JPWO2014208349A1 - Optical measuring apparatus and optical measuring method - Google Patents

Optical measuring apparatus and optical measuring method Download PDF

Info

Publication number
JPWO2014208349A1
JPWO2014208349A1 JP2015523971A JP2015523971A JPWO2014208349A1 JP WO2014208349 A1 JPWO2014208349 A1 JP WO2014208349A1 JP 2015523971 A JP2015523971 A JP 2015523971A JP 2015523971 A JP2015523971 A JP 2015523971A JP WO2014208349 A1 JPWO2014208349 A1 JP WO2014208349A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
signal
probe
sample
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015523971A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
孝嘉 小林
孝嘉 小林
啓介 瀬戸
啓介 瀬戸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Original Assignee
THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS filed Critical THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Publication of JPWO2014208349A1 publication Critical patent/JPWO2014208349A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/08Beam switching arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • G01N2021/653Coherent methods [CARS]
    • G01N2021/655Stimulated Raman

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

【課題】 効果的にノイズを除去して強度が微小な信号を感度よく検出する。【解決手段】 光学測定装置は、光源と、前記光源からの光をプローブ光と参照光に分割する第1光学素子と、前記プローブ光を試料に導く第1パスと、時間軸上で前記参照光と前記プローブ光間に相対的な遅延を与えるように光路長が調整された前記参照光の第2パスと、前記試料を照射した前記プローブ光と、前記光路長が調整された前記参照光をひとつの共通の検出素子で検出して検出信号を出力する検出器と、前記検出信号のうち、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号にそれぞれ逆の符号を適用して平衡化を行い、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号の差分を前記試料の測定結果として出力する平衡器と、を有する。PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a signal having a very small intensity with high sensitivity by effectively removing noise. An optical measurement apparatus includes a light source, a first optical element that divides light from the light source into probe light and reference light, a first path that guides the probe light to a sample, and the reference on a time axis. A second path of the reference light whose optical path length is adjusted so as to give a relative delay between the light and the probe light, the probe light that irradiates the sample, and the reference light whose optical path length is adjusted Detecting a common detection element and outputting a detection signal, and applying a reverse sign to the signal derived from the probe light and the signal derived from the reference light among the detection signals. A balancer that performs balancing and outputs a difference between a signal derived from the probe light and a signal derived from the reference light as a measurement result of the sample.

Description

本発明は、低ノイズかつ高感度の光学測定装置と光学測定方法に関する。   The present invention relates to an optical measurement device and an optical measurement method with low noise and high sensitivity.

試料に光ビームを照射して、物質や生体分子の状態を非接触で測定する光学測定が行われている。測定対象によっては、得られる信号強度が非常に小さく、ノイズに埋もれてしまう場合がある。   Optical measurement is performed in which a sample is irradiated with a light beam and the state of a substance or biomolecule is measured without contact. Depending on the object to be measured, the obtained signal strength is very small and may be buried in noise.

ノイズに埋もれた微小な信号を検出する手法に、ロックイン検出法と呼ばれる方法がある。この方法では、設定したある周波数(ロックイン周波数)の三角関数と信号の積をとり、その周波数の信号を低周波に変換したあと、ローパスフィルタによって信号成分を取り出す。この点で、ロックイン検出は実効的に狭帯域のバンドパスフィルタとして働いている。この方法では、ロックイン周波数と異なる周波数で観測されるノイズを除去し、ロックイン周波数付近にある信号を検出することによって、信号・ノイズ比を向上させる。また、ローパスフィルタの時定数を長くすることにより、帯域幅を狭め、ノイズをより効果的に除去することができる。   As a technique for detecting a minute signal buried in noise, there is a method called a lock-in detection method. In this method, a product of a trigonometric function of a set frequency (lock-in frequency) and a signal is taken, and after converting the signal of that frequency to a low frequency, a signal component is taken out by a low-pass filter. In this respect, lock-in detection effectively works as a narrow-band bandpass filter. In this method, noise observed at a frequency different from the lock-in frequency is removed, and a signal in the vicinity of the lock-in frequency is detected, thereby improving the signal / noise ratio. In addition, by increasing the time constant of the low-pass filter, the bandwidth can be narrowed and noise can be removed more effectively.

