(57)【要約】【課題】所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供する。【解決手段】モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段１０と、局発光発生手段１０から発生される局発光と被検出光とを合波する光合波手段２０と、光合波手段２０から出力される光を光電変換して局発光と被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段３０とを有し、光電変換手段３０の出力に基づいて被検出光をヘテロダイン検出する。【選択図】図１
2012058019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段と、
前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記局発光発生手段から出力される前記局発光の波長帯域は、前記被検出光の波長帯域以下であることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記光電変換手段が、バランスド検出を行なうことを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記局発光発生手段は、複数台の光発生源を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１〜６の少なくともいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項８】
モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生ステップと、
前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、
前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、
前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出方法。
【請求項９】
観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
請求項１乃至７の少なくともいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
【請求項１０】
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
請求項１乃至７の少なくともいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の信号光（被検出光）を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素になっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。
【０００３】
例えば、生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。これらの理由により、光を用いた生体観察においては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。
【０００４】
現在用いられている代表的な光検出素子には、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ＰＤ（Photo Diode）がある。ＰＭＴおよびＡＰＤは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、ＰＤは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号の増幅を行っている。つまり、ＰＭＴ，ＡＰＤ，ＰＤは、いずれの素子も電気的に信号増幅を行い、感度の向上を図っている。
【０００５】
また、代表的な二次元光検出器として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying-CCD）、ＥＢ−ＣＣＤ（Electron Bombardment-CCD）、Ｉ−ＣＣＤ（Intensified-CCD）がある。ＣＣＤもしくはＣＭＯＳを用いて微弱光を検出する場合は、感度向上のために、ＰＤの場合と同様に、後段に電気増幅器を配置する必要がある。ＥＭ−ＣＣＤおよびＥＢ−ＣＣＤは、ＡＰＤの場合と同様に、検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。Ｉ−ＣＣＤは、ＣＣＤの前にＩ．Ｉ．（Image Intensifier）を配置した構成をとる。Ｉ.Ｉ.は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、Ｉ.Ｉ.に内蔵されているＭＣＰ（Micro Channel Plate）内にて電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることで、増倍電子信号を再度光に変換するものである。Ｉ.Ｉ.からの出力光は、ＣＣＤにて電気信号に変換される。つまり、Ｉ−ＣＣＤも、電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。
