JPH09189612A - 時間分解発光イメージング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 繰り返し周波数の高いパルスレーザ光源から
出力されたパルス励起光の照射によって発生した発光を
有効に受光して、試料からの発光を短い周期で時間分解
測定する。 【解決手段】 パルスレーザ光源１から出力されたパル
ス光は、ビームスプリッタ２によって一部が反射し残部
が透過する。透過したパルス光は第２高調波発生器３に
入射して１／２波長に変換されてパルス励起光５とな
り、試料８に照射される。試料８から発生した発光１０
は、偏光子１１を経て光カーゲート１２に入射する。一
方、ビームスプリッタ２で反射したパルス光は、ゲート
パルス光１８として光カーゲート１２に照射される。ゲ
ートパルス光１８が入射している時には、発光１０は、
光カーゲート１２を透過する際に楕円偏光となり、検光
子１３によって一部が透過し、２次元光検出器２０によ
って検出される。ゲートパルス光１８は、可動直角ミラ
ー１４の位置に応じた遅延で光カーゲート１２に入射す
るので、発光１０の時間分解測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定試料に標識
されたプローブに励起光を照射し、プローブからの発光
の像を時間分解して測定する時間分解発光イメージング
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、標識された試料から生じた発光の
像を時間分解して測定するに際して、ゲート機能付きイ
メージングインテンシファイアを用いていた。図６は、
従来の時間分解発光イメージング装置の構成図である。

【０００３】パルスレーザ光源１から出力されたパルス
励起光５は、ビームエクスパンダ４によって光束径が拡
大された後、ダイクロイックミラー６で反射され、対物
レンズ７を経て、発光標識された試料８に入射する。試
料８にパルス励起光５が照射されて、試料８中の発光標
識が励起されて生じた発光は、対物レンズ７、ダイクロ
イックミラー６、励起光吸収フィルタ９および結像レン
ズ１９を経て、ゲート機能付きイメージングインテンシ
ファイア４９の光電面に結像される。

【０００４】このゲート機能付きイメージングインテン
シファイア４９のゲートは、パルスレーザ光源１におけ
るパルス励起光５の出力タイミングに対して遅延回路５
０によって与えられた所定の遅延時間τの経過後に、一
定時間Δτだけゲート制御回路５１によって開かれる。
したがって、パルス励起光５の発生の時刻を基準として
時刻τから時刻τ＋Δτまでの間に、ゲート機能付きイ
メージングインテンシファイア４９の光電面に結像され
た発光の像が、ゲート機能付きイメージングインテンシ
ファイア４９のマイクロチャンネルプレートで増倍さ
れ、増倍された２次電子が蛍光面に入射して再び光像に
変換される。そして、この光像は、レンズ５２を経て２
次元光検出器２０によって検出され、この検出された光
像は処理装置２１によって画像処理され表示される。以
上のことを、多数のパルス励起光に対して行なって充分
良好なＳ／Ｎ比が得られるまで繰り返すとともに、遅延
回路５０によって遅延時刻τを変化させて時間分解測定
を行なう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例では以下の
ような問題点がある。ゲート機能付きイメージングイン
テンシファイアは、ゲートの開閉の最大繰り返し周波数
が通常１０ｋＨｚ程度であり、せいぜい数百ｋＨｚが限
度である。他方、パルスレーザ光源は、パルス励起光の
出力繰り返し周波数が７０ＭＨｚから８０ＭＨｚ程度の
ものがある。したがって、パルスレーザ光源から出力さ
れたパルス励起光が照射されて発生した発光のうち極一
部しかゲート機能付きイメージングインテンシファイア
で受光することができず、多くのパルス励起光が無駄に
なり効率が悪い。

【０００６】特に生物試料からの発光を観測する場合、
パルス励起光の照射によって発生した発光のうち極僅か
しか受光できないとなると、観測に長時間を要すること
となって、生物試料へのダメージが大きくなって生物試
料の生理状態が変化し、生物試料の正確な観測ができな
い。また、生物試料のダイナミクスを調べる場合には、
ゲート機能付きイメージングインテンシファイアの観測
周期では、生物試料の速い変化の観測に充分でない場合
がある。

【０００７】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、繰り返し周波数の高いパルスレーザ光
源から出力されたパルス励起光の照射によって発生した
発光を有効に受光して、試料からの発光を短い周期で観
測することができる時間分解発光イメージング装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る時間分解発
光イメージング装置は、(1) パルス光を出力するパルス
光源と、(2) パルス光を分岐して第１の光束と第２の光
束とを生成する光束分岐手段と、(3) 第１の光束に基づ
いてパルス励起光を形成し、パルス励起光を被測定試料
に照射する励起光学系と、(4) 被測定試料にパルス励起
光が照射されて生じた発光を入射して所定位置に導く発
光光学系と、(5) 第２の光束に基づいてゲートパルス光
を形成し、所定位置に導くゲート光学系と、(6) 所定位
置に配され、ゲートパルス光が入射している時には発光
を透過させ、そうでない時には発光を透過させない第１
の光学的ゲート手段と、(7) 第１の光学的ゲート手段か
ら出射された発光を検出する第１の光検出手段と、(8)
励起光学系および発光光学系の光路長と、ゲート光学系
の光路長との間の光路長差を設定する光路長可変手段
と、を備えることを特徴とする。

【０００９】この装置の作用は以下のとおりである。ま
ず、パルス光源から出力されたパルス光は、光束分岐手
段によって第１および第２の光束に分岐される。第１の
光束に基づいて励起光学系によって形成されたパルス励
起光は被測定試料に照射され、これによって生じた発光
は、発光光学系によって所定位置に配された第１の光学
的ゲート手段に導かれる。また、第２の光束に基づいて
ゲート光学系によって形成されたゲートパルス光は、第
１の光学的ゲート手段に導かれる。発光は、ゲートパル
ス光が入射している時には、第１の光学的ゲート手段を
透過し、そうでない時には、透過することができない。
第１の光学的ゲート手段から出射された発光は、第１の
光検出手段によって検出される。そして、励起光学系お
よび発光光学系の光路長とゲート光学系の光路長との間
の光路長差が光路長可変手段によって可変に設定され
て、これによって、被測定試料から発生した発光の時間
分解測定が可能となる。

