JP2005266705A - Super-resolution microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば染色した試料を機能性の高いレーザ光源からの複数の波長の光により照明して、高い空間分解能を得る高性能かつ高機能の超解像顕微鏡に関するものであり、より詳しくはその光源装置の改良に関するものである。 The present invention relates to a high-performance and high-function super-resolution microscope that obtains high spatial resolution by illuminating a stained sample with light of a plurality of wavelengths from a highly functional laser light source, for example. The present invention relates to an improvement of the light source device.
光学顕微鏡の技術は古く、種々のタイプの顕微鏡が開発されてきた。また、近年では、レーザ技術および電子画像技術をはじめとする周辺技術の進歩により、更に高機能の顕微鏡システムが開発されている。 Optical microscope technology is old and various types of microscopes have been developed. In recent years, more advanced microscope systems have been developed due to advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology.
このような背景の中、複数波長の光で試料を照明することにより発する二重共鳴吸収過程を用いて、得られる画像のコントラストの制御のみならず化学分析も可能にした高機能な顕微鏡が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Against this background, we propose a highly functional microscope that not only controls the contrast of the resulting image but also enables chemical analysis using the double resonance absorption process that occurs when the sample is illuminated with light of multiple wavelengths. (For example, refer to Patent Document 1).
この顕微鏡は、二重共鳴吸収を用いて特定の分子を選択して、特定の光学遷移に起因する吸収および蛍光を観測するものである。この原理について、図4〜図7を参照して説明する。図4は、試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造を示すもので、先ず、図4に示す基底状態(S0状態)の分子がもつ価電子軌道の電子を波長λ1の光により励起して、図5に示す第1電子励起状態(S1状態)とする。次に、別の波長λ2の光により同様に励起して、図6に示す第2電子励起状態(S2状態)とする。この励起状態により、分子は蛍光あるいは燐光を発光して、図7に示すように基底状態に戻る。 This microscope selects a specific molecule using double resonance absorption and observes absorption and fluorescence caused by a specific optical transition. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows the electronic structure of the valence electron orbit of the molecules constituting the sample. First, the electrons in the valence electron orbit of the molecule in the ground state (S0 state) shown in FIG. 4 are excited by light of wavelength λ1. Thus, the first electronic excitation state (S1 state) shown in FIG. Next, excitation is similarly performed with light of another wavelength λ2, and a second electron excitation state (S2 state) shown in FIG. 6 is obtained. In this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence and returns to the ground state as shown in FIG.
二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、図5の吸収過程や図7の蛍光や燐光の発光を用いて、吸収像や発光像を観察する。この顕微鏡法では、最初にレーザ光等により共鳴波長λ1の光で図5のように試料を構成する分子をS1状態に励起させるが、この際、単位体積内でのS1状態の分子数は、照射する光の強度が増加するに従って増加する。 In the microscope method using the double resonance absorption process, an absorption image and a light emission image are observed using the absorption process of FIG. 5 and the fluorescence and phosphorescence emission of FIG. In this microscope method, first, the molecules constituting the sample are excited to the S1 state as shown in FIG. 5 with light having a resonance wavelength λ1 by laser light or the like. At this time, the number of molecules in the S1 state within the unit volume is It increases as the intensity of light to be applied increases.
ここで、線吸収係数は、分子一個当りの吸収断面積と単位体積当たりの分子数との積で与えられるので、図6のような励起過程においては、続いて照射する共鳴波長λ2に対する線吸収係数は、最初に照射した波長λ1の光の強度に依存することになる。すなわち、波長λ2に対する線吸収係数は、波長λ1の光の強度で制御できることになる。このことは、波長λ1および波長λ2の2波長の光で試料を照射し、波長λ2による透過像を撮影すれば、透過像のコントラストは波長λ1の光で完全に制御できることを示している。 Here, since the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross section per molecule and the number of molecules per unit volume, in the excitation process as shown in FIG. The coefficient depends on the intensity of the light having the wavelength λ1 irradiated first. That is, the linear absorption coefficient with respect to the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light with the wavelength λ1. This indicates that the contrast of the transmitted image can be completely controlled by the light of the wavelength λ1 when the sample is irradiated with the light of the two wavelengths of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 and a transmission image by the wavelength λ2 is taken.
また、図6の励起状態での蛍光または燐光による脱励起過程が可能である場合には、その発光強度はS1状態にある分子数に比例する。したがって、蛍光顕微鏡として利用する場合にも画像コントラストの制御が可能となる。 Further, when the deexcitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state of FIG. 6 is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, image contrast can be controlled even when used as a fluorescence microscope.
さらに、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、上記の画像コントラストの制御のみならず、化学分析も可能にする。すなわち、図4に示される最外殻価電子軌道は、各々の分子に固有なエネルギー準位を持つので、波長λ1は分子によって異なることになり、同時に波長λ2も分子固有のものとなる。 Furthermore, the microscope method using a double resonance absorption process enables not only the above-described image contrast control but also chemical analysis. That is, since the outermost valence electron orbit shown in FIG. 4 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 varies depending on the molecule, and the wavelength λ2 is also unique to the molecule.
ここで、従来の単一波長で照明する場合でも、ある程度特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察することが可能であるが、一般にはいくつかの分子における吸収帯の波長領域は重複するので、試料の化学組成の正確な同定までは不可能である。 Here, even when illuminating with a conventional single wavelength, it is possible to observe an absorption image or fluorescence image of a specific molecule to some extent, but generally the wavelength regions of absorption bands of several molecules overlap. It is impossible to accurately identify the chemical composition of the sample.
これに対し、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、波長λ1および波長λ2の2波長により吸収あるいは発光する分子を限定するので、従来法よりも正確な試料の化学組成の同定が可能となる。また、価電子を励起する場合、分子軸に対して特定の電場ベクトルをもつ光のみが強く吸収されるので、波長λ1および波長λ2の偏光方向を決めて吸収または蛍光像を撮影すれば、同じ分子でも配向方向の同定まで可能となる。 On the other hand, in the microscope method using the double resonance absorption process, the molecules that absorb or emit light are limited by the two wavelengths of λ1 and λ2, so that the chemical composition of the sample can be identified more accurately than the conventional method. Become. In addition, when valence electrons are excited, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization direction of the wavelengths λ1 and λ2 is determined and an absorption or fluorescence image is taken, the same Even molecules can be used to identify the orientation direction.
