JP6086718B2

JP6086718B2 - 光音響顕微鏡

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Publication number: JP6086718B2
Application number: JP2012281420A
Authority: JP
Inventors: 福島　郁俊; 郁俊福島; 寿大出; 遠藤　富男; 富男遠藤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: JP2014124242A

Description

本発明は、光音響顕微鏡に関するものである。

光音響波とは、物質に吸収波長域の光を照射した際に生じる熱弾性過程にて発生する弾性波の一種である。そのため、光音響波は、吸収特性をイメージングする手法として注目されている。また、光音響波は、超音波の一種で、光に比べて散乱の影響を受けにくい特徴を有していることから、生体内部のイメージング手段として適用されている。

光音響波を検出信号としてイメージングに適用する光音響顕微鏡では、観察対象物の吸収波長域に合わせたパルス光を励起光として用い、該励起光を対物レンズにより集光して標本内を集光スポットにより走査し、これにより各集光スポット位置で発生する光音響波をトランスデューサ等で検出する手法が用いられている。かかる光音響顕微鏡によると、標本を集光スポットで走査した際に、集光スポット位置に吸収物質が存在すると光音響波が発生するので、その光音響波を検出することにより、標本内の吸収特性をイメージングすることができる。

このような光音響顕微鏡として、例えば特許文献１に開示のものが知られている。図１３は、特許文献１に開示された光音響顕微鏡を示すものである。図１３において、図示しないレーザパルス光源からの励起光Ｌは、集光レンズ１０１、ピンホール１０２、振動ミラー１０３、対物レンズ１０４、補正レンズ１０５、二等辺プリズム１０６、シリコンオイル層１０７、菱形プリズム１０８及び音響レンズ１０９を経て標本Ｓの内部に集光される。また、励起光Ｌの照射により標本Ｓ内の集光位置から発生する光音響波Ｕは、音響レンズ１０９により集波されて波面変換され、菱形プリズム１０８内で反射されて超音波トランスデューサ１１０で検出される。

図１３において、二等辺プリズム１０６及び菱形プリズム１０８は、シリコンオイル層１０７を介して結合されている。音響レンズ１０９は、光学レンズの光軸に相当する音軸が対物レンズ１０４の光軸と一致し、かつ音響レンズ１０９の焦点位置と対物レンズ１０４の焦点位置とが一致するように菱形プリズム１０８に接合されている。超音波トランスデューサ１１０は、音響レンズ１０９の焦点からの光音響波Ｕの波面が、音響レンズ１０９により平面波に変換されて、超音波トランスデューサ１１０の検出面に垂直に入射するように菱形プリズム１０８に接合されている。また、標本Ｓは、液体に浸漬される。

特表２０１１−５１９２８１号公報

図１３に示した構成の光音響顕微鏡では、振動ミラー１０３を振動させることにより、標本Ｓに照射される励起光Ｌを偏向して、標本Ｓを励起光Ｌの集光スポットで走査する。しかしながら、振動ミラー１０３により励起光Ｌを偏向すると、音響レンズ１０９の焦点位置からずれて照射される集光スポットにより発生する光音響波Ｕは、音響レンズ１０９で波面変換された後、超音波トランスデューサ１１０の検出面に対して傾いて入射することになる。

ここで、超音波トランスデューサ１１０は、平面波が垂直に入射する場合に検出感度がもっとも高くなるように設定される。そのため、振動ミラー１０３による標本Ｓの走査範囲を広くしようとすると、超音波トランスデューサ１１０に入射する光音響波Ｕの最大傾きが大きくなって検出精度が低下することになる。なお、標本Ｓからの光音響波Ｕが超音波トランスデューサ１１０に常に垂直に入射するように、振動ミラー１０３による走査に代えて、対物レンズ１０４を含む励起光Ｌの入射系及び音響レンズ１０９を含む光音響波Ｕの検出系と、標本Ｓを載置する標本ステージとを相対的に移動させることが想定される。しかし、この場合は、走査に時間がかかることになる。

