JP2004109368A - Microscope - Google Patents

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    • H01L2224/12Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/14Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of a plurality of bump connectors

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microscope which can irradiate a sample with a first light and a second light while keeping a proper wave surface and without causing the fluctuation of a light axis and stably exhibits super resolution phenomena at all times. <P>SOLUTION: In the microscope, the first light from a first light source 11 and the second light from second light sources 12, 13 are partly superimposed by means of a superimposing optical system 16 and are converged to the sample 35 by means of a converging optical system 34 and optical response of the sample 35 is detected by a light detector 40. Further, the microscope is constituted in such a manner that the first light or the second light from at least one side of the first light source 11 or the second light sources 12, 13 is guided to the superimposing optical system 16 as a uniform planar wave through optical fiber optical systems 15, 25 having optical fibers 22, 28 and collimator lenses 23, 29. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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関するものである。
【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。
【0003】
このような背景の中、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(例えば、特許文献1参照)。
【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。この原理について、図3〜図6を参照して説明する。図3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3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λ1の光により励起して、図4に示す第1電子励起状態(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5に示す第2電子励起状態(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6に示すように基底状態に戻る。
【0005】
二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、図4の吸収過程や図6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、最初にレーザ光等により共鳴波長λ1の光で図4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。
【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5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λ1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。
【0007】
また、図5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。
【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3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。
【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における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。
【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。
【0011】
また、最近では、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(例えば、特許文献2参照)。
【0012】
図7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電子励起状態であるS1に励起され、更に波長λ2の光で第2電子励起状態であるS2に励起されている様子を示している。なお、図7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。
【0013】
図7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8は、図7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。
【0014】
図8において、空間領域A0では波長λ1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(蛍光抑制効果)、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。
【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顕微鏡等では、レーザ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。
【0016】
ところが、図8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。
【0017】
さらに、顕微鏡の超解像性を高めるため、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(例えば、特許文献3参照)。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電子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。
【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。
【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。
【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。
【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、非特許文献1参照)。
【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。
【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。
【0024】
以上のように、特許文献3に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λ1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こすことができ、超解像性をより効果的に発現することが可能となる。
【0025】
このような超解像顕微鏡法の具体例として、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9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85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85上に集光させるようにしたものが提案されている(例えば、特許文献4参照)。
【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・λ1/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10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。
【0027】
【特許文献1】
特開平8−184552号公報
【特許文献2】
特開2001−100102号公報
【特許文献3】
特開平11−95120号公報
【特許文献4】
特開2001−272345号公報
【非特許文献1】
M.Fujii et.al.Chem.Phys.Lett.171(1990)341
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来提案されている超解像蛍光顕微鏡は、観察性能上の各種機能に優れている。しかし、かかる顕微鏡では、異なる波長の2色のレーザ光源を用いることから、顕微鏡の性能を十分に発揮させるためには、光源の更なる安定性が要求される。すなわち、超解像現象の発現の度合いは、イレース光とポンプ光とが試料上でいかに位置ずれなくオーバーラップして集光するかにかかっている。特に、光源としてパルス発振型レーザを用いる場合には、レーザショット毎にポンプ光の光軸とイレース光の光軸とが独立して変動してしまうと、本来、蛍光を抑制してはいけない領域からの蛍光をも抑制してしまうこととなって、解像度が向上せず、むしろ蛍光強度が低下して画質が悪くなるという弊害が生じることになる。
【0029】
以下、超解像蛍光顕微鏡を図11に示すように構成した場合を例にとって説明する。図11に示す超解像蛍光顕微鏡は、上記の特許文献2に開示されているもので、ローダミン6Gで染色された試料100を観察するものである。この顕微鏡では、モードロック型のNd:YAGレーザ101から出射される波長1064nmのレーザ光をベータ硼酸バリウム(BBO)結晶からなる波長変換素子102により2倍高調波の波長532nmのレーザ光に波長変換し、このレーザ光をハーフミラー103で透過光と反射光との二光路に分岐して、その透過光をポンプ光としてダイクロイックミラー104および105を順次透過させた後、対物レンズ106により二次元移動ステージ107上に載置された試料100に集光させるようにしている。
【0030】
また、ハーフミラー103での反射光は、反射ミラー108で反射させた後、Ba(NO2 結晶からなるラマンシフタ109で波長599nmのレーザ光に波長変換し、このレーザ光をイレース光として反射ミラー110で反射させた後、位相板111により中空ビームに整形し、さらにダイクロイックミラー104によりポンプ光と同軸上に揃えて、ダイクロイックミラー105を経て対物レンズ106により試料100に集光させるようにしている。
【0031】
一方、試料100からの蛍光は、対物レンズ106を経てダイクロイックミラー105で反射させた後、蛍光集光レンズ112、シャープカットフィルタ113およびピンホール114を経てフォトマル115で受光するようになっている。なお、試料100に投射されるポンプ光およびイレース光は、フォトマル116で受光され、その出力に基づいてNd:YAGレーザ101から出射されるレーザ光の強度が一定となるように制御されるようになっている。
【0032】
かかる構成の超解像蛍光顕微鏡においては、特にNd:YAGレーザ101をパルス発振させる場合に、以下のような問題が生じる。
1)パルス発振毎に、レーザ光の光軸が揺らぐ。
2)レーザ光の波面が乱れているため、空間変調による形状整形を前提とするイレース光には適用し難い。
【0033】
特に、上記1)に関しては、長い光路でレーザ光をガイドすると、空気の揺らぎでもレーザ光の光軸が変動して、集光点における位置安定性が更に悪くなる。このため、最悪の場合、ポンプ光の集光領域とイレース光の集光領域とがオーバーラップせず、超解像の効果が全く現れなくなることがあり得る。
