JP2003344774A - Method and apparatus for adjusting optical axis of light source of microscope - Google Patents

Method and apparatus for adjusting optical axis of light source of microscope

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JP2003344774A
JP2003344774A JP2002149395A JP2002149395A JP2003344774A JP 2003344774 A JP2003344774 A JP 2003344774A JP 2002149395 A JP2002149395 A JP 2002149395A JP 2002149395 A JP2002149395 A JP 2002149395A JP 2003344774 A JP2003344774 A JP 2003344774A
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Japan
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light
light source
optical axis
sample
intensity
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JP2002149395A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Iketaki
慶記 池滝
Masaaki Fujii
正明 藤井
Takeshi Watanabe
武史 渡邊
Takashige Omatsu
尾松  孝茂
Kimihisa Yamamoto
公寿 山元
Tomoo Suzuki
智雄 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Olympus Corp
Nippon Roper Co Ltd
Original Assignee
Nippon Roper Co Ltd
Japan Science and Technology Corp
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
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  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and apparatus for adjusting the optical axes of light sources of a microscope, which method can easily, quantitatively and exactly adjust the optical axes of the light sources of the microscope. <P>SOLUTION: A sample 9 for adjustment uniformly dispersed with fluorescent molecules is used and while detecting the difference between the fluorescence intensity obtained by irradiating the sample 9 for adjustment with first light of the intensity distribution having the maximum at the center of the optical axis and the second light of the intensity distribution having the maximum and the fluorescence intensity obtained by irradiating the sample with the first light of the intensity distribution having the maximum and the second light of the intensity distribution having the minimum, the optical axes of the first light source 1 emitting the first light and the second light source 2 emitting the second light are so set as to maximize the above difference. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡、特に染色
した試料を機能性の高いレーザー光源からの複数の波長
の光により照明して、高い空間分解能を得る高性能かつ
高機能の新しい光学顕微鏡においる光源光軸の調整方法
および装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microscope, in particular, a new optical microscope of high performance and high function, which obtains a high spatial resolution by illuminating a stained sample with light of a plurality of wavelengths from a highly functional laser light source. The present invention relates to a method and an apparatus for adjusting an optical axis of a light source in the air.

【0002】[0002]

【従来の技術】光学顕微鏡の技術は古く、種々のタイプ
の顕微鏡が開発されてきた。また、近年では、レーザー
技術および電子画像技術をはじめとする周辺技術の進歩
により、更に高機能の顕微鏡システムが開発されてい
る。
2. Description of the Related Art The technique of an optical microscope is old and various types of microscopes have been developed. In recent years, further advanced microscope systems have been developed due to advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology.

【0003】このような背景の中、例えば特開平8−1
84552号公報において、複数波長の光で試料を照明
することにより発する二重共鳴吸収過程を用いて、得ら
れる画像のコントラストの制御のみならず化学分析も可
能にした高機能な顕微鏡が提案されている。
Under such a background, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-1
In Japanese Patent No. 84552, there is proposed a high-performance microscope capable of not only controlling the contrast of an obtained image but also performing chemical analysis by using a double resonance absorption process generated by illuminating a sample with light of a plurality of wavelengths. There is.

【0004】この顕微鏡は、二重共鳴吸収を用いて特定
の分子を選択し、特定の光学遷移に起因する吸収および
蛍光を観測するものである。この原理を図6〜図9を参
照して説明する。図6は、試料を構成する分子の価電子
軌道の電子構造を示すもので、先ず、図6に示す基底状
態(S0状態)の分子がもつ価電子軌道の電子を波長λ
1の光により励起して、図7に示す第1励起状態(S1
状態)とする。次に、別の波長λ2の光により同様に励
起して図8に示す第2励起状態(S2状態)とする。こ
の励起状態により、分子は蛍光あるいは燐光を発光し
て、図9に示すように基底状態に戻る。
This microscope uses double resonance absorption to select a specific molecule and observes absorption and fluorescence due to a specific optical transition. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the electronic structure of the valence orbits of the molecules constituting the sample. First, the electrons of the valence orbits of the molecules in the ground state (S0 state) shown in FIG.
1 is excited by the light of the first state (S1) shown in FIG.
State). Next, it is similarly excited by the light of another wavelength λ2 to be the second excited state (S2 state) shown in FIG. In this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence and returns to the ground state as shown in FIG.

【0005】二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、
図7の吸収過程や図9の蛍光や燐光の発光を用いて、吸
収像や発光像を観察する。この顕微鏡法では、まず最初
にレーザー光等により共鳴波長λ1の光で図7のように
試料を構成する分子をS1状態に励起させるが、この
際、単位体積内でのS1状態の分子数は、照射する光の
強度が増加するに従って増加する。
In microscopy using the double resonance absorption process,
The absorption image and the emission image are observed using the absorption process of FIG. 7 and the emission of fluorescence and phosphorescence of FIG. In this microscopic method, first, the molecules constituting the sample are excited to the S1 state by light having a resonance wavelength λ1 by laser light or the like, and at this time, the number of molecules in the S1 state within a unit volume is , Increases as the intensity of the applied light increases.

【0006】ここで、線吸収係数は、分子一個当りの吸
収断面積と単位体積当たりの分子数との積で与えられる
ので、図8のような励起過程においては、続いて照射す
る共鳴波長λ2に対する線吸収係数は、最初に照射した
波長λ1の光の強度に依存することになる。すなわち、
波長λ2に対する線吸収係数は、波長λ1の光の強度で
制御できることになる。このことは、波長λおよび波長
λ2の2波長の光で試料を照射し、波長λ2による透過
像を撮影すれば、透過像のコントラストは波長λ1の光
で完全に制御できることを示している。
Here, since the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross section per molecule and the number of molecules per unit volume, in the excitation process as shown in FIG. The linear absorption coefficient with respect to will depend on the intensity of the light having the wavelength λ1 initially irradiated. That is,
The linear absorption coefficient for the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light of the wavelength λ1. This means that if the sample is irradiated with light of two wavelengths λ and λ2 and a transmission image of wavelength λ2 is taken, the contrast of the transmission image can be completely controlled by the light of wavelength λ1.

【0007】また、図8の励起状態での蛍光または燐光
による脱励起過程が可能である場合には、その発光強度
はS1状態にある分子数に比例する。したがって、蛍光
顕微鏡として利用する場合には画像コントラストの制御
が可能となる。
Further, when the deexcitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state of FIG. 8 is possible, the emission intensity thereof is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, when used as a fluorescence microscope, the image contrast can be controlled.

【0008】さらに、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡
法では、上記の画像コントラストの制御のみならず、化
学分析も可能にする。すなわち、図6に示される最外殻
価電子軌道は、各々の分子に固有なエネルギー準位を持
つので、波長λ1は分子によって異なることになり、同
時に波長λ2も分子固有のものとなる。
Further, the microscopy using the double resonance absorption process enables not only the above-mentioned control of image contrast but also chemical analysis. That is, since the outermost shell valence orbit shown in FIG. 6 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 is different depending on the molecule, and at the same time, the wavelength λ2 is also unique to the molecule.

【0009】ここで、従来の単一波長で照明する場合で
も、ある程度特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察
することが可能であるが、一般にはいくつかの分子の吸
収帯の波長領域は重複するので、試料の化学組成の正確
な同定までは不可能である。
Here, it is possible to observe an absorption image or a fluorescence image of a specific molecule to some extent even when illuminating with a conventional single wavelength, but generally, the wavelength range of the absorption band of some molecules is Due to the overlap, accurate identification of the chemical composition of the sample is not possible.

【0010】これに対し、二重共鳴吸収過程を用いた顕
微鏡法では、波長λ1および波長λ2の2波長により吸
収あるいは発光する分子を限定するので、従来法よりも
正確な試料の化学組成の同定が可能となる。また、価電
子を励起する場合、分子軸に対して特定の電場ベクトル
をもつ光のみが強く吸収されるので、波長λ1および波
長λ2の偏光方向を決めて吸収または蛍光像を撮影すれ
ば、同じ分子でも配向方向の同定まで可能となる。
On the other hand, in the microscopic method using the double resonance absorption process, since the molecules that absorb or emit light are limited by the two wavelengths of wavelength λ1 and wavelength λ2, the chemical composition of the sample can be identified more accurately than the conventional method. Is possible. Further, when exciting a valence electron, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization direction of wavelength λ1 and wavelength λ2 is determined and an absorption or fluorescence image is taken, the same result is obtained. Even molecules can be identified in the orientation direction.

【0011】また、最近では、例えば特開2001−1
00102号公報において、二重共鳴吸収過程を用いて
回折限界を越える高い空間分解能をもつ蛍光顕微鏡も提
案されている。
Recently, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-1
In Japanese Laid-Open Patent Publication No. 00102, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit by using a double resonance absorption process is also proposed.

【0012】図10は、分子における二重共鳴吸収過程
の概念図で、基底状態S0の分子が、波長λ1の光で第
1励起状態であるS1に励起され、更に波長λ2の光で
第2励起状態であるS2に励起されている様子を示して
いる。なお、図10はある種の分子のS2からの蛍光が
極めて弱いことを示している。
FIG. 10 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule. A molecule in the ground state S0 is excited by the light of wavelength λ1 to S1 which is the first excitation state, and further by the light of wavelength λ2 the second state. The state of being excited by S2 which is an excited state is shown. Note that FIG. 10 shows that the fluorescence from S2 of a certain molecule is extremely weak.

【0013】図10に示すような光学的性質を持つ分子
の場合には、極めて興味深い現象が起きる。図11は、
図10と同じく二重共鳴吸収過程の概念図で、横軸のX
軸は空間的距離の広がりを表わし、波長λ2の光を照射
した空間領域A1と波長λ2の光が照射されない空間領
域A0とを示している。
In the case of a molecule having optical properties as shown in FIG. 10, a very interesting phenomenon occurs. FIG. 11 shows
Similar to FIG. 10, it is a conceptual diagram of the double resonance absorption process.
The axis represents the spread of the spatial distance, and shows the spatial area A1 irradiated with the light of wavelength λ2 and the spatial area A0 not irradiated with the light of wavelength λ2.

【0014】図11において、空間領域A0では波長λ
1の光の励起によりS1状態の分子が多数生成され、そ
の際に空間領域A0からは波長λ3で発光する蛍光が見
られる。しかし、空間領域A1では、波長λ2の光を照
射したため、S1状態の分子のほとんどが即座に高位の
S2状態に励起されて、S1状態の分子は存在しなくな
る。このような現象は、幾つかの分子により確認されて
いる。これにより、空間領域A1では、波長λ3の蛍光
は完全になくなり、しかもS2状態からの蛍光はもとも
とないので、空間領域A1では蛍光自体が完全に抑制さ
れ、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。
In FIG. 11, in the spatial area A0, the wavelength λ
A large number of molecules in the S1 state are generated by the excitation of light of No. 1, and at that time, fluorescence emitted at the wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the space region A1, since the light having the wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher S2 state, and the molecules in the S1 state do not exist. This phenomenon has been confirmed by some molecules. As a result, the fluorescence of wavelength λ3 completely disappears in the spatial area A1, and since the fluorescence from the S2 state does not exist originally, the fluorescence itself is completely suppressed in the spatial area A1 and the fluorescence is emitted only from the spatial area A0. Become.

