JP2013507650A - 顕微鏡用レーザーシステム、及び、顕微鏡用レーザーシステムの操作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザーモジュール（２２）と、ビーム補正装置（２６）と、光ファイバー（３１）と、測定要素（３４）と、外部コントローラ（３７）とを有する顕微鏡用レーザーシステム（２０）に関連している。レーザーモジュール（２２）は光ビーム（２４）を生じる。光ビーム（２４）はビーム補正装置（２６）を通り抜け、当該補正装置は、光ビーム（２４）の少なくとも一つのパラメータにおける、目標パラメータ値からの実際値のずれを補正する。補正された光ビーム（２４）は光ファイバー（３１）に結び付けられる。測定要素（３４）は、光ファイバー（３１）の下流に設けられ、補正された光ビーム（２４）の少なくとも一つの部分ビーム（３２）の実際の強度値（３６）を捕捉する。レーザーモジュール（２２）の電源（３９）と測定要素（３４）とに結合された外部コントローラ（３７）は、電源（３９）を用いて実際の強度値（３６）を規定された目標強度値に調整する。

Description

本発明は、顕微鏡用レーザーシステムに関連している。さらに、本発明は、顕微鏡用レーザーシステムを操作する方法に関連している。

レーザーシステムは、今日では全ての技術分野において用いられている。レーザーは、照射目的で通常用いられており、その際、正確で高い強度の点光源が必要となる。共焦点顕微鏡においては、レーザーシステムによって作り出された光ビーム、特に、共焦点顕微鏡の照明光ビームが特に正確であるということが、とりわけ重要である。これについて、以後、正確という語は、光ビームの、一つ以上の実際のパラメータ値が、目標とするパラメータ値からのずれを生じた場合に、このずれができるだけ小さいこと、好ましくは無視できる程度に小さいことを意味する。単数又は複数のパラメータとは、例えば、偏光、波長、ビーム品質、及び／又は、規定された（光）路からの光ビームのずれを含む。また、共焦点顕微鏡では、特に、光ビームの強度安定性に対し、特に高い要求がある。光ビームの実際の強度は、規定の強度からできるだけ外れるべきでない。

これらの要求は、著しく精密な操作構成部品を備えた特に高価で複雑なレーザーシステムの製造業者が通常考慮に入れている。

本発明の課題は、顕微鏡用のレーザーシステムと、顕微鏡用のレーザーシステムの操作方法をもたらすことであって、レーザーシステムの低い製造コストを達成しながら、特に正確な光ビーム、及び／又は、強度について安定している光ビームを作り出すことを可能にすることである。

前記課題は、独立請求項の特徴構成によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項に記載している。

本発明の第一態様にしたがうと、本発明は、光ビームを作り出すレーザーモジュールを備えたレーザーシステムに関連している。光ビームはビーム補正装置を通り抜けるが、当該ビーム補正装置は、光ビームの少なくとも一つのパラメータにおいて、目標パラメータ値からの実際値のずれを補正する。本発明は、前記ビーム補正装置に光ファイバーと測定要素が続くことによって特徴づけられており、前記光ファイバーは、補正された光ビームを測定要素上へ偏向し、且つ、前記測定要素は、補正された光ビームの少なくとも一つの部分ビームの、実際の強度値を決定する。レーザーモジュールの電源と、測定要素とに接続された外部コントローラは、実際の強度値を、規定した目標強度値に調整する。

実際のパラメータ値の、目標パラメータ値からのずれを埋め合わせる場合には、光ビームの強度を変化させる、特に、減少させることができる。規定した目標強度値への強度の調整と組み合わせた光ビームの使用は、強度において特に安定な光ビームをもたらす。光ビームが安定であるということは、こういうわけで、光ビームの強度が、規定した目標強度値から、特に殆んどずれていない、好ましくは全くずれていないということを意味する。前記ずれは、対応する実際のパラメータ値における変動（揺らぎ）も含んでいる。また、前記ずれは、例えば、温度、レーザーシステムの経年劣化又は磨耗の結果生じる、パラメータ値のドリフト効果も含んでいる。目標強度値は、例えば、前もって固定値として決定されるか、レーザービームを用いるアプリケーション装置（適用装置）によって決定される。

