JP6671296B2 - 単純な光学系、より具体的には様々な瞳位置を有する光スキャン顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光学系を有する光スキャン顕微鏡に関し、該顕微鏡は照明ビーム経路を確定し、次のコンポーネントを有する：部分的に制約された光分布を提供する光源と、（光源側）瞳面と（対物側）焦点とを有する顕微鏡対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）と、顕微鏡対物レンズの瞳面と共役な瞳面を生成するスキャン光学系（「スキャンレンズ」とも呼ぶ）と、（偏向方向に対して）（顕微鏡対物レンズの光軸に対して縦方向に焦点を変位する）可変調整可能ビーム偏向部とを有し、照明ビーム経路は少なくとも光分布の一点と焦点の一点とを互いにイメージ（ｉｍａｇｅ）し、ビーム偏向部は共役瞳面に（光学的には光分散光学系とスキャン光学系との間に）配置され、中間像は光学的には顕微鏡対物レンズとスキャン光学系との間にある。

本発明は、さらに光学系を有する光スキャン顕微鏡に関し、該顕微鏡は検出ビーム経路を確定し、次のコンポーネントを有する：（出力）瞳面と（対物側）焦点とを有する顕微鏡対物レンズと、顕微鏡対物レンズの瞳面に共役な瞳面を生成するスキャン光学系と、（偏向方向に対する）可変調整可能ビーム偏向部と、光電子トランスデューサとを有し、検出ビーム経路は少なくとも焦点の一点とトランスデューサの各点とを互いにイメージ（ｉｍａｇｅ）し、ビーム偏向部（の反射面）は共役瞳面に（光学的には光分散光学系とトランスデューサとの間に）配置され、中間像は光学的には顕微鏡対物レンズとスキャン光学系との間にある。

本発明はさらに、類似の光スキャン顕微鏡であって、スキャン光学系が第１の中間像から来るビームを従来の方法でコリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）するものに関する。

本発明の意味において、光は光学的手段により操作可能な任意の形式の電磁的放射であり、特に赤外放射及び紫外放射を含む。光分布を提供する目的で、光源は特に光学的導波部及び／又はビーム整形部を有していてもよい。さらに、強度変調部を有していてもよい。特に、光電子トランスデューサは顕微鏡対物レンズの焦点と焦点を共有する絞りを有しても良い。また偏向部はスキャナとも呼ばれる。

先行技術では、かかる光スキャン顕微鏡は、例えば非特許文献１で知られている。それでは、スキャン光学系は「スキャン対物系」と呼ばれる。それは偏向部の位置にコリメートされた共役瞳面を提供する。スキャン光学系とチューブレンズとの組み合わせは転写光学系（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｐｔｉｃｓ）と呼ばれる。

さらに、特許文献１では、第２の可変調整可能ビーム偏向部がさらに別の瞳面に配置され、さらに別の瞳面は凹面鏡よりなる中継光学系により生成される。偏向部の微少電気機械的駆動部を伴う対応する構成は特許文献２で知られている。

偏向部を（それぞれの）共役な対物瞳に配置することにより、有利にも、別の共役瞳における静止ビーム断面積（ｒｅｓｔｉｎｇ ｂｅａｍ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の提供が可能となる。この結果として、特許文献３又は特許文献４に記載されたように、高精度な波面の操作が可能となる。さらに、このように、光学系におけるビネッティング（ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ）による周辺光のレンズ絞りは最小である。

しかし、上記の光スキャン顕微鏡は、スキャン光学系が、共役瞳面の生成に必要であり、複雑であり、高画質とするために像面湾曲や横色収差などの様々な像収差を補償する必要があるため、光効率が高くないという欠点を有している。さらに、共役瞳面とスキャン光学系との間の距離は短いので、偏向部のために使える取り付けスペースは小さい。

国際出願公開第ＷＯ９０／００７５５Ａ１号 米国特許出願公開第２０１３／１０７３３８Ａ１号 米国特許出願公開第２００３／２３０７１０Ａ１号 国際出願第２００８／０３７３４６Ａ１号

Ｔ． Ｒ． Ｃｏｒｌｅ及びＧ． Ｓ． Ｋｉｎｏ著「Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， １９９６， Ｓｅｃｔｉｏｎ ２．２．７， Ｆｉｇｕｒｅ ２．２）

本発明は、最初に記載したタイプの顕微鏡を、スキャン光学系の設計が単純になり、偏向部により大きな取り付けスペースを提供できるように改良する目的に基づく。

上記の目的は、請求項１に記載のフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）を有する光スキャン顕微鏡により実現される。

