JP5129905B2 - 共焦点レーザー走査型顕微鏡およびその参照補正方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光線源と対象物との間に延びている照明光路と、対象物と該対象物からの検出光を検出する検出装置との間に延びている検出光路とを備え、参照測定のために用いる参照光路が設けられ、照明光路から照明光をデカップリングして参照光として参照光を参照光路へカップリング可能であり、参照光を定性的および定量的に検出可能である共焦点レーザー走査型顕微鏡およびその参照補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のレーザー走査型顕微鏡はかなり以前から知られており、半導体産業におけるウェーハー検査およびバイオ医学の基礎研究において使用されている。その一例としてドイツ連邦共和国特許公開第４３３０３４７A号公報が挙げられる。この公報から知られているレーザー走査型顕微鏡は特にバイオ医学に応用され、特に異なる蛍光色物質を備えた被検査対象物が識別される。蛍光色物質の蛍光光線は、適当なレーザー光線源で励起させた後検出することができる。
【０００３】
この種のレーザー走査型顕微鏡は従来相対測定しかできなかった。これによれば、異なる蛍光色物質を検出する際にこれら蛍光色物質を十分な精度で相互に定性的に関係づけるために、被検査対象物の中に分布している蛍光色物質の蛍光光線を検出することは、１つの被検査対象物に対してしか可能でない。
【０００４】
レーザー走査型顕微鏡の重要なアッセンブリを十分に校正することは、たとえばドイツ連邦共和国特許公開第１９９０６７６３A号公報から知られている装置によって可能である。この場合、外的影響による短時間変動および長時間変動は補償されない。短時間変動および長時間変動とはたとえば使用されるフィルタまたは検出器のような顕微鏡の個々のアッセンブリの温度依存性、およびレーザーの強度変動（モードジャンプ）である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、レーザー走査型顕微鏡、特に共焦点のレーザー走査型顕微鏡において、種々の対象物の絶対測定を十分な精度で行うことができ、その際測定条件への外乱を補正することができるようにすること、およびその方法を提供することである。
【０００６】
【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、共焦点レーザー走査型顕微鏡においては、参照光の検出を、検出光を検出する前記検出装置を介して行うこと、検出装置で測定した検出光路および参照光路の光強度をデジタル化装置によってデジタル化すること、照明光路から照明光以外に他の光線をデカップリングし、該他の光線の強度を補助的な受光センサを用いて検出し、該受光センサの信号をデジタル化装置のための参照電圧として用いることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明によれば、まず、従来のレーザー走査型顕微鏡による種々の対象物の比較測定は、顕微鏡の個々のアッセンブリの短時間または長時間変動のために、絶対精度を備えた適宜な校正装置をもってしても不可能であるという認識に至った。そして、特にレーザーの強度変動（たとえばモードジャンプ）並びにフィルタおよび検出器の温度変化は種々の対象物の比較測定に悪影響を及ぼさず、或いはエラーを生じさせないという認識に至った。したがって、本発明によれば、レーザー走査型顕微鏡は、適当な参照測定の実施を可能にする参照光路を有している。この場合、参照光線は照明光路から参照光路内へカップリングされ、検出装置により検出される。これにより、本来の対象物測定のほかに、レーザー走査型顕微鏡の個々の構成要素の短時間または長時間変動を補償することができるような参照測定を実施できる。
【０００８】
参照光路は、デカップリング部位と検出装置の間に延在し、デカップリング部位はレーザー走査型顕微鏡の照明光路内に設けられている。参照光路にカップリングされたレーザー光線源のレーザー光線を、以下では参照光線と呼ぶことにする。
【０００９】
１つの実施形態によれば、デカップリング部位はレーザー光線源とビームスプリッター装置の間にある。したがって、レーザー光線源の光だけが参照光路にカップリングされるよう保証され、すなわち対象物の蛍光光線とか顕微鏡の通常の透過光線が参照光線に重畳されることはない。
