JP6815846B2

JP6815846B2 - 試料観察装置

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Publication number: JP6815846B2
Application number: JP2016227103A
Authority: JP
Inventors: 勇輝米谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-11-22
Also published as: JP2018084467A

Description

本発明は、試料観察装置に関し、特に、コヒーレントラマン散乱（ＣｏｈｅｒｅｎｔＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＲＳ）を利用した試料観察装置に関する。

ＣＲＳを利用すると試料の形状、生体内分子の３次元分布、組成等を観察することが可能である。ＣＲＳにはコヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣｏｈｅｒｅｎｔＡｎｔｉ−ＳｔｏｋｅｓＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＡＲＳ）と誘導ラマン散乱（ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）がある。ＣＲＳの中でも特にＳＲＳを利用するとスペクトル歪みなく、定量的な観察が可能である。このようなＳＲＳを利用した計測装置では、互いに波長が異なる２つの光パルス（２波長光パルス）を試料に同時に照射してＳＲＳを誘起する。２つの光パルスの光周波数の差が試料の分子振動数と一致すると、それら光パルスの集光点にて誘導ラマン散乱が生じる。そして、試料を透過した２波長光パルスのうち、光周波数が高い、すなわち波長が短い光パルスの強度が減少し（誘導ラマンロス）、光周波数が低い、すなわち波長が長い光パルスの強度が増大する（誘導ラマンゲイン）。この誘導ラマンロスまたは誘導ラマンゲイン（以下、ともにＳＲＳ信号という場合がある）を検出することによって、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングを行うことができる。また、２波長光パルスの光周波数を変化させることによって、光周波数に対するＳＲＳ信号の依存性（ラマンスペクトル）の検出が可能であり、試料の組織構造や組成の特定が可能である。

ＳＲＳ信号検出の際のノイズには熱雑音等の電気回路に固有の検出系ノイズ、検出器への入射光パワーに依存するショットノイズ、過剰ノイズがある。パワーが小さい場合には検出系ノイズ、光パワーが増大するにつれてショットノイズ、過剰ノイズが支配的になる。検出系ノイズはパワーに依存せず一定のノイズであり、ショットノイズは検出器に入射する光パワーの平方根、過剰ノイズは光パワーに比例するノイズ成分である。過剰ノイズが支配的になる場合、パワーを上げても感度が向上しないため、ノイズ除去部を用いることが有効である。ノイズ除去の例として特許文献１に開示された装置が提案されている。

特許文献１では繰り返し周波数が２：１である２つのファイバレーザを同期させて、試料へ同軸に集光することでＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ検出装置の構成を開示している。本件では検出光を発振するファイバレーザの後段にノイズ除去部である遅延合波光路を導入し、ファイバレーザ光の過剰ノイズを除去して高感度化を図っている。

また、ノイズ成分に応じて制御を切り替える方法として特許文献２に開示された装置が提案されている。特許文献２では信号のノイズ成分に応じて放射線源の放射線量を変更、または検出系の増幅率を変更可能な放射線撮像装置の構成を開示している。

特許第５６２３６５２号特開２００８―２１２６４４

特許文献１に開示された装置では、検出系入射パワーが小さい場合にノイズ除去部のノイズ除去効果が機能せず、逆に光損失の影響が大きくなって感度が低下するという課題がある。

また、特許文献２に開示された装置では潤沢な光源パワーが必要である、感度の最適化のために光源や検出系の複数個所の制御が必要であることから装置が大型化、複雑化するという課題がある。

本発明の一側面としての試料観察装置は、光源からの光のノイズを除去する除去部と、前記除去部を通過した光で試料を照射する照射部と、前記試料からの光を検出する検出部と、前記除去部のノイズ除去率を制御する制御部と、前記検出部は、前記試料を透過した光を検出する第１の検出素子と、前記試料で散乱した光を検出する第２の検出素子と、を有し、前記制御部は、前記第２の検出素子を使用する場合の前記ノイズ除去率よりも、前記第１の検出素子を使用する場合の前記ノイズ除去率の方が、大きくなるように、前記ノイズ除去率を制御することを特徴とする。

