JP4533561B2 - 照明装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細構造光学要素へ指向する光線を放射するレーザーを備え、微細構造光学要素がレーザーの光をスペクトル拡散させるようにした照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許公開第１９８５３６６９Ａ１号公報からは、多重波長出力を制御可能にした超短パルス源が開示されている。この超短波長パルス源は特にマルチフォトン型顕微鏡に使用される。この顕微鏡システムは、一定波長の超短波長光パルスを発生させる超短波長パルスレーザーと、少なくとも１つの波長変換チャネルとを有している。
【０００３】
米国特許第６０９７８７０号公報は、可視スペクトル範囲および赤外スペクトル範囲の広帯域スペクトルを生成するための装置を開示している。この装置は、パルスレーザーの光がカップリングされる微細構造ファイバーをベースとしている。ポンプ光は、微細構造ファイバー内で非線形効果により拡散される。微細構造ファイバーとしては、いわゆるフォトニックバンドギャップ材または"photonic crystal fibres"、"holey fibers"、または"microstructured fibers"が使用される。いわゆる「中空ファイバー」も知られている。
【０００４】
広帯域スペクトルを生成するための他の装置は、Birks他著、"Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt.Lett. 第２５巻、第１４１５頁（２０００年）に開示されている。この装置には、ファイバーコアを備えた従来の光ファイバーが使用され、この光ファイバーは少なくとも部分的に先細り部を有している。この種の光ファイバーはいわゆる「テーパーファイバー」として知られている。
【０００５】
国際公表番号WO００/０４６１３のPCT出願からは、波長に応じて増幅度を調整可能な光増幅器が知られている。さらにこの公報には、この原理をベースとしたファイバー光源が開示されている。
【０００６】
アークランプは広帯域の光源として知られており、多くの分野で使用されている。その例としてここでは米国特許第３７２０８２２号公報(XENON PHOTOGRAPHY LIGHT)を挙げておくが、この公報では写真照明用のキセノンアークランプが開示されている。
【０００７】
特に顕微鏡、内視鏡、フローサイトメトリー、クロマトグラフィー、リソグラフィーにおいては、顕微プレパラートを照明するため、高い光照明密度を持った万能型の照明装置が重要である。走査顕微鏡では、試料は光線で走査される。このため、光源としてしばしばレーザーが使用される。たとえば欧州特許第０４９５９３０号公報に記載の「多色蛍光用共焦点顕微鏡システム」からは、複数のレーザー光線を放出する１つのレーザーを備えた装置が知られている。最近ではほとんどが混合ガスレーザー、特にArKrレーザーが使用される。試料としては、たとえば蛍光色素でプレパラート化された生物組織または切片が検査される。試料によって反射した照明光はしばしば材料検査領域において検出される。固体レーザー、色素レーザー、ファイバーレーザーおよび光パラメトリック発振器ＯＰＯ（上流側にポンプレーザーが配置される）も頻繁に使用される。
【０００８】
以上挙げた従来技術の照明方法および照明装置にはいくつかの欠点がある。公知の広帯域照明装置は、ほとんどの場合、レーザーをベースとした照明装置に比べて照明密度が小さく、他方利用者には不連続な波長線しか提供されず、そのスペクトル状態と幅は、ほとんどの場合わずかしか調整できない。作動スペクトルのこのような制限により、公知の照明装置には順応性がない。
【０００９】
すでに述べた米国特許第６０９７８７０号公報に記載されているように微細構造ファイバーを使用することにより、広帯域の連続的な波長スペクトルを利用できる。しかしながら、この種の装置は特に個々の光学要素およびその相互の位置調整が複雑なので、操作が面倒であり、順応性がなく、また故障しやすい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記欠点および問題を回避または解消する照明装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、レーザーと微細構造光学要素とがモジュールに統合され、照明装置は、スペクトル拡散された光のパワーを変化させる該レーザーの出力を制御する装置を有し、照明装置は、スペクトル拡散された光の少なくとも１つの選定可能な波長又は少なくとも１つの選定可能な波長範囲のパワーを変化させるパワー可変装置を有し、当該パワー可変装置は、音響光学的要素又は電子光学的要素を有することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の利点は、普遍的に使用可能で、操作が容易であり、順応性があり、さらに広帯域の波長範囲の光で照明が行なわれることである。
