JP6282654B2 - 光学系構成および光学顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、第１の態様では請求項１のプリアンブルに記載の光学顕微鏡のビーム経路における位置決めのための光学系構成に関する。もう１つの観点では、本発明は請求項１９のプリアンブルに記載の光学顕微鏡に関する。

属概念の光学顕微鏡は、調査すべき試料が位置決めされ得る試料面と、試料面の方向に光線を発するための少なくとも１つの光源とを備えている。試料から来る光はその後、試料画像を生成するために光検出器で検出することができる。

高解像度で試料を調査するための既知の方法は、構造化された照明による顕微鏡検査（構造化照明顕微鏡法、ＳＩＭ）である。この場合、光源と試料面の間の光学顕微鏡のビーム経路に１つまたは複数の回折格子が組み込まれる。したがって試料面に格子の結像が生成される。様々に方向づけた格子に対して試料画像を撮影すれば、それを基に、解像度を高めた試料画像を算出することができる。

構造化された照明光とは、一般的にはビーム断面にわたって空間的に可変の強度分布を有する任意の光と理解することができる。とりわけ、断面にわたって周期的な強度分布を有する光、例えば照明された線と照明されていない線による線パターンを利用することができる。このようなパターンは、試料面への線格子の結像によって生成することができる。

様々な格子向きを提供するために、様々な手順が知られている。原理的には、格子を１つだけ使用して、様々な向きに回転させることができる。１つの格子に加えて光学的な画像領域ローテータ、例えばアッベ・ケーニッヒプリズムを用いてもよい。これにより画像領域回転、したがって光線断面の回転を生成することができる。さらに、異なる方向に向いた複数の格子を設けることができ、これらの格子からそれぞれ１つを、モータ駆動の格子取替器によって選択することができる。これに加え、干渉するビームを生成するための光学的なビームスプリットを行うことができ、または土台上で重畳して異なる方向に向いている格子と、所望の回折次数を選択するための手段とを設けることができる。

光学顕微鏡のビーム経路における位置決めのための属概念の光学系構成では、光学系支持部が存在しており、この光学系支持部に、向きの異なる構造化された照明光を生成するための光学アセンブリの第１のセットが配置されている。この光学アセンブリは一般的には様々な向きの格子である。したがって光学系支持部は格子支持部と言ってもよい。

従来的には、光学系支持部が回転することにより、光学系支持部に取り付けられた格子間での取替が行われる。これにより常に光学顕微鏡のビーム経路内には、存在する格子の１つだけが置かれている。この場合、様々な格子向きの間での取替に比較的時間がかかることが欠点である。この無駄時間とも言える時間は、従来の光学系構成および光学顕微鏡では典型的に数百ミリ秒である。

その他の知られている光学系構成でも、２つの格子向きの間での取替のための無駄時間は比較的長い。これに加えて従来の構造は、しばしば機械的に複雑であるか、状況によっては可動の光学コンポーネントの高精度の位置決めを必要とするか、または光線の望ましくない強度損失も生じる。

本発明の課題は、単純な構造で、構造化された照明光を生成するための様々に方向づけられた格子の間での高速の取替を可能にする光学系構成および光学顕微鏡を提供することと見なすことができる。

この課題は、請求項１の特徴を有する光学系構成および請求項１９の特徴を有する光学顕微鏡によって解決される。
本発明による光学系構成および本発明による光学顕微鏡の好ましい実施形態は従属請求項の対象であり、以下の説明で、とりわけ図と関連させて解説する。

上で挙げた種類の光学系構成は、本発明によれば、光学アセンブリの１つへと光線を選択可能に偏向するように、およびこの光学アセンブリから来る光線を調査すべき試料の方向に偏向するように調節可能な偏向機構を備えている。

上で挙げた種類の光学顕微鏡の場合、本発明によれば、光源と試料面の間のビーム経路に本発明による光学系構成が存在している。
本発明の基礎となる思想は、光学顕微鏡のビーム経路に特定の格子を組み込むために、格子自体のまたはそれどころか格子を備えた光学系支持部の移動が必要ないことに見出すことができる。これについて、格子および光学系支持部の寸法および質量が比較的大きい故に、移動には時間がかかる。この問題は、この顕微鏡検査法のために必要な格子位相シフトを格子向きごとに調整するために、格子を高精度で位置決めしなければならないことにより一段と先鋭化する。本発明によれば、試料を照明する光線のビーム経路を、光学系支持部に取り付けられた光学アセンブリの１つへと選択可能に調節することにより、特定の向きの格子結像を選択するために格子を移動させなくてよい。光学アセンブリは、互いに対して様々な向きで配置された格子を含むことが好ましい。これにより機械的な移動は、もしあるとしても偏向機構でしか必要ない。偏向機構での移動は、ビーム経路内へのまたはビーム経路から外への格子の移動より決定的に小さく、これにより、偏向機構を用いて格子選択を非常に短い時間で行うことができる。

本発明のもう１つの核となるアイデアと見なし得るのは、調節可能な偏向機構を用いて、光学アセンブリの１つから来る光線のビーム経路にも可変に影響を及ぼすことである。これにより、偏向機構から調査すべき試料の方向への光線のビーム経路が、光学アセンブリの選択とは無関係であり得ることが有利である。

光学系支持部およびそれに取り付けられた光学アセンブリは空間的に不動に実施することができるので、光学系支持部に付いている光学アセンブリの数を比較的多くすることが、光学アセンブリの１つを選択するための時間に悪影響を及ぼすことなく可能なことが有利である。したがって同じ格子定数の格子の第１のセットは、少なくとも３個の格子を有することができ、または少なくとも５個もしくは少なくとも７個の格子を有してもよい。これにより高い測定精度を、選択された格子を取り替える間のそれでもなお短い無駄時間でもたらすことができる。

