WO2017175258A1 - Ultra-high resolution microscope - Google Patents

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Abstract

Pump light and erase light are spatially modulated by a phase plate 10 comprising a flat spatial shape having a predetermined thickness and having a plurality of division regions, and collected at an ultra-high resolution onto a sample S. The plurality of division regions of the phase plate 10 comprise at least two types of spatially isotropic optical medium materials, and independently phase-control the pump light and the erase light.

Description

超解像顕微鏡Super-resolution microscope
 本発明は、超解像顕微鏡に関するものである。 The present invention relates to a super-resolution microscope.
 超解像顕微鏡として、例えば、少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を、2重共鳴吸収過程を用いて回折限界を超える高い空間分解能で観察可能な蛍光顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。 As a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope capable of observing a sample containing a molecule having at least two excited quantum states with a high spatial resolution exceeding the diffraction limit using a double resonance absorption process is known ( For example, see Patent Documents 1 and 2).
 特許文献1、2に開示の蛍光顕微鏡は、試料中の分子を安定状態から第1量子状態に励起するための第1の光(以下、ポンプ光とも言う)と、分子を更に他の量子状態に遷移させるための第2の光(以下、イレース光とも言う)とを一組として、回折限界以下に収縮した蛍光スポットにより試料面を空間走査する。そして、各計測点の蛍光信号をコンピュータ上で2次元的又は3次元的に配列して画像処理することにより、回折限界の空間分解能を上回る解像度を有する蛍光画像を得ている。 The fluorescence microscopes disclosed in Patent Documents 1 and 2 include a first light for exciting molecules in a sample from a stable state to a first quantum state (hereinafter also referred to as pump light), and a molecule in another quantum state. A second surface light (hereinafter also referred to as erase light) is used as a set, and the sample surface is spatially scanned with a fluorescent spot contracted below the diffraction limit. A fluorescence image having a resolution exceeding the spatial resolution of the diffraction limit is obtained by processing the image by arranging the fluorescence signals at each measurement point in a two-dimensional or three-dimensional manner on a computer.
 上述した超解像顕微鏡では、試料面にポンプ光とドーナッツ状のイレース光とを重ねて集光し、ポンプ光辺縁部の領域で蛍光を抑制する。その際、ポンプ光とイレース光とを同軸に重ね合わすことが要求される。この光学調整法を市販のレーザ走査型顕微鏡に適用して超解像顕微鏡を構成するには、例えば2波長対応の位相板が用いられる(例えば、非特許文献1参照)。 In the above-described super-resolution microscope, pump light and donut-shaped erase light are superimposed on the sample surface and condensed to suppress fluorescence in the region of the pump light edge. At that time, it is required to superimpose the pump light and the erase light coaxially. In order to construct a super-resolution microscope by applying this optical adjustment method to a commercially available laser scanning microscope, for example, a two-wavelength phase plate is used (for example, see Non-Patent Document 1).
 非特許文献1には、異方性の屈折率特性をもつ水晶基板を2枚輪帯状に接合した位相板が開示されている。この位相板を用いれば、中央部でイレース光の位相をπ反転させることができるので、3次元的な中空形状をもつイレース光ビームを形成することができる。 Non-Patent Document 1 discloses a phase plate in which two quartz substrates having anisotropic refractive index characteristics are joined in a ring-shaped manner. If this phase plate is used, the phase of the erase light can be inverted by π at the center, so that an erase light beam having a three-dimensional hollow shape can be formed.
 非特許文献1に開示の位相板は、輪帯状に接合した2枚の水晶基板を一体で研磨することで、基板の厚みが調整される。これにより、イレース光に対しては、中央の輪帯領域で電場すなわち位相が反転し、波長の異なるポンプ光に対しては、位相が2πの整数倍だけシフトする。その結果、ポンプ光とイレース光とが同時に位相板を通過すると、ポンプ光の波面は実質的に影響を受けることなく、イレース光のみが3次元的な中空形状をもつビームに変換される。 In the phase plate disclosed in Non-Patent Document 1, the thickness of the substrate is adjusted by integrally polishing two quartz substrates joined in a ring shape. As a result, the electric field, that is, the phase is inverted in the central annular region for the erase light, and the phase is shifted by an integral multiple of 2π for the pump light having a different wavelength. As a result, when the pump light and the erase light simultaneously pass through the phase plate, the wave front of the pump light is not substantially affected, and only the erase light is converted into a beam having a three-dimensional hollow shape.
 ポンプ光及びイレース光は、一本の共通のシングルモードファイバを用いて市販のレーザ走査型顕微鏡に導入することができる。したがって、上記の位相板をレーザ走査型顕微鏡の照明光学系の光路中に挿入して、ポンプ光とイレース光とを顕微鏡対物レンズにより試料面に集光すれば、イレース光の中空中心にポンプ光を軸ずれすることなく自動的に集光させることができる。 Pump light and erase light can be introduced into a commercially available laser scanning microscope using a single common mode fiber. Therefore, if the above phase plate is inserted into the optical path of the illumination optical system of the laser scanning microscope and the pump light and erase light are condensed on the sample surface by the microscope objective lens, the pump light is placed in the hollow center of the erase light. Can be automatically condensed without axis misalignment.
 これにより、ポンプ光と中空の周囲のイレース光とが重複した空間領域では蛍光が抑制されるので、試料面の蛍光スポットは3次元的に回折限界以下に収縮される。したがって、この蛍光スポットで試料を空間走査すれば、回折限界を超えた空間分解能で3次元的な超解像顕微鏡観察が可能となる。 This causes the fluorescence to be suppressed in the spatial region where the pump light and the erase light around the hollow overlap, so that the fluorescent spot on the sample surface is three-dimensionally shrunk below the diffraction limit. Therefore, if the sample is spatially scanned with this fluorescent spot, three-dimensional super-resolution microscope observation can be performed with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.
 このように、超解像顕微鏡法は、市販のレーザ走査型顕微鏡に位相板を装着して実施できることから、画期的な顕微法として期待されている。 As described above, the super-resolution microscopy can be implemented by attaching a phase plate to a commercially available laser scanning microscope, and thus is expected as an epoch-making microscope.
