[go: up one dir, main page]

JP2018205069A - Optical measuring device - Google Patents

Optical measuring device Download PDF

Info

Publication number
JP2018205069A
JP2018205069A JP2017109465A JP2017109465A JP2018205069A JP 2018205069 A JP2018205069 A JP 2018205069A JP 2017109465 A JP2017109465 A JP 2017109465A JP 2017109465 A JP2017109465 A JP 2017109465A JP 2018205069 A JP2018205069 A JP 2018205069A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
sample
aberration correction
refractive index
lens
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.)
Granted
Application number
JP2017109465A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6850684B2 (en
Inventor
学 塩澤
Manabu Shiozawa
学 塩澤
峯邑 浩行
Hiroyuki Minemura
浩行 峯邑
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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 Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2017109465A priority Critical patent/JP6850684B2/en
Publication of JP2018205069A publication Critical patent/JP2018205069A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6850684B2 publication Critical patent/JP6850684B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Lenses (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Lens Barrels (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

【課題】球面収差を補正することにともなう焦点ずれを補正して信号強度を確保することができる光計測装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る光計測装置は、試料における合波光の焦点位置を所定範囲内に抑えながら球面収差を補正することができる、収差補正レンズと対物レンズとの間の位置関係を記述したデータを、あらかじめ記憶しておき、前記データにしたがって前記球面収差を補正する。
【選択図】図6
An optical measuring device capable of correcting a defocus due to correcting spherical aberration and ensuring signal intensity is provided.
An optical measurement apparatus according to the present invention describes a positional relationship between an aberration correction lens and an objective lens that can correct spherical aberration while suppressing the focal position of the combined light within the sample within a predetermined range. The stored data is stored in advance, and the spherical aberration is corrected according to the data.
[Selection] Figure 6

Description

本発明は、試料に対して光を照射することにより計測する光計測装置に関する。   The present invention relates to an optical measurement device that performs measurement by irradiating a sample with light.

光学顕微鏡は、自然科学、工学、産業分野において必須の装置として発展してきた。特に近年は、再生医療や創薬の分野において細胞を観察する際に光学顕微鏡を用いる場合があり、光学顕微鏡の機能を高めることに対するニーズが高まっている。現在の細胞解析においては、試薬を用いて細胞を染色した上で、顕微鏡などを用いて観察するのが一般的である。しかしこの方法は、染色によって細胞に対する影響が生じるので、同一の細胞を継続的に解析することや、検査した細胞を直接医療用途で用いることが困難である。   The optical microscope has been developed as an indispensable apparatus in the natural science, engineering, and industrial fields. In particular, in recent years, an optical microscope is sometimes used when observing cells in the fields of regenerative medicine and drug discovery, and there is an increasing need for enhancing the function of the optical microscope. In current cell analysis, cells are generally stained with a reagent and then observed with a microscope or the like. However, since this method has an effect on cells due to staining, it is difficult to continuously analyze the same cells and to directly use the examined cells for medical purposes.

CARS(Coherent Anti−Stokes Raman Scattering)顕微鏡は、非線形光学効果の応用により、ラマン顕微鏡と比較して高速に分子同定することができる。CARS顕微鏡は非侵襲で試料を観察できるので、細胞観察用途に好適である。   A CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) microscope can perform molecular identification at a higher speed than a Raman microscope by applying a nonlinear optical effect. Since the CARS microscope can observe a sample non-invasively, it is suitable for cell observation.

下記特許文献1は、CARS光のうち特定のスペクトル成分のみを検出する構成例を記載している。下記特許文献2は、広帯域光源を用いて発生するCARS光を分光検出する多色CARS顕微鏡について記載している。多色CARS顕微鏡は、CARS光の分光スペクトルからラマンスペクトルを推定できるので、取得できる情報量が多く、測定対象をより詳細に解析することができる。   The following Patent Document 1 describes a configuration example in which only a specific spectral component is detected from CARS light. The following Patent Document 2 describes a multicolor CARS microscope that spectrally detects CARS light generated using a broadband light source. Since the multicolor CARS microscope can estimate the Raman spectrum from the spectrum of CARS light, the amount of information that can be acquired is large, and the measurement object can be analyzed in more detail.

下記特許文献3は、顕微鏡によって試料を撮像する際に、球面誤差を識別し補正する方法を開示している。同文献においては、制御ユニットが補正レンズ要素を電動調整することにより球面誤差を補正する。さらに、オートフォーカス統制装置を介して、顕微鏡検査中に生じるデフォーカス状況を解消することを図っている。   Patent Document 3 below discloses a method for identifying and correcting a spherical error when a sample is imaged with a microscope. In this document, the control unit corrects the spherical error by electrically adjusting the correction lens element. Furthermore, the defocus situation which arises during a microscopic inspection is eliminated through an autofocus control apparatus.

米国特許6108081号明細書US Pat. No. 6,108,081 特開2009−222531号公報JP 2009-222531 A 特開2013−088809号公報JP2013-088809A

上記特許文献3は、反射光を用いて球面収差補正とオートフォーカスを実施する技術であり、反射面(例えば試料の表面)を観察する場合において有効であると考えられる。一方で細胞内部を観察する場合などのように、反射面が存在しない試料をCARSによって測定する際には、新たな課題が生じる。   Patent Document 3 described above is a technique for performing spherical aberration correction and autofocus using reflected light, and is considered effective when observing a reflecting surface (for example, the surface of a sample). On the other hand, when a sample having no reflective surface is measured by CARS, such as when observing the inside of a cell, a new problem arises.

CARSにおいて細胞を光軸方向に沿って移動させて撮像する場合、集光対物レンズと集光位置との間のサンプル厚みが移動によって変化し、これにより球面収差が発生する。信号強度を確保するためには、集光対物レンズの位置に対応する動的な球面収差補正が有効である。しかし他方で球面収差補正を実施すると、その球面収差補正によって集光位置が変化する。したがってCARS光生成点が検出対物レンズの焦点位置からずれ、信号強度が低下する。   When imaging is performed by moving a cell along the optical axis direction in CARS, the sample thickness between the condensing objective lens and the condensing position is changed by the movement, thereby generating spherical aberration. In order to ensure the signal intensity, dynamic spherical aberration correction corresponding to the position of the condenser objective lens is effective. However, when the spherical aberration correction is performed on the other side, the condensing position is changed by the spherical aberration correction. Accordingly, the CARS light generation point is shifted from the focal position of the detection objective lens, and the signal intensity is reduced.

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、球面収差を補正することにともなう焦点ずれを補正して信号強度を確保することができる光計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an optical measurement device capable of correcting a defocus due to correcting spherical aberration and ensuring signal intensity. To do.

本発明に係る光計測装置は、試料における合波光の焦点位置を所定範囲内に抑えながら球面収差を補正することができる、収差補正レンズと対物レンズとの間の位置関係を記述したデータを、あらかじめ記憶しておき、前記データにしたがって前記球面収差を補正する。   The optical measurement device according to the present invention can correct spherical aberration while suppressing the focal position of the combined light within the sample within a predetermined range, and describes data describing the positional relationship between the aberration correction lens and the objective lens. The spherical aberration is corrected in accordance with the data stored in advance.

本発明に係る光計測装置によれば、試料の内部をCARSによって測定する場合であっても、球面収差を補正することにより信号強度が低下することを抑制し、測定可能な深さを向上させることができる。   According to the optical measurement apparatus of the present invention, even when the inside of a sample is measured by CARS, the signal intensity is prevented from being reduced by correcting the spherical aberration, and the measurable depth is improved. be able to.

CARSにおけるエネルギー準位図である。It is an energy level diagram in CARS. 非共鳴項χnr (3)に関係する1つのプロセスを示す。One process related to the non-resonant term χ nr (3) is shown. 広帯域光源を用いる場合のプロセス例である。It is an example of a process in the case of using a broadband light source. 従来の多色CARS顕微鏡の構成図である。It is a block diagram of the conventional multicolor CARS microscope. 実施形態1に係る光計測装置1000の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the optical measuring device 1000 which concerns on Embodiment 1. FIG. 収差補正機構750による収差補正の詳細を示す模式図である。It is a schematic diagram showing details of aberration correction by the aberration correction mechanism 750. サンプル714内部の焦点位置を一定に保ちながら高い強度のCARS光を検出するための、収差補正レンズ752の移動量dz1と対物レンズ713の移動量dz2との間の関係を示す計算結果である。It is a calculation result showing the relationship between the movement amount dz1 of the aberration correction lens 752 and the movement amount dz2 of the objective lens 713 for detecting high-intensity CARS light while keeping the focal position inside the sample 714 constant. サンプル714内部における計測深さとスポット光強度の3乗との間の関係を示す計算結果である。It is a calculation result which shows the relationship between the measurement depth in the sample 714 inside, and the cube of the spot light intensity. 図8に示す計算を実施する際に用いた収差補正レンズ752の移動量dz1の計算結果を示す。The calculation result of the moving amount dz1 of the aberration correction lens 752 used when performing the calculation shown in FIG. 図8に示す計算を実施する際に用いた対物レンズ713の移動量dz2の計算結果を示す。The calculation result of the movement amount dz2 of the objective lens 713 used when performing the calculation shown in FIG. 8 is shown. 図8に示す計算結果における焦点位置の変化を示す。The change of the focus position in the calculation result shown in FIG. 8 is shown. 式3にしたがってdz1(z,n0)を算出した結果を示す。The result of calculating dz1 (z, n0) according to Equation 3 is shown. 式4にしたがってdz2(z,n0)を算出した結果を示す。The result of calculating dz2 (z, n0) according to Equation 4 is shown. 式1と式2にしたがって収差補正レンズ752と対物レンズ713を同時に移動して収差補正をした場合におけるスポット光強度の計算結果を示す。A calculation result of the spot light intensity in the case where aberration correction is performed by simultaneously moving the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 according to Expressions 1 and 2 is shown. 式1と式2にしたがって収差補正レンズ752と対物レンズ713を同時に移動して収差補正をした場合における光スポット位置の変化を示す。A change in the light spot position when aberration correction is performed by simultaneously moving the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 according to Expressions 1 and 2 is shown. 実施形態3に係る収差補正機構750による収差補正の詳細を示す模式図である。10 is a schematic diagram illustrating details of aberration correction by an aberration correction mechanism 750 according to Embodiment 3. FIG. サンプル内計測深さを所望値となるようにする様子を示す。A mode that the measurement depth in a sample is made into a desired value is shown. dz1を制御する様子を示す。A state in which dz1 is controlled is shown. 波面収差とスポット光強度の3乗値の関係を示す。The relationship between the wavefront aberration and the cube of the spot light intensity is shown. 実施形態1〜3におけるコントローラ700による制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure by the controller 700 in Embodiment 1-3. 実施形態4に係る収差補正機構750の模式図である。6 is a schematic diagram of an aberration correction mechanism 750 according to Embodiment 4. FIG. 空間位相変調器753が付与する位相分布を示す計算結果を示す。The calculation result which shows the phase distribution which the spatial phase modulator 753 provides is shown. サンプル714内部の計測深さとスポット光強度の3乗の関係を示す計算結果である。It is a calculation result which shows the relationship between the measurement depth inside the sample 714, and the cube of the spot light intensity. 実施形態5に係る光計測装置1000の構成図である。It is a block diagram of the optical measuring device 1000 which concerns on Embodiment 5. FIG. 実施形態5に係る光計測装置1000の動作を説明するフローチャートである。10 is a flowchart for explaining the operation of the optical measurement apparatus 1000 according to the fifth embodiment. 実施形態6に係る光計測装置1000の構成図である。It is a block diagram of the optical measuring device 1000 which concerns on Embodiment 6. FIG. 実施形態6の変形例である。It is a modification of Embodiment 6. 実施形態6に係る光計測装置1000の動作を説明するフローチャートである。14 is a flowchart for explaining the operation of the optical measurement apparatus 1000 according to the sixth embodiment. 脂肪細胞のCARSスペクトルを本実施形態6で説明した色収差補正前後で比較した結果である。It is the result of having compared the CARS spectrum of an adipocyte before and after the chromatic aberration correction demonstrated in this Embodiment 6. FIG. 実施形態7に係る収差補正機構750を示す模式図である。10 is a schematic diagram illustrating an aberration correction mechanism 750 according to Embodiment 7. FIG. 実施形態7に係る収差補正機構750の別構成例を示す模式図である。10 is a schematic diagram illustrating another configuration example of an aberration correction mechanism 750 according to Embodiment 7. FIG. 対物レンズ713の位置を再補正するための移動量を計算した結果を示す。The calculation result of the movement amount for re-correcting the position of the objective lens 713 is shown.

