JP2011128573A - Hologram image projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ホログラム像投影装置に関するものである。 The present invention relates to a hologram image projection apparatus.
従来、標本上の複数箇所に同時に光を照射するために、ホログラムを利用することが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
この方法においては、蛍光顕微鏡等によって標本の蛍光画像を取得し、取得した蛍光画像内において光刺激等をすべき複数の注目部位を特定することにより刺激光の照射パターンを生成し、当該照射パターンをフーリエ変換することにより、ホログラムの位相パターンを作成することとしている。そして、作成した位相パターンを波面変調素子に付与し、この波面変調素子に対して光源から導いてきた略平行光からなるレーザ光を入射させることにより、レーザ光を変調し、変調されたレーザ光を対物レンズによって集光している。このようにして、ホログラム像を標本に投影し、複数箇所同時に刺激光を集光させるようになっている。
Conventionally, it is known to use a hologram in order to simultaneously irradiate a plurality of locations on a specimen with light (see, for example, Non-Patent Document 1).
In this method, a fluorescence image of a specimen is acquired by a fluorescence microscope or the like, and a plurality of regions of interest that should be subjected to light stimulation or the like are specified in the acquired fluorescence image, thereby generating a stimulation light irradiation pattern. Is subjected to Fourier transform to create a hologram phase pattern. Then, the created phase pattern is applied to the wavefront modulation element, and laser light composed of substantially parallel light guided from the light source is incident on the wavefront modulation element, thereby modulating the laser light, and the modulated laser light. Is condensed by an objective lens. In this way, the hologram image is projected onto the specimen, and the stimulation light is condensed simultaneously at a plurality of locations.
しかしながら、従来の方法においては、観察しようとする標本内における屈折率が分布していて不均一であったり、光学系に収差が存在したりするなど、種々の原因によって、標本内の所望の深さ位置にレーザ光を集光させることができないという不都合がある。また、これらの原因は、多くの場合、複合的に発生していて、個別に特定することが困難であるという問題もある。 However, in the conventional method, the refractive index in the sample to be observed is distributed and non-uniform, or there is an aberration in the optical system. There is an inconvenience that the laser beam cannot be condensed at this position. Further, in many cases, these causes occur in a complex manner, and there is a problem that it is difficult to specify each cause individually.
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、種々の収差の発生原因が複合的に存在する場合であっても、標本内の複数の所望の集光点に、レーザ光を同時に集光させることができるホログラム像投影装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and even when various causes of aberrations exist in a complex manner, laser light is simultaneously applied to a plurality of desired condensing points in a sample. An object of the present invention is to provide a hologram image projection apparatus that can collect light.
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、レーザ光源と、該レーザ光源から発せられたレーザ光の波面を位相パターンにより変調する波面変調素子と、前記レーザ光を標本に集光する対物レンズと、前記レーザ光の前記対物レンズの入射瞳位置への入射角度を調節する入射角度調節部と、標本内においてレーザ光を集光すべき複数の集光点の位置を設定する集光位置設定部と、該集光位置設定部により設定された位置における各前記集光点から戻る戻り光の前記対物レンズの入射瞳位置またはその光学的に共役な位置における波面を測定する波面測定部と、該波面測定部により測定された複数の前記戻り光の波面を合成して合成波面を算出する波面合成部と、算出された前記合成波面に基づいて前記波面変調素子に付与する前記位相パターンを設定して前記波面変調素子に出力する位相パターン設定部とを備えるホログラム像投影装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention provides a laser light source, a wavefront modulation element that modulates a wavefront of laser light emitted from the laser light source by a phase pattern, an objective lens that focuses the laser light on a sample, and the objective lens of the laser light An incident angle adjusting unit that adjusts the incident angle to the entrance pupil position of the lens, a condensing position setting unit that sets the positions of a plurality of condensing points where the laser beam should be condensed in the sample, and the condensing position setting unit A wavefront measuring unit for measuring the wavefront of the return light returning from each condensing point at the position set by the entrance pupil position of the objective lens or its optically conjugate position, and a plurality of the wavefront measuring units measured by the wavefront measuring unit A wavefront synthesis unit that calculates a combined wavefront by combining the wavefronts of the return light, and sets the phase pattern to be applied to the wavefront modulation element based on the calculated combined wavefront. Providing a hologram image projection apparatus and a phase pattern setting unit for force.