ロックイン検出法は、強度の低いプローブ光の検出や、プローブ光に加えられた微小な変調の検出に応用される。この変調はプローブ光源に直接加えられる場合と、試料に印加された刺激に誘起される場合がある。しかしながら、いずれの場合でもロックイン周波数付近で観測されるノイズは原理的に除去できない。また、帯域幅を狭め、積算効果により信号・ノイズ比を向上させるために時定数を長くすると信号の変化に対する応答が遅くなり、高速検出ができないといった問題がある。   The lock-in detection method is applied to detection of low-intensity probe light and detection of minute modulation applied to the probe light. This modulation may be applied directly to the probe light source or may be induced by a stimulus applied to the sample. However, in any case, noise observed near the lock-in frequency cannot be removed in principle. In addition, if the time constant is increased in order to reduce the bandwidth and improve the signal-to-noise ratio by the integration effect, there is a problem that the response to changes in the signal is delayed and high-speed detection cannot be performed.

ロックイン検出を用いて、プローブ光に含まれる長時間スケールの変動を相殺する方法として、デュアルビーム法が知られている。この方法は、光源からの光を試料の測定に用いるプローブ光と、試料を通らない参照光に分割し、それぞれ異なった周波数で変調する。試料透過後のプローブ光と参照光を重ね合わせて、同一の検出器に入射させる。検出器からの信号を、それぞれの変調周波数によるロックイン検出によってプローブ光と参照光の信号を別々に取得して、その比をとる。デュアルビーム法を用いて、プローブ光と参照光に共通に含まれる長時間スケールの変動による影響や、検出器の長時間スケールの感度の変動に対する影響を除去することができる。しかしながら、プローブ光と参照光を検出する周波数が異なるので、ロックイン周波数と同じ周波数で観測される高速変動のノイズを除去することはできない。また、測定中に試料の透過率が変化すると、その都度補正が必要になる場合がある。従って、この方法は多数の測定点での高速測定が要求され測定時に透過率が変化する対象には不向きである。   A dual beam method is known as a method for canceling long-time scale fluctuations included in probe light by using lock-in detection. In this method, light from a light source is divided into probe light used for measuring the sample and reference light that does not pass through the sample, and is modulated at different frequencies. The probe light after passing through the sample and the reference light are superimposed and incident on the same detector. The signal from the detector is obtained by separately obtaining the signal of the probe light and the reference light by lock-in detection at each modulation frequency, and taking the ratio. By using the dual beam method, it is possible to remove the influence due to the fluctuation of the long-time scale commonly included in the probe light and the reference light and the influence on the fluctuation of the sensitivity of the long-time scale of the detector. However, since the frequencies at which the probe light and the reference light are detected are different, high-speed fluctuation noise observed at the same frequency as the lock-in frequency cannot be removed. Further, when the transmittance of the sample changes during measurement, correction may be necessary each time. Therefore, this method is not suitable for an object whose transmittance changes at the time of measurement because high-speed measurement is required at a large number of measurement points.

プローブ光に含まれる、検出と同じ周波数で観測されるノイズを除去する方法に、バランス検出法がある(たとえば、特許文献1、及び非特許文献1及び2参照)。バランス検出法では、光源からの光をプローブ光と参照光に分割し、プローブ光を試料に入射させたあとでそれぞれの光を2つの検出器によって検出してその差を取る。ノイズがプローブ光と参照光に同相で含まれるので、差を取ることにより同一周波数に観測されるノイズを除去できる。   There is a balance detection method as a method for removing noise observed at the same frequency as the detection included in the probe light (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2). In the balance detection method, light from a light source is divided into probe light and reference light. After the probe light is incident on a sample, each light is detected by two detectors and the difference is obtained. Since the noise is included in the probe light and the reference light in phase, the noise observed at the same frequency can be removed by taking the difference.