<CARS顕微鏡の基本原理について>
以下では本発明の理解を促進するため、まずCARS顕微鏡の基本原理および球面収差を補正することにともなう課題についてその概略を説明する。その後に本発明の実施形態について説明する。
<Basic principle of CARS microscope>
In order to facilitate understanding of the present invention, the outline of the basic principle of the CARS microscope and the problems associated with correcting spherical aberration will be described first. After that, an embodiment of the present invention will be described.

CARSは、3次の分極による発光である。CARS光を発生させるためには、ポンプ光、ストークス光、プローブ光が必要である。一般的には、光源の数を少なくするため、プローブ光はポンプ光で代用される。この場合、誘起される3次の分極は下記式Aで表される。χ (3)AS)は3次の電気感受率の分子振動の共鳴項であり、周波数依存性のないχnr (3)は非共鳴項である。ポンプ光及びプローブ光の電場をEで表し、ストークス光の電場はEで表している。Eの肩についたアスタリスクは複素共役を示す。CARS光の強度は下記式Bで表される。 CARS is light emission by third-order polarization. In order to generate CARS light, pump light, Stokes light, and probe light are required. Generally, in order to reduce the number of light sources, the probe light is substituted with pump light. In this case, the induced third-order polarization is expressed by the following formula A. χ r (3)AS ) is a resonance term of molecular vibration of third-order electrical susceptibility, and χ nr (3) having no frequency dependence is a non-resonance term. Represents an electric field of the pump light and the probe light E P, the electric field of the Stokes light is expressed by E S. An asterisk attached to the shoulder of the E S denotes the complex conjugate. The intensity of the CARS light is represented by the following formula B.

AS (3)AS)=|χr (3)AS)+χnr (3)|EP 2P)E* SS) (A)
CARSAS)∝|PAS (3)AS)|2 (B)
P AS (3)AS ) = | χ r (3)AS ) + χ nr (3) | E P 2P ) E * SS ) (A)
I CARSAS ) ∝ | P AS (3)AS ) | 2 (B)

図1は、CARSにおけるエネルギー準位図である。CARS光が発生する機構を、図1に示した分子のエネルギー準位図を用いて説明する。図1は、式1の共鳴項のプロセスを示している。符号2001は分子の基底状態を表し、符号2002は振動励起状態を表す。周波数ωのポンプ光と周波数ωのストークス光を同時に照射する。このとき分子は中間状態2003を介して振動励起状態2002のいずれかに励起される。励起状態にある分子に周波数ωのプローブ光を照射すると、中間状態2004を介して周波数ωASのCARS光を発生しながら、分子は基底状態2001に戻る。このときのCARS光の周波数はωAS=2・ω−ωと表される。 FIG. 1 is an energy level diagram in CARS. The mechanism by which CARS light is generated will be described using the energy level diagram of the molecule shown in FIG. FIG. 1 illustrates the resonance term process of Equation 1. Reference numeral 2001 represents a ground state of the molecule, and reference numeral 2002 represents a vibrationally excited state. Simultaneously irradiating the Stokes beam frequency omega P pump light and the frequency omega S of. At this time, the molecule is excited to one of the vibrationally excited states 2002 through the intermediate state 2003. It is irradiated with probe light frequency omega P in a molecule in an excited state, while through the intermediate state 2004 generates CARS light frequency omega AS, molecules returns to the ground state 2001. The frequency of the CARS light at this time is expressed as ω AS = 2 · ω P −ω S.

図2は、上記3次の分極のうち非共鳴項χnr (3)に関係する1つのプロセスを示す。図2のプロセスにおいては、周波数ωのポンプ光と周波数ω’のストークス光を同時照射することによって、振動励起状態2002ではなく中間状態2005が励起されている。周波数ωのプローブ光を照射することにより、中間状態2004を介して周波数ωASの非共鳴のCARS光が発生する。 FIG. 2 shows one process related to the non-resonant term χ nr (3) among the third-order polarizations. In the process of Figure 2, by simultaneous irradiation with Stokes beam frequency omega pump light P and the frequency omega 'S, intermediate state 2005 rather than the vibrational excitation status 2002 is excited. By irradiating a probe light of a frequency omega P, CARS light nonresonant frequency omega AS via an intermediate state 2004 occurs.

図3は、広帯域光源を用いる場合のプロセス例である。CARS顕微鏡のうち、ストークス光として広帯域な光源を用いることにより発生するCARS光を分光検出するものは多色CARS顕微鏡(もしくはマルチプレックスCARS顕微鏡)と呼ばれている。   FIG. 3 is an example process when using a broadband light source. Among CARS microscopes, those that spectrally detect CARS light generated by using a broadband light source as Stokes light are called multicolor CARS microscopes (or multiplex CARS microscopes).

図4は、従来の多色CARS顕微鏡の構成図である。短パルスレーザ光源2301からの出力は、ビームスプリッタ2302によって2分岐される。分岐光の一方はフォトニック結晶ファイバ2303などの光ファイバに導入され、その内部において広帯域な光(スーパーコンティニューム光と呼ばれる)が発生する。スーパーコンティニューム光が光ファイバから出射されると、ロングパスフィルタ2304は所望の波長成分(励起光よりも波長が長い成分)のみを抽出し、これがストークス光として用いられる。もう一方の励起光とストークス光は、ダイクロイックミラー2305によって合波される。合波光は、集光対物レンズ2309によってサンプル2306に集光・照射される。これによりサンプル2306からCARS光が発生し、検出対物レンズ2310はそのCARS光を収集して平行光に変換する。分光器2307は、そのCARS光を検出して波長スペクトルを取得する。   FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional multicolor CARS microscope. The output from the short pulse laser light source 2301 is branched into two by a beam splitter 2302. One of the branched lights is introduced into an optical fiber such as the photonic crystal fiber 2303, and broadband light (referred to as supercontinuum light) is generated therein. When the supercontinuum light is emitted from the optical fiber, the long pass filter 2304 extracts only a desired wavelength component (a component having a wavelength longer than that of the excitation light), and this is used as Stokes light. The other excitation light and Stokes light are combined by a dichroic mirror 2305. The combined light is condensed and irradiated onto the sample 2306 by the condenser objective lens 2309. Thereby, CARS light is generated from the sample 2306, and the detection objective lens 2310 collects the CARS light and converts it into parallel light. The spectrometer 2307 acquires the wavelength spectrum by detecting the CARS light.

ステージ2308がサンプル2306の位置を移動させることにより、サンプル2306内の各空間点におけるCARSスペクトルを取得する。特定波長のスペクトル強度を位置に対してマッピングすることにより、CARSスペクトルイメージが得られる。   The stage 2308 moves the position of the sample 2306 to acquire a CARS spectrum at each spatial point in the sample 2306. By mapping the spectral intensity of a specific wavelength to a position, a CARS spectral image is obtained.

このように、CARSスペクトルイメージを得る際には入射光を走査するのではなく、サンプル2306の位置を移動させることが一般的である。この理由として、集光対物レンズ2309の焦点位置と検出対物レンズ2310の焦点位置を一致させることが容易であることが挙げられる。   As described above, when the CARS spectrum image is obtained, it is general that the position of the sample 2306 is moved instead of scanning the incident light. This is because it is easy to make the focal position of the condenser objective lens 2309 coincide with the focal position of the detection objective lens 2310.

CARS顕微鏡においては、パワー密度を確保するため、集光対物レンズ2309として高NA(開口数)(例えば0.9程度)のレンズが用いられる。この場合、レンズ中心近傍を通過する光の集光位置とレンズ周辺部を通過する光の集光位置がずれる球面収差が生じるので、収差補正レンズなどによって球面収差を補正する。しかし球面収差を補正することにより、集光対物レンズ2309の焦点位置が検出対物レンズ2310の焦点位置からずれてしまうので、検出時の光強度が低下するという課題がある。   In the CARS microscope, a lens having a high NA (numerical aperture) (for example, about 0.9) is used as the condenser objective lens 2309 in order to ensure power density. In this case, spherical aberration occurs in which the condensing position of light passing near the center of the lens and the condensing position of light passing through the lens periphery are shifted, and thus the spherical aberration is corrected by an aberration correction lens or the like. However, by correcting the spherical aberration, the focal position of the condenser objective lens 2309 is deviated from the focal position of the detection objective lens 2310, so that there is a problem that the light intensity at the time of detection is lowered.

<実施の形態1>
図5は、本発明の実施形態1に係る光計測装置1000の構成例を示す模式図である。光計測装置1000は、ビームエキスパンダ型の収差補正機構750を備えている。収差補正機構750は、コントローラ700からの指示にしたがって動作する。コントローラ700は、光計測装置1000の全体動作を制御するとともに、ユーザからの測定指示を受け付ける入力インターフェース(例えば後述するインターフェース1110)と測定結果を表示する出力インターフェースを備える。
<Embodiment 1>
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the optical measurement device 1000 according to the first embodiment of the present invention. The optical measurement apparatus 1000 includes a beam expander type aberration correction mechanism 750. The aberration correction mechanism 750 operates in accordance with an instruction from the controller 700. The controller 700 includes an input interface (for example, an interface 1110 described later) that receives measurement instructions from the user and an output interface that displays measurement results while controlling the overall operation of the optical measurement apparatus 1000.

短パルスレーザ光源701は、コントローラ700からの指示にしたがって短パルスレーザ光を出射する。短パルスレーザ光源701は、例えばチタンサファイアレーザやファイバレーザ、マイクロチップレーザなどの光源であり、パルス幅はナノ秒以下である。ピークパワーは、非線形光学効果を誘起するため、キロワットオーダ以上が望ましい。波長は測定対象の吸収帯域や用いる光学部品の波長仕様などに基づき適宜選定すればよい。例えば800nmや1064nmなどの波長を用いることができる。   The short pulse laser light source 701 emits short pulse laser light in accordance with an instruction from the controller 700. The short pulse laser light source 701 is a light source such as a titanium sapphire laser, a fiber laser, or a microchip laser, and has a pulse width of nanoseconds or less. The peak power is preferably on the order of kilowatts or more because it induces a nonlinear optical effect. The wavelength may be appropriately selected based on the absorption band to be measured, the wavelength specification of the optical component used, and the like. For example, wavelengths such as 800 nm and 1064 nm can be used.

レーザ光は、1/2波長板702と偏光ビームスプリッタ703に入射する。1/2波長板702は、コントローラ700からの指示にしたがってレーザ光の偏光方向を変化させる。偏光ビームスプリッタ703は、偏光方向に基づいたパワー分岐比でレーザ光を透過成分と反射成分とに分岐する。   The laser light is incident on the half-wave plate 702 and the polarization beam splitter 703. The half-wave plate 702 changes the polarization direction of the laser light in accordance with an instruction from the controller 700. The polarization beam splitter 703 branches the laser light into a transmission component and a reflection component with a power branching ratio based on the polarization direction.

偏光ビームスプリッタ703を透過したレーザ光は、集光レンズ704によってフォトニック結晶ファイバ705の端面に集光される。フォトニック結晶ファイバ705は、コアの周囲に蜂の巣状の中空のクラッドが形成された光ファイバであり、入射光をコアに強く閉じ込める。フォトニック結晶ファイバ705に対して短パルスレーザ光を入射することにより、自己位相変調や四光波混合などの非線形光学現象が誘起され、これにより幅広いスペクトルを有するスーパーコンティニューム光が生成される。   The laser light transmitted through the polarization beam splitter 703 is condensed on the end face of the photonic crystal fiber 705 by the condenser lens 704. The photonic crystal fiber 705 is an optical fiber in which a honeycomb-like hollow clad is formed around the core, and the incident light is strongly confined in the core. When a short pulse laser beam is incident on the photonic crystal fiber 705, nonlinear optical phenomena such as self-phase modulation and four-wave mixing are induced, thereby generating supercontinuum light having a wide spectrum.

