JP4117594B2 - ビームスプリッタ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを発生するレーザ、及びレーザビームを部分ビームに分割する部分反射ミラーが設けられており、部分ビームが、１つの平面内にあるようにビームスプリッタ装置から出て、検査すべき試料に導かれる、レーザ走査顕微鏡のためのビームスプリッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６５３４１３号明細書によれば、拡張されたレーザビームによって互いに並んだ複数のマイクロレンズ（マイクロレンズラスタ）を照明し、これらのマイクロレンズが、入射するビームから部分ビームを形成することは公知である。このことは、とくにそれぞれの部分ビームが、入射するビームのビームプロファイルの別の部分から出ていることを意味する。
【０００３】
部分ビームは、マイクロレンズによってその焦点距離の間隔を置いて、マイクロレンズラスタの後における１つ又は互いに前後に密に配置された複数の平面において集束し、かつそれから対物レンズに広がり、それによりこれらの部分ビームは、試料に集束される。その際、部分ビームは、対物レンズの開口を一面に照射する。部分ビームの数と間隔は、公知の顕微鏡においてマイクロレンズラスタの性質によってあらかじめ固定的に与えられている。
【０００４】
典型的にこのような光学装置においてレーザビームのための光源と試料との間に、部分ビームのビーム経路の分岐が設けられているので、試料から出た蛍光は、レーザビームの部分ビームの方向から側方にフォトセンサに転向される。フォトセンサへのレーザビームの転向のために、ビーム経路内に配置された部分透過転向ミラーが設けられている。
【０００５】
公知の顕微鏡の問題は、部分ビームがかなりの程度まで異なった強さを有することにある。レーザビームは、ビーム横断面にわたって光強さの分布を有する。走査顕微鏡に使われるレーザは、典型的にガウス状のビームプロファイルを有する。すなわちマイクロレンズラスタによってレーザビームの中心から形成される部分ビームは、広がったビームの縁から形成された部分ビームよりも強力である。観察される信号は、部分ビームによって励起される蛍光である。この信号は、１光子励起の場合、励起を行なう部分ビームの強さと同様に異なっている。
【０００６】
非直線顕微鏡技術（２、３又は多光子励起）の際、この効果は、２乗又は３乗になって現われる。例えば２つの部分ビームが、係数４だけ異なった強さを有する場合、これらのビームによって形成される信号は、係数４だけ（１光子励起）、１６だけ（２光子励起）又は６４だけ（３光子励起）相違している。このことは、とくに非直線走査顕微鏡におけるマイクロレンズによる部分ビームの形成の問題をなしている。
【０００７】
周知の顕微鏡の別の問題は、達成される解像力が、利用される対物レンズの回折限界に相当するものより粗悪であるということにある。
【０００８】
走査顕微鏡の横解像力は、試料に発生されるフォキ（Ｆｏｋｉ）の全半値幅によって与えられている。周知の顕微鏡においてフォキの大きさは、利用される対物レンズの開口によるだけでなく、マイクロレンズの形及び大きさによってもの決められる。なぜならマイクロレンズは、それぞれの部分ビームに対して制限する回折を生じる開口をなしているからである。このことは、とくに部分ビームの数が増加すると、この時にマイクロレンズの大きさが減少し、したがってフォキの直径が増加するので、解像力は常に粗悪になる。
【０００９】
加えてマイクロレンズは、対称的に照明されるのではなく、一般に縁に向かって低下する広がったレーザビームのビームプロファイルの部分による照明される。このことは、試料におけるフォキが非対称強さ分布を受けるようになる。
【００１０】
解像力は、顕微鏡におけるもっとも重要なパラメータの１つなので、このことは、些細ではない問題である。
【００１１】
周知の顕微鏡の別の問題は、入射するレーザビームのエネルギーが完全には利用されないということにある。
【００１２】
