JP7112391B2 - 走査顕微鏡及び顕微鏡のためのビーム操作デバイス - Google Patents

Description

本発明は、第１側面において、請求項１の前文に従う走査顕微鏡のビーム操作のための装置に関する。第２の側面では、本発明は顕微鏡に関する。

一般的な装置が特許文献１に記載されており、当該装置は、照明ビーム経路中に励起光を結合するため、及び励起光を検出ビーム経路の検出光から分離するための主カラースプリッタと、励起光を走査するめのスキャナ、好ましくは瞳平面内に設置されたスキャナと、を構成要素として備える。

レーザ走査顕微鏡において、固定ビーム内で瞳を操作する必要がある。これを用いて、３次元走査経路を実現することが可能であり、すなわち、試料の空間依存欠陥が、補正されてもよく、そして、更なる操作が、照明及び検出光に関して両方一緒に及び別個に行なわれてもよい。特に、ビーム成形の側面が、また、この場合に非常に重要である。したがって、ガウシアンレーザビームを１つの直線又は複数の点に再構築することが有利な場合がある。更に、点像分布関数（ＰＳＦ）を標的化方式で変化させるビーム影響付与が、重要である。この場合、例えば、いわゆる「ドーナッツＰＳＦ」、ベッセルＰＳＦ又は螺旋ＰＳＦへの再構築が可能である。

特許文献１は、必要に応じて、アダプティブミラーを用いて独立した光路内で瞳を操作するためのオプションを説明する。しかし、そこに追加されてもよい光学ユニットは、自由にアクセス可能な瞳平面を必要とし、当該瞳平面は、常に利用可能状態に維持されなければならない

特許文献２は、同様に、瞳平面内での操作についてのオプションを記載する。しかし、必要とされる光学ユニットは、その場合には、追加可能又は休止可能であることはない。それは、常にビーム経路内にあることが必要とされる。

独国特許出願公開第１０２０１４０１７００３号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０４５８３９号明細書

ビーム操作のための、光効率が良好でコンパクトな装置であって、特に多面的に使用されてもよい装置を開発することが、本発明の目的であると考えられてもよい。

この目的は、請求項１の特徴を有する装置によって達成される。本発明に従って、上記のタイプの装置が、追加の光学区間が存在し、当該光学区間がビーム経路に影響を及ぼす光学要素を備えることと、少なくとも１つの瞳平面及び／又は少なくとも１つの中間画像平面が、ビーム経路に影響を及ぼす光学要素を経由して追加の光学区間内に形成されていることと、調節可能選択デバイスが、照明及び／又は検出ビーム経路の第１ビーム部あるいは追加の光学区間を活性化させるために存在することであって、照明及び／又は検出ビーム経路の第１ビーム部が、照明及び／又は検出ビームは経路の瞳平面を具備しない、ことと、のために開発される。

本発明に従う装置は、共焦点走査型顕微鏡及び／又はレーザ走査顕微鏡に特に適している。

更に、本発明に従うビーム操作のための装置を備える顕微鏡がクレームされ、当該顕微鏡は、少なくとも１つの顕微鏡対物レンズと、試料によって放出された検出光を検出するための検出器デバイスと、を少なくとも構成要素として備え、追加の光学区間の瞳平面が、顕微鏡対物レンズの瞳平面に光学的に共役である平面内にある。

本発明の中核概念は、原理的には、顕微鏡の照明ビーム経路又は検出ビーム経路内の任意の場所に挿入されてもよいように設計されている追加の光学区間についてのものと考えられてもよい。

本発明の本質的なアイデアは、選択デバイスの位置決めに関するものであって、固定又は非走査型照明又は検出ビーム経路の瞳平面の外側に設置されている選択デバイスによってまた説明されてもよい。選択デバイスによって、追加の光学区間あるいは照明及び／又は検出ビーム経路の第１ビーム部が、活性化される。活性化とは、ビーム経路のそれぞれの部分が、活性化状態において照明及び／又は検出光によって通過され、それに対応して、非活性化状態においては、照明及び／又は検出光によっては通過されないことを意味する。

少なくとも１つの更なる瞳平面又は少なくとも１つの更なる中間画像平面の多様な提供の結果として、光の波面を操作するための要素、例えばアダプティブ要素、及び特に反射型アダプティブ要素が、用途に基づいて非常にうまく用いられてもよい。

具体的には、追加の光学区間が活性化されている場合、照明及び／又は検出ビーム経路が、この追加の光学区間、及び追加の瞳又は追加の瞳若しくは中間物画像平面にわたってまさに延長する。そのとき、照明及び／又は検出光が第１ビーム部を通って進むことはない。別の場合には、照明及び／又は検出光は、第１ビーム部が活性化されているとき、第１ビーム部を通って又はそれにわたって進み、そのとき、光は、追加の光学区間に沿って進まない。本発明に本質的なことは、光学区間、具体的には照明及び／又は検出ビーム経路の第１ビーム部が、追加の光学区間が活性化されているとき、追加の光学区間によって置換されており、瞳を有しない。

独国特許出願公開第１０２０１４０１７００３号と対照的に、本発明に従う解決策は、したがって、自由にアクセス可能な瞳平面がそれぞれの顕微鏡ビーム経路上に存在するか否かに関わらず、用いることが可能である。そのため、本発明に従う装置は、特に多面的な態様で、特に既存の顕微鏡においてさえ、利用可能な状態に維持されなければならない自由にアクセス可能な瞳平面がなくとも、用いることが可能である。

本発明の更なる長所は、特に検出ビーム経路において、光学ユニット費用が比較的低く維持されてもよいという事実にある。このことは、蛍光顕微鏡検査法に対して特に重要であり、とりわけその理由は、それについての利用可能な光子が、可能な限り効率的に検出されなければならないからである。そのため、ビーム経路は、常に、現在使用されている機能に必要とされるだけの光学要素を具備しなければならない。このことが、本発明によって提供される。

したがって、本発明は、比較的簡素な光学ユニットを提供し、それによって、瞳介入及び／又は中間画像介入が顕微鏡、特にレーザ走査顕微鏡の固定ビーム内に追加されてもよい。この場合、不必要な光学要素は、瞳介入及び／又は中間画像介入が不活性にされているとき、ビーム経路内にはないままである。更に、本発明に従う装置において、原理の問題として、励起光又は検出光だけが選択的に影響を受けることがあり得る。

