JP4996428B2 - Apparatus and method for measuring moisture content in thin section sample - Google Patents

Apparatus and method for measuring moisture content in thin section sample Download PDF

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Description

本発明は、テラヘルツ光を利用した薄切片試料の含有水分量測定装置および方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the moisture content of a thin slice sample using terahertz light.

本出願において、およそ0.1〜100THzの周波数を有する電磁波、すなわちこの領域の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘルツ波」と呼び、「THz波」と記載する。   In the present application, an electromagnetic wave having a frequency of approximately 0.1 to 100 THz, that is, far infrared rays and submillimeter waves in this region are referred to as “terahertz waves” and described as “THz waves”.

テラヘルツ波(THz波)の発生手段として、例えば特許文献1、非特許文献2が既に開示されている。また非特許文献1は関連する先行文献であり、非特許文献3は未公開の文献である。   For example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 have already been disclosed as means for generating terahertz waves (THz waves). Non-patent document 1 is a related prior document, and non-patent document 3 is an unpublished document.

特許文献1は、任意の周波数のテラヘルツ波を任意の時間に発生させることを目的とする。
このため、この発明では、図11の装置において、KTP結晶58は、励起光源51からの光を入射して、配置角度に応じた第1及び第2の波長の光を発生する。ガルバノスキャナ52は、ふたつのKTP結晶58の配置角度を定める。ガルバノスキャナ制御部57は、主制御部55からの制御信号に従い、ガルバノスキャナ58の駆動を制御してKTP結晶58の配置角度を定めさせる。主制御部55の記憶部には、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させるための第1及び第2の波長と、該波長を出力するKTP結晶58の配置角度を定めるための制御信号とが予め記憶される。主制御部55は、記憶部を参照して所望の周波数に対応する各制御電圧を取得し、該制御電圧をガルバノスキャナ制御部57に出力する。テラヘルツ波発生用結晶53は、KTP結晶58からの第1及び第2の波長の差に応じてテラヘルツ波を出力するものである。
Patent Document 1 aims to generate a terahertz wave having an arbitrary frequency at an arbitrary time.
Therefore, according to the present invention, in the apparatus shown in FIG. 11, the KTP crystal 58 receives light from the excitation light source 51 and generates light having the first and second wavelengths according to the arrangement angle. The galvano scanner 52 determines the arrangement angle of the two KTP crystals 58. The galvano scanner control unit 57 controls the drive of the galvano scanner 58 according to the control signal from the main control unit 55 to determine the arrangement angle of the KTP crystal 58. In the storage unit of the main control unit 55, first and second wavelengths for generating a terahertz wave having a desired frequency and a control signal for determining an arrangement angle of the KTP crystal 58 that outputs the wavelength are stored in advance. Remembered. The main control unit 55 refers to the storage unit, acquires each control voltage corresponding to a desired frequency, and outputs the control voltage to the galvano scanner control unit 57. The terahertz wave generating crystal 53 outputs a terahertz wave according to the difference between the first and second wavelengths from the KTP crystal 58.

非特許文献2は、1〜3THzの周波数帯域において、LiNbO結晶の誘導ポラリトン散乱を利用したTHz波光源である。このTHz波光源は、迅速周波数変化という点においてリング共振器型テラヘルツ波パラメトリック発振器(リングTPO)が数ミリ秒で周波数同調が可能な光源である。 Non-Patent Document 2 is a THz wave light source using stimulated polariton scattering of LiNbO 3 crystal in a frequency band of 1 to 3 THz. This THz wave light source is a light source capable of frequency tuning in a few milliseconds by a ring resonator type terahertz wave parametric oscillator (ring TPO) in terms of rapid frequency change.

非特許文献3は、2つの異なる波長のレーザ光を非線形光学結晶へ入射してそれらの差周波数分のテラヘルツ波を発生させる差周波発生法である。   Non-Patent Document 3 is a difference frequency generation method in which laser beams having two different wavelengths are incident on a nonlinear optical crystal and a terahertz wave corresponding to the difference frequency is generated.

特開2006−215222号公報、「テラヘルツ波発生装置及び分光測定装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-215222, “Terahertz Wave Generator and Spectrometer”

J.K.Vij, D.R.J.Simpson, O.E.Panarina, Far infrared spectroscopy of water at different temperatures: GHz to THz dielectric spectroscopy of water, J.Mole.Liquids,vol.112,pp.125−135,2004.J. et al. K. Vij, D.D. R. J. et al. Simpson, O.M. E. Panarina, Far infrared spectroscopy of water at differential temperatures: GHz to THz differential spectroscopy of water, J. MoI. Mol. Liquids, vol. 112, pp. 125-135, 2004. Hiroaki Minamide, Atsushi Sato, Tomofumi Ikari, Hiromasa Ito,“All−in−one THz−wave parametric source driven by a compact LD−pumped Q−switched Nd:YAG laser”,CLEO/Pacciffic Rim 2007,Seoul,Korea,August,2007Hiroaki Minamide, Atsushi Sato, Tomofumi Ikari, Hiromasa Ito, "All-in-one THz-wave parametric source driven by a compact LD-pumped Q-switched Nd: YAG laser", CLEO / Pacciffic Rim 2007, Seoul, Korea, August , 2007 Hiromasa Ito, Koji Suizu, Tomoyu Yamashita, Akira Nawahara and Tomohisa Sato,“Random frequency accessible broad tunable terahertz−wave source using phase−matched 4−dimethylamino−N−methyl−4−stilbazolium tosylate (DAST) crystal”,JJAP To be publishedHiromasa Ito, Koji Suizu, Tomoyu Yamashita, Akira Nawahara and Tomohisa Sato, "Random frequency accessible broad tunable terahertz-wave source using phase-matched 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate (DAST) crystal", JJAP To be published

テラヘルツ波電磁周波数領域は、光波と電波の境に位置する電磁周波数領域である。分光学的な特長としてTHz波帯には多くの指紋スペクトルと呼ばれる分子固有の吸収スペクトルが存在することから、製品検査技術や医療診断技術開発の分野において重要な役割を果たすと期待されている。   The terahertz wave electromagnetic frequency region is an electromagnetic frequency region located at the boundary between light waves and radio waves. As a spectroscopic feature, there are many molecular specific absorption spectra called fingerprint spectra in the THz wave band, and it is expected to play an important role in the field of product inspection technology and medical diagnostic technology development.

また、THz波は水に強く吸収されるという特長を有することから、応用研究上、水分の取り扱いが重要となる。そのため、従来の医学応用に向けた研究では、生体組織を乾燥させて試料として用いられてきた。   In addition, since THz waves are strongly absorbed by water, handling of moisture is important for applied research. For this reason, in conventional research for medical applications, biological tissues have been dried and used as samples.

物質中の水分量の測定は、物性研究や産業界における製品管理においても有用な情報を提供する。
また特に、医学臨床分野における病理診断などの病理臨床分野では、水分量と病理組織の密接な関係が示唆されており、生体組織を乾燥させることなく、その水分量を簡易かつ迅速に測定することが要望されている。
Measuring the amount of water in a substance provides useful information for physical property research and product management in industry.
In particular, in the pathological clinical field such as pathological diagnosis in the medical clinical field, the close relationship between the water content and the pathological tissue is suggested, and the water content should be measured easily and quickly without drying the living tissue. Is desired.

そこで、THz波の水の強い吸収を積極的に利用した水分量測定に関する研究が近年、活発になされている。すなわち、THz波を利用すれば薄い試料においても十分な透過光の減衰が得られることから、THz波を利用した葉の水分量モニターによる植物の活性評価に関する報告や、反射光学系を用いた病理診断の可能性が報告されている。   In recent years, therefore, research on water content measurement that actively uses strong absorption of THz wave water has been actively conducted. That is, if the THz wave is used, sufficient attenuation of the transmitted light can be obtained even in a thin sample. Therefore, a report on the activity evaluation of the plant by monitoring the moisture content of the leaf using the THz wave, and the pathology using the reflection optical system. The possibility of diagnosis has been reported.

