JP2013195203A

JP2013195203A - 観察方法および観察装置

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Publication number: JP2013195203A
Application number: JP2012061955A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Doi; 厚志土井
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】被観察物に生じる微小な時間変化を、テラヘルツ波を用いて広いダイナミックレンジで検出する。
【解決手段】被検出物１５と相互作用した第１のテラヘルツ波パルスと、テラヘルツ波パルスよりも波長の短いプローブパルスとを時間的に重ねて電気光学結晶１４に照射し、電気光学結晶１４との相互作用によるプローブパルスの偏光状態の変化を検出する。調整ステップにおいて、電気光学結晶１４と相互作用したプローブパルスの偏光状態に変調を加え、検出される変調後のプローブパルスの偏光状態の変化を小さくするように調整し、検出ステップにおいて、電気光学結晶１４と相互作用したプローブパルスの偏光状態に、調整ステップにより調整された変調を加えた状態で、該変調後のプローブパルスの偏光状態の変化を検出することにより、偏光状態の変化の時間変化を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波を利用した試料の観察方法および観察装置に関するものである。

近年、透明な物質（例えば、水）のセンシング技術やイメージング技術として、テラヘルツ波を利用する技術が開発されている。テラヘルツ波は、生体材料中のイオン濃度や水の温度変化など生体活動に関わる情報を、非接触且つ無染色に検出することが可能であり、生体材料の新しいセンシング技術として期待されている（たとえば、非特許文献１、２参照）。

例えば、非特許文献１では、テラヘルツ波を利用して、ミミズの神経細胞の無染色イメージングを行っている。神経細胞はカリウムイオン濃度が高く、また、テラヘルツ波はカリウムイオンによる吸収が大きいことから、被観察物を透過後のテラヘルツ波信号強度を空間的にマッピングすることで、細胞のイメージを取得している。しかし、この方法では、被観察物を空間的に走査することでイメージングを行っており、イメージングに時間を要する。特に、生体材料は時々刻々と状態が変化するため、短時間で測定を行えることが望ましい。例えば、心筋細胞では、拍動している最中の極短い時間にだけ細胞中のカルシウムイオン濃度が急激に高まることが知られているが、このような現象にテラヘルツ波による無染色イメージングを適用しようとした場合、空間走査によるイメージング方法では被観察物の時間変化に追随してイメージングを行うことは非常に困難である。このような要望に対し、ＣＣＤカメラを利用したテラヘルツ波リアルタイムイメージング技術が報告されている（例えば、非特許文献３参照）。

図８は、非特許文献３における観察装置の概略構成を示すものである。この文献では、テラヘルツ波の時間領域分光法をイメージングに応用した技術が開示されている。図８において、レーザ光源１０１から出射された近赤外フェムト秒レーザパルスがビームスプリッタ１０２で分岐されて、ポンプパルスとプローブパルスとに分かれる。ポンプパルスは光路長調整光学系（ＤｅｌａｙＬｉｎｅ）１０３を経由した後、テラヘルツ波発生素子１０４に入射し、テラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は被観察物１０５を透過し、結像光学系１０６によって電気光学結晶であるＺｎＴｅ結晶１０７に結像される。なお、ここで、被観察物１０５とＺｎＴｅ結晶１０７とが光学的に共役な位置関係となる。

一方、プローブパルスはビームエキスパンダ１０８でビーム径が拡大された後に、偏光板１０９を透過し、ペリクルビームスプリッタ１１０によってテラヘルツ波と同軸になり、ＺｎＴｅ結晶１０７に入射する。ここで、偏光板１０９はプローブパルスが特定方向の直線偏光となるように使用される。ＺｎＴｅ結晶１０７を透過したプローブパルスは検光板１１１を介してＣＣＤカメラ１１２に入射する。検光板１１１はその前に配置されている偏光板１０９とその偏光方向が直交する向きに配置されており（クロスニコル配置）、直線偏光のままＺｎＴｅ結晶１０７を透過したプローブパルスは検光板１１１でカットされ、ＣＣＤカメラ１１２には入射しない。

