JP5160352B2 - Laser microscope equipment - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ顕微鏡装置に関するものである。   The present invention relates to a laser microscope apparatus.

標本中の分子の特定の振動を利用し、分子からのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を発生させ、この散乱光を検出することで標本の観察を行うコヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1参照)。このコヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡は、標本の分子の特定の振動を利用しているため、蛍光顕微鏡のように、観察対象を蛍光プローブであらかじめ標識する必要がない。また、利用する振動を変更することで観察する分子を変更することができる。   A coherent anti-Stokes Raman scattering microscope is known that uses a specific vibration of a molecule in a sample to generate coherent anti-Stokes Raman scattering light from the molecule and observes the sample by detecting this scattered light ( For example, see Patent Document 1). Since this coherent anti-Stokes Raman scattering microscope uses a specific vibration of a sample molecule, it is not necessary to label an observation target with a fluorescent probe in advance unlike a fluorescence microscope. Moreover, the molecule | numerator to observe can be changed by changing the vibration to utilize.

従来、このコヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡の光源には、比較的狭い周波数スペクトル帯域を有した2つの異なる周波数を有するピコ秒パルスレーザが用いられている。このような顕微鏡によれば、これら2つのピコ秒パルスレーザ光の周波数差が、標本の分子の特定の振動周波数に一致するように調節した状態で標本面に集光する。このとき、焦点面近傍に広がる光子密度が高い極めて狭い空間において、2つのピコ秒パルスレーザ光の周波数差が分子の特定の振動周波数に共鳴し、強いコヒーレントアンチストークスラマン散乱光が発生する。このコヒーレントアンチストークスラマン散乱光は、照射した2つのピコ秒パルスレーザ光の周波数よりも高い周波数を有する(つまり短い波長を有する)。したがって、このコヒーレントアンチストークスラマン散乱光だけを分光的に選択して検出することで標本の分子の観察を行うことができる。   Conventionally, a picosecond pulse laser having two different frequencies having a relatively narrow frequency spectrum band is used as a light source of the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope. According to such a microscope, the two picosecond pulsed laser beams are focused on the sample surface in a state where the frequency difference is adjusted to coincide with a specific vibration frequency of the sample molecule. At this time, in a very narrow space where the photon density spreading near the focal plane is high, the frequency difference between the two picosecond pulse laser beams resonates with a specific vibration frequency of the molecule, and strong coherent anti-Stokes Raman scattering light is generated. The coherent anti-Stokes Raman scattered light has a frequency higher than that of the two irradiated picosecond pulse laser beams (that is, has a short wavelength). Therefore, only the coherent anti-Stokes Raman scattering light can be spectrally selected and detected to observe the molecules of the specimen.

また、フェムト秒パルスレーザ光を標本面に集光することで、焦点面近傍に広がる極めて狭い空間において光子密度を高めて蛍光物質を多光子励起し、鮮明な蛍光画像を得ることができる多光子励起型のレーザ顕微鏡が知られている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, by condensing femtosecond pulse laser light on the sample surface, the photon density is increased in a very narrow space spreading near the focal plane, and the fluorescent substance is multiphoton excited to obtain a clear fluorescent image. An excitation type laser microscope is known (for example, see Patent Document 2).

特表2002−520612号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-520612 特開2002−243641号公報JP 2002-243641 A

前述の従来例のように、コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡において、標本の分子の特定の振動からのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を効率的に発生させるためには、周波数帯域が狭い(または、パルス幅が比較的広い)ピコ秒パルスレーザ光を用いるのが良い。なぜならば、周波数帯域が広いパルスレーザ光を用いてしまうことで、2つのパルスレーザ光の周波数差の中に、分子の特定の振動周波数に一致しない周波数差成分も生じてしまうからである。それら分子の特定の振動周波数に一致しない周波数差成分は、分子の特定の振動に共鳴したコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の発生に寄与しない。結果として、2つのパルスレーザ光のエネルギーを、分子の特定の振動からのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を発生させるために効率的に利用できなくなってしまう。   As in the conventional example described above, in a coherent anti-Stokes Raman scattering microscope, in order to efficiently generate coherent anti-Stokes Raman scattered light from a specific vibration of a sample molecule, the frequency band is narrow (or the pulse width). It is preferable to use a picosecond pulse laser beam. This is because using a pulsed laser beam having a wide frequency band also causes a frequency difference component that does not match the specific vibration frequency of the molecule in the frequency difference between the two pulsed laser beams. The frequency difference component that does not match the specific vibration frequency of the molecules does not contribute to the generation of coherent anti-Stokes Raman scattered light that resonates with the specific vibration of the molecules. As a result, the energy of the two pulsed laser beams cannot be used efficiently to generate coherent anti-Stokes Raman scattered light from specific vibrations of the molecule.

一方、多光子励起型のレーザ顕微鏡においては、蛍光の励起効率をより高め、かつ、標本に与えるダメージをより軽減して観察を行うことを目的として、周波数帯域が広い(または、パルス幅が極端に狭い)フェムト秒レーザ光が使用され、加えて、フーリエ限界パルスに近い状態で使用される。上記理由から、コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡と多光子励起型のレーザ顕微鏡の両観察方法は、使用するパルスレーザ光の仕様が相違するため、同一の顕微鏡装置によって達成することが困難である。   On the other hand, in a multi-photon excitation type laser microscope, the frequency band is wide (or the pulse width is extreme) for the purpose of performing observation with higher fluorescence excitation efficiency and less damage to the specimen. (Narrow) femtosecond laser light is used, and in addition, near the Fourier-limited pulse. For the above reasons, both the coherent anti-Stokes Raman scattering microscope and the multiphoton excitation type laser microscope are difficult to achieve with the same microscope apparatus because the specifications of the pulse laser beam used are different.

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察および多光子蛍光観察を同一の装置において両立することを可能とし、種々の観察方法により標本を観察することができるレーザ顕微鏡装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and enables coherent anti-Stokes Raman scattering light observation and multiphoton fluorescence observation to be compatible in the same apparatus, and observes a specimen by various observation methods. An object of the present invention is to provide a laser microscope apparatus capable of performing

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、標本中の分子の特定の振動周波数に略等しい周波数差を有する2つの異なる周波数を有するパルスレーザ光を導光する2つの光路と、該2つの光路を導光されてきたパルスレーザ光を合波する合波手段と、該合波手段により合波されたパルスレーザ光を標本に照射する照射手段と、前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光のチャープレートを検出する周波数特性検出手段と、該周波数特性検出手段により検出された各パルスレーザ光のチャープレートが略同等となるように、少なくとも一方の光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレートを調節可能な周波数分散量調節手段とを備えるレーザ顕微鏡装置を採用する。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
The present invention relates to two optical paths for guiding pulse laser light having two different frequencies having a frequency difference substantially equal to a specific vibration frequency of a molecule in a specimen, and a pulse laser having been guided through the two optical paths. Detecting means for combining light, combining means for irradiating the sample with the pulsed laser light combined by the combining means, and detecting the chirp plate of each pulsed laser light guided through the two optical paths; The frequency that can adjust the chirp plate of the pulsed laser light guided through at least one optical path so that the frequency characteristic detecting means and the chirp plate of each pulsed laser light detected by the frequency characteristic detecting means are substantially equivalent. A laser microscope apparatus including a dispersion amount adjusting unit is employed.

本発明に係るレーザ顕微鏡装置によれば、2つの光路を導光される各パルスレーザ光が合波手段により合波され、照射手段により標本に照射される。この際、2つの光路を導光される各パルスレーザ光のチャープレートが周波数特性検出手段により検出される。そして、周波数特性検出手段により検出された各パルスレーザ光のチャープレートが略同等となるように、少なくとも一方の光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレートが周波数分散量調節手段により調節される。これにより、時間軸上の各時刻において、2つのパルスレーザ光の周波数差を常に一定に保つように調節することが可能となる。   According to the laser microscope apparatus of the present invention, each pulsed laser beam guided through the two optical paths is combined by the combining unit, and the sample is irradiated by the irradiation unit. At this time, the char plate of each pulse laser beam guided through the two optical paths is detected by the frequency characteristic detecting means. Then, the chirp plate of the pulse laser light guided through at least one of the optical paths is adjusted by the frequency dispersion amount adjusting means so that the chirp plates of the respective pulse laser lights detected by the frequency characteristic detecting means are substantially equivalent. . As a result, it is possible to adjust the frequency difference between the two pulsed laser beams so as to keep constant at each time on the time axis.

このように2つのパルスレーザ光の周波数差を時間軸上で一定に保った状態で、標本面上に集光することにより、フェムト秒レーザ光のように比較的広い周波数帯域を有するパルスレーザ光であっても、2つのパルスレーザ光のエネルギーを効率的にコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を発生させるために用いることができる。   In this way, by condensing on the sample surface in a state where the frequency difference between the two pulsed laser beams is kept constant on the time axis, the pulsed laser beam having a relatively wide frequency band like a femtosecond laser beam. Even so, the energy of the two pulsed laser beams can be used to efficiently generate coherent anti-Stokes Raman scattered light.

また、フェムト秒レーザ光のような周波数帯域が比較的広いパルスレーザ光を利用した場合には、いずれか一方のパルスレーザ光を標本に集光することにより、多光子励起光効果を発生させることができる。
以上のように、本発明に係るレーザ顕微鏡装置によれば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光および多光子蛍光を効率的に発生させ、鮮明なコヒーレントアンチストークスラマン散乱光画像および多光子蛍光画像を取得することが可能となる。
Also, when using pulsed laser light with a relatively wide frequency band, such as femtosecond laser light, the multi-photon excitation light effect can be generated by condensing one of the pulsed laser light onto the sample. Can do.
As described above, according to the laser microscope apparatus of the present invention, coherent anti-Stokes Raman scattering light and multiphoton fluorescence are efficiently generated, and a clear coherent anti-Stokes Raman scattering light image and multiphoton fluorescence image are acquired. It becomes possible.

上記発明において、前記周波数分散量調節手段が、標本面上におけるパルスレーザ光が略フーリエ限界パルスに近づくように、少なくとも一方の光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレートを調節可能であることとしてもよい。
このようにすることで、周波数分散量調節手段により、少なくとも一方の光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレートを調節し、標本面上において略フーリエ限界パルスに近づけることができる。これにより、多光子励起光効果を効率的に発生させて、より鮮明な多光子蛍光観察を行うことができる。
In the above invention, the frequency dispersion amount adjusting means is capable of adjusting the chirp plate of the pulse laser beam guided through at least one of the optical paths so that the pulse laser beam on the specimen surface approaches the Fourier limit pulse. It is good.
By doing so, the frequency dispersion amount adjusting means can adjust the chirp plate of the pulse laser beam guided through at least one of the optical paths, and can be brought close to a substantially Fourier limit pulse on the sample surface. Thereby, the multiphoton excitation light effect can be generated efficiently and clearer multiphoton fluorescence observation can be performed.

上記発明において、前記周波数特性検出手段が、さらに、前記二つの光路を導光される各パルスレーザ光の周波数差を検出し、該周波数検出手段により検出された周波数差を所定の周波数差に調節するための周波数差調節手段を備えることとしてもよい。
周波数差調節手段は、一方のパルスレーザ光に対して、他方のパルスレーザ光の時間的な重なりを調節することで、2つのパルスレーザ光の周波数差を2つのパルスレーザ光の周波数帯域内において任意に調節することが可能である。これにより、時間軸上で一定に保った2つのパルスレーザ光の周波数差を確認し、所定の周波数差と一致させることが可能となり、所望のコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を、より正確に得ることが可能となる。
In the above invention, the frequency characteristic detecting means further detects a frequency difference between the pulse laser beams guided through the two optical paths, and adjusts the frequency difference detected by the frequency detecting means to a predetermined frequency difference. It is good also as providing the frequency difference adjustment means for doing.
The frequency difference adjusting means adjusts the temporal overlap of one pulse laser beam with respect to one pulse laser beam, thereby adjusting the frequency difference between the two pulse laser beams within the frequency band of the two pulse laser beams. It is possible to adjust arbitrarily. This makes it possible to check the frequency difference between the two pulse laser beams kept constant on the time axis and to match the predetermined frequency difference, and to obtain the desired coherent anti-Stokes Raman scattered light more accurately. Is possible.

上記発明において、フェムト秒パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、該レーザ光源から射出されたフェムト秒パルスレーザ光を少なくとも前記2つの光路に分岐する分波手段と、該分波手段により分岐された前記2つの光路を導光されるパルスレーザ光の周波数差が標本中の分子の特定の振動周波数に略等しくなるように、一方の光路を導光されるパルスレーザ光の周波数をその周波数帯域を変更または拡大するように変換する変換する周波数変換手段とを備えることとしてもよい。   In the above invention, a laser light source that emits femtosecond pulsed laser light, a demultiplexing unit that branches the femtosecond pulsed laser light emitted from the laser light source into at least the two optical paths, and branched by the demultiplexing unit The frequency band of the pulsed laser light guided through one optical path is adjusted so that the frequency difference between the pulsed laser light guided through the two optical paths is substantially equal to the specific vibration frequency of the molecules in the sample. It is good also as providing the frequency conversion means to convert to convert so that it may change or expand.

このようにすることで、単一のレーザ光源から射出されたフェムト秒パルスレーザ光を分波手段により2つの光路に分岐し、周波数変換手段により、2つの光路を導光されるパルスレーザ光の周波数差が標本中の分子の特定の振動周波数に略等しくなるように一方の光路を導光されるパルスレーザ光の周波数を変換することができる。これにより、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光を発生させることのできる2つのパルスレーザ光を得ることができ、これらパルスレーザ光のレーザ光源を共通化して装置構成を簡略化することができる。   By doing so, the femtosecond pulsed laser light emitted from the single laser light source is branched into two optical paths by the demultiplexing means, and the pulse laser light guided through the two optical paths by the frequency converting means. The frequency of the pulsed laser beam guided through one optical path can be converted so that the frequency difference is substantially equal to the specific vibration frequency of the molecules in the sample. As a result, two pulsed laser beams capable of generating coherent anti-Stokes Raman scattering light can be obtained, and the laser light source of these pulsed laser beams can be shared to simplify the apparatus configuration.

上記発明において、前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光の周波数特性を表示する表示手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、表示手段に各パルスレーザ光の周波数特性を表示させつつ、周波数分散量調節手段によりパルスレーザ光のチャープレートを調節、確認することができる。これにより、容易かつ確実に、2つのパルスレーザ光の周波数差を常に一定に保つように調節することが可能となる。
The said invention WHEREIN: It is good also as providing the display means which displays the frequency characteristic of each pulse laser beam light-guided by the said two optical paths.
By doing so, it is possible to adjust and confirm the chirp plate of the pulse laser light by the frequency dispersion amount adjusting means while displaying the frequency characteristics of each pulse laser light on the display means. As a result, it is possible to easily and reliably adjust the frequency difference between the two pulsed laser beams so as to always remain constant.

上記発明において、前記周波数特性検出手段が、検出された前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光の周波数特性値、あるいは周波数特性を演算にて求めるための中間値を記憶する記憶手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、周波数特性を求めるのに必要な種々の演算が容易に実現できるようになるほか、周波数特性値を種々装置へ出力したり、後工程で確認したりすることも容易となる。
In the above invention, the frequency characteristic detection means stores storage means for storing a frequency characteristic value of each pulse laser beam guided through the detected two optical paths, or an intermediate value for calculating the frequency characteristic by calculation. It is good also as providing.
In this way, various operations necessary to obtain the frequency characteristic can be easily realized, and it is also easy to output the frequency characteristic value to various devices and to confirm it in a later process. Become.

上記発明において、周波数特性検出手段が、前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光のスペクトログラムを検出する検出手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、検出すべき周波数特性の演算が比較的容易に実現できるようになるほか、表示手段にて該周波数特性を確認する際に、その確認も容易になる。
In the above invention, the frequency characteristic detection means may include detection means for detecting a spectrogram of each pulse laser beam guided along the two optical paths.
In this way, calculation of the frequency characteristic to be detected can be realized relatively easily, and when the frequency characteristic is confirmed on the display means, the confirmation is also facilitated.

上記発明において、前記周波数特性検出手段が、前記2つの光路を導光される該パルスレーザ光の相互相関信号を検出する検出手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、より簡便な構成で、安価に周波数特性を検出することができるようになる。
In the above invention, the frequency characteristic detection means may include detection means for detecting a cross-correlation signal of the pulsed laser light guided along the two optical paths.
By doing in this way, it becomes possible to detect the frequency characteristic at a low cost with a simpler configuration.

上記発明において、前記周波数変換手段が、フォトニッククリスタルファイバであることとしてもよい。
周波数変換手段としてフォトニッククリスタルファイバを用いることにより、簡易かつ安価に、周波数分散が与えられた広い周波数スペクトル帯域を有するパルスレーザ光を得ることが可能となる。また、用いるフォトニッククリスタルファイバの種類を選定することで、さまざまな周波数スペクトル成分および帯域を有するパルスレーザ光を得ることができる。このため、標本中の分子のさまざまな振動周波数に一致させるように、2つのパルスレーザ光の周波数差を調節することが可能となる。
In the above invention, the frequency conversion means may be a photonic crystal fiber.
By using a photonic crystal fiber as the frequency conversion means, it becomes possible to obtain pulsed laser light having a wide frequency spectrum band to which frequency dispersion has been given simply and inexpensively. Further, by selecting the type of photonic crystal fiber to be used, pulsed laser light having various frequency spectrum components and bands can be obtained. Therefore, it is possible to adjust the frequency difference between the two pulsed laser beams so as to match various vibration frequencies of the molecules in the sample.

本発明によれば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光および多光子蛍光の観察を同一の装置において両立することを可能とし、種々の観察方法により標本を観察することができるという効果を奏する。   According to the present invention, coherent anti-Stokes Raman scattering light and multiphoton fluorescence can be observed in the same apparatus, and the specimen can be observed by various observation methods.

〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1について、図1から図5を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1は、図1に示されるように、レーザ光源装置2と、レーザ光源装置2からのレーザ光を標本Aに照射して標本Aを観察するための顕微鏡本体3とを備えている。
[First Embodiment]
A laser microscope apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, a laser microscope apparatus 1 according to the present embodiment includes a laser light source apparatus 2 and a microscope main body 3 for observing the specimen A by irradiating the specimen A with laser light from the laser light source apparatus 2. And.

レーザ光源装置2は、フェムト秒パルスレーザ光を出射する単一のレーザ光源4と、レーザ光源4から発せられたフェムト秒パルスレーザ光を2つに分岐する分波装置5(分波手段)と、分波装置5により分岐された2つのフェムト秒パルスレーザ光L1,L2をそれぞれ通過させる2つの光路13,14と、2つの光路13,14を通過してきた2つのパルスレーザ光L1’,L2’を合波する合波装置(合波手段)9とを備えている。   The laser light source device 2 includes a single laser light source 4 that emits femtosecond pulsed laser light, and a demultiplexing device 5 (demultiplexing unit) that branches the femtosecond pulsed laser light emitted from the laser light source 4 into two. The two femtosecond pulsed laser beams L1 and L2 branched by the branching device 5 are passed through two optical paths 13 and 14, respectively, and the two pulsed laser beams L1 ′ and L2 that have passed through the two optical paths 13 and 14 And a multiplexing device (multiplexing means) 9 for multiplexing '.

第1の光路13には、フェムト秒パルスレーザ光L1に与える周波数分散量を調節可能な周波数分散量調節装置(周波数分散量調節手段)6が設けられている。
周波数分散量調節装置6は、例えば、相互の間隔を調節可能な一対のプリズム(図示略)と、ミラー(図示略)とを備えている。一対のプリズムを通過したフェムト秒パルスレーザ光L1は、ミラーによって折り返された後に再度プリズム対を通過し同一の光路13上に戻されるようになっている。この場合に、プリズムの間隔を調節することにより、周波数分散量調節装置6を通過するパルスレーザ光L1に与える周波数分散量を調節することでそのパルスレーザ光のチャープレートが調節できるようになっている(例えば、特許文献2参照)。また、上記プリズム対の代わりに回折格子対(図示略)を用いてもよい。
The first optical path 13 is provided with a frequency dispersion amount adjusting device (frequency dispersion amount adjusting means) 6 capable of adjusting the amount of frequency dispersion given to the femtosecond pulsed laser light L1.
The frequency dispersion amount adjusting device 6 includes, for example, a pair of prisms (not shown) that can adjust the distance between them and a mirror (not shown). The femtosecond pulsed laser light L1 that has passed through the pair of prisms is returned by the mirror, then passes again through the prism pair, and is returned to the same optical path 13. In this case, the char plate of the pulse laser beam can be adjusted by adjusting the frequency dispersion amount given to the pulse laser beam L1 passing through the frequency dispersion amount adjusting device 6 by adjusting the interval between the prisms. (For example, refer to Patent Document 2). A diffraction grating pair (not shown) may be used instead of the prism pair.

また、周波数分散量調節装置6は、周波数分散量調節装置6を通過したパルスレーザ光L1’が、標本Aにおいて略フーリエ限界パルスに近づくような分散量およびチャープレートを設定することができるようになっている。これにより、レーザ光源4から標本Aまでの全光路において生じる周波数分散によってフェムト秒パルスレーザ光L1のパルス幅の広がりを補償することができ、標本A上に集光される時点でのフェムト秒パルスレーザ光が、略フーリエ限界に近いパルス幅を達成することができるようになっている。
なお、周波数分散量調節装置6は、後述する周波数特性検出装置(周波数特性検出手段)10により検出された各パルスレーザ光のチャープレートに基づいて制御される。
Further, the frequency dispersion amount adjusting device 6 can set the dispersion amount and the chirp rate such that the pulse laser beam L1 ′ that has passed through the frequency dispersion amount adjusting device 6 approaches the substantially Fourier limit pulse in the sample A. It has become. As a result, the spread of the pulse width of the femtosecond pulsed laser light L1 can be compensated by the frequency dispersion generated in the entire optical path from the laser light source 4 to the sample A, and the femtosecond pulse at the time of focusing on the sample A can be compensated. The laser beam can achieve a pulse width that is substantially close to the Fourier limit.
The frequency dispersion amount adjusting device 6 is controlled based on the chirp plate of each pulse laser beam detected by a frequency characteristic detecting device (frequency characteristic detecting means) 10 described later.

第2の光路14には、フェムト秒パルスレーザ光L2を通過させるフォトニッククリスタルファイバ(周波数変換手段)7と、フォトニッククリスタルファイバ7通過後のパルスレーザ光L2’の光路長を調節する周波数差調節装置(周波数差調節手段)8が設けられている。   The second optical path 14 includes a photonic crystal fiber (frequency converting means) 7 that allows the femtosecond pulsed laser light L2 to pass through, and a frequency difference that adjusts the optical path length of the pulsed laser light L2 ′ that has passed through the photonic crystal fiber 7. An adjusting device (frequency difference adjusting means) 8 is provided.

フォトニッククリスタルファイバ7は、通過させるフェムト秒パルスレーザ光L2の周波数帯域を変更または拡大してパルスレーザ光L2’を生成し、光路13,14を導光されるパルスレーザ光L1’,L2’に標本A中の観測すべき分子の特定の振動周波数に略等しい周波数差を与えるようになっている。   The photonic crystal fiber 7 changes or expands the frequency band of the femtosecond pulsed laser beam L2 to be passed to generate the pulsed laser beam L2 ′, and the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ guided through the optical paths 13 and 14. A frequency difference substantially equal to a specific vibration frequency of a molecule to be observed in the sample A is given.

周波数差調節装置(周波数差調節手段)8は、例えば、ミラー及びリフレクタにより構成される(図示略)。より具体的には、光路14上に配されるミラーによりパルスレーザ光L2’の光路14を略90°折り返し、この折り返したL2’の光路上に配されるリフレクタで略180°さらに折り返して戻し、さらにもう1枚の光路14上に配されるミラーにより元の光路14に戻すように配置されている。光路14上に配されるミラーとリフレクタの間隔を調節することでパルスレーザ光L2’の光路長を変化させることができる。これにより、パルスレーザ光L2’が標本Aに到達する際のタイミングを調節することができる。   The frequency difference adjusting device (frequency difference adjusting means) 8 is composed of, for example, a mirror and a reflector (not shown). More specifically, the optical path 14 of the pulsed laser light L2 ′ is folded back by approximately 90 ° by a mirror disposed on the optical path 14, and is further folded back by approximately 180 ° by a reflector disposed on the folded optical path of L2 ′. Further, it is arranged so as to return to the original optical path 14 by a mirror disposed on another optical path 14. By adjusting the distance between the mirror and the reflector disposed on the optical path 14, the optical path length of the pulsed laser light L2 'can be changed. Thereby, the timing when the pulse laser beam L2 'reaches the specimen A can be adjusted.

合波装置(合波手段)9は、光路14を通過してきたパルスレーザ光L2’から所望の周波数帯域の成分を切り出すフィルタ(図示略)と、該フィルタを通過したパルスレーザ光L2’と光路13を通過してきたパルスレーザ光L1’とを合波して、ほぼそれらが同軸に導波するようにしたパルスレーザ光L3を生成する合波部(図示略)とを備えている。すなわち、このパルスレーザ光L3は、パルスレーザ光L1’と該フィルタを通過したパルスレーザ光L2’成分を両方含んだ光波である。合波装置9のフィルタにパルスレーザ光L2’を通過させることで、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光を発生させるに際して不要な周波数成分を除去することができる。   A multiplexing device (multiplexing means) 9 includes a filter (not shown) that cuts out a component of a desired frequency band from the pulsed laser beam L2 ′ that has passed through the optical path 14, and the pulsed laser beam L2 ′ that has passed through the filter and the optical path 13 and a combining unit (not shown) that combines the pulsed laser beam L1 ′ that has passed through 13 and generates a pulsed laser beam L3 that is substantially coaxially guided. That is, the pulse laser beam L3 is a light wave including both the pulse laser beam L1 'and the pulse laser beam L2' component that has passed through the filter. By passing the pulse laser beam L2 'through the filter of the multiplexer 9, unnecessary frequency components can be removed when generating coherent anti-Stokes Raman scattering light.

顕微鏡本体3は、例えば、レーザ走査型顕微鏡であって、レーザ光源装置2から出射されたパルスレーザ光L3を2次元的に走査するスキャナ101およびレンズ群102と、スキャナ101により走査されたパルスレーザ光L3を標本A面に集光する集光レンズ(照射手段)105と、標本Aにおいて発生し、集光レンズ105によって集光された蛍光を検出する第1の光検出器104と、標本Aを透過する方向に発生するコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を集光する集光レンズ107と、集光レンズ107により集光されたコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出する第2の光検出器108とを備えている。   The microscope main body 3 is a laser scanning microscope, for example, and includes a scanner 101 and a lens group 102 that two-dimensionally scans the pulse laser light L3 emitted from the laser light source device 2, and a pulse laser scanned by the scanner 101. A condensing lens (irradiation means) 105 that condenses the light L3 on the surface of the specimen A, a first photodetector 104 that detects the fluorescence generated in the specimen A and collected by the condenser lens 105, and the specimen A A condensing lens 107 that condenses coherent anti-Stokes Raman scattering light generated in a direction that transmits light, and a second photodetector 108 that detects the coherent anti-Stokes Raman scattering light collected by the condensing lens 107. I have.