 なお、超解像顕微鏡に用いられる位相板は、上述した異方性の光学基板を接合したものに限らない。例えば、位相板は、基板上に光学薄膜をコートして構成してもよい(例えば、非特許文献2参照)。この位相板は、基板面を複数領域に分割し、夫々の領域に異なる厚みで光学薄膜(例えば、SiO)をコートして構成される。あるいは、光学薄膜をコートする代わりに、基板上の各領域を異なる深さにエッチングして位相板を構成してもよい(例えば、非特許文献3参照)。 Note that the phase plate used in the super-resolution microscope is not limited to the one obtained by bonding the above-described anisotropic optical substrate. For example, the phase plate may be configured by coating an optical thin film on a substrate (for example, see Non-Patent Document 2). This phase plate is configured by dividing a substrate surface into a plurality of regions and coating each region with an optical thin film (for example, SiO 2 ) with a different thickness. Alternatively, instead of coating the optical thin film, each region on the substrate may be etched to a different depth to form a phase plate (see, for example, Non-Patent Document 3).
 非特許文献2や非特許文献3に開示の位相板は、各領域にコートする膜厚やエッチングする深さを最適化することで、ポンプ光の波面に影響を与えることなく、イレース光の波面を制御して、中空状に集光できる波長分散性をもたすことができる。 The phase plate disclosed in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 optimizes the film thickness to be coated in each region and the etching depth, so that the wavefront of erase light is not affected without affecting the wavefront of pump light. Can be controlled to provide wavelength dispersion capable of condensing in a hollow shape.
特開2001-100102号公報JP 2001-100102 A 特開2010-15026号公報JP 2010-15026 A
 しかしながら、例えば異方性の屈折率特性をもつ2枚の水晶基板を輪帯状に接合してなる位相板は、以下に示すような厳しい加工精度が要求される。
(1)光学的異方性をもつ基板として水晶基板を機能させるためには、水晶基板の光学軸に対して正確な角度で水晶基板を切断して、相進軸と遅延軸との屈折率を制御する必要がある。
(2)2枚の水晶基板をそれらの相進軸(遅延軸)を正確に直交させて接合する必要がある。
However, for example, a phase plate formed by joining two quartz substrates having anisotropic refractive index characteristics in a ring shape requires strict processing accuracy as described below.
(1) In order for a quartz substrate to function as a substrate having optical anisotropy, the quartz substrate is cut at an accurate angle with respect to the optical axis of the quartz substrate, and the refractive index between the phase advance axis and the delay axis is determined. Need to control.
(2) It is necessary to join two quartz substrates so that their phase-shift axes (delay axes) are accurately orthogonal.
 上記(1)及び(2)の作業は、精密な偏光計測を随時行いながら行う必要があるため、位相板の作製に工数がかかる。 Since the operations (1) and (2) need to be performed while performing precise polarization measurement as needed, it takes time to produce the phase plate.
 一方、基板上に光学薄膜をコートしたり、基板をエッチングしたりして作製された位相板の場合は、別な不具合が発生する。すなわち、これらの位相板にあっては、各領域界面で段差が発生するため、境界領域で基板を通過した光が回折を起こす。そのため、位相板を透過したポンプ光又はイレース光を集光すると、通常の集光パターンの他に回折パターンが重複して、超解像顕微鏡としての空間分解機能が低下する場合がある。 On the other hand, in the case of a phase plate produced by coating an optical thin film on the substrate or etching the substrate, another problem occurs. That is, in these phase plates, a step occurs at the interface of each region, so that light that has passed through the substrate in the boundary region diffracts. For this reason, when the pump light or erase light transmitted through the phase plate is condensed, the diffraction pattern overlaps in addition to the normal condensing pattern, and the spatial resolution function as the super-resolution microscope may be deteriorated.
 また、2枚の水晶基板を接合してなる位相板は、通常の光学ガラスと異なり水晶基板が高価であることから技術普及が阻まれる。光学薄膜をコートしてなる位相板や基板をエッチングしてなる位相板は、各領域に異なる加工工程を要することから、作製に手間が掛かることになる。 Also, the phase plate formed by joining two quartz substrates is hindered from spreading the technology because the quartz substrate is expensive unlike ordinary optical glass. Since a phase plate formed by coating an optical thin film or a phase plate formed by etching a substrate requires different processing steps in each region, it takes time to manufacture.
 以上のように従来提案されている超解像顕微鏡にあっては、使用される位相板の作製に工数を要することから、全体として高価になることが懸念される。 As described above, in the conventional super-resolution microscope, since the man-hour is required for producing the phase plate to be used, there is a concern that it may become expensive as a whole.
 したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、位相板を容易に作製できて、全体として廉価にできる超解像顕微鏡を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made in view of such a viewpoint is to provide a super-resolution microscope that can easily produce a phase plate and can be inexpensive as a whole.
 上記目的を達成する本発明の一実施の形態に係る超解像顕微鏡は、
 少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を観察する超解像顕微鏡であって、
 前記分子を安定状態から第1量子状態に励起するための第1の光と、前記分子を更に他の量子状態に遷移させるための第2の光とを含む複数の波長の照明光を、前記第1の光及び前記第2の光の少なくとも一部を空間的に重ね合わせて前記試料に集光して照射する照明光学系と、
 前記照明光と前記試料とを相対的に変位させて前記試料を走査する走査部と、
 前記照明光の前記試料への照射による該試料からの応答光を検出する検出光学系と、を備え、
 前記照明光学系は、前記第1の光及び前記第2の光を空間変調する位相板を有し、
 前記位相板は、前記照明光が透過する複数の分割領域を有する所定の厚さの平坦な空間形状からなり、
 前記複数の分割領域は、少なくとも2種類以上の空間的に等方的な光学媒質材料からなり、前記第1の光及び前記第2の光に対して独立して位相制御する、ものである。
 超解像顕微鏡。
A super-resolution microscope according to an embodiment of the present invention that achieves the above object is as follows.
