WO2017213171A1 - 光学情報検知装置及び顕微鏡システム - Google Patents

光学情報検知装置及び顕微鏡システム Download PDF

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Definitions

  • the intervals between the condensing positions Q1, Q2, and Q3 on the light receiving surface M are equal to or larger than the spot diameter of the shift spot light L2 on the light receiving surface M. Is set to In other words, in the thickness direction of the detection object S, the distance between the converging positions Q1, Q2, and Q3 is equal to or larger than the spot diameter of the shift spot light L2 with respect to the spatial resolution shift in the direction D3 of the conventional laser scanning microscope.
  • the length of the needle-like spot light L1 with respect to the width can be controlled.
  • parallel light from a light source or the like is condensed using an axicon lens 74 whose exit side is formed in a conical shape.
  • a Bessel beam B is generated.
  • the Bessel beam B generated in this way may be used as the needle-like spot light L1.
  • the detection target S was gold nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm.
  • the gold nanoparticles were dispersed on a cover glass and embedded with immersion oil to prepare a preparation and placed on the stage T.
  • the stage T was moved in a three-dimensional manner so that the gold nanoparticles isolated on the cover glass were positioned within the irradiation range R of the needle-like spot light L1 formed at the focal point of the objective lens.
  • the optical axis ahead of the branching mirror 102 in the light emission direction is switched to the optical axis A3 indicated by a broken line. Further, when the branching mirror 102 is inserted into the optical axis A2, the fluorescence from the fluorescent beads is taken out to the optical axis A3 before being converted into an Airy beam, so that the confocal detector 108 emits fluorescence emitted from the fluorescent beads. Is measured (light intensity not depending on information in the z direction).

Abstract

本発明に係る光学情報検知装置５０は、光軸Ａ１に沿って幅寸法ｗよりも大きい長さ寸法ｇに亘り集光されているニードル状スポット光Ｌ１を生成するニードル状スポット光照射部１０と、検知対象物Ｓの位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光をシフトスポット光Ｌ２に変換するシフトスポット光変換部３０と、受光面Ｍに沿ってシフトスポット光Ｌ２を受光するシフトスポット光受光部４０と、シフトスポット光Ｌ２から位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報を取得する光学情報取得部４８と、を備えている。

Description

光学情報検知装置及び顕微鏡システム
　本発明は、光学情報検知装置及び顕微鏡システムに関する。本願は、２０１６年６月７日に、日本に出願された特願２０１６－１１３７７０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　レーザー光は、位相がそろったコヒーレント光であり、指向性・単色性に優れ、高輝度であるという特徴を有することから、画像処理・通信・計測・医療をはじめとする様々な分野で応用されている。このようなレーザー光を発するレーザー光源を顕微鏡用の光源として用いたレーザー顕微鏡の一つに、走査型レーザー顕微鏡がある。走査型レーザー顕微鏡は、レーザー光をビームとして走査させて試料（検知対象物）を観察する装置であり、高い光強度を有する光を照射された試料からの蛍光や燐光現象を観察することによって試料を観察する蛍光顕微鏡として利用されることが多い。近年では、走査型レーザー顕微鏡を用いた蛍光顕微鏡が生体物質の刺激に対する時間応答の解析等に用いられている。
　例えば特許文献１には、レーザービームを試料に照射するための照射手段がレーザービームを適宜遮断するシャッターとシャッターの開閉を制御する手段とを有する走査型レーザー顕微鏡が開示されている。この走査型レーザー顕微鏡では、シャッターが開く前にレーザービームを走査するための走査手段によってビームの走査が開始され、シャッターが閉じた後も走査が続けられる。
　特許文献１に記載の走査型レーザー顕微鏡では、シャッターが開かれてレーザービームが試料に照射される以前にレーザービームの走査が開始される。レーザービームの走査速度はシャッターが開かれるまでの間に所定の速度に達するので、機械的な機構に起因する走査開始時の応答遅れがなくなる。走査手段によってシャッターが閉じられた後もレーザービームの走査が続けられるので、シャッターが開いている間、実質的に画像形成に必要な情報、すなわち光検出器の出力が画像形成手段に取り込まれ、前記情報に基づいて画像が形成される。その結果、レーザービームの走査に要する時間、すなわち試料の観察に要する時間の短縮が図られる。
特開平５－１７３０７７号公報
　上述した様々な応用分野では、試料のリアルタイムでの三次元画像化が求められている。従来の走査型レーザー顕微鏡では、照射光の光軸に直交する面方向の二次元画像を取得し、照射光の光軸に沿って、すなわち試料の厚み方向に走査型レーザー顕微鏡又は試料を相対的に移動させて再び二次元画像を取得し、このような動作を繰り返して得られた複数の二次元画像を画像処理等によって重ねることにより、三次元画像が構築されている。
　特許文献１に記載の走査型レーザー顕微鏡をはじめとする従来の走査型レーザー顕微鏡では、照射光の光軸に直交する面方向の照射光の高速走査及び二次元画像の高速取得が可能であっても、照射光の光軸に沿って走査型レーザー顕微鏡又は試料を移動させるのに時間がかかるという問題があった。その結果、重ね合わせる複数の二次元画像の取得時間に差が生じ、様々な応用分野で求められるレベルのリアルタイムでの三次元画像の取得が困難であった。特に、生命機能解析等のバイオ分野や医療分野では生きた状態での細胞を観察することも多く、より高速且つ鮮明な三次元画像の取得実現が強く望まれている。高速且つ鮮明な三次元画像を取得するためには、機械的な走査等を必要とせず、試料において照射光の光軸上の異なる位置の光学情報を瞬時に取得可能な光学情報検知装置が求められる。
　本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、検知対象物の照射領域における照射光の光軸に沿った方向において異なる位置からの光学情報をより高速に取得可能な光学情報検知装置及び顕微鏡システムを提供することを課題としている。
