JP5259157B2

JP5259157B2 - レーザ顕微鏡

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Publication number: JP5259157B2
Application number: JP2007292413A
Authority: JP
Inventors: 博一久保; 牧男上野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: US20090122397A1; US8279521B2; EP2060946A2; EP2060946B1; EP2060946A3; JP2009116280A

Description

本発明は、光学装置およびレーザ顕微鏡に関するものである。

従来、レーザ光源から発せられ２光子励起顕微鏡に伝送されるレーザ光の一部が、その伝送途中において反射してレーザ光源に戻ることにより、レーザ光源のレーザ発振が不安定化して故障が誘発される不都合を防止するために、レーザ光源の後段に光アイソレータを配置する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

D. L. Wokosin, et. al., "Characterization of Rangeof Fura Dyes with Two-Photon Excitation", Biophysical Journal, Volume 86, March 2004, p1726-1738

しかしながら、光アイソレータは、広い波長範囲にわたるレーザ光を伝送する場合の反射戻り光を防止するための手段としては、効率が悪い上に高価であるという不都合がある。また、磁力により作動するため、周囲に磁場を形成し、外部に悪影響を及ぼす不都合が考えられる。さらに、２光子励起顕微用のようにレーザ光源としてフェムト秒オーダのパルスレーザ光源を使用する場合には、光アイソレータにおける群速度遅延分散が大きく、その補償を十分に行う必要があるという問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、安価で、外部に悪影響を及ぼすことなく、小さい群速度遅延分散で、効率的にレーザ光の反射戻り光がレーザ光源に戻らないように遮断することができ、後段の偏光依存素子に対して適正な偏光状態のレーザ光を入射させることができる光学装置およびレーザ顕微鏡を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の参考例としての発明は、レーザ光源と、該レーザ光源から発せられたレーザ光を伝送する伝送光学系と、該伝送光学系により伝送されたレーザ光を入射させ、その入射偏光状態に応じて出射光特性が変化する偏光依存素子とを備え、前記伝送光学系が、伝送されるレーザ光の一部を反射する反射光発生源を備え、該反射光発生源を挟む位置に、λ／４波長板が配置されている光学装置を提供する。
本発明は、ピコ秒以下の極短パルスレーザ光を発振するレーザ光源と、該レーザ光源から発せられた極短パルスレーザ光を伝送する伝送光学系と、該伝送光学系により伝送された極短パルスレーザ光を入射させ、その入射偏光状態に応じて出射光特性が変化する偏光依存素子とを備え、前記伝送光学系が、伝送される極短パルスレーザ光の一部を反射する反射光発生源を備え、該反射光発生源を挟む位置であり、かつ前記偏光依存素子より前段に、一対のλ／４波長板が配置されているレーザ顕微鏡を提供する。

本発明によれば、レーザ光源から発せられたレーザ光が伝送光学系により伝送され、偏光依存素子に入射される。伝送光学系には、反射光発生源が含まれているので、伝送途中においてレーザ光の一部が反射光発生源において反射される。この場合において、レーザ光源から発せられて伝送されてきたレーザ光は、反射光発生源の前段に配置されたλ／４波長板によって円偏光のレーザ光に変換される。そして、反射光発生源において反射されることにより逆方向に回転する円偏光に変換されたレーザ光は、再度同じλ／４波長板を通過させられることにより、入射レーザ光とは偏光方向が９０°異なる反射レーザ光としてレーザ光源側に戻される。

したがって、入射レーザ光と同一光路において、レーザ光源に備えられるブリュースターウィンドウ等により、反射レーザ光を容易に遮断することが可能となり、レーザ光源内に戻されることによるレーザ発振の不安定化を防止することができる。

一方、円偏光に変換されたレーザ光のうち、反射光発生源において反射されることなく透過したレーザ光は、該反射光発生源の後段に配置されているλ／４波長板によって再度直線偏光に変換される。この際、円偏光の回転方向は維持されるので、このλ／４波長板から後段に出射されるレーザ光の偏光方向は、入射レーザ光の偏光方向と同一方向に維持される。これにより、レーザ光源から発振された直線偏光のレーザ光を適正な偏光状態を維持したまま偏光依存素子に入射させることができる。
したがって、適正な偏光状態が維持されたレーザ光を用いて、標本を精度よく観察することができる。

