JP2008039882A - 光学顕微鏡及び観察方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】様々な観点からの解析、分析を容易にすることができる光学顕微鏡、及び観察方法を提供すること。
【解決手段】本発明の第1の態様にかかる光学顕微鏡は、レーザ光源11と、レーザ光源11からの光ビームを集光して試料20に照射する対物レンズ16と、試料20に入射した光ビームにより発生した光、又は試料20で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子13と、対物レンズ16よりも低いNAを有し、偏光制御素子13を通過した光を集光するレンズ33と、共焦点光学系を介してレンズ33で集光された光を検出する検出器35と、を備えるものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、光学顕微鏡及び観察方法に関する。

光学顕微鏡は、その用途に応じて様々なタイプのものが開発されている。光学顕微鏡には、例えば、レーザ顕微鏡がある。レーザ顕微鏡は、レーザより出力されたレーザ光を試料上に集光し、試料による反射光、発光光などを受光することによって、試料の観察や検査などを行うことができる。

レーザ顕微鏡の一つの態様として、共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡は、優れた分解能や試料の3次元情報を取得することができるなどの利点から、注目を集めている。さらに、このような利点から、共焦点光学系を利用した蛍光顕微鏡が開示されている(特許文献1)。特許文献1の蛍光顕微鏡では、試料で発生した蛍光を偏光板を介して検出している。そして、偏光板を回転させて蛍光の偏光特性を抽出している。そして、蛍光偏光を検出することにより、様々な観点から試料を解析、分析することが可能となる。例えば、たんぱく質などの試料の分子構造が変化すると、偏光特性が変化する。よって、蛍光偏光を検出することによって分子構造の分析を行うことができる。
特開2005−99662号公報

ところで、光は、横波であるため、進行方向に平行方向には、振動しない、従って、光の進行方向に平行方向に関しては、試料を分析、解析することが困難であった。よって、従来の顕微鏡では、様々な観点から試料を解析、分析することができないという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、様々な観点からの解析、分析を容易にすることができるレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の第1の態様にかかる光学顕微鏡は、光源(例えば、本発明の実施の形態にかかるレーザ光源11)と、前記光源からの光ビームを集光して試料に照射する対物レンズ(例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ16)と、前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子(例えば、本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子13)と、前記対物レンズよりも低いNAを有し、前記偏光制御素子を通過した光を集光するレンズ(例えば、本発明の実施の形態にかかるレンズ33)と、共焦点光学系を介して前記レンズで集光された光を検出する光検出器(例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器35)と、を備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第2の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する偏光子を前記光路中に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第3の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光路中に挿入される偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第4の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されているものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第5の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記検出器との間に配置されているものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第6の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記ビームスプリッタと前記光源との間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第7の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、入射した光を直線偏光にする入射側偏光子を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第8の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。

本発明の第9の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記偏光制御素子が、前記試料の前記対物レンズが配置された側と反対側に配置され、前記試料で発生した光が前記試料を透過し、前記偏光制御素子に入射することを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第10の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第11の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する入射側偏光子を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第12の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光路中に挿入される入射側偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第13の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子に入射する光ビームが直線偏光であることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第14の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記対物レンズと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。

本発明の第15の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記入射側偏光制御素子との間に、特定の偏光方向の光のみを透過する光源側偏光子をさらに備えるものである。これにより、様々な光源を用いることができる。

本発明の第16の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、ラマン散乱光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光、コヒーレントストークスラマン散乱光、第2高調波、蛍光、第3高調波、蛍光、2光子蛍光、又は和周波であることを特徴とするものである。

本発明の第17の態様にかかる観察方法は、光ビームを対物レンズによって、試料に集光して照射するステップと、前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料からの反射光に対して、入射位置に応じた位相差を与えるステップと、前記入射位置に応じた位相差を与えられた光を、前記対物レンズよりも低いNAのレンズで集光するステップと、前記低いNAのレンズで集光された光を、共焦点光学系を介して検出するステップとを備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を容易に行うことができる。

本発明によれば、様々な観点からの解析、分析を容易にすることができる光学顕微鏡、及び観察方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

本発明の実施の形態にかかるレーザ顕微鏡について図1を用いて説明する。図1は本実施の形態にかかる光学顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡100は、試料20を観察するための構成として、レーザ光源11と、ビームエキスパンダ12と、偏光制御素子13と、ビームスプリッタ17と、対物レンズ16と、XYステージ21と、レンズ33と、ピンホール34aと、検出器35とを有する。光学顕微鏡100は、落射照明方式のレーザ共焦点顕微鏡である。従って、試料20からの光は共焦点光学系を介して検出される。なお、以下の説明で、Z方向は、光軸に平行な方向とする。さらに、X方向、及びY方向は、互いに垂直な方向であり、光軸(Z方向)に垂直な方向である。従って、X方向、及びY方向は試料20の表面に平行な方向となる。

また、光学顕微鏡100は、偏光制御素子13から偏光板15に切換えるための回転機構14を有している。回転機構14は、回転モータ等を備えている。そして、回転機構14を所定の角度だけ回転することにより、偏光制御素子13が光路上から取り除かれるとともに、偏光板15が光路上に挿入される。回転機構14をさらに回転させると、偏光板15が光路上から取り除かれるとともに、偏光制御素子13が光路上に挿入される。従って、偏光制御素子13、及び偏光板15のうちの一方が排他的に光路上に配置される。このように、偏光制御素子13と偏光板15を切換えることによって、試料20に入射する光の偏光状態を制御することができる。

レーザ光源11からは、所定の波長のレーザ光が出射される。レーザ光源11としては、観察する試料20に応じたレーザ装置を用いることができる。例えば、生物細胞の観察などにおいて、モード・ロック・チタン・サファイア・レーザを使用した赤外光パルスなどを使用することができる。レーザ光波長、レーザ光強度、発振態様、繰り返し周波数、パルス幅などのレーザ光の特性は、試料や観察方法によって適切なものが選択される。また、レーザ光源11からは、直線偏光が出射されるものとする。もちろん、他の光源を用いてもよい。ランダム偏光等の直線偏光以外の光を出射する光源を用いる場合、レーザ光源11と偏光制御素子13との間に偏光板を追加して直線偏光にしてもよい。レーザ光源11からのレーザ光は、2枚のレンズからなるビームエキスパンダ12に入射する。ビームエキスパンダ12は、レーザ光のビーム径を拡大して出射する。ビームエキスパンダ12によって平行な光束となったレーザ光は、ビームスプリッタ17に入射する。

