JP4145702B2 - 視準器光学系および／またはピンホール光学系を有するレーザ走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
小さい構造を観察するための近代的な道具がレーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）として公知である（ウィルソン、共焦点顕微鏡法、アカデミー・プレス）。古典的な顕微鏡の場合と同じように対象物は対物レンズ１および円筒レンズ２を通じてまず中間像平面内へ結像する。ＬＳＭの第２の結像段階において共焦点原理は励起側および検出側で実現される。励起側では点状ファイバ出口と、古典的顕微鏡配置における中間像平面内へ焦点を結ぶ走査対物レンズの前方にある無限大空間との結合が、視準器２を通じて、または直接的に行われる。検出の側では対象物から発するスペクトル変移した蛍光光線が使用されるが、これは走査対物レンズ３およびピンホール光学系４を通じて中間像平面の後方、検出用ピンホールに集束する。励起チャンネルおよび検出チャンネルへの分離は、カラースプリッタによって行われる。走査対物レンズ３と視準器光学系５／ピンホール光学系４間の無限大空間内で、対物レンズ瞳孔の像の近くに配置されている走査鏡により、各像視野点を調査し、検出する。その後像は電子的には、検出信号および走査位置を通じて得た情報から組成される。ビーム形成は対物レンズ１瞳孔内で行われる（図１）。
【０００２】
【従来の技術】
中間像まではしばしば、古典的な光学顕微鏡検査のＶＩＳ要求に対応する光学系が利用されることから、新たに開発すべきスペクトル領域（ＵＶ，ＩＲ）については、対物レンズおよび円筒レンズの補正に依存した焦点差異が現れる。系統的に現れる成分は走査対物レンズ内で補償できる。それを越えて起こる色収差については、結合光学系およびピンホール光学系をさまざまな光路長のチャンネルにスペクトル別に分割することによって調整する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１つのチャンネルの内部でさえしばしばかなりの量の機械的調整を要する。これが惹き起こされるのは、ＵＶ領域およびＩＲ領域内において殆どの場合に現れる縦方向色誤差の強い波長依存性による。一方、横方向に高い像拡大率（〜１００）を有する系は、対象物から像空間内への軸方向の位置変化に対しては敏感に反応する。
【０００４】
その対策としては、ある程度までの焦点外れに対し十分な補助のできる、ピンホール平面と共役にある視準器グループを全体的に移動させる方法が取られる（ＤＥ １９７０２７５３ Ａ１２）。これは、照明直径を可変光学系によって変化させることを目標とする解決法（ＤＥ １９６５４２１１ Ａ１、 ＤＥ １９９０１２１９ Ａ１３）とは異なっている。
しかし以下では、無限大空間から有限の断面幅を有する像平面内への結像を実現する、可変伝送長と固定焦点距離とを有する光学系について記述する。これはピンホール光学系または視準器光学系として、さまざまな波長の追加フォーカシングの場合に固定の像拡大率で使用することができる。
【０００５】
この光学系は「無限大空間」から像平面内への結像を実現し、以下の条件を満たしている：
１．固定の焦点距離ｆ_Ｇ
２．小さい調整距離で大きい断面幅変化
３．適用の時々に必要とされるビーム直径および波長に対応する、大きなスペクトル帯域幅確保のための幾何光学的補正ならびに色補正
【０００６】
【課題を解決するための手段】
解決法としては、第１グループが正の屈折力を、第２グループが負の屈折力を、第３グループが正の屈折力を有する、少なくとも３つの素子から成る光学系が提案される（図２，図４）。本解決法の特徴は、伝送長を変化させるために２つのグループを残りのグループに対して相対的に移動させる点である。
【０００７】
