JP2019515354A - 顕微鏡法及び他の応用例で使用するための複屈折レンズ干渉計 - Google Patents

Abstract

顕微鏡法及び他の応用例のための、入射する光ビームを、互いに干渉する異なる焦点距離をもつ２つの一致ビームへと有利に分割し、電気光学デバイス又はピクセル化デバイスを使用せずにホログラムを生成すべく、複屈折材料など、非量子化異方性電磁特性をもつ材料で作製されたレンズを利用し、ホログラフィにおける画像品質を向上させるための技術について開示する。薄型複屈折レンズ及び単結晶アルファＢＢＯレンズの使用を紹介する。対応するシステム、方法及び装置について記載する。

Description

＜関連出願についての相互参照＞
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年５月６日付けで出願された米国仮特許出願第６２／３３２，８５７号に基づく優先権を主張するものである。

＜政府の権利＞
本発明は、米国国立がん研究所（ＮＣＩ）により授与された認可Ｒ４４ＣＡ１９２２９９の下で、米国政府の支援を受けて行われた。米国政府は、本発明においてある特定の権利を有する。

本開示は、受け取った光又は他の電磁放射の位相特性を変更するために、複屈折レンズ又は光学素子の使用により生成された、フレネル非コヒーレント自己相関ホログラフィ（ＦＩＮＣＨ）又は他のホログラフィ画像を収集すること、及び／又は使用することに関する。

ホログラムは、２つ以上の光又は他の放射波により生成される干渉パターンの記録である。その放射波が干渉するためには、放射波は、異なる位相特性を有しなければならない。現在のホログラフィ法では、干渉される波は、各々の波に異なる位相特性を加える異なる光学経路を通過する。シングルパスホログラフィの方法の１つのクラスでは、通常、光空間変調器（ＳＬＭ）又は他の光学素子に表示されたデジタル化された位相パターンを通過させること、あるいはそこから反射させることによって、波に異なる位相特性を与える。自己干渉ホログラフィのための方法の別のクラスでは、単一の波からこれらの波を生じさせ、それをビームスプリッタにより分割し、次いで、異なるミラーで反射させた後に、ビーム経路の最後の部分で再合成され、干渉させることになる。これらの方法で生成されるホログラムは、光路長におけるわずかな不整合、量子化誤差、又はＳＬＭ若しくは他の光学素子の望ましくない回折効果に起因して、有意な欠陥が生じるという欠点があり得る。不要な反射若しくは量子化誤差、又は望ましくない回折効果を受けることなく、異なる位相特性を受け取りながら、すべての放射波が同じ光学経路を通ることを可能にする装置、システム及び／又は方法は、ホログラフィの分野において望ましい。

米国特許第８，５４２，４２１号 米国特許出願第６２／０２３，９５８号 米国特許第８，００９，３４０号 米国特許第８，１７９，５７８号 米国特許第８，４０５，８９０号 日本国特許第８，５４２，４２１号 日本国特許第５６１１５８８号

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したがって、例示的実施形態の１つの目的は、受け取った電磁放射から電磁干渉を生成するために使用される非量子化異方性電磁特性をもつ装置、及びその使用のための方法を提供することである。異方性電磁特性は、薄型複屈折レンズなどの、１つ又は複数の異方性構成要素に由来し得、他の材料と組み合わせることによって、更に調整され得る。受け取った電磁放射は、Ｘ線、黒体放射、赤外光、又はコヒーレント若しくは非コヒーレントなソースのような任意のソースからの任意の波長の光などであり得る。いくつかの実施形態では、受け取った電磁放射は、顕微鏡見本及び／又は顕微鏡からであり得る。本装置では、受け取った電磁放射は、次いで、屈折及び／又は回折によって、共通の経路中を伝搬する２つ以上の差分変調波へと変換され、変調された電磁波は、フレネル、フーリエ、フレネル非コヒーレント自己相関ホログラフィ（ＦＩＮＣＨ）、オフアクシス、又は他のホログラムの形態をとることができる電磁干渉を生成する。干渉は、記録デバイスによって記録され、干渉から、受け取った放射のソースに関する情報を取得することができる。

例示的実施形態の別の目的は、受け取った電磁放射から電磁干渉を生成するために使用される非量子化異方性電磁特性をもつ装置、及びその使用のための方法を提供することである。異方性電磁特性は、薄型複屈折レンズなどの、１つ又は複数の異方性構成要素に由来し得、他の材料と組み合わせることによって、更に調整され得る。受け取った電磁放射は、Ｘ線、黒体放射、又は任意のソース、コヒーレント若しくは非コヒーレントからの任意の波長の光のようなソースからであり得る。いくつかの実施形態では、受け取った電磁放射は、顕微鏡見本及び／又は顕微鏡からであり得る。本装置では、受け取った電磁放射は、次いで、屈折及び／又は回折によって、共通の経路中を伝搬する２つ以上の差分変調波へと変換され、差分は、変調間でプログラムされる。変調された電磁波は、フレネル、フーリエ、ＦＩＮＣＨ、オフアクシス又は他のホログラムの形態をとることができる電磁干渉を生成する。干渉は、次いで、プログラムされた情報を、顕微鏡サンプル又は光記録媒体のような後続のデバイス又はオブジェクトに送出するために使用される。

例示的実施形態の別の目的は、外部電源を必要としない構成において上記の利点を提供し、移動可能な様式で干渉波（及びホログラム）を取得することができるようにすることである。

例示的実施形態は、受け取った電磁放射から電磁干渉を生成するように構成された、非量子化異方性電磁特性をもつ装置を提供する。装置の異方性電磁特性は、外部電源とは無関係に存在し得る。受け取った電磁放射は、変調された電磁波が電磁干渉を生成するように、少なくとも１つの薄型複屈折レンズを使用する屈折及び／又は回折によって、共通の経路中を伝搬する２つ以上の差分変調波へと変換される。受け取った電磁放射は、たとえば、蛍光、化学発光光、生物発光光、赤外光、非コヒーレント光、コヒーレント光、他のタイプの光、Ｘ線、又は黒体放射であり得る。装置の異方性特性は、たとえば、方解石材料、アルファほう酸バリウム材料、ベータほう酸バリウム（ＢＢＯ）材料、又は他の複屈折材料に由来し得る。いくつかの実装形態では、異方性特性は、液晶材料に由来し得る。たとえば、液晶材料が、平坦な非複屈折材料に、又は正湾曲した若しくは負湾曲した非複屈折材料中に封入され得、あるいは、平坦な複屈折材料に、又は正湾曲した若しくは負湾曲した複屈折材料中に封入され得る。

例示的実施形態の装置によって生成される電磁干渉は、フレネルホログラム、フーリエホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、又はオフアクシスホログラム、あるいは他のホログラムであり得る。受け取った電磁放射は、顕微鏡及び／又は顕微鏡見本、あるいはＤＮＡシーケンスゲル又はＤＮＡシーケンスシステムから生じ得る。生成される電磁干渉は、たとえば、画像記録デバイスによって、又は点光源検出器によって記録され得る。電磁干渉は、走査ホログラフィにおいて励起パターンとして使用されても、構造化照明（ＳＩＭ）イメージングシステムの励振源において使用されても、あるいは、ホログラフィック記憶媒体にデータを記録するために使用されてもよい。受け取った電磁放射は、コヒーレントであっても、又は非コヒーレントであってもよく、ホログラフィックデータ記憶媒体の読出し、又は前述の方法の任意の組み合わせから生じ得る。電磁干渉は、ホログラフィック記憶媒体に記憶されたデータを回復するために解釈され得る。

例示的実施形態の装置の異方性電磁特性は、１つ又は複数の複屈折レンズ中に含まれ得る。本装置は、複屈折レンズの各表面の曲率半径と、任意の関連した（古典的とも呼ばれる）標準レンズの焦点距離との選択に基づいて、複合レンズシステムの通常焦点距離と異常焦点距離との焦点距離における任意の差を達成することを可能にするように構成され得る。複屈折レンズの曲率半径のうちのいくつか又は全部は、無限大であり得る。いくつかの実装形態では、上述のレンズは、１つのユニットにおいて結合され、結合手段は、たとえば空気又は光学セメントのような光学的に透明な物質である。

例示的実施形態の装置は、複屈折材料の分散特性が、広帯域電磁放射線源からの多数の空間分離した波長依存的なホログラムを生成するために使用されるように構成され得る。そのような構成では、空間分離したホログラムは、記録のために、あるいはさらなる使用のために、又は、カラーフィルタあるいは分散性のプリズム素子又は回折素子を用いた修正のために、別個のエリアに向けられる。いくつかの実装形態では、受け取った電磁放射のソースは、人間の眼底であり得、屈折した電磁干渉は、デジタルカメラに記録され得る。いくつかの実装形態では、受け取った電磁放射のソースは、顕微鏡対物レンズであり得、屈折した電磁干渉は、従来解像度画像又は光学的超解像度画像を生成するために使用され得る。いくつかの実装形態では、他の光学デバイスは、所望の空間特性、色特性及び時間特性を達成するために、電磁干渉を変更するように構成され得る。

他の例示的実施形態は、単一ソースから、２つ以上の異なる平面に、集束スポットを同時に生成するように構成された複屈折光学デバイスを提供する。集束スポットは、顕微鏡において励起光として使用され得、２つ以上のオブジェクト面上に同時に集束する。複屈折光学デバイスは、顕微鏡対物レンズであり得る。いくつかの実装形態では、複屈折光学デバイスは、顕微鏡対物レンズ内に収容され得、また、レーザ励起光をサンプル中に集束させるために使用され得る。

別の例示的実施形態は、受け取った電磁放射から、フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムを生成するための非量子化複屈折光学デバイスを提供する。例示的な非量子化複屈折光学デバイスは、任意の仕様の２つ以上の焦点距離をもつ偏光感応性レンズを生成するために、複屈折材料と非複屈折材料との組合せにより生成される、複屈折レンズのハイブリッドレンズを含む。

別の例示的実施形態は、異なる複屈折材料のレンズの組合せによって、任意の２つの異なる焦点距離を有するように構成された非量子化複屈折光学デバイスを提供する。例示的な光学デバイスは、受け取った電磁放射から、たとえば、フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムのような、ホログラムを生成するために使用され得る。レンズの独立した焦点面間の間隔（間隔因子）は、変動され得る。複屈折レンズのハイブリッドレンズは、任意の仕様の２つ以上の焦点距離をもつ偏光感応性レンズを形成するために、複屈折材料と非複屈折材料との組合せにより生成され得る。例示的な複屈折光学デバイスのいくつかの実装形態では、複屈折光学デバイスは、顕微鏡対物レンズ内に収容され得る。

