(57)【要約】【課題】            光ビームの高速かつ効率的な制御（走査）を可能とし、しかもほぼメンテナンスフリーで磨耗も殆ど伴わないビーム偏向装置を提供すること。【解決手段】        回動可能に支承される偏向手段を有する、光ビームを偏向するための調節可能なビーム偏向装置において、偏向手段のベアリング要素は、磁性流体を含むことを特徴とする。【選択図】          図１
2005062885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動可能に支承される偏向手段を有する、光ビームを偏向するための調節可能なビーム偏向装置において、
偏向手段を支承するベアリング要素として、磁性流体を備えたベアリング要素を有すること
を特徴とするビーム偏向装置。
【請求項２】
前記偏向手段は、複数の軸の周りで回動可能に構成されること
を特徴とする請求項１に記載のビーム偏向装置。
【請求項３】
前記偏向手段は、該偏向手段の回転位置を調節可能とする制御レバーを有すること
を特徴とする請求項１又は２に記載のビーム偏向装置。
【請求項４】
前記偏向手段の回転を惹起可能とする少なくとも１つの駆動手段を有すること
を特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のビーム偏向装置。
【請求項５】
前記駆動手段は、少なくとも１つのコイル及び／又は電磁石を含むこと
を特徴とする請求項４に記載のビーム偏向装置。
【請求項６】
前記偏向手段の実際の回転位置を検出可能にする監視手段を有すること
を特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のビーム偏向装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のビーム偏向装置を有するラスタ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回動可能に支持される偏向手段を有する、光ビームを偏向するための調節可能なビーム偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム偏向装置は、光学分野において、極めて多くの種類のものが知られている。ビーム偏向装置の多く、とりわけ光ビームの高速偏向が重要となるものは、ガルバノメータミラーを有する。（複数の）ガルバノメータミラーを基礎とするビーム偏向装置の欠点は、とりわけ転動軸受（コロないし球軸受）における磨耗が大きいことである。構造上の制約のため、リターンバネは、ガルバノ調節要素内において対称的に配されないため、その影響は、ガルバノメータミラーの往復運動の異なる運動において高速振動の際にまさにはっきりと現れる。
【０００３】
２つの次元（ないし方向）に関して光ビームを偏向するために、互いに対し垂直に配される軸線の周りで相互に（順次）回動可能な２つのミラーを有するビーム偏向装置がよく使用される。光ビームの２つの次元（ないし方向）で偏向するための他のビーム偏向装置では、カルダン式に懸設されるただ１つのミラーが使用される。
【０００４】
とりわけ共焦点レーザ走査型顕微鏡において使用される、互いに実質的に垂直に配された２つの軸線（の方向）に関してビームを走査（スキャン）するための光学装置が知られている（特許文献１参照）。この光学装置は、互いに垂直に配された軸線の周りでそれぞれ１つの駆動装置によって回動可能な第１、第２及び第３のミラーとを有する。第３のミラーは、（場合によっては所与の角度位置をなして回転固定的に）第２のミラーに後置される。第１及び第２のミラーは、互いに対し所与の角度位置をなして回転固定的に配置されるためｙ軸の周りで一緒に（互いに対する相対位置関係を維持しつつ）回転し、当該ｙ軸周りでの回転の際、（ｘ軸周りに）単独で回転する第３のミラーの回転軸上の偏向点の周りでビームを偏向する。
【０００５】