しかしながら、公知のバランス検出法にはいくつか難点がある。第1に、試料の透過率や検出系の感度が変化すると、その都度、校正が必要になる。第2に、検出器や回路の周波数特性など、2つの検出系の特性が同じである必要がある。第3に、白色光源を用いた分光測定に適用することができない。白色光の強度は、波長毎に異なった揺らぎ方をし、プローブ光と参照光に対する観測中心波長や観測波長幅などの分光条件が異なると、光雑音を打ち消すことができないからである。さらに、プローブ光と参照光に対して完全に同一特性の2台の分光器を用意する必要があるが、これは技術的に困難である。   However, the known balance detection methods have some difficulties. First, every time the transmittance of the sample or the sensitivity of the detection system changes, calibration is required. Secondly, the characteristics of the two detection systems, such as the frequency characteristics of the detector and circuit, need to be the same. Third, it cannot be applied to spectroscopic measurement using a white light source. This is because the intensity of white light fluctuates differently for each wavelength, and optical noise cannot be canceled if the spectral conditions such as the observation center wavelength and the observation wavelength width for the probe light and the reference light are different. Furthermore, it is necessary to prepare two spectrometers having completely the same characteristics for the probe light and the reference light, but this is technically difficult.

なお、試料を透過した白色プローブ光をマルチチャネルのロックインアンプで検出してラマンスペクトルを観測することにより、多波長にわたって微小な信号を検出する方法が知られている(たとえば、非特許文献3参照)。   A method of detecting a minute signal over multiple wavelengths by detecting white probe light transmitted through a sample with a multi-channel lock-in amplifier and observing a Raman spectrum is known (for example, Non-Patent Document 3). reference).

米国特許第5134276号U.S. Pat.No. 5,134,276

Alessio Gambetta, Vikas Kumar, Giulia Grancini, Dario Polli, Roberta Ramponi, Giulio Cerullo, Marco Marangoni, Opt. Lett., 35(2) (2010) 226-228Alessio Gambetta, Vikas Kumar, Giulia Grancini, Dario Polli, Roberta Ramponi, Giulio Cerullo, Marco Marangoni, Opt. Lett., 35 (2) (2010) 226-228 Philip C. D. Hobbs, Appl. Opt., 36(4) (1997) 903-920Philip C. D. Hobbs, Appl. Opt., 36 (4) (1997) 903-920 N. Ishii, et al, “Optical frequency- and vibrational time-resolved two-dimensional spectroscopy by real-time impulsive resonant coherent Raman scattering in polydiacetylene”, Physical Review, A 70 (2004) 023811.N. Ishii, et al, “Optical frequency- and vibrational time-resolved two-dimensional spectroscopy by real-time impulsive resonant coherent Raman scattering in polydiacetylene”, Physical Review, A 70 (2004) 023811.

上述のように、単一の検出器を用いたデュアルビーム法では、参照光とプローブ光でノイズが観察される周波数が異なり、ロックイン周波数近傍で高速に変動するノイズを除去することはできない。また、2つの検出器を用いるバランス検出法では、2つの光路、2つの検出系の間で校正や特性調整が困難である。   As described above, in the dual beam method using a single detector, the frequency at which noise is observed is different between the reference light and the probe light, and noise that fluctuates at high speed near the lock-in frequency cannot be removed. Further, in the balance detection method using two detectors, it is difficult to perform calibration and characteristic adjustment between two optical paths and two detection systems.

そこで、単一の検出器を用いて、低ノイズ、高感度の信号検出が可能な光学測定の手法と構成を提供することを課題とする。   Therefore, it is an object to provide an optical measurement technique and configuration capable of detecting a signal with low noise and high sensitivity using a single detector.

上記課題を解決するために、新しい平衡回路を用いて、観測周波数付近のノイズを効率的に除去し、強度の小さい所望信号を高感度で検出する。   In order to solve the above-described problem, a new balanced circuit is used to efficiently remove noise near the observation frequency and detect a desired signal with low intensity with high sensitivity.

