JP2001249279A - 供試体収容装置を走査するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】大きい供試体を、十分なスピードで走査するこ
とができるレーザー走査顕微鏡の走査装置を提供する。 【解決手段】共焦点レーザー走査顕微鏡２の供試体収容
装置１が、回転装置３によって第１軸線４回りに交互に
回転可能で、且つ供試体収容装置１が回転装置３と共に
第２軸線６回りに回転させることによって走査が行われ
るようにしたものであり、第１軸線４と第２軸線６をほ
ゞ平行に配置した走査装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー走査顕微
鏡、好ましくは共焦レーザー走査顕微鏡を備え、データ
記録のために供試体収容装置を走査する装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】レーザー走査顕微鏡において、レーザー
からの励起光は供試体（試料）上に焦点を合わせ、その
焦点位置からの検知光の強さは検出器で検知される。供
試体の二次元像若しくは三次元像を得るために、焦点を
合わせたレーザービームが供試体のあちこちにわたって
走査される（ビームスキャニング）か、供試体が焦点位
置を介して動かされる（供試体スキャニング）。ビーム
スキャニングは通例レーザー走査顕微鏡のビーム路に可
動に配置された走査ミラーで実行され；これによって相
対的に早いデータ記録が可能である。しかしながら、或
る適用にとって記録可能な供試体の最大領域（用いられ
る顕微鏡の光学系によって定められる）はあまりに小さ
すぎる。供試体範囲に関する制限は供試体スキャニング
では存在せず、このスキャニングでは供試体ホルダーが
焦点位置を介して曲折パターンで動かされ；これは一般
的にメカニカル的に複雑なＸ-Ｙ変位可能ステージで実
行される。しかしながら、このような関連においては大
きな集まりが加速されなければならず、データ記録が時
間集約的で制御テクノロジーの点で高い支出と結びつ
く。データ記録は供試体スキャニングで相当にゆっくり
であり、これはルーチン適用にとっては受け入れがた
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、大きな供試体領域の像形成を十分なスピードでな
し得る（これはまたとりわけ簡単な顕微鏡のレンズ系の
使用で可能である）ようなレーザー走査顕微鏡、好まし
くは共焦レーザー走査顕微鏡を記述することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題は請求項１の特
徴構成によって解決される。本発明によれば、先ず認識
されたことは、今まで達成可能な像形成スピードを増す
ことができるならば、大きな供試体領域の像形成が供試
体スキャニングで、とりわけ簡単な顕微鏡レンズ系を用
いて成し遂げられ得ることである。本発明によれば、こ
のために供試体収容装置は焦点を介して直線方向には動
かず、むしろ回転装置によって第１軸線回りに交互に回
転する。

【０００５】用語「交互に回転可能な」は、これに関連
して供試体収容装置が先ず回転軸線回りに時計回り（右
回り）に回転し、次いで同じ回転軸線回りに反時計回り
（左回り）に回転することを意味すると理解されなけれ
ばならない。言い換えれば、結果として生じる回転動作
は正反対の方向での繰り返しての個々の回転で構成され
る。供試体収容装置の回転は適切な回転装置によっても
たらされる。この種の回転で、供試体の対応する「一次
元な」円弧の繰り返してのデータ記録が検知される。

【０００６】１つの円弧を越えるデータ記録は、有利な
実施態様において、供試体収容装置を回転装置と共に第
２軸線回りに回転することによって可能となる。これは
供試体から二次元又は三次元データ記録を可能とする。
物質的な状況において、供試体収容装置は第１軸線の回
転装置と共に、第２軸線回りに回転可能に装着された保
持器に取り付けてもよい。第１回転軸線が第２回転軸線
に少なくとも殆ど平行に配置されるならば、それによっ
て１つの平面にある供試体の走査の動きを達成すること
ができる。

