体積サンプル内の光のタイトフォーカスポイントを操作し、光学システムおよび組織の光学的性質の両方による収差を同時に補正する能力は、光遺伝学研究用の空間光変調器を使用することに広く関心を巻き起こしました。

カルシウム・イメージングおよび3D光刺激は、脳機能を理解するための重要なツールです。それは、BRAINイニシアチブ、脳活動マップ(BAM)および人間脳プロジェクトを含む複数の大規模な国家的および国際的な努力を通じて取り組まれている非常に膨大な科学的チャレンジです。

空間光変調器を用いて構築された顕微鏡は、研究者が、神経回路をマッピングするために、生体外・生体内の両方において、カルシウム・イメージングおよび光刺激を三次元で、またランダムアクセス制御で使用した研究が可能になります。デジタルホログラフィを使用して、空間光変調器（SLM）は、二次元の平面内で照明を単に空間的に遮断することとは対照的に、三次元容積内で利用できる光のすべてを望ましい焦点にリダイレクトすることによって、光の効率的利用を提供します。同様に、一般化された位相コントラスト技術は、深部組織に複雑で動的な拡張二次元図形を効率的に照明するためにSLMを使用することができます。これらの技術は、一つの樹状突起棘からより大きい三次元分布のニューロンまで、広い範囲のサンプルを研究するために使用されています。また、例えば、複数の樹状突起（それは、もともと三次元問題）の上に到着する入力の統合のような複雑な神経活動を科学者が研究できるようにしました。また、科学者が、その性質上、三次元問題であり、複数の樹枝状の枝に到着する入力の統合のような複雑な神経活動を研究することができるようになりました。

Ca信号の対応する時間経過追跡でSLMによって連続照射されたときのニューロン・サンプルの実イメージ

ボルダーノンリニアシステムズ（BNS）社は、現在、1ミリ秒を超える閉ループ変調速度を達成するために、新しいSLMバックプレーン、高速アドレス方式、および低遅延の16ビットのPCIeドライバーの開発を通じて、さらにこの技術を飛躍させるために取り組んでいます。これによって、最速の神経信号のダイナミクスをキャプチャする時間分解能を提供します。また、BNS社は、これらの技術のアドレス視野を拡張し、細胞レベルのイメージングとネットワークレベルのマッピング間のギャップを埋めるために、より高い画素数を持つ大規模形式のバックプレーンを開発しています。

提供する比類のない柔軟性により、空間光変調器（SLM）技術は、励起およびイメージングパスの両方で、ますます最先端の不可欠なコンポーネントになっています。

狭帯域レーザに結合されたとき、ランダムアクセスと多焦点イメージング機能を提供するSLMは、サンプル内の1つまたは複数の部位に励起源を整形したり、再選択的にリダイレクトしたりするために使用されてきました。ブロードバンドまたはスーパーコンティニュームレーザーを使用すると、様々な効果のために、SLMはサンプル内でスペクトル的、空間的、かつ時間的に照明をチューニングすることができます。SLMはまた、しばしば、混濁媒質の光学システムや屈折率のミスマッチ、および散乱によって引き起こされる収差を補正するために、励起源の波面の事前修正に使われています。ボルダーノンリニアシステムズ（BNS）社のSLM技術は、バックグランドのないコヒーレント反ストークスラマン分光法（CARS）顕微鏡や、2光子吸収顕微鏡のようなポンププローブ技術などの非線形顕微鏡技術のスペクトルパルス整形に使用されています。
これらの様々な技術の創造的なアプリケーションを介して、SLMは、様々なレーザー走査顕微鏡モダリティーにおけるイメージ形成速度、新しいコントラストメカニズム、および超高解像度の増大をもたらすことができます。
最近、BNSでは、イメージング光路に置いた場合に、蛍光発光のようなランダム偏光を変調できる偏光無依存SLMを開発しました。これらの変調器は、蛍光イメージングの収差を補正するために使用されたり、ユーザーが、明視野、暗視野、スパイラル位相コントラスト、定量的な微分干渉コントラスト（qDIC）、または空間光干渉顕微鏡（SLIM）を含むいろいろな撮像モードでサンプルを表示できるようにするために、非機械的スイッチとして使用されています。

偏光無依存変調器のような新規機能の開発に加えて、BNS社では、例えば、明視野、暗視野、DICおよび位相コントラスト、共焦点、多光子、CARS、誘導放出ディプリ−ション（STED）、空間周波数領域イメージング（SFDI）、構造化照明顕微鏡（SIM）、フレネルインコヒーレント相関ホログラフィー（フィンチ）などなどの顕微鏡技術の広い範囲の能力を向上させるために、ボルトオン顕微鏡モジュールだけでなく、新たなアドレス指定方式と低レイテンシードライバー付の大口径でより高速のSLMを積極的に開発しています。

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元来、1970年にAshkinによって実証された光ピンセットは、数十ナノメートルから数十ミクロンの範囲のサイズで、オブジェクトを正確に操作する能力を持っています。

