JP2018180016A - 光検出装置およびレーザ顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】画像化した際の輝度の飽和レベルを向上する。【解決手段】標本Ｓからの蛍光の単一の検出光路を複数の分岐光路に分岐する光路分岐部４５と、光路分岐部４５により分岐された分岐光路ごとに設けられ、蛍光を検出するＳＳＰＤまたはガイガーモードＡＰＤを含む複数の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃと、これら複数の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃから出力される各検出信号に基づいて単一の画像信号を生成する信号合算器３７とを備える光検出装置５を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、光検出装置およびレーザ顕微鏡システムに関するものである。

従来、検出器として、ＰＭＴ（光電子増倍管）の代わりにＳＳＰＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を採用したレーザ顕微鏡装置が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。また、光検出器として４個のＳＳＰＤを集合させたＳＳＰＤアレイを備え、１つのフォトン入力に対して多ピクセルの受光素子を形成することで、１ピクセルあたりの受光面積を縮小して、検出効率および応答速度を向上する構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−０１９７７７号公報

Johtaro Yamamoto、Masataka Kinjo、他7名、「Rotational diffusionmeasurements using polarization-dependent fluorescence correlation spectroscopybased on superconducting nanowire single-photon detector」、14 Dec 2015、Vol.23、No.25、DOI:10.1364/OE.23.032633、OPTICS EXPRESS 32633

しかしながら、ＳＳＰＤは１フォトンを検出した後に不感時間があるため、非特許文献１に記載のレーザ顕微鏡装置および特許文献１に記載の構成では、ＳＳＰＤ自体の特性によりフォトンの最大計数率が制約されてしまい、ＳＳＰＤの検出信号を基に２次元画像を構築する際に最大階調が制限されてしまうという不都合がある。このような不都合は、微弱光を検出する場合には然程問題にならないが、ある程度の蛍光量を発する標本や視野内に蛍光の光量ムラがある標本を観察する場合は、画像内の一部が飽和するという問題を生じさせる。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、画像化した際の輝度の飽和レベルを向上することができる光検出装置およびレーザ顕微鏡システムを提供することを目的としている。

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。
本発明の第１態様は、標本からの観察光の単一の検出光路を複数の分岐光路に分岐する光路分岐部と、該光路分岐部により分岐された前記分岐光路ごとに設けられ、前記観察光を検出するＳＳＰＤまたはガイガーモードＡＰＤを含む複数の光検出器と、これら複数の光検出器から出力される各検出信号に基づいて単一の画像信号を生成する信号生成部とを備える光検出装置である。

本態様によれば、標本において発生した観察光の単一の検出光路を光路分岐部により複数の分岐光路に分岐し、分岐光路ごとに、ＳＳＰＤまたはガイガーモードＡＰＤを含む複数の光検出器の内のいずれかにより観察光を検出することで、光検出器ごとに入射光量を抑えて飽和を回避しつつ、単位時間当たりに計数可能なフォトンの数を光検出器の数だけ増加してフォトンの最大計数率を向上することができる。

この場合において、各光検出器から得られる各検出信号に基づいて、信号生成部により単一の画像信号を生成することで、光検出器を単品で使用する場合や、１つのフォトンに対して多ピクセルの受光素子で検出する場合と比較して、画像化した際の輝度の飽和レベルを向上することができる。

上記態様においては、少なくともいずれか一の前記光検出器が、複数の前記ＳＳＰＤまたは複数の前記ガイガーモードＡＰＤをアレイ状に配列してなることとしてもよい。

このように構成することで、各ＳＳＰＤまたは各ガイガーモードＡＰＤにより単位時間当たりに検出することができるフォトン数が１フォトン程度であるとしても、１つの光検出器において、複数のＳＳＰＤまたは複数のガイガーモードＡＰＤによってフォトンを検出することにより、標本からの観察光を検出可能な光強度入射範囲を広げることができる。これにより、画像化した際の輝度の飽和レベルの向上を図ることができる。

上記態様においては、前記光路分岐部が、前記観察光の一部を透過し残りを反射する部分反射ミラーを備えることとしてもよい。
このように構成することで、単一の検出光路の観察光を複数の分岐光路へ部分反射ミラーの透過特性および反射特性に応じた強度比で分岐させることができる。

上記態様においては、前記光路分岐部が、前記観察光を偏光成分に応じて分岐する偏光素子を備えることとしてもよい。
このように構成することで、光路分岐部として部分反射ミラーを採用した場合と同様の効果が得られる。

上記態様においては、前記光路分岐部が、前記観察光を波長に応じて分岐する分光素子を備えることとしてもよい。
このように構成することで、単一の検出光路の観察光を複数の分岐光路へ分光素子の波長特性に応じた分岐比で分岐させることができる。

上記態様においては、前記光路分岐部が、入射端が１つで射出端が複数に分岐されたファイバカプラを備えることとしてもよい。
このように構成することで、ファイバカプラの特性により観察光の分岐比を調整することができ、また、ファイバベースの光減衰器によっても観察光の分岐比が調整可能となる。また、ミラー等によって光路を分岐する場合と比較して、ファイバカプラの特性により簡素な構成で設置のフレキシビリティを向上することができる。

