(57)【要約】  第一試料範囲を光学的に励起するための励起光ビーム（３）を備え；また第一試料範囲と少なくとも部分的に重複する他の試料範囲での誘導放射又は別の励起を引き起こすための誘導光ビーム（１５）を備え；前記励起光ビーム（３）と誘導光ビーム（１５）を集束するための少なくとも一つの対物レンズ（４５）を備え；励起光ビーム（３）及び／又は誘導光ビーム（１５）の焦点の形状に影響する光学コンポーネント（２３）を備えるラスタ顕微鏡が開示される。当該ラスタ顕微鏡は、少なくとも一つの光学系（２９，５７）が前記対物レンズ（４５）の瞳（５９）に光学コンポーネントを結像するために設けられることで特徴付けられる。光学コンポーネント（２３）の像サイズは調整可能である。
2007504498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一試料範囲を光学的に励起するための励起光ビームを備え、第一試料範囲と少なくとも部分的に重複する他の試料範囲での誘導放射又は別の励起を引き起こすための誘導光ビームを備え、前記励起光ビームと誘導光ビームを焦点合わせするための少なくとも一つの対物レンズを備え、励起光ビーム及び／又は誘導光ビームの焦点の形状に影響する光学コンポーネントを備えるラスタ顕微鏡において、少なくとも一つの光学系が前記対物レンズの瞳に光学コンポーネントを結像するために設けられ、光学コンポーネントの像サイズは調整可能であることを特徴とするラスタ顕微鏡。
【請求項２】
光学系が可動性の焦点合わせ手段を有することを特徴とする請求項１に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項３】
光学コンポーネントが変位可能に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項４】
光学系及び／又は光学コンポーネントがモーターにより変位可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項５】
光学系が、（特にモーターにより調整可能な）ズーム光学系を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項６】
光学系が交換可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項７】
貯蔵手段が設けられ、様々な光学特性の光学系を貯蔵することを特徴とする請求項６に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項８】
貯蔵手段がリボルバー又は摺動キャリッジを有することを特徴とする請求項７に記載のラスタ顕微鏡
【請求項９】
貯蔵手段がモーター駆動されることを特徴とする請求項７又は８に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１０】
光学コンポーネントの像サイズの調整が自動でなされることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１１】
光学コンポーネントの像サイズの調整が対物レンズの瞳の径に応じてなされることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１２】
光学コンポーネントが位相遅れ板を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１３】
位相遅れ板がλ／２板であることを特徴とする請求項１２に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１４】
位相遅れ板が局所的に異なった範囲で様々な位相遅れを引き起こすことを特徴とする請求項１２に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１５】
光学コンポーネントが専ら誘導光ビームに作用することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【請求項１６】