【0034】
この1)の問題の解決方法として、光ファイバを用いてパルスレーザ光を伝達することが考えられる。しかしながら、パルスレーザの場合には、連続発振型のレーザいわゆるCWレーザとは異なり、レーザ光の時間平均の光強度は小さいものの、パルス尖頭値はメガワットにも及ぶことがあるため、光ファイバの入射端面が焼損したり、光ファイバ内で誘導ラマン光が発生したりする等の問題がある。特に、誘導ラマン光が発生すると、その光が試料からの蛍光信号を観測する際のバックグラウンドとなって顕微鏡画像の画質が劣化することになる。
【0035】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の主たる目的は、良好な波面を保ちつつ、かつ第1の光と第2の光とを光軸変動を生じることなく試料に照射でき、常に安定して超解像現象を発現できる顕微鏡を提供することにある。
【0036】
【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、第1の光源からの第1の光と第2の光源からの第2の光とを、重ね合わせ光学系により一部分重ね合わせて集光光学系により試料に集光させて、上記試料の光応答を光検出器で検出するようにした顕微鏡において、
上記第1の光源または第2の光源の少なくとも一方からの上記第1の光または第2の光を、光ファイバおよびコリメータレンズを有する光ファイバ光学系を経て均一平面波として上記重ね合わせ光学系に導くよう構成したことを特徴とするものである。
【0037】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の顕微鏡において、上記第1の光源または第2の光源の少なくとも一方がパルス光源であることを特徴とするものである。
【0038】
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の顕微鏡において、上記第1の光の波長は、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を含む試料の上記分子を、基底状態から第1電子励起状態へ遷移させる共鳴吸収波長帯域内にあり、
上記第2の光の波長は、上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い他の電子状態へ遷移させる共鳴吸収波長帯域内にあることを特徴とするものである。
【0039】
請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の顕微鏡において、上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記第1の光源または第2の光源との間に配置した空間フィルタを有することを特徴とするものである。
【0040】
請求項5に係る発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の顕微鏡において、上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記重ね合わせ光学系との間に配置した上記第1の光または第2の光を透過する波長分散素子を有することを特徴とするものである。
【0041】
先ず、本発明の原理について説明する。例えば、末松・伊賀著:「光ファイバ通信入門」オーム社(1979年)にも記載されているように、シングルモード光ファイバに、光ファイバ内で条件を満たす波長の光が入射すると、均一な波面が伝搬して、出射端面から波面が完全に揃った球面波が出射される。したがって、この光を、例えばレンズによりコリメートすれば、波面の均一な平行光を生成でき、また、この波面の揃った平行光を位相板や液晶型の光空間変調器により中空ビーム化すれば、理想的な中空状のイレース光を得ることが可能となる。しかも、このように光ファイバを用いる光学系では、光ファイバの出射端部を機械的に固定すれば、光軸の揺らぎは原理的に生じないという特徴がある。
【0042】
ところが、レーザ光源から出射される例えばパルス光は、空間モードが非常に悪く、いわゆる波面の揃ったガウシアンプロファイルとはならないと共に、発散角(ダイバージェンス)も種々の角度を持っているため、レンズで集光しても回折限界まで絞り込めないが普通である。例えば、波長600nmの光に対しては、コア径が5μm程度の光ファイバが対応するが、この場合のパルス光の集光径は、光ファイバのコア径よりも遥かに大きくなる。
【0043】
超解像顕微鏡法では、特に、イレース光の強度が大きい方が好ましいが、勢い光ファイバの出射端面から強度の大きいイレース光を取り出そうとすると、光ファイバの入射端面に入射させるレーザ光も強くする必要がある。この際、臨界角以下の浅い角度で入射端面に集光した光は、微量の減衰はあるものの、ほぼ100%に近い効率で出射端面から取り出すことができるが、それ以外の光は光ファイバの入射端面で散乱されて光ファイバを透過できない。しかも、この部分には常時強い光が照射されるので、焼けによる損傷が発生して、光ファイバの入射端面全体が焦げてしまう。これは、パルスレーザ光の大半を占める高次のモードが、光ファイバのコア径内に絞りきれなかったのが原因である。
【0044】
そこで本発明の好適一実施の形態では、空間フィルタを有して光ファイバ光学系を構成し、レーザ光源からのレーザ光を、空間フィルタを介して光ファイバに入射させる。具体的には、図1に示すように、空間フィルタ1を集光レンズ2、ピンホール3、コリメータレンズ4、および集光レンズ5をもって構成し、レーザ光源からのレーザ光を集光レンズ2でピンホール3に集光させ、ピンホール3で回折された光をコリメータレンズ4でコリメートした後、シングルモード光ファイバ6の取り込み立体角と整合させて、集光レンズ5により光ファイバ6の入射端面に再び集光させる。なお、ピンホール3のサイズは、集光レンズ2の焦点距離と入射するレーザ光のビーム径とによって決まる回折限界の大きさを目安に設定する。
【0045】
このようにすれば、光ファイバ6のコア内に集光した全ての光を取り込んで、球面波として取り出すことが可能となる。しかも、光ファイバ端面の焼けの原因となる余分な光は、空間フィルタ1のピンホール3でカットされるので、測定の最中に光ファイバ6が焦げて使えなくなることもなくなる。したがって、高強度の光ファイバ出射光を取り出すために、レーザ光自体の強度を高くしても、光ファイバ6を焼損することがなくなる。
【0046】
また、光ファイバ内で発生する誘導ラマン光については、非常に単純なフィルタ光学系を適用することで対処することができる。例えば、上記特許文献4に記載の超解像蛍光顕微鏡では、一般に、試料からの蛍光を検出する検出器の前方にポンプ光およびイレース光の波長成分をカットするノッチフィルタが配置されているので、光ファイバ内で誘導ラマン光が発生する場合には、このノッチフィルタの通過阻止波長帯域内に誘導ラマン光の発光スペクトル帯域が位置するように、ノッチフィルタを構成する。
【0047】
あるいは、光ファイバの出射端側に、所望の波長のポンプ光またはイレース光を透過する波長分散素子を配置して光ファイバ光学系を構成する。なお、波長分散素子は、狭帯域のバンドパスフィルタ、多層膜を用いた干渉フィルタ、回折格子等を用いることができる。
【0048】
本発明の好適一実施の形態では、誘導ラマン光をより確実にカットするため、ポンプ光またはイレース光を伝達する光ファイバの出射端面側に、波長分散素子としてポンプ光またはイレース光の波長を中心波長とする狭帯域のバンドパスフィルタを配置して光ファイバ光学系を構成し、光ファイバから出射されてバンドパスフィルタを透過したポンプ光またはイレース光を試料に投射する。さらに、試料からの発光を受光する検出器の前方には、上記のバンドパスフィルタの通過波長帯域よりも広い通過阻止波長帯域を有するノッチフィルタを配置して、このノッチフィルタを透過した光を検出器で受光するようにする。
【0049】
このようにすれば、光ファイバで発生した誘導ラマン光のみならず、ポンプ光およびイレース光が検出器に入射するのを確実に防止して、試料からの蛍光のみを受光できるので、顕微鏡画像のバックグラウンドを低減することが可能となる。なお、検出器の前方に配置するノッチフィルタは、例えば、直入射設計の誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による顕微鏡の一実施の形態について、図2を参照して詳細に説明する。
【0051】
図2は本発明の一実施の形態における顕微鏡の光学系の要部構成を示す図である。本実施の形態の顕微鏡は、レーザ走査型の超解像蛍光顕微鏡で、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。
【0052】
ここで、ローダミン6Gは、530nmの励起波長帯域で基底状態(S0)から第1電子励起状態(S1)への励起による吸収が最大となる。また、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、波長600〜650nmの領域に存在する。
【0053】
そこで、本実施の形態では、第1の光源としてパルスNd:YAGレーザ11を用い、その2倍高調波(532nm)をポンプ光(第1の光)として用いる。また、第2の光源は、パルスNd:YAGレーザ12とBa(NO結晶からなるラマンシフタ13とを有し、パルスNd:YAGレーザ12の2倍高調波をラマンシフタ13で波長599nmのレーザ光に波長変換するように構成して、この波長599nmのレーザ光をイレース光(第2の光)として用いる。
【0054】
なお、パルスNd:YAGレーザ11および12は、レーザ共振器の設計パラメータの調整により、MHzオーダの繰り返し周波数で、ピコ秒のレーザパルスを発振することができる。例えば、スイス:Time−Bandwidth社製のGE−100シリーズは、標準仕様で、100MHzの繰り返し周波数において、パルス幅:6psecのパルス光を平均出力50mWで発振することができる。これは、1パルスの持つエネルギーが、500pJに対応する。また、共振器を設計変更することで、繰り返し周波数を、25MHz〜1GHzの間で調整することができる。
【0055】
パルスNd:YAGレーザ11からのポンプ光は、ポンプ光用光ファイバ光学系15を経て重ね合わせ光学系を構成するキューベット型のハーフミラーからなるビームコンバイナ16に入射させる。ポンプ光用光ファイバ光学系15は、図1に示した空間フィルタを有する光結合部21と、偏波面保存シングルモードファイバ22と、コリメータレンズ23と、波長分散素子である中心波長532nmの狭帯域のバンドパスフィルタ24とを有して構成し、パルスNd:YAGレーザ11からのポンプ光を、光結合部21を介して偏波面保存シングルモードファイバ22のコアに入射させて伝播させ、この偏波面保存シングルモードファイバ22から出射されるポンプ光を、コリメータレンズ23により平行光にビーム整形した後、バンドパスフィルタ24を経てビームコンバイナ16に入射させる。なお、バンドパスフィルタ24は、例えば誘電体多層膜により形成された中心波長532nm、通過波長帯域幅1nmの市販のナローバンドフィルタ(例えば、米国Barr Associates Inc.製)を用いることができる。
【0056】
このように、パルスNd:YAGレーザ11からのポンプ光を、図1に示した空間フィルタを有する光結合部21を介して偏波面保存シングルモードファイバ22に入射させれば、空間フィルタにより球面波成分のみを選別して偏波面保存シングルモードファイバ22に入射させることができるので、偏波面保存シングルモードファイバ22からの出射光をコリメータレンズ23で平行光に変換することにより、均一平面波のポンプ光を得ることができる。また、このコリメータレンズ23からのポンプ光を、中心波長532nmの狭帯域のバンドパスフィルタ24に入射させれば、偏波面保存シングルモードファイバ22内で誘導ラマン光が発生しても、これをバンドパスフィルタ24で通過を阻止でき、所望の波長(532nm)のポンプ光を得ることができる。
【0057】
一方、ラマンシフタ13からのイレース光は、イレース光用光ファイバ光学系25を経て図10に示したような位相板26に入射させ、ここで中空ビーム化してビームコンバイナ16に入射させてポンプ光と同軸上に合成する。イレース光用光ファイバ光学系25は、ポンプ光用光ファイバ光学系15と同様に、図1に示した空間フィルタを有する光結合部27と、偏波面保存シングルモードファイバ28と、コリメータレンズ29と、波長分散素子である中心波長599nmの狭帯域のバンドパスフィルタ30とを有して構成し、ラマンシフタ13からのイレース光を、光結合部27を介して偏波面保存シングルモードファイバ28のコアに入射させて伝播させ、この偏波面保存シングルモードファイバ28から出射されるイレース光を、コリメータレンズ29により平行光にビーム整形した後、バンドパスフィルタ30を経て位相板26に入射させる。なお、バンドパスフィルタ30は、例えば誘電体多層膜により形成された中心波長599nm、通過波長帯域幅1nmのナローバンドフィルタを用いる。
【0058】
