JP5007462B2 - 光学組立物および共焦点走査型顕微鏡に少なくとも１つの波長の光を結合するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光源の少なくとも１つの波長の光を光学組立物に結合するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なタイプの装置は、実際に光を多種多様な光学組立物に結合するために用いられている。
【０００３】
具体的に言えば、それぞれの場合において光学活性素子によって、１つの波長の光が選択され、光学組立物に結合されることができることから、複数の波長のレーザ光が光学組立物に結合されることになっているとき、光学活性素子がレーザ光を結合するために用いられる。本願明細書の特に好都合な方式において、一定の波長の結合光（ｃｏｕｐｌｅｄ−ｉｎ ｌｉｇｈｔ）のパワーも光学活性素子によって調整および調節を行うことができる。
【０００４】
光学組立物は、たとえば、共焦点走査型顕微鏡またはスクリーンにレーザ光を投影するための装置であってもよい。
【０００５】
後者の組立物の場合には、各投影画像点に存在する異なるカラー値の可能性のために、適切な走査装置によってカラー画像またはカラー画像シーケンスを投影することが可能である。
【０００６】
光学活性素子は、異なる波長の光のパワーを迅速に調節することができることから、レーザ光を投影装置に結合するために光学活性素子を用いることによって、ビデオ速度で画像を表示することが可能である。
【０００７】
共焦点蛍光走査型顕微鏡法の場合においても、異なる波長のレーザ光による複数の蛍光染料の励起は、ラインごとおよび／または画素ごとに調節されるような態様で、さまざまな用途に有用であり、実際に利用されている。
【０００８】
しかし、場合によって、多くのレーザ光源が、光出力および放射光の波長において、著しい変動を示す場合もある。
【０００９】
たとえば、ダイオードレーザの放射波長は、レーザダイオードの作動温度に左右される。
【００１０】
ダイオードレーザの放射波長は、１Ｋ当り約２〜３ｎｍで変化する。これはダイオードレーザの放射パワーにおける変化にさらに関連し、多くの用途では基本的には許容可能ではない。しかし、一般に、光学活性素子は一定の波長の光またはきわめて限定された波長領域内の光にのみ作用するため、放射される光の波長が変化するとき、通常、光学組立物に結合される光のパワーにおいても変化が生じる。
【００１１】
しかし、不都合なことに、レーザ光源の波長または波長領域が変化する場合には、光学活性素子によって結合される光のパワーも変化する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、レーザ光源の少なくとも１つの波長の光を光学組立物に結合するための装置および共焦点走査型顕微鏡であって、レーザ光源のパワーおよび／または波長における変化が光学組立物に結合される光のパワーに影響を及ぼさない装置および共焦点走査型顕微鏡について述べることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による一般的なタイプの装置は、請求項１の特徴によって上記の目的を実現する。
【００１４】
本発明による一般的なタイプの共焦点走査型顕微鏡は、請求項３または５の特徴によって上記の目的を実現する。
【００１５】
本発明によって認識されていることは、まず光学活性素子はレーザ光を光学組立物に結合するために用いられるほか、制御システムの調整素子として用いられることができることである。それによって、適切な制御ループを想定すれば、好都合なことに、レーザ光源の変動が許容可能な範囲内のみに結合光のパワーに影響を及ぼすか、または全く影響を及ぼさないように、結合光に作用することが可能である。
【００１６】
特に好都合な方式において、光学活性素子のみが、制御システムによって調整素子として用いられる。したがって、レーザ光源自体の調節を行う意図はなく、むしろ制御システムはどのような場合でも光を光学組立物に結合するために設けられることが多い調整素子を利用する。それゆえ、好都合なことに、冒頭に述べた目的を実現することができるような高価な追加光学素子（収差を生じる場合もある）を設ける必要はない。
