JP5325697B2 - 観察方法および観察装置 - Google Patents

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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を発生する光源2と、該光源2からの近赤外光L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をテラヘルツ波(第1の電磁波)L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の照射方向とは反対方向から近赤外光L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を通過させると、近赤外光L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を透過させ、近赤外光L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の内から所定の偏光方向を有する近赤外光L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が電気光学結晶6に入射する際に近赤外光L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が電気光学結晶6に入射すると、テラヘルツ波L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’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は、通過前のテラヘルツ波L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’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のメイン振動(テラヘルツ波L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,C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,C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に対する近赤外光L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が試料Aを透過しないので、読み出し用の近赤外光Lが試料Aによって変調されず、テラヘルツ波L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,Cが抽出される(ステップS10)。
その後、これらの波形成分C,C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に対する近赤外光Lの入射タイミングをずらしながら近赤外光L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、すなわち、メイン振動部分を除去した波形成分C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よりも短い近赤外光L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,Lを同時に入射させると、その2つの光L,L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と近赤外光L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(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(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を検出した。これに代えて、テラヘルツ波L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,C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,C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,C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から波形成分C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 波形成分
近赤外光(第2の電磁波)
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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
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