屈折率が周囲の媒体とは異なるオブジェクトを照射する場合に、しっかり集光されたレーザー光を使うとオブジェクトを操作することができます。ホログラフィック光学ピンセットでは、空間光変調器（SLM）は、顕微鏡の対物の背面開口部に結像されたホログラムを生成するために使用されます。この構成では、ユーザーが、容量的な3次元サンプル空間内の複数のトラップを同時に生成したり独立して操作することができます。この強力な技術は、以下のような広い範囲のアプリケーションが期待されます：

• マイクロ/ナノ粒子と細胞成分間の相互作用の測定および制御
• 生物学的またはコロイドアセンブリの新しいタイプを作成するための微細粒子の操作
• マイクロ流体デバイスでのトラッピングとソーティング
• 組織骨格を移入するセルの配置や向き
• より大きな混合集団からの粒子または細胞の特定の種類の分離または選択

これらのアプリケーションは、医薬品の研究、細胞および分子生物学、ナノ粒子工学、法医学、およびセルラーベースの分析/診断の分野で強力な新しいツールを提供しています。

ボルダーノンリニアシステムズ（BNS）社は、ホログラフィック光ピンセット用SLMおよびSLMシステムの開発におけるリーダーです。最近ではシカゴ大学からホログラフィック光ピンセット特許のライセンスを取得しています。グラスゴー大学と一緒に、BNS社は最初の完全なポータブルホログラフィック光ピンセットシステムを商品化し（現在、メドーラークオプティクス社の標準品として入手可能）、トラップ強度、トラップの数、およびビューのアドレス指定可能な視野を増大させるための新たなSLMバックプレーン、新たなアドレス方式、およびSLMベースのモジュールならびにシステムの開発をし続けています。

ボルダーノンリニアシステムズ（BNS）社の空間光変調器（SLM）技術は、振幅と位相の両方でスペクトル的および時間的に超高速レーザーパルスを整形するために使用することができます。

なぜフェムト秒レーザーパルスを整形するのか？

超短パルスは、日常的に量子力学的なシステムにおける動的プロセスを励起するために使用されています。時間的強度の包絡線の形状は、したがって、励起ダイナミクスにおける大きな役割とプロセスの結果を果たしています。「コヒーレント制御」または成形光学分野で実験をドライブする能力は、今日の超高速現象の分野で、最も魅力的なアプリケーションの1つになっています。同様の概念は、超高速分光法における励起状態のダイナミックスおよび非線形顕微鏡検査におけるコントラストの新規ソースを提供するために使用されます。しかし、コヒーレント制御が目的ではない場合であっても、フェムト秒レーザーを使用した場合、プログラム可能なパルス形状制御を検討する実用的な理由があります。パルス整形器は、分散と振幅補償の面で究極のコントロールを提供します。パルス整形器は、ターゲット送られたパルスが正確に所望のパルスであることを保証するために使用することができます。すなわち、効果的に分散光学系に対して予め補正することができます。例えば、対物レンズを変更するときに、多光子顕微鏡でそれができるように、光分散が実験中に変化する場合には、この動的補償能力は特に便利です。

LC SLMは反射するので、色消しレンズは、入力(整形しない)パルスと出力(整形した)パルス間の高さを変更するために、オフ軸で用いられます。したがって、整形されたパルスは、それが入射した(オレンジ線)と同じライン上の装置から出てきますが、しかし、それはおよそ2cm低いです。

典型的な超短波レーザパルス整形レイアウト。スペクトルは、中心焦点面に角度をもって分散し、焦点を結びます。この平面に置かれた変調器は、現在、光パルスの個々の周波数の振幅と位相に作用することができます。

BNS社は、超短パルス整形システムの動的素子として使用する液晶SLMの開発で豊富な経験を持っています。超短パルス整形のために、BNS社では、大きな位相ストロークおよび高スループット用の高反射コーティングを持つ数十万ピクセルのリニアアレイのSLMを開発することができます。このような大規模リニアアレイは、位相マスクの精度を高めるだけでなく、位相変調に加えて振幅変調も可能にしなければなりません。フォーカスした周波数の各々を変調する複数の画素が存在するという意味で、光の各周波数が変調器上にオーバーサンプルされるために、この振幅変調が可能となります。従って、SLMにより単一のデバイスを用いて振幅と位相の両方の同時変調を提供し、選択した周波数で光路から回折させる局所的な位相グレーティングを形成するために使用することができます。現在、BNS社では、動的パルス整形の改善に向けて、ニアアレイSLMの時間応答を1ミリ秒以下に改良するために、積極的に新しいSLMバックプレーン、新規アドレス方式、および低レイテンシー16ビットのPCIeドライバーの開発を進めています。

ごく最近まで、実用的な波面制御システムは、高解像度、迅速なプログラマブル空間光変調器（SLM）技術の不足によって制限されていました。高解像度の波面補正の応用分野は、軍事イメージング、レーザー通信から顕微鏡および天文学まで大きく変化しています。

