JP2019503506A - 走査顕微鏡における使用のための、対象物を走査する走査装置 - Google Patents

Abstract

走査顕微鏡（１００）における使用のための、対象物（１２２）を走査する走査装置（１０）が、光線（１０４）を用いて対象物（１２２）を二次元的に走査する少なくとも１つの走査ユニット（１２）と、画像域を回転させるために、回転軸（１６）を中心にして走査ユニット（１２）を回転させる少なくとも１つの回転装置（１４）と、を備える。走査ユニット（１２）は、少なくとも１つの偏向エレメント（１８）を、偏向エレメント（１８）に当たる光線（１１０）を偏向するために含んでいる。さらに偏向エレメント（１８）は、回転対称形状を有している。

Description

本発明は、走査顕微鏡における使用のための、対象物を走査する走査装置に関する。本発明はさらに、走査顕微鏡の光路内に配置された走査装置を備えた走査顕微鏡に関する。

微小電気機械システムとして形成された光学機械式スキャナ（ＭＥＭＳスキャナ）は、従来技術において公知であり、かつレーザ走査顕微鏡、特に共焦点レーザ走査顕微鏡において使用される。

例えば、米国特許出願公開第２００８／０１４３１９６号明細書（US 2008/0143196 A1）および欧州特許第１７１９０１２号明細書（EP 1719012 B1）に基づいて公知のＭＥＭＳスキャナは、微小機械式のミラーを、互いに垂直に配置された２つの回転軸を中心にして旋回させる（２Ｄスキャナ）。このようなＭＥＭＳスキャナは、例えばミラクル・テクノロジー社（Firma Mirrorcle Technologie, Inc.）によっても公知である。

この技術は、V. Milanovic著「マルチレベルビーム ＳＯＩ−ＭＥＭＳ 製造および応用（Multilevel-Beam SOI-MEMS Fabrication and Applications）」IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, 第１３巻、第１号、第１９〜３０頁、２００４年２月、V. Milanovic, D. T. McCormick, G. Matus著「ジンバルのないモノリシックのシリコンアクチュエータ チップティルトピストン微小ミラーアプリケーション用（Gimbal-less Monolithic Silicon Actuators For Tip-Tilt Piston Micromirror Applications）」IEEE J. of Select Topics in Quantum Electronics, 第１０巻、発行：３，２００４年５月〜６月、第４６２〜４７１頁、Veljko Milanovic, N. Siu, A. Kasturi, M. Radojicic, Y. Su著「光学３Ｄ位置および方向測定用のＭＥＭＳアイ（MEMSEye for Optical 3D Position and Orientation Measurement）」Proceedings of SPIE Photonics West ２０１１年、第７９３０〜２７[４]巻、およびVeljko Milanovic, Kenneth Castelino, Daniel McCormick著「広い投影角を備えた、高適合性のＭＥＭＳベースのディスプレイ（Highly Adaptable MEMS-based Display with Wide Projection Angle）」２００７年 IEEE Int Cont. on Microelectromechanical Systems (MEMS 2007)神戸、日本、２００７年１月２５日、といった文献にも同様に記載されている。

特に、このとき両回転軸は、微小機械式のミラーの中心において互いに交差しているので、偏向された光線の回転中心は、正確にミラー中心に位置している。このいわゆるカルダン式の懸吊装置（「ジンバル式マウンティング」）は、光学分野において広く知られている。公知の２Ｄ-ＭＥＭＳスキャナは、特に走査顕微鏡のために適している。それというのは、２Ｄ-ＭＥＭＳスキャナを用いて、走査すべきレーザビームを、好ましくは互いに垂直な２つの方向に逸らすことができるからである。２Ｄ画像を生成するためには、レーザビームをただ１つのＭＥＭＳスキャナだけによって偏向することができ、このことは安価でかつ技術的に有利である。これに対して、ただ１つの旋回軸を備えたＭＥＭＳスキャナの使用時には、少なくとも２つのスキャナが２Ｄ偏光のために必要である。小型化された共焦点走査顕微鏡におけるこのようなスキャナの使用もまた、例えば米国特許出願公開第２０１２／０３３０１５７号明細書（US 2012/0330157 A1）、およびHyun-Joon Shin他著, in Optics Express, ２００７年第１５巻、第９１１３頁〜「ＭＥＭＳスキャナを使用するファイバ光学式の共焦点顕微鏡（Fiber-optic confocal microscope using MEMS scanner）」ならびにHyejun Ra他著, Journal of Microelectromechanical Systems, ２００７年第１６巻、第９６９頁〜「二軸共焦点顕微鏡用の二次元ＭＥＭＳスキャナ（Two-Dimensional MEMS Scanner for Dual-Axes Confocal Microscopy）」といった文献から、同様に公知である。

