(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の波長のレーザライン又はスペクトル幅を有するレーザシステムのパルスの形態で、顕微鏡の照明光及び/又は検出光として、音響光学部品を通過するレーザ光を操作するための前記音響光学部品を駆動する装置であって、
前記音響光学部品のスペクトル特性と伝達されるべきレーザ光のスペクトル特性との間の関係を表す伝達関数を有する音響光学部品と、
前記操作を制御するために前記音響光学部品に接続された、前記照明光の照明波長及び/又は前記検出光の検出波長を調整するための少なくとも１つの周波数発生器と、を備えた装置において、
前記周波数発生器は、直交周波数分割多重化信号（ＯＦＤＭ信号）を生成するように構成されており、前記ＯＦＤＭ信号によって、複数の伝達関数の複数の個別のメインローブの重ね合わせの結果として、結果的な伝達関数の結果的なメインローブは、前記スペクトル幅を有する前記パルス又は固定波長を有する前記レーザラインが前記音響光学部品の結晶の最大温度ドリフトにおいてもなお前記結果的な伝達関数の前記結果的なメインローブの中にあるように、スペクトル拡散され、
前記音響光学部品は、２つ以上の駆動信号によって駆動され、２つ以上のオーバーラップし及び／又は重なり合う、前記音響光学部品の前記伝達関数のメインローブ又はメインの最大値が生成され、前記２つ以上のオーバーラップし及び／又は重なり合うメインローブ間のスペクトルシフトは、前記伝達関数のメインローブがそれぞれ隣接する前記伝達関数の最小値に落ち込むように選択されている、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記音響光学部品は、ＡＯＦＴ又はＡＯＭである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記周波数発生器はＩ／Ｑミキサである、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記周波数発生器を駆動するためのＦＰＧＡが設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
特定の波長のレーザライン又はスペクトル幅を有するレーザシステムのパルスの形態で、顕微鏡の照明光及び/又は検出光として、音響光学部品を通過するレーザ光を操作するための前記音響光学部品を駆動する方法であって、
照明波長及び／又は検出波長が、前記音響光学部品に接続された、少なくとも１つの周波数発生器の手段によって調整され、前記操作を制御する方法において、
前記周波数発生器の手段によって直交周波数分割多重化信号（ＯＦＤＭ信号）が生成され、前記ＯＦＤＭ信号は、複数の伝達関数の複数の個別のメインローブの重ね合わせの結果として、結果的な伝達関数の結果的なメインローブを、前記スペクトル幅を有する前記パルス又は固定波長を有する前記レーザラインが前記音響光学部品の結晶の最大温度ドリフトにおいてもなお前記結果的な伝達関数の前記結果的なメインローブの中にあるようにスペクトル拡散させ、
前記音響光学部品は、２つ以上の駆動信号によって駆動され、２つ以上のオーバーラップし及び／又は重なり合う、前記音響光学部品の前記伝達関数のメインローブ又はメインの最大値が生成され、前記２つ以上のオーバーラップし及び／又は重なり合うメインローブ間のスペクトルシフトは、前記伝達関数のメインローブがそれぞれ隣接する前記伝達関数の最小値に落ち込むように選択される、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
メインローブはそれぞれ２つの最小値で区切られている、請求項５記載の方法
【請求項７】
メインローブ／サイドローブの強度比は少なくとも１０：１である、請求項５又は６記載の方法。
【請求項８】
前記照明波長及び／又は検出波長の両側に、スペクトル的にシフトされた伝達周波数を備える、請求項５乃至７のいずれか一項記載の方法。
【請求項９】
前記周波数発生器の前記信号の分布は、前記音響光学部品の測定された温度ドリフト曲線に基づいて調整される、請求項５乃至８のいずれか一項記載の方法。
【請求項１０】
