JP4512698B2

JP4512698B2 - レーザ顕微鏡

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Publication number: JP4512698B2
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Inventors: 孝博大出
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Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2010-07-28
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Description

本発明はレーザ顕微鏡に関し、特に詳しくは試料から発生される第２高調波を検出するレーザ顕微鏡に関する。

レーザ光を利用するレーザ顕微鏡は、その用途に応じて様々なタイプのものが開発されている。レーザ顕微鏡は、レーザより出力されたレーザ光を試料上に集光し、試料による反射光、発光光などを受光することによって、試料の観察や検査などを行うことができる。

レーザ顕微鏡の一つの態様として、共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡は、優れた分解能や試料の３次元情報を取得することができるなどの点から、注目を集めている。このような共焦点顕微鏡の一つに、回転するピンホール基板を利用して照射光を試料上で走査する共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１を参照）。光源からの光は回転する複数のピンホールが形成されたピンホール基板に入射する。ピンホールによって分割された光が試料上を走査する。ピンホールは、試料上での明暗むらを防止するため、基板上に螺旋配列に従って配置され、螺旋のトラックに沿って径方向及び周方向にピッチが等しくなるように配置される。

あるいは、ピンホールの配置密度が一定となるように、ピンホールが配置された、共焦点用光スキャナが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ピンホールは、マイクロレンズを使用することができる。しかし、これらの配置に従ったピンホール基板は、明暗むらを抑制し同時に試料上の照明の明るさを大きくする点において、十分な結果を得られない場合があった。また、このようなアレイ基板を効果的に設計する方法について、これまで十分な検討がなされていなかった。

他のレーザ顕微鏡として、試料にレーザ光を照射することにより発生した第二高調波を利用して、試料の各種物理特性を計測する第二高調波顕微鏡が実用化されるようになってきている（非特許文献１）。この第二高調波顕微鏡を用いた計測は、レーザ光源から出力されたレーザ光を試料に焦点させるとともに、試料上を走査させ、試料内部から発せられた第二高調波を検出することによって実施する。第二高調波顕微鏡は、特に、医療やバイオテクノロジーの分野などにおける、細胞やたんぱく質レベルの構造もしくは機能の検出などに有効な手段として注目を集めている。

第２高調波顕微鏡では、図９に示すような放射パターンにより試料から放出される第２高調波を検出している。第２高調波は入射光の進行方向と同じ方向に放出されている。なお、図９では矢印の方向が入射光の進行方向である。そして、試料の背面側に光検出器を配置して、試料を透過した第２高調波を検出している。

しかしながら、従来の第２高調波顕微鏡では試料を透過した透過光を検出しているため、不透明な試料について観察することができない場合があった。さらに、生体などの厚みのある試料に対しての観察を行うことができない場合があった。
特開２００１−１４８６２５号公報特開平０５−１１９２６２号公報ナノフォトン株式会社ＳＨＧ−１１カタログ

上述のように従来の第２高調波顕微鏡では、第２高調波が入射光の進行方向と同じ方向に放射されるため、試料を透過した第２高調波しか検出することができなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、入射光の進行方向と反対方向に放射される第２高調波を検出することができるレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様にかかるレーザ顕微鏡は、レーザ光源（例えば、本発明の実施の形態におけるレーザ光源１０）と、前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える位相板（例えば、本発明の実施の形態における位相板１２）と、前記位相板を透過した光を試料に集光する対物レンズ（例えば、本発明の実施の形態における対物レンズ１６）と、前記試料から前記レーザ光の進行方向と反対方向に放射された第２高調波と前記試料で反射した基本波とを分離する手段（例えば、本発明の実施の形態における基本波カットフィルタ２２）と、前記分離手段によって基本波から分離された第２高調波を検出する光検出器（例えば、本発明の実施の形態における光検出器１９）とを備えるものである。これにより、レーザ光の進行方向と反対方向に放射される第２高調波を検出することができる。

本発明の第二の態様にかかるレーザ顕微鏡は、上述のレーザ顕微鏡において、前記位相板が光軸に対して対向する領域で前記レーザ光に１８０°の位相差を与えることを特徴とするものである。これにより、後方に放射される第２高調波の光量を高くすることができる。

本発明の第三の態様にかかるレーザ顕微鏡は、上述のレーザ顕微鏡において、前記位相板が、光軸に対して対向する領域に光学軸が９０°異なる１／２波長板を備えていることを特徴とするものである。これにより、後方に放射される第２高調波の光量を高くすることができる。