生成されたスーパーコンティニューム光は、コリメートレンズ706によって平行光となり、ロングパスフィルタ707によって短波長成分がカットされたのち、ダイクロイックミラー708に到達する。ダイクロイックミラー708は、ポンプ光波長を反射しそれ以外の波長の光を透過する。収差補正機構750は、透過光に対してサンプル714の種別と計測深さに応じた波面補正を実施する。補正後の光はストークス光として対物レンズ713に入射する。   The generated supercontinuum light becomes parallel light by the collimating lens 706, and after the short wavelength component is cut by the long pass filter 707, the supercontinuum light reaches the dichroic mirror 708. The dichroic mirror 708 reflects the pump light wavelength and transmits light of other wavelengths. The aberration correction mechanism 750 performs wavefront correction on the transmitted light according to the type of sample 714 and the measurement depth. The corrected light enters the objective lens 713 as Stokes light.

偏光ビームスプリッタ703によって反射されたレーザ光は、ミラー709、ミラー712、およびダイクロイックミラー708によって反射され、同様に収差補正機構750にて波面補正を施された後、ポンプ光として対物レンズ713に入射する。   The laser light reflected by the polarization beam splitter 703 is reflected by the mirror 709, the mirror 712, and the dichroic mirror 708, and similarly subjected to wavefront correction by the aberration correction mechanism 750, and then enters the objective lens 713 as pump light. To do.

対物レンズ713は、ダイクロイックミラー708によって同軸上に合波された広帯域ストークス光とポンプ光とを、サンプル714に対して集光する。サンプル714内におけるストークス光とポンプ光のエネルギー密度を増加させ、CARS光を生成する効率を向上させるためには、対物レンズ713の開口数は例えば0.8以上など高いほうが望ましい。   The objective lens 713 collects the broadband Stokes light and the pump light, which are coaxially combined by the dichroic mirror 708, with respect to the sample 714. In order to increase the energy density of Stokes light and pump light in the sample 714 and improve the efficiency of generating CARS light, it is desirable that the numerical aperture of the objective lens 713 is as high as 0.8 or more, for example.

サンプル714において前述のCARS過程が誘起され、サンプル714の分子種に対応する波長のCARS光が生成される。コリメートレンズ716は、CARS光を平行光に変換する。ノッチフィルタ717とショートパスフィルタ718は、ポンプ光とストークス光の透過成分をカットする。分光器719は、CARSスペクトルを検出し、その結果をコントローラ700に対して通知する。   The CARS process described above is induced in the sample 714, and CARS light having a wavelength corresponding to the molecular species of the sample 714 is generated. The collimating lens 716 converts CARS light into parallel light. The notch filter 717 and the short pass filter 718 cut the transmitted component of pump light and Stokes light. The spectroscope 719 detects the CARS spectrum and notifies the controller 700 of the result.

収差補正機構750は、焦点を共有する1組の収差補正レンズを有する。収差補正機構750は、コントローラ700からの指示にしがって、サンプル714の種別(屈折率)と計測深さに応じて、図示しない駆動機構を用いて収差補正レンズのうち1つを光軸方向(z方向)に沿って移動させることにより、球面収差を補正する。このときコントローラ700は、サンプル714内部の焦点位置が変化しないように、あらかじめ定められた関係(詳細は後述)にしたがって、図示しない駆動機構を用いて対物レンズ713を光軸方向に沿って移動させる。以上により、サンプル714の種別と計測深さが変化しても、発生するCARS光の減衰を抑制するとともに、分光器719が受光するCARS光の減衰を抑制することを図る。   The aberration correction mechanism 750 has a set of aberration correction lenses that share a focal point. In accordance with an instruction from the controller 700, the aberration correction mechanism 750 uses one of the aberration correction lenses in the optical axis direction using a drive mechanism (not shown) according to the type (refractive index) and measurement depth of the sample 714. The spherical aberration is corrected by moving along (z direction). At this time, the controller 700 moves the objective lens 713 along the optical axis direction using a drive mechanism (not shown) according to a predetermined relationship (details will be described later) so that the focal position inside the sample 714 does not change. . As described above, even if the type and measurement depth of the sample 714 are changed, the attenuation of the generated CARS light is suppressed, and the attenuation of the CARS light received by the spectroscope 719 is suppressed.

図6は、収差補正機構750による収差補正の詳細を示す模式図である。ここでは収差補正機構750として、収差補正レンズ751と752を用いた構成例を示した。これらレンズは、焦点を共有するビームエキスパンダ光学系を構成するものである。記憶部1100は、後述するデータテーブルを記憶する記憶装置である。   FIG. 6 is a schematic diagram showing details of aberration correction by the aberration correction mechanism 750. Here, a configuration example using the aberration correction lenses 751 and 752 as the aberration correction mechanism 750 is shown. These lenses constitute a beam expander optical system sharing a focal point. The storage unit 1100 is a storage device that stores a data table described later.

収差補正レンズ752と対物レンズ713は、それぞれアクチュエータ761と762に搭載されている。アクチュエータ761と762は、コントローラ700からの指示にしたがって、収差補正レンズ751と752それぞれの位置を光軸方向(z方向)に沿って独立に制御する。   The aberration correction lens 752 and the objective lens 713 are mounted on actuators 761 and 762, respectively. The actuators 761 and 762 independently control the positions of the aberration correction lenses 751 and 752 along the optical axis direction (z direction) according to instructions from the controller 700.

サンプル714内部の例えば100μm以上の深さ位置を観測する場合、サンプル714の屈折率に応じて球面収差が発生する。これにより図6に示すように、対物レンズ713の開口半径位置に応じて焦点位置が変化する。CARS光はスポットの光強度の3乗に比例して発生するので、焦点位置がずれるとCARS光が大きく減衰してサンプル714の情報を正しく取得することが困難となる。収差補正レンズの移動量をdz1、対物レンズの移動量をdz2とし、コントローラ700がdz1とdz2を適切に定めることにより、サンプル714内部の焦点位置を一定に保ったまま、球面収差を補正することができる。   When observing a depth position of, for example, 100 μm or more inside the sample 714, spherical aberration occurs according to the refractive index of the sample 714. As a result, as shown in FIG. 6, the focal position changes according to the aperture radius position of the objective lens 713. Since the CARS light is generated in proportion to the cube of the light intensity of the spot, if the focal position shifts, the CARS light is greatly attenuated and it becomes difficult to correctly acquire the information of the sample 714. The amount of movement of the aberration correction lens is dz1, the amount of movement of the objective lens is dz2, and the controller 700 appropriately determines dz1 and dz2, thereby correcting the spherical aberration while keeping the focal position inside the sample 714 constant. Can do.

以下、光線追跡法を用いて波面収差とスポット光強度を計算することを通じて、本発明の効果を検証する。特に言及しない場合、光学条件を以下とする:ポンプ光の波長は1064nm、対物レンズ713は水浸タイプ開口数1.2、収差補正レンズ752の開口数は0.15である。   Hereinafter, the effect of the present invention will be verified by calculating the wavefront aberration and the spot light intensity using the ray tracing method. Unless otherwise noted, the optical conditions are as follows: the wavelength of the pump light is 1064 nm, the objective lens 713 has a water immersion type numerical aperture of 1.2, and the aberration correction lens 752 has a numerical aperture of 0.15.

水の屈折率は1.333であり、一般のカバーガラスの屈折率は1.52である。公知文献(Biomedical Photonics Handbook 2nd Edition,volume1,CRC Press,Tuan Vo−Dinh.)によると、人体組織の屈折率は、目、角質、骨、歯などの特殊な組織を除くと、脳、心臓、腎臓、脾臓、胃、筋肉なとの主要組織において1.36から1.38であり、膀胱壁や動脈において1.39から1.40である。iPS細胞やES細胞などの細胞は、培養液中で培養されるので屈折率は水に近く、細胞の密度や培養液の状態に応じて1.333から1.35程度になるものと考えることができる。   The refractive index of water is 1.333, and the refractive index of a general cover glass is 1.52. According to publicly known literature (Biomedical Photonics Handbook 2nd Edition, volume 1, CRC Press, Tuan Vo-Dinh.), The refractive index of human tissue is the brain, heart, 1.36 to 1.38 in the main tissues such as kidney, spleen, stomach, and muscle, and 1.39 to 1.40 in the bladder wall and artery. Since cells such as iPS cells and ES cells are cultured in a culture solution, the refractive index is close to that of water, and is considered to be about 1.333 to 1.35 depending on the density of the cells and the state of the culture solution. Can do.

図7は、サンプル714内部の焦点位置を一定に保ちながら高い強度のCARS光を検出するための、収差補正レンズ752の移動量dz1と対物レンズ713の移動量dz2との間の関係を示す計算結果である。サンプル714の屈折率は1.38とした。図7に示す関係にしたがって、収差補正レンズ752と対物レンズ713それぞれの光軸方向位置を制御することにより、焦点位置を変化させずに波面収差を最小化することができる。サンプル714の屈折率が変わると図7の関係も変わるが、後述するように、生体組織の屈折率範囲において、簡便な1次近似補正を適用することもできる。   FIG. 7 is a calculation showing the relationship between the movement amount dz1 of the aberration correction lens 752 and the movement amount dz2 of the objective lens 713 for detecting high intensity CARS light while keeping the focal position inside the sample 714 constant. It is a result. The refractive index of the sample 714 was 1.38. By controlling the positions of the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 in the optical axis direction according to the relationship shown in FIG. 7, the wavefront aberration can be minimized without changing the focal position. When the refractive index of the sample 714 changes, the relationship of FIG. 7 also changes. However, as will be described later, simple first-order approximation correction can be applied in the refractive index range of the living tissue.

図8は、サンプル714内部における計測深さとスポット光強度の3乗との間の関係を示す計算結果である。CARS光の強度はスポット光強度の3乗に比例するので、図8の縦軸はCARS光の強度に比例する。   FIG. 8 is a calculation result showing the relationship between the measurement depth inside the sample 714 and the cube of the spot light intensity. Since the intensity of the CARS light is proportional to the cube of the spot light intensity, the vertical axis in FIG. 8 is proportional to the intensity of the CARS light.

図8(a)は収差補正をしない場合の結果を示す。サンプル714の屈折率が1.36から1.38(生体主要組織に相当)である場合、深さ50μm程度でCARS光の強度が1/2以下に減衰してしまうことがわかる。   FIG. 8A shows the result when aberration correction is not performed. When the refractive index of the sample 714 is 1.36 to 1.38 (corresponding to the main body tissue), it can be seen that the intensity of the CARS light is attenuated to ½ or less at a depth of about 50 μm.

図8(b)は、図7に示す関係にしたがって、収差補正レンズ752と対物レンズ713を同時に移動して収差補正をした場合の計算結果を示す。サンプル714の屈折率が1.34から1.39の範囲においては、深さ500μm以上にわたってCARS光の強度を1/2以上に維持できることがわかる。培養細胞のように細胞の濃度が薄い場合、屈折率は1.333〜1.34の範囲であるので、さらに計測深さを深くできることは言うまでもない。サンプル714の屈折率が1.40の場合、CARS光強度を1/2以上に維持できる範囲は深さ約400μmまでである。屈折率1.525は一般のカバーガラスの場合に相当し、深さ約100μmまでしか収差補正ができないことがわかる。   FIG. 8B shows a calculation result when aberration correction is performed by moving the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 simultaneously according to the relationship shown in FIG. It can be seen that when the refractive index of the sample 714 is in the range of 1.34 to 1.39, the CARS light intensity can be maintained at ½ or more over a depth of 500 μm or more. When the cell concentration is low as in the case of cultured cells, the refractive index is in the range of 1.333 to 1.34, so it goes without saying that the measurement depth can be further increased. When the refractive index of the sample 714 is 1.40, the range in which the CARS light intensity can be maintained at ½ or more is a depth of about 400 μm. A refractive index of 1.525 corresponds to the case of a general cover glass, and it can be seen that aberration correction can be made only to a depth of about 100 μm.

