JP4820759B2 - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、照射光線束を発生する少なくとも１つの光源と、照射光線束の光出力を調整するための音響光学素子と、照射光線束を試料の上に又は試料を透過して導くためのビーム偏向装置とを有する走査型顕微鏡（ラスター顕微鏡）に関する。

走査型顕微鏡においては、試料に光線を照射することにより、試料から放出される反射光又は蛍光の観察が行われるようになっている。照射光線の焦点は、制御可能なビーム偏向装置を用い、通常は２つのミラーを傾動させることにより、対物面上を移動されるが、その際に多くは両ミラーの偏向軸が互いに直交することにより、ミラーの一方がｘ方向に、他方がｙ方向に偏向を行うようになっている。ミラーの傾動は、例えばガルバノ方式の調整要素を用いて実現される。測定物体から発する光の強度は、走査ビームの位置に関連付けて測定される。通例これらの調整要素には、各ミラーの実際の位置を検出するセンサが備えられる。

特に走査型共焦点顕微鏡においては、光線の焦点を利用して、測定物体の３次元走査が行われるようになっている。走査型共焦点顕微鏡には通常、光源、光源の光をピンホール絞り板−所謂励起用絞り板−に集光する集光光学系、ビームスプリッタ、ビームを制御するためのビーム偏向装置、顕微鏡光学系、検出用絞り板、及び、検出光又は蛍光を検出するための複数の検知器が含まれている。照射光は、例えばビームスプリッタを介して入射される。測定物体から発する蛍光又は反射光は、ビーム偏向装置を介してこのビームスプリッタに戻り、それを通過した後引き続いて検知器の前方に位置する検出用絞り板に集光される。焦点域から直接発せられた検出光以外の光は、別の光路を辿り検出用絞り板を通らないために、この焦点域の照射ポイント情報が得られ、測定物体の連続走査により得る多数の照射ポイント情報から、最終的に３次元画像が得られるようになっている。

このビームスプリッタの代わりに、少なくとも１つの光源の励起光を顕微鏡に入射すると同時に、測定物体に当たって散乱し反射した励起光や測定物体の検出ビーム路以外から来る励起波長を除外するために、例えば特許文献１から知られるような音響光学素子として構成された光学配列が備えられることもある。

３次元画像は、多くは断層画像データを連続的に取り込むことにより実現されるが、その際に走査光線は、測定物体の表面又は内部で理想的にはメアンダ形状の軌跡を描くようになっている（ｙ座標の位置を固定したままでｘ方向に１ライン走査し、続いてｘ方向の走査を中断し、ｙ座標の位置を変更して次の走査ラインに進んでから、再びｙ座標の位置を固定したままでｘの負方向にこのラインを走査する：この操作の繰り返し）。断層画像データを連続的に取り込めるようにするために、１つの断層の走査が終了すると、試料テーブル又は対物レンズの位置が変更され、次の走査対象である断層が対物レンズの焦点面に移動される。

顕微鏡の使用目的によっては、走査の間、又は２回の走査工程の合間の試料の可操作性が求められる場合がある。そのような操作には、例えば結合した顔料の解離、脱色処理、切断工程、又は光ピンセットの適用等のレーザマニピュレーションが含まれている。

特許文献２から、第１のビームスキャナにより試料の上に導かれる光を照射する第１の光源と、第２のビームスキャナにより試料の上に導くことができるレーザマニピュレーション用の光を照射する第２の光源とを有するレーザ走査型顕微鏡が知られている。

特許文献３にも、２つのビーム偏向装置を有する走査型顕微鏡が開示されており、そこでは夫々のビーム偏向装置が、異なる光源の光を互いから独立して試料の上に又は試料を透過して導くようになっている。

ＤＥ １９９０６７５７ Ａ１ ＵＳ ６０９４３００ ＤＥ １００３９５２０ Ａ１

本発明が解決しようとする課題は、試料の観察が可能であると同時に、その処理（レーザマニピュレーション）も実現でき、最小限必要な光源数を低減する以外にも、マニピュレーション用及び照射用の光出力の急速変調が可能な、走査型顕微鏡を提示することにある。

