特許 6056087 非線形光学顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6056087

(24)【登録日】2016年12月16日

(45)【発行日】2017年1月11日

(54)【発明の名称】非線形光学顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/06 20060101AFI20161226BHJP

   G02F 1/29 20060101ALI20161226BHJP

   G02F 1/03 20060101ALI20161226BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/06

   G02F1/29

   G02F1/03

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-197366(P2012-197366)

(22)【出願日】2012年9月7日

(65)【公開番号】特開2014-52532(P2014-52532A)

(43)【公開日】2014年3月20日

【審査請求日】2015年9月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】504190548

【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学

(73)【特許権者】

【識別番号】511140194

【氏名又は名称】株式会社フォブ

(74)【代理人】

【識別番号】100104204

【弁理士】

【氏名又は名称】峯岸 武司

(72)【発明者】

【氏名】中井 淳一

(72)【発明者】

【氏名】大出 孝博

【審査官】 堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１１２８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２４０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０８４６９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０４２９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７３１５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １９／００−２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６−２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光源から出射されるレーザー光を対物レンズにより試料中に集光させて非線形光学現象を誘起させ、この非線形光学現象によって生じる光を検出して試料を観察する非線形光学顕微鏡において、
印加電圧に応じて素子内部の屈折率が変化する電気光学効果を呈する第１の電気光学素子内に前記レーザー光を通し、前記印加電圧を制御することで、前記レーザー光を一方向に集光させる第１のモジュール、前記第１のモジュールで一方向に集光された前記レーザー光の偏光を９０度回転させる１／２波長板、および、前記１／２波長板を通過した前記レーザー光を第２の前記電気光学素子内に通し、前記印加電圧を制御することで、前記レーザー光を前記一方向に直交する方向に集光させる第２のモジュールを備え、前記レーザー光を光軸方向に一次集光する焦点調節光学系と、
前記焦点調節光学系によって一次集光された前記レーザ光を光軸方向に二次集光して試料に照射する前記対物レンズを備える顕微鏡光学系とから構成され、
前記レーザー光が試料中に集光する光軸方向の位置を可変させることを特徴とする非線形光学顕微鏡。

【請求項2】

前記電気光学素子は、立方晶の状態のタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶であることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学顕微鏡。

【請求項3】

前記印加電圧は、前記電気光学素子の一面に間隔をあけて帯状に設けられた一方の一対の電極と、前記電気光学素子の前記一面に対向する他面に前記一方の一対の電極に対向して帯状に設けられた他方の一対の電極との間に印加されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非線形光学顕微鏡。

【請求項4】

前記非線形光学現象は、多光子吸収現象または高調波発生現象または和周波もしくは差周波発生現象またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱現象であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非線形光学顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光源から出射されるレーザー光を対物レンズにより試料中に集光させて非線形光学現象を誘起させ、試料を観察する非線形光学顕微鏡に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の非線形光学顕微鏡では、電動モータや圧電素子を使用して、対物レンズや試料を載置するステージを移動させることで、焦点調節をしている。特許文献１に開示される顕微鏡装置では、演算回路により決定された駆動方向および駆動速度で電動モータを駆動して、対物レンズと標本面との相対位置を光軸方向へ移動することにより、焦点調節を行っている。

【0003】

しかし、対物レンズやステージを機械的に移動させるこのような顕微鏡では、焦点調節を迅速に行えず、ライフサイエンス分野におけるミリ秒オーダーで起こる速い生体現象などを三次元的に捉えることは不可能であった。また、電動モータや圧電素子を使用して光軸方向にレーザー光を高速に走査する場合、振動が発生する。振動は顕微鏡装置や画像に影響を与える恐れがあり、極力低減させる必要がある。

【0004】

このため、従来、特許文献２に開示される液体変形レンズを用いた３次元共焦点顕微鏡や、特許文献３に開示される液晶レンズを用いた光ヘッド装置が提案されている。

【0005】

特許文献２に開示される３次元共焦点顕微鏡は、表面張力型の可変焦点レンズを対物レンズの手前に備え、この可変焦点レンズによって対物レンズの光軸方向への走査が行われる。可変焦点レンズは、互いに混ざり合わない第１の液体（例えば油）と第２の液体（例えば水）とが、板と電極と支持台とで囲まれた箱内に充填されて構成されている。第１の液体と支持台との接触角θは電極への印加電圧に対応して変化し、この印加電圧を制御することで、可変焦点レンズの焦点距離が調節される。