有利な実施形態では、スペクトル拡散された光を射出させる光出口穴を備えたケーシングを有している。この構成の利点は、特に光学的構成要素を外部の影響、特に汚染から保護できることである。
【００１３】
特に有利な実施形態では、微細構造光学要素の下流側に、スペクトル拡散された光を１つの光線に整形する光学系が配置されている。この光学系は、有利にはケーシングの内部にして光出口穴のすぐ前方またはその内部にある。光線放射の安全性に関しては、利用者に照明装置が作動していることを知らせる警告ランプをケーシングに取り付けるのが有利である。
【００１４】
レーザーとしては、通常のすべてのタイプのレーザーを使用できる。有利な構成では、レーザーは短パルスレーザーであり、たとえば光パルスを１００fsないし１０psの継続時間で放射する、モードカップリングされた固体レーザーである。
【００１５】
照明装置の特に有利な実施形態では、スペクトル拡散された光のパワーを変化させる装置が設けられている。この場合、スペクトル拡散された光のパワーを、少なくとも１つの選定可能な波長に関し、または少なくとも１つの選定可能な波長範囲に関し可変であるように、或いは完全に絞ることができるように、照明装置を構成するのが特に有利である。
【００１６】
スペクトル拡散された光のパワーを可変にする装置としては、調整可能な音響光学的フィルタ(acusto optical tunable filter AOTF)のような音響光学的または電子光学的要素を使用できる。同様に、デイジーチェーンで配置される誘電フィルタまたはカラーフィルタを使用してもよい。特に順応性を得るため、フィルタは、スペクトル拡散された光の光路内への挿入を容易にさせるレボルバーまたはスラドフレームに取り付けられる。
【００１７】
他の実施形態では、スペクトル拡散された光は空間スペクトル分割されて、適当な可変絞り装置またはフィルタ装置によりスペクトル成分を抑制し、或いは完全に絞り、次に残ったスペクトル成分を再び１つの光線に統合させる。空間スペクトル分割するため、たとえばプリズムまたは格子を使用できる。
【００１８】
スペクトル拡散された光のパワーを変化させるため、他の実施形態では、ファブリ・ペロフィルタが設けられている。LCDフィルタも使用できる。
特に有利な実施形態では、スペクトル拡散された光のパワーを調整し、スペクトル合成するための操作要素がケーシングに直接設けられる。他の実施形態では、これらのパラメータは外部の操作デスクまたはパーソナルコンピュータで調整され、調整データは電気信号の形で照明装置またはスペクトル拡散された光のパワーを変化させる装置へ送られる。具体的には、ディスプレイに表示され、コンピュータのマウスで操作されるスライダを介しての調整である。
【００１９】
本発明によれば、レーザーから放射され、微細構造光学要素に指向される光線の発散および径は、スペクトル拡散された光内部のスペクトル分布にかなり影響することが明らかとなった。特に有利で順応性のある構成では、照明装置は、レーザーの光線を微細構造光学要素にフォーカシングさせる合焦光学系を有している。合焦光学系を変倍光学系として、たとえばズーム光学系として構成するのが特に有利である。
【００２０】
照明装置内に、波長を拡散された光の分析を、特にスペクトル成分および光パワーに関し可能にする装置を設けるのが有利である。分析装置は、スペクトル拡散された光の一部がたとえばビームスプリッターを用いて分割されて分析装置に供給するように配置される。分析装置は分光計であるのが有利である。照明装置は、たとえば、空間スペクトル分割するためのプリズムまたは格子と、検出器としてのCCD要素またはマルチチャネル光電子増倍管を有している。他の変形実施形態では、分析装置はマルチバンド検出器を有している。半導体分光計も使用できる。
【００２１】
スペクトル拡散された光のパワーを設定するため、検出器は、光パワーに比例した電気信号が発生して、この電気信号が電子系またはコンピュータによって評価できるように構成されている。
【００２２】
