JP2019510212A - 分光法を実施するためのシステム - Google Patents

Abstract

ターゲットに対し分光法を実施するためのシステムを提供する。いくつかの側面において、前記システムは、ターゲットに向けられる１又は複数の周波数を有する光を生成するよう構成された光源を含む光学アセンブリを有する。前記光学アセンブリは、前記ターゲットからくる所望の光信号を選択するよう構成された少なくとも１つの光フィルタを有し、前記少なくとも１つの光フィルタは、エタロンと、前記エタロンの外部に配置された少なくとも１つの反射面と、を含み、前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンから反射された入射ビームを、少なくとも１回、前記エタロンに向け直すよう構成されている。
【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2016年2月12日に出願された「エタロンフィルタ」と題する米国特許仮出願第62／294,781号の関連出願であり、その優先権を主張する。またその仮出願は、参照して引用することによりその全体が本願に組み込まれるものとする。

本発明は、高分解能分光法のためのシステム及び方法に関し、特に光学分光フィルタに関する。

ラマン散乱分光法、レーザ蛍光イメージング、ブリルアン散乱分光法及びその他の散乱分光法などの多くの光学応用において、不要なスペクトル成分の除去が多くの場合必要となる。これらの手法では、レーザ源や光学部品からの弾性散乱を含む不要なスペクトル成分を抑制又はフィルタで除去することが有益である。

そのために、回折格子などの回折素子が多くの場合用いられて光信号が空間的に分離される。これにより、不要な背景信号をブロックしながら特定の信号を選択することができる。別のアプローチとして、背景と所望の信号とで透過率又は反射率を異ならせる分光フィルタを用いる方法がある。従来、分光フィルタとして誘電性スタックフィルタが用いられてきた。しかしながら、具体的な用途に応じて他のタイプのものも用いられている。例えば、ラマン散乱においてホログラフィック体積型フィルタが用いられている。レーザ線フィルタリングに用いられる他のフィルタは、有機吸収体及びこれらの溶媒を含む。加えて、複屈折結晶板のシーケンスを用いて組み立てられるリオフィルタもまた、特定の波長を除去するために用いられている。一部のリオタイプのフィルタは、受動複屈折結晶の代わりにポケットセルを用いた際に調整可能な透過波長ピークを有することができる。

一般的に、上記の分光フィルタのストップバンド又はエッジは、数ナノメートルから数十ナノメートルの幅がある。そのような従来のフィルタリング手法は、一部の実施においては適切であるものの、波長又は周波数シフトが非常に小さいような応用においては十分でない。例えば、ブリルアン散乱においては、波長シフトは通常１ピコメートルより小さく、これは従来の光学フィルタの性能よりも桁違いに小さい。

１９７０年代から、強く鋭い吸収線を提供するために、ラマン散乱及びブリルアン散乱において、ノッチフィルタとしてガスセルが用いられている。しかしながら、これらにはいくつかの本質的な欠点がある。第１に、ガスセルフィルタは特定の波長で作用し、したがってその用途が限られる。これは、ガスセルフィルタが、密封されたカプセル内の特定のガスの強い光吸収を利用しているためである。ガスの吸収スペクトルは決まっているため、フィルタは特定の波長についてしか作用できない。また、ガスセルの吸収スペクトルはしばしば複数のノッチを有する。これらのノッチと所望信号との間の干渉によって、信号消光(signal extinction)の好ましくない減少が生じる。さらに、ガスセルは通常、高い消光を達成するために高温に加熱する必要があり、これにより光学的設定をより複雑にする。例えば、ブリルアン顕微分光法に用いられるヨード蒸気は５０ｂＢの消光を達成するために１００℃まで加熱する必要がある。

したがって、上記の問題を解決するために改善されたフィルタリングが必要である。

本開示は、従来手法の欠点を克服する分光法のためのシステムを提供する。本開示の特徴及び利点は、以下の説明から明らかとなる。

本開示の一側面によれば、ターゲットに対し分光法を実施するためのシステムが提供される。前記システムは、ターゲットに向けられる１又は複数の周波数を有する光を生成するよう構成された光源を含む光学アセンブリを有する。また前記光学アセンブリは、前記ターゲットからくる所望の光信号を選択するよう構成された少なくとも１つの光フィルタを有し、前記少なくとも１つの光フィルタは、エタロンと、前記エタロンの外部に配置された少なくとも１つの反射面と、を含み、前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンから反射された入射ビームを、少なくとも１回、前記エタロンに向け直すよう構成されている。

本開示の別の側面によれば、光フィルタが提供される。前記光フィルタは、入射ビームから別々の光信号を選択するよう構成され、前記光フィルタは、エタロンと、前記エタロンの外部に配置された少なくとも１つの反射面と、を含み、前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンからの反射ビームを、少なくとも１回、前記エタロンに向け直すよう構成されている。

本開示のさらなる目的、特徴及び利点は、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面と合わせて以下の詳細な説明を読むことで明らかとなる。

