JP6058108B2 - Photodetectors, microscopes and endoscopes - Google Patents

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Description

本発明は、光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡に関するものである。   The present invention relates to a light detection device, a light detection method, a microscope, and an endoscope.

体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の信号光(被検出光)を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素になっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。   In various systems that use light such as body observation, sensors, security, and laser radar, the technology that detects the desired signal light (detected light) is a fundamental and important factor that greatly affects its performance. . In particular, the need for high-speed and high-sensitivity detection technology is high.

例えば、生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。これらの理由により、光を用いた生体観察においては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。   For example, when viewing a living body, since the state and shape of the living body change every moment, it is necessary to perform light detection at high speed in order to perform accurate observation. Moreover, since a living body is easily damaged by light irradiation, there is an upper limit to the amount of illumination light and excitation light that can be irradiated to a biological sample. Therefore, the optical signal obtained from a living body is usually weak. For these reasons, there is a strong demand for high-speed and high-sensitivity light detection technology in living body observation using light.

現在用いられている代表的な光検出素子には、PMT(Photo Multiplier Tube)、APD(Avalanche Photo Diode)、PD(Photo Diode)がある。PMTおよびAPDは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、PDは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号の増幅を行っている。つまり、PMT,APD,PDは、いずれの素子も電気的に信号増幅を行い、感度の向上を図っている。   Typical photodetection elements currently used include PMT (Photo Multiplier Tube), APD (Avalanche Photo Diode), and PD (Photo Diode). Since PMT and APD perform electron multiplication in the detection element, highly sensitive light detection can be realized. On the other hand, although a PD can realize a very high response speed, it does not have an electron multiplication function in the detection element, and therefore, a signal is usually amplified using an electric amplifier. In other words, the PMT, APD, and PD all perform signal amplification electrically to improve sensitivity.

また、代表的な二次元光検出器として、CCD(Charge Coupled device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、EM−CCD(Electron Multiplying−CCD)、EB−CCD(Electron Bombardment−CCD)、I−CCD(Intensified−CCD)がある。CCDもしくはCMOSを用いて微弱光を検出する場合は、感度向上のために、PDの場合と同様に、後段に電気増幅器を配置する必要がある。EM−CCDおよびEB−CCDは、APDの場合と同様に、検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。I−CCDは、CCDの前にI.I.(Image Intensifier)を配置した構成をとる。I.I.は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、I.I.に内蔵されているMCP(Micro Channel Plate)内にて電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることで、増倍電子信号を再度光に変換するものである。I.I.からの出力光は、CCDにて電気信号に変換される。つまり、I−CCDも、電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。   Typical two-dimensional photodetectors include a CCD (Charge Coupled device), a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), an EM-CCD (Electron Multiple-CCD), and an EB-CCD (Electron IMD CCD). (Intensified-CCD). When weak light is detected using a CCD or CMOS, it is necessary to arrange an electric amplifier in the subsequent stage in the same manner as in the case of PD in order to improve sensitivity. As in the case of APD, EM-CCD and EB-CCD have an electron multiplication function in the detection element and realize high sensitivity. The I-CCD is connected to the I.C. I. (Image Intensifier) is arranged. I.I. temporarily converts an incident light signal into an electrical signal, performs electron multiplication in an MCP (Micro Channel Plate) built in I.I., and then transfers the multiplied electrons to a fluorescent plate. The multiplied electron signal is converted into light again by colliding with. The output light from I.I. is converted into an electrical signal by the CCD. That is, the I-CCD also realizes highly sensitive light detection by performing signal amplification at the electrical stage.

上記のような光検出器を用い、光強度を電流に変換する光検出法が広く用いられている。この光検出法は直接検出法と呼ばれる。この直接検出法においては、熱雑音、電子増倍雑音もしくは過剰雑音が支配的な雑音要因になる。これらの雑音は、光の量子性に起因するショット雑音よりも大きいため、直接検出法では究極的な高感度光検出が非常に困難な状況にある。   A photodetection method using the above-described photodetector and converting light intensity into current is widely used. This light detection method is called a direct detection method. In this direct detection method, thermal noise, electron multiplication noise, or excess noise becomes the dominant noise factor. Since these noises are larger than shot noises due to the quantum nature of light, ultimate high-sensitivity light detection is very difficult with the direct detection method.

高速高感度な光検出を可能にする技術の一つとして、光ヘテロダイン検出技術も広く用いられている。従来の光ヘテロダイン検出技術は、被検出光と、被検出光の光周波数よりも若干光周波数が異なる局発光(local oscillation)との干渉効果を利用する光検出方法で、局発光強度を十分高くすることで被検出光を高感度に検出するというものである。局発光が十分高強度である場合、高速な電子回路を用いてもショット雑音限界の理想的な光検出が可能であるため、光検出の高速性と高感度性との両立が実現される。ただし、この際、信号光と局発光には、時間的にも空間的にもお互いの干渉状態が安定するような光が通常用いられる。   Optical heterodyne detection technology is also widely used as one of the technologies that enable high-speed and high-sensitivity light detection. Conventional optical heterodyne detection technology is a light detection method that uses the interference effect between detected light and local oscillation, which has a slightly different optical frequency than the optical frequency of the detected light. By doing so, the detected light is detected with high sensitivity. When local light is sufficiently high in intensity, ideal light detection with a shot noise limit is possible even with a high-speed electronic circuit, so that both high-speed detection and high sensitivity can be realized. However, at this time, light that stabilizes the mutual interference state both in time and space is usually used for the signal light and the local light.

時間的に干渉状態を安定化する方法として、次に述べる二つの方法が主に用いられる。一つ目の方法は、同一光源からの出力を分波してそれぞれを信号光および局発光として用いる方法である。この際、同一光源出力を分波しているので、信号光および局発光を合波するまでの相対遅延時間が、光源のコヒーレンス時間より短くなるように用いられる。こうすることで、信号光と局発光との干渉状態が時間的に安定する。なお、信号光と局発光との光周波数は、光周波数シフタなどを利用して若干異なるように設定される。この方法は、比較的簡便に安定な干渉状態を実現できるので、古くから用いられている(例えば、特許文献1参照)。   As a method for stabilizing the interference state in terms of time, the following two methods are mainly used. The first method is a method of demultiplexing outputs from the same light source and using them as signal light and local light. At this time, since the same light source output is demultiplexed, the relative delay time until the signal light and the local light are combined is used so as to be shorter than the coherence time of the light source. By doing so, the interference state between the signal light and the local light is temporally stabilized. Note that the optical frequencies of the signal light and the local light are set to be slightly different using an optical frequency shifter or the like. This method has been used for a long time since it can realize a stable interference state relatively easily (see, for example, Patent Document 1).

二つ目の方法は、光スペクトル線幅が非常に狭く(光スペクトル純度が非常に高く)、かつ、発振光周波数が高精度に安定化された、互いに独立した二つの光源を用いる方法である。ここで光スペクトル線幅は、光電変換部分を含む電気回路部分の動作帯域よりも狭いものとする。この二つの独立した光源をそれぞれ信号光もしくは局発光として用いる。この際、信号光と局発光との発振光周波数は若干異なるように設定される。この方法は、技術的制約により従来は実現が非常に困難だった。しかしながら、近年の技術進展により、光スペクトル線幅がkHz程度と非常に光スペクトル純度が高く、かつ、発振光周波数が高精度に安定化されたレーザが入手可能になったため、最近では二つ目の方法を用いても比較的安定した干渉状態が得られるようになってきている。   The second method is a method using two independent light sources having a very narrow optical spectral line width (very high optical spectral purity) and stable oscillation optical frequency with high accuracy. . Here, it is assumed that the optical spectrum line width is narrower than the operation band of the electric circuit portion including the photoelectric conversion portion. These two independent light sources are used as signal light or local light, respectively. At this time, the oscillation light frequencies of the signal light and the local light are set to be slightly different. This method has heretofore been very difficult to implement due to technical limitations. However, due to recent technological progress, a laser with an optical spectral line width of about kHz and a very high optical spectral purity and a stable oscillation optical frequency has become available. Even if this method is used, a relatively stable interference state can be obtained.

一方、空間的に干渉状態を安定化するためには、信号光と局発光にはそれぞれ空間コヒーレンスの高い光を用い、かつそれぞれの空間モード分布を一致させる必要がある。そのために、信号光側に共焦点光学系や光ファイバなどの空間モードフィルタが用いられる。こうすることで、局発光と空間的な干渉状態を安定に保つ信号光成分だけを抽出することができる。その結果、空間的に干渉状態を安定化することができる。   On the other hand, in order to stabilize the interference state spatially, it is necessary to use light with high spatial coherence for signal light and local light, and to make the spatial mode distributions coincide with each other. Therefore, a spatial mode filter such as a confocal optical system or an optical fiber is used on the signal light side. By doing so, it is possible to extract only the signal light component that keeps the local light emission and the spatial interference state stable. As a result, the interference state can be spatially stabilized.

特許第2890309号公報Japanese Patent No. 2890309

ところが、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等で検出される信号光は、レーザ光のような時間的コヒーレンスの高いものではなく、ランプ光や蛍光などの時間的コヒーレンスが低い、つまり光スペクトル線幅が広いものである場合が非常に多い。また、分光計測などでレーザ光が用いられる場合でも、特に散乱媒質を計測する場合は、スペックルの影響を避けるために、意図的に光スペクトル線幅を広げる工夫がなされる。つまり、分光計測などでは、光周波数の確度をある程度確保すると同時に、スペックルの影響を避けることができる光スペクトル線幅のレーザ光が用いられる。   However, the signal light detected by biological observation, sensors, security, laser radar, etc. is not high in temporal coherence like laser light, but low in temporal coherence such as lamp light or fluorescence, that is, optical spectrum lines. Very often it is wide. Even when laser light is used in spectroscopic measurement or the like, in particular, when measuring a scattering medium, in order to avoid the influence of speckle, a device for intentionally widening the optical spectrum line width is made. That is, in spectroscopic measurement or the like, laser light having an optical spectral line width that can ensure the accuracy of the optical frequency to some extent and at the same time avoid the influence of speckle is used.

