JP2013506162A - 空間的な色分離による可変フィルタリングを用いたスペクトル検出器又はレーザ走査顕微鏡 - Google Patents
空間的な色分離による可変フィルタリングを用いたスペクトル検出器又はレーザ走査顕微鏡 Download PDFInfo
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Abstract
Description
したがって、これらの装置は、蛍光の複数のスペクトル範囲の同時検出を可能にする。しかしながら、検出される範囲の数は、検出器−遮光機構ユニットの数によって制限される。また、使用される遮光機構は、バンドパスフィルタ機能しか利用できないので、これらの装置は、柔軟性のある物体光のスペクトルフィルタリングが可能ではない。
検出対象の光線成分の選択は、遮断エレメントによって行われる。所望でない成分は検出光路から除外される。この手法は、柔軟性の高い物体光のフィルタリングを可能にする。しかしながら、この構成では、検出される全範囲に関する総強度しか測定されないので、ここでは蛍光のスペクトル特性解析は可能でない。さらに、個々のウェブの無視できない厚さが、蛍光の強度の損失をもたらす。
しかしながら、使用される低減手段の特性のみによってフィルタ機能が決定されるので、柔軟性の高い物体光のスペクトルフィルタリングは可能でない。
特許文献15には、特許文献13及び特許文献14に記載される光学的構成のさらなる発展形態が記載されている。
好ましい発展形態は、従属請求項の対象である。
さらに、有利には、コンパクトで費用対効果の高い構成を実現するために、MEMSとプリズムがどちらも往復の光路に使用される。
ピンホール又はファイバ端部1からの多色光が、ミラーによって偏向された後に、結像回折格子2によってスペクトル分解され、TIRプリズム3を通ってDMD4に結像される。
DMD4の個々のミラーの角度調整に対応して、所望でない波長はオフ光チャンネル6へ反射され、所望の波長はオン光チャンネル7へ反射される。オフ光6は光トラップ(図示せず)に至る。オン光7は、レンズ8によって瞳面9に集光される。
図2:
図2に示される構成は、図1による構成とは以下の点で異なる。すなわち、DMD4の下流の瞳面9に第2の結像回折格子11が配置され、第2の結像回折格子11は、DMD4で選択された各色の光束を共軸上に再結合し、それにより第1のピンホール又はファイバ入射端12からの像を生成する。したがって、検出器を点状検出器として設計することができ、又は色を選択された光をファイバもしくはピンホール12内に入射結合することができる。
図3:
図3による構成は、図1による構成に第2のTIRプリズム14と第2のDMD15を加えた拡張を示す。瞳面9の下流に配置されたさらなるレンズ13が、先のレンズ8と共に、第2のDMD平面15上への第1のDMD平面4のテレセントリック1対1結像を生成する。ここで、第1のDMD4での波長に基づく選択を繰り返すことができ、これにより、所望でない波長の大幅な減衰が達成される。
図4:
図4に示される構成は、図3による構成に対応する(入射結合に関して鏡映である)が、相違点は、第2のDMD平面への第1のDMD平面の1対1結像のために反射屈折系(例えばダイソン(Dyson)光学系)が使用されることである。
図5:
図5は、側面図(上)と上面図(下)を示す。
図6:
上面図(下)と側面図(上)を示す。
さらにまた、分光と再結合のために1つの中心結像回折格子24のみが使用される。DMD4での第1のスペクトルの偏心は、入射光束の傾きにより生じる。この構成では、分光と再結合のために1つの回折格子24のみが使用されるので、構成5とは異なり、スペクトル1とスペクトル2が同じ向きを向いていなければならない。
さらなるレンズ23が、ルーフトップミラー25の対称面内にスペクトル1の中間像を生成し、この中間像が次いで、適正な向きで、所望のずれをもってDMD4に結像される。次いで、第2の選択後、オン光は、視野レンズ5と、スペクトル成分の再結合のための結像回折格子24とを通して点状検出器又はファイバ出射端12に送られる。
図9では、可変空間フィルタとして2つのDMDが提供され、さらに1対1結像のためのレンズ光学系が提供され、やはり1点へのスペクトル成分の再結合を行う。
図11は、可変空間フィルタとして2回使用されるDMDと、1対1結像のためのミラー光学系とを含む。
本発明によれば、図示した構成において、従来技術よりも、MOEMSベースのスペクトル検出フィルタの明らかな利用上の利点が得られる。
柔軟性の高いスペクトルフィルタ設計
フィルタを、使用される色素/励起光源に直接適合可能である。したがって、フィルタは、相応に調整可能な励起光源と共に、使用される色素の吸収特性に基づく励起条件の最適化をサポートし、したがって、より低い強度で励起することができるので、自家蛍光に対するコントラストを高める。これは特に、励起と放出の間で非常に低いストークシフトを有する色素にも有効である。スペクトルフィルタのエッジ急峻度が従来のエッジフィルタよりも高いため、ほぼ除去されずに後方散乱される励起光の吸収及び放出の最大値が、それにもかかわらず非常に効率的に抑制される。さらに、他の所望でないスペクトル成分(自家蛍光)も必要に応じて容易に抑制することができる。
