(57)【要約】【課題】  検出効率が走査速度に殆ど依存しないラスタ（走査）顕微鏡を提供すること。【解決手段】  少なくとも１つの点光源とビーム偏向装置とを含む照明ビーム路と、少なくとも１つの検出（ピン）ホール絞りと前記ビーム偏向装置とを含む検出ビーム路とを有する被検対象を走査する共焦点ラスタ（走査）顕微鏡において、前記照明ビーム路及び／又は前記検出ビーム路の経路は、走査速度に適合可能に構成されることを特徴とする。【選択図】  図１
2005043892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの点光源とビーム偏向装置とを含む照明ビーム路と、少なくとも１つの検出ピンホール絞りと前記ビーム偏向装置とを含む検出ビーム路とを有し被検対象を走査する共焦点ラスタ顕微鏡において、
前記照明ビーム路及び／又は前記検出ビーム路の経路は、走査速度に適合可能に構成されること
を特徴とする共焦点ラスタ顕微鏡。
【請求項２】
前記点光源は、照明ピンホール絞りによって規定されること
を特徴とする請求項１に記載の共焦点ラスタ顕微鏡。
【請求項３】
前記点光源及び／又は前記検出ピンホール絞りは、摺動可能に構成されること
を特徴とする請求項１又は２に記載の共焦点ラスタ顕微鏡。
【請求項４】
前記点光源及び／又は前記検出ピンホール絞りを前記走査速度に依存して摺動させるよう構成された摺動装置を有すること
を特徴とする請求項３に記載の共焦点ラスタ顕微鏡。
【請求項５】
前記照明ビーム路及び／又は前記検出ビーム路の経路を前記走査速度に適合させるために、ビーム案内要素が配されること
を特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の共焦点ラスタ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの点光源とビーム偏向装置とを含む照明ビーム路と、少なくとも１つの検出（ピン）ホール絞りと前記ビーム偏向装置とを含む検出ビーム路とを有する被検対象を走査する共焦点ラスタ（走査）顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラスタ顕微鏡検査においては、被検対象（試料）は、光ビームで照明され、該被検対象から放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つのミラーの傾動操作によって、対象物面において移動させられる。この場合、（２つの）偏向軸は、大抵、互いに垂直に配されるため、一方のミラーはｘ方向において偏向を行い、他方のミラーはｙ方向において偏向を行う。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。被検対象から射出する光のパワー（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。
【０００３】
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。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、ビームスプリッタを介して差込入射される。被検対象から射出する蛍光光ないし反射光は、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。
【０００４】
理想的には、被検対象上ないし内部における走査光ビームの軌道（軌跡）はジグザグ状（メアンダ状：Maeander）（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（ないし列・ライン）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。走査軌道は、走査速度がより大きくなるほど、メアンダ形状から外れる度合いも一層大きくなる。この現象は、主として、運動要素の（質量）慣性に起因し得る。高速走査の場合、走査軌道は、寧ろサインカーブに近くなるが、ｘ順方向における走査のための部分軌道曲線と、ｘ逆方向における走査のための部分軌道曲線とが互いに異なることもしばしば起こる。
【０００５】
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（メアンダ）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。
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ ６，４４９，０３９ Ｂ１