本発明の有利な改良点は従属項に規定した。

本発明によると、スキャン光学系が第２の中間像を第１の中間像にビーム偏向部（の反射面）を介してイメージする、又はスキャン光学系が第１の中間像を第２の中間像にビーム偏向部の（反射面）を介してイメージし、両方の場合に第２の中間像は空間的に湾曲していることを前提とする。それゆえ、先行技術と対照的に、偏向部（の反射面）は、検出ビーム経路のコリメートされたセクションには配置されず、その替わりに集束セクションに配置される。仮想オブジェクトは、偏向部の反射面における反射のため、ビーム偏向部の下流にある。中間像の空間的曲率により、スキャン光学系により、共役瞳面の用意が可能となる。これは、従来のコリメートされたスキャン対物系と比較すると、大幅に簡略化されており、特に像面湾曲の補正がなく、それにもかかわらず光学系全体としては同じ画質を維持できる。これにより、従来は平坦化に使われた負の焦点距離／屈折力を有する（ニアフィールド）レンズを配置することが可能となる（Ｗ．Ｊ．Ｓｍｉｔｈ：「Ｍｏｄｅｒｎ Ｌｅｎｓ ｄｅｓｉｇｎ」，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， １９９２， ｃｈａｐｔｅｒ ２２， ｐａｇｅ ４１１）。その光学特性及び品質に関して、かかるスキャン光学系は、従来のスキャナ対物系の替わりにアイピースにのみ対応する必要がある。第２の中間像の曲率半径は、好ましくは、偏向部と第１の中間像の焦点位置との間の距離に一致する。また、横色収差の補正を、補正系の意味において、スキャン光学系とチューブレンズとの間で分割することもできる。これはスキャン光学系をさらに単純化できることを意味する。都合よく、顕微鏡は、横色収差に関して、スキャン光学系とチューブレンズが互いに補償する実施形態を有し得る。

この構成は、励起放射線のサンプルとの非線形相互作用の場合に、特に有利である。ここで、偏向部が互いにイメージされないように、各瞳における複数のビーム偏向部を従来の配置とした場合、サンプルの光放射の、強度に対する（２光子励起の場合の）２次の依存性又は（第３高調波又は３光子励起の場合の）３次の依存性により、像フィールド照明に問題が生じる。スキャン対物系の上流の偏向部の物理的距離は、横方向の倍率の２乗で大きくなる縦方向の倍率で対物瞳にイメージされる。これにより、瞳は静止せず、励起強度がフィールド依存となる。非線形光学系（ＮＬＯ）におけるこれらの問題は、ビーム偏向部を非コリメート瞳に配置することで回避できる。これにより、光効率が高い構成において、互いへの偏向部のイメージングがよくなる。一般的に、この場合における蛍光の検出は、ビーム偏向部によりもたらされるのではなく、上流のいわゆる「デスキャンされていない（ｎｏｎ−ｄｅｓｃａｎｎｅｄ）」ビーム経路セクションですでにもたらされている。しかし、この構成は、検出方向と同様に励起方向でも等しく有効なので、この場合にも、瞳のクリーンなイメージングが得られる。

好ましくは、前記第２の中間像は球面湾曲し、又は少なくとも実質的に球面湾曲し、特に前記スキャン光学系の焦点距離の１倍から２倍の間の曲率半径で球面湾曲している。好ましくは、中間像の曲率半径は、偏向部（の反射面の中心点）と第２の中間像との間の距離に一致する。

有利にも、前記第２の中間像の曲率中心はビーム偏向部にあり、特に前記ビーム偏向部の反射面上にあってもよい。

好都合にも、光スキャン顕微鏡は、光分布を中間像に、特に第２の中間像に、又は第３のもしくはさらに別の中間像にイメージする照明光学系と、及び／又は中間像を、特に第２の中間像を、又は第３のもしくさらに別の中間像をトランスデューサにイメージする検出光学系とを有する。

特に、前記光学系は、前記焦点から来る光が、前記照明ビームから前記光電子トランスデューサに分離されるように、前記照明ビーム経路と前記検出ビーム経路とに配置されたビームスプリッタを有してもよい。

好都合にも、光学系は、スキャン光学系とは離れたビーム偏向部の側に、（照明ビーム経路又は検出ビーム経路中に）コリメーション光学系を有しても良い。このように、少ない支出で、ビームのさらなる操作及び最終的検出が可能である。

好ましくは、曲率中心が前記共役瞳面にある（ただ１つの）凹面鏡が、前記ビーム偏向部と前記光源又は前記トランスデューサとの間に、コリメーション光学系として、光学的にある。凹面鏡はアクロマート効果を有する。このように、さらに別の共役瞳面を、光学的に少ない支出で、特に少数のインターフェースで設けることができる。第１の共役瞳から曲率半径の距離に凹面鏡を配置することにより、画角にかかわらずに、（湾曲した第２の中間像を介して）同じ距離に非常に正確な像を造ることができる。

有利にも、凹面鏡の曲率半径ＲＨは、凹面鏡の（トランスデューサ側の）下流で平面波面となるように、第２の中間像の曲率半径ＲＺＢの２倍であってもよい。このように、第２の共役瞳は、コリメートされたビーム経路セクションにあり、２つの共役瞳のビーム半径は同じである。好都合にも、凹面鏡は、顕微鏡対物系の焦点から（第２の中間像を通って）来る光線が、凹面鏡の下流で互いに平行になり、好ましくは第１の偏向部が入射光を、凹面鏡の中心軸に対するある角度で偏向できる面にも平行になるように、構成される。凹面鏡と湾曲した中間像との間の距離Ａは、中間像の半径ＲＨ：ＲＨ＝２ＲＺＢ＝２Ａと同じである。このように、湾曲した第２の中間像に関して、光学系の特に高い画質が少ない支出で可能である。しかし、凹面鏡の曲率半径ＲＨが中間像半径ＲＺＢの２倍から差分Ｄだけずれる場合、波面曲率は凹面鏡の下流でゼロとは異なってもよい。凹面鏡の半径ＲＨ＝２ＲＺＢ＋Ｄの場合、凹面鏡と中間像との間の距離ＡはＡ＝ＲＺＢ＋Ｄであり、第２の偏向部は凹面鏡の曲率中心に、すなわち距離ＲＨのところに配置される。さらにまた、第１のビーム偏向部と第２のビーム偏向部とにおいけるビーム径は、例えば、イメージングスケールが１：１でない場合には、等しくなくてもよい。

