JP2014521501A - 動的ナノフォーカスシステムを動作させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レバー伝達型の圧電アクチュエータと、特にレンズのための取り付けユニットへと接続された弾性変形可能な固体ジョイントにもとづく無摩擦ガイドとを備える動的ナノフォーカスシステムを、顕微鏡観察、干渉分光法、または同様の用途の分野における使用に関して、フォーカスのための所望の調節経路を実現すべく動作させるための方法および装置に関する。本発明によれば、フォーカスの過程における動的特性を向上させるために、主たる調節の運動と比べて調節経路はより小さいが周波数はより高い補助的な細かい調節の運動が、主たる調節の運動に重ねられ、この細かい調節が実行されるときに、フォーカス結果が変化するか否かについて判定が行われ、それに従って主たる調節の運動の量および／または方向が指定される。

Description

本発明は、レバー伝達型の圧電アクチュエータと、特に対物レンズのための収容ユニットへと接続された弾性変形可能な固体ジョイントにもとづく無摩擦ガイドとを備える動的ナノフォーカスシステムを、顕微鏡観察、干渉分光法、または同様の用途の分野における使用に関して、フォーカスのための所望の調節距離を実現すべく動作させるための請求項１または９に記載の方法および装置に関する。

ナノメートル以下の範囲の分解能にて数百マイクロメートルの位置決めおよび走査範囲を有する高分解能の顕微鏡のためのフォーカスシステムが、従来技術においてすでに公知である。ここで、ＫａｒｌｓｒｕｈｅのＰｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（ＰＩ） ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧという企業が「ＰＩＦＯＣ」という商品名で売り出して流通させている高精度の対物レンズ走査装置が挙げられる。

これらの公知の駆動部は、比較的長い調節距離を必要とする物体（特に、顕微鏡の対物レンズ）の細かい位置決めを、数ミリ秒の整定時間で可能にする。モータによる駆動部と比べ、本質的により高速な反応が得られ、そのような装置について、より長い寿命を保証することができる。平行なたわみガイドゆえに、対物レンズのオフセットが最小限である。上述のたわみガイドシステムは、無摩擦の固体ジョイントにもとづく。たわみジョイントの運動が固体の弾性変形にもとづくため、静止摩擦も、転がり摩擦も、摺動摩擦も生じない。対応するたわみ部材が、きわめて高い剛性を大きな荷重容量とともに呈し、衝撃荷重または振動の影響を受けにくい。たわみガイドが、長い調節距離を有する堅固かつ正確なナノ位置決めシステムを実現できるようにレバー伝達部として同時に働くことができることが利点である。

画像データを取得するために光学走査顕微鏡観察のためのシステムが、ＷＯ２０１１／０４９６０８Ａ２から公知である。この技術的解決策は、鮮明度の制御の目的で顕微鏡の対物レンズを撮像センサと対象物保持テーブルとの間で移動させることができるように、顕微鏡の対物レンズへと接続されたフォーカスユニットを備えている。画像の鮮明度を評価するセンサが、ビームスプリッタによって露光されるが、ビームスプリッタとフォーカスセンサとの間にはレンズ装置が配置されており、このレンズ装置にいわゆるディザ運動が加えられる。ＸＹ対象物保持テーブルの移動が、ディザレンズ装置の運動に位相に関して結合させられる。この位相結合が、短い時間で比較的多数の試料を観察でき、得られたデータを評価することができるよう、フォーカスの過程を加速させる可能性をもたらす。

従来技術に関して、特に内燃機関の燃料噴射弁の作動用の駆動部の形態の少なくとも２つのアクチュエータ要素を有するアクチュエータユニットを記載しているＥＰ １ ４３３ ２０９ Ｂ１がさらに参照される。