ラスタ顕微鏡が共焦点ラスタ顕微鏡か二重共焦点ラスタ顕微鏡であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のラスタ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一試料範囲を光学的に励起するための励起光ビームを備え、第一試料範囲と少なくとも部分的に重複する他の試料範囲での誘導放射又は別の励起を引き起こすための誘導光ビームを備え、励起光ビームと誘導光ビームを集束するための少なくとも一つのレンズ／対物レンズを備え、励起光ビーム及び／又は誘導光ビームの集束の形状に影響する光学コンポーネントを備えるラスタ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】ＤＥ ４４１６５５８
【特許文献２】ＵＳ ２００２／０１６７７２４ Ａ１
【特許文献３】ＵＳ ６６６７８３０ Ｂ１
【特許文献４】ＤＥ １００１２４６２ Ａ１
【特許文献５】ＥＰ ０４９１２８９
【非特許文献１】Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., ９７巻８２０６〜８２１０頁２０００
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett., ８２巻１８号３１２５〜３１２７頁２００３
【非特許文献３】Phys. Rev. Lett., ８８巻１６３９０１-１〜１６３９０１-４頁２００２
【非特許文献４】Phys. Rev. E., ６４巻０６６６１３-１〜０６６６１３-９頁２００１
【０００３】
ラスタ顕微鏡（走査顕微鏡）において、試料は、当該試料から放射される反射光又は蛍光を観察するために、光ビームで照射される。照射光ビームの焦点は制御可能なビーム偏向装置を用いて一般に二枚のミラーをダンプすること（Verkippen）によって対象面において動かされ、その際、偏向軸はたいてい互いに垂直にあるので、一方のミラーはｘ方向において、他方のミラーはｙ方向において偏向する。ミラーのダンプ（Verkippung）は例えば検流計・位置要素を用いて実行される。対象物から来る光の出力は走査ビームの位置に応じて測定される。通例、位置要素は実際のミラーポジションの検出のためのセンサを装備する。この所謂ビーム走査法のほかに、空間的に不動である照射光ビームを用いた走査顕微鏡も公知であり、このものでは試料が走査のために精密位置決めテーブルを用いて進行させられる。この走査顕微鏡は対象物走査と称される。
【０００４】
特に共焦点のラスタ顕微鏡において、対象物は光ビームの焦点を用いて三次元に走査される。
共焦点のラスタ顕微鏡は一般に、光源、光源の光を円開口（所謂励起絞り）に焦点合わせする集束レンズ部分、ビームスプリッター、ビーム制御のためのビーム偏向装置、顕微鏡レンズ部分、検出絞り、及び検出光乃至蛍光の検出のための検出器を有している。照射光はビームスプリッターを介して結ばれる。対象物から来る蛍光乃至反射光はビーム偏向装置を介してビームスプリッターに戻って、次いで検出絞りに集束すべく当該ビームスプリッターを通過して、その後方で検出器に至る。焦点領域に直接由来しない検出光は他の光路をとって検出絞りを通過せずに、対象物の連続的な走査によって三次元画像となる地点情報を受け取る。たいていの場合、三次元画像は層状の画像データ受け入れによって獲得される。
【０００５】
蛍光利用のための解像能力（分解能）を高めるための装置は特許文献１から公知である。そこでは、励起光ビームの焦点ボリューム（空間）の横方向縁範囲が、第一レーザーの光によって励起された試料範囲を誘導／刺激して基礎状態に戻すために、第二レーザーによって放射される別の波長の光ビーム、所謂誘導光ビームで照らし出される。そして検出されるのは、第二レーザーによって照射されない範囲から自然に放射された光だけであり、結果として、全体的に分解能の改善が達成される。このやり方に対して表示ＳＴＥＤ（Stimulated Emission Depletion）が一般に用いられる。
【０００６】
例えば特許文献２や特許文献３から、ＳＴＥＤ技術のバリエーションが公知であり、そこでは第一レーザーの光によって励起された試料範囲が第二レーザーの光で先ず更に、すなわち第三の状態に励起される。概念「アップ転換up-conversion」も一般に用いられるこのバリエーションで、直接的に誘導／刺激されて基礎状態へ沈静・抑制されるバリエーションに等しく分解能の上昇が達成される。
【０００７】
