(57)【要約】【課題】標本内部の情報を高分解能に取得することが可能な光学装置を提供すること。【解決手段】レーザー光を射出する光源１０１と、光源１０１からの光を信号光と参照光に分割する分割手段であるビームスプリッタ１０５と、信号光の波面を変調する波面変調部１０６と、波面変調された信号光を標本に集光する対物レンズ１０７と、標本に集光する光の分布を２次元的にスキャニングするスキャンミラー１０３と、標本からの光を検出する検出器１０９と、標本から反射された信号光と、参照光を再度合成し干渉光にする合成手段であるビームスプリッタ１０５と、干渉光から散乱光を取り除く除去部であるピンホール１１３と、干渉光から干渉縞を取得する干渉縞撮像部１１５と、干渉縞に基づいて波面変調部１０６に所定の制御を行う解析部１１７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を射出する光源と、
前記レーザー光が入射する位置に設けられ、信号光路、参照光路及び検出光路を形成する分割手段と、
前記信号光路上に配置された対物光学系と、
前記参照光路上に配置された参照部材と、
前記分割手段と前記対物光学系の間に配置された波面変調手段と、
前記検出光路に設けられた干渉縞撮像手段と、を備えた光学装置であって、
前記分割手段は、前記光源からのレーザー光を前記対物光学系に向かって進む信号光と前記参照部材に向かう参照光に分割すると共に、前記対物光学系からの戻り光と前記参照部材からの戻り光を合成して干渉縞撮像手段に入射させ、
前記波面変調手段は前記信号光の波面を変調し、
前記対物光学系は波面変調された信号光を標本に集光し、
更に、前記分割手段から前記干渉縞撮像手段までの光路中に配置され、前記干渉光から散乱光を取り除く除去手段と、
前記干渉縞に基づいて前記波面変調手段を制御する制御手段と、
を備える光学装置。
【請求項２】
前記光源から前記分割手段までの光路中に配置され、前記標本に集光する光の分布を２次元的にスキャニングするスキャニング手段を有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記標本を２次元的に移動させることで、前記標本に集光する光を標本全面に当ててスキャニングを行うスキャニング手段を有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記除去手段は、集光レンズと、ピンホールと、コリメートレンズとを含む請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記分割手段は１つの光学素子で構成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記分割手段は２つの光学素子で構成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記光源はパルスレーザー光源である請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置、特にレーザーを光源として使用した光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー顕微鏡を使った蛍光観察法は、生体組織やタンパク質の局在を調べる上で重要な技術である。この蛍光観察法では、集光したレーザー光により、蛍光色素で染色した標本をスポット状に照射する。これにより発生した蛍光を検出するとともに、レーザー光で走査を行う。この結果、二次元的または三次元的に蛍光からの情報を取得できる。そして、蛍光情報を合成することで観察像を得る手法である。
【０００３】
光学系を介して生体標本の内部にレーザー光を集光した場合、集光位置（深さ位置）によっては集光した光に収差が発生する。これは、集光位置とその集光位置に達するまでの間の屈折率が予め決められた状態で、光学系の収差が補正されているからである。生体標本の場合、密度分布や組織の違いによって、場所によって屈折率が異なる。また、観察する位置（深さ方向）も異なる。そのため、集光位置によっては集光した光に収差が発生する。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、収差を補正するために、波面変調器を光路に配置して光の波面を変調させる技術が提案されている。また、例えば特許文献２には波面収差の量を測定し、波面変調器にその波面収差をフィードバックする技術が提案されている。ここで、波面収差は、観察する標本内の密度分布、組織分布等に起因して発生するものである。また、波面収差の量の測定は、標本内部から反射された信号光に基づいて行われる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１０１９４２号公報
【特許文献２】特開２００８−２６６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、透明でない標本の内部にレーザー光を集光するとき、レーザー光は標本の内部を通過する際に集光状態が悪化するだけでなく、強い散乱を受けることになる。そのため、集光位置から戻ってきた信号光には散乱光が含まれてしまう。このように散乱光が信号光に含まれる場合、標本の情報を正しく反映しなくなってしまう。しかしながら、特許文献１、２の方法では散乱光が除去できないため、標本内部の情報を高分解で取得することができなかった。
【０００７】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであって、標本内部の情報を高分解能で取得することが可能な光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、レーザー光を射出する光源と、
前記レーザー光が入射する位置に設けられ、信号光路、参照光路及び検出光路を形成する分割手段と、
前記信号光路上に配置された対物光学系と、
前記参照光路上に配置された参照部材と、
