JP5325697B2

JP5325697B2 - 観察方法および観察装置

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Publication number: JP5325697B2
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Authority: JP
Inventors: 厚志土井; 耕一郎田中; 英基廣理
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Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2013-10-23
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Description

本発明は、観察方法および観察装置に関するものである。

従来、透明な物質（例えば、水）のセンシング技術として、テラヘルツ波を使用したものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
このセンシング技術は、テラヘルツ波を透明な試料に通過させたときに、その成分分布に応じた強度分布をテラヘルツ波が備えることを利用している。

非特許文献１では、透明な試料を透過したテラヘルツ波を電気光学結晶に入射させる一方、ダイクロイックミラーによって同一光路に入射させた近赤外光を電気光学結晶に照射している。電気光学結晶はテラヘルツ波が照射されると、その電場状態に応じて特性が変化する。すなわち、電気光学結晶に試料情報が記録されることになる。そして、試料情報が記録された電気光学結晶を近赤外光が通過すると、通過の際に近赤外光が変調を受ける。したがって、変調された近赤外光を検出することにより、試料の成分分布を撮影することができる。

西澤潤一編著、「テラヘルツ波の基礎と応用」、株式会社工業調査会発行、２００５年４月１日、ｐ１６０−１６１

しかしながら、試料の大きさが小さい場合には、試料におけるテラヘルツ波の回折や近接場の影響によって、試料において反射または試料を透過するテラヘルツ波の波形に試料の吸収以外の情報が含まれてしまうという不都合がある。この場合には、試料において反射または試料を透過するテラヘルツ波の電場状態を電気光学結晶に記録し、その直後に電気光学結晶に入射させた近赤外光によって読み取るだけでは、精度の高い観察を行うことができないという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、試料の大きさが小さい場合においても試料の物性を精度よく観察することができる観察方法および観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過する前記第１の電磁波と、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶において反射または該光学結晶を透過する前記第２の電磁波の強度を取得するステップと、取得された前記第２の電磁波の強度と前記入射タイミングとに基づいて、前記第１の電磁波の電場の時間変化を表す波形を生成するステップとを、前記観察範囲内に試料を配置した場合と、配置しない場合とについて行い、前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形における振動が存在する時間幅を算出するステップと、前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出すステップと、前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換するステップとを行う観察方法を提供する。

本発明によれば、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波が照射されると、試料各部の屈折率分布に応じた量だけ第１の電磁波において位相の遅れ、あるいは、試料における吸収によって振幅の変形が生じる。したがって、第１の電磁波は、試料の有無や、試料における屈折率分布、吸収特性の分布に応じて、その電場波形に空間的な変化が生じる。この第１の電磁波が光学結晶に入射すると、第１の電磁波が結晶内を通過するあるタイミングにおいて、第１の電磁波が持つ振幅の分布が光学結晶の特性の分布として反映される。また、第１の電磁波が結晶内を伝播する際、その振幅は時間の経過に伴って変化する。

そして、光学結晶に書き込まれた第１の電磁波の振幅の分布を第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波によって読み出す場合には、パルス状の第２の電磁波の光学結晶への入射に一致するタイミングで光学結晶に入射されている第１の電磁波の振幅の分布が読み出される。したがって、時間により振幅が変化する第１の電磁波に対して第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら第２の電磁波を入射させることにより、第２の電磁波に重畳される第１の電磁波の情報を時間軸方向にずらしていくことができ、これによって第１の電磁波の電場の時間変化を表す波形が生成される。

このような波形の生成を、観察範囲に試料を配置した場合と配置しない場合の両方について行い、試料を配置しない場合の波形において振動が存在する時間幅を算出し、試料を配置した場合の波形からは、振動開始からその時間幅分経過した以降の波形成分が切り出される。
試料が小さい場合に発生する回折や近接場による波形の変調は、第１の電磁波が元来有していた波形の振動が大きい部分において発生する。したがって、試料を配置した場合の波形において、試料を配置しない場合の波形における振動が存在する時間幅分の波形を除去した残りの波形成分を抽出してこれをフーリエ変換することにより、試料が有している屈折率等の物性を精度よく観察することができる。

上記発明においては、前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出すステップと、切り出された前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換するステップと、前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換した結果および前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換した結果の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップとを行ってもよい。

このようにすることで、試料を配置した場合の第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換した結果を試料を配置しない場合の第１の電磁波の波形成分で補正して、観察環境の影響等によって常に第１の電磁波に含まれる振動成分が存在していても、この振動成分の影響を抑えて、試料の物性を精度よく観察することができる。

また、上記発明においては、前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形から、振動の開始時点から前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出すステップと、前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形成分および前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形成分の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された波形成分をフーリエ変換するステップとを行ってもよい。