上記態様においては、前記光路分岐部が、複数の光ファイバを束ねたバンドルファイバを備えることとしてもよい。
このように構成することで、バンドルファイバにより、単一の検出光路の観察光を複数の分岐光路へ空間的に分岐させることができる。

上記態様においては、前記バンドルファイバに入射する前記観察光の光量と前記バンドルファイバ内での各前記光ファイバの配置との関係に基づいて、前記信号生成部により前記画像信号を生成する前記検出信号を選択する信号選択部を備えることとしてもよい。

バンドルファイバに入射する観察光は、光束の径方向の中心部ほど強度分布が高く、光束の径方向の中心から離れるほど強度分布が低くなるため、観察光の入射光量が低減すると、バンドルファイバの径方向の中心から離れて配されている光ファイバが割り当てられた光検出器の検出光量も低減し、それらの光検出器から出力される検出信号は画像信号の生成に不要となることがある。したがって、信号選択部により、観察光の光量に応じて、画像信号の生成に使用する検出信号を選択することで、画像信号のＳ／Ｎ比をより向上することができる。

上記態様においては、前記バンドルファイバに入射する前記観察光の光束径を変更する光束径変更部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、光束径変更部によって観察光の光束径を変更することにより、各光検出器に入射させる観察光の分岐比を変えることができ、分岐比設定の融通性を向上することができる。

上記態様においては、前記信号生成部が、２以上の前記検出信号を合算して前記画像信号を生成することとしてもよい。
このように構成することで、複数の光検出器からの各検出信号を合算する分だけ、Ｓ／Ｎ比の高い画像信号を生成することができる。

上記態様においては、前記分岐光路ごとの前記観察光の分岐比を記憶する記憶部を備え、前記信号生成部が、前記記憶部に記憶されている前記分岐比を対応する各前記検出信号に乗算してから各前記検出信号を合算することとしてもよい。

このように構成することで、２以上の検出信号を単純に合算する場合と比較して、Ｓ／Ｎ比を確保しつつ、より飽和レベルの高い画像信号を生成することができる。細胞標本を観察する場合のように、標本などの明るい領域とバックグラウンドなどの暗い領域とが混在する場合に有効となる。

上記態様においては、前記光検出器ごとに入射光量に対して信号強度が線形に変化する線形応答領域の下限値および上限値を記憶する記憶部を備え、前記信号生成部が、前記記憶部に記憶されている前記光検出器ごとの前記線形応答領域の下限値および上限値に基づいて、各前記検出信号から前記線形応答領域内の値のみを抜き出して合算することとしてもよい。
このように構成することで、リニアリティの広い画像信号を生成することができる。

上記態様においては、前記信号生成部が、いずれかの前記光検出器の前記検出信号が輝度飽和値よりも輝度が高い場合に、該輝度飽和値よりも高い輝度値を他の前記光検出器の前記検出信号に基づいて推定し、推定した輝度値を前記輝度飽和値に置き換えて合算に用いることとしてもよい。
このように構成することで、微弱光域の情報が明瞭な画像信号を生成することができる。

上記態様においては、前記光路分岐部が、前記観察光を反射する反射ミラーと、該反射ミラーを前記検出光路において挿脱する挿脱機構とを備えることとしてもよい。
このように構成することで、単一の検出光路の観察光を複数の分岐光路へ、挿脱機構による反射ミラーの検出光路への挿入と検出光路からの脱離との切り替えによって時間的に分岐させることができる。

本発明の第２態様は、レーザ光源から射出されたレーザ光を前記標本において走査させる光走査部と、該光走査部により前記レーザ光が走査された結果、前記標本から戻る前記観察光を検出する上記いずれかの光検出装置と、該光検出装置の前記ＳＳＰＤまたは前記ガイガーモードＡＰＤからなる前記光検出器を冷却する冷凍機とを備えるレーザ顕微鏡システムである。

本態様によれば、光走査部の作動によりレーザ光源から射出されたレーザ光が標本において走査されると、標本における各走査位置から戻る観察光が光検出装置の複数の光検出器により検出される。この場合において、ＳＳＰＤまたはガイガーモードＡＰＤからなる光検出器が冷凍機によって冷却状態が保たれていることにより、高量子効率かつ低暗ノイズで観察光を検出することができる。

本発明によれば、画像化した際の輝度の飽和レベルを向上することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るレーザ顕微鏡システムを示す全体構成図である。 図１のレーザ顕微鏡システムにおける顕微鏡本体の構成を示す模式図である。 図１のレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐光学系および冷凍機を示す模式図である。 図１のレーザ顕微鏡システムにおける光検出器の入射光量と検出信号強度との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係るレーザ顕微鏡システムおける光路分岐部の別の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の第１変形例に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐部の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の第２変形例に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐部の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の第３変形例に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐部の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の第３変形例に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐部の別の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の第４変形例に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐部の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の第４変形例に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐部の別の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザ顕微鏡システムにおける光路分岐光学系を示す模式図である。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る光検出装置およびレーザ顕微鏡システムについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡システム１は、図１に示すように、顕微鏡本体３と、光路分岐光学系２７および信号合算器（信号生成部）３７を備える光検出装置５と、冷凍機７とを備えている。