ビームスプリッタ17は、入射した光の一部を透過する。ビームスプリッタ17としては、例えば、ハーフミラーを用いることができる。あるいは、ビームスプリッタ17をダイクロイックミラーとしてもよい。この場合、レーザ光と異なる波長となって発生する光を効率よく検出することができる。ビームスプリッタ17を透過した光は、偏光制御素子13に入射する。偏光制御素子13は、入射した直線偏光のレーザ光に対して、入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、入射位置に応じて偏光状態が変化して、試料20に入射する入射光の偏光状態が制御される。

ここで、偏光制御素子13について説明する。偏光制御素子13は、後述する対物レンズ16との組み合わせによって、Z偏光を作り出すものである。すなわち、偏光制御素子13を通過した光を、対物レンズ16で集光すると、Z方向に振動するZ偏光となる。例えば、偏光制御素子13としては、ナノフォトン社製ZPolを用いることができる。この偏光制御素子13の構成について図2を用いて説明する。図2(a)は、偏光制御素子13の構成を模式的に示す正面図であり、光学軸の方向を示している。図2(b)は、偏光制御素子13に直線偏光を入射したときに、偏光制御素子13から出射される光の偏光状態を示す図である。すなわち、図2(b)は、出射光の偏光軸を示している。図2(a)に示すように、偏光制御素子13には、光学軸が異なる1/2波長板が複数配置されている。ここでは、8つの1/2波長板が放射状に配置されている。それぞれの1/2波長板は、円弧状に形成されている。そして、入射光の光軸、すなわち偏光制御素子13の中心に対して対向する領域では、1/2波長板の光学軸が90°異なっている。すなわち、対向する領域では、光学軸が直交している。従って、入射位置に応じた位相差が与えられる。従って、対向する領域からの出射光は180°異なる位相となっている。

そして、偏光制御素子13の光学軸と直線偏光の偏光軸の角度を所定の角度に合わせた状態で、直線偏光が偏光制御素子13に入射すると、偏光制御素子13から出射される光は、図2(b)に示すように、偏光軸が放射状になる。すなわち、光軸に対して対向する領域で振動方向が反対方向になっている。このような偏光状態をラジアル偏光と称す。電気ベクトルEのX成分をExとし、Y成分をEyとすると、ラジアル偏光では、Ex,Eyがx、yに分布を有する。すなわち、異なる光学軸の1/2波長板を通過した光線は、偏光軸が異なっている。一方、偏光制御素子13にラジアル偏光が入射すると、出射光は、所定の偏光軸を有する直線偏光になる。このように、偏光制御素子13は、入射位置に応じた位相差を与える位相板である。すなわち、偏光制御素子13を通過した光は、入射位置に応じて振動方向が変化して、偏光状態が変化する。

さらに、図2(a)に示す偏光制御素子13では、アジマス偏光(アジマサル偏光)を生成することができる。アジマス偏光では、図2(c)に示すように、ラジアル偏光と直交する方向に直線偏光が分布している。すなわち、偏光軸が円形に近い偏光状態となる。このように、偏光制御素子13を用いることによって、光束断面において、光の電気ベクトルの振動方向が空間的な分布を有する偏光状態を形成することができる。なお、図2(a)に示す偏光制御素子13における0°の方向に、光の偏光軸を一致させることによって、ラジアル偏光を得ることができる。また、図2(a)に示す偏光制御素子13における90°の方向に、光の偏光軸を一致させることによって、アジマス偏光を得ることができる。このように、入射位置に応じて異なる光学軸を有する1/2波長板に光が入射すると、レーザビームには、入射位置に対応する光学軸に基づいて位相差が与えられる。

この偏光制御素子13を通過した光は、図1に示すように対物レンズ16に入射する。対物レンズ16には、NA(開口数)の高いものを用いる。例えば、対物レンズ16のNAを0.3〜0.9とすることができる。対物レンズ16は、入射光を屈折させて試料20に出射する。高NAの対物レンズ16を用いることによって、分解能を向上することができる。

この対物レンズ16に入射したレーザ光は、図3に示すように、試料20に集光される。このとき、上記の偏光制御素子13を通過したラジアル偏光が対物レンズ16によって集光されて、試料20に入射する。ここで、ラジアル偏光が高NAの対物レンズ16で集光されると、レンズ集光によって各光線は、角度分散を持つ。対向する領域で反対方向に振動する光が内側に屈折される。よって、焦点では、対向する領域でX成分又はY成分が打ち消し合い、Z成分がエンハンスされる(図3(b)参照)。これにより、電気ベクトルのZ成分であるEzを有するZ偏光が試料20に集光される。さらに、ここではEx、及びEyが0に近くなっている。すなわち、試料20には、Z方向に振動するレーザ光が集光されている。なお、通常の直線偏光が対物レンズ16によって集光されると、Z成分が打ち消しあう(図3(a)参照)。従って、電気ベクトルは伝播方向と垂直な方向に振動する。

ここで、試料20にレーザ光が入射すると、レーザ光及び試料20に応じた光が発生する。例えば、試料20からは、蛍光、ラマン散乱光、又は第2高調波が発生する。ここでは、試料20から蛍光が発生されるものとして説明する。すなわち、レーザ光源11からのレーザ光が励起光となる。蛍光の波長は、レーザ光、及び試料20に応じたものとなる。さらに、蛍光の振動方向は、試料20の分子配列、結晶方向に応じたものとなる。すなわち、分子や結晶の方向性によって、蛍光の電気ベクトルの振動方向が決定する。従って、試料20の状態に応じて、蛍光の偏光状態が変化する。なお、試料20は、XYステージ21上に載置されている。このXYステージ21で試料20を走査することができる。よって、試料20の様々な箇所を観察することができる。例えば、X方向及びY方向に、XYステージ21を移動させる。これにより、試料20の2次元像を撮像することができる。

