JP4406108B2 - Multiphoton excitation laser microscope - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルスレーザビームを観察対象である標本に照射するタイプのレーザ顕微鏡に関し、特に、標本の多光子吸収による化学反応及び蛍光を検出するための多光子励起走査型レーザ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
多光子励起法は、通常の1光子(単光子)で行われる励起を多光子で行う方法である。例えば2光子励起法では、400nm(単光子)の波長で行っていた蛍光励起が倍の波長800nmで行われる。この波長800nmでは2光子を用いて蛍光励起が行われる。
【0003】
通常、蛍光顕微鏡に使用される水銀ランプや連続発振のレーザでは、単位時間当たりの光子密度が低いため、多光子励起現象を引き起こすためには、莫大な光強度が必要とされる。更に、光学系や標本へのダメージが大きくなる等の問題を解決しなければ実用には適さない。
【0004】
このため、多光子励起法の光源としては、例えばサブピコ秒のパルスレーザビームを発振可能なものが用いられる。これは多光子励起現象がその単位面積、単位時間当たりの光子密度の2乗にほぼ比例した確率で発生するためである。このため、サブピコ秒のパルスレーザビームでは、複数の光子が存在する確率が高くなる。
【0005】
例えば、特表平5−503149号公報には、サブピコ秒のパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、このレーザ光源から出射されたパルスレーザビームで標本面(焦点面)を走査するための走査光学ユニットとを組合わせた2光子励起走査型レーザ顕微鏡が記載される。
【0006】
一方、多光子励起に用いられるレーザ光源から出射されるサブピコ秒のパルスレーザビームは、完全に単色でなく、そのパルス幅と相関を持つある波長幅を有する。一般的に、光は、光学系を通過する場合、波長が短いほど媒質中での速度は遅く、波長が長いほど媒質中での速度は速くなる特性を有する。従って、上述の如くパルスレーザビームが波長幅を有していると、パルスレーザビームが光学系を通過する際、波長によって通過時間に差が生じる。その結果、光学系に入射する前のパルス幅に比べ、光学系を通過した後のパルス幅が時間軸方向に広がってしまう。
【0007】
多光子励起現象が生じる確率は、光子密度に依存するため、光学系の標本面(焦点面)上でのパルス幅の広がりは、多光子励起現象が発生する確率を低下させる。従って、標本面上でパルス幅をなるべく広がらないようにすることが望まれる。
【0008】
このような問題を解決するための一般的な方法として、所謂プレチャープコンペンセーションが知られている。プレチャープコンペンセーションは、パルスレーザビームをプリズムペア若しくはグレーティングペアに通すことにより、短い波長側の光を先に出す、言い換えれば長い波長側の光を遅らせるという方法である。
【0009】
この方法は、例えば文献「Femtosecond pulse width control in microscopy by two-photon absorption autocorrelation; G.J. Brakenhoff, M. Muller & J. Squier; J. of Microscopy, Vol. 179, Pt. 3, September 1995, pp. 253-260」に記載される。詳しい説明は省略するが、この文献には、プレチャープコンペンセータとして使用されるプリズムペア若しくはグレーデイングペアを移動調整することにより標本面でのパルスレーザビームのパルス幅を任意に可変できることが記載される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多光子励起走査型レーザ顕微鏡が、択一的に使用される複数の対物レンズを有する場合、対物レンズが夫々異なる光路長を有するため、プレチャープコンペンセータによる補正の程度も各対物レンズに応じて異なってくる。即ち、プレチャープコンペンセータを、ある1つの対物レンズに合わせて標本面におけるパルスレーザビームのパルス幅が最小となるように調整しても、他の対物レンズの場合は標本面におけるパルス幅が広がってしまう。ここで、本明細書において、単に光路長という場合は、光学素子の幾何学的長さではなく、光学素子が形成する光路の光学的長さを意味するものとする。
【0011】
この走査型レーザ顕微鏡においても、顕微鏡観察と同様に、先ず広範囲の観察が可能な低倍率の対物レンズを使用して標本における観察対象を検索し、この後に細部を観察するための高倍率の対物レンズに切替えて使用するのが一般的である。この際、対物レンズを切替えることによって標本面でのパルスレーザビームのパルス幅が変化すると、最適な条件で多光子励起現象を引き起こすことができなくなる。
【0012】
もし、この問題をプレチャープコンペンセータの調整により対応しようとすると、その調整に費やす時間に比例して標本から発せられる蛍光が褪色してしまうという問題が発生する。標本の蛍光の褪色を防ぐ対策としては、プレチャープコンペンセータの調整時に観察視野内から標本を移動するといった方法が考えられる。この方法では、プレチャープコンペンセータの調整後に再び観察視野内に標本を移動しなければならない。しかし、標本を移動前と全く同じ位置に戻すことは非常に困難であるため、この方法は観察及び測定に対して実用的ではない。
【0013】
本発明の目的は、波長幅を有するパルスレーザビームを使用する多光子励起レーザ顕微鏡において、光路上に選択的に配置可能な光学部材の光路長に応じて、容易に最適な条件で観察することを可能とすることである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の視点は、多光子励起レーザ顕微鏡において、観察対象の標本を配置するための配置部と、多光子励起現象により蛍光を発するように前記標本を励起するためのパルスレーザビームを出射するためのレーザ光源と、前記標本の蛍光を検出するための検出器と、前記レーザ光源から前記標本へ前記パルスレーザビームを導くために前記パルスレーザビームの光路を形成する光学系と、を具備し、前記光学系は、入射した前記パルスレーザビームを短波長ほど先となるように波長順に出射させる作用を有するプレチャープコンペンセータと、前記光路上に選択的に配置可能な光学部材と、前記光路上に配置する前記光学部材の変更によって生ずる前記光路の光路長の変化を補正するための光学的補正手段を具備する補正機構と、を有し、前記光学部材の変更に応じた前記プレチャープコンペンセータの作用の調整を不要にしたことを特徴とする。
【0015】
本発明の第2の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学系は、前記標本を前記パルスレーザビームで走査するための走査機構を更に有することを特徴とする。
【0016】
本発明の第3の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学部材は、前記標本に対して前記パルスレーザビームを集光するように、前記光路上に択一的に配置可能な複数の対物レンズであることを特徴とする。
【0017】
本発明の第4の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学部材は、前記標本に対して前記パルスレーザビームを集光するように、前記光路上に択一的に配置可能な複数の対物レンズと、前記プレチャープコンペンセータと前記対物レンズとの間に挿脱自在に設けられた平坦な光学素子とであることを特徴とする。
【0018】
本発明の第5の視点は、第4の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記平坦な光学素子は、ノマルスキー式の透過光観察用の光学素子であることと、前記顕微鏡は、前記パルスレーザビームの前記標本を透過した透過光を検出するための光学系及び検出器を更に具備することとを特徴とする。
【0019】
本発明の第6の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正手段は、前記光学部材の切替えに連動して切替えられることを特徴とする。
【0020】
本発明の第7の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正手段は、前記光路上の前記パルスレーザビームが平行光束で且つ前記光束の角度変化がない位置に配置されることを特徴とする。
【0021】
本発明の第8または7の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正手段は、前記光学部材の光路長に応じて、前記光路の光路長が一定となるように前記光路上に択一的に配置可能な複数の光学的補正素子であることを特徴とする。
【0022】
本発明の第9または7の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正手段は、前記光学部材の光路長に応じて、異なる電圧を印加することにより、前記光路の光路長が一定となるように調整可能な光学的補正素子であることを特徴とする。
【0023】