別の例示的実施形態は、非量子化異方性電磁特性をもつ薄型複屈折レンズのような光学デバイスを使用することによって、受け取った電磁放射から電磁干渉を生成する方法を提供する。例示的な方法は、受け取った電磁放射を、屈折及び／又は回折によって、共通の経路中を伝搬する２つ以上の差分変調波へと変換する段階と、変調された電磁波を使用して、電磁干渉を生成する段階とを含む。受け取った電磁放射は、たとえば、蛍光、化学発光光、生物発光光、非コヒーレント光、コヒーレント光、赤外光、他のタイプの光、Ｘ線、又は黒体放射であり得る。異方性特性は、方解石材料に、アルファほう酸バリウム材料若しくはベータほう酸バリウム材料に、又は異方性である任意の複屈折材料に由来し得る。いくつかの実装形態では、異方性特性は、液晶材料に由来し得る。たとえば、液晶材料が、平坦な非複屈折材料に、又は正湾曲した若しくは負湾曲した非複屈折材料中に封入され得、あるいは、平坦な複屈折材料に、又は正湾曲した若しくは負湾曲した複屈折材料中に封入され得る。生成される電磁干渉は、たとえば、フレネルホログラム、フーリエホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、又はオフアクシスホログラムのようなホログラムであり得る。受け取った電磁放射は、顕微鏡及び／又は顕微鏡見本、あるいはＤＮＡシーケンスゲル又はＤＮＡシーケンスシステム、あるいは光を射手又は反射する任意の他のオブジェクトから生じ得る。生成される電磁干渉は、画像記録デバイスによって、又は点光源検出器によって記録され得る。いくつかの実装形態では、電磁干渉は、走査ホログラフィにおいて励起パターンとして使用されても、構造化照明（ＳＩＭ）イメージングシステムの励振源として使用されても、あるいは、ホログラフィック記憶媒体にデータを記録するために使用されてもよい。いくつかの実装形態では、受け取った電磁放射は、ホログラフィックデータ記憶媒体の読出しから生じる。電磁干渉は、ホログラフィック記憶媒体に記憶されたデータを回復するために解釈され得る。

例示的な方法は、広帯域電磁放射線源からの多数の空間分離した波長依存的なホログラムを生成するために、複屈折材料の分散特性を使用するように動作し得る。いくつかの実装形態では、受け取った電磁放射のソースは、人間の眼底であり得、屈折した電磁干渉は、デジタルカメラに記録される。いくつかの実装形態では、ソースは、顕微鏡対物レンズであり得、屈折した電磁干渉は、光学的超解像度画像を生成するために使用される。

別の例示的実施形態は、単一ソースから、複屈折光学デバイスを使用して、２つ以上の異なる平面に、集束スポットを同時に生成するための方法を提供する。集束スポットは、顕微鏡において励起光として使用され得、２つ以上のオブジェクト面上に同時に集束する。複屈折レンズは、顕微鏡対物レンズであり得る。いくつかの実装形態では、複屈折光学デバイスは、顕微鏡対物レンズ内に収容され得、また、レーザ励起光をサンプル中に集束させるために使用され得る。

いくつかの実装形態では、例示的な方法は、複屈折レンズの各表面の曲率半径と、任意の関連した標準レンズの焦点距離との選択に基づいて、複合レンズシステムの通常焦点距離と異常焦点距離との焦点距離における任意の差を達成することを可能にし得る。複屈折素子の曲率半径のうちのいくつか又は全部は、無限大であり得る。いくつかの実装形態では、上述のレンズは、結合媒体として空気又は光学セメントのような光学的に透明な物質を用いて、１つのユニットにおいて結合され得る。

別の実施形態は、異なる複屈折材料のレンズの組合せによって、任意の２つの異なる焦点距離をもつ非量子化複屈折光学デバイスを使用するための方法を提供する。本方法は、受け取った電磁放射から、たとえば、フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムのような、ホログラムを生成するために使用され得る。レンズの焦点距離の差は、変動され得る。複屈折レンズのハイブリッドレンズは、任意の仕様の２つ以上の焦点距離をもつ偏光感応性レンズを生成するために、複屈折材料と非複屈折材料との組合せにより生成され得る。

別の例示的実施形態は、任意の仕様の２つ以上の偏光感応性焦点距離をもつレンズを形成するために、１つ又は複数の複屈折球面レンズを組み込んだ複屈折光学デバイスを使用するための方法を提供する。

別の例示的実施形態は、任意の仕様の２つ以上の偏光感応性焦点距離をもつレンズを得るために、１つ又は複数の複屈折球面レンズを組み込んだ複屈折光学デバイスを提供する。

別の実施形態は、電磁放射から、フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムを生成するように構成された複屈折デバイスを提供する。電磁放射は光であり得る。複屈折デバイスは、光学波長において複屈折性である材料から構成される。複屈折デバイスは、ホログラムを変更して所望の空間特性、色特性及び時間特性を達成するために、他の光学デバイスと併せて使用され得る。複屈折デバイスによって処理される光ビームは、顕微鏡見本から生じ得る。生成されるホログラムは、画像記録デバイスによって記録され得る。見本から生じた光ビームは、標準的な顕微鏡法方法によって発光が誘起された蛍光光であり得る。見本から生じた光ビームは、共焦配列において射出が誘起及び透過された蛍光、多光子励起によって発光が誘起された蛍光、又は非線形光学法によって射出が誘起された蛍光を含み得る。いくつかの実装形態では、見本から生じた光ビームは、化学発光光、透過光、又は反射光である。いくつかの実施形態では、複屈折光学デバイスによって処理される光ビームは、カメラレンズから、又は生物学的シーケンスゲルから生じる。いくつかの実施形態では、電磁放射は、レーザ光である。

いくつかの例示的実施形態では、電磁放射からフレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムを生成するように構成され、光学波長において複屈折である材料から構成され、かつ、ホログラムを変更して所望の空間、色特性及び時間特性を達成するために、他の光学デバイスと併せて使用され得る複屈折デバイスは、顕微鏡対物レンズ内に収容され得る。複屈折デバイスによって処理される光ビームは、顕微鏡見本から生じ得る。生成されるホログラムは、画像記録デバイスによって記録され得る。顕微鏡対物レンズ内の複屈折デバイスは、レーザ励起光を見本中に集束させるために使用され得る。

別の例示的実施形態は、電磁放射から、フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムを生成するように構成された複屈折デバイスを提供し、電磁放射は光であり得る。複屈折デバイスは、光学波長において複屈折性である材料から構成される。複屈折デバイスは、ホログラムを変更して、任意の所与のモダリティについて所望の空間特性、色特性及び時間特性を達成するために、他の光学デバイスと併せて使用され得る。複屈折デバイスによって生成されるホログラムは、走査ホログラフィにおいて励起パターンとして使用され得、現在の方法を上回る安定性の顕著な増大がもたらされる。走査ホログラフィは現在、２つのビーム経路をもつ改良型マイケルソン干渉計を通過したレーザビームからの励起のために使用されるフレネルホログラムを生成しているが、いくつかの例示的実施形態は、複屈折デバイスを通る単一のビーム経路を使用する。単一のビーム経路は、従来の走査ホログラフィにおける励起パターンを低下させることがある相対的な振動の差のような、異なるビーム経路の異なる特性についての問題を回避する。フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラムホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムを生成するように構成された例示的な複屈折デバイスのいくつかの実装形態では、ホログラムは、構造化照明（ＳＩＭ）イメージングシステムにおいて励起ビームを変調するために使用され得る。たとえば、複屈折デバイスは、ＳＩＭ励起ビームに、球面位相差ではなく線形位相差を加えるために使用され得、あるいは、アキシコン位相プロファイルをもつ複屈折デバイスを使用してもよく、あるいは、励起レーザビームから形成されたフレネルホログラムの外側部分（線形縞パターンに近似する）を使用してもよい。

ホログラムを変更して、任意の所与のモダリティについて所望の空間特性、色特性及び時間特性を達成するために、他の光学デバイスと併せて使用されるように構成された例示的な複屈折デバイスのいくつかの実装形態では、ホログラムは、ホログラフィック記憶媒体にデータを記録するために使用される。

ホログラムを変更して、任意の所与のモダリティについて所望の空間特性、色特性及び時間特性を達成するために、他の光学デバイスと併せて使用されるように構成された例示的な複屈折デバイスのいくつかの実装形態では、ホログラムを生成する光は、ホログラフィックデータ記憶媒体の読出しから生じる。ホログラムは、ホログラフィック記憶媒体に記憶されたデータを回復するために解釈され得る。

例示的な複屈折デバイスのいくつかの実装形態では、複屈折デバイスは、広帯域電磁放射線源からの多数の空間分離した波長依存的なホログラムを生成するために、複屈折材料の分散特性を使用するように構成される。電磁放射は、コヒーレント、非コヒーレント、蛍光、化学発光光、顕微鏡からの光、又はＤＮＡシーケンス手段からの光であり得る。

別の例示的実施形態は、１回の露光で励起光を２つのオブジェクト面へと集束させるように構成された複屈折光学デバイスを提供する。複屈折レンズは、顕微鏡対物レンズであり得る。

別の例示的実施形態は、１回の露光で２つの異なるオブジェクト面の収束画像を生成するための複屈折光学デバイスを提供する。複屈折レンズは、顕微鏡対物レンズであり得る。

別の例示的実施形態は、電磁放射から、フレネルホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、フーリエホログラム、又は他のホログラムを生成する複屈折光学デバイスを提供し、複屈折レンズのハイブリッドレンズが、任意の仕様の２つ以上の焦点距離をもつ偏光感応性レンズを生成するために、複屈折材料と非複屈折材料との組合せにより生成される。

別の例示的実施形態は、複屈折レンズの各表面の曲率半径と、関連した標準レンズの焦点距離とを選択することにより、複合レンズシステムの通常焦点距離と異常焦点距離との焦点距離における任意の差を達成する、ホログラフィのための方法を提供する。上述のレンズは、１つにユニットにおいて結合される。レンズの結合は、空気及び／又は光学セメントのような光学的に透明な物質を用いてもよい。

オブジェクトから受け取った電磁（ＥＭ）放射が、ただ１つの焦点面に集束する従来の撮像レンズを示す図。 基準ビーム及びサンプルビームを生成するために光空間変調器（ＳＬＭ）を使用するフレネル非コヒーレント自己相関ホログラフィ（ＦＩＮＣＨ）イメージングのための３つの構成を示す図。 薄型液晶屈折勾配率（ＴＬＣＧＲＩＮ）レンズを使用するＦＩＮＣＨ蛍光顕微鏡法の模式図。 １つ又は複数の例示的実施形態による、２つの焦点距離ｆ_１及びｆ_２をもつ複屈折レンズ。 １つ又は複数の例示的実施形態による、ＦＩＮＣＨホログラムを生成するための一般スキーム。 １つ又は複数の例示的実施形態による、レンズの正面において屈折率が異なる結果、焦点距離が異なる複屈折レンズ。 １つ又は複数の例示的実施形態による、最適なホログラム面の波長依存的な場所のシフト。 １つ又は複数の例示的実施形態による、図３と同様のＦＩＮＣＨシステムを使用して、ＥＭ放射源としてのレーザからキャプチャされたポイントホログラム未加工画像及び処理済み画像。 １つ又は複数の例示的実施形態による、方解石ＢＲＬを組み込んだＦＩＮＣＨシステムを使用して、ＥＭ放射源としてのレーザからキャプチャされたポイントホログラム未加工画像及び処理済み画像。 １つ又は複数の例示的実施形態による、古典的な蛍光顕微鏡法と方解石ＢＲＬを組み込んだＦＩＮＣＨシステムを使用する標準的なオブジェクトのＦＩＮＣＨ蛍光顕微鏡法との比較であり、ＦＩＮＣＨ画像における画像のコントラスト及び解像度が向上していることを例証する。 １つ又は複数の例示的実施形態による、古典的な蛍光顕微鏡法と方解石ＢＲＬを組み込んだＦＩＮＣＨシステムを使用する標準的なサブ解像度ビーズオブジェクトのＦＩＮＣＨ蛍光顕微鏡法との比較であり、各方法によって測定されたビーズ強度プロファイルの幅の比較プロットを用いて、ＦＩＮＣＨ画像における画像の解像度が向上していることを例証する。 １つ又は複数の例示的実施形態による、古典的な蛍光顕微鏡法と単結晶α−ＢＢＯ ＢＲＬを組み込んだＦＩＮＣＨシステムを使用する標準的な１１０ｎｍビーズオブジェクトのＦＩＮＣＨ蛍光顕微鏡法との比較であり、各方法によって測定されたビーズ強度プロファイルの幅の比較プロットを用いて、ＦＩＮＣＨ画像における画像の解像度が向上していることを例証する。 １つ又は複数の例示的実施形態による、一緒に使用される２つの複屈折レンズの模式図。 １つ又は複数の例示的実施形態による、平坦な複屈折板と併せて使用される複屈折レンズの模式図。 １つ又は複数の例示的実施形態による、単一の球面ガラスレンズから２つの焦点面を生じるために使用される複屈折板又はブロックの模式図。 １つ又は複数の例示的実施形態による、複屈折レンズ非コヒーレント干渉計における光学部品の配列図。 いくつかの例示的実施形態による、ＦＩＮＣＨ顕微鏡の概略図。

