JP2009513994A - 微細構造光学エレメントを有する光源装置及び該光源装置を有する顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】包含する（複数の）スペクトル成分（領域）に依存することなく良好なビーム品質を有する照明光ビームを生成する微細構造光学エレメントを有する光源装置を提供すること。
【解決手段】主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置において、前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の複数のスペクトル成分の互いに異なる発散を補償するよう構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置に関する。

更に、本発明は、主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置を含んで構成される顕微鏡に関する。

可視及び赤外スペクトル領域に広帯域スペクトルを生成する装置を記載する文献が存在する（後掲特許文献１参照）。この装置は、ポンプレーザの光が（差込）入射される微細構造ファイバを本質的要素としている。ポンプ光は、微細構造ファイバで、非線形的効果によって拡開される。微細構造ファイバとしては、いわゆるフォトニックバンドギャップ材料又は「フォトニック結晶ファイバ」、「ホーリーファイバ（Holey fibers）」又は「微細構造ファイバ」も使用される。これらの構造体は、いわゆる「中空ファイバ」としても知られている。

他の広帯域スペクトル生成装置について記載した刊行物は他にも存在する（後掲非特許文献１参照）。この装置では、少なくとも一部分に沿ってテーパを有するファイバコアを有する伝統的な光伝送ファイバが使用されている。この種の光伝送ファイバは、いわゆる「テーパファイバ」として知られている。

とりわけ顕微鏡検査、内視鏡検査、フローサイトメトリ、クロマトグラフィ及びリソグラフィでは、複数の被検対象物を照明するために、大きな輝度ないし明るさを有する汎用的な（universell）照明装置が重要である。スキャン顕微鏡検査では、１つの試料が１つの光ビームでスキャンされる。このため、多くの場合、レーザが光源として使用される。例えば、「多色蛍光用共焦点顕微鏡システム（Konfokales Mikroskopsystem fuer Mehrfarbenfluoreszenz）」という表題の文献には、複数のレーザ線の各々を放射する１つのレーザを有する装置が記載されている（後掲特許文献２参照）。このため、現在では、多くの場合、とりわけＡｒＫｒレーザ等の混合ガスレーザが使用されている。試料としては、例えば、蛍光着色物質（色素）によって標識された生物学的組織ないし切片が検査される。材料検査の領域では、多くの場合、試料から反射された照明光が検出される。固体レーザ及び色素レーザ、並びにファイバレーザ及び光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）（これらは何れもポンプレーザが前置される）もまたよく使用される。

被検対象物の照明装置であって、レーザの光をスペクトル的に拡開する微細光学エレメントを含む照明装置を記載する文献も存在する（後掲特許文献３参照）。この装置は、当該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系を含む。この文献には、更に、とりわけスキャン顕微鏡等の顕微鏡における照明方法も記載されている。

ＵＳ６，０９７，８７０ ＥＰ０４９５９３０ ＤＥ１０１１５４８８Ａ１ Birks et al.: "Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt. Lett. Vol.25, p.1415 (2000)

ところで、とりわけ微細構造光ファイバ等の微細構造光学材料をそれぞれ含む複数の光源に由来するとりわけ多色的な照明光ビーム（複数）は、ビーム特性が不良であるため、限定的にしか使用することができないことが明らかになっている。とりわけ顕微鏡検査では、そのような照明光ビーム（複数）を使用する場合、不十分な結果しか得ることができないことが多い。

それゆえ、本発明の第１の課題は、包含する（複数の）スペクトル成分（領域）に依存することなく良好なビーム品質を有する照明光ビームを生成する微細構造光学エレメントを有する光源装置を提供することである。

また、本発明の第２の課題は、多色照明の場合であっても良好な結像結果を達成可能な、微細光学エレメントを有する光源装置を有する顕微鏡を提供することである。

上記第１の課題を解決するために、本発明の第１の視点により、主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置が提供される。この光源装置において、前記光学系は、スペクトル的に拡開された光（スペクトル拡開光）の複数のスペクトル成分（領域）の互いに異なる発散（状態）を補償するよう構成されていることを特徴とする（形態１・基本構成１）。

