JP2007502443A5 - - Google Patents

Description

異なる波長を有する光ビームをコリニアに合一する光学装置及び該光学装置を有する顕微鏡

本発明は、複数の光ビームをコリニアに合一（一体化）する（１つにまとめる）光学装置、及びそのような光学装置を有する顕微鏡に関する。

互いに異なる波長を有する複数の光ビームを合一するために、光学系には、通常、ダイクロイックビームスプリッタ（複数）が使用される。

ＤＥ １９６ ３３ １８５ Ａ１ ＥＰ ０ ４７３ ０７１ Ｂ１ ＥＰ ０ ４９５ ９３０ ＤＥ １９８ ４２ ２８８ Ａ１

ドイツ公開公報ＤＥ １９６ ３３ １８５ Ａ１（特許文献１）には、レーザスキャン顕微鏡のための点光源と、互いに異なる波長を有する少なくとも２つのレーザ（ビーム）をレーザスキャン顕微鏡に入射する方法が記載されている。この点光源は、モジュール構造を有し、及び少なくとも２つのレーザ光源の光を合一しかつ顕微鏡に通じる光伝送ファイバに（差込）入射するダイクロイックビーム合一装置を有する。

複数のダイクロイックビームスプリッタ（の使用）を基礎とする構成は、勾配が無限大の（垂直の）エッジ特性を有するダイクロイックビーム合一装置は理論的にしか製造することができないので、互いに緊密に隣接する波長を有する複数の光ビームの合一は全く不可能であるか、可能であっても効率が悪いという欠点を有する。

欧州特許公報ＥＰ ０ ４７３ ０７１ Ｂ１（特許文献２）には、複数のダイクロイックミラーと、１つのビーム分割偏光プリズムとを有する半導体レーザのためのビーム合一装置が記載されている。このビーム分割偏光プリズムは、互いに対し垂直に延在する直線偏光方向を有する光ビーム（複数）を合一して１つのコリニアな光ビームを生成する。この（合一された）光ビームは、２つの偏光方向を有する。顕微鏡検査に対しては、２つの単一（個別）光ビームから１つの照明光ビームを生成するこの方法は限定的にしか使用することができない。というのは、結果として生じる照明光ビームの所与の偏光特性が、実験（検査）条件を過大に制限することが多いからである。

ラスタ顕微鏡検査では、試料（被検対象）は１つの光ビームで照明され、該試料から出射した反射光又は蛍光光が観察される。照明光ビームの合焦（集光）スポットは、制御可能なビーム偏向装置によって、通常は２つのミラーの傾動運動によって、物体（試料）面内で移動させられる。その偏向軸（複数）は、多くの場合、互いに対し垂直に延在しているため、一方のミラーはｘ方向に、他方のミラーはｙ方向に偏向（走査）を行う。（２つの）ミラーの傾動運動は、ガルバノメータ位置調節装置（複数）によって実行される。物体（試料）から到来する光のパワー（強度）は、走査ビームの位置に応じて測定される。ガルバノメータ位置調節装置（複数）は、通常、それぞれ、実際の（各時点における）ミラー位置を求めるためのセンサを有する。

とりわけ共焦点ラスタ顕微鏡検査では、物体（試料）は、１つの光ビームの合焦スポットによって三次元的に走査される。

共焦点ラスタ顕微鏡は、通常、光源と、光源の光をホール絞り（いわゆる励起絞り）において合焦する結像光学系と、ビームスプリッタと、ビーム制御のためのビーム偏向装置と、顕微鏡光学系と、検出絞りと、検出ないし蛍光光を検出するための検出器（複数）を有する。照明光は、多くの場合、例えばニュートラルビームスプリッタ又はダイクロイックビームスプリッタとして構成され得るビームスプリッタを介して、（差込）入射される。ニュートラルビームスプリッタは、分割割合（分割比）に応じて、多くの励起光又は多くの検出光を喪失するという欠点を有する。