ビーム補正装置により、例えば、波長、偏光、ビーム品質、及び／又は、ビーム位置、つまり、規定のビーム路と比較した発生光ビームの実際のビーム路、におけるずれを埋め合わせることが可能となる。前記光ファイバーは、ビーム補正装置の一要素、特に、ビーム路を補正するための一要素とみなすこともできる。このことは、レーザーシステムが、顕微鏡内の、特に、共焦点顕微鏡内の光源として使用可能となる程度に正確で安定な光ビームを依然として発生しながら、レーザーシステム用に比較的低価格な構成部品、例えば、レーザーモジュール及び／又はビーム補正装置を用いることを可能にする。

前記ビーム補正装置は、少なくとも一つの、好ましくは幾つかの補償要素を備えている。前記補償要素とは、例えば、絞り、ピンホール、光ファイバー、波長フィルタ、及び／又は、偏光フィルタである。前記光ファイバーは、好ましくは単一モードガラスファイバーとして構成され、前記単一モードガラスファイバーのコア径は、光ビームの波長範囲内に存在することが好ましく、その場合には次に、光ファイバーの軸方向末端部は、点光源と見なすことができる。絞りと光ファイバーは、光ビームのビーム路内において、わずかなずれだけが生じる、好ましくはずれが全く生じないということを保証するのに役立つ。特に、このようにして、光ビームの実際のビーム路が、光ビームの規定のビーム路と一致するということを保証することが可能となる。加えて、ピンホールと光ファイバーは、ビーム品質を常に高く維持することを保証する。前記波長フィルタは波長におけるずれを補正し、且つ、偏光フィルタは偏光におけるずれを補正する。前記ピンホールは、ビーム品質を上げるのに役立つ。

前記レーザーモジュールは、例えば、表面発光型レーザーダイオード、又は、端面発光型レーザーダイオードを含む半導体レーザーを備えることが好ましい。

有利な実施形態において、レーザーシステムは内部コントローラを備えている。前記内部コントローラは、前記半導体モジュールを通る電流の実際値を、目標電流値に調整する。前記目標電流値は、外部コントローラによって規定される。

本発明の第二態様にしたがうと、本発明は、顕微鏡用レーザーシステムを操作するための方法に関連している。レーザーモジュールにより、光ビームが作り出され、且つ、光ビームの少なくとも一つのパラメータの、目標パラメータ値からの実際値のいかなるずれも補正される。前記第二態様にしたがうと、本発明は、補正された光ビーム（補正光ビーム）が光ファイバーに結合され、次に補正光ビームの実際の強度値が決定されて、レーザーモジュールへの電力供給により、実際の強度値を目標強度値へ調整することを特徴としている。

次に、光源の光強度は、目標強度値をダイナミックに、つまり、変動し得るように予め決定することにより、容易に変調され得る。

本発明の例として複数の実施形態を、概略図を用いて以下により詳細に記載する。

同一の構成又は機能を備えた構成要素には、異なる図であっても同一の参照番号を付与している。

レーザーシステムの第一実施形態の図である。 レーザーシステムの第二実施形態の図である。 レーザーシステムを備えた顕微鏡の図である。

図１は、顕微鏡、例えば共焦点走査型顕微鏡において、特に光源として用いるレーザーシステム２０を表している。レーザーシステム２０は、レーザーモジュール２２、ビーム補正装置２６、測定要素３４、及び、外部コントローラ３７を備えている。

