JP2003344285A - 環状断面レーザ光ビーム生成器および多光子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料へ照射するレーザ光ビームの光軸と直交
する方向の解像度を維持しながら、光軸方向へ試料が多
少移動した場合であっても、試料を追いかけることなく
試料の観察を続行できるようにする。 【解決手段】 一様断面のレーザ光ビームを発生するフ
ェムト秒パルス赤外レーザ装置１と、レーザ光ビームを
試料１１に集光させる対物レンズ６とを備え、これら両
者間の光路に、凹円錐面からなる入射面と凸円錐面から
なる出射面とを有し、入射面から入射した一様断面のレ
ーザ光ビームを環状断面レーザ光ビームに整形して出射
面から出射する環状断面レーザ光ビーム生成器を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医学あるいは生物
学等、一般に蛍光顕微鏡を利用する全ての分野において
使用される多光子顕微鏡およびそれに好適な環状断面レ
ーザ光ビーム生成器に関すものである。

【０００２】

【従来の技術】生物試料を拡大観察できる光学顕微鏡は
３００年以上の歴史を有しており、生物試料を生きてい
るまま観察できるという特長を生かして医学および生物
学において計り知れない貢献を果たしてきた。この光学
顕微鏡は、位相差法、偏光法、蛍光法、微分干渉法ある
いは暗視野法など種々の観察方法を取り入れて改良が進
められ、今や、蛍光修飾することによって、細胞内のタ
ンパク質や低分子まで観察できるようになっている。

【０００３】光学顕微鏡のうち、通常の蛍光顕微鏡で
は、焦点面の上下の、励起光が十分に集光されていない
領域での励起や蛍光の散乱が蛍光像のボケを引き起こ
す。そこで、共焦点顕微鏡では、ピンホールを用いるこ
とにより蛍光像のボケを除去するようにしている。これ
により、蛍光顕微鏡像の鮮明度が飛躍的に向上してい
る。共焦点顕微鏡には、レーザ光を走査するのにガルバ
ノ鏡を用いる型、音響光学素子を用いる型およびニポウ
盤を用いる型がある。

【０００４】上記の共焦点顕微鏡は、試料の焦点域外も
励起してしまうため、試料の未観察部分にまで損傷が起
こるという問題を有している。しかしながら、この問題
は、焦点域しか励起しない多光子顕微鏡の出現により解
決されている。

【０００５】共焦点顕微鏡およびその改良型である多光
子顕微鏡は、共通して、面方向のみならず光軸方向の分
解能が高いという特長があり、観察の深さを変えた像を
何枚か集めることにより、三次元像を構築することがで
きる。

【０００６】多格子顕微鏡のうち、２光子吸収の原理を
利用する２光子顕微鏡については、U. S. Patent 5,03
4,613に開示されている。図８には従来の多光子顕微鏡
の一例を示す。なお、同図は、G. Y. Fan, H. Fujisak
i, A. Miyawaki, R.-K. Tsay, R. Y. Tsien, and M. H.
Ellisman (1999) "Video-rate scanning two-photon e
xcitation fluorescence microscopy and ratio imagin
g with cameleon" Biophys J. 76, 2412-2420.に記載さ
れているものである。

【０００７】図８に示す多光子顕微鏡において、フェム
ト秒パルス赤外レーザ装置１０１を出射したパルスレー
ザ光ビーム１０２は、反射鏡１０３にて折り曲げられ、
走査器１０４にてＸ，Ｙ方向に適宜進行方向を振られ
る。その後、ダイクロイックミラー１０５にて試料１１
１方向へ反射され、対物レンズ１０６にて試料１１１に
集光され、試料１１１に含まれる蛍光物質を励起する。

【０００８】これにより試料１１１から出射した蛍光１
０７は、対物レンズ１０６にて集められ、光路切り替え
ミラー１０８により反射されて接眼部１０９に送られ、
肉眼により観察される。あるいは、光路切り替えミラー
１０８を光路から待避させることにより、光検出器１１
０に送られた後、コンピュータに取り込まれるととも
に、モニター上にて像として観察される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の多光子顕微
鏡において、観察対象物である試料１１１、例えば生き
ている生物試料におけるの面方向（照射するレーザ光ビ
ームの光軸と直交する方向）の動きを捉えることは、像
取得時間の短縮、すなわち走査の高速化により可能とな
りつつある。しかしながら、上記面方向と直交する光軸
方向の動きを捉えるには、上記従来の多光子顕微鏡では
複数の像を高速に取得する必要があり、これを達成する
ことが困難となっている。