(A)ゼルニケ・パターン、(B)シミュレーションされた干渉図、(C)実際の干渉写真

液晶オン・シリコン（LCoS）SLM装置は、各ピクセルでプログラム可能な位相シフトを提供します。装置のバックプレーンはVLSI回路なので、数千の個々に制御された素子があります。これらにより、低次の収差制御（例えば、傾斜、パワー）だけでなく、高い空間周波数コンテンツを備えた非常に複雑な波面の生成も可能になります。これらの装置は、位相変調が事実上周期的であるという事実と、入射光の波長よりも大きな位相歪みを複製するために2πリセットの位相ラッピングを利用しています。SLM装置の全位相ストロークは、ストローク可能な数百の波で、ピクセル数に依存しています。

LCoSのSLM技術は、また、混濁サンプルにおける散乱の歪曲効果を補償するために、同様の方法で使用することができます。弾性光散乱の決定論的性質を利用する光位相共役のような濁度抑制のための多数の技術が近年導入されています。これらの技術では、SLMは波面の「プレアベレート」に使用されます。それで、散乱サンプルの表面下数ミリメートルに光のタイトフォーカスを可能にして散乱の効果が反転されます。

SLM技術は、通常、波面収差を補正するために使用されますが、大気の乱流をシミュレートするための手段を提供して、収差を生成するために使用することもできます。位相ホイール、オイルフィルムまたはホットプレートとは対照的に、SLMによって生成された乱流は、標準的な乱流パラメーターを用いて較正することができ、再現性があり、動的です。分割または複数のSLMデバイスを、層状乱流媒質をシミュレートするために使用することができます。

非偏光を使用するシステム中の補償光学について、ボルダーノンリニアシステムズ（BNS）社は、偏光無依存のSLM技術を開発しており、現在では、偏光無依存SLMを駆動できる新型高電圧512×512ピクセルSLMバックプレーンを開発しています。補償光学システムは、また、BNSが、高電圧バックプレーン、新しいアドレス方式、および低レイテンシー16ビットのPCIeドライバーを介して提供することができる高速動作速度の恩恵を受けることができます。

CCDカメラおよび焦点面アレイのような電気光学および赤外線イメージセンサーは、軍用から商用までの幅広いアプリケーションで重要性を増しています。

これらの敏感なデバイスの普及が広がると、キャリブレーションやテスト機器の必要なくなります。実験室でのシミュレーションが、現実的なセンサーとそれに伴うアルゴリズムのテストを、高価なフィールドテストなしで可能にします。正確なキャリブレーションやテストを行うためには、リアルなシーンのシミュレーションに、センサーが自然環境をシミュレーションと区別できないくらい十分に忠実なプロジェクターが必要になります。この高忠実度なプロジェクションのタイプは、空間、スペクトル、および偏光を制御することができる空間光変調器（SLM）を使用することにより可能です。

ボルダーノンリニアシステムズ（BNS）社は、様々なアプリケーション用の液晶オンシリコン（LCoS）型SLM技術を使用して、これらの高度なシーンプロジェクターの開発に経験を持っています。LCoS型SLM技術は、抵抗性エミッタと変形可能ミラーデバイスの代替手段を、低コスト、高解像度で提供しています。また、ネマチック液晶変調器のアナログ制御を利用することにより、BNS社はちらつきの無い真のグレースケール変調を提供することができます。現在までに、BNS社は、米航空宇宙局（NASA）、国立標準技術研究所（NIST）および米国海洋大気庁（NOAA）などのクライアント向けに、空間、スペクトル、および/または偏光を変調するシーンプロジェクターを開発しました。

最近のある例では、BNS社は、可視スペクトルの全域にわたって、直線偏光状態と強度をピクセルレベルで制御可能な偏光変調ハイパースペクトルイメージプロジェクターを開発しました。このデバイスは、高度なイメージセンサーシステムの正確で再現性の高い較正標準を提供するために使用することができます。その結果、最終的なセンサー配置の信頼性を増加させながら開発コストと時間を減少させることができました。

BNS社は、現在、新しい高電圧512×512ピクセルSLMバックプレーンを開発しています。これは、振幅リップルを減少させ、200 fpsドライバーの利点が得られるように、製造歩留まりを向上させ、表示の均一性を向上させ、アドレス時間を短縮するように設計されています（現在、商業SLMの販売ライセンスはメドーラークオプティクス社に譲渡）。これらの進歩は、シミュレートされたシーンの忠実度のさらなる向上につながり、より高速なセンサーのテストに必要な速度を提供します。

左：512×512ピクセルシーンプロジェクターから空間変調シミュレーション画像の例。 中央と右：偏光変調ハイパースペクトルイメージプロジェクターにおけるピクセルレベルの偏光変調の例。このシステムでは、512のスペクトルビンと4000方位の偏光状態を横切るピクセルレベルの偏光制御で、550 Hzの単一バンドのフレームレートを実証しました。