試料20からの蛍光は、様々な方向に出射される。従って、レーザ光の伝播方向と反対方向に出射される蛍光は、対物レンズ16に入射する。この対物レンズ16に入射した蛍光は、対物レンズ16で屈折されて、平行な光束となる。そして、対物レンズ16からの蛍光は、偏光制御素子13を通過する。ここでは、レーザ光が入射した偏光制御素子13と同じ偏光制御素子13を通過する。この偏光制御素子13によって、蛍光の偏光状態が制御される。そして、偏光制御素子13を通過した蛍光の一部は、ビームスプリッタ17で反射される。これにより、試料20に入射する入射光の光路と、試料から出射する出射光の光路とが分岐される。ビームスプリッタ17で反射された蛍光は、レンズ33に入射する。レンズ33は、対物レンズ16よりもNAが小さい低NAレンズである。例えば、レンズ33には、NAが0.005〜0.04のものを用いることができる。このレンズ33によって蛍光が屈折して、ピンホールフィルタ34に設けられたピンホール34a上に集光される。すなわち、ピンホール34aがレンズ33の焦点上に配置されている。

このピンホールフィルタ34のピンホール34aを通過した蛍光が、検出器35に入射する。すなわち、ピンホール34aの外側に入射した蛍光は、ピンホールフィルタ34で遮光され、検出器35に入射しない。検出器35は、ピンホール34aを通過して入射した蛍光の光量に応じた信号を出力する。検出器35としては、例えば、ポイントセンサである光電子増倍管を用いることができる。検出器35は受光量に応じた検出信号を出力する。ここでは、ピンホール34aを通過した光が検出器35で受光される。この検出器35からの検出信号が、図示しない処理装置に入力される。そして、検出結果が処理装置に記憶されるとともに、処理装置の画面上に表示される。さらに、検出器35の前段に、分光器を配設してもよい。これにより、分光測定を行うことができる。従って、より詳細なスペクトル分析、解析を行うことができる。

ここで、検出器35は共焦点光学系を介して蛍光を検出する。すなわち、点光源であるレーザ光源11、及び試料20、並びに試料20、及びピンホール34aが互いに共役な位置に配置されている。従って、試料20での焦点と共役な位置にピンホール34aが配置される。従って、試料20の焦点以外からの光は、ピンホール34aの外側に入射するため、ピンホールフィルタ34によって遮光される。すなわち、共焦点ピンホールを通過した光が検出器35によって検出される。これにより、試料20の焦点からの像を高分解能で検出することができる。そして、上記のXYステージ21の走査によって2次元の共焦点画像を撮像することができる。さらに、対物レンズ16と試料20との相対位置をZ方向に変化させることによって、3次元の共焦点画像の撮像も可能となる。

次に、試料20で発生する蛍光の振動方向について説明する。試料20の分子の配列方向に応じて、偏光状態が変化する。ここでは、試料20の状態に応じて変化する蛍光の振動方向について図4を用いて説明する。図4(a)は、試料20の分子がY方向を向いている場合の蛍光の振動方向を示す図であり、図4(b)は、試料20の分子がZ方向を向いている場合の蛍光の振動方向を示す図である。ここでは、試料からの蛍光を電気双極子からの放射とみなして説明する。

まず、試料20の分子がY方向を向いている場合について考える。この場合、蛍光をY方向の電気双極子からの放射として考えることがができる。従って、出射光は、図4(a)に示すように、Y方向に振動している。Y方向に向いている分子のみからの蛍光は、Y方向を偏光軸とする直線偏光として出射される。

一方、試料20の分子がZ方向に向いている場合、蛍光は、Z方向の電気双極子からの放射として考えることができる。従って、出射光は、図4(b)に示すように、放射状に振動している。さらに、電気双極子の方向には光が放射されないため、Z方向の電気双極子からの放射では、Z方向と平行方向に光が放射されない。よって、光軸、及びその近傍では、蛍光強度が略0になる。従って、Z方向の分子のみからの蛍光は、図4(b)に示すドーナツ状のラジアル偏光となって出射される。このように、Z方向の分子からの蛍光は、Z方向の電気ベクトルがX方向、及びY方向に分布を有する。

このように、試料20の分子が向いている方向によって、蛍光の偏光状態が異なる。図4に示した偏光状態の蛍光が、偏光制御素子13を介して検出される場合について図5、及び図6を用いて説明する。図5は、Y方向を向いた分子からの蛍光が偏光制御素子13を介して検出される場合について示している。図6は、Z方向を向いた分子からの蛍光が偏光制御素子13を介して検出される場合について示している。さらに、図5(a)、及び図6(a)は、蛍光が伝播する光学系を模式的に示す図であり、図1の一部の光学系を示している。図5(b)、及び図6(b)は、A、及びBの位置における蛍光の偏光状態、及び、Cの位置における蛍光強度の空間分布を示す図である。ここで、偏光制御素子13を通過する前の位置をAとし、偏光制御素子13を通過した後の位置をBとし、ピンホールフィルタ34が配置された位置をCとする。

まず、Y方向を向いた分子からの蛍光が検出される場合について説明する。Y方向を向いた分子からの蛍光は、偏光制御素子13を通過する前のAの位置において、Y方向に振動する直線偏光となっている。この蛍光が、対物レンズ16で平行光束となって、偏光制御素子13に入射する。偏光制御素子13は、上記のように、直線偏光をラジアル偏光にする。従って、偏光制御素子13を通過したBの位置では、図5(b)に示すようにラジアル偏光となる。偏光制御素子13によってラジアル偏光となった蛍光は、レンズ33に入射する。低NAのレンズ33は、弱い屈折力で蛍光を屈折する。レンズ33の焦点は、ピンホールフィルタ34のピンホール34aとなっている。低NAのレンズ33で屈折されたラジアル偏光は、Cにおける光軸上では振動が打ち消しあって光強度が低くなる。すなわち、ピンホール34aの中心では、図5(b)に示すように光強度が0に近くなる。さらに、光軸からずれた位置で光強度がピークとなる。ここで、ピンホール34aの径が、ピーク位置よりも内側となるようにする。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過できない。従って、検出器35に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。
さらに、X方向を向いた分子からの蛍光が、偏光制御素子13を透過すると、アジマス偏光となる。このアジマス偏光のビームを低NAのレンズ33で集光した場合も同様に、焦点での光強度が小さくなる。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過できない。従って、検出器35に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。

