JP2002530685A - 特に共焦点のレーザ走査顕微鏡の操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特に共焦点レーザ走査顕微鏡の操作方法。レーザシステム１は少なくとも一つの固体レーザ又はダイオードレーザを有し、像情報の不所望のエラー（障害）を防止する。走査過程ないしデータ撮録を、レーザシステム１の少なくとも十分に連続的な強度エミッションの相と同期する。レーザシステム１とデータ撮録システム３は、制御ユニット２を介して同期される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、特に共焦点のレーザ走査顕微鏡の操作方法に関し、レーザシステム
が少なくとも１つの固体レーザ又はダイオードレーザを含むものに関する。

【０００２】 共焦点レーザ走査顕微鏡において、照明光源としては大部分ガスレーザが用い
られる。ガスレーザはそのガス管を必要とするばかりでなく、全く大きな空間を
要する。かくて、ガスレーザのコンパクトな装置構成形態は実現できない。加え
てガスレーザは、短い寿命しかもたず、それにより、高い運転費用が生ずる。さ
らに、ガスレーザは、運転中に冷却を不可欠とし、大量の空気又は水による冷却
を要し、このことは、再び費用のもととなり、他面ではかかるレーザシステムの
空間の必要性を高める。最後に、レーザは、大きなエネルギ消費と単に小さな効
率を有する。

【０００３】 従来のガスレーザの他に、既に固体レーザがある。これは、共焦点レーザ走査
顕微鏡ではこれまで、全く用いられていない。というのは、これは測定のプロセ
スの間に断えずその強度変動を有し、測定結果を劣化させ（エラーをもたらし）
ないしは、本来の像情報に障害パターン（Stoermuster）を重畳するからである
。強度の安定な固体レーザは、スパイク又は減衰振動の生成を少なくとも十分に
防止するための大掛かりな制御機構を要する。制御された固体レーザは、−これ
までの実際の経験から公知の実施形態において−大掛かりでありかつ高価である
。制御なしの固体レーザは、常にパルス状の出力強度挙動をもたらす周期的なモ
ード競合（Modenkonkurrenz）の欠点がある。十分に長い時間の安定性は、ポン
プ光源の周期的な変調によって達成はできるが、しかしスパイキングのため及び
減衰振動のためレーザ出力（強度）の短時間の強い上昇をもたらす。これは、共
焦点レーザ走査顕微鏡での使用に際して不所望の障害効果（要因）を撮像プロセ
スに伴うものである。このことは、共焦点レーザ走査顕微鏡での使用には、許容
できないことである。

【０００４】 スパイキング及び減衰振動は、大部分固体レーザ及び半導体レーザに特徴的な
現象である。これらの相において、励起状態の反転分布のための回復時間は、レ
ーザ共振器（発振器）の減衰時間よりも実質的により長い。これらの現象は、ガ
スレーザにおいては生じないので、当業者は、これらの現象は、ガスレーザの使
用に際し、この問題にこれまで全く貢献していない。

【０００５】 レーザ走査顕微鏡における使用とは独立して、既に、固体レーザのスパイキン
グ挙動を抑止するための、付加的装置ないしアダプタ（Ansaetze）が作られた。
そのため、非線形の吸収器（アブソーバ）がレーザ共振器内に導入され、それは
、高い強度の際大きな損失をもたらす。最後に問題になるのが、パッシブな解決
法である。さらに、外部制御回路も既に付設されたが、これは、検出器と損失モ
ジュレータを共振器の中に備えて作動する。この際、これはアクティブな解決法
に関する。既にわずかな非線形の損失要素が減衰挙動を強く減衰（daempfen）さ
せる。かくて、この付加物は、単に制限されてのみ使用可能である。なぜならば
、これまで、低いしきい値を有し、レーザ共振器の中で十分に小さな損失を所望
の強度において示す、速く反応する良い光学的リミッタ（Begrenzer）がないか
らである。レーザ共振器の外部に損失モジュレータを備えた外部制御装置は、か
くて、基本的には可能であるが、一般的には操作において複雑かつ高価である。
レーザの安定で機械的なデザイン（設計）、音響的絶縁及び安定な電流源は、不
利な効果を最小化するのに助けになる。