画像撮影に必要な時間は、画像領域回転子と格子を組み合わせた従来の光学顕微鏡の場合、以下の量によって決定される。様々な向きの構造化された照明光を生成するための画像領域回転子の回転の調節時間は約３００ｍｓである。少なくとも３つの回転位置に到達しなければならない。加えて画像領域回転子および格子の向きごとに、３つの位相に対する画像を撮影しなければならない。したがって９枚の画像を撮影しなければならない。試料画像を撮影するための露光時間は、例えば３０ｍｓである。したがって従来的には、総測定時間は約３×３００ｍｓ（格子結像の回転）＋９×３０ｍｓ（露光時間）＋９×１０ｍｓ（ピエゾ素子による位相シフト）で、つまり１．２秒超である。これに対し本発明の偏向機構の調節時間は約１ｍｓにすぎない。これに基づき総測定時間は、３×１ｍｓ（格子の方向づけの選択）＋９×３０ｍｓ（露光時間）＋９×１ｍｓ（偏向ミラーによる位相シフト）だけ、つまり３００ｍｓ未満になる。

光学アセンブリの第１のセットの各々の光学アセンブリが格子を含むことが好ましい。これらの格子は同じ格子定数を有することができる。
向きの異なる構造化された照明光を生成するため、格子を互いに対して異なる向き、つまり光軸の周りでの異なる回転角度で配置することができる。したがって様々な格子の格子線は互いに対して相対的に回転している。

その代わりにまたはそれに加えて、格子の後ろに画像領域ローテータが存在することができる。画像領域ローテータは、それぞれ帰属の格子の結像を回転させる。これにより、すべての格子を同じ方向づけで、つまり平行な格子ベクトルで配置することができる。この場合、格子保持具を状況によっては機械的により単純に実施することができる。

格子が偏向機構の前のビーム経路に配置されている場合、光学系支持部に付いている光学アセンブリとしての画像領域ローテータにより、原理的には１つの格子だけで十分であり得る。格子によって回折された光はその後、光学アセンブリとして画像領域ローテータが配置されている様々なビーム経路に導くことができる。これらの画像領域ローテータにより、試料面では異なって回転された格子結像が生成される。

本発明による光学系構成の好ましい１実施形態では、光学系支持部に、追加的に以下の光学アセンブリの少なくとも１つが配置されている。
− 構造化された照明光を生成するための格子の少なくとも１つのさらなるセット。格子のさらなるセットがそれぞれ、格子定数が同じで、とりわけ互いに対して異なる角度で配置された少なくとも３つの格子を有しており、その際、格子の様々なセットはその格子定数が異なっている。

− 様々な向きの格子結像を生成するための追加的な画像領域ローテータ。偏向機構の前のビーム経路に格子が配置されており、かつこの格子から来る光を偏向機構により選択可能に画像領域ローテータの１つに導くことができる。

− 広視野照明をもたらすための返送ミラー。偏向機構から来る光線を返送ミラーにより、偏向機構に戻るように導くことができる。
− 偏向機構から来る光線を通過させるための窓。通過した光線を偏向機構に導くためのビーム案内手段が存在している。

従来の光学系構成は、一般的にただ１つの格子定数の格子だけを使用する。なぜならこれらの実施形態では、格子の数が比較的多いことが、不釣り合いなほど複雑な構造かまたは格子取替時の無駄時間の増大を生じさせるからである。これとは違い本発明による光学系構成では、別の格子定数を有する格子のさらなるセットが、製造の手間または無駄時間が有意に上昇することなく存在することができる。したがって多色測定では、それぞれの励起波長に最適な格子定数を有する格子のセットを選択することができる。格子の様々なセットは、複数の交換可能な光学系支持部を設けることによって選択可能であってもよい。これらの光学系支持部の間での取替は、例えば実験の変更のために有利であり得る。この場合、光学系支持部間での必要な取替時間は副次的な役割しか演じないので、取替は手動で、または光学系支持部をモータで動かすことによって行うことができる。

光学系支持部に返送ミラーまたは窓が設けられている場合、構造化されていない照明への高速の取替が可能である。したがって構造化された照明による観察に加えて、試料画像を広視野照明、とりわけ広視野エピ照明で撮影することができる。

透過型格子を利用する場合、広視野照明をもたらすために窓が設けられることが好ましい。この窓は、例えば平らな面を有する小板、レンズ、レンズ群、または穴によって形成することができる。窓の後ろに配置された、光線を偏向機構に導くためのビーム案内手段は、例えば１つまたは複数のミラー、レンズ、またはレンズ群、および回転可能な出口ミラーを含むことができ、この出口ミラーは偏向機構の調整に応じて回転される。出口ミラーは、偏向機構の偏向ミラーのミラー裏面として具体化されるのが好ましく、これにより出口ミラーおよび偏向ミラーは一緒に回転することができる。

反射型格子としての格子の１つの実施形態では、広視野照明をもたらすために返送ミラーを使用することが好ましい。返送ミラーは平面を有することができ、または湾曲した表面を有してもよい。

これに加え光学系支持部には、それぞれ焦点変位のための規定の厚さのプレートを手前に配置した格子のさらなるセットが存在することができる。様々な格子に異なる厚さのプレートを取り付けると、これにより不連続的な工程での深さスキャンを行うことができる。

格子は光学系支持部上で、２次元配列で相並んで位置決めされるのが好ましい。偏向機構により、当たった光線の偏向方向に対応して、任意の格子へ向かうことができる。光学系支持部にさらなる光学アセンブリが存在する場合は、この光学アセンブリも２次元配列で位置決めされている。確かに原理的には、格子を真っ直ぐまたは曲がった１本の列に配置することもできるが、しかし所定の格子数に対しては、２次元配列による方が、格子を選択するための偏向角度の差が小さいことが有利である。偏向角度の差がより小さいことで、一方ではより小さな光学系を使用することができ、他方では偏向機構から様々な格子への光線進路の差がより小さい。これにより、例えば光学顕微鏡の中間像面には格子の幾つかしか位置決めされておらず、その一方でほかの格子は中間像面の外に存在するということをほぼ回避することができる。

