特許 7146730 音響光学素子を駆動制御する方法および信号発生器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-26

(45)【発行日】2022-10-04

(54)【発明の名称】音響光学素子を駆動制御する方法および信号発生器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/33 20060101AFI20220927BHJP

   G02B 21/06 20060101ALI20220927BHJP

【ＦＩ】

G02F1/33

G02B21/06

【請求項の数】 9

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019225433

(22)【出願日】2019-12-13

(65)【公開番号】P2020095273

(43)【公開日】2020-06-18

【審査請求日】2019-12-13

(31)【優先権主張番号】10 2018 132 327.1

(32)【優先日】2018-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】511079735

【氏名又は名称】ライカ マイクロシステムズ シーエムエス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＣＭＳ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｅｒｎｓｔ－Ｌｅｉｔｚ－Ｓｔｒａｓｓｅ １７－３７， Ｄ－３５５７８ Ｗｅｔｚｌａｒ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ベアント ヴィヅゴフスキ

【審査官】坂上 大貴

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６１５４３０７（ＵＳ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２０７６６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１９７５４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５３４６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５０－０７５０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１８８８８１８（ＣＮ，Ａ）

【文献】英国特許出願公開第０２４２７０３４（ＧＢ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１３２０１９６８（ＤＥ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６０７２８１３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２２１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】VOLOSHINOV, V. B. et al.，Electric phase delays in tunable acousto-optic filters applying extended transducers，2012 IEEE International Ultrasonics Symposium，米国，IEEE，2012年10月07日，pp. 1-4

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

１／２１－７／００

Ｇ０２Ｂ １９／００－２１／００

２１／０６－２１／３６

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

音響光学結晶（２０２）と、前記音響光学結晶（２０２）を機械的に振動させる圧電変換器（２０１）と、有する音響光学素子（２００）を駆動制御する方法であって、
少なくとも１つの駆動制御周波数を有する駆動制御信号（３００）によって前記圧電変換器（２０１）を駆動制御し、
機械的な振動波（３０１）が前記音響光学結晶（２０２）を通って通過する間に、少なくとも１つの前記駆動制御周波数が、中心周波数の周りの２つの異なる値（ｆ_１、ｆ_２）を交互に取り、これにより、前記音響光学結晶（２０２）内の密度変動によって形成される格子が、同時に種々異なる格子間隔を有するようにし、
少なくとも１つの前記駆動制御周波数を周期的に高速に変化させ、これにより、機械的な振動波（３０１）が前記音響光学結晶（２０２）を通って通過するのに必要な時間の間に、前記駆動制御周波数は、前記２つの異なる値（ｆ_１、ｆ_２）を少なくとも３回交互に取り、前記音響光学結晶（２０２）に入射する光ビーム（４０１）は、少なくとも３回同じ格子間隔に当たるようにする、
方法。

【請求項2】

前記２つの異なる値（ｆ_１、ｆ_２）が、前記中心周波数の周りの５０ｋＨｚ～１ＭＨｚの帯域幅内にある、
請求項１記載の方法。

【請求項3】

少なくとも１つの前記駆動制御周波数は、それぞれ、前記駆動制御周波数の少なくとも１つの、好適には複数の完全な振動周期の間、一定である、
請求項１または２記載の方法。

【請求項4】

前記駆動制御信号（３００）は、それぞれ１つの中心周波数の周りのそれぞれ種々異なる値を取る、複数の駆動制御周波数を同時に有する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

【請求項5】

前記駆動制御信号（３００）の曲線経過は、連続しておりかつ跳躍を有しない、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

【請求項6】

請求項１から５までのいずれか１項記載の方法を実行するように構成されている、音響光学素子（２００）を駆動制御する信号発生器（１０１）。

【請求項7】

請求項６記載の信号発生器（１０１）を少なくとも１つと、音響光学素子（２００）と、から成る装置（１００）。

【請求項8】

前記音響光学素子（２００）は、音響光学チューナブルフィルタ、音響光学変調器、音響光学偏向器、音響光学ビームスプリッタおよび音響光学ビームマージャから選択されている、
請求項７記載の装置（１００）。

【請求項9】

請求項７または８記載の装置（１００）を備えた顕微鏡（５００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、音響光学素子を駆動制御する方法および信号発生器と、このような信号発生器および音響光学素子から成る装置と、このような装置を備えた顕微鏡と、に関する。

