JP5489620B2

JP5489620B2 - 観察装置

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Description

本発明は観察装置に関し、特に、可視光による観察が困難な透明な試料、例えば細胞等の試料を観察するための観察装置に関するものである。

透明な物質（例えば、水）のセンシング技術として、従来、テラヘルツ波を使用したセンシング技術が知られている（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を透過させたときに、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、結像光学系により電気光学結晶に結像させている。また、結像光学系の途中にダイクロイックミラーを配置して、このダイクロイックミラーによって同一光路上に近赤外光を導入することで、導入された近赤外光を同じ電気光学結晶に照射させている。電気光学結晶はテラヘルツ波が照射されると、その強度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。そのため、この状態の電気光学結晶を赤外光が透過すると、透過の際に赤外光が変調をうける。そこで、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、ｐ．１６０−１６１

しかしながら、テラヘルツ波は、波長３０μｍ〜３ｍｍ程度の極めて長波長の電磁波である。一方、光学系の空間分解能は、光学系のＦ値と波長の積により決定される。そのため、従来技術のセンシング技術では、結像光学系の空間分解能が極めて低くなる。すなわち、電気光学結晶には分解能の低い情報が記録されることになる。そのため、細胞等のように微細な構造を持つ試料を観察するための観察装置には使用する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、例えば、細胞のような透明で微細な構造を持つ試料を、テラヘルツ波を用いて高い分解能で簡易に観察することができる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。
本発明の第１の態様は、試料を載置する載置面を有する光学結晶と、該光学結晶に向けて第１の電磁波を試料側から照射する第１の照射系と、前記光学結晶に向けて前記第２の電磁波を照射する第２の照射系と、前記第２の電磁波を検出する検出系とを備え、前記第１の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、前記検出光学系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置である。

本発明の第１の態様によれば、光学結晶の載置面に試料を載置した状態で、第１の照射系によりパルス状のテラヘルツ波（第１の電磁波）を試料に照射すると、試料を透過する際に試料の屈折率分布に従って変調されたテラヘルツ波が、試料を透過した直後に光学結晶内に入射され、光学結晶に作用する。テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、第２の照射光学系によって、テラヘルツ波が入射された光学結晶に、テラヘルツ波より短い波長のパルス状の電磁波を入射させると、試料の屈折率分布に従って変調された第２の電磁波が光学結晶から射出される。そして、検出系により、光学結晶の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。この場合に、試料と載置面との間に結像光学系を含まないので、波長の長いテラヘルツ波を利用しながら、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。また、試料通過後において、試料近傍に光学結晶を配置することで、テラヘルツ波が回折によって試料の微細な空間情報を失う前に試料の観察を行うことが出来る。

本発明の第２の態様は、試料を載置する載置面を有するテラヘルツ波検出素子と、該テラヘルツ波検出素子に向けて第１の電磁波を試料側から照射する第１の照射系と、第２の電磁波を検出する検出系とを備え、前記第１の電磁波は、テラヘルツ波であり、前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短い電磁波であり、前記検出系は、前記第１の電磁波の照射領域の少なくとも一部から発せられた前記第２の電磁波を検出することで、特定位置の観察を行うと共に、その観察を行う位置が前記テラヘルツ波検出素子の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置である。

本発明の第２の態様によれば、テラヘルツ波検出素子の載置面に試料を載置した状態で、第１の照射系によりテラヘルツ波（第１の電磁波）を試料に照射すると、試料を透過する際に試料の屈折率分布に従って変調されたテラヘルツ波が、試料を透過した直後にテラヘルツ検出素子内に入射され、テラヘルツ波検出素子に作用する。テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、テラヘルツ波が入射されたテラヘルツ波検出素子に、テラヘルツ波より短い波長の電磁波を入射させると、テラヘルツ波検出素子によって変調された第２の電磁波がテラヘルツ波検出素子から射出される。そして、検出系により、テラヘルツ波検出素子の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。この場合に、試料と載置面との間に結像光学系を含まないので、波長の長いテラヘルツ波を利用しながら、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。また、試料通過後において、試料近傍に光学結晶を配置することで、テラヘルツ波が回折によって試料の微細な空間情報を失う前に試料の観察を行うことが出来る。

上記の第２の態様においては、前記テラヘルツ波検出素子に向けて第２の電磁波を照射する第２の照射系を備え、前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、前記検出系は、その合焦位置が前記テラヘルツ波検出素子の前記載置面近傍と一致するように配置されていてもよい。

