JP2011099912A - Microscope device - Google Patents

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聡 川戸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microscope device capable of highly accurately observing the internal structure of an observation sample having a non-linear optical effect. <P>SOLUTION: The microscope device 1 includes: a laser light source 10; a plurality of wavelength converting optical elements 12 and 14 for converting the wavelength of light from the laser light source 10 and emitting it as two or more light beams of different angular frequencies; a condenser lens 32 for condensing light beams of predetermined angular frequency ω generated by the secondary non-linear optical effect caused when an observation sample 31 receives the light beams emitted from the wavelength converting optical elements 12 and 14; a spectroscope 34 for extracting a light beam of the predetermined angular frequency ω from among light beams generated by the secondary non-linear optical effect; an imaging lens 35 for imaging the light beam extracted by the spectroscope 34; and an optical detector 37 for detecting the intensity of the light beam of the predetermined angular frequency ω imaged by the imaging lens 35. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば非線形光学効果を有する光学結晶等の内部構造を三次元的に観察することが可能な構成の顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to a microscope apparatus having a configuration capable of three-dimensional observation of an internal structure such as an optical crystal having a nonlinear optical effect.

２次の非線形光学効果を利用した顕微鏡装置の例として、第２高調波発生（Second Harmonic Generation：SHG）を用いたＳＨＧ顕微鏡によって非線形光学結晶の分域構造を観察する研究が行われている。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）の分域構造（９０°分域構造）のようにその分域の方向が反平行ではない場合には、方位によってｄ定数（非線形光学定数）の大きさが異なることを利用して、その分域構造を観察することができる。一方、反平行分域構造（１８０°分域構造）では（分域の向きによらず）ｄ定数の大きさが同じであるため、発生するＳＨ波の強度は等しくなりこのままでは判別できないが、位相が１８０°異なるという特性を有する。そこで、（観察試料よりも前に）一様なＳＨ波を発生させる参照板を配置して、参照板と観察試料とから各々発生するＳＨ波を干渉させることにより強度のコントラストとして、反平行分域構造を観察することが可能となる（例えば、特許文献１を参照）。 As an example of a microscope apparatus using a second-order nonlinear optical effect, studies have been conducted to observe the domain structure of a nonlinear optical crystal with an SHG microscope using second harmonic generation (SHG). For example, when the direction of the domain is not antiparallel like the domain structure of barium titanate (BaTiO 3 ) (90 ° domain structure), the magnitude of the d constant (nonlinear optical constant) depends on the orientation. By utilizing the difference, the domain structure can be observed. On the other hand, in the antiparallel domain structure (180 ° domain structure), the magnitude of the d constant is the same (regardless of the direction of the domain), so that the intensity of the generated SH wave is equal and cannot be determined as it is. The phase is different by 180 °. Therefore, a reference plate that generates a uniform SH wave (before the observation sample) is arranged, and the SH waves generated from the reference plate and the observation sample are caused to interfere with each other to produce an intensity contrast as an antiparallel component. The zone structure can be observed (see, for example, Patent Document 1).

特開２０００−３１０７９９号公報JP 2000-310799 A

しかしながら、非線形光学結晶にレーザ光を強く集光させたときに当該結晶の内部から発生する２次の非線形光学効果による光の強度は位相不整合量に依存し、位相不整合量が負のときには所定の光強度が発せられ、位相不整合量が正のときには微弱な光強度しか発せられないため、従来のＳＨＧ顕微鏡では結晶の構造等によっては、その分域構造を的確に観察することができないという問題があった。   However, when the laser light is strongly focused on the nonlinear optical crystal, the intensity of light due to the second-order nonlinear optical effect generated from the inside of the crystal depends on the phase mismatch amount, and when the phase mismatch amount is negative Since a predetermined light intensity is emitted and only a weak light intensity is emitted when the amount of phase mismatch is positive, the conventional SHG microscope cannot accurately observe the domain structure depending on the crystal structure or the like. There was a problem.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、非線形光学効果を有する観察試料の内部構造を高精度に観察することが可能な構成の顕微鏡装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a microscope apparatus having a configuration capable of observing the internal structure of an observation sample having a nonlinear optical effect with high accuracy.

本発明を例示する態様に従えば、レーザ光源と、レーザ光源からの光を波長変換して相互に角振動数の異なる２以上の光として射出する波長変換部と、波長変換部から射出された各々の光を観察試料が受光することで生じる２次の非線形光学効果によって発生する所定角振動数の光を集めるコンデンサレンズと、２次の非線形光学効果によって発生する光の中から所定角振動数の光を抽出する光抽出部と、光抽出部により抽出された光を結像させる結像レンズと、結像レンズにより結像された所定角振動数の光の強度を検出する光検出部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置が提供される。   According to the embodiment illustrating the present invention, the laser light source, the wavelength conversion unit that converts the wavelength of the light from the laser light source and emits the light as two or more light beams having different angular frequencies, and the wavelength conversion unit A condenser lens that collects light of a predetermined angular frequency generated by the second-order nonlinear optical effect generated by the observation sample receiving each light, and a predetermined angular frequency from the light generated by the second-order nonlinear optical effect A light extraction unit that extracts the light of the light, an imaging lens that forms an image of the light extracted by the light extraction unit, a light detection unit that detects the intensity of light having a predetermined angular frequency imaged by the imaging lens, A microscope apparatus characterized by comprising: is provided.

本発明によれば、非線形光学効果を有する観察試料の内部構造を高精度に評価することが可能になる。   According to the present invention, the internal structure of an observation sample having a nonlinear optical effect can be evaluated with high accuracy.

焦点位置とＳＨ波強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は位相不整合量が正の場合を例示し、（ｂ）は位相不整合量が負の場合を例示する。It is a graph which shows the relationship between a focus position and SH wave intensity, (a) illustrates the case where the amount of phase mismatch is positive, and (b) illustrates the case where the amount of phase mismatch is negative. 本発明の適用例として示す第１の実施形態の顕微鏡装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the microscope apparatus of 1st Embodiment shown as an example of application of this invention. 第２の実施形態の顕微鏡装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the microscope apparatus of 2nd Embodiment. 第２の実施形態の顕微鏡装置を用いた観察方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the observation method using the microscope apparatus of 2nd Embodiment. 第２の実施形態の顕微鏡装置の変形例を示す概要構成図である。It is a schematic block diagram which shows the modification of the microscope apparatus of 2nd Embodiment. 第３の実施形態の顕微鏡装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the microscope apparatus of 3rd Embodiment. 擬似位相整合素子の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a quasi phase matching element. 基本波と非線形光学効果によって発生する光とが非コリニアー配置である場合を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the case where the fundamental wave and the light which generate | occur | produces by a nonlinear optical effect are non-collinear arrangement | positioning.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る顕微鏡装置の具体的構成を説明する前に、まず、基本的な原理から説明する。本実施形態の顕微鏡装置は、観察試料たる非線形光学結晶（以下、単に「結晶」と称する）の三次元情報を取得するために共焦点光学系を備えている。共焦点光学系では、対物レンズの焦点位置と光学的に共役な位置にピンホールを配置することで、その光軸上で焦点の合った光のみを検出してコントラストの高い画像を得られるようにしたものであり、焦点を観察試料に対して水平方向に一定量ずつ相対移動させて観察試料の走査画像を取得すれば、観察試料を光学的に２次元方向（光軸に直交する面内）にスライスした共焦点画像（断面像）が高さごとに得られ、さらにこの画像を高さを変えながら取得することにより、精度の高い三次元画像が得られる。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Before describing the specific configuration of the microscope apparatus according to the present embodiment, first, the basic principle will be described. The microscope apparatus of this embodiment includes a confocal optical system for acquiring three-dimensional information of a nonlinear optical crystal (hereinafter simply referred to as “crystal”) as an observation sample. In a confocal optical system, by placing a pinhole at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens, it is possible to detect only the focused light on the optical axis and obtain a high-contrast image. If the scanning image of the observation sample is acquired by moving the focal point relative to the observation sample by a certain amount in the horizontal direction, the observation sample is optically moved in a two-dimensional direction (in-plane perpendicular to the optical axis). A confocal image (cross-sectional image) sliced in () is obtained for each height, and by acquiring this image while changing the height, a highly accurate three-dimensional image is obtained.

このような共焦点光学系において、レーザ光源よりレーザ光を観察試料である結晶に強く集光させた場合には、結晶の内部から発生する２次の非線形光学効果により波長変換された出力光の強度は位相不整合量Δｋの符号に依存することが知られている。この位相不整合量Δｋは、基本波として角振動数ω1，ω2（ω1＜ω2）の光を結晶に入射させた際に、結晶から発生する２次の非線形光学効果による出力光の角振動数をω3（＝ω2±ω1）とすると、次式（１）および（２）のように表すことができる。 In such a confocal optical system, when the laser light is strongly focused on the crystal as the observation sample by the laser light source, the output light wavelength-converted by the second-order nonlinear optical effect generated from the inside of the crystal. It is known that the intensity depends on the sign of the phase mismatch amount Δk. This phase mismatch amount Δk is the output light due to the second-order nonlinear optical effect generated from the crystal when light having angular frequencies ω 1 and ω 2 (ω 1 <ω 2 ) as the fundamental wave is incident on the crystal. Is represented by the following equations (1) and (2), where ω 3 (= ω 2 ± ω 1 ).

