JP2010099095A - 光学的検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象に照射する光の強度を高めたり、高価な低雑音高感度の光検出器を用いたりすることなく、安価な構成で、検査対象からの信号光を高感度かつ迅速に光電変換できる光学的検査装置を提供する。
【解決手段】光発生手段２と、光発生手段２から発生された光を検査対象４に照射する光照射手段３と、光照射手段３による光の照射により検査対象４から得られる信号光を光電変換する光検出手段６とを有し、光検出手段６の出力に基づいて検査対象４を検査する光学的検査装置１において、検査対象４から得られる信号光を増幅する光増幅手段５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、検査対象に光を照射することにより、該検査対象から得られる信号光を光電変換し、その光電変換出力に基づいて検査対象を検査する光学的検査装置に関するものである。

例えば、生体に光を照射し、その透過光、反射光、あるいは散乱光を検出して、検出された信号光から生体内の情報を抽出するという光学的検査方法は、古くから広く行われてきている。なかでも、検査部位を光により２次元走査して、得られた信号光の情報を画像として表示する光学イメージング技術は、医学分野に多大な貢献をもたらしている。

また、近年では、レーザ技術の発展に伴い、レーザ走査型顕微鏡やレーザ走査型顕微内視鏡などのレーザ走査型イメージングを用いた生物学・医学の研究が活発になっている。特に、レーザ走査型蛍光イメージング法は、高い信号対雑音比で生細胞の経時的な観察を可能にすることから、生物学・医学の研究にとって必要不可欠なツールになっている。なかでも、蛍光を得る際に多光子励起を用いる多光子蛍光イメージング法は、生体の深部観察を可能とすることから、新しい蛍光イメージング法として注目を集めている（例えば、非特許文献１，２参照）。

また、最近では、コヒーレント・アンチ−ストークス・ラマン散乱（Coherent anti-Stokes Raman Scattering：ＣＡＲＳ）イメージング（例えば、非特許文献３参照）や、高周波発生イメージング（非特許文献４参照）などの生体中での非線形光学効果を利用したレーザ走査型イメージング法の研究開発も盛んになり始めている。この非線形光学効果を利用したレーザ走査型イメージング法は、蛍光イメージング法と比較して、蛍光タンパクや蛍光色素などといった蛍光物質で観察試料を染色する必要がないので、生体本来の状態を観察できる利点がある。

W. Denk et al., Science 248, 73 (1990) J. Jung and M. J. Schnitzer, Opt. Lett. 28, 902 (2003) A. Zumbusch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999) I. Freund et al., Biophys. J. 50, 693 (1986)

ところで、生体を対象とする、レーザ走査型イメージングを含む光学イメージングでは、生体試料中における光散乱効果や光吸収効果の影響などにより、生体試料から得られる光信号は、通常は微弱である。特に、多光子蛍光イメージングやＣＡＲＳイメージングなどの非線形光学効果を利用するイメージング法では、励起光から信号光への変換効率が本質的に低いため、生体から得られる光信号は非常に微弱である。このため、明瞭な画像を得ることが困難である。

この問題を解決する方法として、生体に照射する励起光強度を高くすることが考えられる。しかしながら、生体に過度に高強度な光を照射すると、生体に損傷を与えるおそれがあることから、励起光強度には上限がある。このため、多くの場合、明瞭な画像を得ることが難しい。

そこで、通常は、低雑音で高感度の光検出器を用いて、より明瞭な画像を得るようにしている。しかし、この低雑音かつ高感度な光検出器は、特殊なものであり、非常に高価である。また、光検出器から発生する雑音の大きさと、光検出器による信号光の積算時間は反比例の関係にあり、低雑音の検出信号を得るためには、十分長い積算時間が必要となる。その結果、微弱な信号光を検出して明瞭な画像を得ようとすると、十分長い積算時間を要することとなって、画像取得時間が長くなる。このため、時々刻々と変化する生体の様子を正しく観察したいというニーズに対しては、リアルタイム性に欠け、光学イメージング利用者の基本的な要求を阻害することが懸念される。なお、このような問題は、光学イメージング法に限らず、流体中の微細な粒子を光学的に分析するフローサイトメータや、溶液中の蛍光標識された生体分子の運動を光学的に分析する蛍光相関分光法（ＦＣＳ）や、固体基板表面上に固定された生体関連分子同士の結合状態を光学的に分析する表面プラズモン共鳴法（ＳＰＲ）や、溶液中の生体関連分子同士の結合状態を光学的に分析するラテックス免疫凝集検定法（ＬＰＩＡ）や、溶液中の免疫反応を蛍光標識の有無により検出する蛍光免疫測定法（ＦＩＡ）といった、光学的測定方法においても、同様に生じるものである。

