JP2018197881A - Induced radiation suppression microscope device - Google Patents

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Abstract

To provide an STED microscope device that can increase the convenience of a user in terms of a resolution and a required time.SOLUTION: An STED microscope device 1A includes: an STED light source 11 generating an STED light LS; an excitation light source 12 generating an excitation light LE; an optical system 15A for emitting a phase-modulated SLM13 presenting a phase pattern for forming an STED light LSinto a ring shape by phase modulation, and for emitting an excitation light LEand a phase modulated STED light LSto an observation target region; a detector 16 for detecting fluorescence PL generated from the observation target region; and a controller 17a for controlling the phase pattern. Changing the phase pattern by the controller 17a enables the inner diameter of the ring of the STED light LSafter phase modulation to be changed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、誘導放射抑制顕微鏡装置に関するものである。   The present invention relates to a stimulated radiation suppression microscope apparatus.

非特許文献1には、誘導放射抑制(Stimulated Emission Depletion;STED)顕微鏡に関する技術が記載されている。この文献に記載されたSTED顕微鏡では、位相変調型の空間光変調器を用いて環状のSTEDビームを生成している。   Non-Patent Document 1 describes a technique related to a stimulated emission suppression (STED) microscope. In the STED microscope described in this document, an annular STED beam is generated using a phase modulation type spatial light modulator.

特開2013−92687号公報JP2013-92687A

Travis J. Gould et al., “Adaptive optics enables 3D STED microscopy in aberrating specimens”, OPTICS EXPRESS, Vol.20, No. 19, pp.20998-21009, 2012Travis J. Gould et al., “Adaptive optics enables 3D STED microscopy in aberrating specimens”, OPTICS EXPRESS, Vol.20, No. 19, pp.20998-21009, 2012

現在、光学的な回折限界以下の解像度により画像を取得する、いわゆる超解像顕微鏡が開発されている。この超解像顕微鏡に用いられる超解像技術として様々な手法が提案されているが、その一つにSTED顕微鏡が挙げられる。STED顕微鏡は、観察用励起光(以下、励起ビームと称する)としてのレーザ光と、誘導放出用の短パルスレーザ光(以下、STEDビームと称する)とを観察対象物にほぼ同時に照射することによって、観察対象物からの蛍光を局所的に発生させることを可能にしている。   Currently, so-called super-resolution microscopes have been developed that acquire images with a resolution below the optical diffraction limit. Various techniques have been proposed as a super-resolution technique used in the super-resolution microscope, and one of them is a STED microscope. The STED microscope irradiates an observation object almost simultaneously with laser light as observation excitation light (hereinafter referred to as an excitation beam) and short-pulse laser light for stimulated emission (hereinafter referred to as a STED beam). It is possible to locally generate fluorescence from the observation object.

STED顕微鏡の原理を以下に示す。図18(a)及び図18(b)は、蛍光の発生原理を示す図である。図18(a)に示されるように、励起波長を有する励起光LEが観察対象物に照射されると、基底状態から励起状態に電子が励起される(図中の矢印A1)。その後、数マイクロ秒の間に励起状態から基底状態へ電子が遷移し(図中の矢印A2)、このとき、基底状態と励起状態との間のエネルギー差に相当する波長の蛍光PLが発生する。   The principle of the STED microscope is shown below. FIG. 18A and FIG. 18B are diagrams showing the principle of fluorescence generation. As shown in FIG. 18A, when the observation object is irradiated with excitation light LE having an excitation wavelength, electrons are excited from the ground state to the excited state (arrow A1 in the figure). Thereafter, electrons transit from the excited state to the ground state within a few microseconds (arrow A2 in the figure), and at this time, fluorescence PL having a wavelength corresponding to the energy difference between the ground state and the excited state is generated. .

一方、図18(b)に示されるSTED光LSは、上述した励起光LEが照射されてから所定の時間差をもって、観察対象物に照射される。励起光LEにより励起状態とされていた電子は、STED光LSにより誘発され、基底状態に遷移する(図中の矢印A3)。このとき、STED光LSの波長に相当するエネルギーだけ遷移するので、発生する光LAの波長は、STED光LSの波長と等しくなる。このような作用により、励起光LEが照射された後にSTED光LSが照射された領域では、蛍光PLとは波長が異なる光LAが蛍光PLに代えて発生することとなる。また、上記所定の時間差をナノオーダーとすることによって、蛍光PLの発生タイミングと光LAの発生タイミングとの間に時間差を与えることができる。   On the other hand, the STED light LS shown in FIG. 18B is irradiated to the observation object with a predetermined time difference after the above-described excitation light LE is irradiated. The electrons that have been excited by the excitation light LE are induced by the STED light LS and transition to the ground state (arrow A3 in the figure). At this time, since the energy corresponding to the wavelength of the STED light LS transits, the wavelength of the generated light LA becomes equal to the wavelength of the STED light LS. By such an action, in the region irradiated with the STED light LS after being irradiated with the excitation light LE, light LA having a wavelength different from that of the fluorescent PL is generated instead of the fluorescent PL. Further, by setting the predetermined time difference to the nano order, a time difference can be given between the generation timing of the fluorescence PL and the generation timing of the light LA.

図19は、(a)励起光LE、(b)STED光LS、及び(c)蛍光PLそれぞれの形状の一例を示す図である。STED顕微鏡では、図19(a)に示されるように、或る観察対象領域に先ず円形状の励起光LEが照射される。その後、図19(b)に示されるように、その円形状の領域に重ねて円環形状のSTED光LSが照射される。これにより、円環形状の領域では蛍光PLの発生が抑制されるので、図19(c)に示されるように、該円環形状の中心付近(該円環形状に囲まれた領域)といった極めて小さな領域のみから蛍光PLを発生させることができ、回折限界以下の解像度による画像取得が可能となる。   FIG. 19 is a diagram illustrating an example of the shapes of (a) excitation light LE, (b) STED light LS, and (c) fluorescence PL. In the STED microscope, as shown in FIG. 19A, first, a circular excitation light LE is irradiated onto a certain observation target region. Thereafter, as shown in FIG. 19B, an annular STED light LS is irradiated on the circular region. As a result, the generation of the fluorescence PL is suppressed in the annular region, and as shown in FIG. 19 (c), the region near the center of the annular shape (region surrounded by the annular shape) Fluorescence PL can be generated only from a small area, and an image can be acquired with a resolution below the diffraction limit.

上述したSTED顕微鏡において、解像度は、図19(c)に示される蛍光PLの直径Dによって定まる。解像度を向上させるためには、直径Dを小さくすれば良いが、そうすると観察対象領域の全体を走査(スキャン)する為に必要な時間が長くなってしまう。また、観察対象領域の全体を走査(スキャン)する為に必要な時間を短くするために直径Dを大きくすると、解像度が低下してしまう。このため、従来のSTED顕微鏡では、解像度の向上と、所要時間の短縮とのうち何れか一方しか実現することしかできず、利便性を欠くという問題がある。 In the above-described STED microscope, the resolution is determined by the diameter D 2 of fluorescent PL shown in FIG. 19 (c). To improve the resolution, but may be smaller in diameter D 2, Then becomes longer the time required for the entire observation area to scan (scan). Further, when larger the diameter D 2 in order to reduce the time required to scan the entire observation area (scan), the resolution is lowered. For this reason, in the conventional STED microscope, there is a problem that only one of the improvement of the resolution and the reduction of the required time can be realized, and the convenience is lacking.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、解像度及び所要時間に関して使用者の利便性を向上することができるSTED顕微鏡装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a STED microscope apparatus that can improve user convenience with respect to resolution and time required.

上述した課題を解決するために、本発明によるSTED顕微鏡装置は、STED光を発生するSTED光源と、励起光を発生する励起光源と、位相変調によりSTED光を円環状に成形するための第1の位相パターンが呈示される位相変調型の第1の空間光変調器と、観察対象領域に励起光及び位相変調後のSTED光を照射するための光学系と、観察対象領域から発生する蛍光を検出する検出器と、第1の位相パターンを制御する制御部と、を備え、制御部が第1の位相パターンを変更することによって、位相変調後のSTED光の円環の内径が変更可能とされていることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a STED microscope apparatus according to the present invention includes a STED light source that generates STED light, an excitation light source that generates excitation light, and a first STED light that is shaped into an annular shape by phase modulation. A phase modulation type first spatial light modulator in which a phase pattern of the above is presented, an optical system for irradiating the observation target region with excitation light and STED light after phase modulation, and fluorescence generated from the observation target region A detector for detecting and a control unit for controlling the first phase pattern, and the control unit changes the first phase pattern, whereby the inner diameter of the ring of the STED light after phase modulation can be changed. It is characterized by being.

上記のSTED顕微鏡装置では、STED光源から出力されたSTED光が、第1の空間光変調器での位相変調により円環状に成形される。この円環状のSTED光は、観察対象領域に励起光が照射された後、該観察対象領域に照射される。これにより、円環状の領域では蛍光の発生が抑制され、円環状のSTED光に囲まれた領域のみから蛍光が発生する。従って、上記のSTED顕微鏡装置によれば、回折限界以下の解像度による画像取得が可能となる。   In the above STED microscope apparatus, the STED light output from the STED light source is formed into an annular shape by phase modulation in the first spatial light modulator. The annular STED light is irradiated to the observation target region after the excitation light is irradiated to the observation target region. Thereby, the generation of fluorescence is suppressed in the annular region, and the fluorescence is generated only from the region surrounded by the annular STED light. Therefore, according to the STED microscope apparatus, it is possible to acquire an image with a resolution below the diffraction limit.

