DE112015006288T5

DE112015006288T5 - Optische Messvorrichtung und optisches Messverfahren

Info

Publication number: DE112015006288T5
Application number: DE112015006288.2T
Authority: DE
Inventors: Manabu Shiozawa; Koichi Watanabe; Masataka Shirai
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: WO2016143084A1; JP6340474B2; US20180045571A1; DE112015006288B4; JPWO2016143084A1; US11041760B2

Abstract

Bei Multiplex-CARS ist ein Fingerabdruckbereich ein Bereich, in dem Signale dicht konzentriert sind. Informationen über die Intensitäten und die räumliche Verteilung dieser Signale sind bei der Zellenanalyse wichtig. Es bestand jedoch insofern ein Problem, dass die Signalintensitäten niedrig sind. Folglich werden Mechanismen 702 und 703 zum Einstellen des Leistungsverzweigungsverhältnisses zwischen Licht, das in eine photonische Kristallfaser 705 eintritt, und Pumplicht; Mechanismen 710 und 711 zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts; und Mechanismen 706 und 2101 zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes von Stokes-Licht geschaffen, um eine Einstellung zum Betonen eines gewünschten Wellenlängenbandes zu ermöglichen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Messvorrichtung und ein optisches Messverfahren unter Verwendung von kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung.
Stand der Technik
Ein optisches Mikroskop wurde als unentbehrliche Vorrichtung in der Naturwissenschaft, in der Ingenieurwissenschaft und in industriellen Gebieten entwickelt. Insbesondere besteht in den letzten Jahren ein zunehmender Bedarf an einer Funktionsverbesserung des optischen Mikroskops zur Verwendung bei der Zellenbeobachtung in der Regenerationsmedizin und in Arzneimittelentdeckungsgebieten. Derzeit besteht ein allgemeines Verfahren für eine aktuelle Zellenanalyse darin, eine Zelle unter Verwendung eines Reagenz zu färben und die Zelle durch das Mikroskop zu beobachten. Aufgrund eines Effekts, dass eine Färbung an der Zelle besteht, ist es jedoch bei diesem Verfahren schwierig, dieselbe Zelle kontinuierlich zu analysieren und die getestete Zelle für die medizinische Verwendung als solche zu verwenden.
Ein Mikroskop mit kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) ist für die Verwendung bei der Zellenbeobachtung geeignet, da das CARS-Mikroskop die molekulare Identifikation mit höherer Geschwindigkeit als ein Raman-Mikroskop aufgrund der Anwendung eines nicht-linearen optischen Effekts ermöglicht und eine nicht invasive Charakteristik aufweist. Nachstehend werden die Raman-Streuung und die CARS kurz beschrieben. 1 ist ein Energieniveaudiagramm der Stokes-Streuung bei der normalen Raman-Streuung. Die Raman-Streuung umfasst Stokes-Streuung und Anti-Stokes-Streuung und nur die Stokes-Streuung ist in 1 dargestellt. 1 stellt einen molekularen Grundzustand 101 und einen angeregten Vibrationszustand 102 dar. Wenn ein Molekül mit Pumplicht mit einer Frequenz von ω_P bestrahlt wird, streut das Molekül Licht mit einer Frequenz von ω_S, nachdem es durch einen Zwischenzustand 103 hindurchgeht. Zu diesem Zeitpunkt kehrt das Molekül auf ein Niveau im angeregten Vibrationszustand 102 zurück. Das Streulicht ist Stokes-Licht mit einer Frequenz von ω_S, die niedriger ist als die Frequenz von ω_P des Pumplichts. Der molekulare angeregte Vibrationszustand weist mehrere Niveaus auf. In Abhängigkeit von der Art des Moleküls unterscheidet sich das Niveau des angeregten Vibrationszustandes und die Übergangswahrscheinlichkeit vom Zwischenzustand auf ein gewisses Niveau des angeregten Vibrationszustandes unterscheidet sich. Folglich wird ein für das Molekül spezifisches Spektrum gebildet. Eine Raman-Verschiebungsfrequenz Ω wird als Ω = ω_P – ω_S ausgedrückt und weist einen positiven Wert auf, wenn die Raman-Streuung die Stokes-Streuung ist. Wenn die Raman-Streuung die Anti-Stokes-Streuung ist, ist ein anfänglicher Zustand der molekulare angeregte Vibrationszustand 102 und das Molekül kehrt auf den Grundzustand 101 zurück, nachdem es durch den Zwischenzustand 103 geht. In diesem Fall wird, wenn die Frequenz des Anti-Stokes-Lichts als ω_AS bezeichnet wird, ω_P < ω_AS hergestellt. Das Anti-Stokes-Raman-Streulicht ist in der Frequenz höher als das Pumplicht.
Bei der vorstehend erwähnten Raman-Streuung dauert es Zeit, um das Streulicht zu messen, da die Intensität des Streulichts niedrig ist. Als Verfahren, das ermöglicht, dass starkes Streulicht erhalten wird, kann ein spektroskopisches Verfahren unter Verwendung der CARS, die nicht-lineare Raman-Streuung ist, zur Sprache gebracht werden. Um CARS-Licht zu erzeugen, wird ein Pulslaser mit einer hohen Spitzenleistung verwendet. Die durch das Pulslaserlicht erzeugte CARS wird dem nicht-linearen optischen Effekt zugeschrieben und die Intensität der CARS ist um Größenordnungen höher als die Raman-Streuung zusammen mit der Erhöhung der Spitzenleistung. Folglich kann ein Signal mit einem hohen Rauschabstand erhalten werden und die Messzeit kann drastisch verkürzt werden.
Bei der CARS wird Licht auf der Basis einer Polarisation dritter Ordnung emittiert. Um die CARS zu erzeugen, sind Pumplicht, Stokes-Licht und Sondenlicht erforderlich. Um die Anzahl von Lichtquellen zu verringern, wird im Allgemeinen das Sondenlicht gegen das Pumplicht ausgetauscht. In diesem Fall wird induzierte Polarisation dritter Ordnung wie folgt ausgedrückt. P_AS ⁽³⁾(ω_AS) = |x_r ⁽³⁾(ω_AS) + x_nr ⁽³⁾|E_P ²(ω_P)E*_S(ω_S)
In dieser Gleichung ist x_r(3)(ω_AS) ein Resonanzterm einer Vibration eines Moleküls mit der elektrischen Suszeptibilität dritter Ordnung und x_nr ⁽³⁾, das keine Frequenzabhängigkeit aufweist, ist ein Nicht-Resonanz-Term. Die elektrischen Felder des Pumplichts und des Sondenlichts werden auch als E_P ausgedrückt und das elektrische Feld des Stokes-Lichts wird als Es ausgedrückt. In der obigen Gleichung stellt der an Es angehängte Stern eine konjugiert komplexe Zahl dar. Die Intensität des CARS-Lichts wird wie folgt ausgedrückt. I_CARS(ω_AS) ∝ |P_AS ⁽³⁾(ω_AS)|²
2 ist ein Energieniveaudiagramm bei der CARS. Ein Mechanismus, in dem CARS-Licht erzeugt wird, wird unter Verwendung des molekularen Energieniveaudiagramms, das in 2 dargestellt ist, beschrieben. 2 stellt einen Prozess des Resonanzterms dar. Ähnlich zu 1 stellt 2 den molekularen Grundzustand 101 und den angeregten Vibrationszustand 102 dar. Ein Molekül wird gleichzeitig mit Pumplicht mit einer Frequenz von ω_P und Stokes-Licht mit einer Frequenz von ω_S bestrahlt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Molekül auf ein Niveau des angeregten Vibrationszustandes 102 angeregt, nachdem es durch den Zwischenzustand 103 hindurchgeht. Wenn das Molekül, das sich im angeregten Zustand befindet, mit Sondenlicht mit einer Frequenz von ω_P bestrahlt wird, kehrt das Molekül in den Grundzustand zurück, während CARS-Licht mit einer Frequenz von ω_AS erzeugt wird, nachdem es durch einen Zwischenzustand 104 hindurchgeht. Die Frequenz des CARS-Lichts zu diesem Zeitpunkt wird als ω_AS = 2·ω_P – ω_S ausgedrückt.