本発明の第四の態様にかかるレーザ顕微鏡は、上述のレーザ顕微鏡において、前記位相板では、前記光軸に対して対向する領域において、レーザ光の電気ベクトルの振動方向が反対方向となるものである。これにより、後方に放射される第２高調波の光量を高くすることができる。

本発明の第五の態様にかかるレーザ顕微鏡は、上述のレーザ顕微鏡において、前記試料から前記レーザ光の進行方向と同じ方向に放射された第２高調波と前記試料を透過した基本波とを分離する手段（例えば、本発明の実施の形態における基本波カットフィルタ２１）と、前記光源から光の進行方向と同じ方向に放射された第２高調波を検出する光検出器（例えば、本発明の実施の形態における光検出器１８）とをさらに備え、前記位相板が光路上に出し入れ可能に設けられているものである。これにより前方及び後方に放射される第２高調波のそれぞれを検出することができる。

入射光の進行方向と反対方向に放射される第２高調波を検出することができるレーザ顕微鏡を提供すること。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
発明の実施の形態１．

本実施の形態にかかる第二高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態におけるＳＨＧ顕微鏡の概略を示す構成図である。ＳＨＧ顕微鏡は、試料に所定波長の光を入射し、第二高調波発生（ＳＨＧ）を用いた光学顕微鏡である。ＳＨＧ顕微鏡は触媒反応表面、金属や半導体の微細構造など、様々な試料の観察に利用することがきるが、特に、医療やバイオテクノロジーの分野などにおける、細胞やたんぱく質レベルの構造もしくは機能の検出などに有効な手段である。ＳＨＧ光強度の像は分子の配向分布などを表し、非平衡な現象による分子濃度などのかたより、配向の分布のパターンなどが観察できる。生物体試料は非対称な生体分子から構成されており、そのＳＨＧ像は生物体内の特別な構造の分布を抽出観察するために有効である。多くの場合、第二高調波発光と共に、多光子励起蛍光が試料から生成される。本形態のＳＨＧ顕微鏡１は、試料が生成した第二高調波と共に、多光子励起蛍光を同時に観察することができる。多光子励起蛍光は、２光子以上の光子を同時に吸収することよる励起蛍光である。

図１において、１０はレーザ光源、１１はビームエキスパンダ、１２は位相板、１３はビームスプリッタ、１４はガルバノミラー、１５はガルバノミラー、１６は入射側に配置された対物レンズ、１７は透過側に配置された対物レンズ、１８は入射光と同じ方向に伝播する第２高調波を検出するための光検出器、１９は入射光と反対方向に伝播する光検出器、２０はレンズ、２１は透過側の基本波カットフィルタ、２２は反射側の基本波カットフィルタ、３０は試料である。

図１に示す構成のＳＨＧ顕微鏡では試料３０で発生して前方に伝播する第２高調波が光検出器１８で検出され、試料３０で発生して後方に伝播する第２高調波が光検出器１９で検出される。ここで前方とは入射光の伝播方向と同じ方向であり、後方とは入射光の伝播方向と反対方向である。

本形態のレーザ光源１０としては、第２次高調波と多光子蛍光の発生が可能なレーザ装置が使用される。例えば、生物細胞の観察などにおいて、モード・ロック・チタン・サファイア・レーザを使用した赤外光パルスなどを使用することができる。レーザ光波長、レーザ光強度、発振態様、繰り返し周波数、パルス幅などのレーザ光の特性は、試料や観察方法によって適切なものが選択される。

ビームエキスパンダ１１はレーザ光源１０からの光のビーム径を拡大して出射する。ビームエキスパンダ１１により拡大された光ビームは位相板１２に入射する。試料３０で発生し後方に伝播する第２高調波を検出するときは位相板１２を光路上に配置する。試料３０で発生し前方に伝播する第２高調波を検出するときは位相板１２を光路上から取り除く。この位相板１２については後述する。位相板１２から出射した光はレンズ２０ａ、２０ｂにより屈折して、ビームスプリッタ１３に入射する。ビームスプリッタ１３に入射した光の一部はビームスプリッタ１３をそのまま透過してガルバノミラー１４に入射する。