【背景技術】

【0002】

顕微鏡の分野における重要なチャレンジは、使用される方法には依存することなく、１つ以上のあらかじめ設定される波長を有する励起光を提供することである。顕微鏡法の種類に応じて、かつ／または試料の種類に応じて、一般に、あらかじめ設定されるスペクトル特性を有していなければならない１つ以上の励起光ビームが必要になり得る。

【0003】

例えば、蛍光顕微鏡の分野において重要であるのは、蛍光を励起する波長を有する光を使用することである。種々異なる波長は、特に、試料が、異なる放射波長を有する蛍光材料を含有する場合に使用される。

【0004】

共焦点走査型顕微鏡の分野で特に重要であるのは、所定の波長に対して強度を適合するか、または所定の波長をオンまたはオフすることである。

【0005】

このためには、音響光学効果に基づく波長選択的な素子が使用可能である。このような音響光学素子は、一般に、いわゆる音響光学結晶を有しており、この音響光学結晶は、変換器または「トランスデューサ」とも称される音響信号発生器を用いて振動させられる。一般に、このような変換器は、圧電材料と、この材料に接触接続する２つ以上の電極と、を有する。一般に１０ＭＨｚ～数ＧＨｚの範囲内にある高周波に電極を電気的に接続することにより、圧電材料は励起されて振動し、これにより、結晶を通過する音波を発生させることが可能である。音響光学結晶が優れているのは、発生するこの音波により、結晶の光学特性が変化させられる点である。

【0006】

本発明の枠内においても有利に使用可能なこのような音響光学素子の例は、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）、音響光学偏向器もしくはデフレクタ（ＡＯＤ）、音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）および音響光学ビームマージャ（ＡＯＢＭ）である。

【0007】

音響光学素子を使用する際の特別なチャレンジは、その駆動制御である。変換器用の高周波電気信号は、一般に、周波数発生器（例えば電圧制御発振器（英語ではvoltage-controlled oscillator、ＶＣＯ）、位相同期回路（英語ではphase-locked loop、ＰＬＬ）、またはＤＤＳ方式によるシンセサイザ（ダイレクトデジタルシンセサイズ（英語ではdirect digital synthesis））において生成され、高周波増幅器によって増幅され、これにより、結晶を振動させるために振幅が十分に大きくなるようにする。異なる複数の駆動制御周波数が同時に加えられる場合、（例えばＡＯＴＦ、ＡＯＢＳ、ＡＯＢＭ、ＡＯＭでは）複数の波長の光ビームを同時に偏向させることができ、もしくは（例えばＡＯＤでは）入射する一光ビームの波長を、種々異なる方向の複数の光ビームに同時に偏向させることができる。

【0008】

音響光学変調器の通過帯域幅は、第１には、結晶幾何学形状および／またはトランスデューサの構成のような構成上の手段によって、第２には、駆動制御信号の曲線形状によって、変化させることが可能である。例えば、第２のケースでは、密集して配置された複数の周波数を重ねて、結晶に供給することができ、こうすることにより、個々の通過帯域が部分的に重なることによって、より広い通過帯域が生じる。

【0009】

この方法の欠点は、構成上の解決手段では、通過曲線の広がりを変化させることができないことである。種々異なる通過帯域が所望される場合、結晶を交換しなければならない。さらに、この通過帯域は、結晶のスペクトル領域全体において、幾何学形状によってあらかじめ設定されている。部分的な重なりによる解決手段では、大きなピーク出力が発生し、これは、使用される高周波増幅器によって処理しなければならない。非線形の特性により、増幅器が、混合積を形成しないようにするためには、その線形の領域は極めて広くなければならない。このことが意味するのは、増幅器が、平均出力に比べて、格段に大きなピーク出力を供給しなければならないことである。これによって増幅器の価格が格段に高くなる。個々の周波数の差が、互いに不都合に配置される場合、混合積が発生することがあり、これにより、例えば、光源として白色レーザを使用する際には、望ましくない色も含まれてしまうことになる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明では、独立請求項の特徴的構成を有する、音響光学素子を駆動制御する方法および信号発生器と、このような信号発生器および音響光学素子から成る装置と、このような装置を備えた顕微鏡と、が提案される。有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明の対象である。

