JP2003531393A - レーザ顕微切断・処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
関する。即ち、本発明は、切断されるべき試料を担持する顕微鏡ステージ;光軸
と、レーザビームを生成するレーザ光源と、及び前記レーザビームを前記試料に
おいて合焦する顕微鏡対物レンズとを有する投下光照明装置を有するレーザ顕微
切断・処理装置に関する。
射される投下光照明装置を有する。UVレーザビームは、投下光光路上で案内さ
れ、顕微鏡対物レンズを介し、モータ駆動で走行可能な顕微鏡ステージ(スキャ
ニングステージ)に載置される試料上で合焦される。合焦点においてUVレーザ
ビームにより生成される高密度のエネルギーは、試料の切断(ないし解剖)に利
用される。切断ラインは、(照射)位置固定のレーザビームに対し試料を相対運
動させるよう、切断時に、顕微鏡ステージを走行させることによって形成される
。通常は、パルスレーザが使用される。そして、1つのレーザパルスによって、
1つの小さな穿孔が試料に形成される。切断ラインは、そのような複数の穿孔を
互いに隣接するよう適切に(一列に)並べることにより形成される。そのために
は、顕微鏡ステージは、とりわけ対物レンズの倍率が著しく大きい場合、精密な
切断を行うために、高度な位置決め精度を有していなければならない。そのよう
な顕微鏡ステージは、高価である。
、その画像も運動しているように見える。このことは、低速度カメラとモニタに
よって観察が行われる場合、とりわけ混乱をきたす。この場合、モニタの画像は
ぼやけないし消失をしたり、急激な変化を示したりする。それゆえ、利用者の見
地からは、切断の際には、顕微鏡ステージを、従って試料を位置固定(不変)的
に構成することがより有利であろう。
ームを位置固定の試料上で運動させなけれなならない。レーザビームを試料上の
所定の範囲に亘って案内できるようにするためには、対物レンズに入射するレー
ザビームを変化する(それぞれ異なる)角度で対物レンズひとみに入射させなけ
ればならない。この角度の変化は、スキャン装置によって、x−及びy−方向で
行なわなければならない。
うなミラースキャナ、ガルバノメータスキャナ又はステップモータスキャナが挙
げられる。スキャン装置は、それぞれ、対物レンズひとみと共役する面に配設さ
れなければならない。そのためには、所謂ひとみ結像(Pupillenabbildung)が
必須となる。というのは、そうでなければ、偏向されたビームは、対物レンズひ
とみに入射しないからである。
するということにある。UVレーザビームで顕微切断ないし処理を行う際には、
UV適合性のひとみ結像が必要となるであろう。ひとみ結像を有する装置では、
例えばアパーチュア制限装置、摺動可能な2つのレンズからなるオフセット光学
系(Offset-Optik)、特殊な灰色フィルタないし中性フィルタ(Graufilter)等
のような一連の機能性ユニットが、スキャン装置とレーザ(光源)との間に配設
されなければならない。このため、そのようなシステムは、構造長さが大きくな
り、大きな設置面積も必要となる。その上、電子制御装置を含む既知のスキャン
装置は、非常に高価である。
回避できる、コンパクトで、構造も簡素で、しかも価格的にも妥当なレーザ顕微
切断・処理装置を提供することである。
及び光軸と、レーザビームを生成するレーザ光源と、該レーザビームを該試料に
おいて合焦する顕微鏡対物レンズとを有する投下光照明装置を有するレーザ顕微
切断・処理装置が提供される。このレーザ顕微切断・処理装置は、以下の新規な
特徴を有する。即ち:a)前記顕微鏡ステージは、試料切断の際、x−方向及び
y−方向に関し、位置固定(不変)的に構成されること、b)前記投下光照明装
置には、前記光軸に対し傾斜しかつ該光軸周りに互いに独立的に回動可能に構成
され、その楔角度に基づきビーム偏向を行う2つの肉厚な楔状ガラスプレートを
有するレーザスキャン装置が配されると共に、該楔状ガラスプレートの回動によ
って、その結果生じる前記光軸に対する前記レーザビームの偏角αが、可変とな
るよう構成構成されること、及びc)前記レーザビームは、前記レーザスキャン
装置の射出部において、前記楔状ガラスプレートの厚さ及び傾斜配置状態に基づ
