JP4996793B2 - 走査顕微鏡 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の波長の光線を放出するレーザーと、広帯域スペクトルが生じるように光線の波長を変更する微細構造材を有する光学要素と、光線のパワーを抑制するための手段とを備えて構成される走査顕微鏡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】
試料としては、たとえば蛍光色素でプレパラート化した生物組織または切片が検査の対象となる。材料検査の分野では、試料から反射した照明光を検出することがある。
【０００４】
固体レーザーや色素レーザー、およびファイバーレーザーや光パラメトリック発振器OPO（上流側にポンプレーザーが配置される）も使用される。
ドイツ連邦共和国特許公開第１９８５３６６９A１号公報には、多重波長出力を制御可能な超短波パルス源が開示され、これは特に多光子顕微鏡に使用される。このシステムは、一定波長の超短波光学パルスを発生させる超短波パルスレーザーと、少なくとも１つの波長変換チャネルとを有している。
【０００５】
米国特許第６０９７８７０号公報からは、可視スペクトル範囲の広帯域スペクトルを発生させる装置が知られている。この装置は、ポンプレーザーの光をカップリングさせる微細構造ファイバーをベースとしている。ポンプ光の波長は微細構造ファイバーにおいて変更されて、得られるスペクトルはポンプ光の波長以上の波長も以下の波長も有している。
【０００６】
微細構造材としては、いわゆるフォトニックバンドギャップ材、または「フォトンクリスタルファイバー」、「穴あきファイバー」または「微細構造ファイバー」が使用される。また、いわゆる「中空ファイバー」としての構成も知られている。
【０００７】
固定レーザー、たとえば走査顕微鏡でよく使用されるTi・サファイアレーザーは、通常、x形状またはz形状の折畳まれた共振器を有している。この共振器は、２つのエンドミラーと２つの折畳みミラーとから構成されている。この場合、ポンプレーザーの光はポンプ光の波長の光を透過させる一方の折畳みミラーにより、縦方向において共振器にカップリングされる。このポンプレーザーの光は、光学活性媒体（この例ではTi・サファイア）内で他の波長に変換され、出力光を部分的に透過させる一方のエンドミラーの出力光として共振器を離れる。共振器ミラーがポンプ光の波長を完全に透過させないので、出力光はわずかながらポンプ光の波長の光を含んでいる。これは特に多色蛍光顕微鏡において問題である。というのは、試料は所望の波長の光だけでなく、ポンプ光の波長の光によっても照明され、励起されるからである。これは望ましくない蛍光照明、アーティファクトの原因になり、ポンプ光の成分が反射、散乱により検出器に達するので、検査結果にエラーが生じることになる。
上記波長変更装置にはすべてこのような欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記問題を解消した走査顕微鏡を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、第１の波長の光線を放出するレーザーと、広帯域スペクトルが生じるように光線の波長を変更する微細構造材を有する光学要素と、光線のパワーを抑制するための手段とを備えて構成される走査顕微鏡にして、前記レーザーが前記光学要素に向けられ、前記抑制手段が、波長を変更された光線の光路上に設けられ、波長を変更された光線の第１の波長のパワーを、波長を変更された光線の他の波長成分に等しくあるように抑制するものである。
【００１０】
本発明の利点は、第１の波長の光による試料の望ましくない照明が回避されることである。
簡潔な構成では、第１の波長の光を抑制するためフィルタが設けられている。このフィルタは誘電カットフィルタまたは色ガラスフィルタとして構成されているのが有利である。特にフォトニックバンドギャップ材のような微細構造材を使用する場合、広帯域スペクトルが生じるように波長を変更するには、フィルタをたとえば適当なコーティングによって構成し、すなわち第１の波長を完全に抑制するのではなく、第１の波長が、波長を変更された光線のなかに、同じスペクトル幅の他の成分と同じパワーを有するように構成するのが有利である。
【００１１】
第１の波長の光を抑制する手段は、他の実施形態では、空間スペクトル分割用のプリズムまたは格子を含んであり、このプリズムまたは格子の下流側に絞り装置が配置される。絞り装置は所望の波長の光だけを通過させ、第１の波長を持つ光をブロックする。
【００１２】
抑制手段は、走査顕微鏡の光路内の任意の位置に取り付けてよい。特に有利なのは、抑制手段を光学要素のすぐ後方に配置して、第１の波長の光が他の光学要素で散乱したり反射したりするのを防止し、検出器の到達しないようにすることである。
