JP4669995B2 - Optical microscope and observation method - Google Patents

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Description

本発明は、光学顕微鏡及び観察方法に関する。   The present invention relates to an optical microscope and an observation method.

光学顕微鏡は、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。光学顕微鏡には、例えば、レーザ顕微鏡がある。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。   Various types of optical microscopes have been developed depending on the application. An example of the optical microscope is a laser microscope. 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.

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利点から、注目を集めている。さらに、このような利点から、共焦点光学系を利用した蛍光顕微鏡が開示されている(特許文献1)。特許文献1の蛍光顕微鏡では、試料で発生した蛍光を偏光板を介して検出している。そして、偏光板を回転させて蛍光の偏光特性を抽出している。そして、蛍光偏光を検出することにより、様々な観点から試料を解析、分析することが可能となる。例えば、たんぱく質などの試料の分子構造が変化すると、偏光特性が変化する。よって、蛍光偏光を検出することによって分子構造の分析を行うことができる。
特開2005−99662号公報
A confocal microscope is known as one embodiment of a laser microscope. A confocal microscope has attracted attention because of its advantages such as excellent resolution and the ability to acquire three-dimensional information of a sample. Furthermore, a fluorescence microscope using a confocal optical system is disclosed from such advantages (Patent Document 1). In the fluorescence microscope of Patent Document 1, fluorescence generated in a sample is detected through a polarizing plate. Then, the polarization characteristic of the fluorescence is extracted by rotating the polarizing plate. Then, by detecting the fluorescence polarization, the sample can be analyzed and analyzed from various viewpoints. For example, when the molecular structure of a sample such as a protein changes, the polarization characteristics change. Therefore, the molecular structure can be analyzed by detecting the fluorescence polarization.
JP 2005-99662 A

ところで、光は、横波であるため、進行方向に平行方向には、振動しない、従って、光の進行方向に平行方向に関しては、試料を分析、解析することが困難であった。よって、従来の顕微鏡では、様々な観点から試料を解析、分析することができないという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、様々な観点からの解析、分析を容易にすることができるレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。
By the way, since the light is a transverse wave, it does not vibrate in the direction parallel to the traveling direction. Therefore, it is difficult to analyze and analyze the sample in the direction parallel to the traveling direction of the light. Therefore, the conventional microscope has a problem that the sample cannot be analyzed and analyzed from various viewpoints.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a laser microscope capable of facilitating analysis and analysis from various viewpoints.

本発明の第1の態様にかかる光学顕微鏡は、光源(例えば、本発明の実施の形態にかかるレーザ光源11)と、前記光源からの光ビームを集光して試料に照射する対物レンズ(例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ16)と、前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子(例えば、本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子13)と、前記対物レンズよりも低いNAを有し、前記偏光制御素子を通過した光を集光するレンズ(例えば、本発明の実施の形態にかかるレンズ33)と、共焦点光学系を介して前記レンズで集光された光を検出する光検出器(例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器35)と、を備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   The optical microscope according to the first aspect of the present invention includes a light source (for example, the laser light source 11 according to an embodiment of the present invention) and an objective lens (for example, a light beam from the light source that is focused on the sample). The objective lens 16) according to the embodiment of the present invention, and the polarization control that gives the phase difference corresponding to the incident position by the incidence of the light generated by the light beam incident on the sample or the reflected light reflected by the sample. An element (for example, a polarization control element 13 according to an embodiment of the present invention) and a lens (for example, implementation of the present invention) that has a NA lower than that of the objective lens and collects light that has passed through the polarization control element. And a photodetector (for example, a detector 35 according to an embodiment of the present invention) that detects light collected by the lens via a confocal optical system. It is. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第2の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する偏光子を前記光路中に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   The optical microscope according to the second aspect of the present invention is the above-described optical microscope, wherein the polarization control element is removed from the optical path, and switching means for inserting a polarizer that transmits only light of a specific polarization direction into the optical path. Is further provided. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第3の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光路中に挿入される偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in the above-described optical microscope, the absorption axis or reflection axis of a polarizer inserted in the optical path can be switched to a different angle. . Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第4の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されているものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a fourth aspect of the present invention is the optical microscope described above, wherein the optical microscope is arranged between the light source and the objective lens, incident light incident on the sample from the light source, and from the sample to the objective lens. A beam splitter for separating the emitted light emitted in the direction is further provided, and the polarization control element is disposed between the beam splitter and the objective lens. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第5の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記検出器との間に配置されているものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a fifth aspect of the present invention is the optical microscope described above, wherein the optical microscope is disposed between the light source and the objective lens, and is incident light incident on the sample from the light source, and from the sample to the objective lens. A beam splitter for separating the emitted light emitted in the direction is further provided, and the polarization control element is disposed between the beam splitter and the detector. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第6の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記ビームスプリッタと前記光源との間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a sixth aspect of the present invention is the optical microscope described above, further comprising an incident-side polarization control element that is disposed between the beam splitter and the light source and gives a phase difference according to an incident position. It is. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第7の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、入射した光を直線偏光にする入射側偏光子を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a seventh aspect of the present invention is the optical microscope according to the above optical microscope, wherein the incident-side polarization control element is removed from the optical path, and the incident-side polarizer that makes incident light linearly polarized light is the beam splitter and the light source. Is further provided with switching means inserted between the two. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第8の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。   An optical microscope according to an eighth aspect of the present invention is the optical microscope according to the above optical microscope, wherein the incident side polarization control element is removed from the optical path, and a half-wave plate is inserted between the beam splitter and the light source. Means are further provided. Thereby, the utilization efficiency of light can be improved.

本発明の第9の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記偏光制御素子が、前記試料の前記対物レンズが配置された側と反対側に配置され、前記試料で発生した光が前記試料を透過し、前記偏光制御素子に入射することを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a ninth aspect of the present invention is the optical microscope according to the above optical microscope, wherein the polarization control element is disposed on a side opposite to the side on which the objective lens is disposed of the sample, and light generated in the sample is received. The sample passes through the sample and enters the polarization control element. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第10の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a tenth aspect of the present invention is the above optical microscope, further comprising an incident-side polarization control element that is disposed between the light source and the objective lens and gives a phase difference according to an incident position. It is. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第11の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する入射側偏光子を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to an eleventh aspect of the present invention is the optical microscope described above, wherein the incident-side polarization control element is removed from the optical path, and an incident-side polarizer that transmits only light having a specific polarization direction is used as the light source and the optical microscope. It further includes switching means for insertion between the objective lens. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第12の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光路中に挿入される入射側偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a twelfth aspect of the present invention is characterized in that in the above optical microscope, the absorption axis or reflection axis of the incident-side polarizer inserted in the optical path can be switched to a different angle. It is. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第13の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子に入射する光ビームが直線偏光であることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。   An optical microscope according to a thirteenth aspect of the present invention is characterized in that, in the above optical microscope, the light beam incident on the incident side polarization control element is linearly polarized light. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be performed.

本発明の第14の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記対物レンズと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。   An optical microscope according to a fourteenth aspect of the present invention is the optical microscope according to the above optical microscope, wherein the incident side polarization control element is removed from the optical path, and a half-wave plate is inserted between the objective lens and the light source. Means are further provided. Thereby, the utilization efficiency of light can be improved.

本発明の第15の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記入射側偏光制御素子との間に、特定の偏光方向の光のみを透過する光源側偏光子をさらに備えるものである。これにより、様々な光源を用いることができる。   An optical microscope according to a fifteenth aspect of the present invention further includes a light source side polarizer that transmits only light of a specific polarization direction between the light source and the incident side polarization control element in the above optical microscope. Is. Thereby, various light sources can be used.

本発明の第16の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、ラマン散乱光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光、コヒーレントストークスラマン散乱光、第2高調波、蛍光、第3高調波、蛍光、2光子蛍光、又は和周波であることを特徴とするものである。   An optical microscope according to a sixteenth aspect of the present invention is the optical microscope described above, wherein Raman scattering light, coherent anti-Stokes Raman scattering light, coherent Stokes Raman scattering light, second harmonic, fluorescence, third harmonic, fluorescence, It is two-photon fluorescence or sum frequency.

本発明の第17の態様にかかる観察方法は、光ビームを対物レンズによって、試料に集光して照射するステップと、前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料からの反射光に対して、入射位置に応じた位相差を与えるステップと、前記入射位置に応じた位相差を与えられた光を、前記対物レンズよりも低いNAのレンズで集光するステップと、前記低いNAのレンズで集光された光を、共焦点光学系を介して検出するステップとを備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を容易に行うことができる。   An observation method according to a seventeenth aspect of the present invention includes a step of condensing and irradiating a sample with a light beam by an objective lens, light generated by the light beam incident on the sample, or reflected light from the sample In contrast, a step of providing a phase difference corresponding to the incident position, a step of condensing the light given the phase difference corresponding to the incident position with a lens having a lower NA than the objective lens, and the low NA Detecting the light collected by the lens through a confocal optical system. Thereby, analysis and analysis from various viewpoints can be easily performed.

本発明によれば、様々な観点からの解析、分析を容易にすることができる光学顕微鏡、及び観察方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an optical microscope and an observation method that can facilitate analysis and analysis from various viewpoints.

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。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。   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. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in each figure has shown the same element, and abbreviate | omits description suitably.

本発明の実施の形態にかかるレーザ顕微鏡について図1を用いて説明する。図1は本実施の形態にかかる光学顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡100は、試料20を観察するための構成として、レーザ光源11と、ビームエキスパンダ12と、偏光制御素子13と、ビームスプリッタ17と、対物レンズ16と、XYステージ21と、レンズ33と、ピンホール34aと、検出器35とを有する。光学顕微鏡100は、落射照明方式のレーザ共焦点顕微鏡である。従って、試料20からの光は共焦点光学系を介して検出される。なお、以下の説明で、Z方向は、光軸に平行な方向とする。さらに、X方向、及びY方向は、互いに垂直な方向であり、光軸(Z方向)に垂直な方向である。従って、X方向、及びY方向は試料20の表面に平行な方向となる。   A laser microscope according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the optical system of the optical microscope according to the present embodiment. The optical microscope 100 is configured to observe the sample 20 as a laser light source 11, a beam expander 12, a polarization control element 13, a beam splitter 17, an objective lens 16, an XY stage 21, and a lens 33. , A pinhole 34a and a detector 35. The optical microscope 100 is an epi-illumination laser confocal microscope. Therefore, the light from the sample 20 is detected via the confocal optical system. In the following description, the Z direction is a direction parallel to the optical axis. Furthermore, the X direction and the Y direction are directions perpendicular to each other, and are directions perpendicular to the optical axis (Z direction). Therefore, the X direction and the Y direction are parallel to the surface of the sample 20.

また、光学顕微鏡100は、偏光制御素子13から偏光板15に切換えるための回転機構14を有している。回転機構14は、回転モータ等を備えている。そして、回転機構14を所定の角度だけ回転することにより、偏光制御素子13が光路上から取り除かれるとともに、偏光板15が光路上に挿入される。回転機構14をさらに回転させると、偏光板15が光路上から取り除かれるとともに、偏光制御素子13が光路上に挿入される。従って、偏光制御素子13、及び偏光板15のうちの一方が排他的に光路上に配置される。このように、偏光制御素子13と偏光板15を切換えることによって、試料20に入射する光の偏光状態を制御することができる。   Further, the optical microscope 100 has a rotation mechanism 14 for switching from the polarization control element 13 to the polarizing plate 15. The rotation mechanism 14 includes a rotation motor and the like. Then, by rotating the rotation mechanism 14 by a predetermined angle, the polarization control element 13 is removed from the optical path, and the polarizing plate 15 is inserted into the optical path. When the rotation mechanism 14 is further rotated, the polarizing plate 15 is removed from the optical path, and the polarization control element 13 is inserted into the optical path. Therefore, one of the polarization control element 13 and the polarizing plate 15 is exclusively arranged on the optical path. As described above, the polarization state of the light incident on the sample 20 can be controlled by switching the polarization control element 13 and the polarizing plate 15.

