(57)【要約】【課題】波長が変化したり顕微鏡本体の正分散量が変化したりしても顕微鏡本体から標本に対して超短パルスレーザ光を照射することを可能とし、多光子励起現象を効率的に発生させて鮮明な蛍光画像を取得する。【解決手段】レーザ光源２と、出射された超短パルスレーザ光をポジティブチャープ化しつつ伝播させる第１の光ファイバ４と、伝播されたレーザ光をネガティブチャープ化する負分散光学系６と、負分散光学系６を通過したレーザ光をポジティブチャープ化しつつ伝播させる第２の光ファイバ８と、伝播されたレーザ光をさらにポジティブチャープ化し、生成された超短パルスレーザ光を標本Ａに照射する顕微鏡本体１０とを備え、負分散光学系６に、レーザ光源２からの超短パルスレーザ光の波長の変化または顕微鏡本体１０における正分散量の変化に応じて、負分散量を調節する負分散量調節部２４が設けられているレーザ顕微鏡１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
該レーザ光源から出射された超短パルスレーザ光をポジティブチャープ化しつつ伝播させる第１の光ファイバと、
該第１の光ファイバにより伝播されたレーザ光をネガティブチャープ化する負分散光学系と、
該負分散光学系を通過したレーザ光をポジティブチャープ化しつつ伝播させる第２の光ファイバと、
該第２の光ファイバにより伝播されたレーザ光をさらにポジティブチャープ化し、生成された超短パルスレーザ光を標本に照射する顕微鏡本体とを備え、
前記負分散光学系に、前記レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長の変化または顕微鏡本体における正分散量の変化に応じて、負分散量を調節する負分散量調節部が設けられているレーザ顕微鏡。
【請求項２】
前記第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射位置を調節する第１のアライメント調節部と、
前記第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を調節する第２のアライメント調節部とを備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項３】
前記レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長および／または前記顕微鏡本体の正分散量と対応づけて、前記第１のアライメント調節部および前記第２のアライメント調節部による入射位置を記憶する入射位置記憶部を備える請求項２に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１の光ファイバから出射されるレーザ光の出力を検出する第１の出力検出部と、
該第１の出力検出部による検出結果に基づいて、第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射位置を調節する第１のアライメント調節部と、
前記第２の光ファイバから出射されるレーザ光の出力を検出する第２の出力検出部と、
該第２の出力検出部による検出結果に基づいて、第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を調節する第２のアライメント調節部とを備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項５】
前記レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長および／または前記顕微鏡本体の正分散量と対応づけて、前記第１のアライメント調節部および前記第２のアライメント調節部による入射位置を記憶する入射位置記憶部を備える請求項４に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項６】
前記第１のアライメント調節部は、前記第１の出力検出部により検出されるレーザ光の出力が所定の閾値以下となったときに第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射位置を調節し、
前記第２のアライメント調節部は、前記第２の出力検出部により検出されるレーザ光の出力が所定の閾値以下となったときに第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を調節する請求項４または請求項５に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項７】
前記入射位置記憶部に記憶された入射位置に前記第１または第２のアライメント調節部を調節する際に、第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射を遮断するシャッタを備える請求項３または請求項５に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項８】
前記レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長および／または前記顕微鏡本体の正分散量と対応づけて、前記負分散光学系の負分散量を記憶する負分散量記憶部を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項９】
前記顕微鏡本体が、超短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズを備え、
該対物レンズから出射された超短パルスレーザ光のパルス幅または標本において発生する蛍光の強度を検出する対物検出部と、
前記負分散光学系が、該対物検出部における検出結果に基づいて負分散量を調節する請求項１から請求項８のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１０】
前記負分散光学系が、グレーティング対またはプリズム対を含む請求項１から請求項９のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１１】
前記第１の光ファイバおよび第２の光ファイバがシングルモードファイバからなる請求項１から請求項１０のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１２】
