Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6714689B2 - Super resolution microscope - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6714689B2 - Super resolution microscope - Google Patents

Super resolution microscope Download PDF

Info

Publication number
JP6714689B2
JP6714689B2 JP2018510015A JP2018510015A JP6714689B2 JP 6714689 B2 JP6714689 B2 JP 6714689B2 JP 2018510015 A JP2018510015 A JP 2018510015A JP 2018510015 A JP2018510015 A JP 2018510015A JP 6714689 B2 JP6714689 B2 JP 6714689B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
optical
phase plate
wavelength
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018510015A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2017175258A1 (en
Inventor
池滝 慶記
慶記 池滝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
Publication of JPWO2017175258A1 publication Critical patent/JPWO2017175258A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6714689B2 publication Critical patent/JP6714689B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/06Means for illuminating specimens

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

本発明は、超解像顕微鏡に関するものである。 The present invention relates to a super resolution microscope.

超解像顕微鏡として、例えば、少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を、2重共鳴吸収過程を用いて回折限界を超える高い空間分解能で観察可能な蛍光顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。 As a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope capable of observing a sample containing a molecule having at least two excited quantum states with a high spatial resolution exceeding the diffraction limit by using a double resonance absorption process ( See, for example, Patent Documents 1 and 2.

特許文献1、2に開示の蛍光顕微鏡は、試料中の分子を安定状態から第1量子状態に励起するための第1の光(以下、ポンプ光とも言う)と、分子を更に他の量子状態に遷移させるための第2の光(以下、イレース光とも言う)とを一組として、回折限界以下に収縮した蛍光スポットにより試料面を空間走査する。そして、各計測点の蛍光信号をコンピュータ上で2次元的又は3次元的に配列して画像処理することにより、回折限界の空間分解能を上回る解像度を有する蛍光画像を得ている。 The fluorescence microscopes disclosed in Patent Documents 1 and 2 include a first light (hereinafter, also referred to as pump light) for exciting a molecule in a sample from a stable state to a first quantum state, and a molecule in another quantum state. The second light (hereinafter, also referred to as erase light) for making transition to (1) is set as a set, and the sample surface is spatially scanned by the fluorescent spot contracted below the diffraction limit. Then, the fluorescence signals at the respective measurement points are two-dimensionally or three-dimensionally arranged on a computer and image processing is performed to obtain a fluorescence image having a resolution exceeding the spatial resolution of the diffraction limit.

上述した超解像顕微鏡では、試料面にポンプ光とドーナッツ状のイレース光とを重ねて集光し、ポンプ光辺縁部の領域で蛍光を抑制する。その際、ポンプ光とイレース光とを同軸に重ね合わすことが要求される。この光学調整法を市販のレーザ走査型顕微鏡に適用して超解像顕微鏡を構成するには、例えば2波長対応の位相板が用いられる(例えば、非特許文献1参照)。 In the above-mentioned super-resolution microscope, the pump light and the donut-shaped erase light are superposed and collected on the sample surface, and fluorescence is suppressed in the region of the pump light edge portion. At that time, it is required that the pump light and the erase light be coaxially overlapped. In order to apply this optical adjustment method to a commercially available laser scanning microscope to construct a super-resolution microscope, for example, a phase plate corresponding to two wavelengths is used (for example, see Non-Patent Document 1).

非特許文献1には、異方性の屈折率特性をもつ水晶基板を2枚輪帯状に接合した位相板が開示されている。この位相板を用いれば、中央部でイレース光の位相をπ反転させることができるので、3次元的な中空形状をもつイレース光ビームを形成することができる。 Non-Patent Document 1 discloses a phase plate in which two quartz substrates having anisotropic refractive index characteristics are joined in a ring shape. If this phase plate is used, the phase of the erase light can be inverted by π at the central portion, so that an erase light beam having a three-dimensional hollow shape can be formed.

非特許文献1に開示の位相板は、輪帯状に接合した2枚の水晶基板を一体で研磨することで、基板の厚みが調整される。これにより、イレース光に対しては、中央の輪帯領域で電場すなわち位相が反転し、波長の異なるポンプ光に対しては、位相が2πの整数倍だけシフトする。その結果、ポンプ光とイレース光とが同時に位相板を通過すると、ポンプ光の波面は実質的に影響を受けることなく、イレース光のみが3次元的な中空形状をもつビームに変換される。 In the phase plate disclosed in Non-Patent Document 1, the thickness of the substrate is adjusted by integrally polishing two quartz substrates bonded in a ring shape. As a result, the electric field, that is, the phase is inverted in the central annular region for the erase light, and the phase is shifted by an integral multiple of 2π for the pump lights having different wavelengths. As a result, when the pump light and the erase light simultaneously pass through the phase plate, the wavefront of the pump light is not substantially affected, and only the erase light is converted into a beam having a three-dimensional hollow shape.

ポンプ光及びイレース光は、一本の共通のシングルモードファイバを用いて市販のレーザ走査型顕微鏡に導入することができる。したがって、上記の位相板をレーザ走査型顕微鏡の照明光学系の光路中に挿入して、ポンプ光とイレース光とを顕微鏡対物レンズにより試料面に集光すれば、イレース光の中空中心にポンプ光を軸ずれすることなく自動的に集光させることができる。 The pump light and the erase light can be introduced into a commercially available laser scanning microscope by using one common single mode fiber. Therefore, if the above phase plate is inserted into the optical path of the illumination optical system of the laser scanning microscope and the pump light and the erase light are condensed on the sample surface by the microscope objective lens, the pump light is emitted to the hollow center of the erase light. It is possible to focus light automatically without axis deviation.

これにより、ポンプ光と中空の周囲のイレース光とが重複した空間領域では蛍光が抑制されるので、試料面の蛍光スポットは3次元的に回折限界以下に収縮される。したがって、この蛍光スポットで試料を空間走査すれば、回折限界を超えた空間分解能で3次元的な超解像顕微鏡観察が可能となる。 As a result, fluorescence is suppressed in the spatial region where the pump light and the erase light around the hollow overlap, so that the fluorescence spot on the sample surface is three-dimensionally contracted below the diffraction limit. Therefore, if the sample is spatially scanned with this fluorescent spot, it becomes possible to perform three-dimensional super-resolution microscope observation with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.

このように、超解像顕微鏡法は、市販のレーザ走査型顕微鏡に位相板を装着して実施できることから、画期的な顕微法として期待されている。 As described above, the super-resolution microscopy can be carried out by mounting a phase plate on a commercially available laser scanning microscope, and thus is expected as an epoch-making microscopic method.

