JP2012058019A - Light detection device, light detection method, microscope, and endoscope - Google Patents

Light detection device, light detection method, microscope, and endoscope Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light detection device, a light detection method, a microscope, and an endoscope for performing heterodyne detection of desired light to be detected with high sensitivity and by high SN ratio.SOLUTION: The light detection device has: local light generating means 10 which includes a mode-locked wavelength swept laser and generates local light; optical multiplexing means 20 for multiplying the local light generated by the local light generating means 10 and the detected light; and photo-electric conversion means 30 for generating a beat signal of the local light and the detected light by performing photo-electric conversion of light outputted by the optical multiplexing means 20. On the basis of an output of the photo-electric conversion means 30, heterodyne detection of the detected light is performed.

Description

本発明は、光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡に関するものである。   The present invention relates to a light detection device, a light detection method, a microscope, and an endoscope.

生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の信号光(被検出光)を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素になっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。   In various systems using light such as biological observation, sensors, security, and laser radar, the technology for detecting desired signal light (detected light) has become a fundamental and important factor that greatly affects its performance. . In particular, the need for high-speed and high-sensitivity detection technology is high.

例えば、生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。これらの理由により、光を用いた生体観察においては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。   For example, when viewing a living body, since the state and shape of the living body change every moment, it is necessary to perform light detection at high speed in order to perform accurate observation. Moreover, since a living body is easily damaged by light irradiation, there is an upper limit to the amount of illumination light and excitation light that can be irradiated to a biological sample. Therefore, the optical signal obtained from a living body is usually weak. For these reasons, there is a strong demand for high-speed and high-sensitivity light detection technology in living body observation using light.

現在用いられている代表的な光検出素子には、PMT(Photo Multiplier Tube)、APD(Avalanche Photo Diode)、PD(Photo Diode)がある。PMTおよびAPDは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、PDは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号の増幅を行っている。つまり、PMT,APD,PDは、いずれの素子も電気的に信号増幅を行い、感度の向上を図っている。   Typical photodetection elements currently used include PMT (Photo Multiplier Tube), APD (Avalanche Photo Diode), and PD (Photo Diode). Since PMT and APD perform electron multiplication in the detection element, highly sensitive light detection can be realized. On the other hand, although a PD can realize a very high response speed, it does not have an electron multiplication function in the detection element, and therefore, a signal is usually amplified using an electric amplifier. In other words, the PMT, APD, and PD all perform signal amplification electrically to improve sensitivity.

また、代表的な二次元光検出器として、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、EM−CCD(Electron Multiplying-CCD)、EB−CCD(Electron Bombardment-CCD)、I−CCD(Intensified-CCD)がある。CCDもしくはCMOSを用いて微弱光を検出する場合は、感度向上のために、PDの場合と同様に、後段に電気増幅器を配置する必要がある。EM−CCDおよびEB−CCDは、APDの場合と同様に、検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。I−CCDは、CCDの前にI.I.(Image Intensifier)を配置した構成をとる。I.I.は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、I.I.に内蔵されているMCP(Micro Channel Plate)内にて電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることで、増倍電子信号を再度光に変換するものである。I.I.からの出力光は、CCDにて電気信号に変換される。つまり、I−CCDも、電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。   Typical two-dimensional photodetectors include CCD (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), EM-CCD (Electron Multiplying-CCD), EB-CCD (Electron Bombardment-CCD), and I-CCD. (Intensified-CCD). When weak light is detected using a CCD or CMOS, it is necessary to arrange an electric amplifier in the subsequent stage in the same manner as in the case of PD in order to improve sensitivity. As in the case of APD, EM-CCD and EB-CCD have an electron multiplication function in the detection element and realize high sensitivity. The I-CCD is connected to the I.C. I. (Image Intensifier) is arranged. I.I. converts the incident light signal into an electrical signal, performs electron multiplication in the MCP (Micro Channel Plate) built in I.I., and then converts the multiplied electrons to a fluorescent plate. The multiplied electron signal is converted into light again by colliding with. The output light from I.I. is converted into an electrical signal by the CCD. That is, the I-CCD also realizes highly sensitive light detection by performing signal amplification at the electrical stage.

上述の電気段での信号増幅を用いる従来の光検出技術は、増倍雑音、過剰雑音や熱雑音などが支配的な雑音であるため、高速性と高感度性とを両立させることは大変難しい状況にある。したがって、現状では、速度か感度かのどちらかを犠牲にして、光検出を行わざるをえない状況にある。   The conventional photodetection technology using signal amplification in the above-described electrical stage is dominant noise such as multiplication noise, excess noise and thermal noise, so it is very difficult to achieve both high speed and high sensitivity. Is in the situation. Therefore, at present, light detection must be performed at the expense of either speed or sensitivity.

高速高感度な光検出を可能にする技術の一つとして、光ヘテロダイン検出技術も広く用いられている。光ヘテロダイン検出技術は、被検出光と、被検出光の光周波数よりも若干光周波数が異なる局発光との干渉効果を利用する光検出方法で、局発光強度を十分高くして被検出光を高感度に検出するというものである。局発光強度が十分高い場合、ショット雑音限界の理想的な光検出が可能であるため、電気段での信号増幅を用いる手法と比較すると、高速かつ高感度な光検出が可能になる。ただし、この際、信号光と局発光には、時間的にも空間的にもお互いの干渉状態が安定するような光が通常用いられる。   Optical heterodyne detection technology is also widely used as one of the technologies that enable high-speed and high-sensitivity light detection. Optical heterodyne detection technology is a light detection method that uses the interference effect between detected light and local light that has a slightly different optical frequency than the detected light frequency. This is to detect with high sensitivity. When the local light intensity is sufficiently high, ideal light detection with a shot noise limit is possible, so that light detection with high speed and high sensitivity is possible as compared with a method using signal amplification in an electric stage. However, at this time, light that stabilizes the mutual interference state both in time and space is usually used for the signal light and the local light.

時間的な干渉性を高める方法として、次に述べる二つの方法が主に用いられる。一つ目の方法は、同一光源からの出力を分波してそれぞれを信号光および局発光として用いる方法である。この際、光源出力を分波しているので、信号光および局発光を合波するまでの相対遅延時間が、光源のコヒーレンス時間より短くなるように用いられる。こうすることで、信号光と局発光との干渉状態が時間的に安定する。なお、信号光と局発光との光周波数は、光周波数シフタやドップラシフトなどを利用して若干異なるように設定される。この方法は、比較的簡便に安定な干渉状態を実現できるので、古くから用いられている(例えば、特許文献1参照)。   The following two methods are mainly used as methods for enhancing temporal coherence. The first method is a method of demultiplexing outputs from the same light source and using them as signal light and local light. At this time, since the light source output is demultiplexed, the relative delay time until the signal light and the local light are combined is used so as to be shorter than the coherence time of the light source. By doing so, the interference state between the signal light and the local light is temporally stabilized. Note that the optical frequencies of the signal light and the local light are set to be slightly different using an optical frequency shifter, a Doppler shift, or the like. This method has been used for a long time since it can realize a stable interference state relatively easily (see, for example, Patent Document 1).