ＺｎＴｅなどの電気光学結晶は電場が印加されるとその電場振幅に比例して複屈折が生じる性質（ポッケルス効果）を有している。この結晶にテラヘルツ波が入射すると、テラヘルツ波の電場によって、結晶内に複屈折が生じる。複屈折はテラヘルツ波電場が結晶内を透過している瞬間にのみ生じ、テラヘルツ波が透過後には瞬時に消失する。

この複屈折が生じている瞬間（テラヘルツ波が結晶を透過している瞬間）に、同時にプローブパルスが結晶を透過すると、その複屈折によってプローブパルスの偏光状態が変化する。即ち、直線偏光であったプローブパルスの偏光が楕円偏光となる。この場合、偏光状態が変化したプローブパルスは検光板１１１を透過する偏光成分を有するようになり、その像がＣＣＤカメラ１１２によって撮像される。検光板１１１を透過するプローブパルスの空間分布はＺｎＴｅ結晶中１０７に生じる複屈折の空間分布を反映しており、その複屈折の空間分布は被観察物１０５を透過後のテラヘルツ波電場の空間分布を反映している。即ち、ＣＣＤカメラ１１２で検出される像は、被観察物１０５を透過したテラヘルツ波の像となる。

ここで、テラヘルツ波のパルス幅は一般的に数ピコ秒、プローブパルスのパルス幅は１００フェムト秒程度であり、テラヘルツ波電場によって誘起されるＺｎＴｅ結晶１０７中の複屈折はテラヘルツ波透過後には瞬時に消失するため、検出されるテラヘルツ波電場はプローブパルスと同時にＺｎＴｅ結晶１０７に入射する時間成分のみとなる。そして、光路長調整光学系によってテラヘルツ波とプローブパルスのＺｎＴｅ結晶１０７への入射タイミングを変化させることにより、テラヘルツ波電場を時間分解測定することができ、テラヘルツ波電場の時間変化を捉えることができる。

このように、図８の構成において、テラヘルツ波が検出されている状態でＣＣＤカメラ１１２による画像取得を連続的に行うことで、被観察物の時間変化をリアルタイムにイメージングすることができる。

J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin, and G. Gallot, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 4808 (2006) H. Yada, M. Nagai, and K. Tanaka, Chem. Phys. Lett. 464, 166 (2008) M. Usami, T. Iwamoto, R. Fukasawa, M. Tani, M. Watanabe, and K. Sakai, Phys. Med. Biol. 47, 3749(2002)

しかしながら、上述のような従来技術により観察を行う場合、被観察物に状態変化が無い状態であっても、電気光学結晶に対するテラヘルツ波パルスの同時照射により、電気光学結晶を透過したプローブパルスは、常に偏光状態の変化を受けた状態となる。この定常的に加えられるテラヘルツ波電場の大きさに対して、被観察物の状態変化により生じるテラヘルツ電場の時間変化部分が小さいと、その状態変化を検出することは難しい。

図９は、取得したテラヘルツ波イメージのある画素での信号強度の時間変化の例である。この例では、イメージングを行っているあるタイミングにおいて被観察物の状態が変化し、それによって信号強度が減少した様子を示している。このときの被観察物の状態変化前の信号強度をＩ、被観察物の状態変化による信号強度の変化をΔＩ、ＣＣＤカメラのダイナミックレンジをＤＲとする。仮に、信号値ＩがＣＣＤカメラの検出可能な信号レベルの最大値となっている場合、このΔＩの信号強度変化を分解できる実効的なダイナミックレンジＤＲ’は、
ＤＲ’＝ＤＲ・ΔＩ／Ｉ（１）
となる。即ち、ΔＩの信号強度の検出にはカメラのダイナミックレンジを最大限に利用することができない。もしΔＩが非常に小さい場合、ＤＲ’も小さい値となり、その信号強度変化を観測することは難しくなる。特にＤＲ’＜１の場合においては、ΔＩの検出は不可能である。

例えば、心筋細胞の拍動時のカルシウムイオン濃度の変化をテラヘルツ波で検出することを考える。非特許文献１には、テラヘルツ波透過測定による幾つかのイオン溶液の吸収スペクトルが示されており、水に対する信号強度比は次式で表せられることが述べられている。
Ｔ／Ｔ_０＝ｅｘｐ（ε・Ｃ・ｌ）（２）
ここで、ＴとＴ_０はそれぞれイオン溶液と水を透過した際のテラヘルツ波の振幅強度を示し、εは振幅モル吸収係数、Ｃはイオン濃度、ｌは被観察物の厚さをそれぞれ示す。

