JP2002107301A - Coherent antistokes raman scattering microscope - Google Patents
Coherent antistokes raman scattering microscopeInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレントアン
チストークスラマン散乱顕微鏡に関し、特に医学生物学
及び薬学の分野、並びに半導体の欠陥検査などの工業用
分析の分野で好適に用いることができる、コヒーレント
アンチストークスラマン散乱顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope, and more particularly to a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope which can be suitably used in the fields of medical biology and pharmacy, and in the field of industrial analysis such as semiconductor defect inspection. It relates to a Stokes Raman scattering microscope.
【0002】[0002]
【従来の技術】分子の3次元分布を非染色で観測する方
法、及び半導体中のミクロンオーダからサブミクロンオ
ーダの不純物を観測する方法として、共焦点ラマン顕微
鏡を用いる方法がある。この共焦点ラマン顕微鏡によれ
ば、目的とする試料を高い3次元分解能で可視的に観測
することができる。しかしながら、この顕微鏡は光信号
強度が低い、また、分光器を必要とするために光の利用
効率が悪いという問題がある。さらには、蛍光性の試料
の観測において、ラマン光と蛍光性の試料の蛍光とが同
じ波長領域にある場合、このような蛍光性の試料を測定
することができない。また、試料の観測に長時間を要す
るという問題もある。2. Description of the Related Art As a method of observing the three-dimensional distribution of molecules without dyeing and a method of observing impurities on the order of micron to submicron in a semiconductor, there is a method using a confocal Raman microscope. According to this confocal Raman microscope, a target sample can be visually observed with high three-dimensional resolution. However, this microscope has a problem that the light signal intensity is low and the light utilization efficiency is low because a spectroscope is required. Furthermore, in the observation of a fluorescent sample, when the Raman light and the fluorescence of the fluorescent sample are in the same wavelength region, such a fluorescent sample cannot be measured. There is also a problem that it takes a long time to observe the sample.
【0003】また、超短パルスレーザの発達により、試
料を多光子で励起して蛍光を観測する多光子励起蛍光顕
微鏡が開発されている。しかしながら、この顕微鏡では
蛍光性の試料、あるいは蛍光色素で染色しなければ観測
することができない。この染色作業は一般的に試料に悪
影響を与え、また、蛍光色素を介した情報しか得ること
ができないという問題を有する。Further, with the development of ultrashort pulse lasers, multiphoton excitation fluorescence microscopes have been developed in which a sample is excited with multiple photons and fluorescence is observed. However, it cannot be observed with this microscope unless it is stained with a fluorescent sample or a fluorescent dye. This staining operation generally has an adverse effect on the sample, and has a problem that only information via a fluorescent dye can be obtained.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
有することなく、試料の状態を3次元的に観測すること
が可能な新規な顕微鏡を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel microscope capable of three-dimensionally observing the state of a sample without having the above problems.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、波長の異なる2つの光波を試料の同一部分に
同時に入射させ、この2つの光波の周波数差が、前記試
料を構成する物質の分子振動数に一致することによって
発せられる、コヒーレントアンチストークスラマン散乱
光を観測することにより、前記試料の状態を3次元的に
観測することを特徴とする、コヒーレントアンチストー
クスラマン散乱顕微鏡に関する。In order to achieve the above object,
The present invention is directed to a coherent anti-Stokes system in which two light waves having different wavelengths are simultaneously incident on the same portion of a sample, and a frequency difference between the two light waves coincides with a molecular frequency of a material constituting the sample. The present invention relates to a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope, characterized in that the state of the sample is observed three-dimensionally by observing Raman scattered light.
【0006】本発明のコヒーレントアンチストークスラ
マン散乱顕微鏡は、波長の異なる2つの光波が物質に入
射した際、その2つの光波の周波数差が前記物質の分子
振動に一致した時に発生する、コヒーレントアンチスト
ークスラマン散乱(CARS)光を観測し、このCAR
S光を計測することによって前記試料の状態を3次元的
に観測するものである。A coherent anti-Stokes Raman scattering microscope according to the present invention provides a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope, which is generated when two light waves having different wavelengths are incident on a substance and the frequency difference between the two light waves coincides with the molecular vibration of the substance. Raman scattering (CARS) light is observed and this CAR
The state of the sample is observed three-dimensionally by measuring the S light.