また、最近では、二重共鳴吸収過程を用いて回折限界を越える高い空間分解能をもつ蛍光顕微鏡も提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Recently, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit using a double resonance absorption process has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).
図8は、分子における二重共鳴吸収過程の概念図で、基底状態S0の分子が、波長λ1の光で第1電子励起状態であるS1に励起され、更に波長λ2の光で第2電子励起状態であるS2に励起されている様子を示している。なお、図8はある種の分子のS2からの蛍光が極めて弱いことを示している。 FIG. 8 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule. A molecule in the ground state S0 is excited by light having a wavelength λ1 to S1, which is a first electronically excited state, and further excited by a second electron by light having a wavelength λ2. The state of being excited by the state S2 is shown. FIG. 8 shows that the fluorescence from S2 of certain molecules is extremely weak.
図8に示すような光学的性質を持つ分子の場合には、極めて興味深い現象が起きる。図9は、図8と同じく二重共鳴吸収過程の概念図で、横軸のX軸は空間的距離の広がりを表わし、波長λ2の光を照射した空間領域A1と波長λ2の光が照射されない空間領域A0とを示している。 In the case of molecules having optical properties as shown in FIG. 8, a very interesting phenomenon occurs. FIG. 9 is a conceptual diagram of the double resonance absorption process, as in FIG. 8. The horizontal X axis represents the spread of the spatial distance, and the light of the wavelength region λ2 and the light of the wavelength region λ2 is not irradiated. A space area A0 is shown.
図9において、空間領域A0では波長λ1の光の励起によりS1状態の分子が多数生成され、その際に空間領域A0からは波長λ3で発光する蛍光が見られる。しかし、空間領域A1では、波長λ2の光を照射したため、S1状態の分子のほとんどが即座に高位のS2状態に励起されて、S1状態の分子は存在しなくなる。このような現象は、幾つかの分子により確認されている。これにより、空間領域A1では、波長λ3の蛍光は完全になくなり、しかもS2状態からの蛍光はもともとないので、空間領域A1では完全に蛍光自体が抑制され(蛍光抑制効果)、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。 In FIG. 9, in the spatial region A0, a large number of molecules in the S1 state are generated by excitation of light of wavelength λ1, and at this time, fluorescence emitted at wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the spatial region A1, since the light of wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher S2 state and no S1 state molecule exists. Such a phenomenon has been confirmed by several molecules. Thereby, in the spatial region A1, the fluorescence of the wavelength λ3 is completely lost, and the fluorescence from the S2 state is not originally present. Therefore, in the spatial region A1, the fluorescence itself is completely suppressed (fluorescence suppression effect), and only from the spatial region A0. Fluorescence will be emitted.
このことは、顕微鏡の応用分野から考察すると、極めて重要な意味を持っている。すなわち、従来の走査型レーザ顕微鏡等では、レーザ光を集光レンズによりマイクロビームに集光して観察試料上を走査するが、その際のマイクロビームのサイズは、集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界となり、原理的にそれ以上の空間分解能は期待できない。 This is extremely important when considered from the field of application of a microscope. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, a laser beam is condensed into a micro beam by a condensing lens and scanned on an observation sample. The size of the micro beam at that time is determined by the numerical aperture and wavelength of the condensing lens. The diffraction limit is determined by, and in principle, no further spatial resolution can be expected.
ところが、図9の場合には、波長λ1と波長λ2との2種類の光を空間的に上手く重ね合わせて、波長λ2の光の照射により蛍光領域を抑制することで、例えば波長λ1の光の照射領域に着目すると、蛍光領域を集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界よりも狭くでき、実質的に空間分解能を向上させることが可能となる。したがって、この原理を利用することで、回折限界を越える二重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微鏡、例えば超解像蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。 However, in the case of FIG. 9, two types of light of wavelength λ1 and wavelength λ2 are spatially superposed and the fluorescent region is suppressed by irradiation with light of wavelength λ2, for example, the light of wavelength λ1. Focusing on the irradiation region, the fluorescent region can be made narrower than the diffraction limit determined by the numerical aperture and wavelength of the condenser lens, and the spatial resolution can be substantially improved. Therefore, by utilizing this principle, it becomes possible to realize a super-resolution microscope using a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit, for example, a super-resolution fluorescence microscope.
さらに、波長λ1と波長λ2との2つの光の照射タイミングを工夫することで、S/Nを改善でき、かつ蛍光抑制を効果的に起こす条件も提案されており、これにより超解像性をより効果的に発現することも可能である(例えば、特許文献3参照)。 Furthermore, by devising the irradiation timing of the two lights of wavelength λ1 and wavelength λ2, a condition that can improve S / N and effectively suppress fluorescence is proposed. It can also be expressed more effectively (see, for example, Patent Document 3).
このような超解像顕微鏡法の具体例として、蛍光ラベラー分子をS0状態からS1状態へ励起する波長λ1の光(特にレーザ光)をポンプ光とし、S1状態からS2状態へ励起する波長λ2の光をイレース光として、図10に示すように、光源81からポンプ光を、光源82からイレース光をそれぞれ放射させ、ポンプ光はダイクロイックミラー83で反射させた後、集光光学系84により試料85上に集光させ、イレース光は位相板86で中空ビーム化した後、ダイクロイックミラー83を透過させてポンプ光と空間的に重ね合わせて集光光学系84により試料85上に集光させるようにしたものが提案されている(例えば、特許文献4参照)。
As a specific example of such super-resolution microscopy, light of wavelength λ1 (especially laser light) that excites fluorescent labeler molecules from the S0 state to the S1 state is used as pump light, and wavelength λ2 that excites the S1 state to the S2 state. As shown in FIG. 10, the light is emitted from the
この顕微鏡によると、イレース光の強度がゼロとなる光軸近傍以外の蛍光は抑制されるので、結果的にポンプ光の広がりより狭い領域(Δ<0.61・λ1/NA、NAは集光光学系84の開口数)に存在する蛍光ラベラー分子のみが観察されることになり、結果的に超解像性が発現することになる。なお、イレース光を中空ビーム化する位相板86は、例えば、図11に示すように、光軸に対して点対称な位置で位相差πを与えるように構成したものや、液晶面を用いた光空間変調器、あるいはミラー自身の形状を波長オーダで制御するデフォーマブルミラーを用いることができる。
According to this microscope, fluorescence other than the vicinity of the optical axis where the intensity of the erase light becomes zero is suppressed, and as a result, a region narrower than the spread of the pump light (Δ <0.61 · λ1 / NA, where NA is a condensed light) Only the fluorescent labeler molecules present in the numerical aperture) of the
一方、本発明者らは、上記の超解像顕微鏡に適用する光源装置として、高価なパルス発振レーザを用いることなく、例えば、ビームの位置安定性および波面の均一性に優れた安価な連続発振(CW)レーザを用い、このCWレーザから発せられるレーザ光を、音響光学結晶を用いた音響光学変調器により強度変調して擬似パルス化するようにしたものを開発している(例えば、特願2003−109018号)。 On the other hand, as a light source device applied to the above-described super-resolution microscope, the present inventors do not use an expensive pulsed laser, for example, an inexpensive continuous oscillation excellent in beam position stability and wavefront uniformity. A (CW) laser is used, and a laser beam emitted from the CW laser is modulated by an acousto-optic modulator using an acousto-optic crystal to generate a pseudo pulse (for example, a patent application) 2003-109018).