このようにすることで、試料の厚さが薄い場合に、試料を配置しない場合と試料を配置した場合の第１の電磁波の波形に、時間的な遅れが発生しないので、一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより、観察環境の影響等によって常に第１の電磁波に含まれる振動成分を除去することができる。そして、観察環境の影響が除外された補正された波形成分をフーリエ変換することで、試料の物性を精度よく観察することができる。

また、本発明は、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射する第１の照射部と、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波を入射させる光学結晶と、該光学結晶に向けて前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波を入射させる第２の照射部と、前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更する入射タイミング変更部と、前記光学結晶から出射される前記第２の電磁波の強度を取得する検出部と、該検出部により取得された前記第２の電磁波の強度と前記入射タイミングとに基づいて、前記第１の電磁波の時間変化を表す波形を生成する波形生成部と、前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形における振動が存在する時間幅を記憶する記憶部と、前記波形生成部により生成された前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出す波形成分抽出部と、該波形成分抽出部により切り出された前記波形成分をフーリエ変換するフーリエ変換部とを備える観察装置を提供する。

本発明によれば、第１の照射部から試料を含む観察範囲にパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射すると、第１の電磁波は観察範囲において反射または観察範囲を透過することによって変調される。この第１の電磁波を光学結晶に入射させるとともに、第２の電磁波を入射させることにより、第１の電磁波の電場状態の空間分布による光学結晶内の屈折率分布を第２の電磁波によって読み出すことができ、これを検出部により第２の電磁波の強度分布として検出することができる。

入射タイミング変更部により第１の電磁波に対する第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら振幅分布の検出を行うことにより、波形生成部によって観察範囲の各部において反射または観察範囲の各部を透過した第１の電磁波の電場の時間変化を示す波形を生成することができる。
そして、波形成分抽出部により、試料を配置した場合の第１の電磁波の波形から、記憶部に記憶されている試料を配置しない場合の第１の電磁波の波形における振動が存在する時間幅分の波形を除去した残りの波形成分を抽出して、フーリエ変換部によって、これをフーリエ変換することにより、試料が有している屈折率等の物性を精度よく観察することができる。

上記発明においては、前記波形生成部により生成された前記第１の電磁波の時間変化を示す波形のうち、前記試料が存在していない領域に対応する波形において振動が存在する時間幅を抽出する時間幅抽出部を備え、前記記憶部が、前記時間幅抽出部により抽出された時間幅を記憶してもよい。

このようにすることで、試料の存在する領域と存在しない領域とを有する観察範囲について、第１の電磁波の時間変化を示す波形を取得するだけで、時間幅抽出部が、試料の存在していない領域に対応する波形において振動が存在する時間幅を抽出するので、試料が存在している領域の波形から有効な波形成分を抽出することができ、簡易に試料の物性を精度よく観察することができる。

また、上記発明においては、前記波形生成部により生成された第１の電磁波の時間変化を示す波形のうち、試料が存在していない領域に対応する波形を記憶する試料なし波形記憶部を備え、前記波形成分抽出部が、さらに前記試料なし波形記憶部に記憶されている前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出し、前記フーリエ変換部によりフーリエ変換された、試料が存在している領域に対応する波形から切り出された波形成分および試料なし波形記憶部に記憶されている波形から切り出された波形成分の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正する補正部を備えていてもよい。

このようにすることで、試料なし波形記憶部に記憶されている試料が存在していない場合の波形を用いて、試料が存在する場合の波形を補正することができ、観察環境の影響等によって常に第１の電磁波に含まれる振動成分を除去することができ、より高い精度で試料の物性を観察することができる。

また、上記発明においては、前記波形生成部により生成された第１の電磁波の時間変化を示す波形のうち、試料が存在していない領域に対応する波形を記憶する試料なし波形記憶部を備え、前記波形成分抽出部が、さらに前記試料なし波形記憶部に記憶されている前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出し、前記フーリエ変換部が、前記波形成分抽出部により、試料が存在している領域に対応する波形から切り出された波形成分および試料なし波形記憶部に記憶されている波形から切り出された波形成分の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正された後の波形成分をフーリエ変換してもよい。

このようにすることで、試料の厚さが薄い場合においても、観察環境の影響等によって常に第１の電磁波に含まれる振動成分を除去することができ、観察環境の影響が除外された補正された波形成分をフーリエ変換することで、試料の物性を精度よく観察することができる。