上記第２の課題を解決するために、本発明の第２の視点により、主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置を含んで構成される顕微鏡が提供される。この顕微鏡において、前記光学系は、スペクトル的に拡開された光（スペクトル拡開光）の複数のスペクトル成分（領域）の互いに異なる発散（状態）を補償するよう構成されていることを特徴とする（形態１２・基本構成２）。

微細構造光学材料を有する従来技術の光源装置の不十分なビーム品質は、微細構造光学材料から出射する際の、スペクトル拡開光の複数のスペクトル成分（領域）の（複数の）光円錐（光ビームの円錐状輪郭：Leuchtkegel）が、それぞれに、相違していることに起因することを、本発明者は見出した。「従来の」グラスファイバ（ステップインデックス型（グラス）ファイバ）では、発散は、一次のオーダにおいて（ないし基本的に（in erster Ordnung））、波長のすべてに対しほぼ同一であるのに対し、微細構造ファイバの場合の発散は、個々のスペクトル成分（領域）の波長が大きいほど一層大きくなる。これは、被覆層（クラッド）中の複数の孔が、それぞれの波長に対する実効屈折率を変化し、更には分散までも変化（modifizieren）することに起因する。波長が短い場合は、電界の僅かな部分しか当該孔中に侵入しないため、クラッド中の屈折率は、ファイバ材料（通常は純粋な石英（水晶））の屈折率にほぼ相当する。波長が長い場合は、電界は、上記孔の領域内に深く侵入するので、実効屈折率は大きく減少される。この効果は、孔の大きさと、孔間の間隔とに依存する。

本発明の独立請求項１及び１２により、上記課題に対応する効果が夫々達成される。即ち、本発明の第１の視点の光源装置（請求項１）は、包含する（複数の）スペクトル成分（領域）に依存することなく良好なビーム品質を有する照明光ビームを生成することができる。また、本発明の第２の視点の顕微鏡（請求項１２）は、多色照明の場合であっても良好な結像結果を達成することができる。
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、本発明の好ましい実施の形態を示すが、形態２〜１１及び形態１３〜２０は従属請求項の対象でもある。
（形態１） 上記基本構成１参照。
（形態２） 上記形態１の光源装置において、前記光学系は、互いに異なる波長の光に対しそれぞれ異なる焦点距離を有することが好ましい。
（形態３） 上記形態１又は２の光源装置において、前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の短波長側のスペクトル成分を、前記スペクトル的に拡開された光の長波長側のスペクトル成分よりもより強く合焦するよう構成されていることが好ましい。
（形態４） 上記形態１〜３の光源装置において、前記微細構造光学エレメントは、フォトニックバンドギャップ材料を含むことが好ましい。
（形態５） 上記形態１〜４の光源装置において、前記微細構造光学エレメントは、光伝送ファイバとして構成されることが好ましい。
（形態６） 上記形態５の光源装置において、前記微細構造光学エレメントは、テーパを有する（テーパファイバとして構成される）ことが好ましい。
（形態７） 上記形態５又は６の光源装置において、前記微細構造光学エレメントは、フォトニック結晶ファイバ（微細構造ファイバ、ホーリーファイバ）であることが好ましい。
（形態８） 上記形態１〜７の光源装置において、前記スペクトル的に拡開された光の周縁光線を遮断する絞りを有することが好ましい。
（形態９） 上記形態１〜８の光源装置において、前記光学系は、ラスタ顕微鏡又は共焦点ラスタ顕微鏡等の顕微鏡の構成要素であることが好ましい。
（形態１０） 上記形態１〜９の光源装置において、前記光学系は、対物レンズであることが好ましい。
（形態１１） 上記形態１〜８の光源装置は、フローサイトメータ、内視鏡、クロマトグラフ又はリソグラフィ装置に使用されることが好ましい。
（形態１２） 上記基本構成２参照。
（形態１３） 上記形態１２の顕微鏡において、前記光学系は、互いに異なる波長の光に対しそれぞれ異なる焦点距離を有することが好ましい。
（形態１４） 上記形態１２又は１３の顕微鏡において、前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の短波長側のスペクトル成分を、前記スペクトル的に拡開された光の長波長側のスペクトル成分よりもより強く合焦するよう構成されていることが好ましい。
（形態１５） 上記形態１２〜１４の顕微鏡において、前記微細構造光学エレメントは、フォトニックバンドギャップ材料を含むことが好ましい。
（形態１６） 上記形態１２〜１５の顕微鏡において、前記微細構造光学エレメントは、光伝送ファイバとして構成されることが好ましい。
（形態１７） 上記形態１６の顕微鏡において、前記微細構造光学エレメントは、テーパを有する（テーパファイバとして構成される）ことが好ましい。
（形態１８） 上記形態１６又は１７の顕微鏡において、前記微細構造光学エレメントは、フォトニック結晶ファイバ（微細構造ファイバ、ホーリーファイバ）であることが好ましい。
（形態１９） 上記形態１２〜１８の顕微鏡において、前記光学系は、対物レンズであることが好ましい。
（形態２０） 上記形態１２〜１９の顕微鏡は、共焦点ラスタ顕微鏡等のラスタ顕微鏡であることが好ましい。