ここで、音響光学結晶は、音波の伝搬で誘起される屈折率変化によって音響光学効果(例えば、偏向、回折、変調、位相シフト、周波数シフト、複屈折など)を呈するもので、音波によって光学的な屈折率を音速の周期で変動させる際に、音と光の波長によって、以下の3種類の効果が現れる。 Here, the acousto-optic crystal exhibits an acousto-optic effect (for example, deflection, diffraction, modulation, phase shift, frequency shift, birefringence, etc.) due to a refractive index change induced by the propagation of sound waves. The following three types of effects appear depending on the wavelength of sound and light when varying the refractive index with the speed of sound.
1)音の波長が長いときは、十分に細い光束を音の進行方向と直角方向に通すと、屈折率勾配が生じて光線が湾曲し、音の周波数で光線が偏向走査される。
2)音の波長が短くなると、音波は光束に対して回折格子として作用する。
3)音の波長が更に短くなって、光の波長オーダになると、垂直入射では回折が生じなくなり、特定の入射角において強いブラッグ回折を起こす。
1) When the wavelength of the sound is long, if a sufficiently thin light beam is passed in a direction perpendicular to the traveling direction of the sound, a refractive index gradient is generated, the light beam is bent, and the light beam is deflected and scanned at the sound frequency.
2) When the wavelength of the sound is shortened, the sound wave acts as a diffraction grating for the light beam.
3) When the wavelength of the sound is further shortened to the light wavelength order, diffraction does not occur at normal incidence, and strong Bragg diffraction occurs at a specific incident angle.
音響光学結晶により周波数fの音波で回折されるm次の回折光は、ドプラー効果によりmfだけ周波数がずれ、その回折角θmは、光の波長をλ、音波の波長をΛとすると、sinθm=mλ/Λ、で与えられる。 The mth-order diffracted light diffracted by the acoustic wave of frequency f by the acousto-optic crystal is shifted in frequency by mf due to the Doppler effect, and the diffraction angle θm is sinθm = where λ is the wavelength of the light and Λ is the wavelength of the sound wave. mλ / Λ.
レーザ光偏向や変調に用いる音響光学変調器は、この効果を応用したもので、図12はその原理的構成を示している。図12に示すように、音響光学変調器91は、音響光学結晶92にトランスジューサ93を接着して構成され、トランスジューサ93に電圧を印加して超音波を発生させて音響光学結晶92を伝搬させることにより、入射光を回折させるもので、図12はブラッグ反射による回折を示している。この音響光学変調器19は、音響光学結晶92として、例えばPbMoO4結晶やTeO2結晶を用いれば、最大25MHz(帯域)まで変調が可能である。
The acousto-optic modulator used for laser beam deflection and modulation applies this effect, and FIG. 12 shows its principle configuration. As shown in FIG. 12, the
上記の音響光学変調器91をCWレーザの光路に挿入し、トランスジューサ93を電気的に制御して音波を断続的に音響光学結晶92に伝搬させれば、超解像顕微鏡システムと相応しいパルス光源を実現することができる。すなわち、He・Neレーザ、Arレーザ、Krレーザ、Tiサファイアレーザ等のCWレーザの優れたビーム品質を保持したまま、パルス化が可能となる。しかも、電気的制御により任意のパルス発振周波数を選ぶことができるので、例えばポンプ光とイレース光とのパルス発振のタイミングおよびパルス幅を電気的に簡便に制御でき、これにより超解像顕微鏡の基礎をなす蛍光抑制効果を効率的に誘起することが可能となる。
If the acousto-
その結果として、超解像性も向上し、分解能において差別化された高機能な顕微鏡を提供することが可能となる。また、既にレーザ走査型顕微鏡システムにおいて幅広く導入され、実績も高いHe・Neレーザ等のガスレーザの利用も可能となり、より実用面において優れたユーザーフレンドリーな顕微鏡システムを提供することが可能となる。
しかしながら、本発明者らによるその後の実験検討によると、先に開発した光源装置を用いる超解像顕微鏡では、以下に説明するような改良すべき点があることが判明した。 However, according to subsequent experimental studies by the present inventors, it has been found that the super-resolution microscope using the previously developed light source device has the following points to be improved.
すなわち、音響光学変調器は、音響光学結晶に音波を伝搬させることにより、入射光を回折させて、その回折光の光強度を変調するため、その変調の速度は音響光学結晶を伝搬する音波の速度で決まる。例えば、トランスジューサへの電圧印加開始から変調光の強度がほぼ半分になる時間tは、音響光学結晶への入射光のビーム径をD、音響光学結晶内での音速をvとすると、t=0.65×D/v、となる(「図解光デバイス辞典」、株式会社オプトロニクス社、平成8年7月10日、p.32参照)。 That is, the acousto-optic modulator diffracts incident light by propagating the sound wave to the acousto-optic crystal and modulates the light intensity of the diffracted light. Determined by speed. For example, the time t when the intensity of the modulated light from the start of voltage application to the transducer is almost halved is t = 0, where D is the beam diameter of the incident light to the acoustooptic crystal and v is the speed of sound in the acoustooptic crystal. (Refer to “Illustrated Optical Device Dictionary”, Optronics, Inc., July 10, 1996, p. 32).
したがって、電圧の印加開始からt=0.65×D/vの間(以下、過渡変化時間帯とも言う)は、最大回折効率まで到達せず、ビームの部分的領域が回折されたものとなって、回折光の波面は乱れたものとなる。 Therefore, during t = 0.65 × D / v from the start of voltage application (hereinafter also referred to as a transient change time zone), the maximum diffraction efficiency is not reached, and a partial region of the beam is diffracted. Thus, the wave front of the diffracted light is disturbed.