しかし、凹面鏡の曲率半径ＲＨは、中間像の曲率半径ＲＺＢの二倍からずれていてもよい。曲率半径ＲＨ＝Ａの凹面鏡は、（ビーム偏向部がその中央位置にあるとき）光軸上の光がコリメートされ、外側の光は少し発散または収束するように、湾曲した中間像からＡ／２の距離に配置される。

好ましくは、凹面鏡は、特にその反射面は、円環形である（ドーナツセクション形）が、本発明は他の形であってもよい。結果として、入射が傾いていることによる非点収差を低減できる。ここで、凹面鏡は、好ましくは、第１の曲率半径であって、中間像の曲率半径の２倍より係数ｃｏｓ（入射角度）だけ小さいものと、第２の曲率半径であって、中間像の曲率半径の２倍より係数ｃｏｓ（入射角度）だけ大きいものを有する。好ましくは、第１の曲率半径に属する第１の曲率は、第１のビーム偏向部の回転軸と平行である軸の周りに延在し、第２の曲率半径に属する曲率は、第１の曲率と直交する。

本発明の第２の態様は、始めに記載したタイプの光スキャン顕微鏡であって、スキャン光学系が、先行技術のように、第１の中間像から来る、焦点から発したビームをコリメートするものに関する。これは、共役対物瞳の位置をビーム偏向部に対して設定するとの問題を解決する。この態様では、本発明は、ビーム偏向部とトランスデューサまたは光源との間に光学的に配置された収束光学系を提供する。前記収束部は、ビーム偏向部から来るコリメートされたビームを第２の中間像にフォーカスする。スキャン光学系と収束光学系は、検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能である。ここで、スキャン光学系と収束光学系とは有限中継光学系を形成する。ここで、移動可能性により、異なる顕微鏡対物系への適合性の上記の利点が可能となる。しかし、曲率及び横色収差の補正は先行技術のように都合がよい。スキャン光学系及び収束光学系を動かす電気的駆動部を設けても良い。特に、これらはスキャン光学系の駆動部と収束光学系の駆動部とは別々であってもよい。ここで、前記スキャン光学系と前記収束光学系とを同じ意味で、特に同じ距離で、特に同期して配置するように構成された制御部の準備をしてもよい。

本発明のすべての態様で用い得る有利な実施形態を以下に説明する。

好ましい実施形態では、国際特許出願公開第２００８／０３７３４６Ａ１号のように、第２の可変調整可能ビーム偏向部または可変調整可能波面変調部を、第１のビーム偏向部とトランスデューサとの間のさらに別の共役瞳面に配置してもよい。特に、さらに別の共役瞳面は、凹面鏡により生成される第２の瞳面であり得る。第２のビーム偏向部は、第１のビーム偏向部の回転軸とは異なる回転軸を有してもよい。結果として、サンプル側で２次元フィールドをスキャンできる。あるいは、第２のビーム偏向部の回転軸は、第１のビーム偏向部の回転軸に平行であってもよい。結果として、２つのビーム偏向部のうちの１つは概略設定の機能を果たし、他の１つは、ビーム偏向の微細設定の機能を果たす。さらに、第１のビーム偏向部と、任意的に第２のビーム偏向部とは、２次元で様々な偏向を提供してもよい。あるいは、好ましい実施形態では、両方のビーム偏向部は、それぞれ、回転軸の周りで、特に互いに異なる駆動部により、または異なる動作モードの同じ駆動部により、調整可能であってもよい。例として、両方のビーム偏向部は、ガルバノメトリックスキャナとして実施され、１つのビームのみが共振して作動されてもよい。

例として、２つのビーム偏向部のうち１つが、共振ミラー（共鳴スキャナ）を含んでいてもよい。このように、共振ミラーによりサンプル上のラインをスキャンすることができる。このラインは、他のビーム偏向部により、縦方向または横方向に追加的にスキャンされてもよく、または２次元で調整可能な場合には、縦方向と横方向でスキャンされてもよい。

光軸に沿ったサンプル側焦点面の（ｚ方向の）調整と、サンプルの深さ方向のスキャンが、波面変調部により、それにより提供される最大変調リフト内で可能である。２次元的に可変な第１のビーム偏向部に関して、これにより、測定位置の３時限的変位と、それゆえのサンプルの３次元的スキャンが可能である。光軸に沿った焦点の変位の替わりとして、空間的解像調整可能波面変調部を用いて、例えば、一以上のサンプル特性の局所的変動により生じる、位置依存の像収差の補正に用いてもよい。

