JP4680337B2 - 走査型レーザ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ光源から出力された紫外線領域（ＵＶ）のレーザ光を光ファイバーで伝送し、このレーザ光を対物レンズを通して試料上に走査したときの試料からの光を検出して観察像を得る走査型レーザ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような走査型レーザ顕微鏡は、工業分野において主に検査装置として使用される他、医学や生物の分野において研究用の観察装置として幅広く使用されている。このうち工業分野における検査装置としては、近年、光学分解能の向上が強く望まれるようになり、光源の波長として可視領域からより波長の短いＵＶ領域に移行しつつある。又、医学や生物の分野における研究用の観察装置としては、ＵＶ光を試料に照射して、試料からの蛍光を観察するために、例えばＤＡＰＩのような蛍光色素が使われることから、その光源としてＵＶレーザ光を組み合わせることが強く望まれている。
【０００３】
このように工業分野や医学、生物の分野などにおいては、ＵＶ領域の光を使用するようになりつつあるが、ＵＶレーザ光のレーザ光源は、一般的に大型で、かつ冷却のためのファンや冷却水の循環により振動が発生し、この振動が走査型レーザ顕微鏡本体に伝わって悪影響を与えるために走査型レーザ顕微鏡は十分な安定性を発揮できなくなる。
【０００４】
このような問題を解決するために例えばＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７には、ＵＶレーザ光源と顕微鏡本体（走査装置含）とを光ファイバーで連結することによってＵＶレーザ光源から振動及び発熱による影響を取り去ることが記載されている。
【０００５】
ところが、このＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７にも詳細に説明されているようにＵＶレーザ光を光ファイバーに入射させると、光化学反応のために短時間で光ファイバーからの出射光量が低下し、しかも回復しないことが知られている。
【０００６】
そこで、ＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７では、光ファイバーからの出射光量の低下を最大限に抑えるためにＵＶレーザと光ファイバーとの間にシャッタを備え、このシャッタによってＵＶレーザ光を試料上に走査している間や撮像の間だけＵＶレーザ光を光ファイバーに入射させるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７に記載されている技術は、不必要な光ファイバーへのＵＶレーザ光の入射をなくすことを目的としてなされたもので、根本的に光ファイバーのＵＶレーザ光によって生じる光化学反応での劣化を解決するものではない。このため、光ファイバーにＵＶレーザ光を入射して走査型レーザ顕微鏡に伝送して試料上での走査や撮像を行い続けると、確実に光化学反応が進み、光ファイバーからの出射光量は低下する。
【０００８】
そこで本発明は、レーザ光源からの振動及び発熱の影響を受けることがなく、かつ試料へのＵＶレーザ光の光量が変動することなく、小型で安定した性能を有し、高い光学分解能を有する走査型レーザ顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、長い波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射された長い波長のレーザ光を伝送する光ファイバーと、光ファイバーを伝送してきたレーザ光をＵＶ光に変調するレーザ変調手段と、少なくともレーザ変調手段により変調されたＵＶレーザ光を試料上に走査し、この試料からの光を基に試料の観察像を得る走査型光学顕微鏡本体とを具備し、レーザ変調手段は、走査型光学顕微鏡本体に対して分離可能に取り付けられた走査型レーザ顕微鏡である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡において、レーザ変調手段は、光ファイバーを伝送してきたレーザ光の波長を、２次以上の高調波に変調する機能を有するものである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡において、光ファイバーを伝送してきたレーザ光と、レーザ変調手段により変調されたＵＶレーザ光とを同時に若しくは選択的に試料上に走査させる光学系を備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
(1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は医学や生物分野において研究用の観察装置として使用される共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成図である。
【００１４】
半導体レーザ光源１は、波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑを出射するもので、この半導体レーザ光源１の出射光路上には、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３が設けられている。この光ファイバー３は、偏波面保存ファイバーにより構成されるもので、走査型光学顕微鏡本体４に取り付けられた高調波発生装置５に接続されている。なお、高調波発生装置５は、走査型光学顕微鏡本体４に対してボルト等の締結部材により取り付けられている。
【００１５】
この高調波発生装置５は、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長とは異なる波長のレーザ光Ｑｂに変調して走査型光学顕微鏡本体４に送り込むもので、レンズ６、共振器７及び高調波発生光学系８から構成されている。
【００１６】
共振器７は、一対の共振器ミラー９、１０の間にＮＤ：ＹＡＧ結晶１１及び各光学素子１２、１３を配置したもので、ＮＤ：ＹＡＧ結晶１１の励起により波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｑａを発振するものとなっている。
【００１７】
