WO2010100745A1 - 光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡 - Google Patents

光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡 Download PDF

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WO2010100745A1
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local
local light
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平　健二
矢島　浩義
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オリンパス株式会社
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
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    • G01N21/6458—Fluorescence microscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/04—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by beating two waves of a same source but of different frequency and measuring the phase shift of the lower frequency obtained
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    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms

Definitions

  • the present invention relates to a light detection device, a light detection method, a microscope, and an endoscope.
  • the technology for detecting desired signal light has become a fundamental and important factor that greatly affects its performance. .
  • the need for high-speed and high-sensitivity detection technology is high.
  • Typical photodetection elements currently used include PMT (Photo Multiplier Tube), APD (Avalanche Photo Diode), and PD (Photo Diode). Since PMT and APD perform electron multiplication in the detection element, highly sensitive light detection can be realized. On the other hand, although a PD can realize a very high response speed, it does not have an electron multiplication function in the detection element, and therefore, a signal is usually amplified using an electric amplifier. In other words, the PMT, APD, and PD all perform signal amplification electrically to improve sensitivity.
  • Representative two-dimensional photodetectors include CCD (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), EM-CCD (Electron Multiplying-CCD), EB-CCD (Electron Bombardment-CCD), I-CCD. (Intensified-CCD).
  • CCD Charge Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • EM-CCD Electrom Multiplying-CCD
  • EB-CCD Electro Bombardment-CCD
  • I-CCD. Intensified-CCD
  • EM-CCD and EB-CCD have an electron multiplication function in the detection element and realize high sensitivity.
  • the I-CCD is connected to the I.C. I. (Image Intensifier) is arranged. I.
  • the I-CCD also realizes highly sensitive light detection by performing signal amplification at the electrical stage.
  • the conventional optical detection technology using signal amplification in the electric stage described above has a trade-off between speed and sensitivity, and it is very difficult to achieve both high speed and high sensitivity. Therefore, at present, light detection must be performed at the expense of either speed or sensitivity.
  • Optical heterodyne detection technology is also widely used as one of the technologies that enable high-speed and high-sensitivity light detection.
  • Optical heterodyne detection technology is a light detection method that uses the interference effect between detected light and local light that has a slightly different optical frequency than the detected light frequency. This is to detect with high sensitivity.
  • the local light emission intensity is sufficient, ideal light detection with a shot noise limit is possible even using a high-speed electronic circuit, so that both high-speed detection and high sensitivity can be realized.
  • light that stabilizes the mutual interference state both in time and space is usually used for the signal light and the local light.
  • the following two methods are mainly used as a method for improving temporal coherence.
  • the first method is a method of demultiplexing outputs from the same light source and using them as signal light and local light.
  • the relative delay time until the signal light and the local light are combined is used so as to be shorter than the coherence time of the light source.
  • the interference state between the signal light and the local light is temporally stabilized.
  • the optical frequencies of the signal light and the local light are set to be slightly different using an optical frequency shifter, a Doppler shift, or the like. This method has been used for a long time since it can realize a stable interference state relatively easily (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the second method is a method using two independent light sources having a very narrow optical spectral line width (very high optical spectral purity) and stable oscillation optical frequency with high accuracy. . These two independent light sources are used as signal light or local light, respectively. At this time, the oscillation light frequencies of the signal light and the local light are set to be slightly different.
  • This method has heretofore been very difficult to implement due to technical limitations. However, due to recent technological progress, a laser with an optical spectral line width of about kHz and a very high optical spectral purity and a stable oscillation optical frequency has become available. Even if this method is used, a relatively stable interference state can be obtained.
  • a spatial mode filter such as a confocal optical system is used on the signal light side. By doing so, only the signal light component having high coherence with local light is spatially extracted and used for optical heterodyne detection.
  • the signal light detected by biological observation, sensors, security, laser radar, etc. is not high in temporal coherence like laser light, but low in temporal coherence such as lamp light or fluorescence, that is, optical spectrum lines. Very often it is wide.
  • a device for intentionally widening the optical spectrum line width is made. That is, in spectroscopic measurement or the like, laser light having an optical spectral line width that can ensure the accuracy of the optical frequency to some extent and at the same time avoid the influence of speckle is used.
  • the signal light and the local light are generated at the same source, and the signal light and the local light are generated. It is necessary to perform detection in a situation where the relative delay time of light emission is shorter than the coherence time.
  • the coherence time is about 1.0 ⁇ 10 ⁇ 14 seconds (space distance in vacuum) Corresponding to about 3.0 ⁇ 10 ⁇ 6 m), and the allowable delay time between the signal light and the local light is very short.
  • the coherence time is about 1.0 ⁇ 10 ⁇ 11. Second (corresponding to about 3.0 ⁇ 10 ⁇ 3 m in space distance in vacuum), the allowable relative delay time is also short.
  • an object of the present invention made in view of such points is to provide a photodetection device and a photodetection method capable of heterodyne detection of desired detection light with high sensitivity and high SN (Signal to Noise) ratio, and a microscope and an endoscope. To provide a mirror.
  • the invention of the photodetecting device is Local light generation means for generating local light having a plurality of optical frequency components within the optical frequency band of the detected light within a fixed time; and Optical combining means for combining the local light generated from the local light generation means and the detected light; Photoelectric conversion means for photoelectrically converting the light output from the optical multiplexing means to generate a beat signal of the local light and the detected light; The detected light is heterodyne detected based on the output of the photoelectric conversion means.
  • the invention according to a second aspect is the photodetection device according to the first aspect,
  • the local light generation means has a plurality of light generation sources that generate continuous light of different optical frequencies.
  • the invention according to a third aspect is the photodetection device according to the first aspect,
  • the local light generating means comprises optical pulse generating means for generating an optical pulse train.
  • the invention according to a fourth aspect is the photodetection device according to the third aspect,
  • the local light generation means further includes optical filter means for selecting a predetermined optical frequency component as local light from the output light of the optical pulse generation means.
  • the invention according to a fifth aspect is the photodetecting device according to the third aspect,
  • the local light generation means further includes optical spectrum shaping means for shaping the spectrum of the output light of the optical pulse generation means.
  • the invention according to a sixth aspect is the photodetection device according to the third aspect,
  • the local light generation means further includes optical spectrum broadening means for broadening the spectrum of the output light of the optical pulse generation means.
  • the invention according to a seventh aspect is the photodetecting device according to the sixth aspect,
  • the local light generation means further includes optical filter means for selecting a predetermined optical frequency component as local light from the output light of the optical spectrum broadening means.
  • the invention according to an eighth aspect is the photodetection device according to the sixth aspect,
  • the local light generation means further includes optical spectrum shaping means for shaping the spectrum of the output light of the optical spectrum broadening means.
  • the invention according to a ninth aspect is the photodetection device according to any one of the third to eighth aspects,
  • the optical pulse generating means generates the optical pulse train at a repetition frequency that is at least twice the signal processing frequency band for processing the output of the photoelectric conversion means.
  • the invention according to a tenth aspect is the photodetection device according to any one of the third to ninth aspects,
  • the optical pulse generating means has a mode-locked laser.
  • the invention according to an eleventh aspect is the photodetection device according to any one of the third to ninth aspects,
  • the optical pulse generating means has a gain switch laser or a Q switch laser.
  • the invention according to a twelfth aspect is the photodetection device according to any one of the first to eleventh aspects, It further has an envelope detection means for detecting an envelope of the output of the photoelectric conversion means.
  • a local light generation step for generating local light having a plurality of optical frequency components within the optical frequency band of the detected light within a fixed time; and A multiplexing step for multiplexing the detected light and the local light;
  • the detected light is heterodyne detected based on the beat signal.
  • the invention of the microscope according to the fourteenth aspect for achieving the above object is as follows: A microscope for detecting light to be detected from an observation sample, Having a light detection device according to any one of the first to twelfth aspects, The light to be detected from the observation sample is configured to be heterodyne detected by the light detection device.
  • the invention of the endoscope according to the fifteenth aspect for achieving the above object is as follows: An endoscope for detecting light to be detected from inside a body cavity and observing the inside of the body cavity, Having a light detection device according to any one of the first to twelfth aspects, The detection light from the body cavity is heterodyne detected by the light detection device.
  • a plurality of beat signals are generated from the detected light and local light having a plurality of optical frequency components within the optical frequency band of the detected light within a certain time. Since the detected light is heterodyne detected by adding them, the desired detected light can be obtained even if the detected light is reduced by scattering by a scatterer such as a living body. It becomes possible to detect with high sensitivity and high S / N ratio. In addition, not only for scatterers, but also for test light from test substances that exist in the deep or distant area of the detection target, and test substances that exist in environments where other light-absorbing substances are present, It becomes possible to detect with high sensitivity and high S / N ratio.
  • the detected light from the observation sample is subjected to local light emission having a plurality of optical frequency components within the optical frequency band of the detected light within a certain time by the above-described light detection device. Since the heterodyne is detected by multiplexing, the observation sample can be observed with high sensitivity and high S / N ratio.
  • the detected light from the body cavity is converted into a station having a plurality of optical frequency components within the optical frequency band of the detected light within a predetermined time by the above-described optical detection device. Since heterodyne detection is performed by combining with light emission, the inside of a body cavity can be observed with high sensitivity and a high S / N ratio.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of the photodetecting device according to the first embodiment of the present invention.
  • This light detection device uses local light generation means 10 that generates local light having a plurality of frequency components within a frequency band of input signal light (detected light) within a certain time.
  • the local light is combined with the input signal light by the optical combining means 20, and the combined light is converted into an electrical signal by the photoelectric conversion means 30, and at the same time, a signal in which a plurality of beat signals are added is obtained. This is for heterodyne detection of signal light.
  • the local light generation means 10 uses, for example, a plurality of monochromatic light sources, a light source whose amplitude, phase and optical frequency are modulated, an optical frequency comb oscillator, a pulse light source, and the like, within the optical frequency band of the input signal light within a predetermined time. Are configured to generate local light having a plurality of optical frequency components.
  • the optical multiplexing means 20 is configured using, for example, a dielectric multilayer film type half mirror, a fiber type optical coupler, a planar waveguide type optical coupler, or the like. Further, if necessary, a spatial mode filter that adjusts the spatial mode of the input signal light or the local light may be arranged before the optical multiplexing means 20.
  • the photoelectric conversion means 30 is configured using, for example, a PMT, APD, PD, CCD, CMOS, EM-CCD, EB-CCD, or the like. Further, the photoelectric conversion means 30 can be configured using a differential type (Dual Balanced Detection: DBD) that removes fluctuations in the intensity of DC components, signal light, and local light.
  • DBD Dual Balanced Detection
  • the input signal light which is the detected light, is detected using, in particular, amplitude information and intensity information among the electrical signals output from the photoelectric conversion means 30. These pieces of information are acquired by envelope detection, square detection, synchronous detection, and the like. When a differential configuration is not used for the photoelectric conversion means 30, it is effective to add a filter means for removing a DC component.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the photodetector shown in FIG. That is, in the photodetector according to the present embodiment, the optical frequency of local light having a plurality of optical frequencies generated within a predetermined time from the local light generation means 10 is included in the optical spectrum line width of the input signal light. In this way, the input signal light and the local light are combined by the optical combining means 20, and the combined light is photoelectrically converted by the photoelectric conversion means 30 and at the same time an output in which a plurality of beat signals are added. And the input optical signal is heterodyne detected by using the amplitude information.
  • optical heterodyne detection of input signal light having low temporal coherence that is, having a wide optical spectrum line width
  • optical heterodyne detection of input signal light having low temporal coherence is performed using local light having a plurality of optical frequency components within a predetermined time.
  • the beat signal becomes noisy, the amplitude information of the noisy beat signal is used as a detection signal.
  • each interval at the plurality of optical frequencies of the local light generated from the local light generation means 10 is set to be twice or more the electrical band of the entire light detection system.