本発明に従う装置は、レーザ走査顕微鏡、特に共焦点レーザ走査顕微鏡の部分であってもよく、それは、一方にある走査デバイスと、他方にある主カラースプリッタ、レーザ源、任意選択でピンホールとの間に配列されてもよい。

本説明の範囲内において、瞳平面は、本発明に従う装置の作動状態において、現在使用中の顕微鏡対物レンズの後焦点面に光学的に共役である平面を指す。それに応じて、本説明の範囲内にある中間画像平面は、現在使用中の顕微鏡対物レンズの焦点面に光学的に共役であり、したがって、具体的には対象が焦点面に設置されたときに、概して光学的に物体平面に共役であるそれらの平面を指す。

選択デバイスは、また、切替え可能要素と称されてもよい。走査デバイスは、２つの軸線の周りを旋回可能であるミラーを有してもよい。そのようなデバイスは、公知である。単一の走査ミラーの代わりに、複数の走査ミラーが、また、共役な平面内に存在してもよく、当該走査ミラーがレンズ光学ユニットによって瞳平面中に撮像される位置を設定してもよい。

追加の光学区間が、また、波面操作経路と称され、また、波面に影響を及ぼすためのアダプティブ要素が用いられる場合、アダプティブ経路と称されてもよい。

用語の光、特に照明光又は検出光が、顕微鏡法において、典型的に用いられるような、又は典型的に生じるような電磁放射線を意味するように理解される。特に赤外線、可視又は紫外線スペクトル範囲内にあってもよい照明光が、レーザによって典型的に提供される。本発明に従う顕微鏡は、好ましくはレーザ走査顕微鏡である。用語の走査及びラスタは、本説明では同義的に用いられる。

追加の光学区間の中間画像平面及び／又は瞳平面内に設置される、及び特に、光をそれの強度及び／又は位相の空間分布について操作するように機能するデバイスは、また、この説明の範囲内では操作要素と称される。

本発明は、また、励起ビーム経路の代わりに検出ビーム経路の蛍光取出し及び偏向と、追加の瞳平面内の少なくとも１つのアダプティブ光学要素によって影響を及ぼすことと、を含む。

本発明に従う検出装置の好ましい構成、並びに本発明に従う方法及び本発明に従う顕微鏡についての有利な変形が、特に従属請求項及び図面に関して以下で説明される。

構造条件のために、本発明に従う装置の第１の好ましい変形での選択デバイスは、例えば、照明及び／又は検出ビーム経路の視準化領域内に設置されてもよい。そのとき、第１ビーム部は、照明及び／又は検出ビーム経路の視準化領域の一部である。

本発明に従う装置の実質的な長所は、それが非常に融通性に富んで設置され得ることである。このことは、特定配列において、利用可能な設置スペースに基づいて照明及び／又は検出ビーム経路の発散又は収束領域内に設置されている選択デバイスが選好されてもよいことを意味する。そのとき、第１ビーム部は、照明及び／又は検出ビーム経路の発散又は収束領域の一部である。

瞳平面又は中間画像平面内の照明及び／又は検出ビーム経路に影響を及ぼすことが好ましいけれども、原理的には、いずれかの光学平面、すなわち瞳平面と、画像又は中間画像平面との間の平面にも影響を及ぼすことが可能である。

選択要素の作動からみて重要であることは、光が必要に応じて偏向させられることである。そのため、原理的には、選択デバイスは、ビーム経路同士の間での切替えに適している任意のタイプのビーム偏向デバイスであってもよい。原理的には、この場合、電気光学構成要素の使用がまたなされてもよい。

特に好ましくは、機械的手段が、選択デバイスを枢動させて照明及び／又は検出ビーム経路中に及びそれらから外に動かすために、及び／又は、選択デバイスを押圧して照明及び／又は検出ビーム経路中に又はそれらから外に動かすために存在する。

特に好ましくは、選択デバイスは、ミラー、特にダブルミラーを有する。特に、ミラー又はダブルミラーは、調節可能であってもよく、例えば、ビーム経路中に移動可能であってもよく、又はビーム経路から外に移動可能であってもよい。この変形は、単純な構成を有し、確実に動作する。例として、ミラーは、枢動可能であってもよく、及び／又は置換可能であってもよい。

特に、励起及び検出光は両方とも、追加の光学区間を通って進んでもよい。このことは、特に、高速集束にとって有利であり得る。追加の光学区間が必要とされない場合、選択デバイスが、それに応じて作動される、すなわち、例えば、ミラーが単に枢動させられ外される。

本発明の更なる好ましい変形において、選択デバイスは、少なくとも１つのカラースプリッタを有する。このことは、選択的に、励起光だけが全体的又は部分的に影響を受ける、及び／又は検出光が全体的又は部分的に影響を受けることを可能にする。

例として、選択デバイスは、少なくとも１つのダイクロイックビームスプリッタを有してもよい。

更に、光の偏光を利用することが有利である。このように、偏光依存ビームスプリッタを用いることにより、特定の偏光を有する光が配列にわたって誘導されてもよく、一方、直交する偏光方向を有する光が装置を通って進まない。偏光層の特性が、ｓ成分とｐ成分との波長依存分割によって特に有利な態様で用いることがここで可能にされてもよい。これが達成することとは、例えば、励起光が、それの偏光に基づいて、それぞれの経路に沿って送られ、一方、より長い波長を有する放出光が、両方の偏光方向にスプリッタを通して伝送されることである。

この文脈において、本発明に従う装置の変形が、特に好ましく、その変形において、照明光を活性化及び不活性化するための切換え装置、特にポッケルスセル等の音響光学又は電気光学スイッチが、照明ビーム経路内に、特に主カラースプリッタの上流の照明ビーム経路内に存在し、そして、その変形において、調節可能選択デバイスが、波長依存効果を有する偏光フィルタとして具現化される。