【０００７】都合のよいように、２つの回転軸線はレー
ザー走査顕微鏡の光軸に対して２つの軸線の結果として
生じる走査軌跡が互いにほぼ直交して延在するように配
置される。用語「走査軌跡」はこれに関して供試体収容
装置の走査の動きに由来し且つ供試体上でレーザー走査
顕微鏡によって投影されるラインパターンとして理解さ
れなければならない。これはデジタル化後のイメージデ
ータの座標系を表す。２つの回転軸線の走査軌跡が各々
互いにほぼ直交して延在するようにこれら回転軸線が配
置されるならば、結果は殆ど空間的に均一である走査率
乃至速度（と分解能とそれ故に情報密度）での供試体の
光学走査である。これは、記録されたイメージデータが
データ記録後に曲線座標系にあって例えば直線座標系へ
の座標変換後にも大きな均一な情報密度をもつので、当
該イメージデータの引き続いての加工処理に関してとり
わけ重要である。

【０００８】具体的な実施態様において、供試体収容装
置の結果として生じる走査の動きは１つの平面にある。
三次元供試体の二次元領域がそれ故に像形成又は走査可
能である。

【０００９】更なる実施態様において、供試体収容装置
の走査の動きは供試体収容装置の表面に少なくともほぼ
平行にわたる。検知されるべき供試体が供試体収容装置
の表面のすぐ下に位置するならば、この特徴のために、
供試体の厚みと顕微鏡レンズ系の被写界深度とが同じ桁
であるとの条件で、単一の面を走査することによって供
試体を完全に像形成することが可能である。

【００１０】供試体収容装置が回転装置と共に並進して
動くならば、代替の実施態様において、供試体収容容器
の表面に少なくともほぼ平行にわたる並進動作がもたら
される。これはまた、１との平面にあって供試体収容容
器の表面に平行にわたる走査の動きを生じ得る。これも
また都合よく、供試体収容容器の表面のすぐ下に位置し
た供試体の完全なるデータ記録を可能としよう。

【００１１】具体的な実施態様において、並進の動きは
１つの直線方向に沿って延びる。とりわけ並進の動きは
第１回転軸線に垂直に延びてもよい。具体的に並進の動
きは周期的に正反対の方向に延び、即ち、それは回転装
置と共に供試体収容装置が繰り返して前後に動くことで
ある。これは例えば対応する案内手段を有した直線変位
ステージによって行われてもよい。

【００１２】とりわけ有利な様式において、供試体収容
装置はレーザー走査顕微鏡の光軸に関して、供試体収容
装置の表面に対する垂線(line normal)がレーザー走査
顕微鏡の光軸とで０度と異なる角度を形成するように配
置される。それ故に例えば供試体収容装置に対する光推
移で生じる励起光の主たる戻り反射(principal return
reflection)は、有利なことにレーザー走査顕微鏡の励
起乃至検知ビーム路から抑制若しくは妨げられ得る。こ
れはとりわけ小さいほうの強度の（帯域）阻止フィルタ
ーがいまや用いられ得、蛍光検知を僅かにのみ減らすの
で、重要である。主たる戻り反射を妨げることはとりわ
け、レーザーに戻る励起光が一般にその刺激された射出
を中断し、レーザー光での望ましくない輝度変動となる
ので、レーザーを用いる場合に有利である。更に、供試
体領域での***干渉となりそれ故に像形成人工品を生じ
得る供試体ホルダー縁からの反射を防ぐことが可能であ
る。

【００１３】したがって、このように阻止された励起光
の反射成分は検出器に到達せず、それ故に検知信号のダ
イナミックレンジを増加することが可能である。それ故
に、検出ビーム路から励起光の散乱乃至反射成分を濾過
するために検出器の前に配置された対応する阻止フィル
ターは、検知光が検出器の前に置かれたこれらフィルタ
ーによって弱められないように、有利に選択可能であ
る。供試体収容装置の表面に対する垂線とレーザー走査
顕微鏡の光軸の間の角度が０度より大きく１０度より少
ないのが有利である。

【００１４】供試体収容装置は供試体ホルダーと供試体
ホルダーユニットを有する。供試体ホルダーは供試体が
検知されることを容認し、例えばガラスからなる在来の
供試体ホルダーであり得る。

【００１５】供試体収容装置は自動的に供試体ホルダー
を詰め込んでもよく、それ故に自動化された実験室ユー
スにおいて試験のため供試体ホルダーの高い処理量を可
能とする。