【0006】

また、特許文献３に開示される光ヘッド装置では、フレネルレンズ面と液晶層とを組合わせ、電界印加により液晶の配向を変化させ、フレネルレンズ面による回折効果の有無を切り替えて焦点距離を変化させる液晶レンズが用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０−８６３０号公報

【特許文献2】特開２００４−３１７７０４号公報

【特許文献3】特開２００７−７３０８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記した従来の特許文献２に開示される液体変形レンズを用いた３次元共焦点顕微鏡は、特許文献１に開示される対物レンズを機械的に移動させる顕微鏡装置よりも、高速に焦点距離を変化させることは出来るが、それでも速度限界は５０Ｈｚ程度である。従って、ライフサイエンス分野における速い生体現象を三次元的にリアルタイムに捉えることは、困難である。

【0009】

また、上記従来の特許文献３に開示される光ヘッド装置に用いられる液晶レンズは、非線形光学顕微鏡に用いられるものではないが、非線形光学顕微鏡に適用したとしても、速度限界が数１０〜１００Ｈｚであり、ライフサイエンス分野における速い生体現象を三次元的にリアルタイムに捉えることは、やはり困難である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
レーザー光源から出射されるレーザー光を対物レンズにより試料中に集光させて非線形光学現象を誘起させ、この非線形光学現象によって生じる光を検出して試料を観察する非線形光学顕微鏡において、
印加電圧に応じて素子内部の屈折率が変化する電気光学（ＥＯ）効果を呈する第１の電気光学素子内にレーザー光を通し、印加電圧を制御することで、レーザー光を一方向に集光させる第１のモジュール、第１のモジュールで一方向に集光されたレーザー光の偏光を９０度回転させる１／２波長板、および、１／２波長板を通過したレーザー光を第２の電気光学素子内に通し、印加電圧を制御することで、レーザー光を一方向に直交する方向に集光させる第２のモジュールを備え、レーザー光を光軸方向に一次集光する焦点調節光学系と、
焦点調節光学系によって一次集光されたレーザ光を光軸方向に二次集光して試料に照射する対物レンズを備える顕微鏡光学系とから構成され、
レーザー光が試料中に集光する光軸方向の位置を可変させることを特徴とする。

【0011】

電気光学素子における電気光学効果による屈折率変化は、電圧を印加することで結晶内に生じる電磁場に由来するものであるため、液体レンズにおける液体を移動させる速度や、液晶レンズにおける液晶の配向を変化させる速度よりも、極めて速く起こる。このため、レーザー光源から出射されるレーザー光を電気光学素子内を通過させる本構成によれば、電気光学素子への印加電圧を制御して電気光学素子内の屈折率を可変させることで、レーザー光が試料中に集光する光軸方向の位置を極めて速く可変させることが可能となる。従って、レーザー光の焦点調節を高速にしかも振動を生じさせること無く行える非線形光学顕微鏡が提供される。

【0012】

また、本発明は、電気光学素子が、立方晶の状態のタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（以下、ＫＴＮ結晶と称する）であることを特徴とする。

【0013】

ＫＴＮ結晶は、電気光学効果が極めて大きく、印加電圧に対して屈折率を大きく変えることができることが以前より知られていたが、近年の技術発達により実用的な大きさおよび性能の単結晶を得ることが可能となった。また、適切な温度管理により立方晶となった結晶は可視光〜赤外光領域において透明なので光学部品として利用可能である。このようなＫＴＮ結晶は、非線形光学顕微鏡における高速な焦点調節装置に特に適しており、ＫＴＮ結晶を焦点調節装置とする本構成の非線形光学顕微鏡によれば、ライフサイエンス分野における速い生体現象などを三次元的にリアルタイムに十分捉えることが可能となり、ライフサイエンス分野などにおける技術発達に資することとなる。