本開示に係わるノッチフィルタを説明する概念図である。 本開示の側面に係わるバンドパスフィルタの概念図である。 本開示の側面に係わる例示的なシステムを示す図である。 本開示の側面に係わる別の例示的なシステムを示す図である。 本開示の側面に係わるさらに別の例示的なシステムを示す図である。 本開示の側面に係わるさらに別の例示的なシステムを示す図である。 本開示の側面に係わる例示的なエタロンを説明する概念図である。 図３Ａの例示的なエタロンを介した測定された透過率を示すグラフである。 図３Ａの例示的なエタロンからの測定された反射を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、角度調整によるエタロンの透過調整を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、角度調整によるエタロンの調整を示す図である。 本開示の側面に係わる、温度調整によるエタロンの透過調整を示すグラフである。 本開示の側面に係わる温度を用いたエタロンの調整を示す図である。 本開示の側面に係わる、レーザ周波数ロッキング（クリーンナップ）フィルタの例示的なプロファイルを示す概略図である。 アクティブ周波数ロッキングスキームを説明するグラフである。 本開示の側面に係わるノッチフィルタの一例を示す図である。 本開示の側面に係わるノッチフィルタの別の例を示す図である。 本開示の側面に係わるノッチフィルタのさらに別の例を示す図である。 本開示の側面に係わるバンドパスフィルタの一例を示す図である。 本開示の側面に係わるバンドパスフィルタの別の例を示す図である。 本開示の側面に係わるバンドパスフィルタのさらに別の例を示す図である。 本開示の側面に係わるバンドパスフィルタのさらに別の例を示す図である。 本開示の側面に係わるバンドパスフィルタのさらに別の例を示す図である。 本開示の側面に係わる、単段又は多段式仮想イメージドフェーズドアレイ（ＶＩＰＡ）ベースの分光計と組み合わせたフィルタの例を示す図である。 本開示の側面に係わる、図９Ａの一実施形態を示す図である。 本開示の側面に係わる、図９Ａの別の実施形態を示す図である。 本開示の側面に係わる、エタロンからの１回の反射を用いて測定された消光プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、エタロンからの２回の反射を用いて測定された消光プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、エタロンからの３回の反射を用いて測定された消光プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、ノッチフィルタの全透過率（赤マーカ）及び消光比（青マーカ）を反射の回数の関数として示したグラフである。 本開示の側面に係わる、シミュレーションにおけるフィルタの透過プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１２Ａのシミュレーションにおける３パスフィルタの反射プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１２Ａのシミュレーションにおける模擬信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１２Ａのシミュレーションにおける周波数ロッキングクリーンナップフィルタを用いたレーザ線の１パス透過を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１２のシミュレーションにおける背景クリーニングのための３パス反射バンドストップフィルタを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１２のシミュレーションにおけるフィルタ処理した信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、別のシミュレーションにおけるフィルタの透過プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１３Ａのシミュレーションにおける３パスフィルタの反射プロファイルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１３Ａのシミュレーションにおける模擬信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１３Ａのシミュレーションにおける周波数ロッキングクリーンナップフィルタを用いたレーザ線の１パス透過を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１３Ａのシミュレーションにおける背景クリーニングのための３パス反射バンドストップフィルタを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１３Ａのシミュレーションにおけるフィルタ処理した信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、メチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）サンプルからのブリルアン散乱信号の測定されたスペクトルを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、システムを用いて記録されたヒト強膜からの光信号を示す画像である。 本開示の側面に係わる、図１５Ａで測定された光信号の信号カウントを示すグラフである。 本開示の側面に係わる、システムを用いて背景抑制を達成するための、シミュレーションにおける信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１６Ａのシミュレーションにおける３パス透過及びレーザ線を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１６Ａのシミュレーションにおけるフィルタ処理した信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、システムを用いて背景抑制を達成するための、別のシミュレーションにおける信号を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１７Ａのシミュレーションにおける３パス透過及びレーザ線を示すグラフである。 本開示の側面に係わる、図１７Ａのシミュレーションにおけるフィルタ処理した信号を示すグラフである。

ラマン散乱及び分光計ベースのブリルアンイメージングなどの多くの分光学応用は、ターゲットからの所望信号を維持しながら励起光、迷光及びその他の背景ノイズを除去することを必要とする。しかしながら、所望信号と不要信号との間の差が小さい場合、信号同士を分離することは困難である。これは、ブリルアン散乱などのいくつかの分光学応用から得られる波長差が１ピコメートルのオーダー又はそれ以下にもなるのに対して、従来の光学フィルタのストップバンド又はエッジはおよそ数ナノメートルに限られているためである。その結果、交絡信号及びノイズを高い消光比で取り除くことができない。

したがって、本開示は、従来手法の欠点を克服できる分光法のためのシステムを提供する。特に、本明細書において、高い忠実性、高い消光比及び増大した信号対背景比（「ＳＢＲ」）で所望信号をフィルタ処理できるエタロンフィルタに基づく新規のフィルタリングアプローチを紹介する。具体的には、高消光ブリルアン分光法により、特に強膜、皮膚、血管壁及び内部組織のような不透明な組織などの生体サンプルの生化学イメージングが可能となる。しかしながら、本アプローチは、多重化通信システム、温度アプリケーション、機械的振動アプリケーション、音響波アプリケーション、電圧アプリケーション、磁場アプリケーション及びその他のアプリケーションなどの光学フィルタリングを必要とする幅広いアプリケーションに関連する。

本開示のいくつかの側面において、ノッチフィルタが提供される。ノッチフィルタは、少なくとも１つのエタロンを用いて形成されてもよいし、ミラー、レンズ及び他の部品などのその他の光学素子を用いて形成されてもよい。ノッチフィルタの一実施形態では、エタロンで反射された入射ビームは、例えばミラー又は反射面を用いて、何度もエタロンに向け直されてもよい。以下に記載するように、これによって、エタロンからのシングルパス反射を用いて実現されるストップバンドに比べて除去率が大幅に向上する。例として、図１Ａは、スペクトルの一部における信号を抑制すると同時にスペクトルの他の部分における信号を許容するための、本開示に係わるノッチフィルタの使用のコンセプトを説明する図である。特に、ノッチフィルタを適用することで、レーザ線λ₀についてストップバンド１０が生成されるとともに、所望信号が維持されるべき帯域であるパスバンド１２が生成される。あるいは、ノッチフィルタは、レーザ線の透過を許容すると同時に、他の全てのバンドを除去するよう構成されてもよい。ブリルアンイメージング及びラマン散乱イメージングなどの強い背景ノイズ抑制及び信号消光が有益なアプリケーションにおいて、提供されたノッチフィルタが使用できると想定される。