この課題は、音響光学素子が照射光線束から部分光線束を空間的に分離すること、及びこの部分光線束を−望ましくはレーザマニピュレーションの目的で−試料に向けるビームガイド手段が備えられることを特徴とする走査型顕微鏡により解決される。

本発明に従った走査型顕微鏡は、照射光線束及び部分光線束が互いから独立して同時又は順番に試料を観察／マニピュレートできるという長所を有している。又その際には、照射光線束及び部分光線束の光出力（光強度）の精密かつ急速な調整が実現されるようになっている。

部分光線束として、光出力を制御する音響光学素子により、いずれにせよビームトラップに向けられるような光が使用されると有利である。
非常に好ましい構成例において、この音響光学素子はＡＯＴＦ（音響光学チューナブルフィルタ）により構成される。

部分光線束を試料の上に又は試料を透過して導くために、別のビーム偏向装置が備えられると好適である。このビーム偏向装置は、走査型顕微鏡において広く用いられる、ガルバノミラー、又は音響光学型の偏向スキャナ、又は例えばマイクロミラーから成るとよい。

走査型顕微鏡は、照射光線束を試料表面に集光する１つの対物レンズを有している。部分光線束についても、この対物レンズによって試料表面に集光されるようにすると好適である。そのために照射光線束のビーム路と部分光線束のビーム路とが、ビーム偏向装置／別のビーム偏向装置を通過した後、対物レンズの手前で結合されるようになっている。

走査型顕微鏡の別の好ましい構成形態においては、部分光線束を試料表面に集光する別の対物レンズが備えられるようになっている。この変形構成例においては、対物レンズを通して上から試料を観察できる一方で、下からも同時に別の対物レンズ乃至は集光レンズを通して試料のレーザマニピュレーションを行うことができる。

部分光線束を試料に向けるビームガイド手段は、光導波路から成ると好適である。
特殊な変形構成例においては、音響光学素子が、照射光線束から一定の偏光特性を有する成分を部分光線束として分離するようになっている。光源から出る照射光線束は、例えば直線偏光光であるとよいが、その場合は音響光学素子が、例えば照射光線束のサジタルな偏光成分を部分光線束として分離して、接線方向の偏光成分を通過させるようになっている。例えばλ／２板として構成されるとよい、偏光に影響を与える手段を用いて、光源から出る照射光線束の偏光面を回転することによって、部分光線束の光出力と音響光学素子を通り抜ける照射光線束の光出力の比を調整することができる。

音響光学素子により引き起こされる部分光線束及び／又は照射光線束の空間的なスペクトル分離を補償する補償手段が備えられると好適である。補償手段は、例えばプリズム、及び／又はグリッド、及び／又は更に別の音響光学素子として構成されるとよい。特に部分光線束及び／又は照射光線束を更に別の地点に搬送するために光ファイバに入射する場合には、空間的なスペクトル分離がこのように補償されることは重要である。

非常に好ましい変形構成例において、音響光学素子は、試料から発した検出光を直接又は間接的に検知器若しくは検出配列に向けるようになっている。この場合は音響光学素子が更に、例えば特許文献１に開示されるような音響光学ビームスプリッタとしても機能する。
特に好ましい変形実施例において、走査型顕微鏡は走査型共焦点顕微鏡である。

図面には本発明の対象が図式的に示されており、以下ではこれに基づいて本発明を説明する。図において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符合が付されている。