ここで、偏光依存素子としては、音響光学素子や、ネガティブチャーブ光学系、波長変換結晶、およびこれらのいずれかを含む共焦点顕微鏡や２光子励起顕微鏡、あるいは、入射偏光に応じて標本観察状態が変化するＳＨＧ顕微鏡、微分干渉顕微鏡、偏光顕微鏡等を挙げることができる。

上記発明の参考例としての発明においては、前記レーザ光源が、ピコ秒以下の極短パルスレーザ光を発振することとしてもよい。
また、上記の参考例としての発明においては、前記レーザ光源が、レーザダイオードであることとしてもよい。
反射戻り光によるレーザ発振の不安定化が起こり易いこれらの場合において、特に、レーザ発振の不安定化を効果的に防止することができる。

上記発明においては、前記極短パルスレーザ光を２次元に走査するスキャナと、該スキャナにより走査された極短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズと、極短パルスレーザ光が照射された標本からの光を検出する検出器とを備える走査型２光子励起顕微鏡であり、前記偏光依存素子として音響光学素子を備えることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記極短パルスレーザ光を２次元に走査するスキャナと、該スキャナにより走査された極短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズと、極短パルスレーザ光が照射された標本からの光を検出する検出器とを備える走査型第２高調波顕微鏡であり、前記偏光依存素子として、前記極短パルスレーザ光の偏光方向を回転させる直線偏光回転ユニットを備えることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記極短パルスレーザ光を２次元に走査するスキャナと、該スキャナにより走査された極短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズと、極短パルスレーザ光が照射された標本からの光を検出する検出器とを備える走査型微分干渉顕微鏡であり、前記偏光依存素子が照明側微分干渉素子であることとしてもよい。

本発明によれば、安価で、外部に悪影響を及ぼすことなく、小さい群速度遅延分散で、効率的にレーザ光の反射戻り光がレーザ光源に戻らないように遮断することができ、後段の偏光依存素子に対して適正な偏光状態のレーザ光を入射させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光学装置１について、図１を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光学装置１は、図１に示すように、レーザ顕微鏡２に備えられている。
レーザ顕微鏡２は、光学装置１と、該光学装置１から出射されるレーザ光Ｌが入射され、標本Ａを観察する顕微鏡本体３とを備えている。

本実施形態に係る光学装置１は、フェムト秒パルスレーザ光源（以下、単にレーザ光源という。）４と、該レーザ光源４から出射されたパルスレーザ光Ｌを伝送する伝送光学系５とを備えている。
伝送光学系５は、顕微教本体３を含む光学系全体の群速度分散を補償するためのネガティブチャープ光学系６と、該ネガティブチャープ光学系６から出射されたパルスレーザ光Ｌの光軸ズレを調節するアライメント調節光学系７と、ビーム整形光学系８と、音響光学素子９と、該音響光学素子９から出射されたパルスレーザ光Ｌの光軸ズレを調節するアライメント調節光学系１０と、視準光学系１１と、アライメント調節光学系１２と、ビーム整形光学系８を挟んで配置された２枚のλ／４波長板１３，１４と、視準光学系１１の前段に配置されたλ／４波長板１５とを備えている。

ネガティブチャープ光学系６は、例えば、一対のプリズム６ａ，６ｂとミラー６ｃとから構成されている。あるいはグレーティング対により構成されていてもよい。プリズム６ａ，６ｂどうしの間隔あるいはグレーティングどうしの間隔を調節することで、レーザ光源４から顕微鏡本体３の対物レンズ３ａに至る全光学系における群速度分散を補償するようになっている。

前記アライメント調節光学系７，１０，１２は、例えば、レーザ光軸の位置および角度を調節可能な２枚のミラー（図示略）を備え、パルスレーザ光Ｌの光軸の位置と偏向を調節し、音響光学素子、視準光学系１１あるいは顕微鏡本体３に対して、それぞれ適正な位置と角度で精度よく入射させるように構成されている。図中、符号１６は、レーザ光源４から発せられたパルスレーザ光Ｌを反射してネガティブチャープ光学系６に指向させる一方、ネガティブチャープ光学系６から出力されたパルスレーザ光Ｌの光軸から紙面に垂直方向に外れた位置に配置されているミラーである。

ビーム整形光学系８は、ネガティブチャープ光学系６を通過し、アライメント調節光学系７によって光軸ズレを補正されたパルスレーザ光Ｌの光束径を絞り、音響光学素子９の結晶（図示略）の有効範囲内に漏れなく入射させるように構成されている。
本実施形態においては、ビーム整形光学系８は、例えば、凸平レンズと平凹レンズとを組み合わせたガリレイ型のビームエキスパンダにより構成されている。

前記音響光学素子９は、例えば、ＡＯＭであって、２酸化テルルからなる結晶に接着された圧電素子からなるトランスデューサによって結晶に加える音響波の振幅を変更することにより、結晶内におけるパルスレーザ光Ｌの回折強度を変化させ、出射されるパルスレーザ光Ｌの強度を、音響波の振幅に応じた所定の割合で変調するようになっている。

視準光学系１１は、例えば、凸平レンズと平凸レンズとからなるビームエキスパンダにより構成されている。視準光学系１１は、ビーム整形光学系８により音響光学素子９の有効範囲を漏れなく通過するようにその光束径およびビームダイバージェンスを補正され、かつ、アライメント調節光学系１２により光軸の位置および偏向を調節されたパルスレーザ光Ｌが、顕微鏡本体３の対物レンズ３ａに対して適正な光束径とビームダイバージェンスになるように、その光束径およびダイバージェンスを補正するようになっている。さらに具体的には、視準光学系１１は、対物レンズ３ａの瞳位置において、パルスレーザ光Ｌが、その瞳径と略同等の光束径を有するように、その光束径およびダイバージェンスを補正するようになっている。

本実施形態においては、ビーム整形光学系（反射光発生源）８および視準光学系１１において、それぞれに入射されるパルスレーザ光Ｌの一部が反射されるようになっている。
ビーム整形光学系８および視準光学系１１の前段に設けられたλ／４波長板１３，１５は、図２に示されるように、これらビーム整形光学系８または視準光学系１１に入射される入射パルスレーザ光Ｌを直線偏光Ｐ１から円偏光Ｐ２に変換するとともに、これらビーム整形光学系８または視準光学系１１において反射された反射パルスレーザ光Ｌ′を円偏光Ｐ２′から直線偏光Ｐ３に変換するようになっている。この際、反射により円偏光Ｐ２′の回転方向が円偏光Ｐ２に対して反転されるので、反射パルスレーザ光Ｌ′がλ／４波長板１３により円偏光Ｐ２′から直線偏光Ｐ３に変換される際には、入射パルスレーザ光Ｌに対して偏光方向が９０°回転している。

また、ビーム整形光学系８の後段に設けられたλ／４波長板１４は、前段に設けられたλ／４波長板１３により変換された円偏光Ｐ２のパルスレーザ光Ｌをそのまま通過させるので、入射パルスレーザ光Ｌと同一の偏光方向を有する直線偏光Ｐ１として後段の音響光学素子９に入射させることができるようになっている。

顕微鏡本体３は、伝送光学系５から伝送されてきたパルスレーザ光Ｌを２次元的に走査するスキャナ１７、走査されたパルスレーザ光Ｌを伝送し集光する瞳投影レンズ１８、結像レンズ１９および対物レンズ３ａ、対物レンズ３ａにより集光された標本Ａからの蛍光Ｆをパルスレーザ光Ｌから分岐するダイクロイックミラー２０、バリアフィルタ２１および集光レンズ２２を介した蛍光Ｆを検出する光検出器２３、および該光検出器２３からの信号に基づいて蛍光画像を構築する画像処理装置２４を備えている。

このように構成された本実施形態に係る光学装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る光学装置１によれば、アライメント調整光学系７により光軸ズレが補正され、ビーム整形光学系８によりビーム径が調整されたパルスレーザ光Ｌが音響光学素子９の結晶に漏れなく入射される。音響光学素子９に入射されるパルスレーザ光Ｌは、図２に示されるように、２枚のλ／４波長板１３，１４を通過させられることにより、その偏光方向が、レーザ光源４から出射されたままの直線偏光状態に維持される。したがって、出射時と同一の適正な直線偏光状態のまま音響光学素子９に入射させることができ、音響光学素子９におけるパルスレーザ光Ｌの変調を適正に行うことができる。

また、ビーム整形光学系８および視準光学系１１においては、パルスレーザ光Ｌの一部が反射されることとなるが、いずれも同一のλ／４波長板１３，１５を通過させられることにより、入射パルスレーザ光Ｌとは９０°偏光方向の異なる直線偏光のパルスレーザ光Ｌ′としてレーザ光源４側に戻される。このような９０°偏光方向の異なる直線偏光のパルスレーザ光Ｌ′は、レーザ光源４に備えられているブリュースターウィンドウ（図示略）等によって容易に遮断することができ、レーザ光源４の内部に戻ることを確実に防止して、レーザ発振の不安定化の発生を未然に防止することができる。

特に、レーザ光源４として、ピコ秒以下の極短パルスレーザ光を発振するパルスレーザ光源あるいはレーザダイオードを採用することにより、反射戻り光によるレーザ発振の不安定化を生じ易いこれらのレーザ光源４を用いた場合においても、確実に反射戻り光を遮断することができるという利点がある。

このようなλ／４波長板１３，１５は、光アイソレータと比較して、構成が簡易であって安価に入手でき、確実に反射戻り光を遮断可能にすることができ、磁気を利用しないので外部に悪影響を与えず、かつ、群速度遅延分散が小さいという利点がある。
なお、λ／４波長板１５を通過したパルスレーザ光Ｌは、円偏光となって顕微鏡本体３に入射されるが、２光子励起効果自体は、偏光に依存しないので、問題はない。

また、本実施形態においては音響光学素子９を偏光依存素子として例示し、該音響光学素子９への直線偏光状態を確保することとしたが、これに代えて、図３に示されるように、ＳＨＧ顕微鏡３０に適用することとしてもよい。
図中、符号３１は出力変調器、符号３２は直線偏光を維持したまま、その方向を回転させるλ／２波長板、符号３３はコンデンサレンズ、符号３４，３５はミラーである。

このＳＨＧ顕微鏡３０においては、視準光学系１１のみが反射光発生源となるので、視準光学系１１を挟む２箇所にλ／４波長板１３，１４を配置することにより、上記実施形態と同様にして、顕微鏡本体３′に入射させるパルスレーザ光Ｌの直線偏光状態を維持し、かつ、レーザ光源４への反射戻り光を確実に遮断し易くすることができる。

また、図４に示されるように、微分干渉顕微鏡４０に適用することにしてもよい。
図中、符号４１は照明側微分干渉素子、符号４２は観察側微分干渉素子、符号４３は偏光素子である。
このようにすることで、偏光依存素子としての微分干渉顕微鏡４０の顕微鏡本体３″への入射パルスレーザ光Ｌの直線偏光状態を確保することができる。また、視準光学系１１における反射パルスレーザ光が、レーザ光源４に戻ることを確実に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る光学装置を含むレーザ顕微鏡を模式的に示す全体構成図である。図２の光学装置のビーム整形光学系におけるレーザ光の偏光状態を説明する図である。図１の光学装置の変形例であって、ＳＨＧ顕微鏡に適用した場合を示す全体構成図である。図１の光学装置の他の変形例であって、微分干渉顕微鏡に適用した場合を示す全体構成図である。

符号の説明

Ｌパルスレーザ光
１光学装置
３′，３″ 顕微鏡本体（偏光依存素子）
４レーザ光源
５伝送光学系
８ビーム整形光学系（反射光発生源）
９音響光学素子（偏光依存素子）
１１視準光学系（反射光発生源）
１３，１４，１５ λ／４波長板

Claims

ピコ秒以下の極短パルスレーザ光を発振するレーザ光源と、
該レーザ光源から発せられた極短パルスレーザ光を伝送する伝送光学系と、
該伝送光学系により伝送された極短パルスレーザ光を入射させ、その入射偏光状態に応じて出射光特性が変化する偏光依存素子とを備え、
前記伝送光学系が、伝送される極短パルスレーザ光の一部を反射する反射光発生源を備え、
該反射光発生源を挟む位置であり、かつ前記偏光依存素子より前段に、一対のλ／４波長板が配置されているレーザ顕微鏡。
前記極短パルスレーザ光を２次元に走査するスキャナと、該スキャナにより走査された極短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズと、極短パルスレーザ光が照射された標本からの光を検出する検出器とを備える走査型２光子励起顕微鏡であり、
前記偏光依存素子として音響光学素子を備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
前記極短パルスレーザ光を２次元に走査するスキャナと、該スキャナにより走査された極短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズと、極短パルスレーザ光が照射された標本からの光を検出する検出器とを備える走査型第２高調波顕微鏡であり、
前記偏光依存素子として、前記極短パルスレーザ光の偏光方向を回転させる直線偏光回転ユニットを備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
前記極短パルスレーザ光を２次元に走査するスキャナと、該スキャナにより走査された極短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズと、極短パルスレーザ光が照射された標本からの光を検出する検出器とを備える走査型微分干渉顕微鏡であり、
前記偏光依存素子が照明側微分干渉素子である請求項１に記載のレーザ顕微鏡。