この目的のため、光スキャン顕微鏡は、制御部であって、サンプルの少なくとも１つの像を記録し、像に影響するサンプルの少なくとも１つの所定の特性に基づき、特にサンプルにおける特性の実際の分布に基づき、及び像に基づき、波面変調部の操作される変数を確立（し、波面変調部を設定）する。特に、制御部は、像に基づいてサンプル特性の測定された分布を確立し、測定された分布と実際の分布との間の偏差が最小となるように、例えば曲線フィッティングにより、操作される値を確立できる。

スキャン光学系の一部または全部が検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能である構成が、特に好ましい。特に、スキャン光学系は、スキャン光学系の変位可能部分またはその全体を変位する電気的駆動部を有していてもよい。軸方向変位の結果として、第１の偏向部に対する共役瞳の位置は、小さい支出で設定可能であり、一方、以前、スキャン対物系の位置は焦点位置を調整し、コリメーションを調整するビーム偏向部に設定及び固定されている。これの結果として、特に、顕微鏡対物系を交換する時に生じる瞳シフトを補償することが可能である。ここで、共役瞳の軸方向位置は、第１の偏向部と対物瞳との間のイメージングスケールの２乗で変化する。ここで、中間像面中の、及びオブジェクト面内の焦点位置はほぼ維持される。

好ましくは、スキャン光学系は、（第１の中間像から第２の中間像への）イメージが０．８と１．２の間の倍率を有し、特に０．９と１．１の間の、特に丁度１であるように実施される。このように、第１の中間像及びサンプル側の焦点面の位置は、高い精度で一定に留まる。焦点は、仮想オブジェクトから（焦点オフセットの放物線範囲）第１の中間像までのスキャン光学系の１：１イメージングの場合に最も良く維持される。

前記顕微鏡対物系は、前記光軸に沿って変位可能なように、及び／又は対物系変更部に構成され、特に前記顕微鏡対物系を変位する、及び／又は前記顕微鏡対物系を交換する電気的駆動部を有する実施形態は有利である。結果として、変化しない高画質で測定するとき、異なる対物系の異なる瞳位置への適応に関して大きな柔軟性が得られる。

好ましくは、第１のビーム偏向部及び／又は第２のビーム偏向部は、ビーム偏向を設定する微少電気機械システムを有する。米国特許第７，２９５，７２６Ｂ１号のように、特に、これらの軸の（静止した）交点の位置を（スキャン光学系から来るビームを偏向する）反射面内にして、特にこの交点を検出ビーム経路の光軸上に配置して、これにより２つの異なる軸の周りの回転可能性を提供する。ＭＥＭＳベーススキャナは、ミラー質量が非常に小さく、その結果として、どんな方法であっても高い精度ですばやく傾けることができるという利点を有する。例として、ビーム偏向部の１つは、１軸のみの回転で調整可能なＭＥＭＳベースのミラーであり、他のビーム偏向部はガルバノメトリックスキャナ（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｓｃａｎｎｅｒ）であってもよい。ここで、ガルバノメトリックスキャナは共鳴状態で動作してもよい。

特に、本発明は、光源を有する光スキャン顕微鏡を含み、その光源の光は、検出ビーム経路に配置されたビームスプリッタにより、第１のビーム偏向部を介して顕微鏡対物系に光学的に結合されてもよい。好都合にも、光源はレーザーである。例として、それは調整可能レーザーであってもよい。

例示の実施形態に基づいて、本発明を以下により詳しく説明する。

図中、
光スキャン顕微鏡を示す図である。 スキャン対物系としての単純化したスキャン光学系を示す図である。 完全転写光学系を示す図である。 付加的瞳面を有する拡張転写光学系を示す図である。 有限のリレー光学系を有するスキャン光学系を示す図である。 すべての図面において、同じパーツには同じ参照符号を付した。

図１は、制御部３４により制御されている光スキャン顕微鏡（ＬＳＭ）１０を示す。ＬＳＭ１０は、レーザー２３を有する２つの照明モジュールＬと、スキャンモジュールＳと、検出モジュールＤと、顕微鏡対物系２１を有する顕微鏡部Ｍとから、モジュール式に構成されている。顕微鏡部Ｍは、例えば、異なる顕微鏡対物系２１において旋回する対物回転部を有する。

レーザー２３からの光は、制御部３４により、光ドア２４と減衰器２５の影響を受け、その後、ファイバ光導波路２２と、例えばコリメーション光学系の形式の結合光学系２０とにより、スキャン部Ｓに供給され、一体化される。各レーザーの、各ファイバ光導波路２２までの光学系との組み合わせは、それぞれ光源であると考えられ、焦点を共有し点状の光分布を提供し、ファイバ光導波路２２の終わりでサンプルＰにイメージ（ｉｍａｇｅ）される。