このように、ラマンシフタ13からのイレース光を、図1に示した空間フィルタを有する光結合部27を介して偏波面保存シングルモードファイバ28に入射させることにより、偏波面保存シングルモードファイバ28から完全な球面波のイレース光を得ることができ、さらにこの偏波面保存シングルモードファイバ28からの出射光をコリメータレンズ29で平行光に変換することにより、均一平面波のイレース光を得ることができる。また、コリメータレンズ29からのイレース光を、中心波長599nmの狭帯域のバンドパスフィルタ30に入射させることにより、偏波面保存シングルモードファイバ28内で誘導ラマン光が発生しても、これをバンドパスフィルタ30で通過を阻止でき、所望の波長(599nm)のイレース光を得ることができる。
【0059】
ビームコンバイナ16により同軸上に合成されたポンプ光およびイレース光は、キューベット型のハーフミラーからなるビームセパレータ31を透過させた後、互いに直交する軸を中心に揺動可能なガルバノミラー32および33で順次反射させて対物レンズ34によりローダミン6Gで染色された生体試料35の表面に集光させ、その集光点をガルバノミラー32,33の揺動により移動させて試料面上を2次元走査する。なお、図2では、図面を簡略化するために、ガルバノミラー32,33を互いに平行な軸を中心に揺動するように示している。
【0060】
また、ポンプ光およびイレース光の照射により試料35から発する蛍光は、対物レンズ34によりコリメートしたのち、入射光路とは逆の経路を辿って、ガルバノミラー33および32を経てビームセパレータ31に入射させ、該ビームセパレータ31で反射される蛍光を集光レンズ36によりピンホール37に集光させる。
【0061】
ピンホール37は、試料35の蛍光発光点に対して共焦点位置に配置し、このピンホール37を透過した蛍光を、ポンプ光カットノッチフィルタ38およびイレース光カットノッチフィルタ39を透過させて、それぞれポンプ光およびイレース光を除去した後、光検出器である光電子増倍管40で受光して蛍光出力信号を得、この蛍光出力信号を、顕微鏡を制御する図示しないコンピュータのビデオフレームメモリに格納して、試料35の蛍光2次元画像を図示しないモニタにリアルタイムで表示する。なお、ガルバノミラー32,33は、モニタに表示する蛍光2次元画像のビデオレートに同期して揺動させる。
【0062】
ポンプ光カットノッチフィルタ38の通過阻止波長帯域は、ポンプ光用光ファイバ光学系15におけるバンドパスフィルタ24の通過波長帯域よりも広くする。同様に、イレース光カットノッチフィルタ39の通過阻止波長帯域も、イレース光用光ファイバ光学系25におけるバンドパスフィルタ30の通過波長帯域よりも広くする。なお、これらポンプ光カットノッチフィルタ38およびイレース光カットノッチフィルタ39は、ポンプ光およびイレース光を含む波長帯域の光の通過を阻止する市販の1枚のフィルタ(例えば、米国Barr Associates Inc.製)をもって構成することもできる。
【0063】
以上のように、本実施の形態では、パルスNd:YAGレーザ11からのポンプ光を、ポンプ光用光ファイバ光学系15を経てビームコンバイナ16に入射させると共に、ラマンシフタ13からのイレース光を、イレース光用光ファイバ光学系25を経て位相板26に入射させ、ここで中空ビーム化してビームコンバイナ16に入射させてポンプ光と同軸上に合成するようにしたので、ポンプ光およびイレース光を光軸の揺らぎを生じることなく、試料面上でオーバーラップさせることができ、超解像効果を確実に得ることができる。また、パルスNd:YAGレーザ11や、パルスNd:YAGレーザ12およびラマンシフタ13を、対物レンズ34を有する光学ベンチとは別体に配置できるので、顕微鏡設計の自由度を広くできる利点もある。
【0064】
また、ポンプ光用光ファイバ光学系15には、偏波面保存シングルモードファイバ22の入射端面側に空間フィルタを設け、出射端面側にコリメータレンズ23を設けたので、完全な球面波のポンプ光を取り出して均一平面波に変換することができると共に、光ファイバ端面の焼けの原因となる余分な光をカットすることができる。同様に、イレース光用光ファイバ光学系25には、偏波面保存シングルモードファイバ28の入射端面側に空間フィルタを設け、出射端面側にコリメータレンズ29を設けたので、完全な球面波のイレース光を取り出して均一平面波に変換することができると共に、光ファイバ端面の焼けの原因となる余分な光をカットすることができる。したがって、特にイレース光においては、位相板26で正確に中空ビーム化することができ、超解像性を確実に発現できると共に、高強度のイレース光を取り出すために、レーザ光自体の強度を高くしても、偏波面保存シングルモードファイバ28を焼損することがなくなる。
【0065】
また、ポンプ光用光ファイバ光学系15には、偏波面保存シングルモードファイバ22の出射端面側に狭帯域のバンドパスフィルタ24を設けて所望の波長のポンプ光のみを透過させるようにし、同様に、イレース光用光ファイバ光学系25には、偏波面保存シングルモードファイバ28の出射端面側に狭帯域のバンドパスフィルタ30を設けて所望の波長のイレース光のみを透過させるようにしたので、偏波面保存シングルモードファイバ22,28内で誘導ラマン光が発生しても、その通過を確実に阻止することができる。したがって、誘導ラマン光が試料35からの蛍光信号を観測する際のバックグラウンドとなるのを防止することができる。しかも、本実施の形態では、光電子増倍管40の前方にバンドパスフィルタ24の通過波長帯域よりも広い通過阻止波長帯域のポンプ光カットノッチフィルタ38、およびバンドパスフィルタ30の通過波長帯域よりも広い通過阻止波長帯域のイレース光カットノッチフィルタ39を配置しているので、偏波面保存シングルモードファイバ22,28で発生した誘導ラマン光のみならず、ポンプ光およびイレース光が光電子増倍管40に入射するのを確実に防止して、試料35からの蛍光のみを受光できるので、画質の良好な顕微鏡画像を得ることができる。
【0066】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、偏波面保存シングルモードファイバ22や28内で誘導ラマン光が発生する場合において、その誘導ラマン光の発光スペクトル帯域がポンプ光カットノッチフィルタ38やイレース光カットノッチフィルタ39の通過阻止波長帯域内にあるときは、バンドパスフィルタ24や30を省略することができる。また、イレース光を中空ビームにビーム整形する位相変調素子は、上述した位相板に限らず、液晶空間光変調器や他の公知の素子を使用することができる。さらに、上記実施の形態では、ポンプ光およびイレース光をパルス光としたが、そのいずれか一方または双方が連続波の場合にも、本発明を有効に適用することができる。
【0067】
付記項
1.第1の光源からの第1の光と第2の光源からの第2の光とを、重ね合わせ光学系により一部分重ね合わせて集光光学系により試料に集光させて、上記試料の光応答を光検出器で検出するようにした顕微鏡において、
上記第1の光源または第2の光源の少なくとも一方からの上記第1の光または第2の光を、光ファイバおよびコリメータレンズを有する光ファイバ光学系を経て均一平面波として上記重ね合わせ光学系に導くよう構成したことを特徴とする顕微鏡。
2.上記第1の光源または第2の光源の少なくとも一方がパルス光源であることを特徴とする付記項1に記載の顕微鏡。
3.上記第1の光の波長は、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を含む試料の上記分子を、基底状態から第1電子励起状態へ遷移させる共鳴吸収波長帯域内にあり、
上記第2の光の波長は、上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い他の電子状態へ遷移させる共鳴吸収波長帯域内にあることを特徴とする付記項1または2に記載の顕微鏡。
4.上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記第1の光源または第2の光源との間に配置した空間フィルタを有することを特徴とする付記項1〜3のいずれか一項に記載の顕微鏡。
5.上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記重ね合わせ光学系との間に配置した上記第1の光または第2の光を透過する波長分散素子を有することを特徴とする付記項1〜4のいずれか一項に記載の顕微鏡。
6.上記光検出器の前方に、上記試料の光応答による発光を通過させ、上記第1の光または第2の光の通過を阻止するノッチフィルタを配置したことを特徴とする付記項1〜5のいずれか一項に記載の顕微鏡。
7.上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記重ね合わせ光学系との間に配置した上記第1の光または第2の光を透過する波長分散素子を有し、上記光検出器の前方には、上記試料の光応答による発光を通過させ、上記第1の光または第2の光の通過を阻止するノッチフィルタを配置し、かつ上記ノッチフィルタの通過阻止波長帯域を上記波長分散素子の通過波長帯域よりも広くしたことを特徴とする付記項1〜4のいずれか一項に記載の顕微鏡。
8.上記波長分散素子は、バンドパスフィルタからなることを特徴とする付記項5または7に記載の顕微鏡。
9.上記ノッチフィルタは、多層膜波長分散素子からなることを特徴とする付記項6または7に記載の顕微鏡。
10.上記ノッチフィルタは、直入射型の多層膜反射鏡からなることを特徴とする付記項6または7に記載の顕微鏡。
【0068】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第1の光源からの第1の光または第2の光源からの第2の光の少なくとも一方を、光ファイバおよびコリメータレンズを有する光ファイバ光学系を経て均一平面波とし、これら第1の光および第2の光を重ね合わせ光学系により一部分重ね合わせて集光光学系により試料に集光させて、試料の光応答を光検出器で検出するようにしたので、良好な波面を保ちつつ、かつ第1の光と第2の光とを光軸変動を生じることなく試料に照射でき、常に安定して超解像現象を発現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明するための図である。
【図2】本発明の一実施の形態における顕微鏡の光学系の要部構成を示す図である。
【図3】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。
【図4】図3の分子の第1電子励起状態を示す概念図である。
【図5】同じく、第2電子励起状態を示す概念図である。
【図6】同じく、第2電子励起状態から基底状態に戻る状態を示す概念図である。
【図7】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。
【図8】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。
【図9】従来の超解像顕微鏡の一例の構成を示す図である。
【図10】図9に示す位相板の構成を示す平面図である。
【図11】従来の超解像顕微鏡の他の例の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 空間フィルタ
2 集光レンズ
3 ピンホール
4 コリメータレンズ
5 集光レンズ
6 シングルモード光ファイバ
11,12 パルスNd:YAGレーザ
13 ラマンシフタ
15 ポンプ光用光ファイバ光学系
16 ビームコンバイナ
21,27 光結合部
22,28 偏波面保存シングルモードファイバ
23,29 コリメータレンズ
24,30 バンドパスフィルタ
25 イレース光用光ファイバ光学系
26 位相板
31 ビームセパレータ
32,33 ガルバノミラー
34 対物レンズ
35 試料
36 集光レンズ
37 ピンホール
38 ポンプ光カットノッチフィルタ
39 イレース光カットノッチフィルタ
40 光電子増倍管
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microscope, in particular, a new high-performance and high-performance optical microscope that illuminates a stained sample with light of a plurality of wavelengths from a highly functional laser light source to obtain high spatial resolution.
[0002]
[Prior art]
The technology of optical microscopes is old, and various types of microscopes have been developed. In recent years, further advanced microscope systems have been developed with advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic imaging technology.
[0003]