最適化方法において、前記信号の分布が変更され、発生した分布がその温度挙動に関して取得され、補正される、請求項５乃至９のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置を含む顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
レーザ走査顕微鏡内のレーザシステムは、とりわけ、ＥＰ１７９５９３８Ａ２及びＤＥ１９７０２７５３Ｃ２に記載されているように、波長選択及びレーザ光の強度を操作するために音響光学部品（ＡＯＴＦ／ＡＯＭ）を備えており、そのスペクトル特性は、伝達されるべきレーザ光のスペクトル特性に適合されている。
【０００２】
図１は、単一の正弦波によって励起された場合の矩形トランスデューサを備えたＡＯＴＦの理想的な伝達関数Ｈ（λ）を例示的に示している。
【０００３】
音響光学部品（ＡＯＴＦ／ＡＯＭ）の光学的伝達特性は、通常、結晶のカット及びその上に取り付けられるトランスデューサの幾何学的形状によって設定される。ジオメトリを選択することにより、ここではメインローブの幅と伝達関数Ｈ０（λ）のサイドローブの減衰挙動の両方を操作することができる。しばしば、矩形トランスデューサが実現され、その正規化された伝達関数Ｈ０（λ）はｓｉｎｃ２関数で表される。
【０００４】
【数１】
0006514723.tif 000002
【０００５】
励起ＲＦ信号の周波数ｆｎは、所与のレーザ波長λｎに対して、とりわけ、材料特性及び結晶の形状によって決定される。これは、励起された回折格子によって操作され得るレーザ波長λｎに反比例する。
【０００６】
【数２】
0006514723.tif 000003
【０００７】
伝達関数Ｈ０（λ）は、とりわけ、以下のパラメータによって特徴付けられる（図６も参照）。
・Ｂ３ｄＢ  伝達関数のメインローブが最大値の半分に減衰した帯域幅（ＦＷＨＭ−半値全幅とも称される。）
・ＢＮ  伝達関数のメインローブを区切るゼロ点の間隔
【０００８】
２つ以上のレーザライン（λ１，λ２、．．．λｎ）を同時に操作するために、音響光学部品を駆動するために使用されるＨＦ信号は、レーザラインごとに正弦波形状のキャリアを含む。周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｎの各正弦波キャリアは、音響光学部品内で対応するレーザラインに対して１つの回折格子を励起する。
【０００９】
関係λｎ〜１／ｆｎに基づいて、伝達関数の特性はまた、励起ＲＦ信号の周波数に依存して特徴づけることができる。特に、駆動信号の同調周波数の離調に依存してメインローブの幅を記述するために、ΔｆＢＮを指定することができる。以下のように表される：
【００１０】
【数３】
0006514723.tif 000004
【００１１】
矩形トランスデューサに対しては、Ｂ３ｄＢ＝０．８９及びＢＮ＝２が適用される。値ＢＮ及びＢ３ｄＢは、従って、互いに以下のように挙動する。
【００１２】
【数４】
0006514723.tif 000005
又は
【００１３】
【数５】
0006514723.tif 000006
【００１４】
ＡＯＴＦの従来の使用
隣接する２つのレーザライン間の距離Δλは、少なくとも、音響光学部品の伝達関数Ｈ０（λ）のメインローブが重ならないほど大きくなるように選択される。これは、２つのレーザラインの間の距離Δλが、音響光学部品の伝達関数Ｈ０（λ）のメインローブのゼロ点間隔ＢＮより小さくない場合に成り立つ。以下のように表される：
【００１５】
【数６】
0006514723.tif 000007
【００１６】
したがって、矩形トランスデューサについては、次のようになる。
【００１７】
【数７】
0006514723.tif 000008
【００１８】
伝達特性を調整するためのトランスデューサの幾何学的形状の適合は、＞９０％の必要な回折効率を達成するために、通常、ＡＯＴＦの高周波駆動信号の要求される出力の大幅な増加を伴う。矩形トランスデューサを備えた標準的なＡＯＴＦと比較して、ＨＦ駆動出力の上昇は、レーザ光の波長に応じて最大７ｄＢまで必要となることがある。典型的な値は、変更又は変調されたＡＯＴＦの場合は＞＋２７ｄＢｍ（〜５００ｍＷ）ほどであるが、対して、標準ＡＯＴＦの場合は＋２０ｄＢｍ（〜１００ｍＷ）だけである。
【００１９】
