JPH10318924A - パルスレーザを備えた光学装置 - Google Patents

パルスレーザを備えた光学装置

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JPH10318924A
JPH10318924A JP9128186A JP12818697A JPH10318924A JP H10318924 A JPH10318924 A JP H10318924A JP 9128186 A JP9128186 A JP 9128186A JP 12818697 A JP12818697 A JP 12818697A JP H10318924 A JPH10318924 A JP H10318924A
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JP
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optical system
lens
pulse width
laser
laser beam
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JP9128186A
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English (en)
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Shingo Kashima
伸悟 鹿島
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多光子励起を利用する光学装置において、標
本上におけるレーザビームのパルス幅を最適にすること
を目的とする。 【解決手段】 発明によるパルスレーザを備えた光学装
置は、パルスレーザを射出したレーザビームを対物レン
ズによって標本上に集光させ、そこで多光子励起による
蛍光や化学反応を起こさせる光学装置において、前記対
物レンズに対して前記標本を挟んで反対側にコリメート
光学系を配し、前記コリメート光学系を介してレーザビ
ームのパルス幅を測定するオートコリレータをている。
また、前記パルスレーザを射出したレーザビームのパル
ス幅を調整するパルス幅調整手段を備え、前記オートコ
リレータでの測定値を前記パルス幅調整手段にフィード
バックするようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルスレーザを射
出したレーザビームを標本上に集光し、そこで生じる多
光子吸収による化学反応や蛍光を検出する光学装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】多光子励起法は、通常１光子（単光子）
で行われている励起を多光子で行う方法で、例えば２光
子励起法では、４００nm（単光子）の波長で行っていた
蛍光励起を倍の波長の８００nmで行うものである。この
時、８００nmの波長での１光子のエネルギーは４００nm
に比べて半分になるため、８００nmの波長では２光子を
用いて蛍光励起が行なわれる。
【０００３】多光子励起に用いられる光源としては、例
えばサブピコ秒のパルスレーザが用いられる。これは多
光子励起がその単位体積・単位時間当たりの光子密度の
自乗にほぼ比例した確率で起こるためで、サブピコ秒の
パルスレーザでは複数の光子が存在する確率が高くなる
ことによる。なお、蛍光顕微鏡に使用されている水銀ラ
ンプや連続発振のレーザでは、単位時間当たりの光子密
度が低いため、多光子励起を起こすには非常に大きな光
強度が必要となる。ただし、光学系や標本へのダメージ
が大きくなる等の問題を解決しなけらばならない。
【０００４】ところで、多光子励起に用いられるサブピ
コ秒のパルスレーザでは、パルス状のレーザビームの波
長は完全に単色ではなく、そのパルス幅と相関を持つあ
る波長幅を持っている。一般的に光学系を光が通過する
場合、波長の短い光は媒質中での速度が遅くなり、波長
の長い光は媒質中での速度が速くなる。そのため、上記
のようにレーザビームに波長幅があると、光学系を通過
する際に波長によって時間的な差が発生し、結果的に光
学系に入射する前のパルス幅に比べてその幅がさらに広
がってしまう。
【０００５】上述のように、多光子励起は光子密度に依
存しているため、標本上でのパルス幅の拡がりは多光子
励起が発生する確率の低下につながる非常に大きな問題
となる。
【０００６】この問題を解決する方法として、パルス状
のレーザビームをプリズムペアを用いて「短い波長の光
を先に出す」言い換えれば「長い波長の光を遅らせる」
という手法( プレチャープコンペンセーション) が一般
的に知られている。この手法に関しては文献１："Femto
second pulse width control in microscopy by two-ph
oton absorption autocorrelation ／ by G.J. Brakenh
off, M. Muller & J.Squier／ J.of Microscopy, Vol.1
79, Pt.3, September 1995, pp.253-260"：に詳しい
が、ここで簡単に説明しておく。
【０００７】図８はプレチャープコンペンセーションを
行うための光学系８０を示したものである。ここで、４
つのプリズムのうち、第１のプリズム８１は固定されて
おり、第２のプリズム８２、第３のプリズム８３および
第４のプリズム８４は移動可能になっている。
【０００８】第２のプリズム８２は保持台８５上に配置