  • the beat signal of the local light of the certain optical frequency and the input signal light has no correlation with the beat signal of the local light of the other optical frequency and the input signal light. Therefore, these beat signals are added incoherently by the photoelectric conversion means 30. That is, by using local light having a plurality of optical frequency components, the amplitude of the detected beat signal becomes larger than when local light having only one type of optical frequency component is used. Thereby, unprecedented high sensitivity optical heterodyne detection is realized. In addition, by using local light having a sufficiently high intensity, light detection with high speed and high sensitivity becomes possible.
  • the electrical signal output from the photoelectric conversion means 30 is a signal whose carrier frequency is not fixed. Moreover, since various frequency components are included, the use frequency band is widened. As described above, when the use frequency band is widened, a lot of noise is allowed to be mixed, and the light detection sensitivity is lowered. Therefore, in order to obtain information on the detected light from the output of the photoelectric conversion means 30, it is particularly preferable to perform envelope detection. In this way, if the information of the detected light is acquired by envelope detection, the use band can be limited to prevent noise from being mixed, and the components constituting the device according to the reduction of the frequency band The cost can be reduced.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a main part of a laser scanning fluorescence microscope according to the second embodiment of the present invention.
  • This laser scanning fluorescence microscope has an Ar laser 41 that continuously oscillates at a wavelength of 488 nm as an excitation light source.
  • the laser light emitted from the Ar laser 41 is adjusted in light intensity by a light intensity adjuster 42 such as an acousto-optic modulator (AOM), for example, an XY galvanometer mirror 43, a pupil. It passes through the projection lens 44, the imaging lens 45, the dichroic mirror 46, and the objective lens 47, and condenses and irradiates the living cell sample 48 to be examined.
  • AOM acousto-optic modulator
  • the light intensity adjuster 42, the XY galvano mirror 43, the pupil projection lens 44, the imaging lens 45, the dichroic mirror 46, and the objective lens 47 use the excitation light from the excitation light source as a sample.
  • the light irradiation means to irradiate is comprised.
  • the XY galvano mirror 43 constitutes an optical scanning unit.
  • an inspection object stained with a fluorescent dye or an inspection object expressing a fluorescent protein is used as the living cell sample 48.
  • fluorescent protein eGFP enhanced Green Fluorescence Protein
  • Fluorescence generated from the living cell sample 48 is guided to the dichroic mirror 46 through the objective lens 47.
  • the dichroic mirror 46 is configured to transmit light having a wavelength of 488 nm and reflect light having a wavelength longer than 500 nm. As a result, the fluorescence having a wavelength of about 500 nm to 600 nm generated in the living cell sample 48 is reflected by the dichroic mirror 46.
  • the fluorescence reflected by the dichroic mirror 46 is combined with local light by a half mirror 49 which is an optical multiplexing means.
  • a laser beam emitted from a DPSS (Diode Pumped Solid State) laser 51 and a laser beam emitted from an Er-doped fluoride fiber laser 52 are combined by a dichroic mirror 53.
  • a DPSS laser 51 for example, a laser capable of continuously oscillating in a single spatial mode at a wavelength of 532 nm and capable of outputting up to an average light intensity of 10 mW is used.
  • the Er-doped fluoride fiber laser 52 is, for example, one that continuously oscillates in a single spatial mode at a wavelength of 543 nm and can output an average light intensity of 10 mW.
  • the local light generation means is configured by using two continuous wave lasers, that is, a DPSS laser 51 and an Er-doped fluoride fiber laser 52.
  • the two combined outputs obtained from the half mirror 49 are reflected by reflection mirrors 54 and 55, respectively, and a differential detector (photoelectric conversion means) composed of SiPD (Silicon Photo Diode) using lenses 56 and 57 ( Input to Dual Balanced Detector (DBD) 61 and perform photoelectric conversion.
  • the electric signal output from the DBD 61 is detected by the envelope detection circuit 62, then amplified by the electric amplifier 63, further converted from an analog signal to a digital signal by the AD converter 64, and supplied to the computer 65. To do.
  • the computer 65 controls the entire laser scanning fluorescent microscope.
  • the laser beam from the Ar laser 41 is deflected by the XY galvanometer mirror 43, and the living cell sample 48 is two-dimensionally scanned in a plane orthogonal to the optical axis of the objective lens 47, and at each scanning point.
  • the output obtained from the AD converter 64 is processed, and a fluorescent image is displayed on the monitor 66.
  • the laser scanning fluorescence microscope uses the DPSS laser 51 and the Er-added fluoride having sufficiently high intensity to emit the fluorescence generated from the living cell sample 48 by the irradiation of the laser light from the Ar laser 41.
  • Heterodyne detection is performed using local light obtained from the fiber laser 52. Therefore, even if the fluorescence that is the signal light obtained from the living cell sample 48 is weak, the DBD 61 composed of SiPD can be used without increasing the intensity of the laser light applied to the living cell sample 48 or increasing the light reception integration time.
  • the fluorescence can be photoelectrically converted at high speed and with high sensitivity, and the living cell sample 48 can be observed with fluorescence at high sensitivity and high SN ratio.
  • the laser scanning fluorescent microscope according to the present embodiment has a confocal pin. It is possible to achieve a confocal effect despite having no holes.
  • the local light generation means here, two continuous wave lasers of the DPSS laser 51 and the Er-doped fluoride fiber laser 52 are used, and in particular, by selecting the intensity and oscillation light frequency of each light source, A laser scanning fluorescence microscope having a high degree of freedom according to the optical frequency band and optical spectrum shape of the light to be detected can be realized.
  • the detected light has low temporal coherence, so that there is no high requirement for optical frequency stability of local light.
  • the detected beat signal is a noisy signal that cannot define the carrier frequency, it is not necessary to fix the frequency interval between the local light and the detected light, which is indispensable in the conventional method.
  • the beat signal between the local lights is not detected as long as the frequency interval between the local lights is set wider than the electrical band of the entire light detection system. Therefore, there are less restrictions on the stability of the optical frequency for the local light generation means. Therefore, a very low-cost continuous wave laser can be used as the local light source. Note that the number of continuous wave light sources constituting the local light generation means is not limited to two, but may be three or more according to the band of the input signal light to be detected.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the main part of the photodetector according to the third embodiment of the present invention.
  • This photodetecting device is configured such that the local light generation means 10 is constituted by a pulsed light generation means 70 in the configuration shown in FIG.
  • the pulsed light generating means 70 is configured by combining, for example, a pulse light source such as a mode-locked laser, a gain-switched laser, and a Q-switched laser, an optical delay generator, a chirp generator, an optical amplifier, an optical frequency converter, and the like.
  • the optical delay generator is, for example, a spatial delay circuit composed of an optical fiber delay line, a mirror, or the like.
  • the chirp generator is, for example, a diffraction grating pair, a prism pair, a chirped fiber Bragg grating, a device using a spatial liquid crystal modulator, or an optical fiber.
  • the optical amplifier is, for example, a rare earth-doped optical fiber optical amplifier, an optical fiber optical amplifier using the stimulated Raman scattering effect, an optical parametric optical amplifier, a semiconductor optical amplifier, or the like.
  • Optical frequency converters include, for example, second harmonic generation (SHG), third harmonic generation (THG), four wave mixing (FWM) and guided Raman. For example, an optical frequency converter using a scattering effect.
  • the repetition frequency of the pulse train output from the pulsed light generating means 70 is set to at least twice the signal processing frequency band, preferably twice. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the local light generation means is constituted by the pulse light generation means 70
  • the optical spectrum of the optical pulse train generated from the pulse light generation means 70 is at a frequency interval that matches the repetition frequency of the optical pulse train within the optical spectrum band. Since it has a structure in which the optical frequencies are arranged, a large number of local lights with different optical frequencies can be easily obtained.
  • the optical pulse train having a narrow time width has a wide optical spectrum band, it can be detected with very high sensitivity even if the detected light has a wide band.
  • the pulsed light generating means 70 local light having a large number of optical frequencies can be obtained with a simple configuration. Therefore, the management of the light source becomes very easy and the local light generating means can be configured compactly.
  • the time-resolved measurement with the time resolution of the optical pulse time width can be performed by adjusting the timing of the optical pulse. It becomes possible.
  • the pulsed light generating means 70 when configured using a mode-locked laser, the relative intensity fluctuation between the frequency components of the local light can be extremely reduced, so that light detection with very low noise is possible. That is, when local light including many optical frequency components is used, if there is a relative intensity fluctuation between the optical frequency components, the beat signal intensity also fluctuates, resulting in noise during detection.
  • the mode-locked laser can generate an optical pulse train with very low noise, so that the optical spectrum purity of each optical frequency component contained in the optical spectrum can be made extremely high, and the relative intensity fluctuation between the frequency components can be increased. Can be made very small.
  • the pulsed light generating means 70 is configured using a gain switch laser or a Q switch laser
  • the frequency interval of a desired optical frequency component can be realized, so that even if the measurement speed is changed, Can always be adjusted to the desired sensitivity. That is, the frequency interval of the optical frequency component included in the optical spectrum of the optical pulse train is equal to the repetition frequency of the optical pulse train as described above. It is desirable from the viewpoint of detection sensitivity that the frequency interval of the optical frequency components is so close that it does not fall within the electrical band of the entire optical detection system.
  • the gain switch laser or the Q switch laser is used, the repetition frequency of the optical pulse train can be easily changed, so that the frequency interval of the optical frequency component included in the local light can be easily changed. For this reason, even if the measurement speed is changed, the sensitivity can always be adjusted to a desired sensitivity accordingly.
  • the detection signal output is not affected by the phase relationship between the adjacent optical frequency components of the local light.
  • Highly sensitive detection is possible. That is, in the optical spectrum of the optical pulse train used for local light, optical frequency components are arranged at the repetition frequency interval. Since there is a strong correlation in the phase relationship between the optical frequency components, the optical frequency components of the signal light located just in the middle of the adjacent optical frequency components of the local light are coherently added in the electrical stage. That is, the detection signal output varies depending on the phase relationship between adjacent optical frequency components. In order to prevent this, it is necessary to manage the phase relationship between the optical frequency components of the optical pulse train used as the local light.
  • the repetition frequency of the optical pulse train output from the pulsed light generating means 70 is set to be twice or more the signal processing frequency, the problem of this output change can be solved.
  • the repetition frequency of the optical pulse train is set to be twice the signal processing frequency, the intervals between the individual optical frequency components of the local light are close, and highly sensitive light detection is possible.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a main part of the photodetecting device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • This photodetection device is a photodetection device having the configuration shown in FIG. 4 and selects a part of the optical frequency from the output light of the pulsed light generation unit 70 between the pulsed light generation unit 70 and the optical multiplexing unit 20.
  • an optical frequency selection means 80 for outputting to the optical multiplexing means 20 as local light is provided.
  • the optical frequency selection means 80 includes, for example, a dielectric multilayer filter, a light absorption filter, a diffraction grating filter, a prism filter, a grism filter, a VIPA (Virtually Imaged Phased Array) type filter, and an AWG (Arrayed Wave Guide).
  • a type filter, a fiber Bragg grating (FBG) type filter, or the like is used. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the optical frequency selection means 80 is provided at the subsequent stage of the pulse light generation means 70, when the optical spectrum of the optical pulse train output from the pulse light generation means 70 is wider than the optical spectrum band of the detected light, Since local light that does not contribute to light detection can be removed by the optical frequency selection means 80, in addition to the effects of the third embodiment, mixing of excessive noise is reduced, and a desired signal to be detected is highly sensitive and high. It can be detected by the S / N ratio.
  • the dominant noise factor in optical heterodyne detection is shot noise, and this noise is proportional to the local light intensity photoelectrically converted by the photoelectric conversion means 30. For this reason, when local light in the optical frequency region where there is no detected light is input to the photoelectric conversion means 30, the beat signal does not increase and shot noise increases.
