(57)【要約】  【課題】非常に微小な領域の観測と同時に、非常に短い時間領域で起こる物性現象を高精度に捉えられる顕微鏡装置を提供する。  【解決手段】顕微鏡７０と時間分解分光ユニット８０と導光手段９１、９２を有し、超短光パルス光源５と、超短光パルスを参照光とポンプ光とプローブ光に分岐する手段６と、プローブ光と参照光との合波手段３と、合波位置に到達するプローブ光と参照光との時間差調整手段１０と、プローブ光と参照光とによる干渉縞を撮像する素子４を備え、導光手段９１と素子４の間に２次元光波変換光学系１が配置されている。分岐手段６が、ポンプ光とプローブ光との空間分離手段と、試料に到達するポンプ光とプローブ光との時間差調整手段と、参照光とそれ以外の光を分岐する手段とを有し、さらに、前記空間分離手段で分離され、かつ、試料を通過した光からプローブ光のみを抽出する手段を有する。【選択図】  図２９
2006267651.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と、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、超短光パルスを発振する超短光パルス光源と、前記超短光パルスを参照光とポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐手段と、前記第２導光手段によって導かれたプローブ光と参照光とを合波する合波手段と、合波位置に到達するプローブ光と参照光との時間差を調整するプローブ光-参照光時間差調整手段と、プローブ光と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顕微鏡装置であって、
前記分岐手段が、ポンプ光とプローブ光を空間的に分離するポンプ光-プローブ光空間分離手段と、前記光学顕微鏡内の試料に到達するポンプ光とプローブ光との時間差を調整するポンプ光-プローブ光時間差調整手段と、参照光とそれ以外の光を分岐する参照光分岐手段とを有し、さらに、
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段を介して分離され、かつ、前記光学顕微鏡内の試料を通過した光からプローブ光のみを抽出するプローブ光抽出手段を有することを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段を介して分離され、かつ、前記参照光分岐手段を介して参照光側に分岐された光から参照光のみを抽出する参照光抽出手段を有す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】
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、所定肉厚を有する透明な平行平板の両面に半透過反射面を備えて構成された半透過反射素子と、前記半透過反射素子の一方の半透過反射面からの光を該一方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子と、前記半透過反射素子の他方の半透過反射面からの光を該他方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子を有して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２つの反射面を有する反射素子と、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子を有して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記２つの反射面を有する反射素子が、２枚のミラーであ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６】
前記２つの反射面を有する反射素子が、直角をなす２つの面にそれぞれ反射面を備えた直角プリズムであ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】
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射する２枚のミラーと、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子と、前記２枚のミラーで反射された光を反射する反射面と前記１つの反射面を有する反射素子で反射された光を透過する透過面を有するプリズムを有し、該プリズムの反射面で反射された光の光軸と該プリズムの透過面から射出した光の光軸とが平行となるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光の入射光軸に対してシフト配置されたレンズと、該レンズからの光を反射する１つの反射面を有する反射素子と、該半透過反射素子からの他方の光を反射する１つの反射素子とで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
前記半透過反射素子が、１つの半透過反射面を備えて構成されていることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記半透過反射素子が、所定肉厚を有する透明な平行平板の両面に半透過反射面を備えて構成されていることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、ポンプ光とプローブ光との空間的な分離量を調整可能な空間分離量調整手段を備えていることを特徴とする請求項４〜１０のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１２】
前記空間分離量調整手段が、前記２つの反射面を有する反射素子を前記一方の光の入射光軸に対して垂直な方向に移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに従属する請求項１１に記載の顕微鏡装置。
【請求項１３】
前記空間分離量調整手段が、前記２枚のミラーのうちいずれか一方のミラーを該一方ミラーへの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項７に従属する請求項１１に記載の顕微鏡装置。
【請求項１４】
前記空間分離量調整手段が、前記プリズムを前記２枚のミラーを経て該プリズムに入射する光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項７に従属する請求項１１に記載の顕微鏡装置。
【請求項１５】
前記空間分離量調整手段が、前記一方の光の入射光軸に対してシフト配置されたレンズを、該一方の光の入射光軸に対して垂直に移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項８に従属する請求項１１に記載の顕微鏡装置。
【請求項１６】
前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、前記半透過反射素子の一方の半透過反射面からの光を該一方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子と、前記半透過反射素子の他方の半透過反射面からの光を該他方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子のいずれかを、当該半透過反射面からの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡装置。
【請求項１７】
前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、１つの半透過反射面を備えた半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２つの反射面を有する反射素子と、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子のいずれかを、該半透過反射素子からの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項４〜６、請求項４〜６のいずれかに従属する、請求項９〜１２のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１８】
前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、１つの半透過反射面を備えた半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２枚のミラーと、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子のいずれかを、該半透過反射素子からの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項７、請求項７に従属する、請求項９〜１１、１３、１４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１９】
前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光の入射光軸に対してシフト配置されたレンズ及び該レンズからの光を反射する１つの反射面を有する反射素子と、前記半透過反射素子からの他方の光を反射する１つの反射面を有する反射素子のいずれかを、該半透過反射素子からの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されていることを特徴とする請求項８、請求項８に従属する請求項９〜１１、１５のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項２０】
前記プローブ光抽出手段が、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材で構成されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項２１】
前記プローブ光抽出手段が、更に、前記半透過反射素子と該半透過反射素子を透過する光路に設けられた反射素子との間、又は前記半透過反射素子と該半透過反射素子を反射する光路に設けられた反射素子との間に配置されたλ／４板と、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材の通過側に配置された偏光板とを備えていることを特徴とする請求項３又は請求項８に従属する、請求項２０に記載の顕微鏡装置。
【請求項２２】
前記プローブ光抽出手段が、更に、前記半透過反射素子と該半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２つの反射面を有する反射素子との間にλ／４板を備えると共に、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材の通過側に偏光板を備えて構成されていることを特徴とする請求項４に従属する、請求項２０に記載の顕微鏡装置。
【請求項２３】
前記プローブ光抽出手段が、更に、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材の通過側に、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた第２の遮光部材を挟んで構成されたビームエキスパンダを備えて構成されていることを特徴とする請求項２０に記載の顕微鏡装置。
【請求項２４】
前記参照光抽出手段が、前記参照光のみを通過させる開口を備えた遮光部材で構成されていることを特徴とする請求項２、請求項２に従属する請求項３〜２３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、微小領域内で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。
【特許文献１】特開平５−７２４８０号公報
【０００３】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の技術には、次のような問題点があった。
従来の時間分解を行う装置において、計測対象としている時間領域は、蛍光の寿命程度である。しかるに、一般に、蛍光物質の蛍光寿命はナノ秒前後である。その程度の時間領域であれば、電子デバイスを利用した測定器によって容易に蛍光寿命を測定することができる。
しかし、化学変化などの物質内で起こる物性現象の中には、更に短い時間領域で変化が起こるものが多い。これらの時間領域で起こる物性変化は、特許文献１に記載のような従来技術を用いて測定することは、困難であった。
