JP2020134655A - Observation device, method for observation, microscope device, and endoscope device - Google Patents

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Abstract

To provide an observation device which can detect a photoacoustic signal based on a two-photon excitation rapidly and with a simple structure.SOLUTION: An observation device 50 includes: a pulse laser 10 for generating light L; an irradiation optical system 20 for irradiating a sample T with a light L; and a detector 40 for detecting a signal in association with a reaction of the sample T caused by irradiation with the light L. The irradiation unit 20 includes a switch unit 51 for switching a first mode for generating one-photon excitation and two-photon excitation in the sample T by irradiating a focus surface with light LA with a first intensity distribution and a second mode for generating at least one one-photon excitation in the sample T by irradiating the focus surface with light LB with a second intensity distribution.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、観察装置、観察方法、顕微鏡装置及び内視鏡装置に関するものである。 The present invention relates to an observation device, an observation method, a microscope device, and an endoscopic device.

光吸収によって生じる光音響(PA、photoacoustic)波を検出することで、試薬等を用いずに試料の吸収分布を画像化できる光音響顕微鏡(PAM、photoacoustic microscopy)は、例えば医療分野等において広く利用されている。 Photoacoustic microscopy (PAM, photoacoustic microscopy), which can image the absorption distribution of a sample without using reagents by detecting photoacoustic (PA, photoacoustic) waves generated by light absorption, is widely used in the medical field, for example. Has been done.

このような光音響顕微鏡の一例として、二光子励起光音響顕微鏡が提案されている(例えば非特許文献1参照)。非特許文献1に提案されている光音響顕微鏡では、パルス幅が可変なレーザーを用いている。この光音響顕微鏡では、フェムト秒程度のパルス幅の光により光音響信号を取得し、また、ピコ秒程度のパルス幅の光により光音響信号を取得する。ピコ秒程度のパルス幅の光による光音響信号は一光子励起による光音響信号が支配的であり、フェムト秒程度のパルス幅の光におる光音響信号は一光子励起と二光子励起とによる光音響信号が支配的である。そこで、フェムト秒程度のパルス幅の光による光音響信号からピコ秒程度のパルス幅の光による光音響信号を減算することで、二光子励起による光音響信号のみを取り出すことができる。 As an example of such a photoacoustic microscope, a two-photon excitation photoacoustic microscope has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). The photoacoustic microscope proposed in Non-Patent Document 1 uses a laser having a variable pulse width. In this photoacoustic microscope, a photoacoustic signal is acquired by light having a pulse width of about femtoseconds, and a photoacoustic signal is acquired by light having a pulse width of about picoseconds. Photoacoustic signals due to light with a pulse width of about picoseconds are dominated by photoacoustic signals due to one-photon excitation, and photoacoustic signals for light with a pulse width of about femtoseconds are light due to one-photon excitation and two-photon excitation. The acoustic signal is dominant. Therefore, by subtracting the photoacoustic signal of light having a pulse width of about picoseconds from the photoacoustic signal of light having a pulse width of about femtoseconds, only the photoacoustic signal due to diphoton excitation can be extracted.

しかしながら、上述した非特許文献1に開示された光音響顕微鏡では、パルス幅が可変な特殊なレーザーを用いており、また、パルス幅を変更する作業に時間を要していた。 However, the photoacoustic microscope disclosed in Non-Patent Document 1 described above uses a special laser having a variable pulse width, and it takes time to change the pulse width.

Yoshihisa Yamaoka et. al., “Photoacoustic microscopy using ultrashort pulses with two different pulse durations”, OPTICS EXPRESS(米), 2014, Vol.22, No.14, p.17063-17072Yoshihisa Yamaoka et. Al., “Photoacoustic microscopy using ultrashort pulses with two different pulse durations”, OPTICS EXPRESS (US), 2014, Vol.22, No.14, p.17063-17072

本発明の観察装置は、光を発生する光源と、光を試料に照射する照射光学系と、光が照射されたことによる試料の反応に伴う信号を検出する検出部とを有し、照射光学系は、焦点面において第1の強度分布を有する光を照射することにより試料に一光子励起及び二光子励起を発生させる第1モードと、焦点面において第2の強度分布を有する光を照射することにより試料に少なくとも一光子励起を発生させる第2モードとを切り替える切替部を有する。 The observation device of the present invention has a light source that generates light, an irradiation optical system that irradiates the sample with light, and a detection unit that detects a signal associated with the reaction of the sample due to the irradiation of light. The system irradiates the sample with light having a first intensity distribution on the focal plane in a first mode of generating one-photon excitation and two-photon excitation, and light having a second intensity distribution on the focal plane. This has a switching unit for switching between the second mode in which at least one photon excitation is generated in the sample.

本発明の観察方法は、焦点面において第1の強度分布を有する光を照射することにより試料に一光子励起及び二光子励起を発生させる第1モードと、焦点面において第2の強度分布を有する光を照射することにより試料に少なくとも一光子励起を発生させる第2モードとを切り替える工程と、光が照射されたことによる試料の反応に伴う信号を検出する工程と、を含む。 The observation method of the present invention has a first mode in which one photon excitation and two photon excitation are generated in a sample by irradiating light having a first intensity distribution on the focal plane, and a second intensity distribution on the focal plane. It includes a step of switching between a second mode in which at least one photon excitation is generated in the sample by irradiating the sample with light, and a step of detecting a signal accompanying the reaction of the sample due to the irradiation of light.

第一の実施の形態である観察装置が適用される光音響顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the photoacoustic microscope to which the observation apparatus which is 1st Embodiment is applied. 第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡のうち試料付近を拡大して示した概略図である。It is the schematic which showed the vicinity of the sample enlarged in the photoacoustic microscope which concerns on 1st Embodiment. 第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡の動作の一例を説明するための波形図である。It is a waveform diagram for demonstrating an example of the operation of the photoacoustic microscope which concerns on 1st Embodiment. 第二の実施の形態である観察装置が適用される光音響顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the photoacoustic microscope to which the observation apparatus which is 2nd Embodiment is applied. 第二の実施の形態である観察装置に用いられる原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle used for the observation apparatus which is a 2nd Embodiment. 第二の実施の形態である観察装置により試料に照射される光のプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the profile of the light which irradiates a sample by the observation apparatus which is 2nd Embodiment. 第二の実施の形態に係る光音響顕微鏡における対物レンズの瞳関数の位相の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the phase of the pupil function of the objective lens in the photoacoustic microscope which concerns on 2nd Embodiment. 第二の実施の形態である観察装置により試料に照射される光の焦点面における光のプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the profile of the light in the focal plane of the light which irradiates a sample by the observation apparatus which is 2nd Embodiment.

以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(第一の実施の形態)
図1及び図2を参照して、第一の実施の形態である観察装置が適用される光音響顕微鏡について説明する。
(First Embodiment)
A photoacoustic microscope to which the observation device according to the first embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1は第一の実施の形態である観察装置が適用される光音響顕微鏡の概略構成を示すブロック図、図2は第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡のうち試料付近を拡大して示した概略図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photoacoustic microscope to which the observation device according to the first embodiment is applied, and FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of a sample of the photoacoustic microscope according to the first embodiment. It is a schematic diagram shown.

これらの図において、本実施の形態に係る光音響顕微鏡1は、光源であるパルスレーザー10、照射光学系20及び検出部40を有する。 In these figures, the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment has a pulse laser 10 as a light source, an irradiation optical system 20, and a detection unit 40.

