(57)【要約】  本発明は、走査顕微鏡（１００）に関する。当該走査顕微鏡は、照明ビーム（１０２）を試料（１１５）にフォーカシングする対物系（１１２）と、対物系（１１２）に前置されており、試料（１１５）全体にわたる走査運動においてフォーカシングされた照明ビーム（１０２）をガイドするために照明ビーム（１０２）を時間的に可変に偏向すべく位置調整可能な走査素子（１０４）と、対物系（１１２）により、フォーカシングされた照明ビーム（１０２）によって照明される試料（１１５）から出た検出ビーム（１１４）がフォーカシングされる画像センサ（１２２）とを備える。画像センサ（１２２）は制御部（１２６）によって個々に読み出し可能な複数のセンサ素子（１２４）を有しており、これら複数のセンサ素子を介して、検出ビーム（１１４）が、フォーカシングされた照明ビーム（１０２）の走査運動に対応する運動でガイドされる。さらに、検出ビーム（１１４）の種々のスペクトル成分を画像センサ（１２２）上で空間的に相互に分離する予め定められた分散作用を有する分散素子（１２０）が設けられている。制御部（１２６）は、走査素子（１０４）の時間的に可変の位置調整量を検出し、この位置調整量に依存して、分散素子（１２０）の予め定められた分散作用を考慮しつつ、画像センサ（１２２）のセンサ素子（１２４）に、検出ビーム（１１４）のスペクトル成分を対応させ、それぞれのスペクトル成分に対応するセンサ素子（１２４）を読み出す。
2018501515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査顕微鏡であって、
照明ビーム（１０２）を試料（１１５）にフォーカシングする対物系（１１２）と、
前記対物系（１１２）に前置されており、前記試料（１１５）全体にわたる走査運動においてフォーカシングされた前記照明ビーム（１０２）をガイドするために前記照明ビーム（１０２）を時間的に可変に偏向すべく位置調整可能な走査素子（１０４）と、
前記対物系（１１２）により、フォーカシングされた前記照明ビーム（１０２）によって照明される前記試料（１１５）から出た検出ビーム（１１４）が結像される画像センサ（１２２）と
を備え、
前記画像センサ（１２２）は、制御部（１２６）によって個々に読み出し可能な複数のセンサ素子（１２４）を有しており、前記複数のセンサ素子（１２４）を介して、前記検出ビーム（１１４）が、フォーカシングされた前記照明ビーム（１０２）の走査運動に対応する運動でガイドされる走査顕微鏡において、
前記検出ビーム（１１４）の種々のスペクトル成分を前記画像センサ（１２２）上で空間的に相互に分離する予め定められた分散作用を有する分散素子（１２０）が、前記画像センサ（１２２）に前置されて設けられており、
前記制御部（１２６）は、前記検出ビーム（１１４）のスペクトル分解検出のために前記走査素子（１０４）の時間的に可変の位置調整量を検出し、前記位置調整量に依存して、前記分散素子（１２０）の予め定められた分散作用を考慮しつつ、前記画像センサ（１２２）の前記センサ素子（１２４）に、前記検出ビーム（１１４）の空間的に相互に分離されたスペクトル成分を対応させ、それぞれのスペクトル成分に対応する前記センサ素子（１２４）を読み出す、
ことを特徴とする走査顕微鏡。
【請求項２】
前記分散素子（１２０）は、前記試料（１１５）が配置された平面（１３２）に対して光学的に共役な平面（１２８）に配置されている、
請求項１記載の走査顕微鏡。
【請求項３】
前記分散素子（１２０）が配置された前記平面（１２８）は、前記走査素子（１０４）が配置された平面（１３０）に対して光学的に等価である、
請求項２記載の走査顕微鏡。
【請求項４】
前記走査素子（１０４）は、第１の走査方向で、前記試料（１１５）の全体にわたって、前記照明ビーム（１０２）をガイドする、
請求項１から３までのいずれか１項記載の走査顕微鏡。
【請求項５】
前記走査素子（１０４）は、付加的に、前記第１の走査方向に対して垂直な第２の走査方向で、前記試料（１１５）の全体にわたって、前記照明ビーム（１０２）をガイドし、
前記第１の走査方向での前記照明ビーム（１０２）の運動は、前記第２の走査方向での前記照明ビームの運動より迅速である、
請求項４記載の走査顕微鏡。
【請求項６】