高調波発生光学系８は、集光レンズ１４、第３次高調波を発生する結晶１５及びコリメータレンズ１６を配置したもので、共振器７からのレーザ光Ｑａを波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂに変調するものとなっている。
【００１８】
一方、走査型光学顕微鏡本体４には走査装置部１７が設けられ、この走査装置部１７に設けられたダイクロイックミラー１８に高調波発生装置５から出射されるレーザ光Ｑｂが入射するようになっている。このダイクロイックミラー１８の反射光路上には、ＸＹスキャナ１９、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１及び対物レンズ２２が配置されている。そして、この対物レンズ２２から出射されるレーザ光Ｑｂの集光位置に試料２３が配置されるものとなる。
【００１９】
又、試料２３からの光、例えば蛍光又は反射光の光路には、入射光路を共有する対物レンズ２２、結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びダイクロイックミラー１８を介し、共焦点レンズ２４、ピンホール２５及び光検出器２６が配置されている。このうちダイクロイックミラー１８は、高調波発生装置５から出射されるレーザ光Ｑａを反射し、試料２３からの蛍光を透過させるものとなっている。又、ピンホール２５は、共焦点レンズ２４の焦点位置に配置されている。
【００２０】
次に上記の如く構成された走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【００２１】
半導体レーザ光源１から波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑが出射されると、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射し、この光ファイバー３内を進行して高調波発生装置５に入射する。
【００２２】
このレーザ光Ｑは、レンズ６を通して共振器７に入射してＮｄ：ＹＡＧ結晶１１を励起する。このＮｄ：ＹＡＧ結晶１１の励起により共振器７で光共振が発生し、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｑａが出射されて高調波発生光学系８に入射する。
【００２３】
この高調波発生光学系８にレーザ光Ｑａが入射し、集光レンズ１４を通して結晶１５を透過すると、入射した波長の第３次高調波、例えば波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂに変調されてコリメータレンズ１６を通して出射される。
【００２４】
この第３次高調波に変調されたレーザ光Ｑｂは、ダイクロイックミラー１８で反射してＸＹスキャナ１９に送られ、このＸＹスキャナ１９によりレーザ光ＱｂをＸＹ平面上に走査される。そして、この走査されたレーザ光Ｑｂは、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００２５】
この試料２３からの蛍光又は反射光は、この試料２３にレーザ光Ｑｂを照射する光路とは逆の光路を戻り、対物レンズ２２から結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びダイクロイックミラー１８を透過し、さらに共焦点レンズ２４、ピンホール２５を経て光検出器２６に入射する。
【００２６】
従って、この光検出器２６から出力される電気信号に基づいて試料２３の蛍光画像が得られる。
【００２７】
このように上記第１の実施の形態においては、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長８００ｎｍとは異なる波長３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂに変調して試料２３上に走査させるようにしたので、半導体レーザ光源１からの振動及び発熱の影響を受けることがなく、かつ試料２３へのレーザ光Ｑｂの光量が変動することなく、小型で安定した性能を有し、高い光学分解能を有することができる。
【００２８】
すなわち、半導体レーザ光源１からのレーザ光Ｑにより励起され、最終的に高調波発生装置５から出射される波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂへの変換効率は、一般的に低い。このため、試料２３からの微弱な蛍光を検出するために必要な波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂの光量を得るためには、半導体レーザ光源１のレーザ出力を大出力にすることが要求される。この半導体レーザ光源１の大出力化には当然発熱が伴うことから、水冷装置や冷却ファンなどが必要となる。
【００２９】
これに対して上記第１の実施の形態によれば、半導体レーザ光源１と走査型光学顕微鏡本体４とが光ファィバー３を介して離して設けられているので、半導体レーザ光源１に設けられる水冷装置や冷却ファンなどから発生する振動や発熱の影響を除去できる。
【００３０】
又、ＮＤ：ＹＡＧ結晶１０を有する共振器７と高調波発生光学系８とを一つのブロックとして高調波発生装置５を構成しているので、組み立て調整が行い易く、安価にできるという利点を有する。
【００３１】
さらに、高調波発生装置５は、走査型光学顕微鏡本体４に対してボルト等の締結部材により取り付けられているので、メンテナンス性に優れている。
【００３２】
又、光ファイバー３を偏波面保存ファイバーにすることにより、高調波発生装置５による高調波発生効率を高めることができる。
【００３３】
又、実施の形態では、光ファィバー３は、半導体レーザ光源１と共振器７との間に設けられているが、これに限られるものでなく、例えば半導体レーザ光源１と共振器７とを一体化し、共振器７からのレーザ光Ｑｂを高調波発生光学系８へ導く光ファィバーを用いてもよい。これにより、走査型光学顕微鏡本体４自体を小型化できる。
【００３４】
(2) 次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００３５】
図２は工業分野において主に検査装置として使用される共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成図である。
【００３６】