本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、高速走査が可能で、かつ広い走査範囲に亘って検出精度を向上できる光音響顕微鏡を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明に係る光音響顕微鏡は、
励起光を標本に照射させる対物レンズと、
前記励起光を偏向して、少なくとも第１の走査方向に沿って前記標本を走査させる光走査部と、
前記励起光の照射により前記標本から発生される光音響波を検出する複数の検出器を有し、前記複数の検出器は前記第１の走査方向に対応する第１の配列方向に沿って並べられる光音響波検出部と、
各前記検出器が検出する光音響波の位相を合わせて合成する合成部と、
前記励起光の照射により前記標本から発生される光音響波の波面を変換する音響レンズと、
前記音響レンズ及び前記光音響波検出部の少なくとも一方を変位させる駆動部と、
前記第１の走査方向と異なる第２の走査方向にも前記励起光を偏向する前記光走査部による前記励起光の前記第２の走査方向に沿った走査に同期して、前記光音響波検出部に前記光音響波が垂直に入射するように前記駆動部を制御する制御部とを備え、
前記検出器は、前記音響レンズにより波面を変換された光音響波を検出する
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、高速走査が可能で、かつ広い走査範囲に亘って検出精度を向上できる光音響顕微鏡を提供することができる。

第１の実施形態に係る光音響顕微鏡の要部の概略構成を示す模式図である。図１の光音響波検出部の検出面における検出器の配置図である。図１の合成部の内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。合成部における位相合わせを説明するための第１の図である。合成部における位相合わせを説明するための第２の図である。第２の実施形態に係る光音響顕微鏡の要部の概略構成を示す模式図である。図１の光音響波検出部の検出面における検出器の配置図である。図６の駆動部の動作を説明するための図である。光音響波を平面波として検出するときの合成部における位相合わせを説明するための図である。第２の実施形態に係る光音響顕微鏡の第１の変形例の要部の概略構成を示す模式図である。第２の実施形態に係る光音響顕微鏡の第２の変形例の要部の概略構成を示す模式図である。第２の実施形態に係る光音響顕微鏡の第３の変形例における光音響波検出部の検出面の形状を示す斜視図である。従来の光音響顕微鏡の概略構成図である。

以下、本発明のある態様に係る実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光音響顕微鏡の要部の構成を示す模式図である。光音響顕微鏡１０は、パルス光源１１から射出される励起光Ｌを、光走査部１２により偏向して、対物レンズ１３により光音響波反射部１４を経て標本Ｓ内に集光スポットとして照射させる。また、標本Ｓから発生する光音響波Ｕは、光音響波反射部１４により励起光Ｌの光路とは異なる方向に反射されて光音響波検出部１５により検出される。

パルス光源１１は、例えば、標本Ｓが生体で、生体内の血管をイメージングする場合、ヘモグロビンの吸収波長の励起光Ｌを射出する。なお、観察対象は血管に限定するものではなく、メラニン等の内因性物質のイメージングに適用することが可能である。この際、励起光Ｌは対象となる物質の吸収波長域の光を用いればよい。また、蛍光体や金属ナノ粒子等の外因性物質のイメージングに適用することも可能である。この際、励起光Ｌは、蛍光体の場合には対象となる蛍光体の吸収波長域の光を、金属ナノ粒子の場合には対象となる金属ナノ粒子の共鳴波長域の光をそれぞれ用いればよい。また、標本Ｓ内に複数の吸収体が存在する場合には、観察対象物の特徴的な吸収スペクトルのピークの波長の光を用いるのが望ましい。パルス光源１１は、制御部２１によりパルス光の発光タイミングが制御される。

光走査部１２は、例えば、２個のガルバノミラーを有し、標本Ｓ内を励起光Ｌの集光スポットにより第１の走査方向および第２の走査方向に沿って二次元走査するように、制御部２１によりパルス光源１１の発光タイミングに同期して駆動制御される。

