レーザー走査型顕微鏡
【課題】本発明では、高速波長走査を行える分光装置を備えたレーザー走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の上記課題は、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出する検出器と、前記ＫＴＮ結晶と前記検出器の間に配置される、前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜に直交した方向に開口したスリットとを備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることによって解決される。
【解決手段】本発明の上記課題は、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出する検出器と、前記ＫＴＮ結晶と前記検出器の間に配置される、前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜に直交した方向に開口したスリットとを備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることによって解決される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点レーザー走査顕微鏡は、通常の顕微鏡に比べて、分解能・コントラストが良く、試料の高さ方向にも分解能を持つことから、例えば生体試料や半導体試料の観察・測定等に広く使用されている。これを蛍光顕微鏡と組み合わせた共焦点レーザー走査蛍光顕微鏡は、レーザーによって試料内の蛍光物質の蛍光を観察する顕微鏡である。近年では共焦点レーザー走査蛍光顕微鏡において複数色（複数波長）のレーザーを試料に照射して、試料を複数の蛍光物質を使って多色に染め分けて観測する手法が多く利用される。
【０００３】
このとき、多色（多波長）の観察光を正確に測定する方法として、分光装置を用いる方法が知られている。例えば特許文献１では、回折格子（グレーティング）を用いて観察光を分光し、さらに回折格子を傾けるなどして、所望の波長範囲の強度分布を取得するといった方法が取られる。
【０００４】
しかし、上記のような回折格子などを駆動させる方法には大きな問題がある。それは回折格子などを物理的に駆動させるためには少なからず時間を要することである。すなわち、多色の観察光を測定できてはいるものの、測定の同時性は確保されていないということである。
【０００５】
特に、近年の生体試料観察では生きたままの試料における生体反応や生体活動を観察することが主流になりつつある。このような観察では同時性の確保は非常に重要な要素である。このような状況により、高速駆動する分光装置が求められていた。
【特許文献１】特開２００４−２１２６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、上記の技術的問題に鑑み、高速波長走査を行える分光装置を備えたレーザー走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記課題は、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出する検出器と、前記ＫＴＮ結晶と前記検出器の間に配置される、前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜に直交した方向に開口したスリットとを備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることによって達成される。本構成では検出波長の切り換え時に機械的な駆動を伴わないので、動作が非常に高速である。
【０００８】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された１次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記射出光の検出波長を動的に切り換えることによっても達成される。
【０００９】
さらに、前記ＫＴＮ結晶に入射する観察光は、偏光ビームスプリッターとλ／２板を組み合わせて、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の直線偏光に変換された後に前記ＫＴＮ結晶に入射されることは望ましい。この構成により、ＫＴＮ結晶の持つ偏光特性により生じるロスを低減することができる。
【００１０】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、前記第二のＫＴＮ結晶から射出された前記射出光を検出するための２次元配列検出器を備えることも望ましい。この構成によれば前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することが可能となる。
【００１１】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、前記第一のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第一の１次元配列検出器と、前記第二のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第二の１次元配列検出器を備えることも望ましい。この構成によっても前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することが可能となる。
【００１２】
さらに、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための２次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電界を回転させることにより、前記ＫＴＮ結晶から射出される前記射出光の分光方向を回転させることによって波長分布とその時間変化を検出することも望ましい。この構成によれば、分光によって波長分布を取得しながら、分光方向を高速回転させてその時間変化を取得することができる。
【００１３】
さらに、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を反射する多面鏡と、前記多面鏡から反射された反射光を集光させるレンズと、前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換えることも好ましい。
【００１４】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の多面鏡と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の多面鏡と、前記第一の多面鏡から反射された反射光と前記第二の多面鏡から反射された反射光を同時に集光させるレンズと、前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換え、波長分布と偏光の比率を同時に検出することもできる。
【００１５】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に直交した方向に開口したスリットと、前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることも考えられる。
【００１６】
さらに、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に配列された１次元配列検出器と、前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることも考えられる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高速波長走査を行える分光装置を備えたレーザー走査型顕微鏡が提供される。