く前記光軸に対する直交方向のビーム偏差を有し、かつ全ての偏角αにおいて、
前記顕微鏡対物レンズの対物レンズひとみの中心を通過するよう構成されること
を特徴とする。
して、レーザビームを、互いに対し摺動可能な2つのレンズ(所謂アバットの楔
(Abat'scher Keil))からなる光学ユニットか、又は互いに対し回転可能な2
つの薄いガラス楔からなる光学ユニットを透過させることによって、投下光照明
装置の領域においてレーザビームの偏向を行うことも可能ではあろう。しかしな
がら、これらの光学ユニットには、レーザビームは、専らビーム偏向のみが行わ
れ、そして対物レンズのひとみの外側に入射してしまうという欠点がある。その
ため、レーザビームは、切断されるべき試料には最早到達できない。そのため、
上述の光学ユニットを有する装置は、レーザスキャン装置としての使用には適合
しない。
肉厚楔状ガラスプレートを有するレーザスキャン装置を有する。2つの楔状ガラ
スプレートは、例えば、同じ楔角度及び異なる厚さ、並びに光軸に対する異なる
傾斜を有し得る。2つの楔状プレートは、その他の態様を取ることも可能である
。
ーム偏向(路)全体の内の一部(成分)を形成する。(ここで、楔角度は、1つ
の楔状ガラスプレートについて、その表側の(一方の)境界面(斜面)及び裏側
の(他方の)境界面(斜面)間のなす角を意味する。)ビーム偏向(路)全体の
内の当該2つの一部(成分)は、ベクトル的に加算される。2つの楔状プレート
の光軸周りでの互いに独立した回転により、ビーム偏向の当該2つの一部(成分
)の(ベクトルの)方向はそれぞれ変化する。そして、ビーム偏向の当該2つの
一部(成分)は、ベクトル的に加算されて、光軸に対するレーザビームの偏角α
を有するビーム偏向全体が得られる。こうして、切断されるべき試料上にレーザ
ビームが案内されるよう、全体として生成されるレーザビームのビーム偏向(路
)が変化される。
の直交方向に対する)ビーム偏差の変化を引き起こす。ビーム偏差のこの変化に
よって、ビーム偏向によって対物レンズひとみの面内で形成されるレーザビーム
のずれないしふれ(Ablage)が補償される。このため、レーザビームは、対物レ
ンズのひとみを−形成される偏角αとは無関係に−常に変わらずその中心を通過
する。
って任意の形状の切断ラインを形成することができる。例えば、2つの楔状プレ
ートがパラレル状態(Parallel-Stellung)にある場合、最大の偏角αが形成さ
れ、パラレル状態とは逆(対極)の状態(antiparallelen Anordnung)の場合は
、偏角α=0が得られる(即ち、レーザビームは、光軸上で試料に照射される)
。レーザビームの偏角αが最大の値を取る場合において、視野の境界領域にまで
レーザビームが偏向されるような大きさに、2つの楔状プレートの楔角度が選択
されると有利である。
的(位置不変的)に配し、かつレーザ切断(照射)スポットを僅かな技術的手段
を加えることにより試料上において運動させることが可能となる。同時に、2つ
の肉厚で、傾斜配置された、回動楔状プレートを有するレーザスキャン装置の本
発明の構成は、既知のビームスキャナより遥かに単純かつ価格的に有利である。
本発明のレーザ顕微切断・処理装置では、高価なモータ駆動xy−ステージ(ス
キャニングステージ)を利用せずに済む。というのは、切断の質は、顕微鏡ステ
ージの位置決め精度に依存しないからである。レーザ光源としては、紫外(UV
)スペクトル領域又は赤外(IR)スペクトル領域或いは可視(VIS)スペク
トル領域のレーザを使用することができる。
と、既知の通り、全ての対物レンズの倍率に対し、物体(試料)における(ビー
ムの)シフトないしずれは、対物レンズの倍率に比例する。レーザビームが丁度
視野の境界領域にまで偏向されるように最大偏角αが大きいようにすると、全て
の対物レンズに対し、その倍率とは無関係に、このことは当てはまる。これは、
視野内におけるレーザスキャン装置の空間分解能が、全ての対物レンズに対し同
じであることを意味する。視野全体に亘って(視野の任意の位置に)切断ライン
を形成するために、2つの楔状部材相互の角度調節が、全ての対物レンズに対し
同じように行われる。
置の、位置固定のレーザビームと可動xy−ステージとにより作動する既知のレ