【０００６】 周波数を倍増するレーザシステムの使用に際しては、アクティブな安定化は技
術的に特別に大掛かりになる。それは、特に、外部共振器のために用いるとき、
そうなる。準−相適合性の材料の使用の際には、非線形の結晶を単に通過させる
ことも可能であるが、これは非効率的であり、必要な光出力性能をほとんどもた
らさない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】 本発明は、特に共焦点のレーザ走査顕微鏡の操作方法であって、固体レーザ又
はダイオードレーザの使用ができ、かつ不所望の像情報の劣化ないしエラーを有
効に避けることができる操作方法を提供することを、課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

上述の課題は、請求項１の特徴によって、解決される。それによれば、当該の
掲記の方法−固体レーザ又はダイオードレーザを用いた方法−は、走査過程ない
しデータ撮録がレーザシステム（１）の少なくとも十分に連続的な強度エミッシ
ョンの相と同期されることを特徴とする。

【０００９】 本発明によれば、走査過程ないしデータ撮録とレーザシステムないしレーザ光
源の連続的強度エミッションとの同期が行われる。それにより、データ撮録が、
固体レーザないしダイオードレーザの準（quasi）連続的な強度エミッション（
エミッション強度）の時間的窓（間隔）内における同期が達成される。それによ
り、測定過程の間におけるレーザシステムの強度変動が生じない。その限りにお
いて、測定結果のエラーないし劣化（Verfaelschung）が排除される。

【００１０】 本発明により、従来のガスレーザに代わり、今や固体又はダイオードレーザを
共焦点レーザ走査顕微鏡に用いることが可能となる。その共焦点レーザ走査顕微
鏡にとっての適合性は、放射されるレーザ光線の強度の安定性に依存する。共焦
点レーザ走査顕微鏡と組合せての撮像の際に安定機構なしでは簡単な固体レーザ
はスパイク及び減衰振動に帰すべき像の強度の典型的な障害を有するが、これら
の現象は、共焦点レーザ走査顕微鏡にデータ撮録の間に本発明の仕方で回避され
る、即ち、大部分規則的なレーザ出力強度変動は、同期により補償される。これ
は、終局的には、例えば従来の強度制御（調節）の使用の際には不可避的である
ような不可避の障害を、意図的に特定の規定された時点に生起させることにより
、達成される。この状況の認識において、−意識的にないし制御して−当該時間
窓は、前述の障害相（時間間隔）の後に初めて、本来のデータ撮録のために開始
する。

【００１１】 具体的には、固体レーザ又はダイオードレーザを有するレーザシステム及びデ
ータ撮録システムが、制御ユニットを介して、データ撮録がレーザシステムの少
なくとも十分に連続的なエミッション強度の相（Phase）内において行われるよ
う、同期される。行うべき同期に関して、基本的には２つの可能性がある。

【００１２】 一つには、レーザシステムの固有振動をレーザのピーク挙動をデータ撮録シス
テムのトリガパルスないしは同期パルスとして使用できるように、調整すること
ができる。レーザシステムの好ましくは調整可能な固有振動の十分な利用の下に
、そのピーク挙動はデータ撮録のための同期パルスを与える。同期パルスはレー
ザシステムから直接又は間接的にデータ撮録システムへ導くことができる。具体
的にはレーザ光源ないしはレーザは、同期出力を有することができ、この同期出
力はラインを介して制御ユニットと接続される。レーザは、その際、同期的に反
復するレーザ出力強度推移が生ずるよう、調整できよう。レーザのピーク挙動な
いしスパイクは、その際、しかも好ましくはそこにある制御ユニットを介して、
同期に役立ち、これによりレーザ走査顕微鏡のデータ撮録がトリガされる。

【００１３】 他方には、同期は、用いるレーザシステムが制御ユニットを介して意識的に影
響を受けるようにすることで、達成される。レーザシステムが制御ユニットを介
して同期パルスを受ける限り、その入力の際ある死時間の後にレーザシステムの
少なくとも十分に連続的なエミッション状態が一定の時間長達成され、その時間
内にデータ撮録が行われる。同期パルスは、データ撮録システムから直接又は間
接的にレーザシステムへ導かれる。具体的にはレーザシステムは時点ｔ₀に同期
パルス（トリガ）を受け、それにより所定の待ち時間たる死時間ｔ₁の後準連続
的なエミッション状態が時間間隔ｔ₂の間達成され、この状態はデータ撮録に用
いることができる。最終的に、ここで実現された制御機構は、レーザシステムの
強度安定化に資する。

【００１４】 さらにレーザシステムから制御通告（指令）が制御ユニットへなされると、有
利であり、これにより、レーザシステムの少なくとも十分に連続的な強度エミッ
ションの存在が指示される。この指示が生じたとき、劣化ないしエラーのないデ
ータ撮像が行われる。