【００１０】
ビームスプリッター装置としてAOBS(Acousto − Optical − Beam − Splitter 音響学的光学的スプリッター)を使用する場合は、デカップリング部位が直接AOBSにあれば有利である。AOBSを備えたレーザー走査型顕微鏡は、ドイツ連邦共和国特許出願１９９０６７５７．０に記載されている。
【００１１】
参照光路内に、別の光学要素を配置するのが有利である。別の光学要素とは、たとえば、粗い表面を持ったガラス板或いは混合ガラスからなるガラス板から構成されるディフュージョンディスクである。さらに、参照光路内に少なくとも１つの光線転向要素を配置すると、参照光路の光線案内を実現できる。
【００１２】
１つの実施形態によれば、参照光路内に少なくとも１つの受光センサが配置され、これにより参照光を検出することができる。この受光センサは、参照光路の部分光路に対してのみ設けられているのが有利である。
【００１３】
参照光路内には、少なくとも１つの減光器（灰色フィルタまたはニュートラルフィルタ）が配置され、これにより参照光線の強度を検出ユニットの特性に適合させることができる。減光器の透過性は、参照光線の強度が対象物によって検出される光の強度と同じオーダーを有し、その結果参照光線および検出光線の検出のためにほぼ同一のダイナミックレンジが存在するように選定するのが有利である。
【００１４】
参照光路内には、照明光路および（または）検出光路に作用するフィルタ受容要素も配置される。フィルタ受容要素とは通常のフィルタホイールであり、或いは直線状に配置されるフィルタディスクであり、１個または複数個の異なるフィルタを挿着できる。通常は、波長特有の反射作用または透過作用を有する、フィルタインサートと呼ばれるガラス板を使用することができる。カラーのガラス板或いはいわゆるホログラフィック・ノッチフィルタを使用してもよい。フィルタ受容要素は可動に配置され、たとえば回転可能、或いは直線方向へ変位可能である。フィルタインサートを備えたフィルタ受容要素により、検出装置により検出されるべき光路を選択できる。たとえば、フィルタ受容要素の１つの位置では検出光路から検出装置へ至る光だけが選択され、他の位置では検出装置のための参照光路の光が選択され、さらに他の位置では、暗電流測定のため、検出装置のための光は選択されない。
【００１５】
フィルタ受容要素に使用されるフィルタは部分的に温度に依存しており、フィルタの透過特性の変化に影響を与えるので、フィルタ受容要素は一定の温度に保持される。このためフィルタ受容要素全体が適当に調節された加熱装置、特に加熱抵抗で加熱される。
【００１６】
有利な実施形態では、参照光路内には、デカップリング部位から見てディフュージョンディスクの後方に他の光学要素が配置される。レーザー光線源から参照光路内にカップリングされたコヒーレントなレーザー光線は、ディフュージョンディスクを通過した後はもはやコヒーレントではないので、ディフュージョンディスクを通過した光と参照光路内に設けた前記他の光学要素との相互作用が望ましくない干渉現象を生じさせることはない。この種の干渉現象は、光路内で少しでも温度が変化したり、或いは温度変化によって光路長が変化しても被測定光の強度変調を生じさせるので、測定に極めて支障をきたす。
【００１７】
デカップリング要素として、平行平面のガラス板として構成される厚いビームスプリッターを使用するのが有利である。有利な実施形態では、このビームスプリッターは少なくとも４mmの厚さであり、照明光路に対し４５゜の角度で配置され、参照光線の横で少なくとも１つの他の光線がデカップリングされる。他の光線とは、たとえば、レーザー光線源から来るレーザー光線の、ビームスプリッタープレートにおける二次反射光線である。二次反射光線とは、厚いビームスプリッタープレート内で発生し、レーザー光線源から見て逆の側のガラス表面で反射する最初の内部反射光線のことで、ビームスプリッタープレートのレーザー光線源側のガラス表面を通過した後、参照光路の方向へ出射する。したがって、使用されるビームスプリッタープレートに依存して、付加的にデカップリングされた光線の参照光線にたいする横方向平行ずれが与えられている。
【００１８】