このため、上述のような従来の方法に則ると、このような時間的コヒーレンスの低い信号光をヘテロダイン検出するためには、信号光と局発光の発生源を同一とし、かつ信号光と局発光の相対遅延時間が、それらのコヒーレンス時間よりも短い状況で検出を行う必要がある。   Therefore, according to the conventional method as described above, in order to heterodyne detect such signal light with low temporal coherence, the signal light and the local light source are made the same, and the signal light and the local light are generated. It is necessary to perform detection in a situation where the relative delay time of light emission is shorter than the coherence time.

例えば、中心光周波数が600THz(波長500nm)で、光スペクトル線幅が120THz(波長幅約100nm)の光の場合、コヒーレンス時間は、約1.0×10-14秒(真空中の空間距離で約3.0×10-6mに対応)となり、信号光と局発光との間の許容される遅延時間は非常に短い。 For example, in the case of light having a center optical frequency of 600 THz (wavelength 500 nm) and an optical spectral line width of 120 THz (wavelength width of about 100 nm), the coherence time is about 1.0 × 10 −14 seconds (at a spatial distance in a vacuum). Corresponding to about 3.0 × 10 −6 m), and the allowable delay time between the signal light and the local light is very short.

また、例えば、中心光周波数600THz、光スペクトル線幅120GHz(波長幅約100pm)の意図的に線幅が広げられたレーザ光の場合を考えても、コヒーレンス時間は約1.0×10-11秒(真空中の空間距離で約3.0×10-3mに対応)となり、やはり許容される相対遅延時間は短い。 Further, for example, considering the case of laser light whose line width is intentionally widened with a center optical frequency of 600 THz and an optical spectral line width of 120 GHz (wavelength width of about 100 pm), the coherence time is about 1.0 × 10 −11. Second (corresponding to about 3.0 × 10 −3 m in space distance in a vacuum), the allowable relative delay time is also short.

このように、許容される相対遅延時間が短い状況では、時間的および距離的許容度が小さいため、ヘテロダイン検出の用途が非常に厳しく限定されてしまう。   Thus, in a situation where the allowable relative delay time is short, the temporal and distance tolerances are small, so that the application of heterodyne detection is very severely limited.

また、信号光(被検出光)が蛍光などのように試料中で新たに発生した時間的に低コヒーレンス光である場合は、高感度光ヘテロダイン検出に適した局発光を準備することができない。   Further, when the signal light (detected light) is newly generated temporally low-coherence light such as fluorescence, local light emission suitable for high-sensitivity optical heterodyne detection cannot be prepared.

上述の理由から、時間的に低コヒーレントな光信号をヘテロダイン検出した場合、安定的な干渉状態を保つことができず、高速かつ高感度な光検出の実現が困難な状況にある。   For the above-described reason, when heterodyne detection is performed on a temporally low-coherent optical signal, a stable interference state cannot be maintained, and it is difficult to realize high-speed and high-sensitivity optical detection.

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、所望の被検出光を高感度かつ高SN(Signal to Noise)比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention made in view of such a point is to provide a photodetection device and a photodetection method capable of heterodyne detection of desired detection light with high sensitivity and high SN (Signal to Noise) ratio, and a microscope and an endoscope. To provide a mirror.

また、本発明の他の目的は、広い波長帯域を有する被検出光であっても、高感度かつ高SN(Signal to Noise)比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a photodetection device and photodetection method capable of heterodyne detection with high sensitivity and a high SN (Signal to Noise) ratio even for light to be detected having a wide wavelength band, and a microscope and It is to provide an endoscope.

さらに、本発明の他の目的は、信号光と局発光とが時間的ないし空間的に互いの干渉状態が安定しないような光であっても、高感度かつ高SN(Signal to Noise)比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。   Furthermore, another object of the present invention is to achieve a high sensitivity and a high signal-to-noise (SN) ratio even if the interference between the signal light and the local light is temporally or spatially unstable. An object of the present invention is to provide a light detection apparatus and a light detection method capable of detecting heterodyne, a microscope, and an endoscope.

上記目的を達成する第1の観点に係る光検出装置の発明は、局発光を発生する局発光発生光源と、被検体に照射する照射光を発生する、前記局発光発生光源とは異なる照射光発生光源と、前記被検体において前記照射光が反射、透過、屈折、回折することによって生成された被検出光と前記局発光とを光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出するヘテロダイン検出手段とを備え、前記局発光発生光源により発せられる前記局発光の光スペクトル線幅が、前記ヘテロダイン検出手段の動作帯域よりも広いことを特徴とするものである。   The invention of the photodetecting device according to the first aspect to achieve the above object comprises a local light generating light source for generating local light and an irradiation light different from the local light generating light source for generating irradiation light for irradiating a subject. A beat signal of the local light and the detected light by photoelectrically converting the detected light and the local light generated by the generated light source and the irradiation light reflected, transmitted, refracted, and diffracted by the subject And a heterodyne detection means for heterodyne detecting the detected light based on the output of the photoelectric conversion means, and the optical spectrum line width of the local light emitted by the local light generation light source is It is characterized in that it is wider than the operating band of the heterodyne detection means.

ここで、「被検出光と時間的に干渉状態が安定しない局発光」の意味を説明する。ここでは、局発光が被検出光と同一光源から生成されている場合と、局発光と被検出光がそれぞれ独立した光源から生成されている場合の二つの場合に分けて説明を行う。   Here, the meaning of “local light whose state of interference with detected light is not stable over time” will be described. Here, the case where local light is generated from the same light source as the detected light and the case where local light and detected light are generated from independent light sources will be described separately.

まず、局発光が被検出光と同一光源から生成されている場合を説明する。この場合は、同一光源からの出力を分波してそれぞれの光を試料などに照射される光および局発光として用いる。試料などで反射、透過、散乱、屈折、回折などによって生成された光を被検出信号光とし、この被検出光と局発光を再合波してヘテロダイン検出する。この際に、光源から光が分波されて再合波されるまでの相対遅延時間が、光源のコヒーレンス時間τcよりも長い状況下の局発光を、「被検出光と時間的に干渉状態が安定しない」局発光としている。ここでコヒーレンス時間τcとは(1)式で定義される時間とする。

Figure 0006058108
ここでcは光の速度、λ0は光源にて生成される光の中心波長、Δλは光源にて生成される光の光スペクトルの波長線幅を表す。 First, the case where local light is generated from the same light source as the detected light will be described. In this case, the output from the same light source is demultiplexed, and each light is used as light irradiated to the sample or the like and local light. Light generated by reflection, transmission, scattering, refraction, diffraction, or the like on a sample or the like is detected signal light, and this detected light and local light are recombined to detect heterodyne. At this time, the local light emission under the condition that the relative delay time until the light is demultiplexed from the light source and recombined is longer than the coherence time τ c of the light source, Is not stable. " Here, the coherence time τ c is a time defined by the equation (1).
Figure 0006058108
Here, c is the speed of light, λ 0 is the center wavelength of the light generated by the light source, and Δλ is the wavelength line width of the light spectrum of the light generated by the light source.

次に、局発光と被検出光がそれぞれ独立した光源から生成されている場合を説明する。この場合は、ヘテロダイン検出の際に、その光スペクトル線幅が、光電変換部分を含む電気回路部分の動作帯域よりも広い局発光を「被検出光と時間的に干渉状態が安定しない」局発光としている。ここでは波長ドリフトなども光スペクトル線幅に含まれるものとする。   Next, a case where local light and detected light are generated from independent light sources will be described. In this case, during heterodyne detection, local light whose optical spectrum line width is wider than the operating band of the electric circuit part including the photoelectric conversion part is “local light whose interference state with the detected light is not stable”. It is said. Here, wavelength drift and the like are also included in the optical spectrum line width.

第2の観点に係る発明は、第1の観点に係る光検出装置において、前記光電変換手段が、バランスド検出を行うことを特徴とするものである。   The invention according to a second aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first aspect, the photoelectric conversion means performs balanced detection.

第3の観点に係る発明は、第1もしくは2の観点に係る光検出装置において、前記局発光発生光源が、複数台の光発生源からなる、ことを特徴とするものである。   The invention according to a third aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first or second aspect, the local light generation light source comprises a plurality of light generation sources.

第4の観点に係る発明は、第1もしくは2の観点に係る光検出装置において、前記局発光発生光源が、所定の光周波数成分を選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。   The invention according to a fourth aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first or second aspect, the local light generation light source has optical filter means for selecting a predetermined optical frequency component. is there.

第5の観点に係る発明は、第1もしくは2の観点に係る光検出装置において、前記局発光発生光源が、光スペクトルを所望の形状に整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。   The invention according to a fifth aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first or second aspect, the local light generation source has an optical spectrum shaping means for shaping an optical spectrum into a desired shape. Is.

第6の観点に係る発明は、第1もしくは2の観点に係る光検出装置において、前記局発光発生光源が、蛍光発生手段を有する、ことを特徴とするものである。   The invention according to a sixth aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first or second aspect, the local light generation light source has a fluorescence generation means.

第7の観点に係る発明は、第1もしくは2の観点に係る光検出装置において、前記光電変換手段の前段に、所望の空間分布の光のみを選択する空間光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。   The invention according to a seventh aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first or second aspect, spatial light filter means for selecting only light having a desired spatial distribution is provided in the preceding stage of the photoelectric conversion means. It is what.

第8の観点に係る発明は、第1もしくは2の観点に係る光検出装置において、前記光電変換手段の前段に、空間的光強度分布を均一化する空間光ホモジナイザ手段を有する、ことを特徴とするものである。   The invention according to an eighth aspect is characterized in that, in the photodetecting device according to the first or second aspect, spatial light homogenizer means for equalizing a spatial light intensity distribution is provided upstream of the photoelectric conversion means. To do.

第9の観点に係る発明は、第1〜8のいずれかの観点に係る光検出装置において、前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とするものである。   The invention according to a ninth aspect is characterized in that, in the photodetector according to any one of the first to eighth aspects, further comprises an envelope detection means for detecting an envelope of the output of the photoelectric conversion means. To do.

