JP4009554B2

JP4009554B2 - Design method of array substrate having a plurality of light transmitting dots, array substrate, and laser beam scanning device

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Publication number: JP4009554B2
Application number: JP2003124924A
Authority: JP
Inventors: 聡河田; 收中村; 克昌藤田; 小林　　実
Original assignee: Nanophoton Corp
Current assignee: Nanophoton Corp
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP2005003694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数ドットを備えるアレイ基板設計方法、レーザ光走査装置及びレーザ顕微鏡に関し、特に、試料の第ニ高調波を検出するＳＨＧ（Second Harmonic Generation）顕微鏡に好適な、複数ドットを備えるアレイ基板設計方法、レーザ光走査装置及びレーザ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を利用するレーザ顕微鏡は、その用途に応じて様々なタイプのものが開発されている。レーザ顕微鏡は、レーザより出力されたレーザ光を試料上に集光し、試料による反射光、発光光などを受光することによって、試料の観察や検査などを行うことができる。
【０００３】
レーザ顕微鏡の一つの態様として、共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡は、優れた分解能や試料の３次元情報を取得することができるなどの点から、注目を集めている。このような共焦点顕微鏡の一つに、回転するピンホール基板を利用して照射光を試料上で走査する共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１を参照）。光源からの光は回転する複数のピンホールが形成されたピンホール基板に入射する。ピンホールによって分割された光が試料上を走査する。ピンホールは、試料上での明暗むらを防止するため、基板上に螺旋配列に従って配置され、螺旋のトラックに沿って径方向及び周方向にピッチが等しくなるように配置される。
【０００４】
あるいは、ピンホールの配置密度が一定となるように、ピンホールが配置された、共焦点用光スキャナが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ピンホールは、マイクロレンズを使用することができる。しかし、これらの配置に従ったピンホール基板は、明暗むらを抑制し同時に試料上の照明の明るさを大きくする点において、十分な結果を得られない場合があった。また、このようなアレイ基板を効果的に設計する方法について、これまで十分な検討がなされていなかった。
【０００５】
他のレーザ顕微鏡として、試料にレーザ光を照射することにより発生した第二高調波を利用して、試料の各種物理特性を計測する第二高調波顕微鏡が実用化されるようになってきている。この第二高調波顕微鏡を用いた計測は、レーザ光源から出力されたレーザ光を試料に焦点させるとともに、試料上を走査させ、試料内部から発せられた第二高調波を検出することによって実施する。第二高調波顕微鏡は、特に、医療やバイオテクノロジーの分野などにおける、細胞やたんぱく質レベルの構造もしくは機能の検出などに有効な手段として注目を集めている。
【０００６】
この顕微鏡において試料に光を照射すると、多くの場合、第二高調波発光と共に、多光子励起蛍光が試料から生成される。第二高調波の検出のために、従来の第二高調波顕微鏡は、多光子励起蛍光を光学フィルタによって遮断していた。そのため、多光子励起蛍光に関する情報がフィルタによって失われてしまっていた。あるいは、光学フィルタによっては、十分に多光子励起蛍光を遮断できない場合があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１２７０９０号公報
【特許文献２】
特開平５−１１９２６２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術などに鑑みてなされたものであって、効果的な光の走査を可能とする、複数のドットを含むアレイ基板の設計方法、レーザ光走査装置を提供することを一つの目的とする。あるいは、試料の効果的な観察を可能とする、レーザ顕微鏡を提供することを他の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様にかかる設計方法は、光を透過する複数のドットを含むアレイ基板であって、入射ビームを前記複数のドットによって複数のビームに分割し、回転することによって透過光が試料を走査するアレイ基板の設計方法であって、前記複数のドットのそれぞれの回転中心からの半径距離を決定するステップと、前記回転中心からの距離が決定されたドットのそれぞれの回転方向の位置を決定するステップと、を備え、前記距離を決定するステップは、半径距離が最も近いドット間の半径距離差が、ドットの半径距離が大きくなるにつれて減少するように決定し、前記回転方向の位置を決定するステップは、ｓ周目（ｓは自然数）において回転方向に隣接するドットの間に、（ｓ+1）周目のドットが配置されるように、回転方向の位置を決定する。これにより、アレイ基板によって分割された光による明暗むらを抑制し、あるいは、照明の明るさ向上に寄与することができる。
【００１０】
上記第１の態様にかかる設計方法において、前記ドットは、ピンホールもしくはマイクロレンズであることができる。
【００１１】
上記第１の態様にかかる設計方法において、前記回転方向の位置を決定するステップは、回転方向に隣接する各ドッド間の回転中心に関する角度の差が等しくなるように決定することが好ましい。さらに、前記ｓ周目において回転方向に隣接するドット間の回転方向におけるほぼ中心に、前記ｓ+1周目におけるドットが配置されることが好ましい。これにより、照明の明るさ向上に寄与することができる。
【００１２】
上記第１の態様にかかる設計方法において、前記半径距離が最も近い２つのドット間の半径距離差は、前記２つのドットの半径の逆数、もしくはその一方のドットの半径の逆数に基づいて決定されることが好ましい。これにより、効果的に明暗むらの抑制されたアレイ基板を設計することができる。
【００１３】
上記第１の態様にかかる設計方法において、前記複数のドットは、同一の配置パターンを有する複数のセクションを有することが好ましい。これにより、試料の走査回数を増加、もしくは基板の回転数を減少させることができる。
【００１４】
上記第１の態様にかかる設計方法において、前記複数のドットは螺旋配列に従って配列され、前記螺旋配列の周間距離は、前記配列内の最も半径距離の大きい第１のドットと、前記第１のドットの次に半径距離の大きい第２のドットとの間の距離と実質的に等しいことが好ましい。これにより、螺旋配列のアレイ基板において、照明の明るさ向上に寄与することができる。
【００１５】
上記第１の態様にかかる設計方法において、前記複数のドットは螺旋配列に従って配列され、前記螺旋配列の周間距離は、前記配列内の最も近いドット間の距離と実質的に等しいことが好ましい。これにより、螺旋配列のアレイ基板において、照明の明るさ向上に寄与することができる。
【００１７】
本発明の第３の態様は、レーザ光を透過する複数のドットを含むアレイ基板であって、入射ビームを前記複数のドットによって複数のビームに分割し、回転することによって透過光が試料を走査するアレイ基板を備えるレーザ光走査装置であって、前記複数のドットの配列は、半径距離が最も近いドット間の半径距離差が、ドットの半径距離が大きくなるにつれて減少し、ｓ周目（ｓは自然数）において回転方向に隣接するドットの間に、（ｓ+1）周目のドットが配置され前記ｓ周目において回転方向に隣接するドット間の回転方向におけるほぼ中心に、前記ｓ+1周目におけるドットが配置されているレーザ光走査装置である。これにより、試料上の分割された光による明暗むらを抑制し、あるいは、照明の明るさ向上に寄与することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。
【００２６】
実施の形態１．
図１は、本実施形態におけるレーザ顕微鏡１００の概略を示す構成図である。本形態のレーザ顕微鏡１００は試料が発生する第二高調波を検出可能なＳＨＧ（Second Harmonic Generation）顕微鏡である。ＳＨＧ顕微鏡は、試料に所定波長の光を入射し、第二高調波発生（ＳＨＧ）を用いた光学顕微鏡である。ＳＨＧ顕微鏡は触媒反応表面、金属や半導体の微細構造など、様々な試料の観察に利用することがきるが、特に、医療やバイオテクノロジーの分野などにおける、細胞やたんぱく質レベルの構造もしくは機能の検出などに有効な手段である。ＳＨＧ光強度の像は分子の配向分布などを表し、非平衡な現象による分子濃度などのかたより、配向の分布のパターンなどが観察できる。生物体試料は非対称な生体分子から構成されており、そのＳＨＧ像は生物体内の特別な構造の分布を抽出観察するために有効である。多くの場合、第二高調波発光と共に、多光子励起蛍光が試料から生成される。本形態のＳＨＧ顕微鏡１００は、試料が生成した第二高調波と共に、多光子励起蛍光を同時に観察することができる。多光子励起蛍光は、２光子以上の光子を同時に吸収することよる励起蛍光である。
【００２７】
図１において、１０１はレーザ光源、１０２はレーザ光源を制御するレーザ制御部、１０３は光学系による波長分散の拡大を補償するプリチャーパ、１０４はミラー、１０５はビームエキスパンダ、１０６は複数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズ・アレイ・ディスク、１０７はレンズ、１０８、１０９はミラー、１１０は試料に光を集光する第１の対物レンズ、１１１は試料、１１２は試料１１１からの光を集める第２の対物レンズ、１１３は特定波長の光を遮断する光学フィルタ、１１４はダイクロイックミラー、１１５、１１６はレンズ、１１７、１１８は撮像装置の一例であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、１１９は画像処理装置の一例であるコンピュータシステムである。レーザ光源１０１からの光は、図１の光学系を介して試料１１１に入射し、試料１１１の発光する第二高調波がＣＣＤカメラ１１７で検出され、多光子励起蛍光がＣＣＤカメラ１１８によって、それぞれ別に検出される。
【００２８】
本形態のレーザ光源１０１としては、第２次高調波と多光子蛍光の発生が可能なレーザ装置が使用される。例えば、生物細胞の観察などにおいて、モード・ロックド・チタン・サファイア・レーザを使用した赤外光パルスなどを使用することができる。レーザ光波長、レーザ光強度、発振態様、繰り返し周波数、パルス幅などのレーザ光の特性は、試料や観察方法によって適切なものが選択される。
【００２９】
レーザ光源１０１から出力されたパルスレーザ光は、プリチャーパ１０３に入射する。プリチャーパ１０３は光学系によるレーザ光における異なる周波数光の位相ずれを予め補償する。これにより、試料に照射されるパルスレーザ光の光学系によるパルス幅の広がりを抑制することができる。尚、プリチャーパ１０３については、後に詳述される。プリチャーパ１０３によって位相ずれの補償がなされた光は、ミラー１０４によって反射されることによって光路方向が変更され、ビームエキスパンダ１０５に入射する。入射光は、ビームエキスパンダ１０５によってビーム・スポット径が拡大される。
【００３０】
スポット径を拡大されたビームは、マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６に入射する。マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６はモータなどの駆動装置（不図示）によって所定の角速度で回転されている。回転数はマイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６の構造、撮像系の条件などによって適宜選択される。典型的な回転数は、およそ６０〜３００００ｒｐｍである。マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６は、所定の規則に従って配置された複数のマイクロレンズを備えており、試料上に多焦点を形成することができる。さらに、マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６が回転することによって試料上の焦点が移動し、多くの集光されたビームが試料上を同時に走査することができる。尚、マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６の構造については、後に詳述される。
【００３１】
マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６に入射した光は、複数のビームに分割されて、レンズ１０７に入射する。入射した複数のビームは、レンズ１０７によって平行光とされ、ミラー１０８に入射する。ミラー１０８によって反射され、光路方向を変更された光は、再度ミラー１０９によって光路方向変更され、第１の対物レンズ１１０に入射する。
【００３２】
第１の対物レンズ１１０は入射した多ビームを試料上に集光する。本形態の対物レンズ１１０として、水浸タイプの対物レンズが例示されている。マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６によって分割された多ビームは、対物レンズ１１０の結像作用によって、試料１１１上に多焦点を形成する。試料１１１上の多焦点ビームは、マイクロレンズ・アレイ・ディスク１０６の回転により、試料１１１上を走査する。
