JPH11149045A - High compact laser scanning type microscope with integrated short pulse laser - Google Patents

High compact laser scanning type microscope with integrated short pulse laser

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JPH11149045A
JPH11149045A JP21839498A JP21839498A JPH11149045A JP H11149045 A JPH11149045 A JP H11149045A JP 21839498 A JP21839498 A JP 21839498A JP 21839498 A JP21839498 A JP 21839498A JP H11149045 A JPH11149045 A JP H11149045A
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JP
Japan
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laser
scanning
compact
microscope
scanning microscope
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Application number
JP21839498A
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Japanese (ja)
Inventor
Ulrich Simon
シモン (氏名原語表記) Ulrich Simon ウルリッヒ
Ralf Wolleschensky
ヴォレシェンスキー (氏名原語表記) Ralf Wolleschensky ラルフ
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Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high compact laser scanning type microscope with a short pulse laser incorporated into a scanning module by arranging the short pulse laser being the component of a scanning part and a connecting means for connecting the short pulse laser radiation into a scanning means. SOLUTION: The microscope is provided with a scanning head part S which is connected to a microscopic beam process through an opening part for emitting light. The housing of the short pulse laser KPL32 with which the scanning head part S forms a compact unit is incorporated in the housing. The scanning head part S is effectively connected to the photoelectric tube of the erect microscope and also to the side exit of the inverted microscope. And by directly connecting the short pulse laser 32 in the scanning module of the laser scanning type microscope or connecting the laser 32 through a fiber, the laser is arranged in a compact state, then, the microscope is efficiently used, for example, in a multiple photon microscopic inspection method for performing, for example, the 3D resolution microscopic inspection of an organism sample.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】短パルス(例えばピコ秒かフ
ェムト秒のレーザー)を使用するレーザー走査型顕微鏡
は、これまで特に時間解像顕微鏡検査法と多光子顕微鏡
検査法とが知られている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Laser scanning microscopes using short pulses (for example, picosecond or femtosecond lasers) have heretofore been known, in particular, time-resolution microscopy and multiphoton microscopy.

【0002】[0002]

【従来の技術】WO91/07651によって、赤色か赤
外かの領域の励起波長によるピコ秒以下の領域のレーザ
ーパルスによる励起をもった、2光子走査型顕微鏡が知
られている。EP666473A1, WO95/30166,
DE4414940A1は、パルス放射または連続放射を
するピコ秒かそれ以上の領域での励起を記述している。
2光子励起を介して試料を光学的に励起するための手順
は、DEC24331570に記述されている。女性出願
者のDE29609850は顕微鏡ビーム行程中へ導光フ
ァイバーを通じて短パルスレーザー放射を結合すること
が記述されている。
2. Description of the Related Art A two-photon scanning microscope is known from WO 91/07651, which has an excitation by a laser pulse in the sub-picosecond range with an excitation wavelength in the red or infrared region. EP666473A1, WO95 / 30166,
DE 44 14 940 A1 describes excitations in the picosecond or higher region with pulsed or continuous emission.
Procedures for optically exciting a sample via two-photon excitation are described in DEC 24331570. Female applicant DE 29609850 describes the coupling of short-pulse laser radiation through a light guide fiber into the microscope beam path.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】使用される短パルスレ
ーザー(波長調節可能のレーザーや定波長レーザー)
は、一般に非常に容積がかさばり、その技術的複雑さの
ゆえに非常に高価で、利用者にとって非常に扱いにくい
だけである。一般にレーザーは、ビーム伝達系(例えば
鏡やガラスプリズム)の助けを借りて直接光学的にレー
ザー走査型顕微鏡の走査モジュール中へ結合される。そ
の際一般に長い光学的ビーム行程が必要で、これはシス
テムを調整敏感にし、その広がりを非常に大きくしてし
まう。一般にレーザーの調整がしばしば要求されると、
特にレーザー波長の変更や調整の際には、一般にレーザ
ーから放たれたレーザービームの空間的な移動が起こ
る。その結果レーザー走査型顕微鏡内部のレーザービー
ムはもはや光学的には調整できなくなる。最後に、短パ
ルスレーザーのファイバー結合(例えば単一モードの偏
光保持ファイバーの使用時に)によって、レーザーとレ
ーザー走査型顕微鏡との調整は別々に行わなければなら
ないという問題が起こる。
The short pulse laser used (wavelength adjustable laser or constant wavelength laser)
Are generally very bulky, very expensive due to their technical complexity, and are only very cumbersome for the user. Generally, the laser is coupled directly optically into the scanning module of a laser scanning microscope with the aid of a beam delivery system (eg, a mirror or glass prism). This generally requires a long optical beam travel, which makes the system adjustment-sensitive and very wide. Generally, when laser adjustment is often required,
In particular, when the laser wavelength is changed or adjusted, the laser beam emitted from the laser generally moves spatially. As a result, the laser beam inside the laser scanning microscope can no longer be adjusted optically. Finally, fiber coupling of short pulse lasers (eg, when using a single mode polarization maintaining fiber) introduces the problem that the laser and laser scanning microscope must be adjusted separately.