前記第１の光ファイバおよび第２の光ファイバが、偏波保持型シングルモードファイバからなる請求項１１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１３】
前記第１の光ファイバおよび第２の光ファイバが、フォトニッククリスタルファイバからなる請求項１１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１４】
前記第１の光ファイバから出射されるレーザ光を略平行光にする１以上のレンズからなるコリメートレンズと、
前記レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長の変化に応じて、該コリメートレンズを構成するレンズの光軸方向位置を調節するコリメートレンズ調節部とを備える請求項１から請求項１３のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１５】
前記第２の光ファイバの出射端と前記顕微鏡本体との間に配置され、該顕微鏡本体に入射されるレーザ光の光束径および光束広がり角を調節する１以上のレンズからなるビーム整形光学系と、
前記レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長の変化に応じて、該ビーム整形光学系を構成するレンズの光軸方向位置を調節するレンズ位置調整機構とを備える請求項１から請求項１４のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１６】
前記レーザ光源と前記第１の光ファイバとの間または前記第２の光ファイバと前記顕微鏡本体との間のいずれかに、レーザ光の強度を変調する強度変調器を備える請求項１から請求項１５のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１７】
前記レーザ光源と前記第１の光ファイバとの間に、該第1の光ファイバに入射するレーザ光のピーク強度を調整する正分散量可変部を備える請求項１から請求項１６のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１８】
前記レーザ光源、第１の光ファイバおよび負分散光学系を含む光源ユニットと、顕微鏡本体とを第２の光ファイバにより接続してなる請求項１から請求項１７のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超短パルスレーザ光源から出射された超短パルスレーザ光を第１の光ファイバを介して伝播し、該第１の光ファイバにより伝播されたレーザ光を負分散媒質に導入してネガティブチャープ化し、その後、第２の光ファイバに伝播させて顕微鏡本体に導入する多光子励起型レーザ顕微鏡が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
このレーザ顕微鏡によれば、第２の光ファイバの出射端と顕微鏡との間の光学系が比較的簡素なため、超短パルスレーザ光の高出力伝送を効率よく行うことができる。
【０００３】
【非特許文献１】S.W.Clark et al.,"Fiber delivery of femtosecond pulses from a Ti:sapphire laser.", Opt.Lett. 26, 1320(2001), P.1320-1322
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に示されるレーザ顕微鏡では、超短パルスレーザ光の波長を変更したり、顕微鏡本体の対物レンズを交換したりした場合に、第１の光ファイバ内の非線形効果と第２の光ファイバ内の非線形効果のバランスが崩れたり、第２の光ファイバ出射端から標本面までの総正分散量が変化したりするため、顕微鏡本体の対物レンズから所望のパルス幅の超短パルスレーザ光を出射させることができず、標本における多光子励起現象を効率的に発生させることができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、波長が変化したり顕微鏡本体の正分散量が変化したりしても顕微鏡本体から標本に対して超短パルスレーザ光を照射することを可能とし、多光子励起現象を効率的に発生させて鮮明な蛍光画像を取得することができる顕微鏡装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源から出射された超短パルスレーザ光をポジティブチャープ化しつつ伝播させる第１の光ファイバと、該第１の光ファイバにより伝播されたレーザ光をネガティブチャープ化する負分散光学系と、該負分散光学系を通過したレーザ光をポジティブチャープ化しつつ伝播させる第２の光ファイバと、該第２の光ファイバにより伝播されたレーザ光をさらにポジティブチャープ化し、生成された超短パルスレーザ光を標本に照射する顕微鏡本体とを備え、前記負分散光学系に、前記レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長の変化または顕微鏡本体における正分散量の変化に応じて、負分散量を調節する負分散量調節部が設けられているレーザ顕微鏡を提供する。
【０００７】
本発明によれば、レーザ光源から出射された超短パルスレーザ光が、第１の光ファイバを介して伝播させられる間にファイバの正分散特性によりポジティブチャープ化され、負分散光学系を通過させられる間に光学系の負分散特性によりネガティブチャープ化され、第２の光ファイバを介して伝播させられる間にファイバの正分散特性によりネガティブチャープがキャンセルされた状態で顕微鏡本体に入射され、標本に照射される。２本の光ファイバおよび顕微鏡本体において付与される正分散量に対向し得る大きさの負分散量を負分散光学系において付与するように調節しておくことにより、顕微鏡本体から標本に対して超短パルスレーザ光を照射することが可能となり、標本における多光子励起現象を効率的に発生させて鮮明な蛍光画像を取得することができる。
【０００８】