【００１３】
走査顕微鏡の有利な構成では、光学要素は、少なくとも２つの異なる光学密度を有している多数の微小光学構造要素から構成されている。
特に有利な構成では、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のが有利である。
【００１４】
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り、光ファイバーとして構成されている。
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。之に対応して、ファイバーコアの径はナノメータの範囲である。
【００１５】
他の実施形態では、光学要素は他のレーザーである。他のレーザーは固体レーザー、ガスまたは色素レーザーとして実施でき、または光パラメトリック発振器（OPO）として実施できる。
【００１６】
特殊な変形実施形態では、光学要素はたとえばKDP結晶またはLBO結晶のような周波数増倍用の結晶を含んでいる。
他の実施形態によれば、前記光学要素の下流側に他の光学要素が設けられ、波長を変更された光線の波長を新たに変更させる。この実施形態では、第１の波長の光と、最初に波長を変更された光の両方を抑制するのが特に有利である。具体的には、この種の実施形態では、アルゴン・イオンレーザーと、色素レーザーと、周波数を２倍にする結晶との直列配置構成が採用される。特に有利なのは、アルゴン・イオンレーザーと、Ti・サファイアレーザーと、光ファイバーとして構成され、フォトニックバンドギャップ材からなる微小光学構造との直列配置構成である。
走査顕微鏡は共焦点顕微鏡として実施してよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図１は共焦点走査顕微鏡１を示している。共焦点顕微鏡１は、8００nm第１の波長の光線５を生じさせるためのレーザー２を有している。レーザー２はモードカップリング型チタン・サファイアレーザー３として実施されている。レーザー光線５はカップリング光学系７により波長偏向用の光学要素9の端部にフォーカシングされる。この光学要素9は、フォトニックバンドギャップ材１１からなる光ファイバーとして構成されている。フォトニックバンドギャップ材からなる光ファイバー１１から出た、波長を変更されたレーザー光線１５をコリメートするため、デカップリング光学系１３が設けられている。波長を変更されたレーザー光線のスペクトルは、３００nmから１６００nmの波長範囲にわたってほぼ連続しており、光パワーは全スペクトルにわたって十分一定であるが、８００nmの第１の波長の範囲においてのみかなりのパワー突出が認められる。波長を変更されたレーザー光線１５は、抑制手段１６としての誘電フィルタ１７を通過する。誘電フィルタ１７は、波長を変更されたレーザー光線１５において、第１の波長範囲にある光成分のパワーを、当該レーザー光線の残りの波長のレベルへ減少させる。次に、波長を変更されたレーザー光線は、光学系１９により照明絞り２１へフォーカシングされ、メインビームスプリッター２３を介してスキャンミラー２５に達する。スキャンミラー２５は、波長を変更されたレーザー光線１５を、走査光学系２７と鏡筒光学系２９と対物レンズ３１を通過させて試料３３上方へ案内する。試料３３から出た検出光３５（図中、破線で示した）は、対物レンズ３１と鏡筒光学系２９と走査光学系２７を通過してスキャンミラー２５へ戻り、次にメインビームスプリッター２３のほうへ向かってこれを通過し、検出絞り３７を通過した後、光電子増倍管として実施されている検出器３９により検出される。
【００１９】
図２は走査顕微鏡の照明光路の一部分を示すもので、メインビームスプリッター２３までの照明光路を示したものである。この実施形態では、レーザー２はアルゴン・イオンレーザー４１として構成されており、５１４nmの第１の波長の光線４３を生じさせ、この光線４３は、波長変更用の光学要素９として用いられるチタン・サファイアレーザー４５に指向している。チタン・サファイアレーザー４５から出て、波長を変更された光線４７は、ほぼ８３０nmの波長を有しており、次に、第１の波長を抑制する抑制手段１６に当たる。抑制手段１６はカラーフィルタ４９として実施されており、第１の波長の成分のほぼ全部を濾波するので、波長を変更された光線は実質的に８３０nmの波長の光だけからなっている。
【００２０】
