JP5558587B2 - 共鳴非線形光信号を検出するための方法およびその方法を実装するための装置 - Google Patents
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Description
図4は、たとえば解析される媒質を含む媒質、つまり生物学的に興味が持たれた媒質である共鳴媒質41と、通常は溶媒を含む媒質である非共鳴媒質42とを含むサンプルを示す。三次非線形感受率は、共鳴媒質41中で共鳴項χ(3) 1Rおよび非共鳴項χ(3) 1NRによって定義される。非共鳴媒質42では、三次非線形感受率は非共鳴項χ(3) 2NRによって定義される。本願発明に従った検出方法のある態様は、角振動数ωpのポンプ励起ビームと角振動数ωsのプローブ励起ビームとの相互作用から生じ、CARS過程によって散乱された信号(図4の参照数字44)を空間的に解析するステップから構成される。ポンプ励起ビームとプローブ励起ビームとは同一直線上であって、サンプルの軸方向界面を有する焦点体(focal volume)45中のサンプルに入射する。つまり、ある態様は、入射ポンプビームおよびストークスビームの軸に沿った非ゼロ成分を提示するステップから構成される。より具体的には、以下で詳細に説明するように、本方法は、界面の両側において、波動ベクトルkの空間、つまりCARSにより放射された信号の放射方向の空間において、ビームの非線形光強度を解析するステップを含む。この強度は、界面の両側でそれぞれIFwd(ベクトルk)およびIFwd(ベクトルk’)として図4で言及されている。以下の説明では、「Fwd」との省略形は、後ろ方向に散乱された「Epi」として知られる信号の対語として、前方CARS散乱信号を表す。
S(θ)=a cos(θ+φ)+定数
または
S(t)=a cos(νt+φ)+定数
Claims (26)
- 界面(43)を形成する共鳴媒質(41)および非共鳴媒質(42)を含むタイプのサンプル(105)中に誘導された共鳴非線形光信号を検出するための装置(100)であって、
第1の所定の角振動数ωpにて所定タイプのサンプルの共鳴媒質を励起するためのポンプビームと呼ばれる少なくとも1つの第1の励起ビームの放射源(801)と、
サンプルに入射する前記ポンプビームの光軸に関して少なくとも2つの対称な方向である任意のベクトルk方向と、前記ベクトルk方向に対称なベクトルk’方向とにおいて、前記ポンプビームと、サンプルの共鳴媒質−非共鳴媒質間に形成された界面であって、入射したポンプビームの光軸に沿って非ゼロ成分を有する軸方向界面との相互作用から生じた非線形光信号を検出するための光検出モジュール(106)と、
ベクトルk方向に沿って検出された前方散乱信号である第1の非線形光信号I Fwd(ベクトルk)と、ベクトルk’方向に沿って検出された前方散乱信号である第2の非線形光信号I Fwd(ベクトルk’)とを処理することにより、検出された前記第1の非線形光信号I Fwd (ベクトルk)と前記第2の非線形光信号I Fwd (ベクトルk’)との差を得ることを可能にする処理装置(125)と、を含み、
得られた前記第1の非線形光信号I Fwd (ベクトルk)と前記第2の非線形光信号I Fwd (ベクトルk’)との差は、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる装置。 - 放射源(801)は、第1の角振動数ωpとは異なる少なくとも第2の角振動数ωsにて、共鳴媒質を励起するための第2の励起ビームの放射を少なくとも可能にし、
第1の励起ビームと第2の励起ビームとは同一直線上である請求項1に記載の装置。 - 放射源は、角振動数ωpのポンプビームおよび角振動数ωsのストークスビームの放射を可能にし、これによって所定タイプの前記サンプル中で、角振動数ωas=2ωp−ωsのCARS散乱信号と呼ばれる非線形光信号が生じることが可能となり、
得られた非線形光信号の差は、共鳴媒質のラマン放射の指標となる請求項2に記載の装置。 - 共通の焦点体(45)中にて1以上の前記励起ビームの焦点を合せることにより、前記1以上の励起ビームが所定タイプの前記サンプルの共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面を横断する焦点レンズ(107)を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
- 光検出モジュール(106)は、少なくとも1つのシャドーマスクと、光軸に関して対称な2つの相補的な半空間に統合された非線形光信号の検出を可能とする少なくとも1つの検出器とを含み、
差は、2つの半空間にて統合された非線形光信号に関してとられる請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。 - 光検出モジュール(106)は、
集められた非線形光信号を第1の経路と第2の経路に分離させる光スプリット要素(113)と、
各経路において、
非線形光信号を隠すシャドーマスク(114,115)と、
検出器(116,117)と、を含み、
各経路の非線形光信号は、2つの半空間に従ってそれぞれ隠される請求項5に記載の装置。 - 光検出モジュールは、前記非線形光信号を収集するための集光レンズ(111)を含む請求項5または6に記載の装置。
- 光検出モジュール(106)は、前記光軸に関して少なくとも2つの対称な方向に収集された非線形光信号をそれぞれ検出することを可能にする画像記録システム(120)を含み、
差は、検出された少なくとも1組の非線形光信号のペアに関してとられる請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。 - 光検出モジュールは、前記非線形光信号を収集するための集光レンズを含む請求項8に記載の装置。
- 画像記録システムは、集光レンズの射出瞳上または射出瞳の像上に配置されている請求項9に記載の装置。
- 前記非線形光信号の光検出モジュール(106)は、所定の振動数(ν)にて光軸の周りを回転するマスク(130)を含み、