付加的にデカップリングされた光線の強度は、受光センサによって検出または測定される。このようにして測定された、使用した光源の出力に直接比例する信号は、検出装置のための参照信号として使用される。有利な実施形態では、このようにして得られた参照信号はデジタル化装置のための参照電圧として利用される。このようにして、有利に且つ簡単な手段で（適当なフォトダイオードだけで）、対象物の測定に悪影響するレーザー光線源の強度変動を補正することができる。特にこれにより、この補正を対象物のデータ受け取りの間に実施すれば、すなわち本来の測定過程の間に実施すれば、レーザー光線源の短時間強度変動（たとえばモードジャンプ）を補正することができる。
【００１９】
特に顕微鏡に組み込まれた構成要素の長時間変動の補正に関しては、レーザー走査型顕微鏡で測定した像データを参照光路によって測定した参照信号を用いて適宜補正するのが有利である。この手段により、特に検出装置またはレーザー光線源の長時間ドリフトが阻止される。このドリフトは、時間的にずれた個々の測定の定量的比較を必要な絶対精度で行うのを不可能にさせるオフセットを、測定された像データの内部に生じさせる。具体的には、測定された像データの補正はデジタル化装置において入力ロックアップテーブルを用いて実現できる。この入力ロックアップテーブル（LUT）は、測定された像データの強度が参照光路の測定された参照信号にしたがってデジタル化装置においてデジタル化されて、このようにデジタル化された像データのこれ以上の補正ステップをもはや必要としないように具体化されている。この処置の利点は、補正が「オンラインで」、すなわちすでに像の受け入れ(Bildaufnahme)の間に行うことができる点である。
【００２０】
他の実施形態では、参照光路内に他の少なくとも１つの光源が設けられている。この光源は、たとえば、参照光路内にある光学的要素の校正目的に使用することができる。さらに、参照光路内に他の少なくとも１つの検出器を配置してもよい。たとえば、付加的な１つの検出器を用いて、参照光路内の光の強度を参照光路の光学的要素の前で測定し、そして別の検出器で強度をこの光学的要素の後で測定して、このような光学的要素による障害が生じた場合にこの障害を阻止し、或いは補正するようにすることができる。
【００２１】
照明光路および（または）検出光路に配置されているが、参照光路に配置されていない光学的要素の温度依存性を補正するため、光学的要素を一定の温度に保持してよい。これも、フィルタ受容要素の場合と同様に、調節された加熱装置を用いて実現してよい。
【００２２】
前記本発明の課題を解決するための参照補正方法においては、参照光の検出を、検出光を検出する前記検出装置を介して行うこと、検出装置で測定した検出光路および参照光路の光強度をデジタル化装置によってデジタル化すること、照明光路から照明光以外に他の光線をデカップリングし、該他の光線の強度を補助的な受光センサを用いて検出し、該受光センサの信号をデジタル化装置のための参照電圧として用いることを特徴としている。
【００２３】
これにより、レーザー走査型顕微鏡の個々の構成要素の長時間変動を有利に補正することができ、特に、対象物の測定と時間的に同時に行われる参照測定により、構成要素の短時間変動を補償することができる。
【００２４】
レーザー走査型顕微鏡内に設けられるアッセンブリの長時間変動の補償に関しては、各測定サイクルの直前および（または）直後に参照信号を測定し、これら参照信号を用いて、測定された対象物像データを補正することができる。この場合、使用した光源の実際のレーザー光線出力値のような定量値、或いは検出装置の暗電流が特に重要である。１回の測定サイクルは、１次元または２次元または３次元のデータピックアップからなる。
【００２５】
参照補正のため、少なくとも以下の記載する測定量が測定され、すなわち暗電流I_０、参照値R、参照値の暗電流R_０が測定される。
測定された参照信号により、測定された像データＩ_{Ｘ，Ｙ，Ｚ}が適宜補正され、有利には
Ｉ_{ＸＹＺ，ＫＯＲＲ}＝Ｆ＊（Ｉ_ＸＹＺ−Ｉ_０）／（Ｒ−Ｒ_０）
なる規定にしたがって補正される。
【００２６】
ここでFに対しては適当な換算係数が使用され、測定された像データを、補正中に適当なデジタル化範囲に写像させ、たとえば０ないし４０９５のグレー値を含む１２ビット範囲に写像させる。
【００２７】