【0015】このことは、顕微鏡の応用分野から考察す
ると、極めて重要な意味を持っている。すなわち、従来
の走査型レーザー顕微鏡等では、レーザー光を集光レン
ズによりマイクロビームに集光して観察試料上を走査す
るが、その際のマイクロビームのサイズは、集光レンズ
の開口数と波長とで決まる回折限界となり、原理的にそ
れ以上の空間分解能は期待できない。
This has a very important meaning when considered from the field of application of microscopes. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, laser light is condensed into a microbeam by a condenser lens to scan an observation sample, and the size of the microbeam at that time is the numerical aperture and wavelength of the condenser lens. The diffraction limit is determined by and, and in principle, a higher spatial resolution cannot be expected.

【0016】ところが、図11の場合には、波長λ1と
波長λ2との2種類の光を空間的に上手く重ね合わせ
て、波長λ2の光の照射により蛍光領域を抑制すること
で、例えば波長λ1の光の照射領域に着目すると、蛍光
領域を集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界よ
りも狭くでき、実質的に空間分解能を向上させることが
可能となる。したがって、この原理を利用することで、
回折限界を越える二重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微
鏡、例えば蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。
In the case of FIG. 11, however, two kinds of light of wavelength λ1 and wavelength λ2 are spatially superposed well, and the fluorescent region is suppressed by irradiation of light of wavelength λ2, for example, wavelength λ1. Focusing on the light irradiation area, the fluorescent area can be made narrower than the diffraction limit determined by the numerical aperture and wavelength of the condenser lens, and the spatial resolution can be substantially improved. Therefore, by using this principle,
It becomes possible to realize a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope, which uses a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit.

【0017】さらに、顕微鏡の超解像性を高めるため、
例えば特開平11−95120号公報において、超解像
顕微鏡の機能を十分に活かすための蛍光ラベラー分子
や、利用する波長λ1および波長λ2の2つの光の試料
への照射タイミング等が開示されている。この先行技術
では、少なくとも基底状態を含む3つの量子状態を有
し、第1励起状態を除く高位のエネルギー状態から基底
状態へ脱励起するときの遷移が蛍光による緩和過程より
も熱緩和過程が支配的である各種分子を染色する蛍光ラ
ベラー分子と、生化学的な染色技術を施した生体分子と
を化学結合させた試料を、染色する分子を励起する波長
λ1の光でS1状態に励起し、続いて波長λ2の光によ
り即座に高位の量子準位に励起することで、S1状態か
らの蛍光を抑制するようにしている。このように分子の
光学的性質を利用して、空間的な蛍光領域を人為的に抑
制することで、空間分解能の向上を図ることができる。
Further, in order to enhance the super resolution of the microscope,
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-95120 discloses a fluorescent labeler molecule for fully utilizing the function of the super-resolution microscope, the irradiation timing of two light beams of wavelength λ1 and wavelength λ2 to be used, and the like. . In this prior art, there are three quantum states including at least the ground state, and the transition at the time of deexcitation from the higher energy state excluding the first excited state to the ground state is dominated by the thermal relaxation process rather than the relaxation process by fluorescence. A sample in which a fluorescent labeler molecule that stains various molecules that is a target is chemically bound to a biomolecule that has been subjected to biochemical staining technology is excited to the S1 state with light having a wavelength λ1 that excites the molecule to be stained, Then, the fluorescence from the S1 state is suppressed by immediately exciting it to a higher quantum level with light of wavelength λ2. In this way, the spatial resolution can be improved by artificially suppressing the spatial fluorescent region by utilizing the optical properties of the molecule.

【0018】このような分子の光学的性質は、量子化学
的な立場から説明することができる。すなわち、一般
に、分子はそれを構成する各原子がσまたはπ結合によ
って結ばれている。言い換えると、分子の分子軌道は、
σ分子軌道またはπ分子軌道を有していて、これらの分
子軌道に存在する電子が各原子を結合する重要な役割を
担っている。そのなかでも、σ分子軌道の電子は各原子
を強く結合し、分子の骨格である分子内の原子間距離を
決めている。これに対して、π分子軌道の電子は各原子
の結合にほとんど寄与しないで、むしろ分子全体に極め
て弱い力で束縛されている。
The optical properties of such molecules can be explained from the viewpoint of quantum chemistry. That is, in general, in a molecule, each atom constituting the molecule is connected by a σ or π bond. In other words, the molecular orbital of a molecule is
It has a σ molecular orbital or a π molecular orbital, and the electrons existing in these molecular orbitals play an important role in binding each atom. Among them, the electrons in the σ molecular orbital bond each atom strongly and determine the interatomic distance within the molecule, which is the skeleton of the molecule. On the other hand, the electrons in the π molecular orbital make little contribution to the bond of each atom, and are rather bound to the whole molecule by an extremely weak force.

【0019】多くの場合、σ分子軌道にいる電子を光で
励起すると、分子の原子間隔が大きく変化し、分子の解
離を含む大きな構造変化が起こる。その結果、原子の運
動エネルギーや構造変化のために、光が分子に与えたエ
ネルギーのほとんどが熱エネルギーに変化する。したが
って、励起エネルギーは蛍光という光の形態では消費さ
れない。また、分子の構造変化は極めて高速(ピコ秒よ
り短い)に起こるので、その過程で仮に蛍光が起きても
その寿命が極めて短い。
In many cases, when an electron in the σ molecular orbital is excited by light, the atomic spacing of the molecule is greatly changed, and a large structural change including dissociation of the molecule occurs. As a result, most of the energy given to the molecule by light changes into thermal energy due to the kinetic energy and structural change of atoms. Therefore, the excitation energy is not consumed in the form of light called fluorescence. Further, since the structural change of the molecule occurs at an extremely high speed (shorter than picosecond), even if fluorescence occurs in the process, its lifetime is extremely short.

【0020】これに対し、π分子軌道の電子は、励起し
ても分子の構造自体はほとんど変化せず、高位の量子的
な離散準位に長時間とどまり、ナノ秒オーダで蛍光を放
出して脱励起する性質を有している。
On the other hand, the electron in the π molecular orbital hardly changes the structure of the molecule itself even when excited, stays in the high quantum discrete level for a long time, and emits fluorescence in the order of nanosecond. It has the property of de-excitation.

【0021】量子化学によれば、分子がπ分子軌道をも
つことと、二重結合をもつこととは同等であり、用いる
蛍光ラベラー分子には、二重結合を豊富にもつ分子を選
定することが必要条件となる。このことは、二重結合を
もつ分子でもベンゼンやピラジン等の6員環分子におい
て、S2励起状態からの蛍光が極めて弱いことが確かめ
られている(例えば、M.Fujii et.al.Chem.Phys.Lett.1
71(1990)341)。
According to quantum chemistry, it is equivalent that a molecule has a π molecular orbital and that it has a double bond, and a molecule having abundant double bonds should be selected as a fluorescent labeler molecule to be used. Is a necessary condition. This indicates that even in a molecule having a double bond, the fluorescence from the S2 excited state is extremely weak in a 6-membered ring molecule such as benzene or pyrazine (for example, M. Fujii et.al. Chem. Phys). .Lett.1
71 (1990) 341).

【0022】したがって、ベンゼンやピラジン等の6員
環分子を含む分子を蛍光ラベラー分子として選定すれ
ば、S1状態からの蛍光寿命が長く、しかも光励起によ
りS1状態からS2状態に励起することで、分子からの
蛍光を容易に抑制できるので、超解像性を効果的に利用
することができる。すなわち、これら蛍光ラベラー分子
により染色して観察を行なえば、高空間分解能で試料の
蛍光像を観察することができるのみならず、その分子の
側鎖の化学基を調整することにより、生体試料の特定の
化学組織のみを選択的に染色できるので、試料の詳細な
化学組成までも分析可能となる。
Therefore, when a molecule containing a 6-membered ring molecule such as benzene or pyrazine is selected as the fluorescent labeler molecule, the fluorescence lifetime from the S1 state is long, and moreover, the molecule is obtained by exciting from the S1 state to the S2 state by photoexcitation. Since the fluorescence from the can be easily suppressed, the super resolution can be effectively used. That is, if observation is performed by staining with these fluorescent labeler molecules, not only a fluorescent image of a sample can be observed with high spatial resolution, but also by adjusting the side chain chemical group of the molecule, Since only specific chemical tissues can be selectively stained, even detailed chemical composition of a sample can be analyzed.

【0023】また、一般に、二重共鳴吸収過程は2つ光
の波長や偏光状態等が特定の条件を満たすときにのみ起
こるので、これを用いることで分子の構造を非常に詳細
に知ることができる。すなわち、光の偏光方向と分子の
配向方向とは強い相関関係があり、2つ波長の光のそれ
それの偏光方向と分子の配向方向とが特定の角度をなす
とき、二重共鳴吸収過程が強く起こる。したがって、2
つ波長の光を試料に同時に照射して、それぞれの光りの
偏光方向を回転することにより、蛍光の消失の程度が変
化するので、その様子から観測しようとする組織の空間
配向の情報も得ることができる。このことは、2つ光の
波長を調整することでも可能である。
In general, the double resonance absorption process occurs only when the wavelength of two lights, the polarization state, etc. satisfy a specific condition. Therefore, by using this, the structure of the molecule can be known in great detail. it can. That is, there is a strong correlation between the polarization direction of light and the orientation direction of molecules, and when the polarization direction of light of two wavelengths and the orientation direction of molecules form a specific angle, the double resonance absorption process occurs. It happens strongly. Therefore, 2
By simultaneously irradiating the sample with light of two wavelengths and rotating the polarization direction of each light, the degree of fluorescence disappearance changes, so it is also possible to obtain information on the spatial orientation of the tissue to be observed from that state. You can This is also possible by adjusting the wavelengths of the two lights.

【0024】以上のように、上記の特開平11−951
20号公報記載の技術によると、超解像性以外にも、高
い分析能力を有していることがわかる。さらに、波長λ
1と波長λ2との2つの光の照射タイミングを工夫する
ことで、S/Nを改善し、かつ蛍光抑制を効果的に起す
ことができ、超解像性をより効果的に発現することが可
能となる。
As described above, the above-mentioned JP-A-11-951 is used.
According to the technique described in Japanese Patent Publication No. 20, it is understood that it has a high analysis capability in addition to the super resolution. Furthermore, the wavelength λ
By devising the irradiation timing of two lights of 1 and wavelength λ2, S / N can be improved, fluorescence can be suppressed effectively, and super-resolution can be more effectively expressed. It will be possible.

【0025】このような超解像顕微鏡法の具体例とし
て、例えば特開2001−100102号公報には、蛍
光ラベラー分子をS0状態からS1状態へ励起する波長
λ1の光(特にレーザー光)をポンプ光とし、S1状態
からS2状態へ励起する波長λ2の光をイレース光とし
て、図12に示すように、光源81からポンプ光を、光
源82からイレース光をそれぞれ放射させ、ポンプ光は
ダイクロイックミラー83で反射させた後、輪帯光学系
84により試料95上に集光させ、イレース光は位相板
86で中空ビーム化した後、ダイクロイックミラー83
を透過させてポンプ光と空間的に重ね合わせて輪帯光学
系84により試料95上に集光させるようにしたものが
提案されている。
As a specific example of such super-resolution microscopy, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-100102, a pump (especially laser light) having a wavelength λ1 for exciting a fluorescent labeler molecule from the S0 state to the S1 state is pumped. As shown in FIG. 12, pump light is emitted from the light source 81 and erase light is emitted from the light source 82, and the pump light is the dichroic mirror 83, as shown in FIG. After being reflected on the sample 95 by the annular optical system 84, the erase light is converted into a hollow beam by the phase plate 86, and then the dichroic mirror 83.
Has been proposed in which the light is transmitted through and is spatially superposed on the pump light to be condensed on the sample 95 by the annular optical system 84.

