(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射野の画像化のための光学装置（１０１）であって、
光路（１６０，１６１）に沿って光を放射するように構成された光源（１０２−１）と、
複数の画素を含む検出器（１１８）と、
前記光路（１６０，１６１）のうち光源（１０２−１）の下流かつ検出器（１１８）の上流である位置に配置され、光の光路（１６０，１６１）に物体（２５０）を固定するように構成された試料ホルダー（１０２−２）と、
前記光路（１６０，１６１）のうち前記試料ホルダー（１０２−２）の下流かつ前記検出器（１１８）の上流である位置に配置され、複数の走査位置（２９０）について、それぞれ選択的に、異なる角度範囲（１６２）からの物体（２５０）発の入射光を前記検出器（１１８）上に方向付けるように構成された走査型光学ユニット（１１４，１１４−１，１１４−２，１１５，１１５−１，１１５−２，１１６，１２２）と、を備え、
前記検出器（１１８）は、前記複数の走査位置（２９０）のそれぞれについて、測定データを検出するように構成され、
前記光学装置（１０１）はさらに、
前記検出器（１１８）に結合され、かつ、前記複数の走査位置（２９０）の前記測定データによって表される３次元光照射野に基づいて、物体の異なる物体表面からの少なくとも２つの画像を含む前記物体（２５０）の空間分解画像を生成するように構成された演算ユニット（１０３）と、
コリメータ光学ユニット（２１５）とを備え、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記光路（１６０，１６１）のうち前記走査型光学ユニット（１１４，１１４−１，１１４−２，１１５，１１５−１，１１５−２，１１６，１２２）の下流かつ前記検出器（１１８）の上流である位置に配置され、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記複数の走査位置のそれぞれについて、視野絞り（２１６）を通過する複数の互いに異なる角度範囲の光のそれぞれを前記検出器（１１８）の互いに異なる画素（２１）上で集束させるように構成される
光学装置（１０１）。
【請求項２】
前記光路（１６０，１６１）内に配置され、所与の被写界深度で前記物体（２５０）を撮像する光学撮像ユニット（１２１，２１１）をさらに備え、
前記少なくとも２つの画像の前記物体表面は、前記被写界深度よりも大きい距離だけ互いに離れている
請求項１に記載の光学装置（１０１）。
【請求項３】
前記検出器（１１８）は光電子増倍管を有し、
前記光電子増倍管は、例えば２５０画素未満、好ましくは５０画素未満、特に好ましくは２０画素未満の複数の画素を含む
請求項１又は２に記載の光学装置（１０１）。
【請求項４】
前記検出器（１１８）は、前記光電子増倍管の各画素に対して、前記試料ホルダー（１０２−２）に対向する第１の端部と、前記各画素に対向する第２の端部とを有する光導波管を備える
請求項３に記載の光学装置（１０１）。
【請求項５】
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、無収差設計されたものである
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項６】
前記検出器（１１８）は、前記コリメータ光学ユニット（２１５）の焦点面内に、前記物体（２５０）とは異なる方向から対向して配置される
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項７】
前記光学装置（１０１）は、第１の位置（２２１）と第２の位置（２２２）との間を移動可能な可動ステージ（２２０）を備え、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記可動ステージ（２２０）に結合され、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記可動ステージ（２２０）の前記第１の位置（２２１）で前記光路（１６０，１６１）内に配置され、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記可動ステージ（２２０）の前記第２の位置（２２２）では前記光路（１６０，１６１）内に配置されていない
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項８】
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、ズーム光学ユニットとして設計され、
前記ズーム光学ユニット（２１５）は、可変の焦点距離を用いて、前記複数の角度範囲の光を前記検出器（１１８）上に結像するよう構成される
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項９】
前記光学装置（１０１）は、前記走査型光学ユニット（１１４，１１４−１，１１４−２，１１５，１１５−１，１１５−２，１１６，１２２）の結像面（１５３）内に配置された視野絞り（２１６）を備える
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１０】
前記視野絞り（２１６）の開口及び前記複数の走査位置（２９０）は、少なくとも３つの走査位置が重複する視野領域を有するように構成される
請求項９に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１１】
前記視野絞り（２１６）の開口及び前記複数の走査位置（２９０）は、前記複数の走査位置が重複する視野領域を有さないように構成される
請求項９に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１２】
前記視野絞り（２１６）の開口は、少なくとも一方向に可変の直径を有する
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１３】
前記視野絞り（２１６）は、２ＡＵ以上２０ＡＵ以下、好ましくは３ＡＵ以上８ＡＵ以下、特に好ましくは４ＡＵ以上５ＡＵ以下の範囲の直径を有する
請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１４】
前記光学装置（１０１）は、前記走査型光学ユニット（１１４，１１４−１，１１４−２，１１５，１１５−１，１１５−２，１１６，１２２）の結像面（１５３）内に配置された視野絞り（２１６）を備え、
前記視野絞り（２１６）は、前記可動ステージ（２２０）に結合され、
前記視野絞り（２１６）は、前記可動ステージ（２２０）の前記第１の位置（２２１）で前記光路（１６０，１６１）内に配置され、
前記視野絞り（２１６）は、前記可動ステージ（２２０）の前記第２の位置（２２２）では前記光路（１６０，１６１）内に配置されていない
請求項７に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１５】
前記光学装置（１０１）は、レーザ走査顕微鏡として設計されている
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学装置（１０１）。
【請求項１６】
光学装置（１０１）の光路（１６０，１６１）のうち試料ホルダー（１０２−２）の下流かつ検出器（１１８）の上流である位置に、複数の走査位置（２９０）について、それぞれ選択的に、異なる角度範囲（１６２）からの前記試料ホルダー（１０２−２）に固定された物体（２５０）発の入射光を前記検出器（１１８）上に方向付けるために配置された走査型光学ユニット（１１４，１１４−１，１１４−２，１１５，１１５−１，１１５−２，１１６，１２２）を駆動すること、
