JP2006058477A - Ultra-high resolution microscope - Google Patents
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Abstract
Description
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超解像顕微鏡、より詳しくは、ある波長の1色目の光を試料に照射して、その試料内の分子を基底状態から別の量子状態に遷移させ、さらに1色目の波長と異なる2色目の光を試料に照射して、試料が発する各種光応答を観測する光学顕微鏡に関するものである。 The present invention relates to a microscope, particularly a high-performance, high-performance super-resolution microscope that obtains high spatial resolution by illuminating a stained sample with light of a plurality of wavelengths from a highly functional laser light source. The sample is irradiated with light of the first color of wavelength, the molecules in the sample are transitioned from the ground state to another quantum state, and the sample is irradiated with light of the second color different from the wavelength of the first color. The present invention relates to an optical microscope for observing various optical responses.
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、さらに高機能の顕微鏡システムが開発されている。 Optical microscope technology is old and various types of microscopes have been developed. In recent years, more advanced microscope systems have been developed due to advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology.
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)。 Against this background, we propose a highly functional microscope that not only controls the contrast of the resulting image but also enables chemical analysis using the double resonance absorption process that occurs when the sample is illuminated with light of multiple wavelengths. (For example, refer to Patent Document 1).
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て、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16〜図19を参照して説明する。図16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16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17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18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19に示すように基底状態に戻る。 This microscope selects a specific molecule using double resonance absorption and observes absorption and fluorescence caused by a specific optical transition. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 16 shows the electronic structure of the valence orbital of the molecules constituting the sample. First, the electrons in the valence orbital of the molecule in the ground state (S 0 state) shown in FIG. 16 are excited by light of wavelength λ1. to, the first electronic excited state shown in FIG. 17 (S 1 state). Next, similarly excited by the light of another wavelength .lambda.2, and second electronic excited state shown in FIG. 18 (S 2 state). In this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence and returns to the ground state as shown in FIG.
二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、図17の吸収過程や図19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17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 the microscopy using the double resonance absorption process, an absorption image and a light emission image are observed using the absorption process of FIG. 17 and the fluorescence and phosphorescence emission of FIG. In this microscope method, first, the molecules constituting the sample are excited to the S 1 state by laser light or the like with the light having the resonance wavelength λ1, as shown in FIG. 17. At this time, the number of molecules in the S 1 state within the unit volume is excited. Increases as the intensity of the irradiated light increases.
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18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。 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. 18, the linear absorption for the resonance wavelength λ2 that is subsequently irradiated. The coefficient depends on the intensity of the light having the wavelength λ1 irradiated first. That is, the linear absorption coefficient with respect to the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light with the wavelength λ1. This indicates that the contrast of the transmitted image can be completely controlled by the light of the wavelength λ1 when the sample is irradiated with the light of the two wavelengths of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 and a transmission image by the wavelength λ2 is taken.
また、図18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も画像コントラストの制御が可能となる。 When the deexcitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state of FIG. 18 is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S 1 state. Therefore, image contrast can be controlled even when used as a fluorescence microscope.
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16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。 Furthermore, the microscope method using a double resonance absorption process enables not only the above-described image contrast control but also chemical analysis. That is, since the outermost shell valence electron orbit shown in FIG. 16 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 differs depending on the molecule, and the wavelength λ2 is also unique to the molecule.
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。 Here, even when illuminating with a conventional single wavelength, it is possible to observe an absorption image or fluorescence image of a specific molecule to some extent, but generally the wavelength regions of absorption bands of several molecules overlap. It is impossible to accurately identify the chemical composition of the sample.
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 microscope method using the double resonance absorption process, the molecules that absorb or emit light are limited by the two wavelengths of λ1 and λ2, so that the chemical composition of the sample can be identified more accurately than the conventional method. Become. In addition, when valence electrons are excited, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization direction of the wavelengths λ1 and λ2 is determined and an absorption or fluorescence image is taken, the same Even molecules can be used to identify the orientation direction.
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)。 Recently, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit using a double resonance absorption process has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).
図20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、さらに波長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20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. 20 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule. A molecule in the ground state S 0 is excited by light having a wavelength λ1 to S 1 which is a first electronically excited state, and is further excited by light having a wavelength λ2. shows a state that is excited to S 2 is an electron excited state. FIG. 20 shows that the fluorescence from S 2 of certain molecules is extremely weak.
図20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21は、図20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. 20, a very interesting phenomenon occurs. Figure 21 is a conceptual diagram of a likewise double resonance absorption process and FIG. 20, X-axis of abscissa represents the spread of spatial distance, the light of the spatial region A 1 and the wavelength λ2 was irradiated with light of wavelength λ2 irradiated shows a spatial region a 0 which is not.
図21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では完全に蛍光自体が抑制され(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。 In Figure 21, the molecules of S 1 state is generated number by the excitation light in the spatial domain A 0 the wavelength .lambda.1, fluorescence is observed to emit light at a wavelength λ3 from the spatial region A 0 at that time. However, the spatial area A 1, since irradiated with light of wavelength .lambda.2, most molecules of S 1 state immediately be excited to higher S 2 state, molecules of S 1 state is no longer present. Such a phenomenon has been confirmed by several molecules. Thus, the spatial region A 1, the fluorescence of the wavelength λ3 is completely eliminated, and since the fluorescent is not originally from S 2 state, the spatial area A 1 fully fluorescence itself is suppressed (fluorescence suppression effect), the spatial region It will be emitted only fluorescence from the a 0.
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。 This is extremely important when considered from the field of application of a microscope. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, a laser beam is condensed on a micro beam by a condensing lens and scanned on an observation sample. The size of the micro beam at that time depends on the numerical aperture and wavelength of the condensing lens. The diffraction limit is determined by, and in principle, no further spatial resolution can be expected.
ところが、図21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。以下、波長λ1の光をポンプ光、波長λ2の光をイレース光と呼ぶ。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、例えば超解像蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。 However, in the case of FIG. 21, two types of light of wavelength λ1 and wavelength λ2 are superposed spatially and the fluorescent region is suppressed by irradiation with light of wavelength λ2, for example, the light of wavelength λ1. Focusing on the irradiation region, the fluorescent region 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. Hereinafter, the light of wavelength λ1 is called pump light, and the light of wavelength λ2 is called erase light. Therefore, by utilizing this principle, it becomes possible to realize a super-resolution microscope using a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit, for example, a super-resolution fluorescence microscope.