【００１０】したがって、本発明は、試料へ照射するレ
ーザ光ビームの光軸と直交する方向の解像度を維持しな
がら、光軸方向へ試料が多少移動した場合であっても、
試料を追いかけることなく試料の観察を続行することが
できる多光子顕微鏡およびそれに適した環状断面レーザ
光ビーム生成器の提供を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の環状断面レーザ光ビーム生成器は、凹円
錐面からなる入射面と凸円錐面からなる出射面とを有
し、前記入射面から入射した一様断面、例えば円形の一
様断面のレーザ光ビームを環状断面レーザ光ビームに整
形して前記出射面から出射することを特徴としている。

【００１２】上記の構成によれば、一様の断面のレーザ
光ビームをそのほぼ全ての光を使用して環状断面レーザ
光ビームに整形するので、レーザ光ビームの中央部に覆
いを設けてその部分の光を遮ることにより環状断面レー
ザ光ビームに整形する従来の構成と比較して、十分な光
量の環状断面レーザ光ビームを得ることができる。した
がって、この環状断面レーザ光ビーム生成器は、環状断
面レーザ光ビームを使用する多光子顕微鏡に好適なもの
となる。

【００１３】また、本発明の環状断面レーザ光ビーム生
成器は、平面からなる入射面および凹円錐面からなる出
射面を有する第１光学部品と、凸円錐面からなる入射面
および平面からなる出射面を有する第２光学部品とを備
え、入射光における光軸方向の入射側位置に第１光学部
品が設けられ、出射側位置に第２光学部品が設けられ、
第１光学部品の入射面から入射した一様断面、例えば円
形の一様断面のレーザ光ビームを環状断面レーザ光ビー
ムに整形して第２光学部品の出射面から出射することを
特徴としている。

【００１４】上記の構成によれば、一様の断面のレーザ
光ビームをそのほぼ全ての光を使用して環状断面レーザ
光ビームに整形するので、レーザ光ビームの中央部に覆
いを設けてその部分の光を遮ることにより環状断面レー
ザ光ビームに整形する従来の構成と比較して、十分な光
量の環状断面レーザ光ビームを得ることができる。した
がって、この環状断面レーザ光ビーム生成器は、環状断
面レーザ光ビームを使用する多光子顕微鏡に好適なもの
となる。

【００１５】さらに、第２光学部品から出射される環状
断面レーザ光ビームの直径が、第１光学部品と第２光学
部品との距離に応じて変化するので、所望の直径を有す
る環状断面レーザ光ビームを容易に得ることができる。

【００１６】上記の環状断面レーザ光ビーム生成器は、
第１光学部品と第２光学部品との光軸方向における距離
を変更可能である構成としてもよい。

【００１７】上記の構成によれば、第１光学部品と第２
光学部品との光軸方向における距離を調整することによ
り、環状断面レーザ光ビームの直径を適宜変更すること
ができる。これにより、適宜視野深度の変更が可能とな
る。

【００１８】本発明の多光子顕微鏡は、一様断面のレー
ザ光ビームを発生するレーザ光ビーム発生手段と、レー
ザ光ビームを試料に集光させる対物レンズとを備えると
ともに、これらレーザ光ビーム発生手段と対物レンズと
の間の光路に、前記何れかの環状断面レーザ光ビーム生
成器を備えていることを特徴としている。

【００１９】上記の構成によれば、下記のように、これ
までの理論的な限界を超えた高い解像能を得ることがで
き、かつ観察対象（試料）が光軸方向に多少移動した場
合であっても、観察対象を追いかけることなく、観察を
続行することができる。

【００２０】環状断面の光ビームをレンズで集光した場
合、一様な断面の光ビームをレンズで集光した場合と比
較して、焦点面での光軸と垂直な方向の強度分布は、中
央の強度が大きい部分の領域が狭くなり、その周辺に比
較的強度の大きいフリンジが生じる。このフリンジのた
め、環状断面の光ビームは、線形吸収による励起を行う
通常の顕微鏡の照射光として使用することができない。
一方、多光子顕微鏡では、非線形吸収による励起を行う
ため、上記フリンジが障害にならない。

