(57)【要約】  【課題】非常に微小な領域についての観察と同時に、ＣＡＲＳの時間分解分光計測を、従来と比較して少ない計測回数、時間で行える顕微鏡装置を提供する。  【解決手段】顕微鏡７０、時間分解分光ユニット８０、導光手段９１，９２を有する。ユニット８０が、波長が異なる２つの光を発する光源５１，５２と、２つの光を光路が平行な同じ方向に導く合波手段５５と、合波手段５５からの光を２方向に分岐する手段６と、２つの光の光路長差を調整する手段５６と、試料へ照射した２つの光の周波数差に共鳴する試料内分子振動が誘起されて発生したコヒーレント光を、他方の光路を通る２つの光のいずれかと合波する合波手段３と、合波される光の光路長差を調整する手段１０と、前記合波手段３を介して形成された干渉縞を撮像する撮像素子４を備える。導光手段９１と撮像素子４の間に２次元光波変換光学系１が配置されている。【選択図】  図３
2006276667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学顕微鏡と時間分解分光ユニットを有する顕微鏡装置であって、
前記時間分解分光ユニットからの光を前記光学顕微鏡の内部に導く第１導光手段と前記光学顕微鏡からの光を前記時間分解分光ユニットの内部に導く第２導光手段を有し、
前記時間分解分光ユニットが、
中心周波数が互いに異なる第１の光と第２の光を発振する光源部と、
前記光源部で発振された前記第１の光と第２の光とを互いの光路が平行となるようにして同じ方向に導く第１合波手段と、
前記第１合波手段からの前記第１の光及び第２の光を前記顕微鏡内の試料に向かう一方の光路と、該顕微鏡内の試料に向かわない他方の光路との２方向に夫々分岐する分岐手段と、
前記光学顕微鏡内の試料に到達する前記第１の光と第２の光との時間差を調整する第１時間差調整手段と、
前記第１導光手段を介して前記光学顕微鏡本体内部に導かれた前記第１の光及び第２の光を試料へ照射することにより、該第１の光及び第２の光の周波数差に共鳴する試料内分子振動が誘起される結果、該試料から発生し、前記第２導光手段によって導かれたコヒーレントな信号光を、参照光として選ぶ前記他方の光路を通る前記第１の光及び第２の光の何れか一方の光と合波する第２合波手段と、
前記第２合波手段による合波位置に到達する、前記コヒーレントな信号光と前記参照光との時間差を調整する第２時間差調整手段と、
前記コヒーレントな信号光と前記他方の光路を通る前記参照光とが合波されることによって形成された干渉縞を撮像する撮像素子を備え、
前記第２導光手段と前記撮像素子の間に２次元光波変換光学系が配置されていることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記２次元光波変換光学系が、ビームエキスパンダと、第１回折格子と、正の屈折力をもつ第１レンズと、フィルタと、正の屈折力をもつ第２レンズと、第２回折格子と、縮小倍率を持つリレー光学系を備え、
前記第１回折格子が、前記第１レンズの前側焦点位置近傍に配置され、
前記フィルタが、前記第１レンズの後側焦点位置、及び前記第２レンズの前側焦点位置近傍に配置され、
前記第２回折格子が、前記第２レンズの後側焦点位置近傍であって、前記第１回折格子の共役面に配置され、入射光を構成する各波長成分の前記第１回折格子によって生じた回折角度を補償して、同一方向に回折させることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記第１回折格子が、前記第１レンズに対して傾いて配置され、縮小倍率を持つリレー光学系により、前記撮像素子の撮像面の傾き角度が、前記第１回折格子の傾き角度よりも小さくなることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記ビームエキスパンダが、回転対称レンズで構成され、
前記第１レンズ及び前記第２レンズが、シリンドリカルレンズで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記ビームエキスパンダがシリンドリカルレンズを含んで構成され、
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが回転対称レンズで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、
前記第１回折格子及び前記第２回折格子が、前記ｘ軸方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、
前記フィルタが、遮光領域と、細長い光透過領域を備え、
前記光透過領域が、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のいずれに対しても傾斜した向きに形成されていることを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、
前記第１回折格子が、前記ｘ軸方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、
前記フィルタが、前記ｘ軸に沿う方向に形成された複数の回折領域を備え、該複数の回折領域の各々が、前記ｙ軸に沿う方向における回折角度がそれぞれ異なるように、入射光を回折させる格子形状を有し、
前記第２回折格子が、前記リレー光学系の光軸と平行になるように、入射光を回折させる格子形状を有することを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
前記光源部が、前記第１の光を発振する第１光源と、前記第２の光を発振する第２光源とで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
前記光源部が、前記第１の光と第２の光を含んだ光を発振する光源と、該光源で発振された光を前記第１の光と第２の光とに分岐する発振光分岐手段を有して構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記第１光源と前記第２光源が、いずれも超短光パルス光源であることを特徴とする請求項８に記載の顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記第１の光と第２の光を含んだ光を発振する光源が、超短光パルス光源であることを特徴とする請求項９に記載の顕微鏡装置。
【請求項１２】
更に、前記第１の光、第２の光のいずれかの光を、コヒーレントな信号光の波長とほぼ等しい波長に変換する波長変換手段を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡観察下において、微小領域内から発生するコヒーレントな信号光の時間分解分光を可能にする顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡を利用して時間分解分光を行う従来の技術として、例えば、次の特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
また、顕微鏡を利用して微小領域内から発生するコヒーレントな信号光の観察を可能にする従来の技術として、例えば、次の特許文献２に記載のようなコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を利用したものがある。
