JP4009620B2 - 顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡観察下において、微小領域での時間分解分光を可能にする顕微鏡装置に関するものである。

顕微鏡を利用して時間分解分光を行う従来の技術として、例えば、次の特許文献１に記載のものがある。
特開平５−７２４８０号公報

特許文献１に記載の技術は、被検物体上にパルス状のレーザ光を集光し、集光位置近傍の微小点からの蛍光を検出する。そして、この蛍光の時間変化特性に基づいて、エネルギー移動を計測するというものである。
特許文献１に記載の技術によれば、試料内に含まれる蛍光分子の寿命が、蛍光分子間距離によって変化することを利用して、蛍光分子周りの環境を解析することができる。

ところが、従来の技術には、次のような問題点があった。
従来の時間分解を行う装置において、計測対象としている時間領域は、蛍光の寿命程度である。しかるに、一般に、蛍光物質の蛍光寿命はナノ秒前後である。その程度の時間領域であれば、電子デバイスを利用した測定器によって容易に蛍光寿命を測定することができる。
しかし、化学変化などの物質内で起こる物性現象の中には、更に短い時間領域で変化が起こるものが多い。これらの時間領域で起こる物性変化は、特許文献１に記載のような従来技術を用いて測定することは、困難であった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、非常に微小な領域の観測と同時に、非常に短い時間領域（例えば、フェムト秒〜数十ピコ秒）で起こる物性現象を捉えることが可能な装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による顕微鏡装置は、光学顕微鏡と時間分解分光ユニットを有する顕微鏡装置であって、前記時間分解分光ユニットからの光を前記光学顕微鏡の内部に導く第１導光手段と前記光学顕微鏡からの光を前記時間分解分光ユニットの内部に導く第２導光手段を有し、前記光学顕微鏡は、照明光学系と観察光学系を有し、前記照明光学系は、光源とリレーレンズとビームスプリッタを有し、前記観察光学系は、対物レンズと結像レンズとダイクロイックミラーを有し、前記時間分解分光ユニットが、超短光パルスを発振する超短光パルス光源と、前記超短光パルスを参照光と参照光以外の光とに分岐する分岐手段と、前記参照光以外の光からポンプ光とプローブ光を生成する光学系と、前記第２導光手段によって導かれた光と前記参照光を合波する合波手段と、該合波手段によって形成された干渉縞を撮像する撮像素子を備え、前記第１導光手段は、少なくとも前記ビームスプリッタを含み、前記第２導光手段は、少なくとも前記ダイクロイックミラーを含み、前記第２導光手段と前記撮像素子の間に２次元光波変換光学系が配置され、前記２次元光波変換光学系が、ビームエキスパンダと、第１回折格子と、正の屈折力をもつ第１レンズと、フィルタと、正の屈折力をもつ第２レンズと、第２回折格子を備えている、ことを特徴としている。

また、本発明による顕微鏡装置においては、等倍リレー光学系を備え、前記第１回折格子は、前記第１レンズの前側焦点位置に配置され、前記フィルタは、前記第１レンズの後側焦点位置、及び前記第２レンズの前側焦点位置に配置され、前記第２回折格子は、前記第２レンズの後側焦点位置に配置され、前記等倍リレー光学系は、前記第２回折格子と前記撮像素子の間に配置され、前記等倍リレー光学系の光軸に対して前記撮像素子の撮像面が直交するように、前記撮像素子が配置されるのが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ビームエキスパンダが回転対称レンズで構成され、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズがシリンドリカルレンズであるのが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ビームエキスパンダがシリンドリカルレンズを含んで構成され、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが回転対称レンズであるのが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置においては、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、前記第１回折格子及び前記第２回折格子は、前記ｘ方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、前記フィルタは遮光領域と、細長い光透過領域を備え、前記光透過領域は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のいずれに対しても傾斜した向きに形成されているのが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置においては、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、前記第１回折格子は、前記ｘ方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、前記フィルタは、前記ｘ軸に沿う方向に形成された複数の回折領域を備え、前記複数の回折領域の各々は、前記ｙ軸に沿う方向における回折角度がそれぞれ異なるように、入射光を回折させる格子形状を有し、前記第２回折格子は、前記リレー光学系の光軸と平行になるように、入射光を回折させる格子形状を有するのが好ましい。

上述のように本発明によれば、非常に微小な領域についての観察と同時に、フェムト〜ピコ秒領域の変調を受けたプローブ光の時間分解分光計測を行うことが可能な顕微鏡装置を実現することができる。

超短光パルスの持つ高い時間分解能を利用した計測技術として、特許第３０１８１７３号に記載の技術がある。この技術によれば、例えば化学反応などのフェムト秒〜ピコ秒領域の高速な物性現象の観察が可能である。
本発明の顕微鏡装置は、この時間分解能を計測する技術に着目して想到したものである。