図４には、従来技術による２Ｄスキャナ１２’におけるレーザビームの反射を示すための原理図が示されている。図４に示されているように、２Ｄスキャナ１２’は、スキャン装置１０’の構成部分である。さらに図４に示されているように、２Ｄスキャナ１２’はスキャンミラー１８’を含んでいる。スキャナ１２’を用いてスキャンミラー１８’は、例えば米国特許出願公開第２００８／０１４３１９６号明細書（US 2008/0143196 A1）に基づいて公知のように、１つまたは複数の軸を中心にして旋回させられる。このときスキャナ１２’は、好ましくは、スキャナ休止位置において入射するレーザビーム１１０’と反射されたレーザビーム１１２’との間に形成された反射角α_o’が、スキャナ１２’の最大光学スキャン角α_s’よりも常に大きいように配置されねばならない（図４参照）。特に最大光学スキャン角α_s’は、スキャナ休止位置において反射されたレーザビーム１１２’に関連した回転角に相当しており、この回転角は、スキャナ作業位置における反射されたレーザビーム１１４’とスキャナ休止位置における反射されたレーザビーム１１２’との間において形成される。技術的な実現を可能な限り簡単に保つために、このとき通常、４５°以上、ときには９０°以上の反射角α_o’が使用される。別の微小機械式のスキャナ、いわゆる変形可能なミラーユニット（ＤＭＤ「変形可能なミラー装置（deformable mirror device）」）は、例えばLarry J. Hornbeck著「変形可能なミラー空間光モジュレータ（Deformable-Mirror Spatial Light Modulators）」ＳＰＩＥの会報、The international Society for Optical Engineering, 第１１５０巻、米国サンディエゴ、１９８９年８月６〜１１日および米国特許出願公開第５０９６２７９号明細書（US 5096279 A）に基づいて公知である。

スキャンミラー１８’の可能な限り小さな寸法設定を得るために、図４に示された公知のＭＥＭＳスキャナ１２’のスキャンミラー１８’は、通常、楕円形に製造されている。これによって、入射するレーザビーム１１０’および出射するレーザビーム１１２’の方向において、投影されたミラー面は円形である。このことには、走査すべきレーザビームをまさに完全に捕捉するために、図４に示された楕円の両主軸３２’，３４’を可能な限り小さく選択することができるという利点がある。この小型化は、特に可能な限り小さな光学構造とかつ同時に最大のスキャン速度とを可能にする。それというのは、スキャンミラー１８’の慣性モーメントを最小に保つことができるからである。典型的には、スキャンミラー１８’がスキャナ休止位置において９０°の反射角α_o’を生成する、入射するレーザビーム１１０’に対して４５°の角度のもとにおける公知のＭＥＭＳスキャナ１２’の配置形態では、１／cos（４５°）＝√２の、ミラー半軸３２’とミラー半軸３４’との比が使用される。

さらに従来技術に基づいて、高価なレーザ-走査顕微鏡（Laser-Rastermikroskop）において使用される光学式の画像域回転装置（Bildfeldrotator）が公知である。例えば光学式の画像域回転装置は、欧州特許第０９５０２０６号明細書（EP 0950206 B1）に記載されている。この公知の画像域回転装置は、回転可能なアッベプリズムまたはドーププリズムを含む光学モジュールである。これらのプリズムの作用形式は、当業者に公知であり、かつ例えばWilliam L. Wolfe著：第４章 Nondispersive Prisms. In: Michael Bass (Ed.): Handbook of optics, 第２巻：Devices, Measurements, and Properties. 第２版、McGraw-Hill, ニューヨーク１９９５、ＩＳＢＮ ０−０７−０４７７４０−Ｘという文献において説明されている。

極めて異なった縁部長さの方形の画像フォーマット（つまり興味ある試料構造に合わせられた可能な限り小さなスキャンフィールド）において、スキャンフィールドの長さを興味ある試料構造に理想的に合わせることができるようにするために、画像域回転装置の使用は、走査顕微鏡において重要である。このことは、試料に対して優しくかつ特に迅速な撮像を保証する小さなスキャンフィールドを可能にする。それというのは、興味のない領域を走査する必要がないからである。使用例としては、対角線方向で試料を貫いて延びるチューブリン繊維またはアクチン繊維である個々の細胞繊維が挙げられる。光学式の画像域回転装置の使用時における利点としては、試料自体を移動させる必要がないということがあり、このことは顕微鏡の安定性を高める。特にこれによって、試料を、任意に選択することができる軸を中心にして回転させる必要が、つまり現時点の画像域中心を中心にした回転が回避される。

しかしながら公知の画像域回転装置には、これらの画像域回転装置が比較的大きく寸法設定されているという欠点がある。ゆえに、公知の画像域回転装置は、特に、ＭＥＭＳ技術を使用する小型化された走査顕微鏡における使用のためには適していない。さらに公知の画像域回転装置は、比較的複雑化された構造を有しかつ高いコストの原因になるという欠点を有している。公知の画像域回転装置の別の欠点としては、レーザビームの偏光特性が得られたままにならないということがあり、このことはしかしながら、幾つかの使用例のために重要である。