このため、超解像顕微鏡において、ポンプ光とイレース光とをそのまま、時間および空間領域において重複させて試料面に投射すると、時間領域において過渡変化時間帯を含むことになり、その結果、過渡変化時間帯において、イレース光の強度が蛍光抑制効果を誘起する一定の閾値を超えず、超解像効果の発現が著しく弱くなる場合がある。 For this reason, in the super-resolution microscope, if the pump light and the erase light are directly overlapped in the time and space domain and projected onto the sample surface, a transient change time zone will be included in the time domain. In the time zone, the intensity of the erase light may not exceed a certain threshold value that induces the fluorescence suppression effect, and the expression of the super-resolution effect may be significantly weakened.
また、イレース光を光空間変調して中空状のビームに整形する際は、もとの波面の均一性が重要な要素となり、多少の波面の乱れがあると、光軸に対して対称な中空ビームが得られない。このため、過渡変化時間帯では、回折光の波面が大きく変化することから、イレース光の空間変調が不確実なものとなり、その結果、試料集光面において空間的な蛍光消去が不十分となって、分解能が反対に低下するだけでなく、蛍光信号の総量も弱くなるおそれがある。 In addition, when the erase light is spatially modulated and shaped into a hollow beam, the uniformity of the original wavefront becomes an important factor, and if there is some disturbance of the wavefront, the hollow is symmetrical with respect to the optical axis. I can't get a beam. For this reason, since the wavefront of the diffracted light changes greatly in the transient change time zone, the spatial modulation of the erase light becomes uncertain, and as a result, the spatial fluorescence erasure becomes insufficient on the sample focusing surface. Thus, not only the resolution is decreased, but the total amount of the fluorescence signal may be weakened.
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、簡単かつ安価な構成で、常に安定して超解像効果を発現できる超解像顕微鏡を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of such circumstances is to provide a super-resolution microscope that can always express a super-resolution effect stably with a simple and inexpensive configuration.
上記目的を達成する請求項1に係る発明は、少なくとも基底状態を含む3つの電子状態を有する分子を含む試料に対して、上記分子を基底状態から第1電子励起状態に励起するコヒーレントの第1のパルス光を出射する第1の光源手段と、
上記分子を上記第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態に励起するコヒーレントの第2のパルス光を出射する第2の光源手段と、
上記第1のパルス光と上記第2のパルス光とを一部重ね合わせて上記試料に集光照射する光学系と、
上記光学系により集光照射される光と上記試料とを相対的に移動させて上記試料を走査する走査手段と、
上記光学系からの光照射により上記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段とを有する超解像顕微鏡において、
少なくとも上記第2の光源手段は、連続発振レーザと、該連続発振レーザからのコヒーレント光を電圧の印加により強度変調して上記第2のパルス光として出射する音響光学変調器とを有し、
上記第1の光源手段から上記試料までの光路長をL1、上記第2の光源手段から上記試料までの光路長をL2、上記連続発振レーザから上記音響光学変調器に入射するコヒーレント光のビーム径をD、上記音響光学変調器における音速をv、光速をcとするとき、上記音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後に、上記第1の光源手段から上記第1のパルス光を出射させるように構成したことを特徴とするものである。
The invention according to
Second light source means for emitting coherent second pulsed light for exciting the molecule from the first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system for condensing and irradiating the sample with the first pulsed light and the second pulsed light partially overlapped;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the light condensed and irradiated by the optical system and the sample;
In a super-resolution microscope having detection means for detecting a light response signal generated from the sample by light irradiation from the optical system,
At least the second light source means has a continuous wave laser, and an acousto-optic modulator that modulates the intensity of the coherent light from the continuous wave laser by applying a voltage and emits it as the second pulsed light,
The optical path length from the first light source means to the sample is L1, the optical path length from the second light source means to the sample is L2, and the beam diameter of coherent light entering the acoustooptic modulator from the continuous wave laser Is D, the sound velocity in the acoustooptic modulator is v, and the speed of light is c, at least t = 0.65 × D / v− (L2−L1) / c from the start of voltage application to the acoustooptic modulator. Thereafter, the first pulsed light is emitted from the first light source means.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の超解像顕微鏡において、上記第1の光源手段から出射する上記第1のパルス光のパルス時間をtpとするとき、上記音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/c+tpの後に、該音響光学変調器への電圧印加を終了するように構成したことを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the super-resolution microscope according to the first aspect, when the pulse time of the first pulsed light emitted from the first light source means is tp, the acousto-optic modulator is provided. The voltage application to the acousto-optic modulator is terminated at least after t = 0.65 × D / v− (L2−L1) / c + tp from the start of voltage application. is there.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の超解像顕微鏡において、上記第1の光源手段は、連続発振レーザと、該連続発振レーザからのコヒーレント光を電圧の印加により強度変調して上記第1のパルス光として出射する音響光学変調器とを有し、
上記第2の光源手段の上記音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後に、上記第1の光源手段の上記音響光学変調器への電圧印加を開始するように構成したことを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the super-resolution microscope according to
The acousto-optics of the first light source means after at least t = 0.65 × D / v- (L2-L1) / c from the start of voltage application to the acousto-optic modulator of the second light source means. The present invention is characterized in that voltage application to the modulator is started.
請求項4に係る発明は、請求項1,2または3に記載の超解像顕微鏡において、上記音響光学変調器は、音響光学結晶としてPbMoO4結晶またはTeO2結晶を有することを特徴とするものである。
The invention according to claim 4 is the super-resolution microscope according to
先ず、本発明の原理について、図1に示すタイムチャートを参照して説明する。 First, the principle of the present invention will be described with reference to the time chart shown in FIG.
図1は、イレース光およびポンプ光を、それぞれ独立したCWレーザおよび音響光学変調器(AOM)を用いて得る場合の様子を示すもので、図1(a)は図1(b)に示すパルス電圧波形をイレース光用のAOMに印加したときに得られるイレース光パルスの回折強度を示しており、図1(c)は図1(d)に示すパルス電圧波形をポンプ光用のAOMに印加したときに得られるポンプ光パルスの回折強度を示している。 FIG. 1 shows a state in which erase light and pump light are obtained using an independent CW laser and an acousto-optic modulator (AOM), respectively. FIG. 1 (a) shows the pulse shown in FIG. 1 (b). FIG. 1C shows the diffraction intensity of the erase light pulse obtained when the voltage waveform is applied to the erase light AOM. FIG. 1C shows the pulse voltage waveform shown in FIG. 1D applied to the pump light AOM. The diffraction intensity of the pump light pulse obtained at this time is shown.