本発明の光源装置は、有利な態様において、照明光ビームの光がそのすべてのスペクトル成分（領域）に対し同時にコリメート可能であるように、照明光ビームが生成されるよう、照明光ビームを生成する。これは、とりわけスキャン（走査）顕微鏡の場合、極めて好都合である。というのは、スキャン顕微鏡では、照明光ビームのすべてのスペクトル成分（領域）が、観察されるべき試料面に合焦スポット（Fokus）を有する（形成する）ことが極めて重要だからである。

好ましい一実施形態では、（光源装置の）光学系は、異なる波長の光に対しそれぞれ異なる焦点距離を有するよう構成される。この場合、該光学系が、一次のオーダにおいて（in erster Ordnung）、波長に対する発散の線形的な依存性を顧慮しかつ変更（修正）するよう構成されれば、多くの応用形態に対し十分である。極めて特殊な応用形態では、光学系は、微細構造ファイバのスペクトル特性に正確に適合化されると有利である。

光源装置の好ましい一実施形態では、光学系は、スペクトル拡開光のより短い波長のスペクトル成分（領域）を、スペクトル的拡開光のより長い波長のスペクトル成分（領域）よりも強く合焦ないしフォーカシング（（ビーム径の）収縮）をする。

微細構造光学エレメントは、フォトニックバンドギャップ材料を含むと有利であり、好ましくはさらに、光伝送ファイバとして構成される（フォトニック水晶ファイバＰＣＳ；ホーリー（Holey）ファイバ等）。

他の一変形形態では、光伝送ファイバとして構成される微細構造光学エレメントは、テーパ（先細部）を有するよう構成される（テーパファイバ）。

好ましい一変形形態では、光源装置は、スペクトル拡開光の周縁部の光線（周縁光線）を（選択的に）遮断（ブロック）する（ausblenden）絞りを有する。この絞りは、波長が長くなるに連れより多くの光が微細構造ファイバのクラッド層内に到達するという効果を考慮しており、このことは、当該光の光強度の割合はコアから直接出射されるスペクトル拡開光の光強度の割合よりも遥かに小さいが、微細構造ファイバの出射端において見出すことができる。とりわけ共焦点ラスタ顕微鏡で本発明の光源装置を使用する場合、この周縁光線を絞りによって（フィルタ）除去すると有利である。スペクトル拡開光から照明光ビームを生成する光学系は、適切な絞りを有すると有利である。