なお、超解像顕微鏡に用いられる位相板は、上述した異方性の光学基板を接合したものに限らない。例えば、位相板は、基板上に光学薄膜をコートして構成してもよい(例えば、非特許文献2参照)。この位相板は、基板面を複数領域に分割し、夫々の領域に異なる厚みで光学薄膜(例えば、SiO)をコートして構成される。あるいは、光学薄膜をコートする代わりに、基板上の各領域を異なる深さにエッチングして位相板を構成してもよい(例えば、非特許文献3参照)。The phase plate used in the super-resolution microscope is not limited to the above-mentioned anisotropic optical substrate bonded together. For example, the phase plate may be formed by coating a substrate with an optical thin film (see, for example, Non-Patent Document 2). This phase plate is configured by dividing the substrate surface into a plurality of regions and coating each region with an optical thin film (for example, SiO 2 ) having a different thickness. Alternatively, instead of coating the optical thin film, each phase on the substrate may be etched to different depths to form a phase plate (see Non-Patent Document 3, for example).

非特許文献2や非特許文献3に開示の位相板は、各領域にコートする膜厚やエッチングする深さを最適化することで、ポンプ光の波面に影響を与えることなく、イレース光の波面を制御して、中空状に集光できる波長分散性をもたすことができる。 The phase plate disclosed in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 optimizes the film thickness and the etching depth to coat each region, thereby affecting the wavefront of the erase light without affecting the wavefront of the pump light. Can be controlled to provide wavelength dispersibility capable of condensing in a hollow shape.

特開2001−100102号公報JP, 2001-100102, A 特開2010−15026号公報JP, 2010-15026, A

Y. Iketaki. Opt. let. 40, 1057 (2015)Y. Iketaki. Opt. let. 40, 1057 (2015) Y. Iketaki, et. al., Appl. Spectroscopy 68, 353(2014)Y. Iketaki, et. al., Appl. Spectroscopy 68, 353(2014) T. Watanabe et. al., 75 (5131)2004T. Watanabe et. al., 75 (5131)2004

しかしながら、例えば異方性の屈折率特性をもつ2枚の水晶基板を輪帯状に接合してなる位相板は、以下に示すような厳しい加工精度が要求される。
(1)光学的異方性をもつ基板として水晶基板を機能させるためには、水晶基板の光学軸に対して正確な角度で水晶基板を切断して、相進軸と遅延軸との屈折率を制御する必要がある。
(2)2枚の水晶基板をそれらの相進軸(遅延軸)を正確に直交させて接合する必要がある。
However, for example, a phase plate formed by joining two quartz substrates having anisotropic refractive index characteristics in an annular shape requires strict processing accuracy as described below.
(1) In order to make a quartz substrate function as a substrate having optical anisotropy, the quartz substrate is cut at an accurate angle with respect to the optical axis of the quartz substrate, and the refractive index of the phase axis and the delay axis is Need to control.
(2) It is necessary to join the two quartz substrates with their phase advance axes (delay axes) being exactly orthogonal to each other.

上記(1)及び(2)の作業は、精密な偏光計測を随時行いながら行う必要があるため、位相板の作製に工数がかかる。 Since the work of (1) and (2) described above needs to be performed while performing accurate polarization measurement as needed, it takes a lot of time to manufacture the phase plate.

一方、基板上に光学薄膜をコートしたり、基板をエッチングしたりして作製された位相板の場合は、別な不具合が発生する。すなわち、これらの位相板にあっては、各領域界面で段差が発生するため、境界領域で基板を通過した光が回折を起こす。そのため、位相板を透過したポンプ光又はイレース光を集光すると、通常の集光パターンの他に回折パターンが重複して、超解像顕微鏡としての空間分解機能が低下する場合がある。 On the other hand, in the case of a phase plate manufactured by coating an optical thin film on the substrate or etching the substrate, another problem occurs. That is, in these phase plates, a step is generated at the interface of each region, so that the light passing through the substrate in the boundary region is diffracted. Therefore, when the pump light or the erase light transmitted through the phase plate is condensed, the diffraction pattern overlaps with the ordinary condensing pattern, and the spatial resolution function of the super-resolution microscope may deteriorate.

また、2枚の水晶基板を接合してなる位相板は、通常の光学ガラスと異なり水晶基板が高価であることから技術普及が阻まれる。光学薄膜をコートしてなる位相板や基板をエッチングしてなる位相板は、各領域に異なる加工工程を要することから、作製に手間が掛かることになる。 Further, a phase plate formed by joining two quartz substrates is difficult to spread because the quartz substrates are expensive unlike ordinary optical glass. A phase plate formed by coating an optical thin film or a phase plate formed by etching a substrate requires different processing steps for each region, and therefore it takes time to manufacture.

以上のように従来提案されている超解像顕微鏡にあっては、使用される位相板の作製に工数を要することから、全体として高価になることが懸念される。 As described above, in the conventionally proposed super-resolution microscope, it takes a lot of man-hours to manufacture the phase plate to be used, so that there is a concern that the cost will increase as a whole.

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、位相板を容易に作製できて、全体として廉価にできる超解像顕微鏡を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made in view of this point of view is to provide a super-resolution microscope that can easily manufacture a phase plate and can be inexpensive as a whole.

上記目的を達成する本発明の一実施の形態に係る超解像顕微鏡は、
少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を観察する超解像顕微鏡であって、
前記分子を安定状態から第1量子状態に励起するための第1の光と、前記分子を更に他の量子状態に遷移させるための第2の光とを含む複数の波長の照明光を、前記第1の光及び前記第2の光の少なくとも一部を空間的に重ね合わせて前記試料に集光して照射する照明光学系と、
前記照明光と前記試料とを相対的に変位させて前記試料を走査する走査部と、
前記照明光の前記試料への照射による該試料からの応答光を検出する検出光学系と、を備え、
前記照明光学系は、前記第1の光及び前記第2の光を空間変調する位相板を有し、
前記位相板は、前記照明光が透過する複数の分割領域を有する所定の厚さの平坦な空間形状からなり、
前記複数の分割領域は、少なくとも2種類以上の空間的に等方的な光学媒質材料からなり、前記第1の光及び前記第2の光に対して独立して位相制御する超解像顕微鏡において、
前記位相板は、前記複数の分割領域が屈折率の異なる複数の光学基板からなり、
前記光学基板の各々は、屈折率が空間的に等方的でかつ前記第1の光及び前記第2の光
に対して異なるものであり、
前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領
域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn (λ)、j番目の分割領域
の波長λにおける光の屈折率をn (λ)、前記第1の光の波長をλ 、前記第2の光の
波長をλ 、任意の整数をmとするとき、