【００１０】光路長可変手段は、ゲート光学系の光路上
に互いに対向して配置された１対の反射鏡群と、１対の
反射鏡群のうち少なくとも一方を光束分岐手段から到達
した光束の光軸に平行な方向に移動する移動手段と、を
備え、光束分岐手段から到達した光束を、１対の反射鏡
群の間で少なくとも１回以上往復させた後、所定位置に
向けて出射するものでもよい。また、光路長可変手段
は、励起光学系の光路上に互いに対向して配置された１
対の反射鏡群と、１対の反射鏡群のうち少なくとも一方
を光束分岐手段から到達した光束の光軸に平行な方向に
移動する移動手段と、を備え、光束分岐手段から到達し
た光束を、１対の反射鏡群の間で少なくとも１回以上往
復させた後、被測定試料に向けて出射するものでもよ
い。また、光路長可変手段は、発光光学系の光路上に互
いに対向して配置された１対の反射鏡群と、１対の反射
鏡群のうち少なくとも一方を被測定試料から到達した光
束の光軸に平行な方向に移動する移動手段と、を備え、
被測定試料から到達した光束を、１対の反射鏡群の間で
少なくとも１回以上往復させた後、所定位置に向けて出
射するものでもよい。何れの場合も、１対の反射鏡群の
間の間隔を僅かに変更するだけで、光学的ゲート手段に
到達する発光とゲートパルス光とのタイミングは大きく
変更する。

【００１１】また、光路長可変手段は、ゲート光学系と
励起光学系の光路長またはゲート光学系と発光光学系の
光路長について、一方を増加させ他方を減少させること
としてもよく、この場合、光学的ゲート手段に到達する
発光およびゲートパルス光の双方について一方を早くし
他方を遅くすることができるので、両者の到達タイミン
グは大きく変化する。

【００１２】また、(1) 発光光学系の光路上に設けられ
発光の一部を反射し残部を透過させ、透過した発光を第
１の光学的ゲート手段に入射させる発光分岐手段と、
(2) ゲート光学系の光路上に設けられゲートパルス光の
一部を反射し残部を透過させ、透過したゲートパルス光
を第１の光学的ゲート手段に入射させるゲートパルス光
分岐手段と、(3) 発光分岐手段で反射された発光と、ゲ
ートパルス光分岐手段で反射されたゲートパルス光とを
入射し、ゲートパルス光が入射している時には発光を透
過させ、そうでない時には発光を透過させない第２の光
学的ゲート手段と、(4) 第２の光学的ゲート手段から出
射された発光を検出する第２の光検出手段と、を更に備
え、第１および第２の光検出手段それぞれは、発光の互
いに異なる方向の直線偏光成分それぞれを検出すること
としてもよい。この場合、発光の異方性を求めることが
できる。

【００１３】第１および第２の光学的ゲート手段それぞ
れは、平板形状であるとともに、発光とゲートパルス光
とを当該平板面に対して対称に入射させることとしても
よい。この場合、第１および第２の光学的ゲート手段そ
れぞれは、被測定試料上の各位置で同時刻に生じた発光
を透過させる。

【００１４】第１の光学的ゲート手段は、(1) 発光を入
射し、第１の方向の直線偏光の光束を出射する偏光子
と、(2) ゲートパルス光および偏光子から出射された光
束を入射し、ゲートパルス光の光量に応じて複屈折率が
変化して、偏光子から出射された光束を、ゲートパルス
光の光量に応じた楕円率の楕円偏光に変換して出射する
光カー効果を利用した光カーゲートと、(3) 光カーゲー
トから出射された光束を入射し、第１の方向と直交する
第２の方向の直線偏光の光束を出射する検光子と、を備
えるものであってもよい。また、ゲートパルス光が入射
している時には発光を透過し、そうでない時には発光を
透過させない可飽和吸収体を備えるものであってもよ
い。第２の光学的ゲート手段についても同様である。何
れの場合も、第１および第２の光学的ゲート手段それぞ
れは、ゲートパルス光が入射している時にのみ発光を透
過させ、そのゲート開閉動作を高速に行なうことができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明におい
て同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省
略する。

【００１６】（第１の実施形態）先ず、第１の実施形態
について説明する。図１は、第１の実施形態に係る時間
分解発光イメージング装置の構成図である。

【００１７】パルスレーザ光源１から出力されたパルス
光は、ビームスプリッタ（光束分岐手段）２によって一
部が反射され残部が透過して２光束に分岐される。この
パルスレーザ光源１は、例えば、モード同期チタンサフ
ァイアレーザ光源が用いられる。

【００１８】ビームスプリッタ２で分岐された一方の光
束は、励起光学系を経て試料８に照射される。すなわ
ち、先ず、この光束は第２高調波発生器３によって波長
が１／２に変換され、試料８に含まれる発光標識を励起
するに適切な波長に変換される。第２高調波発生器３か
ら出力されたパルス励起光５は、ビームエクスパンダ４
によってビーム径が拡大され、ダイクロイックミラー６
で反射され、対物レンズ７を経て、発光標識された試料
８に照射される。ここで用いられるダイクロイックミラ
ー６は、パルス励起光５を反射し、試料８中の発光標識
から発生する発光を透過させるものである。