また、上記のSTED顕微鏡装置では、制御部が位相パターンを変更することによって、位相変調後のSTED光の円環の内径が変更可能とされている。これにより、解像度の向上が必要なときには円環の内径を小さくし、観察対象領域の全体を走査(スキャン)する為に必要な時間を短くしたいときには円環の内径を大きくすることができる。このように、上記のSTED顕微鏡装置によれば、解像度及び所要時間に関し、使用者の利便性を向上することができる。   In the above STED microscope apparatus, the inner diameter of the ring of the STED light after phase modulation can be changed by changing the phase pattern by the control unit. Accordingly, the inner diameter of the ring can be reduced when the resolution needs to be improved, and the inner diameter of the ring can be increased when it is desired to shorten the time required for scanning the entire observation target region. As described above, according to the STED microscope apparatus, the convenience of the user can be improved with respect to the resolution and the required time.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、位相変調により励起光を円形状に成形するための第2の位相パターンが呈示される第2の空間光変調器を更に備え、制御部が、第2の位相パターンを更に制御することを特徴としてもよい。これにより、励起光の形状を任意に制御することができる。   The STED microscope apparatus further includes a second spatial light modulator that presents a second phase pattern for shaping the excitation light into a circular shape by phase modulation, and the control unit includes the second phase light modulator. The pattern may be further controlled. Thereby, the shape of excitation light can be arbitrarily controlled.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、制御部が、STED光を分割して複数の領域に照射するためのパターンを第1の位相パターンに重畳させるとともに、励起光を分割して複数の領域に照射するためのパターンを第2の位相パターンに重畳させることを特徴としてもよい。これにより、複数の領域について同時に観察することが可能となり、所要時間を更に短縮することができる。   In the STED microscope apparatus, the control unit divides the STED light and irradiates the plurality of regions with the pattern superimposed on the first phase pattern, and divides the excitation light and irradiates the plurality of regions. It is good also as the pattern for making it overlap on a 2nd phase pattern. Thereby, it is possible to observe a plurality of regions at the same time, and the required time can be further shortened.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、検出器が二次元検出器であることを特徴としてもよい。また、その場合、STED顕微鏡装置は、蛍光を二次元検出器の受光面上において走査させる光スキャナを更に備え、励起光及び誘導放射抑制光の照射時間間隔は、走査方向における受光面の画素の幅及び光スキャナの走査速度に応じて、各画素が蛍光を複数回受光しないように設定されていることを特徴としてもよい。これにより、解像度を向上させることができる。   In the above STED microscope apparatus, the detector may be a two-dimensional detector. In this case, the STED microscope apparatus further includes an optical scanner that scans the fluorescence on the light receiving surface of the two-dimensional detector, and the irradiation time intervals of the excitation light and the stimulated emission suppression light are determined by the pixels on the light receiving surface in the scanning direction. Depending on the width and the scanning speed of the optical scanner, each pixel may be set not to receive fluorescence multiple times. Thereby, the resolution can be improved.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、第1の位相パターンが、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜2π×n(rad)(nは1以上の整数)まで位相が増加するパターンを含み、制御部が整数nを変更することによって、円環の内径を変更可能とされていることを特徴としてもよい。例えばこのような第1の位相パターンによって、位相変調後のSTED光の円環の内径を好適に変更することができる。   In the STED microscope apparatus, the first phase pattern is a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to 2π × n (rad) (n is an integer equal to or greater than 1) in a spiral shape around a certain point. , And the control unit may change the inner diameter of the annular ring by changing the integer n. For example, the inner diameter of the ring of the STED light after phase modulation can be suitably changed by such a first phase pattern.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、第1の位相パターンが、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜2π(rad)までの位相の増加をn回(nは1以上の整数)繰り返すパターンを含み、制御部が整数nを変更することによって、円環の内径を変更可能とされていることを特徴としてもよい。例えばこのような第1の位相パターンによって、位相変調後のSTED光の円環の内径を好適に変更することができる。   In the STED microscope apparatus described above, the first phase pattern spirally increases in phase from 0 (rad) to 2π (rad) around a certain point (n is an integer of 1 or more). It may be characterized in that the inner diameter of the annulus can be changed by changing the integer n, including a repeating pattern. For example, the inner diameter of the ring of the STED light after phase modulation can be suitably changed by such a first phase pattern.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、制御部が、誘導放射抑制光の円環の複数の内径にそれぞれ対応する複数のパターンを記憶する記憶部を有し、複数のパターンの中から選択されたパターンを第1の位相パターンに含めることを特徴としてもよい。これにより、所望の解像度や所要時間に応じて使用者が第1の位相パターンを容易に変更することができる。   In the STED microscope apparatus, the control unit has a storage unit that stores a plurality of patterns respectively corresponding to a plurality of inner diameters of the ring of the induced radiation suppression light, and the pattern selected from the plurality of patterns May be included in the first phase pattern. As a result, the user can easily change the first phase pattern according to the desired resolution and required time.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、円環の内径の所望値を入力する入力部を更に備え、第1の位相パターンは、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜m(rad)(mは2π以上の実数)まで位相が増加するパターンを含み、制御部が、入力部から入力された円環の内径の所望値に基づいて実数mを設定することを特徴としてもよい。例えばこのような第1の位相パターンによって、位相変調後のSTED光の円環の内径を好適に変更することができる。   The STED microscope apparatus further includes an input unit for inputting a desired value of the inner diameter of the annular ring, and the first phase pattern spirals around a certain point from 0 (rad) to m (rad). It may include a pattern in which the phase increases to (m is a real number of 2π or more), and the control unit sets the real number m based on a desired value of the inner diameter of the circular ring input from the input unit. For example, the inner diameter of the ring of the STED light after phase modulation can be suitably changed by such a first phase pattern.

本発明によるSTED顕微鏡装置によれば、解像度及び所要時間に関して使用者の利便性を向上することができる。   According to the STED microscope apparatus of the present invention, it is possible to improve the convenience of the user with respect to the resolution and the required time.

本発明の第1実施形態に係るSTED顕微鏡装置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 STED microscope apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. (a)SLMに入力されるSTED光の光軸に垂直な断面形状を示す図である。(b)SLMから出力されるSTED光の光軸に垂直な断面形状を示す図である。(A) It is a figure which shows the cross-sectional shape perpendicular | vertical to the optical axis of the STED light input into SLM. (B) It is a figure which shows the cross-sectional shape perpendicular | vertical to the optical axis of STED light output from SLM. (a)〜(d)SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンに含まれる、STED光を円環形状に成形するためのパターンを概念的に示す図である。(A)-(d) It is a figure which shows notionally the pattern for shape | molding STED light in the ring shape contained in the phase pattern for STED light shaping | molding shown by SLM13. (a)〜(d)図3に示されるパターンの各画素における位相値を色の濃淡により表した図である。(A)-(d) It is the figure which represented the phase value in each pixel of the pattern shown by FIG. 3 with the shading of the color. (a)〜(d)図3に示されるパターンそれぞれがSLMに呈示されることにより得られるSTED光の形状を示す図である。(A)-(d) It is a figure which shows the shape of the STED light obtained by each pattern shown by FIG. 3 being shown by SLM. STED顕微鏡装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of a STED microscope apparatus. このような制御部の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of such a control part. 制御部の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of a control part. 比較例としてのSTED顕微鏡装置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 STED microscope apparatus as a comparative example. SLMに呈示されるSTED光成形用位相パターンに含まれる、STED光を円環形状に成形するためのパターンを概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the pattern for shape | molding STED light in a ring shape contained in the phase pattern for STED light shaping | molding shown by SLM. (a),(b)SLMに呈示されるSTED光成形用位相パターンに含まれる、STED光を円環形状に成形するためのパターンを概念的に示す図である。(c)比較例としてのパターンを示す図である。(A), (b) It is a figure which shows notionally the pattern for shape | molding STED light in a ring shape contained in the phase pattern for STED light shaping | molding shown by SLM. (C) It is a figure which shows the pattern as a comparative example. (a)〜(c)m=2π、2π<m<4π、及びm=4πの場合におけるSTED光の円環形状を模式的に示す図である。(A)-(c) It is a figure which shows typically the annular | circular shape of STED light in the case of m = 2 (pi), 2 (pi) <m <4 (pi), and m = 4 (pi). (a)励起光が分割されることにより生成された複数の励起光を示す図である。(b)STED光が分割されることにより生成された複数のSTED光を示す図である。(c)複数の蛍光を示す図である。(A) It is a figure which shows the some excitation light produced | generated by dividing excitation light. (B) It is a figure which shows the several STED light produced | generated by dividing STED light. (C) It is a figure which shows several fluorescence. STED光を分割して複数のSTED光を生成するためのパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pattern for dividing | segmenting STED light and producing | generating several STED light. 第4変形例として、STED顕微鏡装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a STED microscope apparatus as a 4th modification. (a)第4変形例の二次元撮像装置の受光面において、蛍光の結像点が走査される様子を模式的に示す図である。(b)励起光及びSTED光の照射タイミングを示すグラフである。(A) It is a figure which shows typically a mode that the fluorescence image formation point is scanned in the light-receiving surface of the two-dimensional imaging device of a 4th modification. (B) It is a graph which shows the irradiation timing of excitation light and STED light. 第5変形例として、STED顕微鏡装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a STED microscope apparatus as a 5th modification. (a),(b)蛍光の発生原理を示す図である。(A), (b) It is a figure which shows the generation principle of fluorescence. (a)励起光、(b)STED光、及び(c)蛍光それぞれの形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of each shape of (a) excitation light, (b) STED light, and (c) fluorescence.

以下、添付図面を参照しながら本発明によるSTED顕微鏡装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of a STED microscope apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明の第1実施形態に係るSTED顕微鏡装置1Aの構成を示すブロック図である。STED顕微鏡装置1Aは、例えば細胞標本といった観察対象物Bの蛍光画像を得るための装置である。図1に示されるように、本実施形態のSTED顕微鏡装置1Aは、STED光源11、励起光源12、空間光変調器(Spatial Light Modulator;SLM)13及び14、光学系15A、検出器16、並びに演算制御装置17を備える。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a STED microscope apparatus 1A according to the first embodiment of the present invention. The STED microscope apparatus 1A is an apparatus for obtaining a fluorescence image of the observation object B such as a cell specimen. As shown in FIG. 1, the STED microscope apparatus 1A of the present embodiment includes a STED light source 11, an excitation light source 12, spatial light modulators (SLM) 13 and 14, an optical system 15A, a detector 16, and An arithmetic control device 17 is provided.

STED光源11は、STED光LSを発生する光源である。STED光源11は、例えば、レーザ光などの高いコヒーレント性を有する光を出力するパルス光源である。STED光源11としては、例えば、ランプ系光源、レーザーダイオードなどのレーザ光源、又はLED等が挙げられる。STED光LSの波長は、観察対象物Bにおいて発生する蛍光PLのピーク波長と重ならず、且つ該蛍光PLの波長帯域内に含まれる任意の波長である。なお、STED光源11はパルス光源でなくてもよく、例えば連続光(CW光)を出力する光源と、光シャッタ又はパルス変調用AOM(Acousto-Optic Modulator)との組合せにより構成されてもよい。 The STED light source 11 is a light source that generates the STED light LS 1 . The STED light source 11 is a pulse light source that outputs light having high coherency such as laser light. Examples of the STED light source 11 include a lamp light source, a laser light source such as a laser diode, or an LED. The wavelength of the STED light LS 1 is an arbitrary wavelength that does not overlap the peak wavelength of the fluorescent PL generated in the observation object B and is included in the wavelength band of the fluorescent PL. Note that the STED light source 11 may not be a pulse light source, and may be configured by, for example, a combination of a light source that outputs continuous light (CW light) and an optical shutter or pulse modulation AOM (Acousto-Optic Modulator).

励起光源12は、励起光LEを発生する光源である。励起光源12は、例えば、レーザ光などの高いコヒーレント性を有する光を出力するパルス光源である。励起光源12としては、例えば、レーザダイオードなどのレーザ光源、又はLED等が挙げられる。励起光LEの波長は、後述する観察対象物Bに含まれる蛍光物質の励起波長を含む波長である。なお、励起光源12はパルス光源でなくてもよく、例えば連続光(CW光)を出力する光源と、光シャッタ又はパルス変調用AOMとの組合せにより構成されてもよい。 The excitation light source 12 is a light source that generates excitation light LE 1 . The excitation light source 12 is a pulse light source that outputs light having high coherence such as laser light. Examples of the excitation light source 12 include a laser light source such as a laser diode, or an LED. The wavelength of the excitation light LE 1 is a wavelength that includes the excitation wavelength of the fluorescent substance contained in the observation object B described later. The excitation light source 12 may not be a pulsed light source, and may be configured by a combination of a light source that outputs continuous light (CW light) and an optical shutter or pulse modulation AOM, for example.

SLM13は、位相変調型SLMであり、二次元の変調面の各部において入力光の位相を変調し、位相変調後の光を出力する。SLM13は、本実施形態における第1の空間光変調器である。SLM13は、STED光源11からSTED光LSを受け、変調後のSTED光LSを出力する。SLM13は、数値計算により求められた位相パターン(キノフォーム)を変調面に呈示することによって、STED光LSの集光位置、集光強度、集光形状などの集光照射条件を制御する。 The SLM 13 is a phase modulation type SLM, which modulates the phase of the input light at each part of the two-dimensional modulation surface and outputs the light after phase modulation. The SLM 13 is a first spatial light modulator in the present embodiment. The SLM 13 receives the STED light LS 1 from the STED light source 11 and outputs the modulated STED light LS 2 . The SLM 13 controls the condensing irradiation conditions such as the condensing position, condensing intensity, and condensing shape of the STED light LS 2 by presenting the phase pattern (kinoform) obtained by numerical calculation on the modulation surface.