広げられたレーザビームの一部は、マイクロレンズラスタの縁により、かつここのマイクロレンズの縁により切取られる。これらの損失は累積するので、例えばレーザの１．４Ｗの初期出力のうち、ほぼ１２５ｍＷ（９％）しか試料に到達しない（Ｊｏｒｇ Ｂｅｗｅｒｓｄｏｒｆ、Ｒａｉｎｅｒ Ｐｉｃｋ、Ｓｔｅｆａｎ Ｗ．Ｈｅｌｌ、“Ｍｕｌｔｉｆｏｃａｌ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”、Ｏｐｔｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２３巻、第９号（１９９８））。
【００１３】
レーザエネルギーの損失は、必要な測定時間がレーザエネルギーの利用度に依存しているので、顕微鏡の効率をかなり低下する。
【００１４】
生きた細胞における過程を研究するレーザ走査顕微鏡の生物学的な適用のために、画像のために必要な測定時間も、まだ観察可能な過程の最高の速度をあらかじめ与えるので、重要な判定基準である。神経細胞の刺激伝達の研究（Ｒ．Ｙｕｓｔｅ、Ｗ．Ｄｅｎｋ、“Ｄｅｎｔｒｉｃ ｓｐｉｎｅｓ ａｓ ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｎｅｕｒｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ”、Ｎａｔｕｒｅ 第３７５巻、第６８２−６８４頁、（１９９５））は、１つの例である。ここではレーザ走査顕微鏡は、完全な神経組織の深いところにある層から高解像力の画像を提供するために、必要になる。しかしレーザ走査顕微鏡のこの有利な使用にとって、ゆっくりとした画像撮影が、神経細胞内における刺激の伝達を、画像を与えるように追跡することを妨げることが対立している。それ故に画像撮影の速度を上昇することができるならば、このことは、レーザ走査顕微鏡の使用範囲の拡張をなしている。
【００１５】
試料におけるレーザ出力が、画像撮影の速度にとって決定的である。試料を照明するビームにおける出力は、試料を破壊することなく任意に上昇できないので、試料における出力は、複数の点を同時に照明するために複数のビームを利用することによってしか、著しく増加することができない。
【００１６】
ビーム分割の際の効率は、（レーザの所定の初期出力の際）部分ビームの最大の数を決定する。
【００１７】
周知の顕微鏡の別の問題は、部分ビームの間隔と数が、マイクロレンズラスタの性質によってあらかじめ固定的に与えられているということにある。しかしながら用途に応じて、さらに小さい又はさらに大きいビーム間隔が有意義であることがある。
【００１８】
研究しようとする１つの細胞にすべてのビームを向けることによって、ここの細胞は、最高の速度で研究することができる。この場合、ほぼ２μｍの間隔が有意義である。生化学的な反応を解析するマイクロ構造化された基板（バイオチップ）を読み出すようにするとき、基板の構造大きさのビーム間隔が有意義である（ほぼ２０μｍ）。周知のようなビーム倍増は、ビームの数と間隔を容易に変更する可能性を提供しない。
【００１９】
さらに従来の技術によれば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９１８４１２号明細書が公知であり、この明細書は、レーザビームを発生するレーザ、及びレーザビームを部分ビームに分割する部分反射ミラーが設けられており、その際、部分ビームが、１つの平面内にあるようにビームスプリッタ装置から出て、かつ検査すべき試料に導かれる、レーザ走査顕微鏡のためのビームスプリッタ装置を示している。
【００２０】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５３５５２５号明細書は、部分透過及び全反射反射器層を備えたビーム倍増器を示しており、その際、部分透過層は、ビーム経路内において全反射層の前に接続されており、かつこれに戻すように反射し、かつ生じる部分ビームに同じ強さを与えるために、反射番号の増加とともに上昇する透過率を有する。
【００２１】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第０３８６６４３号明細書は、部分透過及び全反射反射器層を備えたビーム倍増器を示しており、その際、部分透過層は、ビーム経路内において全反射層の前に接続されており、かつ構成において部分透過層に対して反転して又は段階的に形成されており、かつその際、２次元照明マトリクスを形成するために、別の構成において互いに９０度だけ旋回された２つのビーム倍増器が設けられている。