Against this background, a highly functional microscope that enables not only control of the contrast of the obtained image but also chemical analysis using the double resonance absorption process generated by illuminating the sample with light of multiple wavelengths is proposed. (For example, see Patent Document 1).
[0004]
This microscope uses a double resonance absorption to select a specific molecule, and observes absorption and fluorescence caused by a specific optical transition. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 3 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. 3 are excited by light of wavelength λ1. Then, the first electronically excited state (S1 state) shown in FIG. 4 is set. Next, the light is similarly excited by light of another wavelength λ2 to obtain a second electron excited state (S2 state) shown in FIG. Due to this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence, and returns to the ground state as shown in FIG.
[0005]
In the microscopy using the double resonance absorption process, an absorption image and an emission image are observed using the absorption process in FIG. 4 and the emission of fluorescence and phosphorescence in FIG. In this microscopy method, first, the molecules constituting the sample are excited into the S1 state as shown in FIG. 4 by laser light or the like at the resonance wavelength λ1. At this time, the number of molecules in the S1 state in a unit volume is: It increases as the intensity of the irradiated light increases.
[0006]
Here, the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross-sectional area per molecule and the number of molecules per unit volume. Therefore, in the excitation process as shown in FIG. The coefficient will depend on the intensity of the light of the wavelength λ1 which is first irradiated. That is, the linear absorption coefficient for the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light having the wavelength λ1. This indicates that the contrast of the transmitted image can be completely controlled by the light of the wavelength λ1 if the sample is irradiated with light of two wavelengths of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 and a transmission image with the wavelength λ2 is taken.
[0007]
When the de-excitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state in FIG. 5 is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, when used as a fluorescence microscope, it is possible to control the image contrast.
[0008]
Furthermore, microscopy using the double resonance absorption process allows not only control of the image contrast as described above, but also chemical analysis. That is, since the outermost valence orbit shown in FIG. 3 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 differs depending on the molecule, and the wavelength λ2 also becomes unique to the molecule.
[0009]
Here, even when illuminating with a conventional single wavelength, it is possible to observe an absorption image or a fluorescence image of a specific molecule to some extent, but in general, the wavelength regions of the absorption bands of some molecules overlap, so However, accurate identification of the chemical composition of a sample is not possible.
[0010]
On the other hand, in the microscopy using the double resonance absorption process, molecules that absorb or emit at two wavelengths, wavelength λ1 and wavelength λ2, are limited, so that it is possible to identify the chemical composition of a sample more accurately than the conventional method. Become. Further, when exciting valence electrons, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Even molecules can be used to identify the orientation direction.
[0011]
Recently, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit using a double resonance absorption process has been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0012]
FIG. 7 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule, in which a molecule in a ground state S0 is excited by light having a wavelength λ1 into S1, which is a first electronically excited state, and further, is excited by a light having a wavelength λ2. The state of being excited by the state S2 is shown. FIG. 7 shows that the fluorescence from S2 of a certain molecule is extremely weak.
[0013]
In the case of a molecule having optical properties as shown in FIG. 7, a very interesting phenomenon occurs. FIG. 8 is a conceptual diagram of the double resonance absorption process as in FIG. 7, in which the X axis on the horizontal axis represents the expansion of the spatial distance, and the spatial region A1 irradiated with light of wavelength λ2 and the light of wavelength λ2 are not irradiated. A spatial area A0 is shown.
[0014]
In FIG. 8, in the spatial region A0, a large number of molecules in the S1 state are generated by the excitation of the light having the wavelength λ1, and at this time, fluorescence emitted at the wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the spatial region A1, since the light of the wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher-order S2 state, and the molecules in the S1 state no longer exist. Such a phenomenon has been confirmed by several molecules. As a result, in the spatial region A1, the fluorescence of the wavelength λ3 completely disappears, and since the fluorescence from the S2 state is not originally present, the fluorescence itself is completely suppressed in the spatial region A1 (fluorescence suppressing effect), and only from the spatial region A0. Fluorescence will be emitted.
[0015]
This is extremely important when viewed from the microscope application field. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, a laser beam is condensed into a micro beam by a condenser lens to scan the observation sample, and the size of the micro beam at that time depends on the numerical aperture of the condenser lens and the wavelength. , And a higher spatial resolution cannot be expected in principle.