図22は、従来提案されている超解像顕微鏡の光学系の要部構成図である。この超解像顕微鏡は、通常のレーザ走査型蛍光顕微鏡を前提としたもので、主に3つの独立したユニット、すなわち、光源ユニット110、スキャンユニット130および顕微鏡ユニット150からなっている。
FIG. 22 is a configuration diagram of a main part of an optical system of a conventionally proposed super-resolution microscope. This super-resolution microscope is premised on a normal laser scanning fluorescence microscope, and mainly includes three independent units, that is, a light source unit 110, a
光源ユニット110は、例えば波長532nmのコヒーレント光であるポンプ光を出射するLD励起型モードロックNd:YAGレーザ111と、波長647nmのコヒーレント光であるイレース光を出射するKrレーザ112と、イレース光空間変調用の位相板113と、イレース光およびポンプ光を融合させるためのビームコンバイナ114とを有している。位相板113は、図23に示すように、光軸対称の位置で通過したイレース光の位相が反転するように調整された光学薄膜が蒸着されている。図23では、光軸の周りに独立した4領域を有し、イレース光波長に対して4分1ずつ位相が異なっている。この位相板113を通過した光を集光すれば、光軸上で電場が相殺され中空状のイレース光が生成される。
The light source unit 110 includes, for example, an LD-excited mode-locked Nd:
スキャンユニット130は、光源ユニット110から出射される同じ光学軸を共有するポンプ光とイレース光とを、ハーフミラー131を通過させた後、2枚のガルバノミラー132および133により2次元方向に揺動走査して、後述の顕微鏡ユニット150に出射するようになっていると共に、顕微鏡ユニット150で検出された蛍光を、往路と逆の経路を辿ってハーフミラー131で分岐し、その分岐された蛍光を投影レンズ134、ピンホール135、ノッチフィルタ136および137を経て光電子増倍管138で受光するようになっている。図22では、図面を簡略化するため、ガルバノミラー132,133を同一平面内で揺動可能に示している。なお、ノッチフィルタ136および137は、蛍光に混入したポンプ光およびイレース光を除去するものである。また、ピンホール135は、共焦点光学系を成す重要な光学素子で、観察試料内の特定の断層面で発光した蛍光のみを通過させるものである。
The
顕微鏡ユニット150は、いわゆる通常の蛍光顕微鏡で、スキャンユニット130から入射するポンプ光およびイレース光をハーフミラー151で反射させて、対物レンズ152により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観察試料153上に集光させると共に、観察試料153で発光した蛍光を、再び対物レンズ152でコリメートしてハーフミラー151で反射させることにより、再び、スキャンユニット130に戻すと同時に、ハーフミラー151を通過する蛍光の一部を接眼レンズ154に導いて、蛍光像として目視観察できるようになっている。
The
この超解像蛍光顕微鏡によると、観察試料153の集光点上においてイレース光の強度がゼロとなる光軸近傍以外の蛍光が抑制されて、結果的にポンプ光の広がりより狭い領域(Δ<0.61・λ1/NA、NAは対物レンズ152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。したがって、ポンプ光およびイレース光をスキャンユニット130で走査しながら蛍光信号を測定すれば、超解像の2次元蛍光像を得ることができる。
ところが、従来提案されている超解像蛍光顕微鏡にあっては、特に、ポンプ光とイレース光との光学調整に関して、以下に説明するような問題がある。 However, the conventionally proposed super-resolution fluorescence microscope has the following problems, particularly regarding the optical adjustment of the pump light and the erase light.
すなわち、通常のレーザ走査型顕微鏡では、単一波長のレーザ光を、システムの光軸を目安に合わせ込めばよいが、超解像蛍光顕微鏡では、対物レンズの結像面においてポンプ光の中心部とイレース光の中心部とを合わせることで、集光したポンプ光の辺縁部の蛍光を消去することが最大のキーテクノロジーであり、もし、ポンプ光およびイレース光の集光位置がずれると、ポンプ光の中央部の蛍光も消去してしまい、結果として全体の蛍光強度が低下するだけで、空間分解能は一向に向上せず、S/Nだけが悪くなるという極めて好ましくない状況になる。 In other words, in a normal laser scanning microscope, it is sufficient to align a single wavelength laser beam with the optical axis of the system as a guide, but in a super-resolution fluorescence microscope, the central portion of the pump light on the imaging plane of the objective lens The key technology is to erase the fluorescence at the edge of the collected pump light by combining the center of the erase light with the center of the erase light. The fluorescence at the central portion of the pump light is also erased, and as a result, the overall fluorescence intensity is lowered. As a result, the spatial resolution is not improved at all, and only the S / N is deteriorated.
そこで、従来の超解像蛍光顕微鏡では、ポンプ光とイレース光とを独立の光学系で個別に調整して、ポンプ光およびイレース光の集光位置を対物レンズの焦点に正確に合わせるようにしている。 Therefore, in the conventional super-resolution fluorescence microscope, the pump light and the erase light are individually adjusted by an independent optical system so that the condensed positions of the pump light and the erase light are accurately adjusted to the focus of the objective lens. Yes.
しかし、ポンプ光およびイレース光を回折限界まで絞り込んだサイズは、数100nmで、その位置合わせ精度は、少なくとも100nmのオーダーを上回ことになるため、ポンプ光およびイレース光の集光位置を個別に調整して対物レンズの焦点に正確に合わせることは極めて困難である。 However, the size of the pump light and the erase light that are narrowed down to the diffraction limit is several hundred nm, and the alignment accuracy exceeds the order of at least 100 nm. It is extremely difficult to adjust and accurately adjust the focus of the objective lens.
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、ポンプ光とイレース光との光学調整を簡単かつ正確に行うことができ、超解像効果を確実に発現できる超解像顕微鏡を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of such circumstances is to provide a super-resolution microscope that can easily and accurately perform optical adjustment of pump light and erase light and that can reliably exhibit a super-resolution effect. There is.
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を含む試料に対して、上記分子を基底状態から第1電子励起状態に励起するポンプ光を出射するポンプ光光源と、
上記分子を上記第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態に励起するイレース光を出射するイレース光光源と、
上記ポンプ光と上記イレース光とを一部重ね合わせて上記試料に集光する光学系と、
上記光学系により集光される光と上記試料とを相対的に移動させて上記試料を走査する走査手段と、
上記光学系からの光照射により上記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段とを有する超解像顕微鏡において、
上記ポンプ光光源から出射されるポンプ光と、上記イレース光光源から出射されるイレース光とを同軸上に結合する光ファイバを有することを特徴とするものである。
The invention according to
An erase light source that emits erase light for exciting the molecule from the first electronic excited state to a second electronic excited state having a higher energy level;
An optical system that partially superimposes the pump light and the erase light and collects the light on the sample;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the light collected by the optical system and the sample;
In a super-resolution microscope having detection means for detecting a light response signal generated from the sample by light irradiation from the optical system,
It has an optical fiber which coaxially couples the pump light emitted from the pump light source and the erase light emitted from the erase light source.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の超解像顕微鏡において、上記光ファイバは、上記イレース光に対してシングルモードが励磁できるコア径を有することを特徴とするものである。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の超解像顕微鏡において、上記ポンプ光光源から出射されるポンプ光および上記イレース光光源から出射されるイレース光を、それぞれ強度変調する独立した強度変調手段を有することを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the super-resolution microscope according to
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の超解像顕微鏡において、上記強度変調手段は、電気光学変調素子または音響光変調素子を有することを特徴とするものである。 The invention according to claim 4 is the super-resolution microscope according to claim 3, wherein the intensity modulation means includes an electro-optic modulation element or an acousto-optic modulation element.