具体的には、本発明の第1の側面による光学測定装置は、
光源と、
前記光源からの光をプローブ光と参照光に分割する第1光学素子と、
前記プローブ光を試料に導く第1パスと、
時間軸上で前記参照光と前記プローブ光の間に相対的な遅延を与えるように光路長が調整された前記参照光の第2パスと、
前記試料を照射した前記プローブ光と、前記光路長が調整された前記参照光をひとつの共通の検出素子で検出して検出信号を出力する検出器と、
前記検出信号のうち、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号にそれぞれ逆の符号を適用して平衡化を行い、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号の差分を前記試料の測定結果として出力する平衡器と
を有する。
Specifically, the optical measuring device according to the first aspect of the present invention is:
A light source;
A first optical element that splits light from the light source into probe light and reference light;
A first path for guiding the probe light to the sample;
A second path of the reference light in which an optical path length is adjusted so as to give a relative delay between the reference light and the probe light on a time axis;
A detector that outputs the detection signal by detecting the probe light that irradiates the sample, and the reference light, the optical path length of which has been adjusted, with a common detection element;
Among the detection signals, a signal derived from the probe light and a signal derived from the reference light are balanced by applying opposite signs to the signal derived from the probe light and the signal derived from the reference light, respectively. A balancer that outputs the difference between the two as the measurement result of the sample.

ここで、「平衡化」は、プローブ光に由来する信号の強度と参照光に由来する信号の強度の絶対値を釣り合わせることをいう。   Here, “equilibrium” means to balance the absolute value of the intensity of the signal derived from the probe light and the intensity of the signal derived from the reference light.

本発明の第2の側面として、光学測定方法を提供する。光学測定方法は、
光源からの光をプローブ光と参照光に分割し、
前記プローブ光で試料を照射し、
時間軸上で前記参照光と前記プローブ光の間に相対的な遅延を与え、
前記試料を照射した前記プローブ光と、前記遅延が与えられた前記参照光とを同一の検出素子で検出し、
前記検出された信号のうち、前記プローブ光に由来する信号と、前記参照光に由来する信号とにそれぞれ逆の符号を適用して平衡化を行うことで、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号の差分を前記試料の測定結果として取得する。
As a second aspect of the present invention, an optical measurement method is provided. The optical measurement method is
Split the light from the light source into probe light and reference light,
Irradiate the sample with the probe light,
Giving a relative delay between the reference light and the probe light on the time axis;
Detecting the probe light irradiated on the sample and the reference light given the delay with the same detection element,
Among the detected signals, the signal derived from the probe light and the signal derived from the reference light are balanced by applying opposite signs to the signal derived from the probe light, and the signal derived from the probe light A difference between signals derived from the reference light is acquired as a measurement result of the sample.

一つの検出器と平衡回路により、観測周波数付近のノイズを効率的に除去し、微小な所望信号を感度よく検出することができる。この手法を、白色プローブ光を用いたマルチチャネルロックイン検出と組み合わせることによって、低ノイズかつ高速、高精度のスペクトル検出が可能になる。   With one detector and a balanced circuit, noise near the observation frequency can be efficiently removed, and a minute desired signal can be detected with high sensitivity. Combining this technique with multi-channel lock-in detection using white probe light enables low-noise, high-speed, high-accuracy spectrum detection.

第1実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 1st Embodiment. 図1の光学測定装置で用いられる平衡器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the balance device used with the optical measuring device of FIG. 第1実施形態の光学測定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the optical measuring method of 1st Embodiment. 第2実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 2nd Embodiment. 第2実施形態の光学測定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the optical measuring method of 2nd Embodiment. 第3実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 3rd Embodiment. 第3実施形態で用いられる白色プローブ光のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the white probe light used in 3rd Embodiment. 第4実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 4th Embodiment. 図8の光学測定装置の測定系と制御系の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the measurement system and control system of the optical measuring device of FIG. 複数チャンネルの信号の総和による画像を示す図である。It is a figure which shows the image by the sum total of the signal of several channels. 特定の座標における誘導ラマンスペクトルの図である。It is a figure of the induced Raman spectrum in a specific coordinate. 実施形態の光学測定による効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect by the optical measurement of embodiment. 第5実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 5th Embodiment. 図13の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of FIG. 第6実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 6th Embodiment. 図15の光学測定装置の誘導ラマン測定への適用例を示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating an application example of the optical measurement device of FIG. 15 to guided Raman measurement. 強度変調光の4分の1周期遅延させた参照光を用いたノイズキャンセルの効果と、フィードバック制御の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the noise cancellation using the reference light delayed by 1/4 period of intensity modulation light, and the effect of feedback control. 実測で用いた試料の模式図である。It is a schematic diagram of the sample used by measurement. 実施形態の手法を適用した誘導ラマン測定の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the induced Raman measurement to which the method of embodiment is applied. 実施形態のフィードバック制御の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the feedback control of embodiment.

