JP2000509826A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は試料上の二次光を励起および検出するための光走査装置に関するもので、試料上で二次光を励起できる適当な波長の励起光を放出する光放出素子と、試料上に励起光の焦点を合わせる集束光学系と、試料を脱着可能に保持する試料保持装置と、試料により放出された二次光を検出し、電気信号に変換する検出ユニットとを有する。従来公知の光走査装置の場合、走査は可傾ミラーにより行われる。光ビームの長いパスのため、可傾ミラーの位置の誤差は、走査線束の試料表面での重大な位置の誤差を生じさせる。前記欠点を避けるために、本発明による光走査装置は、試料保持装置により試料を励起光に対して回転させ、前記試料の種々の副領域が励起光により励起されて、二次光を放出できるように構成されている。試料が機械的に回転するため、走査光ビームを屈折させる必要がなく、試料表面で走査線束の位置を精密に決定できる。

Description

【発明の詳細な説明】 光走査装置 本発明は、試料上の二次的放出光（以下二次光と称する）、特に蛍光を励起お よび検出するための光走査装置に関するものである。この光走査装置は、前記試 料の表面または内部で二次光を励起するために適当な波長の励起光を放出するた めの光放出素子と、前記試料表面に励起光の焦点を合わせるための集束光学系と 、試料を脱着可能に保持するための試料保持装置と、検出ユニットとを有し、前 記検出ユニットは励起への応答として試料により放出された二次光のための検出 光学系および二次光を電気信号に変換するための検出素子を有する。 そのような光走査装置は例えば、分子生物学または遺伝子工学の分野での検査 に使用されている。それらの検査では、検査すべき多数の物質をキャリアに対し てフィールド状な形態に適用し、その後前記物質を一時的に蛍光性トレーサーと 接触させる。検査すべき物質でトレーサーに対して親和性を有するものは、前記 トレーサーを自身に結合し、従って励起されて蛍光を放出できるようになる。そ して蛍光の励起力のために、被検物質自身のトレーサーとの結合特性が明らかに なり、それにより試料物質の本質に関する結論を出すことができる。 分子生物学または遺伝子工学の分野で検査を行う場合には、蛍光性の物質で印 を付けた物質を広範囲に亘って順に励起光で走査する。従来技術で公知の装置で は、試料物質を保持したキャリアを、励起光の光路に設けられた２つの可傾ミラ ーにより走査する。前記の可傾ミラーの２つの回転軸は互いに直交している。走 査光のビームが、マーキングによって蛍光性を伴うようになった試料物質が存在 する箇所に当たると、二次光が放出される。この二次光は、検出光学系および検 出素子を有する検出ユニットにより検出され、電気信号に変換される。 しかしそのような装置では可傾ミラーの走査のための回転には公差があり、ビ ーム経路も長いためにこれは結果的に走査の局所的な分解能に重大な誤差を生じ させる。集束光学系の「プリオブジェクティブスキャニング（pre-objective-sc anning）」配置（すなわち走査ユニットと試料との間）の場合では、さらに前記 集束光学系に大きな直径を持たせる必要性があり、それによって走査ミラーによ り光軸から偏光された光線束の像が試料の平面内に形成可能となる。しかしその ような大きな直径のレンズを使用すると、大きな角フ ィールドおよび良好な像面平坦度のための補正が複雑であり、コストが高くなる 。 従って本発明の目的は、始めに記述した形式の光走査装置において、より向上 した局所分解能を単純な構造のもとで達成できるように改善を行うことである。 本発明によれば前記目的は、始めに記述した形式の光走査装置を、試料保持装 置が試料を回転させるために励起光に対して回転し、前記試料の異なる副領域が 励起光により励起でき、それにより二次光を放出するように構成して達成される 。 本発明によれば前記目的は、始めに記述した形式の光走査装置を、集束光学系 は回転できるように支持され、それにより試料表面で円弧に沿って励起光を導く ように構成して、さらに達成される。 前記２つの解決法によると、可傾ミラーを使用する従来技術で公知の走査シス テムは、試料または走査光ビームのいずれかの機械的な回転で置き換えられ、い ずれの場合でも試料表面を円弧状に走査する。