A super-resolution microscope for observing a sample containing a molecule having at least two excited quantum states,
Illumination light having a plurality of wavelengths including a first light for exciting the molecule from a stable state to a first quantum state and a second light for causing the molecule to transition to another quantum state, An illumination optical system for condensing and irradiating at least a part of the first light and the second light on the sample in a spatially overlapping manner;
A scanning unit that scans the sample by relatively displacing the illumination light and the sample;
A detection optical system for detecting response light from the sample by irradiation of the illumination light to the sample, and
The illumination optical system includes a phase plate that spatially modulates the first light and the second light,
The phase plate has a flat space shape with a predetermined thickness having a plurality of divided regions through which the illumination light passes.
The plurality of divided regions are made of at least two kinds of spatially isotropic optical medium materials, and phase-controlled independently for the first light and the second light.
Super-resolution microscope.
 前記位相板は、前記複数の分割領域が屈折率の異なる複数の光学基板からなり、
 前記光学基板の各々は、屈折率が空間的に等方的でかつ前記第1の光及び前記第2の光に対して異なるとよい。
The phase plate is composed of a plurality of optical substrates having different refractive indexes in the plurality of divided regions,
Each of the optical substrates may have a refractive index that is spatially isotropic and is different with respect to the first light and the second light.
 前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、j番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、前記第1の光の波長をλ、前記第2の光の波長をλ、とするとき、下式(1)を満足するとよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
In the phase plate, the thickness of the divided region made of the optical medium material is d, and the refractive index of light at the wavelength λ of the i-th divided region among the plurality of divided regions is n i (λ), j-th When the refractive index of light at the wavelength λ of the divided region is n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , and the wavelength of the second light is λ e , the following expression (1) is satisfied. Good.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、j番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、前記第1の光の波長をλ、前記第2の光の波長をλ、任意の整数をmとするとき、下式(2)を満足するとよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
In the phase plate, the thickness of the divided region made of the optical medium material is d, and the refractive index of light at the wavelength λ of the i-th divided region among the plurality of divided regions is n i (λ), j-th When the refractive index of light at the wavelength λ of the divided region is n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , the wavelength of the second light is λ e , and an arbitrary integer is m, Satisfy (2).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 前記位相板は、2つの前記光学基板を有し、一方の前記光学基板は輪帯形状からなり、他方の前記光学基板は一方の前記光学基板の内周面に接合された円柱形状からなるとよい。 The phase plate has two optical substrates, one of the optical substrates may have a ring shape, and the other optical substrate may have a cylindrical shape bonded to the inner peripheral surface of the one optical substrate. .
 前記位相板の前記複数の光学基板は、不純物が異なる密度で添加されて構成されてもよい。 The plurality of optical substrates of the phase plate may be configured by adding impurities at different densities.
 前記位相板は、上式(2)において、i=j+1の関係があり、隣り合う分割領域を透過する前記第2の光の位相を互いに反転させるとよい。 The phase plate has a relationship of i = j + 1 in the above formula (2), and the phases of the second light transmitted through the adjacent divided regions may be reversed.
 本発明によれば、位相板を容易に作製できて、全体として廉価にできる超解像顕微鏡が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a super-resolution microscope that can easily produce a phase plate and can be inexpensive as a whole.
本発明の一実施の形態に係る超解像顕微鏡の概念的構成を示す図である。It is a figure which shows the notional structure of the super-resolution microscope which concerns on one embodiment of this invention. 図1の位相板の第1の構成例を概念的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view conceptually showing a first configuration example of a phase plate in FIG. 1. 図2の位相板の一製造法の説明図である。It is explanatory drawing of one manufacturing method of the phase plate of FIG. 図1の位相板の第2の構成例を概念的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows notionally the 2nd structural example of the phase plate of FIG. 図1の位相板の第3の構成例を概念的に示す平面図である。FIG. 6 is a plan view conceptually showing a third configuration example of the phase plate in FIG. 1.
 以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
 図1は、本発明の一実施の形態に係る超解像顕微鏡の概念的構成を示す図である。本実施の形態に係る超解像顕微鏡20には、一本の共通のシングルモードファイバ21からポンプ光及びイレース光が導入される。ポンプ光は、例えばNd:YVO4レーザを光源とする波長532nmの光が用いられる。イレース光は、例えばHe-Neレーザを光源とする波長633nmの光が用いられる。それぞれの光源から射出されるポンプ光及びイレース光は、公知のビームコンバイナで同軸に合成されてシングルモードファイバ21に入射される。 FIG. 1 is a diagram showing a conceptual configuration of a super-resolution microscope according to an embodiment of the present invention. Pump light and erase light are introduced from one common single mode fiber 21 to the super-resolution microscope 20 according to the present embodiment. As the pump light, for example, light having a wavelength of 532 nm using an Nd: YVO4 laser as a light source is used. As the erase light, for example, light having a wavelength of 633 nm using a He—Ne laser as a light source is used. Pump light and erase light emitted from each light source are coaxially combined by a known beam combiner and incident on the single mode fiber 21.
 超解像顕微鏡20において、シングルモードファイバ21から導入されたポンプ光及びイレース光は、コリメータレンズ22により共通にコリメートされた後、アイリス23、位相板10及びバンドパスフィルタ24を透過してガルバノミラー光学系25に導入される。ガルバノミラー光学系25に導入されたポンプ光及びイレース光は、ガルバノミラー光学系25により二次元方向に偏向走査されて、瞳投影レンズ26を経て顕微鏡対物レンズ27により試料Sに集光される。 In the super-resolution microscope 20, the pump light and erase light introduced from the single mode fiber 21 are collimated in common by the collimator lens 22, and then pass through the iris 23, the phase plate 10, and the bandpass filter 24 to be galvanomirrors. Introduced into the optical system 25. The pump light and erase light introduced into the galvano mirror optical system 25 are deflected and scanned in the two-dimensional direction by the galvano mirror optical system 25, and are condensed on the sample S by the microscope objective lens 27 through the pupil projection lens 26.
 ここで、位相板10に入射されるイレース光は、顕微鏡対物レンズ27の焦点面で中空形状となる干渉条件を満たすように、ポンプ光とともにビーム径が調整される。バンドパスフィルタ24は、ポンプ光及びイレース光を透過し、試料Sからの蛍光を反射するように構成される。 Here, the beam diameter of the erase light incident on the phase plate 10 is adjusted together with the pump light so as to satisfy the interference condition that forms a hollow shape on the focal plane of the microscope objective lens 27. The band pass filter 24 is configured to transmit the pump light and the erase light and reflect the fluorescence from the sample S.