【特許文献２】ＤＥ １００ ３８ ６２２ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多くのラスタ顕微鏡では、ビーム偏向装置は、所謂ガルバノメータミラー又はより大きい走査速度を実現するために共鳴ガルバノメータミラーを含む。ビーム偏向装置として音響光学偏向器（Akustooptischer Deflektor：ＡＯＤ）を有するレーザ走査顕微鏡が知られている（上掲特許文献１参照）。ガルバノメータミラーでは、数百ヘルツ（Ｈｚ）〜数キロヘルツ（ｋＨｚ）の行走査周波数が実現できるのに対し、音響光学的ビーム偏向装置では、数１０ｋＨｚの行走査周波数が達成される。複数のマイクロミラーを有する走査顕微鏡も既知である（上掲特許文献２参照）。マイクロミラーの運動すべき質量は小さいので、この走査顕微鏡では、非常に大きな走査速度が実現される。
【０００８】
しかしながら、既知の走査顕微鏡の検出効率は、走査速度が大きいないし非常に大きいと低下するため不利であることが判明した。
【０００９】
それゆえ、本発明の課題は、検出効率が走査速度に殆ど依存しないラスタ（走査）顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の一視点によれば、少なくとも１つの点光源とビーム偏向装置とを含む照明ビーム路と、少なくとも１つの検出ピンホール絞りと前記ビーム偏向装置とを含む検出ビーム路とを有する被検対象を走査する共焦点ラスタ（走査）顕微鏡が提供される。この共焦点ラスタ顕微鏡において、前記照明ビーム路及び／又は前記検出ビーム路の経路は、走査速度に適合可能に構成されることを特徴とする（形態１・基本構成）。
【発明の効果】
【００１１】
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、本発明の共焦点ラスタ顕微鏡は、走査速度を大きくしても検出効率の低下を阻止することが可能である。
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】
【００１２】
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の共焦点ラスタ顕微鏡において、前記点光源は、照明ピンホール絞りによって規定されることが好ましい（形態２）。
（３）上記形態１又は２の共焦点ラスタ顕微鏡において、前記点光源及び／又は前記検出ピンホール絞りは、摺動可能に構成されることが好ましい（形態３）。
（４）上記形態３の共焦点ラスタ顕微鏡において、前記点光源及び／又は前記検出ピンホール絞りを前記走査速度に依存して摺動させるよう構成された摺動装置を有することが好ましい（形態４）。
（５）上記形態１〜４の共焦点ラスタ顕微鏡において、前記照明ビーム路及び／又は前記検出ビーム路の経路を前記走査速度に適合させるために、ビーム案内要素が配されることが好ましい（形態５）。
【００１３】
本発明により認識されたことは、１つの照明光フォトンがビーム偏向装置から出発し被検対象へと至るまでの走行時間中、その時から（当該照明光フォトンが蛍光着色物質に衝突ないし吸収されてから）１つの蛍光光フォトンが射出されるまでの時間中、及び当該蛍光光フォトンが（射出されてから）ビーム偏向装置へ至るまでの走行時間中におけるビーム偏向装置の偏向角度の変化は、偏向速度が大きい場合、無視されてはならないということである。この（走行）時間中においては、順次的に（連続的に）揺動（振動）するビーム偏向装置の位置は変化するため、検出光は、低い走査速度に対して正確に調節された検出ピンホールへは、僅かにその一部しか入射せず、極端な場合は全く入射しない。例えば、走査速度８０ｋＨｚ、ビーム偏向装置の最大偏向角度８°、ビーム偏向装置と被検対象との間の光経路５０ｃｍ、蛍光着色物質の励起から蛍光光フォトンの放出までの推定時間（励起状態の平均寿命）を１０ｎｓ（ナノ秒）とすると、検出光ビームは検出ピンホール絞りの面に対して（auf）８．９μｍずれる。この場合、１つの照明光フォトンがビーム偏向装置から出発し１つの蛍光光フォトン（検出光フォトン）がビーム偏向装置に到着するまでの時間は、凡そ１３．３ｎｓである。この時間中に、ビーム偏向装置の偏向角度は、０．０１７°変化する。８．９μｍのずれは、通常の走査顕微鏡では、検出ピンホール絞りの調節可能な最小口径（ホール径）の凡そ半分、即ち現在使用可能な対物レンズに関するエアリーディスク（Airyscheibe）の直径の凡そ１０％に相当する。このため、検出光の損失は劇的に大きい。
【００１４】
