DE112017002847T5 - Optische Informationsdetektionsvorrichtung und Mikroskopsystem - Google Patents

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Abstract

Eine optische Informationsdetektionsvorrichtung 50 umfasst ein Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10, das konfiguriert ist, um einen nadelförmigen Lichtspot L1 zu generieren, der über eine Längendimension g entlang einer optischen Achse A1 konzentriert wird, die größer als eine Breitendimension w ist, ein Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil 30, das konfiguriert ist, um Emissionslicht, das aus Positionen P1, P2 und P3 eines Detektionsobjekts S emittiert wird, in einen Verschiebungs-Lichtspot L2 zu konvertieren, ein Verschiebung-Lichtspot-Empfangsteil 40, das konfiguriert ist, um den Verschiebungs-Lichtspot L2 entlang einer lichtempfangenden Ebene M zu empfangen, und ein Optische-Information-Erfassungsteil 48, das konfiguriert ist, um optische Informationen aus den Positionen P1, P2 und P3 aus dem Verschiebungs-Lichtspot L2 zu erfassen.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Informationsdetektionsvorrichtung und ein Mikroskopsystem. Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-113770 , eingereicht am 7. Juni 2016, beansprucht, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme einbezogen ist.
  • [Stand der Technik]
  • Laserlicht ist kohärentes Licht, von dem eine Phase angeordnet ist, und weist Charakteristika auf, bei denen Direktivität und Monochromatizität hervorragend sind und Luminanz hoch ist, und daher wird das Laserlicht bei verschiedenen Gebieten angewandt, einschließlich Bildverarbeitung, Kommunikation, Messung und medizinisches Gebiet. Als eines von Lasermikroskopen, die eine Laserlichtquelle verwenden, die Laserlicht als Lichtquelle für Mikroskope emittiert, gibt es ein Scanning-Laser-Mikroskop. Das Scanning-Laser-Mikroskop ist eine Vorrichtung, die eine Probe (Detektionsobjekt) durch Scannen mit dem Laserlicht als Strahlen beobachtet, und es wird häufig als ein Fluoreszenzmikroskop verwendet, das die Probe durch Beobachten eines Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzphänomens von der Probe beobachtet, die mit Licht bestrahlt wird, das eine hohe optische Intensität aufweist. In jüngsten Jahren wurde ein Fluoreszenzmikroskop unter Verwendung des Scanning-Laser-Mikroskops bei Analysen einer Zeitreaktion in Hinblick auf den Stimulus eines biologischen Materials und dergleichen verwendet.
  • Beispielsweise offenbart das Patentdokument 1 ein Scanning-Laser-Mikroskop, in dem ein Bestrahlungsmittel, das eine Probe mit Laserstrahlen bestrahlt, einen Verschluss umfasst, der die Laserstrahlen geeignet blockiert, und ein Mittel, das das Öffnen/Schließen des Verschluss steuert. In dem Scanning-Laser-Mikroskop, wird das Scannen mit Strahlen durch ein Scanmittel initiiert, das Scannen mit Laserstrahlen durchführt, bevor der Verschluss geöffnet wird, und das Scannen wird fortgesetzt, auch nachdem der Verschluss geschlossen wird.
  • Bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen Scanning-Laser-Mikroskop wird das Scannen mit den Laserstrahlen eingeleitet, bevor der Verschluss geöffnet wird, und die Probe wird mit den Laserstrahlen bestrahlt. Eine Scan-Geschwindigkeit der Laserstrahlen erreicht eine vorgegebene Geschwindigkeit, bevor der Verschluss geöffnet wird, und daher verschwindet eine Reaktionsverzögerung, die durch einen mechanischen Mechanismus verursacht wird, zu dem Zeitpunkt des Einleitens des Scannens. Da das Scannen durch das Scanmittel mit den Laserstrahlen fortgesetzt wird, auch nachdem der Verschluss geschlossen wird, werden Informationen, die im Wesentlichen notwendig sind, um ein Bild zu bilden, d. h. eine Ausgabe eines optischen Detektors, einem Bildbildungsmittel zugeführt, während der Verschluss geöffnet ist, und es wird ein Bild auf der Basis der Informationen gebildet. Als Resultat ist es möglich, eine Zeit zu verkürzen, die für das Scannen mit den Laserstrahlen notwendig ist, d. h. eine Zeit, die für die Beobachtung der Probe notwendig ist.
  • [Verzeichnis der Zitate]
  • [Patentliteratur]
  • [Patentdokument 1]
  • Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Publikation Nr. Hei5-173077
  • [Zusammenfassung der Erfindung]
  • [Technisches Problem]
  • In den oben beschriebenen verschiedenen Anwendungsgebieten wird eine dreidimensionale Bildgebung einer Probe in Echtzeit gewünscht. Bei dem Scanning-Laser-Mikroskop des Stands der Technik wird ein zweidimensionales Bild in einer Ebenen-Richtung orthogonal zu einer optischen Achse des Bestrahlungslichts erfasst, und es wird das Scanning-Laser-Mikroskop oder die Probe relativ entlang der optischen Achse des Bestrahlungslichts bewegt, d. h. in der Dickenrichtung der Probe, um wieder ein zweidimensionales Bild zu erfassen. Eine Vielzahl von zweidimensionalen Bildern, die durch Wiederholung der Vorgänge erhalten werden, werden durch Bildverarbeitung und dergleichen überlappt, um das dreidimensionale Bild zu konstruieren.
  • Bei Scanning-Laser-Mikroskopen des Stands der Technik, die das im Patentdokument 1 beschriebene Scanning-Laser-Mikroskop umfassen, gibt es ein Problem, dass es eine Zeit dauert, um das Scanning-Laser-Mikroskop oder die Probe entlang der optischen Achse des Scanning-Lichts zu bewegen, selbst wenn Hochgeschwindigkeits-Scanning mit Bestrahlungslicht in einer Ebenen-Richtung orthogonal zu der optischen Achse des Bestrahlungslichts und eine Hochgeschwindigkeitserfassung des zweidimensionalen Bilds möglich sind. Im Ergebnis tritt ein Unterschied in einer Erfassungszeit zwischen zweidimensionalen Bildern auf, die zu überlappen sind, und es ist daher schwierig, das dreidimensionale Bild in Echtzeit in einem in verschiedenen Anwendungsgebieten erforderlichen Niveau zu erfassen. Insbesondere in einem biologischen Gebiet, wie etwa einer Analyse einer biologischen Funktion, oder einem medizinischen Gebiet, werden häufig Zellen beobachtet, während sie lebendig sind, und daher ist eine Realisierung der Erfassung eines klaren dreidimensionalen Bilds mit hoher Geschwindigkeit stark gefordert. Um das klare dreidimensionale Bild mit einer hohen Geschwindigkeit zu erfassen, besteht ein Bedarf nach einer optischen Informationsdetektionsvorrichtung, die fähig ist, sofort optische Informationen von Positionen in einer Probe, die sich auf einer optischen Achse von Bestrahlungslicht voneinander unterscheiden, ohne die Notwendigkeit für mechanisches Scannen und dergleichen zu erfassen.
  • Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung solcher Probleme gemacht, und eine Aufgabe davon besteht darin, eine optische Informationsdetektionsvorrichtung und ein Mikroskopsystem bereitzustellen, die fähig sind, optische Informationen von Positionen, die sich in einer Richtung entlang einer optischen Achse von Bestrahlungslicht voneinander unterscheiden, in einem Bestrahlungsbereich eines Detektionsobjekts mit einer hohen Geschwindigkeit zu erfassen.
  • [Lösung der Aufgabe]
  • Die Erfinder der Erfindung bemerkten, dass, wenn ein Detektionsobjekt mit einem nadelförmigen Lichtspot bestrahlt wird, der über eine Längendimension entlang einer optischen Achse konzentriert ist, die größer als eine Breitendimension ist, konzentriert in einer Richtung orthogonal zu der optischen Achse, in einem Zustand, in dem die optische Achse eingestellt ist, dass sie ungefähr zu einer Dickenrichtung parallel ist, das Innere eines Bestrahlungsbereichs des Detektionsobjekts in der Dickenrichtung gleichzeitig angeregt werden kann. Zudem wird Emissionslicht, das von Positionen emittiert wird, die sich voneinander auf der optischen Achse innerhalb des angeregten Bestrahlungsbereichs unterscheiden, in einen Verschiebungs-Lichtspot konvertiert, der sich verschiebt, so dass eine konvergierende Position auf einer lichtempfangenden Ebene, die die optische Achse des Emissionslichts schneidet, in Entsprechung zu einer Emissionsposition innerhalb des angeregten Bestrahlungsbereichs des Detektionsobjekts gemäß einer Bewegung entlang der optischen Achse des Emissionslichts variiert. Diesem entsprechend wird eine Koordinatenkonversion durchgeführt. Aufgrund der Koordinatenkonversion wird eine Vielzahl von Teilen von optischen Informationen von Positionen, die sich voneinander in einer Richtung entlang der optischen Achse unterscheiden, auf Positionen auf der lichtempfangenden Ebene fokussiert, die sich voneinander unterscheiden, und es ist daher möglich, die Vielzahl von Teilen von optischen Informationen auf der lichtempfangenden Ebene ohne relative Bewegung eines optischen Systems oder des Detektionsobjekts gemeinsam zu erfassen. Die vorliegenden Erfinder haben die Erfindung auf der Basis der Erkenntnisse verwirklicht.
  • Das heißt, die Erfindung stellt die folgenden Mittel bereit, um die Aufgabe zu verwirklichen.
    1. (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine optische Informationsdetektionsvorrichtung bereitgestellt, die enthält: ein Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil, das konfiguriert ist, um einen nadelförmigen Lichtspot zu generieren, der entlang einer ersten optischen Achse über eine Längendimension konzentriert ist, die größer als eine Breitendimension ist, konzentriert in einer Richtung orthogonal zu der ersten optischen Achse, und ein Detektionsobjekt mit dem nadelförmigen Lichtspot zu bestrahlen; ein Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil, das konfiguriert ist, um Emissionslicht, das aus einer Position auf der ersten optischen Achse innerhalb eines Bestrahlungsbereichs des nadelförmigen Lichtspots in dem Detektionsobjekt emittiert wird, in einen Verschiebungs-Lichtspot zu konvertieren, der sich verschiebt, so dass eine konvergierende Position auf einer lichtempfangenden Ebene, die eine zweite optische Achse schneidet, in Entsprechung zu der Position, aus der das Emissionslicht emittiert wird, auf der ersten optischen Achse in dem Detektionsobjekt, gemäß einer Bewegung des Emissionslichts entlang der zweiten optischen Achse, variiert; ein Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil, das konfiguriert ist, um den Verschiebungs-Lichtspot entlang der lichtempfangenden Ebene zu empfangen; und ein Optische-Information-Erfassungsteil, das konfiguriert ist, um optische Informationen der Emissionsposition des Emissionslichts aus dem Verschiebungs-Lichtspot, der von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil empfangen wird, zu erfassen.
    2. (2) In der optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß (1) kann das Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil eine Lichtquelle, ein optisches Modulationsteil, das konfiguriert ist, um Licht, das aus der Lichtquelle emittiert wird, zu modulieren, um das Licht, das aus der Lichtquelle emittiert wird, in den nadelförmigen Lichtspot zu konvertieren, und ein Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil, das konfiguriert ist, um das Licht, das durch das optische Modulationsteil moduliert wird, zu dem Detektionsobjekt zu fokussieren und den nadelförmigen Lichtspot zu generieren, enthalten.
    3. (3) In der optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß (1) oder (2) kann der nadelförmige Lichtspot ein Bessel-Strahl sein, der einen Abschnitt mit hoher optischer Intensität auf der ersten optischen Achse aufweist.
    4. (4) In der optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem von (1) bis (3) kann das Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil ein Emissionslicht-Modulationsteil umfassen, das konfiguriert ist, um das Emissionslicht durch Modulation des Emissionslichts in den Verschiebungs-Lichtspot zu konvertieren.
    5. (5) In der optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem von (1) bis (4) kann der Verschiebungs-Lichtspot ein Airy-Strahl sein, der in Bezug auf die zweite optische Achse in einer parabolischen Form gekrümmt ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Mikroskopsystem bereitgestellt, das enthält: die optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem von (1) bis (5); und ein Bildinformationserzeugungsteil, das konfiguriert ist, um Bildinformationen bezogen auf das Detektionsobjekt auf der Basis von optischen Informationen zu erzeugen, die aus dem Verschiebungs-Lichtspot durch das Optische-Information-Erfassungsteil erfasst werden.