【０００６】
上述の電気段での信号増幅を用いる従来の光検出技術は、増倍雑音、過剰雑音や熱雑音などが支配的な雑音であるため、高速性と高感度性とを両立させることは大変難しい状況にある。したがって、現状では、速度か感度かのどちらかを犠牲にして、光検出を行わざるをえない状況にある。
【０００７】
高速高感度な光検出を可能にする技術の一つとして、光ヘテロダイン検出技術も広く用いられている。光ヘテロダイン検出技術は、被検出光と、被検出光の光周波数よりも若干光周波数が異なる局発光との干渉効果を利用する光検出方法で、局発光強度を十分高くして被検出光を高感度に検出するというものである。局発光強度が十分高い場合、ショット雑音限界の理想的な光検出が可能であるため、電気段での信号増幅を用いる手法と比較すると、高速かつ高感度な光検出が可能になる。ただし、この際、信号光と局発光には、時間的にも空間的にもお互いの干渉状態が安定するような光が通常用いられる。
【０００８】
時間的な干渉性を高める方法として、次に述べる二つの方法が主に用いられる。一つ目の方法は、同一光源からの出力を分波してそれぞれを信号光および局発光として用いる方法である。この際、光源出力を分波しているので、信号光および局発光を合波するまでの相対遅延時間が、光源のコヒーレンス時間より短くなるように用いられる。こうすることで、信号光と局発光との干渉状態が時間的に安定する。なお、信号光と局発光との光周波数は、光周波数シフタやドップラシフトなどを利用して若干異なるように設定される。この方法は、比較的簡便に安定な干渉状態を実現できるので、古くから用いられている（例えば、特許文献1参照）。
【０００９】
二つ目の方法は、光スペクトル線幅が非常に狭く（光スペクトル純度が非常に高く）、かつ、発振光周波数が高精度に安定化された、互いに独立した二つの光源を用いる方法である。この二つの独立した光源をそれぞれ信号光もしくは局発光として用いる。この際、信号光と局発光との発振光周波数は若干異なるように設定される。この方法は、技術的制約により従来は実現が非常に困難だった。しかしながら、近年の技術進展により、光スペクトル線幅がｋＨｚ程度と非常に光スペクトル純度が高く、かつ、発振光周波数が高精度に安定化されたレーザが入手可能になったため、最近では二つ目の方法を用いても比較的安定した干渉状態が得られるようになってきている。
【００１０】
一方、空間的な干渉性を高めるためには、信号光側に共焦点光学系などの空間モードフィルタが用いられる。こうすることで、局発光との干渉性の高い信号光成分のみが空間的に取り出され、光ヘテロダイン検出に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第２８９０３０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等で検出される信号光は、レーザ光のような時間的コヒーレンスの高いものではなく、ランプ光や蛍光などの時間的コヒーレンスが低い、つまり光スペクトル線幅が広いものである場合が非常に多い。また、分光計測などでレーザ光が用いられる場合でも、特に散乱媒質を計測する場合は、スペックルの影響を避けるために、意図的に光スペクトル線幅を広げる工夫がなされる。つまり、分光計測などでは、光周波数の確度をある程度確保すると同時に、スペックルの影響を避けることができる光スペクトル線幅のレーザ光が用いられる。
【００１３】
このため、上述のような従来の方法にのっとると、このような時間的コヒーレンスの低い信号光をヘテロダイン検出するためには、信号光と局発光との発生源を同一とし、かつ信号光と局発光の相対遅延時間が、それらのコヒーレンス時間よりも短い状況で検出を行う必要がある。
【００１４】
例えば、中心光周波数が６００ＴＨｚ（波長５００ｎｍ）で、光スペクトル線幅が１２０ ＴＨｚ（波長幅約１００ｎｍ）の光の場合、コヒーレンス時間は、約１．０×１０-14秒（真空中の空間距離で約３．０×１０-6ｍに対応）となり、信号光と局発光との間の許容される遅延時間は非常に短い。
【００１５】
また、例えば、中心光周波数６００ＴＨｚ、光スペクトル線幅１２０ＧＨｚ（波長幅約１００ｐｍ）の意図的に線幅が広げられたレーザ光の場合を考えても、コヒーレンス時間は約１．０×１０-11秒（真空中の空間距離で約３．０×１０-3ｍに対応）となり、やはり許容される相対遅延時間は短い。
【００１６】
このように、許容される相対遅延時間が短い状況では、時間的および距離的尤度が小さいため、ヘテロダイン検出の用途が非常に厳しく限定されてしまう。
【００１７】
また、信号光（被検出光）が蛍光などのように試料中で新たに発生した時間的に低コヒーレンス光である場合は、高感度光ヘテロダイン検出に適した局発光を準備することができない。
【００１８】
上述の理由から、従来は、時間的に低コヒーレンスな光信号をヘテロダイン検出した場合、安定的な干渉状態を保つことができず、高速かつ高感度な光検出の実現が困難な状況にある。