ガルバノミラー１４により反射された光はレンズ２０ｃ、２０ｄにより屈折されてガルバノミラー１５に入射する。ガルバノミラー１４及びガルバノミラー１５はビームを走査して、試料の全面の観察、撮像を可能にする。ガルバノミラー１５により反射された光はレンズ２０ｅ、２０ｆにより屈折され、入射側の対物レンズ１６に入射する。対物レンズ１６は入射したレーザ光を集光して、試料３０に入射させる。

試料３０は、入射光によって、入射光の２倍の周波数を有する第二高調波と、多光子励起蛍光とを発光する。典型的な多光子励起蛍光は２光子励起蛍光である。試料３０から発光して前方に伝播する第２高調波及び多光子励起蛍光の内、試料３０を透過した透過光は、透過側の対物レンズ１７によって集められる。また、試料３０をそのまま透過した基本波も透過側の対物レンズ１７によって集光される。透過側の対物レンズ１７は、試料３０に関して、入射側の対物レンズ１６と反対側に配置されている。試料３０は、入射側の対物レンズ１６と透過側の対物レンズ１７の間に配置され、２つの対物レンズの焦点は、試料上で実質的に一致することが好ましい。

対物レンズ１７からの光は、レンズ２０ｇ、２０ｈにより屈折され、基本波カットフィルタ２１に入射する。基本波カットフィルタ２１は基本波及び多光子励起蛍光から第２高調波を分離する。すなわち、対物レンズ１７から基本波カットフィルタ２１に入射した光のうち、第２高調波のみが基本波カットフィルタ２１を透過する。基本波カットフィルタ２１は例えば、レーザ光源１０の出力光の波長域及び多光子励起蛍光の波長域を遮断するバンド・パス・フィルタもしくはローパス・フィルタなどによって構成することができる。あるいは光軸と傾斜して配置されたダイクロイックミラーであってもよい。この基本波カットフィルタ２１を第２高調波の波長域及び基本波の波長域を遮断するバンド・パス・フィルタ等に変えることにより多光子励起蛍光を検出することができる。

基本波カットフィルタ２１を透過した第２高調波は光検出器１８に入射する。光検出器１８に入射する光はレンズ２０ｈ等によって集光されて、光検出器１８の受光面に入射する。光検出器１８は例えば、ＣＣＤカメラなどの２次元光センサである。光検出器１８は微弱光である第２高調波を効果的に検出するため、イメージ・インテシファイアを備えることが望ましい。光検出器１８は入射光を検出し、ビデオ信号に変換する。このビデオ信号は画像処理を行う画像処理装置（図示せず）に入力され、ディスプレイ上に撮像された画像を表示する。

一方、試料３０から発生した第２高調波のうち、入射光の伝播方向と反対方向に放射された第２高調波は入射光と逆方向に伝播していく。すなわち、後方に放射された第２高調波は再度、対物レンズ１６に入射して、レーザ光源１０の方向に進行していく。この第２高調波は対物レンズ１６、レンズ２０ｆ及びレンズ２０ｅによって屈折され、ガルバノミラー１５に入射する。ガルバノミラー１５で反射された第２高調波はレンズ２０ｄ及びレンズ２０ｃで屈折され、ガルバノミラー１４に入射する。ガルバノミラー１４で反射された第２高調波はビームスプリッタ１３に入射される。ビームスプリッタ１３は入射した光のうちの一部を光検出器１９の方向に反射させる。ビームスプリッタ１３で反射した光はレンズ２０ｉ、２０ｊにより屈折され基本波カットフィルタ２２に入射する。基本波カットフィルタ２２は第２高調波と同じ方向に伝播してきた基本波及び多光子励起蛍光から第２高調波のみを分離する。すなわち、対物レンズ１６から基本波カットフィルタ２２に入射した光のうち、第２高調波のみが基本波カットフィルタ２２を透過する。基本波カットフィルタ２２は透過側の基本波カットフィルタ２１と同様のものを用いることができる。

そして、基本波カットフィルタ２１を透過した第２高調波は光検出器１９に入射する。光検出器１９に入射する光はレンズ２０ｊ等によって集光されて、光検出器１９の受光面に入射する。光検出器１９は例えば、ＣＣＤカメラなどの２次元光センサである。光検出器１９は微弱光である第２高調波を効果的に検出するため、イメージ・インテシファイアを備えることが望ましい。光検出器１９は入射光を検出し、ビデオ信号に変換する。このビデオ信号は画像処理を行う画像処理装置（図示せず）に入力され、ディスプレイ上に撮像された画像を表示する。