並列化されたスペクトル走査/分光分析用途
基本的には、従来技術による分光計のフーリエ面での移動可能なスリットを用いて、個々の像点それぞれに関して数ナノメートルまでのスペクトル分解情報が得られる。しかし、従来技術では、機械的に実施しなければならない開始/停止運動、及び受信しなければならない大量のデータセットにより、かなりの受信時間を妥協して受け入れなければならない。MOEMSによって実現されるマイクロ秒範囲での切り替え時間が、これらのプロセスを非常に高速化する。さらに、MOEMSにより任意の分光形態を実現することができ、ライン検出器(PMT、CCD、EMCCD、CMOS)の使用によって、データ受信プロセスを並列化することができ、それにより、受信しなければならない像の数が減少し、これによって速度が高まり、プローブを酷使せずに済む。このようにして、複数の色素で着色されたプローブの信号をそれぞれの色素成分に非常に迅速に分離することができる(いわゆる「放出フィンガープリント」。独国特許第19915137号明細書及び独国特許第10151217号明細書も参照のこと)。
迅速なマルチトラッキング/励起フィンガープリント
高い切り替え速度により、フィルタをマイクロ秒範囲で様々な実験条件に適合させることができる。これは、原理的に、非常に迅速な、さらには画素ごとに行えるマルチトラッキングを可能にし、蛍光透過及びレーザ抑制をすぐに適合させることができる。さらに、同様にして、励起波長のさらなる調整により、生物学的プローブにおいて色素成分の選択的な励起及び分析を実現することができる(「励起フィンガープリント」。独国特許第10033180号明細書参照)。どちらの技法も、個々の像チャンネルで色素成分を個別に表すことができるようにする。
ピンホール調整
第1のMOEMS段階による励起光の入射結合時、励起光と検出光がどちらも同じピンホールを使用する。したがって、プローブでの励起スポットとピンホールとの誤差調整は行われない。さらに、メインビームスプリッタを用いた解決策により、さらなる色収差は生成されない。したがって、このシステムは制限なくFCSに適したものとなる。
反射測定
全励起光を光路上に進めるのに必要な数よりも少ないマイクロミラーを選択することにより、成分の部分反射を望み通りに生成することができる。したがって、反射測定により、共焦点表面分析を行うことができる。これは、現代の多層フィルタでの励起光線の高い抑制により、現行技術による共焦点系では可能でない。
Claims (33)
- 検出光路と、少なくとも1つの第1の結像光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器であって、前記第1の結像光学系が、スペクトル分散されたプローブ光をフーリエ面に結像し、それにより、前記フーリエ面で、前記プローブ光の個々のスペクトル成分が空間的に互いに分離され、前記フーリエ面にはマイクロミラーアレイが設けられ、前記マイクロミラーの制御により、検出光線のスペクトル選択性偏向が行われ、検出器光線の有用光成分が前記検出器に達する、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器において、
前記第1の結像光学系と前記マイクロミラーアレイの間に、又は前記マイクロミラーアレイの前にTIRプリズムが提供され、前記TIRプリズムが、前記マイクロミラーアレイの方向に検出光を反射し、スペクトル選択後に有用光成分を検出方向に伝送することを特徴とする、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。 - 検出光路と、少なくとも1つの第1の結像光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器であって、前記第1の結像光学系が、スペクトル分散されたプローブ光をフーリエ面に結像し、それにより、前記フーリエ面で、前記プローブ光の個々のスペクトル成分が空間的に互いに分離され、前記フーリエ面にはマイクロミラーアレイが設けられ、前記マイクロミラーの制御により、検出光線のスペクトル選択性偏向が行われ、検出器光線の有用光成分が前記検出器に達する、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器において、
前記マイクロミラーアレイへの前記プローブ光の入射結合、及びマイクロミラーアレイからの検出すべき光と遮断すべき光の出射結合がTIRプリズムによって行われ、前記TIRプリズムが、前記マイクロミラーアレイによって生成された検出すべき光成分と遮断すべき光成分との角度差を拡大して、前記遮断すべき光成分の光路が、前記マイクロミラーアレイの下流に接続された平行光学系の有効径によって捕捉されないようにすることを特徴とする、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。 - 検出光路と、少なくとも1つの第1の結像光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器であって、前記第1の結像光学系が、スペクトル分散されたプローブ光をフーリエ面に結像し、それにより、前記フーリエ面で、前記プローブ光の個々のスペクトル成分が空間的に互いに分離され、前記フーリエ面にはマイクロミラーアレイが設けられ、前記マイクロミラーの制御により、検出光線のスペクトル選択性偏向が行われ、検出器光線の有用光成分が前記検出器に達する、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器において、