更に、特定の長所が、本発明の更なる変形において取得され、それにおいて、照明ビーム経路が複数の部分ビームに細分化され、それにおいて、部分ビームの異なる偏光を提供するための偏光回転要素が、部分ビームのビーム経路内に存在し、それにおいて、切換え装置、特に多重ＡＯＴＦが、１つ又は複数の部分ビームの間で切り替えるために存在する。

このように、マルチビーム配列が取得され、当該マルチビーム配列において、異なる偏光を有するビームが存在し、このことが、ビーム同士の間で非常に高速で切り換えることを可能にする。例として、このことは、照明ビーム経路内のレーザビームを複数の部分ビームに分割すること、次いでこれらの部分ビームを多重ＡＯＴＦを通して誘導することと、によって達成されてもよく、例えば、半波長板（λ／２板）等の偏光回転要素が、これらの部分ビームのうちの１つのビーム経路内に存在する。次いで、ＡＯＴＦは、これらの異なるように偏光された部分ビームの間で、したがって、試料内で操作された及び操作されない光パターンの間で切り替えて、非常に容易に及び高速で実行されることを可能にする。

例として、部分ビームの１つのサブグループが、ｓ偏光されてもよく、そして別の１つのサブグループが、ｐ偏光されてもよい。そのとき、例えば、空間多重チャンネル音響光学フィルタを用いて、これらのサブグループの間で切り換えることが可能である。

本発明に従う装置の更なる有利な構成は、選択デバイスが、少なくとも１つの波長依存ダイクロイック偏光フィルタを備えることを特徴とする。

選択デバイス、すなわち切替え可能要素がカラースプリッタを有するか、又はカラースプリッタである場合、励起光は、例えば、波面操作経路にわたって誘導されることにより、例えば、特定のビーム成形を行なうか、又は、検出光に関して励起光の焦点ずらしを行ってもよい。例として、長手方向の色収差補正が、４０５ｎｍにおいて行なわれてもよい。蛍光の場合に励起光よりも長い波長を有する検出光が、アダプティブ光学ユニットを通って進むことなくカラースプリッタを通過し、そして、その結果として高効率に検出されてもよい。更に、この配列は、この点でビームを複数の部分ビームに選択的に分割することであるが、プロセス中の放出光に影響を及ぼさないことが意図される場合には、好ましい。この場合、マイクロレンズアレイが、例えば、主カラースプリッタの下流のビーム中に導入されて、マイクロレンズアレイは、複数の焦点から生じる放射光を、ピンホールを通して下流の検出器上に誘導する。

本発明の更なる有利な変形は、選択デバイスが、少なくとも１つの楔状カラースプリッタを備えることと、楔状カラースプリッタの前面が、第１制限波長よりもより長い又はより短い波長において、光を反射させるように具現化されることと、楔状カラースプリッタの裏面が、第２制限波長よりもより長いか又はより短い波長において、光を反射させるように具現化されることと、を特徴とする。この場合、第１制限波長と第２制限波長とは、好ましくは互いに異なる。

選択デバイス、すなわち切替え可能要素が、ダイクロイック楔として具現化される場合、及び異なるスプリッタ層が、前面及び裏面に適用される場合、操作要素上の異なる位置が、異なる波長に対して照明されてもよい。このことは、操作要素が、瞳平面又は中間画像平面内にあるかどうかに関わらず可能である。操作要素が中間画像平面内にある場合、これは、また、影響を受ける又は操作される視野と称される。

波長の分離は、操作要素と関連する光学ユニットの楔角度及び焦点距離に依存している。このことは、１つのアダプティブ要素を用いて、励起及び検出光に異なる様に影響を及ぼすことができるという目的を達成する。この場合、選択デバイス、この例での楔が、視準化領域内と、照明ビーム経路の発散又は収束領域内との両方に設置されてもよい。このことは、光の空間位相の影響が光の波長に強く依存しているので、決定的に有利である。特に、このことは、そのため、励起及び放出の両方が操作されることが意図される場合、大きいストークスシフトを有する色素の使用を容易にする。

特に可変方式で異なる問題に適応可能である装置が、選択デバイス、特にダブルミラー又はカラースプリッタの角度位置が調節可能である場合に取得される。

この文脈において追加的に有利であってもよいものは、選択デバイスが、複数の異なるカラースプリッタ及び／又はミラーを有する場合である。

そのような装置は、カラースプリッタ及び／又はミラーがスプリッタホイール上に配列され、照明ビーム経路内に選択的に設置可能である場合に、取り扱いが特に容易である。異なるカラースプリッタ及びミラーがスプリッタホイール上に配列されている場合、大きく異なる作動モードの間で非常に高速及び容易に切り替えることが可能である。スプリッタの位置公差が、この場合、光が常に２度反射されるので、従属的役割を演ずる。それゆえに、位置誤差が、自動的に補償される。

原理の問題として、追加の光学区間内のビーム経路に影響を及ぼす光学要素について重要なことは、光が必要に応じて誘導されることと、少なくとも１つの瞳平面及び／又は少なくとも１つの中間画像平面が形成されていることと、である。特に好ましくは、ビーム経路に影響を及ぼす光学要素が、少なくとも１つのレンズグループ、特に少なくとも１つのレンズを有する。

更に、選択デバイスのビームエンゲージメント、特に反射エンゲージメントの位置が、少なくとも１つのレンズグループの光軸から離れて位置する場合、有利である。そのような位置決めが、多くの費用を伴わずに、新たな用途に適合させられてもよい配列を可能にする。

本発明の更なる変形において、ビーム経路に影響を及ぼす光学要素が、少なくとも１つのミラーを備えてもよい。したがって、比較的小さい設置サイズを有する装置を実現することが可能である。

特に好ましい変形において、第１レンズグループ及び第２レンズグループが、追加の光学区間内に存在する。特に、第１瞳平面及び第２瞳平面が、その場合に形成されてもよい。この場合、第１レンズグループ及び／又は第２レンズグループは、それぞれ１つのレンズ、特にカラー補正レンズから構成されてもよい。

