JP2010271522A - Nonlinear optical microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二光子励起蛍光顕微鏡、コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡(CARS:Coherent anti-Stokes Raman scattering)などの非線形光学顕微鏡に関する。 The present invention relates to a nonlinear optical microscope such as a two-photon excitation fluorescence microscope and a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope (CARS).
近年、バイオ産業の勢いはとどまるところを知らず、とりわけ生体試料をターゲットとした三次元分解顕微鏡の需要は高まる一方である。その中でも共焦点蛍光顕微鏡は古くから現在に至るまで広く使われている。
通常の共焦点蛍光顕微鏡は、物体に照射する光(照明光)の強度と、物体で発生する光(信号光)の強度との関係が線形となる線形光学顕微鏡であるが、近年はその関係が非線形となる非線形光学顕微鏡の研究開発が盛んに行われている。
例えば、二光子励起蛍光顕微鏡(非特許文献1等を参照)は、長い波長の励起光(近赤外線)で蛍光物質を励起するので、被観察物の深部を観察することが可能である。
因みに、非線形光学顕微鏡へ分光機能を付加する場合には、検出側のピンホール(又はスリット)の後ろ側へ分光素子を配置し、分光素子で生じた各波長の回折光を互いに異なる受光素子で個別に検出すればよいと考えられる。
In recent years, the momentum of the bio-industry has not been stopped, and in particular, the demand for three-dimensional resolving microscopes targeting biological samples is increasing. Among them, confocal fluorescence microscopes have been widely used since ancient times.
An ordinary confocal fluorescence microscope is a linear optical microscope in which the relationship between the intensity of light (illumination light) irradiating an object and the intensity of light (signal light) generated on the object is linear. Research and development of non-linear optical microscopes that are non-linear are actively conducted.
For example, a two-photon excitation fluorescence microscope (see Non-Patent Document 1 or the like) excites a fluorescent substance with excitation light (near infrared light) having a long wavelength, so that it is possible to observe a deep portion of an object to be observed.
Incidentally, when adding a spectral function to a nonlinear optical microscope, a spectroscopic element is arranged behind the pinhole (or slit) on the detection side, and the diffracted light of each wavelength generated by the spectroscopic element is received by different light receiving elements. It may be necessary to detect them individually.
しかしながら、この分光方法では回折光が微弱となり、検出感度が不足する可能性の高いことが判明した。 However, it has been found that with this spectroscopic method, the diffracted light becomes weak and the detection sensitivity is likely to be insufficient.
そこで本発明は、検出感度の高い分光型の非線形光学顕微鏡を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a spectroscopic nonlinear optical microscope with high detection sensitivity.
本発明の非線形顕微鏡を例示する一態様は、光源から発せられた照明光を物体上に集光する集光光学系と、前記物体へ向かう前記照明光の進路を時間変化させることにより前記照明光の集光点で前記物体上を二次元走査する走査手段と、前記物体から前記照明光の強度と非線形な強度で発せられる信号光による前記物体の像を、前記走査手段を介することなく形成する結像光学系と、前記結像光学系の像面に二次元配置された受光素子アレイと、前記受光素子アレイに向かう前記信号光を前記二次元走査の副走査方向にかけて分光する分光手段とを備える。 One aspect illustrating the nonlinear microscope of the present invention includes a condensing optical system for condensing illumination light emitted from a light source on an object, and a time path of the illumination light toward the object to change the illumination light. A scanning means for two-dimensionally scanning the object at a condensing point, and an image of the object by signal light emitted from the object with a non-linear intensity and an intensity of the illumination light without forming the scanning means. An imaging optical system, a light receiving element array two-dimensionally arranged on an image plane of the image forming optical system, and a spectroscopic unit that splits the signal light traveling toward the light receiving element array in the sub-scanning direction of the two-dimensional scanning. Prepare.
本発明によれば、検出感度の高い分光型の非線形光学顕微鏡が実現する。 According to the present invention, a spectral nonlinear optical microscope with high detection sensitivity is realized.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態として分光型の二光子励起蛍光顕微鏡装置を説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a spectroscopic two-photon excitation fluorescence microscope apparatus will be described as a first embodiment of the present invention.