前記分散素子（１２０）の分散作用は、前記照明ビーム（１０２）が前記第１の走査方向で前記試料（１１５）の全体にわたってガイドされる場合に、前記検出ビーム（１１４）のスペクトル成分が、前記画像センサ（１２２）上で、前記画像センサ（１２２）の全体にわたって前記検出ビーム（１１４）がガイドされる方向に対して垂直な方向で空間的に相互に分離されるように、予め定められている、
請求項４または５記載の走査顕微鏡。
【請求項７】
前記分散素子（１２０）と前記画像センサ（１２２）との間に検出光学系（１４０）が配置されており、
前記検出光学系（１４０）は、前記走査素子（１０４）が位置調整されるたびに、前記分散素子（１２０）によってスペクトル分割された前記検出ビーム（１１４）を全体として前記画像センサ（１２２）へ集束させる、
請求項１から６までのいずれか１項記載の走査顕微鏡。
【請求項８】
前記検出光学系（１４０）は、前記分散素子（１２０）を焦点面に配置したレンズである、
請求項７記載の走査顕微鏡。
【請求項９】
前記検出光学系（１４０）は、前記走査素子（１０４）が位置調整されるたびに、スペクトル分割された前記検出ビーム（１１４）を、設定されたラインに沿って前記画像センサ（１２２）へ集束させるように構成されている、
請求項７または８記載の走査顕微鏡。
【請求項１０】
前記検出光学系（１４０）は、交差配置された３つのシリンドリカルレンズ（１４２，１４４，１４６）を含み、そのうち中央のシリンドリカルレンズ（１４２）は、第１の平面に位置する屈折作用断面を有し、他の２つのシリンドリカルレンズ（１４４，１４６）の屈折作用断面は、前記第１の平面に対して垂直な第２の平面に位置する、
請求項９記載の走査顕微鏡。
【請求項１１】
前記制御部（１２６）は、少なくとも１つのスペクトル成分を選択し、前記選択されたスペクトル成分に対応するセンサ素子（１２４）のみを読み出す、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の走査顕微鏡。
【請求項１２】
前記画像センサ（１２２）は、面状センサもしくは線状センサである、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の走査顕微鏡。
【請求項１３】
前記分散素子（１２０）は、プリズムもしくは格子である、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の走査顕微鏡。
【請求項１４】
前記検出ビーム（１１４）のスペクトル分解検出のために、ノンデスキャン方式で構成されている、
請求項１から１３までのいずれか１項記載の走査顕微鏡。
【請求項１５】
試料（１１５）を走査顕微鏡によって結像する方法であって、
対物系（１１２）により、照明ビーム（１０２）を前記試料（１１５）にフォーカシングし、
前記対物系（１１２）に前置された走査素子（１０４）を位置調整して前記照明ビーム（１０２）を時間的に可変に偏向させ、これにより前記試料（１１５）全体にわたる走査運動においてフォーカシングされた前記照明ビーム（１０２）をガイドし、
前記対物系（１１２）により、フォーカシングされた前記照明ビーム（１０２）によって照明される前記試料（１１５）から出た検出ビーム（１１４）を画像センサ（１２２）へフォーカシングし、
前記画像センサ（１２２）は、制御部（１２６）によって個々に読み出し可能な複数のセンサ素子（１２４）を有しており、前記複数のセンサ素子（１２４）を介して、前記検出ビーム（１１４）を、フォーカシングされた前記照明ビーム（１０２）の走査運動に対応する運動でガイドする方法において、
前記画像センサ（１２２）での前記検出ビーム（１１４）の種々のスペクトル成分を、前記画像センサ（１２２）に前置された、予め定められた分散作用を有する分散素子（１２０）によって、空間的に相互に分離し、
前記制御部（１２６）により、前記検出ビーム（１１４）のスペクトル分解検出のために前記走査素子（１０４）の時間的に可変の位置調整量を検出し、前記位置調整量に依存して、前記分散素子（１２０）の予め定められた分散作用を考慮しつつ、前記画像センサ（１２２）の前記センサ素子（１２４）に、前記検出ビーム（１１４）の空間的に相互に分離されたスペクトル成分を対応させ、それぞれのスペクトル成分に対応する前記センサ素子（１２４）を読み出す、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査顕微鏡であって、照明ビームを対象物にフォーカシングする対物系と、対物系に前置されており、対物系全体にわたる走査運動においてフォーカシングされた照明ビームをガイドするために照明ビームを時間的に可変に偏向すべく位置調整可能な走査素子と、対物系によりまたは場合により対物系と他の光学系との組み合わせにより、フォーカシングされた照明ビームによって照明される対象物から出た検出ビームが結像もしくはフォーカシングされる画像センサとを備え、この画像センサが制御部によって個々に読み出し可能な複数のセンサ素子を有しており、これら複数のセンサ素子を介して、検出ビームが、フォーカシングされた照明ビームの走査運動に対応する運動でガイドされる、走査顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査顕微鏡検査では、少なくとも１つの照明ビームが対物系によって試料へフォーカシングされる。照明ビームを走査運動またはスキャン運動において試料の全体にわたってガイドするために、照明ビームが試料上で所望の走査運動を行うようにこれを偏向する走査素子（例えば１つもしくは複数の可動ミラー、ＡＯＤすなわち音響光学偏光器およびこれに類似のもの）が対物系に前置されている。通常、走査素子は１つもしくは複数のミラーを含み、このミラーの傾動が、試料上での照明ビームによって形成される光点の水平方向運動に変換される。フォーカシングされた照明ビームは、点ごとに試料を走査する。この場合、試料から出た検出光は、全ての走査点について検出される。最終的に、検出された各検出信号が計算ユニットで結合されて、画像が形成される。
【０００３】
走査顕微鏡の分野では、共焦点顕微鏡が、特に好ましい顕微鏡検査方法である。当該顕微鏡検査方法の基礎となる動作方式を、以下で、図１に関連して説明する。図１では、全体として番号１０を付された共焦点顕微鏡がきわめて概略的に示されている。
【０００４】
共焦点顕微鏡１０は、照明ビーム１２をダイクロイックビームスプリッタミラー１４へ放射する、図１には示されていない光源を有する。ビームスプリッタミラー１４は、照明ビーム１２の波長を有する光を透過するように構成されている。したがって、照明ビーム１２は、ビームスプリッタミラー１４を透過し、走査ミラー１６へ入射する。図１に双方向矢印で示されているように、走査ミラー１６は傾動可能である。走査ミラー１６の傾動により、照明ビーム１２は、所望の走査運動にしたがって偏向される。
【０００５】
走査ミラー１６で反射された後、照明ビーム１２は、焦点距離ｆ３の走査レンズ１８および焦点距離ｆ２のチューブレンズ２０を通り、焦点距離ｆ１の対物系２２へ入射する。対物系２２は照明ビーム１２を最終的に試料２４へフォーカシングする。走査ミラー１６の傾動により、フォーカシングされた照明ビーム１２が点ごとに試料２４を走査する。
【０００６】
図１において番号２６で表されている検出ビームは、フォーカシングされた照明ビーム１２で照明された走査点から出て戻り、対物系２２に達し、上述した光路を反対向きに走行した後、ビームスプリッタミラー１４へ入射する。ビームスプリッタミラー１４は、検出ビーム２６の波長の光を反射するように構成されている。つまり、ビームスプリッタミラー１４は検出ビーム２６をレンズ２８へ偏向し、このレンズ２８が検出ビーム２６を共焦点となるように配置されたホールアパーチャ３０へフォーカシングする。ホールアパーチャ３０により、検出ビーム２６のうち、照明ビーム１２が試料２４上に形成した光点の外に位置する試料領域（試料２４の領域）に由来する光の全てがフィルタリングによって除去される。ホールアパーチャ３０を通過した光は最終的に画像センサ３２に達し、この画像センサ３２が制御部３４によって読み出される。こうして、試料２４から出た光を個々の全ての走査点について検出でき、このようにして形成された検出信号が結合されて、画像が形成される。
【０００７】
当該コンテクストにおける図１の共焦点顕微鏡１０の重要な特徴は、試料２４から出る検出ビーム２６が走査ミラー１６へ戻り、案内されることにより、この検出ビーム２６が照明ビーム１２と同様に走査ミラー１６からの影響を受けることとされている。これにより、検出ビーム２６が位置固定されて画像センサ３２へ入射する一方、照明ビーム１２が走査ミラー１６の走査運動によって試料２４上の走査運動を行うという状態がもたらされる。検出ビーム２６は、走査ミラー１６へ戻り、案内されることによって、画像センサ３２上でもいわば定置に保持される。これに関連して、定置とは、検出ビーム２６が画像センサ３２へ入射する際、入射角は確かに変化しうる（図１の実施形態では当該入射角が定置である）が、光入射位置は変化しないことを意味する。