ラスタ（走査）顕微鏡では、被検対象（試料）は、光ビームで照明され、当該被検対象から射出される反射光又は蛍光光が観察される。照明光ビームの（合焦）スポットは、制御可能なビーム偏向装置によって、通常は２つのミラーの傾動運動によって、対象物面で運動する。この場合、偏向軸は、大抵、互いに垂直に配されるので、一方のミラーはｘ方向に、他方のミラーはｙ方向に偏向を行う。ミラーの傾動運動は、例えば、（複数の）ガルバノメータ調節要素（Galvanometer-Stellelemente）によって実行される。被検対象から射出される光のパワー（強度）は、走査ビームの位置に依存して測定される。通常、ガルバノメータ調節要素は、ミラーの実際位置を検出する複数のセンサを有する。
【０００６】
とりわけ共焦点ラスタ（走査）顕微鏡においては、被検対象は、光ビームの（合焦）スポットで３次元的に走査される。
【０００７】
共焦点ラスタ顕微鏡は、通常、（１つの）光源、該光源の光をピンホール絞り−所謂励起絞り−において合焦する（１つの）合焦光学系、（１つの）ビームスプリッタ、ビームを制御するための（１つの）ビーム偏向装置、（１つの）顕微鏡光学系、（１つの）検出器絞り、及び検出光ないし蛍光光を検出するための複数の検出器を有する。照明光は、例えばニュートラル（中性）ビームスプリッタ又はダイクロイック（二色性）ビームスプリッタとして構成可能なビームスプリッタを介して差込入射されることがしばしばある。ニュートラルビームスプリッタは、その分割比に応じて、多くの励起光又は多くの検出光を喪失するという欠点を有する。
【０００８】
被検対象から射出する蛍光光又は反射光は、ビーム偏向装置を介してビームスプリッタへ戻り着き、該ビームスプリッタを通過した後、複数の検出器が後置される検出器絞りにおいて合焦する。（合焦）スポット領域に直接由来しない検出光は、これとは異なる経路を進み、検出器絞りを通過しないため、被検対象を順次的（連続的）に走査することにより三次元画像を生成するに至る点情報が得られる。三次元画像は、大抵、複数の層状画像データの撮像（記録）によって生成されるが、被検対象上ないし内部における走査光ビームの軌道は、理想的にはジグザグ状（即ち、例えば、ｙ位置一定の下でｘ方向（ｘ順方向）に１つの行を走査（掃引）し、（終端位置で）ｘ走査を停止し、ｙ位置を変更して次に走査されるべき行へ方向転換し、再びｙ位置一定の下で当該（変更後の）行をｘの反対方向（ｘ逆方向）に走査を続行することを繰り返すことにより形成される軌道。）をなす。層状の画像データ撮像を可能にするために、１つの層の走査後、試料テーブル（ステージ）又は対物レンズが摺動され、そして、次に走査されるべき層が対物レンズの合焦面にもたらされる。
【０００９】
【特許文献１】ＤＥ １９６ ５４ ２１０ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ラスタ顕微鏡検査では、収差を伴わない結像を達成するために、被検対象を走査する際、対物レンズ瞳に位置する偏向点の周りで照明光ビームを偏向することがとりわけ重要である。この条件は、行を走査する場合にも列を走査する場合にも、即ちｘ方向においてもｙ方向においても充足されるのが理想的である。ビーム偏向装置は、場所ないし空間上の理由から、通常、対物レンズ瞳に配置することはできないので、対物レンズ瞳に位置する偏向点は他の光学系によって結像され（（対物レンズ瞳の共役面上に）共役点が生成され）、当該結像位置にビーム偏向装置が配置される。しかしながら、前後に並んで配置される２つのミラーを基礎とするビーム偏向装置は、該２つのミラーのうち一方しか上記瞳結像位置に配置することができないという欠点がある。このため、必然的に、結像収差が生じる。カルダン式に懸設されるただ１つのミラーを基礎とするビーム偏向装置又は上掲特許文献１から既知の上述のビーム偏向装置もまた、この欠点を回避することはできない。更に、これらのビーム偏向装置は、運動されるべき（部分の）質量は比較的大きいので、比較的小さい走査速度しか実現することができない。
【００１１】