本発明の第10または7の視点は、第1の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正手段は、前記光学部材の光路長に応じて、異なる圧力を印加することにより、前記光路の光路長が一定となるように調整可能な光学的補正素子であることを特徴とする。
本発明の第11の視点は、第1または7の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正手段は、いずれの前記光学部材が使用された場合でも前記光路の光路長が同一となるように、前記光学部材とペアとなって択一的に配置される補正板であることを特徴とする。
本発明の第12の視点は、第9または10の視点の多光子励起レーザ顕微鏡において、前記光学的補正素子は、電圧または圧力の印加により光路長が変化する平行平面板であることを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【0025】
図1は本発明の実施の形態に係る多光子励起走査型レーザ顕微鏡1を示す構成図である。
【0026】
顕微鏡1は、標本Sに対して照射するパルスレーザビームを出射するためのレーザ光源4と、レーザ光源4と標本Sとの間でレーザビームを案内するための光路を形成する光学系3とを有する。光学系3は、標本Sを配置するためのステージ15を有する顕微鏡本体2内の光学素子も含む多数の光学素子により構成される。
【0027】
顕微鏡1は、床からの振動を排除するための除振台26上に配設される。除振台26上には、2つの架台27、28が配設される。架台27上には、レーザ光源4、ビームコリメータ5及びプレチャープコンペンセータ6が配設される。架台28上には、走査光学ユニット7及び補正機構22が配設される。走査光学ユニット7及び後述するフォトマルチプライヤ21は、操作パネル31を有するコンピュータ30に接続される。
【0028】
レーザ光源4は、近赤外域の波長で、サブピコ秒の極短パルスQPを発振する。波長幅の広さは、パルス幅の大きさに反比例するため、ここで使用される極短パルスQPは、数ナノメータ程度の波長幅を有する。
【0029】
レーザ光源4からのレーザビームQの光路上にビームコリメータ5及びプレチャープコンペンセータ6が配置される。ビームコリメータ5は、レーザ光源4から出射されたレーザビームQを平行光束にコリメートする。プレチャープコンペンセータ6は、レーザビームQが光学系3を通過する際に、パルスの波長幅に起因して生じるパルス幅の広がりを打ち消すように予め調整するために使用される。具体的には、プレチャープコンペンセータ6は、例えばプリズム等の光学素子6a〜6dから構成され、入射されたコリメート済みのレーザビームQに対して、短波長ほど先となるように波長順にプレチャープコンペンセータ6から出射させる作用を有する。
【0030】
走査光学ユニット7は、プレチャープコンペンセータ6から出射されたレーザビームQにより標本Sの断面(焦点面)S’を走査するためのものである。この走査光学ユニット7の出射側には、リレーレンズ8、光路折り曲げユニット9を介して顕微鏡本体2が配設される。なお、これらリレーレンズ8、光路折り曲げユニット9及び顕微鏡本体2は、光軸が一致するように配置される。
【0031】
顕微鏡本体2は除振台26上に固定されたコ字形状の筐体11を有する。コ字形状の筐体11の上部には結像レンズ12が配設され、且つ結像レンズ12の下方側に倍率の異なる複数の対物レンズ、例えば3つの対物レンズ14a、14b、14cを取り付けたレボルバ13が回転自在に配設される。対物レンズ14a、14b、14cは、択一的に光軸上に配置可能となるように構成される。レボルバ13の下方には、標本Sを載置するためのステージ15が配設される。ステージ15は、筐体11に対して上下に位置調整可能に取付けられる。
【0032】
標本Sは極短パルスQPのレーザビームQが照射されると、多光子励起現象により蛍光を発する。走査光学ユニット7には、標本Sで生じた蛍光とプレチャープコンペンセータ6から出射されたレーザビームQとを分離するためのダイクロイックミラー16が配設される。
【0033】
ダイクロイックミラー16を透過するレーザビームQの光路上には、互いに直交した方向にレーザビームQを走査駆動するための一対のガルバノミラー17、18と、走査駆動されたレーザビームQを顕微鏡本体へ導くためのリレーレンズ8とが配置される。
【0034】
一方、ダイクロイックミラー16によって分離される蛍光検出のための光路上には、集光レンズ19、ピンホール20、及びフォトマルチプライヤ21が配置される。集光レンズ19は標本Sからの蛍光をピンホール20に集光させるために使用される。ピンホール20は標本Sと共役な位置に配置され、標本からの光に含まれる焦点面以外の雑光を除去する。なお、多光子励起走査型レーザ顕微鏡においては、対物レンズ14a、14b、14cの焦点面、つまり標本Sの断面S’でのみ多光子励起現象が生じるので、ピンホール20は走査光学ユニット7に必ずしも必要でない。
【0035】
対物レンズ14a、14b、14cは夫々異なる光路長を有する。このため、プレチャープコンペンセータ6を、対物レンズの1つに合わせて断面S’(光学系3の焦点面)における極短パルスQPのパルス幅が最小となるように調整しても、対物レンズを切替えた場合は断面S’におけるパルス幅が広がる可能性がある。この問題に対応するために、対物レンズ14a、14b、14cのいずれを選択した場合にも、断面S’におけるパルス幅が一定で且つ最小となるように光学系3の光路長を補正するように補正機構22が配設される。なお、前述の如く、本明細書において、単に光路長という場合は、光学素子の幾何学的長さではなく、光学素子が形成する光路の光学的長さを意味するものとする。
【0036】
具体的には、本実施の形態において、補正機構22は走査光学ユニット7と共通の筐体内に配設される。補正機構22は、平行光束にコリメートされたレーザビームQの光路上に択一的に配置可能な補正板23a、23b、23cを具備する。補正板23a、23b、23cは、夫々対物レンズ14a、14b、14cに対応して光路長が設定された同一のガラス材からなる。対応する対物レンズ14a、14b、14cと補正板23a、23b、23cとのペアのいずれが使用された場合にも、レーザ光源4から断面S’(光学系3の焦点面)の光路長が同一となるように設定される。
【0037】
図2に示す如く、補正板23a、23b、23cは回転可能なターレット24に取付けられる。ターレット24を回転させることにより、補正板23a、23b、23cが光学系3の光軸上に択一的に配置可能となる。
【0038】
次に、図1に示す多光子励起走査型レーザ顕微鏡の作用について説明する。
【0039】
レーザ光源4から極短パルスQPのレーザビームQが出射されると、このパルスレーザビームQは、先ずビームコリメータ5により平行光束に変換される。次に、レーザビームQは、プレチャープコンペンセータ6に入射して、断面S’でレーザビームQのパルス幅が最小になるように調整されて走査光学ユニット7に導入される。
【0040】
次に、走査光学ユニット7に導入されたレーザビームQは、各対物レンズ14a、14b、14cに対応するいずれか1つの補正板23a、23、23c、例えば、対物レンズ14aに対応した補正板23aを通過し、この対物レンズ14aに対応して断面S’におけるレーザビームQのパルス幅が一定となるように整形される。
【0041】
次に、レーザビームQは、走査光学ユニット7のダイクロイックミラー16に入射する。ダイクロイックミラー16を透過したレーザビームQは、一対のガルバノミラー17、18で反射され、続いて、リレーレンズ8、光路折り曲げユニット9を通って顕微鏡本体2の光学系に入射する。
【0042】
顕微鏡本体2に入射したレーザビームQは、結像レンズ12によって、対物レンズ14a、14b、14cの1つ、例えば対物レンズ14aの瞳径を満足するような光束径に変換されて対物レンズ14aに導入される。次に、このように対物レンズ14aに導入されたレーザビームQは、その対物レンズ14aにより、ステージ15上に載置された断面S’に集光される。
【0043】
標本Sは、パルスレーザビームQの照射により、断面S’において2光子励起現象により部分的に励起される。これにより、標本Sの断面S’からは、染色した蛍光色素に応じた蛍光が発せられる。この蛍光は、再び対物レンズ14aに取り込まれ、結像レンズ12、光路折り曲げユニット9、リレーレンズ8、一対のガルバノミラー18、17を通してダイクロイックミラー16に入射し、パルスレーザビームQと分離される。
【0044】
蛍光は、ダイクロイックミラー16によって反射され、集光レンズ19によってピンホール20に集光される。そして、ピンホール20を通過した蛍光のみがフォトマルチプライヤ21に入射する。このフォトマルチプライヤ21は、蛍光を受光してその光量に応じた電気信号をコンピュータ30に対して出力する。
【0045】
上述の操作と共に、走査光学ユニット7の一対のガルバノミラー17、18がXY方向に駆動され、レーザビームQで断面S’がXY方向に走査される。コンピュータ30は、この走査により得られるフォトマルチプライヤ21の出力信号をガルバノミラー17、18の走査駆動に同期させることで、標本Sの断面S’の2次元画像を構築することができる。
【0046】
このようにして、標本Sの2次元画像を得る際、その用途に応じてレボルバ13を回転させ、対物レンズ14aを、対物レンズ14c(または対物レンズ14b)に切替える場合がある。この場合、対物レンズの切替と略同時に補正機構22のターレット24を回転させることで、対物レンズ14cに対応する補正板23cを平行光束にコリメートされたパルスレーザビームQの光路上に配置する。