一方、Z方向を向いた分子からの蛍光は、上記のように、ドーナツ状のラジアル偏光となっている。この蛍光が、対物レンズ16で平行光束となって、偏光制御素子13に入射する。偏光制御素子13は、上記のように、ラジアル偏光を直線偏光にする。従って、偏光制御素子13を通過したBの位置では、図6(b)に示すようにドーナツ状の直線偏光となる。偏光制御素子13によってドーナツ状の直線偏光となった蛍光は、レンズ33に入射する。低NAのレンズ33は、弱い屈折力で蛍光を屈折する。レンズ33の焦点は、ピンホールフィルタ34のピンホール34aとなっている。ここで、低NAのレンズ33で屈折された直線偏光は、ピンホール34aに集光される。よって、ピンホール34aが配置されたBにおける空間分布は、図6(b)に示すように光軸上で最大となる。すなわち、中心が最大のピークとなり、中心から離れるにつれて光強度が弱くなる。従って、適切なピンホール径を設定すると、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過する。従って、ピンホール34aを通過する蛍光強度が高くなる。これにより、検出器35で受光される光量が強くなり、検出信号が高くなる。

このように偏光制御素子13を通過した蛍光を低NAのレンズ33でピンホール34a上に集光することによって、試料20の分子の方向を検出することができる。すなわち、試料20で発生した蛍光が偏光制御素子13を通過して、低NAのレンズ33で屈折されると、レンズ33の焦点上で蛍光の空間分布は、試料20の分子の方向を反映したものとなる。このレンズ33の焦点にピンホール34aを配置して、共焦点光学系を介して検出すると、試料20の分子の方向を検出することができる。

例えば、試料20の分子がY方向を向いている場合、直線偏光の蛍光を放射する。このため、偏光制御素子13を通過した蛍光は、ラジアル偏光となる。このラジアル偏光が低NAのレンズで集光されるため、ピンホール34aを介して検出器35で検出される蛍光強度が弱くなる。一方。試料20の分子がZ方向を向いている場合、ラジアル偏光の蛍光を放射する。このため、偏光制御素子13を通過した蛍光は、直線偏光となる。この直線偏光が低NAのレンズで集光されるため、ピンホール34aを介して検出器35で検出される蛍光強度が強くなる。このように、試料20の分子の方向によって検出信号に変化が現れる。具体的には、Z方向の分子からの蛍光が強くなり、Y方向(又はX方向)の分子からの蛍光が弱くなる。よって、それぞれの検出結果を記憶して、分析、解析を行うことによって、試料20の状態を様々な観点から観察することが可能となる。

さらに、図1に示したように、上記の偏光制御素子13は回転機構14に取り付けられている。そして、回転機構14を駆動することによって、偏光制御素子13を偏光板15に切換えることができる。すなわち、蛍光の光路上には、偏光制御素子13ではなく、偏光板15が配置された状態になる。この状態における蛍光の偏光状態について図7、及び図8を用いて説明する。図7は、Y方向を向いた分子からの蛍光が偏光板15を介して検出される場合について示している。図8は、Z方向を向いた分子からの蛍光が偏光板15を介して検出される場合について示している。さらに、図7(a)、及び図8(a)は、蛍光が伝播する光学系を模式的に示す図であり、図1の一部の光学系を示している。図7(b)、及び図8(b)は、A、及びBの位置における蛍光の偏光状態、及び、Cの位置における蛍光強度の空間分布を示す図である。偏光板15は、入射した光のうち、特定の偏光方向の光のみを透過する。これにより偏光板15を通過した光は直線偏光になる。ここで偏光板15の吸収軸はX方向になっている。従って、Y方向に振動する成分が偏光板15を通過する。

まず、Y方向を向いた分子からの蛍光を偏光板を介して検出する場合について図7を用いて説明する。Y方向を向いた分子からの蛍光は、Aの位置では、Y方向の直線偏光になっている。ここで、Y方向の直線偏光が偏光板15と通過しても、Y方向の直線偏光のままとなる。また、偏光板15で吸収されないので、蛍光強度もほとんど変化しない。すなわち、偏光板15を通過した蛍光は、偏光状態が変化しない。従って、Bの位置でもY方向の直線偏光となる。このような、蛍光が低NAのレンズ33で集光されて、ピンホール34a上に集光される。すなわち、レンズ33の焦点がピンホール34aとなっている。従って、蛍光強度の空間分布は、図7(b)に示すようになる。ここでは、ピンホール34aの中心が蛍光強度の最大ピークとなる。よって、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過する。よって、検出器35での受光量が大きくなる。

一方、Z方向を向いた分子からの蛍光を偏光板15を介して検出する場合について図8を用いて説明する。Y方向を向いた分子からの蛍光は、Aの位置では、ドーナツ状のラジアル偏光になっている。このラジアル偏光が偏光板16に入射すると、Y方向に振動する成分のみが通過し、X方向に振動する成分は吸収される。従って、偏光板15を通過した蛍光は、図8(b)に示すように空間的な分布を有する。そして、光軸を中心として対向する領域で、Y方向の振動成分が反対となっている。すなわち、偏光板15を通過した蛍光は、光軸を通るX方向の直線に対して線対称になっている。この偏光状態の蛍光、低NAのレンズ33によってピンホール34aに集光される。低NAのレンズ33で屈折された蛍光は、Cにおける光軸上では振動が打ち消しあって光強度が低くなる。すなわち、ピンホール34aの中心では、図8(b)に示すように光強度が0に近くなる。さらに、光軸からずれた位置で光強度がピークとなる。ここで、ピンホール34aの径が、ピーク位置よりも内側となるようにする。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過できない。従って、検出器35に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。