【0026】この顕微鏡によると、イレース光の強度が
ゼロとなる光軸近傍以外の蛍光は抑制されるので、結果
的にポンプ光の広がりより狭い領域(Δ<0.61・λ
1/NA、NAは輪帯光学系84の開口数)に存在する
蛍光ラベラー分子のみが観察されることになり、結果的
に超解像性が発現することになる。なお、イレース光を
中空ビーム化する位相板86は、例えば、図13に示す
ように、光軸に対して点対称な位置で位相差πを与える
ように構成したものや、液晶面を用いた液晶空間変調器
を用いることができる。
According to this microscope, fluorescence other than in the vicinity of the optical axis where the intensity of the erase light is zero is suppressed, and as a result, a region (Δ <0.61 · λ) narrower than the spread of the pump light is suppressed.
For 1 / NA and NA, only the fluorescent labeler molecules existing in the numerical aperture of the ring zone optical system 84) are observed, and as a result, super-resolution is exhibited. The phase plate 86 for hollowing the erase light is, for example, as shown in FIG. 13, configured to give a phase difference π at a position point-symmetric with respect to the optical axis, or a liquid crystal surface. A liquid crystal spatial modulator can be used.

【0027】[0027]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らによる種々の実験検討によると、従来提案されてい
る超解像顕微鏡における観察原理は確かに優れているも
のの、実用にあたっては未だ解決すべき課題があること
が判明した。
However, according to various experiments conducted by the present inventors, although the observation principle in the conventionally proposed super-resolution microscope is certainly excellent, it should be solved in practical use. It turned out to be a challenge.

【0028】すなわち、上述した超解像顕微鏡では、波
長の異なる2色のレーザー光を特殊な条件でアライメン
トする必要があることから、システムにおける光学調整
等が困難となり、特に製造ラインでの歩留まりが低下す
るという問題が生ずる。具体的には、2色の光のうちイ
レース光の集光ビーム強度分布は輪帯状の形状をしてい
るので、観察試料面において、もう一方のガウシアン型
の強度分布をもつポンプ光をイレース光輪帯部中央に集
光させれば、超解像性が最も強く発現されるが、これは
あくまでも集光したポンプ光およびイレース光が波動光
学理論通りに結像した状況を想定している。
That is, in the above-mentioned super-resolution microscope, since it is necessary to align the laser beams of two colors having different wavelengths under special conditions, it becomes difficult to make optical adjustments in the system, and especially the yield in the manufacturing line is increased. The problem of lowering occurs. Specifically, since the concentrated beam intensity distribution of the erase light of the two colors of light has an annular shape, the other pump light having the Gaussian intensity distribution is erased on the observation sample surface. When the light is focused in the center of the band, the super-resolution is most strongly expressed, but this is based on the assumption that the focused pump light and erase light are imaged according to the wave optics theory.

【0029】このようにポンプ光およびイレース光が波
動光学理論通りに結像すれば、ポンプ光の集光強度パタ
ーンは完全光軸対称のガウシアン型であり、一方、イレ
ース光も完全光軸対称のリング形状になるので、蛍光信
号が得られる領域は、ポンプ光の集光強度パターンが極
大値をもち、かつイレース光の集光強度パターンが極小
となる光軸のごく近傍に限定される。
If the pump light and the erase light are imaged according to the wave optics theory in this way, the condensing intensity pattern of the pump light is a Gaussian type with perfect optical axis symmetry, while the erase light is also completely optical axis symmetrical. Because of the ring shape, the region where the fluorescence signal can be obtained is limited to the vicinity of the optical axis where the condensing intensity pattern of the pump light has a maximum value and the condensing intensity pattern of the erase light has a minimum value.

【0030】しかし、現実にはポンプ光およびイレース
光の集光強度パターンは、光軸に対して完全には対称で
なく、多少の強度の偏りを持って形成される場合が多
い。例えば、イレース光を位相板や液晶空間変調器を用
いて中空ビーム化した場合の集光強度パターンは、位相
板の作製誤差や液晶空間変調器の回折面の精度によっ
て、例えば図14に示すようになる。
However, in reality, the condensing intensity patterns of the pump light and the erase light are not completely symmetrical with respect to the optical axis, and are often formed with some deviation in intensity. For example, the condensing intensity pattern when the erase light is made into a hollow beam by using a phase plate or a liquid crystal spatial modulator is, for example, as shown in FIG. become.

【0031】このため、ポンプ光およびイレース光を
「イレース光の強度極小とポンプ光の強度極大とが一致
する」と言う条件で試料上に重ねると、例えば図15に
示すように、リング状のイレース光の一方側にポンプ光
の光強度が集中して蛍光強度分布の形状が崩れ、これが
ため蛍光信号が低下して解像度の向上が図れなくなる。
Therefore, when the pump light and the erase light are overlapped on the sample under the condition that the intensity minimum of the erase light and the intensity maximum of the pump light are coincident with each other, for example, as shown in FIG. The light intensity of the pump light is concentrated on one side of the erase light, and the shape of the fluorescence intensity distribution is disturbed. As a result, the fluorescence signal is lowered and the resolution cannot be improved.

【0032】この問題を解決する方法としては、試料を
直接観察して解像度が最大となるように、ポンプ光およ
び/またはイレース光の光軸を調整することが考えられ
る。
As a method for solving this problem, it is possible to directly observe the sample and adjust the optical axes of the pump light and / or the erase light so that the resolution is maximized.

【0033】しかし、超解像顕微鏡は一種の蛍光顕微鏡
であるが、現時点では空間分解能を定量的に与えること
ができる解像度チャートは存在しない。このため、調整
に時間がかかりコストアップを招くおそれがあると共
に、調整者による経験的な感による調整であるため、正
確な調整が困難である。
However, although the super-resolution microscope is a kind of fluorescence microscope, there is currently no resolution chart capable of quantitatively providing spatial resolution. Therefore, the adjustment may take time and cost may increase, and the adjustment is empirical by the adjuster, which makes it difficult to perform accurate adjustment.

【0034】したがって、かかる点に鑑みてなされた本
発明の目的は、顕微鏡の光源光軸を簡単に、しかも定量
的に正確に調整できる顕微鏡の光源光軸調整方法および
装置を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention made in view of the above points is to provide a method and an apparatus for adjusting a light source optical axis of a microscope, which can easily and quantitatively and accurately adjust the light source optical axis of the microscope. .

【0035】[0035]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項1に係る発明は、少なくとも基底状態を含む3つの電
子状態を有する分子で染色された試料の上記分子を基底
状態から第1の励起状態へ遷移させる第1の光を発生す
る第1の光源と、上記分子を上記第1の励起状態から、
よりエネルギー準位の高い第2の励起状態へ遷移させる
第2の光を発生する第2の光源と、上記第1の光および
上記第2の光の照射領域を少なくとも一部分重ね合わせ
て上記試料に照射する光学系と、上記試料からの発光を
検出する検出手段と、を有する顕微鏡の光源光軸を調整
するにあたり、上記試料として蛍光分子を均一に分散さ
せた調整用試料を用いて、該調整用試料に、光軸の中央
に極大を有する強度分布の第1の光と、極大を有する強
度分布の第2の光とを上記光学系を介して照射して、該
調整用試料からの蛍光強度を上記検出手段で検出する第
1の工程と、上記調整用試料に、極大を有する強度分布
の第1の光と、極小を有する強度分布の第2の光とを上
記光学系を介して照射して、該調整用試料からの蛍光強
度を上記検出手段で検出する第2の工程と、上記第1の
工程で検出された蛍光強度と、上記第2の工程で検出さ
れた蛍光強度との差を検出する第3の工程と、上記第1
の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対的に移動
させながら、上記第1の工程から上記第3の工程を繰り
返して、上記第3の工程で得られる蛍光強度の差が最大
となる位置に、上記第1の光源および上記第2の光源の
光軸を設定する第4の工程と、を含むことを特徴とする
ものである。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is the first excitation from the ground state of a molecule stained with a molecule having three electronic states including at least the ground state. A first light source that generates a first light that causes a transition to a state, and the molecule from the first excited state,
A second light source that generates a second light that makes a transition to a second excited state having a higher energy level and an irradiation region of the first light and the second light are at least partially overlapped with each other, and In adjusting the optical axis of the light source of a microscope having an irradiation optical system and a detection means for detecting the light emission from the sample, the adjustment is performed by using an adjustment sample in which fluorescent molecules are uniformly dispersed as the sample. The sample for irradiation is irradiated with the first light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis and the second light having an intensity distribution having a maximum through the above optical system, and fluorescence from the sample for adjustment is emitted. A first step of detecting the intensity by the detecting means, and a first light having an intensity distribution having a maximum and a second light having an intensity distribution having a minimum on the adjustment sample via the optical system. Irradiation, and the fluorescence intensity from the adjustment sample is detected by the detection means. A second step of detecting, a third step of detecting the difference between the and the fluorescence intensity detected in the first step, the fluorescence intensity detected by the second step, the first
Difference between the fluorescence intensities obtained in the third step by repeating the first step to the third step while relatively moving the optical axis of the light source and the optical axis of the second light source. And a fourth step of setting the optical axes of the first light source and the second light source at a position at which is maximum.

【0036】請求項2に係る発明は、少なくとも基底状
態を含む3つの電子状態を有する分子で染色された試料
の上記分子を基底状態から第1の励起状態へ遷移させる
第1の光を発生する第1の光源と、上記分子を上記第1
の励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2の励起
状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、上
記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも
一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、上記
試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕微鏡
の光源光軸を調整するにあたり、上記試料として蛍光分
子を均一に分散させた調整用試料を用いて、該調整用試
料に、光軸の中央に極大を有する強度分布の第1の光
と、光軸の中央に極大を有する強度分布の第2の光とを
上記光学系を介して照射して、該調整用試料からの蛍光
強度を上記検出手段で検出する第1の工程と、上記調整
用試料に、光軸の中央に極大を有する強度分布の第1の
光と、光軸の中央付近に極小を有する強度分布の第2の
光とを上記光学系を介して照射して、該調整用試料から
の蛍光強度を上記検出手段で検出する第2の工程と、上
記第1の工程で検出された蛍光強度と、上記第2の工程
で検出された蛍光強度との差を検出する第3の工程と、
上記第1の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対
的に移動させながら、上記第1の工程から上記第3の工
程を繰り返して、上記第3の工程で得られる蛍光強度の
差が最大となる位置に、上記第1の光源および上記第2
の光源の光軸を設定する第4の工程と、を含むことを特
徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, first light is generated which causes the molecules of a sample stained with molecules having at least three electronic states including at least the ground state to transition from the ground state to the first excited state. The first light source and the molecule are the first
Second light source for generating a second light that causes a transition from the excited state to the second excited state having a higher energy level, and at least a part of the irradiation regions of the first light and the second light overlap. In adjusting the optical axis of the light source of the microscope having an optical system for irradiating the sample together, and a detecting means for detecting the light emission from the sample, an adjusting sample in which fluorescent molecules are uniformly dispersed as the sample is used. The adjustment sample is irradiated with the first light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis and the second light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis via the optical system. Then, the first step of detecting the fluorescence intensity from the adjustment sample by the detection means, the adjustment sample with the first light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis, The second light of the intensity distribution having a minimum near the center and the above optical system And irradiate, and the fluorescence intensity from the adjustment sample is detected by the detection means, the fluorescence intensity detected in the first step, and the fluorescence intensity detected in the second step. A third step of detecting the difference from the intensity,
Fluorescence obtained in the third step by repeating the first to third steps while relatively moving the optical axis of the first light source and the optical axis of the second light source. The first light source and the second light source are provided at positions where the difference in intensity is maximum.
And a fourth step of setting the optical axis of the light source.