図1(a)において、TR(E)は、イレース光の過渡変化時間帯で、イレース光の回折強度が弱く、しかも波面も乱れている時間帯である。また、TUSE(E)は、完全に音波が音響光学結晶に伝搬されて回折効率が最大になり、かつ波面も安定した状態の時間帯である。また、TD(E)は、AOMへの電圧印加が終了した後も、まだ残留する音波により回折光が漏れ出してくる時間帯で、TR(E)と同様に、イレース光の回折強度が弱く、しかもその波面も乱れている時間帯である。 In FIG. 1A, T R (E) is a transient change time zone of the erase light, and is a time zone where the diffraction intensity of the erase light is weak and the wave front is disturbed. T USE (E) is a time zone in which the sound wave is completely propagated to the acousto-optic crystal, the diffraction efficiency is maximized, and the wavefront is stable. T D (E) is a time zone in which the diffracted light leaks due to the remaining sound wave even after the voltage application to the AOM is completed, and the diffraction intensity of the erase light is the same as T R (E). Is a time zone where the wave front is disturbed.
また、図1(c)において、TR(P)は、ポンプ光の過渡変化時間帯で、ポンプ光の回折強度が弱く、しかも波面も乱れている時間帯である。また、TD(P)は、AOMへの電圧印加が終了した後も、まだ残留する音波により回折光が漏れ出してくる時間帯で、TR(P)と同様に、ポンプ光の回折強度が弱く、しかもその波面も乱れている時間帯である。なお、図1(c)においては、図1(a)のTUSE(E)に相当する時間帯TUSE(P)が存在する場合もある。 Further, in FIG. 1C, T R (P) is a transient change time zone of the pump light, which is a time zone in which the diffraction intensity of the pump light is weak and the wave front is disturbed. Further, T D (P) is a time zone in which diffracted light leaks due to the remaining sound wave even after the voltage application to the AOM is finished, and similarly to T R (P), the diffraction intensity of the pump light. Is a time zone where the wave front is disturbed. In FIG. 1C, there may be a time zone T USE (P) corresponding to T USE (E) in FIG.
イレース光に関しては、TR(E)およびTD(E)の時間帯は、強度が不十分かつ波面も乱れているため、超解像顕微鏡のイレース光には用いることはできない。したがって、利用できる時間帯はTUSE(E)のみとなる。 Regarding the erase light, the time zone of T R (E) and T D (E) cannot be used for the erase light of the super-resolution microscope because the intensity is insufficient and the wave front is disturbed. Therefore, the only available time zone is T USE (E).
これに対し、ポンプ光に関しては、ビーム強度の一定性や波面の均一性は追求されないので、TR(P)およびTD(P)の時間帯を超解像顕微鏡に利用することができ、TR(P)とTD(P)とを合わせた時間をポンプ光パルスの照射時間TUSE(P)とすることができる。勿論、TUSE(E)に相当する時間帯を設けて、その時間帯に回折するポンプ光を用いても構わない。 On the other hand, with respect to the pump light, since the uniformity of the beam intensity and the uniformity of the wave front are not pursued, the time zone of T R (P) and T D (P) can be used for the super-resolution microscope, The time when T R (P) and T D (P) are combined can be set as the irradiation time T USE (P) of the pump light pulse. Of course, a time zone corresponding to T USE (E) may be provided, and pump light diffracted in that time zone may be used.
図1から明らかなように、超解像顕微鏡においては、イレース光として実効的に使用できるのは、TUSE(E)の時間帯であるので、ポンプ光パルスの照射時間TUSE(P)は、TUSE(E)の時間帯以内に完了するのが理想的である。この間は、イレース光が十分な強度を有し、しかも完全な中空状のビーム形状に空間変調することができる。 As is clear from FIG. 1, in the super-resolution microscope, since it is the time zone of T USE (E) that can be effectively used as erase light, the irradiation time T USE (P) of the pump light pulse is Ideally, it will be completed within the time zone of T USE (E). During this time, the erase light has sufficient intensity and can be spatially modulated into a complete hollow beam shape.
したがって、ポンプ光およびイレース光が到達する試料面において、例えば、図1のタイムチャートで示すような照射タイミングが実現されれば、AOMを用いた超解像顕微鏡の最適化が図られ、分解能向上効果を最大に発現することができる。 Therefore, for example, if the irradiation timing as shown in the time chart of FIG. 1 is realized on the sample surface where the pump light and the erase light arrive, the super-resolution microscope using the AOM can be optimized and the resolution can be improved. The effect can be maximized.
ここで、図1に示すように、ポンプ光パルスの照射時間TUSE(P)を、TR(E)およびTD(E)の時間帯を避けてTUSE(E)の時間帯以内に重複させる具体的な実現手段としては、電気的手段および光学的手段がある。 Here, as shown in FIG. 1, the irradiation time T USE (P) of the pump light pulse is set within the time zone of T USE (E) while avoiding the time zones of T R (E) and T D (E). Specific means for overlapping include electrical means and optical means.
電気的手段としては、例えばクロックジェネレータでAOMの制御パルス信号を生成し、その制御パルス信号をタイムゲートジェネレータやディレイジェネレータで代表されるデジタルカウンタ回路に入力して、制御パルス信号の立ち上がりまたは立ち下がりから一定時間後に任意の長さのパルスを再発振させ、これによりAOMを駆動して任意のタイミングで回折光を取り出すことができる。なお、デジタルカウンタ回路に代えて、RC回路やケーブルディレイ等のアナログ回路モジュールを用いて、制御パルス信号からAOMを駆動する任意の長さのパルスを得ることもできる。 As an electrical means, for example, a clock generator generates an AOM control pulse signal, and the control pulse signal is input to a digital counter circuit typified by a time gate generator or a delay generator, so that the control pulse signal rises or falls Then, a pulse having an arbitrary length is re-oscillated after a certain period of time, thereby driving the AOM and extracting the diffracted light at an arbitrary timing. Instead of the digital counter circuit, an analog circuit module such as an RC circuit or a cable delay can be used to obtain a pulse having an arbitrary length for driving the AOM from the control pulse signal.