この場合において、本発明によれば、レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長が変化したり顕微鏡本体における正分散量が変化したりした場合に、負分散量調節部の作動により、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に配置された負分散光学系の負分散量が調節される。したがって、第１の光ファイバ内の非線形効果と第２の光ファイバ内の非線形効果とのバランスが維持され、顕微鏡本体から標本に照射する超短パルスレーザ光のパルス幅を十分に短くすることができる。
【０００９】
また、上記発明においては、前記第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射位置を調節する第１のアライメント調節部と、前記第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を調節する第２のアライメント調節部とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、第１、第２のアライメント調節部の作動により、第１，第２の光ファイバへのレーザ光のカップリング効率を向上し、高出力の超短パルスレーザ光を標本に照射することができる。また、出力の高いレーザ光が第１，第２の光ファイバのコアから外れることを防止して、第１，第２の光ファイバの劣化防止を図ることができる。また、負分散量光学系による負分散量の調節に応じて第２の光ファイバへの入射アライメントを精度よく調節することにより、第１，第２の光ファイバの非線形効果のバランスを維持して、顕微鏡本体から超短パルスレーザ光を出射させることができる。これにより、標本における多光子励起効果を向上し、鮮明な蛍光画像を得ることができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長および／または前記顕微鏡本体の正分散量と対応づけて、前記第１のアライメント調節部および前記第２のアライメント調節部による入射位置を記憶する入射位置記憶部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長や顕微鏡本体における正分散量が変化したときに、これに応じて入射位置記憶部に記憶されている入射位置を読み出して第１、第２のアライメント調節部による入射位置に調節を行うことにより、簡易かつ迅速にレーザ光のカップリング効率の向上を図ることができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記第１の光ファイバから出射されるレーザ光の出力を検出する第１の出力検出部と、該第１の出力検出部による検出結果に基づいて、第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射位置を調節する第１のアライメント調節部と、前記第２の光ファイバから出射されるレーザ光の出力を検出する第２の出力検出部と、該第２の出力検出部による検出結果に基づいて、第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を調節する第２のアライメント調節部とを備えることとしてもよい。
【００１２】
このようにすることで、第１の出力検出部よる検出の結果、第１の光ファイバからのレーザ光の出力が低下している場合に、第１のアライメント調節部を作動させ、第１の出力検出部において検出される出力を維持することができる。また、第２の出力検出部よる検出の結果、第２の光ファイバからのレーザ光の出力が低下している場合に、第２のアライメント調節部を作動させ、第２の出力検出部において検出される出力を維持することができる。これにより、第１、第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を自動調節でき、より精密に高出力伝送を維持することができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長および／または前記顕微鏡本体の正分散量と対応づけて、前記第１のアライメント調節部および前記第２のアライメント調節部による入射位置を記憶する入射位置記憶部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長や顕微鏡本体における正分散量が変化したときに、まず、入射位置記憶部に記憶されている入射位置を読み出して第１、第２のアライメント調節部による入射位置に調節を行うことにより、簡易かつ迅速にレーザ光のカップリング効率の向上を図ることができる。その後、レーザ光の入射位置が不適正になったときに、第１、第２のアライメント調節部の作動により、第１、第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を自動調節でき、より精密に高出力伝送を維持することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記第１のアライメント調節部は、前記第１の出力検出部により検出されるレーザ光の出力が所定の閾値以下となったときに第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射位置を調節し、前記第２のアライメント調節部は、前記第２の出力検出部により検出されるレーザ光の出力が所定の閾値以下となったときに第２の光ファイバへのレーザ光の入射位置を調節することとしてもよい。
このようにすることで、顕微鏡本体から標本に照射する超短パルスレーザ光の出力を常時安定させ、安定した蛍光観察を行うことができる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記入射位置記憶部に記憶された入射位置に前記第１または第２のアライメント調節部を調節する際に、第１の光ファイバへの超短パルスレーザ光の入射を遮断するシャッタを備えることとしてもよい。
入射位置記憶部に記憶された入射位置が達成されるようにするための第１または第２のアライメント調節部の調節においては、現実にレーザ光を入射させる必要がない。
このようにすることで、アライメント調節部による調節中に、レーザ光が光ファイバのコアから外れた位置に入射されることによる光ファイバの劣化を防止することができる。
【００１６】