（I）和周波発生のとき（特にω1＝ω2のときに「ＳＨＧ」と称されている）

Figure 2011099912
（II）差周波発生のとき
Figure 2011099912
 (I) When sum frequency is generated (especially referred to as “SHG” when ω 1 = ω 2 )
Figure 2011099912
 (II) When difference frequency is generated
Figure 2011099912

ここで、結晶の内部から発生する２次の非線形光学効果による出力光の強度は、特に焦点位置が結晶の中心にある場合には、位相不整合量Δｋの正・負によって次式（３）のような簡単な式で表すことができる。

Figure 2011099912
ここで、ＺRはレイリー長と称されるレーザの集光度合いの目安として用いられる長さであり、ビーム径がビームウェストの２1/2倍になるまでの距離である。 Here, the intensity of the output light due to the second-order nonlinear optical effect generated from the inside of the crystal is expressed by the following equation (3) depending on whether the phase mismatch amount Δk is positive or negative, particularly when the focal position is at the center of the crystal. It can be expressed by a simple expression such as
Figure 2011099912
 Here, Z R is a length used as a standard of the degree of condensing of the laser called Rayleigh length, and is a distance until the beam diameter becomes 2 1/2 times the beam waist.

このように位相不整合量Δｋが正の場合には結晶の内部から２次の非線形光学効果による光は発生しないが、位相不整合量Δｋが負の場合には結晶の内部から所定強度の光が発生することが図１に示す実験結果からもみてとれる。なお、この図１は、結晶内における焦点位置と当該焦点位置より発生したＳＨ波の強度の関係を示すグラフであり、（ａ）はΔｋ＞０となる成分を観察した場合を示し、（ｂ）はΔｋ＜０となる成分を観察した場合を示している。図１（ａ）においては、ＳＨ波が強く発生している（極大点を示す）焦点位置が結晶表面に対応しており、結晶の内部からはＳＨ波が発生していないことがわかる。一方、図１（ｂ）では、結晶表面からだけではなく内部からもＳＨ波が強く発生していることがわかる。   As described above, when the phase mismatch amount Δk is positive, light due to the second-order nonlinear optical effect is not generated from the inside of the crystal, but when the phase mismatch amount Δk is negative, light having a predetermined intensity is generated from the inside of the crystal. It can be seen from the experimental results shown in FIG. FIG. 1 is a graph showing the relationship between the focal position in the crystal and the intensity of the SH wave generated from the focal position. FIG. 1 (a) shows the case where a component satisfying Δk> 0 is observed. ) Shows a case where a component satisfying Δk <0 is observed. In FIG. 1A, it can be seen that the SH wave is generated strongly (indicating the maximum point) the focal position corresponds to the crystal surface, and no SH wave is generated from the inside of the crystal. On the other hand, in FIG.1 (b), it turns out that the SH wave generate | occur | produces not only from the crystal | crystallization surface but from the inside.

結晶の内部構造（分域構造）を３次元的に観察するためには、結晶の表面からだけではなく、結晶の内部からも同程度の強度を持った２次の非線形光学効果による光を発生させる必要がある。しかしながら、従来のＳＨＧ顕微鏡では複屈折の小さい結晶のように位相不整合量Δｋが入射、射出光の偏光方向によらず常に正となる結晶や、位相不整合量Δｋが負となる成分を持つが、負となる成分では観察に適さない形状の結晶もあり、従来の顕微鏡では結晶の内部構造を明確に観察することが困難であった。   In order to observe the internal structure (domain structure) of a crystal in three dimensions, light is generated not only from the surface of the crystal but also from the inside of the crystal due to the second-order nonlinear optical effect. It is necessary to let However, the conventional SHG microscope has a crystal whose phase mismatch amount Δk is always positive, such as a crystal with small birefringence, and a component whose phase mismatch amount Δk is negative regardless of the polarization direction of the emitted light. However, there are crystals having a shape that is not suitable for observation with a negative component, and it has been difficult to clearly observe the internal structure of the crystal with a conventional microscope.

そこで、位相不整合量Δｋを常に負の値にすることができれば、結晶内部から２次の非線形光学効果による所定強度の光を常に発生させることが可能になり、結晶の内部構造を明確に観察することができる。そこで、本実施形態では位相不整合量Δｋの符号を負にする手段として、相互に角振動数の異なる２つの光を照射したときに２次の非線形光学効果によって発生する差周波を用いる。まず、和周波の場合の位相不整合量Δｋを考えると、式（１）は、

Figure 2011099912
と記述でき、基本波（ω1およびω2）と和周波（ω3）とが正常光および異常光のうちの一方の成分のみを用いている場合、または複屈折の小さい結晶の場合には常に位相不整合量Δｋ＞０となることがわかる。なお、式（４）において、λｉを角振動数ωｉでの波長とし、ｎ（ωｉ）を角振動数ωｉでの屈折率としている（以下の式においても同様とする）。 Therefore, if the phase mismatch amount Δk can always be a negative value, it becomes possible to always generate light of a predetermined intensity from the inside of the crystal by the second-order nonlinear optical effect, and clearly observe the internal structure of the crystal. can do. Therefore, in the present embodiment, as a means for making the sign of the phase mismatch amount Δk negative, a difference frequency generated by a second-order nonlinear optical effect when two lights having different angular frequencies are irradiated is used. First, considering the phase mismatch amount Δk in the case of the sum frequency, the equation (1) is
Figure 2011099912
 When the fundamental wave (ω 1 and ω 2 ) and sum frequency (ω 3 ) use only one component of normal light and extraordinary light, or in the case of a crystal with low birefringence It can be seen that the phase mismatch amount Δk> 0 always holds. In Equation (4), λ i is the wavelength at the angular frequency ω i , and n (ωi) is the refractive index at the angular frequency ω i (the same applies to the following equations).

続いて差周波の場合の位相不整合量Δｋを考えると、ω1＜ω3＜ω2の場合、式（２）は、

Figure 2011099912
と記述できる。一方、ω3＜ω1＜ω2の場合、式（２）は、
Figure 2011099912
 と記述できる。式（５），（６）から和周波では負にすることができなかった場合にも、差周波ではΔｋを負にすることが可能となる。 Subsequently, considering the phase mismatch amount Δk in the case of the difference frequency, when ω 1 <ω 3 <ω 2 , the equation (2) is
Figure 2011099912
 Can be described. On the other hand, when ω 3 <ω 1 <ω 2 , equation (2) is
Figure 2011099912
 Can be described. Even when the sum frequency cannot be made negative from the equations (5) and (6), Δk can be made negative at the difference frequency.

以上説明した原理に基づいて、観察試料である結晶の内部構造観察を行うための具体的な顕微鏡装置構成について、３つの実施形態を例示して説明する。なお、以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、当然ながら本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。   Based on the principle described above, a specific microscope apparatus configuration for observing the internal structure of a crystal as an observation sample will be described by exemplifying three embodiments. In addition, the following description demonstrates embodiment of this invention, Naturally, this invention is not limited to the following embodiment.

まず、第１の実施形態に係る顕微鏡装置１の概要構成図を図２に示している。この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）１は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ダイクロイックミラー２１、ミラー２２，２３、対物レンズ３０、コンデンサレンズ３２、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。   First, a schematic configuration diagram of the microscope apparatus 1 according to the first embodiment is shown in FIG. The microscope apparatus (confocal microscope) 1 includes a laser light source 10, lenses 11, 13 and 15, wavelength conversion optical elements 12 and 14, a wave plate 16, dichroic mirror 21, mirrors 22 and 23, an objective lens 30, and a condenser lens 32. The analyzer 33, the spectroscope 34, the imaging lens 35, the pinhole 36, the photodetector 37, the control unit 40, and the display unit 50 are mainly configured.

このような構成の顕微鏡装置１において、レーザ光源１０から射出された角振動数ωのレーザ光（１倍波）は、レンズ１１により波長変換光学素子１２に集光入射され、第２高調波発生（ＳＨＧ）によって角振動数が２倍となる２ωのＳＨ波（２倍波）に変換される。波長変換光学素子１２により発生された２倍波（２ω）、および波長変換光学素子１２を透過したレーザ光（ω）は、レンズ１３により波長変換光学素子１４に集光入射され、和周波発生（ω＋２ω）により角振動がレーザ光（ω）の３倍（３ω）となる３倍波が発生される。これらの波長変換光学素子１２，１４は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子１２としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子１４としてＬＢＯ結晶が例示される。   In the microscope apparatus 1 having such a configuration, the laser light (first harmonic wave) emitted from the laser light source 10 is focused and incident on the wavelength conversion optical element 12 by the lens 11 to generate the second harmonic. (SHG) is converted into a 2ω SH wave (double wave) whose angular frequency is doubled. The double wave (2ω) generated by the wavelength conversion optical element 12 and the laser beam (ω) transmitted through the wavelength conversion optical element 12 are condensed and incident on the wavelength conversion optical element 14 by the lens 13 to generate a sum frequency ( A triple wave whose angular vibration is three times (3ω) of the laser beam (ω) is generated by (ω + 2ω). Examples of the wavelength conversion optical elements 12 and 14 include a PPLN crystal as the wavelength conversion optical element 12 for generating the second harmonic wave and an LBO crystal as the wavelength conversion optical element 14 for generating the third harmonic wave.

波長変換光学素子１４により発生された３倍波とこの波長変換光学素子１４を透過した１倍波および２倍波は、レンズ１５を介して波長板１６に入射する。波長板１６は２倍波にはλ／２板、３倍波にはλ板としての効果を有しており、入射した２倍波および３倍波の偏光方向を揃えることができる。   The third harmonic wave generated by the wavelength conversion optical element 14 and the first and second harmonic waves transmitted through the wavelength conversion optical element 14 are incident on the wave plate 16 through the lens 15. The wave plate 16 has an effect as a λ / 2 plate for the second harmonic wave and a λ plate for the third harmonic wave, and can align the polarization directions of the incident second harmonic wave and third harmonic wave.