レーザ光源11からは、所定の波長のレーザ光が出射される。レーザ光源11としては、観察する試料20に応じたレーザ装置を用いることができる。例えば、生物細胞の観察などにおいて、モード・ロック・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。また、レーザ光源11からは、直線偏光が出射されるものとする。もちろん、他の光源を用いてもよい。ランダム偏光等の直線偏光以外の光を出射する光源を用いる場合、レーザ光源11と偏光制御素子13との間に偏光板を追加して直線偏光にしてもよい。レーザ光源11からのレーザ光は、2枚のレンズからなるビームエキスパンダ12に入射する。ビームエキスパンダ12は、レーザ光のビーム径を拡大して出射する。ビームエキスパンダ12によって平行な光束となったレーザ光は、ビームスプリッタ17に入射する。   Laser light with a predetermined wavelength is emitted from the laser light source 11. As the laser light source 11, a laser device corresponding to the sample 20 to be observed can be used. For example, an infrared light pulse using a mode lock, titanium, sapphire, or a 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. Further, linearly polarized light is emitted from the laser light source 11. Of course, other light sources may be used. When a light source that emits light other than linearly polarized light such as random polarized light is used, a polarizing plate may be added between the laser light source 11 and the polarization control element 13 to form linearly polarized light. Laser light from the laser light source 11 is incident on a beam expander 12 composed of two lenses. The beam expander 12 expands the beam diameter of the laser light and emits it. The laser light converted into a parallel light beam by the beam expander 12 enters the beam splitter 17.

ビームスプリッタ17は、入射した光の一部を透過する。ビームスプリッタ17としては、例えば、ハーフミラーを用いることができる。あるいは、ビームスプリッタ17をダイクロイックミラーとしてもよい。この場合、レーザ光と異なる波長となって発生する光を効率よく検出することができる。ビームスプリッタ17を透過した光は、偏光制御素子13に入射する。偏光制御素子13は、入射した直線偏光のレーザ光に対して、入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、入射位置に応じて偏光状態が変化して、試料20に入射する入射光の偏光状態が制御される。   The beam splitter 17 transmits a part of the incident light. As the beam splitter 17, for example, a half mirror can be used. Alternatively, the beam splitter 17 may be a dichroic mirror. In this case, light generated at a wavelength different from that of the laser light can be detected efficiently. The light transmitted through the beam splitter 17 enters the polarization control element 13. The polarization control element 13 gives a phase difference corresponding to the incident position to the incident linearly polarized laser light. That is, the polarization state changes according to the incident position, and the polarization state of incident light incident on the sample 20 is controlled.

ここで、偏光制御素子13について説明する。偏光制御素子13は、後述する対物レンズ16との組み合わせによって、Z偏光を作り出すものである。すなわち、偏光制御素子13を通過した光を、対物レンズ16で集光すると、Z方向に振動するZ偏光となる。例えば、偏光制御素子13としては、ナノフォトン社製ZPolを用いることができる。この偏光制御素子13の構成について図2を用いて説明する。図2(a)は、偏光制御素子13の構成を模式的に示す正面図であり、光学軸の方向を示している。図2(b)は、偏光制御素子13に直線偏光を入射したときに、偏光制御素子13から出射される光の偏光状態を示す図である。すなわち、図2(b)は、出射光の偏光軸を示している。図2(a)に示すように、偏光制御素子13には、光学軸が異なる1/2波長板が複数配置されている。ここでは、8つの1/2波長板が放射状に配置されている。それぞれの1/2波長板は、円弧状に形成されている。そして、入射光の光軸、すなわち偏光制御素子13の中心に対して対向する領域では、1/2波長板の光学軸が90°異なっている。すなわち、対向する領域では、光学軸が直交している。従って、入射位置に応じた位相差が与えられる。従って、対向する領域からの出射光は180°異なる位相となっている。   Here, the polarization control element 13 will be described. The polarization control element 13 creates Z-polarized light in combination with an objective lens 16 described later. That is, when the light that has passed through the polarization control element 13 is collected by the objective lens 16, it becomes Z-polarized light that vibrates in the Z direction. For example, as the polarization control element 13, ZPol manufactured by Nanophoton Corporation can be used. The configuration of the polarization control element 13 will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a front view schematically showing the configuration of the polarization control element 13 and shows the direction of the optical axis. FIG. 2B is a diagram illustrating a polarization state of light emitted from the polarization control element 13 when linearly polarized light is incident on the polarization control element 13. That is, FIG. 2B shows the polarization axis of the emitted light. As shown in FIG. 2A, the polarization control element 13 is provided with a plurality of half-wave plates having different optical axes. Here, eight half-wave plates are arranged radially. Each half-wave plate is formed in an arc shape. In the region facing the optical axis of the incident light, that is, the center of the polarization control element 13, the optical axis of the half-wave plate is different by 90 °. In other words, the optical axes are orthogonal to each other in the opposing region. Therefore, a phase difference corresponding to the incident position is given. Accordingly, the light emitted from the opposing regions has a phase that is 180 ° different.

そして、偏光制御素子13の光学軸と直線偏光の偏光軸の角度を所定の角度に合わせた状態で、直線偏光が偏光制御素子13に入射すると、偏光制御素子13から出射される光は、図2(b)に示すように、偏光軸が放射状になる。すなわち、光軸に対して対向する領域で振動方向が反対方向になっている。このような偏光状態をラジアル偏光と称す。電気ベクトルEのX成分をExとし、Y成分をEyとすると、ラジアル偏光では、Ex,Eyがx、yに分布を有する。すなわち、異なる光学軸の1/2波長板を通過した光線は、偏光軸が異なっている。一方、偏光制御素子13にラジアル偏光が入射すると、出射光は、所定の偏光軸を有する直線偏光になる。このように、偏光制御素子13は、入射位置に応じた位相差を与える位相板である。すなわち、偏光制御素子13を通過した光は、入射位置に応じて振動方向が変化して、偏光状態が変化する。   When linearly polarized light enters the polarization control element 13 with the optical axis of the polarization control element 13 and the polarization axis of the linearly polarized light set to a predetermined angle, the light emitted from the polarization control element 13 is As shown in FIG. 2 (b), the polarization axis becomes radial. That is, the vibration direction is opposite in the region facing the optical axis. Such a polarization state is referred to as radial polarization. If the X component of the electric vector E is Ex and the Y component is Ey, Ex and Ey have distributions in x and y in radial polarization. That is, light beams that have passed through half-wave plates with different optical axes have different polarization axes. On the other hand, when radially polarized light enters the polarization control element 13, the emitted light becomes linearly polarized light having a predetermined polarization axis. Thus, the polarization control element 13 is a phase plate that gives a phase difference according to the incident position. That is, the light passing through the polarization control element 13 changes its vibration direction according to the incident position, and its polarization state changes.

さらに、図2(a)に示す偏光制御素子13では、アジマス偏光(アジマサル偏光)を生成することができる。アジマス偏光では、図2(c)に示すように、ラジアル偏光と直交する方向に直線偏光が分布している。すなわち、偏光軸が円形に近い偏光状態となる。このように、偏光制御素子13を用いることによって、光束断面において、光の電気ベクトルの振動方向が空間的な分布を有する偏光状態を形成することができる。なお、図2(a)に示す偏光制御素子13における0°の方向に、光の偏光軸を一致させることによって、ラジアル偏光を得ることができる。また、図2(a)に示す偏光制御素子13における90°の方向に、光の偏光軸を一致させることによって、アジマス偏光を得ることができる。このように、入射位置に応じて異なる光学軸を有する1/2波長板に光が入射すると、レーザビームには、入射位置に対応する光学軸に基づいて位相差が与えられる。   Furthermore, the polarization control element 13 shown in FIG. 2A can generate azimuth polarized light (azimasal polarized light). In azimuth polarized light, linearly polarized light is distributed in a direction orthogonal to radial polarized light, as shown in FIG. That is, the polarization axis is in a polarization state close to a circle. In this way, by using the polarization control element 13, it is possible to form a polarization state in which the vibration direction of the electric vector of light has a spatial distribution in the cross section of the light beam. In addition, radial polarization can be obtained by making the polarization axis of light coincide with the direction of 0 ° in the polarization control element 13 shown in FIG. Further, azimuth polarized light can be obtained by making the polarization axis of light coincide with the 90 ° direction in the polarization control element 13 shown in FIG. Thus, when light is incident on a half-wave plate having different optical axes depending on the incident position, a phase difference is given to the laser beam based on the optical axis corresponding to the incident position.

この偏光制御素子13を通過した光は、図1に示すように対物レンズ16に入射する。対物レンズ16には、NA(開口数)の高いものを用いる。例えば、対物レンズ16のNAを0.3〜0.9とすることができる。対物レンズ16は、入射光を屈折させて試料20に出射する。高NAの対物レンズ16を用いることによって、分解能を向上することができる。   The light that has passed through the polarization control element 13 enters the objective lens 16 as shown in FIG. An objective lens 16 having a high NA (numerical aperture) is used. For example, the NA of the objective lens 16 can be set to 0.3 to 0.9. The objective lens 16 refracts incident light and outputs it to the sample 20. By using the high NA objective lens 16, the resolution can be improved.

この対物レンズ16に入射したレーザ光は、図3に示すように、試料20に集光される。このとき、上記の偏光制御素子13を通過したラジアル偏光が対物レンズ16によって集光されて、試料20に入射する。ここで、ラジアル偏光が高NAの対物レンズ16で集光されると、レンズ集光によって各光線は、角度分散を持つ。対向する領域で反対方向に振動する光が内側に屈折される。よって、焦点では、対向する領域でX成分又はY成分が打ち消し合い、Z成分がエンハンスされる(図3(b)参照)。これにより、電気ベクトルのZ成分であるEzを有するZ偏光が試料20に集光される。さらに、ここではEx、及びEyが0に近くなっている。すなわち、試料20には、Z方向に振動するレーザ光が集光されている。なお、通常の直線偏光が対物レンズ16によって集光されると、Z成分が打ち消しあう(図3(a)参照)。従って、電気ベクトルは伝播方向と垂直な方向に振動する。   The laser light incident on the objective lens 16 is focused on the sample 20 as shown in FIG. At this time, the radially polarized light that has passed through the polarization control element 13 is collected by the objective lens 16 and enters the sample 20. Here, when the radially polarized light is condensed by the objective lens 16 having a high NA, each light beam has angular dispersion by the lens condensing. Light that oscillates in the opposite direction in the opposing region is refracted inward. Therefore, at the focal point, the X component or Y component cancels each other in the opposing region, and the Z component is enhanced (see FIG. 3B). Thereby, the Z-polarized light having Ez which is the Z component of the electric vector is condensed on the sample 20. Furthermore, Ex and Ey are close to 0 here. That is, the sample 20 is focused with laser light that vibrates in the Z direction. Note that when normal linearly polarized light is collected by the objective lens 16, the Z components cancel each other (see FIG. 3A). Therefore, the electric vector vibrates in a direction perpendicular to the propagation direction.

ここで、試料20にレーザ光が入射すると、レーザ光及び試料20に応じた光が発生する。例えば、試料20からは、蛍光、ラマン散乱光、又は第2高調波が発生する。ここでは、試料20から蛍光が発生されるものとして説明する。すなわち、レーザ光源11からのレーザ光が励起光となる。蛍光の波長は、レーザ光、及び試料20に応じたものとなる。さらに、蛍光の振動方向は、試料20の分子配列、結晶方向に応じたものとなる。すなわち、分子や結晶の方向性によって、蛍光の電気ベクトルの振動方向が決定する。従って、試料20の状態に応じて、蛍光の偏光状態が変化する。なお、試料20は、XYステージ21上に載置されている。このXYステージ21で試料20を走査することができる。よって、試料20の様々な箇所を観察することができる。例えば、X方向及びY方向に、XYステージ21を移動させる。これにより、試料20の2次元像を撮像することができる。   Here, when laser light is incident on the sample 20, light corresponding to the laser light and the sample 20 is generated. For example, fluorescence, Raman scattered light, or second harmonic is generated from the sample 20. Here, it is assumed that fluorescence is generated from the sample 20. That is, the laser light from the laser light source 11 becomes excitation light. The wavelength of the fluorescence depends on the laser light and the sample 20. Furthermore, the vibration direction of fluorescence depends on the molecular arrangement and crystal direction of the sample 20. That is, the vibration direction of the electric vector of fluorescence is determined by the directionality of the molecule or crystal. Therefore, the polarization state of fluorescence changes according to the state of the sample 20. The sample 20 is placed on the XY stage 21. The sample 20 can be scanned with the XY stage 21. Therefore, various portions of the sample 20 can be observed. For example, the XY stage 21 is moved in the X direction and the Y direction. Thereby, a two-dimensional image of the sample 20 can be taken.