前記複数の走査位置（２９０）のそれぞれについて、前記検出器（１１８）により測定データを取得すること、
前記複数の走査位置（２９０）の前記測定データによって表される３次元光照射野に基づいて、前記物体（２５０）の異なる物体表面からの少なくとも２つの画像を含む前記物体（２５０）の空間分解画像を生成すること
を含み、
前記検出器（１１８）は複数の画素を含み、
前記光路（１６０，１６１）のうち前記走査型光学ユニット（１１４，１１４−１，１１４−２，１１５，１１５−１，１１５−２，１１６，１２２）の下流かつ前記検出器（１１８）の上流である位置にはコリメータ光学ユニット（２１５）が配置され、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記複数の走査位置のそれぞれについて、視野絞り（２１６）を通過する複数の互いに異なる角度範囲の光のそれぞれを前記検出器（１１８）の互いに異なる画素（２１）上で集束させるように構成される
方法。
【請求項１７】
前記物体（２５０）の空間分解画像の所定の空間分解能に基づいて、前記複数の走査位置を決定すること
をさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも一方向に可変の直径を有する視野絞り（２１６）を、前記直径を設定するために駆動すること、
前記物体（２５０）の空間分解画像の所定の深さ分解能に基づいて、前記視野絞り（２１６）の前記直径を決定すること、
をさらに含む請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記コリメータ光学ユニット（２１５）に結合された可動ステージを、前記ステージを第１の位置と第２の位置との間で変位させるために駆動することをさらに含み、
前記コリメータ光学ユニット（２１５）は、前記可動ステージの前記第１の位置で前記光路（１６０，１６１）内に配置され、
前記第１の位置は、前記光学装置（１０１）の光照射野動作モードに関連付けられ、
前記第２の位置は、前記光学装置（１０１）のレーザ走査動作モードに関連付けられる
請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、前記光学装置（１０１）によって実行される
請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の種々の実施形態は、光学装置、及び、対応する方法に関する。特に、本発明の種々の実施形態は、走査型光学ユニットの多様な走査位置についての測定データによって表される３次元光照射野に基づいて、物体の異なる物体表面からの少なくとも２つの画像を含む物体の空間分解画像を生成するための技術に関する。異なる物体表面は、光学装置の光学撮像ユニットの絞りによって定義される被写界深度よりも大きな距離を空けて、配置され得る。
【背景技術】
【０００２】
光照射野の画像化により物体の空間分解画像を生成することが可能であり、空間分解画像は、物体の異なる物体表面からの少なくとも２つの画像を含む。この２つの画像は、典型的には、互いに比較的大きく離れている複数の物体表面に対応し得る。光照射野の画像化により、特に、空間分解画像、すなわち深さ情報を有する画像を生成することが可能となり得る。空間分解画像は、３次元（３Ｄ）画像とも称される。空間分解画像の場合、異なる画像は、光学撮像ユニットの被写界深度よりも大きな距離を空けて配置される複数の物体表面に対応する。
【０００３】
マイクロレンズの配列（マイクロレンズアレイ）の使用に基づく光照射野の画像化技術が知られている(例えば、特許文献１を参照)。そのような技術は、いくつかの欠点および限界を有する。
【０００４】
一例として、マイクロレンズの配置が位置的に固定されているという理由で、固定的に予め定義された距離での光照射野の走査に対応する測定データが検出される。そのような走査によって光照射野の離散化が誘発されると、典型的には、空間分解能が比較的低い値となる。
【０００５】
さらに、フレネル数が比較的低いマイクロレンズは、付加的な散乱効果を引き起こす可能性がある。これは特に、使用される光学ユニットの物体表面から遠くに位置するような物体に当てはまる。このことは、物体の画像を生成するために使用される物理的光学的復元技術が、典型的には、比較的複雑な方法で実施されなくてはならなくなることを意味し、利用できるようにしておかなくてはならない計算容量の要件が増加したり、復元の精度が低下したりする可能性がある。
【０００６】
使用されるマイクロレンズは、典型的には、比較的長い焦点距離を有する。したがって、マイクロレンズの配列によって集められる光照射野は、深さの関数として一定の分解能を有することができない。分解能は、結像面の近くで特に低くなり得る。マイクロレンズの焦点距離は、マイクロレンズの製造という理由により、簡単な方法では減少させることができない。
【０００７】
マイクロレンズの配列による光照射野の画像化は、典型的には、多数の画素を有する検出器を必要とする。したがって、従来の光照射野画像化の場合、ＣＣＤセンサ（電荷結合素子、ＣＣＤ）を有する検出器を使用するのが典型的である。しかしながら、ＣＣＤセンサは比較的感度が低い場合があり、その結果として、比較的高い光強度を選択しなければならなくなる。このことは、感光性の試料、例えば生物学的な細胞培養菌の場合に欠点となり得る。さらに、空間画像の画質が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許公開第２０１４／０２６３９６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、改善された光照射野画像化技術が必要とされている。特に、上記の欠点及び限界の少なくともいくつかを排除するような光照射野画像化技術が必要とされている。特に、正確かつ光学的に実施容易な光照射野画像化技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項の特徴は、実施の形態を規定する。
【００１１】
一側面によれば、本発明は、光照射野の画像化のための光学装置に関連する。この光学装置は、光源を含む。この光源は、光路に沿って光を放射するよう構成される。光学装置はまた、検出器及び試料ホルダーを含む。試料ホルダーは、光路のうち光源の下流かつ検出器の上流である位置に配置される。試料ホルダーは、光の光路内に物体を固定するように構成される。光学装置はまた、走査型光学ユニットを含む。この走査型光学ユニットは、光路のうち試料ホルダーの下流かつ検出器の上流である位置に配置される。走査型光学ユニットは、複数の走査位置について、それぞれ選択的に、異なる角度範囲からの物体発の入射光を検出器上に方向付けるように構成される。検出器は、複数の走査位置のそれぞれについて、測定データを検出するように構成される。検出器に結合された演算ユニットを含む。演算ユニットは、複数の走査位置の測定データによって表される３次元光照射野に基づいて、物体の空間分解画像を生成するように構成される。物体の空間分解画像は、物体の異なる物体表面からの少なくとも２つの画像を含む。
【００１２】
一例として、光学装置は顕微鏡検査装置であり得る。一例として、光学装置は、結像面内に物体の中間画像を生成するように構成された光学撮像ユニットを含む。この中間画像は、１より大きい倍率を有する。光学装置は、例えば蛍光撮像のために構成されることができる。そのような場合、特に感光性の試料が画像化され得る。
【００１３】
一例として、光学装置は、透過ジオメトリまたは反射ジオメトリを用いて実行され得る。一例として、レーザ走査顕微鏡として光学装置を設計することが可能である。一例として、光源は、単色光又は多色光を放射し得る。