前記レーザーモジュール２２は、光ビーム２４を作り出す。光ビーム２４は、ビーム補正装置２６を通り抜ける。前記ビーム補正装置２６は、二つの補償要素を備えている。前記補償要素とは、光ビーム２４が通り抜ける光ファイバー３１と波長フィルタ３３である。前記ビーム補正装置２６は、コリメータレンズ３５を備えている。光ビーム２４は、コリメータレンズ２４を通って波長フィルタ３３上へ向けられる。前記波長フィルタ３３の後、光ビーム２４は、集束レンズ４３を通って光ファイバ３１の軸方向末端部へ向けられ、そこに結びつけられる。補正された光ビーム２８は、光ファイバ３１と、光ファイバ３１の別の軸方向末端部にあるビーム補正装置２６を出て、レンズ２９に当たる。前記レンズ２９の後、補正された光ビーム２８は、ビームスプリッタとも呼ばれ得る半透明な第一鏡３０に当たる。前記第一鏡３０は、補正された第一部分光ビーム３２を測定要素３４上へ偏向し、補正された第二部分光ビーム３８を通過させ、次にアプリケーション装置４０上に向ける。前記測定要素３４は、外部コントローラ３７と電気的に連通しており、当該外部コントローラは、レーザーモジュール２２と電気的に連通している。この実施形態では、アプリケーション装置４０は共焦点走査型顕微鏡である。

前記コリメータレンズ２４は、光ビーム２４が波長フィルタ３３に当たる前に当該光ビームを平行にする。前記波長フィルタ３３は、注目する波長範囲を切り取るための、狭い帯域の帯域通過フィルタであることが好ましく、且つ、光ビーム２４の予め決められた目標波長からの実際波長のいかなるずれも補正するのに適している。集束レンズ４３は、光ビーム２４を光ファイバ３１上へ集束する、その結果、光ビーム２４は、光ファイバ３１に結び付けられる。光ファイバ３１は、光ビーム２４のビーム路の実際値の、予め決められた目標値からのいかなるずれも補正する。言い換えると、光ファイバー３１の後、光ビーム２４の実際のビーム路は、予め決められた光ビーム２４のビーム路と少なくとも概ね一致する。測定要素３４は、第一部分ビーム３２の実際の強度値を捕捉する。このために、測定要素３４は、例えば光ダイオード２７を備えている。次に、実際の強度値は、外部コントローラ３７へ供給される。前記コントローラは、例えば、レーザーモジュール２２のレーザーダイオード４７に、実際の強度値が目標強度値に近づくように、又は、目標強度値と一致するように、正確に電力を供給することを保証する。前記レーザーダイオード４７は、十分な調整余力を与えるような寸法であることが好ましい。

代わりに、ビーム補正装置２６が、より多くの又はより少ない補償要素を備えても良い。例えば、ビーム補正装置２６は絞りを備えてもよく、或いは、図２にしたがって以下により詳細に説明するように、周波数変換機４５、及び／又は、偏光フィルタ４９が、波長フィルタ３５に加えて、又は、当該波長フィルタの代わりに備えられてもよい。また、前記集束レンズ４３、及び／又は、コリメータレンズ２４が省略されるか、又は、幾つかの追加の集束レンズ４３又はコリメータレンズ２４が備えられてもよい。

例えば光ファイバー３１の代わりに、又は、当該光ファイバーに加えて設けられ得る絞りは、光ファイバー３１と同様、ビーム補正装置２６の後に、光ビーム２４のビーム路が、規定されたビーム路に正確に一致することを保証する。偏光フィルタ４９は、規定した目標偏光値からの、光ビーム２４の実際の偏光値におけるずれを補正する。光ファイバー３１に加えて備えられ得るピンホールの配置は、光ファイバー３１と同様、ビーム品質及びビーム位置の実際値が、規定したビーム品質及びビーム位置の目標値からできるだけ外れないことを保証するのを助けることである。

光ビーム２４の、波長、偏光、ビーム位置、及び、ビーム品質が、光ビーム２４のパラメータである。前記パラメータ値の一つにおけるずれというのは、パラメータ値において様々な値だけ揺らぐことも含む。特に、ずれという語は、温度変化、前記レーザーシステム２０構成要素の、経年劣化、及び／又は、磨耗の結果として生じるドリフト効果も意味している。特に、ドリフト効果は、レーザーダイオードの有効性、作り出された光のスペクトル波長、光ビーム２４のビーム形状、光ビーム２４内のエネルギー分散、光ビーム２４の方向、光ビーム２４の集束又はコリメート（平行）の品質等における変化を含んでいる。

