JPH11135U - 共焦点レ―ザ―走査顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変走査振幅と種々の形式の顕微鏡検査法に
より操作することができるようにする。 【解決手段】 異なった波長を有する戻りの光ビームを
偏向させこれを外向きの光路を介して向ける、音響−光
デフレクターと他のデフレクターとの間で光路に組み込
まれたダイクロイツク・ミラーを具備し、更に、他の対
物レンズと空間スリットフィルターとを具備し、空間ス
リットフィルターが、検出器とともにライン検出器を形
成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、点光源としてレーザーと、ライン及びフレーム走査のための偏向シ ステム及びレンズ・システムと、物体の近くにある少なくとも１つの対物レンズ と、物体ステージと、空間周波数フイルター及び検出器と、電子制御及び画像処 理システムとを提供された共焦レーザー走査顕微鏡であつて、ここで、物体は、 光ビームによつて点毎に走査され、点光源が焦点を合わせられた所のみの測定が 検出器で行われ、その結果焦点外光は検出されず、その結果分解能とコントラス トは、３つの次元において、特に画像平面に対する軸方向において、相当に改良 され、そして３次元情報が物体から導出される共焦レーザー走査顕微鏡に関する 。そのような共焦レーザー走査顕微鏡は、Ｔ．ウイルソンとＣ．シェパード著の 題名 「走査光顕微鏡の理論と実際」、アカデミツク出版、から公知である。

【０００２】

【従来技術及びその課題】

このような顕微鏡において、焦点を合わせられたレーザースポツトが、静止物 体又は被検体に対して走査される。ライン走査とフレーム走査の両方に対し、焦 点を合わせられたレーザースポツトの該走査移動において、ミラー検流計 (m i r r o r g a l v a n o m e t e r)を使用した検流計の偏向が、一般に使用さ れる。物体はまた、しばしば、静止焦点レーザースポツトに関する移動物体ステ ージ手段により走査される。

【０００３】 そのような走査方法の欠点は、それらが機械的特性を有し、そしてこのため、 本質的に低速であることである。これはまた、長いフレーム時間を生ずる。

【０００４】 本考案の目的は、これらの問題を除去することであり、そして共焦レーザー走 査顕微鏡において、高速かつ柔軟に、即ち、可変走査振幅と種々の形式の顕微鏡 検査法により操作することができ、そして光学的に比較的簡単な実施態様を有す る偏向を達成することである。迅速なライン及びフレーム走査の結果として、非 常に短い時間で、増大した焦点深度により画像を形成するために、多数の薄い画 像部分を電子的に結合することが可能である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

導入部で述べた形式の共焦レーザー走査顕微鏡において、これは、より迅速な ライン走査に対して、偏向システムが音響−光デフレクターを具備し、そして低 速なフイールド走査に対して、偏向システムが復帰光ビームのフレーム走査移動 が完全に無くされる如く構成された別のデフレクターを具備し、その結果復帰光 は空間周波数フイルターに焦点を合わせられるという、本考案により達成される 。

【０００６】 音響−光デフレクターの使用は、非共焦レーザー走査顕微鏡検査法の場合にお いてそれ自体公知である。しかし、それが共焦顕微鏡において使用されるならば 、公知の分散特性の欠点及び幾つかのレンズを使用する必要性が発生し、その結 果、物体に入射する光の波長以外の波長の観測光 (蛍光等）を使用する共焦顕微 鏡法は、容易には可能ではなく、そしてまた使用されるレンズの表面における反 射による妨害効果は、相当なものである。さらに、レーザーは、収差を回避する ために、良品質でなければならない。

【０００７】 都合の良い実施態様において、偏向システムにおける他のデフレクターは、ミ ラー検流計を含む。

【０００８】 音響−光デフレクターの後の復帰光ビームを分裂させ、そして続く対物レンズ を通してそれを検出器に向けるために、ビーム・スプリツターが光路に組み込ま れるような、さらに都合の良い実施態様は、音響−光デフレクターを備えた偏向 システムがまた、復帰光ビームのライン走査移動が完全に無くされる如く構成さ れ、そして空間周波数フイルターが続く検出器と共に点検出器を形成するピンホ ール・フイルターであることを特徴とする。