【００１４】
様々な例示の実装においては、異なる走査型光学ユニットが使用され得る。様々な変形例では、走査型光学ユニットは、例えば１つ又は２つ以上の可動型の走査ミラーを含み得る。一例では、走査位置は、可動型の走査ミラーの異なる角度設定に対応し得る。この目的のために、走査ミラーは傾斜可能とされ得る。さらなるシナリオでは、走査型光学ユニットはまた、横方向に変位可能な光学要素を含み得る。さらなるシナリオでは、走査型光学ユニットはまた、横方向、すなわち光路に垂直に変位可能な光学要素を含み得る。
【００１５】
検出器上に対して選択的に光を向けることは、例えば、特定の操作位置に関連する視野領域の外に位置する光は、検出器上に向けられない、或いは、検出器に到達しないということを意味し得る。この目的のため、光学装置は、例えば走査型光学ユニットの結像面内に配置される視野絞りを含むことができる。この視野絞りは、光のビーム径の範囲を定める開口を有し得る。そのような技術によれば、複数の操作位置のそれぞれのために光照射野（視野領域）の特定の領域を走査することが可能であり得る。視野領域はしたがって、例えば視野絞りの開口によって範囲を定められ、それに対する対応する角度範囲からの光が各場合において選択的に検出器上に向けられる空間的な領域を意味するものと理解されるべきである。ここで、走査位置に関連する角度範囲（角度分解能）は、例えば１０°より小さい、好ましくは１°より小さい、特に好ましくは０．１°より小さいサイズを有し得る。より大きな角度分解能はより大きな解像度をもたらし、光照射野はその解像度で走査される。
【００１６】
多数の走査位置の測定データによって表される三次元光照射野に基づいて空間分解画像を生成するため、原理的に、文献から知られる様々な技術が使用され得る。一例として、特許文献１は、マイクロレンズの配置という手段で検知された測定データに基づいて物体の空間分解画像を生成することを開示する。そのような技術はまた、本発明のケースにおいて画像を生成するために使用され得る。一例として、複数の走査位置は互いに接近して位置することができ、又は、比較的小さな視野絞りが使用され得る。角度分解能は、この方法では大きくなり得る。結果として、互いに接近して位置する多数の視野領域のために測定データを検知することが可能となる。走査型光学ユニットを用いることによれば、光照射野を走査するときに、例えば使用される走査位置の数によっては特に高い横方向空間分解能を達成することが可能となる。特に、光照射野を記録するために対応する光学装置の通常の実装で使用される隣接するマイクロレンズ間の距離を、光照射野を走査するときに空間解像度に対して非限定的なものとすることが可能となる。光照射野を走査するときに高い空間分解能を達成することによれば、物体の三次元画像を特に正確にかつ高い解像度で生成することが同様に可能となる。
【００１７】
光軸に沿って特に高い解像度を達成すること（深さ分解能）もまた、可能である。特に、物体の隣接する複数の物体表面からの多数の画像を含む物体の画像を生成することが可能であり、同時に、画像化の画像によって表される物体の極値的な物体表面は、互いに大きな距離を空けて位置し得る。
【００１８】
さらに、必要に応じて、使用される走査位置の数を適合させることが可能であり得る。一例として、そのような適合は、全ての測定データを検出するのに必要な時間（測定時間）に応じて行われ得る。この方法では、一例として、物体画像の特に高速な生成が望まれる用途では、より少ない走査位置数によって測定時間を短縮することができ、しかしながらこれは、光照射野を走査するときの空間分解能を比較的低くすることがある。 短い測定時間は、感光性の物体の場合、又は、粗い概観画像を作成する場合に、特に価値を有し得る。
【００１９】
一例として、光学装置は、光路内、例えば、試料ホルダーの下流かつ走査型光学ユニットの上流に配置された光学撮像ユニットを含み得る。この光学撮像ユニットは、対物レンズとして実装され得る。様々な例において、光学撮像ユニットは、多様な焦点距離を有すること、すなわちズーム光学ユニットとして実装されることが可能である。結果として、異なるサイズの物体の画像を生成することが可能となり得る。さらに、例えば光学装置が顕微鏡検査装置として設計される場合には、色々な拡大率が実装され得る。
【００２０】
光学撮像ユニットは、特定の被写界深度を有する物体画像をもたらし得る。被写界深度は、光学撮像ユニットの物体側の絞り開口によって与えられ得る。一例として、被写界深度は、光源によって光路に沿って放射される光の波長によって与えられ得る。一例として、被写界深度は、放射された光の波長に比例し、及び、光学撮像ユニットの物体側の絞り開口の面積に反比例し得る。
【００２１】
光照射野の画像化の文脈では、物体の空間イメージングの２つの画像が被写界深度よりも大きな距離を空けて互いに位置することが可能である。
【００２２】
したがって、光照射野の画像化技術によれば、画像化において画像化される物体についての特に大量な情報を含むことが可能となり得る。特に、物体の異なる物体表面からの情報を含む少なくとも２つの画像を考慮することによれば、その後、画像のグラフィカルな再生の鮮明さの点数を変更することが可能となり得る。さらに、画像化に基づき、物体の深度、すなわち光路に平行なプロファイルを決定することが可能となり得る。
【００２３】
例えば、検出器は光電子増倍管を含むことができる。一例として、光電子増倍管は、多様な画素、例えば２０画素より少ない画素を含み得る。一例として、光電子増倍管は、５０より少ない、又は、２５０より少ない画素を含み得る。典型的には、光電子増倍管は、例えば下流に接続される補助的な電子増倍管を有する光陰極を画素ごとに含み得る。一例として、光電子増倍管の画素は、例えばＣＣＤセンサの画素と比べて、比較的大きいものであり得る。一例として、画素は、１００μｍ以上又はより大きな辺長を有する寸法を有し得る。
【００２４】
光電子増倍管は、典型的には、特に大きな感度を有することができる。光電子増倍管の画素数が比較的小さいという理由で、特に感度のよい検出器を用いることが可能となり得る。結果として、比較的低い強度を有する光源を用いることが可能となり得る。結果として、蛍光イメージングのような低い光負荷を必要とする用途において特に、光源の強度が低いにもかかわらず、ノイズのない物体画像が生成され得る。全体として、走査位置当たりの露光時間を比較的短くすることにより、測定時間を短縮することが可能となり得る。
【００２５】
様々な例において、検出器は、その各画素のために、試料ホルダーに面する第１の端部と各画素に面する第２の端部とを有する光導波路を含むことが可能である。この光導波路は、例えば各場合において、１ＡＵ(Airy Unit)より小さく、好ましくは０．５ＡＵより小さく、特に好ましくは０．２ＡＵより小さい直径を有し得る。
【００２６】
様々なシナリオにおいて、光電子増倍管は画素アレイを含み得る。しかしながら、画素はまた、ところどころで単発的に、すなわち、画素アレイを構成せずに形成され得る。典型的には、光電子増倍管は比較的大きいものであり得、個々の画素は特に離れて配置され得る。したがって、光導波路によれば、画素上に光を案内することが可能となり得る。特に、光導波路は、画素よりも密に充填され得る。マイクロレンズは、できるだけ多くの光を集めるために、光導波路の前に配置され得る。ＣＣＤセンサのような光照射野の画像化のために使用される従来の多チャンネル検出器の従来の画素は、典型的には、１０μｍより小さい大きさの直径を有する。一例として、光導波路は、例えば２０μｍ超、又は１００μｍ超、又は２５０μｍ超の直径を有することが可能である。
【００２７】
