(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
該光源から出射された超短パルスレーザ光を偏向する音響光学偏向器と、
該音響光学偏向器の前段または後段に配置され、該音響光学偏向器とは逆方向の角分散を与える角分散素子と、
該角分散素子と前記音響光学偏向器との間における波長毎の光路長を変更するように前記角分散素子を移動させて分散補償量を調節する群速度遅延分散量調節手段とを備えるレーザ顕微鏡。
【請求項２】
前記角分散素子が１以上のプリズムを備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項３】
前記超短パルスレーザ光の波長が変更されたときに、前記プリズムから前記音響光学偏向器までの光軸のアライメントを調節するアライメント調節機構を備える請求項２に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項４】
前記群速度遅延分散量調節手段が、前記プリズムを通過する前記超短パルスレーザ光の光路長を変化させる方向に前記プリズムを移動させる請求項２または請求項３に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項５】
前記角分散素子が１以上のグレーティングを備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項６】
前記超短パルスレーザ光の波長が変更されたときに、前記グレーティングから前記音響光学偏向器までの光軸のアライメントを調節するアライメント調節機構を備える請求項５に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項７】
前記アライメント調節機構が、前記グレーティングの角度を変化させる請求項６に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項８】
前記群速度遅延分散量調節手段が、前記グレーティングから前記音響光学偏向までの距離を変化させる方向に前記グレーティングを移動させる請求項５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】
前記グレーティングと前記音響光学偏向器との間に配置され、前記音響光学偏向器に入射する前記超短パルスレーザ光の光束径および／または広がり角を調節する１以上のレンズを含むビーム整形光学系を備える請求項５から請求項８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、スキャナとして、ガルバノミラーと比べて機構部がなく、ランダムな走査も高速に行うことができる音響光学偏向器を備えたレーザ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このレーザ顕微鏡においては、音響光学偏向器の角分散を補償するために音響光学偏向器の前段または後段にプリズムからなる角分散素子を挿入している。
【０００３】
また、音響光学偏向器は、群速度遅延分散が大きい光学素子であるため、これを補償することが必要である。群速度遅延分散を補償する手段としては、相互に移動可能なプリズムペアおよびミラーからなる群速度遅延分散補償器を用いることが知られている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／０１４９７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、相対移動可能なプリズムペアを備える群速度遅延分散補償器は、音響光学偏向器の大きな群速度遅延分散を補償するためにプリズム間の間隔を大きく確保する必要があるとともに、その補償量を変化させるためにプリズム間の間隔を大きく変化させなければならないため、大型のものとなり、かつ、プリズムおよびミラーを同期して変位させる複雑な機構が必要である。特に、２次元方向にレーザ光を走査するために、２個の音響光学偏向器を光軸方向に並べて配置する場合には、群速度遅延分散が倍増するので、これを補償するために、さらに大型のものを採用しなければならないという不都合がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡略な構造で群速度遅延分散および角分散を補償し、精度の高い観察を行うことができるレーザ顕微鏡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】
【０００７】
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、光源と、該光源から出射された超短パルスレーザ光を偏向する音響光学偏向器と、該音響光学偏向器の前段または後段に配置され、該音響光学偏向器とは逆方向の角分散を与える角分散素子と、該角分散素子と前記音響光学偏向器との間における光路長を変更するように前記角分散素子を移動させて分散補償量を調節する群速度遅延分散量調節手段とを備えるレーザ顕微鏡を提供する。
【０００８】
本発明によれば、光源から出射された超短パルスレーザ光が音響光学偏向器により偏向されることにより、標本上に高速で走査され、標本を照明して観察を行い、あるいは、標本上の特定領域に精度よく刺激を与えることができる。音響光学偏向器においては、角分散が発生して、波長毎に光路が変化するが、音響光学偏向器の前段または後段に配置された角分散素子によって逆方向の角分散を与えることにより、波長毎の光路変化をキャンセルすることができる。さらに、群速度遅延分散量調節手段の作動により、角分散素子を移動させることによって、角分散素子と音響光学偏向器との間における波長毎の光路長を変更して分散補償量を調節することができる。
【０００９】