 一方、ポンプ光の照射により試料Sから発生する蛍光は、ポンプ光及びイレース光の照明光の光路を逆に辿ってバンドパスフィルタ24に入射され、該バンドパスフィルタ24で反射されて照明光学系の光路から分離される。バンドパスフィルタ24で反射された蛍光は、ブロックフィルタ31で蛍光のみが取り出された後、集光レンズ32に集光されて、ピンホール33を経てフォトマルチプライヤ等の光検出器34で受光される。 On the other hand, the fluorescence generated from the sample S by the irradiation of the pump light traces the optical path of the illumination light of the pump light and erase light, enters the band pass filter 24, is reflected by the band pass filter 24, and is reflected by the illumination optical system. Separated from the optical path. The fluorescence reflected by the band pass filter 24 is collected only by the block filter 31 and then condensed by the condenser lens 32 and received by the photodetector 34 such as a photomultiplier through the pinhole 33. The
 上記構成において、照明光学系は、シングルモードファイバ21、コリメータレンズ22、位相板10、瞳投影レンズ26及び顕微鏡対物レンズ27を含んで構成される。走査部は、ガルバノミラー光学系25を含んで構成される。検出光学系は、バンドパスフィルタ24、ブロックフィルタ31、集光レンズ32、ピンホール33、光検出器34を含んで構成される。 In the above configuration, the illumination optical system includes the single mode fiber 21, the collimator lens 22, the phase plate 10, the pupil projection lens 26, and the microscope objective lens 27. The scanning unit includes a galvanometer mirror optical system 25. The detection optical system includes a bandpass filter 24, a block filter 31, a condenser lens 32, a pinhole 33, and a photodetector 34.
 本実施の形態に係る超解像顕微鏡20によれば、ポンプ光及びイレース光が同時に試料Sに照射されると、これらのビームは顕微鏡対物レンズ27の焦点面の全く同じ位置に、ずれることなく集光される。その際、イレース光のみが超解像顕微鏡に資するように中空状に整形される。これにより、試料Sを超解像で観察することができる。具体的には、λ=532nm、λ=633nmとすると、例えばキサンテン系のローダミン色素やオギザジン系のナイルレッドにより染色された試料Sを超解像で観察することが可能である。 According to the super-resolution microscope 20 according to the present embodiment, when the pump light and the erase light are simultaneously irradiated onto the sample S, these beams are not shifted to the same position on the focal plane of the microscope objective lens 27. Focused. At that time, it is shaped into a hollow shape so that only erase light contributes to the super-resolution microscope. Thereby, the sample S can be observed by super-resolution. Specifically, when λ p = 532 nm and λ e = 633 nm, it is possible to observe the sample S stained with, for example, a xanthene-based rhodamine dye or ogizazine-based Nile Red with super-resolution.
 本実施の形態に係る超解像顕微鏡20は、市販のレーザ走査型顕微鏡の照明光学系の光路中に位相板10を挿入し、その照明光路に一本の共通のシングルモードファイバを用いてポンプ光及びイレース光を導入することで容易に構成することができる。 In the super-resolution microscope 20 according to the present embodiment, a phase plate 10 is inserted into the optical path of an illumination optical system of a commercially available laser scanning microscope, and a pump is used using a single common mode fiber in the illumination optical path. It can be easily configured by introducing light and erase light.
 次に、位相板10の構成例について説明する。 Next, a configuration example of the phase plate 10 will be described.
 位相板10は、特殊な異方性光学媒質材料を用いることなく、波面精度に影響を与えない同じ厚みをもつ光学的に等方的な光学媒質材料、すなわち等方的な屈折率をもつ標準的な光学媒質材料を複数用いて構成される。位相板10は、表面が幾何学的に平面であり、光学的に十分な平坦度を有する。このような光学媒質材料としては、例えば標準的なガラスであるBK7や石英ガラスが利用可能である。また、TiOをはじめとする光学薄膜材料が利用可能である。 The phase plate 10 is an optically isotropic optical medium material having the same thickness that does not affect the wavefront accuracy without using a special anisotropic optical medium material, that is, a standard having an isotropic refractive index. A plurality of typical optical medium materials are used. The phase plate 10 has a surface that is geometrically flat and has an optically sufficient flatness. As such an optical medium material, for example, standard glass BK7 or quartz glass can be used. In addition, optical thin film materials such as TiO 2 can be used.
 (位相板の第1の構成例)
 図2は、位相板10の第1の構成例を概念的に示す斜視図である。図2に示す位相板10は、第1の光学ガラス11-1と第2の光学ガラス11-2とを有する。第1の光学ガラス11-1は、輪帯状に形成されている。第2の光学ガラス11-2は、円柱状に形成されて、第1の光学ガラス11-1の内周面に接合されている。すなわち、位相板10は、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2が輪帯状に張り合わされた2つの分割領域を有する。
(First configuration example of phase plate)
FIG. 2 is a perspective view conceptually showing a first configuration example of the phase plate 10. The phase plate 10 shown in FIG. 2 includes a first optical glass 11-1 and a second optical glass 11-2. The first optical glass 11-1 is formed in an annular shape. The second optical glass 11-2 is formed in a cylindrical shape and joined to the inner peripheral surface of the first optical glass 11-1. That is, the phase plate 10 has two divided regions in which the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 are bonded in a ring shape.
 第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2は、透過するポンプ光及びイレース光の光軸方向の厚みdが同じで屈折率が異なる。第1の光学ガラス11-1の波長λにおける屈折率をn(λ)とし、第2の光学ガラス11-2の波長λにおける屈折率をn(λ)とする。また、ポンプ光の波長をλとし、イレース光の波長をλとする。 The first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 have the same thickness d in the optical axis direction of the transmitted pump light and erase light, and have different refractive indexes. The refractive index at the wavelength λ of the first optical glass 11-1 is n 1 (λ), and the refractive index at the wavelength λ of the second optical glass 11-2 is n 2 (λ). Further, the wavelength of the pump light and lambda p, the wavelength of the erase light and lambda e.