上記時間分解能の計測技術を図１３を用いて説明する。
図１３は、極短光パルスの波形計測技術にかかる２次元空間変換光学系の概略構成を示す斜視図である。この図は、特許第３０１８１７３号公報にも記載されている。
２次元空間変換光学系は、ビームエキスパンダ３００と、回折格子５００と、第１シリンドリカルレンズ６００と、フィルタ７００と、第２シリンドリカルレンズ８００とで構成されている。回折光学素子５００は、透過型の回折光学素子である。この回折格子５００は、第１シリンドリカルレンズ６００の前側焦平面（前側焦点位置）に配置されている。また、フィルタ７００は、第１シリンドリカルレンズ６００の後側焦平面（後側焦点位置）に配置されている。なお、フィルタ７００の位置は、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面と一致している。また、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面と、第１シリンドリカルレンズ６００の前側焦平面は、互いに共役となっている。

図１３の構成を用いた、時間分解分光の計測過程を説明する。
まず、入射光束をビームエキスパンダ３００で拡大して、回折格子５００に斜入射させる。このとき、光束を光線ごとに見てみる。この場合、回折格子５００に斜入射する各光線は、回折格子５００の入射面に同時に到達してはいない。すなわち、回折格子５００のｘ方向についてみると、回折格子５００の両端のうち、一端はビームエキスパンダ３００に近く、他端はビームエキスパンダ３００から遠く離れている。よって、上記一端に到達する光線と上記他端に到る光線との間には時間差が生じる。すなわち、回折格子５００のｘ方向における位置ごとに、光線が到達する時間が異なる。そこで、ここでは図中の線分Ｐ−Ｑに沿う位置に到達した光線の時間分解分光について考える。

回折格子５００は、入射した光を、各波長ごとにｘ方向に回折する格子形状を有している。よって、線分Ｐ−Ｑ上に到達した光に含まれる各波長成分の各々は、異なる角度でｘ軸方向に回折される。そして、第１シリンドリカルレンズ６００の後側焦平面上において集光する。この時、ｘ軸方向のみ集光されるので、ｙ軸方向に細長い光束（光線）が、波長別にｘ軸方向に沿って並ぶことになる。

しかるに、フィルタ７００は、図１４に示すように、光遮光領域と光透過領域で構成されている。ここでは、光透過領域は開口である。この開口の形状は、ｘ軸方向の増加に伴いｙ軸方向が増加する形状となっている。開口以外の領域は光遮光領域であるので、光を遮光するように構成されている。
このため、フィルタ７００を透過した光は、時間差をもって、ｙ軸方向について異なる波長が分布することになる。

更に、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面上において、ｙ軸方向の波長分布は保存されるようになっている。第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面は、第１シリンドリカルレンズ６００の前側焦平面と共役である。そのため、線分Ｐ−Ｑの位置と共役な線分Ｐ'−Ｑ'の位置は、共役となる。このため、図１５に示すように、線分Ｐ'−Ｑ'の位置に沿って、異なる波長が並ぶことになる。

更に、回折格子５００上での位置に応じて、光線の到達時刻が異なる。よって、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面には、図１５に示すように、ｙ軸方向に波長が分布し、ｘ軸方向に時間が矢印方向（図では左側方向）に変化して展開されたスペクトログラムが生成されることになる。以下、このスペクトログラムを２次元光波とする。
但し、光の時間変化は非常に高速であるため、通常の撮像デバイスでは時間変化を捉えることはできない。
このため、ゲートパルスと呼ばれる参照光を、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面に同時に照射させる。このようにすることによって、スペクトログラムを干渉縞パターンとして取得する。

この２次元空間変換光学系は、試料によって何らかの変調を受けた光、特に超短光パルスの時間分解分光を可能とするものである。
しかしながら、上記２次元空間変換光学系は、主に、光通信分野や物理計測分野で用いられていた技術であった。
本件出願人は、微小領域の観察・測定においても、上記２次元空間変換光学系は有効であることに着目し、上記２次元空間変換光学系を顕微鏡装置に用いるという着想に想到するに至った。本発明によれば、顕微鏡装置において、非常に微小な領域の観察と時間分解分光計測を同時に可能とすることができる。

図１は本発明の各実施形態にかかる顕微鏡装置に共通する構成を示すブロック図、図２は図１の顕微鏡装置に用いる顕微鏡の一構成例を示す概略構成図である。
図１に示すように、本発明の各実施形態にかかる顕微鏡装置は、顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０とを有するとともに、時間分解分光ユニット８０からの光を顕微鏡７０の内部に導く第１導光手段９１と顕微鏡７０からの光を時間分解分光ユニット８０の内部に導く第２導光手段９２を有し、顕微鏡７０で試料の観察を行うと同時に、観察対象となっている試料に対して時間分解分光ユニット８０で時間分解分光を行うように構成されている。

時間分解分光ユニット８０は、超短光パルス光源５と、分岐手段６と、２次元光波変換手段１と、リレーレンズ２と、合波手段３と、撮像装置４を有して構成されている。
超短光パルス光源５は、超短光パルスを発振するように構成されている。
分岐手段６は、超短光パルスをプローブ光と参照光とに分岐するように構成されている。
第１導光手段９１は、例えば、ミラーで構成されている。このミラーの角度を調整することで、時間分解分光ユニット８０から射出された光を、顕微鏡７０の内部に入射させることができる。
第２導光手段９２も、例えばミラー構成されている。このミラーの角度を調整することで、顕微鏡７０から射出された光を、時間分解分光ユニット８０の内部に入射させることができる。
なお、第１導光手段９１、第２導光手段９２は、顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０のいずれか一方に設けてもよいし、顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０とは独立して設けてもよく、配設場所は限定されない。

２次元光波変換手段１は、第２導光手段９２によって導かれた光を、２次元光波に変換するように構成されている。
リレーレンズ２は合波手段３を介して、２次元光波を撮像素子４の撮像面上に結像する。
また、合波手段３は、参照光を反射して、撮像素子４の撮像面上に照射する。その結果、撮像素子４の撮像面上には、干渉縞パターンが形成される。

次に、顕微鏡７０について、説明する。顕微鏡７０は、試料を観察可能な光学顕微鏡であればよい。例えば、明視野観察、蛍光観察、微分干渉観察等の観察が可能な構成であればよい。

図２の構成例では、顕微鏡７０は、透過照明光源７１と、透過照明光学系７２と、観察用光学系７３と、観察用撮像素子７４と、試料台７５と、蛍光用照明光源７６と、蛍光用照明光学系７７と、フィルタユニット７７２と、ビームスプリッタ７２３と、ダイクロイックミラー７８を有して構成されている。

透過照明用光学系７２は、コレクタレンズ７２１と、対物レンズ７２２と、ビームスプリッタ７２３を有している。透過照明用光学系７２は、透過照明光源７１が発した照明光を、試料Ｓに照射する。また、透過照明用光学系７２は、ビームスプリッタ７２３を有している。よって、ビームスプリッタ７２３を介して、ポンプ光とプローブ光を、試料に照射することができる。なお、図２の構成例では、透過照明光学系７２は、さらに、偏光子７２４と、第１ＤＩＣフィルタ７２５を含んでいる。

観察用光学系７３は、対物レンズ７３１と、第２ＤＩＣフィルタ７３２と、検光子７３３と、結像レンズ７３４を有して構成されている。
検光子７３３と結像レンズ７３４との間には、ダイクロイックミラー７８と、フィルタユニット７７２が配置されている。
フィルタユニット７７２は、励起フィルタ７７２１と、ダイクロイックミラー７７２２と、吸収フィルタ７７２３によって構成されている。励起フィルタ７７２１は、試料Ｓを照射するための励起光を選択するために用いられる。ダイクロイックミラー７７２２は、励起光を反射して試料Ｓ側に導くと供に、試料Ｓから発生した蛍光を透過する。吸収フィルタ７７２３は、試料Ｓから反射された励起光を遮断し、蛍光を透過する。
その他、試料台７５は、ｘ−ｙステージ７５２を備えている。よって、対物レンズ（７２２、７３１）に対する試料Ｓの相対位置を、自由に調整することができる。

以下、各実施形態において特有の構成について説明する。
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態にかかる顕微鏡装置を示しており、特に、時間分解分光ユニット８０の具体的構成を示す説明図である。なお、第１実施形態の顕微鏡装置全体の基本構成は、図１及び図２で示した構成と同じである。
第１実施形態の時間分解分光ユニット８０では、２次元光波変換手段１は、ビームエキスパンダ１０と、第１回折格子１２と、正の屈折力をもつ第１シリンドリカルレンズ１３１と、フィルタ１４１と、正の屈折力をもつ第２シリンドリカルレンズ１３２と、第２回折格子アレイ１５とで構成されている。
また、第１導光手段９１は、顕微鏡７０側に設けられたビームスプリッタ７２３である。ただし、時間分解分光ユニット８０から射出される光束が、ビームスプリッタ７２３に入射するように、時間分解分光ユニット８０側に１組のミラーを設けてもよい。この場合、一方のミラーはｘ軸を回転軸として回転するように保持し、他方のミラーはｚ軸を回転軸として回転するように保持しておく。これにより、光束の射出角度を調整することができる。また、光束の高さは、２つのミラーの間隔（ｙ軸方向）を変えることで調整することができる。
また、第２導光手段９２は、顕微鏡７０側に設けられたダイクロイックミラー７８である。本実施形態では、２次元光波変換手段１に、ミラー６８が設けられている。また、ミラー６８を設けずに、第２導光手段９２からのプローブ光を２次元光波変換手段１に直接導くことができるように、顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０を配置してもよい。なお、ミラー６８に代えて、第１導光手段９１同様に、時間分解分光ユニット８０側に１組のミラーを設けてもよい。
リレーレンズ２は、レンズ２１とレンズ２２で構成されている。

分岐手段は、ハーフミラー等で構成されたビームスプリッタ６１である。超短光パルス光源５から発振された超短光パルスは、ビームスプリッタ６１によって、２つに分岐される。ビームスプリッタ６１で反射された光は、参照光となる。一方、ビームスプリッタ６１を透過した光は、遅延光学系６に入射し、ここでプローブ光とポンプ光が生成される。遅延光学系６は、ビームスプリッタ６２と、ミラー６３，６４，６６と、可動のステージ６５とで構成されている。
ビームスプリッタ６１を透過した光は、ミラー６６で反射される。反射された光は、ビームスプリッタ６２で分岐される。ビームスプリッタ６２で反射された光は、ミラー６３で反射し、ビームスプリッタ６２を透過する。一方、ビームスプリッタ６２を透過した光は、ミラー６４で反射され、ビームスプリッタ６２で反射される。この時、ステージ６５は、光の入射方向に沿って移動している。そのため、ミラー６３で反射された光とミラー６４で反射された光との間に、光路長差が生じる。この光路長を変えることにより、一方の光はもう一方の光に対して時間遅延を与えられる。本実施形態では、時間遅延を与えられない光がポンプ光、時間遅延を与えられた光がプローブ光となる。これら２つの光は、第１導光手段９１を介して顕微鏡７０に導かれる。

参照光の進行方向には、ビームエキスパンダ３３、ミラー３０及び合波手段３が配置されている。合波手段３は、ビームスプリッタ３１と、レンズ３２とで構成されている。レンズ３２は、レンズ２２と組み合わされるとビームエキスパンダとして機能するので、ビームスプリッタ６１で分岐された参照光を、時間分解分光用撮像素子４上に平行光として照射するようになっている。ビームスプリッタ３１は、レンズ３２を経た参照光を反射し、同時に、２次元光波変換手段１で変換された２次元光波を透過する。この結果、２つの光が、時間分解分光用撮像素子４に向けて合波される。
なお、ビームスプリッタ６１で分岐された参照光を合波手段３に導く構成は、上記以外の構成でもよい。

このように構成された顕微鏡装置を用いて時間分解分光を行う過程を説明する。
まず、顕微鏡７０を介して、試料Ｓの観察を行う。観察方法としては、例えば、明視野観察、微分干渉、蛍光観察等がある。適切な観察法を用いて、試料Ｓ内の微小領域を観察視野の中心に移動させる。この移動は、試料台７５のｘ−ｙステージ７５２を使って行えばよい。また、微小領域は、時間分解分光を行う領域である。

次に、試料Ｓ中の微小領域の時間分解分光過程について説明する。
超短光パルス光源５から発振され超短光パルスは、分岐手段６１及び遅延光学系６を介して、ポンプ光、プローブ光、参照光に分岐される。このとき、ポンプ光とプローブ光との間には、時間遅延が与えられている。
ポンプ光とプローブ光は、導光手段９１を介して、顕微鏡７０に導かれる。より具体的には、透過照明光学系７２の光路内に設けられたビームスプリッタ７２３に導かれる。次にポンプ光とプローブ光は、ビームスプリッタ７２３を介して、試料Ｓ中の微小領域を照射する。まず、ポンプ光によって試料Ｓ中の微小領域が刺激される。時間差をおいて、プローブ光が同じ微小領域を照射する。
このとき、プローブ光は、ポンプ光によって刺激された試料Ｓの微小領域によって変調を受ける。変調を受けたプローブ光（以下、変調プローブ光とする。）は、対物レンズ７３１、ダイクロイックミラー７８（第２導光手段）を介して顕微鏡７０の外部に導かれる。そして、変調プローブ光は、時間分解分光ユニット８０の２次元変換手段１に入射する。

ビームエキスパンダ１０は、変調プローブ光の光束径を拡大して、第１回折格子１２に斜入射させる。ここで、第１回折格子１２は、透過型の回折格子である。ただし、反射型の回折格子であっても構わない。第１回折格子１２は、第１シリンドリカルレンズ１３１の前側焦平面Ｆ１と交差する（平行にならない）ように、所定の角度θで配置されている。本実施形態では、第１回折格子１２の面は、ｘ軸（光軸（ｚ軸）に対し垂直となる水平方向の軸）に対して角度θで配置されている。なお、第１回折格子１２は、その面の中心が前側焦平面Ｆ１（前側焦点位置）、あるいはその近傍に位置するように、配置されている。
第１回折格子１２は、順次照射される変調プローブ光の各波長成分を、ｘ軸方向に回折させる。第１シリンドリカルレンズ１３１は、第１回折格子１２で回折された変調プローブ光の各波長成分を、後側焦平面Ｆ２上に分布させる。分布の様子を、図４に示す。
フィルタ１４１は、第１シリンドリカルレンズ１３１の後側焦平面Ｆ２近傍に配置されている。そして、図５に示すように、細長い開口を備える。この開口は、左斜め下から右斜め上に向かって形成されている。第１回折格子１２に変調プローブ光を斜入射されることで、ｘ軸方向の入射位置に応じて照射時間がずれた変調プローブ光を得ることができる。このようにして得た変調プローブ光は複数の波長成分から構成されている。そこで、フィルタ１４１を用いて、各波長成分を、ｙ軸（光軸（ｚ軸）に対し垂直となる上下方向の軸）の各位置ごとに抽出する。その結果、図６に示すように、ｙ軸方向に関して異なる波長が分布するように、フィルタリングが行われる。フィルタ１４１の開口を透過した変調プローブ光は、第２シリンドリカルレンズ１３２に入射する。その際、変調プローブ光は、各波長がｘ−ｚ面に対して平行となって、ｙ方向に並んだ状態になっている。

第２シリンドリカルレンズ１３２に入射した各波長の光（変調プローブ光）は、第２シリンドリカルレンズ１３２の後側焦平面Ｆ３近傍の面Ｆ３'に結像する。なお、後側焦平面Ｆ３の位置と第１回折格子１２の位置は、共役な位置関係となっている。その結果、図７に示すように、各波長の光は、ｘ軸方向に時間が展開され、ｙ軸方向に波長が展開された状態に変換される。すなわち、変調プローブ光は、(1)ｘ軸方向の各位置における光には、連続した時間遅延が生じており、(2)ｙ軸方向の各位置における光は、変調プローブ光を構成する各波長の光が分解されて分布していることになる。このように、２次元光波とは、変調プローブ光が、上記の(1)及び(2)を満たす状態になっていることを意味する。
第２回折格子アレイ１５は、この面Ｆ３'に配置されている。そして、図８に示すように、波長毎に異なる格子定数（周期）の回折格子１５Ａ〜Ｋが、ｙ軸方向に並んで形成されている。一方、図７に示すように、面Ｆ３'上の２次元光波は、各波長の光は、ｙ軸方向に、空間的に分離されている。このため、第２回折格子アレイ１５を介して、変調プローブ光の各波長の回折方向をそろえることができる。本実施形態では、各波長の光の進行方向は、ｘ軸方向に角度分布を持っている（ばらついている）。そこで、第２回折格子アレイ１５によって、このｘ方向の角度分布を小さくすることができる。本実施形態では、第２回折格子アレイ１５を介して、Ｆ３'面を出射後の角度分布はほぼ０になるように構成されている。

リレーレンズ２は、撮像素子４の撮像面Ｆ４面上に、２次元光波像Ｓ４を結像する。
同時に、合波手段３を介して、参照光が、撮像面Ｆ４面上に照射される。よって、撮像面Ｆ４面上では、２次元光波像Ｓ４と参照光による干渉が生じる。その結果、変調プローブ光のスペクトログラムが、干渉縞パターンとして生成される。これにより、変調プローブ光に含まれる波長成分の時間変化を、計測することができる。

次に、第２実施形態の顕微鏡装置について説明する。
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態にかかる顕微鏡装置を示しており、特に、時間分解分光ユニット８０の具体的構成を示す説明図である。
第２実施形態の顕微鏡装置は、時間分解分光ユニット８０を構成する２次元光波変換手段１のみが、第１実施形態の顕微鏡装置と異なる。
第２実施形態の２次元光波変換手段１は、シリンドリカルビームエキスパンダ１１と、第１回折格子１２と、正の屈折力をもつ第１レンズ１３３と、第１回折格子アレイ１４２と、正の屈折力をもつ第２レンズ１３４と、第２回折格子アレイ１５とで構成されている。

シリンドリカルビームエキスパンダ１１は、変調プローブ光の光束径を拡大して回折格子１２に斜入射させる。ここでも、第１回折格子１２は、透過型の回折格子である。ただし、反射型の回折格子であっても構わない。第１回折格子１２は、第１レンズ１３３の前側焦平面Ｆ１と交差する（平行にならない）ように、ｘ軸に対して角度θで配置されている。なお、第１回折格子１２は、その面の中心が、前側焦平面Ｆ１（前側焦点位置）、あるいはその近傍に位置するように、配置されている。
第１回折格子１２は、順次照射される変調プローブ光の各波長成分を、ｘ軸方向に回折させる。第１レンズ１３３は、第１回折格子１２で回折された変調プローブ光の各波長成分を、第１レンズ１３３の後側焦平面Ｆ２上に分布させる。分布の様子を、図１０に示す。
第１回折格子アレイ１４２はフィルタであって、第１レンズ１３３の後側焦平面Ｆ２近傍に配置されている。そして、図１１に示すように、格子定数（周期）の異なる回折格子１４２ａ〜ｋが、ｘ軸方向に並んで形成されている。そして、図１２に示すように、変調プローブ光の各波長の光は、回折格子１４２ａ〜ｋを介して、ｙ軸に沿う方向に、異なる回折角で回折される。第１回折格子アレイ１４２で回折された各波長の光は、第２レンズ１３４に入射する。

第２レンズ１３４に入射した各波長の光は、第２レンズ１３４の後側焦平面Ｆ３近傍の面Ｆ３'に結像する。なお、後側焦平面Ｆ３の位置と第１回折格子１２の位置は、共役な位置関係となっている。その結果、図７に示すように、ｘ軸方向に時間が展開され、ｙ軸方向に波長が展開された２次元光波に変換される。
これ以降の処理は第１実施形態と同様である。すなわち、顕微鏡観察下において、試料Ｓの微小領域ポンプ光とプローブ光を照射する。そして、ポンプ光に刺激された微小領域によって変調を受けたプローブ光を、時間と波長に展開したスペクトログラムに変換する。このようにすることで、微小領域における時間分解分光が可能になる。

次に、本発明の実施形態をより具体化した実施例について説明する。
実施例１の顕微鏡装置は、第１実施形態の顕微鏡装置をより具体化した構成例である。なお、図面は第１実施形態の顕微鏡装置と同じである。
実施例１の顕微鏡装置は、第１実施形態と同様に、顕微鏡７０によって試料Ｓを観察し、時間分解分光ユニット８０で、試料Ｓ内の微小領域に関する時間分解分光を行うように構成されている。以下に、第１実施形態の構成を具体化した部分について説明する。その他の部分の構成及び作用は第１実施形態と同じである。

時間分解分光に使う光は、中心波長８００ｎｍ、波長幅±５ｎｍ、パルス幅約１００フェムト秒の超短光パルスである。この超短光パルスをプローブ光として用い、変調を受けた結果得られる変調プローブ光のスペクトログラムを得ることによって時間分解分光を行う。