【００１９】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ（Signal to Noise）比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成する第１の観点に係る光検出装置の発明は、
モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段と、
前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
【００２１】
第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段から出力される前記局発光の波長帯域は、前記被検出光の波長帯域以下である、ことを特徴とするものである。
【００２２】
第３の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記光電変換手段が、バランスド検出を行なう、ことを特徴とするものである。
【００２３】
第４の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、複数台の光発生源を有する、ことを特徴とするものである。
【００２４】
第５の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。
【００２５】
第６の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
前記局発光発生手段は、さらに、前記局発光発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。
【００２６】
第７の観点に係る発明は、第１〜６の少なくともいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段をさらに有する、ことを特徴とするものである。
【００２７】
さらに、上記目的を達成する第８の観点に係る光検出方法の発明は、モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生ステップと、前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
【００２８】
さらに、上記目的を達成する第９の観点に係る顕微鏡の発明は、
観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
第１〜７の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
【００２９】
さらに、上記目的を達成する第１０の観点に係る内視鏡の発明は、
体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
第１〜７の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る光検出装置や光検出方法によれば、被検出光と、モード同期波長掃引レーザを含む光源から出力される局発光とから複数のビート信号を生成し、それらを加算して、被検出光をヘテロダイン検出する。また、自然放出光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：  ＡＳＥ）と比べると、モード同期波長掃引レーザは相対強度雑音（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｎｏｉｓｅ：  ＲＩＮ）を小さくすることができるため、モード同期波長掃引レーザからの出力光を局発光として用いることで、低雑音な光検出が可能になる。従って、例えば、生体等の散乱体で散乱することにより被検出光が減少するような被検体であっても、所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出することが可能となる。また、散乱体に限らず、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質や、他の光吸収物質が介在するような環境下に存在する被検物質からの被検出光に対しても、高感度かつ高ＳＮ比で検出することが可能となる。
【００３１】
光ヘテロダイン検出においては、信号光と局発光が時間的及び空間的に重なった部分に生じるビートを信号として検出するため、パルス発振するモード同期レーザからの出力光を局発光として用いた場合、そのパルス時間波形の包絡線の時間変化よりも十分に高速な光電変換以降の電子回路速度がないとビートを検出することができない。しかしながら、パルス発振するモード同期レーザとは異なり、モード同期波長掃引レーザの強度時間波形は連続的になるため、光電変換手段を含むそれより後段の電子回路に高価な高速素子を使用する必要がなくなるという産業的意義もある。
【００３２】
また、本発明に係る顕微鏡によれば、観察試料からの被検出光を、上記の光検出装置により、モード同期波長掃引レーザを含む光源から出力される局発光と合波してヘテロダイン検出するので、観察試料を高感度かつ高ＳＮ比で観察することが可能となる。
【００３３】
また、本発明に係る内視鏡によれば、体腔内からの被検出光を、上記の光検出装置により、モード同期波長掃引レーザを含む光源から出力される局発光と合波してヘテロダイン検出するので、体腔内を高感度かつ高ＳＮ比で観察することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。