物体から到来する蛍光光又は反射光は、ビーム偏向装置を介して、ビームスプリッタに戻り、該ビームスプリッタを通過した後、検出絞りにおいて合焦される。この検出絞りには検出器（複数）が後置されている。合焦領域に直接的には由来しない検出光は、異なる光路を辿り、検出絞りを通過しないため、物体の連続的走査により三次元画像を生成する点情報が得られる。多くの場合、三次元画像は、断層的に画像データを取得することによって得られるが、物体上ないし物体内における走査光ビームの軌跡は、理想的には、ジグザグ状（メアンダ状）をなす。（例えば、ｙ位置を固定して、ｘ方向に一列の走査を行った後、ｘ走査を停止し、次いで、ｙ位置をずらして次に走査されるべき列に移り、そして、そのｙ位置を固定して、当該列を負の（直前に行った走査の方向と反対の）ｘ方向に走査を行い、これらの工程を繰り返す。）断層的な画像データの取得を可能にするために、試料テーブル又は対物レンズは、１つの層の走査の終了後、スライドされ、走査されるべき次の層が、対物レンズのフォーカス（合焦）面にもたらされる。

多くの応用例では、試料は、複数のマーカー、例えば複数の異なる蛍光着色物質によって調製（標識）される。これらの着色物質は、例えば互いに異なる励起波長を有する複数の照明光ビームによって、順次励起することができる。複数の励起波長を有する光を含む１つの照明光ビームによって同時に励起を行うことも一般的に行われている。欧州特許出願ＥＰ ０ ４９５ ９３０（特許文献３）：「多色蛍光法のための共焦点顕微鏡システム（Konfokales Mikroskopsystem fuer Mehrfarbenfluoreszenz）」には、例として、各別の複数のレーザ線を放射する１つのレーザを有する装置が記載されている。現状では、実用上、そのようなレーザは、多くの場合、混合ガスレーザ、とりわけＡｒＫｒレーザとして構成される。

ドイツ公開公報ＤＥ １９８ ４２ ２８８ Ａ１（特許文献４）には、顕微鏡において１又は複数の波長の調節可能な（差込）入射及び／又は検出のための装置が記載されている。

本発明の課題は、偏光方向に依存せずかつ複数の波長間のスペクトル的近さに依存せず、複数の光ビームをコリニアに合一（一体化）する（１つにまとめる）ことを可能にする光学装置を提供することである。

上記の課題は、発散（拡開ないしスペクトル分解）要素（dispersives Element）と結像光学系とが分解面（Aufspaltungsebene）を規定するよう構成された光学装置であって、前記分解面には、光波長の各々に対しそれぞれ１つの部位が割り当てられ、かつ前記分解面には、互いに異なる方向から入射する（到来する）光ビーム（複数）であってそれらの波長に応じた前記部位にフォーカシング（合焦）される光ビーム（複数）を、前記結像光学系を介し、該光ビーム（複数）をコリニアに合一（一体化）する（１つにまとめる）前記発散（拡開・分解）要素に向けて送出（偏向）する微小構造要素が配されるよう構成された光学装置によって解決される（形態１・基本構成）。

本発明の独立請求項１により、上記課題に対応する効果が達成される。即ち、本発明の光学装置は、偏光方向に依存せずかつ複数の波長間のスペクトル的近さに依存せず、複数の光ビームをコリニアに合一（一体化）する（１つにまとめる）ことができる。
更に、各従属請求項により、付加的な効果が夫々達成される。