しかし、従来の手段では、生体試料のような薄切片試料中の水分量を簡易かつ迅速に測定することは困難であった。
また、THz波の透過率を利用する場合でも、適正な透過率を得るために試料の厚さ調整が不可欠であり、特に生体組織の場合に試料の厚さ調整に手間を要していた。
However, it has been difficult for conventional means to easily and quickly measure the amount of water in a thin slice sample such as a biological sample.
Even when the transmittance of THz waves is used, it is indispensable to adjust the thickness of the sample in order to obtain an appropriate transmittance. In particular, in the case of a living tissue, it takes time and effort to adjust the thickness of the sample.

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、生体試料のような薄切片試料中の水分量を簡易かつ迅速に高精度で測定することができ、かつ試料の精密な厚さ調整なしに適正な透過率を得ることができる薄切片試料の含有水分量測定装置および方法を提供することにある。   The present invention has been developed to solve such problems. That is, the object of the present invention is to be able to easily and quickly measure the amount of water in a thin slice sample such as a biological sample, and to obtain an appropriate transmittance without precise thickness adjustment of the sample. An object of the present invention is to provide a device and method for measuring the water content of a thin slice sample.

本発明によれば、所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割する光波分割素子と、
前記参照光の強度を検出する参照光検出器と、
前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する照射光学系と、
前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出器と、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算装置と、
前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御装置とを備えた、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定装置が提供される。
According to the present invention, a terahertz wave generator that generates an arbitrary frequency continuously or discontinuously as a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band;
A light wave dividing element for dividing the terahertz wave into incident light and reference light;
A reference light detector for detecting the intensity of the reference light;
An irradiation optical system for condensing and irradiating a part of the thin-section sample with the incident light;
A transmitted light detector for detecting the transmitted light intensity of the terahertz wave transmitted through the thin slice sample;
An arithmetic device for calculating the transmittance and moisture content of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity;
A device for measuring the moisture content of a thin-section sample is provided, comprising: a frequency control device that feeds back the transmittance to control the frequency of generation of terahertz waves.

本発明の好ましい実施形態によれば、前記周波数制御装置は、前記透過率が所定の最適範囲内になるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。   According to a preferred embodiment of the present invention, the frequency control device controls the generation frequency of the terahertz wave so that the transmittance is within a predetermined optimum range.

また本発明によれば、所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生ステップと、
前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割するテラヘルツ波分割ステップと、
前記参照光の強度を検出する参照光検出ステップと、
前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する入射光照射ステップと、
前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出ステップと、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算ステップと、
前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御ステップとを有する、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定方法が提供される。
According to the present invention, the terahertz wave is generated in a predetermined frequency band as a pulse wave or a continuous wave, and an arbitrary frequency is generated continuously or discontinuously.
A terahertz wave dividing step for dividing the terahertz wave into incident light and reference light;
A reference light detection step for detecting the intensity of the reference light;
Incident light irradiation step of collecting and irradiating the incident light on a part of the thin slice sample;
A transmitted light detection step of detecting the transmitted light intensity of the terahertz wave transmitted through the thin slice sample;
A calculation step of calculating the transmittance and moisture content of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity,
There is provided a method for measuring the moisture content of a thin slice sample, comprising a frequency control step of controlling the frequency of generation of terahertz waves by feeding back the transmittance.

本発明の好ましい実施形態によれば、前記演算ステップにおいて、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Tを求め、
薄切片試料の厚さdを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、
水分の吸収係数αから薄切片試料の含有水分の体積分率νを求める。
According to a preferred embodiment of the present invention, in the calculation step,
Obtain the transmittance T of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity,
Using the thickness d of the thin-section sample, the absorption coefficient α of the sample is obtained by the Lambert-Beer law,
From the moisture absorption coefficient α w , the volume fraction ν w of moisture contained in the thin slice sample is determined.

また、前記周波数制御ステップにおいて、前記透過率TがT=0.22〜0.55となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。   In the frequency control step, the generation frequency of the terahertz wave is controlled so that the transmittance T is T = 0.22 to 0.55.

本発明は、生体組織中における水の占める割合が大きいこと、およびTHz波周波数帯では水の吸収係数が比較的強いことを利用して、薄切片中の任意の領域(THz波の照射領域)の水分量を、透過法を利用して測定するものである。   The present invention takes advantage of the fact that the proportion of water in the living tissue is large and that the absorption coefficient of water is relatively strong in the THz wave frequency band. The water content is measured using a permeation method.

すなわち、上記本発明の装置及び方法によれば、テラヘルツ波発生器により、所定の周波数帯域(例えば1〜6THzの周波数範囲)においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生することができる。
また、光波分割素子(例えばハーフミラー)と参照光検出器(例えばSiボロメータ)により、入射光強度を精密に測定することができ、照射光学系(例えば集光レンズ)と透過光検出器(例えばSiボロメータ)により、透過光強度を精密に測定することができる。
さらに、演算装置(例えばPC)により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Tと含有水分量(含有水分の体積分率ν)を演算することができる。
That is, according to the above-described apparatus and method of the present invention, a terahertz wave is continuously or discontinuously converted into a pulse wave or a continuous wave by a terahertz wave generator in a predetermined frequency band (for example, a frequency range of 1 to 6 THz). Any frequency can be generated.
Further, the incident light intensity can be accurately measured by a light wave splitting element (for example, a half mirror) and a reference light detector (for example, Si bolometer), and an irradiation optical system (for example, a condensing lens) and a transmitted light detector (for example, for example). The transmitted light intensity can be accurately measured by a Si bolometer).
Further, the transmittance T and the water content (volume fraction ν w of the water content) of the irradiated portion of the thin slice sample can be calculated from the incident light intensity and the transmitted light intensity by an arithmetic device (for example, PC).

また、周波数制御装置(例えばPC)により、透過率Tをフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御するので、透過率Tが所定の最適範囲内(例えばT=0.22〜0.55)となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御することができ、最高感度に近い高い感度を確保することができる。   Further, since the transmission frequency T is fed back by the frequency control device (for example, PC) to control the generation frequency of the terahertz wave, the transmission T is within a predetermined optimum range (for example, T = 0.22 to 0.55). Thus, the generation frequency of the terahertz wave can be controlled, and high sensitivity close to the maximum sensitivity can be ensured.

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明による薄切片試料の含有水分量測定装置の全体構成図である。
この図において、本発明の含有水分量測定装置10は、テラヘルツ波発生器12、光波分割素子14、参照光検出器16、照射光学系18、透過光検出器20、演算装置22および周波数制御装置24を備える。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a moisture content measuring apparatus for thin slice samples according to the present invention.
In this figure, the moisture content measuring apparatus 10 of the present invention includes a terahertz wave generator 12, a light wave dividing element 14, a reference light detector 16, an irradiation optical system 18, a transmitted light detector 20, an arithmetic device 22, and a frequency control device. 24.

テラヘルツ波発生器12は、所定の周波数帯域(例えば1〜6THzの周波数範囲)においてテラヘルツ波2を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生する。
光波分割素子14は、例えばハーフミラーであり、テラヘルツ波2を入射光3と参照光4に一定の比率で分割する。
参照光検出器16は、第1のテラヘルツ波検出器であり、参照光4の強度を検出する。参照光検出器16は、例えばSiボロメータである。
照射光学系18は、例えば集光レンズであり、入射光3を薄切片試料1(被測定物)の一部に集光して照射する。以下、薄切片試料1を単に「試料1」と呼ぶ。
透過光検出器20は、第2のテラヘルツ波検出器であり、薄切片試料1を透過したテラヘルツ波5(透過光)の透過光強度を検出する。透過光検出器20は、例えばSiボロメータである。
The terahertz wave generator 12 generates an arbitrary frequency continuously or discontinuously by using the terahertz wave 2 as a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band (for example, a frequency range of 1 to 6 THz).
The light wave dividing element 14 is, for example, a half mirror, and divides the terahertz wave 2 into incident light 3 and reference light 4 at a certain ratio.
The reference light detector 16 is a first terahertz wave detector and detects the intensity of the reference light 4. The reference light detector 16 is, for example, a Si bolometer.
The irradiation optical system 18 is, for example, a condensing lens, and condenses incident light 3 onto a part of the thin slice sample 1 (measurement object). Hereinafter, the thin-section sample 1 is simply referred to as “sample 1”.
The transmitted light detector 20 is a second terahertz wave detector, and detects the transmitted light intensity of the terahertz wave 5 (transmitted light) transmitted through the thin slice sample 1. The transmitted light detector 20 is, for example, a Si bolometer.