また、本発明によるレーザー走査型顕微鏡の一形態では、偏光異方性と波長分布が同時に取得できる。
【００１８】
さらに、本発明によるレーザー走査型顕微鏡の一形態では、波長分布と時間分解測定を同時に実行できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施に利用される一般的な形のレーザー走査型顕微鏡の模式図である。同図における顕微鏡本体１は、ステージ２上の試料３を、対物レンズ４を使って観察する。そして顕微鏡本体１にはスキャンユニット５が接続され、スキャンユニット５にはレーザーユニット６からファイバーケーブル７を通してレーザーが導入され内部でレーザー走査が行われる。上記のような構成をする理由は一般的なレーザーユニットは大型の装置となるので顕微鏡本体に直接備え付けることができないからである。さらにコンピュータ端末８が備えられ、スキャンユニット５やレーザーユニット６の制御と得られた検出結果の可視化に利用される。
【００２０】
図２は従来のレーザー走査型顕微鏡の内部構成を説明する概略図である。通常のレーザー走査型顕微鏡ではレーザー光源として例えばアルゴンイオンレーザー（488nm）とＨｅ−Ｎｅグリーンレーザー(543nm)とＨｅ−Ｎｅレーザー(633nm)などの複数のレーザー光源９を搭載し、ダイクロイックミラー１０を組み合わせることによって同一光路に合成することによって一つのレーザーユニット６を構成する。一つの光路に合成されたレーザーはＡＯＴＦ（Acousto-optic tunable filters）１２によって光量調節などを行った後にファイバーカップリング機構１３を経由してファイバーケーブル７に導入される。
【００２１】
ファイバーケーブル７からスキャンユニット５に導入されたレーザーはダイクロイックミラー１５によって、対物レンズ４方向へ反射される。その光路の途中にはガルバノミラー１６、瞳投影レンズ１７、結像レンズ１８が配置され、レーザーを走査する機能が備えられている。
【００２２】
試料からの観察光は逆の光路を通り、ダイクロイックミラー１５を通過して検出光路に入る。検出光路内には結像レンズ２０が配置され、観察光は共焦点ピンホール２１に結像され、これを通過した観察光を回折格子（グレーディング）２２によって分光した後に、検出器（フォトマルチプライヤ）２５によって所望の波長の観察光を検出する。ここで、図中の符号２３、２４は、それぞれ凹面ミラーとスリットである。このとき、回折格子２２と凹面ミラー２３の角度を変える、あるはスリット２４を可変にすることによって取得波長帯域を変えることができる。
【００２３】
なお、図中の符号１１、１４、１９は光路を曲げるためのミラーである。
本発明は、回折格子２２や凹面ミラー２３あるはスリット２４の駆動に伴う時間のロスをＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶に交換することによって大幅に短縮する。そこで、図３を使ってＫＴＮ結晶の働きについて説明する。
【００２４】
ＫＴＮ結晶２６は電圧の印加により屈折率の変化（光電効果）する光学素子である。その原理は以下の通りである。２つの電極２７によって電圧が印加されることによって電界傾斜２８が発生する。その結果、ＫＴＮ結晶２６内に屈折率分布が生じる。そしてこの屈折率分布によって入射光が偏向する仕組みである。
【００２５】
ただし、ＫＴＮ結晶２６のこの作用には偏光特性がある。つまり、有効な入射方向の直線偏光のみにしか上述の作用は起こらない。
図４はＫＴＮ結晶２６にランダム偏光が入射した場合の作用を説明する図である。同図において実線で示されるのは有効直線偏光であり、上述の通り電界方向に偏向される。一方、有効入射方向と直交する成分は異なる振る舞いをする。この直交成分のうち大部分は直行し、残りは有効直線偏光と反対（およそ1/8の振り角）に偏向させる。つまり、ＫＴＮ結晶２６にランダム偏光が入射した場合は電界方向に光線が分離される。
【００２６】
次に、ＫＴＮ結晶２６を使って波長選択を行うための基本構成を、図５を使って説明する。一般的な光学素子と同様にＫＴＮ結晶２６も分散を持つ。すなわち、多波長光線を入射した場合は、波長ごとに分解されて射出される。そこで、射出光の一部をスリット２９や開口で抜き出すことにより、所望の波長の光線のみを選択することができる。また、電極２７に印加する電圧の制御によりＫＴＮ結晶２６の屈折率分布は変えることができるので、スリット２９を動かすことなく選択波長を変更することができる。この操作は物質的な駆動を伴わないので、作動が高速である。
【００２７】
以下では、レーザー走査型顕微鏡においてＫＴＮ結晶２６を分光に利用した本発明の実施例について説明する。ここでは、スキャンユニット５の内部構成についてのみの説明をするが、それ以外の部位は従来と同様の構成としてよい。
【実施例１】
【００２８】
図６は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。同図において、レーザーユニットからファイバーケーブルを通じて導入された多波長レーザー光は、ダイクロイックミラー１５によって、対物レンズ４方向へ反射される。試料からの観察光は逆にダイクロイックミラー１５を通過し、結像レンズ２０によって共焦点ピンホール２１に集光される。
【００２９】
本発明のこの実施例では、共焦点ピンホール２１の後段にＫＴＮ結晶２６を配置した構成をとる。先述のとおり、ＫＴＮ結晶２６は入射光を分光して射出する働きを持つ。分光された観察光を凹面鏡２３によって並行化してスリット２４に照射する。このとき、凹面鏡２３の代わりにレンズなどを使った構成をしてもよいが、分光された光を扱うには色収差が発生しないミラーの方が好ましい。
【００３０】
スリット２４の開口部に照射される観察光は一定の波長帯域に限られるので、スリット２４の後段に配置された検出器２５（フォトマルが好ましい）には一定の波長帯域に限られた観察光が検出される。このときに、ＫＴＮ結晶２６に印加する電圧を制御することによって、スリット２４の開口部に照射される波長帯域を調節することができる。
【実施例２】
【００３１】
図７は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成は実施例１の構成において、ＫＴＮ結晶の偏光特性による光量のロスを防ぐ構成となっている。よって、実施例１と同じ構成部は説明を省く。
【００３２】
本発明のこの実施例では、共焦点ピンホール２１とＫＴＮ結晶２６の間に観察光を直線偏光に変換する仕組みを配置した構成をとる。具体的には偏光ビームスプリッター３０とλ／２板３１を組み合わせた構成が考えられる。まず偏光ビームスプリッター３０によってＫＴＮ結晶２６の有効方向の直線偏光とその直交方向の直線偏光に分離する。その後、有効方向に直交した直線偏光をλ／２板３１を使って偏光面を９０度回転させる。その後、合成光学部材３２によって二つの直線偏光を合成する。なお、偏光ビームスプリッター３０から合成光学部材３２までの光路はミラーなどによって適切に導かれなければいけないが、図中では省略する。
【００３３】
本実施例によれば、ＫＴＮ結晶の偏光特性による光量のロスを抑えることができる。
【実施例３】
【００３４】
図８は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成は実施例１の構成において、フォトマルのような検出器２５の代わりにラインセンサのような１次元的な検出器３３を配置する。この構成によって、分光された観察光の波長分布を一度に取得できる。
【実施例４】
【００３５】
図９は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成は実施例２の構成において、フォトマルのような検出器２５の代わりにラインセンサのような１次元的な検出器３３を配置する。この構成によって、分光された観察光の波長分布を一度に取得でき、かつＫＴＮ結晶の偏光特性による光量のロスを抑えることができる。