ＨＦ制御出力の上昇は、音響光学部品の追加の加熱を生じさせ、その結果、温度への音速の依存性に基づいて、結晶（例えばＴｅＯ２）内で光学特性の変化が引き起こされる。
【００２０】
加熱によって、特に、伝達関数Ｈ０（λ）に著しいスペクトルシフトがもたらされる。
【００２１】
制御された電気ヒータを用いてＡＯＴＦ結晶を室温よりも明らかに高い温度（例えば５０℃）に加熱することにより、この望ましくない温度ドリフトを打ち消すことができる（ＤＥ−１９８２７１４０Ａ１）。
【００２２】
あるいは、例えばＤＥ２０２００７０１５５０６Ｕ１及びＤＥ１９８２７１４０Ａ１に記載されているように、ペルチェ素子を使用して温度の安定化を行うこと、又は、ＨＦ駆動信号の温度制御された周波数トラッキングを実現することが可能である。
【００２３】
（例えば、画像撮影中のレーザ光の強度変調に基づく、）ＨＦ駆動出力の短時間の変動による結晶温度の局所的な変化は、そのような方法では捕捉されず、補償されず、ＡＯＴＦの第１次回折に関連し、その結果、伝達関数Ｈ０（λ）のスペクトルシフトによってレーザ光の角度及び強度の不所望な変化を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】欧州特許公開第１７９５９３８号公報
【特許文献２】独国特許公開第１９７０２７５３号公報
【特許文献３】独国特許公開第１９８２７１４０号公報
【特許文献４】独国実用新案公開第２０２００７０１５５０６号公報
【特許文献５】独国特許公開第第１９８２７１４０号公報
【発明の概要】
【００２５】
本発明とその効果及び利点の説明
本発明は、独立請求項のプリアンブルに従った装置及び方法において、それぞれの特徴的発明特定事項によって特徴付けられる。
【００２６】
好ましい発展形態は、従属請求項の対象である。
【００２７】
本発明とその効果及び利点を以下により詳細に説明する。
【００２８】
ＡＯＴＦの新規な使用
音響光学部品は、本発明によれば、レーザライン毎に２つ以上の正弦波ＨＦ信号によって制御される。正弦波ＨＦ信号のスペクトル間隔Δｆは、励起伝達関数Ｈ０（λ）のメインローブが重なるように意図的に選択される。励起された伝達関数ＨＮ（λ）のメインローブのオーバーラップは、個々の伝達関数の重畳によって、結果的な伝達関数ＨΣ（λ）におけるメインローブの拡大を導くため、望ましい。
【００２９】
実施例：
ＡＯチューナブルフィルタ  ＡＡＯｐｔｏ−ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃのＡＯＴＦ  ｎｃ−ＶＩＳ（データシート値）：
・光波長λ  ４５０‐７００  ｎｍ
・スペクトル分解能（ＦＷＨＭ）１．５  ｎｍ
・駆動周波数ｆ  １５３−８０  ＭＨｚ
・チューニング勾配ｋＴｕｎｅ  ０．２９２  ＭＨｚ／ｎｍ
ここから、矩形トランスデューサの仮定のもとに、前述の関係を使用して、以下の値が求められる。
・ゼロ点の間隔ＢＮ  ３．３７  ｎｍ（ＢＮ＝ＦＷＨＭ／０．４４５）
・ゼロ点の間隔ΔｆＢＮ  ０．９８ＭＨｚ（ΔｆＢＮ＝  ｋＴｕｎｅ・ＢＮ）
従来の使用の場合、これは次の事項を意味する。
・レーザライン同士の最小間隔Δλ  ≧３．３７  ｎｍ（Δλ≧２．２４７・ＦＷＨＭ）
・正弦波キャリア同士の間隔Δｆ  ≧０．９８  ＭＨｚ
本発明の使用の場合：
・正弦波キャリア同士の間隔Δｆ  ＜０．９８ＭＨｚ
このデータシートでは、温度依存性のＡＯＴＦ周波数のドリフトに対して、３０ｋＨｚ／℃の値が与えられている。
【００３０】
生成された信号の個々のキャリアの初期位相角及び振幅を好適に選択することにより、信号Ｉが（ほぼ）一定の包絡線を有するようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
以下に、本発明は、図２−５の概略図に基づいてより詳細に説明する。
【図１】単一の正弦波によって励起された場合の矩形トランスデューサを備えたＡＯＴＦの理想的な伝達関数Ｈ（λ）を例示的に示す図である。
【図２】光源を概略的に示す図である。
【図３】高周波信号を用いて音響光学部品を駆動する際の温度ドリフトを補償する原理を示す図である。
【図４】ＯＦＤＭ信号でＡＯＴＦを駆動するときの伝達関数の総和の生成を示す図である。
