JP5086765B2 - microscope - Google Patents

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Description

本発明は、顕微鏡、特に染色した試料を所定の波長の光により照明して、高い空間分解能で観察する高性能かつ高機能の新規な顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a microscope, and more particularly to a novel high-performance and high-performance microscope that illuminates a stained sample with light of a predetermined wavelength and observes the sample with high spatial resolution.

光学顕微鏡の技術は古く、種々のタイプの顕微鏡が開発されてきた。また、近年では、レーザ技術および電子画像技術をはじめとする周辺技術の進歩により、さらに高機能の顕微鏡システムが開発されている。   Optical microscope technology is old and various types of microscopes have been developed. In recent years, more advanced microscope systems have been developed due to advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology.

このような背景の中、複数波長の光で試料を照明することにより発する二重共鳴吸収過程を用いて、得られる画像のコントラストの制御のみならず化学分析も可能にした高機能な顕微鏡が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Against this background, we propose a highly functional microscope that not only controls the contrast of the resulting image but also enables chemical analysis using the double resonance absorption process that occurs when the sample is illuminated with light of multiple wavelengths. (For example, refer to Patent Document 1).

この顕微鏡は、二重共鳴吸収を用いて特定の分子を選択して、特定の光学遷移に起因する吸収および蛍光を観察するものである。この原理について、図9〜図12を参照して説明する。図9は、試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造を示すもので、先ず、図9に示す基底状態(S0状態)の分子がもつ価電子軌道の電子を波長λ1の光により励起して、図10に示す第1電子励起状態(S1状態)とする。次に、別の波長λ2の光により同様に励起して、図11に示す第2電子励起状態(S2状態)とする。この励起状態により、分子は蛍光あるいは燐光を発光して、図12に示すように基底状態に戻る。   This microscope selects a specific molecule using double resonance absorption and observes absorption and fluorescence resulting from a specific optical transition. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 9 shows the electronic structure of the valence orbital of the molecules constituting the sample. First, the electrons in the valence orbital of the molecule in the ground state (S0 state) shown in FIG. 9 are excited by light of wavelength λ1. Thus, the first electronic excitation state (S1 state) shown in FIG. 10 is assumed. Next, excitation is performed in the same manner with light of another wavelength λ2, and a second electron excitation state (S2 state) shown in FIG. 11 is obtained. In this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence and returns to the ground state as shown in FIG.

二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、図11の吸収過程や図12の蛍光や燐光の発光を用いて、吸収像や発光像を観察する。この顕微鏡法では、最初にレーザ光等により共鳴波長λ1の光で図10のように試料を構成する分子をS1状態に励起させるが、この際、単位体積内でのS1状態の分子数は、照射する光の強度が増加するに従って増加する。   In the microscope method using the double resonance absorption process, an absorption image and a light emission image are observed using the absorption process of FIG. 11 and the fluorescence and phosphorescence emission of FIG. In this microscope method, first, the molecules constituting the sample are excited to the S1 state as shown in FIG. 10 with light having a resonance wavelength λ1 by laser light or the like. At this time, the number of molecules in the S1 state within the unit volume is It increases as the intensity of light to be applied increases.

ここで、線吸収係数は、分子一個当りの吸収断面積と単位体積当たりの分子数との積で与えられるので、図11のような励起過程においては、続いて照射する共鳴波長λ2に対する線吸収係数は、最初に照射した波長λ1の光の強度に依存することになる。すなわち、波長λ2に対する線吸収係数は、波長λ1の光の強度で制御できることになる。このことは、波長λ1および波長λ2の2波長の光で試料を照射し、波長λ2による透過像を撮影すれば、透過像のコントラストは波長λ1の光で完全に制御できることを示している。   Here, since the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross section per molecule and the number of molecules per unit volume, in the excitation process as shown in FIG. 11, the linear absorption for the resonance wavelength λ2 that is subsequently irradiated. The coefficient depends on the intensity of the light having the wavelength λ1 irradiated first. That is, the linear absorption coefficient with respect to the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light with the wavelength λ1. This indicates that the contrast of the transmitted image can be completely controlled by the light of the wavelength λ1 when the sample is irradiated with the light of the two wavelengths of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 and a transmission image by the wavelength λ2 is taken.

また、図11の励起状態からの蛍光または燐光による脱励起過程が可能である場合には、その発光強度はS1状態にある分子数に比例する。したがって、蛍光顕微鏡として利用する場合にも画像コントラストの制御が可能となる。   Further, when a deexcitation process by fluorescence or phosphorescence from the excited state of FIG. 11 is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, image contrast can be controlled even when used as a fluorescence microscope.

さらに、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法は、上記の画像コントラストの制御のみならず、化学分析も可能である。すなわち、図9に示す最外殻価電子軌道は、各々の分子に固有のエネルギー準位を持つので、波長λ1は分子によって異なることになり、同時に波長λ2も分子固有のものとなる。   Furthermore, the microscopy using the double resonance absorption process can not only control the above-described image contrast but also perform chemical analysis. That is, since the outermost valence electron orbit shown in FIG. 9 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 differs depending on the molecule, and the wavelength λ2 is also unique to the molecule.

ここで、従来の単一波長で試料を照明する場合でも、ある程度特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察することが可能である。しかし、一般に、いくつかの分子は、吸収帯の波長領域が重複するため、単一波長で試料を照明する場合には、試料の化学組成の正確な同定までは不可能である。   Here, even when the sample is illuminated with a conventional single wavelength, it is possible to observe an absorption image or fluorescence image of a specific molecule to some extent. However, in general, some molecules have overlapping absorption band wavelength regions, so when illuminating a sample at a single wavelength, it is impossible to accurately identify the chemical composition of the sample.

これに対し、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、波長λ1および波長λ2の2波長により吸収あるいは発光する分子を限定するので、従来法よりも正確な試料の化学組成の同定が可能となる。また、価電子を励起する場合、分子軸に対して特定の電場ベクトルをもつ光のみが強く吸収されるので、波長λ1および波長λ2の偏光方向を決めて吸収または蛍光像を撮影すれば、同じ分子でも配向方向の同定まで可能となる。   On the other hand, in the microscope method using the double resonance absorption process, the molecules that absorb or emit light are limited by the two wavelengths of λ1 and λ2, so that the chemical composition of the sample can be identified more accurately than the conventional method. Become. In addition, when valence electrons are excited, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization direction of the wavelengths λ1 and λ2 is determined and an absorption or fluorescence image is taken, the same Even molecules can be used to identify the orientation direction.

また、最近では、二重共鳴吸収過程を用いて回折限界を超える高い空間分解能をもつ蛍光顕微鏡も提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Recently, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit using a double resonance absorption process has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).

図13は、分子における二重共鳴吸収過程の概念図で、S0の基底状態の分子が、波長λ1の光でS1の第1電子励起状態に励起され、さらに波長λ2の光でS2の第2電子励起状態に励起されている様子を示している。なお、図13はある種の分子のS2状態からの蛍光が極めて弱いことを示している。   FIG. 13 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule. A molecule in the ground state of S0 is excited to a first electronically excited state of S1 by light having a wavelength of λ1, and further a second of S2 by light having a wavelength of λ2. It shows a state of being excited in an electronically excited state. Note that FIG. 13 shows that the fluorescence from the S2 state of certain molecules is extremely weak.

図13に示すような光学的性質を持つ分子の場合には、極めて興味深い現象が起きる。図14は、図13と同じく二重共鳴吸収過程の概念図で、横軸のX軸は空間的距離の広がりを表わし、波長λ2の光を照射した空間領域A1と波長λ2の光が照射されない空間領域A0とを示している。   In the case of molecules having optical properties as shown in FIG. 13, a very interesting phenomenon occurs. FIG. 14 is a conceptual diagram of the double resonance absorption process as in FIG. 13, where the horizontal X-axis represents the spread of the spatial distance, and the light of the wavelength region λ2 and the spatial region A1 irradiated with the light of wavelength λ2 is not irradiated. A space area A0 is shown.

図14において、空間領域A0では波長λ1の光の励起によりS1状態の分子が多数生成され、その際に空間領域A0からは波長λ3で発光する蛍光が見られる。しかし、空間領域A1では、波長λ2の光を照射したため、S1状態の分子のほとんどが即座に高位のS2状態に励起されて、S1状態の分子は存在しなくなる。このような現象は、幾つかの分子により確認されている。これにより、空間領域A1では、波長λ3の蛍光は完全になくなり、しかもS2状態からの蛍光はもともとないので、空間領域A1では完全に蛍光自体が抑制され(蛍光抑制効果)、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。   In FIG. 14, a large number of molecules in the S1 state are generated by excitation of light of wavelength λ1 in the spatial region A0, and fluorescence emitted at wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the spatial region A1, since the light of wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher S2 state and no S1 state molecule exists. Such a phenomenon has been confirmed by several molecules. Thereby, in the spatial region A1, the fluorescence of the wavelength λ3 is completely lost, and the fluorescence from the S2 state is not originally present. Therefore, in the spatial region A1, the fluorescence itself is completely suppressed (fluorescence suppression effect), and only from the spatial region A0. Fluorescence will be emitted.