【0004】レーザー走査型顕微鏡への短パルスレーザ
ーのこのようなファイバー結合は原則的には可能である
が、短いパルスについては、ガラス繊維の光学的分散の
理由で、また強度の大きなレーザーの際にガラス繊維核
内に現れうる自己位相変調、ブリユアン散乱、ラーマン
散乱等、非線形の光学的効果が現れ、一般に非常に問題
が多い。
[0004] Such a fiber coupling of a short pulse laser to a laser scanning microscope is possible in principle, but for short pulses, because of the optical dispersion of the glass fibers and also with high intensity lasers. However, nonlinear optical effects such as self-phase modulation, Brillouin scattering, and Raman scattering that can appear in the glass fiber nucleus appear, and are generally very problematic.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明は走査モジュー
ル中に組み入れられた短パルスレーザーをもつハイコン
パクトレーザー走査型顕微鏡に関するものである。この
配列にすることによって有利に、短パルスレーザーをレ
ーザー走査型顕微鏡と光学的に直接結合あるいはファイ
バー結合する取り扱いができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a high compact laser scanning microscope with a short pulse laser incorporated in a scanning module. This arrangement advantageously allows short pulse lasers to be directly or optically coupled to the laser scanning microscope.

【0006】例えば技術的にハイコンパクトな製造形態
で作り上げることができる短パルスレーザーは、ダイオ
ードレーザーで励起されたイオン供与ファイバーレーザ
ー、例えばレーザー共振器から波長約1550nmでレー
ザー光を発射する、ダイオード励起Er3+供与のファイバ
ーレーザーである。このレーザー放射は、レーザー共振
器の外で非線形光学結晶を介して高効率の高レーザー強
度(共振、非共振、準フェーズマッチング)に基づいて
波長約790nmへ周波数を2倍化することができる。放
射の一部は結晶中で、一般に第3高調波約515nmと、
第4高調波約387nmとにも変換される。同じように、
他の考えうる非線形変換過程が、すべて結晶中の決まっ
た変換効率とともに登場してくる。それとともに、模範
的なハイコンパクト短パルスレーザーが、いくつか同時
に存在するさまざまな固定出力波長をもって、さまざま
な顕微鏡の応用のために利用できる。
For example, short pulse lasers that can be produced in a technically compact form of manufacture are ion-donating fiber lasers pumped by diode lasers, such as diode-pumped lasers that emit laser light at a wavelength of about 1550 nm from a laser resonator. Er 3+ fiber laser. This laser radiation can be doubled in frequency to a wavelength of about 790 nm based on high efficiency and high laser intensity (resonant, non-resonant, quasi-phase matching) via a nonlinear optical crystal outside the laser cavity. Some of the radiation is in the crystal, typically at the third harmonic of about 515 nm,
The fourth harmonic is also converted to about 387 nm. Similarly,
All other possible non-linear conversion processes emerge with a fixed conversion efficiency in the crystal. Along with that, exemplary high-compact short-pulse lasers are available for a variety of microscopy applications, with several simultaneously present various fixed output wavelengths.

【0007】このレーザーは、例えば、コンパクトなハ
ウジング中で用意することができ、ハウジングは、走査
モジュール内でシャーシに固定され、コンパクトなハウ
ジングの開口部からレーザービームを、場合によっては
調整可能なやり方で発射する(図1)。レーザービーム
はコンパクトなハウジングの外側に配列された光学系を
通ることができ、この光学系がレーザービームを適切な
ビーム直径と適切なビーム発散とへ変換する。この光学
系は変えうるように作ってよく、顕微鏡光学系の色特性
にビームが適合するのに都合よくすることができる(例
えば可変のビーム幅調節器に)。同様に、透過と空間解
像度との関係を最適化するために、ビーム直径が対物レ
ンズ瞳直径に適合するのに適切なように作ることができ
る(可変ズーム)。
The laser can be provided, for example, in a compact housing, which is fixed to the chassis in the scanning module and in which the laser beam can be adjusted, possibly in an adjustable manner, through an opening in the compact housing. (Figure 1). The laser beam can pass through an optical system arranged outside the compact housing, which converts the laser beam into a suitable beam diameter and a suitable beam divergence. The optics may be made variable and may be advantageous for the beam to match the color characteristics of the microscope optics (eg, to a variable beam width adjuster). Similarly, to optimize the relationship between transmission and spatial resolution, the beam diameter can be tailored to fit the objective pupil diameter (variable zoom).