第10の観点に係る本発明の参考例としての発明は、第1の観点に係る光検出装置において、前記被検出光と前記局発光が同一光源の出力を分岐して用いられ、かつ前記光電変換手段入射時における前記被検出光と前記局発光の相対遅延時間がコヒーレンス時間以内ではないことを特徴とするものである。   The invention as a reference example of the present invention according to a tenth aspect is the photodetection device according to the first aspect, wherein the detected light and the local light are used by branching the output of the same light source, and the photoelectric The relative delay time between the light to be detected and the local light when the conversion means is incident is not within a coherence time.

第11の観点に係る本発明の参考例としての発明は、第1の観点に係る光検出装置において、前記局発光の光スペクトル線幅が、前記光電変換手段以降の信号処理帯域よりも広いことを特徴とするものである。   The invention as a reference example of the present invention according to the eleventh aspect is that, in the photodetector according to the first aspect, the optical spectrum line width of the local light is wider than the signal processing band after the photoelectric conversion means. It is characterized by.

さらに、上記目的を達成する第12の観点に係る本発明の参考例としての光検出方法の発明は、検出系の動作周波数帯域よりも広い光スペクトル線幅を有し、かつ被検出光と時間的に干渉状態が安定しない局発光を発生する局発光発生ステップと、光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、前記光電変換ステップの出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。   Furthermore, the invention of the light detection method as a reference example of the present invention according to the twelfth aspect for achieving the above object has an optical spectral line width wider than the operating frequency band of the detection system, and the detected light and time Output of the photoelectric conversion step, including a local light generation step for generating local light whose interference state is not stable, and a photoelectric conversion step for generating a beat signal between the local light and the detected light by photoelectric conversion Based on the above, the detected light is heterodyne detected.

さらに、上記目的を達成する第13の観点に係る本発明の参考例としての光検出方法の発明は、前記光電変換ステップにて、バランスド検出を行うことを特徴とするものである。   Furthermore, the invention of the photodetection method as a reference example of the present invention according to the thirteenth aspect for achieving the above object is characterized in that balanced detection is performed in the photoelectric conversion step.

さらに、上記目的を達成する第14の観点に係る顕微鏡の発明は、観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、第1〜11のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。   Furthermore, the invention of a microscope according to a fourteenth aspect for achieving the above object is a microscope for detecting light to be detected from an observation sample, comprising the photodetection device according to any one of the first to eleventh aspects. The light to be detected from the observation sample is heterodyne detected by the light detection device.

さらに、上記目的を達成する第15の観点に係る内視鏡の発明は、体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、第1〜11のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。   Furthermore, an invention of an endoscope according to a fifteenth aspect for achieving the above object is an endoscope that detects light to be detected from inside a body cavity and observes the inside of the body cavity. The light detection device according to any one of the aspects is provided, and the detection light from the body cavity is heterodyne-detected by the light detection device.

さらに、上記目的を達成する第16の観点に係る内視鏡の発明は、体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、前記照射光を試料上で走査させる走査手段と、前記試料から透過、反射、散乱、屈折もしくは回折された光を伝送する光伝送光学系と、第1〜11のいずれか一つの観点に係る光検出装置を備え、前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。   Furthermore, the invention of an endoscope according to a sixteenth aspect for achieving the above object is an endoscope for detecting the detected light from inside the body cavity and observing the inside of the body cavity, wherein the irradiation light is sampled Scanning means for scanning above, a light transmission optical system for transmitting light transmitted, reflected, scattered, refracted or diffracted from the sample, and a light detection device according to any one of the first to eleventh aspects, The detection light from the body cavity is heterodyne detected by the light detection device.

本発明に係る光検出装置や光検出方法によれば、被検出光と時間的に干渉状態が安定しない局発光と被検出光とから複数のビート信号を生成し、それらを加算して、被検出光をヘテロダイン検出するので、例えば、生体等の散乱体で被検出光が散乱されてしまう、もしくは吸収などの影響で被検出光が著しく減少してしまうような被検体であっても、所望の被検出光を高感度かつ高SN比で検出することが可能となる。また、散乱体に限らず、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質や、他の光吸収物質が介在するような環境下に存在する被検物質からの被検出光に対しても、高感度かつ高SN比で検出することが可能となる。   According to the light detection device and the light detection method according to the present invention, a plurality of beat signals are generated from the local light and the detected light whose interference state is not stable with respect to the detected light, and these are added together, Because detection light is heterodyne-detected, for example, even if the target light is scattered by a scatterer such as a living body or the detection light is significantly reduced due to the influence of absorption, etc. Can be detected with high sensitivity and a high S / N ratio. In addition, not only for scatterers, but also for test light from test substances that exist in the deep or distant area of the detection target, and test substances that exist in environments where other light-absorbing substances are present, It becomes possible to detect with high sensitivity and high S / N ratio.

また、本発明に係る光検出装置や光検出方法によれば、試料に照射される光と局発光が同一光源から生成される場合においては、従来とは異なり、被検出信号光と局発光の間の相対遅延時間が光源のコヒーレンス時間τcより短い必要が無いため、光検出の相対遅延時間の調整から開放される。また、被検出光と局発光が別光源から生成される場合においては、局発光の光スペクトルが広くても問題にならないため、従来のヘテロダイン検出法と比較して、局発光に求められる条件は大幅に緩和される。つまり、局発光用光源にLED(Light Emitting Diode)やSLD(Super Luminescent Diode)などの安価な光源を用いることができる。これらの効果は、産業上の意義が極めて高い。 Further, according to the light detection apparatus and the light detection method according to the present invention, when the light irradiated to the sample and the local light are generated from the same light source, unlike the conventional case, the detected signal light and the local light are Since the relative delay time between them need not be shorter than the coherence time τ c of the light source, it is freed from the adjustment of the relative delay time of the light detection. In addition, when the light to be detected and the local light are generated from different light sources, there is no problem even if the optical spectrum of the local light is wide, so the conditions required for local light compared to the conventional heterodyne detection method are It is greatly eased. That is, an inexpensive light source such as an LED (Light Emitting Diode) or an SLD (Super Luminescent Diode) can be used as the local light source. These effects are highly industrially significant.

また、本発明に係る顕微鏡によれば、上記の光検出装置により、観察試料からの被検出光と、被検出光と時間的に干渉状態が安定しない局発光とのビート信号を検出するので、観察試料を高感度かつ高SN比で観察することが可能となる。   Further, according to the microscope according to the present invention, the light detection device detects the beat signal of the detected light from the observation sample and the local light whose interference state is not stable with the detected light in time. An observation sample can be observed with high sensitivity and a high S / N ratio.

また、本発明に係る内視鏡によれば、体腔内からの被検出光を、上記の光検出装置により、被検出光と時間的に干渉状態が安定しない局発光とのビート信号を検出するので、体腔内を高感度かつ高SN比で観察することが可能となる。   Further, according to the endoscope of the present invention, the detected light from the body cavity is detected by the above-described light detection device as a beat signal with the detected light and the local light whose interference state is not stable over time. Therefore, it becomes possible to observe the inside of the body cavity with high sensitivity and high SN ratio.

本発明の第1実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the photon detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the photon detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図2に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the operation | movement of the photon detection apparatus shown in FIG. 図2に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the operation | movement of the photon detection apparatus shown in FIG. 本発明の第3実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の参考例としての発明の第1参考実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 1st reference embodiment of invention as a reference example of this invention. 本発明の参考例としての発明の第2参考実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 2nd reference embodiment of invention as a reference example of this invention. 本発明の第4実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the endoscope which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the photon detection apparatus which concerns on 6th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。この光検出装置は、被検出光と時間的に干渉状態が安定しない局発光を発生する局発光発生手段10を用い、この局発光発生手段10からの局発光と被検出光を光電変換手段20にて電気信号に変換する。光電変換手段20からは、局発光と被検出光による複数のビート信号が加算された信号が得られ、入力信号光をヘテロダイン検出するものである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of the photodetecting device according to the first embodiment of the present invention. This photodetection device uses local light generation means 10 that generates local light whose state of interference with detected light is not stable over time, and the local light from this local light generation means 10 and the detected light are converted into photoelectric conversion means 20. To convert it to an electrical signal. The photoelectric conversion means 20 obtains a signal obtained by adding a plurality of beat signals based on local light and detected light, and performs heterodyne detection on the input signal light.

局発光発生手段10は、例えば、LED、SLD、SOA(Semiconductor Optical Amplifier)などの自然放出光や蛍光などを発するものを用いて構成する。この局発光発生手段10は、被検出光と別光源で構成可能である。また局発光発生手段10は、以下に述べるように照明光の一部を用いることでも構成可能である。照明光が対象にて透過、反射及び散乱されてきた光を被検出光として用いる場合、局発光として用いられる照明光の一部と被検出光との間に照明光のコヒーレンス時間よりも長い相対遅延を挿入して検出することが可能である。光電変換手段20は、例えば、PMT、APD、PD、CCD、CMOS、EM−CCDやEB−CCDなどを用いて構成する。光電変換手段20に被検出光と局発光を入射する際には、光電変換手段20の直前にビームスプリッタや光ファイバカップラなどの光学素子を配置して被検出光と局発光を合波した後に光電変換手段20に入射してビート信号を得ても良いし、光電変換手段20の受光面に被検出光と局発光が共に入射するように構成することもできる。   The local light generation means 10 is configured using, for example, a device that emits spontaneous emission light, fluorescence, or the like, such as an LED, SLD, or SOA (Semiconductor Optical Amplifier). The local light generation means 10 can be composed of a light source different from the light to be detected. The local light generation means 10 can also be configured by using a part of the illumination light as described below. When the light that has been transmitted, reflected, and scattered by the object is used as the detected light, the relative time longer than the coherence time of the illumination light between a part of the illumination light used as the local light and the detected light It is possible to detect by inserting a delay. The photoelectric conversion means 20 is comprised using PMT, APD, PD, CCD, CMOS, EM-CCD, EB-CCD, etc., for example. When the light to be detected and the local light are incident on the photoelectric conversion means 20, an optical element such as a beam splitter or an optical fiber coupler is arranged immediately before the photoelectric conversion means 20 to combine the light to be detected and the local light. The beat signal may be obtained by being incident on the photoelectric conversion means 20, or the light to be detected and the local light may be incident on the light receiving surface of the photoelectric conversion means 20.