【００１７】
光学組立物の異なる要件に適合することができるような複数の制御方策について、以下に説明する。
【００１８】
制御システムは、結合光の光出力における変動を最小限に抑えるように作用するような方法で設計されてもよい。これに関連して、制御システムによって対応して最小限に抑えられるレーザ光源の短期変動に対して、特に考慮すべきであると思われる。
【００１９】
レーザ光源の変動が温度変化の結果である場合には、一般に秒単位の変動があり、制御システムによって最小限に抑えなければならない。
【００２０】
また、結合されるべき光の時間に関するパワー分布を規定することも可能であると思われる。尚、この分布は制御システムによって実現される。
【００２１】
ここで、再度結合されるべき光のパワーにおける変動を最小限に抑えるための準備がなされる。時間に関するパワー分布は、たとえば、結合されるべき光のパワーにおいて、周期的な振幅変調または連続的に増大および／または減少する変化であってもよい。この種の振幅変調の例としては、方形波、鋸波または正弦波のパワー分布が挙げられる。
【００２２】
制御システムはまた、結合光の光出力を最大にするために作用するような方法で設計されてもよい。これは、特にレーザ光源の利用可能なパワーが光学組立物において必要とされる光出力とごくわずかに異なる場合に必要とされる。
【００２３】
多くの用途では、制御システムは、ほぼ一定の光出力を光学組立物に結合するためのものである。最大光出力の任意の部分の光を結合することも考えられる。
具体的な実施形態において、利用者によって行われる調節および／または設定が考慮され、すなわち制御システムが調整された設定を認識するように制御システムは構成される。
【００２４】
制御システムが利用者によって行われる調節および／または設定を認識しない場合には、制御システムが光学組立物に初めに規定された一定の光出力を結合するという事実から、たとえば、レーザコントローラで直接的にレーザの出力パワーが増大した後、制御システムは、結合光に関して一定の光出力を維持し続けるようにするためにその偏向を無効にするであろう。したがって、利用者によって行われる調節および／または設定が新たな設定値として制御システムによって考慮され、制御されるように保証することが重要である。
【００２５】
レーザ光源の放射パワーの調節および／または設定に加えて、結合光と非結合光との割合も調整されてもよく、および／または結合されるべき光の周期的な振幅変調が利用者によって行われてもよい。
【００２６】
好都合なことに、制御システムは、光学組立物の照射動作および／または検出動作と同期されることができる。特に共焦点走査型顕微鏡法の場合には、検出動作と制御システムの同期が行われる。この機能の目的は、特に照射動作および／または検出動作中に、最適動作条件が存在することを保証するためである。
【００２７】
光学活性素子は、音響光学または電気光学素子である。具体的な実施形態において、光学活性素子は、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）または音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）である。制御ユニットによってＡＯＴＦまたはＡＯＢＳを制御することができる。
【００２８】
きわめて一般的に言えば、ＡＯＢＳまたはＡＯＴＦにおいて、一定の波長の光は、ＡＯＢＳまたはＡＯＴＦの結晶を通過している機械的な音波で屈折されるか、または結晶にわたって広がっている一定の周波数の機械的な音波の結果として、ブラッグ条件が機械的な音波の周波数に対応する波長の光に関して形成される。したがって、素子は一定の周波数の音波によって作用されるため、音波の周波数に対応する波長領域の光は、光学組立物または共焦点走査型顕微鏡に結合されることができる。波長領域は、一般に数ナノメートルのスペクトルが著しく限定される領域である。
【００２９】
結合光のパワーは、ＡＯＴＦまたはＡＯＢＳに存在する周波数の振幅によって影響を及ぼされることができる。光学素子が光学組立物に活性結合される場合には、機械的な音波の振幅における増大は、結合される光のパワーを増大するであろう。活性結合に関して、一定の周波数の音波で屈折される光のみが光学組立物に結合される。