【0008】装置のレーザー安全性の保全ためのレーザ
ーシャッタ(ビーム遮断器)が、レーザービーム行程内
にあるレーザー走査型顕微鏡の走査モジュール内へ組み
入れられなければならない。これは機械的ビーム遮断器
の規範として作ることができる。レーザービームは、応
用のために必要なレーザー波長を選択するための波長選
択光学素子を通じて導入することができる。この素子は
誘電体フィルタ、音響光学素子、電子光学素子、屈折素
子、または散乱素子として、またはこれらの組み合わせ
として作ることができる。
[0008] A laser shutter (beam breaker) for maintaining the laser safety of the device must be incorporated into the scanning module of the laser scanning microscope which is in the laser beam path. This can be made as a paradigm for mechanical beam breakers. The laser beam can be introduced through a wavelength selective optic to select the required laser wavelength for the application. The element can be made as a dielectric filter, acousto-optic, electro-optic, refractive, or scattering element, or a combination thereof.

【0009】レーザービームは、応用に必要なレーザー
電力を調整するための強度を弱める素子を通じて導入す
ることができる。この素子は中立フィルタ、音響光学素
子、電子光学素子、屈折素子、または散乱素子として、
またはこれらの組み合わせとして作ることができる。音
響光学素子の場合、これはレーザーのパルス繰り返し率
の変動(順に連続しているレーザーパルスのうち一つの
パルスが時間的にみて孤立していること)に対するパル
スピッカーとしても有効に使用することができる。
[0009] The laser beam can be introduced through a weakening element to adjust the laser power required for the application. This element can be a neutral filter, acousto-optic, electro-optic, refraction, or scattering element,
Or they can be made as a combination of these. In the case of acousto-optic devices, this can also be used effectively as a pulse picker for fluctuations in the pulse repetition rate of the laser (one of the consecutive laser pulses is isolated in time). it can.

【0010】プレヒルプユニット、例えば一連の格子か
プリズム、またはそれらの組み合わせから成るものを、
走査モジュールや、顕微鏡や、試料の光学系に普通にあ
る正の分散を補償する負の分散を用意するために、レー
ザービーム行程(照明ビーム行程)中へ入れることがで
きる。それとともに、最大限に変換を制限されたレーザ
ーパルスを試料の場所に用意することが、有利となる。
A pre-hirp unit, such as one comprising a series of gratings or prisms, or a combination thereof,
It can be introduced into the laser beam path (illumination beam path) to provide a negative dispersion that compensates for the positive dispersion commonly found in scanning modules, microscopes, and sample optics. At the same time, it is advantageous to provide a laser pulse with the conversion limited to the maximum at the sample location.

【0011】レーザー放射はその後、主ビーム分割器
(例えば誘電体色分割器)に入り、これがレーザー放射
を検査中の試料の方向へ導く。この主ビーム分割器は、
主ビーム分割器レボルバー中、多くの色分割器の一つと
して作ることができ、同時に波長選択の光学素子とし
て、応用するのに必要なレーザー波長を選択するように
作ることができる。非光学的な証明技術(例えばOBICか
LIVA)の場合、主ビーム分割器はフルミラーとしても作
ることができる。
The laser radiation then enters a main beam splitter (eg, a dielectric color splitter), which directs the laser radiation toward the sample under examination. This main beam splitter
In the main beam splitter revolver, it can be made as one of many color splitters, and at the same time can be made as a wavelength selective optic to select the laser wavelength needed for the application. Non-optical verification technology (eg OBIC or
In the case of LIVA), the main beam splitter can also be made as a full mirror.

【0012】レーザービームスキャナーとしては、ビー
ムをx方向とy方向に偏向させるためのガルヴァノメータ
ースキャナを使用することができる。多光子顕微鏡の場
合、試料中の蛍光が、一つかいくつかの利用できるレー
ザー波長で励起される。蛍光放射の検出は、一般に図2
のような多チャンネル配列で行われ、その中で共焦点絞
りを使用することは、3D解像を得るために必ずしも必
要ではない。しかし変形として共焦点ピンホールが、単
純な多光子顕微鏡の深部解像度をはるかに超えるまでに
深部解像度を高めるために使用される(図3)。
As the laser beam scanner, a galvanometer scanner for deflecting a beam in the x direction and the y direction can be used. In the case of a multiphoton microscope, the fluorescence in the sample is excited at one or several available laser wavelengths. The detection of fluorescence emission is generally illustrated in FIG.
The use of a confocal stop in such a multi-channel arrangement is not necessary to obtain a 3D resolution. However, as a variant, confocal pinholes are used to increase the depth resolution to far beyond that of a simple multiphoton microscope (FIG. 3).

【0013】走査から外れた検出器構成か、走査から外
れない検出器構成かによる、光学的信号か非光学的信号
かの検出。パルスの形にしたレーザービームのボタン関
係に応じて、Lock-In増幅器かBox-Car増幅器かが、レー
ザーのパルス繰り返し率に同期した検出信号の、位相に
敏感な証明のために、使用される。それによって非常に
改善された信号対雑音関係が、検出の際雑音が入ってく
る証明システムの、帯域幅の減少を通じて得られる。
Detection of an optical signal or a non-optical signal depending on whether the detector configuration is out of scan or not. Depending on the button relationship of the pulsed laser beam, a Lock-In or Box-Car amplifier is used for phase-sensitive verification of the detection signal synchronized to the laser pulse repetition rate . A greatly improved signal-to-noise relationship is thereby obtained through a reduction in the bandwidth of the certification system, which on detection involves noise.