請求項5に係る発明は、請求項3または4に記載の超解像顕微鏡において、上記ポンプ光の強度変調手段と上記イレース光の強度変調手段とが、独立して制御されることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項6に係る発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記光ファイバから出射されるポンプ光およびイレース光を、上記光学系の有効瞳径のサイズに平行光とするコリメータレンズを有することを特徴とするものである。
The invention according to
請求項7に係る発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記ポンプ光光源から出射されるポンプ光および上記イレース光光源から出射されるイレース光を、独立して光軸調整する偏向手段を有することを特徴とするものである。
The invention according to claim 7 is the super-resolution microscope according to any one of
請求項8に係る発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記光ファイバから出射されるポンプ光を透過してイレース光を反射する分光領域と、ポンプ光を反射してイレース光を透過する分光領域とを、空間的に独立して設けた分光素子を有することを特徴とするものである。
The invention according to
請求項9に係る発明は、請求項1〜8のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記光ファイバから出射されるイレース光を空間変調する空間変調手段を有することを特徴とするものである。 A ninth aspect of the present invention is the super-resolution microscope according to any one of the first to eighth aspects, further comprising spatial modulation means for spatially modulating the erase light emitted from the optical fiber. Is.
請求項10に係る発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記光ファイバから出射されるポンプ光を透過してイレース光を反射する分光領域と、ポンプ光を反射してイレース光を透過する分光領域とを、空間的に独立して設けた分光素子を有すると共に、上記光ファイバから出射されるイレース光を空間変調する空間変調手段を有し、
上記分光素子は、上記光学系の有効瞳面内で光軸対称な分光特性を有しており、上記空間変調手段および上記分光素子の光軸中心が一致していることを特徴とするものである。
The invention according to claim 10 is the super-resolution microscope according to any one of
The spectral element has spectral characteristics that are symmetric with respect to the optical axis within the effective pupil plane of the optical system, and the optical axis centers of the spatial modulation means and the spectral element coincide with each other. is there.
請求項11に係る発明は、請求項8または10に記載の超解像顕微鏡において、上記分光素子の分光領域は、光軸に対して同心円状に分割されていることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項12に係る発明は、請求項8、10または11に記載の超解像顕微鏡において、上記分光素子は、光学多層膜からなることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項13に係る発明は、請求項9または10に記載の超解像顕微鏡において、上記空間変調手段は、イレース光に対して透明な光学基板にエッチングまたは光学薄膜をコートして構成されていることを特徴とするものである。 A thirteenth aspect of the present invention is the super-resolution microscope according to the ninth or tenth aspect, wherein the spatial modulation means is formed by coating an optical substrate that is transparent to erase light or coating an optical thin film. It is characterized by this.
請求項14に係る発明は、請求項10に記載の超解像顕微鏡において、上記分光素子および上記空間変調手段は、同一の基板に形成されていることを特徴とするものである。 The invention according to claim 14 is the super-resolution microscope according to claim 10, wherein the spectral element and the spatial modulation means are formed on the same substrate.
請求項15に係る発明は、請求項14に記載の超解像顕微鏡において、上記基板の一方の表面に上記分光素子が形成され、他方の表面に上記空間変調手段が形成されていることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項16に係る発明は、請求項1〜15のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記ポンプ光光源から出射されるポンプ光および上記イレース光光源から出射されるイレース光は、それぞれ波長が固定であることを特徴とするものである。
The invention according to claim 16 is the super-resolution microscope according to any one of
請求項17に係る発明は、請求項1〜16のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記ポンプ光光源および上記イレース光光源は、それぞれガスレーザ、イオンレーザあるいは固体レーザのいずれかであることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項18に係る発明は、請求項1〜17のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡において、上記ポンプ光光源および上記イレース光光源は、それぞれ連続発振レーザであることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項19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を含む試料に対して、上記分子を基底状態から第1電子励起状態に励起する第1のコヒーレント光を出射する第1の光源と、
上記分子を上記第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態に励起する第2のコヒーレント光を出射する第2の光源と、
上記第1のコヒーレント光と上記第2のコヒーレント光とを一部重ね合わせて上記試料に集光する光学系と、
上記光学系により集光される光と上記試料とを相対的に移動させて上記試料を走査する走査手段と、
上記光学系からの光照射により上記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段とを有する超解像顕微鏡において、
上記第1の光源から出射される第1のコヒーレント光と、上記第2の光源から出射される第2のコヒーレント光とを同軸上に結合する光ファイバを有することを特徴とするものである。
The invention according to Claim 19 emits first coherent light that excites the molecule from the ground state to the first electronically excited state with respect to a sample containing molecules having at least three electronic states including the ground state. 1 light source,
A second light source that emits second coherent light that excites the molecule from the first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system that partially superimposes the first coherent light and the second coherent light and focuses the light on the sample;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the light collected by the optical system and the sample;
In a super-resolution microscope having detection means for detecting a light response signal generated from the sample by light irradiation from the optical system,
An optical fiber that coaxially couples the first coherent light emitted from the first light source and the second coherent light emitted from the second light source is provided.