検流計の原理によって、従来技術 で公知の走査装置で可傾ミラーが回転されたとき誤差および公差がそれぞれ増加 し、それは試料表面での走査ビームの位置付けの比較 的大きな誤差の原因になっていた。ビーム軸を試料表面に対して傾けないため、 前記増加は本発明による装置では除外されている。従って、本発明による装置は 最高２ミクロンの高い局所的分解能を、例えば適当なレーザーダイオードが光放 出素子として使用された場合に達成できる。さらに、試料の副領域に励起光を集 束させるために使用される集束光学系は、直径が短く補正された視野領域が小さ い比較的経済的な価格のレンズで形成することが出来る。従って本発明による装 置は、単純で安価な集束光学系を使用していること、ならびに可傾ミラーのため の複雑な保持および制御手段を省くことが出来ることにより、コストをかなり削 減することが出来る。 本発明の有利な別の発展によると、集束光学系は試料保持装置の回転軸に対し て半径方向に移動するように構成されている。または、試料保持装置が、集束光 学系の光軸に対して半径方向に移動するように構成されている。集束光学系およ び試料ホルダそれぞれの単純な機械的な動作による二次元的な局所的分解能はこ のようにして達成される。これは、ビームの軸の角度を試料表面に対して変えず に達成される。前記の有利な別の発展によると、非常に良好な局所的分解能が前 記第２の次元でも達成される。直径が短く、視野補正に関してはわずかな経費し か必要としない上述の安価 なレンズは、この実施例でも使用することが出来る。 別の有利な発展によると、それぞれ関連した２対以上の集束光学系の対および 検出ユニットの対が提供されている。これにより、とくに多数の試料および高分 解能を使用するような場合には、走査時間を大幅に短縮できる。集束光学系およ び検出ユニットの対が２対使用された場合には、試料表面の走査時間は半分にな る。集束光学系および検出ユニットの対２対の光路は有利には、走査すべき全領 域の半径の半分に相当する距離だけ互いに離れているべきである。特に、前記集 束光学系および検出ユニットの対が機械的に連結されている場合は有利である。 この場合、集束光学系を半径方向に移動させるための調整素子を、機械的な連結 のために省くことができる。その結果、本発明による光走査装置のコストを削減 できる。さらに、より正確な位置決めを精密な機械的な連結により保証できる。 複数の検出器を同時に使用する場合、有利には検出光学系の問題の検出素子前 のそれぞれの結像面に、ピンホールダイアフラムを設ける。これは個々の検出器 間のクロストークおよび励起光の点の周辺からの迷光の受容を防ぐ。 最後に、本発明による光走査装置では異なる放出光 波長および／または異なる透過波長のカラーフィルタを有する複数の光源を個々 の検出素子の前に設けることが可能で、それによりシステムの融通性および多様 性が増す。 別の有利な実施例は、従属請求項に開示してある。 有利な実施例を例として参照し、以下本発明をより詳細に説明および記述する 。添付図は、 図１は、本発明による実施例の構造デザインの概略図であり、 図２は、本発明による別の実施例の概略図である。 図１は、本発明による光走査装置の実施例の概略図である。光放出素子１０は 、例えばレーザーでもよいが、光ビーム１１を放出し、このビームは第１のユニ ット３０に当たる。第１のユニットには光ビームのための集束光学系および二次 光のための検出光学系が含まれる。第１のユニット３０は、ビームスプリッタブ ロック３３と、光放出素子１０から放出された光を試料表面に焦点を合わせるた めの集束レンズ３４と、二次光を検出および集光するための検出レンズ３２と、 検出器３１とを支えるサポートボディ３５を含む。前 記サポートボディ３５には放出された光線束１１の伝播光路に沿って開口部が設 けてあり、前記光線束１１が通ることができる。ビームスプリッタ３３は、光線 束１１の光路に配置されており、光線束１１の一部を実質的に直角に反射し、そ の光線束は集束レンズ３４を通る光軸１２に沿って進む。光線束の一部はビーム スプリッタ３３中を透過し、対応する第２の開口部からサポートボディ３５を離 れ、第２のユニット４０に当たる。