【００１５】 基本的には、個々の各画素を、同期ないしトリガすることができる。そのため
に必要な同期手段（要求）はしかし、無数の同期ステップのため、非常に大きい
。

【００１６】 また、一つの撮像すべき像の個々の各線を同期ないしトリガすることも考えら
れる。全体として撮像すべき画素の数と、撮像に適した、レーザシステムの十分
に連続的な強度エミッション相の長さに対応して、撮像を、一つの像の好ましく
は選択された領域の範囲内において同期ないしトリガすることも可能である。レ
ーザシステムの準連続的な強度エミッションの相で十分役立つ場合、この相は、
また一つの像全体の撮像にも役立つことができ、かくて唯一の同期によって像全
体の撮像も可能である。さらにもっと永い時間が利用できるかないしは像がより
少ない数の像点から形成されている場合、複数ないしより多数の像の撮像が唯一
の同期パルスによってレリースできるので、かくて、多数の像を−一緒に（同時
に）−同期ないしトリガして撮像できる。これは、終局的には、撮影すべき像点
の数と、レーザシステムの十分に連続的な強度エミッション相の時間的長さとに
、依存する。

【００１７】 さらに考えられることは、レーザシステムが周波数を倍増する特性を備えてい
ることである。レーザシステムは、また、光学的パラメトリックな発振器（ＯＰ
Ｏ）と共に作動することもでき、少なくとも２つの異なった波長の生成に役立つ
。これは、本発明の方法の非常に高いフレキシビリティをもたらす。

【００１８】 本発明の教示を、有利な仕方で実施しかつさらに展開するには、多様な可能性
がある。それには、一方で請求項１に従属する従属請求項が、他方で以下の本発
明の実施例の後述の図面を参照しての説明が参照される。図面を参照しての本発
明の好ましい実施例の説明と併せて、本発明の教示の一般的に好ましい実施の形
態及びさらなる展開形態が説明される。

【００１９】

【実施例】

図１は、模式的に、ブロック図として、本発明の方法の作動を原理的に示す。
レーザシステム１は、特別のレーザ光源、即ち固体レーザを有する。本発明の方
法において、走査過程ないしデータ撮録（ないし採取）は、レーザシステム１の
少なくとも十分に連続的な強度エミッションと同期される。そのため、制御ユニ
ット２があり、データ撮録を、レーザシステム１の少なくとも十分に連続的な強
度エミッションの相において行う。データ撮録システム３は、具体的にはレーザ
走査顕微鏡であり、これはライン５を介して制御ユニット２と接続されている。
レーザシステム１は、ライン６を介して、制御ユニット２と接続されている。レ
ーザシステム１から出るレーザ光線は、４で示す。これらをまとめて制御回路が
実現される。

【００２０】 レーザシステム１ないしここに存するレーザ光源は、具体的には、同期接続線
と表わすべきライン６を経て制御ユニット２に接続される。制御ユニット２は、
さらにデータ撮録システム３ないしはレーザ走査顕微鏡とライン５を介して接続
されている。

【００２１】 図１に示した例に代わり、制御ユニット２は、データ撮録システム３の図１に
は表示していない制御ユニットに内蔵することも考えられ、その場合、制御ユニ
ット２は、データ撮録システム３と、一体のユニットとして構成できる。

【００２２】 図２を参照して、本発明の方法の機能を、２つの形態において、以下に説明す
る。

【００２３】 本発明の方法の第１の実施形態において、制御ユニット２から同期パルス７が
発出され、さらに、時点ｔ₀にライン６を介して、レーザシステム１ないしその
光源に導かれる。レーザシステム１は適切な制御機構を備え、同期パルス７に基
づきレ−ザ過程をスタートさせる。レーザ共振器（発振器）内で、その際、他の
場合には不所望のスパイクと減衰振動８が生じるが、これは基本的にはデータ撮
録システム３のデータ撮録に負の影響を及ぼす。引続き、死（休止）時間（Totz
eit）ｔ₁と表わすべき時間だけ待つが、この死時間ｔ₁はレーザシステム１から
制御ユニットへバック通報できる。