図2(a)は、SLM13に入力されるSTED光LSの光軸に垂直な断面形状を示す図である。また、図2(b)は、SLM13から出力されるSTED光LSの光軸に垂直な断面形状を示す図である。本実施形態では、図2(a)に示されるような円形状のSTED光LSがSLM13に入力され、SLM13において、位相変調によりSTED光LSを図2(b)に示されるような内径Dを有する円環状とするためのSTED光成形用位相パターン(第1の位相パターン)が呈示される。このSTED光成形用位相パターンは、演算制御装置17の制御部17aから送られるパターン信号SPによって制御される。なお、SLM13は、反射型及び透過型の何れであってもよい。また、SLM13としては、例えば屈折率変化材料型SLMが好適に用いられる。屈折率変化材料型SLMとしては、例えばLCOS(Liquid Crystal on Silicon)型SLM、LCD(Liquid Crystal Display)、電気アドレス型液晶素子、光アドレス型液晶素子、及び可変鏡型SLM(Segment Mirror型SLM、Continuous Deformable Mirror型SLM)などが挙げられる。 FIG. 2A is a diagram showing a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis of the STED light LS 1 input to the SLM 13. FIG. 2B is a diagram showing a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis of the STED light LS 2 output from the SLM 13. In this embodiment, a circular STED light LS 1 as shown in FIG. 2A is input to the SLM 13, and the SLM 13 converts the STED light LS 2 into an inner diameter as shown in FIG. 2B by phase modulation. A STED light shaping phase pattern (first phase pattern) for forming an annular shape having D 1 is presented. This STED light shaping phase pattern is controlled by a pattern signal SP 1 sent from the control unit 17 a of the arithmetic control device 17. The SLM 13 may be either a reflection type or a transmission type. As the SLM 13, for example, a refractive index changing material type SLM is preferably used. Examples of the refractive index changing material type SLM include an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) type SLM, an LCD (Liquid Crystal Display), an electric address type liquid crystal element, an optical address type liquid crystal element, and a variable mirror type SLM (Segment Mirror type SLM, Continuous Deformable Mirror SLM).

再び図1を参照する。SLM14は、本実施形態における第2の空間光変調器である。SLM14は、励起光源12から励起光LEを受け、変調後の励起光LEを出力する。SLM14は、数値計算により求められた位相パターン(キノフォーム)を変調面に呈示することによって、励起光LEの集光位置、集光強度、集光形状などの集光照射条件を制御する。本実施形態では、SLM14において、位相変調により励起光LEを円形状(図19(a)を参照)に成形するための励起光成形用位相パターン(第2の位相パターン)が呈示される。この励起光成形用位相パターンは、制御部17aから送られるパターン信号SPによって制御される。なお、SLM14は、位相変調型であってもよく、強度変調(振幅変調)型であってもよい。位相変調型のSLMとしては、上述したSLM13と同様のものが挙げられる。また、SLM14は、反射型及び透過型の何れであってもよい。また、SLM14に代えて、DOE(Diffractive Optical Element)が設けられてもよい。以下の説明では、SLM14が位相変調型である場合について主に説明する。 Refer to FIG. 1 again. The SLM 14 is a second spatial light modulator in the present embodiment. The SLM 14 receives the excitation light LE 1 from the excitation light source 12, and outputs the modulated excitation light LE 2 . The SLM 14 controls the condensing irradiation conditions such as the condensing position, condensing intensity, and condensing shape of the excitation light LE 2 by presenting the phase pattern (kinoform) obtained by numerical calculation on the modulation surface. In the present embodiment, the SLM 14 presents an excitation light shaping phase pattern (second phase pattern) for shaping the excitation light LE 2 into a circular shape (see FIG. 19A) by phase modulation. The excitation light molding phase pattern is controlled by the pattern signal SP 2 sent from the control unit 17a. The SLM 14 may be a phase modulation type or an intensity modulation (amplitude modulation) type. Examples of the phase modulation type SLM include those similar to the SLM 13 described above. The SLM 14 may be either a reflection type or a transmission type. Further, a DOE (Diffractive Optical Element) may be provided instead of the SLM 14. In the following description, the case where the SLM 14 is a phase modulation type will be mainly described.

光学系15Aは、観察対象物Bの観察対象領域に励起光LE及びSTED光LSを照射するために設けられる。光学系15Aは、ダイクロイックミラー15a及び15b、光スキャナ15c、対物レンズ15d、及び結像光学系15eを有する。 The optical system 15A is provided to irradiate the observation target region of the observation target B with the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 . The optical system 15A includes dichroic mirrors 15a and 15b, an optical scanner 15c, an objective lens 15d, and an imaging optical system 15e.

ダイクロイックミラー15aは、STED光LSの波長を含む波長帯域の光を反射し、観察対象物Bにおいて生じる蛍光PLの波長を含む波長帯域の光を透過する。ダイクロイックミラー15aは、対物レンズ15dと結像光学系15eとを結ぶ光軸上に配置される。ダイクロイックミラー15aは、SLM13からSTED光LSを受けて、該STED光LSを観察対象物Bに向けて反射する。また、ダイクロイックミラー15aは、観察対象物Bからの蛍光PLを透過する。 The dichroic mirror 15a reflects light in a wavelength band including the wavelength of the STED light LS 2, transmits light in the wavelength band including the wavelength of fluorescence PL that occurs in observation object B. The dichroic mirror 15a is disposed on the optical axis connecting the objective lens 15d and the imaging optical system 15e. The dichroic mirror 15a receives the STED light LS 2 from SLM 13, for reflecting the STED light LS 2 in the observation object B. Further, the dichroic mirror 15a transmits the fluorescence PL from the observation object B.

ダイクロイックミラー15bは、励起光LEの波長を含む波長帯域の光を反射し、STED光LS、及び観察対象物Bにおいて生じる蛍光PLの各波長を含む波長帯域の光を透過する。ダイクロイックミラー15bは、対物レンズ15dとダイクロイックミラー15aとを結ぶ光軸上に配置される。ダイクロイックミラー15bは、SLM14から励起光LEを受けて、該励起光LEを観察対象物Bに向けて反射する。また、ダイクロイックミラー15bは、ダイクロイックミラー15aからのSTED光LS及び観察対象物Bからの蛍光PLを透過する。 The dichroic mirror 15b reflects light in a wavelength band including the wavelength of the excitation light LE 2 and transmits STED light LS 2 and light in a wavelength band including each wavelength of the fluorescence PL generated in the observation object B. The dichroic mirror 15b is disposed on the optical axis connecting the objective lens 15d and the dichroic mirror 15a. The dichroic mirror 15b receives the excitation light LE 2 from SLM 14, is reflected toward the observation object B the pumping light LE 2. The dichroic mirror 15b passes through the fluorescence PL from STED light LS 2 and the observation object B from the dichroic mirror 15a.

光スキャナ15cは、観察対象物B上において、STED光LSおよび励起光LEの集光位置を走査するための装置である。光スキャナ15cは、対物レンズ15dとダイクロイックミラー15bとを結ぶ光軸上に配置される。光スキャナ15cとしては、例えばガルバノ、レゾナント、ポリゴンミラー、MEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラー、又は音響光学素子(AOM若しくはAOD(Acousto-Optic Deflector))等が好適に用いられる。 Optical scanner 15c is on the observation object B, and a device for scanning the focusing position of the STED light LS 2 and the excitation light LE 2. The optical scanner 15c is disposed on the optical axis connecting the objective lens 15d and the dichroic mirror 15b. As the optical scanner 15c, for example, a galvano, a resonant, a polygon mirror, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror, or an acousto-optic element (AOM or AOD (Acousto-Optic Deflector)) is preferably used.

対物レンズ15dは、観察対象物Bの上方に配置され、STED光LSおよび励起光LEを集光しつつ観察対象物Bに照射する。このとき、STED光LSおよび励起光LEの各光軸が互いに一致するように、SLM13及び14によってこれらの光軸が制御される。また、対物レンズ15dは、励起光LEの照射により観察対象物Bにおいて発生した蛍光PLをコリメートする。 Objective lens 15d is located above the observation object B, is irradiated on the observation target B while condensing the STED light LS 2 and the excitation light LE 2. At this time, these optical axes are controlled by the SLMs 13 and 14 so that the optical axes of the STED light LS 2 and the excitation light LE 2 coincide with each other. The objective lens 15d collimates the fluorescence PL generated in the observation object B by the irradiation of the excitation light LE 2.

結像光学系15eは、ダイクロイックミラー15aと検出器16との間の光軸上に配置されている。結像光学系15eは、対物レンズ15dによりコリメートされダイクロイックミラー15a,15bを通過した蛍光PLを受け、該蛍光PLを検出器16の検出面において結像する。   The imaging optical system 15e is disposed on the optical axis between the dichroic mirror 15a and the detector 16. The imaging optical system 15e receives the fluorescence PL collimated by the objective lens 15d and passed through the dichroic mirrors 15a and 15b, and forms an image of the fluorescence PL on the detection surface of the detector 16.

検出器16は、結像光学系15eにより結像された蛍光PLの光強度を検出する。検出器16としては、例えば、光電子増倍管、フォトダイオード、若しくはアバランシェフォトダイオードといった一点の光強度を検出する光センサ、CCDイメージセンサ若しくはCMOSイメージセンサといったエリアイメージセンサ、ラインセンサなどの一次元検出器、又はマルチアノード光電子増倍管が好適に用いられる。検出器16は、蛍光PLの光強度を示す光強度信号SDを、演算制御装置17に提供する。特に、マルチアノード光電子増倍管やエリアイメージセンサを用いる場合、後述する第4変形例のように、SLM13及びSLM14により多点を生成する構成にすれば、スキャンによる影響が低減された固定多点蛍光PLを検出器16において検出することができ、走査時間を低減することができる。なお、マルチアノード光電子増倍管を用いる場合、各検出部毎にゲイン調整が可能な構成とされることが好ましい。 The detector 16 detects the light intensity of the fluorescence PL imaged by the imaging optical system 15e. As the detector 16, for example, a one-dimensional detection such as an optical sensor for detecting light intensity at one point such as a photomultiplier tube, a photodiode or an avalanche photodiode, an area image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor, or a line sensor. A multi-anode photomultiplier tube is preferably used. The detector 16 provides a light intensity signal SD 1 indicating the light intensity of the fluorescence PL to the arithmetic and control unit 17. In particular, when a multi-anode photomultiplier tube or an area image sensor is used, if a multipoint is generated by the SLM 13 and the SLM 14 as in a fourth modification described later, the fixed multipoint that is less affected by scanning is used. The fluorescence PL can be detected by the detector 16, and the scanning time can be reduced. In the case of using a multi-anode photomultiplier tube, it is preferable that the gain can be adjusted for each detection unit.

演算制御装置17は、例えばCPU及びメモリを有するコンピュータによって構成される。演算制御装置17は、制御部17a及び画像処理部17bを含む。制御部17aは、SLM13に呈示される第1の位相パターン、及びSLM14に呈示される第2の位相パターンを制御する。すなわち、制御部17aは、STED光LSの波長やSTED光LSの円環形状の所望の内径及び外径に基づいて、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンを決定する。また、制御部17aは、励起光LEの波長や励起光LEの円形状の所望の径に基づいて、SLM14に呈示される励起光成形用位相パターンを決定する。なお、STED光LS及び励起光LEは、互いに波長が異なるので、それぞれの波長に応じて位相パターンが設計されている。詳述すると、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンは、STED光LSの波長に基づいて設計され、SLM14に呈示される励起光成形用位相パターンは、励起光LEに基づいて設計されている。 The arithmetic and control unit 17 is configured by a computer having a CPU and a memory, for example. The arithmetic control device 17 includes a control unit 17a and an image processing unit 17b. The control unit 17 a controls the first phase pattern presented to the SLM 13 and the second phase pattern presented to the SLM 14. That is, the control unit 17a, based on the desired inner and outer diameters of the STED light LS 1 of the wavelength or annular shape of the STED light LS 2, determines the STED light molding phase pattern presented to the SLM 13. In addition, the control unit 17a determines the excitation light shaping phase pattern presented to the SLM 14 based on the wavelength of the excitation light LE 1 and the circular desired diameter of the excitation light LE 2 . Since the STED light LS 1 and the excitation light LE 1 have different wavelengths, the phase pattern is designed according to each wavelength. More specifically, the STED light shaping phase pattern presented on the SLM 13 is designed based on the wavelength of the STED light LS 1 , and the excitation light shaping phase pattern presented on the SLM 14 is designed based on the excitation light LE 1. Has been.

より詳細には、制御部17aは、STED光LSを所定の位置に集光させる位相分布を与えるように設計されたキノフォームの位相パターンφkinoformと、STED光LSを円環形状に成形させるための集光制御パターンφpatとの和φSLM=φkinoform+φpatを、STED光成形用位相パターンとしてSLM13に呈示させる。同様に、制御部17aは、励起光LEを所定の位置に集光させる位相分布を与えるように設計されたキノフォームの位相パターンφkinoformと、励起光LEを円形状に成形させるための集光制御パターンφpatとの和φSLM=φkinoform+φpatを励起光成形用位相パターンとしてSLM14に呈示させる。なお、位相型SLMに入力される光の位相をφin、位相型SLMにおいて付与される位相値をφSLMとすると、出力される変調光の位相φoutは、φout=φSLM+φinとなる。 More specifically, the control unit 17a is formed with a phase pattern phi Kinoform kinoform designed to provide a phase distribution for condensing STED light LS 2 to a predetermined position, a STED light LS 2 in an annular shape A sum φ SLM = φ kinoform + φ pat with the condensing control pattern φ pat to cause the SLM 13 to present the phase pattern for STED light shaping. Similarly, the control unit 17a, the kinoform designed to provide a phase distribution for condensing the excitation light LE 2 at a predetermined position and the phase pattern phi Kinoform, for molded excitation light LE 2 in a circular shape A sum φ SLM = φ kinoform + φ pat with the light collection control pattern φ pat is presented to the SLM 14 as an excitation light shaping phase pattern. If the phase of the light input to the phase type SLM is φ in and the phase value given to the phase type SLM is φ SLM , the phase φ out of the modulated light to be output is φ out = φ SLM + φ in Become.

また、STED顕微鏡では、観察対象物Bに対し、励起光LEを照射してから所定の時間差をもってSTED光LSを照射する必要がある。その為に、制御部17aは、励起光源12がパルス状の励起光LEを照射した後、上記所定の時間が経過した後に、STED光源11がパルス状のSTED光LSを照射するように、STED光源11及び励起光源12の光出射タイミングを制御する。また、制御部17aは、光スキャナ15cを制御することにより、観察対象物B上において励起光LE及びSTED光LSの集光位置を走査させる。 Further, in the STED microscope, it is necessary to irradiate the observation object B with the STED light LS 2 with a predetermined time difference after irradiating the excitation light LE 2 . Therefore, the control section 17a, after the excitation light source 12 is irradiated with pulsed excitation light LE 1, after the predetermined time has elapsed, as STED light source 11 illuminates the STED light LS 1 pulsed The light emission timings of the STED light source 11 and the excitation light source 12 are controlled. Further, the control unit 17a controls the optical scanner 15c to scan the condensing positions of the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 on the observation object B.

画像処理部17bは、検出器16からの光強度信号SDを入力する。画像処理部17bは、検出器16において検出された蛍光PLの光強度、及び光スキャナ15cによる集光位置に基づいて、蛍光画像を作成する。画像処理部17bにより作成された蛍光画像は、表示装置19に表示される。 The image processing unit 17b inputs the light intensity signal SD 1 from the detector 16. The image processing unit 17b creates a fluorescence image based on the light intensity of the fluorescence PL detected by the detector 16 and the light collection position by the optical scanner 15c. The fluorescence image created by the image processing unit 17b is displayed on the display device 19.

ここで、本実施形態では、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンを制御部17aが変更することにより、STED光LSの円環の内径D(図2(b)を参照)が変更可能とされている。この点について、以下に説明する。 In the present embodiment, by changing the control section 17a of the STED light molding phase pattern presented to the SLM 13, STED light LS 2 of the circular ring inside diameter D 1 (see FIG. 2 (b)) It can be changed. This point will be described below.

図3(a)〜図3(d)は、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンに含まれる、STED光LSを円環形状に成形するためのパターンP11〜P14を概念的に示す図である。また、図4(a)〜図4(d)それぞれは、図3(a)〜図3(d)それぞれに示されるパターンP11〜P14の各画素における位相値を色の濃淡により表した図であって、色が淡いほど位相値が0(rad)に近く、色が濃いほど位相値が2π(rad)に近い。図3及び図4に示されるように、これらのパターンP11〜P14は、或る点Aを中心としてらせん状に0(rad)から2π(rad)までの位相の増加をn回(nは1以上の整数)繰り返すパターンである。図3(a)及び図4(a)はn=1の場合を、図3(b)及び図4(b)はn=2の場合を、図3(c)及び図4(c)はn=3の場合を、図3(d)及び図4(d)はn=4の場合を、それぞれ示している。なお、パターンP11〜P14は、いわゆるラゲールガウシアン(LG)ビームの位相パターンである。このようなパターンP11〜P14は、ラゲール多項式を用いても表現することができる。なお、STED光成形用位相パターンにおいて0(rad)から2π(rad)に達するまでの階調幅は、STED光LSの波長に応じて設定される。 3A to 3D conceptually show patterns P 11 to P 14 for forming the STED light LS 2 into an annular shape, which are included in the STED light shaping phase pattern presented on the SLM 13 . FIG. 4 (a) to 4 (d) represent the phase values in the pixels of the patterns P 11 to P 14 shown in FIGS. 3 (a) to 3 (d), respectively, by color shading. In the figure, the lighter the color, the closer the phase value is to 0 (rad), and the darker the color, the closer the phase value is to 2π (rad). As shown in FIGS. 3 and 4, these patterns P 11 to P 14 spirally increase the phase from 0 (rad) to 2π (rad) n times (n Is an integer of 1 or more). 3A and 4A show the case where n = 1, FIGS. 3B and 4B show the case where n = 2, and FIGS. 3C and 4C show the case where n = 2. FIG. 3D and FIG. 4D show the case where n = 3, and the case where n = 4, respectively. The patterns P 11 to P 14 are so-called Laguerre Gaussian (LG) beam phase patterns. Such patterns P 11 to P 14 can also be expressed using Laguerre polynomials. Note that the gradation width from 0 (rad) to 2π (rad) in the STED light shaping phase pattern is set according to the wavelength of the STED light LS 1 .

図5(a)〜図5(d)それぞれは、上述したパターンP11〜P14それぞれがSLM13に呈示されることにより得られるSTED光LSの形状を示す図である。なお、図5(a)〜図5(d)において、光強度が色の濃淡で示されており、光強度が大きいほど淡く、光強度が小さいほど濃くなっている。図5(a)〜図5(d)を参照すると、繰り返し数nが大きくなるほど、STED光LSの円環の内径が大きくなっていることがわかる。すなわち、制御部17aが繰り返しnを変更することによって、図2(b)に示される円環の内径Dを変更することが可能となる。 Each of FIGS. 5A to 5D is a diagram illustrating the shape of the STED light LS 2 obtained by presenting each of the patterns P 11 to P 14 described above to the SLM 13. 5 (a) to 5 (d), the light intensity is indicated by the shade of color. The light intensity is lighter and the light intensity is lighter and the light intensity is darker. Referring to FIGS. 5A to 5D, it can be seen that the inner diameter of the ring of the STED light LS 2 increases as the repetition number n increases. That is, by changing the control unit 17a repeatedly n, it is possible to change the inner diameter D 1 of the circle ring shown in FIG. 2 (b).

制御部17aは、例えば円環の複数の内径Dにそれぞれ対応する繰り返し数の複数のパターンを予め記憶する記憶部17c(図1を参照)を有してもよい。その場合、制御部17aは、入力装置18(入力部、図1を参照)から入力される所望の内径Dに応じて、該内径Dに対応するパターンを選択し、STED光成形用位相パターンに重畳させる。或いは、制御部17aは、入力装置18から入力される所望の内径Dに応じて、該内径Dを実現可能な繰り返し数nを算出し、該繰り返し数nに基づくパターンをSTED光成形用位相パターンに重畳させてもよい。 Control unit 17a, for example, may have a storage unit 17c for storing in advance a plurality of patterns of repetition number corresponding to a plurality of the inner diameter D 1 of the annular (see Figure 1). In that case, the control unit 17a includes an input device 18 according to the desired inner diameter D 1 inputted from the (input unit, see FIG. 1) to select a pattern corresponding to the inner diameter D 1, STED light shaping phase Superimpose on the pattern. Alternatively, the control unit 17a according to the desired inner diameter D 1 inputted from the input device 18, calculates the number of repetitions n feasible the inner diameter D 1, a STED light forming a pattern based on the repetition number n You may superimpose on a phase pattern.

以上に説明した本実施形態のSTED顕微鏡装置1Aの動作について説明する。図6は、STED顕微鏡装置1Aの動作を示すフローチャートである。同図に示されるように、まず、STED光LS及び励起光LEに関する情報が、入力装置18を介して演算制御装置17に入力される(ステップS1)。次に、演算制御装置17の制御部17aが、STED光成形用位相パターン及び励起光成形用位相パターンを決定する(ステップS2)。 The operation of the STED microscope apparatus 1A of the present embodiment described above will be described. FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the STED microscope apparatus 1A. As shown in the figure, first, information regarding the STED light LS 1 and the excitation light LE 1 is input to the arithmetic and control unit 17 via the input device 18 (step S1). Next, the control unit 17a of the arithmetic control device 17 determines the STED light shaping phase pattern and the excitation light shaping phase pattern (step S2).

