JP4560243B2 - 顕微プレパラートを走査顕微鏡で検査する装置構造および走査顕微鏡のための照明装置 - Google Patents

顕微プレパラートを走査顕微鏡で検査する装置構造および走査顕微鏡のための照明装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微プレパラートを走査顕微鏡で検査する装置に関する。特に本発明は、顕微プレパラートを走査顕微鏡で検査する装置において、走査顕微鏡が、レーザーと、レーザーによって生じた光を被検査対象物である試料に結像させる光学的手段とを備えた前記装置に関する。走査顕微鏡は共焦点顕微鏡として構成されていてもよい。
さらに本発明は、走査顕微鏡の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査顕微鏡では、試料は光線で走査される。このため、光源としてレーザーを使用することが多い。たとえば、欧州特許第０４９５９３０号公報に記載の「マルチバンド蛍光用共焦点顕微鏡システム」では、複数のレーザー光線を放出するレーザーを１個配置することが知られている。しかし最近では主に混合ガスレーザー、特にArKrレーザーが使用される。
【０００３】
ダイオードレーザーおよび固体レーザーも使用される。
" Confocal Microscope "なる発明の名称の米国特許第５１６１０５３号公報から知られている共焦点顕微鏡では、外部の光源の光はガラスファイバーにより顕微鏡の光路へ伝送され、ガラスファイバーの端部が点光源として用いられるため、機械的な絞りを必要としない。
【０００４】
放射スペクトルは狭い波長範囲に限定されているため、マルチラインを同時に励起するには、複数個のレーザーの光を１つの照明光路に統合せねばならない。
マルチラインとして通常用いられるガスレーザーは非常に構成が複雑で、高価である。さらに保守が頻繁に必要であり、顕微鏡への多くの適用例において継続使用が難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マルチラインレーザーを使用せずに、複数のスペクトル線での試料検査を可能にする走査顕微鏡を提供することである。
【０００６】
本発明の他の課題は、従来アドレス化が不可能であった他のスペクトル範囲を使用できる走査顕微鏡の照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、走査顕微鏡においては、レーザーと、レーザーによって生じた光を被検査対象物である試料に結像させる光学的手段とを備えた、顕微プレパラートを検査するための走査顕微鏡において、レーザーと光学的手段の間に、レーザーによって生じた光を、最初の通過時にスペクトル拡散させる(spektral verbreitern)光学要素が設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記照明装置においては、光出口穴を有するレーザーを備えた走査顕微鏡の照明装置において、光出口穴に、フォトニックバンドギャップ材からなる光学要素が取り付けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
「フォトバンドギャップ材」の形態の光学要素の利点は、ファイバーの光学的に非線形的な構成により、短いレーザーパルスが拡散され、よってスペクトル幅の広い、連続的な光スペクトルが生じることである。「フォトバンドギャップ材」とは、微細構造の透明な材料である。主に種々の誘電体をつなぎ合わせることにより、得られた結晶に光子用のバンド構造が刻設される。このバンド構造は、半導体の電子バンド構造に類似している。
【００１０】
最近では、この技術は光ファイバーでも実現される。光ファイバーは、構造化を考慮して配置されたガラス管またはガラスブロックから引き抜くことによって製造できる。光ファイバーには特殊な構造が存在する。すなわち、繊維方向に小さなカニューレが自由に存在し、これらのカニューレはほぼ２−３μmの間隔で、径は約１μmであり、ほとんど空気で充填されている。ファイバーの中心にはカニューレは存在しない。この種のファイバーは「photon crystall fibers」、「holey fibers」、「microstructured fibers」として知られている。
【００１１】
「photon crystall fibers」は、可視波長範囲全体にわたって連続的なスペクトル分布を得るために使用できる。このため、短パルスレーザーが光ファイバーにカップリングされる。光ファイバーが光学的に非線形な構成であるので、レーザーの周波数スペクトルが拡散する。スペクトル幅の広い、連続的な光スペクトルが生じる。
