WO2015129293A1

WO2015129293A1 - 光音響顕微鏡装置

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Abstract

　光音響顕微鏡装置１００は、光音響波を発生させる励起光を発生する光源１０１と、励起光を標本Ｓ上で集光させる対物レンズ１０３と、標本Ｓ上での励起光の集光位置を移動させる走査部１０２と、発生した光音響波を検出するセンサ部２０１を有する光音響波検出部２０２と、光音響波検出部２０２からのデータに基づいて画像を構成する画像構成部２５１と、を有し、センサ部２０１は、センサ部２０１に入射する光音響波を受信できる範囲の角度が対物レンズ１０３の照明側の開口数に対応する角度よりも大きい。

Description

光音響顕微鏡装置

　本発明は、光音響顕微鏡装置に関するものである。

　光音響波とは、物質に吸収波長域の光を照射した際に生じる熱弾性過程にて発生する弾性波の一種である。そのため、光音響波は、吸収特性をイメージングする手法として注目されている。また、光音響波は、超音波の一種で、光に比べて散乱の影響を受けにくい特徴を有していることから、生体内部のイメージング手段として適用されている。

　光音響波を検出信号としてイメージングに適用する光音響顕微鏡では、観察対象物の吸収波長域に合わせたパルス光を励起光として用い、該励起光を対物レンズにより集光して標本内を集光スポットにより走査し、これにより各集光スポット位置で発生する光音響波をトランスデューサ等で検出する手法が用いられている。かかる光音響顕微鏡によると、標本を集光スポットで走査した際に、集光スポット位置に吸収物質が存在すると光音響波が発生するので、その光音響波を検出することにより、標本内の吸収特性をイメージングすることができる。

　このような光音響顕微鏡として、例えば特許文献１に開示のものが知られている。図１２は、特許文献１に開示された光音響顕微鏡を示すものである。図１２において、図示しないレーザパルス光源からの励起光Ｌは、集光レンズ１１、ピンホール１２、振動ミラー１３、対物レンズ１４、補正レンズ１５、二等辺プリズム１６、シリコンオイル層１７、菱形プリズム１８及び音響レンズ１９を経て標本Ｓの内部に集光される。また、励起光Ｌの照射により標本Ｓ内の集光位置から発生する光音響波Ｕは、音響レンズ１９により集波されて波面変換され、菱形プリズム１８内で反射されて超音波トランスデューサ２０で検出される。

　図１２において、二等辺プリズム１６及び菱形プリズム１８は、シリコンオイル層１７を介して結合されている。音響レンズ１９は、光学レンズの光軸に相当する音軸が対物レンズ１４の光軸と一致し、かつ音響レンズ１９の焦点位置と対物レンズ１４の焦点位置とが一致するように菱形プリズム１８に接合されている。超音波トランスデューサ２０は、音響レンズ１９の焦点からの光音響波Ｕの波面が、音響レンズ１９により平面波に変換されて、超音波トランスデューサ２０の検出面に垂直に入射するように菱形プリズム１８に接合されている。また、標本Ｓは、液体に浸漬される。

特表２０１１－５１９２８１号公報

　図１２に示した構成の光音響顕微鏡では、振動ミラー１３を振動させることにより、標本Ｓに照射される励起光Ｌを偏向して、標本Ｓを励起光Ｌの集光スポットで走査する。しかしながら、振動ミラー１３により励起光Ｌを偏向すると、音響レンズ１９の焦点位置からずれて照射される集光スポットにより発生する光音響波Ｕは、音響レンズ１９で波面変換された後、超音波トランスデューサ２０の検出面に対して傾いて入射することになる。

　ここで、超音波トランスデューサ２０は、平面波が垂直に入射する場合に検出感度がもっとも高くなるように設定される。そのため、振動ミラー１３による標本Ｓの走査範囲を広くしようとすると、超音波トランスデューサ２０に入射する光音響波Ｕの最大傾きが大きくなって検出精度が低下することになる。
　また、標本Ｓへ照射される励起光Ｌと、標本Ｓからもどってくる光音響波Ｕとを分離する部材が必要となる。このため、作動距離を充分に確保することが困難となる。さらに、標本Ｓを照射する照射側の励起光Ｌの開口数（ＮＡ）が小さくなってしまう。

　本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、十分な長さの作動距離を確保でき、かつ広い走査範囲に亘って、大きな領域単位で走査し、検出精度を向上できる光音響顕微鏡装置を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光音響顕微鏡装置は、
　光音響波を発生させる励起光を発生する光源と、
　励起光を標本上で集光させる対物レンズと、
　標本上での励起光の集光位置を移動させる走査部と、
　発生した光音響波を検出するセンサ部を有する光音響波検出部と、
　光音響波検出部からのデータに基づいて画像を構成する画像構成部と、を有し、
　前記センサ部は、前記センサ部に入射する光音響波を受信できる範囲の角度が前記対物レンズの照明側の開口数ＮＡに対応する角度γよりも大きいことを特徴とする。
　開口数ＮＡは、ＮＡ＝１．３３３×ｓｉｎ（γ）で表される。
　１．３３３は、水の屈折率であり、γは対物レンズと標本間の媒質（水）における光束の光軸に対する最大角度である。開口数に対応する角度とはこのγの角度を意味する。
　また、センサ部に入射する光音響波を受信できる範囲の角度θは、光音響信号の検出感度が最も高い検出感度となる入射方向と検出感度が最も高い検出感度の１／２となる入射方向とのなす角を意味する。

　本発明には、十分な長さの作動距離を確保でき、かつ広い走査範囲に亘って、大きな領域単位で走査し、検出精度を向上できる光音響顕微鏡装置を提供できるという効果を奏する。

第１実施形態の光音響顕微鏡装置を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、ガルバノミラー１０２を振った場合の状態を、それぞれ示す図である。パラメータを説明する図である。（ａ）は、光音響波検出部の構成を示す図である。（ｂ）は、ファイバーセンサの端部の構成を示す図である。（ｃ）は、ファイバーセンサの指向性の分布を示す図である。（ａ）は、光音響波信号を示す図である。（ｂ）は、２次元のマッピングを示す図である。（ｃ）は、標本の深さ方向の情報を示す図である。（ｄ）は、３次元の光音響波画像を示す図である。第１実施形態の変形例に係る光音響顕微鏡装置の構成を示す図である。（ａ）は、ファイバーセンサにより検出された光音響波信号を示す図である。（ｂ）は、他のファイバーセンサにより検出された光音響波信号を示す図である。（ｃ）は、さらに他のファイバーセンサにより検出された光音響波信号を示す図である。（ａ）は、第２実施形態の光音響顕微鏡装置を示す図である。（ｂ）は、検出器保持部を説明する図である。（ａ）は、第３実施形態の光音響顕微鏡装置を示す図である。（ｂ）は、検出器保持部を説明する図である。（ａ）は、光音響検出部の概略構成を示す図である。（ｂ）は、ファイバーセンサ２１１の先端構成を示す図である。（ａ）は、検出器保持部を対物レンズの光軸方向から見た構成を示す図である。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ異なるファイバーセンサが検出した光音響波信号を示す図である。従来の光音響顕微鏡の構成を説明する図である。

　本実施形態の光音響顕微鏡装置の構成と作用効果を説明する。なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えない。従って、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

（第１実施形態）
　次に、第１実施形態の構成を説明する。図１に示すように、本実施形態の光音響顕微鏡装置１００は、
　光音響波を発生させる励起光を発生するパルス光源１０１と、
　励起光を標本Ｓ上で集光させる対物レンズ１０３と、
　標本上での励起光の集光位置を移動させる走査部であるガルバノミラー１０２と、
　発生した光音響波を検出するセンサ部２０１を有する光音響波検出部２０２と、
　光音響検波出部２０２からのデータに基づいて画像を構成する画像構成部２５１と、を有し、
　センサ部２０１は、センサ部２０１に入射する光音響波を受信できる範囲の角度が対物レンズ１０３の照明側の開口数に対応する角度よりも大きいことを特徴としている。

　なお、対物レンズ１０３は、対物レンズ１０３の先端と標本Ｓとの間が、液体、例えば水Ｗで充填されている液侵レンズである。

　この構成により、パルス光源であるパルスレーザ１０１からの光束は、ガルバノミラー１０２によって反射される。そして、励起光Ｌを標本Ｓ上で集光させるための対物レンズ１０３に、所定の角度で入射する。

　対物レンズ１０３に入射した光束は水Ｗを介して、標本Ｓにおいて集光する。標本Ｓ内部の集光した位置で、光音響波を発生する物体が存在すると、光音響波が標本Ｓ内部で発生する。

　次に、励起光Ｌにより、標本Ｓを走査する構成について説明する。
　光音響波信号（音響信号）は、標本Ｓと、さらに、水Ｗとを伝播する。水Ｗ内を伝播した光音響波Ｌｒは、光音響波検出部２０２が有するファイバーセンサ２０１に到達する。

　図２（ａ）、（ｂ）は、ガルバノミラー１０２を振った場合の状態を、それぞれ示している。
　図２（ａ）において、パルス光源１０１からの励起光Ｌは、ガルバノミラー１０２により光路が４５度折り曲げられる。そして、平行な励起光Ｌは、ほぼ垂直に対物レンズ１０３に対して、入射する。対物レンズ１０３は、入射した励起光Ｌを焦点位置に集光する。

　標本Ｓ内の集光スポット位置Ｐ０で光音響波ＳＮが発生する。光音響波ＳＮは、標本Ｓと、さらに、水Ｗ内とを伝播して進行する。水Ｗにおいて伝播した光音響波ＳＮのうちの一部である光音響波Ｌｒは、ファイバーセンサ２０１の先端部に達する。

　図２（ｂ）は、ガルバノミラー１０２を図２（ａ）で示す状態に比較して紙面矢印方向に振動（チルト）させた状態を示している。ガルバノミラー１０２を振動させると、例えば、パルス光源１０１からの励起光Ｌは、ガルバノミラー１０２により平行光のまま光路を所定角度折り曲げられる。そして、平行な励起光Ｌは、対物レンズ１０３に対して、斜入射する。対物レンズ１０３は、斜入射した励起光Ｌを集光スポット位置Ｐ１に集光する。

　ここで、集光スポット位置Ｐ１（図２（ｂ））は、集光スポット位置Ｐ０（図２（ａ））と異なる位置となる。このように、ガルバノミラー１０２により、標本Ｓ内を励起光Ｌの集光スポットにより第１の走査方向および第２の走査方向に沿って二次元走査できる。

　以下、励起光Ｌにより走査できる標本Ｓの領域をスキャン範囲の半径をＸｒ（つまり、観察を行う最大領域の半径）、とする。

　さらに、対物レンズ１０３と標本Ｓとの相対的な距離を変化させることで、集光スポットの位置を、標本Ｓの深さ方向へ移動させることができる。また、上述したように、対物レンズ１０３は、焦点距離の異なるものを適宜選択して装着しても良い。

　標本Ｓ内の集光スポット位置Ｐ１で光音響波ＳＮが発生した場合、光音響波ＳＮは、標本Ｓと、さらに、水Ｗ内とを伝播して進行する。水Ｗを伝播した光音響波ＳＮのうちの一部である光音響波Ｌｒは、光音響波検出部２０２が有するファイバーセンサ２０１の先端部に達する。光音響波検出部２０２は、検出した光音響波Ｌｒを算出する干渉計である。光音響波検出部２０２の詳細な構成は後述する。

　また、制御部２５０には、画像構成部２５１が接続される。制御部２５０は、制御部２５０によるガルバノミラー１０２の駆動に同期して、すなわち標本Ｓを平面内で二次元走査する際の励起光Ｌの照射タイミングに同期して、光音響検出部２０２から得られる出力信号に基づいて、励起光Ｌの照射位置と出力信号の対応関係をデータ化する。例えば、制御部２５０は、励起光Ｌの照射位置および取得した信号強度を対応付けすること、励起光Ｌの照射位置及び取得した出力波形を対応付けすることを行っても良い。

　また、標本Ｓの走査面のデータを画像化する場合には、画像構成部２５１にて画像化され、例えば記憶部２５２に記憶されて、不図示のモニタに表示される。なお、画像構成部２５１は、制御部２５０に内蔵されてもよい。

　また、本実施形態では、以下の条件式を満足することが望ましい。
　Ｚｓ×ｔａｎ（θ＋α）＞Ｘｒ＋ｄ　　　　（１）
　ここで、図３に示すように、
　ＮＡは、対物レンズ１０３（高倍率用）の開口数、
　φ（ｍｍ）は、実視野（Ｘｒの２倍）、
　Ｘｒ（ｍｍ）は、観察を行う最大領域の半径、
　ＷＤ（ｍｍ）は、対物レンズ１０３の作動距離、
　Ｚｓ（ｍｍ）は、ファイバーセンサ２０１の先端部と、対物レンズ１０３の集光位置との距離、
　θ（度）は、ファイバーセンサ２０１の先端部に入射可能な光束の角度範囲、
　ｄ（ｍｍ）は、対物レンズ１０３の光軸ＡＸｏｂと、ファイバーセンサ２０１との光軸ＡＸｏｂに垂直な観察面内（ｘｙ面内）の距離、
　α（度）は、ファイバーセンサ２０１の中心軸ＡＸｆｂと、対物レンズ１０３の光軸ＡＸｏｂとのなす角度、
である。

　本実施形態は、条件式（１）を満足する構成とすることで、検出感度の高い領域を確保することができる。

　以下に本実施形態における条件式（１）の対応値を示す。
　ＮＡ　　　　　０．７５
　φ（ｍｍ）　　１
　ＷＤ（ｍｍ）　１１
　Ｚｓ（ｍｍ）　１０
　θ（度）　　　４５
　ｄ（ｍｍ）　　１５
　α（度）　　　３０
　Ｘｒ（ｍｍ）　０．５

　Ｚｓ×ｔａｎ（θ＋α）　３７．３２
　Ｘｒ＋ｄ　　　　　　　　１５．５

　また、対物レンズ１０３の集光位置とファイバーセンサ２０１との対物レンズの光軸に沿った方向の距離Ｚｓは、対物レンズ１０３の先端部から集光位置までの距離、即ち作動距離ＷＤより短いことが望ましい。

　本実施形態では、上述したように、Ｚｓ＝１０、ＷＤ＝１１である。このように、十分な作動距離を確保できる。

　図４（ａ）は、音響検波出部２０２の構成を示している。レーザダイオード２０３は、波長λ＝１０００ｎｍの光を射出する。レーザダイオード２０３からの光は、光サーキュレータ２０４のポートＰＡから入射し、直進、透過して、ポートＰＢから射出する。ポートＰＢから射出する光は、ファイバーセンサ２０１の一方の端子に入力する。

　図４（ｂ）は、ファイバーセンサ２０１の端部の構成を示している。ファイバーセンサ２０１の端部には、薄膜２０１ａが形成されている。薄膜２０１ａは、参照用の光音響波のための参照面２０１ｂと、標本側の物体側面２０１ｃとを有する。

　図４（ａ）に戻って説明を続ける。
　光サーキュレータ２０４のポートＰＢから射出した光束のうち、上述したように標本Ｓに照射され、再度戻ってきた光音響信号Ｌｒを考える。光音響信号Ｌｒは、光サーキュレータ２０４のポートＰＢに入射する。ポートＰＢへ入射した光音響信号Ｌｒは、今度は、ポートＰＣから射出する。

　シリコン・フォトディテクタ２１７は、ポートＰＣからの光を受光する。シリコン・フォトディテクタ２１７では、２つの光束が干渉した強度信号が得られる。

　図４（ｂ）を用いて説明したように、ファイバーセンサ２０１の標本Ｓ側の端部には、薄膜２０１ａが形成されている。ファイバーセンサ２０１の先端は水Ｗに浸されている。薄膜２０１ａの参照面２０１ｂにおいて反射した光束は、参照光として光サーキュレータ２０４側へ戻る。

　標本Ｓからの光音響信号Ｌｒがファイバーセンサ２０１の先端に到達すると、薄膜２０１ａの膜厚が変化する。薄膜２０１ｂで反射した光束と、薄膜２０１ｃで反射した光束と、同じ経路を戻り、光サーキュレータ２０４に到達する。
　従って、干渉により光の強度が変化し、音響信号が光の強度信号として獲得される。

　光サーキュレータ２０４のポートＰＢから入射した音響強度信号（光束）は、その後、シリコン・フォトディテクタ２１７に入射する。画像構成部２５１は、干渉による光の強度情報に基づいて、画像を構成する。画像構成手順は、後述する。

　図４（ｃ）は、ファイバーセンサ２０１に関する角度と感度との関係を示している。角度とは、ファイバーセンサ２０１の指向性の中心軸ＡＸｆｂ（例えば、図２（ａ）、図２（ｂ）参照）軸上に沿って入射する光束を０度としている。また、感度は、最大感度を１として正規化して示している。

　例えば、中心軸ＡＸｆｂに対して、４５度方向から入射する光音響信号を検出する感度は、中心軸ＡＸｆｂの軸上から入射する信号を検出する感度（信号強度＝１）に対して、ほぼ１／２（信号強度＝０．５）である。

　図５（ａ）は、光音響波検出部２０２によって得られた光音響波信号を示している。図５（ａ）の横軸は時間Ｔ、縦軸は信号強度Ｉを示している。このように、光音響波信号は、時系列信号となる。

　信号の振幅の最大値Ａｍａｘを集光点からの光音響波信号の大きさとする。また、対物レンズ１０３の集光点の位置情報は、ガルバノミラー１０２の振れ角より得られる。

　このため、画像構成部２５１は、位置情報と音響信号の大きさより、図５（ｂ）に示すような２次元のマッピングを行うことができる。図５（ｂ）は、標本Ｓ内部の特定の強度情報を走査のｘｙ位置に応じてマッピングを行い、画像化した結果を示している。
　さらに、対物レンズ駆動部１０４（図１）により、対物レンズ駆動部１０４（図１）は、対物レンズ１０３を光軸ＡＸｏｂに沿ったｚ方向へ移動させる。この結果、図５（ｃ）に示すように、標本Ｓの深さｚ方向の情報を獲得できる。

　画像構成部２５１は、対物レンズ１０３を深さｚ方向の情報に基づいて、演算する。そして、標本Ｓの内部において、上述の光音響波検出を行う。

　図５（ｄ）に示すような、対物レンズ１０３の位置を変化させて、再度画像を取得する。これにより、ｚ方向の画像を複数得ることができる。これにより、標本Ｓの３次元の光音響波画像が構成される。

　なお、上述したように、ファイバーセンサ２０１が、光音響波信号を検出、取得できる指向性の範囲は、もっとも感度がよい状態（図４（ｃ）の角度０度）に対して、５０%の感度の位置（図４（ｃ）の角度４５度）までを検出可能な範囲とする。

　以上のように、本実施形態では、従来のプリズムや音響レンズが不要である。これにより、標本Ｓまでの距離（ＷＤ)を大きくとれるので、より明るく、また標本Ｓのより深部を観察できる。

　また、励起光Ｌ上に音響レンズが不要なので、対物レンズ１０３の光学性能（開口数）を満足する観察が可能である。さらに、指向性の広いファイバーセンサ２０１により、標本Ｓを観察可能な範囲を広げることができる。

　さらに、図１２の従来技術の構成では、標本Ｓからの光音響波Ｕが超音波トランスデューサ２０に常に垂直に入射するように、振動ミラー１３による走査に代えて、対物レンズ１４を含む励起光Ｌの入射系及び音響レンズ１９を含む光音響波Ｕの検出系と、標本Ｓを載置する標本ステージとを相対的に移動させることが想定される。しかし、この場合は、走査に時間がかかることになる。

　これに対して、本実施形態では、走査する際に、対物レンズや標本ステージの移動は不要である。このため、高速な走査が可能になるという効果を奏する。

（第１実施形態の変形例）
　図６は、第１実施形態の変形例に係る光音響顕微鏡装置の構成を示している。本変形例では、図６に示すように、対物レンズ１０３の焦点（集光スポット）位置Ｐ０とは、異なる位置からの光音響波信号を検出する構成である。なお、制御部と記憶部との図示は省略する。

　本変形例では、このための、別途新たなファイバーセンサ２０１’と光音響検波出部２０２ｂを有している。
　図７（ａ）は、ファイバーセンサ２０１により検出された光音響波信号を示している。

　例えば、ファイバーセンサ２０１のみで検出された標本Ｓからの光音響波信号は、ファイバーセンサ２０１先端の薄膜が、水Ｗの変位を観察するので、標本Ｓからの光音響波Ｌｒだけでなく、空気の乱れや、標本Ｓの動きなどによる外部の振動も影響する。

　図７（ｂ）は、ファイバーセンサ２０１’により検出された光音響波信号を示している。ファイバーセンサ２０１’は、標本Ｓ以外の領域からの信号である。

　このため、図７（ａ）に示す光音響波信号の強度分布と、図７（ｂ）に示す光音響波信号の強度分布との差分をとる。この結果を、図７（ｃ）に示す。本変形例では、標本Ｓからの信号のみを検出することが可能となる。したがって、外的要因のノイズを除くこと、即ち外部環境の影響が低減された、精度の高い検出が可能となる。

　好ましくは、ファイバーセンサ２０１’は、標本Ｓ以外からの音響信号を獲得する必要がある。このため、指向性の最も高い方向が標本Ｓとは反対の方向を向くように配置されていることが望ましい。

（第２実施形態）
　次に、図８（ａ）を用いて、第２実施形態の光音響顕微鏡装置２００について説明する。
　なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、制御部と記憶部との図示は省略する。

　光音響検波出部２０２のファイバーセンサ（センサ部）は、複数の、例えば３つのセンサ群３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃを有し、
　複数のセンサ群３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃは、走査部であるガルバノミラー１０２により走査可能な標本Ｓの範囲からの光音響波Ｌｒを、所望の範囲から全ての範囲までのうちの任意の範囲を入射できることが望ましい。
　これにより、標本の範囲からの光音響波を、所望の範囲から全ての範囲までのうちの任意の範囲を広範囲に観察することが可能となる。

　さらに、画像構成部２５１は、複数のセンサ群３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃからの情報（光音響波信号）に基づいて、標本Ｓにおける信号発生源の位置を検出できることが望ましい。
　これにより、従来に比較して、複数の情報（光音響波信号）に基づいて、より精度良く信号発生源の位置を検出できる。

　また、本実施形態では、対物レンズ１０３の周辺部に、センサ部を構成するセンサ群３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｄを保持するための検出器保持部３０２をさらに有することが望ましい。
　図８（ｂ）は、検出器保持部３０２を対物レンズ１０３の光軸方向から見た構成を示している。

　これにより、簡易な構成で、センサ群を配置する自由度が向上する。この結果、作動距離を広げ、かつ、ｘｙ面内の観察領域も広げることができる。

　本実施形態では、光音響信号を検出するための３つのファイバーセンサ３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃが、円筒形の検出器保持部３０２において１２０度ごとの位置に離散的に設けられている。

　これにより、１つのファイバーセンサでは、走査によって観察する範囲を十分に網羅できない場合であっても、複数のファイバーセンサからの情報を組み合わせて、光音響波信号の画像を生成できる。

　画像構成部２５１には、ガルバノミラー１０２による対物レンズ１０３の集光位置の情報と、対応するいずれかのファイバーセンサ３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃから検出された情報を元に画像を構成する。
　また、３つのファイバーセンサの中で、ファイバーセンサの検出範囲が、光音響波信号の範囲外となる場合には、そのファイバーセンサを上述の変形例で述べたようなノイズ除去を行うセンサとして用いることができる。

　以下に本実施形態における条件式（１）の対応値を示す。
　ＮＡ　　　　　０．１５
　φ（ｍｍ）　　５
　ＷＤ（ｍｍ）　２０
　Ｚｓ（ｍｍ）　１８
　θ（度）　　　３０
　ｄ（ｍｍ）　　１５
　α（度）　　　０
　Ｘｒ（ｍｍ）　２．５

　Ｚｓ×ｔａｎ（θ＋α）　１０．３９
　Ｘｒ＋ｄ　　　　　　　　１７．５

（第３実施形態）
　次に、第３実施形態に係る光音響顕微鏡装置３００を説明する。
　図９（ａ）は、本実施形態の構成を示している。なお、第１実施形態、第２実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、制御部と記憶部と図示は省略する。

　本実施形態は、第２実施例と比較して、複数のファイバーセンサ群４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃのうちの、１つのファイバーセンサでも走査によって観察可能な領域からの信号を検出できるように構成されている。

　具体的には、例えば、３つのファイバーセンサ群４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを用いる。図９（ｂ）は、検出器保持部３０２を対物レンズ１０３の光軸方向から見た構成を示している。
　ファイバーセンサ群４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃからの複数の信号を基に、より精度を高く、対物レンズ１０３の集光スポットの位置情報、及び光音響波信号を検出できるように構成されている。

　さらに、本実施形態では、また、光音響検出部２０２は、図１０（ａ）、（ｂ）に示すヘテロダイン干渉法により、ファイバーセンサ２０１の薄膜２０１ａの変化量を観察する。

　図１０（ａ）は、光音響検出部２０２の概略を示す。ヘテロダイン法では、レーザダイオード２１１からの光（例えば、λ＝１０００ｎｍ）を特定の周波数で変調する必要がある。

　ビームスプリッタ２１２は、レーザダイオード２１１からの光を、透過する物体光と、反射する参照光とに分割する。そして、参照用周波数シフタ２１５と観察用周波数シフタ２１６を用いる。

　また、ビームスプリッタ２１２を透過した光束は、観察用周波数シフタ２１３と、光サーキュレータ２１４を透過する。そして、ファイバーセンサ２０１に入射する。

　図１０（ｂ）に示すように、ファイバーセンサ２０１は、標本Ｓ側に、薄膜２０１ａが形成されている。ここで、標本Ｓ側の面２０１ｃの反射率は、標本Ｓと反対側の面２０１ｂの反射率より大きい。

　この結果、標本Ｓ側からの光が反射し、ファイバーセンサ２０１を通過する。そして、光サーキュレータ２１４によって、標本Ｓからの光音響波信号は、シリコン・フォトディテクタ２１７に入射する。

　一方、参照用周波数シフタ２１５を通過した光束は、ファイバーの往復の光路長と略同じ長さの光路長の参照用光路を経て、シリコン・フォトディテクタ２１７に入射する。シリコン・フォトディテク２１７で検出される光量は、参照用と観察用との２つの光の周波数に対応した共鳴の信号となる。

　画像構成部２５１は、この共鳴信号を分析する。これにより、より高い精度でファイバーセンサ２０１の端部の膜厚の変化を検出できる。この結果、標本Ｓからの光音響波信号を高精度に検出できる。

　次に、本実施形態において、標本Ｓの深さｚ方向の集光位置を測定する原理を説明する。図１１（ａ）は、検出器保持部４０２を対物レンズ１０３の光軸方向から見た構成を示している。例えば、３つのファイバーセンサ群４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを用いる。図１１（ａ）のＸ印ＳＰは、標本Ｓの表面からある程度の深さに位置する対物レンズ１０２の集光位置を示している。

　本実施形態では、３つのファイバーセンサ群４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの中心軸と、対物レンズ１０３の光軸ＡＸｏｂとは、所定の角度をなしている。ガルバノミラー１０２に振られる対物レンズ１０３の集光位置の座標（ｘ、ｙ、）と、光音響波信号が標本Ｓ内の観察対象物までに到達するまでの時間により、それぞれのファイバーセンサ位置に対する観察対象物までの深さｚ方向（音源位置）を演算できる。

　これにより、本実施形態では、３つのファイバーセンサ群４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃから得られる音源の深さｚ位置に基づいて、高精度に観察対象物の深さｚの位置をえることができる。

　図１１（ｂ）は、ファイバーセンサ４０１ａが検出した光音響波信号を示している。
　図１１（ｃ）は、ファイバーセンサ４０１ｂが検出した光音響波信号を示している。
　図１１（ｄ）は、ファイバーセンサ４０１ｃが検出した光音響波信号を示している。

　以下に本実施形態における条件式（１）の対応値を示す。
　ＮＡ　　　　　０．５
　φ（ｍｍ）　　２
　ＷＤ（ｍｍ）　１５
　Ｚｓ（ｍｍ）　１２
　θ（度）　　　３０
　ｄ（ｍｍ）　　１２
　α（度）　　　２５
　Ｘｒ（ｍｍ）　　１

　Ｚｓ×ｔａｎ（θ＋α）　１７．１４
　Ｘｒ＋ｄ　　　　　　　　１３

　なお、パルス光源１０１においては、例えば、標本Ｓが生体で、生体内の血管をイメージングする場合、ヘモグロビンの吸収波長の励起光Ｌを射出する。なお、観察対象は血管に限定するものではなく、メラニン等の内因性物質のイメージングに適用することが可能である。この際、励起光Ｌは対象となる物質の吸収波長域の光を用いればよい。

　また、蛍光体や金属ナノ粒子等の外因性物質のイメージングに適用することも可能である。この際、励起光Ｌは、蛍光体の場合には対象となる蛍光体の吸収波長域の光を、金属ナノ粒子の場合には対象となる金属ナノ粒子の共鳴波長域の光をそれぞれ用いればよい。

　また、標本Ｓ内に複数の吸収体が存在する場合には、観察対象物の特徴的な吸収スペクトルのピークの波長の光を用いるのが望ましい。パルス光源１０１は、制御部２５０によりパルス光の発光タイミングが制御される。

　ここで、対物レンズ１０３は、焦点距離の異なるものが適宜選択されて装着される。

　以上、説明したように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。例えば、上述の各実施形態では、励起光を振るためにガルバノミラーを用いている。しかしながら、ビームを偏向できる構成であれば良く、これに限られるものではない。

　以上のように、本発明にかかる光音響顕微鏡装置は、十分な長さの作動距離を確保でき、かつ広い走査範囲に亘って、大きな領域単位で走査し、検出精度を向上できる装置に有用である。

　１００　光音響顕微鏡装置
　１０１　パルス光源（パルスレーザ）
　１０２　ガルバノミラー
　１０３　対物レンズ
　２０１　ファイバーセンサ（センサ部）
　２０２　光音響波検出部
　２５０　制御部
　２５１　画像構成部
　２５２　記憶部

Claims

　光音響波を発生させる励起光を発生する光源と、
　前記励起光を標本上で集光させる対物レンズと、
　前記標本上での前記励起光の集光位置を移動させる走査部と、
　発生した光音響波を検出するセンサ部を有する光音響波検出部と、
　前記光音響波検出部からのデータに基づいて画像を構成する画像構成部と、を有し、
　前記センサ部は、前記センサ部に入射する光音響波を受信できる範囲の角度が前記対物レンズの照明側の開口数に対応する角度よりも大きいことを特徴とする光音響顕微鏡装置。
　前記光音響波検出部のセンサ部は、複数のセンサ群を有し、
　複数の前記センサ群は、前記走査部により走査可能な前記標本の範囲からの光音響波を、所望の範囲から全ての範囲までのうちの任意の範囲において入射できることを特徴とする請求項１に記載の光音響顕微鏡装置。
　前記画像構成部は、複数の前記センサ群からの光音響波信号に基づいて、前記標本における信号発生源の位置を検出することを特徴とする請求項２に記載の光音響顕微鏡装置。
　前記対物レンズの周辺部に、前記センサ部を保持するための検出器保持部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光音響顕微鏡装置。
　条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の光音響顕微鏡装置。
　Ｚｓ×ｔａｎ（θ－α）＞Ｘｒ＋ｄ　　　（１）
　ここで、
　θは、前記センサ部が光音響波を受信できる範囲の角度、
　αは、前記センサ部の指向性の中心軸と前記対物レンズの光軸とのなす角度、
　Ｘｒは、観察を行う最大領域の半径、
　ｄは、前記対物レンズの光軸と、前記センサ部との光軸に垂直な観察面内の距離、
　Ｚｓは、前記対物レンズによる集光位置と前記センサ部との前記対物レンズの光軸に沿った方向の距離、
である。
　前記対物レンズの集光位置と前記センサ部との前記対物レンズの光軸に沿った方向の距離は、前記対物レンズの先端部から集光位置までの距離より短いことを特徴とする請求項１に記載の光音響顕微鏡装置。
　前記センサ部は、ファイバーを有し、
　前記ファイバーは、先端に干渉薄膜を有することを特徴とする請求項１に記載の光音響顕微鏡装置。
　前記センサ部は、ファイバーを有し、さらに、ヘテロダイン信号を用いて光音響波信号の発生源の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の光音響顕微鏡装置。