この光学素子移動は、選択すべきスペクトル領域にわたって全波長を１平面上へ結像することができるように、像断面幅の波長依存位置を補償する。像断面幅の大きな変化は、像平面内で焦点を結ぶことの可能なスペクトル領域が大きいことに対応している。本解決法は焦点距離を保持するのみならず、伝送長の大きな変化も可能とする。
【０００８】
特に有利なピンホール光学系の形成は、第１および第３グループが共に一体として移動し、第２グループが固定されたままのときに達成される。近軸近似においては、第１および第３グループの焦点距離がほぼ等しいとき、達成可能な断面幅変化ΔＳ'_ｍａｘは、式１によって算定される。
【式１】
式中、ｆ_Gは、構成長Ｌ＝Ｌ_１２＋Ｌ_２３である光学系の全焦点距離を、ｆ_２は第２グループの焦点距離を表わしている。
【０００９】
焦点距離ｆ'＝１６０についての実施例（ピンホール光学系）
ｆ’＝１６０タイプでは、一定の焦点距離およびピンホール位置を有する、フォーカシング可能なピンホール光学系が小さな機械的調整移動により実現されねばならない。目標は検出光路毎にフォーカシングを対象波長領域について最適に調整し、この領域をＬＳＭ５に比較して広くすることである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施例として下記表１の例を示す。
【表１】
表中の番号は次の通りである。
１： レンズＬ１の第１面
２： レンズＬ１の第２面
３： レンズＬ２の第１面
４： レンズＬ２の第２面
５： レンズＬ３の第１面
６： レンズＬ３の第２面
７： ピンホール
【００１１】
移動例
縦方向色誤差に基づく調整の条件はずっと後段で採り上げる。
対物レンズの縦方向色誤差を補償する場合、前方レンズおよび後方レンズを固定中間レンズに対して共同で移動すれば、表２の調整距離が実現できる。
【表２】
【００１２】
フォーカシング動作を図３ａに示す。図３ｂではピンホール光学系の機能性を評価するため、ピンホール平面内にある錯乱円、縦方向色誤差、ピンホール平面内でのデフィニション明度および追加フォーカシングにおけるその値、ならびに全波長にわたる焦点距離の変化および対応するレンズ位置が観察対象になっている。図に示された線は３９０ｎｍ、５４６ｎｍおよび７５０ｎｍについてのフォーカシングにおけるそれぞれの値を示している。前方および後方のレンズを移動させることよって、縦方向色誤差は補償することができ、ピンホール平面内の対応デフィニション明度は追加フォーカシングされたそれの最高値に達する。このとき焦点距離はほぼ一定したままである。
【００１３】
ピンホール光学系の縦方向色誤差ＣＨＬ（λ，ｚ_１）は、特にλ_０＝５４６ｍｍに関しては次の式１で近似的に表わされる。
【式２】
ただし、
ｃ_ｋ（ｚ_１）＝ｑ_ｋ＋ｒ_ｋｚ_１＋ｓ_ｋｚ_１ ^２
ここでｚ_１座標は前方レンズと中間レンズ間の距離３を表わし、ピンホール光学系の特徴付けに利用される。その代わりに空中距離５、または以下においてｚ_２もしくはｚ_３と称される空中距離７が、
結合関係
ｚ_１＝２０.５ｍｍ−ｚ_２
ｚ_１＝ｚ_３−１４２.６ｍｍ
のもとで使用できる。
【００１４】
対物レンズの縦方向色誤差を補償するためには以下のアルゴリズムを提案する：
対物レンズの縦方向色誤差Δｚ（λ）は、結像時の像拡大率βをピンホール平面に適用して計算する。
Δｚ'（λ）＝β^２Δｚ（λ）
この縦方向色誤差は、ピンホール光学系を波長λについて追加フォーカシングすることにより補償されなければならない。
すなわち、 Δｚ'＋ＣＨＬ（λ，ｚ_１）＝０ から、移動型ピンホール光学系の適切な調整を特徴付けるｚ_１について解が得られる。
【００１５】
前方レンズと中間レンズとの間の空中距離ｚ_１によって特徴づけられる、上記ピンホール光学系の予備調整に対する計算は以下のようにして行える。
ｚ_１＝０.１６ＣＨＬ_０（λ）＋１０.５ｍｍ
ここでＣＨＬ_０（λ）はピンホール平面内へ理想的に結像した場合の対物レンズの縦方向色誤差を表わす。これに加えて次の式が成立する：