古典的な光学イメージングでは、光のビームは、オブジェクトから射出又は反射され、次いで、レンズにより集光される。最も単純な場合、光のビームは、このレンズによって集束し、焦点面に画像が生成される。当該画像は、図１に示すように２次元であり、図１は、オブジェクト１０１の焦点面１０６で画像１０２を生成する焦点距離１０５（ｆ）をもつレンズ１００を示し、焦点面の上方又は下方のオブジェクト１０１に関する３次元（３Ｄ）情報を識別することはできない。オブジェクトの平面の上方又は下方のいかなる情報も、レンズの焦点面に対しては並進せず、失われる。

画像品質を向上させる、又は拡大率を変えるために、他のレンズをシステムに追加することができるが、３Ｄ情報はやはり失われる。ホログラフィ法は、シーン中の３Ｄ情報のイメージングを可能にする。基準ビームと組み合わせてサンプルから射出又は反射される光の干渉が、オブジェクトの３Ｄ特性を完全に描写するホログラムを生成するように、レーザによりサンプルが照明される多くのホログラフィ技術が存在する（非特許文献１）。古典的なホログラフィでは、コヒーレントな光源はサンプルビームと基準ビームとに分割され、それらは次いで、互いに干渉してホログラムを生成する。しかしながら、これらの古典的な技法は、非コヒーレント光からホログラムを生成するためには使用できない。これらの古典的な技法は、蛍光サンプルなどからの非コヒーレントな発光を測定するためには使用できないが、蛍光を励起するためにサンプル全体で干渉パターンを走査し、サンプルビームと相関させてホログラムを生成するような走査ホログラフィが提案されている（非特許文献２）。しかしながら、走査ホログラフィ技法は、かなり複雑であり、マルチビームプロセスとして、厳密な整列要求という欠点があり、システムにおけるいかなる振動も防止する必要性を理由に、環境的な不安定性に敏感である。

２００６年に本発明の発明者のうちの１人により発明された非コヒーレントホログラフィのための別の技法（特許文献１及び非特許文献３）は、フレネル非コヒーレント自己相関ホログラフィをＦＩＮＣＨと称する。ＦＩＮＣＨは、オブジェクトから発した２つの球面波からの自己干渉により単一ビームシステムにおいて非コヒーレント光を射出するオブジェクトからホログラムを生成する。光空間変調器（ＳＬＭ）を使用するＦＩＮＣＨの３つの例示的な構成が図２に示されている（非特許文献８に適応）。図２には、２つの回折レンズがＳＬＭ２０４上に表示されたＦＩＮＣＨ２００が記載されており、一方（ｆｄ）は正であり、もう一方（ｆ_１）は負である。回折レンズは、オブジェクト１０１から受け取った光を、中間レンズ２０３を通して、ＳＬＭから距離２０５（ｚ_ｈ）において、ＣＣＤカメラ２０６により記録されたホログラムへと集束させる。２０１には、ＳＬＭ２０４上に２つの回折レンズを有するＦＩＮＣＨが記載されており、両方のレンズは正である（ｆ_ｄはより短い焦点距離であり、ｆ_２はより長い）。このタイプのＦＩＮＣＨの残部は、２００と同様である。２０２には、２０１のセットアップをエミュレートする実際のセットアップが記載されており、１つの正の回折レンズ（ｆ_ｄ）は、ＳＬＭ２０４上に表示され、１つの正ガラスレンズ２０７（ｆ_２）は、ＳＬＭの近くに配置されている。当業者には、前のパラグラフにおいて、及び本明細書全体にわたって、ＳＬＭ又はＳＬＭに取って代わる他の要素は、１つ又は２つのレンズのみを表示することには限定されず、ホログラフィックプロセスに有利な適用例について望まれるような３つ以上のレンズ又は他の位相パターンを表示してもよいことが理解されよう。

ＦＩＮＣＨは、蛍光顕微鏡法の潜在能力を示し（非特許文献６）、その技法を有用な高解像度３Ｄイメージング技術へと完成するために多くの研究が行われた。レーザ、スキャニング又は軸並進がなく、あるいは、３Ｄ画像を生成するために複数の焦点面において画像をキャプチャする必要がなく、ホログラフィックプロセスによって非コヒーレントな光源から３Ｄ画像が取得され得る概念が魅力的である。この分野は現在のところ、発明者らによるさらなる研究（非特許文献７〜１０）、並びに、ＦＩＮＣＨ光学システムが非コヒーレント超解像度であるという立証（非特許文献８〜１０）を含む他者によるさらなる研究（非特許文献１１〜１３）結果として進歩してきた。最近、その理由は、ＦＩＮＣＨがラグランジュの不変量を克服することが分かった（非特許文献１４）。より最近、ＦＩＮＣＨホログラムは、電気的に変調された透過性液晶光学部品を使用して生成されてきた（非特許文献１５）。さらに、ニプコー円板を含めることが、共焦点ＦＩＮＣＨ画像を生成するために使用されてきた（非特許文献１６及び特許文献２）。ＦＩＮＣＨホログラフィックプロセスは、２０１１年８月３０日付けで発行された（特許文献３〜７）を含む、いくつかの特許の主題である。

ＦＩＮＣＨは、非コヒーレントホログラフィにおけるかなりの進歩である一方で、２つの干渉ビームを生成するＳＬＭ法は、依然として２つの異なるレンズを必要とし、それらのレンズは、完璧なアライメントを必要とする。本出願に開示する例示的な本発明の実施形態は、非コヒーレントホログラフィのための先行技術のいずれよりも光学的に完全なビームを生成する。例示的実施形態によって変調されるビームには、個別の位相シフト領域と隣り合った領域の特性間のシャープな境界とをもつピクセル化された液晶ＳＬＭ又は液晶フレネルレンズ又は液晶ＧＲＩＮレンズなどの量子化デバイスを使用する際に固有の量子化誤差という欠点がない。これらの誤差は、ＳＬＭ、ＧＲＩＮレンズなどの機械構造に起因して、変調されたビームの滑らかな位相プロファイルではなく階段状の望ましくない回折次数への光の損失、不完全な位相変調、焦点距離における有意な色シフト、及び変調されたビームの位相プロファイルにおける欠陥を含む。いくつかの例示的実施形態によって変調されたビームは、これらの実施形態がシャープな境界（すなわち、量子化されていない）をもつ個別の領域を含み得ないので、すべてのこれらの欠陥を回避することができる。機械フレームワークからの回折、したがって望ましくない回折次数への損失がなく、変調された光の位相の滑らかな連続変調があり、回折誘発色分散よりも良好に補正できる標準的な屈折色分散誤差のみがある。使用されるＳＬＭ法は、光空間変調器（ＳＬＭ）上に１つ又は複数の異なるレンズパターンを表示することを含む（非特許文献３及び非特許文献７）が、レンズサンプリングに起因してホログラム品質が低くなりやすく、高次回折画像に起因して効率が低くなりやすい。これらの問題は、ＳＬＭの限られたピクセル数及びビット深さに起因して、不十分な干渉、高いバックグラウンド及び低い解像度につながり得る。さらに、ＳＬＭは反射性であるので、光学配置は、ＳＬＭが、イメージングシステムの光軸から一定の角度で配置される、又は一定の角度でマウントすることを避けるようにビームスプリッタ上に配列されることを必要とする。しかしながら、元の光ビームの入射が傾斜すると、複数の焦点距離についてＳＬＭの較正が難しくなり、ビームスプリッタを使用すると、光学システムの光収支が著しく低減する（非特許文献７）。

図３は、（非特許文献１５）において報告された、完全に透過性の構成で液晶フレネルレンズ又は勾配屈折率（ＧＲＩＮ又はＴＬＣＧＲＩＮ）レンズと併せてガラスレンズを使用してきた最新の方法の詳細な模式図を示す。図３に示すブロック３００の左側には、あるポイントのＦＩＮＣＨホログラムの詳細な光路図が示されている。光は、オブジェクト１０１を出て、距離３０６を進み、対物レンズ３０１により集光される。３０１を出たコリメート光は、２つのリレーレンズのうちの最初のレンズ３０２まで距離３０７を伝搬する。光は、第２のリレーレンズ３０３まで距離３０８を進み、ＧＲＩＮアセンブリ３０４までさらなる距離３０９を進む。２つの有効焦点距離３１２及び３１３をもつＧＲＩＮアセンブリ３０４が、距離３１０及び距離３１１を伝搬する２つの波を生成する一方で、ホログラム距離２０５だけＧＲＩＮアセンブリ３０４から移された平面にホログラム３０５が配置される。図３に示すブロック３０１の右側に、参照された顕微鏡システムにおける構成要素の詳細な配列が示されている。すべての光学部品は、光伝搬軸３１４上でセンタリングされる。サンプルに励起光を導入し、任意の浮遊反射された励起光又は他の光から受け取った放射光を分離するために、ダイクロイックビームスプリッタ３１５と吸収フィルタ３１６とが蛍光顕微鏡法のために必要であるが、偏光ビームスプリッタキューブ３１７は、ＧＲＩＮアセンブリのアクティブ軸に対して４５度の角度で、受け取った光を偏光させるために使用される。この偏光子からの除去された偏光成分は、標準的な画像を記録するカメラ３１８に送信される。ＧＲＩＮアセンブリ３０４は、ガラスレンズ３１９、並びにアクティブＧＲＩＮ３２０及び非アクティブＧＲＩＮ３２１を含む。ガラスレンズは、通過するすべての光を集束するが、アクティブＧＲＩＮは、その軸に対して平行に通る光にさらなる焦点距離を加え、非アクティブＧＲＩＮは、アクティブＧＲＩＮを通る光の副作用を補償する働きをする。このようにして、２つの焦点距離３１２及び３１３が生成される。距離は、ＢＳキューブのガラスを通って光路を占めるように補正される。最後の２つの光学部品は、位相シフト波長板３２２と出力偏光子３２３であり、それぞれ、ホログラムの全体的な位相を変調し、干渉効率を増大させる。ホログラム面３０５は、２つの焦点距離３１２と３１３との間にあり、ホログラムを記録するためにカメラ３２４が使用される。図３は、非特許文献１５に適応している。