【０００８】
走査素子１６へ戻り、案内されることにより検出ビーム２６を画像センサ３２上に上述した意味で定置に保持するという方式は、当該技術分野では「デスキャニング」とも称される。こうした「デスキャニング」を可能にするために、図１の共焦点顕微鏡では、図１において番号３８で表されている対象面に対して光学的に共役な平面である平面３６に、走査ミラー１６が配置されている。さらに、図１には、中間像面４０，４２が示されている。中間像面４０は平面３６に光学的に対応し、対象面３８に対して光学的に共役である。中間像面４２は対象面３８に光学的に対応し、平面３６に対して光学的に共役である。
【０００９】
顕微鏡の多くの用途にとって、できるだけ連続的に可変のスペクトル検出を可能にすることが重要である。これは、検出光をできるだけ任意に波長にしたがって種々の検出チャネルに細分化して分割できることを意味する。これは、例えば、種々の色物質から誘起される検出信号をできるだけ良好に相互に分離するために必要である。同様に、試料中の種々の条件は、色物質の発光スペクトルにおける変化によって識別できる。当該変化が良好に分解されるスペクトル検出によって測定可能であれば、ユーザは試料中の種々の条件を再構成できる。
【００１０】
こうしたスペクトル検出は、図１に示されている形式の共焦点顕微鏡で比較的簡単に実現可能である。このため、図２に、スペクトル検出を可能にする変化形態の共焦点顕微鏡１０が示されている。図２の変化形態では、光路で見てホールアパーチャ３０の下流に分散素子４４が設けられており、この分散素子４４が検出ビーム２６を種々のスペクトル成分へ分解して、これらの成分を画像センサ３２へ供給する。画像センサ３２は、制御部３４によって個々に読み出し可能な複数のセンサ素子を有している。種々のスペクトル成分は、図２では、部分ビーム２６−１〜２６−７によって示されている。ホールアパーチャ３０を通って分散素子４４へ入射する検出ビーム２６を集束させる集光レンズ４６が、分散素子４４に前置されて設けられている。
【００１１】
図２の変化形態は、共焦点顕微鏡１０に適用されるデスキャニング方式を利用している。すなわち、検出ビーム２６が定置のビームとしてホールアパーチャ３０から出射されるので、検出ビーム２６の種々のスペクトル成分は、分散素子４４によって試料２４にまさに結像されている走査点に関係なく、図２に示されている方式で空間的に相互に容易に分離可能となる。この場合、例えば、図２に示されていないアパーチャによって、関心スペクトル成分を検出ビーム２６からフィルタリングによって正確に取り出し、画像センサ３２に供給することもできる。
【００１２】
蛍光顕微鏡検査の分野、例えば図３に示されている形式の多光子励起顕微鏡などで適用されているようないわゆる「ノンデスキャン」方式では、異なった挙動が見られる。図３には、図示されていない光源によって照明ビーム５２が傾動可能な走査ミラー５４へ配向され、そこで反射されて、続いて焦点距離ｆ３の走査レンズ５６、焦点距離ｆ２のチューブレンズ５８およびダイクロイックビームスプリッタミラー６０を通って、試料６４へのフォーカシングのために、最終的に焦点距離ｆ１の対物系６２へ入射する、多光子励起顕微鏡５０が示されている。検出ビーム６６は、フォーカシングされた照明ビーム５２で照明された試料６４から出て戻り、対物系６２に達し、ついでダイクロイックミラー６０を通って、制御部７０に結合された画像センサ６８へ配向される。走査ミラー５４は、像面７４に対して光学的に共役な、試料６４が配置された平面７２に、配置されている。図３には別の平面７６，７８も示されている。平面７６は、平面７２に光学的に対応しかつ対象面７４に対して光学的に共役な中間像面である。平面７８は、対象面７４に光学的に対応しかつ平面７２に対して光学的に共役な中間像面である。
【００１３】
図１，図２の共焦点顕微鏡１０とは異なり、多光子励起顕微鏡５０では、検出ビーム６６がダイクロイックビームスプリッタミラー６０により走査ミラー５４へ通じる光路から取り出されて直接に画像センサ７０へ供給され、その後で走査ミラー５４に達する。したがって、照明ビーム５２が試料６４上で走査運動を行う場合、画像センサ７０での検出ビーム６６の入射角も入射位置も変化してしまう。つまり、図２のスペクトル検出は、ノンデスキャン方式で動作する図３の共焦点顕微鏡５０には適用できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、冒頭に言及した形式の走査顕微鏡を発展させ、画像センサに入射する検出ビームの簡単確実なスペクトル検出を行えるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題は、本発明の請求項１の特徴を有する走査顕微鏡によって解決される。