[0016]
However, in the case of FIG. 8, the two types of light of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 are spatially well overlapped, and the fluorescent region is suppressed by irradiation with the light of the wavelength λ2. Focusing on the irradiation area, the fluorescent area can be 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 utilizing this principle, it becomes possible to realize a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope, using a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit.
[0017]
Furthermore, in order to enhance the super-resolution of the microscope, a fluorescent labeler molecule for fully utilizing the function of the super-resolution microscope and the timing of irradiating the sample with two lights of the wavelengths λ1 and λ2 to be used are disclosed. (For example, see Patent Document 3). This prior art has at least three quantum states including a ground state, and the transition when de-excited from a higher energy state excluding the first electronically excited state to the ground state is more a thermal relaxation process than a fluorescence relaxation process. A sample in which a fluorescent labeler molecule that stains various dominant molecules and a biomolecule that has been subjected to biochemical staining technology are chemically bonded is excited into the S1 state by light having a wavelength λ1 that excites the molecule to be stained. Subsequently, the light of wavelength λ2 is immediately excited to a higher quantum level to suppress the fluorescence from the S1 state. As described above, the spatial resolution can be improved by artificially suppressing the spatial fluorescent region using the optical properties of molecules.
[0018]
The optical properties of such molecules can be explained from a quantum chemical standpoint. That is, generally, each atom constituting the molecule is connected by σ or π bond. In other words, the molecular orbital of the molecule has a σ molecular orbital or a π molecular orbital, and electrons existing in these molecular orbitals play an important role of bonding each atom. Among them, the electron of the σ molecular orbit strongly bonds each atom, and determines the distance between atoms in the molecule which is the skeleton of the molecule. On the other hand, electrons in the π molecular orbital make little contribution to the bonding of each atom, but are rather bound to the whole molecule by an extremely weak force.
[0019]
In many cases, when an electron in a σ molecular orbital is excited by light, the interatomic distance of the molecule changes greatly, causing a large structural change including dissociation of the molecule. As a result, most of the energy given to the molecule by light changes to thermal energy due to the kinetic energy and structural change of the atom. Therefore, the excitation energy is not consumed in the form of light called fluorescence. In addition, since the structural change of a molecule occurs at a very high speed (less than picosecond), even if fluorescence occurs in the process, the life is extremely short.
[0020]
On the other hand, the electrons in the π molecular orbital structure hardly change even when excited, stay at a high quantum discrete level for a long time, emit fluorescence in the order of nanoseconds, and excite them. Has properties.
[0021]
According to quantum chemistry, a molecule has a π molecular orbit and a double bond is equivalent, and it is necessary to select a molecule with a large number of double bonds for the fluorescent labeler molecule used. It becomes. It has been confirmed that, even in a molecule having a double bond, a 6-membered ring molecule such as benzene or pyrazine has extremely weak fluorescence from the S2 excited state (for example, see Non-Patent Document 1).
[0022]
Therefore, if a molecule containing a six-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 the light is excited from the S1 state to the S2 state by photoexcitation. Can be easily suppressed, so that the super-resolution can be effectively used. In other words, if observation is performed by staining with these fluorescent labeler molecules, not only can the fluorescence image of the sample be observed with high spatial resolution, but also by adjusting the chemical groups of the side chains of the molecule, the biological sample can be analyzed. Since only a specific chemical tissue can be selectively stained, even the detailed chemical composition of the sample can be analyzed.
[0023]
In general, the double resonance absorption process occurs only when the two light wavelengths, polarization states, and the like satisfy specific conditions. Therefore, by using this, the structure of a molecule can be known in detail. 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 each of the two wavelengths of light and the orientation direction of molecules form a specific angle, the double resonance absorption process occurs. It happens strongly. Therefore, by simultaneously irradiating the sample with light of two wavelengths and rotating the polarization direction of each light, the extent of the disappearance of the fluorescence changes. Can also be obtained. This is also possible by adjusting the wavelengths of the two lights.
[0024]
As described above, according to the technique described in Patent Literature 3, it is understood that the technique has a high analysis capability in addition to the super-resolution. Further, by devising the irradiation timing of the two lights of the wavelength λ1 and the wavelength λ2, the S / N can be improved and the fluorescence can be suppressed effectively, and the super-resolution is more effectively exhibited. It is possible to do.
[0025]
As a specific example of such super-resolution microscopy, light of wavelength λ1 (particularly, laser light) that excites fluorescent labeler molecules from the S0 state to the S1 state is used as pump light, and wavelength λ2 that excites the S1 state to the S2 state is used. As shown in FIG. 9, pump light is emitted from a light source 81 and erase light is emitted from a light source 82, and the pump light is reflected by a dichroic mirror 83. The beam is condensed on the upper side, and the erase light is formed into a hollow beam by the phase plate 86, then transmitted through the dichroic mirror 83, spatially overlapped with the pump light, and condensed on the sample 85 by the annular optical system 84. The following has been proposed (for example, see Patent Document 4).
[0026]
According to this microscope, fluorescence other than near the optical axis where the intensity of the erase light becomes zero is suppressed, and as a result, a region narrower than the spread of the pump light (Δ <0.61 · λ1 / NA, NA Only the fluorescent labeler molecules present in the (numerical aperture of the optical system 84) are observed, and as a result, super-resolution is developed. As the phase plate 86 for converting the erase light into a hollow beam, for example, as shown in FIG. 10, a structure in which a phase difference π is provided at a point symmetric position with respect to the optical axis, or a liquid crystal surface is used. A liquid crystal spatial modulator can be used.
[0027]
[Patent Document 1]
JP-A-8-184552
[Patent Document 2]
JP 2001-100102 A
[Patent Document 3]
JP-A-11-95120
[Patent Document 4]
JP 2001-272345 A
[Non-patent document 1]
M. Fujii et. al. Chem. Phys. Lett. 171 (1990) 341
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventionally proposed super-resolution fluorescence microscope is excellent in various functions in observation performance. However, in such a microscope, two colors of laser light sources having different wavelengths are used, so that the light source requires further stability in order to sufficiently exhibit the performance of the microscope. That is, the degree of occurrence of the super-resolution phenomenon depends on how the erase light and the pump light are condensed and overlapped on the sample without displacement. In particular, when a pulsed laser is used as the light source, if the optical axis of the pump light and the optical axis of the erase light fluctuate independently for each laser shot, the area where fluorescence should not be suppressed originally This also suppresses the fluorescence from the light source, so that the resolution is not improved, but rather the fluorescence intensity is reduced and the image quality is degraded.
[0029]
Hereinafter, a case where the super-resolution fluorescence microscope is configured as shown in FIG. 11 will be described as an example. The super-resolution fluorescence microscope shown in FIG. 11 is disclosed in Patent Document 2 mentioned above, and observes a sample 100 stained with rhodamine 6G. In this microscope, a laser beam having a wavelength of 1064 nm emitted from a mode-locked Nd: YAG laser 101 is converted into a laser beam having a wavelength of 532 nm, which is a second harmonic, by a wavelength conversion element 102 made of beta barium borate (BBO) crystal. Then, the laser light is branched into two optical paths of transmitted light and reflected light by a half mirror 103, and the transmitted light is sequentially transmitted through dichroic mirrors 104 and 105 as pump light. Light is condensed on the sample 100 placed on the stage 107.
[0030]
The light reflected by the half mirror 103 is reflected by the reflection mirror 108 and then reflected by Ba (NO 3 ) 2 The laser light having a wavelength of 599 nm is converted into a laser beam having a wavelength of 599 nm by a Raman shifter 109 made of crystal, and the laser beam is reflected by a reflection mirror 110 as an erase light. It is arranged coaxially and condensed on the sample 100 by the objective lens 106 via the dichroic mirror 105.
[0031]
On the other hand, the fluorescence from the sample 100 is reflected by the dichroic mirror 105 via the objective lens 106, and then received by the photomultiplier 115 via the fluorescence condenser lens 112, the sharp cut filter 113, and the pinhole 114. . The pump light and the erase light projected on the sample 100 are received by the photomultiplier 116, and based on their outputs, the intensity of the laser light emitted from the Nd: YAG laser 101 is controlled so as to be constant. It has become.
