JP6647652B2 - 光学ヘッドおよび計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、非線形ラマン分光法を利用する光学ヘッドおよび計測装置に関するものである。

日本国特開２００９−２２２５３１号には、シンプル・コンパクトかつ廉価でありながら、高い性能を有する、非線形分光計測システム用の光源装置を提供することが記載されている。この文献の光源装置は、０．１〜１０ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射するレーザー光源と、前記レーザー光源から出射された光パルスが入射され、当該光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出射するフォトニック結晶ファイバと、からなり、フォトニック結晶ファイバから出射されたスーパーコンティニューム光を用いて非線形分光計測を行う、非線形分光計測システム用の光源装置が記載されている。

ラマン分光法の１つの用途は、生きた細胞内の分子分布やそのダイナミクスを非染色で観測することである。ラマン分光法により、血液内のグルコースなどの成分の濃度を非侵襲で測定することも研究されている。一般に、ラマン散乱の散乱断面積は非常に小さい。このため、生細胞や血液中のグルコースなどの測定対象物から良好なラマンスペクトルを得るためには数秒から数分の露光時間を必要とする。非線形ラマン分光法の１つであるコヒーレントアンチストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ＡAｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：以下、ＣＡＲＳと呼ぶ）分光法は、微弱なラマン信号を増幅し、ラマンイメージを高速に得ることのできる方法である。ＣＡＲＳ過程では、一般に波長の異なる二つの光パルス（ポンプ光とストークス光）を必要とし、この光パルスの振動数差が分子振動と一致したときに、非常に強いＣＡＲＳ光が発生する。

ＣＡＲＳ光を得る方法として、ストークス光として広帯域な光源を用い、発生するＣＡＲＳ光を分光検出する方法が知られている（多色ＣＡＲＳ分光法、マルチプレックスＣＡＲＳ分光法）。この方法では、ＣＡＲＳ光の分光スペクトルからラマンスペクトルを推定できるため、特定のスペクトル成分のみを検出する方式に比べて取得できる情報が多く、短時間でより多くの情報を取得できる。広帯域のストークス光を得る１つの方法は、フォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）などの光ファイバーにレーザー光を導入することにより、内部で広帯域な光（スーパーコンティニューム光と呼ばれる）が発生する現象を利用することである。スーパーコンティニューム光はＰＣＦからの出射後に、ポンプ光（励起光）より長波長の成分のみがロングパスフィルタにより抽出され、ストークス光として用いられ、ポンプ光とともにダイクロィックミラーなどにより合波され、測定対象物（サンプル）に集光するように照射される。測定対象物で発生したＣＡＲＳ光は、分光器に導かれてスペクトルが計測（検出）される。

ＣＡＲＳ分光法において、サンプルに照射するポンプ光とストークス光は光軸位置と角度とを精度よく一致させる必要があり、ずれによりＣＡＲＳ光の発生効率が低下する可能性がある。このため、ＣＡＲＳ顕微鏡などのＣＡＲＳ分光法を用いたシステムは、大型の安定したステージ上にポンプ光、ストークス光およびＣＡＲＳ光の光路を構成する複数の光学素子を配置し、それらの光学素子の位置を微細に制御している。したがって、ＣＡＲＳ分光法を用いたシステムであって、ハンディでどこでも持ち運びできたり、さらには、身体に装着可能な程度にまでコンパクトにして、ウェアラブルな機器に組み込み可能とする技術は提供されていなかった。

本発明の一態様は、非線形ラマン効果を得るための周波数帯または周波数の異なる複数の光、例えばＣＡＲＳにおけるポンプ光およびストークス光を第１のポイントに集光する第１のモジュールと、第１のポイントから発せられる測定対象の光、例えばＣＡＲＳ光を採取する第２のモジュールと、第１のモジュールおよび第２のモジュールを支持する第３のモジュールとを有する光学ヘッドである。第１のモジュールは、高剛性の第１のフレームと、第１のフレームに固定された複数の光学素子を含む第１の光学システムとを含む。第２のモジュールは、高剛性の第２のフレームと、第２のフレームに固定された複数の光学素子を含む第２の光学システムとを含む。さらに、第３のモジュールは、第１のフレームおよび第２のフレームを固定する高剛性の第３のフレームを含む。

この光学ヘッドにおいては、非線形ラマン分光光学系を構成する多数の光学素子のうち、ポンプ光およびストークス光などの周波数帯または周波数の異なる複数の光を第１のポイントに集光するための複数の光学素子を高剛性の第１のフレームに固定して集積化できる。一方、測定対象の光を採取するための複数の光学系を、第１のフレームと異なる高剛性の第２のフレームに固定することにより集積化できる。このため、集光側の光学素子と採取側の光学素子とを個別のフレームに固定することにより集積化と位置調整とが可能となり、コンパクトで、所定のポイントに、非線形ラマン効果を得るための複数の光を精度よく集光できる光学ヘッドを提供できる。

第１のモジュールは、第１の光学システムに含まれる少なくとも１つの光学素子の第１のフレームに対する取付位置を調整（微調整）した後に固定する機構を含んでもよく、第１のフレームに取り付ける際に、複数の光のフォーカシング調整（集光位置調整）が可能となる。同様に、第２のモジュールは、第２の光学システムに含まれる少なくとも１つの光学素子の第２のフレームに対する取付位置を調整（微調整）した後に固定する機構を含んでもよい。

第１のモジュールにおいては、第１のフレームは２次元的に広がった領域を含み、第１の光学システムに含まれる複数の光学素子が第１のフレームに２次元的に配置されていてもよい。光学素子の取付と位置調整が容易となる。同様に、第２のフレームは２次元的に広がった領域を含み、第２の光学システムに含まれる複数の光学素子が第２のフレームに２次元的に配置されていてもよい。

第１の光学システムは、複数の光のフォーカス調整を行う複数の光学素子を含んでいてもよい。周波数の異なる複数の光の色収差を異なる光学素子で補正できる。ストークス光としてスーパーコンティニューム光を使う場合、ストークス光に対してポンプ光のフォーカシングスポットの光強度を向上でき、ＣＡＲＳ光のノイズを低減しやすい。

光学ヘッドは、複数の光の少なくともいずれかを供給する第１のレーザー光供給ユニットおよび第２のレーザー光供給ユニットであって、第１のフレームに固定された第１のレーザー光供給ユニットおよび第２のレーザー光供給ユニットを有し、第１の光学システムの複数の光学素子は、第１のレーザー光供給ユニットから供給される第１のレーザー光および第２のレーザー光供給ユニットから供給される第２のレーザー光を第１のポイントに照射する共通の第１の対物レンズへ導く光学経路を構成する複数の光学素子を含んでいてもよい。さらに、光学ヘッドは、第１のレーザー光供給ユニットの第１のレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を第１のフレームに対して調整（微調整）する第１のＸＹ位置調整ユニットと、第２のレーザー光供給ユニットの第２のレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を第１のフレームに対して調整（微調整）する第２のＸＹ位置調整ユニットとを有していてもよい。非線形ラマン効果を得るための複数の光の光軸のＸＹ方向の位置調整を、第１のフレームに対してそれぞれ調整できる。

光学ヘッドは、第１のレーザー光を平行光にする第１のコリメータレンズと、第２のレーザー光を平行光にする第２のコリメータレンズと、第１のコリメータレンズの第１のレーザー光の光軸方向の位置を前記第１のフレームに対して調整（微調整）する第１のＺ位置調整ユニットと、第２のコリメータレンズの第２のレーザー光の光軸方向の位置を第１のフレームに対して調整（微調整）する第２のＺ位置調整ユニットとを含んでもよい。さらに、第１のＺ位置調整ユニットは、第１のレーザー光供給ユニットとともに第１のＸＹ位置調整ユニットを介して第１のフレームに固定され、第２のＺ位置調整ユニットは、第２のレーザー光供給ユニットとともに第２のＸＹ位置調整ユニットを介して第１のフレームに固定されていてもよい。非線形ラマン効果を得るための複数の光とコリメータレンズとの位置を第１のフレームに対してそれぞれ調整できる。さらに、Ｚ位置調整ユニットを、ＸＹ位置調整ユニットを介して第１のフレームに固定することにより、それぞれのレーザー光供給ユニットを、ＸＹ位置調整ユニットを介して第１のフレームに固定する前に、レーザー光供給ユニットの単位で、Ｚ位置調整を行うことが可能となる。それぞれのレーザー光供給ユニットは、それぞれのコリメータレンズに対してそれぞれのレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を調整（微調整）するユニットを含んでもよく、コリメータレンズに対するレーザー光のＸＹ方向の位置調整を事前に行うことができる。