次に位相板１２について図２を用いて説明する。図２（ａ）は位相板１２の構成を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）は位相板１２の構成を模式的に示す断面図である。位相板１２は図２に示すよう円板状の構成をしている。そして、中心線よりも上の領域１２ａと下の領域１２ｂで厚みが異なる。すなわち、位相板１２は中心線を挟んで厚さの異なる円板である。この位相板１２は光軸と垂直に配置されるため上の領域１２ａと下の領域１２ｂのそれぞれは光軸に対して垂直に配置される。位相板１２の中心は光軸と一致して配置される。この位相板１２は例えば、レーザ光を透過する透明なガラス板によって構成される。

位相板１２では厚さの違いに基づいて入射光の位相がずれて出射される。ここでは上の領域１２ａと下の領域１２ｂとでレーザ光の位相が１８０°ずれるようになっている。すなわち、位相板１２の厚さの違いはレーザ光の半波長分の光学的な距離となるように構成されている。従って、位相板１２を透過した光は空間的に位相のずれが生じ、上半分と下半分で位相が１８０°異なっている。すなわち、位相板１２によってレーザ光には入射位置に応じた位相差が与えられる。なお、上述の説明では位相板１２は厚みの異なる構成としたが、平らな透明板の一部に透明膜を設けて構成してもよい。

このような位相板１２を光路上に配置することにより、試料３０で発生される第２高調波が後方に放射される。第２高調波が後方に放射されるメカニズムについて以下に説明する。まず、上述の位相板１２を光路上に配置した場合の効果について図３を用いて説明する。図３は第２高調波が後方に放射される原理を説明するため、上記の位相板１２から試料３０に照射されるまでの光の伝播の様子を模式的に示す図である。なお、図３では位相板１２と対物レンズ１６との間の構成については省略して図示している。

図２に示すような位相板１２を光路上に配置すると、上の領域１２ａを透過した光と下の領域１２ｂを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上半分の領域と下半分の領域とで光の位相が１８０°ずれる。レーザ光から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。位相板１２によって、上の領域１２ａと下の領域１２ｂとでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち上の領域１２ａと下の領域１２ｂとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の領域１２ａと下の領域１２ｂとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の領域１２ａを透過した光と下の領域１２ｂを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。

図３の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を二次元で模式的に示したものである。上述のように位相板１２を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向に電気ベクトルが振動している。そして、位相板１２を透過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。上の領域１２ａを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の領域１２ｂを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図３において、中心を透過する光の振動方向は説明のため上方向として図示している。

このような振動方向の光が対物レンズ１６により集光された場合について説明する。上の領域１２ａを透過した光は対物レンズ１６により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図３に示すように右斜め上となる。中心を透過した光は対物レンズ１６により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の領域１２ｂを透過した光は対物レンズ１６により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光が試料上に集光される。

次に位相板１２を透過した光が対物レンズ１６により試料上に集光された状態について説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分と垂直な方向の成分に分けて考える。なお、図３において、光の進行方向に対して平行な方向を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向を左右方向として説明する。

対物レンズ１６を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の領域１２ａでは右斜め上で、下の領域１２ｂでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、試料上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分は略０となる。すなわち、試料上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。

一方、電気ベクトルの振動方向は上の領域１２ａでは右斜め上で、下の領域１２ｂでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の領域１２ａと下の領域１２ｂとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように位相板１２によって位相がずれたレーザ光を対物レンズ１６で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射することができる。

次に、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射することによって、後方に第２高調波が発生する原理について図４及び図９を用いて説明する。図４は電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射したときの、第２高調波の放射パターンを模式的に示す図である。図９は電気ベクトルが進行方向と垂直な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射したときの、第２高調波の放射パターンを模式的に示す図である。すなわち、図４は位相板１２が配置された本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンを示しており、図９は位相板１２が配置されていない従来のＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンを示している。

まず、位相板１２が配置されていないＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンについて図９を用いて説明する。位相板１２が配置されていない状態では、試料３０に照射される光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動している。すなわち、位相板１２が配置されていない場合、光が対物レンズ１６で集光されても、進行方向と平行な方向な成分は打ち消し合い略０となる。進行方向と垂直な方向に振動している光が照射されると分極した分子が上下方向に振動する。これにより、図９に示すような放射パターン４０となり、前方に第２高調波が発生する。前方に発生された第２高調波は光軸に対して広がった放射パターン４０となる。すなわち、広がりを持った第２高調波が入射方向と同じ方向に発生する。

一方、位相板１２が配置された本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンについて説明する。本実施の形態では、位相板１２が配置されているため、試料３０に照射される光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動している。進行方向と平行な方向に振動している光が照射されると分極した分子が左右方向に振動する。すなわち、電気ベクトルの振動方向に応じて、分極された分子の振動方向が異なるものとなり、図９に示す放射パターン４０が９０°傾いた放射パターンになる。進行方向と垂直な方向に広がった放射パターン４０となり、図４に示すように後方に第２高調波が発生する。すなわち、広がりを持った第２高調波が入射方向と同じ方向に発生する。

ここで後方に放射される第２高調波の光量を高くするため、開口数の高い対物レンズ１６を用いることが好ましい。これにより、対物レンズ１６によって屈折される角度が大きくなり、進行方向と平行方向に振動する成分を大きくすることができる。例えば、図３に示すように対物レンズ１６で集光される光の角度をαとした場合、ｓｉｎα＝０．９〜０．９５となる対物レンズ１６を用いている。これにより、後方に放射される第２高調波の光量を十分なものとすることができる。また、第２高調波の光量を光検出器１９により検出可能にするには、ｓｉｎα≧０．５とすることが好ましい。すなわち、α≧３０°とすることにより、第２高調波の光量を光検出器１９により検出可能にすることができる。なお、上述のαの値は、例示的な値であり、レーザ光源の光量、光学系や光検出器等の性能に応じて変化するものである。

このように入射光の進行方向と反対方向に放出された第２高調波は、対物レンズ１６等を介して光検出器１９に入射される。そして、後方に放射された第２高調波の画像が光検出器１９により撮像される。これにより、半導体等の不透明な試料や生体等の厚みのある試料に対してＳＨＧ光像を容易に撮像することができ、ＳＨＧ顕微鏡の利用分野を拡大することができるようになる。

なお、位相板１２は図２に示す構成で上の領域１２ａと下の領域１２ｂとでレーザ光に位相差を与えたが、これ以外の構成でも上の領域１２ａと下の領域１２ｂとでレーザ光に位相差を与えることができる。これについて図５を用いて説明する。図５は図２に示す位相板１２とは別の構成で位相差を与える位相板１２の構成を示す平面図である。図５に示す位相板１２は円板状に設けられている。２分割された上の領域１２ａには図中の矢印方向の光学軸を持つ１／２波長板が設けられている。下の領域１２ｂには図中の矢印方向の光学軸を持つ１／２波長板が設けられている。すなわち、上の領域１２ａと下の領域１２ｂとでは１／２波長板の光学軸が９０°異なる。図５に示す構成では、上の領域１２ａと下の領域１２ｂとで光学軸が直交するよう、半円状の２枚の１／２波長板が接合されている。

図５に示す構成の位相板１２も同様に光軸に対して垂直に配置される。また、光軸と位相板１２の中心点が一致するように配置される。１／２波長板は入射光の偏向面に対して１／２波長板の光学軸が角度θであるとき、出射光の偏光面を１８０°−２θだけ回転させる。１／２波長板を角度βだけ回転させると、出射光の偏向面は２βだけ回転する。従って、光学軸が９０°異なる上の領域１２ａと下の領域１２ｂでは出射光の偏光面が１８０°ずれる。すなわち、上の領域１２ａと下の領域１２ｂでは電気ベクトルの振動方向が反対になる。これにより、図２に示す位相板１２と同様の効果を得ることができる。すなわち、上の領域１２ａと下の領域１２ｂとで電気ベクトルの振動方向を逆方向にすることができる。よって、レーザ光に入射位置に応じた位相差を与えることができる。そして、この位相板１２を透過した光が対物レンズ１６で集光されることによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動する。

このように図５に示す構成の位相板１２を用いることによって、入射光の進行方向と反対方向に第２高調波が放射される。そして、後方に放射された第２高調波の画像が光検出器１９により撮像される。これにより、半導体等の不透明な試料や生体等の厚みのある試料に対してＳＨＧ光像を容易に撮像することができ、ＳＨＧ顕微鏡の利用分野を拡大することができるようになる。