試料20からの蛍光は、様々な方向に出射される。従って、レーザ光の伝播方向と反対方向に出射される蛍光は、対物レンズ16に入射する。この対物レンズ16に入射した蛍光は、対物レンズ16で屈折されて、平行な光束となる。そして、対物レンズ16からの蛍光は、偏光制御素子13を通過する。ここでは、レーザ光が入射した偏光制御素子13と同じ偏光制御素子13を通過する。この偏光制御素子13によって、蛍光の偏光状態が制御される。そして、偏光制御素子13を通過した蛍光の一部は、ビームスプリッタ17で反射される。これにより、試料20に入射する入射光の光路と、試料から出射する出射光の光路とが分岐される。ビームスプリッタ17で反射された蛍光は、レンズ33に入射する。レンズ33は、対物レンズ16よりもNAが小さい低NAレンズである。例えば、レンズ33には、NAが0.005〜0.04のものを用いることができる。このレンズ33によって蛍光が屈折して、ピンホールフィルタ34に設けられたピンホール34a上に集光される。すなわち、ピンホール34aがレンズ33の焦点上に配置されている。   The fluorescence from the sample 20 is emitted in various directions. Therefore, the fluorescence emitted in the direction opposite to the propagation direction of the laser light enters the objective lens 16. The fluorescence incident on the objective lens 16 is refracted by the objective lens 16 and becomes a parallel light beam. Then, the fluorescence from the objective lens 16 passes through the polarization control element 13. Here, the laser beam passes through the same polarization control element 13 as the polarization control element 13 on which the laser light is incident. The polarization control element 13 controls the polarization state of the fluorescence. A part of the fluorescence that has passed through the polarization control element 13 is reflected by the beam splitter 17. Thereby, the optical path of the incident light incident on the sample 20 and the optical path of the outgoing light emitted from the sample are branched. The fluorescence reflected by the beam splitter 17 enters the lens 33. The lens 33 is a low NA lens having an NA smaller than that of the objective lens 16. For example, the lens 33 having NA of 0.005 to 0.04 can be used. Fluorescence is refracted by the lens 33 and collected on a pinhole 34 a provided in the pinhole filter 34. That is, the pinhole 34 a is disposed on the focal point of the lens 33.

このピンホールフィルタ34のピンホール34aを通過した蛍光が、検出器35に入射する。すなわち、ピンホール34aの外側に入射した蛍光は、ピンホールフィルタ34で遮光され、検出器35に入射しない。検出器35は、ピンホール34aを通過して入射した蛍光の光量に応じた信号を出力する。検出器35としては、例えば、ポイントセンサである光電子増倍管を用いることができる。検出器35は受光量に応じた検出信号を出力する。ここでは、ピンホール34aを通過した光が検出器35で受光される。この検出器35からの検出信号が、図示しない処理装置に入力される。そして、検出結果が処理装置に記憶されるとともに、処理装置の画面上に表示される。さらに、検出器35の前段に、分光器を配設してもよい。これにより、分光測定を行うことができる。従って、より詳細なスペクトル分析、解析を行うことができる。   The fluorescence that has passed through the pinhole 34 a of the pinhole filter 34 enters the detector 35. That is, the fluorescence that has entered the outside of the pinhole 34 a is shielded by the pinhole filter 34 and does not enter the detector 35. The detector 35 outputs a signal corresponding to the amount of fluorescent light incident through the pinhole 34a. As the detector 35, for example, a photomultiplier tube which is a point sensor can be used. The detector 35 outputs a detection signal corresponding to the amount of received light. Here, the light passing through the pinhole 34 a is received by the detector 35. A detection signal from the detector 35 is input to a processing device (not shown). The detection result is stored in the processing device and displayed on the screen of the processing device. Further, a spectroscope may be disposed in front of the detector 35. Thereby, spectroscopic measurement can be performed. Therefore, more detailed spectrum analysis and analysis can be performed.

ここで、検出器35は共焦点光学系を介して蛍光を検出する。すなわち、点光源であるレーザ光源11、及び試料20、並びに試料20、及びピンホール34aが互いに共役な位置に配置されている。従って、試料20での焦点と共役な位置にピンホール34aが配置される。従って、試料20の焦点以外からの光は、ピンホール34aの外側に入射するため、ピンホールフィルタ34によって遮光される。すなわち、共焦点ピンホールを通過した光が検出器35によって検出される。これにより、試料20の焦点からの像を高分解能で検出することができる。そして、上記のXYステージ21の走査によって2次元の共焦点画像を撮像することができる。さらに、対物レンズ16と試料20との相対位置をZ方向に変化させることによって、3次元の共焦点画像の撮像も可能となる。   Here, the detector 35 detects fluorescence through a confocal optical system. That is, the laser light source 11, which is a point light source, the sample 20, the sample 20, and the pinhole 34a are arranged at conjugate positions. Therefore, the pinhole 34a is disposed at a position conjugate with the focal point of the sample 20. Accordingly, light from other than the focal point of the sample 20 is incident on the outside of the pinhole 34a, and thus is blocked by the pinhole filter 34. That is, the light that has passed through the confocal pinhole is detected by the detector 35. Thereby, the image from the focus of the sample 20 can be detected with high resolution. A two-dimensional confocal image can be captured by scanning the XY stage 21 described above. Furthermore, by changing the relative position between the objective lens 16 and the sample 20 in the Z direction, a three-dimensional confocal image can be captured.

次に、試料20で発生する蛍光の振動方向について説明する。試料20の分子の配列方向に応じて、偏光状態が変化する。ここでは、試料20の状態に応じて変化する蛍光の振動方向について図4を用いて説明する。図4(a)は、試料20の分子がY方向を向いている場合の蛍光の振動方向を示す図であり、図4(b)は、試料20の分子がZ方向を向いている場合の蛍光の振動方向を示す図である。ここでは、試料からの蛍光を電気双極子からの放射とみなして説明する。   Next, the vibration direction of the fluorescence generated in the sample 20 will be described. The polarization state changes according to the arrangement direction of the molecules of the sample 20. Here, the vibration direction of fluorescence that changes in accordance with the state of the sample 20 will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a diagram showing the direction of fluorescence oscillation when the molecules of the sample 20 are oriented in the Y direction, and FIG. 4B is the case where the molecules of the sample 20 are oriented in the Z direction. It is a figure which shows the vibration direction of fluorescence. Here, the fluorescence from the sample is considered as radiation from the electric dipole.

まず、試料20の分子がY方向を向いている場合について考える。この場合、蛍光をY方向の電気双極子からの放射として考えることがができる。従って、出射光は、図4(a)に示すように、Y方向に振動している。Y方向に向いている分子のみからの蛍光は、Y方向を偏光軸とする直線偏光として出射される。   First, consider the case where the molecules of the sample 20 are oriented in the Y direction. In this case, the fluorescence can be considered as radiation from an electric dipole in the Y direction. Therefore, the emitted light oscillates in the Y direction as shown in FIG. Fluorescence from only molecules oriented in the Y direction is emitted as linearly polarized light with the Y direction as the polarization axis.

一方、試料20の分子がZ方向に向いている場合、蛍光は、Z方向の電気双極子からの放射として考えることができる。従って、出射光は、図4(b)に示すように、放射状に振動している。さらに、電気双極子の方向には光が放射されないため、Z方向の電気双極子からの放射では、Z方向と平行方向に光が放射されない。よって、光軸、及びその近傍では、蛍光強度が略0になる。従って、Z方向の分子のみからの蛍光は、図4(b)に示すドーナツ状のラジアル偏光となって出射される。このように、Z方向の分子からの蛍光は、Z方向の電気ベクトルがX方向、及びY方向に分布を有する。   On the other hand, if the sample 20 molecules are oriented in the Z direction, the fluorescence can be thought of as radiation from an electric dipole in the Z direction. Therefore, the emitted light vibrates radially as shown in FIG. Further, since light is not emitted in the direction of the electric dipole, light emitted from the electric dipole in the Z direction does not emit light in a direction parallel to the Z direction. Therefore, the fluorescence intensity becomes substantially zero at and around the optical axis. Therefore, the fluorescence from only the molecules in the Z direction is emitted as donut-shaped radial polarized light shown in FIG. Thus, in the fluorescence from molecules in the Z direction, the electric vector in the Z direction has a distribution in the X direction and the Y direction.

このように、試料20の分子が向いている方向によって、蛍光の偏光状態が異なる。図4に示した偏光状態の蛍光が、偏光制御素子13を介して検出される場合について図5、及び図6を用いて説明する。図5は、Y方向を向いた分子からの蛍光が偏光制御素子13を介して検出される場合について示している。図6は、Z方向を向いた分子からの蛍光が偏光制御素子13を介して検出される場合について示している。さらに、図5(a)、及び図6(a)は、蛍光が伝播する光学系を模式的に示す図であり、図1の一部の光学系を示している。図5(b)、及び図6(b)は、A、及びBの位置における蛍光の偏光状態、及び、Cの位置における蛍光強度の空間分布を示す図である。ここで、偏光制御素子13を通過する前の位置をAとし、偏光制御素子13を通過した後の位置をBとし、ピンホールフィルタ34が配置された位置をCとする。   Thus, the polarization state of fluorescence differs depending on the direction in which the molecules of the sample 20 are facing. The case where the fluorescence in the polarization state shown in FIG. 4 is detected via the polarization control element 13 will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a case where fluorescence from a molecule facing in the Y direction is detected via the polarization control element 13. FIG. 6 shows a case where fluorescence from a molecule oriented in the Z direction is detected via the polarization control element 13. 5A and 6A are diagrams schematically showing an optical system through which fluorescence propagates, and show a part of the optical system in FIG. FIGS. 5B and 6B are diagrams showing the polarization state of fluorescence at the positions A and B and the spatial distribution of the fluorescence intensity at the position C. FIG. Here, a position before passing through the polarization control element 13 is A, a position after passing through the polarization control element 13 is B, and a position where the pinhole filter 34 is arranged is C.

まず、Y方向を向いた分子からの蛍光が検出される場合について説明する。Y方向を向いた分子からの蛍光は、偏光制御素子13を通過する前のAの位置において、Y方向に振動する直線偏光となっている。この蛍光が、対物レンズ16で平行光束となって、偏光制御素子13に入射する。偏光制御素子13は、上記のように、直線偏光をラジアル偏光にする。従って、偏光制御素子13を通過したBの位置では、図5(b)に示すようにラジアル偏光となる。偏光制御素子13によってラジアル偏光となった蛍光は、レンズ33に入射する。低NAのレンズ33は、弱い屈折力で蛍光を屈折する。レンズ33の焦点は、ピンホールフィルタ34のピンホール34aとなっている。低NAのレンズ33で屈折されたラジアル偏光は、Cにおける光軸上では振動が打ち消しあって光強度が低くなる。すなわち、ピンホール34aの中心では、図5(b)に示すように光強度が0に近くなる。さらに、光軸からずれた位置で光強度がピークとなる。ここで、ピンホール34aの径が、ピーク位置よりも内側となるようにする。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過できない。従って、検出器35に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。
さらに、X方向を向いた分子からの蛍光が、偏光制御素子13を透過すると、アジマス偏光となる。このアジマス偏光のビームを低NAのレンズ33で集光した場合も同様に、焦点での光強度が小さくなる。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過できない。従って、検出器35に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。
First, a case where fluorescence from a molecule oriented in the Y direction is detected will be described. The fluorescence from the molecules facing in the Y direction is linearly polarized light that vibrates in the Y direction at the position A before passing through the polarization control element 13. This fluorescence is converted into a parallel light beam by the objective lens 16 and enters the polarization control element 13. As described above, the polarization control element 13 converts linearly polarized light into radial polarized light. Therefore, at the position B that has passed through the polarization control element 13, radial polarization occurs as shown in FIG. The fluorescence that has been converted to radial polarization by the polarization control element 13 enters the lens 33. The low NA lens 33 refracts fluorescence with a weak refractive power. The focal point of the lens 33 is a pinhole 34 a of the pinhole filter 34. Radial polarized light refracted by the low NA lens 33 cancels vibration on the optical axis at C, and the light intensity decreases. That is, at the center of the pinhole 34a, the light intensity is close to 0 as shown in FIG. Further, the light intensity peaks at a position deviated from the optical axis. Here, the diameter of the pinhole 34a is set to be inside the peak position. In this case, most of the fluorescence cannot pass through and is shielded from light. That is, most of the fluorescence from the focal point of the sample 20 cannot pass through the pinhole 34a. Accordingly, the amount of light received by the detector 35 becomes weak and the detection signal becomes weak.
Further, when the fluorescence from the molecule directed in the X direction passes through the polarization control element 13, it becomes azimuth polarized light. Similarly, when the azimuth-polarized beam is condensed by the low NA lens 33, the light intensity at the focal point is reduced. In this case, most of the fluorescence cannot pass through and is shielded from light. That is, most of the fluorescence from the focal point of the sample 20 cannot pass through the pinhole 34a. Accordingly, the amount of light received by the detector 35 becomes weak and the detection signal becomes weak.