図9は、図8に示す計算を実施する際に用いた収差補正レンズ752の移動量dz1の計算結果を示す。図9に示すように、サンプル714の屈折率が大きくなるにしたがってdz1が大きくなることがわかる。   FIG. 9 shows a calculation result of the movement amount dz1 of the aberration correction lens 752 used when performing the calculation shown in FIG. As can be seen from FIG. 9, dz1 increases as the refractive index of the sample 714 increases.

図10は、図8に示す計算を実施する際に用いた対物レンズ713の移動量dz2の計算結果を示す。図10に示すように、サンプル714の屈折率が大きくなるにしたがってdz2の絶対値が大きくなることがわかる。   FIG. 10 shows a calculation result of the movement amount dz2 of the objective lens 713 used when performing the calculation shown in FIG. As shown in FIG. 10, it can be seen that the absolute value of dz2 increases as the refractive index of the sample 714 increases.

図11は、図8に示す計算結果における焦点位置の変化を示す。図11に示すように、サンプル714内部の計測深さによらず、焦点位置は変化しないことがわかる。サンプル714の屈折率の範囲は1.333から1.40である。   FIG. 11 shows a change in the focal position in the calculation result shown in FIG. As shown in FIG. 11, it can be seen that the focal position does not change regardless of the measurement depth inside the sample 714. The range of refractive index of sample 714 is 1.333 to 1.40.

<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係る光計測装置1000は、図7に示す関係にしたがって、収差補正レンズ752の位置と対物レンズ713の位置を制御することにより、サンプル714の屈折率に応じて収差を補正することができる。これにより、100μm以上の計測深さにおいて高強度のCARS光を取得することができる。
<Embodiment 1: Summary>
The optical measurement apparatus 1000 according to the first embodiment corrects the aberration according to the refractive index of the sample 714 by controlling the position of the aberration correction lens 752 and the position of the objective lens 713 according to the relationship shown in FIG. be able to. Thereby, high-intensity CARS light can be acquired at a measurement depth of 100 μm or more.

従来の顕微鏡において用いられる対物レンズのなかには、カバーガラスの厚さの変化に対応する収差補正リングを備えるものがある。こうした対物レンズは、収差補正によって焦点位置が変化することが避けられない。また、規格化された無機物のカバーガラスの屈折率は一定であり、細胞や組織の種別・培養状態によって屈折率が変化する生体組織の内部において、CARS光強度を大きく保ちながら計測することは困難である。本実施形態1によれば、このような試料であってもCARS光強度を大きく維持することができる点において有利である。   Some objective lenses used in conventional microscopes include an aberration correction ring that responds to changes in the thickness of the cover glass. In such an objective lens, it is inevitable that the focal position changes due to aberration correction. In addition, the refractive index of a standardized inorganic cover glass is constant, and it is difficult to measure while maintaining a large CARS light intensity inside a living tissue where the refractive index changes depending on the type and culture state of cells and tissues. It is. According to the first embodiment, even such a sample is advantageous in that the CARS light intensity can be maintained large.

<実施の形態2>
無機物であるカバーガラスの場合と異なり、生体サンプルにおいては、サンプル個体ごとにあるいは培養日数などの条件によって、屈折率が連続的な数値でバラツキをもつ。同じサンプルであっても屈折率が変化した場合は、異なるサンプルとみなすことができる。本発明の実施形態2では、そのような生体サンプルの屈折率変化に応じて収差を補正する方法について説明する。光計測装置100の構成は実施形態1と同様である。
<Embodiment 2>
Unlike the case of a cover glass which is an inorganic substance, in a biological sample, the refractive index varies in a continuous numerical value depending on the individual sample or conditions such as the number of days of culture. If the refractive index changes even for the same sample, it can be regarded as a different sample. In the second embodiment of the present invention, a method for correcting aberration according to the refractive index change of such a biological sample will be described. The configuration of the optical measurement device 100 is the same as that of the first embodiment.

収差補正レンズ752の位置制御量dz1、および対物レンズ713の位置制御量dz2は、サンプル714内部の計測深さzとサンプル714の屈折率nの関数dz1(z,n)、dz2(z,z)として表すことができる。代表屈折率n0(あるサンプルの屈折率)についてこれら2つの関数をあらかじめ求めておく。対物レンズ713の周辺媒質(ここでは水を想定する)の屈折率をnWATERとすると、屈折率nを有する新たなサンプルについてのこれら関数dz1(z,n)とdz2(z,n)は、下記式1と式2によって近似することができる。例えばn0=1.38のとき、dz1(z,n0)とdz2(z,n0)は図7に示した関係となる。 The position control amount dz1 of the aberration correction lens 752 and the position control amount dz2 of the objective lens 713 are functions dz1 (z, n) and dz2 (z, z) of the measurement depth z inside the sample 714 and the refractive index n of the sample 714. ). These two functions are obtained in advance for the representative refractive index n0 (the refractive index of a certain sample). If the refractive index of the surrounding medium of the objective lens 713 (here, water is assumed) is n WATER , these functions dz1 (z, n) and dz2 (z, n) for a new sample having the refractive index n are It can be approximated by the following equations 1 and 2. For example, when n0 = 1.38, dz1 (z, n0) and dz2 (z, n0) have the relationship shown in FIG.

Figure 2018205069
Figure 2018205069

Figure 2018205069
Figure 2018205069

以下では式1と式2による近似が妥当であるか否かを検証するため、式1と式2を変形することにより得られる下記式3と式4を用いて、dz1(z,n0)とdz2(z,n0)を実際に算出する。   In the following, in order to verify whether the approximations by the equations 1 and 2 are valid, the following equations 3 and 4 obtained by modifying the equations 1 and 2 are used, and dz1 (z, n0) and dz2 (z, n0) is actually calculated.

Figure 2018205069
Figure 2018205069

Figure 2018205069
Figure 2018205069

図12は、式3にしたがってdz1(z,n0)を算出した結果を示す。図12においては、n0=1.38とし、図9に示したdz1(z,n)の計算結果を用いた。図12に示すように、n=1.34から1.40の範囲(生体の屈折率に相当)において、特性がほぼ揃うことがわかる。すなわち式1の近似により、生体サンプルの任意の屈折率に応じて、収差補正が可能であることがわかる。屈折率n=1.525は一般のカバーガラスに相当し、特性のかい離が大きいので近似することができない。換言すると、従来のカバーガラス厚を補正する際に用いられている技術は、図12の屈折率n=1.525の曲線に相当するものであり、本発明における収差補正方法とは対象が異なるといえる。   FIG. 12 shows the result of calculating dz1 (z, n0) according to Equation 3. In FIG. 12, n0 = 1.38 and the calculation result of dz1 (z, n) shown in FIG. 9 is used. As shown in FIG. 12, it can be seen that the characteristics are almost uniform in the range of n = 1.34 to 1.40 (corresponding to the refractive index of the living body). In other words, it can be understood that the aberration can be corrected according to an arbitrary refractive index of the biological sample by approximation of Equation 1. The refractive index n = 1.525 corresponds to a general cover glass, and cannot be approximated because the characteristic separation is large. In other words, the technique used when correcting the thickness of the conventional cover glass corresponds to the curve of refractive index n = 1.525 in FIG. 12, and is different from the aberration correction method in the present invention. It can be said.

図13は、式4にしたがってdz2(z,n0)を算出した結果を示す。図13においては、n0=1.38とし、図10に示したdz2(z,n)の計算結果を用いた。図13に示すように、n=1.34から1.40の範囲(生体の屈折率に相当)において、特性がほぼ揃うことがわかる。また屈折率n=1.525については図12と同様に特性のかい離が大きいので近似できないことがわかる。   FIG. 13 shows the result of calculating dz2 (z, n0) according to Equation 4. In FIG. 13, n0 = 1.38 and the calculation result of dz2 (z, n) shown in FIG. 10 is used. As shown in FIG. 13, it can be seen that the characteristics are almost uniform in the range of n = 1.34 to 1.40 (corresponding to the refractive index of the living body). Further, it can be seen that the refractive index n = 1.525 cannot be approximated because the separation of characteristics is large as in FIG.

以上、屈折率1.34〜1.40の範囲において、式1と式2の近似が有効であることを示した。培養液中の培養細胞のように細胞の密度が低い場合、屈折率は1.333〜1.34の範囲にあると考えられ、収差の補正量は微小となるが、その場合であっても式1と式2の近似が成立することは言うまでもない。   As described above, it has been shown that approximation of Expression 1 and Expression 2 is effective in the range of the refractive index of 1.34 to 1.40. When the cell density is low as in the case of cultured cells in the culture solution, the refractive index is considered to be in the range of 1.333 to 1.34, and the aberration correction amount is very small. Needless to say, the approximation of Equation 1 and Equation 2 holds.

図14は、式1と式2にしたがって収差補正レンズ752と対物レンズ713を同時に移動して収差補正をした場合におけるスポット光強度の計算結果を示す。横軸はサンプル内計測深さを表し、縦軸はスポット光強度の3乗を表す。図14に示すように、本近似法を用いた場合におけるスポット光強度の3乗値の減衰は、屈折率1.34〜1.40の範囲において10%未満であることがわかる。これに対して、一般のカバーガラスに相当する屈折率1.525の場合には、CARS光強度の減衰が大きい。   FIG. 14 shows the calculation result of the spot light intensity when the aberration correction is performed by moving the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 simultaneously according to the expressions 1 and 2. The horizontal axis represents the measured depth in the sample, and the vertical axis represents the cube of the spot light intensity. As shown in FIG. 14, it can be seen that the attenuation of the cube of the spot light intensity when this approximation method is used is less than 10% in the range of the refractive index of 1.34 to 1.40. On the other hand, when the refractive index is 1.525 corresponding to a general cover glass, the attenuation of the CARS light intensity is large.

図15は、式1と式2にしたがって収差補正レンズ752と対物レンズ713を同時に移動して収差補正をした場合における光スポット位置の変化を示す。屈折率1.34〜1.40の範囲において、焦点位置の変化は±1μm以内である。細胞の代表的なサイズは10μmであるから、充分な精度で焦点位置を制御できることがわかる。これに対して、一般のカバーガラスに相当する屈折率1.525の場合には、焦点位置のずれが大きい。   FIG. 15 shows changes in the light spot position when aberration correction is performed by simultaneously moving the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 in accordance with Expressions 1 and 2. In the range of the refractive index of 1.34 to 1.40, the change of the focal position is within ± 1 μm. Since the typical size of the cell is 10 μm, it can be seen that the focal position can be controlled with sufficient accuracy. On the other hand, when the refractive index is 1.525 corresponding to a general cover glass, the shift of the focal position is large.

<実施の形態3>
図16は、本発明の実施形態3に係る収差補正機構750による収差補正の詳細を示す模式図である。コントローラ700は、アクチュエータ763によって、対物レンズ713の焦点位置がサンプル714の境界面になるようにサンプル714の位置を制御する。コントローラ700は、アクチュエータ761と762によって、収差補正レンズ752と対物レンズ713を、収差補正量がゼロとなる原点位置に制御する。その他構成は実施形態1と同様であるので、以下では主に差異点について説明する。
<Embodiment 3>
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating details of aberration correction by the aberration correction mechanism 750 according to the third embodiment of the present invention. The controller 700 controls the position of the sample 714 by the actuator 763 so that the focal position of the objective lens 713 becomes the boundary surface of the sample 714. The controller 700 uses the actuators 761 and 762 to control the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 to the origin position where the aberration correction amount becomes zero. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the difference will be mainly described below.