【０００５】
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、超短光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。
しかるに、ポンプ光の強度は試料に刺激を与えるためにプローブ光に比べて強くせざるを得ない。このため、ポンプ光がプローブ光の検出位置に含まれると、プローブ光による検出精度が低いものとなってしまう。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、非常に微小な領域の観測と同時に、非常に短い時間領域（例えば、フェムト秒〜数十ピコ秒）で起こる物性現象を高精度に捉える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】
【０００７】
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と、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、超短光パルスを発振する超短光パルス光源と、前記超短光パルスを参照光とポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐手段と、前記第２導光手段によって導かれたプローブ光と参照光とを合波する合波手段と、合波位置に到達するプローブ光と参照光との時間差を調整するプローブ光-参照光時間差調整手段と、プローブ光と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顕微鏡装置であって、前記分岐手段が、ポンプ光とプローブ光を空間的に分離するポンプ光-プローブ光空間分離手段と、前記光学顕微鏡内の試料に到達するポンプ光とプローブ光との時間差を調整するポンプ光-プローブ光時間差調整手段と、参照光とそれ以外の光を分岐する参照光分岐手段とを有し、さらに、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段を介して分離され、かつ、前記光学顕微鏡内の試料を通過した光からプローブ光のみを抽出するプローブ光抽出手段を有することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段を介して分離され、かつ、前記参照光分岐手段を介して参照光側に分岐された光から参照光のみを抽出する参照光抽出手段を有するのが好ましい。
【０００９】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、所定肉厚を有する透明な平行平板の両面に半透過反射面を備えて構成された半透過反射素子と、前記半透過反射素子の一方の半透過反射面からの光を該一方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子と、前記半透過反射素子の他方の半透過反射面からの光を該他方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子を有して構成されているのが好ましい。
【００１０】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２つの反射面を有する反射素子と、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子を有して構成されているのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記２つの反射面を有する反射素子が、２枚のミラーであるのが好ましい。
【００１２】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記２つの反射面を有する反射素子が、直角をなす２つの面に夫々反射面を備えた直角プリズムであるのが好ましい。
【００１３】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射する２枚のミラーと、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子と、前記２枚のミラーで反射された光を反射する反射面と前記１つの反射面を有する反射素子で反射された光を透過する透過面を有するプリズムを有し、該プリズムの反射面で反射された光の光軸と該プリズムの透過面から射出した光の光軸とが平行となるように構成されているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光の入射光軸に対してシフト配置されたレンズと、該レンズからの光を反射する１つの反射面を有する反射素子と、該半透過反射素子からの他方の光を反射する１つの反射素子と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、前記半透過反射素子が、１つの半透過反射面を備えて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、前記半透過反射素子が、所定肉厚を有する透明な平行平板の両面に半透過反射面を備えて構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、前記ポンプ光-プローブ光空間分離手段が、ポンプ光とプローブ光との空間的な分離量を調整可能な空間分離量調整手段を備えているのが好ましい。
【００１８】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記空間分離量調整手段が、前記２つの反射面を有する反射素子を前記一方の光の入射光軸に対して垂直な方向に移動可能な移動手段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、前記空間分離量調整手段が、前記２枚のミラーのうちいずれか一方のミラーを該一方ミラーへの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で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、前記空間分離量調整手段が、前記プリズムを前記２枚のミラーを経て該プリズムに入射する光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されているのが好ましい。
【００２１】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記空間分離量調整手段が、前記一方の光の入射光軸に対してシフト配置されたレンズを、該一方の光の入射光軸に対して垂直に移動可能な移動手段で構成されているのが好ましい。
【００２２】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、前記半透過反射素子の一方の半透過反射面からの光を該一方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子と、前記半透過反射素子の他方の半透過反射面からの光を該他方の半透過反射面に向けて反射する反射面を有する反射素子のいずれかを、当該半透過反射面からの光の入射方向に沿って移動可能な移動手段で構成されているのが好ましい。
【００２３】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、１つの半透過反射面を備えた半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２つの反射面を有する反射素子と、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子のいずれかを、当該半透過反射面からの光の入射方向に沿って移動可能な移動手段で構成されているのが好ましい。
【００２４】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、１つの半透過反射面を備えた半透過反射素子と、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２枚のミラーと、該半透過反射素子からの他方の光を該半透過反射素子に向けて反射する１つの反射面を有する反射素子のいずれかを、該半透過反射素子からの光の入射光軸に沿って移動可能な移動手段で構成されているのが好ましい。
【００２５】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記ポンプ光-プローブ光時間差調整手段が、前記半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光の入射光軸に対してシフト配置されたレンズ及び該レンズからの光を反射する１つの反射面を有する反射素子と、前記半透過反射素子からの他方の光を反射する１つの反射面を有する反射素子のいずれかを、当該半透過反射面からの光の入射方向に沿って移動可能な移動手段で構成されているのが好ましい。
【００２６】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記プローブ光抽出手段が、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材で構成されているのが好ましい。
【００２７】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記プローブ光抽出手段が、更に、前記半透過反射素子と該半透過反射素子を透過する光路に設けられた反射素子との間、又は前記半透過反射素子と該半透過反射素子を反射する光路に設けられた反射素子との間に配置されたλ／４板と、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材の通過側に配置された偏光板とを備えているのが好ましい。
【００２８】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記プローブ光抽出手段が、更に、前記半透過反射素子と該半透過反射素子を透過する光及び反射する光のうち一方の光を反射して該半透過反射素子に導く２つの反射面を有する反射素子との間にλ／４板を備えると共に、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材の通過側に偏光板を備えて構成されているのが好ましい。
【００２９】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記プローブ光抽出手段が、更に、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた遮光部材の通過側に、前記プローブ光のみを通過させる開口を備えた第２の遮光部材を挟んで構成されたビームエキスパンダを備えて構成されているのが好ましい。
【００３０】
また、本発明の顕微鏡装置においては、前記参照光抽出手段が、前記参照光のみを通過させる開口を備えた遮光部材で構成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の顕微鏡装置によれば、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プローブ光の時間分解分光計測を高精度に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】
【００３２】
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た上で、さらにプローブ光を用いた検出精度を高めるべく想到したものである。
【００３３】
上記時間分解能の計測技術を図３２を用いて説明する。
図３２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。
【００３４】
図３２の構成を用いた、変調を受けた超短光パルスの時間分解分光の計測過程を説明する。
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の時間分解分光について考える。
【００３５】
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。
【００３６】
しかるに、フィルタ７００は、図３３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。
【００３７】
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３４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。