一方、Z方向を向いた分子からの蛍光は、上記のように、ドーナツ状のラジアル偏光となっている。この蛍光が、対物レンズ16で平行光束となって、偏光制御素子13に入射する。偏光制御素子13は、上記のように、ラジアル偏光を直線偏光にする。従って、偏光制御素子13を通過したBの位置では、図6(b)に示すようにドーナツ状の直線偏光となる。偏光制御素子13によってドーナツ状の直線偏光となった蛍光は、レンズ33に入射する。低NAのレンズ33は、弱い屈折力で蛍光を屈折する。レンズ33の焦点は、ピンホールフィルタ34のピンホール34aとなっている。ここで、低NAのレンズ33で屈折された直線偏光は、ピンホール34aに集光される。よって、ピンホール34aが配置されたBにおける空間分布は、図6(b)に示すように光軸上で最大となる。すなわち、中心が最大のピークとなり、中心から離れるにつれて光強度が弱くなる。従って、適切なピンホール径を設定すると、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過する。従って、ピンホール34aを通過する蛍光強度が高くなる。これにより、検出器35で受光される光量が強くなり、検出信号が高くなる。   On the other hand, the fluorescence from the molecule oriented in the Z direction is donut-shaped radial polarization as described above. This fluorescence is converted into a parallel light beam by the objective lens 16 and enters the polarization control element 13. As described above, the polarization control element 13 converts radial polarization into linear polarization. Accordingly, at the position B that has passed through the polarization control element 13, it becomes donut-shaped linearly polarized light as shown in FIG. The fluorescence that has become donut-shaped linearly polarized light by the polarization control element 13 enters the lens 33. The low NA lens 33 refracts fluorescence with a weak refractive power. The focal point of the lens 33 is a pinhole 34 a of the pinhole filter 34. Here, the linearly polarized light refracted by the low NA lens 33 is condensed on the pinhole 34a. Therefore, the spatial distribution in B where the pinholes 34a are arranged is maximized on the optical axis as shown in FIG. That is, the center has the maximum peak, and the light intensity decreases as the distance from the center increases. Accordingly, when an appropriate pinhole diameter is set, most of the fluorescence from the focal point of the sample 20 passes through the pinhole 34a. Therefore, the intensity of fluorescence passing through the pinhole 34a is increased. This increases the amount of light received by the detector 35 and increases the detection signal.

このように偏光制御素子13を通過した蛍光を低NAのレンズ33でピンホール34a上に集光することによって、試料20の分子の方向を検出することができる。すなわち、試料20で発生した蛍光が偏光制御素子13を通過して、低NAのレンズ33で屈折されると、レンズ33の焦点上で蛍光の空間分布は、試料20の分子の方向を反映したものとなる。このレンズ33の焦点にピンホール34aを配置して、共焦点光学系を介して検出すると、試料20の分子の方向を検出することができる。   In this way, the fluorescence passing through the polarization control element 13 is condensed on the pinhole 34a by the low NA lens 33, whereby the molecular direction of the sample 20 can be detected. That is, when the fluorescence generated in the sample 20 passes through the polarization control element 13 and is refracted by the low NA lens 33, the spatial distribution of the fluorescence on the focal point of the lens 33 reflects the direction of the molecules of the sample 20. It will be a thing. When the pinhole 34a is disposed at the focal point of the lens 33 and detected through the confocal optical system, the direction of the molecule of the sample 20 can be detected.

例えば、試料20の分子がY方向を向いている場合、直線偏光の蛍光を放射する。このため、偏光制御素子13を通過した蛍光は、ラジアル偏光となる。このラジアル偏光が低NAのレンズで集光されるため、ピンホール34aを介して検出器35で検出される蛍光強度が弱くなる。一方。試料20の分子がZ方向を向いている場合、ラジアル偏光の蛍光を放射する。このため、偏光制御素子13を通過した蛍光は、直線偏光となる。この直線偏光が低NAのレンズで集光されるため、ピンホール34aを介して検出器35で検出される蛍光強度が強くなる。このように、試料20の分子の方向によって検出信号に変化が現れる。具体的には、Z方向の分子からの蛍光が強くなり、Y方向(又はX方向)の分子からの蛍光が弱くなる。よって、それぞれの検出結果を記憶して、分析、解析を行うことによって、試料20の状態を様々な観点から観察することが可能となる。   For example, when the molecules of the sample 20 are oriented in the Y direction, linearly polarized fluorescence is emitted. For this reason, the fluorescence that has passed through the polarization control element 13 becomes radial polarization. Since this radial polarized light is collected by a low NA lens, the fluorescence intensity detected by the detector 35 via the pinhole 34a is weakened. on the other hand. When the molecules of the sample 20 are oriented in the Z direction, radially polarized fluorescence is emitted. For this reason, the fluorescence that has passed through the polarization control element 13 becomes linearly polarized light. Since this linearly polarized light is collected by the low NA lens, the fluorescence intensity detected by the detector 35 through the pinhole 34a is increased. Thus, a change appears in the detection signal depending on the molecular direction of the sample 20. Specifically, the fluorescence from the molecule in the Z direction becomes strong, and the fluorescence from the molecule in the Y direction (or X direction) becomes weak. Therefore, by storing each detection result and performing analysis and analysis, the state of the sample 20 can be observed from various viewpoints.

さらに、図1に示したように、上記の偏光制御素子13は回転機構14に取り付けられている。そして、回転機構14を駆動することによって、偏光制御素子13を偏光板15に切換えることができる。すなわち、蛍光の光路上には、偏光制御素子13ではなく、偏光板15が配置された状態になる。この状態における蛍光の偏光状態について図7、及び図8を用いて説明する。図7は、Y方向を向いた分子からの蛍光が偏光板15を介して検出される場合について示している。図8は、Z方向を向いた分子からの蛍光が偏光板15を介して検出される場合について示している。さらに、図7(a)、及び図8(a)は、蛍光が伝播する光学系を模式的に示す図であり、図1の一部の光学系を示している。図7(b)、及び図8(b)は、A、及びBの位置における蛍光の偏光状態、及び、Cの位置における蛍光強度の空間分布を示す図である。偏光板15は、入射した光のうち、特定の偏光方向の光のみを透過する。これにより偏光板15を通過した光は直線偏光になる。ここで偏光板15の吸収軸はX方向になっている。従って、Y方向に振動する成分が偏光板15を通過する。   Furthermore, as shown in FIG. 1, the polarization control element 13 is attached to a rotation mechanism 14. The polarization control element 13 can be switched to the polarizing plate 15 by driving the rotating mechanism 14. That is, not the polarization control element 13 but the polarizing plate 15 is arranged on the fluorescence optical path. The fluorescence polarization state in this state will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows a case where fluorescence from molecules oriented in the Y direction is detected via the polarizing plate 15. FIG. 8 shows a case where fluorescence from molecules oriented in the Z direction is detected through the polarizing plate 15. Further, FIGS. 7A and 8A are diagrams schematically showing an optical system through which fluorescence propagates, and show a part of the optical system of FIG. FIGS. 7B and 8B are diagrams showing the polarization state of the fluorescence at the positions A and B and the spatial distribution of the fluorescence intensity at the position C. FIG. The polarizing plate 15 transmits only light in a specific polarization direction among the incident light. As a result, the light passing through the polarizing plate 15 becomes linearly polarized light. Here, the absorption axis of the polarizing plate 15 is in the X direction. Therefore, the component that vibrates in the Y direction passes through the polarizing plate 15.

まず、Y方向を向いた分子からの蛍光を偏光板を介して検出する場合について図7を用いて説明する。Y方向を向いた分子からの蛍光は、Aの位置では、Y方向の直線偏光になっている。ここで、Y方向の直線偏光が偏光板15と通過しても、Y方向の直線偏光のままとなる。また、偏光板15で吸収されないので、蛍光強度もほとんど変化しない。すなわち、偏光板15を通過した蛍光は、偏光状態が変化しない。従って、Bの位置でもY方向の直線偏光となる。このような、蛍光が低NAのレンズ33で集光されて、ピンホール34a上に集光される。すなわち、レンズ33の焦点がピンホール34aとなっている。従って、蛍光強度の空間分布は、図7(b)に示すようになる。ここでは、ピンホール34aの中心が蛍光強度の最大ピークとなる。よって、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過する。よって、検出器35での受光量が大きくなる。   First, a case where fluorescence from molecules oriented in the Y direction is detected through a polarizing plate will be described with reference to FIG. The fluorescence from the molecule oriented in the Y direction is linearly polarized in the Y direction at the position A. Here, even if the linearly polarized light in the Y direction passes through the polarizing plate 15, it remains the linearly polarized light in the Y direction. Moreover, since it is not absorbed by the polarizing plate 15, the fluorescence intensity hardly changes. That is, the polarization state of the fluorescence that has passed through the polarizing plate 15 does not change. Therefore, even in the position B, linearly polarized light in the Y direction is obtained. Such fluorescence is condensed by the low NA lens 33 and condensed on the pinhole 34a. That is, the focal point of the lens 33 is the pinhole 34a. Accordingly, the spatial distribution of the fluorescence intensity is as shown in FIG. Here, the center of the pinhole 34a is the maximum peak of fluorescence intensity. Therefore, most of the fluorescence from the focal point of the sample 20 passes through the pinhole 34a. Therefore, the amount of light received by the detector 35 is increased.

一方、Z方向を向いた分子からの蛍光を偏光板15を介して検出する場合について図8を用いて説明する。Y方向を向いた分子からの蛍光は、Aの位置では、ドーナツ状のラジアル偏光になっている。このラジアル偏光が偏光板16に入射すると、Y方向に振動する成分のみが通過し、X方向に振動する成分は吸収される。従って、偏光板15を通過した蛍光は、図8(b)に示すように空間的な分布を有する。そして、光軸を中心として対向する領域で、Y方向の振動成分が反対となっている。すなわち、偏光板15を通過した蛍光は、光軸を通るX方向の直線に対して線対称になっている。この偏光状態の蛍光、低NAのレンズ33によってピンホール34aに集光される。低NAのレンズ33で屈折された蛍光は、Cにおける光軸上では振動が打ち消しあって光強度が低くなる。すなわち、ピンホール34aの中心では、図8(b)に示すように光強度が0に近くなる。さらに、光軸からずれた位置で光強度がピークとなる。ここで、ピンホール34aの径が、ピーク位置よりも内側となるようにする。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料20の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール34aを通過できない。従って、検出器35に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。   On the other hand, a case where fluorescence from molecules oriented in the Z direction is detected through the polarizing plate 15 will be described with reference to FIG. The fluorescence from the molecule oriented in the Y direction is donut-shaped radial polarized light at position A. When this radially polarized light enters the polarizing plate 16, only the component that vibrates in the Y direction passes, and the component that vibrates in the X direction is absorbed. Therefore, the fluorescence that has passed through the polarizing plate 15 has a spatial distribution as shown in FIG. The vibration component in the Y direction is opposite in the region facing the optical axis. That is, the fluorescence that has passed through the polarizing plate 15 is axisymmetric with respect to a straight line in the X direction that passes through the optical axis. This polarized fluorescence and light NA is condensed on the pinhole 34a by the lens 33. The fluorescence refracted by the low NA lens 33 cancels the vibration on the optical axis at C, and the light intensity decreases. That is, at the center of the pinhole 34a, the light intensity is close to 0 as shown in FIG. Further, the light intensity peaks at a position deviated from the optical axis. Here, the diameter of the pinhole 34a is set to be inside the peak position. In this case, most of the fluorescence cannot pass through and is shielded from light. That is, most of the fluorescence from the focal point of the sample 20 cannot pass through the pinhole 34a. Accordingly, the amount of light received by the detector 35 becomes weak and the detection signal becomes weak.

このように偏光板15を通過した蛍光を低NAのレンズ33でピンホール34a上に集光することによって、試料20の分子の方向を検出することができる。すなわち、試料20で発生した蛍光が偏光板15を通過して、低NAのレンズ33で屈折されると、レンズ33の焦点上で蛍光の空間分布は、試料20の分子の方向を反映したものとなる。このレンズ33の焦点上にピンホール34aを配置して、共焦点光学系を介して検出すると、試料20の分子の方向を検出することができる。従って、偏光制御素子13を偏光板15に切換えることによって、さらに異なる観点からの観察が可能となる。例えば、偏光制御素子13、又は偏光板15を光路上に配置することにより、試料20の分子の方向性について観察、分析することができる。   Thus, by condensing the fluorescence that has passed through the polarizing plate 15 onto the pinhole 34a by the low NA lens 33, the molecular direction of the sample 20 can be detected. That is, when the fluorescence generated in the sample 20 passes through the polarizing plate 15 and is refracted by the low NA lens 33, the spatial distribution of the fluorescence on the focal point of the lens 33 reflects the direction of the molecules of the sample 20. It becomes. When the pinhole 34a is arranged on the focal point of the lens 33 and detected via the confocal optical system, the direction of the molecule of the sample 20 can be detected. Therefore, switching from the polarization control element 13 to the polarizing plate 15 enables observation from a further different viewpoint. For example, by arranging the polarization control element 13 or the polarizing plate 15 on the optical path, the directionality of the molecule of the sample 20 can be observed and analyzed.

さらに、偏光板15の吸収軸を可変にすることによって、X方向の分子についても検出が可能となる。例えば、2つの偏光板15を用意して、一方の吸収軸をX方向とし、他方の吸収軸をY方向とする。これにより、X方向、及びY方向に関しての観察が可能となる。この場合、レーザ光源11からの直線偏光は、X方向、及びY方向の間の直線偏光とする。そして、吸収軸がX方向の偏光板15を配置した場合、Y方向の直線偏光が試料20に照射される。また、Y方向の分子からの蛍光強度が高くなるため、Y方向の分子に着目して分析を行うことができる。さらに、吸収軸がY方向の偏光板15を配置した場合、X方向の直線偏光が試料20に照射される。また、X方向の分子からの蛍光強度が高くなるため、X方向の分子に着目して分析を行うことができる。この場合、回転機構14に、偏光制御素子13、及び2つの偏光板15を取り付ける。そして、偏光制御素子13、X方向の偏光板15、及びY方向の偏光板15のうちの一つが光路上に配置されるようにする。すなわち、偏光制御素子13、X方向の偏光板15、又はY方向の偏光板15を選択的に光路上に挿入して、それぞれに対する検出を行なう。そして、XYZの3方向について検出を行なう。このことで、試料20を異なる観点から、観察、分析、解析することができる。なお、偏光制御素子13、及び偏光板15を切換える切換え手段は、回転機構14に限られるものではない。例えば、偏光制御素子13、及び偏光板15をスライドさせるスライド機構によって、切換えてもよい。この場合、偏光制御素子13、又は偏光板15をスライド移動することによって、偏光板15又は偏光制御素子13を光路上に挿入する。また、偏光板15と偏光制御素子13とを異なる位置に挿入されるよう配置してもよい。さらに、偏光板15を光路上で回転させることによって、吸収軸の方向を変えるようにしてもよい。これにより、任意の方向に対しての観察、分析を行うことができる。このようにして、光路中に挿入される偏光板15の吸収軸を異なる角度に切り換えることができる。なお、偏光板には、吸収型に限らず、反射型の偏光子を用いることができる。   Further, by making the absorption axis of the polarizing plate 15 variable, it is possible to detect molecules in the X direction. For example, two polarizing plates 15 are prepared, and one absorption axis is the X direction and the other absorption axis is the Y direction. Thereby, observation in the X direction and the Y direction becomes possible. In this case, linearly polarized light from the laser light source 11 is linearly polarized light between the X direction and the Y direction. When the polarizing plate 15 having an absorption axis in the X direction is disposed, the sample 20 is irradiated with linearly polarized light in the Y direction. Moreover, since the fluorescence intensity from the molecule | numerator of a Y direction becomes high, it can analyze by paying attention to the molecule | numerator of a Y direction. Further, when the polarizing plate 15 having an absorption axis in the Y direction is arranged, the sample 20 is irradiated with linearly polarized light in the X direction. In addition, since the fluorescence intensity from the molecules in the X direction increases, analysis can be performed while paying attention to the molecules in the X direction. In this case, the polarization control element 13 and the two polarizing plates 15 are attached to the rotation mechanism 14. Then, one of the polarization control element 13, the polarizing plate 15 in the X direction, and the polarizing plate 15 in the Y direction is arranged on the optical path. That is, the polarization control element 13, the X-direction polarizing plate 15, or the Y-direction polarizing plate 15 is selectively inserted on the optical path, and detection is performed on each. Then, detection is performed in three directions XYZ. Thus, the sample 20 can be observed, analyzed, and analyzed from different viewpoints. Note that the switching means for switching the polarization control element 13 and the polarizing plate 15 is not limited to the rotation mechanism 14. For example, the switching may be performed by a slide mechanism that slides the polarization control element 13 and the polarizing plate 15. In this case, the polarizing plate 15 or the polarization control element 13 is inserted into the optical path by sliding the polarization control element 13 or the polarizing plate 15. Moreover, you may arrange | position so that the polarizing plate 15 and the polarization control element 13 may be inserted in a different position. Further, the direction of the absorption axis may be changed by rotating the polarizing plate 15 on the optical path. As a result, observation and analysis in an arbitrary direction can be performed. In this way, the absorption axis of the polarizing plate 15 inserted in the optical path can be switched to a different angle. Note that the polarizing plate is not limited to an absorption type, and a reflective polarizer can be used.

なお、上記の説明では直線偏光からラジアル偏光を生成する偏光制御素子13を、図2に示す8分割の1/2波長板として説明したが、偏光制御素子13の構成はこれに限るものではない。偏光制御素子13としては、入射位置に応じて位相差を与えるものであればよい。すなわち、対向する領域で180°異なる位相差を与え、直線偏光をラジアル偏光にする偏光制御素子13を用いることができる。従って、偏光制御素子13については、様々な構成のものを利用することができる。この偏光制御素子13の具体的な変形例について図9〜図12を用いて説明する。   In the above description, the polarization control element 13 that generates radial polarization from linearly polarized light is described as an eight-divided half-wave plate shown in FIG. 2, but the configuration of the polarization control element 13 is not limited to this. . The polarization control element 13 may be any element that gives a phase difference according to the incident position. In other words, it is possible to use the polarization control element 13 that gives a phase difference different by 180 ° in the opposed regions and converts linearly polarized light into radial polarized light. Accordingly, various configurations of the polarization control element 13 can be used. A specific modification of the polarization control element 13 will be described with reference to FIGS.

図9(a)は変形例1の偏光制御素子13の構成を示す平面図であり、図9(b)は、図9(a)の断面図である。変形例1にかかる偏光制御素子13は対向する領域で厚さが異なっている。この厚さの違いが、180°の位相差に対応する。従って、上半分の領域と下半分の領域で、180°の位相差が与えられる。よって、直線偏光が図9に示す偏光制御素子13を通過すると、2分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図9に示す偏光制御素子13を通過すると直線偏光になる。   FIG. 9A is a plan view showing the configuration of the polarization control element 13 of the first modification, and FIG. 9B is a cross-sectional view of FIG. 9A. The thickness of the polarization control element 13 according to the first modification is different in the facing region. This difference in thickness corresponds to a phase difference of 180 °. Therefore, a phase difference of 180 ° is given in the upper half region and the lower half region. Therefore, when the linearly polarized light passes through the polarization control element 13 shown in FIG. 9, it becomes two-divided radial polarized light. Further, when the radially polarized light passes through the polarization control element 13 shown in FIG. 9, it becomes linearly polarized light.

図10は、変形例2の偏光制御素子13の構成を示す平面図である。変形例2にかかる偏光制御素子13では、2分割の1/2波長板が2枚用いられている。そして、上半分の領域と下半分の領域で、光学軸が直交している。よって、直線偏光が図10に示す偏光制御素子13を通過すると、2分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図10に示す偏光制御素子13を通過すると直線偏光になる。   FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the polarization control element 13 of the second modification. In the polarization control element 13 according to the second modification, two halved half-wave plates are used. The optical axes are orthogonal to each other in the upper half area and the lower half area. Therefore, when the linearly polarized light passes through the polarization control element 13 shown in FIG. Further, when the radially polarized light passes through the polarization control element 13 shown in FIG. 10, it becomes linearly polarized light.

図11は、変形例3の偏光制御素子13の構成を示す平面図である。変形例3にかかる偏光制御素子13では、4分割の1/2波長板が4枚用いられている。そして、上側の領域と下側の領域で、光学軸が直交している。また、右側の領域と左側の領域で、光学軸が直交している。よって、直線偏光が図11に示す偏光制御素子13を通過すると、4分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図11に示す偏光制御素子13を通過すると直線偏光になる。なお、1/2波長板は、2分割や4分割に限られるものではない。   FIG. 11 is a plan view showing the configuration of the polarization control element 13 of the third modification. In the polarization control element 13 according to the third modification, four quarter-wave half-wave plates are used. The optical axes are orthogonal to each other between the upper region and the lower region. In addition, the optical axes are orthogonal to each other between the right region and the left region. Therefore, when the linearly polarized light passes through the polarization control element 13 shown in FIG. Further, when the radially polarized light passes through the polarization control element 13 shown in FIG. 11, it becomes linearly polarized light. The half-wave plate is not limited to two divisions or four divisions.

図12は、変形例4の偏光制御素子13の構成を示す図である。変形例4にかかる偏光制御素子13は、2枚のPBS(偏光ビームスプリッタ)51a、51b、及び2枚のミラー52a、52bからなる干渉計の中に、位相板53a、53bが配置された構成を有している。さらに、位相板53aとPBS51aとの間には、マスク54aが配設されている。また、位相板53bとPBS51bとの間には、マスク54bが配設されている。まず、直線偏光の入射光がPBS51aによって2分割される。そして、2分割された光ビームの一方がミラー52aで反射されて、PBS51bに入射する。また、2分割された光ビームの他方がミラー52bで反射されて、PBS51bに入射する。PBS51bは、2分割されていた光ビームを合成して出射する。ここで、PBS51aで分岐された光ビームのうち、ミラー52aに入射する光ビームがX方向に振動し、ミラー52bに入射する光ビームがY方向に振動するものとする。なお、図12では紙面に垂直な方向をX方向とする。ここで、位相板53a、53b、及びマスク54a、54bは、図13に示す構成を有している。   FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of the polarization control element 13 of the fourth modification. The polarization control element 13 according to Modification 4 has a configuration in which phase plates 53a and 53b are arranged in an interferometer including two PBSs (polarization beam splitters) 51a and 51b and two mirrors 52a and 52b. have. Further, a mask 54a is disposed between the phase plate 53a and the PBS 51a. A mask 54b is disposed between the phase plate 53b and the PBS 51b. First, the linearly polarized incident light is divided into two by the PBS 51a. Then, one of the two divided light beams is reflected by the mirror 52a and enters the PBS 51b. The other of the two divided light beams is reflected by the mirror 52b and enters the PBS 51b. The PBS 51b combines and emits the light beams that have been divided into two. Here, among the light beams branched by the PBS 51a, the light beam incident on the mirror 52a vibrates in the X direction, and the light beam incident on the mirror 52b vibrates in the Y direction. In FIG. 12, the direction perpendicular to the paper surface is the X direction. Here, the phase plates 53a and 53b and the masks 54a and 54b have the configuration shown in FIG.

ここで、一方の光ビームの光路上には、位相板53a、及びマスク54aが配置され、他方の光ビームの光路上には位相板53bが配置されている。位相板53a、53bは、図9で示した偏光制御素子13と同じ構成のものである。すなわち、位相板53a、53bの2分割の領域で180°の位相差が与えられる。そして、図13(a)に示すように位相板53aは、X方向において異なる位置に入射した光に位相差を与える。一方、位相板53bは、Y方向において異なる位置に入射した光に位相差を与える。   Here, a phase plate 53a and a mask 54a are disposed on the optical path of one light beam, and a phase plate 53b is disposed on the optical path of the other light beam. The phase plates 53a and 53b have the same configuration as the polarization control element 13 shown in FIG. That is, a phase difference of 180 ° is given in the two divided areas of the phase plates 53a and 53b. And as shown to Fig.13 (a), the phase plate 53a gives a phase difference to the light which injected into the different position in a X direction. On the other hand, the phase plate 53b gives a phase difference to light incident at different positions in the Y direction.

位相板53aを通過した光ビームはマスク54aに入射する。また、位相板53bを通過した光は、マスク54bに入射する。ここで、マスク54a、マスク54bは、図13(b)に示す構成を有している。例えば、マスク54a、54bは、円板状であり、4分割された扇状の領域を有している。そして、マスク54aでは、4分割された扇状の領域のうち、上下の領域で光を遮光し、左右の領域で光を透過する。すなわち、マスク54aでは、光を透過する透過領域がX方向に対向して配置されている。一方、マスク54bは、分割された扇状の領域のうち、左右の領域で光を遮光し、上下の領域で光を透過する。すなわち、マスク54bでは、光を透過する透過領域がY方向に対向して配置されている。このように、マスク54a、54bは入射した光の半分を遮光し、半分を透過する。さらに、マスク54a、54bを通過した光は、位相板53a、53bによって位相差が与えられている。   The light beam that has passed through the phase plate 53a enters the mask 54a. The light that has passed through the phase plate 53b is incident on the mask 54b. Here, the mask 54a and the mask 54b have the configuration shown in FIG. For example, the masks 54a and 54b are disk-shaped and have fan-shaped regions divided into four. In the mask 54a, light is blocked in the upper and lower areas of the four fan-shaped areas, and the light is transmitted in the left and right areas. That is, in the mask 54a, the transmissive regions that transmit light are arranged facing the X direction. On the other hand, the mask 54b blocks light in the left and right regions of the divided fan-shaped regions, and transmits light in the upper and lower regions. That is, in the mask 54b, the transmissive regions that transmit light are arranged facing the Y direction. In this way, the masks 54a and 54b block half of the incident light and transmit the half. Further, the light passing through the masks 54a and 54b is given a phase difference by the phase plates 53a and 53b.

マスク54a、54bを通過した光ビームは、PBS51bに入射する。このような2本の光ビームをPBS51bによって合成するとラジアル偏光が生成される。よって、変形例4にかかる偏光制御素子13は、直線偏光をラジアル偏光になる。また、変形例4にかかる偏光制御素子13は、ラジアル偏光を直線偏光とする。ここでは、4分割のマスクを用いているため、4分割のラジアル偏光が生成される。   The light beam that has passed through the masks 54a and 54b enters the PBS 51b. When such two light beams are combined by the PBS 51b, radial polarization is generated. Therefore, the polarization control element 13 according to the modified example 4 converts linearly polarized light into radial polarized light. Further, the polarization control element 13 according to the modification 4 changes the radial polarization into the linear polarization. Here, since a 4-division mask is used, 4-divisional radial polarization is generated.

なお、上記の例では、4分割のマスク54a、54bを用いたがこの構成に限るものではない。マスク54a、54bの分割数を多くすることによって、偏光軸の空間分布をより滑らかにすることができる。さらには、マスク54a、54bの極座標での透過率を、それぞれTa(r、θ)、Tb(r、θ)とすると、Ta(r、θ)=cosθ、Tb(r、θ)=sinθとすることが好ましい。これにより、分割数が無限大の完全なラジアル偏光を生成することができる。 In the above example, the four-divided masks 54a and 54b are used, but the present invention is not limited to this configuration. By increasing the number of divisions of the masks 54a and 54b, the spatial distribution of the polarization axis can be made smoother. Furthermore, if the transmissivities at polar coordinates of the masks 54a and 54b are Ta (r, θ) and Tb (r, θ), respectively, Ta (r, θ) = cos 2 θ, Tb (r, θ) = it is preferable that the sin 2 theta. As a result, complete radial polarization with an infinite number of divisions can be generated.

上記の変形例1〜4の偏光制御素子13を通過することにより、直線偏光がラジアル偏光となり、ラジアル偏光が直線偏光となる。さらには、直線偏光をアジマス偏光にすることも可能になる。このように、偏光制御素子13には、様々な構成のものを用いることができる。もちろん、偏光制御素子13には、物理的に1つの光学部品に限らず、複数の光学部品を組み合わせたものを含むものとする。さらに、図示した例に限られるものではない。例えば、液晶や電気光学効果(EO)を用いたSLM(Spatial Light Modulators)を偏光制御素子13としてもよい。   By passing through the polarization control elements 13 of the first to fourth modifications, linearly polarized light becomes radial polarized light, and radial polarized light becomes linearly polarized light. Furthermore, linearly polarized light can be changed to azimuth polarized light. In this way, various configurations can be used for the polarization control element 13. Of course, the polarization control element 13 is not limited to physically one optical component, but includes a combination of a plurality of optical components. Further, the present invention is not limited to the illustrated example. For example, SLM (Spatial Light Modulators) using liquid crystal or electro-optic effect (EO) may be used as the polarization control element 13.

なお上記の説明では、検出される光を蛍光として説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ラマン散乱によって発生したラマン散乱光や第2高調波発生によって発生した第2高調波を検出することができる。また、試料20で正反射される反射光を検出してもよい。さらに、2本のレーザ光の和周波発生によって発生した和周波を検出してもよい。この場合、2本のレーザ光が同一光軸上を伝播するように合成して、試料20照射させる。このような、蛍光、反射光、第2高調波、ラマン散乱光、和周波、2光子蛍光、第3高調波、などの検出に利用することができる。また、蛍光偏光解消や、偏光ラマンについても利用可能である。従って、反射型共焦点顕微鏡、蛍光顕微鏡、ラマン顕微鏡、和周波顕微鏡、CARS(コヒーレントアンチストークスラマン散乱)顕微鏡、CSRS(コヒレントストークスラマン散乱)顕微鏡等に対して上記の偏光制御素子13を用いることで、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。さらに、カー効果などによる偏光状態の変化を利用して、磁石の軸を観察することも可能となる。また、液晶素子における液晶分子のプレチルト角の測定を行うこともできる。よって、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。また、上記の光学顕微鏡の構成に対して、スペクトル分析のための分光器や、バンドパスフィルタなどを加えてもよい。   In the above description, the detected light is described as fluorescence, but the present invention is not limited to this. For example, it is possible to detect Raman scattered light generated by Raman scattering or second harmonic generated by second harmonic generation. Further, the reflected light that is regularly reflected by the sample 20 may be detected. Further, the sum frequency generated by generating the sum frequency of the two laser beams may be detected. In this case, the two laser beams are combined so as to propagate on the same optical axis, and the sample 20 is irradiated. Such fluorescence, reflected light, second harmonic, Raman scattered light, sum frequency, two-photon fluorescence, and third harmonic can be used for detection. It can also be used for fluorescence depolarization and polarization Raman. Therefore, by using the polarization control element 13 for a reflective confocal microscope, a fluorescence microscope, a Raman microscope, a sum frequency microscope, a CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) microscope, a CSRS (coherent Stokes Raman scattering) microscope, and the like. Observation, analysis, and analysis from various viewpoints are possible. Furthermore, it is possible to observe the axis of the magnet by utilizing the change in the polarization state due to the Kerr effect or the like. In addition, the pretilt angle of the liquid crystal molecules in the liquid crystal element can be measured. Therefore, the application of the microscope can be widened, and the application field can be expanded. Further, a spectroscope for spectrum analysis, a band pass filter, or the like may be added to the configuration of the optical microscope.

本実施の形態にかかる光学顕微鏡100では、偏光制御素子13がビームスプリッタ17と対物レンズ16との間に配置される。これにより、簡便な構成で試料20に入射するレーザ光と、試料20からの戻り光とに同じ偏光制御素子13を通過させることができる。さらに、偏光制御素子13を入射光路上に配置することによって、Z方向に振動する光を試料20に照射することができる。また、偏光板15を入射光路上に配置することによって、X方向、又はY方向に振動する光を試料20に照射することができる。これにより、様々な観点からの観察が可能となる。もちろん、偏光制御素子13の配置は、ビームスプリッタ17と対物レンズ16との間に限られるものではない。例えば、試料20に入射するレーザ光が偏光制御素子13を通過しない構成としてもよい。例えば、ランダムな偏光を試料20に照射させた時に発生する蛍光やラマン散乱光を偏光制御素子13を介して検出してもよい。なお、上記の光学顕微鏡100では、XYステージ21を駆動することによって、走査したが、光ビームを偏向することによって走査してもよい。   In the optical microscope 100 according to the present embodiment, the polarization control element 13 is disposed between the beam splitter 17 and the objective lens 16. Thus, the same polarization control element 13 can be passed through the laser light incident on the sample 20 and the return light from the sample 20 with a simple configuration. Furthermore, by arranging the polarization control element 13 on the incident optical path, the sample 20 can be irradiated with light that vibrates in the Z direction. In addition, by arranging the polarizing plate 15 on the incident optical path, the sample 20 can be irradiated with light that vibrates in the X direction or the Y direction. Thereby, observation from various viewpoints becomes possible. Of course, the arrangement of the polarization control element 13 is not limited to between the beam splitter 17 and the objective lens 16. For example, a configuration in which laser light incident on the sample 20 does not pass through the polarization control element 13 may be adopted. For example, fluorescence or Raman scattered light generated when the sample 20 is irradiated with randomly polarized light may be detected via the polarization control element 13. In the optical microscope 100, scanning is performed by driving the XY stage 21, but scanning may be performed by deflecting a light beam.

上記のように偏光制御素子13を光路上に挿入することによって、試料20の分子の方向性に応じて、ピンホール34aを通過する光の光量が変化する。従って、試料20の分子の方向性についての観察、分析を行なうことができる。なお、ピンホールフィルタ34を光路上から取り除き、検出器35を焦点に配置してもよい。この場合、検出器35の受光領域に大きさに応じて検出光量が変化する。従って、適当な大きさの受光領域を有する検出器35をレンズ33の焦点上に配置することによって、対物レンズ16の焦点以外からの光は、検出器35の受光領域の外側に入射する。この場合、ピンホールフィルタ34を不要にすることができる。このような場合でも、ピンホールフィルタ34を用いた場合と同様に、共焦点光学系を介して蛍光が検出器35で検出される。よって、試料20の分子の方向性についての観察、分析を行うことができる。さらに、偏光制御素子、及び2枚の偏光板15を切換えることによって、X方向、Y方向、及びZ方向の3方向それぞれについて、分子の方向性を観察、分析することができる。   By inserting the polarization control element 13 on the optical path as described above, the amount of light passing through the pinhole 34a changes according to the directionality of the molecules of the sample 20. Therefore, the observation and analysis of the directionality of the molecules of the sample 20 can be performed. The pinhole filter 34 may be removed from the optical path, and the detector 35 may be disposed at the focal point. In this case, the detected light amount changes in the light receiving area of the detector 35 according to the size. Therefore, by arranging the detector 35 having a light receiving area of an appropriate size on the focal point of the lens 33, light from other than the focal point of the objective lens 16 enters the outside of the light receiving area of the detector 35. In this case, the pinhole filter 34 can be dispensed with. Even in such a case, similarly to the case where the pinhole filter 34 is used, the fluorescence is detected by the detector 35 via the confocal optical system. Therefore, the observation and analysis of the directionality of the molecules of the sample 20 can be performed. Furthermore, by switching the polarization control element and the two polarizing plates 15, the directionality of molecules can be observed and analyzed in each of the three directions of the X direction, the Y direction, and the Z direction.

発明の実施の形態2.
本実施の形態にかかる光学顕微鏡200は、実施の形態1と同様に、落射照明方式のレーザ共焦点顕微鏡である。従って、実施の形態1と重複する構成については、説明を省略する。本実施の形態にかかる光学顕微鏡200では、図14に示すように、実施の形態1と異なり、偏光制御素子13がビームスプリッタ17とピンホールフィルタ34の間に配置されている。この場合、レーザ光源11から試料20に入射する光が偏光制御素子13に入射しない。従って、レーザ光源11とビームスプリッタ17の間に、入射側偏光制御素子43が配置されている。この入射側偏光制御素子43は、偏光制御素子13と同じ構成を有している。従って、直線偏光が入射側偏光制御素子43を通過するとラジアル偏光になり、ラジアル偏光が入射側偏光制御素子43を通過すると直線偏光になる。
Embodiment 2 of the Invention
The optical microscope 200 according to the present embodiment is an epi-illumination laser confocal microscope, as in the first embodiment. Therefore, the description of the same components as those in Embodiment 1 is omitted. In the optical microscope 200 according to the present embodiment, as shown in FIG. 14, unlike the first embodiment, the polarization control element 13 is disposed between the beam splitter 17 and the pinhole filter. In this case, light incident on the sample 20 from the laser light source 11 does not enter the polarization control element 13. Therefore, the incident side polarization control element 43 is disposed between the laser light source 11 and the beam splitter 17. The incident side polarization control element 43 has the same configuration as the polarization control element 13. Therefore, when the linearly polarized light passes through the incident side polarization control element 43, it becomes radial polarized light, and when the radial polarized light passes through the incident side polarization control element 43, it becomes linearly polarized light.