以下で図面を参照して、実施形態の光学測定の手法と構成を説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の光学測定装置10Aの概略構成図である。光学測定装置10Aは、光源11と、光学素子12および15と、検出器18と、トランスインピーダンスアンプ(TIA)31と、平衡器30を含む。この例では、光源11は単一波長のパルス光を出射するパルス光源であり、光学素子12、15は偏光ビームスプリッタである。
The optical measurement technique and configuration of the embodiment will be described below with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical measurement apparatus 10A according to the first embodiment. The optical measurement apparatus 10 </ b> A includes a light source 11, optical elements 12 and 15, a detector 18, a transimpedance amplifier (TIA) 31, and a balancer 30. In this example, the light source 11 is a pulse light source that emits single-wavelength pulse light, and the optical elements 12 and 15 are polarization beam splitters.

光源11から出射されたパルス光Lは、偏光ビームスプリッタ12によって、プローブパルス光Lと、参照パルス光Lに分割される。偏光ビームスプリッタ12を透過したプローブパルス光Lは、パスP1に沿って試料20を通過し、偏光ビームスプリッタ15に入射する。他方、偏光ビームスプリッタ12で反射された参照パルス光Lは、パスP2に沿って、ミラー13、14で反射され、偏光ビームスプリッタ15に入射する。偏光ビームスプリッタ15で、パスP1を経たプローブパルス光Lと、パスP2を経た参照パルス光Lが空間的に重ねられて検出器18に入射する。Pulse light L emitted from the light source 11, the polarizing beam splitter 12, and the probe pulse light L P, it is divided into the reference pulse light L R. Probe pulse light L P that has passed through the polarizing beam splitter 12 passes through the sample 20 along the path P1, and is incident on the polarization beam splitter 15. On the other hand, the reference pulsed light L R reflected by the polarization beam splitter 12, along path P2, and is reflected by the mirrors 13 and 14, enters the polarization beam splitter 15. The polarization beam splitter 15, and the probe pulse light L P passed through the path P1, the reference pulse light L R passing through the path P2 is incident on the detector 18 are superimposed spatially.

参照パルス光LのパスP2は、パルス周期の半分程度の遅延が与えられる長さに設定されている。参照パルス光Lは、パルス繰り返しの周期に対して位相が180°遅れて偏光ビームスプリッタ15に入射し、偏光ビームスプリッタ15の出力光において、参照パルス光Lは、時間軸上で、プローブパルス光Lのパルスとパルスの中間の位置に現れる。この例では、光源11のパルス繰り返し周波数は76MHzである。Path P2 of the reference pulse light L R is about half of the delay of the pulse period is set to a length given. The reference pulse light LR is incident on the polarization beam splitter 15 with a phase delayed by 180 ° with respect to the pulse repetition period. In the output light of the polarization beam splitter 15, the reference pulse light LR is a probe on the time axis. appearing in between pulses intermediate position of the pulse light L P. In this example, the pulse repetition frequency of the light source 11 is 76 MHz.

試料を透過したプローブパルス光Lには、試料の分子振動など、微小な強度の情報Iが含まれる。検出器18で検出されたプローブパルス光Lと参照パルス光Lは、平衡器(バランス回路)30に入力される。平衡器30には、パルス光Lと同期した電気パルスが入力され、ノイズをキャンセルすることに用いられる。平衡器30は、ノイズが相殺された後の情報Iを出力する。The probe pulse light L P transmitted through the sample, such as molecular vibrations of the sample, and information I minute strength. Reference pulse light L R and the detected probe pulse light L P by the detector 18 is input balancer (the balance circuit) 30. An electric pulse synchronized with the pulsed light L is input to the balancer 30 and is used for canceling noise. The balancer 30 outputs the information I after the noise is canceled.