波長板１６を通過した１倍波、２倍波および３倍波は、ダイクロイックミラー２１に入射する。ダイクロイックミラー２１は、１倍波の波長帯域の光を透過し、２倍波および３倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー２１に入射した１倍波、２倍波および３倍波はここで分離される。   The 1st, 2nd, and 3rd harmonics that have passed through the wave plate 16 enter the dichroic mirror 21. The dichroic mirror 21 is configured to transmit light in the wavelength band of the first harmonic wave and reflect light in the wavelength bands of the second harmonic wave and the third harmonic wave. The first harmonic wave incident on the dichroic mirror 21, The second and third harmonics are separated here.

ダイクロイックミラー２１で反射された２倍波および３倍波は、ミラー２２，２３で順に反射された後、その光路上に設けられた対物レンズ３０によって集光されて観察試料３１を照射し、この観察試料（結晶）３１による２次の非線形光学効果として、２倍波と３倍波による差周波発生（３ω−２ω）が行われて差周波（ω）が発生されるとともに、２倍波と３倍波による和周波発生（２ω＋３ω）が行われて５倍波（５ω）が発生される。   The second harmonic and the third harmonic reflected by the dichroic mirror 21 are sequentially reflected by the mirrors 22 and 23, and then condensed by the objective lens 30 provided on the optical path to irradiate the observation sample 31. As a second-order nonlinear optical effect by the observation sample (crystal) 31, difference frequency generation (3ω-2ω) by the second and third harmonics is performed to generate the difference frequency (ω) and the second harmonic. The sum frequency generation (2ω + 3ω) by the third harmonic is performed to generate the fifth harmonic (5ω).

なお、観察試料３１は、詳細図示を省略するステージ（ＸＹＺステージ）によって、３次元方向に移動自在に保持されており、このステージが制御部４０によって駆動されることにより、対物レンズ３０の光軸と直交する面内（ＸＹ方向）において自在に移動したり、対物レンズ３０の光軸方向（Ｚ方向）において自在に移動したりすることができる。すなわち、観察試料３１中の焦点位置を、対物レンズ３０の光軸方向と直交する面内方向に移動させる走査と、当該光軸方向に沿って移動させる走査とを繰り返すことで、観察試料３１の三次元観察が可能となる。   The observation sample 31 is held by a stage (XYZ stage) not shown in detail so as to be movable in a three-dimensional direction. The stage is driven by the control unit 40, whereby the optical axis of the objective lens 30 is obtained. Can move freely in a plane (XY direction) perpendicular to the axis, or freely move in the optical axis direction (Z direction) of the objective lens 30. That is, by repeating the scanning for moving the focal position in the observation sample 31 in the in-plane direction orthogonal to the optical axis direction of the objective lens 30 and the scanning for moving along the optical axis direction, Three-dimensional observation is possible.

観察試料３１により発生された差周波および５倍波と、この観察試料３１を透過した２倍波および３倍波は、コンデンサレンズ３２によって集められた上で、検光子３３で任意の偏光方向のみが取り出され、分光器３４によって角振動数ωの光（観察試料３１から発せられた差周波）のみが分離されて結像レンズ３５を介してピンホール３６に入射する。ピンホール３６は、対物レンズ３０の焦点位置と光学的に共役な位置に配設されているため、対物レンズ３０によって観察試料３１内に集光された光の焦点位置で差周波発生された角振動数ωの光のみを通過させる。   The difference frequency and the 5th harmonic wave generated by the observation sample 31 and the 2nd harmonic wave and the 3rd harmonic wave transmitted through the observation sample 31 are collected by the condenser lens 32, and then are analyzed only in an arbitrary polarization direction by the analyzer 33. Are separated by the spectroscope 34 and only the light having the angular frequency ω (difference frequency emitted from the observation sample 31) is separated and enters the pinhole 36 through the imaging lens 35. Since the pinhole 36 is disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens 30, the angle generated by the difference frequency at the focal position of the light condensed in the observation sample 31 by the objective lens 30. Only light of frequency ω is allowed to pass through.

ピンホール３６を通過した光は、光検出器３７に入射する。光検出器３７は、例えば光電子倍増管などのポイントセンサであり、受光した光強度を電気信号（光電変換信号）に変換して制御部４０に送出する。   The light that has passed through the pinhole 36 enters the photodetector 37. The photodetector 37 is a point sensor such as a photomultiplier tube, and converts the received light intensity into an electric signal (photoelectric conversion signal) and sends it to the control unit 40.

制御部４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等からなる所謂マイクロコンピュータを有して構成されており、顕微鏡装置１全体の作動を統括的に制御する。制御部４０は、光検出器３７から受信した電気信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号化する。このデジタルデータを、ステージによる光軸と直行する面内方向への走査（ＸＹ方向への走査）と同期して２次元に配置することで、制御部４０は焦点位置のみの情報を持つ２次元画像データ（共焦点画像データ）を取得することができる。   The control unit 40 includes a so-called microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. Centralized control of operation. The controller 40 A / D converts the electrical signal received from the photodetector 37 into a digital signal. By arranging this digital data in two dimensions in synchronization with scanning in the in-plane direction orthogonal to the optical axis by the stage (scanning in the XY direction), the control unit 40 has two dimensions having information on only the focal position. Image data (confocal image data) can be acquired.

制御部４０は、上記のように２次元画像データを取得した後、ステージに光軸方向へ一定量（所定のサンプリング間隔）移動する命令を伝達することで、観察試料３１と対物レンズ３０との相対位置を変化させて、観察試料３１内における焦点位置を光軸に沿って変化させる。この移動が完了した後、２次元画像データ取得を行うことで焦点位置の異なる２次元画像データを取得することができる。   After acquiring the two-dimensional image data as described above, the control unit 40 transmits a command for moving a certain amount (predetermined sampling interval) in the optical axis direction to the stage, whereby the observation sample 31 and the objective lens 30 are moved. By changing the relative position, the focal position in the observation sample 31 is changed along the optical axis. After this movement is completed, two-dimensional image data having different focal positions can be acquired by acquiring two-dimensional image data.

このように、ＸＹ方向およびＺ方向の走査を繰り返しつつ２次元画像データを取得することで、焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得することができる。対物レンズ３０から射出された光の焦点位置は不変であり、観察試料３１と対物レンズ３０との相対位置が変化すると、相対的に観察試料３１内での焦点位置が変化する。その結果、取得されたそれぞれの２次元画像データは、それぞれの観察試料３１の位置に対応した焦点位置において発生した差周波ωの情報を持つ２次元画像データとなり、制御部４０のメモリ（ＲＡＭ）に記憶される。表示部５０はＣＲＴモニタ、液晶ディスプレイ等のモニタを有して構成されており、制御部４０がメモリに記憶された２次元画像データを画像処理し、表示部５０のモニタに２次元画像表示、あるいは３次元画像表示させることで、観察試料３１の拡大像を観察することができる。   As described above, by acquiring two-dimensional image data while repeating scanning in the XY direction and the Z direction, a plurality of two-dimensional image data having different focal positions can be acquired. The focal position of the light emitted from the objective lens 30 is unchanged, and when the relative position between the observation sample 31 and the objective lens 30 changes, the focal position within the observation sample 31 changes relatively. As a result, each acquired two-dimensional image data becomes two-dimensional image data having information on the difference frequency ω generated at the focal position corresponding to the position of each observation sample 31, and is stored in the memory (RAM) of the control unit 40. Is remembered. The display unit 50 includes a monitor such as a CRT monitor and a liquid crystal display. The control unit 40 performs image processing on the two-dimensional image data stored in the memory, and displays a two-dimensional image on the monitor of the display unit 50. Alternatively, an enlarged image of the observation sample 31 can be observed by displaying a three-dimensional image.

このように構成される本実施形態の顕微鏡装置１によれば、異なる角振動数の光を観察試料３１たる結晶に照射したときに、この結晶の非線形光学効果によって発生する差周波を観察光として利用することで、従来のＳＨＧ顕微鏡では検出することができなかった結晶内部からも観察光（差周波）を所定強度以上で発生させて検出することが可能になるため、結晶の三次元形状を高精度に構築することができる。そのため、結晶の分域構造を明確に観察することが可能になる。また、共焦点光学系において対物レンズ３０と光学的に共役な位置にピンホール３６を配設することで、結晶内の合焦点位置で発生する差周波のみを効率よく検出することができるため、コントラストの高い画像を生成することが可能になる。   According to the microscope apparatus 1 of the present embodiment configured as described above, when the crystal as the observation sample 31 is irradiated with light having different angular frequencies, the difference frequency generated by the nonlinear optical effect of the crystal is used as the observation light. By using it, it becomes possible to generate and detect the observation light (difference frequency) at a predetermined intensity or more from the inside of the crystal, which could not be detected by the conventional SHG microscope. It can be constructed with high accuracy. Therefore, it becomes possible to clearly observe the domain structure of the crystal. In addition, since the pinhole 36 is disposed at a position optically conjugate with the objective lens 30 in the confocal optical system, only the difference frequency generated at the in-focus position in the crystal can be efficiently detected. An image with high contrast can be generated.

次に、第２の実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。この第２の実施形態に係る顕微鏡装置２の概要構成図を図３に示している。顕微鏡装置２は、観察試料３１として結晶の反平行分域構造を観察するために適した共焦点光学系を有している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。   Next, a microscope apparatus according to the second embodiment will be described. FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of the microscope apparatus 2 according to the second embodiment. The microscope apparatus 2 has a confocal optical system suitable for observing the antiparallel domain structure of the crystal as the observation sample 31. In this embodiment, the same components as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted, and differences from the first embodiment will be mainly described.