図1は、本装置の構成図である。図1に示すとおり本装置には、フェムト秒パルスレーザ光源12と、ビームエキスパンダ13と、スキャナ16と、ダイクロイックミラー15と、リレー光学系14Aと、対物レンズ17と、標本ステージ11と、リレー光学系14Bと、分光検出部200と、コントロールユニット30とが備えられる。
FIG. 1 is a configuration diagram of the apparatus. As shown in FIG. 1, this apparatus includes a femtosecond pulse
ステージ11には標本10Aが載置される。標本10Aは、蛍光色素により標識された細胞試料である。ここでは、その蛍光色素の励起波長(一光子励起により励起する波長)を405nmとし、その蛍光色素の蛍光波長を500nm及びその近傍とする。それに対応するべくフェムト秒パルスレーザ光源12は、照明光として、中心波長が810nmであるフェムト秒パルスレーザ光を例えば100kHzの周波数で射出する。
A
フェムト秒パルスレーザ光源12から射出した照明光は、ビームエキスパンダ13により径の太い光束に変換され、スキャナ16、ダイクロイックミラー15、リレー光学系14A、対物レンズ17を順に介した後、標本10Aに向けて集光する。なお、ダイクロイックミラー15の特性は、波長が810nm及びその近傍である光を反射し、波長が500nm及びその近傍である光を透過する特性に設定されている。
Illumination light emitted from the femtosecond pulse
標本10Aにおいて、照明光の照射領域(レーザスポット)の中央に位置する微小領域では、蛍光分子が二光子励起され、波長が500nm及びその近傍である蛍光(二光子励起蛍光)が発生する。この二光子励起蛍光が本装置の信号光である。レーザスポットの中央から外れた領域では、二光子励起が生じないので、蛍光は発生しない。なお、レーザスポットのサイズは、対物レンズ17のNAが大きいほど小さくなり、それに伴い、前記した微小領域のサイズも小さくなる。
In the
レーザスポットの微小領域で発生した二光子励起蛍光は、そのレーザスポットを形成した照明光の光路を逆向きに辿り、対物レンズ17、リレー光学系14Aを通過後、ダイクロイックミラー15を透過し、リレー光学系14Bを介して分光検出部200へ入射する。
The two-photon excitation fluorescence generated in the minute region of the laser spot follows the optical path of the illumination light forming the laser spot in the reverse direction, passes through the
分光検出部200には、分光素子18と、バンドパスフィルタ19と、結像光学系20と、撮像素子21とがこの順で配置される。分光検出部200の入射部には、ピンホールやスリットが設けられていない。
In the
分光素子18は、反射型の一次元回折格子であり、対物レンズ17の瞳と共役な位置に配置される。分光素子18は、リレー光学系14Bの側から入射した二光子励起蛍光を各波長の回折光(一次回折光)に分離する。
The
バンドパスフィルタ19は、分光素子18から撮像素子21に向けて不要な光が入射するのを防ぐ。ここでは、本装置の観察対象波長域を400〜580nmとし、バンドパスフィルタ19の特性は、その波長域の光を透過し、他の波長域の光をカットする特性に設定されるものとする。
The
結像光学系20は、対物レンズ17及びリレー光学系14Bと共に、撮像素子21と標本10Aとを共役に結ぶ働きがある。分光素子18から結像光学系20へ入射した各波長の回折光は、結像光学系20を通過した後、撮像素子21上の互いに異なる位置へ入射する。なお、ここでは、結像光学系20の焦点距離fを60mmとし、標本10Aから撮像素子21までの全光学系の倍率Mを30倍とする。
The imaging
撮像素子21は、二次元的に画素を配置した電子増倍CCD(EM−CCD)である。撮像素子21は、電子シャッター又はメカシャッターを備え、そのシャッターはコントロールユニット30によって駆動される。シャッターの開閉により、撮像素子21の電荷蓄積タイミングは制御される。この制御により撮像素子21が生成した画像(画像信号)は、コントロールユニット30に取り込まれる。なお、ここでは、撮像素子21の画素ピッチPCCDを8μmとし、撮像素子21の有効画素数を1024x1024とする。
The
スキャナ16には、1対のガルバノミラー(主走査用のxスキャンミラー16x、副走査用のyスキャンミラー16y)が、互いの回転軸が直交する姿勢関係で配置されている。このスキャナ16は、コントロールユニット30によって駆動される。
In the
xスキャンミラー16xが駆動されると、レーザスポットが標本10A上を所定方向(x方向)へスキャン(xスキャン)する。また、スキャナ16のyスキャンミラー16yが駆動されると、レーザスポットが標本10A上をx方向と垂直な方向(y方向)へスキャン(yスキャン)する。よって、スキャナ16がxスキャンミラー16xの角度を1往復させる毎にyスキャンミラー16yの角度を1ピッチ分ずつ変化させれば、レーザスポットで標本10A上を二次元的にスキャンすることができる。なお、ここでは、レーザスポットによる全スキャン領域(実視野)のサイズを、0.2×0.2mmとする。
When the
以上の構成では、標本10Aの側から分光検出部200へ向かう二光子励起蛍光は、スキャナ16を経由しない。さらに、ピンホールも用意されておらず、これによって減衰することもない。したがって、分光検出部200へ入射する二光子励起蛍光の強度は、高く保たれる。但し、分光検出部200へ入射する二光子励起蛍光がスキャナ16を経由していない場合、分光素子18に対する二光子励起蛍光の入射角度がスキャンに伴い変化する可能性がある。
In the above configuration, the two-photon excitation fluorescence from the specimen 10 </ b> A side toward the