　本発明者らは、光軸に沿って、該光軸に直交する方向に集光されている幅寸法よりも大きい長さ寸法に亘り集光されているニードル状スポット光を、光軸が厚み方向に略平行するように検知対象物に照射することで、検知対象物における厚み方向の照射領域内を一斉に励起できることに着目した。また、励起された照射領域内の光軸上の互いに異なる位置から出射された出射光を、出射光の光軸に沿って移動するに従って出射光の光軸に交差する受光面における集光位置が検知対象物において励起された照射領域内の出射位置に応じて変化するようにシフトするシフトスポット光に変換することで、座標変換がなされる。前記座標変換により、光軸に沿う方向の互いに異なる位置の光学情報を受光面上の互いに異なる位置に集光させ、光学系や検知対象物を相対的に移動させなくても受光面上の光学情報を一括して取得することができることを見出し、本発明を完成させた。
　すなわち、本発明は、上述の課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様にかかる光学情報検知装置は、第一の光軸に沿って該第一の光軸に直交する方向に集光されている幅寸法よりも大きい長さ寸法に亘り集光されているニードル状スポット光を生成し、該ニードル状スポット光を検知対象物に照射するニードル状スポット光照射部と、前記検知対象物における前記ニードル状スポット光の照射領域内の前記第一の光軸上の位置から発せられた出射光を、該出射光の第二の光軸に沿って移動するに従って該第二の光軸に交差する受光面における集光位置が前記検知対象物における前記第一の光軸上の前記出射光が出射された前記位置に応じて変化するようにシフトするシフトスポット光に変換するシフトスポット光変換部と、前記受光面に沿って前記シフトスポット光を受光するシフトスポット光受光部と、前記シフトスポット光受光部によって受光された前記シフトスポット光から前記出射光の出射位置の光学情報を取得する光学情報取得部と、を備えている。
（２）上記（１）に記載の光学情報検知装置において、前記ニードル状スポット光照射部は、光源と、前記光源から発せられた光を前記ニードル状スポット光に変換するために前記光源から発せられた光を変調する光変調部と、前記光変調部によって変調された前記光を前記検知対象物に集光させ、前記ニードル状スポット光を生成するニードル状スポット光生成部と、を備えていてもよい。
（３）上記（１）又は（２）の何れかに記載の光学情報検知装置において、前記ニードル状スポット光は、前記第一の光軸上に高光強度部を有するベッセルビームであってもよい。
（４）上記（１）から（３）の何れか一つに記載の光学情報検知装置において、前記シフトスポット光変換部は、前記出射光を変調することにより前記出射光を前記シフトスポット光に変換する出射光変調部を備えていてもよい。
（５）上記（１）から（４）の何れか一つに記載の光学情報検知装置において、前記シフトスポット光は、前記第二の光軸に対して放物線状に湾曲するエアリービームであってもよい。
　本発明の一態様にかかる顕微鏡システムは、上記（１）から（５）の何れか一項に記載の光学情報検知装置と、前記光学情報取得部によって前記シフトスポット光から取得された光学情報に基づいて前記検知対象物に関するイメージ情報を作成するイメージ情報作成部と、を備えている。
　本発明の一態様に係る光学情報検知装置及び顕微鏡システムによれば、第一の光軸に沿って幅寸法よりも大きい長さ寸法に亘り検知対象物に対してニードル状スポット光が照射され、照射領域内の第一の光軸上の互いに異なる位置から一斉に出射された出射光がシフトスポット光に変換されるので、検知対象物におけるニードル状スポット光の照射領域内の光軸上の互いに異なる位置の光学情報を受光面上の互いに異なる位置に集光させ、光学情報検知装置の光学系や検知対象物を相対的に移動させなくても受光面上の光学情報を一括して同時に取得することができる。従って、検知対象物の照射領域内の第一の光軸上で異なる位置からの光学情報をより高速に取得できる。
本発明の一態様にかかる光学情報検知装置の模式図である。 本発明の一態様にかかる光学情報検知装置の光変調部における位相変調パターンの一例を示す模式図である。 本発明の一態様にかかる光学情報検知装置の出射光変調部における位相変調パターンの一例を示す模式図である。 本発明の一態様にかかる光学情報検知装置に適用可能なニードル状スポット光の形成方法を説明するための模式図である。 本発明の一態様にかかる光学情報検知装置に適用可能なニードル状スポット光の別の形成方法を説明するための模式図である。 実施例１において、光学情報検知装置のニードル状スポット光照射部で形成された光（環状光）の強度分布を対物レンズの瞳位置で測定した結果を示す画像である。 実施例１において、光学情報検知装置のニードル状スポット光照射部で形成されたニードル状スポット光の強度分布を測定した結果を示す画像である。 実施例１において、個々の微小金属粒子からの散乱光の二次元強度分布を、位置ｚを変化させつつ測定した結果を示す画像である。 図８に示す散乱光の二次元強度分布の各々について、最も高い光強度の位置を通るｘ方向に対して、該位置でｘ方向に直交するｙ方向にＣＣＤの１０画素分で積算した強度プロファイルを示すグラフである。 実施例２における蛍光イメージングのための光学情報検知装置の模式図である。 実施例２において、平面波状の光ビームを集光することで形成される通常のスポット光の場合（１倍）、及び図１０に示す光変調部１４で環状の位相変調パターンを設定することでニードルスポット状スポットを形成し、焦点深度（depth of focus: DOF）を通常の集光スポットに対して２倍、５倍、１０倍、１５倍にそれぞれ変化させた場合の強度分布の測定結果を示す図である。 図１１に示す通常のスポット光の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を２倍に変化させた場合の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を５倍に変化させた場合の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を１０倍に変化させた場合の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を１５倍に変化させた場合の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示す通常のスポット光の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を２倍に変化させた場合の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を５倍に変化させた場合の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を１０倍に変化させた場合の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１１に示すニードル状スポット光の焦点深度を１５倍に変化させた場合の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 実施例２において、１光子励起時のニードル状スポット光の強度分布（焦点深度；１５倍）と２光子励起時における通常の集光スポット（焦点深度１倍）及び焦点深度を１５倍としたニードル状スポット光の強度分布の測定結果を示す図である。 図１４に示す２光子励起時の通常の集光スポット光（焦点深度；１倍）の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１４に示す２光子励起時のニードル状スポット光（焦点深度；１５倍）の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１４に示す２光子励起時の通常の集光スポット光（焦点深度；１倍）の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図１４に示す２光子励起時のニードル状スポット光（焦点深度；１５倍）の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを示すグラフである。 実施例２において、ＥＭＣＣＤ上での蛍光ビーズの蛍光像（エアリービームパターン）を示す図である。 実施例２において、蛍光ビーズをニードル状スポット光に沿って走査させた場合の蛍光像を示す図である。 実施例２において、ＥＭＣＣＤ上でのエアリービームパターンのｘ方向における強度分布を示す図であり、蛍光ビーズを焦点位置（Δｚ＝０）からΔｚ＝７μｍへと変化させたときの蛍光像の強度分布を示す図である。 実施例２において、エアリービームのスポットのｘｙ面（ｘ方向及びｙ方向に拡がる面）内におけるシフト量とスポットサイズとの関係を示す図である。 実施例２において、パラメータｐがｐ＝３及びｐ＝５の場合のエアリービームのスポットのｘｙ面内におけるシフト量とスポットサイズとの関係を示す図である。
　以下、本発明について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。
　図１は、本発明の一態様にかかる顕微鏡システム１００の模式図である。
　図１に示すように、顕微鏡システム１００は、少なくとも光学情報検知装置５０を備え、その他にイメージ情報作成部６０を備えている。
［光学情報検知装置］