【００２１】即ち、多光子顕微鏡では、１個の蛍光物質
がｎ（＝２，３，・・）個の光子を同時に吸収するた
め、吸収効率が照射光強度のｎ乗に比例する。したがっ
て、蛍光の発光の分布は、上記中央部分がより細くな
り、周辺のフリンジは相対的に小さくなり無視できるよ
うになる。

【００２２】これにより、環状断面レーザ光ビーム生成
器を備え、環状断面レーザ光ビームを使用する多光子顕
微鏡において、環状断面レーザ光ビームを集光した場合
の光軸に垂直な面内の強度分布は、一様断面の光ビーム
を集光した場合よりも狭くなる。その上、非線形吸収で
の励起により励起領域すなわち蛍光発光領域がさらに狭
くなる。この結果、これまでの理論的な限界を超えた高
い解像能を得ることができる。

【００２３】また、集光された環状断面レーザ光ビーム
の光軸方向の強度分布は、集光された一様断面レーザ光
ビームの光軸方向の強度分布よりも広がりが大きくな
る。これにより、環状断面レーザ光ビームを使用する多
光子顕微鏡では、光軸方向の分解能が低下するものの、
照射領域の光軸方向に広がりがあるため、観察対象（試
料）が光軸方向に多少移動した場合であっても、観察対
象を追いかけることなく、また観察対象を見逃すことな
く、観察を続行することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕本発明の実施の
一形態を図１ないし図４に基づいて以下に説明する。本
実施の形態の多光子顕微鏡は、非常に高い解像能を有す
る超解像多光子顕微鏡であり、図１に示すように、フェ
ムト秒パルス赤外レーザ装置（レーザ光ビーム発生手
段）１、反射鏡３、環状断面レーザ光ビーム生成器１２、
走査器４、ダイクロイックミラー５、対物レンズ６、光路
切り替えミラー８、接眼部９および光検出器１０を備え
ている。

【００２５】フェムト秒パルス赤外レーザ装置１として
は、例えばSpecraPhysics社製のものを使用可能であ
る。その装置は、ダイオードレーザ２個（波長８００ｎ
ｍ，出力２×１２Ｗ）、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザMillenni
a (波長５３２ｎｍ，出力５Ｗ)、チタンサファイアレー
ザTsunamiにより構成されている。このフェムト秒パル
ス赤外レーザ装置１は、例えば、波長が６００−１０５
０ｎｍの範囲で可変であり、出力７００ｍＷ、パルス幅
１００フェムト秒、繰り返し８０ＭＨｚのフェムト秒パ
ルス赤外レーザを出射する。

【００２６】環状断面レーザ光ビーム生成器１２は、図
２および図３に示すように、入射面１２ａが凹円錐面と
なっており、出射面１２ｂが凸円錐面となっているほぼ
円盤形状を有する。これら入射面１２ａの凹円錐面と出
射面１２ｂの凸円錐面とは、例えば、斜辺の長さおよび
角度が同一の円錐形となっている。この環状断面レーザ
光ビーム生成器１２は、ガラス等の高誘電率の透明材質
からなる。

【００２７】環状断面レーザ光ビーム生成器１２では、
入射面１２ａから入射したパルスレーザ光ビーム２、即
ち円形の一様断面のレーザ光ビームを中空状の円形の環
状断面レーザ光ビーム１３に整形し、出射面１２ｂから
出射する。この場合、入射面１２ａは、パルスレーザ光
ビーム２をその光軸に対して斜め外方に広がる環状のレ
ーザ光ビームに整形し、出射面１２ｂは、このレーザ光
ビームを光軸に対して平行な環状のレーザ光ビームに整
形する。

【００２８】また、ほぼ円盤形状の環状断面レーザ光ビ
ーム生成器１２は、その中心軸がパルスレーザ光ビーム
２の光軸と一致するように配されることにより、即ち入
射面１２ａにおける凹円錐面の頂部および出射面１２ｂ
における凸円錐面の頂部がパルスレーザ光ビーム２の光
軸と一致するように配されることにより、周方向におい
て均一な円形環状の環状断面レーザ光ビーム１３が得ら
れる。

【００２９】走査器４は、試料１１に対する環状断面レ
ーザ光ビーム１３の照射位置を、Ｘ，Ｙ方向において変
化させるためのものである。対物レンズ６は、入射した
環状断面レーザ光ビーム１３を試料１１に集光させると
ともに、試料１１からの蛍光７を集めてダイクロイック
ミラー５方向へ導く。光路切り替えミラー８は、蛍光７
の光路上に配される位置と光路から退避する位置とに移
動可能となっている。光検出器１０は、入射した蛍光７
を電気信号に変換し、コンピュータ（図示せず）に出力
する。

【００３０】上記の構成において、フェムト秒パルス赤
外レーザ装置１を出射したパルスレーザ光ビーム２は、
反射鏡３にて折り曲げられ、環状断面レーザ光ビーム生
成器１２にて環状断面レーザ光ビーム１３に整形され
る。この環状断面レーザ光ビーム１３は、走査器４にて
Ｘ，Ｙ方向に適宜進行方向を振られ、ダイクロイックミ
ラー５にて試料１１方向へ反射され、対物レンズ６にて
試料１１に集光され、試料１１に含まれる蛍光物質を励
起する。

【００３１】これにより、蛍光物質から出射した蛍光７
は、対物レンズ６にて集められ、光路切り替えミラー８
により反射されて接眼部９に送られ、肉眼により観察さ
れる。あるいは、光路切り替えミラー１０８を光路から
待避させることにより、光検出器１１０に送られた後、
コンピュータに取り込まれるとともに、モニター上にて
像として観察される。

【００３２】上記構成の多光子顕微鏡では、環状断面レ
ーザ光ビーム生成器１２を備え、この環状断面レーザ光
ビーム生成器１２により整形した環状断面レーザ光ビー
ム１３を試料１１に照射するようにしている。したがっ
て、試料１１に照射するレーザ光ビームのスポット径を
小さくして光軸方向と直交する方向の解像度を高めるこ
とができる。一方、光軸方向においては、その方向にお
ける試料１１、例えば生きている生物試料の動きに対応
し、試料１１が光軸方向に多少移動した場合であっても
試料１１を追いかけることなく、観察を続行することが
できる。以下、その理由について説明する。

【００３３】一様な断面を有するレーザ光ビーム（例え
ば断面が円形であり、その円形内において光量がほぼ一
様なレーザ光ビーム）をレンズで集光すると、焦点面
（光軸との直交方向）でのレーザ光ビームの強度分布
は、図４の曲線Ａに示すものとなる。一方、例えば円形
の環状断面を有するレーザ光ビーム（環状断面レーザ光
ビーム１３）を集光すると、焦点面での光ビームの強度
分布は、図４の曲線Ｂに示すものとなる。

【００３４】この曲線Ｂの強度分布では、中央部分にお
いて曲線Ａの強度分布よりも分布領域が狭くなっている
ものの、周辺部において比較的強度の大きいフリンジを
生じる。このため、環状断面のレーザ光ビームは、通
常、顕微鏡の照射光として用いられることはない。とこ
ろが、多光子顕微鏡では、曲線Ｂのような強度分布のレ
ーザ光ビームを使用した場合であっても、非線形吸収に
よる励起を行うため、周辺部の上記フリンジが障害にな
らない。

【００３５】即ち、通常の蛍光顕微鏡等では線形吸収に
よって試料１１が励起されるため、照射光の分布がその
まま蛍光の発光分布になる。したがって、環状断面の光
ビームの強度分布（曲線Ｂ）における前記フリンジが障
害となる。これに対して、多光子顕微鏡では、１個の蛍
光物質がｎ（＝２，３，・・）個の光子を同時に吸収す
るため、吸収効率が照射光強度のｎ乗に比例する。した
がって、蛍光の発光の分布は、曲線Ｂをｎ乗した形にな
り、中央部分はより細くなり、周辺のフリンジは相対的
に小さくなり無視できるようになる。