それに対処するため、本装置では、分光素子18の格子方向は、xスキャンに対応する方向に設定される。この場合、回折光の分岐方向は、yスキャンに対応する方向となる。なお、ここでは、分光素子18の溝本数を100本/mm(ピッチPは100μm)とする。
In order to cope with this, in the present apparatus, the grating direction of the
また、分光素子18の配置姿勢は、y方向のスキャン位置(スキャン座標y)が全スキャン領域の中心にあるときにおける二光子励起蛍光の入射角度α0が45°になるように設定される。
In addition, the arrangement posture of the
また、結像光学系20の光軸方向は、スキャン座標yが全スキャン領域の中心にあるときに分光素子18で発生する基準波長の回折光(ここでは波長500nmの回折光とする。)の進行方向と同じに設定される。なお、分光素子18の配置姿勢及び溝本数が前述したとおりであった場合には、分光素子18から射出する基準波長の回折光の出射角度φ0は、49.2°となる。
Further, the optical axis direction of the imaging
図2は、撮像素子21に対する各波長の回折光の入射領域Asを示す図である(なお、図2では、スキャン位置が全スキャン領域の中心であるときの様子を示している。)。前述したとおり回折光の分岐方向はy方向に対応する方向(Y方向)なので、入射領域AsはY方向に長い領域となる。この入射領域Asの中央が、基準波長の回折光の入射位置である。因みに、分光素子18のピッチP、結像光学系の焦点距離f、撮像素子21の画素ピッチPCCDがそれぞれ前述した値に設定された場合、入射領域AsのY方向の長さは約200画素分になる。
FIG. 2 is a diagram showing an incident area As of the diffracted light of each wavelength with respect to the image sensor 21 (note that FIG. 2 shows a state where the scan position is the center of the entire scan area). As described above, since the branching direction of the diffracted light is a direction corresponding to the y direction (Y direction), the incident area As is a long area in the Y direction. The center of the incident region As is the incident position of the diffracted light having the reference wavelength. Incidentally, the pitch P of the
また、入射領域Asは、xスキャンに伴いそれに対応する方向(X方向)へ移動するが、入射領域Asの長手方向はY方向なので、1ライン分のxスキャン中には、同一画素へ互いに異なるスキャン位置からの二光子励起蛍光が重畳して入射する可能性は無い。 Further, the incident area As moves in the corresponding direction (X direction) with the x scan, but since the longitudinal direction of the incident area As is the Y direction, the same pixel is different from each other during the x scan for one line. There is no possibility that the two-photon excitation fluorescence from the scanning position will be superimposed and incident.
図3は、スキャン時における入射領域Asの移動パターンを示す図である。図3に示したとおり入射領域Asは、xスキャンに伴いX方向へ移動し、yスキャンに伴いY方向へ移動する(なお、yスキャンに伴い入射領域AsのY方向の長さも若干変化する。また、点線で示した移動軌跡は、照明光がオフにされている期間の移動軌跡である。)。その結果、入射領域Asは、全スキャン領域に対応する領域A1内を二次元的に移動する(以下、この領域A1を「全入射領域A1」と称す。)。 FIG. 3 is a diagram showing a movement pattern of the incident area As at the time of scanning. As shown in FIG. 3, the incident area As moves in the X direction along with the x scan and moves in the Y direction along with the y scan (note that the length of the incident area As in the Y direction also slightly changes with the y scan. In addition, the movement trajectory indicated by a dotted line is a movement trajectory during a period in which the illumination light is turned off.) As a result, the incident area As moves two-dimensionally within the area A1 corresponding to the entire scan area (hereinafter, this area A1 is referred to as “all incident area A1”).