Figure 0006714689
を満足するものである。

A super-resolution microscope according to an embodiment of the present invention that achieves the above object,
A super-resolution microscope for observing a sample containing a molecule having at least two excited quantum states,
Illumination light of a plurality of wavelengths including a first light for exciting the molecule from a stable state to a first quantum state and a second light for transitioning the molecule to another quantum state, An illumination optical system that spatially superimposes at least a part of the first light and the second light and collects and irradiates the sample on the sample.
A scanning unit that scans the sample by relatively displacing the illumination light and the sample;
A detection optical system for detecting response light from the sample by irradiating the sample with the illumination light,
The illumination optical system includes a phase plate that spatially modulates the first light and the second light,
It said phase plate is made flat space shape of predetermined thickness having a divided region of the multiple of the illumination light passes,
Divided areas of the multiple comprises at least two or more spatially isotropic optical medium material, the first light and the super-resolution microscope independently phase control for the second optical At
The phase plate comprises a plurality of optical substrates in which the plurality of divided regions have different refractive indices,
Each of the optical substrates has a spatially isotropic refractive index and the first light and the second light.
Is different to
The phase plate has a thickness d of the divided region made of the optical medium material,
The refractive index of the light at the wavelength λ of the i-th divided region in the region is n i (λ), the j-th divided region
At the wavelength λ of n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , and the wavelength of the second light is
When the wavelength is λ e and an arbitrary integer is m,
Figure 0006714689
Is satisfied.

前記位相板は、前記複数の分割領域が屈折率の異なる複数の光学基板からなり、
前記光学基板の各々は、屈折率が空間的に等方的でかつ前記第1の光及び前記第2の光に対して異なるとよい。
The phase plate comprises a plurality of optical substrates in which the plurality of divided regions have different refractive indices,
It is preferable that each of the optical substrates has a spatially isotropic refractive index and is different for the first light and the second light.

前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、j番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、前記第1の光の波長をλ、前記第2の光の波長をλ、とするとき、下式(1)を満足するとよい。

Figure 0006714689
The phase plate has a thickness d of the divided region made of the optical medium material, a refractive index of light at a wavelength λ of an i-th divided region among the plurality of divided regions n i (λ), and a j-th divided region. When the refractive index of light at the wavelength λ of the divided region is n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , and the wavelength of the second light is λ e , the following expression (1) is satisfied. Good to do.
Figure 0006714689

前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、j番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn(λ)、前記第1の光の波長をλ、前記第2の光の波長をλ、任意の整数をmとするとき、下式(2)を満足するとよい。

Figure 0006714689
The phase plate has a thickness d of the divided region made of the optical medium material, a refractive index of light at a wavelength λ of an i-th divided region among the plurality of divided regions n i (λ), and a j-th divided region. When the refractive index of light at the wavelength λ of the divided region is n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , the wavelength of the second light is λ e , and an arbitrary integer is m, It is better to satisfy (2).
Figure 0006714689

前記位相板は、2つの前記光学基板を有し、一方の前記光学基板は輪帯形状からなり、他方の前記光学基板は一方の前記光学基板の内周面に接合された円柱形状からなるとよい。 The phase plate includes two optical substrates, one of the optical substrates has an annular shape, and the other optical substrate has a cylindrical shape joined to an inner peripheral surface of the one optical substrate. ..

前記位相板の前記複数の光学基板は、不純物が異なる密度で添加されて構成されてもよい。 The plurality of optical substrates of the phase plate may be configured by adding impurities at different densities.

前記位相板は、上式(2)において、i=j+1の関係があり、隣り合う分割領域を透過する前記第2の光の位相を互いに反転させるとよい。 In the above formula (2), the phase plate has a relationship of i=j+1, and it is preferable that the phases of the second lights transmitted through the adjacent divided regions are mutually inverted.

本発明によれば、位相板を容易に作製できて、全体として廉価にできる超解像顕微鏡が得られる。 According to the present invention, a super-resolution microscope can be obtained in which a phase plate can be easily manufactured and the cost is low as a whole.

本発明の一実施の形態に係る超解像顕微鏡の概念的構成を示す図である。It is a figure which shows the notional structure of the super-resolution microscope which concerns on one embodiment of this invention. 図1の位相板の第1の構成例を概念的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows notionally the 1st structural example of the phase plate of FIG. 図2の位相板の一製造法の説明図である。It is explanatory drawing of one manufacturing method of the phase plate of FIG. 図1の位相板の第2の構成例を概念的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows notionally the 2nd structural example of the phase plate of FIG. 図1の位相板の第3の構成例を概念的に示す平面図である。It is a top view which shows notionally the 3rd structural example of the phase plate of FIG.

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る超解像顕微鏡の概念的構成を示す図である。本実施の形態に係る超解像顕微鏡20には、一本の共通のシングルモードファイバ21からポンプ光及びイレース光が導入される。ポンプ光は、例えばNd:YVO4レーザを光源とする波長532nmの光が用いられる。イレース光は、例えばHe−Neレーザを光源とする波長633nmの光が用いられる。それぞれの光源から射出されるポンプ光及びイレース光は、公知のビームコンバイナで同軸に合成されてシングルモードファイバ21に入射される。 FIG. 1 is a diagram showing a conceptual configuration of a super-resolution microscope according to an embodiment of the present invention. Pump light and erase light are introduced into the super-resolution microscope 20 according to the present embodiment from one common single mode fiber 21. As the pump light, for example, light having a wavelength of 532 nm using an Nd:YVO4 laser as a light source is used. As the erase light, for example, light having a wavelength of 633 nm using a He-Ne laser as a light source is used. The pump light and the erase light emitted from the respective light sources are coaxially combined by a known beam combiner and are incident on the single mode fiber 21.

超解像顕微鏡20において、シングルモードファイバ21から導入されたポンプ光及びイレース光は、コリメータレンズ22により共通にコリメートされた後、アイリス23、位相板10及びバンドパスフィルタ24を透過してガルバノミラー光学系25に導入される。ガルバノミラー光学系25に導入されたポンプ光及びイレース光は、ガルバノミラー光学系25により二次元方向に偏向走査されて、瞳投影レンズ26を経て顕微鏡対物レンズ27により試料Sに集光される。 In the super-resolution microscope 20, the pump light and the erase light introduced from the single mode fiber 21 are collimated by the collimator lens 22 in common, and then are transmitted through the iris 23, the phase plate 10 and the bandpass filter 24 to be a galvano mirror. It is introduced into the optical system 25. The pump light and the erase light introduced into the galvanometer mirror optical system 25 are deflected and scanned in the two-dimensional direction by the galvanometer mirror optical system 25, and are condensed on the sample S by the microscope objective lens 27 via the pupil projection lens 26.