ＴＬＣＧＲＩＮ法は、ＳＬＭに勝る進歩であるが、フレネルレンズのイメージング品質が低減されること、又は液晶ＧＲＩＮレンズを生成するために使用されるグレード領域の数が限定されることに依然として制限されている。さらに、ホログラフィックシステムの高品質イメージング及びコンパクト性について十分なアパーチャ及び焦点距離の短かさでＧＲＩＮレンズを製造することに課題が多い。このＧＲＩＮレンズシステムの例では、ＧＲＩＮレンズの焦点距離は５０００ｍｍであり、ガラスレンズの焦点距離は３００ｍｍである。さらに、ＳＬＭシステムとＧＲＩＮレンズシステムは共に、液晶材料中の分散を制御するために補償レンズに加えて、デバイスの電気制御を必要とする。ＴＬＣＧＲＩＮ法は、受け取った光の異なる偏光成分の差分変調の複屈折効果を誘起するために外部電源を必要とする。ＧＲＩＮレンズは、その中心の周りに同心円状に配置された複数のリングを有し、それらの各々がリング間の境界が比較的シャープな個別の一定の位相シフト地を有するので、ＧＲＩＮレンズは量子化されるが、ＳＬＭのように高度には量子化されない。焦点距離のこの組合せは、３％未満の２つの焦点距離間の間隔因子を生成し、これにより、ホログラフィックシステムが確実にイメージングすることができる３Ｄオブジェクトの軸深さを低減する（非特許文献９）。

これに対処するために、発明者らは、複屈折材料で構築され得る球面レンズについて固有の使用を発見した。図４は、いくつかの実施形態による、複屈折材料で作製されたレンズ４００の例を示す。複屈折物質は、２つの別個の偏光感応性屈折率を有し、したがって、そのような材料で作製されたレンズは、常に２つの焦点距離ｆ_１４０１及びｆ_２４０２を有し、偏光子を通して画像を見ない限り単一のシャープな焦点面が可能ではないので、ランダムに偏光した光が通過したときに、ぼやけた画像が生成される。ランダムに偏光した光がレンズを通過したとき、その材料の複数の屈折率は、レンズに、ｐ偏光又はｓ偏光の光について異なる焦点を表示させるので、単一のシャープな焦点は得られず、距離４０３及び距離４０４に２つの画像が生成される。したがって、これらのレンズは、２重になった又はぼやけた画像４０５を生じ、これは一般に、標準的な光学適用例において望ましくない。このために、複屈折材料は、典型的には、この通常は望ましくない特性を理由に、光学レンズを作成するために使用されず、これは、複屈折レンズが光学供給業者から容易には市販されないことの根拠である。現在、複屈折レンズは、カスタムメイドでなければならず、それらの構造が報告されている文献はごく少数である（非特許文献１７、１８及び５）。しかしながら、方解石、ほう酸バリウム、ニオブ酸リチウム及び石英のような複屈折材料は、ちょうどガラスのように容易に加工できるので、複屈折材料のレンズをそれらを製造するための論拠を与える任意のレンズ仕様に容易に調整することが可能である。

発明者らは、オブジェクトの３次元情報を明らかにすることができる非常に高品質のホログラムを生成するために、複屈折レンズの複数の焦点距離を同時に使用することが非常に有利であり得ることを発見した。本発明の実施形態は、ＦＩＮＣＨを含むホログラフィの多くの形態に適用でき、標準的なイメージング法のパフォーマンスを超える比類のホログラフィック画像品質を生じる光学特性で、電気的に独立して動作する。さらに、ホログラフィイメージング適用例に加えて、実施形態は、ホログラフィ及びインターフェロメトリの他の形態及び使用を向上させ、単純にする。一例では、複屈折レンズは、トリロバイト（４億５千年前に海中に生息していた生きた生き物）の眼において、ずっと以前に自然界で既に見つかっている。これらのアイレンズは、集合複眼と呼ばれ、複屈折方解石で製造された。方解石で作製されたレンズは、それらの望ましくない光学的性質を理由に発展中に廃れたと推測するかもしれない。方解石は、偏光面に応じた２つの異なる屈折率をもつ光学的に透明な材料である。標準レンズを製造するために良好な材料でなくても、その偏光特性は、偏光子、及びグラン−タイラープリズムのような偏光感応性デバイスを製造するために活用される。方解石は、光学的に透明であり、その結晶構造が直線偏光の単一の軸を効率的に通過できるので使用される。しかしながら、２つの偏光面において異なる屈折率を理由に、レンズが方解石で製造された場合、それらのレンズの２つの別個の偏光感応性焦点距離が観察される（非特許文献１９を参照）。しかしながら、環境中の光の共通形態である混合偏波光を用いると、レンズが複屈折材料で製造される場合、ぼやけた画像が生じる。トリロバイトは、そのレンズ材料のために方解石を有するが、その光受容体がクロス偏光するので、視界がぼやけるか、又は２つの焦点面が見えるか疑問であるかもしれない。

しかしながら、同じ画像の異なる整列したコピーを必要とするイメージング法は、単に複屈折レンズなどから大きな恩恵を受けることがある。ＦＩＮＣＨ及び他の方法を含むホログラフィのクラスである非コヒーレントホログラフィ（非特許文献３、４、６〜８、１０及び１５、並びに特許文献１、３及び４）は、同じ画像の２つのコピーの干渉から、又は、２つのコピーに分割される任意のＥＭ放射波からホログラムを生成するための技法であり、ＳＬＭならびに液晶フレネルレンズ及びＧＲＩＮレンズのような偏光感応性光学素子（ＰＳＯＥ）を使用して実証されてきた。これらのＰＳＯＥは、古典的な屈折球面レンズではないが、動作時に回折又は屈折することがあり、異なる球面曲率をもつ２つの部分に画像ビームを分割する働きをする。実施形態に関連するプロセスのさらなる詳細では、このシステムについて説明するために十分である「ポイントホログラム」を生成する（射出又は反射あるいは任意の他のプロセスによって）単一の微分的に小さいオブジェクトポイントから発する光と、拡張オブジェクトを構成するすべて異なるポイントのホログラムの和にすぎないホログラムを生成するよりも大きな拡張オブジェクトとについて考察する。広いコリメートレーザビームは、そのようなビームの画像が微小点光源からの回折限界スポットであるので、これらのシステムにおいてＥＭ放射のモデル光源として使用され得る。この態様により、任意のそのようなシステムの最も良好な応答の経験的な特徴付けを可能にする。

図５は、ＰＳＯＥの役割を強調するＦＩＮＣＨプロセスの模式図を示す。ＰＳＯＥ５０１は、ｆ_ｄｉがより短く、ｆ_ｄ２（図５の３１３）がより長い２つの異なる焦点距離を有する。他の光学素子又はグループ５００、５０２は、システムの位相全体、偏光、収差補正、あるいは拡大率又はホログラムサイズにおける具体的な特定の変更を行うために使用され得るが、ビーム分離は、単にＰＳＯＥの使用の結果である。オブジェクトから発し、場合によっては他の光学素子を通過した後に、光波は、ＰＳＯＥにより、焦点距離が異なる２つの波に分割される。この分割は、ＰＳＯＥからの反射、又はＰＳＯＥを通る透過によって（たとえば、屈折又は回折によって）達成することができる。これらの波は、同じ空間を通って同じ方向に伝搬し、信号波ｆ_ｄ１及び基準波ｆ_ｄ２と呼ばれる。現在、これは、２つの方法のうちの１つで達成される。

１．偏光によって：ＰＳＯＥに当たる受光波を、ＰＳＯＥの偏光軸に対して４５度で偏光する。したがって、ＰＳＯＥ偏光軸に対して平行な投射される偏光成分をもつ、波の半分は、ＰＳＯＥにおいて符号化された曲率を与えられるが、ＰＳＯＥ偏光軸に対して直角に投射される偏光成分をもつ、波の半分は、その元の曲率を維持する。その結果は、ｆ_ｄ１波及びｆ_ｄ２波である。

２．ＰＳＯＥのサンプリングによって：ＰＳＯＥは、各々が異なる球面位相で符号化される２つ以上の部分に分割される。それらの部分は、互いに連続していても、点在していてもよい。ＰＳＯＥに当たる受け取った波は、ＰＳＯＥ偏光軸に対して完全に平行に偏光し、ＰＳＯＥから出た波は、ＰＳＯＥの異なる部分における符号化された曲率に対応して加えられる異なる曲率をもつ異なる部分を有する。ＰＳＯＥが２つの部分を有する場合、ＰＳＯＥから出た２つの波部分は、ｆ_ｄ１及びｆ_ｄ２と呼ばれる。ただし、ＰＳＯＥは、３つ以上の部分を有することがあり、その場合、ｆ_ｄ３呼ばれる光波などがある。

ｆ_ｄ１波及びｆ_ｄ２波を生成するために偏光感応性ＰＳＯＥとして役立つ現在の技術は、デジタル光空間変調器（ＳＬＭ）、液晶（ＬＣ）フレネルレンズ、及びＬＣ勾配屈折率（ＧＲＩＮ）レンズを含む。いくつかの構成では、これらの構成要素はまた、古典的なレンズと併せて使用され、あるいは、構成要素の２つ以上を互いと併せて使用してもよい。

ＰＳＯＥから伝搬した後、２つの波は、干渉して、検出器（ｚ_ｈ）平面に記録されるホログラムを生成する。検出器は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、あるいは他のカメラ又は画像キャプチャデバイス、並びに、アバランシェフォトダイオードなどのポイント検出器又は固体デバイスであり得る。任意選択で、波は、可変移相器及び偏光子を通過してもよい。ポイント又は画像を再構成し、ホログラフィにおけるバイアス及び二重画像を除去する基盤を提供するために、検出器は、２つ以上の未加工のホログラムをキャプチャし、ビームのうちの１つの位相は、元のＥＭ源の位相特性を完全にキャプチャする複雑なホログラムの回復を可能にするために、後続の未加工のホログラムにおいて所定の量だけ異なるように設定される（非特許文献２０）。そのような異なる位相因子をもつ未加工のホログラムの収集は、ＦＩＮＣＨ及び同様のホログラフィ法を用いて最適な結果を達成するには重要である。

このプロセスにおける主要パラメーターのうちの１つは、焦点距離ｆ_ｄ１及びｆ_ｄ２とｚ_ｈにあるホログラム記録面との関係である。ホログラムは、ＰＳＯＥの後の任意の点に記録されうるが、最適なホログラム品質は、２つの波が最大空間重複の条件に従うときに可能になる。ｆ_ｄ１ビームとｆ_ｄ２ビームとの間の最大重複を保証する条件は、ホログラムが平面に記録されたときに満たされる。
この関係は、以下のように表すこともできる。
ただし、間隔因子は、以下の等式に従う。
ｓが増大する（ｆ_ｄ１とｆ_ｄ２との間の距離が増大する）につれて、最適なｚ_ｈ面にあるポイントホログラムもまた、以下の等式により記載されるようにサイズが増大する。

ただし、Ｒ_Ｈはホログラムのアパーチャ半径であり、Ｒ_０はＰＳＯＥ又は等価物における波のアパーチャ半径である。このサイズの増大は、記録デバイスによってより簡単にポイントホログラムを解像できるようにするが、ホログラムのピーク強度を減少させる。ｓのための上限及び下限を同じく確立する他の因子（非特許文献９）がある。画像の拡大率、ポイントホログラムの空間サイズ、縞間隔及び内部の縞の数、並びにホログラム面における光の強度のような、すべての可能な変数についてホログラフィックシステムを最適化することを可能にするために、広範囲にわたってｓを完全に制御をすることが非常に望ましい。ｓ因子は、ホログラムによってコード化される画像の解像度をそれ自体では変えないこともあるが、ホログラムが記録され得る容易度に影響を及ぼし、さらに、ｓを変更するために使用される任意の配列は、拡大率及び被写界深度のような他の画像因子に影響を及ぼし得る。いくつかの態様では、ｓ因子を変動させるためにある特定の例示的実施形態において提供される能力は、いかなるＧＲＩＮベースのホログラフィ技法よりも高い品質干渉パターンを生じながら、ＳＬＭベースのホログラフィ技法において利用可能な構成可能性という利点を生じる。