  • such local light that does not contribute to light detection is removed by the optical frequency selection means 80, so that only the signal light component close to the local light is detected as a beat signal, and the light A signal light component having no local light emission on the frequency axis is not detected. That is, since only the detected light that substantially overlaps the optical spectrum of the local light selected by the optical frequency selection means 80 is detected as a beat signal, a specific optical frequency of the detected light is highly sensitive and high. It can be detected by the S / N ratio.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the main part of the photodetector according to the fifth embodiment of the present invention.
  • This optical detection device is the optical detection device having the configuration shown in FIG. 4, and the optical spectrum of the output light of the pulsed light generation unit 70 is shaped into a desired shape between the pulsed light generation unit 70 and the optical multiplexing unit 20.
  • the optical multiplexing means 20 is provided with optical spectrum shaping means 90 for outputting as local light.
  • the optical spectrum shaping means 90 is configured using, for example, a dielectric multilayer filter, a long period FBG, a combination of a diffraction grating and a liquid crystal spatial phase modulator, a VIPA type waveform shaper, or the like. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the third embodiment In addition to the above effect, it becomes possible to adjust the optical frequency dependence of the photodetection sensitivity. That is, when an optical pulse train is used as the local light, the detection sensitivity depends on the optical frequency according to the optical spectrum shape of the optical pulse train. Further, the photoelectric conversion means 30 also usually has optical frequency dependence of detection sensitivity. Therefore, as in the present embodiment, if the optical spectrum shaping means 90 is arranged at the subsequent stage of the pulsed light generation means 70, the optical spectrum of the optical pulse train is shaped into a desired shape and combined with the detected light. It becomes possible to adjust the optical frequency dependence of the light detection sensitivity.
  • Such optical spectrum shaping means 90 can also be arranged in the front stage or the rear stage of the optical frequency selection means 80 in the configuration shown in FIG. 5 to constitute a light detection device, thereby obtaining the same effect. be able to.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the main part of the photodetecting device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • This optical detection apparatus is the optical detection apparatus having the configuration shown in FIG. 4, and the optical spectrum of the output light of the pulsed light generation means 70 is broadened between the pulsed light generation means 70 and the optical multiplexing means 20 to optically combine them.
  • the means 20 is provided with optical spectrum broadening means 100 for outputting as local light.
  • the optical spectrum broadening means 100 can be configured using, for example, a nonlinear effect (optical Kerr effect, stimulated Raman scattering, stimulated parametric scattering) in an optical fiber or a nonlinear effect in a semiconductor optical amplifier. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • a nonlinear effect optical Kerr effect, stimulated Raman scattering, stimulated parametric scattering
  • the optical spectrum broadening means 100 is provided after the pulse light generating means 70 to broaden the optical spectrum of the optical pulse train output to the optical multiplexing means 20, in addition to the effects of the third embodiment. It is possible to detect even a very broad band of detected light. That is, when the detection light band of the photoelectric conversion means 30 is sufficiently wide, the detectable optical spectrum band is the local light spectrum band from the pulsed light generation means 70 (more precisely, the band of the local light spectrum envelope). ) Is almost determined. That is, a signal light component that does not overlap with the local light spectrum cannot be detected. In this regard, as in the present embodiment, if the optical spectrum broadening means 100 is arranged after the pulse light generation means 70, the optical spectrum band of the local light can be widened. This makes it possible to detect a signal light having a very wide band.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a main part of an endoscope according to the seventh embodiment of the present invention.
  • This endoscope is for observing the inside of a body cavity, has an Xe lamp 111 as an illumination light source, and has the configuration of the light detection apparatus shown in FIG. 7 as a detection system for detected light.
  • the Xe lamp 111 is driven by a driver 113 controlled by a computer 112.
  • the light emitted from the Xe lamp 111 is irradiated as illumination light from the illumination lens 115 toward the biological sample 116 in the body cavity via a light guide fiber (LGF) 114.
  • LGF light guide fiber
  • the light reflected and scattered by the biological sample 116 by irradiation with illumination light is condensed as light to be detected by the condensing lens 117 and combined with local light by the combining mirror 118.
  • the optical pulses from the gain-switched semiconductor laser 121 are a dispersion compensating optical fiber (DispersionpersFiber: DCF) 122, an Er-doped fiber ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ amplifier (EDFA) 123, and a PPLNPer (Periodically Poled Lithium Niobate) 124. Then, it passes through a photonic crystal fiber (PCF) 125, which is a means for broadening the optical spectrum, and a collimating lens 126, and is incident on the combining mirror 118 as local light.
  • DCF dispersionpersFiber
  • EDFA Er-doped fiber ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ amplifier
  • PPLNPer Periodically Poled Lithium Niobate
  • the gain switch semiconductor laser 121 for example, a distributed feedback laser diode (DFB LD) having a wavelength of 1550 nm is used.
  • a pulse train having a pulse width of 20 ps is obtained from the gain switch semiconductor laser 121.
  • the repetition frequency of the pulse train is controlled by the computer 112 between 1 MHz and 10 GHz.
  • the optical pulse output from the gain switch semiconductor laser 121 is propagated through the DCF 122, the pulse width is time-compressed to about 2 ps, and further amplified by the EDFA 123.
  • the output light of the EDFA 123 is converted into a wavelength of 775 nm by the PPLN 124 and further input to the PCF 125 to broaden the optical spectrum by the optical Kerr effect.
  • the output light of the PCF 125 is incident on the combining mirror 118 as parallel light local light by the collimator lens 126 and is combined with the detected light.
  • a PCF 125 having a zero dispersion wavelength of 770 nm, a nonlinear constant of 100 W ⁇ 1 km ⁇ 1 , and a fiber length of 20 m is used. This broadens the optical spectrum to the extent that it covers the visible band.
  • the computer 112 controls the repetition frequency of the gain switch semiconductor laser 121 so as to be approximately twice the signal processing band of the entire light detection system from the biological sample 116. Furthermore, the computer 112 adjusts the average output light intensity of the EDFA 123 so that the energy per light pulse output from the EDFA 123 does not fluctuate simultaneously with changing the repetition frequency of the gain switch semiconductor laser 121. Thereby, the shape of the optical spectrum emitted from the PCF 125 is stabilized.
  • the light combined by the combining mirror 118 removes light other than visible light by the filter 127 and is condensed and photoelectrically converted by the condensing lens 128 onto the two-dimensional CCD 130 which is a photoelectric conversion means.
  • the output electrical signal from the two-dimensional CCD 130 is converted into a digital signal by the AD converter 131 and then supplied to a digital signal processor (DSP) 132, and envelope detection processing is performed by the DSP 132 and supplied to the computer 112. To do.
  • the computer 112 constructs a two-dimensional image based on the signal from the DSP 132 and displays the image on the monitor 133.
  • DSP digital signal processor
  • the illumination lens 115, the condensing lens 117, the combining mirror 118, the collimating lens 126, the filter 127, the condensing lens 128, and the two-dimensional CCD 130 are housed in the endoscope housing 134.
  • the optical pulse output from the gain switch semiconductor laser 121 is time-compressed by the DCF 122, amplified by the EDFA 123, further wavelength-converted by the PPLN 124, and then the light by the PCF 125.
  • the spectrum is broadened to obtain local light. Therefore, broadband detection light from the biological sample 116 can be detected with high sensitivity and high S / N ratio and displayed on the monitor 133 as a two-dimensional image, which can be used for accurate diagnosis.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the main part of the photodetector according to the eighth embodiment of the present invention.
  • This optical detection apparatus is obtained by adding optical frequency selection means 80 shown in FIG. 5 and optical spectrum broadening means 100 shown in FIG. 7 to the optical detection apparatus having the configuration shown in FIG. After the optical spectrum of the output light 70 is broadened by the optical spectrum broadening means 100, the required optical frequency is selected as local light by the optical frequency selection means 80 from the widened optical spectrum, and the optical multiplexing means 20 is selected. Is output. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a main part of a scanning endoscope according to the ninth embodiment of the present invention.
  • This scanning endoscope scans and observes the inside of a body cavity, has an Xe lamp 151 as an illumination light source, and has the configuration of the light detection apparatus shown in FIG. 9 as a detection system for detected light. is there.
  • the Xe lamp 151 is driven by a driver 153 controlled by a computer 152.
  • the light emitted from the Xe lamp 151 irradiates the biological sample 156 in the body cavity as illumination light from the collimator 155 through the light guide fiber 154.
  • the light reflected and scattered by the biological sample 156 by irradiation with illumination light is collected by the condensing lens 157 as light to be detected.
  • the collimator 155 and the condensing lens 157 are held by the scanning mount 158, and the scanning mount 158 is controlled by the computer 152 via the driver 159.
  • the collimator 155, the condensing lens 157, and the scanning mount 158 are housed in the endoscope housing 160.
  • Local light uses light pulses from a titanium sapphire laser 161.
  • the light pulse from the titanium sapphire laser 161 is incident as local light on an optical fiber coupler 164 serving as a multiplexing unit via a PCF 162 serving as an optical spectrum broadening unit and an optical filter 163 serving as an optical frequency selection unit.
  • an ultrashort light pulse having a repetition frequency of 80 MHz, a pulse width of 120 fs, an oscillation wavelength of 850 nm, and an average light intensity of 2.5 W is generated.
  • the ultrashort light pulse is input to the PCF 162 to broaden the optical spectrum.
  • a PCF 162 having a zero dispersion wavelength of 845 nm, a nonlinear constant of 70 W ⁇ 1 km ⁇ 1 and a fiber length of 1 m is used.
  • the optical filter 163 extracts light having a wavelength of 450 nm to 700 nm as local light from the optical pulse whose bandwidth has been widened by the PCF 162 and supplies it to the optical fiber coupler 164.
  • the output light from the condensing lens 157 and the local light from the optical filter 163 are combined by the optical fiber coupler 164, and the two outputs of the optical fiber coupler 164 are input to the DBD 165 which is a photoelectric conversion means.
  • the electric signal output from the DBD 165 is amplified by the electric amplifier 166, further converted from an analog signal to a digital signal by the AD converter 167, and supplied to the computer 152.
  • the computer 152 constructs a two-dimensional image based on the information obtained from the AD converter 167 while controlling the position of the scanning mount 158 and the light intensity of the Xe lamp 151, and the constructed two-dimensional image is displayed on the monitor 168. indicate.
  • the optical spectrum of the optical pulse output from the titanium sapphire laser 161 is broadened by the PCF 162 and then incident on the optical filter 163, so that the desired optical spectrum is obtained. It is possible to easily obtain local light having. Therefore, broadband detection light from the biological sample 156 can be detected with high sensitivity and high S / N ratio and displayed on the monitor 168 as a two-dimensional image, which can be used for accurate diagnosis.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the main part of the photodetector according to the tenth embodiment of the present invention.
  • This optical detection apparatus is obtained by adding the optical spectrum shaping means 90 shown in FIG. 6 and the optical spectrum broadening means 100 shown in FIG. 7 to the optical detection apparatus having the configuration shown in FIG.
  • the optical spectrum of the output light 70 is broadened by the optical spectrum broadening means 100
  • the widened optical spectrum is shaped into a desired shape by the optical spectrum shaping means 90, and the optical multiplexing means 20 generates local light. It is designed to output. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the optical frequency selection means 80 shown in FIG. 5 can be arranged before or after the optical spectrum shaping means 90, which is the same as described in FIG. An effect can also be obtained.
  • FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the main part of the multiphoton fluorescence microscope apparatus according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • This multiphoton fluorescence microscope apparatus has a titanium sapphire laser 171 as an excitation light source, has the structure of the light detection apparatus shown in FIG. 10 as a detection system for detected light, and is an excitation light source titanium sapphire.
