JP2010160264A - Laser microscope - Google Patents

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隆介 田中
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牧男 上野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser microscope for achieving accurate observation of two-photon excitation fluorescence while suppressing fluorescence by three-photon excitation. <P>SOLUTION: The laser microscope 1 includes: a laser beam source 2 emitting a pulse laser beam L; an objective lens 8 condensing the fluorescence generated on a sample A, while irradiating the sample A with the pulse laser beam L from the laser beam source 2; detectors 13a and 13b detecting the fluorescence condensed by the objective lens 8; and a dispersion compensating optical system 17 setting pulse width of the pulse laser beam L to be larger than minimum pulse width in which intensity of the fluorescence detected by the detectors 13a and 13b becomes maximum when adjustment of the pulse width of the pulse laser beam L is instructed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザ光源を有するレーザ顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a laser microscope having a laser light source.

従来、パルスレーザ光を励起光として、標本において発生した蛍光を観察するレーザ顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1から3参照)。このようなレーザ顕微鏡によれば、特に生体試料の観察において高い空間分解能を得ることができる。また、生体組織での透過率の高い近赤外の波長のパルスを励起光として用いることで、試料への低侵襲性の実現と標本深部の観察も可能である。   Conventionally, a laser microscope that observes fluorescence generated in a specimen using pulsed laser light as excitation light is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3). According to such a laser microscope, a high spatial resolution can be obtained particularly in the observation of a biological sample. In addition, by using a near-infrared wavelength pulse with high transmittance in a living tissue as excitation light, it is possible to realize minimally invasiveness to the sample and to observe the depth of the specimen.

特表平5−503149号公報Japanese Patent Publication No. 5-503149 特開2006−106004号公報JP 2006-106004 A 特開2007−127524号公報JP 2007-127524 A

しかしながら、特許文献1から3に開示されている技術によれば、2光子励起観察を行う際に、意図しない3光子励起による蛍光が生じて生体標本へダメージを与えてしまう。ここで、2光子励起の励起効率と3光子励起の励起効率に関わる励起光の特性パラメータは共通であるため、無闇に3光子励起効率を低下させるように励起光の調整を行うと、本来観察したい2光子励起蛍光の観察精度も低下してしまうという不都合がある。   However, according to the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, when two-photon excitation observation is performed, fluorescence due to unintended three-photon excitation occurs and damages the biological specimen. Here, since the excitation light characteristic parameters related to the excitation efficiency of the two-photon excitation and the excitation efficiency of the three-photon excitation are common, when the excitation light is adjusted so as to reduce the three-photon excitation efficiency without darkness, the original observation is performed. There is an inconvenience that the observation accuracy of the two-photon excitation fluorescence to be reduced also decreases.

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、3光子励起による蛍光を抑制しつつ、2光子励起蛍光の観察を精度よく行う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。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a laser microscope capable of accurately observing two-photon excitation fluorescence while suppressing fluorescence due to three-photon excitation.

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、該レーザ光源からのパルスレーザ光を標本に照射する一方、標本において発生した蛍光を集光する対物レンズと、該対物レンズにより集光された蛍光を検出する検出手段と、前記パルスレーザ光のパルス幅の調整を指示する調整指示手段と、該調整指示手段により前記パルスレーザ光のパルス幅の調整が指示された場合に、前記パルスレーザ光のパルス幅を前記検出手段により検出される蛍光の強度が最大となる最小パルス幅よりも大きく設定するパルス幅調整手段とを備えるレーザ顕微鏡を採用する。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
The present invention is directed to a laser light source that emits pulsed laser light, an object lens that irradiates the sample with pulsed laser light from the laser light source, and condenses the fluorescence generated in the sample, and is focused by the objective lens. Detection means for detecting fluorescence, adjustment instruction means for instructing adjustment of the pulse width of the pulse laser light, and when the adjustment instruction means instructs adjustment of the pulse width of the pulse laser light, the pulse laser light A laser microscope is used that includes a pulse width adjusting means for setting the pulse width of the above to be larger than the minimum pulse width at which the intensity of the fluorescence detected by the detecting means is maximized.

本発明によれば、調整指示手段によりパルスレーザ光のパルス幅の調整が指示された場合に、パルス幅調整手段によりパルスレーザ光のパルス幅が蛍光の強度が最大となる最小パルス幅よりも大きく設定されるので、標本からの3光子励起蛍光の強度を小さくして、標本へのダメージを低減することができる。この際、観察に適した2光子励起蛍光の強度を確保するようにパルスレーザ光のパルス幅を設定することで、3光子励起蛍光による標本へのダメージを抑制しつつ、2光子励起蛍光による標本の観察を精度良く行うことが可能となる。   According to the present invention, when adjustment of the pulse width of the pulse laser beam is instructed by the adjustment instruction unit, the pulse width of the pulse laser beam is larger than the minimum pulse width at which the fluorescence intensity is maximized by the pulse width adjustment unit. Since it is set, the intensity of the three-photon excitation fluorescence from the specimen can be reduced to reduce damage to the specimen. At this time, by setting the pulse width of the pulsed laser beam so as to ensure the intensity of the two-photon excitation fluorescence suitable for observation, the specimen by the two-photon excitation fluorescence is suppressed while suppressing damage to the specimen by the three-photon excitation fluorescence. Can be accurately observed.

上記発明において、前記対物レンズにより集光された蛍光を2光子励起蛍光と3光子励起蛍光とに分岐する分岐手段を備え、前記検出手段が、前記分岐手段により分岐された2光子励起蛍光を検出する2光子蛍光検出部と、前記分岐手段により分岐された3光子励起蛍光を検出する3光子蛍光検出部とを有することとしてもよい。   In the above invention, a branching unit for branching fluorescence condensed by the objective lens into two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence is provided, and the detection unit detects the two-photon excitation fluorescence branched by the branching unit. A two-photon fluorescence detection unit that detects the three-photon fluorescence that is branched by the branching unit.

このようにすることで、標本において発生した2光子励起蛍光と3光子励起蛍光とを別個に且つ同時に検出することができ、パルスレーザ光のパルス幅の調整時間を短縮して標本へのダメージを低減することができる。   In this way, the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence generated in the sample can be detected separately and simultaneously, and the adjustment time of the pulse width of the pulsed laser beam is shortened to damage the sample. Can be reduced.

上記発明において、前記パルス幅調整手段は、前記3光子蛍光検出部により検出された3光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値が所定の閾値以下となるように、前記パルスレーザ光のパルス幅を調整することとしてもよい。   In the above invention, the pulse width adjusting means may be configured so that the absolute value of the rate of change of the intensity of the three-photon excitation fluorescence detected by the three-photon fluorescence detector is equal to or less than a predetermined threshold value. It is good also as adjusting.

3光子励起蛍光の強度は、励起光であるパルスレーザ光のパルス幅の2乗に反比例する。したがって、パルス幅調整手段により3光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値を所定の閾値以下とすることで、3光子励起蛍光の強度が急激に上昇しないようにパルスレーザ光のパルス幅を調整することができ、3光子励起蛍光による標本へのダメージを抑制することが可能となる。   The intensity of the three-photon excitation fluorescence is inversely proportional to the square of the pulse width of the pulsed laser light that is the excitation light. Therefore, by adjusting the absolute value of the rate of change of the intensity of the three-photon excitation fluorescence below a predetermined threshold by the pulse width adjusting means, the pulse width of the pulse laser beam is adjusted so that the intensity of the three-photon excitation fluorescence does not increase rapidly. It is possible to suppress damage to the specimen due to three-photon excitation fluorescence.

上記発明において、前記パルス幅調整手段は、前記2光子蛍光検出部により検出された2光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値が所定の閾値以上となるように、前記パルスレーザ光のパルス幅を調整することとしてもよい。   In the above invention, the pulse width adjusting means may be configured such that the absolute value of the rate of change of the intensity of the two-photon excitation fluorescence detected by the two-photon fluorescence detection unit is equal to or greater than a predetermined threshold value. It is good also as adjusting.

2光子励起蛍光の強度は、励起光であるパルスレーザ光のパルス幅に反比例する。したがって、パルス幅調整手段により2光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値を所定の閾値以上とすることで、2光子励起蛍光の強度を飛躍的に向上させるようにパルスレーザ光のパルス幅を調整することができ、2光子励起蛍光による観察精度を向上することが可能となる。   The intensity of two-photon excitation fluorescence is inversely proportional to the pulse width of the pulsed laser light that is excitation light. Therefore, by setting the absolute value of the rate of change of the intensity of the two-photon excitation fluorescence to a predetermined threshold or more by the pulse width adjusting means, the pulse width of the pulse laser beam is set so as to dramatically improve the intensity of the two-photon excitation fluorescence. It is possible to adjust, and it becomes possible to improve the observation accuracy by the two-photon excitation fluorescence.

上記発明において、前記パルス幅調整手段は、前記2光子蛍光検出部により検出された2光子励起蛍光の強度に対する前記3光子蛍光検出部により検出された3光子励起蛍光の強度の比率が所定の閾値以下となるように、前記パルスレーザ光のパルス幅を調整することとしてもよい。   In the above invention, the pulse width adjusting means is configured such that the ratio of the intensity of the three-photon excitation fluorescence detected by the three-photon fluorescence detection unit to the intensity of the two-photon excitation fluorescence detected by the two-photon fluorescence detection unit is a predetermined threshold value. It is good also as adjusting the pulse width of the said pulse laser beam so that it may become the following.

このようにすることで、パルス幅調整手段により2光子励起蛍光の強度と3光子励起蛍光の強度とのバランスに基づいてパルスレーザ光のパルス幅を調整することができ、観察に適した2光子励起蛍光の強度を確保しつつ、3光子励起蛍光の上昇を抑制することができる。これにより、3光子励起蛍光による標本へのダメージを抑制しつつ、2光子励起蛍光による標本の観察を精度良く行うことが可能となる。   By doing so, the pulse width of the pulse laser beam can be adjusted by the pulse width adjusting means based on the balance between the intensity of the two-photon excitation fluorescence and the intensity of the three-photon excitation fluorescence, and two-photons suitable for observation. An increase in three-photon excitation fluorescence can be suppressed while ensuring the intensity of excitation fluorescence. As a result, it is possible to accurately observe the specimen by the two-photon excitation fluorescence while suppressing damage to the specimen by the three-photon excitation fluorescence.

上記発明において、前記パルス幅調整手段を操作する操作部と、前記2光子蛍光検出部により検出された2光子励起蛍光および前記3光子蛍光検出部により検出された3光子励起蛍光から、それぞれの画像を生成する画像生成部と、該画像生成部により生成された画像を表示する表示部とを備えることとしてもよい。   In the above-described invention, each image is obtained from the operation unit that operates the pulse width adjusting unit, the two-photon excitation fluorescence detected by the two-photon fluorescence detection unit, and the three-photon excitation fluorescence detected by the three-photon fluorescence detection unit. It is good also as providing the image generation part which produces | generates, and the display part which displays the image produced | generated by this image generation part.