本発明によれば、試料の大きさが小さい場合においても試料の物性を精度よく観察することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。図１の観察装置において、試料および電気光学結晶へのテラヘルツ波および近赤外光の入射方向を説明する図である。図１の観察装置の情報処理部の内部構造を説明する機能ブロック図である。図１の観察装置における（ａ）試料への入射前のテラヘルツ波、（ｂ）ステージを通過した後のテラヘルツ波をそれぞれ示す図である。図４の試料が存在していない場合のテラヘルツ波の時間波形と、試料が存在する場合のテラヘルツ波の時間波形とを示す図である。図１の観察装置を用いた観察方法を説明するフローチャートである。図１の観察装置の情報処理部において、（ａ）試料が存在していない場合と、（ｂ）試料が存在する場合のそれぞれの波形成分をフーリエ変換したパワースペクトルおよび（ｃ）差分のパワースペクトルをそれぞれ示す図である。図１の観察装置の変形例を示す全体構成図である。図１の観察装置の光学結晶として和周波混合または差周波混合を行うものを説明する図である。図６の観察方法の変形例を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態に係る観察方法および観察装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、パルス状の近赤外光Ｌ_１を発生する光源２と、該光源２からの近赤外光Ｌ_１を２つの光路に分割するビームスプリッタ３と、該ビームスプリッタ３により分割された一方の光路に設けられたテラヘルツ波照射光学系４と、他方の光路に設けられた近赤外光照射光学系５と、これら照射光学系４，５の後段に配置された細胞等の試料Ａを載置する載置面６ａを有する電気光学結晶６と、試料Ａおよび電気光学結晶６を透過した近赤外光Ｌ_１を検出する検出光学系７と、該検出光学系７により取得された情報を処理する情報処理部８と、該情報処理部８において処理された情報を表示するモニタ９とを備えている。

テラヘルツ波照射光学系（第１の照射部）４は、ビームスプリッタ３により分割された光路の一方の光路に配置されている。テラヘルツ波照射光学系４は、分割された近赤外光Ｌ_１の内の一方を集光する集光レンズ１０と、該集光レンズ１０により集光された近赤外光Ｌ_１をテラヘルツ波（第１の電磁波）Ｌ_２に変換するテラヘルツ波放射素子１１と、該テラヘルツ波放射素子１１から放射されたテラヘルツ波Ｌ_２を略平行光束に変換する第１の放物面ミラー１２ａと、該第１の放物面ミラー１２ａによって略平行光束となったテラヘルツ波Ｌ_２を試料Ａに集光する第２の放物面ミラー１２ｂとを備えている。

近赤外光照射光学系（第２の照射部）５は、ビームスプリッタ３により分割された光路の他方の光路に配置されている。近赤外光照射光学系５は、他方の光路長を調節して、２つの光路の光路長を一致させる光路長調節光学系１３と、該光路長調整光学系１３により光路長が調節された近赤外光Ｌ_１を電気光学結晶６の載置面６ａ近傍に集光させる対物レンズ１４とを備えている。対物レンズ１４は、電気光学結晶６の鉛直下方に配置され、試料Ａを挟んでテラヘルツ波Ｌ_２の照射方向とは反対方向から近赤外光Ｌ_１を照射するようになっている。近赤外光照射光学系５を通過する近赤外光Ｌ_１が第２の電磁波となる。

光路長調節光学系１３は、２個一対の三角プリズム１３ａ，１３ｂと、一方の三角プリズム１３ｂを他方の三角プリズム１３ａに対して矢印Ｂの方向に移動させる移動機構（図示略）とを備えている。三角プリズム１３ａの外面において偏向された近赤外光Ｌ_１は、三角プリズム１３ｂの内面において２回偏向させられた後に、再度三角プリズム１３ａの外面において偏向されることで元の光路に戻るようになっている。２個の三角プリズム１３ａ，１３ｂの間隔を変更することで、近赤外光Ｌ_１の光路長を調節することができる。

光路調節光学系１３には、入射タイミング変更部１５が接続されている。
入射タイミング変更部１５は、所定の移動範囲にわたって、三角プリズム１３ｂを所定の移動幅で移動させ、その位置の情報を後述する情報処理部８に出力するようになっている。

電気光学結晶６は、テラヘルツ波Ｌ_２が照射されることにより、その電場状態に応じて屈折率の分布が変化する光学結晶であって、例えば、ＺｎＴｅ（テルル化亜鉛）を挙げることができる。電気光学結晶６に電場振幅分布を有するテラヘルツ波Ｌ_２が照射されることで、図２に示されるように、その電場振幅分布が屈折率分布として電気光学結晶６に反映され、その屈折率分布が生じた領域Ｓに近赤外光Ｌ_１を通過させると、近赤外光Ｌ_１の偏光方向が変化させられるようになっている。