【００１６】
本発明によれば、検出ビームの種々のスペクトル成分を画像センサ上で空間的に相互に分離する予め定められた分散作用を有する分散素子が、当該画像センサに前置されて設けられている。制御部は、検出ビームのスペクトル分解検出を可能にするために、走査素子の時間的に可変の位置調整量を検出し、この位置調整量に依存して、分散素子の予め定められた分散作用を考慮しつつ、画像センサのセンサ素子に、検出ビームの空間的に相互に分離されたスペクトル成分を対応させ、それぞれのスペクトル成分に対応するセンサ素子を読み出す。
【００１７】
本発明の解決手段は、分散素子を用いたスペクトル分離によって生じる検出ビームの空間分割と、走査素子によって行われる検出ビームの空間運動との分離を意図している。このために、制御部は、走査素子でまさに行われている位置調整の量、すなわち、例えば、１つもしくは複数のミラーから形成可能な、各走査素子をなすスキャンミラー装置の、１つもしくは複数の傾動角を検出する。また、制御部は、分散素子の予め既知の分散作用を考慮する。これら双方の情報、すなわち、走査素子の位置調整量と分散素子の分散作用とに基づいて、制御部は、いずれの時点においても、各センサ素子と画像センサに入射する検出ビームの種々のスペクトル成分との正確な対応づけを行うことができる。制御部が走査素子の時間変化する位置調整量を検出する方式は、いかなる限定も受けない。つまり、例えば、走査素子自体が相応の情報を例えば角度センサを介して直接に制御部へ出力することも可能である。また同様に、固有のセンサを設け、走査素子の実際の位置調整量を検出して制御部に伝送するように構成してもよい。分散素子の予め既知の分散作用については、スペクトル検出の際に分散作用を考慮するために、例えば、制御部がアクセスするメモリに格納しておくことができる。
【００１８】
好ましくは、分散素子は、試料が配置された平面に対して光学的に共役な平面に配置される。分散素子が配置される当該平面は、好ましくは、走査素子が配置される平面に対して光学的に等価である。「光学的に等価である」とは、この文脈では、走査素子の箇所での照明ビームの空間的変化が分散素子の箇所での検出ビームの相応の空間的変化に変換されるよう、上述した２つの平面が相互に光学的に対応することを意味する。例えば、走査素子の箇所での照明ビームの空間的変化がその入射位置の変化でなく、その入射角の変化である場合、このことは、分散素子の箇所での検出ビームについても当てはまる。つまり、検出ビームもその入射位置でなくその入射角を変化させる。上述した光学的な等価性がこうした意味で与えられている場合、分散素子での検出ビームの入射位置が変化しないので、分散素子の適切な実現が特に簡単となる。
【００１９】
好ましくは、走査素子は、第１の走査方向で、試料の全体にわたって照明ビームをガイドする。この場合、走査素子は、例えば、照明ビームを好ましくは直線状に第１の走査方向で試料の全体にわたって運動させるために、固定の軸線を中心として回転される個々のミラーである。
【００２０】
走査素子は、付加的に、第１の走査方向に対して垂直な第２の走査方向で、試料の全体にわたって照明ビームをガイドでき、ここで、第１の走査方向での照明ビームの運動は、第２の走査方向での照明ビームの運動より迅速である。当該構成では、走査素子は例えば別個の２つの走査ミラーを含み、そのうち第１のミラーは第１の走査方向での走査運動を生じさせ、第２のミラーは第２の走査方向での走査運動を生じさせる。また、双方の走査方向へ運動される唯一の走査ミラーを設けてもよい。照明ビームが試料上で他の走査方向よりも迅速に運動する走査方向を、以下では簡単に、迅速な走査方向と称する。相応に、他の走査方向を、緩慢な走査方向と称する。
【００２１】