図１には、アルゴン・クリプトンレーザとして構成される第１の光源１と、ヘリウム・ネオンレーザとして構成される第２の光源３とを有する本発明に従った走査型顕微鏡が示されている。光源１から発生される第１のレーザ光５は、ダイクロイックビームスプリッタ７により、第２光源２から放射される第２のレーザ光９と結合されて、照射光線束１１となる。この照射光線束１１のビーム路には、照射光線束の光出力を調整するための、ＡＯＴＦ１３として構成された音響光学素子１５が配置される。この音響光学素子は、照射光線束１１から部分光線束１６を分離し、部分光線束１６は、偏向ミラー１７を介して、別のジンバル式スキャンミラー（カルダン式走査ミラー）２１を有する別のビーム偏向装置１９に導かれる。この別のビーム偏向装置１９から、部分光線束１６は、別の偏向ミラー２３を経てダイクロイックビーム偏向器２６に達し、それによりレーザマニピュレーションのために対物レンズ２５を通して試料２７に向けられる。照射光線束の残りの部分は、メインビームスプリッタ２９により、ジンバル式スキャンミラー３３を有するビーム偏向装置３１に導かれる。このビーム偏向装置３１により、照射光線束１１は、不図示のスキャン光学系、同じく不図示の鏡筒光学系、及び対物レンズ２５を通して試料２７に導かれる。試料から発する検出光３５は、これと同じ光路で、即ち対物レンズ２５と、不図示のスキャン光学系及び不図示の鏡筒光学系とを通り抜け、ビーム偏向装置３１に戻り、メインビームスプリッタ２９及び検出ピンホール３７を通過した後、検出装置３９に当たり、検出装置３９は検出光の出力／強度に比例した電気信号を発生する。発生した電気検出信号は、演算処理ユニット４１に転送され、ＰＣ４６のモニタ４３に試料の画像が表示される。ビーム偏向装置３１及び別のビーム偏向装置１９は、ユーザの初期設定に従って演算処理ユニット４１により制御される。第１レーザのビーム路には、第１レーザから放射される光５の偏光方向を調整可能なλ／２板４５が備えられる。同じく第２レーザ３のビーム路にも、偏光に影響を与える手段４９として、第２レーザから放射される光９の偏光方向の調整に利用されるλ／２板４７が備えられる。これらのλ／２板４５、４７の回転動作を通じて、照射光線束１１に対する部分光線束１６の、夫々のレーザから放射される光波長成分に関する光出力の比を調整することができる。

図２には、音響光学素子１５がＡＯＴＦ１３として構成された、本発明に従った更に別の走査型顕微鏡が示されている。ＡＯＴＦ１３は、この走査型顕微鏡においては、試料から発する検出光３５を検出装置３９に送るという追加機能を担っている。それと同時にＡＯＴＦ１３は部分光線束１６を分離するが、この部分光線束１６は、別のＡＯＴＦ５１として実施される補償手段５３を通過した後、レンズ光学系５５を用いて光ファイバ５７に入射される。光ファイバ５７から別のレンズ光学系５９を用いて出射された部分光線束１６は、続いて別のビーム偏向装置１９に達し、そこから図１に示す走査型顕微鏡と同様に、試料の上に又は試料を透過して導かれる。

図３には、本発明に従った走査型顕微鏡の更にもう１つの変形例が示されており、そこでは別のビーム偏向装置１９により制御される部分光線束１６を、下から試料２７に向けられるようにするために、別の対物レンズ６１が備えられるようになっている。

図４には、ＡＯＴＦ１３として実施される音響光学素子１５の作動方式の詳細図が示されている。第１及び第２の光源から出る光５、９は、ビーム結合器７により１つの照射光線束１１に結合され、ＡＯＴＦ１３を通り抜ける音響波により回折され、分離される。ＡＯＴＦ１３は、照射光線束１１から部分光線束１６を分離し、部分光線束１６はビームガイド手段を介してレーザマニピュレーション光として試料２７に向けられる。この部分光線束１６は、サジタルな偏光光の１次回折光である。照射光線束１１のビーム偏向装置３１に導かれる部分は、接線方向の偏光光の１次回折光の中に位置している。それ以外の光、即ち、差し迫って必要ではない光は、主としてゼロ次回折光の中に位置しており、ビームトラップ（Strahlfalle）６３に向けられる。もっとも原理的にはレーザマニピュレーションの目的で、この光も試料に向けるようにしてもよい。光５のビーム路に配置されるλ／２板４５を用いて光５の直線偏光の配向を調整することにより、部分光線束１６の光出力と１次回折された照射光線束１１の光出力の比を調整することができる。