【図５】ＯＦＤＭ信号でＡＯＴＦを駆動するときの伝達関数の総和の生成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図２は、例えばレーザＬによる、光源を概略的に示す図である。
【００３３】
光源は、従来技術に示されているように、ビームスプリッタによって結合された複数のレーザから構成されてもよい。光源Ｌの光は、波長選択及び強度制御のためのＡＯＴＦを介して、顕微鏡、好ましくはレーザ走査顕微鏡に達する。
【００３４】
光源Ｌ及びＡＯＴＦは、直接結合により、又は、１つ若しくは複数の光ファイバーにより、顕微鏡ビーム経路に光学的に接続された（破線で示す）照明モジュールＢＭに配置することもできる。
【００３５】
駆動ユニットＡＳは、通常さらなる顕微鏡機能とリンクされ、ＡＯＴＦのドライバとしての働きもする。
【００３６】
本発明によれば、駆動ユニットとＡＯＴＦとの間に周波数発生器として多周波数ミキサーユニットＭＩＸが設けられていると有利であり、この多周波数ミキサーユニットの動作モードは以下でさらに詳細に説明される。
【００３７】
本発明は、高周波数信号を有する音響光学部品（ＡＯＴＦ／ＡＯＭ）の駆動に関する。そのような信号は複数の高周波キャリアを含み、これらの高周波キャリアは、必須ではないが、互いに一定の距離Δｆを有し、同一の又は異なる信号振幅を有する。
【００３８】
このタイプの駆動は、結晶の幾何学的形状及びトランスデューサの幾何学的形状によって予め定められる複数の伝達関数Ｈ０（λ）が重なり合うように作用し、これらの伝達関数は、互いにΔｆの倍だけシフトされ、それぞれ励起された個々のキャリアの振幅によって評価される。
【００３９】
音響光学部品を励起する個々のキャリアのスペクトルシフトされた伝達関数Ｈ０（λ）の重畳から、結果として得られる伝達関数ＨＮ（λ）が明らかになる。
【００４０】
伝達関数のサイドローブの減衰挙動に関して、隣接する伝達関数のメインローブがそれぞれの直接隣り合う最小値を補足するように、駆動信号のキャリア間隔Δｆを選択することが好適である。
【００４１】
音響光学部品の伝達関数ＨＮ（λ）は、この駆動によって及びその結果として生じる複数の伝達関数Ｈ０（λ）の重畳によって、スペクトル拡散を生じ、これは、特に結果としてそのメインローブの拡張を伴う。対照的に、矩形トランスデューサの場合にｓｉｎｃ２関数によって予め決定されているサイドローブの減衰挙動は、変化がないか、又は、有意な変化はない。
【００４２】
したがって、音響光学部品（ＡＯＴＦ／ＡＯＮ）の本発明による励起は、サイドローブの減衰挙動を実質的に変化させることなく、伝達関数のメインローブのスペクトル幅の拡大を可能にする。これは、とりわけＥＰ１７９５９３８Ａ２に記載されているように、レーザシステムのパルスが最適に伝達されるように、かつ、結晶の温度変化がもはや特定の波長のレーザ光の伝達に操作を与えないように、伝達関数のメインローブを広げることを実現する。これは、伝達されるべきパルスのスペクトル幅、又は、ガス若しくはＤＰＳＳレーザシステムの伝達されるべき波長が、結晶の最大温度ドリフトにおいてもなお伝達関数のメインローブの中にあるように、高周波信号のキャリアの数にわたるメインローブの幅及びそれらの互いの間隔が広がっていることによって達成される。ここで、温度範囲は、１５℃及び３５℃の間の範囲の周囲温度を含むべきであり、結晶の動作温度は周囲温度よりも約２０℃高くてもよい。
【００４３】
音響光学部品（ＡＯＴＦ／ＡＯＭ）を駆動するための本発明による解決方法によって、トランスデューサの幾何形状を適合させることなく、すなわち、標準コンポーネントを使用して、結晶のスペクトル特性を、結合されたレーザ光のスペクトル特性と一致させることが可能となる。さらなるプラスの効果は、結晶の加熱を完全になくすことができることである。これは、システムへの熱の不都合な流入を低減する。加熱とそのために必要とされる電子的及び機械的構成要素を省くことによって、システムインテグレーションのより高い水準を可能にする、よりコンパクトなアッセンブリの設計が可能になる。さらに、結晶の局部的な加熱による不都合な操作はもはや発生しない。なぜなら、それによって引き起こされる伝達関数のドリフトが、メインローブを広げることによって同様に捕捉されるからである。
【００４４】