参照補正を簡単にするため、Ｉ_０＝Ｒ_０に設定でき、すなわち具体的に使用した参照補正で実施した測定に起因して、参照の暗電流R_０が光源を絞った際のシステムの暗電流I_０の値とほとんど違わない場合には、上記のように設定してもよい。
【発明の実施の形態】
【００２８】
次に、本発明の有利な構成を、図面に図示したいくつかの実施形態に関し説明する。
図１に図示した共焦点のレーザー走査型顕微鏡は、２つのレーザー光線源１,２と対象物３との間に延びている照明光路４を有している。レーザー１と２の２つの光線は光線統合器５を介して統合される。対象物３と検出装置６の間には検出光路７があり、その際ビームスプリッター８と対象物３の間においては照明光路４は検出光路７と一致している。
【００２９】
本発明によれば、共焦点のレーザー走査型顕微鏡は、照明光路４の参照光をカップリングする参照光路９を有し、参照光は検出装置６により定性的且つ定量的に検出される。この場合、デカップリング部位１０または１８において照明光路４の光は参照光路９にカップリングされる。なお、デカップリング部位１０は光線統合器５とビームスプリッター８の間に配置されている。
【００３０】
本発明によれば、参照光路９内には他の光学要素が配置されている。そのうちディフュージョンディスク１１は、照明光路から来るコヒーレントな参照光をインコヒーレントにさせ、さらにその強度を対象物３により検出される検出光の強度に整合させる用を成す。さらにディフュージョンディスク１１は、検出装置６のための参照光を位置に関し不感にさせ、すなわち横断面にて点状の参照光線をいくぶん拡大させて、蛍光検出に比べてほぼ等しい検出条件が存在するように成す課題をも持っている。以後の光路内には、ニュートラルガラスフィルタの形態の減光器１２が配置され、減光器１２は、検出光路７での光強度を参照光路８での光強度に整合させるために付加的に使用され、透過成分に関し適宜なサイズに選定されている。
【００３１】
図１に図示した本発明による顕微鏡の実施形態の場合、参照光路９と検出光路７に作用するフィルタ受容要素１３が設けられている。フィルタ受容要素１３は軸１４のまわりに回転可能に配置され、モータ１５によって所望の位置へ走行せしめられる。
【００３２】
フィルタ受容要素１３は、図３に示すように、フィルタインサート１６のための３個の受容保持部を有している。このうち１個の受容保持部にはレーザー光線源１のための遮断フィルタを挿着し、次の受容保持部にはレーザー２のための遮断フィルタを挿着し、３番目の受容保持部は空にさせておく。なお遮断フィルタという概念は、適当なレーザー光線源の励起波長を除くすべての波長の光がこの遮断フィルタを通過することができるという意味である。
【００３３】
回転可能に配置されているフィルタ受容要素には４つの作動位置が設定されている。第１の作動位置では、検出光路７の光だけが検出装置６に対し解放されるように、レーザー１のための遮断フィルタの受容保持部が位置決めされる。第２の作動位置では、レーザー２の遮断フィルタを備えた受容保持部が検出光路７に位置決めされて、同様に検出光路７の光だけを検出装置６に対し解放するように、フィルタ受容要素１３が位置決めされる。フィルタ受容要素１３の第３の作動位置では、空の状態にある受容保持部が参照光路９内に位置決めされて、参照光路９の参照光だけが検出装置６に対し解放される。フィルタ受容要素１３の第４の作動位置は、検出光路７の光も参照光路９の光も検出装置６に達しないように設定されている。
【００３４】
具体的に述べた上記実施形態では、フィルタ受容要素１３に挿着されるフィルタインサート１６を参照光路９により定性的に測定する構成ではないので、フィルタインサート１６に対する外部の温度影響を避けるため、フィルタ受容要素１３全体を温度制御装置１７および加熱抵抗（図示せず）により一定の温度に保持する。
【００３５】
本発明によれば、参照光路９内に配置される減光器１２と、参照光路９内へ回動可能なフィルタインサート１６とは、デカップリング部位１０から見てディフュージョンディスク１１の下流側に配置されている。デカップリング部位１０から参照光路９にカップリングされた参照光はディフュージョンディスク１１を通過後コヒーレントではなくなるので、参照光路９内のディフュージョンディスク１１下流側の構成要素１２,１６における不具合な干渉現象が避けられる。
【００３６】