【００１９】パルス励起光５が試料に照射されて発光標
識が励起されると、その発光標識から発光１０が生じ
る。この発光１０は、発光光学系を経て、光学的ゲート
手段の主要構成要素である光カーゲート１２に到達す
る。すなわち、発光１０は、対物レンズ７を経て、ダイ
クロイックミラー６を透過し、励起光吸収フィルタ９を
透過し、偏光子１１に入射して直線偏光となって出射さ
れ、光カーゲート１２に入射する。この励起光吸収フィ
ルタ９は、発光１０を透過させ、パルス励起光５を遮断
するものであり、試料８に照射されたパルス励起光５の
散乱光を光検出器２０に到達させないようにする為に設
けられる。

【００２０】また、光カーゲート１２は、強力な直線偏
光の光（ゲートパルス光１８）が照射されると、その直
線偏光方向に平行な方向と垂直な方向とでは異なる屈折
率変化を生じ、その複屈折性がゲートパルス光１８の光
量に比例するカー効果を有する光カー媒質からなるもの
であり、この光カー媒質として、例えば二硫化炭素（Ｃ
Ｓ₂ ）やニトロベンゼンが用いられる。光カーゲート１
２は、その光学軸が発光１０の光軸に垂直な平面内にあ
って透過偏光方位とは４５度の角度をなして配置され
る。したがって、光カーゲート１２にゲートパルス光１
８が照射されていないときには、光カー媒質は複屈折が
生じることなく等方性であるので、この光カーゲート１
２に入射した直線偏光の発光１０は、その直線偏光状態
がそのまま維持されて出射される。一方、光カーゲート
１２にゲートパルス光１８が照射されているときには、
光カー媒質に複屈折が生じて、発光１０は、光カー媒質
の光学軸の方向それぞれの成分に対し異なった位相差と
なり、その位相差に応じた楕円率の楕円偏光となって出
射される。

【００２１】光カーゲート１２から出射された発光１０
は、続いて検光子１３に入射する。この検光子１３は、
偏光子１１から出射される光束の直線偏光の方向とは直
交する直線偏光の光束を透過させるものである。したが
って、発光１０が、その偏光状態が維持されたまま光カ
ーゲート１２から出射されて検光子１３に入射したとき
には、検光子１３を通過することができない。しかし、
発光１０が、楕円偏光となって光カーゲート１２から出
射されて検光子１３に入射したときには、その楕円率す
なわちゲートパルス光１８の光量に応じた光量の光束が
検光子１３から出射される。このように、偏光子１１、
光カーゲート１２および検光子１３は、光学的ゲートと
して機能する。そして、検光子１３を通過した発光１０
は、結像レンズ１９で２次元光検出器（例えば２次元Ｃ
ＣＤ）２０の受光面に結像されて、パルスレーザ光源１
から出力されるパルス毎に、その像が２次元光検出器２
０で受光され、その画像データは処理装置２１に送られ
記憶あるいは処理される。

【００２２】光カーゲート１２に照射されるゲートパル
ス光１８は、ビームスプリッタ２で分岐された他方の光
束から形成され、ゲート光学系を経て光カーゲート１２
に入射する。すなわち、ビームスプリッタ２で分岐され
た他方の光束は、可動直角ミラー（光路長可変手段）１
４で反射され、さらに平面ミラー１５で反射され、１／
２波長板１６で偏光方位が調整され、ビームエクスパン
ダ１７でビーム径が広げられて、ゲートパルス光１８と
して光カーゲート１２に照射される。

【００２３】ここで、可動直角ミラー１４は、互いに直
角に配置された２枚の平面ミラーからなり、その２枚の
平面ミラー面の交線に垂直に入射した光束を、２枚の平
面ミラーそれぞれで順次反射させて、入射光束の光軸と
平行な光軸上を反対方向に出射させるものである。さら
に、可動直角ミラー１４は、入射光束の光軸と平行な方
向に移動することが可能である。可動直角ミラー１４が
移動しても、出射光束の光軸は変らない。したがって、
可動直角ミラー１４を移動させることにより、ゲートパ
ルス光１８の遅延を可変に設定することができる。可動
直角ミラー１４の位置変化量をΔｘとし、光速をｃとす
ると、その遅延時間の変化量Δｔは、 Δｔ＝２Δｘ／ｃ … (1) で表される。

【００２４】このように、可動直角ミラー１４の移動位
置に応じた時刻にゲートパルス光１８が光カーゲート１
２に照射されて、その時に光カーゲート１２に到達して
いる発光１０が検光子１３を透過して、その発光１０の
像が２次元光検出器２０で受光される。したがって、可
動直角ミラー１４を移動させることにより、ゲートパル
ス光１８が光カーゲート１２に到達する時刻を変化させ
ることができるので、試料８から発生した発光１０の像
を時間分解して観測することができる。

【００２５】また、本実施形態で用いられる光カーゲー
ト１２の応答速度は数ピコ秒程度であるので、時間分解
能が高い測定ができるだけでなく、パルスレーザ光源１
から出力されるパルス光の出力繰り返し周期が数十ＭＨ
ｚ以上であっても、そのパルス光を有効に利用すること
ができる。

【００２６】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
について説明する。図２は、第２の実施形態に係る時間
分解発光イメージング装置の構成図である。本実施形態
では、ゲートパルス光に遅延を与える光学系が異なり、
僅かの可動直角ミラーの移動で大きな遅延時間変化を与
えることができるものである。

【００２７】本実施形態において、(1) パルスレーザ光
源１から出力されビームスプリッタ２で分岐された一方
の光束を第２高調波発生器３で１／２波長にして生成さ
れたパルス励起光５が、ビームエクスパンダ４、ダイク
ロイックミラー６および対物レンズ７を経て試料８に照
射される励起光学系、(2) 試料８で発生した発光１０
が、対物レンズ７、ダイクロイックミラー６、励起光吸
収フィルタ９および偏光子１１を経て、光カーゲート１
２に至るまでの発光光学系、および、(3) 光カーゲート
１２から出射された発光１０が、検光子１３および結像
レンズ１９を経て２次元光検出器２０に結像・検出され
る光学系、は第１の実施形態と同様である。