  • the laser 171 is also used as a local light source.
  • an ultrashort light pulse having a repetition frequency of 80 MHz, a pulse width of 120 fs, an oscillation wavelength of 850 nm, and an average light intensity of 2.5 W is generated.
  • the ultrashort light pulse reflects 90% of light by the partially reflecting mirror 172, and is input to the PCF 174, which is a means for widening the optical spectrum, through the lens 173.
  • 10% of the light transmitted through the partial reflection mirror 172 is input to the light intensity adjuster 175.
  • the PCF 174 uses, for example, a zero dispersion wavelength of 845 nm, a nonlinear constant of 70 W ⁇ 1 km ⁇ 1 , and a fiber length of 1 m, and broadens the optical spectrum of the input ultrashort optical pulse.
  • a large number of ripples are generated in the optical spectrum broadened by the PCF 174. Therefore, the optical pulse output from the PCF 174 is incident on a dielectric multilayer film type optical spectrum shaping filter 177 which is an optical spectrum shaping means through a lens 176, and the optical spectrum is shaped.
  • optical spectrum shaping filter 177 for example, a dielectric multilayer film type having a transmission characteristic for flattening ripples having a wavelength of 500 nm to 600 nm on the broadband optical spectrum is used.
  • the optical pulse whose optical spectrum has been shaped by the optical spectrum shaping filter 177 passes through an optical bandpass filter 178 that transmits light having a wavelength of 500 nm to 600 nm, and is incident on the half mirror 180 serving as optical multiplexing means as local light.
  • the light transmitted through the partial reflection mirror 172 is adjusted to an average light intensity of 100 mW by the light intensity adjuster 175, and the XY galvano mirror 181, the pupil projection lens 182, the imaging lens 183, the dichroic mirror 184 and the objective.
  • the lens 185 Through the lens 185, the living cell sample 186 to be inspected is condensed and irradiated, and, for example, eGFP in the living cell sample 186 is subjected to multiphoton excitation (for example, two-photon excitation) to generate fluorescence.
  • Fluorescence generated from the living cell sample 186 is guided to the dichroic mirror 184 through the objective lens 185.
  • the dichroic mirror 184 is configured to transmit light having a wavelength of 850 nm from the titanium sapphire laser 171 and to reflect light having a short wavelength of 700 nm or less. As a result, the fluorescence having a wavelength of about 500 nm to 600 nm generated in the living cell sample 186 is reflected by the dichroic mirror 184.
  • Fluorescence having a wavelength of 500 nm to 600 nm reflected by the dichroic mirror 63 is combined with local light output from the optical bandpass filter 178 by the half mirror 180.
  • the two combined outputs obtained from the half mirror 180 are input to the DBD 191 which is a photoelectric conversion means composed of SiPD via the reflection mirrors 187 and 188 and the lenses 189 and 190, respectively, and are subjected to photoelectric conversion.
  • the electric signal output from the DBD 191 is detected by the envelope detection circuit 192, amplified by the electric amplifier 193, further converted from an analog signal to a digital signal by the AD converter 194, and supplied to the computer 195. To do.
  • the computer 195 controls the entire multiphoton fluorescence microscope apparatus, processes the output obtained from the AD converter 194, and displays the fluorescence image on the monitor 196.
  • a titanium sapphire laser 171 as an excitation light source is also used as a local light source, and the excitation light emitted from the titanium sapphire laser 171 is used as a local light amount. Since the optical spectrum of the separated local light pulse is broadened with the PCF 174, and the optical spectrum is shaped with the optical spectrum shaping filter 177 to obtain the local light, Fluorescence from the live cell sample 186 can be detected with high sensitivity and a high S / N ratio.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and many variations or modifications are possible.
  • the detected signal light is not limited to reflected light, scattered light, and fluorescence from the sample, but the light detection apparatus according to the present invention can be effectively applied to transmitted light and phosphorescence.
  • the illumination light for detecting reflected light, scattered light, and transmitted light is not limited to lamp light, but may be LED (Light-Emitting-Diode) light.
  • the optical spectrum shaping means shown in FIG. 6 can be provided before or after the optical frequency selection means.
  • the present invention can be applied to light detection of electromagnetic waves from ultraviolet light having a wavelength of about 180 nm to infrared light having a wavelength of about 50 ⁇ m, and is not limited to the detection of visible light described in the above embodiment.
  • the local light generating means uses, for example, a titanium sapphire laser, and irradiates the xenon gas with a high-intensity ultrashort light pulse generated from the titanium sapphire laser.
  • the optical multiplexing means can be configured using, for example, a multilayer mirror
  • the photoelectric conversion means can be configured using, for example, a PMT.
  • the local light generating means uses, for example, a mode-locked Nd: YAG laser, and a high-intensity picosecond light pulse generated from the mode-locked Nd: YAG laser is incident on the PPLN.
  • a mode-locked Nd: YAG laser and a high-intensity picosecond light pulse generated from the mode-locked Nd: YAG laser is incident on the PPLN.
  • an optical pulse of infrared wavelength obtained by difference frequency mixing in PPLN can be used as local light for infrared detection.
  • the optical multiplexing means can be configured using, for example, a CsI substrate type beam splitter, and the photoelectric conversion means can be configured using, for example, a photoconductive element using Ge: Zn.
  • the present invention can also be effectively applied to detection of electromagnetic waves other than light, for example, radio waves, X-rays, ⁇ -rays and the like.
  • the local signal generator 201 has a plurality of frequency components in the frequency band of the detected signal based on the detected electromagnetic wave (for example, radio wave) within a certain time.
  • a local oscillation signal is generated, and the local oscillation signal and the detected signal are mixed by the mixer 202.
  • a beat signal is extracted from the output of the mixer 202 by a low-pass filter (Low Pass LP: LPF) 203, and a detected signal based on the detected electromagnetic wave is detected based on the beat signal. Therefore, the present invention can also be understood as described in the following supplementary notes.
  • Low Pass LP Low Pass LP: LPF
  • a local signal generating means for generating a local signal having a plurality of frequency components within a frequency band of the detected signal based on the detected electromagnetic wave within a predetermined time; Mixing means for mixing the local signal generated from the local signal generation means and the detected signal; A low pass filter for extracting a beat signal from the output of the mixing means, An electromagnetic wave detection apparatus, wherein the detected signal is heterodyne detected based on the beat signal.
  • the local signal generation means includes a plurality of signal generation sources that generate continuous signals of different frequencies.
