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

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。

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。