  • [Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
  • Gemäß der optischen Informationsdetektionsvorrichtung und dem Mikroskopsystem gemäß dem Aspekt der Erfindung, da das Detektionsobjekt mit dem nadelförmigen Lichtspot über die Längendimension, die größer als die Breitendimension ist, entlang der ersten optischen Achse bestrahlt wird, und das Emissionslicht, das gleichzeitig von Positionen emittiert wird, die sich in dem Bestrahlungsbereich auf der ersten optischen Achse voneinander unterscheiden, in das Verschiebungs-Lichtspot konvertiert wird, wird eine Vielzahl von Teilen von optischen Informationen der Positionen, die sich voneinander auf der optischen Achse unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs des nadelförmigen Lichtspots in dem Detektionsobjekt auf Positionen konvergiert, die sich voneinander auf der lichtempfangenden Ebene unterscheiden, und kann die Vielzahl von Teilen von optischen Informationen auf der lichtempfangenden Ebene ohne relative Bewegung des optischen Systems der optischen Informationsdetektionsvorrichtung oder des Detektionsobjekts kollektiv erfasst werden. Im Ergebnis ist es möglich, die Vielzahl von Teilen von optischen Informationen von Positionen, die sich voneinander auf der ersten optischen Achse unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs des Detektionsobjekts mit einer höheren Geschwindigkeit zu erfassen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Ansicht einer optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung.
    • 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Phasenmodulationsmusters in einem optischen Modulationsteil der optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung zeigt.
    • 3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Phasenmodulationsmusters in einem Emissionslicht-Modulationsteil der optischen Informationsdetektionsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung zeigt.
    • 4 ist eine schematische Ansicht, die ein Bildungsverfahren für einen nadelförmigen Lichtspot zeigt, der für die optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung anwendbar ist.
    • 5 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Verfahren zur Bildung von einem nadelförmigen Lichtspot zeigt, der für die optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung anwendbar ist.
    • 6 ist ein Bild, das ein Resultat zeigt, das durch Messen einer Intensitätsverteilung von Licht (ringförmiges Licht), gebildet durch ein Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil der optischen Informationsdetektionsvorrichtung an einer Pupillenposition einer Objektivlinse im Beispiel 1, erhalten wird.
    • 7 ist ein Bild, das ein Resultat zeigt, das durch Messen einer Intensitätsverteilung von einem nadelförmigen Lichtspot, gebildet durch das Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil der optischen Informationsdetektionsvorrichtung im Beispiel 1, erhalten wird.
    • 8 ist ein Bild, das ein Resultat zeigt, das durch Messen zweidimensionaler Intensitätsverteilungen von gestreutem Licht von einzelnen Metallmikropartikeln während des Änderns einer Position z im Beispiel 1 erhalten wird.
    • 9 ist ein Graph, der ein Intensitätsprofil zeigt, das durch Durchführen der Integration in Bezug auf jede der zweidimensionalen Identitätsverteilungen des gestreuten Lichts erhalten wird, wie in 8 gezeigt, durch zehn Pixel einer CCD in einer y-Richtung orthogonal zu einer x-Richtung, welche durch eine Position mit der höchsten optischen Intensität durchgeht, an der Position in Bezug auf die x-Richtung.
    • 10 ist eine schematische Ansicht einer optischen Informationsdetektionsvorrichtung für Fluoreszenzbildgebung im Beispiel 2.
    • 11 ist eine Ansicht, die ein Messergebnis einer Intensitätsverteilung in einem Fall von einem typischen Lichtspot zeigt, der durch Fokussieren planarer wellenförmiger Lichtstrahlen (einfach) gebildet wird, und in einem Fall, bei dem ein nadelförmiger Spot durch Einstellen eines ringförmigen Phasenmodulationsmusters durch ein optisches Modulationsteil 14, gezeigt in 10, gebildet wird und eine Fokustiefe (DOF) zweifach, fünffach, zehnfach und fünfzehnfach in Bezug auf den typischen fokussierten Lichtspot im Beispiel 2 geändert wird.
    • 12A ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in einer x-Richtung in der Intensitätsverteilung des typischen Lichtspots, gezeigt in 11, zeigt.
    • 12B ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf zweifach zeigt.
    • 12C ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf fünffach zeigt.
    • 12D ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf zehnfach zeigt.
    • 12E ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf fünfzehnfach zeigt.
    • 13A ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in einer z-Richtung in der Intensitätsverteilung des typischen Lichtspots, gezeigt in 11, zeigt.
    • 13B ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf zweifach zeigt.
    • 13C ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf fünffach zeigt.
    • 13D ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf zehnfach zeigt.
    • 13E ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung in dem Fall des Änderns der Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots, gezeigt in 11, auf fünfzehnfach zeigt.
    • 14 ist eine Ansicht, die Messergebnisse einer Intensitätsverteilung von einem nadelförmigen Lichtspot in Ein-Photonen-Anregung (Fokustiefe: fünfzehnfach) und einen typischen fokussierten Lichtspot (Fokustiefe: einfach) und einem nadelförmigen Lichtspot, bei dem die Fokustiefe auf fünfzehnfach in Zwei-Photonen-Anregung im Beispiel 2 eingestellt ist, zeigt.
    • 15A ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung des typischen fokussierten Lichtspots (Fokustiefe: einfach) in der Zwei-Photonen-Anregung, gezeigt in 14, zeigt.
    • 15B ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung des nadelförmigen Lichtspots (Fokustiefe: fünfzehnfach) in der Zwei-Photonen-Anregung, gezeigt in 14, zeigt.
    • 16A ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung des typischen fokussierten Lichtspots (Fokustiefe: einfach) in der Zwei-Photonen-Anregung, gezeigt in 14, zeigt.
    • 16B ist ein Graph, der ein Strahlenprofil in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung des nadelförmigen Lichtspots (Fokustiefe: fünfzehnfach) in der Zwei-Photonen-Anregung, gezeigt in 14, zeigt.
    • 17 ist eine Ansicht, die ein Fluoreszenzbild (Airy-Strahl-Muster) eines fluoreszierenden Kügelchens auf einer EMCCD im Beispiel 2 zeigt.
    • 18 ist eine Ansicht, die ein Fluoreszenzbild in einem Fall zeigt, bei dem das fluoreszierende Kügelchen entlang dem nadelförmigen Lichtspot im Beispiel 2 gescannt wird.
    • 19 ist eine Ansicht, die eine Intensitätsverteilung des Airy-Strahl-Musters auf der EMCCD in der x-Richtung zeigt, und ist eine Ansicht, die eine Intensitätsverteilung des Fluoreszenzbilds beim Bewegen des fluoreszierenden Kügelchens aus einer fokalen Position (Δz = 0) auf Δz = 7 µm im Beispiel 2 zeigt.
    • 20 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Verschiebungsbetrag und einer Spotgröße in einer xy-Ebene (Ebene, die in der x-Richtung und der y-Richtung ausgedehnt ist) eines Punktes eines Airy-Strahls im Beispiel 2 zeigt.
    • 21 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Verschiebungsbetrag und einer Spotgröße in der xy-Ebene des Airy-Strahls in einem Fall, bei dem ein Parameter p p = 3 und p = 5 ist, im Beispiel 2 zeigt.
  • [Beschreibung der Ausführungsformen]
  • Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Des Weiteren sind die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Figuren schematische Figuren und Verhältnisse der Länge, Breite und Dicke und dergleichen sind nicht auf aktuelle Verhältnisse und dergleichen beschränkt und können entsprechend geändert werden.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Mikroskopsystems 100 gemäß einem Aspekt der Erfindung.
  • Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Mikroskopsystem 100 mindestens eine optische Informationsdetektionsvorrichtung 50 und enthält auch ein Bildinformationserzeugungsteil 60.
  • [Optische Informationsdetektionsvorrichtung]
  • Die optische Informationsdetektionsvorrichtung 50 umfasst ein Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10, ein Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil 30, ein Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 und ein Optische-Information-Erfassungsteil 48. In der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 wird ein nadelförmiger Lichtspot L1, der später beschrieben wird, generiert und ein Detektionsobjekt S wird mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 auf eine Weise bestrahlt, dass eine optische Achse (erste optische Achse) A1 des nadelförmigen Lichtspots L1 ungefähr parallel zu einer Richtung D3 (d. h. einer Dickenrichtung des Detektionsobjekts S) des Detektionsobjekts S ist. Außerdem wird in der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, Emissionslicht, das von Positionen P1, P2 und P3 emittiert wird, die sich auf der optischen Achse A1 voneinander unterscheiden, innerhalb eines Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 in dem Detektionsobjekt S in einen Verschiebungs-Lichtspot L2 konvertiert, und somit werden optische Informationen der Positionen P1, P2 und P3, von denen das Emissionslicht emittiert wird, von dem Verschiebungs-Lichtspot L2, der auf einer lichtempfangenden Ebene P empfangen wird, detektiert.
  • Des Weiteren sind in 1 als Positionen, die auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R in dem Detektionsobjekt S voneinander verschieden sind, drei Punkte der Positionen P1, P2 und P3 beispielhafte Beispiele. Die Gesamtheit der Positionen innerhalb des Bestrahlungsbereichs R entspricht jedoch Detektionspositionen der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, und die Zahl der Detektionspositionen ist nicht beschränkt.
  • (Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil)
  • Das Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10 hat eine Konfiguration zum Generieren des nadelförmigen Lichtspots L1, der über eine Längendimension g konzentriert wird, die größer als eine Breitendimension w ist, die auf Ebenen in Richtungen D1 und D2, die orthogonal zu der optische Achse A1 sind, entlang der optischen Achse A1 konzentriert ist, und zum Bestrahlen des Detektionsobjekts S mit dem nadelförmigen Lichtspot L1.
  • Der nadelförmige Lichtspot L1 ist nicht sonderlich beschränkt, solange der nadelförmige Lichtspot L1 fokussiert ist, so dass die Längendimension g größer als die Breitendimension w ist, und ein nicht-diffraktierter Lichtspot ist. Wie oben beschrieben, in dem nicht-diffraktierten Lichtspot wird Bestrahlung mit starkem Licht zuverlässig hin zu dem Bestrahlungsbereich R durchgeführt, und das Detektionsobjekt S innerhalb des Bestrahlungsbereichs R wird gleichzeitig angeregt. Wenn die Längendimension g des nadelförmigen Lichtspots L1 größer als die Breitendimension w ist, wird eine Wirkung, dass eine Vielzahl von Teilen von optischen Informationen in einer Dickenrichtung des Detektionsobjekts S zusammen erfasst werden können, verstärkt.
  • Des Weiteren wird, bei einem später zu beschreibenden Scanning-Laser-Mikroskop des Stands der Technik, bei dem ein optisches Modulationsteil 14 nicht vorgesehen ist, das Detektionsobjekt S mit dem Lichtspot bestrahlt, der fokussiert wird, ohne einer optischen Modulation unterzogen zu werden (nachfolgend als typischer Lichtspot bezeichnet). Bei dem typischen Lichtspot entspricht eine Längendimension in der Richtung D3 einer räumlichen Auflösung der Richtung D3 in dem Scanning-Laser-Mikroskop des Stands der Technik und hängt von einer Wellenlänge von Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, und einer numerischen Apertur einer Fokussierlinse ab. Beispielsweise in einem Fall, bei dem die Längendimension g des nadelförmigen Lichtspots L1 größer als das Zehnfache der Längendimension des typischen Lichtspots in der Richtung D3 ist, wenn das Mikroskopsystem 100 dieses Aspekts verwendet wird, ist es möglich, dreidimensionale Informationen des Detektionsobjekts S innerhalb einer Zeit zu messen, die ungefähr 1/10 im Vergleich zu dem Scanning-Laser-Mikroskop des Stands der Technik ist. Das heißt, unter Verwendung des Scanning-Laser-Mikroskop des Stands der Technik ist zweidimensionales Scannen entsprechend zehn Punkten entlang der Richtung D3 notwendig, um dreidimensionale Informationen der gleichen Dickendimension wie bei dem Mikroskopsystem 100 dieses Aspekts zu erhalten, welches den nadelförmigen Lichtspot L1 verwendet. Demgemäß ist die Messdauer ungefähr zehnmal so lang.
  • Beispiele des nadelförmigen Lichtspots L1 umfassen einen Bessel-Strahl. Der Bessel-Strahl ist ein Strahl, bei dem eine Wellenoberfläche in einer konischen Oberfläche gegeben ist, bei der eine Ausbreitungsachse (d. h. die optische Achse A1) als eine rotationssymmetrische Achse eingestellt ist und bei der aufgrund Interferenz ein Bereich mit hoher optischer Intensität in einer axialen Form entlang der Ausbreitungsachse generiert wird. Eine optische Intensitätsverteilung in einer Durchmesserrichtung (d. h. die Richtungen D1 und D2) des Strahls wird durch ein Quadrat einer Bessel-Funktion, wie der Name besagt, ausgedrückt. In diesem Aspekt erfolgt die Beschreibung unter der Annahme, dass der nadelförmige Lichtspot L1 der Bessel-Strahl ist.
  • Das Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10 enthält eine Lichtquelle 12, das optische Modulationsteil 14, das Licht, das aus der Lichtquelle emittiert wird, moduliert, um Licht (nicht gezeigt), das aus der Lichtquelle 12 emittiert wird, in den nadelförmigen Lichtspot L1 zu konvertieren, und ein Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16, welches das durch das optische Modulationsteil 14 modulierte Licht zu dem Detektionsobjekt S fokussiert und den nadelförmigen Lichtspot L1 generiert.