ここで、位相板10に入射されるイレース光は、顕微鏡対物レンズ27の焦点面で中空形状となる干渉条件を満たすように、ポンプ光とともにビーム径が調整される。バンドパスフィルタ24は、ポンプ光及びイレース光を透過し、試料Sからの蛍光を反射するように構成される。 Here, the beam diameter of the erase light incident on the phase plate 10 is adjusted together with the pump light so as to satisfy the interference condition of forming a hollow shape on the focal plane of the microscope objective lens 27. The bandpass filter 24 is configured to transmit pump light and erase light and reflect fluorescence from the sample S.

一方、ポンプ光の照射により試料Sから発生する蛍光は、ポンプ光及びイレース光の照明光の光路を逆に辿ってバンドパスフィルタ24に入射され、該バンドパスフィルタ24で反射されて照明光学系の光路から分離される。バンドパスフィルタ24で反射された蛍光は、ブロックフィルタ31で蛍光のみが取り出された後、集光レンズ32に集光されて、ピンホール33を経てフォトマルチプライヤ等の光検出器34で受光される。 On the other hand, the fluorescence generated from the sample S by the irradiation of the pump light is incident on the bandpass filter 24 following the optical paths of the illumination light of the pump light and the erase light in reverse, is reflected by the bandpass filter 24, and is illuminated by the illumination optical system. Is separated from the optical path of. The fluorescence reflected by the band-pass filter 24 is extracted by the block filter 31 and then collected by the condenser lens 32 and then received by the photodetector 34 such as a photomultiplier through the pinhole 33. It

上記構成において、照明光学系は、シングルモードファイバ21、コリメータレンズ22、位相板10、瞳投影レンズ26及び顕微鏡対物レンズ27を含んで構成される。走査部は、ガルバノミラー光学系25を含んで構成される。検出光学系は、バンドパスフィルタ24、ブロックフィルタ31、集光レンズ32、ピンホール33、光検出器34を含んで構成される。 In the above configuration, the illumination optical system is configured to include the single mode fiber 21, the collimator lens 22, the phase plate 10, the pupil projection lens 26, and the microscope objective lens 27. The scanning unit includes a galvanometer mirror optical system 25. The detection optical system includes a bandpass filter 24, a block filter 31, a condenser lens 32, a pinhole 33, and a photodetector 34.

本実施の形態に係る超解像顕微鏡20によれば、ポンプ光及びイレース光が同時に試料Sに照射されると、これらのビームは顕微鏡対物レンズ27の焦点面の全く同じ位置に、ずれることなく集光される。その際、イレース光のみが超解像顕微鏡に資するように中空状に整形される。これにより、試料Sを超解像で観察することができる。具体的には、λ=532nm、λ=633nmとすると、例えばキサンテン系のローダミン色素やオギザジン系のナイルレッドにより染色された試料Sを超解像で観察することが可能である。With the super-resolution microscope 20 according to the present embodiment, when the pump light and the erase light are simultaneously applied to the sample S, these beams do not shift to exactly the same position on the focal plane of the microscope objective lens 27. Collected. At that time, only the erase light is shaped into a hollow shape so as to contribute to the super-resolution microscope. Thereby, the sample S can be observed with super-resolution. Specifically, if λ p =532 nm and λ e =633 nm, the sample S dyed with a xanthene-based rhodamine dye or an oxazine-based Nile red, for example, can be observed with super-resolution.

本実施の形態に係る超解像顕微鏡20は、市販のレーザ走査型顕微鏡の照明光学系の光路中に位相板10を挿入し、その照明光路に一本の共通のシングルモードファイバを用いてポンプ光及びイレース光を導入することで容易に構成することができる。 The super-resolution microscope 20 according to the present embodiment has a phase plate 10 inserted in the optical path of an illumination optical system of a commercially available laser scanning microscope, and a pump using one common single-mode fiber in the illumination optical path. It can be easily constructed by introducing light and erase light.

次に、位相板10の構成例について説明する。 Next, a configuration example of the phase plate 10 will be described.

位相板10は、特殊な異方性光学媒質材料を用いることなく、波面精度に影響を与えない同じ厚みをもつ光学的に等方的な光学媒質材料、すなわち等方的な屈折率をもつ標準的な光学媒質材料を複数用いて構成される。位相板10は、表面が幾何学的に平面であり、光学的に十分な平坦度を有する。このような光学媒質材料としては、例えば標準的なガラスであるBK7や石英ガラスが利用可能である。また、TiOをはじめとする光学薄膜材料が利用可能である。The phase plate 10 is an optical isotropic optical medium material having the same thickness that does not affect the wavefront accuracy without using a special anisotropic optical medium material, that is, a standard having an isotropic refractive index. A plurality of typical optical medium materials are used. The surface of the phase plate 10 is geometrically flat and has an optically sufficient flatness. As such an optical medium material, for example, standard glass such as BK7 or quartz glass can be used. In addition, optical thin film materials such as TiO 2 can be used.

(位相板の第1の構成例)
図2は、位相板10の第1の構成例を概念的に示す斜視図である。図2に示す位相板10は、第1の光学ガラス11−1と第2の光学ガラス11−2とを有する。第1の光学ガラス11−1は、輪帯状に形成されている。第2の光学ガラス11−2は、円柱状に形成されて、第1の光学ガラス11−1の内周面に接合されている。すなわち、位相板10は、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2が輪帯状に張り合わされた2つの分割領域を有する。
(First structural example of phase plate)
FIG. 2 is a perspective view conceptually showing a first configuration example of the phase plate 10. The phase plate 10 shown in FIG. 2 has a first optical glass 11-1 and a second optical glass 11-2. The first optical glass 11-1 is formed in a ring shape. The second optical glass 11-2 is formed in a cylindrical shape and is joined to the inner peripheral surface of the first optical glass 11-1. That is, the phase plate 10 has two divided regions in which the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 are laminated in a ring shape.

第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2は、透過するポンプ光及びイレース光の光軸方向の厚みdが同じで屈折率が異なる。第1の光学ガラス11−1の波長λにおける屈折率をn(λ)とし、第2の光学ガラス11−2の波長λにおける屈折率をn(λ)とする。また、ポンプ光の波長をλとし、イレース光の波長をλとする。The first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 have the same thickness d of the transmitted pump light and erase light in the optical axis direction, but have different refractive indexes. The refractive index of the first optical glass 11-1 at the wavelength λ is n 1 (λ), and the refractive index of the second optical glass 11-2 at the wavelength λ is n 2 (λ). The wavelength of the pump light is λ p and the wavelength of the erase light is λ e .