とりわけ好ましい一実施形態では、この光学系は、とりわけラスタ（走査）顕微鏡又は共焦点ラスタ（走査）顕微鏡等の顕微鏡の構成要素として構成される。この光学系は対物レンズとして構成されるととりわけ有利である。

本発明の光源装置は、例えば、フローサイトメータ（Flusszytometer）又はエンドスコープ（内視鏡）又はクロマトグラフ又はリソグラフィ装置においても使用可能である。

微細構造光学エレメントは、スキャン顕微鏡の好ましい一実施形態では、少なくとも２つの互いに異なる光学密度を有する多数の微小光学（mikrooptisch）構造要素から構成される。とりわけ有利な一実施形態では、光学エレメントは第１の領域と第２の領域を有するが、該第１の領域は（１つの）均質な（homogen）構造を有し、該第２の領域では、（１つの）極微（ないし顕微鏡的（mikroskopisch））構造が複数の微小光学構造要素から構成される。更に、該第１の領域が、該第２の領域を包囲するよう構成されるのが好ましい。微小光学構造要素は、好ましくは、微小チャンネルないしカニューレ（Kanuele）、ウェブないしリブ（Steg）、ハニカム、パイプ又は空隙（Hohlraum）である。

微細構造光学エレメントは、他の一実施形態では、並置されるガラス又はプラスチック材料及び空隙（複数）から構成される。とりわけ有利な一変形形態では、微細構造光学エレメントは、フォトニックバンドギャップ材料から構成され、かつ光伝送ファイバとして構成される。レーザと光伝送ファイバとの間に、光伝送ファイバの両端面に由来する光ビームの再帰反射（Rueckreflexionen）を抑制する光学ダイオードが配されると有利である。

とりわけ有利でかつ簡単に実現可能な一実施形態では、微細構造光学エレメントとして、少なくとも一部分に沿ってテーパを有する凡そ９μｍのファイバコア径を有する伝統的な光伝送ファイバを含む。この種の光伝送ファイバは、いわゆる「テーパファイバ（tapered fiber）」として知られている。有利には、光伝送ファイバは全長１ｍであり、かつ長さ３０ｍｍ〜９０ｍｍのテーパを有する。ファイバ全体の径は、好ましい一実施形態では、テーパの領域において凡そ２μｍである。

以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、微細構造光伝送ファイバ５として構成された微細構造光学エレメント３を有する本発明の光源装置の一例を示す。微細構造光伝送ファイバ５は、パルスレーザ１１として構成された主光源９の光７を拡開する。微細構造光伝送ファイバ５の端部には、スペクトル的に拡開された光（スペクトル拡開光）から照明光ビーム１５を生成する光学系１３が配される。光学系１３は、微細構造光伝送ファイバ５から出射されたスペクトル拡開光の複数のスペクトル成分（領域）の互いに異なる発散（状態）を補償（補正）する。主光源９と微細構造光伝送ファイバ５の間には、主光源９の光を微細構造光伝送ファイバの入射面に合焦するフォーカシング（合焦）光学系１７が配される。外部からの阻害作用に対する保護のために、各構造要素はハウジング１９内に配される。

図２は、微細構造光伝送ファイバ５から出射されたスペクトル拡開光の赤色スペクトル領域からの第１の光線束２１と青色スペクトル領域からの第２の光線束２３の推移（伝播形態）の一例を示す。微細構造光伝送ファイバ５は、クラッド２５とファイバコア２７を有する。概略的に示した図からも明らかなとおり、赤色スペクトル領域からの第１の光線束２１は、部分的に、クラッド２５からも出射されるのに対し、青色スペクトル領域からの第２の光線束２３は、実質的にファイバコアから出射される。本発明の光学系は、このような焦点ずれ（波長の相違に基づくファイバ５内での伝播態様ないし経路の相違に基づく見かけの焦点の位置の相違。例えば赤色光の見かけの焦点は青色光の見かけの焦点よりもファイバ５内においてより深い位置に存する。）も補償（補正）する（例えば、見かけの焦点位置の相違に基づいた発散（状態）が異なる光線束を、図３の従来の場合とは異なり、図４のように光学系の右側において平行光線化等する）ので有利である。