超短光パルス光源５は、中心波長が８００ｎｍ、波長幅±５ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の超短光パルスを発振する。
２次元光波変換手段１は、焦点距離１０ｍｍのレンズ１０１と焦点距離１００ｍｍのレンズ１０２で構成されるビームエキスパンダ１０と、ブラッグ型第１回折格子１２と、焦点距離ｆ＝１００ｍｍの正の屈折力をもつ第１シリンドリカルレンズ１３１と、フィルタ１４１と、焦点距離ｆ＝１００ｍｍの正の屈折力をもつ第２シリンドリカルレンズ１３２と、第２回折格子アレイ１５とで構成されている。

ブラッグ型第１回折格子１２は、透過型の回折格子である。ブラッグ型第１回折格子１２は、その入射面が、第１シリンドリカルレンズ１３１の前側焦平面Ｆ１と交差する（平行にならない）ように、ｘ軸に対して角度４５°で配置されている。すなわち、ブラッグ型第１回折格子１２は、その面が、前側焦平面Ｆ１近傍の面（即ち、第１シリンドリカルレンズ１３１の前側焦平面Ｆ１を略４５°回転させた面）Ｆ１'と一致するように配置されている。よって、ブラッグ型第１回折格子１２の法線と光軸ＡＸとのなす角度は、略４５°となっている。また、シリンドリカルレンズ１３１，１３２に関して、面Ｆ１'と共役な面は、面Ｆ３'となる。この面Ｆ３'は、第２シリンドリカルレンズ１３２の後側焦平面Ｆ３を、４５°回転させた時の面である。この結果、共役となる面Ｆ３'も光軸ＡＸに対して略４５°の角度となる。ここで、ブラッグ型第１回折格子１２の格子定数は、１７６７本／ｍｍで、４５°で入射したプローブ光の中心波長が光軸ＡＸに略一致するように選んでいる。

実施例１では、ビームエキスパンダ１０を介して、変調プローブ光を略１０倍に拡大している。また、ブラッグ型第１回折格子１２は、約１４．１４×１０ｍｍのサイズを持つ。このようなブラッグ型第１回折格子１２に、変調プローブ光を斜入射させる。このとき、変調プローブ光は、８００±５ｎｍの波長幅を持つ。そのため、第１シリンドリカルレンズ１３１の後側焦平面Ｆ２上では、図４に示すように、変調プローブ光に含まれる各波長成分の光が、ｘ軸方向に沿って分布する。このとき、例えば、８０５ｎｍ、８００ｎｍ、７９５ｎｍの波長は、光軸ＡＸに対して、それぞれ−１．２６ｍｍ、０ｍｍ、＋１．２４ｍｍの位置に分布する。

フィルタ１４１の構成は、第１実施形態で説明したとおりである。フィルタ１４１を介して、Ｆ３'面上に２次元光波Ｓ３が形成される。本実施例では、２次元光波Ｓ３のサイズは、１４．１４×１０ｍｍである。

第２回折格子アレイ１５は、面Ｆ３'に入射する２次元光波Ｓ３について、各波長の光ごとに生じている角度分布を補正する。第２回折格子アレイ１５の仕様を以下の表．１に示す。表．１の入射角度は、各波長の光が面Ｆ３'に入射する際の、第２回折格子アレイ１５の法線に対する角度である。第２回折格子アレイ１５を構成する回折格子１５Ａ〜Ｋが表．１のような周期構造を持てば、各波長の光における回折角度が４５°になる。その結果、面Ｆ３'を出射後における各波長の光の角度分布は、ほぼ０になる。

表．１ 第２回折格子アレイ１５の仕様

リレーレンズ２は、２次元光波像Ｓ４を撮像面Ｆ４上に分布させる。このリレーレンズ２は、焦点距離ｆ２１＝１００ｍｍのレンズ２１，２２で構成されている。

合波手段３は、焦点距離１００ｍｍのレンズ３２とビームスプリッタ３１とで構成されている。
２次元光波像Ｓ４が時間分解分光用撮像素子４上に分布するのと同時に、合波手段３を介して参照光を照射すると、２次元光波像Ｓ４を干渉縞パターンとして記録することができる。
撮像素子４には固体撮像素子（ＣＣＤ）４を用いており、２次元光波像Ｓ４の干渉パターンが得られる。

実施例１の顕微鏡装置によれば、非常に微小な領域についての観察と同時に、フェムト〜ピコ秒領域の変調を受けたプローブ光の時間分解分光計測を行うことができる。

実施例２の顕微鏡装置は、第２実施形態の顕微鏡装置をより具体化した構成例である。実施例１と異なる点は、２次元光波変換手段１のみである。なお、図面は第２実施形態の顕微鏡装置と同じである。以下に、２次元光波変換手段１について説明する。その他の部分の構成及び作用効果は実施例１と同じである。

２次元光波変換手段１は、焦点距離１００ｍｍのレンズ１１１と、焦点距離５０ｍｍのレンズ１１２と、倍率１０倍のシリンドリカルレンズ１１３，１１４で構成されるシリンドリカルビームエキスパンダ１１と、ブラッグ型第１回折格子１２と、焦点距離ｆ＝４０ｍｍの正の屈折力をもつ第１レンズ１３３と、第１回折格子アレイ１４２と、焦点距離ｆ＝４０ｍｍの正の屈折力をもつ第２レンズ１３４と、第２回折格子アレイ１５とで構成されている。

ブラッグ型第１回折格子１２は、透過型の回折格子である。ブラッグ型第１回折格子１２は、その入射面が第１レンズ１３３の前側焦平面Ｆ１と交差する（平行にならない）ように、ｘ軸に対して角度４５°で配置されている。すなわち、ブラッグ型第１回折格子１２は、その面が、前側焦平面Ｆ１近傍の面（即ち、第１レンズ１３３の前側焦平面Ｆ１を略４５°回転させた面）Ｆ１'と一致するように配置されている。よって、ブラッグ型第１回折格子１２の法線と光軸ＡＸとのなす角度は、略４５°となっている。また、レンズ１３３，１３４に関して、面Ｆ１'と共役な面は、面Ｆ３'となる。この面Ｆ３'は、第２レンズ１３４の後側焦平面Ｆ３を、４５°回転させた時の面である。この結果、共役となる面Ｆ３'も光軸ＡＸに対して略４５°の角度となる。ここで、ブラッグ型第１回折格子１２の格子定数は、１７６７本／ｍｍで、入射角度４５°で斜入射したプローブ光の中心波長が光軸ＡＸに略一致するように選んでいる。

実施例２では、ビームエキスパンダ１１を介して、変調プローブ光を略１０倍に拡大している。また、ブラッグ型第１回折格子１２は、約１４．１４ｍｍ×１ｍｍのサイズを持つ。このようなブラッグ型第１回折格子１２に、変調プローブ光を斜入射させる。このとき、変調プローブ光は８００±５ｎｍの波長幅を持つ。そのため、第１レンズ１３３の後側焦平面Ｆ２上では、図１０に示すように、変調プローブ光に含まれる各波長成分の光が、ｘ軸方向に沿って分布する。このとき、例えば、８０５ｎｍ、８００ｎｍ、７９５ｎｍの波長は、光軸ＡＸに対して、それぞれ−０．５ｍｍ、０ｍｍ、＋０．５ｍｍの位置に分布する。

第１回折格子アレイ１４２は、フィルタとして機能する。この第１回折格子アレイ１４２の構成は、第２実施形態で説明したとおりである。以下表．２に第１回折格子アレイ１４２の仕様を示す。表．２中、格子定数の符号は、面Ｆ２においてｙ軸に関して＋方向に回折する場合は正、−方向に回折する場合は負として表している。ｙ座標は、第２レンズ１３４を出射後の各波長のｙ方向の高さを表している。

表．２ 第１回折格子アレイ１４２の仕様

第１回折格子アレイ１４２で回折された各波長の光は、第２レンズ１３４を出射すると、それぞれｘ−ｚ面に平行になって面Ｆ３'に入射する。このとき面Ｆ３'上では、ｙ軸方向にプローブ光の波長成分が分布する。そして、面Ｆ１'のブラッグ型第１回折格子１２上に順次プローブ光が照射されると、共役な面Ｆ３'上では波長分布がｘ軸方向を移動することになる。よって、図７に示すように、ｘ軸方向に時間が展開され、縦軸に波長が展開された２次元光波Ｓ３が生成される。この面Ｆ３'上の２次元光波Ｓ３のサイズは１４．１４×１０ｍｍである。

第２回折格子アレイ１５は、面Ｆ３'に入射する２次元光波Ｓ３について、各波長の角度分布を補正する。第２回折格子アレイ１５の仕様を以下の表．３に示す。表．３の入射角度は、各波長の光が面Ｆ３'に入射する際の、第２回折格子アレイ１５の法線に対する角度である。第２回折格子アレイ１５を構成する回折格子１５Ａ〜Ｋが表．３のような周期構造を持てば、各波長の光における回折角度が４５°になる。その結果、面Ｆ３'を出射後における各波長の光の角度分布は、ほぼ０になる。

表．３ 第２回折格子アレイ１５の仕様

実施例２の顕微鏡装置によれば、非常に微小な領域についての観察と同時に、フェムト〜ピコ秒領域の変調を受けたプローブ光の時間分解分光計測を行うことができる。

本発明の各実施形態にかかる顕微鏡装置に共通する構成を示すブロック図である。 図１の顕微鏡装置に用いる顕微鏡の一構成例を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態にかかる顕微鏡装置における時間分解分光ユニット８０の具体的構成を示す説明図である。 第１実施形態の顕微鏡装置における時間分解分光ユニット８０のフィルタ１４１上のプローブ光の分布を示す図である。 第１実施形態の顕微鏡装置における時間分解分光ユニット８０のフィルタ１４１の開口を示す図である。 第１実施形態の顕微鏡装置において、フィルタ１４１を透過するプローブ光の波長分布を示す図である。 本発明の各実施形態の顕微鏡装置の２次元光波変換手段１によって生じる２次元光波分布を示す図である。 本発明の各実施形態の顕微鏡装置の２次元光波変換手段１に用いられる第２回折格子アレイ１５を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる顕微鏡装置の時間分解分光ユニット８０の具体的構成を示す説明図である。 第２実施形態の顕微鏡装置の時間分解分光ユニット８０の第１回折格子アレイ１４２上のプローブ光の分布を示す図である。 第２実施形態の顕微鏡装置の２次元光波変換手段１に用いられる第１回折格子アレイ１４２を示す図である。 第２実施形態の第１回折格子アレイ１４２によって回折されるプローブ光を示す図である。 極短光パルスの波形計測技術にかかる２次元空間変換光学系の概略構成を示す斜視図である。 図１３の２次元空間変換光学系に用いられるフィルタ７００の説明図である。 図１３の２次元空間変換光学系により２次元空間変換された波長分布を示すグラフである。