固体レーザ装置３０は、波長５３２ｎｍのレーザ光Ｑを出射するものであり、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射するものとなっている。そして、この光ファイバー３は、走査型光学顕微鏡本体４に取り付けられた高調波発生装置３１に接続されている。なお、この高調波発生装置３１は、走査型光学顕微鏡本体４に対してボルト等の締結部材により取り付けられている。
【００３７】
この高調波発生装置３１は、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長５３２ｎｍとは異なる波長２６６ｎｍのレーザ光Ｑａに変調して走査型光学顕微鏡本体４に送り込むもので、コリメータレンズ３２及び共振器３３から構成されている。
【００３８】
共振器３３は、各共振器ミラー３４、３５、３６、３７を有し、このうち各共振器ミラー３４、３５の間に第２高調波（波長２６６ｎｍ）を発生する結晶３８、例えばＫＮｂＯ3（ニオブ酸カリウム）を配置したものとなっている。
【００３９】
次に上記の如く構成された走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【００４０】
固体レーザ光源３０から波長約５３２ｎｍのレーザ光Ｑが出射されると、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射し、この光ファイバー３内を進行して高調波発生装置３１に入射する。
【００４１】
このレーザ光Ｑは、コリメータレンズ３２により平行光束に変換されて共振器３３に入射する。この共振器３３では、各共振器ミラー３４、３５、３６、３７により光共振が発生するとともに、その光が例えばＫＮｂＯ3（ニオブ酸カリウム）の結晶３８を透過することにより、第２高調波として波長２６６ｎｍのレーザ光Ｑａに変調される。
【００４２】
この第２次高調波に変調されたレーザ光Ｑａは、ビームスプリッタ１８で反射してＸＹスキャナ１９に送られ、このＸＹスキャナ１９によりＸＹ平面上に走査される。そして、この走査されたレーザ光Ｑａは、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００４３】
この試料２３からの蛍光又は反射光は、この試料２３にレーザ光Ｑａを照射する光路とは逆の光路を戻り、対物レンズ２２から結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びビームスプリッタ１８を透過し、さらに共焦点レンズ２４、ピンホール２５を経て光検出器２６に入射する。
【００４４】
従って、この光検出器２６から出力される電気信号に基づいて試料２３の反射画像が得られる。
【００４５】
このように上記第２の実施の形態においては、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長５３２ｎｍとは異なる波長２６６ｎｍのレーザ光Ｑａに変調して試料２３上に走査させるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
【００４６】
さらに、工業分野における検査装置としては、近年、光学分解能の向上が強く望まれるようになり、光源として可視光線領域からより波長の短い紫外線領域に移行しつつあり、この要望を実現すべく上記第２の実施の形態のように波長２６６ｎｍという極めて短い波長の光を照射することによって高い光学分解能を実現できる。
【００４７】
(3) 次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４８】
図３は医学や生物分野において研究用の観察装置として使用される共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成図である。
【００４９】
この共焦点走査型レーザ顕微鏡には、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑと高調波発生光学系８により変調されたレーザ光Ｑａとを同時又は選択的に試料２３上に走査させる光路分岐系４０を備えたものとなっている。
【００５０】
この光路分岐系４０は、レンズ６と共振器７との間にビームスプリッタ４１を配置し、このビームスプリッタ４１の分岐光路上にミラー４２を配置している。そして、高調波発生装置５内の共振器７から高調波発生光学系８の光路上にシャッタ４３を配置するとともに、ミラー４２の反射光路上にシャッタ４４を配置したものとなっている。従って、これらシャッタ４３、４４の動作により光ファイバー３からのレーザ光Ｑと高調波発生光学系８により変調されたレーザ光Ｑａとが同時又は選択的に試料２３上に照射されるようになっている。
【００５１】
なお、ミラー４２からシャッタ４４への光路上で走査装置部１７の光路と交点には、ダイクロイックミラー４５が配置されている。このダイクロイックミラー４５は、波長８００ｎｍの光を反射し、この波長よりも短い波長の光を透過させる分光特性を有している。
【００５２】
一方、試料２３の透過光路上には、コンデンサレンズ４６、波長８００ｎｍ域の光のみを透過させるバンドパスフィルタ４７及び光検出器４８が配置されている。
【００５３】
次に上記の如く構成された走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【００５４】
半導体レーザ光源１から波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑが出射されると、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射し、この光ファイバー３内を進行して高調波発生装置５に入射する。
【００５５】
そして、レーザ光Ｑは、ビームスプリッタ４１を透過するとともにその一部を反射する。このうちビームスプリッタ４１を透過したレーザ光Ｑは、共振器７に入射し、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１１の励起により光共振が発生し、波長１０６４ｎｍの光が出射されて高調波発生光学系８に入射する。この高調波発生光学系８では、光が集光レンズ１４を通して結晶１５を透過すると、入射した波長の第３次高調波、例えば波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑａに変調されてコリメータレンズ１６を通して出射される。
【００５６】
ここで、シャッタ４３が開放し、シャッタ４４が閉じていれば、変調されたレーザ光Ｑａは、シャッタ４３を通してダイクロイックミラー１８で反射してＸＹスキャナ１９に送られ、このＸＹスキャナ１９によりＸＹ平面上に走査される。そして、この走査されたレーザ光Ｑａは、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００５７】
この試料２３からの蛍光又は反射光は、この試料２３にレーザ光Ｑａを照射する光路とは逆の光路を戻り、対物レンズ２２から結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びダイクロイックミラー１８、４５を透過し、さらに共焦点レンズ２４、ピンホール２５を経て光検出器２６に入射する。従って、この光検出器２６から出力される電気信号に基づいて試料２３の蛍光画像が得られる。
【００５８】
一方、シャッタ４３が閉じ、シャッタ４４が開放していれば、ビームスプリッタ４１で反射した波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑがミラー４２で反射し、シャッタ４４を通過し、ダイクロイックミラー４５、１８を透過し、ＸＹスキャナ１９によりＸＹ平面上に走査され、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００５９】
そして、この試料２３を透過した光は、コンデンサレンズ４６からバンドパスフィルタ４７を透過して光検出器４８に入射する。従って、この光検出器４８から出力される電気信号に基づいて試料２３の透過画像が得られる。
【００６０】
又、両方のシャッタ４３、４４が開放していれば、試料２３の蛍光画像及び透過画像が同時に得られることは言うまでもない。
【００６１】
このように上記第３の実施の形態においては、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑと高調波発生光学系８により変調されたレーザ光Ｑａとを同時又は選択的に試料２３上に走査させる光路分岐系４０を備えたので、上記第１及び第２の実施の形態と同様の効果を奏することができることは言うまでもなく、例えば脳切片のような厚い試料２３の透過画像をコントラスト良く得るには、試料２３での光の散乱が少ない長波長のレーザ光が要求されるものであり、上記第３の実施の形態のように波長８００ｎｍの近赤外領域のレーザ光Ｑと波長３５５ｎｍの紫外線領域のレーザ光Ｑａとを同時又は選択的に試料２３に照射することにより、試料２３の蛍光画像と透過画像とを同時又は選択的に取得することができ、かつこれが１つの半導体レーザ光源１で実現できる。
【００６２】
なお、本発明は、上記第１乃至第３の実施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。
【００６３】
例えば、光路分岐系４０の代わりに光路を切り替える光学系、例えば光路上に挿脱自在なミラーを設けることができ、シャッタ４３、４４を不要にすることができる。
【００６４】
又、光ファィバー３は、シングルモード型光ファイバーにすることにより高調波発生装置５による高調波発生効率を高めることができる。
【００６５】
又、第１の実施の形態では、光ファィバー３をコレクタレンズ２と高調波発生装置５との間に設けていたが、例えば半導体レーザ光源１側に共振器７を設け、共振器７の共振器ミラー１０と高調波発生光学系の集光レンズ１４との間に光ファィバー３を設けるようにしてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、レーザ光源とこのレーザ光源からのレーザ光をＵＶ光に変調するレーザ変調手段とを光ファイバーを介して離して設け、かつレーザ変調手段を走査型光学顕微鏡本体に対して分離可能に取り付けられたので、メンテナンス性に優れ、レーザ光源からの振動及び発熱の影響を受けることがなく、かつＵＶレーザ光を光ファイバーに入射させたときの光化学反応のために短時間で光ファイバーからの出射光量が低下するような試料へのＵＶレーザ光の光量が変動することなく、小型で安定した性能を有し、高い光学分解能を有する走査型レーザ顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共焦点走査型レーザ顕微鏡の第１の実施の形態を医学や生物分野での研究用の観察装置に適用される場合の構成図。
【図２】本発明に係わる共焦点走査型レーザ顕微鏡の第２の実施の形態を工業分野において主に検査装置として使用される場合の構成図。
【図３】本発明に係わる共焦点走査型レーザ顕微鏡の第３の実施の形態を医学や生物分野での研究用の観察装置に適用される場合の構成図。
【符号の説明】
１：半導体レーザ光源、
２：コレクタレンズ、
３：光ファイバー、
４：走査型光学顕微鏡本体、
５：高調波発生装置、
６：レンズ、
７：共振器、
８：高調波発生光学系、
９，１０：共振器ミラー、
１１：ＮＤ：ＹＡＧ結晶、
１２，１３：光学素子、
１４：集光レンズ、
１５：結晶
１６：コリメータレンズ、
１７：走査装置部、
１８：ダイクロイックミラー、
１９：ＸＹスキャナ、
２０：瞳投影レンズ、
２１：結像レンズ、
２２：対物レンズ、
２３：試料、
２４：共焦点レンズ、
２５：ピンホール、
２６：光検出器、
３０：固体レーザ装置、
３１：高調波発生装置、
３２：コリメータレンズ、
３３：共振器、
３４，３５，３６，３７：共振器ミラー、
３８：結晶、
４０：光路分岐系、
４１：ビームスプリッタ、
４２：ミラー、
４３，４４：シャッタ、
４５：ダイクロイックミラー、
４６：コンデンサレンズ、
４７：バンドパスフィルタ、
４８：光検出器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ光源から出力された紫外線領域（ＵＶ）のレーザ光を光ファイバーで伝送し、このレーザ光を対物レンズを通して試料上に走査したときの試料からの光を検出して観察像を得る走査型レーザ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような走査型レーザ顕微鏡は、工業分野において主に検査装置として使用される他、医学や生物の分野において研究用の観察装置として幅広く使用されている。このうち工業分野における検査装置としては、近年、光学分解能の向上が強く望まれるようになり、光源の波長として可視領域からより波長の短いＵＶ領域に移行しつつある。又、医学や生物の分野における研究用の観察装置としては、ＵＶ光を試料に照射して、試料からの蛍光を観察するために、例えばＤＡＰＩのような蛍光色素が使われることから、その光源としてＵＶレーザ光を組み合わせることが強く望まれている。
【０００３】
このように工業分野や医学、生物の分野などにおいては、ＵＶ領域の光を使用するようになりつつあるが、ＵＶレーザ光のレーザ光源は、一般的に大型で、かつ冷却のためのファンや冷却水の循環により振動が発生し、この振動が走査型レーザ顕微鏡本体に伝わって悪影響を与えるために走査型レーザ顕微鏡は十分な安定性を発揮できなくなる。
【０００４】
このような問題を解決するために例えばＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７には、ＵＶレーザ光源と顕微鏡本体（走査装置含）とを光ファイバーで連結することによってＵＶレーザ光源から振動及び発熱による影響を取り去ることが記載されている。
【０００５】
ところが、このＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７にも詳細に説明されているようにＵＶレーザ光を光ファイバーに入射させると、光化学反応のために短時間で光ファイバーからの出射光量が低下し、しかも回復しないことが知られている。
【０００６】
そこで、ＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７では、光ファイバーからの出射光量の低下を最大限に抑えるためにＵＶレーザと光ファイバーとの間にシャッタを備え、このシャッタによってＵＶレーザ光を試料上に走査している間や撮像の間だけＵＶレーザ光を光ファイバーに入射させるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＴＣ ＷＯ ９６／０６３７７に記載されている技術は、不必要な光ファイバーへのＵＶレーザ光の入射をなくすことを目的としてなされたもので、根本的に光ファイバーのＵＶレーザ光によって生じる光化学反応での劣化を解決するものではない。このため、光ファイバーにＵＶレーザ光を入射して走査型レーザ顕微鏡に伝送して試料上での走査や撮像を行い続けると、確実に光化学反応が進み、光ファイバーからの出射光量は低下する。
【０００８】
そこで本発明は、レーザ光源からの振動及び発熱の影響を受けることがなく、かつ試料へのＵＶレーザ光の光量が変動することなく、小型で安定した性能を有し、高い光学分解能を有する走査型レーザ顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、長い波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射された長い波長のレーザ光を伝送する光ファイバーと、光ファイバーを伝送してきたレーザ光をＵＶ光に変調するレーザ変調手段と、少なくともレーザ変調手段により変調されたＵＶレーザ光を試料上に走査し、この試料からの光を基に試料の観察像を得る走査型光学顕微鏡本体とを具備し、レーザ変調手段は、走査型光学顕微鏡本体に対して分離可能に取り付けられた走査型レーザ顕微鏡である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡において、レーザ変調手段は、光ファイバーを伝送してきたレーザ光の波長を、２次以上の高調波に変調する機能を有するものである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡において、光ファイバーを伝送してきたレーザ光と、レーザ変調手段により変調されたＵＶレーザ光とを同時に若しくは選択的に試料上に走査させる光学系を備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
(1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は医学や生物分野において研究用の観察装置として使用される共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成図である。
【００１４】
半導体レーザ光源１は、波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑを出射するもので、この半導体レーザ光源１の出射光路上には、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３が設けられている。この光ファイバー３は、偏波面保存ファイバーにより構成されるもので、走査型光学顕微鏡本体４に取り付けられた高調波発生装置５に接続されている。なお、高調波発生装置５は、走査型光学顕微鏡本体４に対してボルト等の締結部材により取り付けられている。
【００１５】
この高調波発生装置５は、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長とは異なる波長のレーザ光Ｑｂに変調して走査型光学顕微鏡本体４に送り込むもので、レンズ６、共振器７及び高調波発生光学系８から構成されている。
【００１６】
共振器７は、一対の共振器ミラー９、１０の間にＮＤ：ＹＡＧ結晶１１及び各光学素子１２、１３を配置したもので、ＮＤ：ＹＡＧ結晶１１の励起により波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｑａを発振するものとなっている。
【００１７】
高調波発生光学系８は、集光レンズ１４、第３次高調波を発生する結晶１５及びコリメータレンズ１６を配置したもので、共振器７からのレーザ光Ｑａを波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂに変調するものとなっている。
【００１８】
一方、走査型光学顕微鏡本体４には走査装置部１７が設けられ、この走査装置部１７に設けられたダイクロイックミラー１８に高調波発生装置５から出射されるレーザ光Ｑｂが入射するようになっている。このダイクロイックミラー１８の反射光路上には、ＸＹスキャナ１９、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１及び対物レンズ２２が配置されている。そして、この対物レンズ２２から出射されるレーザ光Ｑｂの集光位置に試料２３が配置されるものとなる。
【００１９】
又、試料２３からの光、例えば蛍光又は反射光の光路には、入射光路を共有する対物レンズ２２、結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びダイクロイックミラー１８を介し、共焦点レンズ２４、ピンホール２５及び光検出器２６が配置されている。このうちダイクロイックミラー１８は、高調波発生装置５から出射されるレーザ光Ｑａを反射し、試料２３からの蛍光を透過させるものとなっている。又、ピンホール２５は、共焦点レンズ２４の焦点位置に配置されている。
【００２０】
次に上記の如く構成された走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【００２１】
半導体レーザ光源１から波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑが出射されると、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射し、この光ファイバー３内を進行して高調波発生装置５に入射する。
【００２２】
このレーザ光Ｑは、レンズ６を通して共振器７に入射してＮｄ：ＹＡＧ結晶１１を励起する。このＮｄ：ＹＡＧ結晶１１の励起により共振器７で光共振が発生し、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｑａが出射されて高調波発生光学系８に入射する。
【００２３】
この高調波発生光学系８にレーザ光Ｑａが入射し、集光レンズ１４を通して結晶１５を透過すると、入射した波長の第３次高調波、例えば波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂに変調されてコリメータレンズ１６を通して出射される。
【００２４】
この第３次高調波に変調されたレーザ光Ｑｂは、ダイクロイックミラー１８で反射してＸＹスキャナ１９に送られ、このＸＹスキャナ１９によりレーザ光ＱｂをＸＹ平面上に走査される。そして、この走査されたレーザ光Ｑｂは、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００２５】
この試料２３からの蛍光又は反射光は、この試料２３にレーザ光Ｑｂを照射する光路とは逆の光路を戻り、対物レンズ２２から結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びダイクロイックミラー１８を透過し、さらに共焦点レンズ２４、ピンホール２５を経て光検出器２６に入射する。
【００２６】
従って、この光検出器２６から出力される電気信号に基づいて試料２３の蛍光画像が得られる。
【００２７】
このように上記第１の実施の形態においては、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長８００ｎｍとは異なる波長３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂに変調して試料２３上に走査させるようにしたので、半導体レーザ光源１からの振動及び発熱の影響を受けることがなく、かつ試料２３へのレーザ光Ｑｂの光量が変動することなく、小型で安定した性能を有し、高い光学分解能を有することができる。
【００２８】
すなわち、半導体レーザ光源１からのレーザ光Ｑにより励起され、最終的に高調波発生装置５から出射される波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂへの変換効率は、一般的に低い。このため、試料２３からの微弱な蛍光を検出するために必要な波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑｂの光量を得るためには、半導体レーザ光源１のレーザ出力を大出力にすることが要求される。この半導体レーザ光源１の大出力化には当然発熱が伴うことから、水冷装置や冷却ファンなどが必要となる。
【００２９】
これに対して上記第１の実施の形態によれば、半導体レーザ光源１と走査型光学顕微鏡本体４とが光ファィバー３を介して離して設けられているので、半導体レーザ光源１に設けられる水冷装置や冷却ファンなどから発生する振動や発熱の影響を除去できる。
【００３０】
又、ＮＤ：ＹＡＧ結晶１０を有する共振器７と高調波発生光学系８とを一つのブロックとして高調波発生装置５を構成しているので、組み立て調整が行い易く、安価にできるという利点を有する。
【００３１】
さらに、高調波発生装置５は、走査型光学顕微鏡本体４に対してボルト等の締結部材により取り付けられているので、メンテナンス性に優れている。
【００３２】
又、光ファイバー３を偏波面保存ファイバーにすることにより、高調波発生装置５による高調波発生効率を高めることができる。
【００３３】
又、実施の形態では、光ファィバー３は、半導体レーザ光源１と共振器７との間に設けられているが、これに限られるものでなく、例えば半導体レーザ光源１と共振器７とを一体化し、共振器７からのレーザ光Ｑｂを高調波発生光学系８へ導く光ファィバーを用いてもよい。これにより、走査型光学顕微鏡本体４自体を小型化できる。
【００３４】
(2) 次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００３５】
図２は工業分野において主に検査装置として使用される共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成図である。
【００３６】
固体レーザ装置３０は、波長５３２ｎｍのレーザ光Ｑを出射するものであり、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射するものとなっている。そして、この光ファイバー３は、走査型光学顕微鏡本体４に取り付けられた高調波発生装置３１に接続されている。なお、この高調波発生装置３１は、走査型光学顕微鏡本体４に対してボルト等の締結部材により取り付けられている。
【００３７】
この高調波発生装置３１は、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長５３２ｎｍとは異なる波長２６６ｎｍのレーザ光Ｑａに変調して走査型光学顕微鏡本体４に送り込むもので、コリメータレンズ３２及び共振器３３から構成されている。
【００３８】
共振器３３は、各共振器ミラー３４、３５、３６、３７を有し、このうち各共振器ミラー３４、３５の間に第２高調波（波長２６６ｎｍ）を発生する結晶３８、例えばＫＮｂＯ3（ニオブ酸カリウム）を配置したものとなっている。
【００３９】
次に上記の如く構成された走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【００４０】
固体レーザ光源３０から波長約５３２ｎｍのレーザ光Ｑが出射されると、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射し、この光ファイバー３内を進行して高調波発生装置３１に入射する。
【００４１】
このレーザ光Ｑは、コリメータレンズ３２により平行光束に変換されて共振器３３に入射する。この共振器３３では、各共振器ミラー３４、３５、３６、３７により光共振が発生するとともに、その光が例えばＫＮｂＯ3（ニオブ酸カリウム）の結晶３８を透過することにより、第２高調波として波長２６６ｎｍのレーザ光Ｑａに変調される。
【００４２】
この第２次高調波に変調されたレーザ光Ｑａは、ビームスプリッタ１８で反射してＸＹスキャナ１９に送られ、このＸＹスキャナ１９によりＸＹ平面上に走査される。そして、この走査されたレーザ光Ｑａは、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００４３】
この試料２３からの蛍光又は反射光は、この試料２３にレーザ光Ｑａを照射する光路とは逆の光路を戻り、対物レンズ２２から結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びビームスプリッタ１８を透過し、さらに共焦点レンズ２４、ピンホール２５を経て光検出器２６に入射する。
【００４４】
従って、この光検出器２６から出力される電気信号に基づいて試料２３の反射画像が得られる。
【００４５】
このように上記第２の実施の形態においては、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑを、このレーザ光Ｑの波長５３２ｎｍとは異なる波長２６６ｎｍのレーザ光Ｑａに変調して試料２３上に走査させるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
【００４６】
さらに、工業分野における検査装置としては、近年、光学分解能の向上が強く望まれるようになり、光源として可視光線領域からより波長の短い紫外線領域に移行しつつあり、この要望を実現すべく上記第２の実施の形態のように波長２６６ｎｍという極めて短い波長の光を照射することによって高い光学分解能を実現できる。
【００４７】
(3) 次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４８】
図３は医学や生物分野において研究用の観察装置として使用される共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成図である。
【００４９】
この共焦点走査型レーザ顕微鏡には、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑと高調波発生光学系８により変調されたレーザ光Ｑａとを同時又は選択的に試料２３上に走査させる光路分岐系４０を備えたものとなっている。
【００５０】
この光路分岐系４０は、レンズ６と共振器７との間にビームスプリッタ４１を配置し、このビームスプリッタ４１の分岐光路上にミラー４２を配置している。そして、高調波発生装置５内の共振器７から高調波発生光学系８の光路上にシャッタ４３を配置するとともに、ミラー４２の反射光路上にシャッタ４４を配置したものとなっている。従って、これらシャッタ４３、４４の動作により光ファイバー３からのレーザ光Ｑと高調波発生光学系８により変調されたレーザ光Ｑａとが同時又は選択的に試料２３上に照射されるようになっている。
【００５１】
なお、ミラー４２からシャッタ４４への光路上で走査装置部１７の光路と交点には、ダイクロイックミラー４５が配置されている。このダイクロイックミラー４５は、波長８００ｎｍの光を反射し、この波長よりも短い波長の光を透過させる分光特性を有している。
【００５２】
一方、試料２３の透過光路上には、コンデンサレンズ４６、波長８００ｎｍ域の光のみを透過させるバンドパスフィルタ４７及び光検出器４８が配置されている。
【００５３】
次に上記の如く構成された走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【００５４】
半導体レーザ光源１から波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑが出射されると、このレーザ光Ｑは、コレクタレンズ２を介して光ファイバー３に入射し、この光ファイバー３内を進行して高調波発生装置５に入射する。
【００５５】
そして、レーザ光Ｑは、ビームスプリッタ４１を透過するとともにその一部を反射する。このうちビームスプリッタ４１を透過したレーザ光Ｑは、共振器７に入射し、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１１の励起により光共振が発生し、波長１０６４ｎｍの光が出射されて高調波発生光学系８に入射する。この高調波発生光学系８では、光が集光レンズ１４を通して結晶１５を透過すると、入射した波長の第３次高調波、例えば波長約３５５ｎｍのレーザ光Ｑａに変調されてコリメータレンズ１６を通して出射される。
【００５６】
ここで、シャッタ４３が開放し、シャッタ４４が閉じていれば、変調されたレーザ光Ｑａは、シャッタ４３を通してダイクロイックミラー１８で反射してＸＹスキャナ１９に送られ、このＸＹスキャナ１９によりＸＹ平面上に走査される。そして、この走査されたレーザ光Ｑａは、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００５７】
この試料２３からの蛍光又は反射光は、この試料２３にレーザ光Ｑａを照射する光路とは逆の光路を戻り、対物レンズ２２から結像レンズ２１、瞳投影レンズ２０、ＸＹスキャナ１９及びダイクロイックミラー１８、４５を透過し、さらに共焦点レンズ２４、ピンホール２５を経て光検出器２６に入射する。従って、この光検出器２６から出力される電気信号に基づいて試料２３の蛍光画像が得られる。
【００５８】
一方、シャッタ４３が閉じ、シャッタ４４が開放していれば、ビームスプリッタ４１で反射した波長約８００ｎｍのレーザ光Ｑがミラー４２で反射し、シャッタ４４を通過し、ダイクロイックミラー４５、１８を透過し、ＸＹスキャナ１９によりＸＹ平面上に走査され、瞳投影レンズ２０、結像レンズ２１を通って対物レンズ２２から出射され、試料２３上に照射される。
【００５９】
そして、この試料２３を透過した光は、コンデンサレンズ４６からバンドパスフィルタ４７を透過して光検出器４８に入射する。従って、この光検出器４８から出力される電気信号に基づいて試料２３の透過画像が得られる。
【００６０】
又、両方のシャッタ４３、４４が開放していれば、試料２３の蛍光画像及び透過画像が同時に得られることは言うまでもない。
【００６１】
このように上記第３の実施の形態においては、光ファイバー３を伝送してきたレーザ光Ｑと高調波発生光学系８により変調されたレーザ光Ｑａとを同時又は選択的に試料２３上に走査させる光路分岐系４０を備えたので、上記第１及び第２の実施の形態と同様の効果を奏することができることは言うまでもなく、例えば脳切片のような厚い試料２３の透過画像をコントラスト良く得るには、試料２３での光の散乱が少ない長波長のレーザ光が要求されるものであり、上記第３の実施の形態のように波長８００ｎｍの近赤外領域のレーザ光Ｑと波長３５５ｎｍの紫外線領域のレーザ光Ｑａとを同時又は選択的に試料２３に照射することにより、試料２３の蛍光画像と透過画像とを同時又は選択的に取得することができ、かつこれが１つの半導体レーザ光源１で実現できる。
【００６２】
なお、本発明は、上記第１乃至第３の実施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。
【００６３】
例えば、光路分岐系４０の代わりに光路を切り替える光学系、例えば光路上に挿脱自在なミラーを設けることができ、シャッタ４３、４４を不要にすることができる。
【００６４】
又、光ファィバー３は、シングルモード型光ファイバーにすることにより高調波発生装置５による高調波発生効率を高めることができる。
【００６５】
又、第１の実施の形態では、光ファィバー３をコレクタレンズ２と高調波発生装置５との間に設けていたが、例えば半導体レーザ光源１側に共振器７を設け、共振器７の共振器ミラー１０と高調波発生光学系の集光レンズ１４との間に光ファィバー３を設けるようにしてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、レーザ光源とこのレーザ光源からのレーザ光をＵＶ光に変調するレーザ変調手段とを光ファイバーを介して離して設け、かつレーザ変調手段を走査型光学顕微鏡本体に対して分離可能に取り付けられたので、メンテナンス性に優れ、レーザ光源からの振動及び発熱の影響を受けることがなく、かつＵＶレーザ光を光ファイバーに入射させたときの光化学反応のために短時間で光ファイバーからの出射光量が低下するような試料へのＵＶレーザ光の光量が変動することなく、小型で安定した性能を有し、高い光学分解能を有する走査型レーザ顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共焦点走査型レーザ顕微鏡の第１の実施の形態を医学や生物分野での研究用の観察装置に適用される場合の構成図。
【図２】本発明に係わる共焦点走査型レーザ顕微鏡の第２の実施の形態を工業分野において主に検査装置として使用される場合の構成図。
【図３】本発明に係わる共焦点走査型レーザ顕微鏡の第３の実施の形態を医学や生物分野での研究用の観察装置に適用される場合の構成図。
【符号の説明】
１：半導体レーザ光源、
２：コレクタレンズ、
３：光ファイバー、
４：走査型光学顕微鏡本体、
５：高調波発生装置、
６：レンズ、
７：共振器、
８：高調波発生光学系、
９，１０：共振器ミラー、
１１：ＮＤ：ＹＡＧ結晶、
１２，１３：光学素子、
１４：集光レンズ、
１５：結晶
１６：コリメータレンズ、
１７：走査装置部、
１８：ダイクロイックミラー、
１９：ＸＹスキャナ、
２０：瞳投影レンズ、
２１：結像レンズ、
２２：対物レンズ、
２３：試料、
２４：共焦点レンズ、
２５：ピンホール、
２６：光検出器、
３０：固体レーザ装置、
３１：高調波発生装置、
３２：コリメータレンズ、
３３：共振器、
３４，３５，３６，３７：共振器ミラー、
３８：結晶、
４０：光路分岐系、
４１：ビームスプリッタ、
４２：ミラー、
４３，４４：シャッタ、
４５：ダイクロイックミラー、
４６：コンデンサレンズ、
４７：バンドパスフィルタ、
４８：光検出器。
Claims (3)
- 長い波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射された前記長い波長のレーザ光を伝送する光ファイバーと、
前記光ファイバーを伝送してきた前記レーザ光をＵＶレーザ光に変調するレーザ変調手段と、
少なくとも前記レーザ変調手段により変調された前記ＵＶレーザ光を試料上に走査し、この試料からの光を基に前記試料の観察像を得る走査型光学顕微鏡本体と、
を具備し、
前記レーザ変調手段は、前記走査型光学顕微鏡本体に対して分離可能に取り付けられたことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。 - 前記レーザ変調手段は、前記光ファイバーを伝送してきた前記レーザ光の波長を、２次以上の高調波に変調する機能を有することを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
- 前記光ファイバーを伝送してきた前記レーザ光と、前記レーザ変調手段により変調された前記ＵＶレーザ光とを同時に若しくは選択的に前記試料上に走査させる光学系を備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の走査型レーザ顕微鏡。
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