  • the local oscillation signal generation unit includes a pulse generation unit that generates a pulse train. 4).
  • the electromagnetic wave detection apparatus further includes a filter unit that selects a predetermined frequency component as a local oscillation signal from the output of the pulse generation unit. 5).
  • the electromagnetic wave detection apparatus according to claim 3, wherein the local oscillation signal generation unit further includes a spectrum shaping unit that shapes an output spectrum of the pulse generation unit. 6).
  • the electromagnetic wave detection apparatus according to claim 3, wherein the local oscillation signal generation unit further includes a spectrum broadening unit that broadens the spectrum of the output of the pulse generation unit. 7). 7.
  • the electromagnetic wave detection apparatus according to appendix 6, wherein the local oscillation signal generation unit further includes a filter unit that selects a predetermined frequency component as a local oscillation signal from the output of the spectrum broadening unit. 8). 7.
  • the electromagnetic wave detection apparatus according to appendix 6, wherein the local signal generation unit further includes a spectrum shaping unit that shapes an output spectrum of the spectrum broadening unit.
  • the local signal generation unit further includes a spectrum shaping unit that shapes an output spectrum of the spectrum broadening unit.
  • the pulse generation unit generates the pulse train at a repetition frequency that is twice or more of a signal processing frequency band for processing the output of the low-pass filter.
  • Electromagnetic wave detection device 10.
  • the electromagnetic wave detection device according to any one of additional items 1 to 9, further comprising envelope detection means for detecting an envelope of the beat signal. 11.
  • An electromagnetic wave detection method comprising heterodyne detection of the detected signal based on the beat signal. 12

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Abstract

　所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供する。　一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段１０と、局発光発生手段１０から発生される局発光と被検出光とを合波する光合波手段２０と、光合波手段２０から出力される光を光電変換して局発光と被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段３０とを有し、光電変換手段３０の出力に基づいて被検出光をヘテロダイン検出する。

Description

光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡
　本発明は、光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡に関するものである。
　生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の信号光（被検出光）を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素になっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。
　例えば、生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。これらの理由により、光を用いた生体観察においては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。
　現在用いられている代表的な光検出素子には、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ＰＤ（Photo Diode）がある。ＰＭＴおよびＡＰＤは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、ＰＤは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号の増幅を行っている。つまり、ＰＭＴ，ＡＰＤ，ＰＤは、いずれの素子も電気的に信号増幅を行い、感度の向上を図っている。
　また、代表的な二次元光検出器として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＥＭ－ＣＣＤ（Electron Multiplying-CCD）、ＥＢ－ＣＣＤ（Electron Bombardment-CCD）、Ｉ－ＣＣＤ（Intensified-CCD）がある。ＣＣＤもしくはＣＭＯＳを用いて微弱光を検出する場合は、感度向上のために、ＰＤの場合と同様に、後段に電気増幅器を配置する必要がある。ＥＭ－ＣＣＤおよびＥＢ－ＣＣＤは、ＡＰＤの場合と同様に、検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。Ｉ－ＣＣＤは、ＣＣＤの前にＩ．Ｉ．（Image Intensifier）を配置した構成をとる。Ｉ.Ｉ.は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、Ｉ.Ｉ.に内蔵されているＭＣＰ（Micro Channel Plate）内にて電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることで、増倍電子信号を再度光に変換するものである。Ｉ.Ｉ.からの出力光は、ＣＣＤにて電気信号に変換される。つまり、Ｉ－ＣＣＤも、電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。
　上述の電気段での信号増幅を用いる従来の光検出技術は、速度と感度とのトレードオフがあるため、高速性と高感度性とを両立させることは大変難しい状況にある。したがって、現状では、速度か感度かのどちらかを犠牲にして、光検出を行わざるをえない状況にある。
　高速高感度な光検出を可能にする技術の一つとして、光ヘテロダイン検出技術も広く用いられている。光ヘテロダイン検出技術は、被検出光と、被検出光の光周波数よりも若干光周波数が異なる局発光との干渉効果を利用する光検出方法で、局発光強度を十分高くして被検出光を高感度に検出するというものである。局発光強度が十分である場合、高速な電子回路を用いてもショット雑音限界の理想的な光検出が可能であるため、光検出の高速性と高感度性との両立が実現される。ただし、この際、信号光と局発光には、時間的にも空間的にもお互いの干渉状態が安定するような光が通常用いられる。
　時間的な干渉性を高める方法として、次に述べる二つの方法が主に用いられる。一つ目の方法は、同一光源からの出力を分波してそれぞれを信号光および局発光として用いる方法である。この際、光源出力を分波しているので、信号光および局発光を合波するまでの相対遅延時間が、光源のコヒーレンス時間より短くなるように用いられる。こうすることで、信号光と局発光との干渉状態が時間的に安定する。なお、信号光と局発光との光周波数は、光周波数シフタやドップラシフトなどを利用して若干異なるように設定される。この方法は、比較的簡便に安定な干渉状態を実現できるので、古くから用いられている（例えば、特許文献1，2参照）。
　二つ目の方法は、光スペクトル線幅が非常に狭く（光スペクトル純度が非常に高く）、かつ、発振光周波数が高精度に安定化された、互いに独立した二つの光源を用いる方法である。この二つの独立した光源をそれぞれ信号光もしくは局発光として用いる。この際、信号光と局発光との発振光周波数は若干異なるように設定される。この方法は、技術的制約により従来は実現が非常に困難だった。しかしながら、近年の技術進展により、光スペクトル線幅がｋＨｚ程度と非常に光スペクトル純度が高く、かつ、発振光周波数が高精度に安定化されたレーザが入手可能になったため、最近では二つ目の方法を用いても比較的安定した干渉状態が得られるようになってきている。
　一方、空間的な干渉性を高めるためには、信号光側に共焦点光学系などの空間モードフィルタが用いられる。こうすることで、局発光との干渉性の高い信号光成分のみが空間的に取り出され、光ヘテロダイン検出に用いられる。
特公平6-21868号公報 特公平7-21452号公報
　ところが、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等で検出される信号光は、レーザ光のような時間的コヒーレンスの高いものではなく、ランプ光や蛍光などの時間的コヒーレンスが低い、つまり光スペクトル線幅が広いものである場合が非常に多い。また、分光計測などでレーザ光が用いられる場合でも、特に散乱媒質を計測する場合は、スペックルの影響を避けるために、意図的に光スペクトル線幅を広げる工夫がなされる。つまり、分光計測などでは、光周波数の確度をある程度確保すると同時に、スペックルの影響を避けることができる光スペクトル線幅のレーザ光が用いられる。
　このため、上述のような従来の方法にのっとると、このような時間的コヒーレンスの低い信号光をヘテロダイン検出するためには、信号光と局発光との発生源を同一とし、かつ信号光と局発光の相対遅延時間が、それらのコヒーレンス時間よりも短い状況で検出を行う必要がある。
　例えば、中心光周波数が６００ＴＨｚ（波長５００ｎｍ）で、光スペクトル線幅が１２０ ＴＨｚ（波長幅約１００ｎｍ）の光の場合、コヒーレンス時間は、約１．０×１０－１４秒（真空中の空間距離で約３．０×１０－６ｍに対応）となり、信号光と局発光との間の許容される遅延時間は非常に短い。
　また、例えば、中心光周波数６００ＴＨｚ、光スペクトル線幅１２０ＧＨｚ（波長幅約１００ｐｍ）の意図的に線幅が広げられたレーザ光の場合を考えても、コヒーレンス時間は約１．０×１０－１１秒（真空中の空間距離で約３．０×１０－３ｍに対応）となり、やはり許容される相対遅延時間は短い。
　このように、許容される相対遅延時間が短い状況では、時間的および距離的尤度が小さいため、ヘテロダイン検出の用途が非常に厳しく限定されてしまう。
　また、信号光（被検出光）が蛍光などのように試料中で新たに発生した時間的に低コヒーレンス光である場合は、高感度光ヘテロダイン検出に適した局発光を準備することができない。
　上述の理由から、従来は、時間的に低コヒーレンスな光信号をヘテロダイン検出した場合、安定的な干渉状態を保つことができず、高速かつ高感度な光検出の実現が困難な状況にある。
　したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ（Signal to Noise）比でヘテロダイン検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。
　上記目的を達成する第１の観点に係る光検出装置の発明は、
　一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段と、
　前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
　前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
　前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
　第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、それぞれ異なる光周波数の連続光を発生する複数台の光発生源を有する、ことを特徴とするものである。
　第３の観点に係る発明は、第１の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、光パルス列を発生する光パルス発生手段からなる、ことを特徴とするものである。
　第４の観点に係る発明は、第３の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。
　第５の観点に係る発明は、第３の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。
　第６の観点に係る発明は、第３の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを広帯域化する光スペクトル広帯域化手段を有する、ことを特徴とするものである。
　第７の観点に係る発明は、第６の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とするものである。
　第８の観点に係る発明は、第６の観点に係る光検出装置において、
　前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とするものである。
　第９の観点に係る発明は、第３～８の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
　前記光パルス発生手段は、前記光電変換手段の出力を処理する信号処理周波数帯域の二倍以上の繰り返し周波数で、前記光パルス列を発生する、ことを特徴とするものである。
　第１０の観点に係る発明は、第３～９の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
　前記光パルス発生手段は、モード同期レーザを有することを特徴とするものである。
　第１１の観点に係る発明は、第３～９の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
　前記光パルス発生手段は、利得スイッチレーザもしくはＱスイッチレーザを有することを特徴とするものである。
　第１２の観点に係る発明は、第１～１１の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置において、
　前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とするものである。
　さらに、上記目的を達成する第１３の観点に係る光検出方法の発明は、
　一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生ステップと、
　前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、
　前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、
　前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とするものである。
