JPH11119106A - Laser scanning microscope - Google Patents

Laser scanning microscope

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JPH11119106A
JPH11119106A JP28321097A JP28321097A JPH11119106A JP H11119106 A JPH11119106 A JP H11119106A JP 28321097 A JP28321097 A JP 28321097A JP 28321097 A JP28321097 A JP 28321097A JP H11119106 A JPH11119106 A JP H11119106A
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JP
Japan
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optical system
laser
laser light
light
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP28321097A
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Japanese (ja)
Inventor
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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Publication of JPH11119106A publication Critical patent/JPH11119106A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simultaneously perform fluorescent observation and the observation of the entire image of a sample in accordance with the sample and a purpose by detecting an interference signal generated by a laser beam reflected by a movable reflecting optical device and made incident on an optical path dividing element again, and a laser beam reflected by the sample and made incident on the optical path dividing element again. SOLUTION: The reflected light reflected inside the sample, and transmitted light transmitted through the sample 9, besides fluorescence are generated from the sample 9 irradiated with the laser beam. On the other hand, the part of the reflected light and the fluorescence are made incident on an objective lens 8 again, and reach a dichroic mirror 11a. The reflected light transmitted through the mirror 11a is made incident on an interference optical system 3, reflected by a beam splitter 3a, and synthesized coaxially with a reference beam reflected by a movable mirror 3b. At this time, the mirror 3b moves in an optical axis direction so as to align the length of the optical path of the reference beam with that of the reflected light, so that interference occurs between the synthesized reference beam and the reflected light, and the generated interference light is detected by an interference signal detecting optical system 4.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、近赤外パルスレー
ザを標本面上に集光しスキャンさせ、そこでの通常の1
光子吸収も含む多光子吸収により励起されて発生する蛍
光を検出することにより像を得るいわゆる多光子励起レ
ーザ走査型顕微鏡に関するものであり、標本の位置出し
や標本の輪郭等の観察を行う場合に、反射或いは透過の
干渉像観察を同時、若しくは切り替えて行うことのでき
るレーザ走査型顕微鏡に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for focusing a near-infrared pulse laser on a sample surface and scanning the sample surface.
The present invention relates to a so-called multiphoton excitation laser scanning microscope that obtains an image by detecting fluorescence generated by excitation by multiphoton absorption including photon absorption. And a laser scanning microscope capable of performing reflection or transmission interference image observation simultaneously or by switching.

【0002】[0002]

【従来の技術】顕微鏡などの光学装置を用いた標本の観
察方法の一つに、多光子励起法を利用する方法がある。
この多光子励起法は、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、800
nm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。
2. Description of the Related Art One of the methods for observing a sample using an optical device such as a microscope is a method using a multiphoton excitation method.
The multiphoton excitation method is a method in which excitation usually performed by one photon (single photon) is performed by multiphotons. For example, in the two-photon excitation method, fluorescence excitation performed at a wavelength of 400 nm (single photon) is doubled. At a wavelength of 800 nm. At this time, 800
Since the energy of one photon at a wavelength of nm is half that of 400 nm, fluorescence excitation is performed using two photons at a wavelength of 800 nm.

【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ある。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
レーザではパルス幅が非常に狭いため複数の光子が存在
する確率が高くなることによる。このように、多光子励
起では標本のごく一部でしか蛍光が発生しないため、厚
い標本であってもいわゆる断層像のような非常に焦点深
度の浅い画像を得ることができるという特徴がある。
A light source used for multiphoton excitation is, for example, a sub-picosecond pulse laser. This is because multiphoton excitation occurs with a probability that is almost proportional to the square of the photon density per unit volume and unit time.In a subpicosecond pulse laser, the pulse width is extremely narrow, so the probability of multiple photons being present is high. It depends. As described above, since fluorescence is generated only in a very small part of the sample by multiphoton excitation, an image with a very small depth of focus such as a so-called tomographic image can be obtained even with a thick sample.

【0004】ただし、パルスレーザ光源から出たレーザ
光はある波長幅を持っているため、レーザ光のパルス幅
は光学素子を通過するたびに拡がってしまう。そのた
め、標本にレーザ光が達するまでの間に多くの光学素子
が存在するような場合では、標本位置でパルス幅が大き
く拡がってしまい多光子励起が起きなくなるという問題
が生じる。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:"Femtoseco
nd pulse width control in microscopy by two-photon
absorption autocorrelation / by G.J. Brakenhoff,
M. Muller& J. Squier / J.of Microscopy, Vol.179,
Pt.3, September 1995, pp.253-260":に詳しいが、こ
こで簡単に説明しておく。
However, since the laser light emitted from the pulse laser light source has a certain wavelength width, the pulse width of the laser light expands each time it passes through the optical element. Therefore, in a case where many optical elements exist before the laser beam reaches the sample, a problem arises in that the pulse width greatly expands at the sample position and multiphoton excitation does not occur. As a method of solving this problem, a method of pre-chirp compensation, in which a pulsed laser beam is used to emit short-wavelength light first using a prism pair, in other words, to delay long-wavelength light, is common. Is known to. Reference 1: "Femtoseco
nd pulse width control in microscopy by two-photon
absorption autocorrelation / by GJ Brakenhoff,
M. Muller & J. Squier / J. of Microscopy, Vol.179,
Pt.3, September 1995, pp.253-260 ": Details are given here, but are briefly explained here.

【0005】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31は固定されてお
り、第2のプリズム32、第3のプリズム33および第
4のプリズム34は移動可能になっている。
FIG. 8 shows an optical system for performing prechirp compensation. Here, among the four prisms, the first prism 31 is fixed, and the second prism 32, the third prism 33, and the fourth prism 34 are movable.

【0006】第2のプリズム32は保持台35上に配置
されており、保持台35には移動のための駆動装置36
が備えられ、駆動部36aが保持台35に連結されてい
る。保持台35は矢印Aで示されるように第1のプリズ
ム31と第2のプリズム32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33や第4のプリズ
ム34の移動機構についても、第2のプリズム32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。
The second prism 32 is arranged on a holding table 35, and a driving device 36 for movement is provided on the holding table 35.
, And the driving unit 36 a is connected to the holding table 35. The holding table 35 is substantially orthogonal to the direction along the optical axis (not shown) connecting the first prism 31 and the second prism 32 as indicated by the arrow A and the arrow A as indicated by the arrow B. It has a moving mechanism that can move in the direction. As the moving mechanism, a fine movement mechanism that is conventionally used, such as a piezoelectric element, may be used. The moving mechanism of the third prism 33 and the fourth prism 34 is also configured in the same manner as the second prism 32, and is not illustrated here. Further, the adjustment direction is not limited to the direction shown in FIG.

【0007】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31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31の入射面31aで波長毎に
分解され、第1のプリズム31の中を拡がって進む。入
射面31a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31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)で示された範囲で拡がる。
[0007] A laser beam emitted from a pulse laser (not shown) enters a first prism 31. As mentioned above, a laser beam has a certain wavelength width,
The laser beam is decomposed for each wavelength on the incident surface 31 a of the prism 31, and spreads through the first prism 31 and proceeds. As the wavelength of light becomes shorter on the incident surface 31a, the laser beam is refracted more strongly. Therefore, the laser beam passing through the first prism 31 has a solid line (longer wavelength side) and a broken line (short wavelength side) as shown in FIG. Expands in the indicated range.

【0008】次に、第1のプリズム31を出射したレー
ザビームは第2のプリズム32に入射する。第2のプリ
ズム32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
32aより出射する。出射面32aから出射したレーザ
ビームは平行な光束に戻る。この時、第1のプリズム3
1と第2のプリズム32の間隔や、第2のプリズム32
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。
Next, the laser beam emitted from the first prism 31 enters the second prism 32. The laser beam incident on the second prism 32 travels different distances on the long wavelength side and the short wavelength side inside the prism, and is emitted from the emission surface 32a. The laser beam emitted from the emission surface 32a returns to a parallel light beam. At this time, the first prism 3
The distance between the first and second prisms 32 and the second prism 32
By changing the relative position with respect to its own optical axis, light with a shorter wavelength can have a shorter optical path length, and light with a longer wavelength can have a longer optical path length. That is, by using such an optical system, it is possible to realize a prechirp compensation in which “light of a short wavelength is emitted first and light of a long wavelength is delayed”.

【0009】そして、第2のプリズム32を出射したレ
ーザビームは第3のプリズム33及び第4のプリズム3
4を通過するが、この時、第2のプリズム32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31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34を出射するレーザビームの光軸が一致
しなくなる。そこで、第3のプリズム33と第4のプリ
ズム34は、第1のプリズム31と移動後の第2のプリ
ズム32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3
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。このような構成によって、従来のプレチ
ャープコンペンセーションでは約10nm以下の波長幅を
持つパルスレーザ光源のパルス幅を調整することができ
るようになっている。
Then, the laser beam emitted from the second prism 32 is applied to the third prism 33 and the fourth prism 3.
At this time, since the optical axis is moved with the movement of the second prism 32, the extension of the optical axis of the laser beam incident on the first prism 31 and the fourth The optical axes of the laser beams emitted from the prism 34 do not coincide. Therefore, the third prism 33 and the fourth prism 34 move so as to be bilaterally symmetric with respect to the arrangement positions of the first prism 31 and the moved second prism 32. As a result, even if the prism moves due to prechirp compensation, the fourth prism 3
The optical axis of the laser beam emitted from the laser beam 4 is kept constant. With such a configuration, the pulse width of a pulse laser light source having a wavelength width of about 10 nm or less can be adjusted in the conventional prechirp compensation.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多光子
励起による蛍光観察を含め一般的な蛍光観察では、蛍光
は標本の特定の部分においてのみしか生じないことが多
いため、標本全体の様子を捉えることが難しいという問
題がある。特に多光子励起では蛍光の発生する領域が極
端に狭くなるため、標本全体の把握がさらに困難にな
る。
However, in general fluorescence observation including fluorescence observation by multiphoton excitation, fluorescence often occurs only in a specific part of the sample, so that the state of the entire sample is captured. There is a problem that is difficult. In particular, in the case of multiphoton excitation, the region where fluorescence is generated becomes extremely narrow, and it becomes more difficult to grasp the entire sample.

【0011】また、従来のプレチャープコンペンセーシ
ョン光学系では、パルス幅の調整できる範囲が狭いた
め、新たな光学系若しくは光学素子を光路に追加した場
合、これらの光学系の追加によるパルス幅の拡がりを抑
えるような調整ができないという問題があった。
Further, in the conventional prechirp compensation optical system, since the range in which the pulse width can be adjusted is narrow, when a new optical system or an optical element is added to the optical path, the pulse width is increased by adding these optical systems. There was a problem that it was not possible to make adjustments to suppress the noise.