特に有利な実施形態では、スペクトル拡散された光のパワーおよび（または）スペクトル拡散された光のスペクトル成分を表示するため表示装置が設けられている。この表示装置はケーシングまたは操作デスクに直接取り付けられている。他の実施形態では、前記パワーまたはスペクトル成分を表示するためにパーソナルコンピュータのモニターが使用される。
【００２３】
微細構造光学要素は、走査顕微鏡の有利な実施形態では、少なくとも２つの異なる光学密度を有する多数の微小光学的構造要素から構成されている。特に有利な実施形態では、光学要素は第１の領域と第２の領域を有し、第１の領域は均質な構造を有し、第２の領域内には、微小光学構造要素からなる顕微構造が形成されている。また、第１の領域が第２の領域を取り囲んでいるのが有利である。微小光学構造要素は、有利にはカニューレ、細条片、ハニカム体、管片または中空空間であるのが有利である。
【００２４】
他の構成では、微小構造光学要素は互いに並設されたガラス材またはプラスチック材と中空空間からなっている。特に有利な変形実施形態では、微小構造光学要素はフォトニックバンドギャップ材からなり、光ファイバーとして構成されている。この場合、光ファイバーの端部でのレーザー光線の逆反射を抑制する光ダイオードをレーザーと光ファイバーの間に設けるのが有利である。
【００２５】
特に有利で、簡単に実現される変形実施形態によれば、微小構造光学要素として、約９μmのファイバーコアを備えた従来の光ファイバーが使用され、この光ファイバーは少なくとも一部に沿って先細り部を有している。この種の光ファイバーは、いわゆるテーパーファイバーとして知られている。有利には、光ファイバーが全体で１mの長さで、３０mmないし９０mmの長さで先細り部を有しているのがよい。光ファイバーの径は、先細り部の領域でほぼ２μmに縮小されている。これに対応して、ファイバーコアの径はナノメータの範囲である。
【００２６】
本発明による照明装置は、特に顕微試料の照明に適しており、特に走査顕微鏡または共焦点走査顕微鏡での照明に使用できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の技術的範囲に属さないが、参考例として照明装置１を示している。照明装置１はレーザー３を有している。レーザー３はダイオードレーザーポンプ型式のモードカップリング型チタン・サファイアレーザー５として構成され、パルス化された光線７（破線で示した）を放射する。光パルスの継続時間は、繰り返し数が約８０MHzの場合ほぼ１００fsである。光線７は合焦光学系９（ズーム光学系１１として構成され、光線の伝播方向に沿って移動可能に配置されている）により微細構造光学要素１３にフォーカシングされる。微細構造光学要素１３は、フォトニックバンドギャップ材からなる結晶体１５からなっている。微細構造光学要素１３においてレーザーの光はスペクトル拡散される(spektral verbreitern)。すべての構成要素は、光出口穴１９を備えたケーシング１７内にあり、光出口穴１９を通じてスペクトル拡散された光２１は発散光線としてケーシング１７を離れる。スペクトル拡散した光２１のスペクトルはほぼ３００nmないし１６００nmの波長に達し、光パワーはスペクトル全体にわたって十分一定である。
【００２８】
図２は、本発明の技術的範囲に属さないが、参考例として図１に図示した実施形態に対応する実施形態を示している。光出口穴１９内には光学系２３があり、この光学系２３はスペクトル拡散された光２１をスペクトル拡散された光線２５に整形して、この光線２５がコリメートされて延在するようにする。
【００２９】
図３は、本発明の技術的範囲に属さないが、参考例として図１に図示した実施形態に対応する実施形態を示している。微細構造光学要素１３はフォトニックバンドギャップ材からなり、光ファイバー２７として構成されている。光ファイバー２７から出て、スペクトル拡散された光２１は、光学系２９により、コリメートされスペクトル拡散された光線２５に整形される。ビームスプリッター３１により、スペクトル拡散された光線２５が分割されて部分光線３３が生じ、部分光線３３は分析装置３５へ誘導される。分析装置３５は、部分光線３３を分岐させて、分岐面内で発散して延びる光束３９を形成し、光検出用のフォトダイオードセル４１に到達させるプリズム３７を有している。フォトダイオードセル４１は、それぞれのスペクトル範囲の光のパワーに比例した電気信号を発生させ、これらの電気信号は処理ユニット４３へ送られる。処理ユニット４３において信号が選別されて、表示装置４４に転送される。表示装置４４は、ケーシングに取り付けられたLCDディスプレイ４５を有し、LCDディスプレイ４５上には、スペクトル拡散された光線２１の成分がグラフ４７の形で２つの軸４９，５１を持った座標系の中に表示される。座標軸４９は波長を示し、座標軸５１は光のパワーを表わしている。図示した照明装置には、チタン・サファイアレーザー５の出力を調整するための制御ボタン５５を備えた操作デスク５３が設けられている。光線７のパワーの調整により、スペクトル拡散された光２１のパワーを変えることができる。