【００３８】
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３４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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
しかるに、本件出願人は、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、このプローブ光に参照光を重ねることで干渉縞パターンを得る構成の顕微鏡装置において、上記２次元光波変換光学系を用いることについて検討した。
ポンプ光は、光強度がプローブ光に比べて強い。このため、上記２次元光波変換光学系を用いた顕微鏡においても、ポンプ光が干渉縞の形成位置に含まれると、検出精度に悪影響を与えるという問題がある。
そこで、本件出願人は、本発明のように、ポンプ光とプローブ光とを空間的に分離する構成を想到するに至った。
本発明によれば、試料を変調後のポンプ光がプローブ光の検出位置に入り込まないので、非常に微小な領域の観察と時間分解分光計測を同時に高精度に行うことができる。
【００４１】
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。そして更に、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。また、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。
【００４２】
時間分解分光ユニット８０は、超短光パルス光源５と、分岐手段６と、プローブ光-参照光時間差調整手段１０と、２次元光波変換手段１と、リレーレンズ２と、合波手段３と、撮像装置４を有して構成されている。
超短光パルス光源５は、超短光パルスを発振するように構成されている。
分岐手段６は、超短光パルスをポンプ光とプローブ光と参照光とに分岐するように構成されている。
プローブ光-参照光時間差調整手段１０は、プローブ光と参照光の光路長差を調整可能に構成されている。すなわち、プローブ光と参照光とが合波手段３を介して撮像装置４に照射される際に、合波位置に到達する時間差を無くして干渉縞が生成するように構成されている。
第１導光手段９１は、例えば、ミラーで構成されている。このミラーは、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、同様に、例えば、ミラーで構成されている。このミラーも、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。
【００４３】
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の撮像面上に参照光を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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、ビームスプリッタ７２３と、ダイクロイックミラー７８を有して構成されている。
【００４６】
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７２３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７２３を介して、ポンプ光とプローブ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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における分岐手段の構成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、分岐手段６は、ビームスプリッタ６２と、ミラー６３と、光減衰素子６３０と、ミラー６４と、微動ステージ６５と、ビームスプリッタ７２３と、遮光部材としてのスペーシャルフィルタ６６と、遮光部材としてのスペーシャルフィルタ６７を有して構成されている。なお、図３中、９１２，９１１は、第１導光手段９１を構成するミラーである。
ビームスプリッタ６２は、所定肉厚を持つ透明な平行平板６２ａの両面に、夫々ハーフミラー面６２ｂ，６２ｃを備えて構成されている。この所定の肉厚をビームスプリッタ６２に持たせることで、ビームスプリッタ６２では、入射光が、屈折作用により所定量シフトして出射する。
ミラー６３，６４は、夫々の入射光軸に対して垂直に配置されている。
微動ステージ６５は、ミラー６４への入射光軸に沿う方向に、ミラー６４を移動可能に構成されている。
【００４９】
超短光パルス光源５から発振された超短光パルスは、ビームスプリッタ６２を介して２つに分岐される。この２つ分岐された光の一方がポンプ光で、他方がプローブ光である。ここでは、ポンプ光は、ビームスプリッタ６２のハーフミラー面６２ｂ，６２ｃを透過し、ミラー６４で反射される超短光パルスの光である。一方、プローブ光は、ビームスプリッタ６２のハーフミラー面６２ｂで反射され、ミラー６３で反射される超短光パルスの光である。第１実施形態の顕微鏡装置では、これらのポンプ光とプローブ光を用いている。
微動ステージ６５は、本発明におけるポンプ光-プローブ光時間差調整手段として機能する。ここでは、ポンプ光とプローブ光の光路長差を調整することによって、夫々の光が試料Ｓに到達する時間差を与える（時間遅延を生成する）ことができるようになっている。なお、図３の例では、ポンプ光がプローブ光よりも先に試料Ｓに到達するようにしている。
【００５０】
また、ビームスプリッタ６２、ミラー６３，６４は、本発明におけるポンプ光-プローブ光空間分離手段として機能する。
すなわち、超短光パルス光源５を出射した光は、ビームスプリッタ６２のハーフミラー面６２ｂを介して透過光と反射光とに２分される。
透過光（ハーフミラー面６２ｂを透過した光）は、所定肉厚の透明な平行平板６２ａで屈折して、ハーフミラー面６２ｃに到達する。ハーフミラー面６２ｃを透過した光は、ミラー６４に入射し、ミラー６４で反射されて逆向きの光路を辿り、ハーフミラー面６２ｃに入射する。ハーフミラー面６２ｃで反射された光は、ポンプ光として用いられる。ポンプ光は、図３において、破線で示す光路を辿る。
他方、反射光（ハーフミラー面６２ｂで反射された光）は、ミラー６３に入射し、ミラー３６で反射されて逆向きの光路を辿り、ハーフミラー面６２ｂに入射する。ハーフミラー面６２ｂを透過した光は、所定肉厚の透明な平行平板６２ａで屈折して、ハーフミラー面６２ｃに到達する。ハーフミラー面６２ｃを透過した光は、プローブ光として用いられる。プローブ光は、図３において実線で示す光路を辿る。
これにより、ポンプ光とプローブ光は空間的に平行に分離される。
【００５１】
スペーシャルフィルタ６６は、本発明におけるプローブ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、プローブ光のみを開口６６ａを介して通過させ、その他の光を遮光する。
また、スペーシャルフィルタ６７は、本発明における参照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６７は、平行に分離されて入射した光のうち、参照光（ここではポンプ光）のみを開口６７ａを介して通過させ、その他の光（ここではプローブ光）を遮光する。
【００５２】
なお、上述したように、通常、ポンプ‐プローブ法では、ポンプ光を試料に刺激を与えるための光、プローブ光をポンプ光により刺激を与えられた後の試料の反応を検出するための光として使用する。そして、通常、ポンプ光の強度は、試料を刺激するために強く、プローブ光の強度は、試料を刺激しないように弱くする必要がある。
このため、光減衰素子６３０が、ビームスプリッタ６２とミラー６３との間に設けられている。光減衰素子６３０は、試料Ｓに照射するためのプローブ光の強度を弱めるために用いられる。
【００５３】
このように構成された第１実施形態の顕微鏡装置では、超短光パルス光源５を出射した光は、ビームスプリッタ６２、ミラー６３、ミラー６４、微動ステージ６５を介して、ポンプ光とプローブ光に分離される。このとき、ポンプ光とプローブ光は、時間的、空間的に分離されており、両者は、ビームスプリッタ７２３に入射する。
ビームスプリッタ７２３で反射されたポンプ光とプローブ光は、コンデンサレンズ７２２の入射瞳に入射する。このとき、ポンプ光とプローブ光は、時間的、空間的に分離され、互いに平行な光路を辿っている。図３の例では、ポンプ光をコンデンサレンズ７２２の光軸からシフトするようにすると共に、プローブ光をコンデンサレンズ７２２の光軸に一致するようにして、夫々入射させている。そして、ポンプ光とプローブ光は、時間差を持ちながら、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。さらに、試料Ｓを透過後は、ポンプ光とプローブ光は、再び、空間的に分離される。次いで、ポンプ光とプローブ光は、対物レンズ７３１を介して互いに平行な光路となり、第２ＤＩＣフィルタ７３２、検光子７３３、ダイクロイックミラー７８を経由し、スペーシャルフィルタ６６に到達する。スペーシャルフィルタ６６を介してポンプ光が遮光され、プローブ光のみが開口６６ａを通過する。これにより、図１に示した２次元光波手段１には、プローブ光のみが到達する。
他方、ビームスプリッタ７２３を透過したポンプ光とプローブ光に相当する夫々の光は、スペーシャルフィルタ６７に到達する。スペーシャルフィルタ６７を介してプローブ光に相当する光が遮光され、ポンプ光に相当する光のみが開口６７ａを通過し参照光として用いられる。
【００５４】
（第１変形例）
なお、第１実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段６は、図４のように構成してもよい。図４は図３に示した分岐手段６の一変形例の構成を示す説明図である。
本変形例の分岐手段６では、図３に示した分岐手段６の構成において、λ／４板７９１がビームスプリッタ６２とミラー６４の間に配置されるとともに、偏光子７９２がスペーシャルフィルタ６６の通過側光路に配置されている。偏光子７９２は、ポンプ光の直線偏光成分を遮光し、ポンプ光の直線偏光成分に直交する直線偏光成分を透過させるように構成されている。その他の構成は図３の構成と同じである。
このように構成された本変形例の分岐手段６を用いた顕微鏡装置では、λ／４板７９１と偏光子７９２は、スペーシャルフィルタ６６を補完するプローブ光抽出手段として機能する。すなわち、超短光パルス光源５を出射し、ビームスプリッタ６２のハーフミラー面６２ｂ，６２ｃを透過し、ミラー６４で反射されて再びビームスプリッタ６２に入射する光は、λ／４板７９１を２回通過する。このため、直線偏光成分が９０度回転する。従って、図４において破線で示す光路を辿るポンプ光と実線で示す光路を辿るプローブ光は、互いの直線偏光成分が直交した状態で試料Ｓを夫々通過し、ダイクロイックミラー７８で反射され、スペーシャルフィルタ６６を介してプローブ光のみが通過し、その他の光（ポンプ光）が遮光される。
【００５５】
ところで、上述のように、ポンプ光は試料Ｓに刺激を与えるために、プローブ光に比べて光強度が非常に強くする必要がある。ここで、ポンプ光の大部分は、スペーシャルフィルタ６６を介して遮光される。しかしながら、僅かな量のポンプ光が、スペーシャルフィルタ６６の開口６６ａを通過する可能性がある。一方、プローブ光は、ポンプ光に比べて光の強度が弱い。
このため、開口６６ａを通過した僅かな量のポンプ光が、プローブ光の検出に悪影響を与えてしまうおそれがある。そこで、これを防ぐために、本変形例では、ポンプ光とプローブ光の直線偏光成分が互いに直交するようにし、スペーシャルフィルタ６６を通過後の光を偏光子７９２に入射させるようにしている。よって、偏光子７９２に入射した光のうち、ポンプ光をより確実に遮光し、プローブ光を透過させることができる。これにより、スペーシャルフィルタ６６だけでは十分に除去しきれなかったポンプ光が、十分に除去される。
なお、本変形例のように分岐手段６を構成した場合には、スペーシャルフィルタ６７を通過した参照光の光路上にλ／２板を配置して、参照光の直線偏光成分を９０°回転させる。これにより参照光とプローブ光の直線偏光成分の同じ向きとなって合波手段３を介して合波され、干渉縞を生成させることができる。尚、図示はしないが、λ／２板を用いる代わりに、２枚のミラーによって、偏光方向を回転させることも可能である。よって、２枚のミラーを、新たに加えてもよい。
【００５６】
（第２変形例）