但し、yスキャンのピッチは、撮像素子21の1〜2画素分に相当し、入射領域AsのY方向の長さより短い。よって、図4に示すとおり、或るラインに対するxスキャン時の入射領域Asの軌跡Tと、次のラインに対するxスキャン時の入射領域Asの軌跡T’とは、重複する。よって、或るラインに対するxスキャンと次のラインに対するxスキャンとを連続して行うと、同一画素へ互いに異なるスキャン位置からの二光子励起蛍光が重畳して入射する。
However, the y-scan pitch corresponds to one or two pixels of the
そこで、本実施形態のコントロールユニット30は、1ライン分のxスキャンを行う毎に撮像素子21から画像を取り込む(詳細は後述)。
Therefore, the
以下、標本10Aの上のスキャン位置(スキャン座標(x,y))と、撮像素子21上の回折光の入射位置(CCD座標(X,Y))との関係を説明する。なお、ここでは、スキャン座標(x,y)の原点を全スキャン領域(実視野)の中心に採り、CCD座標(X,Y)の原点を全入射領域A1の中心に採る。
Hereinafter, the relationship between the scan position (scan coordinates (x, y)) on the
先ず、スキャン座標xとCCD座標Xとの関係は、波長λに依存せず、以下の式(1)で表される。 First, the relationship between the scan coordinate x and the CCD coordinate X does not depend on the wavelength λ and is expressed by the following equation (1).
X=xM…(1)
一方、スキャン座標yとCCD座標Yとの関係は、波長λに依存し、以下の式(2)で表される。
X = xM (1)
On the other hand, the relationship between the scan coordinate y and the CCD coordinate Y depends on the wavelength λ and is expressed by the following equation (2).
Y=fsin(sin−1(λ/P−sin(α0+sin−1(yM/f)))−φ0)…(2)
したがって、本実施形態のコントロールユニット30は、撮像素子21が生成した画像を、これらの式(1)、(2)に基づき処理する(詳細は後述)。
Y = fsin (sin -1 (λ / P-sin (α 0 + sin -1 (yM / f))) - φ 0) ... (2)
Therefore, the
図5は、本実施形態のコントロールユニット30の動作フローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
FIG. 5 is an operation flowchart of the
ステップS11:コントロールユニット30は、yスキャンミラー16yの角度設定により、スキャン座標yを初期値y1(全スキャン領域の端)に設定する。
Step S11: The
ステップS12:コントロールユニット30は、xスキャンミラー16xの角度設定により、スキャン座標xを初期値x1(全スキャン領域の端)に設定する。
Step S12: The
ステップS13:コントロールユニット30は、撮像素子21のシャッターを開放する。
Step S13: The
ステップS14:コントロールユニット30は、xスキャンミラー16xを駆動し、xスキャンを1ライン分だけ行う。
Step S14: The
ステップS15:コントロールユニット30は、撮像素子21のシャッターを閉鎖する。
Step S15: The
ステップS16:コントロールユニット30は、撮像素子21から画像を読み出し、その画像を、現在のスキャン座標yに対応付けてコントロールユニット30内のメモリへ格納する。
Step S16: The
ステップS17:コントロールユニット30は、全スキャン領域のスキャンが終了したか否か(スキャン座標yが最終値yendになったか否か)を判別し、終了していない場合にはステップS18へ移行し、終了した場合にはステップS19へ移行する。
Step S17: The
ステップS18:コントロールユニット30は、yスキャンミラー16yの角度調整によりスキャン座標yを次の値に変更してからステップS12に戻る。よって、ステップS12〜S16は、スキャン座標yが最終値yendになるまで繰り返され、コントロールユニット30のメモリには、図6(A)に示すとおりスキャン座標yの設定数と同数の画像が格納されることになる。これらの画像は、スキャン座標yが初期値y1であったときの画像I1、スキャン座標yが2番目の値y2であったときの画像I2、スキャン座標yが3番目の値y3であったときの画像I3、…、及びスキャン座標yが最終値yendであったときの画像Iendである。
Step S18: The
ステップS19:コントロールユニット30は、メモリに格納された複数の画像I1〜Iendに基づき、全スキャン位置における二光子励起蛍光のスペクトルを算出する。これによって、標本10Aの蛍光スペクトル画像が得られたことになる。なお、本ステップにおけるスペクトルの算出はスキャン座標毎に行われ、個々の着目スキャン座標(xf,yf)に関するスペクトルの算出は、次の手順(a)〜(e)によって行われる。
Step S19: The
(a)コントロールユニット30は、図6(A)に示すとおり、画像I1〜Iendの中から着目スキャン座標yfに対応する画像(着目画像)Ifを参照する。
(A) the
(b)コントロールユニット30は、x方向の着目スキャン座標xfを、撮像素子21上のX方向の画素番号Xcfへ変換する。なお、x方向のスキャン座標xからX方向の画素番号Xcへの変換は、上述した式(1)から導出された次式(3)によって行われる。