主ビームスプリッタ３３とビーム偏向部３０（これはＸ方向及びＹ方向で可変調整可能であり、（ここには図示しない）ＭＥＭＳ駆動部を有する単一のミラーを有する）により、励起光が顕微鏡対物系２１に届く。顕微鏡対物系２１は、測定位置（ここには図示しない）にあるサンプルＰに光をフォーカスする。サンプルＰから散乱されて戻ってくる励起光又は放射される蛍光が、顕微鏡対物系２１、チューブレンズ２７、及びスキャン光学系３５を通り、偏向部３０を介し、コリメーション光学系３６と主ビームスプリッタ３０とを通って、検出モジュールＤに届く。蛍光検出を目的として、主ビームスプリッタ３０は、後方散乱された励起光がレーザー２３の方向から反射されるように、例えば、２色カラースプリッタ（主カラースプリッタ）として実施されてもよい。

検出光学系３８、例えば集束レンズの下流に、検出モジュールＤは、複数の検出チャネルを有し、それぞれはピンホール３１、フィルタ２８、及び光電トランスデューサとしてのフォトマルチプライヤ３２を有する。これらのチャネルはカラースプリッタ２９（２次カラースプリッタ）によりスペクトル的に分離されている。例えば、線形の照明の場合には、ピンホール３１の替わりにスロットダイヤフラム（ここには図示せず）を用いることも可能である。検出光学系３８は、事前にコリメートされたビームを焦点が共通のピンホール３１にフォーカスする。焦点が共通のピンホール又はスロットダイヤフラム３１は、測定位置の焦点ボリュームから発したものではないサンプル光を弁別するよう機能する。それゆえ、光電子増倍管３２は、フォーカルボリュームからの光のみを検出し、サンプルＰにおける測定位置を確定する。その測定位置からの光が、光電子増倍管３２の各光検出レイヤの検出位置で記録されて検知される。あるいは、アバランシェダイオードなど、先行技術で知られた他の光検出センサを用いることもできる。

サンプルＰの測定ボリュームは、焦点を共有して記録及び照明されるが、像をピクセルごとに記録するため、目標を定めてツイストされる偏向部３０のＭＥＭＳミラーにより、サンプルＰ上を動かし得る。ＭＥＭＳミラー３０の動きと、光ドア２４または減衰器２５による照明のスイッチングとの両方は、制御部３４により直接制御される。光電子増倍管３２からのデータの記録は、制御部３４により行われる。

顕微鏡対物系２１は、例えば、コリメートされたビーム経路がチューブレンズ２７まであるように、有限の後方焦点距離を有する。（出力）瞳面ＰＥは顕微鏡対物系２１内にある。チューブ光学系２７は、第１の中間像Ｚｂ１を生成する。これはスキャン光学系３５により、第２の中間像Ｚｂ２にイメージされる。瞳面ＰＥに共役な瞳面ＰＥ’は、ビーム偏向部３０にある。結果として、ビーム偏向部３０は、検出ビーム経路の集束部にある。その後、コリメーション光学系３６は、コリメートされたビームのみが主ビームスプリッタ３３に入るように、第２の中間像Ｚｂ２を無限にイメージする。（ここには図示しない）別の実施形態では、集束または発散ビームが、主ビームスプリッタ３３にあってもよい。スキャンモジュールＳと検出光学系２９との結合光学系２０を適宜適応させねばならない。

例として、スキャン光学系３５は、駆動部により、統合された検出及び照明ビームパスの光軸に沿って変位可能である。この結果として、顕微鏡対物系２１の交換または軸移動の場合に瞳面ＰＥが変化した場合であっても、共役瞳面ＰＥ’の位置は、ビーム偏向部３０に軸方向に保つことができる。

蛍光を検出するモジュールＮ（ＮＬＯ検出モジュール）は、励起の場合の非線形相互作用の後、ビームスプリッタ３９により提供される付加的出力（「ＮＬＯビームスプリッタ」とも呼ぶ）に接続される。検出モジュールＤの替わりに、またはそれに加えて、ＮＬＯ検出モジュールＮを接続して、後者を測定に用いることが可能である。別の実施形態（ここには図示せず）では、専用顕微鏡対物系を有する独立したＮＬＯ検出モジュールは、サンプルの反対側に配置されてもよく、ＮＬＯ検出モジュールＮの替わりとして、またはそれに加えて、検出に用いられても良い。

図２は、スキャン光学系３５の周りのビームパスを示す。これは、ビーム偏向部３０の３つの異なる位置に詳細に、第１の中間像Ｚｂ１を第２の中間像Ｚｂ２にイメージすることにより、従来の複雑なスキャン対物系を置換する。スキャン光学系３５は、像面湾曲補正を必要とせず、イメージングスケールが１：１である。第２の中間像Ｚｂ２は、共役瞳ＰＥ’に配置されたビーム偏向部３０の後にある仮想オブジェクトＶに基づき、空間的に湾曲されることが分かる。

図３は完全な転写光学系を示す。これは、図２のスキャン光学系３５とビーム偏向部３０とに加え、チューブ光学系２７を有する。ここで再び、顕微鏡対物系（ここには図示せず）の実際瞳面ＰＥから第２の中間像Ｚｂ２までのビームパスを、偏向部３０の３通りの位置に対して示す。チューブ光学系２７は、瞳ＰＥから来るコリメートされたビームを第１の中間像Ｚｂ１にフォーカスする。これはスキャン光学系３５を、共役瞳ＰＥ’に配置されたビーム偏向部３０を介して空間的に湾曲した第２の中間像Ｚｂ２にイメージする。