ーザ顕微切断・処理装置に対する大きな利点がある。xy−ステージが可動の場
合、対物レンズの倍率を大きくすると物体における切断ライン幅はより小さくし
なければならず、当該ステージの位置決めは、より一層精密に行なわなければな
らない。
っての弱い対物レンズでの楔状部材の回転のための所与の角度分解能(Winkelau
floesung)において、より小さい切断ライン幅をもっての強い対物レンズの場合
よりも、自ずから物体におけるステップ幅がより大きくなる。
利用者が、切断プロセス中、試料を観察及び制御できるという利点を有する。そ
のため、観察者は、1つの切断プロセスが行われている最中にも、同時に、次に
行うべき所望の切断ラインを選択することができる。
限装置、摺動可能な2つのレンズからなるオフセット光学系、特殊な灰色フィル
タ等のような機能性ユニットをすべてコンパクトな顕微鏡光路に組み込む(統合
する)ことができるということである。このため、本発明の装置は、非常にコン
パクトな構造を有する。
ートの回動は、モータ駆動で行われる。このため、光軸周りで楔状ガラスプレー
トを回動させるために、楔状ガラスプレートの各々につき1つのモータ(例えば
ステップモータ)が配される。これらモータは、モータ制御装置からその制御信
号を受け取る。最も有利にはマイクロステップ駆動で制御されるステップモータ
の位置決め精度は、この場合、レーザビームの試料上での位置決め精度も規定す
る。
プレートの回動は、同様にモータ駆動で行われるが、付加的に、マウス(入力手
段)とモニタとを有するコンピュータが配される。コンピュータは、モータ制御
装置及びレーザ光源と接続される。更に、モニタで表示される試料の画像を撮像
するカメラが設けられる。この実施形態を実施する場合、以下の処理ステップを
(全処理ステップの少なくとも一部として)行なうことにより試料のレーザ切断
を行なうことも可能である。その処理ステップは、 a) マウスによりモニタにおいて試料切断ラインを規定するステップ、 b) 互いに隣接配置する一連の穿孔(複数)であって、その中心が、切断処
理中試料にとるべきレーザビームの目標照射位置に対応する穿孔(複数)へと、
試料切断ラインを計算的に分解変換するステップ、 c) 上記形成されるべき目標照射位置のそれぞれに対しレーザビームの偏角
αをそれぞれ計算し、かつ楔状ガラスプレートの対応する回転状態を計算するス
テップ、 d) 楔状ガラスプレートをモータ駆動で回転させる制御信号を生成するステ
ップ、及び e) 楔状ガラスプレートの回転によりレーザビームを上記計算された目標照
射位置へ偏向照射することによって上記規定された切断ラインを生成するステッ
プ、を含んで構成される。
きるので、本発明のレーザ顕微切断・処理装置は、他の使用態様にも適用可能で
ある。例えば、レーザスキャン装置によって偏向されたレーザビームを材料処理
(Materialbearbeitung)に適用することも可能である。
内し、該レーザビームにより(試料の)表面に記号を形成ないしマークする(be
schriften)ことも可能である。
ビームは光学ピンセット(optische Pinzette)を構成し、該レーザビームによ
り、個々のパーティクルを掴持・移送することも可能である。
・処理装置は、試料支持体3a(その下面に切断されるべき試料3が載置される
)を担持する試料支持体ホルダ2が配設される顕微鏡ステージ1を有する。顕微
鏡ステージ1の下方には、コンデンサ4が配設され、コンデンサ4を介して試料
3は下から(透過)照明される。顕微鏡ステージ1は、以下で説明する切断処理
中は、水平方向、即ちx−方向及びy−方向への移動は行われない。
ムが放射され、該レーザビームは、第一の偏向ミラー6aを介し、光軸8を有す
る投下光照明装置7へ差込入射される。投下光照明装置7には、レーザスキャン
装置9が配設される。レーザビームは、レーザスキャン装置9を通過し、第二の
偏向ミラー6bを介し、該レーザビームを試料3で合焦する対物レンズ10に到
達する。偏向ミラー6bは、ダイクロミックビームスプリッタとして構成される
のが好ましい。この場合、試料3から出発し対物レンズ10を通過する結像光路
20が、該スプリッタを介して、顕微鏡鏡筒22及び接眼レンズ24に到達する
。
独立に回動可能に構成される2つの肉厚楔状ガラスプレート11a、11bを有