好ましくは、分散素子の分散作用は、照明ビームが第１の走査方向で試料の全体にわたってガイドされる場合に、検出ビームのスペクトル成分が、画像センサ上で、画像センサの全体にわたって検出ビームがガイドされる方向に対して垂直な方向で空間的に相互に分離されるように、予め定められる。したがって、当該構成では、検出ビームが分散素子によってスペクトル分割される平面が緩慢な走査方向に対して平行となる。分散素子は、スペクトル分割によって、いわば、スペクトル情報が角度情報として符号化された「スペクトルセクタ」を形成する。すなわち、種々の波長の光成分が種々の出射角で分散素子を出ることにより、スペクトル情報が角度情報へ変換される。走査素子の走査角度の頂点が好ましくは対象面に対して光学的に共役な平面にあるので、緩慢な走査方向に関する走査角は、同時に、スペクトル分割の角度に重畳される。これは、当該実施形態において、上述したスペクトルセクタが緩慢な走査方向に関する走査角のぶんだけ往復傾動することを意味する。同時に、当該スペクトルセクタは、迅速な走査方向に関する走査角によっても往復傾動する。迅速な走査方向での傾動は、緩慢な走査方向での傾動に対して垂直に行われるので、緩慢な走査方向での傾動から分離される。
【００２２】
特に好ましい構成では、分散素子と画像センサとの間に検出光学系が配置され、この検出光学系は、走査素子が位置調整されるたびに、分散素子によってスペクトル分割された検出ビームを全体として画像センサへ集束させる。照明ビームの走査運動に対応するように画像センサ上で運動され、さらに分散素子によって空間的に分割される検出ビームの全体が画像センサに入射することがいずれの時点でも保証されているので、上述した方式で集束を行う検出光学系は、画像センサが過度に大きくならないことに寄与する。
【００２３】
一実施形態では、検出光学系は、分散素子を焦点面に配置したレンズである。こうした実施形態は、特に、画像センサが面状センサである場合に選択可能である。
【００２４】
検出光学系は、走査素子が位置調整されるたびに、スペクトル分割された検出ビームを設定されたラインに沿って画像センサへ集束させるように構成可能である。この場合、画像センサとして線状センサを用いることができる。
【００２５】
特に好ましい実施形態では、検出光学系は、交差配置された３つのシリンドリカルレンズを含み、そのうち中央のシリンドリカルレンズは第１の平面に位置する屈折作用断面を有し、他の２つのシリンドリカルレンズの屈折作用断面は、第１の平面に対して垂直な第２の平面に位置する。こうしたシリンドリカルレンズの配置を用いれば、スペクトル分割された検出ビームを、まさに行われている走査素子の位置調整に関係なく、線状センサ上に特に簡単に集束させることができる。
【００２６】
制御部は、少なくとも１つのスペクトル成分を選択し、選択されたこのスペクトル成分に対応するセンサ素子のみを読み出すように構成できる。これにより、特に効率的なスペクトル検出が可能となる。
【００２７】
分散素子は、例えば、プリズムもしくは格子である。ただし、この実施形態に限定されない。例えば、ＡＯＴＦなどのような音響光学素子も分散素子として使用可能である。
【００２８】
本発明の解決手段は、有益なことに、あらゆるタイプの走査顕微鏡に適用可能であり、特に、ノンデスキャン方式、すなわち、検出ビームが走査素子に達する前に画像センサに結合される方式で動作する顕微鏡に適用可能である。
【００２９】
特に好ましい適用形態として、多光子励起顕微鏡検査への適用が挙げられる。ここでは、改善された信号雑音比を目的とした共焦点顕微鏡とは異なり、検出ビームを走査素子に戻した後にホールアパーチャを通してこれを案内することが放棄される。よって、多光子励起顕微鏡検査は強い散乱性の試料に適用されることが多い。このため、検出光が、中央の焦点領域に由来するようには見えなくなるほど強く散乱してしまうことがある。ただし、良好な検出信号を得るには、こうした光も画像センサに捕捉されるべきである。
【００３０】
また、本発明は、請求項１５の特徴を有する、走査顕微鏡によって試料を結像する方法にも関する。
【００３１】
本発明を以下に図に即して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の共焦点顕微鏡を示す概略図である。
【図２】図１の共焦点顕微鏡をスペクトル検出のために変化させた形態を示す図である。
【図３】従来の多光子励起顕微鏡を示す概略図である。
【図４】本発明の走査顕微鏡の一実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の走査顕微鏡の種々の変更形態において使用可能な検出光学系を示す概略図である。