【0047】
上述の如く、補正板23a、23b、23cは、対応する対物レンズ14a、14b、14cと組合わされた場合、断面S’におけるパルス幅が一定となるように設定される。従って、例えば、対物レンズ14aと補正板23aとを用いて初期段階(装置セットアップ時)に断面S’でのレーザビームQのパルス幅を最小に調整すれば、その後、他の対物レンズと補正板とのペアを使用した場合にも、プレチャープコンペンセータ6の調整は不要となる。即ち、対応する対物レンズ14a、14b、14cと補正板23a、23b、23cとのペアのいずれが使用された場合にも、常に断面S’におけるパルス幅を一定で且つ最小とすることができる。
【0048】
従って、図1に示す多光子励起走査型レーザ顕微鏡によれば、いずれの対物レンズ14a、14b、14cを切替えて使用した場合にも、最適な条件で多光子励起現象を引き起こすことができる。また、瞬時に最適な状態で観察が開始できるため、蛍光の褪色を最小限に抑えることができ、作業効率が向上する。また、各補正板23a、23b、23cは、平行光束にコリメートされたレーザビームQの光路上に挿入されるので、各補正板23a、23b、23cが各対物レンズ14a、14b、14cの性能を劣化させることなく、システム全体の光学性能を容易に維持できる。
【0049】
なお、補正板23a、23b、23cは、手動による切替の他に、対物レンズ14a、14b、14cの切替に電気的または機械的に連動して切替えるようにすることもできる。この場合、装置の操作が簡単となり、作業効率が向上すると共に、各補正板23a、23b、23cの誤挿入が発生しなくなる。例えば、これらの切替の電気的に完全に連動させる機構としては、図1に破線で示すようなものを採用することができる。
【0050】
即ち、この連動機構においては、レボルバ13及びターレット24が夫々ステップモータ32、33で駆動される。また、ステップモータ32、33の回転軸に夫々エンコーダ34、35が連結される。これらの部材32〜35はコンピュータ30に接続される。また、コンピュータ30に、いずれの対物レンズ14a、14b、14cを使用するかを選択入力するための操作パネル31が配設される。これにより、操作パネル31からの入力に基づいて、対物レンズ14a、14b、14cと補正板23a、23b、23cとを連動して自動的に切替えることができる。
【0051】
また、上述した切替機構の他、例えば、レボルバに取付けられる対物レンズの位置及び倍率を予め設定しておき、手動によるレボルバの回転時に、切替えられた対物レンズに対応した補正板を判別し、補正板を切替えるようにしてもよい。
【0052】
補正板23a、23b、23cは、レーザビームQが平行光束で且つ光束の角度変化がない位置、例えばレーザ光源4からダイクロイックミラー16までの間の位置で光路上に配置することが望ましい。このため、プレチャープコンペンセータ6と走査光学ユニット7との間の位置(図1に示す位置)の他、例えばビームコリメータ5とプレチャープコンペンセータ6との間に設置することができる。
【0053】
また、図3に示す如く、各補正板23a、23b、23cは、各対物レンズ14a、14b、14cの光学系が無限遠系であれば、レボルバ13または対物レンズに内蔵することも可能であり、機械的に連動する機構の代用とすることもできる。この構成によれば、装置構成がシンプルとなると共に安価となり、且つ誤動作の心配もなくなる。
【0054】
また、上記実施の形態では、補正板に同一のガラス材を用い、板厚を変えることで光路長を変化させていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、同じ板厚に形成した補正板のガラス材を変えることで屈折率を変化させ、光路長を設定することができる。この場合、各補正板23a、23b、23cは、幾何学的寸法が全く同じになるので、補正機構22に取り付けるための部品を共通化できる。
【0055】
図4乃至図6は補正機構22の変更例に係る補正機構41、46、51を示す概略図である。
【0056】
図4に示す補正機構41は、補正板23a、23b、23cを夫々矩形のブロック42に取付けた例である。矩形のブロック42は矩形の回転子43に着脱自在に固定される。この場合、回転子43の回転により、補正板23a、23b、23cが光学系3の光軸上に択一的に配置可能となる。
【0057】
図5に示す補正機構46は、補正板23a、23b、23cをスライド可能なスライダ47に取付けた例である。この場合、スライダ47の直線動作により、補正板23a、23b、23cが光学系3の光軸上に択一的に配置可能となる。
【0058】
図6に示す補正機構51においては、駆動部53による電気的或いは物理的な外部作用により、異なる光路長を光路上に択一的に提供可能な単一の光学的補正素子52が使用される。光学的補正素子52としては、電圧の印加により光路長が変化する平行平面板(EOD素子)や、圧力の印加により光弾性を利用して光路長が変化する平行平面板を使用することができる。
【0059】
図7は図1に示す顕微鏡1にノマルスキー式の透過光観察機能を追加した場合の変更例を示す概略図である。
【0060】
この変更例においては、偏光子61及びノマルスキープリズム等に代表される複屈折素子62がスライダ(図示せず)に取付けられ、走査光学ユニット7の内部で且つダイクロイックミラー16よりプレチャープコンペンセータ6側の光路上に一体的に挿脱自在となる。この場合、フォトマルチプライヤ21による蛍光の検出のみを行う際、偏光子61及び複屈折素子62を光路上から外すと光路長が変わってしまう。この問題に対応するため、偏光子61及び複屈折素子62の光路長に対応した補正板23dが、ターレット24とは別体で且つ補正機構22の一部をなすスライダ24aに取付けられる。補正板23dは、偏光子61及び複屈折素子62が光路上から外れるのに連動して光路上に挿入される。
【0061】
また、顕微鏡本体2の筐体11の下部には、ステージ15の開口15aの下方に位置するように、複屈折素子(ノマルスキープリズム)65及び偏光子66が取付けられる。更に、顕微鏡本体2の筐体11には、偏光子66を通過した透過光を反射し且つ検出するためのミラー67及び検出器68が取付けられる。
【0062】
偏光子61、複屈折素子62、65及び偏光子66は、部分的に屈折率が僅かに異なる無色透明の物体や、微少な段差を有する不透明物体の表面など、目では検出できない位相情報を、偏光干渉により、干渉色のコントラストを付けて可視化する。従って、前述のフォトマルチプライヤ21で検出される蛍光から得られる情報に加えて、検出器68で検出される透過光から得られる情報から、標本Sの構造を立体的に捉えることができる。
【0063】
なお、フォトマルチプライヤ21による蛍光の検出のみが必要な場合は、上部側の偏光子61及び複屈折素子62を光路上から外せばよい。また、これに連動して偏光子61及び複屈折素子62の光路長に対応した補正板23dを光路上に挿入する。これにより、ノマルスキー式の透過光観察機能と、フォトマルチプライヤ21による蛍光検出とを切替えて使用する顕微鏡であっても、常に断面S’におけるパルス幅が一定で且つ最小とすることができる。なお、図示の構成に代え、偏光子61及び複屈折素子62の光路長を考慮した補正板(図示せず)を、補正板23a、23b、23cに加えてターレット24上に配設するようにしてもよい。
【0064】
また、図7図示の顕微鏡においては、ノマルスキー式の透過光観察をおこなうための平坦な偏光子61及び複屈折素子62に対応する補正板23dに関して述べているが、本発明はこれに限られるものではなく、他の平坦な光学素子に関しても、これに対応した補正板を配設する場合に適用することができる。
【0065】
また、上述の実施の形態及び変更例においては、標本SをパルスレーザビームQで走査するための走査機構として、レーザビームQを走らせるための一対のガルバノミラー17、18等を有する走査光学ユニット7を使用している。しかし、標本Sの走査は、標本SとレーザビームQとを相対的に移動させることにより達成できるものであるから、この走査には種々の機構を採用することができる。例えば、レーザビームQを静止させ、顕微鏡本体2のステージ15を走査のために駆動するような走査機構を使用してもよい。
【0066】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、パルスレーザビームを使用すると共に複数の対物レンズを有する多光子励起レーザ顕微鏡において、光路上に選択的に配置可能な光学部材の光路長に応じて、容易に最適な条件で観察が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る多光子励起走査型レーザ顕微鏡を示す構成図。
【図2】図1に示す顕微鏡で使用される光路長の補正機構を示す概略平面図。
【図3】光路長の補正機構の変更例を示す概略側面図。
【図4】光路長の補正機構の別の変更例を示す概略平面図。
【図5】光路長の補正機構の更に別の変更例を示す概略平面図。
【図6】光路長の補正機構の更に別の変更例を示す概略側面図。
【図7】図1に示す顕微鏡にノマルスキー式の透過光観察機能を追加した場合の変更例を示す概略図。
【符号の説明】
1:顕微鏡、
2:顕微鏡本体
3:光学系
4:レーザ光源
5:ビームコリメータ
6:プレチャープコンペンセータ
7:走査光学ユニット
12:結像レンズ
13:レボルバ
14a、14b、14c:対物レンズ
15:ステージ
16:ダイクロイックミラー
17、18:ガルバノミラー
19:集光レンズ
20:ピンホール
21:フォトマルチプライヤ
22、41、46、51:補正機構
23a、23b、23c、23d:補正板
24:ターレット
30:コンピュータ
31:操作パネル
32、33:ステップモータ
34、35:エンコーダ
52:光学的補正素子
61:偏光子
62、65:複屈折素子
66:偏光子
67:ミラー
68:検出器
S:標本
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser microscope of a type that irradiates a specimen to be observed with a pulsed laser beam, and more particularly to a multiphoton excitation scanning laser microscope for detecting a chemical reaction and fluorescence due to multiphoton absorption of a specimen.
[0002]
[Prior art]
The multiphoton excitation method is a method in which excitation performed by a normal one photon (single photon) is performed by multiphotons. For example, in the two-photon excitation method, fluorescence excitation performed at a wavelength of 400 nm (single photon) is performed at a double wavelength of 800 nm. At this wavelength of 800 nm, fluorescence excitation is performed using two photons.
[0003]
Normally, a mercury lamp or a continuous wave laser used in a fluorescence microscope has a low photon density per unit time, and therefore, a huge light intensity is required to cause a multiphoton excitation phenomenon. Furthermore, it is not suitable for practical use unless problems such as damage to the optical system and specimen are increased.
[0004]
For this reason, as the light source of the multiphoton excitation method, for example, a light source capable of oscillating a sub-picosecond pulse laser beam is used. This is because the multiphoton excitation phenomenon occurs with a probability almost proportional to the square of the unit area and the photon density per unit time. For this reason, with a sub-picosecond pulse laser beam, the probability of multiple photons is high.
[0005]
For example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 5-503149 discloses a laser light source that emits a sub-picosecond pulse laser beam and scanning optics for scanning a sample surface (focal plane) with the pulse laser beam emitted from the laser light source. A two-photon excitation scanning laser microscope combined with a unit is described.
[0006]
On the other hand, a sub-picosecond pulse laser beam emitted from a laser light source used for multiphoton excitation is not completely monochromatic but has a certain wavelength width correlated with the pulse width. In general, when light passes through an optical system, the shorter the wavelength, the slower the speed in the medium, and the longer the wavelength, the faster the speed in the medium. Therefore, when the pulse laser beam has a wavelength width as described above, the transit time varies depending on the wavelength when the pulse laser beam passes through the optical system. As a result, the pulse width after passing through the optical system expands in the time axis direction compared to the pulse width before entering the optical system.
[0007]
Since the probability that the multiphoton excitation phenomenon occurs depends on the photon density, the spread of the pulse width on the sample surface (focal plane) of the optical system decreases the probability that the multiphoton excitation phenomenon occurs. Therefore, it is desirable to make the pulse width as small as possible on the sample surface.
[0008]
As a general method for solving such problems, so-called pre-chirp compensation is known. Pre-chirp compensation is a method in which a pulsed laser beam is passed through a prism pair or a grating pair, so that light on the short wavelength side is emitted first, in other words, light on the long wavelength side is delayed.
[0009]
This method is described in, for example, the document `` Femtosecond pulse width control in microscopy by two-photon absorption autocorrelation; GJ Brakenhoff, M. Muller & J. Squier; J. of Microscopy, Vol. 179, Pt. 3, September 1995, pp. 253. -260 ". Although detailed explanation is omitted, this document describes that the pulse width of the pulse laser beam on the specimen surface can be arbitrarily varied by moving and adjusting a prism pair or a graded pair used as a pre-chirp compensator. .