電気光学結晶６の載置面６ａには反射膜１６が配置されている。この反射膜１６は、テラヘルツ波Ｌ_２を透過させ、近赤外光Ｌ_１を反射する性質を有している。試料Ａの上方から試料Ａに向けて照射されたテラヘルツ波Ｌ_２は、試料Ａ、反射膜１６および電気光学結晶６を透過する一方、電気光学結晶６の下方から照射された近赤外光Ｌ_１は、電気光学結晶６を透過した後、反射膜１６によって反射されて、再度電気光学結晶６内を透過して下方に射出され、対物レンズ１４によりコリメートされるようになっている。

検出光学系（検出部）７は、試料Ａおよび電気光学結晶６を透過した近赤外光Ｌ_１をコリメートする上述した対物レンズ１４と、該対物レンズ１４によりコリメートされた近赤外光Ｌ_１の内から所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ_１を選択する光選択光学系１７と、選択された所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ_１を集光する結像レンズ１８と、結像レンズ１８により集光された近赤外光Ｌ_１を撮影する撮像素子１９とを備えている。
対物レンズ１４は、その焦点位置が電気光学結晶６内の載置面６ａに近接する領域Ｓに配置されている。

光選択光学系１７は、１／４波長板１７ａと偏光子１７ｂを備えている。偏光子１７ｂは、電気光学結晶６に入射する近赤外光Ｌ_１の強度が最も強くなるように配置されている。また、１／４波長板１７ａは、近赤外光Ｌ_１が電気光学結晶６に入射する際に近赤外光Ｌ_１の偏光状態を直線偏光から円偏光に切り替え、逆に、近赤外光Ｌ_１が電気光学結晶６から出射した際に円偏光であった近赤外光Ｌ_１の偏光状態を直線偏光に切り替えるように配置されている。テラヘルツ波が電気光学結晶６に照射されていない状態では、反射膜１６で反射されて電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ_１は偏光子１７ｂを透過後に電気光学結晶６に入射する前と比べて偏光方向が９０度回転した直線偏光となり、偏光子１７ｂを透過する強度は非常に小さい。上述のように、テラヘルツ波Ｌ_２が電気光学結晶６に入射すると、テラヘルツ波Ｌ_２の電場によって、電気光学結晶６には複屈折が誘起される。この電気光学結晶６を透過することで、近赤外光Ｌ_１には位相変化が生じて偏光状態が変化する。これによって、１／４波長板１７ａを透過した近赤外光Ｌ_１の偏光が直線偏光でなくなり、偏光子１７ｂの後に検出される近赤外光Ｌ_１の強度が変化する。
図中、符号２０はビームスプリッタ、符号２１はミラーである。

情報処理部８は、図３に示されるように、検出光学系７により取得された近赤外光Ｌ_１の強度分布を示す画像と、入射タイミング変更部１５から出力された三角プリズム１３ｂの位置情報とに基づいて、電気光学結晶６に入射されたテラヘルツ波Ｌ_２の時間変化を示す波形を生成する波形生成部２２を備えている。

入射タイミング変更部１５は、電気光学結晶６に入射させる近赤外光Ｌ_１の入射タイミングを時間軸方向に変更するようになっている。これにより、電気光学結晶６に屈折率変化として書き込まれるテラヘルツ波Ｌ_２の時間軸方向のどの位置の情報を読み出すのかを変更することができる。波形生成部２２は、近赤外光Ｌ_１によって読み出された情報を三角プリズム１３ｂの位置から算出した時間を横軸としてプロットすることにより、テラヘルツ波Ｌ_２の時間変化を表す時間波形を生成できるようになっている。

また、情報処理部８は、波形生成部２２により生成された時間波形の内、試料Ａの存在していない領域に対応する電気光学結晶６に入射されたテラヘルツ波Ｌ_２の時間波形から、図５に示されるように振動の存在する領域の時間幅Ｔを抽出する時間幅抽出部２３と、試料Ａが存在する場合および試料Ａが存在していない場合の時間波形と時間幅抽出部２３において抽出された時間幅Ｔとに基づいて、試料Ａが存在する場合および試料Ａが存在していない場合の有効な波形成分をそれぞれ抽出する波形成分抽出部２４と、抽出された２種類の波形成分をそれぞれフーリエ変換してパワースペクトルを得るフーリエ変換部２５と、該フーリエ変換部２５から出力された試料Ａが存在する場合のパワースペクトルから試料Ａが存在していない場合のパワースペクトルを減算して補正されたパワースペクトルを生成する補正部２６とを備えている。情報処理部８には前記時間幅抽出部２３により抽出された時間幅Ｔを記憶する記憶部２７が設けられていてもよい。

図４（ａ）に示されるように、試料Ａへの入射前において、各部のテラヘルツ波Ｌ_２の位相および波形はほぼ一致している。一方、図４（ｂ）に示されるように、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ_２’は、試料Ａの屈折率によって、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ_２と比較して、位相が遅れる。また、試料Ａの存在しない領域を通過したテラヘルツ波Ｌ_２は、通過前のテラヘルツ波Ｌ_２とほぼ一致する波形を有しているのに対し、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ_２’は、試料Ａにおける吸収によって波形が変形する。