したがって、上述した点に鑑みてなされた本発明の目的は、検査対象に照射する光の強度を高めたり、高価な低雑音高感度の光検出器を用いたりすることなく、安価な構成で、検査対象からの信号光を高感度かつ迅速に光電変換できる光学的検査装置を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る光学的検査装置の発明は、光発生手段と、該光発生手段から発生された光を検査対象に照射する光照射手段と、該光照射手段による光の照射により前記検査対象から得られる信号光を光電変換する光検出手段とを有し、前記光検出手段の出力に基づいて前記検査対象を検査する光学的検査装置において、
前記検査対象から得られる信号光を増幅する光増幅手段を設けた、ことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段は、導波路型光増幅器を有する、ことを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光学的検査装置において、前記導波路型光増幅器は、半導体光増幅器からなる、ことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載の光学的検査装置において、前記導波路型光増幅器は、ファイバ型光増幅器からなる、ことを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段は、前記信号光として、前記検査対象に照射する光の波長とは異なる波長の光を増幅する、ことを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段は、前記信号光として、前記検査対象から発生する蛍光または燐光を増幅する、ことを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項５に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段は、前記信号光として、前記検査対象中における非線形光学効果によって発生する光を増幅する、ことを特徴とするものである。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段への前記信号光の入射タイミングに同期して、該光増幅手段の増幅率を制御する増幅率制御手段を有する、ことを特徴とするものである。

請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段は、増幅する光の波長帯域が、入射する前記信号光の波長帯域よりも狭い、ことを特徴とするものである。

請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段の入力側に、該光増幅手段から前記検査対象への戻り光を防止する戻り光防止手段を設けた、ことを特徴とするものである。

請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記光増幅手段と前記光検出手段との間に、前記光検出手段で光電変換する信号光の波長を選択する波長選択手段を設けた、ことを特徴とするものである。

請求項１２に係る発明は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記検査対象と前記光増幅手段とを光学的に共役に結合する光学系を有する、ことを特徴とするものである。

請求項１３に係る発明は、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記検査対象は生体であり、前記光増幅手段は、前記信号光として、前記生体で変調された光を増幅する、ことを特徴とするものである。

請求項１４に係る発明は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、前記光発生手段はレーザ光を発生する、ことを特徴とするものである。

請求項１５に係る発明は、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光学的検査装置において、
前記光検出手段の出力に基づいて画像を表示する画像表示手段を有し、
前記光照射手段は、前記検査対象に照射する光を、少なくとも２次元方向に走査する光走査手段を有し、
前記光検出手段の出力に基づいて、前記光走査手段による前記検査対象の走査領域の画像を前記画像表示手段に表示する、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、検査対象から得られる信号光を光増幅手段で増幅してから、光検出手段で光電変換するので、検査対象に照射する光の強度を高めたり、光検出手段として高価な低雑音高感度の光検出器を用いたりすることなく、安価な構成で、検査対象からの信号光を高感度かつ迅速に光電変換することが可能となる。

先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明の光学的検査装置の基本的構成について説明する。

図１は、本発明の光学的検査装置の基本的構成を示す機能ブロック図である。本発明の光学的検査装置１は、光発生手段２、光照射手段３、光増幅手段５および光検出手段６を有する。光発生手段２は、検査対象から信号光を得るための光を発生するもので、検査の種別に応じて所定の波長の光、あるいは所定波長帯域の光を発生する。この光発生手段２で発生された光は、光照射手段３により検査対象４に照射し、これにより検査対象４から信号光を発生させる。ここで、検査対象４への光照射によって、検査対象４から発生させる信号光は、検査の種別に応じて、例えば、照射光の透過光や反射光、照射光により励起して発生させる蛍光や燐光、あるいは非線形光学効果によって発生させる光がある。