対物レンズ１３は、焦点距離の異なるものが適宜選択されて装着される。

光音響波反射部１４は、２個の直角三角プリズム１４ａ、１４ｂを有し、それらの斜面同士が光音響波反射部材１４ｃにより結合されて構成される。光音響波反射部材１４ｃは、励起光Ｌに対しては透明で、標本Ｓ側の直角三角プリズム１４ｂに対しては、音響インピーダンスが異なる部材、例えばシリコンオイル、あるいは空気からなる。直角三角プリズム１４ｂの音響インピーダンスと、光音響波反射部材１４ｃの音響インピーダンスと、の差が所定の関係を満たすので、光音響波Ｕは、光音響波反射部材１４ｃによって反射される。

対物レンズ１３および光音響波反射部１４を透過した励起光Ｌは、対物レンズ１３の焦点位置に集光する。標本Ｓは励起光Ｌの集光スポットと重なるように配置される。標本Ｓの励起光Ｌの集光スポット位置から発生する光音響波Ｕは、直角三角プリズム１４ｂに入射される。そして、光音響波Ｕは、直角三角プリズム１４ｂと光音響波反射部材１４ｃとの境界面で、励起光Ｌの光路と異なる方向に反射されて直角三角プリズム１４ｂから光音響波検出部１５に射出される。なお、少なくとも対物レンズ１３と標本Ｓとの間、及び直角三角プリズム１４ｂと光音響波検出部１５との間には、光音響波Ｕが伝播し易い水等の光音響波伝達媒質が充填されるのが好ましい。

光音響波検出部１５は、例えば、超音波トランスデューサからなる複数の検出器１６を有する。図２に示すように、検出器１６は、第１の走査方向に対応する第１の配列方向、および第２の走査方向に対応する第２の配列方向に沿って２次元状に並ぶように配置される。各検出器１６は直角三角プリズム１４ｂから射出される光音響波Ｕを検出する。

合成部２０は、図３に示すように、遅延器２０ａ、積算器２０ｂ、およびピーク検出器２０ｃを含んで構成される。遅延器２０ａは、第１の配列方向および第２の配列方向に沿って並ぶ各検出器１６が検出した光音響波Ｕの位相が合うように、各位相を遅延させる。なお、光音響波Ｕの位相合わせは、遅延器２０ａを用いて各位相を遅延させる構成でなく、相対的に遅い位相を早める構成によっても実行可能である。積算器２０ｂは、全遅延器２０ａから出力される光音響波Ｕを積算、すなわち合成する。ピーク検出器２０ｃは、積算器２０ｂが合成した光音響波Ｕのピーク値を出力信号として検出して、出力する。

制御部２１は、光音響顕微鏡１０の全体の動作を制御する。制御部２１には、記憶部２２が接続される。記憶部２２には、各検出器１６が検出する光音響波Ｕの位相を合わせるように、励起光Ｌの集光スポットの位置に対応付けた各遅延器２０ａにおける遅延量がデータベース化されて記憶される。集光スポットの位置に対応付けた遅延量の関係は、当該光音響顕微鏡に装着可能な対物レンズの焦点距離別に、予め算出され、記憶される。制御部２１は、装着された対物レンズ１３の焦点距離に対応する、集光スポットの位置に対応付けた遅延量の関係を記憶部２２から読み出して、合成部２０を光走査部１２による励起光Ｌの走査に同期して制御する。また、記憶部２２には、必要に応じて制御部２１による動作プログラム等が記憶される。なお、記憶部２２は、制御部２１の内蔵メモリであってもよい。

また、制御部２１には、信号処理部２３が接続される。信号処理部２３は、制御部２１による光走査部１２の駆動に同期して、すなわち標本Ｓを対物レンズ１３の光軸Ｏと直交する平面内で二次元走査する際の励起光Ｌの照射タイミングに同期して、合成部２０から得られる出力信号に基づいて、励起光Ｌの照射位置と出力信号の対応関係をデータ化する。例えば、励起光Ｌの照射位置および取得した信号強度を対応付けてもよいし、励起光Ｌの照射位置および取得した出力波形を対応付けてもよい。また、標本Ｓの走査面のデータを画像化する場合には、信号処理部２３にて画像化され、図示しないが、例えば画像記憶部に記憶されてモニタに表示される。なお、信号処理部２３は、制御部２１に内蔵されてもよい。