【００２４】 死時間ｔ₁の後、例えば２０μｓの後、レーザは、時間間隔ｔ₂の間、少なくと
も十分に連続的なエミッション強度、即ち、一定のレーザ発振強度を有する状態
にある。この時間間隔ｔ₂は、レーザシステム１の本来の利用時間に係り、５０
μｓ〜１００μｓの範囲でありうる。この時間間隔は、データ撮録ないしはデー
タ撮録システム３の測定過程に利用される。ｔ₂の経過後、レーザシステム１は
、再びライン６を介して制御ユニット２の側から、同期パルス７を印加されるこ
とができ、即ち上述の過程を反復する。

【００２５】 さらに他の実施形態において、レーザシステム１又はその光源はライン６と結
合された同期出力を有することもできる。レーザシステム１はその際、図２に示
したレーザ発振強度の経過（カーブ）を周期的に反復し、かくてレーザシステム
１のピーク挙動ないしスパイクを同期のために、ライン６を介して制御ユニット
２へ導き、そしてライン５を介してデータ撮録システム３のデータ撮録をトリガ
するように、調整される。

【００２６】 なお、上述の実施形態は、本発明の教示を説明するためのものであり、これら
に限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の方法の作用の仕方をブロック図で示す模式図である。

【図２】 少なくとも十分に連続的な強度エミッションを有する撮像に利用できる領域を
備えたレーザエミッションの強度経過の模式図である。

【符号の説明】

１ レーザシステム ２ 制御ユニット ３ データ撮録システム／レーザ走査顕微鏡 ４ レーザ光線 ５、６ ライン ７ 同期パルス ８ 減衰（Relaxation）振動 ９ スパイク

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特に共焦点のレーザ走査顕微鏡であって、レーザシステム（
   １）が少なくとも１つの固体レーザ又はダイオードレーザを有するものの操作方
   法において、 走査過程ないしデータ撮録がレーザシステム（１）の少なくとも十分に連続的
   な強度エミッションの相と同期されることを特徴とする操作方法。
2. 【請求項２】 レーザシステム（１）及びデータ撮録システム（３）がデー
   タ撮録が、レーザシステム（１）の少なくとも十分に連続的な強度エミッション
   の相において行われるよう、制御ユニット（２）を介して同期されることを特徴
   とする請求項１記載の操作方法。
3. 【請求項３】 レーザシステム（１）の好ましくは調節可能な固有振動を用
   いて、そのピーク挙動がデータ撮録のための同期パルス（７）を供給する、請求
   項１又は２記載の操作方法。
4. 【請求項４】 レーザシステム（１）の同期パルス（７）が直接又は間接的
   にデータを撮録するシステム（３）に供給される、請求項３記載の操作方法。
5. 【請求項５】 レーザシステム（１）が制御ユニット（２）を介して同期パ
   ルス（７）を受け、死（休止）時間の後レーザシステム（１）の少なくとも十分
   に連続的なエミッション状態が所定期間達成され、この所定期間内にデータ撮録
   が行われる、請求項１又は２記載の操作方法。
6. 【請求項６】 同期パルス（７）がデータ撮録システム（３）から直接又は
   間接的にレーザシステム（１）に供給される、請求項５記載の操作方法。
7. 【請求項７】 レーザシステム（１）から、制御ユニットへ制御指令（通告
   ）が供給され、それにより、レーザシステム（１）の少なくとも十分に連続的な
   強度エミッションを示す、請求項１〜６のいずれか一に記載の操作方法。
8. 【請求項８】 撮像すべき像の個々の各画素の撮録が同期ないしトリガされ
   る、請求項１〜７のいずれか一に記載の操作方法。
9. 【請求項９】 撮像すべき像の個々の各線の撮録が同期ないしトリガされる
   、請求項１〜７のいずれか一に記載の操作方法。
10. 【請求項１０】 一つの像の好ましくは選択可能な領域の範囲内の撮録が同
    期ないしトリガされる、請求項１〜７のいずれか一に記載の操作方法。
11. 【請求項１１】 像全体の撮像が同期ないしトリガされる、請求項１〜７の
    いずれか一に記載の操作方法。
12. 【請求項１２】 複数の像の撮像を１つの同期パルス（７）によりレリース
    し、複数の像の撮像を−一緒に−同期ないしトリガする、請求項１〜７のいずれ
    か一に記載の操作方法。
13. 【請求項１３】 レーザシステム（１）は、周波数倍増特性を有する、請求
    項１〜１２のいずれか一に記載の操作方法。
14. 【請求項１４】 レーザシステム（１）は、光学的パラメトリック発振器（
    ＯＰＯ）をもって作動し、少なくとも２つの異なる波長の生起のために用いられ
    る、請求項１〜１３のいずれか一に記載の操作方法。