JP4621893B2 - 物体の調査方法及び調査装置 - Google Patents

Description

本願発明は、分光化学分析、顕微鏡画像イメージング、非破壊内部検査に関している。

一般的に、近赤外光は、多くの材料（金属は除く）で可視光より光吸収を受けず、光の散乱も受けにくいため透過性が高い。従って非破壊イメージング検査や光吸収スペクトルの測定に基づく化学分析に有効な波長の光として知られている。

共焦点顕微鏡の原理を用いて、つまり、近赤外レーザー光を観測したい試料内の一点に対物レンズで集光し、その透過光、後方散乱光、あるいは蛍光を再び対物レンズで結像させ、結像面の結像位置におかれたピンホールをとおった光を検出することによって、集光点以外から散乱光や蛍光を排除して、集光点からの光を選択的に検出できることがよく知られている。

試料物体あるいはレーザーの集光位置を３次元的に走査すると観測光強度の３次元画像が得られる（非特許文献１参照）。

この原理を応用・発展させたものもある（特許文献１参照）。この特許では、試料中一点からの光検出方法として、近赤外光を散乱体に集光し、集光点からの前方散乱光をレンズで集めピンホールで選択する方法、ピンホールを用いる代わりに、前方散乱光を指向性の高い平行光に変換し、その平行光のみを光指向性検出器で検出する方法などをしめしている。検出した光の受ける吸収の分布を測定する。

ただしこの方法では、集光点前後でも光吸収を受けるため、集光位置にのみ光吸収物体があるときにだけ有効な手段となる。

また、２つのレーザーパルスをもちいて３次元空間の一点のみの吸収スペクトルを得る方法も知られている（特許文献２参照）。この方法は、共焦点顕微鏡光学系に励起光とモニタ光を同方向あるいは対向させ入射し試料の一点に集光する。励起光の集光点に誘起される吸収をモニタ光で観測する。試料の位置を３次元空間で走査することで空間的分布を得る。励起光とモニタ光の時間差を変化させることによって、励起状態のダイナミックな時間変化をも観測可能とする。また、吸収スペクトル測定装置は波長分解能を持っている。

ただし、励起光が強く吸収・散乱を受ける場合、つまり不透明物体にたいしては、適用できない。比較的、吸収が弱い（色の薄い）試料が対象となる。そうでないと、光が焦点に達する前に消失してしまう。

焦点だけで光を吸収させて、物体形状を観察する手段として、多光子励起過程を利用する顕微鏡、「多光子励起レーザー顕微鏡」が知られる（特許文献３参照）。この顕微鏡では、強度の高いパルスレーザーを共焦点顕微鏡に導入し試料内に集光し、蛍光色素で染色した試料を、色素が１光子吸収する光の倍数（通常２倍）の波長の光で光励起する。非線形光学過程を用いているので、焦点位置付近でのみ選択的に光吸収が起こる。

位置選択性は一光子励起過程を用いたときよりも格段に高くなることが大きな利点である。光励起された蛍光色素は、色素分子の光吸収帯と励起光の間の波長領域で蛍光を発する。この光を波長選択的に共焦点顕微鏡観察する。つまり対物レンズで蛍光をあつめ、その結像位置にピンホールを配置する。試料を３次元走査することによって３次元イメージングが可能となる。
T. Noda et al.,Applied Optics, Vol. 31, pp.670, 1992 特開平４―２７８４４号公報 特許第２８３６８５９号 特開平１１―３２６７７５号公報

従来の方法においては、レーザー光が吸収や散乱を受けるため、不透明障害物越しに、３次元的に選択した一点の吸収分光分析を行うことは不可能であった。

それを回避するために、近赤外光による共焦点顕微鏡が、ある程度有効に使えるが、特に吸収測定に関しては試料中の光路全体（焦点位置の前後でも）で光は吸収を受けうるので、焦点のみに吸収体がある場合でなければ有効ではない。

また、上述の、２パルスを用いて一点を励起・モニタする方法を用いると３次元空間選択性は向上するが、この方法においては、一光子励起過程により試料を励起するため、不透明物体、つまり励起光が強く吸収あるいは散乱される試料には適用できないという問題があった。

また、近赤外パルスレーザーを使う、多光子レーザー顕微鏡においては、散乱・吸収の影響を回避しながら、励起位置の選択性を得ることができるが、蛍光染色が必要であり、また蛍光は、可視域で発せられるため、励起ができても蛍光の検出ができないという問題があった。

従って、本願発明の課題は、着色されたガラスやプラスチックのような光吸収材料、あるいは、磨りガラス、紙、生体などの光散乱物の向こうにある物体の３次元形状と分光特性の測定を可能にすることである。

物質による吸収・散乱の影響を受けにくい近赤外短パルスレーザー光をもちいる。そのとき波長の異なる二つのレーザー光を用いるところが本願発明の要点である。第一のパルスを多光子励起パルス、第２のパルスを吸収モニターパルスと呼ぶ。試料の一点に集光した第１パルスの多光子吸収過程によって観測物を電子的励起状態に遷移させる。これによって誘起される近赤外波長領域の光吸収を同じ位置に集光した第２パルスでモニターする。吸収スペクトルあるいは２パルス間の時間差を掃引したときの吸収強度応答から物質を同定する。レーザーの集光位置を３次元的に走査することによって物体の形状を観測することも可能である。