図中、符号103はダイクロイックミラー、符号106は顕微鏡ステージである。なお、標本Aにおいて発生した蛍光は、集光レンズ107により集光され第2の検出器108で検出されてもよい。また、標本Aにおいて発生したコヒーレントアンチストークスラマン散乱光は集光レンズ105により集光され第1の検出器104で検出されてもよい。   In the figure, reference numeral 103 denotes a dichroic mirror, and reference numeral 106 denotes a microscope stage. The fluorescence generated in the specimen A may be collected by the condenser lens 107 and detected by the second detector 108. Further, the coherent anti-Stokes Raman scattered light generated in the specimen A may be collected by the condenser lens 105 and detected by the first detector 104.

また、レーザ光源装置2は、顕微鏡へ導光されたパルスレーザ光L3に含まれるパルスレーザ光L1’及びL2’の周波数特性を検出するための周波数特性検出装置10と、集光レンズ105と標本A間に設定されるパルスレーザ光標本点19上に設置され、パルスレーザ光L3を周波数特性検出装置10へ導光するためのパルスレーザ光導光部18とを備えている。このパルスレーザ光導光部18は、図示しない折り返しミラーやプリズム等で、パルスレーザ光L3の光軸を、周波数特性検出装置10の方向に変更して、光路15のパルスレーザ光L4として空間的に入射させることができる。その際にはレンズ等を使っても良い。また、ファイバを使って導光するようにすることもできる。レンズやプリズム、ファイバ光学系を使用する場合には、それらにより付与されるチャープ量を予め評価し、後述する極短パルス光測定部201による計測値を補正する必要がある。   The laser light source device 2 includes a frequency characteristic detection device 10 for detecting the frequency characteristics of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ included in the pulse laser beam L3 guided to the microscope, a condensing lens 105, and a specimen. A pulse laser beam light guide 18 is provided on the pulse laser beam sample point 19 set between A and guides the pulse laser beam L3 to the frequency characteristic detection device 10. This pulsed laser light guide 18 is spatially converted into a pulsed laser light L4 in the optical path 15 by changing the optical axis of the pulsed laser light L3 in the direction of the frequency characteristic detection device 10 with a folding mirror or prism (not shown). It can be made incident. In that case, a lens or the like may be used. Moreover, it can also be made to guide light using a fiber. In the case of using a lens, prism, or fiber optical system, it is necessary to evaluate the chirp amount provided by them in advance and correct the measurement value by the ultrashort pulse light measurement unit 201 described later.

周波数特性検出装置10は、図2に示されるように極短パルス光測定部201とチャープ評価部202から構成される。極短パルス光測定部201は、図3に示されるような、パルスレーザ光L1’、L2’に含まれる周波数と時間成分の分布であるスペクトログラムS=S(v,T)、S=S(v,T)を測定し、そこからチャープレートC(C=Δv/ΔT)、C(C=Δv/ΔT)を、各パルスの周波数幅Δvとパルスの時間幅ΔTを用いて算出する手段である。該手段の一つとして、FROG(Frequency-Resolved Optical Grating)検出装置を用いることができる(例えば、非特許文献1参照)。
なお、前述の極短パルス光測定部201は、FROG以外にGRENOUILLE、SPIDER(Spectral phase Interferometry for direct Electric field Reconstruction),Sonogramであってもよい(例えば非特許文献2〜4参照)。
Journal of optical society America B 11, 2206-2215 (1994)“Frequency-Resolved Optical Gating With the Use of Second-Harmonic Generation” Optics Express 11, 68-78 (2003)“Measuring spatial chirp in ultrashort pulses using single-shot Frequency-Resolved Optical Gating,” Optics Letters 23, 792-5 (1998)“Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses” IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 13, NO. 5“Optical Sampling System at 1.55 _m for the Measurement of Pulse Waveform and Phase Employing Sonogram Characterization”
As shown in FIG. 2, the frequency characteristic detection apparatus 10 includes an ultrashort pulse light measurement unit 201 and a chirp evaluation unit 202. The ultrashort pulse light measurement unit 201 has a spectrogram S 1 = S 1 (v 1 , T 1 ), which is a distribution of frequencies and time components included in the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′, as shown in FIG. S 2 = S 2 (v 2 , T 2 ) is measured, and then the char plate C 1 (C 1 = Δv 1 / ΔT 1 ) and C 2 (C 2 = Δv 2 / ΔT 2 ) are measured for each pulse. This is a means for calculating using the frequency width Δv and the pulse time width ΔT. As one of the means, a FROG (Frequency-Resolved Optical Grating) detection device can be used (see, for example, Non-Patent Document 1).
The ultrashort pulse light measuring unit 201 may be GRENOUILLE, SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction), or Sonogram other than FROG (see, for example, Non-Patent Documents 2 to 4).
Journal of optical society America B 11, 2206-2215 (1994) “Frequency-Resolved Optical Gating With the Use of Second-Harmonic Generation” Optics Express 11, 68-78 (2003) “Measuring spatial chirp in ultrashort pulses using single-shot Frequency-Resolved Optical Gating,” Optics Letters 23, 792-5 (1998) “Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses” IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 13, NO. 5 “Optical Sampling System at 1.55 _m for the Measurement of Pulse Waveform and Phase Employing Sonogram Characterization”

図2に示すように、チャープ評価部202は、次の(1),(2),(3)の機能を備える。すなわち、(1)極短パルス光測定部201によって測定される、パルスレーザ光L1’,L2’のパルスレーザ光標本点19におけるスペクトログラムS1,S2、チャープレートC,C、およびパルスの周波数幅Δvとパルスの時間幅ΔT等の周波数特性データを記憶する機能、および(2)チャープレートC,Cから、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートの差ΔC(ΔC=C−C)を演算し、かつスペクトログラムデータに基づいてパルスレーザ光L1’,L2’の周波数差Ωを演算しそれぞれ記憶する機能、および(3)表示画面を有し、各パルスレーザ光のスペクトログラムS1,S2とチャープレートの差ΔC、および周波数差Ωを図や数値などで画面上に表示する機能を備える。チャープ評価部202は、レーザ顕微鏡装置を制御するコンピュータや画像やデータ表示用の表示装置で、これらの機能を達成することができる。 As shown in FIG. 2, the chirp evaluation unit 202 has the following functions (1), (2), and (3). That is, (1) spectrograms S1 and S2, pulse plates C 1 and C 2 at pulse laser beam sample point 19 of pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ and pulse frequencies measured by ultrashort pulse beam measurement unit 201 A function of storing frequency characteristic data such as a width Δv and a pulse time width ΔT, and (2) a char plate difference ΔC (ΔC = C 1 ) of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ from the char plates C 1 and C 2 -C 2 ) and a function of calculating and storing the frequency difference Ω of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ based on the spectrogram data, and (3) a spectrogram of each pulse laser beam having a display screen A function of displaying the difference ΔC between S1 and S2 and the chirp plate and the frequency difference Ω on the screen as a figure or numerical value is provided. The chirp evaluation unit 202 can achieve these functions by a computer that controls the laser microscope apparatus or a display device for displaying images and data.

上記のように構成されたレーザ顕微鏡装置1の作用について以下に説明する。
まず、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1を使用して、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光による標本Aの観察を行う場合について以下に説明する。
レーザ光源4を作動させてフェムト秒パルスレーザ光を出射させると、レーザ光源4から発せられたフェムト秒パルスレーザ光は、分波装置5により2つの光路13,14に分岐される。
The operation of the laser microscope apparatus 1 configured as described above will be described below.
First, the case where the sample A is observed with coherent anti-Stokes Raman scattering light using the laser microscope apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.
When the laser light source 4 is operated to emit femtosecond pulsed laser light, the femtosecond pulsed laser light emitted from the laser light source 4 is branched into two optical paths 13 and 14 by the branching device 5.

第1の光路13に分岐されたフェムト秒パルスレーザ光L1が、第1の光路13上に配置されている周波数分散量調節装置6を通過させられることによって発生するパルスレーザ光L1’には、初期の周波数分散量が与えられる。一方、第2の光路14に分岐されたフェムト秒パルスレーザ光L2は、フォトニッククリスタルファイバ7を通過させられることにより、第1の光路13のフェムト秒パルスレーザ光L1に比べて周波数スペクトルが変更または拡大された広帯域光(パルスレーザ光L2’)となる。また、同時に、パルスレーザ光L2’にはフォトニッククリスタルファイバ7を通過することにより所定の周波数分散量が与えられる。さらにこれらパルスレーザ光L1’,L2’には、合波装置9から標本A面上までの光学系を通過することによりこれら光学系全系の周波数分散量が加えられる。   The femtosecond pulsed laser light L1 branched to the first optical path 13 is passed through the frequency dispersion amount adjusting device 6 disposed on the first optical path 13, and the pulsed laser light L1 ′ generated is An initial amount of frequency dispersion is given. On the other hand, the femtosecond pulsed laser light L2 branched to the second optical path 14 is passed through the photonic crystal fiber 7, so that the frequency spectrum is changed as compared with the femtosecond pulsed laser light L1 in the first optical path 13. Or it becomes the expanded broadband light (pulse laser beam L2 '). At the same time, the pulse laser beam L2 'is given a predetermined frequency dispersion amount by passing through the photonic crystal fiber 7. Furthermore, the amount of frequency dispersion of the entire optical system is added to these pulse laser beams L1 'and L2' by passing through the optical system from the multiplexer 9 to the surface of the specimen A.

このように周波数分散量が与えられたパルスレーザ光L1’,L2’を、集光レンズ105と標本A間に位置するパルスレーザ光標本点19から、パルスレーザ光導光部18によって周波数特性検出装置10へと入射させ、極短パルスレーザ光測定部201によって周波数特性を測定する。チャープ評価部202は、これらの測定データに基づき、標本A面上におけるパルスレーザ光L1’,L2’のスペクトログラムS,Sと、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレート差ΔCと、周波数差Ωを演算、記憶、表示する。 The pulse laser light L1 ′ and L2 ′ to which the amount of frequency dispersion is given in this way is detected from the pulse laser light sample point 19 located between the condensing lens 105 and the sample A by the pulse laser light guide 18 and the frequency characteristic detection device. 10 and the frequency characteristics are measured by the ultrashort pulse laser beam measurement unit 201. Based on these measurement data, the chirp evaluation unit 202 has spectrograms S 1 and S 2 of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ on the surface of the specimen A, and a chirp plate difference ΔC between the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, Calculates, stores, and displays the frequency difference Ω.

この際、図4(a)に示されるように、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートが相違する場合には、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差Ωは時間軸上の各時刻において異なり、一定に保たれない。この状態においては、標本A中の分子の特定の振動モードに対応する周波数差と異なる周波数差のパルス成分はノイズとなるため、パルスレーザ光L1’,L2’のエネルギーを、標本A中の分子の特定の振動モードのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の発生に効率よく利用することができない。   At this time, as shown in FIG. 4A, when the chirp plates of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ are different, the frequency difference Ω between the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ is different for each time axis. It is different in time and cannot be kept constant. In this state, since the pulse component having a frequency difference different from the frequency difference corresponding to the specific vibration mode of the molecule in the sample A becomes noise, the energy of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ is used as the molecule in the sample A. It cannot be used efficiently for the generation of coherent anti-Stokes Raman scattering light of a specific vibration mode.

そこで、周波数特性検出装置10において検出されたパルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートが標本Aにおいて略同等となるように周波数分散量調節装置6を作動させて、図4(a)の矢印P1に示されるようにチャープレートを変化させる。なお、この際、周波数分散量調節装置6の操作は、周波数特性検出装置10からの制御信号11にて行う。すなわち、チャープ評価部202にて表示されるパルスレーザ光L1’,L2’のスペクトログラムとチャープレート差ΔCの値を目視で確認しながらユーザが手動で行ってもよいし、チャープ評価装置202にて計算されるチャープレート差ΔCの目標値を設定しておいて自動的に制御信号を出すようにしてもよい。これらの機能によって、顕微鏡操作者は、標本A面上におけるパルスレーザ光L1’,L2’のスペクトログラムS,S、チャープレートの差ΔC、周波数差Ωなどの周波数特性を、視覚的に捉えたり、数値情報として確認・認識できるようになる。 Therefore, the frequency dispersion amount adjusting device 6 is operated so that the chirp plates of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ detected by the frequency characteristic detecting device 10 are substantially equal to each other in the sample A, and the arrow in FIG. Change the chirp plate as shown in P1. At this time, the frequency dispersion adjusting device 6 is operated by the control signal 11 from the frequency characteristic detecting device 10. That is, the user may manually perform the spectrogram of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ displayed in the chirp evaluation unit 202 and the value of the chirp plate difference ΔC, or may be performed manually by the chirp evaluation device 202. A target value for the calculated chirp plate difference ΔC may be set and a control signal may be automatically output. With these functions, the microscope operator visually grasps the frequency characteristics such as the spectrograms S 1 and S 2 of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, the char plate difference ΔC, and the frequency difference Ω on the specimen A surface. Can be confirmed and recognized as numerical information.