[0032]
In the super-resolution fluorescence microscope having such a configuration, the following problem occurs particularly when the Nd: YAG laser 101 is pulse-oscillated.
1) The optical axis of the laser light fluctuates with each pulse oscillation.
2) Since the wavefront of the laser light is disturbed, it is difficult to apply the method to erase light on the premise of shape shaping by spatial modulation.
[0033]
In particular, regarding the above 1), if the laser light is guided along a long optical path, the optical axis of the laser light fluctuates even with fluctuations in the air, and the positional stability at the focal point further deteriorates. For this reason, in the worst case, the focusing area of the pump light and the focusing area of the erase light do not overlap, and the super-resolution effect may not appear at all.
[0034]
As a solution to the problem 1), it is conceivable to transmit a pulse laser beam using an optical fiber. However, in the case of a pulse laser, unlike a continuous wave laser, which is a so-called CW laser, although the time-average light intensity of the laser light is small, the pulse peak value may reach as much as megawatts. There are problems such as burning of the incident end face and generation of stimulated Raman light in the optical fiber. In particular, when stimulated Raman light is generated, the light becomes a background when observing a fluorescence signal from the sample, and the image quality of a microscope image is degraded.
[0035]
Accordingly, a main object of the present invention made in view of the above point is that a sample can be irradiated with the first light and the second light without causing a change in the optical axis while maintaining a good wavefront, and the sample is always stable. To provide a microscope capable of exhibiting a super-resolution phenomenon.
[0036]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a condensing optical system in which a first light from a first light source and a second light from a second light source are partially overlapped by an overlapping optical system. In a microscope that is condensed on a sample, and the optical response of the sample is detected by a photodetector,
The first light or the second light from at least one of the first light source and the second light source is guided to the superposition optical system as a uniform plane wave via an optical fiber optical system having an optical fiber and a collimator lens. It is characterized by having such a configuration.
[0037]
The invention according to claim 2 is the microscope according to claim 1, wherein at least one of the first light source and the second light source is a pulse light source.
[0038]
According to a third aspect of the present invention, in the microscope according to the first or second aspect, the wavelength of the first light is such that the molecules of the sample containing molecules having at least three electronic states including the ground state are converted to the ground state. Within the resonance absorption wavelength band for transitioning from to the first electronically excited state,
The wavelength of the second light is within a resonance absorption wavelength band that causes the molecule to transition from the first electronically excited state to another electronic state having a higher energy level.
[0039]
The invention according to claim 4 is the microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical fiber optical system is disposed between the optical fiber and the first light source or the second light source. Characterized in that it has a spatial filter described in the following.
[0040]
According to a fifth aspect of the present invention, in the microscope according to any one of the first to fourth aspects, the optical fiber optical system is arranged such that the first optical fiber is disposed between the optical fiber and the superposition optical system. It has a wavelength dispersion element that transmits light or second light.
[0041]
First, the principle of the present invention will be described. For example, as described in Suematsu and Iga: “Introduction to Optical Fiber Communication,” Ohmsha (1979), when light of a wavelength satisfying the conditions enters the single-mode optical fiber, the uniform The wavefront propagates, and a spherical wave whose wavefront is completely aligned is emitted from the emission end face. Therefore, if this light is collimated by, for example, a lens, parallel light having a uniform wavefront can be generated.If the parallel light having the uniform wavefront is formed into a hollow beam by a phase plate or a liquid crystal type spatial light modulator, It is possible to obtain an ideal hollow erase light. In addition, such an optical system using an optical fiber has a feature that fluctuation of the optical axis does not occur in principle if the emitting end of the optical fiber is mechanically fixed.
[0042]
However, for example, pulsed light emitted from a laser light source has a very poor spatial mode, does not have a so-called Gaussian profile with a uniform wavefront, and has various angles of divergence (divergence). Although it cannot be stopped down to the diffraction limit by light, it is common. For example, an optical fiber having a core diameter of about 5 μm corresponds to light having a wavelength of 600 nm. In this case, the focused diameter of the pulse light is much larger than the core diameter of the optical fiber.
[0043]
In super-resolution microscopy, in particular, it is preferable that the intensity of the erase light is large. However, in order to extract the erase light having a high intensity from the output end face of the energetic optical fiber, the laser light incident on the incident end face of the optical fiber is also increased. There is a need. At this time, light condensed on the incident end face at a shallow angle equal to or smaller than the critical angle can be extracted from the exit end face with an efficiency close to 100% although there is a small amount of attenuation. The light is scattered at the incident end face and cannot pass through the optical fiber. In addition, since this portion is always irradiated with strong light, damage due to burning occurs, and the entire incident end face of the optical fiber is burnt. This is because the higher-order modes that occupy most of the pulsed laser beam could not be confined within the core diameter of the optical fiber.
[0044]
Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, an optical fiber optical system is provided with a spatial filter, and laser light from a laser light source is incident on the optical fiber via the spatial filter. Specifically, as shown in FIG. 1, the spatial filter 1 includes a condenser lens 2, a pinhole 3, a collimator lens 4, and a condenser lens 5, and laser light from a laser light source is condensed by the condenser lens 2. After being condensed on the pinhole 3, the light diffracted by the pinhole 3 is collimated by the collimator lens 4, and is matched with the solid angle taken in by the single mode optical fiber 6. Again. The size of the pinhole 3 is set based on the size of the diffraction limit determined by the focal length of the condenser lens 2 and the beam diameter of the incident laser beam.
[0045]
This makes it possible to take in all the light condensed in the core of the optical fiber 6 and take it out as a spherical wave. In addition, since excess light that causes burning of the end face of the optical fiber is cut by the pinhole 3 of the spatial filter 1, the optical fiber 6 is not burned during the measurement, so that it cannot be used. Therefore, even if the intensity of the laser light itself is increased in order to extract the high-intensity light emitted from the optical fiber, the optical fiber 6 does not burn out.
[0046]
The stimulated Raman light generated in the optical fiber can be dealt with by applying a very simple filter optical system. For example, in the super-resolution fluorescence microscope described in Patent Document 4, a notch filter that cuts wavelength components of pump light and erase light is generally arranged in front of a detector that detects fluorescence from a sample. When stimulated Raman light is generated in the optical fiber, the notch filter is configured such that the emission spectrum band of the stimulated Raman light is located within the pass blocking wavelength band of the notch filter.
[0047]
Alternatively, an optical fiber optical system is configured by disposing a wavelength dispersion element that transmits pump light or erase light of a desired wavelength on the emission end side of the optical fiber. As the wavelength dispersion element, a narrow-band bandpass filter, an interference filter using a multilayer film, a diffraction grating, or the like can be used.
[0048]
In a preferred embodiment of the present invention, in order to more reliably cut the stimulated Raman light, the wavelength of the pump light or the erase light is centered as a wavelength dispersion element on the emission end face side of the optical fiber that transmits the pump light or the erase light. An optical fiber optical system is configured by arranging a band-pass filter having a narrow band having a wavelength, and the pump light or the erase light emitted from the optical fiber and transmitted through the band-pass filter is projected on the sample. Further, a notch filter having a pass blocking wavelength band wider than the pass wavelength band of the above band pass filter is arranged in front of the detector for receiving the light emitted from the sample, and the light transmitted through the notch filter is detected. To receive the light.
[0049]
In this way, not only stimulated Raman light generated in the optical fiber but also pump light and erase light can be reliably prevented from entering the detector, and only fluorescence from the sample can be received. The background can be reduced. As the notch filter disposed in front of the detector, for example, a dielectric multilayer mirror of a direct incidence design or the like can be used.
[0050]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the microscope according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0051]
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of the optical system of the microscope according to the embodiment of the present invention. The microscope according to the present embodiment is a laser scanning type super-resolution fluorescence microscope for observing a biological sample stained with rhodamine 6G.
[0052]
Here, Rhodamine 6G has the maximum absorption by excitation from the ground state (S0) to the first electronically excited state (S1) in the excitation wavelength band of 530 nm. Further, an absorption band capable of being excited from the first electronically excited state (S1) to a higher energy electronically excited state exists in a wavelength range of 600 to 650 nm.