【図６】図５の検出光学系を他の断面で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図４には、ノンデスキャン方式で動作する走査顕微鏡１００がきわめて概略的な図で示されている。走査顕微鏡１００では、図４に示されていない光源が照明ビーム１０２を走査ミラー１０４へ放射する。図４に双方向矢印で示されているように、走査ミラー１０４は、照明ビーム１０２を可変に偏向させるために傾動可能である。図４には、きわめて概略的にではあるが、第１の傾動位置が実線で、第２の傾動位置が破線で示されている。相応に、走査ミラー１０４の光路下流では、第１の傾動位置に対応する照明ビーム１０２が実線で、第２の傾動位置に対応する照明ビーム１０２が破線で示されている。
【００３４】
走査ミラー１０４で反射された照明ビームは、順次に、焦点距離ｆ３の走査レンズ１０６、焦点距離ｆ２のチューブレンズ１０８、ダイクロイックビームスプリッタミラー１１０、および、焦点距離ｆ１の対物系１１２を通過し、この対物系１１２が照明ビーム１０２を試料１１５へフォーカシングする。走査ミラー１０４の２つの傾動位置に相応に、図４には、対物系１１２によってフォーカシングされる照明ビーム１０２のそれぞれが集束する２つの走査点が示されている。
【００３５】
検出ビーム１１４は、フォーカシングされた照明ビーム１０２によって照明される試料１１５から出て戻り、対物系１１２へ達し、続いてダイクロイックビームスプリッタミラー１１０に入射する。ダイクロイックビームスプリッタミラー１１０は、照明ビームまたは励起ビーム１０２の波長を有する光を透過し、検出ビームまたは蛍光ビーム１１４の波長を有する光を反射するように構成されている。したがって、検出ビーム１１４は、ダイクロイックビームスプリッタミラー１１０の箇所で、照明ビーム１０２の光路から出力される。なお、図４の検出ビーム１１４は、走査ミラー１０４の２つの傾動位置に相応に、実線と破線とで示されている。
【００３６】
ダイクロイックビームスプリッタミラー１１０で反射された後、検出ビーム１１４は２つのレンズ１１６，１１８を通過し、続いて画像センサ１２２に前置された分散素子１２０に入射する。画像センサ１２２は、制御部１２６によって個々に読み出し可能な複数のセンサ素子１２４を有する。
【００３７】
分散素子１２０は、走査ミラー１０４の位置する平面１３０に対して光学的に等価な中間像面１２８に配置されている。また、中間像面１２８は、図４に番号１３２で表された、試料１１５の位置する対象面に対して光学的に共役である。さらに、図４には、中間像面１３４，１３６，１３８も示されている。中間像面１３４は、平面１３０に対して光学的に等価でありかつ対象面１３２に対して光学的に共役である。中間像面１３６および中間像面１３８は、対象面１３２に対して光学的に等価でありかつ平面１３０に対して光学的に共役である。
【００３８】
分散素子１２０の位置する中間像面１２８は、走査ミラー１０４の位置する平面１３０に対して光学的に等価であるので、検出ビーム１１４は、走査ミラー１０４の傾動によって、分散素子１２０の箇所での入射位置ではなく、入射角のみを変化させる。分散素子１２０の箇所での検出ビーム１１４の空間的変化は、この場合、走査ミラー１０４の箇所での照明ビーム１０２の空間的変化に対応する。よって、検出ビーム１１４は、分散素子１２０の箇所で定置である。
【００３９】
分散素子１２０は、検出ビーム１１４が種々のスペクトル成分に分割されるようにする予め定められた分散作用を有する。各スペクトル成分は、図４の図示では、部分ビーム１１４−１〜１１４−７の形態で示されている。また、部分ビーム１１４−１〜１１４−７は、図４に示されている走査ミラー１０４の傾動位置の双方に対して、１つは実線で、もう１つは破線で示されている。
【００４０】
図４の図示からわかるように、部分ビーム１１４−１〜１１４−７は、スペクトル情報を角度情報として符号化した、いわばスペクトルセクタを形成している。当該角度情報は、種々の部分ビーム１１４−１〜１１４−７が分散素子１２０から出て画像センサ１２２の個々のセンサ素子１２４へ入射する際の角度によって与えられている。
【００４１】
図４の実施形態では、照明ビーム１０２が、試料１１５を相互に垂直な２つの方向で走査する。ここでは、一方の方向での走査が他方の方向での走査より迅速に行われる。２つの走査方向は、画像センサ１２２上の２つの対応する方向へ変換される。当該対応する方向を、簡明性のために、以下では走査方向とも称する。