【０００９】 都合の良いことに、本考案による共焦レーザー走査顕微鏡において、幾つかの レンズを使用する関連した必要性により、音響−光デフレクターの使用により生 成された外部経路において光反射の妨害効果を抑止するために、四分の一波長板 が対物レンズの前の外部への光路に組み込まれる。そして、その偏光方向が外部 への光の偏光方向に垂直である偏光フイルターが、反射光ビームの経路に組み込 まれる。外部への直線偏光は、四分の一波長板によつて円偏光に変換される。物 体による反射の後、該円偏光は、再び、四分の一反射板を通過し、その結果光は 、入射ビームの方向に垂直な偏光方向に直線偏光される。反射光の経路に組み込 まれた偏光フイルターは、外部ビームの方向に垂直な偏光方向を有する光のみを 伝達し、そしてこれは、それから、点検出器により検出される。

【００１０】

【実施例】

本考案を、今、図面を参照して、例示の実施態様に基づいて、さらに詳細に説 明する。

【００１１】 第１の実施態様を、図１を参照して説明する。レーザー光ビーム１は、最初、 ビーム拡大光学システムを共に形成するレンズ２と３を通過し、次に、ビーム・ スプリツター４、入口側と出口側の両方において平円柱レンズ５．１と平凸レン ズ５．２とを備えた音響−光デフレクター５、レンズ６、ミラー検流計であるデ フレクター７、レンズ８、四分の一波長板１６、及び対物レンズ９を通過する。 物体平面１０において、物体は、図示されていないが、さらに静止物体ステージ に置かれる。反射光は、外部経路と同一の復帰経路をビーム・スプリツター４ま で横断し、その後それは分裂され、偏光フイルター１１、続く対物レンズ１３、 空間周波数フイルター１４、レンズ１７、帯域又はカツトオフ・フイルター１２ 、及び最後に検出器１５に達する。

【００１２】 前述の拡大光学システムは３の拡大係数を有するが、他の光学的要素と組み合 わされて、光が対物レンズ９の入射瞳を完全に充填することを保証する。ビーム ・スプリツター４は、物体によつて反射された光が外部へのレーザー光から分離 されることを保証する。音響−光デフレクター５は、物体についてのより迅速な ライン走査を保証し、そしてミラー検流計７は、物体についての比較的低速のフ レーム走査を保証する。この点において、音響−光デフレクターは、ビデオ速度 又はより高速で行われるような高い周波数でレーザー・ビームの偏向を達成する ことができる。

【００１３】 レンズ６は、レーザー・ビームが音響−光デフレクターによつて偏向される角 度を増大する。レーザー・ビームの焦点は、対物レンズが正しい方法で使用され るような位置において結ばれる。ミラー検流計７は、該レンズの焦点にあり、そ してレンズ８の中心点に置かれる。この結果として、レーザー・ビームは、ミラ ー検流計と、対物レンズの後側の両方において静止し、その結果これらの位置に おいて、レーザー・ビームの入射位置ではなく、入射角度のみが、変化する。こ の点について、図２を比較せよ。

【００１４】 対物レンズ９は、物体上に外部へのレーザー・ビーム１８の焦点を合わせる。 物体は、例えば、生物学被検体又は他の物体である。物体によつて反射又は散乱 されたレーザー光１９は、ビーム・スプリツター４まで逆の同一光路に従う。こ の後、反射光は、要素１１、１３、１４、１７と１２を通つて検出器１５まで、 すでに指定された経路に従う。音響−光検出器とミラー検流計によつて導入され たレーザー・ビームの走査Ｘ−Ｙ移動は、復帰経路において再び無くされ、その 結果反射光は、ピンホール・フイルター (２ミクロン・ホール）である静止空間 周波数フイルター１４に焦点を合わせられる。このフイルターは、それの直後に 検出器と共に点検出器を形成する。この結果として、顕微鏡は、共焦特性を有す る。