【実施例５】
【００３６】
図１０は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成はＫＴＮ結晶の偏光特性を使うことによって、波長分布と偏光の比率を一度に取得できる。
【００３７】
ＫＴＮ結晶は電圧を印加する方向に入射光を曲げることができ、かつその方向に分光する。しかもＫＴＮ結晶は有効方向の直線偏光にのみ作用する。そこで電圧を印加する方向を互いに直交させた２つのＫＴＮ結晶２６と２６’によって直交成分ごとに観察光を分光する。この結果、射出された観察光は２つの方向に分離され、かつ分光される。つまり、ＣＣＤのような２次元の検出器３４によって検出をすれば、Ｌ字型に分光された観察結果が得られる。このとき、縦方向と横方向の光強度は偏光の度合いを表す。
【００３８】
本構成によれば、波長分布と偏光の比率を一度に取得できるので蛍光偏光やＨｏｍｏ−ＦＲＥＴなどの生体観察アプリケーションに好適である。
【実施例６】
【００３９】
図１１（ａ）は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成はＫＴＮ結晶に印加する電場を制御することによって、波長分布とその時間変化を一度に取得できる。
【００４０】
ＫＴＮ結晶の構造は立方晶であり、光学異方性を持たない。すなわち、入射光の屈折方向は印加される電場の方向だけで決まる。本構成では図１１（ｂ）に示されるように入射面から見たときの上下左右に電極２６を配置し、上下の電位差と左右の電位差を制御することによってＫＴＮ結晶２６内に全方向の電場を発生することができるような構成をとる。例えばこのとき、上下の電位差と左右の電位差を４分の１位相だけずらして振動させれば、入射されたランダム偏光は回転しながら射出される。このとき、射出光は回転の半径方向に分光されている。つまり、図１１（ａ）に示されるようにＫＴＮ結晶２６の射出側にＣＣＤのような２次元配列検出器３４を配置すれば、波長分布とその時間変化を一度に取得できる。
【実施例７】
【００４１】
図１２はＫＴＮ結晶による分光方法の一形態に関して説明する。同図はＫＴＮ結晶２６の印加電圧を制御することによって射出光の偏向角を変化させたときに、検出面での分散が異なるように構成した実施例を表す。
【００４２】
同図に示される構成例では、結像レンズ２０と共焦点ピンホール２１を通過した観察光はＫＴＮ結晶２６に入射される。ＫＴＮ結晶２６から射出された分光光線は多面鏡３５によって反射され、レンズ３６を通じて１次元配列検出器３１によって検出される。また、ＫＴＮ結晶２６から射出された分光光線は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）で代表的に示され、それぞれ実線矢印と破線矢印の２種類で偏向角が異なるときの光路を示している。
【００４３】
実線矢印で示される偏向角の射出光と破線矢印で示される偏向角の射出光は多面鏡３５の異なる面によって反射される。このとき、中心波長（この例ではＧの光線）の反射光は平行になるように多面鏡３５の角度を設定しておく。すると、後段のレンズ３６によって中心波長の光線は検出器の同じ点に常に集光する。一方、中心波長以外の光線は多面鏡３５によって反射されたときの角度が一定に保たれないので、レンズ３６によって集光される位置が一定に保たれない。すなわち、ＫＴＮ結晶２６での偏向角の違いによって、検出面での分散が異なる構成となっている。
【００４４】
つまり上記構成によれば、１次元配列検出器３１の１画素あたりの取得波長領域をＫＴＮ結晶２６への印加電圧の制御によって行える。
【実施例８】
【００４５】
図１３は実施例７のＫＴＮ結晶による分光方法の発展形について説明する。本実施例では実施例７の効果に加えて、実施例５の効果が得られる。すなわち、検出面での分散量を変化させると同時に偏光の比率も得ることができる。なお、実施例同図においても図１２と同様に分光された光線を赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の矢印によって代表的に示す。
【００４６】
先述のようにＫＴＮ結晶２６は有効方向の直線偏光を偏向する事ができるが、そうではない偏光成分を透過させてしまう。本実施例では透過してしまった直線偏光を再度ＫＴＮ結晶２６に入射する構成を特徴とする。
【００４７】
結像レンズ２０と共焦点ピンホール２１を通過した観察光はＫＴＮ結晶２６に入射される。このとき、有効方向の直線偏光の光路に関しては実施例７と同様である。ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は多面鏡３５によって反射され、レンズ３６によって１次元配列検出器３１上に集光される。ここで、有効方向の直線偏光の光路に関しては図中で破線矢印によって記される。なお、１次元配列検出器３１の代わりに２次元配列検出器を利用することも考えられる。
【００４８】
一方、有効方向と直交した成分の直線偏光はＫＴＮ結晶２６を透過した後に、λ／４板に反射膜コーティングを施したλ／４＋ミラー３７によって反射され、再びＫＴＮ結晶２６に逆方向から入射される。このとき、有効方向と直交した成分の直線偏光はλ／４を往復で２回通過することにより、偏光が９０度回転される。すなわち、今度は有効方向の直線偏光になってＫＴＮ結晶２６に入射され、ＫＴＮ結晶２６によって分光される。このときの光路は図中で実線矢印によって記され、破線矢印と鏡像の関係となる光路となる。つまり、ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は多面鏡３５によって反射され、レンズ３６によって１次元配列検出器３１上に集光される。
【００４９】
上記の構成によれば、１次元配列検出器３１上で分散量を変化させると同時に偏光の比率も得ることができる。なお、１次元配列検出器３１の代わりに、スリットと検出器の組み合わせを二組配置してもよい。
【実施例９】
【００５０】
図１４はＫＴＮ結晶による分光方法の異なる形態について説明する。本実施例では実施例１に実施例７のアイデアを加えた構成となっている。そして、本実施例は実施例２と同じ効果を持つ、異なる実施例となっている。つまり、本実施例においてもＫＴＮ結晶の持つ偏光特性による光量のロスを防ぐことができる。
【００５１】
共焦点ピンホール２１を通過した観察光はＫＴＮ結晶２６に入射される。このとき、有効方向の直線偏光の光路に関しては実施例１と同様である。ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は凹面鏡２３によって反射され、スリット２４によって所望の波長を選択され、検出器２５によって検出される。ここで、有効方向の直線偏光の光路に関しては図中で実線矢印によって記される。
【００５２】
一方、有効方向と直交した成分の直線偏光はＫＴＮ結晶２６を透過した後に、λ／４板に反射膜コーティングを施したλ／４＋ミラー３７によって反射され、再びＫＴＮ結晶２６に逆方向から入射される。このとき、有効方向と直交した成分の直線偏光はλ／４を往復で２回通過することにより、偏光が９０度回転される。すなわち、今度は有効方向の直線偏光になってＫＴＮ結晶２６に入射され、ＫＴＮ結晶２６によって分光される。このときの光路は図中で実線矢印によって記され、破線矢印と鏡像の関係となる光路となる。すなわち、ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は凹面鏡２３によって反射され、スリット２４によって所望の波長を選択され、検出器２５によって検出される。このとき、スリット２４と検出器２５は両光路によって共有され、分光された波長が重なり合うように設計することにより、検出器２５にはロスの少ない光量が到達される。