第１レンズグループの焦点距離が第２レンズグループの焦点距離と異なる更なる有利な変形が、２つのレンズ又は２つのレンズグループが、１つだけのレンズ又は１つだけのレンズグループの代わりに用いられる場合、可能である。そのとき、瞳のサイズは、第１と第２レンズ又はレンズグループとの焦点距離の比を選ぶことによって、標的化方式で設定されてもよい。このことは、瞳のサイズを特定の利用可能な操作要素、例えば、特定の光空間変調器（ＳＬＭ）に適合させるために好ましいことがある。

便宜上、第１レンズグループと第２レンズグループとが、第１レンズグループの光軸が第２レンズグループの光軸と一致するように互いに対して設置されてもよい。結果として、比較的対称的な構造が取得され、当該構造は、多くの費用を伴わずに、修正された使用幾何形状に適合させられてもよい。この点で、それはまた、少なくとも１つのレンズグループ、特に第１レンズグループ及び第２レンズグループが、励起光によって２度、特に逆方向に通過される場合、特に有利である。歪み及びコマ収差等の奇数次収差が、光学ユニットを通る２度の通過によって補償されてもよい。

原理的には、液晶を基礎とした伝送アダプティブ要素は、追加の瞳のうちの１つ内の操作要素として用いられてもよい。反射アダプティブ要素、特に膜ミラーの形式の反射アダプティブ要素が、それらのより短い反応時間のために作動においてしばしば用いられ、可撓性の大きい膜が、圧電要素によって又は静電力によって膜ミラー内で変形させられる。同様に、マイクロミラーアレイが、特に用いられてもよい。

いわゆるＳＬＭ（光空間変調器）の使用が、また、有利である場合がある。後者を用いて、所望のスペクトル成分が、それらが撮像センサへ導かれるように影響を受けてもよい。更に、光誘導関数を有するいわゆるＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）又は他のＭＥＭＳ（微小電気機械システム）が、この場合、用いることが可能である。

したがって、本発明に従う装置の有利な変形は、ＳＬＭ（光空間変調器）、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）及び／又はＭＥＭＳ（微小電気機械システム）が、追加の瞳平面のうちの少なくとも１つ、及び／又は追加の中間画像平面のうちの１つ内に設置されることにおいて特徴付けられる。

更なる変形において、ダーマン格子が、追加の瞳平面のうちの少なくとも１つ及び／又は１つの追加の中間画像平面内に設置されてもよい。

特定の用途に対して、例えば、構造化照明に対して、追加の光学区間が形成されている中間画像平面及び中間画像平面内に設置されている操作要素が、また、好ましいことがある。例として、光変調のためのデバイス、特に光変調のための伝送デバイスが、中間画像平面内に存在してもよい。例として、このデバイスは、構造化照明のための位相格子であってもよい。

更に、中間画像平面は、また、追加の光学区間内に形成されてもよく、アダプティブ要素、特にＳＬＭは、励起光のビーム成形の目的で、上記中間画像平面内に設置される。例として、このことは、特定のスポットが、マルチスポット照明内において表示又は遮蔽されることを可能にする。

マルチスポット走査顕微鏡法についての用途の場合、少なくとも１つのマルチレンズ配列が、照明ビーム経路内に及び／又は検出ビーム経路内に、特に追加の光学区間内に設置されると更に有利であることがある。例として、このことは、全く同一の検出ピンホールが、それの中で異なる照明された試料位置まで後方に追跡されてもよい検出光のために用いられる配列を実現してもよい。

本発明の更なる有利な変形は、例えば、検出における非偏光の光のための装置の使用に関する。

この問題は、公知のＳＬＭ（ＬＣｏＳ）（ＳＬＭ＝光空間変調器、ＬＣｏＳ＝シリコン上の液晶）だけが１つの偏光方向に作動し、偏光から独立して作動するＳＬＭが、この時点でほとんど市販されていないであろうという仮定に基づいている。したがって、本発明に従う装置を検出において有益的に用いることを意図する場合、両方の偏光成分（ｓ及びｐ）が有効に処理されることを保証する必要がある。２つのオプションが、このために、その用途において提案される装置について生じる。

第１のオプションにおいて、第１瞳平面及び第２瞳平面が、追加の光学区間内に形成され、第１光空間変調器が、第１瞳平面内に配列され、第２光空間変調器が第２瞳平面内に配列される。

したがって、装置は、この第１のオプションにおいて２つの瞳を生成し、これらの瞳を、ＳＬＭが２つの瞳のそれぞれ内に置かれ得るように設計することが可能である。

その結果、第１のオプションにおいて、第１光空間変調器（ＳＬＭ）の有効軸線が、照明ビーム経路及び／又は検出ビーム経路内の光の偏光方向に対して、第２光空間変調器（ＳＬＭ）の有効軸線と比較して９０度だけ異なる角度で配列されてもよい。

したがって、２つのＳＬＭは、それらの有効軸線について互いに対して９０度だけ回転した状態で用いられる。

代替として、照明ビーム経路及び／又は検出ビーム経路内の光の偏光方向を回転させるための偏光回転デバイスが、また、第１光空間変調器（ＳＬＭ）の上流又は第２光空間変調器（ＳＬＭ）の上流に存在してもよい。

例として、そのような偏光の回転は、波長板、特にλ／２板によって実装されてもよい。

両方の偏光成分（ｓ及びｐ）を有効に処理するための第２のオプションにおいて、照明ビーム経路の及び／又は検出ビーム経路の偏光依存分割のためのデバイスが、追加の光学区間内に存在し、そして、更に、光学手段が、異なる偏光によって照明ビーム経路及び／又は検出ビーム経路の分割された光の成分を、追加の光学区間内の瞳平面内の２つの異なる光空間変調器上に、又は全く同一の光空間変調器の異なる領域上に誘導するために存在する。

特に好ましくは、選択デバイスが、照明ビーム経路の及び／又は検出ビーム経路の偏光依存分割のために構成されてもよい。

本発明の更なる長所及び特徴が、以下の図面を参照して下記で説明されることになる。

本発明に従う装置の第１の例示的実施形態についての概略図である。 本発明に従う装置の第２の例示的実施形態についての概略図である。 本発明に従う装置の第３の例示的実施形態についての概略図である。 本発明に従う装置の第４の例示的実施形態についての第１の概略図である。 図４の例示的実施形態についての第２の概略図である。 図４の例示的実施形態の詳細についての概略図である。

走査顕微鏡のビーム操作のための本発明に従う装置１００の第１の例示的実施形態が、図１に関して説明される。同一の構成要素、及び均等な効果を有する構成要素が、図面において同じ参照符号によって概して表される。

図１に概略的に示す装置１００は、最初に本質的な構成要素として、主カラースプリッタ１２と、照明ビーム経路１３と、スキャナ３０と、を有する。主カラースプリッタ１２は、励起光１０を照明ビーム経路１３中に結合し、励起光１０を検出光５０から分離するように機能する。スキャナは、好ましくは瞳平面内に設置されており、原理的に公知の態様で励起光１０を走査するように機能する。

本発明に従って、追加の光学区間４０が存在し、当該光学区間は、ビーム経路に影響を及ぼす光学要素１４、１６、７１、１８、２２、７２を備え、それらが以下で詳細に説明される。本発明に従って、第１瞳平面２０及び第２瞳平面２４が、ビーム経路１３に影響を及ぼす光学要素１４、１６、７１、１８、２２、７２によって形成されている。

更に、調節可能選択デバイス１６が、追加の光学区間４０を接続又は分離するために、本発明に従って存在し、選択デバイス１６が、照明ビーム経路１３の瞳平面の外側に設置されている。

示している例において、選択デバイス１６は、ダブルミラーであって、当該ダブルミラーは、ここに示していない機構を用いてビーム経路から引き外されてもよい。ダブルミラーがビーム経路から引き外される場合、追加の光学区間４０が分離され、そして、励起光１０と、スキャナ３０から戻る検出光５０との両方が、主カラースプリッタ１２とスキャナとの間の（レンズ１４を経由する）直接ルートを進む。

ビーム経路１３に影響を及ぼす光学要素は、最初、図１に矢印によって説明されている励起光１０のビーム経路の系列内に励起光１０を視準するためのレンズ１４を具備する。続いて、励起光１０は、ダブルミラー１６の前面に入射し、そして、第１瞳平面２０の方向に横方向上方へそこから偏向させられる。第１反射操作要素７１が、第１瞳平面２０内に設置され、この要素７１は、例えば、励起光１０の標的化操作のためのＳＬＭであってもよい。例として、ＰＳＦについての特定の所望のビームプロファイルが設定されてもよい。

励起光１０は、第１操作要素７１によって反射されるが、それでも視準化ビームの形式にあり、この励起光は、レンズ１８に到達する。レンズ１８は、励起光１０を追加の光学区間４０の第１ビーム経路４１に沿ってレンズ２２まで誘導する。図１から明らかなように、レンズ１８及び２２の光軸は、一致している。レンズ２２は、入射励起光１０を再び視準し、更なる瞳平面２４まで誘導し、そこには、ＳＬＭ等の反射操作要素７２が同様に設置されてもよい。励起光１０の更なる所望の操作が、更なる瞳平面２４内で行われてよい。励起光１０は、反射操作要素７２から後方にレンズ２２の方向に放射され、この励起光は、後者によって追加の光学区間４０の第２ビーム経路４２上のレンズ１８まで導かれる。図１から明らかなように、第１ビーム経路４１及び第２ビーム経路４２の両方は、レンズ１８及び２２の光軸から離れて位置している。

原理的には、例えば、１つのＳＬＭ等の１つだけの反射操作要素が存在するだけで十分である。例として、また、単純ミラーが、第１瞳平面２０内に配列され、そして、例えば、ＳＬＭ等の反射操作要素が、更なる瞳平面内に配列されることであってもよい。逆の配列、すなわち、ＳＬＭ等の反射操作要素が、例えば、第１瞳平面内にあり、単純ミラーが、更なる瞳平面内にあることも同様に可能である。

レンズ１８は、レンズ２２から来る励起光１０を再び視準して、ダブルミラー１６の裏面までその励起光を誘導する。ここから、励起光１０は、最終的に、スキャナ３０の方向に誘導され、そこから、図１に示されていない顕微鏡の方向に誘導される。

図１の例において、中間画像平面が、また、レンズ１８と２２との間に形成されているけれども、これらは、この実施形態変形においては用いられない。

ダブルミラーを用いる場合、顕微鏡から来る検出光５０が、逆方向ではあるけれども、励起光１０と同じ光路をとってもよい。分離が、検出光５０が異なる波長を有する場合、主カラースプリッタ１２においてのみ生じる。

好ましい変形において、選択デバイス１６は、カラースプリッタであり、当該カラースプリッタは、例えば、前面及び裏面の両方において励起光１０を反射するけれども、検出光５０が前面及び裏面で通過することを可能にする。そのとき、励起光１０の経路は、不変のままであるけれども、スキャナ３０から来る検出光５０は、選択デバイス１６を通して伝送され、主カラースプリッタ１２を経由して検出ピンホール５２に直接到達する。

第１操作、特にアダプティブ、光学要素７１、及び／又は第２アダプティブ光学要素７２が、例えば、反射実施形態を有し、そして、光軸に対するレーザスポットの軸方向位置決め（ｚ位置決め）の機能、及び、試料内のレーザスポットのそれぞれのｘ、ｙ、ｚ位置での収差を補償する機能を果たしてもよい。このために、１つ又は複数の上記要素は、例えば、半径方向に対称的に変形可能なミラー面を有する膜を有してもよく、そして、作動デバイス（図面に図示せず）に接続されてもよく、当該作動デバイスは、次に、レーザスポットの時間的及び空間的に規定された一連のｘ、ｙ、ｚ位置を指定するための制御装置に接続される。

収差補償の閉ループ制御のために、作動デバイスは、好ましくは測定デバイスに結合されることにより、それぞれのｘ、ｙ、ｚ位置においてシステム及び対象によって生じさせられた収差を捕捉してもよく、測定デバイスは、波面センサを備えている。代替の実施形態では、収差補償が、前もって記憶されたシステム関連の誤差データに基づいて制御され、そして、作動デバイスが、特定のｘ、ｙ、ｚ位置（図面に図示せず）において収差についての実効値メモリに接続される。

