(57)【要約】  正確な入射角度で、かつ照明フィールドにわたって均一の強度で、対物レンズを通じて照明を提供するために使用される光学システムである。このシステムは、対物レンズの像側開口で連続的に可変の直径を有するリング状照明を提供する。結果として生じる、対物レンズのイメージ面での照明フィールドは、対物レンズの光軸に関して単独の入射角度を伴う放射線を含む。この入射角度はアキシコンレンズの位置によって定められる。イメージ面は、対物レンズの光軸を中心として３６０度回転から照明される。
2009514028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを成形するための照明システムであって、当該システムは以下の要素を含んでおり：すなわち、
光源；
光学装置；
調整可能なアキシコンレンズ；
イメージ面；および
自身の発散面を以て前記イメージ面内に配置されているディフューザ、
を有している、
ことを特徴とする照明システム。
【請求項２】
前記光源は、光ファイバーおよびレーザから成るグループから選択された少なくとも１つのものである、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記レーザは、紫外レーザ、可視レーザ、赤外レーザおよびパルス状レーザから成るグループから選択された少なくとも１つのものである、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記光学装置は、レンズ、マスクおよび定常的なアキシコンレンズから成るグループから選択された、少なくとも１つの光学要素を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記光学装置は第１のレンズ、定常的なアキシコンレンズ、マスクおよび第２のレンズを含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のレンズは前記光源と前記定常的なアキシコンレンズの間に配置されており、前記マスクは前記定常的なアキシコンレンズと前記第２のレンズの間に配置されており、前記第２のレンズは前記マスクと前記調整可能なアキシコンレンズの間に配置されている、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記調整可能なアキシコンレンズの位置は、前記イメージ面の位置に関して調整可能である、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記調整可能なアキシコンレンズは手動または自動で調整可能である、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記光学装置は前記光源からの前記光ビームを収束し、これによってリング状イメージが形成され、
前記調整可能なアキシコンレンズは前記リング状イメージの半径をコントロールし；ここで前記リング状イメージは前記イメージ面上にフォーカシングされる、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
照明フィールドレンズおよび瞳面を含み、前記照明フィールドレンズは前記ディフューザと前記瞳面の間に配置されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記照明フィールドレンズは前記イメージ面からの光をコリメートし、当該コリメートされた光を前記瞳面上にセンタリングする、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
さらに照明フィールドレンズを含み、前記システムは対物レンズを通じて、正確な入射角で、かつ照明フィールドにわたって均一の強度で照明を提供する、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
光ビームを成形する方法であって：
光源から前記光ビームを放射させ；
前記光ビームは光学装置を通過し、ここで当該光ビームは収束されて、リング状イメージが形成され；
当該リング状イメージの半径を調整し；
前記リング状イメージをイメージ面上にフォーカシングし；
前記イメージ面からの前記リング状イメージの光を発散させる、
ことを特徴とする、光ビームを形成する方法。
【請求項１４】
前記光源は、光ファイバーおよびレーザから成るグループから選択された少なくとも１つである、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザは、紫外レーザ、可視レーザ、赤外レーザおよびパルス状レーザから成るグループから選択された少なくとも１つである、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記光学装置は、レンズ、マスクおよび定常的なアキシコンレンズから成るグループから選択された少なくとも１つの光学要素を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記光学装置は第１のレンズ、定常的なアキシコンレンズ、マスクおよび第２のレンズを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記リング状イメージの半径は調整可能なアキシコンレンズによって調整され、前記第１のレンズは前記光源と前記定常的なアキシコンレンズとの間に配置されており、前記マスクは前記定常的なアキシコンレンズと前記第２のレンズとの間に配置されており、前記第２のレンズは前記マスクと前記調整可能なアキシコンレンズとの間に配置されている、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記調整可能なアキシコンレンズの位置を前記イメージ面に関して調整することができる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記調整可能なアキシコンレンズは手動または自動で調整可能である、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記イメージ面からの光をコリメートすること、および当該コリメートされた光を瞳面上にセンタリングすることを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