前述した３つの現在の技術の各々は、ＰＳＯＥからの反射またはＰＳＯＥの透過により、ｆ_ｄ１及びｆ_ｄ２を生成するのに役立ち得るが、各々は有意な欠点もまたはらんでいる。
１．ＳＬＭは、デジタル化フレネル位相パターンの形態で異なる焦点距離ＰＳＯＥを随意に生成するように簡単に調節可能であるが、ピクセル化されたデジタルＳＬＭからの回折が、より高い回折次数の横断焦点への有意な光損失を引き起こすので、ＳＬＭには、所望の画像に対するフォーカシング効率が低いという欠点がある。さらに、ＳＬＭに生成されたＰＳＯＥには、ホログラム形成におけるパフォーマンスを低下し得る、光波長（色収差と呼ばれる効果）に応じ、焦点距離に有意な変動可変性が生じるという欠点がある。
２．ＬＣフレネルレンズは、偏光感応性であり、より高次の横断焦点という欠点がないが、他の軸焦点を表示することがあり、間違いなく、有意な色収差が生じるという欠点がある。また、ＬＣフレネルレンズは、調節可能ではなく、単一の公称焦点距離をのみを提供する。
３．ＬＣ ＧＲＩＮレンズは、印加電圧に応じて調節可能な焦点距離、並びにＳＬＭ又はＬＣフレネルレンズよりも低い色収差を有するが、非常に長い焦点距離を有し、それにより、相応の全体的な焦点距離を達成するために標準的な屈折レンズと対になることが必要とされる。屈折レンズと組み合わせたときであっても、ＬＣ ＧＲＩＮレンズは、間隔因子の可能性を制限する。最終的に、現在使用されているＬＣ ＧＲＩＮレンズは、（考えられ得る差分屈折ゾーンの数が実際には制限されることを理由に）レンズの近似値を量子化し、したがって、焦点距離算出の干渉効率及び精度を低減させることができる非集束ビームに、空間的な光分散を強いる。

この分野では、前述の欠点なしに、かつ、間隔因子ｓにおける融通性を増大させて、球面屈折レンズと等価の品質をもつｆ_ｄ１ビーム及びｆ_ｄ２ビームを生成するためにデバイスを導入することが早急に必要とされる。複屈折材料は、材料における異なる伝搬方向に沿って２つ以上の屈折率をもち、それらは、通常軸及び異常軸と呼ばれる。これらの軸は、ｎ_ｏ及びｎ_ｅでそれぞれ示される屈折率を有する。レンズの焦点距離が、レンズを備える材料の屈折率に部分的に依存するので、これらの材料は、２つの異なる偏波依存的な焦点距離をもつ球面レンズを生成するために使用され得、各々が、標準的なガラスレンズと等しい品質の球面ビーム及び焦点スポットを生成する。図６は、異なる焦点面に異なる偏波の光を集束させる複屈折レンズ（ＢＲＬ）の模式図を示す。図６（ａ）の断面６００は、ＢＲＬの横断面を示し、通常屈折率６０２及び異常屈折率６０３がレンズのｘカルテシアン軸及びｙカルテシアン軸に沿って投射されている。図６（ｂ）の６０１は、異常軸に対して平行に偏光された光及びレンズの通常軸に対して平行に偏光された光にそれぞれ関する、（２つのレンズ表面について曲率半径Ｒ_１（図６の６０４）及びＲ_２（図６の６０５）をもつ）単一の複屈折レンズの焦点距離ｆ_ｂｅ（図６の６０６）及びｆ_ｂｏ（図６の６０７）を示す。図６（ｂ）は、収束レンズ４００を示している。図６（ｃ）は、単一の複屈折レンズ６１３の焦点距離ｆ_ｂｅ６０８及びｆ_ｂｏ６０９を示している（レンズの２つの表面の曲率半径は、Ｒ_１ ６１０及びＲ_２ ６１２である）。ビームの品質及びＢＲＬの焦点スポットは、前述の回折ＰＳＯＥよりもはるかに改善される。完全なＦＩＮＣＨポイントホログラムは、シヌソイドフレネルゾーンプレートに続く多くの良好に変調された球面縞で構成され、縞はすべて完全に球面状であり、中心からの距離に比例して縞のサイズが低下して同心円状であり、暗い縞はまったく光を含んでおらず、現実のオブジェクトの最大品質ＦＩＮＣＨホログラムは、オブジェクトの異なるポイントから生じる多くのポイントホログラムの和として求められる。完全又はほぼ完全なＦＩＮＣＨホログラムを得るために、基準ビームとサンプルビームの経路は、画像サイズがホログラム面における両ビームについて同一又はほぼ同一であるように干渉することが必要であり得る。これは、複屈折レンズの焦点距離及び形状を調節することによって、容易に達成することができる。図６に、ビームが複屈折レンズの焦点距離間の平面において交差している模式図が示される。図６に示すような例示的な実施形態で使用される複屈折レンズは、非コヒーレントホログラム生成のいくつかの態様においてＰＳＯＥに勝る、以下の利点を提供する。
１．ＰＳＯＥの不要な回折次数に起因するノイズ及び画像アーチファクト、あるいはレンズのデジタル表示又は二進表示に固有の量子化誤差の排除。
２．非複屈折光学部品及び複屈折光学部品を含む補正光学部品の使用によって、色収差、球面収差、及び他の収差の補正の実現性。
３．ＢＲＬ材料、曲率及び関連する光学部品の選択により、間隔因子ｓの正確かつ柔軟な調整。
４．電子構成要素及び反射性構成要素の除去による、光学アセンブリの簡略化及びそのサイズ低減。

本発明のいくつかの例示的実施形態は、少なくとも部分的に、ホログラムを生成するために、異なる球面曲率をもつ２つの直交偏波に受信した波を分割することに影響を及ぼすように、単独での、あるいは他の屈折レンズ又は他の光学素子と組み合わせたＢＲＬの使用を包含する。複屈折結晶は、それらの通常結晶軸及び異常結晶軸に沿って異なる屈折率を有し、これらの２つの軸が互いに対して直交し、レンズを通る光伝搬の方向に直交するレンズの面に双方が位置する適切な配向で、そのような材料からレンズを切削すること（及び／又はグラインドし、研磨すること）によって、特別な特性をもつ屈折レンズを生成することができる。これらの特別な特性とは、レンズが、その偏光軸のうちの１つ（たとえば、通常軸、本明細書ではカルテシアン系におけるｘ軸とも特定される）に平行に偏光した光を所与の焦点面に集束させ、他方の軸（異常軸又はｙ軸）に平行に偏光した光が異なる焦点面に集束することである（図６参照）。これは、薄型レンズの等式を参照することによって、簡単に理解され得る。
ｆは、レンズの焦点距離であり、ｎは、レンズ材料の屈折率であり、Ｒ_１及びＲ_２は、レンズの２つの側部の曲率半径であり、Ｒｅｆｆは、レンズの「有効」全曲率である。上記の等式５ｂは、１つの平坦な側部（平凹又は平凸）と曲率Ｒの１つの湾曲した側部とをもつ、特定の場合のレンズに関する。等式５ｃに示されるように、２つの湾曲した側部をもつレンズのＲｅｆｆは平凹レンズ又は平凸レンズのＲと正確に等しい。中実の複屈折結晶の使用と同等に、複屈折液晶材料は、曲率Ｒ_１及びＲ_２をもつ２つの基材間で位置合わせして配置したときにＢＲＬを生成するために使用され得る。したがって、通常屈折率及び異常屈折率についてｎ０及びｎｅをもつ複屈折材料で作成された単一のＢＲＬは、その通常軸に沿って偏光した光についての焦点距離ｆ_ｂｏと、その異常軸に沿って偏光した光についての焦点距離ｆ_ｂｅとを有する。レンズの異常軸が光伝搬の方向に直交していることにより、異常軸は、他の軸配向において起こり得るような横断方向のオフセットをビームに課さない。ＢＲＬの２つの焦点距離を、ホログラフィックプロセスに必要な２つの焦点距離として使用することができる、すなわち、ｆ_ｂｅ及びｆ_ｂｏは、等式３のｆｄｉ及びｆｄ２と置換され得る。次いで、等式３を参照すると、所与のタイプの複屈折材料で作製された任意の単一レンズは、レンズの物理曲率にかかわらず、一定の間隔因子を有する。
等式（１）は、複屈折レンズについて、以下のように単純化される。

ただし、非複屈折レンズと併せて使用するときには、複屈折レンズの焦点距離のそれぞれは、複屈折レンズの各偏光軸について１つずつ、２つの新しい合成焦点距離が生じるように、非複屈折レンズの単一の焦点距離ｆｒと合成する。薄レンズ近似下で、複屈折レンズと標準レンズとの間に距離がないと仮定すると、合成されたシステムの焦点距離
及び
は以下の通りであり、
また、ホログラムシステムの合成された間隔因子
は、以下の式にしたがって、この一定値から増減する。
かつ、等式（１）に対応して、

間隔因子の調整のために追加の因子を示す等式６ａの内側部分への等式８ａの最も右側の部分の類似性に留意されたい。表１は、等式４〜６により算出される、いくつかの選択された複屈折材料で作製され得る球面レンズの屈折率、曲率、焦点距離及び固有の間隔因子、並びに、等式７及び８から算出される、これらのレンズ及び選択されたガラスレンズを組み込んだシステムについての対応する変更された焦点距離及び変更された間隔因子を含む。収集されたデータは、ＢＲＬベースのシステムの間隔因子及び他のホログラフィ特性の全体制御を発揮する可能性を実証する。いくつかの例示的実施形態は、ポイントホログラムにおける縞の強度及び数を調節することを目的として、完全なビームの重複を維持しながら、たとえば０．００１〜０．３３の間で間隔因子を自由に変更することを可能にする。

上記の等式８は以下のことを意味する。
１．複屈折レンズのＲ_１及びＲ_２並びに標準レンズの焦点距離ｆ_ｒの選択は、任意の複屈折材料で作製されたＢＲＬを用いて任意の間隔因子が達成されることを可能にする。このことは、表１に示され、任意の所与の複屈折材料について、間隔因子ｓ_ｓは固有の特性であるが、複屈折レンズと非複屈折レンズとの組合せの間隔因子ｓ^φを上又は下に調節することができることが示されている。表１の非複屈折レンズの焦点距離ｆ_ｒは、（方解石及び石英の複屈折レンズについて）ｚ_ｈは同じであるが、ｓ^φは異なるレンズの組合せのセットを生じるように、又は、ｚ_ｈとｓ^φの両方において変化を示すよう（ほう酸バリウム複屈折レンズ）に選択された。
２．標準レンズとして正レンズを使用すると、ｓと比較してｓ'が低減され、標準レンズとして負レンズを使用すると、ｓと比較してｓ'が増大する。
３．任意の所望の焦点距離、収色性及び間隔因子のハイブリッドレンズは、一緒に固められた複屈折材料成分及び非複屈折材料成分から構成される材料で製造され得る。
４．複屈折材料の複合レンズの組成は、デバイスを収色性にすることができるが、非収色性複屈折レンズにおける各レンズの波長比屈折は、複屈折材料で作製されたレンズ焦点の各々のフォーカスを比例してシフトすることを認識されたい。したがって、最大干渉の平面は、波長に応じてシフトされる。このため、複屈折レンズを使用することにより可能になるフィーチャは、波長に特有のホログラムは、入力が多色性であっても、それらの波長に特有のホログラム面のうちのいずれかにおけるホログラム検出によって取得されることができる。図７は、波長における自由度に応じたホログラム面７００、７０１、７０２におけるシフトの例を示す。破線及び２重線は、青色の波長７００を表し、一点鎖線及び中実線は、緑色の波長７０１を表し、二点鎖線及び３重線は、赤色の波長７０２を表す。