　光学情報検知装置５０は、ニードル状スポット光照射部１０と、シフトスポット光変換部３０と、シフトスポット光受光部４０と、光学情報取得部４８と、を備えている。光学情報検知装置５０では、後述するニードル状スポット光Ｌ１を生成し、ニードル状スポット光Ｌ１の光軸（第一の光軸）Ａ１が検知対象物Ｓの方向Ｄ３（すなわち、検知対象物Ｓの厚み方向）に略平行するようにニードル状スポット光Ｌ１を検知対象物Ｓに照射する。また、光学情報検知装置５０では、検知対象物Ｓにおけるニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から出射された出射光をシフトスポット光Ｌ２に変換するので、受光面Ｐで受光したシフトスポット光Ｌ２から出射光が発せられた位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報が検知される。
　なお、図１には、検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の互いに異なる位置として位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の三点を例示しているが、光学情報検知装置５０の検知位置には照射領域Ｒ内の全位置が該当し、その数は限定されない。
（ニードル状スポット光照射部）
　ニードル状スポット光照射部１０は、光軸Ａ１に沿って光軸Ａ１に直交する方向Ｄ１，Ｄ２の面内に集光されている幅寸法ｗよりも大きい長さ寸法ｇに亘り集光されているニードル状スポット光Ｌ１を生成し、ニードル状スポット光Ｌ１を検知対象物Ｓに照射する構成を備えている。
　ニードル状スポット光Ｌ１は、上述のように幅寸法ｗよりも長さ寸法ｇが大きく集光され、非回折なスポット光であれば特に限定されない。このように非回折なスポット光であることで、照射領域Ｒに向けて強い光が確実に照射され、照射領域Ｒ内の検知対象物Ｓが一斉に励起される。ニードル状スポット光Ｌ１の長さ寸法ｇが幅寸法ｗに対して大きくなると、検知対象物Ｓの厚み方向の光学情報を一括して取得することができるという効果が高まる。
　なお、後述する光変調部１４を備えていない従来の走査型レーザー顕微鏡では、検知対象物Ｓに対して、光変調を受けずに集光されたスポット光（以下、通常のスポット光とする）が照射される。通常のスポット光における方向Ｄ３の長さ寸法は、従来の走査型レーザー顕微鏡における方向Ｄ３の空間分解能に相当し、光源から発せられる光の波長と集光レンズの開口数に依存する。例えば、ニードル状スポット光Ｌ１の長さ寸法ｇが通常のスポット光の方向Ｄ３の長さ寸法よりも１０倍大きい場合は、本態様の顕微鏡システム１００を用いると、検知対象物Ｓの三次元情報を従来の走査型レーザー顕微鏡に比べて約１／１０の時間で測定することができる。すなわち、従来の走査型レーザー顕微鏡を用いて、ニードル状スポット光Ｌ１を用いる本態様の顕微鏡システム１００と同じ厚み寸法の三次元情報を得るためには、方向Ｄ３に沿って１０点分の二次元走査が必要であるから、測定時間が約１０倍かかることになる。
　ニードル状スポット光Ｌ１の一例としては、ベッセルビームが挙げられる。ベッセルビームは、その波面が伝搬軸（すなわち、光軸Ａ１）の回転対称軸とした円錐面で与えられ、干渉によって伝搬軸に沿って軸状に高光強度部が生成されるビームであり、ビームの径方向（すなわち、方向Ｄ１，Ｄ２）の光強度分布が名前の通りベッセル関数の二乗で表される。本態様では、ニードル状スポット光Ｌ１がベッセルビームであると想定して説明する。
　ニードル状スポット光照射部１０は、光源１２と、光源１２から発せられた光（図示略）をニードル状スポット光Ｌ１に変換するために光源から発せられた光を変調する光変調部１４と、光変調部１４によって変調された光を検知対象物Ｓに集光させ、ニードル状スポット光Ｌ１を生成するニードル状スポット光生成部１６と、を備えている。
　光源１２は特に限定されないが、光源１２から発せられた光をニードル状スポット光Ｌ１として検知対象物Ｓに照射した際に、照射領域Ｒ内から光軸Ａ２に沿ってニードル状スポット光Ｌ１とは反対方向に出射する光が得られるように、適当な波長及び光強度、パワー等の特性、仕様を備えたものが好ましい。
　光変調部１４は、光源１２から発せられ、全反射ミラー１３によって反射された光の振幅、位相等の任意の物理量を変調し、少なくとも検知対象物Ｓの内部に、検知対象物Ｓの厚み方向に平行して光軸Ａ１に長く延びるニードル状スポット光Ｌ１を生成するように構成されている。ここで、「少なくとも検知対象物Ｓの内部に」とは、ニードル状スポット光Ｌ１を検知対象物Ｓの内部に直接形成する場合と、光軸Ａ１に沿う方向において検知対象物Ｓよりも光源１２に近い位置でニードル状スポット光Ｌ１が形成され、そのニードル状スポット光Ｌ１が非回折で検知対象物Ｓの内部に照射される場合の両方を含んでいる。
　光変調部１４の一例としては、空間的な光の振幅や位相の分布を変調可能な空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）が挙げられる。ＳＬＭとしては、例えば液晶を用いて上述の変調を行う空間光位相変調器（Liquid Crystal on Silicon：ＬＣＯＳ－ＳＬＭ）や、マイクロミラーを用いて上述の変調を行う微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）によるデジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device：ＤＭＤ）等がある。本態様では、光変調部１４として、反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられている。
　ニードル状スポット光生成部１６は、光変調部１４によって変調された光を検知対象物Ｓの所定の領域にニードル状スポット光Ｌ１として集光する構成を備えている。本態様では、ニードル状スポット光生成部１６として、対物レンズが用いられている。
　光変調部１４とニードル状スポット光生成部１６との間には、光変調部１４によって変調された光を伝搬させて検知対象物Ｓに照射するする照射側光学系として、光変調部１４に近い方から光軸Ａ１に沿って集光レンズ１５，１８，２０，２２が順次配置されている。なお、集光レンズ２２は、複レンズである。集光レンズ１５，１８，２０，２２の各レンズは、光軸Ａ１上において、光変調部１４がニードル状スポット光生成部１６をなす対物レンズの瞳面をリレーした位置に配されるように、適宜配置されている。集光レンズ１５，１８の間、集光レンズ１８，２０の間及び集光レンズ２０，２２の間には、それぞれ光路折返し用の全反射ミラー１７，１９，２１が配置されている。
　光変調部１４は、検知対象物Ｓの内部に集光するニードル状スポット光生成部１６の長さ寸法ｇや幅寸法ｗをそれぞれ、後述するように検知対象物Ｓの光学情報の検知に適した所望の寸法にするためのニードル状スポット光設定部１２０を備えている。例えば、ニードル状スポット光設定部１２０は、光軸Ａ１に沿って光源１２から発せられた光の情報及び所望のニードル状スポット光Ｌ１の情報から光変調部１４の変調パターンを算出するものであれば特に限定されない。ニードル状スポット光設定部１２０の一例としては、前記変調パターンを算出するプログラム等が内蔵されたコンピュータが挙げられる。ニードル状スポット光設定部１２０によれば、測定環境や検知対象物Ｓに応じて、所望の幅寸法ｗ及び長さ寸法ｇを有するニードル状スポット光Ｌ１が設定される。通常の集光スポットにおける幅寸法と同程度の幅寸法ｗを有するニードル状スポットにおいて、通常の集光スポットの長さ寸法に比べて１０倍以上の長さ寸法ｇが得られると、従来のレーザー顕微鏡を用いた３次元での画像化における面方向（即ち、方向Ｄ３に直交する方向）の空間分解能が維持されつつ、最大で１０倍の高速化が期待される。また、ニードル状スポット光設定部１２０では、前述のように方向Ｄ３において図る高速化の度合い（例えば、１０倍）に合わせ、光変調部１４の変調パターンが算出される。また、ニードル状スポット光設定部１２０では、光変調部１４とニードル状スポット光生成部１６との間の光学素子（例えば、集光レンズ１５，１８，２０，２２等）の有無や各光学素子の情報が考慮される。光変調部１４としてＳＬＭ等の能動型光学素子が用いられる場合、ニードル状スポット光設定部１２０から光変調部１４への情報や信号によってリアルタイムに光変調部１４における変調パターンが書き換え可能になり、ニードル状スポット光Ｌ１が高精度且つリアルタイムに設定される。
　また、集光レンズ１５，１８の間の光軸Ａ１上には、ビームスプリッタ２３が配置されている。光変調部１４から出射された光は、ビームスプリッタ２３を透過し、ニードル状スポット光生成部１６に向けて光軸Ａ１上に出射される。
　図１に示すように検知対象物Ｓの所定の領域にニードル状スポット光Ｌ１としてベッセルビームを集光させるために、光変調部１４としてのＬＣＯＳ－ＳＬＭでは、光軸Ａ１に直交する面内に配列されている複数の液晶分子のうち、図２に示すように、環状部Ｃに相当する部分の液晶分子についてのみ、入射波面を所定の角度に傾ける（所謂、チルトをつける）ための位相変調量（すなわち、配向方向）：exp[ikxsin(θｄ)]に設定する。前述の位相変調量：exp[ikxsin(θｄ)]において、ｋは波数（＝２π／波長）である。図２に示す各寸法は、波長を４８８ｎｍとし、角度θｄが０．２°である場合のものである。
　上述のように光変調部１４としてのＬＣＯＳ－ＳＬＭの液晶分子が設定されることで、全反射ミラー１３によって反射された光の波面（すなわち、位相の空間分布）が変調される。全反射ミラー１３によって反射された光の波面が上述のように変調されることで、ＬＣＯＳ－ＳＬＭで反射された光はニードル状スポット光生成部１６としての対物レンズの瞳面（図示略）において環状の光強度分布を有する。すなわち、対物レンズの瞳面には、環状の高光強度分布を有する光が形成される。なお、図２に示す破線Ｑは、同図における対物レンズの瞳面の相対的な大きさを示している。
ニードル状スポット光設定部１２０によって図２に示す環状部Ｃの内径と外径との差を縮小することで、幅寸法ｗに対する長さ寸法ｇの比率を高め、ニードル状スポット光Ｌ１としてのベッセルビームの焦点深度を増大させることができる。
　光変調部１４としてのＬＣＯＳ－ＳＬＭでは、ニードル状スポット光設定部１２０からの信号により、光軸Ａ１に直交する面内に配列されている複数の液晶分子のうち、環状部Ｃに相当する部分以外の液晶分子は変調されていない。
　従って、環状部Ｃに相当する部分以外の液晶分子に照射された光の０次光は光変調部１４で反射される。本態様では、集光レンズ１５の光変調部１４とは反対側の焦点位置（所謂、前側焦点距離）にアパーチャー３１が設けられている。そのため、光変調部１４の環状部Ｃ以外の部分から反射された無変調成分である０次光は、検知対象物Ｓの光学情報の取得には寄与せず、図１の二点破線で示すように集光レンズ１５及び全反射ミラー１７を通過して進むものの、アパーチャー３１によって遮断され、検知対象物Ｓには照射されない。
（検知対象物）
　検知対象物Ｓは、上述説明したニードル状スポット光照射部１０から出射されたニードル状スポット光Ｌ１の光軸Ａ１上に配置されている。検知対象物Ｓは、ニードル状スポット光Ｌ１を照射可能であって、照射されたニードル状スポット光Ｌ１によって刺激される物質や要素を含み、例えば生体であってもよく、非生体であってもよく、特に制限されない。
　検知対象物Ｓにおいて、ニードル状スポット光Ｌ１が照射された物質や要素からは、光の吸収、反射や蛍光、燐光、散乱光等の何らかの光学応答がなされる。本態様では、ニードル状スポット光Ｌ１が照射された検知対象物Ｓの照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から光軸Ａ２に沿って発せられる散乱光を受光対象とする。
　顕微鏡システム１００は、検知対象物Ｓを載置するためのステージＴを備えている。ステージＴは、少なくともニードル状スポット光Ｌ１の光軸Ａ１に直交する面内（すなわち、方向Ｄ１，Ｄ２）において移動可能とされている。
（シフトスポット光変換部）
　シフトスポット光変換部３０は、検知対象物Ｓにおけるニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光（図示略）を、シフトスポット光Ｌ２に変換する構成を備えている。シフトスポット光Ｌ２は、出射光の光軸（第二の光軸）Ａ２に沿って移動するに従って、光軸Ａ２に交差する受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が検知対象物Ｓにおける位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に応じて変化するようにシフトする光である。
　シフトスポット光Ｌ２は、上述のように出射光の光軸Ａ２に沿って移動するに従い、受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が、出射光が出射された位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に応じて変化するようにシフトする非回折なスポット光であれば特に限定されない。シフトスポット光Ｌ２が非回折なスポット光であることによって、光軸Ａ２上の任意の位置で受光面Ｍを設定可能になり、且つ設定した受光面Ｍ上でシフトスポット光Ｌ２の集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をより確実に異ならせ、シフトスポット光を高分解能で受光可能になる。複数のシフトスポット光Ｌ２の個々に含まれる情報を分解するという観点から、受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の間隔は、受光面Ｍ上におけるシフトスポット光Ｌ２のスポット径以上となるように設定されている。言い換えれば、検知対象物Ｓの厚み方向において、従来のレーザー走査顕微鏡の方向Ｄ３の空間分解能のズレに対して、集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の間隔がシフトスポット光Ｌ２のスポット径以上となるように設定されている。さらに、受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の間隔は、後述するシフトスポット光受光部４０で集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に集光したシフトスポット光Ｌ２を個別に検出可能な最小寸法以上であることが好ましく、シフトスポット光受光部４０の二次元ディテクターの一つの画素サイズの整数倍であることがより好ましい。受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の間隔が上述の範囲内であれば、集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に集光するシフトスポット光Ｌ２の個々に含まれる情報が分解され、検知対象物Ｓの厚み方向の光学情報を一括して高精度に取得することができるという効果がさらに高まる。
　シフトスポット光Ｌ２の一例としては、エアリービームが挙げられる。エアリービームは、自由空間内で光軸Ａ２に対して放物線を描くように湾曲する放物線状のビームである。本態様では、シフトスポット光Ｌ２がエアリービームであると想定して説明する。
　シフトスポット光変換部３０は、ニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光を変調することにより出射光をシフトスポット光に変換する出射光変調部３２を備えている。
　出射光変調部３２の一例としては、光変調部１４と同様に、ＳＬＭ等が挙げられる。出射光変調部３２への適用に好適なＳＬＭとしては、例えばＬＣＯＳ－ＳＬＭやＭＥＭＳによるＤＭＤがあり、これらに加えてメンブレン型のデフォーマブルミラー等がある。本態様では、出射光変調部３２として、反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられている。
　出射光変調部３２は、前述のシフトスポット光Ｌ２の方向Ｄ１，Ｄ３方向におけるシフト量や強度分布、集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をそれぞれ、シフトスポット光受光部４０での受光に適した所望の量や分布、位置にするためのシフトスポット光設定部１３０を備えている。例えば、シフトスポット光設定部１３０は、光軸Ａ２に沿って検知対象物Ｓから発せられた厚み方向の情報及び所望のシフトスポット光Ｌ２の情報から出射光変調部３２の変調パターンを算出するものであれば特に限定されない。シフトスポット光設定部１３０の一例としては、前記変調パターンを算出するプログラム等が内蔵されたコンピュータが挙げられる。シフトスポット光設定部１３０によれば、測定環境や検知対象物Ｓの光学特性、シフトスポット光受光部４０の二次元ディテクターの仕様・性能に応じて、所望のシフトスポット光Ｌ２が設定される。例えば、受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の間隔は、受光面Ｍ上におけるシフトスポット光Ｌ２のスポットの直径以上であって、シフトスポット光受光部４０の二次元ディテクターで検出することができる最小寸法の２倍よりも大きくなるように設定されることが好ましい。シフトスポット光設定部１３０では、ニードル状スポット光生成部１６とシフトスポット光受光部４０との間の光学素子（例えば、集光レンズ１８，２０，２２，２４，２５等）の有無や各光学素子の情報が考慮される。出射光変調部３２として前述のようにＳＬＭ等の能動型光学素子が用いられる場合、シフトスポット光設定部１３０から出射光変調部３２への情報や信号によってリアルタイムに出射光変調部３２における変調パターンが書き換え可能になり、シフトスポット光Ｌ２が高精度且つリアルタイムに設定される。