また、上記発明においては、前記レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長および／または前記顕微鏡本体の正分散量と対応づけて、前記負分散光学系の負分散量を記憶する負分散量記憶部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、レーザ光源から出射される超短パルスレーザ光の波長や顕微鏡本体における正分散量が変化したときに、まず、負分散量記憶部に記憶されている負分散量を読み出して負分散光学系の負分散量を調節することにより、簡易かつ迅速に第１，第２の光ファイバ内における非線形効果のバランスを図り、適正な超短パルスレーザ光を標本に照射することができる。
【００１７】
また、上記発明においては、前記顕微鏡本体が、超短パルスレーザ光を標本に照射する対物レンズを備え、該対物レンズから出射された超短パルスレーザ光のパルス幅または標本において発生する蛍光の強度を検出する対物検出部と、前記負分散光学系が、該対物検出部における検出結果に基づいて負分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、対物検出部において検出された対物レンズから出射された超短パルスレーザ光のパルス幅または標本において発生する蛍光の強度が不適正なときに、これに応じて負分散光学系により付与する負分散量が調節される。これにより、対物レンズから標本に照射される超短パルスレーザ光の短いパルス幅と高出力とを維持し、多光子励起効果を効率的に発生させて鮮明な蛍光画像を取得することができる。
【００１８】
また、上記発明においては、前記負分散光学系が、グレーティング対またはプリズム対を含むこととしてもよい。
このようにすることで、グレーティング対のグレーティング間隔あるいはプリズム対のプリズム間隔を調節することによって、容易に負分散量を調節することができる。
【００１９】
また、上記発明においては、前記第１の光ファイバおよび第２の光ファイバがシングルモードファイバからなることとしてもよい。
このようにすることで、第１および第２の光ファイバ内におけるモード分散の発生を防止し、伝送される超短パルスレーザ光のパルス幅制御を容易に行うことが可能となる。
【００２０】
また、上記発明においては、前記第１の光ファイバおよび第２の光ファイバが、偏波保持型シングルモードファイバからなることとしてもよい。
このようにすることで、ランダム偏光型の光ファイバを使用する場合と比較して、ファイバ出射端の偏光状態を調整するためのλ／４板、λ／２板およびその回転機構等の付帯する機器が不要となり、第１、第２の光ファイバから出射されるレーザ光の偏光を簡易に整えることができる。
【００２１】
また、上記発明においては、前記第１の光ファイバおよび第２の光ファイバが、フォトニッククリスタルファイバからなることとしてもよい。
このようにすることで、広い波長域での超短パルスレーザ光のシングルモード伝送が可能となる。また、大口径化を図ることができ、第１，第２の光ファイバ内における非線形効果を低減して、伝送されるレーザ光のパルス幅制御を容易にすることができる。
【００２２】
また、上記発明においては、前記第１の光ファイバから出射されるレーザ光を略平行光にする１以上のレンズからなるコリメートレンズと、前記レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長の変化に応じて、該コリメートレンズを構成するレンズの光軸方向位置を調節するコリメートレンズ調節部とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、超短パルスレーザ光の波長の変化に応じて、コリメートレンズ調節部の作動により、コリメートレンズを構成するレンズの光軸方向位置を調節し、第２の光ファイバのカップリング効率を向上でき、第１の光ファイバから出射されるレーザ光を無駄なく利用し、高出力伝送を図ることができる。
【００２３】
また、上記発明においては、前記第２の光ファイバの出射端と前記顕微鏡本体との間に配置され、該顕微鏡本体に入射されるレーザ光の光束径および光束広がり角を調節する１以上のレンズからなるビーム整形光学系と、前記レーザ光源からの超短パルスレーザ光の波長の変化に応じて、該ビーム整形光学系を構成するレンズの光軸方向位置を調節するレンズ位置調整機構とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、超短パルスレーザ光の波長の変化に応じて、レンズ位置調整機構の作動により、ビーム整形光学系を構成するレンズの光軸方向位置を調節し、顕微鏡本体に入射されるレーザ光の光束径および光束広がり角を調節して、標本に照射される超短パルスレーザ光の開口数を確保し、多光子励起効率および分解能を向上することができる。
【００２４】
また、上記発明においては、前記レーザ光源と前記第１の光ファイバとの間または前記第２の光ファイバと前記顕微鏡本体との間のいずれかに、レーザ光の強度を変調する強度変調器を備えることとしてもよい。
このようにすることで、第１、第２の光ファイバの間以外の場所に配置された強度変調器により、両ファイバ内の非線形効果のバランスを取り、顕微鏡本体から標本に対して出射される超短パルスレーザ光のパルス幅を安定させつつ、出力変調を行うことができる。
【００２５】
また、上記発明においては、前記レーザ光源と前記第１の光ファイバとの間に、該第1の光ファイバに入射するレーザ光のピーク強度を調整する正分散量可変部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、第１、第２の光ファイバ間の伝送効率に応じて正分散量可変部を調節することにより、両ファイバ内の非線形効果のバランスを常に維持することができる。また、第２の光ファイバ以降に配置される顕微鏡本体等の正分散量が比較的小さい場合においてもこれを補って、所望のパルス幅の超短パルスレーザ光を標本に照射することができる。
【００２６】
また、上記発明においては、前記レーザ光源、第１の光ファイバおよび負分散光学系を含む光源ユニットと、顕微鏡本体とを第２の光ファイバにより接続してなることとしてもよい。
