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特許6304792受け取った電磁放射からホログラムを生成するために複屈折レンズを使用するためのシステム、装置及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6304792
(24)【登録日】2018年3月16日
(45)【発行日】2018年4月4日
(54)【発明の名称】受け取った電磁放射からホログラムを生成するために複屈折レンズを使用するためのシステム、装置及び方法
(51)【国際特許分類】
G03H 1/04 20060101AFI20180326BHJP
【ＦＩ】
G03H1/04
【請求項の数】20
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2017-510440(P2017-510440)
(86)(22)【出願日】2015年4月30日
(65)【公表番号】特表2017-515169(P2017-515169A)
(43)【公表日】2017年6月8日
(86)【国際出願番号】US2015028477
(87)【国際公開番号】WO2015168384
(87)【国際公開日】20151105
【審査請求日】2016年12月27日
(31)【優先権主張番号】61/987,205
(32)【優先日】2014年5月1日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】509018649
【氏名又は名称】セルオプティック、インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＬＬＯＰＴＩＣ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】ブルッカー、ゲーリー
(72)【発明者】
【氏名】シーゲル、ニサン
【審査官】
植野 孝郎
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１４／１３２７８１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特表２００９−５４４０３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１２／００５０８３２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
Gary Brooker et al.，In-line FINCH super resolution digital holographic fluorescence microscopy using a high efficiency transmission liquid crystal GRIN lens，OPTICS LETTERS，２０１３年１２月１５日，Vol.38，No.24，p.5264-5267
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０３Ｈ １／００− ５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
非量子化異方性電磁特性を有する少なくとも１つの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、
オブジェクトから、非コヒーレントな光である電磁放射を受け取り、
それぞれ異なる位相特性を受け取りながら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、非量子化異方性電磁特性を有する前記少なくとも１つの複屈折レンズを使用する屈折によって変換し、前記２つ以上の差分変調された電磁波は、電力を要することなく、前記少なくとも１つの複屈折レンズによって異なる焦点面に収束され、
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する
ように構成される、光学装置。
前記複数のレンズが、
オブジェクトから、非コヒーレントな光である電磁放射を受け取り、
それぞれ異なる位相特性を受け取りながら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、非量子化異方性電磁特性を有する前記少なくとも１つの複屈折レンズを使用する屈折によって変換し、前記２つ以上の差分変調された電磁波は、電力を要することなく、前記少なくとも１つの複屈折レンズによって異なる焦点面に収束され、
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する
ように構成される、光学装置。
【請求項2】
前記少なくとも１つのレンズのうち前記複屈折レンズを除く別のレンズは、前記複屈折レンズを出た前記差分変調された電磁波の各々の焦点距離を修正するように構成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項3】
前記差分変調された電磁波の間隔因子が、前記別のレンズの焦点距離により変更可能である、請求項２に記載の光学装置。
【請求項4】
前記別のレンズが、ガラスレンズである、請求項２または請求項３に記載の光学装置。
【請求項5】
前記複屈折レンズが、アルファほう酸バリウム材料またはベータほう酸バリウム材料を備える、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項6】
前記複屈折レンズが、平坦な複屈折材料に、あるいは正湾曲した、また負湾曲した複屈折材料中に封入される液晶材料を備える、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項7】
前記複屈折レンズが、平坦な非複屈折材料に、あるいは正湾曲した、また負湾曲した非複屈折材料中に封入される液晶材料を備える、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項8】
前記電磁干渉が、前記オブジェクトを表すホログラムを形成する、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項9】
前記ホログラムが、前記電磁干渉により生成されるＦＩＮＣＨホログラムである、請求項８に記載の光学装置。
【請求項10】
前記ホログラムが、前記電磁干渉により生成されるフレネルホログラム、フーリエホログラム、ＦＩＮＣＨホログラム、またはオフアクシスホログラムのうちのいずれかである、請求項８に記載の光学装置。
【請求項11】
受け取った前記電磁放射が顕微鏡からである、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項12】
前記電磁干渉を記録するように構成されたカメラをさらに備える、請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項13】
前記光学装置が、ホログラフィをスキャンする際に励起パターンとして前記電磁干渉を使用するように更に構成される、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項14】
前記光学装置が、構造化照明（ＳＩＭ）イメージングシステムの励振源において前記電磁干渉を使用するように更に構成される、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項15】