【特許文献１】特開平５−７２４８０号公報
【特許文献２】特開２００２−１０７３０１号公報
【０００４】
特許文献１に記載の技術は、被検物体上にパルス状のレーザ光を集光し、集光位置近傍の微小点からの蛍光を検出する。そして、この蛍光の時間変化特性に基づいて、分子間のエネルギー拡散（エネルギートランスファー）を計測するというものである。
特許文献１に記載の技術によれば、試料内に含まれる蛍光分子の寿命が、蛍光分子間距離によって変化することを利用して、蛍光分子周りの環境を解析することができる。
【０００５】
一般に、ラマン散乱光は、入射する光の周波数を中心に高周波側と低周波側に生成される。高周波側（高エネルギー側）のラマン散乱光をアンチストークスラマン散乱光、低周波側（低エネルギー側）のラマン散乱光をストークスラマン散乱光という。ラマン散乱光の検出の際には、同時に試料から発生する蛍光がノイズとなる。ただし、蛍光は入射される光よりも低エネルギー側に生じるので、アンチストークスラマン散乱光を検出に用いた方が、蛍光によるノイズの影響を少なくすることができる。
【０００６】
コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、周波数の異なる２つの光の周波数差によって、例えば分子振動を誘起（励起）させたときに、いずれかの周波数の光の一部が分子振動のドップラー変調を受けてアンチストークスラマン散乱光が通常よりも増幅され、しかもコヒーレントな状態で発生する現象である。
ラマン散乱に寄与する分子集団の振動は、通常、全くランダムである。このため、ラマン散乱光もランダムで相関を持たずに生成される。これに対して、ＣＡＲＳでは、周波数の異なる２つの光の周波数差を、照射対象とする分子集団の固有振動周波数に一致させている。このようにすることで、これら分子集団の振動状態を、コヒーレントな状態にすることができる。この結果、コヒーレントな分子集団の振動のドップラー変調を受けて、アンチストークスラマン散乱光発生するが、このアンチストークスラマン散乱光もコヒーレントな状態で検出される。このコヒーレントなアンチストークスラマン散乱光を、ＣＡＲＳ光と呼ぶ。
【０００７】
短い時間領域で起こる物性変化を測定する観察手法としては、例えば、超短波パルスを用いたポンプ‐プローブ分光法がある。この手法では、試料に刺激を与えるためのポンプ光を試料に照射し、ポンプ光により刺激を受けた試料にポンプ光とは時間差をもってプローブ光を照射して、ポンプ光による試料の物性変化をプローブ光の特性変化から検出する。
【０００８】
特許文献２に示されているこのＣＡＲＳという手法と、ポンプ‐プローブ分光法を組み合わせることで、特許文献１に示されているような時間分解計測が行われている。この手法では、試料内の分子振動を励起して、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光（ＣＡＲＳ光）を発生させるための周波数の異なる２つの光を、同時に照射する。このとき、その２つの光をポンプ光とみなし、発生するＣＡＲＳ光をプローブ光とみなす。また、ポンプ光の一部を参照光として用いる。もしくは、ポンプ光の一部をＣＡＲＳ光の波長と同程度に波長変換し、この波長変換した光を参照光として用いてもよい。そして、ＣＡＲＳ光と参照光の干渉縞からＣＡＲＳ光の時間変化を検出することによって、周波数差によって誘起（励起）された分子振動がどのくらいの時間で緩和（減衰）していくかの情報が得られる。
この緩和時間は、対象とされている分子回りの環境の変化（例えば、構造の変化、化学変化等）に大きく起因するので、分子レベルでの構造解析や物性の研究に有効な情報を得ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、従来の技術には、次のような問題点があった。
通常、分子振動の緩和時間は、非常に短いため、信号光の波形（時間的な変化）を検出することは非常に難しい。これを可能とする手法は２つある。１つは、発生するＣＡＲＳ光とそれに可干渉な参照光との間の時間差Δtをずらし、そのつど干渉縞のコントラストを検出する手法である。もう一つは、第１の光と第２の光を同時に照射して、試料内分子振動を励起させ、この瞬間からΔtだけ時間をずらしたときに第１の光のみを照射して、発生するＣＡＲＳ光を検出する方法である。いずれもΔtが増すに従って図２１に示すように指数関数的に減衰していく。
つまり、上述のような従来の技術による方法を用いた顕微鏡装置では、図２１に示した１つのグラフを生成するために何度も測定を繰り返す必要があり、計測に非常に多くの時間を要するという問題があった。特に、１回の測定で破壊されてしまうような試料に対しては、計測自体が成り立たなかった。
【００１０】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、非常に微小な領域についての観察と同時に、フェムト〜ピコ秒領域の変調を受けたＣＡＲＳの時間分解分光計測を、従来と比較して、少ない計測回数、計測時間で行うことが可能な顕微鏡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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明による顕微鏡装置は、光学顕微鏡と時間分解分光ユニットを有する顕微鏡装置であって、前記時間分解分光ユニットからの光を前記光学顕微鏡の内部に導く第１導光手段と前記光学顕微鏡からの光を前記時間分解分光ユニットの内部に導く第２導光手段を有し、前記時間分解分光ユニットが、中心周波数が互いに異なる第１の光と第２の光を発振する光源部と、前記光源部で発振された前記第１の光と第２の光とを互いの光路が平行となるようにして同じ方向に導く第１合波手段と、前記第１合波手段からの前記第１の光及び第２の光を前記顕微鏡内の試料に向かう一方の光路と該顕微鏡内の試料に向かわない他方の光路との２方向に夫々分岐する分岐手段と、前記光学顕微鏡内の試料に到達する前記第１の光と第２の光との時間差を調整する第１時間差調整手段と、前記第１導光手段を介して前記光学顕微鏡本体内部に導かれた前記第１の光及び第２の光を試料へ照射することにより、該第１の光及び第２の光の周波数差に共鳴する試料内分子振動が誘起される結果、該試料から発生し、前記第２導光手段によって導かれたコヒーレントな信号光を、参照光として選ぶ前記他方の光路を通る前記第１の光及び第２の光の何れか一方の光と合波する第２合波手段と、前記第２合波手段による合波位置に到達する、前記コヒーレントな信号光と前記参照光との時間差を調整する第２時間差調整手段と、前記コヒーレントな信号光と前記他方の光路を通る前記参照光とが合波されることによって形成された干渉縞を撮像する撮像素子を備え、前記第２導光手段と前記撮像素子の間に２次元光波変換光学系が配置されていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記２次元光波変換光学系が、ビームエキスパンダと、第１回折格子と、正の屈折力をもつ第１レンズと、フィルタと、正の屈折力をもつ第２レンズと、第２回折格子と、縮小倍率を持つリレー光学系を備え、前記第１回折格子が、前記第１レンズの前側焦点位置近傍に配置され、前記フィルタが、前記第１レンズの後側焦点位置、及び前記第２レンズの前側焦点位置近傍に配置され、前記第２回折格子が、前記第２レンズの後側焦点位置近傍であって、前記第１回折格子の共役面に配置され、入射光を構成する各波長成分の前記第１回折格子によって生じた回折角度を補償して、同一方向に回折させるのが好ましい。