照明光路４内に配置されるデカップリング要素に対しては、厚いビームスプリッターが用いられ、該ビームスプリッターは平行平面な厚いガラス板として実施される。このビームスプリッターは照明光路４に対して４５゜の角度で配置され、波長に特有の特殊な反射特性および透過特性を持っていない。ビームスプリッタープレートの厚さは１０mmである。参照光路９にカップリングされる参照光の強度は、特に前記ビームスプリッタープレートの屈折率に依存している（フレネルの式）。したがって、ビームスプリッタープレート１８のレーザー１,２側のガラス表面における照明光の主反射光線は、参照光路９のための参照光として使用される。
【００３７】
ビームスプリッタープレート１０の光源とは逆の側のガラス表面には、ビームスプリッタープレート１０内の二次反射光線１９があたる。この二次反射光線１９は、ビームスプリッタープレート１０の光源１,２側のガラス表面から出た後、参照光路９の方向へ延びて該参照光路９に対し側方へずれる。したがって、ビームスプリッタープレート１０の厚さに依存して、横方向のビームずれDを適合させることができる。さらに、横方向のビームずれDにより、参照光線９（主参照光線）が新たにデカップリングされた光線２０（二次反射光線）と空間的に重畳することがない。これにより、照明光路４からデカップリングされたこれら両光線の干渉現象も避けられ、レーザー走査型顕微鏡および参照光路９の測定結果に不具合な影響を与えることがない。
【００３８】
二次反射光線１９によって付加的にデカップリングされた光線２０は、受光センサ２１により検出される。受光センサ２１の信号出力部は、ライン２２を介して直接デジタル化装置２３に接続されている。検出装置６によって測定された光線７,９の光強度は、デジタル化装置２３によってデジタル化され、コンピュータに送られる。したがって、両光路７,９を測定している間に、持続的に存在する参照信号が提供され、この持続的な参照信号を用いてレーザー１,２の短時間変動を補正することができる。本発明によれば、受光センサ２１の参照信号はデジタル化装置２３のための参照電圧として使用される。
【００３９】
本発明によれば、測定された像データは参照光路９によって測定された参照信号を用いて適宜補正される。このため、有利には、測定された像データの補正が入力ルックアップテーブルを用いてデジタル化装置２３において実現される。このようにして、長時間変動によって生じたアッセンブリのドリフトには、デジタル化の際に参照測定により対応するデジタル化オフセットが備えさせられる。したがって、他の電子部品或いはコンピュータにより行われる他の演算ステップは必要ない。
【００４０】
本発明による共焦点のレーザー走査型顕微鏡による参照補正方法は、照明光路４から出てエラー補正に用いられる参照光が参照光路９にカップリングされ、検出装置６により定性的および（または）定量的に検出されることを特徴としている。この場合、各測定サイクルの前および（または）後に、測定された対象物像データを適宜補正する参照信号が測定される。本実施形態では、測定サイクルは２次元のデータ受け入れによって与えられており、すなわち各像面の受け入れ開始時と受け入れ後に参照光路９により参照測定が行われる。
【００４１】
したがって、１つの測定サイクルの前または後に、フィルタ受容要素１３を適宜位置決めした後、前もって対象物の２次元のデータ受け入れの際に使用したアクティブな（作動中の）レーザー１または２の参照信号Rを測定する。フィルタ受容要素１３を新たに位置決めした後、システムの暗電流I_０を測定する。このとき、検出光路７と参照光路９からの光が絞られる(ausblenden)。
【００４２】
本発明によれば、測定された像データI_ＸＹＺは測定された両参照値RとI_０を用いて、
Ｉ_{ＸＹＺ，ＫＯＲＲ}＝Ｆ＊（Ｉ_ＸＹＺ−Ｉ_０）／（Ｒ−Ｒ _０ ）
なる規則にしたがって補正される。この場合Fは、測定された像データのダイナミックレンジに応じて、デジタル化装置２３によるデジタル化後に２４ビットのグレースケール値範囲（０ないし１６７７７２１５のグレースケール値に相当する）が存在するように選定した。この補正は、入力ルックアップテーブルを用いて行うのが有利である。
【００４３】