本発明によれば、レーザ光源から発せられたレーザ光が標本に照射されると、集光位置設定部により設定された位置における各集光点から戻る戻り光の入射瞳位置における波面が波面測定部により測定される。波面が測定されると、波面合成部が、測定された各集光点に対応する複数の波面を合成して合成波面を算出し、位相パターン設定部が、算出された合成波面に基づいて波面変調素子に付与する位相パターンを設定し、その位相パターンを波面変調素子に出力する。そして、設定された位相パターンが波面変調素子に付与された状態で、波面変調素子にレーザ光を入射させることにより、対物レンズの入射瞳位置に、合成波面を有するレーザ光が入射され、標本内に複数の集光点を有するホログラム像が投影されることになる。 According to the present invention, when the sample is irradiated with laser light emitted from the laser light source, the wavefront at the entrance pupil position of the return light returning from each condensing point at the position set by the condensing position setting unit is measured by the wavefront measurement. Measured by the part. When the wavefront is measured, the wavefront combining unit calculates a combined wavefront by combining a plurality of wavefronts corresponding to the measured condensing points, and the phase pattern setting unit calculates the wavefront based on the calculated combined wavefront. A phase pattern to be applied to the modulation element is set, and the phase pattern is output to the wavefront modulation element. Then, with the set phase pattern applied to the wavefront modulation element, laser light is incident on the wavefront modulation element, so that the laser light having the combined wavefront is incident on the entrance pupil position of the objective lens, A hologram image having a plurality of condensing points is projected on the screen.
この場合において、本実施形態に係るホログラム像投影装置によれば、実際に存在している複数の集光点からの戻り光の波面を測定することにより、当該集光点にレーザ光を集光させるための位相パターンを設定しているので、種々の収差の発生原因が複合的に存在する場合であっても、標本内の複数の所望の集光点にレーザ光を同時に集光させることができる。 In this case, according to the hologram image projector according to the present embodiment, the laser light is condensed at the condensing point by measuring the wavefronts of the return light from the plurality of condensing points that are actually present. Since the phase pattern is set, the laser beam can be simultaneously focused on a plurality of desired condensing points in the specimen even when various causes of various aberrations exist. it can.
上記発明においては、前記波面合成部が、前記波面測定部により測定された複数の戻り光の波面の線形和を算出することにより前記合成波面を算出することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記波面合成部が、前記波面測定部により測定された複数の前記戻り光の波面をそれぞれ領域分割したものを前記集光点の総数の逆数の割合で配列することにより前記合成波面を算出することとしてもよい。
In the above invention, the wavefront synthesis unit may calculate the synthesized wavefront by calculating a linear sum of wavefronts of a plurality of return lights measured by the wavefront measurement unit.
Further, in the above invention, the wavefront synthesizing unit arranges the wavefronts of the plurality of return lights measured by the wavefront measuring unit, which are divided into regions, at a ratio of the reciprocal number of the total number of the focusing points The composite wavefront may be calculated.
また、上記発明においては、前記波面測定部が、レーザ光を分岐して参照光を生成する分岐部と、前記点光源からの前記戻り光と前記参照光とを合波する合波部と、該合波部により合波された前記戻り光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出部とを備えていてもよい。 Further, in the above invention, the wavefront measuring unit branches a laser beam to generate a reference beam, a multiplexing unit that combines the return beam and the reference beam from the point light source, You may provide the interference light detection part which detects the interference light of the said return light combined by this multiplexing part and the said reference light.
このようにすることで、分岐部によってレーザ光が分岐されることにより、一方のレーザ光は標本に指向されて標本を照明し、他方のレーザ光は参照光となる。そして、標本に設定された集光点の位置に配置された点光源からの戻り光と参照光とが合波部により合波されることにより干渉させられ、その干渉光が干渉光検出部によって検出される。これにより、干渉光検出部によって標本からの戻り光と参照光との波面の微細な差が検出されるので、当該集光点へレーザ光を集光させるためのレーザ光の波面を参照光との差として精密に測定することができる。 By doing so, the laser light is branched by the branching portion, so that one laser light is directed to the specimen and illuminates the specimen, and the other laser light becomes the reference light. Then, the return light from the point light source arranged at the position of the condensing point set on the sample and the reference light are caused to interfere by being combined by the combining unit, and the interference light is detected by the interference light detecting unit. Detected. As a result, the interference light detector detects a minute difference between the wavefronts of the return light from the sample and the reference light, so that the wavefront of the laser light for condensing the laser light at the condensing point is used as the reference light. It is possible to measure precisely as the difference of.