この場合、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2を透過したときのイレース光の位相差ψは、下式(3)で与えられる。 In this case, the phase difference ψ of the erase light when transmitted through the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 is given by the following expression (3).


Figure 0006714689
Figure 0006714689

同様に、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2を透過したときのポンプ光の位相差φは、下式(4)で与えられる。 Similarly, the phase difference φ of the pump light when transmitted through the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 is given by the following expression (4).


Figure 0006714689
Figure 0006714689

ここで、位相板10を透過したイレース光が、顕微鏡対物レンズ27により中空ホールのビームスポットとして集光されるためには、外側の第1の光学ガラス11−1を透過したイレース光と、内側の第2の光学ガラス11−2を透過したイレース光との位相が反転しているのが望ましい。この場合、任意の整数をmとして、下式(5)を満たせばよい。 Here, in order to collect the erase light transmitted through the phase plate 10 as a beam spot of a hollow hole by the microscope objective lens 27, the erase light transmitted through the outer first optical glass 11-1 and the inner erase light are transmitted. It is desirable that the phase of the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 is inverted. In this case, an arbitrary integer may be set as m and the following expression (5) may be satisfied.


Figure 0006714689
Figure 0006714689

一方、ポンプ光は、通常のガウスビームとして集光させる必要がある。そのためには、ポンプ光のビーム面の位相の乱れが、少なくともπ/4が以下である必要がある。つまり、下式(6)の条件を満たす必要がある。この条件であれば、ポンプ光は波面全てにおいて位相の極性が反転せず、円形に集光することができる。 On the other hand, the pump light needs to be condensed as a normal Gaussian beam. For that purpose, the phase disorder of the beam surface of the pump light needs to be at least π/4 or less. That is, it is necessary to satisfy the condition of the following expression (6). Under this condition, the pump light can be condensed in a circular shape without the phase polarity being inverted in all the wavefronts.


Figure 0006714689
Figure 0006714689

図2に示した位相板10を作製するにあたっては、具体的には、屈折率が異なる第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2を選定し、与えられたポンプ光及びイレース光の波長おいて、式(5)及び式(6)を満たす条件の厚さdを選べばよい。 In producing the phase plate 10 shown in FIG. 2, specifically, the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 having different refractive indexes are selected, and the given pump light and At the wavelength of the erase light, the thickness d satisfying the conditions (5) and (6) may be selected.

以下、図2の位相板10の一設計例について説明する。表1は、本設計例におけるパラメータを示すものである。本設計例では、第1の光学ガラス11−1としてN−B−Bak1(ショット社製)を用い、第2の光学ガラス11−2としてN−F2(ショット社製)を用いた。 Hereinafter, one design example of the phase plate 10 of FIG. 2 will be described. Table 1 shows the parameters in this design example. In this design example, NB-Bak1 (manufactured by Schott) was used as the first optical glass 11-1, and N-F2 (manufactured by Schott) was used as the second optical glass 11-2.


Figure 0006714689
Figure 0006714689

表1のパラメータを式(5)及び(6)に代入すると、d=1.0767mmとなる。そのときのイレース光の位相差ψは丁度πとなる。また、ポンプ光の位相差φは、0.03radとなって、式(6)の不等式を満たす。 Substituting the parameters of Table 1 into equations (5) and (6) gives d=1.0767 mm. The phase difference ψ of the erase light at that time is just π. Further, the phase difference φ of the pump light is 0.03 rad, which satisfies the inequality of the equation (6).

ポンプ光の位相差φは、ポンプ光の波長に換算するとλ/210となる。この値は、通常の光学研磨ガラス基板の平面精度がλ/10であることから無視できる値である。したがって、この位相板10をポンプ光が透過しても、その波面は全く影響を受けないことになる。The phase difference φ of the pump light is λ p /210 when converted to the wavelength of the pump light. This value is a value that can be ignored because the plane accuracy of an ordinary optically polished glass substrate is λ p /10. Therefore, even if the pump light is transmitted through the phase plate 10, its wavefront is not affected at all.

図2に示した位相板10は、極めて標準的な加工技術で作製することができる。例えば、図3に示すように、第1の光学ガラス11−1を構成するN−B−Bak1基板は輪帯状に切削する。また、第2の光学ガラス11−2を構成するN−F2基板は、第1の光学ガラス11−1と同じ厚みで、円柱状に切削する。そして、円柱状の第2の光学ガラス11−2を輪帯状の第1の光学ガラス11−1の内周面に、例えば紫外線硬化性樹脂で接合する。その後、接合された第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2を、光学的な平面度を満足するまで一体に光学研磨する。 The phase plate 10 shown in FIG. 2 can be manufactured by an extremely standard processing technique. For example, as shown in FIG. 3, the NB-Bak1 substrate forming the first optical glass 11-1 is cut into an annular shape. Further, the N-F2 substrate forming the second optical glass 11-2 has the same thickness as the first optical glass 11-1 and is cut into a columnar shape. Then, the cylindrical second optical glass 11-2 is bonded to the inner peripheral surface of the ring-shaped first optical glass 11-1 with, for example, an ultraviolet curable resin. After that, the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 that have been bonded together are optically polished until they satisfy the optical flatness.

なお、上記の設計例では、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2として、市販の光学ガラスを用いた。しかし、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2は、使用するポンプ光及びイレース光のそれぞれの波長に応じた最適な屈折率をもつように、例えば通常の溶融石英ガラスにTiなどの不純物を異なる密度で微少量添加して構成されてもよい。また、位相板10は、表面に反射防止膜をコートして、照明光の散乱光の発生を抑制することも可能である。 In the above design example, commercially available optical glass was used as the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2. However, the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 have, for example, ordinary fused silica glass so as to have an optimum refractive index according to the respective wavelengths of the pump light and the erase light used. In addition, impurities such as Ti may be added in minute amounts at different densities. Further, the phase plate 10 can be coated with an antireflection film on the surface to suppress the generation of scattered light of the illumination light.

上述した作製方法によれば、屈折率が等方的な第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2を用いるので、従来の異方性の屈折率特性を有する光学基板を用いる場合と比較して、光学軸の方向を気にすることなく2枚の光学基板を切削することができる。また、2枚の基板を接合する際も光学軸の方向を気にする必要がないので、作業工程が格段に簡単となる。また、屈折率が等方的な光学ガラスを用いることから、高度な切削加工技術を必要とせず、また高価な水晶基板等を用いる必要がないので、設計の多様性及び柔軟性における利点に留まらず、生産面及びコスト面における利点もある。 According to the above-described manufacturing method, since the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 having isotropic refractive indexes are used, a conventional optical substrate having anisotropic refractive index characteristics is used. Compared with the case of using, two optical substrates can be cut without worrying about the direction of the optical axis. Further, since it is not necessary to pay attention to the direction of the optical axis when joining the two substrates, the working process is significantly simplified. Further, since the optical glass having an isotropic refractive index is used, it is not necessary to use a high-level cutting technique and an expensive quartz substrate or the like. There is also an advantage in terms of production and cost.

なお、上記の設計例では、第1の光学ガラス11−1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11−2を透過したイレース光との位相を反転させた。しかし、両者は完全に反転していなくても、少なくとも外側の第1の光学ガラス11−1を透過したイレース光と、内側の第2の光学ガラス11−2を透過したイレース光との電場の極性が異なっていれば、顕微鏡対物レンズ27の焦点における電場の相殺が可能である。 In the above design example, the phase of the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 are reversed. However, even if they are not completely inverted, the electric field of at least the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 on the outer side and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 on the inner side If the polarities are different, it is possible to cancel the electric field at the focal point of the microscope objective lens 27.

そのためには、第1の光学ガラス11−1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11−2を透過したイレース光との位相差が、式(6)の条件化で、下式(7)を満たせばよいことになる。 For that purpose, the phase difference between the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 is expressed by the following formula (6) under the condition of the formula (6). It suffices to satisfy 7).


Figure 0006714689
Figure 0006714689

この場合、第1の光学ガラス11−1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11−2を透過したイレース光とが集光点で、その電場を相殺するためには、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2の面積及び透過率が、下式(8)を満たせばよい。 In this case, the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 are converging points, and in order to cancel the electric field, the first The areas and the transmittances of the optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2 may satisfy the following expression (8).


Figure 0006714689
Figure 0006714689

式(8)において、積分領域「in」は内側の第2の光学ガラス11−2の領域を示し、積分領域「out」は外側の第1の光学ガラス11−1の領域を示す。Tinは第2の光学ガラス11−2のイレース光の透過率分布示し、Toutは第1の光学ガラス11−1のイレース光の透過率分布を示す。また、ψinは第2の光学ガラス11−2を通過したイレース光の位相分布を示し、ψoutは第1の光学ガラス11−1のイレース光の位相分布を示す。また、x及びyは、位相板10の面の座標を示す。In Expression (8), the integration area “in” indicates the area of the inner second optical glass 11-2, and the integration area “out” indicates the area of the outer first optical glass 11-1. T in indicates the erase light transmittance distribution of the second optical glass 11-2, and T out indicates the erase light transmittance distribution of the first optical glass 11-1. Further, ψ in shows the phase distribution of the erase light that has passed through the second optical glass 11-2, and ψ out shows the phase distribution of the erase light of the first optical glass 11-1. Further, x and y indicate coordinates on the surface of the phase plate 10.

式(8)によれば、第1の光学ガラス11−1を透過したイレース光と、第2の光学ガラス11−2を透過したイレース光との位相が完全に反転していなくても、極性が異なっていれば、第1の光学ガラス11−1及び第2の光学ガラス11−2をそれぞれ透過したイレース光の強度と面積とに鑑みて、積分した総和がゼロになれば、3次元的な中空ビームが得られる。 According to the formula (8), even if the phase of the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the erase light transmitted through the second optical glass 11-2 is not completely inverted, the polarity Are different from each other, in consideration of the intensity and area of the erase light transmitted through the first optical glass 11-1 and the second optical glass 11-2, if the integrated sum becomes zero, the three-dimensional shape is obtained. A hollow beam can be obtained.

(位相板の第2の構成例)
図4は、位相板10の第2の構成例を概念的に示す斜視図である。図4に示す位相板10は、同心円状に多数接合された同じ厚みの光学ガラス12−1〜12−nを有する多重輪帯構造からなる多数の分割領域を有する。隣接する光学ガラスをそれぞれ透過するイレース光の電場の極性は異なる。多重輪帯構造の各光学ガラスの面積及び透過率は、それぞれ異なってもよい。その場合、式(8)は下式(9)に示すように示される。なお、式(9)において、jはj番目の光学ガラスを示す。
(Second configuration example of phase plate)
FIG. 4 is a perspective view conceptually showing a second configuration example of the phase plate 10. The phase plate 10 shown in FIG. 4 has a large number of divided regions having a multiple ring zone structure having a large number of concentric optical glasses 12-1 to 12-n having the same thickness. The polarities of the electric fields of erase light transmitted through adjacent optical glasses are different. The area and the transmittance of each optical glass of the multiple ring structure may be different from each other. In that case, the equation (8) is expressed as shown in the following equation (9). In the formula (9), j represents the j-th optical glass.


Figure 0006714689
Figure 0006714689

図4の位相板10においても、多重輪帯構造の光学ガラス数(領域数)と、各領域の屈折率・面積・透過率とをパラメータとして最適化することができる。 Also in the phase plate 10 of FIG. 4, the number of optical glasses (the number of regions) of the multiple ring zone structure and the refractive index/area/transmittance of each region can be optimized as parameters.

特に多重輪帯構造を形成する場合は、隣り合う領域を通過したイレース光の位相がお互い反転すれば、電場の相殺が効果的に起こり、焦点近傍で良好な中空構造を持つイレース光が生成される。すなわち、上式(2)において、i=j+1の関係を満たす。なお、2重の輪帯構造の場合は、上式(2)において、i=1となる。 Especially in the case of forming a multi-ring structure, if the phases of the erase light passing through the adjacent regions are mutually inverted, the electric fields are effectively canceled and erase light with a good hollow structure is generated near the focal point. It That is, in the above equation (2), the relation of i=j+1 is satisfied. In the case of the double ring structure, i=1 in the above formula (2).

(位相板の第3の構成例)
図5は、位相板10の第3の構成例を概念的に示す平面図である。図5に示す位相板10は、異なる屈折率特性をもつ同じ厚みの4枚の光学ガラス13−1〜13−4がπ/2radずつ円形状に接合された4つの分割領域を有する。4枚の光学ガラス13−1〜13−4は、透過するイレース光の位相をπ/4ずつ段階的に変化させる。
(Third configuration example of the phase plate)
FIG. 5 is a plan view conceptually showing the third configuration example of the phase plate 10. The phase plate 10 shown in FIG. 5 has four divided regions in which four optical glasses 13-1 to 13-4 having different refractive index characteristics and having the same thickness are joined in a circular shape by π/2 rad. The four optical glasses 13-1 to 13-4 change the phase of the transmitted erase light stepwise by π/4.

図5に示す位相板10によると、顕微鏡対物レンズ27の焦点面において非常にタイトなイレース光の中空ビームを形成することができる。ただし、4枚の光学ガラス13−1〜13−4を通過するポンプ光のビーム面の位相の乱れは、少なくともπ/4以下とする必要がある。 According to the phase plate 10 shown in FIG. 5, a very tight hollow beam of erase light can be formed at the focal plane of the microscope objective lens 27. However, the disturbance of the phase of the beam surface of the pump light passing through the four optical glasses 13-1 to 13-4 needs to be at least π/4 or less.

(位相板の第4の構成例)
上述した位相板の第1〜3の構成例では、異なる等方的な屈折率をもつ複数の光学媒質材料として、同じ厚みの光学ガラスを用いた。本構成例では、同じ厚みの光学媒質材料を用いるという概念のもとに、同じ膜厚で異なる屈折率をもつ複数の光学薄膜を、同一の光学基板上にコートして位相板10を構成する。
(Fourth configuration example of phase plate)
In the above-described first to third configuration examples of the phase plate, the optical glass having the same thickness is used as the plurality of optical medium materials having different isotropic refractive indexes. In this configuration example, based on the concept of using an optical medium material having the same thickness, a plurality of optical thin films having the same film thickness and different refractive indexes are coated on the same optical substrate to form the phase plate 10. ..

この場合は、例えば光学的に等方的で、かつ均一な厚みのガラス基板を用い、その表面を例えば図2、図4又は図5に示されているように、2重輪帯、多重輪帯又は4分割の複数の領域に分割する。そして、第1〜3の構成例でそれぞれ説明した条件を満足する同じ膜厚で異なる屈折率を有する光学薄膜を、それぞれの分割領域にコートする。つまり、第1〜3の構成例のように、異なる等方的な屈折率をもつ同じ厚みの複数の光学ガラスを接合する代わりに、異なる等方的な屈折率をもつ同じ厚みの複数の光学薄膜を、光学的に等方的で均一な厚みを有するガラス基板の表面に成膜して位相板10を構成する。 In this case, for example, a glass substrate having an optically isotropic and uniform thickness is used, and the surface thereof is, for example, as shown in FIG. 2, FIG. 4 or FIG. Divide into a band or a plurality of regions divided into four. Then, each divided region is coated with an optical thin film having the same film thickness and different refractive indexes that satisfy the conditions described in the first to third configuration examples. That is, as in the first to third configuration examples, instead of bonding a plurality of optical glasses having different isotropic refractive indexes and having the same thickness, a plurality of optical glasses having different isotropic refractive indexes and having the same thickness are used. The thin film is formed on the surface of a glass substrate that is optically isotropic and has a uniform thickness to form the phase plate 10.

光学薄膜は、TiOをはじめとする光学薄膜材料が用いて形成可能である。また、光学薄膜は、単層膜であってもよいが、多層膜であってもよい。特に、多層膜とすれば、全体の膜厚を一定にするという条件の元で、層数や光学媒質材料を適宜選定して、ポンプ光及びイレース光に対してより精密な独立の位相制御を行って超解像顕微鏡機能を誘導することが可能となる。The optical thin film can be formed using an optical thin film material such as TiO 2 . The optical thin film may be a single layer film or a multilayer film. In particular, in the case of a multilayer film, under the condition that the total film thickness is constant, the number of layers and the material of the optical medium are appropriately selected for more precise independent phase control for pump light and erase light. It becomes possible to induce the super-resolution microscope function.

第4の構成例によれば、特に、コートする光学媒質材料が有機材料、例えば紫外線硬化性樹脂などの場合は、無機材料と異なり、蒸着やスパッターといった手法のみならず、スピンコート法や印刷なども利用できる。したがって、位相板10の作製工程が簡単になる利点がある。 According to the fourth configuration example, particularly when the optical medium material to be coated is an organic material, for example, an ultraviolet curable resin, unlike the inorganic material, not only a technique such as vapor deposition or sputtering but also a spin coat method or printing is used. Is also available. Therefore, there is an advantage that the manufacturing process of the phase plate 10 is simplified.

図1に示した超解像顕微鏡20によると、位相板10が上述した第1の構成例〜第4の構成例のいずれかからなる。したがって、位相板10が容易に作製できるので、全体として廉価な構成で、高精度の超解像顕微鏡観察が可能となる。 According to the super-resolution microscope 20 shown in FIG. 1, the phase plate 10 includes any one of the first to fourth configuration examples described above. Therefore, since the phase plate 10 can be easily manufactured, it is possible to perform high-precision super-resolution microscope observation with an inexpensive structure as a whole.

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、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形または変更が可能である。例えば、位相板10は、上述した構成例に限らず、異なる屈折率特性をもつ同一厚さの複数の多様な形状の光学基板を接合して構成してもよい。同様に、位相板10は、同一光学基板上に分割された複数の領域に、異なる屈折率特性をもつ同一厚さの複数の多様な形状の光学薄膜をコートして構成してもよい。また、図1に示した超解像顕微鏡20の照明光学系、走査部、検出部等の構成は一例であって、同様の機能を有する適宜の構成に変更可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications or changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the phase plate 10 is not limited to the above-described configuration example, and may be configured by joining a plurality of optical substrates of different shapes having different refractive index characteristics and having the same thickness. Similarly, the phase plate 10 may be configured by coating a plurality of regions divided on the same optical substrate with a plurality of optical thin films of different shapes having different refractive index characteristics and having the same thickness. Moreover, the configuration of the illumination optical system, the scanning unit, the detection unit, and the like of the super-resolution microscope 20 shown in FIG. 1 is an example, and can be changed to an appropriate configuration having the same function.