演算装置22は、例えばコンピュータ(例えばPC)であり、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する。
周波数制御装置24は、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波2の発生周波数を制御する。この周波数制御装置24は、透過率Tが所定の最適範囲内になるようにテラヘルツ波2の発生周波数を制御する。所定の最適範囲は、例えばT=0.22〜0.55の範囲である。
また、薄切片試料1(例えば生体組織)を2次元的に走査可能な機構を備え、水分量の面内分布測定を可能にすることが好ましい。
The calculation device 22 is, for example, a computer (for example, PC), and calculates the transmittance and moisture content of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity.
The frequency control device 24 feeds back the transmittance and controls the generation frequency of the terahertz wave 2. The frequency control device 24 controls the generation frequency of the terahertz wave 2 so that the transmittance T falls within a predetermined optimum range. The predetermined optimum range is, for example, a range of T = 0.22 to 0.55.
In addition, it is preferable to provide a mechanism capable of two-dimensionally scanning the thin slice sample 1 (for example, a biological tissue) to enable measurement of the in-plane distribution of water content.

図2は、本発明を構成するテラヘルツ波発生器12の一実施形態を示す図である。この図において、テラヘルツ波発生器12は、2波長光源32および非線形光学材料34を備える。   FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the terahertz wave generator 12 constituting the present invention. In this figure, the terahertz wave generator 12 includes a two-wavelength light source 32 and a nonlinear optical material 34.

2波長光源32は、異なる2波長の光を出射する。
この例において、2波長光源32は、2つのバルクKTP結晶32a,32b、ミラーM1,M2,M3、及びレーザ発振器33からなる2波長光パラメトリック発振器であり、波長λ、λの2波長のレーザ光7,8を出射する。このうち、波長λは例えば1250〜1650nmで可変とし、折り返し配置にした2つのKTP結晶32a,32bの角度をガルバノスキャナで制御することによりλの波長を所望のテラヘルツ周波数に合わせて1250〜1650nmで可変できるようになっている。
この構成により、0.01THzの間隔でテラヘルツ周波数を連続的又はパルス的に発生させることができる。
なお本発明は異なる2波長の光7,8を出射できる限りで、この構成に限定されない。
The two-wavelength light source 32 emits light having two different wavelengths.
In this example, the two-wavelength light source 32 is a two-wavelength optical parametric oscillator including two bulk KTP crystals 32a and 32b, mirrors M1, M2 and M3, and a laser oscillator 33, and has two wavelengths λ 1 and λ 2 . Laser beams 7 and 8 are emitted. Among these, the wavelength λ 1 is variable, for example, from 1250 to 1650 nm, and the angle of the two KTP crystals 32a and 32b in the folded arrangement is controlled by a galvano scanner, so that the wavelength of λ 2 matches the desired terahertz frequency and 1250 It can be varied at 1650 nm.
With this configuration, terahertz frequencies can be generated continuously or in pulses at intervals of 0.01 THz.
The present invention is not limited to this configuration as long as it can emit light 7 and 8 having two different wavelengths.

図2において、2波長光源32からの波長λ、λの2波長のレーザ光7,8は、ミラーM4,M5とレンズLを介して非線形光学材料34の表面に対し垂直に入射する。なお、本発明において、ミラーM4,M5とレンズLは必須ではなく、これらを省略することもできる。 In FIG. 2, two-wavelength laser beams 7 and 8 of wavelengths λ 1 and λ 2 from a two-wavelength light source 32 are perpendicularly incident on the surface of the nonlinear optical material 34 via mirrors M4 and M5 and a lens L. In the present invention, the mirrors M4 and M5 and the lens L are not essential, and they can be omitted.

非線形光学材料34は、2波長λ、λの光7,8から光差周波発生(DFG)によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波2を発生する。
非線形光学材料34は、DAST結晶(4−N,N−dimethylamino−4−N’−methyl−stylbazolium tosylate)、MNA(2−methyl−4−nitroaniline)、LiNbO、KTP、LiIO、GaSe、GaP、GaN、ZnSe、ZnTe、またはZGPが好ましく、特にDAST結晶が好ましい。
The nonlinear optical material 34 generates a terahertz wave 2 corresponding to the difference frequency from the light 7 and 8 having two wavelengths λ 1 and λ 2 by optical difference frequency generation (DFG).
Non-linear optical material 34 includes DAST crystal (4-N, N-dimethylamino-4-N′-methyl-stylbazolium tosylate), MNA (2-methyl-4-nitroaniline), LiNbO 3 , KTP, LiIO, GaSe, GaP, GaN, ZnSe, ZnTe, or ZGP is preferable, and a DAST crystal is particularly preferable.

DAST結晶は、DASTの飽和エタノール溶液を冷却する再結晶法で約2cm角、厚さ1mm以上の結晶が製造可能である。この矩形平板面上に分子の分極方向(a軸)を有し、外部からa軸偏光の励起電界を印加すると分極波が生じ、非線形光学効果から励起電界と異なる周波数の光が発生する。従って、このDAST結晶を広帯域テラヘルツ帯の発生に用いることができる。   The DAST crystal can be produced by a recrystallization method in which a saturated ethanol solution of DAST is cooled, and a crystal having a thickness of about 2 cm square and a thickness of 1 mm or more can be produced. This rectangular flat surface has a molecular polarization direction (a-axis). When an a-axis polarized excitation electric field is applied from the outside, a polarization wave is generated, and light having a frequency different from that of the excitation electric field is generated due to a nonlinear optical effect. Therefore, this DAST crystal can be used to generate a broadband terahertz band.

なお、図2において、31は制御記録装置(例えばPC)であり、2波長光源32を制御し、計測されたテラヘルツ波3の強度を記録するとともに、必要な解析を行う。また35は表示装置であり、計測結果及び解析結果を表示するようになっている。
また、制御記録装置31は、図1における周波数制御装置24の機能を有し、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波2の発生周波数を制御してもよい。
In FIG. 2, reference numeral 31 denotes a control recording device (for example, PC) which controls the two-wavelength light source 32 to record the measured intensity of the terahertz wave 3 and perform necessary analysis. Reference numeral 35 denotes a display device that displays measurement results and analysis results.
Further, the control recording device 31 may have the function of the frequency control device 24 in FIG. 1 and may control the generation frequency of the terahertz wave 2 by feeding back the transmittance.

なお、テラヘルツ波発生器12は、図2の構成に限定されず、所定の周波数帯域(例えば1〜6THzの周波数範囲)においてテラヘルツ波2を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生することができる限りで、その他の構成であってもよい。   The terahertz wave generator 12 is not limited to the configuration shown in FIG. 2, and the terahertz wave 2 is continuously or discontinuously converted into a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band (for example, a frequency range of 1 to 6 THz). Other configurations may be used as long as an arbitrary frequency can be generated.