それゆえ、本発明の課題は、光ビームの高速かつ効率的な制御（走査）を可能とし、しかもほぼメンテナンスフリーで磨耗も殆ど伴わないビーム偏向装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の一視点により、回動可能に支承される偏向手段を有する、光ビームを偏向するための調節可能なビーム偏向装置が提供される。このビーム偏向装置において、偏向手段を支承するベアリング要素として、磁性流体（Ferrofluid）を備えたベアリング要素を有することを特徴とする（形態１・基本構成）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の独立請求項１により、上記課題に対応する効果が上述の通り達成される。即ち、本発明のビーム偏向装置は、光（走査）ビームを高速かつ効率的に制御（走査）することができ、しかもほぼメンテナンスフリーで磨耗も殆ど伴わない。
更に、各従属請求項により付加的な効果が後述の通りそれぞれ達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を上記基本構成を形態１として示すが、これらは従属請求項の対象でもある。
（２）上記形態１のビーム偏向装置において、前記偏向手段は、複数の軸の周りで回動可能に構成されることが好ましい（形態２）。
（３）上記形態１又は２のビーム偏向装置において、前記偏向手段は、該偏向手段の回転位置を調節可能とする制御レバーを有することが好ましい（形態３）。
（４）上記形態１〜３のビーム偏向装置において、前記偏向手段の回転を惹起可能とする少なくとも１つの駆動手段を有することが好ましい（形態４）。
（５）上記形態４のビーム偏向装置において、前記駆動手段は、少なくとも１つのコイル及び／又は電磁石を含むことが好ましい（形態５）。
（６）上記形態１〜５のビーム偏向装置において、前記偏向手段の実際の回転位置を検出可能にする監視手段を有することが好ましい（形態６）。
（７）ラスタ（走査）顕微鏡は、上記形態１〜６の何れか１つのビーム偏向装置を有すると有利である。
【００１５】
磁石流体とも磁気流体とも称される磁性流体は、他の技術分野において既知である。磁性流体は、磁性ナノ粒子（超微粒子）を溶媒に分散させた安定なコロイド溶液である。既知の利用分野としては、例えば、スピーカの冷却や回転動力伝達部材の低磨耗性パッキングがある。また、密度の異なる複数の磁性材料が互いに分離しないようにするために磁性流体を使用することもできる。医療技術分野では、磁性流体は、レントゲン写真の造影剤として及び血管系の流動性検査に使用される。
【００１６】
本発明のビーム偏向装置は、偏向手段の特殊な支承（軸受）形態に基づき、大きな偏向速度（高速偏向）の実現を可能とする；この高速偏向は、とりわけ偏向手段が一種の球関節（Kugelgelenk）内で２つの回転軸線の周りで回動可能な場合にも実現可能である。偏向手段は、偏向されるべき光ビームを少なくとも部分的に反射する。このため、偏向手段は、例えば、ミラー又は部分反射性フィルタとして構成することができる。他の一変形形態では、偏向手段は、光ビームを光学的屈折又は回折によって偏向する。この場合、偏向手段は、例えば、光学格子又はプリズムを含み得る。
【００１７】
本発明のとりわけ好ましい一実施形態では、偏向手段は、複数の−好ましくは２つの−軸線の回りで回動可能に支承（軸受）される。とりわけラスタ（走査）顕微鏡検査においてテレセントリックな結像を達成する−何れも対物レンズ瞳の１つの結像を貫通する２つの回転軸線の周りにおいて偏向手段を回動する−ために、２つの回転軸線は、同一ではあるが、位置は固定されていない１つの面に常に位置する。即ち、（２つないし複数の）回転軸線は、互いにねじれた（windschief）位置関係を以って延在するのではなく、常に１つの位置固定的な交点を有する。
【００１８】
本発明の好ましい一実施形態では、偏向手段は、磁性流体が磁力線に従ってヨークと偏向手段の間に位置するように磁石のヨーク内に配される。偏向手段が自動的に調心（中心合せ）されるようビーム偏向装置が構成されると都合がよい。
【００１９】
好ましくは、磁性流体は、磁界が形成（印加）されたとき、ヨークの内部からヨークのスリット（複数）に引き戻されて、そこで軸受として機能する一種の「シールリング」を形成する。