前記レーザーシステム２０の構成要素が共に作用することにより、補正された光ビーム３８は、特にその強度において正確で安定である。光ビームが特に正確であるということは、実際の波長、偏光、ビーム位置、及び／又は、ビーム品質が、好ましくは、目標値からずれていない、又は、できるだけずれていないということを意味する。言い換えると、個々のパラメータにおけるドリフト効果、及び／又は、揺らぎは、強度揺らぎに変換されて、レーザーダイオード４７の発光によって調整される。このようにして、補正された光ビーム３８が正確性と安定性を失うことなく、単純で有利なレーザーシステム２０の構成要素を使用することができる。よって、前記レーザーシステム２０は特に安価に製造できるが、特に正確で安定な光ビームを依然として作り出すことを可能にし、したがって、使用する光源に高い要求を出された機器においても前記レーザーシステム２０の使用が可能となる。

図２は、内部コントローラ４１を備えたレーザーシステム２０の一実施形態を表している。この実施形態では、波長フィルタ３３の代わりに、偏光フィルタ４９と周波数変換機４５が、ビーム補正装置２６内の補償要素として設けられている。

前記内部コントローラ４１は、レーザーダイオード４７に供給する実際の電流値が、目標電流値とできるだけ正確に一致することを保証する。前記内部コントローラ４１は、実際の電流値を捕捉し、それを目標電流値と比較し、レーザーダイオード４７への電力供給３９によって、実際の電流値を目標電流値へ調整する。周波数変換機４５は、光ビーム２４の周波数が規定した周波数に変換されることを保証する。例えば、前記周波数変換機は、光ビーム２４の周波数を倍増することができる。代わりに、波長フィルタ３３が更に設けられてもよい。

レーザーダイオード４７によって作り出された光ビーム２４の強度は、したがって、補正された光ビーム３８の強度も、とりわけレーザーダイオード４７を流れる電流に依存する。例えば、外部コントローラ３７は目標電流値を定める。また、光ビーム２４の目標強度値は、固定値として予め決められても、アプリケーション装置４０によって予め決められても、又は、後者（当該アプリケーション装置）によって少なくとも決定されてもよい。

図３は、前記レーザーシステム２０をその光源として備えた、別の共焦点走査型顕微鏡を表している。補正された光ビーム３８は、第一絞り４２と、好ましくは二色性ビームスプリッタとして構成された第二の半透明鏡４４とを通って偏向装置４６上へ向けられる。偏向装置は、正確な光ビーム３８を、検査すべき試料５０の様々な領域上へうまく偏向する走査型モジュールであり、その結果、規定された走査パターンにしたがい、検査すべき試料５０の一領域が正確な光ビーム３８によって走査され得る。

前記走査パターンは蛇行形状である。正確な光ビーム３８が試料５０上に向けられる前に、別の集束光学系４８によって試料５０上に集束される。

偏向装置４６の代わりに、又は、当該偏向装置に加えて、追加の集束光学系４８が、又は、当該追加の集束光学系４８の少なくとも一つのレンズが、駆動装置に結合されてもよく、当該駆動装置は、補正された光ビーム３８に対して、及び／又は、集束光学系４８のハウジング又は顕微鏡ハウジングに対して、レンズの制御された動きを可能にする。レンズが平面内を動く場合には、平面内においてレンズの焦点も動く。したがって、平面内において、集束光学系４８を動かすことによって、又は、当該集束光学系４８の少なくとも一つのレンズを動かすことによって、補正された光ビーム３８を偏向する走査機能が成し遂げられ得る。

検出光ビーム５２が試料５０から発出し、それが第二鏡４４に到達する今までずっと、補正された光ビーム３８と同じビーム路をとり、且つ、第二鏡４４によって第二絞り５４を、特にピンホールを通り抜けることによって、検出器５６上へ向けられる。

本発明は、記載の実施形態に限定されない。例えば、前記レーザーシステム２０は、費用を抑える必要があり、同時に、正確で安定な光ビームが特に不可欠である別の機器、例えば、全ての種類の顕微鏡、特に、走査型顕微鏡、又は、レーザースキャナ用光源として使用することも可能である。