また、2つのパルスレーザ光L1‘,L2’の周波数差Ωを時間軸上で一定に保った状態でも、パルスレーザ光L1’,L2’のパルスのタイミングによっては、図4(b)に示されるように、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差が標本A中の分子の特定の振動周波数Ω’に一致しない場合がある。この場合には周波数差調節装置8により、第2の光路14を通過するパルスレーザ光L2’を時間軸方向に遅延させる。すなわち、図4(b)に矢印P2で示されるように、パルスレーザ光L2’のパルスタイミングを調節する。これにより、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差を、標本A中の分子の特定の振動周波数Ω’に一致させることができる。なお、この際の周波数差調節装置8の操作は、周波数特性検出装置10からの制御信号12にて行う。すなわち、チャープ評価部202にて表示される周波数差Ωの値を目視で確認しながらユーザが手動で行ってもよいし、チャープ評価装置202にて計算される周波数差Ωの許容範囲を決めておき、所定の振動周波数とその範囲に入るように自動的に制御信号を出すようにしてもよい。   Further, even when the frequency difference Ω between the two pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ is kept constant on the time axis, depending on the pulse timing of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, as shown in FIG. As described above, the frequency difference between the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ may not match the specific vibration frequency Ω ′ of the molecules in the sample A. In this case, the frequency difference adjusting device 8 delays the pulsed laser light L2 'passing through the second optical path 14 in the time axis direction. That is, as shown by an arrow P2 in FIG. 4B, the pulse timing of the pulse laser beam L2 'is adjusted. Thereby, the frequency difference between the pulsed laser beams L1 'and L2' can be matched with the specific vibration frequency Ω 'of the molecules in the sample A. The operation of the frequency difference adjusting device 8 at this time is performed by the control signal 12 from the frequency characteristic detecting device 10. That is, the user may manually perform the operation while visually checking the value of the frequency difference Ω displayed by the chirp evaluation unit 202, or determine the allowable range of the frequency difference Ω calculated by the chirp evaluation device 202. Alternatively, a control signal may be automatically output so as to fall within a predetermined vibration frequency and its range.

以上のように周波数分散量調節装置6および/または周波数調節装置8を作動させることで、合波装置9に到達する2つの光路13,14のパルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートCと周波数差Ωが調節される。その後、パルスレーザ光L1’,L2’は、合波装置9によって合波され、同軸上のパルスレーザ光L3となる。   By operating the frequency dispersion adjusting device 6 and / or the frequency adjusting device 8 as described above, the chirp plates C of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ in the two optical paths 13 and 14 reaching the multiplexing device 9 are obtained. The frequency difference Ω is adjusted. Thereafter, the pulse laser beams L1 'and L2' are combined by the combiner 9 to become a coaxial pulse laser beam L3.

このように合波されたパルスレーザ光L3は、顕微鏡本体3に入射させられ、スキャナ101によって2次元的に走査された後、レンズ群102と集光レンズ105を介して標本Aに集光される。これにより、パルスレーザ光L3が集光された各位置において、標本A中の所定の分子の振動周波数に合わせたコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を効率よく発生させることができる。   The combined pulsed laser light L3 is made incident on the microscope body 3 and scanned two-dimensionally by the scanner 101, and then condensed on the specimen A via the lens group 102 and the condenser lens 105. The As a result, coherent anti-Stokes Raman scattering light matched to the vibration frequency of a predetermined molecule in the sample A can be efficiently generated at each position where the pulse laser beam L3 is collected.

標本Aにおいて発生したコヒーレントアンチストークスラマン散乱光は、標本Aを挟んで集光レンズ105とは反対側に配置された集光レンズ107によって集光され、第2の光検出器108により検出される。そして、パルスレーザ光L3の標本Aでの集光位置の座標と、第2の光検出器108により検出されたコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の光強度とを対応づけて記憶することにより、2次元的なコヒーレントアンチストークスラマン散乱光画像を得ることができる。   The coherent anti-Stokes Raman scattered light generated in the specimen A is collected by the condenser lens 107 disposed on the opposite side of the condenser lens 105 across the specimen A, and detected by the second photodetector 108. . Then, the coordinates of the condensing position of the pulsed laser light L3 on the specimen A and the light intensity of the coherent anti-Stokes Raman scattered light detected by the second photodetector 108 are stored in association with each other to store the two-dimensional A typical coherent anti-Stokes Raman scattering light image can be obtained.

上述のように、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1によれば、2つの光路13,14を導光されるパルスレーザ光L1’,L2’の標本Aの位置におけるチャープレートが周波数特性検出装置10により検出される。そして、周波数特性検出装置10により検出されたパルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートが略同等となるように、第1の光路13を導光されるパルスレーザ光L1’の周波数分散量を周波数分散量調節装置6により調節することで、時間軸上の各時刻において、2つのパルスレーザ光L1’,L2’の周波数差を標本A中の分子の所定の振動周波数に一致させることが可能となる。このようにすることで、パルスレーザ光L1’,L2’のエネルギーを効率的に標本A中の分子の特定の振動周波数からのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の発生に利用することができる。   As described above, according to the laser microscope apparatus 1 according to the present embodiment, the char plate at the position of the specimen A of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ guided through the two optical paths 13 and 14 is the frequency characteristic detection apparatus. 10 is detected. Then, the amount of frequency dispersion of the pulse laser beam L1 ′ guided through the first optical path 13 is set so that the chirp plates of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ detected by the frequency characteristic detector 10 are substantially equal. By adjusting the frequency dispersion amount adjusting device 6, the frequency difference between the two pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ can be made to coincide with a predetermined vibration frequency of the molecules in the sample A at each time on the time axis. It becomes. By doing so, the energy of the pulsed laser beams L1 'and L2' can be efficiently used to generate coherent anti-Stokes Raman scattering light from a specific vibration frequency of molecules in the sample A.

また、周波数調節装置8により、2つの光路13,14を通過して合波装置9に入射されるパルスレーザ光L1’,L2’が標本Aに到達するタイミングを調節することで、標本Aにおいて2つのパルスレーザ光L1’,L2’の周波数差Ωを、標本A中の分子の所望の振動周波数に一致させることができる。これにより、効率的かつ正確にコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を発生させることが可能となる。また、周波数差Ωを任意に調節することができるため、標本A中の別の分子の振動周波数に一致させることもスキャンしてその分布を観測することも可能となる。   Further, in the sample A, the frequency adjusting device 8 adjusts the timing at which the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ that pass through the two optical paths 13 and 14 and enter the multiplexing device 9 reach the sample A. The frequency difference Ω between the two pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ can be matched with the desired vibration frequency of the molecules in the sample A. Thereby, it becomes possible to generate coherent anti-Stokes Raman scattering light efficiently and accurately. Further, since the frequency difference Ω can be arbitrarily adjusted, it is possible to match the vibration frequency of another molecule in the sample A or to scan and observe its distribution.

また、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性を測定する場合、集光レンズ105直後の標本点19以外に、20や21など集光レンズ105より手前(光源)側の光路上の点を標本点としてパルス光の周波数特性を測定してもよい。標本点19の位置であれば、その周波数特性は、ほぼ標本Aの位置での周波数特性に一致するが、この位置の場合には、以下の方法により、標本Aにおける周波数特性を算出する必要がある。すなわち、集光レンズ105の手前で周波数特性を測定することにより取得される、Δv,ΔT,Cと、これと同一の標本点において、集光レンズ105の後の略標本位置Aに挿入したミラー(図示略)からの反射光の周波数特性を測定することにより取得される、Δv,ΔT,Cを用いると、標本A面でのチャープレートは次式で計算される。 When measuring the frequency characteristics of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, in addition to the sample point 19 immediately after the condenser lens 105, points on the optical path on the near side (light source) such as 20 and 21 from the condenser lens 105 are used. You may measure the frequency characteristic of pulsed light as a sample point. If it is the position of the sample point 19, its frequency characteristic substantially matches the frequency characteristic at the position of the sample A. In this position, it is necessary to calculate the frequency characteristic of the sample A by the following method. is there. That is obtained by measuring the frequency characteristic in front of the condenser lens 105, Delta] v A, [Delta] T A, and C A, at the same sampling point and which, at substantially the sampling position A after the condenser lens 105 When Δv B , ΔT B , and C B obtained by measuring the frequency characteristics of the reflected light from the inserted mirror (not shown), the char plate on the specimen A surface is calculated by the following equation.

Figure 0005160352
Figure 0005160352

なお、この場合、該標本点には、図示しないミラーとビームスプリッタを切り替えて配置できるようにし、始めにミラーで集光レンズ105の手前でパルスレーザ光L3の光軸を周波数特性検出装置10の方向に変更して空間的に入射させ測定し、続いてビームスプリッタに切り替えて、上述の挿入したミラーで集光レンズ105を往復して戻ってきたパルスレーザ光L3の光軸を周波数特性検出装置10の方向に変更して空間的に入射させ測定すればよい。   In this case, a mirror (not shown) and a beam splitter can be switched and arranged at the sample point, and the optical axis of the pulsed laser light L3 is first adjusted by the mirror before the condenser lens 105. The direction of the laser beam L3 is changed to the direction and measured spatially, then switched to a beam splitter, and the optical axis of the pulsed laser light L3 returned by reciprocating the condenser lens 105 with the above-described mirror is returned to the frequency characteristic detection device. What is necessary is just to change and measure in 10 directions and to measure spatially.

また、周波数変換手段として、フォトニッククリスタルファイバ7を使用することで、装置を簡易かつ安価に構成することができる。
また、周波数調節手段として、ミラー(リフレクタ)を有する周波数調節装置8を採用することで、装置を簡易かつ安価に構成することができる。
Further, by using the photonic crystal fiber 7 as the frequency conversion means, the apparatus can be configured simply and inexpensively.
Further, by employing the frequency adjusting device 8 having a mirror (reflector) as the frequency adjusting means, the device can be configured simply and inexpensively.

また、標本Aにおいて発生したコヒーレントアンチストークスラマン散乱光は、集光レンズ105により集光され、ダイクロイックミラー103によって分岐されて第1の光検出器104により検出されてもよい。   Further, the coherent anti-Stokes Raman scattered light generated in the specimen A may be collected by the condenser lens 105, branched by the dichroic mirror 103, and detected by the first photodetector 104.

次に、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1を使用して、多光子励起型の蛍光による標本Aの観察を行う場合について以下に説明する。
この場合には、周波数特性検出装置10により測定された標本Aにおけるパルスレーザ光L1’のチャープレートが大きくなるように周波数分散量調節装置6を作動させる。具体的には、図5に示すように、パルスレーザ光L1’が標本A面において略フーリエ限界パルスに近づくようにパルスレーザ光L1’の周波数分散量を設定する。すなわち、図5(a)のP3の方向に分散量調節装置6を作動させ、図5(b)のようにチャープレートを増大させる。このように設定されたパルスレーザ光L1’を集光レンズ105により標本Aに集光することで、標本Aにおける集光位置において多光子励起効果を効率よく発生させ、明るい蛍光を得ることができる。
Next, the case where the specimen A is observed with multiphoton excitation type fluorescence using the laser microscope apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.
In this case, the frequency dispersion amount adjusting device 6 is operated so that the char plate of the pulse laser beam L1 ′ in the sample A measured by the frequency characteristic detecting device 10 becomes large. Specifically, as shown in FIG. 5, the frequency dispersion amount of the pulsed laser beam L1 ′ is set so that the pulsed laser beam L1 ′ approaches a substantially Fourier limit pulse on the sample A surface. That is, the dispersion amount adjusting device 6 is operated in the direction P3 in FIG. 5A, and the char plate is increased as shown in FIG. 5B. By condensing the pulse laser beam L1 ′ set in this way onto the specimen A by the condenser lens 105, a multiphoton excitation effect can be efficiently generated at the condensing position in the specimen A, and bright fluorescence can be obtained. .

標本Aにおいて発生した蛍光は、集光レンズ105によって集光された後、ダイクロイックミラー103によって分岐されて第1の光検出器104により検出される。そして、パルスレーザ光L1’の標本Aでの集光位置の座標と、第1の光検出器104により検出された蛍光強度とを対応づけて記憶することにより、2次元的な多光子蛍光画像を得ることができる。また、標本Aにおいて発生した蛍光は、集光レンズ107によって集光され、第2の光検出器108により検出されてもよい。   The fluorescence generated in the sample A is collected by the condenser lens 105, then branched by the dichroic mirror 103 and detected by the first photodetector 104. The two-dimensional multiphoton fluorescence image is stored by associating and storing the coordinates of the condensing position of the pulse laser beam L1 ′ on the specimen A and the fluorescence intensity detected by the first photodetector 104. Can be obtained. Further, the fluorescence generated in the specimen A may be collected by the condenser lens 107 and detected by the second photodetector 108.

上述のように、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1によれば、周波数特性検出装置10によりパルスレーザ光L1’の標本Aにおけるチャープレートを検出し、周波数分散装置6によりパルスレーザ光L1’の周波数分散量を調節することで、パルスレーザ光L1’が標本Aにおいて略フーリエ限界パルスとなるようにすることができる。これにより、多光子励起光効果を効率的に発生させて、鮮明な多光子蛍光観察を行うことができる。   As described above, according to the laser microscope apparatus 1 according to this embodiment, the frequency characteristic detection apparatus 10 detects the char plate in the specimen A of the pulse laser beam L1 ′, and the frequency dispersion apparatus 6 detects the pulse laser beam L1 ′. By adjusting the amount of frequency dispersion, the pulsed laser light L1 ′ can be substantially Fourier-limited pulse in the sample A. Thereby, the multiphoton excitation light effect can be generated efficiently and clear multiphoton fluorescence observation can be performed.

なお、多光子蛍光観察時における周波数分散量調節装置6の操作は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察時と同様に、ユーザによる手動としてもよいし、自動としても良い。また、標本Aにおいて発生した蛍光は、集光レンズ107によって集光され、第2の光検出器108により検出されてもよい。
また、多励起型の蛍光観察と同様の条件で、SHG(第二高調波)光、THG(第3高調波)光観察などの観察も行うことができる。
Note that the operation of the frequency dispersion amount adjusting device 6 at the time of multiphoton fluorescence observation may be performed manually by the user or automatically as in the case of coherent anti-Stokes Raman scattering light observation. Further, the fluorescence generated in the specimen A may be collected by the condenser lens 107 and detected by the second photodetector 108.
Moreover, observations such as SHG (second harmonic) light and THG (third harmonic) light observation can also be performed under the same conditions as in multi-excitation fluorescence observation.