このようにすることで、テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、第２の照射系によって、観察に十分な強度の第２の電磁波をテラヘルツ波検出素子に入射させることができる。

また、上記の第２の態様においては、前記テラヘルツ波検出素子が、光学結晶であってもよい。

このようにすることで、第１の照射系によりテラヘルツ波（第１の電磁波）を試料に照射すると、試料を透過する際に試料の屈折率分布に従って変調されたテラヘルツ波が、試料を透過した直後に光学結晶内に入射され、光学結晶に作用する。テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、テラヘルツ波より波長の短い第２の電磁波を光学結晶に入射させると、テラヘルツ波が作用した光学結晶で変調された第２の電磁波が光学結晶から射出される。そして、検出系により、光学結晶の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。

上記の第１および第２の態様においては、前記光学結晶が、前記第１の電磁波の強度に応じて屈折率が変化する電気光学結晶であり、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波がほぼ同時に前記光学結晶に照射されることとしてもよい。

このようにすることで、試料の屈折率分布の情報は、通過するテラヘルツ波（第１の電磁波）に強度分布として引き渡され、試料を通過した直後に入射する電気光学結晶に屈折率の分布として転写される。そして、第１の態様においては、試料の屈折率分布の情報が転写された電気光学結晶に、第２の電磁波を透過させると、その電磁波の偏光の状態が変化する。検出光学系においてはその変化した偏光の状態を抽出することで、試料の屈折率分布を取得することができるので、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。また、第２の態様においては、テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、テラヘルツ波より波長の短い第２の電気光学結晶に入射させると、テラヘルツ波が作用して屈折率分布が生じている電気光学結晶で変調された第２の電磁波が電気光学結晶から射出される。そして、検出系により、電気光学結晶の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。

また、上記の第１および第２の態様においては、前記光学結晶の載置面に、テラヘルツ波（第１の電磁波）を透過し、第２の電磁波を反射する反射膜が設けられ、前記第２の照射系が、前記反射膜を挟んで前記第１の照射系とは反対側から前記反射膜に電磁波を入射させてもよい。

このようにすることで、試料に照射されたテラヘルツ波（第１の電磁波）は、反射膜を透過して光学結晶に入射される。一方、第２の電磁波は光学結晶の試料とは反対側から入射されて、テラヘルツ波が作用した光学結晶によって変調され、反射膜によって反射されて光学結晶から射出される。このようにすることで、検出系により検出される第２の電磁波を試料に入射させずに済み、試料によって受ける変調を抑えて、さらに高い分解能で試料の観察を行うことができる。

また、上記の第２の態様においては、前記テラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波吸収層であってもよい。

このようにすることで、第１の照射系によりパルス状のテラヘルツ波（第１の電磁波）を試料に照射すると、試料を透過する際に試料の屈折率分布に従って変調されたテラヘルツ波が、試料を透過した直後にテラヘルツ波吸収層に入射され、テラヘルツ波吸収層に屈折率の変化として作用する。テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、テラヘルツ波より波長の短い第２の電磁波をテラヘルツ波吸収層に入射させると、テラヘルツ波が作用して屈折率分布が生じているテラヘルツ波吸収層で変調された第２の電磁波がテラヘルツ波吸収層から射出される。そして、検出系により、テラヘルツ波吸収層の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。

また、上記の第２の態様においては、前記テラヘルツ波吸収層が、前記第１の電磁波の強度に応じて屈折率が変化する水またはガラスの層であり、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波がほぼ同時に前記水またはガラスの層に照射されることとしてもよい。

このようにすることで、第１の照射系によりパルス状のテラヘルツ波（第１の電磁波）を試料に照射すると、試料を透過する際に試料の屈折率分布に従って変調されたテラヘルツ波が、試料を透過した直後に水またはガラスの層に入射され、水またはガラスの層に屈折率の変化として作用する。テラヘルツ波の照射後、あるいは照射と同時に、テラヘルツ波より波長の短い第２の電磁波を水またはガラスの層に入射させると、テラヘルツ波が作用して屈折率分布が生じている水またはガラスの層で変調された第２の電磁波が水またはガラスの層から射出される。そして、検出系により、水またはガラスの層の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。