したがって、検出器の各画素には、検出器上の対応する角度範囲からの光を集束するマイクロレンズのそれぞれが割り当てられ得る。一例として、それぞれのマイクロレンズは、対応する光導波路の第１の端部の前に配置され得る。
【００２８】
対応する検出器ジオメトリ、特に画素に割り当てられたマイクロレンズを使用することによって達成できることは、特に密集した有効画素を実現できることである。その結果として、好ましくは８０％を超える、特に好ましくは９０％を超える高い回収効率が達成され得る。高い回収効率によれば、光照射野を走査するときに、高い信号対雑音比、したがって横方向の高い解像度を達成することが可能となる。その結果として、特に高い深さ分解能が達成され得る。
【００２９】
例えば、光学装置がコリメータ光学ユニットをさらに備えることも可能であろう。この場合、コリメータ光学ユニットは、光路内において、走査型光学ユニットの少なくとも１つの走査ミラーの下流かつ検出器の上流に配置され得る。コリメータ光学ユニットを設けることによれば、撮像システムの瞳面を検出器の検出器領域に結像させることが可能になる。
【００３０】
例えば、コリメータ光学ユニットと検出器との間の距離を、コリメータ光学ユニットの焦点距離に対応させることが可能である。したがって検出器は、コリメータ光学ユニットの後焦点面に配置され得る。特に、コリメータ光学ユニットによって達成され得ることは、検出器の検出器領域が、多数の走査位置のそれぞれに対して実質的に完全に照明されることである。結果として、多数の走査位置のそれぞれについて、検出器の色々な画素の検出器信号によって光照射野を総合的に走査することが可能となる。
【００３１】
一例として、コリメータ光学ユニットは、無収差設計のものであり得る。無収差のコリメータ光学ユニットを用意することによれば、有利な画像状態を実現することが可能である。特に、光照射野の画像化技術という手段によって物体の画像の特に単純な生成を次々に可能にするアッベ(Abbe)の正弦条件が満たされ得る。
【００３２】
色々なハードウェア構成で動作させることができるように光学装置を構成することが望ましい場合がある。この方法では、例えば、第１の動作モードでは、光照射野の画像化（光照射野動作モード）を実現することが可能となり、第２の動作モードでは、例えばレーザ走査画像化のような異なる画像化を実現することが可能となる（レーザ走査動作モード）。レーザ走査画像化は、例えば、大きな深さ分解能を実装するために、共焦点ピンホール絞りを用いて設計され得る。
【００３３】
これに関して、例えば光学装置は、例えば上述した光学要素のような様々な光学要素が配置される可動ステージを備えることができる。動作モードによっては、可動ステージを調整することによって、様々な光学素子を光路内外に移動させることができる。この目的のために、ステージは、第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、任意でさらなる位置をとることができる。
【００３４】
一例として、コリメータ光学ユニットは可動ステージに結合され得る。コリメータ光学ユニットはまた、可動ステージの第１の位置において光路内に位置決めされ、可動ステージの第２の位置において光路内に位置決めされないようにすることができる。この方法においては、光照射野動作モードは特に第１の位置で実行され得る。可動ステージの第２の位置では、物体の画像を生成するための他の撮像技術が実行され得る。一例として、レーザ走査動作モードが実行され得る。
【００３５】
一例として、コリメータ光学ユニットは、ズーム光学ユニットとして設計され得る。例えばズーム光学ユニットは、瞳面、特に可変焦点距離を有する走査型光学ユニットの射出瞳を検出器上に結像するように構成され得る。ズーム光学ユニットは、特に、可変の焦点距離を有する光学ユニットとして設計されることができ、物体視野すなわち視野絞りの軸方向距離、及び像視野は変化しない。このようなズーム光学ユニットは、例えば、１つのズームステージで焦点距離が変化し、物体面と瞳面との間の距離がさらなるズームステージで一定に保たれる少なくとも２段階のズームとして実現される。
【００３６】
コリメータ光学ユニットがズーム光学ユニットとして設計されている場合、可変焦点距離を有する光学装置の光学撮像ユニットに対してさえも、光学撮像ユニットの色々な焦点距離のために可能な限り包括的に検出器の画素の配置が照明される、ということが実現され得る。
【００３７】
一例として、視野絞りもまた、可動ステージに結合され得る。視野絞りは、可動ステージの第１の位置において光路内に配置され、可動ステージの第２の位置においては光路内に配置されない。
【００３８】
視野絞りの開口は、特に、多数の走査位置のそれぞれについて検出器に向けられる視野領域を画定することができる。この場合、より小さい（より大きい）開口はより小さい（より大きい）視野領域に対応することができ、したがって、より大きい（より小さい）空間イメージングの空間分解能、又は、より短い（より長い）測定期間に対応し得る。
【００３９】
一例として、視野絞りの開口及び／又は多数の走査位置は、少なくとも２つの走査位置が重複する視野領域を有するように構成され得る。したがって、これは、少なくとも２つの走査位置に対して、重なり合う視野領域からの光が検出器に向けられることを意味し得る。これは、それぞれの測定データの基礎となる光照射野が重なり合う可能性があることを意味する。このような技術によれば、光照射野のとりわけ包括的な走査がもたらされ得る。その結果として、物体のとりわけ正確な画像が生成され得る。
【００４０】
更なる例では、多数の走査位置が重複する又はスペースを空けて離間した視野領域を有さないように、視野絞りの開口及び/又は多数の走査位置を構成し得る。その結果として、光照射野を特に迅速に走査することが可能になる。測定時間が短縮され得る。同時に、被写体の画像が生成される精度が減少し得る。 物体の光への露出が低減され得る。
【００４１】
様々な例において、視野絞りの開口は、少なくとも一方向に可変の直径を有することができる。一例として、異なる動作モードでは、視野絞りの開口の異なる直径を設定することが可能である。一例として、光照射野の画像化のために、異なる動作モードが異なる空間分解能に関連付けられ得る。一例として、開口の可変直径は、視野絞りがレーザ走査動作モードのために特に小さな直径を有する共焦点ピンホール絞りを実現することを可能にし得る。光照射野動作モードに対しては、より大きな直径を有する視野絞りの開口が使用され得る。
【００４２】
一例として、視野絞りは、少なくとも光照射野動作モードにおいては、２〜２０ＡＵの範囲、好ましくは３〜８ＡＵの範囲、特に好ましくは４〜５ＡＵの範囲の直径を有する開口を有することができる。このことはしたがって、視野絞りが、例えば従来のレーザ走査顕微鏡に関連して使用される典型的なピンホール絞りの開口の直径よりも大きい直径を有する開口を有することを意味し得る。
【００４３】
さらなる態様によれば、本発明は方法に関する。この方法は、光学装置の光路のうち試料ホルダーの下流かつ検出器の上流である位置に配置された走査型光学ユニットを駆動することを含む。走査型光学ユニットを駆動することは、多数の走査位置について、異なる角度範囲からの入射光を物体から検出器に向けるために、各場合において選択的に実行される。この方法はさらに、複数の走査位置のそれぞれについて、検出器により測定データを取得することを含む。この方法はさらに、複数の走査位置の測定データによって表される３次元光照射野に基づいて、物体の空間分解画像を生成することを含む。物体の空間分解画像は、物体の異なる物体表面からの少なくとも２つの画像を含む。
【００４４】
一例として、方法は、物体の空間分解画像の所定の空間分解能に基づいて、複数の走査位置を決定することをさらに含む。
【００４５】