本願発明においては、励起パルスで励起した位置のみに吸収を励起し、それをモニターするので、３次元位置選択性が得られる。

また、本願発明においては、近赤外光を使って、励起・モニターするので、不透明物体、つまり励起光が強く吸収あるいは散乱される試料に対しても適用することができる。

また、本願発明においては、近赤外パルスレーザーを用いる多光子レーザー顕微鏡が抱える問題点、すなわち、蛍光染色が必要であり、また蛍光は可視域で発せられるため、励起ができても蛍光の検出が不可能であるという点を近赤外光を用いてモニターすることにより解決した。

本願発明を実施するための最良の形態を以下に示す。

図１に、本願発明に係る光学系の概略を示す。パルス幅150フェムト秒、波長800ナノメートル、強度約１ミリジュールの近赤外レーザー装置を光源としている。レーザービームを２つに分け、一つは第１パルスとして顕微鏡対物レンズに導入し、試料に集光する。強度は、パルスあたり数マイクロジュールである。集光サイズを考慮し面積あたりの強度にすると100ミリジュール/ｃｍ²になる。多光子励起を誘起する光強度は、物質に強く依存するが、上記条件によりほとんどの物質において多光子励起を誘起することができる。

分けたビームの残りは、波長の異なる近赤外光に変換し吸収モニター光として、時間遅延を調整した後第１パルスのビームと同軸に試料に集光される。強度は、一光子過程であるので、弱い光で十分である。実際には、0.01マイクロジュール程度とした。透過した第２パルス光強度を検出することによって、近赤外領域で誘起された光吸収を測定する。試料を走査することによって三次元の形状も同定することができる。

図２aは、測定した試料の配置を示し、図２bは、誘起吸収強度プロファイルを示している。可視光を完全に吸収する黒色のガラスフィルター上に有機物の結晶を配置している。この有機物結晶は、目視では黄色く、大きさは数ミリ角以下で厚さは0.3ミリ程度である。第１パルスの波長の光は、通常この結晶に吸収されないが、高強度のレーザーとして結晶中に集光すると非線形光学効果によって２光子吸収が起こり、結晶は光励起される。

図３は、この有機結晶の光誘起吸収スペクトルであり、近赤外波長領域の吸収バンドがその特徴である。この吸収バンドに第２パルスの波長をあわせ、試料を光軸方向に走査すると、図２bに示す様な誘起吸収強度プロファイルが得られる。黒色ガラスフィルターも同様の原理で誘起吸収を示すためプロファイルに反映されている。有機結晶とフィルターの空間的な配置が再現されている。

図４は、有機結晶に集光した第１と第２のレーザーパルスの時間差を掃引した場合の吸収強度変化である。このプロファイルからも物体の同定を行うことができる。

図５は、有機結晶の手前に、図2aの色ガラスフィルターの代わりに磨りガラスを配置し、第１と第２のレーザーパルスの時間差を掃引した場合の吸収強度変化である。このプロファイルからも散乱体越しに物質の同定を行うことができる。

本願発明に係る光学系の概略図 本願発明を説明するための試料の配置図及び誘起吸収強度プロファイル 本願発明の実施例に用いた有機結晶の光誘起吸収スペクトル 有機結晶に集光した第１と第２のレーザーパルスの時間差を掃引した場合の吸収強度変化 有機結晶の手前に、図2aの色ガラスフィルターの代わりに、磨りガラスを配置し、第１と第２のレーザーパルスの時間差を掃引した場合の吸収強度変化

Claims (4)

1. 不透明障害物の向こう側に存在する物体に対して、第１の近赤外パルスレーザーを照射し、該物体内部の一点において集光させることにより該一点において多光子励起し、
   前記第１の近赤外パルスレーザーと波長の異なる第２の近赤外パルスレーザーを、前記第１の近赤外パルスレーザーから所定遅延時間遅らせ、前記物体の前記一点に集光させて、前記多光子励起によって誘起される近赤外波長領域の光吸収強度を測定し、
   光吸収スペクトル、又は、前記光吸収強度の前記遅延時間依存性により、物質の分析を行うことを特徴とする物体の調査方法。
2. 前記第１の近赤外パルスレーザー及び前記第２の近赤外パルスレーザーを３次元的に走査させることにより、該物体の形状を同定することを特徴とする請求項１に記載の物体の調査方法。
3. 近赤外レーザー光源と、光学系と、光検出器とを備え、
   不透明障害物の向こう側に存在する物体に対して、第１の近赤外パルスレーザーを照射し、該物体内部の一点において集光させることにより前記一点において多光子励起し、
   前記第１の近赤外パルスレーザーと波長の異なる第２の近赤外パルスレーザーを、前記第１の近赤外パルスレーザーから所定遅延時間遅らせ、前記物体の前記一点に集光させて、前記多光子励起によって誘起される近赤外波長領域の光吸収強度を測定し、
   光吸収スペクトル、又は、前記光吸収強度の前記遅延時間依存性により、物質の分析を行うことを特徴とする物体の調査装置。
4. 前記第１の近赤外パルスレーザー及び前記第２の近赤外パルスレーザーを３次元的に走査させることにより、該物体の形状を同定することを特徴とする請求項３に記載の物体の調査装置。」

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