【００３６】このように、多光子顕微鏡において、試料
１１に環状断面レーザ光ビーム１３を集光させた場合に
は、環状断面レーザ光ビーム１３の光軸に垂直な面内の
分布が、試料１１に一様断面の光ビームを集光させた場
合よりも狭くなる。そして、解像度は、レーザ光が対物
レンズによって集光されるときのスポットのサイズに依
存する。その上、多光子顕微鏡では、非線形吸収により
試料１１の励起を行うので、試料１１での励起領域すな
わち蛍光発光領域がさらに狭くなる。これにより、本多
光子顕微鏡では、これまでの理論的な限界を超えた高い
解像能を得ることができる。

【００３７】また、多光子顕微鏡において、試料１１に
環状断面レーザ光ビーム１３を集光させた場合の光軸方
向の強度分布は、一様断面の光ビームを集光させた場合
よりも光軸方向への広がりが大きくなる。これは、光軸
方向の分解能が低くなることを意味し、一般には忌避さ
れる。しかしながら、このような分解能の低下により、
光軸方向に観察対象である試料１１（例えば生きている
生物試料）が多少移動した場合であっても、試料１１を
追いかけることなく、観察を続行することができる。

【００３８】また、従来の環状断面レーザ光ビーム生成
器では、光ビームの中央部に覆いを設けてその部分の光
ビームを遮り、通過可能な周辺部分の光ビームのみを使
用するものとなっており、この場合には、光強度が低下
し、光量不足を来たしていた。これに対し、環状断面レ
ーザ光ビーム生成器１２では、入射光のほぼ全てを使用
して環状断面レーザ光ビーム１３を整形するので、上記
のような問題が生じない。

【００３９】〔実施の形態２〕本発明の実施の他の形態
を図５から図７に基づいて以下に説明する。本実施の形
態の多光子顕微鏡は、図５に示すように、図１に示した
環状断面レーザ光ビーム生成器１２に代えて環状断面レ
ーザ光ビーム生成器２１を備えたものとなっている。

【００４０】この環状断面レーザ光ビーム生成器２１
は、パルスレーザ光ビーム２の入射側位置に配される第
１光学部品２２と出射側位置に配される第２光学部品２
３とを備えている。これら第１および第２光学部品２
２、２３は、図６（ａ）（ｂ）および図７に示すよう
に、ほぼ円盤形状をなし、第１光学部品２２は、入射面
２２ａが平面となっており、出射面２２ｂが凹円錐面と
なっている。第２光学部品２３は、入射面２３ａが凸円
錐面となっており、出射面２３ｂが平面となっている。

【００４１】第１光学部品２２の出射面２２ｂにおける
凹円錐面と第２光学部品２３の入射面２３ａにおける凸
円錐面とは、例えば、斜辺の長さおよび角度が同一の円
錐形となっている。この環状断面レーザ光ビーム生成器
２１は、前記環状断面レーザ光ビーム生成器１２と同
様、ガラス等の高誘電率の透明材質からなる。

【００４２】環状断面レーザ光ビーム生成器２１では、
第１光学部品２２の入射面２２ａから入射したパルスレ
ーザ光ビーム２、例えば円形の一様断面のレーザ光ビー
ムが中空状の円形の環状断面レーザ光ビーム１３に整形
されて、第２光学部品２３の出射面２３ｂから出射す
る。この場合、第１光学部品２２（出射面２２ｂ）は、
パルスレーザ光ビーム２をその光軸に対して斜め外方に
広がる環状のレーザ光ビームに整形し、第２光学部品２
３（入射面２３ａ）は、第１光学部品２２から入射した
レーザ光ビームを光軸に対して平行な環状のレーザ光ビ
ームに整形する。

【００４３】環状断面レーザ光ビーム生成器２１では、
第１光学部品２２と第２光学部品２３との少なくとも一
方を移動させることにより、両者の光軸方向における間
隔を調整可能となっており、上記間隔を調整することに
より、環状断面レーザ光ビーム１３の直径を調整可能と
なっている。

【００４４】具体的には、図６（ａ）に示すように、例
えば第１光学部品２２の入射面２２ａから第２光学部品
２３の出射面２３ｂまでの距離ＬがＬ１である場合、環
状断面レーザ光ビーム１３の直径ＤはＤ１となる。一
方、図６（ｂ）に示すように、上記距離ＬをＬ２（Ｌ２
＞Ｌ１）に変更した場合、環状断面レーザ光ビーム１３
の直径ＤはＤ１からＤ２（Ｄ２＞Ｄ１）に変化する。