【0014】

また、本発明は、印加電圧が、電気光学素子の一面に間隔をあけて帯状に設けられた一方の一対の電極と、電気光学素子の前記一面に対向する他面に前記電極に対向して帯状に設けられた他方の一対の電極との間に印加されることを特徴とする。

【0015】

本構成によれば、電気光学素子の一方の一対の電極と他方の一対の電極との間に電圧が印加されると、一方の一対の電極と他方の一対の電極との各間における電気光学素子内部に電界が発生する。この電界は、一方および他方の各電極が対向していない素子部分にも分布するが、電気光学効果による屈折率変化は電界の二乗に比例して起こるので、電極に近い電界が大きい素子部分で屈折率が大きく変化し、電極から離れた一対の電極間の中央の電界が小さい素子部分では、屈折率はあまり変化しない。光は屈折率の高い方に進んでいく傾向があるので、一方の一対の電極に挟まれた一面に入射したレーザー光は素子内部で光軸方向に偏向されて、他方の一対の電極に挟まれた他面から出射される。また、一方および他方の各一電極に挟まれた一側面に入射したレーザー光は素子内部で光軸方向に偏向されて、一方および他方の各他電極に挟まれた他側面から出射される。一方および他方の電極間に高い電圧を印加するほど屈折率は大きくなるので、レーザー光は素子内部で光軸方向に強く偏向され、焦点は電気光学素子により近づく。このように、一方および他方の電極間に印加する電圧の大きさを制御することで、試料中の光軸方向における焦点位置が可変されることとなる。

【0016】

また、本発明は、非線形光学現象が、多光子吸収現象または高調波発生現象または和周波もしくは差周波発生現象またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱現象であることを特徴とする。

【0017】

本構成によれば、レーザー光の焦点調節を高速にしかも振動を生じさせること無く行える、多光子励起蛍光顕微鏡または高調波発生顕微鏡または和周波もしくは差周波発生顕微鏡またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡といった非線形光学顕微鏡が提供される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、上記のように、レーザー光の焦点調節を高速にしかも振動を生じさせること無く行える非線形光学顕微鏡が提供され、ライフサイエンス分野における速い生体現象などを三次元的にリアルタイムに捉えることが可能となって、ライフサイエンス分野などにおける技術発達に資することとなる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡の光路図である。

【図2】図１に示す２光子励起蛍光顕微鏡の焦点調節装置を構成するＫＴＮモジュールの構造を示す斜視図である。

【図3】図２に示すＫＴＮモジュールが２個組み合わされてレーザー光が直交する２方向に集光される状況を示す斜視図である。

【図4】一般的な光走査顕微鏡の光学系を示す模式図である。

【図5】図１に示す２光子励起蛍光顕微鏡の光学系を示す模式図である。

【図6】図１に示す２光子励起蛍光顕微鏡の制御系システム図である。

【図7】本発明の一実施の形態の変形例による２光子励起蛍光顕微鏡の光路図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

次に、本発明による非線形光学顕微鏡を２光子励起蛍光顕微鏡に適用した一実施の形態について説明する。

【0021】

図１は本実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡１の光路図である。

【0022】

本実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡１は、レーザー光源２として、フェムト秒モードロックチタンサファイアレーザーを用いており、レーザー光源２は、フェムト秒の瞬間のみ発光して超短パルス状のレーザー光を出射する。従って、レーザー光源２から出射されるレーザー光は平均光強度が低く保たれる一方、極めて高い密度の光となる。このレーザー光はビームエキスパンダ３，４およびシャッタ５を通過して高反射率ミラー６で反射し、第１のＫＴＮモジュール７に入射する。第１のＫＴＮモジュール７を通過したレーザー光はリレーレンズ８，９を経て１／２波長板１０を通過し、第２のＫＴＮモジュール１１に入射する。第１のＫＴＮモジュール７、１／２波長板１０および第２のＫＴＮモジュール１１は焦点調節装置を構成し、後述するようにレーザー光を光軸方向のｚ軸方向に走査する。