非特許文献１によれば、カルシウムイオンではε＝５（ｍＭ^−１・ｃｍ^−１）、心筋細胞の拍動時のカルシウムイオン濃度は約１０μＭ程度であることからＣ＝１０μＭ、心筋細胞の厚さが１０μｍ程度であることからｌ＝１０μｍとすると、Ｔ／Ｔ_０＝１．００００５となる。ここで、偏光板と検光板をクロスニコル配置にした場合に検出される信号はテラヘルツ波の振幅強度ではなく、その二乗に比例した信号となるため（非特許文献３参照）、カルシウムイオン溶液と水との信号強度比は（Ｔ／Ｔ_０）^２≒１．０００１となる。即ち、この心筋細胞の静止状態のテラヘルツ波信号強度と拍動時の信号強度変化の比ΔＩ／Ｉは、０．０００１であると言える。例えば、ＣＣＤカメラとしてダイナミックレンジが１０ｂｉｔ（ＤＲ＝１０２４）のものを使用した場合、この拍動時の変化を観測するための実効的なダイナミックレンジはＤＲ’＜１となり、この状態では心筋細胞拍動時のカルシウムイオン濃度変化をイメージングすることは不可能であると言える。

このように、非特許文献３に開示されているテラヘルツ波イメージング方法では、電気光学結晶に照射されるテラヘルツ波のうち、被観察物の状態変化によるテラヘルツ波の時間変化部分が、テラヘルツ波の全体の大きさと比べて小さい場合に、その検出を行うことが難しいという課題がある。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、被観察物に生じる微小な時間変化を、テラヘルツ波を用いて広いダイナミックレンジで検出することが可能な被観察物の観察方法および観察装置を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る観察方法の発明は、
被検出物と相互作用した第１の電磁波であるパルス状のテラヘルツ波と、前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波とを重ねて電気光学結晶に照射し、前記電気光学結晶との相互作用による前記第２の電磁波の偏光状態の変化を検出する被検出物の観察方法であって、
前記電気光学結晶と相互作用した前記第２の電磁波の偏光状態に変調を加え、検出される前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を小さくするように調整する調整ステップと、
前記電気光学結晶と相互作用した第２の電磁波の偏光状態に、前記調整ステップにより調整された前記変調を加え、該変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を検出する検出ステップと、
を有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の観点に係る観察方法において、
前記検出ステップにおいて、前記調整ステップよりも、前記電気光学結晶に照射する前記第２の電磁波の強度を高く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または２の観点に係る観察方法において、
前記調整ステップにおいて、前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を記憶し、
前記検出ステップにおいて、該検出ステップにおける前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化から、前記調整ステップにおいて記憶した前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を差分す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１〜３の何れかの観点に係る観察方法において、
前記第２の電磁波の偏光状態の変化を２次元画像として取得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５の観点に係る観察装置の発明は、
電気光学結晶と、
第１の電磁波であるパルス状のテラヘルツ波を被観察物と相互作用させて前記電気光学結晶に照射する第１の照射系と、
前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短い第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶と相互作用した前記第２の電磁波の偏光状態に変調を加える位相変調器と、
前記位相変調器によって前記変調を加えられた前記第２の電磁波の偏光状態の変化を検出する検出部と
を備え、
前記位相変調器は、前記検出部により検出される前記第２の電磁波の偏光状態の変化を小さくするように調整可能に構成されてい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５の観点に係る観察装置において、
前記第２の照射系は、前記電気光学結晶に照射する前記第２の電磁波の強度を調整可能に構成されてい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５または６の観点に係る観察装置において、
前記検出部は、検出感度を調整可能に構成されてい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５〜７の何れかの観点に係る観察装置において、
前記位相変調器は、２次元的に位相変調が可能な空間位相変調器であり、前記検出部は、前記第２の電磁波の２次元画像を取得可能な固体撮像カメラであ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５〜７の何れかの観点に係る観察装置において、
前記位相変調器は、波長板により構成されることを特徴とするものである。