顕微鏡本体３は、図１および図２に示すように、標本Ｓを載置するステージ９と、レーザ光源１１から発せられたレーザ光を略平行光にするコリメートレンズ１３と、コリメートレンズ１３により略平行光にされたレーザ光を２次元的に走査するガルバノミラー（光走査部）１５と、ガルバノミラー１５によって走査されたレーザ光を標本Ｓに集光する一方、標本Ｓにおいて発生する蛍光（観察光）を集光する対物レンズ１７と、対物レンズ１７によって集光されて、ガルバノミラー１５を介してレーザ光の光路を戻る蛍光をレーザ光の光路から分岐するダイクロイックミラー１９と、ダイクロイックミラー１９により分岐された蛍光を集光する集光レンズ２１とを備えている。図中、符号２３および符号２５は、レーザ光および蛍光をリレーする瞳投影レンズおよび結像レンズである。

光検出装置５は、図１および図３に示すように、顕微鏡本体３に接続された光路分岐光学系２７と、標本Ｓから発せられた蛍光を検出する複数の光検出器２９（以下、符号２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃで示す。）と、光路分岐光学系２７と冷凍機７とを接続する複数の光ファイバ３１（以下、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃで示す。）と、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃにより検出された蛍光の検出信号を出力する検出回路３３（以下、符号３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃで示す。）と、検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃから出力される検出信号を合算する信号合算器３７とを備えている。図中、符号３５Ａ，３５Ｂ，３５ＣはＡ／Ｄ変換器を示している。

光路分岐光学系２７は、図３に示すように、顕微鏡本体３の集光レンズ２１により集光された蛍光の内、対物レンズ１７の焦点位置において発生した蛍光のみを通過させる共焦点ピンホール３９と、共焦点ピンホール３９を通過した蛍光を略平行光にするコリメートレンズ４１と、コリメートレンズ４１により略平行光にされた蛍光に含まれるレーザ光を遮断するバンドパスフィルタ４３と、バンドパスフィルタ４３を通過した蛍光の検出光路を複数のチャネル（分岐光路）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に分岐する光路分岐部４５と、光路分岐部４５により分岐された各チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の蛍光をそれぞれ集光する３枚の集光レンズ４７（以下、符号４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃで示す。）とを備えている。

光路分岐部４５は、ハーフミラー等の２枚の部分反射ミラー４６（以下、符号４６Ａ，４６Ｂで示す）を備えている。
１枚目の部分反射ミラー４６Ａは、入射した蛍光の一部を反射特性に応じて反射してチャネルＣ１に分岐する一方、入射した残りの蛍光を透過特性に応じて透過させて２枚目の部分反射ミラー４６Ｂに入射させるようになっている。
２枚目の部分反射ミラー４６Ｂは、入射した蛍光の一部を反射特性に応じて反射してチャネルＣ２に分岐する一方、入射した残りの蛍光を透過特性に応じて透過させてチャネルＣ３に分岐するようになっている。

光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の蛍光をそれぞれ冷凍機７に導光するマルチモードファイバである。これら光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、光路分岐光学系２７に接続されたファイバ入射端３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、冷凍機７に接続されたファイバ射出端３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃとを備え、チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の蛍光をファイバ入射端３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃから入射させて、ファイバ射出端３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃから射出するようになっている。

光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、いずれもＳＳＰＤからなり、入射した光のフォトン数に応じた電圧信号を外部に出力するようになっている。これら光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、冷凍機７の内部の試料台に設置されており、図示しない電流供給部からバイアス電流が供給されることにより動作するようになっている。

冷凍機７は、図３に示すように、収容している３個の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃと光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの各ファイバ射出端３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃとを接続する光ファイバ４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃを備え、光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにより導光されてきた各蛍光を光ファイバ４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃにより光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃに導光するようになっている。また、冷凍機７は、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃを極低温状態に冷却して、超伝導状態に保持するようになっている。

検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃにフォトンが入射することにより超伝導体における超伝導状態から常伝導状態に変化する際の電圧変化を検出信号として出力するようになっている。

信号合算器３７は、下記式（１）に示すように、各検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃから出力されてＡ／Ｄ変換器３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを介して入力される各検出信号を合算して、単一の画像信号を生成するようになっている。

画像信号＝チャネルＣ１の光検出器２９Ａの検出信号＋チャネルＣ２の光検出器２９Ｂの検出信号＋チャネルＣ３の光検出器２９Ｃの検出信号・・・（１）
信号合算器３７により生成された単一の画像信号は、図示しないＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等に送られて画像化されるようになっている。

次に、このように構成された光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１の作用について説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡システム１により標本Ｓを観察する場合は、顕微鏡本体３において、ステージ９に標本Ｓを載置して、レーザ光源１１からレーザ光を発生させる。

レーザ光源１１から発せられたレーザ光は、コリメートレンズ１３によって略平行光に変換され、ダイクロイックミラー１９によって偏向されてガルバノミラー１５に入射される。ガルバノミラー１５の作動により２次元的に走査されたレーザ光は、瞳投影レンズ２３および結像レンズ２５を経由して、対物レンズ１７により標本Ｓに集光される。

標本Ｓにおいては、レーザ光の各走査位置において蛍光物質が励起されることにより、蛍光が発生する。発生した蛍光は、対物レンズ１７により集光され、結像レンズ２５、瞳投影レンズ２３およびガルバノミラー１５を経由して戻る途中で、ダイクロイックミラー１９を透過することによりレーザ光の光路から分岐され、集光レンズ２１により集光されて光路分岐光学系２７に入射される。