第１の実施形態に係る光音響顕微鏡によれば、標本Ｓからの光音響波Ｕを各検出器１６が検出し、検出器１６毎に異なる位相が合わせられ、合成される。

例えば、励起光Ｌの集光スポットが光軸Ｏ上に形成される光走査部１２の駆動位置では、図４に示すように、曲線状の波面を有する光音響波Ｕが検出面１５ａに垂直な方向から検出器１６に入射する。このような波面の光音響波Ｕの場合、検出器１６が検出する光音響波Ｕの位相は中央付近を頂点として端部にいくほど、遅延している（符号“Ａ１”参照）。それゆえ、中央によるほど大きな遅延量で位相を遅延させることにより、全遅延器２０ａから出力される光音響波Ｕの位相が合わせられる（符号“Ｂ１”参照）。位相を合わせた光音響波Ｕを積算させることにより、ピークの大きな出力信号が生成される（符号“Ｃ１”参照）。

また、励起光Ｌの集光スポットが対物レンズ１３の光軸Ｏから離間して形成される、光走査部１２の駆動位置では、図５に示すように、曲線状の波面を有する光音響波Ｕが検出面１５ａに垂直な方向に対して傾斜した方向から検出器１６に入射する。このような波面の光音響波の場合、検出器１６が検出する光音響波Ｕの位相は中央から一方の端部にずれた位置（図５において下側）を頂点として端部にいくほど、遅延している（符号“Ａ２”参照）。それゆえ、頂点位置によるほど大きな遅延量で位相を遅延させることにより、全遅延器２０ａから出力される光音響波Ｕの位相が合わせられる（符号“Ｂ２”参照）。位相を合わせた光音響波Ｕを積算させることにより、ピークの大きな出力信号が生成される（符号“Ｃ２”参照）。

したがって、第１の実施形態に係る光音響顕微鏡によれば、標本Ｓの広い走査範囲に亘って、標本Ｓからの光音響波Ｕの検出精度を向上することができる。また、光走査部１２により励起光Ｌを偏向して標本Ｓを走査するので、高速走査が可能となる。また、装着可能な対物レンズの焦点距離に対応する集光スポットおよび遅延量の関係を記憶部２２に記憶するようにしたので、種々の焦点距離の対物レンズの使用に容易に対処することが可能となる。また、音響レンズを用いることなく信号強度の大きな出力信号を生成させることが可能である。

（第２実施の形態）
次に、第２の実施形態を説明する。第２の実施形態では、音響レンズおよび駆動部が設けられる点、光音響波検出部の構成および機能、ならびに制御部の機能が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。

図６に示すように、本実施形態の光音響顕微鏡１００は、第１の実施形態における光音響顕微鏡１０において、さらに音響レンズ１７０および駆動部１８０を含んで構成される。

音響レンズ１７０は光学レンズの光軸に相当する音軸Ａが、対物レンズ１３の光軸Ｏと同軸となるように、直角三角プリズム１４ｂの励起光Ｌの射出面に接合して配置される。音響レンズ１７０の焦点位置は、対物レンズ１３の焦点位置と略一致している。これにより、標本Ｓの励起光Ｌの集光スポット位置から発生する光音響波Ｕは、音響レンズ１７０により平面波に変換されて直角三角プリズム１４ｂに入射される。

光音響波検出部１５０は、音響レンズ１７０の音軸Ａと検出面１５０ａが直交するように、直角三角プリズム１４ｂの光音響波Ｕの射出面に接合して配置される。光音響波検出部１５０において、第１の実施形態と異なり、図７に示すように、第１の配列方向に沿ってのみ並ぶように検出器１６０が配置される。