【００２０】
本発明のビーム偏向装置の特別な一変形形態では、偏向手段は、偏向手段の回転位置を調節できるよう構成される制御レバーを有する。
【００２１】
好ましくは、偏向手段の回動を惹起可能とする少なくとも１つの駆動手段が配設される。好ましい一変形例では、駆動手段は、制御レバーに作用する。
【００２２】
有利な一変形形態では、駆動手段は、電磁的に作動する。このため、駆動手段は、例えば、制御レバーに配された磁性部材に力を及ぼすコイル又は電磁石を含む。
【００２３】
他の一変形形態では、偏向手段は、静電的に作動する駆動手段として構成される。また、例えばモータ又は圧電調節要素（アクチュエータ）のような他の任意の種類の駆動手段を使用することも可能である。
【００２４】
本発明のビーム偏向装置のとりわけ有利な一実施形態では、偏向手段の実際の回転位置を検出可能にする監視手段が設けられる。そのような監視手段は、例えば、ラスタ顕微鏡検査において、被検対象のどの領域ないし部分が今まさに走査されているかについての情報を提供することができる。好ましくは、監視手段は、偏向手段によって偏向された光ビームの偏向方向及び／又は偏向手段によって偏向された監視光ビームの偏向方向から偏向手段の回転位置を検出する。監視光ビームを生成するために、有利にはレーザ、とりわけ半導体レーザとして構成される光源が設けられる。監視手段は、有利な一変形形態では、監視光ビームの偏向方向を検出するための光学センサを有する。光学センサは、例えば、４分割ダイオード又は複数の単検出器のアレイ（例えばダイオードアレイ）として構成することができる。
【００２５】
本発明のビーム偏向装置をラスタ（走査）顕微鏡に使用するととりわけ有利である。というのは、この場合、上述したように、２つの走査方向におけるテレセントリックな結像と２つの走査方向における大きな走査速度（高速走査）を同時に達成することができるからである。
【００２６】
とりわけ好ましい一実施形態では、ラスタ（走査）顕微鏡は、共焦点ラスタ（走査）顕微鏡として構成される。
【００２７】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明するが、同一の又は機能が同一の構造要素には、同一の図面参照符号を付した。なお、以下の実施例は、発明の理解の容易化のためのものであって、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を排除することは意図しない。この点に関しては、補正・訂正後においても同様である。
【実施例】
【００２８】
図１に、本発明のビーム偏向装置１の一例のｘｚ断面を示す。ビーム偏向装置１は、非磁性のミラー支持体５と該ミラー支持体５に固定されたミラー７とから構成される偏向手段３を有する。非磁性のミラー支持体５は、磁性流体９で浮遊しており、（図１では断面で示される）環状磁石１３のヨーク１１の内部（内側）に配される。磁性流体は、磁界の作用により、偏向手段３とヨーク１１の間の隙間に集まり滑軸受として機能する。環状磁石１３の磁界は磁性流体に対し磁束Ｂによる力を及ぼすため、磁力線の密度も同様に磁性流体に密度の変化を引き起こしてミラー支持体５に圧力を加える。その結果、ミラー支持体５は、中心に完全に調心される。図１、２の各断面において、磁性流体９は片側各２ヶ、計４ヶ表わされているが、磁性流体の数は、ミラー支持体５を安全保持可能な配置で必要なだけ分布・配される。Ｚ軸を中心とする円周方向の配置についても同様である。図示の実施例では、磁性流体９はシールリング状に形成されているが、円周方向に必要に応じ分割した状態で配置することもできる。
【００２９】
偏向手段３は、十字状に構成される磁性部材１７がその一端部に固定される制御レバー１５を有する。制御レバー１５はＺ軸方向に延在する。ビーム偏向装置は、駆動手段２７として、４つのコイル１９、２１、２３、２５を有する。４つのコイル１９、２１、２３、２５に生ずる電磁力によって、磁性部材１７に作用する力を生成することができるため、コイル１９、２１、２３、２５を電気的に（各別に或いは組合せて）制御することにより、偏向手段３の回転位置（Ｚ軸に対する相対角度位置ないし傾動位置）を調節することができる。その結果、ビーム偏向装置は、少なくとも２つの軸の周りに、実質的にあらゆる方向（ユニバーサル）に位置調節することができ、かつ走査のため所定の順序で角度制御可能である。