【0007】このように、本発明のコヒーレントアンチ
ストークスラマン散乱顕微鏡は、CARS光を用いるた
め分光器を必要とせず、光の利用効率が増大する。その
結果、得られる光信号強度も必然的に増大する。また、
試料が蛍光性であっても観測することができる。さら
に、CARS光の計測によって試料の観測が可能となる
ので、観測時間を短くすることができる。As described above, the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope of the present invention uses CARS light, does not require a spectroscope, and increases light use efficiency. As a result, the obtained optical signal intensity necessarily increases. Also,
Even if the sample is fluorescent, it can be observed. Further, since the sample can be observed by measuring the CARS light, the observation time can be shortened.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明のコヒーレ
ントアンチストークスラマン散乱顕微鏡の一例を示す構
成図である。図1に示すコヒーレントアンチストークス
ラマン散乱顕微鏡は、例えばフェムト秒オーダ〜数十フ
ェムト秒オーダの超短パルスレーザなどから構成される
レーザ光源1と、パルス幅変換器として機能する増幅器
2と、ビームスプリッタ3と、波長変換器として機能す
る光パラメトリック増幅器4とを具えている。また、光
波分散器として機能する回転マイクロレンズアレイ7
と、試料AからのCARS光を受像するためのCCDカ
メラ11と、受像したCARS光を計測して試料Aの状
態を3次元的に算出する演算手段としてのコンピュータ
12とを具えている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the present invention. FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope of the present invention. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope shown in FIG. 1 includes a laser light source 1 composed of, for example, an ultrashort pulse laser on the order of femtoseconds to tens of femtoseconds, an amplifier 2 functioning as a pulse width converter, and a beam splitter. 3 and an optical parametric amplifier 4 functioning as a wavelength converter. Also, a rotating microlens array 7 functioning as a light wave disperser
And a CCD camera 11 for receiving the CARS light from the sample A, and a computer 12 as a calculating means for measuring the received CARS light and calculating the state of the sample A three-dimensionally.
【0009】さらに、レーザ光源1から発せられたレー
ザ光の光路を90度変換して所定の光学系を構成すべ
く、ミラー5−1〜5−5及びハーフミラー6が設けら
れている。また、試料Aの前後には対物レンズ8及び9
が設けられるとともに、対物レンズ9とCCDカメラ1
1との間には、試料AからのCARS光のみを透過する
フィルタ10が設けられている。Further, mirrors 5-1 to 5-5 and a half mirror 6 are provided to convert the optical path of the laser light emitted from the laser light source 1 by 90 degrees to form a predetermined optical system. Before and after the sample A, the objective lenses 8 and 9
And the objective lens 9 and the CCD camera 1
1 is provided with a filter 10 that transmits only the CARS light from the sample A.
【0010】上記の構成に示すように、レーザ光源を上
記のようなフェムト秒オーダ〜数十フェムト秒オーダの
超短パルスレーザ、すなわち数十フェムト秒オーダ以下
の超短パルスレーザから構成することにより、これらの
高い出力光強度に起因して極めて高い光信号強度を得る
ことができる。As described above, the laser light source is constituted by an ultrashort pulse laser on the order of femtoseconds to several tens of femtoseconds, that is, an ultrashort pulse laser on the order of tens of femtoseconds or less. Due to these high output light intensities, extremely high optical signal intensities can be obtained.
【0011】一方、このような超短パルスレーザは、波
長分布の広がりが大きくなり、スペクトル分解能劣化の
原因となるため、上記のようなパルス幅変換器として作
用する増幅器などを設けることが好ましい。これによっ
て、例えば、上記のようなフェムト秒〜数十フェムト秒
オーダの超短パルスのレーザ光を、ピコ秒オーダのパル
ス幅に増大させることができ、波長分布の広がりを抑制
してスペクトル分解能を向上させることができる。On the other hand, in such an ultrashort pulse laser, the spread of the wavelength distribution becomes large, which causes deterioration of the spectral resolution. Therefore, it is preferable to provide an amplifier or the like which acts as a pulse width converter as described above. Thereby, for example, it is possible to increase the ultrashort pulse laser light on the order of femtoseconds to tens of femtoseconds to a pulse width on the order of picoseconds, thereby suppressing the spread of the wavelength distribution and increasing the spectral resolution. Can be improved.
【0012】次に、図1に示すコヒーレントアンチスト
ークスラマン散乱顕微鏡における動作原理について説明
する。レーザ光源1から発せられた、例えばフェムト秒
〜数十フェムト秒オーダのパルス幅を有する単一ビーム
のレーザ光は、パルス幅変換器として機能する増幅器2
において増幅されるとともに、そのパルス幅が例えばピ
コ秒のオーダに変換される。増幅器2から出たレーザ光
は、ビームスプリッタ3で2分割され、一方は光パラメ
トリック増幅器4に導入されて所定の波長変換を受け、
当初の波長と異なる波長を有するレーザ光に変換され
る。Next, the principle of operation of the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope shown in FIG. 1 will be described. A single-beam laser beam having a pulse width of, for example, femtoseconds to several tens of femtoseconds emitted from a laser light source 1 is supplied to an amplifier 2 which functions as a pulse width converter.
And the pulse width is converted to, for example, picosecond order. The laser light emitted from the amplifier 2 is split into two by a beam splitter 3, one of which is introduced into an optical parametric amplifier 4 and undergoes a predetermined wavelength conversion.
The light is converted into laser light having a wavelength different from the original wavelength.
【0013】そして、波長変換されたレーザ光は、ミラ
ー5−1で反射されて90度の光路変換を受けた後ハー
フミラー6に至り、ミラー5−2、5−3及び5−4か
ら構成される別の光学経路を通ってハーフミラー6に至
った2分割された他方のレーザ光と重ね合わされる。The wavelength-converted laser light is reflected by the mirror 5-1 and undergoes a 90-degree optical path conversion. Then, the laser light reaches the half mirror 6, and is composed of mirrors 5-2, 5-3 and 5-4. Then, the laser light is superimposed on the other half of the laser light that has reached the half mirror 6 through another optical path.
【0014】そして、重ね合わされて単一のビームとな
ったレーザ光は、ミラー5−5で90度の光路変換を受
けた後、光波分散器として機能する回転マイクロレンズ
アレイ7に導入される。この回転マイクロレンズアレイ
は、回転ディスク上に複数の微小レンズが設けられた構
成を呈しており、前記重ね合わされて単一ビームとなっ
たレーザ光は、この回転マイクロレンズアレイ7を通過
することにより複数のビームに分散される。Then, the laser beam which has been superimposed into a single beam undergoes an optical path conversion of 90 degrees by a mirror 5-5, and is then introduced into a rotating microlens array 7 functioning as a light wave disperser. The rotating microlens array has a configuration in which a plurality of microlenses are provided on a rotating disk, and the laser light that has been superimposed into a single beam passes through the rotating microlens array 7. Distributed into multiple beams.
【0015】そして、このようにして生成された複数の
レーザ光は、対物レンズ8によって収束された後に試料
A上の複数の部分に同時に照射され、この結果、試料A
の複数の部分からCARS光が発せられる。これら複数
のCARS光は対物レンズ9で収束され、フィルター1
0で前記複数のレーザ光成分が取り除かれた後に、イメ
ージインテンシアファイア付きCCD(I−CCD)1
1に入射される。そして、受光された前記CARS光
は、I−CCD11で電気信号に変換された後コンピュ
ータ12に送られ、所定の演算処理を受ける。その結
果、前記CARS光が3次元的に解析され、この解析結
果としての試料Aの状態が3次元的に所定の画面上に映
し出されるものである。The plurality of laser beams generated as described above are converged by the objective lens 8 and are simultaneously irradiated on a plurality of portions on the sample A. As a result, the sample A
The CARS light is emitted from a plurality of portions of. The plurality of CARS lights are converged by the objective lens 9 and are filtered by the filter 1.
0, after the plurality of laser light components are removed, a CCD with an image intensifier (I-CCD) 1
1 is incident. The received CARS light is converted into an electric signal by the I-CCD 11 and then sent to the computer 12, where it is subjected to predetermined arithmetic processing. As a result, the CARS light is three-dimensionally analyzed, and the state of the sample A as a result of the analysis is three-dimensionally projected on a predetermined screen.