このことは、顕微鏡の応用分野から考察すると、極めて重要な意味を持っている。すなわち、従来の走査型レーザ顕微鏡等では、レーザ光を集光レンズによりマイクロビームに集光して観察試料上を走査するが、その際のマイクロビームのサイズは、集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界となり、原理的にそれ以上の空間分解能は期待できない。   This is extremely important when considered from the field of application of a microscope. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, a laser beam is condensed into a micro beam by a condensing lens and scanned on an observation sample. The size of the micro beam at that time is determined by the numerical aperture and wavelength of the condensing lens. The diffraction limit is determined by, and in principle, no further spatial resolution can be expected.

ところが、図14の場合には、波長λ1と波長λ2との2種類の光を、空間的に一部重ね合わせて蛍光領域を抑制すれば、例えば波長λ1の光の照射領域に着目すると、蛍光領域を集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界よりも狭くでき、実質的に空間分解能を向上させることが可能となる。以下、波長λ1の光をポンプ光、波長λ2の光をイレース光とも呼ぶ。したがって、この原理を利用することで、回折限界を超える二重共鳴吸収過程を利用した超解像顕微鏡、例えば超解像蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。   However, in the case of FIG. 14, if the fluorescent region is suppressed by spatially superimposing two types of light of wavelength λ1 and wavelength λ2, for example, if attention is paid to the irradiation region of light of wavelength λ1, fluorescence The region can be made narrower than the diffraction limit determined by the numerical aperture and wavelength of the condenser lens, and the spatial resolution can be substantially improved. Hereinafter, the light of wavelength λ1 is also called pump light, and the light of wavelength λ2 is also called erase light. Therefore, by using this principle, it becomes possible to realize a super-resolution microscope, for example, a super-resolution fluorescence microscope, that uses a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit.

特開平8−184552号公報JP-A-8-184552 特開2001−100102号公報JP 2001-100102 A

しかしながら、従来提案されている超解像顕微鏡にあっては、上述したように、ポンプ光およびイレース光として、波長の異なる2色のレーザ光を要する。例えば、代表的な色素分子であるローダミン6Gで染色された試料を観察する場合には、波長532nmのポンプ光と、波長600nmのイレース光とを要することになる。このため、この種の超解像顕微鏡にあっては、構成や調整等が複雑化することが懸念される。   However, the super-resolution microscope that has been proposed conventionally requires two-color laser beams having different wavelengths as the pump light and the erase light as described above. For example, when observing a sample stained with rhodamine 6G, which is a typical dye molecule, pump light having a wavelength of 532 nm and erase light having a wavelength of 600 nm are required. For this reason, in this type of super-resolution microscope, there is a concern that the configuration, adjustment, and the like are complicated.

例えば、波長の異なるポンプ光およびイレース光を顕微鏡対物レンズに導入するには、ダイクロイックミラー等の特殊な波長分散性素子を用いて、ポンプ光およびイレース光を、一方を反射、他方を透過させて、空間的に同軸に調整する必要がある。   For example, in order to introduce pump light and erase light having different wavelengths into a microscope objective lens, a special wavelength dispersive element such as a dichroic mirror is used to reflect one of the pump light and erase light and transmit the other. , Spatially need to be adjusted coaxially.

また、試料から発した蛍光を検出するには、検出器の前方に、ポンプ光およびイレース光をカットし、蛍光のみを透過する光学フィルタや分光素子を配置する必要がある。通常は、検出器の前方に、ポンプ光およびイレース光を確実にブロックできるノッチフィルタを配置するとともに、高強度のイレース光に対処するために、さらに蛍光波長だけを透過させるバンドパスフィルタを配置して、光源散乱光を確実にカットする必要がある。   In order to detect fluorescence emitted from the sample, it is necessary to dispose an optical filter or a spectroscopic element that cuts pump light and erase light and transmits only fluorescence in front of the detector. Normally, a notch filter that can reliably block the pump light and erase light is placed in front of the detector, and a bandpass filter that transmits only the fluorescence wavelength is placed to cope with high-intensity erase light. Therefore, it is necessary to reliably cut the scattered light from the light source.

さらに、顕微鏡対物レンズについても、波長の異なるポンプ光およびイレース光に対して色収差が生じないように設計する必要がある。   Furthermore, it is necessary to design the microscope objective lens so that chromatic aberration does not occur with respect to pump light and erase light having different wavelengths.

その他にも、例えば、反射ミラーについては、反射面にコーティングする光学薄膜を、ポンプ光やイレース光の単独光路で用いる場合には、使用波長で反射率が最適化するように設計する必要があり、共通光路で用いる場合には、異なる2波長に対して反射率が最適化するように設計する必要がある。このため、反射ミラーの設計・製作が面倒でコスト高になることが懸念されるとともに、照明光学系の組み立てに際しては、反射ミラーの種類を間違わないように、細心の注意を払って光路中に配置する必要があり、組み立てが面倒になることが懸念される。   In addition, for example, when using an optical thin film coated on the reflecting surface in a single optical path of pump light or erase light, it is necessary to design the reflecting mirror so that the reflectance is optimized at the wavelength used. When used in a common optical path, it is necessary to design the reflectivity to be optimized for two different wavelengths. For this reason, there is a concern that the design and production of the reflection mirror is cumbersome and costly, and when assembling the illumination optical system, pay careful attention to the type of reflection mirror in the optical path so as not to make a mistake. There is a concern that assembly will be troublesome.

したがって、上記の点に鑑みてなされた本発明の目的は、構成を簡単にできるとともに、組み立ても容易にでき、超解像効果を確実に発現できる顕微鏡を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention made in view of the above points is to provide a microscope that can be simplified in configuration, easily assembled, and can reliably exhibit a super-resolution effect.

上記目的を達成する請求項1に係る発明は、試料中の所望の分子を観察する顕微鏡であって、
前記分子を安定状態から第1励起状態に励起するポンプ光、および前記分子を前記第1励起状態から第2励起状態に励起するイレース光を出射する光源手段と、
該光源手段からの前記ポンプ光および前記イレース光を一部重ね合わせて前記試料に集光する光学系と、
該光学系により集光される前記ポンプ光および前記イレース光と前記試料とを相対的に移動させて前記試料を走査する走査手段と、
前記ポンプ光および前記イレース光の照射により前記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段と、を有し、
前記光源手段は、
前記ポンプ光として、前記試料に集光したときのフォトンフラックスが、前記分子の2光子吸収断面積をσtwo、蛍光寿命をτとしたとき、1/(τσtwo)1/2以上となる所定波長のパルス光を出射し、
前記イレース光として、前記ポンプ光と同一波長で、前記試料に集光したときのフォトンフラックスが1/(τσtwo)1/2未満となるパルス光を出射する、ように構成したことを特徴とするものである。
The invention according to claim 1 for achieving the above object is a microscope for observing a desired molecule in a sample,
Light source means for emitting pump light for exciting the molecule from a stable state to a first excited state, and erase light for exciting the molecule from the first excited state to a second excited state;
An optical system for partially superimposing the pump light and the erase light from the light source means and condensing the sample on the sample;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the pump light and the erase light collected by the optical system and the sample;
Detecting means for detecting a light response signal generated from the sample by irradiation of the pump light and the erase light, and
The light source means includes
As the pump light, the photon flux when focused on the sample is 1 / (τσ two ) 1/2 or more when the two-photon absorption cross section of the molecule is σ two and the fluorescence lifetime is τ. Emits pulsed light of wavelength,
The erase light is configured to emit a pulsed light having the same wavelength as the pump light and a photon flux when condensed on the sample is less than 1 / (τσ two ) 1/2. To do.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の顕微鏡において、
前記光源手段は、
前記ポンプ光として、パルス幅が1ナノ秒未満のパルス光を出射し、
前記イレース光として、パルス幅が1ナノ秒以上のパルス光を出射する、ように構成したことを特徴とするものである。
The invention according to claim 2 is the microscope according to claim 1,
The light source means includes
As the pump light, pulse light having a pulse width of less than 1 nanosecond is emitted,
The erase light is configured to emit pulsed light having a pulse width of 1 nanosecond or more.

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の顕微鏡において、
前記光源手段は、一つのレーザ光源を有し、
該レーザ光源から波高値の異なる前記ポンプ光および前記イレース光のパルス光を出射する、ように構成したことを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the microscope according to claim 1 or 2,
The light source means has one laser light source,
The pump light and the erase light pulse having different peak values are emitted from the laser light source.