この場合において、本発明によれば、角分散素子を角分散の補償と群速度遅延分散の補償の両方に利用することで、部品点数を減らして構造を簡略化することができる。また、群速度遅延分散を補償するのに必要な光学素子の移動量を低減して、小型化を図り、波長の変更や対物レンズの交換に際しての光学系の切り替えを迅速に行うことができる。
【００１０】
上記発明においては、前記角分散素子が１以上のプリズムを備えていてもよい。
プリズムの配置により、音響光学偏向器の角分散を補償し、プリズムの移動により、群速度遅延分散の補償量を調節することができる。
また、上記発明においては、前記超短パルスレーザ光の波長が変更されたときに、前記プリズムから前記音響光学偏向器までの光軸のアライメントを調節するアライメント調節機構を備えることが好ましい。
このようにすることで、超短パルスレーザ光の波長の変更による光路の変動を修正し、音響光学偏向器に対する超短パルスレーザ光の入射位置の変動を防止することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記群速度遅延分散量調節手段が、前記プリズムを通過する前記超短パルスレーザ光の光路長を変化させる方向に前記プリズムを移動させることとしてもよい。
このようにすることで、プリズムを移動させる単純な機構によって群速度遅延分散の補償量を調節することができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記角分散素子が１以上のグレーティングを備えていてもよい。
グレーティングはプリズムと比較して群速度遅延分散の補償量が大きいので、さらに小型化を図ることができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記超短パルスレーザ光の波長が変更されたときに、前記グレーティングから前記音響光学偏向器までの光軸のアライメントを調節するアライメント調節機構を備えることが好ましい。
このようにすることで、超短パルスレーザ光の波長の変更による光路の変動を修正し、音響光学偏向器に対する超短パルスレーザ光の入射位置の変動を防止することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記アライメント調節機構が、前記グレーティングの角度を変化させることとしてもよい。
このようにすることで、アライメント調節機構を別個に設ける必要がなく、部品点数を削減して装置の簡略化を図ることができる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記群速度遅延分散量調節手段が、前記グレーティングから前記音響光学偏向までの距離を変化させる方向に前記グレーティングを移動させることとしてもよい。
このようにすることで、グレーティングを移動させる単純な機構によって群速度遅延分散の補償量を調節することができる。
【００１６】
また、上記発明においては、前記グレーティングと前記音響光学偏向器との間に配置され、前記音響光学偏向器に入射する前記超短パルスレーザ光の光束径および／または広がり角を調節する１以上のレンズを含むビーム整形光学系を備えていてもよい。
このようにすることで、グレーティングによる群速度遅延分散の補償の際に変動する光束径や光束の広がり角の変動をビーム整形光学系により抑制して、音響光学偏向器に対し同等の超短パルスレーザ光が入射されるように調整することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、簡略な構造で群速度遅延分散および角分散を補償し、精度の高い観察を行う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】
【００１８】
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および図２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、図１に示されるように、フェムト秒パルスレーザ光Ｌを発生するレーザ光源２と、該レーザ光源２から発せられたフェムト秒パルスレーザ光Ｌを走査するスキャナ装置３と、該スキャナ装置３により走査されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌを標本Ａに照射して蛍光を検出する顕微鏡本体４とを備えている。
【００１９】
スキャナ装置３は、図２に示されるように、該レーザ光源から出射されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌのレーザ顕微鏡１全体の光路において発生する群速度遅延分散を大まかに補償する分散補償器５と、該分散補償器５により群速度遅延分散を補償されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌの光束径を調節するビーム縮小光学系６と、フェムト秒パルスレーザ光Ｌを走査する音響光学偏向器（ＡＯＤ）７とを備えている。
【００２０】
さらに、スキャナ装置３は、該音響光学偏向器７とビーム縮小光学系６との間に配置され、音響光学偏向器７とは逆方向の角分散を与えるプリズム（角分散素子）８と、該プリズム８から出射されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌの光軸位置を調節するアライメント調節機構９とを備えている。プリズム８には、該プリズム８を移動させてフェムト秒パルスレーザ光Ｌに与える分散補償量を調節する群速度遅延分散量調節手段１０が設けられている。
また、プリズム８の前段および音響光学偏向器７の前段には、プリズム８および音響光学偏向器７に入射されるフェムト秒パルスレーザ光Ｌの偏光方向を最適に調節するためのλ／２板１１が配置されている。
【００２１】
群速度遅延分散量調節手段１０は、プリズム８をその１つの頂角を進退させる方向に移動させるように構成されている。これにより、プリズム８内を通過するフェムト秒パルスレーザ光Ｌの光路長を変更し、それによって、フェムト秒パルスレーザ光Ｌに与える分散補償量を調節することができるようになっている。
【００２２】
アライメント調節機構９は、対向配置され、それぞれ揺動可能な２枚のミラー９ａ，９ｂによって構成されている。２枚のミラー９ａ，９ｂを揺動させることで、各々反射するフェムト秒パルスレーザ光Ｌの偏向方向を変更して音響光学偏向器７への入射位置を調節することができるようになっている。
【００２３】
音響光学偏向器７においては、入力される音響波の周波数を連続的に調節することで、フェムト秒パルスレーザ光Ｌの出射方向を連続的に高速変更することにより、フェムト秒パルスレーザ光Ｌを１次元的に走査することができるようになっている。また、フェムト秒パルスレーザ光Ｌを２次元的に走査するには、２台の音響光学偏向器７の偏向方向を９０°傾けて直列に配置する。
【００２４】
音響光学偏向器７から出射されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌは、図示しない瞳投影レンズ、結像レンズおよび対物レンズ１２を介して標本に照射され、対物レンズ１２の焦点面において集光されることにより、多光子励起効果によって、標本Ａ内の蛍光物質を励起し、多光子蛍光を発生させることができるようになっている。標本Ａにおいて発生した多光子蛍光は、対物レンズ１２により集められ、励起光路から分岐されて図示しない光検出器により検出されるようになっている。これにより、音響光学偏向器７による走査位置と、光検出器において検出された多光子蛍光の強度とを対応づけて記憶しておくことによって、２次元的な蛍光画像を取得することができるようになっている。
【００２５】
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によって標本Ａの多光子蛍光観察を行うには、レーザ光源２からフェムト秒パルスレーザ光Ｌを発生させる。フェムト秒パルスレーザ光Ｌは分散補償器５を通過させられることにより、大まかに群速度遅延分散を補償された後、ビーム縮小光学系６によりその光束径を調節される。
【００２６】
このように整形されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌは、プリズム８によって音響光学偏向器７とは逆方向の角分散を付与された後、アライメント調節機構９によって、光軸位置を整えられて音響光学偏向器７に入射される。
音響光学偏向器７においては、入力する音響波の周波数を高速に変化させることにより、フェムト秒パルスレーザ光Ｌの出射方向を連続的に変化させて、走査させることができる。相互に直交する方向に配置された音響光学偏向器７を作動させることにより出射されるフェムト秒パルスレーザ光Ｌを２次元的に走査させることができる。
【００２７】
音響光学偏向器７により２次元的に走査されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌは、瞳投影レンズ、結像レンズおよび対物レンズ１２を介して標本Ａに照射され、標本Ａ内の蛍光物質を励起して多光子蛍光を発生させる。発生した多光子蛍光は対物レンズ１２により集められた後に光検出器により検出される。音響光学偏向器７による走査位置と光検出器による多光子蛍光の強度情報を対応づけて記憶することにより２次元的な蛍光画像を取得することができる。
【００２８】
この場合において、プリズム８を通過させることによって、音響光学偏向器７とは逆方向の角分散をフェムト秒パルスレーザ光Ｌに与えるので、音響光学偏向器７から出射されるフェムト秒パルスレーザ光Ｌは角分散が補償された状態となって出射される。したがって、音響光学偏向器７から出射されるフェムト秒パルスレーザ光Ｌのビームの広がりを抑えることができる。
【００２９】
さらに、群速度遅延分散量調節手段１０の作動により、プリズム８を移動させることにより、プリズム８を通過するフェムト秒パルスレーザ光Ｌの光路長を変化させることで、フェムト秒パルスレーザ光Ｌに与える分散補償量を変化させることができる。
【００３０】
その結果、分散補償器５により与えられる分散補償量と合わせてプリズム８により与えられる分散補償量によってレーザ光源２から対物レンズ１２の先端までの群速度遅延分散が補償される。分散補償器５により大まかに群速度遅延分散を補償するので、プリズム８においては分散補償量を微調整することができ、標本Ａ面において略フーリエ限界パルスを精度良く実現し、多光子励起の効率を向上して、明るく鮮明な蛍光画像を得ることができるという利点がある。
【００３１】
すなわち、本実施形態に係るレーザ顕微鏡１によれば、角分散を補償するための角分散素子であるプリズム８を利用して群速度遅延分散の補償も行うことができる。したがって、装置の構成を簡略化して、小型化および低価格化を図ることができる。また、群速度遅延分散を補償するための光学素子の移動量を低減して、波長切替時あるいは対物レンズの交換時等における応答速度を向上することができるという利点がある。
【００３２】
なお、本実施形態においては、プリズム８の前段にλ／２板１１を配置することで、プリズム８および音響光学偏向器７に入射するフェムト秒パルスレーザ光Ｌの偏光方向を調整することとしたが、フェムト秒パルスレーザ光Ｌを２次元的に走査する場合には、２つの音響光学偏向器７の偏向方向を９０°異ならせて直交配置し、さらに音響光学偏向器７の前段にもλ／２板を配置し、かつ、プリズム８およびアライメント調節機構９のミラー９ａ，９ｂの設置角度を２つの音響光学偏向器７の偏向方向に対して４５°傾いた位置に設定することが好ましい。これにより、プリズム８によって付与する角分散の方向が、２つの音響光学偏向器７の偏向方向に対して４５°の方向になる。