光路分岐光学系２７に入射した蛍光の内、共焦点ピンホール３９を通過した蛍光は、コリメートレンズ４１によって略平行光に変換され、バンドパスフィルタ４３によって観察したい蛍光波長域以外の光が除去される。そして、蛍光は、１枚目の部分反射ミラー４６Ａによって波長特性に応じて２つの光路に分岐され、さらにその内の１つの光路が２枚目の部分反射ミラー４６Ｂによって波長特性に応じて２つの光路に分岐される。これにより、単一の検出光路の蛍光が３つのチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に分岐される。

チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に分岐された蛍光は、それぞれ集光レンズ４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃにより集光されてファイバ入射端３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに入射し、各光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにより導光されて、冷凍機７に接続されたファイバ射出端３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃからそれぞれ射出される。

冷凍機７内部においては、ファイバ射出端３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃから射出された蛍光が光ファイバ４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃによってそれぞれ異なる光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃに導光され、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃによってそれぞれ検出される。

光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃにおいて蛍光が検出されることによりそれぞれ電圧変化が生じると、その電圧変化に基づいて検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃによりそれぞれの検出信号が生成される。検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃにより生成された各検出信号は、Ａ／Ｄ変換器３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを経由して信号合算器３７に入力され、信号合算器３７により合算される。これにより、信号合算器３７において単一の画像信号が生成され、生成された画像信号が図示しないＰＣ等に送られて画像化される。

以上説明したように、本実施形態に係る光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１によれば、標本Ｓにおいて発生した蛍光の単一の検出光路を２枚の部分反射ミラー４６Ａ，４６Ｂにより３つのチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に分岐し、チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３ごとに、それぞれＳＳＰＤからなる光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃにより蛍光を検出することで、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃごとに入射光量を抑えて飽和を回避しつつ、単位時間当たりに計数可能なフォトンの数を光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃの数だけ増加してフォトンの最大計数率を向上することができる。

この場合において、各光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃから得られる各検出信号に基づいて、信号合算器３７により単一の画像信号を生成することで、光検出器を単品で使用する場合と比較して、画像化した際の輝度の飽和レベルを向上することができる。また、光検出器の総数は任意に増減できるため、特許文献１の様に１つのフォトンに対して多ピクセルの受光素子で検出する場合と比較して、画像化した際の輝度の飽和レベルを向上することができる。

また、冷凍機７によって極低温に冷却されて超伝導状態に保持されているＳＳＰＤからなる光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃにより各チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の蛍光を検出することで、高量子効率かつ低暗ノイズで蛍光を検出することができる。また、これら各光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃを単一の冷凍機７によって冷却することで、各光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃを別個の冷凍機７で冷却する場合と比較して、冷凍機７に要するスペースを大幅に削減し、かつ、冷凍機７に係るコストを大幅に低減することができる。さらに、単一の冷凍機７によって光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃを冷却するので、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ間での冷却温度のバラツキをなくし、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ間での性能安定性を得ることができる。

本実施形態においては、光路分岐光学系２７と冷凍機７とを光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃによって接続したが、光ファイバ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに代えて、ガラスロッドで接続したり、ミラーによって空気光路を経由して蛍光を冷凍機７に導いたりしてもよい。

また、本実施形態においては、検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ、Ａ／Ｄ変換器３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃおよび信号合算器３７を冷凍機７の外に配置する構成としたが、これら検出回路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ、Ａ／Ｄ変換器３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃおよび信号合算器３７も冷凍機７内に配置することとしてもよい。

また、本実施形態においては、いずれもＳＳＰＤからなる光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃを備えることとしたが、光検出器の数は複数であればこれに限定されるものではなく、また、複数の光検出器の内、いずれかがＳＳＰＤまたはガイガーモードＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）であればよい。

例えば、ＳＳＰＤやガイガーモードＡＰＤからなる光検出器とＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）からなる光検出器とを組み合わせることとしてもよい。ガイガーモードとは、ＡＰＤに印加する逆電圧を降伏電圧以上に設定して、光電流を増倍する倍率を非常に大きくし、光を検出するとその光の強度に関係なく一定強度の信号を出力する動作モードをいう。

また、少なくともいずれか一の光検出器が、複数のＳＳＰＤまたは複数のガイガーモードＡＰＤをアレイ状に配列してなるものであってもよい。
アレイ状に配された各ＳＳＰＤまたは各ガイガーモードＡＰＤにより単位時間当たりに検出することができるフォトン数はそれぞれ１フォトン程度であるとしても、１つの光検出器において、複数のＳＳＰＤまたは複数のガイガーモードＡＰＤによってフォトンを検出することにより、標本Ｓからの蛍光を検出可能な光強度入射範囲を広げることができる。これにより、画像化した際の輝度の飽和レベルの向上を図ることができる。

また、本実施形態においては、例えば、図４に示すように、信号合算器３７が、光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃごとに入射光量に対して信号強度が線形に変化する線形応答領域の下限値および上限値を記憶する記憶部を備え、記憶部に記憶されている光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃごとの線形応答領域の下限値および上限値に基づいて、各検出信号から線形応答領域内の値のみを抜き出して合算することとしてもよい。
このようにすることで、リニアリティの広い画像信号を生成することができる。