この文献に記載された課題の定義によれば、アクチュエータ要素の雑音の放射を軽減すべきである。この目的を、双方向の接続によって制御装置へと接続された少なくとも２つのアクチュエータ要素を備えており、これらのアクチュエータ要素の各々が電気的に駆動されたときに長さの変化を被る公知のアクチュエータユニットによって達成することができる。第１および第２のアクチュエータ要素の軸方向の移動の方向ならびに制御装置の移動の方向を、各々の場合において互いに軸平行に向けることで、アクチュエータユニットの外部への雑音の放射の大幅な軽減につながる質量平衡をほぼ達成することができる。好ましくは、ＥＰ １ ４３３ ２０９ Ｂ１においては、少なくとも２つのアクチュエータ要素の質量インパルスのベクトル和が、任意の所与の時点においてゼロにほぼ等しい。換言すると、２つのアクチュエータ要素の質量および速度の積をベクトル的に足し合わせると、合計でゼロになる。

以上にもとづき、本発明の目的は、動的ナノフォーカスシステムを、そのようなナノ位置決めシステムについて新規な応用の可能性が得られ、使用におけるコストが削減されるように、顕微鏡観察、干渉分光法、または同様の用途の分野における使用においてフォーカスの過程をさらに加速させることを目的として動作させるためのさらに発展した方法および装置を提供することにある。

本発明の目的に対する技術的解決策が、請求項１の教示による方法および請求項９の特徴の組み合わせによる装置によって達成される。従属請求項が、少なくとも有用な実施形態およびさらなる発展を記載している。

したがって、好ましくはレバー伝達型の圧電アクチュエータと無摩擦ガイドとを備える動的ナノフォーカスシステムを、顕微鏡観察、干渉分光法、または同様の用途の分野における使用に関して動作させるための方法または装置が提案される。無摩擦ガイドは、とりわけ、特に対物レンズまたは対物レンズユニットのための収容ユニットへと接続されてフォーカスのための所望の調節距離を実現する弾性変形可能な固体ジョイントにもとづく。

本発明によれば、本明細書の開示の方法の態様に従えば、フォーカスの過程における動的特性を向上させるために、調節距離はより小さいが周波数はより高い補助的な細かい調節の運動が、粗い運動と定義することができる主たる調節の運動に重ねられる。

細かい調節が実行されるときに、フォーカス結果が変化するか否かが判断され、この後で、主たる粗い調節の運動の量および／または方向が指定される。重ねられる細かい調節が、小さな往復の移動距離をもたらす。この往復運動の最中に、得られる画像がより鮮明になり、あるいは鮮明なままであるか否か、もしくは鮮明度が負の方向に変化するか否かが確認される。この変化した鮮明度の認識は、往復運動の高い周波数ゆえにきわめて高速に得ることが可能であり、したがってここから粗い駆動部の特性および動かすべき質量ゆえに任意の速度では実行することができない粗い運動の制御変数を導出することができる。

したがって、好ましい実施形態においては、粗い圧電アクチュエータが、動かすべき物体（特に、対物レンズ）のモーメント補償がさらに実行される特別な構成において２つの細かい圧電アクチュエータと組み合わせられる。

方法側の実施形態において、主たる粗い調節の運動が、１０００μｍまでの範囲の調節距離を含み、補助的な細かい調節の運動が、５００ｎｍまでの範囲の調節距離を含む。

細かい調節の運動は、好ましくは方形波信号の形態で実現される。

細かい調節の周波数は、最大５００Ｈｚ、好ましくは２００Ｈｚに達することができ、粗い調節のためのレバー伝達型の圧電アクチュエータの運動の周波数の倍数を上回る。

すでに簡単に述べたとおり、好ましくはせん断アクチュエータとして設計された追加の圧電アクチュエータが、細かい調節の運動に使用される。

前記収容ユニットによって保持された質量のモーメント補償が、動的特性を改善し、反動および振動からのできる限りの自由を得るために実行される。

追加の圧電アクチュエータのうちの第１の圧電アクチュエータが、前記収容ユニットによって保持された質量へと接続され、追加の圧電アクチュエータのうちの第２の圧電アクチュエータが、補償質量へと接続され、前記第１および第２の圧電アクチュエータがモーメント補償駆動部を形成し、さらにこれらのアクチュエータの運動の経路が好ましくは直線上にある。

本発明による装置においては、第１および第２の管状の圧電せん断アクチュエータが、レバー伝達型の粗い調節用の圧電アクチュエータによって駆動される前記収容ユニットへと取り付けられる。