それぞれのレーザー光供給ユニットは、それぞれのレーザー光を供給するレーザー素子またはそれぞれのレーザー光を供給する光ファイバーとのコネクタとを含んでもよく、レーザー光供給ユニットの単位で、レーザー素子または光ファイバーとのコネクタとコリメータレンズとの位置調整を、第１のフレームに固定する前に行ってもよい。

光学ヘッドは、第１のポイントにサンプルが固定される第４のモジュールを有していてもよい。この第４のモジュールは、第３のフレームに固定される高剛性の第４のフレームと、第４のフレームに固定されたサンプルホルダーとを含み、第３のフレーム、第１のフレームおよび第２のフレームを介して第１の光学システムおよび第２の光学システムに対してサンプルホルダーの位置を精度よく固定できる。第４のモジュールは、サンプルホルダーの向きを調整（微調整）した後に固定する機構を含んでもよい。

第２の光学システムの複数の光学素子は、測定対象の光を集光する第２の対物レンズから、測定対象の光を受光する受光ユニットまでの光学経路を構成する複数の光学素子を含んでもよい。光学ヘッドは、受光ユニットの測定対象の光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を第２のフレームに対して調整（微調整）する第３のＸＹ位置調整ユニットと、第２の対物レンズの測定対象の光の光軸方向の位置を第２のフレームに対して調整（微調整）するフォーカス調整ユニットとを含んでもよい。測定対象の光を採取する第２の光学システムについて、光軸に垂直なＸＹ方向と、光軸に平行なＺ方向とにこれらの光学素子の位置を調整（微調整）することにより測定対象の光を効率よく検出できる。受光ユニットは、測定対象の光を検出する検出器そのものであってもよく、測定対象の光を検出器へ導く第３の光ファイバーとの第３のコネクタであってもよい。測定対象の光は、誘導ラマン散乱またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱の少なくともいずれかによって発せられた光を含むものであってもよい。

本発明の他の態様の１つは、上記の光学ヘッドと、複数の光を出力する光源ユニットと、測定対象の光を検出するディテクタとを有する計測装置である。

計測装置の概略構成を示すブロック図。 計測装置の内部配置を示す斜視図。 光学ヘッドの構成を示す平面図。 図３に示す光学ヘッドの側面図。 サンプルホルダーの構成を説明する図。 エミッションブロックの異なる例を示す図。 エミッションブロックの異なる例の内部配置を示す平面図。 図７に示すエミッションブロックの側面図。 光路差を説明する図。 図１０（ａ）はレーザー光供給モジュールの概略構造を示す断面図、図１０（ｂ）はレーザー光供給モジュールの構成を模式的に示す図。 コリメート調整用の専用冶具の一例。 計測装置の異なる例を示す図。

発明の実施の形態

ラマン分光法の一種である非線形ラマン分光法として、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）分光法、誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）分光法などが知られている。以下においては、ＣＡＲＳ分光法を用いた装置を例に本発明を説明する。

図１に、ＣＡＲＳ分光法を用いた計測装置の一例として、キュベットに保存された血液などのサンプルの成分、例えば血糖値を測定する計測装置１の構成をブロック図により示している。計測装置１は、キュベット２に保存されたサンプル３に、非線形ラマン効果を得るための複数の光のうちの、第１の光（第１のレーザー光、ポンプ光）５および第２の光（第２のレーザー光、ストークス光）６を照射して、サンプル３から発せられた測定対象の光であるＣＡＲＳ光７を採取する光学ヘッド１０と、ポンプ光５およびストークス光６の光源となる光源ユニット２０と、採取されたＣＡＲＳ光７を検出するディテクタ（分光器）３０とを含む。計測装置１の光源はレーザー光であり、光源ユニット２０は、レーザーパルスをそれぞれ出力する２つのレーザーユニット２１ａおよび２１ｂを含むレーザーモジュール２２と、レーザーユニット２１ａおよび２１ｂから出力されるパルスの位相を制御する位相制御モジュール（フェーズ調整クロックモジュール、Ｐｈａｓｅ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｄｕａｌ Ｃｌｏｃｋ）２３とを含む。

レーザーモジュール２２の一例は、半導体レーザーを光源とするＤＣＬＳ（Ｄｕａｌ−Ｃｏｌｏｒ Ｌａｓｅｒｓ Ｓｏｕｒｃｅ）である。このレーザーモジュール２２は、波長１５５０ｎｍでキロワットレベルのピークパワーを持ち、数ｎｍ、例えば３〜５ｎｓのパルス幅のパルスレーザーを、数１００ｋＨｚ、例えば１００〜５００ｋＨｚで出力可能な小型の主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、 ＭＯＰＡ）タイプのファイバーレーザー（ＭＯＰＡファイバーレーザー）をレーザーユニット２１ａおよび２１ｂとして含む。レーザーモジュール２２は、さらに、レーザーユニット２１ａおよび２１ｂのレーザー周波数を倍増して波長７７５ｎｍのレーザーを出力する第２次高調波発生器（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＳＨＧ）２４ａおよび２４ｂと、光ファイバー（ファイバーケーブル）２９ａおよび２９ｂとのカップリング用のレンズ２５およびコネクター２６とを含む。このレーザーモジュール２２により、波長７７５〜７８０ｎｍの、数１００ワットレベル、例えば２００〜４００Ｗでパルス幅が３〜５ｎｓで、相互の位相を制御できる２系統のレーザーパルスを得ることができる。

一方の系統のレーザーパルスはポンプ光５として光ファイバー２９ａを介して光学ヘッド１０に供給される。他方の系統のレーザーパルスはストークス光６として光ファイバー２９ｂおよびＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバー、Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）２９ｃを介して光学ヘッド１０に供給される。ストークス光６は、光学ヘッド１０に供給される段階で、波長８００−１３００ｎｍ程度の白色化した光（ブロードバンド光、スーパーコンティニューム光、ＳＣ光）として供給される。なお、ポンプ光５およびストークス光６の波長および波長帯は一例であり、本例では発振波長が１５００ｎｍ程度のファイバーレーザーをレーザー光源として使用してＳＨＧにより所望の波長を得ているが、１０００〜１１００ｎｍ程度のファイバーレーザーを光源として使用し、ＳＨＧを経ることなく使用してもよく、チタンサファイアレーザーのような固体レーザーを光源として使用してもよい。また、ポンプ光５を伝達するファイバー２９ａは、低損失の偏波保持ファイバー（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ， ＰＭＦ）であってもよく、ファイバー２９ａの長さを調整してＰＣＦ２９ｃを通過するストークス光６との時間差を制御してもよい。

図２に、計測装置１の内部の配置を、上部ハウジングを外した状態で示している。この計測装置１は、レーザーユニット２１ａおよび２１ｂとＳＨＧ２４ａおよび２４ｂとを二段に配置することにより実現されたコンパクトな形状であり、全体が２３０ｍｍ×１６０ｍｍ×７５ｍｍという、Ｂ５判よりも小さなハンディタイプのハウジング４０に収納されている。ハウジング４０は、上部ハウジング４１と、下部ハウジング４２と、光学ヘッド１０に対してサンプルであるキュベット２を出し入れするための開閉ドア４３とを含み、本図は、上部ハウジング４１を外した状態である。

光学ヘッド１０は、全体が７２ｍｍ×３０ｍｍ×２０ｍｍ程度の箱型あるいはブロック状であり、ポンプ光５およびストークス光６をキュベット２の第１のポイント２ａに集光する第１のモジュール（エミッションブロック）１１と、第１のポイント２ａにサンプルが入ったキュベット２を保持する第４のモジュール（サンプルホールドブロック）１４と、第１のポイント２ａからＣＡＲＳ光７を採取する第２のモジュール（コレクションブロック）１２と、第１のモジュール１１および第２のモジュール１２を支持する第３のモジュール（サポーティングブロック）１３とを有する。

第１のモジュール１１は、高剛性の第１のフレーム５０と、第１のフレーム５０に固定された複数の光学素子を含む第１の光学システム５１とを含み、第１のフレーム５０が遮蔽型で遮光性のあるハウジングとしての機能を備えており、サンプリングサイドの第４のモジュール１４に対し、対物レンズ５９以外から漏れ光が照射されないようになっている。第２のモジュール１２は、高剛性の第２のフレーム６０と、第２のフレーム６０に固定された複数の光学素子を含む第２の光学システム６１とを含む。第２のフレーム６０も遮蔽型で遮光性のあるハウジングとしての機能を備えており、対物レンズ６２を介して取得される、サンプリングサイドの第４のモジュール１４以外からの光を遮蔽できるようになっている。

第４のモジュール１４は、高剛性の第４のフレーム７０を含み、第４のフレーム７０に、第１のポイント２ａにＣＡＲＳ光７を採取するサンプルを含むキュベット２が固定される。第３のモジュール１３は、高剛性の第３のフレーム１３ｆを含み、第１のフレーム５０、第２のフレーム６０および第４のフレーム７０が第３のフレーム１３ｆに固定されることにより、サンプルを含むキュベット２の第１のポイント２ａに対し、照射光学系である第１の光学システム５１の光学素子と、採取光学系である第２の光学システム６１の光学素子とを精度よく位置決めできる。

軽量で高剛性のフレームの一例はアルミニウム製、アルミニウム合金製またはステンレススチール製のフレームであり、熱膨張率がさらに低く、合成も高く、軽量の材料としては、ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）などの金属とセラミックスとを組み合わせた複合材料などがある。高剛性のフレームとしては、例えば、ヤング率（ＧＰａ）が６０以上であってもよく、７０以上であってもよく、１００以上であってもよく、１３０以上であってもよく、また、熱膨張係数（線膨張係数、１０^−６／Ｋ）が２５以下であってもよく、２０以下であってもよく、１５以下であってもよく、１０以下であってもよい。

光学ヘッド１０においては、これら第１〜第４のフレーム５０、６０、１３ｆおよび７０が遮蔽ブロックとしても機能し、第１〜第４のモジュール１１、１２、１３および１４を組み合わせるとキュベット２を装着する開口７９を除いた部分が外光に対しシールド（遮蔽）され、光学ヘッド１０を開口７９を開閉ドア４３に向けてハウジング４０に配置することにより、ハウジング４０に収納される他の機器やハウジング４０の換気口などからの漏れ光がキュベット２に到達するのを阻止できる。また、開閉ドア４３も遮光性であり、開閉ドア４３を閉めることにより、外光を遮断でき、キュベット２には、第１のモジュール１１から供給されるポンプ光５およびストークス光６のみが照射され、第２のモジュール１２では、キュベット２から放出されるＣＡＲＳ光７のみが採取されるようになっている。

第１のモジュール１１に収納される第１の光学システム５１は照射光学系であり、ポンプ光５を供給する第１の光ファイバー２９ａとの第１のコネクタ（第１のレーザー光供給ユニット）５２ａおよびストークス光６を供給する第２の光ファイバー２９ｂとの第２のコネクタ（第２のレーザー光供給ユニット）５２ｂから、ポンプ光５およびストークス光６を第１のポイント２ａに照射する共通の第１の対物レンズ５９までの光学経路を構成する複数の光学素子を含む。具体的には、第１の光学システム５１は、第１のコネクタ５２ａを介して導入されたポンプ光５を平行光にする第１のコリメータレンズ５３ａと、ポンプ光５を狭帯域化するバンドパスフィルタ５４ａと、ポンプ光５とストークス光６とを合成して同軸化するダイクロイックミラー（ダイクロイックプリズム）５５とを含む。第１の光学システム５１は、さらに、第２のコネクタ５２ｂを介して導入されたストークス光６を平行光にする第２のコリメータレンズ５３ｂと、ＳＣ光であるストークス光６の短波長側のスペクトル成分を遮断する長波長通過フィルター５４ｂとを含み、長波長通過フィルター５４ｂを通過したストークス光６がダイクロイックミラー５５によりポンプ光５と合成され同軸で、ノッチフィルタ５６を介して対物レンズ５９に導入される。これらのコネクタ、レンズおよびフィルターを含む光学素子は、通常のオペレーション中は、第１のフレーム５０に対し動かないように固定される。

同軸上に合成されたポンプ光５およびストークス光６をキュベット２の所定のポイント（第１のポイント）２ａに集光させる対物レンズ５９は、高いＮＡ値を備えており、ポンプ光５とストークス光６との位相整合条件を緩和している。さらに、本例においては、広帯域の光であるストークス光６を平行光化するコリメータレンズ５３ｂと、ポンプ光５と合成された光を集光する対物レンズ５９とに接合レンズを用いて、色収差の改善を図っている。

第２のモジュール１２に収納される第２の光学システム６１は、第１のポイント２ａからＣＡＲＳ光７を集光する第２の対物レンズ６２から、ＣＡＲＳ光７を分光器３０へ出力する第３の光ファイバー３５との第３のコネクタ（受光ユニット）６５までの光学経路を構成する複数の光学素子を含む。具体的には、第２の光学システム６１は、対物レンズ（集光レンズ）６２と、集められた光からノイズを除去するためのノッチフィルタ６３と、第３のコネクタ６５に対物レンズ６２により採取されたＣＡＲＳ光７を集光するコリメータレンズ６４とを含む。このシステム６１において、コリメータレンズ６４に接合レンズを採用して色収差の補正を行っている。また、これらのコネクタ、レンズおよびフィルターを含む光学素子は、通常のオペレーション中は、第２のフレーム６０に対し動かないように固定される。

図３に、光学ヘッド１０のさらに具体的な構成を示している。また、図４に、光学ヘッド１０を側方（ストークス光６の入射方向）から見た外観を示している。光学ヘッド１０は、エミッションブロック（第１のモジュール）１１と、サンプルホールドブロック（第４のモジュール）１４と、コレクションブロック（第２のモジュール）１２と、これらを支持するサポーティングブロック（第３のモジュール）１３とを含む。ブロック１１〜１４は、上記の順番でサポーティングブロック１３の上に直線的に配置（搭載）されている。それぞれのブロック１１、１４および１２は、サポーティングブロック（共通ベース）１３の高剛性のフレーム（第３のフレーム、共通フレーム）１３ｆにそれぞれ固定された高剛性の第１のフレーム５０、第４のフレーム７０、第２のフレーム６０をそれぞれ含む。

エミッションブロック１１を構成する第１のフレーム５０は方形の箱型で、その内部に、四方の壁５７ａ〜５７ｄに囲われ、２次元に広がった光学素子の収納領域（ベースプレート）５８を含む。第１のフレーム５０の一方の側壁５７ａに、ストークス光６を導入する第２の光ファイバー２９ｂを接続するための第２のコネクタ５２ｂが固定されて、側壁５７ａに隣接する側壁５７ｂにポンプ光５を導入する第１の光ファイバー２９ａを接続するための第１のコネクタ５２ａが固定されており、側壁５７ｂに隣接する側壁５７ｃであって、サンプルホールドブロック１４に向かい合う側壁５７ｃに、ポンプ光５およびストークス光６をキュベット２に照射するための窓（開口）５７ｘが設けられている。したがって、方形の第１のフレーム５０の四方の側壁５７ａ〜５７ｄのうちの３方の壁５７ａ〜５７ｃが光の入出力のために使用され、残りの側壁５７ｄは、ハウジング４０に収納したときにハウジング４０の側壁と対面し、エミッションブロック１１の内部を遮蔽するための壁となっている。

第１のフレーム５０の内部の２次元に広がった領域５８には、ほぼ中心に設置されたダイクロイックミラー５５を中心として直交する３方の光路を形成するように、ストークス光６をダイクロイックミラー５５に導くための第２のコネクタ５２ｂ、第２のコリメータレンズ５３ｂおよびフィルター５４ｂと、ポンプ光５をダイクロイックミラー５５に導くための第１のコネクタ５２ａ、第１のコリメータレンズ５３ａおよびフィルター５４ａと、ダイクロイックミラー５５により合成された光を第１のポイント２ａに導くフィルター５６、対物レンズ５９および照射窓５７ｘとが配置されている。なお、それぞれの光学素子は反射防止膜が施されているが、さらに、コネクタ５２ａおよび５２ｂは後方反射を抑制するためにＡＰＣ（Ａｎｇｌｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｎｔａｃｔ）接続方式にしたがって光軸に対する接続角度が調整されており、フィルター５４ａ、５４ｂ、５６も後方反射を抑制するために光軸に対して適当な角度で傾いて配置されている。

エミッションブロック１１は、さらに、第１のフレーム５０の内部および壁面に配置された第１の光学システム５１に含まれる光学素子の、第１のフレーム５０に対する取付位置を、第１のフレーム５０の壁面および内部に２次元的に広がった収納領域５８を台盤（ベース）として微調整した後に固定する機構を含む。具体的には、エミッションブロック１１は、ポンプ光５を導入する第１のコネクタ５２ａのポンプ光５の光軸５ｘに対する垂直な２次元方向の位置（ＸＹ方向）を第１のフレーム５０、本例では壁面５７ｂに対して微調整した後に固定する第１のＸＹテーブル（第１のＸＹ位置調整ユニット）８２ａと、ストークス光６を導入する第２のコネクタ５２ｂのストークス光６の光軸６ｘに対する垂直な２次元方向の位置を第１のフレーム５０、本例では壁面５７ａおよびその延長壁５７ｅに対して微調整した後に固定する第２のＸＹテーブル（第２のＸＹ位置調整ユニット）８２ｂと、ポンプ光５およびストークス光６が合成された出射光８を出射する第１の対物レンズ５９の出射光８の光軸８ｘ方向（Ｚ方向）にスライドし、その位置を第１のフレーム５０、本例では壁面５７ｃに対して微調整した後に固定するホルダー（フォーカス調整ユニット）８９とを含む。

フォーカス調整ユニット８９の一例は、対物レンズ５９を含む内フレームが第１のフレーム５０に固定された外フレームにねじ込まれており、内フレームを回転することにより対物レンズ５９を軸８ｘ方向に出し入れするものである。フォーカス調整ユニット８９は、外フレームに内フレームを複数のねじにより固定し、それらのねじを締めたり緩めたりすることにより、光軸に沿ったレンズの位置や角度を制御する機構であってもよく、第１のフレーム５０に固定されたレール上で対物レンズ５９を動かす機構などであってもよい。

第１のＸＹテーブル８２ａおよび第２のＸＹテーブル８２ｂは壁面に沿ってコネクタ５２ａおよび５２ｂをそれぞれ２次元方向に移動して固定する共通の構成を備えた微調整用のテーブル１００である。微調整用のテーブル１００の一例は、図３および図４に示すような斜面と調整ねじとを備えた構造である。コネクタ５２ｂを固定する微調整用のテーブル１００を例に説明すると、この微調整用のテーブル１００は、移動対象のコネクタ５２ｂが固定された四角形の外周を備えた内枠１０２と、内枠１０２の周りを取り囲む四角形の内周を備えた外枠１０１とを含む。外枠１０１は第１のフレーム５０の壁面５７ａにネジなどにより固定され、その内部に、光軸６ｘに垂直な壁面１０９が用意される。内枠１０２は、光軸６ｘに垂直な面（壁面）１０９に密着した状態で移動する。

内枠１０２は、四方の外周（四辺）に、壁面１０９に近づくにつれて外側に広がるテーパ面（押さえ面）１０２ａを含む。外枠１０１は、押さえ面１０２ａに対してほぼ垂直な方向から当たる位置調整ねじ１０３と、固定ねじ１０５とを含む。これらのネジ１０３および１０５の壁面１０９に対する角度θ１の一例は１０〜３０度であり、１５〜２５度であってもよい。固定ねじ１０５は、内枠１０２の４方向のテーパ状の４辺１０２ａの中央にそれぞれ配置されており、この固定ねじ１０５を締めることにより、内枠１０２を壁面１０９に押し付けた状態で、すなわち、コネクタ５２ｂを壁面５７ａに密着させた状態で固定できる。

位置調整ねじ１０３は、隣り合う２辺のテーパ面１０２ａに、固定ねじ１０５を挟んで２つずつ配置されている。したがって、位置調整ねじ１０３を外枠１００に対して出し入れ（締めたり緩めたり）することにより、外枠１００に対する内枠１０２の位置を２次元方向（ＸＹ方向）に動かすことができ、さらに、固定ねじ１０５を挟んだ両側の調整ねじ１０３の出入りを調整することにより光軸６ｘ周りに内枠１０２の向きを微調整できる。したがって、この微調整用のテーブル１００は、ベースとなる壁面１０９に対して、内枠１０２の２次元（ＸＹ方向）の位置と、光軸周りの角度を調整できるＸＹθテーブルとして機能する。固定ねじ１０５を緩めてから、位置調整ねじ１０３により内枠１０２の外枠１０１に対する位置を微調整した後に、固定ねじ１０５を締めることにより、コネクタ５２ｂの第１のフレーム５０に対する位置を微調整した後に固定できる。

エミッションブロック１１は、さらに、ポンプ光５を平行光にする第１のコリメータレンズ５３ａを第１のフレーム５０に対して、ポンプ光５の光軸５ｘ方向（Ｚ軸方向）にスライドするように支持し、第１のフレーム５０に対する取付位置を微調整した後に固定できるホルダー（第１のＺ位置調整ユニット）８３ａを含む。エミッションブロック１１は、また、ストークス光６を平行光にする第２のコリメータレンズ５３ｂを第１のフレーム５０に対して光軸６ｘ方向にスライドさせて取付位置を微調整した後に固定できるホルダー（第２のＺ位置調整ユニット）８３ｂを含む。ホルダー８３ａおよび８３ｂの機構としては、ホルダー（フォーカス調整ユニット）８９と同様の機構を採用できる。

エミッションブロック１１は、さらに他の光学素子、例えば、フィルター５４ａおよび５４ｂの取付位置を、それぞれ第１のフレーム５０に対してスライド支持し、取付位置を微調整した後に固定できるホルダー８４ａおよび８４ｂを含んでもよい。同様に、エミッションブロック１１は、ダイクロイックミラー５５の取付位置および角度を微調整でき、その後、固定できるホルダー８５と、フィルター５６の取付位置を微調整でき、その後、固定できるホルダー８６とを含んでもよい。

ホルダー（フォーカス調整ユニット）８９により、両凸の正レンズ５９ａと、その出射側に接合された出射側に凸の負のメニスカスレンズ５９ｂとからなる全体として正のパワーの対物レンズ５９の光軸８ｘ方向の位置を微調整できる。対物レンズ５９の光軸８ｘ方向の位置を調整することにより、ダイクロイックミラー５５の位置・角度などの微調整により同軸で出射されるように調整されたポンプ光５およびストークス光６が合成された出射光８の焦点位置（フォーカシング）を全体として微調整できる。ホルダー８３ａにより、出射側に凸の正のパワーのコリメータレンズ５３ａの光軸５ｘ方向の取付位置を微調整することにより、出射光８におけるポンプ光５の焦点位置（フォーカシング）を独立して微調整することができる。ホルダー８３ｂにより、両凸の正レンズ５３ｂａと、その入射側に接合された入射側に凸の負のメニスカスレンズ５３ｂｂとからなる全体として正のパワーのコリメータレンズ５３ｂの光軸６ｘ方向の位置を微調整することにより、出射光８におけるストークス光６の焦点位置（フォーカシング）を独立して微調整することができる。コリメータレンズ５３ａおよび５３ｂにおいては光束を完全に平行化することは難しく、逆に、コリメータレンズ５３ａおよび５３ｂの位置調整を行うことにより、ポンプ光５およびストークス光６の焦点位置を個別に調整できるようにしている。

さらに、これらの光軸方向（Ｚ方向）の位置調整に加えて、エミッションブロック１１は、ＸＹテーブル８２ａおよび８２ｂにより、ポンプ光５およびストークス光６を受け入れるコネクタ５２ａおよび５２ｂの、それぞれの光軸５ｘおよび６ｘに垂直なＸＹ方向の位置を微調整できる。したがって、エミッションブロック１１においては、ポンプ光５の光路およびストークス光６の光路の位置を、光軸５ｘおよび６ｘに垂直なＸＹ方向および平行なＺ方向のすべてにおいて制御できる。

すなわち、エミッションブロック１１では、出射光８に含まれるポンプ光５の焦点の光軸８ｘに垂直なＸＹ方向、およびストークス光６の焦点の光軸８ｘに垂直なＸＹ方向の位置を独立して制御することができる。このため、このエミッションブロック１１においては、ポンプ光５の、キュベット２に収納されたサンプル３中のフォーカシング位置２ａにおける焦点の光軸８ｘに垂直および平行なＸＹＺ方向の位置と、ストークス光６のＸＹＺ方向の位置とを独立して制御することができ、フォーカシング位置２ａにポンプ光５の焦点とストークス光６の焦点とを精度よく一致させることができる。したがって、効率よくＣＡＲＳ光７を発生させることが可能となり、出力の小さなレーザー光源を用いても、測定に十分な強度のＣＡＲＳ光７を得ることができる。

十分な強度のＣＡＲＳ光７が得られれば、サンプル３に照射するレーザー光の強度は低いことが望ましい。サンプル３の状態、例えば、温度、濃度などを変動させずに測定できるからである。特に、計測装置１が、人体の欠陥内部のグルコースを測定するなどの用途で人体にレーザー光を照射してＣＡＲＳ光７を得るシステムである場合、人体に照射するポンプ光５およびストークス光６は人体に影響を与えない程度のエネルギーであることが望ましい。本例の計測装置１においては、ポンプ光５およびストークス光６の焦点位置をそれぞれ精度よく制御することが可能であり、フォーカシング位置２ａにおけるこれらの光の焦点の誤差を抑制し、低いエネルギーのレーザーを用いて高い出力のＣＡＲＳ光７を得ることができる。

エミッションブロック１１においては、第１のフレーム５０の２次元的に広がった領域５８に、第１の光学システム５１を構成する上記のレンズ５３ａ、５３ｂおよび５９、フィルター５４ａ、５４ｂおよび５６、ダイクロイックミラー５５が２次元的に配置されており、さらに、それらのホルダー８３〜８９も２次元的に配置されている。したがって、エミッションブロック１１を第１のフレーム５０と、収納領域５８を覆う遮光性のカバー（不図示）との構成にすることにより、カバーを外すだけで各光学素子の位置調整をきわめて簡単に行うことができる。また、各光線のＸＹ方向の位置は、第１のフレーム５０の壁面の外側に設けられたＸＹテーブル８２ａおよび８２ｂにより調整できる。さらに、エミッションブロック１１では、他のブロック１２および１４とは別に、独立して、内蔵されたこれらの光学素子の位置の微調整を、予め設定されているフォーカシング位置（第１のポイント）２ａにポンプ光５およびストークス光６が集光するように行うことができ、調整後のエミッションブロック１１を共通ベース１３のフレーム１３ｆに取り付けることにより光学ヘッド１０としての所定の性能を発揮させることができる。

エミッションブロック１１に対し、サンプルホールドブロック１４を挟んで、共通のフレーム１３ｆに取り付けられるコレクションブロック１２を構成する第２のフレーム６０は、平面視が片台形状の５角形の箱型で、その内部に、５方の壁６７ａ〜６７ｅに囲われ、２次元に広がった光学素子の収納領域６８を含む。第２のフレーム６０の側壁のうち、サンプルホールドブロック１４に向かい合う側壁６７ａに、キュベット２から放出されるＣＡＲＳ光７を採取するための窓（開口）６７ｘが設けられおり、側壁６７ａに隣接する側壁６７ｂにＣＡＲＳ光７を導出する光ファイバー３５とのコネクタ６５が固定されている。したがって、片台形の第２のフレーム６０の５方の側壁６７ａ〜６７ｅのうちの２方の壁６７ａおよび６７ｂが光の入出力のために使用され、残りの側壁６７ｃ〜６７ｅは、コレクションブロック１２をハウジング４０に収納したときにハウジング４０の側壁と対面し、コレクションブロック１２の内部を遮蔽するための壁となっている。

全体が片台形の第２のフレーム６０を備えたコレクションブロック１２は、片台形を成すように斜めになった側壁６７ｄがハウジング４０の肉厚になったり曲面となったりしやすいコーナー部の内側に収納しやすい形状である。それとともに、斜めになった側壁６７ｄに折り曲げミラー６６を配置することにより、コレクションブロック１２の内部でＣＡＲＳ光７を光ファイバー３５に導くための光路を折りたたみ、第２の光学システム６１に含まれる複数の光学素子をコンパクトに配置することができる。

第２のフレーム６０の内部の２次元に広がった領域６８には、コーナーに配置された折り曲げミラー６６に対し直交する２方の光路を形成するように、ＣＡＲＳ光７を採取する窓６７ｘおよび対物レンズ６２と、フィルター６３、ＣＡＲＳ光７を集光するコリメータレンズ６４およびＣＡＲＳ光７を出力するコネクタ６５とが配置されている。

コレクションブロック１２も、さらに、第２のフレーム６０の内部および壁面６７に配置された第２の光学システム６１の各光学素子の第２のフレーム６０に対する取付位置を、第２のフレーム６０の内部に２次元的に広がった収納領域６８を台盤（ベース）として微調整した後に固定する機構を含む。具体的には、コレクションブロック１２は、ＣＡＲＳ光７を光ファイバーへ導出する第３のコネクタ６５のＣＡＲＳ光７の光軸７ｘに対する垂直な２次元方向の位置を第２のフレーム６０、本例においては、壁面６７ｂに対して微調整した後に固定する第３のＸＹテーブル（第３のＸＹ位置調整ユニット）９５と、第２の対物レンズ６２のＣＡＲＳ光７の光軸７ｘ方向の位置を第２のフレーム６０に対して微調整した後に固定するホルダー（フォーカス調整ユニット）９２とを含む。また、コレクションブロック１２は、コリメータレンズ６４を第２のフレーム６０に対してスライド支持し、光軸７ｘに沿った取付位置を微調整した後に固定できるホルダー９４を含んでいてもよい。ホルダー９２および９４としては、上記において説明したホルダー（フォーカス調整ユニット）８９と同様の機構を採用できる。また、第３のＸＹテーブル９５には、上述した微調整用のテーブル１００を採用できる。

コレクションブロック１２は、さらに、フィルター６３の取付位置を、それぞれ第２のフレーム６０に対してスライド支持し、取付位置を微調整した後に固定できるホルダー９３と、ミラー６６の取付位置および角度を微調整でき、その後、固定できるホルダー９６と、対物レンズ６２の取付位置を調整でき、その後、固定できるホルダー９２とを含んでもよい。

ホルダー９２により、正のパワーの対物レンズ６２の光軸７ｘの位置を調整することにより、ＣＡＲＳ光７の放出位置の変動に対応することができる。本例では、ホルダー９２により対物レンズ６２を前後に約５ｍｍ移動することができ、キュベット（サンプルセル）２の厚み方向にＣＡＲＳ光７が採取できるポイントを移動できるようにしている。ホルダー９４により、両凸の正レンズ６４ａと、その出射側に接合された出射側に凸の負のメニスカスレンズ６４ｂとからなる全体として正のパワーのコリメータレンズ６４の位置を微調整することにより、対物レンズ６２の移動による光束の広がりに対応でき、ＣＡＲＳ光７をファイバー３５に効率よく導くことができる。さらに、第３のＸＹテーブル９５によりＣＡＲＳ光７を光ファイバーに導出するＸＹ方向の位置を微調整できる。したがって、コレクションブロック１２におけるＣＡＲＳ光７の光路を、光軸７ｘに垂直なＸＹ方向と平行なＺ方向のすべてにおいて制御でき、キュベット２から出力されるＣＡＲＳ光７を効率よく収集し、光ファイバー３５へ導くことができる。

コレクションブロック１２においても、第２のフレーム６０の２次元的に広がった領域６８に、第２の光学システム６１を構成する上記のレンズ６２および６４、フィルター６３、ミラー６６、さらに、それらのホルダー９２〜９６も２次元的に配置されている。したがって、エミッションブロック１１と同様に、コレクションブロック１２を、第２のフレーム６０と、収納領域６８を覆う遮光性のカバー（不図示）との構成にすることにより、カバーを外すだけで各光学素子の位置調整をきわめて簡単に行うことができる。

また、コレクションブロック１２においても、他のブロック１１および１４とは別に、独立して、内蔵されたこれらの光学素子の位置を、予め設定されているＣＡＲＳ光７の発生ポイント（第１のポイント）２ａからＣＡＲＳ光７を効率よく採取できるように予め微調整し、その後、共通の共通ベース１３に取り付けることにより光学ヘッド１０としての所定の性能を発揮させることができる。本例の光学ヘッド１０においては、エミッションブロック１１およびコレクションブロック１２を、共通ベース１３により、サンプルホールドブロック１４を挟んで直線的に配置しているが、予め微調整されたエミッションブロック１１およびコレクションブロック１２を斜めに配置するベース１３を採用し、サンプルから斜めに出力されるＣＡＲＳ光７や、皮膚あるいは血管などの皮下組織からのＣＡＲＳ光７を採取するような光学ヘッド１０を提供することも可能である。

サンプルホールドブロック１４は、共通ベース１３の高剛性フレーム１３ｆに取り付けられる高剛性の第４のフレーム７０と、第４のフレーム７０に対しサンプルを収納したキュベット（サンプルセル）２を固定するサンプルホルダー７２とを含む。サンプルホルダー７２は、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、第４のフレーム７０に対してキュベット２のポジションを、ポンプ光５およびストークス光６を含む照射光（出射光）８の光軸に対してレール７５により平行に移動する第１のステージ７３と、第１のステージ７３の上で照射光８の光軸に対して回転する第２のステージ７４と、第２のステージ７４の上でキュベット２を所定の姿勢で保持するキュベットホルダー７６とを含む。これらのステージ７３および７４により、キュベット２に収納された血液などのサンプルの中で、ポンプ光５およびストークス光６が集光されてＣＡＲＳ光７を発生するポイント２ａの位置（深度方向）と、発生したＣＡＲＳ光７がコレクションブロック１２を介してディテクタ３０に採取される角度とを自由に調整することができる。

キュベットホルダー７６は、図５（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）に示すように、照射光８の光軸に沿った位置が透過窓となった合成の高い支持部７７と、支持部７７に対してキュベット２を弾性的に押し付けて保持する板バネ７８とを含む。このキュベットホルダー７６の構成は一例であり、キュベット２がサンプルホルダー７２のステージ７４に一定の姿勢で保持できるものであればよい。

以上に説明したように、本例の計測装置１は、コンパクトでありながら、個別に光学的な微調整が可能なエミッションブロック（第１のモジュール）１１と、コレクションブロック（第２のモジュール）１２と、それらの位置を固定する共通のフレーム１３ｆを含む第３のモジュール１３とを有する光学ヘッド１０を含む。したがって、ハンディーサイズの計測装置１で、ＣＡＲＳ光７を安定して精度よく採取することが可能であり、ラマン分光、特にＣＡＲＳ光７を用いた計測および分析を行うことができる。この光学ヘッド１０により、ＣＡＲＳ光７の代わりに自発ラマン散乱光を取得することも可能であるが、血液中のグルコース濃度などの血中成分の微量分析を行ったり、血液中の細胞の３次元画像を得たりする目的にはＣＡＲＳ光７を取得することが望ましい。

図６にエミッションブロック１１の構成の幾つかの例を示している。図６（ａ）は、ダイクロイックプリズム５５を用いてポンプ光５およびストークス光６を合成するエミッションブロック１１の概略構成を示す。図６（ｂ）に示すエミッションブロック１１ａは、ミラー１２１とノッチフィルタ１２０との組み合わせにより、ポンプ光５とストークス光６との入力角度を９０度に保った構成である。このエミッションブロック１１ａにおいては、ストークス光６の波長帯は透過し、ポンプ光５の波長帯は反射するノッチフィルタ１２０またはダイクロイックミラーでポンプ光５とストークス光６とを合成する。ダイクロイックプリズム５５を用いる構成に対して、ノッチフィルタ１２０における反射角度を小さくできので、反射効率が高い。また、反射効率の高いノッチフィルタ１２０を利用できるので、合成する際のレーザー光の減衰が小さく、照射強度を確保しやすい構成である。

図６（ｃ）に示すエミッションブロック１１ｂは、ポンプ光５およびストークス光６が反射ミラーを用いずにノッチフィルタ１２０またはダイクロイックミラーにより合成できる構成を含む。反射ミラーを省くことによりさらにレーザー光の減衰を抑制できる。図６（ｄ）に示すエミッションブロック１１ｃは、ポンプ光５およびストークス光６がフォーカシング用の対物レンズ５９に別々に入力され、対物レンズ５９で合成される構成を含む。一方のビームは、幾つかのミラーを経て導かれてもよい。図６（ｅ）に示すエミッションブロック１１ｄは、ポンプ光５およびストークス光６がそれぞれ異なる対物レンズ５９ａおよび５９ｂを介してサンプル３（キュベット２）に集光される構成を含む。このエミッションブロック１１ｄにおいては、波長帯の広いストークス光６に対してパラボリックミラーを用いて集光することにより色収差を削減する構成を採用できる。

いずれのタイプのエミッションブロックであっても、コリメータレンズ５３ａ、５３ｂおよび対物レンズ５９に非球面レンズを用いて収差補正性能を向上することが可能である。特に、波長帯の広いストークス光６が通過するコリメータレンズ５３ｂおよび対物レンズ５９に非球面レンズを用いることにより色収差を改善できる。

図７に、図６（ｂ）に示したタイプのエミッションブロック１１ａのさらに具体的な構成例を示している。図８に、エミッションブロック１１ａの側方から見た構成を示している。このエミッションブロック１１ａも、図６（ｂ）に示した第１の光学システム５１の各光学素子を収納した高剛性の第１のフレーム（第１のハウジング）５０を有する。この例では、ノッチフィルタ１２０における反射角度δ１は、約１０度であり、反射角度δ１は５〜２０度程度であってもよく、５〜１５度程度であってもよい。

また、ＣＡＲＳ信号は常に非共鳴部分を伴って発生するために、測定精度の向上には非共鳴部分の強度を低減することが望ましい。そのために幾つかの方法が提案されており、例えば、時間分解ＣＡＲＳ（Ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ＣＡＲＳ、Ｔ−ＣＡＲＳ）、偏光ＣＡＲＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ 、Ｐ−ＣＡＲＳ）を挙げることができる。図７に示したエミッションブロック１１ａは偏光ＣＡＲＳ用であり、ポンプ光５およびストークス光６の光路にそれぞれ偏光素子を挿入して偏光方向を制御した後に対物レンズ５９を介してキュベット２に照射している。

エミッションブロック１１ａは、ポンプ光５を光ファイバー２９ａから第１のハウジング５０に導入する第１のレーザー光供給モジュール３１０と、ストークス光６を光ファイバー２９ｂから第１のハウジング５０に導入する第２のレーザー光供給モジュール３２０とを含む。第１のレーザー光供給モジュール３１０は、第１のコネクタ５２ａを含むインプットモジュール３５０と、インプットモジュール５３５０の光軸５ｘに対し垂直なＸＹ方向の位置を第１のハウジング５０に対し調整する第１のＸＹテーブル８２ａを含む。第２のレーザー光供給モジュール３２０も、第２のコネクタ５２ｂを含むインプットモジュール３５０と、インプットモジュール３５０の光軸６ｘに対し垂直なＸＹ方向の位置を第１のハウジング５０に対し調整する第２のＸＹテーブル８２ｂを含む。第１のレーザー光供給モジュール３１０は第１のコリメータレンズ５３ａの光軸５ｘに沿った位置（Ｚ位置）を微調整するホルダー８５ａを含み、第２のレーザー光供給モジュール３２０は第２のコリメータレンズ５３ｂの光軸６ｘに沿った位置（Ｚ位置）を微調整するホルダー８５ｂを含む。レーザー光供給モジュール３１０および３２０についてはさらに以下で説明する。

エミッションブロック１１ａに搭載された第１の光学システム５１は、ポンプ光５の入射方向に沿って配置された、第１のコリメータレンズ５３ａと、バンドパスフィルタ５４ａと、偏光素子１２５と、バンドパスフィルタ５４ａと、ポンプ光５をノッチフィルタ１２０の方向に反射するミラー１２１とを含む。また、第１の光学システム５１は、ストークス光６の入射方向に沿って配置された、第２のコリメータレンズ５３ｂと、長波長通過フィルター５４ｂと、偏光素子１２６と、半波長板１２７と、フィルター５４ｂと、ノッチフィルタ１２０とを含み、ノッチフィルタ１２０を透過したストークス光６がポンプ光５と合成され、同軸で対物レンズ５９に導入される。エミッションブロック１１ａは、対物レンズ５９の光軸８ｘに沿った位置を微調整するホルダー８９とを含み、ポンプ光５およびストークス光６の焦点位置を精度よく制御できる。

エミッションブロック１１ａは、さらに、ノッチフィルタ１２０の位置を光軸６ｘに沿って微調整する調整ユニット１３２と、ミラー１２１の回転角度を微調整する調整ユニット１３３と、ノッチフィルタ１２０の位置とミラー１２１の回転角度とを協調制御するリンク機構１３５とを含む。リンク機構１３５はノッチフィルタ１２０とミラー１２１とを結ぶ光軸に沿って延びたリンクレバー１３４と、ミラー１２１を回転する回転機構１３１とを含む。光路調整のためにノッチフィルタ１２０を光軸６ｘに沿って移動すると、回転機構１３１は、リンクレバー１３４がノッチフィルタ１２０の移動により旋回する角度の１／２の角度でミラー１２１を回転する。

図９に示すように、パルス信号で供給されるポンプ光５とストークス光６とを同期するためにノッチフィルタ１２０をΔｂだけ移動すると、ポンプ光５の光路長Ｌｐと、ストークス光６の光路長Ｌｓとは以下のように変化する。
Ｌｐ＝Ａ＋ａ＋（ａ^２＋（ｂ＋Δｂ）^２）^１／２
Ｌｓ＝Ｂ−Δｂ
また、ミラー１２１の回転角度αは、ポンプ光５の反射角の変位βの２倍となるので、リンク機構１３５がノッチフィルタ１２０の移動に伴って自動的にミラー１２１を回転することにより、エミッションブロック１１ａにおけるポンプ光５とストークス光６との同期調整が容易となる。

エミッションブロック１１ａの光学システム５１を支持および内蔵する第１のフレーム５０は、ほぼ方形で四方の側壁５７ａ〜５７ｄを含み、さらに剛性を向上するためにベースプレート５８の張り出し部５７ｅを含む。側壁５７ａ〜５７ｄの適当な位置に給排気用の孔５７ｆが設けられており、光学システム５１が設置される第１のフレーム５０により囲われた内部を換気し、温度および湿度の変化を抑制できるようにしている。

図１０に、ストークス光６を供給する第２のレーザー光供給モジュール３２０を抜き出して示している。ポンプ光５を供給する第１のレーザー光供給モジュール３１０も同様の構成である。図１０（ａ）に、本例で採用したレーザー供給モジュール３２０の具体的な構成を示し、図１０（ｂ）に、レーザー供給モジュール３２０の概念的な構成を模式図により示している。

レーザー光供給モジュール３２０は、第１のＸＹテーブル８２ａおよび第２のＸＹテーブル８２ｂとして機能する共通する構成のＸＹテーブル３００と、ＸＹテーブル３００に対して光軸６ｘに対し垂直な方向（ＸＹ方向）に位置が調整できるように取り付けられたインプットモジュール３５０とを含む。ＸＹテーブル３００においては、外枠３０１に取り付けられたマイクロメータタイプの微調整ねじ３０３により、インプットモジュール３５０が固定された内枠３０２のＸＹ方向の位置が外枠３０１に対して微調整され、固定される。外枠３０１は、ねじ３０９により第１のフレーム５０の側壁５７ａに固定されており、内枠３０２は側壁５７ａに沿って動き、微調整ねじ３０３により第１のフレーム５０に対する位置が調整される。

ＸＹテーブル３００の内枠３０２には、ホルダー８５ｂを介して第２のコリメータレンズ５３ｂが取り付けられている。したがって、第２のコネクタ５２ｂを含むインプットモジュール３５０と第２のコリメータレンズ５３ｂとの光軸６ｘに沿った位置（Ｚ位置）はレーザー光供給モジュール３２０において調整された後、ＸＹテーブル３００を介して第１のフレーム５０に取り付けられＸＹテーブル３００によりインプットモジュール３５０と一体で第１のフレーム５０に対する位置が微調整される。

レーザー光供給モジュール３２０は、さらに、内枠３０２にインプットモジュール３５０をＸＹ方向に位置調整が可能な状態で取り付けるユニット（カバー）３４０を含む。カバー３４０は、インプットモジュール３５０の少なくとも一部を覆うようにねじ３４９により内枠３０２に固定されている。カバー３４０は、内部のインプットモジュール３５０を内枠３０２に押しつけるためのばね（弾性体）３４８と、インプットモジュール３５０の内枠３０２に対するＸＹ方向（光軸６ｘに対する垂直方向）の位置を微調整する調整ねじ（イモネジ）３４３とを含む。したがって、レーザー光供給モジュール３２０においては、内枠３０２に固定された第２のコリメータレンズ５３ｂに対し、ストークス光（レーザー光）６が入射するコネクタ５２ｂのＸＹ方向の位置を、レーザー光供給モジュール３２０の単位で微調整できる。また、インプットモジュール３５０は、内枠３０２に対しばね３４８で加圧され、密着した状態でＸＹ方向に移動し、内枠３０２はフレーム５０の側壁５７ａの表面に密着した状態でＸＹ方向に移動する。このため、フレーム５０を基準として、コリメータレンズ５３ｂのＸＹ方向およびＺ方向の位置を精度よく調整することができる。

また、レーザー光供給モジュール３２０単独で、すなわち、レーザー光供給モジュール３２０を取り出した状態で、コネクタ５２ｂとコリメータレンズ５３ｂとのＸＹ方向およびＺ方向の位置を決めることができる。このため、フレーム５０にレーザー光供給モジュール３２０を取り付ける前に、専用冶具により、ポンプ光５およびストークス光６のそれぞれのレーザー光（ビーム）のコリメート調整を行うことができる。

図１１にコリメート調整を行う専用冶具の一例を示している。この専用冶具３７０は、光学用台板３７９にレーザー光供給モジュール３２０を固定するフレーム３７１と、フレーム３７１から十分に離れた第１の位置に設定される第１のビームプロファイラ３７３と、さらに離れた第２の位置に設定される第２のビームプロファイラ３７５とを含む。専用冶具３７０にセットされたレーザー光供給モジュール３２０を、第１のビームプロファイラ３７３および第２のビームプロファイラ３７５においてビーム径が同一となるように、基板となる内枠３０２に対するインプットモジュール３５０のＸＹ位置をカバー３４０のイモネジ３４３で調整し、コリメータレンズ５３ｂのＺ位置をホルダー８５ｂにより調整する。この調整により、個々のレーザー光供給モジュール３２０におけるコリメータレンズ５３ｂとコネクタ５２ｂとのＸＹ位置およびＺ位置が、平行光束が得られる状態で決定される。したがって、この後は、内枠３０２に対するコリメータレンズ５３ｂの位置およびインプットモジュール３５０の位置は動かさず、固定された状態で、ＸＹテーブル３００により内枠３０２のフレーム５０に対する位置を調整し、フレーム５０に収納される光学システム５１の他の光学素子との関係を調整する。ビームプロファイラ３７３および３７５としては、ビーム計測定器、ターゲットプレート、蛍光体を用いたレーザービュワーなどを用いてもよい。

図７に示したエミッションブロック１１ａは、コレクションブロック１２とともにサポーティングブロック１３に固定することにより光学ヘッド１０を構成できる。サンプルホールドブロック１４をさらにサポーティングブロック１３に固定してもよい。この光学ヘッド１０においては、レーザー光供給モジュール３１０および３２０の単位でコリメータレンズ５３ａおよび５３ｂに対するコネクタ５２ａおよび５２ｂのＸＹおよびＺ方向の位置を調整して第１のフレーム５０に固定する。さらに、エミッションブロック１１ａの単位で第１の光学システム５１の各光学素子の位置を調整して第１のフレーム５０に固定する。また、コレクションブロック１２においても、コレクションブロック１２の単位で第２の光学システム６１の各光学素子の位置を調整して第２のフレーム６０に固定する。さらに、第１のフレーム５０および第２のフレーム６０を共通のフレーム１３ｆに固定することにより光学ヘッド１０を構成する光学素子をフレーム１３ｆに対して精度よく設定および固定することができ、ＣＡＲＳあるいはＳＲＳといった非線形ラマン分光効果を計測するために適した光学ヘッド１０を提供できる。

以上の各例の計測装置１においては、ポンプ光５およびストークス光６を得るために２つのレーザーユニットを採用しているが、単独のレーザーユニットからの出力を、ビームセパレータなどを用いてポンプ光５とストークス光６とに分離して使用するようにしてもよい。また、ストークス光６としてブロードバンドのＳＣ光を採用しているが、波長を制御できるチューナブルレーザーを採用してもよく、チューナブルレーザーを採用した場合は、ディテクタ３０として分光型ではなく、光強度のみを測定する光検出デバイスを採用してもよい。ストークス光の波長に対するＣＡＲＳ光の強度を計測することにより、結果としてＣＡＲＳ光のスペクトルを得ることができる。

また、本例の計測装置１においては、高エネルギーのレーザーを得るために光学ヘッド１０とは別にレーザー光源を用意しているが、光学ヘッド１０に半導体レーザーまたはマイクロチップレーザーなどの小型のレーザー光源を内蔵することも可能である。すなわち、エミッションブロック１１は、第１のレーザー光供給ユニットとして第１のコネクタ５２ａの代わりに、ポンプ光５を出力するレーザー素子を含んでいてもよく、第２のレーザー光供給ユニットとして、第２のコネクタ５２ｂの代わりに、ストークス光６を出力するレーザー素子を含んでいてもよく、これらのレーザー素子は、チューナブルレーザーであってもよい。また、これらのレーザー素子を含む供給ユニットについても光軸に対して垂直な方向（ＸＹ方向）を調整できることが望ましい。

また、光学ヘッド１０に、受光ユニットとして、第３のコネクタ６５の代わりに、ＣＡＲＳ光７を検出するディテクタ（検出器）を収納することも可能である。例えば、コレクションブロック１２に、チューナブルレーザーに対応するＣＣＤなどの光検出デバイスを収納してもよい。検出器についても光軸に対して垂直な方向（ＸＹ方向）を調整出来得ることが望ましい。レーザー源を収納した光学ヘッドを提供することにより、さらにコンパクトな計測装置を提供することが可能であり、例えば、血糖値などを継続して測定するウェアラブルなラマン分析装置として使用できる計測装置を提供することが可能となる。

また、本例の計測装置１の光学ヘッド１０は、エミッションブロック１１、サンプルホールドブロック１４およびコレクションブロック１２が、共通ベース１３により直線的な配置で固定されているが、サンプルホールドブロック１４を省略することも可能である。例えば、皮膚あるいは皮下組織からのＣＡＲＳ光を得るために、皮膚などの測定対象物に向けてエミッションブロック１１およびコレクションブロック１２が配置されるように共通ベース１３にそれぞれのブロック１１および１２を固定することも可能である。

図１２に、皮膚９の皮下組織または毛細血管を照射ポイント（第１のポイント）２ａとして、測定対象のＣＡＲＳ光７を採取する計測装置１の一例を示している。この計測装置１の光学ヘッド１０においては、共通の第３のフレーム１３ｆに、エミッションブロック１１を構成する第１のフレーム５０が、皮下組織の所定のポイント２ａにポンプ光５およびストークス光６が合成された出射光８を照射するように固定され、コレクションブロック１２が照射されたポイントから発せられたＣＡＲＳ光７を採取するように固定されている。計測装置１は、レーザーユニット２０を搭載していてもよく、スペクトロメータ３０を含めた分析ユニット９０を搭載していてもよい。計測装置１は、分析ユニット９０により血糖値などを含めた生体情報を取得し、その情報をユーザーまたはクラウドを介して医療施設などのモニタリングを行う施設に送信する情報取得装置であってもよい。

また、光学ヘッド１０は、ポンプ光５およびストークス光６に限らず、非線形ラマン分光散乱を測定するための他の周波数、周波数帯あるいは他のタイミングで入力される光、例えば、プローブ光などを合成するものであってもよい。また、光学ヘッド１０は、非線形ラマン分光と同時または平行に、他の分光法または光学的分析手法により情報を取得するための光（レーザー光）を第１のポイント２ａに照射するものであってもよい。他の光学的分析手法としては、例えば、光干渉断層像法（ＯＣＴ）、蛍光分析法、レーザー誘導ブレイクダウン発光法（ＬＩＢＳ）などを挙げることができる。

Claims (17)

1. 非線形ラマン効果を得るための周波数帯または周波数の異なる複数の光を第１のポイントに集光する第１のモジュールと、
   前記第１のポイントから発せられる測定対象の光を採取する第２のモジュールと、
   前記第１のモジュールおよび前記第２のモジュールを支持する第３のモジュールとを有し、
   前記第１のモジュールは、高剛性の第１のフレームと、
   前記第１のフレームに固定された複数の光学素子を含む第１の光学システムとを含み、
   前記第２のモジュールは、高剛性の第２のフレームと、
   前記第２のフレームに固定された複数の光学素子を含む第２の光学システムとを含み、
   前記第３のモジュールは、前記第１のフレームおよび前記第２のフレームを固定する高剛性の第３のフレームを含む、光学ヘッド。
2. 請求項１において、
   前記第１のモジュールは、前記第１の光学システムに含まれる少なくとも１つの光学素子の前記第１のフレームに対する取付位置を調整した後に固定する機構を含み、
   前記第２のモジュールは、前記第２の光学システムに含まれる少なくとも１つの光学素子の前記第２のフレームに対する取付位置を調整した後に固定する機構を含む、光学ヘッド。
3. 請求項１または２において、
   前記第１のフレームは２次元的に広がった領域を含み、前記第１の光学システムに含まれる前記複数の光学素子が前記第１のフレームに２次元的に配置されている、光学ヘッド。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第２のフレームは２次元的に広がった領域を含み、前記第２の光学システムに含まれる前記複数の光学素子が前記第２のフレームに２次元的に配置されている、光学ヘッド。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記複数の光の少なくともいずれかを供給する第１のレーザー光供給ユニットおよび第２のレーザー光供給ユニットであって、前記第１のフレームに固定された第１のレーザー光供給ユニットおよび第２のレーザー光供給ユニットを有し、
   前記第１の光学システムの前記複数の光学素子は、前記第１のレーザー光供給ユニットから供給される第１のレーザー光および前記第２のレーザー光供給ユニットから供給される第２のレーザー光を前記第１のポイントに照射する共通の第１の対物レンズへ導く光学経路を構成する複数の光学素子を含み、さらに、
   前記第１のレーザー光供給ユニットの前記第１のレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を前記第１のフレームに対して調整する第１のＸＹ位置調整ユニットと、
   前記第２のレーザー光供給ユニットの前記第２のレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を前記第１のフレームに対して調整する第２のＸＹ位置調整ユニットとを有する、光学ヘッド。
6. 請求項５において、
   前記第１のレーザー光を平行光にする第１のコリメータレンズと、
   前記第２のレーザー光を平行光にする第２のコリメータレンズと、
   前記第１のコリメータレンズの前記第１のレーザー光の光軸方向の位置を前記第１のフレームに対して調整する第１のＺ位置調整ユニットと、
   前記第２のコリメータレンズの前記第２のレーザー光の光軸方向の位置を前記第１のフレームに対して調整する第２のＺ位置調整ユニットとを含む、光学ヘッド。
7. 請求項６において、
   前記第１のＺ位置調整ユニットは、前記第１のレーザー光供給ユニットとともに前記第１のＸＹ位置調整ユニットを介して前記第１のフレームに固定され、
   前記第２のＺ位置調整ユニットは、前記第２のレーザー光供給ユニットとともに前記第２のＸＹ位置調整ユニットを介して前記第１のフレームに固定されている、光学ヘッド。
8. 請求項７において、
   前記第１のレーザー光供給ユニットは、前記第１のコリメータレンズに対して前記第１のレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を調整するユニットを含み、
   前記第２のレーザー光供給ユニットは、前記第２のコリメータレンズに対して前記第２のレーザー光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を調整するユニットを含む、光学ヘッド。
9. 請求項５ないし８のいずれかにおいて、
   前記第１のレーザー光供給ユニットは、前記第１のレーザー光を供給するレーザー素子または前記第１のレーザー光を供給する光ファイバーとの第１のコネクタを含み、
   前記第２のレーザー光供給ユニットは、前記第２のレーザー光を供給するレーザー素子または前記第２のレーザー光を供給する光ファイバーとの第２のコネクタを含む、光学ヘッド。
10. 請求項５ないし９のいずれかにおいて、
    前記第１の対物レンズの光軸方向の位置を前記第１のフレームに対して調整するフォーカス調整ユニットを含む、光学ヘッド。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記第１のポイントにサンプルが固定される第４のモジュールを有し、
    前記第４のモジュールは、前記第３のフレームに固定される高剛性の第４のフレームと、前記第４のフレームに固定されたサンプルホルダーとを含む、光学ヘッド。
12. 請求項１１において、
    前記第４のモジュールは、前記サンプルホルダーの向きを調整した後に固定する機構を含む、光学ヘッド。
13. 請求項１ないし１２のいずれかにおいて、
    前記第２の光学システムの前記複数の光学素子は、前記測定対象の光を集光する第２の対物レンズから、前記測定対象の光を受光する受光ユニットまでの光学経路を構成する複数の光学素子を含む、光学ヘッド。
14. 請求項１３において、
    前記受光ユニットの前記測定対象の光の光軸に対する垂直な２次元方向の位置を前記第２のフレームに対して調整する第３のＸＹ位置調整ユニットと、
    前記第２の対物レンズの前記測定対象の光の光軸方向の位置を前記第２のフレームに対して調整するフォーカス調整ユニットとを含む、光学ヘッド。
15. 請求項１３または１４において、
    前記受光ユニットは、前記測定対象の光を検出する検出器、または前記測定対象の光を検出器へ導く第３の光ファイバーとの第３のコネクタを含む、光学ヘッド。
16. 請求項１ないし１５のいずれかにおいて、
    前記測定対象の光は、誘導ラマン散乱またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱の少なくともいずれかによって発せられた光を含む、光学ヘッド。
17. 請求項１ないし１５のいずれかに記載の光学ヘッドと、
    前記複数の光を出力する光源ユニットと、
    前記測定対象の光を検出する検出器とを有する計測装置。
    

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