正確な入射角度で、照明フィールドにわたって均一な強度で、前記対物レンズを通じて照明を提供する、請求項１３記載の方法。
【請求項２３】
顕微鏡装置であって、以下の要素を含み：すなわち、
光学顕微鏡；および
光ビームを成形するための照明システムを含み、当該システムは以下の要素を含み：すなわち、
光源；
光学装置；
調整可能なアキシコンレンズ；
イメージ面；および
前記イメージ面内に自身の発散表面で以て配置されているディフューザを含む、
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２４】
前記光学顕微鏡は全反射照明蛍光顕微鏡である、請求項２３記載の顕微鏡装置。
【請求項２５】
全反射を用いてサンプルを照明する方法であって、
当該方法は、正確な入射角度で、照明フィールドにわたって均一の強度で、対物レンズを通じて照明を提供することを含む、
ことを特徴とする、全反射を用いてサンプルを照明する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明の開示内容は顕微鏡法に関し、殊に全反射を用いてサンプルを照明する照明光学システムに関する。本発明は、リソグラフィアプリケーション用の照明を含む、幅広い用途を有する。
【０００２】
２．関連技術の説明
蛍光学顕微鏡法は近年では、全ての基本的な科学研究および中心的設備における重要なツールである。緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）およびその多様な色変化領域等の遺伝的コード化標識の出現によって、基本的な細胞プロセスを測定するための蛍光ライブセルイメージングの使用が急増した。最も容易な照明のタイプは落射蛍光学顕微鏡法であり、これは典型的にケーラー照明のための水銀アークランプを使用する。これは、使用しやすさの点で最も流布している蛍光照明方法であるが、細胞全体が照明され、軸方向の解像度が乏しい、という欠点を有している。軸方向解像度の改善および「オプティカルセクショニング」が必要とされていることに鑑みて、市販の共焦マイクロスコープが開発された；一般的な共焦はレーザスキャニングまたはディスクスキャニングである。これらの器具は約５００ｎｍの軸方向解像度を有しており、生物科学および材料科学において幅広く使用されている。その制限は、レーザおよび特別なハードウェアおよびソフトウェアを必要とすること、および感度が比較的低いことである。薄いオプティカルセクショニングおよびより高い感度を提供する光学顕微鏡法の別の形態は、以下で説明する全反射照明蛍光学顕微鏡法（ＴＲＩＦ；エバネッセント波顕微鏡法とも称される）である。
【０００３】
ＴＩＲＦは、（通常はレーザからの）全反射された光を使用して選択的照明を行い、ガラスと水の境界面（またはガラスと細胞の境界面）に隣接している非常に薄い領域(約２０〜２００＋ｎｍ）において蛍光体を励起する。高い屈折率の媒体（例えば、水分または細胞質基質）内へのトンネル効果を有するエバネッセント場の強度はｚ軸に沿って指数関数的に低下し、表面から離れている蛍光体は励起されない；浸透深さは波長、２つの媒体の屈折率および入射光の角度に依存する。この光学的手法によって、他の光学顕微鏡法技術によっては得られないほど高い信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）イメージが得られる。多数の細胞表面プロセスの視覚化が格段に容易になる。これは例えばシグナリング、開口分泌、飲食作用、原子移動、細胞骨格等である。Ｓ／Ｎが高いので、単一の分子を直接的に研究することができ、単一分子レベルでの生化学的な研究が生体内および生体外で行うことができる。
【０００４】
浸透深さは以下の式によって計算される：
2009514028.tif 000003
【０００５】
ＴＩＲの場合：ｎ１＞ｎ２（ここでｎ＝媒体１および媒体２の屈折率；ｎ１は通常はガラスであり、ｎ２は通常は水分である）。エバネッセント場に対する式（３つめのボックス）のみが使用されてもよく、またより完全にするために、３つ全てのボックスが使用されてもよい。ここでＴＩＲの場合には、（上で規定された）臨界角を越えなければならない。
【０００６】
この技術によって、試料（通常は細胞または組織）は一般的にカバーガラス上に置かれ、ガラス／細胞質基質境界面を通る光の通過に対するいわゆる「臨界角」を上回る角度で入射した光でガラス側面から照明される。ＴＲＩＦのための必須条件は、第２の媒体（例えば細胞質基質（屈折率は約１．３６〜１．３８）または水（屈折率は約１．３３））の屈折率がカバーガラスの屈折率を下回ることである；後者は典型的に標準的なカバーガラスの場合には１．５１であるが、他のより高い屈折率を有する材料、例えばサファイア（屈折率は約１．７８）を使用することも可能である。
【０００７】
これらの条件下で、非常に浅いエバネッセント光場が生成され、これは境界面から試料内へ浸透する。これはしばしば「エバネッセント照明」と称される。ガラスを越えたこの照明の浸透深さは、ガラス表面に対する照明光の入射角に強く依存する。