【００１３】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記第１回折格子が、前記第１レンズに対して傾いて配置され、縮小倍率を持つリレー光学系により、前記撮像素子の撮像面の傾き角度が、前記第１回折格子の傾き角度よりも小さくなるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ビームエキスパンダが、回転対称レンズで構成され、前記第１レンズ及び前記第２レンズが、シリンドリカルレンズで構成されているのが好ましい。
【００１５】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ビームエキスパンダがシリンドリカルレンズを含んで構成され、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが回転対称レンズで構成されているのが好ましい。
【００１６】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、前記第１回折格子及び前記第２回折格子が、前記ｘ軸方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、前記フィルタが、遮光領域と、細長い光透過領域を備え、前記光透過領域が、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のいずれに対しても傾斜した向きに形成されているのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持つ方向に平行な軸をｘ軸、前記シリンドリカルレンズにおいて屈折力を持たない方向に平行な軸をｙ軸としたとき、前記第１回折格子が、前記ｘ軸方向にのみ入射光を回折させる格子形状を有し、前記フィルタが、前記ｘ軸に沿う方向に形成された複数の回折領域を備え、該複数の回折領域の各々が、前記ｙ軸に沿う方向における回折角度がそれぞれ異なるように、入射光を回折させる格子形状を有し、前記第２回折格子が、前記リレー光学系の光軸と平行になるように、入射光を回折させる格子形状を有するのが好ましい。
【００１８】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記光源部が、前記第１の光を発振する第１光源と、前記第２の光を発振する第２光源とで構成されているのが好ましい。
【００１９】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記光源部が、前記第１の光と第２の光を含んだ光を発振する光源と、該光源で発振された光を前記第１の光と第２の光とに分岐する発振光分岐手段を有して構成されているのが好ましい。
【００２０】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記第１光源と前記第２光源が、いずれも超短光パルス光源であるのが好ましい。
【００２１】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記第１の光と第２の光を含んだ光を発振する光源が、超短光パルス光源であるのが好ましい。
【００２２】
また、本発明の顕微鏡装置においては、更に、前記第１の光、第２の光のいずれかの光を、コヒーレントな信号光の波長とほぼ等しい波長に変換する波長変換手段を備えるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の顕微鏡装置によれば、非常に微小な領域についての観察と同時に、フェムト〜ピコ秒領域の変調を受けたＣＡＲＳの時間分解分光計測を、従来と比較して、少ない計測回数、計測時間で行うことが可能な顕微鏡装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
超短光パルスの持つ高い時間分解能を利用した計測技術として、特許第３０１８１７３号に記載の技術がある。この技術によれば、例えば化学反応などのフェムト秒〜ピコ秒領域の高速な物性現象の観察が可能である。
本発明の顕微鏡装置は、この時間分解能を計測する技術に着目して想到したものである。
【００２５】
上記時間分解能の計測技術を、図１８を用いて説明する。
図１８は、極短光パルスの波形計測技術にかかる２次元光波変換光学系の概略構成を示す斜視図である。この図は、特許第３０１８１７３号公報にも記載されている。
２次元光波変換光学系は、ビームエキスパンダ３００と、回折格子５００と、第１シリンドリカルレンズ６００と、フィルタ７００と、第２シリンドリカルレンズ８００とで構成されている。回折光学素子５００は、透過型の回折光学素子である。この回折格子５００は、第１シリンドリカルレンズ６００の前側焦平面（前側焦点位置）に配置されている。また、フィルタ７００は、第１シリンドリカルレンズ６００の後側焦平面（後側焦点位置）に配置されている。なお、フィルタ７００の位置は、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面と一致している。また、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面と、第１シリンドリカルレンズ６００の前側焦平面は、互いに共役となっている。
【００２６】
図１８の構成を用いた装置において、変調を受けた超短光パルスの時間分解分光を計測する過程について説明する。
まず、入射光束をビームエキスパンダ３００で拡大して、回折格子５００に斜入射させる。このときの光束を光線ごとに見た場合、回折格子５００に斜入射する各光線は、回折格子５００の入射面に同時に到達しているわけではない。すなわち、回折格子５００のｘ軸方向についてみると、回折格子５００の両端のうち、一端はビームエキスパンダ３００に近く、他端はビームエキスパンダ３００から遠く離れている。よって、上記一端に到達する光線と上記他端に到る光線との間には時間差が生じる。すなわち、回折格子５００のｘ軸方向における位置ごとに、光線が到達する時間が異なる。そこで、ここでは図中の線分Ｐ−Ｑに沿う位置に到達した光線について、その時間分解分光について考える。
【００２７】
回折格子５００は、入射した光を、各波長ごとにｘ軸方向に回折する格子形状を有している。よって、線分Ｐ−Ｑ上に到達した光に含まれる各波長成分の各々は、異なる角度でｘ軸方向に回折される。そして、第１シリンドリカルレンズ６００の後側焦平面上において集光する。このとき、ｘ軸方向のみ集光されるので、ｙ軸方向に細長い光束（光線）が、波長別にｘ軸方向に沿って並ぶことになる。
【００２８】
しかるに、フィルタ７００は、図１９に示すように、光遮光領域と光透過領域で構成されている。ここでは、光透過領域は開口である。この開口の形状は、ｘ軸方向の増加に伴いｙ軸方向が増加する形状となっている。開口以外の領域は光遮光領域であるので、光を遮光する。
このため、フィルタ７００を透過した光は、時間差をもって、ｙ軸方向について異なる波長が分布することになる。