これに加え、偏向機構から様々な格子への進路の差をさらに減らすため、格子を互いに対して相対的に、偏向機構から来る光線の伝播方向にずらすことができる。このずれは、ちょうど、偏向機構から格子へのすべての光進路が同じ長さであるように選択することができる。したがってすべての格子を中間像面で的確に配置することができる。

偏向機構は、偏向方向を可変に変化させるために、基本的に任意の高速に切替え可能な手段、例えば音響光学装置または回転可能もしくは変位可能な光屈折機構を含むことができる。非常に高速の切替えは、偏向ミラーを備えた偏向機構によって達成される。この偏向ミラーはスキャンミラーと言ってもよく、例えばＭＥＭＳスキャナによって実施することができる。このＭＥＭＳは微小電気機械システムのことである。このスキャンミラーが、格子を選択するための唯一の可動要素であることができる。実用的には、電子的制御手段が存在しており、所望の格子またはもう１つの光学アセンブリに光線を導くために偏向ミラーを回転および／または変位するように構成されていることである。原理的には、２つの偏向ミラーを相前後して設けることもでき、これにより、より多数の格子からの選択が可能になる。

偏向ミラーは、動かすべきコンポーネントが比較的小さく、したがって高速に移動させ得るという利点を提供する。
本発明による光学系構成の好ましい１つの実施形態では、格子は、当たった光線を偏向ミラーへとはね返す反射型格子である。したがって戻ってくる光線も同じ偏向ミラーが偏向する。２回の偏向の故に、状況によっては偏向ミラーの僅かな位置決め誤差を補正することができる。

偏向ミラーがデスキャン構成で使用され、つまり光線が光学系支持部に向かい、そして光学系支持部から戻るように導く場合、偏向ミラーの光学系支持部とは逆の側でも、入ってくる光線と出ていく光線のビーム経路を一致させることができる。とりわけこの場合には、光学顕微鏡の光源から来る光線を偏向機構の方向に導くために、および偏向機構から来る光線を調査すべき試料の方向に導くために、ビームスプリッタが存在することができる。

基本的には任意の種類のビームスプリッタであることができ、例えばカラースプリッタまたは空間的に様々な透過特性および反射特性を有するビームスプリッタを含むことができる。ただし好ましくは、ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタである。

偏光ビームスプリッタでは、光学顕微鏡の光源から来る光線と、偏向機構から来る光線を区別できるように、偏光ビームスプリッタと光学系支持部の間に偏光変更手段が存在することが好ましい。偏光変更手段は、例えばλ／４板またはλ／２板であることができる。

光学顕微鏡の光源から来る光線は、所望の偏光で偏光ビームスプリッタに当たり、こうして偏向機構に、および直接的ではなく試料の方向にさらに導かれるべきである。これに関し、特定の偏光方向を調整するために、光源と偏光ビームスプリッタの間に、偏光に影響を及ぼす手段が存在することができる。この偏光に影響を及ぼす手段は、偏光ビームスプリッタの分離特性に対応して、光源から来る光線の偏光方向を変化させるために、偏光子または偏光フィルタおよび／もしくはλ／２板を備えることができる。

本発明による光学系構成のもう１つの実施形態では、偏光ビームスプリッタの前のビーム経路に配置されている偏光に影響を及ぼす手段が切替え可能である。例えば、この偏光に影響を及ぼす手段は切替え可能な偏光フィルタまたは回転可能なλ／２板を備えることができる。これにより、光線を偏光ビームスプリッタから偏向機構に導くか、または偏向機構に当てることなく試料の方向に導くかどうかを選択することができる。

偏向機構へとさらに導く場合、光が戻ってきて偏光ビームスプリッタに達する前に、偏光ビームスプリッタと光学系支持部の間にある偏光変更手段により、光の偏光方向を回転させる。したがってこの場合には光は最終的に試料に達するために、偏光ビームスプリッタで最初は透過され、戻ってくると反射されるか、またはその逆である。

偏光ビームスプリッタで試料の方向へのさらなる導きが行われる場合、光はその偏光方向に基づき、偏向ミラーの方向ではなく、もう１つのビーム経路へとさらに導かれる。このもう１つのビーム経路では、偏光変更手段により偏光方向が回転され、かつ光が偏光ビームスプリッタに戻るように導かれる。例えば、偏光変更手段としてλ／４板またはλ／２板を用いることができ、これらの後ろにミラーが続いている。光がミラーから戻ってきて改めて偏光ビームスプリッタに当たる場合、ミラーによりλ／４板を２回通過し、これにより光の偏光方向を９０°回転させることができる。したがってこの場合には光は試料に達するために、偏光ビームスプリッタで最初は反射され、戻ってくると透過されるか、またはその逆である。これにより、格子による光線の操作が回避される。こうして広視野照明をもたらすことができ、その際、構造化された照明への切替えは、偏向機構の前の切替え可能な偏光フィルタまたはλ／２板により短い時間で、かつ少ない光損失のみで可能である。その代わりに、前述の実施形態では構造化された照明と広視野照明の間の高速の切替えは、光学系支持部での返送ミラーによって可能である。