照射光学系20は、ハーフミラー21、第1の音響光学素子(Acousto-Optic Modulator、以下、第1のAOMと称する)22、鏡23、光ファイバ24、第2の音響光学素子(以下、第2のAOMと称する)25、鏡26、ハーフミラー27、ダイクロイックミラー28、ガルバノスキャナ(走査部)29、対物レンズ30及びファンクションジェネレータ31を有する。 The irradiation optical system 20 includes a half mirror 21, a first acousto-optic modulator (hereinafter referred to as a first AOM) 22, a mirror 23, an optical fiber 24, and a second acousto-optic element (hereinafter referred to as a first AOM). It has 25 (referred to as AOM of 2), a mirror 26, a half mirror 27, a dichroic mirror 28, a galvano scanner (scanning unit) 29, an objective lens 30, and a function generator 31.

なお、ハーフミラー21、27を偏光ビームスプリッターに置き換えても良い。この場合、後述するパルス光LAとパルス光LBの光量を等しくするために、パルスレーザー10の射出後に、半波長板を設置し、偏光を45°の直線偏光とすることが望ましい。また、パルス光LAとパルス光LBの偏光を等しくするために、二つの光を合波した後の光路に、偏光子を設置し、偏光軸を45°とすることが望ましい。 The half mirrors 21 and 27 may be replaced with a polarizing beam splitter. In this case, in order to equalize the amount of light of the pulsed light LA and the pulsed light LB, which will be described later, it is desirable to install a half-wave plate after the emission of the pulsed laser 10 so that the polarized light is linearly polarized at 45 °. Further, in order to equalize the polarizations of the pulsed light LA and the pulsed light LB, it is desirable to install a polarizer in the optical path after combining the two lights and set the polarization axis to 45 °.

パルスレーザー10は、所定のパルス幅を有するレーザー光Lを出射する。パルスレーザー10が発生する光Lのパルス幅は、このパルス光Lにより試料Tに一光子励起及び二光子励起の双方を生じさせることができるかどうかという観点から決定される。本実施の形態に係る光音響顕微鏡1では、一例としてパルスレーザー10から出射される光Lのパルス幅は200fsとされる。 The pulse laser 10 emits a laser beam L having a predetermined pulse width. The pulse width of the light L generated by the pulse laser 10 is determined from the viewpoint of whether or not the pulsed light L can generate both one-photon excitation and two-photon excitation in the sample T. In the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment, the pulse width of the light L emitted from the pulse laser 10 is set to 200 fs as an example.

パルスレーザー10から出射したパルス光Lはハーフミラー21により光路が2方向に分岐される。ハーフミラー21により分岐されたパルス光の一方LAは第1のAOM22に入射される。 The optical path of the pulsed light L emitted from the pulsed laser 10 is branched in two directions by the half mirror 21. One LA of the pulsed light branched by the half mirror 21 is incident on the first AOM 22.

第1のAOM22は音響光学媒体の側面に超音波素子を接着したものである。ファンクションジェネレータ31から出力された所定周波数fの電気信号が不図示のAOMドライバに入力され、AOMドライバからの駆動信号により超音波素子が駆動されると、超音波素子から出力される超音波が音響光学媒体内を伝播する。この超音波は音響光学媒体内において屈折率の変化をもたらし、音響光学媒体がいわば回折格子として作用する。従って、第1のAOM22に入射したパルス光LAは第1のAOM22により回折される。本実施の形態である照射光学系20では、第1のAOM22からの1次回折光を出力として用いる。 The first AOM 22 has an ultrasonic element bonded to the side surface of an acoustic optical medium. When an electric signal of a predetermined frequency f output from the function generator 31 is input to an AOM driver (not shown) and the ultrasonic element is driven by a drive signal from the AOM driver, the ultrasonic sound output from the ultrasonic element is acoustic. Propagates in the optical medium. This ultrasonic wave causes a change in the refractive index in the acoustic optical medium, and the acoustic optical medium acts as a so-called diffraction grating. Therefore, the pulsed light LA incident on the first AOM 22 is diffracted by the first AOM 22. In the irradiation optical system 20 of the present embodiment, the primary diffracted light from the first AOM 22 is used as an output.

第1のAOM22から出射される1次回折光LAは、ハーフミラー27及びダイクロイックミラー28を通過してガルバノスキャナ29に入射される。 The primary diffracted light LA emitted from the first AOM 22 passes through the half mirror 27 and the dichroic mirror 28 and is incident on the galvano scanner 29.

ダイクロイックミラー28はパルス光LAを通過させる。また、後述するように、ダイクロイックミラー28は、試料Tが蛍光試薬によりラベリングされることで試料Tが発する蛍光の波長の光を反射させる。ダイクロイックミラー28の一面には、このような波長依存性を有する誘電体コーティングが施されている。 The dichroic mirror 28 passes the pulsed light LA. Further, as will be described later, the dichroic mirror 28 reflects light having a fluorescence wavelength emitted by the sample T when the sample T is labeled with a fluorescent reagent. One surface of the dichroic mirror 28 is coated with a dielectric coating having such a wavelength dependence.

ダイクロイックミラー28により反射された蛍光は光学フィルタ32を通じて光電子増倍管33に入力される。光電子増倍管33の出力は、検出部40の情報処理装置41に入力される。情報処理装置41の動作の詳細については後述する。 The fluorescence reflected by the dichroic mirror 28 is input to the photomultiplier tube 33 through the optical filter 32. The output of the photomultiplier tube 33 is input to the information processing device 41 of the detection unit 40. The details of the operation of the information processing device 41 will be described later.

ガルバノスキャナ29は、2枚の反射鏡(ガルバノミラー)29a、29bとこれら反射鏡29a、29bを独立して駆動する図略の駆動部とを有する。駆動部により反射鏡29a、29bを駆動することで、パルス光LAをその光軸に直交する平面上の任意の位置にスキャンすることができる。 The galvano scanner 29 has two reflectors (galvano mirrors) 29a and 29b and a drive unit (not shown) for independently driving the reflectors 29a and 29b. By driving the reflectors 29a and 29b by the driving unit, the pulsed light LA can be scanned at an arbitrary position on a plane orthogonal to the optical axis.

所定の位置にスキャンされた光LAは、対物レンズ30により試料Tの所定位置(例えば図1に示すスポットSP1)に集光されて入射される。 The light LA scanned at a predetermined position is focused and incident on the predetermined position of the sample T (for example, the spot SP1 shown in FIG. 1) by the objective lens 30.

一方、ハーフミラー21により分岐されたパルス光の他方LBは、鏡23によりその光路を所定方向に導かれてパルス幅伸長部である光ファイバ24に入射される。光ファイバ24内を伝播した光は第2のAOM25に入射される。パルス光LBが光ファイバ24内を伝播する際に、波長分散の影響を受けてそのパルス幅が伸長される。なお、光ファイバ24に入射する前にガラスロッドを設置し、パルス幅をある程度伸長させる構成としても良い。 On the other hand, the other LB of the pulsed light branched by the half mirror 21 is guided in a predetermined direction by the mirror 23 and is incident on the optical fiber 24 which is the pulse width extension portion. The light propagating in the optical fiber 24 is incident on the second AOM 25. When the pulsed light LB propagates in the optical fiber 24, its pulse width is extended under the influence of wavelength dispersion. A glass rod may be installed before the light is incident on the optical fiber 24 to extend the pulse width to some extent.

光ファイバ24により伸長される光LBのパルス幅は、伸長されたパルス幅のパルス光LBにより試料Tに少なくとも一光子励起を生じさせることができるかどうかという観点から決定される。本実施の形態に係る光音響顕微鏡1では、一例として光ファイバ24から出射される光LBのパルス幅は200psとされる。従って、光ファイバ24の構造、材質及び全長は、200fsのパルス幅の光が入射され、200psのパルス幅の光LBが出射されるように定められる。なお、光ファイバ24の全長を可変に構成することで、伸長された光LBのパルス幅を可変にしてもよい。 The pulse width of the optical LB extended by the optical fiber 24 is determined from the viewpoint of whether or not at least one photon excitation can be generated in the sample T by the pulsed light LB having the extended pulse width. In the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment, as an example, the pulse width of the optical LB emitted from the optical fiber 24 is 200 ps. Therefore, the structure, material, and total length of the optical fiber 24 are determined so that light having a pulse width of 200 fs is incident and light LB having a pulse width of 200 ps is emitted. The pulse width of the extended optical LB may be made variable by making the total length of the optical fiber 24 variable.