　本態様では、図１に示すように、ニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から光軸Ａ２に沿って、ニードル状スポット光Ｌ１の進行方向とは反対向き（すなわち、方向Ｄ３とは反対向き）に発せられる散乱光が出射光として受光される。前述の散乱光から、照射領域Ｒ内の検知対象物Ｓに関する光学情報が検知される。シフトスポット光変換部３０は、検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒの光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた光を出射光変調部３２に向けて伝搬するための検知側光学系として、ニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒからビームスプリッタ２３までの間は、光軸Ａ２に沿って、ニードル状スポット光生成部１６に用いられている対物レンズと、集光レンズ１８，２０，２２と、光路折返し用の全反射ミラー１９，２１と、をニードル状スポット光照射部１０と共有している。
　光軸Ａ２に沿って集光レンズ１８から出射された出射光は、ビームスプリッタ２３に対して光源１２から発せられた光の入射面とは反対側から入射するので、出射光の一部がビームスプリッタ２３で反射される。
　光軸Ａ２に沿って、ビームスプリッタ２３と出射光変調部３２との間には、上述の検知側光学系の続きとして、集光レンズ２４が配置されている。ビームスプリッタ２３と集光レンズ２４との間、集光レンズ２４と出射光変調部３２との間には、それぞれ光路折返し用の全反射ミラー２６，２７が配置されている。
　図１に示すように受光面Ｍにシフトスポット光Ｌ２としてエアリービームを集光させるために、出射光変調部３２としてのＬＣＯＳ－ＳＬＭでは、光軸Ａ２に対して所定の角度をなして配列されている複数の液晶分子の位相変調量を公知の原理（例えば、S. Jia et.al., Nature Photon. 8, 302-306 (2014)等を参照）に基づいてシフトスポット光設定部１３０によって設定すると、光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光の波面が変調される。公知の方法では、図３に示すように、複数の液晶分子の全体としての波面が次に示す（１）式で表される波面Ｗ（ｓ，ｔ）となるように、個々の液晶分子の位相変調量を制御する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、上述の（１）式において、ＲｅｆｆはＬＣＯＳ－ＳＬＭの位相変調領域の有効径であり、ｈはＬＣＯＳ－ＳＬＭの位相変調領域の有効高さであり、ｐはＬＣＯＳ－ＳＬＭの位相変調領域の中心に対してＲｅｆｆの位置での相対的な位相シフト量であり、ｋは波数（＝２π／波長）である。例えば、ｐ＝３であれば、ＬＣＯＳ－ＳＬＭの位相変調領域の中心に対してＲｅｆｆでの位相変調量は６π＝３λである。
　例えば、図３は（１）式においてｐ＝３としたときの場合のＬＣＯＳ－ＳＬＭの液晶分子の位相変調量を模式的に示しており、頂部（すなわち、図３に示す位相変調領域Ｕの中心部）が平面で切断された三次関数的な位相分布が形成されていることを示す。
　ＬＣＯＳ－ＳＬＭによって位相変調された出射光が受光面Ｍでシフトスポット光Ｌ２として形成されるように、光軸Ａ２に沿って出射光変調部３２と受光面Ｍとの間には、光路折り返し用の全反射ミラー２８、集光レンズ２５が順次配置されている。検知側光学系において、光軸Ａ２上における集光レンズ２４，２５の各レンズ間の距離は、各レンズの焦点距離の和とされている。
　従って、ＬＣＯＳ－ＳＬＭで反射された光は、全反射ミラー２８で反射され、集光レンズ２５に入射し、集光レンズ２５によって、光軸Ａ２に対して放物線を描くように湾曲する放物線状のエアリービームとして集光され、非回折で伝搬する。光軸Ａ１上の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光に基づくエアリービームは、互いに略同様の湾曲形状を有し、光軸Ａ２に平行して互いにずれて分布する。
（シフトスポット光受光部）
　シフトスポット光受光部４０は、受光面Ｍに沿ってシフトスポット光Ｌ２を受光する構成を備えている。シフトスポット光受光部４０としては、例えばＣＣＤやイメージセンサ等のアレイ受光素子が挙げられる。
（光学情報取得部）
　光学情報取得部４８は、シフトスポット光受光部４０によって受光されたシフトスポット光Ｌ２の情報から検知対象物Ｓの三次元画像化等に必要な情報を取得するために設けられている。光学情報取得部４８は、例えばコンピュータである。
　光学情報取得部４８には、シフトスポット光受光部４０の受光面の受光素子の配列情報（ピクセル番号等）と検知対象物Ｓの照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３との対応関係や、シフトスポット光受光部４０からの情報に関する具体的な処理内容（例えば、色情報とするのか、特定物質を強調するように表示するのか）等の詳細について予め記憶されている。また、光学情報取得部４８には、シフトスポット光受光部４０のからの情報に対するノイズ除去処理や、所望の情報を効果的に可視化するためのフィルタリング処理の機能等が備わっている。
（イメージ情報作成部）
　イメージ情報作成部６０は、光学情報取得部４８によって取得された検知対象物Ｓに関する情報から三次元画像をはじめとするイメージ情報を作成し、モニタ６２に映し出す構成を備えている。なお、イメージ情報作成部６０は、光学情報取得部４８を構成するコンピュータに組み込まれていてもよい。これにより、シフトスポット光受光部４０によって受光されたシフトスポット光Ｌ２の情報を即時にモニタ等に映し出し、可視化することができる。
　以上説明した光学情報検知装置５０によれば、光軸Ａ１における幅寸法ｗよりも長さ寸法ｇに延びるように集光された非回折なニードル状スポット光Ｌ１を検知対象物Ｓに照射することにより、検知対象物Ｓの光軸Ａ１に沿った奥行き方向（すなわち、検知対象物Ｓの厚み方向）に対してニードル状スポット光Ｌ１の長さ寸法ｇに亘って一斉に刺激が与えられる。そして、検知対象物Ｓにおけるニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光を、非回折なシフトスポット光Ｌ２に変換する。シフトスポット光Ｌ２は、光軸Ａ２に沿って移動するに従って、受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が、出射光が出射された検知対象物Ｓの位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に応じて変化するようにシフトする光である。出射光をシフトスポット光Ｌ２に変換することで、検知対象物Ｓの厚み方向における情報を受光面Ｍの面内の情報へと変換することができる。これにより、ニードル状スポット光Ｌ１を一回照射すれば、機械的な走査や装置の移動・制御を必要とせずに、検知対象物Ｓの厚み方向の異なる位置の情報を光の速度で瞬時に取得し、検知することができる。さらに、光軸Ａ１に直交する面内で検知対象物Ｓへの照射光を高速に走査する公知の技術と組み合わせれば、一回の二次元走査で検知対象物Ｓの三次元情報をより高速に取得することができる。
　また、光学情報検知装置５０によれば、ニードル状スポット光照射部１０は、光変調部１４と、ニードル状スポット光生成部１６と、を備えているので、光源１２から発せられた光を予め変調パターン等が設計・計算された光変調部１４によって自在に且つ円滑に変調し、変調された光をニードル状スポット光生成部１６によって検知対象物Ｓに集光し、ニードル状スポット光Ｌ１を生成することができる。
　本態様では、光変調部１４としてアクティブ素子であるＬＣＯＳ－ＳＬＭを用いているため、光源１２から発せられた光の波面や特性、ニードル状スポット光Ｌ１の長さ寸法ｇに応じて液晶分子の位相変調量を自在に設定・変更し易く、光学情報検知装置５０全体の設計自由度がより高まると共に、光源１２から発せられた光に対する変調パターンが異なる毎に光変調部１４を取り換えずに済む。
　また、光学情報検知装置５０によれば、ニードル状スポット光Ｌ１としてベッセルビームを用いることで、光軸Ａ１に直交する方向Ｄ１，Ｄ２の光強度分布がベッセル関数の二乗で表され、幅寸法ｗ内に高光強度部が形成された照射光を非回折で検知対象物Ｓに照射し、検知対象物Ｓの所定の領域に対してより確実に刺激を与えることができる。
　また、光学情報検知装置５０によれば、シフトスポット光変換部３０は、出射光変調部３２を備えているので、検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒ内の異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光を予め変調パターン等が設計・計算された出射光変調部３２によって自在に且つ円滑に変調し、シフトスポット光Ｌ２を生成することができる。
　本態様では、光変調部１４と同様に、出射光変調部３２としてアクティブ素子であるＬＣＯＳ－ＳＬＭを用いているため、検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒ内の異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から発せられた出射光の波面や特性、シフトスポット光受光部４０で検出可能な最小寸法等に応じて液晶分子の位相変調量を自在に設定・変更し易く、光学情報検知装置５０全体の設計自由度がより高まると共に、検知対象物Ｓから発せられる出射光やシフトスポット光受光部４０の仕様に応じて変調パターンが異なる毎に出射光変調部３２を取り換えずに済む。