ポンプ光をサンプル714に対して照射すると、サンプル714境界からの反射光は、対物レンズ713と収差補正機構750を透過してダイクロイックミラー708で反射される。その反射光はダイクロイックミラー770を透過し、レンズ773によって集光され、光検出器774が受光する。光検出器774の検出光量が最大となるようにサンプル714の位置を調整することにより、サンプル714の境界面の位置を定めることができる。このときのアクチュエータ763の光軸方向位置をdz3=0とする。   When the pump light is irradiated onto the sample 714, the reflected light from the sample 714 boundary passes through the objective lens 713 and the aberration correction mechanism 750 and is reflected by the dichroic mirror 708. The reflected light passes through the dichroic mirror 770, is collected by the lens 773, and is received by the photodetector 774. By adjusting the position of the sample 714 so that the amount of light detected by the photodetector 774 is maximized, the position of the boundary surface of the sample 714 can be determined. The position in the optical axis direction of the actuator 763 at this time is set to dz3 = 0.

図17は、サンプル内計測深さを所望値となるようにする様子を示す。このときのアクチュエータ763の位置をdz3=zとする。先に説明したように、このときサンプル714の屈折率に応じた収差により、対物レンズ713の開口位置に応じて焦点位置がずれる。   FIG. 17 shows how the measured depth in the sample becomes a desired value. The position of the actuator 763 at this time is dz3 = z. As described above, at this time, the focal position shifts according to the opening position of the objective lens 713 due to the aberration according to the refractive index of the sample 714.

図18は、dz1を制御する様子を示す。図7に示す関係にしたがって、収差補正レンズ752の位置dz1をアクチュエータ761により制御し、同時に対物レンズ713の位置dz2をアクチュエータ762により制御する。これにより、対物レンズ713の焦点位置を所望位置に合わせつつ球面収差を補正することができる。   FIG. 18 shows how dz1 is controlled. According to the relationship shown in FIG. 7, the position dz1 of the aberration correction lens 752 is controlled by the actuator 761, and at the same time, the position dz2 of the objective lens 713 is controlled by the actuator 762. Thereby, spherical aberration can be corrected while adjusting the focal position of the objective lens 713 to a desired position.

図19は、波面収差とスポット光強度の3乗値の関係を示す。焦点で発生したCARS光は、対物レンズ713と、収差補正機構750を透過し、ダイクロイックミラー708によって反射され、ダイクロイックミラー770によって反射され、レンズ771により集光され、光検出器772が受光する。図19(a)はこのときの収差補正レンズ752の位置dz1と波面収差の関係を示し、図19(b)はdz1とスポット光強度の3乗の関係を示す。   FIG. 19 shows the relationship between the wavefront aberration and the cube of the spot light intensity. The CARS light generated at the focal point passes through the objective lens 713 and the aberration correction mechanism 750, is reflected by the dichroic mirror 708, is reflected by the dichroic mirror 770, is condensed by the lens 771, and is received by the photodetector 772. FIG. 19A shows the relationship between the position dz1 of the aberration correction lens 752 and the wavefront aberration at this time, and FIG. 19B shows the relationship between dz1 and the cube of the spot light intensity.

図19は、z=100、200、300、400、500μmの各条件における波面収差とスポット光強度の3乗値の計算結果を示す。サンプル714の屈折率n0=1.38である。例えばz=200μmの場合、のとき、dz1=665μmにおいて波面収差が最小、スポット光強度の3乗値が最大となり、発生するCARS光量が最大となる。dz1(z,n0)は、収差を補正しつつ対物レンズ713の焦点を計測深さに合致させるものであるから、このときの収差補正レンズ752の移動量がdz1(z,n0)であることになる。   FIG. 19 shows the calculation results of the wavefront aberration and the cube of the spot light intensity under each condition of z = 100, 200, 300, 400, and 500 μm. The refractive index n0 of the sample 714 is 1.38. For example, when z = 200 μm, when dz1 = 665 μm, the wavefront aberration is minimum, the cube of the spot light intensity is maximum, and the generated CARS light quantity is maximum. Since dz1 (z, n0) is to correct the aberration and make the focal point of the objective lens 713 coincide with the measurement depth, the movement amount of the aberration correction lens 752 at this time is dz1 (z, n0). become.

屈折率がnである別のサンプルについても同様に、光検出器772が検出するCARS光強度が最大となったとき、収差補正レンズ751の移動量はdz1(z,n)である。式1を変形した下記式5により、屈折率nを求めることができる。式5において、右辺は既知の値dz1(z,n0)と、光強度が最大のときのdz1(z,n)であり、左辺において屈折率n以外は既知の値である。したがって、式5を用いて屈折率nを計算により得られることは明らかである。   Similarly, for another sample having a refractive index n, when the CARS light intensity detected by the photodetector 772 is maximized, the movement amount of the aberration correction lens 751 is dz1 (z, n). The refractive index n can be obtained by the following formula 5 obtained by modifying the formula 1. In Expression 5, the right side is a known value dz1 (z, n0) and dz1 (z, n) when the light intensity is maximum, and the left side is a known value except for the refractive index n. Therefore, it is clear that the refractive index n can be obtained by calculation using Equation 5.

Figure 2018205069
Figure 2018205069

式5の左辺をαと置き換える。式1の右辺と式2の右辺にもαが含まれているので、本実施形態3にしたがって実測結果として得られたαを用いることにより、サンプル714内部の計測深さを変えるごとにdz1とdz2を調整する必要がなくなる。すなわち、任意のサンプル714内部の計測深さにおいて、式1、式2、およびαにしたがってdz1とdz2を計算により求めることができる。   Replace the left side of Equation 5 with α. Since the right side of Equation 1 and the right side of Equation 2 also include α, by using α obtained as an actual measurement result according to the third embodiment, dz1 is changed every time the measurement depth inside the sample 714 is changed. There is no need to adjust dz2. That is, dz1 and dz2 can be obtained by calculation according to Equation 1, Equation 2, and α at an arbitrary measurement depth inside the sample 714.

図20は、実施形態1〜3におけるコントローラ700による制御手順を示すフローチャートである。ステップS011において、コントローラ700はサンプル714の境界位置を検出する。ステップS012において、コントローラ700は計測深さまでサンプル714を移動する。ステップS013において、コントローラ700は収差補正機構750の位置と対物レンズ713の位置を図7にしたがって移動させながら、CARS光量が最大となる位置関係を求める。ステップS014において、コントローラ700は得られた位置関係に基づいて、サンプル714内部の任意の計測深さにおける収差補正機構750の移動量dz1と対物レンズ713の移動量dz2を記述したテーブルを生成する。ステップS015において、コントローラ700は生成したテーブルに応じて収差補正機構750の位置と対物レンズ713の位置を制御しながら、指定されたサンプル714内部の計測深さにおける計測を実施する。   FIG. 20 is a flowchart illustrating a control procedure by the controller 700 in the first to third embodiments. In step S011, the controller 700 detects the boundary position of the sample 714. In step S012, the controller 700 moves the sample 714 to the measurement depth. In step S013, the controller 700 obtains the positional relationship that maximizes the CARS light amount while moving the position of the aberration correction mechanism 750 and the position of the objective lens 713 according to FIG. In step S014, the controller 700 generates a table describing the movement amount dz1 of the aberration correction mechanism 750 and the movement amount dz2 of the objective lens 713 at an arbitrary measurement depth inside the sample 714 based on the obtained positional relationship. In step S015, the controller 700 performs measurement at the specified measurement depth inside the sample 714 while controlling the position of the aberration correction mechanism 750 and the position of the objective lens 713 according to the generated table.

本実施形態において、説明の簡略化のため、サンプル714は深さ方向に一様な屈折率を有するものとした。一方で、実際の生体組織や細胞シートなどのサンプルは、計測深さ範囲で層状の構造を有するものが少なくない。この場合は、図16〜図18で説明したCARS光量が最大となる条件を、各計測深さにおいてそれぞれ実施して、ポンプ光とストークス光が焦点に至るまでの媒質の平均屈折率に対応した制御量を求める。サンプル714内部の任意の計測深さについては、それらを内挿することにより制御量を定めることができる。   In the present embodiment, for simplification of description, the sample 714 has a uniform refractive index in the depth direction. On the other hand, there are many samples such as actual living tissue and cell sheets having a layered structure in the measurement depth range. In this case, the conditions for maximizing the CARS light amount described in FIGS. 16 to 18 are implemented at each measurement depth, and correspond to the average refractive index of the medium until the pump light and Stokes light reach the focal point. Find the controlled variable. About arbitrary measurement depth inside sample 714, a control amount can be defined by interpolating them.

本実施形態3は、光検出器772と774を用いて収差補正する方法を示した。本実施形態3において、焦点位置に対する検出精度を向上するため、光検出器772と774の前に適切なサイズのピンホールを配置することも有効である。   In the third embodiment, a method for correcting aberration using the photodetectors 772 and 774 has been described. In the third embodiment, it is also effective to arrange a pinhole of an appropriate size in front of the photodetectors 772 and 774 in order to improve the detection accuracy with respect to the focal position.

実施形態1〜3は、代表屈折率としてn0=1.38としたが、図12と図13に示すように、式1と式2の近似が成立する範囲で、評価頻度の高いサンプルの屈折率を代表屈折率として選択することにより、制御精度が向上することは言うまでもない。   In Embodiments 1 to 3, the representative refractive index is n0 = 1.38. However, as shown in FIGS. 12 and 13, as shown in FIGS. It goes without saying that the control accuracy is improved by selecting the refractive index as the representative refractive index.

本実施形態3において、光検出器772と774を用いずに、サンプル714境界を検出するとともにCARS光量が最大となる条件を求めることもできる。図1に示す光計測装置1000において、検出対物レンズ715の光学系に顕微鏡光学系を追加し、サンプル714境界の顕微鏡像のコントラストが最大となるように、位相差法などの一般的な方法によりアクチュエータ763の位置を調整してサンプル714の境界位置を定めることができる。これにより、光検出器774の機能を代用することができる。サンプル714を所定の計測深さに移動した後は、分光器719の受光量が最大となるように、収差補正レンズ752の位置と対物レンズ713の位置を制御することにより、光検出器772の機能を代用することができる。   In the third embodiment, without using the photodetectors 772 and 774, it is possible to detect the boundary of the sample 714 and obtain the condition that maximizes the CARS light quantity. In the optical measurement apparatus 1000 shown in FIG. 1, a microscope optical system is added to the optical system of the detection objective lens 715, and the contrast of the microscope image at the boundary of the sample 714 is maximized by a general method such as a phase difference method. The boundary position of the sample 714 can be determined by adjusting the position of the actuator 763. Thereby, the function of the photodetector 774 can be substituted. After moving the sample 714 to a predetermined measurement depth, the position of the aberration correction lens 752 and the position of the objective lens 713 are controlled so that the amount of light received by the spectroscope 719 is maximized. Functions can be substituted.

以上の実施形態において、図9と図10で説明したように、計測深さと屈折率の組み合わせごとにdz1とdz2をあらかじめ求めてデータテーブルとして記憶部1100上に記憶しておき、本実施形態3にしたがって求めた屈折率nに対応するデータテーブルを用いてdz1とdz2を自動制御することもできる。   In the above embodiment, as described with reference to FIGS. 9 and 10, dz1 and dz2 are obtained in advance for each combination of measurement depth and refractive index, and stored in the storage unit 1100 as a data table. It is also possible to automatically control dz1 and dz2 using a data table corresponding to the refractive index n obtained according to the above.

<実施の形態4>
図21は、本発明の実施形態4に係る収差補正機構750の模式図である。本実施形態4において、収差補正機構750は収差補正レンズ751と752に加えて空間位相変調器(SLM)753を備える。空間位相変調器753は、例えば液晶マトリックスにより任意の波面制御ができる光学素子である。ここでは透過型の空間位相変調器753がコントローラ700からの指示にしたがって256x256ピクセルの位相制御ができるようになっている。その他構成は実施形態1と同様であるので、以下では主に差異点について説明する。
<Embodiment 4>
FIG. 21 is a schematic diagram of an aberration correction mechanism 750 according to Embodiment 4 of the present invention. In the fourth embodiment, the aberration correction mechanism 750 includes a spatial phase modulator (SLM) 753 in addition to the aberration correction lenses 751 and 752. The spatial phase modulator 753 is an optical element capable of arbitrary wavefront control using, for example, a liquid crystal matrix. Here, the transmission type spatial phase modulator 753 can control the phase of 256 × 256 pixels in accordance with an instruction from the controller 700. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the difference will be mainly described below.