請求項4に係る発明は、請求項1,2または3に記載の顕微鏡において、
前記光源手段は、前記イレース光の出射に先立って前記ポンプ光を出射する、ように構成したことを特徴とするものである。
The invention according to claim 4 is the microscope according to claim 1, 2, or 3,
The light source means is configured to emit the pump light prior to the emission of the erase light.

請求項5に係る発明は、請求項4に記載の顕微鏡において、
前記ポンプ光と前記イレース光との出射タイミングの差が、前記蛍光寿命よりも短い、ことを特徴とするものである。
The invention according to claim 5 is the microscope according to claim 4,
A difference in emission timing between the pump light and the erase light is shorter than the fluorescence lifetime.

請求項6に係る発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の顕微鏡において、
前記光源手段は、さらに、前記イレース光を空間変調する空間変調素子を有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to claim 6 is the microscope according to any one of claims 1 to 5,
The light source means further includes a spatial modulation element that spatially modulates the erase light.

請求項7に係る発明は、請求項6に記載の顕微鏡において、
前記空間変調素子は、前記イレース光が前記試料に中空状に集光されるように空間変調する、ことを特徴とするものである。
The invention according to claim 7 is the microscope according to claim 6,
The spatial modulation element performs spatial modulation so that the erase light is condensed in a hollow shape on the sample.

本発明によれば、ポンプ光およびイレース光として、同一波長で波高値の異なるパルス光を用いるので、構成を簡単にできるとともに、組み立ても容易にでき、超解像効果を確実に発現することができる。   According to the present invention, since the pulse light having the same wavelength and different peak values are used as the pump light and the erase light, the configuration can be simplified, the assembly can be easily performed, and the super-resolution effect can be surely exhibited. it can.

(本発明の概要)
先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明の概要について説明する。本発明の顕微鏡は、分光学的な蛍光抑制過程と2光子励起過程とを利用する。図1および図2は、蛍光抑制過程を説明するための図である。蛍光抑制過程においては、図1に示すように、例えばナノ秒のイレース光パルスを照射すると、蛍光は一挙に抑制されるように見える。しかし、この蛍光抑制効果は、図2に示すように、ピコ秒オーダのイレース光パルスでのS1状態からS2状態への励起・緩和過程の積み重なりとして理解することができる。
(Outline of the present invention)
First, prior to the description of the embodiments of the present invention, an outline of the present invention will be described. The microscope of the present invention utilizes a spectroscopic fluorescence suppression process and a two-photon excitation process. 1 and 2 are diagrams for explaining a fluorescence suppression process. In the fluorescence suppression process, as shown in FIG. 1, for example, when a nanosecond erase light pulse is irradiated, the fluorescence appears to be suppressed at once. However, as shown in FIG. 2, this fluorescence suppression effect can be understood as a stack of excitation / relaxation processes from the S1 state to the S2 state with an erase light pulse of the order of picoseconds.

図1および図2において、S1状態からS2状態への励起時間は、イレース光の強度に依存するが、大体、数ピコ秒である。また、緩和時間は、例えば数ピコから数十ピコ秒である。この時間スケールでの支配的な緩和過程は、S2状態からS1状態への無輻射過程であり、カーシャ(Kasha)の法則に従えば、90%程度の高い確率で生じる。しかし、残りの10%程度は、内部転換等により、基底状態へ無輻射で緩和する。   1 and 2, the excitation time from the S1 state to the S2 state is approximately several picoseconds, although it depends on the intensity of the erase light. The relaxation time is, for example, several picoseconds to several tens picoseconds. This dominant relaxation process on the time scale is a non-radiation process from the S2 state to the S1 state, and occurs with a high probability of about 90% according to Kasha's law. However, the remaining 10% is relaxed to the ground state without radiation by internal conversion or the like.

図1においては、この励起過程と緩和過程とを、ナノ秒の間に何サイクルも繰り返すので、結果としてS1状態をとる確率が減少し、分子蛍光が抑制される。換言すると、ナノ秒よりも短い、例えば、ピコ秒オーダの短い光パルスを照射しても、1サイクルしか上記の励起・緩和過程が生じないので、いくら高強度のイレース光を照射しても、蛍光抑制は殆ど起こらない。   In FIG. 1, this excitation process and relaxation process are repeated many cycles in nanoseconds. As a result, the probability of taking the S1 state is reduced, and molecular fluorescence is suppressed. In other words, even if a light pulse shorter than nanosecond, for example, a picosecond order, is irradiated, the above excitation / relaxation process occurs only for one cycle. There is almost no fluorescence suppression.

一方、ナノ秒よりも短い光パルスを照射すると、2光子吸収等の非線形効果が発現するようになり、基底状態から別の吸収過程が支配的になる。通常、S1状態からS2状態への励起波長は、S0状態からS1状態への励起波長と比較するとかなり長いので、イレース光強度が低い場合には、S0状態からS1状態への遷移は生じない。したがって、イレース光強度が低い場合には、蛍光発光は観測されない。しかし、近年開発が進んでいる尖頭値の高いフェムト秒のパルス光を照射すると、蛍光抑制を起すことなく、2光子吸収過程を誘導することができる。この原理を用いたのが、2光子顕微鏡法である。   On the other hand, when a light pulse shorter than nanosecond is irradiated, a nonlinear effect such as two-photon absorption appears, and another absorption process becomes dominant from the ground state. Usually, the excitation wavelength from the S1 state to the S2 state is considerably longer than the excitation wavelength from the S0 state to the S1 state, so that when the erase light intensity is low, the transition from the S0 state to the S1 state does not occur. Therefore, when the erase light intensity is low, no fluorescence emission is observed. However, irradiation with femtosecond pulsed light having a high peak value, which has been developed in recent years, can induce a two-photon absorption process without causing fluorescence suppression. This principle was used in two-photon microscopy.

この2光子吸収過程は、一般に、分子のS0状態からS1状態への励起エネルギーが、入射光の光子エネルギーに対して2倍の大きさを持つと、極めて効率的に起きる。しかも、このとき、S1状態からS2状態への共鳴吸収バンドが存在しても、上記の理由で蛍光抑制の発現を無視することができる。   This two-photon absorption process generally occurs very efficiently when the excitation energy from the S0 state to the S1 state of the molecule is twice as large as the photon energy of the incident light. In addition, at this time, even if there is a resonance absorption band from the S1 state to the S2 state, the expression of fluorescence suppression can be ignored for the above reason.

この現象に着目すると、分子のS0状態からS1状態への励起エネルギーが、入射光の光子エネルギーに対して2倍の大きさを持ち、かつ、S1状態からS2状態への共鳴吸収バンドにも共鳴する場合には、1色の照明光による超解像顕微鏡法が可能となる。   Focusing on this phenomenon, the excitation energy from the S0 state to the S1 state of the molecule is twice as large as the photon energy of the incident light, and it also resonates in the resonance absorption band from the S1 state to the S2 state. In this case, super-resolution microscopy with one color illumination light is possible.

この現象を時間領域で見ると、別の考察が可能となる。例えば、図3に示すように、時間領域でナノ秒のパルスと、尖頭値(波高値)の高いフェムト秒のパルスとを融合すると、2光子過程と蛍光抑制過程とが時間領域で切り分けられて、各々の時間領域で強く発現する。すなわち、尖頭値の高いフェムト秒オーダのパルスが照射された瞬間では、2光子過程による蛍光発光が観測され、それ以外の尖頭値の低いナノ秒オーダのパルスが照射された時間領域では蛍光抑制が起きる。   Looking at this phenomenon in the time domain, another consideration is possible. For example, as shown in FIG. 3, when a nanosecond pulse and a femtosecond pulse with a high peak value (crest value) are fused in a time domain, a two-photon process and a fluorescence suppression process are separated in the time domain. It is strongly expressed in each time domain. That is, at the moment when a femtosecond order pulse with a high peak value is irradiated, fluorescence emission due to a two-photon process is observed, and in the time domain when a nanosecond order pulse with a low peak value is irradiated, Suppression occurs.