一例として、方法は、少なくとも一方向に可変の直径を有する視野絞りを駆動することを含む。この駆動は、直径を設定するために実行され得る。方法はさらに、物体の空間分解画像の所定の深さ分解能に基づいて、視野絞りの直径を決定することを含む。
【００４６】
一例として、ここで議論されている態様による方法は、本発明のさらなる態様による光学デバイスによって実施され得る。
【００４７】
したがって、ここで議論されている態様による方法に関しては、本発明のさらなる態様による光学装置に対して実現され得る効果と同等の効果を実現することができる。
【００４８】
上述の特徴および以下に説明する特徴は、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、明示的に記載された対応する組合せだけでなく、さらなる組合せまたは単独で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】リファレンス実装に従う光学装置であって、光照射野の画像化のために構成され、マイクロレンズアレイを含む光学装置を貫く光ビーム経路を説明する図である。
【図２】物体表面が結像面に対してオフセットしている場合における、図１に従う光学装置を貫く光ビーム経路を説明する図である。
【図３】リファレンス実装に従う光学装置のマイクルレンズアレイの帰結として発生し得る効果を模式的に説明する図である。
【図４】様々な実施の形態に従う光学装置を模式的に説明する図である。
【図５】図４に従う光学装置の光ビーム経路を模式的に説明する図である。
【図６】図４に従う光学装置の光ビーム経路を、図５よりも詳細に模式的に説明する図である。
【図７】図４に従う光学装置の光ビーム経路を、図５よりも詳細に模式的に説明する図であって、レーザ走査顕微鏡としての光学装置の設計を説明する図である。
【図８】種々の代表的実施の形態に従う方法のフロー図である。
【図９】種々の代表的実施の形態に従う方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、図面に関連する好ましい実施の形態に基づき、本発明についてより詳しく説明する。図面において、同一の参照符号は、同一又は類似の要素を示す。図面は、本発明の様々な実施の形態の模式的な表現である。図面内に説明される要素は、必ずしも正しいスケールでは描かれていない。むしろ、図面内における異なる要素は、その機能及び汎用性が当業者にとって理解可能となるような方法で再生産される。図面内に描かれているもののような機能的な単位及び要素間の接続及び結合はまた、間接的な接続又は結合として実装され得る。接続又は結合は、有線又は無線の態様で実装され得る。機能的な単位は、ハードウェア、ソフトウェア、又は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせとして実装され得る。
【００５１】
以下、光照射野の画像化のための技術について説明する。光照射野の画像化は、物体の空間分解画像の生成を可能にする。この場合において、物体の空間分解画像とは、物体の異なる複数の物体表面であって、互いに比較的離れている複数の物体表面からの少なくとも２つの画像が用意されることを意味する。例えば、１０枚又は１００枚以上の異なる物体表面からの画像が用意される。特に、特定の複数の物体表面を、光学撮像ユニットによってもたらされる被写界深度より大きい距離を空けて配置することが可能である。しかしながら、隣接する物体表面を、光学撮像ユニットによってもたらされる被写界深度より小さい距離を空けて配置することもできる。
【００５２】
図１は、リファレンス実装に従う光照射野画像化のために構成された光学装置を貫く光ビーム経路１６１を説明する図である。光は、物体側の視野絞り９を通って入射し、レンズ１０を通り（図１のｚ軸と平行な）光軸１６０に沿って、複数のマイクロレンズの配列１１（マイクロレンズアレイ）上に結像する。マイクロレンズアレイ１１の各マイクロレンズは、検出器２０の複数の画素２１を順にあてがわれる（図１においては、明瞭さのため、１つのマイクロレンズに対する複数の画素２１のみを示している）。マイクロレンズアレイ１１の１つのマイクルレンズにあてがわれる画素の量を、典型的には、１つのチャネルと称する。
【００５３】
図１は、特に、物体（図１には示されていない）から２つの特定の角度１６２で入射し、そのために複数のビーム経路１６１が平行に視野絞り９を通過することになる光ビーム経路１６１を説明している。
【００５４】
図１に従う光学装置の実装は、例えば、光学装置の有効な絞りが絞り１２に限定されるという欠点を有している。絞り１２の開口の範囲は、マイクルレンズアレイ１１を構成する複数のマイクロレンズの焦点距離によって定められる。より大きな視野絞り１２のケースでは、マイクロレンズを通過する光線は、例えば検出器の隣接するチャネルに当たり（図１の一点短鎖線）、それによって画像を壊すであろう。視野絞り９のサイズは、マイクロレンズアレイ１１のサイズによって定められる。
【００５５】
角度が異なると、マイクロレンズアレイ１１により、複数の画素２１に対応する異なる瞳座標ｐ上に結像することは、図１から明らかである。また強度は、すべての瞳座標の光照射野Ｌ上での積分によって求められる。
【００５６】
【数１】
0006408543.tif 000002
【００５７】
ただし、ｐ，ｑは（画素２１に対応する）射出瞳座標であり、ｘ，ｙは結像面座標である。結像面座標ｘ，ｙは、マイクロレンズアレイ１１のグリッドに対応する。したがって、画像Ｉ（ｘ，ｙ）は、マイクロレンズアレイ１１に対応する比較的低い空間分解能を有する。マイクロレンズアレイ１１は予め定義されているものであるので、簡単な方法では空間分解能を増加させられない。
【００５８】
この場合、異なる結像面座標ｐ，ｑは、物体からの光の異なる入射角度又は角度範囲を定義する（図１を参照）。割り当てられた検出器画素２１との組み合わせでマイクロレンズアレイ１１を用いることによって、大きな角度範囲からの光を同時に集めることが可能になる。
【００５９】
画像Ｉ（ｘ，ｙ）は、図１に示すように、光学撮像ユニットの焦点にある物体表面のみでなくｚ方向に拡張された物体の複数の物体表面に対して得られ得る。特に、光学撮像ユニットの焦点面からのｚ方向の距離が個々の画像Ｉ（ｘ，ｙ）に対するシステムの被写界深度よりも大きい物体表面について、画像を得ることが可能になる。
【００６０】
図２は、焦点面１５に対してｄｚだけ離れた物体表面１６についての画像の生成に関する側面を説明している。ｄｚによってピンぼけとなった物体２５０に対する瞳座標ｐが、マイクロレンズアレイ１１の効果によって特徴的に異なるチャネルとなるのは、図２から明らかである。ピンぼけした結像面ｘ'，ｙ'１６から焦点面１５に入る光照射野に対応する式は、特定の近似の下では、次のようになる。
【００６１】
【数２】
0006408543.tif 000003
【００６２】
ただし、
【００６３】
【数３】
0006408543.tif 000004
【００６４】
であり、ｎは屈折率である。
【００６５】
上記式（２）に影響する特定の近似は、具体的には次の式（３）によって与えられ得る。
【００６６】
【数４】
0006408543.tif 000005
【００６７】
ただし、αは光の入射角１６２を表す。式（３）は、具体的には、小さい角度に対して満足される。
【００６８】