【００２８】本実施形態は、ゲートパルス光１８に遅延
を与えるための構成が第１の実施形態と異なる。ビーム
スプリッタ２で分岐された他方の光束は、偏光ビームス
プリッタ２２に入射してｐ偏光（電場ベクトルが入射面
に平行）成分が透過し、可動直角ミラー（反射鏡群）２
３と固定直角ミラー（反射鏡群）２４との間で３往復し
て、１／４波長板２５を経て固定平面ミラー２６に垂直
に入射して反射され、再び、１／４波長板２５を経て、
可動直角ミラー２３と固定直角ミラー２４との間で３往
復して、偏光ビームスプリッタ２２に到達する。

【００２９】この１／４波長板２５は、その光学軸が、
入射するｐ偏光の直線偏光方向に対して４５度の方位に
ある。したがって、光束は１／４波長板２５を２回通過
するので、偏光ビームスプリッタ２２から出力された時
にはｐ偏光であった光束は、直線偏光の方向が９０度回
転して、偏光ビームスプリッタ２２に再び到達したとき
にはｓ偏光（電場ベクトルが入射面に垂直）となり、偏
光ビームスプリッタ２２で反射される。そして、偏光ビ
ームスプリッタ２２で反射された光束は、ビームエクス
パンダ１７によってビーム径が拡大されて、ゲートパル
ス光１８として、光カーゲート１２に照射される。

【００３０】ここで、可動直角ミラー２３および固定直
角ミラー２４それぞれは、互いに直角に配置された２枚
の平面ミラーからなり、その２枚の平面ミラー面の交線
に垂直に入射した光束を、２枚の平面ミラーそれぞれで
順次反射させて、入射光束の光軸と平行な光軸上を反対
方向に出射させるものである。また、可動直角ミラー２
３を構成する２枚の平面ミラー面の交線と、固定直角ミ
ラー２４を構成する２枚の平面ミラー面の交線とは、互
いに平行であって、偏光ビームスプリッタ２２から可動
直角ミラー２３に向かう光束の光軸からの距離は互いに
異なる。それ故、偏光ビームスプリッタ２２と固定平面
ミラー２６との間で光束は往復することができる。

【００３１】さらに、可動直角ミラー２３は、偏光ビー
ムスプリッタ２２からの入射光束の光軸と平行な方向に
移動することが可能である。可動直角ミラー２３が移動
しても、出射光束の光軸は変らない。したがって、可動
直角ミラー２３を移動させることにより、ゲートパルス
光１８の遅延を可変に設定することができる。可動直角
ミラー２３の位置変化量Δｘに対して、その遅延時間の
変化量Δｔは、 Δｔ＝１２Δｘ／ｃ … (2) で表される。これを第１の実施形態における（１）式と
比較すると、可動直角ミラーの位置変化量が同じであっ
ても、本実施形態の方がゲートパルス光１８の遅延時間
を６倍大きく変化させることができる。すなわち、高い
時間分解能かつ短い周期で、発光の時間変化を長時間に
亘って測定することが可能になる。

【００３２】また、可動直角ミラー２３、固定直角ミラ
ー２４、１／４波長板２５および固定平面ミラー２６の
配置を変更すれば、この間における光束の往復回数を増
やすことも可能であり、より大きなゲートパルス光１８
の遅延時間変化を得ることができる。また、ゲートパル
ス光１８に遅延を与える為の光学系は、この構造に限ら
れるものではなく、各種の変形が可能である。要は、第
１のミラー群と第２のミラー群との間で光束を多数回往
復させ、少なくとも一方のミラー群を移動させることに
よって、ゲートパルス光１８に大きな遅延時間変化を与
えることである。

【００３３】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。図３は、第３の実施形態に係る時間
分解発光イメージング装置の構成図である。本実施形態
では、ゲートパルス光に遅延を与えるだけでなく、パル
ス励起光にも遅延を与える光学系を備えるものであり、
一方の遅延時間を大きく（小さく）すると共に他方の遅
延時間を小さく（大きく）することができるものであ
る。

【００３４】パルスレーザ光源１から出力されビームス
プリッタ２で一部透過した光束は、平面ミラー３４、３
５および３６で順次反射され、偏光ビームスプリッタ２
２を透過してｐ偏光となる。このｐ偏光の光束は、第２
の実施形態と同様に、可動直角ミラー２３と固定直角ミ
ラー２４との間で３往復して、１／４波長板２５を経て
固定平面ミラー２６に垂直に入射して反射され、再び、
１／４波長板２５を経て、可動直角ミラー２３と固定直
角ミラー２４との間で３往復して、偏光ビームスプリッ
タ２２に到達する。この時、光束はｓ偏光となっている
ので、偏光ビームスプリッタ２２で反射され、ビームエ
クスパンダ１７でビーム径が拡大されて光カーゲート１
２に照射される。

【００３５】一方、パルスレーザ光源１から出力されビ
ームスプリッタ２で一部反射された光束は、平面ミラー
２７および２８で順次反射され、偏光ビームスプリッタ
２９を透過してｐ偏光となる。このｐ偏光の光束も、可
動直角ミラー３０と固定直角ミラー３１との間で３往復
して、１／４波長板３２を経て固定平面ミラー３３に垂
直に入射して反射され、再び、１／４波長板３２を経
て、可動直角ミラー３０と固定直角ミラー３１との間で
３往復して、偏光ビームスプリッタ２９に到達する。こ
の時、光束はｓ偏光となっているので、偏光ビームスプ
リッタ２９で反射され、第２高調波発生器３に入射して
１／２波長とされ、ビームエクスパンダ４でビーム径が
拡大されて、パルス励起光５となる。以降は、第１の実
施形態と同様である。