以上のように、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1によれば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察、多光子励起型の蛍光観察およびSHG光観察を切り替えて効率よく行うことができる。すなわち、1台のレーザ顕微鏡装置1により、3種類の観察を効率よく行うことができ、マルチモーダルな観察を達成することができる。   As described above, according to the laser microscope apparatus 1 according to the present embodiment, coherent anti-Stokes Raman scattering light observation, multiphoton excitation type fluorescence observation, and SHG light observation can be switched efficiently. That is, three types of observations can be efficiently performed by one laser microscope apparatus 1, and multimodal observation can be achieved.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置について、図6、図7、図8を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置51が第1の実施形態と異なる点は、パルスレーザ光の周波数特性を顕微鏡本体53内の標本点において検出するのではなく、レーザ光源装置52内の光路13及び14から引き出して検出し、その結果から標本Aでのパルスレーザ光の周波数特性を演算により見積もる機能を持つ点である。以下、本実施形態のレーザ顕微鏡装置51について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる上述の点について主に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a laser microscope apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6, FIG. 7, and FIG.
The laser microscope apparatus 51 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that the frequency characteristic of the pulsed laser light is not detected at the sample point in the microscope main body 53, but the optical path 13 in the laser light source apparatus 52 and 14 is extracted and detected, and based on the result, it has a function of estimating the frequency characteristic of the pulsed laser light in the sample A by calculation. Hereinafter, regarding the laser microscope apparatus 51 of the present embodiment, description of points that are common to the first embodiment will be omitted, and different points described above will be mainly described.

本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置51は、図6に示されるように、レーザ光源装置52と、レーザ光源装置52からのレーザ光を標本Aに照射して標本Aを観察するための顕微鏡本体53とを備えている。   As shown in FIG. 6, the laser microscope apparatus 51 according to the present embodiment includes a laser light source apparatus 52 and a microscope main body 53 for observing the specimen A by irradiating the specimen A with laser light from the laser light source apparatus 52. And.

レーザ光源装置52は、図6に示されるように、光路13上のパルスレーザ光L1’及び光路14上のパルスレーザ光L2’上の合波装置(合波手段)9より手前の位置に、パルスレーザ光導光手段としてのビームスプリッタ22と23をそれぞれ備えている。これらにより、パルスレーザ光L1’,L2’の一部が折り返され、光路16、17を通るパルスレーザ光L6,L7となる。この光路16、17には、合波装置9と略同一の光学要素で構成される合波装置24が更に配置される。この合波装置24により、光路16、17を通るパルスレーザ光L6,L7は、ほぼそれらの光軸が同軸に導波するパルスレーザ光L8(光路25)となる。このパルスレーザ光L8は、この光路25上に配置された周波数特性検出装置(周波数特性検出手段)50により周波数特性が測定される。なおレーザ光源装置52のその他の部分の構成は、第1の実施形態と同様である。   As shown in FIG. 6, the laser light source device 52 is positioned at a position before the multiplexing device (multiplexing means) 9 on the pulse laser light L1 ′ on the optical path 13 and the pulse laser light L2 ′ on the optical path 14. Beam splitters 22 and 23 are provided as pulse laser beam guiding means, respectively. As a result, part of the pulse laser beams L1 'and L2' are folded back to become pulse laser beams L6 and L7 passing through the optical paths 16 and 17. In the optical paths 16 and 17, a multiplexing device 24 composed of substantially the same optical elements as the multiplexing device 9 is further arranged. By this multiplexing device 24, the pulsed laser beams L6 and L7 passing through the optical paths 16 and 17 become the pulsed laser beam L8 (optical path 25) whose optical axes are guided coaxially. The frequency characteristic of the pulse laser beam L8 is measured by a frequency characteristic detection device (frequency characteristic detection means) 50 disposed on the optical path 25. The configuration of other parts of the laser light source device 52 is the same as that of the first embodiment.

なお顕微鏡本体53は、図6に示されるように、上記に伴い、第1の実施形態では顕微鏡本体内にあった標本点(符号19,20,21)が顕微鏡本体外に出ており、これに付随した変更はあるが、その他の構成は第1の実施形態と同様である。   As shown in FIG. 6, the microscope main body 53 has sample points (symbols 19, 20, and 21) in the microscope main body outside the microscope main body in the first embodiment. Although there are changes accompanying the above, other configurations are the same as those in the first embodiment.

周波数特性検出装置50は、図7に示されるように、極短パルス光測定部201とチャープ量評価部502から構成される。極短パルス光測定部201としては、例えばFROG検出装置等、第1の実施形態と同様の装置で構成される。一方チャープ量評価部502は、第1の実施形態とは異なり、計測したパルスレーザ光L8(光路25)に含まれるパルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性から、標本A上におけるパルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性を演算により見積もる機能を加えて備えており、具体的にはレーザ顕微鏡装置を制御するコンピュータ中にソフトウエアとして実現されている。   As shown in FIG. 7, the frequency characteristic detection device 50 includes an ultrashort pulse light measurement unit 201 and a chirp amount evaluation unit 502. The ultrashort pulse light measurement unit 201 is configured by the same device as that of the first embodiment, such as a FROG detection device. On the other hand, unlike the first embodiment, the chirp amount evaluation unit 502 uses the pulsed laser light on the specimen A based on the frequency characteristics of the pulsed laser light L1 ′ and L2 ′ included in the measured pulsed laser light L8 (optical path 25). A function for estimating the frequency characteristics of L1 ′ and L2 ′ by calculation is added, and more specifically, it is realized as software in a computer that controls the laser microscope apparatus.

周波数特性検出装置50の該機能につき、図7を用いてさらに詳しく説明する。入力されたパルスレーザ光L8(光路25)は、極短パルス光測定部201において、パルスレーザ光L1’,L2’それぞれの周波数特性として、チャープレートC、パルス時間幅ΔT(ΔT,ΔT)パルス周波数幅Δv(Δv, Δv)、パルス中心周波数v(中心波長λ)、スペクトログラムSが計測される。なお、この計測された周波数特性は、合波装置24を配したことにより、ほぼ光路13、14上の合波装置9の位置でのパルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性に等しい(図8(a)参照)。 The function of the frequency characteristic detection device 50 will be described in more detail with reference to FIG. The input pulsed laser light L8 (optical path 25) is obtained by the ultrashort pulsed light measurement unit 201 as a frequency characteristic of each of the pulsed laser light L1 ′ and L2 ′ as a chirp plate C and a pulse time width ΔT (ΔT 1 , ΔT 2 ) Pulse frequency width Δv (Δv 1 , Δv 2 ), pulse center frequency v 0 (center wavelength λ 0 ), and spectrogram S are measured. The measured frequency characteristics are substantially equal to the frequency characteristics of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ at the position of the multiplexing device 9 on the optical paths 13 and 14 by arranging the multiplexing device 24 (FIG. 8 (a)).

チャープ量評価部502は、極短パルス光測定部201において計測された、L1’,L2’のパルスレーザ光の周波数特性値(C、ΔT、Δv、v(λ)、S)を記憶し、標本Aにおけるチャープレート値とチャープレート差ΔCを以下の演算過程によって計算し、記憶する機能を持つ。 The chirp amount evaluation unit 502 stores the frequency characteristic values (C, ΔT, Δv, v 00 ), S) of the pulse laser beams of L1 ′ and L2 ′ measured by the ultrashort pulsed light measurement unit 201. Then, the chirp plate value and the chirp plate difference ΔC in the sample A are calculated and stored by the following calculation process.

[チャープレートの演算過程]
極短パルス光測定部201において測定された、パルスレーザ光L1’,L2’それぞれのチャープレート値Cおよびパルスの時間幅ΔTの情報から、以下の計算式により標本Aにおけるパルスレーザ光の周波数幅Δvcalcおよびパルス時間幅ΔTcalcが計算され、チャープレートCcalcが求まる。(例えば、非特許文献5参照)
電気情報通信学会編、「超高速光技術」、第4章
[Cirplate calculation process]
From the information of the chirp plate value C of each of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ and the pulse time width ΔT measured by the ultrashort pulsed light measuring unit 201, the frequency width of the pulsed laser beam in the sample A by the following calculation formula Δv calc and pulse time width ΔT calc are calculated to obtain a chirp plate C calc . (For example, see Non-Patent Document 5)
The Institute of Electrical, Information and Communication Engineers, “Ultrafast Optical Technology”, Chapter 4

Figure 0005160352
iはパルスレーザ光L1’,L2’に対応する添字を表す(i=1またはi=2)。
Figure 0005160352
i represents a subscript corresponding to the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ (i = 1 or i = 2).

Figure 0005160352
Figure 0005160352

Lは合波装置9から標本Aまでの光学系に存在する各光学素子の物質長、nは各光学素子の屈折率、λ0(i)はパルスレーザ光L1’,L2’の中心波長、cは光速である。なお、計算に必要なLやnの波長依存データは、テーブルとして記憶されており、観察時に対物を変更したり、波長を変更したりしても、上述の演算過程が実行できるようになっている。
チャープレート差ΔCは上記で求めたL1’のチャープレートとL2’のチャープレートの差より求めることができる。
L is the material length of each optical element existing in the optical system from the multiplexer 9 to the specimen A, n is the refractive index of each optical element, λ 0 (i) is the center wavelength of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, c is the speed of light. Note that L and n wavelength-dependent data necessary for the calculation are stored as a table, and the above-described calculation process can be executed even if the objective is changed or the wavelength is changed during observation. Yes.
The char plate difference ΔC can be obtained from the difference between the L1 ′ char plate and the L2 ′ char plate obtained above.

さらにチャープ量評価部502は、標本A上にパルスレーザ光L1’,L2’が到達する時間差ΔTdelayを以下の演算過程により計算し、これより周波数差Ωを概算し、またこれらを記憶する演算機能を備える。これによって、求められたΔTdelay及び周波数差Ωも記憶される。
[到達時間差ΔTdelayの演算過程]
Further, the chirp amount evaluation unit 502 calculates the time difference ΔT delay at which the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ arrive on the sample A by the following calculation process, estimates the frequency difference Ω from this, and stores these values It has a function. Thus, the obtained ΔT delay and frequency difference Ω are also stored.
[Calculation process of arrival time difference ΔT delay ]

Figure 0005160352
iはパルスレーザ光L1’,L2’に対応する添字を表す(i=1またはi=2)。
Figure 0005160352
i represents a subscript corresponding to the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ (i = 1 or i = 2).

ここで、DT’,DT’は:パルスレーザ光が合波装置9から標本Aに到達するまでの時間、DT12は極短パルス光測定部201で測定されるパルスレーザ光L1’,L2’の時間差である。
Lは合波装置9から標本Aまでの光学系に存在する各光学素子の物質長、nは各光学素子の屈折率、λ0(i)はパルスレーザ光L1’,L2’の中心波長、cは光速である。
Here, DT ′ 1 and DT ′ 2 are: time until the pulse laser beam reaches the sample A from the multiplexing device 9, and DT 12 is the pulse laser beam L 1 ′ measured by the ultrashort pulse beam measurement unit 201. This is the time difference of L2 ′.
L is the material length of each optical element existing in the optical system from the multiplexer 9 to the specimen A, n is the refractive index of each optical element, λ 0 (i) is the center wavelength of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, c is the speed of light.

以上の演算により算出された、標本Aにおけるパルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性を模式的に示すと図8(b)のようになる。なお、図8(b)は、スペクトルグラムの略中心値を直線にて模式化して示してある。パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差については、このスペクトルグラムS1及びS2の時間軸上の重なり部分の周波数差を求め、その平均値として概算するようになっている。   FIG. 8B schematically shows the frequency characteristics of the pulsed laser beams L1 'and L2' in the specimen A calculated by the above calculation. FIG. 8B schematically shows the approximate center value of the spectrumgram as a straight line. Regarding the frequency difference between the pulse laser beams L1 'and L2', the frequency difference of the overlapping portions on the time axis of the spectrumgrams S1 and S2 is obtained and approximated as an average value thereof.

さらにチャープ量評価部502は、標本Aにおけるパルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性を図や数値表示できるようになっている。より具体的には、図7及び図8(b)に示すように、L1’,L2’のチャープレート差ΔC、タイミング差ΔTdelay、周波数差Ω及び、前述のスペクトルグラムの模式図を示すようになっている。 Further, the chirp amount evaluation unit 502 can display the frequency characteristics of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ in the sample A in the form of figures and numerical values. More specifically, as shown in FIG. 7 and FIG. 8B, a schematic diagram of L1 ′ and L2 ′ chirp plate difference ΔC, timing difference ΔT delay , frequency difference Ω, and the aforementioned spectrumgram is shown. It has become.

次に、この周波数特性検出装置50の作用について説明する。前述の第1の実施形態でも示したように、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートが標本Aにおいて略同等となるように周波数分散量調節装置6を作動させて、図8(b)の矢印P4に示されるようにチャープレートを変化させる。なお、この際、周波数分散量調節装置6の操作は、周波数特性検出装置50からの制御信号11にて行う。すなわち、チャープ評価部502にて表示されるパルスレーザ光L1’,L2’の模式的なスペクトログラムやチャープレート差ΔCcalcの値を目視で確認しながらユーザが手動で行ってもよいし、チャープ評価装置502にて計算されるチャープレート差の目標値を設定しておいて自動的に制御信号を出すようにしてもよい。 Next, the operation of the frequency characteristic detection device 50 will be described. As shown in the first embodiment, the frequency dispersion amount adjusting device 6 is operated so that the chirp plates of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ are substantially equal to each other in the sample A, and FIG. The chirp plate is changed as indicated by the arrow P4. At this time, the frequency dispersion adjusting device 6 is operated by the control signal 11 from the frequency characteristic detecting device 50. That is, the user may manually perform the chirp evaluation while visually checking the schematic spectrogram of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ displayed in the chirp evaluation unit 502 and the value of the chirp plate difference ΔCcalc. A target value for the chirp plate difference calculated by the apparatus 502 may be set and a control signal may be automatically output.

また、2つのパルスレーザ光L1‘,L2’の周波数差を時間軸上で一定に保った状態でも、パルスレーザ光L1’,L2’のパルスのタイミングによっては、図8(b)に示されるように、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差が観測すべき標本A中の分子の特定の振動周波数に一致しない場合がある(図中で示したΩ“)。この場合には周波数差調節装置8により、第2の光路14を通過するパルスレーザ光L1’を時間軸方向に遅延させる。すなわち、図8(b)に矢印P5で示されるように、パルスレーザ光L2’のパルスタイミングを調節する。これにより、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差Ωを、標本A中の分子の特定の振動周波数に一致させることができる。なお、この際の周波数差調節装置8の操作は、周波数特性検出装置50からの制御信号12にて行う。すなわち、チャープ評価部502にて表示されるパルスレーザ光L1’,L2’の到達時間差ΔTdelayや周波数差Ωの値を目視で確認しながらユーザが手動で行ってもよいし、チャープ評価装置502にて計算される周波数差Ωの許容範囲を決めておき、所定の振動周波数とその範囲に入るように自動的に制御信号を出すようにしてもよい。 Further, even when the frequency difference between the two pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ is kept constant on the time axis, depending on the timing of the pulses of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′, FIG. Thus, the frequency difference between the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ may not match the specific vibration frequency of the molecule in the sample A to be observed (Ω “shown in the figure). The adjusting device 8 delays the pulsed laser light L1 ′ passing through the second optical path 14 in the time axis direction, that is, as shown by the arrow P5 in FIG. Thereby, the frequency difference Ω between the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ can be matched with a specific vibration frequency of the molecules in the sample A. The operation of the frequency difference adjusting device 8 at this time is adjusted. The frequency characteristic detection device 5 Performed by the control signal 12 from. That is, done manually by the user while checking the pulsed laser light L1 is displayed on the chirp evaluation section 502 ', L2' the value of the arrival time difference [Delta] T delay and frequency difference Ω of visually Alternatively, an allowable range of the frequency difference Ω calculated by the chirp evaluation device 502 may be determined, and a control signal may be automatically output so as to fall within a predetermined vibration frequency and the range.

これらの機能によって、顕微鏡操作者は、標本Aにおけるパルスレーザ光L1’,L2’のスペクトログラムS1,S2、チャープレートの差ΔCcalc、周波数差Ωなどの周波数特性を、視覚的に捉えたり、数値情報として確認・認識できるようになる。 With these functions, the microscope operator can visually grasp frequency characteristics such as spectrograms S1 and S2 of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, the char plate difference ΔC calc , and the frequency difference Ω in the specimen A, or numerical values can be obtained. It can be confirmed and recognized as information.

このように、顕微鏡装置53内にパルスレーザ光L3の周波数特性を測定するための標本点を設けられない場合でも、パルスレーザ光L3が集光された標本Aの各位置において、標本A中の分子の特定の振動周波数を選択し、該振動周波数からのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を効率的に発生させることができる。   As described above, even in the case where the sample point for measuring the frequency characteristic of the pulse laser beam L3 cannot be provided in the microscope apparatus 53, at each position of the sample A where the pulse laser beam L3 is condensed, A specific vibration frequency of the molecule can be selected, and coherent anti-Stokes Raman scattered light from the vibration frequency can be efficiently generated.

また、周波数特性検出装置50により、パルスレーザ光L1’の標本Aでの周波数特性を求め、これによりチャープレートCを大きくするように周波数分散量調節装置6を作動させることで、第1の光路13を導光されるパルスレーザ光L1’の周波数分散量を調節し、標本Aにおいて略フーリエ限界パルスとすることができる。これにより、多光子励起光効果を効率的に発生させて、鮮明な多光子蛍光観察を行うことができる。 Further, by the frequency characteristic detection unit 50 obtains the frequency characteristic in the specimen A pulsed laser beam L1 ', thereby by activating the frequency dispersion quantity adjusting device 6 so as to increase the chirp rate C 1, the first By adjusting the amount of frequency dispersion of the pulsed laser beam L1 ′ guided through the optical path 13, the sample A can be made to have a substantially Fourier limit pulse. Thereby, the multiphoton excitation light effect can be generated efficiently and clear multiphoton fluorescence observation can be performed.

なお、多光子蛍光観察時における周波数分散量調節装置6の操作は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察時と同様に、ユーザによる手動としてもよいし、自動としても良い。
また、多励起型の蛍光観察と同様の条件で、SHG(第二高調波)光、THG(第3高調波)光観察などの観察も行うことができる。
Note that the operation of the frequency dispersion amount adjusting device 6 at the time of multiphoton fluorescence observation may be performed manually by the user or automatically as in the case of coherent anti-Stokes Raman scattering light observation.
Moreover, observations such as SHG (second harmonic) light and THG (third harmonic) light observation can also be performed under the same conditions as in multi-excitation fluorescence observation.

以上のように、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置51によれば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察、多光子励起型の蛍光観察およびSHG光観察を切り替えて効率よく行うことができる。すなわち、1台のレーザ顕微鏡装置1により、3種類の観察を効率よく行うことができ、マルチモーダルな観察を達成することができる。   As described above, according to the laser microscope apparatus 51 according to the present embodiment, coherent anti-Stokes Raman scattering light observation, multiphoton excitation type fluorescence observation, and SHG light observation can be switched efficiently. That is, three types of observations can be efficiently performed by one laser microscope apparatus 1, and multimodal observation can be achieved.

なお、本実施形態において、光路13上のパルスレーザ光L1′及び光路14上のパルスレーザ光L2’上の合波装置(合波手段)9より手前の位置に、パルスレーザ光導光手段としてのビームスプリッタ22と23をそれぞれ備え、さらに合波装置9と略同一の光学要素で構成される合波装置24を配して、光路25上の合波であるパルスレーザ光L8を作り、これを周波数特性検出装置50に導波させ周波数特性を測定するようにしたが、合波装置9で合波したパルスレーザ光L3を直接分波してこれを周波数特性検出装置50に導波させ周波数特性を測定するようにしても、同様の作用と効果を得ることができる。   In the present embodiment, the pulse laser beam guiding means is provided at a position before the multiplexing device (multiplexing means) 9 on the pulse laser light L1 ′ on the optical path 13 and the pulse laser light L2 ′ on the optical path 14. The beam splitters 22 and 23 are provided, respectively, and a multiplexing device 24 composed of optical elements substantially the same as the multiplexing device 9 is arranged to produce a pulsed laser beam L8 that is multiplexed on the optical path 25. The frequency characteristic is measured by guiding it to the frequency characteristic detection device 50. However, the pulsed laser light L3 multiplexed by the multiplexing device 9 is directly demultiplexed and guided to the frequency characteristic detection device 50 to obtain the frequency characteristic. Even if it measures, the same effect | action and effect can be acquired.

〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置について、図9〜図13を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置61が第1、第2の実施形態と異なる点は、標本Aでのパルスレーザ光L1’,L2’の周波数特性の検出を、パルスレーザ光L1’,L2’の相互相関信号を計測することによって可能にする点である。以下、本実施形態のレーザ顕微鏡装置61について、第1、第2の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a laser microscope apparatus according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The laser microscope apparatus 61 according to the present embodiment is different from the first and second embodiments in that the frequency characteristics of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ in the specimen A are detected by the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′. This is made possible by measuring the cross-correlation signal. Hereinafter, with respect to the laser microscope apparatus 61 of the present embodiment, description of points that are common to the first and second embodiments will be omitted, and different points will be mainly described.

本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置61は、図9に示されるように、レーザ光源装置62と、レーザ光源装置62からのレーザ光を標本Aに照射して標本Aを観察するための顕微鏡本体63とを備えている。   As shown in FIG. 9, the laser microscope apparatus 61 according to the present embodiment includes a laser light source apparatus 62 and a microscope main body 63 for observing the specimen A by irradiating the specimen A with laser light from the laser light source apparatus 62. And.

図9に示すように、レーザ光源装置62内の分波装置(分波手段)65では、レーザ光源4から出射されたフェムト秒パルスレーザ光を3分岐し、そのうち2つを光路13および14へ導光し、パルスレーザ光L1,L2とし、残りの1つのフェムト秒パルスレーザ光を光路26へ導光し、パルスレーザ光L9とする。このパルスレーザ光L9は、標本Aにおけるパルスレーザ光L1’,L2’の相互相関波形計測用の参照パルスとして用いる。   As shown in FIG. 9, the demultiplexing device (demultiplexing means) 65 in the laser light source device 62 divides the femtosecond pulsed laser light emitted from the laser light source 4 into three branches, two of which are passed to the optical paths 13 and 14. The light is guided to be pulse laser beams L1 and L2, and the remaining one femtosecond pulse laser beam is guided to the optical path 26 to be pulse laser light L9. This pulse laser beam L9 is used as a reference pulse for measuring a cross-correlation waveform of the pulse laser beams L1 'and L2' in the specimen A.

周波数特性検出装置60は、図10に示すように、相互相関計601およびチャープ量評価装置602から構成される。パルスレーザ光L1’,L2’は集光レンズ105を透過後、パルスレーザ光標本点19から、第1の実施形態と同様のパルスレーザ光導光部18によって周波数特性検出装置60へ導光される。周波数特性検出装置60へ導光されたパルスレーザ光L1’,L2’は、該装置に備えられた、相互相関計601へ入射させられる。また、参照パルスであるパルスレーザ光L9(以降、参照パルス光L9と呼ぶ)も相互相関計601へ導光させられる。   As shown in FIG. 10, the frequency characteristic detection device 60 includes a cross-correlator 601 and a chirp amount evaluation device 602. The pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ are transmitted through the condenser lens 105, and then guided from the pulse laser beam sample point 19 to the frequency characteristic detection device 60 by the pulse laser beam light guide 18 similar to that of the first embodiment. . The pulsed laser beams L1 'and L2' guided to the frequency characteristic detection device 60 are incident on a cross-correlator 601 provided in the device. Further, a pulse laser beam L9 that is a reference pulse (hereinafter referred to as a reference pulse beam L9) is also guided to the cross-correlator 601.

相互相関計601は図11に示すように、パルスレーザ光L1’,L2’に対する、参照パルス光L9の遅延時間を調節するための参照パルスタイミング調節装置603と、パルスレーザ光L1’,L2’の相互相関波形f=f(t)を検出するための二光子吸収光検出装置604を備える。参照パルスタイミング調節装置603は、周波数分散量調節装置6と同様なミラー及びリフレクタにより構成され、光路長を調整することで、パルスレーザ光L1’,L2’に対する参照パルスレーザ光L9の遅延時間を変更可能となっている。二光子吸収光検出器604は、パルスレーザ光L1’およびL2’に対する二光子吸収波長帯に感度を有する光電変換素子であり、例えばGaAsPやGaPフォトダイオードを使用できる(例えば、特許文献3参照)。
特開2008−20247号公報 なお相互相関波形の検出には、前記の二光子吸収光検出器以外に第二高調波発生等の非線形光学結晶を使用してもよい。
As shown in FIG. 11, the cross-correlator 601 includes a reference pulse timing adjusting device 603 for adjusting the delay time of the reference pulse light L9 with respect to the pulse laser lights L1 ′ and L2 ′, and the pulse laser lights L1 ′ and L2 ′. Is provided with a two-photon absorption light detector 604 for detecting the cross-correlation waveform f = f (t). The reference pulse timing adjusting device 603 includes mirrors and reflectors similar to those of the frequency dispersion amount adjusting device 6, and adjusts the optical path length, thereby reducing the delay time of the reference pulse laser light L9 with respect to the pulse laser light L1 ′ and L2 ′. It can be changed. The two-photon absorption photodetector 604 is a photoelectric conversion element having sensitivity in the two-photon absorption wavelength band with respect to the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′. For example, a GaAsP or GaP photodiode can be used (see, for example, Patent Document 3). .
JP, 2008-20247, A In addition to the above-mentioned two-photon absorption photodetector, a nonlinear optical crystal such as second harmonic generation may be used for detection of the cross-correlation waveform.

チャープ量評価装置602は、相互相関計601で計測される相互相関信号f=f(t)の記憶、表示機能を備える。さらにチャープ量評価装置602は、相互相関信号f(t)のフーリエ変換波形F(v)を計算し、かつ、フーリエスペクトルF(v)におけるバンド周波数を算出する演算機能及びその記憶、表示機能を備える。これらの機能は、他の実施例同様に、顕微鏡装置を制御するコンピュータやグラフィカルユーザインタフェースや画像表示用の表示装置でこれらの機能を実現する。   The chirp amount evaluation device 602 has a function of storing and displaying the cross-correlation signal f = f (t) measured by the cross-correlator 601. Furthermore, the chirp amount evaluation device 602 has an arithmetic function for calculating a Fourier transform waveform F (v) of the cross-correlation signal f (t) and calculating a band frequency in the Fourier spectrum F (v), and a storage and display function thereof. Prepare. As in the other embodiments, these functions are realized by a computer that controls the microscope apparatus, a graphical user interface, and a display device for image display.

上記のように構成されたレーザ顕微鏡装置61の作用について周波数特性検出装置60の機能を中心に以下に説明する。
図9に示すように、レーザ光源4を作動させてフェムト秒パルスレーザ光を出射させると、レーザ光源4から発せられたフェムト秒パルスレーザ光は、分波装置65により3つの光路13,14および26に分岐される。光路13及び14上のフェムト秒パルスパルスレーザー光L1、L2が、レーザ光源装置62を通過し、顕微鏡本体63を通過し、さらに周波数特性検出装置60にパルスレーザ光L1’,L2’として導光されるまでの構成及び作用は第1の実施形態と同様である。
The operation of the laser microscope apparatus 61 configured as described above will be described below with a focus on the function of the frequency characteristic detection apparatus 60.
As shown in FIG. 9, when the laser light source 4 is operated to emit femtosecond pulsed laser light, the femtosecond pulsed laser light emitted from the laser light source 4 is separated by the branching device 65 into the three optical paths 13, 14 and Branch to 26. The femtosecond pulsed laser beams L1 and L2 on the optical paths 13 and 14 pass through the laser light source device 62, pass through the microscope main body 63, and are further guided to the frequency characteristic detector 60 as pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′. The configuration and operation up to this are the same as in the first embodiment.

図11に示すように、周波数特性検出装置60中の相互相関計601において、パルスレーザ光L1’,L2’及び参照パルスレーザ光L9を二光子吸収検出器604にミラーやビームスプリッタ等で折り返して入力する。この時、参照パルスタイミング調節装置603により、パルスレーザ光L1’,L2’に対する参照パルスレーザ光L9のパルスの遅延時間τを掃引することにより、図12(b)及び図13(b)に示すようなパルスレーザ光L1’,L2’についての相互相関信号f(t)を取得できる。相互相関信号f(t)において観測されるビート信号は、パルスレーザ光L1’,L2’の合成波L3における、パルスレーザ光L1’,L2’の差周波成分の周波数ビートを反映する。図12(c)に示すように、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートが等しくない場合には、該ビート信号は多数の異なる周波数成分を含み、相互相関波形f(t)のフーリエスペクトルF(v)に明瞭なピークは観測されない(図12(a)参照)。一方、図13(c)に示すように、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートが略等しい場合には、該ビート信号には略単一の周波数成分しか含まれないので、相互相関波形f(t)のフーリエスペクトルF(v)において、パルスレーザ光L1’,L2’の周波数差Ωの位置に、単一ピークが観測される。(図13(a)参照。)このように、パルスレーザ光L1’,L2’の相互相関信号のフーリエスペクトル情報から、パルスレーザ光L1’,L2’における周波数線形チャープのチャープレートの一致と周波数差を検出することが可能である。   As shown in FIG. 11, in the cross-correlator 601 in the frequency characteristic detection device 60, the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ and the reference pulse laser beam L9 are folded back to the two-photon absorption detector 604 by a mirror or a beam splitter. input. At this time, the reference pulse timing adjusting device 603 sweeps the delay time τ of the pulse of the reference pulse laser beam L9 with respect to the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′, so that it is shown in FIGS. 12B and 13B. A cross-correlation signal f (t) for such pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ can be acquired. The beat signal observed in the cross-correlation signal f (t) reflects the frequency beat of the difference frequency component of the pulse laser beams L1 'and L2' in the combined wave L3 of the pulse laser beams L1 'and L2'. As shown in FIG. 12 (c), when the chirp plates of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ are not equal, the beat signal includes a number of different frequency components, and the Fourier spectrum of the cross-correlation waveform f (t). A clear peak is not observed in F (v) (see FIG. 12A). On the other hand, as shown in FIG. 13C, when the chirp plates of the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′ are substantially equal, the beat signal includes only a substantially single frequency component. In the Fourier spectrum F (v) of f (t), a single peak is observed at the position of the frequency difference Ω between the pulsed laser beams L1 ′ and L2 ′. (See FIG. 13 (a).) Thus, from the Fourier spectrum information of the cross-correlation signals of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′, the coincidence and frequency of the frequency linear chirp in the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ It is possible to detect the difference.

チャープ量評価装置602に表示される、相互相関波形のフーリエ変換スペクトルF(v)および相互相関波形f(t)を参照しながら、ユーザが手動で周波数分散量調節装置6を操作し、パルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートを略等しくすることが可能である。あるいは、チャープ量評価装置602にフーリエスペクトルのバンド幅を計算する機能を備えさせ、該バンド幅の許容幅を設定した上で、該許容幅内にフーリエスペクトルのバンド幅が収まるように周波数分散量調節装置6を自動制御することによっても、チャープレートを略等しくすることが可能である。なお、この際、周波数分散量調節装置6の操作は、周波数特性検出装置60からの制御信号11にて行う。   While referring to the Fourier transform spectrum F (v) and the cross-correlation waveform f (t) of the cross-correlation waveform displayed on the chirp amount evaluation device 602, the user manually operates the frequency dispersion amount adjusting device 6 to obtain the pulse laser. The chirp plates of the light L1 ′ and L2 ′ can be made substantially equal. Alternatively, the chirp amount evaluation device 602 is provided with a function for calculating the bandwidth of the Fourier spectrum, and after setting the allowable bandwidth, the frequency dispersion amount so that the bandwidth of the Fourier spectrum is within the allowable bandwidth. The chirp plates can be made substantially equal by automatically controlling the adjusting device 6. At this time, the frequency dispersion adjusting device 6 is operated by the control signal 11 from the frequency characteristic detecting device 60.

さらに、パルスレーザ光のチャープレートを略等しく設定した後に、フーリエ変換スペクトルF(v)を参照しながら、ユーザが手動で周波数差調節装置8を操作することにより、周波数差Ωを所望の周波数差に設定することが可能である。あるいは、チャープ量評価装置602に所望の周波数差の許容値を決めておき、所定の周波数範囲に入るように周波数差調節装置8を自動制御することによっても、周波数差Ωを所望の周波数差に設定することが可能である。なお、この際の周波数差調節装置8の操作は、周波数特性検出装置60からの制御信号12にて行う。   Further, after setting the chirp plates of the pulse laser light substantially equal, the user manually operates the frequency difference adjusting device 8 while referring to the Fourier transform spectrum F (v), so that the frequency difference Ω is set to a desired frequency difference. Can be set. Alternatively, it is also possible to determine the allowable value of the desired frequency difference in the chirp amount evaluation device 602 and automatically control the frequency difference adjustment device 8 so as to fall within a predetermined frequency range, thereby changing the frequency difference Ω to the desired frequency difference. It is possible to set. The operation of the frequency difference adjusting device 8 at this time is performed by the control signal 12 from the frequency characteristic detecting device 60.

この方法によれば、FROGのように比較的大型でコストが高く、かつ周波数特性の解析に時間を要する極短パルスレーザ計測手段を使用せずに、低コストかつ簡便にパルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートの調節、および周波数差Ωを調節でき、パルスレーザ光L3が集光された標本Aの各位置において、標本A中の分子の特定の振動周波数を選択し、該振動周波数からのコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を効率的に発生させることができる。   According to this method, the pulse laser beam L1 ′, which is comparatively large and costly as in FROG, can be easily and inexpensively used without using an ultrashort pulse laser measuring unit that requires time for frequency characteristic analysis. The L2 ′ char plate can be adjusted, and the frequency difference Ω can be adjusted. At each position of the sample A where the pulsed laser light L3 is collected, a specific vibration frequency of the molecule in the sample A is selected, and from the vibration frequency The coherent anti-Stokes Raman scattering light can be efficiently generated.

また、図示しないシャッタ等で光路14からのレーザパルスL2’を遮断し、パルスレーザ光L1’及び略フーリエ限界パルスの参照パルス光L9のみを周波数特性検出装置60に入力させ、これらの相互相関波形を検出すれば、これは標本Aの位置でのパルスレーザ光L1’の周波数特性を示すことになる。この相互相関波形の相互相関幅を狭くなるように周波数分散量調節装置6を作動させることで、第1の光路13を導光されるパルスレーザ光L1’の周波数分散量を調節し、標本Aの測定点上において略フーリエ限界パルスとすることができる。これにより、多光子励起光効果を効率的に発生させて、鮮明な多光子蛍光観察を行うことができる。   Further, the laser pulse L2 ′ from the optical path 14 is blocked by a shutter or the like (not shown), and only the pulsed laser light L1 ′ and the reference pulse light L9 of a substantially Fourier limit pulse are input to the frequency characteristic detection device 60, and their cross-correlation waveforms are obtained. If this is detected, this indicates the frequency characteristic of the pulsed laser beam L1 ′ at the position of the specimen A. By operating the frequency dispersion amount adjusting device 6 so that the cross-correlation width of the cross-correlation waveform is narrowed, the frequency dispersion amount of the pulsed laser light L1 ′ guided through the first optical path 13 is adjusted, and the sample A It is possible to obtain a substantially Fourier limit pulse on the measurement points. Thereby, the multiphoton excitation light effect can be generated efficiently and clear multiphoton fluorescence observation can be performed.

なお、多光子蛍光観察時における周波数分散量調節装置6の操作は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察時と同様に、ユーザによる手動としてもよいし、自動としても良い。
また、多励起型の蛍光観察と同様の条件で、SHG(第二高調波)光、THG(第3高調波)光観察などの観察も行うことができる。
Note that the operation of the frequency dispersion amount adjusting device 6 at the time of multiphoton fluorescence observation may be performed manually by the user or automatically as in the case of coherent anti-Stokes Raman scattering light observation.
Moreover, observations such as SHG (second harmonic) light and THG (third harmonic) light observation can also be performed under the same conditions as in multi-excitation fluorescence observation.

以上のように、本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置61によれば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光観察、多光子励起型の蛍光観察およびSHG光観察を切り替えて効率よく、より簡便かつ安価に行うことができる。すなわち、1台のレーザ顕微鏡装置1により、3種類の観察を簡便且つ安価に効率よく行うことができ、マルチモーダルな観察を達成することができる。   As described above, according to the laser microscope apparatus 61 according to the present embodiment, the coherent anti-Stokes Raman scattering light observation, the multiphoton excitation type fluorescence observation, and the SHG light observation can be switched efficiently, simply, and inexpensively. Can do. That is, one type of laser microscope apparatus 1 can perform three types of observation easily and inexpensively, and can achieve multimodal observation.

なお、本実施形態の周波数特性検出装置60に第1の実施形態及び第2の実施形態と同一の極短パルスレーザ光測定部201をさらに備え、図示しないビームスプリッタ等によって光路15を分波し、相互相関計203および極短パルスレーザ光測定部201の両方へパルスレーザ光L4(パルスレーザ光L1’,L2’)を入射させるようにしてもよい。この場合、低コストかつ簡便な上記方法と、より精度の高い方法を状況に合わせて選択できるようになる。   Note that the frequency characteristic detection device 60 of the present embodiment further includes the same ultrashort pulse laser beam measurement unit 201 as in the first and second embodiments, and the optical path 15 is demultiplexed by a beam splitter or the like (not shown). The pulse laser beam L4 (pulse laser beams L1 ′ and L2 ′) may be incident on both the cross-correlator 203 and the ultrashort pulse laser beam measurement unit 201. In this case, the low-cost and simple method described above and a more accurate method can be selected according to the situation.

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、周波数分散量調節装置6として、プリズム対とミラーとを備えて、周波数分散量を連続的に変更可能なものを例示したが、これに代えて、回折格子対、誘電体多層膜鏡等でもよい。また、ガラスや色素溶液等周波数分散量が固定のもの、それらを複数用意し、段階的に切り替える方式のものや、第1の光路13上に挿脱されてパルスレーザ光L1’に与える分散量を切り替える方式のものを採用してもよい。
As mentioned above, although each embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. .
For example, the frequency dispersion amount adjusting device 6 includes a prism pair and a mirror, and the frequency dispersion amount can be continuously changed. Instead, a diffraction grating pair, a dielectric multilayer mirror, etc. But you can. Further, a glass or dye solution having a fixed frequency dispersion amount, a method in which a plurality of them are prepared and switched in stages, or a dispersion amount that is inserted into and removed from the first optical path 13 and applied to the pulsed laser light L1 ′ You may employ | adopt the thing of the system which switches.

また、周波数分散量調節装置6は、例えば、板厚の変化する楔状のガラス板のように所定の周波数分散特性を有する材質からなる部材(図示略)であってもよい。部材が本来持つ周波数分散特性により、部材を通過するフェムト秒パルスレーザ光L1に所定の周波数分散を与えることができる。また、フェムト秒パルスレーザ光L1の通過する位置の部材の厚みを変化させることにより、与える周波数分散量が調節できる。また、周波数分散量調節装置6は、所望の周波数分散量を得るように調製された光ファイバであってもよいし、ファイバーブラッググレーティング等でもよい。   Further, the frequency dispersion amount adjusting device 6 may be a member (not shown) made of a material having a predetermined frequency dispersion characteristic such as a wedge-shaped glass plate whose thickness changes. A predetermined frequency dispersion can be given to the femtosecond pulsed laser light L1 passing through the member due to the inherent frequency dispersion characteristic of the member. Further, the amount of frequency dispersion to be applied can be adjusted by changing the thickness of the member at the position through which the femtosecond pulse laser beam L1 passes. Further, the frequency dispersion amount adjusting device 6 may be an optical fiber prepared so as to obtain a desired frequency dispersion amount, a fiber Bragg grating, or the like.

また、周波数分散量調節装置6は、第2の光路14に設けられていてもよいし、両光路13,14にそれぞれ設けられていてもよい。特に、周波数分散装置を両光路13,14に設けることで、両光路13,14を通過してくるパルスレーザ光L1’,L2’のチャープレートC,Cを小さくしてCARSスペクトルのスペクトル分解能を向上させることができる。また、周波数量分散調節装置6がレーザ光源4と分波装置5との間に設けられていても、第2の光路14において所定の周波数分散量を与えることで、マルチモーダルな観察が可能となる。 The frequency dispersion amount adjusting device 6 may be provided in the second optical path 14 or may be provided in both the optical paths 13 and 14. In particular, by providing a frequency dispersion device in both the optical paths 13 and 14, the char plates C 1 and C 2 of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ passing through the optical paths 13 and 14 are reduced, and the spectrum of the CARS spectrum. The resolution can be improved. Further, even if the frequency amount dispersion adjusting device 6 is provided between the laser light source 4 and the demultiplexing device 5, it is possible to perform multimodal observation by giving a predetermined amount of frequency dispersion in the second optical path 14. Become.

また、周波数分散量調節装置6で、パルスレーザ光L1’及びL2’のチャープレートを略一致させずに少し異ならせ、パルスレーザ光L1’とL2’の周波数差に一定量の幅を与えてもよい。その場合CARS光の発生効率は低下するが、標本周囲の環境変化によってスペクトル形状が変化する場合においてもCARSイメージを取得することが可能であり、異なる分子のCARSイメージを同時に観測したりすることも可能となる。   Further, the frequency dispersion amount adjusting device 6 makes the chirp plates of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ slightly different from each other so as not to substantially match, and gives a certain amount of width to the frequency difference between the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′. Also good. In that case, the generation efficiency of CARS light is reduced, but it is possible to acquire CARS images even when the spectrum shape changes due to environmental changes around the specimen, and it is possible to simultaneously observe CARS images of different molecules. It becomes possible.

また、周波数変換装置7には、フォトニッククリスタルファイバを用いたが、これらは特定の周波数範囲をカバーする複数のフォトニッククリスタルファイバで構成してもよい。その場合、これら複数のフォトニッククリスタルファイバを機械的に選択交換しても良いし、それらを直列に並べても良い。また、入射したフェムト秒パルスレーザ光を広い周波数スペクトル帯域に変換する機能を持つものであれば、フォトニッククリスタルファイバ以外の非線形光学材料や素子を用いてももちろんよい。   Moreover, although the photonic crystal fiber was used for the frequency converter 7, these may be comprised by the several photonic crystal fiber which covers a specific frequency range. In that case, the plurality of photonic crystal fibers may be mechanically selectively exchanged, or they may be arranged in series. Of course, any nonlinear optical material or element other than the photonic crystal fiber may be used as long as it has a function of converting incident femtosecond pulsed laser light into a wide frequency spectrum band.

また、少なくとも一方の光路13,14に、減光フィルタのような光量調節手段(図示略)を配置することにしてもよい。これにより、2つの光路13,14を通過してくるパルスレーザ光L1’,L2’の光量バランスを図ることができる。
また、各光路にファイバを設けて各パルスレーザ光を導光することとしてもよい。但し、この場合にはファイバにより与えられる周波数分散量を予め測定し、周波数特性検出装置10、50、60で実測または算出される周波数分散量を補正する必要がある。
Further, light amount adjusting means (not shown) such as a neutral density filter may be arranged in at least one of the optical paths 13 and 14. Thereby, the light quantity balance of the pulse laser beams L1 ′ and L2 ′ passing through the two optical paths 13 and 14 can be achieved.
Moreover, it is good also as providing a fiber in each optical path and guiding each pulsed laser beam. However, in this case, it is necessary to measure in advance the amount of frequency dispersion given by the fiber and correct the amount of frequency dispersion actually measured or calculated by the frequency characteristic detectors 10, 50, 60.

また、第1の光路13を通過するパルスレーザ光L1’に与える周波数分散量を、標本Aにおいて略フーリエ限界パルスに近づくように設定して行われる多光子励起の蛍光観察の際には、第2の光路14をシャッタ等により制限することとしてもよい。多光子励起の蛍光観察時には第2の光路14への分岐は不要となるので、これを制限することによって、多光子蛍光画像に発生するノイズや標本Aに与えるダメージを低減することができる。   In the case of multiphoton excitation fluorescence observation performed by setting the amount of frequency dispersion given to the pulsed laser beam L1 ′ passing through the first optical path 13 so as to approach the substantially Fourier limit pulse in the sample A, The two optical paths 14 may be limited by a shutter or the like. Since branching to the second optical path 14 is not necessary at the time of fluorescence observation with multiphoton excitation, noise generated in the multiphoton fluorescence image and damage to the specimen A can be reduced by limiting this branching.

また本発明の各実施形態では、一つのフェムト秒レーザから出射されるフェムト秒パルスレーザ光を合波装置により分岐するようにしたが、1台のレーザから複数の周波数のフェムト秒パルスレーザ光が出射されるレーザを用いるようにしてもよい。また、周波数の異なるフェムト秒パルスレーザ光が出射される複数のレーザーを同期させた上で用いても良い。その場合には分波装置を省略することができる。   In each embodiment of the present invention, the femtosecond pulsed laser light emitted from one femtosecond laser is branched by the multiplexing device. However, femtosecond pulsed laser light having a plurality of frequencies is emitted from one laser. An emitted laser may be used. Further, a plurality of lasers emitting femtosecond pulse laser beams having different frequencies may be used after being synchronized. In that case, the demultiplexer can be omitted.

また本発明は、レーザ顕微鏡装置に関するものであるが、その応用分野は、細胞や組織等の生体試料あるいは生体以外の有機・無機等の試料を顕微観察する通常の顕微鏡装置に限定されず、人体や動物等生体をin−vivo観察するあるいは構造物を非破壊で観察するための内視鏡的顕微観察装置にも適用されるものである。   The present invention also relates to a laser microscope apparatus, but the application field thereof is not limited to a normal microscope apparatus for microscopic observation of a biological sample such as a cell or a tissue, or an organic / inorganic sample other than a living body. The present invention is also applied to an endoscopic microscopic observation apparatus for in vivo observation of living bodies such as animals and animals or non-destructive observation of structures.

本発明の第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a laser microscope apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る周波数特性検出装置の作用効果を説明するためのフローチャート図である。It is a flowchart figure for demonstrating the effect of the frequency characteristic detection apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1の標本Aにおけるパルスレーザ光の周波数の時間分布の一例を示すグラフであり、(a)パルスレーザ光L1’(b)パルスレーザ光L2’をそれぞれ示している。It is a graph which shows an example of the time distribution of the frequency of the pulse laser beam in the sample A of FIG. 1, (a) Pulse laser beam L1 '(b) Pulse laser beam L2' is shown, respectively. 図1のレーザ顕微鏡装置の2つの光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレート及び周波数差を調節する機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function which adjusts the char plate and frequency difference of the pulsed laser beam light-guided by two optical paths of the laser microscope apparatus of FIG. 図1のレーザ顕微鏡装置の多光子励起蛍光観察時におけるチャープレートを調節する機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function to adjust the chirp plate at the time of the multiphoton excitation fluorescence observation of the laser microscope apparatus of FIG. 本発明の第2の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the laser microscope apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る周波数特性検出装置の作用効果を説明するためのフローチャート図である。It is a flowchart figure for demonstrating the effect of the frequency characteristic detection apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る2つの光路を導光されるパルスレーザ光の、標本Aでのチャープレート及び周波数差を調節する機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function which adjusts the char plate and frequency difference in the sample A of the pulse laser beam light-guided by the two optical paths which concern on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the laser microscope apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る周波数特性検出装置の作用効果を説明するためのフローチャート図である。It is a flowchart figure for demonstrating the effect of the frequency characteristic detection apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る相互相関計の装置図である。It is an apparatus figure of the cross correlation meter concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る周波数特性検出装置の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the frequency characteristic detection apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る周波数特性検出装置の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the frequency characteristic detection apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A 標本
L1,L2 フェムト秒パルスレーザ光
L1’,L2’,L3,L4,L6,L7,L8,L9 パルスレーザ光
Ω,Ω’ 周波数(差)
1,51,61 レーザ顕微鏡装置
2,52,62 レーザ光源装置
3,53,63 顕微鏡本体
4 レーザ光源
5 分波装置(分波手段)
6 周波数分散量調節装置(周波数分散量調節手段)
7 フォトニッククリスタルファイバ(周波数変換手段)
8 周波数差調節装置(周波数差調節手段)
9 合波装置(合波手段)
10,50,60 周波数特性検出装置(周波数特性検出手段)
13,14,15 光路
104,108 光検出器
105 集光レンズ(照射手段)
107 集光レンズ
A Sample L1, L2 Femtosecond pulse laser light L1 ', L2', L3, L4, L6, L7, L8, L9 Pulse laser light Ω, Ω 'Frequency (difference)
1, 51, 61 Laser microscope device 2, 52, 62 Laser light source device 3, 53, 63 Microscope body 4 Laser light source 5 Demultiplexing device (demultiplexing means)
6 Frequency dispersion adjustment device (Frequency dispersion adjustment means)
7 Photonic crystal fiber (frequency conversion means)
8 Frequency difference adjusting device (Frequency difference adjusting means)
9 Multiplexing device (multiplexing means)
10, 50, 60 Frequency characteristic detection device (frequency characteristic detection means)
13, 14, 15 Optical path 104, 108 Photo detector 105 Condensing lens (irradiation means)
107 condenser lens

Claims (9)

標本中の分子の特定の振動周波数に略等しい周波数差を有する2つの異なる周波数を有するパルスレーザ光を導光する2つの光路と、
該2つの光路を導光されてきたパルスレーザ光を合波する合波手段と、
該合波手段により合波されたパルスレーザ光を標本に照射する照射手段と、
前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光のチャープレートを検出する周波数特性検出手段と、
該周波数特性検出手段により検出された各パルスレーザ光のチャープレートが略同等となるように、少なくとも一方の光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレートを調節可能な周波数分散量調節手段と
を備えるレーザ顕微鏡装置。
Two optical paths for guiding pulsed laser light having two different frequencies having a frequency difference approximately equal to a specific vibration frequency of the molecules in the sample;
A multiplexing means for multiplexing the pulsed laser light guided through the two optical paths;
Irradiating means for irradiating the specimen with pulsed laser light combined by the combining means;
Frequency characteristic detection means for detecting a char plate of each pulse laser beam guided through the two optical paths;
Frequency dispersion amount adjusting means capable of adjusting the chirp plate of the pulse laser beam guided through at least one of the optical paths so that the chirp plate of each pulse laser beam detected by the frequency characteristic detecting means is substantially equivalent; Laser microscope apparatus provided.
前記周波数分散量調節手段が、標本面上におけるパルスレーザ光が略フーリエ限界パルスに近づくように、少なくとも一方の光路を導光されるパルスレーザ光のチャープレートを調節可能である請求項1に記載のレーザ顕微鏡装置。   2. The frequency dispersion amount adjusting means is capable of adjusting a char plate of pulsed laser light guided through at least one optical path so that the pulsed laser light on the sample surface approaches a substantially Fourier limit pulse. Laser microscope device. 前記周波数特性検出手段が、さらに、前記二つの光路を導光される各パルスレーザ光の周波数差を検出し、
該周波数特性検出手段により検出された周波数差を所定の周波数差に調節するための周波数差調節手段を備える請求項1または請求項2に記載のレーザ顕微鏡装置。
The frequency characteristic detecting means further detects a frequency difference between each pulsed laser beam guided through the two optical paths;
3. The laser microscope apparatus according to claim 1, further comprising: a frequency difference adjusting unit configured to adjust the frequency difference detected by the frequency characteristic detecting unit to a predetermined frequency difference.
フェムト秒パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源から射出されたフェムト秒パルスレーザ光を少なくとも前記2つの光路に分岐する分波手段と、
該分波手段により分岐された前記2つの光路を導光されるパルスレーザ光の周波数差が標本中の分子の特定の振動周波数に略等しくなるように、一方の光路を導光されるパルスレーザ光の周波数をその周波数帯域を変更または拡大するように変換する周波数変換手段とを備える請求項1から請求項3のいずれかに記載のレーザ顕微鏡装置。
A laser light source for emitting femtosecond pulsed laser light;
Branching means for branching femtosecond pulsed laser light emitted from the laser light source into at least the two optical paths;
Pulse laser guided through one optical path so that the frequency difference between the pulsed laser light guided through the two optical paths branched by the branching means is substantially equal to the specific vibration frequency of the molecules in the sample. The laser microscope apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising frequency conversion means for converting the frequency of light so as to change or expand the frequency band.
前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光の周波数特性を表示する表示手段を備える請求項1から請求項4のいずれかに記載のレーザ顕微鏡装置。   The laser microscope apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising display means for displaying frequency characteristics of each pulse laser beam guided through the two optical paths. 前記周波数特性検出手段が、検出された前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光の周波数特性値、あるいは周波数特性を演算にて求めるための中間値を記憶する記憶手段を備える請求項1から請求項5のいずれかに記載のレーザ顕微鏡装置。   The frequency characteristic detection means includes storage means for storing a frequency characteristic value of each pulsed laser beam guided through the detected two optical paths, or an intermediate value for calculating the frequency characteristic by calculation. The laser microscope apparatus according to claim 5. 前記周波数特性検出手段が、前記2つの光路を導光される各パルスレーザ光のスペクトログラムを検出する検出手段を備える請求項1から請求項6のいずれかに記載のレーザ顕微鏡装置。   The laser microscope apparatus according to claim 1, wherein the frequency characteristic detection unit includes a detection unit that detects a spectrogram of each pulsed laser beam guided along the two optical paths. 前記周波数特性検出手段が、前記2つの光路を導光される該パルスレーザ光の相互相関信号を検出する検出手段を備える請求項1から請求項7のいずれかに記載のレーザ顕微鏡装置。   The laser microscope apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the frequency characteristic detection unit includes a detection unit that detects a cross-correlation signal of the pulsed laser light guided through the two optical paths. 前記周波数変換手段が、フォトニッククリスタルファイバである請求項1から請求項8のいずれかに記載のレーザ顕微鏡装置。   The laser microscope apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the frequency conversion means is a photonic crystal fiber.
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