また、上記発明においては、前記波面測定部が、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部材と、該ピンホール部材を通過した前記集光点からの戻り光を検出するハルトマンセンサとを備えていてもよい。
このようにすることで、レーザ光を標本に照射した結果、標本から戻る戻り光の内、対物レンズの焦点位置から発せられた戻り光のみをピンホール部材によって選択してハルトマンセンサにより検出することができる。これにより、対物レンズの焦点位置に配置された点光源からの戻り光の波面を正確に測定することができる。
In the above invention, the wavefront measurement unit includes a pinhole member disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens, and return light from the light condensing point that has passed through the pinhole member. And a Hartmann sensor for detecting.
By doing so, only the return light emitted from the focal position of the objective lens among the return lights returning from the specimen as a result of irradiating the specimen with the laser light is selected by the pinhole member and detected by the Hartmann sensor. Can do. Thereby, the wavefront of the return light from the point light source arranged at the focal position of the objective lens can be accurately measured.
本発明によれば、種々の収差の発生原因が複合的に存在する場合であっても、標本内の複数の所望の集光点に、レーザ光を同時に集光させる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 laser light can be simultaneously focused on a plurality of desired condensing points in a sample even when various causes of aberrations exist in a complex manner. .
本発明の一実施形態に係るホログラム像投影装置について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るホログラム像投影装置1は、顕微鏡システムであって、図1に示されるように、レーザ光を発生する光源装置2と、該光源装置2から入射されたレーザ光を標本Aに照射する顕微鏡装置3と、光源装置2から顕微鏡装置3に入射させるレーザ光の波面を調節する調節装置4とを備えている。
A hologram image projection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The hologram image projector 1 according to the present embodiment is a microscope system, and as shown in FIG. 1, a
光源装置2は、レーザ光を発生するレーザ光源5と、該レーザ光源5から発せられたレーザ光をコリメート光に変換するコリメータレンズ6と、コリメート光からなるレーザ光の波面を変調する波面変調部7と、リレーレンズ8,10と、レーザ光を走査するスキャナ9とを備えている。
The
波面変調部7は、レーザ光を反射するプリズム11と、該プリズム11により反射されたレーザ光を反射し、その際に、位相パターンによりレーザ光の波面を変調してプリズム11に戻す反射型の波面変調素子12とを備えている。
The
プリズム11により反射されたレーザ光は波面変調素子12によって同じプリズム11に戻るように光路が折り返され、レーザ光源5からのレーザ光と同軸の光路に戻されるようになっている。
波面変調素子12は、後述する調節装置4によって、その表面形状を任意に変化させることができるセグメントタイプのMEMSミラーによって構成されている。この場合、MEMSミラーの各セグメントの凹凸により形成される表面形状が、レーザ光の波面を変調するための位相パターンとなる。波面変調素子12と対物レンズ13の入射瞳位置とは光学的に共役な位置関係に配置されている。
The laser beam reflected by the
The
スキャナ9は、相互に交差する方向に配置された軸線回りに揺動可能な2枚のガルバノミラー9a,9bを近接して配置した、いわゆる近接ガルバノミラーであり、入射されるレーザ光を2次元的に走査することができるようになっている。
The
顕微鏡装置3は、ステージ14上に配置した標本Aに対し、レーザ光を集光させる一方、標本Aからの光を受光する対物レンズ13と、該対物レンズ13により受光された光を検出する光電子増倍管からなる光検出器15と、標本Aにおける蛍光像を撮影するCCD等のカメラ16と、光検出器15またはカメラ16への光路を切り替えるように光路に挿脱されるミラー17とを備えている。符号18〜20は集光レンズ、符号21はダイクロイックミラーである。対物レンズ13は、ステージ14との間の光軸方向の距離を変更可能に設けられている。