する。このため、楔状ガラスプレート11a、11bは、ボールベアリング12
によって軸受支持(枢支)される。楔状プレート11aは、歯車13aと固定的
に結合され、楔状プレート11bは、歯車13bと固定的に結合されている。楔
状ガラスプレート11a、11bの回動は、対応してそれぞれに対し配される2
つのステップモータ14a、14bによって行われ、ステップモータ14aは、
歯車13aと係合し、ステップモータ14bは、歯車13bと係合する。
14bをそれぞれ制御する制御信号を生成する1つのステップモータ制御装置1
5が接続される。ステップモータ制御装置15は、モニタ28と接続するコンピ
ュータ26が接続される。モニタ28には、カメラ16から受容した試料3の画
像を表示される。モニタ28には、コンピュータマウス(不図示)によって切断
ラインを規定することができる。コンピュータ26は、更に、レーザ光源5と接
続し、楔状ガラスプレート11a、11bがステップモータ14a、14bによ
って切断ラインの(を形成する)ための目標位置にセットされたとき、レーザパ
ルスを放射するための制御(トリガ)信号をレーザ光源5に供給する。
ムは、レーザスキャン装置9の射出部において、種々異なる偏角で現われ(射出
され)るが、何れの場合も、対物レンズひとみの中心を通過するように対物レン
ズ10を通過する。その際、偏角を変化させることにより、対物レンズ10の視
野内にある試料3の任意の位置にレーザビームを導くことができる。2つの楔状
ガラスプレート11a、11bの回転を夫々適正に制御することにより、試料3
に切断ラインを形成することができる。試料3の切断された部分は、試料支持体
ホルダ2のフレーム状の開口部を通って、試料3の下方の顕微鏡ステージ1上に
配される受容容器17内に落下する。
した。レーザスキャン装置9内の2つの楔状ガラスプレート11a、11bを模
式的に示した。図3には、楔角度βを明確に示すために、2つの楔状ガラスプレ
ート11a、11bの内の一方についてのみ楔角度βを示した。楔角度βは、楔
状ガラスプレート11a、11bについて、それぞれ、その表側の(一方の)境
界面(斜面)及び裏側の(他方の)境界面(斜面)間のなす角を意味する。
スプレート11a、11bに向って進む。楔状ガラスプレート11a、11bの
各々において、レーザビーム18は、当該楔状プレートの楔角度に基づいたビー
ム偏向を受ける。このため、2つの楔状ガラスプレート11a、11bを通過し
た後、全体として偏角αが得られる。
2つの楔状ガラスプレート11a、11bの各々において、レーザビーム18の
ビーム偏差(変位)が生じる。これによって、レーザビーム18は、2つの楔状
ガラスプレート11a、11bを通過した後、全体としてビーム偏差Δを有する
ことになる。このビーム偏差Δは、レーザビーム18が、常に、対物レンズ(図
2及び図3では示していない)10の対物レンズひとみ19の中心を通過して進
行するような大きさになるよう構成される。
が、互いに平行な状態:Parallelstellung)にある2つの楔状ガラスプレート1
1a、11bを示した。この状態では、最大偏角αと最大ビーム偏差Δが形成さ
れる。図3に、前記パラレル状態とは逆(対極)の回転状態(パラレル状態(図
2)にある2つの楔状プレートの内の一方を光軸周りに180°回転させた状態
:Anti-Parallelstellung)にある2つの楔状ガラスプレート11a、11bを
示した。この状態では、ビーム偏向は形成されない、即ち偏角α=0となり、ビ
ーム偏差も生じない、即ちΔ=0となよう構成されている。
うにするために、ビーム偏差Δは、全ての偏角αに対し、偏向されたビームがひ
とみ面内においてその横方向(光軸に対する直交方向)のずれないしふれが丁度
補償されるような大きさにされる。
より、レーザビーム18が切断されるべき試料3に案内されるようにするために
、レーザビーム18が、調節されたどの偏角αでも対物レンズひとみ19を常に
その中心を通過するように、レーザビーム18のビーム偏向及びビーム偏差は変
化される。
脱しない範囲において、修正・変更等を行なうことができ保護範囲に含まれるこ
とは当業者には自明である。
ビームの光線推移。
Claims (8)