【図３】本発明の第２実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図と動作を説明する図である。
【図５】本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図と動作を説明する図である。
【図６】本発明の第５実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００３６】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。この光検出装置は、モード同期波長掃引レーザを含み、局発光を発生する局発光発生手段１０を用い、この局発光発生手段１０からの局発光を光合波手段２０にて入力信号光と合波し、この合波された光を光電変換手段３０にて電気信号に変換すると同時に複数のビート信号が加算された信号を得て、入力信号光をヘテロダイン検出するものである。
【００３７】
局発光発生手段１０は、例えば、フーリエ領域モード同期レーザ（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌａｓｅｒ：  ＦＤＭＬ）（米国特許７４１４７７９号参照）や光周波数コム発生器を利用した光源を用いる（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１０，ｐ．２６９３（１９９３）参照）。光合波手段２０は、例えば、誘電体多層膜型ハーフミラー、ファイバ型光カプラや平面導波路型光カプラなどを用いて構成する。また、必要に応じて、光合波手段２０の前段に、入力信号光や局発光の空間モードを調整する空間モードフィルタを配置しても良い。
【００３８】
光電変換手段３０は、例えば、ＰＭＴ、ＡＰＤ、ＰＤ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＭ−ＣＣＤやＥＢ−ＣＣＤなどを用いて構成する。また、光電変換手段３０は、直流成分や信号光および局発光の強度揺らぎを除去する差動型(Dual Balanced Detection:DBD)のものを用いて構成することができる。
【００３９】
被検出光である入力信号光は、光電変換手段３０から出力される電気信号のうち、特に、振幅情報や強度情報を用いて検出する。これらの情報は、包絡線検波や二乗検波などにより取得する。光電変換手段３０に差動型構成を用いない場合は、直流成分を除去するフィルタ手段を付加するのが有効である。
【００４０】
図２は、図１に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。すなわち、本実施の形態に係る光検出装置は、局発光発生手段１０から出力される局発光の光周波数を、入力信号光の光スペクトル線と重なるように設定して、光合波手段２０にて入力信号光と局発光とを合波し、この合波された光を光電変換手段３０にて光電変換すると同時に複数のビート信号の加算された出力を得、その振幅情報を用いることで入力光信号をヘテロダイン検出する。つまり、局発光として、光スペクトル中に複数の光周波数成分を有するモード同期波長掃引レーザからの出力光を用いて、時間的コヒーレンスの低い、すなわち光スペクトル線幅の広い入力信号光を光ヘテロダイン検出する。この場合、ビート信号は、雑音的になるので、この雑音的なビート信号の振幅情報を検出信号とする。
【００４１】
ある光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号は、他の光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号と相関を持たない。したがって、これらのビート信号は光電変換手段３０にてインコヒーレントに加算される。つまり、複数の光周波数成分を有する局発光を用いることで、一種類の光周波数成分しか持たない局発光を用いる場合よりも、検出されるビート信号の振幅は大きくなる。また、モード同期波長掃引レーザはＲＩＮが小さいため、検出される雑音パワーは小さくなる。これにより、従来に無い高感度な光ヘテロダイン検出が実現される。また、十分強度の高い局発光を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００４２】
なお、光電変換手段３０から出力される電気信号は、搬送波周波数が確定しない信号になっている。また、様々な周波数成分を含むため、使用周波数帯域が広くなっている。このように、使用周波数帯域が広がると、多くの雑音の混入を許してしまい、光検出感度の低下を招くことになる。したがって、光電変換手段３０の出力から被検出光の情報を取得するには、特に、包絡線検波を行うのが好ましい。
【００４３】
このように、包絡線検波により被検出光の情報を取得するようにすれば、使用帯域を制限して雑音の混入を防ぐことができるとともに、周波数帯域の低減に応じて、装置を構成する部品の費用低減を図ることが可能となる。