The
波面変調素子12における表面形状を平坦な反射面形状に設定しておくことにより、平面波からなる波面を有するレーザ光を対物レンズ13の入射瞳位置に入射させることができる。これによって、該対物レンズ13の焦点面にレーザ光を集光させることができるようになっている。
ミラー17を光検出器15側(破線で示す光路から取り外された位置)に切り替えた状態で、レーザ光源5からレーザ光を出射させ、スキャナ9を駆動して、標本A内の焦点面に集光しているレーザ光を2次元的に走査させつつ、各集光位置において発生した蛍光を光検出器15によって検出することにより、対物レンズ13の焦点面に沿って広がる標本Aの2次元的な蛍光像を取得することができるようになっている。
By setting the surface shape of the
In a state where the
そして、対物レンズ13とステージ14との距離を相対的に移動させて、対物レンズ13の焦点面の位置を変化させながら2次元的な蛍光像(スライス画像)を複数取得していくことにより、標本Aの3次元的な蛍光像を取得することができるようになっている。
Then, by relatively moving the distance between the
調節装置4は、図1に示されるように、標本Aにおけるレーザ光の集光点の位置情報を設定する入力部22と、入力部22により設定された各集光点の位置情報に基づいて、スキャナ9および後述する光路長調整プリズム23を制御する制御部24と、入力部22により設定された位置における各集光点からの戻り光の波面を測定する波面測定部25と、全ての集光点について測定された複数の戻り光の波面を合成する波面合成部26と、該波面合成部26により合成された合成波面に基づいて波面変調素子12に付与する位相パターンを設定する位相パターン設定部27とを備えている。
As shown in FIG. 1, the adjusting device 4 is based on the
入力部22は、観察者がレーザ光を集光させたい位置、すなわち集光点をモニタ(図示略)上において指定することにより、各集光点の位置情報を設定するようになっている。
ここで、標本Aにおける集光点は、任意の位置に設定される場合と、光刺激に応答する位置に設定される場合とがある。集光点を光刺激に応答する位置に設定したい場合には、観察者が集光点を指定しやすいように、モニタ(図示略)が顕微鏡装置3により取得された画像を表示していることが好ましい。
The
Here, the condensing point in the sample A may be set at an arbitrary position or may be set at a position responding to the light stimulus. When it is desired to set the focal point to a position that responds to light stimulation, the monitor (not shown) displays an image acquired by the
波面測定部25は、波面変調部7の前段に配置され、レーザ光を参照光と測定光とに分岐する偏光ビームスプリッタ28と、測定光の通過する測定光路29に設けられた波面変調部7の後段に配置され、測定光の標本Aからの戻り光と参照光路30を通過してきた参照光とを合波する偏光ビームスプリッタ31と、コリメータレンズ6によって平行光に変換されたレーザ光の偏光方向を任意の角度で回転させる波長板32と、偏光ビームスプリッタ31を透過したレーザ光(測定光)を円偏光に変換するかまたは45°回転させる波長板33と、偏光ビームスプリッタ31により合波された参照光および戻り光を検出する検出光路34とを備えている。
The
波長板32は、偏光ビームスプリッタ28においてレーザ光を参照光と測定光とに所定の光量の割合で分岐できるように、レーザ光の偏光方向を回転させるように配置されている。また、波長板33は、偏光ビームスプリッタ31を透過した測定光が標本Aに集光され、さらに標本Aからの戻り光が偏光ビームスプリッタ31に再度入射するまでの間に、偏光方向を90°回転させるように配置されている。
The
参照光路30には、光軸に沿って移動可能に設けられ光路長を調整する光路長調整プリズム23と、群速度分散を補償する分散補償板35と、偏光ビームスプリッタ31に入射される参照光の偏光方向を90°回転させるλ/2板36とが配置されている。符号37はミラーである。
The reference
検出光路34には、波長板33を透過した戻り光およびλ/2板36を透過した参照光をそれぞれ所定の光量の割合で透過させる偏光板38と、瞳をリレーするリレーレンズ39と、戻り光と参照光とが合波されることにより発生した干渉光を検出する干渉光検出部40とが配置されている。
The
ここで、波長板33を透過した戻り光とλ/2板36を透過した参照光との偏光方向が互いに略直交するので、偏光板38は、それぞれの光の偏光方向に対して0より大きい角度となるような透過軸を有している。これにより、偏光板38は、戻り光と参照光のうち所定の軸に沿う成分のみを透過させている。
また、干渉光検出部40は、波面変調素子12および対物レンズ13の入射瞳位置と光学的に共役な位置関係に配置されている。
Here, since the polarization directions of the return light transmitted through the
The interference
波面合成部26は、全ての集光点について測定された波面を合成するようになっている。本実施形態では、波面合成部26は、全ての集光点について算出された波面の線形和を算出するようになっている。