本発明によれば、電気光学結晶と相互作用した第２の電磁波の偏光状態に変調を加え、検出される変調後の第２の電磁波の偏光状態の変化を小さくするように調整する調整ステップを設け、電気光学結晶と相互作用した第２の電磁波の偏光状態に、調整ステップにより調整された変調を加え、変調後の第２の電磁波の偏光状態の変化を検出することにより、偏光状態の変化を検出するようにしたので、被観察物に生じる微小な時間変化を、テラヘルツ波を用いて広いダイナミックレンジで観察することができる。

本発明の第１実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。図１の位相変調部および検出部の概略構成を示す図である。図１の観察装置を用いた観察のフローを示す図である。図１の観察装置による検出信号の信号強度の時間変化の一例を示す図である。第２実施の形態に係る観察装置の位相変調部および検出部の概略構成を示す図である。第３実施の形態に係る観察装置における第１照射系の概略構成図である。第４実施の形態に係る観察装置における第１照射系の概略構成図である。非特許文献３に記載の観察装置の概略構成図である。図８の観察装置を使用した場合に想定される信号強度の時間変化の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面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実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。この観察装置は、フェムト秒の近赤外レーザパルスを射出するレーザ光源１１と、該レーザ光源１１からの近赤外レーザパルスを２つの光束に分離するビームスプリッタ１２と、該ビームスプリッタ１２で分離された一方の近赤外レーザパルスによりテラヘルツ波パルス（第１の電磁波）を発生するテラヘルツ波発生部１３と、電気光学結晶１４とを備える。さらに、観察装置は、テラヘルツ波発生部１３で発生したテラヘルツ波パルスを、被観察物１５を経て電気光学結晶１４に照射する第１の照射系２１と、ビームスプリッタ１２で分離された他方の近赤外レーザパルスビーム（第２の電磁波）をプローブパルスとして電気光学結晶１４に照射する第２の照射系２２と、電気光学結晶１４の後段に配置された空間位相変調部２３（位相変調部）と、電気光学結晶１４と相互作用して空間位相変調部２３で変調されたプローブパルスの偏光状態を検出する検出部２４と、該検出部２４から得られるイメージを処理する信号処理部２５とを備える。

テラヘルツ波発生部１３は、反射ミラー３１，３２，３３と、集光レンズ３４と、テラヘルツ波発生素子３５とを備える。そして、テラヘルツ波発生部１３は、ビームスプリッタ１２で分離された一方の近赤外レーザパルスビームを、反射ミラー３１，３２，３３で順次反射させて、集光レンズ３４によりテラヘルツ波発生素子３５に集光し、これによりテラヘルツ波発生素子３５からテラヘルツ波パルスを放射させる。テラヘルツ波発生素子３５は、公知の非線形光学結晶や光伝導アンテナ等から構成される。なお、図１では、３枚の反射ミラー３１，３２，３３を用いているが、光学素子のレイアウトによっては、省略あるいは適宜の枚数とすることができる。

第１の照射系２１は、照射レンズ４１と、結像レンズ系４２とを備える。そして、第１の照射系２１は、照射レンズ４１によりテラヘルツ波発生素子３５から放射されるテラヘルツ波パルスを被観察物１５に照射し、これにより被観察物１５と相互作用して該被観察物１５を透過するテラヘルツ波パルスを、結像レンズ系４２を経て電気光学結晶１４に照射する。ここで、図の破線は結像関係を示し、被観察物１５と電気光学結晶１４が光学的に共役な関係にあるようにする。電気光学結晶１４にテラヘルツ波パルスが入射されると、テラヘルツ波電場によるポッケルス効果によって電気光学結晶１４内に複屈折が生じる。つまり、テラヘルツ波電場の振幅の分布の情報が、複屈折の分布として電気光学結晶１４に書き込まれる。これにより、テラヘルツ波パルスによる被観察物１５の成分分布像を、電気光学結晶１４に結像させる。なお、電気光学結晶１４として、ＺｎＴｅ結晶やＧａＰ結晶、ＬｉＮｂＯ_３結晶などが使用可能である。