光ファイバ24から出射したパルス光LBは第2のAOM25に入射される。ファンクションジェネレータ31から所定周波数fの電気信号が不図示のAOMドライバに入力され、AOMドライバからの駆動信号が第2のAOM25に印加されると、第2のAOM25が回折格子として作用する。本実施の形態である照射光学系20でも、第2のAOM25からの1次回折光を出力として用いる。 The pulsed light LB emitted from the optical fiber 24 is incident on the second AOM 25. When an electric signal having a predetermined frequency f is input from the function generator 31 to an AOM driver (not shown) and a drive signal from the AOM driver is applied to the second AOM 25, the second AOM 25 acts as a diffraction grating. Also in the irradiation optical system 20 of the present embodiment, the primary diffracted light from the second AOM 25 is used as an output.

第2のAOM25から出射される1次回折光LBは、鏡26によりその光路が所定方向に導かれ、ハーフミラー27に入射する。光LBは、このハーフミラー27により反射されて出射される際に、第1のAOM22から出射される光LAとその光軸を共通にするような位置に入射される。 The optical path of the primary diffracted light LB emitted from the second AOM 25 is guided in a predetermined direction by the mirror 26, and is incident on the half mirror 27. When the light LB is reflected by the half mirror 27 and emitted, the light LB is incident at a position that shares the optical axis with the light LA emitted from the first AOM 22.

ハーフミラー27で反射されて出射された光LBは、このハーフミラー27を通過して出射された光LAと同様にダイクロイックミラー28に入射する。 The light LB reflected and emitted by the half mirror 27 is incident on the dichroic mirror 28 in the same manner as the light LA emitted through the half mirror 27.

ダイクロイックミラー28を通過した光LBはガルバノスキャナ29に入射される。ガルバノスキャナ29により所定の位置にスキャンされた光LBは、対物レンズ30により、光LAと略同一箇所である試料Tの所定位置に集光されて入射される。 The light LB that has passed through the dichroic mirror 28 is incident on the galvano scanner 29. The light LB scanned at a predetermined position by the galvano scanner 29 is focused by the objective lens 30 at a predetermined position of the sample T, which is substantially the same as the light LA, and is incident.

検出部40は、トランスデューサ42及び情報処理装置41の光音響検出部43を有する。 The detection unit 40 includes a transducer 42 and a photoacoustic detection unit 43 of the information processing device 41.

図2に示すように、本実施の形態に係る光音響顕微鏡1では、試料Tは光及び光音響波が伝播可能な媒体M内に浸漬されている。媒体Mは光及び光音響波が伝播可能なものであれば特段の限定はないが、本実施の形態に係る光音響顕微鏡1では、取扱の容易性を考慮して水を媒体Mとして用いている。 As shown in FIG. 2, in the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment, the sample T is immersed in the medium M through which light and photoacoustic waves can propagate. The medium M is not particularly limited as long as it can propagate light and photoacoustic waves, but in the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment, water is used as the medium M in consideration of ease of handling. There is.

対物レンズ30により集光されて試料Tの所定位置(例えば図1に示すスポットSP1)に入射された光LA、LBは、光音響効果によりこの所定位置において光音響波Wを生じさせる。トランスデューサ42は、試料Tから発生して媒体Mを伝播する光音響波Wを受信し、受信した光音響波Wの強度に応じた電気信号を出力する。試料Tの物性に依存するものの、通常、光音響波Wは超音波帯の音波である。従って、トランスデューサ42は超音波トランスデューサであることが望ましい。超音波トランスデューサを構成する材質等は周知であるので、ここでの説明は省略する。 The light LA and LB focused by the objective lens 30 and incident on the predetermined position of the sample T (for example, the spot SP1 shown in FIG. 1) generate a photoacoustic wave W at this predetermined position due to the photoacoustic effect. The transducer 42 receives the photoacoustic wave W generated from the sample T and propagates through the medium M, and outputs an electric signal corresponding to the intensity of the received photoacoustic wave W. Although it depends on the physical properties of the sample T, the photoacoustic wave W is usually a sound wave in the ultrasonic band. Therefore, it is desirable that the transducer 42 is an ultrasonic transducer. Since the materials and the like constituting the ultrasonic transducer are well known, the description thereof is omitted here.

ここで、既に説明したように、第1のAOM22から出射された光LAは、パルスレーザー10から出射された光Lとそのパルス幅が同一である。つまり、光LAはフェムト秒程度のパルス幅を有する。このような極短パルス幅の光LAのピーク強度は十分大きいので、この光LAが照射された試料Tには一光子励起に加えて二光子励起に伴う光音響波Wが生じる。これが第1モードである。また、極短パルス幅の光LAは、焦点面において第1の強度分布を有する光である。 Here, as described above, the light LA emitted from the first AOM 22 has the same pulse width as the light L emitted from the pulse laser 10. That is, the optical LA has a pulse width of about femtoseconds. Since the peak intensity of the light LA having such an extremely short pulse width is sufficiently large, a photoacoustic wave W associated with the two-photon excitation is generated in the sample T irradiated with the light LA in addition to the one-photon excitation. This is the first mode. Further, the light LA having an ultrashort pulse width is light having a first intensity distribution on the focal plane.

一方、第2のAOM25から出射された光LBは光ファイバ24によりパルス幅が伸長されている。光ファイバ24によるパルス幅の伸長に伴い、この光LBのピーク強度は光LAより低くなる。従って、光LBが照射された試料Tには一光子励起に伴う光音響波Wが生じる。これが第2モードである。また、光LBは、焦点面において第2の強度分布を有する光である。 On the other hand, the pulse width of the optical LB emitted from the second AOM 25 is extended by the optical fiber 24. As the pulse width is extended by the optical fiber 24, the peak intensity of the optical LB becomes lower than that of the optical LA. Therefore, the photoacoustic wave W associated with the one-photon excitation is generated in the sample T irradiated with the light LB. This is the second mode. Further, the light LB is light having a second intensity distribution on the focal plane.

トランスデューサ42の出力信号は情報処理装置41に入力される。情報処理装置41は演算能力を有する、例えばパーソナルコンピュータ等である。情報処理装置41は、光音響検出部43、画像処理部(画像生成部)44及び制御部45を有する。 The output signal of the transducer 42 is input to the information processing device 41. The information processing device 41 has computing power, for example, a personal computer or the like. The information processing device 41 includes a photoacoustic detection unit 43, an image processing unit (image generation unit) 44, and a control unit 45.

検出部40の一部を為す光音響検出部43は、トランスデューサ42からの出力信号に基づいて試料Tの光音響信号を検出する。また、光音響検出部43は、光LAに基づく光音響信号と光LBに基づく光音響信号から、二光子励起により発生する光音響信号のみを取り出す。二光子励起により発生する光音響信号のみを取り出す手法については後述する。 The photoacoustic detection unit 43, which forms a part of the detection unit 40, detects the photoacoustic signal of the sample T based on the output signal from the transducer 42. Further, the photoacoustic detection unit 43 extracts only the photoacoustic signal generated by two-photon excitation from the photoacoustic signal based on the optical LA and the photoacoustic signal based on the optical LB. A method for extracting only the photoacoustic signal generated by two-photon excitation will be described later.