The
位相パターン設定部27は、波面合成部26により算出された合成波面に基づいて、波面変調素子12に付与すべき位相パターンを設定し、波面変調素子12に出力するようになっている。ここで、波面変調素子12は、対物レンズ13の入射瞳と共役な関係にあるため、波面変調素子12に付与される位相パターンは、対物レンズ13の入射瞳位置における合成波面と同一かまたは位相ラッピング処理したものとなっている。位相ラッピング処理は、波面変調素子12における位相変調の範囲が2nπ(nは整数)に設定されている場合に、対物レンズ13の入射瞳位置における合成波面のうち2nπを超える位相差を有する部分について、その位相差から2nπを差し引くことにより行われる。本実施形態におけるセグメントタイプのMEMSミラーでは、通常は位相変調の範囲が2nπの範囲に設定されているので、必要に応じて位相ラッピング処理が行われる。
The phase
このようにして、波面変調素子12の表面形状が、入力された位相パターンに合わせた形状に調節される。これにより、波面変調素子12において反射されたレーザ光は、波面変調素子12の表面において対物レンズ13の入射瞳位置において得られた合成波面と同一の波面を有するように変調される。したがって、そのようなレーザ光が対物レンズ13によって集光されることにより、対物レンズ13を固定したままの状態で、設定された各集光点に同時に集光されるようになっている。
In this way, the surface shape of the
このように構成された本実施形態に係るホログラム像投影装置1の作用について以下に説明する。
まず、入力部22において、各集光点の位置情報を設定する。
ここで、集光点が標本Aにおいて光刺激に応答する位置に設定される場合には、調節装置4からの出力によって、波面変調素子12を平坦な反射面形状となる位相パターンに設定する。顕微鏡装置3においては、光路上からミラー17を退避させておく。そして、レーザ光源5からレーザ光を発生させ、スキャナ9によってレーザ光を2次元的に走査する。
The operation of the hologram image projector 1 according to this embodiment configured as described above will be described below.
First, in the
Here, when the condensing point is set at a position that responds to the light stimulus in the sample A, the
レーザ光源5から発せられたレーザ光は波面を変化させることなく光路を伝播されて、スキャナ9によって2次元的に走査された後、ダイクロイックミラー21によって反射されて対物レンズ13に入射され標本A内の焦点面に集光される。レーザ光の集光位置においては蛍光が発生し、発生した蛍光は対物レンズ13によって集光され、ダイクロイックミラー21を透過して集光レンズ19,20により集光され、光検出器15によって検出される。
The laser light emitted from the
蛍光は対物レンズ13の焦点面近傍の極めて薄い領域のみにおいて発生するので、光検出器15より検出された蛍光の強度と、スキャナ9によるレーザ光の走査位置とを対応づけて記憶しておくことにより、焦点面に沿って広がる標本Aの2次元的な蛍光像(スライス画像)を取得することができる。
また、対物レンズ13と標本Aとを光軸方向に相対的に移動させつつ、複数枚のスライス画像を取得することにより、3次元的な蛍光画像を取得することもできる。
Since fluorescence is generated only in a very thin region near the focal plane of the
A three-dimensional fluorescence image can also be acquired by acquiring a plurality of slice images while relatively moving the
観察者は、図示しないモニタに表示された2次元的または3次元的な蛍光画像において、レーザ光を集光させたい集光点の位置を指定する。例えば、標本Aが神経細胞であって、レーザ光による刺激を与えて挙動の観察を行う場合において、刺激を与えたい集光点は3次元的に分布している。この場合には、観察者は、全ての集光点を指定することにより、集光点の3次元的な位置情報を設定する。 The observer designates the position of the condensing point where the laser beam is to be condensed in the two-dimensional or three-dimensional fluorescent image displayed on a monitor (not shown). For example, in the case where the specimen A is a nerve cell and the behavior is observed by applying a stimulus by laser light, the focal points to which the stimulus is desired are distributed three-dimensionally. In this case, the observer sets the three-dimensional position information of the condensing point by designating all the condensing points.
次に、波面測定部25において、設定された各集光点について波面の測定を行う。
すなわち、入力部から設定された各集光点の位置座標に基づいて、制御部24がスキャナ9を作動させて、1つずつ集光点にレーザ光を照射する。このとき、制御部24は、入力部22から設定された各集光点までの測定光路29の光路長に参照光路30の光路長が一致するように光路長調整プリズム23の位置を調節する。また、このとき、波面変調素子12は平坦な反射面形状となる位相パターンに設定しておく。
Next, the
That is, based on the position coordinates of each condensing point set from the input unit, the
レーザ光源5から発せられた、例えば、縦偏光面を有するレーザ光は、波長板32を通過させられることにより、その偏光方向を所定の角度で回転させられて、偏光ビームスプリッタ28に入射される。偏光ビームスプリッタ28においては、縦偏光成分と横偏光成分とに2分割され、その内の一方、例えば、縦偏光成分が参照光路30に入射され、他方が測定光路29に入射される。
The laser light emitted from the
参照光路30に指向された縦偏光成分は、分散補償板35を通過させられる際に分散補償され、光路長調整プリズム23において折り返された後、λ/2板36によって偏光方向を90°回転させられて横偏光成分となる。横偏光成分となった参照光路30からのレーザ光は、偏光ビームスプリッタ31を透過させられて、検出光路34に入射させられる。
The longitudinally polarized light component directed to the reference
一方、偏光ビームスプリッタ28を透過した横偏光成分は、測定光路29に入射されて、プリズム11および波面変調素子12において反射された後、偏光ビームスプリッタ31を透過して、波長板33を通過させられる。これにより、円偏光に変換されまたは偏光方向が45°回転させられたレーザ光は、リレーレンズ8を通過した後、スキャナ9によって所望の集光点に指向させられるための角度を付与される。そして、リレーレンズ10を透過した後、顕微鏡装置3に入射させられる。
On the other hand, the lateral polarization component transmitted through the
顕微鏡装置3に入射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー21によって反射され、対物レンズ13によって標本Aに集光される。標本A内の集光点近傍の領域において反射したレーザ光は、対物レンズ13によって受光された後、ダイクロイックミラー21によって反射され、リレーレンズ10、スキャナ9およびリレーレンズ8を介して戻り、波長板33によって縦偏光成分に変換されて偏光ビームスプリッタ31に入射される。
The laser light incident on the
偏光ビームスプリッタ31に入射された縦偏光成分からなるレーザ光は、偏光ビームスプリッタ31によって反射されて検出光路34に入射される。この際に、縦偏光成分からなるレーザ光は、参照光路30を通過してきた横偏光成分からなるレーザ光と合波される。そして、標本Aからの戻り光である縦偏光成分からなるレーザ光および参照光である横偏光成分からなるレーザ光は、偏光板38において、偏光板38の透過軸に沿う成分のみが透過させられ、リレーレンズ39を介して干渉光検出部40に入射される。ここで、偏光板38を透過した戻り光と参照光の偏光方向は一致しているので、戻り光と参照光との干渉が可能となっている。また、光路長調整プリズム23によって、参照光路30の光路長と集光点までの測定光路29の光路長とが一致させられているので、集光点から戻る戻り光のみが参照光と干渉する。
The laser beam composed of the longitudinally polarized component incident on the
これにより、干渉光検出部40においては、レーザ光源5から発せられたレーザ光の波面と、集光点からの戻り光であるレーザ光の波面との差分が、干渉パターンとして検出される。
全ての集光点について上記作業を行うことにより波面を測定すると、各集光点について測定された波面の線形和が波面合成部26により算出され、合成波面が生成される。生成された合成波面は位相パターン設定部27に入力されて、波面変調素子12に付与する位相パターンが対物レンズ13の入射瞳位置における合成波面と同一かまたは位相ラッピング処理したパターンとなるように設定される。そして、位相パターン設定部27により設定された位相パターンは、波面変調素子12に対して出力される。
これにより、標本Aに対して光刺激を行いながら観察するための準備が完了する。
Thereby, in the interference
When the wavefront is measured by performing the above operation for all the condensing points, a linear sum of the wavefronts measured for each condensing point is calculated by the
Thereby, the preparation for observing the specimen A while performing light stimulation is completed.