図2は、平衡器30の構成例を示す。平衡器30には、検出器18で検出されTIAで電圧に変換されたパルス信号(プローブパルス信号と参照パルス信号を含む)と、パルス光と同期した電気パルスとが入力される。   FIG. 2 shows a configuration example of the balancer 30. The balancer 30 receives a pulse signal (including a probe pulse signal and a reference pulse signal) detected by the detector 18 and converted into a voltage by the TIA, and an electric pulse synchronized with the pulsed light.

平衡器30は、バンドパスフィルタ32、位相調整器33、コンパレータ34、乗算器38と、平均化回路41を有する。平衡器30は、任意でバイアス電源36、コンデンサ35、抵抗器37、アクティブローパスフィルタ42、アクティブハイパスフィルタ43を含んでもよい。   The balancer 30 includes a bandpass filter 32, a phase adjuster 33, a comparator 34, a multiplier 38, and an averaging circuit 41. The balancer 30 may optionally include a bias power source 36, a capacitor 35, a resistor 37, an active low pass filter 42, and an active high pass filter 43.

フォトダイオードなどの検出器18から出力される電流は、TIA31により適切なレベルの電圧信号に変換されて、乗算器38に入力される。この電圧信号には、プローブパルス成分と、参照パルス成分が含まれている。一方、パルス光源11からのパルス光と同期した電気パルス信号は、例えば76MHzバンドパスフィルタ32と位相調整器33により、パルス光と同期した76MHzの正弦波に変換される。この正弦波はさらにコンパレータ34によって方形波(矩形波)に変換され、+1と−1の方形波が乗算器38に入力される。   The current output from the detector 18 such as a photodiode is converted into a voltage signal of an appropriate level by the TIA 31 and input to the multiplier 38. This voltage signal includes a probe pulse component and a reference pulse component. On the other hand, the electric pulse signal synchronized with the pulse light from the pulse light source 11 is converted into a 76 MHz sine wave synchronized with the pulse light by the 76 MHz band pass filter 32 and the phase adjuster 33, for example. This sine wave is further converted into a square wave (rectangular wave) by the comparator 34, and square waves of +1 and −1 are input to the multiplier 38.

バイアス電源36と、コンデンサ35と、抵抗器37は、コンパレータ34で生成された方形波にバイアスを加える場合に用いられる。この場合、コンデンサ35と抵抗器37は、バイアス電源36で生成されたバイアス電圧Bと方形波をデカップリングする。バイアスは、プローブパルス光Lと参照パルス光Lの光学的分割比(強度比)で定まるプローブパルス信号と参照パルス信号の強度が等しくなるように調整するため(平衡化のため)に印加される。図1のように、偏光面が45°傾いたパルス光Lを偏光ビームスプリッタ12に入射する場合は、水平偏光成分(プローブパルス光L)と垂直偏光成分(参照パルス光L)の強度は等しくなるので、バイアスを印加しなくてもよい。後述の実施例で述べるように、多波長の検出光を用いる場合に、バイアスを印加してプローブ光と参照光の信号強度比調整を行うのが有効である。The bias power source 36, the capacitor 35, and the resistor 37 are used when a bias is applied to the square wave generated by the comparator 34. In this case, the capacitor 35 and the resistor 37 decouple the bias voltage B generated by the bias power source 36 and the square wave. Bias, applied in order to adjust so that the intensity of the probe pulse signal and the reference pulse signal determined by the optical division ratio of the reference pulse light L R and the probe pulse light L P (intensity ratio) is equal (for equilibration) Is done. As shown in FIG. 1, when the pulsed light L whose polarization plane is inclined by 45 ° is incident on the polarization beam splitter 12, the intensity of the horizontal polarization component (probe pulse light L P ) and the vertical polarization component (reference pulse light L R ). Are equal, it is not necessary to apply a bias. As will be described later in the embodiments, it is effective to adjust the signal intensity ratio between the probe light and the reference light by applying a bias when using multi-wavelength detection light.