- 【請求項1】 ・切断されるべき試料を担持する顕微鏡ステージ、及び ・光軸と、レーザビームを生成するレーザ光源と、該レーザビームを前記試料
において合焦する顕微鏡対物レンズとを有する投下光照明装置 を有するレーザ顕微切断・処理装置において、 a) 前記顕微鏡ステージ(1)は、試料切断の際、x−方向及びy−方向に
関し、位置固定的に構成されること、 b) 前記投下光照明装置(7)には、前記光軸(8)に対し傾斜しかつ該光
軸(8)周りに互いに独立的に回動可能に構成され、その楔角度に基づきビーム
偏向を行う2つの肉厚な楔状ガラスプレート(11a、11b)を有するレーザ
スキャン装置(9)が配されると共に、該楔状ガラスプレート(11a、11b
)の回動によって、その結果生じる前記光軸(8)に対する前記レーザビーム(
18)の偏角αが、可変となるよう構成されること、及び c) 前記レーザビーム(18)は、前記レーザスキャン装置(9)の射出部
において、前記楔状ガラスプレート(11a、11b)の厚さ及び傾斜配置状態
に基づく前記光軸(8)に対する直交方向のビーム偏差を有し、かつ全ての偏角
αにおいて、前記顕微鏡対物レンズ(10)の対物レンズひとみ(19)の中心
を通過するよう構成されること を特徴とするレーザ顕微切断・処理装置。 - 【請求項2】 前記レーザ光源(5)は、UVレーザ又はIRレーザ又はVISレーザを放射
するよう構成されること を特徴とする請求項1に記載のレーザ顕微切断・処理装置。 - 【請求項3】 a) 前記楔状ガラスプレート(11a、11b)の各々には、前記光軸(8
)の周りに該楔状ガラスプレート(11a、11b)をそれぞれ回動するモータ
(14a、14b)が配されること、及び b) 前記モータ(14a、14b)には、モータ制御装置(15)が配され
ること を特徴とする請求項1に記載のレーザ顕微切断・処理装置。 - 【請求項4】 a) 前記楔状ガラスプレート(11a、11b)の各々には、前記光軸(8
)周りに該楔状ガラスプレート(11a、11b)をそれぞれ回動するモータ(
14a、14b)が配されること、 b) 前記モータ(14a、14b)には、モータ制御装置(15)が配され
ること、 c) マウス及びモニタ(28)を有するコンピュータ(26)が配され、該
コンピュータ(26)は、前記モータ制御装置(15)及び前記レーザ光源(5
)と接続すること、及び d) 前記モニタ(28)で表示される前記試料(3)の画像を撮像するカメ
ラ(16)が配設されること を特徴とする請求項1に記載のレーザ顕微切断・処理装置。 - 【請求項5】 以下の処理ステップ: a) 前記マウスにより前記モニタ(28)において試料切断ラインを規定す
るステップ、 b) 互いに隣接配置する一連の穿孔(複数)であって、その中心が、切断処
理中前記試料(3)にとるべき前記レーザビームの目標照射位置に対応する穿孔
(複数)へと、前記試料切断ラインを計算的に分解変換するステップ、 c) 前記形成されるべき目標照射位置のそれぞれに対し前記レーザビーム(
18)の偏角αをそれぞれ計算し、かつ前記楔状ガラスプレート(11a、11
b)の対応する回転状態を計算するステップ、 d) 前記楔状ガラスプレート(11a、11b)をモータ駆動で回転させる
制御信号を生成するステップ、及び e) 前記楔状ガラスプレート(11a、11b)の回転により前記レーザビ
ーム(18)を前記計算された目標照射位置へ偏向照射することによって前記規
定された切断ラインを生成するステップ を含むことを特徴とする請求項4に記載のレーザ顕微切断・処理装置の使用。 - 【請求項6】 前記レーザスキャン装置(9)により偏向されるレーザビームは、材料処理に
適用されること を特徴とする請求項1に記載のレーザ顕微切断・処理装置の使用。 - 【請求項7】 前記偏向されるレーザビームは、コンピュータ制御により案内され、かつ該レ
ーザビームにより、表面に記号が形成されること を特徴とする請求項4に記載のレーザ顕微切断・処理装置の使用。 - 【請求項8】 前記偏向されるレーザビームは、光学ピンセットを構成し、該レーザビームに
より、個々のパーティクルが掴持・移送されること を特徴とする請求項1に記載のレーザ顕微切断・処理装置の使用。
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