以下、本発明の超解像顕微鏡における特徴的構成について、図1を参照して説明する。図1は、超解像顕微鏡の光源ユニットの構成を示すもので、第1の光源であるポンプ光光源1からの第1のコヒーレント光であるポンプ光、および第2の光源であるイレース光光源2からの第2のコヒーレント光であるイレース光は、それぞれ強度変調手段3および4で強度変調されて擬似パルス化された後、光ファイバである分岐ファイバ5の2つの入射端から入射されて、1つの出射端から光結合されて出射される。この分岐ファイバ5で光結合されて出射されるポンプ光およびイレース光は、コリメータレンズ6で平行ビームにされた後、分光素子8および空間変調手段9を経てイレース光のみが空間変調されて、図22で示したようにスキャンユニットを経て顕微鏡ユニットに導かれて観察試料に照射される。
The characteristic configuration of the super-resolution microscope of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 shows a configuration of a light source unit of a super-resolution microscope. Pump light that is first coherent light from a pump
ここで、本発明の超解像顕微鏡における第1の特徴的構成は、分岐ファイバ5からなる光ファイバを具える点にある。具体的には、分岐ファイバ5として、イレース光波長に対してシングルモードのみを励磁ができる、所謂シングルモードファイバを用いて、この分岐ファイバ5の2つの入射端にイレース光およびポンプ光を光学的に導入して光結合する。すなわち、この分岐ファイバ5は、イレース光に対してシングルモードのみを励磁できるように、コア径が設定されている。したがって、分岐ファイバ5から出射されるイレース光は、完全に球面波となる。これに対し、ポンプ光は、高次のモードが励磁される可能性もあるが、一般に、超解像顕微鏡の場合には、蛍光光励起用のポンプ光の波長が、イレース光の波長よりも若干(1割から2割)短い程度であるので、高次のモード成分は極め少なく、分岐ファイバ5から出射されるポンプ光も、ほぼ球面波と見なすことができる。
Here, the first characteristic configuration in the super-resolution microscope of the present invention is that an optical fiber including the
したがって、分岐ファイバ5から光結合されて出射されるイレース光およびポンプ光を、色収差の無い同じコリメータレンズ6で平行ビームにすれば、それらの光は光軸が完全に同軸に調整された完全な均一波面を有するものとなる。しかも、この平行ビームを、顕微鏡対物レンズで集光すれば、ポンプ光とイレース光との集光点をミクロンメータ領域で3次元空間の一点に完全に一致させることができる。このように、分岐ファイバ5を用いることで、従来のようにポンプ光とイレース光とを独立の光学系で個別に調整する場合に比べて、ポンプ光とイレース光との光学調整を簡単かつ正確に行うことができ、超解像効果を確実に発現することが可能となる。
Therefore, if the erase light and the pump light which are optically coupled from the
次に、本発明の超解像顕微鏡における第2の特徴的構成は、分光素子8とイレース光に関する空間変調手段9とを具える点にある。すなわち、本発明では、前述のような分岐ファイバ5の使用を前提としているので、同軸となったイレース光およびポンプ光のうちイレース光のみを空間変調する必要ある。具体的には、イレース光により蛍光領域を効果的に消去し、空間分解能を向上させるために、中空状のビームに整形する必要がある。その一方で、ポンプ光に関しては、ビーム整形を受けず、試料面で1点に集光することが不可欠である。
Next, the second characteristic configuration of the super-resolution microscope of the present invention is that it comprises a
分光素子8は、例えば図2に示すように構成され、空間変調手段9は、例えば図3に示すように構成される。図2に示す分光素子8は、少なくとも平面基板に異なる分光特性をもつ2つの領域8A,8Bを有しており、領域8Aはポンプ光を透過せず、イレース光のみを透過させ、領域8Bは、反対にポンプ光を透過させて、イレース光は透過させない分光特性を有している。これらの領域8A,8B、具体的には、光学多層膜で形成される。
The
このように分光素子8を構成すると、例えば、領域8Aでは、ポンプ光が直入射の条件で干渉により反射され、イレース光は干渉条件を満たさず透過することになる。また、領域8Bでは、イレース光が直入射の条件で干渉により反射され、ポンプ光は干渉条件を満たさず透過することになる。例えば、図2に示すように、領域8A,8Bを同心円状にパターン化し、同軸のポンプ光とイレース光とを透過させると、イレース光は中央部の円形の領域8Aを通過し、ポンプ光は外側の輪帯状の領域8Bを通過する。したがって、この分光素子8の後段に、図3に示すように、イレース光と同じビーム径を有し、光軸の周りにイレース光波長に対してπ/2ずつ位相差を与える独立した4領域を有する位相板からなる空間変調手段9を配置してイレース光を空間変調すれば、外側のポンプ光を空間変調することなく、イレース光のみをビーム整形することができる。
When the
一方、ポンプ光は、輪帯状のビームであるが、これを顕微鏡対物レンズで集光すると、x−y結像面における波長λのポンプの強度プロファイルは、ベッセルの1次関数J1(z)を用いて下記のように表される。 On the other hand, the pump light is a ring-shaped beam. When this light is condensed by a microscope objective lens, the intensity profile of the pump of wavelength λ on the xy imaging plane is a Bessel linear function J 1 (z). Is expressed as follows.
ここで、ρは、図4に示すように、ポンプ光の瞳面動径方向における輪帯部の遮光率を示し、輪帯瞳の内径(半径)をr、外径(半径)をRとするとき、ρ=r/R、で表される。 Here, as shown in FIG. 4, ρ indicates the light shielding rate of the annular zone in the pupil surface radial direction of the pump light, the inner diameter (radius) of the annular zone pupil is r, and the outer diameter (radius) is R. Is represented by ρ = r / R.
図5は、顕微鏡対物レンズによるポンプ光の結像面における強度プロファイルを示すもので、太線は輪帯状のビームの強度プロファイルを示し、細線は通常の円状のビームにおける強度プロファイルを示している。図5から明らかなように、輪帯状のポンプ光は、多少サイドローブに弱いピークをもつが、通常の円状のビームとは異なり、光軸中央で強いピークをもつ。したがって、このようなポンプ光を試料面に集光させると、蛍光を発するポンプ光辺縁部にて蛍光が抑制されるため、蛍光スポットはポンプ光の回折限界以下のサイズ、すなわち超解像サイズになる。このように工夫された分光素子8と空間変調手段9とを用いることで、ポンプ光とイレース光とを完全同軸で光学調整できるので、従来の超解像顕微鏡と比較すると格段にシステム調整作業が容易になる。
FIG. 5 shows an intensity profile on the imaging surface of the pump light by the microscope objective lens. A thick line indicates an intensity profile of a ring-shaped beam, and a thin line indicates an intensity profile of a normal circular beam. As apparent from FIG. 5, the annular pump light has a weak peak in the side lobe, but has a strong peak in the center of the optical axis, unlike a normal circular beam. Therefore, when such pump light is condensed on the sample surface, the fluorescence is suppressed at the periphery of the pump light that emits fluorescence, so the fluorescent spot is the size below the diffraction limit of the pump light, that is, the super-resolution size. become. By using the
さらに、本発明の超解像顕微鏡における第3の特徴的構成は、ポンプ光光源1からのポンプ光およびイレース光光源2からのイレース光を、それぞれ強度変調して擬似パルス化する強度変調手段3および4を具える点にある。すなわち、従来は、ポンプ光光源1およびイレース光光源2として、パルスレーザ等を用いたが、本発明では、発振が安定な例えばイオンレーザやガスレーザあるいは固体レーザ等の連続発振(CW)レーザを用い、そのレーザ光を音響光学素子や電気光学素子を有する強度変調手段により強度変調して疑似パルス化する。
Further, the third characteristic configuration of the super-resolution microscope of the present invention is an intensity modulation means 3 for modulating the intensity of the pump light from the pump
ここで、音響光学素子とは、音波が光に及ぼす効果(例えば、偏向、回折、変調、位相シフト、周波数シフト、複屈折など)を利用したものである。この音響光学素子では、音波により光学的な屈折率を音速の周期で変動させ、その際に音と光の波長によって、以下の3種類の効果が現れる。 Here, the acousto-optic device uses an effect (for example, deflection, diffraction, modulation, phase shift, frequency shift, birefringence, etc.) exerted by sound waves on light. In this acousto-optic device, the optical refractive index is fluctuated with a sound wave in a period of sound speed, and the following three types of effects appear depending on the wavelengths of sound and light.
1)音の波長が長いときは、十分に細い光束を音の進行方向と直角方向に通すと、屈折率勾配が生じて光線が湾曲し、音の周波数で光線が偏向走査される。
2)音の波長が短くなると、音波は光束に対して回折格子として作用する。
3)音の波長が更に短くなって、光の波長オーダになると、垂直入射では回折が生じなくなり、特定の入射角において強いブラッグ回折を起す。
1) When the wavelength of the sound is long, if a sufficiently thin light beam is passed in a direction perpendicular to the traveling direction of the sound, a refractive index gradient is generated, the light beam is bent, and the light beam is deflected and scanned at the sound frequency.
2) When the wavelength of the sound is shortened, the sound wave acts as a diffraction grating for the light beam.
3) When the wavelength of the sound is further shortened to the light wavelength order, diffraction does not occur at normal incidence, and strong Bragg diffraction occurs at a specific incident angle.
周波数fの音波によるm次の回折光は、ドプラー効果によりmfだけ、その周波数をずらす。また、その回折角θmは、光の波長をλ、音波の波長をΛとすると、sinθm=mλ/Λ、で与えられる。 The m-th order diffracted light by the sound wave of frequency f shifts the frequency by mf due to the Doppler effect. The diffraction angle θm is given by sin θm = mλ / Λ, where λ is the wavelength of light and Λ is the wavelength of the sound wave.
レーザ光偏向や変調に用いる音響光学変調器は、この効果を応用したもので、図6はその原理的構成を示している。図6に示すように、音響光学変調器11は、音響光学素子12に圧電素子13を接着して構成され、圧電素子13により超音波を発生させて音響光学素子12を伝播させ、その状態で音響光学素子12に光を入射させることにより、入射光を回折させるもので、図6はブラッグ反射による回折を示している。この音響光学変調器11は、音響光学素子12として、例えばPbMoO4やTeO2結晶を用いれば、10MHz帯域まで変調が可能である。
The acousto-optic modulator used for laser light deflection and modulation applies this effect, and FIG. 6 shows its principle configuration. As shown in FIG. 6, the
また、電気光学素子は、物質に外部から電場を印加したときに、その物質の屈折率が変化する現象を利用したもので、その際の屈折率の変化が印加電場に比例する場合をポッケルス効果と言われている。圧電結晶では、印加電場の周波数が圧電共鳴周波数より小さいときは、圧電効果による結晶の弾性変形が印加電場の変化に追従して、弾性変形による屈折率の変化が同時に起きる。一方、周波数が高い場合には、圧電結晶の弾性変形が追従できず、この場合を束縛状態の電気光学効果と呼ばれる。この電気光学効果は、光の強度変調に応用できる。 The electro-optic element utilizes the phenomenon that the refractive index of the material changes when an electric field is applied to the material from the outside. The Pockels effect is used when the change in refractive index is proportional to the applied electric field. It is said. In the piezoelectric crystal, when the frequency of the applied electric field is smaller than the piezoelectric resonance frequency, the elastic deformation of the crystal due to the piezoelectric effect follows the change in the applied electric field, and the refractive index changes due to the elastic deformation simultaneously. On the other hand, when the frequency is high, the elastic deformation of the piezoelectric crystal cannot follow, and this case is called a bound electro-optic effect. This electro-optical effect can be applied to intensity modulation of light.
図7は、電気光学素子を用いた電気光学変調器の原理的構成を示すものである。この電気光学変調器15は、ポッケルス効果を利用したポッケルスセルで、光の入射側から出射側に向けて順次に配置された偏光子16、電気光学素子17、1/4波長板18、および検光子19を有しており、偏光子16と検光子19とは偏光軸が直交している。電気光学素子17は、KDP(リン酸二水化カリウム)等のポッケルス効果の大きい圧電結晶を用い、この圧電結晶に電極(図示せず)を介して電源20を選択的に接続することにより電場を印加する。電源20の接続方法すなわち電場の印加方法には、光の進行方向と直角方向に印加する横型光強度変調法と、平行に電場を印加する縦型光変調方法とがある。図7は、縦型光変調方法の場合を示しており、この場合には電気光学素子17の入射端面および出射端面に、光路を遮らないように、リング状の電極や透明電極を設けて電源20を選択的に接続するようにしている。
FIG. 7 shows a principle configuration of an electro-optic modulator using an electro-optic element. The electro-
図7に示す電気光学変調器15において、電気光学素子17の圧電結晶が一軸性結晶の場合には、電源20により光軸方向に電場を印加すると複屈折を生じ、偏光子16を経て電気光学素子17に入射した直線偏光は楕円偏光に変換されて、1/4波長板18を経て検光子19に入射し、検光子19の偏光軸方向の成分が透過することになる。これに対し、電気光学素子17に電場を印加しない状態では、電気光学素子17は一軸性で光は全く透過しない。このように、電気光学素子17に選択的に電場を印加することにより、入射光を変調でき、例えばナノ秒オーダの光スイッチングが可能となる。
In the electro-
上記の音響光学変調器11または電気光学変調器15を、CWレーザの光路に挿入して電気的に制御することにより、超解像顕微鏡システムと相応しいパルス光源を実現する。これにより、He・Neレーザ、Arレーザ、Krレーザ、Tiサファイアレーザ等のCWレーザの優れたビーム品質を保持したまま、パルス化が可能となる。しかも、電気的制御により任意の発振周波数を選ぶことができるので、例えばポンプ光とイレース光とのパルス発振のタイミングおよびパルス幅を電気的に簡便に制御でき、これにより超解像顕微鏡の基礎をなす蛍光抑制効果を効率的に誘起することが可能となる。
The acousto-
特に、本発明では、強度変調手段をレーザ光源と光ファイバとの間に挿入することにより、強度変調手段で発生する波面のゆがみをシングルモードしか励磁できない光ファイバで除去できるので、超解像効果を効率的に発現させることが可能となる。その結果、超解像性も向上し、分解能において差別化された高機能な顕微鏡を提供することが可能となる。また、既にレーザ走査型顕微鏡システムにおいて幅広く導入され、実績も高いHe・Neレーザ等のガスレーザの利用も可能となり、より実用面において優れたユーザーフレンドリーな顕微鏡システムを提供することが可能となる。 In particular, in the present invention, since the intensity modulation means is inserted between the laser light source and the optical fiber, the distortion of the wavefront generated by the intensity modulation means can be removed with an optical fiber that can excite only a single mode. Can be efficiently expressed. As a result, it is possible to improve the super-resolution and provide a high-performance microscope differentiated in resolution. In addition, it is possible to use a gas laser such as a He / Ne laser that has already been widely introduced in laser scanning microscope systems and has a proven track record, and it is possible to provide a user-friendly microscope system that is more practical.
以上の3つの特徴的構成を上手く組み合わせることで、今まで類を見ないシステム調整が可能な超解像顕微鏡を実現することができ、製品の組み立て工程の簡素化と簡略化、さらには製品導入の現場におけるメンテナンスにおいて、限りない利便性を提供することができる。 By combining these three characteristic configurations well, we can realize a super-resolution microscope that can be adjusted with an unprecedented system, simplifying and simplifying the product assembly process, and introducing the product. It is possible to provide infinite convenience in maintenance at the site.
本発明によれば、ポンプ光光源から出射されるポンプ光と、イレース光光源から出射されるイレース光とを、位置安定性および波面の均一性に優れた光ファイバを用いて同軸上に結合するようにしたので、ポンプ光およびイレース光の波面の均一性を保ちつつ、これらの光の光学調整を簡単かつ正確に行うことができ、超解像効果を確実に発現することができる。 According to the present invention, the pump light emitted from the pump light source and the erase light emitted from the erase light source are coupled on the same axis using an optical fiber excellent in positional stability and wavefront uniformity. As described above, the optical adjustment of these lights can be performed easily and accurately while maintaining the uniformity of the wave fronts of the pump light and the erase light, and the super-resolution effect can be surely exhibited.
以下、本発明による超解像顕微鏡の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a super-resolution microscope according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施の形態)
図8は、本発明の第1実施の形態に係る超解像顕微鏡の光学系の要部構成図である。本実施の形態の超解像顕微鏡は、主に3つの独立したユニット、すなわち、光源ユニット30、スキャンユニット50および顕微鏡ユニット70からなっている。
(First embodiment)
FIG. 8 is a configuration diagram of the main part of the optical system of the super-resolution microscope according to the first embodiment of the present invention. The super-resolution microscope according to the present embodiment mainly includes three independent units, that is, a
光源ユニット30は、第1のコヒーレント光であるCWのポンプ光を発生する第1の光源であるポンプ光光源31と、第2のコヒーレント光であるCWのイレース光を発生する第2の光源であるイレース光光源32と、ポンプ光光源31からのCWのポンプ光を擬似パルス化する強度変調手段であるKDP結晶からなる電気光学変調器(EOM)33と、イレース光光源32からのCWのイレース光を擬似パルス化する強度変調手段であるKDP結晶からなるEOM34と、EOM33,34でそれぞれ擬似パルス化されるポンプ光およびイレース光を同軸上の光結合して出射する光ファイバである分岐ファイバ35と、分岐ファイバ35で光結合されて出射されるポンプ光およびイレース光を平行ビームに変換するコリメータレンズ36と、このコリメータレンズ36で平行ビームにされたポンプ光およびイレース光を分光する分光素子38と、分光素子38を経たイレース光のみを空間変調する空間変調手段39とを有しており、この空間変調手段39を経たポンプ光およびイレース光をスキャンユニット50に入射させるようになっている。
The
以下、ローダミン6Gで染色された生体試料を観察する場合を例にとって説明する。ローダミン6Gは、波長530nm近傍に基底状態(S0)から第1電子励起状態(S1)に励起される強い吸収帯があり、また、波長600nm〜650nmの帯域に第1電子励起状態(S1)から、よりエネルギー準位の高い電子励起状態(Sn)に励起される二重共鳴吸収帯域が存在することが確認されている(例えば、E.Sahar and D.Treves:IEEE,J.Quantum Electron.,QE-13,692(1977)参照)。 Hereinafter, a case where a biological sample stained with rhodamine 6G is observed will be described as an example. Rhodamine 6G has a strong absorption band excited from the ground state (S0) to the first electronically excited state (S1) in the vicinity of the wavelength of 530 nm, and from the first electronically excited state (S1) in the wavelength range of 600 nm to 650 nm. , It has been confirmed that there is a double resonance absorption band excited in an electronically excited state (Sn) having a higher energy level (for example, E. Sahar and D. Treves: IEEE, J. Quantum Electron., QE-13,692 (1977)).
そこで、本実施の形態では、ポンプ光光源31として、Nd:YAG固体レーザを用い、その2倍波の波長532nmの光をポンプ光とする。また、イレース光光源32は、Krレーザを用いて、その波長647.1nmの光をイレース光とする。
Therefore, in the present embodiment, an Nd: YAG solid-state laser is used as the
ポンプ光光源31およびイレース光光源32から発生したポンプ光およびイレース光は、それぞれシングルモードファイバを介してEOM33,34に導入されて強度変調される。すなわち、EOM33,34は、例えば独立のパルス発生器(図示せず)から所望のパルス幅と周期で電圧が印加され、これにより電圧印加時に電気光学効果により入射光が変調されてEOM33,34を通過することで、ポンプ光およびイレース光がそれぞれ擬似パルス光として出射される。なお、擬似パルス光の生成条件は、蛍光抑制効果が最適条件で誘起できるように、EOM33,34に印加する電圧のパルス幅およびタイミングが調整されている。
The pump light and erase light generated from the
EOM33,34を通過したポンプ光およびイレース光は、分岐ファイバ35に導入される。この分岐ファイバ35は、その径が、イレース光に関してシングルモードが励磁される条件に設定されている。ポンプ光に対しては、若干径が大きいが、高次モードが励磁される確率は極めて低いので、分岐ファイバ35を伝達できるポンプ光は、シングルモードと見なすことができる。この分岐ファイバ35により、ポンプおよびイレース光は、同軸上に光結合されて、同じ点光源位置すなわち分岐ファイバ35の出射端から球面波として出射される。
The pump light and erase light that have passed through the
分岐ファイバ35から出射されるポンプ光およびイレース光は、コリメータレンズ36により完全に同軸でコリメートされる。なお、コリメータレンズ36は、例えばダブレットレンズのように、ポンプ光およびイレース光の波長に対して色収差補正がなされており、それらのビーム径は、後述する顕微鏡ユニット70内の対物レンズ72の瞳径に一致している。本実施の形態では、その有効瞳径が8mmとなっている。
The pump light and erase light emitted from the branch fiber 35 are collimated completely coaxially by the
コリメータレンズ36でコリメートされたポンプ光およびイレース光は、分光素子38および位相板からなる空間変調手段39を順次通過する。分光素子38は、図9に示すような平面構造からなっている。本実施の形態では、対物レンズ72の有効瞳径すなわちビーム径が8mmであるので、中央部の直径6mmの領域38Aに、直入射するポンプ光(波長532nm)を反射させ、イレース光(波長647.1nm)は透過させる光学フィルタが形成され、残る外側の輪帯部の領域38Bには、ポンプ光は透過させ、イレース光は反射させる光学フィルタが形成されている。なお、領域38A,38Bの光学フィルタは、干渉性を高めるために、屈折率の異なる薄膜を交互に積層した光学多層膜としても良い。
The pump light and erase light collimated by the
空間変調手段39は、イレース光のみを位相変調する位相板からなるもので、その中央部には、図10に示すように、直径6mmの円形領域に光軸の周りを1周すると連続的にイレース光を2π位相変調するエッチングパターンが形成されている。したがって、この空間変調手段39をイレース光が透過すると、ビーム面内の光軸対称位置において、イレース光の位相差がπとなるので、集光すると光軸上の電場強度が相殺されて、超解像顕微鏡に相応しい中空ビームが得られる。 Spatial modulation means 39 is composed of a phase plate that phase-modulates only erase light. As shown in FIG. 10, the spatial modulation means 39 continuously forms a circular region having a diameter of 6 mm once around the optical axis. An etching pattern for modulating the erase light by 2π phase is formed. Therefore, when erase light is transmitted through the spatial modulation means 39, the phase difference of the erase light becomes π at the optical axis symmetric position in the beam plane. A hollow beam suitable for a resolution microscope can be obtained.
なお、図10に示す空間変調手段39は、石英基板からなっており、光軸の周りは8つの領域39A〜39Hに等分割されて、イレース光の波長に対してλ/8ずつ段階的に位相差を与えるエッチングパターンが形成されている。より具体的には、化学エッチング法により、石英基板がエッチングされて光路長が制御されている。その具体的なエッチング深さを、表1に示す。
Note that the spatial modulation means 39 shown in FIG. 10 is made of a quartz substrate, and is divided equally into eight
この空間変調手段39を通すことで、イレース光のみが光軸中央で光強度がゼロとなるように位相変調される。これに対し、輪帯状のポンプ光は、空間変調手段39のエッチング部分の外側を通過するので、全く位相変調を受けることなく透過する。 By passing this spatial modulation means 39, only the erase light is phase-modulated so that the light intensity becomes zero at the center of the optical axis. On the other hand, the ring-shaped pump light passes through the outside of the etched portion of the spatial modulation means 39 and is transmitted without undergoing any phase modulation.
分光素子38および空間変調手段39を透過したポンプ光およびイレース光は、スキャンユニット50に入射する。
The pump light and erase light transmitted through the
スキャンユニット50は、ハーフミラー51、2枚のガルバノミラー52,53、投影レンズ54、ピンホール55、ポンプ光およびイレース光を除去するノッチフィルタ56,57、光電子増倍管58を有している。また、顕微鏡ユニット70は、いわゆる通常の蛍光顕微鏡で、ハーフミラー71、対物レンズ72、接眼レンズ73を有している。
The
光源ユニット30からスキャンユニット50に入射したポンプ光およびイレース光は、ハーフミラー51を透過した後、2枚のガルバノミラー52,53により2次元方向に偏向されて顕微鏡ユニット70に入射され、そのハーフミラー71で反射されて対物レンズ72により、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観察試料74に集光されて、試料面上で二次元走査される。なお、図8では、図面を簡略化するため、ガルバノミラー52,53を同一平面内で揺動可能に示している。
The pump light and erase light incident on the
一方、観察試料74へのポンプ光およびイレース光の照射により、観察試料74から発光した蛍光は、入射レーザ光とは逆の光路を辿って、スキャンユニット50のハーフミラー51に入射して、該ハーフミラー51で反射される。このハーフミラー51で反射された蛍光は、投影レンズ54で集光されてピンホール55を透過し、ノッチフィルタ56,57によりポンプ光およびイレース光が除去されて光電子増倍管58で受光される。なお、ピンホール55は、観察試料74上の集光点と共焦点位置に設置され、これにより空間フィルタ機能と同時に、観察試料10内の特定の深さ部分から発光した蛍光のみを透過させる3次元空間分解機能を果たすようなっている。光電子増倍管58から得られる蛍光信号データは、ガルバノミラー52,53の走査に同期させて、コンピュータ内のメモリに格納することにより、観察試料74の2次元蛍光顕微像が得られる。なお、顕微鏡ユニット70のハーフミラー71を通過した光は、接眼レンズ73により結像され、これにより蛍光スポット像を直接観察でき、観察位置の調整や、ピント合わせ等に利用できるようになっている。
On the other hand, the fluorescence emitted from the
以上のように、本実施の形態では、ポンプ光光源31およびイレース光光源32としてそれぞれCWレーザを用い、これらCWレーザからのポンプ光およびイレース光を、KDP結晶からなるEOM33,34により擬似パルス化している。ここで、KDP結晶は、入力電気パルスに対する立ち上がり時間応答が5nsec程度であるので、ナノ秒パルスレーザと同等のパルス幅で、MHzオーダの繰り返し周波数を得ることができる。
As described above, in this embodiment, CW lasers are used as the
ここで、EOM33,34によるポンプ光およびイレース光の擬似パルス化は、図11に示すように、イレース光のパルス幅がポンプ光のそれより長くなるように設定している。これにより、時間領域でのポンプ光とイレース光との重複が確実となり、蛍光抑制効果を確実に誘導することができる。そのためには、好ましくは、上述したようにEOM33,34を独立したパルス発生器で制御して、ポンプ光およびイレース光の擬似パルスの位相および周波数を調整する。特に、位相に関しては、KDP結晶の個体差により、数ナノ秒程度の変調時の位相差が発生するで、対応するパルス発生器により蛍光抑制効果の発現を最適化する。
Here, the pseudo pulses of the pump light and the erase light by the EOMs 33 and 34 are set so that the pulse width of the erase light is longer than that of the pump light, as shown in FIG. Thereby, the overlap of the pump light and the erase light in the time domain is ensured, and the fluorescence suppression effect can be reliably induced. For this purpose, preferably, the
なお、本実施の形態では、強度変調手段としてEOM33,34を用いて、それぞれCWレーザからなるポンプ光光源31およびイレース光光源32からのポンプ光およびイレース光を強度変調して擬似パルス化したが、強度変調手段としてEOM33および/または34に代えて、音響光学素子を利用して擬似パルス化することもできる。例えば、音響光学素子としてTeO2結晶を用いれば、耐レーザしきい値も高いので、比較的強度の高いイレース光も確実に擬似パルス化することができる。
In the present embodiment,
(第2実施の形態)
図12は、本発明の第2実施の形態に係る超解像顕微鏡の光学系の要部構成図である。本実施の形態は、光源ユニット30の構成が第1実施の形態と異なり、その他の構成は第1実施の形態と同様であるので、第1実施の形態と同様の作用をなす部材には同一参照符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a main part configuration diagram of the optical system of the super-resolution microscope according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the configuration of the
本実施の形態では、ポンプ光光源31およびイレース光光源32として、それぞれパルスレーザを用いている。ここで、第1実施の形態と同様に、ローダミン6Gで染色された生体試料74を観察する場合には、ポンプ光光源31として、Nd:YAGパルスレーザを用い、その2倍波の波長532nmのコヒーレント光をポンプ光とする。また、イレース光光源32は、Nd:YAGパルスレーザを用い、その基本波長1064nmのコヒーレント光をイレース光とする。したがって、この場合、イレース光は近赤外領域におけるローダミン6Gの二重共鳴吸帯を用いて蛍光抑制を行うことになる。
In the present embodiment, pulse lasers are used as the
ポンプ光光源31から出射されたポンプ光は、偏向ミラー41a,41bおよび集光レンズ42を経てハーフミラーキューブ等のビームコンバイナ43に入射される。また、イレース光光源32から出射されたイレース光は、同様に、偏向ミラー44a,44bおよび集光レンズ45を経てビームコンバイナ43に入射され、このビームコンバイナ43でポンプ光と同軸に結合される。ビームコンバイナ43で結合されたポンプ光およびイレース光は、イレース光に対してシングルモードを励磁する光ファイバ46を透過した後、コリメータレンズ36により平行ビームに変換され、さらに、分光素子47および位相板からなる空間変調手段48を経てスキャンユニット50に入射される。その他の構成および作用は、第1実施の形態と同様である。
The pump light emitted from the
すなわち、本実施の形態では、第1実施の形態の分岐ファイバを用いず、ポンプ光光源31およびイレース光光源32に対して独立に設けられた2枚の1組の偏向ミラー41a,41b、44a,44bにより、ポンプ光およびイレース光が、共通の1本の光ファイバ46に直接導入される。詳しくは、ポンプ光およびイレース光は、偏向ミラー41a,41b、44a,44bにより空間的に光軸調整されて、ビームコンバイナ43により同軸上に結合されると共に、それらのビーム径が、ポンプ光光源31およびイレース光光源32に対して独立に設けられた集光レンズ42,45により、光ファイバ46への入射効率が最大になるように調整される。
That is, in the present embodiment, the pair of deflection mirrors 41a, 41b, 44a provided independently of the
ここで、空間変調手段48は、図10に示した空間変調手段39と同様に構成することもできるが、図13に示すような輪帯型とすることもできる。すなわち、内側の円形領域48Aは、イレース光に対してπだけ位相変調を与えるように、石英基板にエッチングを施し、それ以外の外側の輪帯領域48Bは、イレース光の位相を変えないようにする。したがって、この空間変調手段48を通してイレース光を集光すれば、位相が反転する波面成分が混合するので、やはり焦点上の中央部では電場強度がゼロとなるドーナッツ状のスポットが得られる。
Here, the spatial modulation means 48 can be configured in the same manner as the spatial modulation means 39 shown in FIG. 10, but it can also be a ring type as shown in FIG. That is, the inner
また、このような空間変調手段48を用いれば、分光素子47も、図14に示すように構造が簡単になる。すなわち、空間変調手段48の内側の円形領域48Aのみで、ポンプ光を反射し、イレース光は透過させるダイクロイックミラーとすることができる。具体的には、空間変調手段48の内側の円形領域48Aに対応して、前述のような分光特性をもつ光学薄膜をコートすればよい。さらには、図15(a)に示すように、石英基板49の表面に、図15(b)に示すような分光素子49Aを形成し、裏面には、図15(c)に示すような位相領域49Bを形成して、分光素子と空間変調手段とを一体化することもできる。このようにすれば、部品点数を削減でき、コストダウンが図れると共に、光学調整も容易にできる。
If such a spatial modulation means 48 is used, the structure of the
1 ポンプ光光源
2 イレース光光源
3,4 強度変調手段
5 分岐ファイバ
6 コリメータレンズ
8 分光素子
9 空間変調手段
30 光源ユニット
31 ポンプ光光源
32 イレース光光源
33,34 電気光学変調器(EOM)
35 分岐ファイバ
36 コリメータレンズ
38 分光素子
39 空間変調手段
41a,41b,44a,44b 偏向ミラー
42,45 集光レンズ
43 ビームコンバイナ
46 光ファイバ
47 分光素子
48 空間変調手段
50 スキャンユニット
51 ハーフミラー
52,53 ガルバノミラー
54 投影レンズ
55 ピンホール
56,57 ノッチフィルタ
58 光電子増倍管
70 顕微鏡ユニット
71 ハーフミラー
72 対物レンズ
73 接眼レンズ
74 観察試料
DESCRIPTION OF
35
Claims (19)
上記分子を上記第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態に励起するイレース光を出射するイレース光光源と、
上記ポンプ光と上記イレース光とを一部重ね合わせて上記試料に集光する光学系と、
上記光学系により集光される光と上記試料とを相対的に移動させて上記試料を走査する走査手段と、
上記光学系からの光照射により上記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段とを有する超解像顕微鏡において、
上記ポンプ光光源から出射されるポンプ光と、上記イレース光光源から出射されるイレース光とを同軸上に結合する光ファイバを有することを特徴とする超解像顕微鏡。 A pump light source that emits pump light for exciting the molecule from the ground state to the first electronic excited state with respect to a sample including molecules having at least three electronic states including the ground state;
An erase light source that emits erase light for exciting the molecule from the first electronic excited state to a second electronic excited state having a higher energy level;
An optical system that partially superimposes the pump light and the erase light and collects the light on the sample;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the light collected by the optical system and the sample;
In a super-resolution microscope having detection means for detecting a light response signal generated from the sample by light irradiation from the optical system,
A super-resolution microscope comprising: an optical fiber that coaxially couples pump light emitted from the pump light source and erase light emitted from the erase light source.
上記分光素子は、上記光学系の有効瞳面内で光軸対称な分光特性を有しており、上記空間変調手段および上記分光素子の光軸中心が一致していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の超解像顕微鏡。 A spectral element that spatially and independently provides a spectral region that transmits pump light emitted from the optical fiber and reflects erase light; and a spectral region that reflects pump light and transmits erase light And spatial modulation means for spatially modulating the erase light emitted from the optical fiber,
The spectral element has spectral characteristics which are symmetric with respect to the optical axis in an effective pupil plane of the optical system, and the optical axis centers of the spatial modulation means and the spectral element coincide with each other. The super-resolution microscope as described in any one of 1-7.
上記分子を上記第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態に励起する第2のコヒーレント光を出射する第2の光源と、
上記第1のコヒーレント光と上記第2のコヒーレント光とを一部重ね合わせて上記試料に集光する光学系と、
上記光学系により集光される光と上記試料とを相対的に移動させて上記試料を走査する走査手段と、
上記光学系からの光照射により上記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段とを有する超解像顕微鏡において、
上記第1の光源から出射される第1のコヒーレント光と、上記第2の光源から出射される第2のコヒーレント光とを同軸上に結合する光ファイバを有することを特徴とする超解像顕微鏡。
A first light source that emits a first coherent light that excites the molecule from a ground state to a first electronically excited state with respect to a sample including molecules having three electronic states including at least a ground state;
A second light source that emits second coherent light that excites the molecule from the first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system that partially superimposes the first coherent light and the second coherent light and focuses the light on the sample;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the light collected by the optical system and the sample;
In a super-resolution microscope having detection means for detecting a light response signal generated from the sample by light irradiation from the optical system,
A super-resolution microscope comprising an optical fiber that coaxially couples the first coherent light emitted from the first light source and the second coherent light emitted from the second light source. .
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