図3は、本発明による薄切片試料の含有水分量測定方法の全体フロー図である。
この図において、本発明の含有水分量測定方法は、テラヘルツ波発生ステップS1、テラヘルツ波分割ステップS2、参照光検出ステップS3、入射光照射ステップS4、透過光検出ステップS5、演算ステップS6、および周波数制御ステップS7の各ステップを有する。
テラヘルツ波発生ステップS1では、所定の周波数帯域(例えば1〜6THzの周波数範囲)においてテラヘルツ波2を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生する。
テラヘルツ波分割ステップS2では、テラヘルツ波2を入射光3と参照光4に分割する。
参照光検出ステップS3では、参照光3の強度を検出する。
入射光照射ステップS4では、入射光4を薄切片試料1の一部に集光して照射する。
透過光検出ステップS5では、薄切片試料1を透過したテラヘルツ波5(透過光)の透過光強度を検出する。
FIG. 3 is an overall flow diagram of the method for measuring the water content of a thin slice sample according to the present invention.
In this figure, the water content measurement method of the present invention includes a terahertz wave generation step S1, a terahertz wave division step S2, a reference light detection step S3, an incident light irradiation step S4, a transmitted light detection step S5, a calculation step S6, and a frequency. Each step of the control step S7 is included.
In the terahertz wave generation step S1, an arbitrary frequency is generated continuously or discontinuously using the terahertz wave 2 as a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band (for example, a frequency range of 1 to 6 THz).
In the terahertz wave dividing step S <b> 2, the terahertz wave 2 is divided into incident light 3 and reference light 4.
In the reference light detection step S3, the intensity of the reference light 3 is detected.
In the incident light irradiation step S4, the incident light 4 is condensed on a part of the thin slice sample 1 and irradiated.
In the transmitted light detection step S5, the transmitted light intensity of the terahertz wave 5 (transmitted light) transmitted through the thin slice sample 1 is detected.

演算ステップS6では、入射光強度と透過光強度から薄切片試料1の照射部分の透過率と含有水分量を演算する。
この演算ステップS6において、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Tを求め、薄切片試料の厚さdを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、水分の吸収係数αから薄切片試料の含有水分の体積分率νを求める。
演算ステップS6における計算内容は後述する。
In the calculation step S6, the transmittance and moisture content of the irradiated portion of the thin slice sample 1 are calculated from the incident light intensity and the transmitted light intensity.
In this calculation step S6, the transmittance T of the irradiated portion of the thin slice sample is obtained from the incident light intensity and the transmitted light intensity, and the absorption coefficient α of the sample is determined by the Lambert-Beer law using the thickness d of the thin slice sample. The volume fraction ν w of water contained in the thin slice sample is obtained from the water absorption coefficient α w .
The calculation contents in the calculation step S6 will be described later.

周波数制御ステップS7では、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する。
この周波数制御ステップS7において、透過率TがT=0.22〜0.55となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。
In the frequency control step S7, the transmission frequency is fed back to control the generation frequency of the terahertz wave.
In this frequency control step S7, the generation frequency of the terahertz wave is controlled so that the transmittance T is T = 0.22 to 0.55.

上述した本発明の装置及び方法によれば、テラヘルツ波発生器12により、所定の周波数帯域(例えば1〜6THzの周波数範囲)においてテラヘルツ波2を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生することができる。
また、光波分割素子14と参照光検出器16により、入射光強度Iinを精密に測定することがで、照射光学系18と透過光検出器20により、透過光強度Ioutを精密に測定することができる。
さらに、演算装置22により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Tと含有水分量(生体組織中の含有水分の体積分率ν)を演算することができる。
According to the apparatus and method of the present invention described above, the terahertz wave generator 12 continuously or discontinuously converts the terahertz wave 2 as a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band (for example, a frequency range of 1 to 6 THz). Any frequency can be generated.
Further, the incident light intensity I in can be accurately measured by the light wave splitting element 14 and the reference light detector 16, and the transmitted light intensity I out can be accurately measured by the irradiation optical system 18 and the transmitted light detector 20. be able to.
Furthermore, the calculation device 22 can calculate the transmittance T and the amount of moisture contained in the irradiated portion of the thin-section sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity (volume fraction ν w of moisture contained in the living tissue).

また、周波数制御装置24により、透過率Tをフィードバックしてテラヘルツ波2の発生周波数を制御するので、透過率Tが所定の最適範囲内(例えばT=0.22〜0.55)になるようにテラヘルツ波2の発生周波数を制御することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
Further, since the frequency T is fed back by the frequency control device 24 to control the frequency at which the terahertz wave 2 is generated, the transmittance T falls within a predetermined optimum range (for example, T = 0.22 to 0.55). In addition, the generation frequency of the terahertz wave 2 can be controlled.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1.測定原理
初めに、本発明の測定原理を説明する。
図4は、本発明の測定原理図である。
この図に示すような構成において、光が試料1に入射すると、反射、吸収、透過を繰り返す。この場合において、試料1に対する入射強度と透過強度の関係は、ランベルト・ベール(Lambert−Beer)の法則により数1の式(1)で記述される。
ここで、Iinは試料1への入射強度、Ioutは試料1からの透過強度、αは試料の吸収係数、dは試料の厚さである。なお「光」は、テラヘルツ波に限定されない。
1. Measurement Principle First, the measurement principle of the present invention will be described.
FIG. 4 is a measurement principle diagram of the present invention.
In the configuration shown in this figure, when light enters the sample 1, reflection, absorption, and transmission are repeated. In this case, the relationship between the incident intensity and the transmitted intensity with respect to the sample 1 is described by the equation (1) of Formula 1 according to the Lambert-Beer law.
Here, I in is the incident intensity to the sample 1, I out is the transmitted intensity from the sample 1, α is the absorption coefficient of the sample, and d is the thickness of the sample. “Light” is not limited to terahertz waves.

次に、試料1が水分(添字wで示す)および水分以外の成分(添字nwで示す)で構成されていると考えると、試料1の吸収係数αは、水分による吸収と水分以外の吸収に分けて考えることができ、試料の吸収係数αは数1の式(2)で表わせる。
ここで、水分の吸収係数をα、水分以外の成分の吸収係数をαnwとする。また、試料中の水分が占める体積の割合、つまり含有水分の体積分率をνとし、水分以外の成分の体積分率をνnwとする。
Next, assuming that the sample 1 is composed of moisture (indicated by the suffix w) and components other than moisture (indicated by the suffix nw), the absorption coefficient α of the sample 1 is determined by absorption by moisture and absorption by other than moisture. The absorption coefficient α of the sample can be expressed by Equation (2) in Equation 1.
Here, the absorption coefficient of moisture is α w , and the absorption coefficient of components other than moisture is α nw . Further, the volume ratio of the moisture in the sample, that is, the volume fraction of the contained water is ν w, and the volume fraction of the components other than moisture is ν nw .

生体組織中の水分の吸収係数αはν=1(100[vol%])における吸収係数であり、水分以外の吸収係数αnwはνnw=1(100[vol%])における吸収係数である。また、含有水分の体積分率νと水分以外の成分の体積分率νnwの関係はν+νnw=1・・・式(2a)が成り立つ。 The absorption coefficient α w of moisture in the living tissue is an absorption coefficient at ν w = 1 (100 [vol%]), and the absorption coefficient α nw other than moisture is an absorption coefficient at ν nw = 1 (100 [vol%]). It is. Further, the relationship between the volume fraction ν w of the contained water and the volume fraction ν nw of the components other than moisture is given by ν w + ν nw = 1 (2a).

次に、生体組織の構成要素として、水分とそれ以外の成分を考えると、水分による吸収係数αがそれ以外の吸収係数αnwに比べると十分大きいと考えることができ、数1の式(3)が成り立つ。 Next, considering moisture and other components as components of living tissue, it can be considered that the absorption coefficient α w due to moisture is sufficiently larger than the other absorption coefficient α nw. 3) holds.

また、生体組織中の含有水分の体積分率νは他の体積分率νnwに比べ同等か大きいと考えることができ、数1の式(4)が成り立つ。
従って、試料の吸収係数αは主に水分によるものと考えると、試料の吸収係数αは数1の式(5)のように近似できる。
Moreover, it can be considered that the volume fraction ν w of the moisture contained in the living tissue is equal to or larger than other volume fractions ν nw , and Equation (4) of Formula 1 is established.
Therefore, if it is considered that the absorption coefficient α of the sample is mainly due to moisture, the absorption coefficient α of the sample can be approximated as shown in Equation (5).