特許文献４から、特に光源の照射ビーム路と他の光源の少なくとも一つの他の照射ビーム路とを備えた共焦点の蛍光ラスタ顕微鏡の場合での対象物を照射するための装置が公知であり、それら照射ビーム路は少なくとも部分的に互いに重なり合う。当該装置は調整の単純化のため並びに照射ビーム路での光学パーツの減少のために、照射ビーム路の少なくとも一方において少なくとも一つの光学パーツが配置されており、その際、照射ビーム路の照射マスターが対象物領域においてその形状を変えるように、パーツの光学特性が影響を与えられ得るか、変更させられ得ることを特徴としている。光学パーツはこの際、例えば径が光径よりも小さく過剰に照らされる円形の位相遅れ板として形成されている。位相遅れ板を通り抜ける光の位置に応じた位相遅れを引き起こす光学パーツを、位相遅れ板と称する。位相遅れ板は誘導／刺激された発光／放射を引き起こす照射ビームのビーム路に配置され、適切な構造において、横方向にも軸方向にも分解能改善を可能とする窪んだ焦点を生じる。位相遅れ板の好ましい形態は、基板を備え、その上に局所的に一定の範囲で位相遅れに影響する材料（例えばＭｇＦ２）の一つ以上の層を施す態様である。顕微鏡レンズ部分の瞳における光振幅全体の半分が別の光振幅の半分に対してλ／２の位相遅れを有するように、層の厚みと層範囲の大きさが選択される場合、顕微鏡レンズ部分（対物レンズ）の焦点において集束した波面が破壊性の干渉を生じる。結果として生じるＰＳＦ（Point Spread Function）は焦点中心の最小化を有する。
【０００８】
ＳＴＥＤ顕微鏡における位相遅れ板の使用は例えば次の刊行物においても言及されている：非特許文献１；非特許文献２；非特許文献３；非特許文献４。
従来の位相遅れ板の代わりに、ＬＣＤやプログラム化可能な光モジュレータも使用可能である。
【０００９】
光軸の方向での分解能の上昇は、二重共焦点ラスタ顕微鏡なる名称を有した特許文献５に記載されているように、二重対物レンズ配置（４Ｐｉ配置）によって達成される。照射系からの励起光は二つの部分ビームに分解され、これら部分ビームは試料を相対して鏡面対称に配された二つの対物レンズによって同時に照射する。両方の対物レンズはそれらの共通する対象物面の異なる側に配置されている。対象物点において、この干渉的な照射によって、構造的な干渉の際に一つの一次極大と複数の二次極大を有する干渉しま模様が形成される。励起の光を妨げるのみであれば、タイプＣの検出光の同時干渉の際でのタイプＡの４Ｐｉ顕微鏡検査を話題にする。この二重共焦点ラスタ顕微鏡で、従来のラスタ顕微鏡と比較して、干渉照射によって軸線方向の分解能を高めることが達成され得る。
【００１０】
ＳＴＥＤと二重共焦点配置の組み合わせによって、横方向だけでなく軸線方向にも分解能の上昇が達成される。
ＳＴＥＤ-４Ｐｉ-顕微鏡のＳＴＥＤ配置と二重共焦点配置の特別な組み合わせにおいて、誘導光ビームの二重共焦点配置を用いて、破壊性の干渉が焦点中心に生じる。誘導／刺激された励起（Abregung）がそれで軸線方向焦点縁に限定される（非特許文献３）。
【００１１】
可能な限りで最善の解像能を達成するために、特に誘導光ビームのビーム路における光学コンポーネントが非常に正確に位置決めされ調整されなければならないことが明らかになった。この状況に基づいて各対物レンズ交換後に、費用をかけて光学コンポーネントを後調整して新しい対物レンズの構造的・光学的特性に適合させる必要があることが不利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
それゆえ、本発明の課題は、調整費用を基本的に減少させて理論上可能な分解能程度を達成可能で、同時に交換調査条件（例えば対物レンズ交換）での単純化された適合性を提供するラスタ顕微鏡を示すことである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題は、レンズ部分を光学コンポーネントの結像のために対物レンズの瞳にもたらし、その際に光学コンポーネントの結像の大きさを調整可能とすることを特徴とするラスタ顕微鏡によって、解決される。
【００１４】
本発明は、光学コンポーネントを対物レンズの瞳に結像する少なくとも一つのレンズ部分をもたらし、その際に光学コンポーネントの結像の大きさを調整可能とするという利点を有する。
【００１５】