(B) the
Xc=xM/PCCD…(3)
(c)コントロールユニット30は、図6(B)に示すとおり、着目画像IfのうちX方向の画素番号がXcfである複数の画素信号(画素信号列)を参照する。この画素信号列は、図6(C)に示すとおり、着目スキャン座標(xf,yf)で発生した二光子励起蛍光のスペクトルを表している。但し、図6(C)に示すスペクトルの横軸は画素番号Ycであるので、正確なスペクトルを知るためには、画素番号Ycを波長λに変換する必要がある。
Xc = xM / P CCD (3)
(C) the
(d)そこで、コントロールユニット30は、そのスペクトルの横軸である画素番号Ycを波長λへと変換する。その変換は、上述した式(2)から導出された次式(4)によって行われる。但し、変換に当たり、式(4)における「y」には、着目スキャン座標yfの値が当てはめられる。
(D) Therefore, the
λ=P(sin(sin−1 (YcPCCD/f)+φ0)+sin(α0+sin−1(yM/f)))…(4)
(e)さらに、コントロールユニット30は、変換後のスペクトルのうち、本装置の観察対象波長域(400〜580nm)から外れた部分を削除する。その結果、図6(D)に示すとおり、着目スキャン座標(xf,yf)で発生した二光子励起蛍光のスペクトルが得られる(以上、着目スキャン座標に関するスペクトルの算出方法)。
λ = P (sin (sin −1 (YcP CCD / f) + φ 0 ) + sin (α 0 + sin −1 (yM / f))) (4)
(E) Furthermore, the
以上、本装置の分光検出部200は、標本10Aから発せられる二光子励起蛍光による標本10Aの像を、スキャナ16、および、分光機能を持った従来の二光子蛍光顕微鏡に備えられているピンホールを介さずに形成するので、光量ロスが無い分だけ分光検出感度は高い。
As described above, the
但し、スキャナ16を介さずに分光検出を行うと、分光検出部200に対する二光子励起蛍光の入射位置は、スキャンに伴い移動してしまう。
However, if spectral detection is performed without using the
そこで、本装置の分光検出部200の分光素子18は、撮像素子21に向かう二光子励起蛍光の分岐方向を、xスキャンの方向ではなくyスキャンの方向としている。この場合、少なくとも1回のxスキャン中に撮像素子21の同一画素へ互いに異なるスキャン位置からの二光子励起蛍光が入射することはない。
Therefore, the
よって、本実施形態のコントロールユニット30は、1ライン分のxスキャンを行う毎に撮像素子21から画像を取り込むという簡単な手順を踏むだけで、蛍光スペクトル画像を確実に取得することができる。
Therefore, the
また、本装置の分光検出部200は、ピンホールやスリットを設けていないので、ピンホールやスリットでの光量ロスが無い分だけ分光検出感度は高い。しかも、非線形顕微鏡である本装置の空間解像度は対物レンズ17のNAによってほぼ決まるので、分光検出部200にピンホールやスリットが設けられなくとも、空間解像度は低下しない。
Further, since the
なお、本装置では、コントロールユニット30が標本ステージ11を光軸方向へ上下動させながら上述したステップS11〜S19を繰り返せば、標本10Aの三次元蛍光スペクトル画像を取得することもできる。
In the present apparatus, if the
また、本装置では、撮像素子21の位置や姿勢が不変であったので、yスキャン時に入射領域AsのY方向の位置が変位したが、yスキャン時に撮像素子21を−Y方向へ並進させることにより、入射領域AsのY方向の位置を不変としてもよい。この場合、撮像素子21のY方向の長さを、入射領域AsのY方向の長さと同程度にまで短縮することができるので効率的である。また、その場合は、全スキャン位置における二光子励起蛍光のスペクトルを算出する際にスキャン座標yを考慮する必要が無くなるので、処理が簡略化される。なお、撮像素子21を並進させる代わりに、撮像素子21に対する基準波長の回折光のY方向の入射位置が不変となるよう、分光素子18を回動させてもよい。
Further, in this apparatus, since the position and orientation of the
また、本装置の分光検出部200は、分光素子18で発生した回折光を検出し、分光素子18で発生した正反射光を検出しなかったが、結像光学系及び撮像素子を正反射光の発生方向にも設置し、蛍光スペクトル画像と同時に非分光の蛍光画像を取得してもよい。
In addition, the
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態として分光型の二光子励起蛍光顕微鏡装置を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみを説明する。相違点は、標本10Aを標識した複数種類の蛍光色素を同時に励起する点と、コントロールユニット30の動作とにある。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a spectroscopic two-photon excitation fluorescence microscope apparatus will be described as a second embodiment of the present invention. Here, only differences from the first embodiment will be described. The difference is that a plurality of types of fluorescent dyes labeled on the