3 stellt einen Prozess in Bezug auf den Nicht-Resonanz-Term x_nr ⁽³⁾ der Polarisation dritter Ordnung dar. Dies ist ein Prozess, in dem ein durch gleichzeitige Bestrahlung eines Moleküls mit Pumplicht mit einer Frequenz von ω_P und Stokes-Licht mit einer Frequenz von ω'_S induzierter Zustand nicht der angeregte Vibrationszustand, sondern ein Zwischenzustand 105 ist. Wenn das Molekül mit Sondenlicht mit einer Frequenz von ω_P bestrahlt wird, erzeugt das Molekül Nicht-Resonanz-CARS-Licht mit einer Frequenz von ω_AS, nachdem es durch den Zwischenzustand 104 hindurchgeht.
Unter CARS-Mikroskopen wird eines, das Breitbandlicht als Stokes-Licht verwendet und das erzeugte CARS-Licht spektroskopisch detektiert, wie in 4 dargestellt, Multiplex-CARS-Mikroskop (oder Multiplex-CARS-Mikroskop) genannt. Wenn das Multiplex-CARS-Mikroskop verwendet wird, kann ein Raman-Spektrum aus einem Spektrum des CARS-Lichts abgeschätzt werden. Die Verwendung des Multiplex-CARS-Mikroskops kann folglich mehr Informationen bereitstellen als die Verwendung eines Verfahrens zum Detektieren nur einer spezifischen Spektralkomponente (ein solches Verfahren wird als Einzelfarb-CARS oder Einzel-CARS der Bequemlichkeit halber bezeichnet), wie in PTL1, und ist für eine detailliertere Analyse eines zu messenden Ziels geeignet.
5 stellt eine Konfiguration eines herkömmlichen Multiplex-CARS-Mikroskops dar. Eine Ausgabe aus einer Laserlichtquelle 501 mit kurzem Puls wird durch einen Strahlteiler 502 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der zwei Strahlen wird in eine Lichtleitfaser wie z. B. eine photonische Kristallfaser 503 geführt und Breitbandlicht (Superkontinuumlicht genannt) wird in der Lichtleitfaser erzeugt. Nachdem das Superkontinuumlicht aus der Faser emittiert wird, werden nur Komponenten mit einer gewünschten Wellenlänge (Komponenten mit einer Wellenlänge, die länger ist als jene des angeregten Lichts) aus dem Superkontinuumlicht durch ein Langpassfilter 504 extrahiert und werden als Stokes-Licht verwendet. Das andere angeregte Licht und das Stokes-Licht werden durch einen dichroitischen Spiegel 505 oder dergleichen kombiniert und das kombinierte Licht wird auf eine Probe 506 fokussiert und in diese emittiert, um CARS-Licht zu erzeugen. Das CARS-Licht wird durch ein Spektroskop 507 detektiert, um ein Spektrum zu erhalten.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

PTL1: US 6 108 081
PTL2: JP 2009-222531 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie vorstehend beschrieben, verwendet das Multiplex-CARS-Mikroskop ein Verfahren, bei dem CARS-Signale, die mehreren molekularen Vibrationen entsprechen, gleichzeitig erhalten werden können, und die Intensitäten der Signale unterscheiden sich signifikant in Abhängigkeit vom Wellenzahlband. 6 stellt ein herkömmliches CARS-Spektrum und ein Beispiel eines CARS-Spektrums einer Fettzelle dar. Aus der Fettzelle wird ein hohes CARS-Signal, das einer CH-Ausdehnung um 2900 cm^–1 entspricht, erhalten und Signale von Amid III, CH-Biegung, Amid I und dergleichen werden in einem Fingerabdruckbereich um 800 bis 1800 cm^–1 erhalten. Der Fingerabdruckbereich ist ein Bereich, in dem Signale, die jeweiligen molekularen Vibrationen entsprechen, dicht konzentriert sind. Informationen über die Intensitäten und räumliche Verteilung dieser Signale sind bei der Zellenanalyse wichtig. Wie in 6 dargestellt, besteht jedoch insofern ein Problem, als die Signalintensitäten niedrig sind. Insbesondere in einem Fall, in dem ein CARS-Spektralbild, das die räumliche Verteilung einer Substanz darstellt, erhalten wird, dauert es mehrere Minuten bis mehrere zehn Minuten bei der Messung aufgrund der niedrigen Signalintensität.
Lösung für das Problem
Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass sich ein Rauschabstand in einem gewünschten Wellenzahlband durch Einstellung in einem Multiplex-CARS-Mikroskop ändert.
Erstens ist die Intensität eines CARS-Signals zum Quadrat der Intensität von Pumplicht und zur ersten Potenz der Intensität von Stokes-Licht proportional. In einem Fall, in dem Emissionslicht von einer Laserlichtquelle mit kurzem Puls in das Pumplicht und das einfallende Licht in einer photonischen Kristallfaser aufgeteilt wird, ist es folglich wichtig, Leistung zum Pumplicht zu liefern, während die Intensität des Breitbandlichts, das als Stokes-Licht dient, sichergestellt wird. Das Spektrum des Superkontinuumlichts ändert sich auch in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts in der photonischen Kristallfaser. Folglich haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass ein optimaler Wert für ein Leistungsverzweigungsverhältnis zwischen dem Pumplicht und dem einfallenden Licht in der photonischen Kristallfaser sich in Abhängigkeit vom Wellenzahlband des erforderlichen CARS-Lichts ändert.
Zweitens ist ein CARS-Prozess einer von nicht-linearen optischen Effekten. Folglich ist es wichtig, dass das Pumplicht und das Stokes-Licht auf dieselbe Position in einer Probe fokussieren. Da in einem Fall von Multiplex-CARS das Stokes-Licht Breitband ist, wird eine chromatische Aberration aufgrund einer Objektivlinse erzeugt. Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass das Spektrum des erzeugten CARS-Lichts durch Einstellung geändert wird, bei der das Pumplicht und das Stokes-Licht in der Probe kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis dieser neu entdeckten Phänomene durchgeführt. Um das obige erste Problem zu lösen, wird eine optische Messvorrichtung mit einem Mechanismus zum Einstellen eines Leistungsverzweigungsverhältnisses zwischen dem Pumplicht und dem einfallenden Licht in einer photonischen Kristallfaser versehen. Um das zweite Problem zu lösen, wird auch die optische Messvorrichtung mit einem Mechanismus zum Einstellen (a) des Brennpunkts (der Brennpunkte) des Breitband-Stokes-Lichts und/oder des Pumplichts in einer Probe versehen.
Das heißt, eine optische Messvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Laserlichtquelle mit kurzem Puls; eine Teilungseinheit, die dazu konfiguriert ist, Emissionslicht von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss aufzuteilen; eine Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, Superkontinuumlicht aus dem ersten Lichtfluss zu erzeugen; eine Kombinationseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Komponente des Superkontinuumlichts mit langer Wellenlänge, die als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient, zu kombinieren; ein optisches Fokussiersystem, das dazu konfiguriert ist, Licht, das in der Kombinationseinheit kombiniert wird, auf eine Probe zu fokussieren; ein Spektroskop, das dazu konfiguriert ist, Licht, das von der Probe erzeugt wird, zu detektieren; und eine Lichtmengenverhältnis-Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, ein Lichtmengenverhältnis zwischen dem ersten Lichtfluss und dem zweiten Lichtfluss in der Teilungseinheit auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes eines im Spektroskop detektierten Spektrums einzustellen.
Außerdem umfasst eine optische Messvorrichtung gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine Laserlichtquelle mit kurzem Puls; eine Teilungseinheit, die dazu konfiguriert ist, Emissionslicht von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss aufzuteilen; eine Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, Superkontinuumlicht aus dem ersten Lichtfluss zu erzeugen; eine Kombinationseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Komponente des Superkontinuumlichts mit langer Wellenlänge, die als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient, zu kombinieren; ein optisches Fokussiersystem, das dazu konfiguriert ist, Licht, das in der Kombinationseinheit kombiniert wird, auf eine Probe zu fokussieren; ein Spektroskop, das dazu konfiguriert ist, Licht, das von der Probe erzeugt wird, zu detektieren; und eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt des Stokes-Lichts in der Probe auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes eines im Spektroskop detektierten Spektrums einzustellen.
