JP5116100B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、材料や生体試料などの拡大画像を得るために使用される光学顕微鏡において、ベクトルビームによって形成される光軸方向の電場を用いて、光の回折限界を超えた空間分解能を有する顕微鏡に関するものである。

直線偏光あるいは円偏光ビームのように、ビーム断面で一様な偏光分布を持つ光ビームの偏光状態はスカラー量で表わされるため、これらの光ビームはスカラービームと呼ばれる。これに対して、ビーム断面で一様でない偏光分布を持つ光ビームの偏光状態は、ベクトル量で表すことができるため、ベクトルビームと呼ばれる。

ベクトルビームの代表例として、放射状の偏光分布を持つ径偏光ビームや、方位方向に平行な偏光成分だけから成る方位偏光ビームが知られている。

径偏光ビームや方位偏光ビームの強度分布としては、Bessel-Gauss型やLaguerre-Gauss型、modified Bessel-Gauss型が知られているが、いずれも光軸を中心とした円対称な分布を持っている。このうち、Laguerre-Gauss型の強度分布を持つビームは高次の横モードが存在し、最低次の横モードビームはドーナツ状あるいはリング状の強度分布を持っているが、高次になるに従って、リングの数が増えていく（例えば、非特許文献１参照）。

偏光分布とは別に、方位方向に位相が変化するビームも存在し、代表例としてLaguerre-Gauss型のスカラービームが知られている。この場合、ビームの進行方向に対して、光ビームの等位相面が螺旋状に回転し、光ビームの軌道角運動量の起源ともなっている。また、この螺旋状等位相面の光波一周期あたりの回転数は、トポロジカルチャージとも呼ばれている。

ベクトルビームは、偏光分布だけでなく、位相分布、すなわち螺旋状の等位相面を持つものも存在し、強度分布と併せて、様々な偏光、位相および強度分布を有する一連の光ビームの集合体を形成する。

直線偏光のGauss型ビームを大きな開口数のレンズで強く集光すると、光軸に垂直な方向の電場(半径方向電場)が最も強く生じるのに対して、ドーナツ状の強度分布を持つ最低次の径偏光ビームでは、光軸と同じ方向の電場（光軸方向電場）が強く生じることが知られている。最小スポット径はレンズの開口数に依存するが、大きな開口数のレンズに対しては径偏光ビームの方がより小さなスポット径を生じる（例えば、非特許文献２または３参照）。

一方で、光学顕微鏡を用いて高い空間分解能を持つ画像を得る方法として、短波長光、共焦点光学系や第２高調波や２光子吸収などの非線形光学過程を用いる技術が開発されている。これらは、遠視野で画像を得ることができるため操作性に優れているものの、いずれにおいても100nmを下回るような空間分解能は実現されていない。また、100nm以下の開口を持つ特殊な光ファイバープローブを用いた近接場顕微鏡では、10nm程度の空間分解能が実現されているが、プローブ自身による場の乱れや高度な操作技術が必要であることなどから、汎用化には解決すべき課題が残されている。

これに対して、焦点付近でダークスポットを形成するビームで誘導放出や再励起過程を生じさせ、焦点のごく近傍以外の励起原子や分子だけを脱励起することで、飛躍的に空間分解能を向上させる手法の開発が、近年進んでいる（例えば、特許文献１または２参照）。2006年には、固定した細胞試料ではあるが20nmという驚異的な分解能が達成されている（例えば、非特許文献４参照）。ここで、ダークスポットとは、中心の光強度がゼロで、周囲を光で囲まれた微小な空間である。

これらの技術においては、励起用および脱励起用（消去用）のビームとして、それぞれ光軸上で最大強度を持つスポットまたはダークスポットを形成する光ビームが使用されている。具体的には、円偏光のGauss型ビームが励起用として、ビームの内側（円状）と外側（リング状）で位相が反転した円偏光ビームが消去用ビームとして、しばしば使用されている。後者は、焦点付近でダークスポットを形成するように、内側の円の半径が適切に調整されている。

ところが、この方法では、円偏光ビームの集光によって焦点付近で生じる半径方向電場を使用しているため、光によって分子に誘起される分極の方向は励起光と同じ半径方向であって、光軸方向の分極は誘起されない。従って、測定試料内の原子や分子などの光軸方向の情報は得られず、得られる画像は半径方向に誘起された分極だけの分布を反映したものである。

さらに、円偏光ビームは径偏光ビームより小さなスポット径を得ることができないため、空間分解能が制限されており、10nm程度の分解能で、小さな分子や構造物の画像を得ることは実現されていない。

A. A. Tovar, "Productionand propagation of cylindrically polarized Laguerre-Gaussianlaser beams", J. Opt. Soc. Am. A, 1998, 15, p.2705 Y. Kozawa and S.Sato, "Sharper focal spot formed by higher-order radiallypolarized laser beams", J. Opt. Soc. Am. A, 2007, 24, p.1793 T. Grosjean and D.Courjon, "Smallestfocal spots", Opt. Commun., 2007, 272, p.314 G. Donnert, J. Keller, R.Medda, M. A. Andrei, S. O. Rizzoli, R. Luhrmann,R. Jahn, C. Eggeling, and S. W. Hell, "Macromolecular-scaleresolution in biological fluorescence microscopy", Proc. Nat. Acad. Sci., 2006, 103, p.11440 特開２００２−０７２０９６号公報 特開２００２−２２８９３４号公報

そこで、本発明は、測定試料内の原子や分子などの光軸方向に関する情報を、遠視野において高い空間分解能で得ることができる顕微鏡の提供を目的とする。

ベクトルビームを大きな開口数を持つレンズで集光すると、焦点付近に強い光軸方向電場を発生させることができる。本発明は、ベクトルビームを用いて発生させた光軸方向電場によって、測定試料内の原子や分子などに光軸方向の分極を誘起し、その自然放出によって生じる発光強度分布を測定することによって、原子や分子などの光軸方向に関する情報を、遠視野で、かつ高分解能で得ることのできる顕微鏡に関する。

本発明によれば、原子や分子などの遠視野で、かつ高分解能な顕微鏡において、レーザー共振器から直接発生させた、または偏光変換光学素子を用いて発生させたひとつまたは複数のベクトルビームの光軸方向電場によって、測定試料内の原子や分子などに前記光軸方向の分極を誘起し、その自然放出によって生じる発光強度分布を測定することによって、前記原子や分子などの前記光軸方向に関する情報を得ることを特徴とする顕微鏡が得られる。

また、本発明によれば、前記ベクトルビームが，連続発振またはパルス発振であることを特徴とする顕微鏡が得られる。励起光ビームまたは消去用ビームあるいは両者が，連続発振またはパルス発振するベクトルビームであることを特徴とする、遠視野での高分解能の顕微鏡が得られる。

また、本発明によれば、前記ベクトルビームの一部がダークスポットあるいは中空ビームを形成することを特徴とする顕微鏡が得られる。消去用ビームがダークスポットあるいは中空ビームを形成するベクトルビームであることを特徴とする、遠視野での高分解能の顕微鏡が得られる。

また、本発明によれば、前記ベクトルビームの一部または全部の偏光または偏光分布が変更されることを特徴とする遠視野での高分解能の顕微鏡が得られる。

また、本発明によれば、得られる画像が二次元または三次元であることを特徴とする、遠視野での高分解能の顕微鏡が得られる。

また、本発明によれば、観測する前記測定試料が無機物または有機物であることを特徴とする、遠視野での高分解能の顕微鏡が得られる。

また、本発明によれば、使用するレンズが乾燥系、油浸系、水浸系あるいは固浸（ソリッドイマージョン）系のいずれかであることを特徴とする、遠視野での高分解能の顕微鏡が得られる。

本発明により、観測する試料内の原子や分子などに関する光軸に平行な方向の情報を、遠視野で、かつ高分解能で画像計測できる。また、円偏光ビームを用いた従来法と併用すると、原子や分子などの３次元的な方向の情報を得ることができるため、原子や分子の配向に関する情報を遠視野でかつ高分解能で得ることのできる顕微鏡が得られる。

図１は、ベクトルビームとして代表的な径偏光レーザービームの、ビーム断面での偏光分布を示す。直線偏光が放射状に分布している。（ａ）は最低次、（ｂ）は２次の横モードのLaguerre-Gauss型ビームである。

図２は、ベクトルビームを集光した時の、焦点付近での光軸方向電場の強度分布の計算結果である。（ａ）は最低次、（ｂ）は２次の横モードのLaguerre-Gauss型径偏光ビームである。図２の横軸および縦軸は、それぞれ光軸方向およびそれに垂直な方向での位置を、光の波長で規格化した値で示している。また、各図の中央がレンズの焦点位置である。図２（ａ）から分かるように、光軸方向電場は焦点付近に集中しており、これを励起用レーザーとして使用できる。また、図２（ｂ）から分かるように、この場合、光軸方向電場は焦点では強度がゼロで、その周囲を囲むように電場が存在している。これはダークスポットであり、図２（ａ）のビームで誘起された原子や分子などの分極のうち、ごく焦点近傍を除いたほとんどの分極を、誘導放出によって脱励起、すなわち消去することができる。

励起用ビームとしては、高次横モードLaguerre-Gauss型径偏光ビームを用いることもできる。その場合、より小さなスポット径が得られるため、消去ビームを用いなくても、空間分解能が向上する。また、励起された原子や分子などの脱励起の機構として再励起過程を用いる場合は、光軸に垂直な方向の電場を含めた全強度がダークスポットを形成するベクトルビームでもよい。

図３は、トポロジカルチャージが１である２次の横モードLaguerre-Gauss型径偏光ビームを集光した場合の、焦点付近での、光軸方向電場の強度分布の計算結果である。この場合、ビームは中空ビームとなっており、光軸に垂直な方向の強度分布のうち、光軸付近の暗い部分の半値幅が、円偏光やトポロジカルチャージを持たない径偏光ビームに比較して、ほぼ半分になる。すなわち、このベクトルビームを用いると、光軸に垂直な方向の空間分解能を従来の約半分とすることができる。

励起用または消去用に用いるベクトルビームは、レーザー共振器から直接発振したビーム、あるいはスカラービームに偏光変換光学素子を用いて生成したビームでも良い。また、連続波あるいはパルスでも良い。さらに、光ビームの偏光または偏光分布は、変更されても良い。

得られる画像は、二次元あるいは三次元でも良い。また、観測する試料は、無機物あるいは、有機物でも良い。

使用するレンズは、乾燥系、油浸系、水浸系あるいは固浸（ソリッドイマージョン）系のいずれでも良い。

本発明の実施の形態の顕微鏡の、代表的なベクトルビームの横モードLaguerre-Gauss型径偏光ビームの、ビーム断面での（ａ）最低次、（ｂ）２次の偏光分布である。 本発明の実施の形態の顕微鏡の、ベクトルビームの横モードLaguerre-Gauss型径偏光ビームを集光した時の、焦点付近での光軸方向電場の（ａ）最低次、（ｂ）２次の強度分布の計算結果である。 本発明の実施の形態の顕微鏡の、トポロジカルチャージが１である２次の横モードLaguerre-Gauss型径偏光ビームを集光した場合の、焦点付近での、光軸方向電場の強度分布の計算結果である。

Claims (7)

1. 原子や分子などの遠視野で、かつ高分解能な顕微鏡において、レーザー共振器から直接発生させた、または偏光変換光学素子を用いて発生させたひとつまたは複数のベクトルビームの光軸方向電場によって、測定試料内の原子や分子などに前記光軸方向の分極を誘起し、その自然放出によって生じる発光強度分布を測定することによって、前記原子や分子などの前記光軸方向に関する情報を得ることを特徴とする顕微鏡。
2. 前記ベクトルビームが，連続発振またはパルス発振であることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
3. 前記ベクトルビームの一部がダークスポットあるいは中空ビームを形成することを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡。
4. 前記ベクトルビームの一部または全部の偏光または偏光分布が変更されることを特徴とする請求項１、２または３記載の顕微鏡。
5. 得られる画像が二次元または三次元であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の顕微鏡。
6. 観測する前記測定試料が無機物または有機物であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の顕微鏡。
7. 使用するレンズが乾燥系、油浸系、水浸系あるいは固浸（ソリッドイマージョン）系のいずれかであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の顕微鏡。