Figure 0004996428
Figure 0004996428

式(5)より、水分の吸収係数αが既知であれば、式(1)と式(5)の関係を用いてTHz波の透過率Tから含有水分の体積分率νが求まる。ここで、測定結果として含有水分の体積分率ν、すなわち生体組織中に占める水分の体積の割合が求まることになるので、生体組織単位体積あたりに含まれる水分の質量m[g/L]は、水分の密度D[g/L]を用いて、m=D×ν・・・式(5a)となる。
つまり、生体組織による吸収係数αを水による吸収係数αと近似することで、THz波を生態組織に照射し、その透過率を測定するという簡易な測定法において、THz波が照射された領域の水分量測定(生体組織単位体積あたりに含まれる水分の質量mの測定)が可能となる。
If the moisture absorption coefficient α w is known from the equation (5), the volume fraction ν w of the contained moisture can be obtained from the transmittance T of the THz wave using the relationship between the equations (1) and (5). Here, as a measurement result, the volume fraction of contained water ν w , that is, the ratio of the volume of moisture in the living tissue is obtained, and therefore the mass m [g / L] of moisture contained in the living tissue unit volume. Is expressed as m = D × ν w (5a) using the moisture density D [g / L].
That is, in a simple measurement method of irradiating an ecological tissue with a THz wave by approximating the absorption coefficient α w by the living tissue with the absorption coefficient α w by water, the region irradiated with the THz wave is measured. Can be measured (measurement of the mass m of water contained per unit volume of living tissue).

2.近似により生じる誤差の見積もり
本発明の方法では、生体組織のTHz波の吸収を含有水分によるものと仮定している。この仮定、つまり式(5)による近似によって生じる誤差について以下検討する。
2. Estimation of errors caused by approximation In the method of the present invention, it is assumed that the absorption of THz waves in living tissue is due to the contained water. The error caused by this assumption, that is, approximation by the equation (5) will be examined below.

上述した測定原理より、測定される含有水分の体積分率は見かけ体積分率ν として測定される。見かけ体積分率ν は、水分の吸収係数αと水分以外の吸収係数αnwおよび、生体組織中に含まれている真の水分の体積分率νを用いて数2の式(6)で表わされる。 From the measurement principle described above, the volume fraction of the water content to be measured is measured as an apparent volume fraction [nu 'w. Apparent volume fraction [nu 'w, the water absorption coefficient alpha nw and non absorption coefficient alpha w and moisture, number 2 with the volume fraction [nu w true water contained in biological tissue formula ( 6).

よって、式(6)より測定される体積分率ν は数2の式(7)のようになる。 Therefore, the volume fraction [nu 'w measured from the equation (6) becomes Expression 2 (7).

ここで、真の水分の体積分率νは式(7)の第1項であるので、同式の右辺第2項の成分が、仮定によって生じる誤差として寄与していることが分かる。 次に、誤差の定量的な解析のために、真の含有水分の体積分率νと測定された見かけの水分の体積分率ν のずれの程度として相対誤差Eを用いる。相対誤差Eは数2の式(8)ように表わせる。 Here, since the volume fraction ν w of the true water is the first term of the equation (7), it can be seen that the component of the second term on the right side of the equation contributes as an error caused by the assumption. Next, in order to quantitatively analyze the error, the relative error E is used as the degree of deviation between the volume fraction ν w of the true water content and the measured volume fraction ν w of the apparent moisture. The relative error E can be expressed as the following equation (8).

Figure 0004996428
Figure 0004996428

式(8)より、式(5)の近似によって生じる誤差Eは、水分nとそれ以外の成分の吸収係数の比αnw/αおよび体積分率比に依存することが分かる。つまり、水分と水分以外の成分の吸収係数の比が大きく、かつ高い含有水分の体積分率の測定において相対誤差が小さくなることが分かる。 From the equation (8), it can be seen that the error E caused by the approximation of the equation (5) depends on the absorption coefficient ratio α nw / α w and the volume fraction ratio of the moisture n and the other components. That is, it can be seen that the ratio of the absorption coefficient of moisture to components other than moisture is large, and the relative error is small in the measurement of the volume fraction of high moisture content.

図5は、水分体積分率と相対誤差との関係図である。この図は、水分および水分以外の吸収係数の比をパラメータにして、真の含有水分の体積分率νと測定された見かけの水分の体積分率ν の、仮定によって生じる相対誤差を計算したものである。
図中の斜線領域は、生体組織中の水分の体積分率として0.5〜0.9および、吸収係数の比として0.1〜0.01の領域を示している。つまり、この条件での測定では式(5)の仮定によって生じる誤差は最大10%となり、最小で0.1%以下で測定が可能であることを示している。
FIG. 5 is a relationship diagram between the moisture volume fraction and the relative error. This figure shows the relative error caused by the assumption of the volume fraction ν w of the true moisture content and the measured volume fraction ν w of the apparent moisture, with the ratio of the absorption coefficient other than moisture and moisture as a parameter. It is calculated.
The hatched area in the figure indicates an area having a volume fraction of water in the living tissue of 0.5 to 0.9 and an absorption coefficient ratio of 0.1 to 0.01. That is, in the measurement under this condition, the error caused by the assumption of Equation (5) is 10% at the maximum, and the measurement can be performed at the minimum of 0.1% or less.

3.最適透過率の決定
THz波による水分量の測定では式(1)のように透過測定法に基づいている。まず、透過測定法における最適な透過率について検討する。透過測定法における透過率は測定感度と密接な関係がある。感度を見積もるためには、式(1)を用いて吸収係数αの微小変化率Δα/αに対する、透過率の微小変化を検討すればよい。この変化は式(1)を用いて数3の式(9)のように表わされる。
3. Determination of optimal transmittance The measurement of the amount of water by THz waves is based on the transmission measurement method as shown in equation (1). First, the optimum transmittance in the transmission measurement method is examined. The transmittance in the transmission measurement method is closely related to the measurement sensitivity. In order to estimate the sensitivity, it is only necessary to examine the minute change in transmittance with respect to the minute change rate Δα / α of the absorption coefficient α using the equation (1). This change is expressed by the following equation (9) using equation (1).

次に、感度sは、吸収係数αの微小変化率Δα/αとそれによって生じる透過率の変化ΔTの比として定義される。感度sは数3の式(10)のようになる。   Next, the sensitivity s is defined as the ratio between the minute change rate Δα / α of the absorption coefficient α and the transmittance change ΔT caused thereby. The sensitivity s is expressed by Equation (10) in Equation 3.

図6は、透過率と感度の関係図である。
式(10)はT=0.368において極大をとる関数である。図6は、感度sの透過率依存性を示しており、透過率T=0.368のとき極大値を取り、このとき、感度s=0.368となり最大になることが分かる。したがって、透過測定法を用いた水分量の測定には、透過率36.8%付近に設定することが好ましい。
FIG. 6 is a relationship diagram between transmittance and sensitivity.
Equation (10) is a function that takes a maximum at T = 0.368. FIG. 6 shows the dependency of the sensitivity s on the transmittance. When the transmittance T = 0.368, the maximum value is obtained. At this time, the sensitivity s = 0.368, which is the maximum. Therefore, it is preferable to set the transmittance around 36.8% for the measurement of water content using the transmission measurement method.

また、透過率T=0.368となる条件は、含有水分による体積分率のみで決定されると仮定すると数3の式(11)の関係となる。
一般的に、吸収係数αは周波数の関数であり、α(f)と書き換えることが出来る。つまり、式(11)は数3の式(12)となる。
Further, assuming that the condition for the transmittance T = 0.368 is determined only by the volume fraction due to the contained water, the relationship of Expression (11) in Equation 3 is established.
In general, the absorption coefficient α w is a function of frequency and can be rewritten as α w (f). That is, Expression (11) becomes Expression (12) of Expression 3.

生体組織中に含まれる水分量の測定では、前述したように含有水分の体積分率νを測定することになるので、νは未知数である。未知数νに対して式(12)を満足するためには、少なくとも厚さdを変化させる方法、もしくは吸収係数α(f)を変化させる方法が考えられる。 In the measurement of the amount of water contained in the living tissue, the volume fraction ν w of the contained water is measured as described above, so ν w is an unknown number. In order to satisfy the equation (12) for the unknown ν w , at least a method of changing the thickness d or a method of changing the absorption coefficient α w (f) can be considered.