このようにすることで、画像生成部により2光子励起蛍光の画像および3光子励起蛍光の画像を生成し、これら画像を表示部に表示することができ、これら画像を確認しながら操作部によりパルス幅調整手段を操作することで、各画像が所望の強度となるようにパルスレーザ光のパルス幅の調整を行うことが可能となる。   By doing so, it is possible to generate a two-photon excitation fluorescence image and a three-photon excitation fluorescence image by the image generation unit, and display these images on the display unit. By operating the width adjusting means, the pulse width of the pulse laser beam can be adjusted so that each image has a desired intensity.

本発明によれば、3光子励起による蛍光を抑制しつつ、2光子励起蛍光の観察を精度よく行うことができるという効果を奏する。   According to the present invention, there is an effect that two-photon excitation fluorescence can be accurately observed while suppressing fluorescence due to three-photon excitation.

本発明の第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a laser microscope according to a first embodiment of the present invention. 図1の分散補正光学系の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the dispersion correction optical system of FIG. 図1の分散補正光学系の動作を説明する図であり、(a)は光路長を短くした場合、(b)は光路長を長くした場合である。2A and 2B are diagrams for explaining the operation of the dispersion correction optical system of FIG. 1, in which FIG. 1A shows a case where the optical path length is shortened, and FIG. 図1のレーザ顕微鏡の作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the laser microscope of FIG. パルス幅の調節方法を説明する図であり、(a)は2光子>3光子の場合、(b)は2光子<3光子の場合、(c)は各蛍光の強度を規格化した場合である。It is a figure explaining the adjustment method of a pulse width, (a) is a case where 2 photons> 3 photons, (b) is a case where 2 photons <3 photons, (c) is a case where the intensity | strength of each fluorescence is normalized. is there. 第1の変形例に係るレーザ顕微鏡の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser microscope which concerns on a 1st modification. 第2の変形例に係る分散調節系の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the dispersion | distribution adjustment system which concerns on a 2nd modification. 第4の変形例に係るレーザ顕微鏡の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser microscope which concerns on a 4th modification. 本発明の第2の実施形態に係るレーザ顕微鏡の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser microscope which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図9のレーザ顕微鏡の作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the laser microscope of FIG.

〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態のレーザ顕微鏡1は、図1に示されるように、パルスレーザ光Lを射出するレーザ光源2と、試料Aにパルスレーザ光Lを照射して、得られる蛍光Fを観察する蛍光顕微鏡本体3と、この顕微鏡本体3にレーザ光源2から発せられたパルスレーザ光Lを導入する導入光学系4とを備えている。
[First Embodiment]
A laser microscope according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the laser microscope 1 of the present embodiment includes a laser light source 2 that emits pulsed laser light L, and a fluorescence microscope that irradiates the sample A with the pulsed laser light L and observes the fluorescence F that is obtained. A main body 3 and an introduction optical system 4 for introducing pulsed laser light L emitted from the laser light source 2 into the microscope main body 3 are provided.

蛍光顕微鏡本体3は、ガルバノミラー5と、瞳投影レンズ6と、結像レンズ7と、対物レンズ8と、励起ダイクロイックミラー(分岐手段)9と、集光レンズ10と、バリアフィルタ11と、蛍光分岐ダイクロイックミラー12と、検出器(検出手段)13a,13bとを備えている。図中の符号14はミラー、符号15はバンドパスフィルタ、符号16は集光レンズを示している。   The fluorescence microscope main body 3 includes a galvanometer mirror 5, a pupil projection lens 6, an imaging lens 7, an objective lens 8, an excitation dichroic mirror (branching means) 9, a condenser lens 10, a barrier filter 11, a fluorescence A branch dichroic mirror 12 and detectors (detection means) 13a and 13b are provided. In the figure, reference numeral 14 denotes a mirror, reference numeral 15 denotes a band-pass filter, and reference numeral 16 denotes a condenser lens.

ガルバノミラー5は導入光学系4から入射されてくるパルスレーザ光Lを2次元的に走査するようになっている。
瞳投影レンズ6は、ガルバノミラー5により走査されたパルスレーザ光Lを集光して中間像を結像させるようになっている。
The galvanometer mirror 5 two-dimensionally scans the pulse laser beam L incident from the introduction optical system 4.
The pupil projection lens 6 focuses the pulsed laser light L scanned by the galvanometer mirror 5 to form an intermediate image.

結像レンズ7は、瞳投影レンズ6により中間像を結像したパルスレーザ光Lを集光して平行光に変換するようになっている。
対物レンズ8は、結像レンズ7により平行光に変換されたパルスレーザ光Lを集光して試料Aに結像させ、また試料Aにおいて蛍光物質が励起されることにより発せられた蛍光Fを集光するようになっている。
The imaging lens 7 condenses the pulsed laser light L on which the intermediate image is formed by the pupil projection lens 6 and converts it into parallel light.
The objective lens 8 condenses the pulsed laser light L converted into parallel light by the imaging lens 7 to form an image on the sample A, and also emits the fluorescence F emitted when the fluorescent material is excited in the sample A. Condensed.

励起ダイクロイックミラー9は、対物レンズ8により集光された蛍光Fをパルスレーザ光Lから分岐するようになっている。
集光レンズ10は、励起ダイクロイックミラー9により分岐された蛍光Fを集光するようになっている。
バリアフィルタ11は、集光レンズ10により集光された蛍光Fにおけるパルスレーザ光L成分を除去するようになっている。
The excitation dichroic mirror 9 branches the fluorescence F condensed by the objective lens 8 from the pulsed laser light L.
The condensing lens 10 condenses the fluorescence F branched by the excitation dichroic mirror 9.
The barrier filter 11 removes the pulsed laser light L component in the fluorescence F collected by the condenser lens 10.

蛍光分岐ダイクロイックミラー12は、バリアフィルタ11を通過した蛍光Fを波長毎に分岐するようになっている。
検出器13a,13bは、例えば、光電子増倍管(PMT:Photomultiplier tube)であり、蛍光分岐ダイクロイックミラー12により波長毎に分岐された蛍光Fをそれぞれ検出するようになっている。
The fluorescence branching dichroic mirror 12 branches the fluorescence F that has passed through the barrier filter 11 for each wavelength.
The detectors 13a and 13b are, for example, photomultiplier tubes (PMT) and detect the fluorescence F branched by the wavelength by the fluorescence branching dichroic mirror 12, respectively.

導入光学系4は、パルスレーザ光Lのパルス時間幅を調節する分散補償光学系(パルス幅調整手段)17と、パルスレーザ光Lの光軸および角度を変更可能にするアライメント調節装置18と、蛍光顕微鏡本体3に入射されるパルスレーザLのビーム径を調節するビーム整形光学系20と、アライメント調節装置18とビーム整形光学系20との間に配置された音響光学装置19と、パルスレーザLのビーム径を調節する顕微鏡入射補正装置21とを備えている。   The introduction optical system 4 includes a dispersion compensation optical system (pulse width adjusting means) 17 that adjusts the pulse time width of the pulsed laser light L, an alignment adjusting device 18 that can change the optical axis and angle of the pulsed laser light L, A beam shaping optical system 20 for adjusting the beam diameter of the pulse laser L incident on the fluorescence microscope main body 3, an acoustooptic device 19 disposed between the alignment adjustment device 18 and the beam shaping optical system 20, and the pulse laser L And a microscope incident correction device 21 for adjusting the beam diameter of the microscope.

アライメント調節装置18は、分散補償光学系17によりパルス時間幅が調節されたパルスレーザ光Lをミラーに入射させ、そのミラーの位置と角度を調節することでパルスレーザ光Lの光軸および角度を変更可能にするようになっている。
音響光学装置19は、例えばAOM(Acoustic Optical Modulator)であり、パルスレーザ光Lのオンオフあるいは強度変調を行うようになっている。
The alignment adjusting device 18 causes the pulse laser beam L, whose pulse time width is adjusted by the dispersion compensation optical system 17, to enter the mirror, and adjusts the optical axis and angle of the pulse laser beam L by adjusting the position and angle of the mirror. It can be changed.
The acoustooptic device 19 is, for example, an AOM (Acoustic Optical Modulator), and performs on / off or intensity modulation of the pulsed laser light L.

ビーム整形光学系20は、パルスレーザ光Lの光束を絞り、音響光学装置19の結晶の有効範囲内に漏れなく入射させるためのビームエキスパンダである。
顕微鏡入射補正装置21は、対物レンズに入射する光束径を調節し、対物レンズ8の瞳径とあわせることで、光子の空間的な密度を高くするための調節機構である。また、顕微鏡入射補正装置21は、音響光学装置19から出射されたパルスレーザ光Lが、顕微鏡本体3の対物レンズ8の瞳位置に瞳径と同等の光束径で入射されるように、出射されるパルスレーザ光Lの光束形およびビームダイバージェンスを調節するビームエキスパンダである。
The beam shaping optical system 20 is a beam expander for narrowing the light beam of the pulsed laser light L so that it enters the effective range of the crystal of the acoustooptic device 19 without leaking.
The microscope incident correction device 21 is an adjustment mechanism for increasing the spatial density of photons by adjusting the diameter of the light beam incident on the objective lens and matching it with the pupil diameter of the objective lens 8. Further, the microscope incident correction device 21 emits the pulsed laser light L emitted from the acoustooptic device 19 so that it enters the pupil position of the objective lens 8 of the microscope body 3 with a light beam diameter equivalent to the pupil diameter. This is a beam expander that adjusts the beam shape and beam divergence of the pulsed laser beam L.

ここで、試料Aにおける2光子励起効果や3光子励起効果などの多光子励起効果を得られる確率は、励起したい所望の位置における光子の空間的、時間的な密度が高いほど確率が高くなる。そこで、光子の時間的な密度を高くする手段として、励起光源には瞬間的な光子密度が非常に高いパルス時間幅が100fs程度の極短パルスレーザを射出するレーザ光源2を用いている。   Here, the probability that the multiphoton excitation effect such as the two-photon excitation effect and the three-photon excitation effect in the sample A can be obtained increases as the spatial and temporal density of the photons at a desired position to be excited increases. Therefore, as a means for increasing the temporal density of photons, a laser light source 2 that emits an extremely short pulse laser having a very high pulse time width of about 100 fs is used as an excitation light source.

また、光子の空間的な密度を高くするためには、試料Aに入射する励起光を対物レンズ8により微小領域に集光させることで実現している。集光点での光の密度を高くするには、できるだけ小さな点に集光する必要がある。パルスレーザ光Lは、対物レンズ8に入射する光束径が対物レンズ8の瞳径と同じときに、最も小さく集光することができる。   Further, in order to increase the spatial density of the photons, the excitation light incident on the sample A is condensed on a minute region by the objective lens 8. In order to increase the light density at the condensing point, it is necessary to condense at the smallest possible point. The pulsed laser light L can be condensed the smallest when the diameter of the light beam incident on the objective lens 8 is the same as the pupil diameter of the objective lens 8.