【００３６】ここで、偏光ビームスプリッタ２２から可
動直角ミラー２３に向かう光束の光軸と、偏光ビームス
プリッタ２９から可動直角ミラー３０に向かう光束の光
軸とは、互いに平行であり、また、可動直角ミラー２３
および可動直角ミラー３０は、可動ステージ３７の上に
固定配置され、これらは一体となって、偏光ビームスプ
リッタ２２から可動直角ミラー２３に向かう光束の光軸
と平行な方向に移動することができる。

【００３７】したがって、可動ステージ３７をΔｘだけ
移動させると、発光１０が光カーゲート１２に到達する
時刻は、１２Δｘ／ｃだけ変化し、ゲートパルス光１８
が光カーゲート１２に到達する時刻は、−１２Δｘ／ｃ
だけ変化する。すなわち、可動ステージ３７の位置変化
量Δｘに対して、発光１０およびゲートパルス光１８そ
れぞれが光カーゲート１２に到達する時刻差の変化量Δ
ｔは、 Δｔ＝２４Δｘ／ｃ … (3) で表される。これを第２の実施形態における（２）式と
比較すると、可動直角ミラーの位置変化量が同じであっ
ても、本実施形態の方がゲートパルス光１８の遅延時間
を２倍大きく変化させることができる。これにより、よ
り寿命の長い発光標識の観測が可能となる。

【００３８】（第４の実施形態）次に、第４の実施形態
について説明する。図４は、第４の実施形態に係る時間
分解発光イメージング装置の構成図である。本実施形態
は、第１の実施形態と比較して、光カーゲート１２は平
板形状であるとともに、発光１０が光カーゲート１２の
一方の面に入射し、ゲートパルス光１８が光カーゲート
１２の他方の面に入射し、かつ、それぞれの入射角が同
一である点で異なる。

【００３９】前述の第１の実施形態においては、発光１
０は光カーゲート１２の面に垂直に入射するのに対し、
ゲートパルス光１８は光カーゲート１２の面に対して斜
めに入射する。それ故、光カーゲート１２の面上の各位
置にとってゲートパルス光１８が到達する時刻が異なる
ため、光カーゲート１２の面上の各位置で透過する発光
１０は、異なる時刻で発生したものとなり、時間的なボ
ケが生じて２次元光検出器２０に受光される。この時間
的なボケの問題は、光学的ゲート手段のゲート動作が高
速であるほど顕著になる。本実施形態は、この時間的な
ボケを生じさせることなく、発光を時間分解測定するこ
とができるものである。

【００４０】本実施形態において、(1) パルスレーザ光
源１から出力されビームスプリッタ２で分岐された一方
の光束を第２高調波発生器３で１／２波長にして生成さ
れたパルス励起光５が、ビームエクスパンダ４、ダイク
ロイックミラー６および対物レンズ７を経て試料８に照
射される励起光学系、(2) 試料８で発生した発光１０
が、対物レンズ７、ダイクロイックミラー６、励起光吸
収フィルタ９および偏光子１１を経て、光カーゲート１
２に至るまでの発光光学系、および、(3) 光カーゲート
１２から出射された発光１０が、検光子１３および結像
レンズ１９を経て２次元光検出器２０に結像・検出され
る光学系、は第１の実施形態とほぼ同様である。但し、
発光１０が光カーゲート１２に入射する角度が、第１の
実施形態では直角であったのに対して、本実施形態で
は、光カーゲート１２の面に対して角度θ（≠９０度）
で入射する点で異なり、また、光カーゲート１２と２次
元光検出器２０との間の光路上にゲートパルス光吸収フ
ィルタ３９が設けられている点で異なる。

【００４１】一方、パルスレーザ光源１から出力されビ
ームスプリッタ２で分岐された他方の光束は、可動直角
ミラー１４で反射され、平面ミラー１５，３６および３
８で順次反射され、ビームエクスパンダ１７でビーム径
が拡大されて、ゲートパルス光１８として光カーゲート
１２に入射する。このゲートパルス光１８に遅延を与え
る為の可動直角ミラー１４は、第１の実施形態と同様で
ある。しかし、第１の実施形態と異なり、ゲートパルス
光１８は、光カーゲート１２の裏面に対して角度θで入
射する。なお、このゲートパルス光１８は、光カーゲー
ト１２の裏面で一部が反射されて２次元光検出器２０の
方向に向かうが、ゲートパルス光吸収フィルタ３９によ
って吸収されるので２次元光検出器２０に到達すること
はない。

【００４２】このように、発光１０とゲートパルス光１
８とを、光カーゲート１２の面に対して対称に入射させ
ると、光カーゲート１２の面上の各位置において、発光
１０とゲートパルス光１８との光路長の差が同じとな
る。したがって、ゲートパルス光１８の入射に伴って光
カーゲート１２を通過する発光１０は、試料８において
同時刻に発生したものとなるので、２次元光検出器２０
は、時間的ボケのない発光１０の像を得ることができ
る。時間的ボケが特に顕著な問題となる高速なゲート動
作が可能な光学的ゲート手段が用いられる場合であって
も、シャープな発光像を高い時間分解能で測定すること
ができる。

【００４３】（第５の実施形態）次に、第５の実施形態
について説明する。図５は、第５の実施形態に係る時間
分解発光イメージング装置の構成図である。本実施形態
は、偏光子、光カーゲートおよび検光子を２組備えて、
発光の互いに直交する２つの偏光方向それぞれについて
受光し、発光の異方性を測定することができるものであ
る。

【００４４】本実施形態において、パルスレーザ光源１
から出力されビームスプリッタ２で分岐された一方の光
束を第２高調波発生器３で１／２波長にして生成された
パルス励起光５は、ビームエクスパンダ４、１／２波長
板４２、ダイクロイックミラー６および対物レンズ７を
経て試料８に照射され、試料８で発生した発光１０は、
対物レンズ７およびダイクロイックミラー６を経て、励
起光吸収フィルタ９に至る。