【００２９】
更に、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面上において、ｙ軸方向の波長分布は保存されるようになっている。第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面は、第１シリンドリカルレンズ６００の前側焦平面と共役である。そのため、線分Ｐ−Ｑの位置と共役な線分Ｐ'−Ｑ'の位置は、共役となる。このため、図２０に示すように、線分Ｐ'−Ｑ'の位置に沿って、異なる波長が並ぶことになる。
【００３０】
更に、回折格子５００上での位置に応じて、光線の到達時刻が異なる。よって、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面には、図２０に示すように、ｙ軸方向に波長が分布し、ｘ軸方向に時間が矢印方向（図では左側方向）に変化して展開されたスペクトログラムが生成されることになる。以下、このスペクトログラムを２次元光波とする。
但し、２次元光波の時間変化は非常に高速であるため、通常の撮像デバイスでは時間変化を捉えることはできない。
このため、ゲートパルスと呼ばれる参照光を、第２シリンドリカルレンズ８００の後側焦平面に同時に照射させる。このようにすることによって、スペクトログラムを干渉縞パターンとして取得する。
【００３１】
この２次元光波変換光学系は、試料によって何らかの変調を受けた光、特に超短光パルスの時間分解分光を可能とするものである。
しかしながら、上記２次元光波変換光学系は、主に、光通信分野や物理計測分野で用いられていた技術であった。
本件出願人は、ＣＡＲＳを利用した微小領域の観察・測定においても、上記２次元光波変換光学系は有効であることに着目し、２次元光波変換光学系を顕微鏡装置に用いるという着想に想到するに至った。そのようにすれば、顕微鏡装置において、非常に微小な領域の観察と時間分解分光計測を同時に可能とすることができる。
【００３２】
図１は本発明の各実施形態にかかる顕微鏡装置に共通の構成を示すブロック図、図２は図１の顕微鏡装置に用いる顕微鏡の一構成例を示す概略構成図である。
図１に示すように、本発明の各実施形態にかかる顕微鏡装置は、顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０とを有すると共に、第１導光手段９１と第２導光手段９２を有している。第１導光手段９１は、時間分解分光ユニット８０からの光を、顕微鏡７０の内部に導く。第２導光手段９２は、顕微鏡７０からの光を、時間分解分光ユニット８０の内部に導く。このように、顕微鏡装置は、顕微鏡７０で試料の観察を行うと同時に、観察対象となっている試料に対して時間分解分光ユニット８０で時間分解分光を行うように構成されている。
【００３３】
時間分解分光ユニット８０は、第１光源５１と、第２光源５２と、第１合波手段５５と、分岐手段６と、第２時間差調整手段１０と、２次元光波変換手段１と、リレーレンズ２と、第２合波手段３と、撮像装置４を有して構成されている。
第１光源５１、第２光源５２は、夫々中心波長が異なる第１の光、第２の光を発振する（発生する）ように構成されている。なお、ここでの第１の光と第２の光は、いずれも超短パルス光である。
第１合波手段５５は、第１の光と第２の光とを互いの光路が平行となるようにすると共に、両者を同じ方向に導くように構成されている。ここで、第１の光と第２の光は、顕微鏡７０の試料Ｓに到達したときに、時間差が無いことが必要である。そこで、第１合波手段５５は、第１時間差調整手段５６を備えている。この第１時間差調整手段５６は、第１の光と第２の光の光路長差を調整するように構成されている。
分岐手段６は、第１合波手段５５からの第１の光及び第２の光を、顕微鏡７０内の試料Ｓに向かう一方の光路（以下、信号光側光路とする。）と、顕微鏡７０内の試料Ｓに向かわない他方の光路（以下、参照光側光路とする。）との２方向に分岐するように構成されている。なお、参照光側光路を進む光は、参照光として用いられる。
尚、第１光源５１からの光と第２光源５２からの光の間の時間差調整に関しては、図1に示した機構以外の構成でも、もちろんよい。例えば、第１の光源５１と第２の光源５２を、同調させて駆動してもよい。このような電気的手法によっても、２つの光の間における時間調整は可能である。
【００３４】
波長変換手段５３は、ＣＡＲＳ光の波長とほぼ等しく、且つ可干渉なコヒーレント光（波長変換光）を発生させるように機能する。波長変換光は、第１の光もしくは第２の光のいずれかの光を波長変換することで、得ることができる。あるいは、第１の光と第２の光の両方を使った波長変換によって、波長変換光を得ても良い。尚、第１、第２の光を波長変換をしなくても、これらの光がコヒーレントな信号光（ＣＡＲＳ光）と可干渉である場合には、第１の光と第２の光に関して波長変換の必要はない。
第２合波手段３は、試料Ｓから発するＣＡＲＳ光と、参照光側光路を通る参照光（第１の光又は第２の光あるいは波長変換光）とを合波するように構成されている。
上述のように、信号光側光路では、ＣＡＲＳ光が発生する。このＣＡＲＳ光と、参照光側光路を通る参照光は、第２合波手段３を介して撮像装置４に照射される。第２時間差調整手段１０は、合波位置に到達するＣＡＲＳ光と参照光との時間差を無くして、合波位置で干渉縞が生成されるようにするために用いられる。すなわち、第２時間差調整手段１０はは、ＣＡＲＳ光と、参照光の光路長差を調整可能に構成されている。
第１導光手段９１は、ミラーで構成されている。このミラーは、例えば、角度乃至位置調整が可能なステージに固定されている。このミラーの角度乃至位置を調整することで、時間分解分光ユニット８０から射出された光を、顕微鏡７０に入射させることができる。
第２導光手段９２も、ミラーで構成されている。そいて、第１導光手段９１と同様に、例えば、角度乃至位置調整が可能なステージに固定されている。このミラーの角度乃至位置を調整することで、顕微鏡７０から射出した光を、時間分解分光ユニット８０の内部に入射させることができる。
なお、第１導光手段９１、第２導光手段９２は、顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０のいずれかの内部に設けてもよいし、顕微鏡７０及び時間分解分光ユニット８０に対して独立して設けてもよく、配置場所は限定されない。
【００３５】
２次元光波変換手段１は、第２導光手段９２によって導光された光を、２次元光波に変換するように構成されている。
リレーレンズ２は第２合波手段３を介して、２次元光波を撮像素子４の撮像面上に結像するように構成されている。
また、合波手段３は、参照光を反射して、撮像素子４の撮像面上に照射するように構成されている。その結果、撮像素子４の撮像面上には、干渉縞パターンが形成される。
【００３６】
次に、顕微鏡７０について説明する。
顕微鏡７０は、試料を観察可能な光学顕微鏡であればよい。例えば、明視野観察、蛍光観察、微分干渉観察等などの観察が可能な構成であればよい。
【００３７】
図２に示した構成例では、顕微鏡７０は、透過照明光源７１と、透過照明光学系７２と、観察用光学系７３と、観察用撮像素子７４と、試料台７５と、蛍光用照明光源７６と、蛍光用照明光学系７７と、フィルタユニット７７２と、分岐手段6であるビームスプリッタ６８と、ダイクロイックミラー７８を有して構成されている。