本発明の共焦点ラスタ顕微鏡は、走査されるべきラスタ（走査）点から射出する検出光全体の大部分が検出ピンホール絞り（のピンホール）に入射するよう、照明ビーム路及び／又は検出ビーム路の経路が走査速度に適合可能であるという利点を有する。
【００１５】
本発明の好ましい一実施形態では、点光源は、後方から照明される照明ピンホール絞りによって規定される。他の有利な一変形形態では、１つのレーザ、又は複数のレーザから構成されるレーザシステムが点光源として用いられる。レーザを使用する場合は、通常、照明ピンホール絞りを不要とすることができる。というのは、レーザは、通常、共振内部焦点（resonatorinternen Fokus）を有し、そのため点光源として使用することができるからである。
【００１６】
本発明の一変形形態では、照明ビーム路及び／又は検出ビーム路の経路は、所与の走査速度に対し固定的に調節することができる。この変形形態では、ラスタ顕微鏡は、当該所与の走査速度の場合にのみ適切な検出効率で作動する。しかしながら、多くの場合は、これでほぼ十分である。点光源ないし照明ピンホール絞り及び検出ピンホール絞りは、この変形形態では、当該所与の走査速度に対し調節された位置において定置的に配設される。
【００１７】
本発明のとりわけ好ましい一変形形態では、点光源（照明ピンホール絞り）及び／又は検出ピンホール絞りは、摺動可能に構成される。このため、点光源及び／又は検出ピンホール絞りを走査速度に依存して摺動させる摺動装置を備えることが好ましい。この摺動が自動的に行われるととりわけ好ましい。このため、摺動装置は、モータ駆動装置を有することが好ましい。このモータ駆動装置は、例えば、ガルバノメータ駆動装置又は好ましくは高速な圧電式駆動装置として構成することができる。
【００１８】
本発明のとりわけ有利な一変形形態では、摺動装置は、点光源及び／又は検出ピンホール絞りを走査プロセスと同期して走査速度に依存して摺動する。その際、照明光ビームは被検対象上ないし内部のラスタ（走査）軌道に沿って導かれるが、このラスタ軌道は種々異なる走査速度で掃引されるという事実を考慮することができる。通常、走査軌道は、サインカーブにほぼ等しいが、（当該サインカーブの）方向反転地点では、走査軌道のほぼ直線部分における走査速度よりもより小さい走査速度で掃引される。この変形形態は、照明ビーム路及び検出ビーム路の経路は、実際の検出速度に常に適切に適合されているのでとりわけ有利である。しかしながら、平均走査速度への適合化が行われれば多くの場合十分であろう。
【００１９】
本発明の他の一実施形態では、照明ビーム路又は検出ビーム路の経路を走査速度に適合化するために、ビーム案内要素が配設される。ビーム案内要素は、例えば、ミラー、レンズ、音響光学要素、電気光学要素、ガラスプレート又は格子を含み得る。ビーム案内要素の構造ないし状態及び／又は位置ないし配向は、走査速度に応じて変更可能であることが好ましい。更に、ビーム案内要素の構造ないし状態及び／又は位置ないし配向は、走査速度に応じて自動的に変更可能であれば一層好ましい。
【００２０】
上述したように、照明ビーム路及び検出ビーム路の経路の、走査軌道の進行中に変化し得る走査速度への適合化を達成するために、ビーム案内要素の構造ないし状態及び／又は位置ないし配向（の変更）が走査プロセスと同期して実行されるよう構成することも可能である。
【００２１】
ビーム案内要素の構造ないし状態及び／又は位置ないし配向の変化を引き起こす調節装置を備えると有利である。調節装置は、モータ駆動装置を備えると有利である。
【００２２】
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。同一の構造要素又は同一の機能を有する構造要素には、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。また、特許請求の範囲に付した図面参照符号も発明の理解の容易化のためのものであって、本発明を図示の態様に限定することは意図しない。なお、これらの点に関しては、補正・訂正後においても同様である。
【実施例】
【００２３】