されており、保持台８５には移動のための駆動装置８６
が備えられ、駆動部８６ａが保持台８５に連結されてい
る。保持台８５は矢印Ａで示されるように第１のプリズ
ム８１と第２のプリズム８２を結ぶ光軸（図示せず）に
沿った方向と、矢印Ｂで示されるように矢印Ａと略直交
する方向に移動できるような移動機構を有している。移
動機構は圧電素子等の従来使用されている微動機構を用
いればよい。なお、第３のプリズム８３や第４のプリズ
ム８４の移動機構についても、第２のプリズム８２と同
様に構成されているものとし、ここでは図示していな
い。また、調整方向は図８に示された方向に限られるも
のではない。
【０００９】図示されないパルスレーザから出射したレ
ーザビームは、第１のプリズム８１に入射する。前述の
ようにレーザビームはある波長の幅を持っているため、
レーザビームはプリズム８１の入射面８１ａで波長毎に
分解され、第１のプリズム８１の中を広がって進む。入
射面８１ａでは光の波長が短くなるほど強く屈折される
ため、第１のプリズム８１の中を通過するレーザビーム
は、図８に示すように実線（長波長側）と破線（短波長
側）で示された範囲で広がる。
【００１０】次に、第１のプリズム８１を出射したレー
ザビームは第２のプリズム８２に入射する。第２のプリ
ズム８２に入射したレーザビームは、プリズム内部にお
いて長波長側と短波長側とで異なる距離を進み、出射面
８２ａより出射する。出射面８２ａから出射したレーザ
ビームは平行な光束に戻る。
【００１１】この時、第１のプリズム８１と第２のプリ
ズム８２の間隔や、第２のプリズム８２自身の光軸に対
する相対位置を変えることにより、波長の短い光ほど光
路長を短く、波長の長い光ほど光路長を長くすることが
できる。つまり、このような光学系を用いれば「短い波
長の光を先に出し、長い波長の光を遅らせる」という、
プレチャープコンペンセーションが実現できるわけであ
る。
【００１２】そして、第２のプリズム８２を出射したレ
ーザビームは第３のプリズム８３及び第４のプリズム８
４を通過するが、この時、第２のプリズム８２の移動に
伴って光軸が移動しているため、このままでは第１のプ
リズム８１に入射したレーザビームの光軸の延長線と第
４のプリズム８４を出射するレーザビームの光軸が一致
しなくなる。
【００１３】そこで、第３のプリズム８３と第４のプリ
ズム８４は、第１のプリズム８１と移動後の第２のプリ
ズム８４との配置位置に関して左右対称になるように各
々が移動する。この結果、プレチャープコンペンセーシ
ョンのためにプリズムが移動しても、第４のプリズム８
４を出射するレーザビームの光軸は一定の状態に保たれ
ることになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従来のプレチャープコ
ンペンセーションは、光学系全体を通ることによる標本
上でのパス幅の拡がりをある程度計算で求めておき、そ
れを相殺するように図８に示す光学系を用いてパルス幅
の調整を行っていた。しかしながら、レーザから標本ま
での間が長くその間に多くの光学系が配置されているよ
うな場合では、計算誤差が大きくなりパルス幅を十分小
さくできないという問題が生じる。
【００１５】特に、特殊なミラー( ダイクロイックミラ
ー等) を使用するような光学系では、特殊なミラーによ
る透過／反射時のパルス幅の拡がりは計算が非常に困難
であるため、結局「標本上でのパルス幅を小さくする」
という目的が必ずしも達成されているわけではなかっ
た。
【００１６】上記のような問題に対して、文献２："Con
struction of a two-photon microscope and optimisat
ion of illumination pulse duration／ by C. Soelle
r, M.B. Cannell／ Eur.J.Physiol(1996)432:555-56
1"：では、レーザビームを光学系の途中から取り出して
パルス幅を測定し、その値を元にプレチャープコンペン
セーションを行う方法が採られている。
【００１７】しかしながら、この文献２における方法で
あっても真の標本上でのパルス幅を測定しているわけで
ないため、測定値には依然として誤差が含まれている。
したがって、上記の方法を用いたとしても、可能な程度
までに標本上でのパルス幅を十分適正にすることはでき
ない。
【００１８】また、経時変化に伴う光学系の劣化による
パルス幅の変化や、光学系の交換によるパルス幅の変化
に対して、上記２つの方法とも、すぐにその変化を検知
しパルス幅の調整することは難しい。
【００１９】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであり、多光子励起を利用する光学装置にお
いて、標本上におけるレーザビームのパルス幅を最適に
することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の光学装置は、パルスレーザを射出
したレーザビームを対物レンズによって標本上に集光さ
せ、そこで多光子励起による蛍光や化学反応を起こさせ
る光学装置において、前記対物レンズに対して前記標本
を挟んで反対側にコリメート光学系を配し、前記コリメ
ート光学系を介してレーザビームのパルス幅を測定する
オートコリレータを備えたことを特徴としている。この
ような構成により、実際に標本に照射されている状態と
ほとんど同じ状態でレーザビームのパルス幅を測定でき
るため、標本上でのレーザビームのパルス幅を正確に測
定することができる。
【００２１】また、請求項２に記載の光学装置は、前記
パルスレーザを射出したレーザビームのパルス幅を調整