公知の従来技術を出発点として、本発明の課題は、対象物を走査する走査ビームのための最適化された光路と、かつ同時に画像域回転とを可能にする、走査顕微鏡における使用のための、対象物を走査する走査装置を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を備えた走査装置によって解決される。好適な発展形態は、従属請求項に記載されている。

請求項１に記載の特徴を備えた走査装置によって、対象物を走査する走査ビームのための最適化された光路と、かつ同時に画像域回転とが可能になる。それというのは、少なくとも１つの走査ユニットと少なくとも１つの回転装置とが設けられているからである。走査ユニットは、１つの光線を用いて対象物を二次元的に走査するために働く。回転装置は、画像域回転を可能にするために、回転軸を中心にして走査ユニットを回転させるために働く。このとき走査ユニットは、少なくとも１つの偏向エレメントを、該偏向エレメントに当たる光線を偏向させるために含んでいる。さらに偏向エレメントは、回転対称形状を有している。好ましくは、回転対称形状は円形である。偏向エレメントの回転対称形状を用いて、走査ビームの優先方向（Vorzugsrichtung）もしくは予め確定された偏角を提供することができ、この偏角は、一方では比較的小さく、かつ他方では最大走査角よりも大きい。これによって、その寸法設定に関して最適化された、走査ビームのための光路が得られる。このことは特に、小型化された走査顕微鏡内における走査装置の使用を可能にする。同時に、回転軸を中心にした走査ユニットの回転によって、画像域を好適に回転させることができる。これによって対象物を走査する走査ビームのための最適化された光路と、かつ同時に画像域回転とを実現することができる。

好ましくは、それを中心にして走査ユニットが回転可能である回転軸は、走査ユニットが延在している平面に対して垂直に延びている。このように構成されていると、同じ平面における走査ユニットの回転を可能にすることができる。

好ましくは、偏向エレメントは、第１の旋回軸を中心にして、かつ／または第２の旋回軸を中心にして、最大走査角に相応して旋回可能である。このとき第１の旋回軸と第２の旋回軸とは、走査ユニットが延在している平面に対して平行に延びている。このように構成されていると、対象物を二次元的に走査する走査ビームを提供することができる。

好ましくは、第１の旋回軸と第２の旋回軸とは、それぞれ偏向エレメントの中心を貫いて延びている。このように構成されていると、偏向エレメントがカルダン式に懸吊されている構造を得ることができる。

好ましくは、回転対称形状は、偏向エレメントの中心に関係している。このときそれを中心にして走査ユニットが回転可能である回転軸は、偏向エレメントのこの中心を貫いて延びている。このように構成されていると、走査ユニットのそれぞれの回転位置において、確定された画像域回転が形成されることを保証することができる。

好ましくは、走査ユニットは、少なくとも０°〜１８０°の角度範囲において回転軸を中心にして回転可能である。この角度範囲における走査ユニットの回転時には、対象物の完全な走査を達成するために、旋回軸を、水平回転位置と鉛直回転位置との間における、それぞれの任意の回転位置にもたらすことができる。

好ましくは、偏向エレメントは、反射エレメントであって、該反射エレメントに当たる（投射される）光線を反射するための反射エレメントである。このとき偏向エレメントは、反射エレメントに当たる光線を偏向させるように反射するために形成されている。このように構成されていると、反射された光線、特にレーザビームの不所望の偏光特性を回避することができる。

好ましくは、走査ユニットは、ＭＥＭＳ（「微小機械式システム（microelektromechanical systems）」）スキャナまたはＤＭＤ（「変形可能なミラー装置（deformable mirror device）」）スキャナを有している。このように構成されていると、小型化された走査顕微鏡における使用のために適した走査ユニット（つまりスキャナ）を提供することができる。

好ましくは、ＭＥＭＳスキャナは、モノリシックな２Ｄスキャナである。このように構成されていると、ただ１つのＭＥＭＳスキャナを用いて、対象物を二次元的に走査することができる。

好ましくは、回転装置は、駆動ユニットを用いて駆動可能な歯車装置を含んでいる。このとき歯車装置は、走査ユニットを、回転軸を中心にして回転させるように形成されている。このように構成されていると、回転軸を中心にした走査ユニットの回転のための確実な駆動装置を提供することができる。

本発明の別の態様は、走査顕微鏡であって、当該走査顕微鏡の光路内に配置された、本発明に係る走査装置を備えた、走査顕微鏡に関する。本発明に係る走査装置を用いて、特に小型化された走査顕微鏡が実現される。例えば走査顕微鏡は、レーザ走査顕微鏡、好ましくは共焦点レーザ走査顕微鏡である。

好ましくは、走査ユニットは、偏向エレメントに当たる光線が走査ユニットの休止位置において偏向され、偏向された光線と偏向エレメントに当たる光線とが、予め確定された偏角を成すように配置されている。このとき予め確定された偏角は、対象物を二次元的に走査するための最大走査角よりも大きく、かつ４５°未満である。このように構成されていると、対象物を走査する走査ビームのための、従来技術に比べて最適化された、つまり小型化された光路を得ることができる。