さらに、伝達関数ＨＮ（λ）のメインローブのほぼ矩形の特性は、レーザ光の角度及び強度が、ＡＯＴＦの第１次回折において、例えば、約１５℃〜４５℃の特定の温度範囲全体にわたって安定していることを保証し、有利である。
【００４５】
高周波信号を用いて音響光学部品を駆動する際の温度ドリフトを補償する原理が図３で明らかにされている。
【００４６】
これは、実質的に同じ出力の５つのキャリアで結晶を駆動することによってＡＯＴＦ／ＡＯＭの温度ドリフトを補償する本発明による原理を示す。
【００４７】
室温での伝達関数ＨＮ（λ）が（２）、結晶の加熱によりスペクトルシフトされる（３）。メインローブの幅及びサイドローブの減衰挙動は、それによる影響を受けない。キャリアの数及び間隔の適切な選択により、固定波長を有するレーザライン（１）が温度範囲の全体にわたって改ざんされることなく又は歪みなく伝達されるように、伝達関数のメインローブは、複数の個々のメインローブのオーバーラップによってスペクトル的に拡散される。
【００４８】
図４及び図５では、ＯＦＤＭ信号（直交周波数分割多重化方法：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）でＡＯＴＦを駆動するときの伝達関数の総和の生成が示されている。
【００４９】
両方の図では、３つのキャリアを有するＯＦＤＭ信号が使用され、その結果得られる伝達関数ＨＮ（λ）は、従ってそれぞれ、λだけ又は０．７ｎλだけ互いにスペクトルシフトした３つの曲線、図４のＨ０（λ）、Ｈ＋１（λ）、Ｈ−１（λ）、及び、図５のＨ０（λ）、Ｈ＋０．７（λ）、Ｈ−０．７（λ）、の重畳からなる。
【００５０】
両方の図は、スペクトルシフトの大きさが異なる。図４の図では、シフトは、１つの伝達関数のメインローブがそれぞれ隣接する関数の最小値に落ち込むように選択される。図５では、シフトはわずかに小さい（１に代わって０．７）。
【００５１】
高周波信号の生成は、好ましくは、アナログ及びデジタルで実施されうるＩ／Ｑミキサを用いて行われる。Ｉ／Ｑミキサの同相及び直角位相経路を駆動するための複素ベースバンド信号は、信号の等距離のキャリア間隔の場合に逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を用いて有利に計算することができる。
【００５２】
さらに、Ｉ／Ｑミキサは、信号の最適なメインローブが生成されるように、セットされたメイン信号のサイドバンドを抑制するという有利な特性を有する。
【００５３】
Ｉ／Ｑミキサのような周波数発生器を調整するために、有利には、ＡＯＴＦの温度依存周波数ドリフトの測定された分布を用いることができ、例えば有利にはモニタダイオードがビーム路に配置され、周囲温度に依存してＡＯＴＦの信号伝達の強度の変化を取得する。
【００５４】
信号発生のための上述の信号発生器の駆動は、生成され拡散された伝達関数が所望の温度領域に対して実質的に同じスペクトル特性を有するように、有利に実行されることができる。
【００５５】
この目的のために、ＡＯＴＦが同じ伝達特性を有する所定の温度差に依存して、スペクトルシフトされた伝達関数の最適な数及び分布を生成するために、信号発生器を使用して最適化方法を実行することも有利である。
【００５６】
Ｉ／Ｑミキサのような信号発生器を駆動するための高周波信号は、有利には、ＦＰＧＡのような自由にプログラム可能な構成要素を使用して生成することができる。
【００５７】
ＦＰＧＡは、まったく異なる状況において、レーザ走査顕微鏡との関連で既に説明されている：ＤＥ１０２００６０３４９０５Ａ１、ＤＥ１９８５８４５６Ａ１。
【００５８】
本発明によれば、意外に単純であるがそれにもかかわらず非常に可変的な方法で、音響光学部品の温度依存性の問題を除去するという、前述の先行技術に記載された複雑な試みが解決される。
【００５９】
有利には、本発明は、例えば、広帯域光光源（「白色光レーザ」）等における、通過又は遮断波長範囲の帯域幅の調整のような、照明ビーム経路及び検出ビーム経路の両方を操作する顕微鏡の音響光学部品にも適用可能である。
【図１】
0006514723.tif 000009
【図２】
0006514723.tif 000010
【図３】
0006514723.tif 000011
【図４】
0006514723.tif 000012
【図５】
0006514723.tif 000013