本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

より良い感度で試料を観察することができる試料観察装置を提供できる。

実施例１における試料観察装置の構成を示すブロック図である。実施例１におけるノイズ除去部の構成を示すブロック図である。実施例１におけるノイズ特性の例を示す模式図である。実施例２における試料観察装置の構成を示すブロック図である。実施例３における試料観察装置の構成を示すブロック図である。実施例３におけるノイズ除去部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１のＳＲＳ顕微鏡としての走査型顕微鏡の構成を示す。

図１において、１０１、１０２は光源、１０３はパルス同期制御手段である。１０４はノイズ除去部、１０５は光路長調整素子、１０６、１０９はミラーである。１０７はダイクロイックミラー（合波素子）、１０８は光偏向素子（走査手段）である。１１０、１１３は対物レンズ（照射光学系（照射部）、検出光学系）、１１１は試料、１１２は試料駆動ステージ（試料移動手段）である。１１４は非検出光カットフィルタである。１１５は光検出素子（光検出部）であり、１１６はロックインアンプである。１１７はコンピュータ（制御部）である。なお、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。

光源１０１、１０２はパルス発振レーザであり、それぞれポンプ光とストークス光を発振する。光源１０１にはＥｒファイバレーザ、Ｅｒファイバアンプ、ＰＰＬＮ（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ）を組み合わせたファイバレーザ光源を用いる。ファイバレーザをシード光源として用いる場合、シード光源自体の出力が低く、ファイバアンプを使用する必要があるために一般的に強度ノイズが増大する。シード光源をパルス発振半導体レーザとしても同様である。したがって高感度のＳＲＳ検出には特許文献１のようなノイズ除去手段を用いることが必要である。光源１０２にはＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、ＯＰＯ（ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）等の固体レーザやＹｂファイバレーザ等のファイバレーザを用いる。感度と波数分解能の両立の観点から、光源１０１、１０２のパルス幅は数１００ｆｓ〜数ｐｓとすることが好ましい。なお、高感度検出のために光源１０１、１０２の繰り返し周波数の比は２：１となるように設定する。

光源１０２の発振波長を変更することで広範囲のラマンスペクトル計測が可能である。例えば、光源１０１、１０２の発振波長をそれぞれ７９０ｎｍ、１０３０ｎｍ±１５ｎｍとすると、脂質領域に対応する約２８００〜３１００ｃｍ^−１におけるＳＲＳ計測が可能である。光源１０１、１０２の発振波長を変更するのでなく、広帯域光源や広帯域化手段と可変波長フィルタ等の波長選択手段を組み合わせて波長を変更してもよい。光源の繰り返し周波数は高速検出と光検出器１１５の応答速度の観点から１０〜１００ＭＨｚ程度とするとよい。

パルス同期制御手段１０３は光源１０１、１０２のパルス発振タイミングを同期する。パルス同期制御手段１０３にはパルスタイミングのずれを検知して少なくとも一方の光源の共振器長を制御する、あるいは電気的に同期した発振制御信号を用いて光源を制御する等の一般的な方法を用いればよい。パルスタイミングずれの測定には二光子吸収や和周波発生を誘起するフォトダイオードや非線形結晶を利用する等の手法を用いる。