[0053]
Therefore, in the present embodiment, a pulsed Nd: YAG laser 11 is used as a first light source, and its second harmonic (532 nm) is used as pump light (first light). The second light source is composed of a pulsed Nd: YAG laser 12 and Ba (NO 3 ) 2 A Raman shifter 13 made of a crystal, wherein the second harmonic of the pulsed Nd: YAG laser 12 is converted into a laser beam having a wavelength of 599 nm by the Raman shifter 13, and the laser beam having a wavelength of 599 nm is erased ( Second light).
[0054]
The pulse Nd: YAG lasers 11 and 12 can oscillate picosecond laser pulses at a repetition frequency on the order of MHz by adjusting the design parameters of the laser resonator. For example, the GE-100 series manufactured by Time-Bandwidth, Switzerland, can oscillate pulse light having a pulse width of 6 psec with an average output of 50 mW at a repetition frequency of 100 MHz as a standard specification. This corresponds to the energy of one pulse corresponding to 500 pJ. Also, the repetition frequency can be adjusted between 25 MHz and 1 GHz by changing the design of the resonator.
[0055]
The pump light from the pulsed Nd: YAG laser 11 passes through a pump light optical fiber optical system 15 and is incident on a beam combiner 16 composed of a cuvette type half mirror constituting a superposition optical system. The pumping optical fiber optical system 15 includes an optical coupling unit 21 having a spatial filter shown in FIG. 1, a polarization-maintaining single mode fiber 22, a collimator lens 23, and a narrow band having a central wavelength of 532 nm, which is a wavelength dispersion element. , And the pump light from the pulsed Nd: YAG laser 11 is made incident on the core of the polarization-maintaining single-mode fiber 22 via the optical coupling section 21 to be propagated. After the pump light emitted from the wavefront preserving single mode fiber 22 is shaped into parallel light by the collimator lens 23, the light is incident on the beam combiner 16 via the band pass filter 24. As the bandpass filter 24, a commercially available narrow band filter (for example, manufactured by Barr Associates Inc., USA) having a center wavelength of 532 nm and a pass wavelength bandwidth of 1 nm formed of a dielectric multilayer film can be used.
[0056]
As described above, when the pump light from the pulsed Nd: YAG laser 11 is made incident on the polarization-maintaining single-mode fiber 22 via the optical coupling section 21 having the spatial filter shown in FIG. Since only the component can be selected and incident on the polarization-maintaining single-mode fiber 22, the light emitted from the polarization-maintaining single-mode fiber 22 is converted into parallel light by the collimator lens 23, so that the pump light of the uniform plane wave is obtained. Can be obtained. Further, if the pump light from the collimator lens 23 is made incident on a narrow band band-pass filter 24 having a center wavelength of 532 nm, even if stimulated Raman light is generated in the Passage can be blocked by the pass filter 24, and pump light of a desired wavelength (532 nm) can be obtained.
[0057]
On the other hand, the erase light from the Raman shifter 13 is made incident on the phase plate 26 as shown in FIG. 10 through the optical fiber optical system 25 for erase light, where it is made into a hollow beam and made incident on the beam combiner 16 to be combined with the pump light. Synthesize coaxially. The optical fiber optical system 25 for the erase light, like the optical fiber optical system 15 for the pump light, includes an optical coupling section 27 having a spatial filter shown in FIG. 1, a polarization-maintaining single-mode fiber 28, and a collimator lens 29. A narrow band pass filter 30 having a center wavelength of 599 nm, which is a wavelength dispersing element, and the erase light from the Raman shifter 13 is applied to the core of the polarization-maintaining single mode fiber 28 via the optical coupling unit 27. The erase light emitted from the polarization-maintaining single-mode fiber 28 is shaped into a collimated beam by a collimator lens 29, and then enters the phase plate 26 via the band-pass filter 30. As the bandpass filter 30, a narrow band filter having a center wavelength of 599 nm and a pass wavelength bandwidth of 1 nm formed of, for example, a dielectric multilayer film is used.
[0058]
As described above, the erase light from the Raman shifter 13 is incident on the polarization-maintaining single-mode fiber 28 via the optical coupling unit 27 having the spatial filter shown in FIG. A uniform spherical wave erase light can be obtained by converting the light emitted from the polarization-maintaining single mode fiber 28 into a parallel light by the collimator lens 29. Further, by irradiating the erase light from the collimator lens 29 to the narrow-band bandpass filter 30 having a center wavelength of 599 nm, even if stimulated Raman light is generated in the polarization-maintaining single-mode fiber 28, it is transmitted to the bandpass filter. The passage of the light can be blocked by the filter 30, and the erase light of a desired wavelength (599 nm) can be obtained.
[0059]
The pump light and the erase light which are coaxially combined by the beam combiner 16 are transmitted through a beam separator 31 composed of a cuvette-type half mirror, and thereafter, are galvanomirrors 32 and 33 which can swing about axes orthogonal to each other. And sequentially condensed on the surface of the biological sample 35 stained with rhodamine 6G by the objective lens 34, and the condensing point is moved by swinging the galvanometer mirrors 32 and 33 to two-dimensionally scan the sample surface. . In FIG. 2, for simplification of the drawing, the galvanometer mirrors 32 and 33 are shown as swinging about axes parallel to each other.
[0060]
Also, the fluorescence emitted from the sample 35 by the irradiation of the pump light and the erase light is collimated by the objective lens 34, then follows a path opposite to the incident optical path, and enters the beam separator 31 through the galvanomirrors 33 and 32, The fluorescence reflected by the beam separator 31 is focused on a pinhole 37 by a focusing lens 36.
[0061]
The pinhole 37 is disposed at a confocal position with respect to the fluorescent light emitting point of the sample 35, and the fluorescence transmitted through the pinhole 37 is transmitted through the pump light cut notch filter 38 and the erase light cut notch filter 39, respectively. After removing the pump light and the erase light, the light is received by the photomultiplier tube 40 as a photodetector to obtain a fluorescence output signal. The fluorescence output signal is stored in a video frame memory of a computer (not shown) for controlling the microscope. Then, a two-dimensional fluorescence image of the sample 35 is displayed on a monitor (not shown) in real time. The galvanomirrors 32 and 33 swing in synchronization with the video rate of the fluorescent two-dimensional image displayed on the monitor.
[0062]
The pass blocking wavelength band of the pump light cut notch filter 38 is made wider than the pass wavelength band of the band pass filter 24 in the pump light optical fiber optical system 15. Similarly, the pass blocking wavelength band of the erase light cut notch filter 39 is set wider than the pass wavelength band of the band pass filter 30 in the optical fiber optical system 25 for erase light. The pump light cut notch filter 38 and the erase light cut notch filter 39 are a single commercially available filter (for example, manufactured by Barr Associates Inc., USA) that blocks passage of light in a wavelength band including the pump light and the erase light. Can also be configured.
[0063]
As described above, in the present embodiment, the pump light from the pulse Nd: YAG laser 11 is made incident on the beam combiner 16 via the optical fiber optical system 15 for pump light, and the erase light from the Raman shifter 13 is erased. The light is made to enter the phase plate 26 through the optical fiber optical system 25 for light, is made into a hollow beam here, and is made to enter the beam combiner 16 so as to be coaxially combined with the pump light. Can be overlapped on the surface of the sample without fluctuations of the sample, and the super-resolution effect can be reliably obtained. In addition, since the pulse Nd: YAG laser 11, the pulse Nd: YAG laser 12, and the Raman shifter 13 can be arranged separately from the optical bench having the objective lens 34, there is an advantage that the degree of freedom in designing a microscope can be increased.
[0064]
Further, in the optical fiber optical system 15 for pump light, a spatial filter is provided on the incident end face side of the polarization-maintaining single mode fiber 22, and the collimator lens 23 is provided on the output end face side. Not only can it be extracted and converted into a uniform plane wave, but also extra light that causes burns on the end face of the optical fiber can be cut. Similarly, in the optical fiber optical system 25 for erasing light, a spatial filter is provided on the incident end face side of the polarization-maintaining single mode fiber 28, and a collimator lens 29 is provided on the emitting end face side. Can be taken out and converted into a uniform plane wave, and excess light that causes burning of the end face of the optical fiber can be cut. Therefore, in particular, in the case of the erase light, the hollow beam can be accurately formed by the phase plate 26, the super-resolution can be reliably exhibited, and the intensity of the laser light itself is increased in order to extract the high-intensity erase light. Even so, the polarization-maintaining single-mode fiber 28 is not burned.