生体組織を試料1として用いた場合、厚さdを変化させる方法は作業を複雑にするため、簡易な方法とはいえない。一方、吸収係数が周波数の関数α(f)として与えられることに着目すると、厚さdを変えなくても、測定する周波数を変化させるだけで、νが未知数の条件で式(12)を満たすことが出来ることが分かる。 When a biological tissue is used as the sample 1, the method of changing the thickness d complicates the operation and cannot be said to be a simple method. On the other hand, focusing on the fact that the absorption coefficient is given as a function α w (f) of the frequency, even if the thickness d is not changed, only the frequency to be measured is changed, and ν w is unknown under the condition of unknown (12) It can be seen that

ここで、透過率Tの変動を伴う測定においては、透過率にある程度許容範囲を与える必要がある。つまり、式(12)の条件に対して感度sにある程度許容を与えたとする。例えば感度が10%程度低下する範囲を透過率の許容範囲とすると、図6より10%感度が低下する透過率の範囲はT=0.22〜0.55となる。つまり、吸収係数と厚さ、体積分率の関係は数3の式(13)となる。   Here, in the measurement accompanied by the variation of the transmittance T, it is necessary to give a certain tolerance to the transmittance. That is, it is assumed that the sensitivity s is allowed to some extent with respect to the condition of Expression (12). For example, assuming that the range in which the sensitivity is reduced by about 10% is an allowable range of transmittance, the range of the transmittance in which the sensitivity is reduced by 10% is T = 0.22 to 0.55 from FIG. In other words, the relationship between the absorption coefficient, the thickness, and the volume fraction is expressed by Equation (13) in Equation 3.

Figure 0004996428
Figure 0004996428

4.試料の厚さの決定
含有水分の体積分率νの測定に用いる試料の厚さについて議論する。まず、本測定では水のTHz波帯の吸収係数が重要になる。図7は非特許文献1を基に計算した水の吸収係数である。1〜6THzでは、吸収係数が200cm−1から1400cm−1の範囲で、周波数の増加に伴い単調に増加していることが分かる。
4). Determination of the thickness of the sample The thickness of the sample used for the measurement of the volume fraction ν w of the water content will be discussed. First, in this measurement, the absorption coefficient of the THz wave band of water becomes important. FIG. 7 shows the water absorption coefficient calculated based on Non-Patent Document 1. In 1~6THz, in the range of absorption coefficient 1400 cm -1 from 200 cm -1, it can be seen that monotonically increases with increasing frequency.

図8は、含有水分の体積分率νをパラメータとしたときに、T=0.368となる吸収係数αと厚さdの関係を示す。ここでパラメータは体積分率であり、ν=0.2からν=0.9として計算した結果を図中実線で示す。また、図中の斜線領域は、ν=0.2およびν=0.9に対して式(13)を満たす厚さの範囲である。 8, when the volume fraction [nu w of moisture content as a parameter indicating the relationship between the absorption coefficient becomes T = 0.368 alpha w and thickness d. Here, the parameter is a volume fraction, and the calculation result with ν w = 0.2 to ν w = 0.9 is shown by a solid line in the figure. In addition, the shaded area in the figure is a thickness range that satisfies Equation (13) with respect to ν w = 0.2 and ν w = 0.9.

図8よりある体積分率では吸収係数が大きくなるにつれて式(13)の条件を満たす試料の厚さは薄くなることが分かる。図7よりTHz波の吸収係数は、1〜6THzで約200から1400cm−1を変化しているので、体積分率が0.2から0.9の間にある試料に対して式(13)を満たしながら測定するためには、厚さの範囲は、10から250μmの範囲となる。 It can be seen from FIG. 8 that at a certain volume fraction, as the absorption coefficient increases, the thickness of the sample that satisfies the expression (13) decreases. From FIG. 7, the absorption coefficient of the THz wave varies from about 200 to 1400 cm −1 at 1 to 6 THz, so that the equation (13) is obtained for a sample whose volume fraction is between 0.2 and 0.9. In order to measure while satisfying the above, the thickness range is in the range of 10 to 250 μm.

一方、医学・生物分野では、凍結ミクロトームによって作製した薄切片試料が広く使われており、その厚さは凡そ2μmから200μmである。図8中の両矢印で示す領域はミクロトームで作製可能な典型的な厚さの範囲である。   On the other hand, in the medical / biological field, a thin slice sample prepared by a freezing microtome is widely used, and its thickness is about 2 μm to 200 μm. A region indicated by a double-pointed arrow in FIG. 8 is a typical thickness range that can be produced by a microtome.

THz波の吸収係数で測定可能な試料の厚さ範囲とほぼ一致している。そのため、THz波を利用することで凍結ミクロトームで作製した生体組織切片中の水分含有量の測定が可能となる。よって、本発明は、従来の試料作製技術と融合できる利点があり、より広い分野に適応可能であると考えられる。   It almost coincides with the thickness range of the sample that can be measured by the absorption coefficient of the THz wave. Therefore, it is possible to measure the water content in a biological tissue section produced by a frozen microtome by using a THz wave. Therefore, the present invention has an advantage that it can be combined with a conventional sample preparation technique, and is considered to be applicable to a wider field.

薄切片試料中の含有水分量の測定における、試料の厚さとTHz周波数、および測定可能な体積分率の関係について議論する。水の吸収係数は図7に示すように周波数fによって変化する。そのため、吸収係数αと厚さdの関係は、図9のように周波数fと厚さdの関係とすることができる。図9から周波数の帯域によって、T=0.368となるdが異なる。たとえば、1から3THz では、50から100μm程度の試料の厚さに対応している。また、高周波側では、比較的薄い試料に対応している。 The relationship between the thickness of the sample, the THz frequency, and the measurable volume fraction in the measurement of the water content in the thin slice sample will be discussed. The water absorption coefficient varies depending on the frequency f as shown in FIG. Therefore, the relationship between the absorption coefficient αw and the thickness d can be the relationship between the frequency f and the thickness d as shown in FIG. From FIG. 9, d where T = 0.368 differs depending on the frequency band. For example, 1 to 3 THz corresponds to a sample thickness of about 50 to 100 μm. On the high frequency side, it corresponds to a relatively thin sample.

5.最適周波数の決定
次に、図10に厚さdをパラメータとしたときの周波数fと含有水分の体積分率νの関係を示す。1〜6THzの周波数領域で、最もνの範囲が広く取れるのはd=40μmのときであり、このときν=0.2以上の測定が可能となる。
5. Determination of Optimal Frequency Next, FIG. 10 shows the relationship between the frequency f and the volume fraction ν w of the contained water when the thickness d is a parameter. In the frequency range of 1 to 6 THz, the widest range of ν w is obtained when d = 40 μm, and at this time, measurement of ν w = 0.2 or more is possible.

つまり、試料の厚さが自由に準備できるのであれば厚さ40μm程度の試料をもちいれば広い範囲のνに対して行えることになる。また、νの測定においては、まず、透過率をモニターしながら測定する周波数を変化させて透過率がT=0.368付近になるような周波数fを決定して、水分量の測定を行うことになる。したがって、本測定法においては、広帯域かつ周波数可変THz波光源がキーデバイスとなる。 In other words, if the thickness of the sample can be freely prepared, it can be performed over a wide range of ν w if a sample having a thickness of about 40 μm is used. In the measurement of ν w , first, the frequency f is measured while changing the transmittance while monitoring the transmittance to determine the frequency f so that the transmittance is near T = 0.368, and the moisture content is measured. It will be. Therefore, in this measurement method, a broadband and frequency variable THz wave light source is a key device.