このように偏光板15を通過した蛍光を低NAのレンズ33でピンホール34a上に集光することによって、試料20の分子の方向を検出することができる。すなわち、試料20で発生した蛍光が偏光板15を通過して、低NAのレンズ33で屈折されると、レンズ33の焦点上で蛍光の空間分布は、試料20の分子の方向を反映したものとなる。このレンズ33の焦点上にピンホール34aを配置して、共焦点光学系を介して検出すると、試料20の分子の方向を検出することができる。従って、偏光制御素子13を偏光板15に切換えることによって、さらに異なる観点からの観察が可能となる。例えば、偏光制御素子13、又は偏光板15を光路上に配置することにより、試料20の分子の方向性について観察、分析することができる。

さらに、偏光板15の吸収軸を可変にすることによって、X方向の分子についても検出が可能となる。例えば、2つの偏光板15を用意して、一方の吸収軸をX方向とし、他方の吸収軸をY方向とする。これにより、X方向、及びY方向に関しての観察が可能となる。この場合、レーザ光源11からの直線偏光は、X方向、及びY方向の間の直線偏光とする。そして、吸収軸がX方向の偏光板15を配置した場合、Y方向の直線偏光が試料20に照射される。また、Y方向の分子からの蛍光強度が高くなるため、Y方向の分子に着目して分析を行うことができる。さらに、吸収軸がY方向の偏光板15を配置した場合、X方向の直線偏光が試料20に照射される。また、X方向の分子からの蛍光強度が高くなるため、X方向の分子に着目して分析を行うことができる。この場合、回転機構14に、偏光制御素子13、及び2つの偏光板15を取り付ける。そして、偏光制御素子13、X方向の偏光板15、及びY方向の偏光板15のうちの一つが光路上に配置されるようにする。すなわち、偏光制御素子13、X方向の偏光板15、又はY方向の偏光板15を選択的に光路上に挿入して、それぞれに対する検出を行なう。そして、XYZの3方向について検出を行なう。このことで、試料20を異なる観点から、観察、分析、解析することができる。なお、偏光制御素子13、及び偏光板15を切換える切換え手段は、回転機構14に限られるものではない。例えば、偏光制御素子13、及び偏光板15をスライドさせるスライド機構によって、切換えてもよい。この場合、偏光制御素子13、又は偏光板15をスライド移動することによって、偏光板15又は偏光制御素子13を光路上に挿入する。また、偏光板15と偏光制御素子13とを異なる位置に挿入されるよう配置してもよい。さらに、偏光板15を光路上で回転させることによって、吸収軸の方向を変えるようにしてもよい。これにより、任意の方向に対しての観察、分析を行うことができる。このようにして、光路中に挿入される偏光板15の吸収軸を異なる角度に切り換えることができる。なお、偏光板には、吸収型に限らず、反射型の偏光子を用いることができる。

なお、上記の説明では直線偏光からラジアル偏光を生成する偏光制御素子13を、図2に示す8分割の1/2波長板として説明したが、偏光制御素子13の構成はこれに限るものではない。偏光制御素子13としては、入射位置に応じて位相差を与えるものであればよい。すなわち、対向する領域で180°異なる位相差を与え、直線偏光をラジアル偏光にする偏光制御素子13を用いることができる。従って、偏光制御素子13については、様々な構成のものを利用することができる。この偏光制御素子13の具体的な変形例について図9〜図12を用いて説明する。

図9(a)は変形例1の偏光制御素子13の構成を示す平面図であり、図9(b)は、図9(a)の断面図である。変形例1にかかる偏光制御素子13は対向する領域で厚さが異なっている。この厚さの違いが、180°の位相差に対応する。従って、上半分の領域と下半分の領域で、180°の位相差が与えられる。よって、直線偏光が図9に示す偏光制御素子13を通過すると、2分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図9に示す偏光制御素子13を通過すると直線偏光になる。

図10は、変形例2の偏光制御素子13の構成を示す平面図である。変形例2にかかる偏光制御素子13では、2分割の1/2波長板が2枚用いられている。そして、上半分の領域と下半分の領域で、光学軸が直交している。よって、直線偏光が図10に示す偏光制御素子13を通過すると、2分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図10に示す偏光制御素子13を通過すると直線偏光になる。

図11は、変形例3の偏光制御素子13の構成を示す平面図である。変形例3にかかる偏光制御素子13では、4分割の1/2波長板が4枚用いられている。そして、上側の領域と下側の領域で、光学軸が直交している。また、右側の領域と左側の領域で、光学軸が直交している。よって、直線偏光が図11に示す偏光制御素子13を通過すると、4分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図11に示す偏光制御素子13を通過すると直線偏光になる。なお、1/2波長板は、2分割や4分割に限られるものではない。

図12は、変形例4の偏光制御素子13の構成を示す図である。変形例4にかかる偏光制御素子13は、2枚のPBS(偏光ビームスプリッタ)51a、51b、及び2枚のミラー52a、52bからなる干渉計の中に、位相板53a、53bが配置された構成を有している。さらに、位相板53aとPBS51aとの間には、マスク54aが配設されている。また、位相板53bとPBS51bとの間には、マスク54bが配設されている。まず、直線偏光の入射光がPBS51aによって2分割される。そして、2分割された光ビームの一方がミラー52aで反射されて、PBS51bに入射する。また、2分割された光ビームの他方がミラー52bで反射されて、PBS51bに入射する。PBS51bは、2分割されていた光ビームを合成して出射する。ここで、PBS51aで分岐された光ビームのうち、ミラー52aに入射する光ビームがX方向に振動し、ミラー52bに入射する光ビームがY方向に振動するものとする。なお、図12では紙面に垂直な方向をX方向とする。ここで、位相板53a、53b、及びマスク54a、54bは、図13に示す構成を有している。

ここで、一方の光ビームの光路上には、位相板53a、及びマスク54aが配置され、他方の光ビームの光路上には位相板53bが配置されている。位相板53a、53bは、図9で示した偏光制御素子13と同じ構成のものである。すなわち、位相板53a、53bの2分割の領域で180°の位相差が与えられる。そして、図13(a)に示すように位相板53aは、X方向において異なる位置に入射した光に位相差を与える。一方、位相板53bは、Y方向において異なる位置に入射した光に位相差を与える。