【0037】請求項3に係る発明は、請求項1または2
に記載の顕微鏡の光源光軸調整方法において、上記第1
の工程は、上記観察用試料からの蛍光強度が最小となる
ように、上記第1の光の強度と上記第2の光の強度とを
調整する工程をさらに含むことを特徴とするものであ
る。
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2.
In the method of adjusting the optical axis of the light source of the microscope according to the item 1,
The step (1) is characterized by further including a step of adjusting the intensity of the first light and the intensity of the second light so that the fluorescence intensity from the observation sample is minimized. .

【0038】請求項4に係る発明は、請求項1,2また
は3に記載の顕微鏡の光源光軸調整方法において、上記
第2の工程における第2の光は、上記第2の光源からの
光を液晶空間変調器により強度変調して得ることを特徴
とするものである。
The invention according to claim 4 is the method for adjusting the optical axis of a light source for a microscope according to claim 1, 2 or 3, wherein the second light in the second step is the light from the second light source. Is obtained by intensity-modulating the liquid crystal with a liquid crystal spatial modulator.

【0039】請求項5に係る発明は、請求項1,2,3
または4に記載の顕微鏡の光源光軸調整方法において、
上記第4の工程は、上記第2の光源の光軸を固定して、
上記第1の光源の光軸を移動させることを特徴とするも
のである。
The invention according to claim 5 relates to claims 1, 2, 3
Alternatively, in the method of adjusting the light source optical axis of the microscope according to 4,
In the fourth step, the optical axis of the second light source is fixed,
It is characterized in that the optical axis of the first light source is moved.

【0040】請求項6に係る発明は、少なくとも基底状
態を含む3つの電子状態を有する分子で染色された試料
の上記分子を基底状態から第1の励起状態へ遷移させる
第1の光を発生する第1の光源と、上記分子を上記第1
の励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2の励起
状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、上
記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも
一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、上記
試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕微鏡
の光源光軸調整装置であって、光軸の中央に極大を有す
る強度分布の第1の光と極大を有する強度分布の第2の
光とを上記光学系を介して上記試料に照射したときに上
記検出手段で検出される第1の蛍光強度と、極大を有す
る強度分布の第1の光と極小を有する強度分布の第2の
光とを上記光学系を介して上記試料に照射したときに上
記検出手段で検出される第2の蛍光強度との差を検出す
る強度比較手段と、上記強度比較手段で検出される蛍光
強度差に基づいて上記第1の光源の光軸と上記第2の光
源の光軸とを相対的に移動させる光軸移動手段と、を有
することを特徴とするものである。
The invention according to claim 6 generates the first light that causes the molecule of the sample stained with the molecule having at least three electronic states including the ground state to transit from the ground state to the first excited state. The first light source and the molecule are the first
Second light source for generating a second light that causes a transition from the excited state to the second excited state having a higher energy level, and at least a part of the irradiation regions of the first light and the second light overlap. A light source optical axis adjusting device for a microscope, comprising: an optical system for irradiating the sample together; and a detecting means for detecting the light emitted from the sample, wherein a first intensity distribution having a maximum at the center of the optical axis. The first fluorescence intensity detected by the detection means when the sample is irradiated with the light and the second light having the maximum intensity distribution through the optical system, and the first fluorescence intensity having the maximum intensity distribution. Intensity comparison means for detecting a difference between the light and the second light having an intensity distribution having a local minimum, which is detected by the detection means when the sample is irradiated with light through the optical system; Based on the fluorescence intensity difference detected by the intensity comparison means Is characterized in that it has a, an optical axis moving means for relatively moving the optical axis of the serial first light source and the second light source.

【0041】請求項7に係る発明は、少なくとも基底状
態を含む3つの電子状態を有する分子で染色された試料
の上記分子を基底状態から第1の励起状態へ遷移させる
第1の光を発生する第1の光源と、上記分子を上記第1
の励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2の励起
状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、上
記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも
一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、上記
試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕微鏡
の光源光軸調整装置であって、光軸の中央に極大を有す
る強度分布の第1の光と光軸の中央に極大を有する強度
分布の第2の光とを上記光学系を介して上記試料に照射
したときに上記検出手段で検出される第1の蛍光強度
と、光軸の中央に極大を有する強度分布の第1の光と光
軸の中央付近に極小を有する強度分布の第2の光とを上
記光学系を介して上記試料に照射したときに上記検出手
段で検出される第2の蛍光強度との差を検出する強度比
較手段と、上記強度比較手段で検出される蛍光強度差に
基づいて上記第1の光源の光軸と上記第2の光源の光軸
とを相対的に移動させる光軸移動手段と、を有すること
を特徴とするものである。
According to a seventh aspect of the present invention, the first light is generated which causes the molecule of the sample stained with the molecule having at least three electronic states including the ground state to transit from the ground state to the first excited state. The first light source and the molecule are the first
Second light source for generating a second light that causes a transition from the excited state to the second excited state having a higher energy level, and at least a part of the irradiation regions of the first light and the second light overlap. A light source optical axis adjusting device for a microscope, comprising: an optical system for irradiating the sample together; and a detecting means for detecting the light emitted from the sample, wherein a first intensity distribution having a maximum at the center of the optical axis. The first fluorescence intensity detected by the detecting means when the light and the second light having the intensity distribution having the maximum in the center of the optical axis are irradiated to the sample through the optical system, and the center of the optical axis When the sample is irradiated with the first light of the intensity distribution having the maximum intensity and the second light of the intensity distribution having the minimum intensity in the vicinity of the center of the optical axis through the optical system, the sample is detected by the detecting means. Intensity comparing means for detecting a difference from the second fluorescence intensity, and the intensity Optical axis moving means for relatively moving the optical axis of the first light source and the optical axis of the second light source based on the fluorescence intensity difference detected by the comparing means. Is.

【0042】請求項8に係る発明は、請求項6または7
に記載の顕微鏡の光源光軸調整装置において、上記光軸
移動手段は、上記強度比較手段で検出される蛍光強度差
が最大となる位置に、上記第1の光源の光軸と上記第2
の光源の光軸とを相対的に移動させることを特徴とする
ものである。
The invention according to claim 8 is claim 6 or 7
In the light source optical axis adjusting device for a microscope described in (1), the optical axis moving means and the second optical axis of the first light source are located at a position where the fluorescence intensity difference detected by the intensity comparing means becomes maximum.
It is characterized in that the optical axis of the light source is moved relatively.

【0043】請求項9に係る発明は、請求項6,7また
は8に記載の顕微鏡の光源光軸調整装置において、上記
第1の蛍光強度が最小となるように、第1の光および/
または第2の光の強度を調整する強度調整手段をさらに
有することを特徴とするものである。
According to a ninth aspect of the present invention, in the light source optical axis adjusting device for a microscope according to the sixth, seventh or eighth aspect, the first light and / or the first light intensity is adjusted so that the first fluorescence intensity is minimized.
Alternatively, it is characterized by further comprising intensity adjusting means for adjusting the intensity of the second light.

【0044】請求項10に係る発明は、請求項6,7,
8または9に記載の顕微鏡の光源光軸調整装置におい
て、上記第2の光源からの光を液晶空間変調器により強
度変調して、上記光軸の中央付近に極小を有する強度分
布の第2の光を得るよう構成したことを特徴とするもの
である。
The invention according to claim 10 is the invention according to claim 6, 7,
In the light source optical axis adjusting device for a microscope described in 8 or 9, the light from the second light source is intensity-modulated by a liquid crystal spatial modulator, and a second intensity distribution having a local minimum near the center of the optical axis. It is characterized in that it is configured to obtain light.

【0045】請求項11に係る発明は、請求項6,7,
8,9または10に記載の顕微鏡の光源光軸調整装置に
おいて、上記光軸移動手段は、上記第2の光源の光軸を
固定して、上記第1の光源の光軸を移動させることを特
徴とするものである。
The invention according to claim 11 is the invention according to claim 6, 7,
In the light source optical axis adjusting device for a microscope according to 8, 9, or 10, the optical axis moving means fixes the optical axis of the second light source and moves the optical axis of the first light source. It is a feature.

【0046】以下、本発明の原理について、図1および
図2を参照して説明する。
The principle of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

【0047】図1は、蛍光分子を均一な濃度で分散させ
た蛍光層を有する評価試料に、ポンプ光とビーム整形し
ていないイレース光とを集光させた状態を示しており、
図2は、同じく蛍光分子を均一な濃度で分散させた蛍光
層を有する評価試料に、ポンプ光と中空ビーム状に整形
された例えばベッセル1次ビーム状のイレース光とを集
光させた状態を示している。
FIG. 1 shows a state in which pump light and erase light that has not been beam-shaped are condensed on an evaluation sample having a fluorescent layer in which fluorescent molecules are dispersed at a uniform concentration.
FIG. 2 shows a state in which pump light and erase light shaped like a Bessel primary beam shaped into a hollow beam are condensed on an evaluation sample having a fluorescent layer in which fluorescent molecules are dispersed at a uniform concentration. Shows.

【0048】図1の状態では、ポンプ光とイレース光と
が空間的に完全にオーバーラップしているので、評価試
料からの蛍光強度はほぼゼロに抑制されるはずである。
この状態から、図2に示すようにイレース光を中空ビー
ム化すれば、イレース光の強度が弱い中央部近傍、すな
わちポンプ光の集光ビームの周縁部が消去されたポンプ
光中央の強度が強い部分から蛍光信号が検出されるの
で、空間分解能の向上が図れることになる。
In the state of FIG. 1, since the pump light and the erase light spatially completely overlap each other, the fluorescence intensity from the evaluation sample should be suppressed to almost zero.
From this state, if the erase light is converted into a hollow beam as shown in FIG. 2, the intensity of the erase light is strong near the central portion where the erase light is weak, that is, the peripheral portion of the condensed beam of the pump light is erased. Since the fluorescence signal is detected from the part, the spatial resolution can be improved.

【0049】ここで、超解像効果が最も強く発現するの
は、ポンプ光およびイレース光の強度が一定の場合に
は、図1の状態ではできるだけ蛍光信号強度が弱く、反
対に図2の状態ではできるだけ蛍光信号強度が強い場合
である。すなわち、図1の状態では、集光したポンプ光
とイレース光とが評価試料上で完全にオーバーラップし
ており、図2の状態では、イレース光の中空部からの回
折限界以下の一番強い蛍光領域の信号を取り出している
からである。したがって、ポンプ光およびイレース光が
理想的な完全光軸対称の集光強度分布を持つ場合には、
得られる蛍光信号は、ポンプ光の光軸上の強度極大をも
つ領域が寄与したものとなる。
Here, the super-resolution effect is most strongly manifested when the intensity of the pump light and the erase light is constant, the fluorescence signal intensity is as weak as possible in the state of FIG. 1, and conversely the state of FIG. Then, the fluorescence signal intensity is as strong as possible. That is, in the state of FIG. 1, the condensed pump light and the erase light completely overlap on the evaluation sample, and in the state of FIG. 2, the strongest light below the diffraction limit from the hollow portion of the erase light. This is because the signal in the fluorescent region is taken out. Therefore, if the pump light and the erase light have ideal perfect optical axis symmetry intensity distribution,
The obtained fluorescence signal is contributed by the region having the maximum intensity on the optical axis of the pump light.