被検出光である信号光は、光電変換手段20から出力される電気信号のうち、特に、振幅情報や強度情報を用いて検出する。これらの情報は、包絡線検波や二乗検波などにより取得する。光電変換手段20の後段に直流成分を除去するフィルタ手段を付加しても良い。また、局発光の強度を調整することでビート信号の強度を調整することができる。   The signal light that is the light to be detected is detected using, in particular, amplitude information and intensity information among the electrical signals output from the photoelectric conversion means 20. Such information is acquired by envelope detection, square detection, or the like. Filter means for removing a DC component may be added after the photoelectric conversion means 20. Further, the intensity of the beat signal can be adjusted by adjusting the intensity of the local light.

(第2実施の形態)
図2は、バランスド検出構成を示す。信号光は光合分波手段30にて二分岐され、分岐された一方の光は光電変換手段(A)21、他方の光は光電変換手段(B)22に入射される。光合分波手段には例えば、ビームスプリッタや光ファイバカプラなどを用いることができる。また、局発光発生手段10より発せられた局発光も光合分波手段30にて二分岐され、一方の光は光電変換手段(A)21、他方の光は光電変換手段(B)22に入射される。光電変換手段(A)21及び光電変換手段(B)22より出力される電気信号は、減算手段40に入力される。この減算手段40には例えばアナログ差動増幅回路、ディジタル差動増幅回路、ソフトウェアによる信号処理などを用いることができる。光電変換手段(A)21及び光電変換手段(B)22では、信号光同士のビート信号(以下、信号光―信号光ビート信号)、局発光同士のビート信号(以下、局発光―局発光ビート信号)、そして信号光と局発光のビート信号(以下、信号光―局発光ビート信号)がそれぞれ検出される。信号光−信号光ビート信号と局発光−局発光ビート信号については、光電変換手段(A)21及び光電変換手段(B)22にて同相なビート信号が検出されるため、減算手段40にて相殺される。一方、信号光―局発光ビート信号は、光電変換手段(A)21にて出力されるものと、光電変換手段(B)22にて出力されるものとは、逆相になっているため、減算手段40にて足しあわされる。つまり、図2のようなバランスド検出構成を用いることで、光検出時の背景信号となる信号光−信号光ビート信号及び局発光―局発光ビート信号を除去することができ、高いSN比を持った光検出が可能になる。さらに、図2のバランスド検出構成を用いることで局発光自身が持つ相対強度雑音(Relative Intensity Noise:RIN)を低減することも可能になる。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a balanced detection configuration. The signal light is bifurcated by the optical multiplexing / demultiplexing means 30. One of the branched lights is incident on the photoelectric conversion means (A) 21, and the other light is incident on the photoelectric conversion means (B) 22. For example, a beam splitter or an optical fiber coupler can be used as the optical multiplexing / demultiplexing means. Further, the local light emitted from the local light generation means 10 is also bifurcated by the optical multiplexing / demultiplexing means 30, and one light is incident on the photoelectric conversion means (A) 21 and the other light is incident on the photoelectric conversion means (B) 22. Is done. The electric signals output from the photoelectric conversion means (A) 21 and the photoelectric conversion means (B) 22 are input to the subtraction means 40. For the subtracting means 40, for example, an analog differential amplifier circuit, a digital differential amplifier circuit, signal processing by software, or the like can be used. In the photoelectric conversion means (A) 21 and the photoelectric conversion means (B) 22, beat signals between signal lights (hereinafter referred to as signal light-signal light beat signals) and beat signals between local lights (hereinafter referred to as local light-local light beats). Signal) and beat signals of signal light and local light (hereinafter, signal light-local light beat signal) are detected. With respect to the signal light-signal light beat signal and the local light-local light beat signal, the beat signal having the same phase is detected by the photoelectric conversion means (A) 21 and the photoelectric conversion means (B) 22, so the subtraction means 40 Offset. On the other hand, the signal light-local light beat signal output from the photoelectric conversion means (A) 21 and the signal output from the photoelectric conversion means (B) 22 are in opposite phases. It is added by the subtracting means 40. That is, by using the balanced detection configuration as shown in FIG. 2, the signal light-signal light beat signal and the local light-local light beat signal that are background signals at the time of light detection can be removed, and a high S / N ratio can be obtained. Light detection can be performed. Further, by using the balanced detection configuration of FIG. 2, it becomes possible to reduce relative intensity noise (RIN) possessed by the local light itself.

図3は図2に示した光検出装置の動作を周波数軸上にて説明する模式図である。図3(A)、(B)、(C)、(D)はそれぞれ信号光の光スペクトル、信号光と局発光が重なった際の光スペクトル、局発光の光スペクトル、光電変換後の電気スペクトルを示す。ここで局発光の光スペクトル線幅をΔfLo、光電変換手段20以降の電気回路の動作帯域をBとする。図3ではΔfLoが信号光の光スペクトル幅よりも広く、ΔfLoがBよりも広い例を示している。また、局発光の光スペクトルは信号光の光スペクトルと光周波数軸上に重なりを持ち、信号光よりも局発光の方が十分高強度であるものとしている。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the operation of the photodetector shown in FIG. 2 on the frequency axis. 3A, 3B, 3C, and 3D respectively show the optical spectrum of the signal light, the optical spectrum when the signal light and the local light overlap, the optical spectrum of the local light, and the electrical spectrum after photoelectric conversion. Indicates. Here, the optical spectrum line width of the local light is Δf Lo , and the operation band of the electric circuit after the photoelectric conversion means 20 is B. Wider than the optical spectrum width of FIG. 3 Delta] f Lo signal light, Delta] f Lo indicates a broader example than B. Further, the light spectrum of the local light has an overlap with the optical spectrum of the signal light on the optical frequency axis, and the local light has a sufficiently higher intensity than the signal light.

図3の例では、信号光も局発光も複数の光周波数成分を有しているため、あらゆる光周波数の組み合わせによる信号光―局発光ビート信号が電気回路の動作帯域B内にて検出される。異なる光周波数の組み合わせによる同一の信号光―局発光ビート信号も多数検出されるが、それらの信号光−局発光ビート信号はお互いに無相関であるため、インコヒーレントに加算される。   In the example of FIG. 3, since both signal light and local light have a plurality of optical frequency components, the signal light-local light beat signal by any combination of optical frequencies is detected within the operating band B of the electric circuit. . A large number of the same signal light-local light beat signals by combinations of different optical frequencies are also detected, but these signal light-local light beat signals are uncorrelated with each other, and are added incoherently.

一方、図4は図2に示した光検出装置の動作を時間軸上にて説明する模式図である。図4(A)、(B)、(C)、(D)はそれぞれ信号光電界の時間波形、信号光電界と局発光電界が重なった際の時間波形、局発光電界の時間波形、光電変換後の時間波形を示す。図3の例と同様に、ΔfLoはBよりも広く、局発光の光スペクトルは信号光の光スペクトルと光周波数軸上に重なりを持ち、局発光は信号光よりも十分高強度であるものとしている。信号光電界と局発光電界が時間的及び空間的に重なった場合に、図4(D)のような信号が得られる。信号光と局発光がお互いに無相関であるため、図4(D)に例示するように検出される信号の時間波形は雑音状になる。この雑音状の信号の検出に、包絡線検波や二乗検波を用いても良い。 On the other hand, FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the photodetector shown in FIG. 2 on the time axis. 4A, 4 </ b> B, 4 </ b> C, and 4 </ b> D are respectively the time waveform of the signal light electric field, the time waveform when the signal light electric field and the local light emission field overlap, the time waveform of the local light emission electric field, and photoelectric conversion. The later time waveform is shown. As in the example of FIG. 3, Δf Lo is wider than B, the light spectrum of the local light has an overlap with the optical spectrum of the signal light on the optical frequency axis, and the local light has a sufficiently higher intensity than the signal light. It is said. When the signal light electric field and the local light emission electric field overlap in time and space, a signal as shown in FIG. 4D is obtained. Since the signal light and the local light are uncorrelated with each other, the time waveform of the signal detected as illustrated in FIG. Envelope detection or square detection may be used to detect this noise-like signal.