また、第１実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段６は、図５のように構成してもよい。図５は、図３に示した分岐手段６の他の変形例の構成を示す説明図である。
本変形例の分岐手段６では、図３に示した分岐手段６の構成において、ビームエキスパンダ７９３が、スペーシャルフィルタ６６の通過側（光射出側）に配置されている。ビームエキスパンダ７９３は、スペーシャルフィルタ６６側のレンズ７９３１と、レンズ７９３２を備えている。更に、ビームエキスパンダ７９３は、第２の遮光部材としてのスペーシャルフィルタ７９４を内部に備えている。ビームエキスパンダ７９３では、その内部で光が集光される。スペーシャルフィルタ７９４は、この集光位置よりもレンズ７９３１に近い位置に配置されている。その他の構成は図３の構成と同じである。
このように構成された本変形例の分岐手段６を用いた顕微鏡装置では、ビームエキスパンダ７９３が、スペーシャルフィルタ６６を補完するプローブ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を介して大部分のポンプ光が遮光され、プローブ光と極くわずかなポンプ光とが開口６６ａ通過する。次いで、ビームエキスパンダ７９３のレンズ７９３１を介して、プローブ光と極くわずかなポンプ光が集光されてスペーシャルフィルタ７９４に到達する。このとき、大部分のプローブ光は、レンズ７９３１の光軸上に集光するため、スペーシャルフィルタ７９４の開口７９４ａを通過する。一方、軸外光であるポンプ光は光軸から離れた位置に集光するため、スペーシャルフィルタ７９４を介して遮光される。これにより、スペーシャルフィルタ６６だけでは十分に除去しきれなかったポンプ光が、十分に除去される。
【００５７】
（第３変形例）
また、第１実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段６は、図６のように構成してもよい。
図６は図３に示した分岐手段６のさらに他の変形例の構成を示す要部説明図、図７は図６に示したビームスプリッタ６２１の拡大図、図８は図６に示したミラー６２２の拡大図である。
本変形例の分岐手段６は、光源５から導光手段９１に至るまでの光路上に、ビームスプリッタ６２１と、ミラー６３と、光減衰素子６３０と、ミラー６４１，６４２と、微動ステージ６４３と、プリズム６２２を備えている。なお、微動ステージ６４３は、図３の構成における微動ステージ６５に相当する。
このように構成された本変形例の顕微鏡装置では、超短光パルス光源５から発振された超短光パルスは、ビームスプリッタ６２１を介して２つに分岐される。この２つ分岐された光の一方がポンプ光で、他方がプローブ光である。ここでは、ポンプ光は、ビームスプリッタ６２１の面６２１ｂ，６２１ｃを透過し、ミラー６４１，６４２、プリズム６２２で反射される超短光パルスの光である。一方、プローブ光は、ビームスプリッタ６２１の面６２１ｂで反射され、ミラー６３で反射される超短光パルスの光である。本変形例の顕微鏡装置では、これらのポンプ光とプローブ光を用いている。
【００５８】
ビームスプリッタ６２１は、透明な基板６２１ａの一方の面６２１ｃに、反射防止膜が製膜されて構成されている。なお、面６２１ｃの反対側の面６２１ｂには反射防止膜は製膜されていない。
プリズム６２２は、光軸に沿う断面形状が平行四辺形形状の透明部材６２２ａで構成されている。そして、透明部材６２２ａの一つの面６２２ｃのみに、反射膜が蒸着されている。そして、プリズム６２２は、ポンプ光に対してはミラーとして機能し、プローブ光に対してはプリズムとして機能する。
【００５９】
ビームスプリッタ６２１の基板６２１ａの面６２１ｂを透過した光は、基板６２１ａで屈折して面６２１ｃに到達する。面６２１ｃを透過した光は、ミラー６４１，６４２で反射され、プリズム６２２の反射面６２２ｃで反射され、図６に示すようにポンプ光として用いられる。
他方、ビームスプリッタ６２１の基板６２１ａの面６２１ｂで反射された光は、ミラー６３に入射し、ミラー６３で反射されて逆向きの光路を辿り、面６２１ｂに入射する。面６２１ｂを透過した光は、基板６２１ａで屈折して、面６２１ｃに到達する。面６２１ｃを透過した光は、プリズム６２２の面６２２ｂに入射し、面６２２ｂを透過して透明部材６２２ａで屈折して、面６２２ｄに到達する。面６２２ｄを透過した光は、図６に示すようにプローブ光として用いられる。
このとき、ビームスプリッタ６２１の面６２１ｃには、反射防止膜が製膜されている。よって、面６２１ｃに到達したポンプ光-プローブ光を、反射による光量ロスを低減して透過させることができる。
【００６０】
なお、プリズム６２２におけるプローブ光が透過する面６２２ｂ，６２２ｄには、反射防止膜を備えるようにしてもよい。このようにすると、プローブ光の反射による光量ロスを、更に低減することができるので好ましい。
また、プローブ光がブリュースター角を満足する入射角度で面６２２ｂに入射するように、プリズム６２２の傾きを調整して配置してもよい。このようにすることで、反射による光量ロスを低減することができる。
【００６１】
（第４変形例）
また、図６の変形例として、プリズム６２２の代わりに、図９に示すようなプリズム６２３を用いて構成しても良い。
プリズム６２３は、図１０に示すように、断面形状が台形形状の透明部材６２３ａで構成されている。そして、透明部材６２３ａの斜面６２３ｃに、ポンプ光反射用の反射膜が製膜されている。
その他の構成は図６の構成とほぼ同じである。
【００６２】
第３変形例及び第４変形例では、プリズム６２２或いはプリズム６２３で反射された光が、ポンプ光になる。一方、プリズム６２２或いはプリズム６２３を透過した光が、プローブ光になる。そして、これら変形例における微動ステージ６４３は、ミラー６４２を所定の方向に移動させる。このようにすることにより、ポンプ光と、プローブ光の空間分離量を調整できる。
なお、第３及び第４変形例において、ミラー６４２を入射光軸に沿って移動させる代わりに、プリズム６２２或いはプリズム６２３をミラー６４２側の入射光軸に沿って移動させるように微動ステージを設けてもよい。
【００６３】
（第２実施形態）
図１１は本発明の第２実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段の構成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基本構成は、図１及び図２で示した構成と同じである。
第２実施形態の顕微鏡装置では、分岐手段６は、ビームスプリッタ６１と、ビームスプリッタ６２’と、ミラー６３と、光減衰素子６３０と、ミラー６４１と、ミラー６４２と、微動ステージ６４３と、微動ステージ６５と、スペーシャルフィルタ６６を有して構成されている。なお、図１１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導光手段を構成するミラーである。
ビームスプリッタ６２’は、薄板状のハーフミラー面６２ａ’で構成されている。
ミラー６３は、入射光軸に対して垂直に配置されている。
ミラー６４１，６４２は、ミラー６４１への入射光軸に対して傾斜し、かつ、ミラー６４１で反射され、ミラー６４２で反射された光の光軸が、ミラー６４１への入射光軸に対して所定量シフトするように配置されている。
微動ステージ６４３は、ミラー６４１及びミラー６４２を、ミラー６４１への入射光軸に対して垂直な方向に移動可能に構成されている。
微動ステージ６５は、ミラー６４１，６４２を載置した微動ステージ６４３を、ミラー６４１への入射光軸に沿う方向に移動可能に構成されている。
【００６４】
超短光パルス光源５から発振された超短光パルスは、ビームスプリッタ６１を介して２つに分岐される。実施形態２の顕微鏡装置では、ビームスプリッタ６１で反射された超短光パルスを参照光として用いている。ビームスプリッタ６１を透過した超短光パルスは、ビームスプリッタ６２’を介して、更に２つに分岐される。この２つ分岐された光の一方がポンプ光で、他方がプローブ光である。ここでは、ポンプ光は、ビームスプリッタ６２’のハーフミラー面６２ａ’を透過し、ミラー６４１，６４２で反射される超短光パルスの光である。一方、プローブ光は、ビームスプリッタ６２’のハーフミラー面６２ａ’で反射され、ミラー６３で反射される超短光パルスの光である。本実施形態の顕微鏡装置では、これらのポンプ光とプローブ光を用いている。
微動ステージ６５は、本発明におけるポンプ光-プローブ光時間差調整手段として機能する。ここでは、ポンプ光とプローブ光の光路長差を調整することによって、夫々の光が試料Ｓに到達する時間差を与える（時間遅延を生成する）ことができるようになっている。なお、図１１の例では、ポンプ光がプローブ光よりも先に試料Ｓに到達するようにしている。
【００６５】
また、ビームスプリッタ６２’、ミラー６３，６４１，６４２は、本発明におけるポンプ光-プローブ光空間分離手段として機能する。
すなわち、超短光パルス光源５を出射しビームスプリッタ６１を透過した光は、ビームスプリッタ６２’のハーフミラー面６２ａ’を介して、透過光と反射光とに２分される。
透過光（ハーフミラー面６２ａ’を透過した光）は、ミラー６４１に入射し、ミラー６４１，６４２で反射される。これにより、ミラー６４２で反射された光、入射光の光路に対して平行にシフトした光路を辿り、ハーフミラー面６２ａ’に入射する。ハーフミラー面６２ａ’で反射された光は、図１１において破線で示す光路を辿るポンプ光として用いられる。
他方、反射光（ハーフミラー面６２ａ’で反射された光）は、ミラー６３で反射されて逆向きの光路を辿り、ハーフミラー面６２ａ’に入射する。ハーフミラー面６２ａ’を透過した光は、図１１において実線で示す光路を辿るプローブ光として用いられる。
これにより、ポンプ光とプローブ光は空間的に平行に分離される。
【００６６】
また、微動ステージ６４３は、本発明における空間分離量調整手段として機能する。
すなわち、微動ステージ６４３を介して、ミラー６４１及びミラー６４２を、ミラー６４１への入射光軸に対して垂直な方向に移動させる。このようにすると、ミラー６４１へ光が入射した際、入射する光のミラー６４１における入射位置が変化する。これに伴い、ミラー６４１へ入射する光の光軸と、ミラー６４２で反射される光の光軸との間隔が変化する。その結果、ミラー６４２で反射されハーフミラー面６２ａ’で反射された光の光軸と、ミラー６３で反射されハーフミラー面６２ａ’を透過した光の光軸との間隔が変化する。
このため、微動ステージ６４３により、ミラー６４１及びミラー６４２の移動量を調整することで、ポンプ光とプローブ光の空間的分離量を調整することができる。
【００６７】
第１実施形態の分岐手段６では、ビームスプリッタ６２は、所定肉厚を持つ透明な平行平板６２ａであって、その両面にハーフミラー面６２ｂ，６２ｃを備えていた。この構成では、屈折作用により、入射光を所定量シフトして出射させることで、ポンプ光とプローブ光を空間で分離し、かつ両者を平行に伝播させることができる。しかし、第１実施形態の分岐手段６の場合、空間的な分離量は、ビームスプリッタ６２の平行平板６２ａの肉厚に依存し、固定されたものとなる。これに対し、第２実施形態の分岐手段６では、ミラー６４１，６４２を、ミラー６４１への入射光軸に対して傾斜して配置し、かつ、微動ステージ６４３を介して、ミラー６４１及びミラー６４２をミラー６４１への入射光軸に対して垂直な方向に移動させるようにした。これにより、ミラー６４２で反射された光が、ミラー６４１への入射光に対して所定量シフトする。よって、本実施形態では、ポンプ光とプローブ光の空間的分離量を、微調整することができる。
【００６８】
また、スペーシャルフィルタ６６は、本発明におけるプローブ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、プローブ光のみを開口６６ａを介して通過させ、その他の光を遮光する。
【００６９】
なお、上述したように、通常、ポンプ‐プローブ法では、ポンプ光を試料に刺激を与えるための光、プローブ光をポンプ光により刺激を与えられた後の試料の反応を検出するための光として使用する。そして、通常、ポンプ光の強度は、試料を刺激するために強く、プローブ光の強度は、試料を刺激しないように弱くする必要がある。
このため、光減衰素子６３０がビームスプリッタ６２’とミラー６３との間に設けられている。光減衰素子６３０は、試料Ｓに照射するためのプローブ光の強度を弱めるために用いられる。
【００７０】
このように構成された第２実施形態の顕微鏡装置では、超短光パルス光源５を出射した光は、ビームスプリッタ６１を介して２分される。ビームスプリッタ６１で反射された光は、参照光として用いられる。