【0050】ところが、前述したように、実際にはポン
プ光およびイレース光は、理想的な完全光軸対称の集光
強度分布からずれるため、ポンプ光とイレース光とが若
干非同軸となる条件で、ガウシアン型の蛍光強度分布が
得られ、超解像に寄与する蛍光信号が最大になる。
However, as described above, in reality, the pump light and the erase light deviate from the ideal condensing intensity distribution of perfect optical axis symmetry, so that the pump light and the erase light are slightly non-coaxial. , A Gaussian-type fluorescence intensity distribution is obtained, and the fluorescence signal contributing to super-resolution is maximized.

【0051】したがって、蛍光分子を均一な濃度で分散
させた蛍光層を有する評価試料に対して、図1および図
2に示すようにポンプ光とイレース光とを照射したとき
の蛍光強度をそれぞれ測定し、それらの差が最大となる
ような条件に、ポンプ光およびイレース光の光軸を調整
すれば、超解像の良好な蛍光像を得ることが可能とな
り、さらに図1の状態での蛍光信号が限りなくゼロに近
い方が、S/Nの良好な蛍光像を得ることが可能とな
る。
Therefore, as shown in FIGS. 1 and 2, the fluorescence intensity when the pump light and the erase light are irradiated to the evaluation sample having the fluorescent layer in which the fluorescent molecules are dispersed at a uniform concentration is measured. However, if the optical axes of the pump light and the erase light are adjusted under the condition that the difference between them becomes maximum, it becomes possible to obtain a fluorescent image with excellent super-resolution, and further, the fluorescent light in the state of FIG. When the signal is as close to zero as possible, it becomes possible to obtain a fluorescence image with a good S / N.

【0052】しかも、図1から図2への条件移行、また
その逆の条件移行は、例えば前述の位相板の挿脱あるい
は液晶空間変調器に印加する電圧のオン・オフで実現で
きるので、極めて簡単な方法で超解像条件の最適化を定
量的に行なうことが可能となる。また、使用する評価試
料は、蛍光分子を均一な濃度で分散させた蛍光層を有す
ればよいので、例えばPMMA(ポリメチルメタアクリ
レート)中にローダミン6Gを分散させたブロックを作
製し、これを薄膜状に切断したものを用いることができ
るので、簡単に得ることができる。
Moreover, since the condition shift from FIG. 1 to FIG. 2 and vice versa can be realized by, for example, inserting / removing the phase plate or turning on / off the voltage applied to the liquid crystal spatial modulator, it is extremely possible. It becomes possible to quantitatively optimize the super-resolution condition by a simple method. Further, since the evaluation sample to be used may have a fluorescent layer in which fluorescent molecules are dispersed at a uniform concentration, for example, a block in which rhodamine 6G is dispersed in PMMA (polymethylmethacrylate) is prepared, and this is prepared. Since it can be cut into a thin film, it can be easily obtained.

【0053】[0053]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて、図3〜図5を参照して説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0054】図3は本発明による光源光軸調整方法を実
施する顕微鏡の一例の構成を示す図で、図4は図1に示
す液晶空間変調器の一例の概略構成を示す斜視図、図5
は図4に示す液晶空間変調器における書き込み光強度に
対する読み出し光の位相変調度を示す入出力特性図であ
る。
FIG. 3 is a view showing the constitution of an example of a microscope for carrying out the light source optical axis adjusting method according to the present invention, and FIG. 4 is a perspective view showing the schematic constitution of an example of the liquid crystal spatial modulator shown in FIG.
FIG. 6 is an input / output characteristic diagram showing a phase modulation degree of read light with respect to write light intensity in the liquid crystal spatial modulator shown in FIG.

【0055】本実施の形態の顕微鏡は、イレース光を液
晶空間変調器を用いて空間変調して中空ビーム化するこ
とにより超解像性を発現させて空間分解能を向上させた
レーザー走査型の顕微鏡で、第1の光源としてNd:Y
AGレーザー1を用い、第2の光源としてNd:YAG
レーザー1からのレーザー光を励起光とする色素レーザ
ー2を用いて、ローダミン6Gで染色された生体試料を
観察するものである。なお、ローダミン6Gは530n
mの波長帯域で吸収が最大となるので、Nd:YAGレ
ーザー1はその2倍高調波(532nm)を用いる。
The microscope according to the present embodiment is a laser scanning type microscope in which the spatial resolution of erase data is spatially modulated by a liquid crystal spatial modulator to form a hollow beam, thereby exhibiting super-resolution. Then, as the first light source, Nd: Y
The AG laser 1 is used and Nd: YAG is used as the second light source.
Using a dye laser 2 that uses laser light from the laser 1 as excitation light, a biological sample stained with rhodamine 6G is observed. In addition, Rhodamine 6G is 530n
Since the absorption is maximum in the wavelength band of m, the Nd: YAG laser 1 uses its second harmonic (532 nm).

【0056】Nd:YAGレーザー1からの2倍高調波
は、ビームスプリッター3で2光束に分岐し、その一方
をポンプ光(第1の光)としてミラー4および5で反射
させた後、キューブハーフミラー6を透過させ、さらに
キューブハーフミラー7で反射させて、顕微鏡対物レン
ズ8により試料9の表面に集光させる。
The second harmonic wave from the Nd: YAG laser 1 is split into two light beams by the beam splitter 3, one of which is reflected as a pump light (first light) by the mirrors 4 and 5, and then the cube half. The light is transmitted through the mirror 6, further reflected by the cube half mirror 7, and focused on the surface of the sample 9 by the microscope objective lens 8.

【0057】また、ビームスプリッター3で分岐された
他方の光束は、色素レーザー2に励起光として入射させ
て、該色素レーザー2からイレース光(第2の光)を発
生させる。色素レーザー2は、色素として、メタノール
に溶媒したローダミンBとDCMとの混合体を用いる。
この色素レーザー2は、Nd:YAGレーザー1の2倍
高調波で励起されることで600nm前後の波長のレー
ザー光を発振し、その波長領域には、ローダミン6Gを
第1電子励起状態(S1)から、よりエネルギー的に高
い高位の電子励起状態に励起できる吸収帯が存在する。
The other light beam split by the beam splitter 3 is made incident on the dye laser 2 as excitation light, and the dye laser 2 generates erase light (second light). The dye laser 2 uses a mixture of rhodamine B and DCM dissolved in methanol as a dye.
This dye laser 2 oscillates laser light having a wavelength of about 600 nm by being excited by a double harmonic of the Nd: YAG laser 1, and rhodamine 6G is in the first electronic excited state (S1) in the wavelength region. Therefore, there is an absorption band that can be excited to a higher electronically excited state of higher energy.

【0058】この色素レーザー2からのイレース光は、
空間フィルター11で波面が揃うように波面整形した
後、ミラー12で反射させて液晶空間変調器13の回折
面に入射させることにより、その回折光を1次のベッセ
ルビームに空間変調し、その空間変調されたイレース光
をキューブハーフミラー6でポンプ光と同軸にアライメ
ントして、キューブハーフミラー7および顕微鏡対物レ
ンズ8を経て試料9の表面に集光させる。
The erase light from the dye laser 2 is
After the wavefront is shaped by the spatial filter 11 so that the wavefronts are aligned, it is reflected by the mirror 12 and is incident on the diffractive surface of the liquid crystal spatial modulator 13, whereby the diffracted light is spatially modulated into a first-order Bessel beam, and the space The modulated erase light is coaxially aligned with the pump light by the cube half mirror 6, and is focused on the surface of the sample 9 through the cube half mirror 7 and the microscope objective lens 8.

【0059】通常の試料観察では、試料9を試料移動ス
テージ15上に載置し、この試料移動ステージ15を二
次元駆動することで、ポンプ光およびイレース光で試料
9を二次元走査し、これにより試料9から発する蛍光を
顕微鏡対物レンズ8でコリメートしてキューブハーフミ
ラー7を透過させ、さらに集光レンズ17で集光させて
バンドパスフィルター18に入射させ、ここで蛍光信号
成分のみを透過させて検出手段としてのフォトマル19
で受光し、その出力をパーソナルコンピュータ(パソコ
ン)20に取り込んで画像化する。
In normal sample observation, the sample 9 is placed on the sample moving stage 15 and the sample moving stage 15 is two-dimensionally driven to two-dimensionally scan the sample 9 with pump light and erase light. Then, the fluorescence emitted from the sample 9 is collimated by the microscope objective lens 8 and transmitted through the cube half mirror 7, and further condensed by the condenser lens 17 to be incident on the bandpass filter 18. Here, only the fluorescence signal component is transmitted. Photomaru 19 as a detection means
The light is received by, and the output is taken into a personal computer (personal computer) 20 to form an image.

【0060】かかる構成において、液晶空間変調器13
は、光通信、光計測、光演算などに代表される光情報処
理分野において、情報伝播に伴う位相歪みの補正やフー
リエ面での光位相項の制御などに積極的に応用されてい
るもので、特に純粋に位相のみを制御できる光アドレス
型平行配向液晶空間変調器と呼ばれるものである。
In such a structure, the liquid crystal spatial modulator 13
In the field of optical information processing represented by optical communication, optical measurement, optical calculation, etc., is actively applied to correction of phase distortion due to information propagation and control of optical phase term in Fourier plane. In particular, it is called a photo-addressable parallel alignment liquid crystal spatial modulator capable of purely controlling only the phase.

【0061】この液晶空間変調器13は、図4に示すよ
うに、対向する2枚のガラス基板22,23の内側表面
にそれぞれ透明電極24,25を形成し、これら透明電
極24,25を有するガラス基板22,23の間に、光
導電層としてのアモルファスシリコン(α−Si:H)
層26、遮光層27、誘電体ミラー28、および配向膜
29,30で挟まれた液晶層31を配置した多層構造を
有している。なお、ガラス基板22,23の外側表面に
はそれぞれ反射防止膜32,33が形成されている。
As shown in FIG. 4, the liquid crystal spatial modulator 13 has transparent electrodes 24 and 25 formed on the inner surfaces of two glass substrates 22 and 23 facing each other, and has these transparent electrodes 24 and 25. Amorphous silicon (α-Si: H) as a photoconductive layer between the glass substrates 22 and 23
It has a multilayer structure in which a layer 26, a light shielding layer 27, a dielectric mirror 28, and a liquid crystal layer 31 sandwiched between alignment films 29 and 30 are arranged. Antireflection films 32 and 33 are formed on the outer surfaces of the glass substrates 22 and 23, respectively.