【００４４】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。このレーザ走査型蛍光顕微鏡は、励起光源として波長４８８ｎｍで連続発振するＡｒレーザ４１を有する。図３において、Ａｒレーザ４１から出射されたレーザ光は、例えば音響光学変調器（Acousto Optic Modulator:AOM）等の光強度調整器４２により光強度を調整して、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３、瞳投影レンズ４４、結像レンズ４５、ダイクロイックミラー４６および対物レンズ４７を経て、検査対象である生細胞試料４８に集光して照射する。したがって、このレーザ走査型蛍光顕微鏡では、光強度調整器４２、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３、瞳投影レンズ４４、結像レンズ４５、ダイクロイックミラー４６および対物レンズ４７は、励起光源からの励起光を試料に照射する光照射手段を構成している。また、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３は、光走査手段を構成する。
【００４５】
なお、生細胞試料４８としては、蛍光色素で染色された検査対象物や、蛍光タンパクが発現している検査対象物を用いる。ここでは、蛍光タンパクｅＧＦＰ（enhanced Green Fluorescence Protein）が発現している検査対象物質を用いるものとする。したがって、Ａｒレーザ４１からのレーザ光が、生細胞試料４８に照射されると、ｅＧＦＰが励起されて波長約５００ｎｍ〜６００ｎｍの蛍光が発生する。
【００４６】
生細胞試料４８から発生した蛍光は、対物レンズ４７を経てダイクロイックミラー４６に導く。ダイクロイックミラー４６は、波長４８８ｎｍの光は透過させ、波長５００ｎｍより長波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料４８で発生した波長約５００ｎｍ〜６００ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー４６で反射させる。
【００４７】
ダイクロイックミラー４６で反射された蛍光は、光合波手段であるハーフミラー４９にて局発光と合波させる。局発光は、ＤＰＳＳ (Diode Pumped Solid State) レーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源５１から出射されたレーザ光と、Ｐｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ５２から出射されたレーザ光とをダイクロイックミラー５３で合波したものを用いる。ＤＰＳＳレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源５１は、例えば、波長５３２ｎｍにて単一空間モードで連続発振するＤＰＳＳレーザからの出力を、電気光学変調器とファブリペロ光共振器で構成される光周波数コム発生器に入力し、平均光強度が１０ｍＷ、光スペクトル帯域が５２５ｎｍ〜５４０ｎｍとなる出力が光周波数コム発生器より得られるものを用いる。また、Ｐｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ５２は、例えば、波長６００ｎｍ〜６２０ｎｍの光スペクトル帯域を持ち、単一空間モードで連続発振し、平均光強度１０ｍＷの出力が可能なものを用いる。
【００４８】
すなわち、本実施の形態においては、局発光発生手段を、DPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源５１およびＰｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ５２の２台の連続発振レーザを用いて構成している。
【００４９】
ハーフミラー４９から得られる二つの合波出力は、それぞれ反射ミラー５４，５５で反射させ、レンズ５６，５７を用いてＳｉＰＤ（Silicon Photo Diode）で構成される光電変換手段である差動検出器(Dual Balanced Detector:DBD)６１に入力して光電変換する。ＤＢＤ６１から出力される電気信号は、包絡線検波回路６２で包絡線検波した後、電気増幅器６３で増幅し、さらに、ＡＤ変換器６４にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ６５に供給する。
【００５０】
コンピュータ６５は、レーザ走査型蛍光顕微鏡の全体を制御する。これにより、Ａｒレーザ４１からのレーザ光を、Ｘ−Ｙガルバノミラー４３により偏向して、生細胞試料４８を対物レンズ４７の光軸と直交する平面内で２次元走査し、その各走査点においてＡＤ変換器６４から得られる出力を処理して、モニタ６６に蛍光画像を表示する。
【００５１】