【００１２】
走査顕微鏡の有利な構成では、光学要素は、多数の微小光学構造要素から構成され、これらの微小光学構造要素は少なくとも２つの異なる光学密度を有している。特に有利な実施形態では、光学要素は第１の領域と第２の領域を有し、第１の領域は均質な構造を持ち、第２の領域内には、微小光学構造要素からなる顕微構造が形成されている。さらに、第１の領域が第２の領域を取り囲んでいるのが有利である。微小光学構造要素は、有利にはカニューレ、細条片、ハニカム体、管片または中空空間である。
【００１３】
他の構成では、光学要素は互いに並設されたガラス材またはプラスチック材と中空空間からなっている。特に有利な変形実施形態では、光学要素はフォトニックバンドギャップ材からなり、光ファイバーとして構成されている。この場合、光ファイバーの端部でのレーザー光線の逆反射を抑制する光ダイオードをレーザーと光ファイバーの間に設けるのが有利である。
【００１４】
特に有利で、簡単に実現される変形実施形態によれば、光学要素として、ファイバーコアを備えた従来の光ファイバーが使用され、この光ファイバーは少なくとも一部に沿って先細り部を有している。この種の光ファイバーは、いわゆるテーパーファイバーとして知られている。有利には、光ファイバーが全体で１mの長さで、３０mmないし９０mmの長さで先細り部を有しているのがよい。ファイバーの径は、有利な構成では、先細り部の領域外では１５０μm、この領域でのファイバーコアの径はほぼ８μmである。先細り部の領域でのファイバーの径はほぼ２μmに縮小されている。これに対応して、ファイバーコアの径はナノメータの範囲である。
【００１５】
顕微鏡に使用するためには、波長を選択し、光パワーを安定させる手段を組み込む必要がある。それゆえ、このようなファイバーレーザーを、電子光学的に調整可能なフィルタ（AOTF）、音響光学的または電子光学的検出器（AOD）および音響光学的または電子光学的ビームスプリッター（AOBS）と組み合わせるのが有利である。これらは波長を選択するためにも、検出光を絞るためにも使用することができる（本出願人による出願、ドイツ連邦共和国特許公開第１９９０６７５７Ａ１号公報「光学装置」を参照）。
【００１６】
特に共焦点顕微鏡においては、ファイバー出口端部を点光源として利用でき、これにより励起絞りを使用せずに済む。この種の構成においては、ファイバー自体を部分的に反射性を持つようにコーティングして、この部分反射部が共振器エンドミラーを形成するようにするのが特に有利である。
【００１７】
他の実施形態では、光パワーの変動を補正する装置が設けられている。たとえば、光パワーを安定させるための制御ループを組み込んでよく、制御ループは顕微鏡の光路内で光パワーを測定し、たとえばポンプ光パワーを変化させることにより、或いは音響光学的または電子光学的要素を用いて、試料照明光パワーを一定に保持する。この目的のため、LCD減衰器を使用してもよい。
【００１８】
本発明の他の有利な構成によれば、照明装置は、複数のスペクトル範囲を照明用に提供するように構成されている。走査顕微鏡の照明装置であるレーザーの光出口端部には光学要素が固定されている。この光学要素はフォトニックバンドギャップ材からなっている。さらにフォトニックバンドギャップ材は光ファイバーとして構成されていてよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態と比較例の構成要素を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１は共焦点顕微鏡を示すもので、光学要素３を、パルスレーザー１から発生したレーザーパルスの伝播に使用する。レーザーパルス１はパルス化されたレーザー光線２を決定し、パルス化されたレーザー光線２は光学要素３によって案内される。光学要素３はフォトニックバンドギャップ材である。光学要素３からはスペクトル広帯域照明光４が出力され、照明光４は第１の光学系５によって照明ピンホール６に結像され、その後ビームスプリッター７に当たる。スペクトル広帯域照明光４はビームスプリッター７から、平行光線4ａを生じさせる第２の光学系８に達し、平行光線４aはスキャンミラー９に当たる。スキャンミラー９の下流側には複数の光学系１０と１１が配置され、これらの光学系は平行光線４aを整形する。平行光線４aは対物レンズ１２に達し、対物レンズ１２によって試料１３に結像する。試料から反射または送出した光は観察光路４bを決定する。観察光路４bの光は再び第２の光学系８を通過し、検出器１５の前に着座している検出ピンホール１４に結像する。光学要素３により、試料１３の検査に必要なレーザー光を所望のスペクトルに応じて生じさせることが可能である。