【００３０】
図４の照明装置１は、基本構成において、図３に図示した照明装置に対応している。微細構造光学要素１３は、先細り部５９を有している光ファイバー５７からなっている。操作デスクとしてコンピュータ６３が使用される。スペクトル成分を表示する表示装置４４としては、コンピュータ６３のモニター６１が用いられる。モニター６１には、処理ユニットの選別された信号が送られる。表示は、図３に図示した座標表示に対応して行なわれる。コンピュータ６３は、利用者の設定に応じて、スペクトル拡散された光２１のパワーを変化させるパワー可変装置６７を制御する。パワー可変装置６７はAOTF(acousto optical tunable filter)６９として構成されている。さらに、レーザー３の出力制御がコンピュータを介して行なわれる。利用者はコンピュータのマウス６５を用いて調整を行う。モニター６１上には、スペクトル変化した光線２１の全パワーを調整するために用いるスライダ７１が表示されている。グラフ４７をクリックし、同時にマウス６５を移動させることにより、破線で示したグラフ７３が得られる。このグラフ７３はコンピュータのマウス６５の移動に応じて変形させることができる。マウス６５で新たにクリックすると、コンピュータ６３を介してパワー可変装置６７が制御されて、予め選択されたスペクトル成分が破線のグラフ７３で表示される。
【００３１】
図５は、本発明の技術的範囲に属さないが、参考例として図１に対応した照明装置を示すもので、付加的に、スペクトル拡散された光線２１のパワーを表示する表示装置７５が設けられている。この表示装置は、純粋な数字表示装置として構成されている。ビームスプリッター３１により、スペクトル拡散された光線２１が分割されて部分光線３３が形成され、光電子増倍管７７へ送られる。光電子増倍管７７は、衝突した部分光線３３のパワーに比例した電気信号を発生させる。この電気信号は処理ユニット７９において選別され、表示装置７５へ送られる。
【００３２】
図６は、フォトニックバンドギャップ材からなる微細構造光学要素１３の１実施形態を示すもので、特別なハニカム状微細構造８１を有している。このハニカム構造は、広帯域光の発生に特に適している。ガラス内部カニューレ８３の径はほぼ１．９μmである。内部カニューレ８３はガラス細条片８５により取り囲まれている。ガラス細条片８５はハニカム状の中空空間８７を形成している。これらの微小光学構造要素は協働して第２の領域８９を形成し、第２の領域８９は、ガラス被覆部として実施されている第１の領域９１によって取り囲まれている。
【００３３】
図７は、共焦点走査顕微鏡９３の概略図である。照明装置１から来る照明光線２５は、ビームスプリッター９５からスキャンモジュール９７へ反射する。スキャンモジュール９７にはカルダン式に支持されるスキャンミラー９９が含まれており、スキャンミラー９９は光線２５をして顕微鏡光学系１０１を通過させ、プレパラート１０３を介して、或いはプレパラート１０３によって案内させる。照明光線２５は、プレパラート１０３が非透明の場合、プレパラートの表面を介して案内される。プレパラート１０３が生物学的なプレパラートである場合、或いは透明な場合、照明光線２５はプレパラート１０３によっても案内される。これが意味するところは、プレパラート１０３の種々の合焦面が順次照明光線２５により走査されるということである。この場合、事後の合成はプレパラート１０３の三次元画像を生じさせる。結像段階では、照明装置１から来る光線２５を実線で示した。プレパラート１０３から出る光１０５は顕微鏡光学系１０１を通り、スキャンモジュール９７を介してビームスプリッター９５に達し、これを通過して、光電子増倍管として実施されている検出器１０７にあたる。プレパラート１０３から出た光１０５は破線で示した。検出器１０７においては、プレパラート１０３から来る光１０５のパワーに比例した検出信号が発生して、処理される。共焦点走査顕微鏡において通常設けられる照明ピンホール１０９と検出ピンホール１１１とは、完全を期すため概略的に図示したが、これに対し、図をわかりやすくするため、光線を案内したり整形したりする光学要素は図示していない。この点は本技術分野の当業者にとっては公知のものである。
【００３４】