ピンホール及び/若しくは点検出器又はファイバ端部への結像のために、前記マイクロミラーアレイの下流に配置された、分散エレメントを備える第2の結像光学系によって、生成されている角度的な分散がなくなることを特徴とする、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。 - 検出光路と、少なくとも1つの第1の結像光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器であって、前記第1の結像光学系が、スペクトル分散されたプローブ光をフーリエ面に結像し、それにより、前記フーリエ面で、前記プローブ光の個々のスペクトル成分が空間的に互いに分離され、前記フーリエ面にはマイクロミラーアレイが設けられ、前記マイクロミラーの制御により、検出光線のスペクトル選択性偏向が行われ、検出器光線の有用光成分が前記検出器に達する、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器において、
前記マイクロミラーアレイの下流に配置された平行光学系の瞳面内に分散エレメントが配置され、前記分散エレメントが、前記プローブ光の分光のために使用されるエレメントと同一であり、それにより、光路上で前記プローブ光のすべてのスペクトル成分が再統合され、次いで検出器に結像されることを特徴とする、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。 - 分散と結像のために少なくとも1つの結像回折格子が提供される、請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 検出光路と、少なくとも1つの第1の結像光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器であって、前記第1の結像光学系が、スペクトル分散されたプローブ光をフーリエ面に結像し、それにより、前記フーリエ面で、前記プローブ光の個々のスペクトル成分が空間的に互いに分離され、前記フーリエ面にはマイクロミラーアレイが設けられ、前記マイクロミラーの制御により、検出光線のスペクトル選択性偏向が行われ、検出器光線の有用光成分が前記検出器に達する、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器において、
前記スペクトル選択を向上するために、少なくとも1つの第2のマイクロミラーアレイが提供され、前記第2のマイクロミラーアレイへの前記第1のマイクロミラーアレイの1対1結像が提供されることを特徴とする、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。 - 前記第2のマイクロミラーアレイが前記第2のTIRプリズムの上流に配置される、請求項6に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記1対1結像がテレセントリック結像系又は反射屈折系によって実現される、請求項6又は7に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記反射屈折系がダイソン光学系である、請求項8に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 1対1結像のための構成を備え、前記構成において、前記光学手段が、色収差を補正するように設計されたレンズ系である、請求項6に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 1対1結像のための構成を備え、前記構成において、前記光学手段が、色消しレンズ及び凹面鏡からなる、請求項6に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 検出光路と、少なくとも1つの第1の結像光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器であって、前記第1の結像光学系が、スペクトル分散されたプローブ光をフーリエ面に結像し、それにより、前記フーリエ面で、前記プローブ光の個々のスペクトル成分が空間的に互いに分離され、前記フーリエ面にはマイクロミラーアレイが設けられ、前記マイクロミラーの制御により、検出光線のスペクトル選択性偏向が行われ、検出器光線の有用光成分が前記検出器に達する、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器において、