  • Die Lichtquelle 12 ist nicht sonderlich beschränkt, es ist aber bevorzugt, dass sie entsprechende Charakteristika und Spezifikationen aufweist, wie etwa eine Wellenlänge, eine optische Intensität und Leistung, um Licht zu erhalten, das in einer Richtung entgegengesetzt zu der des nadelförmigen Lichtspots L1 vom Inneren des Bestrahlungsbereichs R entlang einer optischen Achse A2 emittiert wird, wenn das Detektionsobjekt S mit dem Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, als dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt wird.
  • Das optische Modulationsteil 14 ist konfiguriert, um einen arbiträren physikalischen Betrag, wie etwa eine Amplitude und eine Phase des Lichts, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird und durch einen Hochreflexionsspiegel 13 reflektiert wird, zu modulieren, und um den nadelförmigen Lichtspot L1 zu generieren, der sich längs in der optischen Achse A1 parallel zu einer Dickenrichtung des Detektionsobjekts S, mindestens an der Innenseite des Detektionsobjekts S, erstreckt. Hier umfasst „mindestens an der Innenseite des Detektionsobjekts S“ sowohl einen Fall, bei dem der nadelförmige Lichtspot L1 direkt im Inneren des Detektionsobjekts S gebildet wird, als auch einen Fall, bei dem der nadelförmige Lichtspot L1 an einer Position näher an der Lichtquelle 12 im Vergleich zu dem Detektionsobjekt S gebildet wird, in einer Richtung entlang der optischen Achse A1, und wobei das Innere des Detektionsobjekts S auf eine Nicht-Diffraktions-Weise mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt wird.
  • Als optisches Modulationsteil 14 ist ein räumlicher Lichtmodulator (SLM), der fähig ist, eine Amplitudenverteilung oder eine Phasenverteilung von räumlichen Licht zu modulieren, ein beispielhaftes Beispiel. Beispiele für den SLM umfassen einen räumlichen Lichtphasen-Modulator (Flüssigkristall auf Silizium (LCOS)-SLM), der die oben beschriebene Modulation unter Verwendung eines Flüssigkristalls durchführt, eine digitale Mikrospiegeleinrichtung (DMD) durch Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS), welche die oben beschriebene Modulation durch Verwendung eines Mikrospiegels durchführt, und dergleichen. In diesem Aspekt wird als optisches Modulationsteil 14 ein Reflexionstyp-LCOS-SLM verwendet.
  • Das Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 hat eine Konfiguration zum Fokussieren des durch das optische Modulationsteil 14 modulierten Lichts auf einen vorgegebenen Bereich des Detektionsobjekts S als dem nadelförmigen Lichtspot L1. In diesem Aspekt wird als Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 eine Objektivlinse verwendet.
  • Als ein bestrahlungsseitiges optisches System, das veranlasst, dass durch das optische Modulationsteil 14 moduliertes Licht sich ausbreitet, und das Detektionsobjekt S mit dem Licht bestrahlt, sind die Fokussierlinsen 15, 18, 20 und 22 sequenziell von einer Seite nahe dem optischen Modulationsteil 14 entlang der optischen Achse A1 zwischen dem optischen Modulationsteil 14 und dem Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 angeordnet. Des Weiteren ist die Fokussierlinse 22 eine Verbundlinse. Die jeweiligen Fokussierlinsen 15, 18, 20 und 22 sind geeignet auf der optischen Achse A1 angeordnet, so dass das optische Modulationsteil 14 an einer Position angeordnet ist, an der eine Pupillenoberfläche einer Objektivlinse, die das Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 ausmacht, weitergegeben wird. Hochreflexionsspiegel 17, 19 und 21, die den optischen Weg falten, sind zwischen den Fokussierlinsen 15 und 18, zwischen den Fokussierlinsen 18 und 20 und zwischen den Fokussierlinsen 20 und 22 angeordnet.
  • Das optische Modulationsteil 14 umfasst ein Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120, das die Längendimension g und die Breitendimension w des Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteils 16 einstellt, das Licht in das Innere des Detektionsobjekts S auf die gewünschten Dimensionen konzentriert, die für die Detektion von optischen Informationen des Detektionsobjekts S geeignet sind, wie später beschrieben wird. Beispielsweise ist das Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 nicht sonderlich beschränkt, solange das Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 ein Modulationsmuster des optischen Modulationsteils 14 aus Informationen von Licht, das von der Lichtquelle 12 entlang der optischen Achse A1 emittiert wird, und Informationen des gewünschten nadelförmigen Lichtspots L1 berechnet. Als das Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 ist ein Computer mit einem Programm, das das Modulationsmuster und dergleichen berechnet, ein beispielhaftes Beispiel. Gemäß dem Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 weist der nadelförmige Lichtspot L1 die Breitendimension w und die Längendimension g auf, die gewünscht sind und die in Entsprechung mit einer Messumgebung und dem Detektionsobjekt S eingestellt werden. Bei einem nadelförmigen Spot mit ungefähr der gleichen Breitendimension w wie eine Breitendimension in einem typischen fokussierten Lichtspot wird, wenn die Längendimension g, die das Zehnfache oder mehr einer Längendimension des typischen fokussierten Lichtspots ist, erhalten wird, eine Beschleunigung um das Zehnfache auf das Maximum erwartet, während räumliche Auflösung einer Ebenen-Richtung (d. h. einer Richtung orthogonal zu der Richtung D3) in dreidimensionaler Abbildung unter Verwendung eines Lasermikroskops des Stands der Technik erhalten bleibt. Darüber hinaus wird bei dem Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 das Modulationsmuster des optischen Modulationsteils 14 in Übereinstimmung mit dem Grad der Beschleunigung (beispielsweise zehnfach) berechnet, die in der Richtung D3 angestrebt wird, wie oben beschrieben. Darüber hinaus werden bei dem Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von optischen Elementen (beispielsweise die Fokussierlinsen 15, 18, 20, 22 und dergleichen) zwischen dem optischen Modulationsteil 14 und dem Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 und Informationen von jedem der optischen Elemente berücksichtigt. In einem Fall, bei dem ein aktives optisches Element, wie etwa ein SLM, als das optische Modulationsteil 14 verwendet wird, kann das Modulationsmuster in dem optischen Modulationsteil 14 in Echtzeit mit Informationen oder einem Signal, das von dem Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 an das optische Modulationsteil 14 übertragen wird, neu geschrieben werden, und der nadelförmige Lichtspot L1 wird mit hoher Genauigkeit und in Echtzeit eingestellt.
  • Darüber hinaus ist ein Strahlteiler 23 auf der optischen Achse A1 zwischen den Fokussierlinsen 15 und 18 angeordnet. Aus dem optischen Modulationsteil 14 emittiertes Licht wird durch den Strahlteiler 23 übertragen und wird auf die optische Achse A1 in Richtung des Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteils 16 emittiert.
  • Wie in 1 gezeigt, um einen Bessel-Strahl auf eine vorgegebenen Bereich des Detektionsobjekts S als nadelförmiger Lichtspot L1 zu fokussieren, werden in dem LCOS-SLM als dem optischen Modulationsteil 14, wie in 2 gezeigt, lediglich Flüssigkristallmoleküle in einem Bereich, der einem ringförmigen Abschnitt C von einer Vielzahl von Flüssigkristallmolekülen entspricht, in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 angeordnet sind, auf einen Phasenmodulationsbetrag (d. h. eine Orientierungsrichtung): exp[ik×sin (θd)] zum Neigen (Kippen) einer einfallenden Wellenoberfläche in einem vorgegebenen Winkel eingestellt. In dem Phasenmodulationsbetrag exp[ik×sin (θd)] stellt k eine Wellenzahl (=2π/Wellenlänge) dar. Jeweilige in 2 gezeigte Dimensionen sind Dimensionen in einem Fall, bei dem eine Wellenlänge auf 488 nm eingestellt ist und ein Winkel θd auf 0,2° eingestellt ist.
  • Wenn die Flüssigkristallmoleküle des LCOS-SLM als das optische Modulationsteil 14 wie oben beschrieben eingestellt werden, wird eine Wellenfront (d. h. eine räumliche Verteilung einer Phase) von Licht, das von dem Hochreflexionsspiegel 13 reflektiert wird, moduliert. Wenn die Wellenfront von Licht, das von dem Hochreflexionsspiegel 13 reflektiert wird, wie oben beschrieben moduliert wird, hat das Licht, das von dem LCOS-SLM reflektiert wird, eine ringförmige optische Intensitätsverteilung in einer Pupillenoberfläche (nicht gezeigt) einer Objektivlinse als das Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16. Das heißt, Licht mit der ringförmigen Verteilung hoher optischer Intensität wird auf der Pupillenoberfläche der Objektivlinse gebildet. Des Weiteren stellt eine gestrichelte Linie Q, gezeigt in 2, eine relative Größe der Pupillenoberfläche der Objektivlinse in der gleichen Figur dar.
  • Wenn der Unterschied zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser des ringförmigen Abschnitts C, gezeigt in 2, durch das Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 reduziert wird, wird ein Verhältnis der Längendimension g zu der Breitendimension w erhöht, und es ist möglich, die Fokustiefe des Bessel-Strahls als dem nadelförmige Lichtspot L1 zu vergrößern.
  • In dem LCOS-SLM als das optische Modulationsteil 14 werden Flüssigkristallmoleküle in einem Bereich, der sich von dem Bereich unterscheidet, der dem ringförmigen Abschnitt C von der Vielzahl von Flüssigkristallmolekülen entspricht, die in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 angeordnet sind, nicht durch das Signal, das von dem Nadelförmiger-Lichtspot-Einstellungsteil 120 übertragen wird, moduliert.
  • Demgemäß wird Licht 0-ter Ordnung, das an Flüssigkristallmoleküle in einem Bereich emittiert wird, der sich von dem Bereich unterscheidet, der dem ringförmigen Abschnitt C entspricht, von dem optischen Modulationsteil reflektiert 14. In diesem Aspekt wird eine Apertur 31 an einer fokalen Position (einem sogenannten Vorderseiten-Fokusabstand) der Fokussierlinse 15 auf einer Seite gegenüber dem optischen Modulationsteil 14 bereitgestellt. Demgemäß trägt Licht 0-ter Ordnung, das eine Nicht-Modulationskomponente ist, reflektiert von einem Bereich des optischen Modulationsteils 14, der sich von dem ringförmigen Bereich C unterscheidet, nicht zu der Erfassung der optischen Informationen des Detektionsobjekts S bei. Das Licht 0-ter Ordnung propagiert nach dem Übertragen durch die Fokussierlinse 15 und den Hochreflexionsspiegel 17, wie durch die zweipunktige gestrichelte Linie in 1 gezeigt, aus, wobei jedoch das Licht 0-ter Ordnung durch die Apertur 31 blockiert wird und das Detektionsobjekt S durch das Licht 0-ter Ordnung nicht bestrahlt wird.
  • (Detektionsobjekt)
  • Das Detektionsobjekt S ist auf der optischen Achse A1 des nadelförmigen Lichtspots L1, der von dem Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10 emittiert wird, angeordnet. Das Detektionsobjekt S enthält ein Material oder ein Element, das fähig ist, mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt zu werden, und das durch den nadelförmigen Lichtspot L1 bei der Bestrahlung stimuliert wird. Das Detektionsobjekt S kann ohne sonderliche Beschränkung beispielsweise ein biologischer Körper oder ein nicht-biologischer Körper sein.
  • In dem Detektionsobjekt S erfolgt aus dem Material oder dem Element, das mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt wird, eine arbiträre optische Reaktion, wie etwa Absorption oder Reflexion von Licht, Fluoreszenz, Phosphoreszenz oder gestreutes Licht. In diesem Aspekt wird gestreutes Licht, das entlang der optischen Achse A2 von den Positionen P1, P2 und P3 auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des Detektionsobjekts S, das mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt wird, emittiert wird, als lichtempfangendes Ziel eingestellt.
  • Das Mikroskopsystem 100 umfasst einen Tisch T, auf dem das Detektionsobjekt S platziert ist. Der Tisch T ist mindestens in einer Ebene (d. h. den Richtungen D1 und D2) beweglich, die zu der optischen Achse A1 des nadelförmigen Lichtspots L1 orthogonal ist.
  • (Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil)
  • Das Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil hat eine Konfiguration zum Konvertieren von Emissionslicht (nicht gezeigt), das von den Positionen P1, P2 und P3 auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 in dem Detektionsobjekt S emittiert wird, in den Verschiebungs-Lichtspot L2. Der Verschiebungs-Lichtspot L2 ist Licht, das sich verschiebt, so dass Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf einer lichtempfangenden Ebene M, die die optische Achse A2 schneidet, in Entsprechung zu den Positionen P1, P2 und P3 in dem Detektionsobjekt S in Übereinstimmung mit Bewegung entlang der optischen Achse (zweite optische Achse) A2 des Emissionslichts variieren.