そして、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ_２は、図５に示されるように、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ_２のメイン振動（テラヘルツ波Ｌ_２が元来持っている振動）の範囲（時間幅：図中、符号Ｔの範囲）の波形が、試料Ａにおける回折や近接場の影響によって変形する。そこで、波形成分抽出部２４は、試料Ａが存在する場合および試料Ａが存在していない場合の両方の場合の波形から、振動の開始後この時間幅Ｔの部分の波形を除去して、それ以降の波形成分Ｃ_１，Ｃ_２を抽出するようになっている。これにより、試料Ａにおける回折や近接場の影響を受けない情報を抽出することができる。

さらに、抽出された波形成分Ｃ_１，Ｃ_２には、試料Ａ以外の振動成分Ｄ、例えば、観察環境による成分が含まれている場合がある。そこで、試料Ａが存在する場合と試料Ａが存在していない場合との差分を演算することにより、そのような観察環境等による成分Ｄを除去することができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１を用いた観察方法について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて透明な細胞のような試料Ａの観察を行うには、図６に示されるように、まず、電気光学結晶６の載置面６ａに試料Ａを載置し（ステップＳ１）、光源２からパルス状の近赤外光Ｌ_１を出射させる。また、光路長調節光学系１３を作動させて、テラヘルツ波Ｌ_２に対する近赤外光Ｌ_１の入射タイミングを初期設定しておく（ステップＳ２）。

ビームスプリッタ３により分岐されてテラヘルツ波照射光学系４に入射された近赤外光Ｌ_１は、ミラー２１により１回偏向された後に集光レンズ１０によって集光され、テラヘルツ波放射素子１１に照射される。これにより、テラヘルツ波Ｌ_２が発生し、放物面ミラー１２ａによって略平行光束に変換された後に、放物面ミラー１２ｂによって試料Ａに集光される（ステップＳ３）。

試料Ａは透明な細胞等であるが、試料Ａを透過させられたテラヘルツ波Ｌ_２は、試料Ａにより変調されて試料Ａ内における屈折率分布に応じた電場の空間分布を有するようになる。そして、そのように電場の空間分布を有するテラヘルツ波Ｌ_２が電気光学結晶６に入射されると、電気光学結晶６においては、テラヘルツ波Ｌ_２の電場の空間分布に応じた屈折率分布が発生する。

電気光学結晶６において発生する屈折率分布は、試料Ａに近接する程、試料Ａの屈折率分布を精度よく反映している。なお、テラヘルツ波Ｌ_２の照射により電気光学結晶６内に屈折率分布が発生している時間は極めて短いので、テラヘルツ波Ｌ_２の照射直後に屈折率分布の情報を読み出す必要がある。

この情報の読み出しには、近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ_１が用いられる。ビームスプリッタ３により分岐された近赤外光Ｌ_１は光路長調節光学系１３において光路長が設定された後に、試料Ａを透過することなく電気光学結晶６に照射されて、テラヘルツ波Ｌ_２により書き込まれた試料Ａの屈折率分布の情報を読み出し、反射膜１６によって反射されて電気光学結晶６の下方に射出される。

電気光学結晶６から射出された近赤外光Ｌ_１は、対物レンズ１４によってコリメートされ、１／４波長板１７ａおよび偏光子１７ｂを透過したもののみがビームスプリッタ２０により分岐されて結像レンズ８により結像され、撮像素子１９により撮影される。これにより、近赤外光の強度分布が取得される（ステップＳ４）。
この場合において、本実施形態においては、近赤外光Ｌ_１が試料Ａを透過しないので、読み出し用の近赤外光Ｌ_１が試料Ａによって変調されず、テラヘルツ波Ｌ_２によって電気光学結晶６に書き込まれた情報をより正確に読み出すことができる。

取得された近赤外光Ｌ_１の強度分布は、そのときの入射タイミングと対応づけられて記憶される（ステップＳ５）。そして、予め定められた変動幅で入射タイミングをずらしながら（ステップＳ６）、予め定められた変動範囲にわたって、データの取得作業（ステップＳ３〜Ｓ６が繰り返される（ステップＳ７）。

全てのデータが取得された後に、波形生成部２２が、近赤外光Ｌ_１の強度分布と入射タイミングとに基づいて、テラヘルツ波Ｌ_２の時間波形を生成する（ステップＳ８）。このとき、波形生成部２２は、観察範囲内における試料Ａが存在していない少なくとも１つの領域を透過したテラヘルツ波Ｌ_２の時間波形と、試料Ａが存在している領域を透過したテラヘルツ波Ｌ_２の時間波形とをそれぞれ生成する。