この効果は、画像Ｉ（ｘ，ｙ）を生成するために利用され得るもので、図３を参照して説明される。結像面ｘ'は、図３では上側に図示されている。マイクロレンズ平面は、図３では中央に図示されている。マイクロレンズアレイ１１は、光照射野を複数のチャネルに分配し、９０°回転させた光照射野に対応する局所的なスペクトラムを形成する。この回転は、（図３ではマイクロレンズアレイ１１の上方に示される）結像面ｘをマイクロレンズ平面（図３には、マイクロレンズアレイ１１からの抜粋が示されている）にフーリエ変換することに対応する。結像面ｘ'からレンズアレイへの、又は、マイクロレンズアレイから検出器２０への光の伝播は、位相空間容積の剪断をもたらす。したがって、結像面ｘ'と検出器平面２０とでマイクロレンズに割り当てられる位相空間容積は、台形となる。この台形の領域は、したがって、マイクロレンズ又はチャネルのそれぞれに割り当てられた位相空間容積である。この図において物体２５０に対応する光照射野のグラディエントは、焦点面１５に対する物体表面１６のオフセットに対応している（式（２）を参照）。
【００６９】
マイクロレンズによって記録されるスペクトラムは、物体２５０の位置に依存する。マイクロレンズに関連する位相空間容積の台形構成のため、投影される位相空間容積には、隣接するチャネルの間でオーバーラップがある。具体的に言えば、あるマイクロレンズに関連する位相空間容積の外に位置する光線は、隣接するマイクロレンズによって集められる。
【００７０】
フーリエ変換は各チャネルにて形成されるので、光はｘ方向に投影され、これは、前記マイクロレンズによって集められる光照射野上での積分に対応する。その後、光照射野は検出器２０の画素２１によって集められる。結像面への逆変換は、後処理によって可能である。このとき、検出器２０の各画素２１が位相空間ダイアグラム内の光照射野の特定の部分を集めるという事実を考慮することができる。
【００７１】
したがって、まとめると、マイクロレンズアレイ１１は、光が入射する異なる角度１６２がチャネル内の異なる瞳座標上に結像され、異なる程度に焦点ぼけした結像面１６が、それぞれのケースで、異なるチャネル特有の瞳座標上に結像されるという効果を有する。
【００７２】
マイクロレンズアレイ１１に基づく光照射野画像化によってもたらされる様々な制限及び欠点は、様々な実施形態に従う光学装置１０１によって、克服及び低減され得る。
【００７３】
図４は、様々な実施の形態に従う光学装置１０１を説明している。光学装置１０１は、光学ユニット１０２を備える。光学ユニット１０２は、例えば、光源、光学撮像ユニット、検出器、試料ホルダー、可動ステージ、及び走査型光学ユニットからなるグループから選択される要素を含むことができる。光学ユニット１０２は、プロセッサ又は演算ユニット１０３に結合される。
【００７４】
演算ユニット１０３は、光学ユニット１０２を制御するように構成され得る。一例として、光学ユニット１０２の走査型光学ユニットが演算ユニット１０３によって制御され得る。この方法では、一例として、走査型光学ユニットの走査ミラーの角度が設定され得る。一例として、走査型光学ユニットのステージが演算ユニット１０３によって、この方法で例えば異なる動作モードを実行するために、異なる位置の間で調整され得る。
【００７５】
演算ユニット１０３はまた、異なる走査位置に対して検出された測定データから、光照射野画像化技術によって物体の空間的イメージングを再構成するように構成され得る。
【００７６】
光学装置１０１は、さらに、例えば不揮発性メモリなどのメモリ１０４を備える。メモリ１０４は、例えば、演算ユニット１０３によって実行可能な演算命令を格納することができる。演算ユニット１０３によって演算命令を実行することは、演算ユニット１０３が、光照射野の画像化によって物体の空間分解画像を生成することに関する技術を実行し、及び／又は、光学ユニット１０２を制御する、という効果を有する。
【００７７】
光学デバイス１０１はさらに、ユーザインタフェース１０５を備える。ユーザインタフェース１０５は、ユーザにコマンドを出力し、ユーザからコマンドを受信するように構成される。一例として、ユーザインタフェース１０５は、生成され、かつ、物体の空間分解画像が再現される画面を含むことができる。
【００７８】
光学ユニット１０２に関連する側面を、図５を参照してより詳細に説明する。図５は、光源１０２−１が光路１６０，１６１又は光軸に沿って光を放射することを説明している。試料ホルダー１０２−２は、光路１６０，１６１のうち光源１０２−１の下流であって検出器１１８の上流である位置に配置される。試料ホルダー１０２−２は、光路１６０，１６１内に対象物２５０を固定するように構成される。
【００７９】
様々な例によれば、多種多様なタイプ及び種類の検出器１１８が使用され得る。一例では、検出器１１８は、光電子増倍管によって実施される。光電子増倍管は、入射光に対して特に高い感度を有し得る。同時に、検出器１１８は、例えば、特に、マイクロレンズアレイ１１を含むリファレンス実装に従って使用される検出器２０と比較して、比較的少数の画素を有することができる。一例として、光電子増倍管は、多数の画素、例えば２０画素未満、好ましくは５０画素未満、特に好ましくは２５０画素未満の画素を含むことができる。一例として、光電子増倍管は、少なくとも２０又は５０以上又は２５０以上の画素を含む画素アレイを含むことができる。光電子増倍管の個々の画素は、例えば、マイクロレンズアレイを含むリファレンス実装に従う検出器２０の画素２１と比べ、比較的大きな光感領域を有することができる。
【００８０】
検出器１１８のアーキテクチャの一例は、光電子増倍管の上流に配置された光導波路を含む。前記光導波管は、従来技術において光照射野測定に使用されるカメラの画素と比較して、非常に大きな直径を有することができる。
【００８１】
図６及び図７は、光学ユニット１０２の詳細を説明している。初めに図６を参照すると、光学ユニット１０２は、検出器１１８の画素を比較的大きくすることを可能にするように構成される。この目的のために、光学ユニット１０２は走査型光学ユニット１２２を備える。図２と図６の比較から、走査型光学ユニット１２２がマイクロレンズアレイ１１を置き換えていることが明らかである。図６の例では、走査型光学ユニット１２２は、２つのレンズ１１４，１１６と、特定の偏向角で透過させている状態が模式的に示されている走査ミラー１１５とを備える。走査ミラー１１５は、好ましくは、システム全体の瞳平面内に配置される。
【００８２】
光学ユニット１０２はまた、光学撮像ユニット１２１を含む。光学撮像ユニット１２１は、物体表面１５１内に配置された物体２５０の像を結像面１５２内に造る。この目的のため、光学撮像ユニット１２１は、２つのレンズ１１１，１１３及び絞り１１２を含む。様々な例では、光学撮像ユニット１２１は、結像面１５２に物体の拡大画像を生成するように構成され得る。そのようなケースでは、光学装置を顕微鏡検査装置として動作させることが可能になる。
【００８３】
走査型光学ユニット１２２はまた、多様な走査位置のために、物体２５０から異なる角度範囲１６２で入射する光を、それぞれのケースにおいて選択的に検出器１１８に向かわせるように構成される。この目的のため、レンズ１１４，１１６は、光学撮像ユニット１２１の検出器側の結像面１５２を、走査型光学ユニット１２２の検出器側の結像面１５３上に投影する。結像面１５３は、走査型光学ユニット１２２の射出瞳、又は、物体表面１５１の像の一部に対応する。走査ミラー１１５は調整可能であり、例えば演算ユニット１０３によって異なる角度位置に傾斜させられ得る。特定の走査位置に関連付けられていない視野領域をフィルタリングするために、走査型光学ユニット１２２の結像面１５３内に配置された視野絞り２１６が用意され得る。視野絞り２１６の開口を適切に選択することで、それぞれの走査位置について、検出器１１８に到達できる視野領域の大きさを定義することが可能になる。図６に示すように、理想的な物体表面内に位置していないオブジェクトポイントは、視野絞り２１６に対して軸方向に離れて位置するように投影される。したがって、特定の距離を根幹として、オブジェクトポイントに対して割り当てられた特定の角度範囲が視野絞りによって隠される。