このように、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、Ａｒレーザ４１からのレーザ光の照射によって、生細胞試料４８から発生する蛍光を、十分強度の高いDPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源５１およびＰｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ５２から得られる局発光を用いてヘテロダイン検出する。したがって、生細胞試料４８から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料４８に照射するレーザ光の強度を高めたり、受光積算時間を長くしたりすることなく、ＳｉＰＤで構成されるＤＢＤ６１を用いて、蛍光を高速かつ高感度に光電変換することができ、生細胞試料４８を高感度かつ高ＳＮ比で蛍光観察することができる。
【００５２】
また、局発光として単一空間モードの光源を用いているため、ＤＢＤ６１の受光面において、局発光をほぼ回折限界まで集光することが可能である。生細胞試料４８から発せられる蛍光と局発光とが、ＤＢＤ６１の受光面において空間的に重なった部分のみビート信号として検出されるため、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、共焦点ピンホールを有していないにも拘らず、共焦点効果を実現することが可能である。
【００５３】
さらに、局発光発生手段として、ここではDPSSレーザと光周波数コム発生器を組み合わせた光源５１とＰｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ５２との２台の連続発振レーザを用いるので、特に、個々の光源の強度や発振光周波数を選択することで、被検出光の光周波数帯域や光スペクトル形状に応じた自由度の高いレーザ走査型蛍光顕微鏡を実現できる。また、本実施の形態において、被検出光は、時間的に低コヒーレンスであるため、局発光の光周波数安定性に対する要求は高くない。また、検出されるビート信号は、搬送波周波数を規定できないような雑音的な信号になるため、従来法では必要不可欠だった局発光と被検出光との間の周波数間隔の固定が必要無い。しかも、局発光間の周波数間隔は、光検出システム全体の電気帯域よりも広く設定されている限り、局発光間のビート信号は検出されない。したがって、局発光発生手段に対する光周波数の安定性に対する制約は緩い。そのため、非常に低価格な連続発振レーザを局発光源として用いることができる。なお、局発光発生手段を構成する連続発振光源は、２台に限らず、検出する入力信号光の帯域に応じて、３台以上とすることもできる。
【００５４】
（第３実施の形態）
図４（Ａ）は、本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に示した構成の光検出装置において、局発光発生手段１０と光合波手段２０との間に、局発光発生手段１０の出力光から、一部の光周波数を選択して局発光として光合波手段２０に出力する光周波数選択手段４０を設けたものである。
【００５５】
光周波数選択手段４０は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、光吸収型フィルタ、回折格子型フィルタ、プリズム型フィルタ、グリズム型フィルタ、ＶＩＰＡ(Virtually Imaged Phased Array)型フィルタ、ＡＷＧ (Arrayed Wave Guide)型フィルタ、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)型フィルタなどを用いて構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図４（Ｂ）は局発光発生手段１０からの出力光スペクトルを示す。図４（Ｃ）の実線は光周波数選択手段４０からの出力光スペクトル、一点鎖線は光周波数選択手段１０の透過特性を示す。
【００５７】
このように、局発光発生手段１０の後段に光周波数選択手段４０を設ければ、局発光発生手段１０から出力される光パルス列の光スペクトルが被検出光の光スペクトル帯域よりも広い場合に、光検出に寄与しない局発光を光周波数選択手段４０により除去することができるので、第３実施の形態の効果に加えて、過剰雑音の混入を低減し、所望の被検出信号を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
【００５８】
光ヘテロダイン検出における支配的雑音要因はショット雑音であり、この雑音は光電変換手段３０で光電変換される局発光強度に比例する。このため、被検出光が存在しない光周波数領域の局発光が光電変換手段３０に入力されると、ビート信号は増えない上、ショット雑音が増大してしまう。本実施の形態に係る光検出装置では、このような光検出に寄与しない局発光を、光周波数選択手段４０で除去するので、局発光と近接する信号光成分のみがビート信号として検出され、光周波数軸上で近接する局発光の無い信号光成分は検出されない。つまり、光周波数選択手段４０で選択された局発光の光スペクトルとほぼオーバーラップしている被検出光のみがビート信号として検出されるので、被検出光のある特定の光周波数を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
【００５９】
（第４実施の形態）