図２及び図５に示された位相板１２では２分割された領域で位相差を与えていたが、これ以外の構成の位相板１２を用いることが可能である。例えば、図６に示す４分割された領域で位相差を与える位相板１２を用いることも可能である。図６に示す円板状の位相板１２では、４分割された領域のそれぞれに異なる光学軸を持つ１／２波長板が配置される。すなわち、９０°の扇状の１／２波長板が４枚接合され位相板１２が構成される。４分割された上の領域１２ａと下の領域１２ｂではそれぞれ光学軸が９０°ずれている。また、４分割された左の領域１２ｃと右の領域１２ｄではそれぞれ光学軸が９０°ずれている。すなわち、中心点を挟んで対向する位置の１／２波長板の光学軸は９０°ずれている。

このような構成の位相板１２を用いることによって、対向する領域では電気ベクトルの振動方向が１８０°ずれる。すなわち、上の領域１２ａを通過した光と下の領域１２ｂを通過した光で電気ベクトルの振動方向が反対になる。さらに、左の領域１２ｃを通過した光と右の領域１２ｄを通過し光で電気ベクトルの振動方向が反対になる。この位相板１２を透過した光が対物レンズで集光されることによって、試料上で入射光の電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動する。これにより、入射光の進行方向と反対方向に第２高調波が放射される。そして、後方に放射された第２高調波の画像が光検出器１９により撮像される。これにより、半導体等の不透明な試料や生体等の厚みのある試料に対してＳＨＧ光像を撮像することができ、ＳＨＧ顕微鏡の利用分野を拡大することができるようになる。上述のように４分割の位相板１２を用いることによって図５で示した２分割の位相板１２よりも電気ベクトルの進行方向と平行方向に振動する成分を大きくすることができる。

なお、図２、図５及び図６では２分割又は４分割の位相板１２を用いたが、位相板１２の構成はこれに限るものではない。例えば、８分割や１６分割等の複数に分割された位相板１２を用いることも可能である。例えば、複数の扇状の１／２波長板を円形になるよう配置することにより、対向する領域に対して位相差を与えることができる。この場合、分割数が多いほど、進行方向に平行な振動成分が大きくなる。さらに、中心に対して対向する領域で１／２波長板の光学軸を９０°ずらすことにより、電気ベクトルの振動方向を反対にすることができる。これにより、入射光の進行方向と平行方向に振動する成分を大きくすることができ、後方に放射される第２高調波の光量を高くすることができる。なお、試料３０に照射される光は十分に入射方向と平行に振動する成分があれば、入射方向と垂直に振動する成分を持っていてもよい。

もちろん、位相板１２は上記の構成にかぎらず、レーザ光に入射位置に応じた位相差を与え、電気ベクトルの位相をずらすことできるものであればよい。例えば、液晶光学素子を用いることにより、入射位置に応じて電気ベクトルの位相をずらすことができる。そして、電気ベクトルの位相がずらされた光を対物レンズで集光することにより、入射光の電気ベクトルが進行方向と平行方向に振動する成分を持つようになる。これにより、入射光の進行方向と反対方向に第２高調波を放射させることができる。

前方に放射された第２高調波を検出する時は、位相板１２を光路上から除去すればよい。すなわち、位相板１２を光路上に出し入れすることにより前方又は後方に放射された第２高調波をそれぞれ検出することが可能になる。
発明の実施の形態２．

本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡について図７を用いて説明する。本実施の形態では走査方法が実施の形態１と異なるものである。実施の形態１で示したＳＨＧ顕微鏡ではガルバノミラーによりレーザ光を走査していたが本実施の形態ではＸＹステージによりレーザ光を走査している。実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。

本実施の形態ではＸＹステージ（図示せず）の上に試料を載置している。そして、ＸＹステージを走査して、試料の全面の観察、撮像を可能にする。このようなＳＨＧ顕微鏡でも実施の形態１で示した位相板を用いることにより、実施の形態１と同様に後方に放射する第２高調波を検出することができる。これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態ではＸＹステージにより試料を走査しているため、光学系を簡略化できる。
発明の実施の形態３．

本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡について図８を用いて説明する。本実施の形態では走査方法が実施の形態１と異なるものである。実施の形態１で示したＳＨＧ顕微鏡ではガルバノミラーによりレーザ光を走査していたが本実施の形態ではマイクロレンズ・アレイ・ディスク２５によりレーザ光を走査している。実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。