第１の管状の圧電せん断アクチュエータが、動かされるべき物体、特に対物レンズへと接続される一方で、第２の管状の圧電せん断アクチュエータが、補償質量へと接続される。

補償質量は、動かされるべき物体およびその質量に合わせて調節される。

必要とされる力を受け止めるために、管状の圧電せん断アクチュエータは、接着力により、特に接着によって、広い表面において前記収容ユニットならびに動かされるべき物体または補償質量へと接続される。

好ましい実施形態においては、補償質量が、動かされるべき物体を部分的に囲む中空円筒形のおもり本体によって形成される。補償質量および動かされるべき物体の疑似同心配置が、ナノフォーカスシステムの使用にとって好都合な小さなサイズの装置をもたらす。

本発明を、以下で典型的な実施形態および図面によってさらに詳しく説明する。

粗い駆動部としてのレバー伝達型の圧電アクチュエータと、補償質量によるモーメント補償の目的も有する細かい駆動部としての２つの追加の圧電アクチュエータとからなる装置の概略図を示している。 主たる粗い調節の運動の機構と、モーメント補償および細かい調節のための圧電せん断アクチュエータと一緒に収容ユニットに配置された対物レンズとを備える本発明に従って実現されたナノ位置決めシステムの構成の断面図を示している。 図２の対物レンズについて、正弦波形状の粗い駆動部と、これに付加された実質的に方形波信号の形状の細かい駆動部の運動とによる種々の典型的な運動パターンを示している。 図２の対物レンズについて、鋸歯形状の粗い駆動部と、これに付加された実質的に方形波信号の形状の細かい駆動部の運動とによる種々の典型的な運動パターンを示している。 図２の対物レンズについて、方形波信号形状の粗い駆動部と、これに付加された実質的に方形波信号の形状の細かい駆動部の運動とによる種々の典型的な運動パターンを示している。 本発明に従って使用される管状の圧電せん断アクチュエータの縦断面（図の上部）および上面図を示しており、分極の方向Ｐおよび印加される電界の方向Ｅならびに運動の方向Ｍが示されている。

図１に示されている概略図によれば、顕微鏡観察の分野において使用されるべき実施形態によるナノフォーカスシステムが、弾性変形可能な固体ジョイントにもとづいて無摩擦の案内を可能にするレバー伝達型の粗い圧電アクチュエータ１にもとづいている。

このレバー伝達型の圧電アクチュエータ１が、収容ユニット２へと作用可能に接続されている。この収容ユニット２が、顕微鏡の対物レンズ３および補償質量４を固定している。

収容ユニット２は、補償質量４および対物レンズに直接接続されているわけではない。むしろ、第１の圧電せん断アクチュエータ５および第２の圧電せん断アクチュエータ６が介装されている。

したがって、実際のフォーカスの過程における動的特性を向上させるために、調節距離はより短いが周波数はより高い圧電アクチュエータ５および６による補助的な細かい調節の運動が、圧電アクチュエータ１による主たる調節の運動に重ねられる。

したがって、細かい調節が実行されるときに、フォーカス結果が変化するか否かが確認され、この後で、圧電アクチュエータ１にもとづく主たる粗い調節の運動の量および／または方向が指定される。

動的特性を改善し、反動および振動からのできる限りの自由を得るために、対物レンズ３の質量のモーメント補償が、補償質量４によって図１の概略図に従って実行される。

顕微鏡の対物レンズのためのナノフォーカスシステムについて実現される機構の詳細が、図２の断面図に示されている。

ハウジング本体７が、ナノフォーカスシステムのすべての基本的な機能要素を収容し、電気端子接続部８を備えている。

収容ユニット２へとつながるレバー伝達型の粗い調節用の圧電アクチュエータ１が、ハウジング７の内側に位置している。

第１の管状の圧電せん断アクチュエータ９が、一方では、特に接着によって駆動ユニット２へと接続され、他方では、対物レンズ３に機械的に接触している。

第２の管状の圧電せん断アクチュエータ１０が、やはり収容ユニット２へと接続される一方で、補償質量４に接触している。

管状の圧電せん断アクチュエータ９および１０は、生じるすべての力を伝達できるよう、上述の広い表面の接着によって収容ユニット２に接触している。一実施形態においては、圧電せん断アクチュエータ９および１０が、約３０ｍｍ〜３５ｍｍの直径および８ｍｍの高さを有する。