【００３０】
制御システムに関連がある現在存在する実際の値を決定するために、対応する検出器によって光出力を検出されるように準備がなされる。これに関連して、たとえば、フォトダイオードまたはレーザパワーメータなどの一般的な検出器はすべて、光出力を決定するのに適している。
【００３１】
簡素な方式において、光の波長における変化を検出するための準備がなされる。これに関連して、測定は、分光計、マルチバンド検出器または半導体波長計を用いて行われてもよい。
【００３２】
半導体波長計は、１つのフォトダイオードの上にもう一方の対となるフォトダイオードを配置し、異なるスペクトル検出特性を有する２つの異なるフォトダイオードを含む検出器である。検出対象である光の波長において変化がある場合には、半導体波長計の２つの異なるフォトダイオードによって検出される強度も変化するため、測定される光の調整された波長を決定することができる。
【００３３】
光学活性素子の前および／または後に、測定に用いられる検出器を配置することができる。具体的には、半透鏡、ダイクロイックビームスプリッタ、被覆されていないガラス板および／または被覆されているガラス板の背後に配置される検出器が設けられる。
【００３４】
たとえば、光学活性素子の前の測定は、レーザ光源と光学活性素子との光ビーム経路における被覆されていないガラス板の対応する配置によって実現されてもよい。ガラス板は、ガラス板の後に配置される検出器に伝送される照射ビーム経路のうちの照射光の小さな部分を結合する。好都合なことに、光学活性素子の後の測定は、いずれの場合でも光学組立物のビーム経路に配置されるダイクロイックビームスプリッタまたは半透鏡の後で行われてもよい。
【００３５】
したがって、対応する検出器は、半透鏡またはダイクロイックビームスプリッタの後に配置される必要があるであろう。好都合なことに、この手順に関して、光学組立物の個々の素子のアライメントを必要としない。
【００３６】
測定はまた、結合されないビーム経路の部分において行われてもよい。一般に、結合されないレーザ光の部分は、ビームトラップによって吸収される。しかし、波長の変化または光出力を検出する対応する検出器が、その位置に配置されてもよい。
【００３７】
実際の値を測定するために、光学活性素子の前の光であって、結合されないビーム経路の部分において測定が行われるか、または光学素子の後（すなわち光学組立物において）であって、結合されないビーム経路の部分において測定が行われるのが理想的である。素子の前および後の実際の値の検出も考えられる。
【００３８】
検出された読取り値は制御素子に伝送される。したがって、このような検出された読取り値は、制御素子に関連する実際の値である。
【００３９】
具体的な実施形態において、素子の前に配置される検出器の読取り値および素子の後に配置される検出器の読取り値は、同時に検出される。これらの読取り値の商は、制御素子に伝送される。この処理手順は、特に制御システムが結合されるべき光の時間に関するパワー分布を考慮しなければならない場合に好都合である。
【００４０】
結合されるべき光の時間に関するパワー分布は、たとえば、レーザ光源の光の正弦波振幅変調によって、光学素子の前に配置される検出器によって検出される実際の値を表示してもよい。
【００４１】
光学活性素子の後の光出力の同時検出は、対応して配置される検出器によって、結合光に関する実際の値を供給する。
【００４２】
次に、このような２つの検出された実際の値の商は制御素子に伝送され、制御システムが商をほぼ一定に保つようにしてもよい。
【００４３】