このようにすることで、第２の光ファイバを変形させることにより、光源ユニットに対して顕微鏡本体の取り回しを容易にし、設置の自由度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、波長が変化したり顕微鏡本体の正分散量が変化したりしても顕微鏡本体から標本に対して超短パルスレーザ光を照射することを可能とし、多光子励起現象を効率的に発生させて鮮明な蛍光画像を取得することが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】
【００２８】
本発明の第１の実施形態に係るレーザ顕微鏡１について、図１を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１は、標本Ａにおいて多光子励起効果を発生させる多光子励起型のレーザ顕微鏡１であって、図１に示されるように、超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源２側から順に、該レーザ光源２と、カップリングレンズ３と、第１の光ファイバ４と、コリメートレンズ５と、負分散光学系６と、カップリングレンズ７と、第２の光ファイバ８と、コリメートレンズ９と、顕微鏡本体１０とを備えている。
【００２９】
レーザ光源２は、例えば、波長帯域７００ｎｍ〜１０００ｎｍ、少なくともピコ秒以下のパルス幅を有する超短パルスレーザ光を波長変更可能に出射するようになっている。
前記第１、第２の光ファイバ４，８は、偏波保持型のフォトニッククリスタルファイバからなり、その入射端４ａ，８ａに、該入射端４ａ，８ａへのレーザ光の入射位置を調節するアライメント調節機構１１，１２が設けられている。これら第１、第２の光ファイバ４，８は、正分散特性を有し、レーザ光を伝播する際に、該レーザ光をポジティブチャープ化するようになっている。
【００３０】
アライメント調節機構１１，１２は、例えば、固定されたカップリングレンズ３，７に対して、光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａをその光軸方向および光軸に直交する２方向に３次元的に移動可能としている。これにより、アライメント調節機構１１，１２は、光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａを移動させて、カップリングレンズ３，７による集光位置にちょうど光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａのコアが配置されるように調節するようになっている。
【００３１】
コリメートレンズ５は、少なくとも１つのレンズからなり、その少なくとも一部が光軸方向に移動可能に設けられている。コリメートレンズ５にはレンズ位置調整機構２２が接続されている。レンズ位置調整機構２２の作動によって、コリメートレンズ５が所定の光軸方向位置に調整されることにより、第１の光ファイバ４から出射されたレーザ光を集光して略平行光とし、後段の負分散光学系６に入射させるようになっている。
【００３２】
負分散光学系６は、相互に間隔調整可能に設けられた一対のグレーティング６ａ，６ｂと、該グレーティング６ａ，６ｂ対から出射されるレーザ光の出射位置を調節するミラー６ｃとを備えている。グレーティング６ａ，６ｂ対は、一対のグレーティング６ａ，６ｂの間隔を調節することにより、負分散量を調節することができ、レーザ光のネガティブチャープ化の度合いを変更できる。ミラー６ｃは、グレーティング６ａ，６ｂ対の移動により光路が変動しても、負分散光学系６から出射されるレーザ光の出射位置および角度が変化しないように調節するようになっている。
【００３３】
顕微鏡本体１０は、第２の光ファイバ８から出射されコリメートレンズ９によって略平行光にされたレーザの光束径および光束広がり角を調節するビーム整形光学系１３と、該ビーム整形光学系１３により光束径および光束広がり角を調節されたレーザ光を２次元的に走査するスキャナ１４と、瞳投影レンズ１５および結像レンズ１６と、結像レンズ１６により略平行光にされた超短パルスレーザ光を集光して標本Ａに照射する一方、標本Ａにおいて発生した蛍光を集光する対物レンズ１７と、該対物レンズ１７により集光された蛍光を超短パルスレーザ光の光路から分岐するダイクロイックミラー１８と、該ダイクロイックミラー１８により分岐された蛍光を集光する集光レンズ１９と、集光された蛍光を検出する光検出器２０と、該光検出器２０により検出された蛍光に基づいて蛍光画像を構築し表示する表示部２１とを備えている。
【００３４】
ビーム整形光学系１３は、光軸方向に移動可能に設けられた１以上のレンズを備え、レンズ位置調整機構２３によって所定の位置にレンズを調節されることにより、対物レンズ１７の瞳を満たす光束径および光束広がり角のレーザ光をスキャナ１４に対して入射させることができるようになっている。
【００３５】
負分散光学系６、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３は、制御部２４に接続され、該制御部２４によって調節されるようになっている。制御部２４には、記憶部２５が接続されている。記憶部２５には、レーザ光源２から発せられる超短パルスレーザ光の波長と、負分散光学系６による負分散量、光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａの位置、コリメートレンズ５およびビーム整形光学系１３を構成するレンズの位置とが対応づけて記憶されている。
【００３６】
したがって、レーザ光源２から発せられる超短パルスレーザ光の波長が決定されると、制御部２４は、記憶部２５内を検索して当該波長に対応する負分散光学系６、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３の調整値を読み出し、読み出され調整値に基づいて負分散光学系６、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３を調整するようになっている。
【００３７】
また、カップリングレンズ３，７の前段の光路には、シャッタ２６，２７がそれぞれ挿脱可能に設けられている。シャッタ２６，２７が光路に挿入されることにより、レーザ光源２からのレーザ光のカップリングレンズ３，７への入射が遮断され、シャッタ２６，２７が光路から離脱させられることにより、カップリングレンズ３，７へのレーザ光の入射が許容されるようになっている。
【００３８】