そして、制御部17aからの指示により、励起光源12が励起光LEを出射する(ステップS31)。励起光LEの出射から所定時間だけ遅れて、制御部17aからの指示により、STED光源11がSTED光LSを出射する(ステップS41)。励起光LEはSLM14によって円形状に成形され(ステップS32)、STED光LSはSLM13によって円環形状に成形される(ステップS42)。成形後の励起光LEはダイクロイックミラー15b、光スキャナ15c及び対物レンズ15dを経て、観察対象物Bの観察対象領域に照射される(ステップS33)。その後、上記所定時間ののちに、成形後のSTED光LSがダイクロイックミラー15a、光スキャナ15c及び対物レンズ15dを経て、観察対象物Bの観察対象領域に重ねて照射される(ステップS43)。これにより、円環形状の領域では蛍光PLの発生が抑制され、該円環形状に囲まれた領域のみから蛍光PLが発生する(図19(c)を参照)。続いて、検出器16において蛍光PLの光強度を検出する(ステップS5)。蛍光PLの光強度に関する光強度信号SDは、検出器16から演算制御装置17に送られる。 Then, by an instruction from the control unit 17a, the excitation light source 12 emits excitation light LE 1 (step S31). The STED light source 11 emits the STED light LS 1 in accordance with an instruction from the control unit 17a after a predetermined time from the emission of the excitation light LE 1 (step S41). The excitation light LE 1 is shaped into a circular shape by the SLM 14 (step S32), and the STED light LS 1 is shaped into an annular shape by the SLM 13 (step S42). The shaped excitation light LE 2 is irradiated to the observation target region of the observation target B through the dichroic mirror 15b, the optical scanner 15c, and the objective lens 15d (step S33). Thereafter, after the predetermined time, the shaped STED light LS 2 is irradiated on the observation target region of the observation target B through the dichroic mirror 15a, the optical scanner 15c, and the objective lens 15d (step S43). Thereby, generation | occurrence | production of fluorescence PL is suppressed in an annular | circular shaped area | region, and fluorescence PL generate | occur | produces only from the area | region enclosed by this annular | circular shape (refer FIG.19 (c)). Subsequently, the light intensity of the fluorescence PL is detected by the detector 16 (step S5). A light intensity signal SD 1 relating to the light intensity of the fluorescence PL is sent from the detector 16 to the arithmetic and control unit 17.

ステップS5が終了した後、観察対象物B上におけるSTED光LS及び励起光LEの集光位置が、光スキャナ15cにより移動する。そして、上記ステップS2〜S5が再び行われる。このように、集光位置の移動と上記ステップS2〜S5とを交互に繰り返すことによって、観察対象物Bの広い領域における蛍光PLの強度が検出される。続いて、演算制御装置17の画像処理部17bにおいて蛍光画像が作成される(ステップS6)。この蛍光画像は、表示装置19により表示される(ステップS7)。 After step S5 is completed, the condensing position of the STED light LS 2 and the excitation light LE 2 on the observation object B is moved by the optical scanner 15c. And said step S2-S5 is performed again. As described above, the intensity of the fluorescence PL in a wide region of the observation object B is detected by alternately repeating the movement of the light collecting position and the above steps S2 to S5. Subsequently, a fluorescence image is created in the image processing unit 17b of the arithmetic and control unit 17 (step S6). This fluorescent image is displayed by the display device 19 (step S7).

なお、三次元の蛍光画像を取得する為には、上記ステップS1〜S6ののち、対物レンズ15dと観察対象物Bとの距離を変更し、再び上記ステップS1〜S6を行うとよい。このような動作を複数回繰り返すことによって、平面的な断層画像が蓄積される。その後、画像処理部17bが、その蓄積データを基に、三次元画像再構成処理を行うとよい。なお、複数回の画像取得をカウンタなどを用いて計測し、観察対象物Bを光軸方向に移動させて観察深さを変更する動作を複数回繰り返すことによって、連続的に深さを変えた画像群を取得し、各画像間を補間(線形補間、スプラインなど)することにより、三次元画像を再構成してもよい。   In order to acquire a three-dimensional fluorescent image, it is preferable to change the distance between the objective lens 15d and the observation object B after steps S1 to S6 and perform steps S1 to S6 again. By repeating such an operation a plurality of times, a planar tomographic image is accumulated. Thereafter, the image processing unit 17b may perform a 3D image reconstruction process based on the accumulated data. In addition, the depth was continuously changed by repeating the operation | movement which measured the image acquisition of multiple times using a counter etc., and moved the observation target B to an optical axis direction, and changed observation depth in multiple times. A three-dimensional image may be reconstructed by acquiring an image group and interpolating (linear interpolation, spline, etc.) between the images.

また、制御部17aは、円環の複数の内径Dにそれぞれ対応する複数のパターンP11〜P14を予め記憶しておき、入力装置18からの入力に応じて、これらのパターンP11〜P14から適切なパターンを選択してもよい。図7は、このような制御部17aの処理を示すフローチャートである。図7に示されるように、まず、複数の走査時間又は複数の解像度に応じた複数の動作モード(スキャンモード)の中から、所望の動作モードが使用者によって選択される(ステップS11)。次に、制御部17aは、パターンP11〜P14の中から、選択された動作モードに対応するパターンを選択する(ステップS12)。続いて、制御部17aは、選択したパターンを含むSTED光成形用位相パターンを作成し、そのSTED光成形用位相パターンをSLM13に呈示させる(ステップS13)。 The control unit 17a may store a plurality of patterns P 11 to P 14 corresponding to a plurality of the inner diameter D 1 of the annular pre in response to an input from the input device 18, these patterns P 11 ~ You may select the appropriate pattern from the P 14. FIG. 7 is a flowchart showing the processing of the control unit 17a. As shown in FIG. 7, first, a desired operation mode is selected by the user from a plurality of operation modes (scan modes) corresponding to a plurality of scanning times or a plurality of resolutions (step S11). Next, the control unit 17a, from the pattern P 11 to P 14, selects a pattern corresponding to the selected operation mode (step S12). Subsequently, the control unit 17a creates a STED light shaping phase pattern including the selected pattern, and causes the SLM 13 to present the STED light shaping phase pattern (step S13).

或いは、制御部17aは、次のような処理によってSTED光成形用位相パターンを作成してもよい。図8は、制御部17aの処理を示すフローチャートである。図8に示されるように、まず、使用者によって所望の内径Dが入力される(ステップS21)。次に、制御部17aは、所望の内径Dに応じて、該内径Dを実現可能な繰り返し数nを算出する(ステップS22)。そして、制御部17aは、算出した繰り返し数nに基づくパターンを作成し(ステップS23)、該パターンを含むSTED光成形用位相パターンを作成し、そのSTED光成形用位相パターンをSLM13に呈示させる(ステップS24)。 Alternatively, the control unit 17a may create the STED light shaping phase pattern by the following process. FIG. 8 is a flowchart showing the processing of the control unit 17a. As shown in FIG. 8, first, the desired inner diameter D 1 is input by the user (step S21). Next, the control unit 17a according to the desired inner diameter D 1, and calculates the number of repetitions n feasible the inside diameter D 1 (step S22). Then, the control unit 17a creates a pattern based on the calculated repetition number n (step S23), creates a STED light shaping phase pattern including the pattern, and causes the SLM 13 to present the STED light shaping phase pattern ( Step S24).

以上に説明した本実施形態のSTED顕微鏡装置1Aによって得られる効果について説明する。STED顕微鏡装置1Aでは、STED光源11から出力されたSTED光LSが、SLM13での位相変調により円環状に成形される。円環状のSTED光LSは、観察対象領域に励起光LEが照射された後、該観察対象領域に重ねて照射される。これにより、円環状の領域では蛍光PLの発生が抑制され、円環状のSTED光LSに囲まれた領域のみから蛍光PLが発生する。従って、本実施形態のSTED顕微鏡装置1Aによれば、回折限界以下の解像度による画像取得が可能となる。 The effects obtained by the STED microscope apparatus 1A of the present embodiment described above will be described. In the STED microscope apparatus 1 </ b> A, the STED light LS 1 output from the STED light source 11 is formed into an annular shape by phase modulation in the SLM 13. The ring-shaped STED light LS 2 is irradiated with the excitation light LE 2 on the observation target region, and then overlapped on the observation target region. Thus, in the annular region generating fluorescent PL is suppressed, fluorescent PL is generated only from the region surrounded by the STED light LS 2 annular. Therefore, according to the STED microscope apparatus 1A of the present embodiment, it is possible to acquire an image with a resolution below the diffraction limit.

また、図9は、比較例としてのSTED顕微鏡装置100の構成を示すブロック図である。このSTED顕微鏡装置100は、SLM13,14を備えておらず、STED光LSを円環状に成形するための位相板102を備えている。このような構成では、STED光LSの円環形状の内径Dを変更する為には、位相板102を別の位相板に交換する必要がある。これに対し、本実施形態のSTED顕微鏡装置1Aでは、制御部17aが位相パターンを変更することによって、位相変調後のSTED光LSの円環の内径Dが変更可能とされている。これにより、解像度の向上が必要なときには円環の内径Dを小さくし、観察対象領域の全体を走査(スキャン)する為に必要な時間を短くしたいときには円環の内径Dを大きくすることができる。このように、本実施形態のSTED顕微鏡装置1Aによれば、解像度及び所要時間に関し、使用者の利便性を向上することができる。 FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a STED microscope apparatus 100 as a comparative example. The STED microscope apparatus 100 is not provided with a SLM13,14, and a phase plate 102 for forming the STED light LS 2 annularly. In such a configuration, in order to change the inner diameter D 1 of the annular shape of the STED light LS 2, it is necessary to replace the phase plate 102 to another phase plate. In contrast, in the STED microscope apparatus 1A of the present embodiment, a control unit 17a changes the phase pattern, the inner diameter D 1 of the annular of STED light LS 2 after phase modulation is changeable. Thus, when the improved resolution is required to reduce the inner diameter D 1 of the circle ring, to increase the inner diameter D 1 of the annular when you want to shorten the time needed for the entire observation area to scan (scan) Can do. As described above, according to the STED microscope apparatus 1A of the present embodiment, it is possible to improve the convenience for the user regarding the resolution and the required time.

また、本実施形態のように、STED顕微鏡装置1Aは、位相変調により励起光LEを円形状に成形するためのSLM14を備え、制御部17aが、SLM14に呈示される励起光成形用位相パターンを制御してもよい。これにより、励起光LEの形状を任意に且つ容易に制御することができる。 Further, as in the present embodiment, the STED microscope apparatus 1A includes the SLM 14 for shaping the excitation light LE 2 into a circular shape by phase modulation, and the control unit 17a presents the excitation light shaping phase pattern presented on the SLM 14. May be controlled. Thereby, the shape of the excitation light LE 2 can be arbitrarily and easily controlled.

また、図3及び図4に示されたように、STED光成形用位相パターンは、或る点Aを中心としてらせん状に0(rad)〜2π(rad)までの位相の増加をn回繰り返すパターンP11〜P14のいずれかを含み、制御部17aが整数nを変更することによって、円環の内径Dを変更可能とされていてもよい。例えばこのようなSTED光成形用位相パターンによって、位相変調後のSTED光LSの円環の内径Dを好適に変更することができる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the STED optical shaping phase pattern repeats the increase in phase from 0 (rad) to 2π (rad) in a spiral manner around a certain point A n times. includes any pattern P 11 to P 14, the control unit 17a is by varying the integer n, it may be possible to change the inner diameter D 1 of the annular. For example, the inner diameter D 1 of the ring of the STED light LS 2 after phase modulation can be suitably changed by such a STED light shaping phase pattern.

また、本実施形態のように、制御部17aは、STED光LSの円環の複数の内径Dにそれぞれ対応する複数のパターンを記憶する記憶部17cを有し、選択されたパターンをSTED光成形用位相パターンに含めてもよい。これにより、所望の解像度や所要時間に応じて使用者がSTED光成形用位相パターンを容易に変更することができる。 Also, as in the present embodiment, the control unit 17a includes a storage unit 17c for storing a plurality of patterns respectively corresponding to the STED light circle multiple inner diameter D 1 of the ring of the LS 2, the selected pattern STED It may be included in the photoforming phase pattern. Thereby, the user can easily change the phase pattern for STED light shaping according to the desired resolution and required time.

また、本実施形態のように、光スキャナ15cを介した光を検出器16が検出してもよい。これにより、一般的な共焦点顕微鏡装置のようにコンフォーカルピンホールを用いなくても、共焦点像を取得することができる。   Further, as in the present embodiment, the detector 16 may detect light via the optical scanner 15c. Thereby, a confocal image can be acquired without using a confocal pinhole as in a general confocal microscope apparatus.