制御素子は、制御システムによって規定されるように、制御ユニットによって、光学活性素子を調整する。制御ユニットは、機械的な音波の適用によって、光学活性素子の制御または調整を行う。結局、制御ユニットは、ＡＯＴＦまたはＡＯＢＳに存在する圧電素子の機械的な偏向または振動を生じる交流電圧を供給するため、ＡＯＴＦまたはＡＯＢＳにおいて、機械的な音波を生じる。調整によって制御ユニットを調節する基本的な変数は、一方は交流電圧の周波数であり、他方は交流電圧の振幅である。光の波長における変化がある場合には、制御ユニットによって出力される交流電圧の周波数は、上述の制御方策の１つを実現することができるように調整される。光のパワーが変化する場合には、さらに、制御ユニットによって出力される交流電圧の振幅が、上述の制御方策の１つを実現することができるように調整または設定されることができる。たとえば、光の波長における変化も一般にパワーにおける変化に関連するため、交流電圧の周波数および交流電圧の振幅において変更を組合わせることもある。この場合には、制御ユニットに出力される交流電圧の周波数における変更がまず行われ、次に制御ユニットに出力される交流電圧の振幅における変更を行う必要がある。
【００４４】
制御ループは、電気回路の形態で構成される。制御ループは位相ロックループ（ＰＬＬ）回路であってもよく、制御ループは比例制御器、比例積分制御器または比例積分微分制御器を具備してもよい。
【００４５】
具体的な実施形態において、較正が行われる。光学組立物の照射および／または検出の動作中、動作前および／または動作後に較正を行ってもよい。光学組立物が共焦点走査型顕微鏡である場合には、検出動作または画像獲得の前および後に、較正が行われる。さらに長い持続時間の試料検出が行われる場合には、共焦点走査型顕微鏡を用いた画像作成動作中にも較正を行う用意がある。
【００４６】
較正は、光学組立物、特に共焦点走査型顕微鏡の照射および／または検出動作と同期させることもできる。
【００４７】
較正の場合には、少なくとも２つの異なる読取り値が検出される。３つの異なる読取り値が記録されることが好ましい。レーザパワーの較正に関して、レーザ光源は、初めは低いパワーレベル、たとえば２０ｍＷに設定されてもよく、光出力は対応して配置される検出器に関して決定されてもよい。
【００４８】
次に、レーザ光源のパワーはさらに高い値、たとえば８０ｍＷに設定されてもよく、現在生じているレーザ光出力の第２の測定が検出器を用いて行われてもよい。
【００４９】
最後に、レーザが高出力パワー、たとえば１５０ｍＷに設定されるときに、第３の較正が行われてもよい。較正は十分な読取り値を含むため、設定されるべき制御システムの値は、実際に、較正測定に基づいて確認されてもよい。
【００５０】
たとえば、測定された較正値が制御素子に送信され、そこに格納されるという事実によって、制御システムは較正値を考慮する。複数の較正が行われる場合には、新たな較正値が古い較正値に取って代わってもよく、または制御素子にさらに格納されてもよい。
【００５１】
測定値（実際の値）と制御値（設定値）との関連付けは、ルックアップ表（ＬＵＴ）によって行われてもよい。これは、対応して測定された実際の値が存在する場合には、制御素子または素子の制御ユニットによって出力される値を含む。測定値と制御値との関連付けは、制御コンピュータの援助によって行われてもよい。
【００５２】
一般に、異なる波長の光を利用するための準備がなされる。このような場合には、制御システムは、それぞれの場合において１つの波長の光を調べる。したがって、２つの異なる波長の光が光学組立物に同時に結合されることになっている場合には、たとえば制御システムによって第１の波長の光の光出力の最大値を求め、第２の波長の光の光出力をほぼ一定に保つことを実現することが出きるように、制御システムを設計してもよい。
【００５３】
【発明の実施の形態】
図１〜図４はそれぞれ、光学組立物３にレーザ光源２の少なくとも１つの波長の光１を結合するための装置を示している。
【００５４】
図を簡単明瞭にするために、光学組立物３のサブアセンブリは、図１においてのみ参照符号３で示される。光学組立物３は共焦点走査型顕微鏡である。
【００５５】
光１を結合するための装置は、波長を選択し、光学組立物３に結合される光５のパワーを設定するために作用する光学活性素子４を有する。
【００５６】
共焦点走査型顕微鏡に結合される光５は、ダイクロイックビームスプリッタ６に当たり、移動可能に配置された鏡によって互いに垂直である２つの方向に光が偏向される走査装置７に反射される。
【００５７】
したがって、偏向された光は、顕微鏡光学系８によって試料９へ指向される。