【００１６】走査されるべき供試体収容装置は、その重
心が第１若しくは第２回転軸線にあるように形成され
る。この種の物質的形成で、付加的なトルクが走査中に
生ぜず、その主たる結果は、走査操作によって引き起こ
される供試体収容装置の振動の最小化が達成可能なこと
である。

【００１７】供試体ホルダーはまた、負圧若しくは真空
装置を用いて供試体ホルダーユニットに取り付け可能で
ある。負圧若しくは真空装置は例えば動かないようにレ
ーザー走査顕微鏡上に配置し、供試体ホルダーに負圧を
作用するためにフレキシブルな管を介して供試体ホルダ
ーユニットに接続してもよい。

【００１８】更に磁気又は電磁気相互作用に基づいて供
試体ホルダーを供試体ホルダーユニットに取り付け可能
とすることが考えられよう。このために例えば供試体ホ
ルダーの一部を、金属若しくは強磁性の供試体ホルダー
ユニットに取りつけることができる強磁性材料で作って
もよい。供試体ホルダーユニットを電磁気的に形成し、
少なくとも部分的に金属でなる供試体ホルダーを電磁気
相互作用によって供試体ホルダーユニットに取り付け可
能とすることも考えられる。

【００１９】検流計を供試体収容装置の回転装置として
用いることが有利である。これは、検流計が直線変位ス
テージに比べて経済的で、制御容易で広範囲な適用で商
業的に有効であるので、とりわけ有利である。検流計は
１０〜１０００Ｈｚの範囲の周波数で作動される。回転
装置が一定の走査周波数で作動されるならば、共振検流
計を用いてもよい。これは共振検流計によって生じた振
幅が共振検流計の基準周波数に事実上正確に対応すると
いう利点をもたらそう。

【００２０】検流計はまた第２軸線のための別の回転装
置として備えられてもよい。この検流計は、第１軸線の
回転装置と共に供試体収容装置を回転するように寸法決
めされる。したがってこの検流計は低い走査周波数で作
動される。理想的には、この更なる検流計によって回転
されるべき組立品の物質的な配置は、付加的なトルクを
避けるためにそれらの重心が更なる検流計の軸線上に位
置するように選択される。

【００２１】更なる実施形態において、レバー装置が第
２軸線のための回転装置として備えられる。当該レバー
装置は電気モーター、ネジスピンドル、再循環ネジ片及
び接続要素を有する。ネジスピンドルは電気モーターの
軸と関連し、ネジスピンドルに位置した再循環ネジ片は
ネジスピンドルの回転によってネジスピンドルの軸線の
方向に沿って位置することができ；再循環ネジ片のため
に固有の回転は備えられていない。再循環ネジ片は接続
要素を介して回転装置につながっていて；接続要素は例
えば板バネとして具現化され得る。板バネによる再循環
ネジ片の回転装置への直線運動のトルク移転は遊びな
く、良好に規定され、とりわけ再現可能な回転運動が行
われ得る結果がもたらされる。

【００２２】電気モーターが固定して配置されるなら
ば、軸とネジスピンドルの回転とはネジスピンドルの軸
線の方向に再循環ネジ片を動かす；結果として、供試体
収容装置の第２回転軸線に関してトルクは供試体収容装
置に移り、その結果、供試体収容装置はそれにより第２
軸線回りに回転する。軸線回りに弾力的に旋回可能に装
着されるように電気モーターが取り付けられていること
が有利である。この軸線は電気モーターの回転軸線に垂
直に配置され得る。電気モーターの軸における僅かな不
均衡又は供試体走査系の僅かな機械的***は電気モータ
ーの弾力的な取り付けによって補償され、その結果、こ
れら***は例えば望ましくない動きの形態として回転装
置に移らない。

【００２３】データ記録はまた急速回転(rapid rotatio
n)軸線の点から双方向的に果たされ得る。それ故に像デ
ータは時計回りと反時計回りの両回転の間に記録され
る。ここでは転換点の位置でのデータ記録はもたらされ
ず、即ち、供試体収容装置の選択された回転領域は像形
成されるべき供試体領域よりも大きくなければならな
い。

【００２４】回転装置を用いて記録された像データは、
レーザー走査顕微鏡の制御コンピュータでのデジタル化
装置でのデジタル化後、曲線座標系にある。これら像デ
ータはコンピュータプログラムモジュールで直線座標系
に変換される。当該変換は次式にしたがってなされるこ
とが可能である。

【００２５】

【数２】 ここでα及びβは夫々の回転軸線の角位置であり；
ｒ_１、ｒ_２は夫々の回転軸線の半径であり；ｘ、ｙは変
換後の像点の座標である。

【００２６】具体的な実施態様の点で、変換はデジタル
化の入力ルックアップテーブルを用いて少なくとも部分
的になされる。例えば、関数sinαとsinβのかん数値は
入力ルックアップテーブルに記録され得る。

【００２７】顕微鏡像形成のために浸漬油の使用がなさ
れるならば、当該油は有利には自動詰め込み操作の前に
供試体ホルダーにピペットで（好ましくは自動的に）取
られる。浸漬油は例えば水、グリセリン又は在来の浸漬
油であってよいが、その粘度に応じて供試体収容装置の
最大走査スピードに関して上限がある。

【００２８】具体的な実施態様において、レーザー走査
顕微鏡は固定の照明検知ビームを有する。結果として、
使用される顕微鏡対物レンズの複雑な視野修正が必要な
く、比較的簡単で経済的な対物レンズを用いることがで
きる。

【００２９】夫々の走査位置の座標に走査像データを割
り当てるために、回転装置は位置変換器を有し、その出
力はレーザー走査顕微鏡の制御ユニットにつながれる。
この位置変換器は変換方程式に必要な回転軸線の瞬間の
角位置を供給し、その結果、検知された像点は高い精度
でその実際の位置座標に割り当てられ得る。並進の動き
が供試体収容装置の走査のためにもたらされるならば、
並進の動きを行うための装置は同じように位置変換器を
有し、その出力もまたレーザー走査顕微鏡の制御ユニッ
トにつながれる。

【００３０】

【発明の実施の形態】図面を参照した本発明の好適な例
示的実施形態の説明に関連して、一般的な説明も好適な
実施形態を与え、教示を展開する。

【００３１】図１と２は、供試体収容装置１を走査する
ための装置配置の第１の例示的実施形態を示す。データ
記録のために用いられるレーザー走査顕微鏡２は、図２
に概略的に描かれている。供試体収容装置１は回転装置
３によって第１軸線４回りに角度領域５において時計回
りと反時計回りに交互に回転することができる。

【００３２】供試体収容装置１は回転装置３と共に第２
軸線６回りに回転可能である。第１回転軸線４は第２回
転軸線６と平行に配置されている。２つの回転軸線４，
６がレーザー走査顕微鏡の光軸７に対して、２つの軸線
の結果として生じる走査軌跡８が交点で互いにほぼ直交
して延びるように配置されていることが図４から明白で
ある。図５は走査軌跡８と結果として生じる座標系とを
描いている。走査軌跡９は第１軸線４回りの交互回転の
結果であり、走査軌跡１０は第２軸線６回りの交互回転
の結果である。軌跡１０が交点で軌跡９に対してほぼ垂
直であることが更に図５から明白である。図５におい
て、第１軸線４の半径ｒ_１（即ち、第１軸線４からレー
ザー走査顕微鏡２の光軸７までの距離）が第２軸線６の
半径ｒ_２に等しいように選択されている。

【００３３】図３に示されるような代替の実施形態にお
いて、供試体収容装置１は、それに割り当てられた回転
装置３と共に並進的に動かされる。それによって生じる
走査の動きは図６に描かれた走査軌跡８をもたらし、そ
こでは走査軌跡９が第１軸線４回りの供試体収容装置の
交互回転の結果であり、走査軌跡１１が方向１２に沿っ
た並進動作の結果である。

【００３４】図１〜３に示された実施形態において、供
試体収容装置の結果として生じる走査動作は、供試体収
容装置の表面に平行に延在する１つの面にわたる。図３
に示された実施形態において、並進の動きはそれ故にま
た供試体収容装置の表面に平行にわたる。この動きは周
期的に正反対の方向１２にわたり、概略的にのみ描かれ
た直線変位ステージ１３で実行される。これに関連し
て、直線変位ステージ１３の可動部分は、供試体収容装
置１を収容した回転装置３を収容する。

【００３５】図２は、供試体収容装置１がレーザー走査
顕微鏡２の光軸７に対して、供試体収容装置１の表面に
対する垂線がレーザー走査顕微鏡２の光軸と５度の角度
を形成することを示すが、この図では尺度を引かない。
それ故にレーザー走査顕微鏡の励起ビームは供試体収容
装置１の表面に５度の入射角で当たり、励起光の強さの
約５％がそれによって供試体収容装置１の表面から５度
の戻り角で反射される。この主たる戻り反射はそれ故に
検知ビーム路から有利に反射して、その結果、ここで検
出されるべき、励起光のものより強度が約３桁小さい蛍
光が従来用いられた照明法に比べて一層効率的に検出可
能である。

【００３６】図１と２は、供試体ホルダー１５を自動的
に積み込むことができる供試体ホルダーユニット１４を
供試体収容装置１が有することを単に概略的にのみ示
す。供試体ホルダーユニット１４は低密度／重量の材
料、好ましくはプラスチック又はアルミニウムでなって
いる。供試体ホルダー１５は少なくとも部分的に低密度
／重量の材料、好ましくはプラスチックでなっている。
供試体ホルダーユニット１４はアルミニウムでなり、供
試体収容装置１の重心が第１回転軸線４上にあるように
デザインされている。供試体ホルダー１５は負圧装置
（描写せず）を用いて供試体ホルダーユニット１４に固
定されており、その結果、付加的な保持装置は供試体ホ
ルダーユニット１４に配置されない。

【００３７】１０〜１０００Ｈｚの範囲にある周波数
で、好ましくは１００Ｈｚの周波数で作動する検流計が
回転装置３として用いられる。共振検流計がなお回転装
置３として用いられてもよい。図１と２に描かれた実施
形態のために、レバー装置が第２軸線６のための回転装
置として用いられる。当該レバー装置は電気モーター１
６、ネジスピンドル１７、再循環ネジ片１８及び接続要
素１９を有する。電気モーター１６の軸がネジスピンド
ル１７として具現化され、再循環ネジ片１８はネジスピ
ンドル１７の回転によって方向２０において適切な位置
におかれる。電気モーター１６は軸線２１回りに旋回可
能に弾力的であるように取り付けられ、その結果、ネジ
スピンドル１７での僅かな不均衡は望ましくない付加的
な運動成分の形態で回転装置３に移らない。再循環ネジ
片１８は接続要素１９を介して回転装置３につながる。
接続要素１９は、再循環ネジ片１８を取り囲み且つその
二端で回転要素２２に取りつけられた板バネとして具現
化される。板バネはスリット形状の開口を有し、ネジス
ピンドル１７がそこを通過可能である。接続要素１９と
回転要素２２の間の領域において、一方の取り付け端の
板バネの部分もまた、他方の取り付け端の板バネの狭く
形作られた部分が通過可能なスリット形状の開口を有す
る。これは、再循環ネジ片１８の直線運動の回転装置３
へのほぼ遊びのない転移を可能とする。

【００３８】データ記録は第１軸線４に対して双方向的
になされる；曲線座標系にある測定された像データは対
応する変換方程式にしたがって直線座標系に転換され
る。変換方程式は回転軸線４，６の、又は回転軸線４と
並進の動きの配置から得られる。その走査の幾何図形的
形態が図４から明白な図１と２に示されたような実施形
態のために、曲線座標系から直線座標系への変換は次式
にしたがいなされる：

【００３９】

【数３】 ここでα及びβは供試体収容装置の瞬間的な角位置であ
り、αは第１軸線４の交互回転運動をパラメーター表示
し、βは第２軸線６の交互回転をパラメーター表示し；
ｒ_１、ｒ_２は夫々の回転軸線の半径であり、ｘ、ｙは変
換後の直線座標系での像点の座標である。