前記分割手段と前記対物光学系の間に配置された波面変調手段と、
前記検出光路に設けられた干渉縞撮像手段とを備えた光学装置であって、
前記分割手段は、前記光源からのレーザー光を前記対物光学系に向かって進む信号光と前記参照部材に向かう参照光に分割すると共に、前記対物光学系からの戻り光と前記参照部材からの戻り光を合成して干渉縞撮像手段に入射させ、
前記波面変調手段は前記信号光の波面を変調し、
前記対物光学系は波面変調された信号光を標本に集光し、
更に、前記分割手段から前記干渉縞撮像手段までの光路中に配置され、前記干渉光から散乱光を取り除く除去手段と、
前記干渉縞に基づいて前記波面変調手段を制御する制御手段と、
を備える光学装置を提供できる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様によれば、光源から前記分割手段までの光路中に配置され、前記標本に集光する光の分布を２次元的にスキャニングするスキャニング手段を有することが望ましい。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、標本を２次元的に移動させることで、標本に集光する光を標本全面に当ててスキャニングを行うスキャニング手段を有することが望ましい。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、除去手段は、集光レンズと、ピンホールと、コリメートレンズとを含むことが望ましい。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、分割手段は１つの光学素子で構成されていることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、分割手段は２つの光学素子で構成されていることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、光源はパルスレーザー光源であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる光学装置は、標本内部の情報を高分解能で取得できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる光学装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかる光学装置１００の概略構成を示している。図１において、光学装置１００は光源１０１を有する。この光源１０１は、標本１０の蛍光色素を励起する波長のレーザー光を発生する。レーザー光が進行する光路上には、不図示のコリメート光学系が配置されている。コリメート光学系は、光源１０１が発したレーザー光を平行光にするとともに、そのビーム径を変更する。
【００１８】
光源１０１からの光は、光量変調機能を有するＮＤフィルタ１０２を透過し、スキャンミラー１０３に入射する。スキャンミラー１０３は、不図示の駆動部により、たとえば直交する２方向に光を偏向できる。これにより、標本１０（焦平面１０ａ上）に集光されるレーザー光を２次元方向に走査する。
【００１９】
スキャンミラー１０３により反射された光は、ダイクロイックミラー１０４に入射する。ダイクロイックミラー１０４は、光源１０１からのレーザー光を標本１０の方向へ反射し、また標本１０からの光のうちの所定波長の光、すなわち標本１０から発せられる蛍光波長の光を透過する。
【００２０】
ダイクロイックミラー１０４により標本１０の方向へ反射された光は、ビームスプリッタ１０５に入射する。ビームスプリッタ１０５は、入射した光を標本１０の方向へ透過する信号光と、参照ミラー１１０の方向へ反射する参照光とに分割する。すなわち実施例１においては、ビームスプリッタ１０５はレーザー光源からの光を信号光と参照光とに分割する分割手段に対応する。
【００２１】
標本１０の方向へ進行する信号光について説明する。信号光は、透過型波面変調部１０６を透過する。透過型波面変調部１０６は、光軸に垂直な２次元面内において、任意の位置における光の透過率を所定の値に制御できる。これにより、透過波面の位相を制御できる。後述するように透過型波面変調部１０６は、解析部１１７からの信号により制御される。本願で使用される透過型波面変調部としては、例えば液晶、フォトリフラクティブ結晶が挙げられる。
【００２２】
透過型波面変調部１０６を透過した信号光は、対物レンズ１０７により、標本１０内の焦点位置Ｐに集光される。ここで、スキャンミラー１０３の傾きを可変にすることで、焦点位置Ｐに集光したレーザー光により焦平面１０ａ内を走査できる。
【００２３】
標本１０の焦点位置Ｐにおける集光した微小領域では一部の信号光が反射する。反射した信号光は、再び対物レンズ１０７、透過型波面変調部１０６を通過後、ビームスプリッタ１０５に入射する。ビームスプリッタ１０５で反射された信号光は、干渉縞撮像部１１５へ入射する。
【００２４】
次に、参照光について説明する。上述したように、ビームスプリッタ１０５は、入射した光を標本１０の方向へ透過する信号光と、参照ミラー１１０の方向へ反射する参照光とに分割する。参照ミラー１１０の方向へ反射された参照光は、参照ミラー１１０によって反射される。
【００２５】
参照ミラー１１０は、可動ステージ１１１の上に載置されている。参照ミラー１１０で反射された光は、ビームスプリッタ１０５を透過する。そして、ビームスプリッタ１０５で反射された信号光と、ビームスプリッタ１０５を透過する参照光とは、同軸に合成される。この時、参照光の光路長と反射光の光路長とが一致するように、可動ステージ１１１は、参照ミラー１１０を光軸方向に移動させる。
【００２６】
ビームスプリッタ１０５で、合成された参照光と反射光とは干渉を生じ、干渉縞撮像部１１５へ入射する。干渉縞撮像部１１５では、集光レンズ１１２の焦点位置にピンホール１１３が配置されている。集光レンズ１１２により集光され、ピンホール１１３を通過した光は、コリメートレンズ１１４を透過して、撮像素子１１６に入射する。
【００２７】
また、可動ステージ１１１は、光路長調整手段として用いられる。可動ステージ１１１を光軸に沿った方向へ移動する。これにより、信号光と参照光との光路長差が変化し、干渉縞のコントラストが変化する。そして、明部と暗部の明るさの差から最適なコントラストの干渉縞が得られるように、参照ミラー１１０の位置を調整する。信号光と参照光により形成された干渉縞パターンは、撮像素子１１６によって取り込まれる。
なお、予め参照光と信号光との光路長が調整されているときは、可動ステージ１１１は必ずしも必要ではない。
【００２８】
解析部１１７は、信号光と参照光の干渉縞パターンを解析する。これにより、参照光と信号光の波面のズレが求められる。そして、解析部１１７は、波面どうしのズレが小さくなるような波面変調量を算出する。波面変調量は透過型波面変調部１０６に送られ、算出された波面変調量に従って透過型波面変調部１０６は波面変調を更新させる。
【００２９】
信号光と参照光の波面のズレと、このズレを減少させる波面変調量の算出と、透過型波面変調部１０６への表示と、の過程を繰り返す。これによって、信号光と参照光の波面のズレが小さくなる。このため、標本１０の内部に集光する信号光の収差が小さくなる。この結果、標本１０内部において回折限界に近づいたスポットを生成させることが可能となる。従って、撮像素子１１６により、高精度（高い解像度）に標本１０内部の情報を取得できる。
【００３０】
さらに、生体組織は完全な透明体ではないため、内部を伝播していく光は非常に強い散乱を受ける。このため、信号光には散乱光が多く含まれている。これらの散乱光は、発生する領域が集光する途中の領域も含んだランダムな場所で発生し、またその進む方向も一様に散っている。標本の面と、ピンホールの面は共役の関係のため、集光レンズによって集光を行っても、散乱光の場合は光が集まりきらずにピンホールの開口よりも広い領域に散ってしまってピンホールを通りきらない。これにより、散乱光の殆どはピンホール１１３によって遮断される。この結果、波面変調量を測定するための信号光の干渉縞パターンに含まれる散乱光の影響を減少させることが可能となる。従って、波面収差を正確に修正し、標本１０内部の情報を高分解能に取得することができる。
【００３１】
次に、標本１０から反射してきた光、すなわち信号光のうち、ビームスプリッタ１０５を透過する光について説明する。ビームスプリッタ１０５を透過した信号光は、蛍光波長の光である。このため、ダイクロイックミラー１０４を透過する。透過した光は、集光レンズ１０８により、検出器１０９上に集光される。これにより、蛍光像を観察できる。
【００３２】
本発明において、光源１０１が、連続したレーザー光を発生する光源であるときは、標本１０について、１光子吸収の原理による観察のみを行うことができる。
また、光源１０１が、パルスレーザーを発生するときは、標本１０について、１光子吸収の原理による観察及び２光子吸収の原理による観察のいずれも可能である。
２光子吸収の原理による観察では、標本１０のより深部までの情報を得ることができるので好ましい。
【００３３】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２に係る光学装置２００について、図２を用いて説明する。上記実施例１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。
【００３４】
本実施例では、実施例１の透過型波面変調部１０６の代わりの波面変調手段として、反射型波面変調部２０２を用いていること、実施例１でスキャンミラー１０３が配置されていた箇所を固定ミラー１０３ａに変えていること、スキャンミラー１０３を反射型波面変調部２０２と対物レンズ１０７の間に配置している点が実施例１と異なる。また、光源１０１からの光を標本１０の方向へ導くために、本実施例では断面が三角形状の三角柱であって２面にミラー面を備えたミラー２０１を用いている。なお、ミラー２０１は、三角柱形状に代えて、２枚のミラーを配置しても良い。また、本願で使用される反射型波面変調部としては、例えば、可変ミラー、反射型結晶などが挙げられる。
【００３５】
解析部１１７は、信号光と参照光の干渉縞パターンを解析する。これにより、参照光と信号光の波面のズレが求められる。そして、解析部１１７は、波面どうしのズレが小さくなるような波面変調量を算出する。波面変調量は、反射型波面変調素子２０２に送られる。
【００３６】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３に係る光学装置３００について、図３を用いて説明する。上記実施例１及び実施例２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。
【００３７】
本実施例では、実施例１におけるビームスプリッタ１０５に代えて、レーザー光を分割する手段と合成する手段が別個に設けられている。すなわち、光学装置３００には、分割手段としてビームスプリッタ１０５ａ、合成手段としてビームスプリッタ１０５ｂが設けられている。ビームスプリッタ１０５ａは、光源１０１からの光を、参照光と信号光に分割する。
【００３８】
分割された光のうち、信号光は、ビームスプリッタ１０５ｂを透過し、ミラー２０１、反射型波面変調部２０２、対物レンズ１０７を経て、標本１０に入射する。標本１０から反射してきた蛍光波長の信号光は、再度、対物レンズ１０７、ミラー２０１、反射型波面変調部２０２を経て、ビームスプリッタ１０５ｂにより干渉縞撮像部１１５の方向へ反射される。
【００３９】
分割された光のうち、参照光は、２枚のミラー１１０ａ、１１０ｂで光路を折り曲げられ、ビームスプリッタ１０５ｂに入射する。２枚のミラー１１０ａ、１１０ｂは、可動ステージ１１１に載置されている。ビームスプリッタ１０５ｂでは、上述した信号光と、参照光とを合成して干渉縞撮像部１１５へ導く構成である。
【００４０】
（実施例４）
次に、本発明の実施例４に係る光学装置４００について、図４を用いて説明する。上記実施例１及び実施例２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。
【００４１】
本実施例では、光源１０１からの光の光路を折り曲げる固定ミラー１０３ａが固定されている。また、標本１０は、２次元ステージ４０１に載置されている。標本１０を保持している２次元ステージ４０１を動かすことで、レーザースポット光で標本１０の焦平面１０ａ内をスキャンすることができる。
【００４２】
（実施例５）
次に、本発明の実施例５に係る光学装置５００について、図５を用いて説明する。上記実施例１及び実施例２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。本実施例は、偏光を利用して、光の分割、合成を行う例である。
【００４３】
光源１０１から出射された光は、（１／２）λ板５０１、ＮＤフィルタ１０２、スキャニング用のスキャンミラー１０３を経て、分割手段である偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢに入射する。偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢは、入射光を、反射するＳ偏光と、透過するＰ偏光とに二分割する。
【００４４】
（１／２）λ板５０１は、光源１０１から出射される光の直線偏光の向きを変えることができる。これにより、偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢによる分割比を変えることができる。
【００４５】
偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢで反射したＳ偏光の参照光は、光路長変調手段である参照ミラー１１０により反射して、再び偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢに戻る。その際に（１／４）λ板５０２を２回通過する。このため、Ｓ偏光からＰ偏光に変換される。この結果、偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢに戻った際に、参照光は反射せずに透過する。
【００４６】
一方、偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢを透過するＰ偏光の信号光は、ミラー２０１、反射型波面変調部２０２、対物レンズ１０７を経て、標本１０を照射する。標本１０から戻った光は、再び同じ経路を経由して偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢに戻る。その際に、参照光と同様に（１／４）λ板５０３を２回通過する。このため、信号光は、Ｐ偏光からＳ偏光に変換される。
【００４７】
この結果、信号光は、偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢで反射されて、参照光と合成される。このように、偏光ビームプリッタ１０５ＰＢは、合成手段としても機能する。偏光ビームスプリッタ１０５ＰＢで合成された参照光と信号光はそれぞれ偏光方向が直交している。このため、このままでは、干渉を起こさない。偏光板５０４は、それぞれの光を同じ偏光に変換させる。偏光板５０４を透過した波面は干渉縞を生ずる。この他の部分は、上述の実施例１、実施例２と同様であるため、説明を省略する。
【００４８】
本実施例では、偏光を利用している。このため、分割または合成による光量の損失を低減できる。このため、有効に光源からの光を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、散乱光の影響を除去した上で、標本内部の情報を高分解能に取得するための光学装置として有用である。また、本発明は特に生体内部を観察する顕微鏡や、深部観察の可能な内視鏡などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１に係る光学装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２に係る光学装置の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例３に係る光学装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例４に係る光学装置の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例５に係る光学装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  標本
１０ａ  焦平面
Ｐ  集光位置
１００、２００、３００、４００、５００  光学装置
１０１  光源
１０２  ＮＤフィルタ
１０３  スキャンミラー
１０３ａ  固定ミラー
１０４  ダイクロイックミラー
１０５、１０５ａ、１０５ｂ  ビームスプリッタ
１０５ＰＢ  偏光ビームスプリッタ
１０６  透過型波面変調部
１０７  対物レンズ
１０８  集光レンズ
１０９  検出器
１１０  参照ミラー
１１０ａ、１１０ｂ  ミラー
１１１  可動ステージ
１１２  集光レンズ
１１３  ピンホール
１１４  コリメートレンズ
１１５  干渉縞撮像部
１１６  撮像素子
１１７  解析部
２０１  ミラー
２０２  反射型波面変調部
４０１  ２次元ステージ
５０１  （１／２）λ板
５０２、５０３  （１／４）λ板
５０４  偏光板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010139951.tif 000006
【図５】
2010139951.tif 000007