【００２０】
図２に図示した共焦点顕微鏡の実施形態では、照明ピンホール６が設けられていない。図１の構成要素と一致する構成要素にはすべて同じ符号が付してある。この実施形態では、第１の光学系５の代わりにAOTF(acousto optical tunable filter)１６が使用され、AOTF１６は対応するAOTF制御器１７に接続されている。光学要素３は広帯域照明光４を生じさせることができるので、波長を選択し、光パワーを安定させる手段を設ける必要がある。有利には、音響光学的または電子光学的に調整可能なフィルタ（AOTF）を、音響光学的または電子光学的検出器（AOD）および音響光学的または電子光学的ビームスプリッター（AOBS）と組み合わせるのがよい。音響光学的または電子光学的検出器（AOD）および音響光学的または電子光学的ビームスプリッター（AOBS）は波長を選択するためにも、検出光を絞るためにも使用することができる。さらにAOTF１６には、照明光のうち使用されないスペクトル成分を捕獲して、走査顕微鏡を不必要に妨害しないようにするビームパン１８が付設されている。
【００２１】
図３は、本発明の他の実施形態を示すものである。この実施形態では、光学要素３の代わりに光ファイバー２０が使用される。光ファイバー２０はフォトニックバンドギャップ材からなっている。パルスレーザー１によりパルス化されたレーザー光線２は、光学系１９を介して光ファイバー２０の入口端２０aにカップリングされる。光ファイバー２０はフォトニックバンドギャップ材からなっているので、出口端２０bからはスペクトル拡散されたレーザーパルスが放出され、光学系２１を介してデカップリングされる。スペクトル拡散されたレーザーパルスが照明ピンホール６に当たる前に、スペクトルフィルタリングを行なう。このため複数個のカラーフィルタ２４がレボルバー２３上に配置されている。モータ２２によりレボルバー２３を回転させることができるので、適当なカラーフィルタ２４を光路内へ挿入させることができる。カラーフィルタ２４を直線的に配置してもよく、この場合カラーフィルタ２４は直線運動により照明光路５０内へ移動する。照明ピンホール６の後の照明光路５０は図１の光路に対応している。すでに図１で述べたように、ビームスプリッター７は光をスキャンミラー９へ誘導する。光の一部はビームスプリッター７を通過し、損失光路５０aを決定する。光のこの成分は観察または測定のために損失したものである。この理由から損失光路５０a内には検出器２５が設けられ、検出器２５は損失光を決定し、これから、ケーブル３０により電子制御器２６へ誘導される電子量を求める。電子制御器２６は他のケーブル３２を介してパルスレーザー１に接続されている。電子制御器２６はケーブル３２を介してパルスレーザー１の強度を制御し、すなわち試料１３に常に一定の光パワーが当たるように制御する。たとえば、光パワーを安定させるための制御ループを設けて、顕微鏡の光路内の光パワーを寄生的に測定し、たとえばポンプ光パワーを変化させることにより、或いは音響光学的または電子光学的要素を用いて、試料照明光パワーを一定に保持するようにしてよい。このためにLCD減衰器を使用してもよい。
【００２２】
図４は光学要素３の実施形態を示している。この実施形態では、光学要素３は従来の光ファイバー５１からなっており、その外径は１２５μmで、ファイバーコア５２を備えている。ファイバーコア５２の内径は６μmである。３００mmの長さの先細り部５３の領域において光ファイバー５１の外径は１．８μmに縮小されている。この領域でのファイバーコア５２の径はマイクロメートルの数分の一にすぎない。
【００２３】
図５は光学要素３の実施形態を示している。光学要素３はフォトニックバンドギャップ材からなり、特殊なハニカム状微細構造５４を有している。図示したハニカム構造は、広帯域光の生成に特に適している。内側のカニューレ５５の径は約１．９μmである。内側のカニューレ５５はガラス細条片５６によって取り囲まれている。ガラス細条片５６はハニカム状の中空空間５７を形成している。これらの微小光学構造要素は協働して第２の領域５８を形成しており、第２の領域５８は、ガラス被覆部として実施されている第１の領域５９によって取り囲まれている。
【００２４】
以上本発明を特定の実施形態に関して説明したが、本願の特許請求の範囲の権利保護範囲を逸脱することなく、種々の変更および改変を行なってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】共焦点顕微鏡を備えた本発明による装置を示す図である。
【図２】照明ピンホールを設けていない装置を示す図てある。
【図３】光パワー安定装置を備えた装置を示す図である。
【図４】光学要素の実施形態を示す図である。