ここに、本発明の光学装置の好ましい実施の形態を示すが、形態２〜１６は従属請求項の対象でもある。
（形態１） 上記基本構成参照。
（形態２） 上記形態１の光学装置において、前記光ビーム（複数）は、互いに異なる波長を有することが好ましい。
（形態３） 上記形態１又は２の光学装置において、少なくとも１つの光ビームが、複数の波長を有することが好ましい。
（形態４） 上記形態１〜３の光学装置において、前記発散（拡開・分解）要素は、少なくとも１つの光ビームを、前記微小構造要素に入射する前に、空間的にスペクトル分解することが好ましい。
（形態５） 上記形態１〜４の光学装置において、少なくとも１つの光ビームを、前記微小構造要素に入射する前に、空間的にスペクトル分解する更なる発散（拡開・分解）要素を有することが好ましい。
（形態６） 上記形態１〜５の光学装置において、前記発散（拡開・分解）要素は、プリズムを含むことが好ましい。
（形態７） 上記形態１〜５の光学装置において、前記発散（拡開・分解）要素は、回折格子を含むことが好ましい。
（形態８） 上記形態１〜７の光学装置において、前記発散（拡開・分解）要素は、結像光学系を含むことが好ましい。
（形態９） 上記形態１〜８の光学装置において、前記微小構造要素は、反射性領域（複数）及び透過性領域（複数）を有することが好ましい。
（形態１０） 上記形態１〜９の光学装置において、前記微小構造要素は、互いに異なる傾きを有するミラー面（複数）を有することが好ましい。
（形態１１） 上記形態１〜１０の光学装置において、前記微小構造要素は、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）ないしＭＯＥＭＳ（マイクロ光学電気機械システム）を有することが好ましい。
（形態１２） 上記形態１〜１１の光学装置において、前記微小構造要素は、マイクロミラーアレーを有することが好ましい。
（形態１３） 上記形態１〜１２の光学装置において、前記微小構造要素は、マイクロプリズムアレーを有することが好ましい。
（形態１４） 上記形態１〜１２の光学装置において、前記微小構造要素は、互いに異なる屈折率を有する領域（複数）を有することが好ましい。
（形態１５） 上記形態１〜１４の何れかの光学装置を有する顕微鏡が提供される。
（形態１６） 照明光ビームを生成するための上記形態１〜１４の何れかの光学装置を有する、共焦点ラスタ顕微鏡等のラスタ顕微鏡が提供される。

本発明の１つの利点は、連続スペクトルを有する複数の光ビームであっても合一（一体化）可能であること、それも、ある１つの光ビームの波長（複数）が、他の１つの光ビームのスペクトル内に含まれている場合であっても複数の光ビームを合一（一体化）することができることである。

複数の光ビームのうちの１つが複数の波長を有する光を含んでいる一形態に対しては、当該光ビームが微小構造要素に入射する前に空間的にスペクトル分解されるよう構成される。これは、更なる発散（拡開・分解）要素、例えばプリズム又は回折格子によってないし微小構造要素から出射した光を合一（一体化）する発散（拡開・分解）要素によって実行することができる。

発散（拡開・分解）要素は、例えば、回折格子又はプリズムとして構成することができる。結像光学系は、例えば、レンズ光学系又はミラー光学系として構成することができる。好ましい一変形形態では、発散（拡開・分解）要素と結像光学系は、１つの要素とされて、例えば、凹面（鏡）回折格子を構成する。結像光学系は、円柱状光学系も、球状光学系も含み得る。

一方では、発散（拡開・分解）要素と結像光学系との間の距離が、他方では、結像光学系と微小構造要素との間の距離が、当該結像光学系の焦点距離ｆに相当すると有利である。例えばレンズとして構成された結像光学系が２つの異なる主平面を有するか、又は何等かの理由からレンズコンビネーションが使用される場合、複数の異なる波長が分解面にテレセントリックに結像されることが適うように、上記の各距離が選択されるのが好ましい。結像光学系は、テレセントリック結像システムであることが好ましい。というのは、その場合、戻り光のパラレルシフトが生じないからである。

とりわけ有利な一変形形態では、微小構造要素は、反射領域（複数）と透過領域（複数）とを有する。この変形形態では、第１の光ビームの光が反射領域（複数）において合焦され、第２の光ビームの光が透過領域（複数）において合焦される。微小構造要素は、例えば、フォトリソグラフィ法により部分的にミラー化され、複数の反射領域と複数の透過領域がストライプ状に形成されたガラス基板を含むことができる。このストライプパターンは、発散（拡開・分解）要素の分解方向に対し直交して延在するのが好ましい。

更なる一実施形態では、微小構造要素は、互いに異なる傾きを有する複数のミラー面を有する。それぞれミラー化されかつ異なる空間方向に傾斜された複数の直線状、例えば矩形状の平坦領域からなるラメラ状構造であって、その直線（の延在）方向が、分解面におけるスペクトル分解（の方向）に対し直交して配向（延在）するものを使用すると有利である。平坦な面部分の各々は、分解面に延在する回転軸の周りで回動されることにより分解面から外に出されるよう構成されると有利であり、該回転軸は、スペクトル分解の方向に対し直交して延在（配向）すると有利である。他の一変形形態では、平坦な面部分（複数）は、分解方向に対し平行に延在する回転軸（複数）の周りで回動され分解面から外に出されるよう構成される。微小構造要素は、相応に加工及びミラー化されたガラス材料から構成することができる。好ましい一実施形態では、微小構造要素は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）又はマイクロ光学電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）を含む。そのように構成された微小構造要素は、電圧の印加による部分的（局所的）な反射角度の変更が可能となるという付加的な利点を有する。使用可能なＭＤＭミラーアレーは、例えば、テキサスインスツルメンツ社によって製造されている。

他の好ましい一実施形態では、微小構造要素は、異なる複数のプリズムから構成されるマイクロプリズムアレー、又は、例えば１つの電界中で適切に極性を与えられるニオブ酸リチウムによって実現することが可能な、屈折率が互いに異なる複数のゾーンを有するアレーを含む。

本発明のビーム合一（一体化）技術は、その他のビーム合一（一体化）技術と組み合わせることができる。即ち、例えば、前段領域において既に合一されたビーム（複数）に、更なるビーム（複数）を付加して合一（一体化）することも可能である。

調整の際に運動され得るすべての構造要素はモータ駆動されると有利であるが、とりわけ、スペクトル選択要素がスペクトル分解の方向に沿って可動にされた構成は有利でありうる。

本発明の光学装置には、光パワー（強度）調整要素を前置又は後置することができるが、そのような調整要素としては、例えば、ＡＯＴＦが好ましい。本発明の光学装置は、例えばＡＯＴＦ又は温度安定装置のような更なる構造要素を含むことが可能な機械ユニットとして構成されると都合がよい。

上述の技術によって、第１の光ビームに、第２の光ビームだけではなく、更に、第３の光ビーム、第４の光ビーム、…を結合（合一）することが可能である。これは、上述のＭＥＭＳ／ＭＯＥＭＳアクチュエータとの関連においてとりわけ有利に実現することができる。

とりわけ有利な一実施形態では、本発明の光学装置は、とりわけ共焦点ラスタ顕微鏡等のラスタ顕微鏡における照明光ビームの生成をするために使用される。

以下に、本発明の実施例を模式的に示した図面を用いて説明する。なお、同じ作用を有する構造要素には同じ図面参照符号が付されている。

図１は、プリズム３として構成された発散（ないし拡開・分解）要素１と、微小構造要素９が配される分解面７を一緒に（発散要素１と共に）規定する結像光学系５とを有する本発明の光学装置の一例を示す。微小構造要素９は、ストライプ状の反射作用を有するガラス基板１１として構成されているが、ストライプパターンの各ストライプは、プリズム３の分解方向に対し直交して配向されている。２つの波長の光を含む第１の光ビーム１３は、プリズム３によって空間的にスペクトル分解され、その結果生じた部分ビーム１５、１７は、レンズ５によって、ガラス基板１１のそれぞれ１つのミラー化ストライプに合焦される。第２の光ビーム１９は、光学系２１によって、ガラス基板１１の１つの透過性ストライプに合焦される。部分ビーム１５、１７及び第２の光ビーム１９が入射するガラス基板１１の部位（複数）は、プリズム３の分解特性に応じ、それらビームの波長に応じて決まる。ガラス基板１１によって反射された部分ビーム１５、１７は、（ガラス基板１１を）透過した第２の光ビーム１９と共に、レンズ５を介してプリズム３に導かれる。そして、プリズム３は、これら部分ビーム１５、１７と第２の光ビーム１９とをコリニアに合一（一体化）して射出光ビーム２３を生成する。微小構造要素９は、光軸に対し僅に傾斜しているため、第１の光ビーム１３と射出光ビーム２３は、互いに対し空間的に分離される。図からは見て取ることはできないが、微小構造要素９の傾斜によって、射出光ビーム２３は、図１の紙面に対し鋭角をなしてその外に出るよう進行する。尤も、この傾斜の本発明の光学装置の機能に対する影響ないし重要性は、ごく僅かなものでしかない。