図３は、照明光ビーム１５を生成するために光学系１３がアクロマチック光学系２９として構成された従来技術の装置の一例を示す。青色スペクトル領域からの光を含む第２の光線束２３はアクロマチック光学系２９によってコリメート（平行光線化）されるのに対し、赤色スペクトル領域の光を含む第１の光線束２１の光は合焦（集束）されるので不都合である。即ち、これら２つの光線束２１、２３は、同時に平行光線束を構成することはなく、従って、光学的ビーム品質が低い照明光ビームしか生成することができない。

図４は、微細構造（光学）光伝送ファイバ５のスペクトル特性に調整（適合）された光学系３１として構成された光学系１３を使用した場合の、赤色スペクトル領域からの光を含む第１の光線束２１と青色スペクトル領域からの光を含む第２の光線束２３の推移の一例を示す。本発明のこの実施例の装置では、スペクトル拡開光の赤色スペクトル領域からの光を含む第１の光線束２１と、スペクトル拡開光の青色スペクトル領域からの光を含む第２の光線束２３とは、コリメートされて互いに対し平行に推移し、不都合のない光学的ビーム特性を有する照明光ビームを生成する。

図５は、微細構造光学エレメント３のクラッド２５から出射された光を（選択的に）遮断（ブロック）する（Ausblenden）ための可変絞り３３を備えた光源装置の一例を示す。

図６は、共焦点ラスタ（走査）顕微鏡として構成された本発明のラスタ（走査）顕微鏡の一例を示す。微細構造光学エレメント（不図示）を有する光源装置１から出射された照明光ビーム１５は、レンズ３５によって照明ホール絞り３７に合焦され、次いで、主ビームスプリッタ３９に到達する。主ビームスプリッタ３９は、カルダン式に懸架されたスキャンミラー４３を有するビーム偏向（走査）装置４１に向けて照明光ビーム１５を偏向する。ビーム偏向装置４１は、スキャンレンズ４５と鏡筒レンズ４７とを介し、更に、対物レンズ４９を介して、試料５１上にないし試料５１を通過するように照明光ビーム１５を案内する試料５１から出射された検出光５３（これは破線で図示されている。）は、反対向きの光経路を辿って、即ち、対物レンズ４９と鏡筒レンズ４７とを介し、更にスキャンレンズ４５を介して、ビーム偏向装置４１に戻り、更に主ビームスプリッタ３９に到達して通過し、検出ホール絞り５５を通過した後、マルチバンドディテクタ５９として構成された検出器５７に到達する。マルチバンドディテクタ５９では、複数の異なるスペクトル検出チャネルにおいて検出光が検出され、強度に比例した（複数の）電気信号が生成される。更に、この電気信号は、試料５１の画像を表示するための処理システム（不図示）に伝送される。

本発明については、特定の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限りにおいて、種々の変更・変形等を適用し得ることは自明である。

本発明の光源装置の一例。 光学系がない場合の、スペクトル拡開光のビーム推移の一例。 アクロマチックに補正された光学系を有する場合の、スペクトル拡開光のビーム推移の一例。 本発明の光源装置の一例におけるスペクトル拡開光のビーム推移。 本発明の光源装置の他の一例。 本発明の共焦点ラスタ顕微鏡の一例。