二つ目の方法は、光スペクトル線幅が非常に狭く(光スペクトル純度が非常に高く)、かつ、発振光周波数が高精度に安定化された、互いに独立した二つの光源を用いる方法である。この二つの独立した光源をそれぞれ信号光もしくは局発光として用いる。この際、信号光と局発光との発振光周波数は若干異なるように設定される。この方法は、技術的制約により従来は実現が非常に困難だった。しかしながら、近年の技術進展により、光スペクトル線幅がkHz程度と非常に光スペクトル純度が高く、かつ、発振光周波数が高精度に安定化されたレーザが入手可能になったため、最近では二つ目の方法を用いても比較的安定した干渉状態が得られるようになってきている。   The second method is a method using two independent light sources having a very narrow optical spectral line width (very high optical spectral purity) and stable oscillation optical frequency with high accuracy. . These two independent light sources are used as signal light or local light, respectively. At this time, the oscillation light frequencies of the signal light and the local light are set to be slightly different. This method has heretofore been very difficult to implement due to technical limitations. However, due to recent technological progress, a laser with an optical spectral line width of about kHz and a very high optical spectral purity and a stable oscillation optical frequency has become available. Even if this method is used, a relatively stable interference state can be obtained.

一方、空間的な干渉性を高めるためには、信号光側に共焦点光学系などの空間モードフィルタが用いられる。こうすることで、局発光との干渉性の高い信号光成分のみが空間的に取り出され、光ヘテロダイン検出に用いられる。   On the other hand, in order to improve spatial coherence, a spatial mode filter such as a confocal optical system is used on the signal light side. By doing so, only the signal light component having high coherence with local light is spatially extracted and used for optical heterodyne detection.

特許第2890309号Patent No. 2890309

ところが、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等で検出される信号光は、レーザ光のような時間的コヒーレンスの高いものではなく、ランプ光や蛍光などの時間的コヒーレンスが低い、つまり光スペクトル線幅が広いものである場合が非常に多い。また、分光計測などでレーザ光が用いられる場合でも、特に散乱媒質を計測する場合は、スペックルの影響を避けるために、意図的に光スペクトル線幅を広げる工夫がなされる。つまり、分光計測などでは、光周波数の確度をある程度確保すると同時に、スペックルの影響を避けることができる光スペクトル線幅のレーザ光が用いられる。   However, the signal light detected by biological observation, sensors, security, laser radar, etc. is not high in temporal coherence like laser light, but low in temporal coherence such as lamp light or fluorescence, that is, optical spectrum lines. Very often it is wide. Even when laser light is used in spectroscopic measurement or the like, in particular, when measuring a scattering medium, in order to avoid the influence of speckle, a device for intentionally widening the optical spectrum line width is made. That is, in spectroscopic measurement or the like, laser light having an optical spectral line width that can ensure the accuracy of the optical frequency to some extent and at the same time avoid the influence of speckle is used.

このため、上述のような従来の方法にのっとると、このような時間的コヒーレンスの低い信号光をヘテロダイン検出するためには、信号光と局発光との発生源を同一とし、かつ信号光と局発光の相対遅延時間が、それらのコヒーレンス時間よりも短い状況で検出を行う必要がある。   Therefore, according to the conventional method as described above, in order to heterodyne detect such signal light with low temporal coherence, the signal light and the local light are generated at the same source, and the signal light and the local light are generated. It is necessary to perform detection in a situation where the relative delay time of light emission is shorter than the coherence time.

例えば、中心光周波数が600THz(波長500nm)で、光スペクトル線幅が120 THz(波長幅約100nm)の光の場合、コヒーレンス時間は、約1.0×10-14秒(真空中の空間距離で約3.0×10-6mに対応)となり、信号光と局発光との間の許容される遅延時間は非常に短い。 For example, in the case of light having a center optical frequency of 600 THz (wavelength of 500 nm) and an optical spectral line width of 120 THz (wavelength width of about 100 nm), the coherence time is about 1.0 × 10 −14 seconds (space distance in vacuum) Corresponding to about 3.0 × 10 −6 m), and the allowable delay time between the signal light and the local light is very short.

また、例えば、中心光周波数600THz、光スペクトル線幅120GHz(波長幅約100pm)の意図的に線幅が広げられたレーザ光の場合を考えても、コヒーレンス時間は約1.0×10-11秒(真空中の空間距離で約3.0×10-3mに対応)となり、やはり許容される相対遅延時間は短い。 Further, for example, considering the case of laser light whose line width is intentionally widened with a center optical frequency of 600 THz and an optical spectral line width of 120 GHz (wavelength width of about 100 pm), the coherence time is about 1.0 × 10 −11. Second (corresponding to about 3.0 × 10 −3 m in space distance in a vacuum), the allowable relative delay time is also short.

このように、許容される相対遅延時間が短い状況では、時間的および距離的尤度が小さいため、ヘテロダイン検出の用途が非常に厳しく限定されてしまう。   Thus, in the situation where the allowable relative delay time is short, the temporal and distance likelihoods are small, so that the application of heterodyne detection is very severely limited.

また、信号光(被検出光)が蛍光などのように試料中で新たに発生した時間的に低コヒーレンス光である場合は、高感度光ヘテロダイン検出に適した局発光を準備することができない。   Further, when the signal light (detected light) is newly generated temporally low-coherence light such as fluorescence, local light emission suitable for high-sensitivity optical heterodyne detection cannot be prepared.

上述の理由から、従来は、時間的に低コヒーレンスな光信号をヘテロダイン検出した場合、安定的な干渉状態を保つことができず、高速かつ高感度な光検出の実現が困難な状況にある。   For the above-described reason, conventionally, when heterodyne detection is performed on a low-coherence optical signal, a stable interference state cannot be maintained, and it is difficult to realize high-speed and high-sensitivity optical detection.

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、所望の被検出光を高感度かつ高SN(Signal to Noise)比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention made in view of such a point is to provide a photodetection device and a photodetection method capable of heterodyne detection of desired detection light with high sensitivity and high SN (Signal to Noise) ratio, as well as a microscope and an endoscope. To provide a mirror.

上記目的を達成する第1の観点に係る光検出装置の発明は、
モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段と、
前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
The invention of the photodetecting device according to the first aspect of achieving the above object is as follows:
A local light generating means for generating local light including a mode-locked wavelength sweeping laser;
Optical combining means for combining the local light generated from the local light generation means and the detected light;
Photoelectric conversion means for photoelectrically converting the light output from the optical multiplexing means to generate a beat signal of the local light and the detected light;
The detected light is heterodyne detected based on the output of the photoelectric conversion means.

第2の観点に係る発明は、第1の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段から出力される前記局発光の波長帯域は、前記被検出光の波長帯域以下である、ことを特徴とするものである。
The invention according to a second aspect is the photodetection device according to the first aspect,
The wavelength band of the local light output from the local light generation means is less than or equal to the wavelength band of the detected light.

第3の観点に係る発明は、第1の観点に係る光検出装置において、
前記光電変換手段が、バランスド検出を行なう、ことを特徴とするものである。
The invention according to a third aspect is the photodetection device according to the first aspect,
The photoelectric conversion means performs balanced detection.

第4の観点に係る発明は、第1の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、複数台の光発生源を有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a fourth aspect is the photodetection device according to the first aspect,
The local light generation means has a plurality of light generation sources.

第5の観点に係る発明は、第1の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a fifth aspect is the photodetection device according to the first aspect,
The local light generation means further includes optical filter means for selecting a predetermined optical frequency component as local light from the output light of the local light generation means.

第6の観点に係る発明は、第1の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a sixth aspect is the photodetection device according to the first aspect,
The local light generation means further includes optical spectrum shaping means for shaping the spectrum of the output light of the local light generation means.

第7の観点に係る発明は、第1〜6の少なくともいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段をさらに有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a seventh aspect is the photodetector according to at least one of the first to sixth aspects,
It further has an envelope detection means for detecting an envelope of the output of the photoelectric conversion means.

さらに、上記目的を達成する第8の観点に係る光検出方法の発明は、モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生ステップと、前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。   Furthermore, an invention of a light detection method according to an eighth aspect of achieving the above object comprises a local light generation step that includes a mode-locked wavelength sweep laser and generates local light, and the detected light and local light are combined. A combining step for wave generation, and a photoelectric conversion step for photoelectrically converting the combined light to generate a beat signal between the local light and the detected light, and detecting the detected light based on the beat signal Is characterized by heterodyne detection.

さらに、上記目的を達成する第9の観点に係る顕微鏡の発明は、
観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
第1〜7の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
Furthermore, the invention of the microscope according to the ninth aspect of achieving the above object is as follows:
A microscope for detecting light to be detected from an observation sample,
Having a light detection device according to any one of the first to seventh aspects;
The light to be detected from the observation sample is configured to be heterodyne detected by the light detection device.

さらに、上記目的を達成する第10の観点に係る内視鏡の発明は、
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
第1〜7の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
Furthermore, the invention of the endoscope according to the tenth aspect for achieving the above object is as follows:
An endoscope for detecting light to be detected from inside a body cavity and observing the inside of the body cavity,
Having a light detection device according to any one of the first to seventh aspects;
The detection light from the body cavity is heterodyne detected by the light detection device.

本発明に係る光検出装置や光検出方法によれば、被検出光と、モード同期波長掃引レーザを含む光源から出力される局発光とから複数のビート信号を生成し、それらを加算して、被検出光をヘテロダイン検出する。また、自然放出光(Amplified Spontaneous Emission: ASE)と比べると、モード同期波長掃引レーザは相対強度雑音(Relative Intensity Noise: RIN)を小さくすることができるため、モード同期波長掃引レーザからの出力光を局発光として用いることで、低雑音な光検出が可能になる。従って、例えば、生体等の散乱体で散乱することにより被検出光が減少するような被検体であっても、所望の被検出光を高感度かつ高SN比で検出することが可能となる。また、散乱体に限らず、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質や、他の光吸収物質が介在するような環境下に存在する被検物質からの被検出光に対しても、高感度かつ高SN比で検出することが可能となる。   According to the light detection apparatus and the light detection method according to the present invention, a plurality of beat signals are generated from the detected light and local light output from a light source including a mode-locked wavelength sweep laser, and they are added, Heterodyne detection of detected light. In addition, compared to spontaneous emitted light (ASE), the mode-locked wavelength sweep laser can reduce the relative intensity noise (relative intensity noise: RIN), so the output light from the mode-locked wavelength swept laser can be reduced. By using it as local light, it is possible to detect light with low noise. Therefore, for example, even for a subject whose detected light is reduced by being scattered by a scatterer such as a living body, the desired detected light can be detected with high sensitivity and high SN ratio. In addition, not only for scatterers, but also for test light from test substances that exist in the deep or distant area of the detection target, and test substances that exist in environments where other light-absorbing substances are present, It becomes possible to detect with high sensitivity and high S / N ratio.

光ヘテロダイン検出においては、信号光と局発光が時間的及び空間的に重なった部分に生じるビートを信号として検出するため、パルス発振するモード同期レーザからの出力光を局発光として用いた場合、そのパルス時間波形の包絡線の時間変化よりも十分に高速な光電変換以降の電子回路速度がないとビートを検出することができない。しかしながら、パルス発振するモード同期レーザとは異なり、モード同期波長掃引レーザの強度時間波形は連続的になるため、光電変換手段を含むそれより後段の電子回路に高価な高速素子を使用する必要がなくなるという産業的意義もある。   In optical heterodyne detection, in order to detect the beat generated in the part where signal light and local light overlap in time and space as a signal, when the output light from a pulsed mode-locked laser is used as local light, The beat cannot be detected unless there is an electronic circuit speed after photoelectric conversion sufficiently faster than the time change of the envelope of the pulse time waveform. However, unlike a mode-locked laser that oscillates in a pulse mode, the intensity-time waveform of a mode-locked wavelength sweep laser is continuous, so that it is not necessary to use an expensive high-speed element in an electronic circuit subsequent to that including a photoelectric conversion means. There is also industrial significance.

また、本発明に係る顕微鏡によれば、観察試料からの被検出光を、上記の光検出装置により、モード同期波長掃引レーザを含む光源から出力される局発光と合波してヘテロダイン検出するので、観察試料を高感度かつ高SN比で観察することが可能となる。   Further, according to the microscope of the present invention, the detected light from the observation sample is combined with the local light output from the light source including the mode-locked wavelength sweep laser by the above-described light detection device, so that heterodyne detection is performed. The observation sample can be observed with high sensitivity and high SN ratio.

また、本発明に係る内視鏡によれば、体腔内からの被検出光を、上記の光検出装置により、モード同期波長掃引レーザを含む光源から出力される局発光と合波してヘテロダイン検出するので、体腔内を高感度かつ高SN比で観察することが可能となる。   Further, according to the endoscope of the present invention, the detected light from inside the body cavity is combined with the local light output from the light source including the mode-locked wavelength sweep laser by the above-described light detection device to detect heterodyne. Therefore, it becomes possible to observe the inside of the body cavity with high sensitivity and high SN ratio.

本発明の第1実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the photon detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining operation | movement of the photon detection apparatus shown in FIG. 本発明の第2実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the laser scanning fluorescence microscope which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図と動作を説明する図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention, and a figure explaining operation | movement. 本発明の第4実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図と動作を説明する図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention, and a figure explaining operation | movement. 本発明の第5実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the scanning endoscope which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the endoscope which concerns on 6th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。この光検出装置は、モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段10を用い、この局発光発生手段10からの局発光を光合波手段20にて入力信号光と合波し、この合波された光を光電変換手段30にて電気信号に変換すると同時に複数のビート信号が加算された信号を得て、入力信号光をヘテロダイン検出するものである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of the photodetecting device according to the first embodiment of the present invention. This optical detection device includes a mode-locked wavelength sweep laser, and uses local light generation means 10 for generating local light. The local light from this local light generation means 10 is combined with the input signal light by the optical multiplexing means 20. Then, the combined light is converted into an electric signal by the photoelectric conversion means 30, and at the same time, a signal obtained by adding a plurality of beat signals is obtained, and the input signal light is heterodyne detected.

局発光発生手段10は、例えば、フーリエ領域モード同期レーザ(Fourier Domain Mode−locked laser: FDML)(米国特許7414779号参照)や光周波数コム発生器を利用した光源を用いる(IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.29,No.10,p.2693(1993)参照)。光合波手段20は、例えば、誘電体多層膜型ハーフミラー、ファイバ型光カプラや平面導波路型光カプラなどを用いて構成する。また、必要に応じて、光合波手段20の前段に、入力信号光や局発光の空間モードを調整する空間モードフィルタを配置しても良い。   The local light generation means 10 uses, for example, a light source using a Fourier domain mode-locked laser (FDML) (see US Pat. No. 7,414,779) or an optical frequency comb generator (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.29, No. 10, p.2693 (1993)). The optical multiplexing means 20 is configured using, for example, a dielectric multilayer film type half mirror, a fiber type optical coupler, a planar waveguide type optical coupler, or the like. Further, if necessary, a spatial mode filter that adjusts the spatial mode of the input signal light or the local light may be arranged before the optical multiplexing means 20.

光電変換手段30は、例えば、PMT、APD、PD、CCD、CMOS、EM−CCDやEB−CCDなどを用いて構成する。また、光電変換手段30は、直流成分や信号光および局発光の強度揺らぎを除去する差動型(Dual Balanced Detection:DBD)のものを用いて構成することができる。   The photoelectric conversion means 30 is comprised using PMT, APD, PD, CCD, CMOS, EM-CCD, EB-CCD, etc., for example. The photoelectric conversion means 30 can be configured by using a differential type (Dual Balanced Detection: DBD) that removes intensity fluctuations of DC components, signal light, and local light.

被検出光である入力信号光は、光電変換手段30から出力される電気信号のうち、特に、振幅情報や強度情報を用いて検出する。これらの情報は、包絡線検波や二乗検波などにより取得する。光電変換手段30に差動型構成を用いない場合は、直流成分を除去するフィルタ手段を付加するのが有効である。   Input signal light, which is detected light, is detected using, in particular, amplitude information and intensity information among the electrical signals output from the photoelectric conversion means 30. Such information is acquired by envelope detection, square detection, or the like. When a differential configuration is not used for the photoelectric conversion means 30, it is effective to add a filter means for removing a DC component.

図2は、図1に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。すなわち、本実施の形態に係る光検出装置は、局発光発生手段10から出力される局発光の光周波数を、入力信号光の光スペクトル線と重なるように設定して、光合波手段20にて入力信号光と局発光とを合波し、この合波された光を光電変換手段30にて光電変換すると同時に複数のビート信号の加算された出力を得、その振幅情報を用いることで入力光信号をヘテロダイン検出する。つまり、局発光として、光スペクトル中に複数の光周波数成分を有するモード同期波長掃引レーザからの出力光を用いて、時間的コヒーレンスの低い、すなわち光スペクトル線幅の広い入力信号光を光ヘテロダイン検出する。この場合、ビート信号は、雑音的になるので、この雑音的なビート信号の振幅情報を検出信号とする。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the photodetector shown in FIG. That is, the optical detection device according to the present embodiment sets the optical frequency of the local light output from the local light generation means 10 so as to overlap the optical spectrum line of the input signal light, and the optical multiplexing means 20 The input signal light and the local light are combined, the combined light is photoelectrically converted by the photoelectric conversion means 30, and an output in which a plurality of beat signals are added is obtained, and the amplitude information is used to input the input light. Heterodyne detection of the signal. In other words, optical local heterodyne detection of input signal light with low temporal coherence, that is, wide optical spectral line width, using output light from a mode-locked wavelength swept laser having multiple optical frequency components in the optical spectrum as local light To do. In this case, since the beat signal becomes noisy, the amplitude information of the noisy beat signal is used as a detection signal.

ある光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号は、他の光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号と相関を持たない。したがって、これらのビート信号は光電変換手段30にてインコヒーレントに加算される。つまり、複数の光周波数成分を有する局発光を用いることで、一種類の光周波数成分しか持たない局発光を用いる場合よりも、検出されるビート信号の振幅は大きくなる。また、モード同期波長掃引レーザはRINが小さいため、検出される雑音パワーは小さくなる。これにより、従来に無い高感度な光ヘテロダイン検出が実現される。また、十分強度の高い局発光を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。   The beat signal of the local light of the certain optical frequency and the input signal light has no correlation with the beat signal of the local light of the other optical frequency and the input signal light. Therefore, these beat signals are added incoherently by the photoelectric conversion means 30. That is, by using local light having a plurality of optical frequency components, the amplitude of the detected beat signal becomes larger than when local light having only one type of optical frequency component is used. In addition, since the mode-locked wavelength sweep laser has a small RIN, the detected noise power is small. Thereby, unprecedented high sensitivity optical heterodyne detection is realized. In addition, by using local light having a sufficiently high intensity, light detection with high speed and high sensitivity becomes possible.

なお、光電変換手段30から出力される電気信号は、搬送波周波数が確定しない信号になっている。また、様々な周波数成分を含むため、使用周波数帯域が広くなっている。このように、使用周波数帯域が広がると、多くの雑音の混入を許してしまい、光検出感度の低下を招くことになる。したがって、光電変換手段30の出力から被検出光の情報を取得するには、特に、包絡線検波を行うのが好ましい。   The electric signal output from the photoelectric conversion means 30 is a signal whose carrier frequency is not fixed. Moreover, since various frequency components are included, the use frequency band is widened. As described above, when the use frequency band is widened, a lot of noise is allowed to be mixed, and the light detection sensitivity is lowered. Therefore, in order to obtain information on the detected light from the output of the photoelectric conversion means 30, it is particularly preferable to perform envelope detection.

このように、包絡線検波により被検出光の情報を取得するようにすれば、使用帯域を制限して雑音の混入を防ぐことができるとともに、周波数帯域の低減に応じて、装置を構成する部品の費用低減を図ることが可能となる。   In this way, if the information of the detected light is acquired by envelope detection, the use band can be limited to prevent noise from being mixed, and the components constituting the device according to the reduction of the frequency band The cost can be reduced.

(第2実施の形態)
図3は、本発明の第2実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。このレーザ走査型蛍光顕微鏡は、励起光源として波長488nmで連続発振するArレーザ41を有する。図3において、Arレーザ41から出射されたレーザ光は、例えば音響光学変調器(Acousto Optic Modulator:AOM)等の光強度調整器42により光強度を調整して、X−Yガルバノミラー43、瞳投影レンズ44、結像レンズ45、ダイクロイックミラー46および対物レンズ47を経て、検査対象である生細胞試料48に集光して照射する。したがって、このレーザ走査型蛍光顕微鏡では、光強度調整器42、X−Yガルバノミラー43、瞳投影レンズ44、結像レンズ45、ダイクロイックミラー46および対物レンズ47は、励起光源からの励起光を試料に照射する光照射手段を構成している。また、X−Yガルバノミラー43は、光走査手段を構成する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a main part of a laser scanning fluorescence microscope according to the second embodiment of the present invention. This laser scanning fluorescence microscope has an Ar laser 41 that continuously oscillates at a wavelength of 488 nm as an excitation light source. In FIG. 3, the laser light emitted from the Ar laser 41 is adjusted in light intensity by a light intensity adjuster 42 such as an acousto-optic modulator (AOM), for example, an XY galvanometer mirror 43, a pupil. It passes through the projection lens 44, the imaging lens 45, the dichroic mirror 46, and the objective lens 47, and condenses and irradiates the living cell sample 48 to be examined. Therefore, in this laser scanning fluorescence microscope, the light intensity adjuster 42, the XY galvanometer mirror 43, the pupil projection lens 44, the imaging lens 45, the dichroic mirror 46, and the objective lens 47 use the excitation light from the excitation light source as a sample. The light irradiation means to irradiate is comprised. The XY galvanometer mirror 43 constitutes an optical scanning unit.

なお、生細胞試料48としては、蛍光色素で染色された検査対象物や、蛍光タンパクが発現している検査対象物を用いる。ここでは、蛍光タンパクeGFP(enhanced Green Fluorescence Protein)が発現している検査対象物質を用いるものとする。したがって、Arレーザ41からのレーザ光が、生細胞試料48に照射されると、eGFPが励起されて波長約500nm〜600nmの蛍光が発生する。   As the living cell sample 48, an inspection object stained with a fluorescent dye or an inspection object expressing a fluorescent protein is used. Here, it is assumed that a substance to be examined in which fluorescent protein eGFP (enhanced Green Fluorescence Protein) is expressed is used. Accordingly, when the live cell sample 48 is irradiated with laser light from the Ar laser 41, eGFP is excited and fluorescence having a wavelength of about 500 nm to 600 nm is generated.

生細胞試料48から発生した蛍光は、対物レンズ47を経てダイクロイックミラー46に導く。ダイクロイックミラー46は、波長488nmの光は透過させ、波長500nmより長波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料48で発生した波長約500nm〜600nmの蛍光を、ダイクロイックミラー46で反射させる。   The fluorescence generated from the living cell sample 48 is guided to the dichroic mirror 46 through the objective lens 47. The dichroic mirror 46 is configured to transmit light having a wavelength of 488 nm and reflect light having a wavelength longer than 500 nm. Thereby, the fluorescence having a wavelength of about 500 nm to 600 nm generated in the living cell sample 48 is reflected by the dichroic mirror 46.

ダイクロイックミラー46で反射された蛍光は、光合波手段であるハーフミラー49にて局発光と合波させる。局発光は、DPSS (Diode Pumped Solid State) レーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源51から出射されたレーザ光と、Pr添加フッ化物ファイバFDML52から出射されたレーザ光とをダイクロイックミラー53で合波したものを用いる。DPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源51は、例えば、波長532nmにて単一空間モードで連続発振するDPSSレーザからの出力を、電気光学変調器とファブリペロ光共振器で構成される光周波数コム発生器に入力し、平均光強度が10mW、光スペクトル帯域が525nm〜540nmとなる出力が光周波数コム発生器より得られるものを用いる。また、Pr添加フッ化物ファイバFDML52は、例えば、波長600nm〜620nmの光スペクトル帯域を持ち、単一空間モードで連続発振し、平均光強度10mWの出力が可能なものを用いる。   The fluorescence reflected by the dichroic mirror 46 is combined with local light by a half mirror 49 which is an optical combining means. The local light is generated by combining a laser beam emitted from a light source 51 combining a DPSS (Diode Pumped Solid State) laser and an optical frequency comb generator with a laser beam emitted from a Pr-doped fluoride fiber FDML 52 by a dichroic mirror 53. Use a wave. A light source 51 that combines a DPSS laser and an optical frequency comb generator, for example, outputs light from a DPSS laser that continuously oscillates in a single spatial mode at a wavelength of 532 nm, and is configured by an electro-optic modulator and a Fabry-Perot optical resonator. A frequency comb generator is used that has an average light intensity of 10 mW and an output with an optical spectrum band of 525 nm to 540 nm obtained from the optical frequency comb generator. The Pr-doped fluoride fiber FDML 52 is, for example, one having an optical spectrum band with a wavelength of 600 nm to 620 nm, continuously oscillating in a single spatial mode, and capable of outputting an average light intensity of 10 mW.

すなわち、本実施の形態においては、局発光発生手段を、DPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源51およびPr添加フッ化物ファイバFDML52の2台の連続発振レーザを用いて構成している。   That is, in the present embodiment, the local light generation means is configured by using two continuous oscillation lasers, that is, a light source 51 combining a DPSS laser and an optical frequency comb generator and a Pr-doped fluoride fiber FDML52.

ハーフミラー49から得られる二つの合波出力は、それぞれ反射ミラー54,55で反射させ、レンズ56,57を用いてSiPD(Silicon Photo Diode)で構成される光電変換手段である差動検出器(Dual Balanced Detector:DBD)61に入力して光電変換する。DBD61から出力される電気信号は、包絡線検波回路62で包絡線検波した後、電気増幅器63で増幅し、さらに、AD変換器64にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ65に供給する。   The two combined outputs obtained from the half mirror 49 are reflected by reflecting mirrors 54 and 55, respectively, and a differential detector (Photoelectric conversion means) composed of SiPD (Silicon Photo Diode) using lenses 56 and 57 ( Input to Dual Balanced Detector (DBD) 61 to perform photoelectric conversion. The electric signal output from the DBD 61 is detected by the envelope detection circuit 62, then amplified by the electric amplifier 63, further converted from an analog signal to a digital signal by the AD converter 64, and supplied to the computer 65. To do.

コンピュータ65は、レーザ走査型蛍光顕微鏡の全体を制御する。これにより、Arレーザ41からのレーザ光を、X−Yガルバノミラー43により偏向して、生細胞試料48を対物レンズ47の光軸と直交する平面内で2次元走査し、その各走査点においてAD変換器64から得られる出力を処理して、モニタ66に蛍光画像を表示する。   The computer 65 controls the entire laser scanning fluorescence microscope. As a result, the laser beam from the Ar laser 41 is deflected by the XY galvanometer mirror 43, and the living cell sample 48 is two-dimensionally scanned in a plane orthogonal to the optical axis of the objective lens 47, and at each scanning point. The output obtained from the AD converter 64 is processed, and a fluorescent image is displayed on the monitor 66.

このように、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、Arレーザ41からのレーザ光の照射によって、生細胞試料48から発生する蛍光を、十分強度の高いDPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源51およびPr添加フッ化物ファイバFDML52から得られる局発光を用いてヘテロダイン検出する。したがって、生細胞試料48から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料48に照射するレーザ光の強度を高めたり、受光積算時間を長くしたりすることなく、SiPDで構成されるDBD61を用いて、蛍光を高速かつ高感度に光電変換することができ、生細胞試料48を高感度かつ高SN比で蛍光観察することができる。   As described above, the laser scanning fluorescence microscope according to the present embodiment uses the DPSS laser and the optical frequency comb generator with sufficiently high intensity to generate the fluorescence generated from the living cell sample 48 by the irradiation of the laser light from the Ar laser 41. Heterodyne detection is performed using local light obtained from the light source 51 and the Pr-doped fluoride fiber FDML52. Therefore, even if the fluorescence that is the signal light obtained from the living cell sample 48 is weak, the DBD 61 composed of SiPD can be used without increasing the intensity of the laser light applied to the living cell sample 48 or increasing the light reception integration time. , The fluorescence can be photoelectrically converted at high speed and with high sensitivity, and the living cell sample 48 can be observed with fluorescence at high sensitivity and high SN ratio.

また、局発光として単一空間モードの光源を用いているため、DBD61の受光面において、局発光をほぼ回折限界まで集光することが可能である。生細胞試料48から発せられる蛍光と局発光とが、DBD61の受光面において空間的に重なった部分のみビート信号として検出されるため、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、共焦点ピンホールを有していないにも拘らず、共焦点効果を実現することが可能である。   In addition, since a single spatial mode light source is used as the local light, the local light can be condensed to almost the diffraction limit on the light receiving surface of the DBD 61. Since the fluorescence and local light emitted from the living cell sample 48 are detected as a beat signal only in the spatially overlapping portion on the light receiving surface of the DBD 61, the laser scanning fluorescent microscope according to the present embodiment has a confocal pin. It is possible to achieve a confocal effect despite having no holes.

さらに、局発光発生手段として、ここではDPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源51とPr添加フッ化物ファイバFDML52との2台の連続発振レーザを用いるので、特に、個々の光源の強度や発振光周波数を選択することで、被検出光の光周波数帯域や光スペクトル形状に応じた自由度の高いレーザ走査型蛍光顕微鏡を実現できる。また、本実施の形態において、被検出光は、時間的に低コヒーレンスであるため、局発光の光周波数安定性に対する要求は高くない。また、検出されるビート信号は、搬送波周波数を規定できないような雑音的な信号になるため、従来法では必要不可欠だった局発光と被検出光との間の周波数間隔の固定が必要無い。しかも、局発光間の周波数間隔は、光検出システム全体の電気帯域よりも広く設定されている限り、局発光間のビート信号は検出されない。したがって、局発光発生手段に対する光周波数の安定性に対する制約は緩い。そのため、非常に低価格な連続発振レーザを局発光源として用いることができる。なお、局発光発生手段を構成する連続発振光源は、2台に限らず、検出する入力信号光の帯域に応じて、3台以上とすることもできる。   Further, as the local light generation means, here, two continuous wave lasers of a light source 51 combining a DPSS laser and an optical frequency comb generator and a Pr-doped fluoride fiber FDML 52 are used. By selecting the oscillation light frequency, it is possible to realize a laser scanning fluorescence microscope having a high degree of freedom according to the optical frequency band of the light to be detected and the optical spectrum shape. Further, in the present embodiment, the detected light has low temporal coherence, so that there is no high requirement for optical frequency stability of local light. Further, since the detected beat signal is a noisy signal that cannot define the carrier frequency, it is not necessary to fix the frequency interval between the local light and the detected light, which is indispensable in the conventional method. In addition, the beat signal between the local lights is not detected as long as the frequency interval between the local lights is set wider than the electrical band of the entire light detection system. Therefore, there are less restrictions on the stability of the optical frequency for the local light generation means. Therefore, a very low-cost continuous wave laser can be used as the local light source. Note that the number of continuous wave light sources constituting the local light generation means is not limited to two, but may be three or more according to the band of the input signal light to be detected.

(第3実施の形態)
図4(A)は、本発明の第3実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図1に示した構成の光検出装置において、局発光発生手段10と光合波手段20との間に、局発光発生手段10の出力光から、一部の光周波数を選択して局発光として光合波手段20に出力する光周波数選択手段40を設けたものである。
(Third embodiment)
FIG. 4A is a block diagram showing a configuration of a main part of a light detection device according to the third embodiment of the present invention. This optical detection device is the optical detection device having the configuration shown in FIG. 1, and selects a part of the optical frequency from the output light of the local light generation means 10 between the local light generation means 10 and the optical multiplexing means 20. Thus, an optical frequency selection means 40 that outputs to the optical multiplexing means 20 as local light is provided.

光周波数選択手段40は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、光吸収型フィルタ、回折格子型フィルタ、プリズム型フィルタ、グリズム型フィルタ、VIPA(Virtually Imaged Phased Array)型フィルタ、AWG (Arrayed Wave Guide)型フィルタ、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)型フィルタなどを用いて構成する。その他の構成は、図1と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。   The optical frequency selection means 40 includes, for example, a dielectric multilayer filter, a light absorption filter, a diffraction grating filter, a prism filter, a grism filter, a VIPA (Virtually Imaged Phased Array) filter, and an AWG (Arrayed Wave Guide). It is configured using a type filter, a fiber Bragg grating (FBG) type filter, or the like. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

図4(B)は局発光発生手段10からの出力光スペクトルを示す。図4(C)の実線は光周波数選択手段40からの出力光スペクトル、一点鎖線は光周波数選択手段10の透過特性を示す。   FIG. 4B shows an output light spectrum from the local light generation means 10. The solid line in FIG. 4C indicates the output light spectrum from the optical frequency selection means 40, and the alternate long and short dash line indicates the transmission characteristics of the optical frequency selection means 10.

このように、局発光発生手段10の後段に光周波数選択手段40を設ければ、局発光発生手段10から出力される光パルス列の光スペクトルが被検出光の光スペクトル帯域よりも広い場合に、光検出に寄与しない局発光を光周波数選択手段40により除去することができるので、第3実施の形態の効果に加えて、過剰雑音の混入を低減し、所望の被検出信号を高感度かつ高SN比で検出することができる。   Thus, if the optical frequency selection means 40 is provided at the subsequent stage of the local light generation means 10, when the optical spectrum of the optical pulse train output from the local light generation means 10 is wider than the optical spectrum band of the detected light, Since local light that does not contribute to light detection can be removed by the optical frequency selection means 40, in addition to the effects of the third embodiment, mixing of excessive noise is reduced, and a desired detected signal is highly sensitive and high. It can be detected by the S / N ratio.

光ヘテロダイン検出における支配的雑音要因はショット雑音であり、この雑音は光電変換手段30で光電変換される局発光強度に比例する。このため、被検出光が存在しない光周波数領域の局発光が光電変換手段30に入力されると、ビート信号は増えない上、ショット雑音が増大してしまう。本実施の形態に係る光検出装置では、このような光検出に寄与しない局発光を、光周波数選択手段40で除去するので、局発光と近接する信号光成分のみがビート信号として検出され、光周波数軸上で近接する局発光の無い信号光成分は検出されない。つまり、光周波数選択手段40で選択された局発光の光スペクトルとほぼオーバーラップしている被検出光のみがビート信号として検出されるので、被検出光のある特定の光周波数を高感度かつ高SN比で検出することができる。   The dominant noise factor in optical heterodyne detection is shot noise, and this noise is proportional to the local emission intensity photoelectrically converted by the photoelectric conversion means 30. For this reason, when local light in the optical frequency region where there is no detected light is input to the photoelectric conversion means 30, the beat signal does not increase and shot noise increases. In the light detection apparatus according to the present embodiment, such local light that does not contribute to light detection is removed by the optical frequency selection means 40, so that only the signal light component close to local light is detected as a beat signal, and light A signal light component having no local light emission on the frequency axis is not detected. That is, since only the detected light that substantially overlaps the optical spectrum of the local light selected by the optical frequency selection means 40 is detected as a beat signal, a specific optical frequency of the detected light is highly sensitive and high. It can be detected by the S / N ratio.

(第4実施の形態)
図5(A)は、本発明の第4実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図1に示した構成の光検出装置において、局発光発生手段10と光合波手段20との間に、局発光発生手段10の出力光の光スペクトルを所望の形状に整形して光合波手段20に局発光として出力する光スペクトル整形手段50を設けたものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 5A is a block diagram showing a configuration of a main part of a light detection device according to the fourth embodiment of the present invention. This optical detection apparatus is the optical detection apparatus having the configuration shown in FIG. 1, and the optical spectrum of the output light of the local light generation means 10 is shaped into a desired shape between the local light generation means 10 and the optical multiplexing means 20. Thus, the optical multiplexing means 20 is provided with optical spectrum shaping means 50 for outputting as local light.

光スペクトル整形手段50は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、長周期FBG、回折格子と液晶空間位相変調器との組み合わせや、VIPA型波形整形器などを用いて構成する。その他の構成は、図1と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。   The optical spectrum shaping means 50 is configured using, for example, a dielectric multilayer filter, a long period FBG, a combination of a diffraction grating and a liquid crystal spatial phase modulator, a VIPA type waveform shaper, or the like. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

図5(B)は局発光発生手段10からの出力光スペクトルを示す。図5(C)の実線は光スペクトル整形手段50からの出力光スペクトル、一点鎖線は光スペクトル整形手段10の透過特性を示す。
FIG. 5B shows an output light spectrum from the local light generation means 10. The solid line in FIG. 5C indicates the output light spectrum from the optical spectrum shaping means 50, and the alternate long and short dash line indicates the transmission characteristics of the optical spectrum shaping means 10.

このように、局発光発生手段10の後段に光スペクトル整形手段50を設けて、光合波手段20に出力する光パルス列の光スペクトルの強度等を所望の形状に整形すれば、第1実施の形態の効果に加えて、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。すなわち、局発光の光スペクトル形状に応じて、検出感度の光周波数依存性が生じる。また、光電変換手段30も、通常は検出感度の光周波数依存性を有している。したがって、本実施の形態におけるように、局発光発生手段10の後段に光スペクトル整形手段50を配置して、光パルス列の光スペクトルを所望の形状に整形して、被検出光に合波すれば、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。   In this way, if the optical spectrum shaping means 50 is provided after the local light generation means 10 and the intensity of the optical spectrum of the optical pulse train output to the optical multiplexing means 20 is shaped to a desired shape, the first embodiment In addition to the above effect, it becomes possible to adjust the optical frequency dependence of the photodetection sensitivity. That is, the dependence of the detection sensitivity on the optical frequency occurs according to the shape of the local light spectrum. Further, the photoelectric conversion means 30 also usually has optical frequency dependence of detection sensitivity. Therefore, as in the present embodiment, if the optical spectrum shaping means 50 is arranged after the local light generation means 10 to shape the optical spectrum of the optical pulse train into a desired shape and combine it with the detected light. It becomes possible to adjust the optical frequency dependence of the light detection sensitivity.

なお、このような光スペクトル整形手段50は、図3に示した構成において、光周波数選択手段40の前段または後段に配置して光検出装置を構成することもでき、これにより同様の効果を得ることができる。   Note that such an optical spectrum shaping means 50 can be arranged in the front stage or the rear stage of the optical frequency selection means 40 in the configuration shown in FIG. 3 to constitute a light detection device, thereby obtaining the same effect. be able to.

(第5実施の形態)
図6は、本発明の第5実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この走査型内視鏡は、体腔内を走査して血管位置を観察するもので、照明光源として波長1050nmのSuper Luminescent Diode(SLD)151を有し、被検出光の検出系として図5に示した光検出装置の構成を有するものである。図6において、SLD151は、コンピュータ152に制御されたドライバ153によって駆動する。SLD151から発せられた光は、単一モードファイバ(Single−mode Fiber: SMF)154を経てコリメータ155から体腔内の生体試料156に照明光として照射する。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a main part of a scanning endoscope according to the fifth embodiment of the present invention. This scanning endoscope scans the inside of a body cavity and observes the position of a blood vessel. The scanning endoscope has a super luminescent diode (SLD) 151 having a wavelength of 1050 nm as an illumination light source, and is shown in FIG. 5 as a detection system for detected light. The structure of the photodetection device. In FIG. 6, the SLD 151 is driven by a driver 153 controlled by a computer 152. The light emitted from the SLD 151 irradiates the biological sample 156 in the body cavity as illumination light from the collimator 155 via a single-mode fiber (SMF) 154.

照明光の照射により生体試料156で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ157にて集光する。ここで、コリメータ155および集光用レンズ157は、走査マウント158に保持されており、走査マウント158はドライバ159を介してコンピュータ152によって制御される。コリメータ155、集光用レンズ157および走査マウント158は、内視鏡ハウジング160に収められている。   The light reflected and scattered by the biological sample 156 by the illumination light irradiation is collected by the condensing lens 157 as light to be detected. Here, the collimator 155 and the condensing lens 157 are held by the scanning mount 158, and the scanning mount 158 is controlled by the computer 152 via the driver 159. The collimator 155, the condensing lens 157, and the scanning mount 158 are housed in the endoscope housing 160.

局発光は、Yb添加ファイバFDML161からの光パルスを用いる。このYb添加ファイバFDML161からの出力光は、光周波数選択手段である光フィルタ163を経て、合波手段である光ファイバカプラ164に、局発光として入射される。   For local light, a light pulse from the Yb-doped fiber FDML 161 is used. The output light from the Yb-doped fiber FDML 161 is incident as local light on an optical fiber coupler 164 serving as a multiplexing unit via an optical filter 163 serving as an optical frequency selection unit.

Yb添加ファイバFDML161からは、例えば、繰り返し周波数50kHz、発振波長帯域1048nm〜1052nm、平均光強度5mWの波長掃引連続光を発生させる。この光を、ローレンツ型の波長透過特性を持つ光フィルタ163に入力して、光スペクトル波形の形状をローレンツ型に近い形状に整えて局発光として取り出し、光ファイバカプラ164に供給する。   The Yb-doped fiber FDML 161 generates, for example, continuous wavelength-swept light having a repetition frequency of 50 kHz, an oscillation wavelength band of 1048 nm to 1052 nm, and an average light intensity of 5 mW. This light is input to an optical filter 163 having a Lorentz-type wavelength transmission characteristic, the shape of the optical spectrum waveform is adjusted to a shape close to the Lorentz-type, taken out as local light, and supplied to the optical fiber coupler 164.

集光用レンズ157からの出力光および光フィルタ163からの局発光は、光ファイバカプラ164にて合波して、該光ファイバカプラ164の二つの出力を、光電変換手段であるDBD165へ入力して光電変換する。DBD165から出力される電気信号は、電気増幅器166にて増幅し、さらに、AD変換器167にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ152に供給する。   The output light from the condensing lens 157 and the local light from the optical filter 163 are combined by the optical fiber coupler 164, and the two outputs of the optical fiber coupler 164 are input to the DBD 165 which is a photoelectric conversion means. To photoelectrically convert. The electric signal output from the DBD 165 is amplified by the electric amplifier 166, further converted from an analog signal to a digital signal by the AD converter 167, and supplied to the computer 152.

コンピュータ152は、走査マウント158の位置およびSLD151の光強度を制御しながら、AD変換器167から得られる情報に基づいて二次元画像を構築して、その構築した二次元画像をモニタ168に表示する。   The computer 152 constructs a two-dimensional image based on information obtained from the AD converter 167 while controlling the position of the scanning mount 158 and the light intensity of the SLD 151, and displays the constructed two-dimensional image on the monitor 168. .

本実施の形態に係る走査型内視鏡によれば、Yb添加ファイバFDML161から出力される光の光スペクトルを、光フィルタ163に入射させるので、所望の光スペクトル形状を有する局発光を容易に得ることができる。したがって、生体試料156からの被検出光を高感度かつ高SN比で検出して、二次元画像としてモニタ168に表示することができ、正確な診断に供することができる。   According to the scanning endoscope according to the present embodiment, since the optical spectrum of light output from Yb-doped fiber FDML 161 is incident on optical filter 163, local light having a desired optical spectrum shape can be easily obtained. be able to. Therefore, the light to be detected from the biological sample 156 can be detected with high sensitivity and a high S / N ratio and displayed on the monitor 168 as a two-dimensional image, which can be used for accurate diagnosis.

(第6実施の形態)
図7は、本発明の第6実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、照明光源としてXeランプ111を有し、被検出光の検出系として図4に示した光検出装置の構成を有するものである。図8において、Xeランプ111は、コンピュータ112に制御されたドライバ113によって駆動する。Xeランプ111から発せられた光は、波長600nm〜625nmを透過させる光フィルタ170及びライトガイドファイバ(Light Guide Fiber:LGF)114を経由して照明用レンズ115から体腔内の生体試料116に向けて照明光として照射する。
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a main part of an endoscope according to the sixth embodiment of the present invention. This endoscope is for observing the inside of a body cavity, has an Xe lamp 111 as an illumination light source, and has the configuration of the light detection device shown in FIG. 4 as a detection system for detected light. In FIG. 8, the Xe lamp 111 is driven by a driver 113 controlled by a computer 112. The light emitted from the Xe lamp 111 passes from the illumination lens 115 toward the biological sample 116 in the body cavity via an optical filter 170 and a light guide fiber (LGF) 114 that transmit wavelengths of 600 nm to 625 nm. Irradiate as illumination light.

照明光の照射により生体試料116で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ117にて集光して、合波ミラー118で局発光と合波させる。   The light reflected and scattered by the biological sample 116 by irradiation of illumination light is condensed by the condensing lens 117 as light to be detected, and combined with local light by the combining mirror 118.

局発光は、波長600nm〜625nmで発振するPr添加フッ化物ファイバFDML121からの出力光を用いる。このPr添加フッ化物ファイバFDML121からの出力光は、波長600nm〜610nmを透過させる光フィルタ172、SMF171およびコリメートレンズ126を経て、合波ミラー118に局発光として入射させる。   Local light uses output light from a Pr-doped fluoride fiber FDML 121 that oscillates at a wavelength of 600 nm to 625 nm. The output light from the Pr-doped fluoride fiber FDML 121 is incident on the combining mirror 118 as local light through an optical filter 172 that transmits a wavelength of 600 nm to 610 nm, an SMF 171, and a collimating lens 126.

ここで、コンピュータ112は、所望のSN比の画像になるように、Pr添加フッ化物ファイバFDML121の光スペクトル帯域を調整する。   Here, the computer 112 adjusts the optical spectrum band of the Pr-doped fluoride fiber FDML 121 so as to obtain an image with a desired S / N ratio.

合波ミラー118で合波された光は、フィルタ127で可視光以外の光を除去し、集光用レンズ128により光電変換手段である二次元CCD130に集光して光電変換する。二次元CCD130からの出力電気信号は、AD変換器131でディジタル信号に変換した後、ディジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)132に供給し、該DSP132で包絡線検波処理してコンピュータ112に供給する。そして、コンピュータ112により、DSP132からの信号に基づいて二次元画像を構築して、モニタ133に画像を表示する。なお、照明用レンズ115、集光用レンズ117、合波ミラー118、コリメートレンズ126、フィルタ127、集光用レンズ128および二次元CCD130は、内視鏡ハウジング134内に収められている。   The light combined by the combining mirror 118 is removed from the light other than the visible light by the filter 127, and condensed by the condensing lens 128 onto the two-dimensional CCD 130 which is a photoelectric conversion means, and subjected to photoelectric conversion. The output electrical signal from the two-dimensional CCD 130 is converted into a digital signal by the AD converter 131, then supplied to a digital signal processor (DSP) 132, envelope detection processing by the DSP 132, and supplied to the computer 112 To do. Then, the computer 112 constructs a two-dimensional image based on the signal from the DSP 132 and displays the image on the monitor 133. Note that the illumination lens 115, the condensing lens 117, the combining mirror 118, the collimating lens 126, the filter 127, the condensing lens 128, and the two-dimensional CCD 130 are housed in the endoscope housing 134.

本実施の形態に係る内視鏡によれば、Pr添加フッ化物ファイバFDML121から出力される光に光フィルタ172を組み合わせ局発光として用いるようにしている。したがって、生体試料116からの広帯域な被検出光を高い波長分解能にて高感度かつ高SN比で検出して、二次元画像としてモニタ133に表示することができ、正確な診断に供することができる。   According to the endoscope according to the present embodiment, the optical filter 172 is combined with the light output from the Pr-doped fluoride fiber FDML 121 and used as local light. Therefore, wideband detected light from the biological sample 116 can be detected with high wavelength resolution with high sensitivity and high S / N ratio, and displayed on the monitor 133 as a two-dimensional image, which can be used for accurate diagnosis. .

10 局発光発生手段
20 光合波手段
30 光電変換手段
40 光周波数選択手段
41 Arレーザ
42 強度変調器
43 X−Yガルバノミラー
46 ダイクロイックミラー
47 対物レンズ
48 生細胞試料
49 ハーフミラー
50 光スペクトル整形手段
51 DPSSレーザと光周波数コムを組み合わせた光源
52 Pr添加フッ化物ファイバFDML
53 ダイクロイックミラー
61 DBD(差動検出器)
62 包絡線検波回路
63 電気増幅器
64 AD変換器
65 コンピュータ
66 モニタ
111 Xeランプ
112 コンピュータ
115 照明用レンズ
116 生体試料
117 集光用レンズ
118 合波ミラー
121 Pr添加フッ化物ファイバFDML
126 コリメートレンズ
128 集光用レンズ
130 二次元CCD
131 AD変換器
132 DSP(ディジタルシグナルプロセッサ)
133 モニタ
134 ハウジング
151 SLD
152 コンピュータ
155 コリメータ
156 生体試料
157 集光用レンズ
158 走査マウント
160 ハウジング
161 Yb添加ファイバFDML
163 光フィルタ
164 光ファイバカプラ
165 DBD
166 電気増幅器
167 AD変換器
168 モニタ
169 SMF
170 光フィルタ
171 SMF
172 光フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Local light generation means 20 Optical multiplexing means 30 Photoelectric conversion means 40 Optical frequency selection means 41 Ar laser 42 Intensity modulator 43 XY galvanometer mirror 46 Dichroic mirror 47 Objective lens 48 Living cell sample 49 Half mirror 50 Optical spectrum shaping means 51 Light source combining DPSS laser and optical frequency comb 52 Pr-doped fluoride fiber FDML
53 Dichroic mirror 61 DBD (Differential detector)
62 Envelope detection circuit 63 Electric amplifier 64 AD converter 65 Computer 66 Monitor 111 Xe lamp 112 Computer 115 Illumination lens 116 Biological sample 117 Condensing lens 118 Combined mirror 121 Pr-added fluoride fiber FDML
126 Collimating lens 128 Condensing lens 130 Two-dimensional CCD
131 AD converter 132 DSP (digital signal processor)
133 Monitor 134 Housing 151 SLD
152 Computer 155 Collimator 156 Biological Sample 157 Condensing Lens 158 Scan Mount 160 Housing 161 Yb-Doped Fiber FDML
163 Optical filter 164 Optical fiber coupler 165 DBD
166 Electric amplifier 167 AD converter 168 Monitor 169 SMF
170 Optical filter 171 SMF
172 Optical filter

Claims (10)

モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段と、
前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出装置。
A local light generating means for generating local light including a mode-locked wavelength sweeping laser;
Optical combining means for combining the local light generated from the local light generation means and the detected light;
Photoelectric conversion means for photoelectrically converting the light output from the optical multiplexing means to generate a beat signal of the local light and the detected light;
A photodetection device, wherein the detected light is heterodyne detected based on an output of the photoelectric conversion means.
前記局発光発生手段から出力される前記局発光の波長帯域は、前記被検出光の波長帯域以下であることを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。   The optical detection device according to claim 1, wherein a wavelength band of the local light output from the local light generation unit is equal to or less than a wavelength band of the detected light. 前記光電変換手段が、バランスド検出を行なうことを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。   2. The light detection device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion means performs balanced detection. 前記局発光発生手段は、複数台の光発生源を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。   The light detection apparatus according to claim 1, wherein the local light generation unit includes a plurality of light generation sources. 前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。   2. The photodetecting device according to claim 1, wherein the local light generation unit further includes an optical filter unit that selects a predetermined optical frequency component as local light from the output light of the local light generation unit. . 前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。   The light detection apparatus according to claim 1, wherein the local light generation unit further includes an optical spectrum shaping unit that shapes a spectrum of output light of the local light generation unit. 前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項1〜6の少なくともいずれか一項に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 1, further comprising an envelope detection unit that detects an envelope of an output of the photoelectric conversion unit. モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生ステップと、
前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、
前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、
前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出方法。
A local light generation step including a mode-locked wavelength sweep laser and generating local light;
A multiplexing step for multiplexing the detected light and the local light;
A photoelectric conversion step of photoelectrically converting the combined light to generate a beat signal of the local light and the detected light;
A light detection method comprising heterodyne detecting the detected light based on the beat signal.
観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
請求項1乃至7の少なくともいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
A microscope for detecting light to be detected from an observation sample,
It has the photon detection device according to at least one of claims 1 to 7,
A microscope configured to detect heterodyne the detected light from the observation sample by the light detection device.
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
請求項1乃至7の少なくともいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。
An endoscope for detecting light to be detected from inside a body cavity and observing the inside of the body cavity,
It has the photon detection device according to at least one of claims 1 to 7,
An endoscope characterized in that the detected light from the body cavity is heterodyne detected by the light detection device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017056526A1 (en) * 2015-09-30 2017-04-06 株式会社Jvcケンウッド Analysis device and analysis method
JP2020170960A (en) * 2019-04-04 2020-10-15 学校法人玉川学園 Signal processing system

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