位相板53aを通過した光ビームはマスク54aに入射する。また、位相板53bを通過した光は、マスク54bに入射する。ここで、マスク54a、マスク54bは、図13(b)に示す構成を有している。例えば、マスク54a、54bは、円板状であり、4分割された扇状の領域を有している。そして、マスク54aでは、4分割された扇状の領域のうち、上下の領域で光を遮光し、左右の領域で光を透過する。すなわち、マスク54aでは、光を透過する透過領域がX方向に対向して配置されている。一方、マスク54bは、分割された扇状の領域のうち、左右の領域で光を遮光し、上下の領域で光を透過する。すなわち、マスク54bでは、光を透過する透過領域がY方向に対向して配置されている。このように、マスク54a、54bは入射した光の半分を遮光し、半分を透過する。さらに、マスク54a、54bを通過した光は、位相板53a、53bによって位相差が与えられている。

マスク54a、54bを通過した光ビームは、PBS51bに入射する。このような2本の光ビームをPBS51bによって合成するとラジアル偏光が生成される。よって、変形例4にかかる偏光制御素子13は、直線偏光をラジアル偏光になる。また、変形例4にかかる偏光制御素子13は、ラジアル偏光を直線偏光とする。ここでは、4分割のマスクを用いているため、4分割のラジアル偏光が生成される。

なお、上記の例では、4分割のマスク54a、54bを用いたがこの構成に限るものではない。マスク54a、54bの分割数を多くすることによって、偏光軸の空間分布をより滑らかにすることができる。さらには、マスク54a、54bの極座標での透過率を、それぞれTa(r、θ)、Tb(r、θ)とすると、Ta(r、θ)=cosθ、Tb(r、θ)=sinθとすることが好ましい。これにより、分割数が無限大の完全なラジアル偏光を生成することができる。

上記の変形例1〜4の偏光制御素子13を通過することにより、直線偏光がラジアル偏光となり、ラジアル偏光が直線偏光となる。さらには、直線偏光をアジマス偏光にすることも可能になる。このように、偏光制御素子13には、様々な構成のものを用いることができる。もちろん、偏光制御素子13には、物理的に1つの光学部品に限らず、複数の光学部品を組み合わせたものを含むものとする。さらに、図示した例に限られるものではない。例えば、液晶や電気光学効果(EO)を用いたSLM(Spatial Light Modulators)を偏光制御素子13としてもよい。

なお上記の説明では、検出される光を蛍光として説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ラマン散乱によって発生したラマン散乱光や第2高調波発生によって発生した第2高調波を検出することができる。また、試料20で正反射される反射光を検出してもよい。さらに、2本のレーザ光の和周波発生によって発生した和周波を検出してもよい。この場合、2本のレーザ光が同一光軸上を伝播するように合成して、試料20照射させる。このような、蛍光、反射光、第2高調波、ラマン散乱光、和周波、2光子蛍光、第3高調波、などの検出に利用することができる。また、蛍光偏光解消や、偏光ラマンについても利用可能である。従って、反射型共焦点顕微鏡、蛍光顕微鏡、ラマン顕微鏡、和周波顕微鏡、CARS(コヒーレントアンチストークスラマン散乱)顕微鏡、CSRS(コヒレントストークスラマン散乱)顕微鏡等に対して上記の偏光制御素子13を用いることで、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。さらに、カー効果などによる偏光状態の変化を利用して、磁石の軸を観察することも可能となる。また、液晶素子における液晶分子のプレチルト角の測定を行うこともできる。よって、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。また、上記の光学顕微鏡の構成に対して、スペクトル分析のための分光器や、バンドパスフィルタなどを加えてもよい。

本実施の形態にかかる光学顕微鏡100では、偏光制御素子13がビームスプリッタ17と対物レンズ16との間に配置される。これにより、簡便な構成で試料20に入射するレーザ光と、試料20からの戻り光とに同じ偏光制御素子13を通過させることができる。さらに、偏光制御素子13を入射光路上に配置することによって、Z方向に振動する光を試料20に照射することができる。また、偏光板15を入射光路上に配置することによって、X方向、又はY方向に振動する光を試料20に照射することができる。これにより、様々な観点からの観察が可能となる。もちろん、偏光制御素子13の配置は、ビームスプリッタ17と対物レンズ16との間に限られるものではない。例えば、試料20に入射するレーザ光が偏光制御素子13を通過しない構成としてもよい。例えば、ランダムな偏光を試料20に照射させた時に発生する蛍光やラマン散乱光を偏光制御素子13を介して検出してもよい。なお、上記の光学顕微鏡100では、XYステージ21を駆動することによって、走査したが、光ビームを偏向することによって走査してもよい。

上記のように偏光制御素子13を光路上に挿入することによって、試料20の分子の方向性に応じて、ピンホール34aを通過する光の光量が変化する。従って、試料20の分子の方向性についての観察、分析を行なうことができる。なお、ピンホールフィルタ34を光路上から取り除き、検出器35を焦点に配置してもよい。この場合、検出器35の受光領域に大きさに応じて検出光量が変化する。従って、適当な大きさの受光領域を有する検出器35をレンズ33の焦点上に配置することによって、対物レンズ16の焦点以外からの光は、検出器35の受光領域の外側に入射する。この場合、ピンホールフィルタ34を不要にすることができる。このような場合でも、ピンホールフィルタ34を用いた場合と同様に、共焦点光学系を介して蛍光が検出器35で検出される。よって、試料20の分子の方向性についての観察、分析を行うことができる。さらに、偏光制御素子、及び2枚の偏光板15を切換えることによって、X方向、Y方向、及びZ方向の3方向それぞれについて、分子の方向性を観察、分析することができる。

発明の実施の形態2.
本実施の形態にかかる光学顕微鏡200は、実施の形態1と同様に、落射照明方式のレーザ共焦点顕微鏡である。従って、実施の形態1と重複する構成については、説明を省略する。本実施の形態にかかる光学顕微鏡200では、図14に示すように、実施の形態1と異なり、偏光制御素子13がビームスプリッタ17とピンホールフィルタ34の間に配置されている。この場合、レーザ光源11から試料20に入射する光が偏光制御素子13に入射しない。従って、レーザ光源11とビームスプリッタ17の間に、入射側偏光制御素子43が配置されている。この入射側偏光制御素子43は、偏光制御素子13と同じ構成を有している。従って、直線偏光が入射側偏光制御素子43を通過するとラジアル偏光になり、ラジアル偏光が入射側偏光制御素子43を通過すると直線偏光になる。