また、本実施形態においては、２枚の部分反射ミラー４６Ａ，４６Ｂにより、単一の検出光路を３つのチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に分岐する例を示したが、単一の検出光路を２以上の任意のチャネルに分岐することとすればよい。例えば、図５に示すように、光路分岐部４５が１枚の部分反射ミラー４６を備え、単一の検出光路を２つのチャネルＣ１，Ｃ２に分岐することとしてもよい。この場合、部分反射ミラー４６の反射率で分岐比を変えることとすればよい。図５に示す例は、強度比１の蛍光をそれぞれ強度比０．５ずつに分岐している。

本実施形態は以下のように変形することができる。
第１変形例としては、例えば、図６に示すように、光路分岐部４５が、部分反射ミラー４６に代えて、蛍光を偏光成分に応じて分岐する偏光ビームスプリッタ（偏光素子）５１を備えることとしてもよい。

このようにすることで、無偏光の蛍光（Ｕｎｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ）をＳ偏光（Ｓ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ）の蛍光のチャネルＣ１とＰ偏光（Ｐ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ）の蛍光のチャネルＣ２とに略同等の割合で分岐することができる。この場合も本実施形態と同様の効果が得られる。

第２変形例としては、例えば、図７に示すように、光路分岐部４５が、部分反射ミラー４６に代えて、単一の検出光路の蛍光を波長に応じて分岐するリニアバリアブルフィルタ等の分光素子５３を備えることとしてもよい。
このようにすることで、単一の検出光路の蛍光を複数のチャネルＣ１，Ｃ２へ分光素子５３の波長特性に応じた分岐比で分岐させることができる。

リニアバリアブルフィルタは、蛍光が入射する位置に応じて反射する波長が異なるので、検出する蛍光の波長に応じて分光素子５３を動かし、反射によって分岐する波長を変更することとすればよい。この場合も本実施形態と同様の効果が得られる。

第３変形例としては、例えば、図８に示すように、光ファイバ３１を備えず、光路分岐部４５が、部分反射ミラー４６に代えて、入射端が１つで射出端が複数に分岐されたファイバカプラ（スターカプラ）５５を備えることとしてもよい。図８においては、符号４７は集光レンズを示している。

ファイバカプラ５５は、複数本の光ファイバを加熱溶融、融着延伸して形成され、単一の入射端５４と、２つの射出端５６Ａ，５６Ｂとを有している。
本変形例によれば、ファイバカプラ５５の特性により蛍光の分岐比を調整することができる。また、ファイバカプラ５５を構成する光ファイバに光減衰器を取り付けることによっても蛍光の分岐比が調整可能となる。また、ミラー等によって光路を分岐する場合と比較して、ファイバカプラ５５を構成する光ファイバの特性により、簡素な構成で設置のフレキシビリティを向上することができる。

本変形例においては、例えば、図９に示すように、光路分岐部４５が、多重染色した標本Ｓからの単一の検出光路の蛍光を波長ごとに２つの光路に分岐するダイクロイックミラー５７と、ダイクロイックミラー５７により波長に応じて２つの光路に分岐された蛍光をそれぞれさらに２つの光路に分岐する２つのファイバカプラ５５，５９を採用することとしてもよい。

このようにすることで、簡素な構成で、単一の検出光路の蛍光を４つのチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に分岐することができ、ファイバカプラ５５，５９の特性等によりその分岐比も調整することができる。図中、符号５８はファイバカプラ５９の入射端を示し、符号６０Ａ，６０Ｂはファイバカプラ５９の射出端を示している。

第４変形例としては、例えば、図１０に示すように、光路分岐部４５が、部分反射ミラー４６に代えて、複数の光ファイバ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃを束ねたバンドルファイバ６３を備えることとしてもよい。図中、符号６２はバンドルファイバ６３の入射端を示し、符号６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃはバンドルファイバ６３の複数の射出端を示している。

このようにすることで、バンドルファイバ６３により、単一の検出光路の蛍光を複数のチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３へ空間的に分岐させることができる。本変形例では、バンドルファイバ６３を構成する複数の光ファイバの内の光ファイバ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃと、複数の光検出器の内の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃとを例示して説明する。

本変形例においては、例えば、バンドルファイバ６３を構成する複数本の光ファイバ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃを１本ずつ異なる光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃに対応付けて、単一の検出光路の蛍光を光ファイバ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃの数だけ複数のチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に分岐することとしてもよい。

また、本変形例においては、信号合算器３７が、バンドルファイバ６３に入射する蛍光の光量とバンドルファイバ６３内での各光ファイバ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃの配置との関係に基づいて、合算する検出信号を選択する信号選択部としての機能を有することとしてもよい。

この場合、例えば、所定の閾値以上の高光量の蛍光については、各チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃの検出信号を全て合算して単一の画像信号を生成し、所定の閾値よりも少ない低光量入射の場合は、バンドルファイバ６３の径方向の中心に配されている光ファイバ６１Ａが割り当てられた一の光検出器２９Ａからの検出信号だけを選択して単一の画像信号を生成することとしてもよい。