ここでは、蛍光色素の種類をM種類とし、フェムト秒パルスレーザ光源12は、それらの蛍光色素の各々を二光子励起するM種類の照明光を同時に出射するものとする。また、本実施形態の標本像において、個々の蛍光輝点は互いに近接しておらず、点在しているとみなせると仮定する。また、コントロールユニット30は、M種類の蛍光色素の各々のリファレンススペクトルr1,…,rMを予め記憶しているものとする。
Here, it is assumed that there are M types of fluorescent dyes, and the femtosecond pulsed
さらに、本実施形態では、後述のアンミックスを可能とするために、Y方向のスキャンピッチは、標本10A上を密にスキャンするためのスキャンピッチ(基準ピッチ)の整数倍(N倍)に設定され、Nは、蛍光色素の種類数M以上に設定される。
Furthermore, in this embodiment, in order to enable unmixing described later, the scan pitch in the Y direction is set to an integer multiple (N times) of the scan pitch (reference pitch) for densely scanning the
但し、この場合は、或るスキャンラインと次のスキャンラインとの間に(N−1)本の間引きラインが生じることになるので、データの欠けを防ぐため、標本10Aのスキャンは、スキャンの開始ラインを1ラインずつずらしながらN回繰り返されることが望ましい。なお、各回のスキャンで得られた各画像に対する処理は共通なので、ここでは、或る1回のスキャンに関する処理のみに着目して説明する。
However, in this case, since (N−1) thinning lines are generated between a certain scan line and the next scan line, the scan of the
図7は、本実施形態のコントロールユニット30の動作フローチャートである。
FIG. 7 is an operation flowchart of the
図7を図5と比較すると明らかなとおり、本実施形態のコントロールユニット30は、シャッター閉鎖及び画像の読み出し(ステップS15及びステップS16)を、全スキャン領域のスキャンが終了した後(ステップS17の後段)に行う。よって、本実施形態で取得される画像の枚数は1となる。この画像の個々の画素には、互いに異なるスキャン位置からの二光子励起蛍光が入射している可能性がある。
As is apparent from a comparison of FIG. 7 with FIG. 5, the
また、図7を図5と比較すると明らかなとおり、本実施形態のコントロールユニット30は、蛍光スペクトル画像を算出する(ステップ19)代わりに、アンミックスを行う(ステップS19’)。ステップS19’におけるアンミックスは、スキャン座標毎に行われ、或る1つの着目スキャン座標(xf,yf)に関するアンミックスは、次の手順(a)〜(e)によって行われる。
Further, as apparent from comparing FIG. 7 with FIG. 5, the
(a)コントロールユニット30は、x方向の着目スキャン座標xfを、上述した式(3)により撮像素子21上のX方向の画素番号Xcfへと変換する。
(A) the
(b)コントロールユニット30は、メモリに格納された画像のうち、X方向の画素番号がXcfである複数の画素信号(画素信号列)を参照する。この画素信号列は、図8(A)に示すとおり、スキャン座標xfを通りy方向に延びるL画素分の窓に関する輝度プロファイルであって、この窓内に存在する複数の蛍光輝点の各々から発現した蛍光スペクトルを、図8(B)に示すとおり加算したもの(合成スペクトル)である。但し、Lは十分に大きく、L≧M×Nを満たす。なお、本実施形態のスキャンではスキャンピッチが基準ピッチのN倍に設定されたので、この合成スペクトルに寄与する複数の蛍光輝点同士は、少なくともNライン分は離れているはずである。
(B) the
(c)コントロールユニット30は、図8(C)に示すようなM種類の蛍光色素のリファレンススペクトルr1,…,rMの各々から、図8(D)に示すとおりN個のリファレンススペクトルを作成し、合計でM×N個のリファレンススペクトルを取得する。ここで、i番目の蛍光色素に関するN個のリファレンススペクトルは、その蛍光色素のリファレンススペクトルriを波長方向にかけて間引きラインの分だけ並進させたものである。以下、本手順で取得されたM×N個のリファレンススペクトルをまとめて、次式のとおり行列Sで表す。
(C) The
(d)コントロールユニット30は、手順(b)で得られた合成スペクトルの横軸である画素番号Ycを、上述した式(4)により波長λへと変換する。但し、変換に当たり、式(4)における「y」には、着目スキャン座標yfの値が当てはめられる。これによって、コントロールユニット30は、着目スキャン座標(xf,yf)に関する観測スペクトルを取得する。以下、この観測スペクトルを、次式のとおりベクトルIで表す。
(D) The
ここで、着目スキャン座標(xf,yf)に対するM×N個のリファレンススペクトルの各々の寄与率をp(11),…,p(1N),…,p(M1),…,p(MN)と表し、これらの寄与率p(11),…,p(1N),…,p(M1),…,p(MN)をまとめて、次式のとおりベクトルPで表す。 Here, the target scan coordinates (x f, y f) each contribution of the M × N reference spectrum for p (11), ..., p (1N), ..., p (M1), ..., p ( MN) and the contribution ratios p (11) ,..., P (1N) ,..., P (M1) ,.