マスクは、前記非線形光信号を部分的に隠し、
検出器は、マスクによって隠されない空間の一部に統合された非線形光信号の検出を可能にすることによって、マスクの回転振動数にて変調され、最大値および最小値を有する非線形光信号を搬送し、
処理装置(125)は、マスクの回転振動数にて非線形光信号の振動数成分の振幅を得るために変調された前記非線形光信号の処理を可能にし、
振幅は、前記最大値と最小値の差に比例し、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。 - 処理装置はまた、変調され検出された非線形光信号の振動数成分の位相を得ることも可能にし、
位相は、共鳴媒質および非共鳴媒質の相対位置の指標となる請求項11に記載の装置。 - マスクは、光軸の周りを回転する半円盤(134)を含む請求項11または12に記載の装置。
- 光検出モジュールは、前記非線形光信号を集めるための装置を含む請求項11〜13のいずれか1項に記載の装置。
- 共鳴媒質と非共鳴媒質との界面の異なる位置にて、1以上の励起ビームが所定タイプのサンプルを横断することを可能とする、1以上の励起ビームを角度スキャンするための装置をさらに含む請求項1〜14のいずれか1項に記載の装置。
- 放射源が少なくとも1つの可変波長励起ビームを放射することにより、所定タイプのサンプルの共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴のスペクトルを得ることを可能にする請求項1〜15のいずれか1項に記載の装置。
- サンプル(105)中に誘導された共鳴非線形光信号を検出するための方法であって、
サンプルは、界面(43)を形成する共鳴媒質(41)および非共鳴媒質(42)を含み、
本方法は、
第1の所定の角振動数ωpにて、ポンプビームと呼ばれる共鳴媒質の少なくとも1つの第1の励起ビームを放射するステップと、
光軸に関して少なくとも2つの対称な方向である任意のベクトルk方向と、前記ベクトルk方向に対称なベクトルk’方向とにおいて、1以上の前記ポンプビームと、サンプルの共鳴媒質−非共鳴媒質間に形成された界面であって、入射したポンプビームの光軸に沿って非ゼロ成分を有する軸方向界面との相互作用から生じた非線形光信号を検出するステップと、
ベクトルk方向に沿って検出された前方散乱信号である第1の非線形光信号I Fwd(ベクトルk)と、ベクトルk’方向に沿って検出された前方散乱信号である第2の非線形光信号I Fwd(ベクトルk’)とを処理することにより、検出された前記第1の非線形光信号I Fwd (ベクトルk)と前記第2の非線形光信号I Fwd (ベクトルk’)との差を得ることを可能にするステップと、を含み、
前記ポンプビームは、光軸に沿ってサンプルに入射し、共鳴媒質と非共鳴媒質との前記界面を横断し、
得られた前記第1の非線形光信号I Fwd (ベクトルk)と前記第2の非線形光信号I Fwd (ベクトルk’)との差は、サンプルの共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる方法。 - 第1の角振動数ωpとは異なる少なくとも1つの第2の角振動数ωsにて共鳴媒質を励起するための少なくとも1つの第2の励起ビームを放射するステップを含む請求項17に記載の方法。
- 角振動数ωpのポンプビームおよび角振動数ωsのストークスビームを放射するステップを含み、
前記ポンプビームとストークスビームとの相互作用から生じた非線形光信号は角振動数ωas=2ωp−ωsのCARS散乱信号と呼ばれる信号であって、
非線形光信号の差は、共鳴媒質のラマン放射の指標である請求項18に記載の方法。 - 1以上の前記励起ビームは、共通の焦点体(45)中へと集中されることにより、共鳴媒質と非共鳴媒質との間で前記界面が横断されることを可能とする請求項17〜19のいずれか1項に記載の方法。
- 非線形光信号の検出は、光軸に関して対称な2つの相補的な半空間へと非線形光信号を統合することにより実現され、
検出された非線形光信号を処理するステップは、2つの半空間へと統合された非線形光信号間の差を計算することを含む請求項17〜20のいずれか1項に記載の方法。 - 非線形光信号を検出するステップは、前記光軸に関して少なくとも2つの対称な方向に非線形光信号をそれぞれ検出することにより実現され、
非線形光信号を処理するステップは、検出された少なくとも1組の非線形光信号のペアの信号間の差を計算することを含む請求項17〜20のいずれか1項に記載の方法。 - 非線形光信号を検出するステップは、所定の振動数(ν)にて光軸の周りを回転するマスク(130)によって、前記非線形光信号を部分的に隠すことを含み、
非線形光信号を検出するステップは、最大値と最小値を有するマスクの回転振動数にて変調された非線形光信号を搬送するために、マスクによって隠されていない空間の一部へと統合し、
非線形光信号を処理するステップは、変調された非線形光信号のマスクの回転振動数における振動数成分の振幅を決定することを含み、
振幅は、変調された非線形光信号の前記最大値と最小値の差に比例し、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる請求項17〜20のいずれか1項に記載の方法。 - 変調され検出された非線形光信号の振動数成分の位相を決定するステップをさらに含み、
位相は、共鳴媒質および非共鳴媒質の相対位置の指標となる請求項23に記載の方法。 - 1以上の励起ビームが、角度スキャンを受けることにより、共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面の複数の位置にてサンプルを横断する請求項17〜24のいずれか1項に記載の方法。
- 少なくとも1つの励起ビームが可変の放射波長を有することにより、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴のスペクトルを得ることが可能となる請求項17〜25のいずれか1項に記載の方法。
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