また、上記の第２の態様においては、前記テラヘルツ波吸収層の載置面に、テラヘルツ波（第１の電磁波）を透過し、第２の電磁波を反射する反射膜が設けられ、前記第２の照射系が、前記反射膜を挟んで前記第１の照射系とは反対側から前記反射膜に電磁波を入射させてもよい。

このようにすることで、試料に照射されたテラヘルツ波（第１の電磁波）は、反射膜を透過してテラヘルツ波吸収層に入射される。一方、第２の電磁波はテラヘルツ波吸収層の試料とは反対側から入射されて、テラヘルツ波が作用したテラヘルツ波吸収層によって変調され、反射膜によって反射されてテラヘルツ波吸収層から射出される。このようにすることで、検出系により検出される第２の電磁波を試料に入射させずに済み、試料によって受ける変調を抑えて、さらに高い分解能で試料の観察を行うことができる。

また、上記の第１および第２の態様においては、前記光学結晶が、第１の電磁波と第２の電磁波を和周波混合または差周波混合する非線形光学結晶であり、前記検出光学系は、前記光学結晶から発せられた和周波または差周波を検出することとしてもよい。

このようにすることで、試料を透過する際に試料の屈折率分布に従って変調されたテラヘルツ波（第１の電磁波）と、第２の電磁波とが、非線形光学結晶の作用によって和周波混合または差周波混合されて、テラヘルツ波と第２の電磁波の和または差の周波数を有する電磁波として光学結晶から射出される。射出された電磁波にはテラヘルツ波に含まれていた試料の屈折率分布の情報がそのまま含まれているので、これを検出することにより、試料の屈折率分布を取得することができ、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。

また、上記の第２の態様においては、前記テラヘルツ波と前記テラヘルツ波よりも波長が短い電磁波は、パルス状であることとしてもよい。

このようにすることで、周波数的に広帯域なテラヘルツ波で試料を評価することができるため、広い周波数において試料の分光情報を取得することができる。

また、上記の第１および第２の態様においては、前記第２の照射光学系により照射される電磁波が、近赤外光であることが好ましい。

このようにすることで、テラヘルツ波（第１の電磁波）が作用したテラヘルツ波検出素子を透過した近赤外光に試料の屈折率分布の情報を含めることができる。また、近赤外光からテラヘルツ波を生成することもでき、その場合には、光源を節約できるとともに、パルス状のテラヘルツ波とパルス状の近赤外光とのタイミングを簡易に精度よく一致させることができる。

本発明によれば、細胞のような透明で微細な構造を持つ試料を高い分解能で簡易に観察することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。図１の観察装置における試料および光学結晶に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。図３の観察装置における試料および光学結晶に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。図１の観察装置の光学結晶を支持する支持部材の一例を説明する図である。図５と同様の他の支持部材の例を説明する図である。図３の観察装置の変形例であって共焦点観察装置の構成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３の変形例に係る観察装置における試料およびテラヘルツ波吸収素子に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。本発明の第３の実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。図１０の観察装置における試料およびテラヘルツ波吸収素子に入射されるテラヘルツ波および可視光を説明する図である。図１０の変形例に係る観察装置における試料およびテラヘルツ波吸収素子に入射されるテラヘルツ波および可視光を説明する図である。

本発明の第１の実施形態に係る観察装置１について、図１および図２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とを備えている。

テラヘルツ波照射光学系（第１の照射系）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８と、該集光レンズ８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９と、該テラヘルツ波放射素子９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１０ａと、該第１の放物面ミラー１０ａ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１０ｂとを備えている。

近赤外光照射光学系（第２の照射系）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調整光学系１１と、前記２つの放物面ミラー１０ａ，１０ｂ間の光路に合流させるダイクロイックミラー１２とを備えている。テラヘルツ波照射光学系４の第２の放物面ミラー１０ｂは、近赤外光照射光学系５の一部をも構成している。なお、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。

光路調整光学系１１は、２個一対の三角プリズム１１ａ，１１ｂと、一方の三角プリズム１１ｂを他方の三角プリズム１１ａ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１１ａ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１１ｂ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１１ａ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１１ａ，１１ｂ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。

電気光学結晶（光学結晶、テラヘルツ波検出素子）６は、テラヘルツ波Ｌ_２が照射されることにより、その強度（電場の振幅）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に強度分布を有するテラヘルツ波Ｌ_２が照射されることで、その強度分布が屈折率分布として電気光学結晶６に書き込まれ、その書き込まれた領域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。ここで、テラヘルツ波検出素子とは、例えば、テラヘルツ波の通過やテラヘルツ波の吸収による屈折率分布の変化などの素子の物性の変化によって、テラヘルツ波を検出できる素子をいう。

