】
該信号ビームは、サンプルと後の面の反射の間を区別するために、該カバーガラス厚さより数倍小さいコヒーレンス長さ（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ ｓｅｖｅｒａｌ
ｔｉｍｅｓ ｓｍａｌｌｅｒ）を有する。該基準アーム長さは該サンプルからの干渉フリンジを与えるよう調整され、そして前に説明した様に、該信号は図１５Ａ及び１５Ｂで図解される様にサンプル位相を与えるために復調される。該カバーガラスのコートされない側に対する該干渉計のロックはこのインターフエースに対するサンプル位相測定に帰着し、殆ど全ての外部の干渉計ノイズを排除する。
【０１２１】
図１１に関連して説明された光学的遅延方法と比較して、この好ましい実施例は信号及び基準両ビームが該サンプルへ入射する欠点を有する。生物学的材料、特に活きた細胞用には、これは使われてもよい基準ビームの電力を制限し、低下した質のロックに帰着する。他方、該基準ミラーの走査はサンプルからの反射のもっと直裁的な識別を可能にする。コンピュータ４５３の様な処理デバイスが、フイードバックを提供し位相シフト測定値を処理するため使われる電子機器と通信している。電子的画像デイスプレー４５５が該位相シフト及び関連画像を表示するため使われる。
【０１２２】
好ましい実施例は２つの方法を使って或る範囲のサンプル位相を画像形成出来る。好ましい第１の方法では、入射ビームは、ＯＣＴの大抵の実施例に於ける様に、サンプル上のＸ−Ｙ方向に走査されてもよい。基準ビーム安定化されたＬＣＩを含む実施例では、該ビームが走査される時該基準ビーム干渉計ロックを保持するよう注意が払われねばならない。第２の方法では、走査無しに信号を検出するために電荷結合デバイス（ＣＣＤ）又は光ダイオード配列が使われてもよい。図１６は安定化された位相感応型ＬＣＩ用の画像形成システム５００を図解する。この光学的システムは拡大領域を照明し、散乱光を検出器上に画像形成するため使われる。図１７は本発明の好ましい実施例の光学的設計を図解するために、該システム構成の簡単化され、折り畳まれない版（ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ， ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ）を図解している。実線は入射光線を表し、一方波線は後方散乱された光線を表す。
【０１２３】
ＣＣＤ画像形成用には、各々が位相で前のものよりπ／２だけ変わる４つの画像のシーケンスを解析することにより相対位相の測定が行われる。図１４Ｂは、本発明により位相シフトを発生するために、ピエゾ電気変換器（ＰＺＴ）４６１を有するミラーを使う、能動的に安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査用のシステム内でＣＣＤを使う画像形成用の実施例を図解する。回路４６９は該ＰＺＴを使って該位相シフトを創るため使われる電子機器と位相シフト検出用電子機器である。該ＣＣＤは１つのコンパクトな電子的チップ内に集積化された画素の配列である。ＣＣＤ制御器４７７は該ＣＣＤと通信し、該ＣＣＤは今度は、例えば、コンピュータ４７８の様な処理デバイスに接続される。画像デイスプレー４７９は位相シフト及び関連画像を表示するため使われる。
【０１２４】
広いバンド幅の位相画像形成用に、光ダイオード配列からの信号は第１及び第２両調波で個別に復調されてもよく、これは各画素での位相が曖昧性無しに測定されることを可能にする。
【０１２５】
本発明の干渉計システムの好ましい実施例のより高い感度とバンド幅は生物学的及び非生物学的媒体内の小さな光学的位相シフトの測定用に新しい可能性を開くものである。例えば、好ましい実施例は細胞膜の運動及び揺動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）の研究を可能にする。双波長、位相感応型ＬＣＩは人間の結腸の細胞培養の細胞容積調整及び膜ダイナミックスを観察するため使われた。最近、該細胞膜内の低周波振動が該培養へのアジ化ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｚｉｄｅ）の付加に続いて観察された。好ましいＬＣＩの実施例はもっと短い時間規模での膜ダイナミックスの研究を可能にしており、そこでは熱的に駆動された揺動及び機械的振動がより重要である。本発明の好ましい実施例の２次元画像形成方法は相互作用する細胞の集まりでの膜揺動の研究を可能にする。振動と相関（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）はセルシグナリング（ｃｅｌｌ ｓｉｇｎａｌｌｉｎｇ）に関する情報を提供する。
【０１２６】
本発明の好ましい実施例はニューロン活動電位（ｎｅｕｒｏｎｎ ａｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の測定用に使われ得る。ニューロンの電気信号を非侵襲性でモニターするために改良された光学的方法には神経科学が強い興味を持っている。現在の方法はカルシウム感応型又は電圧感応型染料に依存しており、それは、短い寿命時間、光毒性（ｐｈｏｔｏｔｏｘｉｃｉｔｙ）、及びゆっくりした応答時間を含む多くの問題を有する。
【０１２７】
活動電位が神経繊維及び細胞ボデイ内の光学的変化により伴われることは数十年間知られて来た。加えて、神経は刺激時容積の過渡的増大を表すと示されて来た。これらの変化は該細胞膜内の相転移（ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）、そして細胞膜内の双極子（ｄｉｐｏｌｅｓ）の再配向（ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）によるインデックスシフト（ｉｎｄｅｘ ｓｈｉｆｔｓ）、の関係（ｔｅｒｍ）で解釈されて来た。
【０１２８】
好ましい実施例の位相感応型ＬＣＩ方法は該活動電位に付随する光学的及び機械的変化を測定するため使われてもよい。増加したバンド幅は該活動電位の〜１ｍｓ時間規模での敏感な位相測定を可能にする。本発明の好ましい実施例は神経信号の非侵襲性の長期的測定を提供し、同時に多くのニューロンを画像形成する能力を提供するため使われ得る。神経の活動の解析用空間−時間的パターン化を用いた実施例の助けは脳の理解で重要である。活動電位の変化に伴うと知られる小さな（約１０−４ｒａｄ）インデックスシフトと膜揺動は、高レベルの感応速度と広いバンド幅（＞１ｋＨｚ）を提供する本発明の好ましい実施例で検出され得る。これらの実施例は、ノイズが入るのを防止する隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の様なノイズ打ち消し方法、ノイズを打ち消すフイードバック要素を使う安定化方法、フイードバック無しにノイズ打ち消しを提供する差動測定そしてノイズの影響を最小化する共通路干渉計検査を使う。
【０１２９】
ここに説明された実施例は多くの医療応用で使われ得る。例えば、皮質写像（ｃｏｒｔｅｘ ｍａｐｐｉｎｇ）が従来技術の電極方法に比較して速度と解像度を改良されて神経解剖（ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ）中行われ得る。更に、該好ましい実施例は神経解剖中てんかん病巣（ｅｐｉｌｅｐｔｉｃ ｆｏｃｉ）を突き止める（ｌｏｃａｌｉｚｅ）ため使われ得る。該実施例は又目の中の網膜神経活動（ｒｅｔｉｎａｌ ｎｅｒｖｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ）のモニタリングを可能にする。本発明の好ましい実施例の追加的応用は、該実施例により提供される高速度による２次元及び３次元走査、光ダイオード検出器により提供される広いダイナミックレンジとＤＣ排除（ＤＣ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）、細胞生物学内のナノメーター規模の画像形成、上皮組織の特徴付けそして、例えば、それらに限定されないが、聴覚細胞及び血管の膜の振動の検出、を含む。
【０１３０】
双ビーム干渉計を有するシステム（Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｕａｌ−ｂｅａｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）
本発明の好ましい実施例は、従来の光顕微鏡への一体化用のフアイバーベースの光学的遅延位相感応型低コヒーレンス干渉計を含む。海馬ニューロンの培養（ｉｎ ｃｕｌｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｉｐｐｏｃａｍｐａｌ ｎｅｕｒｏｎｓ）中で同時の電気的及び光学的測定が行われ得る。好ましい実施例は光ダイオード配列又は急速走査ビームを有する画像形成システムを備える。活動電位のＬＣＩ測定と組み合わせたニューロンの光学的刺激用の方法はニューラルネットワークダイナミックス（ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｙｎａｍｉｃｓ）、シナプス形成性（ｓｙｎａｐｔｉｃ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）、そして神経科学の他の基礎的問題の調査用に極度に有用な新しいツールを形成出来る。
【０１３１】
もう１つの実施例は体内で脳スライスそしてニューロンにまで位相感応型画像形成技術を適用する。脳表面の運動について追跡と補償は可成りの挑戦である。光学的散乱はニューロンの信号が抽出される深さを限定するが、１００μｍの桁の深さが可能である。
【０１３２】
前にここで説明された能動的に安定化された干渉計の好ましい実施例は第１波長が安定化用に使われ、第２波長が位相測定用である２波長システムを有する。図１８Ａは１つの波長が使われる２点マッハツエンダーヘテロダイン干渉計システムの略図の線図を図解する。この点安定化／基準干渉計システム（ｐｏｉｎｔ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ／ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）はサンプル５８６上の２点を通る光の位相差を測定する。殆ど共通の光路構造は干渉計ノイズを減ずる。
【０１３３】
コリメートされたレーザービーム又は低コヒーレンス光源はビームスプリッター５８４によりサンプル路５８６及び基準路に分けられる。該サンプルビームは最終ビームスプリッター５９２の前に該サンプル５８６とレンズＬ１（対物レンズ）５８８とＬ２（チューブレンズ）５９０を通過する。該レンズＬ１５８８とＬ２５９０はそれぞれ焦点長さｆ１とｆ２を有し、倍率Ｍ＝ｆ２／ｆ１を有する顕微鏡を構成する。該レンズは、サンプル５８６とＬ１５８８の間の距離とＬ１とＬ２の間の距離がｆ１、Ｌ１とＬ２の間の距離がｆ１＋ｆ２であり、該画像面がＬ２から距離ｆ２に配置されるように、整合されている。
【０１３４】
該基準ビームはそれぞれ周波数ω１とω２のＲＦ場により駆動される２つの音響光学的変調器（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）５９４ＡＯＭ１とＡＯＭ２を通過する。ＡＯＭ１からの＋１次の回折されたビームとＡＯＭ２からの−１次の回折されたビームとを選択するようアイリス（Ｉｒｉｓｅｓ）が使われる。従って、ＡＯＭ１に入射する周波数ω０の光は周波数ωＲ＝ω０＋Ωで第２ピンホールを出ており、ここでΩ＝ω１−ω２である。この２つのＡＯＭ構成は１００ｋＨｚの桁の比較的低いヘテロダイン周波数Ωを得るため使われる。低ヘテロダイン周波数は高感度光検出器を使うために好ましく、又光学的整合を容易にするが、それはビーム方向の非常に小さい変化を伴うのみでΩがゼロに等しく設定されてもよいからである。もしより高いヘテロダイン周波数が望まれる場合は１つのＡＯＭが使われてもよい。例えば、コンピュータ６０９の様な処理デバイスと画像デイスプレー６１１が該システムと通信する。
【０１３５】
周波数シフトされた基準ビームは、それらの焦点長さの和に等しい距離だけ離されたレンズＬ３５９８とＬ４６００により拡張される。該２つの画像面での信号場及び基準場は下記複素数表記で説明され得る。
【０１３６】
ＥＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＝ＥＳ０（ｘ、ｙ）ｅｘｐ［ｉ（φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）−ωｔ）］ （２３）
ＥＲ（ｘ、ｙ、ｔ）＝ＥＲ０（ｘ、ｙ）ｅｘｐ［ｉφＮ，Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）−（ω＋Ω
）ｔ］ （２４）
ここでｘとｙは該光路に沿った横座標（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）であり、φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）は調査中のサンプル位相であり、φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）とφＮ．Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）は該サンプル及び基準アーム内の干渉計ノイズを表し、そしてＥＳ０（ｘ、ｙ）、ＥＲ０（ｘ、ｙ）は例えばガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）でもよいがそれに限定されない場振幅プロフアイルである。
【０１３７】
該サンプル位相φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）は該サンプルｎＳ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）の時間依存の屈折率分布の項で下記の様に表されてもよく
【０１３８】
【数１７】
【０１３９】
ここでｚは軸方向座標であり、積分は該サンプルの深さに亘り行われる。拡大係数Ｍに注意されたい。
【０１４０】
２つの画像面での輝度は下記で与えられる
Ｉ±＝｜ＥＳ±ＥＲ｜２＝｜ＥＳ０｜２＋｜ＥＲ０｜２
±２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）＋Ωｔ］ （２６）
このヘテロダイン信号は位置（ｘ１，ｙ１）と（ｘ２、ｙ２）に配置された２つの光ダイオードＰＤ１６０４とＰＤ２６０６により検出される。該光は光フアイバー又はピンホールを通して集められてもよい。該検出された輝度のＡＣ成分は下記で与えられる。
【０１４１】
Ｉ１（ｔ）＝２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ１、ｙ１、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＋Ωｔ］ （２７）
Ｉ２（ｔ）＝−２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ２、ｙ２、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ）＋Ωｔ］ （２８）
ヘテロダイン信号Ｉ１と−Ｉ２の間の位相差は次いでロックイン増幅器又は位相検出器回路６０８により測定される。
【０１４２】
Φ１２（ｔ）＝［φＳ（ｘ１，ｙ１、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）］−［φＳ（ｘ２，ｙ２，ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ）］
＝φＳ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＳ（ｘ２，２，ｔ） ＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＋φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （２９）
もし干渉計ノイズが横断位置から独立していると仮定すれば、それは下記となり
φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＝φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （３０ａ）
φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＝φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （３０ｂ）
該測定された位相差は下記の様に単に選択された点でのサンプル位相の差となる。
【０１４３】
Φ１２（ｔ）＝φＳ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＳ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （３１）
本発明の好ましい実施例のこの方法は物理的拘束のみに従う画像面に於けるどんな数の光検出器を用いて実施されてもよい。光ダイオード配列又は光ダイオードに結合された光フアイバー束が多数位置で同時に該位相を画像形成するよう使われてもよい。どれか１つ
の検出器が、全ての他の点でのそれに対する位相差が測定される、“基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）”検出器として選ばれてもよい。
【０１４４】
画像形成マッハツエンダーヘテロダイン干渉計用の略図が図１８Ｂで示される。このデバイス６７０はサンプル６７３を通った光の下記位相
【０１４５】
【数１８】
【０１４６】
を画像形成する。
【０１４７】
その光学的レイアウトは、２つの変更点、（ｉ）画像形成検出器（ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）６８２が該画像形成面の１つに配置される、（ｉｉ）電気光学的偏光変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）６７２と偏光子６８１がストロボスコープ的検出を行うため使われる、を除けば、図１８Ａに関し説明された２点マッハツエンダーヘテロダイン干渉計と同様である。定量的位相画像が位相シフト干渉計検査により得られる。
【０１４８】
該ＣＣＤ画像面に於ける時間に左右される輝度分布は下記により与えられる。
【０１４９】
Ｉ＿（ｘ、ｙ、ｔ）＝｜ＥＳ±ＥＲ｜２＝
｜ＥＳ０｜２＋｜ＥＲ０｜２−２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）＋Ωｔ］ （３２ａ）
ストロボスコープ的位相シフト干渉計検査は位相感応型の仕方でこのヘテロダインフリンジパターンを画像形成するため使われる。これはＣＣＤに於ける検出の“ゲーテイング（ｇａｔｉｎｇ）”を要し、これは幾つかの方法で行われ得る。増感器（ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）電圧を制御することにより増感付き（ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ）ＣＣＤはゲート（ｇａｔｅｄ）され得る。該ＣＣＤの前の大きなアパーチャーの電気光学セル（ｌａｒｇｅ−ａｐｅｒｔｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｃｅｌｌ）が高速シャッターとして使われる。図１８Ｂで図解されるシステムでは、電気光学的偏波スイッチ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈ）が該干渉計への入力ビームの偏波（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を制御するため使われる。該２つの偏波は、図１８Ｂに対応して、“面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）”及び“面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）”とラベル付けされる。直線偏光子（ｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）６８１が、該ＣＣＤ画像形成デバイス６８２の前に置かれるので、面内偏光のみが検出され、面外偏光は吸収されるか又は該偏光子により反射される。
【０１５０】
（必要なら光フアイバー経由で）該第１画像面に整合された光ダイオードが、２点ヘテロダイン干渉計内に於ける様に下記信号を得るため使われる。
【０１５１】
Ｉ１（ｔ）＝２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ１、ｙ１、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＋Ωｔ］ （３２ｂ）
ゲート用信号は次いで下記の様にヘテロダイン信号Ｉ１から導出される。電子的比較器は該ヘテロダイン信号が正の傾斜を有して正である時“ハイ（ｈｉｇｈ）”を出力する。これは位相０を有するゲート信号に対応する。π／２、π、そして３π／２の位相シフトでの同様な信号がそれぞれ負の傾斜の正の、負の傾斜の負の、そして正の傾斜の負の、ヘテロダイン信号でトリガーすることにより発生される。本発明の好ましい実施例のヘテロダ
イン６８７及びゲート６８８−６９１信号が図１８Ｃで示される。
【０１５２】
次いで該ゲート信号は該ＣＣＤ検出器をゲートするために続いて使用される。そのシーケンスはコンピュータ６８５により制御される。光は該ゲート信号が“ハイ”の時だけ、該ＣＣＤ上に降下することが許される。４つの露出時に対応する輝度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ）を達成するように、該４つのゲート信号であるが、等しい数のヘテロダイン周期に対応する４つの露出が該ＣＣＤにより取り込まれる。該４つの測定されたフリンジ画像はＩ０（ｘ、ｙ）、Ｉπ／２（ｘ、ｙ）、Ｉπ（ｘ、ｙ）、Ｉ３π／２（ｘ、ｙ）と呼ばれる。その時相対サンプル位相は、該４つのフレームの各々間の位相シフトにより、下記により計算される。
【０１５３】
【数１９】
【０１５４】
例えば、その全開示が引用によりここに組み入れられる非特許文献２で説明されるそれらの様な、位相シフト動作及び位相を計算する他の方法も又使われ得る。更に、干渉計ノイズは、それが画像面上に亘り一定である限り、相関付けられたノイズヘテロダイン信号Ｉ１（ｔ）を基準とすることを介して打ち消される。ストロボスコープ的位相画像形成は、共通のヘテロダイン基準信号に関する積分（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）が時間に亘り行われる、“バケット（ｂｕｃｋｅｔ）”積分の形式と考えることが出来る。
【０１５５】
ストロボスコープ的位相画像形成は又本発明の好ましい実施例の双ビームヘテロダイン干渉計を用いても行われ得る。これはＣＣＤにより検出され得る８５０ｎｍの様な低コヒーレンス波長を要する。それは又この後説明される図１９と比較される様に、図１８Ｄに示す画像形成システムへのサンプルビーム供給システムの修正を要する。この実施例では、４つのゲート信号を発生するため使われる基準ヘテロダイン信号が光学的基準信号により提供される。検出された信号のシャッター作用は光フアイバースイッチ又は偏光子を有する偏波変調器により行われてもよい。
【０１５６】
本発明の好ましい実施例は双ビーム反射干渉計を含んでいる。該双ビーム反射干渉計検査の好ましい実施例は分離された双ビームヘテロダインＬＣＩを有する。該ヘテロダイン双ビーム干渉計６２０が図１９に示されている。この干渉計はサンプルの前に配置された部分的反射面に対する、サンプルからの反射光の位相変化を測定するため使われる。例えば、ガラスの薄いピースの上のサンプルから反射された光の位相を測定してもよい。もう１つの例として、検討下のサンプルの近くに置かれた光フアイバープローブの先端からの反射と比較する測定が行われてもよい。
【０１５７】
スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）又はマルチモードレーザーダイオードの様な低コヒーレンス源６２２が、真空フイードスルー（ｖａｃｕｕｍ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）を通して真空室６４０に入る単一モード光フアイバーに結合される。該室内には振動から隔離された自由空間コヒーレンスマイケルソン干渉計が閉じこめられている。該低コヒーレンスビームは該フアイバーからコリメーテイングレンズを経由するよう発射され、ビームスプリッター６２６により分割される。（１（６５６）及び２（６５８）と呼ばれる）該干渉計のアームは周波数ω１とω２のＲＦ場により駆動される音響光学的変調器（ＡＯＭ１６２８とＡＯＭ２６３４）を有する。各アームで、正にシフトされた１次の回折ビームはピンホールにより選択される。該光はレンズ６３０と６３６により焦点合わ
せされ、次いでミラーＭ１６３２とＭ２６３８により反射され該ＡＯＭへ戻る。該レンズは該ＡＯＭと該ミラーの両者から１焦点長さの距離だけ離れて置かれる。この設計は該ＡＯＭ逆反射整合（ＡＯＭ ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が該低コヒーレンス（広いスペクトラム）光のスペクトラム間で保持されることを可能にする。
【０１５８】
該ＡＯＭは２重通過構成（ｄｏｕｂｌｅ−ｐａｓｓ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で運転されるので、周波数ω０での入射光は、それぞれアーム１（６５６）と２（６５８）を通過後、ω０＋２ω１とω０＋２ω２にシフトされる。アーム１と２を通過した２つのビーム間の周波数差はΩ＝２（ω１−ω２）である。
【０１５９】
該ミラーの１つ、Ｍ１６３２は該２つのアーム間の光路長差Δｌ＝ｌ１−ｌ２を調整するために並進ステージに取り付けられる。該２つのアームを通過後該組み合わされたビームは時間遅延Δｌ／ｃだけ分離された２つのパルスを有するビームと考えられ得る。該２つの干渉計アームからの反射は該コリメーター６６０によりフアイバー内へ戻るよう焦点合わせされ、該室６４０を出る。
【０１６０】
該入射ビームから後方反射されたビームを分離するため光学的サーキュレーター（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）が使われる。該光はもう１つのコリメーター６６２により自由空間ビームとして発射され、部分的反射面６６４を最初通過して、サンプル６４２上に焦点合わせされる。後方反射された光は同じコリメーターにより集められ、もう１つの光学的サーキュレーターを通過後光ダイオード６５０により検出される。該マイケルソン干渉計内の光学的遅延は、サンプルＳからの反射と基準面からの反射との間の光路差Δｓにマッチするよう調整される。この条件ΔＬ＝Δｓが源のコヒーレンス長さｌｃ内に持続する時、周波数Ωでのヘテロダイン信号が面Ｓ６４２とＲ６６４から反射した光の間の干渉により検出される。該２つのＡＯＭ駆動場を混合し、２倍化することにより提供されるローカル発信器に対し測定された、該ヘテロダイン信号の位相は該基準反射に対するサンプル反射の位相の測定値を表す。
【０１６１】
ヘテロダイン信号が単一面の反射により創られないようにするために、該長さΔｓは該コヒーレンス長さｌＣより実質的に長くなければならない。又信号が該ガラス面を基準にされ、該サンプルから散乱しないように、該サンプル厚さは該ガラス厚さΔｓより小さく取られる。
【０１６２】
該干渉計の定量的説明は下記の様である。最初に波数ｋ０を有するモノクロの源を考える。該マイケルソン干渉計の入力での電場振幅は下記により記述される。
【０１６３】
Ｅｉ＝Ａｉｃｏｓ（ｋ０ｚ−ω０ｔ） （３３）
該ＡＯＭを通過後該ビームスプリッターから戻る電場は、該干渉計の２つのアームからの場の和により与えられる。
【０１６４】
Ｅｍ＝Ｅ１＋Ｅ２＝Ａｉｃｏｓ（２ｋ１ｌ１−（ω０＋２ω１）ｔ）＋Ａｉｃｏｓ（２ｋ２ｌ２−（ω０＋２ω２）ｔ） （３４）
ここでｋ１＝ｋ０＋２ω１／ｃ及びｋ２＝ｋ０＋２ω２／ｃである。
【０１６５】
この双ビームが今サンプルに入射する。ｓ１が基準反射までの光学距離、ｓ２がサンプル反射までの光学距離とする。もし該基準及びサンプル反射の反射率がそれぞれＲ１とＲ２であり、多重反射が無視されるとすると、該サンプルから反射される場は下記である。
【０１６６】
【数２０】
【０１６７】
該検出された輝度ｉＤは二乗された場振幅に下記の様に比例する。
【０１６８】
【数２１】
【０１６９】
ここで光学的周波数発振項は無視され、周波数シフトによる波数シフトΩ／ｃは路長差Δｓ及びΔｌの逆数と比較して無視できると仮定する。
【０１７０】
低コヒーレンス（ブロードバンド）源をモデル化するために、それが中心波数ｋ０と、半最大スペクトルバンド幅での最大波長Δｋと、を有するガウス型パワースペクトル密度を備えると仮定する。
【０１７１】
【数２２】
【０１７２】
低コヒーレンス放射について検出された輝度は該スペクトル分布に亘りモノクロの結果を積分することにより見出される。
【０１７３】
【数２３】
【０１７４】
ここで
【０１７５】
【数２４】
【０１７６】
は選ばれたスペクトル密度用の源（ｓｏｕｒｃｅ）コヒーレンス関数である。又ここでｌｃは下記の様にコヒーレンス長さである。
【０１７７】
【数２５】
【０１７８】
もし該路長差が、Δｌ＝Δｓが該コヒーレンス長さ内へ、そしてΔｌ＞＞ｌｃであるように、選ばれるならば、支配的で時間に左右される信号は下記の形である。
【０１７９】
【数２６】
【０１８０】
ローカル発信器６５２すなわちＬＯ＝ｃｏｓ（Ωｔ）に対するこの信号の位相を測定することにより、Δｓの変化が測定され得る。マイケルソン干渉計の隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）は位相ノイズがΔｌの変化を通して該測定に影響させないようにするため必要である。
【０１８１】
図２０は本発明の好ましい実施例の隔離された双基準ヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を図解する。この干渉計はそのサンプル内の種々の深さから散乱に対する、サンプル内の選択された深さから反射される光の位相を測定するため使われる。このセットアップは、ガラス反射面を何等要しない点で、より簡単な双ビーム干渉計に優る利点を有する。このシステムは生体内測定用に理想的である。該双基準（ｄｕａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）マイケルソン干渉計は充分薄いか又は透明なサンプル内の３次元容積に亘る神経活動（ｎｅｕｒａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ）を画像形成するため使われ得る。このシステムはニューラルネットワークの展開（ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）を研究するため使われ得る。
【０１８２】
低コヒーレンス源７０２からの光は光フアイバーカプラー７０６により上下路に分けられる。上方路は図１９に関連して上記で説明された双ビーム干渉計と同様であるが、周波数シフトω１を有する２重通過ＡＯＭは旧サンプル位置を占め、サンプルは今度はこの干渉計の下方路内に配置されている。該２つの場はもう１つのフアイバーカプラー７４２で再組み合わせされる。光ダイオード７４６，７４８が２重のバランスされたモードで配置される。
【０１８３】
モノクロの源の場合の該干渉計の定量的説明は下記の様である。該上方路の場は下記の様に書かれる。
【０１８４】
Ｅ１＝Ａｉｃｏｓ（２ｋ０ｌ１−（ω０＋２ω１−２ω３）ｔ）＋Ａｉｃｏｓ（２ｋ０ｌ２−（ω０＋２ω２−２ω３）ｔ） （４２）そして下方路は下記の様である（再び、サンプルは位置ｓ１とｓ２での２つの反射を有すると仮定する）
【０１８５】
【数２７】
【０１８６】
光フアイバーケーブルの路長は該２つのアーム間と等しいと仮定された。周波数ω３を有するＡＯＭ７３６に付随するミラー７４０は該路長を等しくするよう並進させられてもよい。
【０１８７】
光検出器信号のＡＣ成分は下記で与えられる。
【０１８８】
【数２８】
【０１８９】
ここでΩ１３＝２（ω１−ω３）そしてΩ２３＝２（ω２−ω３）である。ガウス型スペクトル分布用のポリクロマチックの場合（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃａｓｅ）は下記をもたらす。
【０１９０】
【数２９】
【０１９１】
コヒーレンス長さ内へ、
【０１９２】
【数３０】
【０１９３】
、そして更にΔｌ、Δｓ＜＜ｌｃと仮定する。その時支配的項は下記である。
【０１９４】
【数３１】
【０１９５】
次に、これら２つの周波数成分はミキサー内で組み合わされ、バンドパスフイルターは差の周波数Ω１２＝Ω１３−Ω２３＝ω１−ω２を選択する。
【０１９６】
【数３２】
【０１９７】
位相感応型検出器は次いで、該ＡＯＭ駆動場を混合し２倍にすることにより発生されるΩ１２でのローカル発信器に対するこの信号の位相を測定する。該測定された位相はφ＝２ｋ０（Δｌ−Δｓ）である。
【０１９８】
該位相シフト器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）は、その差動的性質にも拘わらず位相測定に幾らか影響を有する干渉計ノイズを補償するため使われる。光ダイオード信号成分の位相
【０１９９】
【数３３】
【０２００】
が測定され、ｓ１からの反射を、該位相シフト器を通して、一定位相へロックする誤差信号として使われる。
【０２０１】
現実のサンプルを使う実施例では、２つの反射はないだろうが、散乱の分布はある。該基準アーム位置を設定することにより、この干渉計は２つの異なる深さから散乱される光間の位相差を測定する。
【０２０２】
図１９に関連して説明した実施例は該音響光学的変調器（ＡＯＭ）ＲＦ場を混合することにより創られる電気信号に対し、光学的ヘテロダイン信号の位相を測定する。この実施例に付随する複数のノイズ源がある。それらは、恐らく該ＲＦ場からのＡＯＭ加熱による、数分に亘る約１波長（１λ）の桁の、ゆっくりしたドリフトと、６０Ｈｚから１２０Ｈｚでの位相ノイズと、を含む。更に、振幅は存在し、それは恐らく該ＡＯＭをターンさせる電圧（ＡＯＭ ｔｕｒｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）内のラインノイズに依る。室の外部の光フアイバーが動かされた時変化するブロードバンド振幅及び位相ノイズの追加的源は該光学的サーキュレーター内の偏波モード分光（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｄｉｓｐａｅｒｓｉｏｎ）（ＰＭＤ）に依る様に最も強く推定される。
【０２０３】
本発明の好ましい実施例は該ノイズを最小化し、好ましくは除去するのがよく、そしてドリフトとノイズを減ずるため光学的基準化された測定を含むか、又は精密電圧源により供給されたＡＯＭ同調電圧を使うか、又は代わりに偏波保存型光フアイバー部品（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を使う。
【０２０４】
図２１はノイズを最小化する光学的基準化干渉計の好ましい実施例を図解する。この実施例は図１９に関連して説明されたシステムにより経験されたドリフト及びノイズの課題に取り組む。図２１に関連して図解される実施例はヘテロダイン双ビーム干渉計である。この干渉計は、サンプル対象又は別の要素上の種々の横断点（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｐｏｉｎｔｓ）であってもよい基準を使ってサンプルからの反射光の位相変化を測定するため使われる。ＳＬＤの様な低コヒーレンス源７６２が単一モード光フアイバーに結合され、該フアイバーは真空フイードスルーを通って該真空室７８２に入る。該ヘテロダインマイケルソン干渉計は図１９に関連して説明された様に動作する。該２つの干渉計アームからの反射はコリメーター７６６，７９２により２本のフアイバー内に戻るよう焦点合わせされ、該室を出る。追加の光路が別の要素上の種々の横断点である基準を提供する。後方散乱される光は２つのコリメーター７８８，７９０により集められ、それぞれ光学的サーキュレーター７９４と７９８を通過後２つの光ダイオード７９６，８００により検出される。
【０２０５】
この双基準化干渉計検査では、実施例は横断基準点と反射基準化位相測定を組み合わせる。理想的には、該基準点とサンプル対象は同じガラス上に配置されるのがよい。これはカバーガラスの何等かのチルト、振動及び／又は膨張効果を打ち消す追加的利点を有する。図２２で図解される様に、測定される位相は下記である。
【０２０６】
φ（ｔ）＝（φ１−φ１’）−（φ２−φ２’） （４９）
該双基準化干渉計の好ましい実施例はノイズを打ち消すために、同様な利得と周波数応答とを有する光検出器を備える。更に、偏波保存部品とフアイバーが、該フアイバー内の偏波効果に取り組むよう使われ得る。特に、光学的サーキュレーター内の偏波モード分光は２つの直交する偏波の間の可変遅延を創り、それは振幅及び位相でのノイズへ導くが、該ノイズは該偏波保存部品を使うことにより緩和され得る。好ましい実施例では、デジタルバンドパスフイルターが光学的信号内に見出される調波に取り組むため使われる。
【０２０７】
図２３Ａは、図２１に関連して説明されたシステムを校正するため使われるピエゾ電気変換器（ＰＺＴ）の電圧をグラフで図解する。該ＰＺＴ校正セットアップは図２５Ａで図解される。
【０２０８】
ミラー８８８の変位に対応する位相変化が図２３Ｂでグラフで図解される。この位相変化は２７ｎｍの校正された距離変化に対応する。
【０２０９】
図２４は、図２１で図解された干渉計に付随する、５０ｍｓの全時間間隔に亘りノイズ特性をラディアンでグラフにより図解するが、そこでは該干渉計の２つのアームが等しく作られている。
【０２１０】
図２５Ａ及び２５Ｂは本発明の好ましい実施例によりサンプル及び基準信号用の校正セットアップの略図による表現である。ミラー及びビームスプリッターの間の間隔はＰＺＴで変えられる。該ＰＺＴ運動は該光源（ヘリウム−ネオンか又はチタン；サフアイア）送信をモニターすることにより校正される。
【０２１１】
本発明の好ましい実施例は、活動電位中の神経変位運動の様な弱く反射する面の小運動の非接触測定を行うため使われる双ビーム低コヒーレンス干渉計を有するシステムに向けられている。神経繊維は該活動電位中に急速な外方への横方向面変位を示す。一般に軸索内への水の流束に帰せられる、この“スウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）”現象は最初は蟹神経（ｃｒａｂ ｎｅｒｖｅ）でそして後には多数の他の無脊椎及び脊椎試料（ｉｎｖｅｒｔｅｂｒａｔｅ ａｎｄ ｖｅｒｔｅｂｒａｔｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓ）で観
察された。今日までの神経スウェリングの全ての観察は該神経に物理的に接触して置かれた光学的又はピエゾ電気的センサーに依存して来た。神経変位を測定する光学的非接触の方法は接触に関連するアーチフアクト（ａｒｔｉｆａｃｔｓ）を除去し、それらの自然な状態での多数の神経の活動を同時に画像形成することを可能にする。
【０２１２】
本発明の好ましい実施例は双ビームヘテロダイン低コヒーレンス干渉計とそのロブスター（ｌｏｂｓｔｅｒ）神経束内のスウェリング効果の測定への応用を含む。神経スウェリングの干渉計実験的観察の従来技術の方法は、低感度と、蛙（ｆｒｏｇ）又はロブスター神経内の活動電位に付随する何等かの動きの検出の失敗のために、成功してなかった。もっと最近になって、該活動電位中の神経内の屈折率変化が透過光干渉計を使って成功裡に測定された。
【０２１３】
ｍｓの時間規模に亘りナノメーターの桁での、神経変位の測定は、低反射率の面から記録できる高速で、安定な干渉計測測定システムを要する。好ましい実施例に依れば、単一モードフアイバー及び自由空間要素の両者から成る、双ビームシステムが図２６で示されている。フアイバー結合されたスーパールミネッセントダイオード９２２｛オプトスピードエスエルデー（Ｏｐｔｏｓｐｅｅｄ ＳＬＤ）、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅４０ｎｍ（ＦＷＨＭ）｝からの光がコリメートされ、二重通過構成に整合され、周波数ω１＝１１０．１ＭＨｚ及びω２＝１１０ＭＨｚのＲＦ場により駆動される、音響光学的変調器９４６，９５２（ＡＯＭｓ）を含むマイケルソン干渉計に入る。並進ステージ上に設置されたミラーは該２つの干渉計アーム間往復光路差ΔＬの制御を可能にする。光はフアイバーコリメーターを通して該マイケルソン干渉計に入り、出て行く。
【０２１４】
該マイケルソン干渉計の２つのポートの各々からの出力は異なる周波数シフトと可変遅延とを有する２つの低コヒーレンス場から成る双ビームである。該双ビームの１つは該神経室セットアップ（ｎｅｒｖｅ ｃｈａｍｂｅｒ ｓｅｔｕｐ）（詳細は図２７参照）に入射し、もう１つは基準ギャップ上に入射する。該神経セットアップと基準ギャップの各々は調整可能な距離により分離された２つの反射面を有し、入射光をそのそれぞれのフアイバーへ戻るよう反射するよう整合されている。これらの面の１つを除き全てが空気とコートされないガラスの間のインターフエースである。該サンプル内で、空気及び神経表面の間のインターフエースから第２反射が来る。
【０２１５】
ΔＬＳとΔＬＲはそれぞれ該サンプルと基準ギャップの面１と２からの反射の間の往復光路長差である。該３つの路長ΔＬ、ΔＬＳ及びΔＬＲが源（ｓｏｕｒｃｅ）コヒーレンス長さ内で全て等しくなるよう種々の部品が調整される。この条件が充たされると、光検出器９３２，９６２（新焦点２０１１）は、（１）該マイケルソン干渉計のアーム１をトラバースしサンプルの面２（又は基準ギャップ）から反射する光と（２）該マイケルソン干渉計のアーム２をトラバースしサンプルの面１（又は基準ギャップ）から反射する光、の間の干渉により周波数Ω＝２（ω１−ω２）＝２００ｋＨｚのヘテロダイン信号を記録する。該２つのヘテロダイン信号間の位相差（２πの倍数までの）は
φ（ｔ）＝ｋ０［（ΔＬＳ−ΔＬ）−（ΔＬＲ−ΔＬ）］＝ｋ０（ΔＬＳ−ΔＬＲ）、ここでｋ０は光源の中心波数（ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）である。位相ノイズに最も感受性にある量、マイケルソン路遅延ΔＬ、はこの差測定方法では打ち消される。偏波独立性光学的サーキュレーター９２６，９３０，９６０が検出される電力を最大化するよう、そして該反射光が該マイケルソン干渉計に再び入らせないようにするため使われる。偏波制御器（示されてない）が、該光フアイバー部品内の偏波モード分光の影響を最少化するよう使われる。
【０２１６】
該位相差φ（ｔ）を測定するために、該光検出器の出力は５×１０６サンプル／秒で１２ビットＡ−Ｄカード｛ナショナルインスツルメントのピーシーアイ−６１１０（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＰＣＩ−６１１０）｝によりデジタル化される。コンピュータ内のインストラクションのシーケンスがヒルベルト変換を介して該２信号の位相差を計算し、相対面変位ｄ（ｔ）＝φ（ｔ）／２ｋ０として該位相シフトを表す。
【０２１７】
該干渉計が変位測定を行うことを検証するために、該神経セットアップは、ピエゾ変換器を用いて３００Ｈｚ周波数と２７ｎｍ振幅で正弦波状に変調されたキャビテイ間隔（ｃａｖｉｔｙ ｓｐａｃｉｎｇ）を有する平面状（ｐｌａｎａｒ）フアブリーペローキャビテイ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｃａｖｉｔｙ）で置き換えられた。振幅及び周波数の双ビーム干渉計測定は、該キャビテイが数μｍに亘り走査された時、６３２．８ｎｍヘリウムネオンレーザービームの透過をモニターすることにより決定された値と良く合致した。
【０２１８】
好ましい実施例に依れば、アメリカンロブスター（Ａｍｅｒｉｃａｎ ｌｏｂｓｔｅｒ）｛ホマラスアメリカナス（Ｈｏｍａｒｕｓ ａｍｅｒｉｃａｎｕｓ）｝の歩行脚神経（ｗａｌｋｉｎｇ ｌｅｇ ｎｅｒｖｅ）（直径１ｍｍ以下、長さ５０ｍｍ以下）が切断され、図２７に図解される様にアクリル樹脂から機械加工された神経室上（ｏｎ ａ ｎｅｒｖｅ ｃｈａｍｂｅｒ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａｃｒｙｌｉｃ）に置かれた。該室はロブスター塩水溶液（ｌｏｂｓｔｅｒ ｓａｌｉｎｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）で充たされた５つのウエル（ｗｅｌｌｓ）を有し、ウエル間で該神経は、ウエル間抵抗（ｉｎｔｅｒ−ｗｅｌｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を最大化するように、石油ゼリー（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｊｅｌｌｙ）の絶縁層で囲まれた。刺激電極（ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を通して該神経を刺激（ｅｘｃｉｔｅ）するために刺激アイソレーター（ｓｔｉｍｕｌｕｓ ｉｓｏｌａｔｏｒ）が０−１０ｍＡの可変振幅と１ｍｓの持続時間の電流パルスを供給する。該刺激アイソレータ−により供給される該電流は、該塩水を通しての並列導電性（ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）のために、該神経を通過する現実の電流より恐らく遙かに大きいだろう。該神経内で発生される複合活動電位は対の記録電極９９８ａ、９９８ｂにより検出され、利得１０４で増幅される。中央のウエル中では該神経は、それが塩水溶液内に沈まないように、小さなガラスプラットフオーム上に休んでいる。該神経は切断及びデータ収集中塩水で湿度を有するよう保たれている。
【０２１９】
図２８Ａと２８Ｂは本発明の好ましい実施例による１つの試みについて電位と光学的に測定された神経の変位を図解する。電気信号での時刻ゼロでのスパイクは刺激のアーチフアクトによる。それに、該神経束内の多数の軸索の活動電位を説明する１連のピークが続く。光学的信号は、上方への面変位に対応する方向を有する、高さ約５ｎｍのピークとＦＷＨＭの持続時間約１０ｍｓを示す。該光学的信号は電気信号での多数のピークより寧ろ１つのピークを示し、これは該変位信号の単一位相的（ｍｏｎｏｐｈａｓｉｃ）（１つの符号）性質に依る。該変位測定値の実効値ノイズ（ｒｍｓ ｎｏｉｓｅ）は１ｋＨｚバンド幅の間の約０．２５ｎｍであった。
【０２２０】
該変位は該神経用意品の約半分で観察され、５ｍＡ刺激について０から８ｎｍまで振幅で変化した。その大きな変動は該神経自身と用意の手順での差を反映しているかも知れない。同様な変位振幅は蟹及びザリガニ（ｃｒａｙｆｉｓｈ）の神経を使っても報告された。光学的レバーを使うロブスター神経スウェリング（ｎｅｒｖｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ）の最近の研究で、約１０倍以下で小さい変位が観察された（ａｂｏｕｔ 〜１０ ｔｉｍｅｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）が、それはその技術のアーテイフアクトを反映しているかも知れない。
【０２２１】
刺激電流による神経のオーミック加熱での熱的膨張の様なアーテイフアクトを制御するために、該刺激電流が変化した時の１つの神経のピーク電気信号と変位信号が測定された（図２９で図解される様に）。該電気及び変位信号は殆ど同一のしきい値電流（約１．５
ｍＡ）と飽和電流（約５ｍＡ）を表し、観察された変位が活動電位に付随することを示唆する。対照的に、オーミック効果は電流への２次の依存と非飽和により特徴付けられるだろう。かくして、本発明の好ましい実施例は刺激のアーテイフアクトについて制御すべき神経変位の学習を提供する。好ましい実施例は神経スウェリングの最初の非接触及び最初の干渉計測定を行うためのヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を含む。神経スウェリングの生物物理学的機構が画像形成され、本発明の好ましい実施例により個別軸索を解析した。該双ビーム低コヒーレンス干渉計は活きた細胞のナノメーター規模の運動の測定で多くの他の応用を有する。他の実施例は活動電位に付随した１つのニューロンの機械的変化を検出するために該干渉計に基づいた顕微鏡を含む。又関連した干渉計検査方法は培養された細胞単層（ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｃｅｌｌ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）内の細胞容積変化を測定するため使われる。