Außerdem umfasst eine optische Messvorrichtung gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine Laserlichtquelle mit kurzem Puls; eine Teilungseinheit, die dazu konfiguriert ist, Emissionslicht von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss aufzuteilen; eine Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, Superkontinuumlicht aus dem ersten Lichtfluss zu erzeugen; eine Kombinationseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Komponente des Superkontinuumlichts mit langer Wellenlänge, die als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient, zu kombinieren; ein optisches Fokussiersystem, das dazu konfiguriert ist, Licht, das in der Kombinationseinheit kombiniert wird, auf eine Probe zu fokussieren; ein Spektroskop, das dazu konfiguriert ist, von der Probe erzeugtes Licht zu detektieren; und eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt des Pumplichts in der Probe auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes eines im Spektroskop detektierten Spektrums einzustellen.
Außerdem umfasst ein optisches Messverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung: Aufteilen von Emissionslicht von einer Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss; koaxiales Kombinieren einer Komponente des Superkontinuumlichts mit langer Wellenlänge, das vom ersten Lichtfluss erzeugt wird, der als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient; und Detektieren eines Spektrums, das durch Fokussieren von kombiniertem Licht auf eine Probe erzeugt wird, wobei auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes des detektierten Spektrums mindestens irgendeine der Einstellungen (1), (2) und (3) durchgeführt wird:
(1) eine Einstellung eines Lichtmengenverhältnisses zwischen dem ersten Lichtfluss und dem zweiten Lichtfluss,
(2) eine Einstellung eines Brennpunkts des Stokes-Lichts in der Probe, und
(3) eine Einstellung eines Brennpunkts des Pumplichts in der Probe.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Wellenzahlband, das einer gewünschten Substanz in einem CARS-Spektrum entspricht, betont werden und ein hoher Rauschabstand kann erhalten werden.
Probleme, Konfigurationen und Effekte abgesehen von den vorstehend beschriebenen sind in der Beschreibung der folgenden Ausführungsformen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Energieniveaudiagramm von Stokes-Streuung in normaler Raman-Streuung.
2 ist ein Energieniveaudiagramm bei CARS.
3 ist ein Energieniveaudiagramm, das ein Beispiel von Nicht-Resonanz-Licht bei der CARS beschreibt.
4 ist ein Energieniveaudiagramm der CARS in einem Fall, in dem Breitbandlaserlicht als Stokes-Licht verwendet wird.
5 ist ein Konfigurationsdiagramm eines herkömmlichen Multiplex-CARS-Mikroskops.
6 stellt ein herkömmliches CARS-Spektrum dar.
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Basiskonfiguration einer optischen Messvorrichtung mit einem Mechanismus zum Einstellen eines Leistungsverzweigungsverhältnisses darstellt.
8 ist eine schematische Ansicht einer optischen Messvorrichtung, die Reflexions-CARS-Licht detektiert.
9 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Benutzerschnittstelle darstellt.
10 ist ein Graph, der ein Spektrum des Breitband-Stokes-Lichts darstellt.
11 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Leistungsverzweigungsverhältnis und der Intensität von CARS-Licht darstellt.
12 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung vom Empfang einer Bezeichnung einer zu messenden Substanz bis zum Messende darstellt.
13 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, bei der die Einstellung des Leistungsverzweigungsverhältnisses und die Messung bei mehreren Wellenzahlbändern durchgeführt werden und bei der die Ergebnisse angezeigt werden.
14 stellt ein Beispiel einer Verbesserung eines Rauschabtsandes in einem Fingerabdruckbereich dar.
15 stellt ein Hellfeldbild einer Fettzelle und ein CARS-Spektralbild dar.
16 ist eine schematische Ansicht, die ein Basiskonfigurationsbeispiel einer optischen Messvorrichtung mit einem Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes von Superkontinuumlicht darstellt.
17 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand darstellt, in dem das Breitband-Stokes-Licht und das Pumplicht auf eine Probe mittels einer Objektivlinse fokussieren.
18 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung vom Empfang einer Bezeichnung einer zu messenden Substanz bis zum Messende darstellt.
19 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, bei der eine Fokuseinstellung und eine Messung bei mehreren Wellenzahlbändern durchgeführt werden und bei der die Ergebnisse angezeigt werden.
20 ist eine schematische Ansicht, die ein Basiskonfigurationsbeispiel einer optischen Messvorrichtung mit einem Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts darstellt.
21 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer optischen Messvorrichtung unter Verwendung einer Lichtleitfaser als Strahlengang für das Pumplicht darstellt.
22 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer optischen Messvorrichtung unter Verwendung eines Raumphasenmodulators für die Einstellung des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts darstellt.
23 ist eine schematische Ansicht, die ein Basiskonfigurationsbeispiel einer optischen Messvorrichtung mit dem Mechanismus zum Einstellen des Leistungsverzweigungsverhältnisses und den Mechanismen zum Einstellen der Divergenz/Konvergenz-Zustände des Pumplichts und des Superkontinuumlichts darstellt.
24 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung vom Empfang einer Bezeichnung einer zu messenden Substanz, der Einstellung des Leistungsverzweigungsverhältnisses und der Fokuseinstellung des Pumplichts und des Superkontinuumlichts bis zum Messende darstellt.
25 stellt ein Beispiel einer zweidimensionalen Abbildung des Pumplichtfokus und des Stokes-Licht-Fokus dar.
26 stellt ein Beispiel einer Abtastoperation zum Zeitpunkt der Messung dar.
27 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, bei der die Einstellung des Leistungsverzweigungsverhältnisses, die Fokuseinstellung des Pumplichts und des Superkontinuumlichts, die Messung und die Anzeige von Ergebnissen bei mehreren Wellenzahlbändern durchgeführt werden.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
[Ausführungsform 1]
In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Beispiel einer Vorrichtung, die ein Verhältnis zwischen der Leistung von Pumplicht und der Leistung, die in eine photonische Kristallfaser eintritt, einstellt, und ein Beispiel von Operationen dafür beschrieben.
(Vorrichtungskonfiguration)
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Basiskonfiguration einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem Mechanismus zum Einstellen eines Leistungsverzweigungsverhältnisses darstellt. Diese Vorrichtung umfasst einen Mechanismus zum Einstellen eines Leistungsverzweigungsverhältnisses mittels einer 1/2-Platte 702 und eines Polarisationsstrahlteilers 703. Dieser Einstellungsmechanismus wird auf der Basis eines Befehls einer Steuereinheit 700 betrieben, die ein Signal von einem Spektroskop 719 empfängt. Nachstehend werden jeweilige Komponenten im Einzelnen beschrieben.
Die Steuereinheit 700 steuert die ganze Vorrichtung, einschließlich des Einstellungsmechanismus, und umfasst Schnittstellen, die einen Befehl für die Messung von einem Benutzer empfangen und die ein Messergebnis anzeigen. Eine Laserlichtquelle 701 mit kurzem Puls emittiert Laserlicht mit kurzem Puls auf der Basis eines Befehls der Steuereinheit 700. Beispiele der Laserlichtquelle 701 mit kurzem Puls sind ein Titan-Saphir-Laser, ein Faserlaser und ein Mikrochiplaser und die Pulsbreite davon ist gleich oder geringer als Nanosekunden. Die Spitzenleistung davon ist auch wünschenswerterweise gleich oder größer als die Ordnung von Kilowatt, mit der ein nicht-linearer optischer Effekt induziert werden kann. Die Wellenlängen davon können auf der Basis des Bandes, das durch ein zu messendes Ziel absorbiert werden soll, und der Wellenlängen, die den verwendeten optischen Komponenten entsprechen und beispielsweise 800 nm oder 1064 nm sein können, ausgewählt werden.