検出光学系（検出系）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を集光する対物レンズ１３と、該対物レンズ１３により集光された近赤外光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１４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１５と、結像レンズ１５により集光された近赤外光Ｌ_１を撮影する撮像素子（光検出器）１６とを備えている。
対物レンズ１３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１４は、近赤外光Ｌ_１の偏光状態を直線偏光に変換する１／４波長板１４ａと、所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ_１のみを透過させる偏光子１４ｂとを備えており、１／４波長板１４ａは、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の近赤外光Ｌ１の偏光が直線偏光になるように設置されている。上述のように、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１４ａを透過した近赤外光Ｌ１の偏光が直線偏光でなくなり、偏光子１４ｂの後に検出される近赤外光Ｌ１の強度が変化する。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１の作用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、電気光学結晶６の載置面６ａに試料Ａを載置し、光源２からパルス状の近赤外光Ｌ_１を出射させる。

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１７により１回偏向された後に集光レンズ８によって集光され、テラヘルツ波放射素子９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１０ａによって略平行光束に変換された後に、放物面ミラー１０ｂによって試料Ａに集光される。

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強度分布を有するようになる。そして、そのように強度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の強度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、テラヘルツ波Ｌ_２の回折による影響が減少するため、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は光路調整光学系１１において光路長を調節された後に、ダイクロイックミラー１２によってテラヘルツ波Ｌ_２と同一の光路に合流される。そして、放物面ミラー１０ｂによって試料Ａに集光され、図２に示されるように、テラヘルツ波Ｌ_２と同一の方向から試料Ａおよび電気光学結晶６を透過させられる。図中、斜線で示される領域Ｓは、テラヘルツ波Ｌ_２によって試料Ａの屈折率分布の情報を書き込まれた領域である。同一の光源２から発せられた近赤外光Ｌ_１に基づくテラヘルツ波Ｌ_２と近赤外光Ｌ_１とは、それぞれ異なる光路を通るので、そのままでは、パルスが同時に試料Ａに照射されないこともある。そこで、光路調整光学系１１による光路長の調節により、そのパルスの位相を精度よく調節することができる。その結果、テラヘルツ波Ｌ_２の照射と同時あるいは照射直後に近赤外光Ｌ_１を照射して、屈折率分布の情報を読み出すことができる。なお、図２において、近赤外光Ｌ_１とテラヘルツ波Ｌ_２は、交互に別々の領域に照射されているように描かれているが、実際には、両者の照射領域の少なくとも一部が重なるように、両者は照射されている。

領域Ｓでは、テラヘルツ波Ｌ_２の照射によって屈折率が変化させられる。この領域Ｓを近赤外光Ｌ_１が通過する際には、近赤外光Ｌ_１の偏光状態が変化させられる。すなわち、対物レンズ１３により集光される近赤外光Ｌ_１は、その透過位置に応じて偏光状態が異なっている。近赤外光Ｌ_１は１／４波長板１４ａと偏光子１４ｂに入射されるが、偏光子１４ｂから射出される光量は、領域Ｓを透過後の近赤外光Ｌ_１の偏光状態によって異なる。これにより、電気光学結晶６に記録された屈折率分布の情報を、光の光量（強度）として読み出すことができる。

そして、このようにして抽出された近赤外光Ｌ_１をミラー１８によって偏向した後、結像レンズ１５によって集光し、撮像素子１６によって撮影することにより、可視光によっては観察できない透明な細胞等の試料Ａの画像を取得することができる。
この場合において、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、試料近傍に電気光学結晶６が配置されるため、試料通過後のテラヘルツ波の回折による空間分解能低下の影響を抑えることが出来る。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を観察することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る観察装置２０について、図３および図４を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置２０の説明において、上述した第１の実施形態に係る観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る観察装置２０は、図４に示されるように、電気光学結晶６の載置面６ａに反射膜２１を備え、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を照射する点で第１の実施形態に係る観察装置１と相違している。
近赤外光照射光学系５の光路調整光学系１１の後段に、ビームスプリッタ２２、偏光子１４ｂ、１／４波長板１４ａ、および対物レンズ１３が配置され、ビームスプリッタ２２により分岐された光路に結像レンズ１５および撮像素子１６が配置されている。