２０ レーザーシステム
２２ レーザーモジュール
２４ 光ビーム
２６ ビーム補正装置
２７ 光ダイオード
２８ 補正された光ビーム
２９ レンズ
３０ 第一鏡
３１ 光ファイバー
３２ 補正された第一部分光ビーム
３３ 波長フィルタ
３４ 測定要素
３５ コリメータレンズ
３６ 実際の強度値
３８ 補正された第二部分光ビーム
３９ 電源（電力供給）
４０ アプリケーション装置
４１ 内部コントローラ
４２ 第一絞り
４３ 集束レンズ（集束光学系）
４４ 第二鏡
４６ 偏向装置
４７ レーザーダイオード
４８ 別の集束光学系
４９ 偏光フィルタ
５０ 試料
５２ 検出光ビーム
５４ 第二絞り
５６ 検出器

Claims (10)

1. レーザーモジュール（２２）と、
   ビーム補正装置（２６）と、
   光ファイバー（３１）と、
   測定要素（３４）と、及び、
   外部コントローラ（３７）とを有する、顕微鏡用レーザーシステム（２０）において、
   前記レーザーモジュール（２２）は、光ビーム（２４）を生じ、
   前記ビーム補正装置（２６）を前記光ビーム（２４）が通り抜け、且つ、当該ビーム補正装置は、光ビーム（２４）の少なくとも一つのパラメータにおける、予め定められた目標値からの実際値のずれを補正し、
   前記光ファイバー（３１）に、前記補正された光ビーム（２４）が結びつけられ、
   前記測定要素（３４）は、光ファイバー（３１）の下流に設けられ、且つ、補正された光ビーム（２４）の少なくとも一つの部分ビーム（３２）の実際の強度値（３６）を捕捉し、及び、
   前記外部コントローラ（３７）は、前記レーザーモジュール（２２）の電源（３９）と前記測定要素（３４）とに結合され、且つ、前記電源（３９）によって、実際の強度値（３６）を予め決められた目標強度値へ調整する、レーザーシステム。
2. 光ファイバー（３１）が単一モードガラスファイバーを備える、請求項１に記載のレーザーシステム（２０）。
3. 単一モードガラスファイバーのコア径が、光ビーム（２４）の波長範囲内に存在する、請求項２に記載のレーザーシステム（２０）。
4. ビーム補正装置（２６）が、絞りと、波長フィルタ（３３）と、ピンホールと、及び／又は、偏光フィルタ（４９）とを備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザーシステム（２０）。
5. レーザーモジュール（２２）が半導体レーザーを備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザーシステム（２０）。
6. 半導体レーザーが、表面発光型レーザーダイオード、又は、端面発光型レーザーダイオード（４７）を含んでいる、請求項５に記載のレーザーシステム（２０）。
7. レーザーモジュール（２２）を通る実際の電流値を、目標電流値に調整する内部コントローラ（４１）を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザーシステム（２０）。
8. 顕微鏡用レーザーシステム（２０）を操作する方法であって、
   レーザーモジュール（２２）によって光ビーム（２４）を作り出し、
   前記光ビーム（２４）の少なくとも一つのパラメータ値の、目標値からの実際値のずれを補正し、
   前記補正した光ビーム（２４）を光ファイバー（３１）に結びつけ、
   前記光ファイバー（３１）から出てくる補正された光ビーム（２４）の実際の強度値（３６）を捕捉して、
   前記レーザーモジュール（２２）への電力供給（３９）によって、前記実際の強度値（３６）を目標強度値に調整する、方法。
9. 実際の強度値（３６）と目標強度値との間のずれに基いて、レーザーダイオード（２２）を流れる目標電流値が規定され、且つ、実際の電流値が捕捉されて、前記目標電流値に調整される、請求項８に記載の方法。
10. 光強度を変調するために、目標強度値をダイナミックに規定する、請求項８又は９に記載の方法。

Images