図５には別の詳細図が示されており、そこでは部分光線束１６がＡＯＴＦ１３により分離されて、偏向ミラー６５により補償手段５３に向けられている。この補償手段５３は更にもう１つのＡＯＴＦ５１により構成されていて、当該ＡＯＴＦは、上記ＡＯＴＦ１３により引き起こされた空間的なスペクトル分離を取り消して、部分光線束１６の異なるスペクトル成分が概ね共軸で伝播されるように配置されている。この実施例においては、部分光線束１６がゼロ次回折光の中に位置する一方、ビーム偏向装置に送られる照射光線束１１は、１次回折光の中にある。

以上では本発明を特定の実施形態との関連で説明したが、特許請求範囲の保護範囲を逸脱することなく、種々の変更及び変形を実施し得ることは言うまでもない。

本発明に従った走査型顕微鏡を示したものである。 本発明に従った別の走査型顕微鏡を示したものである。 本発明に従った更に別の走査型顕微鏡を示したものである。 音響光学素子の領域におけるビーム経路の詳細図である。 音響光学素子の領域におけるビーム経路の別の詳細図である。

符号の説明

１ 光源
３ 光源
５ 第１レーザ光
７ ビームスプリッタ
９ 第２レーザ光
１１ 照射光線束
１３ ＡＯＴＦ
１５ 音響光学素子
１６ 部分光線束
１７ 偏向ミラー
１９ 別のビーム偏向装置
２１ 別のスキャンミラー
２３ 別の偏向ミラー
２５ 対物レンズ
２７ 試料
２６ ビーム偏向器
２７ 試料
２９ メインビームスプリッタ
３１ ビーム偏向装置
３３ スキャンミラー
３５ 検出光
３７ 検出ピンホール
３９ 検出装置
４１ 演算処理ユニット
４３ モニタ
４５ λ／２板
４６ ＰＣ
４７ λ／２板
４９ 偏光に影響を与える手段
５１ 別のＡＯＴＦ
５３ 補償手段
５５ レンズ
５７ 光ファイバ
５９ 別の光学系
６１ 別の対物レンズ
６３ ビームトラップ
６５ 偏向ミラー

Claims (14)

1. 照射光線束を発生する少なくとも１つの光源と、
   前記照射光線束から部分光線束を空間的に分離して、試料を走査するための調整された照射光線束、及び、試料を処理するための前記部分光線束をもたらす音響光学素子と、
   前記調整された照射光線束を試料の上に又は試料を透過して導くためのビーム偏向装置と、
   レーザマニピュレーションを用いて試料を処理するために、音響光学素子によって分離された前記部分光線束を試料に向けるビームガイド手段とを有する走査型顕微鏡。
2. 前記音響光学素子が音響光学チューナブルフィルタを有することを特徴とする、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
3. 前記部分光線束を試料の上に又は試料を透過して導くための、別のビーム偏向装置をさらに備える、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
4. 前記照射光線束を試料に集束する対物レンズをさらに備える、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
5. 前記対物レンズが、前記部分光線束を試料に集束することを特徴とする、請求項４に記載の走査型顕微鏡。
6. 前記部分光線束を試料に集束する別の対物レンズをさらに備える、請求項４に記載の走査型顕微鏡。
7. 前記ビームガイド手段が光ファイバを有することを特徴とする、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
8. 前記部分光線束が、一定の偏光特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
9. 前記少なくとも１つの光源と前記音響光学素子との間に、偏光に影響を与える手段をさらに備える、請求項８に記載の走査型顕微鏡。
10. 前記偏光に影響を与える手段が、λ／２板を有することを特徴とする、請求項９に記載の走査型顕微鏡。
11. 前記音響光学素子により引き起こされる前記部分光線束及び前記照射光線束のうち少なくとも一つの空間的なスペクトル分離を補償する補償手段をさらに備える、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
12. 前記補償手段が、１つのプリズム、及び１つのグリッド、及び更にもう１つの音響光学素子のうち少なくとも一つを有することを特徴とする、請求項１１に記載の走査型顕微鏡。
13. 前記音響光学素子が、試料から発する検出光を検知器に向けることを特徴とする、請求項１に記載の走査型顕微鏡。
14. 走査型共焦点顕微鏡に対応するピンホールをさらに備える、請求項１に記載の走査型顕微鏡。

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