サンプル714内の例えば100μm以上の深さ位置を観測する場合、サンプル714の屈折率に応じて球面収差が発生し、図21に示すように対物レンズ713の開口半径位置に応じて焦点位置が分離する。実施形態1〜3によって補正される収差は一般的に4次までの球面収差に限られる。したがって、光スポットの収差が最小となるように収差補正レンズ752の移動量dz1と対物レンズの移動量dz2を制御したとしても、4次を超える高次の収差は残留する。   When observing a depth position of, for example, 100 μm or more in the sample 714, spherical aberration occurs according to the refractive index of the sample 714, and the focal position is separated according to the aperture radius position of the objective lens 713 as shown in FIG. To do. The aberrations corrected by the first to third embodiments are generally limited to spherical aberrations up to the fourth order. Therefore, even if the movement amount dz1 of the aberration correction lens 752 and the movement amount dz2 of the objective lens are controlled so that the aberration of the light spot is minimized, higher-order aberrations exceeding the fourth order remain.

この残留した高次の収差は、あらかじめ計算で求めることができる。そこで、空間位相変調器753が残留収差を打ち消す位相分布を与えることにより、収差量をさらに削減することができる。ここでは説明の簡略化のため、透過型の空間位相変調器753を用いる例を示したが、反射型の空間位相変調器753を用いることも容易である。   This remaining high-order aberration can be calculated in advance. Therefore, the amount of aberration can be further reduced by providing a phase distribution in which the spatial phase modulator 753 cancels the residual aberration. Here, for the sake of simplicity of explanation, an example in which a transmissive spatial phase modulator 753 is used has been described, but a reflective spatial phase modulator 753 can also be easily used.

図22は、空間位相変調器753が付与する位相分布を示す計算結果を示す。サンプル714の屈折率は1.38、計測深さは100μmである。横軸は対物レンズ713の有効半径を1とする規格化半径であり、縦軸は波面の位相を示す。比較のため、実施形態1における残留収差を併記した。図22に示すように、実施形態1における残留した波面収差は半径の5次以上の高次収差となっている。空間位相変調器753が残留収差の逆補正を施すことにより合成された波面は、ほぼ無収差となることがわかる。残留収差は、空間位相変調器753の位相制御分解能(ここでは、8bit/1λとした)とピクセルサイズ(ここでは256x256)の制限によるものである。   FIG. 22 shows a calculation result indicating the phase distribution given by the spatial phase modulator 753. The sample 714 has a refractive index of 1.38 and a measurement depth of 100 μm. The horizontal axis is a normalized radius where the effective radius of the objective lens 713 is 1, and the vertical axis indicates the phase of the wavefront. For comparison, the residual aberration in the first embodiment is also shown. As shown in FIG. 22, the remaining wavefront aberration in the first embodiment is a higher-order aberration having a radius of the fifth or higher. It can be seen that the wavefront synthesized by the spatial phase modulator 753 performing the reverse correction of the residual aberration is almost free of aberration. The residual aberration is due to the limitations on the phase control resolution (here, 8 bits / 1λ) of the spatial phase modulator 753 and the pixel size (here 256 × 256).

図23は、サンプル714内部の計測深さとスポット光強度の3乗の関係を示す計算結果である。CARS光の強度はスポット光強度の3乗に比例するので、図23の縦軸はCARS光強度に比例する。ここでは、サンプル714の屈折率n=1.40の場合の計算結果を示した。図23に示すように、空間位相変調器753を加えた収差補正により、1mm以上の深さであっても高強度のCARS光を得ることができる。   FIG. 23 is a calculation result showing the relationship between the measurement depth inside the sample 714 and the cube of the spot light intensity. Since the intensity of the CARS light is proportional to the cube of the spot light intensity, the vertical axis in FIG. 23 is proportional to the CARS light intensity. Here, the calculation result when the refractive index n of the sample 714 is 1.40 is shown. As shown in FIG. 23, high intensity CARS light can be obtained even at a depth of 1 mm or more by aberration correction with the addition of the spatial phase modulator 753.

空間位相変調器753により付与する波面は、サンプル714の屈折率、収差補正レンズ752と対物レンズ713それぞれの位置制御量が定まれば、一意に求めることができる。したがって、空間位相変調器753を搭載した収差補正光学系においても、付与する波面をゼロ位相にすれば、実施形態3で説明した屈折率nの新たなサンプルに対する処理をそのまま実施することができる。すなわち、dz1およびdz2とともに、空間位相変調器753が付与する波面を一意に決めることができる。収差補正は図20のフローチャートにより実施することができる。   The wavefront provided by the spatial phase modulator 753 can be uniquely determined if the refractive index of the sample 714 and the position control amounts of the aberration correction lens 752 and the objective lens 713 are determined. Therefore, even in the aberration correction optical system equipped with the spatial phase modulator 753, if the wavefront to be applied is set to zero phase, the processing for the new sample having the refractive index n described in the third embodiment can be performed as it is. That is, the wavefront provided by the spatial phase modulator 753 can be uniquely determined together with dz1 and dz2. Aberration correction can be performed according to the flowchart of FIG.

<実施の形態5>
本発明の実施形態5では、反射CARS光を用いた球面収差補正について述べる。反射CARSは、サンプルを基準として入射光側に検出器を設置する方式である。本実施形態5においては、反射CARS光の強度を検出器で検出し、CARSスペクトルは透過型の分光器で検出するものとする。
<Embodiment 5>
In Embodiment 5 of the present invention, spherical aberration correction using reflected CARS light will be described. Reflective CARS is a method in which a detector is installed on the incident light side with reference to a sample. In the fifth embodiment, the intensity of the reflected CARS light is detected by a detector, and the CARS spectrum is detected by a transmission spectroscope.

図24は、本実施形態5に係る光計測装置1000の構成図である。ダイクロイックミラー2401は、入射光(ポンプ光とストークス光)を透過し、CARS光を検出する。例えばポンプ光の波長が1064nmの場合は、1000nm以上を反射し、それ以上の波長を透過するものを、ダイクロイックミラー2401として選択すればよい。サンプル714から生成されたCARS光のうち、反射成分をダイクロイックミラー2401によって反射し、ノッチフィルタ2402によって入射光の残留成分を除去した後、検出器2403により反射CARS光を検出する。検出器2403としては、PD(フォトダイオード)やAPD(アバランシェ・フォトダイオード)を用いるのが簡便であるが、感度が不足する場合には光電子増倍管を用いてもよい。ダイクロイックミラー2401の波長選択性が充分良い場合は、ノッチフィルタ2402は無くてもよい。その他の構成は実施形態1と同様であるため説明を省略する。   FIG. 24 is a configuration diagram of an optical measurement apparatus 1000 according to the fifth embodiment. The dichroic mirror 2401 transmits incident light (pump light and Stokes light) and detects CARS light. For example, when the wavelength of the pump light is 1064 nm, a dichroic mirror 2401 may be selected that reflects 1000 nm or more and transmits more wavelengths. Of the CARS light generated from the sample 714, the reflected component is reflected by the dichroic mirror 2401, the residual component of the incident light is removed by the notch filter 2402, and then the reflected CARS light is detected by the detector 2403. As the detector 2403, it is convenient to use a PD (photodiode) or an APD (avalanche photodiode), but a photomultiplier tube may be used when the sensitivity is insufficient. If the wavelength selectivity of the dichroic mirror 2401 is sufficiently good, the notch filter 2402 may be omitted. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図25は、本実施形態5に係る光計測装置1000の動作を説明するフローチャートである。ステップS011、S012、S015は図20と同様である。ステップS2501において、コントローラ700は検出器2403が検出する反射CARS光量が最大となるように収差補正機構750を制御する。ステップS2502においてコントローラ700は、分光器719が検出する透過CARS光量が最大となるように対物レンズ713の位置を補正する。これにより検出対物レンズ715の焦点位置に対物レンズ713の焦点位置が調整される。すなわち、球面収差補正によって移動した焦点位置が元の位置に補正される。   FIG. 25 is a flowchart for explaining the operation of the optical measurement apparatus 1000 according to the fifth embodiment. Steps S011, S012, and S015 are the same as those in FIG. In step S2501, the controller 700 controls the aberration correction mechanism 750 so that the amount of reflected CARS light detected by the detector 2403 is maximized. In step S2502, the controller 700 corrects the position of the objective lens 713 so that the transmitted CARS light amount detected by the spectroscope 719 is maximized. Thereby, the focal position of the objective lens 713 is adjusted to the focal position of the detection objective lens 715. That is, the focal position moved by the spherical aberration correction is corrected to the original position.

反射CARSにおいては集光対物レンズが検出対物レンズとしても動作するので、反射検出されるCARS光量は球面収差量などの集光状態のみに依存し、サンプル714内部の集光位置には直接依存しない。したがって、図9で説明した計測深さに対応する収差補正レンズ752の移動量を保持していなくても収差補正することができる。また、前述のように集光対物レンズ位置は透過CARSの信号量が最大となるように調整すればよいので、図10で説明した計測深さに対する対物レンズ713の位置を保持する必要もない。したがって装置構成が簡便となる。なお、単に入射光の反射光量を検出する場合には球面収差量に関わらず一定の検出量となるが、本発明では入射光強度の3乗に比例するCARS光を検出するので、球面収差を感度良く補正することができる。   In the reflection CARS, the condensing objective lens also operates as a detection objective lens. Therefore, the CARS light amount detected by reflection depends only on the condensing state such as the amount of spherical aberration and does not depend directly on the condensing position inside the sample 714. . Therefore, aberration correction can be performed without holding the movement amount of the aberration correction lens 752 corresponding to the measurement depth described in FIG. Further, as described above, the position of the condenser objective lens may be adjusted so that the signal amount of the transmission CARS is maximized. Therefore, it is not necessary to maintain the position of the objective lens 713 with respect to the measurement depth described with reference to FIG. Therefore, the apparatus configuration is simple. In the case of simply detecting the amount of reflected light of incident light, the detection amount is constant regardless of the amount of spherical aberration. However, in the present invention, since the CARS light proportional to the cube of the incident light intensity is detected, the spherical aberration is reduced. Correction can be made with high sensitivity.

<実施の形態6>
本発明の実施形態6では、サンプル714内で発生する色収差の補償について述べる。CARS過程は非線形光学効果の1つであるので、サンプル714内でポンプ光とストークス光が同じ位置に集光することが重要である。多色CARSの場合、ストークス光は広帯域であるので対物レンズによる色収差が発生し、サンプル714内におけるポンプ光とストークス光の空間的な合波状態により、CARS光スペクトルが変化する。
<Embodiment 6>
In the sixth embodiment of the present invention, compensation for chromatic aberration occurring in the sample 714 will be described. Since the CARS process is one of nonlinear optical effects, it is important that the pump light and the Stokes light are collected at the same position in the sample 714. In the case of multicolor CARS, the Stokes light has a wide band, so chromatic aberration is generated by the objective lens, and the CARS light spectrum changes depending on the spatial multiplexing state of the pump light and Stokes light in the sample 714.