【０２２２】
図３０は本発明の好ましい実施例に依る双ビーム干渉計用走査システムの光学的レイアウトを図解する。モーター付きガルバノメーター上に設置されたミラー１０２４，１０３０が画像形成システムのフーリエ面（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｐｌａｎｅｓ）に置かれ、そのビームが角度の変化無しにサンプルを横切るよう走査されることを可能にしている。該ミラーは約３０Ｈｚ、振幅１−２度（サンプル上で５０−１００μｍ）で走査する。該ガルバノメーターはリサジュー（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）パターン１０５２でラスターされる（ｒａｓｔｅｒｅｄ）か又は走査されてもよい。
【０２２３】
図３１は本発明の好ましい実施例に依るリサジュー走査を使って空のカバーガラスから集められたガルバノメーター位置と位相データを図解する。図の全体の場は約１００μｍである。垂直軸は測定された位相である。ノイズプロフアイルは１ｋＨｚに亘り約２５ｍｒａｄである。
【０２２４】
図３２Ａと３２Ｂは本発明の好ましい実施例の後方反射（ｂａｃｋｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の位相画像及び輝度（振幅）画像のカラーマップを図解する。該ビーム走査データは空のカバーガラスから集められた。そのノイズプロフアイルは１ｋＨｚに亘り約２５ｍｒａｄである。電力（Ｐｏｗｅｒ）はそのビームが光軸から離れるよう動かされた時起こる誤整合（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）とクリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）のために中央で最高である。その画像中の黒いドットはリサジューパターンが訪れなかった画素に対応する。
【０２２５】
図３３は本発明の実施例により取り組まれた焦点合わせ問題を略図により図解する。細胞２００２は双ビーム顕微鏡のガラスカバースリップ２００４上に座している。実線は上ガラス面とセル上に焦点合わせされたビームを表す。点線は該ガラスの底面から反射されるビームを表す。位相基準干渉計検査システムは本発明の好ましい実施例の双ビーム干渉計検査であり、関心のあるサンプルから散乱される光の収集のみならず、該サンプルの前に配置された固定の基準化された面からの反射も要する。該サンプル及び基準の異なる軸方向位置は、特に高開口数光学システム（ｈｉｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）用では、基準及びサンプルの両散乱の効率的同時収集に挑戦する。０．５０の開口数を用いてサンプル及び基準の効率的光収集を可能にする様な、該焦点問題への２つの解が好ましい実施例のシステムにより提供される。第１には、２焦点レンズ（ｂｉｆｏｃａｌ ｌｅｎｓ）システムが、該開口部（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）を、２焦点光学要素の異なるカーブ部分を通過する周辺及び軸光線に分けることにより、該サンプル及び基準両面を同時に焦点へ持って来る。該２焦点要素は平面−凸面レンズ（ｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ ｌｅｎｓ）の凸側内の中央領域を平らに磨くことにより作られ得る。該２焦点レンズを顕微鏡のフーリエ面の近くに位置付けることはサンプル画像形成用のミラーガルバノメーターを介したビーム走査を可能にする。
【０２２６】
図３４は本発明の好ましい実施例の２焦点レンズ用の設計を図解する。該２焦点レンズを、対物レンズの後よりも寧ろ前に置くことの方が容易である。この実施例は並進の容易さを提供する。
【０２２７】
図３５は本発明の好ましい実施例の２焦点レンズシステムのもう１つの設計を図解する。該２焦点レンズシステム２０５０は該画像形成システムのフーリエ面に、又はその近くに、該２焦点レンズを置くことによりビーム走査を可能にする。ビーム２０６８が軸ビーム（ａｘｉａｌ ｂｅａｍ）である一方、ビーム２０７０が周辺ビーム（ｍａｒｇｉｎａｌ ｂｅａｍ）である。光学的特性はチルトされたビームを有する第１次に対し不変（ｉｎｖａｒｉａｎｔ）である。
【０２２８】
図３６は、対物レンズの後の２つの焦点の間の間隔が本発明の好ましい実施例によりδ＝１００μｍに等しくなる様なレンズｆ３（２焦点）とｆ２の間の光学的距離の計算を図解する。該光学的設計はレイトレーシング（ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ）により提供される。
【０２２９】
図３７は本発明の好ましい実施例の２焦点レンズの製造を図解する。該２焦点レンズは平面−凸面レンズの中央部分をフラットに磨くことにより作られ得る。ガラスの非常に小さい厚さが除かれる（約２−１０μｍ）。信号及び基準の間の路長差の小さな変化がもたらされる。
【０２３０】
図３８は、対物レンズが本発明の好ましい実施例によりガラスカバースリップの方へ走査された時、光学的サーキュレーターを通して測定された後方反射された輝度を図解する。後面及び前面からの反射は約１００μｍだけ分離される。重なり合いは無く、かくして干渉は無い。
【０２３１】
図３９は、本発明の好ましい実施例により、ミラーからの１つの反射を有する２焦点レンズについて対物レンズ焦点位置に対する後方反射される輝度を図解している。２焦点レンズｆ３を使うと、ミラーからの１つのピークは（該対物レンズ位置が走査された時）、異なる対物レンズ焦点位置でのミラーに焦点合わせされた軸及び周辺ビームに対応する２つに分かれる。ピーク間の間隔はレンズｆ２とｆ３の間の距離に依る。この実施例では、その間隔は約１００μｍである。
【０２３２】
図４０は本発明の好ましい実施例による両カバーガラス反射を有する２焦点レンズを用いて、対物レンズ焦点位置対後方反射輝度を図解する。この図は２つの前の図を一緒に描いており、４つの主要ピークと幾つかのより小さいピークを提供する。
【０２３３】
図４１はｆ２とｆ３の間の距離が前と後のガラス面の間の間隔とマッチするよう調整された時、本発明の好ましい実施例の、対物レンズ焦点位置対後方反射輝度を図解する。周辺光線は、軸光線が前面上で焦点合わせされる同じ位置で、後面上に焦点合わせされる。これは中央に見られる大きなピークを提供する。
【０２３４】
図４２は本発明の好ましい実施例により軸及び周辺ビームの結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）により生じる特別に小さいピーク（ｅｘｔｒａ ｓｍａｌｌ ｐｅａｋｓ）を図解する。これらの特別のピークは、該２つのピーク間の丁度中途（ｅｘａｃｔｌｙ ｈａｌｆｗａｙ）で起こる、軸から周辺ビームへの結合により説明される。該特別のピークの振幅は光学的整合に高度に左右され、該光学システムの精細な調整により最小化され得て、好ましくは除去されるのがよい。
【０２３５】
図４３Ａは本発明の好ましい実施例により基準面を一体型要素として有する双ビームプローブを図解する。該プローブはフアイバーコリメーター２３８２と段階的屈折率保有（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ）（ＧＲＩＮ）レンズ２３９０から成る。該ＧＲＩＮレンズのコートされない背面は基準反射を提供する。別の基準面を要しないので、該プローブは生体内適用に良く適している。該プローブは、２次元位相画像形成又は３次元共焦点位相画像形成を行うために高速走査ピエゾ並進器（ｆａｓｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｉｅｚｏ ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）上に設置されてもよい。この実施例は変位測定用に使い易い予め整合されたフアイバープローブを提供する。該プローブは約０．４−０．５の範囲の高い開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）（ＮＡ）を有し、それは散乱面からの効率的な光集めを提供する。該一体型基準面は焦点の深さによる課題を解決する。この好ましい実施例のプローブは複雑な光学機器の集まりを置き換え、体内使用に好適である。
【０２３６】
図４３Ｂには光フアイバー双ビーム干渉計プローブのもう１つの好ましい実施例２３８１が図解されている。この実施例では、基準反射は該光フアイバーの切り裂かれた端部（ｃｌｅａｖｅｄ ｅｎｄ）２３８５により提供される。この例では、該端部２３８５は該フアイバー軸に対し直角に磨かれる。該フアイバー２３８３はハウジング２３８７に挿入されたガラスのフエルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）２３８９内に設置される。該フアイバー端２３８５により放射された光は段階的屈折率保有（ＧＲＩＮ）レンズにより焦点合わせされるが、該レンズはこの例では約０．２９又は０．３のピッチを有する。該フアイバーは該フアイバー（ＮＡ＝０．１３）とＧＲＩＮレンズ（ＮＡ＝０．５０）の開口数にマッチするよう３．５に概略等しい拡大率Ｍに整合される。該ビームは、この例では該プローブの遠位の面から約３００μｍにあるサンプルの所の焦点に来る。
【０２３７】
図４３Ｃはラットの海馬の培養（ｒａｔ ｈｉｐｐｏｃａｍｐａｌ ｃｕｌｔｕｒｅ）からの２つの神経繊維｛軸索（ａｘｏｎｓ）又は樹状突起（ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ）｝の明視野顕微鏡画像（ｂｒｉｇｈｔｆｉｅｌｄ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｉｍａｇｅ）である。図４３Ｄは、サンプル走査２焦点双ビーム顕微鏡を使った測定された位置の関数としてのヘテロダイン信号振幅の表現である。
【０２３８】
図４３Ｅは図４３Ｄで見られたと同じサンプルの反射位相画像である。
【０２３９】
図４４は、本発明の好ましい実施例の、活動電位中に神経内で観察される変位効果の形状を調査するために適用される双ビームプローブの略図による図解２４００である。該プローブの角度を変えることにより、種々の方向での変位が測定され得る。
【０２４０】
図４５は、本発明の好ましい実施例のプローブか又はサンプルか何れかを走査することによる画像形成用に使われ得る双ビームプローブシステムを図解する。該プローブの走査はサンプル移動によるアーテイフアクトの導入を避けるために好ましい。該プローブはその軽い重量（約２−３グラム）のために非常に速く（約１ｋＨｚ）走査され得る。その基準面が該プローブに一体なので、（輝度及び位相の両者の）３次元共焦点画像形成（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ）が可能である。図解された双ビームプローブシステムは透過又は反射を測定出来る。好ましい実施例は、対物レンズからサンプルまでの距離が高度に安定な走査双ビームプローブ顕微鏡を有する。
【０２４１】
図４６Ａ−４６Ｃは、本発明の好ましい実施例による２焦点双ビーム顕微鏡を使って反射防止コートされたガラスカバースリップ上に置かれた乾燥した人の頬の上皮細胞の輝度画像、後方散乱光の測定された位相画像及び明視野画像をそれぞれ図解する。該画像はモーター付き並進器で顕微鏡ステージを走査することにより発生される。図４６Ａと４６Ｂの画像（視野は水平方向１３０μｍ×垂直方向１１０μｍ、走査は１００×１００画素である）はヘテロダイン信号の振幅及び位相をそれぞれ表示する。図４６Ｃは同じ頬細胞の明視野画像（視野は約６０μｍ×４０μｍ）である。該位相画像は１より小さい波のコントラストを表示する。これはガラス基盤との接触のために殆ど平坦な該細胞の下面のトポグラフイー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を反映する。
【０２４２】
図４６Ｄ−４６Ｇは図４３で図解された双ビーム顕微鏡の粗面計測能力（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）を図解し、２５ｍｍの焦点長さ平面−凸面レンズの凹側がカバースリップ上に置かれ、該カバースリップの頂部は図４６Ｅで示す様に１．５μｍ波長で反射防止コートされている。図４６Ｄは該レンズの中央部分の輝度画像を図解する。図４６Ｆは反射光の位相マップである。図４６Ｇは位相画像の断面を図解し、位相はラップされず、方形の嵌合を有する（ｗｉｔｈ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｆｉｔ）。第２次の項の係数は１１．７ｍｍの曲率の半径と対応し、レンズ面の既知の曲率と一貫性がある。輝度及び位相画像内で外にある点（ｏｕｔｌｙｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ）はダスト粒子又はレンズ上のピット（ｐｉｔｓ）のためである。
【０２４３】
図４７Ａ−４７Ｅは、本発明の好ましい実施例による、干渉記録（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ）の略図的線図と、位相の段階的処理（ｐｈａｓｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ）（図４７Ｂ−４７Ｃ）及びバケット積分（ｂｕｃｋｅｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）（図４７Ｄ−４７Ｅ）の様なフレームを集める種々の方法と、を含む位相シフト干渉計検査の原理を図解する。該方法は位相を変調する過程と、３つのフレームの最小値を記録する過程（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ａ ｍｉｎｉｍｕｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｆｒａｍｅｓ）とそして光学的位相変位を計算する過程とを有する。
【０２４４】
図４８Ａ−４８Ｃは本発明の好ましい実施例によるストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計検査システムの原理を図解する。このシステムは、バケットスイッチングが、非常にゆっくりした位相ノイズを与えるよう相関を付けられたノイズ基準のヘテロダイン信号を参照することを除けば、バケット積分と同様な連続位相ランピング（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｈａｓｅ ｒａｍｐｉｎｇ）に帰着する音響−光学的変調を有する。対照的に、ストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計は機械的ミラー変位による停止が無いので連続的測定を提供する。
【０２４５】
図４９は本発明の好ましい実施例によるストロボスコープ的双ビームヘテロダイン干渉計２５７０の略図を図解する。双ビーム干渉計からの光はコリーメートされ、電気−光学的偏波変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２５９４に入る。光はビームスプリッター２５８２から反射し、望遠鏡構成の２つのレンズ２５８０，２５７６（ｆ１とｆ０、すなわち対物レンズと）を通過し、そしてコリメートされたビームとしてサンプルを照明する。サンプル、例えば、細胞２５７３から及びカバースリップの後面から、後方反射された光は該対物レンズ及びｆ１によりＣＣＤ２５８６上に集められる。該レンズｆ１は該ＣＣＤから１焦点長さ離れるようそしてそのフーリエ面（ＦＰ）２５７８から１焦点長さ離れるよう整合される。該対物レンズｆ０２５７６は同様に該フーリエ面から１焦点長さそして該サンプルから１焦点長さにある。該ＣＣＤの前の偏光子２５８４と組み合わされた電気−光学的偏波変調器は高速光学的スイッチとして作用する。該電気−光学的偏波変調器は、該双ビーム干渉計に於ける様に、基準ギャップからのヘテロダイン信号である、基準信号の或る位相によりゲートされる。好ましい実施例では８２０ｎｍＳＬＤが使われる。サンプル２５７３上の該光はコリメートされており、かくしてどんな焦点問題も排除する。
【０２４６】
図４９Ｂと４９Ｃは本発明の好ましい実施例により、静止ガラス面上に焦点合わせされた図４３で図解した双ビームプローブについて位相ノイズを示すデータを図解する。
【０２４７】
図２６に関連して示され、説明されたシステムは、典型的例で約１００μｍだけ軸方向に分離された反射面とサンプル上に光を焦点合わせするよう試みる挑戦を提示する。開口数＞０．１の場合、これは場の深さより遙かに大きい。この課題に取り組むために２焦点光学システムか又はプローブ設計か何れかを変えることは可能であるが、しかしながら、該２焦点光学システムは高い開口数対物レンズに於いてはより悪い低収集効率を有するのが典型的であり、該レンズの軸から離れた部分（ｏｆｆ ａｘｉｓ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｓ）からの回折はフリンジング効果（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）を創り得る。プローブ設計は、基準面がサンプルから分離され、開口数が該ＧＲＩＮレンズで０．５に限定される事実により制限される。
【０２４８】
図５０Ａにはシステム２７００が図解されているが、そこでは２つの通路からの光が、該光がサンプル上に向けられる前に共通路に沿うよう組み合わされる。通路１からの光は面１上に焦点合わせされ、通路２からの光は面２上に焦点合わせされる。この特徴を組み込んだ干渉計は図５０Ｂの双ビームシステム２８００内で示される。該システム２８００は光源２８０１，２つの移動反射器２８０３，２８０５そして両通路からの光をサンプル２８０７の面と基準２８０９の面上に導く、偏波ビームスプリッター２８１１を有する。偏波成分の方向は図５０Ｃで明らかに示される。該干渉計の各アームは１つの面上に導かれる。その結果光はより効率的に使われる。ビームは２焦点レンズからのエッジ効果無しに別々に焦点合わせされる。開口数での結果的トレードオフは無く、該システムは、オプションとしての光源からを除けば、光フアイバー結合用のニーヅ無しで自由空間内で構成され得る。これは光収集効率を改善出来る。
【０２４９】
空間的光変調を使う定量的位相顕微鏡検査（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）
もう１つの側面では、本発明は、位相差顕微鏡検査と位相シフト干渉計検査を組み合わせた顕微鏡検査のシステムと方法を提供する。本発明のシステムと方法は透過構造と反射構造とに適用出来る。種々の実施例では、該方法とシステムは種々の空間周波数の波用に共通光路を使用し、サンプル上の同じ点で発する種々の空間周波数の波の間の位相をシフトする。
【０２５０】
光学的場の位相は多くの応用で必要な波長以下の精度を提供するために多年使われて来た。例えば、本来弱い散乱体（ｓｃａｔｔｅｒｅｒｓ）である生物学的システムは位相差顕微鏡の原理を使って可視化された。干渉計検査は該位相情報にアクセスする１つの方法であり、従って、種々の干渉計検査技術が標本に付随する位相を検索する目的で過去多年に亘り開発されて来た。位相差顕微鏡検査及びノマルスキー顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｎｄ Ｎｏｍａｒｓｋｉ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の様な技術は、非常に有用でポピュラーな方法であるが、光学的位相を単に造影剤（ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｇｅｎｔ）として使うだけで、その大きさについての定量的情報を提供しない。
【０２５１】
他方、位相シフト技術は定量的仕方で位相情報を決定出来て、種々の干渉計的スキームが過去数十年に亘り提案されて来た。偏光光学に基づく差動位相コントラスト技術は普通の光学的コヒーレンストモグラフイー（ｃｏｍｍｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）にインターフエースして来た。位相シフト干渉計検査の特別な場合としての、バケット積分技術は又２次元位相画像形成用に使われて来た。しかしながら、大抵のこれらの干渉計はそれらを非相関性環境ノイズ（ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｎｏｉｓｅ）に感受性にする２つの物理的に分離したビームを創る必要がる。この問題は屡々該ノイズを能動的に打ち消す特定の対策を要する。この目的でフエーズロックループ（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐｓ）が使われて来た。必要なものは干渉計の信号から非相関性ノイズを減じるか又は除去する顕微鏡システムと方法である。
【０２５２】
本発明のシステムと方法は、共通光路を使ってサンプルから発する光の種々の空間周波数を干渉させる。種々の実施例では、本発明は、非相関性環境位相ノイズ（ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）から実質的に自由なサンプルの位相画像を提供するシステムと方法を提供する。加えて、好ましい実施例では、本発明の方法は低コヒーレンス照明源が使われた時例え位相特異性（ｐｈａｓｅ ｓｉｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ）の存在下でも位相画像を得ることが出来る。
【０２５３】
種々の好ましい実施例で、本発明は環境位相ノイズに感応性でなく、任意の露出時間に亘り高度に精密で安定な位相情報を提供出来る機器を提供する。種々の実施例では、本発明は画像の干渉パターンとしての記述に基づく。この様な記述の１例はアッベの画像形成理論（Ａｂｂｅ’ｓ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ）である。画像面内の各点は光軸に対して種々の角度で伝播する波の重畳（ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）（干渉）と考えられる。もし我々がサンプルからの０次の散乱を、干渉計の基準として、考えるなら、その画像は該０次の場と光軸を離れるよう進む場との間の干渉として見られる。
【０２５４】
図５１Ａ−５１Ｄは画像のこの様な記述の種々の特徴の略図表現である。図５１Ａは高い空間周波成分１１０４と０次成分１１０６とにより創られる干渉パターン１１０２の略図表現１１００である。図５１Ｂは低周波成分１１１４と０次成分１１０６とにより創られる干渉パターン１１１２の略図表現１１１０である。図５１Ｃは画像面１１２６に於けるより広い空間周波ビーム１１２４の重畳により創られる回折スポット１１２２の略図表現１１２０である。図５１Ｄは画像面１１２６に於けるより狭い空間的スペクトラム１１３４により発生されるより広い回折スポット１１３２の略図表現１１３０である。加えて、例えば、該０次及びより高次の成分はＤＣ成分及びＡＣ成分として考えられ得る。
【０２５５】
画像形成面内の電子的場の振幅と画像面内の輝度は下記の様に表され得て、
【０２５６】
【数３４】
【０２５７】
ここでＥｉｍａｇｅは該画像形成面上の点での該光の電場の振幅を表し、ψは該光の位相を表し、そしてＩｉｍａｇｅは該画像形成面上の点での該光の輝度を表し、そしてここで添え字０と１は、それぞれ、例えば、式５０−５６の０次成分及びより高次の成分を表し、単位振幅（ｕｎｉｔａｒｙ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が考えられている。式５１は、該サンプルを跨ぐπに比較して小さい位相の変動、Δψ＝ψ１−ψ０、については画像面内の輝度はゆっくり変わり、それは該画像がコントラストに欠けると言うことに等価である、ことを図解する。しかしながら、該０次の位相ψ０をπ／２だけシフトすることにより、画像輝度分布は下記で表され得る。
【０２５８】
【数３５】
【０２５９】
式５２は、今度は該画像面内の輝度は値Δψ＝０付近では非常に敏感であり、それは、例え純粋に位相対象についても、その画像が可成りのコントラストを表すと言うことと等価なことを図解する。
【０２６０】
輝度コントラストを改良することに加えて、０次光成分の位相をシフトすることは又対象の位相分布について定量的情報を提供し得る。例えば、制御可能に変更可能な量δだけ該ゼロ周波数成分の位相をシフトすることを考える。該画像面内の何等かの点（ｘ、ｙ）での合計電場Ｅ（ｘ、ｙ）ｉｍａｇｅと輝度Ｉｉｍａｇｅ（ｘ、ｙ；δ）は、該０次場が該画像面上で一定であることを考えて、下記で表され得るが、
【０２６１】
【数３６】
【０２６２】
ここでＩ０は該低周波成分に付随する輝度、Ｉ１は該高周波成分に付随する輝度である。
【０２６３】
ここで、我々はサンプルから来る光の次数（ｏｒｄｅｒ）を一般的に引用する。しかしながら、ＳＬＭが使われる時、実際は、サンプルから来る光の０次成分の位相のみを制御可能にシフトすることは非常に難しい。従って、好ましい実施例では、我々は、全て０次光を含む低周波空間成分の位相をシフトする。従って、本発明のシステムと方法は、０次成分のみの位相をシフトすることにより実施されること、そして他の次数の位相は要しないことは理解されるべきである。
【０２６４】
δを変えることにより、Δψ（ｘ、ｙ）＝ψ１（ｘ、ｙ）−ψ０を得ることが出来て、その表現は下記である。
【０２６５】
【数３７】
【０２６６】
サンプルψに付随する位相は、例えば、合計電場Ｅ（ｘ、ｙ）の位相表現を使い、式５３と５４を使って得られる。対象に付随する位相は下記で表され得る。
【０２６７】
【数３８】
【０２６８】
式５６で、β＝Ｉ１／Ｉ０であり、それはそれぞれ高及び低空間周波成分に付随する輝度間の比を表す。βの値は、例えば、δの４つの値でのＩｉｍａｇｅ（ｘ、ｙ；δ）から得られる。
【０２６９】
種々の実施例では、本発明のシステムと方法は該顕微鏡検査システム用の透過構造に基づく。図５２は透過構造に基づく本発明による顕微鏡検査システム１２００の１実施例を略図により図解する。図５２を参照すると、１対のレンズ、対物レンズ１２０４とチューブレンズ１２０６が透過構造で画像面Ｐ２１２１２にサンプル１２１０の画像を形成する。該レンズＬ３１２１４は該画像のフーリエ変換を空間的光変調器（ＳＬＭ）１２１６上に形成するため使われる。該ＳＬＭ１２１６上の中央領域１２１７は、該ＳＬＭの残りに比して、制御可能な位相シフトδを入射ビーム１２２０の中央ゾーン１２１８に適用し、該全入射ビーム１２２０を反射する。該入射ビーム１２２０の該中央ゾーンは、該ビームの内方の境界１２２２により描かれた、低空間周波波（ｌｏｗ ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗａｖｅｓ）に対応する。外方境界は高周波数ビーム成分の通路１２２４を図解し、該低周波数及び高周波数の両ビーム成分の発散（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）は可視化目的で誇張されている。レンズＬ３１２１４は又４ｆシステムの第２レンズとして役立ち、例えば、ビームスプリッターＢＳ１２３２を使って、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の様な、検出器１２３０上に最終画像を創る。
【０２７０】
幅広い種類のデバイスが該ＳＬＭを制御するため使われ得て、サンプルの画像を取得する。例えば、種々の実施例では、コンピュータ１２５０は該ＳＬＭ１２１６の変調を制御し、δをπ／２だけインクレメントし、又好ましくは該検出器１２３０の画像取得を同期させるのがよい。式５５の演算は実時間で行われ得て、かくして表示される位相画像の速度は好ましい実施例では該検出器１２３０の取得時間と該ＳＬＭ１２１６のレフレッシュ速度に依ってのみ限定される。
【０２７１】
広い種類の照明モードと照明源とが本発明の透過構造用の照明１２６０を提供するため使われ得る。該照明は明るいか又は暗いか何れかの場のモードで行われ得る。加えて、使われる光源のコヒーレンス特性に関し特定の要求は無い。本発明のシステムと方法はレーザー光、部分的にコヒーレントな放射、又は例えば、放電ランプからの様な、“白色（ｗｈｉｔｅ）”光を使うことが出来る。該照明源は、しかしながら、良い空間的コヒーレンスを有すべきである。
【０２７２】
図５２で図解する様に、干渉する低周波及び高周波の場は同じビームの成分であり、かくして共通の光路を共有する。該低周波及び高周波成分はかくして位相ノイズにより同様な仕方で影響されそして本発明のシステムの種々の実施例は光学的にノイズフリーの定量的位相顕微鏡と考えることが出来る。例えば、種々の実施例では、取得の任意の時間規模に亘りλ／１、０００の位相感度が可能である。
【０２７３】
種々の実施例では、本発明のシステムと方法は顕微鏡検査システム用の反射構造に基づく。透過及び反射構造の間の差は照明構造にある。透過構造は反射構造に変換され得る。
【０２７４】
図５３は反射構造に基づく本発明の顕微鏡検査システム１３００の１実施例を略図により図解する。該低周波及び高周波成分の通路の外方境界は明確なので図５３では図解されてない。加えて、図５３での光ビームの発散は可視化目的で誇張されている。種々の実施例では、ビームスプリッターＢＳ１１３０１は第２照明源１３０２が該システム内に結合されることを可能にし、照明１３０３を提供する。１実施例では、該第２照明源はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を有する。例えば、ＳＬＤの様な低コヒーレンス源がその光路内の種々のインターフエースでの反射による干渉を避けることが望ましい。
【０２７５】
図５３を参照すると、１対のレンズ、対物レンズ１３０４とチューブレンズ１３０６がサンプル１３１０を画像面Ｐ２１３１２上へ画像形成する。該レンズＬ３１３１４は空間光変調器（ＳＬＭ）１３１６上へのその画像のフーリエ変換を形成するため使われ得る。
該ＳＬＭ１３１６上の中央領域１３１７は、該ＳＬＭの残りに比して、制御可能な位相シフトδを入射ビーム１３２０の中央ゾーン１３１８へ適用し、該全入射ビーム１３２０を反射する。該入射ビーム１３２０の該中央ゾーン１３１８は低空間周波の波に対応する。又該レンズＬ３１３１４は４−ｆシステムの第２レンズとして役立ち、ビームスプリッターＢＳ１３３２を使って、例えば、ＣＣＤの様な検出器１３３０上に最終画像を創る。
【０２７６】
広い種類のデバイスが該ＳＬＭを制御し、サンプルの画像を取得するため使われ得る。例えば、種々の実施例では、コンピュータ１３５０はδをπ／２だけインクレメントして該ＳＬＭ１３１６の変調を制御し、又好ましくは検出器１３３０の画像取得を同期させるのがよい。式５５の演算は実時間で行われ、かくして好ましい実施例での表示される位相画像の速度は検出器１３３０の取得時間と該ＳＬＭ１３１６のレフレッシュ速度（ｒｅｆｒｅｓｈｉｎｇ ｒａｔｅ）によってのみ制限される。
【０２７７】
本発明の好ましい実施例の反射構造も又、例えば透過構造で使われる様な照明１３６０を有することが出来る。好適な透過照明モードは明るい場と暗い場のモードを含むが、それに限定されない。本発明の透過構造に於ける様に、使われる照明源のコヒーレンス特性への特定の要求は無い。本発明のシステムと方法はレーザー光、部分的にコヒーレントな放射、又は例えば放電ランプ（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｌａｍｐ）からの様な、“白色（ｗｈｉｔｅ）”光を使うことが出来る。しかしながら、該照明ソースは良い空間コヒーレンスを有すべきである。
【０２７８】
本発明の反射構造では、干渉する低周波及び高周波場も又同じビームの成分であり、かくして共通の光路を共有する。該低周波及び高周波成分はかくして位相ノイズにより同様な仕方で影響され、本発明のシステムの種々の実施例は光学的にノイズフリーの定量的位相顕微鏡（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｎｏｉｓｅ−ｆｒｅｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と考えることが出来る。例えば、種々の実施例では、λ／１、０００の位相感度が取得する任意の時間規模に亘り可能である。
【０２７９】
種々の実施例では、本発明は画像形成モジュールと位相画像形成モジュールを有する空間的光変調を利用する位相差顕微鏡検査システムを提供する。該画像形成及び位相画像形成モジュールは、例えば、独立に作られ得て、現在の光学顕微鏡内でのそれらの使用を実現する。
【０２８０】
集めて図５４と呼ばれる、図５４Ａ及び５４Ｂは本発明を光学的顕微鏡と集積化する１実施例１４００を略図により図解する。低周波及び高周波成分の通路の外方境界は明らかなので図５４内では図解されない。加えて、図５４での光学ビームの発散は可視化の目的で誇張されている。位相画像形成ヘッド１４５０は、例えば、顕微鏡のビデオ出力を使って、光学的顕微鏡１４１０とインタフエースされることが可能である。該光学顕微鏡１４１０はレンズＬ１１４１２とＬ２１４１４の対及びミラー１４１６を有し、それらはサンプル１４２０からの光を顕微鏡のビデオ出力へ操向することが出来る。典型的に、その光の１部分はビームスプリッター１４２４により接眼レンズ１４２６へ向けられ、該レンズは人の目１４３０による視認用に光を焦点合わせする。
【０２８１】
該位相画像形成ヘッド１４５０は空間光変調器（ＳＬＭ）１４５６上への該画像のフーリエ変換を形成するために使われるレンズＬ３１４５４を有する。該ＳＬＭ１４５６の中央領域は、該ＳＬＭの残りに比して、入射ビーム１４６０の中央ゾーンへ制御可能な位相シフトδを適用することが出来て、そして全入射ビーム１４６０を反射する。該入射ビーム１４６０の該中央ゾーンは低空間周波の波に対応する。又レンズＬ３１４５４は４−ｆシステムの第２レンズとして役立ち、ビームスプリッターＢＳ１４７２を使って、例えばＣＣＤの様な検出器１４７０上に最終画像を創る。
【０２８２】
該ＳＬＭの制御とサンプルの画像の取得は、例えば、コンピュータ１４８０を使って達成され得るが、該コンピュータはδをπ／２だけインクレメントして該ＳＬＭ１４５６の変調を制御し、又好ましくは該検出器１４７０の画像取得を同期化させるのがよい。該コンピュータは、例えば、位相画像形成ヘッドを備えたスタンドアロンコンピュータ（ｓｔａｎｄ ａｌｏｎｅ ｃｏｍｐｕｔｏｒ）とするか又は該“コンピュータ”は該顕微鏡に付随するコンピュータ上に定在する、本発明のインストラクションを含むことが出来る。式５５の演算は実時間で行われ、かくして表示される位相画像の速度は、好ましい実施例では、該検出器１４７０の取得時間と該ＳＬＭ１４５６のレフレッシュ速度によってのみ制限される。
【０２８３】
種々の実施例では、本発明のシステムの横分解能（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）は４−ｆシステムの追加により改良される。４−ｆシステムは透過及び反射の両構造で使われ得る。加えて、４−ｆシステムは校正システムを含むシステムで使用出来る。４−ｆシステムは画像上で行われる他のフーリエ演算を利用することを実現する。
【０２８４】
図５５は４−ｆシステムを利用する本発明のシステム１５００と方法の１実施例を略図により図解する。該４−ｆシステムはレンズＬ４１５０４とＬ５１５０６の対を有し、空間フイルター、Ｆ、１５０８を含むことが出来る。該空間フイルター、Ｆ、１５０８は個別空間周波数（ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）の振幅の制御を提供する。本発明のＳＬＭにより提供される位相制御と組み合わせて、この様な振幅制御は、該高周波成分の増強がコントラストを改善出来るので、例えば、細胞内部の小さい細胞器官（ｓｍａｌｌ ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ ｉｎｓｉｄｅ ａ ｃｅｌｌ）を調べることを容易化する。空間フイルターＦは或る空間周波を好ましく減衰させることが出来る他の応用品が予想（ｅｎｖｉｓｉｏｎｅｄ）される。
【０２８５】
４−ｆシステムは本発明の種々の透過構造実施例及び本発明の反射構造実施例の両者に付加されることが出来る。反射源（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）（例えば、図５３の第２照明源１３０２の様な）は、提供された本発明の開示を使って当業者により本発明の図５５の実施例に容易に付加され得る。
【０２８６】
空間光変調を利用した位相差顕微鏡技術用のシステムと方法は広い種類の応用を有する。これらのシステムと方法は、例えば、μｍ及びｎｍ規模の構造を画像形成するため使われ得る。重要な種類の応用は、細胞間（ｉｎｔｅｒ−ｃｅｌｌｕｌａｒ）及び細胞内（ｉｎｔｒａ−ｃｅｌｌｕｌａｒ）の組織（ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）、ダイナミックス及び挙動（ｂｅｈａｖｉｏｒ）の調査（ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ）に存在する。低及び高周波の両成分用に共通光路を使うことにより提供される安定性と、透過及び後方散乱モードで測定を行う能力と、は本発明の種々の好ましい実施例を、２，３時間から数日の、延長された時間間隔に亘り、１つの細胞及び細胞の総体（ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ）を調べるのに好適にする。かくして、種々の実施例では、本発明の好ましい実施例により提供される位相画像形成は、例えば、有糸分裂（ｍｉｔｏｓｉｓ）から細胞死（ｃｅｌｌ ｄｅａｔｈ）までの、ライフサイクル中に、活きた細胞の寸法と形状での変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、の様な細胞のゆっくりした動力学的過程（ｓｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）に関する情報を提供するため使われ得る。
【０２８７】
種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、分割後の細胞分離の過程（ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｅｌｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｄｉｖｉｓｉｏｎ）をナノメーターの精度で調べ、細胞膜（ｃｅｌｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ）の寸法、特性又は両者についての情報を提供するため使われる。最近特に注目を受けた現象はプログラム化された細胞死（ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｃｅｌｌ ｄｅａｔｈ）−枯死（ａｐｏｐｔｏ
ｓｉｓ）である。枯死が種々の好ましい実施例で実験室内で制御され得ると仮定すると、本発明の方法とシステムはこの過程中の細胞内に誘起される変換を調べるため使われる。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは種々の細胞｛例えば、癌性（ｃａｎｃｅｒｏｕｓ）対正常（ｎｏｒｍａｌ）｝のライフサイクル中の差を調べ、検出するため使われる。
【０２８８】
細胞の合流する層（ｃｏｎｆｌｕｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｃｅｌｌｓ）は、集合的で機械的な動作に導き得る相互作用を或る程度有すると期待される。種々の好ましい実施例で、本発明の方法とシステムは、例えば、本発明により得られた位相画像の異なる点間の相互相関関係を求める（ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）ことによりこの相互作用（ｍｕｔｕａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を調べるために使われる。
【０２８９】
本発明の好ましい実施例により提供される位相画像形成は又、例えば、刺激（ｓｔｉｍｕｌｉ）への応答の様な、細胞の速い動力学的過程（ｆａｓｔ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）について情報を提供するため使われ得る。例えば、細胞容積調整（ｃｅｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）の様な過程は生物化学的刺激への活きた細胞の応答である。この応答用の時間的尺度はミリ秒から分までのどこかにあってもよく、本発明のシステムと方法の好ましい実施例を用いて高精度で測定可能であるべきである。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは生物化学的刺激への細胞の応答を調べ、該細胞構造｛例えば、細胞骨格（ｃｙｔｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）｝の機械的特性を測定するため使われる。
【０２９０】
種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、例えば、細胞内部の細胞器官輸送（ｏｒｇａｎｅｌｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｃｅｌｌ）の現象の理解にみならず、人工バイオ材料（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ）の創生に於いても、重要な意味を有する細胞構造情報を調べるため使われる。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、例えば、それらを該細胞及び細胞物質の機械的特性と関係付けるために、例えば、該細胞膜を刺激するために機械的振動を使いそして該細胞膜の振動の振幅を測定することにより、細胞構造を調べるために使われる。伝統的に、この運動を励起するために磁性の又はトラップされたビーヅ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｒ ｔｒａｐｐｅｄ ｂｅａｄｓ）が使われる。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、機械的振動を励起するための磁性又はトラップされたビーヅ、機械的励起（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｘｃｉｔａｔｏｉｎ）を引き起こすための１０−１５秒のレーザーパルスの光子圧力（ｐｈｏｔｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ａ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ）、又は両者、を使って細胞構造を調べるために使われる。
【０２９１】
１つの重要な種類の応用は、細胞器官（ｃｅｌｌ ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ）の細胞内組織とダイナミックスの調査である。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは細胞内部の種々の粒子の輸送を調べるために使用される。
【０２９２】
生物学的調査の多様性に加えて、本発明の好ましい実施例は、例えば、半導体ナノ構造（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）の調査の様な、工業的応用に好適である。半導体産業はナノ加工過程（ｎａｎｏ−ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）中でのウエーハ品質の速く、高信頼性の評価に欠ける。種々の実施例では、本発明の方法とシステムは、例えば、定量的な仕方で、半導体構造についてのナノメーター規模の情報を提供するため使われる。好ましい実施例では、ナノメーター規模の情報が約１秒の桁の測定（ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ａ ｓｅｃｏｎｄ）で提供される。
【０２９３】
図５６は本発明により空間光変調（ＳＬＭ）を利用する位相差顕微鏡検査システム１６００の１実施例を図解する。１６００で図解される該システムは反射構造及び透過構造の両者を使うことが出来る。加えて、該システムは校正サブシステムを備える。
【０２９４】
図５６を参照すると、１対のレンズ、対物レンズＬ１１６０７とチューブレンズＬ２１６０６がミラー１６１３を使ってサンプル１６１０を面Ｐ１６１２に画像形成する。該画像形成は、例えば、光フアイバーカップラー（ＦＣ）１６１４と第１光フアイバー１６１６とを通して第１照明源１６２０｛ここではヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザー源として図解される｝からの光を該サンプル１６１０へ結合することにより透過構造を使って行われ得る。該画像形成は又、例えば、該エフシー１６１４と第２光フアイバー１６２２を通して、第２照明源１６２４からの光を結合し、該第２照明源１６２４（ここではＳＬＤとして図解される）から該サンプル１６１０上へ光を導くよう第１ビームスプリッター１６２６を使うことにより反射構造を使って行われ得る。
【０２９５】
レンズＬ３１６３０は該画像のフーリエ変換を第１空間光変調器（ＳＬＭ）１６３２上へ形成するよう使われる。該ＳＬＭ１６３２は制御可能な位相シフトδを該入射ビーム１６３４の中央ゾーンに適用するよう使われる。１実施例では、該レンズＬ３１６３０は第２ビームスプリッター１６３８を使って最終画像を第１検出器１６３６（ここではＣＣＤとして図解される）上に創る４−ｆシステムの第２レンズとして役立つ。１実施例では、図５６に図解されるシステムは更に、例えば、図４９に略図により図解された様な第２の４−ｆシステムを含む。図５６の該システムは又該ＳＬＭの校正用に校正サブシステムを有する。校正光の通路は波線１６４０で略図により図解され、一方照明光と画像形成される光の通路は実線１６４２により略図式に図解されている。該校正サブシステムは、レンズＬ４１６５２とＬ５１６５４の対を使って第１ビームスプリッター１６２６からの光の１部分を集め、該光を偏光子ＰＣ１６５６を通すが、該偏光子は該ＳＬＭ動作を位相モードと振幅モードの間でスイッチするよう使われ得る。校正用には、該ＳＬＭ１６５８は０から２πまでの位相シフトを通して振幅モードで走査され、最終の位相シフトされた光はそれが該偏光子を通って戻る時減衰させられる。次いでこの光はレンズＬ６を通して集められ、検出器１６６４上に焦点合わせされる。
【０２９６】
種々のデバイスと計画が図５６のシステムを制御し、位相画像を校正するため使われ得る。１実施例では、第１制御ユニットＰＣ１１６７０が該第１検出器１６３６による画像取得で使われ、第２制御ユニットＰＣ２１６７２が、第１及び第２ＳＬＭ１６３２，１６５８を制御し、オッシロスコープ１６７４を通して該検出器１６６４からデータを集めるために、使われる。該制御ユニットＰＣ１，ＰＣ２は別々のユニット又は１つのユニットとすることが出来る。例えば、ＰＣ１とＰＣ２は別々のコンピュータ又は同じコンピュータとすることが出来て、該制御ユニットは該制御ユニットの機能を行うよう適合されたアナログ及び／又はデジタル回路を含むことが出来る。
【０２９７】
種々の実施例では、本発明のシステムと方法は、例えば、マイクロレンズ（ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ）を使うダイナミックフォーカス（ｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｃｕｓ）を有する。種々の実施例では、本発明のシステムと方法は、例えば、サンプル上の２つ以上の点を同時に画像形成するためにパラレルフォーカス（ｐａｒａｌｌｅｌ ｆｏｃｕｓ）を有する。種々の実施例では、本発明のシステムと方法は、例えば、深度で幾つかの点に同時にアクセスするためにコヒーレンス機能シェーピング（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｈａｐｉｎｇ）を有する。
【０２９８】