【0016】本例においては、回転マイクロレンズアレ
イ7を用い、2つの異なる波長を有する単一のレーザ光
を複数のビームに分散させて複数のレーザ光を生成し、
この複数のレーザ光を試料Aに照射するようにしてい
る。その結果、試料Aの同時多点測定が可能となり、試
料Aを広範囲に亘って同時に観測することができる。こ
のため、試料Aの全体の観測に要する時間をも短縮化さ
せることができる。In the present embodiment, a plurality of laser beams are generated by dispersing a single laser beam having two different wavelengths into a plurality of beams using a rotating microlens array 7.
The sample A is irradiated with the plurality of laser beams. As a result, simultaneous multi-point measurement of the sample A becomes possible, and the sample A can be simultaneously observed over a wide range. Therefore, the time required for observing the entire sample A can be reduced.
【0017】図2は、図1に示す構成のコヒーレントア
ンチストークスラマン散乱顕微鏡を用いてポリスチレン
のフェニル骨格の観測を実施したものである。図2から
明らかなように、本発明のコヒーレントアンチストーク
スラマン散乱顕微鏡により、ポリスチレンのフェニル骨
格の振動に起因するCARS光が観測され、前記フェニ
ル骨格の観測が可能であることが判明した。また、この
場合の測定時間は数十秒であり、数十分の観測時間を必
要とする従来の共焦点ラマン顕微鏡などに比較して極め
て短縮化されていることが分かる。FIG. 2 shows the observation of the phenyl skeleton of polystyrene using a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope having the structure shown in FIG. As is clear from FIG. 2, the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope of the present invention observed CARS light caused by the vibration of the phenyl skeleton of polystyrene, and it was found that the phenyl skeleton could be observed. In addition, the measurement time in this case is several tens of seconds, and it can be seen that the measurement time is extremely shortened as compared with a conventional confocal Raman microscope or the like that requires several tens of minutes of observation time.
【0018】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples, but the present invention is not limited to the above contents, and the present invention is not limited thereto. All modifications and changes are possible.
【0019】例えば、図1においては、単一のレーザ光
源1と、ビームスプリッタ3と、光パラメトリック増幅
器4とを用い、レーザ光源1から発せられた単一のレー
ザ光をビームスプリッタ3で2分割し、分割された一方
のレーザ光を光パラメトリック増幅器4で波長変換させ
ることにより、波長の異なる2つの光波を生成させてい
る。しかしながら、当初から異なる波長の2つのレーザ
光源を用いることにより、上記のようなビームスプリッ
タや光パラメトリック増幅器4のような波長変換器など
を用いることなく、波長の異なる2つの光波を生成する
ことができる。For example, in FIG. 1, a single laser light source 1, a beam splitter 3, and an optical parametric amplifier 4 are used to divide a single laser beam emitted from the laser light source 1 into two by the beam splitter 3. Then, one of the divided laser lights is subjected to wavelength conversion by the optical parametric amplifier 4 to generate two light waves having different wavelengths. However, by using two laser light sources having different wavelengths from the beginning, it is possible to generate two light waves having different wavelengths without using a beam splitter as described above or a wavelength converter such as the optical parametric amplifier 4. it can.
【0020】[0020]
【発明の効果】以上説明したように、コヒーレントアン
チストークスラマン散乱顕微鏡によれば、分光器を必要
としないため光の利用効率が高くなる。その結果、高い
光信号強度を得ることができ、解像度を増大させること
ができる。また、CARS光を計測するために、蛍光性
の試料をも観測することができ、観測時間をも大幅に短
縮化することができる。As described above, according to the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope, since a spectroscope is not required, light use efficiency is improved. As a result, a high optical signal intensity can be obtained, and the resolution can be increased. In addition, since the CARS light is measured, a fluorescent sample can be observed, and the observation time can be significantly reduced.
【図1】 本発明のコヒーレントアンチストークスラマ
ン散乱顕微鏡の一例を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope of the present invention.