好ましくは、予め確定された偏角は、３５°以下、３０°以下、２５°以下、２０°以下、１５°以下、または１０°以下である。このように構成されていると、種々様々な角度範囲における走査ビームの優先方向もしくは予め確定された偏角を提供することができる。

好ましくは、最大走査角は、±２５°、±２０°、±１５°、±１０°、または±５°である。このように構成されていると、対象物を二次元的に走査するための種々様々な最大走査角を設定することができる。

好ましくは、走査顕微鏡は、走査された対象物のデジタル画像を検出する画像検出ユニットと、デジタル画像を処理する画像処理ユニットとを含んでいる。表示装置においてそれぞれ任意の画像位置を示すために、画像処理ユニットを用いて、例えばコンピュータ（ＰＣ）のメモリにおけるデジタル画像の反射および回転を実施することができる。

本発明のさらなる特徴および利点は、本発明を添付の図面との関連において詳説する以下の記載において開示されている。

１実施形態による、第１の回転位置における走査ユニットを備えた走査装置を概略的に示す図である。 第２の回転位置における走査ユニットを備えた、図１ａに示された走査装置を概略的に示す図である。 １実施形態による、図１ａに示された走査装置を備えた走査顕微鏡を概略的に示す側面図である。 図１ａに示された走査装置における光線の反射を示す原理図である。 従来技術による２Ｄスキャナにおける光線の反射を示す原理図である。

図１ａには、１実施形態による、第１の回転位置における走査ユニット１２を備えた走査装置１０が、概略的に示されている。図１ａに示された走査装置１０は、図２に例示されているような走査顕微鏡１００における使用のために対象物１２２を走査するために働く。図１ａに示されているように、走査装置１０は、回転装置１４に配置された走査ユニット１２を含んでいる。走査ユニット１２は、光線を用いて対象物１２２を二次元的に走査するために働く。回転装置１４は、回転軸１６を中心にして走査ユニット１２を回転させるために働き、これによって画像域を回転させることができる。さらに図１ａに示されているように、走査ユニット１２は、回転対称形状を有する偏向エレメント１８を含んでいる。偏向エレメント１８は、偏向エレメント１８に当たる光線の向きを変えて偏向させるために働く。図１ａには特に、走査ユニット１２の第１の回転位置が示されている。例えばこの第１の回転位置は、０°の回転角に相当する。回転軸１６を中心にした走査ユニット１２の回転は、図１ａにおいて双方向矢印Ｒ₁によって略示されている。

図１ａの実施形態では、偏向エレメント１８は円形を有している。

図１ａによれば、回転装置１４は駆動ユニット３０を含んでおり、この駆動ユニット３０を用いて歯車装置が駆動可能である。歯車装置は、第１の歯車２４と第２の歯車２６とを含んでいる。第１の歯車２４は、駆動ユニット３０を用いて駆動可能である。第２の歯車２６は、走査ユニット１２に結合されていて、かつ第１の歯車２４と係合しており、第１の歯車２４の駆動時に第２の歯車２６に結合された走査ユニット１２が、回転軸１６を中心にして回転するようになっている。

図１ａの実施形態では、回転軸１６は、走査ユニット１２が延在する平面Ｐに対して垂直に延びている。さらに回転軸１６は、偏向エレメント１８の中心Ｍを貫いて延びている。このときこの中心Ｍは、偏向エレメント１８の円形の中心に相当している。

図１ａに示されているように、偏向エレメント１８は、第１の旋回軸２２ａを中心にしてかつ第２の旋回軸２２ｂを中心にして旋回可能である。これらの旋回軸２２ａ，２２ｂを用いて偏向エレメント１８は、図３に例示されているように、その都度最大の走査角α_sに相応して旋回することができる。さらに図１ａに示されているように、両旋回軸２２ａ，２２ｂは、走査ユニット１２が延在する平面Ｐに対して平行に延びている。それぞれの旋回軸２２ａ，２２ｂを中心にした偏向エレメント１８の旋回は、図１ａにおいて双方向矢印Ｒ₂もしくはＲ₃によって略示されている。

図１ａによれば、走査ユニット１２は第１のフレーム２０ａと第２のフレーム２０ｂとを含んでいる。第１のフレーム２０ａは、第２のフレーム２０ｂを取り囲んでいる。第２のフレーム２０ｂは、第１のフレーム２０ａに結合されていて、かつ第１のフレーム２０ａにおいて第２の旋回軸２２ｂを中心にして回転可能に支持されている。偏向エレメント１８は、第２のフレーム２０ｂに結合されていて、かつ第２のフレーム２０ｂに第１の旋回軸２２ａを中心にして回転可能に支持されている。したがって走査ユニット１２は、特に偏向エレメント１８を支持するためのカルダン式の懸吊装置を含んでいる。このカルダン式の懸吊装置では、両旋回軸２２ａ，２２ｂはそれぞれ偏向エレメント１８の中心Ｍを貫いて延びている。