【００３０】
図３に、十字状に構成された磁性部材１７に対する４つのコイル１９、２１、２３、２５の位置関係を示す。
【００３１】
光ビーム２９の偏向方向は、既述の方法で調節することができる。
【００３２】
図２に、偏向手段３の回転位置を検出可能にする監視手段３１を模式的に示す。監視手段３１は、ミラー７の背面（走査光ビームが入射する面と反対側の面）に向かって監視光ビーム３５を放射する半導体レーザ３３を有する。ミラー７の背面で反射された監視光ビーム３５は、４分割ダイオード３９として構成される光学センサ３７によって検出される。監視光ビームの４分割ダイオード３９上における入射位置から、偏向手段３の回転位置を推定（導出）することができる。
【００３３】
図４に、光学系４５によって照明ピンホール絞り４７（のピンホール）において合焦する照明光ビーム４３を放出する光源４１を有する本発明のラスタ顕微鏡の一例を示す。照明光ビーム４３は、照明ピンホール絞り４７を通過し、主ビームスプリッタ４９によって、図１に示した偏向手段３を有するビーム偏向装置１へ向かって偏向される。ビーム偏向装置１は、走査光学系５１、鏡筒光学系５３及び顕微鏡対物レンズ５５を介し、２次元的ないし面状に（２つの次元ないし方向において）被検対象５７上（又はその内部の断層面上）で照明光ビームを導く（走査する）。被検対象から（反射等により）射出された検出光５９は、（照射経路と）同じ光経路を逆に辿り、即ち顕微鏡光学系（対物レンズ）５５、鏡筒光学系５３、走査光学系５１及びビーム偏向装置１を辿り、主ビームスプリッタ４９に戻り着き、該主ビームスプリッタ４９とこれに後置された検出ピンホール絞り６３を通過した後、検出器６５に入射する。検出器６５は、検出光５９の強度（パワー）に比例する電気信号を生成して処理ユニット６１へ伝送する（検出光情報）。偏向手段３の回転位置に関する情報は、４分割ダイオード３９から同様に処理ユニット６１へ伝送され、この（回転位置）情報は該処理ユニット６１で対応する検出光情報に割り当てられる（関連付けられる）。互いに関連付けられたこれらデータないし情報は、例えば、ＰＣ等のコンピュータによって被検対象５７の画像として表示可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のビーム偏向装置の一例のｘｚ断面。
【図２】本発明のビーム偏向装置の一例のｙｚ断面。
【図３】本発明のビーム偏向装置の磁性部材とコイル配置の一例のｚ軸方向から見た平面図。
【図４】本発明のラスタ顕微鏡の一例。
【符号の説明】
【００３５】
１  ビーム偏向装置
３  偏向手段
５  ミラー支持体
７  ミラー
９  磁性流体
１１  ヨーク（導磁性磁気回路部材）
１３  環状磁石
１５  制御レバー
１７  磁性部材
１９  コイル
２１  コイル
２３  コイル
２５  コイル
２７  駆動手段
２９  光ビーム
３１  監視手段
３３  半導体レーザ
３５  監視光ビーム
３７  センサ
３９  ４分割ダイオード
４１  光源
４３  照明光ビーム
４５  光学系
４７  照明ピンホール絞り
４９  主ビームスプリッタ
５１  走査光学系
５３  鏡筒光学系
５５  顕微鏡対物レンズ（光学系）
５７  被検対象（試料）
５９  検出光
６１  処理ユニット
６３  検出ピンホール絞り
６５  検出器
【図１】
2005062885.tif 000003
【図２】
2005062885.tif 000004
【図３】
2005062885.tif 000005
【図４】
2005062885.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月23日(2004.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2005062885.tif 000007