一方、励起光として用いる超短パルスレーザ光は、非常に狭い波長スペクトル幅を持つ一般的なレーザ光源と異なり、ある程度広い波長スペクトルを持つ。ここで、光が屈折率媒体を通過する際の速度は、その光の波長に依存し、長波長の光ほど速く、短波長の光ほど遅く進む。そのため、パルスレーザ光Lが光源から試料Aまでに存在する光学素子を通過する際に、このパルスに含まれる短波長の成分は長波長の成分に比べて時間的に遅れが生じる。以降では、この遅れを群速度分散と呼ぶ。   On the other hand, unlike a general laser light source having a very narrow wavelength spectrum width, an ultrashort pulse laser beam used as excitation light has a somewhat wide wavelength spectrum. Here, the speed at which the light passes through the refractive index medium depends on the wavelength of the light, and the faster the longer the light, the slower the shorter the light. Therefore, when the pulsed laser light L passes through the optical element existing from the light source to the sample A, the short wavelength component included in the pulse is delayed in time compared to the long wavelength component. Hereinafter, this delay is referred to as group velocity dispersion.

この群速度分散の影響で、光源ではパルス幅が100fs程度であった光が、試料Aのところでは200fs以上のパルス幅に広がってしまう。パルスの時間幅が広がると、光子の時間的な密度は小さくなるので、多光子励起効果の励起効率は低下してしまう。そこで、予め長波長の成分が短波長の成分より時間的に遅れた状態に調節しておけば、光学素子を通過した際の群速度分散で、試料Aの点においてはちょうど短波長成分と長波長成分が時間的に一致し、狭いパルス幅をもつパルス光を試料Aに照射することが可能となる。   Due to the influence of the group velocity dispersion, light having a pulse width of about 100 fs at the light source spreads at the sample A to a pulse width of 200 fs or more. As the time width of the pulse increases, the temporal density of photons decreases, and the excitation efficiency of the multiphoton excitation effect decreases. Therefore, if the long wavelength component is adjusted in advance so as to be delayed with respect to the short wavelength component in advance, it is the group velocity dispersion when passing through the optical element. It becomes possible to irradiate the sample A with pulsed light whose wavelength components coincide in time and have a narrow pulse width.

分散補償光学系17は、レーザ光源2から入射されてくるパルスレーザ光Lを通過させることにより負の群速度分散を付与し、パルスレーザ光Lのパルス時間幅を調節するようになっている。分散補正光学系17は、図2に示されるように、2つのプリズム22、23と、ミラー24により構成されており、2つのプリズム間隔を変化させることで、パルスレーザ光Lに与える群速度分散を調節できるようになっている。   The dispersion compensation optical system 17 applies negative group velocity dispersion by passing the pulsed laser light L incident from the laser light source 2 and adjusts the pulse time width of the pulsed laser light L. As shown in FIG. 2, the dispersion correction optical system 17 is composed of two prisms 22 and 23 and a mirror 24, and the group velocity dispersion given to the pulse laser beam L by changing the interval between the two prisms. Can be adjusted.

具体的には、分散補正光学系17は、パルスレーザ光Lに対して、レーザ光源2から試料Aまでの光学系で生じる群速度分散と同じだけ、逆方向に群速度分散を予め与える。これにより、試料Aにおいてパルスレーザ光Lのパルス幅が広がってしまうことを防止し、光子の時間的密度を高くすることができる。   Specifically, the dispersion correction optical system 17 applies in advance the group velocity dispersion in the opposite direction to the pulse laser light L by the same amount as the group velocity dispersion generated in the optical system from the laser light source 2 to the sample A. Thereby, it is possible to prevent the pulse width of the pulse laser beam L from expanding in the sample A, and to increase the temporal density of photons.

分散補正光学系17は、試料Aや対物レンズ等の光学系の変更を図示しない入力装置(調整指示手段)により入力することで動作する。また、試料Aや対物レンズ等の光学系の変更をセンサ等により検出し、その検出結果に基づいて分散補正光学系17を動作させることとしてもよい。   The dispersion correction optical system 17 operates by inputting changes in the optical system such as the sample A and the objective lens by an input device (adjustment instruction means) (not shown). Further, a change in the optical system such as the sample A or the objective lens may be detected by a sensor or the like, and the dispersion correction optical system 17 may be operated based on the detection result.

上記のように構成された分散補正光学系17の作用について、図3(a)および図3(b)を用いて説明する。
プリズム22に入射したパルス光Lは、波長ごとに分散し、その後プリズム23に入射する。プリズム23では、パルス光Lのうち長波長成分(図において鎖線で表記)が通過する光路長が、短波長成分(図において実線で表記)が通過する光路長よりも長くなる。プリズム23を出たパルス光はミラー24で反射し、同じ光路を戻る。
The operation of the dispersion correction optical system 17 configured as described above will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).
The pulsed light L incident on the prism 22 is dispersed for each wavelength and then incident on the prism 23. In the prism 23, the optical path length through which the long wavelength component (indicated by a chain line in the drawing) of the pulsed light L passes is longer than the optical path length through which the short wavelength component (indicated by the solid line in the drawing) passes. The pulsed light exiting the prism 23 is reflected by the mirror 24 and returns on the same optical path.

ここで、屈折率の高い媒体中では、光の速度は空気中よりも遅くなるので、プリズム23を通過するときに長波長が通過する光路長が、短波長が通過する光路長より長くなる。したがって、分散補正光学系17を動作させることにより、長波長成分を時間的に予め遅らせたパルスレーザ光を生成することが可能となる。   Here, in a medium having a high refractive index, the speed of light is slower than in air, so that the optical path length through which the long wavelength passes when passing through the prism 23 is longer than the optical path length through which the short wavelength passes. Therefore, by operating the dispersion correction optical system 17, it becomes possible to generate pulsed laser light in which the long wavelength component is delayed in time.

ここで、図3(a)のように、2つのプリズム間隔が小さい場合には、プリズム23をパルス光が通過する際の、長波長成分が通過する光路長と短波長成分が通過する光路長との差が少ない。一方、図3(b)のように、2つのプリズム間隔が大きい場合には、プリズム23を通過する際の長波長成分が通過する光路長と短波長成分が通過する光路長との差が大きい。このように、プリズム間隔を調節することで、パルス光Lに予め加える分散補正量を調節することができる。   Here, as shown in FIG. 3A, when the distance between the two prisms is small, the optical path length through which the long wavelength component passes and the optical path length through which the short wavelength component passes when the pulsed light passes through the prism 23. There is little difference. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the distance between the two prisms is large, the difference between the optical path length through which the long wavelength component passes and the optical path length through which the short wavelength component passes when passing through the prism 23 is large. . In this way, by adjusting the prism interval, the dispersion correction amount applied in advance to the pulsed light L can be adjusted.

励起光として用いるパルスレーザ光Lの波長と、レーザ光源2から試料Aまでの光学素子の構成によって、調節する分散補正量は異なるが、このようにプリズム間隔を調節することで、試料Aでのパルス幅の広がりがなくなる様に調節して、多光子励起効果の励起効率を上げることが可能である。なお、プリズム間隔を変えた場合には、パルスレーザ光Lの光軸も動くので、元と同じ光軸になるようにプリズム22,23とミラー24を図2に示す矢印のように揺動させて、それらの角度を調節する必要がある。   The dispersion correction amount to be adjusted differs depending on the wavelength of the pulsed laser light L used as the excitation light and the configuration of the optical element from the laser light source 2 to the sample A. By adjusting the prism interval in this way, It is possible to increase the excitation efficiency of the multiphoton excitation effect by adjusting the pulse width so that it does not spread. When the prism interval is changed, the optical axis of the pulsed laser beam L also moves. Therefore, the prisms 22 and 23 and the mirror 24 are swung as indicated by the arrows shown in FIG. Need to adjust their angles.

上記のように分散量補正されたパルスレーザ光Lは、顕微鏡本体3に入射して、ガルバノミラー5によって2次元的に走査され、あるいは、所定の照射位置に位置決めされる。そして、パルスレーザ光Lは、瞳投影レンズ6、結像レンズ7および対物レンズ8を介して、試料Aの所定の照射位置に集光される。このように試料Aに集光させたパルスレーザ光Lのビームウエスト位置において、多光子励起効果が発生する。   The pulse laser beam L whose dispersion amount has been corrected as described above enters the microscope body 3 and is two-dimensionally scanned by the galvanometer mirror 5 or positioned at a predetermined irradiation position. Then, the pulsed laser light L is condensed at a predetermined irradiation position of the sample A through the pupil projection lens 6, the imaging lens 7 and the objective lens 8. Thus, a multiphoton excitation effect occurs at the beam waist position of the pulsed laser light L focused on the sample A.

多光子励起効果には、2つの光子を同時に吸収することで励起されて蛍光を発する2光子励起蛍光や、3つの光子を同時に吸収することで励起されて蛍光を発する3光子励起蛍光や、あるいはn個(n>3)の光子を同時に吸収することで励起されて蛍光を発するn光子励起蛍光といった現象がふくまれ、これらを総じて多光子励起蛍光とよぶ。   The multi-photon excitation effect includes two-photon excitation fluorescence that emits fluorescence when excited by simultaneously absorbing two photons, three-photon excitation fluorescence that emits fluorescence when simultaneously absorbed by three photons, or Phenomena such as n-photon excitation fluorescence that emits fluorescence when excited by simultaneously absorbing n (n> 3) photons are included, and these are collectively referred to as multi-photon excitation fluorescence.

試料Aで発生した多光子励起蛍光Fは、対物レンズ8によって集光され、励起ダイクロイックミラー9によってパルスレーザ光Lから分岐させられて、ミラー14、集光レンズ10およびバリアフィルタ11を透過した後に、蛍光分岐ダイクロイックミラー12によって波長ごとに分岐させられて検出器13a,13bにより検出される。   After the multiphoton excitation fluorescence F generated in the sample A is collected by the objective lens 8, branched from the pulse laser beam L by the excitation dichroic mirror 9, and transmitted through the mirror 14, the collection lens 10 and the barrier filter 11. The light is branched for each wavelength by the fluorescence branching dichroic mirror 12 and detected by the detectors 13a and 13b.

ところで、多光子励起蛍光の蛍光波長は、パルスレーザ光Lの波長をλ、励起のために吸収した光子数をnとすると、おおよそλ/nより若干長い波長となることが知られている。したがって、試料Aから発生した多光子励起蛍光に、2光子励起蛍光と、3光子以上の光子の同時吸収で励起される蛍光が混じっている場合には、それぞれの蛍光の波長は異なるものとなる。   By the way, it is known that the fluorescence wavelength of the multiphoton excitation fluorescence is slightly longer than λ / n, where λ is the wavelength of the pulsed laser light L and n is the number of photons absorbed for excitation. Therefore, when the multiphoton excitation fluorescence generated from the sample A is mixed with two-photon excitation fluorescence and fluorescence excited by simultaneous absorption of three or more photons, the wavelengths of the respective fluorescences are different. .