本開示の他の側面において、バンドパスフィルタが提供される。バンドパスフィルタは、少なくとも１つのエタロンを用いて形成されてもよいし、ミラー、レンズ及び他の部品などのその他の光学素子を用いて形成されてもよい。バンドパスフィルタの一実施形態では、入射ビームは、何度もエタロンを横切りながら、２つのミラー又は反射面間で往復して反射されてもよい。例として、図１Ｂは、スペクトルの一部における信号を抑制すると同時にスペクトルの他の部分における信号を許容するための、本開示に係わるバンドパスフィルタの使用のコンセプトを説明する図である。特に、バンドパスフィルタを適用することで、レーザ線λ₀を含むストップバンド１０’が生成されるとともに、所望信号が維持されるべき帯域であるパスバンド１２’が生成される。あるいは、バンドパスフィルタは、レーザ線を含むバンドの透過を許容すると同時に、他の全てのバンドを除去するよう構成されてもよい。想定されるアプリケーションの１つにおいて、本開示の側面によれば、バンドパスフィルタは、光源からの自然放出ノイズを除去するために用いられてもよい。加えて、提供されるバンドパスフィルタは、光源であるレーザの周波数を安定化させるために周波数ロッキングフィルタとして用いることができる。

図２Ａを参照すると、本開示の側面に係わる例示的なシステム１００が示されている。通常、システム１００は、光学アセンブリ１０２、コントローラ１０４、データジェネレータ及び／又はデータプロセッサ１０６、並びに一以上の信号センサ１０８、若しくはこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。システム１００は、入力及び動作命令を受信するためのインプット１１０、並びに、生成されたレポートを提供するためのアウトプット１１２をさらに含んでもよい。いくつかの側面においては、システム１００は、モータ、ギア、可動ステージなどの、各種光学部品を回転及び平行移動させる機能をさらに含んでもよい。システム１００の各種部品は、単一のハウジング又は筐体内に含まれてもよい。あるいは、システム１００の複数の部品は、独立した又は別々の部品又は装置として、別々に収容されてもよい。以下に記載するように、いくつかの側面において、システム１００は、図２Ｂ〜２Ｄの実施形態に示すように分光システムであってもよい。

図２Ａの光学アセンブリ１０２は、光源、レンズ、コリメータ、ビームスプリッタ、回折格子、ホログラム、ミラー、光アイソレータ、シングル又はマルチモード光ファイバ、バンドル、導光管又は光結合器の他、偏光子、シャッタ、フィルタ、増幅器、減衰器、フィルタなどの様々な組み合わせを含む、各種光学部品及びハードウェアを含んでもよい。特に、光源は、単色（単一波長）、多色（多波長）又は広帯域（波長範囲）の光信号を生成するよう構成されてもよい。限定を意図しない例として、光源は、白熱光源、蛍光光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントＬＥＤ、レーザ、レーザダイオード及びその他の光源を含んでもよい。例えば、調光は、正弦波的に調光されるか、ステップ調光されるか、三角調光されるか、任意で調光されるか、又はパルス状とされてもよい。このようにして、光源は、連続波で、周波数領域及び時間領域で動作することができる。

いくつかの側面において、光学アセンブリ１０２は一以上のエタロンを含み、これが一以上のクリーニングフィルタ、ノッチフィルタ及びバンドパスフィルタを形成する。図３Ａに例示的なエタロン３００を概略的に示す。具体的には、エタロン３００は、厚さｄの空気又は固体材料によって離された２つの半透明表面３０２を含む。波長λ及びエタロン３００に対する入射角θ'の光ビーム３０４は、多重反射され、多数の反射ビーム３０６及び透過ビーム３０８を生成することができる。各跳ね返りにおいて、光ビーム３０４は４πｎｄ／λだけ位相変化し、ここで、θはエタロンへの入射角、ｎは屈折率である。反射ビーム３０６と透過ビーム３０８の干渉により、入射ビーム３０４が調整(modulation)される。特に、エタロン３００の透過スペクトル、Ｔは、構造的な干渉が起こる箇所において一連の共鳴周波数ピークを含む。ピーク間の周波数間隔は自由スペクトル領域（「ＦＳＲ」）である。吸収及び散乱損失が小さい場合、反射スペクトルＲは１から透過スペクトルＴを引いたものであり、これにより一連のストップバンドが形成される。

いくつかの実施形態では、ＦＳＲ、フィネス(finesse)及び反射の数は全て性能の向上のために選択されてもよい。エタロンの除去効率又は消光は、周波数に依存し、共鳴ピーク間つまり共鳴周波数からＦＳＲの半分だけ離れた周波数において最大となる。透過モードでは、ブリルアン信号がエタロンの透過ピークを通る。したがって、いくつかの実施形態において、エタロンのＦＳＲはサンプルのブリルアン周波数シフトの２倍とほぼ同じ又はそれよりわずかに大きい。ＦＳＲをＦＳＲの半分よりもわずかに大きくなるよう選択してもよい理由は、ＦＳＲが高いほど透過ピークが広くなり、したがってブリルアン信号の利用可能周波数領域が広くなるためである。反射モードでは、エタロンの透過ピークをレーザ線と一致させるように選択してもよく、高い除去効率が所望されるであろう。この場合、エタロンのＦＳＲは典型的なブリルアン周波数シフトの２倍に等しくてもよいが、透過モードの場合のように、ＦＳＲはそれよりもわずかに高くてもよい。

両モードにおいて、エタロンのフィネスもまた、最適範囲内となるよう選択することができる。フィネスが増大するにつれて、除去効率は増大するが、共鳴ピークの幅は減少する。共鳴ピークが鋭すぎることは、透過モードにおける利用可能なブリルアン信号の範囲の幅が減少するという理由から望ましくない。反射モードでは、共鳴ピークが狭いと、エタロンの透過ピークをレーザ線と整列させるためにエタロンの透過ピークを厳密に制御する必要があるが、この問題はレーザ波長をエタロンにロッキングすることで回避することができる。いくつかの実施形態では、並（moderate）から低のフィネス、例えば２０より小さく５より大きいフィネスが用いられる。低すぎるフィネス（例えば約５より下）は、除去効率が低すぎるため、望ましくない。並から低のフィネスを有するエタロンを用いた場合、そのシングルパス除去効率は特定のアプリケーションにおいて十分な高さでない可能性がある。この場合にはマルチパス構成が有用である。透過及び反射モードの両方におけるパスの数は、いくつかの実施形態において、２より大きく６より小さくなる（つまり３から５となる）よう選択される。十分な消光を得る必要があることから、下限が設定される。また、パスの数が増えるにつれてブリルアン信号の挿入損失が増大し、通常パスの数と共に指数関数的に増えることから、上限が設定される。同じ消光レベルでは、低から並のフィネスを有するエタロンでマルチパスを用いた場合の方が、高いフィネスを有するエタロンでシングルパスを用いた場合よりも、広い透過バンドが得られた。

例として、図３Ｂ及び３Ｃは、図３Ａを参照して説明したエタロンを用いて得られた例示的な透過及び反射スペクトルを示す。エタロンは、面積が２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さが約６．４ｍｍ、厚さ均一性が２ｎｍ二乗平均平方根（ＲＭＳ）の溶融石英片から作製された。ＦＳＲは約１６ＧＨｚであった。両面の反射率コーティングは、約７２０から８４０ｎｍの波長域について約６５％であった。ビーム径が約２．８ｍｍの７８０ｎｍシングル波長レーザを用いて、測定データを得た。この測定において、レーザの光周波数はアナログランプ電圧信号を用いて調節された。透過プロファイルが、３０ｄＢダイナミック・レンジを有する光ダイオードを用いて測定された。透過ピークの鋭さに関するエタロンのフィネスの測定値は約７であった。透過モードでは、最大透過率は共鳴周波数において約９７％であり、最小透過率は共鳴ピーク間で約５．３％であり、除去率は約１１．９ｄＢであった。光吸収、平面欠陥及びアライメントエラーなどの理由により通常は透過モードよりも困難ではあるものの反射モードにおいて高い最適除去率を得ることができる。本明細書において、エタロンのマルチステージをつなげる(cascading multiple stages)ことにより、より高い除去率が得られると認められる。

再び図２Ａを参照すると、システム１００は、システム１００を制御するよう構成されたコントローラ１０４を含む。コントローラ１０４は、光学アセンブリ１０２、データジェネレータ又はデータプロセッサ１０６及び信号センサ１０８の各種構成要素と通信し、これらをコーディネート及び制御する。信号センサ１０８は、半導体光ダイオード、ＰＩＮ光ダイオード、ＣＣＤ及びＣＭＯＳ画像センサ、フォトンカウンティング・アバランシェ・フォトダイオード（「ＡＰＤ」）及びその他などの一以上の光検出器を含んでもよい。データジェネレータ又はデータプロセッサ１０６は、光データ及びその他のデータの取得及び／又は処理のための各種ハードウェア及び部品を含んでもよい。図２Ａにおいては別個の部品として示しているものの、データジェネレータ又はデータプロセッサ１０６及び信号センサ１０８は、例えばＣＣＤカメラ又は分光計などの単一ユニット又は装置として組み合わせてもよい。

いくつかの側面において、コントローラ１０４は、光源の光周波数、及び、クリーンフィルタ、ノッチフィルタ又はバンドパスフィルタのうちの一以上の共鳴周波数のアライメントを制御するよう構成されてもよい。これは、光源の光周波数の制御又はフィルタの共鳴周波数の調整により達成されてもよい。このようにして、例えば、一以上の所望の関心線(lines of interest)にパスバンドをマッチさせると同時にスペクトルの他の部分を除去してもよい。

いくつかの実施形態では、コントローラ１０４は一以上のエタロンの透過プロファイルを制御するよう構成されてもよい。これは、角度調整、温度調整、圧電手法による幅調整、及びエアギャップエタロンの圧力調整などの多くの手法を用いて実現することができる。例として、図４Ａ及び４Ｂは、角度調整によるエタロン４００の透過調節を示す。ある光周波数又は波長を有する入射ビーム４０２について、図４Ｂに示すように、検出器４０６により受信された透過ビーム４０４のパワーは、一以上の方向におけるエタロンの傾斜角度に応じて変化する。換言すると、図４Ａに示すように、エタロンの透過共鳴周波数は、傾斜角度に応じて調整される。

別の例として、図５Ａ及び５Ｂは、温度調整によるエタロン５００の透過調節を示す。特に、この手法は空気で満たされた又は固体で満たされたエタロンに用いてもよい。固体で満たされたエタロンについて、調整性の範囲は使用されている材料に依存する。エタロン５００は、例えば筐体５０２内部に温度制御能力を有する耐熱筐体５０２内に位置付けることができる。図５Ｂに示すように、筐体５０２内に形成された少なくとも１つの窓５０４により、入射ビーム５０６が筐体５０２内に進入し、そして透過ビーム５０８が筐体５０２から出て検出器５１０により受信される。図５Ａに示すように、温度調整プロファイル又は透過共鳴プロファイルは、温度の関数として、入力パワーに対して正規化された透過光のパワーを測定することで、生成される。

図２Ｂを参照すると、本開示に係わるシステム２００の一実施形態が示されている。システム２００は、図示するように、光源２０４及び第１フィルタ２０６を含む周波数ロッキングモジュール２０２、信号検知モジュール２０８、第２フィルタモジュール２１０、データモジュール２１２及びコンピュータ２１４を含む。一側面において、周波数ロッキングモジュール２０２内の第１フィルタ２０６は、記載したように、エタロンをベースとしたバンドパスフィルタの形をとった周波数ロッキング又はクリーンナップフィルタでもよい。例えばレーザ光として光源２０４により生成された光は、第１フィルタ２０６に入射し、フィルタによって特定の波長又は周波数が選択されるとともに、不要な波長又は周波数は除去される。いくつかの側面では、コンピュータ２１４によって実行されるソフトウェア又はプログラミングを用いて、光の中心周波数（又は波長）を、第２フィルタ２１０の透過ピークにロックしてもよい。ロッキングスキームによってレーザ出力が安定化され、適切な動作又は第２フィルタ２１０によるフィルタリングを保証することができる。

図示されるように、信号検知モジュール２０８により受信された信号は、次に第２フィルタ２１０に向けられる。いくつかの側面では、本開示の側面において、第２フィルタ２１０は、エタロンをベースとして、バンドパスフィルタ、バンドストップフィルタ又はノッチフィルタを含んでもよい。上述のように、いくつかの側面では、第２フィルタ２１０は、第１フィルタ２０６にマッチ又はロックされてもよい。第２フィルタ２１０によってフィルタ処理された信号は、次に、データモジュール２１２によって取得されて、さらに処理される。コンピュータ２１４は、次に、生の及び／又は処理されたデータをデータモジュール２１２から取得して、レポートを生成してもよい。

いくつかの実施において、システム２００は、ブリルアン顕微鏡法のような背景ノイズに対するレーザ線の消光比率が高いことが重要となるアプリケーションに用いてもよい。通常、１００−５００ＭＨｚのバンド幅を用いて測定した場合、８０ｄＢよりも大きい消光比が望まれる。散乱が大きい(highly scattering)サンプルについては、１００ｄＢよりも大きい消光比が望まれる。例として、図６はレーザ周波数ロッキング又はクリーンナップフィルタの概略的なプロファイルを示す。バンドパスフィルタとして、このプロファイルは、中央パスバンドと、中央ピークλ₀の両側にあるストップバンドとを含む。このフィルタは、レーザのスペクトルのサイドモードを抑制することができ、したがって光の出力周波数又は波長を安定化させるのに用いることができ、この周波数又は波長は第２フィルタの透過ピークにロックすることができる。

図６に示すようなプロファイルを有するクリーンナップバンドパスフィルタは、例えば自然放出背景及びレーザ出力におけるスプリアスのサイドモードを抑制するために採用されてもよい。このフィルタは、特に自然放出背景が比較的高い半導体レーザをレーザ源として用いる場合に重要となる。典型的な分光計で測定された典型的なレーザ対自然放出ノイズ比は、−５０から−５５ｄＢである。強膜などの散乱が大きい組織(highly scattering tissue)を画像化する場合、レーザ線と背景の両方からなるレーザ出力の限られた量が弾性散乱する。レーザ線はフィルタ及びＶＩＰＡエタロンで抑制することができる一方で、ブリルアン周波数域内の広帯域の自然放出背景は、ブリルアン信号と同じ周波数を占めるので、ブリルアン信号の大きさを損なわずに抑制することはできない。サンプルの前に配置されたクリーンナップフィルタは、ブリルアン周波数帯の背景ノイズをサンプルから散乱される前に抑制するので、いくつかの実施形態において有用である。ブリルアン周波数帯において十分高いレーザ対背景比、典型的には６５ｄＢよりも高い、を実現するためのそのようなアレンジメントは、強膜などの、散乱により生じる後方反射が大きい組織のイメージングに有用である。クリーンナップフィルタの透過は、レーザ線と、透過又は反射フィルタの高除去ピークとの両方と整列される。使用可能なクリーンナップフィルタのタイプの例は、エタロン、回折格子及びガス吸収フィルタを含む。エタロンクリーンナップフィルタは、フィネスが例えば５から２０の範囲でもよい。ＦＳＲは、ブリルアン周波数シフトの約２倍となるよう、又はブリルアン周波数シフトより多少大きくなるよう選択されてもよい。ブリルアンシステムは、レーザクリーンナップフィルタと反射モードノッチエタロンフィルタの両方を、２ステージＶＩＰＡ分光計と併せて使用してもよい。そのようなシステムの実施形態により、これまでは不可能であった、散乱が大きい強膜内の眼組織のブリルアンイメージングが可能となった。

図２Ｃを参照すると、本開示の側面に係わるアクティブ周波数ロッキングシステム２３０の一実施形態が示されている。システム２３０は、光源コントローラ２３４と通信するコンピュータ２３２と、光源コントローラ２３４により制御される光源２３６と、を含んでもよい。光源２３６は、レーザ又はその他の調整可能な光源であってもよい。限定を意図しない一例では、レーザは、ダイオードレーザ又は半導体レーザでもよい。システム２３０は、周波数ロッキングフィルタ２３８、ビームサンプラ２４０及び検出器２４４を含んでもよい。光源２３６によって生成された光ビームは、周波数ロッキングフィルタ２３８を通過してビームサンプラ２４０に当たる。光ビームは、一部（例えば５％未満）が検出器２４４に向けて反射され、他の部分がサンプル又は組織などのターゲットに向けられる。検出器２４４は、光検出器でもよく、例えばアナログ信号の形のフィードバック信号をコンピュータ２３２に提供するよう構成されてもよい。

光源２３６の出力の周波数は、最大に近いパワースループットを実現するために、光源コントローラ２３４を用いて例えばコンピュータ２３２による指示に従って、連続的に調整されてもよい。また、上述のように、出力を、エタロンベースのフィルタの透過ピークに対応する周波数にロックしてもよい。周波数の調整は、光源コントローラ２３４にアナログ電圧入力を与えることで達成でき、例えば入力分解能を約１ｍＶ、調整分解能を約１０ＭＨｚとしてもよい。周波数ロッキングフィルタ２３８を介する透過を、ピーク透過の９８％よりも大きくなるよう積極的に維持することで、周波数ロッキング安定性を２０ＭＨｚ未満とすることができる。

そのような周波数ロッキングスキームを図７に示す。例えば周波数調整可能レーザーシステムを用いて、例えばエタロンの少なくとも１つの透過ピーク７００と一致する周波数域をスキャンするように、出力を調整することができる。次に、出力の周波数は、所定の閾値についてフィルタ通過後の透過パワーを維持するために周波数を積極的に調整又はディザリング(dithering)することによって、狭い周波数域内にロックすることができる。例えば、そのような閾値は、９０％パワー透過以上、あるいはより具体的には約９５％パワー透過であってもよい。