【図５】光学要素の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザー
２ パルス化されたレーザー光線
３ 光学要素
４ スペクトル広帯域照明光
４a 平行光線
４b 観察光路
５ 光学系
６ 照明ピンホール
７ ビームスプリッター
８ 光学系
９ スキャンミラー
１０ 光学系
１１ 光学系
１２ 対物レンズ
１３ 試料
１４ 検出ピンホール
１５ 検出器
１６ AOTF(acousto optical tunable filter)
１７ AOTF制御器
１８ ビームパン
１９ 光学系
２０ 光ファイバー
２０a 光ファイバーの入口端
２０b 光ファイバーの出口端
２１ 光学系
２２ モータ
２３ レボルバー
２４ カラーフィルタ
２５ 検出器
２６ 電子制御器
３０ ケーブル
３２ ケーブル
５０ 照明光路
５０a 損失光路
５１ 光ファイバー
５２ ファイバーコア
５４ ハニカム状微細構造
５５ カニューレ
５６ ガラス細条片
５７ 中空空間
５８ 第２の領域
５９ 第１の領域

Claims (6)

  1. レーザー（１）と、当該レーザー（１）によって生じた光を被検査対象である試料（１３）に結像させる光学的手段（１２）とを備えた、顕微プレパラートを走査顕微鏡で検査するための装置構造であって、
    波長選択手段（１６）としてＡＯＴＦ制御器を有した音響光学フィルタ（AOTF１６）、ビームパン（１８）及び光ファイバー（３，２０，５１）が設けられている、装置構造において、
    パルスレーザー（１）として形成された上記レーザーと上記光学的手段（１２）の間に、上記パルスレーザー（１）によって生じた光を、一度の通過でスペクトル拡散させてスペクトル広帯域照明光（４）を出力する光学構造要素（３，２０，５１）が設けられ、
    その際、当該光学構造要素を上記光ファイバー（３，２０，５１）が構成し、
    上記波長選択手段（１６）が、少なくとも１つの波長または少なくとも１つの波長範囲の光を減衰および／または絞るための手段（１６）を有し、上記光ファイバー（３，２０，５１）の下流側に配置されており、
    上記ビームパン（１８）が上記音響光学フィルタ（AOTF１６）に付設され、スペクトル拡散された光のうち使用されないスペクトル成分を捕獲し、
    光パワーを安定させるために制御回路が設けられ、上記パルスレーザー（１）の強度が電子制御器（２６）によって制御され、試料（１３）に一定の光パワーを突き当てることを特徴とする、装置構造。
  2. 光学構造要素（３，２０）がフォトニックバンドギャップ材からなっていることを特徴とする、請求項１に記載の装置構造。
  3. 光学構造要素（３，２０）が、先細り部（５３）を有する光ファイバー（２３）として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置構造。
  4. 光出口穴を有するレーザー（１）を備えた走査顕微鏡のための照明装置であって、
    波長選択手段（１６）としてＡＯＴＦ制御器を有した音響光学フィルタ（AOTF１６）、ビームパン（１８）及び光ファイバー（３，２０，５１）が設けられている、照明装置において、
    上記レーザーがパルスレーザー（１）として形成され、その光が上記光出口穴を介して、光学構造要素（３，２０，５１）に供給されるようになっており、当該光学構造要素（３，２０，５１）は、上記パルスレーザー（１）によって生じた光を、一度の通過でスペクトル拡散させてスペクトル広帯域照明光（４）を出力し、
    その際、上記光学構造要素を上記光ファイバー（３，２０，５１）が構成し、
    上記波長選択手段（１６）が、少なくとも１つの波長または少なくとも１つの波長範囲の光を減衰および／または絞るための手段（１６）を有し、上記光ファイバー（３，２０，５１）の下流側に配置されており、
    上記ビームパン（１８）が上記音響光学フィルタ（AOTF１６）に付設され、スペクトル拡散された光のうち使用されないスペクトル成分を捕獲し、
    光パワーを安定させるために制御回路が設けられ、上記パルスレーザー（１）の強度が電子制御器（２６）によって制御され、試料（１３）に一定の光パワーを突き当てることを特徴とする、照明装置。
  5. 光出口穴に、フォトニックバンドギャップ材からなる光学構造要素（３，２０）が取り付けられていることを特徴とする、請求項４に記載の照明装置。
  6. 光学構造要素（３，２０）が、先細り部を有していることを特徴とする、請求項４に記載の照明装置。
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