例えば、パルスレーザ光Lの波長を720nmとして、試料Aに適用した蛍光試薬を2光子励起で励起したときの2光子励起蛍光を観察する場合、試薬の種類にもよるが、その2光子励起蛍光の蛍光波長は400nm〜500nmであることが多い。   For example, when observing the two-photon excitation fluorescence when the wavelength of the pulse laser beam L is 720 nm and the fluorescence reagent applied to the sample A is excited by two-photon excitation, the two-photon excitation fluorescence depends on the type of the reagent. In many cases, the fluorescence wavelength is from 400 nm to 500 nm.

一方で、試料Aの細胞組織のある特定の分子自身が、パルスレーザ光Lの光子を3つ同時に吸収して励起状態となり、3光子励起蛍光を蛍光波長300nm〜400nmで発生する自家蛍光が起こることがあることが知られている。このような3光子励起蛍光が起こることは、研究対象として関心が持たれている一方で、標本への意図しない変化やダメージともなっており、試料からの2光子励起蛍光だけを観察したいという目的においては、3光子励起蛍光は極力発生させないようにすることが好ましい。   On the other hand, a specific molecule itself in the cell tissue of sample A absorbs three photons of the pulsed laser light L at the same time to be in an excited state, and autofluorescence that generates three-photon excitation fluorescence at a fluorescence wavelength of 300 nm to 400 nm occurs. It is known that there are things. The occurrence of such three-photon excitation fluorescence is of interest as a research object, but also causes unintended changes and damage to the specimen. For the purpose of observing only two-photon excitation fluorescence from a sample, It is preferable not to generate three-photon excitation fluorescence as much as possible.

この場合において、蛍光分岐ダイクロイックミラー12に、2光子励起蛍光の波長は透過する一方、3光子励起蛍光の波長は反射する光学特性を持つものを用いることで、標本からの蛍光Fのうち、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光は励起分岐ダイクロイックミラー12で分岐されて、それぞれ別々に2つの検出器13a,13bで検出し、2光子励起蛍光の蛍光強度と3光子励起蛍光の蛍光強度を独立して同時に測定することができる。   In this case, the fluorescence branching dichroic mirror 12 uses an optical characteristic that transmits the wavelength of the two-photon excitation fluorescence while reflecting the wavelength of the three-photon excitation fluorescence. The photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence are branched by the excitation branching dichroic mirror 12 and detected separately by the two detectors 13a and 13b, respectively, and the fluorescence intensity of the two-photon excitation fluorescence and the fluorescence intensity of the three-photon excitation fluorescence are independent. At the same time.

あるいは、スキャナ5によりパルスレーザLを2次元的に走査すれば、2光子励起蛍光の蛍光画像と3光子励起蛍光の蛍光画像を別々に同時に取得することができる。
このようにすることで、標本からの2光子励起蛍光の観察をしながらも、本来意図していない3光子励起蛍光がどの程度発生しているかも測定することができる。
Alternatively, if the pulse laser L is scanned two-dimensionally by the scanner 5, a two-photon excitation fluorescence image and a three-photon excitation fluorescence image can be separately and simultaneously acquired.
In this way, while observing the two-photon excitation fluorescence from the specimen, it is also possible to measure how much three-photon excitation fluorescence that is not intended is generated.

ここで、2光子励起効果の励起効率Iと3光子励起効果の励起効率Iは、それぞれ以下の式で表されることが分かっている。
=QσCPave /F・・・(1)
=QσCPave /(F・・・(2)
Here, the excitation of two-photon excitation effect efficient I 2 and 3 excitation efficiency I 3 of excitation effect has been found to be respectively represented by the following equations.
I 2 = Qσ 2 CP ave 2 / F p T p (1)
I 3 = Qσ 3 CP ave 3 / (F p T p ) 2 (2)

上記の式において、Qは標本に依存する発光の量子収率(%)、σは2光子の吸収断面積(cm4s2photon-1molecule-1)、σは3光子の吸収断面積(cm6s2photon-1molecule-1)、Cは標本に依存する分子数密度(molecule-3)、Paveはレーザ光および装置の透過率に依存するLaserのAverage Power、Fはレーザ光に依存するパルスの繰返し周波数(Hz)、Tはレーザ光、装置の分散量、分散補正量に依存するパルス幅(sec)を表している。 In the above equation, Q is the quantum yield (%) of light emission depending on the specimen, σ 2 is the absorption cross section of 2 photons (cm 4 s 2 photon -1 molecule -1 ), and σ 3 is the absorption cutoff of 3 photons. Area (cm 6 s 2 photon -1 molecule -1 ), C is the number density of molecules depending on the sample (molecule -3 ), P ave is the laser average power and laser average power, F p is pulse repetition frequency which depends on the laser beam (Hz), T p denotes a laser beam, the amount of dispersion of the device, the pulse width that depends on the dispersion correction amount (sec).

2光子励起効果の励起効率Iは、(1)式に示されるように、Average Powerの2乗に比例し、パルス幅に反比例する。一方、3光子励起効果の励起効率Iは、(2)式に示されるように、Average Powerの3乗に比例し、パルス幅の2乗に反比例する。
これによれば、2光子励起効果と3光子励起効果の励起効率は、ともに、励起パルス光のパルス幅Tが小さいほど効率がよく、また、励起パルス光の平均強度Paveが大きいほど効率がよく、また、励起パルス光の繰り返し周波数Fが小さいほど効率が良いことが分かる。
The excitation efficiency I 2 of the two-photon excitation effect is proportional to the square of Average Power and inversely proportional to the pulse width, as shown in Equation (1). On the other hand, the excitation efficiency I 3 of the three-photon excitation effect is proportional to the third power of the average power and inversely proportional to the square of the pulse width, as shown in the equation (2).
According to this, the excitation efficiency of the two-photon excitation effect and the three-photon excitation effect are both more efficient as the pulse width T p of the excitation pulse light is smaller, and more efficient as the average intensity P ave of the excitation pulse light is larger. C., also, it can be seen efficiency increases the repetition frequency F p of the pumping pulse light is small is good.

なお、一般的には、多光子励起蛍光を観察する場合には、パルス幅Tはその装置構成で可能な限り最小となるよう最適化した状態に調整して、励起効率が大きくなるようにして観察することが多い。パルス平均強度については、励起効率だけを見れば強い方がよいが、生体資料へのダメージを考慮すると弱い方が望ましいので、標本や観察の種類によりその設定は様々である。 Incidentally, in general, when observing the multiphoton excitation fluorescence, the pulse width T p may be adjusted to optimize the conditions to be a minimum as possible in the device configuration, so the excitation efficiency is increased Often observed. As for the average pulse intensity, it is better if the excitation efficiency alone is considered. However, it is desirable that the pulse average intensity is weak in consideration of damage to the biological material. Therefore, the setting varies depending on the specimen and the type of observation.

これらパルス幅T、平均強度Pave、繰り返し周波数Fを変化させたときの励起効率の変化の傾向は、2光子励起効果と3光子励起効果の場合では異なる。具体的には、パルス幅T、平均強度Pave、繰り返し周波数FをそれぞれΔT、ΔPave、ΔFだけ変化させたときの、2光子励起効率と3光子励起効率の変化量は以下のようになる。 The tendency of the change in excitation efficiency when the pulse width T p , the average intensity P ave , and the repetition frequency F p are changed is different between the two-photon excitation effect and the three-photon excitation effect. Specifically, the amount of change in the two-photon excitation efficiency and the three-photon excitation efficiency when the pulse width T p , the average intensity P ave , and the repetition frequency F p are changed by ΔT p , ΔP ave , and ΔF p are as follows: become that way.

ΔT・・・(2光子変化量:3光子変化量)=(∝1/ΔT:∝1/ΔT
ΔPave・・・(2光子変化量:3光子変化量)=(∝ΔPave :∝ΔPave
ΔF・・・(2光子変化量:3光子変化量)=(∝1/ΔF:∝1/ΔF
ΔT p (2 photon variation: 3 photon variation) = (= 1 / ΔT p : 1 / ΔT p 2 )
ΔP ave (2 photon variation: 3 photon variation) = (∝ΔP ave 2 : ∝ΔP ave 3 )
ΔF p (2 photon variation: 3 photon variation) = (= 1 / ΔF p : p1 / ΔF p 2 )

これによれば、例えば、パルス幅がその装置構成で可能な最小のパルス幅からΔTだけ大きくなるようにした場合には、図4に示されるように、2光子励起効果の効率はΔTに反比例して減衰するが、3光子励起効果の効率はΔT に反比例して減衰することになり、同じ変化量に対して3光子励起効果の方が2光子励起効果よりも大きく減衰する。平均強度、繰り返し周波数についても同様で、2光子励起効果よりも3光子励起効果の方が同じ変化に対しても大きく変化する。 According to this, for example, when the pulse width is increased by ΔT p from the minimum pulse width possible with the device configuration, the efficiency of the two-photon excitation effect is ΔT p as shown in FIG. However, the efficiency of the three-photon excitation effect is attenuated in inverse proportion to ΔT p 2 , and the three-photon excitation effect is attenuated more than the two-photon excitation effect for the same amount of change. . The same applies to the average intensity and the repetition frequency, and the three-photon excitation effect changes more greatly for the same change than the two-photon excitation effect.

ここで、従来のレーザ顕微鏡におけるパルス幅の調整方法は、試料Aに集光したパルスレーザ光Lのビームウエストにおけるパルス幅Tが極力小さくなるように調節するものであった。そのため、2光子励起効果の励起効率は最適化されるが、同時に3光子励起効果の励起効率も最適化してしまい、意図しない3光子励起効果も起こりやすくなっていた。 Here, a method of adjusting the pulse width in a conventional laser microscope, the pulse width T p at the beam waist of the pulse laser light L condensed into a specimen A was to adjusted as small as possible. Therefore, although the excitation efficiency of the two-photon excitation effect is optimized, the excitation efficiency of the three-photon excitation effect is also optimized at the same time, and an unintended three-photon excitation effect is likely to occur.

これに対して本実施形態に係るレーザ顕微鏡1によれば、分散補償光学系17を動作させてパルス幅Tを広げる方向に変化させるか、あるいは、パルス光Lの平均強度Paveが小さくなるようにすることで、3光子励起効果の励起効率は2光子励起効果の励起効率よりも大きく減衰させることができる。ただし、パルス幅T、平均強度Paveのわずかな変化に対してこれらの励起効率は大きく変化するので、肝心の2光子励起効果の効率まで大きく減衰させてしまうことがないようにするためには、パルス幅T、平均強度Paveの調節は精度よく微調整できるものであることが好ましい。 On the other hand, according to the laser microscope 1 according to the present embodiment, the dispersion compensation optical system 17 is operated to change the direction in which the pulse width T p is increased, or the average intensity P ave of the pulsed light L is reduced. By doing so, the excitation efficiency of the three-photon excitation effect can be attenuated more than the excitation efficiency of the two-photon excitation effect. However, since these excitation efficiencies greatly change with a slight change in the pulse width T p and the average intensity P ave , in order to prevent the two-photon excitation effect of the core from being greatly attenuated. It is preferable that the adjustment of the pulse width T p and the average intensity P ave can be finely adjusted with high accuracy.