　さらに、上記目的を達成する第１４の観点に係る顕微鏡の発明は、
　観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
　第１～１２の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
　前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
　さらに、上記目的を達成する第１５の観点に係る内視鏡の発明は、
　体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
　第１～１２の観点のいずれか一つの観点に係る光検出装置を有し、
　前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とするものである。
　本発明に係る光検出装置や光検出方法によれば、被検出光と、一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光とから複数のビート信号を生成し、それらを加算して、被検出光をヘテロダイン検出するので、例えば、生体等の散乱体で散乱することにより被検出光が減少するような被検体であっても、所望の被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出することが可能となる。また、散乱体に限らず、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質や、他の光吸収物質が介在するような環境下に存在する被検物質からの被検出光に対しても、高感度かつ高ＳＮ比で検出することが可能となる。
　また、本発明に係る顕微鏡によれば、観察試料からの被検出光を、上記の光検出装置により、一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光と合波してヘテロダイン検出するので、観察試料を高感度かつ高ＳＮ比で観察することが可能となる。
　また、本発明に係る内視鏡によれば、体腔内からの被検出光を、上記の光検出装置により、一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光と合波してヘテロダイン検出するので、体腔内を高感度かつ高ＳＮ比で観察することが可能となる。
本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。 図１に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。 本発明の第２実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第６実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第７実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第８実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第９実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１１実施の形態に係る多光子蛍光顕微鏡装置の要部の構成を示すブロック図である。 光以外の電磁波を検出する場合の電磁波検出装置の基本的構成を示すブロック図である。
符号の説明
　１０　局発光発生手段
　２０　光合波手段
　３０　光電変換手段
　４１　Ａｒレーザ
　４２　強度変調器
　４３　Ｘ－Ｙガルバノミラー
　４６　ダイクロイックミラー
　４７　対物レンズ
　４８　生細胞試料
　４９　ハーフミラー
　５１　ＤＰＳＳレーザ
　５２　Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ
　５３　ダイクロイックミラー
　６１　ＤＢＤ（差動検出器）
　６２　包絡線検波回路
　６３　電気増幅器
　６４　ＡＤ変換器
　６５　コンピュータ
　６６　モニタ
　７０　パルス光発生手段
　８０　光周波数選択手段
　９０　光スペクトル整形手段
　１００　光スペクトル広帯域化手段
　１１１　Ｘｅランプ
　１１２　コンピュータ
　１１５　照明用レンズ
　１１６　生体試料
　１１７　集光用レンズ
　１１８　合波ミラー
　１２１　利得スイッチ半導体レーザ
　１２５　ＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）
　１２６　コリメートレンズ
　１２８　集光用レンズ
　１３０　二次元ＣＣＤ
　１３１　ＡＤ変換器
　１３２　ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）
　１３３　モニタ
　１３４　ハウジング
　１５１　Ｘｅランプ
　１５２　コンピュータ
　１５５　コリメータ
　１５６　生体試料
　１５７　集光用レンズ
　１５８　走査マウント
　１６０　ハウジング
　１６１　チタン・サファイヤレーザ
　１６２　ＰＣＦ
　１６３　光フィルタ
　１６４　光ファイバカプラ
　１６５　ＤＢＤ
　１６６　電気増幅器
　１６７　ＡＤ変換器
　１６８　モニタ
　１７１　チタン・サファイヤレーザ
　１７２　部分反射ミラー
　１７４　ＰＣＦ
　１７５　強度変調器
　１７７　光スペクトル整形フィルタ
　１８０　ハーフミラー
　１８１　Ｘ－Ｙガルバノミラー
　１８４　ダイクロイックミラー
　１８５　対物レンズ
　１８６　生細胞試料
　１９１　ＤＢＤ
　１９２　包絡線検波回路
　１９３　電気増幅器
　１９４　ＡＤ変換器
　１９５　コンピュータ
　１９６　モニタ
　以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
（第１実施の形態）
　図１は、本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の基本的構成を示すブロック図である。この光検出装置は、一定時間内に入力信号光（被検出光）の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段１０を用い、この局発光発生手段１０からの局発光を光合波手段２０にて入力信号光と合波し、この合波された光を光電変換手段３０にて電気信号に変換すると同時に複数のビート信号が加算された信号を得て、入力信号光をヘテロダイン検出するものである。
　局発光発生手段１０は、例えば、複数の単色光源、振幅、位相や光周波数が変調された光源、光周波数コム発振器やパルス光源などを用いて、一定時間内に入力信号光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生するように構成する。光合波手段２０は、例えば、誘電体多層膜型ハーフミラー、ファイバ型光カプラや平面導波路型光カプラなどを用いて構成する。また、必要に応じて、光合波手段２０の前段に、入力信号光や局発光の空間モードを調整する空間モードフィルタを配置しても良い。光電変換手段３０は、例えば、ＰＭＴ、ＡＰＤ、ＰＤ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＭ－ＣＣＤやＥＢ－ＣＣＤなどを用いて構成する。また、光電変換手段３０は、直流成分や信号光および局発光の強度揺らぎを除去する差動型(Dual Balanced Detection:DBD)のものを用いて構成することができる。
　被検出光である入力信号光は、光電変換手段３０から出力される電気信号のうち、特に、振幅情報や強度情報を用いて検出する。これらの情報は、包絡線検波、二乗検波や同期検波などにより取得する。光電変換手段３０に差動型構成を用いない場合は、直流成分を除去するフィルタ手段を付加するのが有効である。
　図２は、図１に示した光検出装置の動作を説明する模式図である。すなわち、本実施の形態に係る光検出装置は、局発光発生手段１０から一定時間内に発生する複数光周波数を持った局発光の光周波数を、入力信号光の光スペクトル線幅内に含まれるように設定して、光合波手段２０にて入力信号光と局発光とを合波し、この合波された光を光電変換手段３０にて光電変換すると同時に複数のビート信号の加算された出力を得、その振幅情報を用いることで入力光信号をヘテロダイン検出する。つまり、局発光として、一定時間内に複数の光周波数成分を有するものを用いて、時間的コヒーレンスの低い、すなわち光スペクトル線幅の広い入力信号光を光ヘテロダイン検出する。この場合、ビート信号は、雑音的になるので、この雑音的なビート信号の振幅情報を検出信号とする。
　ここで、局発光発生手段１０から発生する局発光の複数の光周波数におけるそれぞれの間隔は、光検出システム全体の電気帯域の二倍以上とする。この場合、ある光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号は、他の光周波数の局発光と入力信号光とのビート信号と相関を持たない。したがって、これらのビート信号は光電変換手段３０にてインコヒーレントに加算される。つまり、複数の光周波数成分を有する局発光を用いることで、一種類の光周波数成分しか持たない局発光を用いる場合よりも、検出されるビート信号の振幅は大きくなる。これにより、従来に無い高感度な光ヘテロダイン検出が実現される。また、十分強度の高い局発光を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
　なお、光電変換手段３０から出力される電気信号は、搬送波周波数が確定しない信号になっている。また、様々な周波数成分を含むため、使用周波数帯域が広くなっている。このように、使用周波数帯域が広がると、多くの雑音の混入を許してしまい、光検出感度の低下を招くことになる。したがって、光電変換手段３０の出力から被検出光の情報を取得するには、特に、包絡線検波を行うのが好ましい。このように、包絡線検波により被検出光の情報を取得するようにすれば、使用帯域を制限して雑音の混入を防ぐことができるとともに、周波数帯域の低減に応じて、装置を構成する部品のコストダウンを図ることが可能となる。
（第２実施の形態）
　図３は、本発明の第２実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡の要部の構成を示すブロック図である。このレーザ走査型蛍光顕微鏡は、励起光源として波長４８８ｎｍで連続発振するＡｒレーザ４１を有する。図３において、Ａｒレーザ４１から出射されたレーザ光は、例えば音響光学変調器（Acousto Optic Modulator:AOM）等の光強度調整器４２により光強度を調整して、Ｘ－Ｙガルバノミラー４３、瞳投影レンズ４４、結像レンズ４５、ダイクロイックミラー４６および対物レンズ４７を経て、検査対象である生細胞試料４８に集光して照射する。したがって、このレーザ走査型蛍光顕微鏡では、光強度調整器４２、Ｘ－Ｙガルバノミラー４３、瞳投影レンズ４４、結像レンズ４５、ダイクロイックミラー４６および対物レンズ４７は、励起光源からの励起光を試料に照射する光照射手段を構成している。また、Ｘ－Ｙガルバノミラー４３は、光走査手段を構成する。
　なお、生細胞試料４８としては、蛍光色素で染色された検査対象物や、蛍光タンパクが発現している検査対象物を用いる。ここでは、蛍光タンパクｅＧＦＰ（enhanced Green Fluorescence Protein）が発現している検査対象物質を用いるものとする。したがって、Ａｒレーザ４１からのレーザ光が、生細胞試料４８に照射されると、ｅＧＦＰが励起されて波長約５００ｎｍ～６００ｎｍの蛍光が発生する。
　生細胞試料４８から発生した蛍光は、対物レンズ４７を経てダイクロイックミラー４６に導く。ダイクロイックミラー４６は、波長４８８ｎｍの光は透過させ、波長５００ｎｍより長波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料４８で発生した波長約５００ｎｍ～６００ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー４６で反射させる。
　ダイクロイックミラー４６で反射された蛍光は、光合波手段であるハーフミラー４９にて局発光と合波させる。局発光は、ＤＰＳＳ (Diode Pumped Solid State) レーザ５１から出射されたレーザ光と、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２から出射されたレーザ光とをダイクロイックミラー５3で合波したものを用いる。ＤＰＳＳレーザ５１は、例えば、波長５３２ｎｍにて単一空間モードで連続発振し、平均光強度１０ｍＷまでの出力が可能なものを用いる。また、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２は、例えば、波長５４３ｎｍにて単一空間モードで連続発振し、平均光強度１０ｍＷの出力が可能なものを用いる。
　すなわち、本実施の形態においては、局発光発生手段を、ＤＰＳＳレーザ５１およびＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２の２台の連続発振レーザを用いて構成している。
　ハーフミラー４９から得られる二つの合波出力は、それぞれ反射ミラー５４，５５で反射させ、レンズ５６，５７を用いてＳｉＰＤ（Silicon Photo Diode）で構成される光電変換手段である差動検出器(Dual Balanced Detector:DBD)６１に入力して光電変換する。ＤＢＤ６１から出力される電気信号は、包絡線検波回路６２で包絡線検波した後、電気増幅器６３で増幅し、さらに、ＡＤ変換器６４にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ６５に供給する。
　コンピュータ６５は、レーザ走査型蛍光顕微鏡の全体を制御する。これにより、Ａｒレーザ４１からのレーザ光を、Ｘ－Ｙガルバノミラー４３により偏向して、生細胞試料４８を対物レンズ４７の光軸と直交する平面内で２次元走査し、その各走査点においてＡＤ変換器６４から得られる出力を処理して、モニタ６６に蛍光画像を表示する。
　このように、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、Ａｒレーザ４１からのレーザ光の照射によって、生細胞試料４８から発生する蛍光を、十分強度の高いＤＰＳＳレーザ５１およびＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２から得られる局発光を用いてヘテロダイン検出する。したがって、生細胞試料４８から得られる信号光である蛍光が微弱でも、生細胞試料４８に照射するレーザ光の強度を高めたり、受光積算時間を長くしたりすることなく、ＳｉＰＤで構成されるＤＢＤ６１を用いて、蛍光を高速かつ高感度に光電変換することができ、生細胞試料４８を高感度かつ高ＳＮ比で蛍光観察することができる。
　また、局発光として単一空間モードの光源を用いているため、ＤＢＤ６１の受光面において、局発光をほぼ回折限界まで集光することが可能である。生細胞試料４８から発せられる蛍光と局発光とが、ＤＢＤ６１の受光面において空間的に重なった部分のみビート信号として検出されるため、本実施の形態に係るレーザ走査型蛍光顕微鏡は、共焦点ピンホールを有していないにも拘らず、共焦点効果を実現することが可能である。
　さらに、局発光発生手段として、ここではＤＰＳＳレーザ５１とＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ５２との２台の連続発振レーザを用いるので、特に、個々の光源の強度や発振光周波数を選択することで、被検出光の光周波数帯域や光スペクトル形状に応じた自由度の高いレーザ走査型蛍光顕微鏡を実現できる。また、本実施の形態において、被検出光は、時間的に低コヒーレンスであるため、局発光の光周波数安定性に対する要求は高くない。また、検出されるビート信号は、搬送波周波数を規定できないような雑音的な信号になるため、従来法では必要不可欠だった局発光と被検出光との間の周波数間隔の固定が必要無い。しかも、局発光間の周波数間隔は、光検出システム全体の電気帯域よりも広く設定されている限り、局発光間のビート信号は検出されない。したがって、局発光発生手段に対する光周波数の安定性に対する制約は緩い。そのため、非常に低価格な連続発振レーザを局発光源として用いることができる。なお、局発光発生手段を構成する連続発振光源は、２台に限らず、検出する入力信号光の帯域に応じて、３台以上とすることもできる。
（第３実施の形態）