そして、時間幅抽出部２３において、試料Ａが存在していない少なくとも１つの領域を透過したテラヘルツ波Ｌ_２の時間波形に基づいて、振動が存在している時間幅Ｔが抽出される（ステップＳ９）。抽出された時間幅Ｔは波形成分抽出部２４に送られて、そこで、試料Ａが存在していない少なくとも１つの領域を透過したテラヘルツ波Ｌ_２の時間波形と、試料Ａが存在している領域を透過したテラヘルツ波Ｌ_２の時間波形の両方から、メイン振動を除去した波形成分Ｃ_１，Ｃ_２が抽出される（ステップＳ１０）。

その後、これらの波形成分Ｃ_１，Ｃ_２はそれぞれフーリエ変換部２５に送られて、フーリエ変換され、図７（ａ），（ｂ）に示されるように、それぞれのパワースペクトルが求められる（ステップＳ１１）。そして、補正部８において、試料Ａが存在する場合の波形成分Ｃ_２のパワースペクトルから試料Ａが存在していない場合の波形成分Ｃ_１のパワースペクトルが減算処理される（ステップＳ１２）。これにより、図７（ｃ）に示されるように、差分のパワースペクトルが求められる。

本実施形態に係る観察装置１によれば、光路長調節光学系１３の三角プリズム１３ｂを移動させることで、テラヘルツ波Ｌ_２に対する近赤外光Ｌ_１の入射タイミングをずらしながら近赤外光Ｌ_１の強度分布を逐次取得することで波形生成部２２によって時間波形が生成される。そして、生成された時間波形の内、テラヘルツ波Ｌ_２の試料Ａにおける回折や近接場の影響を受け難い波形成分Ｃ_１、すなわち、メイン振動部分を除去した波形成分Ｃ_１が抽出され、そのパワースペクトルが取得される。

その結果、本実施形態に係る観察装置１とこれを用いた観察方法によれば、テラヘルツ波Ｌ_２の試料Ａにおける回折や近接場の影響を受け難い波形成分Ｃ_１のパワースペクトルを取得して、回折や近接場の影響を受けることなく、試料Ａの物性を精度よく観察することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る観察装置１とこれを用いた観察方法によれば、試料Ａが存在する場合のテラヘルツ波Ｌ_２の波形からメイン振動部分を除去して抽出した波形成分Ｃ_２のパワースペクトルから、試料Ａが存在していない場合のテラヘルツ波Ｌ_２の波形からメイン振動部分を除去して抽出した波形成分Ｃ_１のパワースペクトルを減算する。これにより、試料Ａの物性に関係しない、試料Ａが存在する場合および試料Ａが存在していない場合に共通して含まれる、例えば、観察環境による振動成分に基づくスペクトルを除去して、試料Ａの物性をさらに精度よく観察することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る観察装置１によれば、従来のように試料Ａと電気光学結晶６との間に光学系を配置することなく、電気光学結晶６の載置面６ａに直接試料Ａを載置しているので、電気光学結晶６に書き込まれる情報は光学系によって空間分解能を制限されることがない。また、情報の読み出しには、テラヘルツ波Ｌ_２よりも短い近赤外光Ｌ_１を用いているので、高い分解能で観察することができるという利点がある。その結果、細胞のように微細な構造を持つ試料Ａであっても、簡易な構成で高い空間分解能により試料Ａを観察することができる。

なお、本実施形態においては、テラヘルツ波Ｌ_２によって電気光学結晶６の載置面６ａ近傍の領域Ｓに書き込まれた試料Ａの屈折率分布の情報を近赤外光Ｌ_１によって読み出すこととしている。ここで、テラヘルツ波Ｌ_２は領域Ｓを通過して載置面６ａの反対側（裏面）に進むので、他の領域（領域Ｓより裏面側の領域）にも情報が書き込まれる。そのため、他の領域に書き込まれた情報によって近赤外光Ｌ_１により読み出す情報が変質してしまう可能性がある、そこで、このようなことを防止するために、電気光学結晶６自体は極めて薄く構成することが好ましい。この薄さは具体的にはテラヘルツ波Ｌ_２の波長よりも短い程度の薄さであることが好ましい。この場合には、電気光学結晶６を補強するために、補強部材（図示略）によって電気光学結晶６を支持することが好ましい。あるいは、検出光学系７を焦点深度の小さい（高ＮＡ）光学系とするのが好ましい。
補強部材としては、屈折率が一様で、テラヘルツ波照射によって屈折率が変化せず、均一な厚さを有する透明部材であれば、その材質は、ガラス、光学結晶あるいは樹脂のいずれでもよい。