また、光学的手段としては、ポンプ光および/またはイレース光の光路長を変えることにより、それらの照射タイミングを調整することができる。例えば、空気中では約30cmで1nsecの遅延が可能なので、光学部品の空間的配置を変えたり、ミラー等を追加したりして光路長を変えて照射タイミングを調整したり、あるいは光ファイバを通すことで光路長を変えて照射タイミングを調整したりすることができる。 Moreover, as an optical means, those irradiation timings can be adjusted by changing the optical path length of pump light and / or erase light. For example, in air, a delay of about 1 ns is possible at about 30 cm, so changing the spatial arrangement of optical components, adding mirrors, etc., changing the optical path length, adjusting the irradiation timing, or passing an optical fiber Thus, the irradiation timing can be adjusted by changing the optical path length.
このように、電気的手段または光学的手段を用いて、ポンプ光パルスの照射時間TUSE(P)を、TR(E)およびTD(E)の時間帯を避けてTUSE(E)の時間帯以内に重複させるようにすれば、超解像顕微鏡において、その分解能向上効果を最大に発現できる試料照明条件を実現することができる。 In this way, using the electric means or the optical means, the irradiation time T USE (P) of the pump light pulse is set to be T USE (E) while avoiding the time zones T R (E) and T D (E). If it is made to overlap within this time zone, in the super-resolution microscope, it is possible to realize sample illumination conditions that can maximize the resolution improvement effect.
請求項1の発明によると、少なくとも第2のパルス光(イレース光パルス)を出射する第2の光源手段を、連続発振レーザと音響光学変調器とを有して構成して、連続発振レーザからのコヒーレント光を音響光学変調器で強度変調して疑似パルス化し、音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後に、第1の光源手段から第1のパルス光(ポンプ光パルス)を出射させるようにしたので、安価な構成で、S/Nおよび空間分解能の高い実用性に優れた超解像顕微鏡を実現することができる。特に、連続発振レーザとして、ビームの波面および位置安定性の良好なガスレーザーを用いれば、イレース光パルスのビーム整形や、ビームの位置ズレよる空間分解能劣化を防止できるので、超解像性および分解能に優れた超解像顕微鏡を実現することができる。したがって、レーザを専門としない一般ユーザ、特に生物系研究者にとって作業性の良い超解像顕微鏡を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, the second light source means for emitting at least the second pulsed light (erase light pulse) includes the continuous wave laser and the acoustooptic modulator, and the continuous wave laser is used. The coherent light is intensity-modulated with an acousto-optic modulator to form a pseudo pulse, and at least after t = 0.65 × D / v− (L2−L1) / c from the start of voltage application to the acoustooptic modulator. Since the first pulsed light (pump light pulse) is emitted from one light source means, it is possible to realize a super-resolution microscope excellent in practicality with high S / N and spatial resolution with an inexpensive configuration. it can. In particular, if a gas laser with a good wavefront and position stability is used as a continuous wave laser, beam shaping of erase light pulses and spatial resolution degradation due to beam position deviation can be prevented, so super-resolution and resolution An excellent super-resolution microscope can be realized. Therefore, it is possible to provide a super-resolution microscope with good workability for general users who are not specialized in lasers, particularly biological researchers.
請求項2の発明によると、ポンプ光パルスのパルス時間をtpとするとき、音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/c+tpの後に、該音響光学変調器への電圧印加を終了するようにしたので、ポンプ光パルスの照射時間tpを、イレース光パルスが十分な強度を有する図1のTUSE(E)以内に完了させることができる。したがって、超解像顕微鏡の最適化が図られ、分解能向上効果を最大に発現することができる。
According to the invention of
請求項3の発明によると、ポンプ光パルスを出射する第2の光源手段も、連続発振レーザと音響光学変調器とを有して構成して、連続発振レーザからのコヒーレント光を音響光学変調器で強度変調して疑似パルス化するようにし、イレース光用の音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後に、ポンプ光用の音響光学変調器への電圧印加を開始するようにしたので、より安価な構成で、S/Nおよび空間分解能の高い実用性に優れた超解像顕微鏡を実現することができる。 According to the invention of claim 3, the second light source means for emitting the pump light pulse also includes the continuous wave laser and the acoustooptic modulator, and the coherent light from the continuous wave laser is converted into the acoustooptic modulator. The intensity of the pump light is converted into a pseudo pulse, and at least after t = 0.65 × D / v− (L2−L1) / c from the start of voltage application to the acoustooptic modulator for erase light, the pump light Since the application of voltage to the acousto-optic modulator is started, a super-resolution microscope excellent in practicality with a high S / N and spatial resolution can be realized with a more inexpensive configuration.
請求項4の発明によると、音響光学変調器の音響光学結晶として、PbMoO4結晶またはTeO2結晶を用いるので、入力電気パルスに対する立ち上がり応答時間を5nsec程度と短くでき、ナノ秒パルスレーザと同等のパルス幅で、MHzオーダの繰り返し周波数を得ることができる。 According to the invention of claim 4, since the PbMoO 4 crystal or the TeO 2 crystal is used as the acousto-optic crystal of the acousto-optic modulator, the rise response time for the input electric pulse can be shortened to about 5 nsec, which is equivalent to the nanosecond pulse laser. A repetition frequency of the order of MHz can be obtained with the pulse width.
以下、本発明による超解像顕微鏡の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a super-resolution microscope according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、本発明の一実施の形態における超解像顕微鏡の光学系の要部構成を示す図である。本実施の形態の顕微鏡は、CWのポンプ光およびイレース光をともに音響光学変調器により強度変調して試料に照射するようにした超解像蛍光顕微鏡を示すものである。以下、ローダミン6Gで染色された生体試料を観察する場合を例にとって説明する。 FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of the optical system of the super-resolution microscope in one embodiment of the present invention. The microscope according to the present embodiment is a super-resolution fluorescence microscope in which the intensity of both CW pump light and erase light is modulated by an acousto-optic modulator to irradiate the sample. Hereinafter, a case where a biological sample stained with rhodamine 6G is observed will be described as an example.
ローダミン6Gは、波長530nm近傍に基底状態(S0)から第1電子励起状態(S1)に励起される吸収帯があり、また、波長600nm〜650nmの帯域に第1電子励起状態(S1)から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態(S2)に励起される二重共鳴吸収帯域が存在することが確認されている(例えば、E.Sahar and D.Treves:IEEE,J.Quantum Electron.,QE-13,692(1977)参照)。 Rhodamine 6G has an absorption band excited from the ground state (S0) to the first electronically excited state (S1) in the vicinity of the wavelength of 530 nm, and from the first electronically excited state (S1) in the wavelength range of 600 nm to 650 nm. It has been confirmed that there is a double resonance absorption band excited in the second electronic excited state (S2) having a higher energy level (for example, E. Sahar and D. Treves: IEEE, J. Quantum Electron. , QE-13, 692 (1977)).