図２Ｄを参照すると、本開示の側面に係わるシステム２６０の別の例が示されている。システム２６０は、コンピュータ２６２、データモジュール２６４、光源２６６及び光学アセンブリ２６８を含む。上述のように、光源２６６はダイオードレーザなどのレーザを含んでもよい。特に、光学アセンブリ２６８は、第１光アイソレータ２７０、第１の二分の一波長板２７２、第１フィルタ２７４、ビームスプリッタ２７６及び光検出器２７８を含む。上述のように、光検出器２７８は、コンピュータ２６２及び光源２６６を用いて周波数ロッキングを実現するためのフィードバックを提供するために使用してもよい。特に、光源２６６の出力周波数又は波長は、本開示によればエタロンをベースとしたバンドパスフィルタであってもよい第１フィルタ２７６の中心周波数又は波長と合うよう調整及びロックされてもよい。

光学アセンブリ２６８は、光学アセンブリ２６８の各種光学素子を接続する多数の光ファイバ２８０も含む。光学アセンブリは、電動式でもよい実験用インターフェース２８２も含む。実験用インターフェース２８２は、第２の二分の一波長板２８４、偏光ビームスプリッタ２８６、第２光アイソレータ２８８及び対物レンズ２９０を含んでもよい。図示されるように、実験用インターフェース２８２からの信号は光ファイバ２８０を介して第２フィルタ２９２に向けられる。本開示に依れば、一例として第２フィルタ２９２はノッチフィルタでもよい。第２フィルタ２９２からのフィルタ処理された信号は、次にデータモジュール２６４に向けられてそこで処理されてもよい。図示されるように、データモジュール２６４は仮想イメージドフェーズドアレイ(virtually imaged phased array)（「ＶＩＰＡ」）２９４と、例えばＣＣＤカメラでもよい撮像装置２９６とを含むことができる。ＶＩＰＡ２９４は、図９Ａ〜９Ｃの例に示すようにシングル又はマルチステージＶＩＰＡ分光計でもよい。

本開示の側面によれば、図８Ａ〜８Ｈはフィルタの様々な実施形態を示す。特に図８Ａ〜８Ｃを参照すると、ノッチフィルタの異なるバリエーションが、多重反射とともに示されている。特に、図８Ａ及び８Ｂは、１つのエタロンと、エタロンの外部にある１つのミラーとを含む構成を示す。エタロンから反射された入射ビームは、ミラー又は他の反射面によって何度もエタロンに向け直される。反射の数及び出射ビームの方向は、エラトンとミラーのサイズ及びこれらの相対的な位置により決定してもよい。例えば、図８Ａでは、反射の数並びにミラーのサイズ及び位置（エラトンに対して上下方向にシフトされる）によって、出射ビーム８０２が入射ビーム８００と同じ方向となる。これに対して、図８Ｂでは、出射ビーム８０２’は入射ビーム８００とは反対方向となる。ビームのエタロンへの入射角が実質的に同じになるような多重反射を実現するために、エタロン角度調整手法を用いてエタロン及びミラーを慎重にアライメント調整することができる。図８Ｃに示すノッチフィルタの１つのバリエーションでは、２つの実質的に平行なエタロンを利用してもよい。第１のエタロンに向けられた入射ビーム８００は第２のエタロンへと反射されるなどし、これが何度も行われる。図８Ａ〜８Ｃに示すように、入射ビーム８００は、エタロンの表面に対し、例えば１０度より小さい角度となるよう配向される。

上述のように、ノッチフィルタによって、エタロンからのシングルパス反射を用いて実現されるストップバンドに比べて、大幅に向上した除去率を提供することができる。原理的には、除去効率又は消光比はエタロンの数及び反射の数とともに増大させることができる。例えば、１回の反射のプロファイルの消光が１０ｄＢの場合、２回の反射については最大２０ｄＢが実現でき、３回の反射については３０ｄＢが実現できる。実際には、ノッチフィルタにおける詳細な構成及びビーム反射の数の選択においては、アライメントによるエラー、吸収による損失、各追加反射によって蓄積されるビーム形状変形などを考慮する必要がある。

上述のように、ノッチフィルタはさまざまなアプリケーションで用いることができる。例えば、図９Ａ及び９Ｂは、エタロン及びミラーをベースとしたノッチフィルタと１ステージ又は２ステージＶＩＰＡ分光計とを組み合わせた光学アセンブリを示す。具体的には、図９Ａの光学アセンブリは、ノッチフィルタ９００、コリメートレンズ（「ＣＬ」）、仮想イメージドフェーズドアレイ（「ＶＩＰＡ」）、対物レンズ（「ＯＬ」）及び撮像装置（「ＥＭＣＣＤ」）を示す。図９Ｂの光学アセンブリは、ノッチフィルタ９００、第１コリメートレンズ（「ＣＬ１」）、第１仮想イメージドフェーズドアレイ（「ＶＩＰＡ１」）、第２コリメートレンズ（「ＣＬ２」）、第１対物レンズ（「ＯＬ１」）、第２仮想イメージドフェーズドアレイ（「ＶＩＰＡ２」）、第２対物レンズ（「ＯＬ２」）及び撮像装置（「ＥＭＣＣＤ」）を示す。

特に図８Ｄ〜８Ｅを参照すると、マルチ透過を伴うバンドパスフィルタの異なるバリエーションが示されている。具体的には、図８Ｄ及び８Ｅにおいては、エタロンの外部にありかつエタロンと略平行な２つのミラーを用いて、入射ビーム８００が何度もエタロンを透過する。エタロンとミラーのサイズ及び相対的な位置に応じて、透過ビームの方向は、入射ビーム８００と同じ方向（図８Ｄの出射ビーム８０４’）又は反対方向（図８Ｅの出射ビーム８０４”）となる。エタロンを通る各パス又は透過による透過プロファイルの増大によって、高い消光が得られる。