第２の照射系２２は、光路長調整光学系５１と、反射ミラー５２と、ビームエキスパンダ５３と、１／２波長板５４と、偏光板５５と、ダイクロイックミラー５６とを備える。なお、光路長調整光学系５１は、光路を平行に折り返す２つの反射ミラーを有し、両矢印方向に移動可能に構成される。そして、第２の照射系２２は、ビームスプリッタ１２で分離された他方の近赤外レーザパルスであるプローブパルスを、光路長調整光学系５１および反射ミラー５２を経てビームエキスパンダ５３に入射させ、該ビームエキスパンダ５３によりビーム径を拡大し、１／２波長板５４、偏光板５５およびダイクロイックミラー５６を経て、第１の照射系２１の光軸とほぼ同軸にして電気光学結晶１４に照射する。ここで、１／２波長板５４と偏光板５５とは第２の照射系２２のプローブパルスの光量と偏光状態の調整に用いられる。即ち、偏光板５５を回転させることによって任意の向きの直線偏光を作り出すことができ、また、１／２波長板５４を回転させることで偏光板５５から出射する光量を調整できる。

テラヘルツ波パルスが電気光学結晶１４に照射された状態で、電気光学結晶１４をプローブパルスが透過すれば、テラヘルツ波パルスで誘起された複屈折の分布によってプローブパルスのビーム内に偏光面の空間分布が生じる。つまり、テラヘルツ波パルスの情報がプローブパルスの偏光面の変化として読み出される。

なお、図１では、ダイクロイックミラー５６は、第１の照射系２１のテラヘルツ波パルスは透過させ、第２の照射系２２のプローブパルスは反射させるように構成されているが、光学系のレイアウトによっては、反射と透過とが逆であってもよい。また、反射ミラー５２は、光学素子のレイアウトによっては、省略あるいは適宜の枚数とすることができる。

次に、空間位相変調部２３および検出部２４の構成を図２を用いて説明する。空間位相変調部２３は、空間位相変調器６１と４つのレンズ６４〜６７により構成される。また、検出部は検光板６２とカメラ６３とを備える。電気光学結晶１４と相互作用して該電気光学結晶１４を透過したプローブパルスは、レンズ６４、６５を介して空間位相変調器６１に入射し、その後、レンズ６６、６７、検光板６２を介してカメラ６３に結像される。ここで、図の破線は結像関係を示し、電気光学結晶１４、空間位相変調器６１およびカメラ６３の受光部が光学的に共役な関係にあるようにする。

なお、空間位相変調器６１は、二次元的に任意の位置で任意の位相変調が可能な位相変調素子であり、例えば、２次元配列された透過型または反射型の液晶素子を用いることができる。また、検光板６２の偏光方向は図１の偏光板５５による偏光方向と直交する方向に配置されており（クロスニコル配置）、カメラ６３についてはＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラが利用できる。

図１の信号処理部２５は、カメラ６３で検出した画像信号を処理するとともに、観察装置の各部を制御する。信号処理部２５は、カメラ６３で検出した画像信号に基づいて、空間位相変調器６１を調整し、各画素の偏光状態を変調することができる。また、信号処理部２５は、電気光学結晶１４内で、第１の照射系２１からのテラヘルツ波パルスと第２の照射系２２からのプローブパルスとが時間的に重なるように、光路長調整光学系５１による光路長の調整をさせることができる。さらに、信号処理部２５は、カメラ６３で検出した画像信号に基づいて、１／２波長板５４を回転調整させ、プローブパルスの光量を変え、あるいは、カメラ６３の検出感度を調整することができる。なお、信号処理部２５は、例えば、ＣＰＵで構成される。

次に本実施の形態に係る観察装置を用いた、被観察物１５の観察手順について説明する。図３は、図１の観察装置を用いた観察のフローを示す図である。

まず、第２の照射系２２の調整（ステップＳ１）について説明する。はじめに、偏光板５５の偏光方向を、テラヘルツ波パルス照射で誘起される電気光学結晶１４の複屈折でプローブパルスの偏光状態が変化し易い方向に設定する。また、検光板６２の偏光方向を偏光板５５の偏光方向と直交する向き（クロスニコル配置）に設定する。そして、空間位相変調器６１をプローブパルスに位相変調が生じない状態に設定する。電気光学結晶１４に複屈折が生じていない状態で、検光板６２に入射するプローブパルスは偏光板５５で設定された直線偏光状態を維持する。このとき、カメラ６３に入射するプローブパルスの強度は極めて小さい。