図２の実施形態が図１の実施形態と異なるのは、両レーザー１と２を選択するために、回転可能に配置される付加的なフィルタ受容要素２４が設けられている点である。このフィルタ受容要素２４を用いると、レーザー１の光を選択するか、或いはレーザー２の光を選択するか、或いは両レーザー１,２のいずれの光も選択しないようにすることができる。
【００４４】
なお、上記の実施形態は請求項に記載の本発明の教義を説明するために用いたにすぎず、本発明の教義は純粋に任意に選択した上記実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザー走査型顕微鏡の１実施形態の概略図で、レーザー走査型顕微鏡の個々の構成要素を簡略に示した図である。
【図２】図１のレーザー走査型顕微鏡において照明装置の変形実施形態を示す概略図である。
【図３】フィルタ受容要素の概略図である。
【符号の説明】
１．２ レーザー光線源
３ 被検査対象物
４ 照明光路
６ 検出装置
７ 検出光路
８ ビームスプリッター
９ 参照光路
１０ デカップリング部位
２６ 対物レンズ
２７ 鏡筒レンズ

Claims (6)

1. レーザー光線源（１,２）と対象物（３）との間に延びている照明光路（４）と、対象物（３）と該対象物（３）からの検出光を検出する検出装置（６）との間に延びている検出光路（７）とを備え、参照測定のために用いる参照光路（９）が設けられ、照明光路（４）から照明光をデカップリングして参照光として参照光路（９）へカップリング可能であり、参照光を定性的および定量的に検出可能である共焦点レーザー走査型顕微鏡において、
   参照光の検出を、検出光を検出する前記検出装置（６）を介して行うこと、
   検出装置（６）で測定した検出光路（７）および参照光路（９）の光強度をデジタル化装置（２３）によってデジタル化すること、
   照明光路（４）から照明光以外に他の光線（２０）をデカップリングし、該他の光線（２０）の強度を補助的な受光センサ（２１）を用いて検出し、該受光センサ（２１）の信号をデジタル化装置（２３）のための参照電圧として用いること、
   を特徴とする共焦点レーザー走査型顕微鏡。
2. 参照光路（９）が、照明光路（４）内に設けられるデカップリング部位（１０）と検出装置（６）との間に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の共焦点レーザー走査型顕微鏡。
3. 共焦点レーザー走査型顕微鏡によって検出された像データが、参照光路（９）によって測定した参照信号を用いて適宜補正されることを特徴とする、請求項１に記載の共焦点レーザー走査型顕微鏡。
4. 光源から見て参照光路のデカップリング部位の後に配置され、温度依存補正のために一定の温度に保持される、照明光路および検出光路の少なくとも一方の光学的要素（８,２６,２７）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の共焦点レーザー走査型顕微鏡。
5. レーザー光線源（１,２）と対象物（３）との間に延びている照明光路（４）と、対象物（３）と該対象物（３）からの検出光を検出する検出装置（６）との間に延びている検出光路（７）とを備え、エラー補償のために用いる参照光路（９）が設けられ、照明光路（４）から照明光をデカップリングして参照光として参照光路（９）へカップリングし、参照光を定性的および定量的に検出するようにした、共焦点レーザー走査型顕微鏡における参照補正方法において、
   参照光の検出を、検出光を検出する前記検出装置（６）を介して行うこと、
   検出装置（６）で測定した検出光路（７）および参照光路（９）の光強度をデジタル化装置（２３）によってデジタル化すること、
   照明光路（４）から照明光以外に他の光線（２０）をデカップリングし、該他の光線（２０）の強度を補助的な受光センサ（２１）を用いて検出し、該受光センサ（２１）の信号をデジタル化装置（２３）のための参照電圧として用いること、
   を特徴とする参照補正方法。
6. Fを適当な換算係数、Ｉ_０を暗電流、Ｒを参照値、Ｒ_０を参照値の暗電流としたとき、補正される像データＩ_{ＸＹＺ，ＫＯＲＲ}を、測定した像データI_ＸＹＺを用いてＩ_{ＸＹＺ，ＫＯＲＲ}＝Ｆ＊（Ｉ_ＸＹＺ−Ｉ_０）／（Ｒ−Ｒ_０）なる規則にしたがって補正することを特徴とする、請求項５に記載の方法。

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