Laserlicht tritt in die 1/2-Platte 702 und den Polarisationsstrahlteiler 703 ein, die als Mechanismus zum Einstellen eines Leistungsverzweigungsverhältnisses dienen. Die 1/2-Platte 702 ändert eine Polarisationsrichtung des Laserlichts auf der Basis eines Befehls der Steuereinheit 700 und der Polarisationsstrahlteiler 703 teilt das Laserlicht in Durchlasskomponenten und Reflexionskomponenten mit einem Leistungsverzweigungsverhältnis auf der Basis der Polarisationsrichtung auf. Das durchgelassene Laserlicht, das durch den Polarisationsstrahlteiler 703 hindurchtritt, wird auf eine Endoberfläche einer photonischen Kristallfaser 705 durch eine Fokussierlinse 704 fokussiert. Eine photonische Kristallfaser ist eine Lichtleitfaser, die eine Bienenwabenummantelung aufweist, die um einen Kern ausgebildet ist und einfallendes Licht auf das Innere des Kerns stark eingrenzt. Wenn Laserlicht mit kurzem Puls in die photonische Kristallfaser eintritt, werden nicht-lineare optische Phänomene wie z. B. Selbstphasenmodulation und Vierphotonenmischen induziert und Superkontinuumlicht mit einem breiten Spektrum wird erzeugt. Das erzeugte Superkontinuumlicht wird durch eine Kollimatorlinse 706 in kollimiertes Licht kollimiert und die Komponenten mit kurzer Wellenlänge des Superkontinuumlichts werden durch ein Langpassfilter 707 beschnitten. Das Superkontinuumlicht tritt dann durch einen dichroitischen Spiegel 708 hindurch, der Licht mit einer Wellenlänge gleich der Pumplichtwellenlänge reflektiert und Licht mit einer anderen Wellenlänge durchlässt, und tritt in eine Objektivlinse 713 als Stokes-Licht ein.
Andererseits wird das reflektiere Laserlicht am Polarisationsstrahlteiler 703 an einem Spiegel 709, einem Spiegel 712 und dem dichroitischen Spiegel 708 reflektiert und tritt in die Objektivlinse 713 als Pumplicht ein. Die Objektivlinse 713 fokussiert das Breitband-Stokes-Licht und das Pumplicht, die durch den dichroitischen Spiegel 708 koaxial kombiniert werden, auf eine Probe 714. Um die Energiedichte des Stokes-Lichts und des Pumplichts in der Probe 714 zu erhöhen und die CARS-Lichterzeugungseffizienz zu verbessern, ist die numerische Apertur der Objektivlinse 713 vorzugsweise beispielsweise nicht niedriger als 0,8 oder größer.
In der Probe 714 wird der vorstehend erwähnte CARS-Prozess induziert und CARS-Licht mit einer Wellenlänge, die jener einer molekularen Spezies der Probe 714 entspricht, wird erzeugt. Das CARS-Licht wird in einer Kollimatorlinse 715 zu kollimiertem Licht, die Durchlasskomponenten des Pumplichts und des Stokes-Lichts werden durch ein Kerbfilter 717 und ein Kurzpassfilter 718 beschnitten und das CARS-licht tritt in das Spektroskop 719 ein. Das Spektroskop 719 detektiert ein CARS-Spektrum und führt das CARS-Spektrum zur Steuereinheit 700 zurück.
Obwohl das Durchlass-CARS-System zum Detektieren des CARS-Lichts, das in derselben Richtung wie die Einfallsrichtungen des Pumplichts und des Stokes-Lichts durchtritt, in 7 dargestellt wurde, kann unterdessen Reflexions-CARS-Licht detektiert werden, wie in 8 dargestellt. In diesem Fall kann das Reflexions-CARS-Licht in das Spektroskop 719 unter Verwendung eines Langpassfilters 724 geführt werden, das Komponenten mit einer kürzeren Wellenlänge als jener des Pumplichts reflektiert und das Komponenten mit langer Wellenlänge durch lässt.
9 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Benutzerschnittstelle darstellt, die an der Steuereinheit 700 angezeigt wird. Die Benutzerschnittstelle empfängt Befehle vom Benutzer wie z. B. die Bezeichnung eines Messbereichs, einen Befehl für den Messstart und einen Befehl für die Nachjustierung und hat eine Funktion zum Anzeigen eines Status wie z. B. ”unter Einstellung” und eines Messergebnisses. Es ist zu beachten, dass die Benutzerschnittstelle nicht an der Steuereinheit vorgesehen sein muss. Eine Steuersoftware für einen Personalcomputer kann vorbereitet werden und die obigen Inhalte können separat auf einem nicht dargestellten Monitor angezeigt werden.
[Beziehung zwischen dem Einstellungsmechanismus und dem CARS-Spektrum]
Die Beziehung zwischen dem Mechanismus zum Einstellen eines Leistungsverzweigungsverhältnisses und dem CARS-Spektrum wird beschrieben. 10 ist ein Graph, der ein Spektrum von Breitband-Stokes-Licht, das durch die photonische Kristallfaser (nachstehend als PCF abgekürzt) erzeugt wird, für jede Einfallsleistung in der PCF darstellt. Die horizontale Achse stellt eine Wellenzahl mit Bezug auf 1064 nm dar, die eine Wellenlänge des Pumplichts ist, und die Wellenzahl entspricht direkt einer Wellenzahl des erzeugten CARS-Lichts. Obwohl das Spektrum von Superkontinuumlicht, unmittelbar nachdem es von der PCF emittiert wird, sich zu einer negativen Wellenzahlseite ebenso ausbreitet, stellt der Graph unterdessen jedes Spektrum dar, nachdem die negative Wellenzahlseite durch das Langpassfilter 707 beschnitten wird.
Jedes Spektrum breitet sich weiter aus, wenn die Einfallsleistung in die PCF zunimmt. Um CARS-Licht mit 3000 cm^–1 oder höher zu erhalten, ist die Leistung von 50 mW oder höher erforderlich. In einem Fall, in dem das erforderliche Wellenzahlband des CARS-Lichts 1000 cm^–1 oder niedriger ist, ist dagegen die Leistung von 20 mW oder höher erforderlich. CARS ist einer der nicht-linearen optischen Effekte und die Signalintensität ist proportional zum Quadrat der Intensität des Pumplichts und zur ersten Potenz der Intensität des Stokes-Lichts. In dem System in 7, in dem Licht von einer Laserlichtquelle mit kurzem Puls in erzeugtes Licht von Superkontinuumlicht und Pumplicht aufgeteilt wird, ist folglich das Leistungsverzweigungsverhältnis der beiden für die Intensität des CARS-Lichts wichtig.
Aus den Eigenschaften der Erzeugung des Superkontinuumlichts und des CARS-Lichts wurde die Beziehung zwischen dem Leistungsverzweigungsverhältnis und der Intensität des CARS-Lichts simuliert. In der Simulation wurde die Leistung der Laserlichtquelle mit kurzem Puls als 200 mW angenommen und die Lichtnutzungseffizienz von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls zum PCF-Einfall wurde als 0,75 angenommen. 11 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Leistungsverzweigungsverhältnis und der Intensität des CARS-Lichts darstellt. In einem Fall, in dem CARS-Licht mit 3000 cm^–1 erforderlich ist, muss die Einfallsleistung in die PCF höher sein als jene in einem Fall, in dem CARS-Licht mit 1000 cm^–1 erforderlich ist. Dies zeigt, dass sich ein optimales Verzweigungsverhältnis in Abhängigkeit vom Band von interessierendem CARS-Licht unterscheidet. In der vorliegenden Ausführungsform kann durch Einstellen des Leistungsverzweigungsverhältnisses gemäß einem gewünschten Wellenzahlband ein hoher Rauschabstand erhalten werden.