また、光選択光学系１７を取り除き、検出光学系７において１／４波長板と偏光ビームスプリッタを配置して、偏光によって分離した２つの近赤外光Ｌ_１をバランストフォトダイオードなどの差分検出器で検出することにより、テラヘルツ波を検出することも可能である（例えば、「テラヘルツ技術総覧」、有限会社エヌジーティー発行、２００７年１１月２９日、ｐ．２４６−２４９を参照）。この場合、試料Ａと試料載置面６ａと電気光学結晶６をテラヘルツ波入射方向に対して垂直な面で走査することにより、イメージングを行うことも可能である。

また、図８に示されるように、共焦点観察装置３０を構成してもよい。
図８に示す例では、図１の観察装置１の近赤外光照射光学系５の途中に、近赤外光Ｌ_１を２次元的に走査するスキャナ（近接ガルバノミラー）３１を設け、対物レンズ１４の焦点位置と光学的に共役な位置に、共焦点ピンホール３２を配置している。これにより、対物レンズ１４の焦点位置が配置されている電気光学結晶６の載置面６ａ近傍の領域Ｓからの近赤外光Ｌ_１のみを検出器（例えば、光電子増倍管）３３によって検出することができる。したがって、スキャナ３１から送られてくる走査位置の情報と、検出器３３から送られてくる近赤外光Ｌ_１の強度とに基づいて、電気光学結晶６自体を比較的厚く構成しても鮮明な画像を得ることができる。

また、上記各実施形態においては、光学結晶として、電気光学結晶６を例示して説明したが、これに代えて、２種類の異なる波長の光Ｌ_１，Ｌ_２を同時に入射させると、その２つの光Ｌ_１，Ｌ_２が和周波混合または差周波混合されて、その周波数の和または差の周波数を有する他の光Ｌ_３が射出される非線形光学結晶６’を採用してもよい。このようにすることで、例えば、和周波混合の場合では、図１に示される観察装置１において、試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ_２と近赤外光Ｌ_１とを同時に非線形光学結晶６’に入射させると、図９に示されるように、試料Ａの屈折率分布に応じて変調されたテラヘルツ波Ｌ_２（例えば、波長３ｍｍ、周波数０．１ＴＨｚ）とさほど変調されていない近赤外光Ｌ_１（例えば、波長８００ｎｍ）とが非線形光学結晶６’において和周波混合され、試料Ａの屈折率分布の情報を含む他の波長（例えば、波長７９９．７９ｎｍ）の和周波混合光Ｌ_３が対物レンズ１４によりコリメートされる。したがって、これを検出することにより、試料Ａの画像を取得することができる。

また、上記各実施形態においては、電気光学結晶６もしくは非線形光学結晶６’上に載置した試料Ａの上方からテラヘルツ波Ｌ_２を照射し、試料Ａを含む観察範囲を透過して結晶に入射したテラヘルツ波Ｌ_２を検出した。これに代えて、テラヘルツ波Ｌ_２を電気光学結晶６もしくは非線形光学結晶６’の試料Ａを載置している面と逆側の面から入射し、試料Ａで反射されて再び結晶に入射したテラヘルツ波Ｌ_２を検出することとしても良い。このようにすることで、テラヘルツ波Ｌ_２が試料Ａを透過しない場合においても、測定を行うことが可能となる。この場合、結晶表面の試料Ａが載置されていない領域で反射されたテラヘルツ波Ｌ_２から、メイン振動の存在する時間幅Ｔ及び試料が存在していない場合の有効な波形成分Ｃ_２を得ることができる。

また、本実施形態においては、載置面６ａに試料を載置した状態で取得された近赤外光Ｌ_１の強度から、観察範囲内の試料の存在していない領域に対応する電気光学結晶６に書き込まれた情報に基づいて、振動の存在する時間幅Ｔを求めることとした。これに代えて、載置面６ａに試料を載置しない状態で取得された近赤外光Ｌ_１の強度から振動の存在する時間幅Ｔを求めておき、これを記憶部２７に記憶しておいてもよい。

この場合には、観察に際して、波形生成部２２が試料Ａを載置した場合の時間波形の生成のみを行えば足り、記憶部２７に記憶されている時間幅Ｔに基づいて、波形成分抽出部２４が試料Ａを載置した場合の波形成分Ｃ_２を抽出する。観察環境による振動成分が無視し得るような理想的な場合には、波形成分Ｃ_２のみをフーリエ変換するだけで、試料Ａの物性を精度よく観察することができる。

また、観察に先立って、載置面６ａに試料を載置しない状態で取得された近赤外光Ｌ_１の強度から、試料が存在していない場合の時間波形を生成し、この時間波形自体を記憶部２７に記憶しておいてもよい。この場合には、記憶部に記憶されている試料が存在していない場合の時間波形に基づいて、時間幅Ｔを算出して波形成分Ｃ_１，Ｃ_２を抽出すればよい。