偏光ビームスプリッタを使用する場合、偏光ビームスプリッタと観察すべき試料の間にさらなる偏光変更手段が配置される。よって原理的には、ビームスプリッタの前の偏光子およびビームスプリッタと光学系支持部の間に配置された偏光変更手段の偏光変更作用を相殺することができる。これにより、光学系構成から試料の方向に出ていく際の光線の偏光を、光学系構成に進入する際の偏光と一致させることができる。この偏光変更手段は、高速に切替え可能な偏光回転子として、例えば回転可能なλ／２板または切替え可能な液晶領域によって実施されるのが好ましい。電子的制御手段が存在しており、時々に選択された格子の格子向きに応じて試料面での変調定数を最適化するための切替え可能なその偏光回転子を調整するように構成されている。

光学系支持部に付いている格子は、反射型格子の代わりに透過型格子であってもよい。その場合、次のことが構成可能である。すなわち、偏向ミラーをデスキャンに利用する代わりに、偏向機構が偏向ミラーおよび出口ミラーを備えること、光学顕微鏡の光源から来る光線を偏向ミラーにより光学系支持部に偏向可能であること、格子が、偏向ミラーから来る光線を出口ミラーの方向へと通過させるために透過型格子であること、光学系支持部から来る光線を出口ミラーにより試料の方向に偏向可能であること、ならびに電子的制御手段が存在しており、この電子的制御手段は出口ミラーを偏向ミラーと一緒に回転および／または変位させるように構成されていることである。

これにより、光学系支持部の方向への光線を、光学系支持部から来る光線から空間的に分離するためにビームスプリッタを必要としないことが有利である。
高速の格子選択を可能にするには、偏向ミラーと出口ミラーを同期させて調節する。これを特に効率よく実現し得るのは、出口ミラーおよび偏向ミラーを、一緒に回転または変位させるため、電子的制御手段により回転および／または変位される共通の保持具に固定している場合である。両方のミラーを備えた保持具のトルクを小さくするため、出口ミラーは偏向ミラーの裏面として形成されるのが好ましい。

特に柔軟な使用可能性は、光学系支持部に付いている格子およびその他の光学アセンブリが交換可能に保持されており、かつ／または光学系支持部を交換可能に保持するために光学系支持部保持具が存在している本発明による光学系構成の実施形態で開示されている。したがって光学系支持部は、それぞれ使用される１つまたは複数の光源に適した格子を装備することができる。交換可能な保持は、例えば機械的な差込接続もしくはねじ込接続によって、または磁気的な固定によっても行うことができる。

さらに、偏向機構の様々な偏向角度に対し、それぞれの光線を、光学系支持部の対応する格子またはもう１つの光学アセンブリに同じ角度で導くため、偏向機構と光学系支持部の間に光合焦手段が存在している本発明による光学系構成の実施形態が好ましい。この光合焦手段は、とりわけ１つまたは複数のレンズまたはレンズ群であることができる。ただし基本的にはミラーまたはレンズとミラーの組合せも使用することができる。光合焦手段は、ここでは偏向機構から来る光線の偏向にも用いられる。これにより光線は、偏向機構の偏向角度に関係なく、光合焦手段と光学系支持部の間を互いに平行に走ることができる。

光合焦手段により、光線の主伝播方向が、選択された格子上に垂直に導かれることが好ましい。光線が、光合焦手段の同じレンズおよび／またはミラーに、ただしそのレンズおよび／またはミラーの様々な領域に、様々な偏向角度で導かれることが好ましい。このため光合焦手段のレンズおよび／またはミラーの断面は、光合焦手段のところでの光線の断面直径の少なくとも２倍の大きさであることが好ましい。これにより、様々な偏向角度で光合焦手段に当たる光線を、互いに対して平行で空間的に離隔させて光学系支持部に導くことができる。

光合焦手段および偏向機構は、格子の１つまたはもう１つの光学アセンブリから戻ってくる光線が光合焦手段から偏向機構に、およびさらに試料の方向に導かれるように配置されているのが好ましい。したがって光合焦手段には、光線を戻すように導く際にも、偏向機構の偏向角度に応じた偏向機能が付与されているべきである。

画像撮影におけるもう１つの速度改善策は、１つの特定の試料領域を１つのカメラの様々なカメラ領域に相並べて結像する場合に達成することができる。したがってカメラの各々の読取り過程により、時間的に順々に、様々なカメラ領域で生成された複数の試料画像が読み取られる。

この実施形態では、試料領域の結像を記録するために少なくとも１つのカメラが存在しており、試料面とカメラの間にスキャンミラーが配置されている。電子的制御手段は、スキャンミラーにより、同じ試料領域を順々にカメラの様々な領域に結像するように構成されている。

このスキャンミラーは、光学系支持部の前の偏向ミラーと同じように実施することができる。加えてスキャンミラーとカメラの間には、偏向ミラーと光学系支持部の間の光合焦手段と同じように実施し得る光合焦手段も存在することができる。電子的制御手段を、スキャンミラーおよび偏向ミラーを同じ時点で切り替えるように構成することが実用的である。こうして、光学系支持部に付いている様々な光学アセンブリに対する画像を、様々なカメラ領域で生成することができる。

複数のカメラ領域に分配することにより、各々の試料画像に関しては、カメラのすべての利用可能な画像ピクセルの一部分しか利用されない。したがってここでは、１つだけの試料画像を撮影するためにカメラのすべての画像ピクセルを利用する動作の場合より小さな試料領域を照明することを構成できることが実用的である。これにより小さな試料領域の照明は、光学系支持部に少なくとも１つの追加的な返送ミラーが存在しており、この返送ミラーの反射性領域が、前述の返送ミラーの場合より小さいことによって達成できる。光学系支持部が中間像面に配置されていることにより、試料面では反射性領域だけが結像され、したがって比較的小さな試料領域だけが照明される。この関心領域はＲｅｇｉｏｎ−ｏｆ−Ｉｎｔｅｒｅｓｔと言ってもよい。