  • Der Verschiebungs-Lichtspot L2 ist nicht sonderlich beschränkt, solange der Verschiebungs-Lichtspot L2 ein nicht-diffraktierter Lichtspot ist, der sich verschiebt, so dass die Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M in Entsprechung zu den Positionen P1, P2 und P3, von denen das Emissionslicht emittiert wird, in Übereinstimmung mit Bewegung entlang der optischen Achse A2 des Emissionslichts variieren, wie oben beschrieben. Wenn der Verschiebungs-Lichtspot L2 der nicht-diffraktierte Lichtspot ist, kann die lichtempfangende Ebene M an einer arbiträren Position auf der optischen Achse A2 eingestellt werden, können die Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 des Verschiebungs-Lichtspots L2 auf der lichtempfangenden Ebene M, die eingestellt ist, auf eine zuverlässigere Weise voneinander unterschiedlich gemacht werden und kann der Verschiebungs-Lichtspot mit hoher Auflösung empfangen werden. Aus dem Blickwinkel der Auflösung von Informationen, die in jedem einer Vielzahl von Strahlen vom Verschiebungs-Lichtspot L2 enthalten sind, ist eine Lücke zwischen den Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M so eingestellt, dass sie gleich einem oder größer als ein Spotdurchmesser des Verschiebungs-Lichtspots L2 auf der lichtempfangenden M Ebene ist. Mit anderen Worten, in einer Dickenrichtung des Detektionsobjekts S, in Bezug auf eine Abweichung der räumlichen Auflösung der Richtung D3 in einem Laser-Scanning-Mikroskop des Stands der Technik, ist die Lücke zwischen den Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 so eingestellt, dass sie gleich einem oder größer als ein Spotdurchmesser des Verschiebungs-Lichtspots L2 ist. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Lücke zwischen den Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M gleich einer oder größer als eine Mindestdimension, bei der das Verschiebungs-Lichtspot L2, kondensiert auf jede der Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3, von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 individuell detektiert werden kann, das später beschrieben wird, und noch bevorzugter als ein ganzzahliges Vielfaches einer Pixelgröße eines zweidimensionalen Detektors des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 ist. Wenn der Abstand zwischen den Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, werden Informationen, die in dem Verschiebungs-Lichtspot L2, fokussiert auf jede der Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3, aufgelöst, und es ist daher möglich, eine Wirkung der kollektiven Erfassung einer Vielzahl von Teilen von optischen Informationen in der Dickenrichtung des Detektionsobjekts S mit hoher Genauigkeit weiter zu erhöhen.
  • Als der Verschiebungs-Lichtspot L2 ist ein Airy-Strahl ein beispielhaftes Beispiel. Der Airy-Strahl ist ein parabolischer Strahl, der gekrümmt ist, um eine Parabel in Bezug auf die optische Achse A2 in einem freien Raum zu erzeugen. In diesem Aspekt erfolgt die Beschreibung unter der Annahme, dass der Verschiebungs-Lichtspot L2 der Airy-Strahl ist.
  • Das Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil 30 umfasst ein Emissionslicht-Modulationsteil 32, das Emissionslicht durch Modulation des Emissionslichts, das von den Positionen P1, P2 und P3 auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 emittiert wird, in einen Verschiebungs-Lichtspot konvertiert.
  • Als das Emissionslicht-Modulationsteil 32 dient beispielhaft der SLM wie selbiger als das optische Modulationsteil 14 und dergleichen. Beispiele des SLM, die für die Anwendung am Emissionslicht-Modulationsteil 32 geeignet sind, umfassen den LCOS-SLM und die DMD durch die MEMS, und umfassen ferner einen membranartigen, verformbaren Spiegel und dergleichen. In diesem Aspekt wird als das Emissionslicht-Modulationsteil 32 der Reflexionstyp-LCOS-SLM verwendet.
  • Das Emissionslicht-Modulationsteil 32 umfasst ein Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130, das einen Verschiebungsbetrag und eine Intensitätsverteilung des Verschiebungs-Lichtspots L2 in den Richtungen D1 und D3 und die Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf einen gewünschten Betrag, eine gewünschte Verteilung und gewünschte Positionen einstellt, die für Lichtempfang durch das Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 geeignet sind. Das Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 ist beispielsweise nicht sonderlich beschränkt, solange das Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 konfiguriert ist, um ein Modulationsmuster des Emissionslicht-Modulationsteils 32 aus Informationen, die von dem Detektionsobjekt S entlang der optischen Achse A2, in der Dickenrichtung, emittiert werden, und Informationen von dem Verschiebungs-Lichtspot L2, das gewünscht wird, zu berechnen. Als Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 ist ein Computer ein beispielhaftes Beispiel, der mit einem Programm ausgestattet ist, das das Modulationsmuster und dergleichen berechnet. Gemäß dem Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 wird der gewünschte Verschiebungs-Lichtspot L2 in Entsprechung zu einer Messumgebung, optischen Charakteristika des Detektionsobjekts S, Spezifikationen und Leistung des zweidimensionalen Detektors des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 eingestellt. Es ist beispielsweise bevorzugt, dass die Lücke zwischen den Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M so eingestellt ist, dass sie gleich einem oder größer als ein Spotdurchmesser des Verschiebungs-Lichtspots L2 auf der lichtempfangenden Ebene M ist und größer als die zweifache Minimumdimension ist, bei der Detektion durch den zweidimensionalen Detektor des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 durchgeführt werden kann. Bei dem Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 werden Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von optischen Elementen (beispielsweise die Fokussierlinsen 18, 20, 22,10 24, 25 und dergleichen) zwischen dem Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 und dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 und Informationen von jedem der optischen Elemente berücksichtigt. In einem Fall, bei dem ein aktives optisches Element, wie etwa ein SLM, als das Emissionslicht-Modulationsteil 32 verwendet wird, wie oben beschrieben, kann das Modulationsmuster in dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 in Echtzeit mit Informationen oder einem Signal, das von dem Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 an das Emissionslicht-Modulationsteil 32 übertragen wird, neu geschrieben werden, und der Verschiebungs-Lichtspot L2 wird mit hoher Genauigkeit und in Echtzeit eingestellt.
  • In diesem Aspekt wird, wie in 1 gezeigt, gestreutes Licht, das in einer Richtung (d. h. einer Richtung entgegen der Richtung D3) entgegen einer Ausbreitungsrichtung des nadelförmigen Lichtspots L1 emittiert wird, als Emissionslicht entlang der optischen Achsen A2 von den Positionen P1, P2 und P3 auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 empfangen. Optische Informationen, die sich auf das Detektionsobjekt S innerhalb des Bestrahlungsbereichs R beziehen, werden von dem gestreuten Licht detektiert. Das Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil 30 teilt sich die Objektivlinse, die in dem Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 verwendet wird, die Fokussierlinsen 18, 20 und 22 und die den optischen Weg faltenden Hochreflexionsspiegel 19 und 21 mit dem Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10 entlang der optischen Achse A2 von dem Bestrahlungsbereich R des nadelförmigen Lichtspots L1 zu dem Strahlteiler 23 als ein detektionsseitiges optisches System, um zu veranlassen, das sich Licht, das von den Positionen P1, P2 und P3 des Bestrahlungsbereichs R auf der optischen Achse A1 in dem Detektionsobjekt S emittiert wird, hin zu dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 propagiert.
  • Das Emissionslicht, das durch Fokussierlinse 18 entlang der optischen Achse A2 durchtritt wird, fällt auf den Strahlteiler 23 von einer Stelle entgegengesetzt zu einer Einfallsebene von Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, ein, und es wird daher ein Teil des Emissionslichts von dem Strahlteiler 23 reflektiert.
  • Die Fokussierlinse 24 ist zwischen dem Strahlteiler 23 und dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 entlang der optischen Achse A2 als eine Nachfolge des oben beschriebenen detektionsseitigen optischen Systems angeordnet. Die Hochreflexionsspiegel 26 und 27, die den optischen Weg falten, sind jeweils zwischen dem Strahlteiler 23 und der Fokussierlinse 24 und zwischen der Fokussierlinse 24 und dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 angeordnet.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird, um den Airy-Strahl auf die lichtempfangende Ebene M als das Verschiebungs-Lichtspot L2 zu fokussieren, in dem LCOS-SLM als das Emissionslicht-Modulationsteil 32, wenn ein Phasenmodulationsbetrag einer Vielzahl von Flüssigkristallmolekülen, die in einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf die optische Achse A2 angeordnet sind, durch das Verschiebungs-Lichtspot-Einstellungsteil 130 auf der Basis eines bekannten Prinzips (siehe beispielsweise Jia et. al., Nature Photon. 8, 302-306 (2014)) eingestellt ist, eine Wellenfront des Emissionslichts moduliert, das von den Positionen P1, P2 und P3 auf der optischen Achse A1 emittiert wird. In einem bekannten Verfahren, wie in 3 gezeigt, wird der Phasenmodulationsbetrag von einzelnen Flüssigkristallmolekülen so kontrolliert, dass gesamte Wellenfronten einer Vielzahl von Flüssigkristallmolekülen eine Wellenfront W (s, t) bildet, die durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt wird.
    [Mathematische Formel 1] W ( s , t ) = exp ( i k s 3 + t 3 R e f f 3 p ) r e c t ( t 2 h )
    Figure DE112017002847T5_0001
  • Des Weiteren stellen im Ausdruck (1), Reff einen effektiven Radius des Phasenmodulationsbereichs des LCOS-SLM, h eine effektive Höhe des Phasenmodulationsbereichs des LCOS-SLM, p einen relativen Phasenverschiebungsbetrag an einer Position Reff in Bezug auf die Mitte des Phasenmodulationsbereichs des LCOS-SLM und k eine Wellenzahl (=2π/Wellenlänge) dar. Wenn beispielsweise p 3 ist, ist der Phasenmodulationsbetrag bei Reff in Bezug auf den Phasenmodulationsbereich des LCOS-SLM 6π = 3λ.
  • 3 zeigt beispielsweise schematisch den Phasenmodulationsbetrag der Flüssigkristallmoleküle in dem LCOS-SLM in einem Fall, bei dem p im Ausdruck (1) auf 3 eingestellt ist, und zeigt, dass eine kubische funktionale Phasenverteilung, bei der ein oberer Abschnitt (d. h. der mittlere Abschnitt eines Phasenmodulationsbereichs U, gezeigt in 3) in einer Ebene geschnitten ist, gebildet wird.
  • Ein Hochreflexionsspiegel 28, der den optischen Weg faltet, und eine Fokussierlinse 25 sind sequenziell zwischen dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 und der lichtempfangenden Ebene M entlang der optischen Achse A2 angeordnet, so dass das Emissionslicht, von dem eine Phase durch den LCOS-SLM moduliert wird, auf der lichtempfangenden Ebene M als der Verschiebungs-Lichtspot L2 gebildet wird. In dem detektionsseitigen optischen System ist ein Linsenzwischenabstand der Fokussierlinsen 24 und 25 auf der optischen Achse A2 auf die Summe von Fokuslängen von jeweiligen Linsen eingestellt.
  • Licht, das von dem LCOS-SLM reflektiert wird, wird demgemäß von dem Hochreflexionsspiegel 28 reflektiert, fällt auf die Fokussierlinsen 25, wird durch die Fokussierlinsen 25 als ein Airy-Strahl mit einer parabolischen Form fokussiert, die gekrümmt ist, um eine Parabel in Bezug auf die optische Achse A2 zu erzeugen, und propagiert auf eine Nicht-Diffraktions-Weise. Airy-Strahlen basierend auf einer Vielzahl von Strahlen von Emissionslicht, die jeweils von den Positionen P1, P2 und P3 emittiert werden, die sich voneinander auf der optischen Achse A1 unterscheiden, haben ungefähr die gleiche gekrümmte Form, und sie sind so verteilt, dass sie voneinander parallel zur optischen Achse A2 abweichen.
  • (Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil)
  • Das Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 hat eine Konfiguration zum Empfangen des Verschiebungs-Lichtspots L2 entlang der lichtempfangenden Ebene M. Beispiele des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 umfassen ein Array-Lichtempfangselement, wie etwa eine CCD und ein Bildsensor.
  • (Optisches Informationserfassungsteil)
  • Das Optische-Information-Erfassungsteil 48 wird bereitgestellt, um Informationen, die für die dreidimensionale Abbildung des Detektionsobjekts S notwendig sind, aus Informationen aus dem Verschiebungs-Lichtspot L2, das von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 empfangen wird, zu erfassen. Beispiele des Optische-Information-Erfassungsteils 48 umfassen einen Computer.
  • Details einer entsprechenden Beziehung zwischen Anordnungsinformationen (Pixelzahl und dergleichen) der Lichtempfangselemente auf der lichtempfangenden Ebene des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 und den Positionen P1, P2 und P3 auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des Detektionsobjekts S, spezifische Verarbeitungsinhalte (beispielsweise Verwendung von Farbinformationen oder Anzeige zur Hervorhebung eines spezifischen Materials), bezogen auf die von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 übertragenen Informationen, und dergleichen werden in dem Optische-Information-Erfassungsteil 48 im Voraus gespeichert. Darüber hinaus ist das Optische-Information-Erfassungsteil 48 mit Funktionen für Rauschentfernungsverarbeitung in Bezug auf die von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 übertragenen Informationen, Filterverarbeitung zur effektiven Visualisierung der gewünschten Informationen und dergleichen versehen.
  • (Bildinformationserzeugungsteil)
  • Das Bildinformationserzeugungsteil 60 hat eine Konfiguration zum Erstellen von Bildinformationen, wie etwa dreidimensionalen Bildinformationen, von Informationen bezogen auf das Detektionsobjekt S, die von dem Optische-Information-Erfassungsteil 48 erfasst werden, und zum Anzeigen der Bildinformationen auf einem Monitor 62. Des Weiteren kann das Bildinformationserzeugungsteil 60 in einen Computer eingebettet sein, der das Optische-Information-Erfassungsteil 48 ausmacht. Demgemäß können Informationen von dem Verschiebungs-Lichtspot L2, das von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 empfangen wird, sofort auf dem Monitor und dergleichen angezeigt werden, um visualisiert zu werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 wird das Detektionsobjekt S mit dem nicht-diffraktierten nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt, der zur Erstreckung in der Längendimension g im Vergleich zu der Breitendimension w auf der optischen Achse A1 fokussiert wird, wobei Stimulation gleichzeitig über die Längendimension g des nadelförmigen Lichtspots L1 in Bezug auf die Tiefenrichtung (d. h. die Dickenrichtung des Detektionsobjekts S) entlang der optischen Achse A1 des Detektionsobjekts S angewandt wird. Darüber hinaus wird Emissionslicht, das von den Positionen P1, P2 und P3 emittiert wird, die sich voneinander unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 in dem Detektionsobjekt S in nicht-diffraktierter Verschiebungs-Lichtspot L2 konvertiert. Der Verschiebungs-Lichtspot L2 ist Licht, das sich verschiebt, so dass die Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M in Entsprechung zu den Positionen P1, P2 und P3 des Detektionsobjekts S, von denen das Emissionslicht emittiert wird, in Übereinstimmung mit Bewegung entlang der optischen Achse A2 variieren. Wenn das Emissionslicht in den Verschiebungs-Lichtspot L2 konvertiert wird, ist es möglich, Informationen in der Dickenrichtung des Detektionsobjekts S in In-Ebene-Informationen der lichtempfangenden Ebene M zu konvertieren. Demgemäß ist es möglich, wenn Bestrahlung mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 einmal durchgeführt wird, Informationen von Positionen, die sich in der Dickenrichtung des Detektionsobjekts S voneinander unterscheiden, mit der Geschwindigkeit von Licht zu erfassen und detektieren, ohne der Notwendigkeit für mechanisches Scannen und Bewegung und Steuerung einer Vorrichtung. Darüber hinaus ist es möglich, wenn dies mit einer bekannten Technologie kombiniert wird, bei der das Scannen des Detektionsobjekts S mit Bestrahlungslicht mit einer hohen Geschwindigkeit in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 durchgeführt wird, dreidimensionale Informationen des Detektionsobjekts S durch dreidimensionales Scannen, das einmal mit einer relativ hohen Geschwindigkeit durchgeführt wird, zu erfassen.
  • Darüber hinaus kann, gemäß der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, da das Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil 10 mit dem optischen Modulationsteil 14 und dem Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 bereitgestellt wird, Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, durch das optische Modulationsteil 14 frei und glatt moduliert werden, in dem ein Modulationsmuster und dergleichen im Voraus gestaltet und berechnet wird, wobei das modulierte Licht durch das Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil 16 auf das Detektionsobjekt S fokussiert werden kann und der nadelförmige Lichtspot L1 generiert werden kann.
  • Da der LCOS-SLM, der ein aktives Element ist, als optisches Modulationsteil 14 verwendet wird, ist es in diesem Aspekt einfach, den Phasenmodulationsbetrag der Flüssigkristallmoleküle in Entsprechung zu einer Wellenoberfläche und Charakteristika von Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, und die Längendimension g des nadelförmigen Lichtspots L1 frei einzustellen und zu ändern, und es wird der Grad der Gestaltungsfreiheit für die Gesamtheit der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 erhöht. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, das optische Modulationsteil 14 jedes Mal zu ersetzen, wenn ein Modulationsmuster in Bezug auf Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, verschieden ist.
  • Darüber hinaus wird, gemäß der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, da der Bessel-Strahl als der nadelförmige Lichtspot L1 verwendet wird, eine optische Intensitätsverteilung in den Richtungen D1 und D2 orthogonal zu der optischen Achse A1 durch das Quadrat einer Bessel-Funktion ausgedrückt. Demgemäß kann das Detektionsobjekt S mit Bestrahlungslicht bestrahlt werden, bei dem ein Bereich mit hoher optischer Intensität in der Breitendimension w auf eine Nicht-Diffraktions-Weise gebildet wird, und es ist möglich, Stimulation in Bezug auf einen vorgegebenen Bereich des Detektionsobjekts S zuverlässiger anzuwenden.
  • Darüber hinaus kann, gemäß der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, da das Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil 30 mit dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 bereitgestellt, das Emissionslicht, das von den Positionen P1, P2 und P3, die voneinander verschieden sind, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R in dem Detektionsobjekt S emittiert wird, durch das Emissionslicht-Modulationsteil 32 frei und glatt moduliert werden, in dem ein Modulationsmuster und dergleichen im Voraus gestaltet und berechnet wird und der Verschiebungs-Lichtspot L2 generiert werden kann.
  • Bei diesem Aspekt ist es, so wie in dem optischen Modulationsteil 14, da der LCOS-SLM ein aktives Element ist, das als Emissionslicht-Modulationsteil 32 verwendet, einfach, den Phasenmodulationsbetrag der Flüssigkristallmoleküle in Entsprechung zu einer Wellenfront und Charakteristika von Emissionslicht, das von den Positionen P1, P2 und P3, die sich voneinander unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R in dem Detektionsobjekt S, eine Minimumdimension, die fähig ist, in dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 und dergleichen detektiert zu werden, frei einzustellen und zu ändern, und es wird der Grad der Gestaltungsfreiheit für die Gesamtheit der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 erhöht. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, das Emissionslicht-Modulationsteil 32 jedes Mal zu ersetzen, wenn ein Modulationsmuster in Entsprechung zu dem Emissionslicht, das von dem Detektionsobjekt S emittiert wird, oder Spezifikationen des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 verschieden ist.
  • Darüber hinaus kann, gemäß der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, da der Airy-Strahl als der Verschiebungs-Lichtspot L2 verwendet wird, Emissionslicht von den Positionen P1, P2 und P3, die sich voneinander unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R in dem Detektionsobjekt S auf einen parabolischen Strahl eingestellt werden, der gekrümmt ist, um eine Parabel in Bezug auf die optische Achse A2 zu erzeugen, und kann verteilt werden, um entlang der optischen Achse A2 für jede der Positionen P1, P2 und P3, die sich voneinander unterscheiden, abzuweichen. Demgemäß wird eine Vielzahl von Strahlen vom Verschiebungs-Lichtspot auf der lichtempfangenden Ebene M, die die optische Achse A2 schneidet, ausgeschnitten, und es werden individuelle Strahlen des Verschiebungs-Lichtspots zuverlässiger empfangen. Im Ergebnis ist es möglich, optische Informationen von den Positionen P1, P2 und P3, die sich voneinander unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R in dem Detektionsobjekt S mit Genauigkeit zu detektieren.
  • Da die oben beschriebene optische Informationsdetektionsvorrichtung 50 und das Bildinformationserzeugungsteil 60 bereitgestellt sind, ist es darüber hinaus gemäß dem Mikroskopsystem 100 möglich, wenn eine Bestrahlung mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 einmal durchgeführt wird, dreidimensionale Informationen des Detektionsobjekts S mit einer relativ hohen Geschwindigkeit auf der Basis von optischen Informationen zu erfassen, die durch die optische Informationsdetektionsvorrichtung 50 detektiert werden, von den Positionen P1, P2 und P3, die sich voneinander unterscheiden, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R in dem Detektionsobjekt, ohne die Notwendigkeit für mechanisches Scannen und Bewegung und Steuerung einer Vorrichtung, und ist es möglich, dreidimensionale optische Abbildung durchzuführen.
  • Hierin wurde zuvor eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die spezifische Ausführungsform beschränkt und verschiedene Modifikationen und Änderungen können in einem Bereich des Kerns der Erfindung, beschrieben in den beigefügten Ansprüchen, vorgenommen werden.
  • Darüber hinaus ist, in dem oben beschriebenen Aspekt, eine Konfiguration zum Generieren eines Bessel-Strahls als nadelförmiger Lichtspot L1 unter Verwendung des LCOS-SLM ein beispielhaftes Beispiel, wobei jedoch zusätzlich zu dem Verfahren viele Verfahren zum Generieren des Bessel-Strahls bekannt sind. Beispielsweise, wie in 4 gezeigt, wenn paralleles Licht von einer Lichtquelle und dergleichen durch eine Amplitudenmaske 71 durchgeht, in der eine ringförmige Öffnung 72 gebildet ist, und das Licht, das durch die Amplitudenmaske 71 durchgegangen ist, durch eine Linse 73 fokussiert wird, wird ein Bessel-Strahl B, der über eine Längendimension, die größer als eine Breitendimension ist, fokussiert ist, fokussiert in einer Richtung orthogonal zu einer optischen Achse Ax entlang der optischen Achse Ax, generiert. Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, die Längendimension zur Breitendimension des nadelförmigen Lichtspots L1 durch Ändern eines Durchmessers d72 oder einer Breite p72 der Öffnung 72 zu steuern.
  • Als weiteres Verfahren zur Erzeugung des Bessel-Strahls, beispielsweise wie in 5 gezeigt, wird der Bessel-Strahl B auch durch Fokussieren von parallelem Licht von einer Lichtquelle und dergleichen unter Verwendung einer Axicon-Linse 74 generiert, bei der eine Emissionsseite in einer konischen Form gebildet ist. Der auf diese Weise erzeugte Bessel-Strahl B kann als der nadelförmige Lichtspot L1 verwendet werden.
  • Darüber hinaus wird, wenn der Bessel-Strahl als der nadelförmige Lichtspot L1 verwendet wird, wie oben beschrieben, der Bereich mit hoher optischer Intensität in der Breitendimension w in den Richtungen D1 und D2 orthogonal zu der optischen Achse A1 gebildet, und schwaches Licht tritt als Nebenkeule an einer Außenseite des Bereichs mit hoher optischer Intensität in den selben Richtungen auf. Wenn das schwache Licht in einem Zustand der Überlappung des Emissionslichts von den Positionen P1, P2 und P3 des Detektionsobjekts S, welches ursprünglich auf der lichtempfangenden Ebene M detektiert werden soll, empfangen wird, verringert sich ein Signal-RauschVerhältnis (S/N-Verhältnis), und Informationen, bei denen optische Informationen von den Positionen P1, P2 und P3 und Informationen des schwachen Lichts kombiniert werden, sind passend, um detektiert zu werden. Aus dem Blickwinkel des Unterdrückens der Verringerung des S/N-Verhältnisses ist in der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 und dem Mikroskopsystem 100 die Einführung einer Konfiguration eines bekannten Mehrphotonen-Anregungs-Mikroskop geeignet. Wenn die Konfiguration des Mehrphotonen-Anregungs-Mikroskop eingeführt ist, wird, in einem Fall von n-Photonen-Anregung (n ist eine positive ganze Zahl), die optische Intensität von Emissionslicht proportional zur n-ten Potenz einer optischen Anregungsintensitätsverteilung geändert, und ein Einfluss des schwachen Lichtes wird daher relativ schwach. Demgemäß wird das schwache Licht auf der lichtempfangenden Ebene M bis zu einem gewissen Grad schwach, bei dem das schwache Licht im Wesentlichen nicht detektiert wird, und es ist daher möglich, optische Informationen von den Positionen P1, P2 und P3 des Detektionsobjekts S, die ursprünglich detektiert werden sollen, mit höherer Genauigkeit zu detektieren.
  • Darüber hinaus erfolgte, in dem oben beschriebenen Aspekt, eine Beschreibung von einer Konfiguration, bei der als Beispiel der Tisch T, auf dem das Detektionsobjekt S platziert ist, in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 des nadelförmigen Lichtspots L1 bewegbar ist. Wenn jedoch der nadelförmige Lichtspot L1 in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse Ax in Bezug auf das Detektionsobjekt S bewegt wird, kann der nadelförmige Lichtspot L1 relativ zu dem Detektionsobjekt S bewegt werden. Demgemäß kann die Position des Detektionsobjekts S und des Tisches T fixiert sein, und Scannen mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 kann in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 in Bezug auf das Detektionsobjekt S unter Verwendung eines Galvanometerspiegels und dergleichen durchgeführt werden.
  • Das heißt, das Mikroskopsystem 100 kann ein Strahl-Scanning-Laser-Mikroskop sein, das fähig ist, Scannen mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 durchzuführen.
  • Darüber hinaus erfolgte, in dem oben beschriebenen Aspekt, eine Beschreibung mit Verwendung des Airy-Strahls als der Verschiebungs-Lichtspot. Der Verschiebungs-Lichtspot kann jedoch ein nicht-diffraktierter Lichtspot sein, das sich verschiebt, so dass die Fokussier-Positionen Q1, Q2 und Q3 auf der lichtempfangenden Ebene M in Entsprechung zu den Positionen P1, P2 und P3, von denen das Emissionslicht emittiert wird, in Übereinstimmung mit Bewegung entlang der optischen Achse A2 variieren. Beispielsweise kann der Verschiebungs-Lichtspot in Bezug auf die optische Achse A2 nicht gekrümmt sein, kann ein Abstand von der optischen Achse A2 linear in Entsprechung mit Bewegung entlang der optischen Achse A2 variieren und die Fokussier-Positionen Q1, Q2 oder Q3, an denen der Verschiebungs-Lichtspot fokussiert ist, können sich voneinander für jede der Positionen P1, P2 und P3, von denen Emissionslicht emittiert wird, unterscheiden. Das heißt, der Verschiebungs-Lichtspot kann ein Lichtspot sein, der in Bezug auf die optische Achse A2 geneigt ist, und sich für jede der Positionen P1, P2 und P3, von denen Emissionslicht emittiert wird, parallel zueinander erstrecken.
  • Darüber hinaus wird, in dem oben beschriebenen Aspekt, als das optische Modulationsteil 14 und das Emissionslicht-Modulationsteil 32 der LCOS-SLM verwendet. Eine optische Welle, die auf jedes Modulationsteil einfällt, kann jedoch als eine eingangsseitige optische Welle eingestellt werden, eine optische Wellen-Ausgabe von dem Modulationsteil kann als Ausgabe-Licht eingestellt werden, ein Modulationsbetrag in dem Modulationsteil kann geeignet aus einer Beziehung zwischen der Eingangs-Welle und der Ausgabe-Welle berechnet, im Voraus eingestellt oder entsprechend korrigiert werden. Darüber hinaus kann eine optische Welle, die auf das Modulationsteil einfällt, als Objektlicht eingestellt werden, kann geeignetes Bezugslicht eingestellt werden, kann ein Interferenzstreifen berechnet werden, um die optischen Wellen-Ausgabe von dem Modulationsteil zu emittieren, und kann ein computergeneriertes Hologramm (CGH) an dem optischen Modulationsteil 14 und dem Emissionslicht-Modulationsteil 32 angewendet werden.
  • Darüber hinaus kann das Mikroskopsystem 100 ungefähr gleichzeitig eine Vielzahl von Teilen von optischen Informationen von den Positionen P1, P2 und P3, die sich voneinander in einer Richtung entlang der optischen Achse A1 in dem Detektionsobjekt S unterscheiden, erfassen, kann das Mikroskopsystem 100 in ein bekanntes Multi-Punkt-Scanning-Laser-Mikroskop eingeführt werden. Aufgrund der Einführung in ein bekanntes Multi-Punkt-Scanning-Laser-Mikroskop ist es möglich, annähernd gleichzeitig eine Vielzahl von Teilen von optischen Informationen von Positionen, die sich in einer Ebene orthogonal zu der optischen Achse A1 voneinander unterscheiden, zu erfassen, und die Erfassung der dreidimensionalen Informationen des Detektionsobjekts S und die dreidimensionale Abbildung werden damit auf eine annähernd sofortige Weise möglich.
  • Darüber hinaus wird, bei dem oben beschriebenen Mikroskopsystem 100, wenn ein Dispersionselement oder eine Konfiguration eingeführt wird, das/die fähig ist, eine Vielzahl von Strahlen von Emissionslicht für jede Wellenlänge in einer Richtung, die die optische Achse A2 schneidet, und sich von einer Richtung unterscheidet, in der Fokussier-Positionen voneinander in Übereinstimmung mit Positionen auf der optischen Achse A1 in dem detektionsseitigen optischen System abweichen, eine Detektion von optischen Informationen für jedes Spektrum des Emissionslichts, Spektrum-Bildgebung und Multi-Farben- Bildgebung möglich. Demgemäß ist es möglich, wenn eine biologische Probe, wie etwa Zellen, als Detektionsobjekt S eingestellt ist, falls eine Vielzahl von Detektionsfarbstoffen an dem Detektionsobjekt S angewendet wird, das Innere des Bestrahlungsbereichs R durch den nadelförmige Lichtspot L1 gleichzeitig angeregt wird und Spektrum-Bildgebung wie oben beschrieben durchgeführt wird, einen lokalen Aspekt eines Organs, eine Funktion und einen spezifischen Abschnitt innerhalb der Zellen zu beobachten.
  • Darüber hinaus erfolgte, bei der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 und dem Mikroskopsystem 100, eine Beschreibung eines Beispiels, bei dem in dem Detektionsobjekt S gestreutes Licht von einem Material oder Element emittiert wird, das mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt wird. Wie oben beschrieben, kann jedoch eine optische Reaktion von dem Detektionsobjekt S Fluoreszenz, einschließlich Ein-Photonen-Anregung und Mehrphotonen-Anregung, Raman-Streulicht, nichtlineare Lichtemission, wie etwa eine zweite höhere harmonische Welle, Absorption oder Reflexion von Licht, Phosphoreszenz oder dergleichen sein, soweit, neben der Fluoreszenz, eine Detektion möglich ist. Die Anordnung oder die Zahl der Fokussierlinsen, der Hochreflexionsspiegel, die den optischen Weg falten, und der Strahlteiler, die in dem bestrahlungsseitigen optischen System und dem detektionsseitigen optischen System verwendet werden, kann in Übereinstimmung mit den optischen Reaktionen geeignet geändert werden.
  • Darüber hinaus ist, bei der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 und dem Mikroskopsystem 100, wenn das Detektionsobjekt S mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt wird, Licht, das in einer Richtung entgegengesetzt zu dem nadelförmigen Lichtspot L1 entlang der optischen Achse A2 von dem Inneren des Bestrahlungsbereichs R emittiert wird, als ein Detektionsziel eingestellt, es kann aber Licht, das in der gleichen Richtung wie der nadelförmige Lichtspot L1 entlang der optischen Achse A2 von dem Inneren des Bestrahlungsbereichs R emittiert wird, als ein Detektionsziel eingestellt werden. Das heißt, die optische Informationsdetektionsvorrichtung und das Mikroskopsystem gemäß der Erfindung können eine Transmissionstypkonfiguration aufweisen, bei der das detektionsseitige optische System auf einer Seite gegenüber dem bestrahlungsseitigen optischen System angeordnet ist, wobei das Detektionsobjekt S als Referenz ohne Beschränkung auf die Reflexionstypkonfiguration, gezeigt in 1, eingestellt ist.
  • [Beispiele]
  • Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung von Beispielen zum Unterstützen der Wirkungen der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 und des Mikroskopsystems 100 von diesem Aspekt. Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
  • (Beispiel 1)
  • Die in 1 gezeigte optische Informationsdetektionsvorrichtung 50 wurde gebaut und eine Verifizierung in Bezug auf die Detektion von optischen Informationen in der Dickenrichtung des Detektionsobjekts S innerhalb der Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 wurde durchgeführt. Das Optische-Information-Erfassungsteil 48 wurde jedoch weggelassen und ein Ausgang einer CCD, verwendet als Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40, wurde bestätigt, und Verifizierung der optischen Informationen wurde durchgeführt.
  • Darüber hinaus wurde als Tisch T ein dreidimensionaler, genau bewegbarer Tisch vom Piezoantriebstyp verwendet.
  • Übersichten von optischen Komponenten, die in dem Mikroskopsystem 100 verwendet werden, werden in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
    Name des Bestandselements Gestaltungszustand, Modellnummer und dergleichen
    Lichtquelle 12 Wellenlänge: 488 nm, kontinuierlich oszillierendes Licht. paralleles Licht
    Optisches Modulationsteil 14 LCOS-SLM: X10468-01 (hergestellt und vertrieben von Hamamatsu Photonics K.K.)
    Strahlteiler 23 Transmission : Reflexion = 50 : 50
    Fokussierlinse 15 Fokusabstand: 250 mm
    Fokussierlinse 18 Fokusabstand: 200 mm
    Fokussierlinse 20 Fokusabstand: 100 mm
    Fokussierlinse 22 Fokusabstand. 200 mm
    Nadelförmiges Lichtspot-Generierungsteil 16 (Objektivlinse) Fokusabstand: 1,8 mm, numerische Apertur: 1,4 Öl-Immersions Linse
    Fokussierlinse 24 Fokuslänge: 300 mm
    Emissionslicht-Modulationsteil 32 LCOS-SLM: X10468-07 (hergestellt und vertrieben von Hamamatsu Photonics K.K.)
    Fokussierlinse 25 Fokuslänge: 150 mm
    Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 CCD: DMK51BU02. WG (hergestellt und vertrieben von ARGO Corporation)
  • Bei der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, wurde Laserlicht, das ein linear polarisierter Gaußscher Strahl ist, von der Lichtquelle 12 emittiert, und das Laserlicht wurde mit dem LCOS-SLM, der das optische Modulationsteil 14 ist, moduliert. Bei der Modulation wurde ein Phasenmodulationsbetrag (d. h. eine Orientierungsrichtung) so eingestellt, dass eine Einfalls-Wellenfläche der Flüssigkristallmoleküle in einem Bereich, der dem ringförmigen Bereich C, gezeigt in 2, entspricht, um 0,2° geneigt war, wodurch Licht (ringförmiges Licht) mit einer ringförmigen Verteilung hoher optischer Intensität, wie in 6 gezeigt, in einer Pupillenoberfläche (nicht gezeigt) einer Objektivlinse des Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteils 16 gebildet wurde. Eine gestrichelte Linie in 6 zeigt relativ die Größe der Pupille der Objektivlinse des Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteils 16 als Referenz. Insbesondere wurde Licht mit einer ringförmigen Verteilung hoher optischer Intensität, von dem ein Innendurchmesser das 0,66-fache und ein Außendurchmesser das 0,77-fache in Bezug auf eine Objektivlinse mit einem Pupillendurchmesser von 5,04 mm waren, gebildet.
  • Das in 6 gezeigte ringförmige Licht wurde auf eine Objektivlinse fokussiert, und der nadelförmige Lichtspot L1 mit einer Breitendimension w von 0,18 µm und einer Längendimension g von 1,9 µm, wie in 7 gezeigt, wurde generiert.
  • Das Detektionsobjekt S wurde auf Goldnanopartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 100 nm eingestellt. Die Goldnanopartikel wurden auf ein Deckglas gesprüht und wurden in einem Immersionsöl eingebettet, um einen präparierten Objektträger vorzubereiten, und der präparierte Objektträger wurde auf dem Tisch T montiert. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Tisch T auf eine dreidimensionale Weise genau bewegt, so dass die auf dem Deckglas isolierten Goldnanopartikel in dem Bestrahlungsbereich R, welcher mit einem Fokus der Objektivlinse gebildet wurde, des nadelförmigen Lichtspots L1 positioniert waren.
  • Wenn die Goldnanopartikel mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 bestrahlt werden, gezeigt in 7, wird gestreutes Licht von den Goldnanopartikeln emittiert, und das gestreute Licht (d. h. Emissionslicht) propagiert von der Objektivlinse des Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteils 16 entlang der optischen Achse A2. Gestreutes Licht mit ungefähr der halben Leistung wird von dem Strahlteiler 23 reflektiert, und propagiert weiter zu dem detektionsseitigen optischen System.
  • Das von dem Strahlteiler 23 reflektierte, gestreute Licht wurde mit dem LCOS-SLM, d. h. dem Emissionslicht-Modulationsteil 32, moduliert. Bei der Modulation wurde ein Phasenmodulationsbetrag von individuellen Flüssigkristallmolekülen so gesteuert, dass gesamte Wellenfronten einer Vielzahl der Flüssigkristallmoleküle in dem LCOS-SLM die Wellenfront W(s, t), ausgedrückt durch Ausdruck (1), bilden. Im Ausdruck (1) war p auf 3 eingestellt, war Reff auf 1,89 mm eingestellt, war h auf 1,89 mm eingestellt und war k = (2π/λ) auf (2π/488 nm) eingestellt.
  • Bei der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 mit der oben beschriebenen Anordnung und Einstellung wurden die Goldnanopartikel auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des nadelförmigen Lichtspots L1 mit einem Intervall von 0,5 µm genau bewegt, und es wurde eine zweidimensionale Intensitätsverteilung des gestreuten Lichts auf der CCD als das Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 für jede Bewegung aufgezeichnet. Messergebnisse der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des gestreuten Lichts sind in 8 gezeigt. In 8 stellt eine Position z einen Abstand auf der optischen Achse A1 dar, wobei die Mitte der Längendimension von 1,9 µm des nadelförmigen Lichtspots L1 als eine Referenz eingestellt ist. Das heißt, in 8 stellt z = 0 die Mitte der Längendimension von 1,9 µm des nadelförmigen Lichtspots L1 dar. Darüber hinaus werden in Bezug auf zweidimensionale Intensitätsverteilungen des gestreuten Lichts, wie in 8 gezeigt, in Bezug auf eine x-Richtung, die durch eine Position der höchsten optischen Intensität durchgeht, Intensitätsprofile, die durch Integrieren von Intensität erhalten wurden, die zehn Pixel der CCD in einer y-Richtung orthogonal zu der x-Richtung an der Position entspricht, in 9 gezeigt.
  • Mit den in 8 und 9 gezeigten Experimentergebnissen wurde bestätigt, dass Streulichtsignale von Positionen z, die sich voneinander an der fokalen Position (d. h. dem Bestrahlungsbereich R des nadelförmigen Lichtspots L1) der Objektivlinse unterscheiden, an In-Ebene-Positionen, die sich voneinander unterscheiden, auf der lichtempfangenden Ebene der CCD fokussiert wurden. Das heißt in Bezug auf die Lichtemission des Detektionsobjekts S aufgrund einer Bestrahlung mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 konnte verstanden werden, dass aufgrund der selbstgekrümmten Charakteristika von Airy-Strahlen Informationen in einer Richtung entlang den optischen Achsen A1 und A2 in Informationen in einer In-Ebene-Richtung orthogonal zu der optischen Achse A2 konvertiert werden können.
  • Anhand der Ergebnisse des Beispiels wurde, gemäß der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50, verifiziert, dass es möglich ist, eine neue optische Informationsdetektionsvorrichtung zu realisieren unter Verwendung gleichzeitiger Anregung in einer Richtung entlang der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 und Konversion aus einer Richtung entlang der optischen Achse A1 auf die lichtempfangende Ebene M, die die Richtung schneidet, durch Konversion von optischen Signalen aufgrund optischer Reaktionen, emittiert von dem angeregten Bestrahlungsbereich R, in den Verschiebungs-Lichtspot. Demgemäß kann gesagt werden, dass es auch möglich ist, dreidimensionale optische Hochgeschwindigkeitsabbildung durch Kombinieren des Bildinformationserzeugungsteils 60 und dergleichen mit der optischen Informationsdetektionsvorrichtung 50 zu realisieren.
  • (Beispiel 2)
  • Als Nächstes wurde ein Mikroskopsystem 110, gezeigt in 10, gebaut, und eine Anwendung für Fluoreszenzabbildung durch die optische Informationsdetektionsvorrichtung und das Mikroskopsystem gemäß der Erfindung wurde verifiziert. Bei Bestandselementen des Mikroskopsystems 110, gezeigt in 10, wurden gemeinsame Bezugszeichen einem Bestandselement zugewiesen, das dem Bestandselement des Mikroskopsystems 100, gezeigt in 1, gleich ist, und eine Beschreibung von diesem wird weggelassen.
  • Bei dem Mikroskopsystem 110 wurde das Anregungslicht zur Erzeugung von Fluoreszenz auf einen nadelförmiges Lichtspot eingestellt. Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm wurde für Ein-Photonen-Anregung verwendet und Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1040 nm wurde für Zwei-Photonen-Anregung verwendet. Das Laserlicht mit der Wellenlänge von 1040 nm für Zwei-Photonen-Anregung wurde verwendet, um die Bildung des nadelförmigen Lichtspots zu bestätigen. Der Tisch T ist ein Piezoantriebstisch und er wurde konfiguriert, um mit Genauigkeit dreidimensional bewegt werden. Eine Vielzahl von Fokussier-Linsen 15, 18A, 18B, 18C, 20, 22, 24A, 24B und 25 wurden bereitgestellt, um ein optisches 4f-System (optisches 4f-Fourier-Konversionssystem) zu bauen, bei dem eine Position P, übereinstimmend mit einer Fokuslänge und dergleichen von jeder der Fokussier-Linsen, als eine Position einer Objektoberfläche und eine Position einer Bildoberfläche an beiden Seiten der Linse auf optischen Achsen A1/A2/A3, auf denen die Fokussier-Linsen entsprechend angeordnet sind, eingestellt wurde. Eine Lochblende zum Entfernen eines Interferenzringes aufgrund von Reststoffen in der Luft, Kontaminierung oder Beschädigung einer Linsenoberfläche, und dergleichen, wurde an einer Vielzahl der Positionen P nach Bedarf positioniert. Die Vielzahl von Fokussier-Linsen 15, 18A, 18B, 18C, 20, 22, 24A, 24B und 25 sind Kombinationslinsen. Ein Airy-Strahl, konvertiert von Emissionslicht in 10, wurde unter Verwendung des Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteils 40 detektiert. Als Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 ist eine EMCCD (Electron-Multiplying Charge Coupled Device) für das Erfassen eines Bilds mit hoher Geschwindigkeit, selbst bei extrem schwachem Licht, fähig. Darüber hinaus wurde ein Teiler-Spiegel 102 angeordnet, um frei in Bezug auf die optische Achse A2 zwischen einem dichroitischen Spiegel 23B und einem Emissionslicht-Modulationsteil 32 eingeschoben und herausgezogen zu werden. In einem Fall, bei dem der Teiler-Spiegel 102 in die optische Achse A2 eingeschoben wurde, wird eine optische Achse auf einer Vorwärtsseite in einer Lichtemissionsrichtung im Vergleich mit dem Teiler-Spiegel 102 in die optische Achse A3, angezeigt durch eine gestrichelte Linie, gewechselt. Darüber hinaus wird der Teiler-Spiegel 102 in die optische Achse A2 eingeschoben, wird Fluoreszenz von einem fluoreszierenden Kügelchen auf die optische Achse A3 hinaus genommen, bevor sie in einen Airy-Strahl konvertiert wird, wird optische Intensität (optische Intensität, die nicht von Informationen in einer z-Richtung abhängt) von Fluoreszenz, emittiert von dem fluoreszierenden Kügelchen, in einem konfokalen Detektor 108 gemessen. Der konfokale Detektor 108 enthält einen lichtempfangenden Anschluss 107 vom Fasertyp, und eine lichtempfangsseitige Endoberfläche des lichtempfangenden Anschlusses 107 vom Fasertyp ist an einer Position P einer Bildoberfläche der Fokussier-Linse 24A auf der optischen Achse A3 angeordnet. Darüber hinaus ist ein Linsenpaar zwischen dem Teiler-Spiegel 102 und dem lichtempfangenden Anschlusses 107 vom Fasertyp angeordnet, das Linsenpaar wird aber nicht gezeigt. Licht an einer Position P (d. h. der gleichen Position P wie eine Einschubposition des Teiler-Spiegels 102) hinter der Fokussier-Linse 24A wird auf der lichtempfangsseitigen Endoberfläche des lichtempfangenden Anschlusses 107 vom Fasertyp durch das Linsenpaar fokussiert. Der Durchmesser eines Kerns der lichtempfangsseitigen Endoberfläche des lichtempfangenden Anschlusses 107 vom Fasertyp wurde auf 1 mm eingestellt.
  • Übersichten von optischen Komponenten, die in dem Mikroskopsystem 110 verwendet werden, werden in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 2]
    Name des Bestandselements Gestaltungszustand, Modellnummer und dergleichen
    Lichtquelle (nicht illustriert) 532 nm/Lichtquelle: (kontinuierliche Wellenoszillation) 1040 nm/Lichtquelle: (Wiederholfrequenz: 10 MHz, Pulsbreite: 200 fs)
    Optische Modulationseinheit 14 LCOS-SLM: SLM-100 (hergestellt und vertrieben von SANTEC CORPORATION)
    Dichroitischer Spiegel 23B Transmissionsbereich (für 532 nm Lichtquelle): 550 nm bis 600 nm; Reflektionsbereich: 531 nm bis 534 nm Transmissionsbereich (für 1040 nm Lichtquelle): 450 nm bis 850 nm, Reflektionsbereich: 1000 nm bis 1100 nm
    Fokussierlinse 15 Fokuslänge: 150 mm
    Fokussierlinse 18A Fokuslänge: 150 mm
    Fokussierlinse 18B Fokuslänge: 75 mm
    Fokussierlinse 20 Fokuslänge: 150 mm
    Fokussierlinse 22 Fokuslänge: 200 mm
    Nadelförmiges-Lichtspot-Generierungseinheit 16 (Objektivlinse) Vergrößerung: 40-fach, numerische Apertur 1,15 (Wasserimmersion) (hergestellt und vertrieben von Nikon Corporation)
    Fokussierlinse 24A Fokuslänge: 75 mm
    Fokussierlinse 24B Fokuslänge: 150 mm
    Emissionslicht-Modulationseinheit 32 LCOS-SLM: XI0468-01 (hergestellt und vertrieben von Hamamatsu Photonics K. K.)
    Fokussierlinse 25 Fokuslänge: 250 mm
    Verschiebungs-Lichtspot-Empfangseinheit 40 EMCCD: iXon Ultra 897 (hergestellt und vertrieben von Andor Technology)
    Konfokaler Detektor 108 R10467U-40 (hergestellt und vertrieben von Hamamatsu Photonics K. K.)
  • Als Erstes wurde, um eine Verifizierung einer Bildung eines nadelförmigen Lichtspots in Ein-Photonen-Anregung durch ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm durchzuführen, ein kommerziell erhältliches fluoreszierendes Kügelchen (durchschnittlicher Durchmesser: 170 nm) dreidimensional gescannt, und ein Fluoreszenzsignal wurde an jedem Punkt durch einen Konfokal-Laser-Mikroskop-Detektor (hergestellt und vertrieben von Hamamatsu Photonics K.K.) des Stands der Technik detektiert, um eine Intensitätsverteilung an einem Fokuspunkt zu messen. 11 zeigt Messergebnisse der Intensitätsverteilung in einem Fall eines typischen fokussierte Lichtspots, erhalten durch Fokussieren von planarem wellenförmigen Laserlicht (nachfolgend kann eine Fokustiefe in diesem Fall auf 1-fach eingestellt sein und kann als „Basis-Fokustiefe“ bezeichnet werden), und in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots auf zweifach, fünffach, zehnfach, bzw. fünfzehnfach geändert wurde. Die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots wurde durch Ändern einer Form einer ringförmigen Maske in dem LCOS-SLM, der das optische Modulationsteil 14 ist, eingestellt. Anhand der Messergebnisse bei dem Mikroskopsystem 110 wird angenommen, dass die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots auf ungefähr fünfzehnfach erweitert werden kann und die Länge des nadelförmigen Lichtspots auf ungefähr 11 µm vergrößert werden kann. Das heißt, es wird erwartet, dass es möglich ist, Tiefeninformationen der Fokustiefe zu erfassen, die fünfzehnfach ist, im Vergleich mit einem konfokalen Laser-Mikroskop-Detektor des Stands der Technik und dergleichen. Darüber hinaus zeigen die 12A bis 12E Strahlenprofile in der x-Richtung in jeweiligen Intensitätsverteilungen in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots nicht geändert wurde, und in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots auf zweifach, fünffach, zehnfach, bzw. fünfzehnfach geändert wurde, und die 13A bis 13E zeigen Strahlenprofile in der z-Richtung in den oben beschriebenen Fällen. In den 12A bis 12E und den 13A bis 13E zeigt eine durchgehende Linie einen theoretischen Wert, und eine Vielzahl von punktförmigen Punkten stellen Messwerte dar. Wenn Bedingungen und Parameter im Mikroskopsystem 110 berücksichtigt werden, ist zu sehen, dass der theoretische Wert und die Messwerte dazu tendieren, einander anzupassen.
  • Als Nächstes wurde eine Verifizierung der Bildung eines nadelförmigen Lichtspots in Zwei-Photonen-Anregung durch Pulslaserlicht mit einer Wellenlänge von 1040 nm durchgeführt. Als ein fluoreszierendes Kügelchen wurde das gleiche fluoreszierende Kügelchen wie bei der Verifizierung in der Ein-Photonen-Anregung verwendet. 14 zeigt parallel Messergebnisse einer Intensitätsverteilung eines Fluoreszenzbildes (Bild beim Empfangen eines Airy-Strahl-Musters durch das Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40) in Ein-Photonen-Anregung und einer Intensitätsverteilung eines Fluoreszenzbilds in Zwei-Photonen-Anregung. In der Zwei-Photonen-Anregung ist zu sehen, dass eine Nebenkeule in der x-Richtung unterdrückt wurde, um niedrig zu sein. Wenn die Nebenkeule unterdrückt wird, um niedrig zu sein, wie oben beschrieben, ist optische, dreidimensionale Hochgenauigkeits-Hochgeschwindigkeits-Abbildung mit niedrigem Rauschen möglich. 15(a) und 15(b) illustrieren Strahlprofile in der x-Richtung in der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzbilds in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots ein Basis-Fokustiefe (1x) ist, und in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots eine Fokustiefe von fünfzehnfach (15x) war. Wenn die in 15(a) und 15(b) gezeigten Strahlprofile verglichen werden, kann selbst in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots eingestellt war, um so groß wie fünfzehnfach zu sein, gesehen werden, dass die Nebenkeule stark unterdrückt war, um niedrig zu sein, wie in den durch einen Pfeil angezeigten Abschnitten. 16(a) und 16(b) illustrieren Strahlprofile in der z-Richtung in der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzbilds in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots die Basis Fokustiefe (1x) ist, und in einem Fall, bei dem die Fokustiefe des nadelförmigen Lichtspots eine Fokustiefe von fünfzehnfach (15x) ist. Unter Bedingungen der Zwei-Photonen-Anregung durch Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1040 nm, welche auch eine Nahinfrarot-Wellenlängenregion ist, konnte eine Fokustiefe von ungefähr 10 µm sichergestellt werden.
  • Wie oben beschrieben, wurde bei dem optischen System 110, für das eine zufriedenstellende Bildung des optischen nadelförmigen Lichtspots bestätigt wurde, eine Verifizierung der Bildung eines Airy-Strahl-Musters in Bezug auf ein Fluoreszenzsignal unter Ein-Photonen-Anregung durch den optischen nadelförmigen Lichtspot durchgeführt. 17 zeigt einen Wert von p im Ausdruck (1) und Dimensionen in jeweiligen Ebenen von xyz in der Ein-Photonen-Anregung, und ein Fluoreszenzbild eines isolierten fluoreszierenden Kügelchens auf EMCCD. Bei der Verifizierung war jedoch h im Ausdruck (1) was auf h = 2Reff eingestellt. Wie in 17 gezeigt, könnte verstanden werden, dass ein Flächenmuster in Bezug auf die Lichtemission von einem fluoreszierenden Kügelchen auf dem nadelförmigen Lichtspot gebildet wurde.
  • Darüber hinaus zeigt 18 eine Variation des Fluoreszenzbildes in einem Fall, bei dem das fluoreszierende Kügelchen entlang dem nadelförmigen Lichtspot (d. h. entlang der z-Richtung) gescannt wurde. Das fluoreszierende Kügelchen wurde mit einem Intervall von 500 nm bewegt. Aus den in 18 gezeigten Messergebnissen ist ersichtlich, dass, während der Wert des Parameters p größer wird, ein Propagationsabstand, begleitet von der Nicht-Diffraktions-Eigenschaft des Airy-Strahl-Musters, in Bezug auf die z-Richtung größer wird und sich das Airy-Strahl-Muster in einer xy-In-Ebene-Richtung in Entsprechung zu einer Position des Fokus des fluoreszierenden Kügelchens in der z-Richtung verschiebt.
  • Darüber hinaus war, in Bezug auf den Parameter p, p auf 3 eingestellt, und das fluoreszierende Kügelchen wurde von dem Fokus des nadelförmigen Lichtspots in der z-Richtung von 0 µm auf 7 µm mit einem Intervall von 1 µm bewegt. 19 zeigt eine Intensitätsverteilung entlang der x-Richtung, die durch die Mitte des Fluoreszenzbildes auf der EMCCD an jeder Position durchgeht. Aus den in 19 gezeigten Messergebnissen ist ersichtlich, dass sich eine Spitzenposition des Airy-Strahl-Musters auf der EMCCD auf die xy-In-Ebene-Richtung in Entsprechung zu einer Position des fluoreszierenden Kügelchens in der z-Richtung auf dem nadelförmigen Lichtspot verschiebt.
  • 20 zeigt eine Beziehung zwischen einer Position des fluoreszierenden Kügelchens in der z-Richtung auf dem nadelförmigen Lichtspot und einem Verschiebungsbetrag in der xy-Ebene des Spots des Airy-Strahls in einem Lichtempfangsteil. Ein Schatten in 20 entspricht einer vollen Breite bei halben Maximum (full-width at half-maximum, FWHM) in Bezug auf eine In-Ebene-Richtung des mittleren Spots des Airy-Strahls. Eine Spotposition erzeugt eine parabelförmige Trajektorie, aber eine Spotgröße ist in Bezug auf einen Propagationsabstand ungefähr konstant. Demgemäß wird angenommen, dass eine räumliche Auflösung in der z-Richtung unter Verwendung von Nicht-Diffraktion und einer selbstbiegenden Eigenschaft des Airy-Strahls erhalten wird und räumliche Auflösung in der z-Richtung (Tiefenrichtung) von einer z-Position abhängt, von der Fluoreszenz emittiert wird. Darüber hinaus ist, aus dem Blickwinkel des Sicherns einer räumlichen Auflösung in der z-Richtung bei Abbildung, sichtbar, dass ein Verschiebungsbetrag des Airy-Strahls in der xy-Ebene notwendig ist, um gleich oder größer als eine In-Ebene-Spotgröße des Airy-Strahls zu sein.
  • 21 zeigt eine Beziehung zwischen der z-Position auf dem nadelförmigen Lichtspot und dem Verschiebungsbetrag in der xy-Ebene des Airy-Strahl-Spots in dem Lichtempfangsteil in einem Fall, bei dem der Parameter p auf 3 und 5 eingestellt war. Wie in 21 gezeigt, je größer der Wert des Parameters p ist, umso weiter verringert sich der In-Ebene-Verschiebungsbetrag des Airy-Strahl-Spots in dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil 40 in Bezug auf eine Veränderung der Position in der z-Richtung auf dem nadelförmigen Lichtspot. Andererseits gilt, je größer der Wert des Parameters p, umso größer ist ein Nicht-Diffraktions-Propagationsabstand des Airy-Strahls. Demgemäß haben die räumliche Auflösung in Bezug auf die z-Richtung (Tiefenrichtung) und ein detektierbarer Bereich in der z-Richtung eine Zielkonflikt-Beziehung. Es wird angenommen, dass Bedingungen bei der dreidimensionalen Hochgeschwindigkeitsabbildung durch geeignetes Einstellen von verschiedenen Parametern auf der Basis der Zielkonflikt-Beziehung bestimmt werden, wie etwa der Parameter p, eine Abbildungsvergrößerung des optischen Systems und eine Wellenlänge des Emissionslichts.
  • [Industrielle Anwendbarkeit]
  • Die optische Informationsdetektionsvorrichtung und das Mikroskopsystem gemäß der Erfindung können dreidimensionale Abbildung durch Bestrahlung eines Bestrahlungsbereichs über eine Längendimension g eines Detektionsobjekts auf einer optischen Achse mit dem nadelförmigen Lichtspot L1 und sofortige Erfassung von optischen Informationen von Positionen, die sich auf einer ersten optischen Achse innerhalb des Bestrahlungsbereichs des Detektionsobjekts S voneinander unterscheiden, durchführen, und die optische Informationsdetektionsvorrichtung und das Mikroskopsystem können daher auf Gebieten häufig verwendet werden, für die eine Realisierung der Erfassung eines klaren dreidimensionalen Bildes mit einer hohen Geschwindigkeit verlangt wird. Die Gebiete umfassen ein biologisches Gebiet und ein medizinisches Gebiet, wie etwa Analyse biologischer Funktion, bei dem Zellen häufig beobachtet werden, während sie lebendig sind, industrielle Gebiete, wie Metall und Chemie, bei denen die Entwicklung eines winzigen funktionellen Materials stattfindet, und dergleichen.
  • Darüber hinaus kann, aus dem Blickwinkel der Fähigkeit für sofortige Erfassung von optischen Informationen von Positionen, die sich auf der optischen Achse A1 innerhalb des Bestrahlungsbereichs R des Detektionsobjekts S voneinander unterscheiden, die optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß der Erfindung häufig in einem Gebiet zum Detektieren, ob ein Material oder ein Faktor, das/der auf den nadelförmigen Lichtspot L1 reagiert, innerhalb des Bestrahlungsbereichs R existiert, verwendet werden. Beispielsweise in einem Zustand, bei dem eine Grundoberfläche oder ein lebender Körper als Detektionsobjekt S eingestellt ist, ist es möglich, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines spezifischen Materials oder einer Verteilung davon mit einer hohen Geschwindigkeit in Bezug auf eine Tiefenrichtung des Detektionsobjekts S durch direktes Bestrahlen des Detektionsobjekts S mit dem nadelförmigen Lichtspot L1, ohne das Detektionsobjekt S zu zerbrechen oder zu schneiden, und durch Erfassen des Verschiebungs-Lichtspots von dem Detektionsobjekt S zu detektieren. Entsprechend kann die optische Informationsdetektionsvorrichtung bei allen Arten von Messungen verwendet werden, und eine Nutzung einem Präzisionsmessgebiet, in einem Umweltgebiet oder in einem astronomischen Beobachtungsgebiet wird ebenfalls erwartet.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil
    20
    Lichtquelle
    14
    Optisches Modulationsteil
    16
    Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil
    30
    Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil
    32
    Emissionslicht-Modulationsteil
    40
    Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil
    48
    Optische-Information-Erfassungsteil
    50
    Optische Informationsdetektionsvorrichtung
    60
    Bildinformationserzeugungsteil
    100
    Mikroskopsystem
    A1
    Optische Achse (erste optische Achse)
    A2
    Optische Achse (zweite optische Achse)
    L1
    Nadelförmiger Lichtspot
    L2
    Verschiebungs-Lichtspot
    S
    Detektionsobjekt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2016113770 [0001]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Jia et. al., Nature Photon. 8, 302-306 (2014) [0047]

Claims (6)

  1. Optische Informationsdetektionsvorrichtung, die umfasst: ein Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil, das konfiguriert ist, um einen nadelförmigen Lichtspot zu generieren, der entlang der ersten optischen Achse über eine Längendimension konzentriert ist, die größer als eine Breitendimension ist, konzentriert in einer Richtung orthogonal zu der ersten optischen Achse, und ein Detektionsobjekt mit dem nadelförmigen Lichtspot zu bestrahlen; ein Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil, das konfiguriert ist, um Emissionslicht, das aus einer Position auf der ersten optischen Achse innerhalb eines Bestrahlungsbereichs des nadelförmigen Lichtspots in dem Detektionsobjekt emittiert wird, in einen Verschiebungs-Lichtspot zu konvertieren, das sich verschiebt, so dass eine Fokussier-Position auf einer lichtempfangenden Ebene, die eine zweite optische Achse schneidet, in Entsprechung zu der Position, aus der das Emissionslicht emittiert wird, auf der ersten optischen Achse in dem Detektionsobjekt, gemäß einer Bewegung des Emissionslichts entlang der zweiten optischen Achse, variiert; ein Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil, das konfiguriert ist, um den Verschiebungs-Lichtspot entlang der lichtempfangenden Ebene zu empfangen; und ein Optische-Information-Erfassungsteil, das konfiguriert ist, um optische Informationen der Emissionsposition des Emissionslichts aus dem Verschiebungs-Lichtspot, der von dem Verschiebungs-Lichtspot-Empfangsteil empfangen wird, zu erfassen.
  2. Optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Nadelförmiger-Lichtspot-Bestrahlungsteil umfasst: eine Lichtquelle, ein optisches Modulationsteil, das konfiguriert ist, um Licht, das aus der Lichtquelle emittiert wird, zu modulieren, um das Licht, das aus der Lichtquelle emittiert wird, in den nadelförmige Lichtspot zu konvertieren, und ein Nadelförmiger-Lichtspot-Generierungsteil, das konfiguriert ist, um das Licht, das durch das optische Modulationsteil moduliert wird, zu dem Detektionsobjekt zu fokussieren und den nadelförmigen Lichtspot zu generieren.
  3. Optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der nadelförmige Lichtspot ein Bessel-Strahl ist, der einen Bereich mit hoher optischer Intensität auf der ersten optischen Achse aufweist.
  4. Optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verschiebungs-Lichtspot-Konversionsteil umfasst: ein Emissionslicht-Modulationsteil, das konfiguriert ist, um das Emissionslicht durch Modulation des Emissionslichts in den Verschiebungs-Lichtspot zu konvertieren.
  5. Optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verschiebungs-Lichtspot ein Airy-Strahl ist, der in einer parabolischen Form in Bezug auf die zweite optische Achse gekrümmt ist.
  6. Mikroskopsystem, das umfasst: die optische Informationsdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5; und ein Bildinformationserzeugungsteil, das konfiguriert ist, um Bildinformationen bezogen auf das Detektionsobjekt auf der Basis von optischen Informationen zu erstellen, die aus dem Verschiebungs-Lichtspot durch das Optische-Information-Erfassungsteil erfasst werden.
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