次に、テラヘルツ波パルスの照射により電気光学結晶１４に複屈折を誘起し、それによってプローブパルスの偏光が変化すると、偏光が変化した成分が検光板６２を透過し、カメラ６３に結像される。この偏光の変化は電気光学結晶１４の複屈折を反映しているため、カメラ６３で撮像されるイメージは電気光学結晶１４に入射するテラヘルツ波パルスの強度分布を表すものとなる。

テラヘルツ波パルスのパルス幅は一般的に数ピコ秒、プローブパルスのパルス幅は１００フェムト秒程度であり、また、テラヘルツ波電場によって誘起される電気光学結晶１４中の複屈折はテラヘルツ波パルス透過後には瞬時に消失するため、検出されるテラヘルツ波パルス電場はプローブパルスと同時に電気光学結晶１４に入射する時間成分のみとなる。ここで、検出したいテラヘルツ波パルスの時間成分がプローブパルスと同時に電気光学結晶１４に入射するように、光路長調整光学系５１によってプローブパルスの光路長を調整しておく。即ち、カメラ６３で信号を検出しながら、信号処理部２５によって光路調整光学系５１を調整し、テラヘルツ波パルスの所望の時間成分が検出される状態にする。例えば、カメラ６３で検出されるテラヘルツ波信号が最大となるように、プローブパルスの光路長を調整する。

上述のような、第２の照射系２２の調整は、観察を始める前に、被観察物を観察位置に載置しない状態で行うことも、あるいは、被観察物を載置した状態で行うことも可能である。調整は、カメラ６３からの出力信号を信号処理部２５で処理した結果に基づいて、信号処理部２５の制御により自動で行うことも可能であるが、カメラ６３からの出力イメージを確認しながら人が行っても良い。

次に、空間位相変調器６１の調整を行う（ステップＳ２：調整ステップ）。被観察物１５を観察位置に載置した状態で、１回以上所定の回数または連続的にレーザ光源１１をパルス発振させ、プローブパルスの偏光状態の変化をカメラ６３で検出する。カメラ６３の出力信号を信号処理部２５で画素ごとに分析し、空間位相変調器６１をテラヘルツ波パルスによるプローブパルスの偏光状態の変化を打ち消す、あるいは、小さくするような位相変調を与えるように調整する。即ち、電気光学結晶１４を透過したプローブパルスの偏光の空間分布には、被観察物１５を透過したテラヘルツ波パルスの被観察物１５との相互作用による強度の空間分布が反映されるが、この空間位相変調器６１は、その空間分布を無くすようにプローブパルスに位相差を与える。そのようにすることで、空間位相変調器６１を透過したプローブパルスの偏光状態は再び電気光学結晶１４に入射する前と同様に全空間領域に渡って直線偏光となり、検光板６２を透過するプローブパルスの光量は極めて小さい状態となる。即ち、プローブパルスはテラヘルツ波パルスの信号を反映しているにも関わらず、カメラ６３で検出される信号値はほぼゼロとなる。この場合、プローブパルスの光量を増加させても、カメラ６３の信号値はほぼゼロのままである。

次に、被観察物の観察を行う（ステップＳ３：検出ステップ）。空間位相変調器６１の与える偏光状態の変調（位相差）を上記調整により得られた変調量に設定した状態で、レーザ光源１１を繰り返しパルス発振させる。この状態で、被観察物１５の状態に微小な変化が生じてプローブパルスの偏光状態が変化すると、空間位相変調器６１を透過したプローブパルスの微小変化が生じた被観察物位置に対応する部分の偏光が直線偏光ではなくなり、カメラ６３に入射する光強度が増加する。