当業者には、上述の等式５、７及び８は、より正確なレンズ方程式とともに使用するために、また、ＢＲＬとガラスレンズとの間の何らかの距離を考慮するために調整され得ることが理解されよう。

したがって、複屈折レンズは、以下の構成で使用されると、ホログラム生成を著しく大幅に向上させるために使用され得る。
１．ホログラム形成に関与する唯一のレンズ又は光学素子として
２．ｆ_ｄ１ビーム及びｆ_ｄビームの間隔因子を変更するために、下記で構成される別の対になったレンズ又は光学素子と併せて
ａ．単一レンズ又は光学素子
ｂ．複合レンズ又は光学素子
ｃ．レンズ又は光学素子のシーケンス
３．複屈折レンズにおける球面収差、色収差、又は他の収差を修正するように設計された、下記で構成される別の補正レンズ又は光学素子と併せて
ａ．複屈折レンズの一方又は他方の焦点距離の収差を補正するように設計された、標準的な、単一、複合、又は複数の非複屈折補正レンズ又は光学素子
ｂ．複屈折レンズの２つの焦点距離の収差を補正するように設計された、標準的な、単一、複合、又は複数の非複屈折補正レンズ又は光学素子
ｃ．複屈折レンズのうちの一方又は他方の焦点距離の収差を補正するように設計された単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子であって、補正複屈折レンズが、ホログラム形成用の複屈折レンズとは異なる複屈折材料で製造され得る、単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子
ｄ．複屈折レンズの２つの焦点距離の収差を補正するように設計された単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子であって、補正複屈折レンズが、ホログラム形成用の複屈折レンズとは異なる複屈折材料で製造され得る、単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子
ｅ．複屈折レンズのうちの一方又は他方の焦点距離の収差を補正するように設計された、標準的な非複屈折レンズ又は光学素子と併せて使用される単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子であって、補正複屈折レンズが、ホログラム形成用の複屈折レンズとは異なる複屈折材料で製造され得る、単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子
ｆ．複屈折レンズの２つの焦点距離の収差を補正するように設計された、標準的な非複屈折レンズ又は光学素子と併せて使用される単一又は複数の複屈折補正レンズ又は光学素子であって、補正複屈折レンズが、ホログラム形成用の複屈折レンズとは異なる複屈折材料で製造され得る、単一又は複数複屈折補正レンズ又は光学素子
４．このリストの項目２又は３に列挙された種類のうちのいずれかの両方の対になった補正レンズ又は光学素子と併せて

実験作業は、現在のＴＬＣＧＲＩＮベースのシステムをＢＲＬベースのシステムと比較したとき、ＦＩＮＣＨシステムにおいて見られる改善を確認した。図８は、図３に示した従来技術の場合のように、レーザをＥＭ放射源として使用して、２本の収束ビームの間のホログラム面を用いて２本の収束ビームを生成するために液晶ＧＲＩＮレンズ及びガラスレンズで構成されたＦＩＮＣＨシステムから得られるＦＩＮＣＨホログラムを示す。図８の上部３つのパネル８００、８０１、８０２は、３つの位相シフトされた未加工のＦＩＮＣＨホログラムを示し、それらは、ＦＩＮＣＨシステムの理想的な応答を特徴づけなければならない良好に変調された球面フレネルパターンから著しく歪んでいる。図８の下部の３つのパネルは、左から右に、複合ＦＩＮＣＨホログラムのマグニチュード８０３、複合ＦＩＮＣＨホログラムの位相８０４、最後に、レーザビームの再構成画像８０５を示す。マグニチュードは、大きい強度変動を示し、マグニチュード及び位相は、完全な球形からの偏差を示す。再構成されたスポットは、バックグラウンド信号、及び完全なポイント形状からの有意な偏差を示す。図９は、同様のシステムによる結果を示し、主な違いは、ガラスレンズ構成＋ＧＲＩＮレンズの代わりに、信号と基準ビームとの間に異なる位相特性を誘起する球面方解石ＢＲＬを使用したことであり、また、撮像リレーレンズを使用して、当該レンズがＢＲＬを通過した後にカメラにホログラムを投射した。光源、補助的光学部品、偏光子、位相シフト板及び電圧、並びにカメラを含むすべての他の因子及び設定は、図８を生成するために使用したものと同じであった。図９Ａの上部の行には、図８の上部の３つのパネルの場合のように３つの位相シフトされた未加工のホログラム９００、９０１、９０２が示されている。未加工のホログラムは、所望の球面フレネルパターンのほぼ完全な表現であり、図８における未加工のホログラムよりもより多くのフレネルリングを示し、その結果、ＧＲＩＮ／ガラスシステムの代わりに方解石ＢＲＬを使用するときに可能な間隔因子ｓがより大きくなる。図９Ａの下部の３つのパネルには同じく、左から右に、レーザの複雑なホログラムマグニチュード９０３、位相９０４及び再構築画像９０５が見える。マグニチュード及び位相は共に、完全に球面パターンであり、マグニチュードは、図３において説明するシステムに影響を及ぼし、図８を生成するために使用される有意な強度変動の影響を受けない。位相は、位相ラッピング領域において滑らかな傾斜及び整然とした遷移を示し、再構成されたスポットは、ポイント様であり、過大なバックグラウンドレベルの影響を受けない。図８に勝る図９Ａの劇的な改善は、ＢＲＬが他のＰＳＯＥ上に提供することができるホログラフィイメージングにおける全体的な改善を示す。ホログラム直径の差は、ＧＲＩＮベースのＦＩＮＣＨのｓが約０．０３であるのに対し、方解石ＦＩＮＣＨのｓは約０．１１であること、及び方解石ＦＩＮＣＨの２次リレーに沿ったこれは、再構成されたスポットのサイズに影響を与えることに起因しており、ＧＲＩＮレンズに対して複屈折レンズの性能を判断するには不十分な量になる。しかしながら、未加工のホログラムの対称性、並びに複雑なホログラムの強度及び位相はｓに左右されず、ＦＩＮＣＨ干渉を生成する際の複屈折レンズにおける利点を明確に示している。

また、いくつかの実施形態では、蛍光顕微鏡法において標準的なオブジェクトのＦＩＮＣＨ画像を生成するためにアルファほう酸バリウム（α−ＢＢＯ又はアルファＢＢＯ）で作製された複屈折球面レンズが使用された。一実施形態によれば、方解石製及びα−ＢＢＯ製の複屈折レンズ及び光学平面レンズは、異常軸が光学部品を通る光の伝搬方向に対して直交する平面にある光学ガラス構成要素の標準的な製造方法によって作製された。複屈折光学部品は、温度及び環境に対する安定性、並びに光学品質が高い大きな単結晶に成長することができるという特性を理由にα−ＢＢＯで作製され得る。図３と同様の様式で構成された顕微鏡では、ＢＢＯレンズ及び別個のＢＢＯ補償平面レンズが、アクティブＧＲＩＮレンズ３２０及び非アクティブＧＲＩＮレンズ３２１を入れ替えており、蛍光ＵＳＡＦテストパターン及び１００ｎｍ径ビーズのサンプルを、古典的なイメージングとＦＩＮＣＨイメージングの両方によってイメージングしており、その結果は、図９Ｂ及び図９Ｃに示されている。図９Ｂは、古典的なイメージング９１２及びＢＢＯ（たとえば、α−ＢＢＯ）レンズを用いたＦＩＮＣＨイメージング９１４の結果を示す。ＵＳＡＦパターン及び１００ｎｍビーズについて、２０ｘ０．７５ＮＡ Ｎｉｋｏｎ及び６０ｘ１．４９ＮＡ Ｎｉｋｏｎ ＴＩＲＦ対物レンズをそれぞれ使用した。Ｍｉｃｒｏｖｏｌｕｔｉｏｎ， Ｉｎｃ．によって開発された市販の応用例を使用して、１００ｎｍビーズ（５９０ｎｍ波長）の広視野画像及びＦＩＮＣＨ画像を解析した。初期ＰＳＦ推測値として、広視野画像について古典的なＰＳＦを使用し、ＦＩＮＣＨ画像についてカスタムＰＳＦを使用して、ブラインドデコンボリューションが適用した。図９Ｂ及び図９Ｃの画像に示すように、ＢＢＯベースのＦＩＮＣＨイメージング顕微鏡は、ＧＲＩＮベースのＦＩＮＣＨシステムについての文献で報告されるものに匹敵する解像度で、拡張オブジェクトをイメージングすることができた。さらに、（広視野９１６及びＢＢＯベースのＦＩＮＣＨ９１８について図９Ｃに示した）イメージング平面全体のうちの２０個のランダムに選択されたビーズ画像の画像分析は、ＦＩＮＣＨイメージングについて予測されるように、ＢＢＯベースのＦＩＮＣＨシステムが、古典的な解像限界よりも良好にビーズを分解することが可能であったことを示す。示していないデータでは、ＦＩＴＣ染色マイクロチューブのサンプルをイメージングするために１００ｘ１．４ＮＡ Ｎｉｋｏｎ対物レンズを使用し、マイクロチューブのＦＩＮＣＨ画像は１２０ｎｍの断面を示し、さらに、実施形態の有効性を例証した。しかしながら、図９Ｄの結果は、より高い解像力を必要とする１１０ｎｍサブ解像度蛍光ビーズのα−ＢＢＯ−ＦＩＮＣＨイメージングから得られた。９２０及び９２２は、広視野蛍光画像９２０とα−ＢＢＯ−ＦＩＮＣＨ画像９２２との解像度を同じエリアで比較するための、１１０ｎｍ蛍光ビーズの８×８μｍ拡大セクションである。９２４及び９２６は、９２０及び９２２からランダムに選択された同じビーズの１μｍ平方拡大画像である。９２４及び９２６のそれぞれ対応する部分のビーズは同一である。９２４及び９２６で測定された２０個のビーズ間におけるＦＷＨＭサイズ分布のヒストグラム９２８は、ＦＩＮＣＨによってＦＷＨＭが約２分の１になることを示している。プロット９３０は、選択された２０個ビーズから測定された平均幅の正規化ガウシアン関数を用いて、蛍光顕微鏡法及びα−ＢＢＯ−ＦＩＮＣＨ顕微鏡法により測定された１１０ｎｍビーズの平均ＦＷＨＭサイズを示している。（ＴＩＲＦジオメトリではなく）Ｎｉｋｏｎの６０ｘ１．４９ＮＡ ＴＩＲＦ対物レンズを使用したＦＩＮＣＨを用いてこれらのビーズをイメージングした場合、ビーズサイズのα−ＢＢＯ−ＦＩＮＣＨ測定値は、平均１４９±１１ｎｍとなり、全く同一のビーズの対応する古典的な画像の２８７±２０ｎｍ平均よりも著しく小さくなった。これらの結果は、別の超解像度技術によってより短い波長でイメージングされたビーズに匹敵する。発明者らには、任意の自己参照ホログラフィ法によって測定された最小オブジェクト、並びに任意の種類の高拡大率の高ＮＡシステムを用いた超解像度自己参照ホログラフィイメージングの最初の例証が分かっている。これらの利点は、例示的実施形態の複屈折レンズ非コヒーレント干渉計ベースのＦＩＮＣＨシステムのイメージング品質が高いことに起因する。ＦＩＮＣＨホログラフィイメージングのための単結晶複屈折レンズが開発されることにより、ＦＩＮＣＨは、最も高い解像度及び拡大率における全潜在能力に達し、かつ、他の従来使用していたホログラム形成手法では可能でない理論上予測され得る超解像度を実現することができるようになる。これは、ＦＩＮＣＨ法の共通の経路が単純であることと、ＳＬＭ、現在入手可能な液晶レンズ、あるいはさらに自己参照ホログラムを生成するためにも使用されてきたデュアルビーム経路干渉計では達成できない複屈折結晶レンズの非量子化された偏光ベースのビームスプリッティング品質がフレキシブルであるためである。このように達成したことは、他のホログラフィ法及びインターフェロメトリ法で同様に使用するための複屈折結晶レンズの潜在性を示している。たとえば、これらのレンズ干渉計は、構造化照明又は走査ホログラフィ、並びに他の非コヒーレントインターフェロメトリ適用例におけるレーザにより発生した励起ビームを単純にし、安定させ得る。