これに対応して、光学系支持部にさらなる格子および／または窓が存在することができ、このさらなる格子および／または窓の幅および／または高さは、その他の格子および／またはその他の窓の場合より小さい。

カメラのすべての画像ピクセルの一部だけを読み取る場合、カメラの読取り時間も減らすことができる。
加えて、偏向機構へと光線を導くために、合焦光学系またはコリメータが存在することができる。電子的制御手段は、合焦光学系を当たった光の伝播方向に変位するように、および／または合焦光学系の焦点距離を調節するように構成されるのが好ましい。これにより、光の焦点位置を軸方向に変位することを達成できる。その代わりに、偏向機構、光学系支持部、およびその間にあるすべての部材を一緒に、光が偏向機構に当たる方向に変位させることでも軸方向の変位を達成することができる。

電子的制御手段は、偏向機構および合焦光学系を、当たった光線の伝播方向に一緒に変位するように構成することもできる。こうして光学顕微鏡の瞳面での光の焦点位置を横方向に変位することができる。これは、例えば光学顕微鏡での対物レンズ選択に応じて行うことができる。

対物レンズの瞳内での光線の変位により、例えば全反射照明蛍光顕微鏡検査（ＴＩＲＦ）のための適切な照明を調整することができる。この顕微鏡検査方法には、加えて光学系支持部に付いている光学アセンブリの１つが画像領域ローテータである場合が有利であり得る。

各々の格子位置で、追加的に位相シフトを行えることが好ましい。これは試料面での格子の結像の、格子線を横切る方向の変位と理解するべきである。この変位は、隣接する格子線の間隔より小さくできることが実用的である。したがって、格子の１つによって生成された構造化された照明を変化させるため、格子を移動させる調節要素またはモータが存在することができる。調節要素は、例えば、２つの次元での位置制御が可能な圧電アクチュエータであることができる。好ましいのは、すべての格子が共通の保持具上に配置されており、この保持具をモータによって移動させ得ることである。したがってすべての格子を移動させるために１つのモータまたは圧電アクチュエータだけで既に十分である。

その代わりにまたはそれに加えて、格子位置ごとの位相シフトのため、電子的制御手段を偏向ミラーの変位または傾動のために設けることもできる。例えば、光を順々に、少なくとも３つの様々な偏向角度で同じ格子に導くことができる。さらに位相シフトは、光屈折手段が偏向機構と光学系支持部の間に存在していること、および電子的制御手段が存在しており、格子の１つによってもたらされた構造化された照明を変化させるために、光屈折手段をモータにより移動させるようにこの電子的制御手段が構成されていることによって達成することができる。光屈折手段は、例えば、電子的制御手段によって傾動されるプレートもしくは揺動プレート、または電子的制御手段によって変位されるくさびであることができる。この変位または傾動は、格子での光線が、格子線方向を横切る方向に変位される方向に行われる。

本発明による光学顕微鏡の好ましい１つの実施形態では、光学系支持部は、光学顕微鏡の中間像面またはこれに共役の平面内に配置されている。したがって試料面では、選択された格子の鮮明な結像が生じる。

本発明による光学系構成を備えた本発明による光学顕微鏡の１つの例示的実施形態の概略図。 図１からの光学系構成の光学系支持部の概略図。 本発明による光学系構成を備えた本発明による光学顕微鏡のもう１つの例示的実施形態の概略図。

以下に本発明のさらなる利点および特徴を、添付した概略図を参照しながら説明する。
図では、同じおよび同一作用のコンポーネントを一般的に同じ符号で表している。
図１は、本発明による光学顕微鏡１１０の１つの例示的実施形態を概略的に示している。光学顕微鏡１１０は、本質的なコンポーネントとして、照明光を発するための光源１０、構造化された照明を生成するための本発明による光学系構成１００、試料６５が位置決めされ得る試料面６０、および検出機構８０を備えている。

この例では光源１０が、様々な波長の光を発し得る複数のレーザモジュール１１、１２、１３を含んでいる。波長に応じたビームスプリッタにより、このレーザモジュール１１、１２、１３の光線を共通のビーム経路へと、および例えば光ファイバ１４を介して光学系構成１００へと導くことができる。

光学系構成１００は、中心的な要素として偏向機構３０および光学系支持部４０を含んでいる。この光学系支持部では、複数の格子４１〜４３が互いに対して様々な方向づけで配置されている。偏向機構３０により、光源１０から来る光線１５を選択可能に様々な偏向角度で光学系支持部４０へとさらに導くことができ、したがって光線１５は、偏向角度に応じて格子４１〜４３の１つに当たる。偏向機構３０がこの選択のために、光学系構成１００の電子的制御手段によって回転可能な偏向ミラー３０を備えることが好ましい。原理的には、偏向方向が共通で調節される複数の相並んで配置されたミラーから偏向ミラー３０を形成することも可能である。

現況技術とは違い、格子を選択するために格子を変位する必要はない。その代わりに光線１５のビーム経路を変更する。偏向機構３０がこのために小さな寸法および質量の可動コンポーネントしか必要としないことにより、選択された格子に取り替えるために、つまり偏向角度を調節するために必要な時間は非常に短い。偏向ミラー３０は、様々な状態の間での非常に高速の切替えが可能な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を含むことが好ましい。

格子４１〜４３の選択とは関係なく、光線または光線束１５がその主伝播方向により、格子４１〜４３の１つに垂直に当たることが好ましい。したがって格子４１〜４３への光線１５の入射角度は、偏向機構３０の偏向角度とは関係ない。これは、偏向機構３０と光学系支持部４０の間に配置されている光合焦手段３５によって達成される。光合焦手段３５は、１つまたは複数の相前後してまたは相並んで配置されたレンズを含むことができ、これらレンズが全体で光収束作用を有している。光線束１５は偏向角度に応じて光合焦手段３５の様々な領域を通り抜け、これにより光合焦手段３５は、光収束作用のほかに、偏向角度に応じた方向変更も行う。偏向機構３０は、光合焦手段３５の焦点領域に位置決めされるのが好ましい。これにより光線束１５は、偏向機構３０の様々な偏向角度に対し、光合焦手段３５と光学系支持部４０の間では実質的に平行に走っており、かつ互いにずれている。