10 位相板
11−1、11−2、12−1〜12−n、13−1〜13−4 光学ガラス
20 超解像顕微鏡
21 シングルモードファイバ
22 コリメータレンズ
23 アイリス
24 バンドパスフィルタ
25 ガルバノミラー光学系
26 瞳投影レンズ
27 顕微鏡対物レンズ
S 試料
31 ブロックフィルタ
32 集光レンズ
33 ピンホール
34 光検出器
10 phase plate 11-1, 11-2, 12-1 to 12-n, 13-1 to 13-4 optical glass 20 super-resolution microscope 21 single mode fiber 22 collimator lens 23 iris 24 bandpass filter 25 galvanomirror optics System 26 Pupil projection lens 27 Microscope objective lens S Sample 31 Block filter 32 Condensing lens 33 Pinhole 34 Photodetector

Claims (2)

少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を観察する超解像顕微鏡であって、
前記分子を安定状態から第1量子状態に励起するための第1の光と、前記分子を更に他の量子状態に遷移させるための第2の光とを含む複数の波長の照明光を、前記第1の光及び前記第2の光の少なくとも一部を空間的に重ね合わせて前記試料に集光して照射する照明光学系と、
前記照明光と前記試料とを相対的に変位させて前記試料を走査する走査部と、
前記照明光の前記試料への照射による該試料からの応答光を検出する検出光学系と、を備え、
前記照明光学系は、前記第1の光及び前記第2の光を空間変調する位相板を有し、
前記位相板は、前記照明光が透過する複数の分割領域を有する所定の厚さの平坦な空間形状からなり、
前記複数の分割領域は、少なくとも2種類以上の空間的に等方的な光学媒質材料からなり、前記第1の光及び前記第2の光に対して独立して位相制御する超解像顕微鏡において、
前記位相板は、前記複数の分割領域が屈折率の異なる複数の光学基板からなり、
前記光学基板の各々は、屈折率が空間的に等方的でかつ前記第1の光及び前記第2の光
に対して異なるものであり、
前記位相板は、前記光学媒質材料からなる前記分割領域の厚さをd、前記複数の分割領
域のうちi番目の分割領域の波長λにおける光の屈折率をn (λ)、j番目の分割領域
の波長λにおける光の屈折率をn (λ)、前記第1の光の波長をλ 、前記第2の光の
波長をλ 、任意の整数をmとするとき、
Figure 0006714689
を満足する超解像顕微鏡。
A super-resolution microscope for observing a sample containing a molecule having at least two excited quantum states,
Illumination light of a plurality of wavelengths including a first light for exciting the molecule from a stable state to a first quantum state and a second light for transitioning the molecule to another quantum state, An illumination optical system that spatially superimposes at least a part of the first light and the second light and collects and irradiates the sample on the sample.
A scanning unit that scans the sample by relatively displacing the illumination light and the sample;
A detection optical system for detecting response light from the sample due to irradiation of the sample with the illumination light,
The illumination optical system includes a phase plate that spatially modulates the first light and the second light,
It said phase plate is made flat space shape of predetermined thickness having a divided region of the multiple of the illumination light passes,
Divided areas of the multiple comprises at least two or more spatially isotropic optical medium material, the first light and the super-resolution microscope independently phase control for the second optical At
The phase plate comprises a plurality of optical substrates in which the plurality of divided regions have different refractive indices,
Each of the optical substrates has a spatially isotropic refractive index and the first light and the second light.
Is different to
The phase plate has a thickness d of the divided regions made of the optical medium material,
The refractive index of the light at the wavelength λ of the i-th divided area in the region is n i (λ), the j-th divided area
At the wavelength λ of n j (λ), the wavelength of the first light is λ p , and the wavelength of the second light is
When the wavelength is λ e and an arbitrary integer is m,
Figure 0006714689
A super-resolution microscope that satisfies the requirements.
請求項1に記載の超解像顕微鏡において、前記位相板は輪帯型の2領域に分割され、波長λ The super-resolution microscope according to claim 1, wherein the phase plate is divided into two zones of a ring type, and a wavelength λ e の照明光が通過する内側の領域の透過率をTThe transmittance of the inner area through which the illumination light of inin 、波長λ, Wavelength λ e の照明光が通過する外側の領域の透過率をTThe transmittance of the outer area through which the illumination light of outout とし、内側を通る照明光の位相をφAnd the phase of the illumination light passing inside is φ inin 、外側を通る照明光の位相をφ, Φ of the illumination light passing through the outside outout としたときに、それぞれの領域に関して、Then, regarding each area,
Figure 0006714689
Figure 0006714689
を満たすことを特徴とする超解像顕微鏡。A super-resolution microscope characterized by satisfying:
JP2018510015A 2016-04-07 2016-04-07 Super resolution microscope Active JP6714689B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2016/001948 WO2017175258A1 (en) 2016-04-07 2016-04-07 Ultra-high resolution microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017175258A1 JPWO2017175258A1 (en) 2019-02-14
JP6714689B2 true JP6714689B2 (en) 2020-06-24

Family

ID=60001045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018510015A Active JP6714689B2 (en) 2016-04-07 2016-04-07 Super resolution microscope

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6714689B2 (en)
WO (1) WO2017175258A1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007025688A1 (en) * 2007-06-01 2008-12-11 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Wavelength- or polarization-sensitive optical design and its use
JP6234105B2 (en) * 2013-08-05 2017-11-22 オリンパス株式会社 Super-resolution microscope

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017175258A1 (en) 2017-10-12
JPWO2017175258A1 (en) 2019-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6234105B2 (en) Super-resolution microscope
JP5484879B2 (en) Super-resolution microscope
JP5771422B2 (en) microscope
US9995919B2 (en) Method and configuration for the optical detection of an illuminated specimen
Heine et al. Three dimensional live-cell STED microscopy at increased depth using a water immersion objective
CN216622749U (en) Dual-function metalens and super-resolution imaging devices including the same
WO2008026435A1 (en) Microscope
CN101893755B (en) Fluorescence microscopy method and apparatus using a quadrangular pyramid mirror to produce structured illumination
JP6512667B2 (en) Side illumination microscope system and microscopic method
WO2013089258A1 (en) Microscope and stimulation device
JP2010015026A (en) Super-resolution microscope and spatial modulation optical element used therein
JP2014182239A (en) Super-resolution microscope
CN116594167B (en) Large field of view and high resolution light sheet illumination imaging system
US20060214106A1 (en) Point scanning laser scanning microscope and methods for adjustment of a microscope
WO2018182526A1 (en) Apparatus for analysing a specimen
JP6253830B2 (en) Super-resolution microscope
CN108593620B (en) Multicolor super-resolution imaging system applied to 4pi microscopic framework
JP6714689B2 (en) Super resolution microscope
Takiguchi et al. Suppression of backside damage in nanosecond internal-focusing pulse laser dicing with wavefront modulation
CN218446197U (en) Microscopic imaging device
JP7576801B2 (en) Apparatus and method for forming a patterned evanescent field on a surface - Patents.com
JP6289156B2 (en) Super-resolution microscope
JP5652310B2 (en) Microscope equipment
JPWO2017082357A1 (en) Super-resolution microscope
US20250231392A1 (en) Imaging system

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180705

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190107

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200303

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200422

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200602

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200605

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6714689

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250