【００３３】
プリズム８前の１／２λ板によって、フェムト秒パルスレーザ光の偏光方向がプリズムに対して最適な方向（角分散方向と同じ方向）に合わせ、音響光学偏向器７前の１／２λ板で偏光方向を１段目の音響光学偏向器７に対して最適な方向（音響光学偏向器７による偏向方向と同じ方向に合わせることで、プリズム８および直交配置された２つの音響光学偏向器７に対してそれぞれ最適な偏光方向を有するフェムト秒パルスレーザ光Ｌを入射させることができる。音響光学偏向器７からの出射光の偏光方向は入射光の偏光方向に対して直交する方向となるので、２段目の音響光学偏向器７に対しては自動的に最適な偏光方向となる。
このようにすることで、直交配置された２つの音響光学偏向器７による角分散を効率よく補償することができる。
【００３４】
また、群速度遅延分散量調節手段１０によりプリズム８を１つの頂角を進退させる方向に移動させることとしたが、これに代えて、プリズム８内を通過するフェムト秒パルスレーザ光Ｌの光路長を変更可能な任意の方向にプリズム８を移動させることにしてもよい。
また、単一のプリズム８により角分散の補償と分散補償量の微調整とを行うこととしたが、２以上のプリズムを用いてもよい。
また、プリズム８およびアライメント調節機構９を音響光学偏向器７の後段に配置することにしてもよい。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡について、図３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。
【００３６】
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１は、図３に示されるように、レーザ光源２と音響光学偏向器７との間に、固定ミラー１５，１６および反射型グレーティング１７を含む分散補償光学系１８と、倍率可変型のビーム縮小光学系１９とを備えている。
【００３７】
分散補償光学系１８は、固定ミラー１５と可動のグレーティング１７とを搭載したスライダ２０を、固定ミラー１６に対する距離を変化させる方向に移動させることができるようになっている。
ビーム縮小光学系１９は、例えば、光軸方向に間隔をあけて対向配置した２枚のシリンドリカルレンズ１９ａ，１９ｂ間の距離を変化させることができ、それによって、分散補償量の変更に応じて音響光学偏向器７に対して最適なビーム径とビーム広がり角を達成するように調節されるようになっている。
【００３８】
グレーティング１７は揺動可能に設けられ、その出射角度を変化させることでき、これによって、音響光学偏向器７に入射するフェムト秒パルスレーザ光Ｌの光軸位置を調節するアライメント調節機構２１が構成されている。
また、グレーティング１７から出射されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌを反射する固定ミラー１６を設けることで、グレーティング１７において回折されたフェムト秒パルスレーザ光Ｌの長波長側の光路長を長くしてフェムト秒パルスレーザ光Ｌに群速度遅延分散を付与することができるようになっている。そして、スライダ２０の移動により、グレーティング１７と固定ミラー１６との距離を調節することで、フェムト秒パルスレーザ光Ｌに与える分散補償量を調節することができるようになっている。
【００３９】
また、同時に、グレーティング１７においては、フェムト秒パルスレーザ光Ｌに音響光学偏向器７とは逆方向の角分散を与えることができる。
ここで、グレーティング１７により与えられる角分散量は大きすぎるので、後段のビーム縮小光学系１９により与えすぎた角分散を戻すように調節することができる。
【００４０】
このように構成されたレーザ顕微鏡によれば、群速度遅延分散量の補償をプリズム８より強力に行うことができるグレーティング１７を用いることで、装置をコンパクト化することができるという利点がある。さらに、分散補償量の大きなグレーティング１７を用いることで、第１の実施形態のような分散補償器５を設ける必要がなく、さらにコンパクト化を図ることができる。
【００４１】
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様にして、フェムト秒パルスレーザ光Ｌを２次元的に走査する場合には、２つの音響光学偏向器７の偏向方向を９０°異ならせて直交配置し、さらに音響光学偏向器７の前段にλ／２板を配置し、かつ、グレーティング１７および固定ミラー１６の設置角度を２つの音響光学偏向器７の偏向方向に対して４５°傾いた位置に設定することにしてもよい。これにより、グレーティング１７によって付与する角分散の方向を、２つの音響光学偏向器７の偏向方向に対して４５°の方向にすることができ、上記と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ顕微鏡を示すブロック図である。
【図２】図１のレーザ顕微鏡のスキャナ装置を説明する構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡のスキャナ装置を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｌ  フェムト秒パルスレーザ光（超短パルスレーザ光）
１  レーザ顕微鏡
２  レーザ光源（光源）
６，１９  ビーム縮小光学系（ビーム整形光学系）
７  音響光学偏向器
８  プリズム（角分散素子）
９，２１  アライメント調節機構
１０  群速度遅延分散量調節手段
１７  グレーティング（角分散素子）
１９ａ，１９ｂ  シリンドリカルレンズ（レンズ）
２０  スライダ（群速度遅延分散量調節手段）
【図１】
0005101393.tif 000002
【図２】
0005101393.tif 000003
【図３】
0005101393.tif 000004