駆動部１８０は、例えば、ピエゾアクチュエータ又はステッピングモータを備える。駆動部１８０は、光音響波反射部１４、光音響波検出部１５０、および音響レンズ１７０を一体に、制御部２１０からの取得する制御量に基づいて、第２の走査方向に沿って変位させる。

制御部２１０は、光音響顕微鏡１００の全体の動作を制御する。制御部２１０には、記憶部２２が接続される。記憶部２２には、光音響顕微鏡１００に装着可能な対物レンズの焦点距離に対応して、光走査部１２による励起光Ｌの走査に同期した駆動部１８０の制御量、つまり光音響波反射部１４、光音響波検出部１５０、および音響レンズ１７０の変位量がデータベース化されて記憶される。そして、制御部２１０は、装着された対物レンズ１３の焦点距離に対応する制御量（変位量）を記憶部２２から読み出して、駆動部１８０を光走査部１２による励起光Ｌの走査に同期して制御する。

第２の実施形態に係る光音響顕微鏡によれば、第１の実施形態と同様に、標本Ｓからの光音響波Ｕを各検出器１６０が検出し、第１の配列方向に沿って並ぶ検出器１６０毎に異なる位相が合わせられ、合成される。なお、第２の実施形態においては、音響レンズ１７０が設けられるので、光音響波Ｕは平面波として光音響波検出部１５０に入射するが、平面波に対しても、第１の実施形態と同様に、光音響波の位相合わせが行なわれる。

また、第２の実施形態に係る光音響顕微鏡によれば、光走査部１２による励起光Ｌの走査に同期して、標本Ｓからの光音響波Ｕの第１の走査方向から見た平面波が、光音響波検出部１５０の検出面１５０ａに垂直に入射するように、光音響波反射部１４、光音響波検出部１５０、および音響レンズ１７０が、駆動部１８０により第２の走査方向に沿って一体に移動される。すなわち、励起光Ｌの集光スポットが対物レンズ１３の光軸Ｏ上に形成される光走査部１２の駆動位置では、音響レンズ１７０の焦点位置が、図８（ａ）に示すように、励起光Ｌの集光スポット位置に一致するように制御される。また、励起光Ｌの集光スポットが対物レンズ１３の光軸Ｏから離間して形成される光走査部１２の駆動位置では、音響レンズ１７０の焦点位置が、図８（ｂ）に示すように、光軸Ｏから離間した励起光Ｌの集光スポット位置に一致するように制御される。つまり、第２の実施形態においては、光走査部１２による励起光Ｌの走査に同期して、音響レンズ１７０の焦点位置が、励起光Ｌの集光スポット位置に一致するように、音響レンズ１７０が光音響波反射部１４および光音響波検出部１５０と一体に駆動部１８０により第２の走査方向に移動される。

したがって、本実施の形態に係る光音響顕微鏡においても、第１の実施形態に係る光音響顕微鏡と同様の効果が得られる。

本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、第１の実施形態において、第２の実施形態と同様に、音響レンズ１７０を設けてもよい。音響レンズ１７０を設けることにより、曲面状の光音響波Ｕを平面波に変換させて検出器１６に検出させることが可能である。平面波に変換することにより、図９に示すように、遅延量が線形化し、低減化するので、光音響波検出部１５の検出精度を向上させることが可能である。

また、第２の実施形態において、標本Ｓからの光音響波Ｕの第１の走査方向から見た平面波を光音響波検出部１５０の検出面１５０ａに垂直に入射させる構成は、駆動部１８０による、光音響波反射部１４、光音響波検出部１５０、および音響レンズ１７０の変位に限定されない。

例えば、図１０に示すように、駆動部１８１が光音響波検出部１５０を駆動して、光走査部１２による励起光Ｌの走査に同期して、光音響波検出部１５０に光音響波Ｕが垂直に入射するように、制御部２１からの制御量に基づいて音響レンズ１７０の音軸Ａに対する光音響波検出部１５０の検出面１５０ａの傾きを制御してもよい。