(第3実施の形態)
図5は、本発明の第3実施の形態に係る生体内部観察装置の要部の構成を示すブロック図である。この生体内部観察装置には、照明用光源として中心波長940nmで発光する半導体レーザ(Laser diode:LD)51を有するものを用いた。LD51から出射された光を光ファイバ52に結合し、レンズ53を経由して生体組織100へ照射した。そして、生体組織100を透過した光を被検出信号光とした。生体組織100を透過した光をレンズ54によって集光し、単一モード光ファイバ(Single Mode Fiber:SMF)56に入力した。レンズ54は可動台55上に保持されているものを用いた。ここで可動台55は、生体組織100表面に平行な面上を移動できるよう設定されているものを用いた。SMF56からの出力光を、2入力2出力のポートを有する光ファイバカプラ31の入力ポートの一つに接続した。光ファイバカプラ31のもう一方の入力ポートに、局発光を入力した。局発光の発生源として波長940nm帯のSLD11を用いた。SLD11の後段には、中心波長940nm、透過帯域幅2nmのバンドパスフィルタ(Band−pass filter:BPF)12を配置し、BPF12から出力された光を局発光として用いた。この際、局発光波長帯域内に被検出信号光波長が含まれるようにBPF12の透過中心波長を調整した。光ファイバカプラ31の2つの出力ポートをデュアルバランスドディテクタ(Dual balanced detector:DBD)23に接続した。ここでDBD23は、光電変換手段(A)21、光電変換手段(B)22としてのInGaAsフォトダイオード2つと演算手段40としてのアナログ差動増幅電子回路にて構成され、動作帯域が200MHzのものを用いた。DBD23の出力を16ビットのアナログ−ディジタル変換器(Analog−to−digital converter:ADC)57に入力し、アナログの入力信号をディジタル信号に変換した。そしてADC57からのディジタル信号出力をコンピュータ58に入力した。コンピュータ58では、ADC57からの入力信号の包絡線が計算され、さらにその包絡線波形に対するある一定時間の積算値が計算される。コンピュータ58からの信号に応じて制御部60は、SLD11の強度と可動台55の位置を制御する。可動台55は一定時間Tの間、同じ位置に留まるものとし、コンピュータ58では、可動台55の位置に対する、包絡線波形の積算値を記憶し、二次元画像としてモニタ59上に表示された。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a main part of the in-vivo internal observation device according to the third embodiment of the present invention. In this in-vivo internal observation device, an illumination light source having a semiconductor laser (Laser diode: LD) 51 that emits light at a central wavelength of 940 nm was used. The light emitted from the LD 51 was coupled to the optical fiber 52 and irradiated onto the living tissue 100 via the lens 53. And the light which permeate | transmitted the biological tissue 100 was made into the to-be-detected signal light. The light transmitted through the living tissue 100 was collected by the lens 54 and input to a single mode fiber (SMF) 56. The lens 54 used was held on a movable base 55. Here, the movable base 55 is set so as to be movable on a plane parallel to the surface of the living tissue 100. The output light from the SMF 56 was connected to one of the input ports of the optical fiber coupler 31 having a 2-input 2-output port. Local light was input to the other input port of the optical fiber coupler 31. An SLD 11 having a wavelength of 940 nm was used as a local light generation source. A band-pass filter (BPF) 12 having a center wavelength of 940 nm and a transmission bandwidth of 2 nm is disposed at the subsequent stage of the SLD 11, and light output from the BPF 12 is used as local light. At this time, the transmission center wavelength of the BPF 12 was adjusted so that the detected signal light wavelength was included in the local light emission wavelength band. Two output ports of the optical fiber coupler 31 were connected to a dual balanced detector (DBD) 23. The DBD 23 is composed of two InGaAs photodiodes as the photoelectric conversion means (A) 21 and the photoelectric conversion means (B) 22 and an analog differential amplification electronic circuit as the calculation means 40, and has an operation band of 200 MHz. Using. The output of the DBD 23 was input to a 16-bit analog-to-digital converter (ADC) 57, and the analog input signal was converted into a digital signal. The digital signal output from the ADC 57 was input to the computer 58. In the computer 58, an envelope of the input signal from the ADC 57 is calculated, and an integrated value for a certain time with respect to the envelope waveform is calculated. The control unit 60 controls the strength of the SLD 11 and the position of the movable base 55 according to the signal from the computer 58. The movable table 55 stays at the same position for a certain time T, and the computer 58 stores the integrated value of the envelope waveform for the position of the movable table 55 and displays it on the monitor 59 as a two-dimensional image.

こうすることで光を強く散乱する生体の内部を高速かつ高SN比で観察することができた。   By doing so, the inside of the living body that strongly scatters light could be observed at high speed and with a high SN ratio.

(第1参考実施の形態)
図6は、本発明の参考例としての発明の第1参考実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、被検出光の検出系として図2に示した光検出装置の構成を有するものである。図6において、照明用光源61はXeランプを含み、コンピュータ58に制御された制御部71によって駆動した。照明用光源61から発せられた光を、レンズ62を経由してライトガイドファイバ(Light guide fiber:LGF)63に入力した。
(First embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a main part of the endoscope according to the first reference embodiment of the invention as a reference example of the present invention. This endoscope is for observing the inside of a body cavity, and has the configuration of the light detection apparatus shown in FIG. 2 as a detection system for light to be detected. In FIG. 6, the illumination light source 61 includes an Xe lamp and is driven by a control unit 71 controlled by a computer 58. Light emitted from the illumination light source 61 was input to a light guide fiber (LGF) 63 via a lens 62.

LGF63は内視鏡ハウジング64内を通るように配置される。LGF63中を伝搬した光を内視鏡ハウジング64内に設置されたレンズ光学系65を経由して空間に射出した。この射出された光は同じく内視鏡ハウジング64内に設置されるビームスプリッタ66にて2分岐され、一方はレンズ光学系67を経由して生体組織100へ照射され、他方はハーフミラー32へ入力される。ハーフミラー32へ入力される光を、光検出時の局発光として使用した。生体組織100からの反射光もしくは散乱光をレンズ光学系68によって集光し、被検出信号光として用いた。この時、光路(ビームスプリッタ66−レンズ光学系67−生体組織100−レンズ光学系68−ハーフミラー32)と光路(ビームスプリッタ66−ハーフミラー32)との光路長差は、照明用光源61のコヒーレンス長よりも長くなるように設定した。   The LGF 63 is disposed so as to pass through the endoscope housing 64. The light propagating through the LGF 63 was emitted into the space via the lens optical system 65 installed in the endoscope housing 64. The emitted light is branched into two by a beam splitter 66 similarly installed in the endoscope housing 64, one is irradiated to the living tissue 100 via the lens optical system 67, and the other is input to the half mirror 32. Is done. The light input to the half mirror 32 was used as local light when detecting light. Reflected light or scattered light from the living tissue 100 was collected by the lens optical system 68 and used as detected signal light. At this time, the optical path length difference between the optical path (beam splitter 66-lens optical system 67-biological tissue 100-lens optical system 68-half mirror 32) and the optical path (beam splitter 66-half mirror 32) It was set to be longer than the coherence length.

ハーフミラー32は図5中の光ファイバカプラ31と同様の働き、つまり2入力2出力の光合分波器の役割を果たす。ハーフミラー32には、局発光としてのビームスプリッタ66からの光入力と、被検出信号光としてのレンズ光学系68からの光入力があり、ハーフミラー32からの2つの出力はそれぞれ光電変換手段(A)21としてのCCD(A)24及び光電変換手段(B)22としてのCCD(B)25に入力され、アナログ電気信号に変換される。CCD(A)24及びCCD(B)25からの出力信号はそれぞれ増幅器69及び増幅器70にて増幅され、2入力のADC57にてそれぞれディジタル信号に変換される。   The half mirror 32 functions in the same manner as the optical fiber coupler 31 in FIG. 5, that is, plays a role of a 2-input / 2-output optical multiplexer / demultiplexer. The half mirror 32 has a light input from the beam splitter 66 serving as local light and a light input from the lens optical system 68 serving as signal light to be detected. A) A CCD (A) 24 as 21 and a CCD (B) 25 as photoelectric conversion means (B) 22 are inputted and converted into analog electric signals. Output signals from the CCD (A) 24 and the CCD (B) 25 are amplified by an amplifier 69 and an amplifier 70, respectively, and converted into digital signals by a 2-input ADC 57, respectively.

ADC57からの出力信号をコンピュータ58に入力し、コンピュータ58では、CCD(A)24とCCD(B)25からの出力を減算する信号処理と、減算後に包絡線を計算し、ある一定時間積算を行う信号処理が施される。この減算信号処理、包絡線計算、積算処理が図2中の減算手段40に対応する。   The output signal from the ADC 57 is input to the computer 58, and the computer 58 calculates signal envelopes for subtracting the outputs from the CCD (A) 24 and the CCD (B) 25, calculates an envelope after the subtraction, and performs integration for a certain period of time. The signal processing to be performed is performed. This subtraction signal processing, envelope calculation, and integration processing correspond to the subtraction means 40 in FIG.

こうすることで、照明光強度を低く抑えつつ、明るい内視鏡画像を得ることができるようになった。照明光強度が高くなることに起因する内視鏡先端部の発熱を抑えつつ、明るい画像を得ることができるため、患者に対してより安全性の高い内視鏡画像を提供することができるようになる。さらに本実施の形態においては、局発光用の光源が不要であるため、構成が簡素になるという利点も併せ持っている。   By doing so, it is possible to obtain a bright endoscopic image while keeping the illumination light intensity low. Since it is possible to obtain a bright image while suppressing the heat generation at the distal end portion of the endoscope due to the increase in illumination light intensity, it is possible to provide a safer endoscopic image for the patient. become. Further, in the present embodiment, since the light source for local light emission is unnecessary, there is an advantage that the configuration is simplified.

また、図6照明用光源61中のXeランプの後段に青色、緑色そして赤色を透過する波長帯域フィルタを配置することで、狭帯域光観察(Narrow band imaging:NBI)を行うことも可能である。従来のNBIでは、波長帯域フィルタの利用による画像明るさの低下が避けられないが、図6に示す第1参考実施の形態によれば、画像明るさを犠牲にすることなくNBIを行うことが可能になる。   Further, narrow band imaging (NBI) can be performed by arranging a wavelength band filter that transmits blue, green, and red after the Xe lamp in the illumination light source 61 in FIG. . In the conventional NBI, a decrease in image brightness due to the use of a wavelength band filter is inevitable, but according to the first reference embodiment shown in FIG. 6, NBI can be performed without sacrificing image brightness. It becomes possible.

なお、この第1参考実施の形態では、二次元光検出器として、CCDを用いた例を説明したが、CMOS、EM−CCD、EB−CCD、I−CCDのような他の二次元光検出器を撮像用として使用してもよい。   In the first embodiment, an example using a CCD as a two-dimensional photodetector has been described. However, other two-dimensional photodetections such as CMOS, EM-CCD, EB-CCD, and I-CCD are used. The instrument may be used for imaging.

(第2参考実施の形態)
図7は、本発明の参考例としての発明の第2参考実施の形態に係る蛍光内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この蛍光内視鏡は、体腔内を観察するもので、被検出光の検出系として図2に示した光検出装置の構成を有するものである。図7は図6の構成と類似しているが、図7では、蛍光励起用光源72はXeランプと波長450nm帯の光のみを透過させる波長帯域フィルタを含み、コンピュータ58に制御された制御部73によって駆動する。また、ビームスプリッタ66とハーフミラー32との間に蛍光板13と光スペクトル整形フィルタ14を配置し、レンズ光学系68とハーフミラー32との間に励起光除去フィルタ26を配置した点が図6とは異なる。その他の構成は、図6と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
(Second embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a main part of a fluorescence endoscope according to a second reference embodiment of the invention as a reference example of the present invention. This fluorescence endoscope is for observing the inside of a body cavity, and has the configuration of the photodetection device shown in FIG. 2 as a detection system for detected light. FIG. 7 is similar to the configuration of FIG. 6, but in FIG. 7, the fluorescence excitation light source 72 includes a Xe lamp and a wavelength band filter that transmits only light having a wavelength of 450 nm, and is controlled by a computer 58. It is driven by 73. Further, the fluorescent plate 13 and the optical spectrum shaping filter 14 are disposed between the beam splitter 66 and the half mirror 32, and the excitation light removal filter 26 is disposed between the lens optical system 68 and the half mirror 32 as shown in FIG. Is different. Since other configurations are the same as those in FIG. 6, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

蛍光板13には、蛍光励起用光源72を励起光とした場合に、生体組織からの蛍光と同じ波長帯、例えば波長530nm帯の蛍光を発するものを用いた。そして、光スペクトル整形フィルタ14には、蛍光励起用光源72からの励起光を除去すると同時に、蛍光板から発せられる光スペクトルの形状を整形するものを用いた。   As the fluorescent plate 13, a fluorescent plate that emits fluorescence in the same wavelength band as that of fluorescence from a living tissue, for example, a wavelength of 530 nm band, when the fluorescence excitation light source 72 is excitation light is used. The optical spectrum shaping filter 14 used to remove the excitation light from the fluorescence excitation light source 72 and simultaneously shape the shape of the light spectrum emitted from the fluorescent plate.