【００４５】また、ほぼ円盤形状の第１光学部品２２お
よび第２光学部品２３からなる環状断面レーザ光ビーム
生成器２１は、環状断面レーザ光ビーム生成器１２と同
様、その中心軸がパルスレーザ光ビーム２の光軸と一致
するように配されることにより、即ち第１光学部品２２
の出射面２２ｂにおける凹円錐面の頂部および第２光学
部品２３の入射面２３ａにおける凸円錐面の頂部がパル
スレーザ光ビーム２の光軸と一致するように配されるこ
とにより、周方向において均一な円形環状の環状断面レ
ーザ光ビーム１３が得られる。

【００４６】上記のように、本実施の形態の多光子顕微
鏡では、環状断面レーザ光ビーム生成器２１において環
状断面レーザ光ビーム１３の直径を変更可能であるの
で、環状断面レーザ光ビーム生成器１２を備えた前期多
光子顕微鏡の機能に加えて、適宜視野深度を変更するこ
とができる。

【００４７】また、環状断面レーザ光ビーム生成器１
２、２１は、多光子顕微鏡のみならず、一般のレーザ光
ビーム走査型共焦点顕微鏡にも組み込むことが可能であ
り、その顕微鏡においても超解像を得ることができる。

【００４８】さらに、環状断面レーザ光ビーム生成器１
２、２１は、入射ビームの光強度を無駄なく利用するリ
ング照明装置としても使用することができる。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明の環状断面レーザ
光ビーム生成器は、凹円錐面からなる入射面と凸円錐面
からなる出射面とを有し、前記入射面から入射した一様
断面のレーザ光ビームを環状断面レーザ光ビームに整形
して前記出射面から出射する構成である。

【００５０】これにより、一様断面のレーザ光ビームを
そのほぼ全ての光を使用して環状断面レーザ光ビームに
整形するので、十分な光量の環状断面レーザ光ビームを
得ることができる。この結果、環状断面レーザ光ビーム
を使用する多光子顕微鏡に好適なものとなる。

【００５１】また、本発明の環状断面レーザ光ビーム生
成器は、平面からなる入射面および凹円錐面からなる出
射面を有する第１光学部品と、凸円錐面からなる入射面
および平面からなる出射面を有する第２光学部品とを備
え、入射光における光軸方向の入射側位置に第１光学部
品が設けられ、出射側位置に第２光学部品が設けられ、
第１光学部品の入射面から入射した一様断面のレーザ光
ビームを環状断面レーザ光ビームに整形して第２光学部
品の出射面から出射する構成である。

【００５２】これにより、一様断面のレーザ光ビームを
そのほぼ全ての光を使用して環状断面レーザ光ビームに
整形するので、十分な光量の環状断面レーザ光ビームを
得ることができる。この結果、環状断面レーザ光ビーム
を使用する多光子顕微鏡に好適なものとなる。

【００５３】さらに、第２光学部品から出射される環状
断面レーザ光ビームの直径が、第１光学部品と第２光学
部品との距離に応じて変化するので、所望の直径を有す
る環状断面レーザ光ビームを容易に得ることができる。

【００５４】上記の環状断面レーザ光ビーム生成器は、
第１光学部品と第２光学部品との光軸方向における距離
を変更可能である構成としてもよい。

【００５５】上記の構成によれば、第１光学部品と第２
光学部品との光軸方向における距離を調整することによ
り、環状断面レーザ光ビームの直径を適宜変更すること
ができる。これにより、適宜視野深度の変更が可能とな
る。

【００５６】本発明の多光子顕微鏡は、一様断面のレー
ザ光ビームを発生するレーザ光ビーム発生手段と、レー
ザ光ビームを試料に集光させる対物レンズとを備えると
ともに、これらレーザ光ビーム発生手段と対物レンズと
の間の光路に、前記何れかの環状断面レーザ光ビーム生
成器を備えている構成である。