本実施の形態ではビームエキスパンダ１１とレンズ２０ａとの間にマイクロレンズ・アレイ・ディスクを配置している。そして、レンズ２０ａとレンズ２０ｂとの間に位相板１２を配置している。マイクロレンズ・アレイ・ディスク２５に入射したレーザ光は複数のビームに分割されてレンズ２０ａに入射する。対物レンズ１６は入射したマルチビームを試料状に集光する。マイクロレンズ・アレイ・ディスク２５によって分割されたマルチビームは、対物レンズ１６の結像作用によって、試料３０上に多焦点を形成する。このマイクロレンズ・アレイ・ディスク２５の回転により、試料上を走査する。このようなＳＨＧ顕微鏡でも実施の形態１で示した位相板を用いることにより、実施の形態１と同様に後方に放射する第２高調波を検出することができる。これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかるＳＨＧ顕微鏡の構成を示す図である。本実施の形態１にかかるＳＨＧ顕微鏡において、位相板の構成を示す図である。位相板によって変化する電気ベクトルの振動方向の様子を模式的に示す図である。本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンを示す図である。本実施の形態１にかかるＳＨＧ顕微鏡において、位相板の別の構成を示す図である。本実施の形態１にかかるＳＨＧ顕微鏡において、位相板の別の構成を示す図である。本発明の実施の形態２にかかるＳＨＧ顕微鏡の構成を示す図である。本発明の実施の形態３にかかるＳＨＧ顕微鏡の構成を示す図である。従来のＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンを示す図である。

符号の説明

１ＳＨＧ顕微鏡、１０レーザ光源、１１ビームエキスパンダ、１２位相板、
１３ビームスプリッタ、１４ガルバノミラー、１５ガルバノミラー
１６対物レンズ、１７対物レンズ、１８光検出器、１９光検出器、
２０レンズ、２１基本波カットフィルタ、２２基本波カットフィルタ、
２５マイクロレンズアレイ、３０試料、４０放射パターン

Claims

レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光に位相差を与える位相板と、
前記位相板を透過した光を試料に集光する対物レンズと、
前記試料から前記レーザ光の進行方向と反対方向に放射された第２高調波と前記試料で反射した基本波とを分離する分離手段と、
前記分離手段により基本波から分離された第２高調波を検出する光検出器とを備え、
前記位相板は、前記位相板の中心点から放射状に複数の領域に分割されており、
一の前記領域がレーザ光に与える位相差と、当該一の前記領域と対向する他の前記領域がレーザ光に与える位相差とは異なり、
前記試料から前記レーザ光の進行方向と同じ方向に放射された第２高調波と前記試料を透過した基本波とを分離する手段と、
前記光源から光の進行方向と同じ方向に放射された第２高調波を検出する光検出器とをさらに備え、
前記位相板が光路上に出し入れ可能に設けられているレーザ顕微鏡。
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を複数のビームに分割するマイクロレンズ・アレイ・ディスクと、
前記マイクロレンズ・アレイ・ディスクから出射された前記複数のビームの光路上に配置される第１のレンズと、
前記第１のレンズから出射された前記複数のビームの光路上に配置される第２のレンズと、
前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に出し入れ可能に配置され、前記第１のレンズから出射された前記複数のビームに位相差を与える位相板と、
前記位相板を透過した光を試料に集光する対物レンズと、
前記試料から前記レーザ光の進行方向と反対方向に放射された第２高調波と前記試料で反射した基本波とを分離する分離手段と、
前記分離手段により基本波から分離された第２高調波を検出する光検出器と、
前記試料から前記レーザ光の進行方向と同じ方向に放射された第２高調波と前記試料を透過した基本波とを分離する手段と、
前記光源から光の進行方向と同じ方向に放射された第２高調波を検出する光検出器と、を備え、
前記位相板は、前記位相板の中心点から放射状に複数の領域に分割されており、
一の前記領域がレーザ光に与える位相差と、当該一の前記領域と対向する他の前記領域がレーザ光に与える位相差とは異なるレーザ顕微鏡。
前記位相板は、前記光軸に対して対向する前記領域で前記レーザ光に１８０°の位相差を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ顕微鏡。
前記位相板は、前記光軸に対して対向する前記領域に光学軸が９０°異なる１／２波長板を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ顕微鏡。
前記位相板では、前記光軸に対して対向する前記領域において、レーザ光の電気ベクトルの振動方向が反対方向となる請求項３又は４に記載のレーザ顕微鏡。