図１ａに示された実施形態では、偏向エレメント１８は反射エレメントであって、該反射エレメントに当たる光線を反射するための反射エレメントである。偏向エレメント１８は、特に当たる光線（例えばレーザビームのような）の偏光を含む反射のために働く。好ましくは、偏向エレメント１８は、円形のミラー面を備えたミラーである。

図１ａに示されているように、走査ユニット１２は、信号伝達のためのケーブル２８に接続されている。

図１ｂには、第２の回転位置における走査ユニット１２を備えた、図１ａに示された走査装置１０が、概略的に示されている。例えばこの第２の回転位置は、０°〜１８０°の角度範囲内における回転角に相当している。さらに走査ユニット１２は、回転装置１４を用いて、例えば１８０°以上の、または３６０°以上のより大きな回転角にわたって回転することもできる。特に回転は、走査ユニット１２に接続されたケーブル２８によって損なわれないことが望ましい。

回転装置１４を用いて、特に走査ユニット１２の、図１ａおよび図１ｂに示された回転位置を得ることができる。このときこれらの回転位置はそれぞれ、画像域回転のための種々様々な調節に対応配置されている。

図２には、１実施形態による、図１ａに示された走査装置１０を備えた走査顕微鏡１００が、概略的に側面図で示されている。図２に示された走査顕微鏡１００は、特に共焦点レーザ走査顕微鏡１００である。図２に示されているように、走査装置１０は走査顕微鏡１００の光路内に配置されている。走査顕微鏡１００は、対象物１２２を走査する走査ビーム１０４を発生するレーザ光源１０２を含んでいる。対象物１２２は、対象物テーブル１２４に配置されている。走査装置１０とレーザ光源１０２との間には、ビームスプリッタ１０８が配置されている。さらにビームスプリッタ１０８とレーザ光源１０２との間には、走査ビーム１０４が貫通するレンズ１０６ａ，１０６ｂが配置されている。走査ビーム１０４の方向において走査装置１０の後ろには、ミラー１１６が配置されており、このミラー１１６は走査ビーム１０４を、対象物テーブル１２４の上に配置された対物レンズ１２０の方向に反射する。対物レンズ１２０とミラー１１６との間には、レンズ１１８ａ，１１８ｂによって形成される結像光学系が配置されている。この結像光学系によって走査ビーム１０４は、対物レンズ１２０の焦点平面１２１上に結像される。走査された対象物１２２から進出してほぼ走査ビーム１０４に対して逆方向に延びる検出ビーム１２６（例えば蛍光ビームのような）は、検出器１３２を用いて検出される。ビームスプリッタ１０８の後ろにおける検出ビーム１２６の方向には、レンズ１２８ａ，１２８ｂとピンホール１３０とによって形成される検出光学系が配置されている。この検出光学系は、検出器１３２において対象物１２２を結像するために働く。

図２に示されているように、走査ビーム１０４は、走査装置１０の前の走査ビーム１０４の方向における第１のビーム部分１１０と、走査装置１０の後ろの走査ビーム１０４の方向における第２のビーム部分１１２（もしくは１１４ａ，１１４ｂ）とを含んでいる。このとき第１のビーム部分１１０は、走査ユニット１２の偏向エレメント１８に当たる光線に相当し、これに対して第２のビーム部分１１２；１１４ａ，１１４ｂは、走査ユニット１２の偏向エレメント１８によって偏向された光線に相当する。特に図２には、走査ユニット１２を用いて実施された、対象物１２２の二次元の走査が概略的に示されている。このときビーム部分１１２は、走査ユニット１２の休止位置において偏向された光線に相当し、これに対してビーム部分１１４ａ，１１４ｂはそれぞれ、走査ユニット１２の作業位置において偏向された光線に相当する。さらにビーム部分１１２は、予め確定された偏角α_o（つまりビーム部分１１０，１１２の間の角度）によって確定された優先方向を有しており、これに対してビーム部分１１４ａ，１１４ｂはそれぞれ、最大走査角α_sによって確定されている方向を有している。例えば最大走査角α_sは、優先方向を有するビーム部分１１２に関連した正の回転角または負の回転角に相当している。角度α_oもしくはα_sに対するさらなる詳細については、以下において図３を参照しながら記載する。

図３には、図１ａに示された走査装置１０における光線１０４の反射を示す原理図が示されている。図３によれば走査ユニット１２は次のように配置されている。すなわちこの場合ビーム部分１１０は走査ユニット１２の休止位置において、ビーム部分１１０，１１２が予め確定された偏角（つまりα_o）を形成するように偏光される。このときこの予め確定された偏角α_oは、特に最大走査角（つまりα_s）よりも大きく、好ましくは４５°未満である。比較的小さい偏角α_oは、回転対称に形成された偏向エレメント１８を用いて得ることができる。偏向エレメント１８が円形に形成されている場合のために、相応の円形の両半軸３２，３４は同じ大きさである。