また、入射側偏光制御素子43から偏光板45に切換えるための回転機構44を有している。回転機構44は、回転モータ等を備えている。そして、回転機構44を所定の角度だけ回転することにより、入射側偏光制御素子43が光路上から取り除かれるとともに、入射側偏光板45が光路上に挿入される。回転機構44をさらに回転させると、入射側偏光板45が光路上から取り除かれるとともに、入射側偏光制御素子43が光路上に挿入される。従って、入射側偏光制御素子43と入射側偏光板45が排他的に光路上に配置される。従って、レーザ光源11からビームスプリッタ17までの入射側には、入射側偏光制御素子43、回転機構44、及び入射側偏光板45が設けられ、ビームスプリッタ17からレンズ33までの検出側で、偏光制御素子13、回転機構14、及び入射側偏光板15が設けられている。   Further, a rotation mechanism 44 for switching from the incident side polarization control element 43 to the polarizing plate 45 is provided. The rotation mechanism 44 includes a rotation motor and the like. Then, by rotating the rotation mechanism 44 by a predetermined angle, the incident side polarization control element 43 is removed from the optical path, and the incident side polarizing plate 45 is inserted into the optical path. When the rotating mechanism 44 is further rotated, the incident side polarizing plate 45 is removed from the optical path, and the incident side polarization control element 43 is inserted into the optical path. Therefore, the incident side polarization control element 43 and the incident side polarizing plate 45 are exclusively arranged on the optical path. Accordingly, the incident side polarization control element 43, the rotation mechanism 44, and the incident side polarizing plate 45 are provided on the incident side from the laser light source 11 to the beam splitter 17, and polarization is detected on the detection side from the beam splitter 17 to the lens 33. A control element 13, a rotation mechanism 14, and an incident side polarizing plate 15 are provided.

さらに、回転機構44は、回転機構14と同様に、光路中に挿入される入射側偏光板45の吸収軸を切換える。これにより、吸収軸をX方向、からY方向に切換えることができる。例えば、回転機構44には、吸収軸が異なる角度で配置された2枚の偏光子が設けられている。もちろん、1枚の入射側偏光板45を回転させて、吸収軸を切換えてもよい。入射側偏光板45は、入射した光のうち、特定の偏光方向の光のみを透過する。この入射側偏光板45を通過した光は直線偏光となる。   Further, the rotation mechanism 44 switches the absorption axis of the incident-side polarizing plate 45 inserted in the optical path, similarly to the rotation mechanism 14. Thereby, the absorption axis can be switched from the X direction to the Y direction. For example, the rotation mechanism 44 is provided with two polarizers arranged with different absorption axes. Of course, the absorption axis may be switched by rotating one incident-side polarizing plate 45. The incident-side polarizing plate 45 transmits only light having a specific polarization direction among incident light. The light that has passed through the incident side polarizing plate 45 becomes linearly polarized light.

このような構成によって、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。すなわち、偏光制御素子13、及び入射側偏光制御素子43を光路上に配置することにより、試料20の分子の方向性について観察することができる。ここでは、Z方向に振動する光を試料20に照射することができる。また、入射側偏光板45、及び偏光板15を光路上に配置した状態では、X方向、又はY方向に振動する光を試料20に照射することができる。このとき、入射側偏光板45、及び偏光板15の吸収軸は、同じ方向にする。すなわち、入射側と、検出側とで、偏光軸を一致させる。このような構成によっても、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。よって、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。   With such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained. That is, by arranging the polarization control element 13 and the incident side polarization control element 43 on the optical path, the directionality of the molecules of the sample 20 can be observed. Here, the sample 20 can be irradiated with light that vibrates in the Z direction. In addition, in a state where the incident side polarizing plate 45 and the polarizing plate 15 are arranged on the optical path, the sample 20 can be irradiated with light that vibrates in the X direction or the Y direction. At this time, the absorption axes of the incident side polarizing plate 45 and the polarizing plate 15 are set in the same direction. That is, the polarization axes are matched on the incident side and the detection side. Even with such a configuration, observation, analysis, and analysis from various viewpoints are possible. Therefore, the application of the microscope can be widened, and the application field can be expanded.

また、入射側偏光制御素子43、及び偏光板15が光路上に配置された状態で、検出を行なってもよい。さらに、入射側偏光板45、及び偏光制御素子13が光路上に配置された状態で、検出を行なってもよい。すなわち、検出側にX方向の偏光板15、Y方向の偏光板15、及び偏光制御素子13のいずれか一つを配置し、入射側にX方向の入射側偏光板45、Y方向の入射側偏光板45、及び入射側偏光制御素子43のいずれか一つを配置する。そして、ピンホール34aを介して検出を行なう。   Further, detection may be performed in a state where the incident side polarization control element 43 and the polarizing plate 15 are arranged on the optical path. Furthermore, the detection may be performed in a state where the incident-side polarizing plate 45 and the polarization control element 13 are arranged on the optical path. That is, any one of the polarizing plate 15 in the X direction, the polarizing plate 15 in the Y direction, and the polarization control element 13 is arranged on the detection side, the incident side polarizing plate 45 in the X direction on the incident side, and the incident side in the Y direction. One of the polarizing plate 45 and the incident side polarization control element 43 is disposed. And it detects via the pinhole 34a.

この場合、(入射側の3通り)×(検出側の3通り)の合計9通りの検出が行なわれる。これにより、試料20の分子の方向性について、より詳細に分析することができる。よって、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。さらに、試料20に入射する光については、ランダムな偏光であってもよい。これにより、実施の形態1よりも、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。   In this case, a total of nine types of detection (three types on the incident side) × (three types on the detection side) are performed. Thereby, the directionality of the molecules of the sample 20 can be analyzed in more detail. Therefore, observation, analysis, and analysis from various viewpoints are possible. Further, the light incident on the sample 20 may be randomly polarized light. Thereby, the application of a microscope can be made wider than in the first embodiment, and the application field can be expanded.

上記のように、入射側と検出側とで別の偏光制御素子を用いることで、試料20に入射する入射光と試料20からの出射光の波長の差が大きい場合でも、容易に検出することができる。例えば、入射光と出射光の波長が大きく異なっていても、本実施の形態では、有効波長範囲の狭い偏光制御素子13、及び入射側偏光制御素子43を用いることができる。すなわち、偏光制御素子13を出射光の波長に最適化されたものとすることができる。さらに、入射側偏光制御素子43をレーザ光の波長に対して最適化されたものとすることができる。これにより、入射光と出射光の波長が異なる場合であっても、精度よく測定することができる。従って、試料20に入射する入射光と、試料20から出射される出射光とが異なる波長となる蛍光顕微鏡、第2高調波顕微鏡、ラマン顕微鏡等に好適である。   As described above, by using different polarization control elements on the incident side and the detection side, even when the difference in wavelength between the incident light incident on the sample 20 and the outgoing light from the sample 20 is large, it can be easily detected. Can do. For example, even if the wavelengths of incident light and outgoing light are greatly different, the polarization control element 13 and the incident-side polarization control element 43 having a narrow effective wavelength range can be used in this embodiment. That is, the polarization control element 13 can be optimized to the wavelength of the outgoing light. Furthermore, the incident side polarization control element 43 can be optimized with respect to the wavelength of the laser beam. Thereby, even when the wavelengths of incident light and outgoing light are different, it is possible to measure with high accuracy. Therefore, it is suitable for a fluorescence microscope, a second harmonic microscope, a Raman microscope, or the like in which incident light incident on the sample 20 and outgoing light emitted from the sample 20 have different wavelengths.

発明の実施の形態3.
本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は、実施の形態1、2と同様に、レーザ共焦点顕微鏡であるが、図15に示すように、実施の形態1、2と異なり、透過照明方式の顕微鏡である。ここで、レーザ光源11から試料20までの構成は、実施の形態2とほぼ同様であるため説明を省略する。レーザ光源11からのレーザ光は、ビームエキスパンダ12によりビーム径が拡大される。そして、入射側偏光制御素子43を通過して対物レンズ16で入射する。このとき、対物レンズ16で集光されたレーザ光は、ラジアル偏光になっている。また、回転機構44によって、入射側偏光制御素子43が入射側偏光板45に切換えられる。この場合、直線偏光のレーザ光が試料20に入射する。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は透過照明方式であるため、ビームスプリッタ17が設けられていない。
Embodiment 3 of the Invention
The optical microscope 300 according to the present embodiment is a laser confocal microscope as in the first and second embodiments. However, unlike the first and second embodiments, as shown in FIG. It is. Here, since the configuration from the laser light source 11 to the sample 20 is substantially the same as that of the second embodiment, the description thereof is omitted. The beam diameter of the laser light from the laser light source 11 is expanded by the beam expander 12. Then, the light passes through the incident side polarization control element 43 and enters through the objective lens 16. At this time, the laser beam condensed by the objective lens 16 is radially polarized. Further, the incident side polarization control element 43 is switched to the incident side polarizing plate 45 by the rotation mechanism 44. In this case, linearly polarized laser light is incident on the sample 20. In addition, since the optical microscope 300 according to the present embodiment is a transmission illumination system, the beam splitter 17 is not provided.

本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は、透過照明方式である。従って、試料20を通過した光を検出器35で検出するまでの光学系が上記の構成に加えて設けられている。この光学系について以下に説明する。なお、試料20から検出器35までの光学系において、実施の形態1、2と同様の構成については、詳細な説明を省略する。対物レンズ16から試料20に入射した光のうち、試料20を通過した光は、透明なXYステージ21を通過する。そして、コンデンサレンズ36で屈折されて、平行光束となる。そして、コンデンサレンズ36からの光は、ダイクロイックフィルタ37に入射する。ダイクロイックフィルタ37は、波長に応じて異なる透過率を有している。具体的には、ダイクロイックフィルタ37は、試料20で発生した蛍光を通過させ、レーザ光を遮光する。これにより、検出するための蛍光を、試料20を透過したレーザ光から取り出すことができる。なお、ダイクロイックフィルタ37の代わりにバンドパスフィルタを用いてもよい。なお、検出する光は、蛍光に限らず、ラマン散乱光、第2高調波などであってもよい。   The optical microscope 300 according to the present embodiment is a transmission illumination system. Therefore, an optical system for detecting light that has passed through the sample 20 with the detector 35 is provided in addition to the above-described configuration. This optical system will be described below. In the optical system from the sample 20 to the detector 35, detailed description of the same configuration as in the first and second embodiments is omitted. Of the light incident on the sample 20 from the objective lens 16, the light that has passed through the sample 20 passes through the transparent XY stage 21. Then, the light is refracted by the condenser lens 36 and becomes a parallel light beam. Then, the light from the condenser lens 36 enters the dichroic filter 37. The dichroic filter 37 has a different transmittance depending on the wavelength. Specifically, the dichroic filter 37 passes the fluorescence generated in the sample 20 and shields the laser light. Thereby, the fluorescence for detection can be extracted from the laser light transmitted through the sample 20. Note that a band pass filter may be used instead of the dichroic filter 37. The light to be detected is not limited to fluorescence, but may be Raman scattered light, second harmonic, or the like.