シャッタ２６，２７は、前記アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３による調整動作中においては、制御部２４からの指令により、カップリングレンズ３，７へのレーザ光の入射を禁止するように、光路内に挿入されるようになっている。そして、シャッタ２６，２７は、調整動作が終了した後に、制御部２４からの指令により、光路から離脱させられて、レーザ光の通過を許容するようになっている。
【００３９】
このように構成された本実施形態に係るレーザ顕微鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１によれば、レーザ光源２から出射された超短パルスレーザ光がカップリングレンズ３により第１の光ファイバ４の入射端４ａに入射され、第１の光ファイバ４内を伝播した後、コリメートレンズ５により略平行光とされる。
【００４０】
レーザ光は、第１の光ファイバ４内を伝播する間に、ファイバの正分散特性によりポジティブチャープ化される。この状態で負分散光学系６に入射されたレーザ光は、グレーティング６ａ，６ｂ対の間隔に応じて定まる負分散量により逆にネガティブチャープ化された状態で、カップリングレンズ７により第２の光ファイバ８の入射端８ａに入射され、第２の光ファイバ８内を伝播した後、コリメートレンズ９により略平行光とされる。
【００４１】
また、レーザ光は、第２の光ファイバ８内を伝播する間に、ファイバの正分散特性によりネガティブチャープが次第にキャンセルされる。
また、第２の光ファイバ８から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ９により略平行光とされた後、ビーム整形光学系１３により光束径および光束広がり角を調節された状態でスキャナ１４により２次元的に走査され、瞳投影レンズ１５、結像レンズ１６および対物レンズ１７により集光されて標本Ａに照射される。
【００４２】
第２の光ファイバ８の出射端８ｂの後段に配置される光学系、すなわち、コリメートレンズ９、ビーム整形光学系１３およびスキャナ１４、瞳投影レンズ１５、結像レンズ１６、ダイクロイックミラー１８および対物レンズ１７は、レーザ光に対し、全体として正分散とする。
すなわち、レーザ光源２から発せられた超短パルスレーザ光は、第１の光ファイバ４内を伝播する際にファイバの正分散特性により、パルス幅が広がるポジティブチャープ状態となるが、負分散光学系６を通過させられることにより、大きな負分散特性によりパルス幅が広がったネガティブチャープ状態となる。そして、第２の光ファイバ８内を伝播する際に再度ファイバの正分散特性により、ネガティブチャープ状態から戻され、さらに、第２の光ファイバ８後の光学系を通過させられることにより光学系の正分散特性によって、対物レンズ１７の先端から出射される際には、レーザ光源２から出射された際のパルス幅に復元された超短パルスレーザ光となる。
【００４３】
その結果、超短パルスレーザ光の標本Ａにおける集光位置において、多光子励起現象が発生し、発生した蛍光が対物レンズ１７により集光された後、ダイクロイックミラー１８によって分岐されて光検出器２０により検出される。スキャナ１４による走査位置および光検出器２０より検出された蛍光の強度に基づいて、２次元的な蛍光画像が表示部２１に表示されることになる。
【００４４】
この場合において、本実施形態に係るレーザ顕微鏡１によれば、レーザ光源２から出射される超短パルスレーザ光の波長が変更された場合に、制御部２４の作動により、まず、シャッタ２６，２７が光路内に挿入される。
超短パルスレーザ光の波長が変更されることにより、各部の光軸がずれるので、シャッタ２６，２７を光路に挿入することにより、レーザ光が光ファイバ４，８のコア以外の位置に入射してしまうのを防止して、光ファイバ４，８の劣化を防止することができる。
【００４５】
次いで、変更された波長に基づいて記憶部２５に記憶されている調整値が読み出され、負分散光学系６、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３が調節される。
波長の変更に応じて負分散光学系６により負分散量が調整されるので、第１の光ファイバ４内の非線形効果と第２の光ファイバ８内の非線形効果とのバランスが維持され、顕微鏡本体１０から標本Ａに照射する超短パルスレーザ光のパルス幅を十分に短く維持することができる。
【００４６】
また、波長の変更に応じてアライメント調整機構１１，１２を作動させ、カップリングレンズ３，７による集光位置に光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａのコアを精度よく配置するので、カップリング効率の向上によってレーザ光の損失を防止し、高出力伝送を行うことができる。また、カップリングレンズ３，７によるレーザ光の集光位置が光ファイバ４，８のコアからずれることによる光ファイバ４，８の劣化を防止することもできる。
【００４７】
特に、負分散光学系６における設定が変化することにより第２の光ファイバ８の入射端８ａへのレーザ光の入射位置がずれることを防止して、２本の光ファイバ４，８内の非線形効果のバランスを維持し、対物レンズ１７から確実に超短パルスレーザ光を出射させることができる。
また、波長の変更に応じてコリメートレンズ５の調整を行うことで、第２の光ファイバ８におけるカップリング効率をさらに向上することができる。
【００４８】
また、波長の変更に応じてビーム整形光学系１３の調整を行うことにより、対物レンズ１７の瞳を満たす光束径および光束広がり角に設定されたレーザ光をスキャナ１４に入射させることができ、対物レンズ１７から出射される超短パルスレーザ光の開口数を十分に大きく確保して分解能を向上することができる。
これにより、標本Ａにおいて多光子励起現象を効率的に発生させ、明るく鮮明な蛍光画像を取得することができるという利点がある。
【００４９】