【０００８】
ＴＩＲＦイメージングのための器具の１つの一般的な種類は「対物レンズタイプＴＩＲＦ（objective-type TIRF）」である。この装置では、単一の顕微鏡対物レンズが、エバネッセント照明および蛍光色特徴のイメージを記録するために使用される。この技術は、択一的な方法と比較してシンプルかつ廉価であり、対物レンズに背いている、結像された試料の面に容易にアクセス可能であるという利点を有している。
【０００９】
この方法に基本的に必要とされるのは対物レンズの開口数が、全反射が生じる水分媒体（典型的には水または細胞質基質）の屈折率よりも高いということである。従って実際には開口数（Ｎ．Ａ）＞１．３８が細胞におけるＴＩＲＦを実現するために必要である（一般的には高ければ高いほどよい）。多くの顕微鏡メーカーではここ１０年においてようやく、「対物レンズタイプ」照明を用いた細胞によるＴＩＲＦを容易に実現するための高いＮ．Ａ（Ｎ．Ａ  １．４５〜１．６５）を有するレンズを製造することが可能になった。充分に高いＮ．Ａ対物レンズによって、その最大角度許容限界近傍を通過する光からエバネッセント照明が生成される（後焦点面において）。特に、これは、対物レンズ入射瞳の外側エッジ近傍の環状帯を通過する光に相当する。この「クリチカルな」直径の内側を通過する光は、ガラスと試料の境界面でサブクリチカルな入射角を有し、通常の深い照明として、この境界面を通って通過する。この「クリチカルな」直径の外側を通過する光は、エバネッセント照明場を生成することができる。
【００１０】
この対物レンズＴＩＲＦ照明方法ははじめにStout, Al, Exelrod, D著の文献「Evanescent Field Excitation of Fluorescence by EPI-Illumination Microscopy（Applied Optics, 28 (24): 5237-5242, December 15, 1989.）」に記載された。この文献はエバネッセント照明のための４つの光学システムを記載している。これらの装置全てにおいて、環状の照明パターンを形成するために環状の開口が用いられている。このマスクは従来の反転蛍光顕微鏡の外側に配置され、パターンはレンズを伴う対物レンズの後方瞳に中継される。レーザまたはアークランプが光源として示される。環状のマスクは固定された位置および固定された直径を有する。
【００１１】
提示された光学システムの１つにおいて、円錐アキシコンレンズが使用され、アークランプ源からの集光が改善される、ことに留意されたい。これはＴＩＲＦ結像システムに関するアキシコンの最初の言及である。アキシコンは固定された入射角を有している。
【００１２】
ＴＩＲＦは２０年以上前に誕生し、第１の共焦顕微鏡のように、全ての設定はカスタマイズされ、通常は光をサンプル内に結合させるためにプリズムを使用する。上述したように、近年になってのみ、顕微鏡メーカーは高い屈折率の対物レンズ（１．４５〜１．６５Ｎ．Ａ）を開発し、これによって細胞での「対物レンズタイプ」のＴＩＲＦを行うことが可能になった。後者は「プリズムタイプのＴＩＲＦ」に対して以下の利点を有している。すなわち、サンプルへの完全なアクセスが可能であり、このような新たなレンズを容易に受け入れることができるという利点である。対物レンズタイプＴＩＲＦは、典型的に水浸対物レンズを使用し、水分媒体を通過した遠視野光を集めるプリズムタイプのセットアップよりも、近接場放射された光の収集においてより効果的である。
【００１３】
ＴＩＲＦは科学者の間で非常に一般的になった。なぜなら、ＴＩＲＦは細胞表面近傍でのプロセスの、比類ないほど高い解像度のイメージングを提供するからである。（２−フォトン顕微鏡を含む）共焦顕微鏡製造と同様に、この市場に対する全ての一連の器具が揃った（これらは主に対物レンズタイプである）。近年では、多くの対物レンズタイプＴＩＲＦ器具は共通の設計を有している。ここではレーザ光が、高い開口数の対物レンズの後方焦点面の外側周辺上のスポットにフォーカシングされる。効果的であるが、主な欠点はこの手法から結果として生じる：（１）レーザ光は容易に干渉作用を生じさせる、（２）照明は均一でなく、サンプルにわたって、浸透深さが変化する、（３）システムのユーザによるアライメントは注意を要する、なぜならスポットは複数の同等な位置に配置可能だからである、（４）より深い浸透では、しばしばサンプルによる、明確な側方散乱が生じる（側方からの照明および屈折率の不整合が原因である）。これによって「コマ（coma）」タイプ方法でスミアが発生しているイメージが生じてしまう。
【００１４】
択一的な手法は、後方焦点面を照明する光のリングを使用することを含む。これは、ガウスビームの中央部分を遮断するリング状開口を有するマスクを使用することによって得られる。光の大部分が損失することは容易に改善されるが、パワフルなレーザを用いることが必要とされる。第２に、適切な光を集めるための充分に幅の広い（例えば２００ミクロン）リングを使用することによって、薄いエバネッセント場を作成するのは困難になり、従って浸透深さが所望のものよりも深くなってしまう。第３に、照明角度を変えるために、異なる直径のリングを有する新たなマスクを挿入すること、および再較正が必要でなる。これに加えて、この手法は効果的でも、実用的でもない。
【００１５】
他のオプションは、放射状にディスクの後方焦点面をスキャンすることである。これは不均等さを取り除き、散乱を減少させることができる。しかし、くさびをスピンさせることまたは検流計ミラーまたは同等のデバイスを用いて後方焦点面をスキャンすることが必要である。