ｚ_２＝２０.５ｍｍ‐ｚ_１
ｚ_３＝ｚ_１＋１４２.６ｍｍ
ピンホール光学系は２１ｍｍの自由移動範囲Δｚ_１にわたって利用できるから、この配置により対物レンズの縦方向色誤差がピンホール平面内で１３０ｍｍまでも補償される。
【００１６】
焦点距離ｆ'＝２２ についての実施例（視準器光学系）
視準器光学系は、約０.０７の開口数値を持つファイバ出口の点光源を、走査対物レンズ前の無限大空間において直径３.２ｍｍの平行ビームに変換するという役目を持つ。それには焦点距離２２ｍｍの光学系が必要である。さらに対物レンズにおける縦方向色誤差の部分的補償を、色曲線の回転によって実現しなければならない。
無限遠からファイバ出口への結像は以下の表３ように実施することができる。
【表３】
距離ｄ：
ｄ２：レンズ厚Ｌ１、 ｄ３：距離Ｌ１−Ｌ２、 ｄ４：厚さＬ２、 ｄ５：距離Ｌ２−Ｌ３、 ｄ６：厚さＬ３、 ｄ７：距離Ｌ３−ファイバ出口
【００１７】
この場合、固定焦点距離のとき、それぞれ固定波長の１つ、特に λ_０＝５４６ｎｍ、が焦点の合ったままで、また別な１波長が対物レンズの縦方向色誤差を補償するために役立つ１つの定義付けされた縦方向色誤差を保つように、調整がなされる。固定焦点距離における色曲線の回転は、中間レンズを外側の固定結合された両レンズに対して移動させることによって実現される。
【表４】
【００１８】
図３ａはこの配置の調整範囲を示している。その特徴的傾向から、視準器グループがＵＶ領域で縦方向色誤差を０.３５ｍｍだけ回転させる可能性が読み取れる。
【００１９】
視準器移動の動作を記述するためには２つの量が必要である。それは最後のレンズからファイバ出口までの空中距離７ ｚ_３および中間レンズから最後のレンズまでの空中距離５ ｚ_２である。関数観察から、１つの波長（λ_０＝５４６ｎｍ）をフォーカシングするためには、１つの結合された移動ｚ_２（ｚ_３）が前提となる。上で選択された屈折力配分のときは特別に ｚ_２（ｚ_３）＝０.５５ｚ_３−４.２ｍｍ が成立する。
【００２０】
視準器光学系の縦方向色誤差はＣＨＬ（ｚ_３，λ）として表現される。式１は、変更された展開係数ｃ_ｋ（ｚ_３）＝ｑ_ｋ＋ｒ_ｋｚ_３ のときに成立する。
【００２１】
波長λ_１とλ_２間の縦方向色誤差が、対物レンズと共に補償されるような特定値を取る位置ｚ_３を求める。
ＣＨＬ（ｚ_３，λ_１）−ＣＨＬ（ｚ_３，λ_２）＝−ＣＨＬ_０（λ_１，λ_２）ファイバに対する最後尾レンズの位置ｚ_３および中間レンズの当該位置ｚ_２（ｚ_３）については、対応の移動空間が十分にある限り、この条件から求められる。対物レンズによって惹き起こされた、ファイバ結合平面内における両波長λ_１,λ_２間の縦方向色誤差ＣＨＬ_０（λ_２）−ＣＨＬ_０（λ_１）が同じ焦点距離の視準器によって補償されるように色曲線回転のための視準器を予備調整するが、その計算は次式により行える。
ｚ_２＝３.７ｍｍ−０.２４μｍｘ（ＣＨＬ_０（λ_２）−ＣＨＬ_０（λ_１））／（λ_２−λ_１）
ｚ_３＝１.８ｚ_２＋７.５ｍｍ
ｚ_１＝５.４ｍｍ−ｚ_２
前方レンズと中間レンズ間の空中距離３ ｚ_１は、前方レンズおよび後方レンズを共に移動させることからもたらされる。
【００２２】
ピンホール光学系並びに視準器光学系の使用下で縦方向色曲線を追加フォーカシングおよび回転させる方法は、以下の場合では特に有利である。
ａ）対物レンズの縦方向色誤差が支配的である
ｂ）系が追加フォーカシングされる（小さい球面収差、良好な伝送）
ｃ）縦方向色誤差への走査対物レンズの関与が無視できる
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＳＭの一般的構成
【図２】：ファイバ／ＰＨ方向のピンホール光学系・視準器の模式図