符号の説明

１ ２次元光波変換手段
１０ ビームエキスパンダ
１０１，１０２ レンズ
１１ シリンドリカルビームエキスパンダ
１１１、１１２ レンズ
１１３、１１４ シリンドリカルレンズ
１２ ブラッグ型第１回折格子
１３１ 第１シリンドリカルレンズ
１３２ 第２シリンドリカルレンズ
１３３ 第１レンズ
１３４ 第２レンズ
１４１ フィルタ
１４２ 第１回折格子アレイ
１５ 第２回折格子アレイ
２ リレーレンズ
２１、２２ レンズ
３ 合波手段
３１ ビームスプリッタ
３２ レンズ
３３ ビームエキスパンダ
３４ ミラー
４ 撮像素子、ＣＣＤ
５ 超短光パルス光源
６ 分岐手段
６１、６２ ビームスプリッタ
６３、６４、６６ ミラー
６５ ステージ
６８ ミラー
７ 顕微鏡
７１ 透過照明光源
７２ 透過照明光学系
７２１ コレクタレンズ
７２２ コンデンサレンズ
７２３ ビームスプリッタ
７２４ 偏光子
７２５ 第１ＤＩＣフィルタ
７３ 観察用光学系
７３１ 対物レンズ
７３２ 第２ＤＩＣフィルタ
７３３ 検光子
７３４ 結像レンズ
７４ 観察用撮像素子
７５ 試料台
７５２ ｘ−ｙステージ
７６ 蛍光用照明光源
７７ 蛍光用照明光学系
７７２ フィルタユニット
７８ ダイクロイックミラー
８０ 時間分解分光ユニット
９１ 第１導光手段
９２ 第２導光手段

Claims (6)

1. 光学顕微鏡と時間分解分光ユニットを有する顕微鏡装置であって、
   前記時間分解分光ユニットからの光を前記光学顕微鏡の内部に導く第１導光手段と前記光学顕微鏡からの光を前記時間分解分光ユニットの内部に導く第２導光手段を有し、
   前記光学顕微鏡は、照明光学系と観察光学系を有し、
   前記照明光学系は、光源とリレーレンズとビームスプリッタを有し、
   前記観察光学系は、対物レンズと結像レンズとダイクロイックミラーを有し、
   前記時間分解分光ユニットが、超短光パルスを発振する超短光パルス光源と、前記超短光パルスを参照光と参照光以外の光とに分岐する分岐手段と、前記参照光以外の光からポンプ光とプローブ光を生成する光学系と、前記第２導光手段によって導かれた光と前記参照光を合波する合波手段と、該合波手段によって形成された干渉縞を撮像する撮像素子を備え、
   前記第１導光手段は、少なくとも前記ビームスプリッタを含み、
   前記第２導光手段は、少なくとも前記ダイクロイックミラーを含み、
   前記第２導光手段と前記撮像素子の間に２次元光波変換光学系が配置され、
   前記２次元光波変換光学系が、ビームエキスパンダと、第１回折格子と、正の屈折力をもつ第１レンズと、フィルタと、正の屈折力をもつ第２レンズと、第２回折格子を備えている、ことを特徴とする顕微鏡装置。
2. 等倍リレー光学系を備え、
   前記第１回折格子は、前記第１レンズの前側焦点位置に配置され、
   前記フィルタは、前記第１レンズの後側焦点位置、及び前記第２レンズの前側焦点位置に配置され、
   前記第２回折格子は、前記第２レンズの後側焦点位置に配置され、
   前記等倍リレー光学系は、前記第２回折格子と前記撮像素子の間に配置され、
   前記等倍リレー光学系の光軸に対して前記撮像素子の撮像面が直交するように、前記撮像素子が配置されることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記ビームエキスパンダが回転対称レンズで構成され、
   前記第１のレンズ及び前記第２のレンズがシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記ビームエキスパンダがシリンドリカルレンズを含んで構成され、
   前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが回転対称レンズであることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡装置。
5. 前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、
   前記第１回折格子及び前記第２回折格子は、前記ｘ方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、
   前記フィルタは遮光領域と、細長い光透過領域を備え、
   前記光透過領域は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のいずれに対しても傾斜した向きに形成されていることを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡装置。
6. 前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、
   前記第１回折格子は、前記ｘ方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、
   前記フィルタは、前記ｘ軸に沿う方向に形成された複数の回折領域を備え、
   前記複数の回折領域の各々は、前記ｙ軸に沿う方向における回折角度がそれぞれ異なるように、入射光を回折させる格子形状を有し、
   前記第２回折格子は、前記リレー光学系の光軸と平行になるように、入射光を回折させる格子形状を有することを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡装置。