前記光学装置が、顕微鏡対物レンズ内に収容される、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項16】
前記電磁放射のコヒーレンス長に対する前記差分変調された電磁波間の位相遅延を最小限に抑えるために少なくとも１つの補償光学部品をさらに備える、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項17】
前記少なくとも１つの補償光学部品が、複屈折補償光学部品である、請求項１６に記載の光学装置。
【請求項18】
オブジェクトから、非コヒーレントな光である電磁放射を受け取る段階と、
それぞれ異なる位相特性を受け取りながら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、非量子化異方性電磁特性を有する少なくとも１つの複屈折レンズを使用する屈折によって変換する段階であって、前記２つ以上の差分変調された電磁波は、電力を要することなく、前記少なくとも１つの複屈折レンズによって異なる焦点面に収束される段階と、
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する段階と
を含む、方法。
それぞれ異なる位相特性を受け取りながら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、非量子化異方性電磁特性を有する少なくとも１つの複屈折レンズを使用する屈折によって変換する段階であって、前記２つ以上の差分変調された電磁波は、電力を要することなく、前記少なくとも１つの複屈折レンズによって異なる焦点面に収束される段階と、
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する段階と
を含む、方法。
【請求項19】
前記少なくとも１つの複屈折レンズは固体である、
請求項１に記載の光学装置。
請求項１に記載の光学装置。
【請求項20】
前記少なくとも１つの複屈折レンズは、石英、ほう酸バリウム、ニオブ酸リチウム、および、方解石、の少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の光学装置。
請求項１に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
＜関連出願についての相互参照＞本出願は、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年５月１日付けで出願された米国仮特許出願第６１／９８７，２０５号に関し、その優先権を主張するものである。
【0002】
＜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。
【0003】
本発明は、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って、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ための装置に関する。本発明はまた、これらのホログラフィ画像を収集するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【0004】
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、すべて放射波が同じ光学経路を通ることを可能にした装置、システム又は方法は、ホログラフィの分野における大きな進歩である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第８，５４２，４２１号
【特許文献2】米国特許出願第６２／０２３，９５８号
【特許文献3】米国特許第８，００９，３４０号
【特許文献4】米国特許第８，１７９，５７８号
【特許文献5】米国特許第８，４０５，８９０号
【特許文献6】日本国特許第８，５４２，４２１号
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Nature 161, 777-778 (1948)
【非特許文献2】Optics Letter 22,1506-1508 (1997)
【非特許文献3】Optics Letter 32, 912-914 (2007)
【非特許文献4】Optics Letter 38, 3922 (2013)
【非特許文献5】Optik 118, 335-339 (2007)
【非特許文献6】J. Rosen及びG. Brooker, Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy, Nat. Photonics 2, 190-195 (2008)
【非特許文献7】G. Brooker, N. Siegel, V. Wang及びJ. Rosen, Optimal resolution in Fresnel incoherent correlation holographic fluorescence microscopy, Optics Express 19, 5047-5062 (2011);
【非特許文献8】J. Rosen, N. Siegel及びG. Brooker, Theoretical and experimental demonstration of resolution beyond the Rayleigh limit by FINCH fluorescence microscopic imaging, Optics Express 19, 26249-26268 (2011)
【非特許文献9】B. Katz, J. Rosen, R. Kelner及びG. Brooker, Enhanced resolution and throughput of Fresnel incoherent correlation holography (FINCH) using dual diffractive lenses on a spatial light modulator (SLM), Optics Express 20, 9109-9121 (2012)
【非特許文献10】N. Siegel, J. Rosen及びG. Brooker, Reconstruction of objects above and below the objective focal plane with dimensional fidelity by FINCH fluorescence microscopy, Optics Express 20, 19822-19835 (2012)
【非特許文献11】P. Bouchal, J. Kapitan, R. Chmelik及びZ. Bouchal, Point spread function and two-point resolution in Fresnel incoherent correlation holography, Optics Express 19, 15603-15620 (2011)
【非特許文献12】X. Lai, Y. Zhao, X. Lv, Z. Zhou及びS. Zeng, Fluorescence holography with improved signal-to-noise ratio by near image plane recording, Optics Letter 37, 2445-2447 (2012)