また、本実施形態においては、波形成分Ｃ_１，Ｃ_２をフーリエ変換した後に、試料Ａが存在する場合のパワースペクトルから試料Ａが存在していない場合のパワースペクトルを減算処理することとした。これに代えて、試料Ａが薄い場合には、波形成分Ｃ_１，Ｃ_２の位相に発生するずれが小さいので、図１０に示されるように、ステップＳ１１とステップＳ１２とを入れ替えて、波形成分Ｃ_２から波形成分Ｃ_１を減算した後に、減算結果をフーリエ変換することによっても同等の効果を得ることができる。
また、減算処理することに代えて、除算処理してもよい。

Ａ試料
Ｃ_１，Ｃ_２波形成分
Ｌ_１近赤外光（第２の電磁波）
Ｌ_２テラヘルツ波（第１の電磁波）
Ｔ時間幅
１，３０観察装置
４テラヘルツ波照射光学系（第１の照射部）
５近赤外光照射光学系（第２の照射部）
６電気光学結晶（光学結晶）
６′ 非線形光学結晶（光学結晶）
６ａ載置面
７検出光学系（検出部）
１５入射タイミング変更部
２２波形生成部
２３時間幅抽出部
２４波形成分抽出部
２５フーリエ変換部
２６補正部
２７記憶部（試料なし波形記憶部）

Claims

観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波と、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、
該光学結晶において反射または該光学結晶を透過した前記第２の電磁波の強度を取得するステップと、
取得された前記第２の電磁波の強度と前記入射タイミングとに基づいて、前記第１の電磁波の電場の時間変化を表す波形を生成するステップとを、
前記観察範囲内に試料を配置した場合と、配置しない場合とについて行い、
前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形における振動が存在する時間幅を算出するステップと、
前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出すステップと、
前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換するステップとを行う観察方法。
前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出すステップと、
切り出された前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換するステップと、
前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換した結果および前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形成分をフーリエ変換した結果の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップとを行う請求項１に記載の観察方法。
前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形から、振動の開始時点から前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出すステップと、
前記試料を配置した場合の前記第１の電磁波の波形成分および前記試料を配置しない場合の前記第１の電磁波の波形成分の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、
補正された波形成分をフーリエ変換するステップとを行う請求項１に記載の観察方法。
試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射する第１の照射部と、
前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波を入射させる光学結晶と、
該光学結晶に向けて前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波を入射させる第２の照射部と、
前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更する入射タイミング変更部と、
前記光学結晶において反射または該光学結晶を透過した前記第２の電磁波の強度を取得する検出部と、
該検出部により取得された前記第２の電磁波の強度と前記入射タイミングとに基づいて、前記第１の電磁波の電場の時間変化を表す波形を生成する波形生成部と、
前記試料が存在していない場合の前記第１の電磁波の波形における振動が存在する時間幅を記憶する記憶部と、
前記波形生成部により生成された前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出す波形成分抽出部と、
該波形成分抽出部により切り出された前記波形成分をフーリエ変換するフーリエ変換部とを備える観察装置。
前記波形生成部により生成された前記第１の電磁波の電場の時間変化を示す波形のうち、前記試料が存在していない領域に対応する波形において振動が存在する時間幅を抽出する時間幅抽出部を備え、
前記記憶部が、前記時間幅抽出部により抽出された時間幅を記憶する請求項４に記載の観察装置。
前記波形生成部により生成された第１の電磁波の時間変化を示す波形のうち、試料が存在していない領域に対応する波形を記憶する試料なし波形記憶部を備え、
前記波形成分抽出部が、さらに前記試料なし波形記憶部に記憶されている前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出し、
前記フーリエ変換部によりフーリエ変換された、試料が存在している領域に対応する波形から切り出された波形成分および試料なし波形記憶部に記憶されている波形から切り出された波形成分の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正する補正部を備える請求項４または請求項５に記載の観察装置。
前記波形生成部により生成された第１の電磁波の時間変化を示す波形のうち、試料が存在していない領域に対応する波形を記憶する試料なし波形記憶部を備え、
前記波形成分抽出部が、さらに前記試料なし波形記憶部に記憶されている前記第１の電磁波の波形から、その振動の開始時点後前記時間幅分経過した以降の波形成分を切り出し、
前記フーリエ変換部が、前記波形成分抽出部により、試料が存在している領域に対応する波形から切り出された波形成分および試料なし波形記憶部に記憶されている波形から切り出された波形成分の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正された後の波形成分をフーリエ変換する請求項４または請求項５に記載の観察装置。