画像処理部44は、試料Tの所定位置から得られた光音響信号を光音響検出部43から受信する。そして、画像処理部44は、ガルバノスキャナ29により試料Tの所定位置が走査されることで試料Tの広範囲から得られた光音響信号に基づいて、この光音響信号を画像化した画像信号を生成する。画像信号は図略の表示装置に送出され、また、必要に応じて図略の記憶装置に格納される。 The image processing unit 44 receives the photoacoustic signal obtained from the predetermined position of the sample T from the photoacoustic detection unit 43. Then, the image processing unit 44 generates an image signal that is an image of the photoacoustic signal based on the photoacoustic signal obtained from a wide range of the sample T by scanning the predetermined position of the sample T by the galvano scanner 29. To do. The image signal is sent to the display device of the illustration, and is stored in the storage device of the illustration as needed.

制御部45は光音響顕微鏡1全体の制御を行う。具体的には、パルスレーザー10から出射される光パルスの出射タイミングの制御、ファンクションジェネレータ31に駆動信号を出力させるトリガとなる信号の送出制御、ガルバノスキャナ29の駆動部の制御などを行う。また、制御部45は光音響検出部43及び画像処理部44の制御も行う。 The control unit 45 controls the entire photoacoustic microscope 1. Specifically, it controls the emission timing of the optical pulse emitted from the pulse laser 10, the transmission control of the signal that triggers the function generator 31 to output the drive signal, the control of the drive unit of the galvano scanner 29, and the like. The control unit 45 also controls the photoacoustic detection unit 43 and the image processing unit 44.

以上の構成において、本実施の形態である観察装置50は、パルスレーザー10、照射光学系20及び検出部40を有する。但し、ガルバノスキャナ29を有する走査部及び対物レンズ30は観察装置50に必須の構成ではない。また、照射光学系20は、第1モードと第2モードとを切り替える切替部51を備え、切替部51は、本実施の形態では、第1のAOM22、第2のAOM25、光ファイバ24及びファンクションジェネレータ31を備える。 In the above configuration, the observation device 50 according to the present embodiment includes a pulse laser 10, an irradiation optical system 20, and a detection unit 40. However, the scanning unit having the galvano scanner 29 and the objective lens 30 are not essential configurations for the observation device 50. Further, the irradiation optical system 20 includes a switching unit 51 for switching between the first mode and the second mode, and in the present embodiment, the switching unit 51 includes a first AOM 22, a second AOM 25, an optical fiber 24, and a function. A generator 31 is provided.

次に、図3を参照して、本実施の形態に係る光音響顕微鏡1の動作及び検出原理について説明する。 Next, with reference to FIG. 3, the operation and detection principle of the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment will be described.

図3(a)は、パルスレーザー10から出射されるパルス光Lを示す波形図である。情報処理装置41の制御部45は、パルスレーザー10から所定の繰り返し周波数でパルスLが出射されるようにこのパルスレーザー10を駆動する。一例として、パルスレーザー10から出射されるパルス光Lの繰り返し周波数は80MHzとされる。 FIG. 3A is a waveform diagram showing the pulsed light L emitted from the pulsed laser 10. The control unit 45 of the information processing apparatus 41 drives the pulse laser 10 so that the pulse L is emitted from the pulse laser 10 at a predetermined repeating frequency. As an example, the repetition frequency of the pulsed light L emitted from the pulse laser 10 is 80 MHz.

図3(b)、(c)は、それぞれファンクションジェネレータ31から第1のAOM22及び第2のAOM25に供給される駆動電圧信号を示す波形図である。ファンクションジェネレータ31から供給される駆動電圧信号は周波数fの矩形波であり、そして、第1のAOM22と第2のAOM25とでその位相が反転している。従って、第1のAOM22と第2のAOM25とは、図に示すように周波数fの周期で交互にON/OFFされる。情報処理装置41の制御部45は、図に示すような駆動電圧信号をファンクションジェネレータ31から出力させるようなトリガ信号を送出する。 3 (b) and 3 (c) are waveform diagrams showing drive voltage signals supplied from the function generator 31 to the first AOM 22 and the second AOM 25, respectively. The drive voltage signal supplied from the function generator 31 is a rectangular wave having a frequency f, and its phase is inverted between the first AOM 22 and the second AOM 25. Therefore, the first AOM 22 and the second AOM 25 are alternately turned ON / OFF in the cycle of the frequency f as shown in the figure. The control unit 45 of the information processing device 41 sends out a trigger signal that causes the function generator 31 to output a drive voltage signal as shown in the figure.

図3(d)は第1のAOM22から出力される光LAを示す波形図、図3(e)は第2のAOM25から出力される光LBを示す波形図である。これら図3(d)、(e)に示すように、第1のAOM22と第2のAOM25とからは、交互に光LA及び光LBが出射される。 FIG. 3D is a waveform diagram showing the optical LA output from the first AOM22, and FIG. 3E is a waveform diagram showing the optical LB output from the second AOM25. As shown in FIGS. 3 (d) and 3 (e), light LA and light LB are alternately emitted from the first AOM 22 and the second AOM 25.

光音響検出部43は、光LAまたは光LBが試料Tに照射されることにより生じる光音響信号を検出する。そして、光音響検出部43は、光LAに基づく光音響信号の強度から光LBに基づく光音響信号の強度を減算することで、二光子励起にのみ基づく光音響信号の強度を算出する。このため、光音響検出部43または制御部45は、光LA、LBに基づく光音響信号を一時的に格納する図略の記憶部を有する。 The photoacoustic detection unit 43 detects a photoacoustic signal generated by irradiating the sample T with light LA or light LB. Then, the photoacoustic detection unit 43 calculates the intensity of the photoacoustic signal based only on the diphoton excitation by subtracting the intensity of the photoacoustic signal based on the optical LB from the intensity of the photoacoustic signal based on the optical LA. Therefore, the photoacoustic detection unit 43 or the control unit 45 has a schematic storage unit that temporarily stores photoacoustic signals based on the optical LA and LB.

二光子励起にのみ基づく光音響信号の強度を算出するタイミングは任意である。但し、リアルタイム性を考慮すると、ファンクションジェネレータ31から供給される駆動電圧信号の周波数fと等しい間隔で算出することが好ましい。 The timing for calculating the intensity of the photoacoustic signal based only on two-photon excitation is arbitrary. However, in consideration of real-time performance, it is preferable to calculate at intervals equal to the frequency f of the drive voltage signal supplied from the function generator 31.

次いで、制御部45は、ガルバノスキャナ29を制御することで、試料Tに入射する光LA及び光LBの照射位置を変更する。一例として、図1に示すスポットSP1からスポットSP2に照射位置を変更する。そして、光音響検出部43は、スポットSP2においても上述の計算を行う。 Next, the control unit 45 changes the irradiation positions of the light LA and the light LB incident on the sample T by controlling the galvano scanner 29. As an example, the irradiation position is changed from the spot SP1 shown in FIG. 1 to the spot SP2. Then, the photoacoustic detection unit 43 also performs the above calculation in the spot SP2.

制御部45は、ガルバノスキャナ29を制御することで、光LA及び光LBの入射方向において所定深さに位置する試料Tの所定平面上にこれら光LA及び光LBを走査する。光音響検出部43は、各走査スポットにおいて、光LA及び光LBに基づく光音響信号、及び、光LAに基づく光音響信号の強度から光LBに基づく光音響信号の強度を減算することで求められる二光子励起にのみ基づく光音響信号を算出する。画像処理部44は、各走査スポットにおいて光音響検出部43が計算した光音響信号に基づいて、光LA及び光LBに基づく光音響信号、及び、二光子励起にのみ基づく光音響信号の分布画像を生成する。 By controlling the galvano scanner 29, the control unit 45 scans the optical LA and the optical LB on a predetermined plane of the sample T located at a predetermined depth in the incident direction of the optical LA and the optical LB. The photoacoustic detection unit 43 obtains the intensity of the photoacoustic signal based on the optical LB from the intensity of the photoacoustic signal based on the optical LA and the optical LB and the photoacoustic signal based on the optical LA at each scanning spot. The photoacoustic signal is calculated based only on the two-photon excitation. The image processing unit 44 is a distribution image of a photoacoustic signal based on optical LA and optical LB and a photoacoustic signal based only on two-photon excitation based on the photoacoustic signal calculated by the photoacoustic detection unit 43 at each scanning spot. To generate.