(Vorrichtungsoperationen)
12 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung der Steuereinheit in der optischen Messvorrichtung vom Empfang einer Bezeichnung einer zu messenden Substanz durch den Benutzer bis zum Messende darstellt. In Schritt S1401 empfängt die Steuereinheit 700 die Bezeichnung einer zu messenden Substanz wie z. B. Amid I vom Benutzer über die Benutzerschnittstelle. In Schritt S1402 leitet die Steuereinheit 700 eine Wellenzahl von CARS-Licht ab, die der zu messenden Substanz entspricht, oder setzt die Wellenzahl des CARS-Lichts in eine Wellenzahl um, die der zu messenden Substanz entspricht. In einem Fall, in dem die zu messende Substanz beispielsweise Amid I ist, ist die Wellenzahl 1650 cm^–1. In Schritt S1403 zeigt die Steuereinheit 700 eine Nachricht wie z. B. ”unter Einstellung” auf der Benutzerschnittstelle an. In Schritt S1404 überwacht die Steuereinheit 700 eine Signalintensität bei der in Schritt S1402 bestimmten Wellenzahl, während das Leistungsverzweigungsverhältnis durch Drehen der 1/2-Platte 702 geändert wird, um eine Beziehung zwischen dem Leistungsverzweigungsverhältnis und der Signalintensität zu erhalten. Das hier zu verwendende Signal kann CARS-Licht, das vom zu messenden Ziel erhalten wird, oder Nicht-Resonanz-Licht, das von einem Medium oder dergleichen erhalten wird, sein. In Schritt S1405 legt die Steuereinheit 700 ein Leistungsverzweigungsverhältnis, bei dem die Signalintensität maximal ist, auf der Basis der in Schritt S1404 abgeleiteten Beziehung fest. In Schritt S1408 zeigt die Steuereinheit 700 eine Nachricht der Einstellungsvollendung oder dergleichen auf der Benutzerschnittstelle an. In Schritt S1409 startet die Steuereinheit 700 die Messung. Es ist zu beachten, dass die Messung in diesem Schritt ein CARS-Spektrum oder ein CARS-Spektralbild in einem bezeichneten Bereich erhalten soll.
In Schritt S1410 zeigt die Steuereinheit 700 ein Messergebnis auf der Benutzerschnittstelle an. In einem Fall, in dem kein Befehl für eine erneute Messung vom Benutzer in Schritt S1411 geliefert wird, prüft die Steuereinheit 700 in Schritt S1412, ob ein Befehl für eine Nachjustierung vom Benutzer geliefert wird. In einem Fall, in dem kein Befehl für die Nachjustierung geliefert wird, endet die Verarbeitung. In einem Fall, in dem ein Befehl für eine erneute Messung in Schritt S1411 geliefert wird, kehrt die Steuereinheit 700 zu Schritt S1409 zurück, um eine erneute Messung durchzuführen. In einem Fall, in dem ein Befehl für eine Nachjustierung in Schritt S1412 geliefert wird, kehrt die Steuereinheit 700 auch zu Schritt S1403 zurück, um eine Nachjustierung durchzuführen.
In 12 wurde ein Beispiel eines Ablaufplans zum Verbessern des Rauschabstandes bei einem gewünschten Wellenzahlband dargestellt. Durch Durchführen der Operation bei mehreren Wellenzahlbändern und Verbinden der Ergebnisse kann jedoch der hohe Rauschabstand über die ganzen Wellenzahlbänder erhalten werden. 13 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, bei der die Einstellung des Leistungsverzweigungsverhältnisses und die Messung bei mehreren Wellenzahlbändern durchgeführt werden und bei der die Ergebnisse angezeigt werden.
In Schritt S1501 empfängt die Steuereinheit 700 einen Befehl für den Messstart ohne Bezeichnung einer zu messenden Substanz. In Schritt S1502 bestimmt die Steuereinheit 700 Wellenzahlbänder für die Einstellung und Messung. Die Wellenzahlbänder für die Messung können beispielsweise durch gleiches Unterteilen der ganzen zu messenden Wellenzahlbänder durch einen beliebigen Wert bestimmt werden. In einem Fall, in dem ein Bereich von 0 bis 3000 cm^–1 gemessen wird, kann der Bereich beispielsweise in 0 bis 1000 cm^–1, 1000 bis 2000 cm^–1 und 2000 bis 3000 cm^–1 unterteilt werden und jedes Band kann einer Einstellung und Messung von den Schritten S1503 bis S1409 unterzogen werden. In Schritt S1503 zeigt die Steuereinheit 700 eine Nachricht wie z. B. ”unter Messung des Wellenzahlbandes (1)” auf der Benutzerschnittstelle an. Die Schritte S1404 bis S1409 sind ähnlich zu jenen in 12 und auf deren Beschreibung wird folglich verzichtet. In Schritt S1504 prüft die Steuereinheit 700, ob die Messung aller unterteilten Wellenzahlbänder vollendet wurde. In einem Fall, in dem die Messung nicht vollendet ist, kehrt die Steuereinheit 700 zu Schritt S1502 zurück und führt eine Einstellung und Messung des anschließenden Wellenzahlbandes durch. In einem Fall, in dem die Messung aller Bänder auf der Basis der Bestimmung in Schritt S1504 vollendet wurde, begibt sich die Steuereinheit 700 zu Schritt S1505, um die jeweiligen Messspektren, die in Schritt S1409 gemessen wurden, zu verbinden und anzuzeigen. Folglich können Spektren jeweils mit einem hohen Rauschabstand über die ganzen Wellenzahlbänder erhalten werden. In einem Fall, in dem CARS-Spektralbilder erforderlich sind, zeigt die Steuereinheit 700 auch eine Liste von CARS-Spektralbildern an, die den jeweiligen in Schritt S1409 gemessenen Substanzen entsprechen. Unterdessen können in Schritt S1404 Informationen zum Zeitpunkt des Versands der Vorrichtung erfasst werden und zum Zeitpunkt der Messung kann eine Einstellung unter Verwendung der Informationen durchgeführt werden.
(Effekte)
Effekte der vorliegenden Ausführungsform sind in 14 dargestellt. 14 stellt ein Beispiel der Verbesserung des Rauschabstandes in einem Fingerabdruckbereich dar. 14 stellt auch ein Spektrum 1801 für die Fettzelle vor der in 6 dargestellten Einstellung dar. Bevor die Einstellung durchgeführt wird, wird das Signal mit hoher Intensität, das der CH-Ausdehnung um 2900 cm^–1 entspricht, erhalten, aber Signale im Fingerabdruckbereich werden kaum erhalten. Andererseits ist ein Spektrum 1802 ein Spektrum für dieselbe Position derselben Zelle wie jener für das Spektrum 1801, das durch Durchführen einer Einstellung zum Betonen des Fingerabdruckbereichs mittels der Vorrichtung und des Einstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird. Aufgrund der Einstellung werden Signale für Amid III, CH-Biegung, Amid I und dergleichen im Fingerabdruckbereich erhalten.
15 stellt ein Hellfeldbild der Fettzelle und ein CARS-Spektralbild, das eine räumliche Verteilung von Amid I (1650 cm^–1) zeigt, das mittels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird, dar. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Intensität des CARS-Bildes, das einem ersten Fetttröpfchen 1901 in der Zelle entspricht, hoch.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann mit einer einfachen Konfiguration mit der Wellenlängenplatte und dem Polarisationsstrahlteiler das Breitband-Stokes-Licht mit einer erforderlichen und ausreichenden Wellenlängenbandbreite erzeugt werden und eine geeignete Leistung kann zum Pumplicht geliefert werden. Folglich kann der hohe Rauschabstand bei einem gewünschten Wellenzahlband kostengünstig und in einer kurzen Zeitdauer erreicht werden.
[Ausführungsform 2]
In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Beispiel einer Vorrichtung, die den Fokus des Stokes-Lichts einstellt, und ein Beispiel von Operationen dafür beschrieben. Es ist zu beachten, dass auf die Beschreibung von ähnlichen Inhalten zu jenen in der Ausführungsform 1 verzichtet wird.
(Vorrichtungskonfiguration)
16 ist eine schematische Ansicht, die ein Basiskonfigurationsbeispiel einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung umfasst als Einstellungseinheit zum Einstellen eines Brennpunkts von Stokes-Licht in einer Probe einen Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes von Superkontinuumlicht mittels der Kollimatorlinse 706. Der Einstellungsmechanismus wird auf der Basis eines Befehls der Steuereinheit 700 betrieben, die ein Signal vom Spektroskop 719 empfängt.
