JP2004004743A - 視準器光学系および/またはピンホール光学系を有するレーザ走査型顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】可変伝送長および固定焦点距離を有する、無限大空間から有限の断面幅を有する像平面内への結像を実現する光学系4、および/または、1つの開口数を有するファイバ出口の点光源を走査対物レンズ3の前にある無限大空間内において平行ビームに変換する、固定焦点距離および可変断面幅を有する視準器光学系5がファイバ出口の後に配備されており、その場合波長に依存する、微小対物レンズ1の縦方向色誤差の少なくとも部分的な補償が、使用される照明波長についての色曲線の回転を通じて行われるようにした。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
小さい構造を観察するための近代的な道具がレーザ走査型顕微鏡(LSM)として公知である(ウィルソン、共焦点顕微鏡法、アカデミー・プレス)。古典的な顕微鏡の場合と同じように対象物は対物レンズ1および円筒レンズ2を通じてまず中間像平面内へ結像する。LSMの第2の結像段階において共焦点原理は励起側および検出側で実現される。励起側では点状ファイバ出口と、古典的顕微鏡配置における中間像平面内へ焦点を結ぶ走査対物レンズの前方にある無限大空間との結合が、視準器2を通じて、または直接的に行われる。検出の側では対象物から発するスペクトル変移した蛍光光線が使用されるが、これは走査対物レンズ3およびピンホール光学系4を通じて中間像平面の後方、検出用ピンホールに集束する。励起チャンネルおよび検出チャンネルへの分離は、カラースプリッタによって行われる。走査対物レンズ3と視準器光学系5/ピンホール光学系4間の無限大空間内で、対物レンズ瞳孔の像の近くに配置されている走査鏡により、各像視野点を調査し、検出する。その後像は電子的には、検出信号および走査位置を通じて得た情報から組成される。ビーム形成は対物レンズ1瞳孔内で行われる(図1)。
【0002】
【従来の技術】
中間像まではしばしば、古典的な光学顕微鏡検査のVIS要求に対応する光学系が利用されることから、新たに開発すべきスペクトル領域(UV,IR)については、対物レンズおよび円筒レンズの補正に依存した焦点差異が現れる。系統的に現れる成分は走査対物レンズ内で補償できる。それを越えて起こる色収差については、結合光学系およびピンホール光学系をさまざまな光路長のチャンネルにスペクトル別に分割することによって調整する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、1つのチャンネルの内部でさえしばしばかなりの量の機械的調整を要する。これが惹き起こされるのは、UV領域およびIR領域内において殆どの場合に現れる縦方向色誤差の強い波長依存性による。一方、横方向に高い像拡大率(〜100)を有する系は、対象物から像空間内への軸方向の位置変化に対しては敏感に反応する。
【0004】
その対策としては、ある程度までの焦点外れに対し十分な補助のできる、ピンホール平面と共役にある視準器グループを全体的に移動させる方法が取られる(DE 19702753 A12)。これは、照明直径を可変光学系によって変化させることを目標とする解決法(DE 19654211 A1、 DE 19901219 A13)とは異なっている。
しかし以下では、無限大空間から有限の断面幅を有する像平面内への結像を実現する、可変伝送長と固定焦点距離とを有する光学系について記述する。これはピンホール光学系または視準器光学系として、さまざまな波長の追加フォーカシングの場合に固定の像拡大率で使用することができる。
【0005】
この光学系は「無限大空間」から像平面内への結像を実現し、以下の条件を満たしている:
1.固定の焦点距離fG
2.小さい調整距離で大きい断面幅変化
3.適用の時々に必要とされるビーム直径および波長に対応する、大きなスペクトル帯域幅確保のための幾何光学的補正ならびに色補正
【0006】
【課題を解決するための手段】