【００５７】環状断面レーザ光ビーム生成器を備え、環
状断面レーザ光ビームを使用する多光子顕微鏡におい
て、環状断面レーザ光ビームを集光した場合の光軸に垂
直な面内の強度分布は、円形の一様断面の光ビームを集
光した場合よりも狭くなる。その上、非線形吸収での励
起により励起領域すなわち蛍光発光領域がさらに狭くな
る。この結果、これまでの理論的な限界を超えた高い解
像能を得ることができる。

【００５８】また、集光された環状断面光ビームの光軸
方向の強度分布は、集光された一様断面光ビームの光軸
方向の強度分布よりも広がりが大きくなる。これによ
り、環状断面レーザ光ビームを使用する多光子顕微鏡で
は、光軸方向の分解能が低下するものの、照射領域の光
軸方向に広がりがあるため、観察対象（試料）が光軸方
向に多少移動した場合であっても、観察対象を追いかけ
ることなく、また観察対象を見逃すことなく、観察を続
行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態における多光子顕微鏡の
構成を示す概略の模式図である。

【図２】図１に示した環状断面レーザ光ビーム生成器に
おける、環状断面レーザ光ビームの整形動作を説明する
縦断面図である。

【図３】図１に示した環状断面レーザ光ビーム生成器の
斜視図である。

【図４】レーザ光ビームを試料に集光した場合の強度分
布を示すグラフであって、一様な断面を有するレーザ光
ビームの強度分布（曲線Ａ）および環状断面を有するレ
ーザ光ビームの強度分布（曲線Ｂ）を示すものである。

【図５】本発明の実施の他の形態における多光子顕微鏡
の構成を示す概略の模式図である。

【図６】図６（ａ）は、図５に示した環状断面レーザ光
ビーム生成器における、第１光学部品と第２光学部品と
の距離が狭い場合の環状断面レーザ光ビームの整形動作
を説明する縦断面図、図６（ｂ）は、第１光学部品と第
２光学部品との距離が広い場合の同縦断面図である。

【図７】図５に示した環状断面レーザ光ビーム生成器の
斜視図である。

【図８】従来の多光子顕微鏡の構成を示す概略の模式図
である。

【符合の説明】

１ フェムト秒パルス赤外レーザ装置（レーザ光ビ
ーム発生手段） ２ パルスレーザビーム ３ 反射鏡 ４ 走査器 ５ ダイクロイックミラー ６ 対物レンズ ７ 蛍光 ８ 光路切り替えミラー １１ 試料 １２ 環状断面レーザ光ビーム生成器 １２ａ 入射面 １２ｂ 出射面 １３ 環状断面レーザ光ビーム ２１ 環状断面レーザ光ビーム生成器 ２２ 第１光学部品 22a,23a 入射面 22b,23b 出射面 ２３ 第２光学部品

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凹円錐面からなる入射面と凸円錐面からな
   る出射面とを有し、前記入射面から入射した一様断面の
   レーザ光ビームを環状断面レーザ光ビームに整形して前
   記出射面から出射することを特徴とする環状断面レーザ
   光ビーム生成器。
2. 【請求項２】平面からなる入射面および凹円錐面からな
   る出射面を有する第１光学部品と、凸円錐面からなる入
   射面および平面からなる出射面を有する第２光学部品と
   を備え、入射光における光軸方向の入射側位置に第１光
   学部品が設けられ、出射側位置に第２光学部品が設けら
   れ、第１光学部品の入射面から入射した一様断面のレー
   ザ光ビームを環状断面レーザ光ビームに整形して第２光
   学部品の出射面から出射することを特徴とする環状断面
   レーザ光ビーム生成器。
3. 【請求項３】第１光学部品と第２光学部品との光軸方向
   における距離を変更可能であることを特徴とする請求項
   ２に記載の環状断面レーザ光ビーム生成器。
4. 【請求項４】一様断面のレーザ光ビームを発生するレー
   ザ光ビーム発生手段と、レーザ光ビームを試料に集光さ
   せる対物レンズとを備えるとともに、これらレーザ光ビ
   ーム発生手段と対物レンズとの間の光路に、請求項１か
   ら３の何れか１項に記載の環状断面レーザ光ビーム生成
   器を備えていることを特徴とする多光子顕微鏡。