本発明によれば、励起光ビーム若しくは誘導光ビームの波面を正確に操作することを達成するために、光学コンポーネントを対物レンズの瞳又はその共役面に配置されなければならないことが認識された。特に光学コンポーネントはもっぱら誘導光ビームに作用し、励起光ビームに作用しない。誘導光ビームと励起光ビームが通例、対物レンズの前で、例えば二色性ビームスプリッターによって一つにまとめられるので、光学コンポーネントは誘導光ビームのビーム路において特にビーム結合体（Strahlvereiniger）の前に配置されている。
【００１６】
光学コンポーネントとして例えば位相遅れ板（Phasenverzoegerungsplatte）として作られている遅れ板が用いられる。実際上、位相遅れ板は製造許容差のために幾何学的形態の理想形状からのずれを有する。例えばλ／２位他の半径は、既に言及された刊行物（非特許文献１）において用いられたように、公称半径と一致しない。それにもかかわらず瞳での所望の波面を達成するために、本発明にしたがって、瞳での光学コンポーネントの像の大きさは合わせられる。
【００１７】
好適な実施形態において、光学コンポーネントを対物レンズの瞳に結像する光学系は、例えばレンズや凹面鏡のような可動の集束手段を有する。他のバリエーションにおいてコンポーネント自体は特に光軸に沿って変位可能に配置されている。特に好適な実施形態において、光学系は可動な集束手段を有し、コンポーネント自体は特に光軸に沿って変位可能に配置され得る。光学系若しくは光学コンポーネントの変位のために、好ましくはモーター駆動が設けられている。集束手段及び／又は光学コンポーネントの変位は、特に光学コンポーネントの像が常に対物レンズの瞳にとどまり、励起光ビーム若しくは誘導光ビームが対物レンズを平行光束として照射するようにして行われる。
【００１８】
他の好適なバリエーションにおいて、光学系は特にモーター調整可能なズーム光学系として形成されている。これは一方でシステムの調整のために、また他方で様々な瞳径、例えば異なった対物レンズでの光学コンポーネントの像の大きさの適合のために、用いられ得る。
【００１９】
ズーム光学系は、特に瞳に結像するコンポーネントに対向するズーム光学系の側にあるその焦点の焦点距離を変化させる際に、固定したままであるように作り上げられている。ズーム光学系の極めて好適な形態において、焦点距離変化の際に、ズーム光学系の両方の焦点は固定されたままである。
【００２０】
光学コンポーネントの像の大きさの調節のための既に言及した可能性の代わりに、光学系を他の光学特性を備えた光学系と取り替えることも想定される。このために、特にリボルバー又は摺動キャリッジとして形成された貯蔵手段が設けられ、この中に様々な光学系が貯蔵されており、これらは特に貯蔵手段の簡単な回転若しくは摺動によって励起光ズーム若しくは誘導光ズームのズーム路に入れられ得る。特に貯蔵手段はモーター駆動される。
【００２１】
まったく特別に良好な実施バリエーションでは、光学コンポーネントの像の大きさの調整は自動的に行われる。特にビーム路に入れられた対物レンズの自動認識のための手段が設けられ、当該手段は制御コンピュータが、この対物レンズにとって最適で場合によっては事前記憶された調節を行えるようにする。特に光学コンポーネントの像の大きさの調節は選択された対物レンズの瞳径に無関係に行われる。
【００２２】
まったく特別に良好な実施バリエーションでは、ラスタ顕微鏡が共焦点ラスタ顕微鏡又は二重共焦点ラスタ顕微鏡として形成されている。
瞳面は対物レンズの焦点面のためのフーリエ平面であり、好適なバリエーションでは、光学系は光学コンポーネントを配置する別のフーリエ平面を生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図面において本発明の対象を概略的に示し、図面に基づいて以下に説明する。