光増幅手段５は、検査対象４から得られる検査種別に応じた信号光を入力し、その入力信号光を増幅して、光検出手段６に出力する。光検出手段６は、光増幅手段５で増幅された信号光を受光して光電変換する。この光検出手段６で光電変換された電気信号は、図示しない信号処理回路において検査種別に応じて処理し、これにより検査対象４を検査する。

このように、検査対象４から得られる信号光を、光増幅手段５で増幅してから、光検出手段６で光電変換するようにすれば、検査対象４から得られる信号光が微弱であっても、検査対象４に照射する光の強度を高めたり、光検出手段６を高価な低雑音高感度の光検出器を用いて構成したりすることなく、信号光を高感度で、かつ迅速に光電変換することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図２は、本発明の第１実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。この光学的検査装置は、硬性内視鏡を体内に挿入し、脂肪に覆われた胃などの臓器へアプローチする際に、脂肪１１に埋まった血管１２の走行状態を可視化する装置である。これにより、血管１２の誤切断による出血を避けながらの鏡視下手術を可能とする。

このため、図２に示す光学的検査装置では、図示しない硬性内視鏡の挿入先端部に、挿入方向と直交する平面内で２次元方向に移動可能に可動台１５を設け、この可動台１５に検査対象へ光を照射するための投光レンズ１６および検査対象からの信号光を集光するための集光レンズ１７を、例えば約１０ｍｍ程度の間隔で設ける。可動台１５は、コンピュータ２１により可動台制御装置２２を介して２次元方向に駆動して、検査対象に照射する光を走査する。したがって、本実施の形態では、可動台１５、コンピュータ２１、および可動台制御装置２２により光走査手段を構成している。

投光レンズ１６は、単一モード光ファイバ２５を介して光発生手段である半導体レーザ（ＬＤ）２６に結合する。半導体レーザ２６は、例えば、出力５０ｍＷ、スペクトル幅１ｎｍ、中心波長９８０ｎｍの光を発生するものを用いる。なお、波長９８０ｎｍの光は、生体の脂肪１１では光吸収率が低く、赤血球中のヘモグロビンでは光吸収が高い光である。この半導体レーザ２６は、ファンクションジェネレータ２７からの周波数ｆｍの正弦波変調信号に基づいてＬＤドライバ２８により駆動する。これにより、半導体レーザ２６から周波数ｆｍで強度変調された光を発生させ、この強度変調された光を、単一モード光ファイバ２５を介して投光レンズ１６に導き、投光レンズ１６で平行光にして生体に照射する。したがって、この光学的検査装置では、単一モード光ファイバ２５および投光レンズ１６により光照射手段を構成している。

投光レンズ１６により生体に照射された光は、脂肪１１中で、透過、反射もしくは散乱し、脂肪１１中に血管１２が走行している場合は、血管１２中を流れる赤血球で吸収されて振幅変調される。このように、半導体レーザ２６からの光を生体に照射することによって、生体から得られる信号光は、集光レンズ１７により集光し、その集光した信号光を、多モード光ファイバ３１を介して光増幅手段３２で増幅する。光増幅手段３２は、本実施の形態では、半導体光増幅器あるいはファイバ型光増幅器等の導波路型光増幅器を用いて、波長９８０ｎｍ帯において、増幅帯域３ｎｍ、利得約１３ｄＢを有するように構成し、これにより、受光した信号光の光強度を約２０倍まで増幅して出力する。

光増幅手段３２で増幅した信号光は、バンドパスフィルタ３３を経て光検出手段（ＰＤ）３４で受光し、光電変換する。バンドパスフィルタ３３は、例えば、中心波長９８０ｎｍ、通過帯域幅約１ｎｍの誘電体多層膜型のものを用い、光検出手段３４は、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＰＩＮフォトダイオードを用いる。

光検出手段３４で光電変換した出力は、トランスインピーダンス増幅器３５で電圧に変換して、ロックインアンプ３６に入力する。ロックインアンプ３６は、ファンクションジェネレータ２７からの周波数ｆｍの正弦波変調信号を参照信号として、トランスインピーダンス増幅器３５からの入力電圧信号から、参照信号に同期した電圧信号を抽出する。このロックインアンプ３６で抽出されたアナログ出力信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３７でデジタル信号に変換してコンピュータ２１に供給する。