この場合、本手順で取得されたベクトルIと、手順(c)で作成された行列Sと、ベクトルPの関係は、次式(5)で表される。 In this case, the relationship between the vector I acquired in this procedure, the matrix S created in procedure (c), and the vector P is expressed by the following equation (5).
I=S・P…(5)
(e)そこで、コントロールユニット30は、手順(d)で取得したベクトルIと、手順(c)で作成した行列Sと、次式(6)とに基づく最小二乗法により、ベクトルPの値を既知とする。
I = S · P (5)
(E) Therefore, the
P=(StS)−1StI…(6)
但し、[A]tはAの転置行列である。上述したとおり、この処理における未知数の個数、すなわちベクトルPの要素数(N×M)は、この処理における方程式の個数Lより少ないので、この処理によれば、着目スキャン座標(xf,yf)に対する寄与率p(11),…,p(1N),…,p(M1),…,p(MN)の各値が全て既知となる(以上、着目スキャン座標に関するアンミックス方法)。
P = (S t S) −1 S t I (6)
[A] t is a transposed matrix of A. As described above, since the number of unknowns in this process, that is, the number of elements of the vector P (N × M) is smaller than the number L of equations in this process, according to this process, the target scan coordinates (x f , y f ) contribution to p (11), ..., p (1N), ..., p (M1), ..., p (MN values of) all the known (or, unmixing process for target scan coordinate).
以上、本実施形態のコントロールユニット30は、蛍光色素のリファレンススペクトルを予め記憶し、それに基づき各スキャン位置に対する蛍光色素の寄与率を求めるので、画像取り込みの頻度を、1ライン毎ではなく1フレーム毎にすることができる。よって、必要な画像を取得するまでの所要時間を短縮することができる。
なお、本装置では、分光素子18で反射した正反射光を検出する専用の結像光学系及び撮像素子を用意しなくとも、アンミックスの過程で得られるスペクトルに基づき、撮像素子21上における正反射光の到達位置を推定できるので、その位置に配置された画素の画素信号から正反射光の強度を検知することができる。
As described above, the
In this apparatus, even if a dedicated imaging optical system and an image sensor for detecting specularly reflected light reflected by the
[変形例]
なお、上述した各実施形態では、分光素子18として反射型の回折格子が使用されたが、透過型の回折格子が使用されてもよい。また、回折格子の代わりに、プリズム及び回折格子を組み合わせてなる光学素子や、プリズムの単体などが使用されてもよい。
[Modification]
In each of the above-described embodiments, a reflective diffraction grating is used as the
また、上述した各実施形態では、信号光の検出原理を二光子励起蛍光としたが、非線形顕微鏡の他の検出原理、例えば、多光子励起蛍光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱、コヒーレントストークスラマン散乱の何れかとしてもよい。 In each of the above-described embodiments, the detection principle of the signal light is two-photon excitation fluorescence. It may be.