励起光除去フィルタ26には、蛍光励起用光源72から発せられた光を除去すると同時に、生体組織100から発せられる興味ある波長の光のみ、例えば波長530nm帯の光を透過させるものを用いた。   As the excitation light removal filter 26, a filter that removes light emitted from the fluorescence excitation light source 72 and transmits only light having a wavelength of interest emitted from the living tissue 100, for example, light having a wavelength of 530 nm, is used.

このような構成を用いることで、生体から発せられる微弱な蛍光も明るく検出することが可能になる。本実施の形態においては、光スペクトル整形フィルタ14が用いられているが、このように局発光の光スペクトル形状を調整することで、光検出における波長依存性を調整することが可能になる。また、蛍光板13を変更することで、局発光の中心波長や波長帯域を調整することが可能である。例えば、蛍光励起用光源72から発せられる光の波長帯域が狭帯域であっても、広い発光波長帯域を有する蛍光板13を用いることで、広い波長帯域に対応した局発光を生成することが可能になる。また、特定の波長帯の光のみを検出したい場合には、狭い発光波長帯域を有する蛍光板13を用いることが有効である。   By using such a configuration, it is possible to brightly detect even weak fluorescence emitted from a living body. In the present embodiment, the optical spectrum shaping filter 14 is used. However, by adjusting the optical spectrum shape of the local light in this way, it is possible to adjust the wavelength dependence in the light detection. Moreover, it is possible to adjust the central wavelength and wavelength band of local light by changing the fluorescent plate 13. For example, even if the wavelength band of light emitted from the fluorescence excitation light source 72 is a narrow band, it is possible to generate local light corresponding to a wide wavelength band by using the fluorescent plate 13 having a wide emission wavelength band. Become. In addition, when it is desired to detect only light in a specific wavelength band, it is effective to use the fluorescent plate 13 having a narrow emission wavelength band.

(第4実施の形態)
図8(A)は、本発明の第4実施の形態に係る光ファイバスキャン型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、被検出光の検出系として図2に示した光検出装置の構成を有するものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 8A is a block diagram showing a configuration of a main part of an optical fiber scan endoscope according to the fourth embodiment of the present invention. This endoscope is for observing the inside of a body cavity, and has the configuration of the light detection apparatus shown in FIG. 2 as a detection system for light to be detected.

信号光源ユニット74は、発振波長480nmのLD、発振波長532nmのDiode pumped solid state(DPSS)レーザ、633nmのLDが含まれているものを用い、各レーザからの出力をダイクロイックミラーにて合波し、信号光源ユニット74から出力される。信号光源ユニット74から出力される光の波長や強度は制御器81にて制御される。   The signal light source unit 74 includes an LD having an oscillation wavelength of 480 nm, a diode pumped solid state (DPSS) laser having an oscillation wavelength of 532 nm, and an LD having a wavelength of 633 nm. The output from each laser is combined by a dichroic mirror. , And output from the signal light source unit 74. The controller 81 controls the wavelength and intensity of the light output from the signal light source unit 74.

信号光源ユニット74からの出力光を光ファイバ75に入力した。光ファイバ75は、光ファイバ型分波器76を経由して多芯光ファイバ77に接続した。多芯光ファイバ77の断面形状を図8(B)に示す。多芯光ファイバ77は、1つの照明用コア77A、複数の受光用コア77B、クラッド77Cにて構成されている。光ファイバ型分波器76は、光ファイバ75を伝搬する光を多芯光ファイバ77の照明用コア77Aへ結合し、多芯光ファイバ77中の複数の受光用コア77Bを伝搬する光を多モード光ファイバ80へ結合する。   Output light from the signal light source unit 74 was input to the optical fiber 75. The optical fiber 75 was connected to a multi-core optical fiber 77 via an optical fiber type splitter 76. A cross-sectional shape of the multi-core optical fiber 77 is shown in FIG. The multi-core optical fiber 77 is composed of one illumination core 77A, a plurality of light receiving cores 77B, and a clad 77C. The optical fiber type demultiplexer 76 couples the light propagating through the optical fiber 75 to the illumination core 77A of the multicore optical fiber 77, and multiplies the light propagating through the plurality of light receiving cores 77B in the multicore optical fiber 77. Coupled to mode optical fiber 80.

信号光源ユニット74から出力される光を光ファイバ75中を伝搬させ、光ファイバ型分波器76によって多芯光ファイバ77の照明用コア77Aに結合される。多芯光ファイバ77の先端部は駆動機構78に保持されているものを用いた。駆動機構78はピエゾ素子などで構成され、制御部81からの信号に応じて多芯光ファイバ77の先端部から射出される光の方向を制御するように駆動される。多芯光ファイバ77の照明用コア77Aから射出された光を、Gradient refractive index(GRIN)レンズなどのレンズ光学系79を経由して、生体組織100へ照射した。   The light output from the signal light source unit 74 is propagated through the optical fiber 75 and is coupled to the illumination core 77 A of the multi-core optical fiber 77 by the optical fiber type splitter 76. The tip of the multi-core optical fiber 77 is held by a drive mechanism 78. The drive mechanism 78 is composed of a piezo element or the like, and is driven so as to control the direction of light emitted from the tip of the multi-core optical fiber 77 in accordance with a signal from the control unit 81. The light emitted from the illumination core 77A of the multicore optical fiber 77 was irradiated to the living tissue 100 via a lens optical system 79 such as a gradient refractive index (GRIN) lens.

生体組織100にて反射や散乱された光を、レンズ光学系79を経由して複数の多芯光ファイバ77の受光用コア77Bに結合した。多芯光ファイバ77の受光用ファイバのコア77Bを伝搬する生体組織100からの反射・散乱光を被検出信号光として用いた。多芯光ファイバ77の受光用コア77Bを伝搬する被検出信号光は、光ファイバ型分波器76によって多モード光ファイバ80に結合される。   The light reflected or scattered by the living tissue 100 was coupled to the light receiving core 77 </ b> B of the plurality of multi-core optical fibers 77 via the lens optical system 79. The reflected / scattered light from the living tissue 100 propagating through the core 77B of the light receiving fiber of the multi-core optical fiber 77 was used as detected signal light. The detected signal light propagating through the light receiving core 77 </ b> B of the multicore optical fiber 77 is coupled to the multimode optical fiber 80 by the optical fiber type splitter 76.

LEDユニット15から出力される光を局発光として用いた。LEDユニット15には波長480nm帯、532nm帯、633nm帯のLEDが含まれており、それぞれのLEDからの出力光はダイクロイックミラーで合波した。LEDユニット15から出力される光の波長や強度は制御器81にて制御される。   The light output from the LED unit 15 was used as local light. The LED unit 15 includes LEDs having wavelengths of 480 nm band, 532 nm band, and 633 nm band, and output light from each LED is multiplexed by a dichroic mirror. The controller 81 controls the wavelength and intensity of light output from the LED unit 15.

多モード光ファイバ80から出力される被検出光とLEDユニット15から出力される局発光を、ハーフミラー32にて第4の実施形態と同様に合分波した。ハーフミラー32にて合分波された光をそれぞれミラー33もしくはミラー34を経由してDBD26に入力した。DBD26は、光電変換手段(A)21、光電変換手段(B)22としてのSiフォトダイオード2つと演算手段40としてのアナログ差動増幅電子回路にて構成され、動作帯域200MHzのものを用いた。ADC57、コンピュータ58、モニタ59の動作は図5と同じであるため、ここでは説明を省略する。   The detected light output from the multimode optical fiber 80 and the local light output from the LED unit 15 were multiplexed / demultiplexed by the half mirror 32 as in the fourth embodiment. The light multiplexed / demultiplexed by the half mirror 32 was input to the DBD 26 via the mirror 33 or the mirror 34, respectively. The DBD 26 is composed of two Si photodiodes as the photoelectric conversion means (A) 21 and photoelectric conversion means (B) 22 and an analog differential amplification electronic circuit as the calculation means 40, and uses an operation band of 200 MHz. The operations of the ADC 57, the computer 58, and the monitor 59 are the same as those in FIG.

本実施形態は、波長の異なる複数台の局発光用光源を用いているため、様々な波長帯の光を検出するのに有利な構成になっている。また、本実施形態のように波長の異なる複数台の局発光用光源を用いることで、被検出光の波長帯域が広い場合にも高感度な検出が可能になる。   Since this embodiment uses a plurality of light sources for local light emission having different wavelengths, the configuration is advantageous for detecting light in various wavelength bands. In addition, by using a plurality of local light sources having different wavelengths as in this embodiment, highly sensitive detection is possible even when the wavelength band of the detected light is wide.

(第5実施の形態)
図9は、本発明の第5実施の形態に係るカプセル型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、被検出光の検出系として図2に示した光検出装置の構成を有するものである。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a main part of a capsule endoscope according to the fifth embodiment of the present invention. This endoscope is for observing the inside of a body cavity, and has the configuration of the light detection apparatus shown in FIG. 2 as a detection system for light to be detected.