【0014】波長1550nmの使用は、例えば半導体、
特に構造化シリコンウェファーの顕微鏡検査の際、興味
深い。波長1550nmは、シリコンを通しても良く透過
する。対物レンズ焦点の直接領域でのみ、そしてそれに
よって深部弁別して、多光子励起(例えば非光学的検出
技術としてOBICやLIVAも)のような非線形光学過程によ
るか、より高調波の産出による励起に至る。それととも
にこの非線形過程は、顕微鏡的コントラスト手順とし
て、厚いシリコン物質との関係においても、3D解像顕微
鏡検査法、例えば非破壊ウェファー検査の分野で使用で
きる。
The use of a wavelength of 1550 nm is, for example, for semiconductor,
This is particularly interesting when examining structured silicon wafers under a microscope. The wavelength of 1550 nm is well transmitted through silicon. Only in the direct region of the objective lens focus, and thus deep discrimination, leads to excitation by non-linear optical processes such as multi-photon excitation (eg also OBIC and LIVA as non-optical detection techniques) or by the production of higher harmonics . In addition, this non-linear process can be used as a microscopic contrast procedure, even in the context of thick silicon materials, in the field of 3D resolution microscopy, for example non-destructive wafer inspection.

【0015】波長790nmは、例えば特に、通例生物試
料の蛍光標識用に使用される色素の2光子過程の一般的
励起に適している。緑色もしくは紫外線波長の517nm
もしくは387nmは、例えば反射コントラスト、蛍光コ
ントラストの試料の、時間解像度の顕微鏡検査法に使用
できる。緑色の放射517nmは安全なパイロット放射と
して、光学系のモンタージュの際の調整にも使用でき
る。特に、前記システムは生理学上の問題設定中で利用
するのに、例えば「鳥かご収容所」からの解放に適して
いる。ここでは790nmのビームは「解放」のための3
光子過程を介して厚いプレパラートの深い層でも利用で
き、一方遊離したイオンの観測が標識づけに使用された
発蛍光団の2光子励起によって行われる。
The wavelength of 790 nm is, for example, particularly suitable for the general excitation of the two-photon process of dyes usually used for fluorescent labeling of biological samples. 517nm of green or ultraviolet wavelength
Alternatively, 387 nm can be used for time resolution microscopy of, for example, reflection contrast, fluorescence contrast samples. The green emission of 517 nm can be used as a safe pilot emission for coordination during optical montage. In particular, the system is suitable for use in a physiological problem setting, for example for release from a "birdcage camp". Here, the 790 nm beam is 3 for “release”.
Through the photon process, even deep layers of thick preparations are available, while observation of the released ions is made by two-photon excitation of the fluorophore used for labeling.

【0016】この発明は以下のような困難に対する特に
有利な取り扱いの特徴をもつ。 ・ハイコンパクト顕微鏡システムを用意するためのレー
ザー走査型顕微鏡の走査モジュール内への短パルスレー
ザーの組込み。 ・さまざまな顕微鏡応用のためいくつかの波長を用意す
る目的でレーザー共振器に接続された、周波数倍化か、
周波数3倍化か、周波数加算か、周波数減算かを通じて
レーザービームの周波数を変換する一つかいくつかの非
線形光学結晶からなる光学系の配列か、他の光学的パラ
メーター化過程か、これらの任意な組み合わせかを用い
た短パルスレーザー(固定周波数調整可能または波長調
整可能)の組込み。 ・時間分解能をもつレーザー走査型顕微鏡検査法での使
用。 ・光学的検出信号利用下での共焦点か非共焦点かのレー
ザー走査型顕微鏡検査法での使用。 ・非光学的検出信号利用下でのレーザー走査型顕微鏡検
査法での使用。 ・レーザー走査2光子顕微鏡検査法での使用。 ・特に表面においてレーザー走査型顕微鏡を使った周波
数2倍化(SHG)の、材質検査での使用。 ・特に2D-OBICか3D-OBICかのための、材質検査での使
用。 ・前記点で記述された、2つかそれ以上の技術が組み合
わされた使用。
The present invention has particularly advantageous handling features for the following difficulties. -Incorporation of a short pulse laser into the scanning module of the laser scanning microscope to prepare a high-compact microscope system. -Frequency doubling, connected to a laser resonator to prepare several wavelengths for various microscope applications,
An array of optics consisting of one or several nonlinear optical crystals that convert the frequency of the laser beam through frequency doubling, frequency addition, or frequency subtraction, other optical parameterization processes, or any of these Incorporation of short pulse lasers (fixable frequency adjustable or wavelength adjustable) using a combination. • Use in laser scanning microscopy with time resolution. • Use in confocal or non-confocal laser scanning microscopy using optical detection signals. -Use in laser scanning microscopy using non-optical detection signals. -Use in laser scanning two-photon microscopy.・ Use of frequency doubling (SHG) using a laser scanning microscope, especially on the surface, in material inspection. -Use in material inspection, especially for 2D-OBIC or 3D-OBIC. The combined use of two or more techniques as described in the preceding paragraph.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は光射出開口部Lを通じて顕
微鏡ビーム行程と結合する走査用頭部Sであって、次の
図で詳細に記述される走査用頭部のハウジングを模式的
に示す。このハウジング内へ、走査用頭部Sと共にコン
パクトなユニットを作る短パルスレーザーKPL32のハ
ウジングが組み込まれている。走査用頭部に有効となる
ように、レーザー32を共にカバーするここに示されて
いないカバーが配備されている。
FIG. 1 shows a scanning head S coupled to a microscope beam path through a light exit aperture L, schematically showing a housing of the scanning head described in detail in the following figures. Show. The housing of the short pulse laser KPL32 which forms a compact unit together with the scanning head S is incorporated in the housing. A cover (not shown) is provided to cover the laser 32 together to effect the scanning head.