そこで、本実施の形態では、ポンプ光を発生する光源として波長543.5nmのレーザ光を連続発振するHe・Neレーザ11を用い、イレース光を発生する光源として波長647.1nmのレーザ光を連続発振するKrレーザ12を用いる。
Therefore, in the present embodiment, the He /
He・Neレーザ11からのポンプ光、およびKrレーザ12からのイレース光は、それぞれ図12と同様の構成の音響光学変調器(AOM)13,14に入射させ、これらAOM13,14を、クロックジェネレータ35からの基準クロックに基づいて対応するゲートジェネレータ15,16により制御して、それぞれ疑似パルス化する。すなわち、第1の光源手段を、連続発振するHe・Neレーザ11、AOM13、ゲートジェネレータ15を有して構成し、第2の光源手段を、連続発振するKrレーザ12、AOM14、ゲートジェネレータ16を有して構成して、ゲートジェネレータ15,16におけるゲート幅および遅延時間を調整することで、図1に示したTUSE(P)およびTUSE(E)の重複状態を最適化し、これにより超解像効果が効果的に誘起できる条件、すなわち、パルス幅、周期、遅延時間でAOM13,14にパルス電圧を印加して、電圧印加時に入射光を透過させる。
The pump light from the He /
AOM13を透過するポンプ光は、ビームコンバイナ17およびハーフミラー18で反射させて対物レンズ19により試料20に集光させる。また、AOM14を透過するイレース光は、位相板21に入射させて中空ビームに空間変調した後、反射ミラー22で反射させてビームコンバイナ17に入射させることによりポンプ光と同軸上に合成して、ハーフミラー18および対物レンズ19を経て試料20に集光させる。
The pump light that passes through the
位相板21は、例えば図3に示すように、石英基板を光軸の周りに8分割し、各々の領域をイレース光の波長に対してλ/8ずつ位相差を段階的に与えて構成する。より具体的には、化学エッチング法により、石英基板を浸食して光路長を制御する。このような位相板21を通すことで、イレース光はビーム面において、光軸に関して反対位相をもつ位相分布を持つようになり、その結果として、光軸中央で光強度がゼロとなるイレース光が得られる。
For example, as shown in FIG. 3, the
試料20は、走査手段である試料移動ステージ23上に載置し、この試料移動ステージ23を二次元駆動することで、ポンプ光およびイレース光により試料20を二次元走査する。
The
一方、ポンプ光およびイレース光の照射により試料20から発する蛍光は、対物レンズ19を経た後、ポンプ光の波長成分(波長543.5nm)を除去するノッチフィルタ24およびイレース光の波長成分(波長647.1nm)を除去するノッチフィルタ25を経てハーフミラー26に入射させ、該ハーフミラー26で反射される試料20からの蛍光をレンズ27によりピンホール28の中央に集光させて、ピンホール28を透過した蛍光をレンズ29により検出手段であるフォトマル30に入射させて検出する。ここで、ピンホール28は共焦点位置に配置されており、空間フィルタとして機能する。これは、試料20以外から発する、例えば光学系からの蛍光や散乱光をカットして測定のS/Nを高める作用をなすのと同時に、試料20内の特定の深さ部分から発光した蛍光のみを選別するオプティカルセクショニングの機能をもつ。
On the other hand, the fluorescence emitted from the
また、ハーフミラー26を通過した蛍光は、結像レンズ31を有するCCDカメラ32により結像して蛍光スポット像を直接観察できるようにし、対物レンズ19のピント合わせ等に利用する。
The fluorescence that has passed through the
上記構成において、AOM13,14は、音響光学結晶として、例えばPbMoO4結晶を用いれば、対応するゲートジェネレータ15,16からの入力電気パルスに対する立ち上がり応答時間を5nsec程度とすることができるので、ポンプ光およびイレース光の疑似パルス光として、ナノ秒パルスレーザと同等のパルス幅で、MHzオーダの繰り返し周波数を得ることができる。
In the above configuration, if the
本実施の形態では、図1に示したように、試料20に照射するイレース光のパルス幅をポンプ光のそれよりも長く、かつポンプ光を試料20に照射するときはイレース光も同時に照射するように、AOM13,14を対応するゲートジェネレータ15,16により駆動制御して、生成するポンプ光およびイレース光の疑似パルスの位相および周波数を調整する。特に、位相に関しては、PbMoO4結晶の個体差により、数ナノ秒程度の変調時の位相差が発生するで、ゲートジェネレータ15,16により蛍光抑制効果の発現を最適化する。このようにすれば、時間領域においてポンプ光とイレース光とを確実に重複できるので、蛍光抑制効果を確実に誘導でき、超解像を実現することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the pulse width of the erase light applied to the
ここで、イレース光およびポンプ光の照射条件は、例えば、ノッチフィルタ24,25を取り外して、試料面からの散乱光をモニターしながら、例えば散乱光をフォトマル30で受光し、その出力信号をオシロスコープでモニターしながら、ゲートジェネレータ15,16により調整すればよい。このようにすれば、試料面におけるポンプ光およびイレース光の照射タイミングを正確に把握した上で、確実に調整することができる。
Here, the irradiation conditions of the erase light and the pump light are, for example, by removing the notch filters 24 and 25 and monitoring the scattered light from the sample surface, for example, receiving the scattered light with the
あるいは、ゲートジェネレータ15,16による調整に代えて、以下に説明する条件を満たすように、クロックジェネレータ35とゲートジェネレータ15,16とを接続するケーブル長を調整する電気的な遅延手段を用いて、クロックジェネレータ35からゲートジェネレータ15,16に入力する基準クロックの遅延量を調整したり、イレース光またはポンプ光の光路に適当な長さの光ケーブルを挿入する光学的な遅延手段を用いて、イレース光またはポンプ光の光路長を調整したりして、イレース光およびポンプ光の照射条件を調整することもできる。
Alternatively, instead of the adjustment by the
すなわち、イレース光およびポンプ光の照射条件を調整するにあたっては、ポンプ光光源であるHe・Neレーザ11から試料20までの光路長L1と、イレース光光源であるKrレーザ12から試料20までの光路長L2とには光路差があるため、光速をcとすれと、空気中では(L2−L1)/cに相当する光の到達時間差がある。また、AOM13,14は、電圧の印加開始からt=0.65×D/vまでは過渡変化時間帯にあり、イレース光はこの過渡変化時間帯を経て安定した回折光になる。
That is, in adjusting the irradiation conditions of the erase light and the pump light, the optical path length L1 from the He /
したがって、上記のことを考慮して、過渡変化時間帯にポンプ光が重複しないようにするためには、図1に示したように、ポンプ光用のAOM13に対するパルス電圧の立ち上がりを、イレース光用のAOM14に対するパルス電圧の立ち上がりから、t=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後となるように調整する。また、ポンプ光パルスの照射時間をTUSE(P)とすると、AOM14に対するパルス電圧の立ち下がりは、t=0.65×D/v−(L2−L1)/c+TUSE(P)以後とする。
Therefore, in consideration of the above, in order to prevent the pump light from overlapping in the transient change time zone, as shown in FIG. 1, the rise of the pulse voltage with respect to the
このようにすれば、ポンプ光パルスの照射時間TUSE(P)を、イレース光パルスの安定した回折光が得られるTUSE(E)の時間帯以内に重複させることができるので、超解像蛍光顕微鏡において、その分解能向上効果を最大に発現することができる。 In this way, the irradiation time T USE (P) of the pump light pulse can be overlapped within the time zone of T USE (E) where stable diffracted light of the erase light pulse can be obtained. In the fluorescence microscope, the resolution improving effect can be maximized.