図５（Ａ）は、本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に示した構成の光検出装置において、局発光発生手段１０と光合波手段２０との間に、局発光発生手段１０の出力光の光スペクトルを所望の形状に整形して光合波手段２０に局発光として出力する光スペクトル整形手段５０を設けたものである。
【００６０】
光スペクトル整形手段５０は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、長周期ＦＢＧ、回折格子と液晶空間位相変調器との組み合わせや、ＶＩＰＡ型波形整形器などを用いて構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００６１】
図５（Ｂ）は局発光発生手段１０からの出力光スペクトルを示す。図５（Ｃ）の実線は光スペクトル整形手段５０からの出力光スペクトル、一点鎖線は光スペクトル整形手段１０の透過特性を示す。
【００６２】
このように、局発光発生手段１０の後段に光スペクトル整形手段５０を設けて、光合波手段２０に出力する光パルス列の光スペクトルの強度等を所望の形状に整形すれば、第１実施の形態の効果に加えて、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。すなわち、局発光の光スペクトル形状に応じて、検出感度の光周波数依存性が生じる。また、光電変換手段３０も、通常は検出感度の光周波数依存性を有している。したがって、本実施の形態におけるように、局発光発生手段１０の後段に光スペクトル整形手段５０を配置して、光パルス列の光スペクトルを所望の形状に整形して、被検出光に合波すれば、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。
【００６３】
なお、このような光スペクトル整形手段５０は、図３に示した構成において、光周波数選択手段４０の前段または後段に配置して光検出装置を構成することもでき、これにより同様の効果を得ることができる。
【００６４】
（第５実施の形態）
図６は、本発明の第５実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この走査型内視鏡は、体腔内を走査して血管位置を観察するもので、照明光源として波長１０５０ｎｍのＳｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ（ＳＬＤ）１５１を有し、被検出光の検出系として図５に示した光検出装置の構成を有するものである。図６において、ＳＬＤ１５１は、コンピュータ１５２に制御されたドライバ１５３によって駆動する。ＳＬＤ１５１から発せられた光は、単一モードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ：  ＳＭＦ）１５４を経てコリメータ１５５から体腔内の生体試料１５６に照明光として照射する。
【００６５】
照明光の照射により生体試料１５６で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ１５７にて集光する。ここで、コリメータ１５５および集光用レンズ１５７は、走査マウント１５８に保持されており、走査マウント１５８はドライバ１５９を介してコンピュータ１５２によって制御される。コリメータ１５５、集光用レンズ１５７および走査マウント１５８は、内視鏡ハウジング１６０に収められている。
【００６６】
局発光は、Ｙｂ添加ファイバＦＤＭＬ１６１からの光パルスを用いる。このＹｂ添加ファイバＦＤＭＬ１６１からの出力光は、光周波数選択手段である光フィルタ１６３を経て、合波手段である光ファイバカプラ１６４に、局発光として入射される。
【００６７】
Ｙｂ添加ファイバＦＤＭＬ１６１からは、例えば、繰り返し周波数５０ｋＨｚ、発振波長帯域１０４８ｎｍ〜１０５２ｎｍ、平均光強度５ｍＷの波長掃引連続光を発生させる。この光を、ローレンツ型の波長透過特性を持つ光フィルタ１６３に入力して、光スペクトル波形の形状をローレンツ型に近い形状に整えて局発光として取り出し、光ファイバカプラ１６４に供給する。
【００６８】
集光用レンズ１５７からの出力光および光フィルタ１６３からの局発光は、光ファイバカプラ１６４にて合波して、該光ファイバカプラ１６４の二つの出力を、光電変換手段であるＤＢＤ１６５へ入力して光電変換する。ＤＢＤ１６５から出力される電気信号は、電気増幅器１６６にて増幅し、さらに、ＡＤ変換器１６７にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ１５２に供給する。
【００６９】
コンピュータ１５２は、走査マウント１５８の位置およびＳＬＤ１５１の光強度を制御しながら、ＡＤ変換器１６７から得られる情報に基づいて二次元画像を構築して、その構築した二次元画像をモニタ１６８に表示する。
【００７０】
本実施の形態に係る走査型内視鏡によれば、Ｙｂ添加ファイバＦＤＭＬ１６１から出力される光の光スペクトルを、光フィルタ１６３に入射させるので、所望の光スペクトル形状を有する局発光を容易に得ることができる。したがって、生体試料１５６からの被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出して、二次元画像としてモニタ１６８に表示することができ、正確な診断に供することができる。
【００７１】
（第６実施の形態）