ビームスプリッタ６１を透過した光は、ビームスプリッタ６２’、ミラー６３、ミラー６４１、ミラー６４２、微動ステージ６４３、微動ステージ６５を介して、ポンプ光とプローブ光に分離される。このとき、ポンプ光とプローブ光は、空間的、時間的に分離されており、両者はミラー７２３に入射する。
ビームスプリッタ７２３で反射されたポンプ光とプローブ光は、コンデンサレンズ７２２の入射瞳に入射する。このとき、ポンプ光と、プローブ光は、時間的、空間的に分離され、互いに平行な光路を辿っている。図１１の例では、ポンプ光をコンデンサレンズ７２２の光軸からシフトするようにすると共に、プローブ光をコンデンサレンズ７２２の光軸に一致するようにして、夫々入射させている。そして、ポンプ光とプローブ光は、時間差を持ちながら、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。さらに、試料Ｓを透過後は、再び、空間的に分離される。次いで、ポンプ光とプローブ光は、対物レンズ７３１を介して互いに平行な光路となり、第２ＤＩＣフィルタ７３２、検光子７３３、ダイクロイックミラー７８を経由し、スペーシャルフィルタ６６に到達する。スペーシャルフィルタ６６を介してポンプ光が遮光され、プローブ光のみが開口６６ａを通過する。これにより、図１に示した２次元光波手段１には、プローブ光のみが到達する。
【００７１】
なお、第２実施形態の顕微鏡装置では、薄板状のハーフミラー面６２ａ’で構成されたビームスプリッタ６２’を用いたが、ビームスプリッタ６２’の代わりに第１実施形態の顕微鏡装置におけるビームスプリッタ６２を用いてもよい。
また、ミラー６４１，６４２の代わりに、直角をなす２つの面に夫々反射面を備えた直角プリズムを用いてもよい。
また、第２実施形態の顕微鏡装置においても、第１実施形態の顕微鏡装置の第１変形例と同様に、図１２に示すように、λ／４板７９１を、ビームスプリッタ６２’とミラー６４の間に配置するとともに、偏光子７９２を、スペーシャルフィルタ６６の通過側光路に配置してもよい。この偏光子７９２は、ポンプ光の直線偏光成分を遮光し、ポンプ光の直線偏光成分に直交する直線偏光成分を透過させる機能を有する素子である。
また、第１実施形態の第２変形例と同様に、図１３に示すように、スペーシャルフィルタ７９４を内部に備えたビームエキスパンダ７９３を、スペーシャルフィルタ６６の通過側に配置してもよい。
【００７２】
（第３実施形態）
図１４は、本発明の第３実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段の構成を示す説明図である。なお、第３実施形態の顕微鏡装置全体の基本構成及び顕微鏡の基本構成は、図１及び図２で示した構成と同じである。
第３実施形態の顕微鏡装置では、分岐手段６は、ビームスプリッタ６１と、ビームスプリッタ６２’と、ミラー６３と、光減衰素子６３０と、レンズ６４４と、ミラー６４３と、微動ステージ６４３と、微動ステージ６４３と、スペーシャルフィルタ６６を有している。なお、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導光手段を構成するミラーである。
ビームスプリッタ６２’は、薄板状のハーフミラー面６２ａ’で構成されている。
ミラー６３，６４は、夫々の入射光軸に対して垂直に配置されている。
レンズ６４４は、レンズ６４４への入射光軸に対して所定量シフトして配置されている。また、レンズ６４４は、通常の球面レンズで構成されている。なお、レンズ６４４は、シリンドリカルレンズで構成することもできる。
微動ステージ６４３は、レンズ６４４を、レンズ６４４への入射光軸に対して垂直な方向に、移動可能に構成されている。
微動ステージ６５は、レンズ６４４を載置した微動ステージ６４３を、レンズ６４４への入射光軸に沿う方向に、移動可能に構成されている。
【００７３】
超短光パルス光源５から発振された超短光パルスは、ビームスプリッタ６１を介して２つに分岐される。実施形態３の顕微鏡装置では、ビームスプリッタ６１で反射された超短光パルスを、参照光として用いている。ビームスプリッタ６１を透過した超短光パルスは、ビームスプリッタ６２’を介して、更に２つに分岐される。この２つ分岐された光の一方がポンプ光で、他方がプローブ光である。ここでは、ポンプ光は、ビームスプリッタ６２’のハーフミラー面６２ａ’を透過し、レンズ６４４を経て，ミラー６４で反射される超短光パルスの光である。一方、プローブ光は、ビームスプリッタ６２’のハーフミラー面６２ａ’で反射され、ミラー６３で反射される超短光パルスの光である。本実施形態の顕微鏡装置では、これらのポンプ光とプローブ光を用いている。
【００７４】
また、ビームスプリッタ６２’、ミラー６３、レンズ６４４、ミラー６４は、本発明におけるポンプ光-プローブ光空間分離手段として機能する。
すなわち、超短光パルス光源５を出射しビームスプリッタ６１を透過した光は、ビームスプリッタ６２’のハーフミラー面６２ａ’を介して、透過光と反射光とに２分される。
透過光（ハーフミラー面６２ａ’を透過した光）は、レンズ６４４を経て、ミラー６４に入射する。ミラー６４で反射された光は、レンズ６４４を経て、入射光の光路に対して平行にシフトした光路を辿り、ハーフミラー面６２ａ’に入射する。ハーフミラー面６２ａ’で反射された光は、図１４において破線で示す光路を辿るポンプ光として用いられる。
他方、反射光（ハーフミラー面６２ａ’で反射された光）は、ミラー６３で反射されて逆向きの光路を辿り、ハーフミラー面６２ａ’に入射する。ハーフミラー面６２ａ’を透過した光は、図１４において実線で示す光路を辿るプローブ光として用いられる。
これにより、ポンプ光とプローブ光は空間的に平行に分離される。
【００７５】
また、微動ステージ６４３は、本発明における空間分離量調整手段として機能する。
すなわち、微動ステージ６４３を介して、レンズ６４４を、レンズ６４４への入射光軸に対して垂直な方向に移動させる。このようにすると、レンズ６４４へ光が入射した際、入射する光の入射位置が変化する。これに伴い、レンズ６４４に入射する光の光軸と、ミラー６４で反射されレンズ６４４で出射する光の光路との間隔が変化する。その結果、レンズ６４４を出射してハーフミラー面６２ａ’で反射された光の光路と、ミラー６３で反射されハーフミラー面６２ａ’を透過した光の光軸との間隔が変化する。
このため、微動ステージ６４３により、レンズ６４４の移動量を調整することで、ポンプ光とプローブ光の空間的分離量を調整することができる。
その他の構成は、第２実施形態の顕微鏡装置とほぼ同じである。
【００７６】
このように構成された第３実施形態の顕微鏡装置では、超短光パルス光源５を出射した光が、ビームスプリッタ６１を介して２分される。ビームスプリッタ６１で反射された光は、参照光として用いられる。
ビームスプリッタ６１を透過した光は、ビームスプリッタ６２’、ミラー６３、レンズ６４４、ミラー６４、微動ステージ６４３、微動ステージ６５を介して、ポンプ光とプローブ光に分離される。このとき、ポンプ光とプローブ光は、空間的、時間的に分離されており、両者はビームスプリッタ７２３に入射する。
その他の作用は、第２実施形態の顕微鏡装置とほぼ同じである。
【００７７】
なお、第３実施形態の顕微鏡装置では、薄板状のハーフミラー面６２ａ’で構成されたビームスプリッタ６２’を用いたが、ビームスプリッタ６２’の代わりに第１実施形態の顕微鏡装置におけるビームスプリッタ６２を用いてもよい。
【００７８】
なお、第３実施形態の顕微鏡装置においても、第１実施形態の顕微鏡装置の第１変形例と同様に、図１５に示すように、λ／４板７９１を、ビームスプリッタ６２’とミラー６４との間に配置するとともに、偏光子７９２をスペーシャルフィルタ６６の通過側光路に配置してもよい。この偏光子７９２は、ポンプ光の直線偏光成分を遮光し、ポンプ光の直線偏光成分に直交する直線偏光成分を透過させる機能を有する素子である。
また、第１実施形態の第２変形例と同様に、図１６に示すように、スペーシャルフィルタ７９４を内部に備えたビームエキスパンダ７９３を、スペーシャルフィルタ６６の通過側に配置してもよい。
【００７９】
このような第１〜第３実施形態の分岐手段６に、次のような２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、合波手段３、プローブ光-参照光時間差調整手段１０の組み合わせを適用して本発明の時間分解分光ユニット８０を構成することができる。その構成例を図１７〜図２８に示す。
図１７は第１〜第３実施形態の分岐手段６に適用可能な２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、合波手段３、プローブ光-参照光時間差調整手段１０の組み合わせについての一構成例を示す斜視図、図１８は図１７の構成例におけるフィルタ１４１上のプローブ光の分布を示す説明図、図１９は図１７の構成例におけるフィルタ１４１の開口を示す説明図、図２０は図１７の構成例におけるフィルタ１４１を通過するプローブ光の波長分布を示す説明図、図２１は図１７の構成例における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２２は図１７の構成例における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２３は図１７の構成例における面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。
【００８０】
図１７の構成例では、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１７中、３４，１１５は光減衰素子である。
【００８１】
ビームエキスパンダ１１は、回転対称なレンズ１１１，１１２からなり、プローブ光の光束径を拡大するように構成されている。また、ビームエキスパンダ１１は、回折格子１２に光を斜入射させるように配置されている。
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Ｆ１’面近傍に配置され、順次照射されるプローブ光を、ｘ軸方向に回折させる。
第１シリンドリカルレンズ１３１は、回折格子１２で回折されたプローブ光の波長成分を、後側焦平面Ｆ２上に分布させる。分布の様子を、図１８に示す。
【００８２】
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１９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にプローブ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プローブ光は、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２０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の開口を透過したプローブ光は、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。
【００８３】
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２１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、プローブ光は、(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、プローブ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、プローブ光の２次元光波とは、ｘ軸方向に連続して多重化されたプローブ光に時間遅延が生じ、かつ、ｙ軸方向にはプローブ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。
【００８４】
回折格子アレイ１５は、面Ｆ３’に配置されている。そして、図２２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２１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、プローブ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２１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１７の構成例では、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。
【００８５】