また、本実施形態によれば、超短パルスレーザ光の波長に対応づけて負分散光学系６、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３の調整値を記憶部２５に記憶しておくこととしたので、波長の変更時に、記憶部２５に記憶された調整値によって、各部を迅速に調整することができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、レーザ光源２から出射される超短パルスレーザ光の波長が変更された場合に、負分散光学系６、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３を調整することとしたが、これに加えて、顕微鏡本体１０における正分散量の変化に応じた調整値を記憶部２５に記憶しておくことにしてもよい。例えば、顕微鏡本体１０における対物レンズ１７が交換された場合に、その正分散量が変化するので、これを補償するよう負分散光学系６の設定を変更し、かつ、アライメント調整機構１１，１２およびレンズ位置調整機構２２，２３を調節することが必要となる。
【００５１】
このようにすることで、対物レンズ１７の交換等が行われても、第１の光ファイバ４内の非線形効果と第２の光ファイバ８内の非線形効果とのバランスが維持され、顕微鏡本体１０から標本Ａに照射する超短パルスレーザ光のパルス幅を十分に短く維持することができる。また、光ファイバ４，８の劣化を防止し、高出力伝送を達成し、高分解能の蛍光観察を行うことができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ８との間以外の位置に、出力変調器（図示略）を配置することとしてもよい。出力変調器は、例えば、ＡＯＴＦのような音響光学素子、電気光学素子、ＮＤフィルタ、アッテネータあるいは反射率可変ミラー等を挙げることができる。このようにすることで、第１の光ファイバ４内の非線形効果と第２の光ファイバ８内の非線形効果とのバランスを維持して対物レンズ１７から出射される超短パルスレーザ光のパルス幅を安定させつつ、出力変調を行うことができる。
【００５３】
また、第２の光ファイバ８の出射端以降の光学系における正分散量が足りない場合は、他の正の分散量を有する任意の光学素子を追加して、分散量を最適化することにしてもよい。
また、本実施形態においては、アライメント調整機構１１，１２として、固定されたカップリングレンズ３，７に対して光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａを３次元的に移動させるものを例示したが、これに代えて、カップリングレンズ３，７および光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａを光軸に交差する方向には一体的に移動させ、光軸方向には相対的に移動させることにしてもよい。また、光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａを３次元的に移動させることに加えて、光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａをカップリングレンズ３，７と一体的に光軸に直交する方向に移動可能とすることにしてもよい。
【００５４】
また、本実施形態においては、光ファイバ４，８として、偏波保持型のフォトニッククリスタルファイバを使用したが、これに代えて、ランダム偏光型のシングルモードファイバを採用してもよい。この場合には、光ファイバ４，８の出射端にλ／４板およびλ／２板（図示略）を配置し、これらを光軸回りに回転させることで偏光方向を調節することにすればよい。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡３０について、図２を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係るレーザ顕微鏡１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本実施形態に係るレーザ顕微鏡３０は、第１、第２の光ファイバ４，８の出射端４ｂ，８ｂから出射されるレーザ光の一部を分岐するビームスプリッタ３１，３２と、該ビームスプリッタ３１，３２により分岐されたレーザ光の強度を検出する出力検出器３３，３４とを備え、該出力検出器３３，３４による検出結果に基づいて、アライメント調整機構１１，１２が制御される点において第１の実施形態に係るレーザ顕微鏡１と相違している。
【００５７】
なお、図２において、第１の実施形態において説明した制御部２４および記憶部２５は、説明の簡単のために図示を省略している。
アライメント調整機構１１，１２は、レーザ光源２から出射される超短パルスレーザ光の波長が変更されたとき、あるいは、顕微鏡本体１０において対物レンズ１７が交換されたときは、制御部２４の作動により、記憶部２５に記憶されている調整値が読み出されて設定され、それによって、予め定められた位置に光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａを調整するようになっている。一方、出力検出器３３，３４の作動により、光ファイバ４，８の出射端４ｂ，８ｂから出力されるレーザ光の強度が常時監視され、出力検出器３３，３４の出力が所定のしきい値を下回ったときに、出力値が最大となるようにアライメント調整機構１１，１２が、光ファイバ４，８の入射端４ａ，８ａの位置を調整するようになっている。
【００５８】
このようにすることで、波長変更時あるいは対物レンズ１７交換時には記憶部２５に記憶されている調整値に迅速に調整することができる。また、出力検出器３３，３４による常時監視によって、光軸不適正になった際にその変動量を補正することができる。したがって、レーザ光の集光位置が光ファイバ４，８のコアから外れてしまうことによる光量の損失や光ファイバ４，８の劣化等の不都合の発生を防止することができる。
【００５９】
次に、本発明の第３の実施形態に係るレーザ顕微鏡４０について、図３および図４を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡３０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
本実施形態に係るレーザ顕微鏡４０は、ビームスプリッタ３１，３２により分岐されたレーザ光をさらに分岐するビームスプリッタ４１，４２と、該ビームスプリッタ４１，４２により分岐されたレーザ光のビーム形状を検出するＣＣＤ等のビーム形状検出器４３，４４とを備え、該ビーム形状検出器４３，４４による検出結果に基づいて、レンズ位置調整機構２２，４５がコリメートレンズ５、ビーム整形光学系１３を調節する点、対物レンズ１７から出射される超短パルスレーザ光のパルス幅あるいは、蛍光の強度を検出する対物検出器４６を備え、該対物検出器４６による検出結果に応じて負分散光学系６が制御される点において第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡３０と相違している。