例えば予め確定された偏角α_oは、最大偏角α_sが±２０°である場合には、３０°以下であり、好ましくは２５°以下である。

例えば予め確定された偏角α_oは、最大偏角α_sが±１０°である場合には、１５°以下である。

図１ａに示された実施形態とは択一的に、走査装置は例えば、対象物を一次元に走査するための第１の走査ユニットと、対象物を一次元に走査するための第２の走査ユニットと、第１の走査ユニットを回転させるための第１の回転装置と、第２の走査ユニットを回転させるための第２の回転装置とを含んでいる。このとき第１の回転装置および第２の回転装置は、第１の走査ユニットおよび第２の走査ユニットを、両走査ユニットの回転運動が同期化されるように回転させるように構成されている。

本発明の実施形態は、２Ｄスキャナ１２を用いたレーザ走査顕微鏡１００の小型化された光学構造において純粋に光学式の安価な画像域回転装置を提供する。従来技術に基づいて公知の画像域回転装置とは異なり、本発明に係る画像域回転装置は小型化することができ、複雑な光路を必要としない。好ましくは本発明に係る画像域回転装置を用いて、入射するレーザビーム１０４の偏光が得られる。

本発明は、特に以下の利点を有している。図４に示されているような比較的大きな偏角α_o’の選択は不要であるということが認識された。これに対して、小型化された２Ｄ-ＭＥＭＳスキャナ１２の光学的なスキャン角α_sは、±２０°未満に、好ましくは±１０°未満に選択することができる。スキャン休止位置における反射角α_oが、例えば２５°未満のような、最大走査角α_sよりも最小に大きく選択されていると、ミラー表面における投影されたレーザビーム１０４は、投影された楕円形のビーム形状の両半軸の、約１.１の比を有している。楕円形のＭＥＭＳミラー１８’の大きな半軸３２’は、最適化された、つまり最小化された大きさの場合に、小さな半軸３４’よりも単に約１０％大きくする必要があった（図４参照）。この場合、等しい長さ３２，３４を有する円形の、つまり回転対称のＭＥＭＳミラー１８を使用することには、問題になるような欠点がない（図３参照）。このようなミラー自体は、従来技術においても公知であり、広く知られている。これによって一方では円形のミラーを使用することと、かつ同時にＭＥＭＳスキャナの特性を（ほぼ）理想的に保つこととが可能である。このことは、具体的には（ほぼ）最小化されたミラーサイズ、最小化された慣性モーメント、ひいては最大化されたスキャン周波数を意味する。

同様なことは、例えば２５°よりも大きな、幾分大きな偏角α_oの選択時にも言えることであり、かつ比較的小さな偏角α_oの選択時になおさら言えることである。

本発明は、２Ｄスキャナ、好ましくは小型化された２軸のＭＥＭＳスキャナ１２を使用する。例えばガルバノメータ-スキャナに基づく、従来のスキャナモジュールとは異なり、２Ｄスキャナ１２の使用時には、両スキャン軸２２ａ，２２ｂが１つのエレメントにまとめられていて、かつ同じミラー１８をカルダン式の懸吊装置またはほぼカルダン式の懸吊装置によって旋回させるという利点がある。これによって例えばＸ軸およびＹ軸のための２つの独立したガルバノメータ-スキャナから成る、２つの別体のスキャンユニットは、もはや不要になる。

さらに２Ｄ-ＭＥＭＳスキャナ１２における円形のスキャンミラー１８を選択し、かつ例えば２５°未満の小さな偏角α_oを同時に選択することによって、光路に複雑化された光学エレメントを有しない、本発明に係る光学式の画像域回転装置を実現することができる。このことは特に、図２に基づいて明らかである。

実施形態によれば、ミラー平面Ｐに対して垂直に位置していてかつミラー平面Ｐとその中心で交差している回転軸１６を中心にした、２Ｄスキャナ１２の回転によって、図２に略示されている顕微鏡構造の画像域回転が惹起される。回転軸１６を中心にした回転、つまりいわゆる画像域回転（Bildfeldrotation）によって、特に、ミラー平面Ｐにおけるスキャン軸２２ａ，２２ｂの方位的な位置変化が惹起される。例えば軸２２ａが迅速スキャン軸であり、かつ画像座標Ｘに対応配置されている場合、画像座標が回転させられる。顕微鏡構造において、レーザビーム１０４のこのスキャン方向は、相応に試料１２２において回転させられ、これに対して試料１２２は不動のままである。

理想的なスキャン動作および画像域回転の意味において特に好ましくは、軸２２ａ，２２ｂ，１６がミラー１８の中心Ｍにおいて互いに交差している（つまりミラー中心Ｍに軸２２ａ，２２ｂの交点を備えた、カルダン式に懸吊されたミラー）。カルダン式の懸吊装置の代わりに、軸２２ａ，２２ｂがミラー中心Ｍにおいて交差していない形態も可能である。しかしながら、スキャナ１２の機能をすべての回転位置において保証するために、軸１６はミラー１８と、ミラー１８の中心Ｍにおいてまたはほぼ中心Ｍにおいて交差していることが望ましい。