【００３８】
透過照明用光学系７２は、コレクタレンズ７２１と、コンデンサレンズ７２２と、ビームスプリッタ６８を有している。そして、透過照明用光学系７２は、透過照明光源７１が発した照明光を、試料Ｓに照明すると共に、ビームスプリッタ６８を介して、第1の光と第２の光を試料に照射することができる。図２の構成例では、透過照明光学系７２は、さらに、偏光子７２４と、第１ＤＩＣ(Differential Interference Contrast)フィルタ７２５を含んでいる。
【００３９】
観察用光学系７３は、対物レンズ７３１と、第２ＤＩＣフィルタ７３２と、検光子７３３と、結像レンズ７３４と、ビームスプリッタ７３５を有して構成されている。
検光子７３３と結像レンズ７３４との間には、ダイクロイックミラー７８と、フィルタユニット７７２が配置されている。
フィルタユニット７７２は、励起フィルタ７７２１と、ダイクロイックミラー７７２２と、吸収フィルタ７７２３によって構成されている。励起フィルタ７７２１は、試料Ｓを照射するための励起光を選択するために用いられる。ダイクロイックミラー７７２２は、励起光を反射して試料Ｓ側に導くと共に、試料Ｓから発生した蛍光を透過する。吸収フィルタ７７２３は、試料Ｓから反射された励起光を遮断し、蛍光を透過する。
その他、試料台７５は、ｘ−ｙステージ７５２を備えている。よって、レンズ７２２、７３１に対する試料Ｓの相対位置を、自由に調整することができる。
【００４０】
次に、各実施形態において本発明に特有の構成について説明する。
（第１実施形態）
図３は本発明の第１実施形態にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す説明図、図４は図３の顕微鏡装置における第１合波手段５５の構成を示す説明図、図５は図３の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、第２合波手段３、第２時間差調整手段１０の構成を示す斜視図、図６は図３の顕微鏡装置におけるフィルタ１４１上のＣＡＲＳ光の分布を示す説明図、図７は図３の顕微鏡装置におけるフィルタ１４１の開口を示す説明図、図８は図３の顕微鏡装置におけるフィルタ１４１を通過するＣＡＲＳ光の波長分布を示す説明図、図９は図３の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１によって生じる２次元光波分布を示す説明図、図１０は図３の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１に用いられる回折格子アレイ１５を示す説明図、図１１は図３の顕微鏡装置における面Ｆ３’と面Ｆ４’の光軸に対する傾き角度θ，φの関係を示す説明図である。なお、第１実施形態の顕微鏡装置全体の基本構成及び顕微鏡の構成は、図１及び図２で示した構成と同じである。
第１実施形態の顕微鏡装置では、第１合波手段５５は、ミラー６４と、微動ステージ６５と、第１時間差調整手段５６と、ビームスプリッタ６２を有して構成されている。なお、図３、図４中、９１２，９１１は、第１導光手段９１を構成するミラーである。また、９２２は第２導光手段９２を構成するミラーである。
【００４１】
第１合波手段５５は、第１の光と第２の光とを、互いの光路が平行となるようにして、同じ方向に導く。ここで、第１の光と第２の光は、試料Ｓに時間差がなく到達することが必要である。そこで、第１合波手段５５には、第１時間差調整手段５６が設けられている。第１合波手段５５において、第１の光と第２の光は、試料Ｓに時間差がなく到達するように、それぞれの光路上を通る。
ミラー６４は、第１光源５１からの第１の光を、ビームスプリッタ６２へ向けて反射する。ミラー６４は、このような反射が生じるように配置されている。
【００４２】
第１時間差調整手段５６は、ミラー５６１，５６２，５６３，５６４と、微動ステージ５６５とで構成されている。
ミラー５６１〜５６４は、第２光源５２からの第２のパルス光を、ビームスプリッタ６２へ向けて反射する、ミラー５６１〜５６４は、このような反射が生じるように、各々が配置されている。
【００４３】
ビームスプリッタ６２は、第１の光を透過し、第２の光を反射する。ビームスプリッタ６２は、このような反射と透過が生じるように配置されている。このような配置によって、ビームスプリッタ６２は、２つの光を平行に分離した状態で、導光手段９１のミラー９１２に入射させる。
微動ステージ６５は、ミラー６４を、ミラー６４への入射光軸に沿う方向に移動可能に構成されている。そして、微動ステージ６５はミラー６４と相俟って、第２の光に対する第１の光の空間分離量を調整する機能を備えている。
【００４４】
微動ステージ５６５は、ミラー５６２及びミラー５６３を、移動可能に構成されている。ミラー５６２及びミラー５６３は、ミラー５６２の入射光軸及びミラー５６３の射出光軸に沿う方向に移動する。また、微動ステージ５６５は、ミラー５６１及びミラー５６４と相俟って、第１の光に対する第２の光の時間差を調整する時間差調整手段としての機能を備えている。なお、微動ステージ５６５は、第１の光と第２の光とが、それぞれの光路上を時間的に同じタイミングで通るようにする、即ち、第１の光と第２の光との時間差を無くすために用いられている。
【００４５】
ビームスプリッタ６８は、分岐手段６として機能する。ビームスプリッタ６８は、第１導光手段９１を経た第１合波手段５５からの２つの光の一部を反射し、残りの光を透過させる。このようにして、ビームスプリッタ６８は、顕微鏡７０内の試料Ｓに向かうポンプ光用の光路（信号光側光路）と、試料Ｓに向かわない参照光用の光路（参照光側光路）との２方向に、光を分岐する。
この結果、信号光側光路を通る第１の光と第２の光は、ポンプ光として、試料Ｓの同一な微小領域に、同時に照射される。そして、第１の光と第２の光の周波数差で、試料内の分子振動の励起が行なわれる。すると、例えば第１の光が、励起された分子振動によって変調を受けて、ＣＡＲＳ光が生成される。このＣＡＲＳ光は、２次元光波変換手段１へ入射されることになる。
一方、参照光側光路を通る第１の光と第２の光のうち、第１の光は、参照光として用いられる。
【００４６】
ダイクロイックミラー７８の反射側光路には、スペーシャルフィルタ６６が設けられている。
スペーシャルフィルタ６６は、ＣＡＲＳ光抽出手段として機能する。すなわち、スペーシャルフィルタ６６は、平行に分離されて入射した光のうち、ＣＡＲＳ光のみを開口６６ａを介して通過させる。一方、スペーシャルフィルタ６６は、その他の光を遮光する。
また、ビームスプリッタ６８の参照光側光路には、スペーシャルフィルタ６７が設けられている。
スペーシャルフィルタ６７は、参照光抽出手段として機能する。すなわち、平行に分離されて入射した光のうち、参照光（ここでは第１の光）のみを開口６７ａを介して通過させ、その他の光（ここでは第２の光）を遮光する。
【００４７】
２次元光波変換手段１は、ビームエキスパンダ１１と、回折格子１２と、正の屈折力をもつ第１シリンドリカルレンズ１３１と、フィルタ１４１と、正の屈折力をもつ第２シリンドリカルレンズ１３２と、回折格子アレイ１５とで構成されている。なお、図３中、３４，１１５は光減衰素子である。
【００４８】