コンピュータ２１は、可動台１６の２次元駆動による光走査によって、Ａ／Ｄ変換器３７から得られる生体の各点のデジタル信号を処理して、モニタ３８に画像を表示する。

本実施の形態によると、集光レンズ１７で集光される生体からの信号光を、多モード光ファイバ３１を介して光増幅手段３２で増幅してから、光検出手段３４で光電変換するようにしたので、生体から得られる信号光が微弱であっても、半導体レーザ２６の出力を高めることなく、光検出手段３４を安価な光検出器を用いて構成して、信号光を高感度かつ迅速に光電変換することができる。そして、ロックインアンプ３６からは、脂肪１１の走査領域内において、血管が走行している走査点では、血管が走行していない走査点におけるよりも、低い出力電圧が得られる。これにより、例えば、脂肪厚４ｍｍの下に埋まっている直径約３ｍｍの血管の走行を可視化することができる。したがって、モニタ３８に表示された画像を観察することにより、血管を避けながら、すなわち血管切断による出血を防止しながら、鏡視下手術が可能になる。

図３は、図２に示した光増幅手段３２として使用可能なファイバ型光増幅器の二つの例を示すもので、図３（ａ）は、希土類添加光ファイバ型光増幅器の構成を示し、図３（ｂ）は、ラマン光増幅器の構成を示す。

図３（ａ）に示す希土類添加光ファイバ型光増幅器は、励起光源４１、ダイクロイックミラー等の合波素子４２、希土類添加光ファイバ４３、および励起光除去素子４４を有するとともに、光増幅器のレーザ発振を防止するために、入力端および出力端にそれぞれ光アイソレータ４５および４６を有する。希土類添加光ファイバ４３は、光ファイバに、Ｎｄ，Ｙｂ，Ｅｒ，ＴｍやＰｒなどの希土類を添加したものを用いる。

図３（ａ）において、光アイソレータ４５を経て入力される波長λｓの信号光は合波素子４２において、励起光源４１から発せられる波長λｐの励起光と合波して、希土類添加光ファイバ４３に入力させる。これにより、励起光によって励起された希土類添加光ファイバ４３中の誘導放出を利用して、信号光を増幅する。希土類添加光ファイバ４３の出力光は、励起光除去素子４４に入射させ、ここで残留励起光を除去して、信号光のみを透過させ、励起光除去素子４４を透過した信号光を、光アイソレータ４６を介して出力する。

この希土類添加光ファイバ型光増幅器により、図２に示したように、波長９８０ｎｍの信号光を増幅する場合は、各構成要素として、例えば以下の特性のものを用いる。すなわち、励起光源４１は、波長９１５ｎｍ、光出力５０ｍＷ、スペクトル幅１ｎｍのものを用いる。合波素子４２は、光ファイバ型波長多重カプラを利用する。希土類添加光ファイバ４３は、Ｙｂ添加量が低濃度で、長さが１ｍのシングルクラッド・多モードＹｂ添加光ファイバまたはシングルクラッド・単一モードＹｂ添加光ファイバを使用する。励起光除去素子４４は、波長９１５ｎｍの励起光を除去し、波長９８０ｎｍの信号光を透過させる誘電体多層膜フィルタを利用する。光アイソレータ４５および４６は、動作波長９８０ｎｍ、アイソレーション帯域３０ｎｍ程度、反射減衰量３０ｄＢのものを用いる。これにより、低雑音で高感度な波長９８０ｎｍ帯のＹｂ添加光ファイバ型光増幅器を実現することができる。

図３（ｂ）に示すラマン光増幅器は、図３（ａ）に示した希土類添加光ファイバ型光増幅器の構成において、希土類添加光ファイバ４３に代えて石英系光ファイバ４７を用い、この石英系光ファイバ４７を励起光で励起することにより、誘導ラマン散乱効果を利用して信号光を増幅するようにしたもので、その他の構成および動作は、希土類添加光ファイバ型光増幅器と同様である。したがって、同一構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。