図３は他の走査顕微鏡の照明光路の一部分を示すもので、メインビームスプリッター２３までの照明光路を示したものである。この実施形態では、レーザー２はNd−YAGレーザー５１として構成され、１０６４nmの第１の波長の光線５３を生じさせる。この第１の波長は、波長変更用の光学要素として用いられる光パラメトリック発振器５５に指向している。光パラメトリック発振器５５から出て、波長を変更された光線５７には、所望の信号波長の光以外に、アイドラ波長の光と、第１の波長の光とが含まれている。この光線５７は、空間スペクトル分割手段６０としてのプリズム５９により分岐せしめられて、絞り装置６１にあたる。絞り装置６１の絞りジョー６３,６５は、アイドラ波長の光と第１の波長の光がブロックされて、絞り装置６１を通過する光線が実質的に信号波長の光だけを含むように位置決めされている。
【００２１】
図４は、他の走査顕微鏡の照明光路の一部分を示すもので、メインビームスプリッター２３までの照明光路を示したものである。他の部分は図３に図示した構成に対応している。空間スペクトル分割手段６０として格子６７が使用される。
【００２２】
図５は、フォトニックバンドギャップ材１１からなる光ファイバーの１実施形態を示すもので、特別なハニカム状微細構造６９を有している。図示したハニカム構造は、広帯域光の発生に特に適している。ガラス内部カニューレ７１の径はほぼ１．９μmである。内部カニューレ７１はガラス細条片７３により取り囲まれている。ガラス細条片７３はハニカム状の中空空間７５を形成している。これらの微小光学構成要素は協働して第２の領域７７を形成し、第２の領域７７は、ガラス被覆部として実施されている第１の領域７９によって取り囲まれている。
【００２３】
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】本発明による共焦点走査顕微鏡を示す図である。
【図２】走査顕微鏡の照明光路の一部分を示す図である。
【図３】他の走査顕微鏡の照明光路の一部分を示す図である。
【図４】さらに他の走査顕微鏡の照明光路の一部分を示す図である。
【図５】フォトニックバンドギャップ材からなる光ファイバーの実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 走査顕微鏡
２ レーザー
３ チタン・サファイアレーザー
５ レーザー光線
７ カップリング光学系
９ 光学要素
１１ フォトニックバンドギャップ材からなる光ファイバー
１３ デカップリング光学系
１５ 波長を変更されたレーザー光線
１６ 抑制手段
１７ 誘電フィルタ
１９ 光学系
２１ 照明絞り
２３ メインビームスプリッター
２５ スキャンミラー
２７ 走査光学系
２９ 鏡筒光学系
３１ 対物レンズ
３３ 試料
３５ 検出光
３７ 検出絞り
３９ 検出器
４１ アルゴン・イオンレーザー
４３ 第１の波長の光線
４５ チタン・サファイアレーザー
４７ 波長を変更された光線
４９ カラーフィルタ
５１ Nd−YAGレーザー
５３ 第１の波長の光線
５５ 光パラメトリック発振器
５７ 波長を変更された光線
５９ プリズム
６０ 空間スペクトル分割手段
６１ 絞り装置
６３,６５ 絞りジョー
６７ 格子
６９ ハニカム状微細構造
７１ カニューレ
７３ 細条片
７５ 中空空間
７７ 第２の領域
７９ 第１の領域

Claims (5)

  1. 第１の波長の光線を放出するレーザー（２）と、広帯域スペクトルが生じるように光線の波長を変更する微細構造材を有する光学要素（９）と、光線のパワーを抑制するための手段（１６）とを備えて構成される走査顕微鏡にして、前記レーザー（２）が前記光学要素（９）に向けられ、前記抑制手段（１６）が、波長を変更された光線の光路上に設けられ、波長を変更された光線の第１の波長のパワーを、波長を変更された光線の他の波長成分に等しいように抑制する、走査顕微鏡。
  2. 光学要素（９）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に記載の走査顕微鏡。
  3. 光学要素が光ファイバーとして構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の走査顕微鏡。
  4. 抑制手段（１６）がフィルタであることを特徴とする、請求項１に記載の走査顕微鏡。
  5. 抑制手段（１６）が、空間スペクトル分割手段（６０）と少なくとも１つの絞り（６３,６５）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の走査顕微鏡。
JP2001183695A 2000-06-17 2001-06-18 走査顕微鏡 Expired - Lifetime JP4996793B2 (ja)

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DE10030013:8 2001-03-29
DE10115590:5 2001-03-29
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