解決法としては、第1グループが正の屈折力を、第2グループが負の屈折力を、第3グループが正の屈折力を有する、少なくとも3つの素子から成る光学系が提案される(図2,図4)。本解決法の特徴は、伝送長を変化させるために2つのグループを残りのグループに対して相対的に移動させる点である。
【0007】
この光学素子移動は、選択すべきスペクトル領域にわたって全波長を1平面上へ結像することができるように、像断面幅の波長依存位置を補償する。像断面幅の大きな変化は、像平面内で焦点を結ぶことの可能なスペクトル領域が大きいことに対応している。本解決法は焦点距離を保持するのみならず、伝送長の大きな変化も可能とする。
【0008】
特に有利なピンホール光学系の形成は、第1および第3グループが共に一体として移動し、第2グループが固定されたままのときに達成される。近軸近似においては、第1および第3グループの焦点距離がほぼ等しいとき、達成可能な断面幅変化ΔS’maxは、式1によって算定される。
【式1】
式中、fGは、構成長L=L12+L23である光学系の全焦点距離を、f2は第2グループの焦点距離を表わしている。
【0009】
焦点距離f’=160についての実施例(ピンホール光学系)
f’=160タイプでは、一定の焦点距離およびピンホール位置を有する、フォーカシング可能なピンホール光学系が小さな機械的調整移動により実現されねばならない。目標は検出光路毎にフォーカシングを対象波長領域について最適に調整し、この領域をLSM5に比較して広くすることである。
【0010】
【発明の実施の形態】
実施例として下記表1の例を示す。
【表1】
表中の番号は次の通りである。
1: レンズL1の第1面
2: レンズL1の第2面
3: レンズL2の第1面
4: レンズL2の第2面
5: レンズL3の第1面
6: レンズL3の第2面
7: ピンホール
【0011】
移動例
縦方向色誤差に基づく調整の条件はずっと後段で採り上げる。
対物レンズの縦方向色誤差を補償する場合、前方レンズおよび後方レンズを固定中間レンズに対して共同で移動すれば、表2の調整距離が実現できる。
【表2】
【0012】
フォーカシング動作を図3aに示す。図3bではピンホール光学系の機能性を評価するため、ピンホール平面内にある錯乱円、縦方向色誤差、ピンホール平面内でのデフィニション明度および追加フォーカシングにおけるその値、ならびに全波長にわたる焦点距離の変化および対応するレンズ位置が観察対象になっている。図に示された線は390nm、546nmおよび750nmについてのフォーカシングにおけるそれぞれの値を示している。前方および後方のレンズを移動させることよって、縦方向色誤差は補償することができ、ピンホール平面内の対応デフィニション明度は追加フォーカシングされたそれの最高値に達する。このとき焦点距離はほぼ一定したままである。
【0013】
ピンホール光学系の縦方向色誤差CHL(λ,z1)は、特にλ0=546mmに関しては次の式1で近似的に表わされる。
【式2】
ただし、
ck(z1)=qk+rkz1+skz1 2
ここでz1座標は前方レンズと中間レンズ間の距離3を表わし、ピンホール光学系の特徴付けに利用される。その代わりに空中距離5、または以下においてz2もしくはz3と称される空中距離7が、
結合関係
z1=20.5mm−z2
z1=z3−142.6mm
のもとで使用できる。
【0014】
対物レンズの縦方向色誤差を補償するためには以下のアルゴリズムを提案する:
対物レンズの縦方向色誤差Δz(λ)は、結像時の像拡大率βをピンホール平面に適用して計算する。
Δz’(λ)=β2Δz(λ)
この縦方向色誤差は、ピンホール光学系を波長λについて追加フォーカシングすることにより補償されなければならない。
すなわち、 Δz’+CHL(λ,z1)=0 から、移動型ピンホール光学系の適切な調整を特徴付けるz1について解が得られる。
【0015】
前方レンズと中間レンズとの間の空中距離z1によって特徴づけられる、上記ピンホール光学系の予備調整に対する計算は以下のようにして行える。
z1=0.16CHL0(λ)+10.5mm
ここでCHL0(λ)はピンホール平面内へ理想的に結像した場合の対物レンズの縦方向色誤差を表わす。これに加えて次の式が成立する:
z2=20.5mm‐z1
z3=z1+142.6mm
ピンホール光学系は21mmの自由移動範囲Δz1にわたって利用できるから、この配置により対物レンズの縦方向色誤差がピンホール平面内で130mmまでも補償される。
【0016】
焦点距離f’=22 についての実施例(視準器光学系)
視準器光学系は、約0.07の開口数値を持つファイバ出口の点光源を、走査対物レンズ前の無限大空間において直径3.2mmの平行ビームに変換するという役目を持つ。それには焦点距離22mmの光学系が必要である。さらに対物レンズにおける縦方向色誤差の部分的補償を、色曲線の回転によって実現しなければならない。
無限遠からファイバ出口への結像は以下の表3ように実施することができる。
【表3】
距離d:
d2:レンズ厚L1、 d3:距離L1−L2、 d4:厚さL2、 d5:距離L2−L3、 d6:厚さL3、 d7:距離L3−ファイバ出口
【0017】
この場合、固定焦点距離のとき、それぞれ固定波長の1つ、特に λ0=546nm、が焦点の合ったままで、また別な1波長が対物レンズの縦方向色誤差を補償するために役立つ1つの定義付けされた縦方向色誤差を保つように、調整がなされる。固定焦点距離における色曲線の回転は、中間レンズを外側の固定結合された両レンズに対して移動させることによって実現される。
【表4】
【0018】
図3aはこの配置の調整範囲を示している。その特徴的傾向から、視準器グループがUV領域で縦方向色誤差を0.35mmだけ回転させる可能性が読み取れる。
【0019】
視準器移動の動作を記述するためには2つの量が必要である。それは最後のレンズからファイバ出口までの空中距離7 z3および中間レンズから最後のレンズまでの空中距離5 z2である。関数観察から、1つの波長(λ0=546nm)をフォーカシングするためには、1つの結合された移動z2(z3)が前提となる。上で選択された屈折力配分のときは特別に z2(z3)=0.55z3−4.2mm が成立する。
【0020】
視準器光学系の縦方向色誤差はCHL(z3,λ)として表現される。式1は、変更された展開係数ck(z3)=qk+rkz3 のときに成立する。
【0021】
波長λ1とλ2間の縦方向色誤差が、対物レンズと共に補償されるような特定値を取る位置z3を求める。
CHL(z3,λ1)−CHL(z3,λ2)=−CHL0(λ1,λ2)ファイバに対する最後尾レンズの位置z3および中間レンズの当該位置z2(z3)については、対応の移動空間が十分にある限り、この条件から求められる。対物レンズによって惹き起こされた、ファイバ結合平面内における両波長λ1,λ2間の縦方向色誤差CHL0(λ2)−CHL0(λ1)が同じ焦点距離の視準器によって補償されるように色曲線回転のための視準器を予備調整するが、その計算は次式により行える。
z2=3.7mm−0.24μmx(CHL0(λ2)−CHL0(λ1))/(λ2−λ1)
z3=1.8z2+7.5mm
z1=5.4mm−z2
前方レンズと中間レンズ間の空中距離3 z1は、前方レンズおよび後方レンズを共に移動させることからもたらされる。
【0022】
ピンホール光学系並びに視準器光学系の使用下で縦方向色曲線を追加フォーカシングおよび回転させる方法は、以下の場合では特に有利である。
a)対物レンズの縦方向色誤差が支配的である
b)系が追加フォーカシングされる(小さい球面収差、良好な伝送)
c)縦方向色誤差への走査対物レンズの関与が無視できる
【図面の簡単な説明】
【図1】LSMの一般的構成
【図2】:ファイバ/PH方向のピンホール光学系・視準器の模式図
【図3】(a)縦方向色誤差を補償するためのピンホール光学系のグループL1およびL3の移動(中間レンズ固定)、(b)aで選択された位置設定における結像特性の評価
【図4】(a)固定焦点距離において色曲線を回転させるための視準器移動、(b)aで選択された設定位置における結像特性の評価
【符号の説明】
1 対物レンズ
2 円筒レンズ
3 走査鏡を有する走査対物レンズ
4 ピンホール
5 視準器光学系
Claims (20)
- 検出器の前に孔絞りが配置されている、少なくとも1つの検出光路を有するレーザ走査型顕微鏡であって、検出された光のさまざまな波長を検出光路内の孔絞りの平面内へフォーカシングするため、無限大空間から有限の断面幅を有する像平面内へ、の結像を実現する可変伝送長および固定焦点距離を有する光学系が配備されているレーザ走査型顕微鏡。
- 第1グループが正の屈折力を有し、第2グループが負の屈折力を有し、第3グループが正の屈折力を有する、少なくとも3つの素子からなる請求項1に記載の光学系。
- 2つのグループが、伝送長を変更するために残りのグループに対して相対的に移動する請求項1または2に記載の光学系。
- 第1グループおよび第3グループが、共に一体となって移動し、第2グループが、固定されたままになっている請求項1から3のいずれか1項に記載の光学系。
- − 対物レンズの縦方向色誤差Δz(λ)を、ピンホール平面内への結像時における像拡大率βの使用下で Δz’(λ)=β2Δz(λ) として算出する、
− この縦方向色誤差は、ピンホール光学系の追加フォーカシングにより波長λについて補償しなければならない、すなわち Δz’+CHL(λ,z1)=0
であり、
− これより、移動型ピンホール光学系の調整を特徴付けている前方レンズと中間レンズとの距離z1について解答を算出する、対物レンズの縦方向色誤差の補償が行われる請求項1から8のいずれか1項に記載の光学系。 - 前方レンズと中間レンズ間の空中距離によって特徴付けられるピンホール光学系の予備調整についての計算が、 CHL0(λ) をピンホール平面内へ理想的に結像する場合の対物レンズの縦方向色誤差とすれば、
z1=0.16×CHL0(λ)+10.5mm
により行われる請求項1から9のいずれか1項に記載の光学系。 - レーザ走査型顕微鏡が、数本の検出光路を有し、少なくとも1本の検出光路が、無限大光路を有する顕微鏡内インターフェースへ接合可能である請求項1から10のいずれか1項に記載の光学系。
- 1つの開口数を有するファイバ出口の点光源を、走査対物レンズの前にある無限大空間内において平行ビームへ変換する固定焦点距離および可変断面幅を有する視準器光学系が、ファイバ出口の後に配備されており、その場合波長に依存する、微小対象物の縦方向色誤差の少なくとも部分的な補償が、使用される照明波長についての色曲線の回転を通じて行われる、少なくとも1つの光ファイバを通じて結合された光源を持つ先行請求項のうちの1項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
- 第1グループが正の屈折力を有し、第2グループが負の屈折力を有し、第3グループが正の屈折力を有する少なくとも3つの素子から成る請求項12に記載の光学系。
- 色曲線の回転が固定焦点距離の場合には、外側の両レンズおよび中間レンズが共に移動することによって実現する請求項12ないし13のいずれか1項に記載の光学系。
- 光学系が、開口数値0.07を有するファイバ出口の点光源を、走査対物レンズ前方にある無限大空間内において、直径3.2mmの平行ビームへ変換する請求項12から14のいずれか1項に記載の光学系。
- 視準器光学系が、約22mmの焦点距離を有する請求項12から15のいずれか1項に記載の光学系。
- 第2および第3レンズの結合移動z2(z3)が1波長のフォーカシングのために行われ、
その場合、
z2:中間レンズから最後尾レンズまでの照明方向に向かう空中距離、
z3:最後のレンズからファイバ出口までの空中距離として、
z2(z3)=0.55z3−4.2mm
が成立する請求項12から18のいずれか1項に記載の光学系。 - 対物レンズに起因する、両波長λ1とλ2間でのファイバ結合の平面内にある縦方向色誤差CHL0(λ2)−CHL0(λ1)が、以下の関係、すなわち
z2=3.7mm−0.24μmx(CHL0(λ2)−CHL0(λ1))/(λ2−λ1)
z3=1.8z2+7.5mm
z1=5.4mm−z2
のとき、等しい焦点距離の視準器によって補償される請求項12から19のいずれか1項に記載の光学系。
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