【0012】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、1光子励起および多光子励起による蛍光観察が
行えるレーザ走査型蛍光顕微鏡において、標本や目的に
応じて蛍光観察や標本の全体像の観察が同時に行えるレ
ーザ走査型顕微鏡を提供することを目的とするものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems. In a laser scanning fluorescence microscope capable of performing fluorescence observation by one-photon excitation and multi-photon excitation, fluorescence observation and the whole image of the specimen are performed according to the specimen and the purpose. It is an object of the present invention to provide a laser scanning microscope capable of simultaneously observing images.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザ走査型顕微鏡は、近赤外域の波長の
パルスレーザ光源と、該パルスレーザ光源からのレーザ
光を所望の大きさにコリメートするコリメート光学系
と、コリメートされたレーザ光を標本面上に集光する対
物レンズ系と、前記集光されたレーザ光と標本を相対的
に2次元走査する走査手段と、前記標本から発生する蛍
光を検出する蛍光検出光学系を備えたレーザ走査型顕微
鏡において、前記パルスレーザ光源と前記走査手段の間
の光路に配置され、前記パルスレーザ光源からのレーザ
光の一部を反射し残りのレーザ光を透過するように分割
する光路分割素子と、該光路分割素子によって分割され
た一方のレーザ光を再び該光路分割素子に向かって反射
させる光軸方向に移動可能な可動反射光学素子と、前記
可動反射光学素子で反射され前記光路分割素子に再び入
射したレーザ光と前記光路分割素子によって分割された
残りのレーザ光であって標本で反射され前記光路分割素
子に再び入射したレーザ光とによって生じた干渉信号を
検出する干渉信号検出光学系とを有する干渉光学装置を
備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a laser scanning microscope according to the present invention comprises a pulse laser light source having a wavelength in the near infrared region and a laser beam from the pulse laser light source having a desired size. A collimating optical system that collimates the laser beam, an objective lens system that focuses the collimated laser light on the sample surface, scanning means that relatively two-dimensionally scans the collected laser light and the sample, In a laser scanning microscope provided with a fluorescence detection optical system for detecting generated fluorescence, the laser scanning microscope is disposed in an optical path between the pulse laser light source and the scanning unit, and reflects a part of the laser light from the pulse laser light source to a laser beam. An optical path splitting element for splitting the laser light so as to transmit the laser light, and an optical axis direction for reflecting one of the laser lights split by the optical path splitting element toward the optical path splitting element again. A possible movable reflective optical element, the laser light reflected by the movable reflective optical element and re-entering the optical path splitting element, and the remaining laser light split by the optical path splitting element and reflected by a sample and reflected by the sample; And an interference signal detecting optical system for detecting an interference signal generated by the laser light incident again on the optical disc.

【0014】このような構成により、レーザ走査型顕微
鏡による1光子も含む多光子励起による蛍光観察に加え
て、干渉光学装置による低コヒーレンス干渉観察で標本
全体の様子を観察することができ、例えば組織細胞内部
の細胞の輪郭を低コヒーレンス干渉観察しながら、その
中で蛍光色素を付けられた特定の構造(染色体等)の蛍光
観察や特定のイオンからの信号検出等が可能になる。
With such a configuration, in addition to the fluorescence observation by multiphoton excitation including one photon by the laser scanning microscope, the state of the whole sample can be observed by the low coherence interference observation by the interference optical device. While observing the outline of the cell inside the cell with low coherence interference observation, it becomes possible to observe the fluorescence of a specific structure (chromosome or the like) to which a fluorescent dye is attached and detect a signal from a specific ion.

【0015】また、本発明の他のレーザ走査型顕微鏡
は、前記パルスレーザ光源の前記標本上でのパルス幅を
調整するパルス幅調整光学系を具備していることを特徴
としている。低コヒーレンス干渉観察を高分解能で行う
為には、レーザの波長幅が大きくコヒーレンス長が短い
方が良いが、波長幅を大きくすると光学系通過に伴うパ
ルス幅の拡がりが非常に大きく、標本面での単位時間当
たりの光子数が少なくなり多光子励起が起こらなくなっ
てしまう。そのため、本発明のようにパルス幅調整光学
系を具備することで光学系通過に伴うパルス幅の拡がり
が相殺できるため、標本面でのパルス幅が小さくなり、
多光子励起が十分起こり得る光子密度を保つことができ
る。
Further, another laser scanning microscope of the present invention is characterized in that it comprises a pulse width adjusting optical system for adjusting a pulse width of the pulse laser light source on the sample. In order to perform low coherence interference observation with high resolution, it is better that the laser wavelength width is large and the coherence length is short, but if the wavelength width is increased, the pulse width spread through the optical system is very large, and , The number of photons per unit time decreases, and multiphoton excitation does not occur. Therefore, by providing the pulse width adjusting optical system as in the present invention, the spread of the pulse width accompanying the optical system can be offset, so that the pulse width on the sample surface is reduced,
The photon density at which multiphoton excitation can sufficiently occur can be maintained.

【0016】また、本発明の他のレーザ走査型顕微鏡
は、前記パルスレーザ光源の発振波長の半値全幅Δλ(n
m)が可変であり、その可変範囲が以下の条件(1)を満
足することを特徴としている。この範囲に発振波長の半
値全幅を保つことにより、パルス幅調整光学系を有しな
い場合に於いても観察に支障のない分解能を持つ低コヒ
ーレンス干渉観察と多光子励起蛍光観察が可能になる。 (1)3≦Δλ≦100 また、本発明の他のレーザ走査型顕微鏡は、前記光路分
割素子と前記可動反射光学素子の間に、前記光路分割素
子からのレーザ光を集光する少なくとも1枚のダブレッ
トを含むファイバカップリング光学系と、集光されたレ
ーザ光を伝送するシングルモードファイバと、該シング
ルモードファイバから射出したレーザ光をコリメートす
る少なくとも1枚のダブレットを含むコリメート光学系
を配置したことを特徴としている。
Further, another laser scanning microscope of the present invention provides a full width at half maximum Δλ (n
m) is variable, and its variable range satisfies the following condition (1). By keeping the full width at half maximum of the oscillation wavelength in this range, low coherence interference observation and multiphoton excitation fluorescence observation with a resolution that does not hinder the observation can be performed even without the pulse width adjusting optical system. (1) 3 ≦ Δλ ≦ 100 Further, another laser scanning microscope of the present invention comprises at least one laser beam for condensing laser light from the optical path splitting element between the optical path splitting element and the movable reflective optical element. A fiber coupling optical system including a doublet, a single mode fiber for transmitting a focused laser beam, and a collimating optical system including at least one doublet for collimating the laser beam emitted from the single mode fiber are arranged. It is characterized by:

【0017】そのため、光路分割素子と可動反射光学素
子の間の光路を長くしても、上記のような構成であれば
シングルモードファイバをリング状に束ねることができ
るため、光路分割素子と可動反射光学素子の間の距離を
短くすることができ、干渉光学装置をコンパクトにする
ことができる。また、光路分割素子と可動反射光学素子
の間に光路折り曲げミラーを配置し、光路を数回曲げて
干渉光学装置をコンパクトにするような方法に比べる
と、高精度な面精度や傾き調整精度を必要とする光路折
り曲げミラーが不要になる。更に、ファイバカップリン
グ光学系及びコリメート光学系にはダブレットレンズを
用いて球面収差と色収差を良好に補正しているため、参
照光の波面をシングルモードファイバを使用しない場合
とおおよそ同じ波面にすることができる。
Therefore, even if the optical path between the optical path splitting element and the movable reflection optical element is lengthened, the single mode fiber can be bundled in a ring shape with the above-described configuration. The distance between the optical elements can be reduced, and the interference optical device can be made compact. Also, compared to a method in which an optical path bending mirror is arranged between the optical path splitting element and the movable reflective optical element, and the optical path is bent several times to make the interference optical device compact, high accuracy of surface accuracy and tilt adjustment accuracy is achieved. The required optical path bending mirror becomes unnecessary. Furthermore, since the spherical aberration and chromatic aberration are well corrected by using a doublet lens in the fiber coupling optical system and the collimating optical system, the wavefront of the reference light should be approximately the same as when no single mode fiber is used. Can be.

【0018】[0018]

【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。第1図は蛍光観察と低コヒーレンス干渉観察が可
能な光学装置で、蛍光観察および干渉観察用の光源であ
るパルスレーザ光源1、パルスレーザ光源1から出射し
たレーザ光束を所望の大きさに拡大するコリメート光学
系2、標本9の干渉像を生成する干渉光学系3を構成し
ている光路分割素子であるビームスプリッタ3aと可動
反射光学素子である可動ミラー3b及び光量調整機構3
c、干渉信号を検出する干渉信号検出光学系4を構成し
ている集光レンズ4aとピンホール4b及び光検出器4
c、標本9上でレーザ光を走査する走査手段である走査
光学系5、走査光学系5からのレーザ光束を対物レンズ
8へ導く瞳投影レンズ6、結像レンズ7、レーザ光束を
標本9上に集光する対物レンズ8、標本9を透過した透
過光や、蛍光を透過検出する透過光検出光学系10を構
成しているコンデンサレンズ10aと蛍光カットフィル
タ10b及び光検出器10c、標本9で発生した蛍光を
検出する蛍光検出光学系11を構成しているダイクロイ
ックミラー11aと集光レンズ11bと光検出器11c
及びピンホール11d、各検出光学系の出力から夫々の
画像を生成する画像処理装置12、画像を表示する画像
表示装置13で構成されている。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an optical device capable of fluorescence observation and low coherence interference observation. The pulse laser light source 1 is a light source for fluorescence observation and interference observation, and a laser beam emitted from the pulse laser light source 1 is enlarged to a desired size. The collimating optical system 2, the beam splitter 3 a as an optical path splitting element, the movable mirror 3 b as a movable reflecting optical element, and the light amount adjusting mechanism 3 constituting the interference optical system 3 for generating an interference image of the sample 9.
c, Condensing lens 4a, pinhole 4b, and photodetector 4 constituting interference signal detection optical system 4 for detecting an interference signal
c, a scanning optical system 5 which is a scanning means for scanning the sample 9 with a laser beam, a pupil projection lens 6 for guiding a laser beam from the scanning optical system 5 to an objective lens 8, an imaging lens 7, and a laser beam on the sample 9. The condenser lens 10a, the fluorescence cut filter 10b, the photodetector 10c, and the specimen 9 which constitute the transmitted light transmitted through the specimen 9 and the transmitted light transmitted through the specimen 9, and the transmitted light detection optical system 10 that detects and transmits the fluorescence. A dichroic mirror 11a, a condenser lens 11b, and a photodetector 11c, which constitute a fluorescence detection optical system 11 for detecting the generated fluorescence.
And an image processing device 12 for generating respective images from the outputs of the respective detection optical systems, and an image display device 13 for displaying the images.

【0019】この光学装置の全体構成は以上のようにな
っているが、機能別に分けると干渉光学系3および干渉
信号を検出する干渉信号検出光学系4が低コヒーレンス
干渉装置の主要部分を構成し、走査光学系5、蛍光検出
光学系11、及び透過光検出光学系10がレーザ走査型
顕微鏡の主要部分を構成している。なお、パルスレーザ
光源1や瞳投影レンズ6、結像レンズ7、対物レンズ8
は、低コヒーレンス干渉装置とレーザ走査型顕微鏡の両
方の装置に共通して用いられる。
The overall configuration of this optical device is as described above. When classified by function, the interference optical system 3 and the interference signal detection optical system 4 for detecting an interference signal constitute the main part of the low coherence interference device. , The scanning optical system 5, the fluorescence detecting optical system 11, and the transmitted light detecting optical system 10 constitute a main part of the laser scanning microscope. The pulse laser light source 1, the pupil projection lens 6, the imaging lens 7, and the objective lens 8
Is commonly used for both the low coherence interferometer and the laser scanning microscope.

【0020】パルスレーザ光源1は単光子励起もしくは
多光子励起用に用いられるレーザ光源であるが、多光子
励起の場合はサブピコ秒のパルスレーザが特に適してい
る。そして、波長域としては近赤外域が適している。ま
た、レーザ光束の偏光状態は直線偏光が望ましいが、ラ
ンダム偏光であっても、偏光素子と組み合わせて直線偏
光を得るようにしても良い。
The pulse laser light source 1 is a laser light source used for single-photon excitation or multi-photon excitation. In the case of multi-photon excitation, a sub-picosecond pulse laser is particularly suitable. The near infrared region is suitable as the wavelength region. The polarization state of the laser beam is desirably linearly polarized light. However, even if the polarization state is random polarization, linear polarization may be obtained in combination with a polarizing element.