なお、光LA及び光LBが照射される試料Tの深さ方向(Z方向)の位置は、対物レンズ30と試料Tとの相対距離を調整することにより決定され、画像生成中は固定される。Z方向の距離は、対物レンズ30を移動させてもよいし、試料Tを移動させてもよい。 The position in the depth direction (Z direction) of the sample T irradiated with the light LA and the light LB is determined by adjusting the relative distance between the objective lens 30 and the sample T, and is fixed during image generation. .. The objective lens 30 may be moved or the sample T may be moved for the distance in the Z direction.

本実施の形態に係る光音響顕微鏡1では、切替部51により、試料Tに一光子励起及び二光子励起を発生させる第1モードと、試料Tに少なくとも一光子励起を発生させる第2モードとを切り替えている。従って、光源としてパルス幅が固定されたパルスレーザー10を用いて二光子励起にのみ基づく光音響信号を取得することができる。これにより、本実施の形態に係る光音響顕微鏡1によれば、簡易な構成により光音響信号の測定及び画像取得が可能となる。加えて、パルスレーザー10においてパルス幅を変更する作業が不要となる。これにより、光音響信号の測定及び画像取得を高速に行うことができる。 In the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment, the switching unit 51 has a first mode in which the sample T is generated with one-photon excitation and a two-photon excitation, and a second mode in which the sample T is generated with at least one photon excitation. I'm switching. Therefore, it is possible to acquire a photoacoustic signal based only on two-photon excitation by using a pulse laser 10 having a fixed pulse width as a light source. As a result, according to the photoacoustic microscope 1 according to the present embodiment, it is possible to measure the photoacoustic signal and acquire an image with a simple configuration. In addition, the work of changing the pulse width in the pulse laser 10 becomes unnecessary. As a result, the measurement of the photoacoustic signal and the acquisition of the image can be performed at high speed.

また、試料Tを蛍光試薬によりラベリングして試料Tが発する蛍光の強度を光電子増倍管33により検出することで、蛍光画像を得ることもできる。 A fluorescence image can also be obtained by labeling the sample T with a fluorescent reagent and detecting the intensity of fluorescence emitted by the sample T with a photomultiplier tube 33.

(第二の実施の形態)
次に、図4を参照して、第二の実施の形態である観察装置が適用される光音響顕微鏡について説明する。図4は第二の実施の形態である観察装置が適用される光音響顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。なお、以下の説明において、第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡1と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化する。
(Second embodiment)
Next, with reference to FIG. 4, a photoacoustic microscope to which the observation device according to the second embodiment is applied will be described. FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a photoacoustic microscope to which the observation device according to the second embodiment is applied. In the following description, the same components as those of the photoacoustic microscope 1 according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be simplified.

本実施の形態に係る光音響顕微鏡100も、第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡1と同様に、光源であるパルスレーザー10、照射光学系110及び検出部40を有する。 The photoacoustic microscope 100 according to the present embodiment also has a pulse laser 10 as a light source, an irradiation optical system 110, and a detection unit 40, similarly to the photoacoustic microscope 1 according to the first embodiment.

照射光学系110は、空間光変調器(Spatial Light Modulator、以下SLMと称する)111、鏡112、ガルバノスキャナ29及び対物レンズ30を有する。 The irradiation optical system 110 includes a spatial light modulator (Spatial Light Modulator, hereinafter referred to as SLM) 111, a mirror 112, a galvano scanner 29, and an objective lens 30.

パルスレーザー10からのパルス光LはSLM111に入射される。SLM111は、空間的・時間的に振幅変調、位相変調、または偏光を変調する装置である。SLMそのものは公知の装置であるので、その詳細な構成の説明は省略する。本実施の形態に係るSLM111は、一例として屈折率を画素単位で制御可能な液晶素子を有する。入射光Lがこの液晶素子に入射して反射されることで、入射光Lに対して画素単位で位相変調を与えることができる。情報処理装置41の制御部45は、SLM111の駆動を制御する信号を送出する。SLM111は、図略のレンズにより対物レンズ30の瞳面と共役な位置に設置されている。 The pulsed light L from the pulse laser 10 is incident on the SLM 111. The SLM111 is a device that modulates amplitude modulation, phase modulation, or polarization spatially and temporally. Since the SLM itself is a known device, a detailed description of its configuration will be omitted. As an example, the SLM 111 according to the present embodiment has a liquid crystal element whose refractive index can be controlled in pixel units. When the incident light L is incident on the liquid crystal element and reflected, phase modulation can be applied to the incident light L on a pixel-by-pixel basis. The control unit 45 of the information processing device 41 sends a signal for controlling the drive of the SLM 111. The SLM 111 is installed at a position conjugate with the pupil surface of the objective lens 30 by a lens (not shown).

SLM111からの反射光Lは鏡112によりその光路を所定方向に導かれ、ガルバノスキャナ29に入射する。そして、光Lはガルバノスキャナ29を経由して対物レンズ30により集光され、試料Tの所定位置に入射される。 The reflected light L from the SLM 111 is guided in a predetermined direction by the mirror 112 and is incident on the galvano scanner 29. Then, the light L is focused by the objective lens 30 via the galvano scanner 29, and is incident on the predetermined position of the sample T.

以上の構成において、本実施の形態である観察装置120は、パルスレーザー10、照射光学系110及び検出部40を有する。但し、ガルバノスキャナ29を有する走査部及び対物レンズ30は観察装置120に必須の構成ではない。また、SLM111は、照射光学系110が備える切替部を構成する。 In the above configuration, the observation device 120 according to the present embodiment includes a pulse laser 10, an irradiation optical system 110, and a detection unit 40. However, the scanning unit having the galvano scanner 29 and the objective lens 30 are not essential configurations for the observation device 120. Further, the SLM 111 constitutes a switching unit included in the irradiation optical system 110.

次に、図5〜図7を参照して、本実施の形態に係る光音響顕微鏡100の動作及び検出原理について説明する。 Next, the operation and the detection principle of the photoacoustic microscope 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7.

情報処理装置41の制御部45は、図6(a)、(b)及び図8(a)、(b)に示すような光プロファイルのいずれかを反射光Lに与えるようにSLM111を駆動制御する。ここに、図6(a)、(b)の上段は、試料Tに入射される光Lのうち、図5に示す試料Tの表面に近い焦点外れ面Zの光プロファイルである。また、図6(a)、(b)の下段は、試料Tに入射される光Lのうち、図5に示す試料Tの表面からZ方向の所定深さ、つまり焦点距離にある焦点面Zの光プロファイルである。また、図8(a)、(b)は、図5に示す焦点面Zにおける図6(a)、(b)に示す光プロファイル、つまり点像分布関数(Point Spread Function、以下PSFと称する)の強度を示す図である。 The control unit 45 of the information processing apparatus 41 drives and controls the SLM 111 so as to give the reflected light L any of the optical profiles as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) and 8 (a) and 8 (b). To do. Here, the upper part of FIG. 6 (a), (b), among the light L incident on the sample T, an optical profile of the defocus plane Z 1 near the surface of the sample T shown in FIG. Further, the lower part of FIGS. 6A and 6B shows the focal plane Z at a predetermined depth in the Z direction from the surface of the sample T shown in FIG. 5, that is, the focal length of the light L incident on the sample T. 2 optical profiles. 8 (a) and 8 (b) show the optical profiles shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) on the focal plane Z 2 shown in FIG. 5, that is, the point spread function (hereinafter referred to as PSF). ) Is shown in the figure.

焦点外れ面Zにおいて光Lは一点(正確には微小領域)に収束されておらず、所定の広さを持つ領域に照射されている。従って、光LによりPSFは形成されない。このため、図6(a)、(b)の上段に示すように、光プロファイルは一様な分布を有する。 On the out-of-focus surface Z 1 , the light L is not converged to one point (more precisely, a minute region), and is irradiated to a region having a predetermined width. Therefore, PSF is not formed by light L. Therefore, as shown in the upper part of FIGS. 6A and 6B, the optical profile has a uniform distribution.

一方、焦点面Zにおいて光Lは集光されている。従って、光LによりPSFが形成される。図6(a)の下段及び図8(a)に示す光プロファイル、つまりPSFは焦点位置(図6において中央位置、図8の上段における点線部)にピークを有する。一方、図6(b)の下段及び図8(b)に示すPSFは焦点位置を除く位置にピークを有する。より具体的には、焦点位置を中心とする所定距離の円の周上にピークを有するドーナツ状のPSFである。従って、図6(a)及び図8(a)に示す光プロファイルを有する光Lは、焦点面Zにおいて第1の強度分布を有する光であり、図6(b)及び図8(b)に示す光プロファイルを有する光Lは、焦点面Zにおいて第2の強度分布を有する光である。 On the other hand, the light L is focused on the focal plane Z 2 . Therefore, the light L forms the PSF. The optical profile shown in the lower part of FIG. 6A and FIG. 8A, that is, the PSF has a peak at the focal position (the central position in FIG. 6 and the dotted line portion in the upper part of FIG. 8). On the other hand, the PSF shown in the lower part of FIG. 6B and FIG. 8B has a peak at a position other than the focal position. More specifically, it is a donut-shaped PSF having a peak on the circumference of a circle at a predetermined distance centered on the focal position. Therefore, the light L having the optical profile shown in FIGS. 6 (a) and 8 (a) is the light having the first intensity distribution on the focal plane Z 2 , and is shown in FIGS. 6 (b) and 8 (b). The light L having the optical profile shown in is the light having the second intensity distribution on the focal plane Z 2 .

このようなPSFを与えるための、SLM111により与えられる位相変調について図7を参照して説明する。図7は対物レンズ30の瞳面における位相分布を示す図である。図7(a)は、図6(a)の光プロファイルに対応する瞳関数における位相分布であり、一様かつ一定値の位相である。一方、図7(b)は、図6(b)の光プロファイルに対応する瞳関数における位相分布であり、円周方向に変化し、円周方向に一周すると0から2πまで変化する。 The phase modulation provided by the SLM 111 for providing such a PSF will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing a phase distribution on the pupil surface of the objective lens 30. FIG. 7A is a phase distribution in the pupil function corresponding to the optical profile of FIG. 6A, which is a uniform and constant-valued phase. On the other hand, FIG. 7 (b) shows the phase distribution in the pupil function corresponding to the optical profile of FIG. 6 (b), which changes in the circumferential direction and changes from 0 to 2π when it goes around in the circumferential direction.

図7(b)に示すような位相変調を与える光学器具は螺旋位相板(Vortex Phase Plate:VPP)と呼ばれる。SLM111は、図7(a)または図7(b)に示す位相分布を反射光Lに与えるように駆動制御される。 An optical instrument that gives phase modulation as shown in FIG. 7B is called a spiral phase plate (VPP). The SLM 111 is driven and controlled so as to give the reflected light L the phase distribution shown in FIG. 7A or FIG. 7B.

焦点面Zにおいて図6(a)及び図8(a)に示すPSFを有する光Lが試料Tに照射されると、焦点位置(図8の上段における点線部)において高強度の光Lが照射される。この結果、この焦点位置において一光子励起及び二光子励起に基づく光音響信号が発生する。これが第1モードである。発生した光音響信号に基づく光音響波Wはトランスデューサ42により受信される。 When the sample T is irradiated with the light L having the PSF shown in FIGS. 6 (a) and 8 (a) on the focal plane Z 2 , the high-intensity light L is emitted at the focal position (dotted line portion in the upper part of FIG. 8). Be irradiated. As a result, photoacoustic signals based on one-photon excitation and two-photon excitation are generated at this focal position. This is the first mode. The photoacoustic wave W based on the generated photoacoustic signal is received by the transducer 42.

一方、焦点面Zにおいて図6(b)及び図8(b)に示すPSFを有する光Lが試料Tに照射されると、焦点位置においてのみ考えると、低強度の光Lが照射される(図8の下段における点線部)。この結果、この焦点位置において、二光子励起に基づく光音響信号は発生せず、一光子励起に基づく光音響信号が極僅か発生する。
一方焦点位置を中心とする所定距離の円の周上にピークが生じるので、このドーナツ領域からは一光子励起及び二光子励起に基づく光音響信号が発生する。これが第2モードである。発生した光音響信号に基づく光音響波Wはトランスデューサ42により受信される。
On the other hand, when the sample T is irradiated with the light L having the PSF shown in FIGS. 6 (b) and 8 (b) on the focal plane Z 2 , the light L of low intensity is irradiated when considering only the focal position. (Dotted line in the lower part of FIG. 8). As a result, at this focal position, no photoacoustic signal based on two-photon excitation is generated, and a very small amount of photoacoustic signal based on one-photon excitation is generated.
On the other hand, since a peak is generated on the circumference of a circle at a predetermined distance centered on the focal position, a photoacoustic signal based on one-photon excitation and two-photon excitation is generated from this donut region. This is the second mode. The photoacoustic wave W based on the generated photoacoustic signal is received by the transducer 42.

従って、情報処理装置41の制御部45は、図6(a)及び図6(b)に示すPSFを交互に反射光Lに与えるようにSLM111を駆動制御する。すなわち、SLM111は、第1モードと第2モードとを切り替える切替部である。リアルタイム性を考慮すると、SLM111によるPSFの切替周波数は高いことが好ましいが、画像処理部44及び制御部45の演算速度を考慮して切替周波数が定められる。 Therefore, the control unit 45 of the information processing device 41 drives and controls the SLM 111 so as to alternately apply the PSFs shown in FIGS. 6A and 6B to the reflected light L. That is, the SLM 111 is a switching unit that switches between the first mode and the second mode. The PSF switching frequency by the SLM 111 is preferably high in consideration of real-time performance, but the switching frequency is determined in consideration of the calculation speeds of the image processing unit 44 and the control unit 45.

あるいは、制御部45が周波数fの矩形波、正弦波をSLM111に印加することで、SLM111が周波数fによりPSFの切替制御をする。また、制御部45が周波数fのロックイン信号を光音響検出部43及び画像処理部44に提供し、この周波数fの周期で各種信号処理をする。 Alternatively, the control unit 45 applies a rectangular wave or a sine wave having a frequency f to the SLM 111, so that the SLM 111 controls PSF switching according to the frequency f. Further, the control unit 45 provides the lock-in signal of the frequency f to the photoacoustic detection unit 43 and the image processing unit 44, and performs various signal processing in the cycle of the frequency f.

このとき、二光子励起に基づく光音響信号から得られる画像Iは次式で与えられる。
[数1]
I=I−αI
ここに、
1: 図6(a)に示すPSFで取得した画像
2::図6(b)に示すPSFで取得した画像
α: 比例係数
At this time, the image I obtained from the photoacoustic signal based on the two-photon excitation is given by the following equation.
[Number 1]
I = I 1 − αI 2
here,
I 1 : Image acquired by PSF shown in FIG. 6 (a) I 2 :: Image acquired by PSF shown in FIG. 6 (b) α: Proportional coefficient

第1モード、第2モードのいずれの場合も、焦点外れ面Zおいて一光子励起による光音響信号が発生し、それぞれの画像に混入する。このため、両者の差分をとることで、焦点外れ面Zから生じる一光子励起に基づく光音響信号を除去し、焦点面Zから生じる二光子励起に基づく光音響信号を抽出することができる。焦点外れ面Zから生じる一光子励起に基づく光音響信号を除去するためには、α=1が望ましい。一方で、画像Iにおける図6(b)のPSFのピークとその付近の強度がマイナスになってしまう。画像Iはマイナスの値をとれないので、この部分は情報が欠落してしまう。 In both the first mode and the second mode, a photoacoustic signal is generated by one-photon excitation on the out-of-focus surface Z 1 and is mixed in each image. Therefore, by taking the difference between the two, it is possible to remove the photoacoustic signal based on the one-photon excitation generated from the out-of-focus surface Z 1 and extract the photoacoustic signal based on the two-photon excitation generated from the focal plane Z 2. .. To remove the photoacoustic signal based on one-photon excitation resulting from defocus plane Z 1 is, alpha = 1 is desirable. On the other hand, the intensity of the PSF peak in FIG. 6B and its vicinity in Image I becomes negative. Since the image I cannot take a negative value, information is lost in this part.

従って、この影響を低減するためにαの値を1より小さくすることが望ましい。しかしながら、この場合、減算による一光子励起に基づく光音響信号除去の効果は低減してしまう。このように、αの値によって、トレードオフが生じる。 Therefore, it is desirable to make the value of α smaller than 1 in order to reduce this effect. However, in this case, the effect of photoacoustic signal removal based on one-photon excitation by subtraction is reduced. In this way, there is a trade-off depending on the value of α.

そこで、画像Iの生成時において、画像Iと画像Iとを取得した後、αを0.5から1まで変えて画像Iを生成する。そして、画像Iにおいてコントラストと輝度のマイナス値がバランスするようなαを選択することが望ましい。コントラストの大きさは、画像Iのフーリエ変換の直流成分の大きさで評価しても良い。輝度のマイナスは、マイナス値を取る画素の数、あるいは、マイナス値を取る画素の輝度値の総和で評価しても良い。 Therefore, at the time of generating the image I, after the image I 1 and the image I 2 are acquired, the α is changed from 0.5 to 1 to generate the image I. Then, it is desirable to select α in which the negative values of contrast and brightness are balanced in the image I. The magnitude of the contrast may be evaluated by the magnitude of the DC component of the Fourier transform of the image I. The negative luminance may be evaluated by the number of pixels taking a negative value or the sum of the luminance values of the pixels taking a negative value.

PSFの差は焦点面Zのみにおいて生じるので、画像Iから画素Iを減算することで、焦点外れ面Zから生じる光音響信号を除去することができる。光強度を強くした場合には、焦点外れ面Zにおいても、望ましくない二光子励起による光音響信号が生じる場合があるが、この信号も本手法により除去することができる。 Since the difference in PSF occurs only in the focal plane Z 2 , the photoacoustic signal generated from the out-of-focus plane Z 1 can be removed by subtracting the pixel I 2 from the image I 1 . When the light intensity is increased, an undesired two-photon excitation photoacoustic signal may be generated even on the out-of-focus surface Z 1 , but this signal can also be removed by this method.

本実施の形態に係る光音響顕微鏡100においても、切替部であるSLM111により、試料Tに一光子励起及び二光子励起を発生させる第1モードと、試料Tに少なくとも一光子励起を発生させる第2モードとを切り替えている。従って、光源としてパルス幅が固定されたパルスレーザー10を用いて二光子励起にのみ基づく光音響信号を取得することができる。これにより、本実施の形態に係る光音響顕微鏡100によっても、上述した第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡1と同様の効果を得ることができる。 Also in the photoacoustic microscope 100 according to the present embodiment, the first mode in which the sample T is generated with one-photon excitation and the two-photon excitation by the switching unit SLM111, and the second mode in which the sample T is generated with at least one photon excitation. Switching between modes. Therefore, it is possible to acquire a photoacoustic signal based only on two-photon excitation by using a pulse laser 10 having a fixed pulse width as a light source. As a result, the same effect as that of the photoacoustic microscope 1 according to the first embodiment described above can be obtained by the photoacoustic microscope 100 according to the present embodiment.

(変形例)
以上、図面を参照して、実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、その要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本開示に含まれる。
(Modification example)
Although the embodiment has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to the embodiment and the embodiment, and design changes to the extent that the gist of the embodiment is not deviated are described in the present disclosure. included.

一例として、上述した第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡1では、フェムト秒程度のパルス幅を有するパルスレーザー10を用いていたが、このパルスレーザー10と、ピコ秒程度のパルス幅を有するパルスレーザーとを併用してもよい。より詳細には、パルスレーザー10からのパルス光を直接第1のAOM22に入射させ、ピコ秒程度のパルス幅を有するパルスレーザーからのパルス光を直接第2のAOM25に入射させればよい。この場合、ハーフミラー21は省略できる。 As an example, in the photoacoustic microscope 1 according to the first embodiment described above, a pulse laser 10 having a pulse width of about femtoseconds was used, but this pulse laser 10 and a pulse width of about picoseconds are provided. It may be used in combination with a pulse laser. More specifically, the pulsed light from the pulsed laser 10 may be directly incident on the first AOM 22, and the pulsed light from the pulsed laser having a pulse width of about picoseconds may be directly incident on the second AOM 25. In this case, the half mirror 21 can be omitted.

また、第一の実施の形態では、パルス幅伸長部である光ファイバ24を第2モードにおける光路のみに配置した例を示したが、これに加えて、第1モードにおける光路にもパルス伸長部を配置してもよい。この場合、第1モードのパルス伸長部による伸長量よりも第2モードのパルス伸長部による伸長量を大きくする。これにより、光源10からの光のパルス幅が、第1モードで焦点面において二光子励起を発生させるのに適したパルス幅よりも小さい場合でも、第1モードにおいて試料Tに照射される光のパルス幅を適切な大きさに設定することができる。 Further, in the first embodiment, an example in which the optical fiber 24 which is the pulse width extension portion is arranged only in the optical path in the second mode is shown, but in addition to this, the pulse extension portion is also shown in the optical path in the first mode. May be placed. In this case, the amount of extension by the pulse extension part of the second mode is made larger than the amount of extension by the pulse extension part of the first mode. As a result, even if the pulse width of the light from the light source 10 is smaller than the pulse width suitable for generating two-photon excitation at the focal plane in the first mode, the light emitted to the sample T in the first mode The pulse width can be set to an appropriate size.

また、第二の実施の形態に係る光音響顕微鏡100において、第一の実施の形態に係る光音響顕微鏡1と同様に、鏡112とガルバノスキャナ29との間にダイクロイックミラー28を挿入し、光学フィルタ32及び光電子増倍管33を追加してもよい。 Further, in the photomultiplier microscope 100 according to the second embodiment, similarly to the photomultiplier microscope 1 according to the first embodiment, a dichroic mirror 28 is inserted between the mirror 112 and the galvano scanner 29 to perform optical optics. A filter 32 and a photomultiplier tube 33 may be added.

これにより、試料Tを蛍光試薬によりラベリングして試料Tが発する蛍光の強度を光電子増倍管33により検出することで、蛍光画像を得ることもできる。 As a result, a fluorescence image can be obtained by labeling the sample T with a fluorescent reagent and detecting the intensity of fluorescence emitted by the sample T with the photomultiplier tube 33.

そして、上述の第一及び第二の実施の形態では、観察装置を光音響顕微鏡に適用していたが、観察装置は他の装置に適用することもできる。一例として、観察装置は内視鏡装置に適用することもできる。 Then, in the above-mentioned first and second embodiments, the observation device is applied to the photoacoustic microscope, but the observation device can also be applied to other devices. As an example, the observation device can also be applied to an endoscopic device.

第一及び第二の実施の形態である観察装置が適用される内視鏡装置は、被検体の体腔内に挿入される管部材を有する挿入部と、挿入部の先端部を操作する操作部とを有する。そして、第一〜第二の実施の形態である観察装置は、挿入部の先端部に配置されている。かかる構成の内視鏡装置によっても、被検体内の粘膜内面等の試料Tから発生する、二光子励起にのみ基づく光音響信号を取得することができる。加えて、走査部を設ければ、被検体内の粘膜内面等の二光子励起にのみ基づく光音響信号画像を取得することができる。 The endoscopic device to which the observation device according to the first and second embodiments is applied includes an insertion portion having a tube member inserted into the body cavity of the subject and an operation unit that operates the tip portion of the insertion portion. And have. The observation device according to the first to second embodiments is arranged at the tip of the insertion portion. Even with an endoscope device having such a configuration, it is possible to acquire a photoacoustic signal based only on two-photon excitation generated from a sample T such as an inner surface of a mucous membrane in a subject. In addition, if a scanning unit is provided, it is possible to acquire a photoacoustic signal image based only on two-photon excitation of the inner surface of the mucous membrane in the subject.

光音響画像取得の際のシーケンスとしては、画像の一画素ごと又は所定の画素数ごとに第1モードおよび第2モードを切り替える構成と、第1モードで画像取得(全画素分の信号を取得)し、次いで第2モードで画像取得(全画素分の信号を取得)する構成との二通りがある。前者の方が試料の動きや装置の揺らぎの影響を受けにくいのでより望ましい。 As a sequence for acquiring an opto-acoustic image, a configuration for switching between the first mode and the second mode for each pixel of the image or for each predetermined number of pixels, and image acquisition in the first mode (acquisition of signals for all pixels). Then, there are two types of configurations: image acquisition (acquisition of signals for all pixels) in the second mode. The former is more preferable because it is less affected by the movement of the sample and the fluctuation of the device.

L 光
LA 光
LB 光
T 試料
1、100 光音響顕微鏡
10 パルスレーザー(光源)
20、110 照射光学系
22 第1のAOM
24 光ファイバ(パルス幅伸長部)
25 第2のAOM
29 ガルバノスキャナ(走査部)
31 ファンクションジェネレータ
40 検出部
44 画像処理部(画像生成部)
51 切替部
111 SLM(切替部)
L light LA light LB light T sample 1,100 Photoacoustic microscope 10 Pulsed laser (light source)
20, 110 Irradiation optical system 22 First AOM
24 Optical fiber (pulse width extension part)
25 Second AOM
29 Galvano scanner (scanning unit)
31 Function generator 40 Detection unit 44 Image processing unit (Image generation unit)
51 Switching unit 111 SLM (switching unit)

Claims (11)

光を発生する光源と、
前記光を試料に照射する照射光学系と、
前記光が照射されたことによる前記試料の反応に伴う信号を検出する検出部と
を有し、
前記照射光学系は、焦点面において第1の強度分布を有する光を照射することにより前記試料に一光子励起及び二光子励起を発生させる第1モードと、前記焦点面において第2の強度分布を有する光を照射することにより前記試料に少なくとも一光子励起を発生させる第2モードとを切り替える切替部を有する
ことを特徴とする観察装置。
A light source that generates light and
An irradiation optical system that irradiates the sample with the light,
It has a detection unit that detects a signal associated with the reaction of the sample due to the irradiation of the light.
The irradiation optical system has a first mode in which one-photon excitation and two-photon excitation are generated in the sample by irradiating light having a first intensity distribution on the focal plane, and a second intensity distribution on the focal plane. An observation device characterized by having a switching unit that switches between a second mode in which at least one photon excitation is generated in the sample by irradiating the sample with the light.
前記切替部は、前記第1モードと前記第2モードとを所定のタイミングで切り替えることを特徴とする請求項1に記載の観察装置。 The observation device according to claim 1, wherein the switching unit switches between the first mode and the second mode at a predetermined timing. 前記検出部は、前記第1モードにより検出した前記信号から前記第2モードにより検出した前記信号を減算することで、前記信号の相違を検出することを特徴とする請求項1または2に記載の観察装置。 The first or second aspect of the present invention, wherein the detection unit detects a difference between the signals by subtracting the signal detected by the second mode from the signal detected by the first mode. Observation device. 前記検出部は、前記第1モードにより検出した前記信号から前記第2モードにより検出した前記信号を減算することで、二光子励起に基づく信号を検出することを特徴とする請求項3に記載の観察装置。 The third aspect of claim 3, wherein the detection unit detects a signal based on two-photon excitation by subtracting the signal detected by the second mode from the signal detected by the first mode. Observation device. 前記切替部は、前記第1モードでは、所定のパルス幅を有する前記光を前記試料に照射し、前記第2モードでは、前記パルス幅より長いパルス幅を有する光を前記試料に照射することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の観察装置。 In the first mode, the switching unit irradiates the sample with the light having a predetermined pulse width, and in the second mode, irradiates the sample with light having a pulse width longer than the pulse width. The observation device according to any one of claims 1 to 4. 前記切替部は、前記光源から発生された前記光のパルス幅を広げるパルス幅伸長部を有し、前記パルス幅伸長部は、少なくとも前記第2モードのときに前記光のパルス幅を広げることを特徴とする請求項5に記載の観察装置。 The switching unit has a pulse width extending portion that expands the pulse width of the light generated from the light source, and the pulse width extending portion expands the pulse width of the light at least in the second mode. The observation device according to claim 5. 前記切替部は、前記第1モードのときに前記試料の特定深さの焦点面の焦点位置に前記光を照射し、前記第2モードのときに前記焦点面において前記焦点位置を除く位置に前記光を照射することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の観察装置。 In the first mode, the switching unit irradiates the focal position of the focal plane at a specific depth of the sample with the light, and in the second mode, the switching portion is located at a position other than the focal position on the focal plane. The observation device according to any one of claims 1 to 3, further comprising irradiating light. 前記切替部は、前記第1モードのときに前記試料に照射する前記光の前記焦点位置における点像分布関数と、前記第2モードのときに前記試料に照射する前記光の前記焦点位置における点像分布関数とを異ならせることを特徴とする請求項6に記載の観察装置。 The switching unit has a point image distribution function at the focal position of the light irradiating the sample in the first mode and a point at the focal position of the light irradiating the sample in the second mode. The observation device according to claim 6, wherein the image distribution function is different from the image distribution function. 焦点面において第1の強度分布を有する光を照射することにより試料に一光子励起及び二光子励起を発生させる第1モードと、前記焦点面において第2の強度分布を有する光を照射することにより前記試料に少なくとも一光子励起を発生させる第2モードとを切り替える工程と、
前記光が照射されたことによる前記試料の反応に伴う信号を検出する工程と、
を含むことを特徴とする観察方法。
By irradiating the sample with light having a first intensity distribution on the focal plane to generate one-photon excitation and two-photon excitation, and by irradiating the sample with light having a second intensity distribution. A step of switching between the second mode in which at least one photon excitation is generated in the sample, and
A step of detecting a signal accompanying the reaction of the sample due to the irradiation of the light, and
An observation method comprising.
請求項1〜8のいずれかに記載の前記観察装置と、
前記試料の複数の位置に対応する前記信号に基づいて画像を生成する画像生成部と
を有することを特徴とする顕微鏡装置。
The observation device according to any one of claims 1 to 8.
A microscope device including an image generation unit that generates an image based on the signals corresponding to a plurality of positions of the sample.
被検体の体腔内に挿入される管部材を有する挿入部と、
前記挿入部の先端部を操作する操作部とを有し、
前記請求項1〜8のいずれかに記載の前記観察装置が前記挿入部の前記先端部に配置されていることを特徴とする内視鏡装置。
An insertion part having a tube member to be inserted into the body cavity of the subject,
It has an operation part that operates the tip part of the insertion part, and has an operation part.
An endoscopic apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the observation apparatus is arranged at the tip end portion of the insertion portion.
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