ノイズ除去部１０４はλ／２板とその回転機構（移動機構）、偏波保持型のビームスプリッタ（ＰＢＳ）、ミラーからなる遅延合波光路からなる。図２にノイズ除去部１０４の構成図を示す。２０１はλ／２板、２０２は回転機構、２０３、２０４はＰＢＳ、２０５、２０６はミラーである。このとき、ＰＢＳ２０３、２０４で反射される遅延光路側の光路長は光源１０１の繰り返し周期と略一致させる。これにより、λ／２板２０１の回転角度を調節して透過光路と遅延光路の光パワー（平均パワー）を等しくすることでＳＲＳ検出帯域である光源１０２の繰り返し周波数帯域のノイズを除去できる。ノイズ除去部１０４透過光路と遅延光路の光パワーの調整は、ＲＦスペクトルアナライザにてＳＲＳ検出帯域のノイズを実際に測定して最小化することによって行うと、より厳密なノイズ除去が可能となる。回転機構２０２には自動回転ステージを用いる。

回転機構２０２はλ／２板２０１の角度を変更することによって、ＰＢＳ２０３の分岐比を変更することができる。試料１１１自体の特性（反射率、吸収係数、散乱係数、等）によって光検出素子１１５に入射するパワーは変動し得る。一方で検出感度自体も光検出素子１１５に入射するパワーによって変更する。図３に光源、検出系ノイズ特性の模式図を示す。横軸は検出系入射パワー、縦軸はノイズの２乗である。ノイズは低パワーの領域（ａ）では検出回路の熱雑音等の検出器固有の検出系ノイズ、中パワーの領域（ｂ）ではフォトン数の平方根に比例するショットノイズ、高パワーの領域（ｃ）ではフォトン数に比例する過剰ノイズがそれぞれ支配的になる。Ｐ_ＳＨ、Ｐ_ＥＸはそれぞれショットノイズの下限パワー、過剰ノイズの下限パワーである。このとき、ノイズ除去部１０４で除去できるのは過剰ノイズ成分である。したがってａ、ｂの領域ではノイズ除去は不要である。そこで本実施例では検出系のノイズ成分に応じてノイズ除去部１０４のノイズ除去特性（ノイズ除去率）を変更する。具体的には図３ａ、ｂの領域ではλ／２板２０１を回転し、入射光がＰＢＳ２０３を透過する成分のみにして、ノイズ除去部１０４の透過パワーが最大となるようにする。また、図３ｃの領域ではλ／２板２０１を回転し、ノイズ除去部１０４の透過光路と遅延光路のパワーがＰＢＳ２０４で合波された後に等しくして、ノイズ除去部１０４の透過光のノイズが最小となるようにする。これによりノイズ除去が必要でない領域ではパワーを最大化することで感度を増大し、ノイズ除去が必要である領域ではノイズ除去を行うことで感度を最大化できる。したがって試料１１１の特性によらず、光検出素子１１５の入射パワーによってノイズ除去部１０４の特性を変更することでより良い感度を得ることが可能な装置を構成することができる。なお、図３の特性は基準とする試料を用いてＳＲＳ検出時のサンプリングレート、積算時間、等の測定条件に即して予め測定しておくことが好ましい。測定は検出光を検出系（光検出素子、ロックインアンプ）で受光して、信号の検出帯域に応じた時間幅の強度ばらつき（標準偏差）を算出すればよい。また、ａまたはｃの領域ではλ／２板２０１のそれぞれの場合の回転角度が決まるが、ｂの領域でのλ／２板２０１の回転角度をその間の角度として連続的に変化させてもよい。

検出系入射パワーをモニターする場合にはＳＲＳ検出には用いない光検出素子１１５のＤＣ成分を利用するとよい。このとき図３の横軸は光検出素子１１５のＤＣ電流値または電圧値としてノイズ特性を取得しておく。光検出素子１１５のＤＣ出力を用いずに反射率が既知のフィルタ等を介して別のパワーメーターで光検出素子１１５に入射するパワーを間接的に測定してもよい。

また、図３の実際の測定結果で領域の判断が難しい場合は、例えば検出系ノイズと過剰ノイズ領域の近似直線を延長した交点にあたるパワーを閾値にしてノイズ除去部１０４の特性を切り替えるようにすることもできる。なお、閾値は検出系ノイズと過剰ノイズの中間と考えられる領域であれば適宜任意の値に設定してよい。

図１に戻り、その他の構成要素について説明する。

光路長調整素子１０５は、試料１１１上でのポンプ光とストークス光のタイミングが一致するように光路長を調整する。光路長調整素子１０５には手動または自動ステージとミラーを組み合わせた素子やファイバ型のディレイラインを用いる。

ミラー１０６およびダイクロイックミラー１０７は、光源１０１からの光を光源１０２からの光に合波する。光偏向素子１０８は、試料１１１上で集光点の走査を行うために、合波された両光の射出角度を偏向する。光偏向素子１０８としては、ガルバノミラーを２つ用いる。高速走査のためにレゾナントミラーやポリゴンミラーと組み合わせて用いてもよい。両光の集光点が試料１１１上で２次元に走査されることで試料１１１の形状や組成を反映した、分子振動情報の２次元分布が画像（ＳＲＳ画像）として取得できる。

ミラー１０９は、ダイクロイックミラー１０７で合波されたポンプ光およびストークス光を対物レンズ１１１に導く。対物レンズ１１０は、入射した両光を試料１１１上の同一スポットに集光するとともに試料１１１から入射光路側へ散乱される光を採光する。光偏向素子１０８の走査時における試料１１１上の光量分布を均一にし、画像周辺部での光量低下を防ぐためには、光偏向素子１０８のガルバノミラー面と対物レンズ１１０の入射瞳面とを共役関係とするリレーレンズ対（走査光学系）を挿入する。試料１１１は試料駆動ステージ１１２上に設置されている。試料駆動ステージ１１２は、ＸＹＺ方向に駆動することで、集光点の走査領域に試料１１１を移動させる。

対物レンズ１１３は、試料１１１からの光を光検出素子１１５に集光する。試料１１１からの散乱光を高効率に集光するために対物レンズ１１３の開口数は、対物レンズ１１０よりも大きくすることが好ましい。非検出光カットフィルタ１１４はバンドパスフィルタまたはショートパスフィルタであり、ＳＲＳが誘起されたポンプ光のみを検出するためにストークス光をカットする。

光検出素子１１５は、入射した光パルスを電気信号に変換する。光検出素子１１５には高速シリコンフォトダイオードを用いる。ロックインアンプ１１６は、光検出素子１１５からの電気信号中から、光源１０２の繰り返し周波数でＳＲＳ信号（誘導ラマンロス）をロックイン検出する。ロックイン検出の参照信号には例えば光源１０２の光を受光するセンサを用意し、その出力信号を用いる。

コンピュータ１１７は光検出素子１１５の出力を読み出し、出力に応じてノイズ除去部１０４にノイズ除去の変更を指示する信号を送出する。また、コンピュータ１１７は、ロックイン検出されたＳＲＳ信号を読み出し、適宜ＳＲＳ信号に対する信号処理を行って試料１１１に関する分子振動情報を画像化したＳＲＳ画像データ（２次元画像データ）を生成し、ディスプレイに表示する。画像化する際、光偏向素子１０８からの信号をデータ収録開始のトリガー信号として用いる。また、コンピュータ１１７は試料駆動ステージ１１２を制御して、試料１１１における観察部位を３次元的に設定することができる。また、コンピュータ１１７は、取得した各波長のＳＲＳ画像データに対して主成分分析、独立成分分析等といったスペクトル分析手法を適用し、特徴的な成分に注目して疑似カラー化してディスプレイ上に表示してもよい。

本実施例では、光偏向素子１０８を用いて試料１１１上で集光点の２次元走査を行う場合について説明した。しかし、１軸のガルバノミラーによる走査とその走査方向に直交する方向への試料駆動ステージ１１２の駆動とを組み合わせて集光点の２次元走査を行ってもよい。また、試料駆動ステージ１１２のみを２次元面内で駆動してもよい。また、画像化する必要がなければ、光偏向素子１０８を走査せずに、試料１１１上の１点におけるラマンスペクトル計測を行えばよい。

また、本実施例では、光源の繰り返し周波数を逓倍化したロックイン検出の方式を説明したが、外部変調器を用いて変調する方式を採用してもよい。その場合、ノイズ除去帯域が変調周波数帯域となるようにノイズ除去部１０４の遅延光路の光路長を調整する。また、誘導ラマンロスではなく誘導ラマンゲインを検出するように適宜構成を変更してもよい。

また、ＳＲＳ信号ではなくＣＡＲＳ信号を計測するように装置を構成してもよい。これは本実施例では非検出光カットフィルタ１１４をＣＡＲＳ信号の波長帯のみを透過するフィルタへ変更することでＣＡＲＳ信号を検出できる。

また、ＣＲＳ計測に限定せず、本実施例の手法によって、多光子吸収、多光子蛍光を計測する試料観察装置を構成してもよい。

本実施例によれば、検出系の入射パワーに応じてノイズ除去部の特性を変更することで試料の特性によらずより良い感度を得ることが可能な試料観察装置、コヒーレントラマン散乱信号取得装置および顕微鏡を提供することができる。

次に、図４を用いて、本発明の実施例２について説明する。本実施例では、光検出素子への入射パワーが比較的高い透過計測配置と入射パワーが弱くなる後方散乱計測配置とでノイズ除去部の特性を変更する。

図４に本実施例における誘導ラマン散乱顕微鏡の構成を示す。４０１〜４０７、４０９〜４１７、４２２は図１の１０１〜１０７、１０８〜１１６、１１７と同じである。４０８は反射光分岐素子、４１８はレンズ、４１９は非検出光カットフィルタ、４２０は光検出素子（第２の検出素子）、４２１はロックインアンプである。

図４の構成では試料４１２の透過光計測と同時に試料４１２からの反射光を含む後方散乱光計測を可能とする。反射光分岐素子４０８にはＳＲＳ検出の場合、入射光を中心穴で透過させ、後方散乱光を分岐する穴空きミラー、ＣＡＲＳ検出等の場合、後方散乱光に応じたダイクロイックミラーを用いる。後者の場合、非検出光カットフィルタ４１９は不要である。反射光分岐素子４０８で分岐した光はレンズ４１８、非検出光カットフィルタ４１９を介して光検出素子４２０（第２の検出素子）で受光し、ロックインアンプ４２１でロックイン検出を行う。

このとき、例えば生体試料等の後方散乱光を計測する場合、光検出素子４２０（第２の検出素子）で検出可能な後方散乱光のパワーは弱く、試料ダメージを考慮すると入射パワーを上げることもできない。そのため、光検出素子４２０（第２の検出素子）に入射するパワーはほとんどの場合、図３ａまたはｂの領域である。したがって、本実施例では、光検出素子４１６（第１の検出素子）による透過光計測ではノイズ除去部をオンにし、ノイズ最小とし、光検出素子４２０（第２の検出素子）による後方散乱光計測ではノイズ除去部をオフにし、光検出素子４２０（第２の検出素子）への入射パワーを最大とする。これにより、透過光計測ではノイズを除去した高感度計測が、後方散乱光計測では後方散乱光パワーを最大化した高感度計測がそれぞれ可能となる。なお、本実施例では入射パワーの異なる計測方式によってノイズ除去部の特性を切り替えるため、光検出素子からのモニター信号はなくてもよいが、適宜実施例１と同様に光検出素子入射パワーのモニター信号によってノイズ除去部の特性を変更してもよい。

また、透過光を計測する光検出素子４１６（第１の検出素子）と後方散乱光を計測する光検出素子４２０（第２の検出素子）は同一のものを用いてもよいが、入射する光パワーに応じて回路構成を変更するとよりよい。具体的には入射パワーの弱い光検出素子４２０（第２の検出素子）では熱雑音を抑え、検出系ノイズをより低減するために負荷抵抗の値を小さくする。一方で光検出素子４１６（第１の検出素子）では比較的パワーが強く、検出系ノイズが支配的ではないため、光検出素子が飽和しないように負荷抵抗の値は大きくしておく。これらの変更により後方散乱光計測の感度をさらに向上させることができる。

本実施例によれば、透過計測、後方散乱光計測を両立し、かつより良い感度で計測できる試料観察装置、コヒーレントラマン散乱信号取得装置および顕微鏡を提供することができる。

次に、図５を用いて、本発明の実施例３について説明する。本実施例では、ノイズ除去部としてバランス検出素子を用いる。

図５に本実施例における誘導ラマン散乱顕微鏡の構成を示す。５０１〜５１７は図１の１０１〜１１７と同じであるが、ノイズ除去部の構成が異なる。５１８は差動増幅回路である。

図６にノイズ除去部５０４の構成を示す。６０１はλ／２板、６０２は回転機構、６０３はＰＢＳ、６０４は光検出素子である。ノイズ除去部５０４は一般的なバランス検出法を用いるために検出光のパワーを一部分岐して光検出素子６０４で受光する。受光した光信号は光検出素子５１５からの光信号と差分増幅するために差動増幅回路５１８へ接続する。差動増幅回路５１８では両信号の差分をとり、微小信号のみを増幅するため、共通の強度ノイズ成分を相殺することができる。一方で試料５１１からの光パワーが弱い場合には検出系ノイズが支配的になるため、バランス検出のために分岐した光パワーは損失にしかならない。そこで本実施例では試料５１１からの光パワーが弱い場合にはλ／２板６０１を回転させてＰＢＳ６０３での反射成分を最小にして透過光を最大化する。これにより、光検出素子５１５への光パワーが弱い場合にパワーを増大して感度を向上させることができる。なお、光源の出射光をＰ偏光としておけば回転機構６０２は並進機構としてλ／２板６０１を回転させるのでなく、光路から退避させてもよい。このとき、λ／２板６０１の初期回転角度はノイズ最小となるようにしておく。

本構成は実施例２と同様の後方散乱光計測を行う場合にも同様に適用できる。また、本構成はＳＲＳ顕微鏡に限定されず、ＯＣＴ等、バランス検出を行う試料観察装置で同様に適用することができる。また、用いる光源はパルス光源でなくても同様に適用できる。

本実施例によれば、一般のバランス検出構成においても検出系の入射パワーに応じてノイズ除去部の特性を変更することで試料の特性によらずより良い感度を得ることが可能な試料観察装置、コヒーレントラマン散乱信号取得装置および顕微鏡を提供できる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

光源１０１
除去部１０４
制御部１０７
照射部１１０
試料１１１
検出部１１５

Claims

光源からの光のノイズを除去する除去部と、
前記除去部からの光で試料を照射する照射部と、
前記試料からの光を検出する検出部と、
前記除去部のノイズ除去率を制御する制御部と、を有し、
前記検出部は、前記試料を透過した光を検出する第１の検出素子と、前記試料で散乱した光を検出する第２の検出素子と、を有し、
前記制御部は、前記第２の検出素子を使用する場合の前記ノイズ除去率よりも、前記第１の検出素子を使用する場合の前記ノイズ除去率の方が、大きくなるように、前記ノイズ除去率を制御することを特徴とする試料観察装置。
前記光源からの光は、パルス光であることを特徴とする請求項１に記載の試料観察装置。
前記除去部は、λ／２板と、偏波保持型のビームスプリッタと、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の試料観察装置。
前記除去部は、前記λ／２板を移動する移動機構を有することを特徴とする請求項３に記載の試料観察装置。
前記移動機構は、前記λ／２板を回転させる回転機構又は前記λ／２板を光路から退避させる並進機構であることを特徴とする請求項４に記載の試料観察装置。
前記検出部は、前記試料においてコヒーレントラマン散乱が誘起された光を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の試料観察装置。