3光子励起抑制のため、パルスレーザ光Lの平均強度Paveを落とす方法では、試料に入射するパルスレーザLの絶対的な光子数が減少することになり、試料の不透明性のため試料深部まで到達する光子数も試料表面から深部へ行くほど減少してしまい、結果として、2光子励起観察のメリットである試料深部での観察精度も低下してしまうことになる。 In the method of reducing the average intensity P ave of the pulsed laser light L to suppress the three-photon excitation, the absolute number of photons of the pulsed laser L incident on the sample is reduced, and the sample becomes deep due to the opacity of the sample. The number of photons that reach the surface also decreases as it goes from the sample surface to the deep portion, and as a result, the observation accuracy at the deep portion of the sample, which is a merit of the two-photon excitation observation, also decreases.

一方で、パルス幅Tを広げる方法では、試料に入射するパルスレーザLの絶対的な光子数は変えずに、時間的な光子密度のみを変化させているので、2光子励起可能な深部到達性は損ねることがない。よって、3光子励起効果抑制のためには、平均強度Paveを下げる調節よりも、パルス幅Tを広げる調節を行うほうが好ましい。 On the other hand, in the method of widening the pulse width T p, the absolute number of photons of the pulse laser L incident on the specimen without changing, so are changed only temporal photon density, two-photon excitable deep reach Sex is not lost. Therefore, in order to suppress the three-photon excitation effect, it is preferable to perform adjustment to increase the pulse width T p rather than adjustment to reduce the average intensity P ave .

したがって、本実施形態に係るレーザ顕微鏡1では、パルス幅Tを分散補正光学系17により調節して、3光子励起効果の発生を抑制させる方法を取ることにする。つまり、パルスレーザ光Lの波長ごとに最適に調節されたプリズム22、23間の距離間隔を、その最適状態から意図的に間隔を変化させる調節をすることで、パルス幅Tを連続的に少しずつ広げることができる。 Therefore, in the laser microscope 1 according to the present embodiment, a method is adopted in which the pulse width T p is adjusted by the dispersion correction optical system 17 to suppress the generation of the three-photon excitation effect. That is, by adjusting the distance interval between the prisms 22 and 23 optimally adjusted for each wavelength of the pulsed laser light L so that the interval is intentionally changed from the optimum state, the pulse width T p is continuously set. Can be expanded little by little.

具体的には、分散補正光学系17は、図示しない入力装置によりパルスレーザ光Lのパルス幅Tの調整が指示された場合に、パルスレーザ光Lのパルス幅Tを、検出器13a,13bにより検出される蛍光の強度が最大となる最小パルス幅よりも大きく設定する。 Specifically, the dispersion correction optical system 17, when the adjustment of the pulse width T p of the pulse laser light L is instructed by a not-shown input device, the pulse width T p of the pulse laser light L, the detector 13a, It is set larger than the minimum pulse width at which the fluorescence intensity detected by 13b is maximized.

このようにしてパルス幅Tを広げることにより、試料Aで発生している3光子励起効果は2光子励起効果よりも大きく減衰する。結果として、測定すべき試料Aでの2光子励起蛍光も減衰してしまうが、意図しない3光子励起蛍光の発生は2光子励起蛍光よりもさらに大きく減衰させることができる。 By increasing the pulse width T p In this way, three-photon excitation effect occurring in the specimen A is greatly attenuated than the two-photon excitation effect. As a result, although the two-photon excitation fluorescence in the sample A to be measured is also attenuated, the unintended generation of the three-photon excitation fluorescence can be attenuated more greatly than the two-photon excitation fluorescence.

上記のパルス幅Tの調節方法について、図5(a)から図5(c)に示す具体例を用いて説明する。各図において、横軸はパルスレーザ光Lのパルス幅、縦軸は検出器13a,13bにより検出された2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の強度を表している。
図5(a)は2光子励起蛍光の強度が3光子励起蛍光の強度よりも大きい場合、図5(b)は2光子励起蛍光の強度が3光子励起蛍光の強度よりも小さい場合を示している。図5(c)は、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光のそれぞれの最大強度を1として規格化した場合を示している。
The regulation method of the pulse width T p, will be described with reference to a specific example shown in FIG. 5 (c) from Fig. 5 (a). In each figure, the horizontal axis represents the pulse width of the pulsed laser light L, and the vertical axis represents the intensity of two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence detected by the detectors 13a and 13b.
5A shows the case where the intensity of the two-photon excitation fluorescence is larger than the intensity of the three-photon excitation fluorescence, and FIG. 5B shows the case where the intensity of the two-photon excitation fluorescence is smaller than the intensity of the three-photon excitation fluorescence. Yes. FIG. 5C shows a case where the maximum intensities of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence are normalized as 1.

図5(c)に示されるように、パルスレーザ光Lのパルス幅を広げることにより、3光子励起蛍光は2光子励起蛍光よりも大きく減衰する。
したがって、分散補正光学系17は、パルスレーザ光Lのパルス幅を変化させて、3光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値、すなわち、3光子励起蛍光の強度を示す二次関数の接線の傾きの絶対値が、所定の閾値以下となるようにパルスレーザ光Lのパルス幅を調整する。
As shown in FIG. 5C, by widening the pulse width of the pulsed laser light L, the three-photon excitation fluorescence is attenuated more than the two-photon excitation fluorescence.
Therefore, the dispersion correction optical system 17 changes the pulse width of the pulsed laser light L to change the absolute value of the rate of change of the intensity of the three-photon excitation fluorescence, that is, the tangent of the quadratic function indicating the intensity of the three-photon excitation fluorescence. The pulse width of the pulsed laser light L is adjusted so that the absolute value of the inclination is not more than a predetermined threshold value.

具体的には、例えば、パルスレーザ光Lのパルス幅を、検出器13aまたは検出器13bにより検出された蛍光が最大となる最小パルス幅の2倍から3倍となるように設定することで、3光子励起蛍光の強度が急激に上昇しないようにパルスレーザ光Lのパルス幅を調整することができ、3光子励起蛍光による試料Aへのダメージを抑制することが可能となる。   Specifically, for example, by setting the pulse width of the pulsed laser light L to be two to three times the minimum pulse width at which the fluorescence detected by the detector 13a or the detector 13b is maximized, The pulse width of the pulse laser beam L can be adjusted so that the intensity of the three-photon excitation fluorescence does not increase rapidly, and damage to the sample A due to the three-photon excitation fluorescence can be suppressed.

以上のように、本実施形態に係るレーザ顕微鏡1によれば、2光子励起蛍光と同時に3光子励起蛍光の蛍光強度も測定できるので、2光子励起蛍光の蛍光強度を測定しながら、その強度が観察に十分な強度を保った範囲内で、上記のパルス幅を広げる調節を行うことできる。これにより、2光子励起蛍光の観察を行いながら、3光子励起蛍光の発生は極力抑制することができ、3光子励起蛍光による試料Aへのダメージを抑制しつつ、2光子励起蛍光による試料Aの観察を精度良く行うことが可能となる。また、実際に3光子励起蛍光がどの程度抑制されたかを確認することができる。   As described above, according to the laser microscope 1 according to the present embodiment, since the fluorescence intensity of the three-photon excitation fluorescence can be measured simultaneously with the two-photon excitation fluorescence, the intensity is measured while measuring the fluorescence intensity of the two-photon excitation fluorescence. The above-described adjustment for widening the pulse width can be performed within a range in which the intensity sufficient for observation is maintained. Thereby, while observing the two-photon excitation fluorescence, the generation of the three-photon excitation fluorescence can be suppressed as much as possible, and the damage to the sample A by the three-photon excitation fluorescence is suppressed, and the sample A by the two-photon excitation fluorescence is suppressed. Observation can be performed with high accuracy. In addition, it can be confirmed how much the three-photon excitation fluorescence is actually suppressed.

また、観察の種類や試料の種類によって、2光子励起蛍光の蛍光強度の必要量や、3光子励起蛍光をどの程度抑制する必要があるかは変わってくるが、本実施形態では、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光をそれぞれ測定しながら、それぞれの励起効率のバランスが最適になるようにパルス幅を調節することも可能である。   Further, the required amount of the fluorescence intensity of the two-photon excitation fluorescence and how much the three-photon excitation fluorescence needs to be suppressed vary depending on the type of observation and the type of sample. While measuring fluorescence and three-photon excitation fluorescence, it is possible to adjust the pulse width so that the balance of excitation efficiency is optimized.

また、このように2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の励起バランスを調整したパルスレーザ光Lを用いて、例えば、試料Aに適用した試薬を2光子励起により開放する2光子励起刺激を行えば、3光子励起効果の影響を抑制した状態において、2光子励起刺激を行うことも可能である。   Further, by using the pulsed laser light L in which the excitation balance between the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence is adjusted as described above, for example, if the two-photon excitation stimulation for releasing the reagent applied to the sample A by two-photon excitation is performed. It is also possible to perform two-photon excitation stimulation in a state where the influence of the three-photon excitation effect is suppressed.

また、2つの検出器13a,13bを備えることで、試料Aにおいて発生した2光子励起蛍光と3光子励起蛍光とを別個に且つ同時に検出することができ、分散補正光学系17によるパルスレーザ光Lのパルス幅の調整時間を短縮して試料Aへのダメージを低減することができる。   Further, by providing the two detectors 13a and 13b, the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence generated in the sample A can be detected separately and simultaneously, and the pulse laser beam L by the dispersion correction optical system 17 is detected. The pulse width adjustment time can be shortened to reduce damage to the sample A.

なお、分散補正光学系17を操作する操作部(図示略)と、検出器13a,13bにより検出された2光子励起蛍光および3光子励起蛍光からそれぞれの画像を生成する画像生成部(図示略)と、生成された画像を表示する表示部(図示略)とを備えることとしてもよい。このようにすることで、表示部に表示された2光子励起蛍光の画像および3光子励起蛍光の画像を確認しながら、操作部により分散補正光学系17を操作することができ、各画像が所望の強度となるようにパルスレーザ光Lのパルス幅の調整を行うことが可能となる。   An operation unit (not shown) for operating the dispersion correction optical system 17 and an image generation unit (not shown) for generating respective images from the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence detected by the detectors 13a and 13b. And a display unit (not shown) for displaying the generated image. In this way, the dispersion correction optical system 17 can be operated by the operation unit while confirming the two-photon excitation fluorescence image and the three-photon excitation fluorescence image displayed on the display unit, and each image is desired. It is possible to adjust the pulse width of the pulsed laser light L so that the intensity becomes.