リレーレンズ２は、レンズ２１とレンズ２２とからなり、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２３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とし、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)
【００８６】
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°よりも小さくなるので、時間分解分光用撮像素子４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。
【００８７】
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、プローブ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、プローブ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。
プローブ光-参照光時間差調整手段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ができる。この移動によって、プローブ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。
合波手段３は、ビームエキスパンダ３３と、ビームスプリッタ３１と、レンズ３２とで構成されている。そして、分岐手段６で分岐された参照光を、レンズ２２を介して時間分解分光用撮像素子４上に平行光の状態で照射する。
【００８８】
図２４は第１〜第３実施形態の分岐手段６に適用可能な２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、合波手段３、プローブ光-参照光時間差調整手段１０の組み合わせについての他の構成例を示す斜視図、図２５は図２４の構成例における第１回折格子アレイ１４２上のプローブ光の分布を示す説明図、図２６は図２４の構成例における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１４２を示す説明図、図２７は図２４の構成例における第１回折格子アレイ１４２によって回折されるプローブ光を示す説明図である。
【００８９】
図２４の構成例では、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２４中、３４，１１５は光減衰素子である。
【００９０】
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、プローブ光の光束径を拡大するように構成されている。また、シリンドリカルビームエキスパンダ１１’は、回折格子１２に光を斜入射させるように配置されている。
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、順次照射されるプローブ光を、ｘ軸方向に回折させる。
第１レンズ１３３は、回折格子１２で回折されたプローブ光の波長成分を、後側焦平面Ｆ２上に分布させる。分布の様子を、図２５に示す。
【００９１】
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２６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、プローブ光の各波長は、図２７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。
【００９２】
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２１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、プローブ光の２次元光波も、ｘ軸方向に連続して多重化されたプローブ光に時間遅延が生じ、かつ、ｙ軸方向にはプローブ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。
【００９３】
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２２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２１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、プローブ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２１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２４の構成例では、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。
【００９４】
その他の構成及び作用は図１７の構成例と同様である。すなわち、この構成例でも、顕微鏡観察下において、試料Ｓの微小領域をポンプ光とプローブ光で照射可能であり、ポンプ光によって微小領域を刺激する。そしてこの微小領域によって変調を受けたプローブ光のみを、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、この構成例においても、微小領域における時間分解分光が可能になる。
【００９５】
図２８は、図２４の構成例における２次元光波変換手段１の変形例を示す説明図である。
図２８の構成例でにおいても、２次元光波変換手段１は、図２４の構成例における回折格子１２、及び回折格子アレイ１４２，１５を備えている。ただし、回折格子１２には、その回折格子が形成されている側の面に、平行平板１２１が設けられている。同様に、回折格子アレイ１４２には、その回折格子が形成されている側の面に、平行平板１４２１が設けられている。また、回折格子アレイ１５には、その回折格子が形成されている側の面に、平行平板１５１が設けられている。その他の構成は、図２４の構成例とほぼ同じである。
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、図２８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。
【００９６】
その他、図１７の構成例においても、回折格子１２，１５において、そ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２８の構成例と同様、回折格子へのゴミの付着防止効果が得られる。
【実施例１】
【００９７】
図２９は、本発明の実施例１にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す説明図である。なお、基本的構成は、図１、図２の構成と同じであり、顕微鏡７０を介して試料を観測し、時間分解分光ユニット８０によって、試料内の特定領域に関する時間分解分光を行うように構成されている。
そして、実施例１の顕微鏡装置では、分岐手段６には、図３に示した第１実施形態の構成を採用している。また、２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、合波手段３、プローブ光-参照光時間差調整手段１０には、図１７〜図２３に示した構成を採用している。
【００９８】
超短光パルス光源５は、中心波長が８００ｎｍ、波長幅±５ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の超短光を発振するフェムト秒レーザである。
分岐手段６は、ビームスプリッタ６２と、ミラー６３と、光減衰素子６３０と、ミラー６４と、微動ステージ６５と、ビームスプリッタ７２３と、スペーシャルフィルタ６６と、スペーシャルフィルタ６７を有して構成されている。
そして、超短光パルス光源５を出射した光は、ビームスプリッタ６２を介して、透過光と反射光とに２分される。２分された光は、夫々ミラー６３，６４で反射され、再びビームスプリッタ６２に入射する。ミラー６３で反射されビームスプリッタ６２を透過した光と、ミラー６４で反射されビームスプリッタ６２で反射された光が、導光手段９１を経てビームスプリッタ７２３に入射する。ビームスプリッタ７２３で反射された光は、試料Ｓを照射する。その際、ビームスプリッタ６２を介して２分された光の一方（プローブ光）には、微動ステージ６５を介して、他方（ポンプ光）に対して時間遅延が与えられる。このため、プローブ光はポンプ光によって刺激された試料Ｓによって変調される。
【００９９】
本実施例では、プローブ光は、ビームスプリッタ６２で反射された後、ミラー６３で反射され、更にビームスプリッタ６２を透過した光である。一方、ポンプ光は、ビームスプリッタ６２を透過した後、ミラー６４で反射され、更にビームスプリッタ６２で反射された光である。ポンプ光とプローブ光とは、夫々ビームスプリッタ６２を透過する際に平行平板６２ａで屈折することにより、空間的に平行に分離される。
スペーシャルフィルタ６６は、試料Ｓを透過後の平行に分離された光のうち、プローブ光のみを通過させ、ポンプ光を遮光する。これにより、２次元光波変換手段１には、プローブ光のみが入射する。
また、空間的に平行に分離された２つの光は、ビームスプリッタ７２３を透過する。スペーシャルフィルタ６７は、透過した光のうちポンプ光に相当する光のみを通過させ、プローブ光に相当する光を遮光する。スペーシャルフィルタ６７を通過した光は、参照光として用いられる。
【０１００】
２次元光波変換手段１は、ビームエキスパンダ１１と、ブラッグ型回折格子１２と、シリンドリカルレンズ１３１と、フィルタ１４１と、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。ビームエキスパンダ１１は、焦点距離１０ｍｍのレンズ１１１と、焦点距離１００ｍｍのレンズ１１２とからなる。シリンドリカルレンズ１３１、１３２は、それぞれ焦点距離１００ｍｍのレンズである。
【０１０１】
フラッグ型回折格子１２は、図１７に示したシリンドリカルレンズ１３１の前側焦平面Ｆ１を略４５°回転させた面Ｆ１’上に配置されていて、法線と光軸ＡＸとのなす角度が略４５°になっている。シリンドリカルレンズ１３１，１３２に関して面Ｆ１’と共役な面は、シリンドリカルレンズ１３２の後側焦平面Ｆ３を４５°回転させたときの面Ｆ３’となる。このため、共役となる面Ｆ３’も光軸ＡＸに対して略４５°の角度になっている。
ここで、ブラッグ型回折格子１２の格子定数は、１７６７本／ｍｍで、４５°で入射したプローブ光の中心波長の伝播方向の軸が光軸ＡＸに略一致するように選んでいる。
【０１０２】
また、実施例１の２次元光波変換手段１では、ビームエキスパンダ１１を介して、プローブ光を略１０倍に拡大している。また、ブラッグ型回折格子１２は、約１４．１４ｍｍ×１０ｍｍのサイズを持つ。このようなブラッグ型回折格子１２に、プローブ光を斜入射させる。このとき、プローブ光は８００±５ｎｍの波長幅を持つ。そのため、シリンドリカルレンズ１３１の後側焦平面Ｆ２上では、図１８に示すように、プローブ光に含まれる波長成分がｘ軸方向に分布する。このとき、例えば、８０５ｎｍ、８００ｎｍ、７９５ｎｍの波長は、光軸ＡＸに対して、夫々＋１．２６ｍｍ、０ｍｍ、−１．２４ｍｍの位置に分布する。
【０１０３】
フィルタ１４１は図１９に示すような開口を持つので、Ｆ３’面上ではｙ軸方向にプローブ光の波長成分が分布する。そして、Ｆ１’面のブラッグ型回折格子１２上に順次プローブ光が照射されると、Ｆ１’面と共役なＦ３’面上では、波長分布がｘ軸方向を移動することになる。その結果、Ｆ３’面上には、ｘ軸方向に時間変化、縦軸に波長に展開した２次元光波Ｓ３が生成される（図２１）。Ｆ３’面上での２次元光波Ｓ３のサイズは、１４．１４×１０ｍｍである。
【０１０４】
回折格子アレイ１５は、面Ｆ３'に入射する２次元光波Ｓ３について、各波長の光ごとに生じている角度分布を補正する。回折格子アレイ１５の仕様を次の表．１に示す。表．１の入射角度は、各波長の光が面Ｆ３'に入射する際の、回折格子アレイ１５の法線に対する角度である。回折格子アレイ１５を構成する回折格子１５Ａ〜Ｋが表．１のような周期構造を持てば、各波長の光における回折角度が４５°になる。その結果、面Ｆ３'を出射後における各波長の光の角度分布は、ほぼ０になる。
【０１０５】
表．１    回折格子アレイ１５の仕様
2006267651.tif 000003
【０１０６】
リレーレンズ２は、焦点距離ｆ２１＝１００ｍｍのレンズ２１と、焦点距離ｆ２２＝２５ｍｍのレンズ２２とで構成されている。面Ｆ３’と共役な面Ｆ４’に時間分解分光用撮像素子４の撮像面を一致させることにより、２次元光波像Ｓ４が撮像面上に分布する。面Ｆ３’が光軸ＡＸに対して４５°だけ傾き、リレーレンズ２の倍率が０．２５であるので、面Ｆ３’に共役な面Ｆ４’の光軸ＡＸに対する傾き角度を式(2)より算出すると１４．０°となる。また、このＦ４’面上での２次元光波像Ｓ４のサイズは式(3)より、２．５８×２．５ｍｍとなる。