図示した実施形態では、同じ偏向ミラー３０を、光１５を光学系支持部４０に導くために、および光学系支持部４０から戻ってさらに試料６５の方向に光１５を導くためにも利用する。光学系支持部４０から戻ってきて、偏向機構３０によりさらに導かれる光１５が光源１０ではなく試料６５に達するために、光源１０と偏向機構３０の間のビーム経路にビームスプリッタ２０が配置されている。図示した例では、ビームスプリッタ２０は偏光ビームスプリッタである。偏向機構３０から戻ってくる光１５は、偏光ビームスプリッタ２０と光学系支持部４０の間に配置されている偏光変更手段２３により偏光が変化しており、偏光ビームスプリッタ２０によって試料６５の方向にさらに導かれる。

この場合の光１５は、高速に切替え可能な偏光変更手段５８を通り抜ける。この偏光変更手段は偏光回転子５８として、例えばλ／２板として、または好ましくは切替え可能な液晶領域として実施されており、この切替え可能な液晶領域は、透過した光１５の偏光方向を変化させるために、数ミリ秒内で切替え可能である。偏光回転子５８は、電子的制御手段により、それぞれ選択された格子４１〜５５に応じた偏光方向を調整することができる。これにより試料面での変調コントラストが最適化される。

光１５の軸方向の焦点位置を変化させるため、電子的制御手段は、ビームスプリッタ２０の前に配置されている合焦光学系２１を、当たった光１５の伝播方向に変位するように構成することができる。その代わりに、偏向ミラー３０、光合焦手段３５、および光学系支持部４０を一緒に同じ方向に変位させることができる。

合焦光学系２１および偏向ミラー３０が一緒に、当たった光１５の伝播方向に変位されることにより、対物レンズの瞳内での光１５の横方向の変位を達成することができる。
偏光ビームスプリッタ２０から試料６５の方向にさらに導かれた光１５は、さらなる光学的手段６１〜６４によって対物レンズ７０に導かれ、この対物レンズは光１５を照明光として試料面６０へ合焦する。試料面には試料６５を保持することができ、この試料が検出光を発する。この検出光は対物レンズ７０を介してビームスプリッタ６４に導かれ、このビームスプリッタ６４は照明光を検出光からスペクトル的に分離する。検出光はさらなる光学的手段７２および７３を介し、検出機構８０へと案内される。図示した例では、検出機構８０は複数のカメラ８１、８２、８３を備えており、これらのカメラへと、ダイクロイックビームスプリッタ７４、７５により検出光がその波長に応じて導かれる。

図示した例では、様々な波長の構造化された照明光で順々に試料を照射することができる。これに加え、構造化された照明を利用するため、波長ごとに複数の画像をシーケンシャルに撮影しなければならない。撮影すべき画像の数が多いにもかかわらず、偏向ミラー３０および光学系支持部４０を備えた光学系構成１００により、必要な時間消費量は非常に少ない。

光学系支持部４０の例示的な１つの実施形態を図２に概略的に示している。構造化された照明を生成するための様々な格子４１〜５５および広視野照明をもたらすための返送ミラー５６が、光学系支持部４０に取り付けられている。この実施形態では、格子４１〜５５は、当たった光線を構造化された照明として偏向機構にはね返すために反射型格子である。

ただしその代わりにこれらの格子が透過型格子であってもよい。その場合には広視野照明をもたらすために、返送ミラーの代わりに窓が利用される。
格子４１〜５５および返送ミラー５６は、２次元配列で直接的に相並んで位置決めされている。したがって、２つの次元での偏向角度を少し変えることにより、これらの光学アセンブリ４１〜５５の各々を選択することができる。

図示した場合においては、格子の複数のセットが存在しており、これらのセットはその格子定数、つまり線間隔が異なっている。利用される照明光の波長に応じて、格子の特定のセットが選択される。格子４１〜４５を備えた第１のセットは大きな線間隔を有しており、格子４６〜５０を備えた第２のセットは中くらいの線間隔を有しており、かつ格子５１〜５５の第３のセットは小さい線間隔で形成されている。セット内の格子は互いに対して様々な向きになっており、したがって前述の線間隔の各々に対し、様々な方向の構造化された照明を生成することができる。

光学系支持部４０は、交換可能に保持具に取り付けられることが好ましく、したがって照明光の波長を取り替える際に適切な格子定数を有する格子のセットに取り替えることもできる。

本発明による光学顕微鏡１１０のもう１つの例示的実施形態を図３に概略的に示している。ここでは、偏光されていない光を発する光源１０が使用される。この光は、偏光子２２により、光が偏光ビームスプリッタ２０からさらに光学系支持部４０に導かれるように偏光される。この実施形態では、光学系支持部４０の前で、好ましくは光合焦手段３５の後ろに、光屈折手段３７が配置されている。この光屈折手段は、図示されていないモータと接続されており、１つの同じ格子による構造化された照明を変化させるために移動することができる。加えて光学顕微鏡１１０は電子的制御手段を備えており、この電子的制御手段は、光屈折手段３７を様々な位置へ移動させ、これらの位置の各々で試料６５の画像を撮影し、かつこれらの画像を試料画像へと計算処理するように構成されている。光屈折手段３７は例えば、モータによって変位されるくさびであることができる。その代わりに、平行平面の表面を有する揺動プレートを用いることができ、この揺動プレートをモータによって傾動させる。