また、入射側偏光制御素子43から偏光板45に切換えるための回転機構44を有している。回転機構44は、回転モータ等を備えている。そして、回転機構44を所定の角度だけ回転することにより、入射側偏光制御素子43が光路上から取り除かれるとともに、入射側偏光板45が光路上に挿入される。回転機構44をさらに回転させると、入射側偏光板45が光路上から取り除かれるとともに、入射側偏光制御素子43が光路上に挿入される。従って、入射側偏光制御素子43と入射側偏光板45が排他的に光路上に配置される。従って、レーザ光源11からビームスプリッタ17までの入射側には、入射側偏光制御素子43、回転機構44、及び入射側偏光板45が設けられ、ビームスプリッタ17からレンズ33までの検出側で、偏光制御素子13、回転機構14、及び入射側偏光板15が設けられている。

さらに、回転機構44は、回転機構14と同様に、光路中に挿入される入射側偏光板45の吸収軸を切換える。これにより、吸収軸をX方向、からY方向に切換えることができる。例えば、回転機構44には、吸収軸が異なる角度で配置された2枚の偏光子が設けられている。もちろん、1枚の入射側偏光板45を回転させて、吸収軸を切換えてもよい。入射側偏光板45は、入射した光のうち、特定の偏光方向の光のみを透過する。この入射側偏光板45を通過した光は直線偏光となる。

このような構成によって、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。すなわち、偏光制御素子13、及び入射側偏光制御素子43を光路上に配置することにより、試料20の分子の方向性について観察することができる。ここでは、Z方向に振動する光を試料20に照射することができる。また、入射側偏光板45、及び偏光板15を光路上に配置した状態では、X方向、又はY方向に振動する光を試料20に照射することができる。このとき、入射側偏光板45、及び偏光板15の吸収軸は、同じ方向にする。すなわち、入射側と、検出側とで、偏光軸を一致させる。このような構成によっても、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。よって、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。

また、入射側偏光制御素子43、及び偏光板15が光路上に配置された状態で、検出を行なってもよい。さらに、入射側偏光板45、及び偏光制御素子13が光路上に配置された状態で、検出を行なってもよい。すなわち、検出側にX方向の偏光板15、Y方向の偏光板15、及び偏光制御素子13のいずれか一つを配置し、入射側にX方向の入射側偏光板45、Y方向の入射側偏光板45、及び入射側偏光制御素子43のいずれか一つを配置する。そして、ピンホール34aを介して検出を行なう。

この場合、(入射側の3通り)×(検出側の3通り)の合計9通りの検出が行なわれる。これにより、試料20の分子の方向性について、より詳細に分析することができる。よって、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。さらに、試料20に入射する光については、ランダムな偏光であってもよい。これにより、実施の形態1よりも、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。

上記のように、入射側と検出側とで別の偏光制御素子を用いることで、試料20に入射する入射光と試料20からの出射光の波長の差が大きい場合でも、容易に検出することができる。例えば、入射光と出射光の波長が大きく異なっていても、本実施の形態では、有効波長範囲の狭い偏光制御素子13、及び入射側偏光制御素子43を用いることができる。すなわち、偏光制御素子13を出射光の波長に最適化されたものとすることができる。さらに、入射側偏光制御素子43をレーザ光の波長に対して最適化されたものとすることができる。これにより、入射光と出射光の波長が異なる場合であっても、精度よく測定することができる。従って、試料20に入射する入射光と、試料20から出射される出射光とが異なる波長となる蛍光顕微鏡、第2高調波顕微鏡、ラマン顕微鏡等に好適である。

発明の実施の形態3.
本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は、実施の形態1、2と同様に、レーザ共焦点顕微鏡であるが、図15に示すように、実施の形態1、2と異なり、透過照明方式の顕微鏡である。ここで、レーザ光源11から試料20までの構成は、実施の形態2とほぼ同様であるため説明を省略する。レーザ光源11からのレーザ光は、ビームエキスパンダ12によりビーム径が拡大される。そして、入射側偏光制御素子43を通過して対物レンズ16で入射する。このとき、対物レンズ16で集光されたレーザ光は、ラジアル偏光になっている。また、回転機構44によって、入射側偏光制御素子43が入射側偏光板45に切換えられる。この場合、直線偏光のレーザ光が試料20に入射する。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は透過照明方式であるため、ビームスプリッタ17が設けられていない。

本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は、透過照明方式である。従って、試料20を通過した光を検出器35で検出するまでの光学系が上記の構成に加えて設けられている。この光学系について以下に説明する。なお、試料20から検出器35までの光学系において、実施の形態1、2と同様の構成については、詳細な説明を省略する。対物レンズ16から試料20に入射した光のうち、試料20を通過した光は、透明なXYステージ21を通過する。そして、コンデンサレンズ36で屈折されて、平行光束となる。そして、コンデンサレンズ36からの光は、ダイクロイックフィルタ37に入射する。ダイクロイックフィルタ37は、波長に応じて異なる透過率を有している。具体的には、ダイクロイックフィルタ37は、試料20で発生した蛍光を通過させ、レーザ光を遮光する。これにより、検出するための蛍光を、試料20を透過したレーザ光から取り出すことができる。なお、ダイクロイックフィルタ37の代わりにバンドパスフィルタを用いてもよい。なお、検出する光は、蛍光に限らず、ラマン散乱光、第2高調波などであってもよい。