このようにして形成された画像域回転は、技術的な理由から、同じ方向において３６０°回転を任意にしばしば行うことができない。それというのは、信号伝達のためのケーブル２８が回転するスキャナ１２に通じていて、任意に多くの回転を許さないからである。しかしながら、０°〜１８０°または−９０°〜＋９０°の画像域回転が実現されれば、所望の効果を得るためには十分である。所望の場合には、すべてのさらなる画像位置をデジタル表示（コンピュータ）で、簡単な画像処理によって、つまりＰＣのメモリにおけるデジタル画像の反射および回転によって形成することができる。重要なことは単に、光学機械式の構造において、スキャン軸２２ａ，２２ｂのそれぞれの方向付けを得ることができることだけである。このことは既に、全体で１８０°のカバーされた角度範囲において与えられている。

注意すべきことであるが、本発明を実現するために、原則的にはＭＥＭＳスキャナを使用する必要はない。むしろ単に、ビーム１０４がミラー１８に、それぞれの画像域回転角において完全に当たるということ、つまりミラー１８へのビーム１０４の投影が、常に完全にミラー面を捕捉するということだけが前提条件である。このことは特に、比較的小さな偏角α_oと円形のミラー形状とを使用することによって得られる。従来技術による楕円形のミラーを使用することは望ましくない。それというのは、楕円形のミラーの使用時には、回転位置はもはや確定されていないからである。

好ましくは、走査（Rastern bzw. Abtasten）のために使用されるユニット、つまりスキャナ１２は、ただ１つのミラー１８を好ましくは垂直な２つのスキャン方向に偏向するモノリシックな２Ｄスキャナである。両スキャン方向を、それぞれただ１つのスキャン方向しか実現しない２つの異なったユニットに分割する場合には、本発明もまた同様に図１ａおよび図１ｂに相当する回転装置によって、これらのユニットのそれぞれのために機能する。この場合には種々様々な回転装置を、互いに同期化して回転させることが望ましい。

実施形態によれば、ミラーの代わりに別のビーム偏向エレメントを使用することも可能である。このことは、例えばＭＥＭＳ技術において組み込まれた、レンズ、レンズ系またはプリズムのようなエレメントであってよく、これらのエレメントは、側方移動または旋回によってビーム偏向を形成する。例えば、Larry J. Hornbeck、「変形可能ミラー空間光モジュレータ（Deformable-Mirror Spatial Light Modulators）」、ＳＰＩＥの会報、The Internatonal Society of Optical Engineerring、第１１５０巻、米国サンディエゴ、１９８９年８月６〜１１日に記載されているような、変形可能なミラーユニット（ＤＭＤ、「変形可能なミラー装置」）、液晶に基づく光モジュレータ（「空間光モジュレータ（spatial light modulator）」）、または音響光学的な走査ユニット（「音響光学式デフレクタ（acousto optic deflectors）」、ＡＯＤ）に基づく（２Ｄ）スキャナを、本発明に係る画像域回転装置と組み合わせられて使用することも可能である。上において述べた場合においては、相応のスキャンユニット全体を全体的に同様な形式で回転させることが望ましい。しかしながらこれらのアプローチは、比較的高コストであり、かつ／または技術的に複雑であるので、実地における実施においては、ＭＥＭＳミラースキャナまたはＤＭＤミラースキャナの使用が中心的な意味を有している。なぜならば、主に追求される目的は、追加的な複雑化された光学エレメントを光路に有していない、同様に小型化された光学式の画像域回転装置を備えた小型化されたスキャナの実現であるからである。

本発明の実施形態は、２Ｄスキャナであって、比較的小さな偏角のもとで走査顕微鏡において使用され、かつゆえに回転対称（円形）であってよい２Ｄスキャナを提供する。本発明によれば、円形のスキャンミラーの使用が可能になる。これには、スキャナの最大の光学的なスキャン角α_sに比べて単に最小にしか大きくない、小さな偏角α_oの実現が結び付いている。実施形態によれば、スキャンユニット全体の回転が行われる。このとき画像域回転軸は、ミラー平面に対して垂直であり、かつミラー中心と交差している。さらに実施形態によれば、画像域回転の角度範囲は、ケーブル供給形態に基づいて制限されているが、しかしながらこれは、機能上の制限を意味しない。