【００５３】
上記の構成によれば、ＫＴＮ結晶の持つ偏光特性による光量のロスを防ぐことができる。なお、検出器２５とスリット２４の代わりに、一次元配列検出器を配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】一般的な形のレーザー走査型顕微鏡の模式図である。
【図２】従来のレーザー走査型顕微鏡の内部構成を説明する概略図である。
【図３】ＫＴＮ結晶の働きについて説明する図である。
【図４】ＫＴＮ結晶にランダム偏光が入射した場合の作用を説明する図である。
【図５】ＫＴＮ結晶を使って波長選択を行うための基本構成の図である。
【図６】本発明の実施例１によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図７】本発明の実施例２によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図８】本発明の実施例３によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図９】本発明の実施例４によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図１０】本発明の実施例５によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図１１】本発明の実施例６によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図１２】本発明の実施例７による分光の概略図である。
【図１３】本発明の実施例８による分光の概略図である。
【図１４】本発明の実施例９による分光の概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・顕微鏡本体
２・・・ステージ
３・・・試料
４・・・対物レンズ
５・・・スキャンユニット
６・・・レーザーユニット
７・・・ファイバーケーブル
８・・・コンピュータ端末
９・・・レーザー光源
１０・・・ダイクロイックミラー
１１・・・ミラー
１２・・・ＡＯＴＦ
１３・・・ファイバーカップリング機構
１４・・・ミラー
１５・・・ダイクロイックミラー
１６・・・ガルバノミラー
１７・・・瞳投影レンズ
１８・・・結像レンズ
１９・・・ミラー
２０・・・結像レンズ
２１・・・共焦点ピンホール
２２・・・ダイクロイックミラー
２３・・・凹面ミラー
２４・・・スリット
２５・・・検出器
２６・・・ＫＴＮ結晶
２７・・・電極
２８・・・電界傾斜
２９・・・スリット
３０・・・偏光ビームスプリッター
３１・・・λ／２板
３２・・・合成光学部材
３３・・・１次元配列検出器
３４・・・２次元配列検出器
３５・・・多面鏡
３６・・・レンズ
３７・・・λ／４板＋ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点レーザー走査顕微鏡は、通常の顕微鏡に比べて、分解能・コントラストが良く、試料の高さ方向にも分解能を持つことから、例えば生体試料や半導体試料の観察・測定等に広く使用されている。これを蛍光顕微鏡と組み合わせた共焦点レーザー走査蛍光顕微鏡は、レーザーによって試料内の蛍光物質の蛍光を観察する顕微鏡である。近年では共焦点レーザー走査蛍光顕微鏡において複数色（複数波長）のレーザーを試料に照射して、試料を複数の蛍光物質を使って多色に染め分けて観測する手法が多く利用される。
【０００３】
このとき、多色（多波長）の観察光を正確に測定する方法として、分光装置を用いる方法が知られている。例えば特許文献１では、回折格子（グレーティング）を用いて観察光を分光し、さらに回折格子を傾けるなどして、所望の波長範囲の強度分布を取得するといった方法が取られる。
【０００４】
しかし、上記のような回折格子などを駆動させる方法には大きな問題がある。それは回折格子などを物理的に駆動させるためには少なからず時間を要することである。すなわち、多色の観察光を測定できてはいるものの、測定の同時性は確保されていないということである。
【０００５】
特に、近年の生体試料観察では生きたままの試料における生体反応や生体活動を観察することが主流になりつつある。このような観察では同時性の確保は非常に重要な要素である。このような状況により、高速駆動する分光装置が求められていた。
【特許文献１】特開２００４−２１２６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、上記の技術的問題に鑑み、高速波長走査を行える分光装置を備えたレーザー走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記課題は、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出する検出器と、前記ＫＴＮ結晶と前記検出器の間に配置される、前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜に直交した方向に開口したスリットとを備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることによって達成される。本構成では検出波長の切り換え時に機械的な駆動を伴わないので、動作が非常に高速である。
【０００８】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された１次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記射出光の検出波長を動的に切り換えることによっても達成される。
【０００９】
さらに、前記ＫＴＮ結晶に入射する観察光は、偏光ビームスプリッターとλ／２板を組み合わせて、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の直線偏光に変換された後に前記ＫＴＮ結晶に入射されることは望ましい。この構成により、ＫＴＮ結晶の持つ偏光特性により生じるロスを低減することができる。
【００１０】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、前記第二のＫＴＮ結晶から射出された前記射出光を検出するための２次元配列検出器を備えることも望ましい。この構成によれば前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することが可能となる。
【００１１】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、前記第一のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第一の１次元配列検出器と、前記第二のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第二の１次元配列検出器を備えることも望ましい。この構成によっても前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することが可能となる。
【００１２】
さらに、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための２次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電界を回転させることにより、前記ＫＴＮ結晶から射出される前記射出光の分光方向を回転させることによって波長分布とその時間変化を検出することも望ましい。この構成によれば、分光によって波長分布を取得しながら、分光方向を高速回転させてその時間変化を取得することができる。
【００１３】
さらに、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を反射する多面鏡と、前記多面鏡から反射された反射光を集光させるレンズと、前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換えることも好ましい。
【００１４】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の多面鏡と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の多面鏡と、前記第一の多面鏡から反射された反射光と前記第二の多面鏡から反射された反射光を同時に集光させるレンズと、前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換え、波長分布と偏光の比率を同時に検出することもできる。
【００１５】
また、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に直交した方向に開口したスリットと、前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることも考えられる。
【００１６】
さらに、観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に配列された１次元配列検出器と、前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることも考えられる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高速波長走査を行える分光装置を備えたレーザー走査型顕微鏡が提供される。
また、本発明によるレーザー走査型顕微鏡の一形態では、偏光異方性と波長分布が同時に取得できる。
【００１８】
さらに、本発明によるレーザー走査型顕微鏡の一形態では、波長分布と時間分解測定を同時に実行できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施に利用される一般的な形のレーザー走査型顕微鏡の模式図である。同図における顕微鏡本体１は、ステージ２上の試料３を、対物レンズ４を使って観察する。そして顕微鏡本体１にはスキャンユニット５が接続され、スキャンユニット５にはレーザーユニット６からファイバーケーブル７を通してレーザーが導入され内部でレーザー走査が行われる。上記のような構成をする理由は一般的なレーザーユニットは大型の装置となるので顕微鏡本体に直接備え付けることができないからである。さらにコンピュータ端末８が備えられ、スキャンユニット５やレーザーユニット６の制御と得られた検出結果の可視化に利用される。
【００２０】
図２は従来のレーザー走査型顕微鏡の内部構成を説明する概略図である。通常のレーザー走査型顕微鏡ではレーザー光源として例えばアルゴンイオンレーザー（488nm）とＨｅ−Ｎｅグリーンレーザー(543nm)とＨｅ−Ｎｅレーザー(633nm)などの複数のレーザー光源９を搭載し、ダイクロイックミラー１０を組み合わせることによって同一光路に合成することによって一つのレーザーユニット６を構成する。一つの光路に合成されたレーザーはＡＯＴＦ（Acousto-optic tunable filters）１２によって光量調節などを行った後にファイバーカップリング機構１３を経由してファイバーケーブル７に導入される。
【００２１】
ファイバーケーブル７からスキャンユニット５に導入されたレーザーはダイクロイックミラー１５によって、対物レンズ４方向へ反射される。その光路の途中にはガルバノミラー１６、瞳投影レンズ１７、結像レンズ１８が配置され、レーザーを走査する機能が備えられている。
【００２２】
試料からの観察光は逆の光路を通り、ダイクロイックミラー１５を通過して検出光路に入る。検出光路内には結像レンズ２０が配置され、観察光は共焦点ピンホール２１に結像され、これを通過した観察光を回折格子（グレーディング）２２によって分光した後に、検出器（フォトマルチプライヤ）２５によって所望の波長の観察光を検出する。ここで、図中の符号２３、２４は、それぞれ凹面ミラーとスリットである。このとき、回折格子２２と凹面ミラー２３の角度を変える、あるはスリット２４を可変にすることによって取得波長帯域を変えることができる。
【００２３】
なお、図中の符号１１、１４、１９は光路を曲げるためのミラーである。
本発明は、回折格子２２や凹面ミラー２３あるはスリット２４の駆動に伴う時間のロスをＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶に交換することによって大幅に短縮する。そこで、図３を使ってＫＴＮ結晶の働きについて説明する。
【００２４】
ＫＴＮ結晶２６は電圧の印加により屈折率の変化（光電効果）する光学素子である。その原理は以下の通りである。２つの電極２７によって電圧が印加されることによって電界傾斜２８が発生する。その結果、ＫＴＮ結晶２６内に屈折率分布が生じる。そしてこの屈折率分布によって入射光が偏向する仕組みである。
【００２５】
ただし、ＫＴＮ結晶２６のこの作用には偏光特性がある。つまり、有効な入射方向の直線偏光のみにしか上述の作用は起こらない。
図４はＫＴＮ結晶２６にランダム偏光が入射した場合の作用を説明する図である。同図において実線で示されるのは有効直線偏光であり、上述の通り電界方向に偏向される。一方、有効入射方向と直交する成分は異なる振る舞いをする。この直交成分のうち大部分は直行し、残りは有効直線偏光と反対（およそ1/8の振り角）に偏向させる。つまり、ＫＴＮ結晶２６にランダム偏光が入射した場合は電界方向に光線が分離される。
【００２６】
次に、ＫＴＮ結晶２６を使って波長選択を行うための基本構成を、図５を使って説明する。一般的な光学素子と同様にＫＴＮ結晶２６も分散を持つ。すなわち、多波長光線を入射した場合は、波長ごとに分解されて射出される。そこで、射出光の一部をスリット２９や開口で抜き出すことにより、所望の波長の光線のみを選択することができる。また、電極２７に印加する電圧の制御によりＫＴＮ結晶２６の屈折率分布は変えることができるので、スリット２９を動かすことなく選択波長を変更することができる。この操作は物質的な駆動を伴わないので、作動が高速である。
【００２７】
以下では、レーザー走査型顕微鏡においてＫＴＮ結晶２６を分光に利用した本発明の実施例について説明する。ここでは、スキャンユニット５の内部構成についてのみの説明をするが、それ以外の部位は従来と同様の構成としてよい。
【実施例１】
【００２８】
図６は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。同図において、レーザーユニットからファイバーケーブルを通じて導入された多波長レーザー光は、ダイクロイックミラー１５によって、対物レンズ４方向へ反射される。試料からの観察光は逆にダイクロイックミラー１５を通過し、結像レンズ２０によって共焦点ピンホール２１に集光される。
【００２９】
本発明のこの実施例では、共焦点ピンホール２１の後段にＫＴＮ結晶２６を配置した構成をとる。先述のとおり、ＫＴＮ結晶２６は入射光を分光して射出する働きを持つ。分光された観察光を凹面鏡２３によって並行化してスリット２４に照射する。このとき、凹面鏡２３の代わりにレンズなどを使った構成をしてもよいが、分光された光を扱うには色収差が発生しないミラーの方が好ましい。
【００３０】
スリット２４の開口部に照射される観察光は一定の波長帯域に限られるので、スリット２４の後段に配置された検出器２５（フォトマルが好ましい）には一定の波長帯域に限られた観察光が検出される。このときに、ＫＴＮ結晶２６に印加する電圧を制御することによって、スリット２４の開口部に照射される波長帯域を調節することができる。
【実施例２】
【００３１】
図７は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成は実施例１の構成において、ＫＴＮ結晶の偏光特性による光量のロスを防ぐ構成となっている。よって、実施例１と同じ構成部は説明を省く。
【００３２】
本発明のこの実施例では、共焦点ピンホール２１とＫＴＮ結晶２６の間に観察光を直線偏光に変換する仕組みを配置した構成をとる。具体的には偏光ビームスプリッター３０とλ／２板３１を組み合わせた構成が考えられる。まず偏光ビームスプリッター３０によってＫＴＮ結晶２６の有効方向の直線偏光とその直交方向の直線偏光に分離する。その後、有効方向に直交した直線偏光をλ／２板３１を使って偏光面を９０度回転させる。その後、合成光学部材３２によって二つの直線偏光を合成する。なお、偏光ビームスプリッター３０から合成光学部材３２までの光路はミラーなどによって適切に導かれなければいけないが、図中では省略する。
【００３３】
本実施例によれば、ＫＴＮ結晶の偏光特性による光量のロスを抑えることができる。
【実施例３】
【００３４】
図８は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成は実施例１の構成において、フォトマルのような検出器２５の代わりにラインセンサのような１次元的な検出器３３を配置する。この構成によって、分光された観察光の波長分布を一度に取得できる。
【実施例４】
【００３５】
図９は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成は実施例２の構成において、フォトマルのような検出器２５の代わりにラインセンサのような１次元的な検出器３３を配置する。この構成によって、分光された観察光の波長分布を一度に取得でき、かつＫＴＮ結晶の偏光特性による光量のロスを抑えることができる。
【実施例５】
【００３６】
図１０は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成はＫＴＮ結晶の偏光特性を使うことによって、波長分布と偏光の比率を一度に取得できる。
【００３７】
ＫＴＮ結晶は電圧を印加する方向に入射光を曲げることができ、かつその方向に分光する。しかもＫＴＮ結晶は有効方向の直線偏光にのみ作用する。そこで電圧を印加する方向を互いに直交させた２つのＫＴＮ結晶２６と２６’によって直交成分ごとに観察光を分光する。この結果、射出された観察光は２つの方向に分離され、かつ分光される。つまり、ＣＣＤのような２次元の検出器３４によって検出をすれば、Ｌ字型に分光された観察結果が得られる。このとき、縦方向と横方向の光強度は偏光の度合いを表す。
【００３８】
本構成によれば、波長分布と偏光の比率を一度に取得できるので蛍光偏光やＨｏｍｏ−ＦＲＥＴなどの生体観察アプリケーションに好適である。
【実施例６】
【００３９】
図１１（ａ）は本発明の実施の一形態によるスキャンユニット５の内部構成の概略図である。本構成はＫＴＮ結晶に印加する電場を制御することによって、波長分布とその時間変化を一度に取得できる。
【００４０】
ＫＴＮ結晶の構造は立方晶であり、光学異方性を持たない。すなわち、入射光の屈折方向は印加される電場の方向だけで決まる。本構成では図１１（ｂ）に示されるように入射面から見たときの上下左右に電極２６を配置し、上下の電位差と左右の電位差を制御することによってＫＴＮ結晶２６内に全方向の電場を発生することができるような構成をとる。例えばこのとき、上下の電位差と左右の電位差を４分の１位相だけずらして振動させれば、入射されたランダム偏光は回転しながら射出される。このとき、射出光は回転の半径方向に分光されている。つまり、図１１（ａ）に示されるようにＫＴＮ結晶２６の射出側にＣＣＤのような２次元配列検出器３４を配置すれば、波長分布とその時間変化を一度に取得できる。
【実施例７】
【００４１】
図１２はＫＴＮ結晶による分光方法の一形態に関して説明する。同図はＫＴＮ結晶２６の印加電圧を制御することによって射出光の偏向角を変化させたときに、検出面での分散が異なるように構成した実施例を表す。
【００４２】
同図に示される構成例では、結像レンズ２０と共焦点ピンホール２１を通過した観察光はＫＴＮ結晶２６に入射される。ＫＴＮ結晶２６から射出された分光光線は多面鏡３５によって反射され、レンズ３６を通じて１次元配列検出器３１によって検出される。また、ＫＴＮ結晶２６から射出された分光光線は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）で代表的に示され、それぞれ実線矢印と破線矢印の２種類で偏向角が異なるときの光路を示している。
【００４３】
実線矢印で示される偏向角の射出光と破線矢印で示される偏向角の射出光は多面鏡３５の異なる面によって反射される。このとき、中心波長（この例ではＧの光線）の反射光は平行になるように多面鏡３５の角度を設定しておく。すると、後段のレンズ３６によって中心波長の光線は検出器の同じ点に常に集光する。一方、中心波長以外の光線は多面鏡３５によって反射されたときの角度が一定に保たれないので、レンズ３６によって集光される位置が一定に保たれない。すなわち、ＫＴＮ結晶２６での偏向角の違いによって、検出面での分散が異なる構成となっている。
【００４４】
つまり上記構成によれば、１次元配列検出器３１の１画素あたりの取得波長領域をＫＴＮ結晶２６への印加電圧の制御によって行える。
【実施例８】
【００４５】
図１３は実施例７のＫＴＮ結晶による分光方法の発展形について説明する。本実施例では実施例７の効果に加えて、実施例５の効果が得られる。すなわち、検出面での分散量を変化させると同時に偏光の比率も得ることができる。なお、実施例同図においても図１２と同様に分光された光線を赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の矢印によって代表的に示す。
【００４６】
先述のようにＫＴＮ結晶２６は有効方向の直線偏光を偏向する事ができるが、そうではない偏光成分を透過させてしまう。本実施例では透過してしまった直線偏光を再度ＫＴＮ結晶２６に入射する構成を特徴とする。
【００４７】
結像レンズ２０と共焦点ピンホール２１を通過した観察光はＫＴＮ結晶２６に入射される。このとき、有効方向の直線偏光の光路に関しては実施例７と同様である。ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は多面鏡３５によって反射され、レンズ３６によって１次元配列検出器３１上に集光される。ここで、有効方向の直線偏光の光路に関しては図中で破線矢印によって記される。なお、１次元配列検出器３１の代わりに２次元配列検出器を利用することも考えられる。
【００４８】
一方、有効方向と直交した成分の直線偏光はＫＴＮ結晶２６を透過した後に、λ／４板に反射膜コーティングを施したλ／４＋ミラー３７によって反射され、再びＫＴＮ結晶２６に逆方向から入射される。このとき、有効方向と直交した成分の直線偏光はλ／４を往復で２回通過することにより、偏光が９０度回転される。すなわち、今度は有効方向の直線偏光になってＫＴＮ結晶２６に入射され、ＫＴＮ結晶２６によって分光される。このときの光路は図中で実線矢印によって記され、破線矢印と鏡像の関係となる光路となる。つまり、ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は多面鏡３５によって反射され、レンズ３６によって１次元配列検出器３１上に集光される。
【００４９】
上記の構成によれば、１次元配列検出器３１上で分散量を変化させると同時に偏光の比率も得ることができる。なお、１次元配列検出器３１の代わりに、スリットと検出器の組み合わせを二組配置してもよい。
【実施例９】
【００５０】
図１４はＫＴＮ結晶による分光方法の異なる形態について説明する。本実施例では実施例１に実施例７のアイデアを加えた構成となっている。そして、本実施例は実施例２と同じ効果を持つ、異なる実施例となっている。つまり、本実施例においてもＫＴＮ結晶の持つ偏光特性による光量のロスを防ぐことができる。
【００５１】
共焦点ピンホール２１を通過した観察光はＫＴＮ結晶２６に入射される。このとき、有効方向の直線偏光の光路に関しては実施例１と同様である。ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は凹面鏡２３によって反射され、スリット２４によって所望の波長を選択され、検出器２５によって検出される。ここで、有効方向の直線偏光の光路に関しては図中で実線矢印によって記される。
【００５２】
一方、有効方向と直交した成分の直線偏光はＫＴＮ結晶２６を透過した後に、λ／４板に反射膜コーティングを施したλ／４＋ミラー３７によって反射され、再びＫＴＮ結晶２６に逆方向から入射される。このとき、有効方向と直交した成分の直線偏光はλ／４を往復で２回通過することにより、偏光が９０度回転される。すなわち、今度は有効方向の直線偏光になってＫＴＮ結晶２６に入射され、ＫＴＮ結晶２６によって分光される。このときの光路は図中で実線矢印によって記され、破線矢印と鏡像の関係となる光路となる。すなわち、ＫＴＮ結晶２６を射出した分光光線は凹面鏡２３によって反射され、スリット２４によって所望の波長を選択され、検出器２５によって検出される。このとき、スリット２４と検出器２５は両光路によって共有され、分光された波長が重なり合うように設計することにより、検出器２５にはロスの少ない光量が到達される。
【００５３】
上記の構成によれば、ＫＴＮ結晶の持つ偏光特性による光量のロスを防ぐことができる。なお、検出器２５とスリット２４の代わりに、一次元配列検出器を配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】一般的な形のレーザー走査型顕微鏡の模式図である。
【図２】従来のレーザー走査型顕微鏡の内部構成を説明する概略図である。
【図３】ＫＴＮ結晶の働きについて説明する図である。
【図４】ＫＴＮ結晶にランダム偏光が入射した場合の作用を説明する図である。
【図５】ＫＴＮ結晶を使って波長選択を行うための基本構成の図である。
【図６】本発明の実施例１によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図７】本発明の実施例２によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図８】本発明の実施例３によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図９】本発明の実施例４によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図１０】本発明の実施例５によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図１１】本発明の実施例６によるスキャンユニットの内部構成の概略図である。
【図１２】本発明の実施例７による分光の概略図である。
【図１３】本発明の実施例８による分光の概略図である。
【図１４】本発明の実施例９による分光の概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・顕微鏡本体
２・・・ステージ
３・・・試料
４・・・対物レンズ
５・・・スキャンユニット
６・・・レーザーユニット
７・・・ファイバーケーブル
８・・・コンピュータ端末
９・・・レーザー光源
１０・・・ダイクロイックミラー
１１・・・ミラー
１２・・・ＡＯＴＦ
１３・・・ファイバーカップリング機構
１４・・・ミラー
１５・・・ダイクロイックミラー
１６・・・ガルバノミラー
１７・・・瞳投影レンズ
１８・・・結像レンズ
１９・・・ミラー
２０・・・結像レンズ
２１・・・共焦点ピンホール
２２・・・ダイクロイックミラー
２３・・・凹面ミラー
２４・・・スリット
２５・・・検出器
２６・・・ＫＴＮ結晶
２７・・・電極
２８・・・電界傾斜
２９・・・スリット
３０・・・偏光ビームスプリッター
３１・・・λ／２板
３２・・・合成光学部材
３３・・・１次元配列検出器
３４・・・２次元配列検出器
３５・・・多面鏡
３６・・・レンズ
３７・・・λ／４板＋ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出する検出器と、
前記ＫＴＮ結晶と前記検出器の間に配置される、前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜に直交した方向に開口したスリットとを備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項２】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された１次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のレーザー走査型顕微鏡において、
前記ＫＴＮ結晶に入射する観察光は、偏光ビームスプリッターとλ／２板を組み合わせて、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の直線偏光に変換された後に前記ＫＴＮ結晶に入射されることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項４】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、
前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、
前記第二のＫＴＮ結晶から射出された前記射出光を検出するための２次元配列検出器を備え、
前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項５】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、
前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、
前記第一のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第一の１次元配列検出器と
前記第二のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第二の１次元配列検出器を備え、
前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項６】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための２次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電界を回転させることにより、前記ＫＴＮ結晶から射出される前記射出光の分光方向を回転させることによって波長分布とその時間変化を検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項７】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を反射する多面鏡と、
前記多面鏡から反射された反射光を集光させるレンズと、
前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項８】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の多面鏡と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、
前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の多面鏡と、