または、図１１に示すように、音響レンズ１７０を、直角三角プリズム１４ｂの光音響波Ｕの射出面に変位可能に接合し、該射出面内でつまり音軸Ａと直交する平面内で、駆動部１８２により制御部２１からの制御量に基づいて、移動させてもよい。

また、第２の実施形態において、光走査部が、例えば１個のガルバノミラーを有し、該ガルバノミラーにより第１の走査方向に沿った集光スポットの主走査を行い、副走査は標本Ｓが載置される標本ステージを移動させて行うように構成されてもよい。この場合、駆動部は、副走査方向に対応する変位制御を省略することができる。なお、このような構成においては、音響レンズ１７０を省いてもよい。ただし、音響レンズ１７０を省くときには、第２の配列方向において曲面状の光音響波Ｕを高精度で検出するべく、検出器１６０は第１の配列方向から見て曲線上に沿って配置され、検出器１６０が配置される面が曲面となることが好ましい（図１２参照）。

また、第２の実施形態において、光音響波検出部１５０を同様に光音響波反射部１４から離間して配置して、光音響波反射部１４および音響レンズ１７０を駆動部１８０により一体に移動させる構成であってもよい。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態において、集光スポットの位置および遅延量の関係ならびに駆動部１８０の制御量は、必ずしも記憶部２２にデータベース化して記憶する必要はなく、ハード的又はソフト的な関数発生回路等の出力に基づいて合成部２０および駆動部１８０を制御することも可能である。したがって、本発明において、記憶部は必ずしも必須の構成ではない。

１０、１００光音響顕微鏡
１１パルス光源
１２光走査部
１３対物レンズ
１４光音響波反射部
１４ａ、１４ｂ直角三角プリズム
１４ｃ光音響波反射部材
１５、１５０光音響波検出部
１５ａ、１５０ａ検出面
１６、１６０検出器
１７０音響レンズ
１８０、１８１，１８２駆動部
２０合成部
２０ａ遅延器
２０ｂ積算器
２０ｃピーク検出器
２１、２１０制御部
２２記憶部
２３信号処理部
Ａ音軸
Ｌ励起光
Ｏ光軸
Ｕ光音響波
Ｓ標本

Claims

励起光を標本に照射させる対物レンズと、
前記励起光を偏向して、少なくとも第１の走査方向に沿って前記標本を走査させる光走査部と、
前記励起光の照射により前記標本から発生される光音響波を検出する複数の検出器を有し、前記複数の検出器は前記第１の走査方向に対応する第１の配列方向に沿って並べられる光音響波検出部と、
各前記検出器が検出する光音響波の位相を合わせて合成する合成部と、
前記励起光の照射により前記標本から発生される光音響波の波面を変換する音響レンズと、
前記音響レンズ及び前記光音響波検出部の少なくとも一方を変位させる駆動部と、
前記第１の走査方向と異なる第２の走査方向にも前記励起光を偏向する前記光走査部による前記励起光の前記第２の走査方向に沿った走査に同期して、前記光音響波検出部に前記光音響波が垂直に入射するように前記駆動部を制御する制御部とを備え、
前記検出器は、前記音響レンズにより波面を変換された光音響波を検出する
ことを特徴とする光音響顕微鏡。
請求項１に記載の光音響顕微鏡であって、前記光音響波検出部における前記検出器が配置される面は、曲面を有することを特徴とする光音響顕微鏡。
請求項１または請求項２に記載の光音響顕微鏡であって、
前記対物レンズは、焦点距離の異なるものが装着可能であり、
前記合成部は、前記焦点距離に基づいて前記光音響波の位相を合わせる
ことを特徴とする光音響顕微鏡。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光音響顕微鏡であって、
前記光走査部は、前記第１の走査方向と異なる第２の走査方向にも走査するように、前記励起光を偏向し、
前記光音響波検出部には、複数の前記検出器が前記第２の走査方向に対応する第２の配列方向に沿って並べられる
ことを特徴とする光音響顕微鏡。