【図３】（ａ）縦方向色誤差を補償するためのピンホール光学系のグループＬ１およびＬ３の移動（中間レンズ固定）、（ｂ）ａで選択された位置設定における結像特性の評価
【図４】（ａ）固定焦点距離において色曲線を回転させるための視準器移動、
（ｂ）ａで選択された設定位置における結像特性の評価
【符号の説明】
１ 対物レンズ
２ 円筒レンズ
３ 走査鏡を有する走査対物レンズ
４ ピンホール
５ 視準器光学系

Claims (15)

1. 検出器の前に孔絞りが配置されている、少なくとも１つの検出光路を有するレーザ走査型顕微鏡であって、
   検出された光のさまざまな波長を検出光路内の孔絞りの平面内へフォーカシングするため、無限遠から有限の断面幅を有する像平面内への結像を実現する可変伝送長および固定焦点距離を有するピンホール光学系が配備され、
   前記ピンホール光学系（４）が少なくとも３つのグループ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）から成り、これらのうち前記検出器光路内で前記孔絞りの方向に見て、第１のグループ（Ｌ１）が正の屈折力を有し、第２のグループ（Ｌ２）が負の屈折力を有し、第３のグループ（Ｌ３）が正の屈折力を有し、
   伝達長を変化させるために、第１および第３のグループ（Ｌ１，Ｌ３）が共通に固定接合されて移動し、および第２のグループ（Ｌ２）が固定されている、
   ことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡。
2. 前記ピンホール光学系（４）で最大交切幅変化ΔＳ’ _ｍａｘ が、前記第１、第３のグループとほぼ同じ焦点距離であり、ｆ _Ｇ が構成長Ｌ＝Ｌ _１２ ＋Ｌ _２３ の前記ピンホール光学系（４）の全焦点距離、Ｌ _１２ が前記第１、第２のグループ（Ｌ１）、（Ｌ２）間の距離、Ｌ _２３ が前記第２、第３のグループ（Ｌ２）、（Ｌ３）間の距離、およびｆ _２ が前記第２のグループの焦点距離を表す場合、
   【式１】
   の関係を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡。
3. 前記ピンホール光学系（４）が以下の寸法および距離を有する、請求項１または２に記載のレーザ走査型顕微鏡。
   
4. 以下のピンホール光学系（４）の部品構成が、以下の移動を伴うことを特徴とする請求項３に記載のレーザ走査型顕微鏡。
   
5. 前記ピンホール光学系（４）の色長さ誤差ＣＨＬ（λ，ｚ _１ ）が、以下の式によって近似されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
   【式２】
   ここで、ｃ_ｋ（ｚ_１）＝ｑ_ｋ＋ｒ_ｋｚ_１＋ｓ_ｋｚ_１ ^２ とする
6. 前記対物レンズ（１）の前記色長さ誤差Δｚ（λ）が、前記結像サイズβを前記ピンホール平面内に使用の下でΔｚ‘（λ）＝β^２Δｚ（λ）で算出され、
   この色長さ誤差が前記ピンホール光学系（４）を後焦点合わせすることによって波長λについて補償されるべきであり、すなわちΔｚ‘＋ ＣＨＬ（λ，ｚ_１）＝０であり、
   これから前記第１、第２のグループ（Ｌ１）、（Ｌ２）の間の前記空中距離ｚ_１についての解が算出され、これらが前記移動するピンホール光学系（４）の調整を特徴づけることにより、対物レンズ（１）の前記色長さ誤差の前記補償が行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
7. 前記ピンホール光学系（４）の前調整についての評価が、前記第１、第２のグループ（Ｌ１）、（Ｌ２）の間の空中距離ｚ _１ によって特徴づけられ、ＣＨＬ _０ （λ）が理想的な前記ピンホール平面内への結像の際の前記対物レンズ（１）の前記色長さ誤差を表すとき、
   方程式 ｚ_１＝０．１６・ＣＨＬ_０（λ）＋１０．５ｍｍ
   に従い行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