低光量入射の場合は、図１０に示すように、バンドルファイバ６３に入射する蛍光の強度ピークが光束の中心部にあり、バンドルファイバ６３の径方向の周辺部に配された光ファイバ６１Ｂ，６１Ｃ等には蛍光が殆ど入射しないことがある。この場合は、周辺部の光ファイバ６１Ｂ，６１Ｃ等が割り当てられた光検出器２９Ｂ，２９Ｃ等の検出信号は合算に不要となるので、中心の光ファイバ６１Ａが割り当てられた光検出器２９Ａの検出信号のみを使い、合算する検出信号の数を減らすことで、合算することによる光検出器２９Ｂ，２９Ｃのノイズ加算を無くすことができる。

また、本変形例においては、バンドルファイバ６３の径方向の中心に配されている光ファイバ６１Ａを一の光検出器２９Ａに割り当て、周辺部に配されている複数の光ファイバ６１Ｂ，６１Ｃを１つに束ねて、他の一の光検出器２９Ｂに割り当てることとしてもよい。

また、本変形例においては、例えば、低光量入射の場合は、バンドルファイバ６３の径方向の中心に配されている光ファイバ６１Ａが割り当てられた光検出器２９Ａのみで蛍光を検出し、その光検出器２９Ａの検出光量と全ての光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃの検出効率とから蛍光の総量を算出することとしてもよい。一方、高光量入射の場合は、バンドルファイバ６３の径方向の周辺部に配されている複数の光ファイバ６１Ｂ，６１Ｃが割り当てられた光検出器２９Ｂ，２９Ｃのみで蛍光を検出し、それら複数の光検出器２９Ｂ，２９Ｃの検出光量と全ての光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃの検出効率とから蛍光の総量を算出することとしてもよい。
このようにすることで、検出信号の信号強度を上げて、よりＳ／Ｎ比の高い画像信号を生成することができる。

また、本変形例においては、例えば、図１１に示すように、光路分岐部４５が、さらに、バンドルファイバ６３に入射する蛍光の光束径を変更する光束径変更部６５を備えることとしてもよい。光束径変更部６５としては、例えば、バンドパスフィルタ４３と集光レンズ４７との間において、前方に配置される固定レンズ６７と、その後方に配置される可動レンズ６９と、可動レンズ６９を光軸に沿う方向に移動させる移動機構（図示略）とにより構成され、移動機構による可動レンズ６９の移動によって蛍光の光束径を変更するものとしてもよい。

この場合、例えば、高光量入射時は、光束径変更部６５により、バンドルファイバ６３に入射する蛍光の光束径を大きくして、バンドルファイバ６３の径方向の周辺部まで蛍光を広げることとすればよい。このようにすることで、バンドルファイバ６３を構成する全ての光ファイバ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに蛍光を入射させて、光分岐数を多くし、画像飽和レベルを向上することができる。

一方、低光量入射時は、光束径変更部６５により、バンドルファイバ６３に入射させる蛍光の光束径を小さくして、バンドルファイバ６３の径方向の中心部に蛍光を集めることとすればよい。このようにすることで、バンドルファイバ６３の径方向の中心に配されている光ファイバ６１Ａにのみ蛍光を入射させて周辺の余分な光ファイバ６１Ｂ，６１Ｃを使わないようにし、光検出器２９Ｂ，２９Ｃによるノイズ加算を無くすことができる。

光束径変更部６５による蛍光の光束径の調整手順としては、例えば、各チャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃが飽和レベルに達せず、かつ、全てのチャネルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の光検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃの検出信号を合算した値が１番大きくなるように可動レンズ６９の位置を調整し、その後、合算した検出信号の値が下がらない程度に可動レンズ６９の位置をずらしながら、バンドルファイバ６３の径方向の周辺部に配されている光ファイバ６１Ｂ、６１Ｃから順に蛍光の入射を遮断していくようにすればよい。
このようにすることで、よりＳ／Ｎ比の高い画像信号を生成することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る光検出装置およびレーザ顕微鏡システムについて説明する。
本実施形態に係る光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１は、信号合算器３７が、チャネルごとの蛍光の分岐比を各検出信号の係数として用いる点で第１実施形態と異なる。
以下、第１実施形態に係る光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光検出装置５は、例えば、図５と同様に、光路分岐部として、１枚の部分反射ミラー４６を備える光路分岐部４５を採用することができる。本実施形態においては、部分反射ミラー４６は、例えば、単一の検出光路の蛍光をチャネルＣ１へ分岐比０．９で反射し、チャネルＣ２へ分岐比０．１で透過させる反射特性を有することとする。

また、本実施形態に係る信号合算器３７は、チャネルごとの蛍光の分岐比を記憶する記憶部（図示略）を備え、下記式（２）のように、記憶部に記憶されている分岐比を対応する検出信号に乗算した上で、各検出信号を合算して画像信号を生成するようになっている。
画像信号＝（１／チャネルＣ１の分岐比０．９）×チャネルＣ１の光検出器２９Ａの検出信号＋（１／チャネルＣ２の分岐比０．１）×チャネルＣ２の光検出器２９Ｂの検出信号・・・（２）

本実施形態に係る光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１によれば、２以上の検出信号を単純に合算する場合と比較して、Ｓ／Ｎ比を確保しつつ、より飽和レベルの高い画像信号を生成することができる。標本Ｓなどの明るい領域とバックグラウンドなどの暗い領域とが混在する場合に有効となる。