【0023】

第２のＫＴＮモジュール１１を通過したレーザー光は高反射率ミラー１２で反射し、集光レンズ１３およびリレーレンズ１４を通過して高反射率ミラー１５で反射する。その後、リレーレンズ１６および集光レンズ１７を通過して高反射率ミラー１８，１９で反射し、スキャニングミラー２０，２１でｘ軸，ｙ軸方向に走査される。走査されたレーザー光はさらにリレーレンズ２２、チューブレンズ２３およびダイクロイックミラー２４を通過し、対物レンズ２５によって試料２６となる物体に集光されて照射される。

【0024】

試料２６にレーザー光が照射されると、レーザー光が集光されているスポットの、蛍光色素によって染色された部分から蛍光が発生する。または、試料２６が固有に持つ蛍光が発生する。レーザー光源２から出射されるレーザー光は上述のように光子の密度が高められているため、レーザー光が集光されて照射されることで、試料２６において２光子吸収過程の非線形光学現象が起き、入射光の光強度の二乗に比例した強度の蛍光が発せられる。この蛍光は対物レンズ２５で集められてダイクロイックミラー２４で反射し、リレーレンズ２７および赤外カットフィルター２８を通過して照明光が取り除かれ、ダイクロイックミラー２９で２つに分岐され、蛍光の種類に応じてフォトマルチプライア（ＰＭＴ）３０，３１で増幅される。

【0025】

焦点調節装置を構成する第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１は同じ構造をしており、図２にそれら構造の斜視図が示される。

【0026】

各ＫＴＮモジュール７，１１は、電気光学素子であるＫＴＮ結晶４１に二対の電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂが設けられて、構成されている。一方の一対の電極４２ａ，４２ｂは、直方体状をしたＫＴＮ結晶４１の一面のレーザー光入射面４１ａにレーザー光の入射位置を挟んで間隔をあけて帯状に設けられている。他方の一対の電極４３ａ，４３ｂは、ＫＴＮ結晶４１の一面に対向する他面のレーザー光出射面４１ｂにレーザー光の出射位置を挟んで、一方の一対の電極４２ａ，４２ｂに対向して帯状に設けられている。

【0027】

ＫＴＮ結晶４１は、カリウム（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）からなる酸化物で、化学式はＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３で表される。このＫＴＮ結晶４１は、正方晶と立方晶の相転移温度より数度高い温度に保たれて、立方晶の状態で用いられ、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などからなる金属製の二対の電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂ間に電圧が印加されることで、電気光学効果を呈する。２光子励起蛍光顕微鏡１では、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１の各ＫＴＮ結晶４１内に上記のようにしてレーザー光を通過させ、二対の電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂ間への印加電圧を制御することで、印加電圧に応じてＫＴＮ結晶４１素子内部の屈折率を変化させ、レーザー光が試料２６中に集光する光軸方向の位置を可変させる。

【0028】

すなわち、ＫＴＮ結晶４１の一方の一対の電極４２ａ，４２ｂと他方の一対の電極４３ａ，４３ｂとの間に電圧が印加されると、一方の一対の電極４２ａ，４２ｂと他方の一対の電極４３ａ，４３ｂとの各間におけるＫＴＮ結晶４１内部に図示するように電界Ｅが発生する。この電界Ｅは、一方および他方の各電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂが対向していない素子部分にも分布するが、電気光学効果による屈折率変化は電界Ｅの二乗に比例して起こるので、電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂに近い電界Ｅが大きい素子部分で屈折率が大きく変化し、電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂから離れた一対の電極間の中央の電界Ｅが小さい素子部分では、屈折率はあまり変化しない。光は屈折率の高い方に進んでいく傾向があるので、一方の一対の電極４２ａ，４２ｂに挟まれたレーザー光入射面４１ａに入射したレーザー光Ｂは、素子内部で光軸方向に偏向されて、他方の一対の電極４３ａ，４３ｂに挟まれたレーザー光出射面４１ｂから出射される。一方および他方の電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂ間に高い電圧を印加するほど屈折率変化は大きくなるので、レーザー光Ｂは素子内部で光軸方向に強く偏向され、それにより焦点はＫＴＮ結晶４１に近づく。従って、一方および他方の電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂ間に印加する電圧の大きさを制御することで、試料２６中の光軸方向（ｚ軸方向）における焦点位置が可変されることとなる。

【0029】

ＫＴＮ結晶４１のＥＯ効果は入射光の偏光面に依存的であるため、いわばシリンドリカルレンズとして作用し、レーザー光Ｂの光を一方向にのみ集光する。また、ＫＴＮ結晶４１の集光効果は入射レーザー光Ｂの偏波面に強く依存するので、２光子励起蛍光顕微鏡１では、第１のＫＴＮモジュール７のＫＴＮ結晶４１でｘ方向に集光されたレーザー光Ｂの偏光を１／２波長板１０で９０度回転させてから、第２のＫＴＮモジュール１１に入射させ、第２のＫＴＮモジュール１１のＫＴＮ結晶４１によってｘ方向に直交するｙ方向にレーザー光Ｂを集光させて、図３に概念的に示すように、集光させる。なお、図３において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【0030】

図４は一般的な光走査顕微鏡の光学系を示す模式図、図５は、本実施の形態の２光子励起蛍光顕微鏡１の光学系を示す模式図である。なお、図５において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【0031】

一般的な光走査顕微鏡の光学系では、図４に示すように、レーザー光Ｂは、集光レンズ５１により、位置が固定の一次集光点５２に集光させられる。そして、チューブレンズ５３および対物レンズ５４を通過して試料に照射される。この際、対物レンズ５４が、実線で示されるａ位置や点線で示されるｂ位置に移動させられることで、焦点位置は位置５５ａや位置５５ｂに調節される。

【0032】

一方、本実施の形態の２光子励起蛍光顕微鏡１の光学系は、焦点調節装置による光学系が図５（ａ）、これに結合される顕微鏡光学系が同図（ｂ）に示される。上述のように、レーザー光源２から出射されるレーザー光Ｂは、同図（ａ）に示すように、ビームエキスパンダ３，４を通って第１のＫＴＮモジュール７に入射させられ、リレーレンズ８，９および１／２波長板１０を通過して第２のＫＴＮモジュール１１に入射させられる。この際、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１への印加電圧が制御され、集光レンズ１３，１７で集光されることで、光軸方向の焦点調節が行われ、位置６１ａや位置６１ｂに一次集光点が移動させられる。

【0033】

集光レンズ１３，１７で位置６１ａや位置６１ｂに一次集光されたレーザー光Ｂは、同図（ｂ）に示すように、チューブレンズ２３を通過後、位置が固定されている対物レンズ２５によって位置６２ａや位置６２ｂに焦点位置が調節される。

【0034】

図６は本実施の形態の２光子励起蛍光顕微鏡１の制御系システム図である。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【0035】

第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１はそれぞれ同様な恒温槽７１ａ，７１ｂ内に入れられている。各恒温槽７１ａ，７１ｂは窓７２を備え、その内部にはヒータ７３ａ，７３ｂおよび温度センサ７４ａ，７４ｂが設置されている。各ヒータ７３ａ，７３ｂは温調回路７５ａ，７５ｂ、各ＫＴＮモジュール７，１１は高電圧ドライブ回路７６ａ，７６ｂに接続されている。また、温度センサ７４ａ，７４ｂ、温調回路７５ａ，７５ｂおよび高電圧ドライブ回路７６ａ，７６ｂは、インターフェイス７７ａ，７７ｂを介してコンペンセーションコンピュータ７８ａ，７８ｂに接続されている。

【0036】

コンペンセーションコンピュータ７８ａ，７８ｂは、ソフトウエア７９ａ，７９ｂに従って動作し、温度センサ７４ａ，７４ｂによって計測される温度を参照しながら、温調回路７５ａ，７５ｂを制御して、各ヒータ７３ａ，７３ｂへの通電量を調節する。各ヒータ７３ａ，７３ｂへの通電によって恒温槽７１ａ，７１ｂの内部は、ＫＴＮ結晶４１の正方晶と立方晶の相転移温度（４７℃程度）より数度高い温度に設定され、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１の各ＫＴＮ結晶４１は立方晶の状態で用いられる。

【0037】

また、レーザー光をｘ軸，ｙ軸方向に走査するスキャニングミラー２０，２１はｘ軸ガルバノミラー８０，ｙ軸ガルバノミラー８１をそれぞれ構成し、ｘ軸ガルバノミラー８０，ｙ軸ガルバノミラー８１はｘ軸制御回路８２，ｙ軸制御回路８３にそれぞれ接続されている。また、高電圧ドライブ回路７６ａ，７６ｂはインターフェイス７７ａ，７７ｂを介してｚ軸制御回路８４に接続されている。これらｘ軸制御回路８２，ｙ軸制御回路８３およびｚ軸制御回路８４は同期信号発生回路８５に共通接続されており、これらの間の同期がとられる。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）８６はｘ軸制御回路８２，ｙ軸制御回路８３を制御し、スキャニングミラー２０，２１の角度を調節することで、試料２６に照射されるレーザー光を試料２６のｘｙ平面においてｘ軸およびｙ軸方向に走査する。また、ＰＣ８６はｚ軸制御回路８４を制御し、高電圧ドライブ回路７６ａ，７６ｂを制御して、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１の各ＫＴＮ結晶４１に設けられた電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂ間への印加電圧を、例えば０〜１０００[Ｖ]の範囲内で可変させる。これにより、試料２６中に集光するレーザー光の焦点位置をｚ軸方向において調節する。

【0038】

また、フォトマルチプライア（ＰＭＴ）３０，３１で増幅された試料２６からの蛍光情報はアンプ８７，８８によってさらに増幅された後、画像メモリ８９に記憶される。この画像メモリ８９に記憶される蛍光情報は、試料２６へのレーザー光の照射がｘ軸，ｙ軸およびｚ軸方向に走査されることで、３次元の画像となり、ＰＣ８６の画面に表示されて可視化される。

【0039】

このような本実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡１では、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１の各ＫＴＮ結晶４１における電気光学効果による屈折率変化は、図２に示すように電圧を印加することで結晶内に生じる電界Ｅに由来するものであるため、従来の特許文献２に開示された液体レンズにおける液体を移動させる速度や、従来の特許文献３に開示された液晶レンズにおける液晶の配向を変化させる速度よりも、極めて速く起こる。このため、レーザー光源２から出射されるレーザー光をＫＴＮ結晶４１内を通過させる本構成によれば、ＫＴＮ結晶４１への印加電圧を高電圧ドライブ回路７６ａ，７６ｂによって制御してＫＴＮ結晶４１内の屈折率を可変させることで、レーザー光が試料２６中に集光する光軸方向（ｚ軸方向）の位置を極めて速く可変させることが可能となる。従って、レーザー光の焦点調節を高速にしかも振動を生じさせること無く行える２光子励起蛍光顕微鏡１が提供される。

【0040】

また、ＫＴＮ結晶４１は近年の技術発達により実用的な大きさと機能を持った単結晶として得ることが可能となり、また、立方晶の状態のＫＴＮ結晶４１は電気光学効果が極めて大きく起こり、低い電圧で屈折率を大きく変えることができる。このため、このようなＫＴＮ結晶４１は、非線形光学顕微鏡における高速な焦点調節装置に特に適しており、ＫＴＮ結晶４１を上記のように焦点調節装置とする本実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡１によれば、従来の１０００〜１０万倍の速さで焦点調節を行えるようになる。また、電気光学効果を持つニオブ酸リチウム（LiNbO_３）結晶などによっても、効果は劣るが、同様な顕微鏡を製作することができ、高速な焦点調節を行える。この結果、電圧の印加により屈折率が変化する電気光学効果を持った結晶、例えばＫＴＮ結晶４１やLiNbO_３結晶など、中でもＫＴＮ結晶４１を用いた本実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡１によれば、ライフサイエンス分野における速い生体現象などを三次元的にリアルタイムに十分捉えることが可能となって、ライフサイエンス分野などにおける技術発達に資することとなる。

【0041】

なお、上述した本実施の形態では、レーザー光源２から出射されるレーザー光を対物レンズ２５により試料２６中に集光させて非線形光学現象として２光子吸収過程を誘起させ、この２光子吸収過程によって生じる光を検出して試料２６を観察する場合について説明した。しかし、非線形光学現象は２光子吸収過程に限定されることはなく、２光子以上の３光子といった多光子吸収過程、または第２高調波発生（Second Harmonic Generation)や第３高調波（Third Harmonic Generation)といった高調波発生現象、または和周波発生現象(Sum Frequency Generation)もしくは差周波発生現象(Difference Frequency Generation)、またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱現象(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)などの非線形光学現象であってもよい。これらの構成によれば、上記の実施の形態による２光子励起蛍光顕微鏡１と同様に、レーザー光の焦点調節を高速にしかも振動を生じさせること無く行える、多光子励起蛍光顕微鏡または高調波発生顕微鏡または和周波もしくは差周波発生顕微鏡またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡といった非線形光学顕微鏡が提供される。

【0042】

また、上述した本実施の形態では、図１に示すように、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１間にリレーレンズ８，９を設けた場合について説明した。しかし、図７に示すように、第１のＫＴＮモジュール７および第２のＫＴＮモジュール１１間にリレーレンズ８，９を設けず、２個のＫＴＮモジュール７および１１間をリレーレンズ８，９によってリレーしない構成としてもよい。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。このような構成によっても上述した本実施の形態と同様な作用効果が奏され、さらに、焦点調節装置を構成する第１のＫＴＮモジュール７、１／２波長板１０および第２のＫＴＮモジュール１１を直につなげた１つのモジュール構造とすることができる。

【0043】

また、上述した本実施の形態では、ＫＴＮ結晶４１へのレーザー光Ｂの入れ方が、図２に示すように、一方の一対の電極４２ａ，４２ｂに挟まれたレーザー光入射面４１ａに入射させ、他方の一対の電極４３ａ，４３ｂに挟まれたレーザー光出射面４１ｂから出射させた場合について、説明した。しかし、一方および他方の各一電極４２ａ，４３ａに挟まれた図の左方の一側面にレーザー光Ｂを入射させ、一方および他方の各他電極４２ｂ，４３ｂに挟まれた図の右方の他側面から出射させるようにしてもよい。

【0044】

このような構成によっても、電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂに近い電界Ｅが大きい素子部分で屈折率が大きく変化し、電極４２ａ，４２ｂおよび４３ａ，４３ｂから離れた一対の電極間の中央の電界Ｅが小さい素子部分では、屈折率はあまり変化しないので、一方および他方の各一電極４２ａ，４３ａに挟まれた一側面に入射したレーザー光Ｂは、素子内部で光軸方向に偏向されて、一方および他方の各他電極４２ｂ，４３ｂに挟まれた他側面から出射される。従って、ＫＴＮ結晶４１へのレーザー光Ｂの入れ方をこのようにしても上述した本実施の形態と同様な作用効果が奏される。

【産業上の利用可能性】

【0045】

本実施の形態の２光子励起蛍光顕微鏡１を始めとする各非線形光学顕微鏡は、遺伝子研究や脳・神経学、細胞機能の解明などの医学・生物学の最先端研究分野、光学測定装置やレーザー加工機として工業分野などの様々な領域で活用することが可能である。このような活用により、科学や産業、医療に多大な貢献をすることが出来る。

【符号の説明】

【0046】

１…２光子励起蛍光顕微鏡
２…レーザー光源
３，４…ビームエキスパンダ
５…シャッタ
６，１２，１５，１８，１９…高反射率ミラー
７，１１…ＫＴＮモジュール
８，９，１４，１６，２２，２７…リレーレンズ
１０…１／２波長板
１３，１７…集光レンズ
２０，２１…スキャニングミラー
２３…チューブレンズ
２４，２９…ダイクロイックミラー
２５…対物レンズ
２６…試料
２８…赤外カットフィルター
３０，３１…フォトマルチプライア（ＰＭＴ）
４１…ＫＴＮ結晶（電気光学素子）
４１ａ…レーザー光入射面
４１ｂ…レーザー光出射面
４２ａ，４２ｂ、４３ａ，４３ｂ…一対の電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】