【００２２】
ドイツ連邦共和国特許第３８７６３４４Ｔ２号明細書に、２つの全反射層の間に一定の透過率を有する部分透過層を備えたオプト分配器が記載されており、その際、層は、互いに平行に配置されており、かつ部分透過層は、それぞれ同じ減衰で入射光を、一方の高反射ミラーに透過し、かつ他方の高反射ミラーに反射し、かつ改めてかつ繰返してそれぞれ同じ減衰で、一方の高反射ミラーに透過し、かつ他方の高反射ミラーに反射する。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、部分ビームの数と間隔を、互いに簡単に変更することができる、レーザ走査顕微鏡のためのビームスプリッタ装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば課題は、次のようにして解決される。すなわち部分透過ミラーが、一定の透過率を有し、かつ２つの高反射ミラーの間に配置されており、それぞれ同じ減衰でレーザビームを、一方の高反射ミラーに反射し、かつ他方の高反射ミラーに透過し、改めてかつ繰返してそれぞれ同じ減衰で、一方の高反射ミラーに反射し、かつ他方の高反射ミラーに透過し、部分反射ミラーが、両方の高反射ミラーから異なった間隔を有し、かつ／又は両方の高反射ミラーが、部分反射ミラーに対して異なった角度で傾斜しており、したがって部分反射ミラーから反射された部分ビームが、高反射ミラーから反射された部分ビームと一致せず、かつビームスプリッタ装置からの部分ビームの出口範囲において、部分反射ミラーの端部縁が、一方の高反射ミラーの端部縁に対して出口方向に後にずらされ、かつ他方の高反射ミラーの端部縁に対して前にずらされている。
【００２５】
本発明のその他の有利な構成は、特許請求の範囲従属請求項から明らかである。
【００２６】
ビームを部分ビームに分割するこの様式は、次のような利点を有する：
１．入射するレーザのエネルギーは、完全に利用され、かつ個々の部分ビームに分割され；
２．それぞれの部分ビームは、入射するビームと同じビームプロファイルを有し；
３．部分透過ミラーがビームの強さを比１：１に分割するとき、部分ビームも同じ強さであり；
４．ミラーが互いに平行であるとき、発生される部分ビームも平行であり、一方又は両方の高反射ミラーが部分透過ミラーに対して傾斜しているとき、発生される部分ビームは、互いに相対的に角度を有し、部分ミラーの角度は、対物レンズにより試料内に発生される焦点の間隔を確定し、すなわち高反射ミラーの傾斜により、焦点の間隔は可変であり；
５．レーザビームを部分ビームに分割する光学装置から出る際の部分ビームの間隔は、半透過転向ミラーに対する高反射ミラーの間隔の差によって与えられている。
【００２７】
レーザ走査顕微鏡に使用する際にビーム分割のとくに高い効率及び部分ビームの均一な強さがきわめて有利であり、かつ画像撮影の促進に通じることは、一般的に成立つ。焦点の間隔を可変にする可能性は、それぞれの適用の要求に合わせるために必要な融通性を形成している。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１によれば、入射するビーム１が８つの部分ビームに分割される構成が明らかである。ビーム５は、１つの線上に並んでいる。その際、３によって示される高反射ミラーは、段部を備え、すなわちこのミラーの間隔は、その際に高反射ミラー４又はその間にある部分反射ミラー２に対して、この段部３によって可変である。
【００２９】
図２による構成において、レーザビームを分割する２つの光学装置の間に、ペリスコープ６が設けられている。このペリスコープ６に部分ビーム５が当たり、その際、１つの部分ビームは、ペリスコープにより、このビームを分割する第２の光学装置に導かれる。この第２の光学装置によりそれぞれのレーザビームは、再び複数の部分ビーム５に分割されるので、基本的に部分ビームの２次元のラスタが得られる。その他にレーザビームを分割する両方の光学装置をそれぞれ所定の角度だけ、とくに９０度の角度だけ互いにずらせば、同じ結果が得られる。
【００３０】