本実施形態においては、例えば、信号合算器３７が、所定の閾値の範囲内の光量の蛍光に対しては、分岐比を乗算して検出信号を合算する一方、所定の閾値よりも低い低輝度入射の場合は、分岐比が大きいチャネルＣ１の光検出器２９Ａから出力される検出信号のみを用いて画像信号を生成し、所定の閾値よりも高い高輝度入射の場合は、分岐比が小さいチャネルＣ２の光検出器２９Ｂから出力される検出信号のみを用いて画像信号を生成することとしてもよい。このようにすることで、低輝度入射の場合は飽和レベルの高い画像信号を生成し、高輝度入射の場合はＳ／Ｎ比の高い画像信号を生成することが可能となる。

本実施形態は以下のように変形することができる。
第１変形例としては、信号合算器３７が、例えば、分岐比の他に、光検出器２９Ａ，２９Ｂの感度および／または検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインを係数に加えることとしてもよい。

光検出器２９Ａ，２９Ｂの感度は、個々の検出効率の相違により分岐比の相違と似た効果が得られる。また、検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインは、光検出器２９Ａ，２９Ｂの感度と分岐比に対応したゲイン設定にすることで、各チャネルＣ１，Ｃ２の検出信号の強度を同レベルに揃えて、各チャネルＣ１，Ｃ２の検出信号を基に画像を構築する機構の設計共通化を容易にすることができる。光検出器２９Ａ，２９Ｂの感度は、光検出器２９Ａ，２９Ｂ自体の感度特性により求めることとしてもよいし、光検出器２９Ａ，２９Ｂにバイアス電流を供給する電流供給部の電流値により求めることとしてもよい。

この場合、信号合算器３７は、例えば、下記式（３）のように、分岐比、光検出器２９Ａ，２９Ｂの感度および検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインを係数として検出信号に乗算した上で、各検出信号を合算して単一の画像信号を生成することとすればよい。

画像信号＝｛１／（チャネルＣ１の分岐比×チャネルＣ１の光検出器２９Ａの検出効率×チャネルＣ１の検出回路３３Ａのアンプゲイン｝×チャネルＣ１の光検出器２９Ａの検出信号＋｛１／（チャネルＣ２の分岐比×チャネルＣ２の光検出器２９Ｂの検出効率×チャネルＣ２の検出回路３３Ｂのアンプゲイン｝×チャネル２の光検出器２９Ｂの検出信号・・・（３）

このようにすることで、光検出器２９Ａ，２９Ｂの感度および検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインの相違により、検出信号に分岐比のみを乗算した場合と比較して、より飽和レベルの高い画像信号を生成することができる。検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインを係数に加えない場合は、上記式（３）から、チャネルＣ１，Ｃ２の検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインをそれぞれ除けばよい。

本変形例においては、複数の光検出器２９Ａ，２９Ｂは、同種のものを使用することとしてもよい。このようにすることで、全てのチャネルＣ１，Ｃ２でノイズ性能を同レベルに揃えることができる。例えば、ＳＳＰＤのような低ノイズの光検出器２９Ａ，２９Ｂに統一すれば、合算した画像信号も低ノイズにすることができる。

また、複数の光検出器２９Ａ，２９Ｂは、互いに異種のものを使用することとしてもよい。分岐比が大きいチャネルＣ１にはＳＳＰＤのような高感度検出器を使用し、分岐比が小さいチャネルＣ２にはＰＭＴのような低感度検出器を使用すれば、微弱光域から高強度域までの情報をより広く捉えた画像信号を生成することができる。また、低感度検出器としては、ＰＭＴ以外の種類も豊富に存在するため、飽和レベルの向上を図り易い。

第２変形例としては、信号合算器３７が、いずれかの光検出器２９Ａの検出信号が輝度飽和値よりも輝度が高い場合に、輝度飽和値よりも高い輝度値を他の光検出器２９Ｂの検出信号に基づいて推定し、推定した輝度値を輝度飽和値に置き換えて合算に用いることとしてもよい。

この場合、下記式（４）の関係式により、チャネルＣ１内の飽和輝度ピクセルの真の検出信号を算出することとすればよい。
チャネルＣ１内の飽和輝度ピクセルの真の検出信号＝（チャネルＣ１の分岐比×チャネルＣ１の光検出器２９Ａの検出効率×チャネルＣ１の検出回路３３Ａのアンプゲイン）×チャネルＣ２の検出信号／（チャネルＣ２の分岐比×チャネルＣ２の光検出器２９Ｂの検出効率×チャネルＣ２の検出回路３３Ｂのアンプゲイン）・・・（４）

このようにすることで、微弱光域の情報の明瞭な画像信号を生成することができる。本変形例においても、検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインを係数に加えない場合は、上記式（４）から、チャネルＣ１，Ｃ２の検出回路３３Ａ，３３Ｂのアンプゲインをそれぞれ除けばよい。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る光検出装置およびレーザ顕微鏡システムについて説明する。
本実施形態に係る光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１は、例えば、図１２に示すように、光路分岐部４５が、部分反射ミラー４６に代えて、蛍光を反射する全反射ミラー（反射ミラー）７１と、全反射ミラー７１を検出光路において挿脱する挿脱機構（図示略）とを備える点で第１実施形態と異なる。
以下、第１実施形態に係る光検出装置５およびレーザ顕微鏡システム１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、光路分岐部４５は、挿脱機構により、検出光路に全反射ミラー７１を挿入することによって蛍光をチャネルＣ１に反射し、検出光路から全反射ミラー７１を脱離させることによって蛍光をチャネルＣ２へ通過させるようになっている。これにより、単一の検出光路の蛍光を複数のチャネルＣ１，Ｃ２に時間的に分岐させることができる。

