JP4070405B2 - 光ビームの複数スペクトル帯域を同時に検知する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、光ビームの複数スペクトル帯域を同時に検知する装置に関し、とりわけ共焦点顕微鏡の検知ビーム路においてレーザスキャナの光ビームを検知する形式の装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び問題点】
光ビームの複数スペクトル帯域を同時に検知する装置は、実際にはかなり長い間、“マルチバンドデテクタ”の名称で公知である。このマルチバンドデテクタはコストの掛かる光学的装置であり、付加的光学系により多重フォーカシングを可能にしている。このような装置はマルチバンドスペクトル検知のために非常に大きな空間を必要とし、したがって無視できないほどの構造的寸法の原因となる。さらにそこでは規則的に焦点離脱（焦点シフト）作用が発生する。そのため付加的光学系により−それぞれのスペクトル帯域について−付加的な後焦点合わせが必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光ビームの複数スペクトル帯域を同時検知するための装置、とりわけ共焦点顕微鏡の検知ビーム路においてレーザスキャナの光ビームを検知する形式の装置を次のように構成および改善することである。すなわち、構造が簡単であり、かつ構造寸法が小さく、しかも従来技術で発生する焦点離脱作用がほぼ回避されるように構成および改善することである。
【０００４】
【課題の解決手段】
掲記の上位概念記載の形式の本発明の装置は、この課題を請求項１の特徴部分の構成によって解決する。これによればこのような装置は、光ビームをスペクトル的に展開分散するための装置と、展開分散されたビームを分散面から複数のスペクトル帯域に分割し、次いで分割された（複数の）スペクトル帯域を検知するための装置（分割／検知装置）とを有し、該分割／検知装置は、展開分散されたビームのビーム路に配置され、スリット絞りを形成する反射面を有し、該反射面は展開分散されたビームをスリット形成と反射によって分散面から複数の部分ビームに分解する。
【０００５】
本発明によれば、光ビームの複数スペクトル帯域の同時検知が、光ビームをまずスペクトル的に扇状に展開ないし拡開、即ち展開（ないし拡開）分散(auffaechern)し、次いで展開分散されたビームを分散面から分割（ないし分解）することにより簡単に可能となる。展開分散されたビームを分散面から分割することは、本発明によれば特別の光学装置によって行われる。ここではスペクトル帯域に分割された部分ビームないし（複数）スペクトル帯域自体が同時に検知される。ここで重要なことは、スペクトル帯域への本来の分割の前に、光ビームの展開分散を行うことである。これにより分散面からの分割を展開分散されたビームにおいて行うことができる。付加的光学系による多重フォーカシングはここではいずれにしろ必要ない。
【０００６】
前にすでに述べたように、本発明では２つの光学装置が設けられている。すなわち、第１に光ビームをスペクトル展開分散するための装置と、第２に分割（分解）し次いで検知するための装置である。光ビームをスペクトル展開分散するための装置にはピンホールを前置することができ、到来する光ビームがこのピンホールにフォーカシングされる。ピンホールはレーザスキャナに直接後置することができる。重要なことはいずれにしろ、光ビームをビーム路に配置されたピンホールにフォーカシングすることである。
【０００７】
そこから発散されたビームは、光ビームをスペクトル的に展開分散する装置に至る。この装置はフォーカシング光学系および分散手段を有している。分散手段は、特に簡単にはプリズムとして構成することができる。分散手段ないしプリズムの前後にはさらに有利には、それぞれ１つのフォーカシング光学系が配置され、このフォーカシング光学系はさらにレンズ装置（ないしレンズユニット）を有することができる。
【０００８】
ピンホールからプリズムへと経過する発散されたビームは、フォーカシング光学系により後でさらに説明する分割／検知装置にフォーカシングされ、そこで（複数）スペクトル帯域への分割（分解）が行われる。
【０００９】
とりわけ適切な構造寸法の観点から、光ビームを展開分散するための装置には、展開分散されたビームの向きを反転するための反射手段が後置されており、反射手段は鏡面化面ないしはミラーとすることができる。いずれにしろ、展開分散されたビームの向きを少なくとも一度、反転することにより装置全体の構造寸法を小さくすることができる。
【００１０】
すでに述べたように、光ビーム（光束）はフォーカシング光学系によって分割／検知装置ないしスリット／検知装置(Spalt-/Detektoranordnung)にフォーカシングすることができる。したがってこの分割／検知装置は展開分散されたビームのビーム路に配置され、スリット絞りを形成する反射面を有する。この反射面は展開分散されたビームを一方ではスリット形成により、他方では反射により分散面から複数の部分ビームにし、そしてこれにより個々のスペクトル帯域を対応する検知器に結像する。言い替えれば、スリット絞りはそこに到来するビームを−絞り幅に相応して−部分的に通過させるためと、そこに設けられた反射面での反射のために用いられる。これによりすでにスリット絞りと２つの反射面（スリット絞りを形成するための両側にそれぞれ１つの反射面）において、３つの部分ビームへの分割、すなわち３つのスペクトル帯域への分解が可能である。この分割（分解）は、展開分散されたビームにおいてそのビームの分散面から行う。
【００１１】
もちろん、スリット絞りを通過した部分ビームも、反射された部分ビームも、さらに何回かスリット絞りに当てて、そこで前に説明したようにさらに分割することもできる。したがって複数の部分ビームへの分割は、相応の反射面を有するスリット絞りの多重構成によって可能である。
【００１２】
分割された部分ビームは検知器に直接到達する。ここで検知器の数は部分ビームの数に相応する。
【００１３】
ここに設けられたスリット絞りに対してさらに重要なことは、これが展開分散されたビームの焦点位置にほぼ位置決めないし配置されることである。スリット絞りの反射面は鏡面化面ないしはミラーとして構成されており、鏡面化面は支持材料に相応して例えば蒸着により形成される。
【００１４】
スリット絞りの具体的構成の観点から、鏡面化面を、スリット絞りを形成するスリット絞りジョー（基台部）に配属し、スリット絞り、展開分散されたビームの反射すべき帯域、および場合により反射角を定めるこのスリット絞りジョーの位置が調整可能、ないし調整設定可能、またはシフト可能であるように構成すると有利である。これによりスリット絞りジョーの調整によって、通過する部分ビーム及び反射される部分ビームのスペクトル帯域だけでなく、反射された部分ビームの進行する方向も設定することができる。したがって検知器の構成は少なくとも所定の帯域において可変である。
【００１５】
具体的には、スリット絞りジョーはそれぞれ、少なくとも部分的に鏡面化面を有する立方体または例えば４角（断面）のロッドとして構成することができる。この場合、面の１つは−少なくとも部分的に−反射面として用いられ、ここでは本来のスリットに境界を接する面である。スリット絞りジョーを作製するためには、使用されるガラス種に応じてすでに全反射をその表面で提供することのできるガラス中実体が考えられる。さらにガラスは簡単に加工することができ、非常に小さな熱膨張係数を有している。したがって装置を熱に依存して調整することは不要である。
【００１６】
さらに有利には、スリット絞りジョーを、回転駆動されるスピンドルないし相応のねじ山を有するスライダとして構成する。このように構成すればスリット絞りジョーの調整をアクチュエータを介して行うことができ、このアクチュエータはスリット絞りジョーの鏡面化面を送り運動させ、および場合により回転させる。スリット絞りジョーの位置調整によってスリット幅および反射されるビームの幅、ひいてはそれぞれのスペクトル帯域が調整される。スリット絞りジョーおよびひいては反射角の角度調整により、固定的に位置決めされた検知器への調整が可能である。アクチュエータは任意の手動操作部とすることができる。有利にはアクチュエータとして電気モータ、とりわけ微駆動手段を備えた電気モータを使用する。
【００１７】
分割／検知装置内には、散乱光を抑圧（阻止）するための手段を設けることができ、これは例えばいわゆるビームトラップ（ストップ）または絞りであり、これらは従来技術から散乱光抑圧のための手段として十分に周知である。
【００１８】
種々異なるスペクトル帯域ないしはカラーに対する検知器として、従来の検知器、有利にはフォトマルチプライヤを使用することができる。また例えば市販されているＣＣＤセンサを使用することもできる。
【００１９】
装置全体の小型化構造の観点から、光ビームをスペクトル展開分散するための装置と、分割／検知装置とをただ１つのシャシにより支持すると有利である。このシャシはレーザスキャナに直接取り付けられるか、ないしは設置可能である。分割／検知装置はそこに設けられたスリット絞りジョーと共に、スライド挿入（プラグイン）ユニットとして使用されうるケーシングに配置することができる。プラグインユニットはさらに入射角の調整および展開分散されたビームの分散面の調整のためにその位置を調整することができる。
【００２０】
さらに、分割／検知装置のためのケーシングを熱的に十分に絶縁し、熱的な影響がそこの装置に作用するのを回避することも考えられる。
【００２１】
本発明の技術思想を有利に発展および改善するには種々の手段がある。これについて一方では請求項１の従属請求項を、他方では図面に基づく本発明の実施例の以下の説明を参照されたい。本発明の有利な実施例の説明と関連して、一般的に有利な構成および改善形態を説明する。
【００２２】
【実施例】
図１は、光ビーム１の複数スペクトル帯域を同時に検知するための装置の実施例を概略的に示す。ここでは図示しない共焦点顕微鏡の検知ビーム路にある、概略的にだけ示したレーザスキャナ２の光ビームを検知するための装置が取り扱われる。
【００２３】
本発明によれば装置は、光ビーム１をスペクトル的に展開分散(Auffaechern)するための装置３と、展開分散されたビーム５を分散面６から複数スペクトル帯域７，８，９へ分割し、続いて分割されたスペクトル帯域７，８，９を検知器１２，１０，１１によって検知するための装置（以下常に分割／検知装置４と称する）とを有する。
【００２４】
図１に示されているように、光ビーム１をスペクトル的に展開分散する装置３にはピンホール１３が前置されており、このピンホールに、到来する光ビーム１がフォーカシングされる。そこで発散された光ビーム１４はプリズム１５に到達する。プリズム１５の前後にはフォーカシング光学系１６が配置されている。そこで、発散された光ビーム１４は分割／検知装置４にフォーカシングされる。このとき、プリズム１５により展開分散された光ビーム１７を方向反転するため、この光ビームはまずミラー１８に当たり、そしてそこから分割／検知装置４に、しかも相応にフォーカシングされて、到達する。
【００２５】
図１からさらに、光ビーム１をスペクトル的に展開分散する装置１も、分割／検知装置４も共に１つのシャシないしフレームボディ１９に配属されていることが分かる。ここでこのシャシ１９はレーザスキャナ２に直接固定することができる。このことはとりわけ装置全体の小型化構造によって可能となる。
【００２６】
図２と図３は、一方では基本的機能を、他方では分割／検知装置４内のそれぞれの構成部材の基本配置を示す。
【００２７】
分割／検知装置４には、展開分散されたビーム１７ないし５がスリット絞りジョー２３および鏡面化面２１によって複数の部分ビームないしスペクトル帯域（レンジ）７，８，９に分割され、分散面６から、検知器１０，１１，１２に導かれる。図２で選択された図示態様では、分散面６は図平面に対して垂直である。図３で選択された図示では分散面６は図平面上にある。
【００２８】
図２では、検知器１０，１１，１２と、電気モータとして構成されたアクチュエータ２２とは概略的にのみ示されている。同じことがスリット２０を形成するスリット絞りジョー２３および鏡面化面２１に対しても当てはまる。鏡面化面はスリット絞りジョー２３に直接設けられている。
【００２９】
図２は、反射されたスペクトル帯域９をさらに拡大して示す。ここで反射はスリット絞りジョー２３の鏡面化した端面で行われる。
【００３０】
図３は、分割／検知装置４に入射し、スペクトル的に展開分散されたビーム５の一部が、鏡面化面２１で上方へ、そして下方へ検知器１０，１１に偏向される様子を示す。さらに他の部分ビームないしスペクトル帯域７はスリット２０を通過し、検知器１２に達する。
【００３１】
アクチュエータ２２により、スリット２０がスリット絞りジョー２３間で調整される。これにより各スペクトル帯域７，８，９を個別に調整することができ、これらのスペクトル帯域の各部分ビームは最終的に検知器１２，１０，１１に達する。
【００３２】
入射され、展開分散されたビーム１７ないし５を分散面から分割(Aufspaltung)することにより、スリット絞りジョー２３を十分に正確に、展開分散されたビーム１７ないし５の焦点に位置決めすることができる。
【００３３】
最後に、簡単に図示するため図３には全部で４つのアクチュエータ２２の位置のうち２つだけが図示されていることに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、光ビームの複数スペクトル帯域を同時に検知するための本発明の装置の実施例を概略的に示し、ここでは分割／検知装置がブラックボックスとして表示されている。
【図２】 図２は、分割／検知装置の機能を説明するための基本概略図である。
【図３】 図３は、分割／検知装置の構成部材の基本配置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ （レーザビーム発生器から到来する）光ビーム
２ レーザスキャナ
３ 光ビーム５をスペクトル的に展開分散する装置
４ 分割／検知装置
５ 展開分散されたビーム
６ （展開分散されたビームの）分散面
７ スペクトル帯域
８ スペクトル帯域
９ スペクトル帯域
１０ 検知器
１１ 検知器
１２ 検知器
１３ ピンホール
１４ 発散された光（ピンホールの後）
１５ プリズム
１６ フォーカシング光学系
１７ 展開分散されたビーム（プリズムの後）
１８ ミラー（反転のため）
１９ シャシ
２０ スリット
２１ （スリット絞りジョーにある）鏡面化面
２２ アクチュエータ
２３ スリット絞りジョー
２５ ケーシング
２６ スペクトル帯域
２７ 検知器

Claims (25)

1. 光ビーム（１）の複数スペクトル帯域を同時に検知する装置又は共焦点顕微鏡の検知ビーム路においてレーザスキャナ（２）の光ビーム（１）を検知する装置において、
   光ビーム（１）をスペクトル的に展開分散するための装置（３）と、当該展開分散された光ビームを分散面（６）からスペクトル帯域（７，８，９）に分割し、次いで当該分割された複数のスペクトル帯域（７，８，９）を検知するための装置（４）、すなわち分割／検知装置（４）とが設けられており、
   該分割／検知装置（４）は、展開分散されたビーム（５）のビーム路に配置され、スリット絞り（２０）を形成する反射面を有し、
   該反射面は展開分散されたビーム（５）をスリット形成と反射によって分散面（６）から複数の部分ビーム（７，８，９）に分解する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記光ビーム（１）をスペクトル的に展開分散するための装置（３）にはピンホール（１３）が前置されており、
   該ピンホールに到来する光ビーム（１）がフォーカシングされる、請求項１記載の装置。
3. 光ビーム（１）を展開分散するための装置（３）はフォーカシング光学系（１６）および分散手段を有する、請求項１または２記載の装置。
4. 分散手段はプリズム（１５）を有する、請求項３記載の装置。
5. 分散手段の前後にはそれぞれ１つのフォーカシング光学系（１６）が配置されている、請求項３または４記載の装置。
6. フォーカシング光学系（１６）はレンズ構成体を有する、請求項５記載の装置。
7. 光ビーム（１）はフォーカシング光学系（１６）によって分割／検知装置（４）にフォーカシング可能である、請求項５または６記載の装置。
8. 光ビームを展開分散するための装置（３）には、展開分散されたビーム（５）を方向反転するための反射手段（１８）が後置されている、請求項１から７までにずれか１項記載の装置。
9. 反射手段はミラー（１８）である、請求項８記載の装置。
10. 光ビームを展開分散するための装置（３）には、展開分散されたビーム（５）を屈折するための手段が配属されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記屈折するための手段はプリズムである、請求項１０記載の装置。
12. 該部分ビーム（７，８，９）は、該部分ビーム（８，９，７）の数に相応する検知器（１０，１１，１２）に導かれる、請求項１記載の装置。
13. スリット（２０）は、展開分散されたビーム（５）の焦点に位置決めされている、請求項１２記載の装置。
14. 反射面は鏡面化面（２１）ないしはミラーとして構成されている、請求項１２又は１３記載の装置。
15. 鏡面化面（２１）は、スリット（２０）を形成するスリット絞りジョー（２３）に配設されており、
    スリット絞り（２０）、展開分散されたビームの反射すべき帯域、およびスリット絞りジョーの位置は調整可能である、請求項１４記載の装置。
16. スリット絞りジョー（２３）は、少なくとも部分的に鏡面化面を備えたロッドとして構成されている、請求項１５記載の装置。
17. スリット絞りジョー（２３）はガラスから作製される、請求項１６記載の装置。
18. スリット絞りジョー（２３）は、回転駆動されるスピンドルないしねじ山を備えたスライダとして構成されている、請求項１５〜１７までのいずれか１項記載の装置。
19. スリット絞りジョー（２３）の調整はアクチュエータ（２２）を介して行われ、
    該アクチュエータはスリット絞りジョー（２３）の鏡面化面を送り運動ないし回転させる、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. アクチュエータ（２２）は電気モータとして構成されている、請求項１９記載の装置。
21. 検知器（１０，１１，１２）はＣＣＤセンサとして構成されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載の装置。
22. 光ビームをスペクトル的に展開分散するための装置（３）と分割／検知装置（４）とはシャシ（１９）によって支持され、
    該シャシはレーザスキャナ（２）に直接設置可能である、請求項１から２１までのいずれか１項記載の装置。
23. 分割／検知装置（４）は、プラグインユニットとして使用されるケーシング（２５）に配置されている、請求項２２記載の装置。
24. プラグインユニットの位置は、入射角の調整および展開分散されたビーム（５）の分散面（６）の調整のために調整可能である、請求項２３記載の装置。
25. ケーシング（２５）は熱的に絶縁されている、請求項２３または２４記載の装置。

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