6.装置構成
本発明では単一周波数(例えば周波数変動が0.01〜0.1THz)のテラヘルツ波を用いて試料の水分量を測定するが、最適感度で測定を行うには、水分量および厚さに応じて周波数を変化させなければならない。更に、実用性を考えれば、迅速に測定できる必要がある。したがって、測定に用いるTHz波光源としては、迅速に周波数を変化できかつ、単色広帯域の周波数可変なTHz波光源が適している。
本発明の発明者らは、これまでに、非線形光学効果を用いたTHz波光源を開発し出願している。
6). Apparatus Configuration In the present invention, the moisture content of a sample is measured using a terahertz wave having a single frequency (for example, a frequency variation of 0.01 to 0.1 THz). The frequency must be changed according to Furthermore, considering practicality, it is necessary to be able to measure quickly. Therefore, as a THz wave light source used for measurement, a THz wave light source capable of changing the frequency quickly and having a monochromatic broadband frequency variable is suitable.
The inventors of the present invention have so far developed and filed a THz wave light source using a nonlinear optical effect.

非特許文献2は、1〜3THzの周波数帯域において、LiNbO結晶の誘導ポラリトン散乱を利用したTHz波光源であり、非特許文献3は、有機非線形結晶DASTを用いた差周波発生THz波光源であり2〜60THzにおける超広帯域周波数可変光源が実現されている。迅速周波数変化という点では、前者においてはリング共振器型テラヘルツ波パラメトリック発振器(リングTPO)が数ミリ秒で周波数同調が可能な光源であり、後者においては、ガルバノスキャナーコントロールによってKTP結晶の角度を調整することで、2波長励起光を瞬時変化可能な機構を有するTHz波光源が実現されている。 Non-Patent Document 2 is a THz wave light source using stimulated polariton scattering of LiNbO 3 crystal in a frequency band of 1 to 3 THz, and Non-Patent Document 3 is a difference frequency generation THz wave light source using organic nonlinear crystal DAST. Yes, an ultra-wideband frequency variable light source at 2-60 THz has been realized. In terms of rapid frequency change, in the former, a ring resonator type terahertz wave parametric oscillator (ring TPO) is a light source that can be tuned in a few milliseconds, and in the latter, the angle of the KTP crystal is adjusted by galvano scanner control. As a result, a THz wave light source having a mechanism capable of instantaneously changing the two-wavelength excitation light is realized.

上述した図1は、広帯域周波数可変THz波発生器を用いた本発明による水分量測定システムの概要図である。テラヘルツ波発生器12からのTHz波2は2光波3,4に分けられ、一方のTHz波3は対物レンズ18で集光され生体組織1を照射し透過したTHz波5が透過光検出器20で検出される。他方の光波は参照光4として参照光検出器16で検出される。検出された強度は、計測・データ処理および演算を経て透過率Tが計算される。ここで、既に述べたように、透過率T=0.368付近で感度が良いため、透過率を調整するためのフィードバック機構として、THz波光源の周波数制御装置24が重要となる。また、生体組織を2次元に走査可能な機構を有すれば水分量の面内分布測定が可能になる。   FIG. 1 described above is a schematic diagram of a moisture content measurement system according to the present invention using a wide-band frequency variable THz wave generator. The THz wave 2 from the terahertz wave generator 12 is divided into two light waves 3 and 4, and one THz wave 3 is collected by the objective lens 18 and irradiated to the living tissue 1 and transmitted through the transmitted THz wave 5. Is detected. The other light wave is detected by the reference light detector 16 as the reference light 4. The transmittance T is calculated from the detected intensity through measurement / data processing and calculation. Here, as already described, since the sensitivity is good in the vicinity of the transmittance T = 0.368, the frequency control device 24 of the THz wave light source is important as a feedback mechanism for adjusting the transmittance. In addition, if a mechanism capable of two-dimensionally scanning a living tissue is provided, it is possible to measure the in-plane distribution of moisture content.

7.THz波光源と測定濃度範囲の関係
リングTPOは発振THz周波数が1〜3THz波である。図9より1〜3THzの周波数範囲では、厚さ40μmの試料を用いた場合、ν=0.41〜1.0の範囲で式(12)を満たしながら測定が可能である。また、DAST結晶を用いたTHz波源ではν=0.19〜1.0の測定ができる。
7). Relationship between THz wave light source and measurement concentration range Ring TPO has an oscillation THz frequency of 1 to 3 THz wave. From FIG. 9, in the frequency range of 1 to 3 THz, when a sample having a thickness of 40 μm is used, measurement can be performed while satisfying Expression (12) in the range of ν w = 0.41 to 1.0. In addition, a THz wave source using a DAST crystal can measure ν w = 0.19 to 1.0.

上述したように、本発明では、THz波を用いた薄切片試料中の水分量測定法を提案した。本発明によれば、生体組織中の水の占める割合が大きいことと、THz波周波数帯の水の吸収係数がその他の構成成分による吸収に比べ大きいと仮定し、生体組織中のTHz波の吸収が水分によるものとすると、透過測定法による簡便な方法で水分量の測定が可能である。更に、生体組織中のTHz波の吸収が水分によるものとする仮定によって生じる誤差は、水およびその他の構成成分のTHz波帯の吸収係数の比およびそれらの体積分率の比で相対誤差が決まることが明らかとなった。   As described above, the present invention has proposed a method for measuring the amount of water in a thin slice sample using THz waves. According to the present invention, it is assumed that the proportion of water in the living tissue is large and that the absorption coefficient of water in the THz wave frequency band is larger than the absorption by other components, and the absorption of THz waves in the living tissue. If water is due to moisture, the moisture content can be measured by a simple method using a permeation measurement method. Furthermore, the error caused by the assumption that the absorption of THz waves in the living tissue is due to moisture is determined by the ratio of the absorption coefficient of the THz wave band of water and other components and the ratio of their volume fractions. It became clear.

次に、測定感度に関し、微小な体積分率の変化に対する透過率の変化で定義される感度は、透過率が36.8%のときに最大になることを見出し、高感度条件での測定のためには、透過率を調整する必要があることがわかった。
透過率の調整においては、吸収係数が周波数の関数であることと、THz波帯の水の吸収係数の周波数依存性が単調増加であることに着目して測定周波数を変化させて適度な透過率が得られることを提案した。
また、試料の厚さとしては1〜6THz波の吸収係数を考慮した場合に、40μmのとき最も広範囲で多含有水分の体積分率の測定が可能であることが明らかとなった。
Next, regarding the measurement sensitivity, it was found that the sensitivity defined by the change in transmittance with respect to a minute change in volume fraction was maximized when the transmittance was 36.8%. In order to achieve this, it has been found that the transmittance needs to be adjusted.
In the adjustment of the transmittance, an appropriate transmittance can be obtained by changing the measurement frequency by paying attention to the fact that the absorption coefficient is a function of frequency and the frequency dependence of the absorption coefficient of water in the THz wave band is monotonically increasing. It was proposed that
In addition, when considering the absorption coefficient of 1 to 6 THz wave as the thickness of the sample, it became clear that the volume fraction of the high water content can be measured in the widest range at 40 μm.

上述した本発明の装置及び方法によれば、例えば2波長光源32と有機非線形光学材料34とにより、異なる2波長の光7,8から光差周波発生(DFG)によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波2を発生するので、2波長7,8を可変波長にすることにより、所望の周波数のテラヘルツ波2を容易に発生させることができる。   According to the above-described apparatus and method of the present invention, for example, by the two-wavelength light source 32 and the organic nonlinear optical material 34, the difference between the two different wavelengths of light 7 and 8 is generated by optical difference frequency generation (DFG). Therefore, the terahertz wave 2 having a desired frequency can be easily generated by making the two wavelengths 7 and 8 variable.

また、演算装置22により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Tと含有水分量(薄切片試料の含有水分の体積分率ν)を演算することができる。 Further, the calculation device 22 can calculate the transmittance T and the amount of moisture contained in the irradiated portion of the thin slice sample (volume fraction ν w of the moisture contained in the thin slice sample) from the incident light intensity and the transmitted light intensity.