8. レーザ走査型顕微鏡が数本の検出光路を有し、少なくとも１本の検出器光路が、前記顕微鏡内の無限遠光路を有するインターフェースに取り付け可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
9. 少なくとも１基の光ファイバを通じて結合した光源を有し、
   前記ファイバ出口に後置され、固定の焦点距離および変化する交切幅を有するコリメータ光学系（５）が設けられており、これが前記点光源を、開口数を有する前記ファイバ出口において、前記スキャン対物レンズ（３）の前の前記無限遠空間で平行ビームに変換し、
   前記コリメータ光学系（５）が少なくとも３つのグループ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）から成り、これらのうち前記スキャン対物レンズ（３）から前記ファイバ出口の方向を見て、第１のグループ（Ｌ１）が正の屈折力を、第２のグループ（Ｌ２）が負の屈折力を、第３のグループ（Ｌ３）が正の屈折力を有し、
   波長に依存する、少なくとも部分的な前記マイクロ対物レンズの前記色長さ誤差の補償が、色カーブの回転を通じて、固定の焦点距離で使用される照明波長について、前記第２のグループ（Ｌ２）を前記外側の両方の固定接合された第１、第３のグループ（Ｌ１、Ｌ３）に対して移動させることによって実現される、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
10. 前記コリメータ光学系（５）が、前記点光源を、開口数０．０７を有する前記ファイバ出口において、前記スキャン対物レンズの前の前記無限遠空間で直径３．２ｍｍを有する平行ビームに変換することを特徴とする請求項９に記載のレーザ走査型顕微鏡。
11. 前記コリメータ光学系（５）が約２２ｍｍの焦点距離を有することを特徴とする請求項９または１０に記載のレーザ走査型顕微鏡。
12. 前記コリメータ光学系（５）が以下の寸法および距離を有することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
    
13. 前記コリメータ光学系（５）によって前記色カーブの前記回転が、固定の焦点距離で前記第２のレンズグループ（Ｌ２）を前記両方の外側の固定接合されたレンズグループ（Ｌ１，Ｌ３）に対して移動させることによって、以下のように実現される、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
    
14. 前記コリメータ光学系（５）で前記第２、第３のグループ（Ｌ２）、（Ｌ３）の結合された移動ｚ _２ （ｚ _３ ）が、波長を焦点合わせするために行われ、
    ｚ_２ｚ_３＝０．５５ｚ_３−４．２ｍｍ であり、
    ここでｚ _２ は前記第２のレンズグループ（Ｌ２）から前記第３のレンズグループ（Ｌ３）までの照明方向に向かう空中距離、およびｚ _３ は前記第３のレンズグループ（Ｌ３）から前記ファイバ出口までの空中距離であることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。
15. 前記対物レンズに起因する前記色長さ誤差 ＣＨＬ_０（λ_２）−ＣＨＬ_０（λ_１） が、以下の関係、すなわち
    ｚ_２＝３．７ｍｍ−０．２４μｍｘ（ＣＨＬ_０（λ_２）−ＣＨＬ_０（λ_１））／（λ_２−λ_１）
    ｚ_３＝１．８ｚ_２＋７．５ｍｍ
    ｚ_１＝５．４ｍｍ−ｚ_２
    によって評価され、前記色長さ誤差が前記両波長λ _１ とλ _２ の間の前記ファイバ結合の前記平面内で前記コリメータ光学系（５）によって同一の焦点距離で補償されるようになることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡。