JP2015197606A - 超解像観察装置及び超解像観察方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明を例示する超解像観察装置の一態様は、光周波数ω1の第1照明光と光周波数ω2の第2照明光とを観察対象面の領域に集光する照明光学系と、前記領域に向かう前記第1照明光の特性を変調周波数fmで変調する変調部と、前記第1照明光及び前記第2照明光に応じて前記領域で発生する光から、前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1又はω2の成分を抽出する抽出部とを備える。
【選択図】 図1
Description
(1)高い光学分解能(例えば、平面分解能<50nm、奥行分解能<100nm)。
(2)試料内部における観察対象の識別能力。
以下、本発明の第1実施形態として誘導放出過程を利用した超解像顕微鏡を説明する。
(2)光周波数ω2のパルスレーザ光
このうち、先に照射される光周波数ω1のパルスレーザ光には、光スポットSに存在する特定の観察対象物質の電子のエネルギー準位を励起準位へと移行(光吸収)させる働きがあり、次に照射される光周波数ω2のパルスレーザ光には、励起中の電子を基底準位へ移行(誘導放出)させて光周波数ω2の誘導放出光を発生させる働きがある。
[第1実施形態の変形例]
なお、本実施形態では、ロックインアンプ25によるロックイン検出の検出周波数を励起光の変調周波数fmの2倍(2fm)に設定したが、変調周波数fmより大きい別の値としてもよい。例えば、検出周波数をN×fm(但し、Nは2以上の整数)としてもよい。このように検出周波数を高めれば、超解像効果を更に高めることができる。なぜなら、光スポットSのうち、高い周波数成分の発生元となり得る領域は、光強度の特に高い領域のみ、つまり極端に狭い領域のみに制限されるからである。よって、検出周波数が高いほど超解像効果も高まる。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態として励起状態吸収(ESA:Excited-State Absorption)過程を利用した超解像顕微鏡を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみを説明する。
[第2実施形態の変形例]
なお、本実施形態では、ロックインアンプ25によるロックイン検出の検出周波数を変調周波数fmの2倍(2fm)に設定したが、変調周波数fmより大きい別の値としてもよい。例えば、検出周波数をN×fm(但し、Nは2以上の整数)としてもよい。このように検出周波数を高めれば、超解像効果を更に高めることができる。なぜなら、光スポットSのうち、高い周波数成分の発生元となり得る領域は、光強度の特に高い領域のみ、つまり極端に狭い領域のみに制限されるからである。よって、検出周波数が高いほど超解像効果も高まる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態として基底準位枯渇(GSD:Ground State Depletion)過程を利用した超解像顕微鏡を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみを説明する。
[第3実施形態の変形例]
なお、本実施形態では、ロックインアンプ25によるロックイン検出の検出周波数を変調周波数fmの2倍(2fm)に設定したが、変調周波数fmより大きい別の値としてもよい。例えば、検出周波数をN×fm(但し、Nは2以上の整数)としてもよい。このように検出周波数を高めれば、超解像効果を更に高めることができる。なぜなら、光スポットSのうち、高い周波数成分の発生元となり得る領域は、光強度の特に高い領域のみ、つまり極端に狭い領域のみに制限されるからである。よって、検出周波数が高いほど超解像効果も高まる。
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態として1光子吸収過程を利用した超解像顕微鏡を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみを説明する。
[第4実施形態の変形例]
なお、本実施形態では、ロックインアンプ25によるロックイン検出の検出周波数を変調周波数fmの2倍(2fm)に設定したが、変調周波数fmより大きい別の値としてもよい。例えば、検出周波数をN×fm(但し、Nは2以上の整数)としてもよい。このように検出周波数を高めれば、超解像効果を更に高めることができる。なぜなら、光スポットSのうち、高い周波数成分の発生元となり得る領域は、光強度の特に高い領域のみ、つまり極端に狭い領域のみに制限されるからである。よって、検出周波数が高いほど超解像効果も高まる。
[第5実施形態]
以下、本発明の第5実施形態として2光子吸収過程を利用した超解像顕微鏡を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみを説明する。
[第5実施形態の変形例]
なお、本実施形態では、ロックインアンプ25によるロックイン検出の検出周波数を変調周波数fmの4倍(4fm)に設定したが、変調周波数2fmより大きい別の値としてもよい。例えば、検出周波数を2N×fm(但し、Nは2以上の整数)としてもよい。このように検出周波数を高めれば、超解像効果を更に高めることができる。なぜなら、光スポットSのうち、高い周波数成分の発生元となり得る領域は、光強度の特に高い領域のみ、つまり極端に狭い領域のみに制限されるからである。よって、検出周波数が高いほど超解像効果も高まる。
[実施形態及び変形例の補足]
なお、上述した何れかの実施形態又は変形例では、光軸と垂直な面内における解像力の向上について説明したが、光軸方向における解像力についても同様に向上する。なぜなら、前述した高周波成分の発生元は、光軸と垂直な面内だけでなく光軸方向においても光強度の高い集光点近傍のみに制限されるからである。すなわち、飽和による高周波成分を検出する上述した何れかの実施形態又は変形例では、光軸と垂直な方向と光軸方向との双方に亘って、言い換えればxyzの3次元方向に亘って解像力が向上する。
[実施形態の作用効果]
上述した何れかの実施形態の超解像観察装置(超解像顕微鏡)は、光周波数ω1の第1照明光と光周波数ω2の第2照明光とを観察対象面(P0)の領域(光スポットS)に集光する照明光学系(対物レンズ19)と、前記領域(光スポットS)に向かう前記第1照明光の特性を変調周波数fmで変調する変調部(音響光学変調器15)と、前記第1照明光及び前記第2照明光に応じて前記領域(光スポットS)で発生する光から、前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1又はω2の成分を抽出する抽出部(ロックインアンプ25、信号発生器26、波長選択フィルタ22)とを備える。
[その他]
また、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
Claims (11)
- 光周波数ω1の第1照明光と光周波数ω2の第2照明光とを観察対象面の領域に集光する照明光学系と、
前記領域に向かう前記第1照明光の特性を変調周波数fmで変調する変調部と、
前記第1照明光及び前記第2照明光に応じて前記領域で発生する光から、前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1又はω2の成分を抽出する抽出部と、
を備えることを特徴とする超解像観察装置。 - 請求項1に記載の超解像観察装置において、
前記変調部の変調対象である前記特性は、
前記第1照明光の強度、位相、偏光、光周波数の何れかである
ことを特徴とする超解像観察装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の超解像観察装置において、
前記第1照明光の強度、前記第2照明光の強度、前記光周波数ω1、前記光周波数ω2の組み合わせは、前記領域内の観察対象物質で誘導放出過程が生起し、かつ、前記領域の一部でのみ前記誘導放出過程による前記観察対象物質の光吸収量が飽和するように設定される
ことを特徴とする超解像観察装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の超解像観察装置において、
前記第1照明光の強度、前記第2照明光の強度、前記光周波数ω1、前記光周波数ω2の組み合わせは、前記領域内の観察対象物質で励起状態吸収過程が生起し、かつ、前記領域の一部でのみ前記励起状態吸収過程による前記観察対象物質の光吸収量が飽和するように設定される
ことを特徴とする超解像観察装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の超解像観察装置において、
前記第1照明光の強度、前記第2照明光の強度、前記光周波数ω1、前記光周波数ω2の組み合わせは、前記領域内の観察対象物質で基底準位枯渇過程が生起し、かつ、前記領域の一部でのみ前記基底準位枯渇過程による前記観察対象物質の光吸収量が飽和するように設定される
ことを特徴とする超解像観察装置。 - 請求項3〜請求項5の何れか一項に記載の超解像観察装置において、
前記抽出部の抽出対象は、
周波数N×fmで前記特性の変化する成分である(但し、Nは2以上の整数)
ことを特徴とする超解像観察装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の超解像観察装置において、
前記領域に対する前記第2照明光の照射は省略され、
前記第1照明光の強度及び前記光周波数ω1の組み合わせは、前記領域内の観察対象物質で1光子吸収過程が生起し、かつ、前記領域の一部でのみ前記1光子吸収過程による前記観察対象物質の光吸収量が飽和するように設定され、
前記抽出部の抽出対象は、
前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1の成分である
ことを特徴とする超解像観察蔵置。 - 請求項1又は請求項2に記載の超解像観察装置において、
前記領域に対する前記第2照明光の照射は省略され、
前記第1照明光の強度及び前記光周波数ω1の組み合わせは、前記領域内の観察対象物質で2光子吸収過程が生起し、かつ、前記領域の一部でのみ前記2光子吸収過程による前記観察対象物質の光吸収量が飽和するように設定され、
前記抽出部の抽出対象は、
前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1の成分である
ことを特徴とする超解像観察装置。 - 光周波数ω1の照明光を観察対象面の領域に集光する照明光学系と、
前記領域に向かう前記照明光の特性を変調周波数fmで変調する変調部と、
前記照明光に応じて前記領域で発生する光から、前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1の成分を抽出する抽出部と
を備えることを特徴とする超解像観察装置。 - 光周波数ω1の第1照明光と光周波数ω2の第2照明光とを観察対象面の領域に集光し、
前記領域に向かう前記第1照明光の特性を変調周波数fmで変調し、
前記第1照明光及び前記第2照明光に応じて前記領域で発生する光から、前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1又はω2の成分を抽出する
ことを特徴とする超解像観察方法。 - 光周波数ω1の照明光を観察対象面の領域に集光し、
前記領域に向かう前記照明光の特性を変調周波数fmで変調し、
前記照明光に応じて前記領域で発生する光から、前記変調周波数fmより高い周波数で前記特性の変化する光周波数ω1の成分を抽出する
ことを特徴とする超解像観察方法。
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