JP5484879B2 - 超解像顕微鏡 - Google Patents
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Description
前記物質を安定状態から第1量子状態に励起するための第1照明光、および、前記物質を更に他の量子状態に遷移させるための第2照明光を射出する光源部と、
該光源部から射出された前記第1照明光および前記第2照明光を前記試料に一部重ね合わせて集光する、顕微鏡対物レンズを含む光学系と、
前記第1照明光および前記第2照明光の集光により前記試料から発光する光応答信号を検出する検出部と、
前記第1照明光または前記第2照明光の偏光状態を変換する偏光部材、および前記第2照明光の位相を空間変調し、前記偏光部材と一体化されて形成された位相変調部を有する偏光制御素子とを備え、
前記偏光制御素子は、光軸方向に見て同心円状に分割された前記位相変調部と該位相変調部の外側に位置する他の領域とを備え、前記位相変調部を通過した前記第2照明光と前記他の領域を通過した前記第2照明光とは、電場振幅において符号が反転し、
前記物質は蛍光物質であり、
前記第2照明光は、前記蛍光物質の蛍光のスペクトルを変化させる波長であり、
前記検出部は、前記第1照明光の照射により前記蛍光物質から発光する蛍光のスペクトルを透過させ、前記第2照明光の照射により前記蛍光物質から発光する蛍光のスペクトルを遮断する波長帯域選択部を有する、
ことを特徴とするものである。
前記位相変調部は、前記第1照明光に対しては反射作用または透過型の位相変調作用を有し、前記第2照明光に対しては透過型の位相変調作用を有する多層膜からなる、
ことを特徴とするものである。
前記偏光制御素子は、前記第2照明光の光軸に関して回転可能である、
ことを特徴とするものである。
前記偏光部材は、前記第2照明光に対して1/2波長板として機能し、
前記試料に集光される前記第1照明光および前記第2照明光の偏光方向は平行である、
ことを特徴とするものである。
前記偏光部材は、前記第2照明光に対して1/4波長板として機能し、
前記試料に集光される前記第1照明光および前記第2照明光の少なくとも一方の偏光方向は円偏光である、
ことを特徴とするものである。
前記試料に集光される前記第1照明光および前記第2照明光は、偏光回転方向が反対の円偏光である、
ことを特徴とするものである。
前記偏光制御素子は、前記第1照明光または前記第2照明光を偏向する反射型である、
ことを特徴とするものである。
前記偏光制御素子は、前記偏光部材として液晶またはフォトニック結晶を含む、
ことを特徴とするものである。
前記光学系は、前記顕微鏡対物レンズの物体側に結合された内視鏡光学系を備えるスティックレンズを有する、
ことを特徴とするものである。
前記顕微鏡対物レンズは、前記試料に対して前記第1照明光および前記第2照明光を空間的に走査可能に構成されている、
ことを特徴とするものである。
(2)励起光および刺激光を、シングルモードファイバから取り出して、色収差のないレンズでコリメートすることにより、偏光制御素子21が多少傾いて配置されたり、偏光制御素子21の偏光部材22の平行度が悪かったりした場合でも、色収差のない光学系を用いて集光すれば、試料上に同じ空間ポイントで結像させることができ、ビームずれを解消できる。
(3)シングルモードファイバの射出口は、機械的に固定されるので、励起光および刺激光の集光点の位置が空間的に変動しない、極めて機械的に安定な照明光学系を構築することができる。
図7は、本発明の第1実施の形態に係る超解像顕微鏡の光学系の要部の概略構成を示す図である。この超解像顕微鏡は、蛍光色素で染色された試料を観察するもので、光源部を構成する励起光用光源61および刺激光用光源62を備える。励起光用光源61から射出される励起光は、ダイクロイックミラー63で反射された後、偏光ビームスプリッタ64を透過する。そして、2枚のガルバノミラー65および66により2次元方向に揺動走査されて、瞳投影レンズ系67を経て顕微鏡対物レンズ68により観察試料70に集光される。なお、図1では、図面を簡略化するため、ガルバノミラー65,66を同一平面内で揺動可能に示している。
図8は、本発明の第2実施の形態に係る超解像顕微鏡の光学系の要部の概略構成を示す図である。この超解像顕微鏡は、主に3つの独立したユニット、すなわち、光源ユニット80、スキャンユニット90および顕微鏡ユニット100を有しており、スキャンユニット90および顕微鏡ユニット100は、瞳投影レンズ系110を介して光学的に結合されている。
図9は、本発明の第3実施の形態に係る超解像顕微鏡の光学系の要部の概略構成を示す図である。この超解像顕微鏡は、図8に示した超解像顕微鏡において、光源ユニット80を、1台のレーザ光源87を用い、このレーザ光源87から射出されるレーザ光を、ファイバ集光レンズ84、シングルモードファイバ85およびファイバコリメータレンズ86を経てスキャンユニット90に導入するようにしたものである。
本発明の第4実施の形態に係る超解像顕微鏡は、上述した第1〜3実施の形態のいずれかの構成において、偏光制御素子の偏光部材をイレース光に対して1/2波長板として機能するように構成する。そして、観察試料に集光するイレース光を直線偏光として、その直線偏光の方向を偏光制御素子の偏光部材で調整する。すなわち、図7に示した構成においては、偏光制御素子71の偏光部材72を1/2波長板により構成し、図8または図9に示した構成においては、偏光制御素子105の偏光部材106を1/2波長板により構成する。
図11は、本発明の第5実施の形態に係る超解像顕微鏡の光学系の要部の概略構成を示す図である。この超解像顕微鏡は、光源部を構成する励起光用光源121および刺激光用光源122を備える。励起光用光源121から射出される励起光は、図7の場合と同様に、ダイクロイックミラー123で反射された後、偏光ビームスプリッタ124を透過する。そして、2枚のガルバノミラー125および126により2次元方向に揺動走査されて、瞳投影レンズ系127および顕微鏡対物レンズ128を経て、「Kaede」により染色された観察試料130に集光される。