Der Divergenz/Konvergenz-Zustand von Superkontinuumlicht, das durch die PCF 705 erzeugt wird, wird durch Ändern einer Z-Position der Kollimatorlinse 706 geändert. Für die Einstellung der Z-Position der Kollimatorlinse 706 kann ein Tisch 2101 mit einem Schrittmotor, ein Piezoelement oder dergleichen verwendet werden. Die Komponenten des Superkontinuumlichts mit kurzer Wellenlänge werden durch das Langpassfilter 707 beschnitten. Das Superkontinuumlicht tritt dann durch den dichroitischen Spiegel 708 hindurch, der Licht mit einer Wellenlänge gleich der Pumplichtwellenlänge reflektiert und Licht mit einer anderen Wellenlänge durchlässt, und tritt in die Objektivlinse 713 als Stokes-Licht ein. Gemäß dem Divergenz/Konvergenz-Zustand des Stokes-Lichts, wenn das Stokes-Licht in die Objektivlinse 713 eintritt, ändert sich der Brennpunkt des Stokes-Lichts in der Z-Richtung in der Probe 714. Die andere Konfiguration ist ähnlich zu jener in der Ausführungsform 1 und auf deren Beschreibung wird somit verzichtet.
(Beziehung zwischen dem Einstellungsmechanismus und dem CARS-Spektrum)
Die Beziehung zwischen dem Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes von Superkontinuumlicht und dem CARS-Spektrum wird beschrieben. Der CARS-Prozess ist einer der nicht-linearen optischen Effekte und in einem Fall, in dem die Brennpunkte des Pumplichts und des Stokes-Lichts in der Probe fehlausgerichtet sind, nimmt die CARS-Lichterzeugungseffizienz drastisch ab. Das heißt, das CARS-Licht wird nur aus einem Bereich erzeugt, in dem das Pumplicht und das Stokes-Licht auf dieselbe Position fokussieren.
17 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand darstellt, in dem das Breitband-Stokes-Licht und das Pumplicht auf die Probe mittels der Objektivlinse fokussieren. Da bei Multiplex-CARS das Stokes-Licht Breitband ist, wird eine chromatische Aberration, bei der sich der Brennpunkt in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändert, erzeugt. Da die Wellenlängenkomponenten des Stokes-Lichts, deren Brennpunkt jenem des Pumplichts entspricht, zur Erzeugung des CARS-Lichts beitragen, ändert sich die Wellenlänge des CARS-Lichts, das durch den kombinierten Zustand des Stokes-Lichts und des Pumplichts erzeugt wird, was verursacht, dass das Spektrum geändert wird. In der vorliegenden Ausführungsform ändert sich durch Einstellen der Z-Position der Kollimatorlinse 706 der Divergenz/Konvergenz-Zustand des Stokes-Lichts. Dadurch kann der Brennpunkt des Stokes-Lichts in der Probe eingestellt werden. Durch Ändern des kombinierten Zustandes zwischen dem Stokes-Licht und dem Pumplicht kann ein hoher Rauschabstand bei einem gewünschten Wellenzahlband erhalten werden. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, stellt unterdessen 17 einen Zustand dar, in dem das Breitband-Stokes-Licht nur drei Arten von Wellenlängen umfasst. Das Breitband-Stokes-Licht weist jedoch tatsächlich ein kontinuierliches Spektrum auf, wie in 10 dargestellt. In 17 unterscheidet sich auch die Beziehung zwischen der Strahlabmessung, der Größe der Objektivlinse und der Größe der chromatischen Aberration von der tatsächlichen und die Größen sind übertrieben gezeigt.
(Vorrichtungsoperationen)
18 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung vom Empfang einer Bezeichnung einer zu messenden Substanz durch den Benutzer bis zum Messende darstellt. Die Schritte S1401 bis S1403 sind ähnlich zu jenen in der Ausführungsform 1.
In Schritt S1406 ändert die Steuereinheit 700 die Z-Position der Kollimatorlinse 706, um den Divergenz/Konvergenz-Zustand des Stokes-Lichts zu ändern und den Brennpunkt des Stokes-Lichts in der Probe zu ändern. Die Steuereinheit 700 überwacht eine Signalintensität bei der in Schritt S1402 bestimmten Wellenzahl, während der Brennpunkt geändert wird, um eine Beziehung zwischen dem Brennpunkt und der Signalintensität zu erhalten. In Schritt S1407 legt die Steuereinheit 700 einen Brennpunkt, bei dem die Signalintensität maximal ist, auf der Basis der in Schritt S1406 abgeleiteten Beziehung fest. Unterdessen können Informationen in Schritt S1406 zum Zeitpunkt des Versands der Vorrichtung erfasst werden und zum Zeitpunkt der Messung kann eine Einstellung unter Verwendung der Informationen durchgeführt werden. Die anschließenden Operationen sind ähnlich zu jenen in der Ausführungsform 1 und auf deren Beschreibung wird folglich verzichtet.
In 18 wurde ein Beispiel eines Ablaufplans zum Verbessern des Rauschabstandes bei einem gewünschten Wellenzahlband dargestellt. Durch Durchführen der Operation bei mehreren Wellenzahlbändern und Verbinden der Ergebnisse kann jedoch der hohe Rauschabstand über die ganzen Wellenzahlbänder erhalten werden. 19 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, bei der die Fokuseinstellung und Messung von Superkontinuumlicht bei mehreren Wellenzahlbändern durchgeführt werden und bei der die Ergebnisse angezeigt werden. Der in 19 dargestellte Ablaufplan entspricht einem Ablaufplan, in dem die Schritte S1404 und S1405 des in 13 dargestellten Ablaufplans gegen die Schritte S1406 und S1407 in 18 ausgetauscht sind. Das Detail jedes Schritts ist ähnlich zu dem vorstehend beschriebenen und auf dessen Beschreibung wird folglich verzichtet.
(Effekte)
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann mit einer einfachen Konfiguration und einem einfachen Verfahren, in dem nur die Einstellung der Z-Position der Kollimatorlinse durchgeführt wird, der kombinierte Zustand des Breitband-Stokes-Lichts mit dem Pumplicht und der Fokuszustand davon in der Probe eingestellt werden. Folglich kann der hohe Rauschabstand bei einem gewünschten Wellenzahlband kostengünstig und in einer kurzen Zeitdauer erreicht werden. Obwohl sich das Prinzip von jenem der Ausführungsform 1 unterscheidet, ist unterdessen das durch die Einstellung induzierte Phänomen ähnlich. Auf die Beschreibung eines speziellen Beispiels davon wird folglich verzichtet.
[Ausführungsform 3]
In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Beispiel einer Vorrichtung, die den Fokus des Pumplichts einstellt, und ein Beispiel von Operationen dafür beschrieben. Es ist zu beachten, dass auf die Beschreibung von ähnlichen Inhalten wie jenen in der Ausführungsform 1 verzichtet wird.
(Vorrichtungskonfiguration)
20 ist eine schematische Ansicht, die ein Basiskonfigurationsbeispiel einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung umfasst als Einstellungseinheit für die Einstellung eines Brennpunkts von Pumplicht in einer Probe einen Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts mittels der Linsen 710 und 711. Der Einstellungsmechanismus wird auf der Basis eines Befehls der Steuereinheit 700 betrieben, die ein Signal vom Spektroskop 719 empfängt.
Die Linsen 710 und 711 bilden ein Strahlaufweitungssystem und der Divergenz/Konvergenz-Zustand von Laserlicht wird durch relative Z-Positionen der Linsen 710 und 711 eingestellt. Für die Einstellung der Z-Positionen kann ein Tisch 2301 mit einem Schrittmotor, ein Piezoelement oder dergleichen verwendet werden. Gemäß dem Divergenz/Konvergenz-Zustand des Pumplichts, wenn das Pumplicht in die Objektivlinse 713 eintritt, ändert sich der Brennpunkt des Pumplichts in der Z-Richtung in der Probe 714. Die andere Konfiguration ist ähnlich zu jener in der Ausführungsform 1 und auf deren Beschreibung wird folglich verzichtet.