【００６１】
このように構成された本実施形態に係るレーザ顕微鏡４０を用いて標本Ａの観察を行うに先立って、超短パルスレーザ光の波長が変更された場合には、図４に示されるように、まず、制御部２４が、シャッタ２６，２７を光路に挿入し（ステップＳ１）、次いで、変更後の波長に基づいて記憶部２５を検索し（ステップＳ２）、アライメント調整機構１１，１２、レンズ位置調整機構２２，４５、負分散光学系６を波長に対応づけて記憶されている調整値に設定する（ステップＳ３）。
【００６２】
この状態で、シャッタ２６，２７が開放され（ステップＳ４）、出力検出器３３，３４による検出結果を監視し（ステップＳ５）、出力検出器３３，３４からの出力が最大となるようにアライメント調整機構１１，１２による微調整を行う（ステップＳ６）。さらに、ビーム形状検出器４３，４４の作動により、光ファイバ４，８の出射端４ｂ，８ｂから出力されるレーザ光のビーム形状が監視され（ステップＳ７）、ビーム形状が所望の形状となるようにレンズ位置調整機構２２，４５が微調整される（ステップＳ８）。さらに、対物検出器４６において、対物レンズ１７から出射される超短パルスレーザ光のパルス幅あるいは、蛍光の強度が監視され（ステップＳ９）、所望のパルス幅あるいは所望の蛍光強度となるように負分散光学系６におけるグレーティング６ａ，６ｂ対およびミラー６ｃの位置が微調整される（ステップＳ１０）。そして、ステップＳ５〜Ｓ１０が調整終了まで繰り返される（ステップＳ１１）。
【００６３】
このように構成された本実施形態に係るレーザ顕微鏡４０によれば、対物レンズ１７の先端から出射される超短パルスレーザ光のパルス幅が監視され、所望のパルス幅が達成される負分散量が負分散光学系６により調節されるので、より確実に超短パルスレーザ光を実現して、標本Ａにおける多光子励起効率を向上することができるという利点がある。
【００６４】
次に、本発明の第４の実施形態に係るレーザ顕微鏡５０について、図５および図６を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡３０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００６５】
本実施形態に係るレーザ顕微鏡５０は、図５に示されるように、レーザ光源２と第１の光ファイバ４との間にピーク強度調整機構５１を備えている点において、第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡３０と相違している。
ピーク強度調整機構５１は、超短パルスレーザ光に付与する正分散量を変更して超短パルスレーザ光のポジティブチャープ化の度合いを調整するもので、例えば、図６（ａ）または（ｂ）に示されるように、択一的に光路上に配置される正分散素子５１ａ，５１ｂの素子長を変更する方式のものが採用される。（ａ）、（ｂ）はレボルバー式にして、例えば、結晶長の異なるＺｎＳｅ結晶５１ａ，５１ｂを切り替えるものである。図６（ａ）はシングルパス方式、（ｂ）はマルチパス方式である。図中、符号５１ｃはミラーである。また、図６（ｃ）に示されるように、プリズム方式を採用してもよい。
【００６６】
ピーク強度調整機構５１は、例えば、２つの出力検出器３３，３４による検出信号の比に応じて、ピーク強度を調節することにすればよい。そして、第１の光ファイバ４に入射する超短パルスレーザ光のピーク強度が変更された場合には、それに応じて負分散光学系６のグレーティング６ａ，６ｂ対の間隔およびミラー６ｃの位置を調整する。
【００６７】
これにより、第１の光ファイバ４内の非線形効果と第２の光ファイバ８内の非線形効果とのバランスを維持して、対物レンズ１７の先端から超短パルスレーザ光を出射させることができる。この場合に、ピーク強度調整機構５１がレーザ光をある程度ポジティブチャープ化することとなるので、第２の光ファイバ８の後段に配される顕微鏡本体１０等における正分散量を低減することができるという利点がある。
【００６８】
なお、上記各実施形態においては、例えば、図７に示されるように、第２の光ファイバ８よりも前段側を光源ユニット６０とし、後段側を顕微鏡本体ユニット６１としてとらえることができる。
すなわち、このようにすることで、光源ユニット６０に対して、第２の光ファイバ８を変形させて、顕微鏡本体ユニット６１を任意の位置に配置することができる。これにより、顕微鏡本体ユニット６１の取り回しが容易であり、かつ、配置の自由度を向上することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【図４】図３のレーザ顕微鏡の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【図６】図５のレーザ顕微鏡のピーク強度調整機構を例示する図である。
【図７】本発明に係るレーザ顕微鏡の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
Ａ  標本
１，３０，４０，５０  レーザ顕微鏡
５，９  コリメートレンズ
６ａ，６ｂ  グレーティング
８ｂ  出射端
１０  顕微鏡本体
１１  アライメント調整機構（第１のアライメント調節部）
１２  アライメント調整機構（第２のアライメント調節部）
１３  ビーム整形光学系
１７  対物レンズ
２２，４５  レンズ位置調整機構（コリメートレンズ調節部）
２３  レンズ位置調整機構
２４  制御部（負分散量調節部）
２５  記憶部（入射位置記憶部、負分散量記憶部）
２６，２７  シャッタ
３３  出力検出部（第１の出力検出部）
３４  出力検出部（第２の出力検出部）
４６  対物検出器（対物検出部）
５１  ピーク強度調整機構（正分散量可変部）
６０  光源ユニット
６１  顕微鏡本体ユニット（顕微鏡本体）
【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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