また、図5(a)から図5(c)に示す具体例において、分散補正光学系17は、パルスレーザ光Lのパルス幅を変化させて、2光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値、すなわち、2光子励起蛍光の強度を示す二次関数の接線の傾きの絶対値が所定の閾値以上となるように、パルスレーザ光Lのパルス幅を調整することとしてもよい。
このようにすることで、分散補正光学系17により、2光子励起蛍光の強度を飛躍的に向上させるようにパルスレーザ光Lのパルス幅を調整することができ、2光子励起蛍光による観察精度を向上することが可能となる。
In the specific examples shown in FIGS. 5A to 5C, the dispersion correction optical system 17 changes the pulse width of the pulsed laser light L to change the absolute value of the rate of change of the intensity of the two-photon excitation fluorescence. That is, the pulse width of the pulsed laser light L may be adjusted so that the absolute value of the slope of the tangent of the quadratic function indicating the intensity of the two-photon excitation fluorescence is equal to or greater than a predetermined threshold.
By doing so, the pulse width of the pulsed laser light L can be adjusted by the dispersion correction optical system 17 so as to drastically improve the intensity of the two-photon excitation fluorescence, and the observation accuracy by the two-photon excitation fluorescence can be improved. It becomes possible to improve.

また、図5(a)から図5(c)に示す具体例において、分散補正光学系17は、パルスレーザ光Lのパルス幅を変化させて、2光子励起蛍光の強度に対する3光子励起蛍光の強度の比率が所定の閾値以下となるように、パルスレーザ光Lのパルス幅を調整することとしてもよい。
このようにすることで、分散補正光学系17により2光子励起蛍光の強度と3光子励起蛍光の強度とのバランスに基づいてパルスレーザ光Lのパルス幅を調整することができ、観察に適した2光子励起蛍光の強度を確保しつつ、3光子励起蛍光の上昇を抑制することができる。これにより、3光子励起蛍光による試料Aへのダメージを抑制しつつ、2光子励起蛍光による試料Aの観察を精度良く行うことが可能となる。
In the specific examples shown in FIGS. 5A to 5C, the dispersion correction optical system 17 changes the pulse width of the pulsed laser light L to change the three-photon excitation fluorescence with respect to the intensity of the two-photon excitation fluorescence. The pulse width of the pulsed laser light L may be adjusted so that the intensity ratio is equal to or less than a predetermined threshold value.
By doing so, the dispersion correction optical system 17 can adjust the pulse width of the pulsed laser light L based on the balance between the intensity of the two-photon excitation fluorescence and the intensity of the three-photon excitation fluorescence, which is suitable for observation. An increase in three-photon excitation fluorescence can be suppressed while ensuring the intensity of two-photon excitation fluorescence. This makes it possible to accurately observe the sample A by the two-photon excitation fluorescence while suppressing damage to the sample A by the three-photon excitation fluorescence.

〔第1の変形例〕
以下に、本実施形態の第1の変形例について図6を参照して説明する。
本実施形態の第1の変形例に係るレーザ顕微鏡は、図1の構成に加えて、図6に示されるように、演算装置101とメモリ102とを備えている。具体的には、演算装置(調整指示手段)101から分散補正光学系17の調整を制御しながら、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の強度変化を演算装置101で測定し、パルス幅Tの変化量に対する2光子励起蛍光と3光子励起蛍光のそれぞれの検出強度変化を関連づけてメモリ102に記録する。なお、このとき、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の検出強度は、それぞれが最大強度となる値を1とするよう規格化した値としてメモリに格納する。
[First Modification]
Below, the 1st modification of this embodiment is demonstrated with reference to FIG.
The laser microscope according to the first modification of the present embodiment includes an arithmetic device 101 and a memory 102 as shown in FIG. 6 in addition to the configuration of FIG. Specifically, while the adjustment of the dispersion correction optical system 17 is controlled from the arithmetic device (adjustment instruction means) 101, the arithmetic device 101 measures the intensity change of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence, and the pulse width T p The detected intensity change of each of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence with respect to the change amount is correlated and recorded in the memory 102. At this time, the detected intensities of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence are stored in the memory as values normalized so that the maximum intensity is 1.

このようにして、メモリ102内に、パルス幅の調整量に対する2光子および3光子の蛍光検出強度を関連付けたテーブルを構築する。そして、次回からは逆に、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の検出強度が、最大強度を1と規格化した値に対して所定の範囲の値になるように分散補正光学系17を制御する。   In this manner, a table in which the fluorescence detection intensities of two-photons and three-photons with respect to the adjustment amount of the pulse width are associated in the memory 102 is constructed. Then, conversely from the next time, the dispersion correction optical system 17 is controlled so that the detection intensities of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence are in a predetermined range with respect to a value obtained by standardizing the maximum intensity as 1. To do.

具体的には、例えば、2光子励起蛍光は0.8以上、且つ、3光子励起蛍光は0.5以下と演算装置101に設定すると、演算装置101はメモリ102に格納されたテーブルから対応するパルス幅調整量を読み出し、分散補正光学系17を動作させて読み出したパルス幅調整量となるように、パルスレーザ光Lのパルス幅を制御する。   Specifically, for example, when the two-photon excitation fluorescence is set to 0.8 or more and the three-photon excitation fluorescence is 0.5 or less to the arithmetic device 101, the arithmetic device 101 corresponds from the table stored in the memory 102. The pulse width adjustment amount is read, and the pulse width of the pulse laser beam L is controlled so as to be the pulse width adjustment amount read by operating the dispersion correction optical system 17.

このようにすることで、3光子励起蛍光はなるべく抑制しながらも、2光子励起蛍光はできるだけ減衰させない状態で2光子励起蛍光観察を行いたいという目的に対し、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の強度のバランスが所望のバランスになるように設定すれば、自動でそれが実現するように励起パルスのパルス幅を制御することが可能となる。   In this way, for the purpose of performing the two-photon excitation fluorescence observation while suppressing the three-photon excitation fluorescence as much as possible and suppressing the two-photon excitation fluorescence as much as possible, the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence are used. If the intensity balance is set to a desired balance, the pulse width of the excitation pulse can be controlled so that it is realized automatically.

〔第2の変形例〕
上記の本実施形態ではパルス幅の調節方法として、分散補正光学系17のプリズム間隔を調節する方法を採用したが、これに代えて、図7に示されるように、レーザ光源2とビーム整形光学系20の間の光軸上に、例えばクサビ形のガラス板を2枚合わせた様な分散調節系26を設置し、この2枚の重なり具合を図7に示す矢印のように調節することとしてもよい。
[Second Modification]
In the present embodiment, the method of adjusting the prism interval of the dispersion correction optical system 17 is adopted as the method of adjusting the pulse width. Instead, as shown in FIG. 7, the laser light source 2 and the beam shaping optics are used. For example, a dispersion adjusting system 26 such as two wedge-shaped glass plates is installed on the optical axis between the systems 20, and the overlapping state of the two sheets is adjusted as shown by arrows in FIG. Also good.

このようにすることで、パルスレーザ光Lがこれらのガラス板を通過する光路長dを変化させ、パルスレーザ光Lに意図的に群速度分散を与え、パルス幅が広がるように調節を行うことができる。これにより、ガラス板を通過する光路長dが長いほど、群速度分散の影響が大きくなりパルス幅を広くすることができる。   By doing in this way, the optical path length d through which the pulse laser beam L passes through these glass plates is changed, the group velocity dispersion is intentionally given to the pulse laser beam L, and adjustment is performed so that the pulse width is widened. Can do. As a result, the longer the optical path length d passing through the glass plate, the greater the influence of group velocity dispersion and the wider the pulse width.

この場合、分散補正光学系17のプリズム間隔を調節する方法では、プリズム間隔に加えプリズムの角度も調節する必要があるのに対し、ガラス板の重なり位置を調節するだけなので、調節が簡易である利点がある。また、分散補正光学系17がない装置構成であっても、パルス幅の調節を行うことが可能である。   In this case, in the method of adjusting the prism interval of the dispersion correction optical system 17, it is necessary to adjust the angle of the prism in addition to the prism interval, but the adjustment is simple because only the overlapping position of the glass plates is adjusted. There are advantages. Further, even in an apparatus configuration without the dispersion correction optical system 17, the pulse width can be adjusted.

〔第3の変形例〕
また、3光子励起効果の発生を抑制させる方法として、パルスの平均強度を調節する方法を用いてもよい。これは、例えば、レーザ光源2と顕微鏡本体3の間のパルスレーザ光Lの光軸上に、NDフィルタを設置することで実現できる。この方法では、NDフィルタの透過率の調節により簡単に3光子励起効果の効率を調節できる。
[Third Modification]
Further, as a method of suppressing the generation of the three-photon excitation effect, a method of adjusting the average intensity of the pulse may be used. This can be realized, for example, by installing an ND filter on the optical axis of the pulsed laser light L between the laser light source 2 and the microscope body 3. In this method, the efficiency of the three-photon excitation effect can be easily adjusted by adjusting the transmittance of the ND filter.

〔第4の変形例〕
また、図8に示すように、3光子励起蛍光を検出する検出器29を、試料Aの透過側に別に設けてもよい。具体的には、試料Aを透過したパルスレーザ光Lと、試料からの蛍光の混合した光をバリアフィルタ27に通して、3光子励起蛍光の波長だけを透過させる。この3光子励起蛍光を集光レンズ28により集光して検出器29により検出する。
[Fourth Modification]
In addition, as shown in FIG. 8, a detector 29 that detects three-photon excitation fluorescence may be separately provided on the transmission side of the sample A. Specifically, the pulsed laser light L transmitted through the sample A and the light mixed with the fluorescence from the sample are passed through the barrier filter 27 to transmit only the wavelength of the three-photon excitation fluorescence. The three-photon excitation fluorescence is condensed by the condenser lens 28 and detected by the detector 29.

このような構成にすることで、試料Aと3光子励起蛍光を検出する検出器との間の光学素子の数を少なくすることができる。また、試料Aに近いところに検出器を設置することができる。これにより、もともと微弱な3光子励起蛍光の光学素子を透過する際のロスや、光学素子でのケラレ等による光量の低下を防止して、3光子励起蛍光の検出効率を向上することができる。   With this configuration, the number of optical elements between the sample A and the detector that detects the three-photon excitation fluorescence can be reduced. In addition, a detector can be installed near the sample A. Thereby, it is possible to improve the detection efficiency of the three-photon excitation fluorescence by preventing a loss at the time of transmission through the optical element of the originally weak three-photon excitation fluorescence and a decrease in the amount of light due to vignetting in the optical element.