電気光学結晶６の載置面６ａに設けられた反射膜２１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２１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２１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１３により集光され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２０によれば、試料Ａを透過してその屈折率分布の情報を含んだテラヘルツ波Ｌ_２は、反射膜２１を透過して電気光学結晶６に試料Ａの屈折率分布の情報を書き込む。一方、近赤外光Ｌ_１は、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２１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１３によって集光され、１／４波長板１４ａおよび偏光子１４ｂを透過したもののみがビームスプリッタ２２により分岐されて結像レンズ１５により結像され、撮像素子１６により撮影される。
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。

なお、上記２つの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。この場合には、電気光学結晶６を補強するために、図５に示されるように、補強部材２３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２３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、石英あるいは樹脂のいずれでもよい。

また、本実施形態においては、電気光学結晶６の載置面６ａに反射膜２１を設けることにより、テラヘルツ波Ｌ_２を透過し近赤外光Ｌ_１を反射することとしたが、これに代えて、図９に示されるように、反射膜２１を設けなくてもよい。この場合には、電気光学結晶６の載置面６ａにおいてフレネル反射が発生して近赤外光Ｌ_１の一部を戻すことができる。したがって、上記と同様にテラヘルツ波Ｌ_２によって書き込んだ情報を近赤外光Ｌ_１によって読み出すことができる。

ただし、この場合には、近赤外光Ｌ_１の一部が電気光学結晶６の載置面６ａを透過して試料Ａに入射されるので、近赤外光Ｌ_１を照射することが好ましくない試料Ａの場合には適していない。そのような場合には、上記の反射膜２１を有する電気光学結晶６を使用することが好ましい。

また、光選択光学系１４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、補強部材２３′としては、電気光学結晶６との隣接面に隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ２３ａを備えるものであってもよいし、図６に示されるように、マイクロレンズアレイ２３ａおよび各マイクロレンズに対応する画素２３ｂを有するＣＣＤを一体的に構成したものでもよい。このようにすることで検出光学系７を小型化することができる。

また、図７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７に示す例では、図３の第２の実施形態に係る観察装置２０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１３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１３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のみを光検出器１６によって検出することができる。したがって、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、テラヘルツ波Ｌ_２と近赤外光Ｌ_１とを同時に試料Ａおよび非線形光学結晶６′に入射させると、図８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１３により集光される。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、信号を時間的に連続して検出することにより、動画を取得することもできる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る観察装置４０について、図１０から図１２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置４０の説明において、上述した各実施形態に係る観察装置１，２０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る観察装置４０は、図１０に示すように、細胞のような微細な構造を持つ試料Ａを観察する装置であり、テラヘルツ波照射系４１と、試料載置面を有するテラヘルツ波吸収素子４２（テラヘルツ波検出素子）と、微小な屈折率変化を検出できる顕微鏡４３（位相差顕微鏡または微分干渉顕微鏡、図１０は位相差顕微鏡）で構成されている。ここで、テラヘルツ波吸収素子とは、テラヘルツ波を吸収する作用を持つ素子をいう。

テラヘルツ波照射系４１から照射されたテラヘルツ波Ｌ_２が試料Ａを透過し、テラヘルツ波吸収素子４２で吸収される。このとき、テラヘルツ波吸収素子４２ではテラヘルツ波の吸収によって微小な屈折率変化が生じ、これを顕微鏡４３で観察することによって、テラヘルツ波の情報、即ち試料の情報を得ることができる。なお、顕微鏡４３による観察にはテラヘルツ波Ｌ_２よりも短波長の可視光Ｌ_４を使用する。図１０の符号５１は可視光Ｌ_４の光源であり、対物レンズ３４を出射してテラヘルツ波吸収素子で変調された可視光Ｌ_４がビームスプリッタ３３やレンズ３５，３７、及び位相差板３６を介して検出器３８で検出される。

テラヘルツ波吸収素子４２は、図１１に示すように、テラヘルツ波Ｌ_２を吸収することによって屈折率が変化する薄い層（テラヘルツ波吸収層）６１を有している。この層６１は水などの液体でも良く、その場合は台座６２の中に層６１が封入されている形状が良い。また、台座６２はテラヘルツ波Ｌ_２と可視光Ｌ_４の双方が透過する材料で構成される必要があり、例えばＭｇＯなどが使用可能である。