このときの被観察物１５の状態が変化した位置に対応する位置での、プローブパルスの信号の時間変化の例を図４に示す。カメラ６３で検出されるプローブパルス信号強度は、被観察物（試料）の状態変化を反映したテラヘルツ波の変化によるもの（ΔＩ）だけとなる。したがって、周辺部分に比べて高いコントラストが得られる。また、その強度は、図１の１／２波長板５４を利用してプローブパルスの光量を調整することで任意に調整することができ、カメラ６３のダイナミックレンジの最大値まで増加させることも可能となる。即ち、被観察物１５の微小な状態の変化をカメラ６３のダイナミックレンジを最大限に活かして検出することができる。

例えば、前述の心筋細胞のカルシウムイオンイメージングでは、１０ｂｉｔ階調（ＤＲ＝１０２４）のカメラを使用した場合、その検出を行う実効的ダイナミックレンジも１０ｂｉｔ（ＤＲ’＝１０２４）となり、ダイナミックレンジを格段に向上することができる。

なお、上述の説明では、１／２波長板５４を調整してプローブパルスの光量を増加させることができるとしたが、カメラ６３の検出感度を高めることによっても、カメラ６３による検出のダイナミックレンジを向上することが可能である。

また、偏光板５５や検光板６２の消光比、または空間位相変調器６１の位相変調量によって、被観察物の状態が変化する前の状態においても、微小な強度のプローブパルスがカメラで検出される場合がある。このような場合、信号処理部によって、そのイメージをバックグラウンド信号として取得し記憶しておき、被観察物の状態が変化した際に得られるΔＩのイメージからバックグラウンド信号を減算することで、よりコントラストを向上させることもできる。バックグラウンド信号は、空間位相変調器６１による位相変調を調整する際に、同時に取得しておくことができる。あるいは、被観察物１５を観察する際に状態変化が検出されない画像から取得したり、カメラ６３の検出信号を時間平均して取得したりすることもできる。

（第２実施の形態）
図５は、第２実施の形態に係る観察装置の空間位相変調部２３、および検出部２４の概略構成を示す図である。本実施の形態は、第１実施の形態における空間位相変調部２３の空間位相変調器６１を波長板６８に置き換えたものであり、その他の構成は第１実施の形態と同じである。

被観察物によっては、被観察物の状態の変化が無い状態では、被観察物１５を透過したテラヘルツ波パルスに強度分布が生じず、カメラ６３で検出されるイメージに被観察物１５のコントラストが生じないものも存在する。この場合、被観察物１５の状態が変化する前の状態においては、プローブパルスの偏光状態の変化は全空間領域に渡って均一となるので、波長板６８を利用することでその偏光状態を調整し、カメラ６３に入射するプローブパルスの強度を極めて小さくすることができる。

この場合、偏光の調整に波長板６８を利用するため、空間位相変調素子６１を利用する場合と比べてコストが安くなり、安価に装置を構成することが可能となる。なお、波長板は１／２波長板や１／４波長板を組み合わせて用いることができる。

（第３実施の形態）
図６は、本発明の第３実施の形態に係る観察装置における第１の照射系の概略構成図である。図６に示す第１の照射系２１は、照射レンズ４１と結像レンズ系４２との間に配置された反射ミラー７１および反射ミラー７２を備える。そして、第１照射系２１は、照射レンズ４１からのテラヘルツ波パルスを反射ミラー７１で反射させて、被観察物１５に照射し、該被観察物１５と相互作用して反射されるテラヘルツ波パルスを、反射ミラー７２で反射させて結像レンズ系４２に導く。その他の構成、作用については、第１実施の形態または第２実施の形態と同様である。これにより、被観察物がテラヘルツ波を透過しない場合においても、広いダイナミックレンジでその状態の変化を検知することが可能となる。

（第４実施の形態）
図７は、本発明の第４実施の形態に係る観察装置における第１照射系の概略構成図である。図７に示す第１照射系２１は、照射レンズ４１と結像レンズ系４２との間に配置された全反射プリズム８１を備える。全反射プリズム８１は、全反射面８１ａが被観察物１５の載置面となっている。そして、第１照射系２１は、照射レンズ４１からのテラヘルツ波パルスを、全反射プリズム８１の入射面８１ｂから入射させて、全反射面８１ａで全反射させた後、射出面８１ｃから射出させて結像レンズ系４２に導く。