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the multiphoton excitation scanning laser microscope has a plurality of objective lenses that are used alternatively, the objective lenses have different optical path lengths, and therefore the degree of correction by the pre-chirp compensator depends on each objective lens. Come different. That is, even if the pre-chirp compensator is adjusted so that the pulse width of the pulse laser beam on the sample surface is minimized in accordance with one objective lens, the pulse width on the sample surface is expanded in the case of other objective lenses. End up. Here, in this specification, the term “optical path length” means not the geometric length of the optical element, but the optical length of the optical path formed by the optical element.
[0011]
In this scanning laser microscope, similarly to the microscope observation, first, an object to be observed in a specimen is searched using a low-magnification objective lens capable of wide-range observation, and then a high-magnification objective for observing details. In general, it is used by switching to a lens. At this time, if the pulse width of the pulse laser beam on the sample surface is changed by switching the objective lens, the multiphoton excitation phenomenon cannot be caused under the optimum conditions.
[0012]
If an attempt is made to deal with this problem by adjusting the pre-chirp compensator, there arises a problem that the fluorescence emitted from the specimen fades in proportion to the time spent for the adjustment. As a countermeasure for preventing the fading of the fluorescence of the specimen, a method of moving the specimen from the observation field when adjusting the pre-chirp compensator is conceivable. In this method, the specimen must be moved again into the observation field after adjustment of the pre-chirp compensator. However, this method is not practical for observation and measurement because it is very difficult to return the specimen to the exact same position as before the movement.
[0013]
An object of the present invention is to easily observe under optimum conditions according to the optical path length of an optical member that can be selectively arranged on the optical path in a multi-photon excitation laser microscope using a pulsed laser beam having a wavelength width. Is to make it possible.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  According to a first aspect of the present invention, in a multi-photon excitation laser microscope, an arrangement unit for arranging a specimen to be observed and a pulse laser beam for exciting the specimen to emit fluorescence by a multi-photon excitation phenomenon are provided. A laser light source for emitting; a detector for detecting fluorescence of the specimen; and an optical system for forming an optical path of the pulse laser beam to guide the pulse laser beam from the laser light source to the specimen. And the optical system comprises:IncidentThe pulse laser beamHas the effect of emitting light in order of wavelength so that the shorter the wavelength,A pre-chirp compensator, and an optical member that can be selectively disposed on the optical path;This is caused by the change of the optical member arranged on the optical path.Optical path length of the optical pathchange ofA correction mechanism having an optical correction means for correctingNo need to adjust the action of the pre-chirp compensator according to the change of the optical memberIt is characterized by that.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, in the multi-photon excitation laser microscope according to the first aspect, the optical system further includes a scanning mechanism for scanning the specimen with the pulse laser beam.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the multiphoton excitation laser microscope according to the first aspect, the optical member is selectively placed on the optical path so as to focus the pulse laser beam on the specimen. A plurality of objective lenses that can be arranged.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the multiphoton excitation laser microscope according to the first aspect, the optical member is selectively placed on the optical path so as to focus the pulsed laser beam on the specimen. A plurality of objective lenses that can be arranged, and a flat optical element that is removably provided between the pre-chirp compensator and the objective lens.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the multiphoton excitation laser microscope according to the fourth aspect, the flat optical element is an optical element for observing transmitted light of a Nomarski type, and the microscope includes the pulse laser. It further comprises an optical system and a detector for detecting light transmitted through the specimen of the beam.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the multiphoton excitation laser microscope according to the first aspect, the optical correction unit is switched in conjunction with the switching of the optical member.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in the multi-photon excitation laser microscope according to the first aspect, the optical correction unit is configured so that the pulse laser beam on the optical path is a parallel light beam and the angle of the light beam does not change. It is characterized by being arranged.
[0021]
  Eighth of the present inventionOr 7In the multi-photon excitation laser microscope of the first viewpoint, the optical correction means is selected on the optical path so that the optical path length of the optical path is constant according to the optical path length of the optical member. A plurality of optical correction elements that can be arranged in a single pattern.
[0022]
  The ninth of the present inventionOr 7In the multi-photon excitation laser microscope of the first viewpoint, the optical correction means applies a different voltage according to the optical path length of the optical member, so that the optical path length of the optical path becomes constant. The optical correction element can be adjusted as described above.
[0023]
  Tenth of the present inventionOr 7In the multi-photon excitation laser microscope of the first viewpoint, the optical correction means applies a different pressure according to the optical path length of the optical member, so that the optical path length of the optical path becomes constant. The optical correction element can be adjusted as described above.
  According to an eleventh aspect of the present invention, in the multiphoton excitation laser microscope according to the first or seventh aspect, the optical path length of the optical path is the same regardless of which optical member is used. Thus, the correction plate is alternatively arranged as a pair with the optical member.
  According to a twelfth aspect of the present invention, in the multiphoton excitation laser microscope according to the ninth or tenth aspect, the optical correction element is a parallel flat plate whose optical path length is changed by application of voltage or pressure. To do.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
[0025]
FIG. 1 is a block diagram showing a multiphoton excitation scanning laser microscope 1 according to an embodiment of the present invention.
[0026]
The microscope 1 includes a laser light source 4 for emitting a pulsed laser beam for irradiating the specimen S, and an optical system 3 for forming an optical path for guiding the laser beam between the laser light source 4 and the specimen S. Have. The optical system 3 includes a large number of optical elements including an optical element in the microscope main body 2 having a stage 15 for arranging the specimen S.
[0027]
The microscope 1 is disposed on a vibration isolation table 26 for eliminating vibration from the floor. Two mounts 27 and 28 are disposed on the vibration isolation table 26. On the gantry 27, a laser light source 4, a beam collimator 5, and a pre-chirp compensator 6 are disposed. On the gantry 28, the scanning optical unit 7 and the correction mechanism 22 are disposed. The scanning optical unit 7 and a photomultiplier 21 described later are connected to a computer 30 having an operation panel 31.
[0028]
The laser light source 4 oscillates a sub-picosecond ultrashort pulse QP at a wavelength in the near infrared region. Since the width of the wavelength width is inversely proportional to the size of the pulse width, the ultrashort pulse QP used here has a wavelength width of about several nanometers.
[0029]
A beam collimator 5 and a pre-chirp compensator 6 are disposed on the optical path of the laser beam Q from the laser light source 4. The beam collimator 5 collimates the laser beam Q emitted from the laser light source 4 into a parallel light beam. The pre-chirp compensator 6 is used to adjust in advance so as to cancel the spread of the pulse width caused by the wavelength width of the pulse when the laser beam Q passes through the optical system 3. Specifically, the pre-chirp compensator 6 is composed of optical elements 6a to 6d such as prisms, for example, and the pre-chirp compensator in order of wavelength so that the shorter the wavelength the incident collimated laser beam Q is. 6 has the effect of emitting light.
[0030]
The scanning optical unit 7 is for scanning the cross section (focal plane) S ′ of the specimen S with the laser beam Q emitted from the pre-chirp compensator 6. On the exit side of the scanning optical unit 7, the microscope body 2 is disposed via a relay lens 8 and an optical path bending unit 9. Note that the relay lens 8, the optical path bending unit 9, and the microscope main body 2 are arranged so that their optical axes coincide.
[0031]
The microscope main body 2 has a U-shaped casing 11 fixed on a vibration isolation table 26. An imaging lens 12 is disposed on the upper portion of the U-shaped casing 11, and a plurality of objective lenses having different magnifications, for example, three objective lenses 14a, 14b, and 14c are attached to the lower side of the imaging lens 12. A revolver 13 is rotatably arranged. The objective lenses 14a, 14b, and 14c are configured to be alternatively arranged on the optical axis. A stage 15 for placing the specimen S is disposed below the revolver 13. The stage 15 is attached to the housing 11 so that the position can be adjusted up and down.
[0032]
When the sample S is irradiated with the laser beam Q of the ultrashort pulse QP, the sample S emits fluorescence due to the multiphoton excitation phenomenon. The scanning optical unit 7 is provided with a dichroic mirror 16 for separating the fluorescence generated in the sample S and the laser beam Q emitted from the pre-chirp compensator 6.
[0033]
On the optical path of the laser beam Q that passes through the dichroic mirror 16, a pair of galvanometer mirrors 17 and 18 for scanning and driving the laser beam Q in directions orthogonal to each other, and the laser beam Q that has been scanned and driven are guided to the microscope body. A relay lens 8 is disposed.
[0034]
On the other hand, a condenser lens 19, a pinhole 20, and a photomultiplier 21 are arranged on the optical path for fluorescence detection separated by the dichroic mirror 16. The condensing lens 19 is used to condense the fluorescence from the specimen S into the pinhole 20. The pinhole 20 is disposed at a position conjugate with the sample S, and removes miscellaneous light other than the focal plane included in the light from the sample. In the multiphoton excitation scanning laser microscope, the multiphoton excitation phenomenon occurs only on the focal planes of the objective lenses 14a, 14b, and 14c, that is, the cross section S ′ of the specimen S. Therefore, the pinhole 20 is not necessarily provided in the scanning optical unit 7. Not necessary.
[0035]
The objective lenses 14a, 14b, and 14c have different optical path lengths. For this reason, even if the pre-chirp compensator 6 is adjusted so that the pulse width of the ultrashort pulse QP in the cross section S ′ (focal plane of the optical system 3) is adjusted to one of the objective lenses, the objective lens is In the case of switching, the pulse width in the cross section S ′ may be widened. In order to cope with this problem, the optical path length of the optical system 3 is corrected so that the pulse width in the cross section S ′ is constant and minimum when any of the objective lenses 14a, 14b, and 14c is selected. A correction mechanism 22 is provided. As described above, in the present specification, the term “optical path length” means not the geometric length of the optical element but the optical length of the optical path formed by the optical element.
[0036]
Specifically, in the present embodiment, the correction mechanism 22 is disposed in a common housing with the scanning optical unit 7. The correction mechanism 22 includes correction plates 23a, 23b, and 23c that can be alternatively arranged on the optical path of the laser beam Q collimated to a parallel light beam. The correction plates 23a, 23b, and 23c are made of the same glass material having an optical path length set corresponding to the objective lenses 14a, 14b, and 14c, respectively. The optical path length from the laser light source 4 to the cross section S ′ (focal plane of the optical system 3) is the same regardless of which of the pair of the corresponding objective lenses 14a, 14b, 14c and the correction plates 23a, 23b, 23c is used. Is set to be
[0037]
As shown in FIG. 2, the correction plates 23a, 23b, and 23c are attached to a rotatable turret 24. By rotating the turret 24, the correction plates 23a, 23b, and 23c can be alternatively arranged on the optical axis of the optical system 3.
[0038]
Next, the operation of the multiphoton excitation scanning laser microscope shown in FIG. 1 will be described.
[0039]
When a laser beam Q having an extremely short pulse QP is emitted from the laser light source 4, the pulse laser beam Q is first converted into a parallel beam by the beam collimator 5. Next, the laser beam Q is incident on the pre-chirp compensator 6, adjusted so that the pulse width of the laser beam Q is minimized in the cross section S ′, and introduced into the scanning optical unit 7.
[0040]
Next, the laser beam Q introduced into the scanning optical unit 7 is applied to any one of the correction plates 23a, 23, 23c corresponding to the objective lenses 14a, 14b, 14c, for example, the correction plate 23a corresponding to the objective lens 14a. And is shaped so that the pulse width of the laser beam Q in the cross section S ′ is constant corresponding to the objective lens 14a.
[0041]
Next, the laser beam Q is incident on the dichroic mirror 16 of the scanning optical unit 7. The laser beam Q that has passed through the dichroic mirror 16 is reflected by the pair of galvanometer mirrors 17 and 18, and then enters the optical system of the microscope body 2 through the relay lens 8 and the optical path bending unit 9.
[0042]
The laser beam Q incident on the microscope body 2 is converted by the imaging lens 12 into a light beam diameter that satisfies one of the objective lenses 14a, 14b, and 14c, for example, the pupil diameter of the objective lens 14a, and is applied to the objective lens 14a. be introduced. Next, the laser beam Q thus introduced into the objective lens 14a is condensed by the objective lens 14a onto the cross section S ′ placed on the stage 15.
[0043]
The specimen S is partially excited by the two-photon excitation phenomenon in the cross section S ′ by irradiation with the pulsed laser beam Q. Thereby, fluorescence corresponding to the stained fluorescent dye is emitted from the cross section S ′ of the specimen S. This fluorescence is again taken into the objective lens 14a, enters the dichroic mirror 16 through the imaging lens 12, the optical path bending unit 9, the relay lens 8, and the pair of galvanometer mirrors 18 and 17, and is separated from the pulse laser beam Q.
[0044]
The fluorescent light is reflected by the dichroic mirror 16 and collected by the condenser lens 19 in the pinhole 20. Only the fluorescence that has passed through the pinhole 20 enters the photomultiplier 21. The photomultiplier 21 receives fluorescence and outputs an electrical signal corresponding to the amount of light to the computer 30.
[0045]
Along with the above operation, the pair of galvanometer mirrors 17 and 18 of the scanning optical unit 7 are driven in the XY directions, and the cross section S ′ is scanned in the XY directions by the laser beam Q. The computer 30 can construct a two-dimensional image of the cross section S ′ of the specimen S by synchronizing the output signal of the photomultiplier 21 obtained by this scanning with the scanning drive of the galvanometer mirrors 17 and 18.
[0046]
In this way, when obtaining a two-dimensional image of the specimen S, the revolver 13 may be rotated in accordance with the application, and the objective lens 14a may be switched to the objective lens 14c (or objective lens 14b). In this case, the correction plate 23c corresponding to the objective lens 14c is arranged on the optical path of the pulsed laser beam Q collimated into a parallel light beam by rotating the turret 24 of the correction mechanism 22 almost simultaneously with the switching of the objective lens.
[0047]
As described above, the correction plates 23a, 23b, and 23c are set so that the pulse width in the cross section S 'is constant when combined with the corresponding objective lenses 14a, 14b, and 14c. Therefore, for example, if the pulse width of the laser beam Q in the cross section S ′ is adjusted to the minimum in the initial stage (at the time of apparatus setup) using the objective lens 14a and the correction plate 23a, then other objective lenses and correction plates are used. Even when the pair is used, adjustment of the pre-chirp compensator 6 is not necessary. In other words, the pulse width in the cross section S ′ can always be constant and minimized regardless of which pair of the corresponding objective lenses 14a, 14b, 14c and the correction plates 23a, 23b, 23c is used.
[0048]
Therefore, according to the multi-photon excitation scanning laser microscope shown in FIG. 1, the multi-photon excitation phenomenon can be caused under optimum conditions when any of the objective lenses 14a, 14b, and 14c is switched. In addition, since observation can be started in an optimum state instantly, the fading of fluorescence can be minimized and work efficiency is improved. Further, since the correction plates 23a, 23b, and 23c are inserted on the optical path of the laser beam Q collimated into parallel light beams, the correction plates 23a, 23b, and 23c have the performance of the objective lenses 14a, 14b, and 14c. The optical performance of the entire system can be easily maintained without deterioration.
[0049]
The correction plates 23a, 23b, and 23c can be switched in conjunction with switching of the objective lenses 14a, 14b, and 14c electrically or mechanically in addition to switching manually. In this case, the operation of the apparatus is simplified, work efficiency is improved, and erroneous insertion of the correction plates 23a, 23b, and 23c does not occur. For example, a mechanism as shown by a broken line in FIG.
[0050]
That is, in this interlocking mechanism, the revolver 13 and the turret 24 are driven by the step motors 32 and 33, respectively. Also, encoders 34 and 35 are connected to the rotation shafts of the step motors 32 and 33, respectively. These members 32 to 35 are connected to the computer 30. The computer 30 is provided with an operation panel 31 for selectively inputting which objective lens 14a, 14b, or 14c is used. Thereby, based on the input from the operation panel 31, the objective lenses 14a, 14b, 14c and the correction plates 23a, 23b, 23c can be automatically switched in conjunction with each other.
[0051]
In addition to the switching mechanism described above, for example, the position and magnification of the objective lens attached to the revolver are set in advance, and when the revolver is manually rotated, the correction plate corresponding to the switched objective lens is determined and corrected. You may make it switch a board.
[0052]
The correction plates 23a, 23b, and 23c are desirably arranged on the optical path at a position where the laser beam Q is a parallel light beam and the angle of the light beam does not change, for example, a position between the laser light source 4 and the dichroic mirror 16. For this reason, in addition to the position between the pre-chirp compensator 6 and the scanning optical unit 7 (position shown in FIG. 1), for example, it can be installed between the beam collimator 5 and the pre-chirp compensator 6.
[0053]
Further, as shown in FIG. 3, the correction plates 23a, 23b, and 23c can be incorporated in the revolver 13 or the objective lens if the optical systems of the objective lenses 14a, 14b, and 14c are infinite systems. Alternatively, a mechanically interlocking mechanism can be substituted. According to this configuration, the device configuration becomes simple and inexpensive, and there is no fear of malfunction.
[0054]
In the above embodiment, the same glass material is used for the correction plate and the optical path length is changed by changing the plate thickness. However, the present invention is not limited to this. For example, the optical path length can be set by changing the refractive index by changing the glass material of the correction plate formed to have the same thickness. In this case, the correction plates 23a, 23b, and 23c have the same geometric dimensions, so that components to be attached to the correction mechanism 22 can be shared.
[0055]
4 to 6 are schematic views showing correction mechanisms 41, 46, and 51 according to a modified example of the correction mechanism 22.
[0056]
A correction mechanism 41 shown in FIG. 4 is an example in which correction plates 23a, 23b, and 23c are attached to rectangular blocks 42, respectively. The rectangular block 42 is detachably fixed to a rectangular rotor 43. In this case, the correction plates 23 a, 23 b, and 23 c can be alternatively arranged on the optical axis of the optical system 3 by the rotation of the rotor 43.
[0057]
The correction mechanism 46 shown in FIG. 5 is an example in which the correction plates 23a, 23b, and 23c are attached to a slider 47 that can slide. In this case, the correction plates 23 a, 23 b and 23 c can be alternatively arranged on the optical axis of the optical system 3 by the linear operation of the slider 47.
[0058]
In the correction mechanism 51 shown in FIG. 6, a single optical correction element 52 that can selectively provide different optical path lengths on the optical path by an electrical or physical external action by the drive unit 53 is used. . As the optical correction element 52, a parallel flat plate (EOD element) whose optical path length is changed by application of voltage, or a parallel flat plate whose optical path length is changed by utilizing photoelasticity by application of pressure can be used. .
[0059]
FIG. 7 is a schematic view showing a modified example when a Nomarski-type transmitted light observation function is added to the microscope 1 shown in FIG.
[0060]
In this modification, a birefringent element 62 typified by a polarizer 61 and a Nomarski prism is attached to a slider (not shown), and is located inside the scanning optical unit 7 and closer to the pre-chirp compensator 6 side than the dichroic mirror 16. It can be inserted and removed integrally on the optical path. In this case, when only the fluorescence is detected by the photomultiplier 21, if the polarizer 61 and the birefringent element 62 are removed from the optical path, the optical path length changes. In order to cope with this problem, a correction plate 23 d corresponding to the optical path lengths of the polarizer 61 and the birefringent element 62 is attached to a slider 24 a that is separate from the turret 24 and forms a part of the correction mechanism 22. The correction plate 23d is inserted into the optical path in conjunction with the polarizer 61 and the birefringent element 62 being removed from the optical path.
[0061]
A birefringent element (Nomarski prism) 65 and a polarizer 66 are attached to the lower part of the housing 11 of the microscope main body 2 so as to be positioned below the opening 15 a of the stage 15. Further, a mirror 67 and a detector 68 for reflecting and detecting transmitted light that has passed through the polarizer 66 are attached to the housing 11 of the microscope body 2.
[0062]
The polarizer 61, the birefringent elements 62 and 65, and the polarizer 66 are phase information that cannot be detected by the eyes, such as a colorless transparent object having a slightly different refractive index and a surface of an opaque object having a slight step. Visualize with interference of polarization color by polarization interference. Therefore, in addition to the information obtained from the fluorescence detected by the photomultiplier 21 described above, the structure of the specimen S can be captured three-dimensionally from the information obtained from the transmitted light detected by the detector 68.
[0063]
If only the fluorescence detection by the photomultiplier 21 is required, the upper polarizer 61 and the birefringent element 62 may be removed from the optical path. In conjunction with this, a correction plate 23d corresponding to the optical path length of the polarizer 61 and the birefringent element 62 is inserted into the optical path. Thereby, even in a microscope that switches between the Nomarski-type transmitted light observation function and the fluorescence detection by the photomultiplier 21, the pulse width in the cross section S ′ can always be constant and minimized. Instead of the illustrated configuration, a correction plate (not shown) that takes into account the optical path lengths of the polarizer 61 and the birefringent element 62 is disposed on the turret 24 in addition to the correction plates 23a, 23b, and 23c. May be.
[0064]
In the microscope shown in FIG. 7, the correction plate 23d corresponding to the flat polarizer 61 and the birefringent element 62 for performing Nomarski-type transmitted light observation is described, but the present invention is not limited to this. Instead, other flat optical elements can be applied when a correction plate corresponding to this is provided.
[0065]
In the above-described embodiment and modification, the scanning optical unit having a pair of galvanometer mirrors 17 and 18 for running the laser beam Q as a scanning mechanism for scanning the sample S with the pulse laser beam Q is used. 7 is used. However, since scanning of the sample S can be achieved by relatively moving the sample S and the laser beam Q, various mechanisms can be employed for this scanning. For example, a scanning mechanism that stops the laser beam Q and drives the stage 15 of the microscope main body 2 for scanning may be used.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a multiphoton excitation laser microscope that uses a pulse laser beam and has a plurality of objective lenses, according to the optical path length of an optical member that can be selectively disposed on the optical path, Observation can be easily performed under optimum conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a multiphoton excitation scanning laser microscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing an optical path length correction mechanism used in the microscope shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic side view showing a modified example of an optical path length correction mechanism.
FIG. 4 is a schematic plan view showing another modification of the optical path length correction mechanism.
FIG. 5 is a schematic plan view showing still another modified example of the optical path length correction mechanism.
FIG. 6 is a schematic side view showing still another modification of the optical path length correction mechanism.
7 is a schematic diagram showing a modification example when a Nomarski-type transmitted light observation function is added to the microscope shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
1: Microscope,
2: Microscope body
3: Optical system
4: Laser light source
5: Beam collimator
6: Pre-chirp compensator
7: Scanning optical unit
12: Imaging lens
13: Revolver
14a, 14b, 14c: objective lens
15: Stage
16: Dichroic mirror
17, 18: Galvano mirror
19: Condensing lens
20: Pinhole
21: Photomultiplier
22, 41, 46, 51: Correction mechanism
23a, 23b, 23c, 23d: correction plates
24: Turret
30: Computer
31: Operation panel
32, 33: Step motor
34, 35: Encoder
52: Optical correction element
61: Polarizer
62, 65: Birefringent elements
66: Polarizer
67: Mirror
68: Detector
S: Specimen

Claims (12)

観察対象の標本を配置するための配置部と、
多光子励起現象により蛍光を発するように前記標本を励起するためのパルスレーザビームを出射するためのレーザ光源と、
前記標本の蛍光を検出するための検出器と、
前記レーザ光源から前記標本へ前記パルスレーザビームを導くために前記パルスレーザビームの光路を形成する光学系と、
を具備し、前記光学系は、
入射した前記パルスレーザビームを短波長ほど先となるように波長順に出射させる作用を有するプレチャープコンペンセータと、
前記光路上に選択的に配置可能な光学部材と、
前記光路上に配置する前記光学部材の変更によって生ずる前記光路の光路長の変化を補正するための光学的補正手段を具備する補正機構と、を有し、
前記光学部材の変更に応じた前記プレチャープコンペンセータの作用の調整を不要にしたことを特徴とする多光子励起レーザ顕微鏡。
A placement section for placing the specimen to be observed;
A laser light source for emitting a pulsed laser beam for exciting the specimen to emit fluorescence by a multiphoton excitation phenomenon;
A detector for detecting fluorescence of the specimen;
An optical system for forming an optical path of the pulsed laser beam to guide the pulsed laser beam from the laser light source to the specimen;
The optical system comprises:
A pre-chirp compensator having the effect of emitting the incident pulsed laser beam in order of wavelength so that the shorter the wavelength is,
An optical member that can be selectively disposed on the optical path;
Have a, a correction mechanism having a optical correction means for correcting the variation of the optical path length of the optical path caused by a change of the optical members disposed in the optical path,
A multi-photon excitation laser microscope characterized in that adjustment of the action of the pre-chirp compensator according to the change of the optical member is unnecessary .
前記光学系は、前記標本を前記パルスレーザビームで走査するための走査機構を更に有することを特徴とする請求項1に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  The multi-photon excitation laser microscope according to claim 1, wherein the optical system further includes a scanning mechanism for scanning the specimen with the pulse laser beam. 前記光学部材は、前記標本に対して前記パルスレーザビームを集光するように、前記光路上に択一的に配置可能な複数の対物レンズであることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  2. The multi-purpose lens according to claim 1, wherein the optical member is a plurality of objective lenses that can be alternatively arranged on the optical path so as to focus the pulse laser beam on the specimen. Photon excitation laser microscope. 前記光学部材は、前記標本に対して前記パルスレーザビームを集光するように、前記光路上に択一的に配置可能な複数の対物レンズと、前記プレチャープコンペンセータと前記対物レンズとの間に挿脱自在に設けられた平坦な光学素子とであることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  The optical member includes a plurality of objective lenses that can be alternatively arranged on the optical path so as to focus the pulsed laser beam on the specimen, and between the pre-chirp compensator and the objective lens. The multi-photon excitation laser microscope according to claim 1, wherein the multi-photon excitation laser microscope is a flat optical element detachably provided. 前記平坦な光学素子は、ノマルスキー式の透過光観察用の光学素子であることと、前記顕微鏡は、前記パルスレーザビームの前記標本を透過した透過光を検出するための光学系及び検出器を更に具備することとを特徴とする請求項4に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  The flat optical element is a Nomarski-type optical element for observing transmitted light, and the microscope further includes an optical system and a detector for detecting transmitted light transmitted through the specimen of the pulse laser beam. The multi-photon excitation laser microscope according to claim 4, wherein the multi-photon excitation laser microscope is provided. 前記光学的補正手段は、前記光学部材の切替えに連動して切替えられることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  The multi-photon excitation laser microscope according to claim 1, wherein the optical correction unit is switched in conjunction with switching of the optical member. 前記光学的補正手段は、前記光路上の前記パルスレーザビームが平行光束で且つ前記光束の角度変化がない位置に配置されることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  2. The multi-photon excitation laser microscope according to claim 1, wherein the optical correction unit is arranged at a position where the pulse laser beam on the optical path is a parallel light beam and the angle of the light beam does not change. 前記光学的補正手段は、前記光学部材の光路長に応じて、前記光路の光路長が一定となるように前記光路上に択一的に配置可能な複数の光学的補正素子であることを特徴とする請求項1または7に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。The optical correction means is a plurality of optical correction elements that can be alternatively arranged on the optical path such that the optical path length of the optical path is constant according to the optical path length of the optical member. The multiphoton excitation laser microscope according to claim 1 or 7 . 前記光学的補正手段は、前記光学部材の光路長に応じて、異なる電圧を印加することにより、前記光路の光路長が一定となるように調整可能な光学的補正素子であることを特徴とする請求項1または7に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。The optical correction means is an optical correction element that can be adjusted so that the optical path length of the optical path is constant by applying different voltages according to the optical path length of the optical member. The multiphoton excitation laser microscope according to claim 1 or 7 . 前記光学的補正手段は、前記光学部材の光路長に応じて、異なる圧力を印加することにより、前記光路の光路長が一定となるように調整可能な光学的補正素子であることを特徴とする請求項1または7に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。The optical correction means is an optical correction element that can be adjusted so that the optical path length of the optical path is constant by applying different pressures according to the optical path length of the optical member. The multiphoton excitation laser microscope according to claim 1 or 7 . 前記光学的補正手段は、いずれの前記光学部材が使用された場合でも前記光路の光路長が同一となるように、前記光学部材とペアとなって択一的に配置される補正板であることを特徴とする請求項1または7に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  The optical correction means is a correction plate that is alternatively arranged as a pair with the optical member so that the optical path length of the optical path is the same regardless of which optical member is used. The multiphoton excitation laser microscope according to claim 1 or 7. 前記光学的補正素子は、電圧または圧力の印加により光路長が変化する平行平面板であることを特徴とする請求項9または10に記載の多光子励起レーザ顕微鏡。  11. The multi-photon excitation laser microscope according to claim 9, wherein the optical correction element is a parallel flat plate whose optical path length is changed by application of voltage or pressure.
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