試料９から戻ってくる光は、対向する方向に顕微鏡光学系８および走査装置７を通過し、ダイクロイックビームスプリッタ６を通過して検出器１０に達する。
【００５８】
本発明によれば、素子４は、結合光５に影響を与えるために、制御システム１１の調整素子として作用する。図を簡単明瞭にするために、制御システム１１は、図１および図３においてのみ参照符号１１によって示される。
【００５９】
図１の制御システム１１の目的は、結合光５の光出力における変動を最小限に抑え、光学組立物３において一定の光出力を実現することにある。
【００６０】
図４は、制御システム１１が共焦点走査型顕微鏡の走査動作と同期されることを示している。その目的のために、走査装置７は、制御システム１１の素子に結線１２によって結合される。
【００６１】
走査装置７の位置データは、結線１２によって制御システム１１に利用可能である。
【００６２】
図１〜図４の光学活性素子４は、音響光学素子、具体的にはＡＯＴＦとして具体化される。ＡＯＴＦ４は制御ユニット１３によって励起される。
【００６３】
ＡＯＴＦ４は、一定の周波数の音波によって作用させることができるため、音波の１つの周波数に対応する波長領域の光は音響組立物３に結合されることができる。
【００６４】
その目的のために、制御ユニット１３は、調整線１４によって電磁交流電圧を出力する。この交流電圧は、ＡＯＴＦ４に直接取付けられる圧電素子（図示せず）の周期的な偏向を生じる。その結果、電磁交流電圧に対応する周波数の音波がＡＯＴＦの結晶を通過する。
【００６５】
結合光５のパワーは、ＡＯＴＦ４に加えられる周波数の振幅によって作用されることができる。制御ユニット１３が作動中である場合のみ、光１が光学組立物３に結合されるように、ＡＯＴＦ４はビーム経路に配置される。すなわち一定の波長の光１を結合するために、ＡＯＴＦ４を通過する音波が一定の波長の光に関してブラッグ条件を満たし、光学組立物３に結合される光５として共焦点走査型顕微鏡に利用可能であるように、制御ユニット１３はＡＯＴＦに電磁交流電圧を印加しなければならない。ＡＯＴＦが全く作用しない場合、または光の波長に対応する適切な周波数の任意の音波には作用しない場合には、ＡＯＴＦを通過した後、光１は非結合光１５としてビームトラップ１６によって吸収される。
【００６６】
図２〜図４の具体的な実施形態において、光出力は対応する検出器１７，１８によって検出される。図１の具体的な実施形態において、光の波長における変化は、半導体波長計１９によって検出される。
【００６７】
図１、図３および図４の具体的な実施形態において、測定に作用する検出器１８または１９は光学素子の前、具体的に言えば個別の検出器にレーザ光源２から放射された光１の小さな部分を伝送する被覆されていないガラス板２０の後に配置される。
【００６８】
図２〜図４の具体的な実施形態のそれぞれにおいて、検出器１７はさらに光学活性素子４の後に配置される。検出器１７はダイクロイックビームスプリッタ６の背後に配置される。検出器１７は、光出力を確認する検出器である。
【００６９】
検出器１８は、光出力および光の波長の両方を検出することができる検出器である。
【００７０】
検出器１７，１８，１９によって検出される読取り値が制御素子２１に伝送されることは、図１および図２から明白である。
【００７１】
図３および図４は、光学活性素子４の前に配置された検出器１８の読取り値および光学素子４の後に配置された検出器１７の読取り値が検出されることを示している。検出は同時に行われ、上記の読取り値の商は、処理ユニット２２によって確認された後、制御素子２１に伝送される。
【００７２】
制御素子２１は、制御システムによって規定されるように、制御ユニット１３によって、光学活性素子４を調整する。
【００７３】
レーザ光源２の光の波長における変化がある場合には、光学活性素子４に作用している音波の周波数が制御ユニット１３によって調整される。
【００７４】
光のパワーにおける変化がある場合には、光学活性素子４に作用している音波の振幅が制御ユニット１３によって調整される。
【００７５】
図３に示された具体的な実施形態の制御方策は、最大伝送の一定の割合に調整するために設計される。「伝送」なる語は、パワー検出器１７によって検出される結合光５およびダイクロイックビームスプリッタ６を通過する光のパワーを示している。