このように、ダイクロイックフィルタ37によって、試料20からの蛍光がレーザ光から分離される。そして、ダイクロイックフィルタ37を通過した蛍光は、実施の形態1、2と同様に偏光制御素子13を通過する。この偏光制御素子13は実施の形態1と同様のものである。本実施の形態にかかる光学顕微鏡300は透過照明方式であるため、偏光制御素子13は、試料20の対物レンズ16が配置された側と反対側に配置されている。従って、試料20で発生した蛍光が、試料20を通過した後、偏光制御素子13に入射する。そして、偏光制御素子13と通過して、偏光状態が変化した蛍光がレンズ33で集光される。そして、レンズ33で集光された蛍光は、ピンホールフィルタ34に設けられているピンホール34aを介して検出器35で検出される。この場合、実施の形態1と同様に、試料20の分子の方向性に応じて、ピンホール34aを通過する光の光量が変化する。従って、実施の形態1、2と同様に、試料20の分子の方向性について、観察、分析、解析を行うことができる。さらに、実施の形態2と同様に、偏光制御素子13と偏光板15との切換え、並びに入射側偏光制御素子43と入射側偏光板45との切換えを行なう。すなわち、(入射側の3通り)×(検出側の3通り)の合計9通りの検出を行なう。これにより、実施の形態2と同様の効果を得ることができ、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。   Thus, the fluorescence from the sample 20 is separated from the laser light by the dichroic filter 37. Then, the fluorescence that has passed through the dichroic filter 37 passes through the polarization control element 13 as in the first and second embodiments. This polarization control element 13 is the same as in the first embodiment. Since the optical microscope 300 according to the present embodiment is a transmission illumination system, the polarization control element 13 is disposed on the opposite side of the sample 20 from the side on which the objective lens 16 is disposed. Therefore, the fluorescence generated in the sample 20 enters the polarization control element 13 after passing through the sample 20. Then, the fluorescence that has passed through the polarization control element 13 and whose polarization state has changed is collected by the lens 33. The fluorescence condensed by the lens 33 is detected by the detector 35 through the pinhole 34 a provided in the pinhole filter 34. In this case, as in the first embodiment, the amount of light passing through the pinhole 34a changes according to the directionality of the molecules of the sample 20. Therefore, as in the first and second embodiments, it is possible to observe, analyze, and analyze the directionality of the molecule of the sample 20. Further, similarly to the second embodiment, switching between the polarization control element 13 and the polarizing plate 15 and switching between the incident side polarization control element 43 and the incident side polarizing plate 45 are performed. That is, a total of nine types of detection (three types on the incident side) × (three types on the detection side) are performed. Thereby, the effect similar to Embodiment 2 can be acquired, and observation, analysis, and analysis from various viewpoints are attained.

なお、実施の形態2、3では直線偏光を試料20に照射するため、入射側偏光板45を用いたが、これに限られるものではない。例えば、レーザ光源11が、直線偏光を出射する場合は、入射側偏光板45は不要となる。なお、この場合、偏光面を所定の角度にするため、入射側1/2波長板を用いてもよい。入射側1/2波長板は、入射側偏光板45の代わりに用いられる。従って、回転機構44に入射側1/2波長板を取り付けることができる。入射側1/2波長板は、その光学軸、及び入射した光の偏光面に応じて、所定の角度だけ、偏光面を回転させる。従って、入射側1/2波長板の光学軸の角度を調整することによって、偏光面の角度を変化させることができる。よって、偏光面の角度を所望の角度にすることができる。例えば、異なる角度の入射側1/2波長板を2枚用意して、それらの一方のみを光路中に挿入してもよい。もちろん、光軸を回転中心として回転可能な入射側1/2波長板を用いてもよい。このように、入射側1/2波長板を用いることによって、光の利用効率を向上することができる。   In Embodiments 2 and 3, the incident-side polarizing plate 45 is used to irradiate the sample 20 with linearly polarized light. However, the present invention is not limited to this. For example, when the laser light source 11 emits linearly polarized light, the incident side polarizing plate 45 is not necessary. In this case, an incident-side half-wave plate may be used to set the polarization plane to a predetermined angle. The incident side half-wave plate is used instead of the incident side polarizing plate 45. Therefore, the incident side half-wave plate can be attached to the rotation mechanism 44. The incident-side half-wave plate rotates the polarization plane by a predetermined angle according to the optical axis and the polarization plane of the incident light. Therefore, the angle of the polarization plane can be changed by adjusting the angle of the optical axis of the incident-side half-wave plate. Therefore, the angle of the polarization plane can be set to a desired angle. For example, two incident-side half-wave plates having different angles may be prepared, and only one of them may be inserted into the optical path. Of course, an incident-side half-wave plate that can rotate around the optical axis may be used. Thus, the use efficiency of light can be improved by using the incident side half-wave plate.

また、レーザ光源11がランダム偏光等のような直線偏光以外の光を出射する場合、レーザ光源11の光を直線偏光にする偏光板を配置する。例えば、実施の形態2、3では、入射側偏光制御素子43のレーザ光源11側に光源側偏光子を配置する。すなわち、入射側偏光制御素子43とレーザ光源11との間に、光源側偏光子をさらに設ける。そして、光源側偏光子を通過して直線偏光となった光を入射側偏光制御素子43に入射させる。このようにすることによって、光源によらず、直線偏光を入射側偏光制御素子43に入射させることができる。もちろん、光源側偏光子の後段に、1/2波長板を配置して、偏光軸を調整してもよい。   In addition, when the laser light source 11 emits light other than linearly polarized light such as random polarized light, a polarizing plate that makes the light from the laser light source 11 linearly polarized light is disposed. For example, in the second and third embodiments, the light source side polarizer is arranged on the laser light source 11 side of the incident side polarization control element 43. That is, a light source side polarizer is further provided between the incident side polarization control element 43 and the laser light source 11. Then, light that has passed through the light source side polarizer and has become linearly polarized light is incident on the incident side polarization control element 43. In this way, linearly polarized light can be incident on the incident side polarization control element 43 regardless of the light source. Of course, a half-wave plate may be disposed after the light source side polarizer to adjust the polarization axis.

本発明の実施の形態1にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical microscope concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明にかかる光学顕微鏡に用いられる偏光制御素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the polarization control element used for the optical microscope concerning this invention. 対物レンズによって集光される光の偏光状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the polarization state of the light condensed with an objective lens. 試料で発生する光の振動方向を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the vibration direction of the light which generate | occur | produces in a sample. Y方向を向いた分子からの光を偏光制御素子を介して検出する場合について説明する図である。It is a figure explaining the case where the light from the molecule | numerator which faced the Y direction is detected through a polarization control element. Z方向を向いた分子からの光を偏光制御素子を介して検出する場合について説明する図である。It is a figure explaining the case where the light from the molecule | numerator which faced the Z direction is detected through a polarization control element. Y方向を向いた分子からの光を偏光板を介して検出する場合について説明する図である。It is a figure explaining the case where the light from the molecule | numerator which faced the Y direction is detected through a polarizing plate. Z方向を向いた分子からの光を偏光板を介して検出する場合について説明する図である。It is a figure explaining the case where the light from the molecule | numerator which faced the Z direction is detected through a polarizing plate. 変形例1にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization control element concerning the modification 1. 変形例2にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization control element concerning the modification 2. 変形例3にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization control element concerning the modification 3. 変形例4にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization control element concerning the modification 4. 変形例4にかかる偏光制御素子に用いられている位相板、及びマスクの構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the phase plate used for the polarization control element concerning the modification 4, and a mask. 本発明の実施の形態2にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical microscope concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical microscope concerning Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 レーザ光源、12 ビームエキスパンダ、13 偏光制御素子、14 回転機構、
15 偏光板、16 対物レンズ、17 ビームスプリッタ、
20 試料、21 XYステージ、
33 レンズ、34 ピンホールフィルタ、34a ピンホール、35 検出器、
36 コンデンサレンズ、37 ダイクロイックフィルタ、
43 入射側偏光制御素子、44 回転機構、45 偏光板、
51 PBS、52 ミラー、53 位相板
11 laser light source, 12 beam expander, 13 polarization control element, 14 rotation mechanism,
15 polarizing plate, 16 objective lens, 17 beam splitter,
20 samples, 21 XY stage,
33 lens, 34 pinhole filter, 34a pinhole, 35 detector,
36 condenser lens, 37 dichroic filter,
43 incident side polarization control element, 44 rotation mechanism, 45 polarizing plate,
51 PBS, 52 mirror, 53 phase plate

Claims (17)

光源と、
前記光源からの光ビームを集光して試料に照射する対物レンズと、
前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子と、
前記対物レンズよりも低いNAを有し、前記偏光制御素子を通過した光を集光するレンズと、
共焦点光学系を介して前記レンズで集光された光を検出する光検出器と、を備える光学顕微鏡。
A light source;
An objective lens for condensing the light beam from the light source and irradiating the sample;
A polarization control element that receives light generated by a light beam incident on the sample or reflected light reflected by the sample and gives a phase difference corresponding to an incident position;
A lens having a NA lower than that of the objective lens, and condensing light that has passed through the polarization control element;
An optical microscope comprising: a photodetector that detects light collected by the lens via a confocal optical system.
前記偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する偏光子を光路中に挿入する切換手段をさらに備える請求項1に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 1, further comprising switching means for removing the polarization control element from the optical path and inserting a polarizer that transmits only light of a specific polarization direction into the optical path. 前記光路中に挿入される偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とする請求項2に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 2, wherein an absorption axis or a reflection axis of a polarizer inserted in the optical path can be switched to a different angle. 前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、
前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されている請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。
A beam splitter that is disposed between the light source and the objective lens and separates incident light incident on the sample from the light source and outgoing light emitted from the sample in the direction of the objective lens;
The optical microscope according to claim 1, wherein the polarization control element is disposed between the beam splitter and the objective lens.
前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、
前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記検出器との間に配置されている請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。
A beam splitter that is disposed between the light source and the objective lens and separates incident light incident on the sample from the light source and outgoing light emitted from the sample in the direction of the objective lens;
The optical microscope according to claim 1, wherein the polarization control element is disposed between the beam splitter and the detector.
前記ビームスプリッタと前記光源との間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備える請求項5に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 5, further comprising an incident-side polarization control element that is disposed between the beam splitter and the light source and gives a phase difference according to an incident position. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向のみの光を透過する入射側偏光子を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備える請求項6に記載の光学顕微鏡。   7. The switching device according to claim 6, further comprising switching means for removing the incident-side polarization control element from the optical path and inserting an incident-side polarizer that transmits light only in a specific polarization direction between the beam splitter and the light source. Optical microscope. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備える請求項6に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 6, further comprising switching means for removing the incident side polarization control element from the optical path and inserting a half-wave plate between the beam splitter and the light source. 前記偏光制御素子が、前記試料の前記対物レンズが配置された側と反対側に配置され、
前記試料で発生した光が前記試料を透過し、前記偏光制御素子に入射することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。
The polarization control element is disposed on the opposite side of the sample on which the objective lens is disposed;
The optical microscope according to claim 1, wherein light generated in the sample passes through the sample and enters the polarization control element.
前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備える請求項9に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 9, further comprising an incident-side polarization control element that is disposed between the light source and the objective lens and provides a phase difference according to an incident position. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する入射側偏光子を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備える請求項10に記載の光学顕微鏡。   11. The switch according to claim 10, further comprising switching means for removing the incident-side polarization control element from the optical path and inserting an incident-side polarizer that transmits only light of a specific polarization direction between the light source and the objective lens. Optical microscope. 前記光路中に挿入される入射側偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とする請求項7又は11に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 7 or 11, wherein an absorption axis or a reflection axis of an incident-side polarizer inserted in the optical path can be switched to a different angle. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、1/2波長板を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備える請求項10に記載の光学顕微鏡。 The optical microscope according to claim 10 , further comprising switching means for removing the incident side polarization control element from the optical path and inserting a half-wave plate between the light source and the objective lens. 前記光源と前記入射側偏光制御素子との間に、特定の偏光方向の光のみを透過する光源側偏光子が配置されている請求項6、又は10に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 6, wherein a light source side polarizer that transmits only light in a specific polarization direction is disposed between the light source and the incident side polarization control element. 前記入射側偏光制御素子に入射する光ビームが直線偏光であることを特徴とする請求項6乃至14のいずれかに記載の光学顕微鏡。   15. The optical microscope according to claim 6, wherein the light beam incident on the incident side polarization control element is linearly polarized light. 前記試料で発生する光が、ラマン散乱光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光、コヒーレントストークスラマン散乱光、第2高調波、蛍光、第3高調波、蛍光、2光子蛍光、又は和周波であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の光学顕微鏡。   The light generated in the sample is Raman scattered light, coherent anti-Stokes Raman scattered light, coherent Stokes Raman scattered light, second harmonic, fluorescence, third harmonic, fluorescence, two-photon fluorescence, or sum frequency. The optical microscope according to claim 1, wherein the optical microscope is characterized in that: 光ビームを対物レンズによって、試料に集光して照射するステップと、
前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料からの反射光に対して、入射位置に応じた位相差を与えるステップと、
前記入射位置に応じた位相差を与えられた光を、前記対物レンズよりも低いNAのレンズで集光するステップと、
前記低いNAのレンズで集光された光を、共焦点光学系を介して検出するステップとを備える観察方法。
Condensing and irradiating the sample with a light beam by an objective lens;
Providing a phase difference corresponding to an incident position with respect to light generated by a light beam incident on the sample or reflected light from the sample;
Condensing light given a phase difference according to the incident position with a lens having a lower NA than the objective lens;
An observation method comprising: detecting light collected by the low NA lens through a confocal optical system.
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