図示されるように、図８Ｅ及び８Ｄにおいてエタロン上の入射ビーム８００の角度はゼロではない。いくつかのバリエーションでは、図８Ｆ及び８Ｇに示されるように、入射角はほぼゼロである。これを達成するために、２枚よりも多いミラー又は反射面を用いてもよい。いくつかの実施形態では、多数のエタロン及びミラーの数を、図８Ｈに示すように用いてもよい。

一例として、図１０Ａ〜１０Ｃは、図８Ａ及び８Ｂを参照して記載したノッチフィルタを用いて得られた実験データを示し、これらは入射光ビームの１、２及び３回の反射を有するものである。シングル反射により１０ｄＢよりも大きい消光を達成できる（図１０Ａ）のに対し、３回の反射を用いた場合は約３０ｄＢを実現することができる（図１０Ｃ）。図１０Ａ〜１０Ｃは、エタロンの反射面の法線に対して約０．６度である入射角を用いた場合、多重反射により消光が向上することをはっきりと示している。

例として、図１１は、本開示に係わるノッチフィルタを用いて測定された全体的な透過及びレーザ線除去比を示す。反射の回数が１から５回に増大するにつれて除去比が４０ｄＢよりも大きい値まで増大し、全体的な透過率は５０％よりも良かった。

別の例として、図１２Ａ〜Ｆ及び１３Ａ〜Ｆは、本開示に係わるフィルタの作用原理を示す数値シミュレーション結果を示す。図３Ａ〜３Ｄを参照して説明したようなエタロンのパラメータが、周波数ロッキング／クリーンナップフィルタ及びノッチフィルタとして用いられた。ブリルアン信号は、レーザ線よりも約５０ｄＢ低く設定された。

ノッチフィルタが慎重にアライメント調整された後、ノッチを上述のようなエタロンの透過プロファイル（図１２Ａ、１３Ａ）とマッチさせるためにレーザ出力がロックされた。バンドパスクリーンナップフィルタは、ノッチフィルタと同じＦＳＲを共有する（図１２Ｂ、１３Ｂ）。模擬信号が図１２Ｃ及び１３Ｃに示される。検出された合成信号（緑色の線）は、レーザ線（青色のドット）と信号線（赤色のダッシュ線のマーカ）との組み合わせである。レーザ線と透過／クリーンナップフィルタとの関係、及び反射プロファイルとブリルアン信号との関係が、図１２Ｄ、１３Ｄ及び図１２Ｅ、１３Ｅにそれぞれ示されている。

図１２Ｆ及び１３Ｆに示されるように、信号線は信号中に維持され、その一方で、レーザ線は最終的に得られたスペクトル内で抑制された。また、図１２Ｄ及び１３Ｄにそれぞれ示されるように、周波数ロッキングフィルタのシングル及びマルチ透過構成を用いることもできる。図１２Ｆ及び図１３Ｆは、所望の信号が背景レーザ線よりも５０ｄＢ低い場合の、１パス透過及び３パス透過を用いたフィルタ結果を示す。３回透過プラス３回反射ノッチフィルタにより、約１２０ｄＢの除去が得られ、そしてフィルタ処理したスペクトルにおいて２０ｄＢ信号対背景比（「ＳＢＲ」）が得られ、このことはレーザスペクトル内のＡＳＥ成分のさらなる抑制によりＳＢＲがさらに向上することを示している。

一例として、図１４は、図２Ｄを参照して記載したようなシステムを用いて測定された、ポリメチル・メタクリレート（「ＰＭＭＡ」）サンプルからのブリルアン散乱信号のスペクトルを示す。上述のように、レーザ周波数はエタロンをベースとしたバンドパスフィルタを用いた。取得された信号はノッチフィルタを通され、２ステージ仮想イメージドフェーズドアレイ（「ＶＩＰＡ」）ベースの分光計に入る前に撮像装置にいれられた。この構成において、周波数ロッキングエタロン（図２Ｄの第１フィルタ２７４）は、透過ピークをノッチフィルタのストップバンドとマッチさせるために、小さい角度だけ傾斜された（図２Ｄの第２フィルタ２９２）。したがってレーザ線は抑制された。図１４から分かるように、３及び４回反射を用いてレイリー散乱信号が抑制された。

上述のようなシステムを用いて得られた人間の強膜からの信号の記録が図１５Ａ及び１５Ｂに示されている。特に、中心波長が７８０ｎｍでかつ出力が８０ｍＷの外部ダイオードレーザが、光源として用いられた。上述のような周波数ロッキングフィルタ及びノッチフィルタが用いられた。光はサンプルのアームに送られて、サンプルをヒットした。収集された後方散乱信号はシングルモードファイバに結合され、多重反射ノッチフィルタ（５回反射）を通過し、その後２ステージＶＩＰＡ分光計に向けられた。データの記録にはＥＭＣＣＤが用いられた。上述のようにアクティブ周波数ロッキングが用いられた。残存弾性散乱ノイズがあったものの、ブリルアン散乱信号がはっきりと観測された。ローレンツ関数を用いた曲線フィッティングにより、ブリルアン周波数シフトが決定された。強い散乱を伴う不透明な生体組織の画像化は、後方散乱信号内の強い弾性散乱が原因で難しい。消光比が４０ｄＢのノッチフィルタにより、強膜ブリルアン分光法及び不透明組織のブリルアンイメージングが可能となった。