　図４は、本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に示した構成において、局発光発生手段１０をパルス光発生手段７０で構成したものである。パルス光発生手段７０は、例えば、モード同期レーザ、利得スイッチレーザ、Ｑスイッチレーザなどのパルス光源と、光遅延発生器、チャープ発生器、光増幅器や光周波数変換器などを組み合わせて構成する。ここで、光遅延発生器は、例えば、光ファイバ遅延線やミラーなどで構成される空間遅延回路などである。チャープ発生器は、例えば、回折格子対、プリズム対、チャープドファイバブラッググレーティング、空間液晶変調器を利用したものや光ファイバなどである。光増幅器は、例えば、希土類添加型光ファイバ型光増幅器、誘導ラマン散乱効果を利用した光ファイバ型光増幅器、光パラメトリック光増幅器や半導体光増幅器などである。光周波数変換器は、例えば、第二次高調波発生 (second harmonic generation:SHG)、第三次高調波発生 (third harmonic generation:THG)、四光波混合効果 (four wave mixing:FWM)や誘導ラマン散乱効果を用いた光周波数変換器などである。なお、パルス光発生手段７０から出力するパルス列の繰返し周波数は、信号処理周波数帯域の二倍以上、好ましくは、二倍に設定する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　このように、局発光発生手段をパルス光発生手段７０で構成すれば、パルス光発生手段７０から発生する光パルス列の光スペクトルは、光スペクトル帯域内に光パルス列の繰り返し周波数と一致する周波数間隔で光周波数が並んだ構造を持っているので、光周波数の異なる多数の局発光を容易に得ることができる。また、時間幅の狭い光パルス列は、広い光スペクトル帯域を持っているため、被検出光が広帯域であっても非常に高感度に検出することが可能になる。また、パルス光発生手段７０を用いることで、簡単な構成で多数の光周波数の局発光が得られるので、光源の管理が非常に容易になるとともに、局発光発生手段をコンパクトに構成することが可能となる。また、局発光としての光パルスと時間的に重なった信号光のビート信号が検出されるため、光パルスのタイミングを調整することで、光パルス時間幅程度の時間分解能を持った時間分解計測も可能になる。
　また、パルス光発生手段７０を、モード同期レーザを用いて構成した場合は、局発光の各周波数成分間の相対強度揺らぎを非常に小さくできるので、非常に低雑音な光検出が可能となる。すなわち、多くの光周波数成分を含む局発光を用いる場合、各光周波数成分間に相対強度揺らぎがあると、ビート信号強度も揺らぐため、検出時の雑音となる。この点、モード同期レーザは、非常に低雑音な光パルス列を発生させることができるので、光スペクトルに含まれる各光周波数成分の光スペクトル純度を非常に高くでき、各周波数成分間の相対強度揺らぎを非常に小さくできる。
　また、パルス光発生手段７０を、利得スイッチレーザもしくはＱスイッチレーザを用いて構成した場合は、所望の光周波数成分の周波数間隔を実現することができるので、計測速度を変化させても、それに応じて常に所望の感度に調整が可能になる。すなわち、光パルス列の光スペクトルに含まれる光周波数成分の周波数間隔は、前述のとおり、光パルス列の繰り返し周波数と等しい。この光周波数成分の周波数間隔は、光検出システム全体の電気帯域に入らない程度に密であることが、検出感度の観点から望ましい。この点、利得スイッチレーザやＱスイッチレーザを用いれば、光パルス列の繰り返し周波数を容易に変更可能であるので、局発光に含まれる光周波数成分の周波数間隔を容易に変化させることができる。そのため、計測速度を変化させても、それに応じて常に所望の感度に調整が可能になる。
　さらに、パルス光発生手段７０から出力するパルス列の繰返し周波数を、信号処理周波数帯域の二倍に設定することで、局発光の隣接する光周波数成分の位相関係によって検出信号出力が影響を受けることなく、高感度の検出が可能となる。すなわち、局発光として用いられる光パルス列の光スペクトル中には、その繰り返し周波数間隔で光周波数成分が並ぶ。この各光周波数成分同士の位相関係には強い相関があるため、局発光の隣接する光周波数成分のちょうど中間に位置する信号光の光周波数成分は、電気段にてコヒーレントに足し合わされる。つまり、隣接する光周波数成分の位相関係によって、検出信号出力が変化する。これを防止するには、局発光として用いる光パルス列の各光周波数成分の位相関係を管理する必要が生じる。この点、パルス光発生手段７０から出力する光パルス列の繰り返し周波数を信号処理周波数の二倍以上に設定すれば、この出力変化の問題を解消することができる。そして、好ましくは、光パルス列の繰り返し周波数を信号処理周波数の二倍に設定することで、局発光の各光周波数成分の間隔が密となり、高感度な光検出が可能となる。
（第４実施の形態）
　図５は、本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置において、パルス光発生手段７０と光合波手段２０との間に、パルス光発生手段７０の出力光から、一部の光周波数を選択して局発光として光合波手段２０に出力する光周波数選択手段８０を設けたものである。
　光周波数選択手段８０は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、光吸収型フィルタ、回折格子型フィルタ、プリズム型フィルタ、グリズム型フィルタ、ＶＩＰＡ(Virtually Imaged Phased Array)型フィルタ、ＡＷＧ (Arrayed Wave Guide)型フィルタ、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)型フィルタなどを用いて構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　このように、パルス光発生手段７０の後段に光周波数選択手段８０を設ければ、パルス光発生手段７０から出力される光パルス列の光スペクトルが被検出光の光スペクトル帯域よりも広い場合に、光検出に寄与しない局発光を光周波数選択手段８０により除去することができるので、第３実施の形態の効果に加えて、過剰雑音の混入を低減し、所望の被検出信号を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
　光ヘテロダイン検出における支配的雑音要因はショット雑音であり、この雑音は光電変換手段３０で光電変換される局発光強度に比例する。このため、被検出光が存在しない光周波数領域の局発光が光電変換手段３０に入力されると、ビート信号は増えない上、ショット雑音が増大してしまう。本実施の形態に係る光検出装置では、このような光検出に寄与しない局発光を、光周波数選択手段８０で除去するので、局発光と近接する信号光成分のみがビート信号として検出され、光周波数軸上で近接する局発光の無い信号光成分は検出されない。つまり、光周波数選択手段８０で選択された局発光の光スペクトルとほぼオーバーラップしている被検出光のみがビート信号として検出されるので、被検出光のある特定の光周波数を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
（第５実施の形態）
　図６は、本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置において、パルス光発生手段７０と光合波手段２０との間に、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを所望の形状に整形して光合波手段２０に局発光として出力する光スペクトル整形手段９０を設けたものである。
　光スペクトル整形手段９０は、例えば、誘電体多層膜型フィルタ、長周期ＦＢＧ、回折格子と液晶空間位相変調器との組み合わせや、ＶＩＰＡ型波形整形器などを用いて構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　このように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル整形手段９０を設けて、光合波手段２０に出力する光パルス列の光スペクトルの強度等を所望の形状に整形すれば、第３実施の形態の効果に加えて、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。すなわち、局発光として光パルス列を用いる場合、光パルス列の光スペクトル形状に応じて、検出感度の光周波数依存性が生じる。また、光電変換手段３０も、通常は検出感度の光周波数依存性を有している。したがって、本実施の形態におけるように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル整形手段９０を配置して、光パルス列の光スペクトルを所望の形状に整形して、被検出光に合波すれば、光検出感度の光周波数依存性を調整することが可能になる。
　なお、このような光スペクトル整形手段９０は、図５に示した構成において、光周波数選択手段８０の前段または後段に配置して光検出装置を構成することもでき、これにより同様の効果を得ることができる。
（第６実施の形態）
　図７は、本発明の第６実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置において、パルス光発生手段７０と光合波手段２０との間に、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを広帯域化して光合波手段２０に局発光として出力する光スペクトル広帯域化手段１００を設けたものである。
　光スペクトル広帯域化手段１００は、例えば、光ファイバ中の非線形効果（光カー効果、誘導ラマン散乱、誘導パラメトリック散乱）や半導体光増幅器中の非線形効果を利用して構成することができる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　このように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル広帯域化手段１００を設けて、光合波手段２０に出力する光パルス列の光スペクトルを広帯域化すれば、第３実施の形態の効果に加えて、非常に広帯域な被検出光でも検出することが可能となる。すなわち、光電変換手段３０の検出光帯域が十分広い場合、検出可能な光スペクトル帯域は、パルス光発生手段７０からの局発光の光スペクトル帯域（より厳密には局発光の光スペクトル包絡線の帯域）でほぼ決定される。つまり、局発光の光スペクトルとオーバーラップしない信号光成分は検出することができない。この点、本実施の形態におけるように、パルス光発生手段７０の後段に光スペクトル広帯域化手段１００を配置すれば、局発光の光スペクトル帯域を広げることができるため、検出可能な光スペクトル帯域を広げることが可能になり、非常に広帯域な信号光でも検出できるようになる。
（第７実施の形態）
　図８は、本発明の第７実施の形態に係る内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この内視鏡は、体腔内を観察するもので、照明光源としてＸｅランプ１１１を有し、被検出光の検出系として図７に示した光検出装置の構成を有するものである。図８において、Ｘｅランプ１１１は、コンピュータ１１２に制御されたドライバ１１３によって駆動する。Ｘｅランプ１１１から発せられた光は、ライトガイドファイバ（Light Guide Fiber:LGF）１１４を経由して照明用レンズ１１５から体腔内の生体試料１１６に向けて照明光として照射する。
　照明光の照射により生体試料１１６で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ１１７にて集光して、合波ミラー１１８で局発光と合波させる。
　局発光は、利得スイッチ半導体レーザ１２１からの光パルスを用いる。この利得スイッチ半導体レーザ１２１からの光パルスは、分散補償光ファイバ(Dispersion Compensation Fiber:DCF)１２２、Ｅｒ添加ファイバ型光増幅器(Er-doped Fiber Amplifier:EDFA)１２３、ＰＰＬＮ (Periodically Poled Lithium Niobate)１２４、光スペクトル広帯域化手段であるフォトニック結晶ファイバ（photonic crystal fibers:PCF）１２５、およびコリメートレンズ１２６を経て、合波ミラー１１８に局発光として入射させる。
　利得スイッチ半導体レーザ１２１は、例えば、波長１５５０ｎｍの分布帰還型半導体レーザ(Distributed Feedback Laser Diode:DFB LD)を用いる。この利得スイッチ半導体レーザ１２１からは、パルス幅２０ｐｓのパルス列を得る。パルス列の繰り返し周波数は、１ＭＨｚ～１０ＧＨｚの間でコンピュータ１１２によって制御する。利得スイッチ半導体レーザ１２１から出力された光パルスは、ＤＣＦ１２２を伝搬させて、パルス幅を約２ｐｓまで時間圧縮し、さらに、ＥＤＦＡ１２３により増幅する。ＥＤＦＡ１２３の出力光は、ＰＰＬＮ１２４で波長７７５ｎｍに波長変換し、さらにＰＣＦ１２５に入力して、光カー効果により光スペクトルを広帯域化する。このＰＣＦ１２５の出力光は、コリメートレンズ１２６により平行光の局発光として合波ミラー１１８に入射させて、被検出光と合波する。ＰＣＦ１２５は、例えば、零分散波長が７７０ｎｍ、非線形定数が１００Ｗ－１ｋｍ－１、ファイバ長が２０ｍのものを用いる。これにより、可視帯を覆う程度に光スペクトルを広帯域化する。
　ここで、コンピュータ１１２は、生体試料１１６からの光検出系全体の信号処理帯域の約二倍になるように利得スイッチ半導体レーザ１２１の繰り返し周波数を制御する。さらにコンピュータ１１２は、利得スイッチ半導体レーザ１２１の繰り返し周波数を変化させると同時に、ＥＤＦＡ１２３から出力される光パルス一つ当たりのエネルギが変動しないように、ＥＤＦＡ１２３の平均出力光強度を調整する。これにより、ＰＣＦ１２５から出射される光スペクトルの形状を安定化する。
　合波ミラー１１８で合波された光は、フィルタ１２７で可視光以外の光を除去し、集光用レンズ１２８により光電変換手段である二次元ＣＣＤ１３０に集光して光電変換する。二次元ＣＣＤ１３０からの出力電気信号は、ＡＤ変換器１３１でディジタル信号に変換した後、ディジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)１３２に供給し、該ＤＳＰ１３２で包絡線検波処理してコンピュータ１１２に供給する。そして、コンピュータ１１２により、ＤＳＰ１３２からの信号に基づいて二次元画像を構築して、モニタ１３３に画像を表示する。なお、照明用レンズ１１５、集光用レンズ１１７、合波ミラー１１８、コリメートレンズ１２６、フィルタ１２７、集光用レンズ１２８および二次元ＣＣＤ１３０は、内視鏡ハウジング１３４内に収められている。
　本実施の形態に係る内視鏡によれば、利得スイッチ半導体レーザ１２１から出力される光パルスを、ＤＣＦ１２２で時間圧縮した後、ＥＤＦＡ１２３で増幅し、さらに、ＰＰＬＮ１２４で波長変換してからＰＣＦ１２５で光スペクトルを広帯域化して局発光を得るようにしている。したがって、生体試料１１６からの広帯域な被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出して、二次元画像としてモニタ１３３に表示することができ、正確な診断に供することができる。
（第８実施の形態）
　図９は、本発明の第８実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置に、図５に示した光周波数選択手段８０と、図７に示した光スペクトル広帯域化手段１００とを付加し、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを、光スペクトル広帯域化手段１００により広帯域化した後、その広帯域化された光スペクトルから光周波数選択手段８０により所要の光周波数を局発光として選択して光合波手段２０に出力するようにしたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　したがって、本実施の形態に係る光検出装置によると、第３実施の形態、第４実施の形態および第６実施の形態で説明したと同様の効果を得ることができる。
（第９実施の形態）
　図１０は、本発明の第９実施の形態に係る走査型内視鏡の要部の構成を示すブロック図である。この走査型内視鏡は、体腔内を走査して観察するもので、照明光源としてＸｅランプ１５１を有し、被検出光の検出系として図９に示した光検出装置の構成を有するものである。図１０において、Ｘｅランプ１５１は、コンピュータ１５２に制御されたドライバ１５３によって駆動する。Ｘｅランプ１５１から発せられた光は、ライトガイドファイバ１５４を経てコリメータ１５５から体腔内の生体試料１５６に照明光として照射する。
　照明光の照射により生体試料１５６で反射および散乱された光は、被検出光として集光用レンズ１５７にて集光する。ここで、コリメータ１５５および集光用レンズ１５７は、走査マウント１５８に保持されており、走査マウント１５８はドライバ１５９を介してコンピュータ１５２によって制御される。コリメータ１５５、集光用レンズ１５７および走査マウント１５８は、内視鏡ハウジング１６０に収められている。
　局発光は、チタン・サファイヤレーザ１６１からの光パルスを用いる。このチタン・サファイヤレーザ１６１からの光パルスは、光スペクトル広帯域化手段であるＰＣＦ１６２および光周波数選択手段である光フィルタ１６３を経て、合波手段である光ファイバカプラ１６４に、局発光として入射させる。