【００４５】この励起光吸収フィルタ９を透過した発光
１０は、偏光ビームスプリッタ（発光分岐手段）４０に
よってｐ偏光とｓ偏光に分岐される。発光１０のうち偏
光ビームスプリッタ４０を透過したｐ偏光の光束は、ダ
イクロイックミラー４１を透過し、そして、光カーゲー
ト１２に入射する。発光１０のうち偏光ビームスプリッ
タ４０で反射したｓ偏光の光束は、ダイクロイックミラ
ー４３を透過し、そして、光カーゲート４４に入射す
る。

【００４６】一方、パルスレーザ光源１から出力されビ
ームスプリッタ２で分岐された他方の光束が、可動直角
ミラー１４で反射され、平面ミラー１５で反射され、ビ
ームエクスパンダ１７でビーム径が拡大されてゲートパ
ルス光１８が形成されるまでの光学系も、第１の実施形
態と同様である。

【００４７】このゲートパルス光１８は、ビームスプリ
ッタ（ゲートパルス光分岐手段）４６によって強度比１
対１で反射・透過して２光束に分岐され、一方の光束
が、ダイクロイックミラー４１で反射され、光カーゲー
ト１２に入射し、他方の光束が、ダイクロイックミラー
４３で反射され、光カーゲート４４に入射する。

【００４８】光カーゲート１２に、偏光ビームスプリッ
タ４０から到達した発光１０のｐ偏光成分と、ビームス
プリッタ４６を透過したゲートパルス光１８とが同一入
射角度で入射するように、ダイクロイックミラー４１の
配置角度を決めることにより、光カーゲート１２を通過
する発光１０は、試料８で同時刻に発生したものとな
る。そして、この光カーゲート１２を通過した発光１０
は、検光子１３を経て、ゲートパルス光吸収フィルタ３
９を透過し、結像レンズ１９によって２次元光検出器２
０の受光面に結像される。このようにして２次元光検出
器２０は、試料８で同時刻に発生した発光１０のｐ偏光
成分の光像を受光する。

【００４９】同様に、光カーゲート４４に、偏光ビーム
スプリッタ４０から到達した発光１０のｓ偏光成分と、
ビームスプリッタ４３で反射したゲートパルス光１８と
が同一入射角度で入射するように、ダイクロイックミラ
ー４３の配置角度を決めることにより、光カーゲート４
４を通過する発光１０は、試料８で同時刻に発生したも
のとなる。そして、この光カーゲート４４を通過した発
光１０は、検光子４５を経て、ゲートパルス光吸収フィ
ルタ４７を透過し、結像レンズ４８によって２次元光検
出器４９の受光面に結像される。このようにして２次元
光検出器４９は、試料８で同時刻に発生した発光１０の
ｓ偏光成分の光像を受光する。

【００５０】ここで、２次元光検出器２０および４９そ
れぞれは、試料８で同一時刻に発生したものを同一時間
だけ受光することが好ましい。このようにすれば、２次
元光検出器２０および４９それぞれで受光した光像を比
較して、直ちに発光の異方性を求めることができる。光
カーゲート１２および４４に入射するゲートパルス光１
８は、元は同一の光束をビームスプリッタ４６で分岐し
たものであるので、同一のパルス幅である。したがっ
て、２次元光検出器２０および４９それぞれは、発光１
０を同一時間だけ受光する。また、光カーゲート１２に
到達する発光１０およびゲートパルス光１８それぞれの
到達時刻の差と、光カーゲート４４に到達する発光１０
およびゲートパルス光１８それぞれの到達時刻の差とが
等しくなるように、各光学部品を配置することにより、
２次元光検出器２０および４９それぞれは、同一時刻に
発生した発光１０を受光することができる。

【００５１】そして、処理装置２１は、２次元光検出器
２０および４９それぞれで受光した光像を入力し、両者
の差に基づいて、試料８からの発光の異方性を求めるこ
とができる。また、可動直角ミラー１４を移動させるこ
とによって、その異方性の時間変化が得られ、その異方
性の時間変化から発光分子の回転緩和時間を求めること
ができ、これによって、高い時間分解能かつ短い周期で
発光分子の運動に関する情報を得ることができる。

【００５２】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく種々の変形が可能である。例えば、以下のよう
な構成としてもよい。

【００５３】上記実施形態においては、偏光子、光カー
ゲートおよび検光子からなる光学的ゲート手段を用いた
が、可飽和吸収体を用いても同様に光学的ゲート手段を
実現することができる。可飽和吸収体は、試料で生じた
弱い発光のみが入射するとこれを吸収するが、光量の大
きなゲートパルス光が照射されると、吸収遷移に関与す
る２つの準位それぞれにおける分子数分布の差が小さく
なり吸収の飽和が生じて、試料からの発光を吸収するこ
となく透過させるものである。このようにして、可飽和
吸収体は、ゲートパルス光が照射している時には発光を
透過することができ、すなわち、光学的ゲート手段とし
て用いられ得る。この可飽和吸収体として例えばポリメ
チンシアニド色素が用いられ、応答速度は数十ピコ秒程
度である。また、この可飽和吸収体とともに偏光子を用
いれば、発光の所定の方向の直線偏光成分のみを検出す
ることができる。

【００５４】また、試料から発生した発光の平均的な時
間変化のみを測定すれば充分である場合には、光学的ゲ
ート手段を通過した光束を検出する光検出器は、その光
束を光像として検出するものではなく、単に光量を検出
するものでもよい。