なお、本発明は上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、CWのポンプ光およびイレース光の双方を、それぞれ音響光学変調器により強度変調して疑似パルス化したが、イレース光のみを音響光学変調器を用いて疑似パルス化し、ポンプ光については音響光学変調器を用いることなく、パルス発振型レーザを用いてパルス光を得るように構成することもできる。この場合でも、ポンプ光およびイレース光の双方にパルス発振型レーザを用いる場合よりも安価にできる。また、音響光学変調器に代えて電気光学素子を用いて疑似パルス化することもできる。この場合も、過渡変化時間帯があって波面の乱れ等の問題が生じるので、光路長や電気光学素子の応答時間を実測して、試料面におけるポンプ光およびイレース光のタイミングを図1で説明したように調整することにより、超解像性の発現効果を高めることができる。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and many variations or modifications can be made. For example, in the above embodiment, both the pump light and the erase light of CW are intensity-modulated by the acousto-optic modulator and pseudo-pulsed, but only the erase light is pseudo-pulsed using the acousto-optic modulator, The pump light can be configured to obtain pulsed light using a pulsed laser without using an acousto-optic modulator. Even in this case, the cost can be reduced as compared with the case where a pulsed laser is used for both pump light and erase light. Moreover, it can replace with an acousto-optic modulator and can also be pseudo-pulsed using an electro-optic element. Also in this case, since there is a transient change time zone and problems such as wavefront disturbance occur, the optical path length and the response time of the electro-optic element are measured, and the timing of the pump light and erase light on the sample surface is described with reference to FIG. By adjusting as described above, the effect of developing super-resolution can be enhanced.
11 He・Neレーザ
12 Krレーザ
13,14 音響光学変調器(AOM)
15,16 ゲートジェネレータ
17 ビームコンバイナ
18,26 ハーフミラー
19 対物レンズ
20 試料
21 位相板
22 反射ミラー
23 試料移動ステージ
24,25 ノッチフィルタ
27,29 レンズ
28 ピンホール
30 フォトマル
31 結像レンズ
32 CCDカメラ
35 クロックジェネレータ
11 He /
15, 16
Claims (4)
上記分子を上記第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態に励起するコヒーレントの第2のパルス光を出射する第2の光源手段と、
上記第1のパルス光と上記第2のパルス光とを一部重ね合わせて上記試料に集光照射する光学系と、
上記光学系により集光照射される光と上記試料とを相対的に移動させて上記試料を走査する走査手段と、
上記光学系からの光照射により上記試料から発生する光応答信号を検出する検出手段とを有する超解像顕微鏡において、
少なくとも上記第2の光源手段は、連続発振レーザと、該連続発振レーザからのコヒーレント光を電圧の印加により強度変調して上記第2のパルス光として出射する音響光学変調器とを有し、
上記第1の光源手段から上記試料までの光路長をL1、上記第2の光源手段から上記試料までの光路長をL2、上記連続発振レーザから上記音響光学変調器に入射するコヒーレント光のビーム径をD、上記音響光学変調器における音速をv、光速をcとするとき、上記音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後に、上記第1の光源手段から上記第1のパルス光を出射させるように構成したことを特徴とする超解像顕微鏡。 First light source means for emitting a coherent first pulsed light for exciting the molecule from the ground state to the first electronically excited state with respect to a sample including molecules having at least three electronic states including the ground state;
Second light source means for emitting coherent second pulsed light for exciting the molecule from the first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system for condensing and irradiating the sample with the first pulsed light and the second pulsed light partially overlapped;
Scanning means for scanning the sample by relatively moving the light condensed and irradiated by the optical system and the sample;
In a super-resolution microscope having detection means for detecting a light response signal generated from the sample by light irradiation from the optical system,
At least the second light source means has a continuous wave laser, and an acousto-optic modulator that modulates the intensity of the coherent light from the continuous wave laser by applying a voltage and emits it as the second pulsed light,
The optical path length from the first light source means to the sample is L1, the optical path length from the second light source means to the sample is L2, and the beam diameter of coherent light entering the acoustooptic modulator from the continuous wave laser Is D, the sound velocity in the acoustooptic modulator is v, and the speed of light is c, at least t = 0.65 × D / v− (L2−L1) / c from the start of voltage application to the acoustooptic modulator. The super-resolution microscope is characterized in that the first pulsed light is emitted from the first light source means.
上記第2の光源手段の上記音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともt=0.65×D/v−(L2−L1)/cの後に、上記第1の光源手段の上記音響光学変調器への電圧印加を開始するように構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の超解像顕微鏡。 The first light source means includes a continuous wave laser, and an acoustooptic modulator that modulates the intensity of the coherent light from the continuous wave laser by applying a voltage and emits the first pulsed light,
The acousto-optics of the first light source means after at least t = 0.65 × D / v- (L2-L1) / c from the start of voltage application to the acousto-optic modulator of the second light source means. The super-resolution microscope according to claim 1 or 2, wherein voltage application to the modulator is started.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2004
- 2004-03-22 JP JP2004083064A patent/JP2005266705A/en not_active Withdrawn
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