【００８４】
様々な実装では、光学装置１０１の光学ユニット１０２はまた、コリメータ光学ユニット２１５を含む。コリメータ光学ユニット２１５は、異なる角度範囲に関する光が検出器の個々の画素上に収集されるよう、視野絞り２１６を通過した光を検出器平面１５４内に配置された検出器１１８に向けるという効果を有する。このことは、コリメータ光学ユニット２１５が、視野絞り２１６を通過する光の角度範囲が、いずれの場合にも、検出器１１８の画素２１上に合焦するように構成されていることを意味する。この場合、コリメータ光学ユニット２１５は、検出器１１８の光感領域の全体を実質的に照射するように構成され得る。この目的のため、コリメータ光学ユニット２１５と検出器１１８の間の距離がコリメータ光学ユニットの焦点距離に対応してもよいし、検出器１１８がコリメータ光学ユニット２１５の後焦点面内に配置されてもよい。
【００８５】
様々な実装では、光学撮像ユニット１２１はズーム光学ユニットとして設計され得る。したがってこのことは、光学撮像ユニット１２１の焦点距離が可変に設計され得ることを意味し得る。そのようなケースでは、コリメータ光学ユニット２１５がズーム光学ユニットとして設計され、可変の焦点距離を有することにもまた、価値があり得る。光学撮像ユニット１２１の異なるズーム設定のそれぞれにおいて、検出器１１８の光感領域の適切な照射がもたらされることを確実にすることができるからである。
【００８６】
例えば、光学撮像ユニット１２１に対する物体のＺ位置を変化させることによって、又は、光学撮像ユニット１２１の焦点面を変化させることによって、自由に選択可能な領域又は物体２５０を通る曲線における光照射野を検出することが可能になり得る。一例として、光照射野は、物体２５０内の１つ又は複数の別個の又は接続されたポイントで検出され得る。光照射野は、特定の物体表面又は光軸１６０に対して外向きにオフセットされた特定の領域に対して選択的に検出され得る。焦点面と走査位置の調整の組み合わせによって、物体２５０を通る傾斜した軌道を実装することも可能になる。結果として、測定データの検出が特定の設定可能な測定領域（関心領域）に限定され得る。その結果、測定時間を短縮することが可能になる。
【００８７】
図６の実装は、図１〜図３のシナリオと比較可能な又は類似したシナリオの生成を可能にする。したがって、光照射野の画像化との関連で、空間イメージングを生成するための既知の再構成技術を使用することが可能である。これは、空間イメージングの再構成が従来技術に頼ることができることを意味する。この場合、コリメータ光学ユニット２１５がマイクロレンズアレイ１１の個々のマイクロレンズを実現するが、この場合、コリメータ光学ユニット２１５がより大きくなるように（すなわち、より大きな焦点距離を有するように）設計され得るという理由で、広い範囲の、特に、より大きくより効率的な検出器１１８が使用可能になることから、視野絞り２１６の全体から光を集めることが可能になる。図３に従う同位相波面の分離は起こらない。物体から入射される光の異なる角度範囲の分離は、図６のシナリオでは、異なる走査位置によって実行される。これは、マイクロレンズアレイ１１に基づくリファレンス実装とは対照的に、物体の走査が複数の走査位置によって異なる映像座標ｘ，ｙについてもたらされるということを意味する（式１を参照）。式２，３による再構成を可能にするためには、コリメータ光学ユニット２１を無収差設計のものであると有利である。従来技術における従来型のマイクロレンズは光照射野の無収差撮像を保証しないので、このことは特に有利である。
【００８８】
いくつかの実装では、少なくとも２つの走査位置が重複する視野領域を有するように視野絞り１２６の開口と走査位置とを互いに調整することに価値がある。この目的のために、視野絞りの開口は、例えば、色々な走査位置の角度範囲１６２との調和を保ち得る。この方法では、物体２５０の空間イメージングが特に正確に生成され得る。具体的には、重複する視野領域を有する複数の走査位置に対応する測定データを比較することによって、測定データの割り当てにおけるオフセット又は誤りを低減することが可能になり得る。
【００８９】
他の例では、複数の走査位置が重複する視野領域を有しないように視野絞り１２６の開口と走査位置とを互いに調整することもまた、可能である。そのようなシナリオでは、結果として測定期間が特に短くなり、物体２５０の空間イメージングを比較的迅速に生成することが可能となり得る。
【００９０】
さらに、測定データの取得を色々な動作モードで行うため、個々の角度範囲１６２の広がりを色々に選択することが可能である。この場合、より大きい（より小さい）角度範囲１６２は、典型的には、生成された物体２５０の空間イメージングのより小さい（より大きい）空間分解能に対応し得る。特に、異なる角度範囲１６２の１つの広がりは、物体２５０の空間イメージングの１つの画素サイズに対応し得る。角度範囲は、例えばコリメータ光学ユニット２１５の可変焦点距離によって変更され得る。
【００９１】
さらに、視野絞りの開口の半径を、少なくとも１つの方向に可変とすることが可能である。この方法では、動作モードによっては、異なる視野領域の異なる広がりが実行され得る。一例として、視野絞り２１６は、２〜２０ＡＵ(Airy Unit)の範囲、好ましくは３〜８ＡＵ、特に好ましくは４〜５ＡＵの範囲の直径を有し得る。
【００９２】
図７は、レーザ走査顕微鏡として設計された光学装置内への、図６を参照しつつ上で議論したような光学ユニット１０２の一体化を示す。この場合、光学ユニット１０２は、コヒーレントな単色光を射出する光源１０２−１を含む。ビーム拡大器２１４及びビーム分離器２１３は、ビーム経路１６１を導く。図７の例では、走査型光学ユニットはレンズ１１３，１１４−１，１１４−２，２１２と、異なる走査位置２９０のために傾けられ得る２つの可動ミラー１１５−１，１１５−２を含む。レンズ１１３，１１４−１は、いわゆるチューブレンズ及びスキャニング対眼レンズを構成する。そのような走査型光学ユニットは、本書に記載される様々な例において使用され得る。
【００９３】
対物レンズ２１１は、光学撮像ユニットを実装し、物体２５０の近傍に配置される。対物レンズ２１１は、１セットのレンズを含む。試料２５０は、対物レンズ２１１の焦点面内に配置され、試料ホルダー１０２−２によって固定される。対物レンズ２１１は、物体２５０の拡大撮像を提供する。
【００９４】
物体２５０から検出器１１８の方向に光が発せられる。この光は、走査型光学ユニット１１３，１１４，１１５−１，１１５−２を順に通過し、ビーム分離器２１３を通過して、レンズ１１６によって、視野絞り２１６が位置している結像面に映し出される。光学ユニット１０２のそのような動作は、光照射野動作モードに対応し得る。
【００９５】
光照射野動作モード１００１の他にも、光学ユニット１０２は、レーザ走査動作モード１００３で動作させることができる（図８参照）。再び図７を参照すると、光学ユニット１０２のレーザ走査動作モード１００３では、比較的大きな開口を有する視野絞り１１６に代え、比較的小さい開口を有するピンホール絞り１１７（ときに共焦点ピンホールと称される）の使用に価値があり得る。このことは、レーザ走査動作モード１００３において、物体２５０の異なる物体表面に配置されたポイントの間で特にはっきりした分離を実現することを可能にする。
【００９６】