なお、信号光の検出原理をコヒーレントアンチストークスラマン散乱、コヒーレントストークスラマン散乱の何れかとした場合には、照明光の波長と信号光の波長とが近接する。この場合に、もしもバンドパスフィルタ19によって余分な波長の光を完全にカットできなかったならば、余分な波長の光を空間的にカットするためのマスクを撮像素子21の入射側に設けてもよい。
When the detection principle of the signal light is any one of coherent anti-Stokes Raman scattering and coherent Stokes Raman scattering, the wavelength of the illumination light and the wavelength of the signal light are close to each other. In this case, if the band-
12…フェムト秒パルスレーザ光源、13…ビームエキスパンダ、14…リレー光学系、15…ダイクロイックミラー、16…スキャナ、17…対物レンズ、200…分光検出部、18…分光素子、19…バンドパスフィルタ、20…結像光学系、21…撮像素子、11…標本ステージ、30…コントロールユニット
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記物体へ向かう前記照明光の進路を時間変化させることにより前記照明光の集光点で前記物体上を二次元走査する走査手段と、
前記物体から前記照明光の強度と非線形な強度で発せられる信号光による前記物体の像を、前記走査手段を介することなく形成する結像光学系と、
前記結像光学系の像面に二次元配置された受光素子アレイと、
前記受光素子アレイに向かう前記信号光を前記二次元走査の副走査方向にかけて分光する分光手段と、
を備えることを特徴とする非線形光学顕微鏡。 A condensing optical system that condenses the illumination light emitted from the light source on the object;
A scanning means for two-dimensionally scanning the object at a condensing point of the illumination light by changing a path of the illumination light toward the object over time;
An imaging optical system that forms an image of the object by signal light emitted from the object at a non-linear intensity with the intensity of the illumination light, without passing through the scanning unit;
A light receiving element array two-dimensionally arranged on the image plane of the imaging optical system;
A spectroscopic unit that splits the signal light directed to the light receiving element array in a sub-scanning direction of the two-dimensional scanning;
A non-linear optical microscope comprising:
前記二次元走査の主走査が行われる毎に前記受光素子アレイから信号群を読み出す読み出し手段と、
前記二次元走査が行われる毎に前記読み出し手段が読み出した複数組みの信号群に基づき、前記物体上の各走査位置で発せられた信号光のスペクトルを求める演算手段と
を更に備えたことを特徴とする非線形光学顕微鏡。 The nonlinear optical microscope according to claim 1,
Reading means for reading a signal group from the light receiving element array each time the main scanning of the two-dimensional scanning is performed;
And a calculation means for obtaining a spectrum of signal light emitted at each scanning position on the object based on a plurality of sets of signal groups read by the reading means each time the two-dimensional scanning is performed. A nonlinear optical microscope.
前記二次元走査が行われる毎に前記受光素子アレイから信号群を読み出す読み出し手段と、
前記読み出し手段が読み出した前記信号群と、前記信号光の発光元となった物質の特性情報とに基づき、前記物体上の各走査位置に対する前記物質の寄与率を求める演算手段と
を更に備えたことを特徴とする非線形光学顕微鏡。 The nonlinear optical microscope according to claim 1,
Reading means for reading a signal group from the light receiving element array each time the two-dimensional scanning is performed,
And a calculation means for obtaining a contribution rate of the substance with respect to each scanning position on the object based on the signal group read by the reading means and the characteristic information of the substance that is a light emission source of the signal light. A non-linear optical microscope characterized by that.
前記分光手段は、
プリズム、回折格子の少なくとも一方を含む
ことを特徴とする非線形光学顕微鏡。 In the nonlinear optical microscope according to any one of claims 1 to 3,
The spectroscopic means includes
A nonlinear optical microscope comprising at least one of a prism and a diffraction grating.
前記信号光の検出原理は、
多光子励起蛍光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱、コヒーレントストークスラマン散乱の少なくとも1つである
ことを特徴とする非線形光学顕微鏡。 In the nonlinear optical microscope according to any one of claims 1 to 4,
The detection principle of the signal light is as follows:
A nonlinear optical microscope characterized by at least one of multiphoton excitation fluorescence, coherent anti-Stokes Raman scattering, and coherent Stokes Raman scattering.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009122932A JP2010271522A (en) | 2009-05-21 | 2009-05-21 | Nonlinear optical microscope |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2010271522A true JP2010271522A (en) | 2010-12-02 |
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JP2009122932A Withdrawn JP2010271522A (en) | 2009-05-21 | 2009-05-21 | Nonlinear optical microscope |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2010271522A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103411938A (en) * | 2013-08-15 | 2013-11-27 | 哈尔滨工业大学 | Angular spectrum scanning and measuring apparatus for microstructure based on anti-Stokes fluorescent servo-actuated pin holes |
WO2020179036A1 (en) * | 2019-03-06 | 2020-09-10 | 株式会社ニコン | Microscope |
WO2020179032A1 (en) * | 2019-03-06 | 2020-09-10 | 株式会社ニコン | Microscope and observation method |
WO2020179039A1 (en) * | 2019-03-06 | 2020-09-10 | 株式会社ニコン | Microscope and observation method |
WO2020179040A1 (en) * | 2019-03-06 | 2020-09-10 | 株式会社ニコン | Microscope and observation method |
-
2009
- 2009-05-21 JP JP2009122932A patent/JP2010271522A/en not_active Withdrawn
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