【００４２】
図４の実施形態では、分散素子１２０は、自身が検出ビーム１１４をスペクトル分割する平面が緩慢な走査方向に対して平行に位置するように構成されている。この場合、図４に示されているスペクトル分割の平面は、図平面によって与えられている。したがって、走査ミラー１０４が緩慢な走査方向で運動される場合、分散素子１２０によって生じた、部分ビーム１１４−１〜１４０−７から成るスペクトルセクタは、図平面において運動する。また、走査ミラーが迅速な走査方向で運動される場合、部分ビーム１１４−１〜１１４−７から成るスペクトルセクタは、図４の図平面に対して垂直な、迅速な走査方向で傾動する。
【００４３】
検出ビーム１１４のスペクトル分解検出を可能にするために、制御部１２６は、走査ミラー１０４がまさに行っている傾動を検出し、ここから、分散素子１２０に設定されている分散作用を考慮して、検出ビーム１１４のうち、部分ビーム１１４−１〜１１４−７のいずれかの形態での観察スペクトル成分をまさに受信しているセンサ素子１２４を求める。制御部１２６は、検出ビーム１１４の観察スペクトル成分が検出されるそれぞれの時点で、当該センサ素子１２４を読み出す。
【００４４】
図５には、分散素子１２０と画像センサ１２２との間に配置された検出光学系１４０がきわめて概略的な図で示されている。当該検出光学系１４０は、図４の実施形態に補充可能である。
【００４５】
第１の実施形態では、検出光学系１４０は、焦点面１４４を有する集光レンズ１４２のみから形成されている。集光レンズ１４２は、検出ビーム１１４の各スペクトル成分に対応する各部分ビーム１１４−１〜１１４−７が垂直に画像センサ１２２に入射するよう、これらを画像センサ１２２へ集束する。図５の例では、照明ビーム１０２が試料１１５を緩慢な走査方向で走査する場合に、ｘ−ｚ平面で部分ビーム１１４−１〜１１４−７に分解された検出ビーム１１４がｘ方向へ運動される。これに対して、照明ビーム１０２が試料１１５を迅速な走査方向で走査する場合、検出ビーム１１４は画像センサ１２２上でｙ方向へ運動する。当該実施形態では、画像センサ１２２は、上述した検出ビーム１１４の運動により、好ましくは、個々のセンサ素子１２４がマトリクス状に行（ｘ方向）および列（ｙ方向）で配置された面状センサとして構成されている。定められた列（ｙ方向）に配置されたセンサ素子１２４はそれぞれ同じスペクトル成分を受信するので、当該列のセンサ素子１２４から読み出される信号をスペクトル検出の際に統合することができる。
【００４６】
面状センサに代えて、線状センサも画像センサ１２２として使用可能である。この場合、検出光学系１４０は、各部分ビーム１１４−１〜１１４−７を個々のラインにフォーカシングするように構成される。このことは、例えば、３つのシリンドリカルレンズから成る装置によって実現可能である。当該実施形態についても、以下に、図５に即して説明する。レンズ１４２は、この場合、自身を通過する検出ビーム１１４をｘ−ｚ平面でのみ屈折させるシリンドリカルレンズとして構成される。さらに、２つの別のシリンドリカルレンズ１４４，１４６が設けられており、そのうちレンズ１４４は中央のシリンドリカルレンズ１４２よりも光路上流に、レンズ１４６は光路下流に配置されている。シリンドリカルレンズ１４４，１４６は、中央のシリンドリカルレンズ１４２に対して垂直なシリンドリカル軸線を有するように配置されている。したがって、シリンドリカルレンズ１４４，１４６は、検出光学系１４０を通るｙ−ｚ平面で切断した断面を示す図６の図示からわかるように、自身を通る検出ビーム１１４をｙ−ｚ平面でのみ屈折させる。よって、図５，図６では、それぞれ破線で示されたレンズは、図平面に対して垂直に配向された軸線においてのみ作用する。レンズ間隔を適切に選択することにより、シリンドリカルレンズ１４２，１４４，１４６の交差配置によって生じる検出ビーム１１４がｙ方向で入射角のみを変化させて入射位置を変化させない構成を、達成可能である。これにより、線状センサの使用、すなわち、各時点で全光量を検出する単線の検出器の使用が可能となる。
【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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【国際調査報告】
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