このラマン光増幅器により、図２に示したように、波長９８０ｎｍの信号光を増幅する場合は、例えば、励起光源４１は、波長９４０ｎｍ、光出力３００ｍＷ、スペクトル幅６ｎｍのものを用いる。石英系光ファイバ４７は、コア径６μｍ、長さ２ｋｍの多モード光ファイバまたは単一モード光ファイバを利用する。また、励起光除去素子４４は、波長９４０ｎｍの励起光を除去し、波長９８０ｎｍの信号光を透過させる誘電体多層膜フィルタを利用する。その他の構成要素は、図３（ａ）に示した希土類添加光ファイバ型光増幅器で説明した特性のものを用いる。これにより、低雑音で高感度な波長９８０ｎｍ帯のラマン光増幅器を実現することができる。

なお、図３（ａ）および（ｂ）に示した構成では、希土類添加光ファイバ４３および石英系光ファイバ４７中を、励起光を信号光と同方向に伝搬させる前方励起構成としたが、励起光を信号光と対向する方向に伝搬させる後方励起構成、もしくは双方向励起構成とすることもできる。

（第２実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態は、レーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡５１を構成するもので、光発生手段として波長５４３ｎｍで連続発振するＨｅ−Ｎｅレーザ５２を有する。Ｈｅ−Ｎｅレーザ５２から出射されたレーザ光は、例えば音響光学変調器（acousto-optic modulator:ＡＯＭ）等の光強度調整装置５３により光強度を調整して、ダイクロイックミラー５４、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５、瞳投影レンズ５６、結像レンズ５７および対物レンズ５８を経て、検査対象である生細胞試料６０に集光して照射する。したがって、このレーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡５１では、光強度調整装置５３、ダイクロイックミラー５４、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５、瞳投影レンズ５６、結像レンズ５７および対物レンズ５８により、光照射手段を構成している。また、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５は、光走査手段を構成する。

なお、生細胞試料６０として、蛍光色素で染色された検査対象物や、蛍光タンパクが発現している検査対象物を用いる。ここでは、蛍光タンパクＤｓＲｅｄが発現している検査対象物質を用いるものとする。したがって、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５２からのレーザ光が、生細胞試料６０に照射されると、ＤｓＲｅｄが励起されて波長約５７０ｎｍ〜６５０ｎｍの蛍光が発生する。

生細胞試料６０から発生した蛍光は、対物レンズ５８、結像レンズ５７、瞳投影レンズ５６およびＸ−Ｙガルバノミラー５５を経てダイクロイックミラー５４に導く。ダイクロイックミラー５４は、波長５４３ｎｍの光は透過させ、波長５７０ｎｍより長波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料６０で発生した波長約５７０ｎｍ〜６５０ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー５４で反射させる。

ダイクロイックミラー５４で反射された蛍光は、光アイソレータ６１を経て集光レンズ６２により集光して、半導体光増幅器またはファイバ型光増幅器を有する光増幅手段６３で増幅し、その増幅された蛍光を光検出手段である光電子増倍管（photomultiplier tube:ＰＭＴ）６４で受光して、光電変換する。光増幅手段６３は、例えば、利得約１０ｄＢ、波長６２０ｎｍ〜６５０ｎｍの利得帯域を有するように構成する。

レーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡５１は、全体をコンピュータ６５で制御する。これにより、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５２からのレーザ光を、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５により偏向して、生細胞試料６０を対物レンズ５８の光軸と直交する平面内で２次元走査し、その各走査点において光電子増倍管６４から得られる光電変換出力を処理して、モニタ６６に蛍光画像を表示する。

本実施の形態によれば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５２からのレーザ光の照射によって、生細胞試料６０から発生する蛍光を、光増幅手段６３で増幅してから、光電子増倍管６４で光電変換するようにしたので、生細胞試料６０から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料６０に照射するレーザ光の強度を高めることなく、安価な光電子増倍管６４を用いて、蛍光を高感度かつ迅速に光電変換することができる。