【0062】かかる液晶空間変調器13は、ガラス基板
22側から書き込み光を入射させてα−Si:H層26
のインピーダンスを変調し、ガラス基板23側から読み
出し光を入射させて、その読み出し光を液晶層31を経
て誘電体ミラー28で反射させ、更に液晶層31を経て
ガラス基板23から出射させるようにして使用される。
In the liquid crystal spatial light modulator 13, the writing light is made incident from the glass substrate 22 side to make the α-Si: H layer 26.
Of the read light from the glass substrate 23 side, the read light is reflected by the dielectric mirror 28 via the liquid crystal layer 31, and further emitted from the glass substrate 23 via the liquid crystal layer 31. used.

【0063】このように、α−Si:H層26に書き込
み光を入射させると、α−Si:H層26のインピーダ
ンスは書き込み光の入射強度に応じて低下するので、透
明電極24,25を介して液晶層31に印加される電圧
は、書き込み光の強度に応じて上昇し、それに応じて液
晶分子が動いて読み出し光が変調、すなわち読み出し光
に対する屈折率が変調され、図5に示すように、読み出
し光に対して2πラジアン以上の位相変化を与えること
ができる。
As described above, when the writing light is made incident on the α-Si: H layer 26, the impedance of the α-Si: H layer 26 is lowered according to the incident intensity of the writing light. The voltage applied to the liquid crystal layer 31 via the liquid crystal layer 31 rises according to the intensity of the writing light, and the liquid crystal molecules move accordingly to modulate the reading light, that is, the refractive index for the reading light is modulated, as shown in FIG. In addition, a phase change of 2π radians or more can be applied to the reading light.

【0064】したがって、図5に示す書き込み光強度に
対する読み出し光の位相変化特性曲線に従って、書き込
み光強度を変調して液晶層31の2次元面内の各領域の
屈折率を所望の値に変調すれば、読み出し光に所望の位
相変化を与えることができるので、この液晶空間変調器
13を上述したように顕微鏡に用いれば、イレース光を
理想的な中空ビームに整形することができる。
Therefore, according to the phase change characteristic curve of the reading light with respect to the writing light intensity shown in FIG. 5, the writing light intensity is modulated to modulate the refractive index of each region in the two-dimensional plane of the liquid crystal layer 31 to a desired value. For example, since a desired phase change can be given to the read light, the erase light can be shaped into an ideal hollow beam by using the liquid crystal spatial modulator 13 in the microscope as described above.

【0065】なお、変調を受ける光の波長は任意に選べ
ることが望ましいが、図4に示したような液晶空間変調
器13の場合には、使用波長毎に独自の書き込み光強度
に対する読み出し光の位相変化特性曲線が与えられ、デ
ータベース化されているので、ユーザーは任意の波長で
任意のビーム形状を簡便に形成することができる。
Although it is desirable to arbitrarily select the wavelength of the light to be modulated, in the case of the liquid crystal spatial modulator 13 as shown in FIG. 4, the read light with respect to the unique write light intensity is used for each used wavelength. Since the phase change characteristic curve is given and stored in the database, the user can easily form any beam shape at any wavelength.

【0066】さらに、近年では液晶空間変調器と液晶デ
ィスプレーとを光学像伝達素子を介して結合し、読み出
し光の所望の位相変調パターンに対応するパターン像を
パソコンから直接入力して液晶ディスプレーに表示し、
この表示されたパターン像を液晶空間変調器に直接投影
して、読み出し光を所望の位相パターンで変調するよう
にしたビデオ信号入力可能な液晶空間変調器も市販され
ている。このような液晶空間変調器を用いれば、ビーム
形成をシステム制御用のパソコンから行うことができる
ので、特にコンピュータイメージングを前提とするレー
ザー走査型顕微鏡とは極めて適合性が良い。
Further, in recent years, a liquid crystal spatial modulator and a liquid crystal display are coupled via an optical image transmission element, and a pattern image corresponding to a desired phase modulation pattern of read light is directly input from a personal computer and displayed on the liquid crystal display. Then
A liquid crystal spatial modulator capable of inputting a video signal in which the displayed pattern image is directly projected on the liquid crystal spatial modulator to modulate the readout light with a desired phase pattern is also commercially available. If such a liquid crystal spatial modulator is used, beam formation can be performed from a personal computer for system control, so that it is extremely compatible with a laser scanning microscope, which is premised on computer imaging.

【0067】本実施の形態では、上述した顕微鏡の光源
光軸を調整するにあたって、試料9としてローダミン6
Gを含有させたPMMA薄膜からなる調整用試料を用
い、液晶空間変調器13の液晶層31に印加する電圧を
オン・オフ制御してイレース光を選択的に空間変調し、
ポンプ光および空間変調したイレース光を調整用試料9
に集光させたときに調整用試料9から発する蛍光強度
と、ポンプ光および空間変調しないイレース光を調整用
試料9に集光させたときに調整用試料9から発する蛍光
強度との差に基づいてミラー4および5を変位させるこ
とにより、イレース光に対してポンプ光の光軸を移動さ
せて光源光軸を調整する。
In the present embodiment, when adjusting the optical axis of the light source of the above-mentioned microscope, Rhodamine 6 is used as the sample 9.
Using a sample for adjustment made of a PMMA thin film containing G, the voltage applied to the liquid crystal layer 31 of the liquid crystal spatial modulator 13 is controlled to be on / off to selectively spatially modulate the erase light,
Sample 9 for adjusting the pump light and the spatially modulated erase light
On the basis of the difference between the fluorescence intensity emitted from the adjustment sample 9 when it is focused on and the fluorescence intensity emitted from the adjustment sample 9 when the pump light and the erase light that is not spatially modulated are focused on the adjustment sample 9. By displacing the mirrors 4 and 5, the optical axis of the pump light is moved with respect to the erase light, and the optical axis of the light source is adjusted.

【0068】このため、先ず、ポンプ光のみで調整用試
料9を励起し、その際の蛍光強度をフォトマル19で測
定して、その測定値(I)をパソコン20に取り込
む。次に、液晶空間変調器13の液晶層31に電圧を印
加することなく、すなわちイレース光を空間変調するこ
となく、イレース光およびポンプ光を調整用試料9にオ
ーバーラップするように集光させ、その際の蛍光強度を
フォトマル19で測定して、その測定値(I)をパソ
コン20に取り込む。なお、ポンプ光およびイレース光
は、測定値Iが最小となるように、それらの強度を強
度調整手段、自動位置調整機構である例えばガルバノミ
ラーシステムにより調整する。ここで、ポンプ光および
イレース光が完全に同軸上にあれば、蛍光が著しく抑制
されるので、フォトマル19での測定値Iは、ポンプ
光のみの場合の測定値Iと比較すると相当量小さくな
る。
Therefore, first, the adjustment sample 9 is excited only by the pump light, the fluorescence intensity at that time is measured by the photomultiplier 19, and the measured value (I 0 ) is loaded into the personal computer 20. Next, without applying a voltage to the liquid crystal layer 31 of the liquid crystal spatial modulator 13, that is, without spatially modulating the erase light, the erase light and the pump light are condensed so as to overlap the adjustment sample 9, The fluorescence intensity at that time is measured by the photomultiplier 19 and the measured value (I 1 ) is loaded into the personal computer 20. The pump light and the erase light have their intensities adjusted by intensity adjusting means or an automatic position adjusting mechanism such as a galvanometer mirror system so that the measured value I 1 is minimized. Here, if the pump light and the erase light are completely on the same axis, the fluorescence is remarkably suppressed. Therefore, the measured value I 1 of the photomultiplier 19 is comparable to the measured value I 0 of the pump light alone. The amount becomes smaller.

【0069】その後、ポンプ光および非空間変調のイレ
ース光の照射状態から、液晶空間変調器13の液晶層3
1に電圧を印加して、イレース光を中空ビームとなるよ
うに空間変調し、その際の蛍光強度をフォトマル19で
測定して、その測定値(I)をパソコン20に取り込
む。ここで、ポンプ光およびイレース光が完全に同軸上
にあれば、測定値Iは測定値Iよりも大きくなるは
ずである。なぜなら、イレース光は集光面でも中空ビー
ム化され、ポンプ光の集光領域においてイレース光が1
部空間的にオーバーラップしていない場所が生じ、ここ
では蛍光が抑制されることなく強い蛍光が発生するから
である。
After that, the liquid crystal layer 3 of the liquid crystal spatial modulator 13 is changed from the irradiation state of the pump light and the non-space modulated erase light.
A voltage is applied to 1 to spatially modulate the erase light so as to form a hollow beam, the fluorescence intensity at that time is measured by the photomultiplier 19, and the measured value (I 2 ) is taken into the personal computer 20. Here, if the pump light and the erase light are completely coaxial, the measured value I 2 should be larger than the measured value I 1 . This is because the erase light is made into a hollow beam even on the light collecting surface, and the erase light is reduced to 1 in the light collecting area of the pump light.
This is because there is a partial spatial non-overlapping location, where strong fluorescence is generated without being suppressed.

【0070】原理的には、イレース光およびポンプ光が
完全光軸対称の強度分布をもっていれば、測定値I
ポンプ光の集光サイズよりも狭い強度中心近傍のみから
発生した蛍光信号であり、まさに超解像効果に寄与する
信号成分である。そして、このとき|I−I|は最
大になる。
In principle, if the erase light and the pump light have the intensity distribution with perfect optical axis symmetry, the measured value I 2 is a fluorescence signal generated only near the intensity center narrower than the condensed size of the pump light. , Which is exactly the signal component that contributes to the super-resolution effect. Then, at this time, | I 1 −I 2 | becomes maximum.

【0071】しかしながら、実際には、上述したよう
に、イレース光およびポンプ光は完全光軸対称の強度分
布を有しておらず、多少の強度偏りをもっているため、
ポンプ光とイレースとが同軸上に集光しない条件で超解
像効果が最大となる。つまり、ポンプ光とイレースとが
同軸上に集光した状態では、|I−I|は最大とな
らない。
However, in reality, as described above, the erase light and the pump light do not have a perfect optical axis symmetric intensity distribution, and have a slight intensity bias,
The super-resolution effect is maximized under the condition that the pump light and the erase are not focused on the same axis. That is, | I 1 −I 2 | does not become maximum in the state where the pump light and the erase are coaxially condensed.

【0072】そこで、本実施の形態では、|I−I
|を測定しながら、|I−I|が最大となるように
ミラー4および5の角度を調整する。具体的には、パソ
コン20により|I−I|を演算しながら、その演
算結果に基づいて光軸移動手段としての自動位置調整機
構21を制御してミラー4および5を変位させることに
より、|I−I|が最大となるようにミラー4およ
び5の角度を調整する。
Therefore, in the present embodiment, | I 1 -I 2
While measuring |, the angles of the mirrors 4 and 5 are adjusted so that | I 1 −I 2 | is maximized. Specifically, by calculating | I 1 −I 2 | by the personal computer 20 and displacing the mirrors 4 and 5 by controlling the automatic position adjusting mechanism 21 as the optical axis moving means based on the calculation result. , | I 1 −I 2 |, the angles of the mirrors 4 and 5 are adjusted.

【0073】なお、Nd:YAGレーザー1からのポン
プ光の発生、色素レーザー2からのイレース光の発生、
および液晶空間変調器13によるイレース光の変調・非
変調は、パソコン20により制御する。
Generation of pump light from the Nd: YAG laser 1, generation of erase light from the dye laser 2,
The personal computer 20 controls the modulation / non-modulation of erase light by the liquid crystal spatial modulator 13.