【図2】 本発明のコヒーレントアンチストークスラマ
ン散乱顕微鏡を用いた、ポリスチレンフェニル骨格の観
測結果を示す写真である。FIG. 2 is a photograph showing a result of observation of a polystyrene phenyl skeleton using a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope of the present invention.
1 レーザ光源 2 増幅器 3 ビームスプリッタ 4 光パラメトリック増幅器 5−1、5−2、5−3、5−4、5−5 ミラー 6 ハーフミラー 7 回転マイクロレンズアレイ 8、9 対物レンズ 10 フィルター 11 イメージインテンシファイア付きCCD(I−C
CD) 12 コンピュータ A 試料Reference Signs List 1 laser light source 2 amplifier 3 beam splitter 4 optical parametric amplifier 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5 mirror 6 half mirror 7 rotating micro lens array 8, 9 objective lens 10 filter 11 image in CCD with tensifier (IC
CD) 12 computer A sample
Claims (7)
分に同時に入射させ、この2つの光波の周波数差が、前
記試料を構成する物質の分子振動数に一致することによ
って発せられる、コヒーレントアンチストークスラマン
散乱光を観測することにより、前記試料の状態を3次元
的に観測することを特徴とする、コヒーレントアンチス
トークスラマン散乱顕微鏡。1. A coherent anti-wave, wherein two light waves having different wavelengths are simultaneously incident on the same portion of a sample, and a frequency difference between the two light waves coincides with a molecular frequency of a substance constituting the sample. A coherent anti-Stokes Raman scattering microscope, wherein the state of the sample is observed three-dimensionally by observing Stokes Raman scattered light.
ン散乱顕微鏡は、レーザ光源と、ビームスプリッタと、
波長変換器とを具え、前記レーザ光源から発せられたレ
ーザ光を前記ビームスプリッタで2分割し、分割された
一方のレーザ光を前記波長可変器で周波数変換すること
により、前記波長の異なる2つの光波を得ることを特徴
とする、請求項1に記載のコヒーレントアンチストーク
スラマン散乱顕微鏡。2. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope includes a laser light source, a beam splitter,
A wavelength converter, the laser beam emitted from the laser light source is split into two by the beam splitter, and one of the split laser beams is frequency-converted by the wavelength tunable device. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope according to claim 1, wherein the light wave is obtained.
料の複数の部分のぞれぞれに同時に入射させて、前記試
料の前記複数の部分からのコヒーレントアンチストーク
スラマン散乱光を同時に観測することを特徴とする、請
求項1又は2に記載のコヒーレントアンチストークスラ
マン散乱顕微鏡。3. A method for dispersing the two light waves into a plurality of parts and simultaneously irradiating the plurality of parts with each of a plurality of parts of the sample to simultaneously observe coherent anti-Stokes Raman scattered light from the plurality of parts of the sample. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope according to claim 1, wherein:
ン散乱顕微鏡は光波分散器を具え、この光波分散器で前
記2つの光波を複数に分散したことを特徴とする、請求
項3に記載のコヒーレントアンチストークスラマン散乱
顕微鏡。4. The coherent anti-Stokes Raman scattering according to claim 3, wherein the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope includes a light wave disperser, and the two light waves are dispersed into a plurality of light waves by the light wave disperser. microscope.
ェムト秒オーダの超短パルスレーザであることを特徴と
する、請求項2〜4のいずれか一に記載のコヒーレント
アンチストークスラマン散乱顕微鏡。5. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope according to claim 2, wherein the laser light source is an ultrashort pulse laser on the order of femtoseconds to tens of femtoseconds.
ン散乱顕微鏡は、パルス幅変換器を具えることを特徴と
する、請求項5に記載のコヒーレントアンチストークス
ラマン散乱顕微鏡。6. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope according to claim 5, wherein the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope includes a pulse width converter.
光源から発せられたフェムト秒〜数十フェムト秒オーダ
の超短パルスレーザ光を、ピコ秒オーダの短パルスレー
ザ光に変換することを特徴とする、請求項6に記載のコ
ヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡。7. The method according to claim 1, wherein the pulse width converter converts ultrashort pulse laser light of the order of femtoseconds to tens of femtoseconds emitted from the laser light source into short pulse laser light of the order of picoseconds. The coherent anti-Stokes Raman scattering microscope according to claim 6.
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