図２に示した例によれば、補償質量４が、対物レンズ３を少なくとも部分的に囲んで小さな設置すき間を有する同心の配置を定めている中空円筒形のおもり本体によって形成されている。

粗い調節と追加の細かい調節との組み合わせが、モーメント補償と相俟って、高速フォーカス時に反動のない動作をもたらす。モーメント補償が、邪魔な加速力を防止し、ナノフォーカスシステムのダイナミックレンジの拡大をもたらす。

図３〜図５による例が、対物レンズに関して、マイクロメートルの範囲の粗い位置決めおよび２００Ｈｚ〜５００Ｈｚの間の範囲の方形波信号としての追加の細かい調節からもたらされる典型的な運動のパターンを示している。ここでは、細かい調節の程度は、およそ±１００ｎｍであり、粗い調節の距離は、マイクロメートルの範囲である。本発明による細かい調節の運動の追加ならびにモーメント補償は、正弦波運動、方形波運動、または鋸歯運動の形態の粗い調節の考えられるあらゆる形態の運動について実現可能である。

図６が、本発明による管状の圧電せん断アクチュエータ５、６の概略図を示している。図６の上側の図が、縦断面を示しており、分極の方向Ｐ、加えられる電界の方向Ｅ、および結果としての運動の方向Ｍが示されている。せん断アクチュエータの管状（あるいは、円筒形）の実施形態は、図１および図２に関連してすでに説明したように、対物レンズおよび補償質量の両方の小さなサイズの取り付けおよび収容を可能にする。

Claims (11)

1. レバー伝達型の圧電アクチュエータと、特に対物レンズのための収容ユニットへと接続された弾性変形可能な固体ジョイントにもとづく無摩擦ガイドとを備える動的ナノフォーカスシステムを、顕微鏡観察、干渉分光法、または同様の用途の分野における使用に関して、フォーカスのための所望の調節距離を実現すべく動作させるための方法であって、
   フォーカスの過程における動的特性を向上させるために、調節距離はより小さいが周波数はより高い補助的な細かい調節の運動が、主たる調節の運動に重ねられ、細かい調節が実行されるときに、フォーカス結果が変化するか否かが判断され、この後で、主たる調節の運動の量および／または方向が指定されることを特徴とする方法。
2. 前記主たる粗い調節の運動が、１０００μｍまでの範囲の調節距離を含み、前記補助的な細かい調節の運動が、５００ｎｍまでの範囲の調節距離を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記細かい調節の運動が、方形波信号の形態で実行されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記細かい調節の運動の周波数が、最大５００Ｈｚに達し、好ましくは２００Ｈｚに達することを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
5. せん断アクチュエータとして設計された追加の圧電アクチュエータが、前記細かい調節の運動に使用されることを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記収容ユニットによって保持された質量が、動的特性を改善し、反動および振動からのできる限りの自由を得るために、モーメント補償されていることを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記追加の圧電アクチュエータのうちの第１の圧電アクチュエータが、前記収容ユニットによって保持された質量へと接続され、前記追加の圧電アクチュエータのうちの第２の圧電アクチュエータが、補償質量へと接続されており、前記第１および第２の圧電アクチュエータがモーメント補償駆動部を形成し、前記アクチュエータの運動の経路が直線上にあることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
8. 前記粗い調節の運動のパターンが、正弦波、鋸歯状波、または方形波であることを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法を実行するための装置であって、
   第１および第２の管状の圧電せん断アクチュエータが、前記レバー伝達型の粗い調節用の圧電アクチュエータによって駆動される前記収容ユニットへと取り付けられ、前記第１の管状の圧電せん断アクチュエータが、動かされるべき物体、特に対物レンズへと接続される一方で、前記第２の管状の圧電せん断アクチュエータが、補償質量へと接続されていることを特徴とする装置。
10. 前記管状の圧電せん断アクチュエータが、接着力によって広い表面において前記収容ユニットならびに前記動かされるべき物体または前記補償質量へと接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記補償質量が、前記動かされるべき物体を部分的に囲む中空円筒形のおもり本体によって形成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の装置。

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