【００４０】この変換は有利にはデータ記録記録の間、
入力ルックアップテーブルを用いて同時になされる。供
試体収容装置が走査操作の間に占め得る全ての角位置
α、βに対する関数sinα、sinβ、cosα、cos(α−
１)、cos(β−１)の関数値は入力ルックアップテーブル
に記憶される。変換方程式によって規定される行列乗算
操作はフィールドプログラム化ゲートアレイ（ＦＰＧ
Ａ）モジュールにおいて、定数ｒ_１、ｒ_２も記憶された
入力ルックアップテーブルから下流で行われる。

【００４１】図１と３に示された実施形態において、レ
ーザー走査顕微鏡は固定の照明検知ビームを有する。結
果として、顕微鏡レンズ系（とりわけ顕微鏡対物レン
ズ）が特定の適用のため特に選択可能で、それ故にトー
タル的なシステムコストを減らす。

【００４２】図１と２の実施形態において、回転装置３
と電気モーター１６は各々位置変換器を有し、その出力
はライン２３を介してレーザー走査顕微鏡２の制御ユニ
ットにつながっている。これら位置変換器はレーザー走
査顕微鏡２の制御ユニットに供試体収容装置の実際の瞬
間的な角位置（即ち、角度α、β）を伝え、その結果、
入力ルックアップテーブルを用いて測定像データのデジ
タル化が直線座標系への同時変換と共に行われ得る。手
続きは図３に示された実施形態に似ており：ここでは回
転装置３と直線変位ステージ１３の各位置変換器はレー
ザー走査顕微鏡２の制御ユニットにつながっている。

【００４３】終わりに臨んで、上に説明された例示的な
実施形態は特許請求された教示を記載するためだけに供
され、その教示を純粋に任意に選択された例示的実施形
態に限定するものではないことを特に言及する。

【図面の簡単な説明】

【図１】供試体収容装置を走査するための本発明に係る
装置配置の第１例示実施形態の概略図である。

【図２】供試体収容装置を走査するための本発明に係る
装置配置の図１に対応する概略側面図である。

【図３】供試体収容装置を走査するための装置配置の代
替の例示実施形態の概略図である。

【図４】供試体収容装置を走査するための装置配置の２
つの回転軸線の相対位置を示す図である。

【図５】供試体収容装置を走査するための本発明に係る
装置配置の走査軌跡と結果として生じる座標系の概略図
である。

【図６】供試体収容装置を走査するための代替の装置配
置の走査軌跡と結果として生じる座標系の概略図であ
る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共焦レーザー走査顕微鏡（２）を備えた
   データ記録のための供試体収容装置（１）走査装置にお
   いて、供試体収容装置（１）が回転装置（３）によって
   第１軸線（４）回りに交互に回転可能で、当該供試体収
   容装置（１）が回転装置（３）と共に第２軸線（６）回
   りに回転するようになっており、第１回転軸線（４）は
   第２回転軸線（６）に少なくともほぼ平行に配置されて
   いることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 ２つの回転軸線（４，６）がレーザー走
   査顕微鏡（２）の光軸（７）に対して、２つの軸線
   （４，６）の結果として生じる走査軌跡（８）が互いに
   ほぼ直交して延びるように配置されることを特徴とする
   請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 供試体収容装置（１）が回転装置（３）
   と共に並進的に動くことができ、供試体収容装置（１）
   の結果として生じる走査動作が１つの面にあることを特
   徴とする請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】 供試体収容装置（１）がレーザー走査顕
   微鏡（２）の光軸（７）に対して、供試体収容装置
   （１）の表面に対する垂線がレーザー走査顕微鏡（２）
   とで０度と異なる角度を形成するように配置され、供試
   体収容装置（１）の表面に対する垂線とレーザー走査顕
   微鏡（２）の光軸（７）の間の上記角度が、上記光軸に
   対する少なくとも１つの上記回転軸線（４）の傾けられ
   た配置によって達成されることを特徴とする請求項１に
   記載の装置。
5. 【請求項５】 供試体のデータ記録が急速回転軸線の点
   で一方向的に又は双方向的に行われ、曲線座標系にある
   測定像データが直線座標系に変換され、当該変換が次式 【数１】 （α及びβは夫々の回転軸線の角位置であり；ｒ_１、ｒ
   _２は夫々の回転軸線の半径であり；ｘ、ｙは変換後の像
   点の座標である）にしたがって行われることを特徴とす
   る請求項１に記載の装置。