第１導光手段９１は、第１合波手段５５から射出される光束が、ビームスプリッタ６８に入射するように、ミラー９１１，９１２の位置又は角度を調整することができるようになっている。これにより、光束の射出角度を調整することができる。また、２つのミラー９１１，９１２の間隔を変えることで、光束の高さ（光束の入射位置）を調整することができる。
【００４９】
また、第２導光手段９２は、顕微鏡７０に設けられたダイクロイックミラー７８と、ミラー９２２とで構成されている。
リレーレンズ２は、レンズ２１とレンズ２２とで構成されている。リレーレンズ２は、第２合波手段３を介して、２次元光波を撮像素子４の撮像面上に結像するように構成されている。また、レンズ２１の焦点距離ｆ２１と、レンズ２２の焦点処理ｆ２２は、リレーレンズ２全体で縮小倍率を持つようにｆ２１＞ｆ２２を満足する。
第２合波手段３は、ビームエキスパンダ３３と、レンズ３２と、ビームスプリッタ３１とで構成されている。そして、第２合波手段３は、ビームスプリッタ３１を介して、参照光を反射する。これにより、参照光は、撮像素子４の撮像面上を照射する。このため、撮像素子４の撮像面上には、２次元光波と参照光とで干渉縞パターンが形成される。なお、ここでの２次元光波は、ＣＡＲＳ光に基づいて得られたものである。
【００５０】
このように構成された第１実施形態の顕微鏡装置において、時間分解分光を行う過程を説明する。
まず、顕微鏡７０を介して、試料Ｓの観察を行う。観察方法としては、明視野観察、微分干渉観察、蛍光観察のいずれかを用いてもよい。適切な観察方法によって、所望する微小領域を、観察視野の中心に移動させる。ここで、所望する微小領域は、試料Ｓ内において時間分解分光を行う領域である。この移動は、試料台７５のｘ−ｙステージ７５２を調整することによって行う。
【００５１】
第１光源５１及び第２光源５２からは、第１の光及び第２の光が、夫々発振される。第１の光及び第２の光は、第１合波手段５５を介して、互いの光路が平行となって同じ方向に導かれる。このとき、第１の光と第２の光は、それぞれ所定の光路を通る。このうち、第２の光は、第１時間差調整手段５６を介して、時間調整が行なわれる。よって、第１の光と第２の光は、試料Ｓに到達するときの時間差がほぼ０となって、第１合波手段５５から射出する。
次いで、第１の光及び第２の光は、導光手段９１を経て、ビームスプリッタ６８に入射する。
ビームスプリッタ６８で反射された第１の光と第２の光は、コンデンサレンズ７２２の入射瞳に入射する。このとき、第１の光と第２の光は、互いに平行な光路を辿っている。そして、第１の光と第２の光は、コンデンサレンズ７２２を介して、試料Ｓの同一微小領域に照射される。試料Ｓの同一微小領域に第１の光と第２の光が照射されると、その周波数差に共鳴した試料Ｓ内の特定の分子振動が励起される。この振動が励起された状態の分子に、第１の光又は第２の光（ここでは、第２の光）が入射する。そして、第１の光又は第２の光（ここでは、第２の光）が、その分子振動による変調を受けることによって、ＣＡＲＳ光が発生する。このＣＡＲＳ光が、対物レンズ７３１、ダイクロイックミラー７８、スペーシャルフィルタ６６を介して、顕微鏡７０の外部に取り出される。顕微鏡７０から射出したＣＡＲＳ光は、第２導光手段９２を介して、再び時間分解分光ユニット８０の２次元光波変換手段１に入射する。
【００５２】
図５に示すように、ビームエキスパンダ１１は、回転対称なレンズ１１１，１１２からなる。このビームエキスパンダ１１は、ＣＡＲＳ光の光束径を拡大して、回折格子１２に斜入射させるように構成されている。
回折格子１２は、透過型の回折格子である。ただし、反射型の回折格子であっても構わない。回折格子１２は、Ｆ１’面近傍に配置され、順次照射されるＣＡＲＳ光を、ｘ軸方向に回折させる。Ｆ１’面は、第１シリンドリカルレンズ１３１の前側焦平面Ｆ１の法線に対して、所定の角度θ（ここでは、４５°）傾いた面である。
第１シリンドリカルレンズ１３１は、回折格子１２で回折されたＣＡＲＳ光の波長成分を、後側焦平面Ｆ２上に分布させる。分布の様子を、図６に示す。
【００５３】
フィルタ１４１は、第１シリンドリカルレンズ１３１の後側焦平面Ｆ２近傍に配置されている。そして、図７に示すように、左斜め下から右斜め上に向かって形成された細長い開口を備えている。回折格子１２にＣＡＲＳ光が斜入射されることで、ｘ軸方向の入射位置に応じて反射照射時間がずれる。このようにして得たＣＡＲＳ光は、複数の波長成分から構成されている。そこで、フィルタ１４１を用いて、各波長成分を、ｙ軸（光軸（ｚ軸）に対し垂直となる上下方向の軸）の各位置ごとに抽出する。その結果、図８に示すように、ｙ軸方向に関して異なる波長が分布するように、フィルタリングが行われる。フィルタ１４１の開口を透過したＣＡＲＳ光は、第２シリンドリカルレンズ１３２に入射する。その際、プローブ光は、各波長がｘ−ｚ面に対して平行となって、ｙ軸方向に並んだ状態になっている。
【００５４】
第２シリンドリカルレンズ１３２に入射した各波長の光は、第２シリンドリカルレンズ１３２の後側焦平面Ｆ３近傍の面Ｆ３’に結像する。なお、面Ｆ３’の位置と回折格子１２の位置は、共役な位置関係となっている。その結果、図９に示すように、各波長の光は、ｘ軸方向に時間が展開され、ｙ軸方向に波長が展開された状態（２次元光波）に変換される。すなわち、ＣＡＲＳ光は、(1)ｘ軸方向の各位置における光については、連続した時間遅延が生じており、(2)ｙ軸方向の各位置における光については、ＣＡＲＳ光を構成する各波長の光が分解されて分布していることになる。ここでの、ＣＡＲＳ光の２次元光波とは、ｘ軸方向に連続して多重化されたＣＡＲＳ光に時間遅延が生じ、かつ、ｙ軸方向にはＣＡＲＳ光を構成する各波長の光が分解されて分布している状態となっていることを意味する。
【００５５】
回折格子アレイ１５は、面Ｆ３’に配置されている。そして、図１０に示すように、波長毎に異なる格子定数（周期）の回折格子１５Ａ〜Ｋが、ｙ軸方向に並んで形成されている。一方、図９に示すように、第２シリンドリカルレンズ１３２の後側焦平面Ｆ３近傍の面Ｆ３’上の２次元光波は、各波長の光が、ｙ軸方向に空間的に分離されている。このため、回折格子アレイ１５を介して、ＣＡＲＳ光の各波長の回折方向をそろえることができる。各波長の光の進行方向は、ｘ軸方向に角度分布を持っている（ばらついている）。そこで、回折格子アレイ１５によって、このｘ方向の角度分布を小さくすることができる。つまり、図９に示すように、２次元光波は、Ｆ３’面上でｙ軸方向に波長が空間的に分離されて展開されているよって、夫々の波長に関して周期を変化させた回折格子アレイを用意することで、各波長の回折後の伝播方向を揃えることができる。
第１実施形態の顕微鏡装置では、Ｆ３’面を出射後の各波長の角度分布が、回折格子アレイ１５を介して、ほぼ０になるように構成されている。
【００５６】
リレーレンズ２は、レンズ２１とレンズ２２とからなる。リレーレンズ２は、光軸に対して角度φだけ傾いた撮像面Ｆ４’上に、２次元光波像Ｓ４を結像する。
ここで、面Ｆ３’と面Ｆ４’の光軸に対する傾き角度θ，φの関係について図１１を用いて説明する。
リレーレンズ２のレンズ２１，２２の焦点距離を、夫々ｆ２１，ｆ２２とする。また、面Ｆ３’上の２次元光波像Ｓ３の長さをＬ３、面Ｆ４’上の２次元光波像Ｓ４の長さをＬ４とする。面Ｆ３’と面Ｆ４’とが結像関係にあるとき、それらの面に沿う線の延長が交わる点Ｕは、レンズ２１とレンズ２２の間に存在する焦点位置Ｌを通り光軸に対して垂直な仮想線上に存在する。このため、次の関係式(1)を満足する。