さらなる例として、図１６Ａ〜Ｃ及び１７Ａ〜Ｃは、本開示に係わるマルチ透過バンドパスフィルタのシミュレーションを示す。図２Ｂを参照して説明した構成が用いられた。出力レーザ周波数をクリーンナップフィルタの透過ピークにロックした状態で（図１６Ａ）、バンドパスフィルタのパスバンドが、レーザ線から約７．５ＧＨｚ離れたところにある関心線と重なるよう調整された（図１６Ｂ）。複数のパス（この例では３つのパス）により、高い透過消光が得られた（図１６Ｃ）。この例では、レーザ線信号が約９０ｄＢ抑制された。所望のＳＢＲは３０ｄＢ近くまで増大した。この構成により、ブリルアン散乱信号のストークスピーク及びアンチストークスピークのうちの何れかをピックアップすることが可能となった。いくつかの実施では、ストークスピークとアンチストークスピークの両方を同時に記録することを所望できる。これは、図１７Ａ〜１７Ｃに示すように単一のエタロンの２つの透過ピークを用いることによって実現できる。

本明細書に記載の手法の様々な側面を示すその他の結果も得られた。例えば、セットアップを用いて、フレッシュなブタの目玉のブリルアンイメージングが実行された。組織表面又は上皮の下１００から２００μｍの深さ範囲から、ブリルアン散乱信号が得られた。サンプル表面上におけるレーザパワーは約５ｍＷであった。人間の場合、強膜及び結膜に対する最大被爆レベルは角膜に対する最大被爆レベルよりも高く、これはレチナール損傷のリスクが該当しないためである。結膜の光散乱係数はトリ胸肉組織の光散乱係数と似ていることが知られており、強膜からの光散乱は結膜からの光散乱よりも約１０倍強い。光散乱の量に比例して減少した信号強度を補うために、角膜、結膜及び強膜について、１、２及び４秒の異なるＥＭ−ＣＣＤ積分時間がそれぞれ用いられた。結膜組織は角膜よりも大幅に高いブリルアンシフトを示し、そして強膜はそれよりもかなり高いブリルアンシフトを示した。報告されたブタ組織のヤング率の典型的な範囲は、強膜組織について約１〜４ＭＰａであり、角膜についての約０．１〜０．５ＭＰａよりもかなり高い。７８０ｎｍの光学波長において、強膜からの典型的なブリルアン周波数シフトは約６．１〜６．５ＧＨｚであり、これは、角膜についての約５．４ＧＨｚのブリルアンシフト及び結膜についての約５．６ＧＨｚのブリルアンシフトよりも統計学的に有意に異なる。光源の波長は、異なる条件において所望される様々な特性に応じて選択することができる。例えば、一部のターゲット組織についてはより長い波長によってより大きな浸透が得られる場合がある。いくつかの実施形態では、光源の波長は約７５０ｎｍから１５００ｎｍの間である。

そのような組み合わせ及び下位の組み合わせに適した特徴は、当該分野の当業者が本願を全体的にレビューすることで容易に理解できるものである。本明細書及び特許請求の範囲に記載の技術的事項は、技術の適切な変更の全てをカバー及び包含することを意図する。

Claims (18)

1. ターゲットに対し分光法を実施するためのシステムにおいて、
   前記システムは、光学アセンブリを備え、
   前記光学アセンブリは、
   ターゲットに向けられる１又は複数の周波数を有する光を生成するよう構成された光源と、
   前記ターゲットからくる所望の光信号を選択するよう構成された少なくとも１つの光フィルタと、
   前記少なくとも１つの光フィルタに結合された仮想イメージドフェーズドアレイと、を有し、
   前記少なくとも１つの光フィルタは、エタロンと、前記エタロンの外部に配置された少なくとも１つの反射面と、を含み、
   前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンから反射された入射ビームを、少なくとも１回、前記エタロンに向け直すよう構成されている
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記少なくとも１つの光フィルタはノッチフィルタを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記光源はダイオードレーザ又は半導体レーザである
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記仮想イメージドフェーズドアレイは、前記所望の光信号を検出するよう構成された撮像装置に結合された
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記システムは、前記光源と前記ターゲットとの間に配置され、前記光源により生成された前記光に含まれるノイズ背景を減少させるよう構成された別のフィルタをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記別のフィルタは、別のエタロンと、前記エタロンの外部にある少なくとも１つの別の反射面と、を有するバンドパスフィルタであり、
   前記少なくとも１つの別の反射面は、前記別のエタロンを透過したビームを、少なくとも１回、前記別のエタロンに向け直すよう構成された
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記バンドパスフィルタは複数のエタロンを備える
   ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記システムは、少なくとも前記光源を制御するよう構成されたコンピュータをさらに備える
   ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
9. 前記コンピュータは、前記光源の出力を前記バンドパスフィルタの周波数にマッチさせるよう構成された
   ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記コンピュータは、前記入射ビームに対する前記エタロンの配向を制御することによって又は前記エタロンによりサンプリングされた温度を制御することによって、前記少なくとも１つの光フィルタを調整するよう構成された
    ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 前記システムは、前記温度を約２０℃から５０℃の間で変化させるよう構成された筐体をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記少なくとも１つの光フィルタは、不要な光信号について少なくとも３０ｄＢのレベルの消光をもたらす
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
13. 前記所望の光信号と不要な光信号は、約１ナノメートル以下の波長で離される
    ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記エタロンは、フィネスが約２０未満であり、
    前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンから反射された少なくとも３つの異なる入射ビームを前記エタロンに向け直すよう構成された
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 前記エタロンは、フィネスが約５よりも大きく、
    前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンから反射された最大５つの異なる入射ビームを前記エタロンに向け直すよう構成された
    ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記光源は、前記エタロンの自由スペクトル領域に少なくとも部分的に基づく自由スペクトル領域を有するバンドパスフィルタに結合された
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
17. 入射ビームから別々の光信号を選択するよう構成された光フィルタと、前記光フィルタに結合された仮想イメージドフェーズドアレイと、を有する装置であって、
    前記光フィルタは、エタロンと、前記エタロンの外部に配置された少なくとも１つの反射面と、を含み、
    前記少なくとも１つの反射面は、前記エタロンからの反射ビームを、少なくとも１回、前記エタロンに向け直すよう構成されている
    ことを特徴とする装置。
18. 前記反射ビームを前記エタロンに向け直すよう構成された別のエタロンをさらに備える
    ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。