【0074】このように、本実施の形態によれば、液晶
空間変調器13によりイレース光を選択的に空間変調し
て、ポンプ光および空間変調したイレース光を調整用試
料9に集光させたときの蛍光強度と、ポンプ光および空
間変調しないイレース光を調整用試料9に集光させたと
きの蛍光強度との差を検出しながら、その差が最大とな
るようにミラー4および5を変位させて光源光軸を調整
するようにしたので、光源光軸を簡単に、しかも定量的
に正確に調整することができ、顕微鏡の空間分解能を最
大にすることができる。
As described above, according to this embodiment, the erase light is selectively spatially modulated by the liquid crystal spatial modulator 13, and the pump light and the spatially modulated erase light are condensed on the adjustment sample 9. While detecting the difference between the fluorescence intensity at this time and the fluorescence intensity when the pump light and the erase light that is not spatially modulated are condensed on the adjustment sample 9, the mirrors 4 and 5 are displaced so as to maximize the difference. Since the optical axis of the light source is adjusted by doing so, the optical axis of the light source can be adjusted easily and quantitatively and accurately, and the spatial resolution of the microscope can be maximized.

【0075】しかも、光源光軸の調整は、顕微鏡の生産
ラインの初期段階で、自動的に短時間で行なうことがで
きるので、製造工数を低減でき、顕微鏡のコストダウン
を図ることができる。
Moreover, since the optical axis of the light source can be adjusted automatically in a short time at the initial stage of the microscope production line, the number of manufacturing steps can be reduced and the cost of the microscope can be reduced.

【0076】なお、本発明は上記実施の形態にのみ限定
されるものではなく、幾多の変更または変形が可能であ
る。例えば、上記実施の形態ではイレース光に対してポ
ンプ光の光軸を調整するようにしたが、逆にポンプ光に
対してイレース光の光軸を調整したり、あるいは|I
−I|が最大となるように両者の光軸を調整したりす
るようにしてもよい。また、上記実施の形態では、顕微
鏡に用いるパソコン20に強度比較演算機能および光軸
調整制御機能を持たせて光軸調整を行なうようにした
が、調整専用のパソコンを用いて|I−I|を演算
しながら光軸を調整するようにすることもできる。さら
に、本発明は、試料移動ステージにより試料を移動させ
て二次元走査するものに限らず、試料を固定し、ポンプ
光およびイレース光を、例えばガルバノミラーにより移
動させて二次元走査する顕微鏡にも有効に適用すること
ができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but various modifications and changes can be made. For example, although the optical axis of the pump light is adjusted with respect to the erase light in the above-described embodiment, conversely, the optical axis of the erase light is adjusted with respect to the pump light, or | I 1
-I 2 | may be to adjust the optical axis of both to maximize. Further, in the above embodiment, the personal computer 20 used for the microscope is provided with the intensity comparison calculation function and the optical axis adjustment control function to perform the optical axis adjustment. However, | I 1 -I It is also possible to adjust the optical axis while calculating 2 |. Furthermore, the present invention is not limited to the two-dimensional scanning by moving the sample by the sample moving stage, and may be applied to a microscope in which the sample is fixed and two-dimensional scanning is performed by moving the pump light and the erase light by, for example, a galvanometer mirror. It can be effectively applied.

【0077】[0077]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、蛍光分
子を均一に分散させた調整用試料を用い、該調整用試料
に、光軸の中央に極大を有する強度分布の第1の光と極
大を有する強度分布の第2の光とを照射したときに得ら
れる蛍光強度と、極大を有する強度分布の第1の光と極
小を有する強度分布の第2の光とを照射したときに得ら
れる蛍光強度との差を検出しながら、その差が最大とな
るように第1の光を発する第1の光源と第2の光を発す
る第2の光源との光軸を設定するようにしたので、光源
光軸を簡単に、しかも定量的に正確に調整することがで
き、顕微鏡の空間分解能を最大にすることができる。
As described above, according to the present invention, an adjusting sample in which fluorescent molecules are uniformly dispersed is used, and the adjusting sample has a first intensity distribution having a maximum at the center of the optical axis. When the fluorescence intensity obtained when the light and the second light of the intensity distribution having the maximum are irradiated, and the first light of the intensity distribution having the maximum and the second light of the intensity distribution having the minimum are irradiated. While detecting the difference between the obtained fluorescence intensity and the optical intensity of the first light source that emits the first light and the second light source that emits the second light so as to maximize the difference. Therefore, the optical axis of the light source can be adjusted easily and quantitatively and accurately, and the spatial resolution of the microscope can be maximized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の原理を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図2】 同じく、本発明の原理を説明するための図で
ある。
FIG. 2 is also a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図3】 本発明による光源光軸調整方法を実施する顕
微鏡の一例の構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an example of a microscope for carrying out a light source optical axis adjusting method according to the present invention.

【図4】 図1に示す液晶空間変調器の一例の概略構成
を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of an example of the liquid crystal spatial modulator shown in FIG.

【図5】 図4に示す液晶空間変調器における書き込み
光強度に対する読み出し光の位相変調度を示す入出力特
性図である。
5 is an input / output characteristic diagram showing the degree of phase modulation of read light with respect to the write light intensity in the liquid crystal spatial light modulator shown in FIG.

【図6】 試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造
を示す概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing an electronic structure of a valence electron orbit of a molecule constituting a sample.

【図7】 図6の分子の第1励起状態を示す概念図であ
る。
7 is a conceptual diagram showing a first excited state of the molecule of FIG.

【図8】 同じく、第2励起状態を示す概念図である。FIG. 8 is likewise a conceptual diagram showing a second excited state.

【図9】 同じく、第2励起状態から基底状態に戻る状
態を示す概念図である。
FIG. 9 is a conceptual diagram similarly showing a state in which the second excited state returns to the ground state.

【図10】 分子における二重共鳴吸収過程を説明する
ための概念図である。
FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process in a molecule.

【図11】 同じく、二重共鳴吸収過程を説明するため
の概念図である。
FIG. 11 is also a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process.

【図12】 従来の超解像顕微鏡の一例の構成を示す図
である。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an example of a conventional super-resolution microscope.

【図13】 図12に示す位相板の構成を示す平面図で
ある。
FIG. 13 is a plan view showing the configuration of the phase plate shown in FIG.

【図14】 中空ビーム化したイレース光の集光強度パ
ターンの一例を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a condensing intensity pattern of erase light that is formed into a hollow beam.

【図15】 従来の問題点を説明するための図である。FIG. 15 is a diagram for explaining a conventional problem.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Nd:YAGレーザー 2 色素レーザー 3 ビームスプリッター 4,5 ミラー 6,7 キューブハーフミラー 8 顕微鏡対物レンズ 9 試料(調整用試料) 11 空間フィルター 12 ミラー 13 液晶空間変調器 15 試料移動ステージ 17 集光レンズ 18 バンドパスフィルター 19 フォトマル 20 パソコン 21 自動位置調整機構 22,23 ガラス基板 24,25 透明電極 26 アモルファスシリコン(α−Si:H)層 27 遮光層 28 誘電体ミラー 29,30 配向膜 31 液晶層 32,33 反射防止膜 1 Nd: YAG laser 2 dye laser 3 beam splitter 4,5 mirror 6,7 Cube half mirror 8 Microscope objective lens 9 samples (samples for adjustment) 11 Spatial filters 12 mirror 13 Liquid crystal spatial modulator 15 Sample moving stage 17 Condensing lens 18 band pass filter 19 Photomaru 20 personal computers 21 Automatic position adjustment mechanism 22,23 glass substrate 24,25 transparent electrodes 26 Amorphous Silicon (α-Si: H) Layer 27 Light-shielding layer 28 Dielectric mirror 29,30 Alignment film 31 Liquid crystal layer 32, 33 Antireflection film

フロントページの続き (72)発明者 池滝 慶記 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 藤井 正明 愛知県岡崎市竜見南2−3−1 6号棟 303号 (72)発明者 渡邊 武史 愛知県岡崎市小呂町2丁目72 大野マンシ ョンII 202号 (72)発明者 尾松 孝茂 神奈川県横浜市戸塚区平戸5−10−9 (72)発明者 山元 公寿 東京都大田区田園調布9−2−304 (72)発明者 鈴木 智雄 千葉県千葉市美浜区中瀬1−3 幕張テク ノガーデンD−10E 株式会社日本ローパ ー内 Fターム(参考) 2G043 AA03 DA01 EA01 FA01 FA02 FA06 GA02 GB01 GB19 HA01 HA02 HA06 HA09 KA02 KA05 KA09 LA02 2H043 AD08 AD11 AD21 2H052 AA07 AA09 AC04 AC14 AC27 AC30 AC34 AF02 Continued front page    (72) Inventor Keiki Ikedaki             2-43 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Ori             Inside Npus Optical Industry Co., Ltd. (72) Inventor Masaaki Fujii             2-3-1, Ryumi Minami 2-3, Okazaki-shi, Aichi             No. 303 (72) Inventor Takeshi Watanabe             2-72 Koromachi, Okazaki City, Aichi Prefecture Manno Ohno             No. II 202 (72) Inventor Takashige Omatsu             5-10-9 Hirado, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa (72) Inventor Koju Yamamoto             9-2-304 Denenchofu, Ota-ku, Tokyo (72) Inventor Tomoo Suzuki             Makuhari Tech 1-3, Nakase, Mihama-ku, Chiba City, Chiba Prefecture             Nogarden D-10E Nippon Ropa Co., Ltd.             -In F-term (reference) 2G043 AA03 DA01 EA01 FA01 FA02                       FA06 GA02 GB01 GB19 HA01                       HA02 HA06 HA09 KA02 KA05                       KA09 LA02                 2H043 AD08 AD11 AD21                 2H052 AA07 AA09 AC04 AC14 AC27                       AC30 AC34 AF02