また、今までの例では、検出器13a,13bの一方は3光子励起蛍光検出ができるように、蛍光ダイクロイックミラー12は2光子励起蛍光と3光子励起蛍光を分離する波長特性のものが設置されている。したがって、例えば光検出器13a,13bの両方を使って2Chの2光子励起蛍光観察を行いたい場合は、その都度、励起ダイクロイックミラー12を所望の波長特性を持つものに入れ替える必要があった。しかし、3光子励起蛍光は透過側の検出器29で行えば、検出器13a,13bの両方を2光子励起蛍光の観察に使えるため、励起ダイクロイックミラー12を最初から2光子励起観察用のものを設置しておくことで交換の手間がなくなる利点もある。   In the examples so far, one of the detectors 13a and 13b has a wavelength characteristic that separates the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence so that one of the detectors 13a and 13b can detect the three-photon excitation fluorescence. ing. Therefore, for example, when it is desired to perform 2Ch two-photon excitation fluorescence observation using both the photodetectors 13a and 13b, it is necessary to replace the excitation dichroic mirror 12 with one having a desired wavelength characteristic each time. However, if the three-photon excitation fluorescence is performed by the detector 29 on the transmission side, both the detectors 13a and 13b can be used for observation of two-photon excitation fluorescence. Therefore, the excitation dichroic mirror 12 is used for two-photon excitation observation from the beginning. There is also an advantage that the time and effort of replacement can be eliminated by installing it.

〔第5の変形例〕
また、試料Aに2光子励起蛍光を発生させる蛍光試薬のほかに、3光子励起蛍光を発生しやすい試薬を用いることで、意図的に3光子励起蛍光を誘導し、もともと微弱で検出しにくい3光子励起蛍光の励起効率を向上させ、3光子励起効果の効率の調整を行いやすくする方法をとってもよい。
[Fifth Modification]
Further, in addition to a fluorescent reagent that generates two-photon excitation fluorescence in the sample A, a reagent that easily generates three-photon excitation fluorescence is used, so that the three-photon excitation fluorescence is intentionally induced. A method may be adopted in which the excitation efficiency of photon excitation fluorescence is improved and the efficiency of the three-photon excitation effect is easily adjusted.

〔第6の変形例〕
また、励起ダイクロイックミラー12をなくして、検出器13a(または検出器13b)のみを設けることとしてもよい。この場合には、バリアフィルタ15を3光子励起蛍光波長のみ透過する特性のものを用いて3光子励起効果の励起効率調節を行った後、2光子励起蛍光波長のみを透過する特性のものと交換し、検出器13で2光子励起蛍光の観察を行う。このような構成とすることで、必要な検出器や光学素子が少なくて済むという利点がある。
[Sixth Modification]
Further, the excitation dichroic mirror 12 may be eliminated and only the detector 13a (or the detector 13b) may be provided. In this case, after adjusting the excitation efficiency of the three-photon excitation effect using the barrier filter 15 having the characteristic of transmitting only the three-photon excitation fluorescence wavelength, the barrier filter 15 is replaced with the characteristic of transmitting only the two-photon excitation fluorescence wavelength. Then, the two-photon excitation fluorescence is observed with the detector 13. Such a configuration has the advantage that less detectors and optical elements are required.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係るレーザ顕微鏡について図9を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡1が第1の実施形態と異なる点は、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光とが合成された蛍光を単一の検出器で検出する点である。以下、本実施形態のレーザ顕微鏡1について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a laser microscope according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The laser microscope 1 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that fluorescence obtained by combining two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence is detected by a single detector. Hereinafter, with respect to the laser microscope 1 of the present embodiment, description of points that are common to the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described.

本実施形態に係るレーザ顕微鏡1は、図9に示されるように、図1の検出器13a,13bに代えて、単一の検出器13を備えている。バリアフィルタ15は2光子励起蛍光および3光子励起蛍光を透過して、検出器13によりそれらの蛍光を分離せずに検出するようになっている。   As shown in FIG. 9, the laser microscope 1 according to the present embodiment includes a single detector 13 instead of the detectors 13a and 13b in FIG. The barrier filter 15 transmits two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence and detects them without separating them by the detector 13.

ここで、前述のように、パルスレーザ光Lの特性を変化させたとき、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光の励起効率の変化の傾向は異なる。
例えば、パルス幅Tを変化させた場合は、パルス幅の変化に対して2光子励起蛍光は反比例で変化するが、3光子励起蛍光はパルス幅の2乗に反比例して変化する。よって、これら2光子励起蛍光と3光子励起蛍光を混合した状態で検出すると、その検出強度は反比例な変化と2乗の反比例な変化とが足し合わされたものとして検出される。
Here, as described above, when the characteristics of the pulsed laser light L are changed, the tendency of the change in the excitation efficiency between the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence is different.
For example, the case of changing the pulse width T p, 2-photon excitation fluorescence to the change of the pulse width varies in inverse proportion, three-photon excitation fluorescence varies inversely with the square of the pulse width. Therefore, if the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence are detected in a mixed state, the detected intensity is detected as a sum of an inversely proportional change and a square inversely proportional change.

したがって、パルス幅を分散補正光学系17のプリズム間隔を変えて変化させたとき、検出器13により検出した光が、仮に2光子励起蛍光が3光子励起蛍光よりも圧倒的に支配的であれば、その検出強度はパルス幅の反比例で変化する。一方、検出器13により検出した光に、3光子励起蛍光がある程度混在している場合には、その検出強度はパルス幅の反比例とパルス幅の2乗の反比例とが足し合わされたものとして変化する。   Therefore, when the pulse width is changed by changing the prism interval of the dispersion correction optical system 17, if the light detected by the detector 13 is predominantly two-photon excitation fluorescence dominant than the three-photon excitation fluorescence. The detected intensity changes in inverse proportion to the pulse width. On the other hand, when the three-photon excitation fluorescence is mixed to some extent in the light detected by the detector 13, the detection intensity changes as the sum of the inverse proportion of the pulse width and the inverse proportion of the square of the pulse width. .

また、平均強度Paveを変化させた場合は、平均強度の変化に対して2光子励起蛍光は2次関数的に変化するが、3光子励起蛍光は3次関数的に変化する。よって、仮に2光子励起蛍光が3光子励起蛍光よりも圧倒的に支配的であれば、その検出強度は平均強度の変化に対して、2次関数的に変化し、3光子励起蛍光がある程度混在している場合には、その検出強度は2次関数と3次関数との足し合わせで変化する。 When the average intensity P ave is changed, the two-photon excitation fluorescence changes in a quadratic function with respect to the change in the average intensity, but the three-photon excitation fluorescence changes in a cubic function. Therefore, if the two-photon excitation fluorescence is overwhelmingly dominant over the three-photon excitation fluorescence, the detected intensity changes in a quadratic function with respect to the change in average intensity, and the three-photon excitation fluorescence is mixed to some extent. If detected, the detected intensity varies depending on the sum of the quadratic function and the cubic function.

このような検出強度の変化の傾向を利用して、図10に示されるように、検出器13の検出強度をパルス特性の変化量の関数として観測すれば、試料Aにおいて2光子励起蛍光の蛍光に対して3光子励起蛍光が非常に小さい状態であるか、あるいは、3光子励起蛍光もある程度の強度を有している状態であるかを判断することができる。ここで、図10は、パルス幅に対する2光子励起蛍光および3光子励起蛍光の検出強度の変化とフィッティング曲線とを示している。   If the detection intensity of the detector 13 is observed as a function of the amount of change in pulse characteristics, as shown in FIG. 10, using such a tendency of change in detection intensity, the fluorescence of the two-photon excitation fluorescence in the sample A On the other hand, it can be determined whether the three-photon excitation fluorescence is in a very small state, or whether the three-photon excitation fluorescence has a certain intensity. Here, FIG. 10 shows changes in detection intensity and fitting curve of two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence with respect to the pulse width.

パルス幅を変化させた場合には、検出強度の変化が反比例であるか、反比例と2乗の反比例の足し合わせであるか判定すればよい。一方、平均強度を変化させた場合は、検出強度が2次関数的に変化するか、2次関数と3次関数との足し合わせで変化するかを判断すればよいが、前述の第1の実施形態でも述べたように、標本深部への観察という特徴を犠牲にしないためには、パルス幅を変化させるほうが好ましい。よって、本実施形態においてもパルス幅を調節することとする。   When the pulse width is changed, it may be determined whether the change in the detection intensity is inversely proportional or the sum of the inversely proportional and the inversely proportional square. On the other hand, when the average intensity is changed, it may be determined whether the detected intensity changes in a quadratic function or the addition of a quadratic function and a cubic function. As described in the embodiment, it is preferable to change the pulse width in order not to sacrifice the feature of observation to the deep part of the specimen. Therefore, the pulse width is also adjusted in this embodiment.

このように、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光を同一検出器で同時に測定しながら、パルス幅の変化量に対する蛍光検出強度の変化をプロットし、その変化がパルス幅の変化に対し線形に変化する領域であれば、3光子励起蛍光は2光子励起蛍光と比較して無視できるほど小さいことになる。よって、パルス幅変化に対し、検出器13の検出強度が線形に変化する領域と非線形に変化する領域の境界点になるようパルス幅を調節すれば、2光子励起蛍光の励起効率は極力確保した状態で、3光子励起蛍光の発生は抑制した状態とすることができる。   In this way, while measuring two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence simultaneously with the same detector, the change in fluorescence detection intensity against the amount of change in pulse width is plotted, and the change changes linearly with the change in pulse width. In this region, the three-photon excitation fluorescence is negligibly small compared to the two-photon excitation fluorescence. Therefore, the excitation efficiency of the two-photon excitation fluorescence is ensured as much as possible by adjusting the pulse width so that the detection intensity of the detector 13 becomes a boundary point between the linearly changing region and the non-linearly changing region with respect to the pulse width change. In this state, generation of three-photon excitation fluorescence can be suppressed.

具体的には、分散補正光学系17のプリズム間隔を、例えば、電動ステージ等で調節し、このステージの動作量の情報を外部の演算装置30に入力する。また、検出器13で検出した2光子励起蛍光+3光子励起蛍光の検出強度も演算装置30に入力する。演算装置30は、入力されたステージの動作量に対し、検出器13の検出強度を記憶する。このようにすることで、2光子励起蛍光+3光子励起蛍光の強度を、パルスレーザ光Lのパルス幅を変数とする関数として扱うことができる。   Specifically, the prism interval of the dispersion correction optical system 17 is adjusted by, for example, an electric stage, and information on the operation amount of this stage is input to the external arithmetic unit 30. Further, the detection intensity of the two-photon excitation fluorescence + three-photon excitation fluorescence detected by the detector 13 is also input to the arithmetic unit 30. The arithmetic unit 30 stores the detection intensity of the detector 13 with respect to the input movement amount of the stage. In this way, the intensity of two-photon excitation fluorescence + three-photon excitation fluorescence can be handled as a function with the pulse width of the pulsed laser light L as a variable.