図12は、本発明の第6実施の形態に係る超解像顕微鏡の要部の概略構成を示す図である。この超解像顕微鏡は、顕微鏡対物レンズ151の物体側(先端)に内視鏡光学系152をハイブリッドで結合したスティックレンズ153を有し、このスティックレンズ153の内視鏡光学系152の先端部を生体試料155に直接差し込んで、生体試料155の生命現象をin-vivoで観察するものである。顕微鏡対物レンズ151には、同軸に合成された励起光および刺激光が、ガルバノミラー156,157により二次元走査されて、瞳投影レンズ158を経て入射させる。
図13は、本発明の第7実施の形態に係る超解像顕微鏡の要部の概略構成を示す図である。この超解像顕微鏡は、顕微鏡対物レンズ171を、光軸と直交する平面内で、直交するX方向およびY方向に移動可能として、顕微鏡対物レンズ171自体で観察試料172に対して光束を空間走査するようにしたものである。観察試料172に照射する励起光および刺激光は、図8と同様にして、ファイバ173に同軸に合波して入射させ、このファイバ173の射出口から射出される球面波の励起光および刺激光を、コリメータレンズ174で平面波に変換して顕微鏡対物レンズ171に入射させる。
62 刺激光用光源
63 ダイクロイックミラー
64 偏光ビームスプリッタ
68 顕微鏡対物レンズ
70 観察試料
71 偏光制御素子
72 偏光部材
73 位相変調部
78 光検出器
80 光源ユニット
81 励起光用光源
82 刺激光用光源
83 ビームコンバイナ
87 レーザ光源
90 スキャンユニット
98 光検出器
100 顕微鏡ユニット
102 顕微鏡対物レンズ
103 観察試料
105 偏光制御素子
106 偏光部材
107 多層膜
121 励起光用光源
122 刺激光用光源
123 ダイクロイックミラー
128 顕微鏡対物レンズ
130 観察試料
131 偏光制御素子
132 偏光部材
133 位相変調部
137 分光器
138 光検出器
151 顕微鏡対物レンズ
152 内視鏡光学系
153 スティックレンズ
155 生体試料
161 偏光制御素子
171 顕微鏡対物レンズ
172 観察試料
173 ファイバ
175 偏光制御素子
Claims (12)
- 少なくとも2以上の励起量子状態をもつ物質を含む試料を観察する超解像顕微鏡であって、
前記物質を安定状態から第1量子状態に励起するための第1照明光、および、前記物質を更に他の量子状態に遷移させるための第2照明光を射出する光源部と、
該光源部から射出された前記第1照明光および前記第2照明光を前記試料に一部重ね合わせて集光する、顕微鏡対物レンズを含む光学系と、
前記第1照明光および前記第2照明光の集光により前記試料から発光する光応答信号を検出する検出部と、
前記第1照明光または前記第2照明光の偏光状態を変換する偏光部材、および前記第2照明光の位相を空間変調し、前記偏光部材と一体化されて形成された位相変調部を有する偏光制御素子とを備え、
前記偏光制御素子は、光軸方向に見て同心円状に分割された前記位相変調部と該位相変調部の外側に位置する他の領域とを備え、前記位相変調部を通過した前記第2照明光と前記他の領域を通過した前記第2照明光とは、電場振幅において符号が反転し、
前記物質は蛍光物質であり、
前記第2照明光は、前記蛍光物質の蛍光のスペクトルを変化させる波長であり、
前記検出部は、前記第1照明光の照射により前記蛍光物質から発光する蛍光のスペクトルを透過させ、前記第2照明光の照射により前記蛍光物質から発光する蛍光のスペクトルを遮断する波長帯域選択部を有する、
ことを特徴とする超解像顕微鏡。 - 前記偏光制御素子は、前記第2照明光が、前記第1照明光と一部重ね合わせて集光された前記試料上の領域において、光強度の極小値を有するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の超解像顕微鏡。
- 前記偏光制御素子は、前記第1照明光の位相を空間変調せず、且つ、前記第1照明光は、前記試料上の領域において、光軸上で光強度の極大値を有することを特徴とする請求項1または2に記載の超解像顕微鏡。
- 前記位相変調部は、前記第1照明光に対しては反射作用または透過型の位相変調作用を有し、前記第2照明光に対しては透過型の位相変調作用を有する多層膜からなる、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記偏光制御素子は、前記第2照明光の光軸に関して回転可能である、
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記偏光部材は、前記第2照明光に対して1/2波長板として機能し、
前記試料に集光される前記第1照明光および前記第2照明光の偏光方向は平行である、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記偏光部材は、前記第2照明光に対して1/4波長板として機能し、
前記試料に集光される前記第1照明光および前記第2照明光の少なくとも一方の偏光方向は円偏光である、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記試料に集光される前記第1照明光および前記第2照明光は、偏光回転方向が反対の円偏光である、
ことを特徴とする請求項7に記載の超解像顕微鏡。 - 前記偏光制御素子は、前記第1照明光または前記第2照明光を偏向する反射型である、
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記偏光制御素子は、前記偏光部材として液晶またはフォトニック結晶を含む、
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記光学系は、前記顕微鏡対物レンズの物体側に結合された内視鏡光学系を備えるスティックレンズを有する、
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 - 前記顕微鏡対物レンズは、前記試料に対して前記第1照明光および前記第2照明光を空間的に走査可能に構成されている、
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。
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