異なる動作モード間での変更を可能にするために、光学ユニット１０２は、第１の位置２２１と第２の位置２２２との間を移動可能な可動ステージ２２０を含む（１００２。図７及び図８参照）。一例として、演算ユニット１０３は、第１及び第２の位置２２１，２２２の間で可動ステージを変位させるために、可動ステージを駆動することができる。コリメータ光学ユニット２１５及び視野絞り２１６は、可動ステージ２２０が第１の位置２２１にあるときに光路１６１内に位置するよう、可動ステージ２２０に結合される。ピンホール絞り１１７及び集光レンズ１１８は、第２の位置２２２において光路１６１内に位置するよう、可動ステージ２２０に結合される。この方法では、第１及び第２の位置２２１，２２２の間での調整により、レーザ走査動作モード１００３と光照射野動作モード１００１との間で行ったり来たりのスイッチングが可能となる。様々な実装では、レーザ走査動作モードはまた、例えばエアリー(Airy)スキャニング技術により、超解像度を用意できる。
【００９７】
図７に従う実装は、とても大きな結像スケールを可能にする。レーザ走査動作モードにおいては、物体２５０を有する物体表面と検出器１１８との間の結像スケールは、１０００以上、特に１５００とすることができる。その結果、１００μｍ以上、好ましくは２５０μｍ以上の点像半径が可能となるように、視野絞り２１６を有する中間結像面内に、又は、検出器１１８上に、点像を高倍率で形成することが可能になる。結果として、例えば光電子増倍管などの効率的な検出器が可能になる。個々の光電子増倍管の上流に配置された可撓性光導波路（図７には、光導波路１１８の密集した端部のみを模式的に示している）によって、画素の最密充填を達成することが可能になる。したがって、コリメータ光学ユニット２１５の配置によって、光照射野の測定のために、大きくて光効率の良い検出器を使用することも可能になる。
【００９８】
レーザ走査動作モード１００３と光照射野動作モード１００１との間で行ったり来たりのスイッチングを行うことのさらなる可能性は、可変直径を有する開口を有する視野絞り２１６及び／又はズーム光学ユニットとして設計されたコリメータ光学ユニット２１５によって実現され得る。ズーム光学ユニットは、具体的には、焦点距離が可変である光学ユニットとして設計することができ、物体視野（視野絞り２１６）と像視野（検出器平面１１８）との間の軸方向の距離は変化しない。そのようなズームは、例えば、少なくとも２段階のズームとして具体化され、そこでは、焦点距離は１つのズーム段階で変化し、物体表面と瞳面との間の距離は、さらなるズーム段階で一定に保たれる。ズーム光学ユニットは、例えば、軸方向に移動可能なレンズ群によって、又は、横方向に移動可能な非球面要素によって、従来通りに設計することができる。
【００９９】
光照射野動作モード１００１とレーザ走査動作モード１００３とは、相乗的に組み合わせて使用され得る。一例として、物体２５０の空間イメージングは、レーザ走査動作モード１００３においても生成され得る。これは、例えばピンホール絞り１１７をｚ軸に沿って変位させることによって、又は、対物レンズ２１１の焦点面を変化させることによって、又は、対物レンズ２１１と物体２５０の間の相対運動によって物体２５０の相対的な軸方向位置を変化させることによって、実施され得る。レーザ走査動作モード１００３によって物体の空間イメージングを実現するための測定期間は、典型的には比較的長くなり、特に、光照射野動作モード１００１のための測定期間より長くなり得る。しかしながら、その代わりに、深さ分解能は比較的高くなり得る。したがって、光照射野動作モード１００１によって生成される空間イメージングに基づいて特定のｚ範囲を粗く選択することを可能にし、レーザ走査動作モード１００３による空間イメージングの生成を、その特定のｚ範囲に制限することに価値があり得る。一例として、ユーザは、ユーザインタフェース１０５を介して光照射野動作モード１００１に基づく三次元概観画像を取得し、そこで特定の測定領域を選択することができる。この目的のために、ユーザは、物体２５０を通って３次元で例えばデジタル的に移動及びズームし、特定の領域に焦点を合わせることができる。特に高い解像度を有する空間イメージングは、その後、この測定領域に対するレーザ走査動作モード１００３によって生成され得る。このことは、感光性の試料に対しては、光への曝露が低減され得るという利点を有する。
【０１００】
図９は、様々な実施の形態に従う方法に関する詳細を示す。具体的には、図９は、光照射野動作モード１００１に関する詳細を示している。まず、第１の走査位置２９０が選択される（１０１１）。第１の走査位置２９０は現在の走査位置２９０として採用され、続いて、現在の走査位置２９０を作動させるために走査型光学ユニット１２２が駆動される（１０１２）。これは、特定の角度範囲からの光が検出器１１８上に向かうようにするために、１つ以上の走査ミラー１１５，１１５−１，１１５−２を傾けることを含み得る。その後、アクティブな走査位置２９０について、対応する測定データを得るために検出器１１８の画素が読み取られる（１０１３）。
【０１０１】
その後、さらなる走査位置２９０についての測定データが要求されているか否かを確認するための判定が実施される（１０１４）。肯定ならば、次の走査位置が選択される（１０１５）。後者は、現在の走査位置２９０として採用される（１０１５）。その後、新たな現在の走査位置２９０を用いて、ステップ１０１２〜１０１４が再び実行される。
【０１０２】
一例として、走査位置２９０は柔軟に決定され得る。走査位置２９０は、例えば、物体２５０の空間イメージングの望ましい空間分解能に基づいて決定され得る。より大きい（より小さい）空間分解能は、典型的には、より多数（より小数）の走査位置２９０に対応し得る。
【０１０３】
もし１０１４において、さらなる操作位置２９０についての測定データが要求されないのであれば、１０１６において、物体２５０の空間分解画像が生成される。この目的のために、例えば図１〜図３に関連して上述したような再構成技術を用いることが可能である。しかしながら、他の再構成技術もまた、考えられる。具体的には、物体２５０の空間分解画像は、物体２５０の異なる物体表面に対応する複数の画像を含む。この場合、異なる物体表面は互いに大きく離れており、これは、具体的には、例えば光学撮像ユニット１２１，２１１によって定義される被写界深度よりも大きい。
【０１０４】
オプションで、ステップ１０１１の前に視野絞り２１６を駆動し、視野絞り２１６の開口の半径を設定することもできる（図９には示していない）。開口の半径は、例えば、空間イメージングの所望の深さ分解能に依存して決定され得る。
【０１０５】
まとめると、マイクロレンズアレイを用いることなく光照射野の画像化を実行することを可能にする技術が上述された。本明細書に記載される技術は、異なる走査位置に対して、それぞれ異なる角度範囲からの光を検出器に向けることを可能にする走査型光学ユニットの使用に基づいている。結果として、マイクロレンズアレイによって達成される異なる角度範囲の平行走査は連続的な走査によって置き換えられる。これにより、空間イメージングのために、異なる物体表面からの画像の特に高い空間分解能を提供することが可能になる。さらに、そのような技術を用いることにより、例えば、より小数の画素を有する大きな検出器を使用することが可能となり得る。これにより、特に高感度の光電子増倍管を使用することが可能になり得る。さらに、本明細書に記載された技術によって、光照射野の画像化のための光学系をレーザ走査顕微鏡に統合することが可能となり得る。
【０１０６】
言うまでもなく、上述した実施形態の特徴および本発明の態様は、互いに組み合わせることができる。特に、上記特徴は、本発明の分野から逸脱することなく、記載された組み合わせだけでなく、他の組み合わせまたはそれ自体でも使用することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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