かかる構成において、全反射面８１ａでテラヘルツ波パルスが全反射すると、全反射面８１ａからテラヘルツ波のエバネッセント波成分が発生して被観察物１５に入射する。そして、被観察物１５とエバネッセント波成分との相互作用により、エバネッセント波成分が被観察物１５に吸収されると、全反射面８１ａで全反射して電気光学結晶１４に入射するテラヘルツ波パルスの強度が減衰する。つまり、本実施の形態においては、全反射減衰分光法によりテラヘルツ波パルスを被観察物１５と相互作用させる。

このように、エバネッセント波の吸収を検出する全反射減衰分光法を適用することで、被観察物１５が水のようなテラヘルツ波を非常に強く吸収する物質の場合においても、広いダイナミックレンジでその状態の変化を検知することが可能となる。

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、幾多の変更または変形が可能である。たとえば、プローブパルスの検出器としてカメラを利用することを前提としていたが、フォトダイオードなど非イメージング素子による検出も可能である。この場合においては試料のリアルタイムイメージを得ることはできないが、広いダイナミックレンジで試料の状態変化を検知することは可能である。また、検出部２４は、電気光学結晶１４の裏面で反射されるプローブパルス（第２の電磁波）からテラヘルツ波の電場情報を取得するように構成することもできる。

１１レーザ光源
１２ビームスプリッタ
１３テラヘルツ波発生部
１４電気光学結晶
１５被観察物
２１第１の照射系
２２第２の照射系
２３空間位相変調部
２４検出部
２５信号処理部
３１，３２，３３，５２，７１，７２反射ミラー
３４集光レンズ
３５テラヘルツ波発生素子
４１照射レンズ
４２結像レンズ系
５１光路長調整光学系
５３ビームエキスパンダ
５４１／２波長板
５５偏光板
５６ダイクロイックミラー
６１空間位相変調器
６２検光板
６３カメラ
６４，６５，６６，６７レンズ
６８波長板
８１全反射プリズム
８１ａ全反射面
８１ｂ入射面
８１ｃ出射面

Claims

被検出物と相互作用した第１の電磁波であるパルス状のテラヘルツ波と、前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波とを重ねて電気光学結晶に照射し、前記電気光学結晶との相互作用による前記第２の電磁波の偏光状態の変化を検出する被検出物の観察方法であって、
前記電気光学結晶と相互作用した前記第２の電磁波の偏光状態に変調を加え、検出される前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を小さくするように調整する調整ステップと、
前記電気光学結晶と相互作用した第２の電磁波の偏光状態に、前記調整ステップにより調整された前記変調を加え、該変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を検出する検出ステップと、
を有する、観察方法。
前記検出ステップにおいて、前記調整ステップよりも、前記電気光学結晶に照射する前記第２の電磁波の強度を高くすることを特徴とする請求項１に記載の観察方法。
前記調整ステップにおいて、前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を記憶し、
前記検出ステップにおいて、該検出ステップにおける前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化から、前記調整ステップにおいて記憶した前記変調後の前記第２の電磁波の偏光状態の変化を差分することを特徴とする請求項１または２に記載の観察方法。
前記第２の電磁波の偏光状態の変化を２次元画像として取得することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の観察方法。
電気光学結晶と、
第１の電磁波であるパルス状のテラヘルツ波を被検出物と相互作用させて前記電気光学結晶に照射する第１の照射系と、
前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短い第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶と相互作用した前記第２の電磁波の偏光状態に変調を加える位相変調器と、
前記位相変調器によって前記変調を加えられた前記第２の電磁波の偏光状態の変化を検出する検出部と
を備え、
前記位相変調器は、前記検出部により検出される前記第２の電磁波の偏光状態の変化を小さくするように調整可能に構成されていることを特徴とする観察装置。
前記第２の照射系は、前記電気光学結晶に照射する前記第２の電磁波の強度を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の観察装置。
前記検出部は、検出感度を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の観察装置。
前記位相変調器は、２次元的に位相変調が可能な空間位相変調器であり、前記検出部は、前記第２の電磁波の２次元画像を取得可能な固体撮像カメラであることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の観察装置。
前記位相変調器は、波長板により構成されることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の観察装置。