ＢＲＬを利用する他のシステムを構築してもよい。図１０に示すように、別のシステム１０００は、２つの波のさらなる修正を達成するために、一緒に使用される２つのＢＲＬ４００及び１００２を（前記ＢＲＬが同じ材料で作製されるか否かにかかわらず）組み込む。２つのＢＲＬの断面を表す図１０の断面１００１は、どのように第２のＢＲＬ１００２が使用され得るかを示し、その軸７０２及び７０３は、第１のＢＲＬに色補正、球面補正、又は他の補正を提供するために、第１のＢＲＬ４００の対応する軸に対して直交している、又は平行である。

図１１は、波の波面の球面曲率を差分的に変更するＢＲＬに加えて、２つの波の間の光路差全体を変更するために位相遅延補償光学部品として働く、以下で複屈折平面（ＢＲＦ）１１０２と称する２つの平坦な側部をもつＢＲＬを組み込んでいる別のシステム１１００を示す。断面を表す図１１の断面１１０１は、ＢＲＬ４００及びＢＲＦ１１０２の通常屈折率７０２及び異常屈折率７０３の相対配向を示す。光路長（ＯＰＬ）は、波が横断する種々の媒体の厚さとそれらの屈折率の両方を考慮に入れた、ＥＭ波が進んだ距離の測度である。
ただし、ｄ_ｉ及びｎ_ｉは、波が進んだ経路中の全ての媒体の厚さ及び屈折率である。２つの波の光路差（ＯＰＤ）は、波が進んだＯＰＬにおける差の測度である。非コヒーレントホログラフィに対処するとき、ホログラフィ干渉が起こることが必要である状態を維持ために、２つの波の間の総光路差を低く保つことが重要である。総光路差は、光のコヒーレンス長未満でなければならず、光のコヒーレンス長は一般的に、λ２／Δλと近似され、λは中心波長であり、Δλは帯域幅である。顕微鏡法分野では、コヒーレンス長は、１０μｍのオーダであり、少なくとも、複屈折レンズを備える従来の干渉計が制限されてきたレーザ光又はモノクロ光よりも短いマグニチュードのオーダである。ＢＲＬは、２つの焦点距離ｆ_ｂｅ６０６及びｆ_ｂｏ６０７を通る２つの波に異なる曲率を課すだけでなく、ＢＲＬの厚さｗ_ＢＲＬに比例する２つの波と、複屈折材料の２つの屈折率の全体的な光路差ＯＰＤ_ｏも課す。
任意の形態のＦＩＮＣＨでは、２つの差分集束ビーム間のＯＰＤは、コヒーレンス長未満の差分集束光学部品を出た後に光波が進む経路が物理的に異なり、それによって光波の干渉が防止されないこと起因する、ジオメトリ成分である。ＧＲＩＮ法の場合、ＧＲＩＮレンズ中の液晶材料の複屈折率｜Δｎ｜＝｜ｎ_ｏ−ｎ_ｅ｜は、干渉を観察すべき場合に別の光学部品によって補償しなければならない、コヒーレンス長よりも大きな追加の大きなＯＰＤ成分を生じるのに十分である。この場合、複屈折レンズが、レンズの曲面に関連する２つの焦点距離ｆ_ｂｅ及びｆ_ｂｏにより２つ光波に対する異なる位相曲率を付与するだけでなく、等式（１０）のように複屈折レンズの厚さｄ_ＢＲＬに比例する、２つの光波間の総光路差ΔＯＰＤも与える同様の効果が生じる。このΔＯＰＤは、レンズのこの部分には物理的な曲率がなく、厚さが＞１ｍｍ及びΔｎが約０．１である複屈折レンズの場合、１０μｍコヒーレンス長よりもはるかに長く、したがって、干渉の発生を防止するのに十分であるので、所望の幾何学的な光路差には寄与しない。ＧＲＩＮ法と同様の補正がここで行われ、複屈折レンズの中心の厚さに等しい厚さで、その結晶軸と同じ配向で切り取られた厚さの補償複屈折平面レンズを、複屈折レンズの異常軸に対する横断面に、補償複屈折平面レンズの異常軸を９０°回転させて配置される。複屈折レンズの通常軸に沿って投射する波は、補償複屈折フラットの異常軸に沿って投射し、その逆も成り立ち、したがって、複屈折レンズからの非球面ΔＯＰＤは、補償複屈折平面レンズによりキャンセルされる。

ＢＲＬと同じ厚さ及び同じ切削角度であるが、ＥＭ伝搬方向に直交する平面で９０度回転しているＢＲＦを使用することによって、ＯＰＤ_ｏは、２つの波の球面曲率の相対差を変更することなく補正され得る。ＢＲＬの通常軸に沿って投射する波は、ＢＲＦの異常軸に沿って投射し、その逆も成り立ち、したがって、ＢＲＬからの非球面ＯＰＤ_ｏは、ＢＲＦによりキャンセルされる。ＢＲＦをわずかに傾斜させると、このＯＰＤ一致効果のマグニチュードが変わって、最大干渉コントラストが達成される。

図１２に示した別のシステムは、オブジェクト１０１から２つの波への受信した波の分離も影響を及ぼすために、ガラスレンズ１００とともにＢＲＦ１２００のみを組み込む。媒体に入る正の球状曲率をもつ波は、それらの焦点に達する際に遅延を経験する。この遅延Δは、媒体の厚さt及び屈折率ｎｎに比例する。

図１２の拡大部１２０１において、ＢＲＦは、通常軸に対して平行な波１２０２及び異常軸に対して平行な波１２０３を、異なる屈折率に起因して異なる量だけ遅延させることがあり、それにより、２つの波の焦点面１２０４及び１２０５を分離し、ホログラフィ干渉３０５が起こることが可能になる。

いくつかの例示的実施形態は、受け取った電磁放射を、複屈折レンズの異常軸及び通常軸に対して平行な２つの差分位相変調された（光軸に沿って伝搬する）成分へと分割するために、古典的な屈折レンズと併せて薄型複屈折レンズを使用する。本開示で使用する「薄型複屈折レンズ」は、（たとえば、最も厚いセクションにおいて）直径の１５％以下の厚さを有する複屈折レンズである。いくつかの実施形態では、薄型複屈折レンズは、直径の１０％以下の厚さを有する。直径の１５％以下の厚さを有する薄型複屈折レンズは、理想的な薄型レンズに密接に近いものとして使用される。複屈折単結晶で作製された複屈折レンズは、生産するのが難しく、また費用がかかり得るという事実に照らすと、古典的なレンズとの賢明な組合せによって、他のＢＲＬタイプの欠陥を減らすことができることが顕著である。このように、ＣＢＬＳの古典的な構成要素において大量の合焦パワーが生じる一方で、複屈折構成要素は、収差全体の最小量でホログラム干渉を生産するために過不足な差分位相変調に寄与する（例えば、約５％；５％の差は、約３〜１０％の差分位相変調に寄与する）ことが考えられ得る。

この概念に適用可能な複屈折構成要素は、固体結晶材料又は液晶材料のいずれかで作製された複屈折フレネルレンズ、パターン化された複屈折性の固体結晶材料又は液晶材料で作製された他の光学素子、並びにマイクロ構造化又はナノ構造化されたメタマテリアル光学素子を含み、これらはすべて、本明細書において、薄型複屈折構成要素（ＴＢＣ）と呼ばれる。マイクロ構造又はナノ構造の光学素子は、パターン化された二酸化ケイ素、又は定義された周期半径、形状及び／又は配向（集束効果を生じるために組み合わせられる）をもつナノ構造からパターンが構成される他の材料を含むことができる。本明細書に全体として組み込まれる非特許文献２１は、マイクロ構造及びナノ構造について記載している。顕著な考えられ得るＴＢＣの利点として、（１）等式１０において前述した種類の全体的な位相シフトＯＰＤ_０が極めて低いこと（たとえば、０又は実質的に０）、（２）それらの略平坦構造に起因して、球面収差が極めて低いこと（例えば、０又は実質的に０）、及び（３)球面２次パターン以外の他の位相パターンを、所与の用途のためにシステムを最適化することを目的としてＴＢＣへと符号化するための、あるいはシステム内の他の構成要素からの収差を補正するための機会があることが挙げられる。

ＴＢＣの起こり得る欠点は、回折レンズとしてのそれらの性質から起こる。ＴＢＣで作製されたレンズ（たとえば、フレネルレンズ、マイクロ構造又はナノ構造をもつレンズ）は、一般的に、焦点距離の大きい色シフトを有し、これは、任意の波長帯域幅をもつシステムにおける３次元空間の大きいエリアにわたって最適なホログラム面ｚ_ｈを拡散するという望ましくない効果を有し、ＴＢＣレンズはまた、透過したビームに、回折リング及び高次回折成分のような位相収差を加える。しかしながら、長い焦点距離をもつＴＢＣレンズの限界において、ＦＩＮＣＨ又は他のホログラフィを目的として、ＣＢＬＳにおいて古典的なレンズとそれらを組み合わせることによって、これらの欠点がほぼ又は完全に否定され得る。

回折レンズの焦点距離における色度変動は、一般的に、以下のように近似される。
ｆ及びλは、それぞれ、焦点距離及び波長である。しかしながら、回折レンズのアッベ数は−３．４５であり、アッベ数が絶対値がより大きい正数である屈折レンズとは異なる。したがって、公称焦点距離が３００ｍｍであるＴＢＣは、標準的な４０ｎｍの顕微鏡帯域幅の光軸に沿って、約２０ｍｍに及ぶ焦点距離を有するが、たとえば、はるかに低い色分散をもつＣＢＬＳを達成するために、焦点距離が数１０００ｍｍ（例えば、５０００ｍｍ又は約５０００ｍｍ）であるＴＢＣを、焦点距離が３００ｍｍ（又は、ほぼ３００ｍｍ）である古典的なレンズと結合することができる。この関係は、（２つのレンズシステムにおけるアクロマート補正を達成するために最小にされる和の）等式１３ａ及び（所与のレンズ対についての最良のアクロマート補正を達成する焦点距離ｆ_２の値についての）等式１３ｂにおけるその論理的帰結における、アクロマティックレンズの式に起因する。
ｖ_ｄは、アッベ数である。下記の表は、例示的なシステムを示し、単一の回折レンズを、焦点距離が長い（例えば、５０００ｍｍ又は約５０００ｍｍの）回折レンズと焦点距離が短い（例えば、３００ｍｍ又は約３００ｍｍの）屈折レンズとを組み合わせたＣＢＬＳシステムと比較している。合計焦点距離の色シフトは、ＣＢＬＳシステムについて、はるかに低く、はるかに良好なホログラフィック性能が有効になる。