１０ 走査装置
１２ 走査ユニット
１４ 回転装置
１６ 回転軸
１８ 偏向エレメント
２０ａ，２０ｂ フレーム
２２ａ，２２ｂ 旋回軸
２４，２６ 歯車
２８ ケーブル
３０ 駆動ユニット
３２，３４ 半軸
１００ 走査顕微鏡
１０２ レーザ光源
１０４ 走査ビーム
１０６ａ，１０６ｂ，１１８ａ，
１１８ｂ，１２８ａ，１２８ｂ レンズ
１０８ ビームスプリッタ
１１０，１１２，１１４ａ，
１１４ｂ ビーム部分
１１６ ミラー
１２０ 対物レンズ
１２１ 焦点平面
１２２ 対象物
１２４ 対象物テーブル
１２６ 検出ビーム
１３０ ピンホール
１３２ 検出器
α_o，α_s 角度
Ｍ 中心
Ｐ 平面
Ｒ₁〜Ｒ₃ 方向
１０’〜１１４’，α_o’，α_s’ 公知の成分もしくは角度

Claims (15)

1. 走査顕微鏡（１００）における使用のための、対象物（１２２）を走査する走査装置（１０）であって、
   光線（１０４）を用いて前記対象物（１２２）を二次元的に走査する少なくとも１つの走査ユニット（１２）と、
   画像域を回転させるために、回転軸（１６）を中心にして前記走査ユニット（１２）を回転させる少なくとも１つの回転装置（１４）と、を備えており、
   前記走査ユニット（１２）は、少なくとも１つの偏向エレメント（１８）を、前記偏向エレメント（１８）に当たる光線（１１０）を偏向するために有しており、
   前記偏向エレメント（１８）は、回転対称形状を有している、
   走査装置（１０）。
2. それを中心にして前記走査ユニット（１２）が回転可能である前記回転軸（１６）は、前記走査ユニット（１２）が延在している平面（Ｐ）に対して垂直に延びている、請求項１記載の走査装置（１０）。
3. 前記偏向エレメント（１８）は、第１の旋回軸（２２ａ）を中心にして、かつ／または第２の旋回軸（２２ｂ）を中心にして、最大走査角（α_s）に相応して旋回可能であり、前記第１の旋回軸（２２ａ）と前記第２の旋回軸（２２ｂ）とは、前記走査ユニット（１２）が延在している平面（Ｐ）に対して平行に延びている、請求項１または２記載の走査装置（１０）。
4. 前記第１の旋回軸（２２ａ）と前記第２の旋回軸（２２ｂ）とは、それぞれ前記偏向エレメント（１８）の中心（Ｍ）を貫いて延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載の走査装置（１０）。
5. 前記回転対称形状は、前記偏向エレメント（１８）の前記中心（Ｍ）に関係しており、それを中心にして前記走査ユニット（１２）が回転可能である前記回転軸（１６）は、前記偏向エレメント（１８）の前記中心（Ｍ）を貫いて延びている、請求項１から４までのいずれか１項記載の走査装置（１０）。
6. 前記走査ユニット（１２）は、少なくとも０°〜１８０°の角度範囲において前記回転軸（１６）を中心にして回転可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の走査装置（１０）。
7. 前記偏向エレメント（１８）は、反射エレメントであって、前記反射エレメントに当たる光線（１１０）を反射するための反射エレメントであり、前記偏向エレメント（１８）は、前記当たる光線（１１０）を偏光させるように反射するために形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の走査装置（１０）。
8. 前記走査ユニット（１２）は、ＭＥＭＳスキャナまたはＤＭＤスキャナを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の走査装置（１０）。
9. 前記ＭＥＭＳスキャナは、モノリシックな２Ｄスキャナである、請求項８記載の走査装置（１０）。
10. 前記回転装置（１４）は、駆動ユニット（３０）を用いて駆動可能な歯車装置（２４，２６）を有しており、前記歯車装置（２４，２６）は、前記走査ユニット（１２）を、前記回転軸（１６）を中心にして回転させるように形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の走査装置（１０）。
11. 走査顕微鏡（１００）であって、前記走査顕微鏡（１００）の光路に配置された、請求項１から１０までのいずれか１項記載の走査装置（１０）を備えた、走査顕微鏡（１００）。
12. 前記走査ユニット（１２）は、前記偏向エレメント（１８）に当たる前記光線（１１０）が前記走査ユニット（１２）の休止位置において偏向され、偏向された光線（１１２）と当たる光線（１１０）とが、予め確定された偏角（α_o）を成すように配置されており、前記予め確定された偏角（α_o）は、前記対象物（１２２）を二次元的に走査するための最大走査角（α_s）よりも大きく、かつ４５°未満である、請求項１１記載の走査顕微鏡（１００）。
13. 前記予め確定された偏角（α_o）は、３５°以下、３０°以下、２５°以下、２０°以下、１５°以下、または１０°以下である、請求項１２記載の走査顕微鏡（１００）。
14. 前記最大走査角（α_s）は、±２５°、±２０°、±１５°、±１０°、または±５°である、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の走査顕微鏡（１００）。
15. 当該走査顕微鏡（１００）は、レーザ走査顕微鏡、好ましくは共焦点レーザ走査顕微鏡である、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の走査顕微鏡（１００）。

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