この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）２は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ミラー２２，２３，６０，６２、ダイクロイックミラー６１，７６、光減衰器７０、１／２λ板７４、ガラスプレート７５，７５、対物レンズ３０、コンデンサレンズ３２、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。   This microscope apparatus (confocal microscope) 2 includes a laser light source 10, lenses 11, 13, 15, wavelength conversion optical elements 12, 14, a wave plate 16, mirrors 22, 23, 60, 62, dichroic mirrors 61, 76, and light. Attenuator 70, 1 / 2λ plate 74, glass plates 75, 75, objective lens 30, condenser lens 32, analyzer 33, spectrometer 34, imaging lens 35, pinhole 36, photodetector 37, controller 40, The display unit 50 is mainly configured.

本実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、上記第１の実施形態では観察標本３１より発生した差周波を観察光として利用したが、本実施形態では観察標本３１より発生した差周波と波長変換光学素子１２，１４を透過した１倍波（参照波）とを干渉させた干渉光を観察光として利用する点である。   The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the difference frequency generated from the observation specimen 31 is used as the observation light in the first embodiment, but the difference frequency generated from the observation specimen 31 is used in this embodiment. And interference light obtained by causing interference between the first harmonic wave (reference wave) transmitted through the wavelength conversion optical elements 12 and 14 is used as observation light.

このような構成の顕微鏡装置２において、レーザ光源１０から射出された角振動数ωのレーザ光（１倍波）は、レンズ１１により波長変換光学素子１２に集光入射され、第２高調波発生（ＳＨＧ）によって角振動数が２倍となる２ωのＳＨ波（２倍波）に変換される。波長変換光学素子１２により発生された２倍波（２ω）、および波長変換光学素子１２を透過したレーザ光（ω）は、レンズ１３により波長変換光学素子１４に集光入射され、和周波発生（ω＋２ω）により角振動数が３倍（３ω）となる３倍波が発生される。   In the microscope apparatus 2 having such a configuration, the laser light (first harmonic) emitted from the laser light source 10 is focused and incident on the wavelength conversion optical element 12 by the lens 11 to generate the second harmonic. (SHG) is converted into a 2ω SH wave (double wave) whose angular frequency is doubled. The double wave (2ω) generated by the wavelength conversion optical element 12 and the laser beam (ω) transmitted through the wavelength conversion optical element 12 are condensed and incident on the wavelength conversion optical element 14 by the lens 13 to generate a sum frequency ( (ω + 2ω) generates a triple wave whose angular frequency is triple (3ω).

波長変換光学素子１４により発生された３倍波とこの波長変換光学素子１４を透過した１倍波および２倍波はレンズ１５を介して波長板１６に入射する。波長板１６を通過した１倍波、２倍波および３倍波は、ミラー６０で反射されダイクロイックミラー６１に入射する。   The third harmonic wave generated by the wavelength conversion optical element 14 and the first and second harmonic waves transmitted through the wavelength conversion optical element 14 are incident on the wave plate 16 through the lens 15. The 1st, 2nd, and 3rd harmonics that have passed through the wave plate 16 are reflected by the mirror 60 and enter the dichroic mirror 61.

ダイクロイックミラー６１を透過した２倍波および３倍波の光は、ミラー２２で反射された後、ダイクロイックミラー７６に入射する。   The second harmonic wave and the third harmonic wave transmitted through the dichroic mirror 61 are reflected by the mirror 22 and then enter the dichroic mirror 76.

一方、ダイクロイックミラー６１によって反射された１倍波の光は、ミラー６２で反射された後、光減衰器７０と１／２λ板７４を透過することで、観察試料（結晶）３１から発生する差周波（ω）と同じ偏光状態に変換される。   On the other hand, the first-harmonic light reflected by the dichroic mirror 61 is reflected by the mirror 62 and then passes through the optical attenuator 70 and the ½λ plate 74, thereby generating a difference generated from the observation sample (crystal) 31. It is converted to the same polarization state as the frequency (ω).

１／２λ板７４を透過した光は、詳細は後述する一対のガラスプレート７５，７５を通過し、ダイクロイックミラー７６に入射する。ダイクロイックミラー７６は、２倍波および３倍波の波長帯域の光を透過し、１倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、ビームスプリッタ６１を透過してダイクロイックミラー７６に入射する２倍波および３倍波と、偏光方向と強度を調整された１倍波（参照波）とが同軸上に合成される。   The light transmitted through the ½λ plate 74 passes through a pair of glass plates 75 and 75 described later in detail, and enters the dichroic mirror 76. The dichroic mirror 76 is configured to transmit light in the second and third harmonic wavebands and reflect light in the first harmonic waveband. The dichroic mirror 76 passes through the beam splitter 61 and passes to the dichroic mirror 76. The incident second and third harmonics and the first harmonic (reference wave) whose polarization direction and intensity are adjusted are synthesized on the same axis.

このように同軸上に合成された光束は、ミラー２３によって反射された後、その光路上に設けられた対物レンズ３０によって集光されて観察試料３１を照射し、この観察試料（結晶）３１による２次の非線形光学効果として、２倍波と３倍波による差周波発生（３ω−２ω）が行われて差周波（ω）が発生されるとともに、２倍波と３倍波による和周波発生（２ω＋３ω）が行われて５倍波（５ω）が発生される。   The light beam combined coaxially in this way is reflected by the mirror 23 and then condensed by the objective lens 30 provided on the optical path to irradiate the observation sample 31, and the observation sample (crystal) 31 As a second-order nonlinear optical effect, difference frequency generation (3ω-2ω) by second and third harmonics is performed to generate difference frequency (ω) and sum frequency generation by second and third harmonics. (2ω + 3ω) is performed to generate a fifth harmonic (5ω).

観察試料３１により発生された差周波および５倍波と、この観察試料３１を透過した参照波、２倍波および３倍波は、コンデンサレンズ３２によって集められた上で、検光子３３で任意の偏光方向のみが取り出され、分光器３４によって角振動数ωの光（観察試料３１により発生された差周波と参照波）のみが分離されて結像レンズ３５を介してピンホール３６に入射する。ピンホール３６は、対物レンズ３０の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されているため、対物レンズ３０によって観察試料３１内に集光された光の焦点位置で差周波発生された角振動数ωの光と、焦点の合った参照波のみを通過させる。   The difference frequency and the 5th harmonic generated by the observation sample 31 and the reference wave, the 2nd harmonic and the 3rd harmonic transmitted through the observation sample 31 are collected by the condenser lens 32, and the analyzer 33 selects an arbitrary frequency. Only the polarization direction is taken out, and only the light having the angular frequency ω (difference frequency and reference wave generated by the observation sample 31) is separated by the spectroscope 34 and enters the pinhole 36 through the imaging lens 35. Since the pinhole 36 is disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens 30, the angular vibration generated by the difference frequency at the focal position of the light collected in the observation sample 31 by the objective lens 30. Only light of several ω and a focused reference wave are allowed to pass.

ピンホール３６を通過した光（観察試料３１により発生された角振動数ωの光、および参照波）は、光検出器３７に入射してその検出面上に結像され、その位相差に応じた干渉像を生成する。ここで、反平行分域構造を持つ観察試料３１から発生する２次の非線形光学効果による光の位相は分域ごとに１８０°異なるため、観察試料３１から発生する角振動数ωの光と参照波とを干渉させると、一方の分域では強めあい、他方の分域では弱めあった角振動数ωの干渉光を検出することができる。そこで、ステージにより観察試料３１を走査すると、この光強度のコントラストによって観察試料（結晶）の反平行分域構造を観察することができる。   The light that has passed through the pinhole 36 (light having the angular frequency ω generated by the observation sample 31 and the reference wave) is incident on the light detector 37 and is imaged on the detection surface. Interference image is generated. Here, since the phase of light generated by the second-order nonlinear optical effect generated from the observation sample 31 having the anti-parallel domain structure is different by 180 ° for each domain, the light having the angular frequency ω generated from the observation sample 31 is referred to. When the wave is caused to interfere, it is possible to detect interference light having an angular frequency ω that is strengthened in one domain and weakened in the other domain. Therefore, when the observation sample 31 is scanned by the stage, the antiparallel domain structure of the observation sample (crystal) can be observed by the contrast of the light intensity.

このとき干渉光の光強度は、観察試料３１から発生した光の強度ψsample、参照波の強度ψrefを次式（７）および（８）のように定義すると、次式（９）のように表すことができる。

Figure 2011099912
Figure 2011099912
Figure 2011099912
 At this time, the light intensity of the interference light is defined as the following expression (9) when the intensity ψ sample of the light generated from the observation sample 31 and the intensity ψ ref of the reference wave are defined as the following expressions (7) and (8). Can be expressed as
Figure 2011099912
Figure 2011099912
Figure 2011099912

式（９）から干渉光の強度は焦点位置ｚ、および２つの光（ψsampleとψref）の相対位相差Δφに依存することがわかる。つまり、結晶の反平行分域構造を観察するためには、式（９）に示す干渉光の強度が最大または最小となるように焦点位置ｚを選んで観察を行う、あるいは当該焦点位置ｚに応じて光の相対位相差Δφを変化させる位相変調手段を設ける必要がある。この位相変調手段としては、例えば上述した一対のガラスプレート７５，７５が例示される。これら一対のガラスプレート７５，７５は、それぞれ同じ材質および大きさの平行平板から形成されており、この紙面（図３の紙面）に直交する軸を中心軸として対称形（八の字形）を保持しつつ互いに逆方向に回転させることで、光軸のシフトを防止しながら２つの光の相対位相差Δφ（光路長）を任意に変化させることが可能である。なお、相対位相差Δφの調整は、例えば、制御部４０が光検出器３７により検出される干渉光の光強度をモニタリングにしつつ、この光強度が最大または最小となるように一対のガラスプレート７５，７５の回転角度を制御することにより行われる。 From equation (9), it can be seen that the intensity of the interference light depends on the focal position z and the relative phase difference Δφ between the two lights (ψ sample and ψ ref ). That is, in order to observe the antiparallel domain structure of the crystal, the observation is performed by selecting the focal position z so that the intensity of the interference light shown in the formula (9) is maximized or minimized, or at the focal position z. Accordingly, it is necessary to provide phase modulation means for changing the relative phase difference Δφ of light. Examples of the phase modulation means include the pair of glass plates 75 and 75 described above. The pair of glass plates 75 and 75 are formed of parallel plates of the same material and size, respectively, and maintain a symmetric shape (eight-letter shape) with an axis perpendicular to the paper surface (the paper surface of FIG. 3) as a central axis. However, by rotating in opposite directions, it is possible to arbitrarily change the relative phase difference Δφ (optical path length) of the two lights while preventing the optical axis from shifting. The relative phase difference Δφ is adjusted by, for example, monitoring the light intensity of the interference light detected by the light detector 37 while the control unit 40 monitors the light intensity of the pair of glass plates 75 so that the light intensity is maximized or minimized. , 75 by controlling the rotation angle.

また、上述した光減衰器７０によって参照波の光量（強度）を調節することで、参照波の角振動数ωの光強度と、観察試料３１から発生する角振動数ωの光強度とを等しく調整することも最大コントラストを得るためには重要である。このようにコントラストを向上させることで、結晶の反平行分域構造をより明確に観察することが可能となる。   Further, the light intensity (intensity) of the reference wave is adjusted by the optical attenuator 70 described above, so that the light intensity at the angular frequency ω of the reference wave is equal to the light intensity at the angular frequency ω generated from the observation sample 31. Adjustment is also important for obtaining maximum contrast. By improving the contrast in this way, the antiparallel domain structure of the crystal can be observed more clearly.

光検出器３７は、この干渉像情報を出力信号（電気信号）として制御部４０に送出する。制御部４０は、受信した電気信号をデジタルデータにＡ／Ｄ変換し、２次元画像データ（共焦点画像データ）を取得する。また、制御部４０は、ステージの走査に伴って焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得し、この２次元画像データを観察試料３１内におけるスキャン位置と対応させてメモリに記憶する。また、メモリに記憶された２次元画像データを制御部４０で画像処理し、表示部５０のモニタに２次元画像表示、あるいは３次元画像表示して拡大像を観察することができる。   The photodetector 37 sends this interference image information to the control unit 40 as an output signal (electric signal). The control unit 40 A / D converts the received electrical signal into digital data, and acquires two-dimensional image data (confocal image data). Further, the control unit 40 acquires a plurality of two-dimensional image data having different focal positions as the stage is scanned, and stores the two-dimensional image data in the memory in association with the scan position in the observation sample 31. The two-dimensional image data stored in the memory can be image-processed by the control unit 40, and a magnified image can be observed by displaying a two-dimensional image or a three-dimensional image on the monitor of the display unit 50.

このように構成される第２の実施形態の顕微鏡装置２によれば、異なる角振動数の光を観察試料たる結晶に照射したときに、この結晶の非線形光学効果によって発生する差周波と参照波との干渉光を観察光として利用することで、結晶構造によらず観察光（干渉光）を常に所定強度以上で発生させて検出することが可能になるため、結晶の三次元形状を高精度に構築することができる。そのため、第１の実施形態と同様に、結晶の分域構造（この第２の実施形態では、特に反平行分域構造）を的確に観察することが可能になる。   According to the microscope apparatus 2 of the second embodiment configured as described above, when a crystal serving as an observation sample is irradiated with light having different angular frequencies, a difference frequency and a reference wave generated by the nonlinear optical effect of the crystal. By using the interference light as the observation light, the observation light (interference light) can always be generated and detected with a predetermined intensity or higher regardless of the crystal structure. Can be built. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to accurately observe the domain structure of the crystal (in this second embodiment, particularly the antiparallel domain structure).

続いて、このように構成される顕微鏡装置２を用いて観察試料３１を観察する方法について、図４に示すフローチャートを追加参照して説明する。   Next, a method for observing the observation sample 31 using the microscope apparatus 2 configured as described above will be described with additional reference to the flowchart shown in FIG.

ステップＳ１０１において、まずユーザ（観察者）によって顕微鏡装置２の電源が投入される。ステップＳ１０２では、ユーザによって観察試料３１が顕微鏡装置２のステージに固定される。ステップＳ１０３において、制御部４０は、ステージに内蔵されたリニアエンコーダ（図示せず）等によってステージ位置を検出する。   In step S101, first, the power of the microscope apparatus 2 is turned on by a user (observer). In step S102, the observation sample 31 is fixed to the stage of the microscope apparatus 2 by the user. In step S103, the control unit 40 detects the stage position using a linear encoder (not shown) or the like built in the stage.

ステップＳ１０４において、ユーザによって観察試料３１における仮のスキャン領域が制御部４０の入力装置（キーボードやマウス等）によって設定される。ステップＳ１０５では、制御部４０によりステージが駆動され、上記仮スキャン領域内において対物レンズ３０と観察試料３１との相対位置を変化させて、観察試料３１の深さ方向（対物レンズ３０の光軸方向）にスキャンを実行する。   In step S <b> 104, a temporary scan area in the observation sample 31 is set by the user using the input device (keyboard, mouse, or the like) of the control unit 40. In step S105, the stage is driven by the control unit 40, and the relative position between the objective lens 30 and the observation sample 31 is changed in the temporary scan region, so that the depth direction of the observation sample 31 (the optical axis direction of the objective lens 30) is changed. ) Scan.

ステップＳ１０６では、制御部４０によってステップＳ１０５で得られた計測結果により、観察試料３１の位置が把握されるとともに、干渉光の周期などの初期情報が算出される。ステップＳ１０７において、ユーザによって、観察試料３１に対するスキャン領域やスキャン幅（サンプリング間隔）が上記入力装置を用いて設定される。これにより、顕微鏡装置２は観察試料３１に対応する測定プログラム（測定レシピ）に従って作動することが可能な状態となる。   In step S106, the position of the observation sample 31 is grasped from the measurement result obtained in step S105 by the control unit 40, and initial information such as the period of interference light is calculated. In step S <b> 107, the user sets a scan region and a scan width (sampling interval) for the observation sample 31 using the input device. As a result, the microscope apparatus 2 can be operated in accordance with a measurement program (measurement recipe) corresponding to the observation sample 31.

ステップＳ１０８において、制御部４０は測定プログラムに従って、ステージを駆動して対物レンズ３０と観察試料３１との相対位置を変化させて、観察試料３１内における焦点位置を変更する（最初は対物レンズ３０の焦点位置を観察試料３１における測定開始点に位置決めする）。ステップＳ１０９では、制御部４０によってガラスプレート７５，７５が回転駆動されて、上記ステップＳ１０６で取得した干渉光の周期情報等に基づいて相対位相差Δφが変更され、ステップＳ１１０において、制御部４０は光検出器３７によって検出される光強度をモニタリングしつつ相対位相差Δφが最適であるか否か、すなわち、干渉光の強度が最大または最小となる相対位相差Δφであるか否かを判定する。ステップＳ１１０において否定判定がされると、Ｓ１１１において、制御部４０は、相対位相差Δφが干渉光の強度最大または最小となる最適値に調整されるまで上記ステップＳ１０９〜Ｓ１１０を繰り返す。   In step S108, the control unit 40 changes the focal position in the observation sample 31 by driving the stage according to the measurement program and changing the relative position between the objective lens 30 and the observation sample 31 (initially the objective lens 30). The focal position is positioned at the measurement start point in the observation sample 31). In step S109, the glass plates 75, 75 are rotationally driven by the control unit 40, and the relative phase difference Δφ is changed based on the period information and the like of the interference light acquired in step S106. In step S110, the control unit 40 While monitoring the light intensity detected by the photodetector 37, it is determined whether or not the relative phase difference Δφ is optimal, that is, whether or not the relative phase difference Δφ is the maximum or minimum of the interference light intensity. . If a negative determination is made in step S110, in step S111, the control unit 40 repeats steps S109 to S110 until the relative phase difference Δφ is adjusted to an optimum value that maximizes or minimizes the intensity of the interference light.

ステップＳ１１０において肯定判定がされると、ステップＳ１１２において、ＸＹ方向（対物レンズ３０の光軸に直交する面内方向）に２次元スキャンして、２次元画像データを取得する。ステップＳ１１３において、制御部４０は、取得した２次元画像データを、上記エンコーダ等により検出されたスキャン位置と対応させてメモリに記憶させるとともに、この２次元画像データを画像処理して表示部５０のモニタに２次元画像を表示させる。   If an affirmative determination is made in step S110, in step S112, two-dimensional scanning is performed in the XY direction (in-plane direction orthogonal to the optical axis of the objective lens 30) to obtain two-dimensional image data. In step S113, the control unit 40 stores the acquired two-dimensional image data in the memory in correspondence with the scan position detected by the encoder or the like, and performs image processing on the two-dimensional image data to display the display unit 50. A two-dimensional image is displayed on the monitor.

ステップＳ１１４において、ステップＳ１０７で設定されたスキャン領域の全域においてスキャンが完了したか否かが判定され、ここで否定判定がされた場合には、観察試料３１内の焦点位置が変更されステップＳ１０８〜Ｓ１１３が再び実行される。   In step S114, it is determined whether or not the scan is completed in the entire scan region set in step S107. If a negative determination is made here, the focal position in the observation sample 31 is changed and steps S108 to S108 are performed. S113 is executed again.

ステップＳ１１４で肯定判定がされると、ステップＳ１１５において、制御部４０によって焦点位置ごとの２次元画像が画像処理によって繋げられ、観察試料３１の３次元画像データが生成される。ステップＳ１１６では、制御部４０によって、三次元画像データがメモリに記憶されるとともに、この三次元画像データを画像処理して表示部５０のモニタに観察試料３１の三次元画像を表示する。そして、ユーザはこの三次元画像から観察試料３１（結晶の分域構造等）を観察することができる。   If an affirmative determination is made in step S114, in step S115, the control unit 40 connects the two-dimensional images for each focal position by image processing, and three-dimensional image data of the observation sample 31 is generated. In step S116, the control unit 40 stores the three-dimensional image data in the memory, and performs image processing on the three-dimensional image data to display a three-dimensional image of the observation sample 31 on the monitor of the display unit 50. The user can observe the observation sample 31 (crystal domain structure, etc.) from the three-dimensional image.

ステップＳ１１７において、観察試料３１を変更して再び観察を実行する場合にはステップＳ１０２に移行する。また、ステップＳ１１８において、これまで実行された観察条件を変更して観察を行う場合には、ステップＳ１０４に移行して、ユーザによって観察条件が変更された上で、顕微鏡装置２による観察が再び実行される。   In step S117, when the observation sample 31 is changed and observation is performed again, the process proceeds to step S102. In step S118, when observation is performed by changing the observation conditions executed so far, the process proceeds to step S104, and the observation conditions are changed by the user, and then the observation by the microscope apparatus 2 is executed again. Is done.

ところで、上記第２の実施形態の顕微鏡装置２において、参照波の光強度が観察試料３１から発生する光強度に比べて十分大きく、光減衰器７０で減衰しきれない場合には、図５に示すような顕微鏡装置１０２として構成することも考えられる。   By the way, in the microscope apparatus 2 of the second embodiment, when the light intensity of the reference wave is sufficiently larger than the light intensity generated from the observation sample 31 and cannot be attenuated by the optical attenuator 70, FIG. It is also conceivable to configure the microscope apparatus 102 as shown.

この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）１０２は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ダイクロイックミラー２１，７６、ミラー２２，２３，６２、１／２λ板６３，７４、偏光ビームスプリッタ６４、レンズ７１，７３、参照板７２、ガラスプレート７５，７５、対物レンズ３０、コンデンサレンズ３２、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。前述の構成の顕微鏡装置２とは異なり、ダイクロイックミラー２１によって分離された２倍波および３倍波は、１／２λ板６３を透過することで偏光状態を変化させ、偏光ビームスプリッタ６４に入射する。   This microscope apparatus (confocal microscope) 102 includes a laser light source 10, lenses 11, 13, 15, wavelength conversion optical elements 12, 14, wave plate 16, dichroic mirrors 21, 76, mirrors 22, 23, 62, 1 / 2λ. Plates 63 and 74, polarizing beam splitter 64, lenses 71 and 73, reference plate 72, glass plates 75 and 75, objective lens 30, condenser lens 32, analyzer 33, spectrometer 34, imaging lens 35, pinhole 36, The optical detector 37, the control unit 40, and the display unit 50 are mainly configured. Unlike the microscope apparatus 2 having the above-described configuration, the second harmonic wave and the third harmonic wave separated by the dichroic mirror 21 are transmitted through the 1 / 2λ plate 63 to change the polarization state and enter the polarization beam splitter 64. .

ビームスプリッタ６４は、１／２λ板６３を透過した光のうち、特定の偏光成分のみを選択的に反射し、その他の偏光成分を透過する。ビームスプリッタ６４を透過した偏光成分の光（２倍波および３倍波）は、ミラー２２で反射された後、ダイクロイックミラー７６に入射する。   The beam splitter 64 selectively reflects only a specific polarization component of the light transmitted through the ½λ plate 63 and transmits other polarization components. The polarized component light (second harmonic and third harmonic) transmitted through the beam splitter 64 is reflected by the mirror 22 and then enters the dichroic mirror 76.

一方、ビームスプリッタ６４によって反射された偏光成分の光（２倍波および３倍波）は、ミラー６２で反射された後、レンズ７１により参照板７２に集光入射され、差周波発生（３ω−２ω）によって角振動数ωの光に変換される。この参照板７２は、非線形光学結晶からなり、均一な差周波を発生するように構成されている。参照板７２により発生した光は、レンズ７３を介して１／２λ板７４を透過することで観察試料（結晶）３１から発生する差周波（ω）と同じ偏光状態に変換され、参照波となる。   On the other hand, the light of the polarization component (second harmonic and third harmonic) reflected by the beam splitter 64 is reflected by the mirror 62 and then collected and incident on the reference plate 72 by the lens 71 to generate difference frequency (3ω− 2ω) is converted into light having an angular frequency ω. The reference plate 72 is made of a nonlinear optical crystal and is configured to generate a uniform difference frequency. The light generated by the reference plate 72 is converted to the same polarization state as the difference frequency (ω) generated from the observation sample (crystal) 31 by passing through the ½λ plate 74 through the lens 73 and becomes a reference wave. .

このように顕微鏡装置１０２においては、参照波の光強度が観察試料３１から発生する光強度に比べて十分大きく、光減衰器７０で減衰しきれない場合には、上述した１／２λ板６３によってダイクロイックミラー２１からの光の偏光状態を変化させ、偏光ビームスプリッタ６４による透過光および反射光の光量（強度）を調節し、参照板７２から発生する角振動数ωの光を利用することで最大コントラストを得ることが可能となる。   As described above, in the microscope apparatus 102, when the light intensity of the reference wave is sufficiently larger than the light intensity generated from the observation sample 31 and cannot be attenuated by the optical attenuator 70, the above-described 1 / 2λ plate 63 is used. By changing the polarization state of the light from the dichroic mirror 21, adjusting the amount of light (intensity) of the transmitted light and reflected light by the polarization beam splitter 64, and using the light with the angular frequency ω generated from the reference plate 72, the maximum It is possible to obtain contrast.

次に、第３の実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。この第３の実施形態に係る顕微鏡装置３の概要構成図を図６に示している。なお、この実施形態においては、第２の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。   Next, a microscope apparatus according to the third embodiment will be described. FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of the microscope apparatus 3 according to the third embodiment. In this embodiment, the same reference numerals are given to the same component configurations as those in the second embodiment, and the duplicate description will be omitted. The description will focus on differences from the second embodiment.

この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）３は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ミラー２２，６０，６２、ダイクロイックミラー６１，７６、光減衰器７０、１／２λ板７４、ガラスプレート７５，７５、ハーフミラー８０、対物レンズ３０、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。   This microscope apparatus (confocal microscope) 3 includes a laser light source 10, lenses 11, 13, and 15, wavelength conversion optical elements 12 and 14, wavelength plate 16, mirrors 22, 60 and 62, dichroic mirrors 61 and 76, and an optical attenuator. 70, 1 / 2λ plate 74, glass plates 75, 75, half mirror 80, objective lens 30, analyzer 33, spectrometer 34, imaging lens 35, pinhole 36, photodetector 37, controller 40, and display The unit 50 is mainly configured.

本実施形態が上記第２の実施形態と異なるところは、上記第２の実施形態では透過型の共焦点光学系が構成されているのに対して、本実施形態では反射型の共焦点光学系が構成されている点である。そのため、この顕微鏡装置３では、ダイクロイックミラー７６から検光子３３までの光路が第２の実施形態の顕微鏡装置２と異なる構成となっている。本実施形態では、例えば、不透明な観察試料（非線形光学素子）や、所定の反射率を有した基板上に接着された結晶等の観察に特に効果的である。   The difference between the present embodiment and the second embodiment is that a transmissive confocal optical system is configured in the second embodiment, whereas a reflective confocal optical system is configured in the present embodiment. Is the point that is configured. Therefore, in this microscope apparatus 3, the optical path from the dichroic mirror 76 to the analyzer 33 has a configuration different from that of the microscope apparatus 2 of the second embodiment. This embodiment is particularly effective for observing, for example, an opaque observation sample (nonlinear optical element), a crystal bonded on a substrate having a predetermined reflectance, and the like.

このような構成の顕微鏡装置３において、ダイクロイックミラー７６によって同軸上に合成された光束は、ハーフミラー８０により反射された後、その光路上に設けられた対物レンズ３０によって集光されて観察試料３１を照射し、この観察試料（結晶）３１による２次の非線形光学効果として、２倍波と３倍波による差周波発生（３ω−２ω）が行われて差周波（ω）が発生されるとともに、２倍波と３倍波による和周波発生（２ω＋３ω）が行われて５倍波（５ω）が発生される。   In the microscope apparatus 3 having such a configuration, the light beam synthesized on the same axis by the dichroic mirror 76 is reflected by the half mirror 80, and then condensed by the objective lens 30 provided on the optical path thereof. As a second-order nonlinear optical effect by the observation sample (crystal) 31, difference frequency generation (3ω-2ω) by second and third harmonics is performed to generate a difference frequency (ω). The sum frequency generation (2ω + 3ω) by the second harmonic and the third harmonic is performed to generate the fifth harmonic (5ω).

ここで前述したように、例えば観察試料３１が不透明な基板（所定の反射率の表面を有する基板）３１ｂに接着された結晶３１ａである場合には、観察試料３１に入射した参照波、２倍波および３倍波と、この観察試料３１により発生された差周波および５倍波は、基板３１ｂ表面（結晶３１ａと基板３１ｂとの境界面）で反射されて、対物レンズ３０を再び通過する。対物レンズ３０によって集光された光は、ハーフミラー８０を透過した後、検光子３３で任意の偏光方向のみが取り出され、分光器３４によって角振動数ωの光（観察試料３１により発生された差周波と、参照板７２により発生され観察試料３１で反射された差周波）のみが分離されて結像レンズ３５を介してピンホール３６に入射する。ピンホール３６は、対物レンズ３０の焦点位置と光学的に共役な位置に配設されているため、対物レンズ３０によって観察試料３１内に集光された光の焦点位置で差周波発生された角振動数ωの光と焦点の合った参照波のみを通過させる。   As described above, for example, when the observation sample 31 is the crystal 31a bonded to an opaque substrate (substrate having a predetermined reflectance) 31b, the reference wave incident on the observation sample 31 is doubled. The wave and the third harmonic wave and the difference frequency and the fifth harmonic wave generated by the observation sample 31 are reflected on the surface of the substrate 31b (the boundary surface between the crystal 31a and the substrate 31b) and pass through the objective lens 30 again. After the light collected by the objective lens 30 passes through the half mirror 80, only an arbitrary polarization direction is taken out by the analyzer 33, and light having an angular frequency ω (generated by the observation sample 31) is obtained by the spectroscope 34. Only the difference frequency and the difference frequency generated by the reference plate 72 and reflected by the observation sample 31 are separated and enter the pinhole 36 via the imaging lens 35. Since the pinhole 36 is disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens 30, the angle generated by the difference frequency at the focal position of the light condensed in the observation sample 31 by the objective lens 30. Only the reference wave in focus with the light of frequency ω is allowed to pass.

ピンホール３６を通過した光（観察試料３１により発生された角振動数ωの光、および参照波）は、光検出器３７に入射してその検出面上に結像され、その位相差に応じた干渉像が形成される。光検出器３７は、この干渉像情報を出力信号（電気信号）として制御部４０に送出する。   The light that has passed through the pinhole 36 (light having the angular frequency ω generated by the observation sample 31 and the reference wave) is incident on the light detector 37 and is imaged on the detection surface. An interference image is formed. The photodetector 37 sends this interference image information to the control unit 40 as an output signal (electric signal).

制御部４０は、受信した電気信号をデジタルデータにＡ／Ｄ変換し、２次元画像データ（共焦点画像データ）を取得する。制御部４０は、ステージの走査に伴って焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得し、この２次元画像データを観察試料３１内におけるスキャン位置と対応させてメモリに記憶する。また、メモリに記憶された２次元画像データを制御部で画像処理し、表示部５０のモニタに２次元画像表示、あるいは３次元画像表示して拡大像を観察することができる。   The control unit 40 A / D converts the received electrical signal into digital data, and acquires two-dimensional image data (confocal image data). The control unit 40 acquires a plurality of two-dimensional image data having different focal positions as the stage is scanned, and stores the two-dimensional image data in the memory in association with the scan position in the observation sample 31. The two-dimensional image data stored in the memory can be image-processed by the control unit, and the enlarged image can be observed by displaying the two-dimensional image or the three-dimensional image on the monitor of the display unit 50.

このように構成される第３の実施形態の顕微鏡装置３によれば、異なる角振動数の光を観察試料たる結晶に照射したときに、この結晶の非線形光学効果によって発生する差周波と参照波との干渉光を観察光として利用することで、結晶構造によらず観察光（干渉光）を常に所定強度以上で発生させて検出することが可能になるため、結晶の三次元形状を高精度に構築することができる。そのため、第１の実施形態と同様に、結晶の分域構造を的確に観察することが可能になる。特に、この第３の実施形態では、反射型の共焦点光学系で構成しているため、所定の反射率を有する基板（例えば、シリコン基板など）上に接合された非線形光学デバイスの観察などに広く適用可能である。   According to the microscope apparatus 3 of the third embodiment configured as described above, when the crystal as the observation sample is irradiated with light having different angular frequencies, the difference frequency and the reference wave generated by the nonlinear optical effect of the crystal. By using the interference light as the observation light, the observation light (interference light) can always be generated and detected with a predetermined intensity or higher regardless of the crystal structure. Can be built. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to accurately observe the domain structure of the crystal. In particular, in the third embodiment, since it is composed of a reflective confocal optical system, it is suitable for observing a nonlinear optical device bonded on a substrate having a predetermined reflectance (for example, a silicon substrate). Widely applicable.

次に、２次の非線形光学効果を用いた上記実施形態の顕微鏡装置による分域構造の観察例として、擬似位相整合素子を観察標本として適用する場合を例示して説明する。   Next, as an example of observing the domain structure by the microscope apparatus of the above embodiment using the second-order nonlinear optical effect, a case where a quasi phase matching element is applied as an observation sample will be described as an example.

擬似位相整合（「ＱＰＭ」とも称される）とは、強誘電体の分域の向きを周期的に反転させ、それによりｄ定数（非線形光学定数）の符号を反転させることを利用した位相整合であり、レーザ光の波長変換技術として広く用いられている。従来から波長変換の方法としては、屈折率の異方性と波長分散を利用する方法が最も一般的であり、このように位相整合条件を満足するために結晶の光学軸に対して基本波の入射角を調整する位相整合を角度位相整合と称している。しかしながらこの方法では、屈折率が温度依存性を有していることなどから、特定の温度と波長域でしか実現することができず、複屈折率の小さい材料では位相整合が実現できないといった欠点がある。また、最大成分のｄ定数を利用できないこともあるため、高効率で波長変換することができないという問題もある。このような不具合を是正する方法として近年では、擬似位相整合素子の研究がレーザの短波長化の要求とともに注目されている。   Quasi-phase matching (also referred to as “QPM”) is a phase matching that periodically inverts the direction of the ferroelectric domain and thereby inverts the sign of the d constant (nonlinear optical constant). It is widely used as a wavelength conversion technique for laser light. Conventionally, as a wavelength conversion method, the method using the anisotropy of refractive index and wavelength dispersion is the most common. Phase matching for adjusting the incident angle is referred to as angle phase matching. However, this method has the disadvantage that it can be realized only at a specific temperature and wavelength range because the refractive index has temperature dependency, and phase matching cannot be realized with a material having a small birefringence. is there. Further, since the d constant of the maximum component may not be used, there is a problem that wavelength conversion cannot be performed with high efficiency. In recent years, research on quasi-phase matching elements has been attracting attention as a method for correcting such defects, together with a demand for shorter laser wavelengths.

従来、このような素子を評価するとき、通常は分域の向きによって腐食速度が異なることを利用して、酸（硝酸やフッ酸など）によって化学的に素子表面をエッチングして観察を行っていた。ところが、この方法では素子を損傷させてしまうという欠点があり、しかも従来の光学顕微鏡では素子表面の分域構造しか観察することができない。また、ＳＨＧ干渉顕微鏡を用いて非破壊観察の研究がなされているが、素子内部の分域構造の観察には未だ至ってない。   Conventionally, when such an element is evaluated, the surface of the element is chemically etched with an acid (such as nitric acid or hydrofluoric acid), and the observation is usually performed using the fact that the corrosion rate varies depending on the direction of the domain. It was. However, this method has the disadvantage of damaging the element, and the conventional optical microscope can only observe the domain structure on the element surface. In addition, although non-destructive observation has been studied using an SHG interference microscope, observation of the domain structure inside the device has not yet been achieved.

ここで、擬似位相整合素子の構造の一例を図７に示す。なお、この素子の材料としては、擬似位相整合素子として最も広く研究されているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）などが例示される。 Here, an example of the structure of the quasi phase matching element is shown in FIG. Examples of the material of this element include lithium niobate (LiNbO 3 ) and lithium tantalate (LiTaO 3 ), which are most widely studied as quasi phase matching elements.

擬似位相整合素子９０は、図７に示すように、分域の向きが反平行になるように並べられた反平行分域構造（１８０°分域構造）を有している。この反平行分域構造の周期は使用波長によって異なるが、およそ数μｍ〜数十μｍの周期で作製されている。この擬似位相整合素子を波長変換光学素子として使用する場合には、高い波長変換効率を実現するために最大のｄ定数の成分（この場合はｄ33成分）を利用し光路を長くすることが望ましい。つまりレーザ光を図７に示すｘ方向に進行させる。これに対して、上記実施形態の顕微鏡装置を用いて反平行分域構造を観察する場合には、基本波レーザ光を当該素子内で強く集光させたときに出力光の拡がりの影響を抑えるために、図７に示すｚ方向に進行させるのが素子の形状からも適している。つまり、この擬似位相整合素子では、２次の非線形光学効果により発生されるｄ22成分の差周波を検出することで、その反平行分域構造を非破壊的に精度よく観察することが可能になる。 As shown in FIG. 7, the quasi phase matching element 90 has an antiparallel domain structure (180 ° domain structure) arranged so that the directions of the domains are antiparallel. Although the period of this antiparallel domain structure changes with use wavelengths, it is produced with a period of about several μm to several tens of μm. When using this quasi-phase matching element as a wavelength conversion optical element, it is desirable that component (in this case, the d 33 component) Largest d-constant in order to achieve a high wavelength conversion efficiency to increase the optical path using . That is, the laser light is advanced in the x direction shown in FIG. On the other hand, when the antiparallel domain structure is observed using the microscope apparatus of the above embodiment, the influence of the spread of the output light is suppressed when the fundamental laser beam is strongly condensed in the element. Therefore, it is suitable from the shape of the element to advance in the z direction shown in FIG. In other words, this quasi-phase matching element can non-destructively observe the antiparallel domain structure accurately by detecting the difference frequency of the d 22 component generated by the second-order nonlinear optical effect. Become.

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では基本波と２次の非線形光学効果によって発生する差周波とが同一方向（コリニアー）に進行する場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、図８に例示するような非コリニアー配置の場合でも観察試料３１より発する差周波を検出することで位相不整合量Δｋを負にすることが可能であるため、本発明を適用することができる。   Although the preferred embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the above-described embodiment, the case where the fundamental wave and the difference frequency generated by the second-order nonlinear optical effect travel in the same direction (collinearity) has been described as an example, but the present invention is not limited to this. Even in the case of a non-collinear arrangement as exemplified in FIG. 8, the present invention can be applied because the phase mismatch amount Δk can be made negative by detecting the difference frequency emitted from the observation sample 31.

また、上述の実施形態において、角振動数２ω，３ωの高調波によって観察試料（非線形光学結晶）から差周波ωを発生させた場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、波長変換素子として光パラメトリック発振器を用いる構成であってもよい。光パラメトリック発振とは、ポンピング光ωpの高エネルギーフォトン１個を吸収して、シグナル光ωsとアイドラー光ωiの２個の低エネルギーフォトンを放出する過程である。例えば角度位相整合を利用して温度と角度をチューニングすることで任意の波長を連続的に発生させることができるので、任意の波長の差周波を検出することも可能となる。 In the above-described embodiment, the case where the difference frequency ω is generated from the observation sample (nonlinear optical crystal) by the harmonics of the angular frequencies 2ω and 3ω has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, an optical parametric oscillator may be used as the wavelength conversion element. Optical parametric oscillation is a process in which one high-energy photon of pumping light ω p is absorbed and two low-energy photons of signal light ω s and idler light ω i are emitted. For example, an arbitrary wavelength can be continuously generated by tuning the temperature and angle using angular phase matching, so that a difference frequency of an arbitrary wavelength can be detected.

また、上述の実施形態において、観察試料３１に対する対物レンズ３０の焦点位置を走査する光走査手段（光走査部）をＸＹＺステージにより構成した場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、対物レンズ３０の光軸に直交する面内方向への走査（ＸＹ走査）はガルバノミラー等からなる２次元スキャナであってもよい。一方、対物レンズ３０の光軸方向への走査（Ｚ走査）はピエゾ素子を駆動機構として対物レンズ３０自体を観察試料３１に対して相対移動させてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case where the optical scanning unit (optical scanning unit) that scans the focal position of the objective lens 30 with respect to the observation sample 31 is configured by an XYZ stage has been described as an example. Instead, for example, the scanning (XY scanning) in the in-plane direction orthogonal to the optical axis of the objective lens 30 may be a two-dimensional scanner including a galvanometer mirror or the like. On the other hand, the scanning (Z scanning) of the objective lens 30 in the optical axis direction may be performed by moving the objective lens 30 itself relative to the observation sample 31 using a piezo element as a drive mechanism.

１，２，３ 顕微鏡装置 １０ レーザ光源
１２ 波長変換光学素子（波長変換部） １４ 波長変換光学素子（波長変換部）
３０ 対物レンズ ３１ 観察試料
３２ コンデンサレンズ ３４ 分光器（光抽出部）
３５ 結像レンズ ３７ 光検出器（光検出部）
４０ 制御部（作動制御部） ６１ ダイクロイックミラー（光路分割部）
６４ 偏光ビームスプリッタ（光路分割部） ７２ 参照板
７５ ガラスプレート（位相変調部） ９０ 擬似位相整合素子（観察試料）
１０２ 顕微鏡装置 1, 2, 3 Microscope device 10 Laser light source 12 Wavelength conversion optical element (wavelength conversion section) 14 Wavelength conversion optical element (wavelength conversion section)
30 Objective Lens 31 Observation Sample 32 Condenser Lens 34 Spectrometer (Light Extraction Unit)
35 Imaging lens 37 Photodetector (photodetector)
40 Control unit (operation control unit) 61 Dichroic mirror (optical path division unit)
64 Polarizing beam splitter (optical path division unit) 72 Reference plate 75 Glass plate (phase modulation unit) 90 Pseudo phase matching element (observation sample)
102 Microscope device

Claims (9)

レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を波長変換して相互に角振動数の異なる２以上の光として射出する波長変換部と、
前記波長変換部から射出された各々の光を観察試料が受光することで生じる２次の非線形光学効果によって発生する所定角振動数の光を集めるコンデンサレンズと、
前記２次の非線形光学効果によって発生する光の中から前記所定角振動数の光を抽出する光抽出部と、
前記光抽出部により抽出された光を結像させる結像レンズと、
前記結像レンズにより結像された前記所定角振動数の光の強度を検出する光検出部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置。 A laser light source;
A wavelength converter that converts the wavelength of the light from the laser light source and emits the light as two or more lights having different angular frequencies;
A condenser lens that collects light of a predetermined angular frequency generated by a second-order nonlinear optical effect generated by the observation sample receiving each light emitted from the wavelength converter;
A light extraction unit for extracting light of the predetermined angular frequency from light generated by the second-order nonlinear optical effect;
An imaging lens that forms an image of the light extracted by the light extraction unit;
A microscope apparatus comprising: a light detection unit configured to detect an intensity of light having the predetermined angular frequency imaged by the imaging lens. 前記波長変換部から射出された各々の光を集光する集光レンズと、
前記観察試料に対する前記対物レンズの焦点位置を相対的に変化させる光走査部と、
前記対物レンズの焦点位置と光学的に共役な位置に配置されるピンホールとを更に備え、
前記光検出部が、前記ピンホールを通過した前記所定角振動数の光の強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。 A condensing lens that condenses each light emitted from the wavelength converter;
An optical scanning unit that changes the focal position of the objective lens relative to the observation sample;
A pinhole disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens,
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the light detection unit detects the intensity of light having the predetermined angular frequency that has passed through the pinhole. 波長変換部からの光を参照波と基本波とに分離して、前記基本波を受光することで前記観察試料から発生する前記所定振動数の光と前記参照波とを干渉させて、当該干渉光の強度を前記光検出部により検出することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。   The light from the wavelength converter is separated into a reference wave and a fundamental wave, and the fundamental wave is received to cause the light of the predetermined frequency generated from the observation sample to interfere with the reference wave. The microscope apparatus according to claim 1, wherein the light intensity is detected by the light detection unit. 前記波長変換部からの基本波を受光して２次の非線形光学効果により前記所定角振動数と同一角振動数の参照波を一様に発生する参照板を更に備え、
前記観察試料と前記参照板との各々から発生する前記所定角振動数の光を干渉させて、当該干渉光の強度を前記光検出部により検出することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。 A reference plate that receives the fundamental wave from the wavelength converter and uniformly generates a reference wave having the same angular frequency as the predetermined angular frequency by a second-order nonlinear optical effect;
The light of the predetermined angular frequency generated from each of the observation sample and the reference plate is caused to interfere, and the intensity of the interference light is detected by the light detection unit. Microscope equipment. 前記観察試料から２次の非線形光学効果により発生した前記所定角振動数の光と前記参照波との強度差を調節するために、前記波長変換部から前記観察試料までの光路を複数に分割する光路分割部を更に備えて構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の顕微鏡装置。   In order to adjust the intensity difference between the light of the predetermined angular frequency generated from the observation sample by the second-order nonlinear optical effect and the reference wave, the optical path from the wavelength converter to the observation sample is divided into a plurality of parts. 5. The microscope apparatus according to claim 3, further comprising an optical path dividing unit. 前記観察試料から２次の非線形光学効果により発生した前記所定角振動数の光と前記参照波との位相差を調節する位相変調部を更に備えて構成されることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の顕微鏡装置。   4. The apparatus according to claim 3, further comprising a phase modulation unit that adjusts a phase difference between the light having the predetermined angular frequency generated from the observation sample by a second-order nonlinear optical effect and the reference wave. The microscope apparatus according to any one of 5. 前記位相変調部が、前記光路分割部により分割された複数の光路上のうちのいずれかに配置されていることを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡装置。   The microscope apparatus according to claim 6, wherein the phase modulation unit is disposed on any one of a plurality of optical paths divided by the optical path division unit. 前記観察試料に対する前記対物レンズの焦点位置に応じて、前記位相変調部の作動を制御する作動制御部を更に備え、
前記作動制御部は、前記光検出器による干渉光の強度情報をモニタリングしながら前記位相変調部の作動を制御し、干渉光の光強度が最大または最小となるように前記観察試料と前記参照板との各々から発生した前記所定角振動数の光の位相差を調節することを特徴とする請求項６または７に記載の顕微鏡装置。 An operation control unit for controlling the operation of the phase modulation unit according to the focal position of the objective lens with respect to the observation sample;
The operation control unit controls the operation of the phase modulation unit while monitoring the intensity information of the interference light by the photodetector, and the observation sample and the reference plate so that the light intensity of the interference light is maximized or minimized. 8. The microscope apparatus according to claim 6, wherein a phase difference of the light having the predetermined angular frequency generated from each of the first and second angular frequencies is adjusted. 前記観察試料と前記参照板との各々から発生した前記所定角振動数の光は、前記観察試料と前記参照板とで生じる２次の非線形光学効果として、２つの角振動数の異なる光が入射されることにより発生する差周波の光であることあることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の顕微鏡装置。   The light having the predetermined angular frequency generated from each of the observation sample and the reference plate is incident as light having two different angular frequencies as a second-order nonlinear optical effect generated by the observation sample and the reference plate. 9. The microscope apparatus according to claim 4, wherein the microscope apparatus is light of a difference frequency generated by being applied.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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