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも基底状態を含む3つの電子状
態を有する分子で染色された試料の上記分子を基底状態
から第1の励起状態へ遷移させる第1の光を発生する第
1の光源と、 上記分子を上記第1の励起状態から、よりエネルギー準
位の高い第2の励起状態へ遷移させる第2の光を発生す
る第2の光源と、 上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくと
も一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、 上記試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕
微鏡の光源光軸を調整するにあたり、 上記試料として蛍光分子を均一に分散させた調整用試料
を用いて、該調整用試料に、光軸の中央に極大を有する
強度分布の第1の光と、極大を有する強度分布の第2の
光とを上記光学系を介して照射して、該調整用試料から
の蛍光強度を上記検出手段で検出する第1の工程と、 上記調整用試料に、極大を有する強度分布の第1の光
と、極小を有する強度分布の第2の光とを上記光学系を
介して照射して、該調整用試料からの蛍光強度を上記検
出手段で検出する第2の工程と、 上記第1の工程で検出された蛍光強度と、上記第2の工
程で検出された蛍光強度との差を検出する第3の工程
と、 上記第1の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対
的に移動させながら、上記第1の工程から上記第3の工
程を繰り返して、上記第3の工程で得られる蛍光強度の
差が最大となる位置に、上記第1の光源および上記第2
の光源の光軸を設定する第4の工程と、 を含むことを特徴とする顕微鏡の光源光軸調整方法。
1. A first light source for generating a first light that causes the molecule of a sample stained with a molecule having at least three electronic states including a ground state to transit from a ground state to a first excited state. A second light source that generates a second light that causes the molecule to transit from the first excited state to a second excited state having a higher energy level; and a second light source that emits the second light. In adjusting the optical axis of the light source of the microscope having an optical system for irradiating the sample with at least a part of the irradiation region overlapping and irradiating the sample, a fluorescent molecule is uniformly dispersed as the sample. Using the prepared adjustment sample, the adjustment sample is provided with first light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis and second light having an intensity distribution having a maximum through the optical system. Irradiate the firefly from the sample for adjustment. A first step of detecting the intensity by the detecting means, and a first light having an intensity distribution having a maximum and a second light having an intensity distribution having a minimum are applied to the adjustment sample via the optical system. A second step of irradiating and detecting the fluorescence intensity from the adjustment sample by the detection means, the fluorescence intensity detected in the first step, and the fluorescence intensity detected in the second step. The third step of detecting the difference between the first step and the second step, while relatively moving the optical axis of the first light source and the optical axis of the second light source. Then, the first light source and the second light source are placed at the position where the difference in fluorescence intensity obtained in the third step is maximum.
And a fourth step of setting the optical axis of the light source of the light source.
【請求項2】 少なくとも基底状態を含む3つの電子状
態を有する分子で染色された試料の上記分子を基底状態
から第1の励起状態へ遷移させる第1の光を発生する第
1の光源と、 上記分子を上記第1の励起状態から、よりエネルギー準
位の高い第2の励起状態へ遷移させる第2の光を発生す
る第2の光源と、 上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくと
も一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、 上記試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕
微鏡の光源光軸を調整するにあたり、 上記試料として蛍光分子を均一に分散させた調整用試料
を用いて、該調整用試料に、光軸の中央に極大を有する
強度分布の第1の光と、光軸の中央に極大を有する強度
分布の第2の光とを上記光学系を介して照射して、該調
整用試料からの蛍光強度を上記検出手段で検出する第1
の工程と、 上記調整用試料に、光軸の中央に極大を有する強度分布
の第1の光と、光軸の中央付近に極小を有する強度分布
の第2の光とを上記光学系を介して照射して、該調整用
試料からの蛍光強度を上記検出手段で検出する第2の工
程と、 上記第1の工程で検出された蛍光強度と、上記第2の工
程で検出された蛍光強度との差を検出する第3の工程
と、 上記第1の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対
的に移動させながら、上記第1の工程から上記第3の工
程を繰り返して、上記第3の工程で得られる蛍光強度の
差が最大となる位置に、上記第1の光源および上記第2
の光源の光軸を設定する第4の工程と、 を含むことを特徴とする顕微鏡の光源光軸調整方法。
2. A first light source for generating a first light for transitioning the molecule of the sample stained with a molecule having three electronic states including at least the ground state from the ground state to the first excited state. A second light source that generates a second light that causes the molecule to transit from the first excited state to a second excited state having a higher energy level; and a second light source that emits the second light. In adjusting the optical axis of the light source of the microscope having an optical system for irradiating the sample with at least a part of the irradiation region overlapped and irradiating the sample, a fluorescent molecule is uniformly dispersed as the sample. Using the prepared adjustment sample, the adjustment sample is provided with the first light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis and the second light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis. For adjustment by irradiating through an optical system First detecting fluorescence intensity from fee by the detection means
And a second light having an intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis and a second light having an intensity distribution having a minimum in the vicinity of the center of the optical axis through the optical system. Second step of irradiating the sample for adjustment and detecting the fluorescence intensity from the adjustment sample by the detection means, the fluorescence intensity detected in the first step, and the fluorescence intensity detected in the second step. And a third step of detecting the difference between the first step and the second step, while relatively moving the optical axis of the first light source and the optical axis of the second light source. Repeatedly, the first light source and the second light source are arranged at the position where the difference in fluorescence intensity obtained in the third step is the maximum.
And a fourth step of setting the optical axis of the light source of the light source.
【請求項3】 上記第1の工程は、上記観察用試料から
の蛍光強度が最小となるように、上記第1の光の強度と
上記第2の光の強度とを調整する工程をさらに含むこと
を特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡の光源光
軸調整方法。
3. The first step further includes the step of adjusting the intensity of the first light and the intensity of the second light so that the fluorescence intensity from the observation sample is minimized. The light source optical axis adjusting method for a microscope according to claim 1 or 2, wherein.
【請求項4】 上記第2の工程における第2の光は、上
記第2の光源からの光を液晶空間変調器により強度変調
して得ることを特徴とする請求項1,2または3に記載
の顕微鏡の光源光軸調整方法。
4. The second light in the second step is obtained by intensity-modulating the light from the second light source with a liquid crystal spatial modulator. Method of adjusting the optical axis of the light source of the microscope.
【請求項5】 上記第4の工程は、上記第2の光源の光
軸を固定して、上記第1の光源の光軸を移動させること
を特徴とする請求項1,2,3または4に記載の顕微鏡
の光源光軸調整方法。
5. The fourth step is characterized in that the optical axis of the second light source is fixed and the optical axis of the first light source is moved. The method of adjusting the optical axis of the light source of the microscope according to.
【請求項6】 少なくとも基底状態を含む3つの電子状
態を有する分子で染色された試料の上記分子を基底状態
から第1の励起状態へ遷移させる第1の光を発生する第
1の光源と、 上記分子を上記第1の励起状態から、よりエネルギー準
位の高い第2の励起状態へ遷移させる第2の光を発生す
る第2の光源と、 上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくと
も一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、 上記試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕
微鏡の光源光軸調整装置であって、 光軸の中央に極大を有する強度分布の第1の光と極大を
有する強度分布の第2の光とを上記光学系を介して上記
試料に照射したときに上記検出手段で検出される第1の
蛍光強度と、極大を有する強度分布の第1の光と極小を
有する強度分布の第2の光とを上記光学系を介して上記
試料に照射したときに上記検出手段で検出される第2の
蛍光強度との差を検出する強度比較手段と、 上記強度比較手段で検出される蛍光強度差に基づいて上
記第1の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対的
に移動させる光軸移動手段と、 を有することを特徴とする顕微鏡の光源光軸調整装置。
6. A first light source for generating a first light that causes the molecule of the sample stained with a molecule having at least three electronic states including a ground state to transition from the ground state to a first excited state. A second light source that generates a second light that causes the molecule to transit from the first excited state to a second excited state having a higher energy level; and a second light source that emits the second light. A light source optical axis adjusting device for a microscope, comprising: an optical system for irradiating the sample with at least a part of an irradiation region overlapped thereon; It has a maximum intensity and a first fluorescence intensity detected by the detection means when the sample is irradiated with the first light of the intensity distribution and the second light of the intensity distribution having the maximum intensity. Has a first light and a minimum of intensity distribution Intensity comparison means for detecting a difference between the second fluorescence intensity distribution and the second fluorescence intensity detected by the detection means when the sample is irradiated with the second light through the optical system; and the intensity comparison means. A light source light of a microscope, comprising: an optical axis moving unit that relatively moves the optical axis of the first light source and the optical axis of the second light source based on the detected fluorescence intensity difference. Axis adjustment device.
【請求項7】 少なくとも基底状態を含む3つの電子状
態を有する分子で染色された試料の上記分子を基底状態
から第1の励起状態へ遷移させる第1の光を発生する第
1の光源と、 上記分子を上記第1の励起状態から、よりエネルギー準
位の高い第2の励起状態へ遷移させる第2の光を発生す
る第2の光源と、 上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくと
も一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、 上記試料からの発光を検出する検出手段と、を有する顕
微鏡の光源光軸調整装置であって、 光軸の中央に極大を有する強度分布の第1の光と光軸の
中央に極大を有する強度分布の第2の光とを上記光学系
を介して上記試料に照射したときに上記検出手段で検出
される第1の蛍光強度と、光軸の中央に極大を有する強
度分布の第1の光と光軸の中央付近に極小を有する強度
分布の第2の光とを上記光学系を介して上記試料に照射
したときに上記検出手段で検出される第2の蛍光強度と
の差を検出する強度比較手段と、 上記強度比較手段で検出される蛍光強度差に基づいて上
記第1の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対的
に移動させる光軸移動手段と、 を有することを特徴とする顕微鏡の光源光軸調整装置。
7. A first light source for generating a first light for transitioning the molecule of the sample stained with a molecule having three electronic states including at least a ground state from the ground state to a first excited state, A second light source that generates a second light that causes the molecule to transit from the first excited state to a second excited state having a higher energy level; and a second light source that emits the second light. A light source optical axis adjusting device for a microscope, comprising: an optical system for irradiating the sample with at least a part of an irradiation region overlapped thereon; The first fluorescence intensity detected by the detection means when the sample is irradiated with the first light of the intensity distribution and the second light of the intensity distribution having a maximum in the center of the optical axis through the optical system. And the intensity distribution with a maximum in the center of the optical axis The first light and the second light having an intensity distribution having a local minimum in the vicinity of the center of the optical axis, and the second fluorescence intensity detected by the detection means when the sample is irradiated through the optical system. Intensity comparison means for detecting a difference, and optical axis movement for relatively moving the optical axis of the first light source and the optical axis of the second light source based on the fluorescence intensity difference detected by the intensity comparison means. A light source optical axis adjusting device for a microscope, comprising:
【請求項8】 上記光軸移動手段は、上記強度比較手段
で検出される蛍光強度差が最大となる位置に、上記第1
の光源の光軸と上記第2の光源の光軸とを相対的に移動
させることを特徴とする請求項6または7に記載の顕微
鏡の光源光軸調整装置。
8. The optical axis moving means is arranged so that the first difference is at a position where the fluorescence intensity difference detected by the intensity comparing means becomes maximum.
8. The light source optical axis adjusting device for a microscope according to claim 6, wherein the optical axis of the light source of 1 is moved relative to the optical axis of the second light source.
【請求項9】 上記第1の蛍光強度が最小となるよう
に、第1の光および/または第2の光の強度を調整する
強度調整手段をさらに有することを特徴とする請求項
6,7または8に記載の顕微鏡の光源光軸調整装置。
9. The method according to claim 6, further comprising intensity adjusting means for adjusting the intensity of the first light and / or the second light so that the first fluorescence intensity is minimized. Or the light source optical axis adjusting device for a microscope according to the item 8.
【請求項10】 上記第2の光源からの光を液晶空間変
調器により強度変調して、上記光軸の中央付近に極小を
有する強度分布の第2の光を得るよう構成したことを特
徴とする請求項6,7,8または9に記載の顕微鏡の光
源光軸調整装置。
10. The light from the second light source is intensity-modulated by a liquid crystal spatial modulator to obtain second light having an intensity distribution having a local minimum near the center of the optical axis. The light source optical axis adjusting device for a microscope according to claim 6, 7, 8 or 9.
【請求項11】 上記光軸移動手段は、上記第2の光源
の光軸を固定して、上記第1の光源の光軸を移動させる
ことを特徴とする請求項6,7,8,9または10に記
載の顕微鏡の光源光軸調整装置。
11. The optical axis moving means fixes the optical axis of the second light source and moves the optical axis of the first light source. Or the light source optical axis adjusting device for a microscope according to the item 10.
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JP2012093757A (en) * 2010-10-22 2012-05-17 Leica Microsystems Cms Gmbh Spim microscope with sted light sheet
JP2015531072A (en) * 2012-08-23 2015-10-29 アイシス イノヴェイション リミテッド Stimulated emission suppression microscopy

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