図１は、本発明に係るラスタ顕微鏡を示し、これは共焦点ラスタ顕微鏡として形成されている。ラスタ顕微鏡は第一光源１を有し、これは試料５の第一試料範囲の光学励起のための励起光ビーム３を放射する。励起光ビーム３は光学系（レンズ）７で照射ピンホール開口９に集束され、ここを通過して次いで別の光学系１１によって平行にされる。ラスタ顕微鏡は別の光源１３を含み、これは誘導光ビーム１５を生じ、当該光ビームはレンズ１７で誘導ピンホール開口１９に集束される。誘導ピンホール開口１９を通って進む誘導光ビーム１５は別のレンズ２１によって平行にされ、次いで誘導光ビーム１５の焦点形状の影響のために光学コンポーネント２３を通過する。光学コンポーネント２３は、λ／２板として形成され誘導光ビーム１５の径より小さな径を有した位相遅れ板２７を表面に取り付けた基板２５から構成される。ズーム光学系２９は、光学コンポーネント２３を通過する誘導光ビーム１５を焦点３１に集束する。ズーム光学系２９は、焦点３１の箇所が一定に維持されて場合によっては光学コンポーネントだけが後調整されるように形作られている。ズーム光学系２９はこのラスタ顕微鏡では、焦点３１の存するその前側焦点面の位置と光学コンポーネントを配置する後側焦点面の位置とが、光学コンポーネントの軸方向における後調整を避けるために、常に一定に維持されるように構成されている。励起光ビーム３と誘導光ビーム１５は、二色性ビームスプリッター３３を用いて一つにされて、主ビームスプリッター３５を介して、カルダン式に懸架された走査ミラー３９を含むビーム偏向装置３７に向けられる。ビーム偏向装置３７は励起光ビーム３と誘導光ビーム１５を共に走査光学系４１、鏡胴光学系４３、対物レンズ４５を通して試料上に若しくは試料を通って案内する。試料範囲において、励起光ビーム３と誘導光ビームの焦点は部分的にＳＴＥＤ効果をあげるために重複する。試料から出る検出光４７は、対物レンズ４５、鏡胴光学系４３、走査光学系４１を通ってビーム偏向装置３７を介して主ビームスプリッター３５に戻って、それを通って検出ピンホール開口４９の通過後に光増殖器５１として形成された検出器５３に当たる。検出ピンホール開口４９への検出光４７の集束のために、焦点合わせ光学系５５が設けられている。光学コンポーネント２３と焦点３１の間に配置されたズーム光学系２９と、焦点３１と二色性ビームスプリッター３３の間に配置されたレンズ５７とは、走査光学系４１と鏡胴光学系４３と共に、光学コンポーネント２３を対物レンズ４５の瞳５９に結像する光学系を構成する。ズーム光学系２９を用いて、光学コンポーネントの結像の大きさが調整される。この際、ラスタ顕微鏡の標準的な操作において対物レンズ４５の瞳５９に光学コンポーネントの現実の可視結像が存在しないことは当業者にとって明らかである。
【００２４】
図２は、ズーム光学系２９、レンズ５７、走査光学系４１及び鏡胴光学系４３から構成された光学系が光学コンポーネントを対物レンズの瞳にどのように結像するかを示している。この際、ラスタ顕微鏡の標準的な操作において存在しないビーム路の概略描写（点線）が肝要である。むしろ、例えばケーラーの照射（Koehler'schen Beleuchtung）の描写のためにも専門的には普通一般に書き入れられているような、フーリエビーム路が問題である。
【００２５】
本発明は、特に実施の形態に関して記載された。しかしながら、請求項の保護範囲を逸脱することなく、変更と一部修正を行うことができるのは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るラスタ顕微鏡の図である。
【図２】対物レンズの瞳へ光学コンポーネントを結像する関係を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  光源
３  励起光ビーム
５  試料
７  光学系
９  照射ピンホール開口
１１  他の光学系
１３  他の光源
１５  誘導光ビーム
１７  レンズ
１９  誘導ピンホール開口
２１  レンズ
２３  光学コンポーネント
２５  基板
２７  位相遅れいた
２９  ズームレンズ
３１  焦点
３３  ビームスプリッター
３５  主ビームスプリッター
３７  ビーム偏向装置
３９  走査ミラー
４１  走査光学系
４３  鏡胴光学系
４５  対物レンズ
４７  検出光
４９  検出ピンホール開口
５１  光増殖器
５３  検出器
５５  焦点合わせ光学系
５７  レンズ
５９  瞳
【図１】
2007504498.tif 000003
【図２】
2007504498.tif 000004
【国際調査報告】
2007504498.tif 000005
2007504498.tif 000006
2007504498.tif 000007
2007504498.tif 000008
2007504498.tif 000009
2007504498.tif 000010