JPWO2010100745A1 - 光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡 - Google Patents

光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡 Download PDF

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Abstract

所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供する。一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段１０と、局発光発生手段１０から発生される局発光と被検出光とを合波する光合波手段２０と、光合波手段２０から出力される光を光電変換して局発光と被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段３０とを有し、光電変換手段３０の出力に基づいて被検出光をヘテロダイン検出する。

Description

本発明は、光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡に関するものである。
生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の信号光（被検出光）を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素になっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。
例えば、生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。これらの理由により、光を用いた生体観察においては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。
現在用いられている代表的な光検出素子には、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ＰＤ（Photo Diode）がある。ＰＭＴおよびＡＰＤは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、ＰＤは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号の増幅を行っている。つまり、ＰＭＴ，ＡＰＤ，ＰＤは、いずれの素子も電気的に信号増幅を行い、感度の向上を図っている。
また、代表的な二次元光検出器として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying-CCD）、ＥＢ−ＣＣＤ（Electron Bombardment-CCD）、Ｉ−ＣＣＤ（Intensified-CCD）がある。ＣＣＤもしくはＣＭＯＳを用いて微弱光を検出する場合は、感度向上のために、ＰＤの場合と同様に、後段に電気増幅器を配置する必要がある。ＥＭ−ＣＣＤおよびＥＢ−ＣＣＤは、ＡＰＤの場合と同様に、検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。Ｉ−ＣＣＤは、ＣＣＤの前にＩ．Ｉ．（Image Intensifier）を配置した構成をとる。Ｉ.Ｉ.は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、Ｉ.Ｉ.に内蔵されているＭＣＰ（Micro Channel Plate）内にて電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることで、増倍電子信号を再度光に変換するものである。Ｉ.Ｉ.からの出力光は、ＣＣＤにて電気信号に変換される。つまり、Ｉ−ＣＣＤも、電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。
上述の電気段での信号増幅を用いる従来の光検出技術は、速度と感度とのトレードオフがあるため、高速性と高感度性とを両立させることは大変難しい状況にある。したがって、現状では、速度か感度かのどちらかを犠牲にして、光検出を行わざるをえない状況にある。
高速高感度な光検出を可能にする技術の一つとして、光ヘテロダイン検出技術も広く用いられている。光ヘテロダイン検出技術は、被検出光と、被検出光の光周波数よりも若干光周波数が異なる局発光との干渉効果を利用する光検出方法で、局発光強度を十分高くして被検出光を高感度に検出するというものである。局発光強度が十分である場合、高速な電子回路を用いてもショット雑音限界の理想的な光検出が可能であるため、光検出の高速性と高感度性との両立が実現される。ただし、この際、信号光と局発光には、時間的にも空間的にもお互いの干渉状態が安定するような光が通常用いられる。
時間的な干渉性を高める方法として、次に述べる二つの方法が主に用いられる。一つ目の方法は、同一光源からの出力を分波してそれぞれを信号光および局発光として用いる方法である。この際、光源出力を分波しているので、信号光および局発光を合波するまでの相対遅延時間が、光源のコヒーレンス時間より短くなるように用いられる。こうすることで、信号光と局発光との干渉状態が時間的に安定する。なお、信号光と局発光との光周波数は、光周波数シフタやドップラシフトなどを利用して若干異なるように設定される。この方法は、比較的簡便に安定な干渉状態を実現できるので、古くから用いられている（例えば、特許文献1，2参照）。
二つ目の方法は、光スペクトル線幅が非常に狭く（光スペクトル純度が非常に高く）、かつ、発振光周波数が高精度に安定化された、互いに独立した二つの光源を用いる方法である。この二つの独立した光源をそれぞれ信号光もしくは局発光として用いる。この際、信号光と局発光との発振光周波数は若干異なるように設定される。この方法は、技術的制約により従来は実現が非常に困難だった。しかしながら、近年の技術進展により、光スペクトル線幅がｋＨｚ程度と非常に光スペクトル純度が高く、かつ、発振光周波数が高精度に安定化されたレーザが入手可能になったため、最近では二つ目の方法を用いても比較的安定した干渉状態が得られるようになってきている。
一方、空間的な干渉性を高めるためには、信号光側に共焦点光学系などの空間モードフィルタが用いられる。こうすることで、局発光との干渉性の高い信号光成分のみが空間的に取り出され、光ヘテロダイン検出に用いられる。
特公平6-21868号公報 特公平7-21452号公報
ところが、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等で検出される信号光は、レーザ光のような時間的コヒーレンスの高いものではなく、ランプ光や蛍光などの時間的コヒーレンスが低い、つまり光スペクトル線幅が広いものである場合が非常に多い。また、分光計測などでレーザ光が用いられる場合でも、特に散乱媒質を計測する場合は、スペックルの影響を避けるために、意図的に光スペクトル線幅を広げる工夫がなされる。つまり、分光計測などでは、光周波数の確度をある程度確保すると同時に、スペックルの影響を避けることができる光スペクトル線幅のレーザ光が用いられる。
このため、上述のような従来の方法にのっとると、このような時間的コヒーレンスの低い信号光をヘテロダイン検出するためには、信号光と局発光との発生源を同一とし、かつ信号光と局発光の相対遅延時間が、それらのコヒーレンス時間よりも短い状況で検出を行う必要がある。
例えば、中心光周波数が６００ＴＨｚ（波長５００ｎｍ）で、光スペクトル線幅が１２０ ＴＨｚ（波長幅約１００ｎｍ）の光の場合、コヒーレンス時間は、約１．０×１０−１４秒（真空中の空間距離で約３．０×１０−６ｍに対応）となり、信号光と局発光との間の許容される遅延時間は非常に短い。
また、例えば、中心光周波数６００ＴＨｚ、光スペクトル線幅１２０ＧＨｚ（波長幅約１００ｐｍ）の意図的に線幅が広げられたレーザ光の場合を考えても、コヒーレンス時間は約１．０×１０−１１秒（真空中の空間距離で約３．０×１０−３ｍに対応）となり、やはり許容される相対遅延時間は短い。
このように、許容される相対遅延時間が短い状況では、時間的および距離的尤度が小さいため、ヘテロダイン検出の用途が非常に厳しく限定されてしまう。
また、信号光（被検出光）が蛍光などのように試料中で新たに発生した時間的に低コヒーレンス光である場合は、高感度光ヘテロダイン検出に適した局発光を準備することができない。
上述の理由から、従来は、時間的に低コヒーレンスな光信号をヘテロダイン検出した場合、安定的な干渉状態を保つことができず、高速かつ高感度な光検出の実現が困難な状況にある。
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ（Signal to Noise）比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。
上記目的を達成する第１の観点に係る光検出装置の発明は、
一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段と、
前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、それぞれ異なる光周波数の連続光を発生する複数台の光発生源を有する、ことを特徴とするものである。
第３の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、光パルス列を発生する光パルス発生手段からなる、ことを特徴とするものである。
第４の観点に係る発明は、第３の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。
第５の観点に係る発明は、第３の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。
第６の観点に係る発明は、第３の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを広帯域化する光スペクトル広帯域化手段を有する、ことを特徴とするものである。
第７の観点に係る発明は、第６の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。
第８の観点に係る発明は、第６の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。
第９の観点に係る発明は、第３〜８の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
前記光パルス発生手段は、前記光電変換手段の出力を処理する信号処理周波数帯域の二倍以上の繰り返し周波数で、前記光パルス列を発生する、ことを特徴とするものである。
第１０の観点に係る発明は、第３〜９の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
前記光パルス発生手段は、モード同期レーザを有することを特徴とするものである。
第１１の観点に係る発明は、第３〜９の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
前記光パルス発生手段は、利得スイッチレーザもしくはＱスイッチレーザを有することを特徴とするものである。
第１２の観点に係る発明は、第１〜１１の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する第１３の観点に係る光検出方法の発明は、
一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生ステップと、
前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、
前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、
前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する第１４の観点に係る顕微鏡の発明は、
観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
第１〜１２の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する第１５の観点に係る内視鏡の発明は、
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
第１〜１２の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
本発明に係る光検出装置や光検出方法によれば、被検出光と、一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光とから複数のビート信号を生成し、それらを加算して、被検出光をヘテロダイン検出するので、例えば、生体等の散乱体で散乱することにより被検出光が減少するような被検体であっても、所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出することが可能となる。また、散乱体に限らず、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質や、他の光吸収物質が介在するような環境下に存在する被検物質からの被検出光に対しても、高感度かつ高ＳＮ比で検出することが可能となる。
また、本発明に係る顕微鏡によれば、観察試料からの被検出光を、上記の光検出装置により、一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光と合波してヘテロダイン検出するので、観察試料を高感度かつ高ＳＮ比で観察することが可能となる。
また、本発明に係る内視鏡によれば、体腔内からの被検出光を、上記の光検出装置により、一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光と合波してヘテロダイン検出するので、体腔内を高感度かつ高ＳＮ比で観察することが可能となる。
本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。 図１に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。 本発明の第２実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第６実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第７実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第８実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第９実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１１実施の形態に係る多光子蛍光顕微鏡装置の要部の構成を示すブロック図である。 光以外の電磁波を検出する場合の電磁波検出装置の基本的構成を示すブロック図である。
符号の説明
１０ 局発光発生手段
２０ 光合波手段
３０ 光電変換手段
４１ Ａｒレーザ
４２ 強度変調器
４３ Ｘ−Ｙガルバノミラー
４６ ダイクロイックミラー
４７ 対物レンズ
４８ 生細胞試料
４９ ハーフミラー
５１ ＤＰＳＳレーザ
５２ Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ
５３ ダイクロイックミラー
６１ ＤＢＤ（差動検出器）
６２ 包絡線検波回路
６３ 電気増幅器
６４ ＡＤ変換器
６５ コンピュータ
６６ モニタ
７０ パルス光発生手段
８０ 光周波数選択手段
９０ 光スペクトル整形手段
１００ 光スペクトル広帯域化手段
１１１ Ｘｅランプ
１１２ コンピュータ
１１５ 照明用レンズ
１１６ 生体試料
１１７ 集光用レンズ
１１８ 合波ミラー
１２１ 利得スイッチ半導体レーザ
１２５ ＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）
１２６ コリメートレンズ
１２８ 集光用レンズ
１３０ 二次元ＣＣＤ
１３１ ＡＤ変換器
１３２ ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）
１３３ モニタ
１３４ ハウジング
１５１ Ｘｅランプ
１５２ コンピュータ
１５５ コリメータ
１５６ 生体試料
１５７ 集光用レンズ
１５８ 走査マウント
１６０ ハウジング
１６１ チタン・サファイヤレーザ
１６２ ＰＣＦ
１６３ 光フィルタ
１６４ 光ファイバカプラ
１６５ ＤＢＤ
１６６ 電気増幅器
１６７ ＡＤ変換器
１６８ モニタ
１７１ チタン・サファイヤレーザ
１７２ 部分反射ミラー
１７４ ＰＣＦ
１７５ 強度変調器
１７７ 光スペクトル整形フィルタ
１８０ ハーフミラー
１８１ Ｘ−Ｙガルバノミラー
１８４ ダイクロイックミラー
１８５ 対物レンズ
１８６ 生細胞試料
１９１ ＤＢＤ
１９２ 包絡線検波回路
１９３ 電気増幅器
１９４ ＡＤ変換器
１９５ コンピュータ
１９６ モニタ
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。この光検出装置は、一定時間内に入力信号光（被検出光）の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段１０を用い、この局発光発生手段１０からの局発光を光合波手段２０にて入力信号光と合波し、この合波された光を光電変換手段３０にて電気信号に変換すると同時に複数のビート信号が加算された信号を得て、入力信号光をヘテロダイン検出するものである。
局発光発生手段１０は、例えば、複数の単色光源、振幅、位相や光周波数が変調された光源、光周波数コム発振器やパルス光源などを用いて、一定時間内に入力信号光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生するように構成する。光合波手段２０は、例えば、誘電体多層膜型ハーフミラー、ファイバ型光カプラや平面導波路型光カプラなどを用いて構成する。また、必要に応じて、光合波手段２０の前段に、入力信号光や局発光の空間モードを調整する空間モードフィルタを配置しても良い。光電変換手段３０は、例えば、ＰＭＴ、ＡＰＤ、ＰＤ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＭ−ＣＣＤやＥＢ−ＣＣＤなどを用いて構成する。また、光電変換手段３０は、直流成分や信号光および局発光の強度揺らぎを除去する差動型(Dual Balanced Detection:DBD)のものを用いて構成することができる。
被検出光である入力信号光は、光電変換手段３０から出力される電気信号のうち、特に、振幅情報や強度情報を用いて検出する。これらの情報は、包絡線検波、二乗検波や同期検波などにより取得する。光電変換手段３０に差動型構成を用いない場合は、直流成分を除去するフィルタ手段を付加するのが有効である。
図２は、図１に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。すなわち、本実施の形態に係る光検出装置は、局発光発生手段１０から一定時間内に発生する複数光周波数を持った局発光の光周波数を、入力信号光の光スペクトル線幅内に含まれるように設定して、光合波手段２０にて入力信号光と局発光とを合波し、この合波された光を光電変換手段３０にて光電変換すると同時に複数のビート信号の加算された出力を得、その振幅情報を用いることで入力光信号をヘテロダイン検出する。つまり、局発光として、一定時間内に複数の光周波数成分を有するものを用いて、時間的コヒーレンスの低い、すなわち光スペクトル線幅の広い入力信号光を光ヘテロダイン検出する。この場合、ビート信号は、雑音的になるので、この雑音的なビート信号の振幅情報を検出信号とする。
ここで、局発光発生手段１０から発生する局発光の複数の光周波数におけるそれぞれの間隔は、光検出システム全体の電気帯域の二倍以上とする。この場合、ある光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号は、他の光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号と相関を持たない。したがって、これらのビート信号は光電変換手段３０にてインコヒーレントに加算される。つまり、複数の光周波数成分を有する局発光を用いることで、一種類の光周波数成分しか持たない局発光を用いる場合よりも、検出されるビート信号の振幅は大きくなる。これにより、従来に無い高感度な光ヘテロダイン検出が実現される。また、十分強度の高い局発光を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
なお、光電変換手段３０から出力される電気信号は、搬送波周波数が確定しない信号になっている。また、様々な周波数成分を含むため、使用周波数帯域が広くなっている。このように、使用周波数帯域が広がると、多くの雑音の混入を許してしまい、光検出感度の低下を招くことになる。したがって、光電変換手段３０の出力から被検出光の情報を取得するには、特に、包絡線検波を行うのが好ましい。このように、包絡線検波により被検出光の情報を取得するようにすれば、使用帯域を制限して雑音の混入を防ぐことができるとともに、周波数帯域の低減に応じて、装置を構成する部品のコストダウンを図ることが可能となる。
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。このレーザ走査型蛍光顕微鏡は、励起光源として波長４８８ｎｍで連続発振するＡｒレーザ４１を有する。図３において、Ａｒレーザ４１から出射されたレーザ光は、例えば音響光学変調器（Acousto Optic Modulator:AOM）等の光強度調整器４２により光強度を調整して、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３、瞳投影レンズ４４、結像レンズ４５、ダイクロイックミラー４６および対物レンズ４７を経て、検査対象である生細胞試料４８に集光して照射する。したがって、このレーザ走査型蛍光顕微鏡では、光強度調整器４２、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３、瞳投影レンズ４４、結像レンズ４５、ダイクロイックミラー４６および対物レンズ４７は、励起光源からの励起光を試料に照射する光照射手段を構成している。また、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３は、光走査手段を構成する。
なお、生細胞試料４８としては、蛍光色素で染色された検査対象物や、蛍光タンパクが発現している検査対象物を用いる。ここでは、蛍光タンパクｅＧＦＰ（enhanced Green Fluorescence Protein）が発現している検査対象物質を用いるものとする。したがって、Ａｒレーザ４１からのレーザ光が、生細胞試料４８に照射されると、ｅＧＦＰが励起されて波長約５００ｎｍ〜６００ｎｍの蛍光が発生する。
生細胞試料４８から発生した蛍光は、対物レンズ４７を経てダイクロイックミラー４６に導く。ダイクロイックミラー４６は、波長４８８ｎｍの光は透過させ、波長５００ｎｍより長波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料４８で発生した波長約５００ｎｍ〜６００ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー４６で反射させる。
ダイクロイックミラー４６で反射された蛍光は、光合波手段であるハーフミラー４９にて局発光と合波させる。局発光は、ＤＰＳＳ (Diode Pumped Solid State) レーザ５１から出射されたレーザ光と、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２から出射されたレーザ光とをダイクロイックミラー５3で合波したものを用いる。ＤＰＳＳレーザ５１は、例えば、波長５３２ｎｍにて単一空間モードで連続発振し、平均光強度１０ｍＷまでの出力が可能なものを用いる。また、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２は、例えば、波長５４３ｎｍにて単一空間モードで連続発振し、平均光強度１０ｍＷの出力が可能なものを用いる。
すなわち、本実施の形態においては、局発光発生手段を、ＤＰＳＳレーザ５１およびＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２の２台の連続発振レーザを用いて構成している。
ハーフミラー４９から得られる二つの合波出力は、それぞれ反射ミラー５４，５５で反射させ、レンズ５６，５７を用いてＳｉＰＤ（Silicon Photo Diode）で構成される光電変換手段である差動検出器(Dual Balanced Detector:DBD)６１に入力して光電変換する。ＤＢＤ６１から出力される電気信号は、包絡線検波回路６２で包絡線検波した後、電気増幅器６３で増幅し、さらに、ＡＤ変換器６４にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ６５に供給する。
コンピュータ６５は、レーザ走査型蛍光顕微鏡の全体を制御する。これにより、Ａｒレーザ４１からのレーザ光を、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３により偏向して、生細胞試料４８を対物レンズ４７の光軸と直交する平面内で２次元走査し、その各走査点においてＡＤ変換器６４から得られる出力を処理して、モニタ６６に蛍光画像を表示する。
このように、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、Ａｒレーザ４１からのレーザ光の照射によって、生細胞試料４８から発生する蛍光を、十分強度の高いＤＰＳＳレーザ５１およびＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２から得られる局発光を用いてヘテロダイン検出する。したがって、生細胞試料４８から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料４８に照射するレーザ光の強度を高めたり、受光積算時間を長くしたりすることなく、ＳｉＰＤで構成されるＤＢＤ６１を用いて、蛍光を高速かつ高感度に光電変換することができ、生細胞試料４８を高感度かつ高ＳＮ比で蛍光観察することができる。
また、局発光として単一空間モードの光源を用いているため、ＤＢＤ６１の受光面において、局発光をほぼ回折限界まで集光することが可能である。生細胞試料４８から発せられる蛍光と局発光とが、ＤＢＤ６１の受光面において空間的に重なった部分のみビート信号として検出されるため、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、共焦点ピンホールを有していないにも拘らず、共焦点効果を実現することが可能である。
さらに、局発光発生手段として、ここではＤＰＳＳレーザ５１とＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２との２台の連続発振レーザを用いるので、特に、個々の光源の強度や発振光周波数を選択することで、被検出光の光周波数帯域や光スペクトル形状に応じた自由度の高いレーザ走査型蛍光顕微鏡を実現できる。また、本実施の形態において、被検出光は、時間的に低コヒーレンスであるため、局発光の光周波数安定性に対する要求は高くない。また、検出されるビート信号は、搬送波周波数を規定できないような雑音的な信号になるため、従来法では必要不可欠だった局発光と被検出光との間の周波数間隔の固定が必要無い。しかも、局発光間の周波数間隔は、光検出システム全体の電気帯域よりも広く設定されている限り、局発光間のビート信号は検出されない。したがって、局発光発生手段に対する光周波数の安定性に対する制約は緩い。そのため、非常に低価格な連続発振レーザを局発光源として用いることができる。なお、局発光発生手段を構成する連続発振光源は、２台に限らず、検出する入力信号光の帯域に応じて、３台以上とすることもできる。
（第３実施の形態）
図４は、本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に示した構成において、局発光発生手段１０をパルス光発生手段７０で構成したものである。パルス光発生手段７０は、例えば、モード同期レーザ、利得スイッチレーザ、Ｑスイッチレーザなどのパルス光源と、光遅延発生器、チャープ発生器、光増幅器や光周波数変換器などを組み合わせて構成する。ここで、光遅延発生器は、例えば、光ファイバ遅延線やミラーなどで構成される空間遅延回路などである。チャープ発生器は、例えば、回折格子対、プリズム対、チャープドファイバブラッググレーティング、空間液晶変調器を利用したものや光ファイバなどである。光増幅器は、例えば、希土類添加型光ファイバ型光増幅器、誘導ラマン散乱効果を利用した光ファイバ型光増幅器、光パラメトリック光増幅器や半導体光増幅器などである。光周波数変換器は、例えば、第二次高調波発生 (second harmonic generation:SHG)、第三次高調波発生 (third harmonic generation:THG)、四光波混合効果 (four wave mixing:FWM)や誘導ラマン散乱効果を用いた光周波数変換器などである。なお、パルス光発生手段７０から出力するパルス列の繰返し周波数は、信号処理周波数帯域の二倍以上、好ましくは、二倍に設定する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
このように、局発光発生手段をパルス光発生手段７０で構成すれば、パルス光発生手段７０から発生する光パルス列の光スペクトルは、光スペクトル帯域内に光パルス列の繰り返し周波数と一致する周波数間隔で光周波数が並んだ構造を持っているので、光周波数の異なる多数の局発光を容易に得ることができる。また、時間幅の狭い光パルス列は、広い光スペクトル帯域を持っているため、被検出光が広帯域であっても非常に高感度に検出することが可能になる。また、パルス光発生手段７０を用いることで、簡単な構成で多数の光周波数の局発光が得られるので、光源の管理が非常に容易になるとともに、局発光発生手段をコンパクトに構成することが可能となる。また、局発光としての光パルスと時間的に重なった信号光のビート信号が検出されるため、光パルスのタイミングを調整することで、光パルス時間幅程度の時間分解能を持った時間分解計測も可能になる。
また、パルス光発生手段７０を、モード同期レーザを用いて構成した場合は、局発光の各周波数成分間の相対強度揺らぎを非常に小さくできるので、非常に低雑音な光検出が可能となる。すなわち、多くの光周波数成分を含む局発光を用いる場合、各光周波数成分間に相対強度揺らぎがあると、ビート信号強度も揺らぐため、検出時の雑音となる。この点、モード同期レーザは、非常に低雑音な光パルス列を発生させることができるので、光スペクトルに含まれる各光周波数成分の光スペクトル純度を非常に高くでき、各周波数成分間の相対強度揺らぎを非常に小さくできる。
また、パルス光発生手段７０を、利得スイッチレーザもしくはＱスイッチレーザを用いて構成した場合は、所望の光周波数成分の周波数間隔を実現することができるので、計測速度を変化させても、それに応じて常に所望の感度に調整が可能になる。すなわち、光パルス列の光スペクトルに含まれる光周波数成分の周波数間隔は、前述のとおり、光パルス列の繰り返し周波数と等しい。この光周波数成分の周波数間隔は、光検出システム全体の電気帯域に入らない程度に密であることが、検出感度の観点から望ましい。この点、利得スイッチレーザやＱスイッチレーザを用いれば、光パルス列の繰り返し周波数を容易に変更可能であるので、局発光に含まれる光周波数成分の周波数間隔を容易に変化させることができる。そのため、計測速度を変化させても、それに応じて常に所望の感度に調整が可能になる。
さらに、パルス光発生手段７０から出力するパルス列の繰返し周波数を、信号処理周波数帯域の二倍に設定することで、局発光の隣接する光周波数成分の位相関係によって検出信号出力が影響を受けることなく、高感度の検出が可能となる。すなわち、局発光として用いられる光パルス列の光スペクトル中には、その繰り返し周波数間隔で光周波数成分が並ぶ。この各光周波数成分同士の位相関係には強い相関があるため、局発光の隣接する光周波数成分のちょうど中間に位置する信号光の光周波数成分は、電気段にてコヒーレントに足し合わされる。つまり、隣接する光周波数成分の位相関係によって、検出信号出力が変化する。これを防止するには、局発光として用いる光パルス列の各光周波数成分の位相関係を管理する必要が生じる。この点、パルス光発生手段７０から出力する光パルス列の繰り返し周波数を信号処理周波数の二倍以上に設定すれば、この出力変化の問題を解消することができる。そして、好ましくは、光パルス列の繰り返し周波数を信号処理周波数の二倍に設定することで、局発光の各光周波数成分の間隔が密となり、高感度な光検出が可能となる。
（第４実施の形態）
図５は、本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置において、パルス光発生手段７０と光合波手段２０との間に、パルス光発生手段７０の出力光から、一部の光周波数を選択して局発光として光合波手段２０に出力する光周波数選択手段８０を設けたものである。
光周波数選択手段８０は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、光吸収型フィルタ、回折格子型フィルタ、プリズム型フィルタ、グリズム型フィルタ、ＶＩＰＡ(Virtually Imaged Phased Array)型フィルタ、ＡＷＧ (Arrayed Wave Guide)型フィルタ、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)型フィルタなどを用いて構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
このように、パルス光発生手段７０の後段に光周波数選択手段８０を設ければ、パルス光発生手段７０から出力される光パルス列の光スペクトルが被検出光の光スペクトル帯域よりも広い場合に、光検出に寄与しない局発光を光周波数選択手段８０により除去することができるので、第３実施の形態の効果に加えて、過剰雑音の混入を低減し、所望の被検出信号を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
光ヘテロダイン検出における支配的雑音要因はショット雑音であり、この雑音は光電変換手段３０で光電変換される局発光強度に比例する。このため、被検出光が存在しない光周波数領域の局発光が光電変換手段３０に入力されると、ビート信号は増えない上、ショット雑音が増大してしまう。本実施の形態に係る光検出装置では、このような光検出に寄与しない局発光を、光周波数選択手段８０で除去するので、局発光と近接する信号光成分のみがビート信号として検出され、光周波数軸上で近接する局発光の無い信号光成分は検出されない。つまり、光周波数選択手段８０で選択された局発光の光スペクトルとほぼオーバーラップしている被検出光のみがビート信号として検出されるので、被検出光のある特定の光周波数を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
（第５実施の形態）
図６は、本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置において、パルス光発生手段７０と光合波手段２０との間に、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを所望の形状に整形して光合波手段２０に局発光として出力する光スペクトル整形手段９０を設けたものである。
光スペクトル整形手段９０は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、長周期ＦＢＧ、回折格子と液晶空間位相変調器との組み合わせや、ＶＩＰＡ型波形整形器などを用いて構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
このように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル整形手段９０を設けて、光合波手段２０に出力する光パルス列の光スペクトルの強度等を所望の形状に整形すれば、第３実施の形態の効果に加えて、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。すなわち、局発光として光パルス列を用いる場合、光パルス列の光スペクトル形状に応じて、検出感度の光周波数依存性が生じる。また、光電変換手段３０も、通常は検出感度の光周波数依存性を有している。したがって、本実施の形態におけるように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル整形手段９０を配置して、光パルス列の光スペクトルを所望の形状に整形して、被検出光に合波すれば、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。
なお、このような光スペクトル整形手段９０は、図５に示した構成において、光周波数選択手段８０の前段または後段に配置して光検出装置を構成することもでき、これにより同様の効果を得ることができる。
（第６実施の形態）
図７は、本発明の第６実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置において、パルス光発生手段７０と光合波手段２０との間に、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを広帯域化して光合波手段２０に局発光として出力する光スペクトル広帯域化手段１００を設けたものである。
光スペクトル広帯域化手段１００は、例えば、光ファイバ中の非線形効果（光カー効果、誘導ラマン散乱、誘導パラメトリック散乱）や半導体光増幅器中の非線形効果を利用して構成することができる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
このように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル広帯域化手段１００を設けて、光合波手段２０に出力する光パルス列の光スペクトルを広帯域化すれば、第３実施の形態の効果に加えて、非常に広帯域な被検出光でも検出することが可能となる。すなわち、光電変換手段３０の検出光帯域が十分広い場合、検出可能な光スペクトル帯域は、パルス光発生手段７０からの局発光の光スペクトル帯域（より厳密には局発光の光スペクトル包絡線の帯域）でほぼ決定される。つまり、局発光の光スペクトルとオーバーラップしない信号光成分は検出することができない。この点、本実施の形態におけるように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル広帯域化手段１００を配置すれば、局発光の光スペクトル帯域を広げることができるため、検出可能な光スペクトル帯域を広げることが可能になり、非常に広帯域な信号光でも検出できるようになる。
（第７実施の形態）
図８は、本発明の第７実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、照明光源としてＸｅランプ１１１を有し、被検出光の検出系として図７に示した光検出装置の構成を有するものである。図８において、Ｘｅランプ１１１は、コンピュータ１１２に制御されたドライバ１１３によって駆動する。Ｘｅランプ１１１から発せられた光は、ライトガイドファイバ（Light Guide Fiber:LGF）１１４を経由して照明用レンズ１１５から体腔内の生体試料１１６に向けて照明光として照射する。
照明光の照射により生体試料１１６で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ１１７にて集光して、合波ミラー１１８で局発光と合波させる。
局発光は、利得スイッチ半導体レーザ１２１からの光パルスを用いる。この利得スイッチ半導体レーザ１２１からの光パルスは、分散補償光ファイバ(Dispersion Compensation Fiber:DCF)１２２、Ｅｒ添加ファイバ型光増幅器(Er-doped Fiber Amplifier:EDFA)１２３、ＰＰＬＮ (Periodically Poled Lithium Niobate)１２４、光スペクトル広帯域化手段であるフォトニック結晶ファイバ（photonic crystal fibers:PCF）１２５、およびコリメートレンズ１２６を経て、合波ミラー１１８に局発光として入射させる。
利得スイッチ半導体レーザ１２１は、例えば、波長１５５０ｎｍの分布帰還型半導体レーザ(Distributed Feedback Laser Diode:DFB LD)を用いる。この利得スイッチ半導体レーザ１２１からは、パルス幅２０ｐｓのパルス列を得る。パルス列の繰り返し周波数は、１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの間でコンピュータ１１２によって制御する。利得スイッチ半導体レーザ１２１から出力された光パルスは、ＤＣＦ１２２を伝搬させて、パルス幅を約２ｐｓまで時間圧縮し、さらに、ＥＤＦＡ１２３により増幅する。ＥＤＦＡ１２３の出力光は、ＰＰＬＮ１２４で波長７７５ｎｍに波長変換し、さらにＰＣＦ１２５に入力して、光カー効果により光スペクトルを広帯域化する。このＰＣＦ１２５の出力光は、コリメートレンズ１２６により平行光の局発光として合波ミラー１１８に入射させて、被検出光と合波する。ＰＣＦ１２５は、例えば、零分散波長が７７０ｎｍ、非線形定数が１００Ｗ−１ｋｍ−１、ファイバ長が２０ｍのものを用いる。これにより、可視帯を覆う程度に光スペクトルを広帯域化する。
ここで、コンピュータ１１２は、生体試料１１６からの光検出系全体の信号処理帯域の約二倍になるように利得スイッチ半導体レーザ１２１の繰り返し周波数を制御する。さらにコンピュータ１１２は、利得スイッチ半導体レーザ１２１の繰り返し周波数を変化させると同時に、ＥＤＦＡ１２３から出力される光パルス一つ当たりのエネルギが変動しないように、ＥＤＦＡ１２３の平均出力光強度を調整する。これにより、ＰＣＦ１２５から出射される光スペクトルの形状を安定化する。
合波ミラー１１８で合波された光は、フィルタ１２７で可視光以外の光を除去し、集光用レンズ１２８により光電変換手段である二次元ＣＣＤ１３０に集光して光電変換する。二次元ＣＣＤ１３０からの出力電気信号は、ＡＤ変換器１３１でディジタル信号に変換した後、ディジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)１３２に供給し、該ＤＳＰ１３２で包絡線検波処理してコンピュータ１１２に供給する。そして、コンピュータ１１２により、ＤＳＰ１３２からの信号に基づいて二次元画像を構築して、モニタ１３３に画像を表示する。なお、照明用レンズ１１５、集光用レンズ１１７、合波ミラー１１８、コリメートレンズ１２６、フィルタ１２７、集光用レンズ１２８および二次元ＣＣＤ１３０は、内視鏡ハウジング１３４内に収められている。
本実施の形態に係る内視鏡によれば、利得スイッチ半導体レーザ１２１から出力される光パルスを、ＤＣＦ１２２で時間圧縮した後、ＥＤＦＡ１２３で増幅し、さらに、ＰＰＬＮ１２４で波長変換してからＰＣＦ１２５で光スペクトルを広帯域化して局発光を得るようにしている。したがって、生体試料１１６からの広帯域な被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出して、二次元画像としてモニタ１３３に表示することができ、正確な診断に供することができる。
（第８実施の形態）
図９は、本発明の第８実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置に、図５に示した光周波数選択手段８０と、図７に示した光スペクトル広帯域化手段１００とを付加し、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを、光スペクトル広帯域化手段１００により広帯域化した後、その広帯域化された光スペクトルから光周波数選択手段８０により所要の光周波数を局発光として選択して光合波手段２０に出力するようにしたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
したがって、本実施の形態に係る光検出装置によると、第３実施の形態、第４実施の形態および第６実施の形態で説明したと同様の効果を得ることができる。
（第９実施の形態）
図１０は、本発明の第９実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この走査型内視鏡は、体腔内を走査して観察するもので、照明光源としてＸｅランプ１５１を有し、被検出光の検出系として図９に示した光検出装置の構成を有するものである。図１０において、Ｘｅランプ１５１は、コンピュータ１５２に制御されたドライバ１５３によって駆動する。Ｘｅランプ１５１から発せられた光は、ライトガイドファイバ１５４を経てコリメータ１５５から体腔内の生体試料１５６に照明光として照射する。
照明光の照射により生体試料１５６で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ１５７にて集光する。ここで、コリメータ１５５および集光用レンズ１５７は、走査マウント１５８に保持されており、走査マウント１５８はドライバ１５９を介してコンピュータ１５２によって制御される。コリメータ１５５、集光用レンズ１５７および走査マウント１５８は、内視鏡ハウジング１６０に収められている。
局発光は、チタン・サファイヤレーザ１６１からの光パルスを用いる。このチタン・サファイヤレーザ１６１からの光パルスは、光スペクトル広帯域化手段であるＰＣＦ１６２および光周波数選択手段である光フィルタ１６３を経て、合波手段である光ファイバカプラ１６４に、局発光として入射させる。
チタン・サファイヤレーザ１６１からは、例えば、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２０ｆｓ、発振波長８５０ｎｍ、平均光強度２．５Ｗの超短光パルスを発生させる。この超短光パルスは、ＰＣＦ１６２に入力して、光スペクトルを広帯域化する。ＰＣＦ１６２は、例えば、零分散波長が８４５ｎｍ、非線形定数が７０Ｗ−１ｋｍ−１、ファイバ長が１ｍのものを用いる。そして、光フィルタ１６３は、ＰＣＦ１６２で広帯域化された光パルスから、波長４５０ｎｍ〜７００ｎｍの光を局発光として取り出して光ファイバカプラ１６４に供給する。
集光用レンズ１５７からの出力光および光フィルタ１６３からの局発光は、光ファイバカプラ１６４にて合波して、該光ファイバカプラ１６４の二つの出力を、光電変換手段であるＤＢＤ１６５へ入力して光電変換する。ＤＢＤ１６５から出力される電気信号は、電気増幅器１６６にて増幅し、さらに、ＡＤ変換器１６７にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ１５２に供給する。
コンピュータ１５２は、走査マウント１５８の位置およびＸｅランプ１５１の光強度を制御しながら、ＡＤ変換器１６７から得られる情報に基づいて二次元画像を構築して、その構築した二次元画像をモニタ１６８に表示する。
本実施の形態に係る走査型内視鏡によれば、チタン・サファイヤレーザ１６１から出力される光パルスの光スペクトルを、ＰＣＦ１６２で広帯域化した後、光フィルタ１６３に入射させるので、所望の光スペクトルを有する局発光を容易に得ることができる。したがって、生体試料１５６からの広帯域な被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出して、二次元画像としてモニタ１６８に表示することができ、正確な診断に供することができる。
（第１０実施の形態）
図１１は、本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置に、図６に示した光スペクトル整形手段９０と、図７に示した光スペクトル広帯域化手段１００とを付加し、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを、光スペクトル広帯域化手段１００により広帯域化した後、その広帯域化された光スペクトルを光スペクトル整形手段９０により所望の形状に整形して光合波手段２０に局発光として出力するようにしたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
したがって、本実施の形態に係る光検出装置によると、第３実施の形態、第５実施の形態および第６実施の形態で説明したと同様の効果を得ることができる。
なお、図１１に示した光検出装置において、光スペクトル整形手段９０の前段または後段に、図５に示した光周波数選択手段８０を配置することもでき、これにより図５において説明したと同様の効果を得ることもできる。
（第１１実施の形態）
図１２は、本発明の第１１実施の形態に係る多光子蛍光顕微鏡装置の要部の構成を示すブロック図である。この多光子蛍光顕微鏡装置は、励起光源としてチタン・サファイヤレーザ１７１を有し、被検出光の検出系として図１０に示した光検出装置の構成を有し、かつ、励起光源であるチタン・サファイヤレーザ１７１を局発光源としても共用するものである。
チタン・サファイヤレーザ１７１からは、例えば、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２０ｆｓ、発振波長８５０ｎｍ、平均光強度２．５Ｗの超短光パルスを発生させる。この超短光パルスは、部分反射ミラー１７２にて９０％の光を反射させて、レンズ１７３を経て光スペクトル広帯域化手段であるＰＣＦ１７４に入力させる。一方、部分反射ミラー１７２を透過する１０％の光は、光強度調整器１７５に入力させる。
ＰＣＦ１７４は、例えば、零分散波長が８４５ｎｍ、非線形定数が７０Ｗ−１ｋｍ−１、ファイバ長が１ｍのものを用いて、入力された超短光パルスの光スペクトルを広帯域化する。ここで、ＰＣＦ１７４により広帯域化された光スペクトルには、多数のリプルが生じる。そのため、このＰＣＦ１７４から出力される光パルスを、レンズ１７６を経て光スペクトル整形手段である誘電体多層膜型の光スペクトル整形フィルタ１７７に入射させて、光スペクトルを整形する。
光スペクトル整形フィルタ１７７は、広帯域化された光スペクトル上の波長５００ｎｍ〜６００ｎｍのリプルを平坦化する透過特性を有する、例えば誘電体多層膜型のものを用いる。この光スペクトル整形フィルタ１７７により光スペクトルが整形された光パルスは、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの光を透過する光バンドパスフィルタ１７８を経て、局発光として光合波手段であるハーフミラー１８０に入射させる。
一方、部分反射ミラー１７２を透過した光は、光強度調整器１７５により平均光強度を１００ｍＷに調整して、Ｘ−Ｙガルバノミラー１８１、瞳投影レンズ１８２、結像レンズ１８３、ダイクロイックミラー１８４および対物レンズ１８５を経て、検査対象である生細胞試料１８６に集光して照射し、これにより生細胞試料１８６中の例えばｅＧＦＰを多光子励起（例えば、2光子励起）して蛍光を発生させる。
生細胞試料１８６から発生した蛍光は、対物レンズ１８５を経てダイクロイックミラー１８４に導く。ダイクロイックミラー１８４は、チタン・サファイヤレーザ１７１からの波長８５０ｎｍの光は透過させ、波長７００ｎｍ以下の短波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料１８６で発生した波長約５００ｎｍ〜６００ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー１８４で反射させる。
ダイクロイックミラー６３で反射された波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの蛍光は、ハーフミラー１８０にて、光バンドパスフィルタ１７８から出力される局発光と合波させる。ハーフミラー１８０から得られる二つの合波出力は、それぞれ反射ミラー１８７，１８８およびレンズ１８９，１９０を経て、ＳｉＰＤで構成される光電変換手段であるＤＢＤ１９１に入力して光電変換する。ＤＢＤ１９１から出力される電気信号は、包絡線検波回路１９２で包絡線検波した後、電気増幅器１９３で増幅し、さらに、ＡＤ変換器１９４にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ１９５に供給する。
コンピュータ１９５は、多光子蛍光顕微鏡装置の全体を制御して、ＡＤ変換器１９４から得られる出力を処理し、その蛍光画像をモニタ１９６に表示する。
本実施の形態に係る多光子蛍光顕微鏡装置によれば、励起光源であるチタン・サファイヤレーザ１７１を局発光源としても用い、このチタン・サファイヤレーザ１７１から出射された励起光を局発用として光量分離し、その分離した局発用の光パルスの光スペクトルをＰＣＦ１７４で広帯域化して、さらに、光スペクトル整形フィルタ１７７で光スペクトルを整形して局発光を得るようにしたので、簡単な構成で、生細胞試料１８６からの蛍光を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、被検出信号光は、試料からの反射光、散乱光、蛍光に限らず、透過光、燐光の場合も、本発明に係る光検出装置を有効に適用することができる。また、反射光、散乱光、透過光を検出する場合の照明光は、ランプ光に限らず、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光とすることもできる。さらに、図５、図９、図１０において、光周波数選択手段の前段または後段に、図６に示した光スペクトル整形手段を設けることもできる。
また、本発明は、波長が180ｎｍ程度の紫外線から波長が50μｍ程度の赤外線までの電磁波の光検出に適用でき、上記実施の形態で説明した可視光の検出に限らない。例えば、紫外線を検出する場合、局発光発生手段は、例えば、チタン・サファイヤレーザを用い、該チタン・サファイヤレーザから生成される高強度の超短光パルスをキセノンガスに照射して、キセノンガス中で高次高調波を発生させ、これにより紫外線領域で得られる超短光パルスを紫外線検出用の局発光として用いるように構成することができる。また、光合波手段は、例えば、多層膜型ミラーを用いて構成することができ、光電変換手段は、例えば、ＰＭＴを用いて構成することができる。
また、赤外線を検出する場合、局発光発生手段は、例えば、モード同期Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、該モード同期Ｎｄ：ＹＡＧレーザから生成される高強度のピコ秒光パルスをＰＰＬＮに入射し、これによりＰＰＬＮ中での差周波混合によって得られる赤外線波長の光パルスを赤外線検出用の局発光として用いるように構成することができる。また、光合波手段は、例えば、ＣｓＩ基板型ビームスプリッタを用いて構成することができ、光電変換手段は、例えば、Ｇｅ：Ｚｎを用いた光導電素子を利用して構成することができる。
また、本発明は、光以外の電磁波、例えば、電波、Ｘ線、γ線等の検出にも有効に適用することができる。この場合は、例えば、図１３に示すように、局発信号発生手段２０１から、一定時間内に被検出電磁波（例えば、電波など）に基づく被検出信号の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発信号を発生させ、この局発信号と被検出信号とをミキサ２０２で混合する。そして、ミキサ２０２の出力からローパスフィルタ（Low Pass Filter:LPF）２０３によりビート信号を取り出して、このビート信号に基づいて被検電磁波に基づく被検出信号を検出するように構成する。したがって、本発明は、以下の付記項に記載のように捉えることもできる。
［付記項］
１．一定時間内に被検出電磁波に基づく被検出信号の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発信号を発生する局発信号発生手段と、
前記局発信号発生手段から発生される前記局発信号と前記被検出信号とを混合する混合手段と、
前記混合手段の出力からビート信号を取り出すローパスフィルタとを有し、
前記ビート信号に基づいて前記被検出信号をヘテロダイン検出することを特徴とする電磁波検出装置。
２．前記局発信号発生手段は、それぞれ異なる周波数の連続信号を発生する複数台の信号発生源を有する、ことを特徴とする付記項１に記載の電磁波検出装置。
３．前記局発信号発生手段は、パルス列を発生するパルス発生手段からなる、ことを特徴とする付記項１に記載の電磁波検出装置。
４．前記局発信号発生手段は、さらに、前記パルス発生手段の出力から、所定の周波数成分を局発信号として選択するフィルタ手段を有する、ことを特徴とする付記項３に記載の電磁波検出装置。
５．前記局発信号発生手段は、さらに、前記パルス発生手段の出力のスペクトルを整形するスペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする付記項３に記載の電磁波検出装置。
６．前記局発信号発生手段は、さらに、前記パルス発生手段の出力のスペクトルを広帯域化するスペクトル広帯域化手段を有する、ことを特徴とする付記項３に記載の電磁波検出装置。
７．前記局発信号発生手段は、さらに、前記スペクトル広帯域化手段の出力から、所定の周波数成分を局発信号として選択するフィルタ手段を有する、ことを特徴とする付記項６に記載の電磁波検出装置。
８．前記局発信号発生手段は、さらに、前記スペクトル広帯域化手段の出力のスペクトルを整形するスペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする付記項６に記載の電磁波検出装置。
９．前記パルス発生手段は、前記ローパスフィルタの出力を処理する信号処理周波数帯域の二倍以上の繰り返し周波数で、前記パルス列を発生する、ことを特徴とする付記項３〜８のいずれか一項に記載の電磁波検出装置。
１０．前記ビート信号の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とする付記項１〜９のいずれか一項に記載の電磁波検出装置。
１１．一定時間内に被検出電磁波に基づく被検出信号の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発信号を発生するステップと、
前記被検出信号光と前記局発信号とを混合するステップと、
前記混合された信号からビート信号を取り出すステップとを含み、
前記ビート信号に基づいて前記被検出信号をヘテロダイン検出することを特徴とする電磁波検出方法。
１２．観察試料からの被検出電磁波を検出する顕微鏡であって、
付記項１〜１０のいずれか一項に記載の電磁波検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出電磁波に基づく被検出信号を前記電磁波検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
１３．体腔内からの被検出電磁波を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
付記項１〜１０のいずれか一項に記載の電磁波検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出電磁波に基づく被検出信号を前記電磁波検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。

Claims (15)

  1. 一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段と、
    前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
    前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
    前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出装置。
  2. 前記局発光発生手段は、それぞれ異なる光周波数の連続光を発生する複数台の光発生源を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記局発光発生手段は、光パルス列を発生する光パルス発生手段からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
  4. 前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
  5. 前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
  6. 前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを広帯域化する光スペクトル広帯域化手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
  7. 前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の光検出装置。
  8. 前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の光検出装置。
  9. 前記光パルス発生手段は、前記光電変換手段の出力を処理する信号処理周波数帯域の二倍以上の繰り返し周波数で、前記光パルス列を発生する、ことを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載の光検出装置。
  10. 前記光パルス発生手段は、モード同期レーザを有することを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項に記載の光検出装置。
  11. 前記光パルス発生手段は、利得スイッチレーザもしくはＱスイッチレーザを有することを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項に記載の光検出装置。
  12. 前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光検出装置。
  13. 一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生ステップと、
    前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、
    前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、
    前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出方法。
  14. 観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
    前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
  15. 体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
    前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。
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