【０１０７】
合波手段３は、ビームエキスパンダ３３と、焦点距離１００ｍｍのレンズ３２と、ビームスプリッタ３１とで構成されている。
２次元光波像Ｓ４が時間分解分光用撮像素子４上に分布するのと同時に、合波手段３を介して参照光を照射すると、２次元光波像Ｓ４を干渉縞パターンとして記録することができる。
時間分解分光用の撮像素子４には、固体撮像素子（ＣＣＤ）４を用いている。この撮像素子４により、２次元光波像Ｓ４の干渉パターンが得られる。
【０１０８】
以上のように、本実施例では、リレーレンズ２として倍率が０．２５の縮小倍率を有する光学系を用いている。よって、光軸ＡＸに対して４５°傾いていた面Ｆ３’に共役な面Ｆ４’の傾き角度を、１４．０°と小さくできる。よって、撮像素子４におけるシェーディングの影響を、大幅に減少させることが可能となる。
更に、非常に微小な領域について観察と時間分解分光とを同時に可能とする顕微鏡が得られる。
【０１０９】
実施例１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プローブ光の時間分解分光計測を行うことができる。
本実施例では、所定肉厚を持つ透明な平行平板６２ａの両面に、夫々ハーフミラー面６２ｂ，６２ｃを備えて構成されたビームスプリッタ６２を備えている。そして、このビームスプリッタ６２と、ミラー６３，６４を介して、ポンプ光とプローブ光とを空間的に分離させたので、必要なプローブ光と参照光のみを取り出すことができる。その結果、非常に微小な領域の観察と時間分解分光計測を同時に、しかも高精度に行うことができる。更に、光路中の所定の位置に遮光部材を配置することにより、より確実に、検出位置において不要となるポンプ光を遮光することができる。
【０１１０】
なお、図２９に示した構成例では、分岐手段６には、図３に示した第１実施形態の構成を採用したが、図４〜図１０に示した変形例の構成を用いても良い。
【実施例２】
【０１１１】
図３０は、本発明の実施例２にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す説明図である。なお、基本的構成は、図１、図２の構成と同じであり、顕微鏡７０を介して試料を観測し、時間分解分光ユニット８０によって、試料内の特定領域に関する時間分解分光を行うように構成されている。
そして、実施例２の顕微鏡装置では、分岐手段６には、図１１に示した第２実施形態の構成が採用されている。また、２次元光波変換手段１は、図２４〜図２７に示した構成が採用されている。
【０１１２】
超短光パルス光源５は、中心波長が８００ｎｍ、波長幅±５ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の超短光を発振するフェムト秒レーザである。
分岐手段６は、ビームスプリッタ６１と、ビームスプリッタ６２’と、ミラー６３と、光減衰素子６３０と、ミラー６４１，６４２と、微動ステージ６４３と、微動ステージ６５と、スペーシャルフィルタ６６を有して構成されている。
そして、超短光パルス光源５を出射した光は、ビームスプリッタ６１を介して２分される。ビームスプリッタ６１で反射された光は、参照光として用いられる。ビームスプリッタ６１を透過した光は、ビームスプリッタ６２’を介して透過光と反射光とに２分される。２分された光は、夫々ミラー６３、６４１，６４２で反射され、再びビームスプリッタ６２’に入射する。ミラー６３で反射されビームスプリッタ６２’を透過した光と、ミラー６４１，６４２で反射されビームスプリッタ６２’で反射された光が、導光手段９１を経てビームスプリッタ７２３に入射する。ビームスプリッタ７２３で反射された光は、試料Ｓを照射する。その際、ビームスプリッタ６２’を介して２分された光の一方（プローブ光）には、微動ステージ６５を介して、他方（ポンプ光）に対して時間遅延が与えられる。このため、プローブ光は、ポンプ光によって刺激された試料Ｓによって変調される。
【０１１３】
本実施例では、ポンプ光は、ビームスプリッタ６２’を透過した後、ミラー６４１，６４２で反射され、更に、ビームスプリッタ６２’で反射された光である。一方、プローブ光は、ビームスプリッタ６２’で反射された後、ミラー６３で反射され、更にビームスプリッタ６２’を透過した光である。ポンプ光を生成する光路では、ミラー６４２で反射された光は、入射光の光路に対して平行にシフトした光路を辿り、ビームスプリッタ６２’に入射する。そのため、プローブ光（ミラー６３で反射された後、ビームスプリッタ６２’を透過した光）と、ポンプ光（ミラー６４１，６４２で反射された後、ビームスプリッタ６２’で反射された光）とは、空間的に平行に分離される。
なお、微動ステージ６４３により、ミラー６４１及びミラー６４２の移動量を調整することで、ポンプ光とプローブ光の空間的分離量が調整されている。
スペーシャルフィルタ６６は、試料Ｓを透過後の平行に分離された光のうち、プローブ光のみを通過させ、ポンプ光を遮光する。これにより、２次元光波変換手段１には、プローブ光のみが入射する。
【０１１４】
２次元光波変換手段１は、レンズ１１１、レンズ１１２、シリンドリカルビームエキスパンダ１１’、ブラッグ型回折格子１２、第１レンズ１３３、第１回折格子アレイ１４２、第２レンズ１３４及び第２回折格子アレイ１５とで構成されている。ここで、レンズ１１１の焦点距離は１００ｍｍ、レンズ１１２の焦点距離は５０ｍｍである。また、シリンドリカルビームエキスパンダ１１’はシリンドリカルレンズ１１３，１１４で構成されており、倍率は１０である。第１レンズ１３３と第２レンズ１３４は、それぞれ焦点距離ｆ＝４０ｍｍの正の屈折力をもつレンズである。
【０１１５】
ブラッグ型回折格子１２は、図２４に示したように、第１レンズ１３３の前側焦平面Ｆ１を略４５°回転させた面Ｆ１’上に配置されていて、法線と光軸ＡＸとのなす角度が略４５°になっている。レンズ１３３，１３４に関して面Ｆ１'と共役な面は、第２レンズ１３４の後側焦平面Ｆ３を４５°回転させたときの面Ｆ３'となる。このため、共役となる面Ｆ３'も光軸ＡＸに対して略４５°の角度になっている。
【０１１６】
また、実施例２の２次元光波変換手段１では、シリンドリカルビームエキスパンダ１１’を介して、プローブ光を略１０倍に拡大している。また、ブラッグ型回折格子１２は、約１４．１４ｍｍ×１ｍｍのサイズを持つ。このようなブラッグ型回折格子１２に、プローブ光を斜入射させる。このとき、変調プローブ光は８００±５ｎｍの波長幅を持つ。そのため、第１レンズ１３３の後側焦平面Ｆ２上では、図２５に示すように、プローブ光に含まれる各波長成分がｘ軸方向に沿って分布する。このとき、例えば、８０５ｎｍ、８００ｎｍ、７９５ｎｍの波長は、光軸ＡＸに対して、夫々＋０．５ｍｍ、０ｍｍ、−０．５ｍｍの位置に分布する。
【０１１７】
第１回折格子アレイ１４２は、フィルタとして機能する。この第１回折格子アレイ１４２は、図２６に示すように、ｘ軸方向に異なる格子定数を有する回折格子１４２ａ〜１４２ｋで構成され、プローブ光の各波長成分を異なる角度で回折させる。表．２に第１回折格子アレイ１４２の仕様を示す。表．２中、格子定数の符号は、面Ｆ２においてｙ軸に関して＋方向に回折する場合は正、−方向に回折する場合は負として表している。ｙ座標は、第２レンズ１３４を出射後の各波長のｙ軸方向の高さを表している。
【０１１８】
表．２    第１回折格子アレイ１４２の仕様
2006267651.tif 000004
【０１１９】
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を出射すると、夫々ｘ−ｚ面に平行になって面Ｆ３'に入射する。このとき面Ｆ３'上では、ｙ軸方向
にプローブ光の波長成分が分布する。そして、面Ｆ１'のブラッグ型第１回折格子１２上に順次プローブ光が照射されると、Ｆ１’面と共役な面Ｆ３'上では波長分布がｘ軸方向
を移動することになる。よって、図２１と同様に、ｘ軸方向に時間が変化し、縦軸に波長
が展開された２次元光波Ｓ３が生成される。面Ｆ３'上の２次元光波Ｓ３のサイズは１４．１４×１０ｍｍである。
【０１２０】
第２回折格子アレイ１５は、図２２に示されるように、ｙ軸方向に周期の異なる回折格子１５Ａ〜Ｋが並んで構成されている。回折格子アレイ１５は、面Ｆ３'に入射する２次元光波Ｓ３について、各波長の角度分布を補正する。第２回折格子アレイ１５の仕様を次の表．３に示す。表．３の入射角度は、各波長の光が面Ｆ３'に入射する際の、第２回折格子アレイ１５の法線に対する角度である。第２回折格子アレイ１５を構成する回折格子１５Ａ〜Ｋが表．３のような周期構造を持てば、各波長の光における回折角度が４５°になる。その結果、面Ｆ３'を出射後における各波長の光の角度分布は、ほぼ０になる。
【０１２１】
表．３    第２回折格子アレイ１５の仕様
2006267651.tif 000005
【０１２２】
リレーレンズ２は、焦点距離ｆ２１＝１００ｍｍのレンズ２１と、焦点距離ｆ２２＝２５ｍｍのレンズ２２とで構成されている。本実施例でも、時間分解分光用の撮像素子として固体撮像素子（ＣＣＤ）４を用いている。そこで、面Ｆ３’と共役な面Ｆ４’に撮像素子４の撮像面を一致させることにより、２次元光波像Ｓ４が撮像面上に分布する。面Ｆ３’が光軸ＡＸに対して４５°だけ傾き、リレーレンズ２の倍率が０．２５であるので、面Ｆ３’に共役な面Ｆ４’の光軸ＡＸに対する傾き角度を式(2)より算出すると１４．０°となる。また、このＦ４’面上での２次元光波像Ｓ４のサイズは式(3)より、２．５８×２．５ｍｍとなる。
【０１２３】
合波手段３は、ビームエキスパンダ３３と、焦点距離１００ｍｍのレンズ３２とビームスプリッタ３１とで構成されている。
２次元光波像Ｓ４が撮像素子４上に分布するのと同時に、合波手段３を介して参照光を照射すると、２次元光波像Ｓ４を干渉縞パターンとして記録することができる。
前述のように、撮像素子４には固体撮像素子（ＣＣＤ）４を用いており、２次元光波像Ｓ４の干渉パターンが得られる。
【０１２４】
以上のように、本実施例では、リレーレンズ２として、倍率が０．２５の縮小倍率を有する光学系を用いている。よって、光軸ＡＸに対して４５°傾いていた面Ｆ３’に共役な面Ｆ４’の傾き角度を、１４．０°と小さくできる。その結果、撮像素子４におけるシェーディングの影響を、大幅に減少させることが可能となる。
更に、非常に微小な領域について観察と時間分解分光とを同時に可能とする顕微鏡が得られる。
【０１２５】
実施例２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プローブ光の時間分解分光計測を行うことができる。
本実施例では、ビームスプリッタ６２’と、ミラー６３と、ミラー６４１，６４２を介して、ポンプ光とプローブ光とを空間的に分離させたので、必要なプローブ光のみを取り出すことができる。その結果、非常に微小な領域の観察と時間分解分光計測を同時に、しかも高精度に行うことができる。更に、光路中の所定の位置に遮光部材を配置することにより、より確実に、検出位置において不要となるポンプ光を遮光することができる。
【０１２６】
なお、分岐手段６のミラー６４１，６４２の代わりに、直角をなす２つの面に夫々反射面を備えた直角プリズムを用いてもよい。
また、図３０に示した構成例では、分岐手段６には、図１１に示した第２実施形態の構成を採用したが、図１２、図１３に示した変形例の構成を用いても良い。また、図１４〜図１６に示した第３実施形態の構成やその変形例の構成を用いても良い。
【０１２７】
さらに、本発明の顕微鏡装置は、一般的なポンプ−プローブ法以外の他の観察手法による顕微鏡装置を構成することができる。以下に、その構成例を説明する。
【実施例３】
【０１２８】
図３１は、本発明の実施例３にかかる顕微鏡装置における分岐手段６の構成を示す説明図である。なお、分岐手段６以外の構成は、上記実施形態１〜４及び実施例１、２で示した構成と同じ構成を用いることが出来る。その部分の説明は省略する。
実施例３の顕微鏡装置は、本発明の顕微鏡装置における分岐手段６の構成を応用して、コヒーレントラマン散乱光を観察する顕微鏡装置を構成したものである。この顕微鏡装置においては、２つの周波数の異なる光をポンプ光、発生するコヒーレントラマン散乱光をプローブ光としてみなすとともに、時間差調整手段を２つの光の時間差を無くすように用いることで、本発明の顕微鏡装置の構成が適用できる。
【０１２９】