Obwohl ein Beispiel, in dem das räumliche optische System verwendet wird, um zu bewirken, dass das Pumplicht durchtritt, in 20 zur Sprache gebracht wurde, kann unterdessen ein faseroptisches System mit einer Fokussierlinse 720, einer Lichtleitfaser 721 und einer Kollimatorlinse 722 als Strahlengang für das Pumplicht verwendet werden, um die Größe der Vorrichtung, wie in 21 dargestellt, zu verringern. In diesem Fall kann der Divergenz/Konvergenz-Zustand des Pumplichts durch Einstellen einer Z-Position der Kollimatorlinse 722 eingestellt werden.
Für die Einstellung des Divergenz/Konvergenz-Zustandes müssen auch die Linsen nicht verwendet werden. Ein Raumphasenmodulator, der ermöglicht, dass der Divergenz/Konvergenz-Zustand durch Modulieren der Phase per XY-Ebenen-Position im Strahlprofil des Laserlichts gesteuert wird, kann beispielsweise verwendet werden. 22 stellt ein Beispiel einer optischen Beobachtungsvorrichtung unter Verwendung eines Raumphasenmodulators für die Einstellung des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts dar. In dem Beispiel in 22 sind die Linsen 710 und 711, die das Strahlaufweitungssystem bilden, und der Spiegel 712 gegen einen reflektierenden Raumphasenmodulator 723 ausgetauscht.
(Beziehung zwischen dem Einstellungsmechanismus und dem CARS-Spektrum)
Die Beziehung zwischen dem Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts und dem CARS-Spektrum wird beschrieben. Wie in der Ausführungsform 2 beschrieben, ändert sich die Wellenlänge des CARS-Lichts, das durch den kombinierten Zustand des Stokes-Lichts und des Pumplichts erzeugt wird, was verursacht, dass das Spektrum geändert wird. In der vorliegenden Ausführungsform ändert sich durch Ändern des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts der Z-Brennpunkt des Pumplichts in 17. Folglich ändert sich die Wellenlänge des Stokes-Lichts, das räumlich mit dem Pumplicht in der Probe 714 überlappt, und in Abhängigkeit vom kombinierten Zustand ändern sich die Bedingungen für die Erzeugung des CARS-Lichts.
(Vorrichtungsoperationen)
Die Vorrichtungsoperationen in der vorliegenden Ausführungsform sind ähnlich zu jenen in der Ausführungsform 2 in 18. In Schritt S1406 werden die relativen Z-Positionen der Linsen 710 und 711 geändert, um den Divergenz/Konvergenz-Zustand des Pumplichts zu ändern und den Brennpunkt des Pumplichts in der Probe zu ändern. Eine Signalintensität bei der Wellenzahl, die in Schritt S1402 bestimmt wird, wird überwacht, während der Brennpunkt geändert wird, um eine Beziehung zwischen dem Brennpunkt und der Signalintensität zu erhalten. Die anderen Operationen sind ähnlich zu jenen in der Ausführungsform 2 und folglich wird auf deren Beschreibung verzichtet.
(Effekte)
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können mit einer einfachen Konfiguration und einem einfachen Verfahren, bei dem nur die Einstellung der Z-Position der Kollimatorlinse durchgeführt wird, der kombinierte Zustand des Pumplichts mit dem Stokes-Licht und der Fokuszustand davon in der Probe eingestellt werden. Folglich kann der hohe Rauschabstand bei einem gewünschten Wellenzahlband kostengünstig und in einer kurzen Zeitdauer erreicht werden. Obwohl sich das Prinzip von jenem in der Ausführungsform 1 unterscheidet, ist unterdessen das durch die Einstellung induzierte Phänomen ähnlich. Auf die Beschreibung eines speziellen Beispiels davon wird folglich verzichtet.
[Ausführungsform 4]
In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Beispiel einer Vorrichtung, die ein Verhältnis zwischen der Leistung des Pumplichts und der in die photonische Kristallfaser eintretenden Leistung, den Fokus des Pumplichts und den Fokus des Stokes-Lichts einstellt, und ein Beispiel von Operationen dafür beschrieben. Es ist zu beachten, dass auf die Beschreibung von ähnlichen Inhalten zu jenen in der Ausführungsform 1 verzichtet wird.
(Vorrichtungskonfiguration)
23 ist eine schematische Ansicht, die ein Basiskonfigurationsbeispiel einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung umfasst den Mechanismus zum Einstellen des Leistungsverzweigungsverhältnisses mittels der 1/2-Platte 702 und des Polarisationsstrahlteilers 703, die als erster Einstellungsmechanismus dienen, den Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/-Konvergenz-Zustandes des Superkontinuumlichts mittels der Kollimatorlinse 706, die als zweiter Einstellungsmechanismus dient, und den Mechanismus zum Einstellen des Divergenz/Konvergenz-Zustandes des Pumplichts mittels der Linsen 710 und 711, die als dritter Einstellungsmechanismus dienen. Jeder der Einstellungsmechanismen wird auf der Basis eines Befehls der Steuereinheit 700 betrieben, die ein Signal vom Spektroskop 719 empfängt. Die andere Konfiguration ist ähnlich zu jener in der Ausführungsform 1 und auf deren Beschreibung wird folglich verzichtet.
(Vorrichtungsoperationen)
24 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung vom Empfang der Bezeichnung einer zu messenden Substanz durch den Benutzer bis zum Messende darstellt. Die Schritte S1401 bis S1403 sind ähnlich zu jenen in der Ausführungsform 1. In Schritt S1404 erhält die Steuereinheit 700 eine Beziehung zwischen dem Leistungsverzweigungsverhältnis und der Signalintensität bei der in Schritt S1402 bestimmten Wellenzahl mittels des ersten Einstellungsmechanismus. Das hier zu verwendende Signal kann CARS-Licht, das vom zu messenden Ziel erhalten wird, oder Nicht-Resonanz-Licht, das von einem Medium oder dergleichen erhalten wird, sein. In Schritt S1405 legt die Steuereinheit 700 ein Leistungsverzweigungsverhältnis, bei dem die Signalintensität maximal ist, auf der Basis der in Schritt S1404 abgeleiteten Beziehung fest.
In Schritt S1406 ändert die Steuereinheit 700 den Divergenz/Konvergenz-Zustand des Pumplichts und den Divergenz/Konvergenz-Zustand des Stokes-Lichts mittels des zweiten und des dritten Mechanismus, um die Brennpunkte des Pumplichts und des Stokes-Lichts in der Probe zu ändern, und die Steuereinheit 700 bildet die Beziehung zwischen den jeweiligen Brennpunkten und der Signalintensität zweidimensional ab. In Schritt S1407 legt die Steuereinheit 700 einen Brennpunkt, bei dem die Signalintensität maximal ist, auf der Basis der in Schritt S1406 abgeleiteten Beziehungen fest. In Schritt S1408 zeigt die Steuereinheit 700 eine Nachricht der Einstellungsvollendung oder dergleichen auf der Benutzerschnittstelle an. In Schritt S1409 startet die Steuereinheit 700 die Messung. Die anschließenden Operationen sind ähnlich zu jenen in der Ausführungsform 1 und auf deren Beschreibung wird folglich verzichtet.
Unterdessen können Informationen für die Einstellung wie in Schritten S1404 und S1406 zum Zeitpunkt des Versands der Vorrichtung erfasst werden und zum Zeitpunkt der Messung kann eine Einstellung unter Verwendung der Informationen durchgeführt werden. Insbesondere in einem Fall, in dem die zweidimensionale Abtastung des Pumplichts und des Stokes-Lichts in Schritt S1406 durchgeführt wird, kann es Zeit dauern, um die Abtastung zu vollenden. Eine zweidimensionale Abbildung, wie in 25 dargestellt, die ein Ergebnis der zweidimensionalen Abtastung ist, kann folglich beispielsweise zum Zeitpunkt des Versands erhalten werden. Zum Zeitpunkt der Messung kann eine einachsige Abtastung des Stokes-Licht-Fokus oder des Pumplichtfokus durchgeführt werden, wie durch einen Pfeil 1701 in 26 dargestellt, und die Abtastung kann vom Brennpunkt, bei dem die Signalintensität maximal ist, auf der Basis einer charakteristischen Beziehung zwischen dem Pumplicht und dem Stokes-Licht wie z. B. einer Neigung einer Kontur, wie durch einen Pfeil 1702 in 26 dargestellt, die zum Zeitpunkt des Versands erhalten wird, durchgeführt werden.