【００５５】また、光路長可変手段は、パルスレーザ光
源から出力されたパルス光を分岐するビームスプリッタ
（光束分岐手段）と試料との間の励起光学系の光路上、
あるいは、ビームスプリッタ（光束分岐手段）と光学的
ゲート手段との間のゲート光学系だけでなく、試料と光
学的ゲート手段との間の発光光学系の光路上に設けられ
てもよい。また、これら３つの光学系のうちの任意の２
つの光学系に設けられてもよく、これら３つの光学系の
全てに設けられてもよい。さらに、複数の光学系に設け
られる場合でも、それぞれが独立して光路長を設定する
こととしてもよいし、また、第３の実施形態のように互
いに連動して光路長を設定することとしてもよい。

【００５６】また、可動直角ミラーや固定直角ミラーの
構成は、上記実施形態で述べた構成に限られるものでは
なく、例えば、３枚の反射面で構成されたコーナーキュ
ーブ形状のリトロリフレクタを用いてもよいし、より多
数の反射鏡を組み合わせて構成されてもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり本発明によ
れば、まず、パルス光源から出力されたパルス光は、光
束分岐手段によって第１および第２の光束に分岐され
る。第１の光束に基づいて励起光学系によって形成され
たパルス励起光は被測定試料に照射され、これによって
生じた発光は、発光光学系によって光学的ゲート手段に
導かれる。一方、第２の光束に基づいてゲート光学系に
よって形成されたゲートパルス光は、光学的ゲート手段
に導かれる。発光は、ゲートパルス光が入射している時
には、光学的ゲート手段を透過し光検出手段によって検
出されるが、そうでない時には、透過することができな
い。そして、励起光学系および発光光学系の光路長とゲ
ート光学系の光路長との間の光路長差が光路長可変手段
によって可変に設定される。光学的ゲート手段として、
光カー媒質や可飽和吸収体からなるものが利用される。

【００５８】このように光学的ゲート手段を用いたの
で、発光の透過・遮断の高速かつ短い周期のゲート動作
が可能であるので、時間分解能が高い測定が可能とな
り、また、数十ＭＨｚ周期でパルス光を出力するパルス
光源を用いた場合でも、そのパルス光すべてを有効に利
用することができる。特に、変化の速い生物試料のダイ
ナミクスについても、生物試料へ与えるダメージを最小
限にして測定することができる。

【００５９】また、光路長可変手段として、少なくとも
一方が移動可能であって相互間で光束を複数回往復させ
る１対の反射鏡群を用いることにより、僅かな移動量に
対して大きな光路長差を得ることができるので、高い時
間分解能かつ短い周期で測定できることに加えて、発光
を長時間に亘って時間分解測定することも可能になる。

【００６０】また、光学的ゲート手段を平板形状とする
とともに、発光とゲートパルス光とを当該平板面に対し
て対称に入射させることにより、被測定試料上の各位置
で同時刻に生じた発光が光学的ゲート手段を透過するこ
とができるので、時間的ボケのない発光の像を検出する
ことができる。時間的ボケが特に顕著な問題となる高速
ゲート動作が可能な光学的ゲート手段が用いられる場合
であっても、シャープな発光像を高い時間分解能で測定
することができる。

【００６１】また、光学的ゲート手段および光検出手段
を２組備えて、それぞれが発光の互いに異なる方向の直
線偏光成分を検出することにより、発光の異方性を求め
ることができ、さらに、その異方性の時間変化から発光
分子の回転緩和時間を求めることができ、これによっ
て、高い時間分解能かつ短い周期で発光分子の運動に関
する情報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る時間分解発光イメージン
グ装置の構成図である。