【００７６】
この具体的な実施形態において、一定の伝送値の調整は、結合光の対応するパワー値に調整する同時間に対応するが、結合光のパワーに着目する制御方策も伝送に関して考えることができる。
最後に、上記に述べた具体的な実施形態は、請求の範囲の教示を述べるだけに過ぎず、具体的な実施形態に制限されるものではないことを特に留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 少なくとも１つの波長の光を光学組立物に結合するための装置の具体的な実施形態の概略図である。
【図２】 本発明による装置の第２の具体的な実施形態の概略図である。
【図３】 本発明による装置の第３の具体的な実施形態の概略図である。
【図４】 本発明による装置の第４の具体的な実施形態の概略図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源２の少なくとも１つの波長の光
２ レーザ光源、
３ 光学組立物、
４ 光学活性素子、
５ 結合光、
６ ダイクロイックビームスプリッタ、
７ 走査装置、
８ 顕微鏡光学系、
９ 試料、
１０ 検出器、
１１ 制御システム、
１２ 結線、
１３ 制御ユニット、
１４ 調整線、
１５ 非結合光、
１６ ビームトラップ、
１７ 検出器、
１８ 検出器、
１９ 半導体波長計、
２０ 被覆されていないガラス板、
２１ 制御素子、
２２ 処理ユニット

Claims (6)

1. 少なくとも１つの波長を規定するレーザ光源と、
   共焦点走査型顕微鏡に前記レーザ光源の光を結合するための装置と、
   前記共焦点走査型顕微鏡に前記レーザ光源の光を結合するための装置に配置された光学活性素子であって、前記波長を選択し、結合されるべき前記光のパワーを設定するために作用する光学活性素子と、
   結合されるべき前記光の光出力における変動を最小限に抑えるために前記素子に影響を与えるための制御システムと、
   前記光学活性素子の前に配置された第１の検出器および前記光学活性素子の後に配置された第２の検出器と、
   を具備し、前記第１のおよび第２の検出器の読取り値が同時に検出され、この読取り値の商が制御素子に伝送される共焦点走査型顕微鏡。
2. 前記制御システムによって実現可能な結合されるべき光の時間に関するパワー分布が規定される、請求項１に記載の共焦点走査型顕微鏡。
3. 調節および／または設定が、前記レーザ光源のパワーの選択と、結合光と非結合光との割合および／または結合されるべき光の好ましくは正弦波である周期的な振幅変調の選択と、を含む請求項１または２に記載の共焦点走査型顕微鏡。
4. 前記光学活性素子から出力された光を互いに垂直である２つの方向に偏向する走査装置を具備し、
   前記制御システムの動作を、前記走査装置の位置データを利用して当該走査装置の走査動作と同期させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の共焦点走査型顕微鏡。
5. 少なくとも１つの波長を規定するレーザ光源と、
   共焦点走査型顕微鏡に前記レーザ光源の光を結合するための装置と、
   前記共焦点走査型顕微鏡に前記レーザ光源の光を結合するための装置に配置された光学活性素子であって、前記波長を選択し、結合されるべき前記光のパワーを設定するために作用する光学活性素子と、
   結合されるべき前記光の光出力における変動を最小限に抑えるために前記素子に影響を与えるための制御システムと、
   前記光学活性素子から出力された光を互いに垂直である２つの方向に偏向する走査装置と、
   を具備し、
   前記制御システムの動作を、前記走査装置の位置データを利用して当該走査装置の走査動作と同期させる共焦点走査型顕微鏡。
6. 調節および／または設定が、前記レーザ光源のパワーの選択と、結合光と非結合光との割合および／または結合されるべき光の好ましくは正弦波である周期的な振幅変調の選択と、を含む請求項５に記載の共焦点走査型顕微鏡。

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