In 24 wurde ein Beispiel eines Ablaufplans zum Verbessern des Rauschabstandes bei einem gewünschten Wellenzahlband dargestellt. Durch Durchführen der Operation bei mehreren Wellenzahlbändern und Verbinden der Ergebnisse kann jedoch der hohe Rauschabstand über die ganzen Wellenzahlbänder erhalten werden. 27 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, bei der die Einstellung des Leistungsverzweigungsverhältnisses, die Fokuseinstellung des Pumplichts und des Superkontinuumlichts, die Messung und die Anzeige der Ergebnisse bei mehreren Wellenzahlbändern durchgeführt werden. In Schritt S1501 empfängt die Steuereinheit 700 einen Befehl für den Messstart ohne Bezeichnung einer zu messenden Substanz. Das Detail jedes Schritts ist ähnlich zu jenem in den Ausführungsformen 1 bis 3 und auf dessen Beschreibung wird folglich verzichtet.
[Effekte]
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das Breitband-Stokes-Licht mit einer erforderlichen und ausreichenden Wellenlängenbandbreite erzeugt werden und der kombinierte Zustand des Fokuszustandes des Pumplichts und des Stokes-Lichts kann eingestellt werden. Aufgrund einer solchen Einstellung kann der höhere Rauschabstand als jene in den Ausführungsformen 1 bis 3 erreicht werden. Die Konfiguration und das Einstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind für die Erfassung eines Spektrums und die Abbildung eines Fingerabdruckbereichs, in dem kleine Signale dicht konzentriert sind, signifikant effektiv. Unterdessen ist das durch die Einstellung induzierte Phänomen zu jenem in der Ausführungsform 1 ähnlich. Auf die Beschreibung eines speziellen Beispiels davon wird folglich verzichtet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehenden Ausführungsformen begrenzt und umfasst verschiedene Modifikationsbeispiele. Die vorangehenden Ausführungsformen wurden beispielsweise im Einzelnen beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eines mit allen hier beschriebenen Komponenten begrenzt. Einige Komponenten von einer Ausführungsform können auch gegen Komponenten einer anderen Ausführungsform ausgetauscht werden und Komponenten einer anderen Ausführungsformen können zu Komponenten einer Ausführungsform hinzugefügt werden. Ferner können einige Komponenten von jeder Ausführungsform hinzugefügt, gelöscht und durch andere Komponenten ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

101: molekularer Grundzustand
102: angeregter Vibrationszustand
103: Zwischenzustand
104: Zwischenzustand
105: Zwischenzustand
700: Steuereinheit
701: Laserlichtquelle mit kurzem Puls
702: 1/2-Platte
703: Polarisationsstrahlteiler
704: Fokussierlinse
705: photonische Kristallfaser
706: Kollimatorlinse
707: Langpassfilter
708: dichroitischer Spiegel
709: Spiegel
710: Linse
711: Linse
712: Spiegel
713: Objektivlinse
714: Probe
715: Kollimatorlinse
717: Kerbfilter
718: Kurzpassfilter
719: Spektroskop
720: Fokussierlinse
721: Lichtleitfaser
722: Kollimatorlinse
723: Raumphasenmodulator
724: Langpassfilter
1901: Fetttröpfchen

Claims

Optische Messvorrichtung, die umfasst: eine Laserlichtquelle mit kurzem Puls; eine Teilungseinheit, die dazu konfiguriert ist, Emissionslicht von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss aufzuteilen; eine Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, Superkontinuumlicht aus dem ersten Lichtfluss zu erzeugen; eine Kombinationseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Komponente des Superkontinuumlichts mit langer Wellenlänge, die als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient, zu kombinieren; ein optisches Fokussiersystem, das dazu konfiguriert ist, in der Kombinationseinheit kombiniertes Licht auf eine Probe zu fokussieren; ein Spektroskop, das dazu konfiguriert ist, Licht, das von der Probe erzeugt wird, zu detektieren; und eine Lichtmengenverhältnis-Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, ein Lichtmengenverhältnis zwischen dem ersten Lichtfluss und dem zweiten Lichtfluss in der Teilungseinheit auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes eines im Spektroskop detektierten Spektrums einzustellen.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, die umfasst: eine zweite Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist zu bewirken, dass der zweite Lichtfluss, der als Pumplicht dient, hindurchtritt.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die umfasst: eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt des Stokes-Lichts in der Probe einzustellen.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die umfasst: eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt des Pumplichts in der Probe einzustellen.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einstellungseinheit einen Raumlichtphasenmodulator umfasst.
Optische Messvorrichtung, die umfasst: eine Laserlichtquelle mit kurzem Puls; eine Teilungseinheit, die dazu konfiguriert ist, Emissionslicht von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss aufzuteilen; eine Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, Superkontinuumlicht aus dem ersten Lichtfluss zu erzeugen; eine Kombinationseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Komponente mit langer Wellenlänge des Superkontinuumlichts, die als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient, zu kombinieren; ein optisches Fokussiersystem, das dazu konfiguriert ist, in der Kombinationseinheit kombiniertes Licht auf eine Probe zu fokussieren; ein Spektroskop, das dazu konfiguriert ist, Licht, das von der Probe erzeugt wird, zu detektieren; und eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt des Stokes-Lichts in der Probe auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes eines im Spektroskop detektierten Spektrums einzustellen.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einstellungseinheit ein Divergenz/Konvergenz-Ausmaß des Stokes-Lichts einstellt.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 6, die umfasst: eine zweite Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist zu bewirken, dass der zweite Lichtfluss, der als Pumplicht dient, hindurchtritt.
Optische Messvorrichtung, die umfasst: eine Laserlichtquelle mit kurzem Puls; eine Teilungseinheit, die dazu konfiguriert ist, Emissionslicht von der Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss aufzuteilen; eine Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, Superkontinuumlicht aus dem ersten Lichtfluss zu erzeugen; eine Kombinationseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Komponente des Superkontinuumlichts mit langer Wellenlänge, die als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient, zu kombinieren; ein optisches Fokussiersystem, das dazu konfiguriert ist, in der Kombinationseinheit kombiniertes Licht auf eine Probe zu fokussieren; ein Spektroskop, das dazu konfiguriert ist, von der Probe erzeugtes Licht zu detektieren; und eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt des Pumplichts in der Probe auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes eines im Spektroskop detektierten Spektrums einzustellen.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einstellungseinheit ein Divergenz/Konvergenz-Ausmaß des Pumplichts einstellt.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 9, die umfasst: eine zweite Lichtleitfaser, die dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass der zweite Lichtfluss, der als Pumplicht dient, hindurchtritt.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einstellungseinheit einen Raumlichtphasenmodulator umfasst.
Optisches Messverfahren, das umfasst: Aufteilen von Emissionslicht von einer Laserlichtquelle mit kurzem Puls in einen ersten Lichtfluss und einen zweiten Lichtfluss; koaxiales Kombinieren einer Komponente mit langer Wellenlänge von Superkontinuumlicht, das aus dem ersten Lichtfluss erzeugt wird, der als Stokes-Licht dient, mit dem zweiten Lichtfluss, der als Pumplicht dient; und Detektieren eines Spektrums, das durch Fokussieren von kombiniertem Licht auf eine Probe erzeugt wird, wobei auf der Basis einer Intensität eines gewünschten Bandes des detektierten Spektrums mindestens eine der Einstellungen (1), (2) und (3) durchgeführt wird: (1) eine Einstellung eines Lichtmengenverhältnisses zwischen dem ersten Lichtfluss und dem zweiten Lichtfluss, (2) eine Einstellung eines Brennpunkts des Stokes-Lichts in der Probe, und (3) eine Einstellung eines Brennpunkts des Pumplichts in der Probe.