例えば、ローダミン6Gの場合は、パルス幅1ps、尖頭値1GW/cm2程度のパルス光で2光子過程を起すことができ、パルス幅10ns、尖頭値10MW/cm2程度のパルス光で蛍光抑制効果を誘導することができる。したがって、例えば、S1状態の励起寿命内で、先ず、尖頭値の高い例えばピコ秒以下の極短パルス光(以下、適宜、ショートパルスポンプ光とも言う)を試料に照射し、その後、ショートパルスポンプ光の照射から連続して、尖頭値の低い例えばナノ秒オーダのロングパルス光(以下、適宜、ロングパルスイレース光とも言う)を試料に照射すれば、ショートパルスポンプ光の照射による励起で発生した蛍光を抑制することができる。すなわち、試料に照射するレーザパルス波形を、時間領域で波形制御することにより、1色(単一波長)の光を用いる超解像顕微鏡を構成することが可能となる。 For example, in the case of rhodamine 6G, a two-photon process can be caused by a pulsed light having a pulse width of 1 ps and a peak value of about 1 GW / cm 2 , and fluorescence is generated by a pulsed light having a pulse width of 10 ns and a peak value of about 10 MW / cm 2. An inhibitory effect can be induced. Therefore, for example, within the excitation lifetime of the S1 state, first, the sample is irradiated with a very short pulse light having a high peak value, for example, picosecond or less (hereinafter also referred to as short pulse pump light as appropriate), and then the short pulse is irradiated. If the sample is irradiated with long pulse light with a low peak value, for example, nanosecond order (hereinafter also referred to as long pulse erase light as appropriate) after pump light irradiation, excitation by irradiation with short pulse pump light is possible. The generated fluorescence can be suppressed. That is, by controlling the waveform of the laser pulse applied to the sample in the time domain, a super-resolution microscope that uses light of one color (single wavelength) can be configured.

図4は、1色の光を用いて超解像顕微鏡を構成する場合のショートパルスポンプ光およびロングパルスイレース光の波形制御を説明する模式図である。図4に示すように、ショートパルスポンプ光は、通常のガウシアンビームに整形して、反射ミラー1およびビームコンバイナ2を経て顕微鏡対物レンズ(図示せず)に入射させる。また、ロングパルスイレース光は、顕微鏡対物レンズにより輪帯状に集光されるように、空間変調素子3により空間変調して、ビームコンバイナ2によりショートパルスポンプ光と同軸上に合成して顕微鏡対物レンズに入射させる。   FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the waveform control of the short pulse pump light and the long pulse erase light when a super-resolution microscope is configured using one color of light. As shown in FIG. 4, the short pulse pump light is shaped into a normal Gaussian beam and incident on a microscope objective lens (not shown) through the reflection mirror 1 and the beam combiner 2. Further, the long pulse erase light is spatially modulated by the spatial modulation element 3 so as to be condensed in a ring shape by the microscope objective lens, and is synthesized coaxially with the short pulse pump light by the beam combiner 2 to be a microscope objective lens. To enter.

これにより、試料面において、ショートパルスポンプ光だけが集光する集光点中央部の領域では、2光子吸収過程により強い蛍光が放出され、ロングパルスイレース光が重複して照射される領域、すなわち集光したポンプ光の辺縁部では、蛍光が抑制される。このように、1色の光を用い、そのレーザパルス波形を、時間領域で適切に制御して試料に照射することにより、従来提案されている2波長のレーザ光を用いる場合と同様の超解像効果が期待できる。   Thereby, on the sample surface, in the central region of the focal point where only the short pulse pump light is collected, strong fluorescence is emitted by the two-photon absorption process, that is, the region where the long pulse erase light is irradiated in duplicate. Fluorescence is suppressed at the edge of the collected pump light. In this way, by using one color of light and appropriately irradiating the sample with its laser pulse waveform in the time domain, the same super solution as in the case of using a conventionally proposed two-wavelength laser beam is used. An image effect can be expected.

ここで、ある波長の光を試料に照射したときに、2光子励起に寄与する光および蛍光抑制に寄与する光は、照射する光のフォトンフラックス(Ie)に依存する。例えば、レーザ光を所定の分子に照射したとき、どれぐらい蛍光が抑制されるかを示す割合(Dip-ratio)をR(Ie)とすると、このR(Ie)は、下記の(1)式により、近似的に求めることができる(例えば、文献「Opt.Eng.vol.44(2005)033602」参照)。   Here, when the sample is irradiated with light of a certain wavelength, the light contributing to two-photon excitation and the light contributing to fluorescence suppression depend on the photon flux (Ie) of the irradiated light. For example, when a ratio (Dip-ratio) indicating how much fluorescence is suppressed when a predetermined molecule is irradiated with laser light is R (Ie), this R (Ie) is expressed by the following equation (1). Can be obtained approximately (see, for example, the document “Opt.Eng.vol.44 (2005) 033602”).

Figure 0005086765
Figure 0005086765

上記(1)式によれば、Ieが無限大の極限ではR(Ie)は1となり、この状態では、2光子励起が支配的となって蛍光抑制が起こらないことがわかる。   According to the above equation (1), R (Ie) is 1 in the limit where Ie is infinite, and in this state, it is understood that two-photon excitation is dominant and fluorescence suppression does not occur.

上記(1)を微分すると、Ie=1/(τσtwo)1/2、すなわち臨界限度において、蛍光抑制が働いたときの分子からの蛍光強度R(Ie)は、下記の(2)式で表される最小値を取り、蛍光抑制効果が最大に発現する。 Differentiating (1) above, Ie = 1 / (τσ two ) 1/2 , that is, the fluorescence intensity R (Ie) from the molecule when fluorescence suppression is activated at the critical limit, is expressed by the following equation (2): The minimum value represented is taken and the fluorescence suppression effect is maximized.

Figure 0005086765
Figure 0005086765

以上のことから、2光子励起が有効に機能し始めるのは、試料に集光したときのフォトンフラックスが、Ie=1/(τσtwo)1/2以上であり、Ie=1/(τσtwo)1/2未満では、2光子励起の効率が悪く、かつ蛍光抑制効果が効果的に働くため、分子はイレース光励起により発光しない。すなわち、Ie=1/(τσtwo)1/2未満の状態では、蛍光抑制機能が優先する。 From the above, the two-photon excitation begins to function effectively because the photon flux when focused on the sample is Ie = 1 / (τσ two ) 1/2 or more, and Ie = 1 / (τσ two If the ratio is less than 1/2 , the efficiency of two-photon excitation is poor and the fluorescence suppression effect works effectively. That is, in the state of less than Ie = 1 / (τσ two ) 1/2 , the fluorescence suppression function has priority.

例えば、ローダミン6Gでは、照明光の波長が750nmにおいて、σtwoは2×10-48cm4s、σdipは10-18cm2、τは3.75nsである。このときの臨界強度は、ほぼ1.2×1028cm-2s-1となる。したがって、臨界強度未満の、例えば、Ie=8.2×1027cm-2s-1の条件では、R(Ie)は0.04となるので、この場合の照明光は、イレース光として機能する。また、これよりもフォトンフラックスが一桁大きく、かつ臨界強度よりも大きい、例えば、Ie=5×1029cm-2s-1では、R(Ie)は0.5となる。この条件では、分子は2光子で発光するので、この場合の照明光は、ポンプ光として機能する。このように、波長750nmの照明光は、ローダミン6Gに対しては、フォトンフラックスがIe=1/(τσtwo)1/2を境にして、ポンプ光とイレース光とに機能が分かれる。 For example, in Rhodamine 6G, when the wavelength of illumination light is 750 nm, σ two is 2 × 10 −48 cm 4 s, σ dip is 10 −18 cm 2 , and τ is 3.75 ns. The critical strength at this time is approximately 1.2 × 10 28 cm −2 s −1 . Therefore, under the condition of less than the critical intensity, for example, Ie = 8.2 × 10 27 cm −2 s −1 , R (Ie) is 0.04, and the illumination light in this case functions as erase light. In addition, when the photon flux is an order of magnitude larger than this and larger than the critical strength, for example, Ie = 5 × 10 29 cm −2 s −1 , R (Ie) is 0.5. Under this condition, the molecule emits light with two photons, and the illumination light in this case functions as pump light. As described above, the illumination light having a wavelength of 750 nm has a function of pump light and erase light with respect to rhodamine 6G, with a photon flux of Ie = 1 / (τσ two ) 1/2 as a boundary.

また、蛍光検出可能なS1状態の分子を2光子励起により生成するためには、ナノ秒以下の短パルス光の励起照射で十分であるが(例えば、文献「Opt.Eng.vol.44(2005)033602」参照)、S1状態の分子をS2状態に励起して効率的に蛍光を抑制するためには、励起過程が安定状態として平衡するナノ秒以上の長い時間の照射を要する。これらのことが、ポンプ光およびイレース光の照射時間の目安となる。   Further, in order to generate a fluorescence-detectable molecule in the S1 state by two-photon excitation, excitation irradiation with a short pulse light of nanosecond or less is sufficient (for example, the document “Opt. Eng. Vol. 44 (2005 ) 033602)), in order to efficiently suppress the fluorescence by exciting the molecule in the S1 state to the S2 state, irradiation for a long time of nanosecond or more is required to equilibrate the excitation process as a stable state. These serve as a guide for the irradiation time of the pump light and the erase light.

以下、本発明の実施の形態について、ローダミン6Gにより染色された試料を観察する超解像顕微鏡を例にとって説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by taking a super-resolution microscope for observing a sample stained with rhodamine 6G as an example.

ここで、ローダミン6Gは、水中では、例えば図5に示すように、S0の基底状態からS1状態への吸収波長領域が、波長530nmを中心励起波長として、波長480nmから波長540nmまで広がっている。また、蛍光バンドは、波長560nmを中心に、波長540nmから波長600nmの波長領域に広がっている。さらに、S1状態からS2状態への吸収バンドは、500nmより長波長から800nm近傍までの比較的広い領域に展開している。なお、図5において、横軸は波長(nm)を示し、縦軸は吸収率・蛍光効率を示している。   Here, in Rhodamine 6G, in water, for example, as shown in FIG. 5, the absorption wavelength region from the ground state of S0 to the S1 state extends from a wavelength of 480 nm to a wavelength of 540 nm with a wavelength of 530 nm as a central excitation wavelength. Further, the fluorescence band spreads over a wavelength region from a wavelength of 540 nm to a wavelength of 600 nm, centering on a wavelength of 560 nm. Furthermore, the absorption band from the S1 state to the S2 state develops in a relatively wide region from a wavelength longer than 500 nm to around 800 nm. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the absorptance / fluorescence efficiency.

ところが、近年では、波長740nm〜840nmを中心とする近赤外の領域において、2光子励起過程によりS0状態からS1状態への吸収が可能な蛍光スペクトルが観測されている(例えば、文献「A.Fischer.et.al.Appl.Opt.34.1989(1995)」参照)。その一方で、ナノ秒レーザを用いた2波長蛍光分光法では、上記の波長領域において、S1状態からS2状態への吸収による蛍光抑制効果が確認されている。   However, in recent years, a fluorescence spectrum that can be absorbed from the S0 state to the S1 state by a two-photon excitation process has been observed in the near-infrared region centered at a wavelength of 740 nm to 840 nm (for example, reference “A. Fischer.et.al.Appl.Opt.34.1989 (1995) ”). On the other hand, in the two-wavelength fluorescence spectroscopy using a nanosecond laser, the fluorescence suppression effect by absorption from the S1 state to the S2 state has been confirmed in the above wavelength region.

そこで、以下に説明する本発明の実施の形態にかかる超解像顕微鏡では、波長775nmのレーザ光を、ポンプ光およびイレース光として用いる。   Therefore, in the super-resolution microscope according to the embodiment of the present invention described below, laser light having a wavelength of 775 nm is used as pump light and erase light.

(第1実施の形態)
図6は、本発明の第1実施の形態に係る超解像顕微鏡の要部の概略構成図である。本実施の形態は、2台のファイバレーザ光源11および21を用いて、ポンプ光およびイレース光を生成する。
(First embodiment)
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a main part of the super-resolution microscope according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, pump light and erase light are generated using two fiber laser light sources 11 and 21.

ファイバレーザ光源11は、半導体レーザ12、コリメータレンズ13、カップリングレンズ14、ファイバ増幅器15、カップリングレンズ16および倍波結晶素子17を有して構成する。半導体レーザ12は、波長900nmの赤外光を出射する赤外半導体レーザを用い、この半導体レーザ12から出射されたレーザ光を、コリメータレンズ13により平行光にした後、カップリングレンズ14を経てファイバ増幅器15に導入する。   The fiber laser light source 11 includes a semiconductor laser 12, a collimator lens 13, a coupling lens 14, a fiber amplifier 15, a coupling lens 16, and a harmonic wave crystal element 17. The semiconductor laser 12 uses an infrared semiconductor laser that emits infrared light having a wavelength of 900 nm. The laser light emitted from the semiconductor laser 12 is converted into parallel light by a collimator lens 13 and then passed through a coupling lens 14 and a fiber. Introduced into the amplifier 15.

ファイバ増幅器15は、レーザ活性媒質として、例えばエルビウムイオンをドープした、コア直径が2μm程度、長さが10mm程度のファイバ増幅器を用い、このファイバ増幅器15に半導体レーザ12からの波長900nmの赤外レーザ光を導入することにより、波長1.55μmのシングルモードのレーザ光を光増幅して出射させる。なお、ファイバ増幅器15は、そのコア構造や長さを最適化することにより、ファイバ端から100W〜数十kWの出力のレーザ光を出射することが可能である。   The fiber amplifier 15 uses, as a laser active medium, a fiber amplifier doped with, for example, erbium ions and having a core diameter of about 2 μm and a length of about 10 mm. An infrared laser having a wavelength of 900 nm from the semiconductor laser 12 is used as the fiber amplifier 15. By introducing light, a single mode laser beam having a wavelength of 1.55 μm is amplified and emitted. The fiber amplifier 15 can emit laser light having an output of 100 W to several tens of kW from the fiber end by optimizing its core structure and length.

ファイバ増幅器15から出射される波長1.55μmのレーザ光は、カップリングレンズ16を経て倍波結晶素子17に入射させて倍波変換し、これにより倍波結晶素子17から波長775nmのレーザ光を出射させる。   The laser light having a wavelength of 1.55 μm emitted from the fiber amplifier 15 is incident on the harmonic crystal element 17 through the coupling lens 16 and is subjected to double wave conversion, whereby the laser light having a wavelength of 775 nm is converted from the harmonic crystal element 17. Let it emit.

一方、ファイバレーザ光源21は、ファイバレーザ光源11と同様に、半導体レーザ22、コリメータレンズ23、カップリングレンズ24、ファイバ増幅器25、カップリングレンズ26および倍波結晶素子27を有して構成して、倍波結晶素子27から波長775nmのレーザ光を出射させる。   On the other hand, the fiber laser light source 21 includes a semiconductor laser 22, a collimator lens 23, a coupling lens 24, a fiber amplifier 25, a coupling lens 26, and a harmonic wave crystal element 27, similarly to the fiber laser light source 11. Then, a laser beam having a wavelength of 775 nm is emitted from the double wave crystal element 27.

本実施の形態では、ファイバレーザ光源11の半導体レーザ12を、制御部31によりパルスジェネレータ32を介して駆動して、半導体レーザ12から図3に示したようにフェムト秒オーダの時間幅を有するショートパルス光を出射させ、これにより倍波結晶素子17から波長775nmの尖頭値(波高値)の高いポンプ光を出射させる。   In the present embodiment, the semiconductor laser 12 of the fiber laser light source 11 is driven by the control unit 31 via the pulse generator 32, and the short circuit having the time width of the femtosecond order as shown in FIG. Pulse light is emitted, and thereby pump light having a high peak value (peak value) having a wavelength of 775 nm is emitted from the harmonic crystal element 17.

また、ファイバレーザ光源21の半導体レーザ22は、制御部31によりパルスジェネレータ33を介して、ファイバレーザ光源11の半導体レーザ12と同期して駆動して、半導体レーザ22から図3に示したようにナノ秒オーダの時間幅を有するロングパルス光を出射させ、これにより倍波結晶素子27から波長775nmの尖頭値(波高値)の低いイレース光を出射させる。   Further, the semiconductor laser 22 of the fiber laser light source 21 is driven by the control unit 31 via the pulse generator 33 in synchronization with the semiconductor laser 12 of the fiber laser light source 11, and the semiconductor laser 22 as shown in FIG. Long pulse light having a time width on the order of nanoseconds is emitted, and thereby, erase light with a low peak value (peak value) having a wavelength of 775 nm is emitted from the harmonic crystal element 27.

ファイバレーザ光源11から出射されるポンプ光は、反射光学素子34、ビームコンバイナ35、ハーフミラー36および顕微鏡対物レンズ37を経て、走査ステージ38上の試料39に集光し、これにより試料39内の所望の分子(ここでは、ローダミン6G)を励起する。   The pump light emitted from the fiber laser light source 11 passes through the reflective optical element 34, the beam combiner 35, the half mirror 36 and the microscope objective lens 37, and is condensed on the sample 39 on the scanning stage 38. A desired molecule (here, rhodamine 6G) is excited.

また、ファイバレーザ光源21から出射されるイレース光は、空間変調素子であるスパイラル位相板41により中空ビームが形成されるように位相変調した後、反射ミラー42を経てビームコンバイナ35によりポンプ光と空間的に同軸に合成して、ハーフミラー36および顕微鏡対物レンズ37を経て、走査ステージ38上の試料39に集光する。   Further, the erase light emitted from the fiber laser light source 21 is phase-modulated so that a hollow beam is formed by a spiral phase plate 41 which is a spatial modulation element, and then passes through a reflection mirror 42 and pump light and space by a beam combiner 35. Then, they are synthesized coaxially, and condensed on a sample 39 on a scanning stage 38 through a half mirror 36 and a microscope objective lens 37.

ビームコンバイナ35は、ポンプ光の偏光方向とイレース光の偏光方向とが直交する場合には、偏光ビームスプリッタにより構成して、ポンプ光とイレース光とを空間的に同軸に合成する。また、スパイラル位相板41は、例えば、図7に拡大平面図を示すように、石英基板の中央部を光軸対称に8角形状に8分割し、その8分割した領域を、イレース光の例えば中心波長に対して、位相差が光軸の周りに2πで周回するように、λ/8ずつ位相を異ならせて階段状にエッチングして形成する。このスパイラル位相板41をイレース光が通過すると、光軸対象位置では位相が反転しているので、顕微鏡対物レンズ37により集光すると中空ビームとなる。   When the polarization direction of the pump light and the polarization direction of the erase light are orthogonal to each other, the beam combiner 35 is configured by a polarization beam splitter and synthesizes the pump light and the erase light spatially coaxially. In addition, the spiral phase plate 41, for example, as shown in an enlarged plan view in FIG. 7, the central portion of the quartz substrate is divided into eight octagonal shapes symmetrical with respect to the optical axis, and the divided area is divided into, for example, erase light. Etching is performed in a staircase pattern with a phase difference of λ / 8 so that the phase difference rotates around the optical axis by 2π with respect to the center wavelength. When erase light passes through the spiral phase plate 41, the phase is inverted at the target position of the optical axis.

走査ステージ38は、試料39へのポンプ光およびイレース光の照射に同期して、制御部31により、顕微鏡対物レンズ37の光軸と直交する平面内で2次元移動し、これにより試料39をポンプ光およびイレース光で2次元走査する。   The scanning stage 38 is two-dimensionally moved in a plane orthogonal to the optical axis of the microscope objective lens 37 by the control unit 31 in synchronization with the irradiation of the pump light and the erase light onto the sample 39, thereby pumping the sample 39. Two-dimensional scanning with light and erase light.

一方、ポンプ光およびイレース光の照射により、試料39から発生する蛍光(光応答信号)は、顕微鏡対物レンズ37およびハーフミラー36を経てショートパスフィルタ43に入射させ、ここでポンプ光およびイレース光をブロックし、蛍光のみをプロジェクションレンズ44に導いて光電子増倍管45で受光する。この光電子増倍管45の出力は、図示しないコンピュータに取り込んで、2次元蛍光画像を得る。なお、ローダミン6Gの蛍光帯は、波長555nmをピークとして、前後40nm程度のバンドを有するので、ショートパスフィルタ43は、例えば波長600nm以上の長波長側をカットするように構成して、波長775nmのポンプ光またはイレース光の散乱光が光電子増倍管45に入射しないようにする。   On the other hand, the fluorescence (light response signal) generated from the sample 39 by the irradiation of the pump light and the erase light is incident on the short pass filter 43 through the microscope objective lens 37 and the half mirror 36, where the pump light and the erase light are made to enter. The light is blocked, and only the fluorescence is guided to the projection lens 44 and received by the photomultiplier tube 45. The output of the photomultiplier tube 45 is taken into a computer (not shown) to obtain a two-dimensional fluorescence image. Since the fluorescence band of rhodamine 6G has a band of about 40 nm before and after peaking at a wavelength of 555 nm, the short pass filter 43 is configured to cut the long wavelength side of, for example, a wavelength of 600 nm or more, and has a wavelength of 775 nm. The scattered light of pump light or erase light is prevented from entering the photomultiplier tube 45.

したがって、図6に示す超解像顕微鏡は、2台のファイバ光源11,21を含んで光源手段を構成し、ビームコンバイナ35、ハーフミラー36および顕微鏡対物レンズ37を含んで光学系を構成し、走査ステージ38を含んで走査手段を構成し、さらに、ショートパスフィルタ43、プロジェクションレンズ44および光電子増倍管45を含んで検出手段を構成している。   Therefore, the super-resolution microscope shown in FIG. 6 constitutes a light source means including two fiber light sources 11 and 21, and constitutes an optical system including a beam combiner 35, a half mirror 36 and a microscope objective lens 37, The scanning unit includes the scanning stage 38, and further includes the short-pass filter 43, the projection lens 44, and the photomultiplier tube 45 to configure the detecting unit.

本実施の形態におけるように、ローダミン6Gにより染色された試料を観察する場合、波長775nmの光を用いた場合の2光子吸収断面積σtwo(λ)は、200×10-50cm4s程度である。また、この波長領域で、実質的にS1状態から蛍光抑制に寄与する蛍光抑制断面積σdip(λ)は、10-17cm2程度である。 When observing a sample stained with rhodamine 6G as in this embodiment, the two-photon absorption cross section σ two (λ) when using light with a wavelength of 775 nm is about 200 × 10 −50 cm 4 s. It is. In this wavelength region, the fluorescence suppression cross section σ dip (λ) that substantially contributes to fluorescence suppression from the S1 state is about 10 −17 cm 2 .

ここで、ポンプ光のパルス幅tを5psとした場合に、検出に必要なS1状態の分子を生成するための光子密度(フォトンフラックス:I)を見積もる。ローダミン6Gの1分子について、S1状態をとる確率をn(t)とすると、レート方程式は、下記の(3)式で表される。 Here, when the pulse width t of the pump light is 5 ps, the photon density (photon flux: I) for generating molecules in the S1 state necessary for detection is estimated. If the probability of taking the S1 state for one molecule of rhodamine 6G is n 1 (t), the rate equation is expressed by the following equation (3).

Figure 0005086765
Figure 0005086765

上記(3)式に、例えば、I=1029cm-2s-1を代入すると、n(t)は0.1となり、蛍光現象が飽和することなく、十分な蛍光強度が得られることが分かる。この光子密度は、顕微鏡対物レンズ37の開口数を1.4として集光する場合のポンプ光の強度に換算すると、85Wとなる。 For example, if I = 10 29 cm −2 s −1 is substituted into the above equation (3), n 1 (t) becomes 0.1, and sufficient fluorescence intensity can be obtained without saturation of the fluorescence phenomenon. I understand. This photon density is 85 W when converted to the intensity of the pump light when condensing with the numerical aperture of the microscope objective lens 37 being 1.4.

さらに、超解像機能の発現に必要なフォトンフラックス:Ieを見積もる。イレース光無照射時に対する蛍光強度の比R(Dip-Ratio)は、下記の(4)式で与えられる。   Furthermore, the photon flux: Ie necessary for the expression of the super-resolution function is estimated. The ratio R (Dip-Ratio) of the fluorescence intensity with no erase light is given by the following equation (4).

Figure 0005086765
Figure 0005086765

ここで、ローダミン6GのS1状態における蛍光寿命τは、例えばメタノール中で3.75nsであるので、イレース光のパルス幅を3.75ns以上に設定し、例えば、Ie=1026cm-2s-1と仮定すると、R=0.21となる。この値は、超解像効果を発現するのに十分なフォトンフラックスである。このフォトンフラックスを、同様に、顕微鏡対物レンズ37の開口数を1.4として集光する場合のイレース光の強度に換算すると、340mWとなる。このイレース光強度であれば、上記(3)式のn(t)は8×10−5となり、イレース光自体の2光子励起による発光は、完全に無視することができる。 Here, since the fluorescence lifetime τ in the S1 state of rhodamine 6G is 3.75 ns in methanol, for example, the pulse width of the erase light is set to 3.75 ns or more, for example, Ie = 10 26 cm −2 s Assuming 1 , R = 0.21. This value is a photon flux sufficient to develop a super-resolution effect. Similarly, when this photon flux is converted into the intensity of erase light when condensing with the numerical aperture of the microscope objective lens 37 being 1.4, it becomes 340 mW. With this erase light intensity, n 1 (t) in the above equation (3) is 8 × 10 −5 , and light emission due to two-photon excitation of the erase light itself can be completely ignored.

なお、上記のポンプ光およびイレース光のそれぞれの強度は、対応する半導体レーザ12,22自体から出射するパルス光の尖頭値(波高値)および/または対応するファイバ増幅器15,25のコア構造や長さを適切に制御して設定する。   The intensities of the pump light and erase light described above are the peak value (peak value) of the pulsed light emitted from the corresponding semiconductor lasers 12 and 22 and / or the core structure of the corresponding fiber amplifiers 15 and 25, respectively. Set the length appropriately controlled.