本実施形態においては、チャネルＣ１，Ｃ２の光検出器２９Ａ，２９Ｂとして、互いに異なる検出感度を有するものを採用する。例えば、検出感度が高いチャネルＣ１の光検出器２９Ａで蛍光を検出しても検出信号が飽和しない場合は、チャネルＣ１の光検出器２９Ａを使用し、チャネルＣ１の光検出器２９Ａで蛍光を検出すると検出信号が飽和する場合は、検出感度が低いチャネルＣ２の光検出器２９Ｂを使用することとすればよい。

例えば、光検出器２９ＡとしてＳＳＰＤを採用し、光検出器２９ＢとしてＰＭＴを採用した場合は、ＳＳＰＤからなる光検出器２９Ａにより微弱光域は高精細だが飽和レベルが低いために白飛びしている画像を取得でき、ＰＭＴからなる光検出器２９Ｂにより高強度域は高精細だが検出感度が低いために微弱光域を検出できない画像を取得できる。

この場合は、同波長域・同条件で、光路分岐部４５により、ＳＳＰＤからなる光検出器２９ＡとＰＭＴからなる光検出器２９Ｂとを切り替えて蛍光を検出し、信号合算器３７によりそれぞれの検出信号を合算することで、リニアリティの広い画像信号を生成することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。

１ レーザ顕微鏡システム
５ 光検出装置
７ 冷凍機
２９，２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ 光検出器
３７ 信号合算器（信号生成部）
４５ 光路分岐部
４６，４６Ａ，４６Ｂ 部分反射ミラー
５１ 偏光ビームスプリッタ（偏光素子）
５３ 分光素子
５５ ファイバカプラ
６３ バンドルファイバ
６５ 光束径変更部
７１ 全反射ミラー（反射ミラー）
Ｓ 標本

Claims (15)

1. 標本からの観察光の単一の検出光路を複数の分岐光路に分岐する光路分岐部と、
   該光路分岐部により分岐された前記分岐光路ごとに設けられ、前記観察光を検出するＳＳＰＤまたはガイガーモードＡＰＤを含む複数の光検出器と、
   これら複数の光検出器から出力される各検出信号に基づいて単一の画像信号を生成する信号生成部とを備える光検出装置。
2. 少なくともいずれか一の前記光検出器が、複数の前記ＳＳＰＤまたは複数の前記ガイガーモードＡＰＤをアレイ状に配列してなる請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記光路分岐部が、前記観察光の一部を透過し残りを反射する部分反射ミラーを備える請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記光路分岐部が、前記観察光を偏光成分に応じて分岐する偏光素子を備える請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
5. 前記光路分岐部が、前記観察光を波長に応じて分岐する分光素子を備える請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
6. 前記光路分岐部が、入射端が１つで射出端が複数に分岐されたファイバカプラを備える請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
7. 前記光路分岐部が、複数の光ファイバを束ねたバンドルファイバを備える請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
8. 前記バンドルファイバに入射する前記観察光の光量と前記バンドルファイバ内での各前記光ファイバの配置との関係に基づいて、前記信号生成部により前記画像信号を生成する前記検出信号を選択する信号選択部を備える請求項７に記載の光検出装置。
9. 前記バンドルファイバに入射する前記観察光の光束径を変更する光束径変更部を備える請求項７または請求項８に記載の光検出装置。
10. 前記信号生成部が、２以上の前記検出信号を合算して前記画像信号を生成する請求項１から請求項９のいずれかに記載の光検出装置。
11. 前記分岐光路ごとの前記観察光の分岐比を記憶する記憶部を備え、
    前記信号生成部が、前記記憶部に記憶されている前記分岐比を対応する各前記検出信号に乗算してから各前記検出信号を合算する請求項１０に記載の光検出装置。
12. 前記光検出器ごとに入射光量に対して信号強度が線形に変化する線形応答領域の下限値および上限値を記憶する記憶部を備え、
    前記信号生成部が、前記記憶部に記憶されている前記光検出器ごとの前記線形応答領域の下限値および上限値に基づいて、各前記検出信号から前記線形応答領域内の値のみを抜き出して合算する請求項１０に記載の光検出装置。
13. 前記信号生成部が、いずれかの前記光検出器の前記検出信号が輝度飽和値よりも輝度が高い場合に、該輝度飽和値よりも高い輝度値を他の前記光検出器の前記検出信号に基づいて推定し、推定した輝度値を前記輝度飽和値に置き換えて合算に用いる請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の光検出装置。
14. 前記光路分岐部が、前記観察光を反射する反射ミラーと、該反射ミラーを前記検出光路において挿脱する挿脱機構とを備える請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
15. レーザ光源から射出されたレーザ光を前記標本において走査させる光走査部と、
    該光走査部により前記レーザ光が走査された結果、前記標本から戻る前記観察光を検出する請求項１から請求項１４のいずれかに記載の光検出装置と、
    該光検出装置の前記ＳＳＰＤまたは前記ガイガーモードＡＰＤからなる前記光検出器を冷却する冷凍機とを備えるレーザ顕微鏡システム。
    

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