[0065]
Further, the optical fiber optical system 15 for pump light is provided with a narrow-band bandpass filter 24 on the emission end face side of the polarization-maintaining single mode fiber 22 so that only the pump light of a desired wavelength is transmitted. In the optical fiber optical system 25 for erasing light, a narrow-band bandpass filter 30 is provided on the emission end face side of the polarization-maintaining single mode fiber 28 so as to transmit only erasing light of a desired wavelength. Even if stimulated Raman light is generated in the wavefront preserving single mode fibers 22 and 28, it can be reliably prevented from passing through. Therefore, it is possible to prevent the stimulated Raman light from becoming a background when observing the fluorescence signal from the sample 35. Moreover, in the present embodiment, the pump light cut notch filter 38 having a pass blocking wavelength band wider than the pass wavelength band of the band pass filter 24 and the pass wavelength band of the band pass filter 30 are located ahead of the photomultiplier tube 40. Since the erase light cut notch filter 39 having a wide passband wavelength band is arranged, not only the stimulated Raman light generated in the polarization-maintaining single mode fibers 22 and 28 but also the pump light and the erase light are transmitted to the photomultiplier tube 40. Since it is possible to reliably prevent the incident light and to receive only the fluorescence from the sample 35, it is possible to obtain a microscope image with good image quality.
[0066]
It should be noted that the present invention is not limited only to the above-described embodiment, and various modifications or changes can be made. For example, when stimulated Raman light is generated in the polarization-maintaining single mode fibers 22 and 28, the emission spectrum band of the stimulated Raman light is within the pass blocking wavelength band of the pump light cut notch filter 38 and the erase light cut notch filter 39. , The bandpass filters 24 and 30 can be omitted. Further, the phase modulation element for shaping the erase light into a hollow beam is not limited to the above-described phase plate, and a liquid crystal spatial light modulator or other known elements can be used. Further, in the above embodiment, the pump light and the erase light are pulsed light, but the present invention can be effectively applied to a case where one or both of them are continuous waves.
[0067]
Additional items
1. The first light from the first light source and the second light from the second light source are partially overlapped by the superimposing optical system and condensed on the sample by the condensing optical system. In a microscope that detects with a photodetector,
The first light or the second light from at least one of the first light source and the second light source is guided to the superposition optical system as a uniform plane wave via an optical fiber optical system having an optical fiber and a collimator lens. A microscope characterized by having such a configuration.
2. 2. The microscope according to claim 1, wherein at least one of the first light source and the second light source is a pulse light source.
3. The wavelength of the first light is within a resonance absorption wavelength band that causes the molecules of the sample including molecules having at least three electronic states including the ground state to transition from the ground state to the first electronically excited state,
The wavelength of the second light is within a resonance absorption wavelength band that causes the molecule to transition from the first electronically excited state to another electronic state having a higher energy level. Microscope as described.
4. The microscope according to any one of additional items 1 to 3, wherein the optical fiber optical system includes a spatial filter disposed between the optical fiber and the first light source or the second light source. .
5. The optical fiber optical system further includes a wavelength dispersion element disposed between the optical fiber and the superposition optical system, the wavelength dispersive element transmitting the first light or the second light. The microscope according to any one of claims 1 to 4.
6. The notch filter according to claim 1, wherein a notch filter is disposed in front of the photodetector so as to allow light emitted by the optical response of the sample to pass therethrough and to prevent passage of the first light or the second light. The microscope according to any one of the preceding claims.
7. The optical fiber optical system has a wavelength dispersion element that transmits the first light or the second light disposed between the optical fiber and the superposition optical system, and is provided in front of the photodetector. A notch filter for passing light emitted by the optical response of the sample and blocking the passage of the first light or the second light, and setting a pass blocking wavelength band of the notch filter to a pass wavelength of the wavelength dispersive element. 5. The microscope according to any one of additional items 1 to 4, wherein the microscope is wider than the band.
8. 8. The microscope according to additional item 5 or 7, wherein the wavelength dispersion element includes a bandpass filter.
9. 8. The microscope according to claim 6, wherein the notch filter comprises a multilayer film wavelength dispersion element.
10. 8. The microscope according to claim 6, wherein the notch filter comprises a direct-incidence type multilayer film reflecting mirror.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least one of the first light from the first light source and the second light from the second light source passes through the optical fiber optical system having the optical fiber and the collimator lens. The first light and the second light are partially superimposed by a superimposing optical system, are converged on a sample by a condensing optical system, and the optical response of the sample is detected by a photodetector. Therefore, it is possible to irradiate the sample with the first light and the second light without changing the optical axis while maintaining a good wavefront, and it is possible to always exhibit the super-resolution phenomenon stably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a main configuration of an optical system of a microscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an electronic structure of a valence orbit of molecules constituting a sample.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a first electronically excited state of the molecule of FIG. 3;
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a second electronically excited state.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state of returning from a second electronically excited state to a ground state.
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process in a molecule.
FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an example of a conventional super-resolution microscope.
FIG. 10 is a plan view showing a configuration of a phase plate shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of another example of a conventional super-resolution microscope.
[Explanation of symbols]
1 Spatial filter
2 Condensing lens
3 Pinhole
4 Collimator lens
5 Condensing lens
6 Single mode optical fiber
11,12 pulse Nd: YAG laser
13 Raman shifter
15 Optical fiber optical system for pump light
16 Beam combiner
21,27 Optical coupling part
22,28 polarization-maintaining single-mode fiber
23, 29 Collimator lens
24, 30 bandpass filter
25 Optical fiber optical system for erase light
26 Phase plate
31 beam separator
32,33 Galvanometer mirror
34 Objective lens
35 samples
36 Condenser lens
37 Pinhole
38 Pump light cut notch filter
39 Erase light cut notch filter
40 Photomultiplier tube

Claims (5)

第1の光源からの第1の光と第2の光源からの第2の光とを、重ね合わせ光学系により一部分重ね合わせて集光光学系により試料に集光させて、上記試料の光応答を光検出器で検出するようにした顕微鏡において、
上記第1の光源または第2の光源の少なくとも一方からの上記第1の光または第2の光を、光ファイバおよびコリメータレンズを有する光ファイバ光学系を経て均一平面波として上記重ね合わせ光学系に導くよう構成したことを特徴とする顕微鏡。
The first light from the first light source and the second light from the second light source are partially overlapped by the superimposing optical system and condensed on the sample by the condensing optical system. In a microscope that detects with a photodetector,
The first light or the second light from at least one of the first light source and the second light source is guided to the superposition optical system as a uniform plane wave via an optical fiber optical system having an optical fiber and a collimator lens. A microscope characterized by having such a configuration.
上記第1の光源または第2の光源の少なくとも一方がパルス光源であることを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。The microscope according to claim 1, wherein at least one of the first light source and the second light source is a pulse light source. 上記第1の光の波長は、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を含む試料の上記分子を、基底状態から第1電子励起状態へ遷移させる共鳴吸収波長帯域内にあり、
上記第2の光の波長は、上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い他の電子状態へ遷移させる共鳴吸収波長帯域内にあることを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡。
The wavelength of the first light is within a resonance absorption wavelength band that causes the molecules of the sample including molecules having at least three electronic states including the ground state to transition from the ground state to the first electronically excited state,
The wavelength of the second light is within a resonance absorption wavelength band that causes the molecule to transition from the first electronically excited state to another electronic state having a higher energy level. Microscope as described.
上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記第1の光源または第2の光源との間に配置した空間フィルタを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の顕微鏡。The microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical fiber optical system includes a spatial filter disposed between the optical fiber and the first light source or the second light source. . 上記光ファイバ光学系は、上記光ファイバと上記重ね合わせ光学系との間に配置した上記第1の光または第2の光を透過する波長分散素子を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の顕微鏡。5. The optical fiber optical system according to claim 1, further comprising a wavelength dispersive element that transmits the first light or the second light disposed between the optical fiber and the superposition optical system. The microscope according to any one of claims 1 to 4.
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