【0018】図2には、共通の光学的接点をもってい
る、顕微鏡ユニットMと走査用頭部Sとが模式的に図示さ
れている。走査用頭部Sは、直立した顕微鏡の光電管へ
も、倒立した顕微鏡の横の出口へも有効に接続すること
ができる(DE4323129A1)。図2には、照明光走
査と透過光走査との間で回転鏡14を介して切り替え可能
な顕微鏡ビーム行程であって、光源1、照明レンズ系
2、ビーム分割器3、対物レンズ4、試料5、集光器
6、光源7、受光配列8、第1円筒レンズ9、第2円筒
レンズ10のところの観測ビーム行程、接眼レンズ1
1、走査ビームの結合のためのビーム分割器12をもつ
顕微鏡ビーム行程が図示されている。走査用頭部の構成
要素は発明に従うと、短パルスレーザー32と、続いて
配列されたシャッタ34と、波長を選択するためのフィ
ルタ33か、図4に模式的に示したように、周波数を多
数倍するか、加算するか、減算するかを通じて周波数を
変換するための、続いて配列された一つかいくつかの非
線形光学クリスタル43であって、図1に示したよう
に、ハウジングの中へか、ハウジングの表面へか、取り
付けることができ、それに適したビーム偏向素子、特に
図4にあるような鏡38を通じて、走査ビーム行程中に、
ここでは分割鏡24を通じて結合されている、非線形光
学クリスタルかである。
FIG. 2 schematically shows a microscope unit M and a scanning head S having a common optical contact. The scanning head S can be effectively connected both to the phototube of an upright microscope and to the side exit of an inverted microscope (DE 4323129 A1). FIG. 2 shows a microscope beam path that can be switched between illumination light scanning and transmitted light scanning via a rotating mirror 14, and includes a light source 1, an illumination lens system 2, a beam splitter 3, an objective lens 4, and a sample. 5, condenser 6, light source 7, light receiving array 8, first cylindrical lens 9, observation beam path at second cylindrical lens 10, eyepiece 1
1. A microscope beam path with a beam splitter 12 for combining scanning beams is shown. According to the invention, the components of the scanning head are, according to the invention, a short-pulse laser 32, a subsequently arranged shutter 34, and a filter 33 for selecting the wavelength, or as shown schematically in FIG. One or several non-linear optical crystals 43 arranged in succession to convert the frequency through multiple multiplication, addition or subtraction, into the housing as shown in FIG. During the scanning beam travel, through a suitable beam deflecting element, in particular a mirror 38 as shown in FIG.
Here, it is a non-linear optical crystal coupled through a split mirror 24.

【0019】プレパラート中に焦点をしっかりと設定
し、そして/または変更するために有効となるように、
光軸に沿って動かしうるレンズ系38が配備されてい
る。こうすることによってはじめて、分離されたレーザ
ーユニットが、非常なコンパクト性のほか、調整がしっ
かりとできるということがとりわけ有効だという点で、
有効となる。ファイバー結合の際、何らかの形で調整の
問題か、結合の問題かが同様にもち上がる。さらに、非
光学的検出のための手段35が、特に半導体検査の際の
電流測定のために、また他の検出手段、前もって準備さ
れた光学系とフィルタとをもつPMTが、部分的に通過さ
せる鏡12の後ろで走査手段による試料の光が通過する
ことなしに配備されている。
To be effective for setting and / or changing the focus during the preparation,
A lens system 38 movable along the optical axis is provided. Only then can the separate laser unit be particularly effective in that it is extremely compact and can be adjusted tightly.
Becomes effective. In the case of fiber coupling, somehow it is a matter of coordination or coupling. Furthermore, the means 35 for non-optical detection, in particular for current measurement during semiconductor inspection, and other detection means, PMTs with pre-prepared optics and filters, are partially passed. It is arranged behind the mirror 12 without the light of the sample by the scanning means passing through it.