層６１は試料Ａの極近傍に配置されており、テラヘルツ波Ｌ_２は試料を透過してから波長オーダーの距離を伝播する前に層６１で吸収される。この際、層６１では吸収したテラヘルツ波のエネルギーで微小に温度が上昇し、屈折率に微小な変化が生じる。この屈折率変化を顕微鏡４３で検出することで、試料の情報を含んだテラヘルツ波を検出することが可能となる。

また、図１２のように、層６１として、ガラス材料のような固体材料を使用しても良い。この場合、層６１は台座６２の中に封入されている必要はなく、図１２に示すように台座６２の上に配置されていても良い。このようにすると、試料Ａは層６１の上に直接載置することも可能となり、より高い空間分解能を期待できる。

以上のように、本実施形態に係る観察装置４０によれば、水などの安価な材料でテラヘルツ波の検出が可能となる。また、位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡を使用して直接的にテラヘルツ波吸収層の屈折率変化を観察するため、装置構成が簡単になる。また、出力が大きく、単一素子でテラヘルツ波発生が可能な量子カスケードレーザーをテラヘルツ波光源として使用可能であり、装置構成が簡単になる。
なお、可視光Ｌ_４は、パルス光でなくて良く、波長は問わない。すなわち、可視光Ｌ_４は、テラヘルツ波Ｌ_２よりも短波長であればよく、例えば自然光でもよい。

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）
Ｌ_３和周波混合光
Ｌ_４可視光（第２の電磁波）
Ａ試料
１，２０，３０，４０観察装置
４テラヘルツ波照射光学系（第１の照射系）
５近赤外光照射光学系（第２の照射系）
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（検出系）
２１反射膜
４２テラヘルツ波吸収素子

Claims

試料を載置する載置面を有する光学結晶と、
該光学結晶に向けて第１の電磁波を試料側から照射する第１の照射系と、
前記光学結晶に向けて第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記第２の電磁波を検出する検出系とを備え、
前記第１の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、
前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、
前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、
前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置。
試料を載置する載置面を有するテラヘルツ波検出素子と、
該テラヘルツ波検出素子に向けて第１の電磁波を試料側から照射する第１の照射系と、
第２の電磁波を検出する検出系とを備え、
前記第１の電磁波は、テラヘルツ波であり、
前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短い電磁波であり、
前記検出系は、前記第１の電磁波の照射領域の少なくとも一部から発せられた前記第２の電磁波を検出することで、特定位置の観察を行うと共に、その観察を行う位置が前記テラヘルツ波検出素子の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置。
前記テラヘルツ波検出素子に向けて第２の電磁波を照射する第２の照射系を備え、
前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、
前記検出系の観察を行う位置は、その合焦位置である請求項２に記載の観察装置。
前記テラヘルツ波検出素子が、光学結晶である請求項３に記載の観察装置。
前記光学結晶が、前記第１の電磁波の強度に応じて屈折率が変化する電気光学結晶であり、
前記第１の電磁波と前記第２の電磁波がほぼ同時に前記光学結晶に照射される請求項１または請求項４に記載の観察装置。
前記光学結晶の載置面に、前記第１の電磁波を透過し、前記第２の電磁波を反射する反射膜が設けられ、
前記第２の照射系が、前記反射膜を挟んで前記第１の照射系とは反対側から前記反射膜に電磁波を入射させる請求項５に記載の観察装置。
前記テラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波吸収層である請求項３に記載の観察装置。
前記テラヘルツ波吸収層が、前記第１の電磁波の強度に応じて屈折率が変化する水またはガラス材料の層であり、
前記第１の電磁波と前記第２の電磁波がほぼ同時に前記テラヘルツ波吸収層に照射される請求項７に記載の観察装置。
前記テラヘルツ波検出素子の載置面に、前記第１の電磁波を透過し、前記第２の電磁波を反射する反射膜が設けられ、
前記第２の照射系が、前記反射膜を挟んで前記第１の照射系とは反対側から前記反射膜に電磁波を入射させる請求項４または請求項７に記載の観察装置。
前記光学結晶が、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波を和周波混合または差周波混合する非線形光学結晶であり、
前記検出系は、前記光学結晶から発せられた和周波混合または差周波混合された電磁波を検出する請求項１または請求項４に記載の観察装置。
前記テラヘルツ波と前記テラヘルツ波よりも波長が短い電磁波は、パルス状である請求項３に記載の観察装置。
前記第２の照射系により照射される電磁波が、近赤外光である請求項１、請求項３から請求項１１のいずれかに記載の観察装置。