光屈折手段３７に加えてまたはその代わりに、偏向ミラー３０を用いて非常に高速の位相シフトを行うことができる。このために電子的制御手段は、１つの特定の格子が順々にずれて試料面６０に結像されるように、偏向ミラー３０を回転させる。偏向ミラー３０のこれらの位置の各々に対し、試料６５の画像が記録される。

図３では、偏向機構３０の第１の偏向角度に対する光線１５のビーム経路を実線で示しており、このビーム経路により光線１５は格子４２に導かれる。もう１つの偏向角度に対するビーム経路は破線で示唆されており、このビーム経路により光線は格子４１に導かれる。格子は中間像面３９に配置されており、したがって格子は試料面６０に鮮明に結像される。光学系支持部４０での異なる点から出ており、これに対応して試料面６０での２つの異なる点へ合焦される２本のビーム経路も同様に書き込まれている。

図１および図３の実施形態では、光学系支持部に付いている格子４１〜５５は反射型格子である。ただしその代わりに格子４１〜５５が透過型格子であってもよい。その場合、透過型格子を通り抜けた光を対物レンズ７０へ、とりわけミラー６１に導くためのビーム案内手段が存在している。ビーム案内手段は、透過型格子を通った様々なビーム経路を対物レンズ７０への共通のビーム経路へとまとめるために、ビーム統合手段、例えば回転可能な出口ミラーを含んでいる。この出口ミラーは、偏向ミラーの偏向方向に応じて回転する。とりわけ、出口ミラーが偏向ミラーの裏面を形成することができ、偏向ミラーと一緒に共通の回転軸の周りを回転することができる。この実施形態では、図１および図３でのコンポーネント２０、２２、および２３をなくすことができる。

本発明による光学系構成１００および本発明による光学顕微鏡１１０により、非常に短い時間で、構造化された照明のための様々な格子調整の間での取替、および広視野照明のための調整への取替が可能である。これに加え、簡単なやり方で、平面方向（Ｏｒｔｓｒｉｃｈｔｕｎｇ）および格子定数が様々な格子を数多く、それによってビーム品質を低下させることなく提供することができる。

１０ 光源
１１、１２、１３ レーザモジュール
１４ 光ファイバ
１５ 光線
２０ ビームスプリッタ
２１ 偏向機構へ合焦するための合焦光学系
２２ 偏光子
２３ 偏光変更手段
３０ 偏向機構、偏向ミラー
３５ 光合焦手段
３７ 揺動プレートまたはくさび
３９ 中間像面
４０ 光学系支持部
４１〜５６ 光学アセンブリ
４１〜４５ 格子の第１のセット
４６〜５０ 格子の第２のセット
５１〜５５ 格子の第３のセット
５６ 返送ミラー
５８ 切替え可能な偏光変更手段
６０ 試料面
６１ ミラー
６２、６３ レンズまたはレンズ群
６４ 励起光および検出光を分離するためのビームスプリッタ
６５ 試料
７０ 対物レンズ
７２ 光学素子
７３ レンズまたはレンズ群
７４、７５ ダイクロイックビームスプリッタ
８０ 検出機構
８１、８２、８３ カメラ
１００ 光学系構成
１１０ 光学顕微鏡

Claims (21)