するパルス幅調整手段を備え、前記オートコリレータで
の測定値を前記パルス幅調整手段にフィードバックする
ことを特徴としている。パルス幅調整手段は、パルスレ
ーザとは別個に設けられたプレチャープコンペンセーシ
ョンを行うための光学系などであるが、レーザ自体がパ
ルス幅を調整する機能を有しているような場合は、その
機能もパルス調整手段に含まれる。このような構成によ
り、標本上における実際のパルス幅の測定値に基づいて
プレチャープコンペンセーションすることが可能とな
り、パルスレーザから発したレーザビームのパルス幅を
最適化することができる。
【００２２】また、請求項３に記載の光学装置は、前記
パルスレーザを射出したレーザビームと標本を少なくと
も１方向に相対的に移動することを特徴としている。こ
のような構成により、標本の一点での情報だけでなく、
多点の情報やさらには標本を画像として捉えることがで
きる。
【００２３】請求項４に記載の光学装置は、前記対物レ
ンズの集光位置と、前記コリメート光学系の前側焦点位
置、及びそれぞれの光学心が一致するように前記対物レ
ンズと前記コリメート光学系の相対位置が可変となって
いることを特徴としている。
【００２４】オートコリレータは後述のように一種の干
渉計であるから、綺麗にコリメートされた光束を入射さ
せる必要がある。そのため上記のような構成により、標
本上を通過したレーザビームを良好にコリメートするこ
とができ、しかもコリメート光学系の光軸と同軸になっ
た状態でレーザビームををオートコリレータに導入する
ことができる。なお、上記の光学心の一致とは、コリメ
ート光学系と対物レンズについてそれぞれの光学系の中
心軸が同一直線上にあることを意味する。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明に係る実施の形態を図１に
示す。図１はパルスレーザを備えた光学装置の構成を示
しており、多光子励起用のレーザ光源１、パルス幅調整
手段であるプレチャープコンペンセーションシステム
２、標本の観察や測定を行う光学機器３、光学機器３に
備えられた対物レンズ４、コリメート光学系６、絞り
７、オートコリレータ８で構成されている。
【００２６】一般的に、多光子励起用のレーザ光源１に
はパルスレーザが用いられるが、なかでもサブピコ秒の
パルスレーザが適当である。レーザ光源１から出たレー
ザビームは、プレチャープコンペンセーションシステム
２に入射する。プレチャープコンペンセーションシステ
ム２は前述のように、図８に示すような光学系を備えて
おり、最初はあらかじめ設定された値に基づいてレーザ
ビームに対してプレチャープコンペンセーションを施し
レーザビームを射出する。なお、図８では光学系を４つ
のプリズムで構成しているが、そのすべて若しくは一部
をグレーティングに置き換えても構わない。プレチャー
プコンペンセーションシステム２から出射したレーザビ
ームは光学機器３に入射し、光学機器３に備えられた対
物レンズ４で図示しないステージに載置された標本５上
に集光される。なお、標本５は水もしくは封入材と一緒
になってカバーガラスとスライドガラスの間に挟まれて
保持されている場合もあれば、培養液等で満たされたシ
ャーレの中に浮遊したりシャーレの底面に付着した状態
になっている場合もある。そのため、レーザビームに集
光位置は、観察や測定の目的によって標本５の表面であ
ったり標本５の内部であったりする。
【００２７】標本５上に集光したレーザビームは標本５
を通過後、標本５を挟んで対物レンズ４と逆側に配され
たコリメート光学系６に入射する。ただし、この時点で
はパルス幅を測定することが目的のため標本５はをステ
ージ上から取り除くか、あるいは標本５を配置した状態
となるべく同じ状態でパルス幅を測定するために、例え
ば水もしくは封入材で合わさったカバーガラスとスライ
ドガラスや、培養液のみのシャーレ等のダミー標本を標
本５の代わりに配置することが望ましい。
【００２８】コリメート光学系６は、その焦点位置と対
物レンズ４の焦点位置が一致するように配置されている
ため、コリメート光学系６を通過したレーザビームは平
行光束に変換されて絞り７を通過する。絞り７ではオー
トコリレータ８の入射ビーム径に合わせて不要な光が遮
られ、所定の直径の平行なレーザビームがオートコリレ
ータ８に入射する。
【００２９】オートコリレータ８はパルス幅を測定する
もので、自己相関が行なえるような光学系を備えてい
る。自己相関とは、例えば画像であれば、その画像自体
と座標をずらした同じ自己の像との間で相関をとる操作
である。したがって、レーザビームで自己相関を行なう
には、レーザビームを一度２つに分けて、一方のレーザ
ビームはそのままで、もう一方のレーザビームには何ら
かの変化を加えた後、両者を再び重ね合わせる（干渉さ
せる）ようにすればよい。
【００３０】オートコリレータ８の一例として、マイケ
ルソン型の干渉計が考えられる。マイケルソン干渉計
は、入射したレーザビームを２つに分割するためのハー
フミラーと、それぞれのレーザビームを入射した方向に
反射する反射鏡で基本的に構成されている。
【００３１】干渉計に入射したレーザビームはハーフミ
ラーを透過するレーザビームと、ハーフミラーで反射さ
れる２つのレーザビームに分けられる。それぞれのレー
ザビームは進行方向上に配置された反射鏡にそれぞれ入
射する。反射鏡は入射したレーザビームを入射方向と正
反対の方向に光を反射するように配置されているため、
反射鏡で反射したレーザビームは再びハーフミラーに向
かう。そして、ハーフミラーでそれぞれのレーザビーム
が重ね合わされ、ここで干渉が発生する。
【００３２】オートコリレータ８では、一方のレーザビ
ームは固定された反射鏡で反射させるだけであるが、も
う一方のレーザビームに対しては反射鏡を光軸方向に高
速で移動させて反射している。この結果、２つのレーザ
ビームの間で時間差（光路差）が生じ、これが自己相関
となる。自己相関は干渉強度として得られるが、この干
渉強度はレーザビームのパルスの状態を表示しているた
め、干渉強度をオシロスコープ等で観測することによっ
てパルス幅が測定できることになる。
【００３３】本実施の形態では、標本上でのパルス幅が
測定できるため、正確な測定結果が得られる。特に、経
時変化による光学系の劣化に伴ってパルス幅に変化が生
じたり、光学系の一部を交換することによってパルス幅
に変化が生じるようなことがあっても、すぐにその変化
を検出することができる。また、検出結果を用いてパル
スレーザのパルス幅を手動で調整することもできる。
【００３４】また、本実施の形態では、オートコリレー
タ８での測定値を電気信号として取り出し、その信号は
プレチャープコンペンセーションシステム２にフィード
バックされるように構成されている。オートコリレータ
８では、図示しない演算回路によってパルス幅について
測定値と理想値との比較が行われ、差分が電気信号とし
てプレチャープコンペンセーションシステム２に送られ
る。プレチャープコンペンセーションシステム２では送
られてきた電気信号に基づいて図８に示す駆動装置８６
が第２のプリズム８２を所定の方向に所定の距離だけ移
動しパルス幅の調整を行う。この時、前述のように第２
のプリズム８２の移動にあわせて、第３のプリズム８
３、第４のプリズム８４も第１、第２のプリズム８１，
８２と対称になるように移動する。上記のような測定と
調整は、標本５上でのパルス幅がある予め設定された範
囲に入るまで繰り返し行われる。したがって、標本の観
察や測定に先立って、上記操作を行うことで、自動的に
最適なパルス幅が標本上で得られる。
【００３５】なお、コリメート光学系６はパルス幅を正
確に測定する目的で設けられたものであるため、標本５
上でのレーザビームのパルスを忠実にオートコリレータ
８に伝えなければならない。このため、コリメート光学
系６を単レンズで構成する場合は、レーザビームの波長
の変化に伴い交換可能にするように構成すればよい。こ
れはレーザ光源１から射出されるレーザビームの波長が
ある範囲で変化させることが可能になっているため、そ
れぞれの波長に合わせてレンズを用意することが有効で
ある。また、交換される各レンズの肉厚Ｔが以下の条件
（１）を満たすことが望ましい。
【００３６】条件（１） Ｔ／ｆ≦１ ここで、ｆはコリメート光学系の焦点距離である。この
ような構成をとることによって、コリメート光学系によ
るパルス幅の広がりが殆ど無視できる程度に小さくな
り、且つ使用波長に応じた綺麗なコリメート光が得られ
る。条件（１）が満足されない場合は、コリメート光学
系によるパルス幅の広がりが無視できない程度に大きく
なってしまい、測定誤差が大きくなる。
【００３７】また、コリメート光学系６を使用するレー
ザの波長に応じて最適に球面収差の補正された非球面単
レンズにするとともに、レーザの波長の変化に伴い交換
可能にし、且つそのレンズの肉厚Ｔが上記の条件（１）
を満たすように構成することもできる。
【００３８】また、コリメート光学系を使用するレーザ
の波長に応じて最適に球面収差の補正された回折レンズ
にするとともに、レーザの波長の変化に伴い交換可能に
し、且つそのレンズの肉厚Ｔが上記の条件（１）を満た
すように構成することもできる。
【００３９】また、コリメート光学系６がダブレット
（接合レンズ）１枚よりなり、その肉厚Ｔが上記の条件
（１）を満たし、且つ両レンズのアッベ数差Δνｄが以
下の条件（２）を満たすように構成すればよい。
【００４０】条件（２） Δνｄ≧１０ 条件（２）が満足されない時は、コリメート光学系の軸
上色収差の補正が不十分となり、使用波長全域に亘る綺
麗なコリメート光は得られない。
【００４１】また、コリメート光学系に回折面を有する
光学素子を用いることもできる。回折レンズについて
は、例えば「光学系デザイナーのための小型光学エレメ
ント」第６、７章（オプトロニクス社刊）や"SPIE"第12
6 巻,P.46-53(1977)等に詳細に記載されている。
【００４２】回折レンズの最大の特徴は、可視域でのア
ッベ数νｄ = -3.453 、部分分散比θg,F = 0.03である
こと、及びそのピッチを自由に変えることが可能なこと
など点から、任意の非球面レンズと等価な結像特性が得
られることである。
【００４３】そこで、１枚の屈折面と１枚の回折面、或
いは１枚の屈折レンズと１枚の回折レンズを用いた場
合、C-lineとF-lineで軸上の色収差を補正するための条
件はそれぞれのパワーとアッベ数の積の和がゼロになる
ことである。ここで、屈折面と回折面についてみると、
回折面のアッベ数は-3.453であり、一般のガラスのアッ
ベ数が20から95である。したがって、上記軸上色収差補
正の条件は、各面のパワーの比がそれぞれのアッベ数の
絶対値の比になることが判り、ψｒ／ψｄが5.8から27.
5の間の値となる。
【００４４】一方、単レンズと１枚の回折レンズの場合
は、パワーに相当するのが焦点距離の逆数であることか
らｆｄ／ｆｒが5.8 から27.5の間の値であることにな
る。なお、上記の条件は可視域での近軸的な条件であ
り、近赤外域での実収差補正の場合では多少の誤差が生
じる。
【００４５】そこでこのような誤差を考慮して、コリメ
ート光学系６を１枚の屈折レンズと１枚の回折レンズか
ら構成した場合、それらが上記の条件（１）、及び以下
の条件（３）を満たすようにすることが望ましい。
【００４６】条件（３） ３≦ｆｄ／ｆｒ≦３０ ここで、ｆｄ、ｆｒはそれぞれ回折レンズ及び屈折レン
ズの焦点距離である。条件（３）の下限の3 を下回る時
は、回折レンズのパワーが強すぎ軸上色収差が補正過剰
になり、また上限の30を上回る時は、回折レンズのパワ
ーが弱すぎ軸上色収差が補正不足となり何れの場合も使
用波長全域に亘る綺麗なコリメート光は得られない。
【００４７】また、コリメート光学系６を片面が屈折面
であり他方の面が回折面である１枚の屈折回折レンズと
し、以下の条件（４）を満たすように構成することもで
きる。
【００４８】条件（４） ３≦ ψｒ／ψｄ≦３０ ここで、ψｒ、ψｄはそれぞれ屈折面及び回折面のパワ
ーである。条件（４）の下限の3 を下回る時は、回折面
のパワーが強すぎ軸上色収差が補正過剰になり、また上
限の30を上回る時は、回折面のパワーが弱すぎ軸上色収
差が補正不足となり何れの場合も使用波長全域に亘る綺
麗なコリメート光は得られない。
【００４９】回折面を有する場合、上記の条件（３）
（４）を満足していれば軸上の色収差が補正され、更に
回折面の非球面効果により球面収差も良好に補正され、
使用波長全域に亘って綺麗なコリメート光が得られる。
【００５０】以上のようにコリメート光学系を構成する
ことよって、コリメート光学系６の収差が更に良好に補
正され、コリメート光学系６を通過することによるパル
ス幅の広がりが殆ど無視できる程度に小さくなり、且つ
使用波長に応じたより綺麗なコリメート光が得られる。
【００５１】また、コリメート光学系６を少なくとも１
枚の凹面鏡を含む反射光学系で構成することもできる。
これにより反射系では原理的に色収差が発生しないた
め、レーザの波長によらず良好なコリメート光が得ら
れ、また反射ミラーにパルス幅を拡げないものを用いれ
ば、ほぼ完全に標本上のパルス幅を測定できる。この
時、凹面鏡に入射する光束を小さくしておけば凹面鏡が
球面ミラーであっても球面収差の発生量は少ないためパ
ルス幅の測定に影響を及ぼさない。また、凹面鏡を非球
面ミラーとすると、より大きな光束に対しても球面ミラ
ーに比べて良好に球面収差を補正することができる。
【００５２】さらに、コリメート光学系６とオートコリ
レータ８との間にミラーを配する場合は、そのミラーを
超短パルスレーザのパルス幅を拡げることのない所謂フ
ェムトセコンドミラーにすることもできる。フェムトセ
コンドミラーは、反射率が９９％以上で反射によるパル
ス幅の広がりがほとんど発生しないように設計された誘
電体多層膜ミラーである。
【００５３】このようなフェムトセコンドミラーを利用
することによって、オートコリレータ８のレイアウトの
自由度が増し、使用目的に応じた装置構成が柔軟に行え
る。さらに、レーザビームのパワーやパルス幅を劣化さ
せることなく、オートコリレータ８に入射させるレーザ
ビームの入射位置の調整を容易に行うことができる。以
下、実施例に基づいてより具体的に説明する。
【００５４】
【第１実施例】第１実施例を図２及び図３に示す。図１
と同じ構成要素については同じ番号を付し説明を省略す
る。図２及び図３は本発明を適用したパルスレーザを備
えた光学装置の一例で、多光子吸収による標本の蛍光画
像が得られる、走査型光学顕微鏡装置の全体の構成を示
したものである。ここで、図２は光学機器が倒立型の走
査型光学顕微鏡３、図３は光学機器が正立型の走査型光
学顕微鏡１９の場合である。本実施例では、図２の光学
機器として倒立型の走査型光学顕微鏡を用いた構成を例
に説明する。図２に示すパルスレーザを備えた倒立型の
走査型光学顕微鏡装置は、レーザ光源１、プレチャープ
コンペンセーションシステム２、倒立型の走査型光学顕
微鏡３、倒立型の走査型光学顕微鏡３に備えられた対物
レンズ４、コリメート光学系であるダブレットレンズ１
０、絞り７、フェムトセコンドミラー１１、オートコリ
レータ８で構成されている。なお、ここでレーザ光源１
は近赤外域の波長においてサブピコ秒の単色コヒーレン
ト光パルスを発するパルスレーザである。また、倒立形
の走査型光学顕微鏡３は、従来からある白色光源を用い
た光学顕微鏡や蛍光測光装置などに置き換えて使用する
ことができる。
【００５５】レーザ光源１は、７１０nm、７９０nm、８
５０nmなどのように、ある波長範囲で出力するレーザビ
ームの波長を変化させることができる。これは、多光子
励起によって蛍光観察をする場合に、標本を染色した蛍
光色素の最適な励起波長が蛍光色素によって微妙に異な
るためである。
【００５６】レーザ光源１からのレーザビームは、プリ
ズムペアからなるプレチャープコンペンセーションシス
テム２に入射し、適当な量のプレチャープコンペンセー
ションが施されて出射した後、倒立型の走査型光学顕微
鏡３に入射し、対物レンズ４によりステージ１２に載置
された標本５上に集光する。ここで、倒立型の走査型光
学顕微鏡３の光学系には、レーザビームを走査するため
の光偏向素子が配置されているが、プレチャープコンペ
ンセーションを行う場合にはレーザビームが光軸と一致
するように偏向面が固定されている。なお、図２では光
偏向素子を省略しており、配置の様子は図示されていな
い。
【００５７】標本５上を通過したビームは、ステージ１
２の上方に配置された焦点距離１０mmのダブレットレン
ズ１０でコリメートされ、φ２mmの絞り７で不要光を遮
蔽し、フェムトセコンドミラー１１で直角に曲げられオ
ートコリレータ８に導入される。
【００５８】ビームをコリメートする時は、対物レンズ
４の集光位置( 標本上) と上記ダブレットレンズ１０の
前側焦点位置が一致するように対物レンズ４もしくはタ
ブレットレンズ１０を上下に駆動する。また、対物レン
ズ４の光軸とダブレットレンズ１０の光軸を合わせるた
めにステージ１２もしくはタブレットレンズ１０をＸ／
Ｙの両方向に移動させ調整する。なお、図３のようにダ
ブレットレンズ１０、絞り７、フェムトセコンドミラー
１１が一体となって、レンズホルダ２０に保持されてい
る場合は、レンズホルダ２０を光軸方向及びＸ／Ｙの両
方向に移動させ調整を行う。
【００５９】オートコリレータ８で測定した値は、図８
の構成を有するプレチャープコンペンセーションシステ
ム２にフィードバックされる。具体的は図８に示す駆動
部８６にフィードバックが電気信号として伝達され、予
め設定された値との差が小さくなるようにプリズムペア
の間隔、及び各プリズムの光軸に対する相対位置が調整
される。実際には測定と調整が繰り返して行われ、標本
上でのパルス幅が最適化される。
【００６０】ここで用いたダブレットレンズのデータは
以下の通りであり、図４に示した収差図より、波長７１
０nm〜８５０nmの範囲で球面収差、色収差が良好に補正
されていることが判る。したがって、７１０nm、７９０
nm、８５０nmのいずれの波長を使用しても、このダブレ
ットレンズ１０でレーザビームは良好にコリメートされ
る。また、ダブレットレンズ１０の肉厚も小さいためパ
ルス幅の拡がりは数フェムト秒以下となり殆ど無視でき
る。
【００６１】本実施例のダブレットレンズのレンズデー
タを以下に示す。本実施例のダブレットレンズは、条件
式（１）、（２）を満足している。 ｒ1 ＝∞（絞り） ｄ1 ＝10.000 ｒ2 ＝ 6.750 ｄ2 ＝ 3.690 ｎ1 ＝1.6176 ν1 ＝55.05 ｒ3 ＝ -4.040 ｄ3 ＝ 0.720 ｎ2 ＝1.6889 ν2 ＝31.08 ｒ4 ＝-23.390 ｄ4 ＝ 7.630 ｒ5 ＝∞（標本上） Ｔ／ｆ＝0.44 Δνｄ＝ν1 −ν2 ＝23.97 ここで、ｒ1 ，ｒ2 ．．．は各レンズ面の曲率半径、ｄ
1 ，ｄ2 ．．．は各レンズの肉厚及び空気間隔、ｎ1 ，
ｎ2 は各レンズの屈折率、ν1 、ν2 は各レンズのアッ
ベ数である。
【００６２】本実施例では、標本を通過したレーザビー
ムのパルス幅を測定してパルス幅の最適化が行われてい
るので、走査形レーザ顕微鏡による多光子励起の良好な
蛍光画像が得られる。また、コリメート光学系に肉厚の
薄い１枚のダブレットレンズを用いているので、パルス
幅に悪影響を及ぼすこと無くパルス幅の測定が行える。
また、パルスレーザの波長を変化させても、変化する波
長範囲で収差が十分補正されているので良好なコリメー
ト光が得られる。また、コリメート光学系の構造を簡素
化できる。
【００６３】
【第２実施例】第２実施例も全体的な構成は図２と同じ
であるが、コリメート光学系のみが異なるため、その部
分のみを図５に示す。
【００６４】本実施例ではコリメート光学系として、使
用波長である７１０nm、７９０nm、８５０nmのそれぞれ
の波長に応じた３枚の単レンズ１３、１４、１５を用い
ている。３枚の単レンズ１３、１４、１５は、一つのス
ライダ１６に格納されており、光源の波長に合わせて光
軸上に移動し配置されるようになっている。
【００６５】それぞれの単レンズは対応する波長での焦
点距離が１０mmで、且つ球面収差が補正されているもの
である。ここには示さないが、片面に非球面を用い更に
良好に球面収差を補正しても良いことは云うまでもな
い。また、レンズの交換はターレット方式やカセット交
換方式であっても良いことも云うまでもない。
【００６６】本実施例の両面が球面で構成された単レン
ズのレンズデータを以下に示す。本実施例の単レンズは
いずれも条件式（１）を満足している。 ７１０nm用単レンズ ｒ1 ＝∞（絞り） ｄ1 ＝10.000 ｒ2 ＝ 6.04540 ｄ2 ＝ 2.000 ｎ1 ＝1.51633 ν1 ＝64.10 ｒ3 ＝-29.82760 ｄ3 ＝ 8.879239 ｒ4 ＝∞（像） Ｔ／ｆ＝0.2 ７９０nm用単レンズ ｒ1 ＝∞（絞り） ｄ1 ＝10.000 ｒ2 ＝ 6.03191 ｄ2 ＝ 2.000 ｎ1 ＝1.51633 ν1 ＝64.10 ｒ3 ＝-29.50474 ｄ3 ＝ 8.879376 ｒ4 ＝∞（像） Ｔ／ｆ＝0.2 ８５０nm用単レンズ ｒ1 ＝∞（絞り） ｄ1 ＝10.000 ｒ2 ＝ 6.02494 ｄ2 ＝ 2.000 ｎ1 ＝1.51633 ν1 ＝64.10 ｒ3 ＝-29.26865 ｄ3 ＝ 8.879729 ｒ4 ＝∞（像） Ｔ／ｆ＝0.2 また、本実施例の片面が非球面で構成された単レンズの
一例として、７９０nm用単レンズレンズデータを以下に
示す。 ｒ1 ＝∞（絞り） ｄ1 ＝10.000 ｒ2 ＝ 5.98798 ｄ2 ＝ 2.000 ｎ1 ＝1.51633 ν1 ＝64.10 ｒ3 ＝-30.71877 ｄ3 ＝ 8.87115 ｒ4 ＝∞（像） 第２面 Ｋ＝-0.404094 Ａ4 ＝-0.245871 ×10-3、Ａ6 ＝-0.478813 ×10-5、Ａ8 ＝-0.574558 ×10-7、 Ａ10＝-0.433463 ×10-9 Ｔ／ｆ＝0.2 ここで、光軸方向をＺ，光軸と垂直な方向をＹとしたと
き、非球面は以下の式であらわされる。 Ｚ＝ＣＹ2 ／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ2 Ｙ2 ｝］＋
Ａ4 Ｙ4 ＋Ａ6 Ｙ6 ＋Ａ8 Ｙ8 ＋Ａ10Ｙ10＋… ただし、Ｃは面頂における曲率（＝１／ｒ、ｒは曲率半
径）、Ｋは円錐定数、Ａ 4 ，Ａ6 ，Ａ8 ，Ａ10は、上記
の非球面式の４次、６次、８次、１０次の非球面係数で
ある。
【００６７】本実施例では、パルスレーザの波長に合わ
せて単レンズを用いているので、より肉厚の薄いレンズ
を使用することができ、パルス幅に悪影響を及ぼすこと
無くパルス幅の測定が行える。また、パルスレーザの波
長を変化させても、各波長にあわせて各レンズの収差が
十分補正でされているので良好なコリメート光が得られ
る。
【００６８】
【第３実施例】第３実施例も全体的な構成は図２と同じ
であるが、コリメート光学系のみが異なるため、その部
分のみを図６に示す。本実施例ではコリメート光学系と
して、一方の面が屈折面でもう一方の面が回折面である
１枚の屈折回折レンズ１７を用いており、焦点距離は１
０mmである。また、屈折回折レンズ１７は、多光子励起
の励起光として使用される波長範囲７１０nm〜８５０nm
で補正されている。
【００６９】なお、本実施例の回折レンズは、ウルトラ
・ハイ・インデックス法（SPIE:vol.126, 46-53,(197
7)）を用いて設計しており、具体的には回折面の厚はゼ
ロで波長が７９０nmのときの屈折率が１０００１の屈折
レンズとして表現されている。また、回折面は第２実施
例に示した非球面式にてあらわしている。
【００７０】以下にレンズデータを示す。 ｒ1 ＝∞（絞り） ｄ1 ＝10.000 ｒ2 ＝1517457.0237 ｄ2 ＝ 0.000 ｎ1 ＝10001 ν1 ＝-3.453 ｒ3 ＝∞ ｄ3 ＝ 2.000 ｎ2 ＝1.51633 ν2 ＝64.10 ｒ4 ＝-5.41765 ｄ4 ＝ 9.912745 ｒ5 ＝∞（像） 第２面 Ｋ＝-1.0 Ａ4 ＝-0.422968 ×10-6、Ａ6 ＝0.740253×10-6、Ａ8 ＝-0.730317 ×10-6、 Ａ10＝0.259654×10-6 Ｔ／ｆ＝0.2 ここで、Ｋは円錐定数、Ａ4 ，Ａ6 ，Ａ8 ，Ａ10はそれ
ぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。 ψr ＝0.09423 ψd ＝0.00659 ψr ／ψd ＝14.299 本実施例では、肉厚の薄いレンズを使用しているので、
パルス幅に悪影響を及ぼすこと無くパルス幅の測定が行
える。また、パルスレーザの波長を変化させても、変化
する波長範囲で収差が十分補正でされているので良好な
コリメート光が得られる。
【００７１】
【第４実施例】第３実施例も全体的な構成は図２と同じ
であるが、コリメート光学系のみが異なるため、その部
分のみを図７に示す。本実施例ではコリメート光学系と
して凹面鏡を用いている。凹面鏡１８は対物レンズ４の
光軸上に配置されており、標本５上を通過したレーザビ
ームを対物レンズ４の光軸と45度の角をなす方向に反射
している。本実施例の凹面鏡１８の焦点距離は10mmであ
る。また、絞り７の径は第１実施例と同じくφ２mmであ
るため、ＮＡ（開口数）は0.1 であり、球面ミラーでも
十分良好なコリメート光が得られる。さらに、球面収差
を良好に補正するために、非球面ミラーを用いても良
い。
【００７２】本実施例では、コリメート光学系が反射光
学系であるため、原理的に色収差が発生しない。したが
って、光源の波長にかかわらず良好なコリメート光が得
られる。ミラーは金属ミラー若しくはフェムトセコンド
ミラーを使用することによって、パルス幅の拡がりはほ
ぼ完全に無視できる程度に抑えることができる。
【００７３】上記何れの実施例も、これらの構成に限定
されるものではなく、様々な組み合わせで構成できるこ
とは云うまでもない。特に、プレチャープコンペンセー
ションシステムに関しては、全てレーザに外付けするよ
うに記述しているが、レーザと一体で調整可能なもので
も良く、更にファイバレーザのようにレーザの発振構造
自体でプレチャープコンペンセーションが可能なもので
も良い。
【００７４】また、レーザのパワーが十分で反射率の低
いミラーによる光量ロスが問題にならない場合は、フェ
ムトセコンドミラーの換わりに金属ミラーを用いても良
い。
【００７５】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば標本上で
のパルス幅を殆ど誤差なく測定することができる。ま
た、その測定値を使ってプレチャープコンペンセーショ
ンを行い、最適化されたパルス幅のレーザビームを容易
に得ることができる。また、走査型光学顕微鏡や蛍光測
光装置などの光学機器の光学系が径時変化にて劣化しそ
のためにパルス幅が変化したとしても、その変化を観察
や測定に先立って検知しそれをもとにパルス幅の調整が
できるので、常に最適なパルス幅で観察や測定ができ
る。特に、いわゆる多光子励レーザ走査顕微鏡などの光
学機器の光源として使用した場合、良好な共焦点画像を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学装置を備えた光学装置の構成を示す図であ
る。
【図２】光学装置を備えた倒立型の走査型光学顕微鏡に
おいて、コリメート光学系をダブレットレンズで構成し
た様子を示す図である。
【図３】光学装置を備えた正立型の走査型光学顕微鏡の
構成を示す図である。
【図４】波長が７１０nm、７８７nm、８５０nmにおける
ダブレットレンズの球面収差の様子を示す図である。
【図５】単レンズで構成した場合のコリメート光学系を
示す図である。
【図６】回折面を有する単レンズで構成した場合のコリ
メート光学系を示す図である。
【図７】反射光学系で構成したコリメート光学系を示す
図である。
【図８】プレチャープコンペンセーションシステムの光
学系を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源 ２ プレチャープコンペンセーションシステム ３ 光学機器 ４ 対物レンズ ５ 標本 ６ コリメート光学系 ７ 絞り ８ オートコリレータ ９ 倒立型の走査型光学顕微鏡 １０ 焦点距離１０mmのダブレット １１ フェムトセコンドミラー １２ ステージ １３ 波長７１０nmで焦点距離１０mmの単レンズ １４ 波長７９０nmで焦点距離１０mmの単レンズ １５ 波長８５０nmで焦点距離１０mmの単レンズ １６ スライダ １７ 焦点距離１０mmの屈折回折レンズ １８ 焦点距離1 ０mmの凹面鏡 １９ 正立型の走査型光学顕微鏡 ２０ レンズホルダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 13/18 Ｇ０２Ｂ 13/18 21/02 21/02 Ａ Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｇ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パルスレーザを射出したレーザビームを
    対物レンズによって標本上に集光させ、そこで多光子励
    起による蛍光や化学反応を起こさせる光学装置におい
    て、前記対物レンズに対して前記標本を挟んで反対側に
    コリメート光学系を配し、前記コリメート光学系を介し
    てレーザビームのパルス幅を測定するオートコリレータ
    を備えたことを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】 前記パルスレーザを射出したレーザビー
    ムのパルス幅を調整するパルス幅調整手段を備え、前記
    オートコリレータでの測定値を前記パルス幅調整手段に
    フィードバックすることを特徴とする請求項１に記載の
    光学装置。
  3. 【請求項３】 前記パルスレーザを射出したレーザビー
    ムと標本を、少なくとも１方向に相対的に移動すること
    を特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
  4. 【請求項４】 前記対物レンズの集光位置と、前記コリ
    メート光学系の前側焦点位置、及びそれぞれの光学心が
    一致するように前記対物レンズと前記コリメート光学系
    の相対位置が可変となっていることを特徴とする請求項
    １乃至３に記載の光学装置。
  5. 【請求項５】 前記コリメート光学系は単レンズであっ
    て、前記パルスレーザの波長の変化に伴い交換可能で、
    且つそのレンズの肉厚Ｔが以下の条件（１）を満たすこ
    とを特徴とする請求項１乃至４に記載の光学装置。 条件（１） Ｔ／ｆ≦１ ここで、ｆはコリメート光学系の焦点距離である。
  6. 【請求項６】 前記コリメート光学系は、使用する前記
    パルスレーザの波長に応じて最適に球面収差の補正され
    た非球面単レンズであって、前記パルスレーザの波長の
    変化に伴い交換可能で、且つそのレンズの肉厚Ｔが上記
    の条件（１）を満たすことを特徴とする請求項１乃至４
    に記載の光学装置。
  7. 【請求項７】 前記コリメート光学系は、使用する前記
    パルスレーザの波長に応じて最適に球面収差の補正され
    た回折レンズであって、前記パルスレーザの波長の変化
    に伴い交換可能で、且つそのレンズの肉厚Ｔが上記の条
    件（１）を満たすことを特徴とする請求項１乃至４に記
    載の光学装置。
  8. 【請求項８】 前記コリメート光学系はダブレットレン
    ズ１枚よりなり、そのレンズの肉厚Ｔが上記の条件
    （１）を満たし、且つ両レンズのアッベ数差Δνｄが以
    下の条件（２）を満たすことを特徴とする請求項１乃至
    ４に記載の光学装置。 条件（２） Δνｄ≧１０
  9. 【請求項９】 前記コリメート光学系は、１枚の屈折レ
    ンズと１枚の回折レンズからなり、それらが上記の条件
    （１）、及び以下の条件（３）を満たすことを特徴とす
    る請求項１乃至４に記載の光学装置。 条件（３） ３≦ｆｄ／ｆｒ≦３０ ここで、ｆｄ、ｆｒはそれぞれ回折レンズ及び屈折レン
    ズの焦点距離である。
  10. 【請求項１０】 前記コリメート光学系は、片面が屈折
    面であり他方の面が回折面である１枚の屈折回折レンズ
    であって、以下の条件（４）を満たすことを特徴とする
    請求項１乃至４に記載の光学装置。 条件（４） ３≦ ψｒ／ψｄ≦３０ ここで、ψｒ、ψｄはそれぞれ屈折面及び回折面のパワ
    ーである。
  11. 【請求項１１】 前記コリメート光学系は、少なくとも
    １枚の凹面鏡を含む反射光学系で構成されていることを
    特徴とする請求項１乃至４に記載の光学装置。
  12. 【請求項１２】 前記コリメート光学系と前記オートコ
    リレータとの間にミラーを配する場合は、そのミラーが
    超短パルスレーザのパルス幅を拡げることのない所謂フ
    ェムトセコンドミラーであることを特徴とする請求項１
    乃至３に記載の光学装置。
  13. 【請求項１３】 前記パルス幅調整手段は、プリズムペ
    ア或いはグレーティングペア若しくはそれらの組み合わ
    せによる光学素子を有し、前記パルスレーザを射出した
    レーザビームのパルス幅の広がりを相殺するように、前
    記オートコリレータで測定した値を基づいて前記光学素
    子の間隔及び光軸に対する相対位置を変化させ得ること
    を特徴とする請求項２または請求項３に記載の光学装
    置。
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