前記第一の多面鏡から反射された反射光と前記第二の多面鏡から反射された反射光を同時に集光させるレンズと、
前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換え、波長分布と偏光の比率を同時に検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項９】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、
前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、
前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に直交した方向に開口したスリットと、
前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項１０】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、
前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、
前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に配列された１次元配列検出器と、
前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項１】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出する検出器と、
前記ＫＴＮ結晶と前記検出器の間に配置される、前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜に直交した方向に開口したスリットとを備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項２】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための前記ＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された１次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のレーザー走査型顕微鏡において、
前記ＫＴＮ結晶に入射する観察光は、偏光ビームスプリッターとλ／２板を組み合わせて、前記ＫＴＮ結晶の有効方向の直線偏光に変換された後に前記ＫＴＮ結晶に入射されることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項４】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、
前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、
前記第二のＫＴＮ結晶から射出された前記射出光を検出するための２次元配列検出器を備え、
前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項５】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出する第一のＫＴＮ結晶と、
前記第一のＫＴＮ結晶によって分光された射出光を、前記射出光の分光方向と直交する方向にさらに分光して射出する第二のＫＴＮ結晶と、
前記第一のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第一の１次元配列検出器と
前記第二のＫＴＮ結晶の屈折率傾斜方向に配列された第二の１次元配列検出器を備え、
前記観察光の波長分布と偏光の比率を同時に検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項６】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を検出するための２次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電界を回転させることにより、前記ＫＴＮ結晶から射出される前記射出光の分光方向を回転させることによって波長分布とその時間変化を検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項７】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶から射出された射出光を反射する多面鏡と、
前記多面鏡から反射された反射光を集光させるレンズと、
前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項８】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の多面鏡と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、
前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の多面鏡と、
前記第一の多面鏡から反射された反射光と前記第二の多面鏡から反射された反射光を同時に集光させるレンズと、
前記レンズの集光面に配置され、前記観察光の分光方向に配列された１次元配列検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記観察光の分散を動的に切り換え、波長分布と偏光の比率を同時に検出することを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項９】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、
前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、
前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に直交した方向に開口したスリットと、
前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項１０】
観察光を分光して検出するレーザー走査型顕微鏡において、
前記観察光を分散特性によって分光して射出するＫＴＮ結晶と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向の偏光成分を偏向して射出された第一の射出光を反射する第一の凹面鏡と、
前記ＫＴＮ結晶の有効方向と直交する偏光成分を偏向せずに射出された第二の射出光の偏光面を９０度回転させて再び前記ＫＴＮ結晶に入射するためのλ／４板と反射部材の組み合わせと、
前記反射部材から入射された直線偏光を偏向して射出された第二の射出光を反射する第二の凹面鏡と、
前記第一の凹面鏡から反射された反射光と前記第二の凹面鏡から反射された反射光の共通光路上に配置され、分光方向に配列された１次元配列検出器と、
前記スリットによって所望の波長を選択して検出する検出器を備え、
前記ＫＴＮ結晶に印加する電圧を制御することによって、前記スリットを通過する前記射出光の検出波長を動的に切り換えることを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−１９７１７８（Ｐ２００８−１９７１７８Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９７５８（Ｐ２００７−２９７５８）
【出願日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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