図７は、本発明の第６実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、照明光源としてＸｅランプ１１１を有し、被検出光の検出系として図４に示した光検出装置の構成を有するものである。図８において、Ｘｅランプ１１１は、コンピュータ１１２に制御されたドライバ１１３によって駆動する。Ｘｅランプ１１１から発せられた光は、波長６００ｎｍ〜６２５ｎｍを透過させる光フィルタ１７０及びライトガイドファイバ（Light Guide Fiber:LGF）１１４を経由して照明用レンズ１１５から体腔内の生体試料１１６に向けて照明光として照射する。
【００７２】
照明光の照射により生体試料１１６で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ１１７にて集光して、合波ミラー１１８で局発光と合波させる。
【００７３】
局発光は、波長６００ｎｍ〜６２５ｎｍで発振するＰｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ１２１からの出力光を用いる。このＰｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ１２１からの出力光は、波長６００ｎｍ〜６１０ｎｍを透過させる光フィルタ１７２、ＳＭＦ１７１およびコリメートレンズ１２６を経て、合波ミラー１１８に局発光として入射させる。
【００７４】
ここで、コンピュータ１１２は、所望のＳＮ比の画像になるように、Ｐｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ１２１の光スペクトル帯域を調整する。
【００７５】
合波ミラー１１８で合波された光は、フィルタ１２７で可視光以外の光を除去し、集光用レンズ１２８により光電変換手段である二次元ＣＣＤ１３０に集光して光電変換する。二次元ＣＣＤ１３０からの出力電気信号は、ＡＤ変換器１３１でディジタル信号に変換した後、ディジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)１３２に供給し、該ＤＳＰ１３２で包絡線検波処理してコンピュータ１１２に供給する。そして、コンピュータ１１２により、ＤＳＰ１３２からの信号に基づいて二次元画像を構築して、モニタ１３３に画像を表示する。なお、照明用レンズ１１５、集光用レンズ１１７、合波ミラー１１８、コリメートレンズ１２６、フィルタ１２７、集光用レンズ１２８および二次元ＣＣＤ１３０は、内視鏡ハウジング１３４内に収められている。
【００７６】
本実施の形態に係る内視鏡によれば、Ｐｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ１２１から出力される光に光フィルタ１７２を組み合わせ局発光として用いるようにしている。したがって、生体試料１１６からの広帯域な被検出光を高い波長分解能にて高感度かつ高ＳＮ比で検出して、二次元画像としてモニタ１３３に表示することができ、正確な診断に供することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０  局発光発生手段
２０  光合波手段
３０  光電変換手段
４０  光周波数選択手段
４１  Ａｒレーザ
４２  強度変調器
４３  Ｘ−Ｙガルバノミラー
４６  ダイクロイックミラー
４７  対物レンズ
４８  生細胞試料
４９  ハーフミラー
５０  光スペクトル整形手段
５１  ＤＰＳＳレーザと光周波数コムを組み合わせた光源
５２  Ｐｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ
５３  ダイクロイックミラー
６１  ＤＢＤ（差動検出器）
６２  包絡線検波回路
６３  電気増幅器
６４  ＡＤ変換器
６５  コンピュータ
６６  モニタ
１１１  Ｘｅランプ
１１２  コンピュータ
１１５  照明用レンズ
１１６  生体試料
１１７  集光用レンズ
１１８  合波ミラー
１２１  Ｐｒ添加フッ化物ファイバＦＤＭＬ
１２６  コリメートレンズ
１２８  集光用レンズ
１３０  二次元ＣＣＤ
１３１  ＡＤ変換器
１３２  ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）
１３３  モニタ
１３４  ハウジング
１５１  ＳＬＤ
１５２  コンピュータ
１５５  コリメータ
１５６  生体試料
１５７  集光用レンズ
１５８  走査マウント
１６０  ハウジング
１６１  Ｙｂ添加ファイバＦＤＭＬ
１６３  光フィルタ
１６４  光ファイバカプラ
１６５  ＤＢＤ
１６６  電気増幅器
１６７  ＡＤ変換器
１６８  モニタ
１６９  ＳＭＦ
１７０  光フィルタ
１７１  ＳＭＦ
１７２  光フィルタ
【図１】
2012058019.tif 000003
【図３】
2012058019.tif 000004
【図２】
2012058019.tif 000005
【図４】
2012058019.tif 000006
【図５】
2012058019.tif 000007
【図６】
2012058019.tif 000008
【図７】
2012058019.tif 000009