前記スペクトル検出を向上するために、同じマイクロミラーアレイを光が少なくとも2回通過し、光学手段を通る第1の通過と第2の通過の間の光路内で、少なくとも前記マイクロミラーアレイ上での前記第1の通過時と前記第2の通過時の光線の空間的なずれが生成されることを特徴とする、レーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。 - 前記分散された光の第1及び第2の結像を前記マイクロミラーアレイ上で生成するために、偏心配置された光学系を備える、請求項12に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記光路内で第1の通過と第2の通過の間の空間的なずれを生成するために、逆反射器、好ましくはルーフトップミラーが提供される、請求項12又は13に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 1対1結像がテレセントリック結像系又は反射屈折系によって実現される、請求項12に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記反射屈折系がダイソン光学系である、請求項15に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 1対1結像のための構成を備え、前記構成において、前記光学手段が、色収差を補正するように設計されたレンズ系である、請求項15または16に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 1対1結像のための構成を備え、前記構成において、前記光学手段が、色消しレンズ及び凹面鏡からなる請求項15または16に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 少なくとも1つのスペクトル分散エレメントとして反射回折格子が提供される、請求項1から18のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 少なくとも1つのスペクトル分散エレメントとして結像反射回折格子が提供される、請求項1から19のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 少なくとも1つのスペクトル分散エレメントとして透過回折格子が提供される、請求項1から20のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 少なくとも1つのスペクトル分散エレメントとしてプリズムが提供される、請求項1から21のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記プローブ光の前記空間的に分離された成分が前記マイクロミラーによってスペクトル選択されて2つの異なる空間方向に反射されるように、前記マイクロミラーアレイが構成される、請求項1から22のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記構成に組み込まれた各マイクロミラーアレイの後ろで、2つの出射方向が明確に互いに分離され、これら2つの方向の一方がビームトラップ内に結像される、請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記マイクロミラーアレイがDMDマトリックスである、請求項1から24のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記マイクロミラーアレイがMOEMSマトリックスである、請求項1から25のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記遮断すべき光成分の光路が、下流に接続された平行光学系の有効径によって捕捉されないよう、前記マイクロミラーアレイによって生成される検出すべき光成分と遮断すべき光成分の角度差が大きい、請求項1から26のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記マイクロミラーアレイの下流に配置された平行光学系の瞳面内に大面積の検出器が配置される、請求項1から27のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記スペクトルフィルタリングされた検出すべきプローブ光が、マルチチャンネル検出器上に結像される、請求項1から28のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記マルチチャンネル検出器がマルチチャンネル光電子増倍管である、請求項1から29のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記マルチチャンネル検出器が1次元又は2次元CCD検出器である、請求項1から30のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
- 前記マルチチャンネル検出器が1次元又は2次元EMCCD検出器である、請求項1から31のいずれか一項に記載のレーザ走査顕微鏡又はスペクトル検出器。
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