上記の表及び等式から、古典的なレンズと１つ又は２つの偏波依存的な焦点距離をもつＴＢＣレンズとを組み合わせた結果、ＦＩＮＣＨ又は他のホログラフィのために２つの電磁ビームが差分集束された又は位相変調された、各ビームの焦点面の色分散が比較的少なく（たとえば、２ｍｍ未満）、したがって、ホログラム距離ｚ_ｈがシャープに規定され、ビームの干渉における高い縞コントラストを可能にするＣＢＬＳが生じることができることが容易に分かる。なお、等式７及び等式８にしたがって、これらの原理に基づき設計されるＣＢＬＳは、間隔因子ｓ及びホログラム距離ｚ_ｈの選択における有意な潜在的な柔軟性も有する。

さらに、ＴＢＣによって導入される回折収差は、フレネルレンズ又は他のＴＢＣレンズの位相ラッピング点のような構成要素の位相プロファイルにおけるシャープな位相遷移領域又は不連続性に由来する。位相ラッピング領域がより少ない場合、位相収差の数を低減しなければならない。位相ラッピング領域の数はＴＢＣレンズの焦点距離に正比例するので、長い焦点距離に限界がある場合、位相ラッピング領域は非常に少なくなり、それに応じて、導入される収差がより少なくなる。焦点距離の限界が非常に長い場合（たとえば、レンズの焦点距離が、レンズの中心と縁部との間に、１未満の位相シフトの波を必要し、位相ラッピング領域が生じない極端な場合には）、位相ラッピング領域がまったくないことがあり、システムは、完全屈折システムとして扱われることがある。

図１３は、いくつかの例示的実施形態による、複屈折レンズ非コヒーレント干渉計内の光学部品の様々な配置を示している。図１３（ａ）の１３０１には、等式７及び８ｂのテキストのような合成された焦点面及びホログラム面を生成するための、古典的なレンズ（ＣＬ）１３０２（この場合、収束レンズ）と複屈折レンズ（ＢＬ）１３０３（この場合、負レンズ）との組み合わせが示されている。他の組み合わせと同様に可能であることに留意されたい。図１３（ｂ）の１３１０には、干渉計を通して伝搬する光によって打ち消される総光路差を低減するための複屈折レンズ（ＢＬ）１３１１と複屈折補償平面レンズ（ＣＢＦ）１３１２との組み合わせが示されている。複屈折レンズの異常軸の配向及び補償平面レンズは、紙面の矢印１３１３及びそれに直交するターゲット１３１４でそれぞれ示されている。

図１４は、いくつかの例示的実施形態による、ＦＩＮＣＨ顕微鏡１４００を概略的に示している。図１４（ａ）の１４０１には、蛍光がサンプル１４０２から顕微鏡に射出された標準的な蛍光顕微鏡の構成が示されている。サンプルから射出された蛍光は、無限補正対物レンズ１４０３を通過し、その地点の後、ビームスプリッタ１４０４によって２つの偏光ビームへと分割される。ｓ偏光は、顕微鏡チューブレンズ１４０５を通して向けられ、古典的な顕微鏡と同様に、広視野カメラ１４０６上で画像がキャプチャされる。図１４（ｂ）の１４１１には、ＳＬＭベースの、又はＧＲＩＮレンズべースの、又は複屈折結晶レンズベースの干渉計と共に構成されるＦＩＮＣＨホログラム形成システムに典型的な２つの直交偏光ビームへのビームスプリッティングが示されている。射出光は、対物レンズ及び偏光ビームスプリッタキューブを通って、異なる球面位相（集束力）を光ビームの異なる偏光成分に適用する光学トレインへと伝搬し、共伝搬焦点距離ｆｄ１及びｆｄ２の共伝搬する差分集束ビームの対を生成する。ビームは、距離ｚｈに位置する理想ホログラム面にビームの干渉が記録されるまで伝搬する。複合フィールドを再生成ために使用されるホログラムのセットを記録面に記録した後、最終処理された画像が、Ｆｒｅｓｎｅｌ伝搬及び後続のデコンボリューションによって計算される。ｐ偏光は、ＦＩＮＣＨカメラ１４１２上でキャプチャされるホログラムを生成するホログラフィ光学素子１４１６を通して向けられる。位相シフトホログラフィ法が使用される場合、任意選択の偏光感応性可変波長板１４１３によってホログラムのホログラム位相を変更することができる。また、任意選択の出力偏光子１４１４を含めることによって、更なるコントラストを得ることもできる。単純にするために図示していないが、図１４（ａ）の１４０１と図１４（ｂ）の１４１１の間に、４Ｆリレーシステムがある。

例示的実施形態では、レンズベースインライン非コヒーレント干渉計を作成するために、一軸性複屈折α−ＢＢＯ及び方解石材料を使用した。これらの共通光路非コヒーレント干渉計により、発明者らは、最初に、高拡大率/開口数対物レンズを備えたＦＩＮＣＨホログラフィ超解像度顕微鏡を作製できるようになった。複屈折結晶レンズ非コヒーレント干渉計は、より高い品質のＦＩＮＣＨホログラムを生成する非量子化屈折レンズを利用するが、これは、非量子化屈折レンズには、ＦＩＮＣＨホログラムを生成するために使用されるＳＬＭデバイス又はＧＲＩＮレンズデバイスに固有の量子化誤差及び収差がないためである。これらの新しい複屈折レンズ干渉計を組み込んだ単純な蛍光顕微鏡法は、６０×１．４９ＮＡ対物レンズの場合、５９０ｎｍの中心波長において幅1４９ｎｍの横方向の点拡がり関数（ＰＳＦ）を有する。これは、標準的な広視野蛍光顕微鏡の解像度を上回る大幅な改良であり、経験的に、ＦＩＮＣＨ蛍光顕微鏡法について記載したサブ回折超解像度性能を達成する。複屈折非コヒーレント結晶干渉計は、他のホログラフィ応用例を補助する実施形態において企図される。

これらの設計原理に基づく複屈折レンズの共通光路干渉計の別の用途は、光学式走査ホログラフィ（ＯＳＨ）、特に、走査ホログラフィック顕微鏡法における励起ビームの生成である（非特許文献２２）。ＯＳＨ顕微鏡法における励起ビームは、対物レンズの後焦点面において互いにコヒーレントである２つのビームを干渉させることによって生成され、その結果、フレネル合成ホログラムと同一であるインターフェログラムが形成される。この励起インターフェログラムは次いで、サンプルへと集束して、小さい励起スポットを生成する。励起インターフェログラムを形成するプロセスは、原則として、ＦＩＮＣＨホログラムの形成と同一なので、励起ホログラムを形成するための現在の方法は、改善するようにＦＩＮＣＨが設計された多くの他のホログラム法と同じ欠点に苦しむことをは明らかである。

したがって、共通光路複屈折干渉計は、アラインメントの容易さ及び安定性、並びに環境振動に対するに敏感度の排除を含めて、ＯＳＨにおける励起インターフェログラムに対して、ＦＩＮＣＨと同じ利点を提供しなければならない。さらに、ＯＳＨ顕微鏡法（非特許文献２２）と（上述のような）ＦＩＮＣＨの両方は、独立して、古典的なイメージング法と比較したときに２倍までの超解像度が可能であると仮定すると、古典的なイメージングと比較して潜在的には４倍までの超解像度の増大を達成するために、走査ＯＳＨ励起をＦＩＮＣＨイメージング検出と組み合わせることが可能である。その上、励起インターフェログラムと放射ＦＩＮＣＨホログラムの両方を生成するために、同じ複屈折干渉計を使用することが可能であり得、ジョイントＯＳＨ／ＦＩＮＣＨシステムがなお一層を簡略化され、安定化される。

上記の教示に照らして、本発明の数多くの修正形態及び変形形態が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲において、本発明は、本明細書で具体的に記載したものとは異なるように実施することができるものと理解すべきである。

Claims (20)

1. 少なくとも１つの薄型複屈折レンズを含む複数のレンズを備える光学装置であって、
   前記複数のレンズが、
   顕微鏡から、非コヒーレント光である電磁放射を受け取り、
   共通の経路中を伝搬する２つ以上の差分変調された電磁波を生成するために、受け取った前記電磁放射を、前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズを使用する透過によって変換し、
   電磁干渉を生成するために、前記差分変調された電磁波を提供し、
   前記電磁干渉からホログラムを形成する
   ように構成されている、光学装置。
2. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、固体結晶材料で作製された複屈折フレネルレンズ又は液晶材料で作製された複屈折フレネルレンズのうちの１つを含む、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、パターン化された複屈折性の固体又は液晶材料を含む、請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、ナノ構造化された非複屈折材料を含み、前記複屈折性が、前記ナノ構造において符号化されたパターンによって加えられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
5. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、１つ又は複数の球面四相パターンを符号化する、請求項４に記載の光学装置。
6. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、球面四相パターン以外の１つ又は複数の位相パターンをさらに符号化する、請求項４に記載の光学装置。
7. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、球面四相パターンを符号化する、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置。
8. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、球面四相パターン以外の位相パターンをさらに符号化する、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、略平坦構造を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
10. 前記複数のレンズのうちの少なくとも１つの古典的なレンズは、最適ホログラム面の拡散を低減するために、前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズによって生じた色シフトを補償するように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
11. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズの焦点距離が、前記少なくとも１つの古典的なレンズの焦点距離よりも長い、請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、１０００ｍｍよりも長い焦点距離を有し、前記少なくとも１つの古典的なレンズが、３００ｍｍの焦点距離を有し、前記複数のレンズが、４０ｍｍ顕微鏡帯域幅の光軸に沿って２０ｍｍ未満にわたって拡散された合成焦点距離を有する、請求項１１に記載の光学装置。
13. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、２つの偏波依存的な焦点距離を有する、請求項１０に記載の光学装置。
14. 前記複数のレンズが、構成可能な間隔因子又はホログラム距離のうちの１つ又は複数を有する、請求項１３に記載の光学装置。
15. 走査ホログラフィック顕微鏡をさらに備え、前記生成された電磁干渉が、前記走査ホログラフィック顕微鏡に、光学式走査ホログラフィのための励起ビームとして提供される、請求項１に記載の光学装置。
16. 前記光学装置が、第１の顕微鏡部分及びＦＩＮＣＨ顕微鏡部分を含み、前記ＦＩＮＣＨ顕微鏡部分が、前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズを含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学装置。
17. 前記光学装置が、眼底応用例のために構成されている、請求項１６に記載の光学装置。
18. 前記第１の顕微鏡が、反射顕微鏡又は蛍光顕微鏡のいずれかである、請求項１６に記載の光学装置。
19. 前記少なくとも１つの薄型複屈折レンズが、アルファＢＢＯレンズを含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の光学装置。
20. 前記アルファＢＢＯレンズが、単結晶アルファＢＢＯレンズである、請求項１９に記載の光学装置。