しかも、光増幅手段６３の入力側には、光アイソレータ６１を配置したので、生細胞試料６０への戻り光を阻止することができる。これにより、生細胞試料６０への過剰な光照射による損傷や信号光へ及ぼす変化を防止することができる。この理由を以下に述べる。一般に、光増幅器を用いて光を増幅する場合、自然放出光ノイズ（amplified spontaneous emission(ＡＳＥ)noise）の付加が避けられない。このため、図４の構成の場合は、光増幅手段６３で発生したＡＳＥの一部が生細胞試料６０側に戻り、その過剰な光照射によって生細胞試料６０を損傷したり、生細胞試料６０から発せられる信号光に変化を及ぼしたりするおそれがある。しかし、本実施の形態では、光増幅手段６３の入射側に光アイソレータ６１を配置したので、ＡＳＥの生細胞試料６０への戻り光を防止することができ、生細胞試料６０の損傷や信号光の変化を防止することができる。

（第３実施の形態）
図５は、本発明の第３実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態は、レーザ走査型多光子蛍光顕微鏡７１を構成するもので、図４に示したレーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡５１の構成と比較して、主として、光発生手段としてチタン・サファイヤレーザ７２を用いた点、光増幅手段６３の増幅率をコンピュータ６５により増幅率制御手段７３を介して制御するようにした点、および、ダイクロイックミラー５４を結像レンズ５７と対物レンズ５８との間に配置するとともに、その光学特性をチタン・サファイヤレーザ７２からの出射光の波長に対応させた点が異なるものである。

本実施の形態では、チタン・サファイヤレーザ７２から、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１５０ｆｓ、発振波長１０００ｎｍの超短光パルスを発生させる。このチタン・サファイヤレーザ７２からの超短光パルスは、光強度調整装置５３により平均光強度を５００ｍＷに調整して、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５、瞳投影レンズ５６、結像レンズ５７、ダイクロイックミラー５４および対物レンズ５８を経て、検査対象である生細胞試料６０に集光して照射し、これにより生細胞試料６０中の例えばＤｓＲｅｄを多光子励起（例えば、２光子励起）して蛍光を発生させる。

生細胞試料６０から発生した蛍光は、対物レンズ５８を経てダイクロイックミラー５４に導く。ダイクロイックミラー５４は、チタン・サファイヤレーザ７２からの波長１０００ｎｍの光は透過させ、波長７００ｎｍ以下の短波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料６０で発生した波長約５７０ｎｍ〜６５０ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー５４で反射させる。

ダイクロイックミラー５４で反射された蛍光は、光アイソレータ６１を経て集光レンズ６２により集光して、光増幅手段６３で増幅し、その増幅された蛍光を光電子増倍管６４で受光して、光電変換する。

ここで、チタン・サファイヤレーザ７２からの励起光パルスにより、例えば２光子励起されて生細胞試料６０から発生する蛍光は、数ｎｓ程度持続する。すなわち、生細胞試料６０から発生する蛍光は、チタン・サファイヤレーザ７２からの励起光パルスに同期したパルス光となる。そこで、本実施の形態では、このパルス状の蛍光が、光増幅手段６３に入射するタイミングに同期して、光増幅手段６３の増幅率を、蛍光が入射するタイミングで大きくするように、コンピュータ６５により増幅率制御手段７３を介して制御する。

なお、光増幅手段６３の増幅率は、半導体光増幅器を用いた場合は、その駆動電流を増減またはオン／オフして制御し、ファイバ型光増幅器を用いた場合には、励起光源からの励起光の強度を増減したり、励起光をオン／オフしたりして制御する。

本実施の形態によれば、チタン・サファイヤレーザ７２からの励起光パルスにより多光子励起されて生細胞試料６０から発生する蛍光を、光増幅手段６３で増幅してから、光電子増倍管６４で光電変換するようにしたので、生細胞試料６０から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料６０に照射するレーザ光の強度を高めることなく、安価な光電子増倍管６４を用いて、２光子励起による蛍光を高感度かつ迅速に光電変換することができる。

しかも、光増幅手段６３の増幅率を、光増幅手段６３への蛍光の入射タイミングに同期して制御するようにしたので、蛍光が入射しない期間でのＡＳＥノイズの混入を低減でき、Ｓ／Ｎを向上することができる。

（第４実施の形態）
図６は、本発明の第４実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態は、レーザ走査型ＣＡＲＳ顕微鏡８１を構成するもので、光発生手段として、２波長パルス光源８２を有する。２波長パルス光源８２は、例えば、波長１０６４ｎｍおよび波長８１６ｎｍの光を、それぞれパルス幅約５ｐｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚで発生するように構成する。２波長パルス光源８２からの２波長のパルス光は、光強度調整装置５３により、それぞれ平均光強度を数１０ｍＷに調整して、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５、瞳投影レンズ５６、結像レンズ５７および対物レンズ５８を経て、検査対象である無染色の生細胞試料８３に集光して照射し、これにより生細胞試料８３からＣＡＲＳ光を発生させる。

生細胞試料８３からのＣＡＲＳ光を含む透過光は、集光レンズ６２により集光して、光増幅手段６３で増幅し、その出力光をバンドパスフィルタ８４に入射させて、所望の波長成分のＣＡＲＳ光を抽出し、このバンドパスフィルタ８４を透過したＣＡＲＳ光を光電子増倍管６４で受光して、光電変換する。

すなわち、本実施の形態では、生細胞試料８３からのＣＡＲＳ光を含む透過光を、ＣＡＲＳ光の波長帯域よりも広い利得帯域を持つ光増幅手段６３で増幅し、その後、バンドパスフィルタ８４で所望の波長成分のＣＡＲＳ光を抽出して、光電子増倍管６４で受光する。例えば、生細胞試料８３から発生するＣＡＲＳ光の波長が約６６０ｎｍの場合は、光増幅手段６３は、その利得帯域を波長６５０ｎｍから波長６７０ｎｍとして、当該利得帯域の透過光を例えば１０ｄＢ増幅するように構成し、バンドパスフィルタ８４は、中心波長が６６０ｎｍで透過帯域幅が約１０ｎｍの誘電体多層膜フィルタで構成する。また、生細胞試料８３から発生するＣＡＲＳ光は、２波長パルス光源８２からの励起光パルス列と同じ繰り返し周波数で、数ｐｓ程度の持続時間で発生するので、ＣＡＲＳ光の発生タイミングに同期して、第３実施の形態と同様にして、光増幅手段６３の増幅率を、ＣＡＲＳ光の入射タイミングで大きくするように、コンピュータ６５により増幅率制御手段７３を介して制御する。

なお、レーザ走査型ＣＡＲＳ顕微鏡８１は、第３実施の形態と同様に、全体をコンピュータ６５で制御し、これにより、２波長パルス光源８２からの励起光パルスを、Ｘ−Ｙガルバノミラー５５により偏向して、生細胞試料６０を対物レンズ５８の光軸と直交する平面内で２次元走査し、その各走査点において光電子増倍管６４から得られる光電変換出力を処理して、モニタ６６に蛍光画像を表示する。

本実施の形態によれば、無染色の生細胞試料８３から発生するＣＡＲＳ光を、光増幅手段６３で増幅してから、光電子増倍管６４で光電変換するようにしたので、生細胞試料８３から得られる信号光であるＣＡＲＳ光が微弱でも、生細胞試料８３に照射するレーザ光の強度を高めることなく、安価な光電子増倍管６４を用いて、ＣＡＲＳ光を高感度かつ迅速に光電変換することができる。

しかも、光増幅手段６３の出力光からバンドパスフィルタ８４により所望の波長成分のＣＡＲＳ光を抽出するとともに、光増幅手段６３の増幅率を、生細胞試料８３から発生するＣＡＲＳ光の入射タイミングに同期して制御するようにしたので、光増幅手段６３の利得帯域内で、かつ所望の波長帯域外の不所望なＡＳＥノイズを効果的に除去することができ、Ｓ／Ｎを向上することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第２実施の形態に示したレーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡５１および第３実施の形態に示したレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡７１は、それぞれ反射型に限らず、透過型として構成することもできる。同様に、第４実施の形態に示したレーザ走査型ＣＡＲＳ顕微鏡８１は、透過型に限らず、反射型として構成することもできる。また、本発明は、上記実施の形態で示したイメージング装置に限らず、上述したフローサイトメータや、ＦＣＳ、ＳＰＲ、ＬＰＩＡ、ＦＩＡ等の光学的測定方法を実施する場合にも有効に適用することができる。