【図２】第２の実施形態に係る時間分解発光イメージン
グ装置の構成図である。

【図３】第３の実施形態に係る時間分解発光イメージン
グ装置の構成図である。

【図４】第４の実施形態に係る時間分解発光イメージン
グ装置の構成図である。

【図５】第５の実施形態に係る時間分解発光イメージン
グ装置の構成図である。

【図６】従来の時間分解発光イメージング装置の構成図
である。

【符号の説明】

１…パルスレーザ光源、２…ビームスプリッタ、３…第
２高調波発生器、４…ビームエクスパンダ、５…パルス
励起光、６…ダイクロイックミラー、７…対物レンズ、
８…試料、９…励起光吸収フィルタ、１０…発光、１１
…偏光子、１２…光カーゲート、１３…検光子、１４…
可動直角ミラー、１５…平面ミラー、１６…１／２波長
板、１７…ビームエクスパンダ、１８…ゲートパルス
光、１９…結像レンズ、２０…２次元光検出器、２１…
処理装置、２２…偏光ビームスプリッタ、２３…可動直
角ミラー、２４…固定直角ミラー、２５…１／４波長
板、２６…固定平面ミラー、２７，２８…平面ミラー、
２９…偏光ビームスプリッタ、３０…可動直角ミラー、
３１…固定直角ミラー、３２…１／４波長板、３３…固
定平面ミラー、３４，３５，３６…平面ミラー、３７…
可動ステージ、３８…平面ミラー、３９…ゲートパルス
光吸収フィルタ、４０…偏光ビームスプリッタ、４１…
ダイクロイックミラー、４２…１／２波長板、４３…ダ
イクロイックミラー、４４…光カーゲート、４５…検光
子、４６…ビームスプリッタ、４７…ゲートパルス光吸
収フィルタ、４８…結像レンズ、４９…２次元光検出
器。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス光を出力するパルス光源と、 前記パルス光を分岐して第１の光束と第２の光束とを生
   成する光束分岐手段と、 前記第１の光束に基づいてパルス励起光を形成し、前記
   パルス励起光を被測定試料に照射する励起光学系と、 前記被測定試料に前記パルス励起光が照射されて生じた
   発光を入射して所定位置に導く発光光学系と、 前記第２の光束に基づいてゲートパルス光を形成し、前
   記所定位置に導くゲート光学系と、 前記所定位置に配され、前記ゲートパルス光が入射して
   いる時には前記発光を透過させ、そうでない時には前記
   発光を透過させない第１の光学的ゲート手段と、 前記第１の光学的ゲート手段から出射された前記発光を
   検出する第１の光検出手段と、 前記励起光学系および前記発光光学系の光路長と、前記
   ゲート光学系の光路長との間の光路長差を設定する光路
   長可変手段と、 を備えることを特徴とする時間分解発光イメージング装
   置。
2. 【請求項２】 前記光路長可変手段は、 前記ゲート光学系の光路上に互いに対向して配置された
   １対の反射鏡群と、 前記１対の反射鏡群のうち少なくとも一方を、前記光束
   分岐手段から到達した光束の光軸に平行な方向に移動す
   る移動手段と、 を備え、 前記光束分岐手段から到達した光束を、前記１対の反射
   鏡群の間で少なくとも１回以上往復させた後、前記所定
   位置に向けて出射する、 ことを特徴とする請求項１記載の時間分解発光イメージ
   ング装置。
3. 【請求項３】 前記光路長可変手段は、 前記励起光学系の光路上に互いに対向して配置された１
   対の反射鏡群と、 前記１対の反射鏡群のうち少なくとも一方を、前記光束
   分岐手段から到達した光束の光軸に平行な方向に移動す
   る移動手段と、 を備え、 前記光束分岐手段から到達した光束を、前記１対の反射
   鏡群の間で少なくとも１回以上往復させた後、前記被測
   定試料に向けて出射する、 ことを特徴とする請求項１記載の時間分解発光イメージ
   ング装置。
4. 【請求項４】 前記光路長可変手段は、 前記発光光学系の光路上に互いに対向して配置された１
   対の反射鏡群と、 前記１対の反射鏡群のうち少なくとも一方を、前記被測
   定試料から到達した光束の光軸に平行な方向に移動する
   移動手段と、 を備え、 前記被測定試料から到達した光束を、前記１対の反射鏡
   群の間で少なくとも１回以上往復させた後、前記所定位
   置に向けて出射する、 ことを特徴とする請求項１記載の時間分解発光イメージ
   ング装置。
5. 【請求項５】 前記光路長可変手段は、前記ゲート光学
   系と前記励起光学系の光路長または前記ゲート光学系と
   前記発光光学系の光路長について、一方を増加させ他方
   を減少させる、ことを特徴とする請求項１記載の時間分
   解発光イメージング装置。
6. 【請求項６】 前記発光光学系の光路上に設けられ前記
   発光の一部を反射し残部を透過させ、透過した前記発光
   を前記第１の光学的ゲート手段に入射させる発光分岐手
   段と、 前記ゲート光学系の光路上に設けられ前記ゲートパルス
   光の一部を反射し残部を透過させ、透過した前記ゲート
   パルス光を前記第１の光学的ゲート手段に入射させるゲ
   ートパルス光分岐手段と、 前記発光分岐手段で反射された前記発光と、前記ゲート
   パルス光分岐手段で反射された前記ゲートパルス光とを
   入射し、前記ゲートパルス光が入射している時には前記
   発光を透過させ、そうでない時には前記発光を透過させ
   ない第２の光学的ゲート手段と、 前記第２の光学的ゲート手段から出射された前記発光を
   検出する第２の光検出手段と、 を更に備え、 前記第１および前記第２の光検出手段それぞれは、前記
   発光の互いに異なる方向の直線偏光成分それぞれを検出
   する、 ことを特徴とする請求項１記載の時間分解発光イメージ
   ング装置。
7. 【請求項７】 前記第１の光学的ゲート手段は、平板形
   状であるとともに、前記発光と前記ゲートパルス光とを
   当該平板面に対して対称に入射させる、ことを特徴とす
   る請求項１記載の時間分解発光イメージング装置。
8. 【請求項８】 前記第２の光学的ゲート手段は、平板形
   状であるとともに、前記発光と前記ゲートパルス光とを
   当該平板面に対して対称に入射させる、ことを特徴とす
   る請求項６記載の時間分解発光イメージング装置。
9. 【請求項９】 前記第１の光学的ゲート手段は、 前記発光を入射し、第１の方向の直線偏光の光束を出射
   する偏光子と、 前記ゲートパルス光および前記偏光子から出射された光
   束を入射し、前記ゲートパルス光の光量に応じて複屈折
   率が変化して、前記偏光子から出射された光束を、前記
   ゲートパルス光の光量に応じた楕円率の楕円偏光に変換
   して出射する光カー効果を利用した光カーゲートと、 前記光カーゲートから出射された光束を入射し、前記第
   １の方向と直交する第２の方向の直線偏光の光束を出射
   する検光子と、 を備えることを特徴とする請求項１記載の時間分解発光
   イメージング装置。
10. 【請求項１０】 前記第２の光学的ゲート手段は、 前記発光を入射し、第３の方向の直線偏光の光束を出射
    する偏光子と、 前記ゲートパルス光および前記偏光子から出射された光
    束を入射し、前記ゲートパルス光の光量に応じて複屈折
    率が変化して、前記偏光子から出射された光束を、前記
    ゲートパルス光の光量に応じた楕円率の楕円偏光に変換
    して出射する光カー効果を利用した光カーゲートと、 前記光カーゲートから出射された光束を入射し、前記第
    ３の方向と直交する第４の方向の直線偏光の光束を出射
    する検光子と、 を備えることを特徴とする請求項６記載の時間分解発光
    イメージング装置。
11. 【請求項１１】 前記第１の光学的ゲート手段は、前記
    ゲートパルス光が入射している時には前記発光を透過
    し、そうでない時には前記発光を透過させない可飽和吸
    収体を備える、ことを特徴とする請求項１記載の時間分
    解発光イメージング装置。
12. 【請求項１２】 前記第２の光学的ゲート手段は、前記
    ゲートパルス光が入射している時には前記発光を透過
    し、そうでない時には前記発光を透過させない可飽和吸
    収体を備える、ことを特徴とする請求項６記載の時間分
    解発光イメージング装置。