JP6086719B2 - 光音響顕微鏡 - Google Patents

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６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６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６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６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の波面を変換する音響レンズと、
前記音響レンズからの前記光音響波を検出する光音響波検出部と、
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、
前記光走査部による前記励起光の走査に同期して、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実施の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。 図１の光音響顕微鏡の動作を説明するための部分拡大図である。 第２実施の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。 図３の光音響顕微鏡の動作を説明するための部分拡大図である。 第３実施の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。 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実施の形態）
図１は、第１実施の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。本実施の形態に係る光音響顕微鏡は、パルス光源１０から射出される励起光Ｌを、光走査部１１により偏向して、対物レンズ１２により光音響波反射部１３及び音響レンズ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、音響レンズ１４により集波されて平面波に波面変換された後、光音響波反射部１３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１０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１０は、制御部２０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１１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二次元走査するように、制御部２０によりパルス光源１０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１２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１３は、２個の直角三角プリズム１３ａ、１３ｂを有し、それらの斜面同士が光音響波反射部材１３ｃにより結合されて構成される。光音響波反射部材１３ｃは、励起光Ｌに対しては透明で、音響レンズ１４側の直角三角プリズム１３ｂ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１３ｂの音響インピーダンスと、光音響波反射部材１３ｃの音響インピーダンスと、の差が所定の関係を満たすため、光音響波Ｕは、光音響波反射部材１３ｃによって反射される。

音響レンズ１４は、光学レンズの光軸に相当する音軸Ａが、対物レンズ１２の光軸Ｏと同軸となるように、直角三角プリズム１３ｂの励起光Ｌの射出面に接合して配置される。音響レンズ１４の焦点位置は、対物レンズ１２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１４により平面波に変換されて直角三角プリズム１３ｂに入射される。そして、光音響波Ｕは、直角三角プリズム１３ｂと光音響波反射部材１３ｃ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１３ｂから射出され、光音響波検出部１５により検出される。なお、少なくとも対物レンズ１２と標本Ｓとの間、及び直角三角プリズム１３ｂと光音響波検出部１５との間には、光音響波Ｕが伝播し易い水やグリセリン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。本実施の形態において、光音響波検出部１５は、駆動部２１により変位可能に構成される。駆動部２１は、例えばジンバルアクチュエータを備え、光走査部１１による励起光Ｌの走査に同期して、光音響波検出部１５に光音響波Ｕが垂直に入射するように、制御部２０からの制御量に基づいて音響レンズ１４の音軸Ａに対する光音響波検出部１５の検出面１５ａの傾きを制御する。

制御部２０は、光音響顕微鏡の全体の動作を制御する。制御部２０には、記憶部２２が接続される。記憶部２２には、当該光音響顕微鏡に装着可能な対物レンズの焦点距離に対応して、光走査部１１による励起光Ｌの走査に同期した駆動部２１の制御量、つまり光音響波検出部１５の検出面１５ａの変位量がデータベース化されて記憶される。ここで、変位量は、検出面１５ａの傾き方向及び傾き量を含む。そして、制御部２０は、装着された対物レンズ１２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２１を光走査部１１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２０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２０の内蔵メモリであってもよい。

また、制御部２０には、信号処理部２３が接続される。信号処理部２３は、制御部２０による光走査部１１の駆動に同期して、すなわち標本Ｓを対物レンズ１２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、光音響波検出部１５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の照射位置と、取得した信号強度と、を対応付けても良いし、励起光Ｌの照射位置と、取得した出力波形と、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２０に内蔵されてもよい。

本実施の形態に係る光音響顕微鏡によると、光走査部１１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の平面波が、光音響波検出部１５の検出面１５ａに垂直に入射するように、検出面１５ａの傾きが制御される。すなわち、励起光Ｌの集光スポットが音響レンズ１４のほぼ焦点位置に形成される光走査部１１の駆動位置では、光音響波検出部１５の検出面１５ａが、図２（ａ）に部分拡大図を示すように、音響レンズ１４の音軸Ａに対して直交するように制御される。また、励起光Ｌの集光スポットが音響レンズ１４の焦点位置から離間して形成される光走査部１１の駆動位置では、光音響波検出部１５の検出面１５ａが、図２（ｂ）に部分拡大図を示すように、音響レンズ１４の音軸Ａに対して傾斜するように制御される。ここで、音軸Ａに対する検出面１５ａの変位量、つまり検出面１５ａの傾き量及び傾き方向は、音響レンズ１４の焦点位置からの集光スポットの離間距離及び離間方向、つまり対物レンズ１２の焦点位置からの集光スポットの離間距離及び離間方向に応じて変化する。

したがって、本実施の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１１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駆動部２１の制御量を記憶部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。

（第２実施の形態）
図３は、第２実施の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。本実施の形態に係る光音響顕微鏡は、図１に示した光音響顕微鏡の構成において、光音響波検出部１５が固定的に配置される。また、音響レンズ１４は、直角三角プリズム１３ｂの光音響波Ｕの射出面に変位可能に接合され、該射出面内でつまり音軸Ａと直交する平面内で、駆動部３１により移動される。駆動部３１は、例えば、２個のピエゾアクチュエータ又は２個のステッピングモータを備え、制御部２０（図１参照）からの制御量に基づいて、標本Ｓの励起光Ｌによる二次元走査方向に対応する二次元方向に音響レンズ１４を移動させる。光音響波検出部１５は、検出面１５ａが音響レンズ１４の音軸と直交するように配置される。その他の構成は第１実施の形態と同様であるので、図１に示した構成要素と同一作用を成す構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。なお、図３では、図面を明瞭とするため、図１に示した制御部２０、記憶部２２、信号処理部２３の図示を省略している。

本実施の形態に係る光音響顕微鏡においては、光走査部１１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の平面波が、光音響波検出部１５の検出面１５ａに垂直に入射するように、駆動部３１により音響レンズ１４が音軸Ａと直交する平面内で移動される。すなわち、励起光Ｌの集光スポットが対物レンズ１２の光軸Ｏ上に形成される光走査部１１の駆動位置では、音響レンズ１４の焦点位置が、図４（ａ）に部分拡大図を示すように、励起光Ｌの集光スポット位置ＳＰに一致するように、音響レンズ１４が制御される。また、励起光Ｌの集光スポットが対物レンズ１２の光軸Ｏから離間して形成される光走査部１１の駆動位置では、音響レンズ１４の焦点位置が、図４（ｂ）に部分拡大図を示すように、光軸Ｏから離間した励起光Ｌの集光スポット位置ＳＰに一致するように、音響レンズ１４が制御される。つまり、本実施の形態においては、光走査部１１による励起光Ｌの走査に同期して、音響レンズ１４の焦点位置が、励起光Ｌの集光スポット位置ＳＰに一致するように、音響レンズ１４が駆動部３１により音軸Ａと直交する平面内で二次元方向に移動される。

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実施の形態に係る光音響顕微鏡と同様の効果が得られる。

（第３実施の形態）
図５は、第３実施の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。本実施の形態に係る光音響顕微鏡は、図１に示した光音響顕微鏡の構成において、光音響波検出部１５が、音響レンズ１４の音軸Ａと検出面１５ａが直交するように、直角三角プリズム１３ｂの光音響波Ｕの射出面に接合して配置される。また、音響レンズ１４は、光音響波反射部１３及び光音響波検出部１５と一体に、音軸Ａと直交する平面内で駆動部３２により移動される。駆動部３２は、第２実施の形態の場合と同様に、例えば、２個のピエゾアクチュエータ又は２個のステッピングモータを備え、制御部２０（図１参照）からの制御量に基づいて、標本Ｓの励起光Ｌによる二次元走査方向に光音響波反射部１３、音響レンズ１４及び光音響波検出部１５を一体に移動させる。その他の構成は第１実施の形態と同様であるので、図１に示した構成要素と同一作用を成す構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。なお、図５では、図面を明瞭とするため、図１に示した制御部２０、記憶部２２、信号処理部２３の図示を省略している。

本実施の形態に係る光音響顕微鏡においては、光走査部１１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の平面波が、光音響波検出部１５の検出面１５ａに垂直に入射するように、光音響波反射部１３、音響レンズ１４及び光音響波検出部１５が、駆動部３２により音軸Ａと直交する平面内で一体に移動される。すなわち、励起光Ｌの集光スポットが対物レンズ１２の光軸Ｏ上に形成される光走査部１１の駆動位置では、音響レンズ１４の焦点位置が、図５（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１２の光軸Ｏから離間して形成される光走査部１１の駆動位置では、音響レンズ１４の焦点位置が、図５（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、本実施の形態においては、光走査部１１による励起光Ｌの走査に同期して、音響レンズ１４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１４が光音響波反射部１３及び光音響波検出部１５と一体に駆動部３２により音軸Ａと直交する平面内で二次元方向に移動される。

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実施の形態に係る光音響顕微鏡と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上記実施の形態に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、第３実施の形態においては、光音響波検出部１５を第２実施の形態と同様に光音響波反射部１３から離間して配置して、光音響波反射部１３及び音響レンズ１４を駆動部３２により一体に移動させるようにしてもよい。また、上記実施の形態において、駆動部の制御量は、必ずしも記憶部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駆動部を制御することも可能である。従って、本発明において、記憶部は必ずしも必須の構成ではない。更に、光走査部は、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。

１０ パルス光源
１１ 光走査部
１２ 対物レンズ
１３ 光音響波反射部
１３ａ、１３ｂ 直角三角プリズム
１３ｃ 光音響波反射部材
１４ 音響レンズ
１５ 光音響波検出部
１５ａ 検出面
２０ 制御部
２１、３１、３２ 駆動部
２２ 記憶部
２３ 信号処理部
Ｌ 励起光
Ｕ 光音響波
Ｓ 標本

Claims (6)

1. 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の波面を変換する音響レンズと、
   前記音響レンズからの前記光音響波を検出する光音響波検出部と、
   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、
   前記光走査部による前記励起光の走査に同期して、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、
   を備えることを特徴とする光音響顕微鏡。
2. 前記駆動部は、前記音響レンズの音軸に対する前記光音響波検出部の検出面の傾きを変位させる、請求項１に記載の光音響顕微鏡。
3. 前記駆動部は、前記音響レンズの音軸と直交する平面内で、少なくとも前記音響レンズを変位させる、請求項１に記載の光音響顕微鏡。
4. 前記対物レンズと前記標本との間に、光音響波反射部を備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
5. 前記光走査部による前記励起光の走査に同期した前記駆動部の制御量を記憶する記憶部を更に備え、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶された制御量に基づいて前記駆動部を制御する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
6. 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、
   前記記憶部は、装着可能な前記対物レンズの焦点距離に対応する前記制御量を記憶し、
   前記制御部は、装着された前記対物レンズの焦点距離に対応する前記記憶部に記憶された前記制御量に基づいて前記駆動部を制御する、
   請求項５に記載の光音響顕微鏡。
   

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