1. 光学顕微鏡のビーム経路における位置決めのための光学系構成であって、
   光学系支持部（４０）と、
   前記光学系支持部（４０）に設けられ、複数の回折格子（４１〜４５）を有し、向きの異なる構造化された照明光を生成する光学アセンブリの第１のセット（４１〜４５）と、
   光学アセンブリ（４１〜４５）の１つへと構造化されていない光線（１５）を選択可能に偏向し、かつ該光学アセンブリ（４１〜４５）から来る構造化された光線（１５）を観察すべき試料（６５）の方向に偏向するように設けられた調節可能な偏向デバイス（３０）と、を備え、
   前記偏向デバイス（３０）の同じミラーが、構造化されていない光線（１５）を選択された回折格子に偏向し、且つ構造化された光線（１５）を前記試料（６５）に偏向する、光学系構成。
2. 前記複数の回折格子（４１〜４５）が、同じ格子定数および様々な格子の向きを有する、請求項１に記載の光学系構成。
3. 前記光学アセンブリの第１のセット（４１〜４５）が、当たった構造化された照明光から様々な向きの構造化された照明光を生成するために複数の画像領域ローテータを有する、請求項１または２に記載の光学系構成。
4. 前記光学系支持部（４０）に、追加的に、
   構造化された照明光を生成する回折格子の少なくとも１つのさらなるセット（４６〜５０、５１〜５５）であって、回折格子のさらなるセット（４６〜５０、５１〜５５）がそれぞれ、格子定数が同じで、互いに対して異なる角度で配置された少なくとも３つの回折格子（４６〜５０、５１〜５５）を有しており、格子の様々なセットはその格子定数が異なっている、前記回折格子の少なくとも１つのさらなるセット（４６〜５０、５１〜５５）、
   様々な向きの格子結像を生成する追加的な画像領域ローテータであって、前記偏向デバイス（３０）の前のビーム経路に回折格子が設けられており、かつ該回折格子から来る光（１５）が前記偏向デバイス（３０）により選択可能に該画像領域ローテータの１つに導かれる、前記追加的な画像領域ローテータ、
   広視野照明をもたらす返送ミラー（４６）であって、前記偏向デバイス（３０）から来る光線（１５）が該返送ミラー（４６）により、前記偏向デバイス（３０）に戻るように導かれる、前記返送ミラー（４６）、および
   前記偏向デバイス（３０）から来る前記光線（１５）を通過させる窓であって、前記通過した光線（１５）を前記偏向デバイス（３０）に導くように、ビーム案内手段が設けられる、前記窓
   の複数の光学アセンブリ（４６〜５６）のうちの少なくとも１つが設けられる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系構成。
5. 前記光学アセンブリ（４１〜５６）が前記光学系支持部（４０）上で、２次元配列で相並んで位置決めされている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学系構成。
6. 前記偏向デバイス（３０）が偏向ミラー（３０）を備え、
   電子的制御手段が存在しており、該電子的制御手段は、所望の回折格子（４１〜５５）またはもう１つの光学アセンブリ（５６）に前記光線（１５）を導くために前記偏向ミラー（３０）を回転することおよび前記偏向ミラー（３０）を変位することのうちの少なくとも一方を実行するように構成されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学系構成。
7. 前記電子的制御手段が、回折格子（４１〜５５）ごとの位相シフトのため、前記光線（１５）を前記偏向ミラー（３０）により順々に様々な偏向角度で同じ回折格子（４１〜５５）に導くように構成されている、請求項６に記載の光学系構成。
8. 前記光学アセンブリ（４１〜５５）が、当たった光線（１５）を前記偏向デバイス（３０）にはね返す反射型格子である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学系構成。
9. 前記偏向デバイス（３０）が偏向ミラーおよび出口ミラーを備え、
   前記光学顕微鏡の光源（１０）から来る光線（１５）を該偏向ミラーにより前記光学系支持部（４０）に偏向可能であり、
   前記光学アセンブリ（４１〜５５）が、該偏向ミラーから来る光線（１５）を該出口ミラーの方向へと通過させる透過型格子であり、
   前記光学系支持部（４０）から来る光線（１５）を該出口ミラーにより前記試料（６５）の方向に偏向可能であり、
   電子的制御手段が存在しており、該電子的制御手段は、該出口ミラーを該偏向ミラーと一緒に回転させることおよび該出口ミラーを該偏向ミラーと一緒に変位させることのうちの少なくとも一方を実行するように構成されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学系構成。
10. 前記出口ミラーおよび前記偏向ミラーが、一緒に回転または変位するために、前記電子的制御手段により回転および変位のうちの少なくとも一方を実行される共通の保持具に固定されている、請求項９に記載の光学系構成。
11. ビームスプリッタ（６０）が、前記光学顕微鏡の光源（１０）から来る光線（１５）を前記偏向デバイス（３０）の方向に導くように、および前記偏向デバイス（３０）から来る光線（１５）を前記観察すべき試料（６５）の方向に導くように設けられる、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学系構成。
12. 前記ビームスプリッタ（６０）が偏光ビームスプリッタ（６０）である、請求項１１に記載の光学系構成。
13. 偏光に影響を及ぼす手段（２２）が、前記光線（１５）の特定の偏光方向を調整するように、前記偏光ビームスプリッタ（２０）の前のビーム経路に設けられ、
    該偏光に影響を及ぼす手段（２２）が、前記光線（１５）を前記偏光ビームスプリッタ（２０）から前記偏向デバイス（３０）に導くか、または前記偏向デバイス（３０）に当てることなく前記試料（６５）の方向に導くかどうかを選択するように切替え可能である、請求項１２に記載の光学系構成。
14. 前記光学系支持部（４０）に取り付けられた前記回折格子（４１〜５５）およびその他の光学アセンブリ（５６）が交換可能に保持されること、および前記光学系支持部（４０）を交換可能に保持するように光学系支持部保持具が配置されることのうちの少なくとも一方である、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学系構成。
15. 光合焦手段（３５）が、前記偏向デバイス（３０）の様々な偏向角度に対し、前記それぞれの光線（５）を、前記光学系支持部（４０）の前記対応する回折格子（４１〜５５）またはもう１つの光学アセンブリ（５６）に同じ角度で導くように、前記偏向デバイス（３０）と前記光学系支持部（４０）の間に設けられる、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学系構成。
16. 前記回折格子（４１〜５５）の１つによって生成される構造化された照明の位相シフトのため、前記回折格子（４１〜５５）を移動させるように調節要素が設けられる、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光学系構成。
17. 合焦光学系（２１）が、前記偏向デバイス（３０）へと前記光線（１５）を導くように設けられ、
    前記偏向デバイス（３０）および該合焦光学系（２１）が、前記光学顕微鏡の瞳面での前記光線（１５）の焦点位置を横方向に変位するように、前記当たった光線（１５）の伝播方向に一緒に変位可能である、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光学系構成。
18. 光屈折手段（３７）が、前記偏向デバイス（３０）と前記光学系支持部（４０）の間に設けられ、
    電子的制御手段が存在しており、前記回折格子（４１〜５５）の１つによってもたらされた構造化された照明を変化させるために、該光屈折手段（３７）をモータにより移動させるように該電子的制御手段が構成されている、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光学系構成。
19. 調査すべき試料（６５）が位置決めされ得る試料面（６０）と、該試料面（６０）の方向に光線（１５）を発する少なくとも１つの光源（１０）とを備えた光学顕微鏡であって、
    該光源（１０）と該試料面（６０）の間のビーム経路に、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光学系構成が設けられる、光学顕微鏡。
20. 前記光学アセンブリ（４１〜５６）を備えた前記光学系支持部（４０）が、前記光学顕微鏡の中間像面（３９）に設けられる、請求項１９に記載の光学顕微鏡。
21. 試料領域の結像を記録するように少なくとも１つのカメラ（８１）が設けられ、
    前記試料面と該カメラ（８１）の間にスキャンミラーが設けられ、
    電子的制御手段が、該スキャンミラーにより、同じ試料領域を順々に該カメラ（８１）の様々な領域に結像するように構成されている、請求項１９または２０に記載の光学顕微鏡。

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