符号の説明

１ 光源装置
３ 微細構造光学エレメント
５ 光伝送ファイバ
７ 光
９ 主光源
１１ パルスレーザ
１３ 光学系
１５ 照明光ビーム
１７ 合焦（フォーカシング）光学系
１９ ハウジング
２１ 第１の光線束
２３ 第２の光線束
２５ クラッド
２７ ファイバコア
２９ アクロマチック光学系
３１ 調整（適合化）された光学系
３３ 絞り
３５ レンズ
３７ 照明ホール絞り
３９ 主ビームスプリッタ
４１ ビーム偏向（走査）装置
４３ スキャンミラー
４５ スキャンレンズ
４７ 鏡筒レンズ
４９ 対物レンズ
５１ 試料
５３ 検出光
５５ 検出ホール絞り
５７ 検出器
５９ マルチバンドディテクタ

Claims (20)

1. 主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置において、
   前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の複数のスペクトル成分の互いに異なる発散を補償するよう構成されていること
   を特徴とする光源装置。
2. 前記光学系は、互いに異なる波長の光に対しそれぞれ異なる焦点距離を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の短波長側のスペクトル成分を、前記スペクトル的に拡開された光の長波長側のスペクトル成分よりもより強く合焦するよう構成されていること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記微細構造光学エレメントは、フォトニックバンドギャップ材料を含むこと
   を特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光源装置。
5. 前記微細構造光学エレメントは、光伝送ファイバとして構成されること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光源装置。
6. 前記微細構造光学エレメントは、テーパを有する（テーパファイバとして構成される）こと
   を特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記微細構造光学エレメントは、フォトニック結晶ファイバ（微細構造ファイバ、ホーリーファイバ）であること
   を特徴とする請求項５又は６に記載の光源装置。
8. 前記スペクトル的に拡開された光の周縁光線を遮断する絞りを有すること
   を特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光源装置。
9. 前記光学系は、ラスタ顕微鏡又は共焦点ラスタ顕微鏡等の顕微鏡の構成要素であること
   を特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の光源装置。
10. 前記光学系は、対物レンズであること
    を特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光源装置。
11. フローサイトメータ、内視鏡、クロマトグラフ又はリソグラフィ装置に使用されること
    を特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の光源装置。
12. 主光源の光をスペクトル的に拡開する微細構造光学エレメントと、該スペクトル的に拡開された光から照明光ビームを生成する光学系とを有する光源装置を含んで構成される顕微鏡において、
    前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の複数のスペクトル成分の互いに異なる発散を補償するよう構成されていること
    を特徴とする顕微鏡。
13. 前記光学系は、互いに異なる波長の光に対しそれぞれ異なる焦点距離を有すること
    を特徴とする請求項１２に記載の顕微鏡。
14. 前記光学系は、前記スペクトル的に拡開された光の短波長側のスペクトル成分を、前記スペクトル的に拡開された光の長波長側のスペクトル成分よりもより強く合焦するよう構成されていること
    を特徴とする請求項１２又は１３に記載の顕微鏡。
15. 前記微細構造光学エレメントは、フォトニックバンドギャップ材料を含むこと
    を特徴とする請求項１２〜１４の何れか一項に記載の顕微鏡。
16. 前記微細構造光学エレメントは、光伝送ファイバとして構成されること
    を特徴とする請求項１２〜１５の何れか一項に記載の顕微鏡。
17. 前記微細構造光学エレメントは、テーパを有する（テーパファイバとして構成される）こと
    を特徴とする請求項１６に記載の顕微鏡。
18. 前記微細構造光学エレメントは、フォトニック結晶ファイバ（微細構造ファイバ、ホーリーファイバ）であること
    を特徴とする請求項１６又は１７に記載の顕微鏡。
19. 前記光学系は、対物レンズであること
    を特徴とする請求項１２〜１８の何れか一項に記載の顕微鏡。
20. 共焦点ラスタ顕微鏡等のラスタ顕微鏡であること
    を特徴とする請求項１２〜１９の何れか一項に記載の顕微鏡。

Images