図２は、図１に関して既に説明した微小構造要素９を示す。微小構造要素９は、ストライプ状に被膜されたガラス基板として構成され、複数の（反射性）領域２５と複数の透過性領域２７を有する。ストライプパターンは、双方向矢印２９によって示されているように、発散（拡開・分解）要素のスペクトル分解の方向に対し直交して配されている。

図３は、互いに異なる傾斜を有する平坦なミラー要素３１〜４３を有する微小構造要素９の一例を示す。平坦なミラー要素３１〜４３は、分解面においてスペクトル分解方向に対し直交して延在している（各自の）回転軸の周りで回動可能に構成されている。図示の微小構造要素９は、マイクロ光学電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）として構成されているため、それぞれの傾斜角度は、電圧を印加することによって（その都度）変更することができる。

図４は、マイクロプリズム４５〜５７を有する微小構造要素の一例を示す。これらのプリズムは、スペクトル分解方向に対し平行に延在する回転軸の周りで傾けられる。

図５は、ラメラ構造５９を有する完全に反射性の微小構造要素９を有する本発明の光学装置の更なる一例を示す。第１の光ビーム１３は、図１に関して既に説明したのと同様に、微小構造要素９に入射する。第２の光ビーム１９は、レンズ２１によって、微小構造要素９の１つの第１の部分６１に合焦される。部分ビーム１５、１７は、それぞれ１つの第２の部分６３、６５に入射する。これら第２の部分６３、６５は、第１の部分６１とは異なる傾きを有する。部分ビーム１５、１７と第２のビーム１９とが一緒にレンズ５を介してプリズム３に導かれ、該プリズム３によって、部分ビーム１５、１７と第２のビーム１９がコリニアに合一（一体化）されて射出光ビーム２３が生成されるように、部分６１〜６５の傾きは選択される。

図６は、図５に示した本発明の光学装置の一変形例を示す。この変形実施例では、第２の光ビーム１９も複数の波長を有する光を含み、この第２の光ビーム１９が更なるプリズムとして構成された（発散ないし拡開・分解）要素６７によって空間的にスペクトル分解されて部分ビーム７１及び７３が生成され、これら部分ビーム７１及び７３は、それぞれ、レンズ２１によって微小構造要素９の異なる部位に合焦される。微小構造要素９は、部分ビーム１５、１７と部分ビーム７１、７３を一緒にレンズ５を介してプリズム３に向けて反射し、プリズム３は、これら部分ビーム１５、１７、７１、７３をコリニアに合一（一体化）して射出光ビーム２３を生成する。

本発明は、上述のとおり、特別な実施例を用いて説明した。しかしながら、特許請求の範囲の保護範囲を逸脱しない範囲において種々の変更・展開を行うことができることは自明である。

本発明の光学装置の一例。 微小構造要素の一例。 微小構造要素の更なる一例。 微小構造要素の他の一例。 本発明の光学装置の更なる一例。 本発明の光学装置の他の一例。

符号の説明

１ 発散（拡開・分解）要素
３ プリズム
５ 結像光学系
７ 分解面
９ 微小構造要素
１１ ガラス基板
１３ 第１の光ビーム
１５ 部分ビーム
１７ 部分ビーム
１９ 第２の光ビーム
２１ 光学系
２３ 射出光ビーム
２５ ミラー化領域
２７ 透過性領域
２９ スペクトル分解の方向
３１〜４３ ミラー要素
４５〜５７ マイクロプリズム
５９ ラメラ構造
６１ 第１の部分
６３ 第２の部分
６５ 第２の部分
６７ 更なる発散要素
６９ 更なるプリズム
７１ 部分ビーム
７３ 部分ビーム