この状態で、顕微鏡装置3においては、ミラー17を光路上に挿入し(図中、実線で示す位置に配置し)、対物レンズ13によって集光される蛍光が、カメラ16によって撮影されるように設定しておく。そして、スキャナ9を原点位置に停止した状態で、レーザ光源5から発せられたレーザ光を波面変調部7に入射させると、波面変調素子12に表示されている位相パターンに従ってレーザ光の波面が変調される。変調されたレーザ光は、リレーレンズ8、スキャナ9およびリレーレンズ10を通過してダイクロイックミラー21により反射され、対物レンズ13の入射瞳に入射される。
In this state, in the
対物レンズ13の入射瞳位置は波面変調素子12と光学的に共役な位置に配置されているので、入射瞳位置に入射されるレーザ光は、波面変調素子12により変調された時点における波面と同じ波面を有している。
そして、このようなレーザ光が対物レンズ13によって集光されることにより、異なる位置に配置されている複数の集光点に同時に集光させるような3次元的なホログラム像を標本A内に投影することができる。
Since the entrance pupil position of the
Then, when such laser light is condensed by the
指定された複数の集光点に同時にレーザ光が照射されることにより、標本Aに刺激が与えられた状態で、標本Aから発せられる蛍光が対物レンズ13によって受光され、ダイクロイックミラー21を透過して、ミラー17により反射され、集光レンズ18によって集光されてカメラ16により撮影される。これにより、光刺激を与えたときの標本Aの蛍光画像を取得することができる。
By irradiating laser light to a plurality of designated condensing points at the same time, the fluorescence emitted from the specimen A is received by the
このように、本実施形態に係るホログラム像投影装置1によれば、全ての集光点に配置される点光源からの戻り光を測定して得られた波面を合成してなる合成波面が、対物レンズ13の入射瞳位置に入射するようにレーザ光の波面を調整するので、複数の集光点に同時にレーザ光を精度よく集光させて標本Aに光刺激を与えることができる。この結果、集光点が標本Aにおいて光刺激に応答する位置に設定されている場合には、光刺激直後に発生する標本Aの挙動を時間差なく正確に観察することができるという利点がある。
Thus, according to the hologram image projector 1 according to the present embodiment, the combined wavefront formed by combining the wavefronts obtained by measuring the return light from the point light sources arranged at all the condensing points, Since the wavefront of the laser light is adjusted so as to be incident on the entrance pupil position of the
この場合において、本実施形態によれば、各集光点に対応する波面を測定により取得しているので、発生原因が特定できない種々の収差が存在していても、これらの発生原因を特定することなく十分に補償して、各集光点に精度よくレーザ光を集光させることができるという利点がある。 In this case, according to the present embodiment, since the wavefront corresponding to each condensing point is obtained by measurement, even if various aberrations for which the cause of occurrence is not present can be identified. There is an advantage that the laser beam can be accurately condensed at each condensing point with sufficient compensation.