図８は微細構造光学要素１３の実施形態を示している。この実施形態では、微細構造光学要素１３は従来の光ファイバー１１３からなっており、その外径は１２５μmで、ファイバーコア１１５を備えている。ファイバーコア１１５の内径は６μmである。３００mmの長さの先細り部１１７の領域において光ファイバー１１３の外径は１．８μmに縮小されている。この領域でのファイバーコア１１５の径はマイクロメートルの数分の一にすぎない。
【００３５】
以上本発明を特定の実施形態に関して説明したが、本願の特許請求の範囲の権利保護範囲を逸脱することなく、種々の変更および改変を行なってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 照明装置を参考例として示す図である。
【図２】 照明装置の他の実施形態を参考例として示す図である。
【図３】 分光計と表示装置を備えた照明装置を参考例として示す図である。
【図４】 パワー測定器と表示装置を備えた本発明による照明装置を示す図である。
【図５】 パワー可変装置を備えた照明装置を参考例として示す図である。
【図６】 微細構造光学要素の実施形態を示す図である。
【図７】 共焦点走査顕微鏡の概略図である。
【図８】 微細構造光学要素の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明装置
３ レーザー
５ チタン・サファイアレーザー
７ パルス化された光線
９ 合焦光学系
１１ ズーム光学系
１３ 微細構造光学要素
１５ 結晶体
１７ ケーシング
１９ 光出口穴
２１ スペクトル拡散された光
２３ 光学系
２５ スペクトル拡散された光線
２７ 光ファイバー
２９ 光学系
３１ ビームスプリッター
３３ 部分光線
３５ 分析装置
３７ プリズム
３９ 光束
４１ フォトダイオードセル
４３ 処理ユニット
４４ 表示装置
４５ LCDディスプレイ
４７ グラフ
４９ 座標軸
５１ 座標軸
５３ 操作デスク
５５ 制御ボタン
５７ 光ファイバー
５９ 先細り部
６１ モニター
６３ コンピュータ
６５ コンピュータのマウス
６７ パワー可変装置
６９ AOTF(acousto optical tunable filter)
７１ スライダ
７３ グラフ
７５ 表示装置
７７ 光電子増倍管
７９ 処理ユニット
８１ ハニカム状微細構造
８３ ガラス内部カニューレ
８５ ガラス細条片
８７ 中空空間
８９ 第２の領域
９１ 第１の領域
９３ 共焦点走査顕微鏡
９５ ビームスプリッター
９７ スキャンモジュール
９９ スキャンミラー
１０１ 顕微鏡光学系
１０３ プレパラート
１０５ プレパラートから出る光
１０７ 検出器
１０９ 照明ピンホール
１１１ 検出ピンホール
１１３ 光ファイバー
１１５ ファイバーコア
１１７ 先細り部

Claims (6)

  1. 微細構造光学要素（１３）へ指向する光線（７）を放射するレーザー（３）を備え、微細構造光学要素（１３）がレーザーの光をスペクトル拡散させるようにした照明装置（１）において、
    レーザー（３）と微細構造光学要素（１３）とがモジュールに統合され、
    照明装置（１）は、スペクトル拡散された光（２１）のパワーを変化させる該レーザーの出力を制御する装置を有し、
    照明装置（１）は、スペクトル拡散された光の少なくとも１つの選定可能な波長又は少なくとも１つの選定可能な波長範囲のパワーを変化させるパワー可変装置（６７）を有し、
    当該パワー可変装置（６７）は、音響光学的要素又は電子光学的要素を有することを特徴とする照明装置。
  2. スペクトル拡散された光（２１）を射出させる光出口穴（１９）を備えたケーシング（１７）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
  3. 微細構造光学要素（１３）が、少なくとも２つの異なる光学密度を有する多数の微小光学的構造要素から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
  4. 微細構造光学要素がフォトニックバンドギャップ材からなっていることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
  5. 微細構造光学要素が光ファイバーとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
  6. 光ファイバー（２７,５７）が先細り部（５９）を有していることを特徴とする、請求項５に記載の照明装置。
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