２ｆ２１ｔａｎ（π／２−θ）＝２ｆ２２ｔａｎ（π／２−φ）          …(1)
【００５７】
これより、面Ｆ４’の傾き角度φと、面Ｆ４’での２次元光波像サイズＬ４は夫々次の式(2)，(3)として求められる。
ｔａｎφ  ＝  ｆ２２／ｆ２１ｔａｎθ  ＝  Ｍｔａｎθ                …(2)
Ｍ  ＝  ｆ２２／ｆ２１                                              …(3)
Ｌ４  ＝  ＭＬ３ｃｏｓθ／ｃｏｓθ                                  …(4)
ここで、Ｍはリレーレンズ２の倍率を表している。
式(2)より、次の(2-1)、(2-2)のことが言える。
Ｍ  ＞  １のとき、φ  ＞  θ                                        …(2-1)
Ｍ  ＜  １のとき、φ  ＜  θ                                        …(2-2)
つまり、リレーレンズ２が縮小倍率を持てば、２次元光波像Ｓ４のあるＦ４’面の傾き角度φは、２次元光波像Ｓ３のあるＦ３’面の傾き角度４５°よりも小さくなる。よって、撮像素子４（時間分解分光用の撮像素子）におけるシェーディングの影響を、減少させることができる。
【００５８】
Ｆ４’面上に２次元光波像Ｓ４が結像されるとき、同時に、合波手段３を介して、参照光が、撮像面Ｆ４面上に照射される。すると、撮像面Ｆ４面上では、２次元光波像Ｓ４と参照光による干渉が生じ、ＣＡＲＳ光のスペクトログラムが、干渉縞パターンとして生成される。これにより、ＣＡＲＳ光に含まれる波長成分の時間変化を、計測することができる。
第２時間差調整手段１０は、ミラー１０１，１０２，１０３と、微動ステージ１０４とで構成されている。そして、微動ステージ１０４に固定されたミラー１０１，１０２をミラー１０１の入射光軸方向に移動させることによって、２次元光波（ＣＡＲＳ光）と参照光の光路長がほぼ等しくなるように調整することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図１２は本発明の第２実施形態にかかる顕微鏡装置における２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、第２合波手段３、第２時間差調整手段１０の構成を示す斜視図、図１３は図１２の顕微鏡装置における第１回折格子アレイ１４２上のＣＡＲＳ光の分布を示す説明図、図１４は図１２の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１に用いられる第１回折格子アレイ１２を示す説明図、図１５は図１２の顕微鏡装置における第１回折格子アレイ１４２によって回折されるＣＡＲＳ光を示す説明図である。なお、第２実施形態の顕微鏡装置全体の基本構成及び顕微鏡の構成は、図１及び図２で示した構成と同じである。
【００６０】
第２実施形態の顕微鏡装置は、時間分解分光ユニット８０を構成する２次元光波変換手段１のみが、第１実施形態の顕微鏡装置と異なる。
第２実施形態の顕微鏡装置では、２次元光波変換手段１は、シリンドリカルビームエキスパンダ１１’と、回折格子１２と、正の屈折力をもつ第１レンズ１３３と、第１回折格子アレイ１４２と、正の屈折力をもつ第２レンズ１３４と、第２回折格子アレイ１５とで構成されている。なお、図１４中、３４，１１５は光減衰素子である。
【００６１】
シリンドリカルビームエキスパンダ１１’は、回転対称なレンズ１１１，１１２と、シリンドリカルレンズ１１３，１１４からなり、ＣＡＲＳ光の光束径を拡大して回折格子１２に斜入射させるように構成されている。
回折格子１２は、透過型の回折格子である。ただし、反射型の回折格子であっても構わない。回折格子１２は、第１レンズ１３３の前側焦平面Ｆ１の法線に対して所定の角度θ（ここでは、４５°）傾いたＦ１’面近傍に配置され、順次照射されるＣＡＲＳ光を、ｘ軸方向に回折させる。
第１レンズ１３３は、回折格子１２で回折されたＣＡＲＳ光の波長成分を、後側焦平面Ｆ２上に分布させる。分布の様子を図１３に示す。
【００６２】
第１回折格子アレイ１４２はフィルタであって、第１レンズ１３３の後側焦平面Ｆ２近傍に配置されている。そして、図１４に示すように、格子定数（周期）の異なる回折格子１４２ａ〜ｋが、ｘ軸方向に並んで形成されている。これにより、ＣＡＲＳ光の各波長は、図１５に示すように、回折格子１４２ａ〜ｋを介して、ｙ軸に沿う方向に、異なる回折角で回折される。第１回折格子アレイ１４２で回折された各波長の光は、第２レンズ１３４に入射する。
【００６３】
第２レンズ１３４に入射した各波長の光は、第２レンズ１３４の後側焦平面Ｆ３近傍の面Ｆ３'に結像する。なお、面Ｆ３’の位置と回折格子１２の位置は、共役な位置関係となっている。その結果、図９に示すように、ｘ軸方向に時間が展開され、ｙ軸方向に波長が展開された２次元光波に変換される。
すなわち、ここでの、ＣＡＲＳ光の２次元光波も、ｘ軸方向に連続して多重化されたＣＡＲＳ光に時間遅延が生じ、かつ、ｙ軸方向にはＣＡＲＳ光を構成する各波長の光が分解されて分布している状態となっていることを意味する。
【００６４】
第２回折格子アレイ１５は、面Ｆ３’に配置されている。そして、図１０に示すように、波長毎に異なる格子定数（周期）の回折格子１５Ａ〜Ｋが、ｙ軸方向に並んで形成されている。一方、図９に示すように、第２レンズ１３４の後側焦平面Ｆ３近傍の面Ｆ３’上の２次元光波は、各波長の光が、ｙ軸方向に空間的に分離されている。このため、第２回折格子アレイ１５を介して、ＣＡＲＳ光の各波長の回折方向をそろえることができる。各波長の光の進行方向は、ｘ軸方向に角度分布を持っている（ばらついている）。そこで、第２回折格子アレイ１５によって、このｘ方向の角度分布を小さくすることができる。つまり、図９に示すように、２次元光波は、Ｆ３’面上でｙ軸方向に波長が空間的に分離されて展開されているので、夫々の波長に関して、周期を変化させた回折格子アレイを用意することで、各波長の回折後の伝播方向を揃えることができる。
図１２の顕微鏡装置では、Ｆ３’面を出射後の各波長の角度分布が、第２回折格子アレイ１５を介して、ほぼ０になるように構成されている。
【００６５】
その他の構成及び作用は第１実施形態の顕微鏡装置と同様である。すなわち、顕微鏡観察下において、試料Ｓの微小領域を第１の光と第２の光で照射可能であり、第１の光と第２の光の周波数差で微小領域内の分子振動を励起することよって生成されたＣＡＲＳ光のみを、時間と波長に展開したスペクトログラムに変換する。このようにすることで、微小領域における時間分解分光が可能になる。
【００６６】
図１６は第２実施形態における２次元光波変換手段１の変形例を示す説明図である。
図１６の変形例では、２次元光波変換手段１は、図１２の構成における回折格子１２、及び回折格子アレイ１４２，１５の夫々の回折格子が形成されている側の面に、夫々平行平板１２１，１４２１，１５１を備えている。その他の構成は図１２の構成とほぼ同じである。
一般に、回折格子にゴミが付着した場合、レンズ等のようにクリーニングすることはほとんど不可能で、風ブロワーを用いて付着したゴミを取り除く以外に方法はない。しかるに、本変形例のように構成すれば、平行平板を介して回折格子へのゴミの付着を防ぐことができる。
【００６７】
その他、第１実施形態の顕微鏡装置において、回折格子１２，１５の回折格子が形成された側の面に平行平板を配置してもよい。そのようにすれば、図１６の構成と同様、回折格子へのゴミの付着防止効果が得られる。
【００６８】
また、図１７に示すように、本発明における光源部を、第１光源５１及び第２光源の代わりに、第１の光を発生する超短光パルス光源５と、第１の光を第２、第３の光の光に変換するする波長変換手段５４と、第１の光と第２、３の光とに分岐するビームスプリッタ６２’とで構成してもよい。なお、図１７中、５６０はビームスプリッタ６２’で反射された光をミラー５６１へ向けて反射するミラーである。
【００６９】
以上のように、本発明の顕微鏡装置は、特許請求の範囲に記載の発明の他に、下記の特徴を備えている。
【００７０】
（１）前記第１回折格子と、前記第２回折格子の、夫々の回折格子が形成された面側に平行平板を備えたことを特徴とする請求項２、請求項２に従属する請求項３〜１２のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【００７１】
（２）前記フィルタの回折格子が形成された面側に平行平板を備えたことを特徴とする上記（１）に記載の顕微鏡装置。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の顕微鏡装置は、非常に微小な領域での、非常に短い時間領域で起こる物性変化を測定することが求められる生物学、医学、薬学の分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の各実施形態にかかる顕微鏡装置に共通の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の顕微鏡装置に用いる顕微鏡の一構成例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す説明図である。
【図４】図３の顕微鏡装置における第１合波手段５５の構成を示す説明図である。
【図５】図３の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、第２合波手段３、第２時間差調整手段１０の構成を示す斜視図である。
【図６】図３の顕微鏡装置におけるフィルタ１４１上のＣＡＲＳ光の分布を示す説明図である。
【図７】図３の顕微鏡装置におけるフィルタ１４１の開口を示す説明図である。
【図８】図３の顕微鏡装置におけるフィルタ１４１を通過するＣＡＲＳ光の波長分布を示す説明図である。
【図９】図３の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１によって生じる２次元光波分布を示す説明図である。
【図１０】図３の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１に用いられる回折格子アレイ１５を示す説明図である。
【図１１】図３の顕微鏡装置における面Ｆ３’と面Ｆ４’の光軸に対する傾き角度θ，φの関係を示す説明図である。
【図１２】本発明の第２実施形態にかかる顕微鏡装置における２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、第２合波手段３、第２時間差調整手段１０の構成を示す斜視図である。
【図１３】図１２の顕微鏡装置における第１回折格子アレイ１４２上のＣＡＲＳ光の分布を示す説明図である。
【図１４】図１２の顕微鏡装置における２次元光波変換手段１に用いられる第１回折格子アレイ１２を示す説明図である。
【図１５】図１２の顕微鏡装置における第１回折格子アレイ１４２によって回折されるＣＡＲＳ光を示す説明図である。
【図１６】第２実施形態における２次元光波変換手段１の変形例を示す説明図である。
【図１７】上記各実施形態における光源部の一変形例を示す説明図である。
【図１８】極短光パルスの波形計測技術にかかる２次元空間変換光学系の概略構成を示す斜視図である。
【図１９】図１８の２次元空間変換光学系に用いられるフィルタ７００の説明図である。
【図２０】図１８の２次元空間変換光学系により２次元空間変換された波長分布を示すグラフである。
【図２１】従来のポンプ−プローブ法によって得られるコヒーレントな信号光の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
２          リレーレンズ
３          第２合波手段
４          撮像素子、ＣＣＤ
５          超短光パルス光源
６          分岐手段
１０        第２時間差調整手段
１１、３３  ビームエキスパンダ
１１’      シリンドリカルビームエキスパンダ
１２        ブラッグ型回折格子
１５        （第２）回折格子アレイ
２１、２２、３２、１１１、１１２    レンズ
３１、６２、６２’、７３５          ビームスプリッタ
３４、１１５            光減衰素子
５１          第１の光源
５２          第２の光源
５３、５４    波長変換手段
５５          第１合波手段
５６          第１時間差調整手段
６４、１０１、１０２、１０３、５６０、５６１、５６２、５６３、５６４、９１１、９１２、９２２          ミラー
６５、１０４、５６５    微動ステージ
６６、６７              スペーシャルフィルタ
６６ａ、６７ａ          開口
６８        ビームスプリッタ
７０        顕微鏡
７１        透過照明光源
７２        透過照明光学系
７３        観察用光学系
７４        観察用撮像素子
７５        試料台
７６        蛍光用照明光源
７７        蛍光用照明光学系
７８        ダイクロイックミラー
８０        時間分解分光ユニット
９１        第１導光手段
９２        第２導光手段
１１３、１１４              シリンドリカルレンズ
１２１、１４２１、１５１    平行平板
１３１      第１シリンドリカルレンズ
１３２      第２シリンドリカルレンズ
１３３      第１レンズ
１３４      第２レンズ
１４１      フィルタ
１４２      第１回折格子アレイ
７２１      コレクタレンズ
７２２      コンデンサレンズ
７２４      偏光子
７２５      第１ＤＩＣフィルタ
７３１      対物レンズ
７３２      第２ＤＩＣフィルタ
７３３      検光子
７３４      結像レンズ
７５２      ｘ−ｙステージ
７７２      フィルタユニット
７７２１    励起フィルタ
７７２２    ダイクロイックミラー
７７２３    吸収フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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