このように、切替え可能カラースプリッタ１６又はミラーが、図１に示す変形におけるビーム経路内にあってもよい。そのとき、励起光１０は、図１に示し、上記した経路をとる。選択デバイス１６がビーム経路内にないか（ダブルミラーの場合のように）、又は有効でない（カラースプリッタの場合のように）ならば、光は、アダプティブ経路、すなわち追加の光学区間４０にわたって進まないけれども、その代わりに真直ぐ前に進む。

更に、図１の例は、追加の光学区間４０内に形成されている２つの追加の瞳平面２０、２４によって特徴付けられる。ここで、瞳平面２４内の瞳のサイズは、レンズ１８と２２との焦点距離の比によって設定されてもよい。

装置が、例えば、検出において非偏光光に対して用いられる代替においては、検出光の偏光成分が、図１の選択デバイス１６によって分割されて、両方の偏光成分は、瞳２４／７２内の全く同一のＳＬＭ（光空間変調器）の異なる空間領域に到達する。この前に、偏光成分のうちの１つが、例えばλ／２板を用いて９０°だけ回転させられる。それゆえに、両方の偏光成分は、結局、同じＳＬＭによって影響を受けてもよい。

本発明に従う装置１００の変形は、図２～図６に関して以下に示され、本質的には、相違点が説明されて、図１の場合と同じである構成要素及び動作モードは、再度説明されない。

走査顕微鏡のビーム操作のための、本発明に従う装置１００の第２の例示的実施形態が、図２に関して説明される。図１の例と比較すると、レンズ２２は、この変形において２つの反射要素２５及び２６によって置換されている。その結果、全体的に短縮されている設計が得られており、当該設計は、必要設置スペースの観点から有利である場合がある。

偏向ミラーとも称されてもよい、２つの反射要素２５及び２６のうちの１つが、中間画像平面内に設置されてもよく、そして、アダプティブミラーとして具現化されてもよく、当該アダプティブミラーによって、例えば、励起光１０のビーム成形が可能である。しかし、原理的には、中間画像平面２７が、２つの反射要素２５と２６との間に対称的に形成されることもまた可能である。伝送操作ユニット、例えば、構造化照明のための位相マスクが、中間画像平面２７内に設置されてもよい。

図１及び図２の場合、第１ビーム部は、レンズ１４と走査ミラー３０との間にある発散ビーム経路の部分であり、当該第１ビーム部は、ミラー１６がビーム経路中に押圧して入れられる場合、ミラー１６によって除去される、すなわち、通過されない。瞳がビーム経路のこの部分内にないことが、図１及び図２から直ちにわかる。

走査顕微鏡のビーム操作のための、本発明に従う装置１００の第３の例示的実施形態が、図３に関して説明される。図１の例と比較すると、選択デバイス１６（例えば、カラースプリッタ）が、この変形において、ビーム経路の収束部分内に配列されている。更に、このために、選択デバイス１６は、図１と比較してレンズ１８、２２に対して異なる配列を有し、具体的には、レンズ１８、２２の間に配列されている。このことは、設置スペース条件次第では長所である場合がある。図１と比較すると、ビームを視準するためのレンズ２９が、スキャナ３０と選択デバイス１６との間に追加的に存在している。更に、この例示的実施形態は、マルチスポット作動に対する適用を示し、当該マルチスポット作動では、特定の視野が装置によって伝播される。この場合、検出光５０は、最終的に、複数のピンホール５４に、又は領域的に画素化されているセンサ（ＳＰＡＤアレイ等）に入射する。

走査顕微鏡のビーム操作のための、本発明に従う装置１００についての第４の例示的実施形態が、図４～図６に関して最後に説明される。

この場合、選択デバイスは、特定の特性を有するカラースプリッタ楔６０によって形成されている。図６に概略的に示すカラースプリッタ楔６０は、前面６１を有し、当該前面は、第１制限波長よりも短い波長を有する光を反射するように具現化されている。更に、カラースプリッタ楔６０は、裏面６２を有し、当該裏面は、第２制限波長よりも長い波長を有する光を反射するように具現化されている。この場合、第２制限波長は、第１制限波長よりも長くなければならない。しかし、逆の場合も、また、考えられる。

楔形状によって生じさせられた、前面６１と裏面６２とに対する異なる反射角のために、カラースプリッタ楔６０のこれらの特性は、異なる波長を有する光が異なる経路に沿って追加の光学区間４０を通って進むようにさせる。例として、このことが用いられることにより、より短い波長を有する検出光ではなく、より短い波長を有する励起光を異なる経路に沿って追加の光学区間４０を通して誘導する。特に、このことは、また、瞳平面２０、２４上の異なる位置に入射し、それにしたがって、上記位置において異なるように操作され得る異なる波長光をもたらす。

例として、図４は、主ビームスプリッタ１２から来る励起光１０のためのビーム経路を示す。この例では、上記励起光は、カラースプリッタ楔６０の前面６１においてのみ反射されなければならず、しかし裏面６２によっては伝送されなければならない。そのとき、励起光１０は、図４に示す経路６４をとる。

顕微鏡から来る検出光５０は、図５に概略的に示すように、異なる経路をとる。この例では、上記検出光は、カラースプリッタ楔６０の裏面６２においてのみ反射されなければならず、しかし前面６１によっては伝送されなければならない。そのとき、検出光５０は、図５に示す経路６６をとる。経路が異なる実質的な理由は、カラースプリッタ楔６０の前面６１と裏面６２とに対する反射角がそれぞれ異なることにあり、このことは、楔形状によって生じさせられる。図４及び図５からわかるように、検出光５０は、励起光１０と比較して、異なる位置で瞳平面２０、２４に入射し、それゆえに、上記検出光は、そこにある空間依存操作手段（例えば、ＳＬＭ）によって異なるように操作されてもよい。

本発明の更なる有用な側面は、例えば、図１における選択デバイス１６の位置での光偏光の利用に関する。概して、励起光は、非常に良好に偏光させられ、一方、試料からの放出光は、好ましい偏光を有しない。現在、重要な適用は、操作目的のために励起光がＳＬＭを介して誘導されることにあり、後者は、例えば、試料内に特定の点パターンを生成する。しかし、ここでは、非常に速く撮像に戻すように切り換えることが意図される。このことは、例えば、ポッケルスセル等の電気光学スイッチを照明ビーム経路中に（例えば、経路１３中に）導入することによって可能である。そこでの高速切換えは、それで、様々な経路間での切替えを可能にし、それゆえに、１ミリ秒未満の領域でのモード間の切替えを可能にする。それで、要素がこの点１６において導入されて、この要素が、実際に、定義されたエッジ関数を有するダイクロイックビームスプリッタである場合に、非常にとりわけ有利である。ｓ偏光及びｐ偏光成分が、これらのダイクロイックビームスプリッタ内で異なる挙動を有することが知られている。例として、定義されたエッジ関数を有するそのようなダイクロイックビームスプリッタは、以下の仕様を有してもよい。
Ｔｓ（４８８ｎｍ）＜２％ Ｔｓ（５００～６００ｎｍ）＞９０％
Ｔｐ（４８８ｎｍ）＞９０％ Ｔｐ（５００～６００ｎｍ）＞９０％

ここで、Ｔｓ（ｘ）は、ｓ偏光及び波長ｘを有する放射の透過係数である。同じく、Ｔｐ（ｘ）は、ｐ偏光及び波長ｘを有する放射の透過係数である。このように、そのようなダイクロイックビームスプリッタを用いると、偏光依存態様で４８８ｎｍの波長を有するレーザを切り換え、一方、５００～６００ｎｍの範囲内の試料の放出光を全ての偏光成分に対して伝送することができる。

カラースプリッタとして設計される代わりに、楔６０は、また、前面及び裏面が、それぞれの場合に異なる角度でそれぞれ異なる偏光成分を反射するように設計されてもよく、このことは、カラー楔６０とまったく同様に、ＳＬＭの異なる空間領域に入射する偏光成分をもたらす。成分は、波面がＳＬＭによって影響を受けた後には、損失を伴わずに再び組み合わされ得ない。原理的には、２つの偏光成分を一緒に検出器に誘導することが可能である。しかし、偏光成分は、好ましくは分離された態様で検出器に導かれて検出される。

１０ 励起光、１２ 主カラースプリッタ、１４，１８，２２，２９ レンズ、１６ 選択デバイス、２０，２４ 瞳平面、２５，２６ ミラー、２７ 中間画像平面、３０ 走査ミラー、３２ 顕微鏡への光路、４０ 追加の光学区間、４１ 第１レンズ１８から第２レンズ２２へのビーム経路、４２ 第２レンズ２２から第１レンズ１８へのビーム経路、５０ 検出光、５２，５４ ピンホール平面、６０ 楔状カラースプリッタ、６１ 楔状カラースプリッタの上面、６２ 楔状カラースプリッタの下面、６４ 第１波長のためのビーム経路、６６ 第２波長のためのビーム経路、７１ 第１アダプティブ要素、特にＳＬＭ、７２ 第２アダプティブ要素、特にＳＬＭ、１００ 装置。

Claims (32)

1. 走査顕微鏡のビーム操作のための装置であって、
   励起光（１０）を照明ビーム経路（１３）中に結合するため、及び検出ビーム経路の検出光（５０）から励起光（１０）を分離するための主カラースプリッタ（１２）を備え、
   前記励起光（１０）を走査するための、前記照明及び検出ビーム経路の両方に含まれるスキャナ（３０）を備える装置において、
   前記主カラースプリッタ（１２）と前記スキャナ（３０）の間に位置する追加の光学区間（４０）が存在することであって、前記光学区間は、前記照明及び／又は検出ビーム経路に影響を及ぼす光学要素（１８、２２、２５、２６）を備える、ことと、
   少なくとも１つの瞳平面（２０、２４）及び／又は少なくとも１つの中間画像平面が、前記照明及び／又は検出ビーム経路に影響を及ぼす前記光学要素（１８、２２、２５、２６）によって前記追加の光学区間（４０）内に形成されている、ことと、
   前記照明及び／又は検出ビーム経路の瞳平面を具備しない第１ビーム部又は前記追加の光学区間（４０）のいずれかを活性化させるための調節可能選択デバイス（１６）が存在することと、
   前記調節可能選択デバイスは、少なくとも１つの反射層を含み、前記検出ビーム経路における光と前記照明ビーム経路における光の少なくとも１つは、前記反射層の前面及び裏面の両方で反射されることと、
   少なくとも１つの瞳平面（２０、２４）及び／又は少なくとも１つの中間画像平面が、第１レンズグループ（１８）及び第２レンズグループ（２２）を用いて前記追加の光学区間（４０）内に形成されていることと、
   前記追加の光学区間は、複数のミラーと複数のアダプティブ要素から構成されるグループからの少なくとも２つのさらなる要素を含むことと、
   前記検出ビーム経路における光と前記照明ビーム経路における光の少なくとも１つは、前記調節可能選択デバイスで２回反射され、前記追加の光学区間内における複数のミラーと複数のアダプティブ要素から構成される前記グループからの少なくとも２つのさらなる要素で少なくとも２回さらに反射されることと、
   を特徴とする、装置。
2. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、前記照明及び／又は検出ビーム経路の視準化領域内に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、前記照明及び／又は検出ビーム経路の発散又は収束領域内に設置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記調節可能選択デバイス（１６）を枢動させて前記照明及び／又は検出ビーム経路に出し入れする、あるいは前記調節可能選択デバイスを押圧して前記照明及び／又は検出ビーム経路に出し入れするための機械的手段が存在することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、少なくとも１つのミラー、特にダブルミラーを備えることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記調節可能選択デバイス（１６）、特に前記ダブルミラーの角度位置が、調節可能であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、少なくとも１つのカラースプリッタ（６０）、特にダイクロイックビームスプリッタを備えることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記励起光を活性化及び不活性化させるための切換えデバイス、特に音響光学スイッチ又はポッケルスセル等の電気光学スイッチが、前記照明ビーム経路（１３）内に、特に前記主カラースプリッタ（１２）の上流に存在することと、
   前記調節可能選択デバイス（１６）は、波長依存効果を有する偏光フィルタとして具現化されていることと、を特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記照明ビーム経路が、複数の部分ビームに細分されることと、
   異なる偏光を提供するための偏光回転要素が、前記部分ビームのビーム経路内に存在することと、
   前記部分ビームのうちの１つ又は複数の間で切り替えるための切換えデバイス、特に多重ＡＯＴＦが、存在することと、を特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、少なくとも１つの波長依存ダイクロイック偏光フィルタ（６０）を備えることを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、複数の異なるカラースプリッタ及び／又はミラーを有することを特徴とする、請求項１～１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記カラースプリッタ及び／又はミラーは、スプリッタホイール上に配列され、前記照明及び／又は検出ビーム経路内に選択的に設置可能であることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記照明及び／又は検出ビーム経路に影響を及ぼす前記光学要素（１８、２２、２５、２６）は、少なくとも１つのレンズグループ（１８）、特に少なくとも１つのレンズを備えることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記調節可能選択デバイス（１６）のビームエンゲージメント、特に反射エンゲージメントの位置が、前記少なくとも１つのレンズグループ（１８、２２）の光軸から離れて位置することを特徴とする、請求項１～１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記照明及び／又は検出ビーム経路に影響を及ぼす前記光学要素（１８、２２、２５、２６）は、少なくとも１つのミラー（２５、２６）を備えることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 第１瞳平面（２０）及び第２瞳平面（２４）が、特に第１レンズグループ（１８）及び第２レンズグループ（２２）を用いて前記追加の光学区間（４０）内に形成されていることを特徴とする、請求項１～１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記第１レンズグループ（１８）の焦点距離が、前記第２レンズグループ（２２）の焦点距離と異なることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第１レンズグループ（１８）の光軸が、前記第２レンズグループ（２２）の光軸と一致することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の装置。
19. 少なくとも１つのレンズグループ、特に前記第１レンズグループ（１８）及び前記第２レンズグループ（２２）は、前記励起光（１０）によって２度、特に逆方向に通過されることを特徴とする、請求項１～１８のいずれか１項に記載の装置。
20. ＳＬＭ（光空間変調器）、ＤＭＤ（デジタルミラー装置）及び／又はＭＥＭＳ（微小電気機械システム）が、前記瞳平面（２０、２４）の少なくとも１つ内に設置されていることを特徴とする、請求項１～１９のいずれか１項に記載の装置。
21. ダーマン格子が、前記瞳平面（２０、２４）の少なくとも１つ内に設置されていることを特徴とする、請求項１～２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 中間画像平面（２９）が、前記追加の光学区間（４０）内に形成されていることと、
    光変調のための、デバイス、特に伝送デバイスが、前記中間画像平面（２７）内に設置されていることと、を特徴とする、請求項１～２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 中間画像平面（２５、２６）が、前記追加の光学区間（４０）内に形成されており、アダプティブ要素、特にＳＬＭが、前記励起光（１０）のビーム成形の目的で前記中間画像平面内に設置されていることを特徴とする、請求項１～２２のいずれか１項に記載の装置。
24. 少なくとも１つのマルチレンズアレイが、前記照明ビーム経路（１３）内に及び／又は検出ビーム経路内に、特に追加の光学区間（４０）内に設置されていることを特徴とする、請求項１～２３のいずれか１項に記載の装置。
25. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、少なくとも１つの楔状カラースプリッタ（６０）を備えることと、
    前記楔状カラースプリッタ（６０）の前面（６１）が、第１制限波長よりも長いか又は短い波長において、光を反射するように具現化されていることと、
    前記楔状カラースプリッタ（６０）の裏面（６２）は、第２制限波長よりも長いか又は短い波長において、光を反射するように具現化されていることと、を特徴とする、請求項１～２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 第１光空間変調器（ＳＬＭ）が、第１瞳平面（２０）内に配列されており、第２光空間変調器（ＳＬＭ）が、第２瞳平面（２４）内に配列されていることを特徴とする、請求項１～２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記第１光空間変調器（ＳＬＭ）の有効軸線が前記照明ビーム経路（１３）及び／又は前記検出ビーム経路内での光の偏光に配置される角度は、前記第２光空間変調器（ＳＬＭ）の有効軸線が前記偏光に配置される角度と比較して９０度だけ異なることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
28. 前記照明ビーム経路（１３）及び／又は前記検出ビーム経路内で前記光の偏光方向を回転させるための偏光回転デバイスが、前記第１光空間変調器（ＳＬＭ）の上流に、又は前記第２光空間変調器（ＳＬＭ）の上流に存在することを特徴とする、請求項２６又は２７に記載の装置。
29. 前記照明ビーム経路（１３）及び／又は前記検出ビーム経路の偏光依存分割のためのデバイスが、前記追加の光学区間（４０）内に存在することと、
    異なる偏光によって前記照明ビーム経路（１３）及び／又は前記検出ビーム経路の前記分割された光の成分を、前記追加の光学区間（４０）内の瞳平面内の、２つの異なる光空間変調器上に、又は全く同一の光空間変調器の異なる領域上に誘導するための光学手段が存在することと、を特徴とする、請求項１～２８のいずれか１項に記載の装置。
30. 前記調節可能選択デバイス（１６）は、前記照明ビーム経路（１３）の及び／又は前記検出ビーム経路の偏光依存分割のために構成されていることを特徴とする、請求項１～２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 前記調節可能選択デバイス（１６）が、少なくとも１つの楔状カラースプリッタ（６０）を備えることと、
    前記楔状カラースプリッタ（６０）の前面（６１）が、第１制限波長よりも長いか又は短い波長において、光を反射するように具現化されていることと、
    前記楔状カラースプリッタ（６０）の裏面（６２）が、第２制限波長よりも長いか又は短い波長において、光を反射するように具現化されていることと、を特徴とする、請求項１～３０のいずれか１項に記載の装置。
32. 請求項１～３１のいずれか１項に記載のビーム操作のための装置を備える顕微鏡であって、少なくとも１つの顕微鏡対物レンズと、試料によって放出された検出光を検出するための検出器デバイスと、を備える顕微鏡において、
    前記追加の光学区間（４０）の前記瞳平面（２０、２４）は、前記顕微鏡対物レンズの瞳平面に光学的に共役である平面内にあることを特徴とする、顕微鏡。

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