【0021】さらに、パルスレーザ光源1は、発振波長
の半値全幅Δλ(nm)が可変であり、その可変範囲が以
下の条件(1)を満足することが望ましい。発振波長の
半値全幅がこの範囲であれば、観察に支障のない分解能
を持つ低コヒーレンス干渉観察と多光子励起蛍光観察が
できる。 (1)3≦Δλ≦100 ここで、下限の3nmを下回る時は、レーザのコヒーレン
ス長が長くなりすぎて、低コヒーレンス干渉観察の分解
能が悪くなってしまう。逆に上限の100nmを上回る時
は、多光子励起を発生させるためにパルスレーザ光源1
の光強度を非常に大きくしなければならず、標本にダメ
ージを与えてしまう。
Further, it is desirable that the pulse laser light source 1 has a variable full width at half maximum Δλ (nm) of the oscillation wavelength, and that the variable range satisfies the following condition (1). If the full width at half maximum of the oscillation wavelength is in this range, low coherence interference observation and multiphoton excitation fluorescence observation with a resolution that does not hinder observation can be performed. (1) 3 ≦ Δλ ≦ 100 Here, when the value is below the lower limit of 3 nm, the coherence length of the laser becomes too long, and the resolution of low coherence interference observation deteriorates. Conversely, when the upper limit of 100 nm is exceeded, the pulse laser light source 1 is used to generate multiphoton excitation.
The light intensity of the light must be very high, which will damage the specimen.

【0022】更に、プレチャープコンペンセーション光
学系を有する場合で、高分解能の低コヒーレンス干渉観
察を重視する場合は、以下の条件(1’)を満たすこと
が望ましい。 (1’)15≦Δλ≦100 ここで、下限の15nmを下回る時は、レーザのコヒーレ
ンス長が長く、十分な高分解能の低コヒーレンス干渉観
察ができなくなる。逆に上限の100nmを上回る時は、
プレチャープコンペンセーション光学系でも十分には補
正しきれないため、やはり多光子励起を発生させるため
にパルスレーザ光源1の光強度を非常に大きくしなけれ
ばならず、標本にダメージを与えてしまう。
Further, when a pre-chirp compensation optical system is used and high-resolution low-coherence interference observation is emphasized, it is desirable that the following condition (1 ') is satisfied. (1 ′) 15 ≦ Δλ ≦ 100 Here, when the value is below the lower limit of 15 nm, the coherence length of the laser is long, and it becomes impossible to perform low-coherence interference observation with sufficiently high resolution. Conversely, when the upper limit of 100 nm is exceeded,
Even with the pre-chirp compensation optical system, the correction cannot be sufficiently performed, so that the light intensity of the pulse laser light source 1 must be very high in order to generate multiphoton excitation, and the specimen is damaged.

【0023】近赤外域の波長の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光源1から出射し
た光束は、2つのレンズでアフォーカル光学系を構成す
るコリメート光学系2で所望の大きさにコリメートさ
れ、干渉光学系3に入射する。なお、半導体レーザの様
にレーザ光源から出射するレーザ光束が1点から発散す
るような発散ビームである場合は、コリメート光学系2
はその発散ビームを所望の大きさにコリメートするだけ
の単レンズ若しくは複数のレンズを組み合わせたいわゆ
るコリメータでも良い。
A light beam emitted from a pulse laser light source 1 for emitting a sub-picosecond monochromatic coherent light pulse having a wavelength in the near infrared region is collimated to a desired size by a collimating optical system 2 comprising an afocal optical system with two lenses. And enters the interference optical system 3. When the laser beam emitted from the laser light source is a divergent beam diverging from one point like a semiconductor laser, the collimating optical system 2
May be a single lens for collimating the divergent beam to a desired size or a so-called collimator combining a plurality of lenses.

【0024】干渉光学系3は、光路分割素子であるビー
ムスプリッタ3a、可動反射光学素子である可動ミラー
3b及び光量調整機構3cを備えている。干渉光学系3
に入射したレーザ光束はビームスプリッタ3aによって
分割され、入射したレーザ光束の一部が透過され、残り
の光束は反射される。
The interference optical system 3 includes a beam splitter 3a as an optical path splitting element, a movable mirror 3b as a movable reflection optical element, and a light amount adjusting mechanism 3c. Interference optical system 3
Is split by the beam splitter 3a, a part of the incident laser beam is transmitted, and the remaining beam is reflected.

【0025】ビームスプリッタ3aで反射されたレーザ
光束すなわち参照光は、進行方向前方に配置された光量
調整機構3cに入射して光量調整が行われる。光量調整
機構3cを通過した参照光は、可動ミラー3bに入射す
る。可動ミラー3bはミラー面が光軸に対して垂直に配
置されているため、可動ミラー3bに入射した参照光は
入射した方向と逆向きに反射される。なお、可動ミラー
3bは後述する標本から反射した反射光と参照光の合成
によって生じる干渉縞がコントラスト良く生じるよう
に、図示しない移動機構によってその位置が光軸方向に
移動する。可動ミラー3bで反射した参照光は、ビーム
スプリッタ3aを透過し干渉信号検出光学系4に入射す
る。
The laser beam reflected by the beam splitter 3a, that is, the reference light, is incident on a light amount adjusting mechanism 3c disposed forward in the traveling direction, and the light amount is adjusted. The reference light that has passed through the light amount adjustment mechanism 3c enters the movable mirror 3b. Since the mirror surface of the movable mirror 3b is arranged perpendicular to the optical axis, the reference light incident on the movable mirror 3b is reflected in a direction opposite to the incident direction. The position of the movable mirror 3b is moved in the direction of the optical axis by a moving mechanism (not shown) so that interference fringes generated by combining reflected light reflected from the specimen and reference light, which will be described later, are generated with good contrast. The reference light reflected by the movable mirror 3b passes through the beam splitter 3a and enters the interference signal detection optical system 4.

【0026】一方、ビームスプリッタ3aを透過したレ
ーザ光束はダイクロイックミラー11aを透過し、走査
光学系5に入射する。ダイクロイックミラー11aは蛍
光検出光学系11を構成する光学素子の一つで、近赤外
域の波長の光を透過しそれよりも短い波長の光、すなわ
ち蛍光を反射する特性を有している。
On the other hand, the laser beam transmitted through the beam splitter 3a transmits through the dichroic mirror 11a and enters the scanning optical system 5. The dichroic mirror 11a is one of the optical elements constituting the fluorescence detection optical system 11, and has a property of transmitting light having a wavelength in the near infrared region and reflecting light having a shorter wavelength, that is, fluorescence.

【0027】走査光学系5はテレビのラスター走査のよ
うにレーザ光束を2次元走査するために、ガルバノメー
タスキャナやポリゴンスキャナのような図示しない光偏
向素子を2つ組み合わせればよいが、1つの光偏向素子
で2次元走査することもできるので少なくとも1つ光偏
向素子を備えていれば良い。なお、走査光学系5を使用
しない場合、代わりの走査手段として、標本9を保持す
る図示しないステージを2次元走査することでも走査光
学系5と同様の機能を達成するすることができる。
The scanning optical system 5 may be constituted by combining two not-shown light deflecting elements such as a galvanometer scanner and a polygon scanner in order to two-dimensionally scan a laser beam like raster scanning of a television. Since two-dimensional scanning can be performed by the deflecting element, at least one light deflecting element may be provided. When the scanning optical system 5 is not used, the same function as the scanning optical system 5 can be achieved by performing two-dimensional scanning of a stage (not shown) holding the specimen 9 as an alternative scanning unit.

【0028】走査光学系5を出射したレーザ光束は瞳投
影レンズ6によって、対物レンズ8の像位置I’に集光
する。この時、瞳投影レンズ7から出射したレーザ光束
はテレセントリックになっていることが低コヒーレンス
干渉観察に関しては望ましい。それは、瞳の伝搬を波面
で考えた時に、平面波として射出することが干渉観察に
は重要だからである。このためには、結像レンズ7の対
物レンズ8側の焦点位置が対物レンズ8の瞳位置に一致
している必要があるが、それ程厳密なものではなく、±
5mm程度の誤差であれば十分許容できる範囲内であ
る。
The laser beam emitted from the scanning optical system 5 is focused by the pupil projection lens 6 on the image position I 'of the objective lens 8. At this time, it is desirable that the laser beam emitted from the pupil projection lens 7 be telecentric for low coherence interference observation. This is because, when the propagation of the pupil is considered on the wavefront, it is important for the interference observation that the light is emitted as a plane wave. For this purpose, it is necessary that the focal position of the imaging lens 7 on the objective lens 8 side coincides with the pupil position of the objective lens 8, but it is not so strict and ±
An error of about 5 mm is within a sufficiently allowable range.

【0029】像位置I’は結像レンズ7及び対物レンズ
8によって標本9上に縮小投影されるため、標本9では
微小なレーザのスポットによる2次元走査の照明が行な
われる。なお、瞳投影レンズ6と結像レンズ7によっ
て、対物レンズ8の瞳位置と光偏向素子とは共役な関係
になっている。そして、レーザが照射された標本9から
は、標本内で反射する反射光と、標本を透過する透過光
が生じるほかに、標本が蛍光色素で染色されている場合
は蛍光が生じる。
Since the image position I 'is reduced and projected onto the sample 9 by the imaging lens 7 and the objective lens 8, the sample 9 is illuminated by two-dimensional scanning with a minute laser spot. The pupil position of the objective lens 8 and the optical deflecting element are conjugated by the pupil projection lens 6 and the imaging lens 7. Then, from the sample 9 irradiated with the laser, reflected light reflected inside the sample and transmitted light transmitted through the sample are generated, and when the sample is stained with a fluorescent dye, fluorescence is generated.

【0030】このうち、透過光と蛍光の一部は透過光検
出光学系10に入射する。透過光検出光学系10はコン
デンサレンズ10a、蛍光カットフィルタ10b、光検
出器10cで構成されている。標本9からの透過光及び
蛍光はコンデンサレンズ10aによってコリメートさ
れ、蛍光カットフィルタ10bに入射するが、蛍光カッ
トフィルタ10bはレーザ光源と同じ波長である透過光
を透過し、透過光よりも短い波長の蛍光を反射あるいは
吸収する特性を有しているため、透過光のみが10cに
達する。光検出器10cでは透過光の光強度に応じて電
気信号が発生し、その電気信号は画像処理装置12へ送
られる。
Among these, a part of the transmitted light and the fluorescence enters the transmitted light detection optical system 10. The transmitted light detection optical system 10 includes a condenser lens 10a, a fluorescence cut filter 10b, and a photodetector 10c. The transmitted light and the fluorescent light from the specimen 9 are collimated by the condenser lens 10a and enter the fluorescent cut filter 10b. The fluorescent cut filter 10b transmits the transmitted light having the same wavelength as the laser light source and has a wavelength shorter than the transmitted light. Since it has the property of reflecting or absorbing fluorescence, only transmitted light reaches 10c. In the photodetector 10c, an electric signal is generated according to the light intensity of the transmitted light, and the electric signal is sent to the image processing device 12.

【0031】一方、反射光と蛍光の一部は、再び対物レ
ンズ8に入射し、結像レンズ7、瞳投影レンズ6、走査
光学系5を通過してダイクロイックミラー11aに達す
る。ここで、ダイクロイックミラー11aは蛍光検出光
学系11に蛍光を導くために、レーザ光源と同じ波長で
ある反射光を透過し、反射光よりも短い波長の蛍光を反
射する特性を有している。そのため、蛍光のみがダイク
ロイックミラー11aで反射され、集光レンズ11bに
よって光検出器11cに集められる。光検出器11cで
は蛍光の光強度に応じて電気信号が発生し、その電気信
号は画像処理装置12へ送られる。なお、集光レンズ1
1bの集光位置にピンホール11dを移動可能にしてお
き、走査光学系5を挿脱することによって共焦点光学系
か非共焦点光学系を選択的に形成することもできる。
On the other hand, a part of the reflected light and the fluorescence enters the objective lens 8 again, passes through the imaging lens 7, the pupil projection lens 6, and the scanning optical system 5, and reaches the dichroic mirror 11a. Here, in order to guide the fluorescence to the fluorescence detection optical system 11, the dichroic mirror 11a has a characteristic of transmitting reflected light having the same wavelength as the laser light source and reflecting fluorescence having a shorter wavelength than the reflected light. Therefore, only the fluorescence is reflected by the dichroic mirror 11a, and is collected by the light detector 11c by the condenser lens 11b. The photodetector 11c generates an electric signal according to the intensity of the fluorescent light, and the electric signal is sent to the image processing device 12. Note that the condenser lens 1
The confocal optical system or the non-confocal optical system can be selectively formed by making the pinhole 11d movable at the light condensing position 1b and inserting and removing the scanning optical system 5.

【0032】ダイクロイックミラー11aを透過した反
射光は、干渉光学系3に入射しビームスプリッタ3aで
反射され、可動ミラー3bで反射された参照光と同軸に
合成される。この時、参照光の光路長と反射光の光路長
が合うように可動ミラー3bは光軸方向に移動を行うた
め、合成された参照光と反射光とで干渉が起き、この干
渉光によって生じた干渉信号は干渉信号検出光学系4で
検出される。干渉光学系3及び干渉信号検出光学系4で
構成された低コヒーレンス干渉装置では、分解能を決め
るパルスレーザのコヒーレンス長Lcは、レーザ発振の
中心波長λoとその半値全幅Δλにより決まり、以下の
式より計算される。 Lc = (λo)2/Δλ 例えば、λo=850nm、Δλ=30nmとするとLcは2
5μmとなり、このようなパルスレーザを用いれば、光
軸方向の分解能が25μm以下、実際にコントラスト良
く観察されるのはその1/10程度であるため、実質分
解能2.5μm程度の干渉像が得られることになる。
The reflected light transmitted through the dichroic mirror 11a enters the interference optical system 3, is reflected by the beam splitter 3a, and is coaxially combined with the reference light reflected by the movable mirror 3b. At this time, the movable mirror 3b moves in the optical axis direction so that the optical path length of the reference light matches the optical path length of the reflected light, so that interference occurs between the synthesized reference light and the reflected light, and the interference light causes the interference. The generated interference signal is detected by the interference signal detection optical system 4. In the low coherence interferometer composed of the interference optical system 3 and the interference signal detection optical system 4, the coherence length Lc of the pulse laser that determines the resolution is determined by the center wavelength λo of laser oscillation and its full width at half maximum Δλ. Is calculated. Lc = (λo) 2 / Δλ For example, if λo = 850 nm and Δλ = 30 nm, Lc is 2
When such a pulsed laser is used, the resolution in the optical axis direction is 25 μm or less, and only about 1/10 of that observed with good contrast provides an interference image with a substantial resolution of about 2.5 μm. Will be done.

【0033】干渉信号検出光学系4は、集光レンズ4
a、ピンホール4b、光検出器4cで構成されており、
ビームスプリッタ3aで合成された干渉光は集光レンズ
4aで集光されるが、集光位置にはピンホール4bが配
置されており、ピンホール4bを通過して光検出器4c
に入射する。なお、干渉信号検出光学系は共焦点光学系
となっているため、低コヒーレンス干渉観察の光軸方向
及び面内分解能をより向上させ、且つ高コントラストの
観察像を得ることができる。光検出器4cでは干渉光の
光強度に応じて電気信号が発生し、その電気信号は画像
処理装置12へ送られる。
The interference signal detecting optical system 4 includes a condenser lens 4
a, a pinhole 4b, and a photodetector 4c.
The interference light synthesized by the beam splitter 3a is condensed by the condensing lens 4a, but a pinhole 4b is disposed at the condensing position, and passes through the pinhole 4b and passes through the photodetector 4c.
Incident on. Since the interference signal detection optical system is a confocal optical system, it is possible to further improve the optical axis direction and the in-plane resolution of the low coherence interference observation and obtain a high-contrast observation image. The photodetector 4c generates an electric signal according to the light intensity of the interference light, and the electric signal is sent to the image processing device 12.

【0034】画像処理装置12へ各光検出器から送られ
た電気信号は、走査光学系5の走査に同期して標本9の
画像を形成し画像表示装置13に表示する。なお、画像
表示装置に表示する画像は状況に応じて同時に表示する
ことや、それぞれを切替えて表示することができる。
The electric signal sent from each photodetector to the image processing device 12 forms an image of the specimen 9 in synchronization with the scanning of the scanning optical system 5 and displays the image on the image display device 13. The images displayed on the image display device can be displayed simultaneously according to the situation, or can be switched and displayed.

【0035】以上のように本実施の形態では、蛍光観察
と低コヒーレンス干渉観察が可能な光学系を有している
ため、通常の1光子も含む多光子励起による蛍光観察と
低コヒーレンス干渉観察を行うことができる。また、走
査光学系が光束偏向手段と瞳投影レンズから構成されて
おり、該瞳投影レンズからの射出ビームがほぼテレセン
トリックになっているため、瞳の伝搬を波面で考えた時
に、ほぼ平面波として射出することから、干渉光学系に
適した光学系を構成している。
As described above, since the present embodiment has an optical system capable of fluorescence observation and low coherence interference observation, fluorescence observation and low coherence interference observation by ordinary multiphoton excitation including one photon are performed. It can be carried out. Also, the scanning optical system is composed of a light beam deflecting means and a pupil projection lens, and the exit beam from the pupil projection lens is almost telecentric. Therefore, an optical system suitable for the interference optical system is configured.

【0036】なお、本発明の実施の形態では、ビームス
プリッタ3aで反射したレーザ光を低コヒーレンス干渉
光学装置に用い、透過したレーザ光をレーザ走査型顕微
鏡に用いているが、逆にビームスプリッタ3aで反射し
たレーザ光をレーザ走査型顕微鏡に用い、透過したレー
ザ光を低コヒーレンス干渉光学装置に用いても良い。
In the embodiment of the present invention, the laser beam reflected by the beam splitter 3a is used for a low coherence interference optical device, and the transmitted laser beam is used for a laser scanning microscope. The reflected laser light may be used for a laser scanning microscope, and the transmitted laser light may be used for a low coherence interference optical device.

【0037】[0037]

【第1実施例】第1実施例を図2に示す。本実施例は高
分解能の低コヒーレンス干渉観察と、2光子励起蛍光観
察を同時に行うことができる光学装置である。第1図と
同じ構成要素については同じ番号を付し、その詳細な説
明は省略する。また、画像処理装置及び画像表示装置は
省略している。
First Embodiment FIG. 2 shows a first embodiment. This embodiment is an optical device that can simultaneously perform high-resolution low-coherence interference observation and two-photon excitation fluorescence observation. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Further, an image processing device and an image display device are omitted.

【0038】本実施例では2光子励起に適したパルスレ
ーザ光源として、近赤外域の波長のサブピコ秒のコヒー
レント光パルスを発するパルスレーザ光源1を用いてい
るが、具体的には直線偏光で波長が850nm、Δλ(波
長幅)=50nmのレーザ光束を出射する。前述のよう
に、コヒーレンス干渉観察を高分解能で行う為には、レ
ーザの波長幅が大きく、コヒーレンス長が短い方が良い
が、波長幅が大きいと、光学系通過に伴うパルス幅の拡
がりが非常に大きく、標本面での単位時間当たりの光子
数が少なくなり、多光子励起が起こらなくなってしま
う。そのため、本実施例では多光子励起が起こるような
パルス幅が標本上で得られるように、パルス幅調整光学
系として、プリズムペアからなるプレチャープコンペン
セーション光学系14を備えている。
In this embodiment, the pulse laser light source 1 that emits a sub-picosecond coherent light pulse having a wavelength in the near infrared region is used as a pulse laser light source suitable for two-photon excitation. Emits a laser beam of 850 nm and Δλ (wavelength width) = 50 nm. As described above, in order to perform coherence interference observation at a high resolution, it is better that the laser wavelength width is large and the coherence length is short, but if the wavelength width is large, the pulse width due to passage through the optical system is extremely widened. And the number of photons per unit time on the sample surface decreases, and multiphoton excitation does not occur. Therefore, in this embodiment, a prechirp compensation optical system 14 composed of a prism pair is provided as a pulse width adjusting optical system so that a pulse width that causes multiphoton excitation is obtained on the sample.

【0039】本実施例ではプレチャープコンペンセーシ
ョン光学系14を構成するプリズムに、頂角が小さいプ
リズムやアッベ数の小さいガラス材料で作られたプリズ
ムを使用している。このようなプリズムを用いると、わ
ずかなプリズムの移動でより大きなパルス幅の調整が行
えるため、プレチャープコンペンセーション光学系の大
型化を防ぐことができる。なお、プリズムの頂角は45
°以下、ガラス材料のアッベ数は50以下にするのがよ
り望ましい。
In this embodiment, a prism having a small apex angle or a prism made of a glass material having a small Abbe number is used as the prism constituting the prechirp compensation optical system 14. If such a prism is used, a larger pulse width can be adjusted with a slight movement of the prism, so that an increase in the size of the prechirp compensation optical system can be prevented. Note that the apex angle of the prism is 45
° or less, the Abbe number of the glass material is more desirably 50 or less.

【0040】パルスレーザ光源1から出射したレーザ光
束は、プリズムペアからなるプレチャープコンペンセー
ション光学系14に入射する。ここで、プレチャープコ
ンペンセーションが行われ、レーザ光束は多光子励起が
可能なパルス幅になるように調整が行われる。プレチャ
ープコンペンセーション光学系14を出た光束は、コリ
メート光学系2で所望の大きさにコリメートされ、分割
比1:1のビームスプリッタ3aに入射する。ビームス
プリッタ3aで反射されたレーザ光束すなわち参照光
は、光量調整機構である回転式の透過率可変NDフィル
タ15を介して参照ミラー3bで反射され、光路を逆進
しビームスプリッタ3aを透過する。回転式の透過率可
変NDフィルタ15は、例えば円盤状のガラス基板上
に、その円周方向に透過率が段階的に変化する薄膜を蒸
着したもので、後述する標本からの反射光と参照光の光
量をほぼ同じ強度にして、最適な干渉縞のコントラスト
を得るために用いられる。
The laser beam emitted from the pulse laser light source 1 enters a prechirp compensation optical system 14 composed of a prism pair. Here, pre-chirp compensation is performed, and the laser beam is adjusted to have a pulse width that allows multiphoton excitation. The light beam that has exited the prechirp compensation optical system 14 is collimated to a desired size by the collimating optical system 2 and enters the beam splitter 3a having a division ratio of 1: 1. The laser beam reflected by the beam splitter 3a, that is, the reference light, is reflected by the reference mirror 3b via a rotary variable transmittance ND filter 15, which is a light amount adjustment mechanism, travels backward in the optical path and passes through the beam splitter 3a. The rotary transmittance variable ND filter 15 is formed, for example, by depositing a thin film whose transmittance changes stepwise in the circumferential direction on a disk-shaped glass substrate. Are used to obtain the optimum contrast of interference fringes with the same light intensity.

【0041】一方、ビームスプリッタ3aを透過したレ
ーザ光束は走査光学系5、瞳投影レンズ6、結像レンズ
7、ダイクロイックミラー11aを通過し、対物レンズ
8で集光され標本9を微小なレーザのスポットで走査す
る。標本9からは、レーザ光で励起されて標本9から発
するレーザ光よりも短い波長の蛍光と、標本9で反射さ
れるレーザ光と同じ波長の反射光が生じ、入射した光路
を逆に戻っていく。本実施例ではパルスレーザ光源1の
波長が850nmで、2光子励起される蛍光の波長を50
0〜600nm程度と想定している。そのため、ダイクロ
イックミラー11aは図3に示すように、450nm〜6
50nmの波長の光を反射させ、700nm以上の波長の光
を透過させるような分光特性を有している。
On the other hand, the laser beam transmitted through the beam splitter 3a passes through a scanning optical system 5, a pupil projection lens 6, an imaging lens 7, and a dichroic mirror 11a. Scan with spots. From the sample 9, fluorescence having a shorter wavelength than the laser light emitted from the sample 9 when excited by the laser light and reflected light having the same wavelength as the laser light reflected by the sample 9 are generated. Go. In this embodiment, the wavelength of the pulse laser light source 1 is 850 nm, and the wavelength of the fluorescence excited by two photons is 50 nm.
It is assumed to be about 0 to 600 nm. Therefore, the dichroic mirror 11a has a wavelength of 450 nm to 6 nm as shown in FIG.
It has a spectral characteristic that reflects light having a wavelength of 50 nm and transmits light having a wavelength of 700 nm or more.

【0042】標本9からの光のうち、ダイクロイックミ
ラー11aでは蛍光のみが反射され、集光レンズ11b
で集光された後、光検出器11cに達し蛍光の検出が行
われる。なお、ダイクロイックミラー11aは蛍光のみ
を反射するようになっているが、実際にはレーザ光が多
少反射されることもあるため、ダイクロイックミラー1
1aと蛍光検出光学系11cの間にレーザカットフィル
タ16を設け、レーザ光が光検出器11cに達するのを
防いでいる。
Of the light from the sample 9, only the fluorescent light is reflected by the dichroic mirror 11a, and the condensing lens 11b
After the light is condensed, the light reaches the photodetector 11c and the fluorescence is detected. Although the dichroic mirror 11a reflects only the fluorescence, the dichroic mirror 1a actually reflects some laser light.
A laser cut filter 16 is provided between 1a and the fluorescence detection optical system 11c to prevent laser light from reaching the photodetector 11c.

【0043】本実施例では、蛍光を走査光学系5よりも
標本側で検出しているので、光検出器11cの位置で
は、走査に同期して集光レンズ11bによる蛍光の集光
位置が移動する。そのため、集光位置にピンホールを配
置したいわゆる共焦点光学系を構成することは難しい
が、2光子励起法によって標本を励起すること自体が共
焦点効果と同様の効果を有するため、蛍光検出光学11
を本実施例のように配置しても共焦点効果と同様な効果
を得ることができる。
In this embodiment, since the fluorescence is detected on the specimen side with respect to the scanning optical system 5, the position where the fluorescence is condensed by the condenser lens 11b moves in synchronization with the scanning at the position of the photodetector 11c. I do. Therefore, it is difficult to configure a so-called confocal optical system in which a pinhole is arranged at the light condensing position. However, since the excitation of the sample by the two-photon excitation method itself has the same effect as the confocal effect, the fluorescence detection 11
Can be obtained as in the present embodiment, the same effect as the confocal effect can be obtained.

【0044】標本9で反射された光はダイクロイックミ
ラー11aを通過後、蛍光カットフィルタ17に入射す
る。蛍光カットフィルタ17ではダイクロイックミラー
11aを透過したわずかな蛍光が除去され、反射光のみ
が透過する。反射光は光路をさらに逆に戻り、ビームス
プリッタ3aに達する。そして、反射光は上記ビームス
プリッタ3aで反射されて、参照光と同軸に合成され
る。ここで、反射光の光路長と参照光の光路長を合わせ
るように可動ミラー3bの位置が調整され干渉が生じ
る。干渉光は集光レンズ4aにより集光し、集光位置に
置かれた微小な共焦点ピンホール4bを透過した光のみ
が光検出器4cで検出される。
The light reflected by the sample 9 passes through the dichroic mirror 11a and then enters the fluorescent cut filter 17. The fluorescent cut filter 17 removes a small amount of fluorescent light transmitted through the dichroic mirror 11a, and transmits only reflected light. The reflected light returns further in the optical path and reaches the beam splitter 3a. The reflected light is reflected by the beam splitter 3a and is coaxially synthesized with the reference light. Here, the position of the movable mirror 3b is adjusted so that the optical path length of the reflected light and the optical path length of the reference light are matched, and interference occurs. The interference light is condensed by the condensing lens 4a, and only the light transmitted through the minute confocal pinhole 4b placed at the condensing position is detected by the photodetector 4c.

【0045】本実施例では、パルスレーザ光源1のΔλ
が50nmもあるため、光学系を通過することによるパル
ス幅の拡がりが非常に大きくなる。そのため、このまま
ではレーザ光束を標本に照射した時に2光子励起を発生
させることが難しくなる。そこで本実施例では、プレチ
ャープコンペンセーション光学系14を設け、光学系を
通過することによって生じるパルス幅の拡がりを予めプ
レチャープコンペンセーション光学系14で相殺するこ
とにより、標本9でのパルス幅の拡がりを抑えるように
している。また、このレーザ1のコヒーレンス長Lcは
約14.5μmであり、それだけでも十分高分解能な低
コヒーレンス干渉観察が可能となる。
In this embodiment, Δλ of the pulse laser light source 1
Is as large as 50 nm, so that the pulse width spread through the optical system is very large. Therefore, it becomes difficult to generate two-photon excitation when the sample is irradiated with the laser beam as it is. Therefore, in the present embodiment, the prechirp compensation optical system 14 is provided, and the spread of the pulse width caused by passing through the optical system is canceled by the prechirp compensation optical system 14 in advance, so that the pulse width of the sample 9 is reduced. I try to suppress the spread. In addition, the coherence length Lc of the laser 1 is about 14.5 μm, and it is possible to observe low coherence interference with sufficiently high resolution by itself.

【0046】また、本実施例ではビームスプリッタと反
射ミラーとの間に光量調整機構として透過率可変NDフ
ィルタ15を有しているため、参照光の光量と標本から
戻ってくる反射光の光量のバランスを取ることができ、
より高コントラストな干渉像を得ることができる。ま
た、蛍光検出光路にはレーザカットフィルタが具備さ
れ、干渉像検出光路には蛍光カットフィルタが具備され
ていることから、蛍光検出光路にレーザが入り込んだり
干渉像検出光路に蛍光が混入することがなく、共に高コ
ントラストな像が得られる。
In this embodiment, since the transmittance variable ND filter 15 is provided between the beam splitter and the reflecting mirror as a light amount adjusting mechanism, the light amount of the reference light and the light amount of the reflected light returning from the sample are measured. Can be balanced,
An interference image with higher contrast can be obtained. In addition, since the fluorescence detection optical path is provided with a laser cut filter and the interference image detection optical path is provided with a fluorescence cut filter, laser may enter the fluorescence detection optical path or fluorescence may enter the interference image detection optical path. And high contrast images can be obtained.

【0047】[0047]

【第2実施例】第2実施例を図4に示す。本実施例は第
1実施例の光学装置において、装置のコンパクト化を行
った構成である。本実施例では、干渉光学系において、
ビームスプリッタ3aで反射された参照光の光路の構成
のみが第1実施例と異なるため、その部分のみを図示し
ている。なお、本実施例においても第1図と同じ構成要
素については同じ番号を付し、その詳細な説明は省略す
る。
Second Embodiment FIG. 4 shows a second embodiment. This embodiment has a configuration in which the optical device of the first embodiment is downsized. In the present embodiment, in the interference optical system,
Since only the configuration of the optical path of the reference light reflected by the beam splitter 3a is different from that of the first embodiment, only that portion is shown. In this embodiment, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0048】ビームスプリッタ3aで反射されたレーザ
光束は、2枚の直線偏光板18,19からなる光量調整
機構20に入射する。2枚の直線偏光板のうちビームス
プリッタ3a側に配置された直線偏光板18は、その偏
光方向がレーザ光束の偏光方向に合わせてある。また、
一方の直線偏光板19は、図示しない回転機構によって
光軸を回転軸として回転するようになっている。したが
って、直線偏光板18の偏光方向と直線偏光板19の偏
光方向が互いの偏光方向が一致する(パラニコル)時は透
過光量が最大となり、互いの偏光方向が直交する(クロ
スニコル)時は透過光量がほぼゼロになる。パラニコ
ル、クロスニコル以外の状態では、回転する直線偏光板
19の偏光方向に応じて、透過する光量が変化する。こ
のように、光量調整機構20では任意の透過率を得るこ
とができ、干渉像のコントラストが最大となるような参
照光の光量調整が可能になる。
The laser beam reflected by the beam splitter 3a enters a light amount adjusting mechanism 20 including two linear polarizing plates 18 and 19. Of the two linear polarizing plates, the linear polarizing plate 18 disposed on the beam splitter 3a side has its polarization direction matched with the polarization direction of the laser beam. Also,
The one linear polarizing plate 19 is configured to rotate about the optical axis as a rotation axis by a rotation mechanism (not shown). Therefore, when the polarization direction of the linear polarizer 18 and the polarization direction of the linear polarizer 19 match each other (paranicol), the amount of transmitted light is maximum, and when the polarization directions are orthogonal (cross Nicol), the transmission amount is maximum. The light amount becomes almost zero. In a state other than paranicol or crossed nicol, the amount of transmitted light changes according to the polarization direction of the rotating linear polarizer 19. As described above, the light amount adjusting mechanism 20 can obtain an arbitrary transmittance, and can adjust the light amount of the reference light so that the contrast of the interference image is maximized.

【0049】光量調整機構20で光量調整が施された参
照光は、ファイバカップリング光学系21によりシング
ルモードファイバ22の入射端面22aに集光される。
シングルモードファイバ22は入射した時のレーザ光の
特性を保ちながらシングルモードファイバ22の出射端
面22bよりレーザ光を出射する。出射した参照光はコ
リメート光学系23で平行光にされた後、参照ミラー3
bに入射する。
The reference light whose light amount has been adjusted by the light amount adjusting mechanism 20 is condensed by the fiber coupling optical system 21 on the incident end face 22a of the single mode fiber 22.
The single mode fiber 22 emits laser light from the emission end face 22b of the single mode fiber 22 while maintaining the characteristics of the laser light at the time of incidence. The emitted reference light is collimated by the collimating optical system 23 and then collimated.
b.

【0050】本実施例では、波長幅をもったレーザ光束
をファイバカップリング光学系21およびコリメート光
学系23によって集光およびコリメートすることから、
これらの光学系は色収差と球面収差が良好に補正されて
いる必要がある。そのため、本実施例では、ファイバカ
ップリング光学系21およびコリメート光学系23は、
少なくとも1枚のダブレットを含む光学系で構成するこ
とがより望ましい。
In this embodiment, since a laser beam having a wavelength width is focused and collimated by the fiber coupling optical system 21 and the collimating optical system 23,
In these optical systems, it is necessary that chromatic aberration and spherical aberration are well corrected. Therefore, in the present embodiment, the fiber coupling optical system 21 and the collimating optical system 23
More preferably, the optical system includes at least one doublet.

【0051】このように本実施例では、ビームスプリッ
タ3aで反射された光束を反射し光路を逆進させる、光
軸方向の位置が可変のミラーを有するいわゆる参照光路
に、シングルモードファイバ用いているため、光路分割
素子と可動反射光学素子の間の光路を長くしても、シン
グルモードファイバをリング状に束ねて光路分割素子と
可動反射光学素子の間の距離を短くすることができ、干
渉光学装置をコンパクトにすることができる。
As described above, in this embodiment, a single mode fiber is used for a so-called reference optical path having a mirror whose position in the optical axis direction is variable, which reflects the light beam reflected by the beam splitter 3a and reverses the optical path. Therefore, even if the optical path between the optical path splitting element and the movable reflective optical element is lengthened, the distance between the optical path splitting element and the movable reflective optical element can be shortened by bundling the single mode fibers in a ring shape, and interference optics can be achieved. The device can be made compact.

【0052】また、光路分割素子と可動反射光学素子の
間に光路折り曲げミラーを配置し、光路を数回曲げて干
渉光学装置をコンパクトにするような方法に比べると、
高精度な面精度や傾き調整精度を必要とする光路折り曲
げミラーが不要になる。更に、ファイバカップリング光
学系21及びコリメート光学系23にはダブレットレン
ズを用いて球面収差と色収差を良好に補正しているた
め、参照光の波面をシングルモードファイバを使用しな
い場合とだいたい同じ波面にすることができる。
Further, compared with a method in which an optical path bending mirror is arranged between the optical path splitting element and the movable reflective optical element and the optical path is bent several times to make the interference optical device compact,
The need for an optical path bending mirror that requires high-precision surface accuracy and tilt adjustment accuracy is eliminated. Further, since the fiber coupling optical system 21 and the collimating optical system 23 are satisfactorily corrected for spherical aberration and chromatic aberration by using a doublet lens, the wavefront of the reference light is made to be substantially the same as when no single mode fiber is used. can do.

【0053】なお、本実施例の構成では、ファイバカッ
プリング光学系21からコリメート光学系23まで光学
系の光路長OP(r)と、ビームスプリッタ3aから標
本面9までの光路長OP(o)が以下の条件(2)を満
足するが望ましい。 (2)0.65≦OP(r)/OP(o)≦0.95 ここで、下限の0.65を下回る時は、参照光路と観察
光路の光路長を合わせるための反射ミラーの移動量が大
きくなり、調整がし難くなり、逆に上限の0.95を上
回る時は、コリメート光学系と反射ミラーの距離が近く
なりすぎ、やはり調整し難くなる。なお、この値が1を
越えた場合は参照光路と観察光路の光路長を合わせるこ
とが不可能になることは言うまでもない。
In the configuration of this embodiment, the optical path length OP (r) of the optical system from the fiber coupling optical system 21 to the collimating optical system 23, and the optical path length OP (o) from the beam splitter 3a to the sample surface 9 are set. Preferably satisfies the following condition (2). (2) 0.65 ≦ OP (r) / OP (o) ≦ 0.95 Here, when the value falls below the lower limit of 0.65, the amount of movement of the reflection mirror for adjusting the optical path lengths of the reference optical path and the observation optical path. When the value exceeds the upper limit of 0.95, the distance between the collimating optical system and the reflecting mirror becomes too short, which also makes the adjustment difficult. When this value exceeds 1, it goes without saying that it becomes impossible to match the optical path lengths of the reference optical path and the observation optical path.

【0054】更に望ましくは、以下の条件式を満足する
方がより調整が容易になって良い。(2’)0.7≦O
P(r)/OP(o)≦0.9なお、本実施例では、O
P(r)/OP(o)の値は0.85程度となってお
り、これにより参照光路と観察光路の光路長を反射ミラ
ーの光軸方向の移動だけで高精度に合わせることが可能
になっている。
More desirably, the following conditional expression should be satisfied to facilitate the adjustment. (2 ′) 0.7 ≦ O
P (r) / OP (o) ≦ 0.9 In this embodiment, O
The value of P (r) / OP (o) is about 0.85, so that the optical path lengths of the reference optical path and the observation optical path can be adjusted with high accuracy only by moving the reflecting mirror in the optical axis direction. Has become.

【0055】[0055]

【第3実施例】第3実施例を図5に示す。この実施例は
高分解能の低コヒーレンス干渉観察と、励起光が近赤外
の波長域である通常の1光子励起蛍光観察(いわゆるI
R蛍光観察)を同時に行うことができる光学装置であ
る。第1図と同じ構成要素については同じ番号を付し、
その詳細な説明は省略する。また、画像処理装置及び画
像表示装置は省略している。
Third Embodiment FIG. 5 shows a third embodiment. In this embodiment, high-resolution low-coherence interference observation and ordinary one-photon excitation fluorescence observation in which excitation light is in the near-infrared wavelength region (so-called I-photon excitation)
(R fluorescence observation). The same components as those in FIG.
Detailed description is omitted. Further, an image processing device and an image display device are omitted.

【0056】本実施例においても第1実施例と同様にレ
ーザ光源として、近赤外域の波長のサブピコ秒のコヒー
レント光パルスを発するパルスレーザ光源1を使用して
おり、具体的には直線偏光で波長が710nm、Δλ(波
長幅)=30nmのレーザ光束を出射する。
In this embodiment, as in the first embodiment, a pulse laser light source 1 that emits a sub-picosecond coherent light pulse having a wavelength in the near infrared region is used as a laser light source. A laser beam having a wavelength of 710 nm and Δλ (wavelength width) = 30 nm is emitted.

【0057】パルスレーザ光源1からの光束はコリメー
ト光学系2で所望の大きさにコリメートされる。本実施
例では、第1実施例とは異なり多光子励起による蛍光観
察は行わないため、光学系によって生じるパルスレーザ
光源1のパルス幅の拡がりは問題にならない。よって、
パルスレーザ光源1とコリメート光学系2の間に、プレ
チャープコンペンセーション光学系がない。コリメート
光学系2で所望の大きさにコリメートされたレーザ光束
は、分割比1:1のビームスプリッタ3aに入射する。
ビームスプリッタ3aで反射されたレーザ光束、すなわ
ち参照光は光量調整機構27に入射する。
The light beam from the pulse laser light source 1 is collimated to a desired size by the collimating optical system 2. In the present embodiment, unlike the first embodiment, fluorescence observation by multiphoton excitation is not performed, so that the pulse width of the pulse laser light source 1 caused by the optical system does not matter. Therefore,
There is no pre-chirp compensation optical system between the pulse laser light source 1 and the collimating optical system 2. The laser light flux collimated to a desired size by the collimating optical system 2 is incident on a beam splitter 3a having a division ratio of 1: 1.
The laser beam reflected by the beam splitter 3a, that is, the reference light enters the light amount adjusting mechanism 27.

【0058】本実施例の光量調整機構27は、液晶25
を2枚の直線偏光板24,25で挟んで構成されてい
る。ビームスプリッタ3a側の直線偏光板24は、その
偏光方向がレーザ1の偏光方向に一致するように配置さ
れており、もう一方の直線偏光板25は、その偏光方向
が直線偏光板24の偏光方向と直交する(クロスニコル)
状態になるように配置されている。液晶26の両面には
図示しない透明電極をが設けられており、この透明電極
を介して液晶26に電圧が印加されるようになってい
る。このような構成において液晶26に電圧を引加する
と、液晶26の結晶分子の配列方向が変わり液晶を通過
する光の偏光状態が変わる。したがって、液晶26に印
加する電圧を調整することによって、光量調整機構27
では任意の透過率を得ることができ、干渉像のコントラ
ストが最大となるような参照光の光量調整が可能にな
る。
The light amount adjusting mechanism 27 of the present embodiment includes a liquid crystal 25
Is sandwiched between two linear polarizing plates 24 and 25. The linear polarizing plate 24 on the side of the beam splitter 3a is arranged so that its polarization direction matches the polarization direction of the laser 1, and the other linear polarization plate 25 has its polarization direction changed to the polarization direction of the linear polarization plate 24. Orthogonal to (cross nicol)
It is arranged to be in a state. Transparent electrodes (not shown) are provided on both surfaces of the liquid crystal 26, and a voltage is applied to the liquid crystal 26 via the transparent electrodes. When a voltage is applied to the liquid crystal 26 in such a configuration, the arrangement direction of the crystal molecules of the liquid crystal 26 changes, and the polarization state of light passing through the liquid crystal changes. Therefore, by adjusting the voltage applied to the liquid crystal 26, the light amount adjusting mechanism 27 is adjusted.
Thus, an arbitrary transmittance can be obtained, and the light amount of the reference light can be adjusted so that the contrast of the interference image is maximized.

【0059】一方、ビームスプリッタ3aを透過したレ
ーザ光束はダイクロイックミラー11a、走査光学系
5、瞳投影レンズ6、結像レンズ7を通過し、対物レン
ズ8で集光され標本9を微小なレーザのスポットで走査
する。標本9からは、レーザの光で励起されて標本9か
ら発するレーザ光よりも長い波長の蛍光と、標本9で反
射されるレーザ光と同じ波長の反射光が生じ、入射した
光路を逆に戻っていく。本実施例ではパルスレーザ光源
1の波長が710nmで、励起される蛍光の波長を760
nm〜800nmと想定している。そのため、ダイクロイッ
クミラー11aは図6に示すように、750nm以上の波
長の光を反射させ、710nm以下の波長の光を透過させ
るような分光特性を有している。
On the other hand, the laser beam transmitted through the beam splitter 3a passes through the dichroic mirror 11a, the scanning optical system 5, the pupil projection lens 6, and the imaging lens 7, and is condensed by the objective lens 8, and the sample 9 Scan with spots. From the specimen 9, fluorescence having a longer wavelength than the laser light emitted from the specimen 9 excited by the laser light and reflected light having the same wavelength as the laser light reflected by the specimen 9 are generated. To go. In this embodiment, the wavelength of the pulse laser light source 1 is 710 nm, and the wavelength of the excited fluorescence is 760 nm.
nm to 800 nm. Therefore, as shown in FIG. 6, the dichroic mirror 11a has a spectral characteristic of reflecting light having a wavelength of 750 nm or more and transmitting light having a wavelength of 710 nm or less.

【0060】ダイクロイックミラー11aでは蛍光のみ
が反射されレーザ光は透過するが、念のためレーザカッ
トフィルタ22を配置してレーザ光の除去が行われる。
レーザカットフィルタ22を透過した蛍光は集光レンズ
11bで集光された後、光検出器11cに達し蛍光の検
出が行われる。本実施例では、第1実施例のように2光
子励起を行わないため、共焦点光学系を形成するために
は、蛍光はピンホールを通して検出しなければならな
い。そのため、蛍光検出光学系11は走査光学系5より
もパルスレーザ光源1側に配置している。このような配
置にすると、走査にかかわらず集光レンズ11bによる
蛍光の集光位置は常に一点に止まっているため、集光位
置にピンホールを配置して、共焦点光学系を構成するこ
とができる。
Although only the fluorescence is reflected by the dichroic mirror 11a and the laser light is transmitted, the laser light is removed by disposing a laser cut filter 22 just in case.
After the fluorescence transmitted through the laser cut filter 22 is collected by the condenser lens 11b, the fluorescence reaches the photodetector 11c to detect the fluorescence. In this embodiment, two-photon excitation is not performed as in the first embodiment, and therefore, in order to form a confocal optical system, fluorescence must be detected through a pinhole. Therefore, the fluorescence detection optical system 11 is disposed closer to the pulse laser light source 1 than the scanning optical system 5 is. With such an arrangement, the condensing position of the fluorescent light by the condensing lens 11b is always fixed at one point regardless of the scanning. Therefore, it is possible to configure a confocal optical system by disposing a pinhole at the condensing position. it can.

【0061】標本9で反射された光はダイクロイックミ
ラー11aを通過後、蛍光カットフィルタ23に入射し
反射光のみが透過する。反射光は上記ビームスプリッタ
3aで反射されて、参照光と同軸に合成される。ここ
で、反射光の光路長と参照光の光路長を合わせるように
可動ミラー3bの位置が調整され干渉が生じる。干渉光
は集光レンズ4aにより集光し、集光位置に置かれた微
小な共焦点ピンホール4bを透過した光のみが光検出器
4cで検出される。
The light reflected by the sample 9 passes through the dichroic mirror 11a, enters the fluorescent cut filter 23, and transmits only the reflected light. The reflected light is reflected by the beam splitter 3a and is coaxially synthesized with the reference light. Here, the position of the movable mirror 3b is adjusted so that the optical path length of the reflected light and the optical path length of the reference light are matched, and interference occurs. The interference light is condensed by the condensing lens 4a, and only the light transmitted through the minute confocal pinhole 4b placed at the condensing position is detected by the photodetector 4c.

【0062】本実施例では、Δλが大きく光学系通過に
よるパルス幅の拡がりは大きいが、1光子励起を想定し
ているため、パルス幅の拡がりは問題にならない。ま
た、このレーザ1のコヒーレンス長Lcは約16.8μ
mであり、それだけでも十分高分解能な低コヒーレンス
干渉観察が可能となる。
In the present embodiment, Δλ is large and the pulse width is widened by passing through the optical system. However, since one-photon excitation is assumed, the pulse width is not a problem. The coherence length Lc of the laser 1 is about 16.8 μm.
m alone, which enables low-coherence interference observation with sufficiently high resolution.

【0063】[0063]

【第4実施例】第4実施例を第7図に示す。本実施例は
高分解能の低コヒーレンス干渉観察と、2光子励起蛍光
観察、及び近赤外光による透過の微分干渉観察を同時に
行うことができる光学装置である。第1図と同じ構成要
素については同じ番号を付し、その詳細な説明は省略す
る。また、画像処理装置及び画像表示装置は省略してい
る。
Fourth Embodiment FIG. 7 shows a fourth embodiment. The present embodiment is an optical apparatus capable of simultaneously performing high-resolution low-coherence interference observation, two-photon excitation fluorescence observation, and differential interference observation of transmission by near-infrared light. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Further, an image processing device and an image display device are omitted.

【0064】本実施例では、標本9を透過するレーザ光
で標本の像を画像化するために、微分干渉光学系を用い
ている。微分干渉光学系は、対物レンズ8の像位置I’
と対物レンズ8の間に配置された第1のノマルスキープ
リズム28、コンデンサレンズ10aと透過光検出光学
系10cの間に配置した第2のノマルスキープリズム1
9及び検光子(アナライザ)30で構成される。第1の
ノマルスキープリズム28の位置は、原理的には対物レ
ンズ像位置と対物レンズの間であればどこでも良いが、
実際の構成やノマルスキープリズムの形状等を考慮する
と、対物レンズ胴付から50mm以内に配置されているこ
とが望ましい。
In this embodiment, a differential interference optical system is used to image the image of the sample with the laser light transmitted through the sample 9. The differential interference optical system is arranged such that the image position I ′ of the objective lens 8 is
Nomarski prism 28 disposed between the lens and the objective lens 8, and second Nomarski prism 1 disposed between the condenser lens 10a and the transmitted light detection optical system 10c.
9 and an analyzer 30. The position of the first Nomarski prism 28 may be anywhere between the objective lens image position and the objective lens in principle,
In consideration of the actual configuration, the shape of the Nomarski prism, and the like, it is desirable that they are arranged within 50 mm from the body of the objective lens.

【0065】パルスレーザ光源1からのレーザ光束は直
線偏光であるため、第1のノマルスキープリズム28に
入射するとわずかに分離した2つの偏光光束になる。こ
の2つの偏光光束は標本9を通過しコンデンサーレンズ
10aで集光され第2のノマルスキープリズム19に入
射し再び一つの光束になる。そして検光子(アナライ
ザ)30を通過する時に偏光干渉が生じ、いわゆる微分
干渉信号として光検出器10cで検出される。検出され
た信号は、図示しない画像表示装置上に画像表示され
る。また、本実施例では、蛍光カットフィルタ10bを
備えることによって透過の微分干渉像に蛍光が混入する
ことを防いでおり、微分干渉像のコントラストが良くな
る。
Since the laser beam from the pulse laser light source 1 is linearly polarized, when it enters the first Nomarski prism 28, it becomes two slightly separated polarized beams. The two polarized light beams pass through the sample 9 and are condensed by the condenser lens 10a, enter the second Nomarski prism 19, and become one light beam again. Then, polarization interference occurs when the light passes through an analyzer 30 and is detected by the photodetector 10c as a so-called differential interference signal. The detected signal is displayed as an image on an image display device (not shown). In the present embodiment, the fluorescence cut filter 10b is provided to prevent the fluorescence from being mixed into the transmitted differential interference image, and the contrast of the differential interference image is improved.

【0066】本実施例のように微分干渉光学系において
光源の波長を赤外にした場合、いわゆる近赤外の微分干
渉光学系(IR−DIC)は、あまり厚くない標本の観
察には非常に有効である。このように本実施例では、い
わゆる透過の微分干渉信号を検出する光学系を具備して
いるため、通常の1光子も含む多光子励起による蛍光観
察と、低コヒーレンス干渉観察及び微分干渉観察が同
時、若しくは切り替えで行うことができる。
In the case where the wavelength of the light source is infrared in the differential interference optical system as in this embodiment, the so-called near-infrared differential interference optical system (IR-DIC) is very useful for observation of a sample that is not too thick. It is valid. As described above, in this embodiment, since the optical system for detecting a so-called transmitted differential interference signal is provided, fluorescence observation by ordinary multiphoton excitation including one photon, low coherence interference observation, and differential interference observation are simultaneously performed. Or by switching.

【0067】また、第1及び第2のノマルスキープリズ
ム28、29が光路から挿脱可能に構成されていること
が望ましい。このような構成により透過の微分干渉観察
を行わない場合に余計な光学素子を光路から外せるた
め、蛍光観察や低コヒーレンス干渉観察においてコント
ラストの低下を防ぐことができる。
It is desirable that the first and second Nomarski prisms 28 and 29 are configured to be insertable and removable from the optical path. With such a configuration, unnecessary optical elements can be removed from the optical path when differential transmission interference observation is not performed, so that a decrease in contrast can be prevented in fluorescence observation or low coherence interference observation.

【0068】また、第1のノマルスキープリズム28と
対物レンズによる標本面上でのシェア量δが以下の条件
(3)を満足するようにすることで、蛍光観察での分解
能を低下させることなく十分な微分干渉効果のある微分
干渉観察が行える。すなわち、0.46×λ/NAを下
回る時は、強度の足し算で考えた場合にふたつのスポッ
トが分離されず、ひとつのスポットとなるため、蛍光観
察の解像力が殆ど低下しない。更に、多光子励起の場合
はふたつのスポットが重畳した部分でだけ多光子励起に
よる蛍光発光が起こるため、解像力の向上が期待でき
る。また、透過の微分干渉観察を同時に行う場合でも、
蛍光観察の分解能を殆ど低下させることなく、ビデオエ
ンハンス等の画像処理を用いることにより、十分な微分
干渉効果を得ることができる。 (3)0.15×λ/NA≦δ≦0.46×λ/NA ここで、λは使用波長、NAは対物レンズの開口数であ
る。条件式(3)において、下限の0.15×λ/NA
を下回る時は、ビデオエンハンス等の画像処理を用いて
も微分干渉効果が得られず、逆に上限の0.46×λ/
NAを上回る時は、ノマルスキープリズムでシェアさ
れ、対物レンズで形成されたふたつのスポットが強度の
足し算で考えた場合にふたつのスポットとなってしま
い、蛍光観察の解像力が低下してしまう。
Further, by setting the amount of share δ on the sample surface by the first Nomarski prism 28 and the objective lens to satisfy the following condition (3), the resolution in fluorescence observation can be sufficiently reduced. Differential interference observation with an effective differential interference effect can be performed. That is, when the intensity is less than 0.46 × λ / NA, the two spots are not separated from each other when considered by adding the intensities, and become one spot, so that the resolving power of the fluorescence observation hardly decreases. Furthermore, in the case of multiphoton excitation, fluorescence emission due to multiphoton excitation occurs only in a portion where two spots are superimposed, so that improvement in resolution can be expected. Also, even when performing differential interference observation of transmission at the same time,
By using image processing such as video enhancement without substantially lowering the resolution of fluorescence observation, a sufficient differential interference effect can be obtained. (3) 0.15 × λ / NA ≦ δ ≦ 0.46 × λ / NA Here, λ is the working wavelength, and NA is the numerical aperture of the objective lens. In conditional expression (3), the lower limit is 0.15 × λ / NA.
When the value is less than, the differential interference effect cannot be obtained even by using image processing such as video enhancement, and conversely, the upper limit of 0.46 × λ /
When the value exceeds NA, the two spots formed by the Nomarski prism and shared by the objective lens become two spots when the addition of the intensity is considered, and the resolving power of the fluorescence observation is reduced.

【0069】なお、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
ることは言うまでもない。
It is needless to say that any of the above embodiments is not limited to these configurations, but can be configured in various combinations.

【0070】[0070]

【発明の効果】本発明によれば、1光子も含む多光子励
起レーザ走査顕微鏡と低コヒーレンス干渉装置やIR−
DICなどの干渉観察装置を組み合わせることにより、
例えば組織細胞内部の細胞の輪郭を低コヒーレンス干渉
観察や微分干渉観察しながら、その中で蛍光色素を付け
られた染色体等の特定の構造に関する蛍光観察や、特定
のイオンからの信号検出等ができるレーザ走査型顕微鏡
を構成することができる。
According to the present invention, a multiphoton-excited laser scanning microscope including one photon, a low coherence interferometer, an IR-
By combining an interference observation device such as a DIC,
For example, while observing the outline of cells inside tissue cells with low coherence interference observation or differential interference observation, it is possible to observe fluorescence of a specific structure such as a chromosome to which a fluorescent dye is attached and to detect signals from specific ions. A laser scanning microscope can be configured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態のレーザ走査型顕微鏡を示
す図
FIG. 1 shows a laser scanning microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例のレーザ走査型顕微鏡を示
す図
FIG. 2 is a diagram showing a laser scanning microscope according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1実施例のレーザ走査型顕微鏡に用
いられるダイクロイックミラーの分光反射率を示す図
FIG. 3 is a diagram showing a spectral reflectance of a dichroic mirror used in the laser scanning microscope according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2実施例のレーザ走査型顕微鏡にお
ける干渉光学系を示す図
FIG. 4 is a diagram showing an interference optical system in a laser scanning microscope according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3実施例のレーザ走査型顕微鏡を示
す図
FIG. 5 is a diagram showing a laser scanning microscope according to a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3実施例のレーザ走査型顕微鏡に用
いられるダイクロイックミラーの分光反射率を示す図
FIG. 6 is a diagram showing a spectral reflectance of a dichroic mirror used in a laser scanning microscope according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4実施例の走査型レーザ顕微鏡を示
す図
FIG. 7 is a diagram showing a scanning laser microscope according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】プレチャープコンペンセーション光学系を示す
FIG. 8 is a diagram showing a prechirp compensation optical system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 パルスレーザ光源 2、23 コリメート光学系 3 干渉光学系 3a ビームスプリッタ 3b 可動ミラー 3c、20、27 光量調整機構 4 干渉信号検出光学系 4a、11b 集光レンズ 4b、11d ピンホール 4c、10c、11c 光検出器 5 走査光学系 6 瞳投影レンズ 7 結像レンズ 8 対物レンズ 9 標本 10 透過光検出光学系 10a コンデンサーレンズ 10b 蛍光カットフィルタ 11 蛍光検出光学系 11a ダイクロイックミラー 12 画像処理装置 13 画像表示装置 14 プレチャープコンペンセーション光学系 15 透過率可変NDフィルタ 16 レーザカットフィルタ 17 蛍光カットフィルタ 18、19、24、25 直線偏光板 21 ファイバカップリング光学系 22 シングルモードファイバ 22a 入射端面 22b 出射端面 26 液晶 28 第1のノマルスキープリズム 29 第2のノマルスキープリズム 30 検光子(アナライザ) 31 第1のプリズム 31a 第1のプリズムの入射面 32 第2のプリズム 32a 第2のプリズムの出射面 33 第3のプリズム 34 第4のプリズム 35 保持台 36 駆動装置 36a 駆動部 Reference Signs List 1 pulse laser light source 2, 23 collimating optical system 3 interference optical system 3a beam splitter 3b movable mirror 3c, 20, 27 light quantity adjusting mechanism 4 interference signal detecting optical system 4a, 11b condensing lens 4b, 11d pinhole 4c, 10c, 11c Photodetector 5 Scanning optical system 6 Pupil projection lens 7 Imaging lens 8 Objective lens 9 Sample 10 Transmitted light detection optical system 10a Condenser lens 10b Fluorescence cut filter 11 Fluorescence detection optical system 11a Dichroic mirror 12 Image processing device 13 Image display device 14 Prechirp compensation optical system 15 Variable transmittance ND filter 16 Laser cut filter 17 Fluorescence cut filter 18, 19, 24, 25 Linear polarizer 21 Fiber coupling optical system 22 Single mode fiber 22a Incident end face 22 Emission end surface 26 Liquid crystal 28 First Nomarski prism 29 Second Nomarski prism 30 Analyzer 31 First prism 31a First prism entrance surface 32 Second prism 32a Second prism exit surface 33 First Third prism 34 Fourth prism 35 Holder 36 Drive 36a Drive

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】近赤外域の波長のパルスレーザ光源と、該
パルスレーザ光源からのレーザ光を所望の大きさにコリ
メートするコリメート光学系と、コリメートされたレー
ザ光を標本面上に集光する対物レンズ系と、前記集光さ
れたレーザ光と標本を相対的に2次元走査する走査手段
と、前記標本から発生する蛍光を検出する蛍光検出光学
系を備えたレーザ走査型顕微鏡において、前記パルスレ
ーザ光源と前記走査手段の間の光路に配置され、前記パ
ルスレーザ光源からのレーザ光の一部を反射し残りのレ
ーザ光を透過するように分割する光路分割素子と、該光
路分割素子によって分割された一方のレーザ光を再び該
光路分割素子に向かって反射させる光軸方向に移動可能
な可動反射光学素子と、前記可動反射光学素子で反射さ
れ前記光路分割素子に再び入射したレーザ光と前記光路
分割素子によって分割された残りのレーザ光であって標
本で反射され前記光路分割素子に再び入射したレーザ光
とによって生じた干渉信号を検出する干渉信号検出光学
系とを有する干渉光学装置を備えたことを特徴とするレ
ーザ走査型顕微鏡。
1. A pulse laser light source having a wavelength in a near-infrared region, a collimating optical system for collimating laser light from the pulse laser light source to a desired size, and a collimated laser light focused on a sample surface. In a laser scanning microscope including an objective lens system, scanning means for relatively two-dimensionally scanning the condensed laser light and the sample, and a fluorescence detection optical system for detecting fluorescence generated from the sample, An optical path splitting element disposed in an optical path between the laser light source and the scanning unit, for splitting the laser light from the pulse laser light source so as to reflect a part of the laser light and transmit the remaining laser light; A movable reflecting optical element movable in the optical axis direction for reflecting the one laser beam reflected toward the optical path splitting element again, and the optical path splitting element reflected by the movable reflecting optical element. Signal detection optical system for detecting an interference signal generated by the laser light again incident on the optical path splitter and the remaining laser light split by the optical path splitter and reflected by the sample and incident again on the optical path splitter A laser scanning microscope comprising an interference optical device having:
【請求項2】前記パルスレーザ光源の前記標本上でのパ
ルス幅を調整するパルス幅調整光学系を前記パルスレー
ザ光源より前記標本側に具備していることを特徴とする
請求項1に記載のレーザ走査型顕微鏡。
2. The apparatus according to claim 1, wherein a pulse width adjusting optical system for adjusting a pulse width of the pulse laser light source on the sample is provided on the sample side of the pulse laser light source. Laser scanning microscope.
【請求項3】前記パルス幅調整光学系はプリズムペア或
いはグレーティングペア若しくはそれらの混合からな
り、該プリズムペア或いはグレーティングペアの間隔及
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に記載のレーザ走査型顕微鏡。
3. A pulse width adjusting optical system comprising a prism pair or a grating pair or a mixture thereof, wherein the distance between the prism pair or the grating pair and the relative position with respect to the optical axis can be changed. 2. A laser scanning microscope according to claim 1.
【請求項4】前記干渉光学系が共焦点光学系となってい
ることを特徴とする請求項1乃至2に記載のレーザ走査
型顕微鏡。
4. A laser scanning microscope according to claim 1, wherein said interference optical system is a confocal optical system.
【請求項5】前記光路分割素子と前記可動反射光学素子
との間に光量調整機構を有していることを特徴とする請
求項1乃至2のレーザ走査型顕微鏡。
5. A laser scanning microscope according to claim 1, further comprising a light amount adjusting mechanism between said optical path splitting element and said movable reflecting optical element.
【請求項6】前記光量調整機構が透過光量可変のNDフ
ィルタであることを特徴とする請求項5に記載のレーザ
走査型顕微鏡。
6. The laser scanning microscope according to claim 5, wherein said light amount adjusting mechanism is an ND filter capable of changing a transmitted light amount.
【請求項7】前記光量調整機構が2枚の直線偏光素子か
らなり、そのうちの1枚が回転可能になっていることを
特徴とする請求項5に記載のレーザ走査型顕微鏡。
7. A laser scanning microscope according to claim 5, wherein said light amount adjusting mechanism comprises two linear polarizing elements, one of which is rotatable.
【請求項8】前記光量調整機構が2枚の直線偏光素子
と、該2枚の直線偏光素子で挟まれた液晶素子からなる
ことを特徴とする請求項5に記載のレーザ走査型顕微
鏡。
8. The laser scanning microscope according to claim 5, wherein said light amount adjusting mechanism comprises two linearly polarizing elements and a liquid crystal element sandwiched between said two linearly polarizing elements.
【請求項9】前記パルスレーザ光源の発振波長の半値全
幅Δλ(nm)が可変であり、その可変範囲が以下の条件
(1)を満足することを特徴とする請求項1乃至2に記
載のレーザ走査型顕微鏡。 (1)3≦Δλ≦100
9. The method according to claim 1, wherein the full width at half maximum Δλ (nm) of the oscillation wavelength of the pulse laser light source is variable, and the variable range satisfies the following condition (1). Laser scanning microscope. (1) 3 ≦ Δλ ≦ 100
【請求項10】前記光路分割素子と前記可動反射光学素
子の間に、前記光路分割素子からのレーザ光を集光する
少なくとも1枚のダブレットを含むファイバカップリン
グ光学系と、集光されたレーザ光を伝送するシングルモ
ードファイバと、該シングルモードファイバから射出し
たレーザ光をコリメートする少なくとも1枚のダブレッ
トを含むコリメート光学系を配置したことを特徴とする
請求項1乃至2に記載のレーザ走査型顕微鏡。
10. A fiber coupling optical system including at least one doublet for condensing laser light from the optical path splitting element between the optical path splitting element and the movable reflection optical element, and a condensed laser. 3. The laser scanning type according to claim 1, further comprising a single-mode fiber for transmitting light, and a collimating optical system including at least one doublet for collimating the laser light emitted from the single-mode fiber. microscope.
【請求項11】前記ファイバカップリング光学系から前
記コリメート光学系までの光路長をOP(r)、前記光
路分割素子から標本面までの光路長をOP(o)とした
場合、以下の条件(2)を満足することを特徴とする請
求項10に記載のレーザ走査型顕微鏡。 (2)0.65≦OP(r)/OP(o)≦0.95
11. When the optical path length from the fiber coupling optical system to the collimating optical system is OP (r), and the optical path length from the optical path splitting element to the sample surface is OP (o), the following condition ( The laser scanning microscope according to claim 10, wherein 2) is satisfied. (2) 0.65 ≦ OP (r) / OP (o) ≦ 0.95
【請求項12】前記対物レンズの像位置と前記対物レン
ズの間に配置された第1のノマルスキープリズムと、前
記標本を挟んで前記対物レンズの反対側に配置されたコ
ンデンサレンズと、蛍光カットフィルタと、第2のノマ
ルスキープリズム及び検光子とを有する微分干渉信号を
検出する光学系を具備していることを特徴とする請求項
1乃至2に記載のレーザ走査型顕微鏡。
12. A first Nomarski prism disposed between the image position of the objective lens and the objective lens, a condenser lens disposed on the opposite side of the objective lens with respect to the sample, and a fluorescence cut filter. 3. The laser scanning microscope according to claim 1, further comprising an optical system having a second Nomarski prism and an analyzer for detecting a differential interference signal.
【請求項13】前記第1のノマルスキープリズムが、光
路から挿脱可能であることを特徴とする請求項12に記
載のレーザ走査型顕微鏡。
13. The laser scanning microscope according to claim 12, wherein the first Nomarski prism can be inserted into and removed from an optical path.
【請求項14】前記第1のノマルスキープリズムと対物
レンズによる標本面上でのシェア量δが以下の条件
(3)を満足することを特徴とする請求項12に記載の
レーザ走査型顕微鏡。 (3)0.15×λ/NA≦δ≦0.46×λ/NA ここで、λは前記パルスレーザ光源のレーザ光の波長、
NAは前記対物レンズの開口数である。
14. The laser scanning microscope according to claim 12, wherein the shear amount δ on the sample surface by the first Nomarski prism and the objective lens satisfies the following condition (3). (3) 0.15 × λ / NA ≦ δ ≦ 0.46 × λ / NA where λ is the wavelength of the laser light of the pulse laser light source,
NA is the numerical aperture of the objective lens.
【請求項15】前記蛍光検出光学系にレーザ光をカット
するフィルタが具備され、前記干渉信号検出光学系に蛍
光をカットするフィルタが具備されていることを特徴と
する請求項1乃至2に記載のレーザ走査型顕微鏡。
15. The fluorescence detection optical system according to claim 1, further comprising a filter for cutting laser light, and the interference signal detection optical system including a filter for cutting fluorescence. Laser scanning microscope.
【請求項16】前記走査光学系が光束偏向手段と瞳投影
レンズから構成されており、該瞳投影レンズからの射出
ビームがほぼテレセントリックになっていることを特徴
とする請求項1乃至2に記載のレーザ走査型顕微鏡。
16. The scanning optical system according to claim 1, wherein said scanning optical system comprises a light beam deflecting means and a pupil projection lens, and an exit beam from said pupil projection lens is substantially telecentric. Laser scanning microscope.
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