【００３３】
試料１１１は、入射光によって、入射光の２倍の周波数を有する第二高調波と、多光子励起蛍光を発光する。典型的な多光子励起蛍光は２光子励起蛍光である。試料１１１からの発光光は、第２の対物レンズ１１２によって集められる。本形態の対物レンズ１１２として、水浸タイプの対物レンズが例示されている。第２の対物レンズ１１２は、試料１１１に関して、第１の対物レンズ１１０と反対側に配置されている。試料１１１は、第１の対物レンズ１１０と第２の対物レンズ１１２の間に配置され、２つの対物レンズの焦点は、試料上で実質的に一致することが好ましい。入射光を試料上に集光する対物レンズ１１０ではなく、レーザの出力光が試料を透過する透過方向に配置された別の対物レンズ１１２で試料からの発光光を受光することによって、入射光と発光光を分離するためのダイクロイックミラーを不要とすることができる。
【００３４】
図２は、試料への入射光、試料からの第二高調波、及び多光子励起蛍光の典型的な関係を示している。図２は一例を示すものであって、各光の波長関係は、入射光と試料とによって、大きく変化しうる。図２においてグラフのＸ軸は光の周波数を、Ｙ軸は光のエネルギーもしくは強度を意味している。２０１は試料が発光する第二高調波、２０２は試料が発光する多光子励起蛍光、２０３は光源からの入射光である。第二高調波２０１は、入射光２０３の半分の波長（２倍の周波数）を備えており、多光子励起蛍光２０２の波長は第二高調波２０１よりもわずかに大きな値である。本形態のＳＨＧ顕微鏡は、第二高調波２０１と多光子励起蛍光２０２のそれぞれを、分離して検出することができる。
【００３５】
対物レンズ１１２からの光は光学フィルタ１１３を通過してダイクロイックミラー１１４に入射する。光学フィルタ１１３は、レーザ光源１０１から試料１１１を透過した透過光を遮断する。光学フィルタ１１３は、レーザ光源１０１の出力光２０３の波長域を遮断するバンド・パス・フィルタもしくはローパス・フィルタなどによって構成することができる。フィルタ１１３が試料１１１から光の入射光成分を遮断することによって、効果的に試料の発光を観察することができる。
【００３６】
試料の発光光の第二高調波と多光子励起蛍光は、ダイクロイックミラー１１４によって分離される。図２に示すように、第二高調波と多光子励起蛍光との間には所定の波長差（周波数差）が存在するので、ダイクロイックミラー１１４を利用するとによって一方の光を反射し他方の光を透過するとで、これらを分離することができる。ダイクロイックミラー１１４の波長−反射率（透過率）特性は、試料が発生する第二高調波と多光子励起蛍光の波長に基づいて決定される。第二高調波の波長範囲を反射し、多光子励起蛍光の波長範囲を透過する、あるいは、第二高調波の波長範囲を透過し、多光子励起蛍光の波長範囲を反射する特性を有することができる。
【００３７】
本例のダイクロイックミラー１１４は第二高調波を反射し、多光子励起蛍光を透過する。反射された第二高調波はレンズ１１５によって集光されて、ＣＣＤカメラ１１７に入射する。一方、透過した多光子励起蛍光はレンズ１１６を介してＣＣＤカメラ１１８に集光されて入射する。ＣＣＤカメラ１１７は、微弱光である第二高調波を効果的に検出するため、イメージ・インテンシファイアを備えることが好ましい。ＣＣＤカメラ１１７、１１８は入射光を検出し、ビデオ信号に変換して画像処理装置１１９に送信する。画像処理装置１１９は受信した検出データについて必要な画像処理を行い、ディスプレイ上に撮像された画像を表示する。
【００３８】
発光光の第二高調波成分と多光子励起蛍光成分を分離して検出することによって、それぞれの画像データの比較を効果的に行うことができる。また、本形態の顕微鏡は同一の対物レンズで試料からのを受光するので、異なる対物レンズを使用する場合と比較して、正確な比較が可能となる。尚、撮像装置として、ＣＭＯＳセンサやフォトダイオード・アレイなどを使用することができる。あるいは、ＣＣＤカメラなどの撮像装置に代えて、接眼装置を実装することができる。第二高調波と多光子励起蛍光の検出のために、マイクロレンズ・アレイ・ディスクを使用することなく、顕微鏡を構成することが可能である。
【００３９】
実施の形態２．
図３は、本実施の形態におけるＳＨＧ顕微鏡の概略を示す構成図である。図３において、図１と同一の符号は同一の要素を示しており、説明が省略される。図３において、３０１は撮像装置の一例であるインテンシファイドＣＣＤカメラ、３０２は遅延回路である。本形態のＳＨＧ顕微鏡は、ダイクロイックミラー１１４の代わりに、ミラー３０６を備えている。試料１１１からの光はミラー３０６で反射され、レンズ１１５によって集光されてＣＣＤカメラ３０１に入射する。
【００４０】
本形態のインテンシファイドＣＣＤカメラ３０１は所定のタイミングで開閉するゲートを備えるゲート付インテンシファイドＣＣＤカメラである。インテンシファイドＣＣＤカメラ３０１は、イメージ・インテンシファイア３０３、ＣＣＤ３０４、及び、制御・駆動部３０５を備えている。レーザ制御部１０２は、遅延回路部３０２を介してインテンシファイドＣＣＤカメラ３０１と回路的に接続されている。レーザ制御部１０２は、レーザの繰り返し周波数と同期したクロック信号を、遅延回路部３０２を介してインテンシファイドＣＣＤカメラ３０１に送信する。
【００４１】
イメージ・インテンシファイア３０３はゲート機能を備えており、入射光を所定のタイミングで遮断もしくは増幅させることができる。本形態のイメージ・インテンシファイア３０３は、レーザ制御部３０２からのクロック信号に基づいて、入射光の増幅を制御する。イメージ・インテンシファイア３０３は、その内部のマイクロチャネル・プレートに印加する電圧を変化させることによって、ゲートの開閉を行うことができる。制御・駆動部３０５は、イメージ・インテンシファイア３０３、ＣＣＤ３０４の駆動及び制御、あるいは、ＣＣＤカメラ３０１全体の制御を行う回路部である。尚、ゲート付インテンシファイドＣＣＤカメラは広く知られた技術であるので、詳細な説明は省略される。
【００４２】
図４は、光源から出力される入射光、試料１１１が発生する第二高調波及び多光子励起蛍光の典型的な関係の一例を示している。図４において、各グラフのＸ軸は時間、Ｙ軸はエネルギーを意味する。４０１はレーザ光源１０１が出力され試料に入射する入射光、４０２は試料が発光する第二高調波、４０３は試料が発光する多光子励起蛍光、４０４はＣＣＤカメラ３０１のゲートが開口しているタイミングを示している。第二高調波４０２と多光子励起蛍光４０３は、異なるタイミングで発光される。第二高調波４０２は入射光の入射と実質的に同時に生成される。一方、図４（ｂ）に示すように、多光子励起蛍光４０３は第二高調波４０２よりも遅れて放出される。本形態の顕微鏡は、第二高調波と多光子励起蛍光の発生タイミングの差を利用して、これらを分離する。
【００４３】
従って、ＣＣＤカメラ３０１のゲートを所定のタイミングで、所定時間あけることによって、多光子励起蛍光４０３を遮断し、第二高調波４０２を多光子励起蛍光４０３から分離して検出することができる。例えば、図４において、レーザ光の入射タイミングでゲートを開け第二高調波４０２を検出し、第二高調波４０２の発光時間に相当する時間後にゲートを閉じることで、第二高調波４０２の後に続く多光子励起蛍光４０３を遮断することができる。同様に、多光子励起蛍光４０３を第二高調波４０２から分離して検出することも可能である。
【００４４】
ゲートの動作タイミングは、レーザ光源１０１のパルス周波数に基づいて決定される。レーザ光源１０１は、制御回路１０２の生成クロックに従ってパルスレーザを出力する。このクロック信号を、遅延回路を介すことによって所定の遅延を行い、ＣＣＤカメラ３０１に入力する。ＣＣＤカメラ３０１は、このクロック信号に同期してゲートの開閉を行う。例えば、入力されたクロック信号に従ってゲートを開け、予め定められた時間の間のみゲートを開ける。尚、タイミングの遅延処理は、レーザ制御部もしくはＣＣＤカメラにおいて行ってもよい。
【００４５】
遅延量は、ＳＨＧ顕微鏡の光学系及び試料の発光特性に基づいて、適宜に決定され、また、システムによって必要とされない場合もある。ゲートの開口時間は、第二高調波の発光時間と多光子励起蛍光の発光時間に基づいて決定される。第二高調波をできるだけ多く受光し、多光子励起蛍光をできるだけ少なく受光するように開口時間を決定することが好ましい。タイミング遅延量とゲート開口時間を変化させながら、取得された画像データを比較することによって、適切なタイミング、開口時間を決定することができる。
【００４６】
本形態の構成を有することにより、光学フィルタによって完全に分離することが困難である強い多光子励起蛍光成分を第二高調波成分から効果的に分離することができ、ＳＨ画像データのＳ／Ｎを向上することができる。発光光の時間的な遮断もしくは透過、検出の制御は、イメージ・インテンシファイアのゲートの他、広く知られた様々なものを使用することができる。
【００４７】
実施の形態３．
図５は、実施の形態１もしくは２のＳＨＧ顕微鏡において使用可能なマイクロレンズ・アレイ・ディスク５０１の一例の構成を示している。マイクロレンズ・アレイ・ディスク５０１は光を透過するドットの一例である複数のマイクロレンズLiを備えている。各マイクロレンズＬiのディスク５０１上の配置位置は、ディスクの回転中心を原点として、極座標（ｒi、θi）で特定される。ｒiは回転中心からのマイクロレンズＬiの距離（以下、半径距離とはこれを意味する）、θiは各レンズの相対角度である。図５（ａ）において、５０２は複数のマイクロレンズＬiから構成されるマイクロレンズ・アレイであって、５０２で指示される領域内に各マイクロレンズが所定の規則に従って配置されている。マイクロレンズ・アレイ５０２は、マイクロレンズ・アレイ・ディスク５０１の円周方向に帯状に延びている。
【００４８】
５０３によって指示される点線の円は、マイクロレンズ・アレイ・ディスク５０１に照射されるレーザのスポット径を示している。レーザのスポットの直径は、回転中心から最も遠いレンズと最も近いレンズの間の、半径方向の距離とほぼ同一であることが効率の点から好ましい。例えば、最も遠いレンズの半径中心からの距離がｒl、最も近いレンズの半径中心からの距離がｒ0である場合、これらの半径方向の距離は、（ｒl−ｒ0）である。例えば、マイクロレンズ・アレイ・ディスク５０１が一周することによって、試料上のレーザ光照射範囲全ての１回の走査が完了する。
【００４９】
図５（ｂ）は、マイクロレンズ・アレイの拡大された一部を示している。ここで、サフィックスiは、ｒが徐々に大きくなる順番で付されている（ｒi＜ｒi+1＜ｒi+2）。また、図５（ｂ）においては、（θi＜θi+1＜θi+2）の関係が成立している。円周方向へのマイクロレンズの配置方向は、θが減少するように配置し、図と逆とすることももちろん可能である。図５（ｂ）は、回転中心からｓ周目、（ｓ+1）周目、及び（ｓ+2）周目に配置されているマイクロレンズを示している。
【００５０】
図５（ａ）に示すように、マイクロレンズ・アレイ・ディスク５０１が回転することによって、各マイクロレンズＬiによって分離されたビームは、ディスク５０１の回転に従って移動し、試料上を走査する。試料上に各ビームによって形成される走査線がカバーする部分の結像を、撮像装置は得ることができる。複数のビームが走査時間内に同時に広範囲を走査することにより、高い空間分解能と時間分解能を同時に実現することができる。
【００５１】
本形態におけるマイクロレンズ・アレイの設計方法は、分割された複数のビームによる試料上での明るさのむらを減少するように、各マイクロレンズの回転中心からの半径距離ｒを決定する。一つのレーザ焦点が走査する場合、焦点によって形成される走査線による単位時間、単位面積あたりの光強度（走査線の明るさ）は、そのレーザ焦点の線速度に反比例する。従って、分割された複数のビームによって得られる各走査線の明るさは、各ビーム・スポットの速度に反比例する。座標ｒが大きいほどスポット速度が速いので、座標ｒが最も大きいレンズの走査線が最も暗く、座標ｒが最も小さいレンズの走査線が最も明るい。従って、試料上で均一な明るさを得るためには、回転中心から半径方向の外側へいくにつれ、試料上を走査する走査線の面積あたりの数が増加することが重要である。
【００５２】
本形態のマイクロレンズ・アレイ５０２によって試料上に形成される隣接する走査線間の距離は、各走査線の明るさが減少するにつれて、減少するように設計される。レンズに関しては言えば、半径距離（ｒ）が最も近いレンズ間の半径方向距離（各レンズの半径距離の差（ｒi+1−ｒi））は、レンズの半径距離ｒが大きくなるにつれて小さくなるように設計される。例えば、図５（ｂ）おいて、（ｒi+2−ｒi+1）＜（ｒi+1−ｒi）の関係が成立する。尚、いくつかのレンズペアについては、半径方向のレンズ間距離がほぼ同一であることも可能である。
【００５３】
各マイクロレンズの半径距離の好ましい設計方法は、半径距離が最も近いレンズ間の半径距離の差を、いずれか一方のレンズ、あるいはこれらレンズに半径距離について近接するレンズによって形成される走査線の明るさに基づいて決定する。特に、半径距離が最も近い２つのレンズの一方の明るさ、あるいは、双方の明るさに基づいて決定されることが好ましい。各走査線の明るさは、対応レンズの回転中心からの半径距離に反比例するため、隣接レンズ間距離は、対応するレンズの一方もしくは双方の半径距離の分数に基づいて決定することが好ましい。好ましい例として、半径距離の差は、一方のレンズの半径距離もしくは、双方の半径距離の平均に比例するように決定することができる。以下に、各レンズの半径距離の好ましい設計方法の一例を示す。
【００５４】
ディスク上のマイクロレンズLｉによって形成され、ディスクの回転によって走査されるレーザ焦点の線速度ｖiと、焦点を形成するレンズのディスク中心からの距離ｒiの関係は次式で表される。
【数１】

ここで、ωは回転するレンズの角速度である。
【００５５】
それぞれの走査線の半径方向の間隔を回転中心からの距離に反比例させることによって、むらの少ない照明を実現することができる。走査線の回転中心からの距離を、次の階差数列によっ決定することができる。
【数２】

これを、ｒiについて解くと、次式が得られる。
【数３】

ここで、ａはｒiの初項ｒ0と第２項ｒ1によって決定される定数であり、次@式で与えられる。
【数４】

初項ｒ0と第２項ｒ1は、走査線数や、ビーム・スポット径などに従って適切に決定することができる。
数式４によってｒiを求めることによって、各レンズの半径距離を決定することができる。
【００５６】
各マイクロレンズのディスク上の位置を決定するために、座標ｒiの他に座標θを決定することが必要である。光の利用効率を高めるためには、なるべくレンズの半径を大きくすることが好ましい。そこで、座標ｒiを決定した後に、ディスクにおけるレンズの占める面積を大きくするように、Lｉの座標θiを決定することが重要である。
【００５７】
このためには、円周方向に隣接するマイクロレンズの間に、次の周のマイクロレンズが配置されることが好ましい。図５（ｂ）を参照すれば、ｓ周目の隣接レンズ間に、（ｓ+1）周目に配置されているレンズが配置される。例えば、円周方向に隣接するマイクロレンズ（Ｌi、Ｌi+1）間の中心位置に、半径方向に隣接するレンズ（Ｌn）が実質的に配置されることが好ましい。具体的には、図５（ｂ）において、（θi+θi+1）／２とθnがほぼ等しいことを意味する。好ましいθの決定方法の一つは、等角配列に従うものである。等角配列は、円周方向に隣接するレンズ間の角度座標差が、各レンズ間で実質的に同一である。例えば、図５（ｂ）において、（θi+1-θi）で表される角度差が全て等しい。
【００５８】
具体的には、各レンズのθは、以下の式に従って決定することができる。
【数５】

ここでｎは自然数であり、最もレンズの半径を大きくできるように選ぶことが好ましい。等角配列において上式に従ってθ座標を決定することによって、θ座標に関してｓ周目の隣接レンズ間の中央に、ｓ+1周目のレンズを配置することができる。以上のように、各マイクロレンズの座標ｒiとθiとを決定することによって、効果的にレンズ配置設計を行うことができる。
【００５９】
次に、密なレンズの配置を与える他の配列の一つである螺旋配列を使用したマイクロレンズ・アレイの設計方法について説明する。図６は、螺旋配列に従って配列されたマイクロレンズ・アレイ６０１を示している。図６０１の実線上６０２に各マイクロレンズＬiが配列される。具体的には、螺旋配列は、次式によって表される。
【数６】

ｌは、螺旋における、隣接する周の間の距離である。これをθiについて解くと次式が得られる。
【数７】

各マイクロレンズの座標ｒiは、各マイクロレンズによって形成される走査線の時間・面積あたり光強度が均一になるように決定することができる。例えば、上記の決定方法に従って、座標ｒiを決定することができる。θiを決定するために、螺旋の間隔ｌが決定されている必要がある。ディスク上のレンズ面積を大きくするためには、螺旋の間隔ｌは円周方向に隣接するレンズ間の最も小さい距離に基づいて決定することが好ましい。各走査線の明るさを均一にする配置を行う場合、ディスクの外側にあるほどレンズ間距離を小さくすることが好ましいので、螺旋の間隔ｌの好ましい決定方法の一つは、最も中心から離れたレンズＬlastと円周方向に隣接するレンズＬlast-1との間の距離に等しくなるように螺旋の間隔ｌを決定する。具体的には、ｌは次式によって表される。
【数８】

上記設計方法によって、螺旋配列に従ってマイクロレンズを配置する場合に、レンズ面積を大きくするように効果的にレンズ配置設計を行うことができる。
【００６０】
図７は、他の態様のマイクロレンズ・アレイ・ディスク７０１の構成を示している。図７（ａ）において、マイクロレンズ・アレイ・ディスク７０１は、円周方向に延びる帯状のマイクロレンズ・アレイ７０２を備えている。マイクロレンズ・アレイ７０２は複数のマイクロレンズＬiから構成され、各マイクロレンズＬiは所定の規則に従って配置されている。入射レーザ光のスポット径７０３は、効率の観点から、マイクロレンズ・アレイ７０２の幅とほぼ同様の大きさを備える。
【００６１】
マイクロレンズ・アレイ７０２は円周方向に分割される複数のセクションＳjから構成されており、各セクションＳjは同一のレンズ配置を備えている。一つのセクションがレーザ・スポット７０３を通過することによって、試料上で１回の走査が完了する。マイクロレンズ・アレイ・ディスク７０１が１回転することによって、セクション数に相当する複数回の走査を行うことができる。図７のセクション数は８であり、１回転当たりの走査回数が８である。これにより、高速走査が可能となる。あるいは、同一の走査回数に対して、マイクロレンズ・アレイ・ディスク７０１の回転数を小さくすることがきるので、ディスクぶれを抑制することができ、照明の不均一さを減少することができる。マイクロレンズ・アレイに複数のセクションを設けることによって、単一のセクションのみの場合と比較し、設計によって、密にレンズを配置することができる。
【００６２】
図７（ｂ）は、一つのセクション内の一部を示している。図７（ｂ）において、図面の下方部分に回転中心が存在する。各レンズは回転中心からの異なる半径距離ｒを備え、円周方向の位置である座標θは、例えば等角配列によって決定することができる。ｓ周目の隣接するレンズのθについての中心位置に、（ｓ+1）周目のレンズが配置されている。
【００６３】
複数セクションを備えるマイクロレンズ・アレイの設計は、以下のように行うことができる。各セクション内のマイクロレンズの配置は、[数式３]に従って座標ｒijを決定し、等角配列に従って座標θijを決定することができる。各セクションｊ内のマイクロレンズについて、例えば、[数式３]に従って座標ｒijを決定する。等角配列の場合のレンズＬijの座標θijは、ディスク１回転あたりの走査回数をｍとして、次式で与えることができる。
【数９】

同様に、螺旋配列についても複数のセクションに分割することができる。螺旋配列における座標θijは、次式で与えることができる。
【数１０】

同じ走査線数、最大走査線間隔でマイクロレンズ・アレイを設計する場合、螺旋配列と等角配列とは、マイクロレンズ・アレイの半径に従って、選択することが好ましい。マイクロレンズ・アレイの最大半径（マイクロレンズの最も大きいｒi）に対する最小半径（マイクロレンズの最も小さいｒi）の比が所定値以上である場合には、等角配列によってレンズ配置設計を行うことが好ましく、所定値未満においては、螺旋配列によってレンズ配置設計を行うことが好ましい。螺旋配列は最大半径に対する最小半径の比に関係なく一定のレンズ密度になるのに対して、等角配列は、比を大きくすると密度が大きくなるからである。例えば、走査線数５７８本、走査線最大間隔１９．５μｍ、マイクロレンズ・アレイの最小半径４０ｍｍ、セクション数１２とした場合、ディスク上においてレンズの占める割合は、等角配列が螺旋配列よりも１％程度大きくすることができる。
【００６４】
尚、マイクロレンズ・アレイ・ディスクは、ＳＨＧ顕微鏡に限らず、様々なタイプのレーザ顕微鏡や検査装置などのレーザ走査装置、その他光学系に適用することができる。また、本形態のレンズ配置は、共焦点光学系におけるピンホール・アレイのピンホールの配置に適用することが可能である。ピンホールは、光を透過するドットの他の例である。
【００６５】
実施の形態４．
図８は、実施の形態１もしくは２に示されたＳＨＧ顕微鏡に適用可能な、プリチャーパの構成を示している。プリチャーパは、光学系の分散によって引き起こされる周波数による位相ずれを予め補償することによって、レーザパルスのパルス幅の広がりを抑制することができる。本形態のプリチャーパは、特に、フェムト秒オーダーのパルスレーザにおいて、大きな効果を奏する。フェムト秒パルスレーザを用いた第２高調波もしくは多光子励起蛍光の励起効率は、パルス幅に大きく左右されるものであるので、パルス幅の制御は重要である。図８（ａ）は、パルス光の変化の様子を概念的に示している。パルス入射光のパルス幅は、プリチャーパ８００を通過することによって、実線でしめされた波形のように、次の光学系８０１を通過した後も維持される。プリチャーパ８００を使用しない場合、パルス光は、点線で示された波形のように、パルス幅が拡大する。
【００６６】
図８（ｂ）に示すように、本形態のプリチャーパ８００は、４つのプリズム８０２−８０５により構成されている。レーザ光源からの入射光は、第１のプリズム８０１の頂角近傍に入射し、屈折して、出射面より出射する。次に第２のプリズムの頂角近傍に入射し、同様に屈折をして出射する。順次、プリズムへの入射、屈折、出射を繰り返し、第４のプリズムから出射した光は、後続の光学系に入射する。各プリズムの材料、屈折率、形状、あるいは、プリズム間距離や角度などの配置条件は、設計上適切なものが選択される。各プリズムの屈折率、１次及び２次分散が決定されている場合、プリズム間距離とプリズムの角度を調整することによって、適切なプリチャーパを設計することができる。
【００６７】
プリチャーパ８００は、負の群速度分散を起こすことによって、光学系における群速度分散を相殺する。プリチャーパ８００は、プリズムの角度分散を利用することによって、負の角度分散を起こしている。角度分散を起こす光学素子として、グレーティングを利用することも可能である。しかし、光損失の観点から、プリズムを利用することが好ましい。本形態のプリチャーパによりパルス幅を制御することよって、効果的な観察を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＳＨＧレーザ顕微鏡の概略を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＳＨＧレーザ顕微鏡において、レーザ入射光、第２高調波、及び多光子励起光の波長−強度特性を示す図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係ＳＨＧレーザ顕微鏡の概略を示す構成図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係るＳＨＧレーザ顕微鏡において、レーザ入射光、第２高調波、及び多光子励起光の時間−強度特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るマイクロレンズ・アレイ・ディスクの概略を示す構造図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るマイクロレンズ・アレイ・ディスクの概略を示す構造図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るマイクロレンズ・アレイ・ディスクの概略を示す構造図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るプリチャーパの概略を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１レーザ光源、１０２レーザ制御部、１０３プリチャーパ、１０４ミラー、１０５ビームエキスパンダ、１０６マイクロレンズ・アレイ・ディスク、１０７レンズ、１０８、１０９ミラー、１１０第１の対物レンズ、１１１試料、１１２第２の対物レンズ、１１３光学フィルタ、１１４ダイクロイックミラー、１１５、１１６レンズ、１１７、１１８ＣＣＤカメラ、１１９画像処理装置、２０１第二高調波、２０２多光子励起蛍光、２０３入射光、３０１ＣＣＤカメラ、３０２遅延回路、３０６ミラー、３０３イメージ・インテンシファイア、３０４ＣＣＤ、３０５制御・駆動部、４０１入射光、４０２第二高調波、４０３多光子励起蛍光、４０４ゲート開口タイミング、５０１、６０１、７０１マイクロレンズ・アレイ・ディスク、５０２、６０２、７０２マイクロレンズ・アレイ、５０３、６０３、７０３レーザ・スポット、８００プリチャーパ、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an array substrate design method including a plurality of dots, a laser beam scanning apparatus, and a laser microscope, and more particularly to an array substrate including a plurality of dots, which is suitable for an SHG (Second Harmonic Generation) microscope that detects a second harmonic of a sample. The present invention relates to a design method, a laser beam scanning apparatus, and a laser microscope.
[0002]
[Prior art]
Various types of laser microscopes that utilize laser light have been developed according to their applications. A laser microscope collects laser light output from a laser onto a sample and receives reflected light, emitted light, or the like from the sample, thereby enabling observation or inspection of the sample.
[0003]
A confocal microscope is known as one embodiment of a laser microscope. The confocal microscope is attracting attention because it has excellent resolution and can acquire three-dimensional information of a sample. As one of such confocal microscopes, there is known a confocal microscope that scans irradiation light on a sample using a rotating pinhole substrate (see, for example, Patent Document 1). Light from the light source enters a pinhole substrate on which a plurality of rotating pinholes are formed. The light divided by the pinhole scans on the sample. In order to prevent uneven brightness on the sample, the pinholes are arranged on the substrate according to a spiral arrangement, and are arranged so that the pitches are equal in the radial direction and the circumferential direction along the spiral track.
[0004]
Alternatively, a confocal optical scanner in which pinholes are arranged so that the pinhole arrangement density is constant is known (see, for example, Patent Document 2). A micro lens can be used for the pinhole. However, the pinhole substrate according to these arrangements sometimes fails to obtain sufficient results in terms of suppressing uneven brightness and increasing the brightness of illumination on the sample. In addition, sufficient studies have not been made so far on a method for effectively designing such an array substrate.
[0005]
As another laser microscope, a second harmonic microscope that measures various physical properties of a sample by using second harmonics generated by irradiating the sample with laser light has been put into practical use. . The measurement using the second harmonic microscope is performed by focusing the laser beam output from the laser light source on the sample, scanning the sample, and detecting the second harmonic emitted from the inside of the sample. . The second harmonic microscope is attracting attention as an effective means for detecting structures and functions at the cell and protein level, particularly in the medical and biotechnology fields.
[0006]
When the sample is irradiated with light in this microscope, in many cases, multiphoton excitation fluorescence is generated from the sample together with second harmonic emission. In order to detect the second harmonic, the conventional second harmonic microscope has blocked the multiphoton excitation fluorescence by an optical filter. For this reason, information on multiphoton excitation fluorescence has been lost by the filter. Alternatively, some optical filters may not be able to sufficiently block multiphoton excitation fluorescence.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-5-127090
[Patent Document 2]
JP-A-5-119262
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described prior art, and provides an array substrate design method including a plurality of dots and a laser beam scanning device that enable effective light scanning. Objective. Another object is to provide a laser microscope that enables effective observation of a sample.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A design method according to a first aspect of the present invention is an array substrate including a plurality of dots that transmit light, and the incident beam is divided into a plurality of beams by the plurality of dots and rotated to transmit the transmitted light. A method of designing an array substrate for scanning a sample, the step of determining a radial distance from the rotation center of each of the plurality of dots, and the position of each of the dots in the rotation direction for which the distance from the rotation center is determined Determining the distance, wherein the step of determining the distance is determined such that a radial distance difference between the dots having the closest radial distance decreases as the radial distance of the dots increases, and the position in the rotation direction is determined. In the rotation direction so that the dot in the (s + 1) th rotation is arranged between the dots adjacent in the rotation direction in the sth rotation (s is a natural number). To determine the location. Thereby, uneven brightness due to the light divided by the array substrate can be suppressed, or the brightness of the illumination can be improved.
[0010]
In the design method according to the first aspect, the dots may be pinholes or microlenses.
[0011]
In the design method according to the first aspect, it is preferable that the step of determining the position in the rotation direction is determined so that the difference in angle with respect to the rotation center between the dods adjacent in the rotation direction is equal. Furthermore, it is preferable that the dot in the s + 1-th round is arranged at approximately the center in the rotational direction between the dots adjacent in the rotational direction in the s-th round. Thereby, it can contribute to the brightness improvement of illumination.
[0012]
In the design method according to the first aspect, the radial distance difference between the two dots having the closest radial distance is determined based on the reciprocal of the radius of the two dots or the reciprocal of the radius of one of the dots. It is preferable. Thereby, it is possible to design an array substrate in which uneven brightness is effectively suppressed.
[0013]
In the design method according to the first aspect, it is preferable that the plurality of dots have a plurality of sections having the same arrangement pattern. Thereby, the number of scans of the sample can be increased, or the number of rotations of the substrate can be decreased.
[0014]
In the design method according to the first aspect, the plurality of dots are arranged according to a spiral arrangement, and the circumferential distance of the spiral arrangement is the first dot having the largest radial distance in the arrangement, and the first dot It is preferable that the distance between the dot and the second dot having the next largest radial distance is substantially equal. Thereby, in the array substrate of a spiral arrangement | sequence, it can contribute to the brightness improvement of illumination.
[0015]
In the design method according to the first aspect, it is preferable that the plurality of dots are arranged according to a spiral arrangement, and a distance between the circumferences of the spiral arrangement is substantially equal to a distance between the nearest dots in the arrangement. Thereby, in the array substrate of a spiral arrangement | sequence, it can contribute to the brightness improvement of illumination.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an array substrate including a plurality of dots that transmit laser light, the incident beam is divided into a plurality of beams by the plurality of dots, and the transmitted light scans the sample by rotating. The array of the plurality of dots is arranged such that the difference in the radial distance between the dots having the closest radial distance decreases as the radial distance of the dots increases, and the sth round (s Is a natural number), and (s + 1) -th dot is arranged between the dots adjacent in the rotation direction, and s + 1 This is a laser beam scanning device in which dots on the circumference are arranged. Thereby, uneven brightness due to the divided light on the sample can be suppressed, or the brightness of the illumination can be improved.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments to which the present invention can be applied will be described. The following description is to describe the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. For clarity of explanation, the following description is omitted and simplified as appropriate. Further, those skilled in the art will be able to easily change, add, and convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention.
[0026]
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a laser microscope 100 in the present embodiment. The laser microscope 100 of this embodiment is an SHG (Second Harmonic Generation) microscope capable of detecting a second harmonic generated by a sample. The SHG microscope is an optical microscope that uses light of a predetermined wavelength to enter a sample and uses second harmonic generation (SHG). The SHG microscope can be used for observing various samples such as catalytic reaction surfaces, metal and semiconductor microstructures, etc., especially in the fields of medical and biotechnology, etc. It is an effective means. The image of the SHG light intensity represents the molecular orientation distribution and the like, and the orientation distribution pattern can be observed from the molecular concentration due to the non-equilibrium phenomenon. A biological sample is composed of asymmetric biomolecules, and the SHG image is effective for extracting and observing the distribution of special structures in the biological body. In many cases, multiphoton excited fluorescence is generated from the sample along with second harmonic emission. The SHG microscope 100 of this embodiment can simultaneously observe multiphoton excitation fluorescence together with the second harmonic generated by the sample. Multiphoton excitation fluorescence is excitation fluorescence due to simultaneous absorption of two or more photons.
[0027]
In FIG. 1, 101 is a laser light source, 102 is a laser control unit that controls the laser light source, 103 is a pre-chirper that compensates for the expansion of chromatic dispersion by the optical system, 104 is a mirror, 105 is a beam expander, and 106 is a plurality of microlenses. 107 is a lens, 107 is a lens, 108 and 109 are mirrors, 110 is a first objective lens that collects light on the sample, 111 is a sample, and 112 is a first lens that collects light from the sample 111 2 objective lens, 113 is an optical filter that blocks light of a specific wavelength, 114 is a dichroic mirror, 115 and 116 are lenses, 117 and 118 are CCD (Charge Coupled Device) cameras that are examples of an imaging device, and 119 is image processing. It is a computer system which is an example of an apparatus. The light from the laser light source 101 enters the sample 111 via the optical system of FIG. 1, the second harmonic emitted from the sample 111 is detected by the CCD camera 117, and the multiphoton excitation fluorescence is detected by the CCD camera 118. It is detected separately.
[0028]
As the laser light source 101 of this embodiment, a laser device capable of generating second harmonic and multiphoton fluorescence is used. For example, an infrared light pulse using a mode-locked titanium-sapphire laser can be used for observation of biological cells. As the characteristics of the laser beam such as the laser beam wavelength, the laser beam intensity, the oscillation mode, the repetition frequency, and the pulse width, an appropriate one is selected depending on the sample and the observation method.
[0029]
The pulse laser beam output from the laser light source 101 enters the pre-chirper 103. The pre-chirper 103 compensates in advance for the phase shift of different frequency light in the laser light by the optical system. Thereby, the spread of the pulse width by the optical system of the pulse laser beam irradiated to the sample can be suppressed. The pre-chirper 103 will be described in detail later. The light that has been compensated for the phase shift by the pre-chirper 103 is reflected by the mirror 104 to change the optical path direction, and is incident on the beam expander 105. The beam spot diameter of the incident light is expanded by the beam expander 105.
[0030]
The beam having an enlarged spot diameter is incident on the microlens array disk 106. The microlens array disk 106 is rotated at a predetermined angular velocity by a driving device (not shown) such as a motor. The number of rotations is appropriately selected depending on the structure of the microlens array disk 106, the conditions of the imaging system, and the like. A typical rotational speed is approximately 60-30000 rpm. The microlens array disk 106 includes a plurality of microlenses arranged according to a predetermined rule, and can form a multifocal point on a sample. In addition, the focus on the sample moves as the microlens array disk 106 rotates, allowing many focused beams to scan the sample simultaneously. The structure of the microlens array disk 106 will be described in detail later.
[0031]
The light incident on the microlens array disk 106 is divided into a plurality of beams and incident on the lens 107. The plurality of incident beams are converted into parallel light by the lens 107 and enter the mirror 108. The light reflected by the mirror 108 and whose optical path direction is changed is changed again by the mirror 109 and is incident on the first objective lens 110.
[0032]
The first objective lens 110 condenses the incident multiple beams on the sample. As the objective lens 110 of this embodiment, a water immersion type objective lens is illustrated. The multi-beams divided by the microlens array disk 106 form multi-focal points on the sample 111 by the imaging action of the objective lens 110. The multifocal beam on the sample 111 is scanned on the sample 111 by the rotation of the microlens array disk 106.
[0033]
The sample 111 emits a second harmonic having a frequency twice that of the incident light and multiphoton excitation fluorescence by the incident light. A typical multiphoton excited fluorescence is two-photon excited fluorescence. The emitted light from the sample 111 is collected by the second objective lens 112. As the objective lens 112 of this embodiment, a water immersion type objective lens is illustrated. The second objective lens 112 is disposed on the side opposite to the first objective lens 110 with respect to the sample 111. The sample 111 is preferably disposed between the first objective lens 110 and the second objective lens 112, and the focal points of the two objective lenses are preferably substantially coincident on the sample. By receiving the emitted light from the sample not by the objective lens 110 that collects the incident light on the sample but by another objective lens 112 arranged in a transmission direction in which the output light of the laser passes through the sample, A dichroic mirror for separating emitted light can be dispensed with.
[0034]
FIG. 2 shows a typical relationship between the incident light on the sample, the second harmonic from the sample, and multiphoton excitation fluorescence. FIG. 2 shows an example, and the wavelength relationship of each light can vary greatly depending on the incident light and the sample. In FIG. 2, the X axis of the graph represents the light frequency, and the Y axis represents the light energy or intensity. 201 is a second harmonic emitted from the sample, 202 is multiphoton excitation fluorescence emitted from the sample, and 203 is incident light from the light source. The second harmonic 201 has a half wavelength (twice the frequency) of the incident light 203, and the wavelength of the multiphoton excitation fluorescence 202 is slightly larger than that of the second harmonic 201. The SHG microscope of this embodiment can detect each of the second harmonic 201 and the multiphoton excitation fluorescence 202 separately.
[0035]
The light from the objective lens 112 passes through the optical filter 113 and enters the dichroic mirror 114. The optical filter 113 blocks the transmitted light that has passed through the sample 111 from the laser light source 101. The optical filter 113 can be configured by a band pass filter or a low pass filter that cuts off the wavelength range of the output light 203 of the laser light source 101. Since the filter 113 blocks the incident light component of light from the sample 111, the light emission of the sample can be effectively observed.
[0036]
The second harmonic of the emitted light of the sample and the multiphoton excitation fluorescence are separated by the dichroic mirror 114. As shown in FIG. 2, there is a predetermined wavelength difference (frequency difference) between the second harmonic and the multiphoton excitation fluorescence. Therefore, when the dichroic mirror 114 is used, one light is reflected and the other light is reflected. These can be separated by permeation. The wavelength-reflectance (transmittance) characteristic of the dichroic mirror 114 is determined based on the second harmonic generated by the sample and the wavelength of multiphoton excitation fluorescence. Reflecting the wavelength range of the second harmonic and transmitting the wavelength range of the multiphoton excitation fluorescence, or transmitting the wavelength range of the second harmonic and reflecting the wavelength range of the multiphoton excitation fluorescence. it can.
[0037]
The dichroic mirror 114 of this example reflects the second harmonic and transmits multiphoton excitation fluorescence. The reflected second harmonic is collected by the lens 115 and enters the CCD camera 117. On the other hand, the transmitted multiphoton excitation fluorescence is condensed and incident on the CCD camera 118 via the lens 116. The CCD camera 117 preferably includes an image intensifier in order to effectively detect the second harmonic, which is weak light. The CCD cameras 117 and 118 detect incident light, convert it into a video signal, and transmit it to the image processing device 119. The image processing device 119 performs necessary image processing on the received detection data, and displays the captured image on the display.
[0038]
By separately detecting the second harmonic component and the multiphoton excitation fluorescence component of the emitted light, it is possible to effectively compare the respective image data. In addition, since the microscope according to the present embodiment receives light from the sample with the same objective lens, an accurate comparison is possible as compared with the case where a different objective lens is used. A CMOS sensor, a photodiode array, or the like can be used as the imaging device. Alternatively, an eyepiece device can be mounted instead of an imaging device such as a CCD camera. It is possible to construct a microscope without the use of a microlens array disk for detection of second harmonics and multiphoton excitation fluorescence.
[0039]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram showing an outline of the SHG microscope in the present embodiment. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same elements, and the description thereof is omitted. In FIG. 3, reference numeral 301 denotes an intensified CCD camera which is an example of an imaging apparatus, and 302 denotes a delay circuit. The SHG microscope of this embodiment includes a mirror 306 instead of the dichroic mirror 114. Light from the sample 111 is reflected by the mirror 306, collected by the lens 115, and enters the CCD camera 301.
[0040]
The intensified CCD camera 301 of this embodiment is a gated intensified CCD camera that includes a gate that opens and closes at a predetermined timing. The intensified CCD camera 301 includes an image intensifier 303, a CCD 304, and a control / drive unit 305. The laser control unit 102 is connected in circuit with the intensified CCD camera 301 via the delay circuit unit 302. The laser control unit 102 transmits a clock signal synchronized with the laser repetition frequency to the intensified CCD camera 301 via the delay circuit unit 302.
[0041]
The image intensifier 303 has a gate function, and can block or amplify incident light at a predetermined timing. The image intensifier 303 of this embodiment controls the amplification of incident light based on the clock signal from the laser control unit 302. The image intensifier 303 can open and close the gate by changing the voltage applied to the microchannel plate inside the image intensifier 303. The control / drive unit 305 is a circuit unit that drives and controls the image intensifier 303 and the CCD 304 or controls the entire CCD camera 301. Since the gated intensified CCD camera is a well-known technique, detailed description thereof is omitted.
[0042]
FIG. 4 shows an example of a typical relationship between incident light output from the light source, second harmonic generated by the sample 111, and multiphoton excitation fluorescence. In FIG. 4, the X axis of each graph means time, and the Y axis means energy. 401 is the incident light that is output from the laser light source 101 and is incident on the sample, 402 is the second harmonic that the sample emits, 403 is multiphoton excitation fluorescence that the sample emits, and 404 is the timing when the gate of the CCD camera 301 is opened. Is shown. The second harmonic 402 and the multiphoton excitation fluorescence 403 are emitted at different timings. The second harmonic 402 is generated substantially simultaneously with the incident light. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the multiphoton excitation fluorescence 403 is emitted later than the second harmonic 402. The microscope according to this embodiment separates the second harmonic and the multiphoton excitation fluorescence using the difference in generation timing.
[0043]
Therefore, by setting the gate of the CCD camera 301 at a predetermined timing for a predetermined time, the multiphoton excitation fluorescence 403 can be blocked and the second harmonic 402 can be separated from the multiphoton excitation fluorescence 403 and detected. For example, in FIG. 4, the second harmonic 402 is detected by opening the gate at the incident timing of the laser beam, and closing the gate after a time corresponding to the emission time of the second harmonic 402. Subsequent multiphoton excitation fluorescence 403 can be blocked. Similarly, the multiphoton excitation fluorescence 403 can be separated from the second harmonic 402 and detected.
[0044]
The operation timing of the gate is determined based on the pulse frequency of the laser light source 101. The laser light source 101 outputs a pulse laser in accordance with the generated clock of the control circuit 102. The clock signal is delayed by a predetermined delay circuit and input to the CCD camera 301. The CCD camera 301 opens and closes the gate in synchronization with this clock signal. For example, the gate is opened according to the input clock signal, and the gate is opened only for a predetermined time. The timing delay process may be performed by the laser control unit or the CCD camera.
[0045]
The amount of delay is appropriately determined based on the optical system of the SHG microscope and the light emission characteristics of the sample, and may not be required by the system. The opening time of the gate is determined based on the emission time of the second harmonic and the emission time of the multiphoton excitation fluorescence. It is preferable to determine the opening time so that the second harmonic is received as much as possible and the multiphoton excitation fluorescence is received as little as possible. An appropriate timing and opening time can be determined by comparing the acquired image data while changing the timing delay amount and the gate opening time.
[0046]
By having the configuration of this embodiment, it is possible to effectively separate a strong multiphoton excitation fluorescence component that is difficult to be completely separated by an optical filter from the second harmonic component, and the S / N of SH image data. Can be improved. Various widely known ones can be used to control the temporal blocking or transmission of the emitted light and the detection, in addition to the gate of the image intensifier.
[0047]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 shows an example of the configuration of a microlens array disk 501 that can be used in the SHG microscope of the first or second embodiment. The microlens array disk 501 includes a plurality of microlenses Li that are examples of dots that transmit light. The arrangement position of each microlens Li on the disk 501 is specified by polar coordinates (ri, θi) with the rotation center of the disk as the origin. r i is the distance of the microlens Li from the center of rotation (hereinafter, the radial distance means this), and θ i is the relative angle of each lens. In FIG. 5A, reference numeral 502 denotes a microlens array composed of a plurality of microlenses Li, and each microlens is arranged in a region designated by 502 according to a predetermined rule. The microlens array 502 extends in a band shape in the circumferential direction of the microlens array disk 501.
[0048]
A dotted circle indicated by 503 indicates the spot diameter of the laser irradiated on the microlens array disk 501. From the viewpoint of efficiency, the diameter of the laser spot is preferably substantially the same as the radial distance between the lens farthest from the center of rotation and the closest lens. For example, when the distance from the radius center of the farthest lens is rl and the distance from the radius center of the nearest lens is r0, these radial distances are (rl-r0). For example, when the microlens array disk 501 makes one round, one scan of the entire laser light irradiation range on the sample is completed.
[0049]
FIG. 5 (b) shows an enlarged part of the microlens array. Here, the suffix i is given in the order in which r gradually increases (ri <ri + 1 <ri + 2). In FIG. 5B, the relationship (θi <θi + 1 <θi + 2) is established. Of course, the arrangement direction of the microlenses in the circumferential direction may be reversed so as to be arranged so that θ decreases. FIG. 5B shows microlenses arranged on the sth, (s + 1) th, and (s + 2) th rotations from the rotation center.
[0050]
As shown in FIG. 5A, when the microlens array disk 501 rotates, the beam separated by each microlens Li moves according to the rotation of the disk 501 and scans the sample. The imaging apparatus can obtain an image of a portion covered by the scanning line formed by each beam on the sample. High spatial resolution and temporal resolution can be realized simultaneously by scanning a wide range simultaneously with a plurality of beams within the scanning time.
[0051]
In the design method of the microlens array in this embodiment, the radial distance r from the rotation center of each microlens is determined so as to reduce the uneven brightness on the sample due to the plurality of divided beams. When one laser focal point scans, the light intensity per unit time and unit area (brightness of the scanning line) by the scanning line formed by the focal point is inversely proportional to the linear velocity of the laser focal point. Therefore, the brightness of each scanning line obtained by the plurality of divided beams is inversely proportional to the speed of each beam spot. Since the spot speed is faster as the coordinate r is larger, the scanning line of the lens having the largest coordinate r is the darkest, and the scanning line of the lens having the smallest coordinate r is the brightest. Therefore, in order to obtain uniform brightness on the sample, it is important that the number of scanning lines per area scanned on the sample increases from the center of rotation to the outside in the radial direction.
[0052]
The distance between adjacent scan lines formed on the sample by the microlens array 502 of this embodiment is designed to decrease as the brightness of each scan line decreases. In terms of lenses, the radial distance between the lenses with the closest radial distance (r) (the difference in radial distance between each lens (ri + 1−ri)) decreases as the radial distance r of the lens increases. Designed to. For example, in FIG. 5B, the relationship (ri + 2-ri + 1) <(ri + 1-ri) is established. For some lens pairs, the distance between the lenses in the radial direction can be substantially the same.
[0053]
The preferred design method for the radial distance of each microlens is the difference in the radial distance between the lenses with the closest radial distance, the brightness of the scan line formed by either lens or a lens that is close to the lens in radial distance. Decide on the basis. In particular, it is preferable that the radial distance is determined based on the brightness of one of the two lenses closest to each other or the brightness of both. Since the brightness of each scanning line is inversely proportional to the radial distance from the rotation center of the corresponding lens, the distance between adjacent lenses is preferably determined based on a fraction of the radial distance of one or both of the corresponding lenses. As a preferred example, the difference in radial distance can be determined to be proportional to the radial distance of one lens or the average of both radial distances. Below, an example of the preferable design method of the radial distance of each lens is shown.
[0054]
The relationship between the linear velocity vi of the laser focus formed by the microlens Li on the disk and scanned by the rotation of the disk and the distance ri from the disk center of the lens forming the focus is expressed by the following equation.
[Expression 1]