なお、本実施形態においては、波面測定部25として、レーザ光を参照光と測定光とに分岐し、参照光路30と測定光路29の光路長を一致させることで、参照光と戻り光とを干渉させて波面を測定する方式のものを採用したが、これに代えて、図2に示されるように、共焦点ピンホール41とハルトマンセンサ42とを組み合わせた方式のものを採用してもよい。
In the present embodiment, the
すなわち、図2に示される例では、偏光ビームスプリッタ28および参照光路30を無くし、これに代えて、検出光路34に共焦点ピンホール41を配置するとともに、干渉光検出部40に代えてハルトマンセンサ42を採用している。共焦点ピンホール41を対物レンズ13の焦点位置と光学的に共役な位置に配置しておくことにより、焦点位置に配置されている点光源からの戻り光のみをハルトマンセンサ42によって検出して、波面を測定することができる。
That is, in the example shown in FIG. 2, the
この図において、波長板32は、レーザ光源5から発せられたレーザ光の偏光方向を偏光ビームスプリッタ31を透過可能な偏光方向に一致させるように偏光面を回転させるものである。
In this figure, the
また、本実施形態においては、波面合成部26における波面の合成は、波面の線形和を算出することによって行われていたが、これに代えて、各集光点について算出された複数の波面を領域分割したものを集光点の総数の逆数の割合で配列することにより行うこととしてもよい。
In the present embodiment, the wavefront synthesis in the
具体的には、集光点の総数がn個の場合、各集光点について算出した波面の線形和を算出せずに、波長変調素子12上の領域を分割し、分割された各領域に対して複数の集光点のいずれかを対応付ける。このとき、各集光点の対応領域が集光点の総数nの逆数の割合で周期的に分布するように、対応付けを行うことが好ましい。また、各集光点の対応領域の分布は、モザイク状であってもよいし、同心円状であってもよい。このような対応付けをした上で、予め算出された各集光点からの波面のうち、波長変調素子12上での対応領域と重なる部分の波面要素を抽出し、抽出された波面要素を全領域にわたって配列して波面を合成する。このようにして得られた合成波面に基づいて、波長変調素子12に付与する位相パターンが設定される。
Specifically, when the total number of the condensing points is n, the area on the
また、本実施形態においては、波面変調素子12として、その表面形状を変化させるセグメントタイプのMEMSミラーを例示したが、これに代えて、他の任意の波面変調素子12、例えば、液晶素子、デフォーマブルミラー等でもよい。液晶素子の場合は、液晶分子の配向による屈折率の分布が位相パターンとなり、デフォーマブルミラーの場合は、その表面形状が位相パターンとなる。
Further, in the present embodiment, as the
A 標本
1 ホログラム像投影装置
5 レーザ光源
9 スキャナ(入射角度調節部)
12 波面変調素子
13 対物レンズ
22 入力部(集光位置設定部)
25 波面測定部
26 波面合成部
27 位相パターン設定部
31 偏光ビームスプリッタ(合波部)
40 干渉光検出部
41 共焦点ピンホール(ピンホール部材)
42 ハルトマンセンサ
A Specimen 1
12
25
40
42 Hartmann sensor
Claims (5)
該レーザ光源から発せられたレーザ光の波面を位相パターンにより変調する波面変調素子と、
前記レーザ光を標本に集光する対物レンズと、
前記レーザ光の前記対物レンズの入射瞳位置への入射角度を調節する入射角度調節部と、
標本内においてレーザ光を集光すべき複数の集光点の位置を設定する集光位置設定部と、
該集光位置設定部により設定された位置における各前記集光点から戻る戻り光の前記対物レンズの入射瞳位置またはその光学的に共役な位置における波面を測定する波面測定部と、
該波面測定部により測定された複数の前記戻り光の波面を合成して合成波面を算出する波面合成部と、
算出された前記合成波面に基づいて前記波面変調素子に付与する前記位相パターンを設定して前記波面変調素子に出力する位相パターン設定部と、
を備えるホログラム像投影装置。 A laser light source;
A wavefront modulation element that modulates a wavefront of laser light emitted from the laser light source with a phase pattern;
An objective lens for condensing the laser light on a specimen;
An incident angle adjusting unit for adjusting an incident angle of the laser beam to an entrance pupil position of the objective lens;
A condensing position setting unit for setting the positions of a plurality of condensing points on which laser light is to be collected in the sample;
A wavefront measuring unit that measures the wavefront at the entrance pupil position of the objective lens of the return lens or the optically conjugate position of the return light returning from each condensing point at the position set by the condensing position setting unit;
A wavefront synthesis unit that calculates a synthesized wavefront by synthesizing a plurality of wavefronts of the return light measured by the wavefront measurement unit;
A phase pattern setting unit that sets the phase pattern to be applied to the wavefront modulation element based on the calculated composite wavefront and outputs the phase pattern to the wavefront modulation element;
A hologram image projection apparatus comprising:
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