空間光変調を利用する本発明の位相差顕微鏡検査システムは２つのモードで動作し得る。以下で“振幅モード（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｅ）”と称される第１モードでは、フーリエフイルタリング（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）が得られ、校正が行われる。以下“位相モード（ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅ）”と称される第２モードでは、光の波頭（ｗａｖｅｆｒｏｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ）が再生（ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ）され、位相画像形成が行われる。
【０２９９】
種々の実施例の該“位相モード”では、該ＳＬＭの前には偏光子は無くて、光は該ＳＬＭの高速軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）と整合される。入射光は、例えば、該ＳＬＭ上のアドレスされた値により位相シフトされる。
【０３００】
該“振幅モード”では、偏光子が該ＳＬＭの前に置かれる。該ＳＬＭへの入射光は位相シフト（例えば、該“位相モード”に於ける様に）され、該偏波は回転される。該光が該ＳＬＭから反射されると、それは該偏光子を通って戻り、該信号は減衰させられる。従って、該ＳＬＭ位相シフトに基づき振幅の校正された減少がある。
【０３０１】
図５７Ａと５７Ｂは振幅モード１７００と位相モード１７５０での画像の画素上への電気光学的効果を略図により図解するが、そこではＥｉの１７０２，１７５２は入射波頭の電場の投影であり、ｓ軸１７０４，１７５４は該ＳＬＭの低速軸（ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）であり、ｆ軸１７０６，１７５６は該ＳＬＭの高速軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）である。
【０３０２】
図５８Ａ−５８ＣはＳＬＭモードの動作の種々の実施例のブロック線図１８００，１８５０，１８５５である。図５８Ａは位相画像形成用のセットアップの普通の動作モードを図解し、そのＳＬＭ動作を描く。ＲＧＢ１８０２は該ＳＬＭを制御する制御ユニット、例えば、コンピュータ、により得られるグレイスケール値（ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ ｖａｌｕｅ）である（ＲＧＢ対ψは校正で決定される）。ＲＧＢは電圧に変換され、該ＳＬＭ１８０４上の画素へアドレスするため使われる。入射光１８０６に位相シフトを与えるために、その電圧が、例えば、該ＳＬＭ上の液晶に印加される。校正は振幅モードで得られる。図５８Ｂは校正で起こる変換を図解する。輝度は、例えば、光検出器の様な、検出器１８５２を使ってグレイスケール画像の関数として取得される。グレイスケール画像の関数としての輝度は次いでグレイスケール１８５４の関数としての位相に変換される。図５８Ｃは制御−位相モード（ｃｏｎｔｒｏｌ−ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅ）を図解し、如何に、種々の実施例で、該校正値ψ（グレイスケール）がＳＬＭ制御と該ＳＬＭにより誘導される物理的位相シフトとの間の関係に変えられるかを図解する。これから、例えば、機器用ルックアップ校正テーブルを創ることが出来る。グレイスケールの関数としての位相は次いでグレイスケール画像１８５６（例えば、コンピュータ上の表示のために）を発生するよう使われ、該ＳＬＭにより引き起こされた位相シフト１８５８と組み合わされる。
【０３０３】
図５９は振幅モードで操作される機器用に得られた校正曲線１９００の例である。該校正曲線１９００は、ラディアンの単位での位相シフト対該ＲＧＢ値の単位でのグレイスケール１９０４をプロットする。得られた最終曲線１９０６は校正ルックアップテーブルのフオーマットで該ＳＬＭのコンピュータ制御と該ＳＬＭにより誘起される物理的位相シフトとの関係を示す。図５９は校正ルックアップテーブルとして役立つ。該曲線１９０６内のカットオフ１９０８は該位相のラッピング（ｗｒａｐｐｉｎｇ）である。
例
本発明の透過構造が使われた例が提供されそして本発明の反射構造が使われた例が提供される。例えば、図６２−６６Ｂに現れる回転のラップされない表記は２π曖昧性が除去されたことを示す。
例１：校正されたサンプルの位相画像形成（Ｐｈａｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａ Ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ Ｓａｍｐｌｅｓ）
この例では、良く校正されたサンプルが調べられ、本発明がナノメーター（ｎｍ）規模で定量的情報を提供できることを図解する。該サンプルはガラス基盤上への金属蒸着から
成り、続いてエッチングが行われたものである。金属蒸着パターンは数字の８の形であり、該金属層の厚さはナノプロフイロメーター（ｎａｎｏ−ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）で測定されて、約１４０ｎｍであった。
【０３０４】
図６０Ａ−６０Ｄは反射構造を使うシステムについて４つの異なる位相シフトδで得られた画像を示す。図６０Ａはδ＝０の画像２０００，図６０Ｂはδ＝πの画像２２００，図６０Ｃはδ＝π／２の画像２４００、そして図６０Ｄはδ＝３π／２の画像２６００である。
【０３０５】
図６１は電場Ｅベクトル２１０２と、該場の高周波の波ベクトル成分、ＥＨと、該場の低周波の波ベクトル成分、ＥＬと、の間の関係２１００を略図で図解する。図６１で図解される様に、ｙ−軸２１１０とｘ−軸２１１２はＣＣＤ画素寸法を表す。その位相ψはその対象の“真の（ｒｅａｌ）”位相である。
【０３０６】
図６２は、例えば、図６０Ａ−６０Ｄで図解される様なデータと式５５を使って発生される校正されたサンプル２２００のΔψ画像である。図６２ではｙ−軸２２０２及びｘ−軸２２０４の両者は該ＣＣＤ上の画素の単位である。図６２の右にあるスケールバー２２０６はラディアンでΔψを表す。
【０３０７】
図６３は本発明のシステムと方法を使って校正されたサンプル２３００の位相画像である。図６３は式５６と、図６２で図解される様なデータと、を使って発生された。図６３は又、式５５及び５６と、図６０Ａ−６０Ｄで図解される様なデータと、を使っても発生され得る。ｙ−軸２３０２とｘ−軸２３０４、はＣＣＤ画素の単位で示され、垂直のスケールバー２３０６はｎｍの単位である。
【０３０８】
図６３で図解される様に、蒸着された金属パターン２３１０の高さが正しく回復されることが見られ、それは定量的特徴情報を提供する本発明のシステムと方法の能力を図解する。位相画像２３００内に存在するノイズは大抵は記録用に使われる低品質（８ビット）カメラのためである。
例２：位相グレイティングの位相画像形成（Ｐｈａｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａ Ｐｈａｓｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）
図６４は透過構造を使って得られた、公称１０μｍ幅と公称２６６ｎｍ深さの溝を有する位相グレイティング（ｐｈａｓｅ ｇｒａｔｉｎｇ）の位相画像２４００を示す。図６４でｚ軸２４０２はｎｍの単位に、ｙ軸２４０４及びｘ軸２４０６はＣＣＤ画素の単位になっている。垂直のスケールバー２４０８も又ｎｍの単位になっており、それは該位相画像２４００から深さ（ｚ軸寸法）を決定するのを更に容易化するため提供される。
例３：玉葱細胞の位相画像形成（Ｐｈａｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ Ｏｎｉｏｎ Ｃｅｌｌｓ）
この例では、玉葱細胞が本発明の透過構造を使って位相画像形成された。該玉葱細胞の輝度画像２５００が図６５で示す位相画像２５５０と比較するために図６５で示される。図６５と図６６の両者で、ｙ軸２５０２，２５５２とｘ軸２５０４，２５５４はＣＣＤ画素の単位になっている。図６６のスケールバー２５５６はｎｍの単位になっている。
【０３０９】
該輝度画像、図６５、は低周波及び高周波成分間に位相シフトが無く、δ＝０である、最初に取得されたフレームを表す。図６５と６６の比較により示される様に、定例の顕微鏡（輝度）画像、本発明により得られる位相画像に比して非常に低いコントラストを有する。図６６で見られる様に、該コントラストは位相画像では大幅に向上し、該細胞の遙かに精細な構造が区別出来る。加えて、該位相画像内の情報はｎｍレベルの精度で定量的であり、該細胞を通過する場の光路長で決まる条件（ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ−ｌｅｎｇｔｈ）で変換され得る。この種の情報は普通の光学顕微鏡検査に比較
してのみならず、従来の位相差顕微鏡検査及びノマルスキー顕微鏡検査と比較しても大幅な改良を表す。
【０３１０】
本発明の好ましい実施例は位相画像形成機器を開発するために、低コヒーレンス光学画像場を相互に対し位相を制御可能にシフトされ得る２つの異なる空間成分へコヒーレント式に分解することの使用を含む。該技術は典型的光学顕微鏡を、高精度とλ／５，５００の感度とにより特徴付けられる定量的位相顕微鏡（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に変換する。活きた生物学的細胞に関し得られた結果は、本発明の好ましい実施例の機器が生物学的構造とダイナミックスの定量的調査用に大きな可能性を有することを示唆する。
【０３１１】
位相コントラスト型（Ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ） 及び差動干渉コントラスト型（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ）（ＤＩＣ）顕微鏡検査はサンプルの準備仕立て無し（ｗｉｔｈｏｕｔ ｓａｍｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ）に透明な生物学的構造の高コントラスト輝度画像を提供することが出来る。光の位相に符号化された構造情報は干渉過程を通して検索される。しかしながら、両技術が横断（ｘ−ｙ）面内でサンプルの構造を表すが、縦（ｚ）軸上に提供される情報は概して質的である。
【０３１２】
前にここで説明した様に、位相シフト干渉計測はごく幾らかの間は位相サンプルの定量的度量衡（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）で使われて来て、種々の干渉計的技術が提案されて来た。何れの干渉計にも本来存在する空気の動揺（ａｉｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）と機械的振動による位相ノイズは光の場に付随する位相の定量的検索を実際には特に挑戦的にさせる。好ましい実施例はこの障碍を克服する関連付けられた波長を有する。
【０３１３】
更に、放射照度輸送方程式（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ）に基づく非干渉計技術が、時間のかかる数値計算を費やして完全場位相画像形成用に提案されて来た。レーザー放射を用いた空間光変調を使うと、λ／３０感度の位相画像も得られた。自動位相シフトを用いてデジタル式に記録される干渉顕微鏡検査（Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ）（ＤＲＩＭＡＰＳ）は従来の干渉顕微鏡を利用し、生物学的サンプルの位相画像を提供する方法である。ＤＲＩＭＡＰＳでは、どんな位相測定技術の感度をも究極的に制限する位相ノイズに対し何も予備的注意を払わないが、細胞生物学での応用でのこの機器の可能性が示された。
【０３１４】
本発明の好ましい実施例は生物学調査用の新機器としての低コヒーレンス位相顕微鏡（ｌｏｗ−ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＬＣＰＭ）を含む。該技術は従来の光学顕微鏡を、非常に良い精度と極端に低ノイズで特徴付けられる定量的位相顕微鏡に変換する。該技術の原理は光学画像に付随する場を、その空間的平均値と、相互に対し制御可能に位相をシフトされ得る空間的に変化する場と、にコヒーレントに分解することに依存する。Ｅ（ｘ、ｙ）を関心のある空間的ドメイン上で静止すると仮定する複素画像場（ｃｏｍｐｌｅｘ ｉｍａｇｅ ｆｉｅｌｄ）としよう。この場は下記の様に表され、
Ｅ（ｘ、ｙ）＝Ｅ０＋Ｅ１（ｘ、ｙ） （５７）
ここでＥ０はＥの空間的平均値、Ｅ１は該空間的に変化する成分とする。かくして、任意の画像が平面波（平均場）と空間的に変化する場との間の干渉現象の結果と見なされ得る。中心縦座標定理（ｃｅｎｔｒａｌ ｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｈｅｏｒｅｍ）の結果として、Ｅ０とＥ１は画像の各点で、フアイルされたＥ（ｆｉｌｅｄ Ｅ）のゼロ及び高空間周波成分（ｚｅｒｏ− ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）と同化（ａｓｓｉｍｉｌａｔｅｄ）され得る。その結果、これら２つの空間成分は容易に分離され、フーリエ分解を行うことにより独立に位相変調され得る。
【０３１５】
実験的セットアップが図６７に描かれる。倒立顕微鏡（ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）｛アキシオバート３５、ツァイス社（Ａｘｉｏｖｅｒｔ ３５， Ｚｅｉｓｓ Ｃｏ．）｝が該画像面ＩＰにサンプルを画像形成するため使われる。スーパールミネッセントダイオードにより放射される該低コヒーレンス場（例えば、λ０＝８２４ｎｍでバンド幅Δλ＝２１ｎｍ又は代わりにλ０＝８０９ｎｍでΔλ＝２０ｎｍの様に、範囲８００−８５０内に中心波長を有する）が透照（ｔｒａｎｓｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）用に使われる。照明場の完全な空間的コヒーレンスを保証するために、その光は単一モードフアイバー内へ結合され、次いでフアイバーコリメーターによりコリメートされる。その画像から現れるレイトレース（ｒａｙ ｔｒａｃｅｓ）は非屈折光（ｕｎｄｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ）と高空間周波成分とを点線と実線で示し、それらはそれぞれ場Ｅ０とＥ１に対応する。該画像場を式５７で記述されるその成分に分解するために、フーリエレンズＦＬ（５０ｃｍ焦点距離）が画像面ＩＰから焦点距離離れて置かれる。図６７で、ＩＰに形成される顕微鏡画像は、照明用に使われる光フアイバーの端部の顕微鏡画像に過ぎない仮想点源｛ブイピーエス（ＶＰＳ）｝により照明されるように見えることが分かる。従って、ＦＬの後部焦点面に該画像場の（位相と振幅で）正確なフーリエ変換を得るために、該面ＩＰに修正レンズＣＬが置かれた。ＣＬの焦点距離は該ＶＰＳが無限大に画像形成されるようになっており、かくしてサンプルの新画像はその位置と拡大率を保存し、一方それは平面波により照明されるように見える。ＦＬの該フーリエ面では、ゼロ空間周波成分Ｅ０は光軸上に焦点合わせされ、一方高周波成分Ｅ１は軸を離れて分布する（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｏｆｆ−ａｘｉｓ）。Ｅ０とＥ１の間の位相遅延を制御するために、該フーリエ面内にプログラム可能な位相変調器｛ピーピーエム（ＰＰＭ）｝｛ハママツ社（Ｈａｍａｔｓｕ Ｃｏ．）｝が置かれる。該ＰＰＭは光学的にアドレスされる、２次元液晶配列から成るが、該配列は複屈折の特性により、その面により反射される光の位相の精密な制御を提供する。該ＰＰＭ面上の最小アドレス可能範囲は２０×２０μｍ２又は代わりに２６×２６μｍ２である、一方位相制御のダイナミックレンジは１波長又は２πに対し８ビットである。該液晶の主軸に対する偏光子Ｐの配向により、該ＰＰＭは入射場の位相（動作の位相モード）又は振幅（振幅モード）を空間的に分解能のある仕方（ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍａｎｎｅｒ）で修正出来る。該ＰＰＭで反射された光はＦＬを通って戻るよう進み、ビームスプリッターＢＳ上で反射後、ＩＰの共役位置（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に置かれたＣＣＤで集められる。かくして、ＰＰＭ変調がない場合、ＩＰに於ける画像の正確な位相と振幅のレプリカがＣＣＤにより記録される。高い空間周波成分の位相がπ／２の４つのステップで次々とインクレメントされ、最終放射照度分布が該ＣＣＤにより記録され得る。該ＰＰＭ上の該位相変調と該ＣＣＤの取得速度は、例えば、ラブビュー（Ｌａｂ ＶＩＥＷ）｛ナショナルインスツルメント（Ｎａｔｉｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）｝を使って、コンピュータＰＣにより同期化される。標準的４フレーム位相シフト干渉計検査を使って、Ｅ１とＥ０の間の位相差Δφが測定され得る。関心のある量である該画像場に付随する空間位相分布は下記表現を有することが示される。
【０３１６】
【数３９】
【０３１７】
式５８で、係数βは２つの場成分の振幅比を表し、β（ｘ、ｙ）＝｜Ｅ１（ｘ、ｙ）｜／｜Ｅ２｜である。該パラメーターβは該２つの空間周波成分を選択的にフイルターするλ／２波面（振幅モード）として該ＰＰＭを操作して測定される。かくして、式５８を使って、与えられた透明サンプルの空間位相分布は一意的に検索され得る。フーリエ面内で軸上変調される範囲（ｏｎ−ａｘｉｓ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ａｒｅａ）の最適値は１６０×１６０μｍ２であると見出される、一方同じ面に於いて該光学システムに付随するＦＷＨＭ輝度ベースの回折スポットは約１００μｍの直径を有する。式５８の数値計算は仮想的に瞬時であるので、位相画像検索の速度は、実施例では８Ｈｚである該ＰＰＭのレフレッシュ速度によってのみ限定される。しかしながら、該技術の全体的速度は可能性としては、強誘電性液晶（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）の様な、他の空間変調器を使って高められ得る。
【０３１８】
定量的位相画像形成用としてのその可能性を展示するために、ＬＣＰＭ技術が種々の標準サンプルを調べるために適用された。図６８Ａと６８Ｂはポリスチレン微小球の画像形成から得られた、この様な測定の例を示す。該粒子の直径は、製造者｛ジュークサイエンチフイック（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）｝により提供されたところの、３±０．０４５μｍであった。透明な生物学的サンプルをより良くシミュレートするために、該球は１００％グリセロール（ｇｌｙｃｅｒｏｌ）内に浸され、２枚のカバースリップ間にサンドウイッチにされた。該粒子と該周囲媒体の間で達成された屈折率コントラストはΔｎ＝０．１２であった。該ＰＰＭ上の変調無しに、典型的透過輝度画像が得られ、それは図６８Ａで示される。この画像のコントラストは該サンプルの透明さのために非常に不充分である。図６８Ｂは上記で概説された手順で得られたＬＣＰＭ画像を示す。ここで、得られたコントラストは実質的により高い、一方第３次元（ｚ軸）は該サンプルの厚さについて定量的情報を提供する。図６８Ｂで示す球の中心を通してのプロフアイルを使って、対応する直径から得られた値は２．９７±７．７％であり、それは製造者により示された値と良く合致する。現在の誤差はビーム品質の不完全さと溶液中にある起こり得る不純物によるかも知れない。
【０３１９】
該ＬＣＰＭ機器は更に活きた生物学的細胞を位相画像形成するため使われた。図６９Ａは有糸分裂の最終段階中のヒーラー癌細胞（Ｈｅｌａ ｃａｎｃｅｒ ｃｅｌｌ）の定量的位相画像を示す。該細胞が培養媒体により囲まれ、画像形成前に何等の追加的用意無しに典型的培養条件で活きていることは注意されるべきである。生物学的細胞を通して伝播する場により蓄積される位相遅延は該細胞の非水性質量（ｎｏｎ−ａｑｕａｏｕｓ ｍａｓｓ）に比例することは前以て示された。かくして、定量的位相画像は、有糸分裂、細胞成長、そして死の様な、細胞生理学の種々の段階中で自動細胞運動解析（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｅｌｌ ｋｉｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ）での重要な応用を見出す筈である。
【０３２０】
全血スミア（ｗｈｏｌｅ ｂｌｏｏｄ ｓｍｅａｒ）の位相画像が図６９Ｂで示されている。該サンプルは、健康なボランチアからの新鮮な全血の小滴を２枚のカバースリップ間に簡単にサンドウイッチすることにより用意された。赤血球細胞｛アールビーシー（ＲＢＣ）｝の良く知られた円盤状の形状が回復されることが見られる。血漿（ｐｌａｓｍａ）に対するヘモグロビンの屈折率を考慮した簡単な解析は細胞の容積について定量的情報を容易に提供出来る。該ＲＢＣ解析でのこのレベルの詳細は現在は電子顕微鏡検査及び原子間力顕微鏡検査（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）にだけアクセス可能である。光学的、非侵襲性の技術は病理学的選別用の高速な手順を提供する可能性があるが、それは該アールビーシー形状は屡々細胞健康の良い指示体（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）であることが良く知られているからである。加えて、本発明の好ましい実施例のこの技術は、血液凝固に責任がある、ＲＢＣ膜及び周囲タンパク質の複合したダイナミックな特性をモニターすることが出来る。
【０３２１】
該機器の位相ノイズに対する安定性をアセスし、究極的には、その感度を定量化するた
めに、培養媒体のみ（無細胞）を良く含む細胞が、１５ｓの間隔で、１００ｍｉｎの時間に亘り画像形成された。図６９Ｃは視野内に含まれる点に付随する時間的位相変動（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｐｈａｓｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）の例を示す。その位相値は０．６×０．６μｍ２の範囲に亘る平均であったが、それはその顕微鏡の横解像度限界を表す。この変動の標準偏差は０．１５ｎｍの値を有し、それはλ／５，５００と等価である。この結果は該ＬＣＰＭ機器の注目すべき感度を証明する。我々の機器を特徴付ける極度に低いノイズは、２つの干渉する場が空間的に重畳する光路上を進み、干渉項で結果的に打ち消す同様な位相ノイズに影響される事実により説明され得る。レーザー放射に相対する低コヒーレンス場の使用は、種々の部品上での多数反射により作られる起こり得るフリンジが除去されると、該方法の感度に寄与する。
【０３２２】
かくして、本発明の好ましい実施例は低コヒーレンス位相顕微鏡を含むが、該顕微鏡は高い精度とλ／５，５００レベルの感度で特徴付けられる。活きた癌及び赤血球細胞に関する予備的結果は、該装置と方法が生物学的システムの構造及びダイナミックスの調査用の価値あるツールとなる可能性を有することを示唆する。該システムのセットアップに従来の光学顕微鏡を組み込むことにより、本発明の好ましい実施例の機器は高い多用途性と特別な使い易さにより特徴付けられる。
【０３２３】
請求項はその結果向けに表明されない限り、説明された順序又は要素に限定されるよう読まれるべきでない。従って、付記する請求項とその等化物の範囲と精神内に入る全ての実施例は本発明として請求される。
【図面の簡単な説明】
【０３２４】
【図１】本発明により光学的距離を測定する本システムの好ましい実施例の線図の略図である。
【図２】好ましい実施例の反射インターフエースに付随する低コヒーレンスヘテロダイン信号を図解しており、該低コヒーレンス波長の調整が該インターフエース付近で該ヘテロダイン信号を（該低コヒーレンス源の中心波長の調整方向により）圧縮するか又は膨張させる。
【図３】好ましい実施例のサンプル内の２つの反射インターフエースに付随するヘテロダイン信号を図解しており、該低コヒーレンス波長の減少は該インターフエース付近のヘテロダイン信号を圧縮する。
【図４】本発明の好ましい実施例の２つのインターフエースを有するサンプルの走査を図解し、（ａ）は低コヒーレンスヘテロダイン信号、（ｂ）はトレースであり、そこでは拡大図が位相フリンジを示し、各フリンジはλＣＷの光学的距離に対応しており、（ｃ）はΔの２つの差値でのトレースであり、そこでは矢印は位相交叉点を示し、垂直軸の単位はラディアンである。
【図５】本発明の好ましい実施例のＳｐｈａｓｅ及びＳｆｒｉｎｇｅに基づく見積間の誤差を最小化する値を選ぶことにより測定される（ｎ７５５ｎｍＬ）の正しい見積を決定する方法を図解する。
【図６Ａ−６Ｂ】本発明の好ましい実施例の光学的距離を測定する方法を図解するフローチャートである。
【図７】本発明の光学的距離を測定するシステムの代わりの好ましい実施例の線図の略図である。
【図８Ａ−８Ｂ】本発明の好ましい実施例の光学的距離を測定する代わりの方法を図解するフローチャートである。
【図９】ガラススラブ、組織サンプル又は層の様な光学的に透過性の材料の厚さを測定するフアイバーベースのシステムの好ましい実施例を略図により図解する。
【図１０】本発明の硝子体液及び／又は房水によるブドウ糖測定システムで使われる本発明のシステムの好ましい実施例を図解する。
【図１１】本発明の好ましい実施例の、能動的に安定化されたマイケルソン干渉計を図解しており、Ｍはミラー、ＭＭは移動ミラー、ＢＳはビームスプリッター、ＰＭは位相変調器、Ｄは検出器、ＬＯはローカル発信器源、ＭＸはミキサーそしてＳは加算増幅器である。
【図１２】本発明の好ましい実施例の光学的遅延位相感応型低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）用の安定化された干渉計を図解しており、ＤＢＳはダイクロイックビームスプリッターである。
【図１３】光路長差ΔＬが本発明の好ましい実施例により変わる時の、１対のインターフエース用のサンプルの復調された干渉パターンを図解する。
【図１４Ａ】安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）用システムを図解しており、エルシー１とエルシー２は本発明の好ましい実施例による低コヒーレンスビームである。
【図１４Ｂ】本発明の好ましい実施例により位相シフトを発生するようピエゾ電気変換器を使い能動的に安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）のためのシステムの代わりの実施例を図解する。
【図１５Ａ−１５Ｂ】エルシー１及びエルシー２用の復調されたフリンジパターンであり、該エルシー２信号の２つのピークは本発明の好ましい実施例によるカバースリップ反射（小さい）とサンプルから反射（大きい）とを表す。
【図１６】本発明の好ましい実施例による安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査のための画像形成システムを図解する。
【図１７】２次元の位相画像形成用の折り畳まれない光学的設計を図解しており、実線は入射光線を示し、一方波線は本発明の好ましい実施例による後方散乱光線を示す。
【図１８Ａ】本発明の好ましい実施例による２点マッハツエンダーヘテロダイン干渉計を図解する。
【図１８Ｂ】本発明の好ましい実施例による画像形成マッハツエンダーヘテロダイン干渉計を図解する。
【図１８Ｃ】図１８Ｂに関連して説明される実施例に付随するヘテロダイン及びゲート信号を図解する。
【図１８Ｄ】本発明の好ましい実施例による画像形成双ビームヘテロダイン干渉計を図解する。
【図１９】本発明の好ましい実施例による分離双ビームヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を図解する。
【図２０】本発明の好ましい実施例による双基準ヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を図解する。
【図２１】本発明の好ましい実施例による光学的基準化干渉計の好ましい実施例を図解する。
【図２２】本発明の好ましい実施例によりサンプル対象と同じ面（ガラス）上への基準点の配置で生じる被測定位相成分を略図的に図解する。
【図２３Ａ−２３Ｂ】本発明の好ましい実施例により図２１に関連して図解される実施例用に、それぞれ、ピエゾ電気変換器（ＰＺＴ）電圧及び対応する位相変化をグラフ式に図解する。
【図２４】図２１で図解される干渉計のノイズ性能をラディアンでグラフ式に図解する。
【図２５Ａ−２５Ｂ】本発明の好ましい実施例によりサンプル及び基準信号用の校正セットアップの略図による表現である。
【図２６】本発明の好ましい実施例による干渉計システムの好ましい実施例を略図により図解する。
【図２７】本発明の好ましい実施例により神経変位を測定するシステムの線図の略図を図解する。
【図２８Ａ−２８Ｂ】本発明の好ましい実施例により時間（ｍｓ）に対する神経変位（ｍｍ）及び電位（μＶ）をグラフ式に図解する。
【図２９】本発明の好ましい実施例の可変式刺激電流振幅と共に、１つの神経用のピーク電位（クロス）及び変位（円）をグラフ式に図解する。
【図３０】本発明の好ましい実施例による双ビーム干渉計用走査システムの光学的レイアウトを図解する。
【図３１】本発明の好ましい実施例でリサジュー走査を用いて空のカバーガラスから集められたガルバノメーター位置及び位相データを図解する。
【図３２Ａ−３２Ｂ】本発明の好ましい実施例により、それぞれ、図３１で示され、グラフ式に図解されたデータを用いた位相画像と、後方反射の輝度画像と、のカラーマップを図解する。
【図３３】本発明の好ましい実施例により克服された焦点合わせ問題を略図により図解する。
【図３４】本発明の好ましい実施例による２焦点レンズ用の設計を図解する。
【図３５】本発明の好ましい実施例による２焦点レンズ用の代わりの設計を図解する。
【図３６】本発明の好ましい実施例によるレンズｆ３（２焦点型）及びｆ２の間の光学的距離の計算を図解する。
【図３７】本発明の好ましい実施例による２焦点レンズの製造を図解する。
【図３８】対物レンズが本発明の好ましい実施例のガラスカバースリップの方へ走査される時、光学的サーキュレーターを通して測定される後方反射輝度を図解する。
【図３９】本発明の好ましい実施例の２焦点レンズｆ３を使い対物レンズ焦点位置に対する後方反射輝度を図解する。
【図４０】本発明の好ましい実施例の両方のカバーガラス反射を有する２焦点レンズを使い対物レンズ焦点位置に対する後方反射輝度を図解する。
【図４１】ｆ２とｆ３の間に距離が前及び後ガラス面の間の隙間にマッチするよう調整された時、本発明の好ましい実施例による両カバーガラス反射を有する２焦点レンズを使い対物レンズ焦点位置に対する後方反射輝度を図解する。
【図４２Ａ−４２Ｂ】図４２としてまとめて称されて、本発明の好ましい実施例の光学システム内で軸部及び周辺部両ビームの結合により生ずる特別に小さいピークを図解する。
【図４３Ａ】本発明の好ましい実施例の必須要素として基準面を有する双ビームプローブを図解する。
【図４３Ｂ】双ビーム干渉計プローブのもう１つの好ましい実施例である。
【図４３Ｃ】２つの神経繊維の画像である。
【図４３Ｄ】位置の関数としてのヘテロダイン信号振幅の画像である。
【図４３Ｅ】図４３Ｄで見られたと同じサンプルの反射位相画像である。
【図４４】本発明の好ましい実施例により活動電位中に神経内に観察される変位効果の形状を調べるために適用される双ビームプローブの略図による図解である。
【図４５】本発明の好ましい実施例によりプローブか又はサンプルか何れかを走査することにより画像形成するための双ビームプローブシステムである。
【図４６Ａ−４６Ｃ】本発明の好ましい実施例による２焦点双ビーム顕微鏡を使って、乾燥したヒトの頬の上皮細胞からの後方散乱光の輝度画像、位相画像そして明るい場の画像を図解する。
【図４６Ｄ−４６Ｇ】図４３で図解された双ビーム顕微鏡のプロフアイル計測能力（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を図解しており、図４６Ｄは図４６Ｅで図解される平凸システムのレンズの中央部分の輝度画像であり、図４６Ｆは反射光の位相マップであり、そして図４６Ｇは本発明の好ましい実施例の直角嵌合（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｆｉｔ）で、位相がラップされない（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｅｄ）、位相画像の断面である。
【図４７Ａ−４７Ｅ】本発明の好ましい実施例による、それぞれ位相シフティング干渉計検査システム（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）、位相の段階的処理（ｐｈａｓｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ）及びバケット積分（ｂｕｃｋｅｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、についての略図による線図を図解する。
【図４８Ａ−４８Ｃ】本発明の好ましい実施例による、それぞれストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計検査システム及びバケット積分の原理を図解する。
【図４９Ａ】本発明の好ましい実施例による双ビームのストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計検査を図解する。
【図４９Ｂ−４９Ｃ】本発明の好ましい実施例により静止ガラス面上に焦点合わせされた双ビームプローブについて位相ノイズを示すデータを図解する。
【図５０Ａ】別々の通路からの光が共通の通路に沿って導かれ、測定下の材料の種々の領域上で焦点合わせされたもう１つの好ましい実施例を図解する。
【図５０Ｂ】図５０Ａのシステムを使う双ビームシステムの好ましい実施例である。
【図５０Ｃ】図５０Ｂで図解されたシステム内の偏波成分に関する詳細を提供する。
【図５１Ａ−５１Ｄ】本発明の好ましい実施例による画像のこの様な説明の種々の特徴の略図による表現である。
【図５２】透過構造に基づく本発明の好ましい実施例の顕微鏡検査システムの種々の実施例を略図により図解する。
【図５３】反射構造に基づく本発明の好ましい実施例の顕微鏡検査システムの種々の実施例を略図により図解する。
【図５４Ａ−５４Ｂ】図５４としてまとめて称されて、光学顕微鏡と本発明の種々の実施例を集積化する１つの実施例を略図により図解する。
【図５５】４−ｆシステムを使う本発明のシステム及び方法の種々の実施例を略図により図解する。
【図５６】本発明による空間光変調（ＳＬＭ）を使う位相差顕微鏡検査システムの１実施例を略図により図解する。
【図５７Ａ−５７Ｂ】本発明の好ましい実施例により振幅モード及び位相モードで画像の画素上への電気光学的効果を略図により図解する。
【図５８Ａ−５８Ｃ】本発明の好ましい実施例によるＳＬＭモードの動作の種々の実施例のブロック線図である。
【図５９】本発明の好ましい実施例により振幅モードで動作する機器について得られた校正曲線の例である。
【図６０Ａ−６０Ｄ】本発明の好ましい実施例による反射構造を使うシステム用の４つの異なる位相シフトδで得られた画像を示す。
【図６１】本発明の好ましい実施例により、電場ベクトルＥ及び該場の高周波ベクトル成分、ＥＨ、そして該場の低周波ベクトル成分、ＥＬ、の間の関係を略図により示す。
【図６２】本発明の好ましい実施例により、例えば、図３５Ａ−３５で図解される様なデータと、式５５を使って発生され校正されたサンプルのΔψ画像である。
【図６３】本発明によるシステムと方法を使った例１の校正されたサンプルの位相画像である。
【図６４】本発明の好ましい実施例による透過構造を使って得られた位相画像を示す。
【図６５】本発明の好ましい実施例による玉葱細胞輝度画像を示す。
【図６６】本発明による透過構造を使って画像形成された玉葱細胞位相を示す。
【図６７】好ましい実施例により、実験的セットアップを図解するが、ＶＰＳは仮想点源であり、ＣＬは修正レンズであり、ＩＰは画像面であり、Ｐは偏光子、ＢＳはビームスプリッター、ＦＬはフーリエレンズ、ＰＰＭはプログラム可能な位相変調器、ＣＣＤは電荷結合デバイス、そしてＰＣはパーソナルコンピュータである。
【図６８Ａ−６８Ｂ】１０倍の顕微鏡対物レンズを使って、１００％グリセロール内に浸したポリスチレン微小球に関する好ましい実施例による実験結果を図解しており、図６８Ａは輝度画像であり、図６８Ｂは定量的位相画像である。カラーバーはｎｍで表された位相を示す。
【図６９Ａ−６９Ｃ】４０倍顕微鏡対物レンズを使って得られたエルシーピーエム画像を好ましい実施例により図解しており、図６９Ａは有糸分裂を経るヒーラー癌細胞の位相画像であり、図６９Ｂは全血スミアの位相画像であり、そして図６９Ｃは細胞の無い点に付随する時間的位相動揺（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）である（標準偏差σが示されている）。カラーバーはｎｍで表された位相を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に光の位相測定に関し、特に細胞生理学の研究のみならず半導体部品検査にも使用可能な光学的干渉及び位相測定に関する。
政府援助（ＧＯＶＥＲＮＭＥＮＴ ＳＵＰＰＯＲＴ）
本発明は国立衛生院（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ ｆｏｒ Ｈｅａｌｔｈ）からの補助金番号（Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．）Ｐ４１−ＲＲ０２５９４により、全体的に或いは部分的に援助された。政府は本発明の或る権利（ｃｅｒｔａｉｎ ｒｉｇｈｔｓ）を有する。
【関連出願との相互参照】
【０００２】
本出願は特許文献２の一部継続出願である特許文献１の一部継続出願であり、特許文献３の特典を請求する。上記出願の全内容はそれら全体での引用によりここに組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
位相ベースの光学的干渉計検査技術（Ｐｈａｓｅ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）は、波長以下の距離感度（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を要する光学的距離測定で広く使われる。光学的距離（Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）は屈折率と長さの積として規定される。しかしながら、大抵のこの様な技術は、相互に離れた軸方向走査の干渉縞の決定での困難として規定され得る、２π曖昧さ（２πａｍｂｉｇｕｉｔｙ）又は整数曖昧さ（ｉｎｔｅｇｅｒ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）で整理されるフアイルされて広く知られる課題により制限を受ける。未修整の調波位相ベースの（Ｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ ｂａｓｅｄ）低コヒーレンス干渉計検査（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＬＣＩ）方法は、もしその光学距離がＬＣＩにより測定した差の位相がその２πのラップオーバー（ｗｒａｐ ｏｖｅｒ）を通して追跡され得るよう徐々に増加されるなら、差の光学距離（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）、
【０００４】
【数１】
【０００５】
を決定するため使われ得るものであり、ここでＬは物理的距離、
【０００６】
【数２】
【０００７】
は、それぞれ波長λ１とλ２に於ける屈折率である。例えば、溶液内のＤＮＡ用の
【０００８】
【数３】
【０００９】
を決めるためには、該ＤＮＡ濃度は測定クベット内で徐々に増加させられる。この様な測定アプローチは制御された環境では良く作動するが、そのサンプルに少ない操作性（ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ）しかない状況では実施されることは難しく成る。例えば、該方法は１つが全体を保つよう拘束される材料の固定スラブ（ｆｉｘｅｄ ｓｌａｂ ｏｆ
ｍａｔｅｒｉａｌ）では働かない。
【００１０】
問題は未修整ＬＣＩが、２π曖昧性課題としてここで説明した、相互に離れた軸方向走査の干渉縞（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｉｎｇｅｓ）を告げ得ない事実にある。それは最も位相ベース的な光学干渉計技術（ｍｏｓｔ ｐｈａｓｅ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を悩ます問題である。結果として、これらの技術は光学距離を絶対的に決めることは出来ない。従って、大抵のこれらの技術は、隣接点間又は短時間的インクレメント間の位相比較を通して位相アンラッピング（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）が可能な、連続面の織物組織（ｔｅｘｔｕｒｅ）の評価又は時間に左右される距離変化の検出、の様な応用に使われる。
【００１１】
多くの応用では、サンプルを透過する又はそれから反射される光の位相を定量的に測定することが重要である。特に、生物学的サンプルを透過又はそれから反射される光の位相は活きた又は活きてない細胞での構造と機能の強力なプローブを形成し得る。
【００１２】
干渉計検査（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）は光の位相を測定するための用途の広い技術である。定量的干渉計検査での１つの共通の問題は振動、空気運動、及び熱的ドラフトの様な外乱による位相ノイズへの感受性（ｓｕｓｃｅｐｔａｂｉｌｉｔｙ）である。位相ノイズの問題を解く位相測定用システムのニーヅが残っている。
【００１３】
干渉計検査は標本（ｓｐｅｃｉｍｅｎ）に付随する位相情報へアクセスする１つの方法である。位相差顕微鏡検査及びノマルスキー顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ
ａｎｄ Ｎｏｍａｒｓｋｉ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の様な技術は唯造影剤として光学的位相を使い、その大きさについて定量的情報を提供しない。殆ど透明なサンプルを透過した光の位相を測定するための幾つかの技術は存在する。これらはデジタル的に記録された干渉顕微鏡検査（ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）（ＤＲＩＭＡＰＳ）と、輝度伝達方程式を介した位相プロフアイルの非干渉計測的検出（ｎｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）と、を含む。
【００１４】
反射干渉計検査は使用光の波長より遙かに短い検出（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）が可能である。数分の１ナノメーター以下のスケールでの測定は度量衡学（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）及び微小構造特性化（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）では普通である。しかしながら、生物学的細胞及び組織の様な弱い反射のサンプルでのナノメーター規模の干渉計検査では殆ど研究は行われてない。光学的コヒーレンストモグラフイー（Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、生物学的サンプルで使われる干渉計検査技術は、反射光からの干渉の位相より寧ろ振幅に主として関わり、従って解像度では、典型的に２−２０マイクロメーターである、使用光のコヒーレンス長さに限定される。
【００１５】
位相基準の反射干渉計検査は細胞の単層での容積変化を測定するため使われて来た。使用される調波位相ベース干渉計は２つの源（ｓｏｕｒｃｅ）を要し、比較的ゆっくりしており（５Ｈｚ）、このバンド幅に亘り約２０ｍｒａｄの位相感度を有する。かくして、位相ノイズの問題を解き、種々の画像形成応用の開発に役立つ位相測定用の有効なシステムのニーヅが残っている。
【特許文献１】米国特許出願公開第１０／８２３、３８９号明細書、２００４年４月１３日出願
【特許文献２】米国特許出願公開第１０／０２４、４５５号明細書、２００１年１２月１８日出願
【特許文献３】米国特許仮出願公開第６０／４７９，７３２号明細書、２００３年６月１９日出願
【非特許文献１】Ｄｒｅｘｌｅｒ、Ｗ．ｅｔ．ａｌ、Ｉｎ Ｖｉｖｏ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｅｒ Ｖｏｌｕｍｅ ２４，Ｎｏ．１７、ｐａｇｅｓ １２２１−１２２３
【非特許文献２】Ｃｒｅａｔｈ、Ｋ．、Ｐｈａｓｅ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”、ｉｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．ＸＸＶＩ、Ｅ．Ｗｏｌｆ、Ｅｄ．、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ、１９８８、ｐｐ、３４９−３９３
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の好ましい実施例は、例えば、共通路干渉計検査（ｃｏｍｍｏｎ−ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、位相基準化（ｐｈａｓｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ）、能動的安定化（ａｃｔｉｖｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）及び種々の測定を含むが、それに限定されない、多数の戦略の組み合わせを使って、位相ノイズ（ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）の様な問題を取り組む位相測定用システムに向けられている。実施例は、光で、組織又は小さな生物学的対象の画像形成するための光学的デバイスに向けられている。これらの実施例は、例えば、細胞生理学（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ）及び神経科学（ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ）の分野に応用され得る。これらの好ましい実施例は位相測定と画像形成技術の原理に基づいている。位相測定と画像形成技術を使う科学的動機付けは、例えば、形成異常源（ｏｒｉｇｉｎｅｓ ｏｆ ｄｙｓｐｌａｓｉａ）の画像形成、細胞接合（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、神経伝達（ｎｅｕｒｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）そして遺伝暗号（ｇｅｎｅｔｉｃ ｃｏｄｅ）を使う手順の実施、を、限定せずに、含むマイクロメーター以下のレベルでの細胞生物学から導き出される。細胞以下の構成成分の構造とダイナミックスは、例えば、Ｘ線や中性子線散乱（ｎｅｕｔｒｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を含む現在の方法と技術を使ってそれらの自然な状態（ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｎａｔｉｖｅ ｓｔａｔｅ）で研究することは現在出来ない。対照的に、ナノメーターの解像度を有する光ベースの技術は細胞マシナリー（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）がその自然な状態で研究されることを可能にする。かくして、本発明の好ましい実施例は干渉計検査及び／又は位相測定の原理に基づくシステムを含み、細胞生理学を研究するため使われる。これらのシステムは位相を測定するために光学的干渉計を使う低コヒーレンス干渉計検査（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＬＣＩ）、又は細胞成分自身内の干渉が使われる光散乱分光計検査（ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（ＬＳＳ）、の原理を含むか、又は代わりに、ＬＣＩ及びＬＳＳの原理が本発明のシステムに帰着するよう組み合わされる。
【００１７】
位相測定及び画像形成システム用の好ましい実施例は能動的に安定化された干渉計、分離干渉計（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）、共通路干渉計を含
み、空間光変調（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を使う位相差顕微鏡検査を含み得る。
【００１８】
好ましい実施例では、本発明の方法は、好ましくはナノメーター以下の精度で、任意に長い光学距離の測定用の、精密な位相ベースの技術に向けられる。本発明の好ましい実施例は、調波的に関係付けられた光源、１つの連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）（ＣＷ）そして低コヒーレンス（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）（ＬＣ）を有する第２源を備える干渉計、例えば、マイケルソン干渉計（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を使う。該低コヒーレンス源は、好ましくは１マイクロメーター波長用に５ｎｍより大きいバンド幅がよい、広いスペクトルバンド幅を提供し、例えば、所要バンド幅は波長及び応用の関数として変化し得る。該低コヒーレンス源の中心波長を目標サンプルの走査間で僅かに調整することにより、該ＣＷと低コヒーレンス光のヘテロダイン信号間の位相関係は、反射するインターフエース間の隙間をナノメーター以下の精度で測定するため使われ得る。この方法は２π曖昧性、大抵の位相ベースの技術を悩ませる課題、から完全に自由なので、それは精度の損失無しに、任意の長い光学距離を測定するため使われ得る。本発明の方法の好ましい実施例の応用は、既知の物理的厚さを有するサンプルの、与えられた波長での屈折率の精密決定である。本発明の方法の好ましい実施例のもう１つの応用は、既知の屈折率を有するサンプルの物理的厚さの精密決定である。本発明の方法の好ましい実施例の更に進んだ応用は、２つの与えられた波長での屈折率の比の精密決定である。
【００１９】
代わりの好ましい実施例では、該低コヒーレンス光源は、約２ｎｍより多くだけ相互に離れたそれぞれの中心波長を有する第１低コヒーレンス波長と第２低コヒーレンス波長を同時提供するために、好ましくは５ｎｍより大きいのがよい、充分に広いバンド幅光を提供する。該低コヒーレンス波長用の周波数スペクトラムは意味のある程重畳はしない。該２つの低コヒーレンス波長を送信し、検出するために追加の検出器とフイルターが該干渉計内に配置される。
【００２０】
該好ましい実施例の方法は精密な光学距離測定を行うため使われ得る。この様な測定値から、目標対象の光学特性が精密に測定される。該目標の分散プロフアイルを測定することにより、該目標の構造的及び／又は化学的特性が評価され得る。該分散プロフアイルは種々の波長で屈折率差を正確に概説する。生体臨床医学的背景（ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｃｏｎｔｅｘｔ）では、本発明の好ましい実施例は、非接触及び非侵襲性の方法で生物学的組織の分散特性を精密に決定するため使われ得る。この様な分散決定は眼の角膜（ｃｏｒｎｅａ）又は房水（ａｑｕｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ）に関し使われ得る。達成される感度はブドウ糖濃度に左右される光学的変化を検出するのに充分であり得る。本発明の方法の好ましい実施例では、房水及び／又は硝子体液（ｔｈｅ ａｑｕｅｏｕｓ ａｎｄ／ｏｒ
ｖｉｔｒｅｏｕｓ ａｑｕｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ）か又は眼の角膜か何れかの分散プロフアイルの非侵襲性測定を通して血液ブドウ糖レベルが決定され得る。本発明の好ましい実施例は、集積回路及び／又は光電子部品の製造中に形成される小特徴（ｓｍａｌｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ）を測定するため半導体製造の測定技術として応用され得る。該方法の好ましい実施例は非接触で、非破壊的なので、それらが製造される時に半導体構造体又は光学部品の厚さをモニターするため使われ得る。
【００２１】
マッハツエンダーヘテロダイン干渉計（Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を使う本発明の好ましい実施例に依れば、サンプルの部分を通過する光の位相を測定する方法は、第１波長の光を提供する過程と、該第１波長の光を第１光路と第２光路に沿って導く過程と、を具備し、該第１光路は測定されるべきサンプル媒体上へ延びており、該第２路は路長の変化を受け、そして該方法は又該サンプル媒体上の２つの別々の点を通過する光の位相の変化を測定するために、該サンプル媒
体からの光と該第２光路からの光を検出する過程を具備する。該媒体は例えばニューロン（ｎｅｕｒｏｎ）の様な生物学的組織を含む。該方法は、同時に複数の位置でサンプルの位相を画像形成するために、光ダイオード配列又は光ダイオード結合されたフアイバー束を使う過程を含む。該方法は更に、該第２光路で光を周波数シフトする過程を有する。該方法は第１波長を放射するヘリウムネオンレーザー光源又は低コヒーレンス光源を提供する過程を有する。
【００２２】
本発明のもう１つの側面に依れば、能動的に安定化された干渉計はサンプルの部分の通過光の位相を測定する方法で使用されるが、該方法はそれぞれ第１光源と第２光源により発生される第１信号と第２信号を提供する過程を有し、該第２光源は低コヒーレンス源としている。該方法は、第１光路と第２光路に沿い該第１信号と該第２信号を導く過程と、該第１光路と第２光路の間の路長差を変える過程と、それら間の路長遅延を有する該第１信号と第２信号の和を示す出力信号を発生する過程と、干渉計ロック変調周波数で該出力信号を変調する過程と、そして該干渉計ロック位相のタイムエボリューション（ｔｉｍｅ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）により該サンプルの位相を決定する過程と、を有する。該第１及び第２信号は共に低コヒーレンス信号である。該方法は更にミキサー又はロックイン増幅器により該第１信号を復調する過程を有する。該方法は該干渉計ロック位相を電子的に発生する過程を有する。
【００２３】
本発明のもう１つの側面に依れば、双ビーム反射干渉計（ｄｕａｌ ｂｅａｍ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）が、サンプルの１部分を通過する光の位相の測定用システムで使われる。該システムは、第１信号を発生する第１光源と、該第１信号から時間遅延により分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する干渉計と、該サンプルと連通する該干渉計からの第１光路及び基準体と連通する該干渉計からの第２光路と、そして該サンプル及び該基準からのそれぞれ該第１及び該第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプル及び該基準体から反射される光の間の干渉と、を測定する検出器システムと、を有する。該システムは該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示すヘテロダイン信号の位相の検出を含む。該第１信号は低コヒーレンス信号である。該第１光源はスーパールミネッセントダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅ）又はマルチモードレーザーダイオード（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）の１つを、限定無しで、有することが出来る。該干渉計の第２路は更に第１路と第２路を備え、該第２路は音響光学的変調器（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を有する。該システムは光フアイバーを有する光学的通路（ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈｗａｙ）を備える。該システムは振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｒｅｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を有する。該干渉計は更に光路長差を調整するために並進ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ）に取り付けられたミラーを有する。該検出システムは該サンプルから反射された信号を検出する第１検出器と該基準体から反射された信号を検出する第２検出器を有する。
【００２４】
もう１つの側面に依れば、本発明は位相差顕微鏡検査と空間光変調（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）とを使ってサンプルの画像形成を行う方法を提供する。種々の実施例では、該方法は該サンプルを照明する過程を有し、該光は、低周波空間成分（ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）と高周波空間成分（ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）とを有する該照明により該サンプルから発している。該低周波空間成分の位相は、少なくとも３つの位相シフトされた低周波空間成分を提供するようシフトされる。好ましくは該位相は、π／２、πそして３π／２の位相シフトを有する位相シフトされた低周波空間成分を発生するよう、例えば、π／２のインクレメントでシフトされるのがよい。
【００２５】
該シフトされない低周波空間成分と、少なくとも３つの位相シフトされた低周波空間成分と、は各別々の干渉用の輝度信号を作るために、共通光路に沿う該高周波空間成分と別々に干渉させられる。次いで、例えば、該輝度信号の少なくとも４つを使って、該サンプル用に画像、又は位相画像（ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｅ）が発生される。
【００２６】
もう１つの側面に依れば、本発明は反射する表面を有するサンプルの非接触光学測定用の方法を提供するが、該方法は、第１信号を発生する第１光源を提供する過程と、双ビーム干渉計を使って該第１信号から時間遅延により分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する過程と、該サンプルと連通する該干渉計からの第１光路と基準体と連通する該干渉計からの第２光路とを提供する過程と、そして該サンプル及び該基準体からのそれぞれ該第１信号と該第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプル及び該基準体から反射される光間の干渉と、を測定し、そして該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示す該ヘテロダイン信号の位相を検出する過程と、を有する。
【００２７】
好ましい実施例では、該第１信号は低コヒーレンス信号である。該第１光源はスーパールミネッセントダイオード又はマルチモードレーザーダイオードとすることが出来る。該干渉計は更に第１路と第２路を備え、第２路は音響光学的変調器を有する。該方法は更に光フアイバーを有する光学的通路を備える。該サンプルは神経細胞の１部分とすることが出来る。
【００２８】
好ましい実施例では、該干渉計は振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計を有する。該干渉計は更に、光路長差を制御可能に調整するために並進ステージに取り付けられたミラーを有する。好ましい実施例は神経腫脹（ｎｅｒｖｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ）の最初の非接触で、最初の干渉計検査の、測定を行うための、ヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を有する。神経腫脹の生物物理的機構（ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）は、本発明の好ましい実施例による個別軸索（ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ａｘｏｎｓ）を使って画像形成され、解析される。該双ビーム低コヒーレンス干渉計は活きた細胞のナノメーター規模の運動の測定で多くの他の応用を有する。他の実施例は活動電位（ａｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）に付随する１つのニューロン内の機械的変化を検出するために、干渉計に基づく顕微鏡を有し得る。関連した干渉計検査方法は又培養された細胞単層（ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｃｅｌｌ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）内の細胞容積変化（ｃｅｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ｃｈａｎｇｅｓ）を測定するため使われる。
【００２９】
本発明のもう１つの側面はサンプルを光学的に画像形成するための光フアイバープローブを具備しているが、該プローブは、近位の端部と遠位の端部とを有するハウジングと、該ハウジングの該近位の端部内の光源に結合されたフアイバーコリメーターと、そして該ハウジングの該遠位の端部内の段階的屈折率保有レンズ（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ）と、を備えており、該レンズは第１及び第２面を有し、該第１面は基準面であり、そして該プローブの開口数はサンプルの散乱表面からの効率的光収集を提供する。該プローブは更に、２次元位相画像形成と３次元共焦点位相画像形成の少なくとも１つを行うために並進器ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ ｓｔａｇｅ）上への該光フアイバーの設置部（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）を有する。該並進器ステージは走査用ピエゾ並進器（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｉｅｚｏ ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）を有する。該プローブの開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）は約０．４から０．５の範囲内にある。
【００３０】
位相測定用のシステムと方法の前記及び他の特徴と利点は、付属する図面で図解された該システムと方法の好ましい実施例の下記の特定的な説明から明らかになるであろうが、該図面では、種々の図を通して似た参照文字が同じ部品を参照している。該図面は必ずしもスケール合わせされておらず、代わりに本発明の原理の図解に力点が置かれている。
【実施例１】
【００３１】
距離測定用調波干渉計検査（Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）
本発明は、干渉計内に分光不平衡（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｍｂａｌａｎｃｅ）を導入することにより整数又は２π曖昧性問題を克服した光学距離測定用の位相交叉ベース（ｐｈａｓｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ）のシステムと方法に向けられている。該方法の好ましい実施例は又面上の２隣接点の相対高さ差を精度を有して測定出来る。更に、サンプルの屈折率は、該サンプルの物理的厚さが実験的に測定され得る精度に依ってのみ制限される精度で見出され得る。
【００３２】
調波位相ベースの干渉計検査（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ ｂａｓｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＨＰＩ）で低コヒーレンス光源の１つの連続波（ＣＷ）光源との交換は、該低コヒーレンスヘテロダイン信号が測定され得る光学的ルーラー（ｏｐｔｉｃａｌ ｒｕｌｅｒ）の形で付随ＣＷヘテロダイン信号の使用を可能にする。該低コヒーレンス光源は、例えば、１μｍ波長用に５ｎｍより大きいスペクトルバンド幅を提供する。この様な変型されたエイチピーアイを使う利点の１つは、測定された位相が
【００３３】
【数４】
【００３４】
の代わりに長さ尺度ｎＬに感応的であり、ここでｎは該低コヒーレンス波長での屈折率である。該量ｎは該複合品
【００３５】
【数５】
【００３６】
より実用的に有用である。該低コヒーレンス波長を僅かに、例えば、約２ｎｍだけ、調整することにより、該量ｎＬは２π曖昧性無しでそしてナノメーター以下の感度で見出され得る。この方法は光学距離が測定される基準光学ルーラーとして該ＣＷヘテロダイン干渉信号を使う。
【００３７】
容易に入手可能な低コヒーレンス光源を使う干渉計光学距離測定システムは数十波長の桁の解像度（ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｅｎｓ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を達成した。この技術は比較的鈍感であるが、それは該２π曖昧さの課題と戦う必要がない（ｎｏｔ ｈａｖｅ ｔｏ ｃｏｎｔｅｎｄ）。好ましい実施例は、ナノメーター以下の精度で任意の長い光学距離を測定するために位相を使う低コヒーレンス干渉計検査方法を含む。この方法は整数の干渉フリンジを決めるための低コヒーレンス位相交叉技術と、分数フリンジを精密に得るための該測定からの追加位相情報と、を使う。加えて、それは深さ解像度を提供し、層化サンプルのトモグラフイー的プロフアイリング（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）用に使用され得る。該方法は精度を有して長い光学距離を測定出来るので、それは複数材料の屈折率を精密に決定するため使われ得る。これは位相ベースの方法であるので、かくして見出された屈折率は位相屈折率（ｐｈａｓｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）であり、グループ屈折率（ｇｒｏｕｐ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）ではない。
【００３８】
図１は変型（ｍｏｄｉｆｉｅｄ）マイケルソン干渉計を含む本発明のシステム１０の好ましい実施例を図解する。入力光１２は、例えば、７７５．０ｎｍで放射するチタン：サファイアレーザーからの１５０−ｆｓモードロックされた光と、例えば、半導体レーザーからの連続波（ＣＷ）１５５０．０ｎｍ光と、から成る２カラー複合ビーム（２−ｃｏｌｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ）である。好ましい実施例では、該方法は該ＣＷ波長、（この実施例では正確に１５５０．０ｎｍ）の表現（ｔｅｒｍｓ）で光学距離を評価し、全ての光学距離はこの基準（ｂａｓｉｓ）に基づいて計算される。該複合ビームはビームスプリッター１４で２つに分けられる。１つの部分信号は目標サンプル１６に入射し、一方もう１つは、例えば、約０．５ｍｍ／ｓで動いているのが好ましい基準ミラー３２に入射しており、該ミラーは該基準ビーム３４上でドップラーシフト（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｈｉｆｔ）を誘起する。該ドップラーシフトは、例えば、電気光学変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の使用を通しての様な、他の手段により誘起されることも出来る。後方反射されたビームは該ビームスプリッター１４で再組み合わされ、ダイックロイックミラー（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）１８によりそれらの波長成分に分離され、光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）２０，２２で別々に測定される。最終信号は、例えば、１６ビット１００ＫＨｚＡ−Ｄ変換器の様な、Ａ−Ｄ変換器｛エイデーシー（ＡＤＣ）｝２４によりデジタル化される。更にそのデータを処理するためにパーソナルコンピュータ｛ピーシー（ＰＣ）｝の様なデータプロセサー２６が該エイデーシー２４と通信している。それらのそれぞれのドップラーシフトされた周波数での最終ヘテロダイン信号はそれらのそれぞれの中心ヘテロダイン周波数付近でバンドパスされ、該ヘテロダイン信号の対応する位相、ΨＣＷとΨＬＣ、を抽出（ｅｘｔｒａｃｔ）するためにヒルベルト変換（Ｈｉｌｂｅｒｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）される。添え字ＣＷとＬＣは該１５５０．０ｎｍ連続波と７７５．０ｎｍ低コヒーレンス波長成分とをそれぞれ示している。
【００３９】
低コヒーレンス光の中心波長は次いで約１−２ｎｍだけ調整され、ΨＣＷとΨＬＣ値の第２セットが測定される。これらの２セットの読み値から、該目標サンプル内の種々のインターフエースがナノメーター以下の精度でローカライズされ得る。ローカライズ用のデータの処理は下記で説明される。
【００４０】
該ビームスプリッター１４から未知の距離ｘ１の１つのインターフエースから成るサンプルを考える。該ビームスプリッター１４から該基準ミラー３２までの距離、ｘ、は、該基準ミラーの走査の各時点で既知量である。
【００４１】
ｘ１用の近似値を見出す方法はｘを走査し、再組み合わされた低コヒーレンス光ビーム内の最終ヘテロダイン信号をモニターすることに依る。ｘがｘ１に近似的に等しい時、該ヘテロダイン信号振幅でのピークが期待される。この様な方法の精度は該光源のコヒーレンス長さ、ｌｃと該ヘテロダイン信号のＳ−Ｎの質とにより限定される。実在の実験条件では、この様に決められたｘ１の誤差は該コヒーレンス長さの５分の１より良くは無さそうである。
【００４２】
典型的低コヒーレンス源のコヒーレンス長さが名目的に約１０μｍであるとすれば、これはこの様な長さ決定手段の誤差は約２μｍに限定される。
【００４３】
該ヘテロダイン信号の位相の考慮の中で、検出された該ヘテロダイン信号の変動成分は下記で表される。
【００４４】
【数６】
【００４５】
ここでＥｒｅｆとＥｓｉｇはそれぞれ該基準の電場振幅と信号電場振幅であり、ｋは光学的波数（ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）、ωは光学的周波数である。該指標（ｅｘｐｏｎｅｎｔ）内の２の係数は、該ミラー／サンプルへ行くそして該ビームスプリッターへ戻るように、該通路を光が２回進行する事実に依る。
【００４６】
ｘがｘ１に正確にマッチする時、該ヘテロダイン信号はピークになると期待されることに注意する。該２つの戻りビームは強め合い干渉（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）に入る。従ってこの性質は該インターフエースをローカライズするため使われる。ｘ１は該２つのビームが強め合い干渉に入るｘの値を見出すことにより見出される。位相は精密に測定され得るので、この様なアプローチは約５ｎｍの長さ感度を与える。不幸にして、この方法は計算集約的であり、何故ならば、該ヘテロダイン信号がピークとなるｘの多数の値があるからであり、特定的には該ヘテロダイン信号は下記でピークとなり
【００４７】
【数７】
【００４８】
ここでａは整数、λは光学的波長である。これは該２π曖昧性の課題の表明（ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎ）である。
【００４９】
好ましい実施例は正しいピークを区別する方法を有する。ｘ＝ｘ１の時、該ヘテロダイン信号は光学的波長に関係なくピークとなることを注意しておく。他方、次のピークは、図２に図解される様に、波長に左右される。図２はサンプル内の反射インターフエース５２に付随する低コヒーレンスヘテロダイン信号を図解する。従って、該低コヒーレンス波長を調整することにより、該ヘテロダイン信号は該インターフエースと、ｘ−ｘ１が正確に区別され得る状況に付随する正しいピーク付近に圧縮される。該ヘテロダイン信号は該調整方向に依り、該インターフエース付近で圧縮され、又は膨張させられてもよいことは注意されるべきである。該ローカライズを可視化する直観的方法は、正確にｘ＝ｘ１となるフリンジ（ｆｒｉｎｇｅ）の中へスクイーズするか又はそれから離れるよう膨張する該ヘテロダイン信号を描く（ｐｉｃｔｕｒｅ）ことである。
【００５０】
この様な方法では２つの理由で該ＣＷ光源が必要である。第１に、干渉計内で該値を絶対的にそして精密に知ることは実際には非常に難しい。該干渉計のＣＷ成分は、該基準ミラーが走査される時、ｘの高度に精密な測定が行われることを可能にする。特に好ましい実施例では、該サンプル内の２つのインターフエース間の距離を決定するために、ｘ１が図１に示す第１インターフエースまでの距離に等しい所と、ｘ２（ｘ２＝ｘ１＋ｎＬ、ここでｎは該サンプルの屈折率）が該第２インターフエースまでの距離に等しい所と、の間で起こるＣＷ干渉フリンジの数のカウントが行われる。図３はサンプル内の２つの反射インターフエースに付随するヘテロダイン信号を図解する。該低コヒーレンス波長を調整することは該インターフエース付近の８２，８４すなわち該ヘテロダイン信号７８，８０を
圧縮する。
【００５１】
第２に、該インターフエースのローカライズ用の前に説明した方法はもし該反射過程に付随した位相シフトがあるなら部分的に失敗するかも知れない。例えば、該面が金属性であるなら、該位相シフトは些細とは言えず（ｎｏｎ−ｔｒｉｖｉａｌ）、該ヘテロダイン信号の位相は正確にｘ＝ｘ１である所で或る他の値を取る。前の方法は正しい干渉フリンジがｘ＝ｘ１の所で識別されることを可能にするが、しかしながら波長以下の感度は危うくされる。該シーダブリューヘテロダイン信号の存在は該ＨＰＩ方法経由で差位相（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｐｈａｓｅ）が見出されることを可能にする。この値の知識は、高いレベルの感度で該インターフエースのローカライズを可能にする。
【００５２】
該ＨＰＩ方法の原理が、７７５ｎｍの波長に於ける厚さ、Ｌ及び屈折率、ｎ７７５ｎｍのサンプルの例示的実施例を通して図解される。該サンプルの２つのインターフエースは該ビームスプリッターからそれぞれ光学距離ｘ１及びｘ２にある
【００５３】
【数８】
【００５４】
。該方法が、もし該光学距離の隙間（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が、例えば、典型的に、該低コヒーレンス光源の１μｍと１００μｍの間で、該コヒーレンス長さより大きい場合のみに、働くことを注意しよう。さもないと、該インターフエースに付随する該ヘテロダイン位相信号は一緒に現れ、不精密なインターフエースローカライズに帰着する。説明の明確さのために、反射に付随する位相シフトの入り込みは後刻まで延ばすことにする。
【００５５】
図４は数学的説明を図解する走査である。該走査は２つのインターフエースを有するサンプルのものである。信号１００は低コヒーレンスヘテロダイン信号である。トレース１０２はΨＣＷ（ｘ）である。拡大図１０４はその位相フリンジを示す。各フリンジはλＣＷの光学距離に対応する。ΨＤ（ｘ）の下方のトレースはΔの２つの異なる値に於けるものである。矢印１０６，１１０は位相交叉点を示す。垂直軸はラディアンである。基準ミラーが走査されると、該低コヒーレンスヘテロダイン信号の位相は下記で与えられ、
【００５６】
【数９】
【００５７】
ここでＲＬＣｊは該低コヒーレンス波長でインターフエースｊの反射率、ｋは光学的波数、ａ＝４ｌｎ（２）／ｌＣ、ｌＣはコヒーレンス長さ、ｘは該ビームスプリッターからの基準ミラーの距離、そしてｈＣは｜ｘ｜＜２ｌＣでは１そしてさもなくば０の値を有する区分的に連続な関数（ｐｉｅｃｅｗｉｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。該指標内の２の係数は後方反射構造での光路の実効的に２倍になることに依る。式３は位相が、ノイズのため、該コヒーレンス包絡線を遙かに越えては測定され得ない事実を反映する。モデル化される該コヒーレンス包絡線はプロフアイルでガウス型である（Ｇａｕｓｓｉａｎ）が、同じ位相の取り扱いはどんなゆっくり変化する包絡線のプロフアイル用にも妥当（ｖａｌｉｄ）である。
【００５８】
該ＣＷヘテロダイン信号の位相は下記で与えられ、
【００５９】
【数１０】
【００６０】
ここでＲＣＷｊは該ＣＷ波長での該インターフエースの反射率、ｎ１５５０ｎｍは該サンプルの屈折率、
【００６１】
【数１１】
【００６２】
はそれぞれ該ビームスプリッターからの有効平均反射率及び距離である。もし該２つの光源の中心波長が下記の様に選ばれるなら、
ｋＬＣ＝２ｋＣＷ＋Δ （５）
ここでΔは小さな意図的に付加されたシフトであるが、すると下記形の差位相、ΨＤが得られる。
【００６３】
【数１２】
【００６４】
上記量は該区間（ｘ２−ｘ１）でのフリンジの近似数と、波長以下の精度を提供する分数フリンジ（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｒｉｎｇｅ）と、両者を提供する。
【００６５】
該パラメーターΔが少量だけ（約１−２ｎｍの波長シフトに対応して）変化すると、ΨＤ（ｘ）の傾斜はｘ＝ｘ１及びｘ＝ｘ２である点の付近で旋回（ｐｉｖｏｔｓ）する。換言すれば、Δの種々の値での位相走査はそれらの点で交叉する。ｘ１からｘ２までの光学距離は該２つの位相交叉点（ｐｈａｓｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ）間でΨＣＷ（ｘ）が通って進むフリンジをカウントすることにより見出され得る。こうして見出された量の２倍がＳｆｒｉｎｇｅと称され、それは整数値でなく、低コヒーレンス波長でのフリンジの数に対応する。１つのインターフエースについて多数の位相交叉点が起こる場合は、該インターフエースの位置に対応する点はΔの追加的値で多数の走査を行うことにより見出され得る。該インターフエースの位置はΨＤ（ｘ）が全てのΔ値について交叉する位置のみである。
【００６６】
該位相シフト情報は、更に該インターフエース間隔をローカライズするため使われる。特に、ｘ＝ｘ１及びｘ＝ｘ２に於ける位相シフト間の差は下記である。
【００６７】
【数１３】
【００６８】
これは分数フリンジを高精度で測定する。
【００６９】
絶対的な光学的間隔（ｘ２−ｘ１）はＳｆｒｉｎｇｅとＳｐｈａｓｅから下記式を通して精密に決定出来る。
【００７０】
【数１４】
【００７１】
ここでΔＳ＝ｒｅｓ（Ｓｆｒｉｎｇｅ）−ＳｐｈａｓｅそしてＵ（）は単位階段関数（ｕｎｉｔ ｓｔｅｐ ｆｕｎｃｔｉｏ）である。ここでは、ｉｎｔ（）及びｒｅｓ（）はそれぞれ独立変数（ａｒｇｕｍｅｎｔ）の整数及び分数部分である。第１項はＳｐｈａｓｅと、Ｓｆｒｉｎｇｅの分数部分と、間の誤差を最小化することによりフリンジの正しい整数まで該光学的距離をローカライズする。光学的間隔決定の誤差はＳｐｈａｓｅの測定誤差によってのみ制限される。実験では、この様な誤差は約０．５ｎｍの（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄ内の誤差に解釈される。Ｓｆｒｉｎｇｅの測定誤差は、正しい干渉フリンジが確立され得るようにフリンジの半分より小さくあればよく、この基準を充たすと、それは（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの誤差内に入らない。測定可能な最大の光学的距離は２つの交差点間のフリンジを正確に数える該システムの能力と、光源の周波数安定性と、にのみ左右される。
【００７２】
上記式は正しいフリンジ（ｃｏｒｒｅｃｔ ｆｒｉｎｇｅ）と分数フリンジ（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｒｉｎｇｅ）を見出す方法の凝縮した表現である。演算は下記例と、ＳｐｈａｓｅとＳｆｒｉｎｇｅに基づく見積間の誤差を最小化する値を選択することにより（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの正しい見積の決定を示す図５と、を通して図解される。ＳｆｒｉｎｇｅとＳｐｈａｓｅは２６．７と０．１１１であると仮定する。Ｓｐｈａｓｅの測定から、光学的距離の値は下記である。
【００７３】
【数１５】
【００７４】
ここでａは整数である。Ｓｆｒｉｎｇｅの値が与えられると、（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの起こり得る値は次の３つの値：（λＣＷ／４）（２５．１１１）、（λＣＷ／４）（２６．１１１）、（λＣＷ／４）（２７．１１１）に限定され得る。（λＣＷ／４）（２７．１１１）が（λＣＷ／４）（Ｓｆｒｉｎｇｅ）に最も近いとすると、それが（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄの正しい見積である。
【００７５】
調波的に関係付けられた光源に基づく干渉計検査の測定用の好ましい実施例では、光源
の適切に選択された対と、差位相を抽出する方法と、が該干渉計内のジッター（ｊｉｔｔｅｒ）の影響を最小化し、好ましくは除去することさえ可能にするが、該ジッターは、さもなければ、高精度光学的距離測定を不可能にするものである。又ジッターの除去は異なる時期に行われた走査の比較をも可能にする。
【００７６】
本方法の好ましい実施例の能力を示すよう、該システムが、物理的厚さ、Ｌ＝２３７±３μｍ、を有する溶融水晶カバースリップの頂面と底面の間の光学的距離を探る（ｐｒｏｂｅ）ため使われた。この実施例では、第１インターフエースからの反射に付随するπの位相シフトがあり、それは正の屈折率移行（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を示す（ｍａｒｋｓ）。従って、式１と２内の係数ＲＬＣ，１とＲＣＷ，１に付随するｅ−ｉπ項がある。これはＳｆｒｉｎｇｅとＳｐｈａｓｅ上の半分の修正係数に帰着する。図４は７７３．０ｎｍと７７７．０ｎｍのＬＣ波長での典型的走査の結果を示す。４つの走査の結果は表１に抄録されるが、該表は水晶カバースリップの１片上の（ｎ７５５ｎｍＬ）の測定値を表す。該実験データの再現性（ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ）はその光源が充分安定な周波数を有することを示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
実験データはナノメーター以下の精度で光学的絶対距離測定を産み出す。見出された光学的距離は該低コヒーレンス光源に組み合わされる。該ＣＷヘテロダイン信号は光学的ルーラーとして役立つ。もし水晶カバースリップのＬが精密に既知であるなら、波長７７５．０ｎｍでの該水晶用ｎ７７５ｎｍは（ｎ７７５ｎｍＬ）ｍｅａｓｕｒｅｄから非常に高度の精度で見出され得る。
【００７９】
代わりに、Ｌの正確な値を知ることなく、２つの異なる波長での屈折率比が、これらの波長での低コヒーレンス光とそれらのそれぞれの調波でのＣＷ光とを使って対応する光学的距離を測定することにより決定され得る。低コヒーレンス波長の範囲を使って、材料の分光プロフアイル（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）が精密に決定され得る。該分光プロフアイル種々の波長で屈折率差を正確に概説（ｍａｐｓ ｏｕｔ）する。好ましい実施例の実験結果は約１ｍｍの厚さのサンプルで精密な約７つの重要指標（ｆｉｇｕｒｅｓ）が達成され得ることを予測する。
【００８０】
もう１つの好ましい実施例では、該システムの光源は、１５５０．０ｎｍで放射する低コヒーレンススーパールミネッセントダイオード（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅ）（ＳＬＤ）と、７７５．０ｎｍで放射するＣＷのチタン：サファイアレーザーと、に換えられた。該ＳＬＤを通る動作電流を調整することにより、中心波長は約２ｎｍだけ変えられ、これは位相公差を達成するのに好適である。本発明のシステムのこの好ましい実施例を使って、光学距離は１５５０．０ｎｍで測定された。この測定結果と前の測定との比を取り、水晶用に屈折率の比、ｎ７７５ｎｍ／ｎ１５５０ｎｍが決定された。見出された該屈折率比は好ましい実施例で使われた源により調和的に関係付けられた波長についてであることは注意されるべきである。他の波長に
ついて屈折率比は光源の他の適当な選択で測定され得る。比較用に、種々の材料についてｎ７７５ｎｍ／ｎ１５５０ｎｍの測定としてガラスとアクリルプラスチック（ａｃｒｙｌｉｃ ｐｌｓｔｉｃ）についての対応するデータが表２に作表されている。
【００８１】
【表２】
【００８２】
該低コヒーレンス波長が該ＣＷ波長のそれの半分である時使われる幾つかの式がここで前に提示された式と僅かに異なることを注意する。例えば、
【００８３】
【数１６】
【００８４】
２π曖昧性を克服するための方法の好ましい実施例は、薄膜固体材料（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）の高精度深さ範囲測定（ｄｅｐｔｈ
ｒａｎｇｉｎｇ）及び高精度屈折率決定の様な応用で重要な有用性を示す。
【００８５】
該好ましい方法の使用はガラスのスラブ（ｓｌａｂ ｏｆ ｇｌａｓｓ）の考慮を通して図解され得る。該システムから該ガラススラブの平均中心までの距離を非常に精密に測定するシステムが存在する。又該ガラス表面の粗さを非常に精密に測定出来るシステムがある。本発明のシステムの好ましい実施例は該ガラススラブの端部面（ｇｌａｓｓ ｓｌａｂ ｅｎｄ−ｆａｃｅ）の厚さをナノメーターの感度で測定する。
【００８６】
該光学的距離を決定する方法の好ましい実施例の実施の過程は、図６Ａ及び６Ｂのフローチャート１２４で図解される。該方法１２４は、その１つがＣＷ源であり、一方もう１つが低コヒーレンス源であるマイケルソン干渉計の２つの調波的に関係付けられた光源の使用を含む。そのインターフエース間の光学距離が測定される必要のあるサンプルは過程１２６により信号干渉計アームの端部反射部（ｅｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）として使われる。基準干渉計アーム内の基準ミラーは過程１２８により走査される。該方法は該信号及び基準アームからの反射が組み合わされ、波長により分離される過程１３０を有する。更に、過程１３２により、該組み合わされた光の輝度でのヘテロダイン振動が検出される。両波長のヘテロダイン信号の位相が、例えば、過程１３４でヒルベルト変換又は何等かの代わりの位相抽出方法を介して見出される。過程１３６で、より短い波長からより長い波長の位相の２倍を引き算することによる差位相が全走査について評価される。過程１３７で該走査は僅かに同調を外された光の波長で繰り返される。過程１３０−１３６は次いで繰り返される。
【００８７】
過程１３８で、該２つの走査から見出された該２つの差位相は次いで、該基準ミラーの変位を表すｘ軸を有するグラフ上で相互にスーパーポーズされる。差位相の抽出は又適当な光源又はクロマチックフイルター又は１つの走査に関するソフトウエア／ハードウエア信号処理を用いて行われ得ることは注意されるべきである。
【００８８】
方法１２４の次の過程は、過程４０によりサンプルインターフエースの場所をマークするためにグラフ上で位相交叉点を決定する過程を有する。過程１４２により、該ＣＷ光に付随するヘテロダイン信号が該２つの交叉点間で２だけラップオーバーする回数をカウントすることにより、該インターフエース間の光学的間隔（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が、波長の約数分の１、例えば約０．２までの精度で決定される。該交差点での差位相を測定することによる、更に波長の非常に小さい分数、例えば、約０．００１までのローカライズ及び／又は間隔の精密化が得られる。
【００８９】
光学的距離を測定するためのシステムの略図による線図である図７で図解されるもう１つの好ましい実施例では、該低コヒーレンス光源は、例えば、４ｎｍより大きく、バンド幅で充分広い。検出端部では、第３の検出器１７４が２つの検出器１６６，１７６に付加される。これは更に２つに分割された低コヒーレンス光信号１６８に帰着する。検出器に到達する前に、該２つの光ビームは異なるフイルター１７０，１７２を通過する。該フイルターは該スペクトラムの異なる部分を透過させる。１つはより長い波長のスペクトル成分を通過させ、一方第２は、より短い波長スペクトル成分を通過させる。好ましくは、該２つの透過したビームは２ｎｍより多くだけそれらのスペクトラムで分離されるのがよい。
【００９０】
次いで該光ビームは該検出器に入射し、それらのヘテロダイン信号は図１に関連して論じられた流儀で処理される。代わりの好ましい実施例のこの方法の利点は該方法が調整さ
れた低コヒーレンス波長を用いた処理の繰り返しを除くことである。該２信号は同じ走査で得られる。
【００９１】
図８Ａ及び８Ｂは本発明の好ましい実施例による光学的距離を測定する代わりの方法のフローチャート１８４を図解する。該方法１８４は干渉計内で２つの調波的に関係付けられた光源の使用を含み、該光源の１つはＣＷ源であり、一方もう１つは低コヒーレンス源である。過程１８６により、光学的距離が測定される必要があるサンプルは信号干渉計アームの端部反射部（ｅｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）として使われる。基準干渉計アームの基準ミラーは過程１８８で走査される。該方法は更に、該信号及び基準アームからの反射を組み合わせ、それらを波長により分離する過程１９０を有する。過程１９２で該低コヒーレンス波長は更にフイルターを使って分離される。該方法１８４は少なくとも３つの検出器で該ヘテロダイン振動を検出する過程１９４を有する。次の過程１９６は該組み合わされた光の輝度内のヘテロダイン振動を検出する過程を有する。過程１９８で両波長用のヘテロダイン信号の位相は、例えば、ヒルベルト変換又は他の代わりの位相抽出方法を介して見出される。次いで該ＣＷ信号を用いた各低コヒーレンス信号についての差位相が過程２００で評価される。
【００９２】
次いで過程２０２で該２つの差位相は、該基準ミラーの変位を表すｘ軸線を有するグラフ上で相互にスーパーポーズされる。残りの過程２０４，２０６，２０８は図６Ｂに関連して論じられた過程１４０，１４２，１４４と同様である。
【００９３】
本方法の好ましい実施例はナノメーター以下の精度で任意に長い光学的距離を絶対的に測定するため使われ得る。該システムの好ましい実施例は自由空間ベースか又はフアイバーベースで存在し得る。図９は光学的距離を測定するフアイバーベースのシステムの好ましい実施例を図解する。
【００９４】
入力光２５６はフアイバー２５１内を進む、近似的に調波的に関係付けられた、波長λ１を有する低コヒーレンス光と、波長λ２を有するＣＷ光ビームと、を含む。該複合ビームは２つに分けられ、該信号の１つの部分は目標レンズ２５４とサンプル２５６に入射し、フアイバー２５３内を進む一方、もう１つはレンズ２６８経由で基準ミラー２６６に入射し、フアイバー２５１内を進む。該基準ミラーの移動は該反射ビーム上にドップラーシフトを導入する。反射されたビームは再組み合わせされ、次いでダイクロイックミラー２５８によりそれらの成分波長成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）に分けられる。これらの波長成分は光検出器２６０，２６２で別々に測定される。それらのそれぞれのドップラーシフトされた周波数での最終ヘテロダイン信号はそれらのそれぞれの中心ヘテロダイン周波数付近でバンドパスされ、該ヘテロダイン信号に対応した位相、ΨＣＷとΨＬＣを抽出するためヒルベルト変換される。
【００９５】
好ましい実施例の方法は精密な光学的距離測定を行うために使われ得る。この様な測定から、目標対象の光学的特性が精密に測定され得る。該目標の分光プロフアイル（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）を測定することにより、該目標の構造及び／又は化学的特性が評価され得る。生物医学的背景では、本発明の好ましい実施例は非接触、非侵襲性の仕方で生物学的組織の分光特性を精密に決定するため使われ得る。この様な分光的判定は眼の角膜又は房水（ｃｏｒｎｅａ ｏｒ ａｑｕｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｅｙｅ）に関して使われ得る。達成される感度はブドウ糖濃度に左右される光学的変化を検出するのに充分であり得る。本発明の好ましい実施例では、血液ブドウ糖レベルが、眼の房水、硝子体液又は角膜（ｔｈｅ ａｑｕｅｏｕｓ， ｖｉｔｒｅｏｕｓ ｈｕｍｏｒ ｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｎｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｅｙｅ）の何れかの分光プロフアイルの非侵襲性の測定を通して決定され得る。
【００９６】
上文で論じた様に、位相ベースの干渉計検査方法は光学的距離を非常に高感度で測定出来る。しかしながら、それらは該２π曖昧性問題としてその分野で広く知られる問題によりそれらの応用では限定されるのが典型的である。この問題の核心は１０．１波長の長さを１１．１波長の長さから区別することが不可能なことである。本発明の好ましい実施例はこの限定を克服し、ナノメータ以下の精度で絶対的な光学的距離測定を可能にする。
【００９７】
概略的に該ナノメーター範囲の感度で光学的距離の変化を測定する数多くの位相ベースの方法がある。その変化が小さく、徐々である限り、該変化は連続的に追跡され得る。概略数マイクロメーターの反射器感度の異なるインターフエースから反射された光の検出器での到着の遅延を追跡することにより絶対的に光学的距離を測定する低コヒーレンス方法がある。上文で論じた様に、干渉計でのＣＷ及び低コヒーレンス光源の同時使用は光学的距離を測定するための方法を提供する。該２つの波長に付随する信号のヘテロダイン位相は本質的に関係付けられている。該好ましい実施例により該位相を処理することにより、運動ノイズ（ｍｏｔｉｏｎａｌ ｎｏｉｓｅ）は最小化され、我々の測定から除去されるのが好ましい。
【００９８】
好ましい実施例の応用は、眼の硝子体液及び／又は房水の屈折率の測定を用いたブドウ糖レベル決定である。この技術の感度は臨床的に妥当な感度で化学的濃度を測定する能力を与える。好ましい実施例の方法のより明らかな応用の１つはその眼で行われる測定を通しての血液ブドウ糖レベルの決定である。該眼の中の流体のブドウ糖レベルは臨床的に重要でない時間遅延を伴ってその血液のそれを鏡写しする。
【００９９】
好ましい実施例の方法は、図１０で図解された少なくとも２つの別々のセットの波長を使って眼の硝子体液及び／又は房水の層の光路長を測定する。該方法は該低コヒーレンス波長での屈折率と、２つのインターフエース間の物理的間隔との積を測定する。該低コヒーレンス光源の波長を変化させること（そしてマッチするよう該ＣＷ波長を適当に変えること）により、種々の波長での屈折率差が測定される。例えば、１つのセットの測定が、ｎ５００ｎｍＬを抽出するために、同調可能な５００ｎｍ低コヒーレンス光源と１μｍＣＷ光源とを用いて行われるが、ここでＬは該測定点での硝子体液及び／又は房水の物理的厚さである。もう１つのセットの測定が、ｎ９００ｎｍＬを抽出するために、同調可能な１０００ｎｍ低コヒーレンス光源と１８００ｎｍＣＷ光源とを用いて行われる。これら２測定値の比を取ることにより、該硝子体液及び／又は房水の該屈折率比、ｎ５００ｎｍ／ｎ９００ｎｍが抽出される。本システムの好ましい実施例の現在の感度、例えば、０．５ｎｍ光路感度、を用いると、１０−８の感度で該比ｎ５００ｎｍ／ｎ９００ｎｍが人間の硝子体液及び／又は房水のそれに等しい厚さの材料について測定され得る。これは約０．２５ｍｇ／ｄｌのブドウ糖レベルの変化に対する感度を提供する。典型的血液ブドウ糖レベルが約１００ｍｇ／ｄｌであると与えられたとして、本発明の好ましい実施例は血液ブドウ糖評価用に良く適合している。光学的波長の選択は柔軟であり、上文で使われた波長は単に図解目的用である。最大感度のために、波長の間隔は出来るだけ大きいのが好ましい。好ましい実施例は５００ｎｍより大きい間隔を有する。
【０１００】
該硝子体液及び／又は房水内で変化する他の化学品（ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）の存在のためにこの様な屈折率比が絶対的血液ブドウ糖レベル決定用に不充分な場合、光路長測定のもっと完全な範囲は他の波長の範囲で作られ得る。もっと完全な測定のこのセットはその測定値をブドウ糖及び他の化学品の既知の分光プロフアイルに適合させることによりブドウ糖レベル及び他の化学品濃度の決定を可能にする。
【０１０１】
本発明の好ましい実施例は半導体製造の測定技術として応用され得る。その方法の好ましい実施例は非接触、非破壊的なので、半導体構造体の厚さをそれらが製造される時にモニターするため使われ得る。加えて、該半導体構造体の構成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）
は硝子体液及び／又は房水測定の特性付けに関連して論じられたそれと全く同じ仕方で評価され得る。
【０１０２】
位相測定及び画像形成システム（Ｐｈａｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ）
本発明の代わりの好ましい実施例は光を用いた小さな生物学的対象又は特徴の画像形成に向けられる。これらの実施例は、例えば、細胞生理学及び神経科学の分野に応用され得る。これらの好ましい実施例は位相測定及び画像形成技術の原理に基づいている。位相測定及び画像形成技術を使う科学的動機付けは、例えば、μｍ以下のレベルでの細胞生物学から導出されており、該細胞生物学は、形成異常源の画像形成、細胞接合（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、神経伝達（ｎｅｕｒｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）そして遺伝暗号のインプレメンテーション（ｉｍｐｌｅｍｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ｃｏｄｅ）を含み得るが、それらに限定されない。細胞以下の構成成分の構造とダイナミックス（ｄｙｎａｍｉｃｓ）は、例えば、Ｘ線及び中性子線散乱を含む現在の方法及び技術を使ってそれらの自然な状態（ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｎａｔｉｖｅ ｓｔａｔｅ）で現在研究され得る。対照的に、ナノメーター解像度を有する光ベースの技術は細胞マシナリー（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）がその自然な状態で研究されることを可能にする。本発明の好ましい実施例は干渉計検査及び／又は位相測定の原理に基づくシステムを含み、細胞生理学を研究するため使われる。これらのシステムは位相を測定するために光学的干渉計を使う低コヒーレンス干渉計検査（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）（ＬＣＩ）又は細胞成分自身内での干渉が使われる光散乱スペクトロスコピー（ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（ＬＳＳ）の原理を含むか、又は代わりにＬＣＩ及びＬＳＳの原理が本発明のシステム内で組み合わされる。
【０１０３】
位相測定及び画像形成システム用の好ましい実施例は能動的に安定化された干渉計（ａｃｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）、隔離干渉計（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）、共通路干渉計（ｃｏｍｍｏｎ ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）そして差測定（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）を提供する干渉計を含む。差測定システムへ向けられた実施例は２点ヘテロダイン干渉計（ｔｗｏ−ｐｏｉｎｔ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）及び双ビーム干渉計（ｄｕａｌ ｂｅａｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）を含む。共通路干渉計を使う実施例は空間的光変調（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を使う位相差顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を含むことが出来る。
【０１０４】
光学的低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）は生物学的媒体の研究で多くの応用を見出した。最も広く使われるＬＣＩ技術は光学的コヒーレンストモグラフイー（ｏｐｔｉｃａｌ
ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）（ＯＣＴ）であり、それは生物学的サンプルの２Ｄ又は３Ｄ後方散乱プロフアイル（２Ｄ ｏｒ ３Ｄ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｆｉｌｅ）を画像形成する。該ＬＣＩ技術はその全体的開示が引用によりここに組み入れられる非特許文献１で説明された。ＯＣＴは使われる光源のコヒーレンス長さにより限定される深さ感度（ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を有する。超広帯域源（ｕｌｔｒａ−ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ）は１μｍの桁の寸法の特徴を解像（ｒｅｓｏｌｖｅｄ）した。
【０１０５】
位相感応低コヒーレンス干渉計検査はサンプル内の波長以下の光路変化に感応する。位相感応型ＬＣＩの主な困難は該干渉計のアーム内の光路変動（ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ
ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）による位相ノイズである。殆ど同一の光路を通過する種々の波長のレーザービームは干渉計位相ノイズを測定するため使われ得るが、該ノイズは次
に真のサンプル位相シフトを抽出するために、同様にノイズを有するサンプル信号から引き算される。他の研究者は差動位相コントラスト（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ）測定するために共通光路に沿う直交レーザー偏波か又は高い位相感度を有する複屈折を使った。両技術では、基準アーム路が走査され、最終フリンジデータから（ヒルベルト変換を経由して）該位相を抽出するためコンピュータ計算が要求され、加えて、該位相測定の２π曖昧性を除くために位相アンラッピング（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）アルゴリズムが使われねばならない。該フリンジ走査と情報処理手順は該測定の速度を実質的に減じ、ノイズを増大させるかも知れない。
【０１０６】
能動的に安定化された干渉計を有するシステム（Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ａｃｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）
本発明の好ましい実施例は、基準ビームによる干渉計の能動的安定化が広いバンド幅での非常に小さい位相シフトの連続検出と最小のコンピュータ処理を可能にするＬＣＩ方法を使う。任意の位相角度へロックする基準ビーム（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ ｌｏｃｋｉｎｇ ｔｏ ａｎ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｐｈａｓｅ ａｎｇｌｅ）は基準アーム走査無しに直接のサンプル位相測定をもたらす。好ましい実施例は２次元及び３次元位相画像形成を提供する。
【０１０７】
好ましい実施例は基準レーザービームによるマイケルソン干渉計の能動的安定化に依存する。能動的に安定化された干渉計３００の好ましい実施例の略図が図１１に示される。該能動的に安定化されたマイケルソン干渉計システム３００は、ミラー３０６，移動ミラー３１０，ビームスプリッター３０４，位相変調器３０８，検出器３１８，ローカル発信器源３２０，３２２，ミキサー３１６そして加算増幅器（ｓｕｍｍｉｎｇ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）３１２を有する。ビームスプリッター３０４により分割された連続波レーザービームは２つの干渉計アームをトラバース（ｔｒａｖｅｒｓｅｓ）し、検出器３１８で再組み合わせされる。該干渉計アームの１つは電気光学的変調器又はピエゾ電気変換器上に設置されたミラーの様な、位相変調要素（ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）３０８を有する。該光路差への大きな調整が並進ミラー３１０又は何等かの他の何等かの可変の光学的遅延線（ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）により行われてもよい。コンピュータ３１５の様な処理デバイスがフイードバックを提供し、位相シフト測定を処理するために使われる電子機器と通信する。電子的画像デイスプレー３１７が該位相シフトと関連画像を表示するため使われる。
【０１０８】
該２つの干渉計アーム間の位相差は下記の様に正弦波状に変調されるが
Φ＝Ψ＋Ψｄｓｉｎ（Ωｔ） （１６）
ここでΨ＝ｋ（Ｌ１−Ｌ２）＝ｋΔＬは該２つのアーム間の位相差、Ψｄ＜２πは変調深さ、そしてΩは変調周波数である。検出された干渉計信号は該２つの干渉計アームからのビームのコヒーレントな加算を与えられ、下記となる。
【０１０９】
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１Ｉ２）１／２ｃｏｓφ （１７）
Ｉとφの間の非線形的関係は変調周波数Ωの多くの調波での周波数成分を有する検出信号に帰着する。第１（ＩΩ）及び第２（Ｉ２Ω）調波項は下記で与えられる。
【０１１０】
ＩΩ＝４Ｊ１（Ψｄ）（Ｉ１Ｉ２）１／２ｓｉｎΨｓｉｎ（Ωｔ） （１８）
Ｉ２Ω＝４Ｊ２（Ψｄ）（Ｉ１Ｉ２）１／２ｃｏｓΨｃｏｓ（Ωｔ） （１９）
それぞれΩ及び２Ωに於けるＩΩ及びＩ２Ωの復調がミキサー３１６又はロックイン増幅器を介して行われ、該２つの信号は下記のΨの関数として等しい振幅を与えるよう増幅される。
【０１１１】
Ｖ１＝Ｖ０ｓｉｎΨ （２０）
Ｖ２＝Ｖ０ｃｏｓΨ （２１）
アナログ又はデジタル回路を用いて、該線形組み合わせＶ０は時間変化するパラメーターとしてのθを用いて下記の様に計算される。
【０１１２】
Ｖθ＝ｃｏｓθ＊Ｖ１−ｓｉｎθ＊Ｖ２＝Ｖ０ｓｉｎ（Ψ−θ） （２２）
この信号は正の傾斜を有して何れかのゼロ交叉に該干渉計をロックするための誤差信号として使われる。Ｖθ（ｔ）は、能動的に干渉計ノイズを打ち消すため、該位相変調器（高周波）及び路長変調器（低周波）へフイードバックされる前に、積分され、フイルターされ、そして増幅される。該線形組み合わせＶθ（ｔ）は任意の位相θにロックすることを可能にするために誤差信号として使われる。
【０１１３】
該安定化された干渉計はここで説明される様に位相感応型低コヒーレンス干渉計検査と組み合わされてもよい。ここで説明されるシステムのセットアップの全ては自由空間光学機器又はフアイバー光学機器を経由して実施されてもよい。明確さのために、図解は自由空間光学機器の実施例を示す。
【０１１４】
光学的遅延位相感応型ＬＣＩ用の基準ビーム安定化された干渉計についての略図が図１２に示される。低コヒーレンス源からのビーム３５３は安定化干渉計内ではロック用ビーム（ｌｏｃｋｉｎｇ ｂｅａｍ）３５５と同じ通路を通過する。該干渉計の２アーム間の（安定化された）路長差を変えることにより出力ビームが用意されるが、該出力ビームは、それら間に高度に安定で、連続的に可変の光路遅延を有し、該干渉計ロック変調周波数で変調された該エルシービームの２つの“コピー（ｃｏｐｉｅｓ）”の和から成る。
【０１１５】
サンプル３８２は、該サンプルと接触する側上を該ＬＣ波長での反射防止コートされたカバーガラス上に置かれる。該ＬＣビームは該ガラス及びサンプルを通るよう顕微鏡対物レンズ３８０により焦点合わせされる。後方散乱された光は同じ光学機器により集められ、検出器３６６上に焦点合わせされる。該検出される信号は時間遅延ΔＬ／ｃを有する後方散乱場の自己相関（ａｎ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙΔＬ／ｃ）である。それは、ゼロ遅延と、サンプルアーム内の散乱又は反射面の対の間の光路長の２倍に対応する遅延と、での図１３で図解される干渉フリンジを表示して、示されている。特に、該カバーガラスのコートされない側は該サンプルから約１カバーガラス厚さｄ離れるよう配置され、該サンプルからの干渉信号は、ｎをガラスの屈折率とすると、光路遅延ｎｄで見られる。
【０１１６】
ΔＬ＝〜２ｎｄを用いて、該サンプル信号は、サンプル位相の連続測定を与えるために、該変調周波数でミキサー又はロックイン増幅器により復調される。該干渉計ロック位相θは、今度は、該復調された低コヒーレンス信号内のゼロ交叉にロックするよう、電子的に変えられてもよい。この仕方では、該干渉計ロック位相のタイムエボリューション（ｔｉｍｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）が該サンプル位相の直接測定として使われる。このロック案はサンプル信号の振幅から独立している利点を有する。
【０１１７】
好ましい実施例のこのシステムは、該低コヒーレンス光がサンプルに入る前に光学的遅延が用意され、検出される信号がサンプルと干渉計の間の距離の変化に鈍感である点で、双ビームの光学的に計算されるトモグラフイー（ＯＣＴ）技術に似ている。代わりの好ましい実施例では、該低コヒーレンスビームを用意するためにマッハツエンダー干渉計構成（Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）も又使われてもよい。
【０１１８】
可変減衰器を該干渉計アームの１つ又は両方内に導入することにより、該２つの時間遅延した場の相対振幅が干渉信号を最適化するために調整されることが可能になる。
【０１１９】
基準ビーム安定化された位相感応型ＬＣＩの略図が図１４Ａで示される。該システムのセットアップは、該干渉計ミラーの１つの代わりにカバーガラス４３０上のサンプルを有することを除けば、図１１のそれと同様である。２つの低コヒーレンス源（ＬＣ１及びＬＣ２）からの２つのビーム４２２及び４２４は干渉計の入力部に入射する。その基準ビームは該カバーガラスの厚さ、例えば、１５０μｍ、と比肩されるか又はそれよりも幾分大きいコヒーレンス長さを有する。該カバーガラス反射は該干渉計をロックするため使われる。該基準ビームの短いコヒーレンス長さは該干渉計ロックが該顕微鏡対物レンズ及び他の面からの不要な反射により影響されることを防止する。
【０１２０】
該信号ビームは、サンプルと後の面の反射の間を区別するために、該カバーガラス厚さより数倍小さいコヒーレンス長さ（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ ｓｅｖｅｒａｌ
ｔｉｍｅｓ ｓｍａｌｌｅｒ）を有する。該基準アーム長さは該サンプルからの干渉フリンジを与えるよう調整され、そして前に説明した様に、該信号は図１５Ａ及び１５Ｂで図解される様にサンプル位相を与えるために復調される。該カバーガラスのコートされない側に対する該干渉計のロックはこのインターフエースに対するサンプル位相測定に帰着し、殆ど全ての外部の干渉計ノイズを排除する。
【０１２１】
図１１に関連して説明された光学的遅延方法と比較して、この好ましい実施例は信号及び基準両ビームが該サンプルへ入射する欠点を有する。生物学的材料、特に活きた細胞用には、これは使われてもよい基準ビームの電力を制限し、低下した質のロックに帰着する。他方、該基準ミラーの走査はサンプルからの反射のもっと直裁的な識別を可能にする。コンピュータ４５３の様な処理デバイスが、フイードバックを提供し位相シフト測定値を処理するため使われる電子機器と通信している。電子的画像デイスプレー４５５が該位相シフト及び関連画像を表示するため使われる。
【０１２２】
好ましい実施例は２つの方法を使って或る範囲のサンプル位相を画像形成出来る。好ましい第１の方法では、入射ビームは、ＯＣＴの大抵の実施例に於ける様に、サンプル上のＸ−Ｙ方向に走査されてもよい。基準ビーム安定化されたＬＣＩを含む実施例では、該ビームが走査される時該基準ビーム干渉計ロックを保持するよう注意が払われねばならない。第２の方法では、走査無しに信号を検出するために電荷結合デバイス（ＣＣＤ）又は光ダイオード配列が使われてもよい。図１６は安定化された位相感応型ＬＣＩ用の画像形成システム５００を図解する。この光学的システムは拡大領域を照明し、散乱光を検出器上に画像形成するため使われる。図１７は本発明の好ましい実施例の光学的設計を図解するために、該システム構成の簡単化され、折り畳まれない版（ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ， ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ）を図解している。実線は入射光線を表し、一方波線は後方散乱された光線を表す。
【０１２３】
ＣＣＤ画像形成用には、各々が位相で前のものよりπ／２だけ変わる４つの画像のシーケンスを解析することにより相対位相の測定が行われる。図１４Ｂは、本発明により位相シフトを発生するために、ピエゾ電気変換器（ＰＺＴ）４６１を有するミラーを使う、能動的に安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査用のシステム内でＣＣＤを使う画像形成用の実施例を図解する。回路４６９は該ＰＺＴを使って該位相シフトを創るため使われる電子機器と位相シフト検出用電子機器である。該ＣＣＤは１つのコンパクトな電子的チップ内に集積化された画素の配列である。ＣＣＤ制御器４７７は該ＣＣＤと通信し、該ＣＣＤは今度は、例えば、コンピュータ４７８の様な処理デバイスに接続される。画像デイスプレー４７９は位相シフト及び関連画像を表示するため使われる。
【０１２４】
広いバンド幅の位相画像形成用に、光ダイオード配列からの信号は第１及び第２両調波で個別に復調されてもよく、これは各画素での位相が曖昧性無しに測定されることを可能にする。
【０１２５】
本発明の干渉計システムの好ましい実施例のより高い感度とバンド幅は生物学的及び非生物学的媒体内の小さな光学的位相シフトの測定用に新しい可能性を開くものである。例えば、好ましい実施例は細胞膜の運動及び揺動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）の研究を可能にする。双波長、位相感応型ＬＣＩは人間の結腸の細胞培養の細胞容積調整及び膜ダイナミックスを観察するため使われた。最近、該細胞膜内の低周波振動が該培養へのアジ化ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｚｉｄｅ）の付加に続いて観察された。好ましいＬＣＩの実施例はもっと短い時間規模での膜ダイナミックスの研究を可能にしており、そこでは熱的に駆動された揺動及び機械的振動がより重要である。本発明の好ましい実施例の２次元画像形成方法は相互作用する細胞の集まりでの膜揺動の研究を可能にする。振動と相関（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）はセルシグナリング（ｃｅｌｌ ｓｉｇｎａｌｌｉｎｇ）に関する情報を提供する。
【０１２６】
本発明の好ましい実施例はニューロン活動電位（ｎｅｕｒｏｎｎ ａｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の測定用に使われ得る。ニューロンの電気信号を非侵襲性でモニターするために改良された光学的方法には神経科学が強い興味を持っている。現在の方法はカルシウム感応型又は電圧感応型染料に依存しており、それは、短い寿命時間、光毒性（ｐｈｏｔｏｔｏｘｉｃｉｔｙ）、及びゆっくりした応答時間を含む多くの問題を有する。
【０１２７】
活動電位が神経繊維及び細胞ボデイ内の光学的変化により伴われることは数十年間知られて来た。加えて、神経は刺激時容積の過渡的増大を表すと示されて来た。これらの変化は該細胞膜内の相転移（ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）、そして細胞膜内の双極子（ｄｉｐｏｌｅｓ）の再配向（ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）によるインデックスシフト（ｉｎｄｅｘ ｓｈｉｆｔｓ）、の関係（ｔｅｒｍ）で解釈されて来た。
【０１２８】
好ましい実施例の位相感応型ＬＣＩ方法は該活動電位に付随する光学的及び機械的変化を測定するため使われてもよい。増加したバンド幅は該活動電位の〜１ｍｓ時間規模での敏感な位相測定を可能にする。本発明の好ましい実施例は神経信号の非侵襲性の長期的測定を提供し、同時に多くのニューロンを画像形成する能力を提供するため使われ得る。神経の活動の解析用空間−時間的パターン化を用いた実施例の助けは脳の理解で重要である。活動電位の変化に伴うと知られる小さな（約１０−４ｒａｄ）インデックスシフトと膜揺動は、高レベルの感応速度と広いバンド幅（＞１ｋＨｚ）を提供する本発明の好ましい実施例で検出され得る。これらの実施例は、ノイズが入るのを防止する隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の様なノイズ打ち消し方法、ノイズを打ち消すフイードバック要素を使う安定化方法、フイードバック無しにノイズ打ち消しを提供する差動測定そしてノイズの影響を最小化する共通路干渉計検査を使う。
【０１２９】
ここに説明された実施例は多くの医療応用で使われ得る。例えば、皮質写像（ｃｏｒｔｅｘ ｍａｐｐｉｎｇ）が従来技術の電極方法に比較して速度と解像度を改良されて神経解剖（ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ）中行われ得る。更に、該好ましい実施例は神経解剖中てんかん病巣（ｅｐｉｌｅｐｔｉｃ ｆｏｃｉ）を突き止める（ｌｏｃａｌｉｚｅ）ため使われ得る。該実施例は又目の中の網膜神経活動（ｒｅｔｉｎａｌ ｎｅｒｖｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ）のモニタリングを可能にする。本発明の好ましい実施例の追加的応用は、該実施例により提供される高速度による２次元及び３次元走査、光ダイオード検出器により提供される広いダイナミックレンジとＤＣ排除（ＤＣ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）、細胞生物学内のナノメーター規模の画像形成、上皮組織の特徴付けそして、例えば、それらに限定されないが、聴覚細胞及び血管の膜の振動の検出、を含む。
【０１３０】
双ビーム干渉計を有するシステム（Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｕａｌ−ｂｅａｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）
本発明の好ましい実施例は、従来の光顕微鏡への一体化用のフアイバーベースの光学的遅延位相感応型低コヒーレンス干渉計を含む。海馬ニューロンの培養（ｉｎ ｃｕｌｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｉｐｐｏｃａｍｐａｌ ｎｅｕｒｏｎｓ）中で同時の電気的及び光学的測定が行われ得る。好ましい実施例は光ダイオード配列又は急速走査ビームを有する画像形成システムを備える。活動電位のＬＣＩ測定と組み合わせたニューロンの光学的刺激用の方法はニューラルネットワークダイナミックス（ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｙｎａｍｉｃｓ）、シナプス形成性（ｓｙｎａｐｔｉｃ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）、そして神経科学の他の基礎的問題の調査用に極度に有用な新しいツールを形成出来る。
【０１３１】
もう１つの実施例は体内で脳スライスそしてニューロンにまで位相感応型画像形成技術を適用する。脳表面の運動について追跡と補償は可成りの挑戦である。光学的散乱はニューロンの信号が抽出される深さを限定するが、１００μｍの桁の深さが可能である。
【０１３２】
前にここで説明された能動的に安定化された干渉計の好ましい実施例は第１波長が安定化用に使われ、第２波長が位相測定用である２波長システムを有する。図１８Ａは１つの波長が使われる２点マッハツエンダーヘテロダイン干渉計システムの略図の線図を図解する。この点安定化／基準干渉計システム（ｐｏｉｎｔ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ／ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）はサンプル５８６上の２点を通る光の位相差を測定する。殆ど共通の光路構造は干渉計ノイズを減ずる。
【０１３３】
コリメートされたレーザービーム又は低コヒーレンス光源はビームスプリッター５８４によりサンプル路５８６及び基準路に分けられる。該サンプルビームは最終ビームスプリッター５９２の前に該サンプル５８６とレンズＬ１（対物レンズ）５８８とＬ２（チューブレンズ）５９０を通過する。該レンズＬ１５８８とＬ２５９０はそれぞれ焦点長さｆ１とｆ２を有し、倍率Ｍ＝ｆ２／ｆ１を有する顕微鏡を構成する。該レンズは、サンプル５８６とＬ１５８８の間の距離とＬ１とＬ２の間の距離がｆ１、Ｌ１とＬ２の間の距離がｆ１＋ｆ２であり、該画像面がＬ２から距離ｆ２に配置されるように、整合されている。
【０１３４】
該基準ビームはそれぞれ周波数ω１とω２のＲＦ場により駆動される２つの音響光学的変調器（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）５９４ＡＯＭ１とＡＯＭ２を通過する。ＡＯＭ１からの＋１次の回折されたビームとＡＯＭ２からの−１次の回折されたビームとを選択するようアイリス（Ｉｒｉｓｅｓ）が使われる。従って、ＡＯＭ１に入射する周波数ω０の光は周波数ωＲ＝ω０＋Ωで第２ピンホールを出ており、ここでΩ＝ω１−ω２である。この２つのＡＯＭ構成は１００ｋＨｚの桁の比較的低いヘテロダイン周波数Ωを得るため使われる。低ヘテロダイン周波数は高感度光検出器を使うために好ましく、又光学的整合を容易にするが、それはビーム方向の非常に小さい変化を伴うのみでΩがゼロに等しく設定されてもよいからである。もしより高いヘテロダイン周波数が望まれる場合は１つのＡＯＭが使われてもよい。例えば、コンピュータ６０９の様な処理デバイスと画像デイスプレー６１１が該システムと通信する。
【０１３５】
周波数シフトされた基準ビームは、それらの焦点長さの和に等しい距離だけ離されたレンズＬ３５９８とＬ４６００により拡張される。該２つの画像面での信号場及び基準場は下記複素数表記で説明され得る。
【０１３６】
ＥＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＝ＥＳ０（ｘ、ｙ）ｅｘｐ［ｉ（φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）−ωｔ）］ （２３）
ＥＲ（ｘ、ｙ、ｔ）＝ＥＲ０（ｘ、ｙ）ｅｘｐ［ｉφＮ，Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）−（ω＋Ω
）ｔ］ （２４）
ここでｘとｙは該光路に沿った横座標（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）であり、φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）は調査中のサンプル位相であり、φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）とφＮ．Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）は該サンプル及び基準アーム内の干渉計ノイズを表し、そしてＥＳ０（ｘ、ｙ）、ＥＲ０（ｘ、ｙ）は例えばガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）でもよいがそれに限定されない場振幅プロフアイルである。
【０１３７】
該サンプル位相φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）は該サンプルｎＳ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）の時間依存の屈折率分布の項で下記の様に表されてもよく
【０１３８】
【数１７】
【０１３９】
ここでｚは軸方向座標であり、積分は該サンプルの深さに亘り行われる。拡大係数Ｍに注意されたい。
【０１４０】
２つの画像面での輝度は下記で与えられる
Ｉ±＝｜ＥＳ±ＥＲ｜２＝｜ＥＳ０｜２＋｜ＥＲ０｜２
±２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）＋Ωｔ］ （２６）
このヘテロダイン信号は位置（ｘ１，ｙ１）と（ｘ２、ｙ２）に配置された２つの光ダイオードＰＤ１６０４とＰＤ２６０６により検出される。該光は光フアイバー又はピンホールを通して集められてもよい。該検出された輝度のＡＣ成分は下記で与えられる。
【０１４１】
Ｉ１（ｔ）＝２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ１、ｙ１、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＋Ωｔ］ （２７）
Ｉ２（ｔ）＝−２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ２、ｙ２、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ）＋Ωｔ］ （２８）
ヘテロダイン信号Ｉ１と−Ｉ２の間の位相差は次いでロックイン増幅器又は位相検出器回路６０８により測定される。
【０１４２】
Φ１２（ｔ）＝［φＳ（ｘ１，ｙ１、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）］−［φＳ（ｘ２，ｙ２，ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ）］
＝φＳ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＳ（ｘ２，２，ｔ） ＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＋φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （２９）
もし干渉計ノイズが横断位置から独立していると仮定すれば、それは下記となり
φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＝φＮ，Ｓ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （３０ａ）
φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＝φＮ，Ｒ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （３０ｂ）
該測定された位相差は下記の様に単に選択された点でのサンプル位相の差となる。
【０１４３】
Φ１２（ｔ）＝φＳ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＳ（ｘ２，ｙ２，ｔ） （３１）
本発明の好ましい実施例のこの方法は物理的拘束のみに従う画像面に於けるどんな数の光検出器を用いて実施されてもよい。光ダイオード配列又は光ダイオードに結合された光フアイバー束が多数位置で同時に該位相を画像形成するよう使われてもよい。どれか１つ
の検出器が、全ての他の点でのそれに対する位相差が測定される、“基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）”検出器として選ばれてもよい。
【０１４４】
画像形成マッハツエンダーヘテロダイン干渉計用の略図が図１８Ｂで示される。このデバイス６７０はサンプル６７３を通った光の下記位相
【０１４５】
【数１８】
【０１４６】
を画像形成する。
【０１４７】
その光学的レイアウトは、２つの変更点、（ｉ）画像形成検出器（ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）６８２が該画像形成面の１つに配置される、（ｉｉ）電気光学的偏光変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）６７２と偏光子６８１がストロボスコープ的検出を行うため使われる、を除けば、図１８Ａに関し説明された２点マッハツエンダーヘテロダイン干渉計と同様である。定量的位相画像が位相シフト干渉計検査により得られる。
【０１４８】
該ＣＣＤ画像面に於ける時間に左右される輝度分布は下記により与えられる。
【０１４９】
Ｉ＿（ｘ、ｙ、ｔ）＝｜ＥＳ±ＥＲ｜２＝
｜ＥＳ０｜２＋｜ＥＲ０｜２−２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ、ｙ、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ、ｙ、ｔ）＋Ωｔ］ （３２ａ）
ストロボスコープ的位相シフト干渉計検査は位相感応型の仕方でこのヘテロダインフリンジパターンを画像形成するため使われる。これはＣＣＤに於ける検出の“ゲーテイング（ｇａｔｉｎｇ）”を要し、これは幾つかの方法で行われ得る。増感器（ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）電圧を制御することにより増感付き（ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ）ＣＣＤはゲート（ｇａｔｅｄ）され得る。該ＣＣＤの前の大きなアパーチャーの電気光学セル（ｌａｒｇｅ−ａｐｅｒｔｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｃｅｌｌ）が高速シャッターとして使われる。図１８Ｂで図解されるシステムでは、電気光学的偏波スイッチ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈ）が該干渉計への入力ビームの偏波（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を制御するため使われる。該２つの偏波は、図１８Ｂに対応して、“面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）”及び“面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）”とラベル付けされる。直線偏光子（ｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）６８１が、該ＣＣＤ画像形成デバイス６８２の前に置かれるので、面内偏光のみが検出され、面外偏光は吸収されるか又は該偏光子により反射される。
【０１５０】
（必要なら光フアイバー経由で）該第１画像面に整合された光ダイオードが、２点ヘテロダイン干渉計内に於ける様に下記信号を得るため使われる。
【０１５１】
Ｉ１（ｔ）＝２｜ＥＳ０｜｜ＥＲ０｜ｃｏｓ［φＳ（ｘ１、ｙ１、ｔ）＋φＮ，Ｓ（ｘ１，ｙ１，ｔ）−φＮ，Ｒ（ｘ１，ｙ１，ｔ）＋Ωｔ］ （３２ｂ）
ゲート用信号は次いで下記の様にヘテロダイン信号Ｉ１から導出される。電子的比較器は該ヘテロダイン信号が正の傾斜を有して正である時“ハイ（ｈｉｇｈ）”を出力する。これは位相０を有するゲート信号に対応する。π／２、π、そして３π／２の位相シフトでの同様な信号がそれぞれ負の傾斜の正の、負の傾斜の負の、そして正の傾斜の負の、ヘテロダイン信号でトリガーすることにより発生される。本発明の好ましい実施例のヘテロダ
イン６８７及びゲート６８８−６９１信号が図１８Ｃで示される。
【０１５２】
次いで該ゲート信号は該ＣＣＤ検出器をゲートするために続いて使用される。そのシーケンスはコンピュータ６８５により制御される。光は該ゲート信号が“ハイ”の時だけ、該ＣＣＤ上に降下することが許される。４つの露出時に対応する輝度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ）を達成するように、該４つのゲート信号であるが、等しい数のヘテロダイン周期に対応する４つの露出が該ＣＣＤにより取り込まれる。該４つの測定されたフリンジ画像はＩ０（ｘ、ｙ）、Ｉπ／２（ｘ、ｙ）、Ｉπ（ｘ、ｙ）、Ｉ３π／２（ｘ、ｙ）と呼ばれる。その時相対サンプル位相は、該４つのフレームの各々間の位相シフトにより、下記により計算される。
【０１５３】
【数１９】
【０１５４】
例えば、その全開示が引用によりここに組み入れられる非特許文献２で説明されるそれらの様な、位相シフト動作及び位相を計算する他の方法も又使われ得る。更に、干渉計ノイズは、それが画像面上に亘り一定である限り、相関付けられたノイズヘテロダイン信号Ｉ１（ｔ）を基準とすることを介して打ち消される。ストロボスコープ的位相画像形成は、共通のヘテロダイン基準信号に関する積分（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）が時間に亘り行われる、“バケット（ｂｕｃｋｅｔ）”積分の形式と考えることが出来る。
【０１５５】
ストロボスコープ的位相画像形成は又本発明の好ましい実施例の双ビームヘテロダイン干渉計を用いても行われ得る。これはＣＣＤにより検出され得る８５０ｎｍの様な低コヒーレンス波長を要する。それは又この後説明される図１９と比較される様に、図１８Ｄに示す画像形成システムへのサンプルビーム供給システムの修正を要する。この実施例では、４つのゲート信号を発生するため使われる基準ヘテロダイン信号が光学的基準信号により提供される。検出された信号のシャッター作用は光フアイバースイッチ又は偏光子を有する偏波変調器により行われてもよい。
【０１５６】
本発明の好ましい実施例は双ビーム反射干渉計を含んでいる。該双ビーム反射干渉計検査の好ましい実施例は分離された双ビームヘテロダインＬＣＩを有する。該ヘテロダイン双ビーム干渉計６２０が図１９に示されている。この干渉計はサンプルの前に配置された部分的反射面に対する、サンプルからの反射光の位相変化を測定するため使われる。例えば、ガラスの薄いピースの上のサンプルから反射された光の位相を測定してもよい。もう１つの例として、検討下のサンプルの近くに置かれた光フアイバープローブの先端からの反射と比較する測定が行われてもよい。
【０１５７】
スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）又はマルチモードレーザーダイオードの様な低コヒーレンス源６２２が、真空フイードスルー（ｖａｃｕｕｍ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）を通して真空室６４０に入る単一モード光フアイバーに結合される。該室内には振動から隔離された自由空間コヒーレンスマイケルソン干渉計が閉じこめられている。該低コヒーレンスビームは該フアイバーからコリメーテイングレンズを経由するよう発射され、ビームスプリッター６２６により分割される。（１（６５６）及び２（６５８）と呼ばれる）該干渉計のアームは周波数ω１とω２のＲＦ場により駆動される音響光学的変調器（ＡＯＭ１６２８とＡＯＭ２６３４）を有する。各アームで、正にシフトされた１次の回折ビームはピンホールにより選択される。該光はレンズ６３０と６３６により焦点合わ
せされ、次いでミラーＭ１６３２とＭ２６３８により反射され該ＡＯＭへ戻る。該レンズは該ＡＯＭと該ミラーの両者から１焦点長さの距離だけ離れて置かれる。この設計は該ＡＯＭ逆反射整合（ＡＯＭ ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が該低コヒーレンス（広いスペクトラム）光のスペクトラム間で保持されることを可能にする。
【０１５８】
該ＡＯＭは２重通過構成（ｄｏｕｂｌｅ−ｐａｓｓ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で運転されるので、周波数ω０での入射光は、それぞれアーム１（６５６）と２（６５８）を通過後、ω０＋２ω１とω０＋２ω２にシフトされる。アーム１と２を通過した２つのビーム間の周波数差はΩ＝２（ω１−ω２）である。
【０１５９】
該ミラーの１つ、Ｍ１６３２は該２つのアーム間の光路長差Δｌ＝ｌ１−ｌ２を調整するために並進ステージに取り付けられる。該２つのアームを通過後該組み合わされたビームは時間遅延Δｌ／ｃだけ分離された２つのパルスを有するビームと考えられ得る。該２つの干渉計アームからの反射は該コリメーター６６０によりフアイバー内へ戻るよう焦点合わせされ、該室６４０を出る。
【０１６０】
該入射ビームから後方反射されたビームを分離するため光学的サーキュレーター（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）が使われる。該光はもう１つのコリメーター６６２により自由空間ビームとして発射され、部分的反射面６６４を最初通過して、サンプル６４２上に焦点合わせされる。後方反射された光は同じコリメーターにより集められ、もう１つの光学的サーキュレーターを通過後光ダイオード６５０により検出される。該マイケルソン干渉計内の光学的遅延は、サンプルＳからの反射と基準面からの反射との間の光路差Δｓにマッチするよう調整される。この条件ΔＬ＝Δｓが源のコヒーレンス長さｌｃ内に持続する時、周波数Ωでのヘテロダイン信号が面Ｓ６４２とＲ６６４から反射した光の間の干渉により検出される。該２つのＡＯＭ駆動場を混合し、２倍化することにより提供されるローカル発信器に対し測定された、該ヘテロダイン信号の位相は該基準反射に対するサンプル反射の位相の測定値を表す。
【０１６１】
ヘテロダイン信号が単一面の反射により創られないようにするために、該長さΔｓは該コヒーレンス長さｌＣより実質的に長くなければならない。又信号が該ガラス面を基準にされ、該サンプルから散乱しないように、該サンプル厚さは該ガラス厚さΔｓより小さく取られる。
【０１６２】
該干渉計の定量的説明は下記の様である。最初に波数ｋ０を有するモノクロの源を考える。該マイケルソン干渉計の入力での電場振幅は下記により記述される。
【０１６３】
Ｅｉ＝Ａｉｃｏｓ（ｋ０ｚ−ω０ｔ） （３３）
該ＡＯＭを通過後該ビームスプリッターから戻る電場は、該干渉計の２つのアームからの場の和により与えられる。
【０１６４】
Ｅｍ＝Ｅ１＋Ｅ２＝Ａｉｃｏｓ（２ｋ１ｌ１−（ω０＋２ω１）ｔ）＋Ａｉｃｏｓ（２ｋ２ｌ２−（ω０＋２ω２）ｔ） （３４）
ここでｋ１＝ｋ０＋２ω１／ｃ及びｋ２＝ｋ０＋２ω２／ｃである。
【０１６５】
この双ビームが今サンプルに入射する。ｓ１が基準反射までの光学距離、ｓ２がサンプル反射までの光学距離とする。もし該基準及びサンプル反射の反射率がそれぞれＲ１とＲ２であり、多重反射が無視されるとすると、該サンプルから反射される場は下記である。
【０１６６】
【数２０】
【０１６７】
該検出された輝度ｉＤは二乗された場振幅に下記の様に比例する。
【０１６８】
【数２１】
【０１６９】
ここで光学的周波数発振項は無視され、周波数シフトによる波数シフトΩ／ｃは路長差Δｓ及びΔｌの逆数と比較して無視できると仮定する。
【０１７０】
低コヒーレンス（ブロードバンド）源をモデル化するために、それが中心波数ｋ０と、半最大スペクトルバンド幅での最大波長Δｋと、を有するガウス型パワースペクトル密度を備えると仮定する。
【０１７１】
【数２２】
【０１７２】
低コヒーレンス放射について検出された輝度は該スペクトル分布に亘りモノクロの結果を積分することにより見出される。
【０１７３】
【数２３】
【０１７４】
ここで
【０１７５】
【数２４】
【０１７６】
は選ばれたスペクトル密度用の源（ｓｏｕｒｃｅ）コヒーレンス関数である。又ここでｌｃは下記の様にコヒーレンス長さである。
【０１７７】
【数２５】
【０１７８】
もし該路長差が、Δｌ＝Δｓが該コヒーレンス長さ内へ、そしてΔｌ＞＞ｌｃであるように、選ばれるならば、支配的で時間に左右される信号は下記の形である。
【０１７９】
【数２６】
【０１８０】
ローカル発信器６５２すなわちＬＯ＝ｃｏｓ（Ωｔ）に対するこの信号の位相を測定することにより、Δｓの変化が測定され得る。マイケルソン干渉計の隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）は位相ノイズがΔｌの変化を通して該測定に影響させないようにするため必要である。
【０１８１】
図２０は本発明の好ましい実施例の隔離された双基準ヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を図解する。この干渉計はそのサンプル内の種々の深さから散乱に対する、サンプル内の選択された深さから反射される光の位相を測定するため使われる。このセットアップは、ガラス反射面を何等要しない点で、より簡単な双ビーム干渉計に優る利点を有する。このシステムは生体内測定用に理想的である。該双基準（ｄｕａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）マイケルソン干渉計は充分薄いか又は透明なサンプル内の３次元容積に亘る神経活動（ｎｅｕｒａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ）を画像形成するため使われ得る。このシステムはニューラルネットワークの展開（ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）を研究するため使われ得る。
【０１８２】
低コヒーレンス源７０２からの光は光フアイバーカプラー７０６により上下路に分けられる。上方路は図１９に関連して上記で説明された双ビーム干渉計と同様であるが、周波数シフトω１を有する２重通過ＡＯＭは旧サンプル位置を占め、サンプルは今度はこの干渉計の下方路内に配置されている。該２つの場はもう１つのフアイバーカプラー７４２で再組み合わせされる。光ダイオード７４６，７４８が２重のバランスされたモードで配置される。
【０１８３】
モノクロの源の場合の該干渉計の定量的説明は下記の様である。該上方路の場は下記の様に書かれる。
【０１８４】
Ｅ１＝Ａｉｃｏｓ（２ｋ０ｌ１−（ω０＋２ω１−２ω３）ｔ）＋Ａｉｃｏｓ（２ｋ０ｌ２−（ω０＋２ω２−２ω３）ｔ） （４２）そして下方路は下記の様である（再び、サンプルは位置ｓ１とｓ２での２つの反射を有すると仮定する）
【０１８５】
【数２７】
【０１８６】
光フアイバーケーブルの路長は該２つのアーム間と等しいと仮定された。周波数ω３を有するＡＯＭ７３６に付随するミラー７４０は該路長を等しくするよう並進させられてもよい。
【０１８７】
光検出器信号のＡＣ成分は下記で与えられる。
【０１８８】
【数２８】
【０１８９】
ここでΩ１３＝２（ω１−ω３）そしてΩ２３＝２（ω２−ω３）である。ガウス型スペクトル分布用のポリクロマチックの場合（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃａｓｅ）は下記をもたらす。
【０１９０】
【数２９】
【０１９１】
コヒーレンス長さ内へ、
【０１９２】
【数３０】
【０１９３】
、そして更にΔｌ、Δｓ＜＜ｌｃと仮定する。その時支配的項は下記である。
【０１９４】
【数３１】
【０１９５】
次に、これら２つの周波数成分はミキサー内で組み合わされ、バンドパスフイルターは差の周波数Ω１２＝Ω１３−Ω２３＝ω１−ω２を選択する。
【０１９６】
【数３２】
【０１９７】
位相感応型検出器は次いで、該ＡＯＭ駆動場を混合し２倍にすることにより発生されるΩ１２でのローカル発信器に対するこの信号の位相を測定する。該測定された位相はφ＝２ｋ０（Δｌ−Δｓ）である。
【０１９８】
該位相シフト器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）は、その差動的性質にも拘わらず位相測定に幾らか影響を有する干渉計ノイズを補償するため使われる。光ダイオード信号成分の位相
【０１９９】
【数３３】
【０２００】
が測定され、ｓ１からの反射を、該位相シフト器を通して、一定位相へロックする誤差信号として使われる。
【０２０１】
現実のサンプルを使う実施例では、２つの反射はないだろうが、散乱の分布はある。該基準アーム位置を設定することにより、この干渉計は２つの異なる深さから散乱される光間の位相差を測定する。
【０２０２】
図１９に関連して説明した実施例は該音響光学的変調器（ＡＯＭ）ＲＦ場を混合することにより創られる電気信号に対し、光学的ヘテロダイン信号の位相を測定する。この実施例に付随する複数のノイズ源がある。それらは、恐らく該ＲＦ場からのＡＯＭ加熱による、数分に亘る約１波長（１λ）の桁の、ゆっくりしたドリフトと、６０Ｈｚから１２０Ｈｚでの位相ノイズと、を含む。更に、振幅は存在し、それは恐らく該ＡＯＭをターンさせる電圧（ＡＯＭ ｔｕｒｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）内のラインノイズに依る。室の外部の光フアイバーが動かされた時変化するブロードバンド振幅及び位相ノイズの追加的源は該光学的サーキュレーター内の偏波モード分光（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｄｉｓｐａｅｒｓｉｏｎ）（ＰＭＤ）に依る様に最も強く推定される。
【０２０３】
本発明の好ましい実施例は該ノイズを最小化し、好ましくは除去するのがよく、そしてドリフトとノイズを減ずるため光学的基準化された測定を含むか、又は精密電圧源により供給されたＡＯＭ同調電圧を使うか、又は代わりに偏波保存型光フアイバー部品（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を使う。
【０２０４】
図２１はノイズを最小化する光学的基準化干渉計の好ましい実施例を図解する。この実施例は図１９に関連して説明されたシステムにより経験されたドリフト及びノイズの課題に取り組む。図２１に関連して図解される実施例はヘテロダイン双ビーム干渉計である。この干渉計は、サンプル対象又は別の要素上の種々の横断点（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｐｏｉｎｔｓ）であってもよい基準を使ってサンプルからの反射光の位相変化を測定するため使われる。ＳＬＤの様な低コヒーレンス源７６２が単一モード光フアイバーに結合され、該フアイバーは真空フイードスルーを通って該真空室７８２に入る。該ヘテロダインマイケルソン干渉計は図１９に関連して説明された様に動作する。該２つの干渉計アームからの反射はコリメーター７６６，７９２により２本のフアイバー内に戻るよう焦点合わせされ、該室を出る。追加の光路が別の要素上の種々の横断点である基準を提供する。後方散乱される光は２つのコリメーター７８８，７９０により集められ、それぞれ光学的サーキュレーター７９４と７９８を通過後２つの光ダイオード７９６，８００により検出される。
【０２０５】
この双基準化干渉計検査では、実施例は横断基準点と反射基準化位相測定を組み合わせる。理想的には、該基準点とサンプル対象は同じガラス上に配置されるのがよい。これはカバーガラスの何等かのチルト、振動及び／又は膨張効果を打ち消す追加的利点を有する。図２２で図解される様に、測定される位相は下記である。
【０２０６】
φ（ｔ）＝（φ１−φ１’）−（φ２−φ２’） （４９）
該双基準化干渉計の好ましい実施例はノイズを打ち消すために、同様な利得と周波数応答とを有する光検出器を備える。更に、偏波保存部品とフアイバーが、該フアイバー内の偏波効果に取り組むよう使われ得る。特に、光学的サーキュレーター内の偏波モード分光は２つの直交する偏波の間の可変遅延を創り、それは振幅及び位相でのノイズへ導くが、該ノイズは該偏波保存部品を使うことにより緩和され得る。好ましい実施例では、デジタルバンドパスフイルターが光学的信号内に見出される調波に取り組むため使われる。
【０２０７】
図２３Ａは、図２１に関連して説明されたシステムを校正するため使われるピエゾ電気変換器（ＰＺＴ）の電圧をグラフで図解する。該ＰＺＴ校正セットアップは図２５Ａで図解される。
【０２０８】
ミラー８８８の変位に対応する位相変化が図２３Ｂでグラフで図解される。この位相変化は２７ｎｍの校正された距離変化に対応する。
【０２０９】
図２４は、図２１で図解された干渉計に付随する、５０ｍｓの全時間間隔に亘りノイズ特性をラディアンでグラフにより図解するが、そこでは該干渉計の２つのアームが等しく作られている。
【０２１０】
図２５Ａ及び２５Ｂは本発明の好ましい実施例によりサンプル及び基準信号用の校正セットアップの略図による表現である。ミラー及びビームスプリッターの間の間隔はＰＺＴで変えられる。該ＰＺＴ運動は該光源（ヘリウム−ネオンか又はチタン；サフアイア）送信をモニターすることにより校正される。
【０２１１】
本発明の好ましい実施例は、活動電位中の神経変位運動の様な弱く反射する面の小運動の非接触測定を行うため使われる双ビーム低コヒーレンス干渉計を有するシステムに向けられている。神経繊維は該活動電位中に急速な外方への横方向面変位を示す。一般に軸索内への水の流束に帰せられる、この“スウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）”現象は最初は蟹神経（ｃｒａｂ ｎｅｒｖｅ）でそして後には多数の他の無脊椎及び脊椎試料（ｉｎｖｅｒｔｅｂｒａｔｅ ａｎｄ ｖｅｒｔｅｂｒａｔｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓ）で観
察された。今日までの神経スウェリングの全ての観察は該神経に物理的に接触して置かれた光学的又はピエゾ電気的センサーに依存して来た。神経変位を測定する光学的非接触の方法は接触に関連するアーチフアクト（ａｒｔｉｆａｃｔｓ）を除去し、それらの自然な状態での多数の神経の活動を同時に画像形成することを可能にする。
【０２１２】
本発明の好ましい実施例は双ビームヘテロダイン低コヒーレンス干渉計とそのロブスター（ｌｏｂｓｔｅｒ）神経束内のスウェリング効果の測定への応用を含む。神経スウェリングの干渉計実験的観察の従来技術の方法は、低感度と、蛙（ｆｒｏｇ）又はロブスター神経内の活動電位に付随する何等かの動きの検出の失敗のために、成功してなかった。もっと最近になって、該活動電位中の神経内の屈折率変化が透過光干渉計を使って成功裡に測定された。
【０２１３】
ｍｓの時間規模に亘りナノメーターの桁での、神経変位の測定は、低反射率の面から記録できる高速で、安定な干渉計測測定システムを要する。好ましい実施例に依れば、単一モードフアイバー及び自由空間要素の両者から成る、双ビームシステムが図２６で示されている。フアイバー結合されたスーパールミネッセントダイオード９２２｛オプトスピードエスエルデー（Ｏｐｔｏｓｐｅｅｄ ＳＬＤ）、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅４０ｎｍ（ＦＷＨＭ）｝からの光がコリメートされ、二重通過構成に整合され、周波数ω１＝１１０．１ＭＨｚ及びω２＝１１０ＭＨｚのＲＦ場により駆動される、音響光学的変調器９４６，９５２（ＡＯＭｓ）を含むマイケルソン干渉計に入る。並進ステージ上に設置されたミラーは該２つの干渉計アーム間往復光路差ΔＬの制御を可能にする。光はフアイバーコリメーターを通して該マイケルソン干渉計に入り、出て行く。
【０２１４】
該マイケルソン干渉計の２つのポートの各々からの出力は異なる周波数シフトと可変遅延とを有する２つの低コヒーレンス場から成る双ビームである。該双ビームの１つは該神経室セットアップ（ｎｅｒｖｅ ｃｈａｍｂｅｒ ｓｅｔｕｐ）（詳細は図２７参照）に入射し、もう１つは基準ギャップ上に入射する。該神経セットアップと基準ギャップの各々は調整可能な距離により分離された２つの反射面を有し、入射光をそのそれぞれのフアイバーへ戻るよう反射するよう整合されている。これらの面の１つを除き全てが空気とコートされないガラスの間のインターフエースである。該サンプル内で、空気及び神経表面の間のインターフエースから第２反射が来る。
【０２１５】
ΔＬＳとΔＬＲはそれぞれ該サンプルと基準ギャップの面１と２からの反射の間の往復光路長差である。該３つの路長ΔＬ、ΔＬＳ及びΔＬＲが源（ｓｏｕｒｃｅ）コヒーレンス長さ内で全て等しくなるよう種々の部品が調整される。この条件が充たされると、光検出器９３２，９６２（新焦点２０１１）は、（１）該マイケルソン干渉計のアーム１をトラバースしサンプルの面２（又は基準ギャップ）から反射する光と（２）該マイケルソン干渉計のアーム２をトラバースしサンプルの面１（又は基準ギャップ）から反射する光、の間の干渉により周波数Ω＝２（ω１−ω２）＝２００ｋＨｚのヘテロダイン信号を記録する。該２つのヘテロダイン信号間の位相差（２πの倍数までの）は
φ（ｔ）＝ｋ０［（ΔＬＳ−ΔＬ）−（ΔＬＲ−ΔＬ）］＝ｋ０（ΔＬＳ−ΔＬＲ）、ここでｋ０は光源の中心波数（ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）である。位相ノイズに最も感受性にある量、マイケルソン路遅延ΔＬ、はこの差測定方法では打ち消される。偏波独立性光学的サーキュレーター９２６，９３０，９６０が検出される電力を最大化するよう、そして該反射光が該マイケルソン干渉計に再び入らせないようにするため使われる。偏波制御器（示されてない）が、該光フアイバー部品内の偏波モード分光の影響を最少化するよう使われる。
【０２１６】
該位相差φ（ｔ）を測定するために、該光検出器の出力は５×１０６サンプル／秒で１２ビットＡ−Ｄカード｛ナショナルインスツルメントのピーシーアイ−６１１０（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＰＣＩ−６１１０）｝によりデジタル化される。コンピュータ内のインストラクションのシーケンスがヒルベルト変換を介して該２信号の位相差を計算し、相対面変位ｄ（ｔ）＝φ（ｔ）／２ｋ０として該位相シフトを表す。
【０２１７】
該干渉計が変位測定を行うことを検証するために、該神経セットアップは、ピエゾ変換器を用いて３００Ｈｚ周波数と２７ｎｍ振幅で正弦波状に変調されたキャビテイ間隔（ｃａｖｉｔｙ ｓｐａｃｉｎｇ）を有する平面状（ｐｌａｎａｒ）フアブリーペローキャビテイ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｃａｖｉｔｙ）で置き換えられた。振幅及び周波数の双ビーム干渉計測定は、該キャビテイが数μｍに亘り走査された時、６３２．８ｎｍヘリウムネオンレーザービームの透過をモニターすることにより決定された値と良く合致した。
【０２１８】
好ましい実施例に依れば、アメリカンロブスター（Ａｍｅｒｉｃａｎ ｌｏｂｓｔｅｒ）｛ホマラスアメリカナス（Ｈｏｍａｒｕｓ ａｍｅｒｉｃａｎｕｓ）｝の歩行脚神経（ｗａｌｋｉｎｇ ｌｅｇ ｎｅｒｖｅ）（直径１ｍｍ以下、長さ５０ｍｍ以下）が切断され、図２７に図解される様にアクリル樹脂から機械加工された神経室上（ｏｎ ａ ｎｅｒｖｅ ｃｈａｍｂｅｒ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａｃｒｙｌｉｃ）に置かれた。該室はロブスター塩水溶液（ｌｏｂｓｔｅｒ ｓａｌｉｎｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）で充たされた５つのウエル（ｗｅｌｌｓ）を有し、ウエル間で該神経は、ウエル間抵抗（ｉｎｔｅｒ−ｗｅｌｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を最大化するように、石油ゼリー（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｊｅｌｌｙ）の絶縁層で囲まれた。刺激電極（ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を通して該神経を刺激（ｅｘｃｉｔｅ）するために刺激アイソレーター（ｓｔｉｍｕｌｕｓ ｉｓｏｌａｔｏｒ）が０−１０ｍＡの可変振幅と１ｍｓの持続時間の電流パルスを供給する。該刺激アイソレータ−により供給される該電流は、該塩水を通しての並列導電性（ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）のために、該神経を通過する現実の電流より恐らく遙かに大きいだろう。該神経内で発生される複合活動電位は対の記録電極９９８ａ、９９８ｂにより検出され、利得１０４で増幅される。中央のウエル中では該神経は、それが塩水溶液内に沈まないように、小さなガラスプラットフオーム上に休んでいる。該神経は切断及びデータ収集中塩水で湿度を有するよう保たれている。
【０２１９】
図２８Ａと２８Ｂは本発明の好ましい実施例による１つの試みについて電位と光学的に測定された神経の変位を図解する。電気信号での時刻ゼロでのスパイクは刺激のアーチフアクトによる。それに、該神経束内の多数の軸索の活動電位を説明する１連のピークが続く。光学的信号は、上方への面変位に対応する方向を有する、高さ約５ｎｍのピークとＦＷＨＭの持続時間約１０ｍｓを示す。該光学的信号は電気信号での多数のピークより寧ろ１つのピークを示し、これは該変位信号の単一位相的（ｍｏｎｏｐｈａｓｉｃ）（１つの符号）性質に依る。該変位測定値の実効値ノイズ（ｒｍｓ ｎｏｉｓｅ）は１ｋＨｚバンド幅の間の約０．２５ｎｍであった。
【０２２０】
該変位は該神経用意品の約半分で観察され、５ｍＡ刺激について０から８ｎｍまで振幅で変化した。その大きな変動は該神経自身と用意の手順での差を反映しているかも知れない。同様な変位振幅は蟹及びザリガニ（ｃｒａｙｆｉｓｈ）の神経を使っても報告された。光学的レバーを使うロブスター神経スウェリング（ｎｅｒｖｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ）の最近の研究で、約１０倍以下で小さい変位が観察された（ａｂｏｕｔ 〜１０ ｔｉｍｅｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）が、それはその技術のアーテイフアクトを反映しているかも知れない。
【０２２１】
刺激電流による神経のオーミック加熱での熱的膨張の様なアーテイフアクトを制御するために、該刺激電流が変化した時の１つの神経のピーク電気信号と変位信号が測定された（図２９で図解される様に）。該電気及び変位信号は殆ど同一のしきい値電流（約１．５
ｍＡ）と飽和電流（約５ｍＡ）を表し、観察された変位が活動電位に付随することを示唆する。対照的に、オーミック効果は電流への２次の依存と非飽和により特徴付けられるだろう。かくして、本発明の好ましい実施例は刺激のアーテイフアクトについて制御すべき神経変位の学習を提供する。好ましい実施例は神経スウェリングの最初の非接触及び最初の干渉計測定を行うためのヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を含む。神経スウェリングの生物物理学的機構が画像形成され、本発明の好ましい実施例により個別軸索を解析した。該双ビーム低コヒーレンス干渉計は活きた細胞のナノメーター規模の運動の測定で多くの他の応用を有する。他の実施例は活動電位に付随した１つのニューロンの機械的変化を検出するために該干渉計に基づいた顕微鏡を含む。又関連した干渉計検査方法は培養された細胞単層（ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｃｅｌｌ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）内の細胞容積変化を測定するため使われる。
【０２２２】
図３０は本発明の好ましい実施例に依る双ビーム干渉計用走査システムの光学的レイアウトを図解する。モーター付きガルバノメーター上に設置されたミラー１０２４，１０３０が画像形成システムのフーリエ面（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｐｌａｎｅｓ）に置かれ、そのビームが角度の変化無しにサンプルを横切るよう走査されることを可能にしている。該ミラーは約３０Ｈｚ、振幅１−２度（サンプル上で５０−１００μｍ）で走査する。該ガルバノメーターはリサジュー（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）パターン１０５２でラスターされる（ｒａｓｔｅｒｅｄ）か又は走査されてもよい。
【０２２３】
図３１は本発明の好ましい実施例に依るリサジュー走査を使って空のカバーガラスから集められたガルバノメーター位置と位相データを図解する。図の全体の場は約１００μｍである。垂直軸は測定された位相である。ノイズプロフアイルは１ｋＨｚに亘り約２５ｍｒａｄである。
【０２２４】
図３２Ａと３２Ｂは本発明の好ましい実施例の後方反射（ｂａｃｋｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の位相画像及び輝度（振幅）画像のカラーマップを図解する。該ビーム走査データは空のカバーガラスから集められた。そのノイズプロフアイルは１ｋＨｚに亘り約２５ｍｒａｄである。電力（Ｐｏｗｅｒ）はそのビームが光軸から離れるよう動かされた時起こる誤整合（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）とクリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）のために中央で最高である。その画像中の黒いドットはリサジューパターンが訪れなかった画素に対応する。
【０２２５】
図３３は本発明の実施例により取り組まれた焦点合わせ問題を略図により図解する。細胞２００２は双ビーム顕微鏡のガラスカバースリップ２００４上に座している。実線は上ガラス面とセル上に焦点合わせされたビームを表す。点線は該ガラスの底面から反射されるビームを表す。位相基準干渉計検査システムは本発明の好ましい実施例の双ビーム干渉計検査であり、関心のあるサンプルから散乱される光の収集のみならず、該サンプルの前に配置された固定の基準化された面からの反射も要する。該サンプル及び基準の異なる軸方向位置は、特に高開口数光学システム（ｈｉｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）用では、基準及びサンプルの両散乱の効率的同時収集に挑戦する。０．５０の開口数を用いてサンプル及び基準の効率的光収集を可能にする様な、該焦点問題への２つの解が好ましい実施例のシステムにより提供される。第１には、２焦点レンズ（ｂｉｆｏｃａｌ ｌｅｎｓ）システムが、該開口部（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）を、２焦点光学要素の異なるカーブ部分を通過する周辺及び軸光線に分けることにより、該サンプル及び基準両面を同時に焦点へ持って来る。該２焦点要素は平面−凸面レンズ（ｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ ｌｅｎｓ）の凸側内の中央領域を平らに磨くことにより作られ得る。該２焦点レンズを顕微鏡のフーリエ面の近くに位置付けることはサンプル画像形成用のミラーガルバノメーターを介したビーム走査を可能にする。
【０２２６】
図３４は本発明の好ましい実施例の２焦点レンズ用の設計を図解する。該２焦点レンズを、対物レンズの後よりも寧ろ前に置くことの方が容易である。この実施例は並進の容易さを提供する。
【０２２７】
図３５は本発明の好ましい実施例の２焦点レンズシステムのもう１つの設計を図解する。該２焦点レンズシステム２０５０は該画像形成システムのフーリエ面に、又はその近くに、該２焦点レンズを置くことによりビーム走査を可能にする。ビーム２０６８が軸ビーム（ａｘｉａｌ ｂｅａｍ）である一方、ビーム２０７０が周辺ビーム（ｍａｒｇｉｎａｌ ｂｅａｍ）である。光学的特性はチルトされたビームを有する第１次に対し不変（ｉｎｖａｒｉａｎｔ）である。
【０２２８】
図３６は、対物レンズの後の２つの焦点の間の間隔が本発明の好ましい実施例によりδ＝１００μｍに等しくなる様なレンズｆ３（２焦点）とｆ２の間の光学的距離の計算を図解する。該光学的設計はレイトレーシング（ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ）により提供される。
【０２２９】
図３７は本発明の好ましい実施例の２焦点レンズの製造を図解する。該２焦点レンズは平面−凸面レンズの中央部分をフラットに磨くことにより作られ得る。ガラスの非常に小さい厚さが除かれる（約２−１０μｍ）。信号及び基準の間の路長差の小さな変化がもたらされる。
【０２３０】
図３８は、対物レンズが本発明の好ましい実施例によりガラスカバースリップの方へ走査された時、光学的サーキュレーターを通して測定された後方反射された輝度を図解する。後面及び前面からの反射は約１００μｍだけ分離される。重なり合いは無く、かくして干渉は無い。
【０２３１】
図３９は、本発明の好ましい実施例により、ミラーからの１つの反射を有する２焦点レンズについて対物レンズ焦点位置に対する後方反射される輝度を図解している。２焦点レンズｆ３を使うと、ミラーからの１つのピークは（該対物レンズ位置が走査された時）、異なる対物レンズ焦点位置でのミラーに焦点合わせされた軸及び周辺ビームに対応する２つに分かれる。ピーク間の間隔はレンズｆ２とｆ３の間の距離に依る。この実施例では、その間隔は約１００μｍである。
【０２３２】
図４０は本発明の好ましい実施例による両カバーガラス反射を有する２焦点レンズを用いて、対物レンズ焦点位置対後方反射輝度を図解する。この図は２つの前の図を一緒に描いており、４つの主要ピークと幾つかのより小さいピークを提供する。
【０２３３】
図４１はｆ２とｆ３の間の距離が前と後のガラス面の間の間隔とマッチするよう調整された時、本発明の好ましい実施例の、対物レンズ焦点位置対後方反射輝度を図解する。周辺光線は、軸光線が前面上で焦点合わせされる同じ位置で、後面上に焦点合わせされる。これは中央に見られる大きなピークを提供する。
【０２３４】
図４２は本発明の好ましい実施例により軸及び周辺ビームの結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）により生じる特別に小さいピーク（ｅｘｔｒａ ｓｍａｌｌ ｐｅａｋｓ）を図解する。これらの特別のピークは、該２つのピーク間の丁度中途（ｅｘａｃｔｌｙ ｈａｌｆｗａｙ）で起こる、軸から周辺ビームへの結合により説明される。該特別のピークの振幅は光学的整合に高度に左右され、該光学システムの精細な調整により最小化され得て、好ましくは除去されるのがよい。
【０２３５】
図４３Ａは本発明の好ましい実施例により基準面を一体型要素として有する双ビームプローブを図解する。該プローブはフアイバーコリメーター２３８２と段階的屈折率保有（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ）（ＧＲＩＮ）レンズ２３９０から成る。該ＧＲＩＮレンズのコートされない背面は基準反射を提供する。別の基準面を要しないので、該プローブは生体内適用に良く適している。該プローブは、２次元位相画像形成又は３次元共焦点位相画像形成を行うために高速走査ピエゾ並進器（ｆａｓｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｉｅｚｏ ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）上に設置されてもよい。この実施例は変位測定用に使い易い予め整合されたフアイバープローブを提供する。該プローブは約０．４−０．５の範囲の高い開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）（ＮＡ）を有し、それは散乱面からの効率的な光集めを提供する。該一体型基準面は焦点の深さによる課題を解決する。この好ましい実施例のプローブは複雑な光学機器の集まりを置き換え、体内使用に好適である。
【０２３６】
図４３Ｂには光フアイバー双ビーム干渉計プローブのもう１つの好ましい実施例２３８１が図解されている。この実施例では、基準反射は該光フアイバーの切り裂かれた端部（ｃｌｅａｖｅｄ ｅｎｄ）２３８５により提供される。この例では、該端部２３８５は該フアイバー軸に対し直角に磨かれる。該フアイバー２３８３はハウジング２３８７に挿入されたガラスのフエルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）２３８９内に設置される。該フアイバー端２３８５により放射された光は段階的屈折率保有（ＧＲＩＮ）レンズにより焦点合わせされるが、該レンズはこの例では約０．２９又は０．３のピッチを有する。該フアイバーは該フアイバー（ＮＡ＝０．１３）とＧＲＩＮレンズ（ＮＡ＝０．５０）の開口数にマッチするよう３．５に概略等しい拡大率Ｍに整合される。該ビームは、この例では該プローブの遠位の面から約３００μｍにあるサンプルの所の焦点に来る。
【０２３７】
図４３Ｃはラットの海馬の培養（ｒａｔ ｈｉｐｐｏｃａｍｐａｌ ｃｕｌｔｕｒｅ）からの２つの神経繊維｛軸索（ａｘｏｎｓ）又は樹状突起（ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ）｝の明視野顕微鏡画像（ｂｒｉｇｈｔｆｉｅｌｄ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｉｍａｇｅ）である。図４３Ｄは、サンプル走査２焦点双ビーム顕微鏡を使った測定された位置の関数としてのヘテロダイン信号振幅の表現である。
【０２３８】
図４３Ｅは図４３Ｄで見られたと同じサンプルの反射位相画像である。
【０２３９】
図４４は、本発明の好ましい実施例の、活動電位中に神経内で観察される変位効果の形状を調査するために適用される双ビームプローブの略図による図解２４００である。該プローブの角度を変えることにより、種々の方向での変位が測定され得る。
【０２４０】
図４５は、本発明の好ましい実施例のプローブか又はサンプルか何れかを走査することによる画像形成用に使われ得る双ビームプローブシステムを図解する。該プローブの走査はサンプル移動によるアーテイフアクトの導入を避けるために好ましい。該プローブはその軽い重量（約２−３グラム）のために非常に速く（約１ｋＨｚ）走査され得る。その基準面が該プローブに一体なので、（輝度及び位相の両者の）３次元共焦点画像形成（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ）が可能である。図解された双ビームプローブシステムは透過又は反射を測定出来る。好ましい実施例は、対物レンズからサンプルまでの距離が高度に安定な走査双ビームプローブ顕微鏡を有する。
【０２４１】
図４６Ａ−４６Ｃは、本発明の好ましい実施例による２焦点双ビーム顕微鏡を使って反射防止コートされたガラスカバースリップ上に置かれた乾燥した人の頬の上皮細胞の輝度画像、後方散乱光の測定された位相画像及び明視野画像をそれぞれ図解する。該画像はモーター付き並進器で顕微鏡ステージを走査することにより発生される。図４６Ａと４６Ｂの画像（視野は水平方向１３０μｍ×垂直方向１１０μｍ、走査は１００×１００画素である）はヘテロダイン信号の振幅及び位相をそれぞれ表示する。図４６Ｃは同じ頬細胞の明視野画像（視野は約６０μｍ×４０μｍ）である。該位相画像は１より小さい波のコントラストを表示する。これはガラス基盤との接触のために殆ど平坦な該細胞の下面のトポグラフイー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を反映する。
【０２４２】
図４６Ｄ−４６Ｇは図４３で図解された双ビーム顕微鏡の粗面計測能力（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）を図解し、２５ｍｍの焦点長さ平面−凸面レンズの凹側がカバースリップ上に置かれ、該カバースリップの頂部は図４６Ｅで示す様に１．５μｍ波長で反射防止コートされている。図４６Ｄは該レンズの中央部分の輝度画像を図解する。図４６Ｆは反射光の位相マップである。図４６Ｇは位相画像の断面を図解し、位相はラップされず、方形の嵌合を有する（ｗｉｔｈ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｆｉｔ）。第２次の項の係数は１１．７ｍｍの曲率の半径と対応し、レンズ面の既知の曲率と一貫性がある。輝度及び位相画像内で外にある点（ｏｕｔｌｙｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ）はダスト粒子又はレンズ上のピット（ｐｉｔｓ）のためである。
【０２４３】
図４７Ａ−４７Ｅは、本発明の好ましい実施例による、干渉記録（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ）の略図的線図と、位相の段階的処理（ｐｈａｓｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ）（図４７Ｂ−４７Ｃ）及びバケット積分（ｂｕｃｋｅｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）（図４７Ｄ−４７Ｅ）の様なフレームを集める種々の方法と、を含む位相シフト干渉計検査の原理を図解する。該方法は位相を変調する過程と、３つのフレームの最小値を記録する過程（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ａ ｍｉｎｉｍｕｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｆｒａｍｅｓ）とそして光学的位相変位を計算する過程とを有する。
【０２４４】
図４８Ａ−４８Ｃは本発明の好ましい実施例によるストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計検査システムの原理を図解する。このシステムは、バケットスイッチングが、非常にゆっくりした位相ノイズを与えるよう相関を付けられたノイズ基準のヘテロダイン信号を参照することを除けば、バケット積分と同様な連続位相ランピング（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｈａｓｅ ｒａｍｐｉｎｇ）に帰着する音響−光学的変調を有する。対照的に、ストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計は機械的ミラー変位による停止が無いので連続的測定を提供する。
【０２４５】
図４９は本発明の好ましい実施例によるストロボスコープ的双ビームヘテロダイン干渉計２５７０の略図を図解する。双ビーム干渉計からの光はコリーメートされ、電気−光学的偏波変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２５９４に入る。光はビームスプリッター２５８２から反射し、望遠鏡構成の２つのレンズ２５８０，２５７６（ｆ１とｆ０、すなわち対物レンズと）を通過し、そしてコリメートされたビームとしてサンプルを照明する。サンプル、例えば、細胞２５７３から及びカバースリップの後面から、後方反射された光は該対物レンズ及びｆ１によりＣＣＤ２５８６上に集められる。該レンズｆ１は該ＣＣＤから１焦点長さ離れるようそしてそのフーリエ面（ＦＰ）２５７８から１焦点長さ離れるよう整合される。該対物レンズｆ０２５７６は同様に該フーリエ面から１焦点長さそして該サンプルから１焦点長さにある。該ＣＣＤの前の偏光子２５８４と組み合わされた電気−光学的偏波変調器は高速光学的スイッチとして作用する。該電気−光学的偏波変調器は、該双ビーム干渉計に於ける様に、基準ギャップからのヘテロダイン信号である、基準信号の或る位相によりゲートされる。好ましい実施例では８２０ｎｍＳＬＤが使われる。サンプル２５７３上の該光はコリメートされており、かくしてどんな焦点問題も排除する。
【０２４６】
図４９Ｂと４９Ｃは本発明の好ましい実施例により、静止ガラス面上に焦点合わせされた図４３で図解した双ビームプローブについて位相ノイズを示すデータを図解する。
【０２４７】
図２６に関連して示され、説明されたシステムは、典型的例で約１００μｍだけ軸方向に分離された反射面とサンプル上に光を焦点合わせするよう試みる挑戦を提示する。開口数＞０．１の場合、これは場の深さより遙かに大きい。この課題に取り組むために２焦点光学システムか又はプローブ設計か何れかを変えることは可能であるが、しかしながら、該２焦点光学システムは高い開口数対物レンズに於いてはより悪い低収集効率を有するのが典型的であり、該レンズの軸から離れた部分（ｏｆｆ ａｘｉｓ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｓ）からの回折はフリンジング効果（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）を創り得る。プローブ設計は、基準面がサンプルから分離され、開口数が該ＧＲＩＮレンズで０．５に限定される事実により制限される。
【０２４８】
図５０Ａにはシステム２７００が図解されているが、そこでは２つの通路からの光が、該光がサンプル上に向けられる前に共通路に沿うよう組み合わされる。通路１からの光は面１上に焦点合わせされ、通路２からの光は面２上に焦点合わせされる。この特徴を組み込んだ干渉計は図５０Ｂの双ビームシステム２８００内で示される。該システム２８００は光源２８０１，２つの移動反射器２８０３，２８０５そして両通路からの光をサンプル２８０７の面と基準２８０９の面上に導く、偏波ビームスプリッター２８１１を有する。偏波成分の方向は図５０Ｃで明らかに示される。該干渉計の各アームは１つの面上に導かれる。その結果光はより効率的に使われる。ビームは２焦点レンズからのエッジ効果無しに別々に焦点合わせされる。開口数での結果的トレードオフは無く、該システムは、オプションとしての光源からを除けば、光フアイバー結合用のニーヅ無しで自由空間内で構成され得る。これは光収集効率を改善出来る。
【０２４９】
空間的光変調を使う定量的位相顕微鏡検査（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）
もう１つの側面では、本発明は、位相差顕微鏡検査と位相シフト干渉計検査を組み合わせた顕微鏡検査のシステムと方法を提供する。本発明のシステムと方法は透過構造と反射構造とに適用出来る。種々の実施例では、該方法とシステムは種々の空間周波数の波用に共通光路を使用し、サンプル上の同じ点で発する種々の空間周波数の波の間の位相をシフトする。
【０２５０】
光学的場の位相は多くの応用で必要な波長以下の精度を提供するために多年使われて来た。例えば、本来弱い散乱体（ｓｃａｔｔｅｒｅｒｓ）である生物学的システムは位相差顕微鏡の原理を使って可視化された。干渉計検査は該位相情報にアクセスする１つの方法であり、従って、種々の干渉計検査技術が標本に付随する位相を検索する目的で過去多年に亘り開発されて来た。位相差顕微鏡検査及びノマルスキー顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｎｄ Ｎｏｍａｒｓｋｉ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の様な技術は、非常に有用でポピュラーな方法であるが、光学的位相を単に造影剤（ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｇｅｎｔ）として使うだけで、その大きさについての定量的情報を提供しない。
【０２５１】
他方、位相シフト技術は定量的仕方で位相情報を決定出来て、種々の干渉計的スキームが過去数十年に亘り提案されて来た。偏光光学に基づく差動位相コントラスト技術は普通の光学的コヒーレンストモグラフイー（ｃｏｍｍｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）にインターフエースして来た。位相シフト干渉計検査の特別な場合としての、バケット積分技術は又２次元位相画像形成用に使われて来た。しかしながら、大抵のこれらの干渉計はそれらを非相関性環境ノイズ（ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｎｏｉｓｅ）に感受性にする２つの物理的に分離したビームを創る必要がる。この問題は屡々該ノイズを能動的に打ち消す特定の対策を要する。この目的でフエーズロックループ（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐｓ）が使われて来た。必要なものは干渉計の信号から非相関性ノイズを減じるか又は除去する顕微鏡システムと方法である。
【０２５２】
本発明のシステムと方法は、共通光路を使ってサンプルから発する光の種々の空間周波数を干渉させる。種々の実施例では、本発明は、非相関性環境位相ノイズ（ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）から実質的に自由なサンプルの位相画像を提供するシステムと方法を提供する。加えて、好ましい実施例では、本発明の方法は低コヒーレンス照明源が使われた時例え位相特異性（ｐｈａｓｅ ｓｉｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ）の存在下でも位相画像を得ることが出来る。
【０２５３】
種々の好ましい実施例で、本発明は環境位相ノイズに感応性でなく、任意の露出時間に亘り高度に精密で安定な位相情報を提供出来る機器を提供する。種々の実施例では、本発明は画像の干渉パターンとしての記述に基づく。この様な記述の１例はアッベの画像形成理論（Ａｂｂｅ’ｓ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ）である。画像面内の各点は光軸に対して種々の角度で伝播する波の重畳（ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）（干渉）と考えられる。もし我々がサンプルからの０次の散乱を、干渉計の基準として、考えるなら、その画像は該０次の場と光軸を離れるよう進む場との間の干渉として見られる。
【０２５４】
図５１Ａ−５１Ｄは画像のこの様な記述の種々の特徴の略図表現である。図５１Ａは高い空間周波成分１１０４と０次成分１１０６とにより創られる干渉パターン１１０２の略図表現１１００である。図５１Ｂは低周波成分１１１４と０次成分１１０６とにより創られる干渉パターン１１１２の略図表現１１１０である。図５１Ｃは画像面１１２６に於けるより広い空間周波ビーム１１２４の重畳により創られる回折スポット１１２２の略図表現１１２０である。図５１Ｄは画像面１１２６に於けるより狭い空間的スペクトラム１１３４により発生されるより広い回折スポット１１３２の略図表現１１３０である。加えて、例えば、該０次及びより高次の成分はＤＣ成分及びＡＣ成分として考えられ得る。
【０２５５】
画像形成面内の電子的場の振幅と画像面内の輝度は下記の様に表され得て、
【０２５６】
【数３４】
【０２５７】
ここでＥｉｍａｇｅは該画像形成面上の点での該光の電場の振幅を表し、ψは該光の位相を表し、そしてＩｉｍａｇｅは該画像形成面上の点での該光の輝度を表し、そしてここで添え字０と１は、それぞれ、例えば、式５０−５６の０次成分及びより高次の成分を表し、単位振幅（ｕｎｉｔａｒｙ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が考えられている。式５１は、該サンプルを跨ぐπに比較して小さい位相の変動、Δψ＝ψ１−ψ０、については画像面内の輝度はゆっくり変わり、それは該画像がコントラストに欠けると言うことに等価である、ことを図解する。しかしながら、該０次の位相ψ０をπ／２だけシフトすることにより、画像輝度分布は下記で表され得る。
【０２５８】
【数３５】
【０２５９】
式５２は、今度は該画像面内の輝度は値Δψ＝０付近では非常に敏感であり、それは、例え純粋に位相対象についても、その画像が可成りのコントラストを表すと言うことと等価なことを図解する。
【０２６０】
輝度コントラストを改良することに加えて、０次光成分の位相をシフトすることは又対象の位相分布について定量的情報を提供し得る。例えば、制御可能に変更可能な量δだけ該ゼロ周波数成分の位相をシフトすることを考える。該画像面内の何等かの点（ｘ、ｙ）での合計電場Ｅ（ｘ、ｙ）ｉｍａｇｅと輝度Ｉｉｍａｇｅ（ｘ、ｙ；δ）は、該０次場が該画像面上で一定であることを考えて、下記で表され得るが、
【０２６１】
【数３６】
【０２６２】
ここでＩ０は該低周波成分に付随する輝度、Ｉ１は該高周波成分に付随する輝度である。
【０２６３】
ここで、我々はサンプルから来る光の次数（ｏｒｄｅｒ）を一般的に引用する。しかしながら、ＳＬＭが使われる時、実際は、サンプルから来る光の０次成分の位相のみを制御可能にシフトすることは非常に難しい。従って、好ましい実施例では、我々は、全て０次光を含む低周波空間成分の位相をシフトする。従って、本発明のシステムと方法は、０次成分のみの位相をシフトすることにより実施されること、そして他の次数の位相は要しないことは理解されるべきである。
【０２６４】
δを変えることにより、Δψ（ｘ、ｙ）＝ψ１（ｘ、ｙ）−ψ０を得ることが出来て、その表現は下記である。
【０２６５】
【数３７】
【０２６６】
サンプルψに付随する位相は、例えば、合計電場Ｅ（ｘ、ｙ）の位相表現を使い、式５３と５４を使って得られる。対象に付随する位相は下記で表され得る。
【０２６７】
【数３８】
【０２６８】
式５６で、β＝Ｉ１／Ｉ０であり、それはそれぞれ高及び低空間周波成分に付随する輝度間の比を表す。βの値は、例えば、δの４つの値でのＩｉｍａｇｅ（ｘ、ｙ；δ）から得られる。
【０２６９】
種々の実施例では、本発明のシステムと方法は該顕微鏡検査システム用の透過構造に基づく。図５２は透過構造に基づく本発明による顕微鏡検査システム１２００の１実施例を略図により図解する。図５２を参照すると、１対のレンズ、対物レンズ１２０４とチューブレンズ１２０６が透過構造で画像面Ｐ２１２１２にサンプル１２１０の画像を形成する。該レンズＬ３１２１４は該画像のフーリエ変換を空間的光変調器（ＳＬＭ）１２１６上に形成するため使われる。該ＳＬＭ１２１６上の中央領域１２１７は、該ＳＬＭの残りに比して、制御可能な位相シフトδを入射ビーム１２２０の中央ゾーン１２１８に適用し、該全入射ビーム１２２０を反射する。該入射ビーム１２２０の該中央ゾーンは、該ビームの内方の境界１２２２により描かれた、低空間周波波（ｌｏｗ ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗａｖｅｓ）に対応する。外方境界は高周波数ビーム成分の通路１２２４を図解し、該低周波数及び高周波数の両ビーム成分の発散（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）は可視化目的で誇張されている。レンズＬ３１２１４は又４ｆシステムの第２レンズとして役立ち、例えば、ビームスプリッターＢＳ１２３２を使って、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の様な、検出器１２３０上に最終画像を創る。
【０２７０】
幅広い種類のデバイスが該ＳＬＭを制御するため使われ得て、サンプルの画像を取得する。例えば、種々の実施例では、コンピュータ１２５０は該ＳＬＭ１２１６の変調を制御し、δをπ／２だけインクレメントし、又好ましくは該検出器１２３０の画像取得を同期させるのがよい。式５５の演算は実時間で行われ得て、かくして表示される位相画像の速度は好ましい実施例では該検出器１２３０の取得時間と該ＳＬＭ１２１６のレフレッシュ速度に依ってのみ限定される。
【０２７１】
広い種類の照明モードと照明源とが本発明の透過構造用の照明１２６０を提供するため使われ得る。該照明は明るいか又は暗いか何れかの場のモードで行われ得る。加えて、使われる光源のコヒーレンス特性に関し特定の要求は無い。本発明のシステムと方法はレーザー光、部分的にコヒーレントな放射、又は例えば、放電ランプからの様な、“白色（ｗｈｉｔｅ）”光を使うことが出来る。該照明源は、しかしながら、良い空間的コヒーレンスを有すべきである。
【０２７２】
図５２で図解する様に、干渉する低周波及び高周波の場は同じビームの成分であり、かくして共通の光路を共有する。該低周波及び高周波成分はかくして位相ノイズにより同様な仕方で影響されそして本発明のシステムの種々の実施例は光学的にノイズフリーの定量的位相顕微鏡と考えることが出来る。例えば、種々の実施例では、取得の任意の時間規模に亘りλ／１、０００の位相感度が可能である。
【０２７３】
種々の実施例では、本発明のシステムと方法は顕微鏡検査システム用の反射構造に基づく。透過及び反射構造の間の差は照明構造にある。透過構造は反射構造に変換され得る。
【０２７４】
図５３は反射構造に基づく本発明の顕微鏡検査システム１３００の１実施例を略図により図解する。該低周波及び高周波成分の通路の外方境界は明確なので図５３では図解されてない。加えて、図５３での光ビームの発散は可視化目的で誇張されている。種々の実施例では、ビームスプリッターＢＳ１１３０１は第２照明源１３０２が該システム内に結合されることを可能にし、照明１３０３を提供する。１実施例では、該第２照明源はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を有する。例えば、ＳＬＤの様な低コヒーレンス源がその光路内の種々のインターフエースでの反射による干渉を避けることが望ましい。
【０２７５】
図５３を参照すると、１対のレンズ、対物レンズ１３０４とチューブレンズ１３０６がサンプル１３１０を画像面Ｐ２１３１２上へ画像形成する。該レンズＬ３１３１４は空間光変調器（ＳＬＭ）１３１６上へのその画像のフーリエ変換を形成するため使われ得る。
該ＳＬＭ１３１６上の中央領域１３１７は、該ＳＬＭの残りに比して、制御可能な位相シフトδを入射ビーム１３２０の中央ゾーン１３１８へ適用し、該全入射ビーム１３２０を反射する。該入射ビーム１３２０の該中央ゾーン１３１８は低空間周波の波に対応する。又該レンズＬ３１３１４は４−ｆシステムの第２レンズとして役立ち、ビームスプリッターＢＳ１３３２を使って、例えば、ＣＣＤの様な検出器１３３０上に最終画像を創る。
【０２７６】
広い種類のデバイスが該ＳＬＭを制御し、サンプルの画像を取得するため使われ得る。例えば、種々の実施例では、コンピュータ１３５０はδをπ／２だけインクレメントして該ＳＬＭ１３１６の変調を制御し、又好ましくは検出器１３３０の画像取得を同期させるのがよい。式５５の演算は実時間で行われ、かくして好ましい実施例での表示される位相画像の速度は検出器１３３０の取得時間と該ＳＬＭ１３１６のレフレッシュ速度（ｒｅｆｒｅｓｈｉｎｇ ｒａｔｅ）によってのみ制限される。
【０２７７】
本発明の好ましい実施例の反射構造も又、例えば透過構造で使われる様な照明１３６０を有することが出来る。好適な透過照明モードは明るい場と暗い場のモードを含むが、それに限定されない。本発明の透過構造に於ける様に、使われる照明源のコヒーレンス特性への特定の要求は無い。本発明のシステムと方法はレーザー光、部分的にコヒーレントな放射、又は例えば放電ランプ（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｌａｍｐ）からの様な、“白色（ｗｈｉｔｅ）”光を使うことが出来る。しかしながら、該照明ソースは良い空間コヒーレンスを有すべきである。
【０２７８】
本発明の反射構造では、干渉する低周波及び高周波場も又同じビームの成分であり、かくして共通の光路を共有する。該低周波及び高周波成分はかくして位相ノイズにより同様な仕方で影響され、本発明のシステムの種々の実施例は光学的にノイズフリーの定量的位相顕微鏡（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｎｏｉｓｅ−ｆｒｅｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と考えることが出来る。例えば、種々の実施例では、λ／１、０００の位相感度が取得する任意の時間規模に亘り可能である。
【０２７９】
種々の実施例では、本発明は画像形成モジュールと位相画像形成モジュールを有する空間的光変調を利用する位相差顕微鏡検査システムを提供する。該画像形成及び位相画像形成モジュールは、例えば、独立に作られ得て、現在の光学顕微鏡内でのそれらの使用を実現する。
【０２８０】
集めて図５４と呼ばれる、図５４Ａ及び５４Ｂは本発明を光学的顕微鏡と集積化する１実施例１４００を略図により図解する。低周波及び高周波成分の通路の外方境界は明らかなので図５４内では図解されない。加えて、図５４での光学ビームの発散は可視化の目的で誇張されている。位相画像形成ヘッド１４５０は、例えば、顕微鏡のビデオ出力を使って、光学的顕微鏡１４１０とインタフエースされることが可能である。該光学顕微鏡１４１０はレンズＬ１１４１２とＬ２１４１４の対及びミラー１４１６を有し、それらはサンプル１４２０からの光を顕微鏡のビデオ出力へ操向することが出来る。典型的に、その光の１部分はビームスプリッター１４２４により接眼レンズ１４２６へ向けられ、該レンズは人の目１４３０による視認用に光を焦点合わせする。
【０２８１】
該位相画像形成ヘッド１４５０は空間光変調器（ＳＬＭ）１４５６上への該画像のフーリエ変換を形成するために使われるレンズＬ３１４５４を有する。該ＳＬＭ１４５６の中央領域は、該ＳＬＭの残りに比して、入射ビーム１４６０の中央ゾーンへ制御可能な位相シフトδを適用することが出来て、そして全入射ビーム１４６０を反射する。該入射ビーム１４６０の該中央ゾーンは低空間周波の波に対応する。又レンズＬ３１４５４は４−ｆシステムの第２レンズとして役立ち、ビームスプリッターＢＳ１４７２を使って、例えばＣＣＤの様な検出器１４７０上に最終画像を創る。
【０２８２】
該ＳＬＭの制御とサンプルの画像の取得は、例えば、コンピュータ１４８０を使って達成され得るが、該コンピュータはδをπ／２だけインクレメントして該ＳＬＭ１４５６の変調を制御し、又好ましくは該検出器１４７０の画像取得を同期化させるのがよい。該コンピュータは、例えば、位相画像形成ヘッドを備えたスタンドアロンコンピュータ（ｓｔａｎｄ ａｌｏｎｅ ｃｏｍｐｕｔｏｒ）とするか又は該“コンピュータ”は該顕微鏡に付随するコンピュータ上に定在する、本発明のインストラクションを含むことが出来る。式５５の演算は実時間で行われ、かくして表示される位相画像の速度は、好ましい実施例では、該検出器１４７０の取得時間と該ＳＬＭ１４５６のレフレッシュ速度によってのみ制限される。
【０２８３】
種々の実施例では、本発明のシステムの横分解能（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）は４−ｆシステムの追加により改良される。４−ｆシステムは透過及び反射の両構造で使われ得る。加えて、４−ｆシステムは校正システムを含むシステムで使用出来る。４−ｆシステムは画像上で行われる他のフーリエ演算を利用することを実現する。
【０２８４】
図５５は４−ｆシステムを利用する本発明のシステム１５００と方法の１実施例を略図により図解する。該４−ｆシステムはレンズＬ４１５０４とＬ５１５０６の対を有し、空間フイルター、Ｆ、１５０８を含むことが出来る。該空間フイルター、Ｆ、１５０８は個別空間周波数（ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）の振幅の制御を提供する。本発明のＳＬＭにより提供される位相制御と組み合わせて、この様な振幅制御は、該高周波成分の増強がコントラストを改善出来るので、例えば、細胞内部の小さい細胞器官（ｓｍａｌｌ ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ ｉｎｓｉｄｅ ａ ｃｅｌｌ）を調べることを容易化する。空間フイルターＦは或る空間周波を好ましく減衰させることが出来る他の応用品が予想（ｅｎｖｉｓｉｏｎｅｄ）される。
【０２８５】
４−ｆシステムは本発明の種々の透過構造実施例及び本発明の反射構造実施例の両者に付加されることが出来る。反射源（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）（例えば、図５３の第２照明源１３０２の様な）は、提供された本発明の開示を使って当業者により本発明の図５５の実施例に容易に付加され得る。
【０２８６】
空間光変調を利用した位相差顕微鏡技術用のシステムと方法は広い種類の応用を有する。これらのシステムと方法は、例えば、μｍ及びｎｍ規模の構造を画像形成するため使われ得る。重要な種類の応用は、細胞間（ｉｎｔｅｒ−ｃｅｌｌｕｌａｒ）及び細胞内（ｉｎｔｒａ−ｃｅｌｌｕｌａｒ）の組織（ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）、ダイナミックス及び挙動（ｂｅｈａｖｉｏｒ）の調査（ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ）に存在する。低及び高周波の両成分用に共通光路を使うことにより提供される安定性と、透過及び後方散乱モードで測定を行う能力と、は本発明の種々の好ましい実施例を、２，３時間から数日の、延長された時間間隔に亘り、１つの細胞及び細胞の総体（ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ）を調べるのに好適にする。かくして、種々の実施例では、本発明の好ましい実施例により提供される位相画像形成は、例えば、有糸分裂（ｍｉｔｏｓｉｓ）から細胞死（ｃｅｌｌ ｄｅａｔｈ）までの、ライフサイクル中に、活きた細胞の寸法と形状での変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、の様な細胞のゆっくりした動力学的過程（ｓｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）に関する情報を提供するため使われ得る。
【０２８７】
種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、分割後の細胞分離の過程（ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｅｌｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｄｉｖｉｓｉｏｎ）をナノメーターの精度で調べ、細胞膜（ｃｅｌｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ）の寸法、特性又は両者についての情報を提供するため使われる。最近特に注目を受けた現象はプログラム化された細胞死（ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｃｅｌｌ ｄｅａｔｈ）−枯死（ａｐｏｐｔｏ
ｓｉｓ）である。枯死が種々の好ましい実施例で実験室内で制御され得ると仮定すると、本発明の方法とシステムはこの過程中の細胞内に誘起される変換を調べるため使われる。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは種々の細胞｛例えば、癌性（ｃａｎｃｅｒｏｕｓ）対正常（ｎｏｒｍａｌ）｝のライフサイクル中の差を調べ、検出するため使われる。
【０２８８】
細胞の合流する層（ｃｏｎｆｌｕｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｃｅｌｌｓ）は、集合的で機械的な動作に導き得る相互作用を或る程度有すると期待される。種々の好ましい実施例で、本発明の方法とシステムは、例えば、本発明により得られた位相画像の異なる点間の相互相関関係を求める（ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）ことによりこの相互作用（ｍｕｔｕａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を調べるために使われる。
【０２８９】
本発明の好ましい実施例により提供される位相画像形成は又、例えば、刺激（ｓｔｉｍｕｌｉ）への応答の様な、細胞の速い動力学的過程（ｆａｓｔ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）について情報を提供するため使われ得る。例えば、細胞容積調整（ｃｅｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）の様な過程は生物化学的刺激への活きた細胞の応答である。この応答用の時間的尺度はミリ秒から分までのどこかにあってもよく、本発明のシステムと方法の好ましい実施例を用いて高精度で測定可能であるべきである。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは生物化学的刺激への細胞の応答を調べ、該細胞構造｛例えば、細胞骨格（ｃｙｔｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）｝の機械的特性を測定するため使われる。
【０２９０】
種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、例えば、細胞内部の細胞器官輸送（ｏｒｇａｎｅｌｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｃｅｌｌ）の現象の理解にみならず、人工バイオ材料（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ）の創生に於いても、重要な意味を有する細胞構造情報を調べるため使われる。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、例えば、それらを該細胞及び細胞物質の機械的特性と関係付けるために、例えば、該細胞膜を刺激するために機械的振動を使いそして該細胞膜の振動の振幅を測定することにより、細胞構造を調べるために使われる。伝統的に、この運動を励起するために磁性の又はトラップされたビーヅ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｒ ｔｒａｐｐｅｄ ｂｅａｄｓ）が使われる。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは、機械的振動を励起するための磁性又はトラップされたビーヅ、機械的励起（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｘｃｉｔａｔｏｉｎ）を引き起こすための１０−１５秒のレーザーパルスの光子圧力（ｐｈｏｔｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ａ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ）、又は両者、を使って細胞構造を調べるために使われる。
【０２９１】
１つの重要な種類の応用は、細胞器官（ｃｅｌｌ ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ）の細胞内組織とダイナミックスの調査である。種々の好ましい実施例では、本発明の方法とシステムは細胞内部の種々の粒子の輸送を調べるために使用される。
【０２９２】
生物学的調査の多様性に加えて、本発明の好ましい実施例は、例えば、半導体ナノ構造（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）の調査の様な、工業的応用に好適である。半導体産業はナノ加工過程（ｎａｎｏ−ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）中でのウエーハ品質の速く、高信頼性の評価に欠ける。種々の実施例では、本発明の方法とシステムは、例えば、定量的な仕方で、半導体構造についてのナノメーター規模の情報を提供するため使われる。好ましい実施例では、ナノメーター規模の情報が約１秒の桁の測定（ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ａ ｓｅｃｏｎｄ）で提供される。
【０２９３】
図５６は本発明により空間光変調（ＳＬＭ）を利用する位相差顕微鏡検査システム１６００の１実施例を図解する。１６００で図解される該システムは反射構造及び透過構造の両者を使うことが出来る。加えて、該システムは校正サブシステムを備える。
【０２９４】
図５６を参照すると、１対のレンズ、対物レンズＬ１１６０７とチューブレンズＬ２１６０６がミラー１６１３を使ってサンプル１６１０を面Ｐ１６１２に画像形成する。該画像形成は、例えば、光フアイバーカップラー（ＦＣ）１６１４と第１光フアイバー１６１６とを通して第１照明源１６２０｛ここではヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザー源として図解される｝からの光を該サンプル１６１０へ結合することにより透過構造を使って行われ得る。該画像形成は又、例えば、該エフシー１６１４と第２光フアイバー１６２２を通して、第２照明源１６２４からの光を結合し、該第２照明源１６２４（ここではＳＬＤとして図解される）から該サンプル１６１０上へ光を導くよう第１ビームスプリッター１６２６を使うことにより反射構造を使って行われ得る。
【０２９５】
レンズＬ３１６３０は該画像のフーリエ変換を第１空間光変調器（ＳＬＭ）１６３２上へ形成するよう使われる。該ＳＬＭ１６３２は制御可能な位相シフトδを該入射ビーム１６３４の中央ゾーンに適用するよう使われる。１実施例では、該レンズＬ３１６３０は第２ビームスプリッター１６３８を使って最終画像を第１検出器１６３６（ここではＣＣＤとして図解される）上に創る４−ｆシステムの第２レンズとして役立つ。１実施例では、図５６に図解されるシステムは更に、例えば、図４９に略図により図解された様な第２の４−ｆシステムを含む。図５６の該システムは又該ＳＬＭの校正用に校正サブシステムを有する。校正光の通路は波線１６４０で略図により図解され、一方照明光と画像形成される光の通路は実線１６４２により略図式に図解されている。該校正サブシステムは、レンズＬ４１６５２とＬ５１６５４の対を使って第１ビームスプリッター１６２６からの光の１部分を集め、該光を偏光子ＰＣ１６５６を通すが、該偏光子は該ＳＬＭ動作を位相モードと振幅モードの間でスイッチするよう使われ得る。校正用には、該ＳＬＭ１６５８は０から２πまでの位相シフトを通して振幅モードで走査され、最終の位相シフトされた光はそれが該偏光子を通って戻る時減衰させられる。次いでこの光はレンズＬ６を通して集められ、検出器１６６４上に焦点合わせされる。
【０２９６】
種々のデバイスと計画が図５６のシステムを制御し、位相画像を校正するため使われ得る。１実施例では、第１制御ユニットＰＣ１１６７０が該第１検出器１６３６による画像取得で使われ、第２制御ユニットＰＣ２１６７２が、第１及び第２ＳＬＭ１６３２，１６５８を制御し、オッシロスコープ１６７４を通して該検出器１６６４からデータを集めるために、使われる。該制御ユニットＰＣ１，ＰＣ２は別々のユニット又は１つのユニットとすることが出来る。例えば、ＰＣ１とＰＣ２は別々のコンピュータ又は同じコンピュータとすることが出来て、該制御ユニットは該制御ユニットの機能を行うよう適合されたアナログ及び／又はデジタル回路を含むことが出来る。
【０２９７】
種々の実施例では、本発明のシステムと方法は、例えば、マイクロレンズ（ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ）を使うダイナミックフォーカス（ｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｃｕｓ）を有する。種々の実施例では、本発明のシステムと方法は、例えば、サンプル上の２つ以上の点を同時に画像形成するためにパラレルフォーカス（ｐａｒａｌｌｅｌ ｆｏｃｕｓ）を有する。種々の実施例では、本発明のシステムと方法は、例えば、深度で幾つかの点に同時にアクセスするためにコヒーレンス機能シェーピング（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｈａｐｉｎｇ）を有する。
【０２９８】
空間光変調を利用する本発明の位相差顕微鏡検査システムは２つのモードで動作し得る。以下で“振幅モード（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｅ）”と称される第１モードでは、フーリエフイルタリング（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）が得られ、校正が行われる。以下“位相モード（ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅ）”と称される第２モードでは、光の波頭（ｗａｖｅｆｒｏｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ）が再生（ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ）され、位相画像形成が行われる。
【０２９９】
種々の実施例の該“位相モード”では、該ＳＬＭの前には偏光子は無くて、光は該ＳＬＭの高速軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）と整合される。入射光は、例えば、該ＳＬＭ上のアドレスされた値により位相シフトされる。
【０３００】
該“振幅モード”では、偏光子が該ＳＬＭの前に置かれる。該ＳＬＭへの入射光は位相シフト（例えば、該“位相モード”に於ける様に）され、該偏波は回転される。該光が該ＳＬＭから反射されると、それは該偏光子を通って戻り、該信号は減衰させられる。従って、該ＳＬＭ位相シフトに基づき振幅の校正された減少がある。
【０３０１】
図５７Ａと５７Ｂは振幅モード１７００と位相モード１７５０での画像の画素上への電気光学的効果を略図により図解するが、そこではＥｉの１７０２，１７５２は入射波頭の電場の投影であり、ｓ軸１７０４，１７５４は該ＳＬＭの低速軸（ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）であり、ｆ軸１７０６，１７５６は該ＳＬＭの高速軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）である。
【０３０２】
図５８Ａ−５８ＣはＳＬＭモードの動作の種々の実施例のブロック線図１８００，１８５０，１８５５である。図５８Ａは位相画像形成用のセットアップの普通の動作モードを図解し、そのＳＬＭ動作を描く。ＲＧＢ１８０２は該ＳＬＭを制御する制御ユニット、例えば、コンピュータ、により得られるグレイスケール値（ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ ｖａｌｕｅ）である（ＲＧＢ対ψは校正で決定される）。ＲＧＢは電圧に変換され、該ＳＬＭ１８０４上の画素へアドレスするため使われる。入射光１８０６に位相シフトを与えるために、その電圧が、例えば、該ＳＬＭ上の液晶に印加される。校正は振幅モードで得られる。図５８Ｂは校正で起こる変換を図解する。輝度は、例えば、光検出器の様な、検出器１８５２を使ってグレイスケール画像の関数として取得される。グレイスケール画像の関数としての輝度は次いでグレイスケール１８５４の関数としての位相に変換される。図５８Ｃは制御−位相モード（ｃｏｎｔｒｏｌ−ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅ）を図解し、如何に、種々の実施例で、該校正値ψ（グレイスケール）がＳＬＭ制御と該ＳＬＭにより誘導される物理的位相シフトとの間の関係に変えられるかを図解する。これから、例えば、機器用ルックアップ校正テーブルを創ることが出来る。グレイスケールの関数としての位相は次いでグレイスケール画像１８５６（例えば、コンピュータ上の表示のために）を発生するよう使われ、該ＳＬＭにより引き起こされた位相シフト１８５８と組み合わされる。
【０３０３】
図５９は振幅モードで操作される機器用に得られた校正曲線１９００の例である。該校正曲線１９００は、ラディアンの単位での位相シフト対該ＲＧＢ値の単位でのグレイスケール１９０４をプロットする。得られた最終曲線１９０６は校正ルックアップテーブルのフオーマットで該ＳＬＭのコンピュータ制御と該ＳＬＭにより誘起される物理的位相シフトとの関係を示す。図５９は校正ルックアップテーブルとして役立つ。該曲線１９０６内のカットオフ１９０８は該位相のラッピング（ｗｒａｐｐｉｎｇ）である。
例
本発明の透過構造が使われた例が提供されそして本発明の反射構造が使われた例が提供される。例えば、図６２−６６Ｂに現れる回転のラップされない表記は２π曖昧性が除去されたことを示す。
例１：校正されたサンプルの位相画像形成（Ｐｈａｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａ Ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ Ｓａｍｐｌｅｓ）
この例では、良く校正されたサンプルが調べられ、本発明がナノメーター（ｎｍ）規模で定量的情報を提供できることを図解する。該サンプルはガラス基盤上への金属蒸着から
成り、続いてエッチングが行われたものである。金属蒸着パターンは数字の８の形であり、該金属層の厚さはナノプロフイロメーター（ｎａｎｏ−ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）で測定されて、約１４０ｎｍであった。
【０３０４】
図６０Ａ−６０Ｄは反射構造を使うシステムについて４つの異なる位相シフトδで得られた画像を示す。図６０Ａはδ＝０の画像２０００，図６０Ｂはδ＝πの画像２２００，図６０Ｃはδ＝π／２の画像２４００、そして図６０Ｄはδ＝３π／２の画像２６００である。
【０３０５】
図６１は電場Ｅベクトル２１０２と、該場の高周波の波ベクトル成分、ＥＨと、該場の低周波の波ベクトル成分、ＥＬと、の間の関係２１００を略図で図解する。図６１で図解される様に、ｙ−軸２１１０とｘ−軸２１１２はＣＣＤ画素寸法を表す。その位相ψはその対象の“真の（ｒｅａｌ）”位相である。
【０３０６】
図６２は、例えば、図６０Ａ−６０Ｄで図解される様なデータと式５５を使って発生される校正されたサンプル２２００のΔψ画像である。図６２ではｙ−軸２２０２及びｘ−軸２２０４の両者は該ＣＣＤ上の画素の単位である。図６２の右にあるスケールバー２２０６はラディアンでΔψを表す。
【０３０７】
図６３は本発明のシステムと方法を使って校正されたサンプル２３００の位相画像である。図６３は式５６と、図６２で図解される様なデータと、を使って発生された。図６３は又、式５５及び５６と、図６０Ａ−６０Ｄで図解される様なデータと、を使っても発生され得る。ｙ−軸２３０２とｘ−軸２３０４、はＣＣＤ画素の単位で示され、垂直のスケールバー２３０６はｎｍの単位である。
【０３０８】
図６３で図解される様に、蒸着された金属パターン２３１０の高さが正しく回復されることが見られ、それは定量的特徴情報を提供する本発明のシステムと方法の能力を図解する。位相画像２３００内に存在するノイズは大抵は記録用に使われる低品質（８ビット）カメラのためである。
例２：位相グレイティングの位相画像形成（Ｐｈａｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａ Ｐｈａｓｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）
図６４は透過構造を使って得られた、公称１０μｍ幅と公称２６６ｎｍ深さの溝を有する位相グレイティング（ｐｈａｓｅ ｇｒａｔｉｎｇ）の位相画像２４００を示す。図６４でｚ軸２４０２はｎｍの単位に、ｙ軸２４０４及びｘ軸２４０６はＣＣＤ画素の単位になっている。垂直のスケールバー２４０８も又ｎｍの単位になっており、それは該位相画像２４００から深さ（ｚ軸寸法）を決定するのを更に容易化するため提供される。
例３：玉葱細胞の位相画像形成（Ｐｈａｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ Ｏｎｉｏｎ Ｃｅｌｌｓ）
この例では、玉葱細胞が本発明の透過構造を使って位相画像形成された。該玉葱細胞の輝度画像２５００が図６５で示す位相画像２５５０と比較するために図６５で示される。図６５と図６６の両者で、ｙ軸２５０２，２５５２とｘ軸２５０４，２５５４はＣＣＤ画素の単位になっている。図６６のスケールバー２５５６はｎｍの単位になっている。
【０３０９】
該輝度画像、図６５、は低周波及び高周波成分間に位相シフトが無く、δ＝０である、最初に取得されたフレームを表す。図６５と６６の比較により示される様に、定例の顕微鏡（輝度）画像、本発明により得られる位相画像に比して非常に低いコントラストを有する。図６６で見られる様に、該コントラストは位相画像では大幅に向上し、該細胞の遙かに精細な構造が区別出来る。加えて、該位相画像内の情報はｎｍレベルの精度で定量的であり、該細胞を通過する場の光路長で決まる条件（ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ−ｌｅｎｇｔｈ）で変換され得る。この種の情報は普通の光学顕微鏡検査に比較
してのみならず、従来の位相差顕微鏡検査及びノマルスキー顕微鏡検査と比較しても大幅な改良を表す。
【０３１０】
本発明の好ましい実施例は位相画像形成機器を開発するために、低コヒーレンス光学画像場を相互に対し位相を制御可能にシフトされ得る２つの異なる空間成分へコヒーレント式に分解することの使用を含む。該技術は典型的光学顕微鏡を、高精度とλ／５，５００の感度とにより特徴付けられる定量的位相顕微鏡（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に変換する。活きた生物学的細胞に関し得られた結果は、本発明の好ましい実施例の機器が生物学的構造とダイナミックスの定量的調査用に大きな可能性を有することを示唆する。
【０３１１】
位相コントラスト型（Ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ） 及び差動干渉コントラスト型（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ）（ＤＩＣ）顕微鏡検査はサンプルの準備仕立て無し（ｗｉｔｈｏｕｔ ｓａｍｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ）に透明な生物学的構造の高コントラスト輝度画像を提供することが出来る。光の位相に符号化された構造情報は干渉過程を通して検索される。しかしながら、両技術が横断（ｘ−ｙ）面内でサンプルの構造を表すが、縦（ｚ）軸上に提供される情報は概して質的である。
【０３１２】
前にここで説明した様に、位相シフト干渉計測はごく幾らかの間は位相サンプルの定量的度量衡（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）で使われて来て、種々の干渉計的技術が提案されて来た。何れの干渉計にも本来存在する空気の動揺（ａｉｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）と機械的振動による位相ノイズは光の場に付随する位相の定量的検索を実際には特に挑戦的にさせる。好ましい実施例はこの障碍を克服する関連付けられた波長を有する。
【０３１３】
更に、放射照度輸送方程式（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ）に基づく非干渉計技術が、時間のかかる数値計算を費やして完全場位相画像形成用に提案されて来た。レーザー放射を用いた空間光変調を使うと、λ／３０感度の位相画像も得られた。自動位相シフトを用いてデジタル式に記録される干渉顕微鏡検査（Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ）（ＤＲＩＭＡＰＳ）は従来の干渉顕微鏡を利用し、生物学的サンプルの位相画像を提供する方法である。ＤＲＩＭＡＰＳでは、どんな位相測定技術の感度をも究極的に制限する位相ノイズに対し何も予備的注意を払わないが、細胞生物学での応用でのこの機器の可能性が示された。
【０３１４】
本発明の好ましい実施例は生物学調査用の新機器としての低コヒーレンス位相顕微鏡（ｌｏｗ−ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＬＣＰＭ）を含む。該技術は従来の光学顕微鏡を、非常に良い精度と極端に低ノイズで特徴付けられる定量的位相顕微鏡に変換する。該技術の原理は光学画像に付随する場を、その空間的平均値と、相互に対し制御可能に位相をシフトされ得る空間的に変化する場と、にコヒーレントに分解することに依存する。Ｅ（ｘ、ｙ）を関心のある空間的ドメイン上で静止すると仮定する複素画像場（ｃｏｍｐｌｅｘ ｉｍａｇｅ ｆｉｅｌｄ）としよう。この場は下記の様に表され、
Ｅ（ｘ、ｙ）＝Ｅ０＋Ｅ１（ｘ、ｙ） （５７）
ここでＥ０はＥの空間的平均値、Ｅ１は該空間的に変化する成分とする。かくして、任意の画像が平面波（平均場）と空間的に変化する場との間の干渉現象の結果と見なされ得る。中心縦座標定理（ｃｅｎｔｒａｌ ｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｈｅｏｒｅｍ）の結果として、Ｅ０とＥ１は画像の各点で、フアイルされたＥ（ｆｉｌｅｄ Ｅ）のゼロ及び高空間周波成分（ｚｅｒｏ− ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）と同化（ａｓｓｉｍｉｌａｔｅｄ）され得る。その結果、これら２つの空間成分は容易に分離され、フーリエ分解を行うことにより独立に位相変調され得る。
【０３１５】
実験的セットアップが図６７に描かれる。倒立顕微鏡（ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）｛アキシオバート３５、ツァイス社（Ａｘｉｏｖｅｒｔ ３５， Ｚｅｉｓｓ Ｃｏ．）｝が該画像面ＩＰにサンプルを画像形成するため使われる。スーパールミネッセントダイオードにより放射される該低コヒーレンス場（例えば、λ０＝８２４ｎｍでバンド幅Δλ＝２１ｎｍ又は代わりにλ０＝８０９ｎｍでΔλ＝２０ｎｍの様に、範囲８００−８５０内に中心波長を有する）が透照（ｔｒａｎｓｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）用に使われる。照明場の完全な空間的コヒーレンスを保証するために、その光は単一モードフアイバー内へ結合され、次いでフアイバーコリメーターによりコリメートされる。その画像から現れるレイトレース（ｒａｙ ｔｒａｃｅｓ）は非屈折光（ｕｎｄｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ）と高空間周波成分とを点線と実線で示し、それらはそれぞれ場Ｅ０とＥ１に対応する。該画像場を式５７で記述されるその成分に分解するために、フーリエレンズＦＬ（５０ｃｍ焦点距離）が画像面ＩＰから焦点距離離れて置かれる。図６７で、ＩＰに形成される顕微鏡画像は、照明用に使われる光フアイバーの端部の顕微鏡画像に過ぎない仮想点源｛ブイピーエス（ＶＰＳ）｝により照明されるように見えることが分かる。従って、ＦＬの後部焦点面に該画像場の（位相と振幅で）正確なフーリエ変換を得るために、該面ＩＰに修正レンズＣＬが置かれた。ＣＬの焦点距離は該ＶＰＳが無限大に画像形成されるようになっており、かくしてサンプルの新画像はその位置と拡大率を保存し、一方それは平面波により照明されるように見える。ＦＬの該フーリエ面では、ゼロ空間周波成分Ｅ０は光軸上に焦点合わせされ、一方高周波成分Ｅ１は軸を離れて分布する（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｏｆｆ−ａｘｉｓ）。Ｅ０とＥ１の間の位相遅延を制御するために、該フーリエ面内にプログラム可能な位相変調器｛ピーピーエム（ＰＰＭ）｝｛ハママツ社（Ｈａｍａｔｓｕ Ｃｏ．）｝が置かれる。該ＰＰＭは光学的にアドレスされる、２次元液晶配列から成るが、該配列は複屈折の特性により、その面により反射される光の位相の精密な制御を提供する。該ＰＰＭ面上の最小アドレス可能範囲は２０×２０μｍ２又は代わりに２６×２６μｍ２である、一方位相制御のダイナミックレンジは１波長又は２πに対し８ビットである。該液晶の主軸に対する偏光子Ｐの配向により、該ＰＰＭは入射場の位相（動作の位相モード）又は振幅（振幅モード）を空間的に分解能のある仕方（ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍａｎｎｅｒ）で修正出来る。該ＰＰＭで反射された光はＦＬを通って戻るよう進み、ビームスプリッターＢＳ上で反射後、ＩＰの共役位置（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に置かれたＣＣＤで集められる。かくして、ＰＰＭ変調がない場合、ＩＰに於ける画像の正確な位相と振幅のレプリカがＣＣＤにより記録される。高い空間周波成分の位相がπ／２の４つのステップで次々とインクレメントされ、最終放射照度分布が該ＣＣＤにより記録され得る。該ＰＰＭ上の該位相変調と該ＣＣＤの取得速度は、例えば、ラブビュー（Ｌａｂ ＶＩＥＷ）｛ナショナルインスツルメント（Ｎａｔｉｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）｝を使って、コンピュータＰＣにより同期化される。標準的４フレーム位相シフト干渉計検査を使って、Ｅ１とＥ０の間の位相差Δφが測定され得る。関心のある量である該画像場に付随する空間位相分布は下記表現を有することが示される。
【０３１６】
【数３９】
【０３１７】
式５８で、係数βは２つの場成分の振幅比を表し、β（ｘ、ｙ）＝｜Ｅ１（ｘ、ｙ）｜／｜Ｅ２｜である。該パラメーターβは該２つの空間周波成分を選択的にフイルターするλ／２波面（振幅モード）として該ＰＰＭを操作して測定される。かくして、式５８を使って、与えられた透明サンプルの空間位相分布は一意的に検索され得る。フーリエ面内で軸上変調される範囲（ｏｎ−ａｘｉｓ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ａｒｅａ）の最適値は１６０×１６０μｍ２であると見出される、一方同じ面に於いて該光学システムに付随するＦＷＨＭ輝度ベースの回折スポットは約１００μｍの直径を有する。式５８の数値計算は仮想的に瞬時であるので、位相画像検索の速度は、実施例では８Ｈｚである該ＰＰＭのレフレッシュ速度によってのみ限定される。しかしながら、該技術の全体的速度は可能性としては、強誘電性液晶（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）の様な、他の空間変調器を使って高められ得る。
【０３１８】
定量的位相画像形成用としてのその可能性を展示するために、ＬＣＰＭ技術が種々の標準サンプルを調べるために適用された。図６８Ａと６８Ｂはポリスチレン微小球の画像形成から得られた、この様な測定の例を示す。該粒子の直径は、製造者｛ジュークサイエンチフイック（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）｝により提供されたところの、３±０．０４５μｍであった。透明な生物学的サンプルをより良くシミュレートするために、該球は１００％グリセロール（ｇｌｙｃｅｒｏｌ）内に浸され、２枚のカバースリップ間にサンドウイッチにされた。該粒子と該周囲媒体の間で達成された屈折率コントラストはΔｎ＝０．１２であった。該ＰＰＭ上の変調無しに、典型的透過輝度画像が得られ、それは図６８Ａで示される。この画像のコントラストは該サンプルの透明さのために非常に不充分である。図６８Ｂは上記で概説された手順で得られたＬＣＰＭ画像を示す。ここで、得られたコントラストは実質的により高い、一方第３次元（ｚ軸）は該サンプルの厚さについて定量的情報を提供する。図６８Ｂで示す球の中心を通してのプロフアイルを使って、対応する直径から得られた値は２．９７±７．７％であり、それは製造者により示された値と良く合致する。現在の誤差はビーム品質の不完全さと溶液中にある起こり得る不純物によるかも知れない。
【０３１９】
該ＬＣＰＭ機器は更に活きた生物学的細胞を位相画像形成するため使われた。図６９Ａは有糸分裂の最終段階中のヒーラー癌細胞（Ｈｅｌａ ｃａｎｃｅｒ ｃｅｌｌ）の定量的位相画像を示す。該細胞が培養媒体により囲まれ、画像形成前に何等の追加的用意無しに典型的培養条件で活きていることは注意されるべきである。生物学的細胞を通して伝播する場により蓄積される位相遅延は該細胞の非水性質量（ｎｏｎ−ａｑｕａｏｕｓ ｍａｓｓ）に比例することは前以て示された。かくして、定量的位相画像は、有糸分裂、細胞成長、そして死の様な、細胞生理学の種々の段階中で自動細胞運動解析（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｅｌｌ ｋｉｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ）での重要な応用を見出す筈である。
【０３２０】
全血スミア（ｗｈｏｌｅ ｂｌｏｏｄ ｓｍｅａｒ）の位相画像が図６９Ｂで示されている。該サンプルは、健康なボランチアからの新鮮な全血の小滴を２枚のカバースリップ間に簡単にサンドウイッチすることにより用意された。赤血球細胞｛アールビーシー（ＲＢＣ）｝の良く知られた円盤状の形状が回復されることが見られる。血漿（ｐｌａｓｍａ）に対するヘモグロビンの屈折率を考慮した簡単な解析は細胞の容積について定量的情報を容易に提供出来る。該ＲＢＣ解析でのこのレベルの詳細は現在は電子顕微鏡検査及び原子間力顕微鏡検査（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）にだけアクセス可能である。光学的、非侵襲性の技術は病理学的選別用の高速な手順を提供する可能性があるが、それは該アールビーシー形状は屡々細胞健康の良い指示体（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）であることが良く知られているからである。加えて、本発明の好ましい実施例のこの技術は、血液凝固に責任がある、ＲＢＣ膜及び周囲タンパク質の複合したダイナミックな特性をモニターすることが出来る。
【０３２１】
該機器の位相ノイズに対する安定性をアセスし、究極的には、その感度を定量化するた
めに、培養媒体のみ（無細胞）を良く含む細胞が、１５ｓの間隔で、１００ｍｉｎの時間に亘り画像形成された。図６９Ｃは視野内に含まれる点に付随する時間的位相変動（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｐｈａｓｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）の例を示す。その位相値は０．６×０．６μｍ２の範囲に亘る平均であったが、それはその顕微鏡の横解像度限界を表す。この変動の標準偏差は０．１５ｎｍの値を有し、それはλ／５，５００と等価である。この結果は該ＬＣＰＭ機器の注目すべき感度を証明する。我々の機器を特徴付ける極度に低いノイズは、２つの干渉する場が空間的に重畳する光路上を進み、干渉項で結果的に打ち消す同様な位相ノイズに影響される事実により説明され得る。レーザー放射に相対する低コヒーレンス場の使用は、種々の部品上での多数反射により作られる起こり得るフリンジが除去されると、該方法の感度に寄与する。
【０３２２】
かくして、本発明の好ましい実施例は低コヒーレンス位相顕微鏡を含むが、該顕微鏡は高い精度とλ／５，５００レベルの感度で特徴付けられる。活きた癌及び赤血球細胞に関する予備的結果は、該装置と方法が生物学的システムの構造及びダイナミックスの調査用の価値あるツールとなる可能性を有することを示唆する。該システムのセットアップに従来の光学顕微鏡を組み込むことにより、本発明の好ましい実施例の機器は高い多用途性と特別な使い易さにより特徴付けられる。
【０３２３】
請求項はその結果向けに表明されない限り、説明された順序又は要素に限定されるよう読まれるべきでない。従って、付記する請求項とその等化物の範囲と精神内に入る全ての実施例は本発明として請求される。
【図面の簡単な説明】
【０３２４】
【図１】本発明により光学的距離を測定する本システムの好ましい実施例の線図の略図である。
【図２】好ましい実施例の反射インターフエースに付随する低コヒーレンスヘテロダイン信号を図解しており、該低コヒーレンス波長の調整が該インターフエース付近で該ヘテロダイン信号を（該低コヒーレンス源の中心波長の調整方向により）圧縮するか又は膨張させる。
【図３】好ましい実施例のサンプル内の２つの反射インターフエースに付随するヘテロダイン信号を図解しており、該低コヒーレンス波長の減少は該インターフエース付近のヘテロダイン信号を圧縮する。
【図４】本発明の好ましい実施例の２つのインターフエースを有するサンプルの走査を図解し、（ａ）は低コヒーレンスヘテロダイン信号、（ｂ）はトレースであり、そこでは拡大図が位相フリンジを示し、各フリンジはλＣＷの光学的距離に対応しており、（ｃ）はΔの２つの差値でのトレースであり、そこでは矢印は位相交叉点を示し、垂直軸の単位はラディアンである。
【図５】本発明の好ましい実施例のＳｐｈａｓｅ及びＳｆｒｉｎｇｅに基づく見積間の誤差を最小化する値を選ぶことにより測定される（ｎ７５５ｎｍＬ）の正しい見積を決定する方法を図解する。
【図６Ａ−６Ｂ】本発明の好ましい実施例の光学的距離を測定する方法を図解するフローチャートである。
【図７】本発明の光学的距離を測定するシステムの代わりの好ましい実施例の線図の略図である。
【図８Ａ−８Ｂ】本発明の好ましい実施例の光学的距離を測定する代わりの方法を図解するフローチャートである。
【図９】ガラススラブ、組織サンプル又は層の様な光学的に透過性の材料の厚さを測定するフアイバーベースのシステムの好ましい実施例を略図により図解する。
【図１０】本発明の硝子体液及び／又は房水によるブドウ糖測定システムで使われる本発明のシステムの好ましい実施例を図解する。
【図１１】本発明の好ましい実施例の、能動的に安定化されたマイケルソン干渉計を図解しており、Ｍはミラー、ＭＭは移動ミラー、ＢＳはビームスプリッター、ＰＭは位相変調器、Ｄは検出器、ＬＯはローカル発信器源、ＭＸはミキサーそしてＳは加算増幅器である。
【図１２】本発明の好ましい実施例の光学的遅延位相感応型低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）用の安定化された干渉計を図解しており、ＤＢＳはダイクロイックビームスプリッターである。
【図１３】光路長差ΔＬが本発明の好ましい実施例により変わる時の、１対のインターフエース用のサンプルの復調された干渉パターンを図解する。
【図１４Ａ】安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）用システムを図解しており、エルシー１とエルシー２は本発明の好ましい実施例による低コヒーレンスビームである。
【図１４Ｂ】本発明の好ましい実施例により位相シフトを発生するようピエゾ電気変換器を使い能動的に安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査（ＬＣＩ）のためのシステムの代わりの実施例を図解する。
【図１５Ａ−１５Ｂ】エルシー１及びエルシー２用の復調されたフリンジパターンであり、該エルシー２信号の２つのピークは本発明の好ましい実施例によるカバースリップ反射（小さい）とサンプルから反射（大きい）とを表す。
【図１６】本発明の好ましい実施例による安定化された位相感応型低コヒーレンス干渉計検査のための画像形成システムを図解する。
【図１７】２次元の位相画像形成用の折り畳まれない光学的設計を図解しており、実線は入射光線を示し、一方波線は本発明の好ましい実施例による後方散乱光線を示す。
【図１８Ａ】本発明の好ましい実施例による２点マッハツエンダーヘテロダイン干渉計を図解する。
【図１８Ｂ】本発明の好ましい実施例による画像形成マッハツエンダーヘテロダイン干渉計を図解する。
【図１８Ｃ】図１８Ｂに関連して説明される実施例に付随するヘテロダイン及びゲート信号を図解する。
【図１８Ｄ】本発明の好ましい実施例による画像形成双ビームヘテロダイン干渉計を図解する。
【図１９】本発明の好ましい実施例による分離双ビームヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を図解する。
【図２０】本発明の好ましい実施例による双基準ヘテロダイン低コヒーレンス干渉計を図解する。
【図２１】本発明の好ましい実施例による光学的基準化干渉計の好ましい実施例を図解する。
【図２２】本発明の好ましい実施例によりサンプル対象と同じ面（ガラス）上への基準点の配置で生じる被測定位相成分を略図的に図解する。
【図２３Ａ−２３Ｂ】本発明の好ましい実施例により図２１に関連して図解される実施例用に、それぞれ、ピエゾ電気変換器（ＰＺＴ）電圧及び対応する位相変化をグラフ式に図解する。
【図２４】図２１で図解される干渉計のノイズ性能をラディアンでグラフ式に図解する。
【図２５Ａ−２５Ｂ】本発明の好ましい実施例によりサンプル及び基準信号用の校正セットアップの略図による表現である。
【図２６】本発明の好ましい実施例による干渉計システムの好ましい実施例を略図により図解する。
【図２７】本発明の好ましい実施例により神経変位を測定するシステムの線図の略図を図解する。
【図２８Ａ−２８Ｂ】本発明の好ましい実施例により時間（ｍｓ）に対する神経変位（ｍｍ）及び電位（μＶ）をグラフ式に図解する。
【図２９】本発明の好ましい実施例の可変式刺激電流振幅と共に、１つの神経用のピーク電位（クロス）及び変位（円）をグラフ式に図解する。
【図３０】本発明の好ましい実施例による双ビーム干渉計用走査システムの光学的レイアウトを図解する。
【図３１】本発明の好ましい実施例でリサジュー走査を用いて空のカバーガラスから集められたガルバノメーター位置及び位相データを図解する。
【図３２Ａ−３２Ｂ】本発明の好ましい実施例により、それぞれ、図３１で示され、グラフ式に図解されたデータを用いた位相画像と、後方反射の輝度画像と、のカラーマップを図解する。
【図３３】本発明の好ましい実施例により克服された焦点合わせ問題を略図により図解する。
【図３４】本発明の好ましい実施例による２焦点レンズ用の設計を図解する。
【図３５】本発明の好ましい実施例による２焦点レンズ用の代わりの設計を図解する。
【図３６】本発明の好ましい実施例によるレンズｆ３（２焦点型）及びｆ２の間の光学的距離の計算を図解する。
【図３７】本発明の好ましい実施例による２焦点レンズの製造を図解する。
【図３８】対物レンズが本発明の好ましい実施例のガラスカバースリップの方へ走査される時、光学的サーキュレーターを通して測定される後方反射輝度を図解する。
【図３９】本発明の好ましい実施例の２焦点レンズｆ３を使い対物レンズ焦点位置に対する後方反射輝度を図解する。
【図４０】本発明の好ましい実施例の両方のカバーガラス反射を有する２焦点レンズを使い対物レンズ焦点位置に対する後方反射輝度を図解する。
【図４１】ｆ２とｆ３の間に距離が前及び後ガラス面の間の隙間にマッチするよう調整された時、本発明の好ましい実施例による両カバーガラス反射を有する２焦点レンズを使い対物レンズ焦点位置に対する後方反射輝度を図解する。
【図４２Ａ−４２Ｂ】図４２としてまとめて称されて、本発明の好ましい実施例の光学システム内で軸部及び周辺部両ビームの結合により生ずる特別に小さいピークを図解する。
【図４３Ａ】本発明の好ましい実施例の必須要素として基準面を有する双ビームプローブを図解する。
【図４３Ｂ】双ビーム干渉計プローブのもう１つの好ましい実施例である。
【図４３Ｃ】２つの神経繊維の画像である。
【図４３Ｄ】位置の関数としてのヘテロダイン信号振幅の画像である。
【図４３Ｅ】図４３Ｄで見られたと同じサンプルの反射位相画像である。
【図４４】本発明の好ましい実施例により活動電位中に神経内に観察される変位効果の形状を調べるために適用される双ビームプローブの略図による図解である。
【図４５】本発明の好ましい実施例によりプローブか又はサンプルか何れかを走査することにより画像形成するための双ビームプローブシステムである。
【図４６Ａ−４６Ｃ】本発明の好ましい実施例による２焦点双ビーム顕微鏡を使って、乾燥したヒトの頬の上皮細胞からの後方散乱光の輝度画像、位相画像そして明るい場の画像を図解する。
【図４６Ｄ−４６Ｇ】図４３で図解された双ビーム顕微鏡のプロフアイル計測能力（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を図解しており、図４６Ｄは図４６Ｅで図解される平凸システムのレンズの中央部分の輝度画像であり、図４６Ｆは反射光の位相マップであり、そして図４６Ｇは本発明の好ましい実施例の直角嵌合（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｆｉｔ）で、位相がラップされない（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｅｄ）、位相画像の断面である。
【図４７Ａ−４７Ｅ】本発明の好ましい実施例による、それぞれ位相シフティング干渉計検査システム（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）、位相の段階的処理（ｐｈａｓｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ）及びバケット積分（ｂｕｃｋｅｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、についての略図による線図を図解する。
【図４８Ａ−４８Ｃ】本発明の好ましい実施例による、それぞれストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計検査システム及びバケット積分の原理を図解する。
【図４９Ａ】本発明の好ましい実施例による双ビームのストロボスコープ的ヘテロダイン干渉計検査を図解する。
【図４９Ｂ−４９Ｃ】本発明の好ましい実施例により静止ガラス面上に焦点合わせされた双ビームプローブについて位相ノイズを示すデータを図解する。
【図５０Ａ】別々の通路からの光が共通の通路に沿って導かれ、測定下の材料の種々の領域上で焦点合わせされたもう１つの好ましい実施例を図解する。
【図５０Ｂ】図５０Ａのシステムを使う双ビームシステムの好ましい実施例である。
【図５０Ｃ】図５０Ｂで図解されたシステム内の偏波成分に関する詳細を提供する。
【図５１Ａ−５１Ｄ】本発明の好ましい実施例による画像のこの様な説明の種々の特徴の略図による表現である。
【図５２】透過構造に基づく本発明の好ましい実施例の顕微鏡検査システムの種々の実施例を略図により図解する。
【図５３】反射構造に基づく本発明の好ましい実施例の顕微鏡検査システムの種々の実施例を略図により図解する。
【図５４Ａ−５４Ｂ】図５４としてまとめて称されて、光学顕微鏡と本発明の種々の実施例を集積化する１つの実施例を略図により図解する。
【図５５】４−ｆシステムを使う本発明のシステム及び方法の種々の実施例を略図により図解する。
【図５６】本発明による空間光変調（ＳＬＭ）を使う位相差顕微鏡検査システムの１実施例を略図により図解する。
【図５７Ａ−５７Ｂ】本発明の好ましい実施例により振幅モード及び位相モードで画像の画素上への電気光学的効果を略図により図解する。
【図５８Ａ−５８Ｃ】本発明の好ましい実施例によるＳＬＭモードの動作の種々の実施例のブロック線図である。
【図５９】本発明の好ましい実施例により振幅モードで動作する機器について得られた校正曲線の例である。
【図６０Ａ−６０Ｄ】本発明の好ましい実施例による反射構造を使うシステム用の４つの異なる位相シフトδで得られた画像を示す。
【図６１】本発明の好ましい実施例により、電場ベクトルＥ及び該場の高周波ベクトル成分、ＥＨ、そして該場の低周波ベクトル成分、ＥＬ、の間の関係を略図により示す。
【図６２】本発明の好ましい実施例により、例えば、図３５Ａ−３５で図解される様なデータと、式５５を使って発生され校正されたサンプルのΔψ画像である。
【図６３】本発明によるシステムと方法を使った例１の校正されたサンプルの位相画像である。
【図６４】本発明の好ましい実施例による透過構造を使って得られた位相画像を示す。
【図６５】本発明の好ましい実施例による玉葱細胞輝度画像を示す。
【図６６】本発明による透過構造を使って画像形成された玉葱細胞位相を示す。
【図６７】好ましい実施例により、実験的セットアップを図解するが、ＶＰＳは仮想点源であり、ＣＬは修正レンズであり、ＩＰは画像面であり、Ｐは偏光子、ＢＳはビームスプリッター、ＦＬはフーリエレンズ、ＰＰＭはプログラム可能な位相変調器、ＣＣＤは電荷結合デバイス、そしてＰＣはパーソナルコンピュータである。
【図６８Ａ−６８Ｂ】１０倍の顕微鏡対物レンズを使って、１００％グリセロール内に浸したポリスチレン微小球に関する好ましい実施例による実験結果を図解しており、図６８Ａは輝度画像であり、図６８Ｂは定量的位相画像である。カラーバーはｎｍで表された位相を示す。
【図６９Ａ−６９Ｃ】４０倍顕微鏡対物レンズを使って得られたエルシーピーエム画像を好ましい実施例により図解しており、図６９Ａは有糸分裂を経るヒーラー癌細胞の位相画像であり、図６９Ｂは全血スミアの位相画像であり、そして図６９Ｃは細胞の無い点に付随する時間的位相動揺（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）である（標準偏差σが示されている）。カラーバーはｎｍで表された位相を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体の部分を通過する光の位相を測定する方法に於いて、該方法が
第１波長の光を提供する過程と、
該第１波長の光を第１光路と第２光路とに沿って導く過程と、を具備しており、該第１光路は測定されるべき媒体上へ延びており、該第２光路は路長の変化を受けており、そして該方法は又
該媒体上の２つの別々の点を通過する光の位相の変化を測定するために該媒体からの光と該第２光路からの光とを検出する過程を具備することを特徴とする該方法。
【請求項２】
該媒体が生物学的組織のサンプルを有することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項３】
同時に複数の位置で該サンプルの位相を画像形成するために、更に、光ダイオード配列と、光ダイオードに結合されたフアイバー束と、の少なくとも１つを提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項４】
更に該第２光路内の該光を周波数シフトする過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項５】
更に少なくとも２つの光検出器により該位相の変化を検出する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項６】
更に該第１波長を放射するヘリウム−ネオンレーザー光源を提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項７】
更に低コヒーレンス光源を提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項８】
更に基準面と該サンプルの間の第１ギャップと、第２基準面と第３基準面の間の第２ギャップと、を提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項９】
更に変位を受ける第１反射面と、低コヒーレンス光源に光学的に結合された第２反射面と、を有することを特徴とする請求項８の該方法。
【請求項１０】
更にサンプルギャップ信号と基準ギャップ信号の間を区別するために偏波を使う過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項１１】
更に第１反射面と第該反射面の間にサンプルを位置付ける過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項１２】
双ビーム測定システムに於いて、該システムが
光源と、
該源からの光を、第１光路上の第１成分と第２光路上の第２成分とに分けるスプリッターと、
該第１光路の長さを変える第１可動反射面と、
該第２光路の長さを変える第２可動反射面と、
該第１光路及び第２光路からの光を測定されるべき媒体上へ向けるコンビナーと、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項１３】
該コンビナーが偏波させるビームスプリッターを備えることを特徴とする請求項１２の
該システム。
【請求項１４】
該コンビナーが該第１光路及び第２光路からの光をギャップにより第２反射面から分離された第１反射面を有する基準体上に向けることを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項１５】
測定されるべき該媒体が第１反射面と第２反射面の間に位置付けられた組織を有することを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項１６】
該組織が神経組織を有することを特徴とする請求項１５の該システム。
【請求項１７】
更に第１光路からの光を該媒体の第１の側にそして第２光路からの光を該媒体の第２の側に焦点合わせするレンズシステムを具備することを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項１８】
光を第１偏波検出器及び第２偏波検出器上へ向ける第２コンビナーを具備することを特徴とする請求項１の該システム。
【請求項１９】
該第１路からの光が第１偏波成分を有する媒体上と第２偏波成分を有する該基準体上とへ向けられることを特徴とする請求項１の該システム。
【請求項２０】
該第２路からの光が該第１路からの該光と直交する偏波を有する該媒体上へ向けられることを特徴とする請求項１９の該システム。
【請求項２１】
該基準体上へ向けられた該第２路からの該光が該第１路から該基準体上へ向けられたそれと直交することを特徴とする請求項２０の該システム。
【請求項２２】
該組織が癌性組織を含むことを特徴とする請求項１５の該システム。
【請求項２３】
該光源が低コヒーレンス源を含むことを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項２４】
更に光フアイバーカプラーを具備することを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項２５】
サンプルの部分を通過する光の位相特性を測定する方法に於いて、該方法が
第１光源及び第２光源によりそれぞれ発生された第１信号及び第２信号を提供する過程を具備しており、該第２光源は低コヒーレンス源であり、該方法は又
該第１信号及び該第２信号を第１光路及び第２光路に沿って導く過程と、
該第１光路及び該第２光路間の路長差を変える過程と、
それら間の光路遅延を有する該第１及び該第２信号の和を示す出力信号を発生する過程と、
干渉計ロック変調周波数で該出力信号を変調する過程と、そして
干渉計ロック位相のタイムエボリューションにより該サンプルと相互作用する光の位相を決定する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項２６】
該第１信号及び第２信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項２５の該方法。
【請求項２７】
更にミキサー又はロックイン増幅器の１つを使うことにより該第１信号を復調する過程を具備することを特徴とする請求項２５の該方法。
【請求項２８】
更に干渉計ロック位相を電子的に発生する過程を具備することを特徴とする請求項２５
の該方法。
【請求項２９】
サンプルの部分を通過する光の位相を測定するシステムに於いて、該システムが
第１信号を発生する第１光源と、
該第１信号から時間遅延だけ分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する干渉計と、
該サンプルと連通する該干渉計からの第１光路及び基準体と連通する該干渉計からの第２光路と、
該サンプル及び該基準体からのそれぞれ第１及び第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプル及び該基準体から反射された光間の干渉と、を測定し、そして該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示す該ヘテロダイン信号の位相を検出する検出器システムと、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項３０】
該第１信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３１】
該第１光源がスーパールミネッセントダイオード及びマルチモードレーザーダイオードの１つであることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３２】
該干渉計が更に第１通路と第２通路とを備えており、該第２通路が音響光学的変調器を有することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３３】
更に光フアイバーを有する光学的通路を具備することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３４】
更に少なくとも５ｎｍのバンド幅を有する低コヒーレンス信号を具備することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３５】
該システムが振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計を具備することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３６】
該干渉計が更に光路長差を制御可能に調整するために並進ステージに取り付けられたミラーを備えることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３７】
該検出器システムが該サンプルから反射された信号を検出する第１検出器と該基準体から反射された信号を検出する第２検出器とを備えることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３８】
サンプルの画像形成する方法に於いて、該方法が
サンプルを照明する過程を具備しており、該光は該サンプル上の点から発し、低周波空間成分と高周波空間成分とを有しており、該方法は又
第１輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該低周波空間成分と干渉させる過程と、
第１の位相シフトされた低周波空間成分を作るために該低周波空間成分の位相をシフトさせる過程と、
第２輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該第１の位相シフトされた低周波空間成分と干渉させる過程と、
第２の位相シフトされた低周波空間成分を作るために該低周波空間成分の位相をシフトさせる過程と、
第３輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該第２の位相シフトされた低周波空間成分と干渉させる過程と、
第３の位相シフトされた低周波空間成分を作るために該低周波空間成分の位相をシフトさせる過程と、
第４輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該第３の位相シフトされた低周波空間成分と干渉させる過程と、
該第１輝度信号と、該第２輝度信号と、該第３輝度信号とそして該第４輝度信号とに少なくとも部分的に基づいて該サンプル上の該点の位相画像を発生する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項３９】
更に、該サンプル上の複数の点用に請求項１の過程を繰り返すことにより該サンプルの位相画像を発生する過程を具備することを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４０】
該照明する過程が透過照明を使って該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４１】
該照明する過程が反射照明を使って該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４２】
該照明する過程が透過照明及び反射照明の両者により該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４３】
該照明する過程がスーパールミネッセント光源で該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４４】
更に該高周波空間成分の少なくとも１つの振幅を制御する過程を具備することを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４５】
更に該低周波空間成分と位相シフトされた低周波空間成分との少なくとも１つの振幅を制御する過程を具備することを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４６】
該位相をシフトする各過程が実質的にπ／２だけ該低周波空間成分の位相をシフトすることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４７】
該位相画像を発生する過程が少なくとも部分的に下記方程式に基づいており
【数１】
であり、そしてＩｉｍａｇｅは該高周波空間成分を位相シフトδの低周波空間成分と干渉させることにより発生される該サンプル表面上の点（ｘ、ｙ）用の該輝度信号であり、そしてβ＝Ｉ１／Ｉ０は該高周波空間成分に付随する輝度、Ｉ１、と該低周波空間成分に付随する輝度、Ｉ０、の間の比を表すことを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４８】
該サンプルの位相画像を発生する過程が約λ／１０００より大きい位相感度で該サンプ
ルの位相画像を発生する過程を備えることを特徴とする請求項３９の該方法。
【請求項４９】
該サンプルが生物学的組織を含むことを特徴とする請求項３９の該方法。
【請求項５０】
該サンプルが半導体ウエーハを含むことを特徴とする請求項４０の該方法。
【請求項５１】
反射面を有するサンプルの非接触光学測定方法に於いて、該方法が
第１信号を発生する第１光源を提供する過程と、
双ビーム干渉計を使って該第１信号から時間遅延で分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する過程と、
該サンプルに連通する該干渉計からの第１光路と基準体に連通する該干渉計からの第２光路とを提供する過程と、
該サンプルと該基準体からのそれぞれ第１及び第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプルと該基準体とから反射される光の間の干渉と、を測定する過程と、
該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示す該ヘテロダイン信号の位相を検出する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項５２】
該第１信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５３】
該第１光源がスーパールミネッセントダイオード及びマルチモードレーザーダイオードの１つであることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５４】
該干渉計が更に第１路と第２路とを備えており、該第２路が音響光学的変調器を有することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５５】
更に光フアイバーを含む光学的通路を具備することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５６】
該サンプルが神経細胞の部分であることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５７】
該干渉計が振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計を含むことを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５８】
該干渉計が更に光路長差を制御可能に調整するために並進ステージに取り付けられたミラーを有することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５９】
該測定する過程が該サンプルから反射された信号を検出する第１検出器と該基準体から反射された信号を検出する第２検出器とを有する検出器システムを備えることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項６０】
該サンプルが生物学的組織を含むことを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項６１】
更に該サンプル内の機械的変化を検出するために顕微鏡を提供する過程を具備することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項６２】
該サンプルが単一ニューロン及び細胞単一層の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６１の該方法。
【請求項６３】
該顕微鏡が２焦点顕微鏡を含むことを特徴とする請求項６１の該方法。
【請求項６４】
サンプルを光学的に画像形成する光フアイバープローブに於いて、該プローブが
近位の端部及び遠位の端部と基準光学面とを有するハウジングと、
該ハウジングの該近位の端部内の、光源に結合されたフアイバーと、そして
該プローブの開口数がサンプルの散乱面からの効率的光集めを提供する様な、該ハウジングの該遠位の端部内の段階状屈折率保有レンズと、具備することを特徴とする該プローブ。
【請求項６５】
更に、２次元位相画像形成及び３次元共焦点位相画像形成の少なくとも１つを行うため該光フアイバープローブの並進器ステージ上への設置部を有するシステムを具備することを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項６６】
該並進器ステージが走査用ピエゾ並進器を有することを特徴とする請求項６５の該プローブ。
【請求項６７】
該プローブの該開口数が約０．４から０．５の範囲内にあることを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項６８】
該プローブが生物学的組織を生体内で画像形成することを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項６９】
該基準面が該光フアイバー上の面であることを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項７０】
該基準面が該段階的屈折率保有レンズの上にあることを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項７１】
目の非接触光学的測定方法に於いて、該方法が
第１信号と第２信号を発生する光源を提供する過程と、
該目に連通する干渉計からの第１光路と基準体に連通する該干渉計からの第２光路とを提供する過程と、そして
該第１信号と該第２信号とに応答して、それぞれ該目と該基準体とから戻る光での第１ヘテロダイン信号を測定する過程と、そして
該基準体から戻る光に対する該目から戻る光の位相を示す該第１ヘテロダイン信号の位相を決定する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項７２】
該第１信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７３】
該光源がスーパールミネッセントダイオード及びマルチモードレーザーダイオードの１つであることを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７４】
該干渉計が更に第１路と第２路を備えており、該第２路が音響光学的変調器を有することを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７５】
更に光フアイバーを有する光学的通路を備えることを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７６】
材料を画像形成する光変調システムに於いて、該システムが
光源と、
レンズシステムと、
空間的光変調器と、
該材料と相互作用する光の位相変動を検出する検出器と、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項７７】
該検出器が組織の診断用画像を形成することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項７８】
該レンズシステムがフーリエレンズを備えることを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項７９】
更に空間的光変調器及び該検出器と接続されたプロセサーを具備することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項８０】
更に該システムに光学的に結合された低コヒーレンス源を具備することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項８１】
更に該システムに光学的に結合されたレーザーを具備することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項８２】
ニューロン活動を測定するシステムに於いて、該システムが
光源と、
該光源からの光を神経繊維を有する組織上に結合する光学システムと、
該神経繊維からの光を集める検出器と、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項８３】
該システムが該組織と相互作用する光と同位相の電荷を測定する干渉計を具備することを特徴とする請求項８２の該システム。
【請求項８４】
更に基準体と第１及び第２偏波検出器とを具備することを特徴とする請求項８２の該システム。
【請求項８５】
該光源が低コヒーレンス源を備えることを特徴とする請求項８２の該システム。
【請求項１】
媒体の部分を通過する光の位相を測定する方法に於いて、該方法が
第１波長の光を提供する過程と、
該第１波長の光を第１光路と第２光路とに沿って導く過程と、を具備しており、該第１光路は測定されるべき媒体上へ延びており、該第２光路は路長の変化を受けており、そして該方法は又
該媒体上の２つの別々の点を通過する光の位相の変化を測定するために該媒体からの光と該第２光路からの光とを検出する過程を具備することを特徴とする該方法。
【請求項２】
該媒体が生物学的組織のサンプルを有することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項３】
同時に複数の位置で該サンプルの位相を画像形成するために、更に、光ダイオード配列と、光ダイオードに結合されたフアイバー束と、の少なくとも１つを提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項４】
更に該第２光路内の該光を周波数シフトする過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項５】
更に少なくとも２つの光検出器により該位相の変化を検出する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項６】
更に該第１波長を放射するヘリウム−ネオンレーザー光源を提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項７】
更に低コヒーレンス光源を提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項８】
更に基準面と該サンプルの間の第１ギャップと、第２基準面と第３基準面の間の第２ギャップと、を提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項９】
更に変位を受ける第１反射面と、低コヒーレンス光源に光学的に結合された第２反射面と、を有することを特徴とする請求項８の該方法。
【請求項１０】
更にサンプルギャップ信号と基準ギャップ信号の間を区別するために偏波を使う過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項１１】
更に第１反射面と第該反射面の間にサンプルを位置付ける過程を具備することを特徴とする請求項１の該方法。
【請求項１２】
双ビーム測定システムに於いて、該システムが
光源と、
該源からの光を、第１光路上の第１成分と第２光路上の第２成分とに分けるスプリッターと、
該第１光路の長さを変える第１可動反射面と、
該第２光路の長さを変える第２可動反射面と、
該第１光路及び第２光路からの光を測定されるべき媒体上へ向けるコンビナーと、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項１３】
該コンビナーが偏波させるビームスプリッターを備えることを特徴とする請求項１２の
該システム。
【請求項１４】
該コンビナーが該第１光路及び第２光路からの光をギャップにより第２反射面から分離された第１反射面を有する基準体上に向けることを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項１５】
測定されるべき該媒体が第１反射面と第２反射面の間に位置付けられた組織を有することを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項１６】
該組織が神経組織を有することを特徴とする請求項１５の該システム。
【請求項１７】
更に第１光路からの光を該媒体の第１の側にそして第２光路からの光を該媒体の第２の側に焦点合わせするレンズシステムを具備することを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項１８】
光を第１偏波検出器及び第２偏波検出器上へ向ける第２コンビナーを具備することを特徴とする請求項１の該システム。
【請求項１９】
該第１路からの光が第１偏波成分を有する媒体上と第２偏波成分を有する該基準体上とへ向けられることを特徴とする請求項１の該システム。
【請求項２０】
該第２路からの光が該第１路からの該光と直交する偏波を有する該媒体上へ向けられることを特徴とする請求項１９の該システム。
【請求項２１】
該基準体上へ向けられた該第２路からの該光が該第１路から該基準体上へ向けられたそれと直交することを特徴とする請求項２０の該システム。
【請求項２２】
該組織が癌性組織を含むことを特徴とする請求項１５の該システム。
【請求項２３】
該光源が低コヒーレンス源を含むことを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項２４】
更に光フアイバーカプラーを具備することを特徴とする請求項１２の該システム。
【請求項２５】
サンプルの部分を通過する光の位相特性を測定する方法に於いて、該方法が
第１光源及び第２光源によりそれぞれ発生された第１信号及び第２信号を提供する過程を具備しており、該第２光源は低コヒーレンス源であり、該方法は又
該第１信号及び該第２信号を第１光路及び第２光路に沿って導く過程と、
該第１光路及び該第２光路間の路長差を変える過程と、
それら間の光路遅延を有する該第１及び該第２信号の和を示す出力信号を発生する過程と、
干渉計ロック変調周波数で該出力信号を変調する過程と、そして
干渉計ロック位相のタイムエボリューションにより該サンプルと相互作用する光の位相を決定する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項２６】
該第１信号及び第２信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項２５の該方法。
【請求項２７】
更にミキサー又はロックイン増幅器の１つを使うことにより該第１信号を復調する過程を具備することを特徴とする請求項２５の該方法。
【請求項２８】
更に干渉計ロック位相を電子的に発生する過程を具備することを特徴とする請求項２５
の該方法。
【請求項２９】
サンプルの部分を通過する光の位相を測定するシステムに於いて、該システムが
第１信号を発生する第１光源と、
該第１信号から時間遅延だけ分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する干渉計と、
該サンプルと連通する該干渉計からの第１光路及び基準体と連通する該干渉計からの第２光路と、
該サンプル及び該基準体からのそれぞれ第１及び第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプル及び該基準体から反射された光間の干渉と、を測定し、そして該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示す該ヘテロダイン信号の位相を検出する検出器システムと、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項３０】
該第１信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３１】
該第１光源がスーパールミネッセントダイオード及びマルチモードレーザーダイオードの１つであることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３２】
該干渉計が更に第１通路と第２通路とを備えており、該第２通路が音響光学的変調器を有することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３３】
更に光フアイバーを有する光学的通路を具備することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３４】
更に少なくとも５ｎｍのバンド幅を有する低コヒーレンス信号を具備することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３５】
該システムが振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計を具備することを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３６】
該干渉計が更に光路長差を制御可能に調整するために並進ステージに取り付けられたミラーを備えることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３７】
該検出器システムが該サンプルから反射された信号を検出する第１検出器と該基準体から反射された信号を検出する第２検出器とを備えることを特徴とする請求項２９の該システム。
【請求項３８】
サンプルの画像形成する方法に於いて、該方法が
サンプルを照明する過程を具備しており、該光は該サンプル上の点から発し、低周波空間成分と高周波空間成分とを有しており、該方法は又
第１輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該低周波空間成分と干渉させる過程と、
第１の位相シフトされた低周波空間成分を作るために該低周波空間成分の位相をシフトさせる過程と、
第２輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該第１の位相シフトされた低周波空間成分と干渉させる過程と、
第２の位相シフトされた低周波空間成分を作るために該低周波空間成分の位相をシフトさせる過程と、
第３輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該第２の位相シフトされた低周波空間成分と干渉させる過程と、
第３の位相シフトされた低周波空間成分を作るために該低周波空間成分の位相をシフトさせる過程と、
第４輝度信号を作るために共通の光路に沿い該高周波空間成分を該第３の位相シフトされた低周波空間成分と干渉させる過程と、
該第１輝度信号と、該第２輝度信号と、該第３輝度信号とそして該第４輝度信号とに少なくとも部分的に基づいて該サンプル上の該点の位相画像を発生する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項３９】
更に、該サンプル上の複数の点用に請求項１の過程を繰り返すことにより該サンプルの位相画像を発生する過程を具備することを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４０】
該照明する過程が透過照明を使って該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４１】
該照明する過程が反射照明を使って該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４２】
該照明する過程が透過照明及び反射照明の両者により該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４３】
該照明する過程がスーパールミネッセント光源で該サンプルを照明する過程を備えることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４４】
更に該高周波空間成分の少なくとも１つの振幅を制御する過程を具備することを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４５】
更に該低周波空間成分と位相シフトされた低周波空間成分との少なくとも１つの振幅を制御する過程を具備することを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４６】
該位相をシフトする各過程が実質的にπ／２だけ該低周波空間成分の位相をシフトすることを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４７】
該位相画像を発生する過程が少なくとも部分的に下記方程式に基づいており
【数１】
であり、そしてＩｉｍａｇｅは該高周波空間成分を位相シフトδの低周波空間成分と干渉させることにより発生される該サンプル表面上の点（ｘ、ｙ）用の該輝度信号であり、そしてβ＝Ｉ１／Ｉ０は該高周波空間成分に付随する輝度、Ｉ１、と該低周波空間成分に付随する輝度、Ｉ０、の間の比を表すことを特徴とする請求項３８の該方法。
【請求項４８】
該サンプルの位相画像を発生する過程が約λ／１０００より大きい位相感度で該サンプ
ルの位相画像を発生する過程を備えることを特徴とする請求項３９の該方法。
【請求項４９】
該サンプルが生物学的組織を含むことを特徴とする請求項３９の該方法。
【請求項５０】
該サンプルが半導体ウエーハを含むことを特徴とする請求項４０の該方法。
【請求項５１】
反射面を有するサンプルの非接触光学測定方法に於いて、該方法が
第１信号を発生する第１光源を提供する過程と、
双ビーム干渉計を使って該第１信号から時間遅延で分離された２つのパルスを有する第２信号を発生する過程と、
該サンプルに連通する該干渉計からの第１光路と基準体に連通する該干渉計からの第２光路とを提供する過程と、
該サンプルと該基準体からのそれぞれ第１及び第２信号からの第１ヘテロダイン信号と、該サンプルと該基準体とから反射される光の間の干渉と、を測定する過程と、
該基準体反射に対する該サンプル反射の位相を示す該ヘテロダイン信号の位相を検出する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項５２】
該第１信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５３】
該第１光源がスーパールミネッセントダイオード及びマルチモードレーザーダイオードの１つであることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５４】
該干渉計が更に第１路と第２路とを備えており、該第２路が音響光学的変調器を有することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５５】
更に光フアイバーを含む光学的通路を具備することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５６】
該サンプルが神経細胞の部分であることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５７】
該干渉計が振動から隔離されたヘテロダインマイケルソン干渉計を含むことを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５８】
該干渉計が更に光路長差を制御可能に調整するために並進ステージに取り付けられたミラーを有することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項５９】
該測定する過程が該サンプルから反射された信号を検出する第１検出器と該基準体から反射された信号を検出する第２検出器とを有する検出器システムを備えることを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項６０】
該サンプルが生物学的組織を含むことを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項６１】
更に該サンプル内の機械的変化を検出するために顕微鏡を提供する過程を具備することを特徴とする請求項５１の該方法。
【請求項６２】
該サンプルが単一ニューロン及び細胞単一層の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６１の該方法。
【請求項６３】
該顕微鏡が２焦点顕微鏡を含むことを特徴とする請求項６１の該方法。
【請求項６４】
サンプルを光学的に画像形成する光フアイバープローブに於いて、該プローブが
近位の端部及び遠位の端部と基準光学面とを有するハウジングと、
該ハウジングの該近位の端部内の、光源に結合されたフアイバーと、そして
該プローブの開口数がサンプルの散乱面からの効率的光集めを提供する様な、該ハウジングの該遠位の端部内の段階状屈折率保有レンズと、具備することを特徴とする該プローブ。
【請求項６５】
更に、２次元位相画像形成及び３次元共焦点位相画像形成の少なくとも１つを行うため該光フアイバープローブの並進器ステージ上への設置部を有するシステムを具備することを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項６６】
該並進器ステージが走査用ピエゾ並進器を有することを特徴とする請求項６５の該プローブ。
【請求項６７】
該プローブの該開口数が約０．４から０．５の範囲内にあることを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項６８】
該プローブが生物学的組織を生体内で画像形成することを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項６９】
該基準面が該光フアイバー上の面であることを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項７０】
該基準面が該段階的屈折率保有レンズの上にあることを特徴とする請求項６４の該プローブ。
【請求項７１】
目の非接触光学的測定方法に於いて、該方法が
第１信号と第２信号を発生する光源を提供する過程と、
該目に連通する干渉計からの第１光路と基準体に連通する該干渉計からの第２光路とを提供する過程と、そして
該第１信号と該第２信号とに応答して、それぞれ該目と該基準体とから戻る光での第１ヘテロダイン信号を測定する過程と、そして
該基準体から戻る光に対する該目から戻る光の位相を示す該第１ヘテロダイン信号の位相を決定する過程と、を具備することを特徴とする該方法。
【請求項７２】
該第１信号が低コヒーレンス信号であることを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７３】
該光源がスーパールミネッセントダイオード及びマルチモードレーザーダイオードの１つであることを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７４】
該干渉計が更に第１路と第２路を備えており、該第２路が音響光学的変調器を有することを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７５】
更に光フアイバーを有する光学的通路を備えることを特徴とする請求項７１の該方法。
【請求項７６】
材料を画像形成する光変調システムに於いて、該システムが
光源と、
レンズシステムと、
空間的光変調器と、
該材料と相互作用する光の位相変動を検出する検出器と、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項７７】
該検出器が組織の診断用画像を形成することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項７８】
該レンズシステムがフーリエレンズを備えることを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項７９】
更に空間的光変調器及び該検出器と接続されたプロセサーを具備することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項８０】
更に該システムに光学的に結合された低コヒーレンス源を具備することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項８１】
更に該システムに光学的に結合されたレーザーを具備することを特徴とする請求項７６の該システム。
【請求項８２】
ニューロン活動を測定するシステムに於いて、該システムが
光源と、
該光源からの光を神経繊維を有する組織上に結合する光学システムと、
該神経繊維からの光を集める検出器と、を具備することを特徴とする該システム。
【請求項８３】
該システムが該組織と相互作用する光と同位相の電荷を測定する干渉計を具備することを特徴とする請求項８２の該システム。
【請求項８４】
更に基準体と第１及び第２偏波検出器とを具備することを特徴とする請求項８２の該システム。
【請求項８５】
該光源が低コヒーレンス源を備えることを特徴とする請求項８２の該システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ−１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図１８Ｄ】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【図２８Ａ】
【図２８Ｂ】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２Ａ−４２Ｂ】
【図４３】
【図４３Ｂ】
【図４３Ｃ】
【図４３Ｄ】
【図４３Ｅ】
【図４４】
【図４５】
【図４６Ａ】
【図４６Ｂ】
【図４６Ｃ】
【図４６Ｄ】
【図４６Ｅ】
【図４６Ｆ】
【図４６Ｇ】
【図４７Ａ】
【図４７Ｂ】
【図４７Ｃ】
【図４７Ｄ】
【図４７Ｅ】
【図４８Ａ】
【図４８Ｂ】
【図４８Ｃ】
【図４９】
【図４９Ｂ−４９Ｃ】
【図５０Ａ】
【図５０Ｂ】
【図５０Ｃ】
【図５１Ａ】
【図５１Ｂ】
【図５１Ｃ】
【図５１Ｄ】
【図５２】
【図５３】
【図５４Ａ】
【図５４Ｂ】
【図５５】
【図５６】
【図５７Ａ】
【図５７Ｂ】
【図５８Ａ】
【図５８Ｂ】
【図５８Ｃ】
【図５９】
【図６０Ａ】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８Ａ】
【図６８Ｂ】
【図６９Ａ】
【図６９Ｂ】
【図６９Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ−１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図１８Ｄ】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【図２８Ａ】
【図２８Ｂ】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２Ａ−４２Ｂ】
【図４３】
【図４３Ｂ】
【図４３Ｃ】
【図４３Ｄ】
【図４３Ｅ】
【図４４】
【図４５】
【図４６Ａ】
【図４６Ｂ】
【図４６Ｃ】
【図４６Ｄ】
【図４６Ｅ】
【図４６Ｆ】
【図４６Ｇ】
【図４７Ａ】
【図４７Ｂ】
【図４７Ｃ】
【図４７Ｄ】
【図４７Ｅ】
【図４８Ａ】
【図４８Ｂ】
【図４８Ｃ】
【図４９】
【図４９Ｂ−４９Ｃ】
【図５０Ａ】
【図５０Ｂ】
【図５０Ｃ】
【図５１Ａ】
【図５１Ｂ】
【図５１Ｃ】
【図５１Ｄ】
【図５２】
【図５３】
【図５４Ａ】
【図５４Ｂ】
【図５５】
【図５６】
【図５７Ａ】
【図５７Ｂ】
【図５８Ａ】
【図５８Ｂ】
【図５８Ｃ】
【図５９】
【図６０Ａ】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８Ａ】
【図６８Ｂ】
【図６９Ａ】
【図６９Ｂ】
【図６９Ｃ】
【公表番号】特表２００７−５２４０７５（Ｐ２００７−５２４０７５Ａ）
【公表日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１７３７２（Ｐ２００６−５１７３７２）
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１９４５６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００１４４５
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【出願人】（５９１２７５０５６）マサチユセツツ・インスチチユート・オブ・テクノロジイ (9)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１９４５６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００１４４５
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【出願人】（５９１２７５０５６）マサチユセツツ・インスチチユート・オブ・テクノロジイ (9)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【Ｆターム（参考）】
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