【0020】走査ユニットはさらに、走査対物レンズ2
2と、スキャナー23と、主ビーム分割器24と、検出
チャンネル用の共通の写像レンズ系25とから成る。写
像レンズ系25のうしろの偏向プリズム27は、ダイク
ロイックビーム分割器28の方向へ写像レンズ系25
と、その後ろに配列されたその放射フィルタ30と、そ
れに適合する受光素子31(PMT)と、の収束ビーム行程
で、試料5から来るビームを写す。
The scanning unit further comprises a scanning objective 2
2, a scanner 23, a main beam splitter 24, and a common mapping lens system 25 for the detection channel. The deflecting prism 27 behind the imaging lens system 25 moves the imaging lens system 25 toward the dichroic beam splitter 28.
The beam coming from the sample 5 is imaged in the convergent beam path of the radiation filter 30 arranged behind and the corresponding light receiving element 31 (PMT).

【0021】一部を通過させる鏡18を介して、モニタ
ダイオード19と、そのために前もって配列されている
ここに示されていない回転可能なフィルタ台車に載った
線フィルタ21と、中立フィルタ20との方向へ、監視
ビーム行程がフェードアウトされる。多光子励起の際有
効なように、空間的な高解像度によって受光器31の前
に配列されたピンホールを置くことができるが、これは
図5のような他のレーザーとの結合の際、3方向に空間
的に位置調整ができ、しかも図3のように絞り孔37と
して置き換えることができる。
Via a mirror 18 which passes through a part, a monitor diode 19 and a line filter 21 mounted on a rotatable filter carriage, not shown here, arranged in advance for this purpose, and a neutral filter 20 are connected. In the direction, the monitoring beam stroke is faded out. In order to be effective for multiphoton excitation, a spatially high resolution allows a pinhole arranged in front of the receiver 31 to be placed, which is used for coupling with another laser as shown in FIG. The position can be spatially adjusted in three directions, and can be replaced with the aperture 37 as shown in FIG.

【0022】図4では、付加の置き換え可能な外部レー
ザー42が、光ファイバー41を通じて走査用頭部Sと
のレーザー結合で結ばれていて、動かせる視準レンズ系
40と、ビーム偏向素子39とを介して、走査ビーム行
程中へ結合される。ここでは、単独か共通かで1本か数
本かのファイバーに結合されるいくつかの単独波長レー
ザーと多波長レーザーとをも取り扱うことができる。さ
らに、顕微鏡側へのビーム発射が、ここに示されない適
合レンズ系を通過した後色集合器によって混合される、
同時に数本のファイバーを通じての結合もできる。さま
ざまなレーザーのビーム放射をファイバー行程中で混合
することも、ここに示されない分割鏡によって可能であ
る。この発明によって走査用頭部に組み込まれた短パル
スレーザー32は、ここで偏向素子38を介して非常に
よくそれの方向に幾何学的に広い走査ビーム行程と鏡3
9の位置とへ適合している。
In FIG. 4, an additional replaceable external laser 42 is connected by laser coupling with the scanning head S via an optical fiber 41 and is movable via a movable collimating lens system 40 and a beam deflecting element 39. And into the scanning beam path. Here, several single-wavelength lasers and multi-wavelength lasers that are coupled to one or several fibers, either alone or common, can also be handled. Furthermore, the beam emission to the microscope side is mixed by a color aggregator after passing through a matching lens system not shown here,
At the same time, coupling through several fibers is also possible. It is also possible to mix the beam radiation of the various lasers in the fiber path by means of a split mirror not shown here. The short-pulse laser 32 incorporated in the scanning head in accordance with the invention now very well passes through the deflection element 38 in the direction of its geometrically wide scanning beam path and mirror 3.
9 positions.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明は、レーザー走査型顕微鏡の走査
モジュール内に短パルスレーザーを直接結合かファイバ
ー結合かをすることでコンパクトにレーザを配列し、例
えば生物試料を3D解像顕微鏡検査するための例えば多
光子顕微鏡検査法において特に有利に使用することがで
きる。多光子技術がもつ深部弁別の力によって、検査ビ
ーム行程中に共焦点絞り(ピンホール)を使用すること
は全く必要がない。そうすることで顕微鏡系は技術的に
非常にたやすく実現でき、応用に際して特にたやすく取
り扱いできる。同時にいくつかの波長を利用する短パル
スレーザーシステムを使用することによって、ただ1台
のコンパクトな顕微鏡システムで同時にさまざまな応用
法が実現できる。
Industrial Applicability The present invention provides a compact arrangement of lasers by directly or fiber-coupled short-pulse lasers in a scanning module of a laser scanning microscope, for example, for 3D resolution microscopy of biological samples. For example in multiphoton microscopy. Due to the deep discrimination power of multiphoton technology, there is no need to use a confocal stop (pinhole) during the inspection beam stroke. In doing so, the microscope system is very easy to implement technically and is particularly easy to handle in application. By using a short pulse laser system that utilizes several wavelengths at the same time, various applications can be realized simultaneously with only one compact microscope system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】コンパクト短パルスレーザーをレーザー走査型
顕微鏡の走査モジュール内へ組み込む模範的な完成図。
FIG. 1 is an exemplary completed view of incorporating a compact short pulse laser into a scanning module of a laser scanning microscope.