　また、光学情報検知装置５０によれば、シフトスポット光Ｌ２としてエアリービームを用いることで、検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒ内の異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３からの出射光を光軸Ａ２に対して放物線を描くように湾曲する放物線状のビームとし、且つ異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３毎に光軸Ａ２に沿って互いにずれるように分布させることができる。これにより、光軸Ａ２に交差する受光面Ｍで複数のシフトスポット光を切り出して個々のシフトスポット光をより確実に受光し、検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒ内の異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報を精度良く検知することができる。
　また、顕微鏡システム１００によれば、上述の光学情報検知装置５０と、イメージ情報作成部６０と、を備えているので、ニードル状スポット光Ｌ１を一回照射すれば、機械的な走査や装置の移動・制御を必要とせずに、光学情報検知装置５０によって検知した検知対象物Ｓにおける照射領域Ｒ内の異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報に基づいて検知対象物Ｓの三次元情報をより高速に取得し、三次元光イメージングを行うことができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　また、上述の態様では、ＬＣＯＳ－ＳＬＭを用いてニードル状スポット光Ｌ１としてのベッセルビームを生成する構成を例示したが、ベッセルビームを生成する方法は他にもいくつか知られている。例えば、図４に示すように、光源等からの平行光を環状の開口部７２が形成された振幅マスク７１に通し、透過した光をレンズ７３で集光させることにより、光軸Ａｘに沿って光軸Ａｘに直交する方向で集光されている幅寸法よりも大きい長さ寸法に亘り集光するベッセルビームＢが生成される。この方法では、開口部７２の直径ｄ７２や幅ｐ７２を変化させることで、ニードル状スポット光Ｌ１の幅寸法に対する長さ寸法を制御することができる。
　ベッセルビームを生成する別の方法としては、例えば、図５に示すように、光源等からの平行光を出射側が円錐形状に形成されているアキシコンレンズ７４を用いて集光させることによっても、ベッセルビームＢが生成される。このように生成されたベッセルビームＢをニードル状スポット光Ｌ１として用いても構わない。
　また、ニードル状スポット光Ｌ１としてベッセルビームを用いると、上述したように光軸Ａ１に直交する方向Ｄ１，Ｄ２の幅寸法ｗ内には高光強度部が形成されるが、同方向において高光強度部の外側にサイドローブとして微弱光が発生する。この微弱光が受光面Ｍにおいて本来検知するべき検知対象物Ｓの位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３からの出射光に重なって受光されると、信号対雑音比（ＳＮ比）が低下し、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報と微弱光の情報とが合わさった情報を検知してしまう。このようなＳＮ比の低下を抑える観点から、光学情報検知装置５０及び顕微鏡システム１００には、公知の多光子励起顕微鏡の構成を導入することが好適である。多光子励起顕微鏡の構成を導入することで、ｎ光子励起（ｎは正の整数である）の場合には励起光強度分布のｎ乗に比例して出射光の光強度が変わるため、微弱光の影響がより弱くなる。これにより、受光面Ｍにおいて微弱光は略検出されない程度に弱くなり、本来検知するべき検知対象物Ｓの位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報をより高精度に検知することができる。
　また、上述の態様では、検知対象物Ｓを載置するためのステージＴがニードル状スポット光Ｌ１の光軸Ａ１に直交する面内で移動可能とされている構成を例示して説明したが、検知対象物Ｓに対してニードル状スポット光Ｌ１を光軸Ａｘに直交する面内で移動させる際には、検知対象物Ｓに対してニードル状スポット光Ｌ１が相対的に移動すればよい。従って、検知対象物Ｓ及びステージＴの位置は固定し、ガルバノミラー等を用いてニードル状スポット光Ｌ１を検知対象物Ｓに対して光軸Ａ１に直交する面内で走査させてもよい。
　すなわち、顕微鏡システム１００は、ニードル状スポット光Ｌ１を光軸Ａ１に直交する面内で走査させることが可能なビーム走査型のレーザー顕微鏡であってもよい。
　また、上述の態様では、シフトスポット光としてエアリービームを採用して説明したが、光軸Ａ２に沿って移動するに従い、受光面Ｍにおける集光位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が、出射光が発せられた位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に応じて変化するようにシフトする非回折なスポット光であればよく、例えば光軸Ａ２に対して湾曲はせず、光軸Ａ２に沿って移動するに従い、光軸Ａ２との距離が線形的に変化し、且つ出射光が発せられた位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３毎にシフトスポット光が集光される位置Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が異なってもよい。すなわち、シフトスポット光は光軸Ａ２に対して傾斜し、出射光が発せられた位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３毎に互いに平行に延びるスポット光であってもよい。
　また、上述の態様では、光変調部１４及び出射光変調部３２としてＬＣＯＳ－ＳＬＭを用いているが、各変調部に入射する光波を入力側の光波とし、且つ各変調部から出力される光波を出力光として、入力波と出力波との関係から、各変調部における変調量を適宜算出し、予め設定しておいてもよく、適宜補正してもよい。また、各変調部に入射する光波を物体光とすると共に、適当な参照光を設定し、各変調部から出力される光波を出射させるような干渉縞を計算し、計算機合成ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｈｏｌｏｇｒａｍ：ＣＧＨ）を光変調部１４や出射光変調部３２に適用してもよい。
　また、上述の顕微鏡システム１００は検知対象物Ｓにおいて光軸Ａ１に沿った方向の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光学情報を略同時取得することができるので、公知の多点走査型レーザー顕微鏡に導入してもよい。公知の多点走査型レーザー顕微鏡の導入により、光軸Ａ１に直交する面内で互いに異なる位置の光学情報も略同時取得することができるので、検知対象物Ｓの三次元情報の取得及び三次元画像化が略瞬時に可能となる。
　また、上述の顕微鏡システム１００では、検知側光学系に分散素子、或いは波長毎の出射光を、光軸Ａ２に交差する方向であり、且つ光軸Ａ１上の位置によって集光位置がずれる方向とは異なる方向に分離可能な構成を導入することで、出射光のスペクトル毎の光学情報の検出やスペクトルイメージングや多色イメージングが可能になる。従って、細胞等の生体試料を検知対象物Ｓとした際に、複数の検知用色素を検知対象物Ｓに付し、ニードル状スポット光Ｌ１によって照射領域Ｒ内を一斉に励起し、上述のようにスペクトルイメージングを行うと、細胞内の器官・機能・特定部位の局在の様子を観察することができる。
　また、上述の光学情報検知装置５０や顕微鏡システム１００では、検知対象物Ｓにおいて、ニードル状スポット光Ｌ１が照射された物質や要素から散乱光が発せられるものとして説明したが、既述のように検知対象物Ｓからの光学応答は一光子励起や多光子励起を含む蛍光や、検知可能であれば、蛍光以外に、ラマン散乱光、第二高調波等の非線形発光、さらには光の吸収、反射や燐光等であってよい。これらの光学応答に合わせて、照射側光学系及び検知側光学系に使用する集光レンズや光路折り返し用の全反射ミラー、ビームスプリッタの配置や数を適宜変更することができる。
　さらに、上述の光学情報検知装置５０や顕微鏡システム１００では、ニードル状スポット光Ｌ１を検知対象物Ｓに照射した際に、照射領域Ｒ内から光軸Ａ２に沿ってニードル状スポット光Ｌ１とは反対方向に出射する光を検出対象としたが、照射領域Ｒ内から光軸Ａ２に沿ってニードル状スポット光Ｌ１と同じ方向に出射する光を検出対象としても構わない。すなわち、本発明に係る光学情報検知装置及び顕微鏡システムは、図１に例示した反射型の構成を備えたものに限定されず、検知側光学系が検知対象物Ｓを基準として照射側光学系の反対側に配置されているような透過型の構成を備えてもよい。
　次いで、本態様の光学情報検知装置５０及び顕微鏡システム１００の効果を裏付けるために行った実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　図１に示す光学情報検知装置５０を構築し、ニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の検知対象物Ｓの厚み方向における光学情報の検知について検証した。但し、光学情報取得部４８は省略し、シフトスポット光受光部４０として用いたＣＣＤの出力を確認し、光学情報の検証を行った。
　また、ステージＴには、ピエゾ駆動型の三次元精密稼働ステージを使用した。
　顕微鏡システム１００に用いた光学部品の概要を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上述のように構築した光学情報検知装置５０において、光源１２から直線偏光ガウスビームのレーザー光を出射させ、そのレーザー光を光変調部１４のＬＣＯＳ－ＳＬＭで変調した。変調時には、図２に示す環状部Ｃに相当する部分の液晶分子の入射波面を０．２°で傾けるような位相変調量（すなわち、配向方向）に設定することで、ニードル状スポット光生成部１６の対物レンズの瞳面（図示略）において図６に示すように環状の高光強度分布を有する光（環状光）を形成した。図６の破線は、参考として、ニードル状スポット光生成部１６の対物レンズの瞳のサイズを相対的に示したものである。具体的には、瞳の直径５．０４ｍｍの対物レンズに対して内径が０．６６倍、外径が０．７７倍の環状の高光強度分布を有する光を形成した。
　図６に示す環状光を対物レンズで集光させ、図７に示すように幅寸法ｗが０．１８μｍ、長さ寸法ｇが１．９μｍのニードル状スポット光Ｌ１を生成した。
　検知対象物Ｓは、平均粒径１００ｎｍの金ナノ粒子とした。この金ナノ粒子をカバーガラス上に散布し、イマージョンオイルで包理することにより、プレパラートを作製し、ステージＴ上に設置した。この際、カバーガラス上で孤立した金ナノ粒子が対物レンズ焦点に形成したニードル状スポット光Ｌ１の照射範囲Ｒ内に位置するように、ステージＴを三次元的に精密に移動させた。
　図７に示すニードル状スポット光Ｌ１を金ナノ粒子に照射すると、金ナノ粒子からは散乱光が発せられ、この散乱光（すなわち、出射光）はニードル状スポット光生成部１６の対物レンズから光軸Ａ２に沿って伝搬する。約半分のパワーの散乱光がビームスプリッタ２３で反射され、さらに検出側光学系へと伝搬する。
　そこで、ビームスプリッタ２３で反射された散乱光を出射光変調部３２のＬＣＯＳ－ＳＬＭで変調した。変調時には、ＬＣＯＳ－ＳＬＭにおける複数の液晶分子の全体としての波面が前述の（１）式で表される波面Ｗ（ｓ，ｔ）となるように、個々の液晶分子の位相変調量を制御し、（１）式において、ｐ＝３、Ｒｅｆｆ＝１．８９ｍｍ、ｈ＝１．８９ｍｍ、ｋ＝（２π／λ）＝（２π／４８８ｎｍ）とした。
　以上説明した配置及び設定の光学情報検知装置５０において、金ナノ粒子をニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上において０．５μｍ間隔で精密に移動させ、その都度、シフトスポット光受光部４０としてのＣＣＤ上での散乱光の二次元強度分布を記録した。散乱光の二次元強度分布の測定結果を図８に示す。図８における位置ｚは、ニードル状スポット光Ｌ１の長さ寸法１．９μｍの中心を基準とした光軸Ａ１上での距離を示す。すなわち、図８におけるｚ＝０は、ニードル状スポット光Ｌ１の長さ寸法１．９μｍの中心を示す。また、図８に示す散乱光の二次元強度分布の各々について、最も高い光強度の位置を通るｘ方向に対して、前記位置でｘ方向に直交するｙ方向にＣＣＤの１０画素分で積算した強度プロファイルを図９に示す。
　図８及び図９に示す実験結果から、対物レンズの焦点位置（すなわち、ニードル状スポット光Ｌ１の照射領域Ｒ）での異なる位置zからの散乱光シグナルがＣＣＤの受光面において異なる面内位置に結像していることを確認した。すなわち、ニードル状スポット光Ｌ１の照射による検知対象物Ｓの発光に対し、エアリービームの自己湾曲特性によって、光軸Ａ１，Ａ２に沿った方向の情報が光軸Ａ２に直交する面内方向への情報に変換可能であることがわかる。
　以上説明した実施例の結果から、光学情報検知装置５０によれば、ニードル状スポット光Ｌ１による照射領域Ｒ内の光軸Ａ１に沿った方向の一斉励起と、励起された照射領域Ｒから発せられた光学応答による光シグナルをシフトスポット光に変換することによる光軸Ａ１に沿った方向からこの方向に交差する受光面Ｍ上への変換と、を駆使した新しい光学情報検知装置の実現が可能であることを実証した。従って、光学情報検知装置５０にイメージ情報作成部６０等を組み合わせ、三次元高速光イメージングも実現可能といえる。
（実施例２）
　次いで、図１０に示す顕微鏡システム１１０を構築し、本発明に係る光学情報検知装置及び顕微鏡システムによる蛍光イメージングへの適用について検証した。図１０に示す顕微鏡システム１１０の構成要素において、図１に示す顕微鏡システム１００の構成要素と共通する構成要素については、共通の符号を付し、その説明を省略する。
　顕微鏡システム１１０において、蛍光を発生させるための励起光はニードル状スポット光とした。１光子励起用に波長５３２ｎｍのレーザー光と、２光子励起用に波長１０４０ｎｍのレーザー光を使用した。２光子励起用の波長１０４０ｎｍのレーザー光は、ニードル状スポット光が形成されていることを確認するために用いられている。ステージＴは、ピエゾ駆動ステージであり、三次元的に精密に移動可能となるように構成した。複数のレンズ１５，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，２０，２２，２４Ａ，２４Ｂ，２５は、各々のレンズが配置されている光軸Ａ１／Ａ２／Ａ３上で各々のレンズを挟んで両側で各々のレンズの焦点距離等に合った位置Ｐを物体面の位置及び像面の位置として４ｆ光学系（４ｆフーリエ変換光学系）を構成するように設置されている。複数の位置Ｐには、必要に応じて、空気中のごみやレンズ表面の汚れ・傷等による干渉縞を除去するためのピンホールを配置した。複数のレンズ１５，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，２０，２２，２４Ａ，２４Ｂ，２５は、それぞれ組み合わせレンズである。図１０出射光から変換されたエアリービームは、シフトスポット光受光部４０を用いて検出した。シフトスポット光受光部４０には、超微弱光でも高速に撮影可能なＥＭＣＣＤ（Electron－Multiplying Charge Coupled Device）を用いた。また、分岐用ミラー１０２は、ダイクロイックミラー２３Ｂと出射光変調部３２との間の光軸Ａ２に対して挿抜自在となるように配置されている。分岐用ミラー１０２が光軸Ａ２に挿入された場合は、分岐用ミラー１０２よりも光の出射方向の前方の光軸は、破線で示す光軸Ａ３に切り替わる。また、分岐用ミラー１０２が光軸Ａ２に挿入された場合は、蛍光ビーズからの蛍光がエアリービームに変換される前に光軸Ａ３に取り出されるので、共焦点ディテクター１０８では蛍光ビーズから発せられる蛍光の光強度（ｚ方向の情報によらない光強度）が測定される。共焦点ディテクター１０８はファイバー型受光端子１０７を備え、ファイバー型受光端子１０７の受光側端面は集光レンズ２４Ａの光軸Ａ３上の像面の位置Ｐに配置されている。なお、分岐用ミラー１０２とファイバー型受光端子１０７との間にはレンズペアが配置されているが、レンズペアの図示は省略されている。集光レンズ２４Ａの後の位置Ｐ（即ち、分岐用ミラー１０２の挿入位置と同じ位置Ｐ）の光は前記レンズペアによってファイバー型受光端子１０７の受光側端面に結像される。ファイバー型受光端子１０７の受光側端面のコアの直径は、１ｍｍとした。
　顕微鏡システム１１０に用いた光学部品の概要を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　先ず、波長５３２ｎｍのレーザー光による１光子励起でのニードル状スポット光形成の検証を行うために、市販の蛍光ビーズ（平均直径：１７０ｎｍ）を三次元的に走査させ、各点での蛍光シグナルを従来の共焦点レーザー顕微鏡検出器（製造販売元：浜松ホトニクス株式会社）で検出して、焦点での強度分布を計測した。図１１に、平面波状のレーザー光を集光した通常の集光スポットの場合（以下、この場合の焦点深度を１倍とし、「基本の焦点深度」という場合がある）及びニードル状スポット光の焦点深度を２倍、５倍、１０倍、１５倍にそれぞれ変化させた場合の強度分布の測定結果を示す。ニードル状スポット光の焦点深度は、光変調部１４であるＬＣＯＳ－ＳＬＭにおいて円環状マスクの形状を変化させることによって調整した。測定の結果、顕微鏡システム１１０では、ニードル状スポット光の焦点深度を約１５倍まで伸張し、ニードル状スポット光の長さを１１μｍ程度まで拡大することが可能であると推測される。すなわち、従来の共焦点レーザー顕微鏡検出器等に比べて１５倍の焦点深度の奥行き情報を取得できる見込みが得られた。また、ニードル状スポット光の焦点深度を変化させない場合、及びニードル状スポット光の焦点深度を２倍、５倍、１０倍、１５倍にそれぞれ変化させた場合の各強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを図１２Ａ～１２Ｅに示し、ｚ方向のビームプロファイルを図１３Ａ～１３Ｅに示す。図１２Ａ～１２Ｅ及び図１３Ａ～１３Ｅの実線は理論値を表し、ドット状の複数の点は測定値を表している。顕微鏡システム１１０における条件及びパラメータを考慮すると、理論値と測定値の傾向が合っていることがわかる。
　次に、波長１０４０ｎｍのパルスレーザー光による２光子励起でのニードル状スポット光形成の検証を行った。蛍光ビーズは、１光子励起の検証時の蛍光ビーズと同じものを使用した。図１４に、１光子励起時の蛍光像（エアリービームパターンをシフトスポット光受光部４０で受光した際の像）の強度分布と２光子励起時の蛍光像の強度分布の測定結果を並べて示す。２光子励起時には、ｘ方向におけるサイドローブが低く抑えられていることがわかる。このようにサイドローブが低く抑えられることで、ノイズの低い高精度な三次元高速光イメージングが可能になる。ニードル状スポット光の焦点深度が基本の焦点深度（１ｘ）である場合とニードル状スポット光の焦点深度が１５倍の焦点深度（１５ｘ）である場合の蛍光像の強度分布におけるｘ方向のビームプロファイルを図１５（ａ），（ｂ）に示す。図１５（ａ），（ｂ）の各々に示されているビームプロファイルを比較すると、ニードル状スポット光の焦点深度を１５倍まで大きくした場合でも矢印の部分のようにサイドローブが大幅に低く抑えられていることがわかる。ニードル状スポット光の焦点深度が基本の焦点深度（１ｘ）である場合とニードル状スポット光の焦点深度が１５倍の焦点深度（１５ｘ）である場合の蛍光像の強度分布におけるｚ方向のビームプロファイルを図１６（ａ），（ｂ）に示す。近赤外の波長域でもある１０４０ｎｍの波長のレーザー光による２光子励起の条件下で、約１０μｍの焦点深度を確保することができた。
　上述のように光ニードル状スポット光が良好に形成されることを確認した光学系１１０において、１光子の光ニードル状スポット光による励起下での蛍光シグナルに対するエアリービームパターンの形成の検証を行った。１光子励起での（１）式におけるｐの値とｘｙｚの各平面における寸法と、ＥＭＣＣＤ上での孤立蛍光ビーズの蛍光像を図１７に示す。但し、本検証時において、前述の（１）式におけるｈはｈ＝２Ｒｅｆｆとした。図１７に示すように、ニードル状スポット光上の蛍光ビーズからの発光に対してエアリーパターンが形成されていることがわかる。
　また、蛍光ビーズをニードル状スポット光に沿って（すなわち、ｚ方向に沿って）走査した場合の蛍光像の変化を図１８に示す。蛍光ビーズは、５００ｎｍの間隔で移動させた。図１８に示す測定結果から、パラメータｐの値が大きくなる程、エアリービームパターンのｚ方向に対する非回折性を伴う伝搬距離が増大し、蛍光ビーズの焦点のz方向の位置に応じてｘｙ面内方向にエアリービームパターンがシフトすることがわかる。
　さらに、パラメータｐについてｐ＝３とし、蛍光ビーズをニードル状スポット光の焦点からｚ方向に１μｍ間隔で０μｍから７μｍまで移動させた。各位置におけるＥＭＣＣＤ上での蛍光像の中心を通るｘ方向に沿った強度分布を図１９に示す。図１９に示す測定結果から、ＥＭＣＣＤ上でのエアリービームパターンのピーク位置は、ニードル状スポット光上における蛍光ビーズのｚ方向の位置に応じてｘｙ面内方向にシフトすることがわかる。
　図２０は、ニードル状スポット光上でのｚ方向の蛍光ビーズの位置と受光部におけるエアリービームのスポットのｘｙ面内シフト量の関係を示している。図２０の網掛けは、エアリービームの中心スポットの面内方向に対する半値全幅（ＦＷＨＭ）に対応する。スポット位置は放物線の軌跡を描くのに対し、スポットサイズは伝搬距離に対して略一定である。従って、エアリービームの非回折と自己湾曲性を用いることでz方向の空間分解能が得られる一方で、ｚ方向（奥行き方向）の空間分解能は蛍光を発するz位置に依存することが推測される。また、イメージングでｚ方向の空間分解能を確保する観点から、ｘｙ面内のエアリービームのシフト量は、エアリービームの面内スポットサイズ以上が必要となることがわかる。
　図２１は、パラメータｐについて、ｐ＝３及びｐ＝５の場合のニードル状スポット光上でのｚ位置に対する受光部でのエアリービームスポットのｘｙ面内シフト量との関係を示している。図２１に示すように、パラメータｐの値が大きい程、ニードル状スポット光上でのｚ方向の位置の変化に対するシフトスポット光受光部４０でのエアリービームスポットの面内シフト量は小さくなる。一方で、パラメータｐの値が大きい程、エアリービームの非回折伝搬距離が大きくなる。従って、ｚ方向（奥行方向）に対する空間分解能と検知可能なｚ方向の範囲にはトレードオフの関係がある。このトレードオフの関係に基づいて、パラメータｐや光学系の結像倍率及び出射光の波長等の各種パラメータを適宜調整することによって、三次元高速イメージング時の条件が決まることが推測される。
　本発明に係る光学情報検知装置及び顕微鏡システムは、検知対象物の光軸上の長さ寸法ｇに亘る照射領域にニードル状スポット光Ｌ１を照射し、検知対象物Ｓの照射領域内の第一の光軸上で異なる位置からの光学情報を瞬時に取得し、３次元イメージングすることができるので、より高速且つ鮮明な三次元画像の取得実現が求められる分野で広く利用可能である。このような分野には、生きた状態での細胞を観察することが多い生命機能解析等の生物分野・生体分野や医療分野をはじめ、微細な機能性素材の開発が進められている金属、化学等の産業分野等も含まれる。
　また、本発明に係る光学情報検知装置は、検知対象物Ｓの照射領域Ｒ内の光軸Ａ１上で異なる位置からの光学情報を瞬時に取得することができる観点から、照射領域Ｒ内にニードル状スポット光Ｌ１に反応する物質や要因が存在するか否かを検知する分野で利用可能である。例えば、地面や生体を検知対象物Ｓとして、これらを破断・切断することなくニードル状スポット光Ｌ１を直接照射し、検知対象物Ｓからのシフトスポット光Ｌ２を取得し、検知対象物Ｓの深さ方向に対する特定物質の有無や分布を高速に検知することができる。従って、光学情報検知装置はあらゆる計測に対して利用可能であり、精密計測分野、環境分野や天体観測分野での活用も期待される。
１０…ニードル状スポット光照射部
１２…光源
１４…光変調部
１６…ニードル状スポット光生成部
３０…シフトスポット光変換部
３２…出射光変調部
４０…シフトスポット光受光部
４８…光学情報取得部
５０…光学情報検知装置
６０…イメージ情報作成部
１００…顕微鏡システム
Ａ１…光軸（第一の光軸）
Ａ２…光軸（第二の光軸）
Ｌ１…ニードル状スポット光
Ｌ２…シフトスポット光
Ｓ…検知対象物

Claims (6)

  1. 　第一の光軸に沿って該第一の光軸に直交する方向に集光されている幅寸法よりも大きい長さ寸法に亘り集光されているニードル状スポット光を生成し、該ニードル状スポット光を検知対象物に照射するニードル状スポット光照射部と、
    　前記検知対象物における前記ニードル状スポット光の照射領域内の前記第一の光軸上の位置から発せられた出射光を、該出射光の第二の光軸に沿って移動するに従って該第二の光軸に交差する受光面における集光位置が前記検知対象物における前記第一の光軸上の前記出射光が出射された前記位置に応じて変化するようにシフトするシフトスポット光に変換するシフトスポット光変換部と、
    　前記受光面に沿って前記シフトスポット光を受光するシフトスポット光受光部と、
    　前記シフトスポット光受光部によって受光された前記シフトスポット光から前記出射光の出射位置の光学情報を取得する光学情報取得部と、
    　を備えていることを特徴とする光学情報検知装置。
  2. 　前記ニードル状スポット光照射部は、
    　　光源と、
    　　前記光源から発せられた光を前記ニードル状スポット光に変換するために前記光源から発せられた光を変調する光変調部と、
    　　前記光変調部によって変調された前記光を前記検知対象物に集光させ、前記ニードル状スポット光を生成するニードル状スポット光生成部と、
    　を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学情報検知装置。
  3. 　前記ニードル状スポット光は、前記第一の光軸上に高光強度部を有するベッセルビームであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学情報検知装置。
  4. 　前記シフトスポット光変換部は、
    　　前記出射光を変調することにより前記出射光を前記シフトスポット光に変換する出射光変調部を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の光学情報検知装置。
  5. 　前記シフトスポット光は、前記第二の光軸に対して放物線状に湾曲するエアリービームであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光学情報検知装置。
  6. 　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光学情報検知装置と、
    　前記光学情報取得部によって前記シフトスポット光から取得された光学情報に基づいて前記検知対象物に関するイメージ情報を作成するイメージ情報作成部と、
    　を備えていることを特徴とする顕微鏡システム。
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