面発光レーザアレイを用いた超並列共焦点顕微鏡システムの研究

面发射激光阵列大规模并行共焦显微系统研究

基本信息

批准号：
13750040
负责人：
成瀬誠
金额：
$ 1.15万
依托单位：
National Institute of Information and Communications Technology (2002)The University of Tokyo (2001)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

3次元的動態・形態の観測を可能とした共焦点レーザ顕微鏡は、医学・生物学等諸分野における計測装置として広く用いられるようになった。しかし、既存のレーザ共焦点顕微鏡は、原則として走査機構を採用しており、このため1秒間に最大30フレームの処理が限界であり、微生物のように高速に運動する対象の形態や高速な生体反応・化学反応をリアルタイムで解析し、制御することは困難である。一方で、近年の集積化光デバイスの進展は目覚しく、2次元アレイ状の並列で高密度な面発光レーザや受光素子が実現されており、これらをレーザ顕微鏡に応用すれば、並列データ取得機能・処理機能など様々なメリットが生まれて来る。そこで本年度は、面発光レーザアレイの超並列性に適合した最適な共焦点光学系を設計・実装し、実験的検証を行った。通常の顕微鏡光学系では、軸外から出射したレーザ光は受光面において適正に結像しない。すなわち、出射面及び受光面は超並列性を持つにも関わらず、光学系の不備のために本来の性能を活かすことができない。そこで本研究では、並列の光源アレイ面が、これに対応した受光面に対して、光軸からの距離が10mm以内の領域において均一に結像する光学系を最適設計し、実現した。ディストーションおよび像面湾曲を像高によらず一様となるようにしている。なお、深さ方向の分解能として、50倍の対物レンズ(NA0.75)を用いたとき半値幅1.2μmを得た。また、発光部・受光部をモジュラーな構造とし、ペリクルミラーを用いたアライメントモニタリングシステムも内蔵させたことで、様々な実験的試みを可能としている。

共焦激光显微镜能够观察三维动力学和形态，作为测量设备已广泛应用于医学和生物学等各个领域。然而，现有的激光共焦显微镜基本采用扫描机制，限制了每秒最多30帧的处理，难以实时分析和控制反应和化学反应。另一方面，近年来集成光学器件的进展十分显着，已经实现了平行、高密度面发射激光器和光电探测器的二维阵列，如果将它们应用于激光显微镜，并行数据获取功能和处理功能等各种好处。因此，今年，我们设计并实现了适合面发射激光器阵列大规模并行性的最优共焦光学系统，并进行了实验验证。在普通的显微镜光学系统中，从离轴发射的激光不能在光接收表面上正确地形成图像。即，即使出射面和受光面具有很大的平行度，由于光学系统的缺陷，也无法发挥本来的性能。因此，在本研究中，我们优化设计并实现了一种光学系统，其中平行光源阵列平面在距光轴10mm范围内的相应光接收表面上均匀成像。无论图像高度如何，畸变和场曲都是均匀的。至于深度方向的分辨率，当使用50倍物镜(NA 0.75)时获得1.2μm的半值宽度。此外，光发射和光接收部分具有模块化结构，并且使用薄膜镜的内置对准监控系统使得可以进行各种实验实验。