【非特許文献13】O Bouchal及びZ. Bouchal, Wide-field common-path incoherent correlation microscopy with a perfect overlapping of interfering beams, J. Europ. Opt. Soc. -Rap. Pub. 8, 13011 (2013)
【非特許文献14】X. Lai, S. Zeng, X. Lv, J. Yuan及びL. Fu, Violation of the Lagrange invariant in an optical imaging system, Optics Letter 38, 1896-1898 (2013)
【非特許文献15】G. Brooker, N. Siegel, J. Rosen, N. Hashimoto, Makato Kurihara及びA. Tanabe, In-line FINCH super resolution digital holographic fluorescence microscopy using a high efficiency transmission liquid crystal GRIN lens, Optics Letter 38 (24), 5264-5267 (2013)
【非特許文献16】N. Siegel及びG. Brooker, Improved axial resolution of FINCH fluorescence microscopy when combined with spinning disk confocal microscopy, Optics Express Vol.22, pp 22298-22307 (2014)
【非特許文献17】Proceedings of SPIE Vol. 6018, 601812 (2005)
【非特許文献18】Meas. Sci. Technology, 17, 1367 (2006)
【非特許文献19】Ｗｅｂ情報「https://community.dur.ac.uk/g.d.love/downloadable/china05.pdf」
【非特許文献20】Optics Letters 22 (16), 1269-1270 (1997)
【発明の概要】
【0007】
したがって、本発明の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、任意の波長において任意のタイプの活性な光学的に複屈折性の結晶材料又は液晶材料などの、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。本装置では、受け取った電磁放射は、次いで、屈折によって、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。
【0008】
本発明の別の目的は、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、任意の波長において任意のタイプの活性を有し、光学的に複屈折性である結晶材料又は液晶材料などの、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。本装置では、受け取った電磁放射は、次いで、屈折によって、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、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、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。
【0009】
本発明の別の目的は、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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】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である。
【図2】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イン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つの構成を示す図である。
【図3】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である。
【図4】２つの焦点距離ｆ１及びｆ２をもつ複屈折レンズを示す。
【図5】ＦＩＮＣＨホログラムを生成するための一般化された方式を示す。
【図6】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を示す。
【図7】最適なホログラム面の場所のシフトに依存する波長を示す。
【図9】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ホログラムの未加工画像及び処理済み画像を示す。
【図10】同時に使用される２つの複屈折レンズの模式図である。
【図11】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である。
【図12】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である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
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法が存在する（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。この方法は、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、ホログラフィをスキャンすることが提案されており、蛍光を励起するためにサンプル全体で干渉パターンをスキャンし、サンプルビームと相関させてホログラムを生成する（非特許文献２）。その方法は、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、環境的な不安定に敏感である。
【0013】
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なホログラフィのための別の方法（特許文献１および非特許文献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な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（ｆ１）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（ｚｈ）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（（ｆｄはより短い／より長い焦点距離である）。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（ｆｄ）は、ＳＬＭ２０４上に表示され、１つの正ガラスレンズ２０７（ｆ２）は、ＳＬＭの近くに配置されている。図２は、非特許文献８に適応している。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。
【0014】
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イメージング法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、出願人のグループ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）を含む他の研究室によるさらなる研究（非特許文献１１〜１３）の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、特許文献３〜６の主題である。
【0015】
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。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および非特許文献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）。
【0016】
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。ダイクロイックビームスプリッタ３１５と吸収フィルタ３１６とは、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のに働きをする。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。
【0017】
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さでＧＲＩＮレンズを製造することには課題が多い。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。焦点距離のこの組合せは、３％未満の２つの焦点距離間を生成し、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）。
【0018】
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、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ｆｉ４０１及びｆｉ４０２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および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。
【0019】
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、本発明はまた、他の形態並びにホログラフィ及びインターフェロメトリの使用を向上させ、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大幅に活用される。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、そのレンズ材料に方解石を使用したが、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つの焦点面を見えるか疑問であるかもしれない。
【0020】
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および１５、並びに特許文献１、３および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単一の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並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。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。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放射線のモデル光源として、広いコリメートレーザビームを使用するは一般的である。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なる。
【0021】
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、ｆｄｉがより短く、ｆｄ２（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。これらの波は、同じ空間を通って同じ方向に伝搬し、信号波ｆｄ１及び基準波ｆｄ２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。
【0022】
１．偏光によって：ＰＳＯＥに当たる受け取った波を、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、ｆｄ１波及びｆｄ２波である。
【0023】
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、ｆｄ１及びｆｄ２と呼ばれる。ただし、ＰＳＯＥは、３つ以上の部分を有するがあり、その場合、ｆｄ３呼ばれる光波などがある。
【0024】
ｆｄ１波及びｆｄ２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。
【0025】
ＰＳＯＥから伝搬した後、２つの波は、干渉して、検出器（ｚｈ）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。
【0026】
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ｆｄ１及びｆｄ２とｚｈ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。ｆｄ１ビームとｆｄ２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。【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0027】
ただし、ＲＨはホログラムのアパーチャ半径であり、Ｒｏ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。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、広範囲上にわたって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す。
【0028】
前述した３つの現在の技術の各々は、ｆｄ１及びｆｄ２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からの回折はが、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の機能（色収差と呼ばれる効果）として、焦点距離に有意な変動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）レンズの近似値の量子化し、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。
【0029】
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ｆｄ１ビーム及びｆｄ２ビームを生成するためにデバイスを導入することが火急的に必要とされる。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、ｎ０及びｎｅ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Ｒ１（図６の６０４）及びＲ２（図６の６０５）をもつ）単一の複屈折レンズの焦点距離ｆｂｅ（図６の６０６）及びｆｂｏ（図６の６０７）を示す。ビームの品質及びＢＲＬの焦点スポットは、前述の回折ＰＳＯＥよりもるかに改善される。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。
【0030】
本発明は、一部では、ホログラムを生成するために、異なる球面曲率をもつ２つの直交分極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複屈折レンズ（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（例えば、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。【数5】
【数6】
【数7】
【0031】
上記の式（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。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、Ｒ１及びＲ２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。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Ｒ１及びＲ２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ｆｂｏと、その異常軸に沿って偏光した光についての焦点距離ｆｂｅ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、ｆｂｅ及びｆｂｏ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。【数8】
【0032】
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ｆ'ｂｅ及びｆ'ｂｏは以下の通りであり、【数9】
【数10】
【0033】
間隔因子の調整のために追加の因子をしめす等式６の内側部分への等式８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。
【0034】
【表1】
【0035】
上記の式（８）は以下のことを意味する。１．複屈折レンズのＲ１及びＲ２並びに標準レンズの焦点距離ｆｒ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。
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、デバイスをアクロマティックにすることができるが、非アクロマティックな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。
【0036】
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認識されよう。
【0037】
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．ｆｄ１ビーム及びｆｄ２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
【0038】
実験作業は、現在のＴＬＣＧＲＴＮ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、右から左に、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、唯一の違いは、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、プレート及び電圧をシフトする位相、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９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係数ｓがより大きくなる。図９の下部の３つのパネルには同じく、右から左に、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９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ける全体的な改善を示す。
【0039】
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。
【0040】
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つの波の間光路差全体を変更するために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質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。【数11】
【0041】
ただし、ｄ１及びｎ１は、波が進んだ経路中の全ての媒質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。ＢＲＬは、２つの焦点距離ｆｂｅ６０６及びｆｂｏ６０７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ｄＢＲＬ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ＯＰＤ０も課す。【数12】
【0042】
ＢＲＦと同じ厚さのＢＲＦと切削角度であるが、ＥＭ伝搬方向に直交する平面で９０度回転しているＢＲＬを使用することによって、ＯＰＤ０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ＯＰＤ０は、ＢＲＦによりキャンセルされる。ＢＲＬ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る。
【0043】
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。媒質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、媒質の厚さｔ及び屈折率ｎに比例する。
【数13】
【0044】
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。
【0045】
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含まれるものと理解すべきであり、本明細書は、特段の記載がない限り、本明細書で具体的に記載した通りに実施することができる。［項目１］
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であって、
ａ．前記受け取った電磁放射が、屈折によって、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、
ｂ．前記変調された電磁波が、前記電磁干渉を生成する、
装置。
［項目２］
受け取った前記電磁放射が光である、項目１に記載の装置。
［項目３］
受け取った前記電磁放射が蛍光である、項目１に記載の装置。
［項目４］
受け取った前記電磁放射が化学発光光である、項目１に記載の装置。
［項目５］
受け取った前記電磁放射が生物発光光である、項目１に記載の装置。
［項目６］
受け取った前記電磁放射がＸ線である、項目１に記載の装置。
［項目７］
受け取った前記電磁放射が黒体放射である、項目１に記載の装置。
［項目８］
受け取った前記電磁放射が非コヒーレントな光である、項目１に記載の装置。
［項目９］
受け取った前記電磁放射がコヒーレント光である、項目１に記載の装置。
［項目１０］
受け取った前記電磁放射が赤外光である、項目１に記載の装置。
［項目１１］
前記非量子化異方性電磁特性が、方解石材料に由来する、項目１に記載の装置。
［項目１２］
前記非量子化異方性電磁特性が、アルファほう酸バリウム材料又はベータほう酸バリウム材料に由来する、項目１に記載の装置。
［項目１３］
前記非量子化異方性電磁特性が、異方性である任意の材料に由来する、項目１に記載の装置。
［項目１４］
前記非量子化異方性電磁特性が、液晶材料に由来する、項目１に記載の装置。
［項目１５］
前記非量子化異方性電磁特性が、平坦な非複屈折材料に、あるいは正湾曲した、また負湾曲した非複屈折材料中に封入される液晶材料に由来する、項目１に記載の装置。
［項目１６］
前記非量子化異方性電磁特性が、平坦な複屈折材料に、あるいは正湾曲した、また負湾曲した複屈折材料中に封入される液晶材料に由来する、項目１に記載の装置。
［項目１７］
前記電磁干渉がホログラムである、項目１に記載の装置。
［項目１８］
前記電磁干渉がフレネルホログラムである、項目１に記載の装置。
［項目１９］
前記電磁干渉がフーリエホログラムである、項目１に記載の装置。
［項目２０］
前記電磁干渉がＦＩＮＣＨホログラムである、項目１に記載の装置。
［項目２１］
前記電磁干渉がオフアクシスホログラムである、項目１に記載の装置。
［項目２２］
受け取った前記電磁放射が、顕微鏡及び／又は顕微鏡見本から生じる、項目１の装置。
［項目２３］
受け取った前記電磁放射が、ＤＮＡシーケンスゲル又はＤＮＡシーケンスシステムから生じる、項目１の装置。
［項目２４］
生成された前記電磁干渉が、画像記録デバイスによって記録される、項目１に記載の装置。
［項目２５］
生成された前記電磁干渉が、点光源検出器によって記録される、項目１に記載の装置。
［項目２６］
前記電磁干渉が、ホログラフィをスキャンする際に励起パターンとして使用される、項目１に記載の装置。
［項目２７］
前記電磁干渉が、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る、項目１に記載の装置。
［項目２８］
前記電磁干渉が、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、項目１に記載の装置。
［項目２９］
受け取った前記電磁放射は、ホログラフィックデータ記憶媒体の読出しから生じる、項目１の装置。
［項目３０］
前記電磁干渉が、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る、項目１に記載の装置。
［項目３１］
単一のソースから、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ための複屈折光学デバイス。
［項目３２］
前記集束スポットが、顕微鏡において励起光として使用され、２つ以上のオブジェクト面上に同時に集束する、項目３１に記載の複屈折光学デバイス。
［項目３３］
複屈折レンズが、顕微鏡対物レンズである、項目３１に記載の複屈折光学デバイス。
［項目３４］
前記複屈折光学デバイスが、顕微鏡対物レンズ内に収容される、項目３１に記載の複屈折光学デバイス。
［項目３５］
前記複屈折光学デバイスが、顕微鏡対物レンズ内に収容され、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る、項目３１に記載の複屈折光学デバイス。
［項目３６］
前記異方性電磁特性が、１つ又は複数の複屈折レンズ中に含まれる、項目１に記載の装置。
［項目３７］
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ことを可能にする、項目３６に記載の装置。
［項目３８］
前記複屈折レンズの曲率半径のうちのいくつか又は全部が無限大である、項目３７に記載の装置。
［項目３９］
前記複屈折レンズが、１つのユニットにおいて結合される、項目３７に記載の装置。
［項目４０］
結合手段が、空気である、項目３９に記載の装置。
［項目４１］
結合手段が、光学セメントであり、前記レンズが１つのユニットである、項目３９に記載の装置。
［項目４２］
結合手段が、光学的に透明な物質である、項目３９に記載の装置。
［項目４３］
受け取った電磁放射から、フレネルホログラム、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であって、
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、
非量子化複屈折光学デバイス。
［項目４４］
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。
［項目４５］
前記非量子化複屈折光学デバイスが、ホログラムを生成するために使用される、項目４４に記載の非量子化複屈折光学デバイス。
［項目４６］
前記複屈折レンズの前記焦点距離の差を変動させることができる、項目４３に記載の非量子化複屈折光学デバイス。
［項目４７］
複屈折レンズが、受け取った電磁放射から、フレネルホログラム、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に使用され、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、項目４４に記載の非量子化複屈折光学デバイス。
［項目４８］
電磁放射の干渉を誘起するための複屈折レンズ。
［項目４９］
複屈折材料の分散特性が、広帯域電磁放射線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、項目１に記載の装置。
［項目５０］
受け取った前記電磁放射のソースが、人間の眼底であり、前記屈折した電磁干渉が、デジタルカメラ上も記録される、項目１に記載の装置。
［項目５１］
受け取った前記電磁放射のソースが、顕微鏡対物レンズであり、前記屈折した電磁干渉が、光学的超解像度画像を生成するために使用される、項目１に記載の装置。
［項目５２］
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生成するために、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。
［項目５３］
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、前記電磁干渉を変更することができる、項目１に記載の装置。
［項目５４］
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方法であって、
ａ．前記受け取った電磁放射が、屈折によって、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、
ｂ．前記変調された電磁波が、前記電磁干渉を生成する、
方法。
［項目５５］
受け取った前記電磁放射が光である、項目５４に記載の方法。
［項目５６］
受け取った前記電磁放射が蛍光である、項目５４に記載の方法。
［項目５７］
受け取った前記電磁放射が化学発光光である、項目５４に記載の方法。
［項目５８］
受け取った前記電磁放射が生物発光光である、項目５４に記載の方法。
［項目５９］
受け取った前記電磁放射がＸ線である、項目５４に記載の方法。
［項目６０］
受け取った前記電磁放射が黒体放射である、項目５４に記載の方法。
［項目６１］
受け取った前記電磁放射が非コヒーレントな光である、項目５４に記載の方法。
［項目６２］
受け取った前記電磁放射がコヒーレント光である、項目５４に記載の方法。
［項目６３］
受け取った前記電磁放射が赤外光である、項目５４に記載の方法。
［項目６４］
前記非量子化異方性電磁特性が、方解石材料に由来する、項目５４に記載の方法。
［項目６５］
前記非量子化異方性電磁特性が、アルファほう酸バリウム材料又はベータほう酸バリウム材料に由来する、項目５４に記載の方法。
［項目６６］
前記非量子化異方性電磁特性が、異方性である任意の材料に由来する、項目５４に記載の方法。
［項目６７］
前記非量子化異方性電磁特性が、液晶材料に由来する、項目５４に記載の方法。
［項目６８］
前記非量子化異方性電磁特性が、平坦な非複屈折材料に、あるいは正湾曲した、また負湾曲した非複屈折材料中に封入される液晶材料に由来する、項目５４に記載の方法。
［項目６９］
前記非量子化異方性電磁特性が、平坦な複屈折材料に、あるいは正湾曲した、また負湾曲した複屈折材料中に封入される液晶材料に由来する、項目５４に記載の方法。
［項目７０］
前記電磁干渉がホログラムである、項目５４に記載の方法。
［項目７１］
前記電磁干渉がフレネルホログラムである、項目５４に記載の方法。
［項目７２］
前記電磁干渉がフーリエホログラムである、項目５４に記載の方法。
［項目７３］
前記電磁干渉がＦＩＮＣＨホログラムである、項目５４に記載の方法。
［項目７４］
前記電磁干渉がオフアクシスホログラムである、項目５４に記載の方法。
［項目７５］
受け取った前記電磁放射が、顕微鏡及び／又は顕微鏡見本から生じる、項目５４の方法。
［項目７６］
受け取った前記電磁放射が、ＤＮＡシーケンスゲル又はＤＮＡシーケンスシステムから生じる、項目５４の方法。
［項目７７］
生成された前記電磁干渉が、画像記録デバイスによって記録される、項目５４に記載の方法。
［項目７８］
生成された前記電磁干渉が、点光源検出器によって記録される、項目５４に記載の方法。
［項目７９］
前記電磁干渉が、ホログラフィをスキャンする際に励起パターンとして使用される、項目５４に記載の方法。
［項目８０］
前記電磁干渉が、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る、項目５４に記載の方法。
［項目８１］
前記電磁干渉が、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、項目５４に記載の方法。
［項目８２］
受け取った前記電磁放射は、ホログラフィックデータ記憶媒体の読出しから生じる、項目５４の方法。
［項目８３］
前記電磁干渉が、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る、項目５４に記載の方法。
［項目８４］
単一のソースから、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。
［項目８５］
前記集束スポットが、顕微鏡において励起光として使用され、２つ以上のオブジェクト面上に同時に集束する、項目８４に記載の方法。
［項目８６］
複屈折レンズが、顕微鏡対物レンズである、項目８４に記載の方法。
［項目８７］
複屈折レンズが、顕微鏡対物レンズ内に収容される、項目８４に記載の方法。
［項目８８］
複屈折レンズが、顕微鏡対物レンズ内に収容され、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る、項目８４に記載の方法。
［項目８９］
前記非量子化異方性電磁特性が、１つ又は複数の複屈折レンズ中に含まれる、項目５４に記載の方法。
［項目９０］
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ことを可能にする、項目８９に記載の方法。
［項目９１］
前記複屈折レンズの曲率半径のうちのいくつか又は全部が無限大である、項目９０に記載の方法。
［項目９２］
前記複屈折レンズが、１つのユニットにおいて結合される、項目９０に記載の方法。
［項目９３］
結合手段が、空気である、項目９２に記載の方法。
［項目９４］
結合手段が、光学セメントであり、前記レンズが１つのユニットである、項目９２に記載の方法。
［項目９５］
結合手段が、光学的に透明な物質である、項目９２に記載の方法。
［項目９６］
受け取った電磁放射から、フレネルホログラム、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に非量子化複屈折光学デバイスを使用する方法であって、
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、方法。
［項目９７］
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。
［項目９８］
前記デバイスが、ホログラムを生成するために使用される、項目９７に記載の方法。
［項目９９］
前記複屈折レンズの前記焦点距離の差を変動させることができる、項目９６に記載の方法。
［項目１００］
複屈折素子が、受け取った電磁放射から、フレネルホログラム、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に使用され、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、項目９７に記載の方法。
［項目１０１］
電磁放射の干渉を誘起するための複屈折レンズを使用するための方法。
［項目１０２］
複屈折材料の分散特性が、広帯域電磁放射線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、項目５４に記載の方法。
［項目１０３］
受け取った前記電磁放射のソースが、人間の眼底であり、前記屈折した電磁干渉が、デジタルカメラ上も記録される、項目５４に記載の方法。
［項目１０４］
受け取った前記電磁放射のソースが、顕微鏡対物レンズであり、前記屈折した電磁干渉が、光学的超解像度画像を生成するために使用される、項目５４に記載の方法。
［項目１０５］
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生成するために、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。
［項目１０６］
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、前記電磁干渉を変更することができる、項目５４に記載の方法。
［項目１０７］
前記非量子化異方性電磁特性が、勾配屈折レンズに由来する、項目１に記載の装置。
［項目１０８］
前記非量子化異方性電磁特性が、勾配屈折レンズに由来する、項目５４に記載の方法。
［項目１０９］
前記非量子化異方性電磁特性が、外部電源とは無関係に存在する、項目１に記載の装置。
［項目１１０］
前記非量子化異方性電磁特性が、外部電源とは無関係に存在する、項目５４に記載の方法。