(第1の変形例)
図10は、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンに含まれる、STED光LSを円環形状に成形するためのパターンP15を概念的に示す図である。上記実施形態において、制御部17aは、図3に示されたパターンP11〜P14に代えて、図10に示されるパターンP15を、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンに重畳させてもよい。
(First modification)
FIG. 10 is a diagram conceptually showing a pattern P 15 for shaping the STED light LS 2 into an annular shape, which is included in the STED light shaping phase pattern presented on the SLM 13. In the above embodiment, the control unit 17a, instead of the pattern P 11 to P 14 illustrated in FIG. 3, the pattern P 15 shown in FIG. 10, is superimposed on STED light molding phase pattern presented to SLM13 May be.

図10に示されるように、このパターンP15は、或る点Aを中心としてらせん状に0(rad)から2π×n(rad)(nは1以上の整数)まで位相が増加するパターンである。例えば、n=2の場合、パターンP15は、点Aを中心としてらせん状に0(rad)から4π(rad)まで位相が増加するパターンとなるが、このようなパターンによって実現される円環の内径Dは、らせん状に0(rad)から2π(rad)までの位相の増加を2回繰り返すパターン(図3(b)を参照)によって実現される円環の内径Dと等しい。なお、パターンP15は、いわゆるラゲールガウシアン(LG)ビームの位相パターンである。このようなパターンP15は、ラゲール多項式を用いても表現することができる。 As shown in FIG. 10, this pattern P 15 is a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to 2π × n (rad) (n is an integer of 1 or more) in a spiral manner around a certain point A. is there. For example, in the case of n = 2, the pattern P 15 is a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to 4π (rad) spirally around the point A. the inner diameter D 1 of the is equal to the inner diameter D 1 of the annular implemented by helically 0 (rad) is repeated 2 times the phase increase of up to 2 [pi (rad) from the pattern (see Figure 3 (b)). The pattern P 15 is a so-called Laguerre Gaussian (LG) beam phase pattern. Such patterns P 15 can be expressed even with a Laguerre polynomial.

本変形例のように、STED光成形用位相パターンは、或る点Aを中心としてらせん状に0(rad)〜2π×n(rad)まで位相が増加するパターンP15を含み、制御部17aが整数nを変更することによって、円環の内径Dを変更可能とされていてもよい。例えばこのようなSTED光成形用位相パターンによって、位相変調後のSTED光LSの円環の内径Dを好適に変更することができる。なお、SLM13の位相変調幅が0〜2π(rad)である場合には、図3に示されたパターンP11〜P14のように、らせん状に0(rad)から2π(rad)までの位相の増加をn回繰り返す(すなわち、位相2πで折り返された)パターンを用いるとよい。 As in the present modification, the STED optical shaping phase pattern includes a pattern P 15 whose phase increases from 0 (rad) to 2π × n (rad) in a spiral manner around a certain point A, and includes a control unit 17a. There by changing the integer n, may be possible to change the inner diameter D 1 of the annular. For example, the inner diameter D 1 of the ring of the STED light LS 2 after phase modulation can be suitably changed by such a STED light shaping phase pattern. In addition, when the phase modulation width of the SLM 13 is 0 to 2π (rad), as in the patterns P 11 to P 14 illustrated in FIG. 3, spirally from 0 (rad) to 2π (rad). It is preferable to use a pattern in which the phase increase is repeated n times (that is, the pattern is folded at the phase 2π).

(第2の変形例)
図11(a)は、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンに含まれる、STED光LSを円環形状に成形するためのパターンP16を概念的に示す図である。上記実施形態において、制御部17aは、図3に示されたパターンP11〜P14に代えて、図11(a)に示されるパターンP16を、SLM13に呈示されるSTED光成形用位相パターンに重畳させてもよい。
(Second modification)
FIG. 11A is a diagram conceptually showing a pattern P 16 for forming the STED light LS 2 into an annular shape, which is included in the STED light shaping phase pattern presented on the SLM 13. In the above embodiment, the control unit 17a, instead of the pattern P 11 to P 14 illustrated in FIG. 3, the pattern P 16 shown in FIG. 11 (a), STED light molding phase is presented in SLM13 pattern You may superimpose on.

図11(a)に示されるように、このパターンP16は、或る点Aを中心としてらせん状に0(rad)からm(rad)(mは2π以上の実数)まで位相が増加するパターンである。例えば、m=3πの場合、パターンP16は、点Aを中心としてらせん状に0(rad)から3π(rad)まで位相が増加するパターンとなる。STED光成形用位相パターンがこのようなパターンP16を含み、制御部17aが実数mを変更することによっても、円環の内径Dを好適に変更することができる。本変形例において、制御部17aは、入力装置18から入力される所望の内径Dに応じて、該内径Dを実現可能な実数mを算出し、実数mに基づくパターンをSTED光成形用位相パターンに重畳させる。 As shown in FIG. 11A, this pattern P 16 is a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to m (rad) (m is a real number of 2π or more) spirally around a certain point A. It is. For example, when m = 3π, the pattern P 16 is a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to 3π (rad) spirally around the point A. STED light molding phase pattern includes such a pattern P 16, by the control unit 17a changes the real m, it can be suitably changed inside diameter D 1 of the annular. In this modified example, the control unit 17a according to the desired inner diameter D 1 inputted from the input device 18, calculates a real number m that can realize the internal diameter D 1, a STED light forming a pattern based on the real number m Superimpose on the phase pattern.

なお、図11(b)に示されるように、本変形例のパターンは、らせん状に0(rad)から2π(rad)まで位相が増加したのち、2π(rad)にて折り返し、再び0(rad)からπ(rad)まで位相が増加するようなパターンP17であってもよい。このようなパターンP17によって実現される円環の内径Dは、らせん状に0(rad)から3π(rad)まで位相が増加するパターンP16によって実現される円環の内径Dと等しい。但し、図11(c)に示されるように、らせん状に0(rad)から1.5π(rad)まで位相が増加したのち、π(rad)にて折り返し、再び0(rad)から1.5π(rad)まで位相が増加するようなパターンP18では、STED光LSを円環形状に成形することができない。 Note that, as shown in FIG. 11B, the pattern of this modification example has a spiral shape whose phase increases from 0 (rad) to 2π (rad), then turns back at 2π (rad), and then returns to 0 ( The pattern P 17 may increase the phase from rad) to π (rad). The inner diameter D 1 of the annulus realized by the pattern P 17 is equal to the inner diameter D 1 of the annulus realized by the pattern P 16 whose phase increases from 0 (rad) to 3π (rad) spirally. . However, as shown in FIG. 11C, after the phase increases spirally from 0 (rad) to 1.5π (rad), it is turned back at π (rad) and again from 0 (rad) to 1. In the pattern P 18 in which the phase increases to 5π (rad), the STED light LS 2 cannot be formed into an annular shape.

図12(a)〜図12(c)は、それぞれm=2π、2π<m<4π、及びm=4πの場合におけるSTED光LSの円環形状を模式的に示す図である。図12に示されるように、mの値が小さいほど円環の内径Dが小さくなり、mの値が大きいほど円環の内径Dが大きくなる。従って、制御部17aが実数mを変更することにより、円環の内径Dを好適に変更することができる。 FIG. 12A to FIG. 12C are diagrams schematically showing the annular shape of the STED light LS 2 when m = 2π, 2π <m <4π, and m = 4π, respectively. As shown in FIG. 12, as the smaller the inner diameter D 1 of the annular value of m is small, the inner diameter D 1 of the annular as the value of m is large is increased. Therefore, the control unit 17a changes the real m, can be suitably changed inside diameter D 1 of the annular.

(第3の変形例)
上記実施形態において、制御部17aは、励起光LEを分割し、分割後の励起光LEを上記複数の領域に同時に照射するためのパターンを、励起光成形用位相パターンに更に重畳させてもよい。図13(a)は、励起光LEが分割されることにより生成された複数の励起光LEを示す図である。この場合、制御部17aは、STED光LSを複数に分割し、分割後のSTED光LSを観察対象物Bの複数の領域に同時に照射するためのパターンを、STED光成形用位相パターンに更に重畳させるとよい。
(Third Modification)
In the above-described embodiment, the control unit 17a divides the excitation light LE 1 and further superimposes a pattern for irradiating the divided excitation light LE 2 on the plurality of regions simultaneously with the excitation light shaping phase pattern. Also good. FIG. 13A is a diagram showing a plurality of excitation lights LE 2 generated by dividing the excitation light LE 1 . In this case, the control unit 17a divides the STED light LS 1 into a plurality of patterns, and a pattern for irradiating the divided STED light LS 2 to a plurality of regions of the observation object B simultaneously as a STED light shaping phase pattern. Furthermore, it is good to superimpose.

図13(b)は、STED光LSが分割されることにより生成された複数のSTED光LSを示す図である。図13(a)の励起光LEが照射された直後に図13(b)のSTED光LSが照射された場合、図13(c)に示されるように、観察対象物Bの複数の領域から蛍光PLが同時に発生する。なお、図13(a)〜図13(c)において、光強度が色の濃淡で示されており、光強度が大きいほど淡く、光強度が小さいほど濃くなっている。 FIG. 13B is a diagram showing a plurality of STED lights LS 2 generated by dividing the STED light LS 1 . If STED light LS 2 shown in FIG. 13 (b) is irradiated immediately after the excitation light LE 2 shown in FIG. 13 (a) is irradiated, as shown in FIG. 13 (c), a plurality of observation object B Fluorescence PL is simultaneously generated from the region. In FIG. 13A to FIG. 13C, the light intensity is shown in shades of color. The light intensity is lighter and the light intensity is lighter and the light intensity is darker.

図14は、STED光LSを分割して複数のSTED光LSを生成するためのパターンの一例を示す図である。図14において、各画素における位相値は色の濃淡によって表されており、色が淡いほど位相値が0(rad)に近く、色が濃いほど位相値が2π(rad)に近い。本変形例では、例えば図14に示されるようなパターンが、円環状に成形するためのパターン(例えば図3に示されたパターンP11〜P14)に重畳されることにより、円環形状の複数のSTED光LSが生成される。なお、励起光LEを分割して複数の励起光LEを生成するためのパターンもまた、励起光LEを円形状に成形するためのパターンに重畳される。なお、図14に示されるパターンは、STED光LSの波長に基づいて設計される。 FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a pattern for dividing the STED light LS 1 to generate a plurality of STED light LS 2 . In FIG. 14, the phase value in each pixel is represented by color shading. The lighter the color, the closer the phase value is to 0 (rad), and the darker the color, the closer the phase value is to 2π (rad). In this modification, for example, a pattern as shown in FIG. 14 is superimposed on a pattern for forming an annular shape (for example, patterns P 11 to P 14 shown in FIG. 3), thereby forming an annular shape. multiple STED light LS 2 is generated. The pattern for dividing the excitation light LE 1 to generate a plurality of excitation lights LE 2 is also superimposed on the pattern for shaping the excitation light LE 2 into a circular shape. Note that the pattern shown in FIG. 14 is designed based on the wavelength of the STED light LS 1 .

本変形例によれば、観察対象物Bの複数の領域を同時に観察することが可能となる。従って、光スキャナ15cによる走査時間が少なくて済むので、観察に要する時間を更に短縮することができる。   According to this modification, it is possible to simultaneously observe a plurality of regions of the observation object B. Therefore, since the scanning time by the optical scanner 15c can be reduced, the time required for observation can be further shortened.