図３１の顕微鏡装置は、周波数の異なる２つの光を、試料に照射して計測を行う例である。周波数の異なる２つの光を試料に照射すると、試料内の分子が励起される。そして、励起された分子振動によって、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光（ＣＡＲＳ光）が発生する。図３１の顕微鏡装置は、このコヒーレントアンチストークスラマン散乱光計測する。実施例２以前で使用した表現と一致させるため、便宜上、周波数の異なる２つの光をポンプ光、ＣＡＲＳ光をプローブ光と呼んで説明する（コヒーレントアンチストークスラマン散乱で用いられるポンプ光は、ここでは、周波数ω1の光と呼ぶことにする）。ここで、２つの周波数の光を、ω1、ω2（ω1＞ω2）とし、また波数ベクトルをｋ1、ｋ2とする。すると、発生するプローブ光（ＣＡＲＳ光）の周波数とベクトルは、２ω1−ω2，２ｋ1−ｋ2を満足する。
【０１３０】
実施例３の顕微鏡装置では、分岐手段６は、ビームスプリッタ６２”と、ミラー６３１’，６３２’，６３３’，６３４’，６３５’と、微動ステージ６３６’と、ミラー６４”と、微動ステージ６５”と、ビームスプリッタ６２”’と、ビームスプリッタ７２３と、スペーシャルフィルタ６６と、スペーシャルフィルタ６７を有して構成されている。
ビームスプリッタ６２”は、超短光パルス光源５からの光のうち、第１の光として用いる所定波長の光を透過し、第２の光として用いる所定波長の光を反射させるように構成されている。
ミラー６４”は、ビームスプリッタ６２”を、透過した第１の光をビームスプリッタ６２”’へ向けて反射するように配置されている。
ミラー６３１’〜６３５’は、ビームスプリッタ６２”で反射された第２の光を、ビームスプリッタ６２”’へ向けて反射するように配置されている。
【０１３１】
ビームスプリッタ６２”’は、第１の光を透過し、第２の光を反射するように構成されている。これによって、互いが平行に分離した状態で、２つの光を導光手段９１のミラー９１２に入射させることができる。
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。微動ステージ６５”は、ミラー４６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ことになる。
【０１３２】
微動ステージ６３６’は、ミラー６３３'及びミラー６３４’を、ミラー６３２'の入射光軸及びミラー６３５’の射出光軸に沿う方向に移動可能に構成されている。微動ステージ６３６’は、ミラー６３３'及びミラー６３４’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ことになる。ただし、実施例３の顕微鏡装置では、微動ステージ６３６’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、微動ステージ６３６’は、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。
【０１３３】
ビームスプリッタ７２３は、本実施例における分岐手段として機能する。ビームスプリッタ７２３は、第１導光手段９１を経た２つの光の一部を反射し、残りを透過する。このようにすることで、２つの光の各々を、顕微鏡７０内の試料Ｓに向かう光路と、試料Ｓに向かわない光路との２方向に分岐する。
この結果、ビームスプリッタ７２３で反射された光は、顕微鏡７０の試料Ｓに向かう光路を通る。この光路を通る第１の光と第２の光は、共に試料Ｓの同一な微小領域に照射される。そして、第１の光と第２の光の差周波ω1−ω2で、試料内の分子振動を励起する。すると、ベクトルｋ1−ｋ2の方向に、中心周波数２ω1−ω2のＣＡＲＳ光が生成される。このＣＲＡＳ光は、スペーシャルフィルタ６６を通過後に、２次元光波変換手段１へ入射されることになる。
一方、ビームスプリッタ７２３を透過した光は、試料Ｓに向かわない光路を通る。この光路を通る第１の光及び第２の光のうち、第１の光は、参照光として用いられる。
スペーシャルフィルタ６６は、本発明におけるＣＡＲＳ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ＣＡＲＳ光のみを開口６６ａを介して通過させ、その他の光を遮光する。
また、スペーシャルフィルタ６７は、本発明における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。
また、スペーシャルフィルタ６６，６７に加えて、波長選択フィルタ６６’、６７’を用いても良い。
【０１３４】
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。
【０１３５】
（１）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１〜２４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【０１３６】
（２）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上記（１）に記載の顕微鏡装置。
【０１３７】
（３）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上記（１）又は（２）に記載の顕微鏡装置。
【０１３８】
（４）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上記（１）又は（２）に記載の顕微鏡装置。
【０１３９】
（５）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上記（３）に記載の顕微鏡装置。
【０１４０】
（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上記（４）に記載の顕微鏡装置。
【０１４１】
（７）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上記（１）〜（６）のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【０１４２】
（８）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（７）に記載の顕微鏡装置。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
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医学、薬学、生物学の分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【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における分岐手段の構成を示す説明図である。
【図４】図３に示した分岐手段６の一変形例の構成を示す説明図である。
【図５】図３に示した分岐手段６の他の変形例の構成を示す説明図である。
【図６】図３に示した分岐手段６のさらに他の変形例の構成を示す要部説明図である。
【図７】図６に示したビームスプリッタ６２１の拡大図である。
【図８】図６に示したミラー６２２の拡大図である。
【図９】図３に示した分岐手段６のさらに他の変形例の構成を示す要部説明図である。
【図１０】図９に示したプリズム６２３の拡大図である。
【図１１】本発明の第２実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段の構成を示す説明図である。
【図１２】図１１に示した分岐手段６の一変形例の構成を示す説明図である。
【図１３】図１１に示した分岐手段６の他の変形例の構成を示す説明図である。
【図１４】本発明の第３実施形態にかかる顕微鏡装置における分岐手段の構成を示す説明図である。
【図１５】図１４に示した分岐手段６の一変形例の構成を示す説明図である。
【図１６】図１４に示した分岐手段６の他の変形例の構成を示す説明図である。
【図１７】第１〜第３実施形態の分岐手段６に適用可能な２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、合波手段３、プローブ光-参照光時間差調整手段１０の組み合わせについての一構成例を示す斜視図である。
【図１８】図１７の構成例におけるフィルタ１４１上のプローブ光の分布を示す説明図である。
【図１９】図１７の構成例におけるフィルタ１４１の開口を示す説明図である。
【図２０】図１７の構成例におけるフィルタ１４１を通過するプローブ光の波長分布を示す説明図である。
【図２１】図１７の構成例における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２２】図１７の構成例における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２３】図１７の構成例における面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２４】第１〜第３実施形態の分岐手段６に適用可能な２次元光波変換手段１、リレーレンズ２、合波手段３、プローブ光-参照光時間差調整手段１０の組み合わせについての他の構成例を示す斜視図である。
【図２５】図２４の構成例における第１回折格子アレイ１４２上のプローブ光の分布を示す説明図である。
【図２６】図２４の構成例における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１４２を示す説明図である。
【図２７】図２４の構成例における第１回折格子アレイ１４２によって回折されるプローブ光を示す説明図である。
【図２８】図２４の構成例における２次元光波変換手段１の変形例を示す説明図である。
【図２９】本発明の実施例１にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す説明図である。
【図３０】本発明の実施例２にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す説明図である。
【図３１】本発明の実施例３にかかる顕微鏡装置における分岐手段６の構成を示す説明図である。
【図３２】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３３】図３２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３４】図３２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。
【符号の説明】
【０１４５】
１          ２次元光波変換手段
２          リレーレンズ
３          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        プローブ光-参照光時間差調整手段
１１、３３、７９３          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、７９３１、７９３２            レンズ
３１、６１、６２、６２’、６２”、６２”’、６２１、７３５      ビームスプリッタ
３４、１１５、６３０               光減衰素子
６２ａ、１２１、１４２１、１５１   平行平板
６２ｂ、６２ｃ、６２ａ’           ハーフミラー面
６３、６４、６４”、１０１、１０２、１０３、６３１’、６３２’、６３３’、６３４’、６３５’、６４１、６４２、９１１、９１２、９２２    ミラー
６５、６５”、１０４、６３６’、６４３             微動ステージ
６６、６７、７９４      スペーシャルフィルタ
６６ａ、６７ａ          開口
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
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
６２１ａ    基板
６２１ｂ、６２１ｃ、６２２ｂ、６２２ｄ          面
６２２、６２３          プリズム
６２２ａ、６２３ａ      透明部材
６２２ｃ    反射面
６２３ｃ    斜面
７２１      コレクタレンズ
７２２      コンデンサレンズ
７２３      ビームスプリッタ
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
７９１      λ／４板
７９２      偏光板
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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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