Here, ω is the angular velocity of the rotating lens.
[0055]
By making the distance between the scanning lines in the radial direction inversely proportional to the distance from the center of rotation, illumination with less unevenness can be realized. The distance from the center of rotation of the scan line can be determined by the following difference sequence.
[Expression 2]

Solving this for ri yields:
[Equation 3]

Here, a is a constant determined by the first term r0 and the second term r1 of ri, and is given by the following equation.
[Expression 4]

The first term r0 and the second term r1 can be appropriately determined according to the number of scanning lines, the beam spot diameter, and the like.
By obtaining ri according to Equation 4, the radial distance of each lens can be determined.
[0056]
In order to determine the position of each microlens on the disk, it is necessary to determine the coordinate θ in addition to the coordinate ri. In order to increase the light utilization efficiency, it is preferable to increase the radius of the lens as much as possible. Therefore, after determining the coordinates ri, it is important to determine the coordinates .theta.i of Li so as to increase the area occupied by the lens on the disk.
[0057]
For this purpose, it is preferable that the micro lens of the next periphery is arrange | positioned between the micro lenses adjacent to the circumference direction. Referring to FIG. 5B, the lens arranged on the (s + 1) th cycle is arranged between the adjacent lenses on the sth cycle. For example, it is preferable that the lens (Ln) adjacent in the radial direction is substantially disposed at the center position between the microlenses (Li, Li + 1) adjacent in the circumferential direction. Specifically, in FIG. 5B, (θi + θi + 1) / 2 and θn are substantially equal. One preferred method of determining θ is according to an conformal arrangement. In the equiangular arrangement, the angular coordinate difference between adjacent lenses in the circumferential direction is substantially the same between the lenses. For example, in FIG. 5B, the angle differences represented by (θi + 1−θi) are all equal.
[0058]
Specifically, θ of each lens can be determined according to the following equation.
[Equation 5]

Here, n is a natural number and is preferably selected so that the radius of the lens can be maximized. By determining the θ coordinate according to the above equation in the equiangular arrangement, the lens of the (s + 1) th rotation can be arranged at the center between the adjacent lenses of the sth rotation with respect to the θ coordinate. As described above, the lens arrangement design can be effectively performed by determining the coordinates ri and θi of each microlens.
[0059]
Next, a method for designing a microlens array using a spiral array, which is another array that provides a dense lens arrangement, will be described. FIG. 6 shows a microlens array 601 arranged according to a helical arrangement. Each microlens Li is arranged on a solid line 602 in FIG. Specifically, the spiral arrangement is represented by the following formula.
[Formula 6]

l is the distance between adjacent perimeters in the helix. Solving this for θi yields:
[Expression 7]

The coordinates ri of each microlens can be determined so that the light intensity is uniform per time / area of the scanning line formed by each microlens. For example, the coordinate ri can be determined according to the above-described determination method. In order to determine θi, the helical interval l needs to be determined. In order to increase the lens area on the disk, it is preferable to determine the spiral interval l based on the smallest distance between adjacent lenses in the circumferential direction. When arranging the brightness of each scanning line to be uniform, it is preferable to reduce the distance between the lenses as it is located on the outer side of the disk. Therefore, one of the preferable methods for determining the spiral interval l is the farthest from the center. The helical interval l is determined so as to be equal to the distance between the lens Llast and the circumferentially adjacent lens Llast-1. Specifically, l is represented by the following equation.
[Equation 8]

According to the above design method, when the microlenses are arranged according to the spiral arrangement, the lens arrangement design can be effectively performed so as to increase the lens area.
[0060]
FIG. 7 shows a configuration of a microlens array disk 701 according to another embodiment. In FIG. 7A, a microlens array disk 701 includes a band-shaped microlens array 702 extending in the circumferential direction. The microlens array 702 includes a plurality of microlenses Li, and each microlens Li is arranged according to a predetermined rule. The spot diameter 703 of the incident laser light is approximately the same as the width of the microlens array 702 from the viewpoint of efficiency.
[0061]
The microlens array 702 is composed of a plurality of sections Sj divided in the circumferential direction, and each section Sj has the same lens arrangement. One section passes through the laser spot 703 to complete a single scan on the sample. By rotating the microlens array disk 701 once, a plurality of scans corresponding to the number of sections can be performed. The number of sections in FIG. 7 is 8, and the number of scans per revolution is 8. Thereby, high-speed scanning becomes possible. Alternatively, since the number of rotations of the microlens array disk 701 can be reduced with respect to the same number of scans, disk shake can be suppressed, and uneven illumination can be reduced. By providing a plurality of sections in the microlens array, the lenses can be densely arranged by design as compared to the case of only a single section.
[0062]
FIG. 7B shows a part in one section. In FIG. 7B, the center of rotation exists in the lower part of the drawing. Each lens has a different radial distance r from the center of rotation, and the coordinate θ which is the position in the circumferential direction can be determined by, for example, an equiangular arrangement. The (s + 1) -th lens is disposed at the center position of θ adjacent to the s-th lens.
[0063]
The design of a microlens array with multiple sections can be performed as follows. The arrangement of the microlenses in each section can determine the coordinates rij according to [Equation 3], and can determine the coordinates θij according to the conformal arrangement. For the microlenses in each section j, coordinates rij are determined according to [Equation 3], for example. The coordinate θij of the lens Lij in the case of equiangular arrangement can be given by the following equation, where m is the number of scans per rotation of the disk.
[Equation 9]

Similarly, the helical array can be divided into a plurality of sections. The coordinate θij in the spiral arrangement can be given by the following equation.
[Expression 10]

When designing the microlens array with the same number of scanning lines and the maximum scanning line interval, it is preferable to select the spiral arrangement and the conformal arrangement according to the radius of the microlens array. When the ratio of the minimum radius (the smallest ri of the microlens) to the maximum radius (the largest ri of the microlens) of the microlens array is equal to or greater than a predetermined value, it is preferable to design the lens arrangement by an equiangular arrangement If it is less than the predetermined value, it is preferable to design the lens arrangement by a spiral arrangement. This is because the spiral arrangement has a constant lens density regardless of the ratio of the minimum radius to the maximum radius, whereas the conformal arrangement increases in density as the ratio is increased. For example, assuming that the number of scanning lines is 578, the maximum scanning line interval is 19.5 μm, the minimum radius of the microlens array is 40 mm, and the number of sections is 12, the proportion of the lens on the disk is 1 in the conformal arrangement than in the spiral arrangement. % Can be increased.
[0064]
The microlens array disk can be applied not only to the SHG microscope but also to various types of laser microscopes, laser scanning devices such as inspection devices, and other optical systems. Further, the lens arrangement of this embodiment can be applied to the pinhole arrangement of the pinhole array in the confocal optical system. A pinhole is another example of a dot that transmits light.
[0065]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 shows the configuration of a pre-chirper applicable to the SHG microscope shown in the first or second embodiment. The pre-chirper can suppress the spread of the pulse width of the laser pulse by compensating in advance the phase shift caused by the frequency caused by the dispersion of the optical system. The pre-chirper of this embodiment has a great effect especially in a pulse laser of femtosecond order. Since the excitation efficiency of second harmonic or multiphoton excitation fluorescence using a femtosecond pulse laser greatly depends on the pulse width, control of the pulse width is important. FIG. 8A conceptually shows how the pulsed light changes. By passing through the pre-chirper 800, the pulse width of the pulsed incident light is maintained even after passing through the next optical system 801, as in the waveform shown by the solid line. When the pre-chirper 800 is not used, the pulse width of the pulsed light is increased like a waveform indicated by a dotted line.
[0066]
As shown in FIG. 8B, the pre-chirper 800 of this embodiment is configured by four prisms 802-805. Incident light from the laser light source enters the vicinity of the apex angle of the first prism 801, refracts, and exits from the exit surface. Next, the light enters the vicinity of the apex angle of the second prism, and is refracted in the same manner and exits. The light incident from the fourth prism is sequentially incident on the prism, refracted, and emitted, and the light emitted from the fourth prism enters the subsequent optical system. Appropriate design conditions are selected for the material, refractive index, shape of each prism, and the arrangement conditions such as the distance and angle between the prisms. When the refractive index, first-order and second-order dispersion of each prism are determined, an appropriate pre-chirper can be designed by adjusting the inter-prism distance and the prism angle.
[0067]
The pre-chirper 800 cancels the group velocity dispersion in the optical system by causing negative group velocity dispersion. The pre-chirper 800 causes negative angular dispersion by utilizing the angular dispersion of the prism. A grating can also be used as an optical element that causes angular dispersion. However, it is preferable to use a prism from the viewpoint of light loss. By controlling the pulse width with the pre-chirper of this embodiment, effective observation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of an SHG laser microscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing wavelength-intensity characteristics of laser incident light, second harmonic, and multiphoton excitation light in the SHG laser microscope according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing an outline of an SHG laser microscope according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing time-intensity characteristics of laser incident light, second harmonic, and multiphoton excitation light in an SHG laser microscope according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a structural diagram showing an outline of a microlens array disk according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a structural diagram showing an outline of a microlens array disk according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a structural diagram showing an outline of a microlens array disk according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing an outline of a pre-chirper according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Laser light source, 102 Laser control part, 103 Pre-chirper, 104 Mirror, 105 Beam expander, 106 Micro lens array disk, 107 Lens, 108, 109 Mirror, 110 1st objective lens, 111 Sample, 112 2nd Objective lens, 113 optical filter, 114 dichroic mirror, 115, 116 lens, 117, 118 CCD camera, 119 image processing device, 201 second harmonic, 202 multiphoton excitation fluorescence, 203 incident light, 301 CCD camera, 302 delay circuit , 306 mirror, 303 image intensifier, 304 CCD, 305 control / drive unit, 401 incident light, 402 second harmonic, 403 multiphoton excitation fluorescence, 404 gate opening timing, 501 601 701 microlens Ray disk, 502,602,702 microlens array, 503,603,703 laser spot, 800 Purichapa,

Claims

An array substrate including a plurality of dots that transmit light, wherein the incident beam is divided into a plurality of beams by the plurality of dots, and the transmitted light scans the sample by rotating the array substrate.
Determining a radial distance from the center of rotation of each of the plurality of dots;
Determining the position of each rotation direction of the dots whose distance from the rotation center is determined,
The step of determining the radial distance determines that the radial distance difference between the dots with the closest radial distance decreases as the radial distance of the dots increases;
The step of determining the position in the rotation direction includes the position in the rotation direction so that the dot in the (s + 1) th rotation is arranged between the dots adjacent in the rotation direction in the sth rotation (s is a natural number). A method for designing an array substrate.

The array substrate design method according to claim 1, wherein the dots are pinholes or microlenses.

The array substrate design method according to claim 1, wherein the step of determining the position in the rotation direction is determined such that the difference in angle with respect to the rotation center between the dods adjacent in the rotation direction is equal.

2. The array substrate according to claim 1, wherein a radial distance difference between two dots having the closest radial distance is determined based on a reciprocal of a radius of the two dots or a reciprocal of a radius of one of the dots. Design method.

The array substrate design method according to claim 1, wherein the plurality of dots have a plurality of sections having the same arrangement pattern.

4. The array substrate design method according to claim 3, wherein the dot in the s + 1-th turn is arranged at substantially the center in the rotation direction between dots adjacent in the rotation direction in the s-th turn.

The plurality of dots are arranged according to a helical arrangement,
The distance between the circumferences of the spiral array is substantially equal to the distance between the first dot having the largest radial distance in the array and the second dot having the next largest radial distance after the first dot. The method for designing an array substrate according to claim 1.

The plurality of dots are arranged according to a helical arrangement,
The method for designing an array substrate according to claim 1, wherein a distance between the circumferences of the spiral array is substantially equal to a distance between nearest dots in the array.

9. An array substrate designed by the design method according to claim 1.

A laser scanning device comprising an array substrate designed by the designing method according to claim 1.

A laser beam scanning apparatus comprising an array substrate including a plurality of dots that transmit laser light, wherein the incident beam is divided into a plurality of beams by the plurality of dots and rotated to scan the sample by the transmitted light And the arrangement of the plurality of dots is:
The radial distance difference between the dots with the closest radial distance decreases as the dot radial distance increases,
In the sth cycle (s is a natural number), the dot in the (s + 1) th cycle is arranged between the dots adjacent in the rotation direction, and in the rotation direction between the dots adjacent in the rotation direction in the sth cycle. A laser beam scanning device in which dots in the (s + 1) th round are arranged.