本発明の光学的検査装置の基本的構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。 図２に示した光増幅手段として使用可能なファイバ型光増幅器の二つの例を示す図である。 本発明の第２実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第３実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第４実施の形態に係る光学的検査装置の構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 光学的検査装置
２ 光発生手段
３ 光照射手段
４ 検査対象
５ 光増幅手段
６ 光検出手段
１１ 脂肪
１２ 血管
１５ 可動台
１６ 投光レンズ
１７ 集光レンズ
２１ コンピュータ
２２ 可動台制御装置
２５ 単一モード光ファイバ
２６ 半導体レーザ（ＬＤ）
２７ ファンクションジェネレータ
２８ ＬＤドライバ
３１ 多モード光ファイバ
３２ 光増幅手段
３３ バンドパスフィルタ
３４ 光検出手段
３５ トランスインピーダンス増幅器
３６ ロックインアンプ
３７ アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３８ モニタ
４１ 励起光源
４２ 合波素子
４３ 希土類添加光ファイバ
４４ 励起光除去素子
４５，４６ 光アイソレータ
４７ 石英系光ファイバ
５１ レーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡
５２ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
５３ 光強度調整装置
５４ ダイクロイックミラー
５５ Ｘ−Ｙガルバノミラー
５６ 瞳投影レンズ
５７ 結像レンズ
５８ 対物レンズ
６０ 生細胞試料
６１ 光アイソレータ
６２ 集光レンズ
６３ 光増幅手段
６４ 光電子増倍管
６５ コンピュータ
６６ モニタ
７１ レーザ走査型多光子蛍光顕微鏡
７２ チタン・サファイヤレーザ
７３ 増幅率制御手段
８１ レーザ走査型ＣＡＲＳ顕微鏡
８２ ２波長パルス光源
８３ 生細胞試料
８４ バンドパスフィルタ

Claims (15)

1. 光発生手段と、該光発生手段から発生された光を検査対象に照射する光照射手段と、該光照射手段による光の照射により前記検査対象から得られる信号光を光電変換する光検出手段とを有し、前記光検出手段の出力に基づいて前記検査対象を検査する光学的検査装置において、
   前記検査対象から得られる信号光を増幅する光増幅手段を設けた、ことを特徴とする光学的検査装置。
2. 前記光増幅手段は、導波路型光増幅器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的検査装置。
3. 前記導波路型光増幅器は、半導体光増幅器からなる、ことを特徴とする請求項２に記載の光学的検査装置。
4. 前記導波路型光増幅器は、ファイバ型光増幅器からなる、ことを特徴とする請求項２に記載の光学的検査装置。
5. 前記光増幅手段は、前記信号光として、前記検査対象に照射する光の波長とは異なる波長の光を増幅する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
6. 前記光増幅手段は、前記信号光として、前記検査対象から発生する蛍光または燐光を増幅する、ことを特徴とする請求項５に記載の光学的検査装置。
7. 前記光増幅手段は、前記信号光として、前記検査対象中における非線形光学効果によって発生する光を増幅する、ことを特徴とする請求項５に記載の光学的検査装置。
8. 前記光増幅手段への前記信号光の入射タイミングに同期して、該光増幅手段の増幅率を制御する増幅率制御手段を有する、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
9. 前記光増幅手段は、増幅する光の波長帯域が、入射する前記信号光の波長帯域よりも狭い、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
10. 前記光増幅手段の入力側に、該光増幅手段から前記検査対象への戻り光を防止する戻り光防止手段を設けた、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
11. 前記光増幅手段と前記光検出手段との間に、前記光検出手段で光電変換する信号光の波長を選択する波長選択手段を設けた、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
12. 前記検査対象と前記光増幅手段とを光学的に共役に結合する光学系を有する、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
13. 前記検査対象は生体であり、前記光増幅手段は、前記信号光として、前記生体で変調された光を増幅する、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
14. 前記光発生手段はレーザ光を発生する、ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
15. 前記光検出手段の出力に基づいて画像を表示する画像表示手段を有し、
    前記光照射手段は、前記検査対象に照射する光を、少なくとも２次元方向に走査する光走査手段を有し、
    前記光検出手段の出力に基づいて、前記光走査手段による前記検査対象の走査領域の画像を前記画像表示手段に表示する、ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光学的検査装置。

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