(第4の変形例)
図15は、上記実施形態の第4変形例として、STED顕微鏡装置1Bの構成を示すブロック図である。本変形例のSTED顕微鏡装置1Bと上記実施形態のSTED顕微鏡装置1Aとの相違点は、蛍光PLの撮像方式である。すなわち、本変形例のSTED顕微鏡装置1Bは、上記実施形態の光学系15A及び検出器16に代えて、光学系15B及び二次元撮像装置20を備える。なお、STED顕微鏡装置1Bにおける他の構成は、上記実施形態と同様である。
(Fourth modification)
FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a STED microscope apparatus 1B as a fourth modification of the embodiment. The difference between the STED microscope apparatus 1B of this modified example and the STED microscope apparatus 1A of the above-described embodiment is the imaging method of the fluorescence PL. That is, the STED microscope apparatus 1B of the present modification includes an optical system 15B and a two-dimensional imaging device 20 instead of the optical system 15A and the detector 16 of the above embodiment. In addition, the other structure in STED microscope apparatus 1B is the same as that of the said embodiment.

光学系15Bは、観察対象物Bの観察対象領域に励起光LE及びSTED光LSを照射するために設けられる。光学系15Bは、ダイクロイックミラー15a及び15b、光スキャナ15c、対物レンズ15d、ダイクロイックミラー15f、並びに結像光学系15gを有する。なお、ダイクロイックミラー15a及び15b、光スキャナ15c、並びに対物レンズ15dの構成は、上記実施形態と同様である。 The optical system 15B is provided to irradiate the observation target region of the observation target B with the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 . The optical system 15B includes dichroic mirrors 15a and 15b, an optical scanner 15c, an objective lens 15d, a dichroic mirror 15f, and an imaging optical system 15g. The configurations of the dichroic mirrors 15a and 15b, the optical scanner 15c, and the objective lens 15d are the same as those in the above embodiment.

ダイクロイックミラー15fは、観察対象物Bにおいて生じる蛍光PLの波長を含む波長帯域の光を反射し、STED光LSの波長及び励起光LEの波長を含む波長帯域の光を透過する。なお、本変形例では、STED光LSの波長は、蛍光PLの波長と励起光LEの波長との間の波長に設定される。ダイクロイックミラー15fは、対物レンズ15dと光スキャナ15cとを結ぶ光軸上に配置される。ダイクロイックミラー15fは、観察対象物Bから蛍光PLを受けて、該蛍光PLを二次元撮像装置20に向けて反射する。結像光学系15gは、ダイクロイックミラー15fと二次元撮像装置20との間に配置されており、ダイクロイックミラー15fにおいて反射した蛍光PLを受け、該蛍光PLを二次元撮像装置20の検出面において結像する。 The dichroic mirror 15f reflects the light of the wavelength band including the wavelength of fluorescence PL that occurs in observation object B, and transmits light in a wavelength band including the wavelength of the STED light LS 2 wavelengths and the excitation light LE 2. In this modification, the wavelength of the STED light LS 2 is set to a wavelength between the wavelength of the fluorescence PL and the wavelength of the excitation light LE 2 . The dichroic mirror 15f is disposed on the optical axis connecting the objective lens 15d and the optical scanner 15c. The dichroic mirror 15 f receives the fluorescence PL from the observation object B and reflects the fluorescence PL toward the two-dimensional imaging device 20. The imaging optical system 15g is disposed between the dichroic mirror 15f and the two-dimensional imaging device 20, receives the fluorescence PL reflected by the dichroic mirror 15f, and binds the fluorescence PL on the detection surface of the two-dimensional imaging device 20. Image.

二次元撮像装置20は、結像光学系15gにより結像された蛍光PLの光強度を検出する。二次元撮像装置20としては、例えば、CCDイメージセンサ若しくはCMOSイメージセンサといったエリアイメージセンサが好適に用いられる。二次元撮像装置20は、蛍光PLの光像を示す光像信号SDを、演算制御装置17に提供する。演算制御装置17の画像処理部17bは、二次元撮像装置20において撮像された蛍光PLの光像に基づいて、蛍光画像を作成する。画像処理部17bにより作成された蛍光画像は、表示装置19に表示される。 The two-dimensional imaging device 20 detects the light intensity of the fluorescence PL imaged by the imaging optical system 15g. As the two-dimensional imaging device 20, for example, an area image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor is preferably used. Two-dimensional imaging device 20, an optical image signal SD 2 showing the optical image of the fluorescent PL, is provided to the arithmetic and control unit 17. The image processing unit 17b of the arithmetic control device 17 creates a fluorescence image based on the light image of the fluorescence PL captured by the two-dimensional imaging device 20. The fluorescence image created by the image processing unit 17b is displayed on the display device 19.

図16(a)は、本変形例の二次元撮像装置20の受光面20aにおいて、蛍光PLの結像点が走査される様子を模式的に示す図である。図16(a)において、蛍光PLの走査方向は実線の矢印により表されている。受光面20aは、M行N列(M,Nは2以上の整数)の二次元状に配列された複数の画素20bを有する。光スキャナ15cは、蛍光PLが各画素20bを行方向に走査され、一行の走査の完了後に次の行の走査が行われるように、励起光LE及びSTED光LSの照射位置を制御する。なお、二次元撮像装置20の露光時間は、蛍光PLの走査開始から走査終了までの時間に設定される。 FIG. 16A is a diagram schematically illustrating a state where the imaging point of the fluorescence PL is scanned on the light receiving surface 20a of the two-dimensional imaging device 20 of the present modification. In FIG. 16A, the scanning direction of the fluorescence PL is represented by a solid arrow. The light-receiving surface 20a has a plurality of pixels 20b arranged in a two-dimensional form with M rows and N columns (M and N are integers of 2 or more). The optical scanner 15c controls the irradiation positions of the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 so that the fluorescence PL is scanned in the pixel 20b in the row direction, and the next row is scanned after the completion of the scanning of one row. . Note that the exposure time of the two-dimensional imaging device 20 is set to the time from the start of scanning of the fluorescence PL to the end of scanning.

また、図16(b)は、励起光LE及びSTED光LSの照射タイミングを示すグラフであって、横軸は、図16(a)に示される一行の走査時間に対応している。本変形例では、解像度を向上させる為に、一つの画素20bが蛍光PLを複数回受光することを避けることが望ましい。従って、励起光LE及びSTED光LSのパルス時間間隔Tは、走査方向における画素20bの幅、光スキャナ15cの走査速度、並びに対物レンズ15d及び結像光学系15gの結像倍率に応じて設定されることが望ましい。 FIG. 16B is a graph showing the irradiation timings of the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 , and the horizontal axis corresponds to the scanning time of one line shown in FIG. In this modification, in order to improve the resolution, it is desirable that one pixel 20b avoids receiving the fluorescence PL a plurality of times. Accordingly, the pulse time interval T between the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 depends on the width of the pixel 20b in the scanning direction, the scanning speed of the optical scanner 15c, and the imaging magnification of the objective lens 15d and the imaging optical system 15g. It is desirable to set.

具体的には、図16(b)に示されるように、まず、当該行の最初の画素20bに蛍光PLの光軸が位置するときに、励起光LE及びSTED光LSが連続して照射され、そのとき発生した蛍光PLが最初の画素20bに入射する。続いて、当該行の次の画素20bに蛍光PLの光軸が位置するように、励起光LE及びSTED光LSの光軸が光スキャナ15cによって移動されたのち、励起光LE及びSTED光LSが連続して照射され、そのとき発生した蛍光PLが次の画素20bに入射する。このような動作が当該行の複数の画素20bにわたって繰り返し行われることにより、一行分の蛍光画像が得られる。そして、このような動作が複数行にわたって繰り返し行われることにより、一枚の蛍光画像が得られる。 Specifically, as shown in FIG. 16B, first, when the optical axis of the fluorescence PL is positioned at the first pixel 20b of the row, the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 are continuously generated. The fluorescence PL generated at that time is incident on the first pixel 20b. Subsequently, after the optical axes of the excitation light LE 2 and the STED light LS 2 are moved by the optical scanner 15c so that the optical axis of the fluorescence PL is positioned at the next pixel 20b in the row, the excitation light LE 2 and STED light LS 2 is continuously irradiated with, then the fluorescent PL generated enters the next pixel 20b. By repeating such an operation over a plurality of pixels 20b in the row, a fluorescence image for one row is obtained. Then, by repeating such an operation over a plurality of lines, a single fluorescent image is obtained.

(第5の変形例)
図17は、上記実施形態の第5変形例として、STED顕微鏡装置1Cの構成を示すブロック図である。本変形例のSTED顕微鏡装置1Cと上記実施形態のSTED顕微鏡装置1Aとの相違点は、励起光源12から励起光LEを受け、変調後の励起光LEを出力するSLM14を用いない点である。すなわち、本変形例のSTED顕微鏡装置1Cは、ミラー22及びダイクロイックミラー23を備えることによって、励起光源12からの励起光LEの光軸とSTED光源11からのSTED光LSの光軸とを互いに一致させ、STED光LS及び励起光LEの双方をSLM13において受ける。なお、STED顕微鏡装置1Cにおける他の構成は、上記実施形態と同様である。
(Fifth modification)
FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of a STED microscope apparatus 1C as a fifth modification of the embodiment. The difference between the STED microscope apparatus 1C of this modified example and the STED microscope apparatus 1A of the above embodiment is that the SLM 14 that receives the excitation light LE 1 from the excitation light source 12 and outputs the modulated excitation light LE 2 is not used. is there. That is, the STED microscope apparatus 1C of the present modification includes the mirror 22 and the dichroic mirror 23 so that the optical axis of the excitation light LE 1 from the excitation light source 12 and the optical axis of the STED light LS 1 from the STED light source 11 are obtained. The SLM 13 receives both the STED light LS 1 and the excitation light LE 1 . The other configurations in the STED microscope apparatus 1C are the same as those in the above embodiment.

励起光源12からの励起光LEはミラー22において反射され、ダイクロイックミラー23に入力される。ダイクロイックミラー23は、STED光LSの波長を透過し、励起光LEを反射するので、励起光源12からの励起光LEの光軸とSTED光源11からのSTED光LSの光軸とを一致させることができ、SLM13は、励起光LEとSTED光LSとを受ける。ここで、SLM13が例えばLCOS−SLMなどのように特定の偏光の光のみを変調する空間光変調器である場合、STED光LSの偏光を該特定の偏光とし、励起光LEの偏光を該特定の偏光と直交する偏光とすることにより、STED光LSのみを変調することができる。詳述すると、SLM13がLCOS−SLMである場合、LCOS−SLMは、液晶の配向方向と同じ方向の偏光成分(例えば、水平偏光成分)に対してのみ位相変調が可能である。そのため、円環形状となるように位相変調されるべきSTED光LSを水平偏光とし、位相変調が不要である励起光LEを垂直偏光としてこれらを予め同軸で合波し、SLM13に入力すると、STED光LSは位相変調され、STED光LSとして出力される。一方、励起光LEは変調されず、励起光LEのまま出力される。本変形例のSTED顕微鏡装置1Cのような構成によれば、STED光源11及び励起光源12とSLM13との間を、例えば偏光が保存される偏光ファイバを用いて導光することも可能となり、STED光源11及び励起光源12と、光学系15Aとを物理的に分離することができる。これにより、STED光源11や励起光源12において発生する振動や熱による光学系15Aへの影響を緩和し、光学系15Aの小型化・安定化が図れ、STED光源11や励起光源12の変更が容易になる。 Excitation light LE 1 from the excitation light source 12 is reflected by the mirror 22 and input to the dichroic mirror 23. The dichroic mirror 23 is transmitted through the wavelength of the STED light LS 1, since the reflected excitation light LE 1, and the optical axis of the STED light LS 1 from the optical axis and the STED light source 11 of the excitation light LE 1 from the excitation light source 12 The SLM 13 receives the excitation light LE 1 and the STED light LS 1 . Here, when the SLM 13 is a spatial light modulator that modulates only light of a specific polarization, such as an LCOS-SLM, for example, the polarization of the STED light LS 1 is the specific polarization, and the polarization of the excitation light LE 1 is By making the polarized light orthogonal to the specific polarized light, only the STED light LS 1 can be modulated. More specifically, when the SLM 13 is an LCOS-SLM, the LCOS-SLM can only perform phase modulation on a polarization component (for example, a horizontal polarization component) in the same direction as the alignment direction of the liquid crystal. Therefore, when the STED light LS 1 to be phase-modulated so as to have an annular shape is horizontally polarized light and the excitation light LE 1 that does not require phase modulation is vertically polarized light, these are coaxially combined and input to the SLM 13 in advance. , STED light LS 1 is phase-modulated and output as STED light LS 2 . On the other hand, the excitation light LE 1 is not modulated and is output as the excitation light LE 1 . According to the configuration of the modified STED microscope apparatus 1C, it is possible to guide light between the STED light source 11 and the excitation light source 12 and the SLM 13 using, for example, a polarization fiber that preserves polarized light. The light source 11 and the excitation light source 12 and the optical system 15A can be physically separated. Thereby, the influence on the optical system 15A due to vibration and heat generated in the STED light source 11 and the excitation light source 12 can be reduced, the optical system 15A can be downsized and stabilized, and the STED light source 11 and the excitation light source 12 can be easily changed. become.

1A…STED顕微鏡装置、1B…STED顕微鏡装置、11…STED光源、12…励起光源、13,14…SLM、15A,15B…光学系、15a,15b…ダイクロイックミラー、15c…光スキャナ、15d…対物レンズ、15e…結像光学系、15f…ダイクロイックミラー、15g…結像光学系、16…検出器、17…演算制御装置、17a…制御部、17b…画像処理部、17c…記憶部、18…入力装置、19…表示装置、20…二次元撮像装置、20a…受光面、20b…画素、B…観察対象物、LE,LE…励起光、LS,LS…STED光、PL…蛍光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A ... STED microscope apparatus, 1B ... STED microscope apparatus, 11 ... STED light source, 12 ... Excitation light source, 13, 14 ... SLM, 15A, 15B ... Optical system, 15a, 15b ... Dichroic mirror, 15c ... Optical scanner, 15d ... Objective Lens, 15e ... Imaging optical system, 15f ... Dichroic mirror, 15g ... Imaging optical system, 16 ... Detector, 17 ... Calculation control device, 17a ... Control unit, 17b ... Image processing unit, 17c ... Storage unit, 18 ... input device, 19 ... display, 20 ... two-dimensional imaging device, 20a ... light-receiving surface, 20b ... pixels, B ... observation object, LE 1, LE 2 ... pumping light, LS 1, LS 2 ... STED light, PL ... fluorescence.

上述した課題を解決するために、本発明によるSTED顕微鏡装置は、STED光を発生するSTED光源と、励起光を発生する励起光源と、位相変調によりSTED光を円環状に成形するための第1の位相パターンが呈示される位相変調型の第1の空間光変調器と、第1の空間光変調器により位相変調された誘導放射抑制光の観察対象領域における集光位置を制御する光スキャナと、観察対象領域に励起光及び位相変調後のSTED光を照射するための光学系と、観察対象領域から発生する蛍光を検出する検出器と、第1の位相パターンを制御する制御部と、を備え、制御部が第1の位相パターンを変更することによって、位相変調後のSTED光の円環の内径が変更可能とされていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a STED microscope apparatus according to the present invention includes a STED light source that generates STED light, an excitation light source that generates excitation light, and a first STED light that is shaped into an annular shape by phase modulation. A phase modulation type first spatial light modulator in which a phase pattern of the first spatial light modulator is presented, and an optical scanner for controlling a condensing position in the observation target region of the stimulated emission suppression light phase-modulated by the first spatial light modulator; an optical system for irradiating the STED light after the excitation light and the phase modulation on the observation target region, a detector for detecting fluorescence generated from the observation target region, and a control unit for controlling the first phase pattern, the In addition, the inner diameter of the ring of the STED light after the phase modulation can be changed by the control unit changing the first phase pattern.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、検出器が二次元検出器であることを特徴としてもよい。また、その場合、光スキャナは、蛍光を二次元検出器の受光面上において走査させることを特徴としてもよい。更にその場合、励起光及び誘導放射抑制光の照射時間間隔は、走査方向における受光面の画素の幅及び光スキャナの走査速度に応じて、各画素が蛍光を複数回受光しないように設定されていることを特徴としてもよい。これにより、解像度を向上させることができる。 In the above STED microscope apparatus, the detector may be a two-dimensional detector. In that case, the optical scanner may be characterized Rukoto by scanning the fluorescence on the light receiving surface of the two-dimensional detector. Further, in that case, the irradiation time intervals of the excitation light and the induced radiation suppression light are set so that each pixel does not receive the fluorescence multiple times according to the width of the pixel on the light receiving surface in the scanning direction and the scanning speed of the optical scanner. It may be characterized by being. Thereby, the resolution can be improved.

また、上記のSTED顕微鏡装置は、検出器が、光スキャナを介して蛍光を検出することを特徴としてもよい。また、上記のSTED顕微鏡装置は、第1の位相パターンが、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜2π×n(rad)(nは1以上の整数)まで位相が増加するパターンを含み、制御部が整数nを変更することによって、円環の内径を変更可能とされていることを特徴としてもよい。例えばこのような第1の位相パターンによって、位相変調後のSTED光の円環の内径を好適に変更することができる。 The STED microscope apparatus may be characterized in that the detector detects fluorescence via an optical scanner. In the STED microscope apparatus, the first phase pattern is a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to 2π × n (rad) (n is an integer equal to or greater than 1) in a spiral shape around a certain point. , And the control unit may change the inner diameter of the annular ring by changing the integer n. For example, the inner diameter of the ring of the STED light after phase modulation can be suitably changed by such a first phase pattern.

Claims (9)

誘導放射抑制光を発生する誘導放射抑制光源と、
励起光を発生する励起光源と、
位相変調により前記誘導放射抑制光を円環状に成形するための第1の位相パターンが呈示される位相変調型の第1の空間光変調器と、
観察対象領域に前記励起光及び位相変調後の前記誘導放射抑制光を照射するための光学系と、
前記観察対象領域から発生する蛍光を検出する検出器と、
前記第1の位相パターンを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部が前記第1の位相パターンを変更することによって、位相変調後の前記誘導放射抑制光の円環の内径が変更可能とされていることを特徴とする、誘導放射抑制顕微鏡装置。
A stimulated emission suppression light source that generates stimulated emission suppression light; and
An excitation light source that generates excitation light;
A first spatial light modulator of a phase modulation type in which a first phase pattern for shaping the induced radiation suppression light into an annular shape by phase modulation is presented;
An optical system for irradiating the observation target region with the excitation light and the stimulated emission suppression light after phase modulation;
A detector for detecting fluorescence generated from the observation target region;
A control unit for controlling the first phase pattern;
With
An induced radiation suppression microscope apparatus, wherein an inner diameter of a ring of the induced radiation suppression light after phase modulation can be changed by the control unit changing the first phase pattern.
位相変調により前記励起光を円形状に成形するための第2の位相パターンが呈示される第2の空間光変調器を更に備え、
前記制御部は、前記第2の位相パターンを更に制御することを特徴とする、請求項1に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。
A second spatial light modulator on which a second phase pattern for shaping the excitation light into a circular shape by phase modulation is presented;
The stimulated radiation suppression microscope apparatus according to claim 1, wherein the control unit further controls the second phase pattern.
前記制御部は、前記誘導放射抑制光を分割して複数の領域に照射するためのパターンを前記第1の位相パターンに重畳させるとともに、前記励起光を分割して前記複数の領域に照射するためのパターンを前記第2の位相パターンに重畳させることを特徴とする、請求項2に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。   The controller is configured to superimpose a pattern for dividing the stimulated emission suppression light and irradiating a plurality of regions on the first phase pattern, and to divide the excitation light and irradiate the plurality of regions. The induced radiation suppression microscope apparatus according to claim 2, wherein the pattern is superimposed on the second phase pattern. 前記検出器が二次元検出器であることを特徴とする、請求項3に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。   The stimulated radiation suppression microscope apparatus according to claim 3, wherein the detector is a two-dimensional detector. 前記蛍光を前記二次元検出器の受光面上において走査させる光スキャナを更に備え、
前記励起光及び前記誘導放射抑制光の照射時間間隔は、走査方向における前記受光面の画素の幅及び前記光スキャナの走査速度に応じて、各画素が前記蛍光を複数回受光しないように設定されていることを特徴とする、請求項4に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。
An optical scanner that scans the fluorescence on the light receiving surface of the two-dimensional detector;
The irradiation time interval of the excitation light and the stimulated emission suppression light is set so that each pixel does not receive the fluorescence a plurality of times according to the width of the pixel on the light receiving surface in the scanning direction and the scanning speed of the optical scanner. The stimulated radiation suppression microscope apparatus according to claim 4, wherein:
前記第1の位相パターンは、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜2π×n(rad)(nは1以上の整数)まで位相が増加するパターンを含み、
前記制御部が整数nを変更することによって、前記円環の内径を変更可能とされていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。
The first phase pattern includes a pattern in which a phase increases from 0 (rad) to 2π × n (rad) (n is an integer of 1 or more) spirally around a certain point,
The induction radiation suppression microscope apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein an inner diameter of the annular ring can be changed by the control unit changing an integer n.
前記第1の位相パターンは、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜2π(rad)までの位相の増加をn回(nは1以上の整数)繰り返すパターンを含み、
前記制御部が整数nを変更することによって、前記円環の内径を変更可能とされていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。
The first phase pattern includes a pattern in which a phase increase from 0 (rad) to 2π (rad) is repeated n times (n is an integer of 1 or more) spirally around a certain point,
The induction radiation suppression microscope apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein an inner diameter of the annular ring can be changed by the control unit changing an integer n.
前記制御部は、前記誘導放射抑制光の円環の複数の内径にそれぞれ対応する複数のパターンを記憶する記憶部を有し、前記複数のパターンの中から選択されたパターンを前記第1の位相パターンに含めることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。   The control unit includes a storage unit that stores a plurality of patterns respectively corresponding to a plurality of inner diameters of the annular ring of the induced radiation suppression light, and a pattern selected from the plurality of patterns is stored in the first phase. The induced radiation suppression microscope apparatus according to claim 1, wherein the microscope is included in a pattern. 前記円環の内径の所望値を入力する入力部を更に備え、
前記第1の位相パターンは、或る点を中心としてらせん状に0(rad)〜m(rad)(mは2π以上の実数)まで位相が増加するパターンを含み、
前記制御部は、前記入力部から入力された前記円環の内径の所望値に基づいて実数mを設定することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の誘導放射抑制顕微鏡装置。
An input unit for inputting a desired value of the inner diameter of the ring,
The first phase pattern includes a pattern in which the phase increases from 0 (rad) to m (rad) (m is a real number greater than or equal to 2π) spirally around a certain point;
6. The stimulated emission suppression according to claim 1, wherein the control unit sets a real number m based on a desired value of the inner diameter of the annular ring input from the input unit. Microscope device.
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CN111913293A (en) * 2019-12-12 2020-11-10 南开大学 Super-resolution microscopy system and method based on fluorescence spectrum
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