【００１５】 本考案による第１の実施態様において、音響−光デフレクターによつて外部へ の経路に導入された妨害反射は、対物レンズ９の前に組み込まれた四分の一波長 板１６と、ビーム・スプリツターの後に組み込まれた偏光フイルター１１とによ り、除去される。外部へ向かう直線偏光は、四分の一波長板１６によつて円偏光 に変換され、その後該光は、反射の後、再び該四分の一反射板を通過し、そして 入射ビームに垂直な偏光方向にて再び直線偏光に変換される。ビーム・スプリツ ターの後に組み込まれた偏光フイルター１１はまた、この偏光方向に調整され、 その結果物体と対物レンズ９からの反射のみが検出される。

【００１６】 さらに不都合な効果は、多分、音響−光デフレクターの分散特性によつて引き 起こさる。この結果レーザー光以外の波長の復帰光 (例えば蛍光）はもはや空間 周波数フイルター１４を通過しない。そのような場合には、空間周波数フイルタ ー１４を置き換えることによつて処理される。そのような空間周波数フイルター は、都合の良いことに、３つの圧電性結晶によつて置き換えられ、各々は、図３ に示されたように、ＸＹＺ座標系の３軸の１つに向かつている。

【００１７】 都合の良いことに、そのような顕微鏡は、蛍光特性を本質的に有するか又はこ の目的のために選び出された蛍光被検体を検査するために使用することができる 。光が物体に入射されたとき、その結果として放射された光は外部へのレーザー 光の波長以外の波長を有する。復帰経路において、復帰光の予期された波長に一 致した帯域フイルター又はカツトオフ・フイルター１２を使用することにより、 復帰光は選択的に伝達され、その結果妨害効果は反射レーザー光から経験されな い。異なる波長の光はまた、音響−光デフレクター５において異なる偏向を受け るために、空間周波数フイルター１２は、音響−光デフレクターの角度分散に対 応する別の位置に配置されなければならない。

【００１８】 図４は、第２の実施態様を示す。ダイクロイツク・ミラー２０が、平円柱レン ズ５．１とレンズ６との間の光路に組み込まれている。該ミラーは、 (短い波長 の）レーザー光を伝達し、そして例えば蛍光から発する長い波長の復帰光を偏向 させる。この光は、修正レンズ２１を通過し、そしてスプリツト・フイルター ( ３３０ｍｘ１ｍ）である特殊空間周波数フイルター２３上に対物レンズ２２によ り焦点を合わせられ、その結果システムは、共焦特性を有する。この方法により 、ライン検出器が、続くレンズ２４と検出器２６により形成される。レンズ２４ と検出器２６との間に、帯域又はカツトオフ・フイルター１２と同じ機能を有す る、さらに１つの帯域又はカツトオフ・フイルター２５が組み込まれている。こ の実施態様により、外部への光の波長以外の波長を有する復帰光は、もしも音響 −光デフレクターが該光に対し非常に低い有効性を有する、即ち、非常に大きな 減衰を引き起こすならば、都合良く測定することができる。

【００１９】 この顕微鏡で、例えば、２０ｋＨｚのライン周波数において毎秒２０画像を集 めることが可能である。即ち、各画像は１００ラインを含む。そのように多数の 毎秒２０, ０００ラインと、そしてライン当たり１０００画像点又は画素がある ならば、画素のハーフトーンを測定する検出器と続く電子装置は、少なくとも５ ０ｎｓｅｃを越えない応答時間を有さなければならない。都合の良いことに、そ のような高速画像アセンブリにより、焦点深度の増大した画像が、多数の薄い画 像部分を結合することにより組み立てられる。上記の実施例により、互いに下に 位置付けられる２０のセクシヨンは１秒間で結合され、その結果２０のセクシヨ ン厚の物体は完全なシヤープさで再現される。

【００２０】 生物学の分野において使用されるほかに、例えば２０ー３０ｋＨｚのライン走 査周波数と、例えば９０Ｈｚのフレーム走査周波数とを有する本考案による顕微 鏡は、また、法医学の検査とマイクロエレクトロニクス産業において使用される 。総ての場合において、この顕微鏡では真空下で物体を取り扱う必要はないとい う事実は、非常な利点である。被検体が薄い導電性金属層で覆われなければなら ない走査型電子顕微鏡とは対照的に、この方法は、また、非破壊的である。本考 案による顕微鏡において、機械的力が被検体に及ぼされないという事実は、また 、被検体が走査されるシステムにおいての利点である。マイクロエレクトロニク ス産業において、この顕微鏡は、ＬＳＩ及びＶＬＳＩチツプの生産制御、 「カ スタム設計」チツプの生産、そしてまた所謂 「光ビーム誘導電流」方法による チツプの機能的制御のために使用することができる。

【００２１】 本顕微鏡はまた、光メモリを検査するために都合良く使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による共焦レーザー走査顕微鏡の第１の
実施態様の概略図。

【図２】光ビームが対物レンズに入射される方法の概略
図。

【図３】図１の顕微鏡における空間周波数フイルターの
詳細図。

【図４】本考案による共焦レーザー走査顕微鏡の第２実
施態様の概略図。

【符号の説明】

１ レーザービーム ２、３、８、１７、２４ レンズ ４ ビーム・スプリツター ５ 音響−光デフレクター ５．１ 平円柱レンズ ５．２ 平凸レンズ ７ ミラー検流計 ９、１３、２２ 対物レンズ １０ 物体平面 １１ 偏向フイルター １２、２５ 帯域又はカツトオフ・フイルター １４ 空間周波数フイルター １５、２６ 検出器 １６ 四分の一波長板 ２０ ダイクロイツク・ミラー ２１ 修正レンズ ２３ スプリツト・フイルター

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 点光源（１）としてのレーザーと、ライ
   ン走査のための音響−光デフレクター（５）及びフレー
   ム走査のための他のデフレクター（７）を有する偏向シ
   ステムと、レンズ系（８）と、静止した載物台上の対象
   物近くの少なくも１個の対物レンズ（９）と、検出器
   （２６又は１５）と、電子制御及び画像処理システムと
   を具備し、 戻りの光ビームの波長がレーザー光ビームの波長と異な
   る可能性のある蛍光又はその他の顕微鏡法において使用
   する、点光源（１）が対物レンズ（９）により対象物上
   で焦点合わせされた場所でのみ検出器により共焦点測定
   が行われる共焦点レーザー走査顕微鏡であって、 異なった波長を有する戻りの光ビーム（１９）を偏向さ
   せこれを外向きの光路を介して向ける、音響−光デフレ
   クター（５）と他のデフレクター（７）との間で光路に
   組み込まれたダイクロイツク・ミラー（２０）を具備
   し、 更に、他の対物レンズ（２２）と空間スリットフィルタ
   ー（２３）とを具備し、 前記空間スリットフィルターが、検出器（２６）ととも
   にライン検出器を形成することを特徴とする共焦点レー
   ザー走査顕微鏡。
2. 【請求項２】 空間ピンホールフィルター（１４）が設
   置された他の外向き光路を介して戻りの光ビーム（１
   ９）を検出する、レーザーと音響−光デフレクター
   （５）との間で光路内にビームスプリッター（４）を具
   備し、 更に、空間ピンホールフィルター（１４）を３次元座標
   系において動かし、かつ対応し適合した帯域フィルター
   又はカットアウトフィルター（１２）を他の外向きの光
   路において空間ピンホールフィルター（１４）の後方に
   動かすために圧電結晶式移動システムを具備し、 この空間ピンホールフィルター（１４）がポイント共焦
   点性を得るために検出器（１５）と共にポイント検出器
   を形成する反射顕微鏡法又は他の顕微鏡法に使用するた
   めの請求項１の共焦点レーザー走査顕微鏡。