【図2】検出ビーム中に共焦点絞りを使用せずに、コン
パクト短パルスレーザーをレーザー走査型顕微鏡の走査
モジュール内へ組込みを実施するときの光学的ビーム行
程。
FIG. 2 shows the optical beam path when implementing a compact short pulse laser into the scanning module of a laser scanning microscope without using a confocal stop in the detection beam.

【図3】検出ビーム中に共焦点絞りを使用して、コンパ
クト短パルスレーザーをレーザー走査型顕微鏡の走査モ
ジュール内へ組込みを実施するときの光学的ビーム行
程。
FIG. 3 shows the optical beam path when implementing a compact short pulse laser into the scanning module of a laser scanning microscope using a confocal stop in the detection beam.

【図4】レーザー走査型顕微鏡と組み込まれた短パルス
レーザーとの標準操作用に、外部に光ファイバーを通じ
て結合されたレーザーを、発明に従って組み合わせると
きのビーム行程。
FIG. 4 shows the beam path when combining a laser coupled through an optical fiber externally according to the invention for standard operation with a laser scanning microscope and an integrated short pulse laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 照明レンズ系 3 ビーム分割器 4 対物レンズ 5 試料 6 集光器 7 光源 8 受光配列 9 第1円筒レンズ 10 第2円筒レンズ 11 接眼レンズ 12 ビーム分割器 14 回転鏡 19 モニタダイオード 20 中立フィルタ 21 線フィルタ 22 走査対物レンズ 23 スキャナー 24 主ビーム分割器 25 写像レンズ系 27 偏向プリズム 28 ダイクロイックビーム分割器 30 放射フィルタ 31 受光素子31(PMT) 32 短パルスレーザー 33 フィルタ 34 シャッタ 35 非光学的検出手段 37 絞り孔37 38 偏向素子 39 ビーム偏向素子 40 視準レンズ系 41 光ファイバー 42 外部レーザー 43 非線形光学クリスタル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Illumination lens system 3 Beam splitter 4 Objective lens 5 Sample 6 Condenser 7 Light source 8 Light receiving array 9 First cylindrical lens 10 Second cylindrical lens 11 Eyepiece 12 Beam splitter 14 Rotating mirror 19 Monitor diode 20 Neutral filter Reference Signs List 21 line filter 22 scanning objective lens 23 scanner 24 main beam splitter 25 imaging lens system 27 deflecting prism 28 dichroic beam splitter 30 radiation filter 31 light receiving element 31 (PMT) 32 short pulse laser 33 filter 34 shutter 35 non-optical detection means 37 aperture 37 37 deflecting element 39 beam deflecting element 40 collimating lens system 41 optical fiber 42 external laser 43 nonlinear optical crystal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウルリッヒ シモン (氏名原語表記) Ulrich Simon ドイツ国 D−07751 ローテンスタイン ブルグストラッセ 35 (住所又は居所 原語表記) Burgstr. 35, D −7751 Rothenstein, Ge rmany (72)発明者 ラルフ ヴォレシェンスキー (氏名原語 表記) Ralf Wolleschen sky ドイツ国 D−99510 シェッテン アン デル プロムナーデ 3 (住所又は居 所原語表記) An der Prome nade 3, D−99510 Schoe ten, Germany ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Ulrich Simon (Original notation) Ulrich Simon Germany D-07751 Rotenstein Burgstrasse 35 (Address or residence Original notation) Burgstr. 35, D-7551 Rothenstein, Germany (72) Inventor Ralph Woleschensky (Name in original language) Ralf Wolleschen sky Germany D-99510 Shetten and der Promenade 3 (Address or address in original language) Ander Perme D-99510 Schoen, Germany