このように、ダイクロイックフィルタ37によって、試料20からの蛍光がレーザ光から分離される。そして、ダイクロイックフィルタ37を通過した蛍光は、実施の形態1、2と同様に偏光制御素子13を通過する。この偏光制御素子13は実施の形態1と同様のものである。本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は透過照明方式であるため、偏光制御素子13は、試料20の対物レンズ16が配置された側と反対側に配置されている。従って、試料20で発生した蛍光が、試料20を通過した後、偏光制御素子13に入射する。そして、偏光制御素子13と通過して、偏光状態が変化した蛍光がレンズ33で集光される。そして、レンズ33で集光された蛍光は、ピンホールフィルタ34に設けられているピンホール34aを介して検出器35で検出される。この場合、実施の形態1と同様に、試料20の分子の方向性に応じて、ピンホール34aを通過する光の光量が変化する。従って、実施の形態1、2と同様に、試料20の分子の方向性について、観察、分析、解析を行うことができる。さらに、実施の形態2と同様に、偏光制御素子13と偏光板15との切換え、並びに入射側偏光制御素子43と入射側偏光板45との切換えを行なう。すなわち、(入射側の3通り)×(検出側の3通り)の合計9通りの検出を行なう。これにより、実施の形態2と同様の効果を得ることができ、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。

なお、実施の形態2、3では直線偏光を試料20に照射するため、入射側偏光板45を用いたが、これに限られるものではない。例えば、レーザ光源11が、直線偏光を出射する場合は、入射側偏光板45は不要となる。なお、この場合、偏光面を所定の角度にするため、入射側1/2波長板を用いてもよい。入射側1/2波長板は、入射側偏光板45の代わりに用いられる。従って、回転機構44に入射側1/2波長板を取り付けることができる。入射側1/2波長板は、その光学軸、及び入射した光の偏光面に応じて、所定の角度だけ、偏光面を回転させる。従って、入射側1/2波長板の光学軸の角度を調整することによって、偏光面の角度を変化させることができる。よって、偏光面の角度を所望の角度にすることができる。例えば、異なる角度の入射側1/2波長板を2枚用意して、それらの一方のみを光路中に挿入してもよい。もちろん、光軸を回転中心として回転可能な入射側1/2波長板を用いてもよい。このように、入射側1/2波長板を用いることによって、光の利用効率を向上することができる。

また、レーザ光源11がランダム偏光等のような直線偏光以外の光を出射する場合、レーザ光源11の光を直線偏光にする偏光板を配置する。例えば、実施の形態2、3では、入射側偏光制御素子43のレーザ光源11側に光源側偏光子を配置する。すなわち、入射側偏光制御素子43とレーザ光源11との間に、光源側偏光子をさらに設ける。そして、光源側偏光子を通過して直線偏光となった光を入射側偏光制御素子43に入射させる。このようにすることによって、光源によらず、直線偏光を入射側偏光制御素子43に入射させることができる。もちろん、光源側偏光子の後段に、1/2波長板を配置して、偏光軸を調整してもよい。

本発明の実施の形態1にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。 本発明にかかる光学顕微鏡に用いられる偏光制御素子を説明するための図である。 対物レンズによって集光される光の偏光状態を模式的に示す図である。 試料で発生する光の振動方向を模式的に示す図である。 Y方向を向いた分子からの光を偏光制御素子を介して検出する場合について説明する図である。 Z方向を向いた分子からの光を偏光制御素子を介して検出する場合について説明する図である。 Y方向を向いた分子からの光を偏光板を介して検出する場合について説明する図である。 Z方向を向いた分子からの光を偏光板を介して検出する場合について説明する図である。 変形例1にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例2にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例3にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例4にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例4にかかる偏光制御素子に用いられている位相板、及びマスクの構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態2にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。 本発明の実施の形態3にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。

符号の説明

11 レーザ光源、12 ビームエキスパンダ、13 偏光制御素子、14 回転機構、
15 偏光板、16 対物レンズ、17 ビームスプリッタ、
20 試料、21 XYステージ、
33 レンズ、34 ピンホールフィルタ、34a ピンホール、35 検出器、
36 コンデンサレンズ、37 ダイクロイックフィルタ、
43 入射側偏光制御素子、44 回転機構、45 偏光板、
51 PBS、52 ミラー、53 位相板

Claims (17)

  1. 光源と、
    前記光源からの光ビームを集光して試料に照射する対物レンズと、
    前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子と、
    前記対物レンズよりも低いNAを有し、前記偏光制御素子を通過した光を集光するレンズと、
    共焦点光学系を介して前記レンズで集光された光を検出する光検出器と、を備える光学顕微鏡。
  2. 前記偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する偏光子を光路中に挿入する切換手段をさらに備える請求項1に記載の光学顕微鏡。
  3. 前記光路中に挿入される偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とする請求項2に記載の光学顕微鏡。
  4. 前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、
    前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されている請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。
  5. 前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、
    前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記検出器との間に配置されている請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。
  6. 前記ビームスプリッタと前記光源との間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備える請求項5に記載の光学顕微鏡。
  7. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向のみの光を透過する入射側偏光子を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備える請求項6に記載の光学顕微鏡。
  8. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備える請求項6に記載の光学顕微鏡。
  9. 前記偏光制御素子が、前記試料の前記対物レンズが配置された側と反対側に配置され、
    前記試料で発生した光が前記試料を透過し、前記偏光制御素子に入射することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。
  10. 前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備える請求項9に記載の光学顕微鏡。
  11. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する入射側偏光子を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備える請求項10に記載の光学顕微鏡。
  12. 前記光路中に挿入される入射側偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とする請求項7又は11に記載の光学顕微鏡。
  13. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備える請求項9に記載の光学顕微鏡。
  14. 前記光源と前記入射側偏光制御素子との間に、特定の偏光方向の光のみを透過する光源側偏光子が配置されている請求項6、又は10に記載の光学顕微鏡。
  15. 前記入射側偏光制御素子に入射する光ビームが直線偏光であることを特徴とする請求項6乃至14のいずれかに記載の光学顕微鏡。
  16. 前記試料で発生する光が、ラマン散乱光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光、コヒーレントストークスラマン散乱光、第2高調波、蛍光、第3高調波、蛍光、2光子蛍光、又は和周波であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の光学顕微鏡。
  17. 光ビームを対物レンズによって、試料に集光して照射するステップと、
    前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料からの反射光に対して、入射位置に応じた位相差を与えるステップと、
    前記入射位置に応じた位相差を与えられた光を、前記対物レンズよりも低いNAのレンズで集光するステップと、
    前記低いNAのレンズで集光された光を、共焦点光学系を介して検出するステップとを備える観察方法。
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