 この場合、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2を透過したときのイレース光の位相差ψは、下式(3)で与えられる。 In this case, the phase difference ψ of the erase light when transmitted through the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 is given by the following expression (3).
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 同様に、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2を透過したときのポンプ光の位相差φは、下式(4)で与えられる。 Similarly, the phase difference φ of the pump light when transmitted through the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 is given by the following equation (4).
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、位相板10を透過したイレース光が、顕微鏡対物レンズ27により中空ホールのビームスポットとして集光されるためには、外側の第1の光学ガラス11-1を透過したイレース光と、内側の第2の光学ガラス11-2を透過したイレース光との位相が反転しているのが望ましい。この場合、任意の整数をmとして、下式(5)を満たせばよい。 Here, in order for the erase light transmitted through the phase plate 10 to be condensed as a beam spot of the hollow hole by the microscope objective lens 27, the erase light transmitted through the outer first optical glass 11-1 and the inner light It is desirable that the phase of the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 is reversed. In this case, it is only necessary to satisfy the following expression (5), where m is an arbitrary integer.
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 一方、ポンプ光は、通常のガウスビームとして集光させる必要がある。そのためには、ポンプ光のビーム面の位相の乱れが、少なくともπ/4が以下である必要がある。つまり、下式(6)の条件を満たす必要がある。この条件であれば、ポンプ光は波面全てにおいて位相の極性が反転せず、円形に集光することができる。 On the other hand, the pump light needs to be condensed as a normal Gaussian beam. For that purpose, the phase disturbance of the beam surface of the pump light needs to be at least π / 4 or less. That is, it is necessary to satisfy the condition of the following formula (6). Under this condition, the pump light can be condensed in a circular shape without reversing the polarity of the phase in all wavefronts.
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 図2に示した位相板10を作製するにあたっては、具体的には、屈折率が異なる第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2を選定し、与えられたポンプ光及びイレース光の波長おいて、式(5)及び式(6)を満たす条件の厚さdを選べばよい。 In producing the phase plate 10 shown in FIG. 2, specifically, the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 having different refractive indexes are selected, and the supplied pump light and What is necessary is just to choose thickness d of the conditions which satisfy | fill Formula (5) and Formula (6) in the wavelength of erase light.
 以下、図2の位相板10の一設計例について説明する。表1は、本設計例におけるパラメータを示すものである。本設計例では、第1の光学ガラス11-1としてN-B-Bak1(ショット社製)を用い、第2の光学ガラス11-2としてN-F2(ショット社製)を用いた。 Hereinafter, one design example of the phase plate 10 of FIG. 2 will be described. Table 1 shows parameters in this design example. In this design example, NB-Bak1 (manufactured by Schott) was used as the first optical glass 11-1, and NF2 (manufactured by Schott) was used as the second optical glass 11-2.
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1のパラメータを式(5)及び(6)に代入すると、d=1.0767mmとなる。そのときのイレース光の位相差ψは丁度πとなる。また、ポンプ光の位相差φは、0.03radとなって、式(6)の不等式を満たす。 Substituting the parameters in Table 1 into formulas (5) and (6) yields d = 1.0767 mm. The phase difference ψ of the erase light at that time is exactly π. Further, the phase difference φ of the pump light is 0.03 rad, which satisfies the inequality of Expression (6).
 ポンプ光の位相差φは、ポンプ光の波長に換算するとλ/210となる。この値は、通常の光学研磨ガラス基板の平面精度がλ/10であることから無視できる値である。したがって、この位相板10をポンプ光が透過しても、その波面は全く影響を受けないことになる。 The phase difference φ of the pump light is λ p / 210 when converted to the wavelength of the pump light. This value is negligible because the planar accuracy of a normal optical polishing glass substrate is λ p / 10. Therefore, even if the pump light is transmitted through the phase plate 10, the wavefront is not affected at all.
 図2に示した位相板10は、極めて標準的な加工技術で作製することができる。例えば、図3に示すように、第1の光学ガラス11-1を構成するN-B-Bak1基板は輪帯状に切削する。また、第2の光学ガラス11-2を構成するN-F2基板は、第1の光学ガラス11-1と同じ厚みで、円柱状に切削する。そして、円柱状の第2の光学ガラス11-2を輪帯状の第1の光学ガラス11-1の内周面に、例えば紫外線硬化性樹脂で接合する。その後、接合された第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2を、光学的な平面度を満足するまで一体に光学研磨する。 The phase plate 10 shown in FIG. 2 can be manufactured by a very standard processing technique. For example, as shown in FIG. 3, the NB-Bak1 substrate constituting the first optical glass 11-1 is cut into an annular shape. Further, the N—F 2 substrate constituting the second optical glass 11-2 is cut into a columnar shape with the same thickness as the first optical glass 11-1. Then, the columnar second optical glass 11-2 is bonded to the inner peripheral surface of the ring-shaped first optical glass 11-1 with, for example, an ultraviolet curable resin. Thereafter, the bonded first optical glass 11-1 and second optical glass 11-2 are optically polished integrally until optical flatness is satisfied.
 なお、上記の設計例では、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2として、市販の光学ガラスを用いた。しかし、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2は、使用するポンプ光及びイレース光のそれぞれの波長に応じた最適な屈折率をもつように、例えば通常の溶融石英ガラスにTiなどの不純物を異なる密度で微少量添加して構成されてもよい。また、位相板10は、表面に反射防止膜をコートして、照明光の散乱光の発生を抑制することも可能である。 In the above design example, commercially available optical glass was used as the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2. However, the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 are made of, for example, ordinary fused silica glass so as to have optimum refractive indexes according to the respective wavelengths of the pump light and erase light to be used. Further, a small amount of impurities such as Ti may be added at different densities. Further, the phase plate 10 can be coated with an antireflection film on the surface to suppress generation of scattered light of illumination light.
 上述した作製方法によれば、屈折率が等方的な第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2を用いるので、従来の異方性の屈折率特性を有する光学基板を用いる場合と比較して、光学軸の方向を気にすることなく2枚の光学基板を切削することができる。また、2枚の基板を接合する際も光学軸の方向を気にする必要がないので、作業工程が格段に簡単となる。また、屈折率が等方的な光学ガラスを用いることから、高度な切削加工技術を必要とせず、また高価な水晶基板等を用いる必要がないので、設計の多様性及び柔軟性における利点に留まらず、生産面及びコスト面における利点もある。 According to the manufacturing method described above, since the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 having isotropic refractive indexes are used, a conventional optical substrate having anisotropic refractive index characteristics is obtained. Compared with the case of using, the two optical substrates can be cut without worrying about the direction of the optical axis. In addition, when joining two substrates, there is no need to worry about the direction of the optical axis, so the work process becomes much simpler. In addition, since optical glass with an isotropic refractive index is used, advanced cutting technology is not required, and an expensive quartz substrate is not required. There are also advantages in terms of production and cost.
 なお、上記の設計例では、第1の光学ガラス11-1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11-2を透過したイレース光との位相を反転させた。しかし、両者は完全に反転していなくても、少なくとも外側の第1の光学ガラス11-1を透過したイレース光と、内側の第2の光学ガラス11-2を透過したイレース光との電場の極性が異なっていれば、顕微鏡対物レンズ27の焦点における電場の相殺が可能である。 In the above design example, the phases of the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 were inverted. However, even if the two are not completely reversed, the electric field of at least the erase light transmitted through the outer first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the inner second optical glass 11-2. If the polarities are different, the electric field at the focal point of the microscope objective lens 27 can be canceled.
 そのためには、第1の光学ガラス11-1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11-2を透過したイレース光との位相差が、式(6)の条件化で、下式(7)を満たせばよいことになる。 For this purpose, the phase difference between the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 is expressed by the following formula (6) It is only necessary to satisfy 7).
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 この場合、第1の光学ガラス11-1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11-2を透過したイレース光とが集光点で、その電場を相殺するためには、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2の面積及び透過率が、下式(8)を満たせばよい。 In this case, in order to cancel the electric field between the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 at the condensing point, The area and transmittance of the optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 may satisfy the following formula (8).
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 式(8)において、積分領域「in」は内側の第2の光学ガラス11-2の領域を示し、積分領域「out」は外側の第1の光学ガラス11-1の領域を示す。Tinは第2の光学ガラス11-2のイレース光の透過率分布示し、Toutは第1の光学ガラス11-1のイレース光の透過率分布を示す。また、ψinは第2の光学ガラス11-2を通過したイレース光の位相分布を示し、ψoutは第1の光学ガラス11-1のイレース光の位相分布を示す。また、x及びyは、位相板10の面の座標を示す。 In Expression (8), the integration region “in” indicates the region of the inner second optical glass 11-2, and the integration region “out” indicates the region of the outer first optical glass 11-1. T in indicates transmittance distribution of the erase light in the second optical glass 11-2, T out denotes the transmittance distribution of the erase light of the first optical glass 11-1. Ψ in indicates the phase distribution of the erase light that has passed through the second optical glass 11-2, and ψ out indicates the phase distribution of the erase light of the first optical glass 11-1. X and y indicate the coordinates of the surface of the phase plate 10.
 式(8)によれば、第1の光学ガラス11-1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11-2を透過したイレース光との位相が完全に反転していなくても、極性が異なっていれば、第1の光学ガラス11-1及び第2の光学ガラス11-2をそれぞれ透過したイレース光の強度と面積とに鑑みて、積分した総和がゼロになれば、3次元的な中空ビームが得られる。 According to the equation (8), even if the phase of the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 is not completely inverted, the polarity If the total sum becomes zero in view of the intensity and area of the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2, respectively, A hollow beam can be obtained.
 (位相板の第2の構成例)
 図4は、位相板10の第2の構成例を概念的に示す斜視図である。図4に示す位相板10は、同心円状に多数接合された同じ厚みの光学ガラス12-1~12-nを有する多重輪帯構造からなる多数の分割領域を有する。隣接する光学ガラスをそれぞれ透過するイレース光の電場の極性は異なる。多重輪帯構造の各光学ガラスの面積及び透過率は、それぞれ異なってもよい。その場合、式(8)は下式(9)に示すように示される。なお、式(9)において、jはj番目の光学ガラスを示す。
(Second configuration example of phase plate)
FIG. 4 is a perspective view conceptually showing a second configuration example of the phase plate 10. The phase plate 10 shown in FIG. 4 has a large number of divided regions having a multi-annular zone structure having optical glasses 12-1 to 12-n having the same thickness joined together in a concentric manner. The polarities of the electric fields of erase light that pass through adjacent optical glasses are different. The area and transmittance of each optical glass having a multiple ring zone structure may be different. In that case, the equation (8) is expressed as the following equation (9). In equation (9), j represents the jth optical glass.
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 図4の位相板10においても、多重輪帯構造の光学ガラス数(領域数)と、各領域の屈折率・面積・透過率とをパラメータとして最適化することができる。 4 can also be optimized using the number of optical glasses (number of regions) having a multi-annular structure and the refractive index / area / transmittance of each region as parameters.
 特に多重輪帯構造を形成する場合は、隣り合う領域を通過したイレース光の位相がお互い反転すれば、電場の相殺が効果的に起こり、焦点近傍で良好な中空構造を持つイレース光が生成される。すなわち、上式(2)において、i=j+1の関係を満たす。なお、2重の輪帯構造の場合は、上式(2)において、i=1となる。 In particular, in the case of forming a multi-annular zone structure, if the phase of the erase light that has passed through adjacent regions is reversed, the electric field cancels effectively, and erase light with a good hollow structure is generated near the focal point. The That is, in the above equation (2), the relationship i = j + 1 is satisfied. In the case of a double ring zone structure, i = 1 in the above equation (2).
 (位相板の第3の構成例)
 図5は、位相板10の第3の構成例を概念的に示す平面図である。図5に示す位相板10は、異なる屈折率特性をもつ同じ厚みの4枚の光学ガラス13-1~13-4がπ/2radずつ円形状に接合された4つの分割領域を有する。4枚の光学ガラス13-1~13-4は、透過するイレース光の位相をπ/4ずつ段階的に変化させる。
(Third configuration example of phase plate)
FIG. 5 is a plan view conceptually showing a third configuration example of the phase plate 10. The phase plate 10 shown in FIG. 5 has four divided regions in which four optical glasses 13-1 to 13-4 having different refractive index characteristics and the same thickness are joined in a circular shape by π / 2 rads. The four optical glasses 13-1 to 13-4 change the phase of the transmitted erase light step by step by π / 4.
 図5に示す位相板10によると、顕微鏡対物レンズ27の焦点面において非常にタイトなイレース光の中空ビームを形成することができる。ただし、4枚の光学ガラス13-1~13-4を通過するポンプ光のビーム面の位相の乱れは、少なくともπ/4以下とする必要がある。 According to the phase plate 10 shown in FIG. 5, it is possible to form a very tight erase light hollow beam on the focal plane of the microscope objective lens 27. However, the phase disturbance of the beam surface of the pump light passing through the four optical glasses 13-1 to 13-4 needs to be at least π / 4 or less.
 (位相板の第4の構成例)
 上述した位相板の第1~3の構成例では、異なる等方的な屈折率をもつ複数の光学媒質材料として、同じ厚みの光学ガラスを用いた。本構成例では、同じ厚みの光学媒質材料を用いるという概念のもとに、同じ膜厚で異なる屈折率をもつ複数の光学薄膜を、同一の光学基板上にコートして位相板10を構成する。
(Fourth configuration example of phase plate)
In the first to third configuration examples of the phase plate described above, optical glasses having the same thickness are used as a plurality of optical medium materials having different isotropic refractive indexes. In this configuration example, the phase plate 10 is configured by coating a plurality of optical thin films having the same film thickness and different refractive indexes on the same optical substrate based on the concept of using optical medium materials having the same thickness. .
 この場合は、例えば光学的に等方的で、かつ均一な厚みのガラス基板を用い、その表面を例えば図2、図4又は図5に示されているように、2重輪帯、多重輪帯又は4分割の複数の領域に分割する。そして、第1~3の構成例でそれぞれ説明した条件を満足する同じ膜厚で異なる屈折率を有する光学薄膜を、それぞれの分割領域にコートする。つまり、第1~3の構成例のように、異なる等方的な屈折率をもつ同じ厚みの複数の光学ガラスを接合する代わりに、異なる等方的な屈折率をもつ同じ厚みの複数の光学薄膜を、光学的に等方的で均一な厚みを有するガラス基板の表面に成膜して位相板10を構成する。 In this case, for example, a glass substrate having an optically isotropic and uniform thickness is used, and the surface thereof is, for example, as shown in FIG. 2, FIG. 4 or FIG. It is divided into a plurality of areas of a band or 4 divisions. Then, each divided region is coated with an optical thin film having the same film thickness and different refractive index that satisfies the conditions described in the first to third configuration examples. That is, as in the first to third configuration examples, instead of joining a plurality of optical glasses with different isotropic refractive indexes and the same thickness, a plurality of optical fibers with the same thickness having different isotropic refractive indexes. The phase plate 10 is formed by forming a thin film on the surface of a glass substrate having an optically isotropic and uniform thickness.
 光学薄膜は、TiOをはじめとする光学薄膜材料が用いて形成可能である。また、光学薄膜は、単層膜であってもよいが、多層膜であってもよい。特に、多層膜とすれば、全体の膜厚を一定にするという条件の元で、層数や光学媒質材料を適宜選定して、ポンプ光及びイレース光に対してより精密な独立の位相制御を行って超解像顕微鏡機能を誘導することが可能となる。 The optical thin film can be formed using an optical thin film material such as TiO 2 . The optical thin film may be a single layer film or a multilayer film. In particular, in the case of a multilayer film, the number of layers and the optical medium material are appropriately selected under the condition that the entire film thickness is constant, and more precise independent phase control is performed for pump light and erase light. It is possible to guide the super-resolution microscope function.
 第4の構成例によれば、特に、コートする光学媒質材料が有機材料、例えば紫外線硬化性樹脂などの場合は、無機材料と異なり、蒸着やスパッターといった手法のみならず、スピンコート法や印刷なども利用できる。したがって、位相板10の作製工程が簡単になる利点がある。 According to the fourth configuration example, in particular, when the optical medium material to be coated is an organic material, for example, an ultraviolet curable resin, unlike an inorganic material, not only a technique such as vapor deposition and sputtering, but also a spin coating method, printing, etc. Can also be used. Therefore, there is an advantage that the manufacturing process of the phase plate 10 is simplified.
 図1に示した超解像顕微鏡20によると、位相板10が上述した第1の構成例~第4の構成例のいずれかからなる。したがって、位相板10が容易に作製できるので、全体として廉価な構成で、高精度の超解像顕微鏡観察が可能となる。 According to the super-resolution microscope 20 shown in FIG. 1, the phase plate 10 is composed of any one of the first to fourth configuration examples described above. Therefore, since the phase plate 10 can be easily manufactured, high-precision super-resolution microscope observation is possible with a low-cost configuration as a whole.
 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、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形または変更が可能である。例えば、位相板10は、上述した構成例に限らず、異なる屈折率特性をもつ同一厚さの複数の多様な形状の光学基板を接合して構成してもよい。同様に、位相板10は、同一光学基板上に分割された複数の領域に、異なる屈折率特性をもつ同一厚さの複数の多様な形状の光学薄膜をコートして構成してもよい。また、図1に示した超解像顕微鏡20の照明光学系、走査部、検出部等の構成は一例であって、同様の機能を有する適宜の構成に変更可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications or changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the phase plate 10 is not limited to the configuration example described above, and may be configured by bonding a plurality of optical substrates having different refractive index characteristics and the same thickness and various shapes. Similarly, the phase plate 10 may be formed by coating a plurality of regions divided on the same optical substrate with a plurality of optical thin films having various refractive indexes and the same thickness. Further, the configuration of the illumination optical system, the scanning unit, the detection unit, etc. of the super-resolution microscope 20 shown in FIG. 1 is an example, and can be changed to an appropriate configuration having the same function.
 10 位相板
 11-1、11-2、12-1~12-n、13-1~13-4 光学ガラス
 20 超解像顕微鏡
 21 シングルモードファイバ
 22 コリメータレンズ
 23 アイリス
 24 バンドパスフィルタ
 25 ガルバノミラー光学系
 26 瞳投影レンズ
 27 顕微鏡対物レンズ
 S 試料
 31 ブロックフィルタ
 32 集光レンズ
 33 ピンホール
 34 光検出器
 
10 Phase plate 11-1, 11-2, 12-1 to 12-n, 13-1 to 13-4 Optical glass 20 Super-resolution microscope 21 Single mode fiber 22 Collimator lens 23 Iris 24 Bandpass filter 25 Galvanometer mirror optics System 26 Pupil projection lens 27 Microscope objective lens S Sample 31 Block filter 32 Condensing lens 33 Pinhole 34 Photodetector

Claims (7)

  1.  少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を観察する超解像顕微鏡であって、
     前記分子を安定状態から第1量子状態に励起するための第1の光と、前記分子を更に他の量子状態に遷移させるための第2の光とを含む複数の波長の照明光を、前記第1の光及び前記第2の光の少なくとも一部を空間的に重ね合わせて前記試料に集光して照射する照明光学系と、
     前記照明光と前記試料とを相対的に変位させて前記試料を走査する走査部と、
     前記照明光の前記試料への照射による該試料からの応答光を検出する検出光学系と、を備え、
     前記照明光学系は、前記第1の光及び前記第2の光を空間変調する位相板を有し、
     前記位相板は、前記照明光が透過する複数の分割領域を有する所定の厚さの平坦な空間形状からなり、
     前記複数の分割領域は、少なくとも2種類以上の空間的に等方的な光学媒質材料からなり、前記第1の光及び前記第2の光に対して独立して位相制御する、
     超解像顕微鏡。
    A super-resolution microscope for observing a sample containing a molecule having at least two excited quantum states,
    Illumination light having a plurality of wavelengths including a first light for exciting the molecule from a stable state to a first quantum state and a second light for causing the molecule to transition to another quantum state, An illumination optical system for condensing and irradiating at least a part of the first light and the second light on the sample in a spatially overlapping manner;
    A scanning unit that scans the sample by relatively displacing the illumination light and the sample;
    A detection optical system for detecting response light from the sample by irradiation of the illumination light to the sample, and
    The illumination optical system includes a phase plate that spatially modulates the first light and the second light,
    The phase plate has a flat space shape with a predetermined thickness having a plurality of divided regions through which the illumination light passes.
    The plurality of divided regions are made of at least two or more types of spatially isotropic optical medium materials, and phase-controlled independently for the first light and the second light.
    Super-resolution microscope.
  2.  請求項1に記載の超解像顕微鏡において、
     前記位相板は、前記複数の分割領域が屈折率の異なる複数の光学基板からなり、
     前記光学基板の各々は、屈折率が空間的に等方的でかつ前記第1の光及び前記第2の光に対して異なるものである、
     超解像顕微鏡。
    The super-resolution microscope according to claim 1,
    The phase plate is composed of a plurality of optical substrates having different refractive indexes in the plurality of divided regions,
    Each of the optical substrates has a refractive index that is spatially isotropic and is different for the first light and the second light.
    Super-resolution microscope.
  3.  請求項1に記載の超解像顕微鏡において、
     前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、j番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、前記第1の光の波長をλ、前記第2の光の波長をλ、とするとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
    を満足する、
     超解像顕微鏡。
    The super-resolution microscope according to claim 1,
    In the phase plate, the thickness of the divided region made of the optical medium material is d, and the refractive index of light at the wavelength λ of the i-th divided region among the plurality of divided regions is n i (λ), j-th When the refractive index of light at the wavelength λ of the divided region is n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , and the wavelength of the second light is λ e ,
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
    Satisfy,
    Super-resolution microscope.
  4.  請求項1に記載の超解像顕微鏡において、
     前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、j番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、前記第1の光の波長をλ、前記第2の光の波長をλ、任意の整数をmとするとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
    を満足する、
     超解像顕微鏡。
    The super-resolution microscope according to claim 1,
    In the phase plate, the thickness of the divided region made of the optical medium material is d, and the refractive index of light at the wavelength λ of the i-th divided region among the plurality of divided regions is n i (λ), j-th When the refractive index of light at the wavelength λ of the divided region is n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , the wavelength of the second light is λ e , and an arbitrary integer is m,
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
    Satisfy,
    Super-resolution microscope.
  5.  請求項2に記載の超解像顕微鏡において、
     前記位相板は、2つの前記光学基板を有し、一方の前記光学基板は輪帯形状からなり、他方の前記光学基板は一方の前記光学基板の内周面に接合された円柱形状からなる、
     超解像顕微鏡。
    The super-resolution microscope according to claim 2,
    The phase plate has two optical substrates, one of the optical substrates has an annular shape, and the other optical substrate has a cylindrical shape bonded to the inner peripheral surface of one of the optical substrates.
    Super-resolution microscope.
  6.  請求項2に記載の超解像顕微鏡において、
     前記複数の光学基板は、不純物が異なる密度で添加されて構成されている、
     超解像顕微鏡。
    The super-resolution microscope according to claim 2,
    The plurality of optical substrates are configured by adding impurities at different densities.
    Super-resolution microscope.
  7.  請求項4に記載の超解像顕微鏡において、
     前記位相板は、i=j+1の関係があり、隣り合う分割領域を透過する前記第2の光の位相を互いに反転させる、
     超解像顕微鏡。
    The super-resolution microscope according to claim 4,
    The phase plate has a relationship of i = j + 1 and inverts the phases of the second light transmitted through adjacent divided regions.
    Super-resolution microscope.
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JP2010529486A (en) * 2007-06-01 2010-08-26 マックス プランク ゲゼルシャフト ツール フェルデルング デル ヴィッセンシャフテン エー.ヴェー. Optical device for sensing wavelength or polarization and use of this optical device
JP2015031882A (en) * 2013-08-05 2015-02-16 オリンパス株式会社 Super-resolution microscope and modulation optical element

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010529486A (en) * 2007-06-01 2010-08-26 マックス プランク ゲゼルシャフト ツール フェルデルング デル ヴィッセンシャフテン エー.ヴェー. Optical device for sensing wavelength or polarization and use of this optical device
JP2015031882A (en) * 2013-08-05 2015-02-16 オリンパス株式会社 Super-resolution microscope and modulation optical element

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