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】顕微鏡ビーム行程と、検査すべき試料から
の放射を、観測手段および/または検査手段の方向へ写
像するための伝達レンズ系とをもつ顕微鏡部と、レーザ
ビームを偏向させるための走査手段をもつ走査部とから
成るハイコンパクトレーザー走査型顕微鏡であって、顕
微鏡部と走査部とが、レーザー光を顕微鏡ビーム行程中
へ結合するための光学的接点を示し、走査部の構成部分
を作る短パルスレーザーと、特に多光子励起用の短パル
スレーザーと、短パルスレーザー放射を走査手段中へ結
合するための結合手段とを配備したハイコンパクトレー
ザー走査型顕微鏡。
1. A microscope section having a microscope beam path, a transmission lens system for mapping radiation from a sample to be inspected in the direction of an observation means and / or an inspection means, and a deflection section for deflecting a laser beam. A high-compact laser scanning microscope comprising a scanning section having scanning means, wherein the microscope section and the scanning section show optical contacts for coupling laser light into a microscope beam path, and the components of the scanning section A high-compact laser scanning microscope equipped with a short-pulse laser for producing lasers, in particular a short-pulse laser for multiphoton excitation, and coupling means for coupling the short-pulse laser radiation into the scanning means.
【請求項2】顕微鏡対物レンズからの顕微鏡ビーム行程
と、検査すべき試料から来るビームを観測手段および/
または検査手段の方向へと写像するための、少なくとも
一つの伝達(円筒)レンズと、第1のハウジングへ装着
できる第2のハウジングとをもつ第1のハウジングを含
むハイコンパクトレーザー走査型顕微鏡であって、第1
のハウジングと第2のハウジングとがレーザー光を顕微
鏡ビーム行程へ結合させるための光学的接点を示し、第
2のハウジング内には、レーザービームを偏向させるた
めの走査手段と、第2のハウジング内へ組み込まれた短
パルスレーザーと、特に多光子励起用の短パルスレーザ
ーと、短パルスレーザーの放射を走査手段中へ結合する
ための結合手段とを配備するハイコンパクトレーザー走
査型顕微鏡
2. The method according to claim 1, further comprising the steps of:
Alternatively, a high-compact laser scanning microscope comprising a first housing having at least one transfer (cylindrical) lens for mapping in the direction of the inspection means and a second housing mountable on the first housing. And the first
And the second housing show optical contacts for coupling the laser light into the microscope beam path;
In the second housing, scanning means for deflecting the laser beam, a short pulse laser incorporated in the second housing, particularly a short pulse laser for multiphoton excitation, and scanning of the short pulse laser radiation High compact laser scanning microscope with coupling means for coupling into the means
【請求項3】検出手段が、試料からの放射を把握するた
めに第2のハウジング内に/走査部に組み込まれている
請求項1あるいは2に記載のハイコンパクトレーザー走
査型顕微鏡
3. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein the detection means is incorporated in the second housing / scanning section for detecting radiation from the sample.
【請求項4】結合手段が、レーザービームを適切なビー
ム直径と適切なビーム発散とへ変換する請求項1あるい
は2に記載のハイコンパクトレーザー走査型顕微鏡
4. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein the coupling means converts the laser beam into an appropriate beam diameter and an appropriate beam divergence.
【請求項5】結合手段が、可変である請求項4に記載の
ハイコンパクトレーザー走査型顕微鏡
5. The high-compact laser scanning microscope according to claim 4, wherein the coupling means is variable.
【請求項6】結合手段が、光軸に沿って動かしうる結合
レンズである請求項5に記載のハイコンパクトレーザー
走査型顕微鏡
6. The high-compact laser scanning microscope according to claim 5, wherein the coupling means is a coupling lens movable along the optical axis.
【請求項7】装置のレーザー安全性の保全ためのレーザ
ーシャッタ(ビーム遮断器)が、レーザー出口に配置し
てある請求項1あるいは2に記載のハイコンパクトレー
ザー走査型顕微鏡
7. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein a laser shutter (beam breaker) for maintaining the laser safety of the apparatus is arranged at a laser exit.
【請求項8】レーザー出口にレーザー波長を選択調節す
るためのフィルタを配置してある請求項1あるいは2に
記載のハイコンパクトレーザー走査型顕微鏡
8. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein a filter for selectively adjusting a laser wavelength is arranged at a laser exit.
【請求項9】レーザー出口にレーザー電力を調整するた
めの強度を弱める素子を配置してある請求項1あるいは
2に記載のハイコンパクトレーザー走査型顕微鏡
9. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein an element for reducing the intensity for adjusting the laser power is arranged at the laser exit.
【請求項10】周波数倍化、3倍化、加算または減算に
よる周波数変換する非線形光学結晶からなる光学系を配
列してなる請求項1あるいは2に記載のハイコンパクト
レーザー走査型顕微鏡
10. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein an optical system comprising a non-linear optical crystal for frequency conversion by frequency doubling, tripling, addition or subtraction is arranged.
【請求項11】ファイバーレーザーが波長:ダイオード
励起されたEr3+供与の、約1550nmの波長をもつこ
とを特徴とする請求項1あるいは2に記載のハイコンパ
クトレーザー走査型顕微鏡
11. A high-compact laser scanning microscope according to claim 1, wherein the fiber laser has a wavelength of about 1550 nm, wavelength: diode-pumped Er3 + donation.
【請求項12】・非線形光学結晶を介して約790nmへ
の周波数の倍化をする請求項10に記載のハイコンパク
トレーザー走査型顕微鏡
12. The high-compact laser scanning microscope according to claim 10, wherein the frequency is doubled to about 790 nm via a nonlinear optical crystal.
JP21839498A 1997-08-01 1998-08-03 High compact laser scanning type microscope with integrated short pulse laser Pending JPH11149045A (en)

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