以上のように、本実施の形態の超解像顕微鏡によれば、同一波長のポンプ光およびイレース光を用いるので、これらの光軸を同軸に合成するビームコンバイナとして、例えば両者の偏光方向を直交させることにより、ダイクロイックミラー等の高価な素子を用いることなく、安価な偏光ビームスプリッタを用いて合成することができる。また、ポンプ光およびイレース光の共通光路におけるハーフミラー36や顕微鏡対物レンズ37等の各光額素子の設計も容易になり、光学系全体のスループットを低下させることなく、収差を劇的に低減することが可能となる。   As described above, according to the super-resolution microscope of the present embodiment, since pump light and erase light having the same wavelength are used, as a beam combiner that synthesizes these optical axes coaxially, for example, the polarization directions of both are orthogonal to each other. By doing so, it is possible to synthesize using an inexpensive polarization beam splitter without using an expensive element such as a dichroic mirror. In addition, it becomes easy to design each optical element such as the half mirror 36 and the microscope objective lens 37 in the common optical path of the pump light and the erase light, and the aberration is dramatically reduced without reducing the throughput of the entire optical system. It becomes possible.

また、超解像顕微鏡の空間分解能は、下記の(5)式で与えられることが知られている(例えば、文献「Opt.Eng.vol.44(2005)033602」)。   Further, it is known that the spatial resolution of the super-resolution microscope is given by the following equation (5) (for example, “Opt. Eng. Vol. 44 (2005) 033602”).

Figure 0005086765
Figure 0005086765

したがって、本実施の形態の場合、τ:3.75ns、σ:10-17cm2、Ie:1026cm-2s-1、λe:775nm、であるので、顕微鏡対物レンズ37の開口数(NA)を1.4として、空間分解能(Γ)を演算すると、ほぼ143nmとなる。これに対し、ポンプ光の単独照射、すなわち、波長775nmの2光子励起で得られる空間分解能は、レイリーの式(0.61×λ/NA)から、ほぼ338nmであるので、本実施の形態によれば、空間分解能を従来の顕微鏡の2倍以上も向上できる。 Therefore, in the present embodiment, τ: 3.75 ns, σ: 10 −17 cm 2 , Ie: 10 26 cm −2 s −1 , and λe: 775 nm. Therefore, the numerical aperture of the microscope objective lens 37 ( When NA) is 1.4 and the spatial resolution (Γ) is calculated, it is approximately 143 nm. On the other hand, the spatial resolution obtained by single irradiation of pump light, that is, two-photon excitation with a wavelength of 775 nm is approximately 338 nm from Rayleigh's equation (0.61 × λ / NA). According to this, the spatial resolution can be improved more than twice that of the conventional microscope.

(第2実施の形態)
図8は、本発明の第2実施の形態に係る超解像顕微鏡の要部の概略構成図である。本実施の形態は、波長755nmの赤外光を出射する1台の半導体レーザ51を用いて、ポンプ光およびイレース光を生成する。このため、制御部52の制御のもとに、パルスジェネレータ53から図3に示したような急峻な立ち上がりを有する駆動パルスを半導体レーザ51に供給して、半導体レーザ51を駆動する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a main part of a super-resolution microscope according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, pump light and erase light are generated using one semiconductor laser 51 that emits infrared light having a wavelength of 755 nm. Therefore, under the control of the control unit 52, a drive pulse having a steep rise as shown in FIG. 3 is supplied from the pulse generator 53 to the semiconductor laser 51 to drive the semiconductor laser 51.

このように、半導体レーザ51に急峻な立ち上がりを有する駆動パルスを供給すると、半導体レーザ51からは、発光の立ち上がりで、ピコ秒オーダの極めて狭い時間幅で、波長755nmの発光を含む発光チャープピークが現れる。その後は、波長755nmで安定したナノ秒オーダの波高値の低いロングパルスが現れる。このようなレーザ発光特性は、半導体レーザにおいて一般的な特性である。   In this way, when a driving pulse having a steep rise is supplied to the semiconductor laser 51, the emission chirp peak including emission at a wavelength of 755 nm is generated from the semiconductor laser 51 at the rise of emission with a very narrow time width on the order of picoseconds. appear. Thereafter, a long pulse with a peak value of nanosecond order stable at a wavelength of 755 nm appears. Such laser emission characteristics are general characteristics in semiconductor lasers.

半導体レーザ51から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ55により平行光にして、波長分散特性を有する非線形光学素子56に入射させる。非線形光学素子56は、尖頭値(波高値)の高いパルス入射光に対しては、光カー効果により偏光面を90度回転させて出射させ、尖頭値の低いパルス入射光に対しては、偏光面を回転させることなく出射させるように構成する。   Laser light emitted from the semiconductor laser 51 is collimated by a collimator lens 55 and is incident on a nonlinear optical element 56 having wavelength dispersion characteristics. The nonlinear optical element 56 emits light with a high peak value (crest value) by rotating the plane of polarization by 90 degrees due to the optical Kerr effect and emits light with a low peak value. The polarization plane is emitted without rotating.

すなわち、非線形光学素子56は、尖頭値の高いパルス光が入射した場合には、媒質内で高次の非線形光学効果を誘導して、瞬間的に媒質の屈折率分布を変化させ、これにより電気感受率すなわち電気的応力テンソルを変化させて、入射光の位相を著しく変化させて偏波面を90度回転して出射させ、尖頭値の低いパルス光が入射した場合には、通常の線形的な応答により、入射光を透過させるように、光の波長および強度に対して光学媒質の長さや材質を適切に構成する。このような非線形光学素子56は、通常の石英やプラスチックのような有機材を用いて簡単かつ安価に構成することができる。   That is, when a pulse light having a high peak value is incident, the nonlinear optical element 56 induces a higher-order nonlinear optical effect in the medium and instantaneously changes the refractive index distribution of the medium, thereby When the electric susceptibility, that is, the electrical stress tensor is changed, the phase of the incident light is changed significantly and the polarization plane is rotated by 90 degrees, and the pulse light having a low peak value is incident, the normal linearity The length and material of the optical medium are appropriately configured with respect to the wavelength and intensity of the light so that the incident light can be transmitted by a natural response. Such a nonlinear optical element 56 can be easily and inexpensively configured using an organic material such as ordinary quartz or plastic.

非線形光学素子56を出射したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ57に入射させて、例えば偏光面が回転されたショートパルスは偏光ビームスプリッタ57で反射させてポンプ光として出射させ、偏光面の回転を受けないロングパルスは偏光ビームスプリッタ57を透過させてイレース光として出射させる。したがって、本実施の形態の超解像顕微鏡は、半導体レーザ51、コリメータレンズ55、非線形光学素子56および偏光ビームスプリッタ57を含んで光源手段を構成している。   The laser light emitted from the nonlinear optical element 56 is incident on the polarization beam splitter 57. For example, a short pulse whose polarization plane is rotated is reflected by the polarization beam splitter 57 and emitted as pump light, and the rotation of the polarization plane is received. The long pulse that does not exist is transmitted through the polarization beam splitter 57 and emitted as erase light. Therefore, the super-resolution microscope according to the present embodiment includes the semiconductor laser 51, the collimator lens 55, the nonlinear optical element 56, and the polarization beam splitter 57 to constitute a light source means.

偏光ビームスプリッタ57から出射されるポンプ光は、第1実施の形態と同様に、反射光学素子34、ビームコンバイナ35、ハーフミラー36および顕微鏡対物レンズ37を経て、走査ステージ38上の試料39に集光し、これにより試料39内の所望の分子を励起する。   The pump light emitted from the polarization beam splitter 57 is collected on the sample 39 on the scanning stage 38 through the reflection optical element 34, the beam combiner 35, the half mirror 36, and the microscope objective lens 37 as in the first embodiment. The light is excited, thereby exciting the desired molecules in the sample 39.

また、偏光ビームスプリッタ57から出射されるイレース光は、反射光学素子61および62を経て、第1実施の形態と同様のスパイラル位相板41に入射させ、ここで中空ビームが形成されるように位相変調した後、反射ミラー42を経て偏光ビームスプリッタからなるビームコンバイナ35によりポンプ光と空間的に同軸に合成して、ハーフミラー36および顕微鏡対物レンズ37を経て、走査ステージ38上の試料39に集光する。   The erase light emitted from the polarization beam splitter 57 passes through the reflective optical elements 61 and 62 and is incident on the spiral phase plate 41 similar to that of the first embodiment, where the phase is set so that a hollow beam is formed. After modulation, the beam is combined with the pump light spatially coaxially by a beam combiner 35 including a polarizing beam splitter via a reflection mirror 42, and collected on a sample 39 on a scanning stage 38 via a half mirror 36 and a microscope objective lens 37. Shine.

走査ステージ38は、半導体レーザ51のパルス駆動に同期して、制御部52により、顕微鏡対物レンズ37の光軸と直交する平面内で2次元移動し、これにより試料39をポンプ光およびイレース光で2次元走査する。その他の構成および動作は、第1実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。   The scanning stage 38 is two-dimensionally moved in a plane orthogonal to the optical axis of the microscope objective lens 37 by the control unit 52 in synchronization with the pulse drive of the semiconductor laser 51, thereby moving the sample 39 with pump light and erase light. Two-dimensional scanning. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted here.

本実施の形態の超解像顕微鏡によれば、第1実施の形態と同様の効果が得られる他、1つの半導体レーザ51から出射されたレーザ光を、その尖頭値に応じて非線形光学素子56により偏光面を選択的に90度回転させて、偏光ビームスプリッタ57によりポンプ光とイレース光とに分離して出射させるようにしたので、第1実施の形態の場合よりも、光源手段をより簡単かつ安価に構成できる利点がある。   According to the super-resolution microscope of the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the laser light emitted from one semiconductor laser 51 is converted into a nonlinear optical element according to the peak value. Since the polarization plane is selectively rotated 90 degrees by 56 and separated into the pump light and the erase light by the polarization beam splitter 57, the light source means is made more than in the case of the first embodiment. There is an advantage that it can be configured easily and inexpensively.

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、走査ステージ17により試料18を2次元走査するようにしたが、同軸となったポンプ光とイレース光との光路中に、2枚の揺動ミラーを有する2次元のガルバノスキャナを配置して2次元走査するように構成したり、1次元の走査ステージと1次元のガルバノスキャナとを組み合わせて、2次元走査するように構成したり、することもできる。   In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, in the above embodiment, the sample 18 is two-dimensionally scanned by the scanning stage 17, but a two-dimensional mirror having two oscillating mirrors in the optical path between the pump light and the erase light that are coaxial. A galvano scanner can be arranged to perform two-dimensional scanning, or a one-dimensional scanning stage and a one-dimensional galvano scanner can be combined to perform two-dimensional scanning.

ナノ秒のイレース光パルスによる分子の蛍光抑制過程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fluorescence suppression process of the molecule | numerator by the nanosecond erase light pulse. ピコ秒のイレース光パルスによる分子の蛍光抑制過程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fluorescence suppression process of the molecule | numerator by the picosecond erase light pulse. 本発明の原理を説明する2光子過程と蛍光抑制過程とを示す図である。It is a figure which shows the two-photon process and fluorescence suppression process explaining the principle of this invention. 1色の光を用いて超解像顕微鏡を構成する場合のショートパルスポンプ光およびロングパルス光の波形制御を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining waveform control of short pulse pump light and long pulse light when a super-resolution microscope is configured using light of one color. ローダミン6Gを観察する場合の吸収波長帯域および蛍光バンドを示す図である。It is a figure which shows the absorption wavelength band and fluorescence band in the case of observing rhodamine 6G. 本発明の第1実施の形態に係る超解像顕微鏡の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the super-resolution microscope which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図6に示すスパイラル位相板の構成を示す拡大平面図である。It is an enlarged plan view which shows the structure of the spiral phase plate shown in FIG. 本発明の第2実施の形態に係る超解像顕微鏡の要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part of the super-resolution microscope which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the electronic structure of the valence orbit of the molecule | numerator which comprises a sample. 図9に示す分子の第1励起状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the 1st excitation state of the molecule | numerator shown in FIG. 図9に示す分子の第2励起状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the 2nd excitation state of the molecule | numerator shown in FIG. 図9に示す分子が第2励起状態から基底状態に戻る状態を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the state which the molecule | numerator shown in FIG. 9 returns to a ground state from a 2nd excitation state. 分子における二重共鳴吸収過程を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the double resonance absorption process in a molecule | numerator. 分子における二重共鳴吸収過程を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the double resonance absorption process in a molecule | numerator.

符号の説明Explanation of symbols

1 反射ミラー
2 ビームコンバイナ
3 空間変調素子
11,21 ファイバレーザ光源
12,22 半導体レーザ
13,23 コリメータレンズ
14,24 カップリングレンズ
15,25 ファイバ増幅器
16,26 カップリングレンズ
17,27 倍波結晶素子
31 制御部
32,33 パルスジェネレータ
34 反射光学素子
35 ビームコンバイナ
36 ハーフミラー
37 顕微鏡対物レンズ
38 走査ステージ
39 試料
41 スパイラル位相板
42 反射ミラー
43 ショートパスフィルタ
44 プロジェクションレンズ
45 光電子増倍管
51 半導体レーザ
52 制御部
53 パルスジェネレータ
55 コリメータレンズ
56 非線形光学素子
57 偏光ビームスプリッタ
61,62 反射光学素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reflection mirror 2 Beam combiner 3 Spatial modulation element 11, 21 Fiber laser light source 12, 22 Semiconductor laser 13, 23 Collimator lens 14, 24 Coupling lens 15, 25 Fiber amplifier 16, 26 Coupling lens 17, 27 Double wave crystal element DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 Control part 32, 33 Pulse generator 34 Reflective optical element 35 Beam combiner 36 Half mirror 37 Microscope objective lens 38 Scan stage 39 Sample 41 Spiral phase plate 42 Reflection mirror 43 Short pass filter 44 Projection lens 45 Photomultiplier tube 51 Semiconductor laser 52 Control unit 53 Pulse generator 55 Collimator lens 56 Non-linear optical element 57 Polarizing beam splitter 61, 62 Reflective optical element

Claims (7)

試料中の所望の分子を観察する顕微鏡であって、
前記分子を安定状態から第1励起状態に励起するポンプ光、および前記分子を前記第1励起状態から第2励起状態に励起するイレース光を出射する光源手段と、
該光源手段からの前記ポンプ光および前記イレース光を一部重ね合わせて前記試料に集光する光学系と、
該光学系により集光される前記ポンプ光および前記イレース光と前記試料とを相対的に移動させて前記試料を走査する走査手段と、
前記ポンプ光および前記イレース光の照射により前記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段と、を有し、
前記光源手段は、
前記ポンプ光として、前記試料に集光したときのフォトンフラックスが、前記分子の2光子吸収断面積をσtwo、蛍光寿命をτとしたとき、1/(τσtwo)1/2以上となる所定波長のパルス光を出射し、
前記イレース光として、前記ポンプ光と同一波長で、前記試料に集光したときのフォトンフラックスが1/(τσtwo)1/2未満となるパルス光を出射する、ように構成したことを特徴とする顕微鏡。
A microscope for observing a desired molecule in a sample,
Light source means for emitting pump light for exciting the molecule from a stable state to a first excited state, and erase light for exciting the molecule from the first excited state to a second excited state;
An optical system for partially superimposing the pump light and the erase light from the light source means and condensing the sample on the sample;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the pump light and the erase light collected by the optical system and the sample;
Detecting means for detecting a light response signal generated from the sample by irradiation of the pump light and the erase light, and
The light source means includes
As the pump light, the photon flux when focused on the sample is 1 / (τσ two ) 1/2 or more when the two-photon absorption cross section of the molecule is σ two and the fluorescence lifetime is τ. Emits pulsed light of wavelength,
The erase light is configured to emit a pulsed light having the same wavelength as the pump light and a photon flux when condensed on the sample is less than 1 / (τσ two ) 1/2. Microscope.
前記光源手段は、
前記ポンプ光として、パルス幅が1ナノ秒未満のパルス光を出射し、
前記イレース光として、パルス幅が1ナノ秒以上のパルス光を出射する、ように構成したことを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。
The light source means includes
As the pump light, pulse light having a pulse width of less than 1 nanosecond is emitted,
2. The microscope according to claim 1, wherein the erase light is configured to emit pulse light having a pulse width of 1 nanosecond or more.
前記光源手段は、一つのレーザ光源を有し、
該レーザ光源から波高値の異なる前記ポンプ光および前記イレース光のパルス光を出射する、ように構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡。
The light source means has one laser light source,
The microscope according to claim 1 or 2, wherein the pump light and the pulsed light of the erase light having different peak values are emitted from the laser light source.
前記光源手段は、前記イレース光の出射に先立って前記ポンプ光を出射する、ように構成したことを特徴とする請求項1,2または3に記載の顕微鏡。   The microscope according to claim 1, 2 or 3, wherein the light source means is configured to emit the pump light prior to the emission of the erase light. 前記ポンプ光と前記イレース光との出射タイミングの差が、前記蛍光寿命よりも短い、ことを特徴とする請求項4に記載の顕微鏡。   The microscope according to claim 4, wherein a difference in emission timing between the pump light and the erase light is shorter than the fluorescence lifetime. 前記光源手段は、さらに、前記イレース光を空間変調する空間変調素子を有する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の顕微鏡。   The microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein the light source means further includes a spatial modulation element that spatially modulates the erase light. 前記空間変調素子は、前記イレース光が前記試料に中空状に集光されるように空間変調する、ことを特徴とする請求項6に記載の顕微鏡。   The microscope according to claim 6, wherein the spatial modulation element spatially modulates the erase light so as to be condensed in a hollow shape on the sample.
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