【0011】

本発明は、音響光学結晶に音波を加え、その周波数を時間的に高速に変化させ、これにより、複数の格子定数を有する格子が効率的に構成されるようにするという手段に基づいている。

【0012】

公知のように音波は、音響光学結晶において格子構造を生じさせ、その格子定数は、音響の周波数と、結晶内での音速と、に依存する。レーザビームがこの格子構造を通過し、構造の寸法と光の波長とが調和する場合、レーザ光の一部分は、回折プロセスにより、偏向される。音場におけるビーム経路に沿って、光が連続していくらか偏向される。音場におけるビーム経路の小部分に沿って偏向される光の量を観察すると、この量は、音響出力と相関付けられ、ひいてはこの音響によって生成される格子の特性と相関付けられる。これにより、振幅と、ひいては格子の特性と、により、偏向される光の量が特定される。偏向される光の量の最大値に到達するのは、光ビームが音場を離れる箇所において基本的に偏向可能な量のうちのすべての光が偏向された場合である。

【0013】

音響を生成する周波数が一定でなく、中心周波数の周りで交互に複数の種々異なる周波数を取る場合、ゾーン毎に変化する格子定数を有する格子構造が発生する。これらの複数の種々異なる値は、以下では、中心周波数スペクトルとも称される。中心周波数それ自体は、中心周波数スペクトルの構成部分であってよいが、必ずしもこの構成部分でなくてもよい。

【0014】

これらのゾーンのそれぞれは、所定の波長領域からの光を偏向する。光ビームは順次に複数のゾーンを通過するため、それぞれのゾーンでは、別の波長の光が、いくらか偏向される。モノクロームの場合と同様に同じ量の光を偏向させるために、格子強度と、ひいては音響出力と、はいくらか比較的大きくてよい。周波数を十分な速度で切り換えると、結晶内には同じ格子定数の一層多くのゾーンが存在する。この場合に保証されるのは、偏向される光のスペクトルが時間的に一定であることである。

【0015】

機械的な振動波が音響光学結晶を通って通過する間に、駆動制御周波数が、中心周波数の周りの複数の種々異なる値を交互に取れるようにするために、結晶の長さおよび結晶内での音速を考慮して切り換えを行う。これらの量から、機械的な振動波が、結晶を通過するために必要な時間であり、かつこの間に駆動制御信号の周波数が、少なくとも１回、少なくとも２つの異なる値を取るはずである時間が得られる。しかしながら好適には、この周波数は、その間に複数回、少なくとも２つの異なる値を取る。

【0016】

好適には、駆動制御周波数は、２個から８個の種々異なる値を取る。これは、実用的である。というのは、これにより、光の異なる波長範囲を偏向することができるが、同時に切り換えを十分に高速に行うことができ、これにより、それぞれ偏向された光の強度は十分に大きいからである。好適には、これらの複数の種々異なる値は、中心周波数の周りの５０ｋＨｚ～１ＭＨｚの帯域幅内にある。

【0017】

特に、それぞれの駆動制御周波数に対し、駆動制御信号は、一定の振幅を有する。しかしながら、異なる駆動制御周波数に対し、異なる振幅も考えられる。特に、比較的周波数が高い場合に減衰特性に起因して比較的大きな振幅を適用することは有利になり得る。

【0018】

本発明の別の利点および実施形態は、以下の説明および添付の図から明らかになる。

【0019】

適切な切り換えは、跳躍なしに行うとよい。すなわち、音響生成の駆動制御信号の曲線経過は、連続であるとよい。そうでない場合、望ましくない高調波が生成されることになり得る。さらに、一意の格子構造を形成するために、周波数は、少なくとも１つの完全な周期の間、好適には複数の完全な周期の間、加えられるとよい。異なる周波数を交互に加えることによって保証されるのは、それぞれの中心周波数スペクトルから、常に１つの周波数だけが、１つの時間区間中に結晶に加えられることである。すなわち、別の周波数と相互変調積が形成されることはない。また、浮遊によって高い出力ピークが形成されることもない。

【0020】

有利には、少なくとも１つの駆動制御周波数を周期的に高速に変化させ、これにより、（特に機械的な振動波に対して垂直でなく）音響光学結晶に入射する光ビームが、少なくとも２回、同じ格子間隔に当たるようにする。これにより、偏向された光のスペクトルが時間的に一定であることが保証される。ここでは、少なくとも１つの駆動制御周波数を周期的に高速に変化させ、これにより、光ビームが少なくとも３回以上、同じ格子間隔に当たるようにすることも考えられる。これにより、光の偏向の均一性をさらに改善することが可能である。

【0021】

結晶は、複数の密度場を重ね合わせることが可能であるため、この方法を、種々異なる中心周波数で同時に同じ結晶において適用することが可能である。複数の中心周波数が、相応に遠く離れている場合、この方法の上記の利点は、十分に維持される。

【0022】

上述され、以下にさらに説明される特徴は、それぞれ示した組み合わせだけでなく、本発明の枠を逸脱することなく、別の組み合わせでも、または単独でも使用可能であることは明らかである。

【0023】

一実施例に基づき、本発明を図面に略示し、以下ではこの図面を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の一実施形態による装置を示す図である。

【図2】本発明による方法の一実施形態による、圧電変換器用の駆動制御信号の経過を示す線図である。

【図3】本発明による方法の一実施形態にしたがって駆動制御される音響光学素子を示す図である。

【図4】共焦点顕微鏡の典型的な素子の概観を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１には、本発明の好ましい一実施形態による装置１００が略示されている。

【0026】

装置１００には信号発生器１０１が含まれている。この信号発生器１０１は、音響光学結晶２０２と、音響光学結晶２０２を機械的に振動させる圧電変換器２０１と、を有する音響光学素子２００を駆動制御するために使用される。この音響光学素子は、望ましい仕方で光に影響を及ぼすために、例えばＡＯＴＦとして使用される。この機械的な振動により、図３に示したように、光学格子として機能する密度変動が結晶内に生じる。

【0027】

信号発生器１０１は、少なくとも１つの駆動制御周波数ｆを有する駆動制御信号３００によって圧電変換器２０１を駆動制御するように設けられており、この少なくとも１つの駆動制御周波数ｆは、機械的な振動波３０１が音響光学結晶２０２を通過する間、中心周波数の周りの複数の種々異なる値を交互に取り、これにより、密度変動によって音響光学結晶２０２に形成される格子は、同時に種々異なる格子間隔を有する。

【0028】

図２には、例示的にこのような駆動制御信号３００が示されている。ここからわかるのは、駆動制御周波数ｆが、種々異なる２つの値ｆ_１、ｆ_２を交互に取ることである。駆動制御周波数ｆは、特に、時点ｔ_０と時点ｔ_１との間で値ｆ_１を取り、ｔ_１とｔ_２との間で値ｆ_２を取り、ｔ_２とｔ_３との間で値ｆ_１を取り、ｔ_３とｔ_４との間で値ｆ_２を取る。駆動制御周波数の値ｆ_１、ｆ_２が切り換わるのにかかわらず、駆動制御信号３００の曲線経過は、連続しておりかつ跳躍がない。さらにわかるのは、駆動制御信号３００の駆動制御周波数ｆが常に、それぞれ少なくとも１つの振動周期の間、より正確に言えば、この実施例ではそれぞれちょうど４つの振動周期の間、一定であることである。

【0029】

図３には、本発明による方法の一実施形態にしたがって駆動制御される音響光学素子２００が示されている。音響光学素子２００は、音響光学結晶２０２と、音響光学結晶２０２を機械的に振動させる圧電変換器２０１と、を有する。圧電変換器２０１は、少なくとも１つの駆動制御周波数ｆを有する駆動制御信号３００によって駆動制御され、少なくとも１つのこの駆動制御周波数ｆは、音響光学結晶２０２を通って機械的な振動波が通過する間、ここでは交互に異なる３つの値を取る。

【0030】

ここでは、音響光学結晶２０２を通って、音響波として前進する機械的な振動波３０１が形成される。ここではゾーン毎に変化する格子定数を有する格子構造が発生し、図３では、この格子構造が、特定の時点について示されている。

【0031】

これらのゾーンには、異なる陰影線が付されており、ｚ１、ｚ２、ｚ３、ｚ４、ｚ５、ｚ６、ｚ７、ｚ８、ｚ９、ｚ１０、ｚ１１およびｚ１２が記されている。３つのゾーンの後毎に１つの格子定数が繰り返される。これにより、ゾーンｚ１、ｚ４、ｚ７およびｚ１０も、ゾーンｚ２、ｚ５、ｚ８およびｚ１１も、ゾーンｚ３、ｚ６、ｚ９およびｚ１２もそれぞれ同じ格子定数を有する。このことは、この図において、同じ格子定数を有するゾーンが、それぞれ同じ陰影線を有することによって示されている。

【0032】

音響光学結晶は、光ビームの偏向に使用される。光ビームがこの格子構造を通過し、かつ構造の寸法と光の波長とが調和させられると、光ビームの一部分は、回折プロセスによって偏向される。これらのゾーンのそれぞれは、所定の波長領域の光を偏向する。光ビームは、順次に複数のゾーンｚ１、…、ｚ１２を通過するため、それぞれのゾーンでは、別の波長の光がいくらか偏向される。入射する光ビームが書き込まれており、参照符号４０１で示されている。偏向されていない光ビームは、参照符号４０２で示されている。偏向された光ビームは、参照符号４０３で示されている。

【0033】

有利には、少なくとも１つの駆動制御周波数ｆが、周期的に高速に変化させられ、これにより、音響光学結晶２０２に入射する光ビーム４０１が、少なくとも２回、同じ格子間隔に当たるようにする。これは、書き込んだ入射する光ビーム４０１において、例えば、ゾーンｚ６およびｚ９もしくはｚ７およびｚ１０の場合である。

【0034】

図４には、典型的な構成要素を備えた共焦点顕微鏡が略示されている。参照符号５００は、全体システムを示している。共焦点走査および検出ユニットは、参照符号５０５で示されている。これに属する照明装置は、参照符号５０６で示されている。この照明装置には、図１に示した装置が設けられている。

【0035】

参照符号５０８は、照明ファイバ５０７を介して照明装置５０６に接続されているレーザ光源である。このレーザ光には、照明装置５０６において、必要に応じて音響光学素子を用いて影響が及ぼされる。

【0036】

参照符号５０４は、顕微鏡スタンド５０１に接続するための、共焦点走査および検出ユニット５０５用の光学アダプタを示している。スタンド５０１内には、検査対象の試料５０３を有する対象物テーブル５０２が設けられている。制御ユニット５０９は、対応する接続線路を介して、個々の構成要素５０８、５０６、５０５および５０１に接続されている。制御および表示プログラムを有する計算機は、参照符号５１０で示されており、この計算機も、制御ユニット５０９に接続されている。

【0037】

共焦点走査および検出ユニット５０５内には、第１変形形態において、典型的な共焦点ビーム路が配置されており、この共焦点ビーム路は、公知のように、１つのピンホールとビームスキャナ、例えばミラースキャナとによって組み立てられている。

【0038】

第２変形形態では、共焦点走査および検出ユニット５０５内にビーム路が設けられており、ここでは、試料は、１つ以上の照明点または１つの方向の延長された複数の照明点によって同時に照明される。これに対応して、検出すべき光子は、例えば、孔絞り（ピンホール）を幾何学的に配置することによって選択される。

【0039】

検査対象の試料５０３は、顕微鏡光学系を介して照明され、またこの同じ顕微鏡光学系を介して、特に、共焦点走査および検出ユニット５０５の実施形態に応じて光電子倍増管または複数の光電子倍増管のアレイから成るセンサ装置５１１に結像される。図４に示したシステム５００の機能の仕方は、十分に公知であり、したがってここでは説明しない。

【符号の説明】

【0040】

１００ 装置
１０１ 信号発生器
２００ 音響光学素子
２０１ 圧電変換器
２０２ 音響光学結晶
３００ 駆動制御信号
３０１ 機械的な振動波
４０１ 入射する光ビーム
４０２ 偏向されていない光ビーム
４０３ 偏向された光ビーム
５００ 顕微鏡システム
５０１ 顕微鏡光学系を有する顕微鏡スタンド
５０２ 対象物テーブル
５０３ 試料
５０４ 光学アダプタ
５０５ 共焦点走査および検出ユニット
５０６ 照明装置
５０７ 照明ファイバ
５０８ レーザ光源
５０９ 信号発生器を有する制御ユニット
５１０ 制御および表示プログラムを有する計算機
５１１ センサ装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】