図26は、本実施形態6に係る光計測装置1000の構成図である。本実施形態6においては、ストークス光の発散収束状態を調整することにより、サンプル714内部におけるポンプ光とストークス光の合波状態を調整する。ステージ2601は、コントローラ700からの指示にしたがって、コリメートレンズ706の位置を光軸方向(z方向)に調整することにより、ストークス光の発散収束状態を制御する。サンプル714内部においては、この発散収束状態によって集光位置が変化することにより合波状態が変化し、CARS光スペクトルの形状が変化する。その他の装置構成は実施形態1と同様であるため説明を省略する。   FIG. 26 is a configuration diagram of the optical measurement apparatus 1000 according to the sixth embodiment. In the sixth embodiment, the combined state of the pump light and the Stokes light in the sample 714 is adjusted by adjusting the divergent convergence state of the Stokes light. The stage 2601 controls the divergent convergence state of the Stokes light by adjusting the position of the collimating lens 706 in the optical axis direction (z direction) in accordance with an instruction from the controller 700. In the sample 714, the converging position changes due to the divergent convergence state, whereby the combined state changes, and the shape of the CARS light spectrum changes. Since the other apparatus configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

図27は、本実施形態6の変形例である。図26ではストークス光の発散収束状態を調整する例を示したが、図27に示すようにポンプ光光路にもファイバ光学系を採用し、コリメートレンズ2603とステージ2604によって光ファイバ2602の出射端における発散収束状態を制御してもよい。さらには、図26と図27を組み合わせて、ポンプ光・ストークス光ともに発散収束状態を制御してもよい。   FIG. 27 shows a modification of the sixth embodiment. FIG. 26 shows an example of adjusting the divergence / convergence state of Stokes light. However, as shown in FIG. 27, a fiber optical system is also used in the pump light path, and the collimator lens 2603 and the stage 2604 are used at the output end of the optical fiber 2602. The divergence convergence state may be controlled. Furthermore, the divergent convergence state may be controlled for both pump light and Stokes light by combining FIG. 26 and FIG.

図28は、本実施形態6に係る光計測装置1000の動作を説明するフローチャートである。ステップS014とS015の間にステップS2701が追加されている以外は図20と同様である。ステップS2701においてコントローラ700は、分光器719によってCARSスペクトルを検出し、所望の波長帯域が強調されるようコリメートレンズ706(またはこれに加えてコリメートレンズ2603)の位置を調整する。調整完了の閾値はスペクトルのピーク強度の絶対値で決めてもよいし、他のスペクトルピークとの比から決めてもよい。   FIG. 28 is a flowchart for explaining the operation of the optical measurement apparatus 1000 according to the sixth embodiment. 20 is the same as FIG. 20 except that step S2701 is added between steps S014 and S015. In step S2701, the controller 700 detects the CARS spectrum by the spectroscope 719, and adjusts the position of the collimating lens 706 (or the collimating lens 2603 in addition to this) so that a desired wavelength band is enhanced. The adjustment completion threshold value may be determined by the absolute value of the peak intensity of the spectrum, or may be determined from the ratio with other spectrum peaks.

図29は、脂肪細胞のCARSスペクトルを本実施形態6で説明した色収差補正前後で比較した結果である。CARSスペクトルには、2900cm−1近傍のCH伸縮に対応する強いスペクトルピークの他に、約800〜1800cm−1の領域にアミドIII、CH変角、アミドIなどの複数のピークが存在している。後者の領域は指紋領域と呼ばれ、生体の複数の組成に対応するため細胞状態の解析において有益であるが、信号強度が低いことが課題である。 FIG. 29 shows the result of comparison of CARS spectra of fat cells before and after chromatic aberration correction described in the sixth embodiment. In the CARS spectrum, in addition to a strong spectral peak corresponding to CH stretching near 2900 cm −1, there are a plurality of peaks such as amide III, CH deflection, amide I, etc. in the region of about 800 to 1800 cm −1 . . The latter region is called a fingerprint region and is useful for analyzing the cell state because it corresponds to a plurality of compositions of the living body, but the problem is that the signal intensity is low.

補正前のスペクトル2801においては、CH伸縮に対応する信号が高強度で得られているが、指紋領域内の信号が殆ど得られていない。一方、補正後のスペクトル2802においては指紋領域内のスペクトルピークが強調されている。以上のように、本実施形態6に係る光計測装置1000によって、所望周波数帯域のCARS信号強度を強調することができる。   In the spectrum 2801 before correction, the signal corresponding to the CH expansion / contraction is obtained with high intensity, but the signal in the fingerprint region is hardly obtained. On the other hand, in the corrected spectrum 2802, the spectrum peak in the fingerprint region is emphasized. As described above, the optical measurement apparatus 1000 according to the sixth embodiment can emphasize the CARS signal intensity in the desired frequency band.

本実施形態6によれば、適当なインターフェース1110(例えば操作装置、データ入力インターフェースなど)を介して、観察する周波数帯域をコントローラ700に対して通知し、コントローラ700はその周波数帯域のCARS信号強度を強調するように各光学素子(コリメートレンズ706や2603の位置)を制御することができる。   According to the sixth embodiment, the frequency band to be observed is notified to the controller 700 via an appropriate interface 1110 (for example, an operating device, a data input interface, etc.), and the controller 700 indicates the CARS signal strength of the frequency band. Each optical element (the positions of the collimating lenses 706 and 2603) can be controlled so as to be emphasized.

<実施の形態7>
図30は、本発明の実施形態7に係る収差補正機構750を示す模式図である。サンプル714の厚さは100μm程度以下と比較的薄いものとする。本実施形態7においては、サンプル714を挟むように対物レンズ713と検出レンズ781が配置されている。対物レンズ713の焦点近傍で発生したCARS光(信号光)は検出レンズ781により平行光束に変換され、図示しない分光器によりスペクトルが計測される。その他構成は実施形態1と同様である。
<Embodiment 7>
FIG. 30 is a schematic diagram showing an aberration correction mechanism 750 according to Embodiment 7 of the present invention. The sample 714 has a relatively thin thickness of about 100 μm or less. In the seventh embodiment, an objective lens 713 and a detection lens 781 are arranged so as to sandwich the sample 714. CARS light (signal light) generated in the vicinity of the focal point of the objective lens 713 is converted into a parallel light beam by a detection lens 781, and a spectrum is measured by a spectroscope (not shown). Other configurations are the same as those of the first embodiment.

図31は、本実施形態7に係る収差補正機構750の別構成例を示す模式図である。サンプル714の厚さは約100μm以上と比較的厚いものとする。サンプル714の厚さをt、計測深さをzとすると、対物レンズ713から出射した光束はサンプル714の厚さzによる球面収差の影響を受ける。また検出レンズ781が取得するCARS光(信号光)はサンプル714の厚さ(t−z)による球面収差の影響を受ける。したがって、対物レンズ713の焦点位置と検出レンズ781の焦点位置との間には、δzのずれが生じる。   FIG. 31 is a schematic diagram illustrating another configuration example of the aberration correction mechanism 750 according to the seventh embodiment. The sample 714 has a relatively thick thickness of about 100 μm or more. When the thickness of the sample 714 is t and the measurement depth is z, the light beam emitted from the objective lens 713 is affected by spherical aberration due to the thickness z of the sample 714. The CARS light (signal light) acquired by the detection lens 781 is affected by spherical aberration due to the thickness (tz) of the sample 714. Therefore, a shift of δz occurs between the focal position of the objective lens 713 and the focal position of the detection lens 781.

コントローラ700は、改めて計測深さzを検出レンズ781の焦点位置として定め、検出レンズ781の焦点位置と対物レンズ713の焦点位置が一致するように、アクチュエータ762によって対物レンズ713の位置を制御する。これにより、計測深さzに依存せずに大きなCARS信号を高いスペクトル分解能で取得することができる。   The controller 700 once again sets the measurement depth z as the focal position of the detection lens 781, and controls the position of the objective lens 713 by the actuator 762 so that the focal position of the detection lens 781 and the focal position of the objective lens 713 coincide. Thereby, a large CARS signal can be acquired with high spectral resolution without depending on the measurement depth z.

図32は、対物レンズ713の位置を再補正するための移動量を計算した結果を示す。サンプル714の屈折率をn、対物レンズ713の焦点位置と検出レンズ781の焦点位置を一致させるため対物レンズ713の位置を再補正するときの対物レンズ713の再移動量をdz2’とする。説明の簡略化のため、検出レンズ781として対物レンズ713と同じ水浸レンズ(開口数1.2)を用いるものとした。サンプル714の厚さtは500μmである。   FIG. 32 shows the result of calculating the amount of movement for recorrecting the position of the objective lens 713. It is assumed that the refractive index of the sample 714 is n, and the amount of re-movement of the objective lens 713 when the position of the objective lens 713 is recorrected to match the focal position of the objective lens 713 and the focal position of the detection lens 781 is dz2 '. For simplification of description, the same immersion lens (numerical aperture 1.2) as that of the objective lens 713 is used as the detection lens 781. The thickness t of the sample 714 is 500 μm.

図32に示すように,対物レンズ713の再移動量dz2’はサンプル714の屈折率により定まり、計測深さzに対する依存性は比較的小さいことがわかる。収差補正レンズ752の位置はdz1により制御し、対物レンズ713の位置はdz2+dz2’により制御することにより、サンプル714の厚さに応じて生じる収差の影響を補正することができる。   As shown in FIG. 32, it can be seen that the re-movement amount dz2 'of the objective lens 713 is determined by the refractive index of the sample 714, and the dependence on the measurement depth z is relatively small. By controlling the position of the aberration correction lens 752 by dz1 and by controlling the position of the objective lens 713 by dz2 + dz2 ', it is possible to correct the influence of aberration caused by the thickness of the sample 714.

dz2’はサンプル714の屈折率と厚さに応じて定まるので、記憶部1100が格納するデータテーブルに、サンプル714の屈折率と厚さの組み合わせごとにdz2’を記述しておき、コントローラ700はその記述にしたがってdz2’を取得することができる。   Since dz2 ′ is determined according to the refractive index and thickness of the sample 714, dz2 ′ is described for each combination of the refractive index and thickness of the sample 714 in the data table stored in the storage unit 1100. Dz2 ′ can be obtained according to the description.

700 コントローラ
701 短パルスレーザ光源
702 1/2波長板
703 偏光ビームスプリッタ
704 集光レンズ
705 フォトニック結晶ファイバ
706 コリメートレンズ
707 ロングパスフィルタ
708 ダイクロイックミラー
709 ミラー
710 レンズ
711 レンズ
712 ミラー
713 対物レンズ
714 サンプル
715 対物レンズ
716 コリメートレンズ
717 ノッチフィルタ
718 ショートパスフィルタ
719 分光器
720 集光レンズ
721 光ファイバ
722 コリメートレンズ
723 空間位相変調器
724 ロングパスフィルタ
750 収差補正機構
751 収差補正レンズ
752 収差補正レンズ
753 空間位相変調器
761 アクチュエータ
762 アクチュエータ
763 アクチュエータ
781 検出レンズ
2401 ダイクロイックミラー
2402 ノッチフィルタ
2403 検出器
2602 光ファイバ
2603 コリメートレンズ
2604 ステージ
700 Controller 701 Short pulse laser light source 702 Half-wave plate 703 Polarizing beam splitter 704 Condensing lens 705 Photonic crystal fiber 706 Collimate lens 707 Long pass filter 708 Dichroic mirror 709 Mirror 710 Lens 711 Lens 712 Mirror 713 Objective lens 714 Sample 715 Objective Lens 716 Collimate lens 717 Notch filter 718 Short pass filter 719 Spectroscope 720 Condensing lens 721 Optical fiber 722 Collimate lens 723 Spatial phase modulator 724 Long pass filter 750 Aberration correction mechanism 751 Aberration correction lens 752 Aberration correction lens 753 Spatial phase modulator 761 Actuator 762 Actuator 763 Actuator 781 Detection lens 2401 Dyke Loic mirror 2402 Notch filter 2403 Detector 2602 Optical fiber 2603 Collimate lens 2604 Stage

Claims (7)