この第２のユニットの構造的なデザインは、 第１のユニット３０のものと本質的に同一である。 従って、第２のユニット４０は検出器４１、二次光を検出して集めるための検 出レンズ４２、ビームスプリッタ４３および集束光学系４４を含み、すべての構 成要素はサポートボディ４５で支えられている。サポートボディ４５にはここで もまた適当に配置された開口部が設けてあり、光放出素子１０から放出され直進 する光線束１１はこの開口部を通り、前記サポートボディに入って、離れる。 図示の実施例では、２つのユニット３０および４０は、精密な連結部５１によ り機械的に連結されている。水平な矢印で示したように、ユニット３０および４ ０は、放出素子１０によって放出された偏光されなかった光線束１１の伝播方向 に沿って共に移動するよう に構成されている。 試料２２は、試料ホルダー２０に脱着可能に保持されているが、２つの集束レ ンズ３４および４４に面して配置されている。図示の実施例では、試料ホルダー ２０は回転シャフト２１に支えられた回転テーブルである。試料２２を回転テー ブル２０に保持するために固定用素子あるいは真空吸引線が、図示はされていな いが、設けられることもある。しかし、ほとんどの場合、試料の架台表面での通 常の摩擦で十分である。 図１に示した実施例では、ユニット３０と４０の間の距離は、試料２２の走査 すべき領域の半径の半分に対応する。 光放出素子１０により放出された光線束１１の光路は、はじめは試料２２の表 面に対して本質的に平行であり、そしてそれぞれのビームスプリッタ３３および ４３の所で試料２２の表面に対して実質的に直角な方向へ屈折して、励起光を集 束レンズ３４および４４を通して試料表面の２点に集束させる。試料表面から放 出された二次光は、蛍光の場合は上半分の空間へ進む（試料ホルダー２０は吸収 すると仮定する）。検出器によって使用されるこの二次光の一部は、光学系３４ 、３２および４４、４２それぞれにより受容され得る 二次光の一部にすぎない。集束レンズ３４および４４により集光された後、二次 光はビームスプリッタ３３および４３へ進む。ビームスプリッタ３３および４３ で、試料２２と２つのビームスプリッタとの間で１つである励起光および二次光 の光路は分けられる。二次光の一部はビームスプリッタ３３および４３で、光励 起素子１０の方向へ反射され、別の一部はビームスプリッタブロックを通り抜け 、それぞれの検出レンズ３２および４２に当たる。これらの検出レンズは、二次 光をそれぞれの検出器３１および４１に結像する。 前記ビームスプリッタブロックは偏光された励起光を高い反射率で試料の方向 に反射する偏光ブロックであってもよい。蛍光性の分子は統計的に（「無作為に 」）分布しており、偏光のすべての方向に発光する。従って光放出素子１０の方 向へ反射された光の量はほんの少量であり、それに対してほとんどの光がビーム スプリッタを通り抜ける。 図示の実施例では２つのユニット３０および４０が使用されており、そのビー ムスプリッタは、例えば５０：５０のスプリット比を有する。 図２は、本発明による光走査装置の別の実施例である。光放出装置１１０、例 えばレーザーは励起光線束 １１１を生成し、この光線束は、励起光線束を広げるために使用される概略的に 示したビーム拡張用光学系１１５に当たる。ビーム拡張用光学系１１５にはビー ムの質を改良するために空間的なフィルタを含めてもよい。次に、ダイクロイッ クビームスプリッタ１６４が、励起光ビームの光路に続く。前記ダイクロイック ビームスプリッタは励起光をほとんど完全に直角に試料１２２の方向へ反射する 。ビームスプリッタと試料１２２の間には、集束レンズ１６５が配置され、励起 光を試料表面の小さなスポットに集束させる。 これまでの実施例の場合同様、試料１２２は回転テーブル１２０にやはり脱着 可能に取り付けられ、前記テーブルは回転できるように、回転シャフト１２１に よって支えられている。 試料１２２によって放出された蛍光の光路上の第１の素子は、集束光学系１６ ５であり、前記集束光学系１６５には、ダイクロイックビームスプリッタ１６４ が続く。前記ダイクロイックビームスプリッタ１６４は、励起光とは波長が異な る蛍光をほぼ完全に検出光学系１６３に透過させ、この検出光学系は蛍光をピン ホールダイアフラム１６１の表面に集束させる。このダイアフラムの後ろには検 出器１６２が配置されている。 上述の図１および２に示した実施例の素子に加えて、ブロッキングフィルタを それぞれの検出器の前に設けることができ、それにより光放出素子からの迷光を 抑えられる。ブロッキングフィルタおよびピンホールダイアフラムによって、散 乱された励起光の強い抑制が達成され、信号対雑音比は顕著に改善される（もち ろん前記フィルタおよびダイアフラムは、図１に示した実施例の検出器３１およ び４１の前にも設けることができる）。図２に示した実施例では、集束レンズ１ ６５は、ビームスプリッタ１６４、検出レンズ１６３、ピンホールダイアフラム １６１および検出器１６２と共に、励起光線束１１１の光軸に沿って、光発生素 子とビームスプリッタとの間で移動させることができる。 発光フィルタをピンホールダイアフラム１６１の所に使用して、それによって 放出光の波長を選択することもできる。 示した２つの実施例では、レーザーと検出光学系の位置を入れ替えることも可 能であり、その場合適当にビームスプリッタの向きを変える。さらに、試料ホル ダの回転運動および、集束および検出ユニットの線形運動の代わりに、後者に回 転運動をさせ試料を線形に 移動できるように構成することも可能であり、それによってやはり全試料領域を 走査することができる。 示した実施例では、光放出素子および／または検出ユニットを固定して、柔軟 な光学ファイバで可動な集束光学系に光を連結することも可能である。励起光中 で連結のために、および試料により放出された蛍光を検出器まで伝播させるため に光学ファイバが使用されると、ビームスプリッタを省くことができる。このよ うな光学ファイバの使用は図１に示した実施例の場合では、集束レンズの移動に 関して検出器３１および４１の固定された配置を可能にする。検出器と集束光学 系との間の柔軟な連結が光学ファイバによって達成される。 複数の集束および検出ユニットが使用されると、異なる波長フィルタをそれぞ れの検出器の前に設けることができ、それによって異なる蛍光体または同じ蛍光 塗料の種々の波長を同時に測定することができる。一方、種々の光放出素子を設 け、それぞれを別々の光路によって連結し、異なる蛍光塗料を励起するために異 なる励起波長を有するようにできる。このようにして、試料を同時に異なる塗料 に関して測定することがやはり可能である。 図１および２に示した反射型装置の代わりに、透過での測定用の装置を考える ことも可能である。この場合それぞれのビームスプリッタブロックは省かれ、検 出ユニットは試料側および、この場合は励起側の反対に設置された透明な試料ホ ルダ側に配置される。検出光学系は、試料２２の表面の励起光束の線形の動作に 適当な仕方で連結される。 特に１つ以上のレーザーダイオードが光放出素子として使用される場合、ビー ム形成光学系の使用が有利である。この光学系は図２の参照番号１１５により象 徴的に示されている。 試料はキャリアにマイクロスポツト適用法（microspot application method） により適用され、前記キャリアは試料ホルダに脱着可能に取り付けられている。 このキャリアは円形のディスクであっても、または任意の他の平らな形であって もよい。試料をキャリアに適用するために、マイクロドーズ技法（microdosingt echniques）を使用することができ、例えばマイクロドロップピエゾテクノロジ ー（microdrop piezotechnology）を使用する。この技術は、直径が典型的には ３０から１００ミクロンの範囲にあるような個々のスポット試料の適用を可能に する。 本発明は、回転動作および線形動作それぞれにより試料表面での走査光束の位 置の制御を、ミラー検流計の場合のように位置公差の増加が生じる、従来技術に よる可傾ミラーを傾ける手法よりも、精密に行えるという重要な利点を提供する 。複数の検出器の使用により走査時間を大幅に短縮することができ、結像および 検出光学系の精密な連結は、位置決めを改良する。検出器の前に共焦点的に配置 されたピンホールダイアフラムは、２つの検出器に関連したチャンネル間のクロ ストークを阻止し、励起光源の周囲からの迷光を抑えることによって、信号対雑 音比を改善する。複数の光放出素子および種々のフィルタを使用する可能性によ り、システムの柔軟性が向上する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘンリー クレム ドイツ連邦共和国 ユーベルリンゲン ミ ュールバッハシュトラーセ 68

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．試料（２２）の二次光を励起および検出するための光走査装置であって、 前記試料（２２）の表面または内部で二次光を励起するための適当な波長の励 起光（１１）を放出するための光放出素子（１０）と、 前記試料（２２）の副領域に励起光の焦点を合わせるための集束光学系（３４ 、４４）と、 前記試料（２２）を脱着可能に保持するための試料保持装置（２０、２１）と 、 励起に応答して試料により放出された二次光のための検出光学系（３２、４２ ）および検出されてイメージされた二次光を電気信号に変換するための検出素子 （３１、４１）を有する検出ユニットとを有する光走査装置において、 試料保持装置は励起光に対して試料を相対的に回転させるべく回転可能に適合 化されており、それによって前記試料の異なる副領域が励起光により励起されて 、二次光を放出できるように構成されていることを特徴とする、光走査装置。 ２．試料（２２）の二次光を励起および検出するための光走査装置であって、 前記試料（２２）の表面または内部で二次光を励起するための適当な波長の励 起光（１１）を放出するた めの光放出素子（１０）と、 前記試料（２２）の副領域に励起光の焦点を合わせるための集束光学系（３４ 、４４）と、 前記試料（２２）を脱着可能に保持するための試料保持装置（２０、２１）と 、 励起に応答して試料により放出された二次光のための検出光学系（３２、４２ ）および検出されてイメージされた二次光を電気信号に変換するための検出素子 （３１、４１）を有する検出ユニットとを有する光走査装置において、 集束光学系（３４、４４）は回転可能に支持され、励起光を試料表面に円弧に 沿って導くように構成されていることを特徴とする、光走査装置。 ３．集束光学系は試料保持装置の回転軸に対して半径方向に移動できる、請求 項１記載の装置。 ４．試料ホルダは集束光学系の回転軸に対して半径方向に移動できる、請求項 ２記載の装置。 ５．検出ユニットおよび集束光学系（３４、４４）は互いに連結され、少なく とも一部は共通の光路を有する、請求項１〜４いずれか１項記載の装置。 ６．集束光学系（３４、４４）および検出ユニットは共通のビームスプリッタ （３３、４３）を有し、励起光および二次光の光路をまとめたり分けたりする、 請求項４記載の装置。 ７．ビームスプリッタ（３３、４３）はダイクロイ ックビームスプリッタであり、励起光または二次光のいずれか一方は反射し、他 方の光は本質的に透過させる、請求項６記載の装置。 ８．ビームスプリッタはそこに入射する光を５０：５０の比で反射するように 構成された、請求項６記載の装置。 ９．少なくとも２対の互いに関連した前記集束光学系および前記検出ユニット の対が設けられている、請求項５〜８いずれか１項記載の装置。 10．前記集束光学系および検出ユニットの対は機械的に連結されている、請求 項９記載の装置。 11．ピンホールダイアフラムが検出素子の前に、二次光のための検出光学系の 結像面の所に配置された、請求項１〜１０いずれか１項記載の装置。 12．励起光を抑えるためのブロッキングフィルタは検出素子の前に配置された 、請求項１〜１１いずれか１項記載の装置。 13．検出素子（３１、４１）および／または光放出素子（１０）は固定されて いる、請求項１〜１２いずれか１項記載の装置。 14．検出素子および／または光放出素子は検出光学系および集束光学系にそれ ぞれ連結されて、光を光学ファイバを通して透過させる、請求項１３記載の装置 。 15．カラーフィルタは検出素子の前に設けられて いて、二次光の特定の波長だけを透過させる、請求項１〜１４いずれか１項記載 の装置。 16．光放出素子は、それぞれ異なる出力波長を有する複数のレーザーダイオー ドを有するように構成された、請求項１〜１５いずれか１項記載の装置。