図４は、３つの異なるビュー（図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ）で、第２の共役瞳面ＰＥ”と第２の可変調整可能ビーム偏向部３０Ｂとを有する拡張転写光学系を示している。この拡張転写光学系は、例えば米国特許出願公開２０１０／０２０８３１９Ａ１号又は国際出願公開第ＷＯ９０／００７５５Ａ１号などの文献で知られている、Ｋｅｓｓｌｅｒによる無限焦点中継光学系に置き換わるものである。

例として、第１のビーム偏向部３０Ａは、ＭＥＭＳ駆動部を有する単一のミラーであり、互いに直交する静止軸の周りに回転可能である。ミラーの回転の静止点は、転写光学系の光学軸上の、ミラーの反射面内にある。例として、第２のビーム偏向部３０Ａは、ガルバノメトリック駆動部（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅ）を有する単一のミラーである。すなわち、１つの回転軸しか持たない。例として、これは共鳴振動させることができる。あるいは、ガルバノメトリックビーム偏向部であって、その１つはサンプルにおいて光をｘ方向に動かせ、他の１つはｙ方向に動かせるものを、共役瞳面ＰＥ’とＰＥ”の両方に挿入することも可能である。

付加的瞳面ＰＥ”は、コリメーション光学系３６により提供される。これは例えば、円環凹面鏡として構成され、第１のビーム偏向部３０Ａと第２のビーム偏向部３０Ｂとの間に光学的に配置される。凹面鏡の第１の曲率中心は、第１のビーム偏向部３０Ａの反射面上の第１の共役瞳面ＰＥ’にあり（凹面鏡と共役瞳ＰＥ’との間の距離がＲである）、それに関連する凹面鏡の曲率半径は、第２の中間像Ｚｂ２の曲率半径の２倍である。結果として、第１に、各画角とは独立に、第２の共役瞳ＰＥ”（の同じ距離Ｒのところ）に、第１の共役瞳ＰＥ’の完全な平面像があり、第２に、第２の共役瞳ＰＥ”の光線は、波面が平面的になるようにコリメートされる。結果として、検出ビームパスの途中で光線を操作するのは簡単である。別の実施形態（ここには図示しない）では、凹面鏡の曲率半径と第２の中間像半径は、非平面波面が第２の瞳ＰＥ”にあるように、互いに異なる。

直交光入射の場合、凹面鏡３６はそれ自体に第１の共役瞳面ＰＥ’をイメージするので、前記凹面鏡は、第２のビーム偏向部３０Ｂが作用する平面に垂直に傾けられる。凹面鏡に傾いて入射した結果として、後者は収差を生じ、これは円環状によりできるだけ大きく補正される。この目的のため、ｙ軸に沿った曲率半径は、係数ｃｏｓ（入射角）だけ、第２の中間像Ｚｂ２の曲率半径に対して小さくされ、ｘ軸に沿った曲率半径は、同じ係数だけ第２の中間像Ｚｂ２の曲率半径に対して大きくされる。

第２のビーム偏向部３０Ｂの替わりに、波面変調部３０Ｂを、第２の共役瞳面ＰＥ”又は、好ましくは第３の共役瞳面（ここには図示しない）に配置してもよい。

円環状の替わりとして、凹面鏡３６は円周状であって、第１の曲率中心と第２の曲率中心とが同じであってもよい。ついで、円筒光学系４１は、例えば弱い円筒レンズの形式であるが、凹面鏡３６に斜めに入射することにより生じる収差を補正する目的でスキャン光学系３５から離れた凹面鏡３６の側に配置されてもよい。好ましくは、円筒光学系４１は、スキャン光学系３５から離れた第２のビーム偏向部３０Ｂの側に、すなわちいわゆる「デスキャン（ｄｅ−ｓｃａｎｎｅｄ）」ビームパスセクションに配置されてもよい。円筒光学系４１は、円環状凹面鏡３６の場合に、配置されてもよい。

第１のビーム偏向部が２次元であるとき、すなわちｘ方向とｙ方向で偏向が調整可能であるとき、コリメーション光学系は例えば単一レンズであってもよい。

最後に、図５は、別の転写光学系を示す。ベームは、（共役瞳面ＰＥ’に配置された）ビーム偏向部３０の領域において、先行技術と同様にコリメートされる。ビーム偏向部３０の下流に配置されたスキャン光学系３５と収束光学系３７とは、有限中継光学系を形成する。これは第２の中間像Ｚｂ２に第１の中間像Ｚｂ１をイメージする。コリメーション光学系３６は、例えば、コリメートされたビームが主ビームスプリッタ３３に入るように、さらに途中に配置される。他の実施形態（ここには図示しない）において、複数の主ビームスプリッタが、例えばさらに別の集束光学系の後に続いてもよい。

スキャン光学系３５と集束光学系３７は、顕微鏡対物系２１を偏向又は取り外すときに、瞳シフトに合わせるように軸方向に変位可能である。両光学系３５、３７の変位は、例えば、常に同じ意味で、同じ距離だけ、任意的に同期して、制御部により実効可能である。

コリメートされていないビームパスセクションにビーム偏向部がある上記の構成を、例えば、ベッセルビームやマシュービームなどの空間的光変調部（ＳＬＭ）などのビーム成形光学系により生成されるサンプル又は偏向ビームの光学的走査のため、さらに別のアプリケーションに用いても良い。
別の実施形態（ここには図示せず）では、オブジェクト側のフォーカスは点のフォーカスとは違う形状を有しても良い。例として、線の形状を有していてもよい。

１０ 光スキャン顕微鏡
２０ 結合光学系
２１ 顕微鏡対物系
２２ 光ファイバ導波路
２３ レーザー
２４ 光ドア
２５ 減衰器
２６ ファイバ結合器
２７ チューブレンズ
２８ フィルタ
２９ カラースプリッタ
３０ ビーム偏向部
３１ 絞り
３２ 光電子増倍管
３３ 主ビームスプリッタ
３４ 制御部
３５ スキャン光学系
３６ コリメーション光学系
３７ 集束光学系
３８ 検出光学系
３９ ＮＬＯビームスプリッタ
４０ ＮＬＯ検出器
４１ 円筒光学系
Ｄ 検出モジュール
Ｌ 照明モジュール
Ｍ 顕微鏡部
Ｎ ＮＬＯ検出モジュール
Ｐ サンプル
ＰＥ（’／”） （共役）瞳面
Ｒ 距離
Ｓ スキャンモジュール
Ｖ 仮想オブジェクト
Ｚｂ１／２ 中間像面

Claims (34)

1. 照明ビーム経路を確定する光学系を有する光スキャン顕微鏡であって、
   部分的に制約された光分布を提供する光源と、
   入力側の瞳面と対物側の焦点とを有する顕微鏡対物系と、
   前記顕微鏡対物系の瞳面に共役な瞳面を生成するスキャン光学系と、
   可変調整可能ビーム偏向部とを有し、
   前記照明ビーム経路は前記光分布の少なくとも一点と前記焦点の少なくとも一点とを互いに結像し、前記ビーム偏向部は共役瞳面に配置され、中間像は光学的に前記顕微鏡対物系と前記スキャン光学系との間にあり、前記スキャン光学系は前記ビーム偏向部を介して第２の中間像を第１の中間像に結像し、前記第２の中間像は空間的に湾曲していることを特徴とする、
   光スキャン顕微鏡。
2. 前記第２の中間像の曲率中心はビーム偏向部にある、請求項１に記載の光スキャン顕微鏡。
3. 前記第２の中間像の曲率中心はビーム偏向部の反射面上にある、請求項１又は２に記載の光スキャン顕微鏡。
4. 前記光分布を中間像に結像する照明光学系を有する、
   請求項１ないし３いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
5. 前記光分布を前記第２の中間像に、又は第３のもしくはさらに別の中間像に結像する照明光学系を有する、
   請求項１ないし４いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
6. 検出ビーム経路を確定する光学系を有する光スキャン顕微鏡であって、
   出力側の瞳面と対物側の焦点とを有する顕微鏡対物系と、
   前記顕微鏡対物系の瞳面に共役な瞳面を生成するスキャン光学系と、
   可変調整可能ビーム偏向部と、
   共焦点光電子トランスデューサとを有し、
   前記検出ビーム経路は少なくとも焦点の一点とトランスデューサの各点とを互いに結像し、前記ビーム偏向部は共役瞳面に配置され、中間像は光学的に前記顕微鏡対物系と前記スキャン光学系との間にあり、前記スキャン光学系は前記ビーム偏向部を介して第１の中間像を第２の中間像に結像し、前記第２の中間像は空間的に湾曲していることを特徴とする、
   光スキャン顕微鏡。
7. 前記第２の中間像の曲率中心はビーム偏向部にある、請求項６に記載の光スキャン顕微鏡。
8. 前記第２の中間像の曲率中心はビーム偏向部の反射面上にある、請求項６又は７に記載の光スキャン顕微鏡。
9. 中間像を前記トランスデューサに結像する検出光学系を有する、
   請求項６ないし８いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
10. 前記第２の中間像又は第３のもしくはさらに別の中間像を、前記トランスデューサに結像する検出光学系を有する、
    請求項６ないし９いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
11. 前記光学系は、前記焦点から来る光が、照明ビームから光電子トランスデューサに分離されるように、照明ビーム経路と検出ビーム経路とに配置されたビームスプリッタを有する、
    請求項１ないし１０いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
12. 前記第２の中間像は球面湾曲し、又は少なくとも実質的に球面湾曲している、請求項１ないし１１いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
13. 前記第２の中間像は球面湾曲し、又は少なくとも実質的に球面湾曲し、前記スキャン光学系の焦点距離の１倍から２倍の間の曲率半径で球面湾曲している、請求項１ないし１２いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
14. 照明ビーム経路／検出ビーム経路の前記光学系は、前記スキャン光学系とは離れた前記ビーム偏向部の側に平行ビーム経路セクションを提供する、
    請求項１ないし１３いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
15. 曲率中心が前記共役瞳面にある凹面鏡が、前記ビーム偏向部と光源又はトランスデューサとの間に、コリメーション光学系として、光学的に配置された、請求項１ないし１４いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
16. 前記凹面鏡の曲率半径は前記第２の中間像の曲率半径の２倍の大きさである、
    請求項１５に記載の光スキャン顕微鏡。
17. 前記スキャン光学系の一部又は全部は、検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能である、請求項１ないし１６いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
18. 前記スキャン光学系の一部又は全部は、検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能であり、前記スキャン光学系の変位可能部分又は全部を変位する電気的駆動部を有する、請求項１ないし１７いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
19. 前記スキャン光学系の結像は、０．８と１．２の間の倍率、０．９と１．１の間の倍率、又は、ちょうど１の倍率を有する、
    請求項１ないし１２いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
20. 照明ビーム経路を確定する光学系を有する光スキャン顕微鏡であって、
    部分的に制約された光分布を提供する光源と、
    入力側の瞳面と対物側の焦点とを有する顕微鏡対物系と、
    前記顕微鏡対物系の瞳面に共役な瞳面を生成するスキャン光学系と、
    可変調整可能ビーム偏向部とを有し、
    前記照明ビーム経路は前記光分布の少なくとも一点と前記焦点の少なくとも一点とを互いに結像し、前記ビーム偏向部は共役瞳面に配置され、中間像は光学的に前記顕微鏡対物系と前記スキャン光学系との間にあり、前記照明ビーム経路又は検出ビーム経路は前記共役瞳面でコリメートされ、集束光学系が前記ビーム偏向部とトランスデューサ又は前記光源との間に光学的に配置され、前記集束光学系は前記ビーム偏向部から来るコリメートされたビームを第２の中間像にフォーカスし、前記スキャン光学系と前記集束光学系とは、前記検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能である、光スキャン顕微鏡。
21. 前記スキャン光学系と前記集束光学系とは、前記検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能であり、前記スキャン光学系及び／又は前記集束光学系を配置する電気的駆動部を有する、
    請求項２０に記載の光スキャン顕微鏡。
22. 前記スキャン光学系と前記集束光学系とは、前記検出ビーム経路の光軸に沿って変位可能であり、前記スキャン光学系及び／又は前記集束光学系に対して別々の駆動部を有する、
    請求項２０に記載の光スキャン顕微鏡。
23. 前記スキャン光学系と前記集束光学系とを同じ意味で、同じ距離で、及び／又は同期して配置するように構成された制御部を有する、
    請求項２０ないし２２いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
24. 第２の可変調整可能ビーム偏向部又は可変調整可能波面変調部が、第１のビーム偏向部とトランスデューサ又は光源との間に光学的に、さらに別の共役瞳面内に配置される、
    請求項２０ないし２３いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
25. 第１のビーム偏向部の回転軸とは異なる回転軸を有する第２の可変調整可能ビーム偏向部、又は可変調整可能波面変調部が、前記第１のビーム偏向部とトランスデューサ又は光源との間に光学的に、さらに別の共役瞳面内に配置される、
    請求項１ないし２４いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
26. サンプルの少なくとも１つの像を記録し、前記像に影響する前記サンプルの少なくとも１つの所定の特性に基づき、かつ前記像に基づき、波面変調部の操作される変数を確立するように構成された制御部を有する、請求項１ないし２５いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
27. サンプルの少なくとも１つの像を記録し、前記サンプルの特性の実際の分布に基づき、かつ前記像に基づき、波面変調部の操作される変数を確立するように構成された制御部を有する、請求項１ないし２６いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
28. 前記顕微鏡対物系は、光軸に沿って変位可能なように、及び／又は対物系変更部に構成される、
    請求項１ないし２７いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
29. 前記顕微鏡対物系は、前記顕微鏡対物系を変位する、及び／又は前記顕微鏡対物系を交換する電気的駆動部を有する、
    請求項１ないし２８いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
30. 前記第１のビーム偏向部及び／又は前記第２のビーム偏向部は、前記ビーム偏向を調整する微少電気機械的システムを有する、請求項１ないし２９いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
31. 前記第１のビーム偏向部及び／又は前記第２のビーム偏向部は、前記ビーム偏向を調整する微少電気機械的システムを有し、前記微少電気機械的システムは、異なる２つの軸の周りに回転可能である、請求項１ないし３０いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
32. 前記第１のビーム偏向部及び／又は前記第２のビーム偏向部は、前記ビーム偏向を調整する微少電気機械的システムを有し、前記微少電気機械的システムは、反射面内に異なる２つの軸の交点位置を有する、請求項１ないし３１いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
33. 前記第１のビーム偏向部及び／又は前記第２のビーム偏向部は、前記ビーム偏向を調整する微少電気機械的システムを有し、前記微少電気機械的システムは、異なる２つの軸の交点が検出ビーム経路の光軸上に配置されている、請求項１ないし３２いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
34. 前記顕微鏡対物系は、無限後方焦点距離を有し、前記光学系は前記第１の中間像を生成するチューブ光学系を有し、前記第１の中間像は前記スキャン光学系と前記チューブ光学系との間に光学的にある、
    請求項１ないし３３いずれか一項に記載の光スキャン顕微鏡。
    

Images