図３による表示において、レーザ走査顕微鏡におけるビームが示されている。ここでは試料９とフォトセンサ１２との間に、部分透過性に形成された転向ミラー１０が設けられている。すなわちこのミラーは、レーザビームを部分ビーム５に分割する光学装置から当たるビームを直接試料に反射し、試料から送出されるビームがその異なった波長に基づいて転向ミラー１０を通してフォトセンサ１２に通過するように、部分透過性に形成されている。フォトセンサ１２の前に、−図３から明らかなように−チューブレンズ１１がある。
【００３１】
図４による表示は、図１によるものに対してわずかだけ相違しており；ここでは前後に配置された複数の個々のミラーへの高反射及び部分透過ミラーの分割だけが行なわれている。レーザビームのビーム分割に関する結果は、図１によるものと同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの高反射ミラー及びその間に配置された１つの部分透過ミラーからなる光学装置を示す図である。
【図２】レーザビームを分割する２つの光学装置の直列配置を示し、その際に両方の光学装置の間においてビーム経路内にペリスコープが設けられた図である。
【図３】レーザ走査顕微鏡を含むビーム分割を示す図である。
【図４】その間に配置された複数の部分透過ミラーを有する直列接続された複数の高反射ミラーの配置を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザビーム
２ 部分透過ミラー
３ 高反射ミラー
４ 高反射ミラー
５ 部分ビーム

Claims (5)

1. レーザビーム（１）を発生するレーザ、及びレーザビーム（１）を部分ビーム（５）に分割する部分反射ミラー（２）が設けられており、部分ビーム（５）が、１つの平面内にあるようにビームスプリッタ装置から出て、検査すべき試料に導かれる、レーザ走査顕微鏡のためのビームスプリッタ装置において、
   部分透過ミラー（２）が、一定の透過率を有し、かつ２つの高反射ミラー（３，４）の間に配置されており、それぞれ同じ減衰でレーザビーム（１）を、一方の高反射ミラー（３）に反射し、かつ他方の高反射ミラー（４）に透過し、改めてかつ繰返してそれぞれ同じ減衰で、一方の高反射ミラー（３）に反射し、かつ他方の高反射ミラー（４）に透過し、部分反射ミラー（２）が、両方の高反射ミラー（３，４）から異なった間隔を有し、かつ両方の高反射ミラー（３，４）が、部分反射ミラー（２）に対して異なった角度で傾斜しており、したがって部分反射ミラー（２）から反射された部分ビーム（５）が、高反射ミラー（３，４）から反射された部分ビーム（５）と一致せず、ビームスプリッタ装置からの部分ビーム（５）の出口範囲において、部分反射ミラー（２）の端部縁が、一方の高反射ミラー（３）の端部縁に対して出口方向に後にずらされ、かつ他方の高反射ミラー（４）の端部縁に対して前にずらされていることを特徴とする、レーザ走査顕微鏡のためのビームスプリッタ装置。
2. 複数のビームスプリッタ装置が、互いに前後に接続されており、かつすべての部分ビーム（５）が、１つの平面にあるようにビームスプリッタ装置から出ることを特徴とする、請求項１に記載のビームスプリッタ装置。
3. なるべく９０度の角度だけ互いに傾斜した２つのビームスプリッタ装置が、互いに前後に接続されており、その際、それぞれのビームスプリッタ装置のすべての部分ビーム（５）が、１つの平面内にあるようにここから出て、かつその際、両方のビームスプリッタ装置の部分ビーム（５）が、全体として２次元の照明マトリクスを形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載のビームスプリッタ装置。
4. レーザ走査顕微鏡の対物レンズが、部分ビームを異なった焦点に集束することを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載のビームスプリッタ装置。
5. レーザ走査顕微鏡の対物レンズの入口の前における部分ビームが、その直径について変化することを特徴とする、請求項１ないし４の１つに記載のビームスプリッタ装置。

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