【００１６】
アメリカ合衆国特許第６９９２８２０号は、TIRF顕微鏡法の目的で、顕微鏡を通じて、光ファイバーを用いてレーザ出力を対物レンズの後方瞳面に結合する方法を記載している。後方瞳面における光ファイバーの中継されたイメージの位置は、ファイバーチップを動かすことによって調整される。この調整によって、入射角度領域が実現される。
【００１７】
アメリカ合衆国特許第７０４２６３８号はアメリカ合衆国特許第６９９２８２０号と僅かに異なっている。主な違いは、光が顕微鏡内に導かれるルートにある。ファイバー光学系からの光は、対物レンズの後方瞳面内の単独のポイントへ案内される。
【００１８】
アキシコン光学系は以下の文献においてはじめて紹介された。McLeod, JH著 「The Axicon - A New Type of Optical Element（Journal of Optical Society AM, 44 (8): 592-597, 1954）」。ＭｃＬｅｏｄはこの文献において用語「アキシコン」を新たに造った。これは概略的に以下のように定義されている：「全てのアキシコンは回転形状である。アキシコンは、その回転軸上の点源がその軸に沿ったポイントの領域で結像されるという特性を有している。」円錐レンズはアキシコンであるが、用語アキシコンは一義的には円錐レンズではない。
【００１９】
ヨーロッパ特許ＥＰ１２１１５６１Ａ２号は、スキャンビーム内の焦点近傍に配置された２つのアキシコンを使用したリソグラフィ用の照明システムを開示している。アキシコン間隔は調整可能であり、対物レンズの視野を照明する光のコヒーレンスをコントロールするために使用される。イメージ面に配置された定常的な組み込みロッドは、均一な照明を得るために、光を均一にするために使用される。
【００２０】
アメリカ合衆国特許第５６７５４０１号は、ズームレンズ内に配置された２つのアキシコンを使用した、リソグラフィ用の照明システムを開示している。ビームがアキシコンを通過する箇所では、レンズのズーム設定に依存して、収束または発散が行われる。アキシコン間隔は調整可能であり、対物レンズの視野を照明する光のコヒーレンスをコントロールするために使用される。
【００２１】
本発明は、以下の特徴を有する照明システムを提供することによって、従来の固定されたアキシコン照明システムにおける欠点を克服する。（１）容易に自動化される、入射角度の調整ルーチン；（２）現在するリング状開口からの大きい損失と比べて光損失が僅かである小さい円形マスク；および（３）レーザースペックルおよび干渉フリンジ作用の除去。
【００２２】
本発明は、対物レンズの光軸を中心に３６０度で照明する照明システムを提供することによって、アメリカ合衆国特許第６９９２８２０号に関して述べた欠点を克服する。これによって、試料内のフィーチャによって生じる不所望な陰影を付けるアーチファクトが低減される。これに加えて本発明は独自に均一な照明フィールドを形成し、照明フィールドを一時的に変化させることによってスペックルを除去する。
【００２３】
本発明は、従来のシステムより優れた全反射照明蛍光光学系の新たなシステムに関する。本発明によって、より良好なイメージクオリティ、改善された光学的な効果および独自の浸透深さ調整が得られる。
【００２４】
さらに、本発明は、従来のシステムに勝る以下の利点を挙げる。
・改善された照明の均一性
・低減された干渉
・低減された「コマ」作用
・低減された、対物レンズ遮蔽照明からの陰影
・浸透深さの容易なコントロール
・使用およびアライメントの容易さ
・全ての対物レンズとの使用に対する設計
・コスト効果
【００２５】
本発明の光学系は、ＴＩＲＦ対物レンズの瞳面における連続的な３６０度のリングを照明するので、照明は極めて均一である。光源を視野の片方側だけに有している照明システム固有の陰影問題は、格段に低減される。これは干渉フリンジ作用も低減させる。この結果、より均一な照明が得られ、ＴＩＲＦイメージから成る、より良い量的な測定が可能になる。
【００２６】
付加的に、本発明によって、焦点からのアキシコンの距離を調整することによって照明半径が迅速に調整される。これは直接的に照明角度および、生成されたエバネッセント場の浸透深さを調整する。このコントロールによって、ユーザは異なる深さまで容易に調査することができる。
【００２７】
発明の要約
光ビームを成形するための照明システムであって、当該システムは以下のものを含んでおり：すなわち、光源；光学装置；調整可能なアキシコンレンズ；イメージ面；当該イメージ面の表面に隣接して配置されたディフューザ。ここで前記イメージ面は、前記調整可能なアキシコンレンズと前記ディフューザとの間に配置されている；瞳面さらにこのシステムは照明フィールドレンズを含んでおり、この視野レンズは前記ディフューザと前記瞳面との間に配置されている。
【００２８】
有利には、光源は、以下の素子から成るグループから選択される少なくとも１つのものである：すなわち、光ファイバーおよびレーザ、例えば可視レーザ。
【００２９】
光学装置は、以下の要素から成るグループから選択される少なくとも１つの光学要素を含んでいる：すなわち、レンズ、マスクおよび定常的なアキシコンレンズ。有利には、光学装置は第１のレンズ、定常的なアキシコンレンズ、マスクおよび第２のレンズを含む。オプショナルで、第１のレンズは前記光源と前記定常的なアキシコンレンズの間に配置されており、前記マスクは前記定常的なアキシコンレンズと前記第２のレンズの間に配置されており、前記第２のレンズは前記マスクと前記調整可能なアキシコンレンズの間に配置されている。前記調整可能なアキシコンレンズの位置を前記イメージ面に関して調整することができる。調整可能なアキシコンレンズは手動または自動で調整可能である。
【００３０】
光学装置は前記光源からの前記光ビームを収束する。これによってリング状のイメージが形成され、前記調整可能なアキシコンレンズの位置は前記リング状イメージの半径をコントロールする；ここで前記リング状のイメージは前記イメージ面上にフォーカシングされる。
【００３１】
本発明は、光ビームを形成する方法にも関する。この方法は以下の構成を含む：光源から前記光ビームが放射され；前記光ビームは光学装置を通過し、ここでこの光ビームは収束されてリング状イメージが形成され；前記リング状イメージの半径を調整し；前記リング状イメージをイメージ面上にフォーカシングし；前記イメージ面からの前記リング状イメージの光を拡散させ；瞳面上に均一な照明を作成する。この方法はさらに、前記イメージ面からの光をコリメートし、前記コリメートされた光を前記瞳面上でセンタリングすることを含む。
【００３２】
本発明のさらなる実施例は顕微鏡装置であり、この顕微鏡装置は以下のものを含んでおり：すなわち、光学顕微鏡；光ビームを成形するための照明システムを含み、このシステムは以下のものを含んでおり：すなわち、光源；光学装置；調整可能なアキシコンレンズ；イメージ面；当該イメージ面の表面に隣接して配置されたディフューザ。ここで前記イメージ面は、前記調整可能なアキシコンレンズと前記ディフューザとの間に配置されている；瞳面有利には、光学顕微鏡は全反射照明蛍光顕微鏡である。
【００３３】
本発明は以下のアプリケーションにおいて使用される。このアプリケーションは例えば、細胞および組織の近接場蛍光イメージング、細胞および組織の近接場光活性化、細胞および組織の近接場光退色、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ  ａｓｓａｙ、スクリーン、表面プラスモン共振および単独分子イメージングである。これは生きている試料および固定試料両方において機能する。これを他の結像様式と組み合わせることができる。これはＦＲＥＴ、ＦＬＩＰ、共焦点、明視野および落射蛍光を含むが、これに制限されない。
【００３４】
図の簡単な説明
図１は、本発明による、顕微鏡の視野を照明するのに使用される光学システムの図である。
【００３５】
有利な実施例の詳細な説明
全反射照明蛍光顕微鏡（ＴＩＲＦ）用の照明システムである。この改善されたシステムは調整機能を有しており、これによって照明光の入射角が設定可能である。光学的なレイアウトは、照明強度がその調整範囲にわたって一定になるように設計されており、これによって、記録されたイメージ間で量的な比較をすることが可能になる。これは、顕微鏡対物レンズの全３６０度の方位角を中心に照明する。これは視野にわたって、均一な強度を有している。これは一時的に「平均化され」、レーザスペックルの作用を除去する。本発明は、顕微鏡とともに使用される「アドオン」として考えられている。しかしこれを、大きな光学システムの組み込まれた一部分として使用することができる。
【００３６】
付加的に、本発明はアキシコン間隔（axicon spacing）を使用して、照明の入射角を定める。付加的に、本発明では、ビームの中心をマスクオフし、アキシコンの不明確部分から光を除去する。さらに本発明は独自に、瞳面内に配置された可動ディフューザを使用し、照明を空間的に拡げ、これを一時的に変化させて、スペックルを除去し、均一な照明フィールドを形成する。
【００３７】
本発明は、収束ビームまたは発散ビーム内に配置される円錐レンズ（円錐アキシコンレンズ）を含む。有利な実施例では、これは収束ビーム内に配置され、実際のイメージを形成する。これはリング状の照明パターンである。システムの光軸に沿って円錐レンズを動かすことによって、照明されたリングの直径が変わる。このリング状イメージは、全調整範囲を通じてフォーカシングされる。
【００３８】
このリング状照明パターンはＴＩＲＦ顕微鏡対物レンズの後方入射瞳に中継され、ここでこのパターンは光軸上にセンタリングされる。これは通常は、テレセントリック望遠鏡によって実現されるのが最もよい。リレー光学系がテレセントリックである場合、調整の全範囲にわたって照明はケーラー照明である。対物レンズの入射瞳内では、リング状照明の半径は、イメージ面を照明する光の入射角に相応する。
【００３９】
本発明は薄いディフューザも含む。これはリング状照明のイメージ面に配置されている。散乱された光は、半径方向および接線方向両方において発散する光の円錐としての光のリング上の全てのポイントから前方へ投影される。この発散によって、対物レンズのイメージ面内の全ての箇所を照明するリングに沿った各ポイントからの光が得られる。この照明はさらに、リング状イメージの面内でディフューザを動かすことによって均一にされる。これは一時的に照明にスクランブルをかける。ディフューザの動きは充分に迅速であり、照明における変化はイメージが記録される時間において平均化される。これは容易に、迅速なモータ上に取り付けられた円形ディフューザを使用することによって実現される。ホログラフィックディフューザは部分的にこのアプリケーションに良く適している。ホログラフィックディフューザは非常に薄い発散表面を有しており、光が直入射角（near-normal incidence angles）近傍で入射する場合には、特定の角度範囲にわたってランダムに光を発散するように設計される。これは、エッチングされたガラス表面等の従来のディフューザと比較して非常に高い光学スループットも有している。
【００４０】
本発明は、光入射角度が正確に調整され、３６０°の方位角からの照明を有する非常に均一な照明を必要とする多くの用途に対して有効である。リソグラフィはこのような用途のうちの１つである。これは、顕微鏡における暗野照明のための完全に調整可能な照明システムとしても有用である。
【００４１】
本発明は図１を参照して最良に説明される。ここではコリメートされたビームは、光源１を焦点距離ｆｚを有するレンズ２の焦点に配置することによって形成される。マスク３は、ビームの中央部分をブロックするために使用される。このマスクの目的は、アキシコンレンズの特定部分から光が散乱するのを阻止することである。このアキシコンレンズを正確に製造するのは困難である。
【００４２】
焦点距離ｆ４のレンズ４は、光をイメージ面８内の点にフォーカシングする。定常的なアキシコンレンズ５は収束ビームの方向を半径外側方向にシフトさせ、これによって内側のエッジ７はシステムの光軸に対して平行に投影される。この状態は、調整アキシコン６上のマスク３の影がその位置ｘ６内で変化しないことを保証する。収束ビームはさらに調整アキシコン６によって外側にシフトされる。このアキシコンは、定常的なアキシコン５とイメージ面８の間の光軸に沿って移動可能である。
【００４３】
収束ビームはイメージ面８上にフォーカシングされ、ここでリング状のイメージが形成される。調整アキシコン６がイメージ面に最も近くづく位置にある場合に、リングｒ８の半径は最小である。この位置では、リングの半径ｒ８はブロックマスクの半径に近づく（相互に０の距離でレンズを配置することによる作用の制限を無視する）。調整アキシコン６が動く場合にはさらに、イメージ面８からの距離ｘ６は、投影されたリングの半径における線形の変化を生じさせる。アキシコン６をモータ駆動されるステージ１５上に取り付けることができ、これによってソフトウェアはその位置ｘ６をコントロールすることができる。以下の式が適用される：
【数１】
2009514028.tif 000004
【００４４】
ここで：
ｒ８＝リングの半径
ｒ３＝ブロックマスクの半径
ｘ６＝イメージ面８からの調整アキシコンの距離
θ６＝調整アキシコンの歪み角度
ｃ＝レンズ間隔を考慮した一定の補正項
【００４５】
イメージ面８における照明されたリングからの光は、照明フィールドレンズ２０によってコリメートされ、瞳面１００上にセンタリングされる。種々の光学要素が適切に選択される場合（図１に示されているように）、収束ビーム１０の中央線は光軸に対して平行になる（テレセントリック状態）。この状態は、調整アキシコンが光軸に沿って動くことによって影響されない。この配置構成では、照明入射角度に関係なく、瞳面２１内の照明領域は変動しない。照明の瞳面傾斜角θ１００は、リングの半径ｒ８および照明フィールドレンズの焦点距離ｆ２０によって、以下の式によって定められる：
【数２】
2009514028.tif 000005
低い角度に対しては以下の式が使用される：
【数３】
2009514028.tif 000006
【００４６】
照明された直径ｄ１００は図示されている。必要であれば、アイリスまたは他のブロックマスクが瞳面１００内に配置され、これによって照明される領域の大きさが低減される。
【００４７】
瞳面１００で均一の照明を形成するために、ディフューザ１２がイメージ面８に配置される。ディフューザ１２へフォーカシングされた入射光は散乱され、良好な統一性で瞳面１００を占領する。このディフューザは必須のものである。なぜならこれが無い場合には、瞳面１００の中央に集中点が生じてしまうからである。理想的にはディフューザの表面は迅速に動くべきであり、これによって、結果として生じるあらゆるスペックルが、記録される測定にわたって平均化される。これはディフューザをスピンさせることによって実現される。理想的には、発散表面は、特定の角度分布のために設計されたホログラムコーティングであり、これによって前方散乱が最大化され、光の大部分が均一の強度で瞳の所望の領域上に投影される。他の、非固定的なディフューザを、リング状照明パターンがぼやけるのを回避するために使用することができる。これは発散表面が薄くなければならないという制限とともに使用することができる。
【００４８】
顕微鏡イメージ面９００は典型的に、顕微鏡本体外側のアクセス可能な位置にある。照明システムの瞳面１００を顕微鏡イメージ面９００に配置することによって、照明される領域は顕微鏡イメージ面９００から対物レンズ焦点面９１５へ、顕微鏡管レンズ９０５、ビームスプリッタ９０８および対物レンズ９１０によって中継される。同様の方法において、リング状照明パターンがイメージ面８から対物レンズ９０９の後方瞳面へ、照明フィールドレンズ２０、顕微鏡管レンズ９０５およびビームスプリッタ９０８によって中継される。リング状照明パターンのサイズは、焦点距離の比によって設計しなおされる：
【数４】
2009514028.tif 000007
【００４９】
対物レンズ焦点面での照明の入射角度Θ９１５は、以下の式によって計算される：
【数５】
2009514028.tif 000008
【００５０】
従って照明の入射角Θ９１５は、調整アキシコンの位置ｘ６を調整することによって完全に調整される。この調整は、顕微鏡アプリケーションにおいては高い開口数の対物レンズが使用されるので、もっぱら非線形である。
【００５１】
焦点面側の対物レンズ焦点距離ｆ９１０ｂは、瞳面側の対物レンズ焦点距離ｆ９１０ａとは異なっている。なぜなら、対物レンズ焦点面は通常は液浸媒体内に含まれており、対物レンズ瞳は一般的に空気内にあるからである。液浸媒体は通常は１．４より高い光学率を有している。
【００５２】
ｆ９１０ｂ＝ｆ９１０ａ／液浸媒体光学率
結果として生じる、試料からの蛍光９１８はビームスプリッタ９０８を介して伝達され、位置９２０に配置されたアイピースまたはカメラによって見ることができる。励起および放射フィルターは図示されていない。
【００５３】
変形
定常的な光学要素２、３、４、５の順番はクリチカルなものではない。これらの光学要素の目的は、点源からの特定サイズの収束ビームを生成することである。ポジティブレンズ２および４は単一のレンズによって置換可能である。定常的なアキシコン５を、ポジティブ球面レンズの表面内に組み込むことが可能である。設計を制限する要因は、光学的な収差、色補正および間隔考慮である。
【００５４】
要求されている照明角度の範囲が小さい場合には、定常的なアキシコン５を含む必要はない。マスク３の影は収束ビームに沿って収束するだろう。この構造において、マスクは必要とされているよりも幾分大きい。なぜならマスクは、全ての調整範囲にわたって調整アキシコン中央での不明確な表面を覆って遮断しなければならないからである。マスクされた領域を最小化することは重要である。なぜならビームの中央は一般的に最も強度が高いからである。要求されている調整範囲に応じて、これは受け入れ可能である。
【００５５】
これは、光ファイバー（すなわち紫外レーザ）を用いずに、レーザを照明システムに結合するために必要である。このようなケースでは、ビームエクスパンダーはコリメートされたビームを生成するために設けられる。コリメートされたビームはその後、レンズ４によって収束される。または、収束レンズ４の機能を含む、組み込まれたビームエクスパンダーが設けられる。
【００５６】
イメージおよび瞳面
この光学システムでは、定常的な要素および調整可能なアキシコン６は、イメージ面８でリング状イメージを作成する。ディフューザ１２は、その発散表面でこの面内に配置される。調整可能なアキシコン６を調整することによって、リングの半径が変化する。ＴＩＲＦイメージングに対する必要な照明状態を生成するために、リング状イメージは対物レンズの後方瞳面に中継される。アドオン設計の場合には、これは、視野レンズ２０および顕微鏡管レンズ９０５から成るテレスコープによって実現される。視野レンズ２０は定常的な瞳面１００を形成する。照明システム（部分１−１００）を顕微鏡（部分９００−９２０）と結合するために、照明システム瞳面１００は顕微鏡のイメージ面９００に配置される。顕微鏡の瞳面がアクセス可能な位置（すなわち顕微鏡シャシーの外側）にある場合には、この照明を、視野レンズ２０を有していない顕微鏡に結合することができる。この場合には、照明システムは、ディフューザ１２の発散表面が瞳面と一致するように位置付けられる。
【００５７】
対物レンズの後方瞳面がアクセス可能である場合（すなわち対物レンズ本体外にある場合）には、付加的な光学系を用いずに照明を対物レンズに結合することが可能である。この場合には、照明システムは、ディフューザ１２の発散面が対物レンズの後方瞳面９０９と一致するように位置付けされる。この結合は主に、結像システム内に照明光学系を完全に組み込むために使用可能である。
【００５８】
組み込まれたロッドは、照明瞳面１００からの光を顕微鏡イメージ面９００に結合するために使用される。これによって、システムの光軸に関して光入射角を変えることなく、光強度の均一性が僅かに改善される。
【００５９】
フィールドストップ（開口部）は顕微鏡イメージ面９００に配置され、照明の領域を制限する。これはあらゆる形状であってよく、画像記録デバイスの形状および配向と整合する（通常は長方形）。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】顕微鏡の視野を照明するのに使用される光学システムの図
【図１】
2009514028.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月20日(2008.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを成形するための照明システムであって、当該システムは以下の要素を含んでおり：すなわち、
光源；
光学装置；
調整可能なアキシコンレンズ；
イメージ面；
自身の発散面を以て前記イメージ面内に配置されているディフューザ；および
前記システムが、対物レンズを通じて正確な入射角度で、かつ照明フィールドにわたって均一な強度で照明を提供するように配置されている照明フィールドレンズ
を有している、
ことを特徴とする照明システム。
【請求項２】
前記光源は、光ファイバーおよびレーザから成るグループから選択された少なくとも１つのものである、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記レーザは、紫外レーザ、可視レーザ、赤外レーザおよびパルス状レーザから成るグループから選択された少なくとも１つのものである、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記光学装置は、レンズ、マスクおよび定常的なアキシコンレンズから成るグループから選択された、少なくとも１つの光学要素を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記光学装置は第１のレンズ、定常的なアキシコンレンズ、マスクおよび第２のレンズを含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のレンズは前記光源と前記定常的なアキシコンレンズの間に配置されており、前記マスクは前記定常的なアキシコンレンズと前記第２のレンズの間に配置されており、前記第２のレンズは前記マスクと前記調整可能なアキシコンレンズの間に配置されている、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記調整可能なアキシコンレンズの位置は、前記イメージ面の位置に関して調整可能である、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記調整可能なアキシコンレンズは手動または自動で調整可能である、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記光学装置は前記光源からの前記光ビームを収束し、これによってリング状イメージが形成され、
前記調整可能なアキシコンレンズは前記リング状イメージの半径をコントロールし；ここで前記リング状イメージは前記イメージ面上にフォーカシングされる、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
照明フィールドレンズおよび瞳面を含み、前記照明フィールドレンズは前記ディフューザと前記瞳面の間に配置されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記照明フィールドレンズは前記イメージ面からの光をコリメートし、当該コリメートされた光を前記瞳面上にセンタリングする、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
光ビームを成形する方法であって：
光源から前記光ビームを放射させ；
前記光ビームは光学装置を通過し、ここで当該光ビームは収束されて、リング状イメージが形成され；
当該リング状イメージの半径を調整し；
前記リング状イメージをイメージ面上にフォーカシングし；
前記イメージ面からの前記リング状イメージの光を発散させ；
対物レンズを通じて正確な入射角度で、かつ照明フィールドにわたって均一な強度で照明を提供する、
ことを特徴とする、光ビームを形成する方法。
【請求項１３】
前記光源は、光ファイバーおよびレーザから成るグループから選択された少なくとも１つである、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザは、紫外レーザ、可視レーザ、赤外レーザおよびパルス状レーザから成るグループから選択された少なくとも１つである、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記光学装置は、レンズ、マスクおよび定常的なアキシコンレンズから成るグループから選択された少なくとも１つの光学要素を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記光学装置は第１のレンズ、定常的なアキシコンレンズ、マスクおよび第２のレンズを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記リング状イメージの半径を調整可能なアキシコンレンズによって調整し、前記第１のレンズは前記光源と前記定常的なアキシコンレンズとの間に配置されており、前記マスクは前記定常的なアキシコンレンズと前記第２のレンズとの間に配置されており、前記第２のレンズは前記マスクと前記調整可能なアキシコンレンズとの間に配置されている、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記調整可能なアキシコンレンズの位置を前記イメージ面に関して調整する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記調整可能なアキシコンレンズは手動または自動で調整可能である、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記イメージ面からの光をコリメートすること、および当該コリメートされた光を瞳面上にセンタリングすることを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項２１】
顕微鏡装置であって、以下の要素を含み：すなわち、
光学顕微鏡；および
光ビームを成形するための照明システムを含み、当該システムは以下の要素を含み：すなわち、
光源；
光学装置；
調整可能なアキシコンレンズ；
イメージ面；および
前記イメージ面内に自身の発散表面で以て配置されているディフューザを含む、
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２２】
全反射を用いてサンプルを照明する方法であって、
当該方法は、正確な入射角度で、照明フィールドにわたって均一の強度で、対物レンズを通じて照明を提供することを含む、
ことを特徴とする、全反射を用いてサンプルを照明する方法。
【請求項２３】
前記光学装置はマスクを含み、当該マスクは光が、前記調整可能なアキシコンレンズの中央部分を散乱させないように成形および配置されている、請求項１記載のシステム。
【請求項２４】
前記ディフューザは延在し、前記イメージ面内の照明を一時的に変えて、スペックルを除去し、均一な照明フィールドを提供する、請求項１記載のシステム。
【請求項２５】
前記ディフューザは可動である、請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記リング状イメージの半径を調整可能なアキシコンレンズによって調整し、
前記光学装置はマスクを含み、当該マスクは光が、前記調整可能なアキシコンレンズの中央部分を散乱させないように成形および配置されている、請求項１２記載の方法。
【請求項２７】
前記発散ステップが展開され、前記イメージ面内の照明を一時的に変えて、スペックルを除去し、均一な照明フィールドを提供する、請求項１２記載の方法。
【請求項２８】
前記発散ステップは、可動ディフューザを使用する、請求項２７記載の方法。
【国際調査報告】
2009514028.tif 000010