このときに、パルス幅の変化に対して蛍光強度が線形に変化する領域と、非線形に変化する領域の境界点を演算により算出し、そのときのパルス幅となるよう分散補正光学系17のプリズム間隔を制御して調節すれば、2光子励起蛍光の強度はなるべく確保したまま、3光子励起蛍光の発生は抑制した状態にすることができる。この状態にした後、バリアフィルタ15を2光子励起蛍光だけ透過するものに交換すれば、検出器13で試料Aからの2光子励起蛍光の観察を、3光子励起蛍光の発生を抑制した状態で行うことができる。   At this time, a boundary point between the region where the fluorescence intensity changes linearly with respect to the change in the pulse width and the region where the fluorescence intensity changes nonlinearly is calculated, and the prism of the dispersion correction optical system 17 is set so as to obtain the pulse width at that time If the interval is controlled and adjusted, the generation of the three-photon excitation fluorescence can be suppressed while the intensity of the two-photon excitation fluorescence is secured as much as possible. After this state, if the barrier filter 15 is replaced with one that transmits only two-photon excitation fluorescence, the detector 13 can observe the two-photon excitation fluorescence from the sample A in a state in which the generation of the three-photon excitation fluorescence is suppressed. It can be carried out.

なお、現実的には、図10に示されるように、2光子励起蛍光および3光子励起蛍光の検出強度とフィッティング曲線とが離れる位置(境界点)を特定するのは難しい場合がある。この場合には、2光子励起蛍光および3光子励起蛍光の検出強度とフィッティング曲線がある閾値以上離れたところを境界と見なすような処理をしても良い。   In reality, as shown in FIG. 10, it may be difficult to specify the position (boundary point) where the detection intensity of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence is separated from the fitting curve. In this case, processing may be performed in which the detection intensity of the two-photon excitation fluorescence and the three-photon excitation fluorescence and the fitting curve are regarded as a boundary at a certain distance or more.

〔第1の変形例〕
本実施形態の第1の変形例を以下に説明する。
なお、本実施形態ではバリアフィルタ15に、2光子励起蛍光と3光子励起蛍光とを透過するものを用いたが、これに代えて、2光子励起蛍光だけを透過する挿脱可能なバリアフィルタとして、2光子励起蛍光の強度のみを検出することとしてもよい。
[First Modification]
A first modification of the present embodiment will be described below.
In this embodiment, the barrier filter 15 used is one that transmits two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence, but instead of this, as a removable barrier filter that transmits only two-photon excitation fluorescence. Only the intensity of two-photon excitation fluorescence may be detected.

3光子励起蛍光の強度は非常に小さいので、パルス幅を変化させたときの2光子励起蛍光の強度の変化と、バリアフィルタ15を用いた2光子励起蛍光+3光子励起蛍光の強度の変化を比較することで、その差分から、3光子励起蛍光が強くなり始めるパルス幅の調節値を検出しやすくすることができる。   Since the intensity of the three-photon excitation fluorescence is very small, the change in the intensity of the two-photon excitation fluorescence when the pulse width is changed is compared with the change in the intensity of the two-photon excitation fluorescence + the three-photon excitation fluorescence using the barrier filter 15 By doing so, it is possible to easily detect the adjustment value of the pulse width from which the three-photon excitation fluorescence starts to increase.

〔第2の変形例〕
また、パルス幅を変化させるために、分散補正光学系17のプリズム間隔を調節する代わりに、図6のようなクサビ形のガラス板を合わせたものを、パルス光源2とビーム整形光学系20の間の光軸上に設置し、ガラス板の重なり具合を調節することで、パルスに与える分散量を変化させる方法でパルス幅を調節する方法をとってもよい。この場合には、パルス幅の調節が簡易な点に加え、分散補正光学系17が存在しない構成においても3光子励起蛍光の励起効率の調節が可能である。
[Second Modification]
Further, instead of adjusting the prism interval of the dispersion correction optical system 17 in order to change the pulse width, a combination of wedge-shaped glass plates as shown in FIG. 6 is used for the pulse light source 2 and the beam shaping optical system 20. A method of adjusting the pulse width by a method of changing the amount of dispersion applied to the pulses by adjusting the overlapping state of the glass plates by setting them on the optical axis between them may be adopted. In this case, in addition to simple adjustment of the pulse width, it is possible to adjust the excitation efficiency of the three-photon excitation fluorescence even in a configuration in which the dispersion correction optical system 17 is not present.

〔第3の変形例〕
また、3光子励起蛍光の効率を抑制するために、パルス幅を変化させる代わりに、パルスの平均強度を変化させ、そのときの2光子励起蛍光+3光子励起蛍光の変化の傾向が2次関数的か、あるいは、2次関数と3次関数とが足しあわされたものかを判定し、3光子励起蛍光が抑制された状態になるよう調節する方法をとってもよい。
[Third Modification]
In addition, in order to suppress the efficiency of the three-photon excitation fluorescence, instead of changing the pulse width, the average intensity of the pulse is changed, and the change tendency of the two-photon excitation fluorescence + the three-photon excitation fluorescence at that time is a quadratic function. Alternatively, it may be determined whether the quadratic function and the cubic function are added and adjusted so that the three-photon excitation fluorescence is suppressed.

〔第4の変形例〕
また、試料Aに3光子励起蛍光を発生しやすい試薬を適用することで、3光子励起蛍光を検出しやすくする方法をとってもよい。この方法では、もともと微弱な3光子励起蛍光の検出精度を向上させることで、3光子励起蛍光が抑制されるようなパルスの調整を行いやすくなるという利点がある。
[Fourth Modification]
Further, a method may be adopted in which a reagent that easily generates three-photon excitation fluorescence is applied to the sample A to facilitate detection of the three-photon excitation fluorescence. This method has an advantage that it is easy to adjust the pulse so that the three-photon excitation fluorescence is suppressed by improving the detection accuracy of the weak three-photon excitation fluorescence.

A 試料
1 レーザ顕微鏡
2 レーザ光源
3 蛍光顕微鏡本体
4 導入光学系
5 ガルバノミラー
8 対物レンズ
9 励起ダイクロイックミラー(分岐手段)
12 蛍光分岐ダイクロイックミラー
13,13a,13b 検出器(検出手段)
17 分散補償光学系(パルス幅調整手段)
18 アライメント調節装置
19 音響光学装置
20 ビーム整形光学系
21 顕微鏡入射補正装置
26 分散調節系
29 検出器(検出手段)
30 演算装置
101 演算装置
102 メモリ
A Sample 1 Laser microscope 2 Laser light source 3 Fluorescence microscope main body 4 Introduction optical system 5 Galvano mirror 8 Objective lens 9 Excitation dichroic mirror (branching means)
12 Fluorescent branching dichroic mirrors 13, 13a, 13b Detector (detection means)
17 Dispersion compensation optical system (pulse width adjusting means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Alignment adjustment apparatus 19 Acousto-optic apparatus 20 Beam shaping optical system 21 Microscope incident correction apparatus 26 Dispersion adjustment system 29 Detector (detection means)
30 arithmetic device 101 arithmetic device 102 memory

Claims (6)

パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源からのパルスレーザ光を標本に照射する一方、標本において発生した蛍光を集光する対物レンズと、
該対物レンズにより集光された蛍光を検出する検出手段と、
前記パルスレーザ光のパルス幅の調整を指示する調整指示手段と、
該調整指示手段により前記パルスレーザ光のパルス幅の調整が指示された場合に、前記パルスレーザ光のパルス幅を前記検出手段により検出される蛍光の強度が最大となる最小パルス幅よりも大きく設定するパルス幅調整手段とを備えるレーザ顕微鏡。
A laser light source for emitting pulsed laser light;
An objective lens for condensing fluorescence generated in the specimen while irradiating the specimen with pulsed laser light from the laser light source;
Detection means for detecting fluorescence collected by the objective lens;
Adjustment instruction means for instructing adjustment of the pulse width of the pulse laser beam;
When adjustment of the pulse width of the pulse laser light is instructed by the adjustment instruction means, the pulse width of the pulse laser light is set larger than the minimum pulse width at which the fluorescence intensity detected by the detection means is maximized A laser microscope comprising:
前記対物レンズにより集光された蛍光を2光子励起蛍光と3光子励起蛍光とに分岐する分岐手段を備え、
前記検出手段が、前記分岐手段により分岐された2光子励起蛍光を検出する2光子蛍光検出部と、前記分岐手段により分岐された3光子励起蛍光を検出する3光子蛍光検出部とを有する請求項1に記載のレーザ顕微鏡。
Branching means for branching fluorescence collected by the objective lens into two-photon excitation fluorescence and three-photon excitation fluorescence;
The said detection means has a two-photon fluorescence detection part which detects the two-photon excitation fluorescence branched by the said branch means, and a three-photon fluorescence detection part which detects the three-photon excitation fluorescence branched by the said branch means. The laser microscope according to 1.
前記パルス幅調整手段は、前記3光子蛍光検出部により検出された3光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値が所定の閾値以下となるように、前記パルスレーザ光のパルス幅を調整する請求項2に記載のレーザ顕微鏡。   The pulse width adjusting means adjusts the pulse width of the pulse laser beam so that the absolute value of the rate of change of the intensity of the three-photon excitation fluorescence detected by the three-photon fluorescence detector is not more than a predetermined threshold value. Item 3. The laser microscope according to Item 2. 前記パルス幅調整手段は、前記2光子蛍光検出部により検出された2光子励起蛍光の強度の変化率の絶対値が所定の閾値以上となるように、前記パルスレーザ光のパルス幅を調整する請求項2に記載のレーザ顕微鏡。   The pulse width adjusting means adjusts the pulse width of the pulse laser beam so that the absolute value of the rate of change of the intensity of the two-photon excitation fluorescence detected by the two-photon fluorescence detector is equal to or greater than a predetermined threshold. Item 3. The laser microscope according to Item 2. 前記パルス幅調整手段は、前記2光子蛍光検出部により検出された2光子励起蛍光の強度に対する前記3光子蛍光検出部により検出された3光子励起蛍光の強度の比率が所定の閾値以下となるように、前記パルスレーザ光のパルス幅を調整する請求項2に記載のレーザ顕微鏡。   The pulse width adjusting means is configured such that the ratio of the intensity of the three-photon excitation fluorescence detected by the three-photon fluorescence detection unit to the intensity of the two-photon excitation fluorescence detected by the two-photon fluorescence detection unit is equal to or less than a predetermined threshold. The laser microscope according to claim 2, wherein a pulse width of the pulse laser beam is adjusted. 前記パルス幅調整手段を操作する操作部と、
前記2光子蛍光検出部により検出された2光子励起蛍光および前記3光子蛍光検出部により検出された3光子励起蛍光から、それぞれの画像を生成する画像生成部と、
該画像生成部により生成された画像を表示する表示部とを備える請求項2から請求項5のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
An operation unit for operating the pulse width adjusting means;
An image generation unit for generating respective images from the two-photon excitation fluorescence detected by the two-photon fluorescence detection unit and the three-photon excitation fluorescence detected by the three-photon fluorescence detection unit;
The laser microscope according to any one of claims 2 to 5, further comprising a display unit that displays an image generated by the image generation unit.
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