レーザ光を出射する光源、
前記光源が出射するレーザ光を第1光と第2光に分岐する分岐部、
前記第1光を伝搬する光ファイバ、
前記第2光と前記光ファイバが伝搬した前記第1光を合波することにより合波光を生成する合波部、
前記合波光を試料に対して照射する対物レンズ、
前記試料に対して前記合波光を照射することにより生じる信号光を検出する検出器、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路上に配置された収差補正レンズを用いて、前記試料の厚さに応じて発生する球面収差を補正する、球面収差補正部、
前記試料における前記合波光の焦点位置を所定範囲内に抑えながら前記収差補正レンズが前記球面収差を補正することができる、前記光路上における前記収差補正レンズと前記対物レンズとの間の位置関係を記述したデータを記憶する、記憶部、
を備え、
前記球面収差補正部は、前記データが記述している前記位置関係にしたがって前記収差補正レンズの位置を制御することにより、前記焦点位置を前記所定範囲内に抑えながら前記球面収差を補正する
ことを特徴とする光計測装置。
A light source that emits laser light,
A branching portion for branching the laser light emitted from the light source into first light and second light;
An optical fiber that propagates the first light;
A multiplexing unit that generates combined light by combining the second light and the first light propagated by the optical fiber;
An objective lens for irradiating the sample with the combined light;
A detector for detecting signal light generated by irradiating the sample with the combined light;
A spherical aberration correction unit that corrects spherical aberration generated according to the thickness of the sample using an aberration correction lens disposed on an optical path between the light source and the objective lens,
The positional relationship between the aberration correction lens and the objective lens on the optical path is such that the aberration correction lens can correct the spherical aberration while suppressing the focal position of the combined light in the sample within a predetermined range. A storage unit for storing the described data;
With
The spherical aberration correction unit corrects the spherical aberration while suppressing the focal position within the predetermined range by controlling the position of the aberration correction lens according to the positional relationship described by the data. A characteristic optical measuring device.
前記データは、第1試料の第1屈折率について前記位置関係を記述しており、
前記球面収差補正部は、第2試料の第2屈折率と前記対物レンズの周辺媒質の屈折率との間の第1差分を求め、
前記球面収差補正部は、前記第1屈折率と前記周辺媒質の屈折率との間の第2差分を求め、
前記球面収差補正部は、前記第2差分に対する前記第1差分の比を前記第1試料の前記第1屈折率についての前記位置関係に対して乗じることにより得られる第2位置関係にしたがって前記収差補正レンズの位置を制御することにより、前記第2試料についての前記球面収差を補正する
ことを特徴とする請求項1記載の光計測装置。
The data describes the positional relationship for the first refractive index of the first sample,
The spherical aberration correction unit obtains a first difference between the second refractive index of the second sample and the refractive index of the peripheral medium of the objective lens,
The spherical aberration correction unit obtains a second difference between the first refractive index and the refractive index of the peripheral medium,
The spherical aberration corrector corrects the aberration according to a second positional relationship obtained by multiplying the positional relationship of the first sample with respect to the first refractive index by a ratio of the first difference to the second difference. The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the spherical aberration of the second sample is corrected by controlling a position of a correction lens.
前記光計測装置はさらに、前記試料から反射した光を計測する第2検出器を備え、
前記データは、第1試料の第1屈折率について前記位置関係を記述するとともに、前記試料の検出深さごとに前記位置関係を記述しており、
前記球面収差補正部は、前記第2検出器が最大光強度を検出するときの前記対物レンズと前記収差補正レンズとの間の位置関係を特定し、
前記球面収差補正部は、前記第2検出器が最大光強度を検出するときの前記試料の検出深さに対応する前記位置関係を前記データから取得し、
前記球面収差補正部は、前記データから取得した前記位置関係、前記第1屈折率、および前記対物レンズの周辺媒質の屈折率を用いて、第2試料の第2屈折率を求める
ことを特徴とする請求項1記載の光計測装置。
The optical measurement device further includes a second detector that measures light reflected from the sample,
The data describes the positional relationship for the first refractive index of the first sample and describes the positional relationship for each detected depth of the sample,
The spherical aberration correction unit specifies a positional relationship between the objective lens and the aberration correction lens when the second detector detects a maximum light intensity,
The spherical aberration correction unit acquires the positional relationship corresponding to the detection depth of the sample when the second detector detects the maximum light intensity from the data,
The spherical aberration correction unit obtains the second refractive index of the second sample using the positional relationship acquired from the data, the first refractive index, and the refractive index of the peripheral medium of the objective lens. The optical measurement device according to claim 1.
前記光計測装置はさらに、前記信号光を受光する検出レンズを備え、
前記試料は、前記光源と前記検出レンズによって挟まれる位置に配置されており、
前記検出器は、前記検出レンズが受光した前記信号光を検出し、
前記データはさらに、前記試料の厚さと前記試料の屈折率の組み合わせごとに、前記対物レンズの位置を再補正するための再補正量を記述しており、
前記球面収差補正部は、前記位置関係に対して前記再補正量を加味した上で、前記対物レンズの位置を制御する
ことを特徴とする請求項1記載の光計測装置。
The optical measurement device further includes a detection lens that receives the signal light,
The sample is disposed at a position sandwiched between the light source and the detection lens,
The detector detects the signal light received by the detection lens;
The data further describes a recorrection amount for recorrecting the position of the objective lens for each combination of the thickness of the sample and the refractive index of the sample.
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the spherical aberration correction unit controls the position of the objective lens after adding the recorrection amount to the positional relationship.
前記光計測装置はさらに、前記球面収差補正部が前記球面収差を補正した上で残留している収差を補正する空間位相変調器を備える
ことを特徴とする請求項1記載の光計測装置。
The optical measurement device according to claim 1, further comprising a spatial phase modulator that corrects the remaining aberration after the spherical aberration correction unit corrects the spherical aberration.
前記光計測装置はさらに、
観察する対象とする光波長を指定するインターフェース、
前記指定された光波長における前記信号光の強度が最大になるように前記合波光の合波状態を調整する光学素子、
を備えることを特徴とする請求項1記載の光計測装置。
The optical measuring device further includes
An interface that specifies the light wavelength to be observed,
An optical element that adjusts the combined state of the combined light so that the intensity of the signal light at the specified optical wavelength is maximized;
The optical measurement device according to claim 1, further comprising:
前記検出器は、前記試料から生じた光の波長スペクトルを検出する分光器として構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の光計測装置。
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the detector is configured as a spectrometer that detects a wavelength spectrum of light generated from the sample.
JP2017109465A 2017-06-01 2017-06-01 Optical measuring device Expired - Fee Related JP6850684B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017109465A JP6850684B2 (en) 2017-06-01 2017-06-01 Optical measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017109465A JP6850684B2 (en) 2017-06-01 2017-06-01 Optical measuring device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018205069A true JP2018205069A (en) 2018-12-27
JP6850684B2 JP6850684B2 (en) 2021-03-31

Family

ID=64955673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017109465A Expired - Fee Related JP6850684B2 (en) 2017-06-01 2017-06-01 Optical measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6850684B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020241868A1 (en) * 2019-05-31 2020-12-03 オリンパス株式会社 Adjustment method for optical device, adjustment assistance method, optical system, and optical device
WO2020240638A1 (en) * 2019-05-24 2020-12-03 株式会社ニコン Microscope device, control method for microscope device, and control program for microscope device
WO2022102584A1 (en) * 2020-11-16 2022-05-19 株式会社ニコン Microscope
US11373422B2 (en) 2019-07-17 2022-06-28 Olympus Corporation Evaluation assistance method, evaluation assistance system, and computer-readable medium
JPWO2022202565A1 (en) * 2021-03-25 2022-09-29

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002304763A (en) * 2001-04-06 2002-10-18 Konica Corp Optical pickup device, recording and reproducing device and method for correcting fluctuation in spherical aberration of optical pickup device
JP2005316068A (en) * 2004-04-28 2005-11-10 Olympus Corp Optical system
JP2008116409A (en) * 2006-11-07 2008-05-22 Osaka Univ Refractive index measuring method, refractive index measuring apparatus, and optical member manufacturing method
US20110141558A1 (en) * 2009-12-14 2011-06-16 Intelligent Imaging Innovations, Inc. Spherical aberration correction for non-descanned applications
US20150226950A1 (en) * 2012-08-23 2015-08-13 Isis Innovation Limited Stimulated emission depletion microscopy
WO2016143084A1 (en) * 2015-03-11 2016-09-15 株式会社日立ハイテクノロジーズ Optical measurement device and optical measurement method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002304763A (en) * 2001-04-06 2002-10-18 Konica Corp Optical pickup device, recording and reproducing device and method for correcting fluctuation in spherical aberration of optical pickup device
JP2005316068A (en) * 2004-04-28 2005-11-10 Olympus Corp Optical system
JP2008116409A (en) * 2006-11-07 2008-05-22 Osaka Univ Refractive index measuring method, refractive index measuring apparatus, and optical member manufacturing method
US20110141558A1 (en) * 2009-12-14 2011-06-16 Intelligent Imaging Innovations, Inc. Spherical aberration correction for non-descanned applications
US20150226950A1 (en) * 2012-08-23 2015-08-13 Isis Innovation Limited Stimulated emission depletion microscopy
WO2016143084A1 (en) * 2015-03-11 2016-09-15 株式会社日立ハイテクノロジーズ Optical measurement device and optical measurement method

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020240638A1 (en) * 2019-05-24 2020-12-03 株式会社ニコン Microscope device, control method for microscope device, and control program for microscope device
WO2020241868A1 (en) * 2019-05-31 2020-12-03 オリンパス株式会社 Adjustment method for optical device, adjustment assistance method, optical system, and optical device
JP2020197582A (en) * 2019-05-31 2020-12-10 オリンパス株式会社 Method for adjusting optical apparatus, method for supporting adjustment, optical system, and optical apparatus
JP7197431B2 (en) 2019-05-31 2022-12-27 株式会社エビデント Optical instrument adjustment method, optical system
US12181651B2 (en) 2019-05-31 2024-12-31 Evident Corporation Method of adjusting optical apparatus, adjustment support method, optical system, and optical apparatus
US11373422B2 (en) 2019-07-17 2022-06-28 Olympus Corporation Evaluation assistance method, evaluation assistance system, and computer-readable medium
WO2022102584A1 (en) * 2020-11-16 2022-05-19 株式会社ニコン Microscope
JPWO2022102584A1 (en) * 2020-11-16 2022-05-19
JP7563479B2 (en) 2020-11-16 2024-10-08 株式会社ニコン Microscope and program
JPWO2022202565A1 (en) * 2021-03-25 2022-09-29
WO2022202565A1 (en) * 2021-03-25 2022-09-29 株式会社ニコン Microscope, observation method, and program
JP7688847B2 (en) 2021-03-25 2025-06-05 株式会社ニコン Microscope, observation method, and program

Also Published As

Publication number Publication date
JP6850684B2 (en) 2021-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9500846B2 (en) Rapid adaptive optical microscopy over large multicellular volumes
CN102735617B (en) Super-resolution microscopic method and super-resolution microscopic device
US9581497B2 (en) Cars microscope
JP6378931B2 (en) Microscope device and image acquisition method
CN106461925B (en) Systems and methods for Raman scattering optical microscopy with adaptive optics
JP6265898B2 (en) Aberration correction optical unit and laser microscope
JP6850684B2 (en) Optical measuring device
JP6518041B2 (en) Light stimulation device and light stimulation method
US12055491B2 (en) Focus scan type imaging device for imaging target object in sample that induces aberration
JP6231958B2 (en) Optical image measuring device
CN102798622B (en) Intensity difference based three-dimensional super-resolution microscopic method and device
JP6340474B2 (en) Optical measuring device and optical measuring method
JPWO2013115383A1 (en) Phase modulation device and laser microscope
US9709786B2 (en) Non-linear microscopy and non-linear observation method
WO2016039148A1 (en) Light irradiating device and light irradiating method
CN102866137B (en) Two-dimensional super-resolution microscopy method and apparatus
JP7002565B2 (en) Optical analyzer
JP2019012270A (en) Microscope device and image acquisition method
JPWO2017090075A1 (en) Optical measuring device and optical measuring method
JP5521901B2 (en) Nonlinear microscope and nonlinear observation method
CN104614846B (en) Reflection type spectral pupil differential confocal-photoacoustic microimaging device and method
US12313829B2 (en) Fast scanning microscope systems, and related optics and methods
Akhoundi Biomedical Optical Sensors
CN118302098A (en) Spectral Domain Optical Nonlinear Tomography
Yildirim et al. Optical design and imaging performance testing of a 9.6 mm diameter femtosecond laser microsurgery probe

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191114

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200731

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200804

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200911

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: 20210302

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210308

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6850684

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees