JP6685553B2 - 光応答計測装置および光応答計測方法 - Google Patents

Description

本発明は光応答計測装置および光応答計測方法に関する。さらに詳細には、本発明は、光学的なスキャンを必須とせずに光（電磁波）による断層画像の取得を可能とする光応答計測装置および光応答計測方法に関する。

近年、非破壊・非侵襲で観察対象物の断層撮影を行なう手法の一つとして、光（電磁波）を利用するＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）が開発されている。ＯＣＴは眼底の網膜の断層画像（tomogram）や血管の内壁の断層画像の撮影に既に適用され、一部では臨床診断にまで利用されている。ＯＣＴでは、測定対象物に向けて照射する光（計測光）として近赤外などの波長をもつコヒーレント光を採用することにより、検出される光（検出光）において物質や組織（被検出特徴部）の構造を反映する周囲とは異なる光応答から、被検出特徴部の内部の各構造の位置が算出され、必要に応じ画像化される。ＯＣＴは、マイケルソン干渉計の光路配置を利用している。具体的には、マイケルソン干渉計の２つの光路（アーム）の一方をリファレンスミラーに照射して参照光とし、他方を測定対象物に入射させることにより計測光とし、測定対象物内部に計測光が向かう際の奥行き方向（侵入方向）の情報が取得される。測定対象物からは、侵入方向の各部の反射または後方散乱による検出光が取得され、検出光を参照光と再び同一の光路に戻すことにより、相関または干渉を引き起こして強度の測定が可能となるのである。高い分解能の画像が得られるＯＣＴは、たとえば組織病理検査（バイオプシー）を非破壊・非侵襲で実行する手段にもなりうるとして期待されている。

初期のＯＣＴ（タイムドメインＯＣＴ、ＴＤ−ＯＣＴ）では低コヒーレント光による短時間のパルスが利用され、参照光の光路長を機械的に変更するスキャン動作が必須であった（例えば特許文献１、特許文献２）。近時のＯＣＴでは、より高精度な画像を取得したり、また、リアルタイムで画像化したりすることを目指し、光路長の機械的スキャンに代え、複数の波長を利用して光の侵入方向の情報が取得される。複数の波長を利用するＯＣＴは、何らかの形でフーリエ変換が利用されることから、フーリエドメインＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）などと呼ばれている。ＦＤ−ＯＣＴを大別すると、多波長の計測光を同時に照射しスペクトル情報を分光により得る手法（スペクトルドメインＯＣＴ、ＳＤ−ＯＣＴ、例えば特許文献３）、および、各瞬間では単一の周波数（波長）であるものの周波数をスイープし各周波数で得られた強度信号からスペクトル情報を得る手法（ＳＳ−ＯＣＴ：Ｓｗｅｐｔ−ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）に分けられる（例えば特許文献３）。これらを含むＦＤ−ＯＣＴでは、観察対象物に対しレーザーなどのコヒーレントな計測光を照射し、観察対象物から戻る光（検出光）が示す位相に応じた光の強度が干渉を利用して測定される。

特開平４−１７４３４５号公報 特表平６−５１１３１２号公報（米国特許５３２１５０１号明細書） 米国特許５９５６３５５号明細書 特開２００４−３１７５７３号公報（特許４１８３５４６号公報）

しかし、断層画像を得るためには、ＦＤ−ＯＣＴであっても照射部位自体を線に沿って逐次に変更するようなスキャン動作が依然として必要である。このような断層画像を得るための動作はＢ−ｓｃａｎとも呼ばれ、そのＢ−ｓｃａｎのためにＦＤ−ＯＣＴではガルバノミラーなどの機械的なスキャン光学系が必要となる。さらに３次元でのボリューム画像やボクセルデータを得るためには、照射範囲における走査される線をずらす向きの追加の機械的走査も必要となる。このように、ＴＤ−ＯＣＴ以外の従来のＯＣＴにおいても、断層画像や３次元のボリューム画像のためには、線上または面的な範囲を対象とする機械的スキャンが依然として必須である。その結果、従来のＯＣＴでは単位時間当たりの画像の取得枚数が制限される。従来のＯＣＴで逐次取得される各照射部位での測定のを高速化するためには、特にＳＳ−ＯＣＴにおいて周波数スイープの速度を向上させることが指向されている。

また、従来のＯＣＴでは、計測光を照射して得られる検出光と参照光が同一の波長であり、干渉後の強度測定のためは当該波長に感度をもつ検出器を使用しなくてはならない。ＳＤ−ＯＣＴでは分光器を分散素子（回折格子など）と１次元センサーアレイを組み合わせるポリクロメーターを利用する。しかし、センサーアレイは集積回路技術の制約から作製可能な材質が限られており、そのために感度の得られる波長範囲が限定される。また、ＳＳ−ＯＣＴではセンサーアレイは用いないが、高速な応答が可能な光検出器が必要となる。しかし、そのような光検出器が入手できる波長範囲は限定されている。これらの理由から、ＯＣＴで高い実用性が得られるのは、適切な光検出器が得られる波長範囲の計測光を採用する場合のみとなっている。測定対象物のもつ光学的性質に適合した計測光の波長を選択しようとしても、光検出器の制約を考慮しなくてはならない。

本発明は上述した問題の少なくともいくつかを解決することを課題とする。本発明は、計測に利用する光の波長をより自由に決定しつつ、スキャンを必須とせずに応答性の計測を可能にすることにより、光による断層画像の取得技術の発展に貢献する。

本願の発明者らは、従来のＯＣＴの研究動向において従来注目されてこなかった検出・受光のプロセスに着目した。その際に注目したのは非線形波長変換の手法を利用することである。光電界への応答の際に非線形性を呈する媒質にレーザー光などのコヒーレント光を入射させると、光電界を強めるにつれて媒質中の電子の応答が線形領域から逸脱しはじめ非線形光学現象が生じる。この非線形光学現象を利用すると、入射した波長を他の波長に変換することができる。そして、本願の発明者らは、この非線形光学現象において、そこに含まれる波長変換などの現象自体が光の位相に敏感である点に注目した。測定対象物から取得された光（検出光）のもつ位相の検出・受光の処理にこの性質を利用すれば、より自由な波長の光を計測光や検出光とした場合でも位相情報を検出することができる。

すなわち、本発明のある態様においては、第１波長の光および第２波長の光をもつ光の対を生成する光源と、該光の対が入射され、入射した該光の対との間での位相が維持された計測波長の計測光を生成する第１波長変換素子と、前記計測光が照射された測定対象物の照射範囲から得た検出光が入射され、前記光の対の位相を引き継いでいる参照光と該検出光に含まれ位相が決定されるべき光とが入射されると変調済み参照光を生成する第２波長変換素子と、ここで、前記検出光は、前記照射範囲に含まれる第１照射部位と第２照射部位とにおける前記測定対象物の前記計測光に対する応答を反映する第１位相および第２位相をもっており、前記変調済み参照光は、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相のそれぞれに応じて第１の部分的強度および第２の部分的強度が変調さており、前記変調済み参照光が入射され、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相それぞれに対応する該変調済み参照光の前記第１の部分的強度および第２の部分的強度を測定するための光強度センサーアレイとを備えてなる測定対象物の光応答計測装置が提供される。

本発明の上記態様は方法の発明として実施することもできる。すなわち、第１波長の光および第２波長の光をもつ光の対を生成するステップと、該光の対を第１波長変換素子に入射させることにより、該光の対との間での位相が維持された計測波長の計測光を生成するステップと、測定対象物のある照射範囲に前記計測光を照射し、該照射範囲に含まれる第１照射部位と第２照射部位とにおける該測定対象物の該計測光に対する応答を反映する第１位相および第２位相をもつ検出光を得るステップと、前記光の対の位相を引き継いでいる参照光と前記検出光とを第２波長変換素子に入射させ、前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光と前記参照光とを該第２波長変換素子に作用させることにより、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相のそれぞれに応じて第１の部分的強度および第２の部分的強度が変調された変調済み参照光を得るステップと、該変調済み参照光を光強度センサーアレイに入射させることにより、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相それぞれに対応する該変調済み参照光前記第１の部分的強度および第２の部分的強度を測定するステップとを含む測定対象物の光応答計測方法が提供される。

また、本発明の上記各態様においては、非線形波長変換における位相整合の条件にコリニア位相整合を採用することが好ましい。すなわち、本発明の上記態様においては、前記検出光に含まれ位相が決定されるべき前記光と前記参照光とが互いに向きを一致させて前記第２波長変換素子に入射され、コリニア位相整合条件の下で前記変調済み参照光が生成される、光応答計測装置または光応答計測方法が提供される。

さらに本発明においては、上記態様とは別の態様として、１つの波長の光源を採用し、その出力から複数の波長の光を生成するような波長変換子を使用することにより同様の機能をもつ装置も提供することができる。すなわち、本発明の別の態様においては、第１波長の光を生成する光源と、該第１波長の光から計測波長の計測光と第２波長の光とを生成する第１波長変換素子と、前記計測光が照射された測定対象物の照射範囲から得た検出光が入射され、前記第１波長の光の位相と前記第２波長の光の位相とを引き継いでいる参照光と該検出光に含まれ位相が決定されるべき光とが入射されると変調済み参照光を生成する第２波長変換素子と、ここで、前記検出光は、前記照射範囲に含まれる第１照射部位と第２照射部位とにおける前記測定対象物の前記計測光に対する応答を反映する第１位相および第２位相をもっており、前記変調済み参照光は、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相のそれぞれに応じて第１の部分的強度および第２の部分的強度が変調さており、前記変調済み参照光が入射され、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相それぞれに対応する該変調済み参照光の前記第１の部分的強度および第２の部分的強度を測定するための光強度センサーアレイとを備えてなる測定対象物の光応答計測装置が提供される。

また、本発明の上記態様は方法の発明として実施することもできる。すなわち、第１波長の光を生成するステップと、該第１波長の光を第１波長変換素子に入射させることにより、該光との間での位相が維持された計測波長の計測光および第２波長の光を生成するステップと、測定対象物のある照射範囲に前記計測光を照射し、該照射範囲に含まれる第１照射部位と第２照射部位とにおける該測定対象物の該計測光に対する応答を反映する第１位相および第２位相をもつ検出光を得るステップと、前記第１波長の光の位相と前記第２波長の光の位相とを引き継いでいる参照光と前記検出光とを第２波長変換素子に入射させ、前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光と前記参照光とを該第２波長変換素子に作用させることにより、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相のそれぞれに応じて第１の部分的強度および第２の部分的強度が変調された変調済み参照光を得るステップと、該変調済み参照光を光強度センサーアレイに入射させることにより、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相それぞれに対応する該変調済み参照光前記第１の部分的強度および第２の部分的強度を測定するステップとを含む測定対象物の光応答計測方法が提供される。

本発明の上記態様のうち光の対を採用するものでは、光の対の光源にはレーザーが主として利用される。光の対の生成の手法は、本発明において限定されない。たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなどの一つの波長の光であるポンプ光からＫＴｉＯＰＯ_４結晶の光パラメトリック発振（ＫＴＰ−ＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ））を利用して二つの波長の近赤外の光を生成し、これを光の対とすることができる。なお、その光の対の生成のための光パラメトリック発振器は、非線形光学素子を有する波長変換素子ではあるが、光の対を利用する上記態様における第１または第２波長変換素子とは別のものである。また、チャープファイバーブラッグ回折格子とレーザー発振用半導体増幅器とを組み込んだファイバーリングレーザーや、近赤外で２波長の同時発振が可能なレーザーなどにより光の対を直接生成することも有用である。これらの手段により生成された光の対をなすそれぞれの波長の光は高いコヒーレンスを示す。

また、本発明の上記態様のうち１つの波長の光を生成する光源を採用するものでは、光源の典型例は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（波長：１０６４ｎｍ）や第２高調波（波長：５３２ｎｍ）また、第３高調波（波長：３５５ｎｍ）である。

本発明のいずれの態様においても、第１波長と第２波長は、光の対をなす光の波長および光自体を互いに区別するために波長が互いに異なることを示しているのみであり、それぞれの波長の値や、必要な場合に変調される波長範囲、互いの強度比は適宜決定される。これらの波長により、第１波長変換素子にて非線形光学現象を通じて生成される計測光の波長または波長範囲が決定される。

第１波長変換素子は、波長変換性をもつ任意の素子を指す。典型的には、無機物や有機物の結晶の非線形光学素子が典型的なものである。結晶格子の対称性や、結晶を構成する原子または分子における電子の応答性に起因して、光電界に対し非線形応答を示す材質から、必要な波長変換（周波数変換）特性が得られる材質や結晶の切り出し方位が適宜選択される。波長変換特性は、２次、または３次といった高次の非線形感受率（χ^（２）、χ^（３））をもつ材質に、ある程度の強度の光を作用させた場合に発現する。この非線形波長変換の作用は、光源からの光の対を利用する態様においては、第１波長および第２波長それぞれに対応する周波数から、差周波生成（ＤＦＧ）、和周波生成といったエネルギー保存則を満たす別の周波数（波長）の計測光を生成する任意の作用を示している。この態様に適する典型的な第１波長変換素子は、例えば差周波生成や機能を果たすものである。

一方、光源からの１つの波長の光を利用する態様においては、第１波長に対応する周波数から、光バラメトリック生成により、エネルギー保存則を満たす別の２つの周波数（波長）の光を生成する任意の作用も使用される。この態様に適する典型的な第１波長変換素子は、例えば光パラメトリック生成（ＯＰＧ）の機能を果たすものである。この態様では、生成される２つの波長の光は、第２波長の光（アイドラー光）と計測光（信号光）となる。本発明の各態様で計測光として利用されるのは、その非線形波長変換の作用により生成された光である。

このように、第１波長変換素子の作用は、第１波長の光と第２波長の光を含む光の対から、または第１波長の光から、計測光を生成する作用である。

計測光は、計測のために測定対象物に照射する電磁波であり、第１波長、第２波長の光から、または第１波長の光のみから生成可能な波長をもち、測定対象物に照射される任意のものを指す。計測光の波長（計測波長）は計測の目的に応じて選択される。その選択の際に考慮されるのは、光応答装置の動作上の条件としては、生成可能な波長であること、第２波長変換素子により参照光との間で所望の波長変換作用をもつこと、などである。それ以外にも、測定対象物との関係も考慮される。

具体的には、測定対象物へ外部から照射される計測光は、所望の光応答が取得できるかどうかを考慮して波長が選択される。たとえば、測定対象物の内部の構造を調べる用途では、どの程度の侵入性（透過性）が必要であるかが勘案されて用途に応じた波長が選択される。一例として、近赤外域のうち水の吸収の少ない波長範囲は、生体の内部の断層画像を取得することに適している。また別例として、テラヘルツ波は、透過性が高いため非破壊での物体の内部構造の検査に適している。計測光は、位相が第１波長の光と第２波長の光とのなす光の対に対して維持される。この点については後述する。

測定対象物は、本発明の態様において測定の対象とする任意の物体であり、測定目的に合せて選択される。測定対象物は、本発明を適用する用途に依存して典型例が種々想定できる。たとえば、本発明のいずれかの態様では、ＯＣＴにおいて対象とされる生体のいずれかの部分の表面や内部構造を調査することができる。また、ＯＣＴに比べ計測光の波長はより広範な範囲とすることができる。このため、本発明のいずれの態様においても、従来のＯＣＴにおいて対象とされない物体を測定対象物とすることができる。

照射範囲との用語は、高々２次元的な広がりの範囲を指している。なお、計測光と測定対象物の選択によっては、照射範囲の表面から計測光が測定対象物の内部に侵入し奥行き方向（侵入方向）に計測光が届く可能性がある。このため、光の侵入方向の構造は照射範囲の各点（照射部位）において取得される。３次元構造のために断層画像を取得する用途では、典型的な照射範囲は２次元の広がりの範囲をもつ。

第１照射部位および第２照射部位は、照射範囲において位置が特定される点またはそれを含む微小領域と、当該点または微小領域から計測光が侵入する侵入方向の領域とを含んでいる。例えば、測定対象物における照射範囲は、測定対象物のうちの計測光を照射する範囲となるため、第１照射部位および第２照射部位は、測定対象物の表面の互いに異なる点またはその点で代表される微小領域と、計測光の侵入方向の領域とである。本出願で言及される第３照射部位についても同様である。第１〜第３照射部位は、発明を明確に説明することを目的として言及される。

検出光は計測光が照射された測定対象物から得られる検出対象となる光である。検出光はそれ自体の位相をもつ。その位相は通常の電磁波と同様に、計測光に対して測定対象物が応答することにより変化する。これらの変化は計測光の位相からの遅れ（位相遅れ、位相差）として反映される。測定上は、検出光の位相同士の相対的な位相遅れが強度に変換されて検出される。計測光に対する測定対象物の応答は、反射・透過・散乱（後方散乱、前方散乱、多重散乱を含む）・拡散・旋光・遅延・複屈折・吸収・脱偏光・偏光解消といった検出光を生成する現象に結果としてつながる任意の応答の個別のもの、およびそれらの組合せをすべて含んでいる。これらの応答に反映されるのは、典型的には、測定対象物の被検出特徴部とその周囲との材質の違いや、被検出特徴部の測定対象物内部での位置といった構造的特徴である。検出光は、位相の情報以外にも、光電界の振幅つまり光の強度の情報を伝達する。検出光の取得方向は特に限定はされない。典型的には、検出光は、計測光を反転した方向から、つまり測定対象物から反射する方向において取得される。

第２波長変換素子も、第１波長変換素子と同様に波長変換性を示す任意の素子を指す。第２波長変換素子は第１波長変換素子と同種の物質であっても別種の物質であってもよい。第２波長変換素子は、入射される参照光と検出光に対し作用して、検出光が伝える情報（強度、位相）を参照光の強度に反映させる。ここで、第２波長変換素子に入射する参照光は、元の光の対の位相を引き継いでいる。典型的な参照光は、第１波長の光の一部、第２波長の光一部、またはそれらの両方の一部である。検出光とともに第２波長変換素子に入射した参照光は、検出光に応じてその強度が変調される。その変調の程度は検出光の強度の増減に応じ増減する。また、その変調の程度は検出光の位相からも影響を受ける。第２波長変換素子にて強度変調を受けた参照光を本出願では変調済み参照光と呼ぶ。

第２波長変換素子は、好ましくは、検出光のうちの位相を決定するべき光と参照光とに対しコリニア位相整合条件の成立時のみ上記作用を発揮するようなものとすることができる。

変調済み参照光は光強度検出器により強度が測定される。光強度検出器を、複数の光強度検出のための検出器を配列した光強度センサーアレイとすることにより、変調済み参照光の複数の部分的強度（第１の部分的強度および第２の部分的強度）を、互いに独立に、かつ並行して決定することが可能となる。このことは、計測光の照射範囲内で上述した第１および第２照射部位に対応している検出光の複数の位相（第１位相および第２位相）を決定するために、集光点の走査も、また検出点の走査も必須ではないことを意味している。

なお、本出願においては不明瞭にならない限り本発明の分野の慣用に従う用語法を利用する。たとえば赤外放射やテラヘルツ域の放射といった可視光ではない電磁波や電磁放射に対しても、「光」、「光源」、「発光」、「光応答」、「屈折」等と光学分野で使用される表現を用いる。このためテラヘルツ光とはテラヘルツ域の電磁放射を指す。また、本発明の各態様において、単一または複数の画像やそのためのデータが画像と表現される。画像のうちには、時間的に継続している映像も含まれている。

本発明のいずれかの態様においては、集光点のスキャンを極力利用することなく断層画像を得るための測定を実施することが可能となる。また、本発明のいずれかの態様においては、計測に利用する光の波長をより自由に選択することができる。

本発明の実施形態の一例の光応答計測装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態における光応答計測装置を利用して実現される一例の光応答計測方法における現象の推移または操作を示すフローチャートである。 図１に示した本発明の実施形態の光応答計測装置における受光系の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態において参照光と検出光とを受けた第２波長変換素子の作用を示す模式図である。 本発明の実施形態の光応答計測を理想化した状況において、検出光の位相に対し変調済み参照光の強度を計算した計算例を示すグラフである。 本発明の実施形態の光応答計測に使用される代表的な光の対の波長および非線形光学結晶の組合せと、各組み合わせにおいて生成される計測光の波長範囲（周波数範囲）を示す説明図である。

以下、本発明に係る光応答計測装置および光応答計測方法の実施形態を説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。

１．実施形態の構成
１−１．ＤＦＧ（差周波生成）を採用する場合
１−１−１．装置の全体構造
まず、本発明の実施形態における一例の装置の全体構成を概説する。装置の全体の構成や動作の概略を説明するために、まず光の対を利用して差周波発生（ＤＦＧ）による波長変換を利用して計測光を生成する構成を中心に説明する。図１は本発明の実施形態の一例の光応答計測装置１００の概略構成を示す模式図である。光応答計測装置１００は、大別して、測定対象物５０に対して計測光ＬＭを照射する照射系１２０と、計測光が照射された測定対象物５０から得られる検出光ＬＳを受光する受光系１６０とにより構成される。照射系１２０は、２波長（第１波長、第２波長）の光を生成する光源１２２、および波長変換素子（第１波長変換素子１２６）を備えている。また、受光系１６０は、別の波長変換素子（第２波長変換素子１６４）、およびセンサーアレイ（光強度センサーアレイ）１６８を備えている。必要に応じ、テレスコープ光学系１２４および１６２の少なくともいずれかを照射系１２０および受光系１６０のいずれかまたはその両方に配置して、ビームサイズの調整といった実施上の変形が行なわれる場合もある。また、適宜にミラー１４２、誘電体多層膜ミラー１４４を配置して、計測に適する光路が実現されている。受光系１６０には、必要に応じ検出光カットフィルター１６６も配置される。

１−１−２．現象
次に、光応答計測装置１００を利用して計測が実施される際の物理現象を、時間の進行順に説明する。図２は、光応答計測装置１００を利用して実現される一例の光応答計測方法における現象の推移または操作を示すフローチャートである。図１も引き続き参照して説明する。まず光源１２２において、光の対ＬＰが生成される（Ｓ１０２）。次に、この光の対ＬＰが第１波長変換素子１２６に入射され、計測光ＬＭが生成される（Ｓ１０４）。この計測光ＬＭは、第１波長変換素子１２６の内部で非線形波長変換（例えば差周波生成）により生成される。この際、光の対ＬＰの位相を引き継いでいる光が参照光ＬＲとされる。図１では光の対ＬＰのうち第１波長変換素子１２６を通り抜けたものが参照光ＬＲとして描かれている。

その計測光ＬＭは測定対象物５０に照射され、測定対象物５０からは光応答としての検出光ＬＳが取得される（Ｓ１０６）。この際、計測光に対して測定対象物５０の照射範囲Ｓ中の各照射部位の示す光応答に応じ、検出光ＬＳの強度と位相差が定まる。

検出光ＬＳは、光の対ＬＰの位相を引き継いでいる参照光ＬＲとともに第２波長変換素子１６４に入射される（Ｓ１０８）。第２波長変換素子１６４では、非線形光学現象の示す波長変換の作用により、参照光ＬＲの強度が、測定対象物５０の各照射部位での検出光ＬＳのもつ強度や位相差に応じた強度となるように変調される。この参照光ＬＲの強度変調の程度は、第２波長変換素子１６４の媒質中で検出光ＬＳと参照光ＬＲの波数が適切な位相整合条件（例えばコリニア位相整合条件）を満たすかどうかにも依存している。こうして第２波長変換素子１６４で強度が変調された参照光を変調済み参照光ＬＤと呼ぶ。変調済み参照光ＬＤはセンサーアレイ１６８に入射し、そこで強度測定される（Ｓ１１０）。その際、変調済み参照光ＬＤに含まれている複数の部分的強度がセンサーアレイ１６８の異なるセンサーにより並行して測定される。そして、センサーアレイ１６８から、各強度を示す信号が読み出される（Ｓ１１２）。

１−１−３．他の光学要素
図１に示した残りの光学素子はこのような現象を適切に生じさせるように適宜配置される。参照光ＬＲが第１波長変換素子１２６を通過した後の光の対である場合には、図１に示したミラー１４２、誘電体多層膜ミラー１４４が利用される。具体的には、第１波長変換素子１２６からの参照光ＬＲを第２波長変換素子１６４に導くようにミラー１４２を配置する。また、誘電体多層膜ミラー１４４は、参照光ＬＲの光軸と検出光ＬＳの光軸とを一致させながら検出光ＬＳを第２波長変換素子１６４に導くように配置する。これらミラーの有無や、使用する場合の反射・透過特性や配置は、実際の光路構成に適合させ、参照光ＬＲ、計測光ＬＭ、検出光ＬＳの波長に応じて選択することができる。同様に、検出光カットフィルター１６６も配置される。検出光カットフィルター１６６の特性は、それを透過して漏れる検出光ＬＳの強度や、センサーアレイ１６８が検出光により受ける影響に応じて、変調済み参照光ＬＤの波長や検出光ＬＳの波長に適合するように調整される。例えば、センサーアレイ１６８が検出光ＬＳに対して感度をもたないものであるなら、検出光カットフィルター１６６は不要である。

また、実施上の都合により、図１に示していない光学要素を追加したり別の光路配置としたりすることも有用となりうる。検出光ＬＳが可視光や近赤外である場合、可視光や近赤外で常用される任意の光学要素を利用することができる。検出光ＬＳがテラヘルツ波である場合でも、たとえば、放物面ミラーを利用して測定対象物５０に対する検出光の収束性を調整したり、本願の発明者の一部により開発済みのテラヘルツ波に対して良好な透過特性を示すシクロオレフィン系材料の屈折素子（プリズムやレンズ類）を配置することができる（特許文献４）。また、参照光ＬＲは、光の対ＬＰの位相を引き継いでいるものである限り、上述したものとは別の構成とすることもできる。例えば、第１波長変換素子１２６に入射する前に光の対ＬＰの一部を分岐し、図示しない適当な光学素子によって非線形光学素子を経由させずに参照光ＬＲとして第２波長変換素子１６４に入射させてもよい。

１−１−４．画像化の範囲
上述した構造の光応答計測装置１００により上述した光応答計測方法を実施し、センサーアレイ１６８で検出される強度情報を適切に処理すれば、測定対象物５０の断層画像を得ることができる。その画像化可能な領域の範囲は、計測光ＬＭが照射される照射範囲Ｓかつ計測光ＬＭが到達する奥行き方向の深さ限界の範囲のうち、計測光ＬＭとの間でのコヒーレンスを失わない検出光ＬＳが得られるような領域となる。そしてセンサーアレイ１６８が１次元センサーアレイや２次元センサーアレイなどの異なる位置の光強度を並行して取得しうるセンサーアレイであれば、測定対象物５０の照射範囲Ｓのうちの異なる照射部位おける強度および位相を、スキャンに頼ることなく取得することができる。

この断層画像を取得できる範囲について、計測光ＬＭと検出光ＬＳを反転した向きとする例である図１の光応答計測装置１００に即して説明する。測定対象物５０のうち断層画像を取得できる範囲は、上述したとおり、その計測光ＬＭの光線の広がり方向きについて照射範囲Ｓで決まるのに対し、その計測光が侵入する方向については、計測光ＬＭが減衰したりコヒーレンスを失わずに到達し、検出光ＬＳが減衰したりコヒーレンスを失わずに得られる範囲で決まる。具体的には、各照射部位からの計測光ＬＭの強度には、反射または散乱といった計測光ＬＭの方向を反転させる現象の発現の程度が主として反映される。これに対し各照射部位からの計測光ＬＭの位相差には、当該現象を生じさせる被検出特徴部Ｆの測定対象物５０中の奥行き方向の位置が主として反映される。このような被検出特徴部Ｆが検出されるためには、第２波長変換素子１６４において参照光ＬＲの強度へ反映できる程度に元の計測光ＬＭのもつコヒーレンスが検出光ＬＳに残存している必要がある。このため、検出光ＬＳが強度として得られる位置であっても、必ずしもその位置の画像が得られるとは限らない。

１−１−５．データ取得の原理
次に、測定原理を詳述する。引き続き、差周波発生（ＤＦＧ）を原理として動作する構成に基づいて説明する。まず、第２波長変換素子１６４において生じる現象に着目する。第２波長変換素子１６４に入力される光は、検出光ＬＳと参照光ＬＲである（図１）。これらのうち、参照光ＬＲは光の対ＬＰの一部である。図１では、第１波長変換素子１２６において計測光ＬＭに変換されず通り抜けた光の対を参照光ＬＲとして利用している。検出光ＬＳと参照光ＬＲは、典型的な動作においては、同一方向で第２波長変換素子１６４に入射するように光軸が互いに一致させられており、検出光ＬＳの断面の範囲をカバーするように参照光ＬＲの断面の広がりが必要に応じ調整される（断面の範囲について、図示しない）。

１−１−５−１．第２波長変換素子、位相整合条件
第２波長変換素子１６４と、参照光ＬＲおよび検出光ＬＳのそれぞれの波長との典型的な関係は、コリニア位相整合条件を満たすような関係とされている。この場合、測定対象物５０の照射範囲Ｓに含まれる異なる照射部位からの検出光ＬＳに起因するセンサーアレイ１６８で測定される強度は、相互に影響を及ぼさず独立して得られる。この点を図３を用いて説明する。

図３は、図１に示した光応答計測装置１００における受光系１６０の構成を示す模式図である。この際、センサーアレイ１６８が２次元に配列した光強度センサーの群である場合を示している。また、説明のため図３では測定対象物５０の位置を移して、誘電体多層膜ミラー１４４（図１）により光路が反射されて幾何学的に等価となる位置になるように描いている。測定対象物５０の照射範囲Ｓは、計測光ＬＭの範囲に合わせた２次元的な広がりをもつ。そのうちの各照射部位において、計測光ＬＭが伝播して侵入した範囲の３次元的な各位置からは、計測光ＬＭと各位置の材質とに応じた光応答が生じる。図３では、測定対象物５０に対する計測光ＬＭの照射範囲Ｓの各照射部位を代表し複数の微小な部位である第１照射部位ＲＡ、第２照射部位ＲＢ、第３照射部位ＲＣからの検出光ＬＳが検出される様子を示している。第１照射部位ＲＡ、第２照射部位ＲＢ、第３照射部位ＲＣのそれぞれのさらに侵入方向の各位置から検出光が取得される。例えば微小部分ＦＡおよびＦＢは、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢそれぞれにおける被検出特徴部Ｆ（図３には図示しない）であるため、第１照射部位ＲＡ、第２照射部位ＲＢからの検出光には微小部分ＦＡおよびＦＢによる光応答が反映される。

測定対象物５０の各部での光応答は計測光ＬＭに対する任意の光学的応答であるため、各照射部位からは、計測光ＬＭと同一の波長（周波数）の電磁波が検出光ＬＳとなって種々の方向に放射される。このため、たとえば第１照射部位ＲＡからの検出光ＬＳも、図３に示すように様々な方向に向かう。結果として、第２波長変換素子１６４には位置および方向が分布をもちながら検出光ＬＳが入射する。例えば、図３に示した第１照射部位ＲＡからの検出光ＬＳは、測定対象物５０と第２波長変換素子１６４の幾何学的形状で可能な限度内で様々な方向に向かって第２波長変換素子１６４を透過する可能性がある。

第２波長変換素子１６４では、参照光ＬＲと検出光ＬＳによる波長変換作用が生じることから、第２波長変換素子１６４の各位置における検出光ＬＳが局所的な強度および位相に応じて参照光ＬＲに影響を及ぼしその強度を変化させる。ここで留意すべきは、この強度変化が効率良く生じるためには、第２波長変換素子１６４において適切な位相整合条件が満たされなくてはならないことである。典型的なコリニア位相整合条件が要請される場合、様々な方向に進む検出光ＬＳのうち、コリニア位相整合条件を満たす方向に向かって進む検出光のみが参照光ＬＲに実際に影響を及ぼす。第２波長変換素子１６４に入射する参照光ＬＲ（図３には図示しない）が平行光となっている場合、コリニア位相整合条件を満たすことにより変調済み参照光ＬＤが得られるのは、第１照射部位ＲＡからの検出光ＬＳに対しては第２波長変換素子１６４の領域ＥＡ、第２照射部位ＲＢからの検出光ＬＳに対しては第２波長変換素子１６４の領域ＥＢの各領域に限定される。図３には、この際にコリニア位相整合条件として参照光ＬＲに含まれる第１波長の光および第２波長の光、ならびに検出光ＬＳそれぞれが第２波長変換素子１６４媒体中で満たすべき波数ベクトルｋ_１、ｋ_２、およびｋ_３の関係を併記している。つまり、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢそれぞれからの検出光ＬＳである光ＬＳ＿ＡおよびＬＳ＿Ｂは、領域ＥＡおよび領域ＥＢそれぞれにおいて参照光ＬＲの局所的な強度を互いに独立して変調する。このため、結果として得られる変調済み参照光ＬＤは、各照射位置における位相情報を反映しながら部分的な強度が変調されたものとなる。図３では、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢに対応する変調済み参照光ＬＤを区別して、部分的強度が変調された変調済み参照光ＬＤ＿ＡおよびＬＤ＿Ｂと描いている。このように、強度が変調される変調済み参照光ＬＤは、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢそれぞれに対応した別々の位置となるセンサー画素ＰＡおよびセンサー画素ＰＢに向かう。参照光ＬＲと位相整合条件を満たさない方向となる検出光ＬＳは、第２波長変換素子１６４を相互作用することなく通過する。第３照射部位ＲＣの位相変化も、同様にセンサー画素ＰＣによる強度に反映される。

このことは、本実施形態における第２波長変換素子１６４の動作が、波長変換のみならず、測定対象物５０における照射領域の各照射部位を、センサーアレイ１６８の各センサー画素にマッピングする射影（プロジェクション）の作用をもつことを意味している。この動作のために、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢそれぞれからの計測の強度および位相に応じて変調され、並行して測定される。変調済み参照光ＬＤのうち異なる照射部位からの部分的強度がセンサーアレイ１６８上で混じることはない。

本実施形態における好ましい構成、つまり検出光ＬＳの位相に応じた参照光ＬＲの強度変調の作用が効率良く発揮されるためにコリニア位相整合条件を要請する好ましい構成では、副次的な効果も得られる。第２波長変換素子１６４に入射する検出光ＬＳには、検出光ＬＳの波長であるものの、コヒーレンスが低下または消失している成分が含まれている場合がある。コヒーレンスが低下する最大の要因は測定対象物５０における散乱であるため、上記マッピングの方向とは異なる方向に向かう検出光は、位相情報を失っている傾向がある。コリニア位相整合条件では、第２波長変換素子１６４の方位と参照光ＬＲの方位を利用して、検出光ＬＳのうち強度変調の作用を発揮させたい方向すなわちマッピングしたい方向が選択できるため、位相情報を消失した検出光ＬＳを測定結果から排除することもできる。

１−１−５−２．参照光への強度変換
次に、強度測定の対象である変調済み参照光ＬＤについて説明する。図４は本実施形態において参照光ＬＲと検出光ＬＳとを受けた第２波長変換素子１６４の作用を示す模式図である。第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢとの光応答を反映した検出光ＬＳと参照光ＬＲとが第２波長変換素子１６４に入射しその媒質中で位相整合条件が満たされると、第２波長変換素子１６４では非線形波長変換が生じる。この際の参照光ＬＲに対する非線形波長変換の作用の程度には、検出光ＬＳの光電界と位相が関与する。

測定対象物５０に入射する計測光（図４において図示しない）は、測定対象物５０の照射位置それぞれの深さ方向の異なる位置にある被検出特徴部Ｆによって異なる程度の光応答を受け、その強度と位相差が反映された検出光ＬＳが、第２波長変換素子１６４に入射する。第２波長変換素子１６４には同時に参照光ＬＲも入射している。参照光ＬＲは、図４では単一の波をそれぞれの位置に合せて描いているが、実際には、平面波などのビームであり、第１波長および第２波長の光の対ＬＰの一部など、光の対ＬＰの位相を引き継いでいる光である。検出光ＬＳは、一般に、被検出特徴部Ｆの各照射部位の違いに応じて異なる光電界の振幅と位相差を示す。この際、光電界の振幅に影響するのは、典型的には被検出特徴部Ｆの周囲物質との光学的な差異である。この光学的な差異は、電子密度の違いなど、現象論としての屈折率や誘電率に影響する違いである。これに加え、途中の物質の計測光や検出光の波長での吸収や散乱など、電界を弱める他の要素も影響する。他方、位相差に影響するのは、一つには、屈折率の周囲との大小関係による位相の飛びとして現われる量である。このような位相の飛びは、被検出特徴部Ｆの周囲との屈折率の大小関係など、検出光にとっての境界条件が変わらないかぎり基本的に不変である。このような光学的に説明される屈折率の飛びは、この現象を微視的に説明すれば、被検出特徴部Ｆの計測光に対する微視的な光学応答の位相遅れが周囲よりも大きいか小さいかに起因している。もう一つ位相差に影響するのは、被検出特徴部Ｆの各照射部における光路差つまり光路長の違いである。この際の光路長は、図１のような計測光と検出光が反射の配置であれば、計測光が被検出特徴部Ｆに到達し、検出光となって出射するまでの往復での光路長である。実際の位相差には、上述した位相遅れと光路長による位相差の和が反映される。

図４は、光路長のみを原因として位相のみが異なる場合を示している。つまり、計測光（図４にて図示しない）は、光の対（図４にて図示しない）との間での位相が維持されて測定対象物５０に入射し同じ強度（光電界の振幅）のまま第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢに到達することが仮定されている。この場合でも、第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢに到達するまでの光路長は図４に示したように一般に異なっている。第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢに到達するまでの位相差は、たとえば、第１照射部位ＲＡの場合に比べ、第２照射部位ＲＢでは入射時に９０°、出射時にさらに９０°遅れる。図４では、出射した検出光同士では光路差が１８０°の位相差を与える様子を描いている。

こうして、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢそれぞれからの検出光ＬＳである光ＬＳ＿ＡおよびＬＳ＿Ｂには、被検出特徴部Ｆの微小部分ＦＡおよびＦＢのそれぞれにおける光応答とそれぞれの位置に応じた位相差とが反映される。その結果、参照光ＬＲに対して及ぼされる非線形波長変換の作用は、検出光ＬＳのうち、第１照射部位ＲＡに対して位相が決定されるべき光ＬＳ＿Ａと、第２照射部位ＲＢに対して位相が決定されるべき光ＬＳ＿Ｂとで異なる。図４に示すのは、第２波長変換素子１６４の非線形波長変換の作用により、変調済み参照光ＬＤの強度が、第１照射部位ＲＡからの光ＬＳ＿Ａに応じて増大して変調済み参照光ＬＤ＿Ａとなり、第２照射部位ＲＢからの光ＬＳ＿Ｂに応じて減少する変調済み参照光ＬＤ＿Ｂとなる様子である。つまり、第２波長変換素子１６４の非線形波長変換作用は、検出光ＬＳの参照光ＬＲに対する位相に敏感であるため、変調済み参照光ＬＤでは、第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢとからの光ＬＳ＿ＡおよびＬＳ＿Ｂそれぞれの位相に応じた強度を有する変調済み参照光ＬＤ＿ＡおよびＬＤ＿Ｂを得ることができる。計測光ＬＳには、被検出特徴部Ｆの第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢそれぞれに対応する微小部分ＦＡおよびＦＢまでとの間の光路長が反映されているため、センサーアレイ１６８により測定される変調済み参照光ＬＤの各部の強度は被検出特徴部Ｆの微小部分ＦＡおよびＦＢの位置が反映されている。なお、第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢからの光ＬＳ＿ＡおよびＬＳ＿Ｂが異なる強度（光電界の振幅）を有している場合にも変調済み参照光ＬＤの強度はその影響を受ける。

図５は、本実施形態の光応答計測を理想化した状況において、検出光の位相に対し変調済み参照光ＬＤの強度を計算した計算例を示すグラフである。計算の条件は、第１波長の光と第２波長の光の位相を引き継いでいる光である参照光ＬＲが両者等しい強度（単位強度、１）にて第２波長変換素子１６４に入射し、参照光ＬＲと位相整合している検出光が０．０１の相対強度でそこに入射する、とした。測定対象物５０の内部での吸収、コヒーレンスの低下など、強度を失わせたり情報を散逸させたりする現象はここでの計算には加味していない。横軸の位相差は、第２波長変換素子１６４で、光の対ＬＰ（参照光ＬＲ）との間で固定されたいずれかの位相を原点となるように選択し、そこからの差を、角度単位で示している。縦軸は、変調済み参照光ＬＤの強度であり、センサーアレイ１６８で検出される強度つまりパワーである。これら以外にも、センサーアレイ１６８が参照光ＬＲの波長である第１波長および第２波長には区別無く互いに等しい感度をもつこと、および、検出光ＬＳが直接は検出できないこと、の双方が仮定されている。検出光が検出できないことについてはセンサーアレイ１６８が検出光に対し感度をもたない場合のほか、感度を有していても検出光カットフィルター１６６（図１）を配置して検出光自体をカットすることで、容易に実現できる。

図５に示すように、センサーアレイ１６８によって測定される変調済み参照光ＬＤの２波長の強度の和には検出光に与えられた位相差に対し正弦振動する変化が観察される。この正弦振動の振幅は検出光の強度を反映している。つまり、もし検出光ＬＳがまったく得られない（すなわち強度が０）なら、縦軸は位相差に無関係で振動しない２の値をもつ直線となる。そこから検出光ＬＳが増大するにつれ、位相（横軸）に応じる正弦振動が発現する。また、図５には、位相の違いを、図４に示した典型的な被検出特徴部Ｆの微小部分ＦＡと微小部分ＦＢの位置に対応させて示している。図５に示したように、第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢの位置の違いにより両者の検出光に位相差が生じている場合に、第１照射部位ＲＡからの光は変調済み参照光ＬＤを増大させ、第２照射部位ＲＢからの光は変調済み参照光ＬＤを減少させる。この様子は図４に対応して示したものである。

１−１−５−３．第１波長変換素子
第２波長変換素子１６４において波長変換のような動作を実現するためには、検出光ＬＳと参照光ＬＲとの間、つまり、検出光を与えるために測定対象物５０に照射する計測光と、参照光ＬＲを与える光の対との間において所定の関係が成立していなくてはならない。再び図１を参照しその点について説明する。第１波長変換素子１２６は、第１波長の光および第２波長の光からなる光の対ＬＰから、差周波生成により計測光ＬＭを生成する。この際、生成される計測光ＬＭの位相は、第１波長の光の位相と第２波長の光の位相とによって決定される。具体的には、計測光ＬＭの位相は、第１波長の光の位相に対してある所定の関係をもち、第２波長の光の位相に対しても、別の所定の条件を満たすこととなる。ここで、波長や周波数が異なる複数の光波の間で位相がある所定の関係をもつとは、一方の光波がある位相分だけ振動する間に他方の光波が別の位相分だけ振動する連続的かつ線形の位相関係が保たれていることをいう。このような定義では、計測光と第１波長の光とがある所定の関係を保ちつつ、計測光と第２波長の光が別の所定の関係をもつことは可能である。

なお、第１波長の光と第２波長の光との相互の位相の時間的な変動については、一定に保たれていても、また相互に変動しても、どちらでも構わない。第１波長の光と第２波長の光とによる光の対ＬＰは、計測光ＬＭの生成にも利用されるが、その一部またはその位相を引き継いだ光が検出光ＬＳに対する参照光ＬＲとなるためである。つまり、計測光ＬＭは、端的には第１波長の光と第２波長の光の間のビートの位相に対しコヒーレンスを持つ。このため、仮に第１波長の光と第２波長の光との相互の位相関係が何らかの理由で変動しても、計測光ＬＭの位相、および検出光ＬＳの位相は、いずれもその変動に対して瞬時に対応して生成される。結果、その時間的変動は第２波長変換素子１６４の動作には影響せず、変調済み参照光ＬＤの強度の測定も影響を受けない。

１−２．ＯＰＧ（光パラメトリック生成）を採用する場合
本発明の別の実施形態では、上述したＤＦＧを利用する場合とは異なる非線形光学現象であるＯＰＧ（光パラメトリック生成）を採用することにより、上述した動作に準じた動作を実現することもできる。ＯＰＧを利用する実施形態の光応答計測装置の構成や動作も図１〜図５に基づいて同様に説明できるため、ここでは１−１の欄における説明とは相異する部分のみを中心に説明する。ＯＰＧを利用する実施形態での光源は１つの波長（第１波長）のレーザーとされ、その光（符号ＬＰ）はポンプ光として第１波長変換素子１２６に入射させる。第１波長変換素子１２６は、ポンプ光から二つの波長を光パラメトリック生成により発生させる材質のものが選択される。第１波長変換素子１２６でのＯＰＧの動作により生成される光は２つの波長の光であり、非線形光学分野では、信号光およびアイドラー光と呼ばれる。これらのうちの信号光が計測光ＬＭ（図１）として使用され、アイドラー光は、ポンプ光の一部とともに参照光ＬＲのために使用される。計測光ＬＭの波長とアイドラー光の波長は、動作原理上は第１波長変換素子１２６のＯＰＧの動作により決定され、応用上は計測光ＬＭの波長による計測に適する波長（計測波長）になるように選択される。

第２波長変換素子１６４は、第１波長変換素子１２６におけるＯＰＧとは逆の作用により、変調済み参照光ＬＤを生成する。この際、第２波長変換素子１６４に入力されるのは、計測光ＬＭが照射された測定対象物の照射範囲から得た検出光ＬＳと参照光ＬＲである。第２波長変換素子１６４における非線形光学現象は、第１波長変換素子１２６においてアイドラー光と信号光であった参照光ＬＲの一部と検出光ＬＳとによる和周波生成となる。この際、参照光ＬＲは第１波長変換素子１２６におけるポンプ光とアイドラー光の位相を引き継いでいる。また、検出光ＬＳは、計測光ＬＭと同じ波長であり、測定対象物５０の位相情報を反映している。このため、図３および図４を参照して上述したのと同様に、第２波長変換素子１６４は、第１照射部位ＲＡおよび第２照射部位ＲＢそれぞれからの検出光ＬＳである光ＬＳ＿ＡおよびＬＳ＿Ｂに作用し、参照光ＬＲの局所的な強度を互いに独立して変調することとなる。結果、変調済み参照光ＬＤでは、各照射位置における位相情報を反映するように部分的な強度が変調される。第２波長変換素子１６４におけるコリニア位相整合条件や、それによる射影の作用も図３に示したものと同様である。変調済み参照光ＬＤに含まれているポンプ光（第１波長の光）と同一の波長の光は、センサーアレイ１６８により強度が計測される。第２波長変換素子１６４における非線形波長変換（和周波生成）では、参照光ＬＲに含まれるポンプ光（第１波長の光）、アイドラー光（第２波長の光）に対し、検出光ＬＳである光ＬＳ＿ＡおよびＬＳ＿Ｂが波として重ね合わされて作用する（干渉する）ことから、変調済み参照光ＬＤの強度に測定対象物５０での位相情報が反映される。この事情は図４にてＤＦＧの場合に説明したものと同様である。そして変調済み参照光ＬＤの強度をセンサーアレイ１６８で計測する動作も同様である。この場合、検出光カットフィルター１６６は、例えば参照光ＬＲに含まれるポンプ光の波長成分のみ通過させるものとする。そして、図５の検出光ＬＳの位相に対し変調済み参照光ＬＤの強度を計算した計算例も同様となる。さらに光応答計測方法についても、光源１２２による動作ステップＳ１０２において、光の対ではなくポンプ光ＬＰを生成する以外は図２と同様に実行することができる。

１−３．ＤＦＧやＯＰＧの類例
上述したＤＦＧやＯＰＧは本実施形態に適用されうる現象のうちの典型的な例であり、これらに類似の非線形光学現象を本発明のいずれかの実施形態に適用することができる。本発明の実施形態の一つとして採用することができる一例が、ＯＰＧの一種である光注入型パラメトリック生成（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｅｅｄｅｄ ＯＰＧ）と呼ばれる現象である。この光注入型パラメトリック生成では、２つの波長の光が第１波長変換素子１２６に入力されるため、動作は上述したＤＦＧ（差周波生成）を採用する場合と類似の動作となる。本発明の実施形態の一つとして採用することができる別例は、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）と呼ばれる現象である。ＯＰＡは、上述したＤＦＧと同一の動作を、生成する第３の波長の光に着目して呼称するものともいえる。このＯＰＡと呼ぶのは、同時に入れた第２波長（第１波長より長波長のもの）を増幅する動作である、と現象を認識する場合である。光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）と呼ぶ現象は、上述したＤＦＧを採用する実施形態の通りの動作により説明される。

１−４．光源、波長変換素子、検出光の具体例
本発明の実施形態の手法は、上述した第２波長変換素子１６４における作用を実現し、また、そのために第１波長変換素子１２６にて必要な計測光を生成できる限り、原理的に実施可能である。図６は、本発明の実施形態の光応答計測に使用される代表的な光の対の波長および非線形光学結晶の組合せと、各組み合わせにおいて生成される計測光の波長範囲（周波数範囲）を例示する説明図である。図６に図形的に示した関係は、第１波長変換素子１２６の材質毎に、光の対の第１波長および第２波長の帯域の組合せとして具体的数値をまとめると表１のようになる。

第２波長変換素子１６４についても、使用する波長と材質の組合せは、表１の第１波長変換素子１２６の場合と同一の組合せとすることができる。

例えば、第１波長変換素子１２６、第２波長変換素子１６４として有機非線形結晶ＤＡＳＴやＢＮＡを採用すれば、χ^（２）の値（テンソルの要素）がにおいて無機結晶よりも１桁またはそれ以上に大きな値をとる。このことは、非線形光学現象の発現がテラヘルツ領域の計測波長において容易であり実用性の障害とならないことを意味している。

測定対象物５０に照射する計測光ＬＭは、表１に示したように、近赤外光やテラヘルツ光とすることができる。波長の選択は、生成可能な波長から、測定対象物５０がどのような物体であるか、測定対象物５０において検出したい組織（被検出特徴部Ｆ）がどのようなものであるか、そして光応答の性質に応じてなされる。一般に、波長が長いほど強い透過性を示すため、表面から深い侵入深さまでの構造の情報を取得するためには、より長い波長が選択される。

実際の光応答計測装置１００では、第１波長変換素子１２６と第２波長変換素子１６４との材質の組合せを同一としてもよいし、互いに別のものとしてもよい。典型的には、第１波長変換素子１２６と第２波長変換素子１６４は同一の材質の組み合わせとすることが望ましい。具体例としてＤＦＧの場合、第１波長と第２波長の双方の光を光の対として第１波長変換素子１２６であるＤＡＳＴ結晶に入射し、当該光の対との間で位相を維持した計測光を発生させた場合、参照光と検出光を入射する第２波長変換素子１６４もＤＡＳＴ結晶とすることが望ましい。その理由は、計測光波長を変調して計測するときに、第１波長変換素子１２６と第２波長変換素子１６４において同じ波長で位相整合条件を満たすことができるためである。同様の理由により、ＯＰＧを用いる場合も第１波長変換素子１２６および第２波長変換素子１６４の材質は同一のものとする組み合わせが望ましい。

１−５．まとめ
本発明の各実施形態では、測定対象物５０における被検出特徴部Ｆの形状や位置が位相として測定される。この際、測定対象物５０の照射範囲Ｓのうちの第１照射部位ＲＡと第２照射部位ＲＢとのそれぞれで得られる検出光ＬＳの位相つまり第１位相および第２位相には、それぞれにおける測定対象物５０の被検出特徴部Ｆなど、測定対象物５０の内部の侵入方向における構造、特に局所的な内部構造が反映される。このため、第１位相および第２位相を反映した変調済み参照光ＬＤにおける第１強度および第２強度をセンサーアレイ１６８により測定すれば、スキャンを利用することなく、測定対象物５０の内部の被検出特徴部Ｆにおける微小部分ＦＡとＦＢとを、並行して測定することができる。

また、本発明の実施形態において有利なこととして、検出器の検出波長と計測光や検出光の波長とが分離される点を挙げることができる。本発明の実施形態において、センサーアレイの光強度検出器やノイズの少ない検出器を作製しにくい波長の計測光や検出光を利用して測定を行なったとしても、センサーアレイ１６８等の検出器を変調済み参照光ＬＤの波長に合せることができる。このことは、測定対象物５０から光応答を取得するために適する波長を選択することと、センサーアレイ１６８等の検出器による複数の照射部位の同時測定を行なうこととを両立させる点で有利である。

さらに、本発明の実施形態の説明から明らかなように、図１に示した光応答計測装置１００の構成は例示のものに過ぎない。たとえば、計測光と検出光の位置関係は、必ずしも検出光を計測光からみて正反射の方向から取得する必要はない。測定対象物５０を透過する波長の計測光を利用すれば、透過方向に通り抜ける検出光を取得したり、散乱して光軸からはずれる向きに進む検出光を取得して測定対象物５０が計測光に示す光応答を取得することも有用となる場合がある。

加えて、参照光は、計測光ＬＭを生成する光の対の一部であれば、図１に示されたように第１波長変換素子１２６を通過した光とすることは必要ではない。たとえば第１波長変換素子１２６に向かう光の対を分岐して適宜リレー光学系を使用して第２波長変換素子１６４に向かわせてもよい。

２．断層画像の取得方法
次に本発明の実施形態の光応答の計測手法を利用して断層画像を取得する適用において、周波数スイープによる手法について説明する。本発明の実施形態で測定対象物５０内部での断層情報を取得する上で、検出光の波長すなわち周波数をスイープ（掃引）して変調することが有用である。断層情報を取得するために従来のＯＣＴにおいて採用されているＳＳ−ＯＣＴに類似した周波数のスイープを検出光ＬＳで生じされば、断層情報を取得することができる。本発明の実施形態において周波数をスイープさせた計測光ＬＭを照射すれば、変調済み参照光ＬＤの強度として、測定対象物５０からの検出光ＬＳを異なる波長の計測光ＬＭに基づく測定対象物５０からの検出光ＬＳよるものを時間に対応させながらて多数取得することができる。この多数取得した強度からは、フーリエ変換を利用して断層情報が容易に算出される。

なお、このような検出光の周波数スイープを利用しても、上述した測定原理は同様に成立する。検出光の各周波数（各波長）において、第１波長変換素子１２６と第２波長変換素子１６４における非線形変換を生じさせることが可能であり、両者の間を参照光と計測光（検出光）が伝播する時間差において周波数（波長）自体が異なることを考慮する必要はなく、各タイミングで上述した測定原理が成立し続けるためである。検出光の周波数をスイープするためには、典型的には、第１波長の光と第２波長の光による光の対の少なくともいずれかの波長をスイープさせる。図１には、周波数スイープを行なうための変調制御部１２８を示している。光源１２２は、変調制御部１２８による任意の制御を受けて、第１波長の光または第２波長の光のいずれを変調し、参照光の二つの波長の光のうち少なくとも一方の光の波長が、スイープされる。また、センサーアレイ１６８に入射する検出光の波長もスイープされる。

本発明の実施形態において周波数スイープを行なうタイミングは、複数の照射部位に対応する強度検出を経て、その後の信号読み出し（図２、Ｓ１１２）の後、またはそれに並行して周波数を増加または現象させる、というものが典型である。この点は、図２に信号読み出しのステップＳ１１２の後の周波数の変更のステップＳ１１４として明示されている。つまり、周波数スイープ速度（周波数の時間変化率）は極度に早くする必要は無い。また、センサーアレイ１６８の信号読み出しにも特段支障は生じない。

ちなみに、従来のＳＳ−ＯＣＴでは、侵入方向の情報を得るために、ある集光点の測定において侵入方向の情報を得る動作（いわゆるＡ−ｓｃａｎ）のために度周波数スイープを少なくとも一度行なう必要がある。ＳＳ−ＯＣＴでは、周波数スイープが集光点を走査する繰り返し処理ループの最も繰り返し回数の多い処理に割り当てられているためである。その結果、従来のＳＳ−ＯＣＴではＡ−ｓｃａｎを１回行なうのに要する時間、つまり断層画像の取得速度が光源における周波数スイープの速度により律速される。

以上、本発明のいくつかの実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた請求の範囲に含まれるものである。

本発明は測定対処物の光応答を計測する任意の装置のために使用可能である。

１００ 光応答計測装置
１２０ 照射系
１２２ 光源
１２４ テレスコープ光学系
１２６ 第１波長変換素子
１２８ 変調制御部
１４２ ミラー
１４４ 誘電体多層膜ミラー
１６０ 受光系
１６２ テレスコープ光学系
１６４ 第２波長変換素子
１６６ 検出光カットフィルター
１６８ センサーアレイ
５０ 測定対象物
ＬＰ 光の対またはポンプ光
ＬＲ 参照光
ＬＭ 計測光
ＬＳ、ＬＳ＿Ａ、ＬＳ＿Ｂ 検出光
ＬＤ、ＬＤ＿Ａ、ＬＤ＿Ｂ 変調済み参照光
Ｆ 被検出特徴部
ＦＡ、ＦＢ 被検出特徴部の微小部分
ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ 第１照射部位、第２照射部位、第３照射部位
ＥＡ、ＥＢ 第２波長変換素子の領域
ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ センサー画素
Ｓ 照射範囲

Claims (8)

1. 第１波長の光および第２波長の光をもつ光の対を生成する光源と、
   該光の対が入射され、入射した該光の対との間での位相が維持された計測波長の計測光を生成する第１波長変換素子と、
   前記計測光が照射された測定対象物の照射範囲から得た検出光が入射され、前記光の対の位相を該測定対象物の影響を受けることなく引き継いでいる参照光と該検出光に含まれ位相が決定されるべき光とが入射されると変調済み参照光を生成する、該測定対象物から離して配置されている第２波長変換素子と、ここで、前記検出光は、前記照射範囲に含まれる第１照射部位と第２照射部位とにおける前記測定対象物の前記計測光に対する応答を反映する第１位相および第２位相をもっており、前記変調済み参照光は、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相のそれぞれに応じて第１の部分的強度および第２の部分的強度が変調されており、前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光および前記参照光は、前記変調済み参照光を生成するために、前記第２波長変換素子の内部において前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光および前記参照光の間でコリニア位相整合条件が満たされるように互いに位置合せされながら前記第２波長変換素子に入射されるものであり、
   前記変調済み参照光が入射され、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相それぞれに対応する該変調済み参照光の前記第１の部分的強度および第２の部分的強度を測定するための光強度センサーアレイと
   を備えてなる測定対象物の光応答計測装置。
2. 前記検出光は、前記測定対象物に入射する前記測定光の反射方向にて受光されるものである、請求項１に記載の測定対象物の光応答計測装置。
3. 前記光強度センサーアレイが２次元センサーアレイであり、
   前記測定対象物の前記照射範囲が、前記第１照射部位および前記第２照射部位とともに２次元の面をなす第３照射部位を含んでおり、
   前記検出光は、該第３照射部位における前記測定対象物の前記計測光に対する応答を反映する第３位相をさらにもっており、
   前記変調済み参照光は、前記検出光の前記第３位相にさらに応じて第３の部分的強度が変調されており、
   前記光強度センサーアレイが、前記参照光の前記第３の部分的強度を、前記第１の部分的強度および前記第２の部分的強度とともに測定するものであり、
   前記照射範囲に含まれる前記測定対象物を対象とする測定をスキャンを伴わずに実行する、請求項１に記載の測定対象物の光応答計測装置。
4. 前記第１波長および第２波長の少なくともいずれかの波長を変調する変調制御部をさらに備え、
   これにより、前記計測光の波長が変調されて光応答が計測される、請求項１に記載の測定対象物の光応答計測装置。
5. 第１波長の光および第２波長の光をもつ光の対を生成するステップと、
   該光の対を第１波長変換素子に入射させることにより、該光の対との間での位相が維持された計測波長の計測光を生成するステップと、
   測定対象物のある照射範囲に前記計測光を照射し、該照射範囲に含まれる第１照射部位と第２照射部位とにおける該測定対象物の該計測光に対する応答を反映する第１位相および第２位相をもつ検出光を得るステップと、
   前記光の対の位相を該測定対象物の影響を受けることなく引き継いでいる参照光と前記検出光とを該測定対象物から離して配置されている第２波長変換素子に入射させ、前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光と前記参照光とを該第２波長変換素子に作用させることにより、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相のそれぞれに応じて第１の部分的強度および第２の部分的強度が変調された変調済み参照光を得るステップと、ここで前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光および前記参照光は、前記変調済み参照光を生成するために、前記第２波長変換素子の内部において前記検出光に含まれ位相が決定されるべき光および前記参照光の間でコリニア位相整合条件が満たされるように互いに位置合せされながら前記第２波長変換素子に入射されるものであり、
   該変調済み参照光を光強度センサーアレイに入射させることにより、前記検出光の前記第１位相および前記第２位相それぞれに対応する該変調済み参照光における前記第１の部分的強度および第２の部分的強度を測定するステップと
   を含む測定対象物の光応答計測方法。
6. 前記検出光は、前記測定対象物に入射する前記測定光の反射方向にて受光されるものである、請求項５に記載の測定対象物の光応答計測方法。
7. 前記光強度センサーアレイが２次元センサーアレイであり、
   前記測定対象物の前記照射範囲が、前記第１照射部位および前記第２照射部位とともに２次元の面をなす第３照射部位を含んでおり、
   前記検出光は、該第３照射部位における前記測定対象物の前記計測光に対する応答を反映する第３位相をさらにもっており、
   前記変調済み参照光は、前記検出光の前記第３位相にさらに応じて第３の部分的強度が変調されており、
   前記光強度センサーアレイにより、前記参照光の前記第３の部分的強度が、前記第１の部分的強度および前記第２の部分的強度とともに測定され、
   前記照射範囲に含まれる前記測定対象物を対象とする測定がスキャンを伴わずに実行される、請求項５に記載の測定対象物の光応答計測方法。
8. 前記第１波長および第２波長の少なくともいずれかの波長を変調するステップをさらに含み、
   これにより、前記計測光の波長が変調されて光応答が計測される、請求項５に記載の測定対象物の光応答計測方法。

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