さらに、周波数制御装置24により、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波2の発生周波数を制御するので、透過率Tが所定の最適範囲内(例えばT=0.22〜0.55)となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御することができ、最高感度に近い高い感度を確保することができる。   Further, since the frequency control device 24 feeds back the transmittance to control the frequency at which the terahertz wave 2 is generated, the transmittance T falls within a predetermined optimum range (for example, T = 0.22 to 0.55). The generation frequency of the terahertz wave can be controlled, and high sensitivity close to the maximum sensitivity can be ensured.

また、透過法による濃度測定における透過率の調整は試料の厚さを変化させることが一般的であるが、本発明では、測定の簡易性および迅速性を得るために、吸収係数が周波数の関数であることおよび、水のTHz波帯の吸収係数の周波数分散が単調に変化していることを利用した透過率の調整方法を提案した。これによれば生体組織のように試料の厚さ調整に手間を要する測定条件において、簡易かつ迅速な測定が可能になる。   In addition, the adjustment of the transmittance in concentration measurement by the transmission method is generally performed by changing the thickness of the sample. In the present invention, in order to obtain the simplicity and speed of measurement, the absorption coefficient is a function of frequency. And a method for adjusting the transmittance using the fact that the frequency dispersion of the absorption coefficient of water in the THz wave band monotonously changes. This makes it possible to perform simple and rapid measurement under measurement conditions that require labor for adjusting the thickness of the sample, such as a biological tissue.

また、図1に示すように、被測定物1を2次元ステージ11上に固定し、被測定物1を走査してTHz波が照射する部位を変化させるか、もしくは、THz波ビームを走査して照射する位置を変化させることで、被測定物1の水分含有量の空間的な分布を測定することが可能になる。つまり、水分量の違いによって、物質の差別化が可能となる。また、水分量の測定結果を、各時間においてコンピューター内の記憶装置に記憶すれば水分量の計時変化をモニターできる。つまり、水分量の計時変化が測定が可能になる.   Further, as shown in FIG. 1, the device under test 1 is fixed on the two-dimensional stage 11, and the device under test 1 is scanned to change the portion irradiated with the THz wave, or the THz wave beam is scanned. It is possible to measure the spatial distribution of the moisture content of the DUT 1 by changing the irradiation position. In other words, substances can be differentiated by the difference in water content. In addition, if the measurement result of the moisture content is stored in a storage device in the computer at each time, the time variation of the moisture content can be monitored. In other words, it is possible to measure changes in moisture content over time.

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to the Example and embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明による薄切片試料の含有水分量測定装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the moisture content measuring apparatus of the thin section sample by this invention. 本発明を構成するテラヘルツ波発生器12の一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the terahertz wave generator 12 which comprises this invention. 本発明による薄切片試料の含有水分量測定方法の全体フロー図である。It is a whole flowchart of the moisture content measuring method of the thin section sample by this invention. 本発明の測定原理図である。It is a measurement principle figure of this invention. 水分体積分率と相対誤差との関係図である。It is a related figure of a moisture volume fraction and a relative error. 透過率と感度の関係図である。It is a relationship diagram of transmittance and sensitivity. 非特許文献1を基に計算した水の吸収係数α(f)である。The water absorption coefficient α w (f) is calculated based on Non-Patent Document 1. 含有水分の体積分率νをパラメータとしたときに,T=0.368となる吸収係数αと厚さdの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the absorption coefficient (alpha) w used as T = 0.368, and thickness d when the volume fraction (nu) w of a water content is made into a parameter. 周波数fと試料の厚さdとの関係図である。It is a relationship figure of the frequency f and the thickness d of a sample. 厚さdをパラメータとしたときの周波数fと含有水分の体積分率νの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency f when thickness d is made into a parameter, and the volume fraction (nu) w of a containing water. 特許文献1の装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus of patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 薄切片試料(被測定物)、2 テラヘルツ波、3 入射光、
4 参照光、5 テラヘルツ波(透過光)、7,8レーザ光、
10 含有水分量測定装置、11 2次元ステージ、
12 テラヘルツ波発生器、
14 光波分割素子(ハーフミラー)、16 参照光検出器(Siボロメータ)、
18 照射光学系、20 透過光検出器(Siボロメータ)、
22 演算装置、24 周波数制御装置、
31 制御記録装置(PC)、32 2波長光源、
32a,32b バルクKTP結晶、
34 非線形光学材料(DAST結晶)、
35 表示装置
1 Thin slice sample (object to be measured), 2 terahertz wave, 3 incident light,
4 reference light, 5 terahertz wave (transmitted light), 7, 8 laser light,
10 moisture content measuring device, 11 two-dimensional stage,
12 terahertz wave generator,
14 light wave splitting element (half mirror), 16 reference light detector (Si bolometer),
18 irradiation optical system, 20 transmitted light detector (Si bolometer),
22 arithmetic units, 24 frequency control units,
31 Control recording device (PC), 32 2 wavelength light source,
32a, 32b Bulk KTP crystal,
34 Nonlinear optical material (DAST crystal),
35 display devices

Claims (5)

所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割する光波分割素子と、
前記参照光の強度を検出する参照光検出器と、
前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する照射光学系と、
前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出器と、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算装置と、
前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御装置とを備えた、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定装置。
A terahertz wave generator that generates an arbitrary frequency continuously or discontinuously as a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band;
A light wave dividing element for dividing the terahertz wave into incident light and reference light;
A reference light detector for detecting the intensity of the reference light;
An irradiation optical system for condensing and irradiating a part of the thin-section sample with the incident light;
A transmitted light detector for detecting the transmitted light intensity of the terahertz wave transmitted through the thin slice sample;
An arithmetic device for calculating the transmittance and moisture content of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity;
A device for measuring the moisture content of a thin-section sample, comprising: a frequency control device that feeds back the transmittance to control the frequency of generation of terahertz waves.
前記周波数制御装置は、前記透過率が所定の最適範囲内になるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の薄切片試料の含有水分量測定装置。   The apparatus for measuring a moisture content in a thin-section sample according to claim 1, wherein the frequency control device controls the generation frequency of the terahertz wave so that the transmittance falls within a predetermined optimum range. 所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生ステップと、
前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割するテラヘルツ波分割ステップと、
前記参照光の強度を検出する参照光検出ステップと、
前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する入射光照射ステップと、
前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出ステップと、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算ステップと、
前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御ステップとを有する、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定方法。
A terahertz wave generation step of generating an arbitrary frequency continuously or discontinuously as a pulse wave or a continuous wave in a predetermined frequency band; and
A terahertz wave dividing step for dividing the terahertz wave into incident light and reference light;
A reference light detection step for detecting the intensity of the reference light;
Incident light irradiation step of collecting and irradiating the incident light on a part of the thin slice sample;
A transmitted light detection step of detecting the transmitted light intensity of the terahertz wave transmitted through the thin slice sample;
A calculation step of calculating the transmittance and moisture content of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity,
And a frequency control step of controlling the generation frequency of the terahertz wave by feeding back the transmittance, and measuring the moisture content of the thin-section sample.
前記演算ステップにおいて、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Tを求め、
薄切片試料の厚さdを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、
水分の吸収係数αから薄切片試料の含有水分の体積分率νを求める、ことを特徴とする請求項3に記載の薄切片試料の含有水分量測定方法。
In the calculation step,
Obtain the transmittance T of the irradiated portion of the thin slice sample from the incident light intensity and the transmitted light intensity,
Using the thickness d of the thin-section sample, the absorption coefficient α of the sample is obtained by the Lambert-Beer law,
The method for measuring the moisture content of a thin slice sample according to claim 3, wherein the volume fraction ν w of the moisture content of the thin slice sample is obtained from the moisture absorption coefficient α w .
前記周波数制御ステップにおいて、前記透過率TがT=0.22〜0.55となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する、ことを特徴とする請求項3に記載の薄切片試料の含有水分量測定方法。   4. The moisture content of the thin-section sample according to claim 3, wherein in the frequency control step, the frequency at which the terahertz wave is generated is controlled so that the transmittance T is T = 0.22 to 0.55. Quantity measuring method.
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