図１に、照明ピンホール絞り５を照明する（に向かって光を放射する）レーザ３から構成される点光源１を有する本発明の共焦点ラスタ（走査）顕微鏡の一例を示す。照明ピンホール絞り５（のピンホール）を通過する照明光ビーム７は、主ビームスプリッタ９によって、カルダン式に懸設された走査ミラー１３を含むビーム偏向装置１１に向かって偏向される。ビーム偏向装置１１は、走査光学系１５、鏡筒光学系１７及び対物レンズ１９を介して照明光ビーム７を被検対象（試料）２１上ないし内部に導く。点光源１、主ビームスプリッタ９、ビーム偏向装置１１及び上記後続の光学系（１５、１７、１９）を介して、照明ビーム路は規定される。被検対象から射出する検出光２３は、対物レンズ１９、鏡筒光学系１７、走査光学系１５を介し、ビーム偏向装置１１を介して主ビームスプリッタ９に戻り着き、当該主ビームスプリッタ９を通過した後、検出ピンホール絞り２５に入射する。検出ピンホール絞り２５を通過する検出光は、検出器２７によって検出される。検出器２７は、検出光の強度（パワー）に比例する電気信号を生成し、該電気信号は処理装置（不図示）へ伝送される。検出ピンホール絞り２５、ビーム偏向装置１１、並びにビーム偏向装置１１と被検対象２１との間に配設された光学系は、検出ビーム路を規定する。検出ビーム路の経路は、検出ピンホール絞り２５の摺動を介して走査速度に適合可能に構成されている。検出ピンホール絞り２５を摺動するために、圧電モータ駆動装置２９を含む摺動装置３９が配される。摺動装置３９は、ビーム偏向装置から走査ミラー１３の位置に関する信号を受け取る制御装置３１によって制御される。このため、走査軌道を（走査ビームで）掃引する際、掃引の各時点における実際の走査速度に検出ピンホール絞り２５の位置を適合させることが可能となる。この場合、検出ピンホール絞り２５は、摺動装置３９の摺動方向に沿って振動（往復）運動を行う。特定の応用例では、検出ピンホール絞り２５の位置を平均走査速度に適合させるだけで十分であり得るが、この場合、検出ピンホール絞り２５の位置は走査中対応する所定の適合位置に一定に維持されることになる。
【００２４】
図２に、本発明のラスタ顕微鏡における適合化の一例を示す。走査ミラーと被検対象との間の走行時間効果（例えば、単純な反射型の場合、当該構造要素間をフォトンが往復する間に、走査のため、走査ミラーの位置ないし角度が変化すること）に基づき、及び場合によっては更に蛍光着色物質における蛍光フォトンの放出の遅れ（この遅れの間に走査ミラーの位置ないし角度は更に変化し得る）に基づき、検出光２３が、走査ミラー１３を経由ないし反射した後、照明ビーム７の光軸３３と異なる光軸上を推移する様子を図２からはっきりと見出すことができる。検出ビーム路を適合化するために、検出ピンホール絞り２５は、走査ミラーの運動ないし検出光の逸れに対応して、光軸３３に対しその直交方向にずらされて配される（摺動される）ため、上記走行時間効果（及び付加的に上記遅れ効果）が有利に補償される。
【００２５】
図３に、本発明のラスタ顕微鏡における適合化の他の一例を示す。このラスタ顕微鏡では、検出ビーム路の経路を走査速度に適合させるために、レンズ３７を含むビーム案内要素３５が配される。このレンズ３７は、上記走行時間効果（及び付加的に上記遅れ効果）に基づき光軸３３から逸れて推移する検出光２３を光軸３３に（定置的に）配された検出ピンホール絞り２５（のピンホール）へ向かって偏向する。このビーム案内要素３５ないしレンズ３７も、走査ミラーの運動ないし検出光の逸れに対応して、光軸３３に対しとりわけその直交方向に摺動されるため、上記走行時間効果（及び付加的に上記遅れ効果）が有利に補償される。
【００２６】
なお、照明ビーム路及び／又は検出ビーム路の経路は、例えば照明ピンホール、検出ピンホール、光源、ビーム案内要素等の顕微鏡の各構造要素の位置によって規定される。そのため、そのような構造要素のいずれか１つ以上の位置が走査速度に適合されるよう構成されることにより、照明ビーム路及び／又は検出ビーム路の経路を（自動的に）走査速度によるずれに適合させることも可能である。例えば、照明ピンホールの位置を走査速度によるずれに適合させるには、検出ピンホールのずれを見越してこのずれを補償するように照明ピンホールの位置を動的に変位させることで、同様な結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のラスタ顕微鏡の一例。
【図２】本発明のラスタ顕微鏡における適合化の一例。
【図３】本発明のラスタ顕微鏡における適合化の他の一例。
【符号の説明】
【００２８】
１  点光源
３  レーザ
５  照明（ピン）ホール絞り
７  照明光ビーム
９  主ビームスプリッタ
１１  ビーム偏向装置
１３  走査ミラー
１５  走査光学系
１７  鏡筒光学系
１９  対物レンズ
２１  被検対象
２３  検出光
２５  検出（ピン）ホール絞り
２７  検出器
２９  圧電式駆動装置
３１  制御装置
３３  軸線
３５  ビーム案内要素
３７  レンズ
３９  摺動装置
【図１】
2005043892.tif 000003
【図２】
2005043892.tif 000004
【図３】
2005043892.tif 000005