　チタン・サファイヤレーザ１６１からは、例えば、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２０ｆｓ、発振波長８５０ｎｍ、平均光強度２．５Ｗの超短光パルスを発生させる。この超短光パルスは、ＰＣＦ１６２に入力して、光スペクトルを広帯域化する。ＰＣＦ１６２は、例えば、零分散波長が８４５ｎｍ、非線形定数が７０Ｗ－１ｋｍ－１、ファイバ長が１ｍのものを用いる。そして、光フィルタ１６３は、ＰＣＦ１６２で広帯域化された光パルスから、波長４５０ｎｍ～７００ｎｍの光を局発光として取り出して光ファイバカプラ１６４に供給する。
　集光用レンズ１５７からの出力光および光フィルタ１６３からの局発光は、光ファイバカプラ１６４にて合波して、該光ファイバカプラ１６４の二つの出力を、光電変換手段であるＤＢＤ１６５へ入力して光電変換する。ＤＢＤ１６５から出力される電気信号は、電気増幅器１６６にて増幅し、さらに、ＡＤ変換器１６７にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ１５２に供給する。
　コンピュータ１５２は、走査マウント１５８の位置およびＸｅランプ１５１の光強度を制御しながら、ＡＤ変換器１６７から得られる情報に基づいて二次元画像を構築して、その構築した二次元画像をモニタ１６８に表示する。
　本実施の形態に係る走査型内視鏡によれば、チタン・サファイヤレーザ１６１から出力される光パルスの光スペクトルを、ＰＣＦ１６２で広帯域化した後、光フィルタ１６３に入射させるので、所望の光スペクトルを有する局発光を容易に得ることができる。したがって、生体試料１５６からの広帯域な被検出光を高感度かつ高ＳＮ比で検出して、二次元画像としてモニタ１６８に表示することができ、正確な診断に供することができる。
（第１０実施の形態）
　図１１は、本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の要部の構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図４に示した構成の光検出装置に、図６に示した光スペクトル整形手段９０と、図７に示した光スペクトル広帯域化手段１００とを付加し、パルス光発生手段７０の出力光の光スペクトルを、光スペクトル広帯域化手段１００により広帯域化した後、その広帯域化された光スペクトルを光スペクトル整形手段９０により所望の形状に整形して光合波手段２０に局発光として出力するようにしたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　したがって、本実施の形態に係る光検出装置によると、第３実施の形態、第５実施の形態および第６実施の形態で説明したと同様の効果を得ることができる。
　なお、図１１に示した光検出装置において、光スペクトル整形手段９０の前段または後段に、図５に示した光周波数選択手段８０を配置することもでき、これにより図５において説明したと同様の効果を得ることもできる。
（第１１実施の形態）
　図１２は、本発明の第１１実施の形態に係る多光子蛍光顕微鏡装置の要部の構成を示すブロック図である。この多光子蛍光顕微鏡装置は、励起光源としてチタン・サファイヤレーザ１７１を有し、被検出光の検出系として図１０に示した光検出装置の構成を有し、かつ、励起光源であるチタン・サファイヤレーザ１７１を局発光源としても共用するものである。
　チタン・サファイヤレーザ１７１からは、例えば、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２０ｆｓ、発振波長８５０ｎｍ、平均光強度２．５Ｗの超短光パルスを発生させる。この超短光パルスは、部分反射ミラー１７２にて９０％の光を反射させて、レンズ１７３を経て光スペクトル広帯域化手段であるＰＣＦ１７４に入力させる。一方、部分反射ミラー１７２を透過する１０％の光は、光強度調整器１７５に入力させる。
　ＰＣＦ１７４は、例えば、零分散波長が８４５ｎｍ、非線形定数が７０Ｗ－１ｋｍ－１、ファイバ長が１ｍのものを用いて、入力された超短光パルスの光スペクトルを広帯域化する。ここで、ＰＣＦ１７４により広帯域化された光スペクトルには、多数のリプルが生じる。そのため、このＰＣＦ１７４から出力される光パルスを、レンズ１７６を経て光スペクトル整形手段である誘電体多層膜型の光スペクトル整形フィルタ１７７に入射させて、光スペクトルを整形する。
　光スペクトル整形フィルタ１７７は、広帯域化された光スペクトル上の波長５００ｎｍ～６００ｎｍのリプルを平坦化する透過特性を有する、例えば誘電体多層膜型のものを用いる。この光スペクトル整形フィルタ１７７により光スペクトルが整形された光パルスは、波長５００ｎｍ～６００ｎｍの光を透過する光バンドパスフィルタ１７８を経て、局発光として光合波手段であるハーフミラー１８０に入射させる。
　一方、部分反射ミラー１７２を透過した光は、光強度調整器１７５により平均光強度を１００ｍＷに調整して、Ｘ－Ｙガルバノミラー１８１、瞳投影レンズ１８２、結像レンズ１８３、ダイクロイックミラー１８４および対物レンズ１８５を経て、検査対象である生細胞試料１８６に集光して照射し、これにより生細胞試料１８６中の例えばｅＧＦＰを多光子励起（例えば、2光子励起）して蛍光を発生させる。
　生細胞試料１８６から発生した蛍光は、対物レンズ１８５を経てダイクロイックミラー１８４に導く。ダイクロイックミラー１８４は、チタン・サファイヤレーザ１７１からの波長８５０ｎｍの光は透過させ、波長７００ｎｍ以下の短波長の光は反射させるように構成する。これにより、生細胞試料１８６で発生した波長約５００ｎｍ～６００ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー１８４で反射させる。
　ダイクロイックミラー６３で反射された波長５００ｎｍ～６００ｎｍの蛍光は、ハーフミラー１８０にて、光バンドパスフィルタ１７８から出力される局発光と合波させる。ハーフミラー１８０から得られる二つの合波出力は、それぞれ反射ミラー１８７，１８８およびレンズ１８９，１９０を経て、ＳｉＰＤで構成される光電変換手段であるＤＢＤ１９１に入力して光電変換する。ＤＢＤ１９１から出力される電気信号は、包絡線検波回路１９２で包絡線検波した後、電気増幅器１９３で増幅し、さらに、ＡＤ変換器１９４にてアナログ信号からディジタル信号へ変換して、コンピュータ１９５に供給する。
　コンピュータ１９５は、多光子蛍光顕微鏡装置の全体を制御して、ＡＤ変換器１９４から得られる出力を処理し、その蛍光画像をモニタ１９６に表示する。
　本実施の形態に係る多光子蛍光顕微鏡装置によれば、励起光源であるチタン・サファイヤレーザ１７１を局発光源としても用い、このチタン・サファイヤレーザ１７１から出射された励起光を局発用として光量分離し、その分離した局発用の光パルスの光スペクトルをＰＣＦ１７４で広帯域化して、さらに、光スペクトル整形フィルタ１７７で光スペクトルを整形して局発光を得るようにしたので、簡単な構成で、生細胞試料１８６からの蛍光を高感度かつ高ＳＮ比で検出することができる。
　なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、被検出信号光は、試料からの反射光、散乱光、蛍光に限らず、透過光、燐光の場合も、本発明に係る光検出装置を有効に適用することができる。また、反射光、散乱光、透過光を検出する場合の照明光は、ランプ光に限らず、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光とすることもできる。さらに、図５、図９、図１０において、光周波数選択手段の前段または後段に、図６に示した光スペクトル整形手段を設けることもできる。
　また、本発明は、波長が180ｎｍ程度の紫外線から波長が50μｍ程度の赤外線までの電磁波の光検出に適用でき、上記実施の形態で説明した可視光の検出に限らない。例えば、紫外線を検出する場合、局発光発生手段は、例えば、チタン・サファイヤレーザを用い、該チタン・サファイヤレーザから生成される高強度の超短光パルスをキセノンガスに照射して、キセノンガス中で高次高調波を発生させ、これにより紫外線領域で得られる超短光パルスを紫外線検出用の局発光として用いるように構成することができる。また、光合波手段は、例えば、多層膜型ミラーを用いて構成することができ、光電変換手段は、例えば、ＰＭＴを用いて構成することができる。
　また、赤外線を検出する場合、局発光発生手段は、例えば、モード同期Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、該モード同期Ｎｄ：ＹＡＧレーザから生成される高強度のピコ秒光パルスをＰＰＬＮに入射し、これによりＰＰＬＮ中での差周波混合によって得られる赤外線波長の光パルスを赤外線検出用の局発光として用いるように構成することができる。また、光合波手段は、例えば、ＣｓＩ基板型ビームスプリッタを用いて構成することができ、光電変換手段は、例えば、Ｇｅ：Ｚｎを用いた光導電素子を利用して構成することができる。
　また、本発明は、光以外の電磁波、例えば、電波、Ｘ線、γ線等の検出にも有効に適用することができる。この場合は、例えば、図１３に示すように、局発信号発生手段２０１から、一定時間内に被検出電磁波（例えば、電波など）に基づく被検出信号の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発信号を発生させ、この局発信号と被検出信号とをミキサ２０２で混合する。そして、ミキサ２０２の出力からローパスフィルタ（Low Pass Filter:LPF）２０３によりビート信号を取り出して、このビート信号に基づいて被検電磁波に基づく被検出信号を検出するように構成する。したがって、本発明は、以下の付記項に記載のように捉えることもできる。
［付記項］
１．一定時間内に被検出電磁波に基づく被検出信号の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発信号を発生する局発信号発生手段と、
　前記局発信号発生手段から発生される前記局発信号と前記被検出信号とを混合する混合手段と、
　前記混合手段の出力からビート信号を取り出すローパスフィルタとを有し、
　前記ビート信号に基づいて前記被検出信号をヘテロダイン検出することを特徴とする電磁波検出装置。
２．前記局発信号発生手段は、それぞれ異なる周波数の連続信号を発生する複数台の信号発生源を有する、ことを特徴とする付記項１に記載の電磁波検出装置。
３．前記局発信号発生手段は、パルス列を発生するパルス発生手段からなる、ことを特徴とする付記項１に記載の電磁波検出装置。
４．前記局発信号発生手段は、さらに、前記パルス発生手段の出力から、所定の周波数成分を局発信号として選択するフィルタ手段を有する、ことを特徴とする付記項３に記載の電磁波検出装置。
５．前記局発信号発生手段は、さらに、前記パルス発生手段の出力のスペクトルを整形するスペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする付記項３に記載の電磁波検出装置。
６．前記局発信号発生手段は、さらに、前記パルス発生手段の出力のスペクトルを広帯域化するスペクトル広帯域化手段を有する、ことを特徴とする付記項３に記載の電磁波検出装置。
７．前記局発信号発生手段は、さらに、前記スペクトル広帯域化手段の出力から、所定の周波数成分を局発信号として選択するフィルタ手段を有する、ことを特徴とする付記項６に記載の電磁波検出装置。
８．前記局発信号発生手段は、さらに、前記スペクトル広帯域化手段の出力のスペクトルを整形するスペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする付記項６に記載の電磁波検出装置。
９．前記パルス発生手段は、前記ローパスフィルタの出力を処理する信号処理周波数帯域の二倍以上の繰り返し周波数で、前記パルス列を発生する、ことを特徴とする付記項３～８のいずれか一項に記載の電磁波検出装置。
１０．前記ビート信号の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とする付記項１～９のいずれか一項に記載の電磁波検出装置。
１１．一定時間内に被検出電磁波に基づく被検出信号の周波数帯域内に複数の周波数成分を有する局発信号を発生するステップと、
　前記被検出信号光と前記局発信号とを混合するステップと、
　前記混合された信号からビート信号を取り出すステップとを含み、
　前記ビート信号に基づいて前記被検出信号をヘテロダイン検出することを特徴とする電磁波検出方法。
１２．観察試料からの被検出電磁波を検出する顕微鏡であって、
　付記項１～１０のいずれか一項に記載の電磁波検出装置を有し、
　前記観察試料からの前記被検出電磁波に基づく被検出信号を前記電磁波検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
１３．体腔内からの被検出電磁波を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
　付記項１～１０のいずれか一項に記載の電磁波検出装置を有し、
　前記体腔内からの前記被検出電磁波に基づく被検出信号を前記電磁波検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。

Claims (15)

  1. 　一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生手段と、
    　前記局発光発生手段から発生される前記局発光と前記被検出光とを合波する光合波手段と、
    　前記光合波手段から出力される光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換手段とを有し、
    　前記光電変換手段の出力に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出装置。
  2. 　前記局発光発生手段は、それぞれ異なる光周波数の連続光を発生する複数台の光発生源を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
  3. 　前記局発光発生手段は、光パルス列を発生する光パルス発生手段からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
  4. 　前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
  5. 　前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
  6. 　前記局発光発生手段は、さらに、前記光パルス発生手段の出力光のスペクトルを広帯域化する光スペクトル広帯域化手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
  7. 　前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光から、所定の光周波数成分を局発光として選択する光フィルタ手段を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の光検出装置。
  8. 　前記局発光発生手段は、さらに、前記光スペクトル広帯域化手段の出力光のスペクトルを整形する光スペクトル整形手段を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の光検出装置。
  9. 　前記光パルス発生手段は、前記光電変換手段の出力を処理する信号処理周波数帯域の二倍以上の繰り返し周波数で、前記光パルス列を発生する、ことを特徴とする請求項３～８のいずれか一項に記載の光検出装置。
  10. 　前記光パルス発生手段は、モード同期レーザを有することを特徴とする請求項３～９のいずれか一項に記載の光検出装置。
  11. 　前記光パルス発生手段は、利得スイッチレーザもしくはＱスイッチレーザを有することを特徴とする請求項３～９のいずれか一項に記載の光検出装置。
  12. 　前記光電変換手段の出力の包絡線を検出する包絡線検波手段を、さらに有する、ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の光検出装置。
  13. 　一定時間内に被検出光の光周波数帯域内に複数の光周波数成分を有する局発光を発生する局発光発生ステップと、
    　前記被検出光と前記局発光とを合波する合波ステップと、
    　前記合波された光を光電変換して前記局発光と前記被検出光とのビート信号を生成する光電変換ステップとを含み、
    　前記ビート信号に基づいて前記被検出光をヘテロダイン検出することを特徴とする光検出方法。
  14. 　観察試料からの被検出光を検出する顕微鏡であって、
    　請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
    　前記観察試料からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする顕微鏡。
  15. 　体腔内からの被検出光を検出して、前記体腔内を観察する内視鏡であって、
    　請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
    　前記体腔内からの前記被検出光を前記光検出装置によりヘテロダイン検出するように構成したことを特徴とする内視鏡。
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