照明用LED83、集光レンズ光学系84、ハーフミラー32、CCD(A)24、CCD(B)25、局発用LED16、ホモジナイザ17、信号処理部85そして信号送信部86がカプセル型筐体82中に納まった構成になっている。   The LED 83 for illumination, the condensing lens optical system 84, the half mirror 32, the CCD (A) 24, the CCD (B) 25, the LED 16 for local oscillation, the homogenizer 17, the signal processing unit 85, and the signal transmission unit 86 are a capsule-type casing 82. It has a configuration that fits inside.

照明用LED83は白色の光を発するものを用いる。照明用LED83からの出力光はカプセル型筐体82外の生体組織100へ照射される。生体組織100にて反射もしくは散乱された照明光を、カプセル型筐体82中の集光レンズ光学系84を用いて集光し、これを被検出信号光とした。   As the lighting LED 83, one that emits white light is used. Output light from the illumination LED 83 is irradiated to the living tissue 100 outside the capsule-type housing 82. Illumination light reflected or scattered by the living tissue 100 was condensed using the condensing lens optical system 84 in the capsule housing 82 and used as detected signal light.

局発光光源としては、白色の光を発する局発用LED16を用いた。局発用LED16から射出された光をホモジナイザ17に入力した。ホモジナイザ17からは局発用LED16の空間パターンが均一化されて出力される。ホモジナイザ17から出力された光を局発光として用いる。   As the local light source, a local LED 16 that emits white light was used. The light emitted from the local LED 16 was input to the homogenizer 17. From the homogenizer 17, the spatial pattern of the local LED 16 is made uniform and output. The light output from the homogenizer 17 is used as local light.

集光レンズ光学系84にて集光された被検出信号光とホモジナイザ17から出力された局発光は、ハーフミラー32に入力される。ハーフミラー32、CCD(A)24、CCD(B)25の動作は図6に示す第4の実施形態の場合と同様であるため、説明を省略する。   The detected signal light collected by the condensing lens optical system 84 and the local light output from the homogenizer 17 are input to the half mirror 32. The operations of the half mirror 32, the CCD (A) 24, and the CCD (B) 25 are the same as those in the fourth embodiment shown in FIG.

CCD(A)24及びCCD(B)25からのアナログ出力信号を信号処理部85に入力し、ディジタル信号に変換する。その後の信号処理部85内にて包絡線検波演算を施し、信号処理部85からディジタル信号が出力される。次に信号処理部85の出力は、信号送信部86に入力される。信号送信部86は、入力されたディジタル信号を無線伝送にてカプセル型筐体82外に情報を送信する。   Analog output signals from the CCD (A) 24 and the CCD (B) 25 are input to the signal processing unit 85 and converted into digital signals. Thereafter, envelope detection is performed in the signal processing unit 85, and a digital signal is output from the signal processing unit 85. Next, the output of the signal processing unit 85 is input to the signal transmission unit 86. The signal transmission unit 86 transmits information to the outside of the capsule casing 82 by wireless transmission of the input digital signal.

本実施形態では、局発用LED16の後段にホモジナイザ17を用いている。通常LEDの空間出力パターンは非常に不均一なため、ヘテロダイン検出感度の空間位置依存性が生じてしまう。つまり、画像ムラが生じてしまう。そのため局発用LED16の後段に配置されたホモジナイザ17によって局発光の空間出力パターンを均一化することで、ヘテロダイン検出感度の空間位置依存性を均一化している。   In the present embodiment, a homogenizer 17 is used in the subsequent stage of the local LED 16. Usually, the spatial output pattern of the LEDs is very non-uniform, and the heterodyne detection sensitivity depends on the spatial position. That is, image unevenness occurs. Therefore, the spatial output dependence of the heterodyne detection sensitivity is made uniform by making the spatial output pattern of the local light emission uniform by the homogenizer 17 disposed at the subsequent stage of the local LED 16.

なお、この第7の実施形態では、二次元光検出器として、CCDを用いた例を説明したが、CMOS、EM−CCD、EB−CCD、I−CCDのような他の二次元光検出器を撮像用として使用してもよい。   In the seventh embodiment, the example in which the CCD is used as the two-dimensional photodetector has been described. However, other two-dimensional photodetectors such as CMOS, EM-CCD, EB-CCD, and I-CCD are described. May be used for imaging.

(第6実施の形態)
図10は、本発明の第6実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。このレーザ走査型蛍光顕微鏡87は、励起光源として波長488nmで連続発振するArレーザ88を有する。図10において、Arレーザ88から出射されたレーザ光を、例えば音響光学変調器(Acousto―optic modulator:AOM)等の光強度調整器89により光強度を調整して、X−Yガルバノミラー90、瞳投影レンズ91、結像レンズ92、ダイクロイックミラー93および対物レンズ94を経て、検査対象である生細胞試料101に集光して照射した。したがって、このレーザ走査型蛍光顕微鏡では、光強度調整器89、X−Yガルバノミラー90、瞳投影レンズ91、結像レンズ92、ダイクロイックミラー93および対物レンズ94は、励起光源からの励起光を試料に照射する光照射手段を構成している。また、X−Yガルバノミラー90は、光走査手段を構成する。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a main part of a laser scanning fluorescence microscope according to the sixth embodiment of the present invention. The laser scanning fluorescence microscope 87 has an Ar laser 88 that continuously oscillates at a wavelength of 488 nm as an excitation light source. In FIG. 10, the laser light emitted from the Ar laser 88 is adjusted by a light intensity adjuster 89 such as an acousto-optic modulator (AOM), for example, and an XY galvanometer mirror 90, Through the pupil projection lens 91, the imaging lens 92, the dichroic mirror 93, and the objective lens 94, the living cell sample 101 to be examined was condensed and irradiated. Therefore, in this laser scanning fluorescence microscope, the light intensity adjuster 89, the XY galvanometer mirror 90, the pupil projection lens 91, the imaging lens 92, the dichroic mirror 93, and the objective lens 94 use the excitation light from the excitation light source as a sample. The light irradiation means to irradiate is comprised. Further, the XY galvanometer mirror 90 constitutes an optical scanning unit.

なお、生細胞試料101としては、蛍光色素で染色された検査対象物や、蛍光タンパクが発現している検査対象物を用いた。ここでは、蛍光タンパクEnhanced green fluorescence protein(eGFP)が発現している検査対象物質を用いるものとする。したがって、Arレーザ88からのレーザ光を、生細胞試料101に照射すると、eGFPが励起されて波長約500nm〜600nmの蛍光が発生した。   As the live cell sample 101, an inspection object stained with a fluorescent dye or an inspection object expressing a fluorescent protein was used. Here, it is assumed that a substance to be examined in which fluorescent protein Enhanced green fluorescence protein (eGFP) is expressed is used. Therefore, when the live cell sample 101 was irradiated with laser light from the Ar laser 88, eGFP was excited and fluorescence having a wavelength of about 500 nm to 600 nm was generated.

生細胞試料101から発生した蛍光は、対物レンズ94を経てダイクロイックミラー93に導かれる。ダイクロイックミラー93は、波長488nmの光は透過させ、波長500nmより長波長の光は反射させるように構成した。これにより、生細胞試料101で発生した波長約500nm〜600nmの蛍光を、ダイクロイックミラー93で反射させた。   The fluorescence generated from the living cell sample 101 is guided to the dichroic mirror 93 through the objective lens 94. The dichroic mirror 93 is configured to transmit light having a wavelength of 488 nm and reflect light having a wavelength longer than 500 nm. Thereby, the fluorescence having a wavelength of about 500 nm to 600 nm generated in the living cell sample 101 was reflected by the dichroic mirror 93.

ダイクロイックミラー93で反射された蛍光を、レンズ95で集光し、その集光点位置にピンホール96を配置した。ピンホール96を透過した蛍光はレンズ97で平行光となる。これを被検出信号光とし、ハーフミラー32へ入力した。   The fluorescence reflected by the dichroic mirror 93 was condensed by a lens 95, and a pinhole 96 was disposed at the position of the condensing point. The fluorescence transmitted through the pinhole 96 becomes parallel light through the lens 97. This was detected signal light and input to the half mirror 32.

局発光の光源としては、波長530nm帯で発光するLED(A)18と波長630nm帯で発光するLED(B)19からの出力光をダイクロイックミラー98で合波したものを用いた。ダイクロイックミラー98で合波された光はホモジナイザ17を経由してハーフミラー32へ入力されるよう構成した。   As the light source for local light emission, a light output from the LED (A) 18 that emits light in the wavelength 530 nm band and the LED (B) 19 that emits light in the wavelength 630 nm band is combined by the dichroic mirror 98. The light combined by the dichroic mirror 98 is input to the half mirror 32 via the homogenizer 17.

ハーフミラー32、ミラー33、ミラー34、DBD26、ADC57、コンピュータ58は、図8に示す第6の実施形態と同様な役割を果たすため、同じ記号を付して説明を省略する。ただし、コンピュータ58は、レーザ走査型蛍光顕微鏡87の全体を制御することも加えて行うものとする。これにより、Arレーザ88からのレーザ光を、X−Yガルバノミラー90により偏向して、生細胞試料101を対物レンズ94の光軸と直交する平面内で2次元走査し、その各走査点においてADC57から得られる出力を処理して、モニタ59に蛍光画像を表示する。   Since the half mirror 32, the mirror 33, the mirror 34, the DBD 26, the ADC 57, and the computer 58 have the same functions as those of the sixth embodiment shown in FIG. However, the computer 58 performs control in addition to controlling the entire laser scanning fluorescent microscope 87. As a result, the laser beam from the Ar laser 88 is deflected by the XY galvanometer mirror 90, and the living cell sample 101 is two-dimensionally scanned in a plane orthogonal to the optical axis of the objective lens 94. The output obtained from the ADC 57 is processed to display a fluorescent image on the monitor 59.

このように、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、Arレーザ88からのレーザ光の照射によって、生細胞試料101から発生する蛍光を、ヘテロダイン検出する。したがって、生細胞試料101から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料101に照射するレーザ光の強度を高めたり、受光積算時間を長くしたりすることなく、生細胞試料101を高感度かつ高SN比で蛍光観察することができるようになった。なお、局発光発生手段を構成するLEDは、2台に限らず、検出する入力信号光の波長帯域に応じて、3台以上とすることもできる。   As described above, the laser scanning fluorescence microscope according to the present embodiment detects heterodyne fluorescence generated from the living cell sample 101 by irradiation with the laser light from the Ar laser 88. Therefore, even if the fluorescence, which is the signal light obtained from the live cell sample 101, is weak, the live cell sample 101 can be raised without increasing the intensity of the laser light applied to the live cell sample 101 or increasing the light reception integration time. The fluorescence can be observed with high sensitivity and high S / N ratio. Note that the number of LEDs constituting the local light generation means is not limited to two, but may be three or more according to the wavelength band of the input signal light to be detected.

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、被検出信号光は、試料からの反射光、散乱光、蛍光に限らず、透過光、燐光の場合も、本発明に係る光検出装置を有効に適用することができる。また、上述した実施形態では、生体組織や生細胞等の生物学的試料が散乱体である場合について説明したが、生物学的試料以外の散乱体中に存在する種々の被検物質に適用できる。また、散乱体中の被検物質以外であっても、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質(レーダー探知対象、天体物質、海底、深海生物等)や、他の光吸収物質が介在するような環境下に存在する被検物質からの被検出光に対しても、高感度かつ高SN比で検出することが可能となる。   In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, the detected signal light is not limited to reflected light, scattered light, and fluorescence from the sample, but the light detection apparatus according to the present invention can be effectively applied to transmitted light and phosphorescence. In the above-described embodiment, the case where a biological sample such as a living tissue or living cell is a scatterer has been described. However, the present invention can be applied to various test substances existing in a scatterer other than a biological sample. . In addition to analytes other than the analyte in the scatterer, analytes that exist in the deep or distant area of the detection target (radar detection targets, astronomical substances, seabed, deep-sea creatures, etc.) and other light-absorbing substances are present. It is possible to detect with high sensitivity and a high S / N ratio even for light to be detected from a test substance existing in such an environment.

また、本発明は、波長が180nm程度の紫外線から波長が50μm程度の赤外線までの光検出に適用でき、上記実施の形態で説明した可視光の検出に限らない。例えば、紫外線を検出する場合、局発光発生手段は、例えば、紫外線ランプ光を紫外線検出用の局発光として用いることができる。また、光合波手段は、例えば、多層膜型ミラーを用いて構成することができ、光電変換手段は、例えば、PMTを用いて構成することができる。   The present invention can be applied to light detection from ultraviolet light having a wavelength of about 180 nm to infrared light having a wavelength of about 50 μm, and is not limited to the detection of visible light described in the above embodiment. For example, when detecting ultraviolet rays, the local light generation means can use, for example, ultraviolet lamp light as local light for ultraviolet detection. The optical multiplexing means can be configured using, for example, a multilayer mirror, and the photoelectric conversion means can be configured using, for example, a PMT.

また、赤外線を検出する場合、局発光発生手段は、例えば、赤外線ランプを用いることができる。また、光合波手段は、例えば、CsI基板型ビームスプリッタを用いて構成することができ、光電変換手段は、例えば、Ge:Znを用いた光導電素子を利用して構成することができる。   Moreover, when detecting infrared rays, an infrared lamp can be used as the local light generation means, for example. The optical multiplexing means can be configured using, for example, a CsI substrate type beam splitter, and the photoelectric conversion means can be configured using, for example, a photoconductive element using Ge: Zn.

10 局発光発生手段
11 SLD
12 BPF
13 蛍光板
14 スペクトル整形フィルタ
15 LEDユニット
16 局発用LED
17 ホモジナイザ
18 LED(A)
19 LED(B)
20 光電変換手段
21 光電変換手段(A)
22 光電変換手段(B)
23 DBD
24 CCD(A)
25 CCD(B)
26 DBD
30 光合分波手段
31 光ファイバカプラ
32 ハーフミラー
33 ミラー
34 ミラー
40 減算手段
51 LD
52 光ファイバ
53 レンズ
54 レンズ
55 可動台
56 SMF
57 ADC
58 コンピュータ
59 モニタ
60 制御部
61 照明用光源
62 レンズ
63 LGF
64 内視鏡ハウジング
65 レンズ光学系
66 ビームスプリッタ
67 レンズ光学系
68 レンズ光学系
69 増幅器
70 増幅器
71 制御部
72 蛍光励起用光源
73 制御部
74 信号光源ユニット
75 光ファイバ
76 光ファイバ型分波器
77 多芯光ファイバ
77A 照明用コア
77B 受光用コア
77C クラッド
78 駆動機構
79 レンズ光学系
80 多モード光ファイバ
81 制御部
82 カプセル型筐体
83 照明用LED
84 集光レンズ光学系
85 信号処理部
86 信号送信部
87 レーザ走査型蛍光顕微鏡
88 Arレーザ
89 光強度調整器
90 X−Yガルバノミラー
91 瞳投影レンズ
92 結像レンズ
93 ダイクロイックミラー
94 対物レンズ
95 レンズ
96 ピンホール
97 レンズ
98 ダイクロイックミラー
100 生体組織
101 生細胞試料
10 Local light emission means 11 SLD
12 BPF
13 Fluorescent plate 14 Spectrum shaping filter 15 LED unit 16 Local LED
17 Homogenizer 18 LED (A)
19 LED (B)
20 Photoelectric conversion means 21 Photoelectric conversion means (A)
22 Photoelectric conversion means (B)
23 DBD
24 CCD (A)
25 CCD (B)
26 DBD
30 Optical multiplexing / demultiplexing means 31 Optical fiber coupler 32 Half mirror 33 Mirror 34 Mirror 40 Subtracting means 51 LD
52 Optical fiber 53 Lens 54 Lens 55 Movable base 56 SMF
57 ADC
58 Computer 59 Monitor 60 Control Unit 61 Illumination Light Source 62 Lens 63 LGF
64 Endoscope housing 65 Lens optical system 66 Beam splitter 67 Lens optical system 68 Lens optical system 69 Amplifier 70 Amplifier 71 Control unit 72 Light source for fluorescence excitation 73 Control unit 74 Signal light source unit 75 Optical fiber 76 Optical fiber type splitter 77 Multi-core optical fiber 77A Illumination core 77B Light-receiving core 77C Clad 78 Drive mechanism 79 Lens optical system 80 Multimode optical fiber 81 Control unit 82 Capsule type housing 83 Illumination LED
84 Condensing Lens Optical System 85 Signal Processing Unit 86 Signal Transmitting Unit 87 Laser Scanning Fluorescence Microscope 88 Ar Laser 89 Light Intensity Adjuster 90 XY Galvano Mirror 91 Pupil Projection Lens 92 Imaging Lens 93 Dichroic Mirror 94 Objective Lens 95 Lens 96 pinhole 97 lens 98 dichroic mirror 100 biological tissue 101 living cell sample

Claims (12)

局発光を発生する局発光発生光源と、
被検体に照射する照射光を発生する、前記局発光発生光源とは異なる照射光発生光源と、
前記被検体において前記照射光が反射、透過、屈折、回折することによって生成された被検出光と前記局発光とを光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段と、
前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出するヘテロダイン検出手段とを備え、
前記局発光発生光源により発せられる前記局発光の光スペクトル線幅が、前記ヘテロダイン検出手段の動作帯域よりも広いことを特徴とする光検出装置。
A local light source that generates local light,
An irradiation light generating light source different from the local light generating light source for generating irradiation light to be irradiated to the subject;
A photoelectric that generates a beat signal of the local light and the detected light by photoelectrically converting the detected light and the local light generated when the irradiation light is reflected, transmitted, refracted, or diffracted by the subject. Conversion means;
Heterodyne detection means for heterodyne detection of the detected light based on the output of the photoelectric conversion means,
An optical detection device, wherein an optical spectrum line width of the local light emitted from the local light generation light source is wider than an operating band of the heterodyne detection means.
前記光電変換手段が、バランスド検出を行うことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit performs balanced detection. 前記局発光発生光源が、複数台の光発生源からなる、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光検出装置。   The light detection device according to claim 1, wherein the local light generation light source includes a plurality of light generation sources. 前記局発光発生光源が、所定の光周波数成分を選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光検出装置。   The light detection apparatus according to claim 1, wherein the local light generation light source includes an optical filter unit that selects a predetermined optical frequency component. 前記局発光発生光源が、光スペクトルを所望の形状に整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光検出装置。   The light detection apparatus according to claim 1, wherein the local light generation light source includes a light spectrum shaping unit that shapes a light spectrum into a desired shape. 前記局発光発生光源が、蛍光発生手段を有する、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光検出装置。   The light detection apparatus according to claim 1, wherein the local light generation light source includes fluorescence generation means. 前記光電変換手段の前段に、所望の空間分布の光のみを選択する空間光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光検出装置。   3. The photodetecting device according to claim 1, further comprising a spatial light filter unit that selects only light having a desired spatial distribution in a stage preceding the photoelectric conversion unit. 前記光電変換手段の前段に、空間的光強度分布を均一化する空間光ホモジナイザ手段を有する、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光検出装置。   3. The photodetecting device according to claim 1, further comprising a spatial light homogenizer unit that makes a spatial light intensity distribution uniform before the photoelectric conversion unit. 前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の光検出装置。   The photodetector according to claim 1, further comprising an envelope detection unit that detects an envelope of an output of the photoelectric conversion unit. 観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
A microscope for detecting light to be detected from an observation sample,
It has the photon detection device according to any one of claims 1 to 9,
A microscope configured to detect heterodyne the detected light from the observation sample by the light detection device.
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。
An endoscope for detecting light to be detected from inside a body cavity and observing the inside of the body cavity,
It has the photon detection device according to any one of claims 1 to 9,
An endoscope characterized in that the detected light from the body cavity is heterodyne detected by the light detection device.
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
照射光を試料上で走査させる走査手段と、
前記試料から透過、反射、散乱、屈折もしくは回折された光を伝送する光伝送光学系と、
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光検出装置を備え、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。
An endoscope for detecting light to be detected from inside a body cavity and observing the inside of the body cavity,
Scanning means for scanning the irradiation light on the sample;
An optical transmission optical system for transmitting light transmitted, reflected, scattered, refracted or diffracted from the sample;
A light detection device according to any one of claims 1 to 9, comprising:
An endoscope characterized in that the detected light from the body cavity is heterodyne detected by the light detection device.
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