乗算器38によって、プローブパルス信号と参照パルス信号に方形波が乗算される。プローブパルス信号は1倍(バイアス電圧を印加する場合は(1+B)倍)、参照パルス信号は−1倍(バイアス電圧を印加する場合は(−1+B)倍)されて乗算器38から出力される。符号が逆になったプローブパルス信号と参照パルス信号は、平均化回路41によって平均化され、互いに相殺される。平均化回路41は、たとえばコンデンサと抵抗器からなる受動ローパスフィルタ41であり、互いに逆符号となったプローブパルス信号と参照パルス信号を時間平均することで、差分を出力する。出力される信号は、ノイズが打ち消された後の試料由来の情報成分Iである。平均化回路41の出力Voutは以下のように表わされる。   The multiplier 38 multiplies the probe pulse signal and the reference pulse signal by a square wave. The probe pulse signal is multiplied by 1 ((1 + B) times when a bias voltage is applied), and the reference pulse signal is multiplied by -1 ((-1 + B) times when a bias voltage is applied) and output from the multiplier 38. . The probe pulse signal and the reference pulse signal whose signs are reversed are averaged by the averaging circuit 41 and canceled out. The averaging circuit 41 is a passive low-pass filter 41 composed of, for example, a capacitor and a resistor, and outputs a difference by averaging the probe pulse signal and the reference pulse signal that have opposite signs. The output signal is the information component I derived from the sample after the noise is canceled out. The output Vout of the averaging circuit 41 is expressed as follows.

Vout=(プローブパルス信号)×1+(参照パルス信号)×(−1)
平均化回路41の出力は、さらにオペアンプを用いたカットオフ周波数10kHzのアクティブローパスフィルタ42と、カットオン周波数400Hzのアクティブハイパスフィルタ43を経て出力される。アクティブフィルタ42及び43の組み合わせは、ゲイン100倍のバンドパスフィルタとして機能する。
Vout = (probe pulse signal) × 1 + (reference pulse signal) × (−1)
The output of the averaging circuit 41 is further output through an active low-pass filter 42 having a cutoff frequency of 10 kHz using an operational amplifier and an active high-pass filter 43 having a cut-on frequency of 400 Hz. The combination of the active filters 42 and 43 functions as a band pass filter with a gain of 100 times.

図1及び図2に示す光学測定装置10Aは、以下の特徴を有する。
(a)同一の光源11から同一時刻に生成したパルス光を分割してプローブパルス光Lと参照パルス光Lに分割することで、プローブパルス光Lと参照パルス光Lに含まれるノイズの性質が同一になる。
(b)プローブパルス光Lと参照パルス光Lの検出系が同一なので、検出系の周波数特性が同一である。したがって、信号を観測する周波数を含めて、ノイズを打ち消すことができる。
(c)方形波を用いることにより、プローブパルス光Lと参照パルス光Lのタイミングがパルス繰り返しの2分の1周期から多少ずれた場合でも、最大の平衡が得られる。すなわち、打ち消しの程度が光路差に敏感でなく、光学系の調整が容易になる。
The optical measuring device 10A shown in FIGS. 1 and 2 has the following characteristics.
(a) dividing the pulsed light generated at the same time from the same light source 11 by dividing the reference pulse light L R and the probe pulse light L P, contained in the reference pulse light L R and the probe pulse light L P The nature of noise is the same.
(b) detection system because of the same probe pulse light L P and the reference pulse light L R, the frequency characteristics of the detection system are identical. Therefore, noise can be canceled including the frequency at which the signal is observed.
The use of (c) a square wave, even if the timing of the reference pulse light L R and the probe pulse light L P is slightly deviated from one period of 2 minutes of repetitive pulses, the maximum equilibrium is obtained. That is, the degree of cancellation is not sensitive to the optical path difference, and the optical system can be easily adjusted.

図3は、第1実施形態の光学測定方法のフローチャートである。パルス光を照射し(S101)、パルス光をプローブパルス光Lと参照パルス光Lに分割する(S102)。プローブパルス光Lを試料に入射して試料を測定する(S103)。参照パルス光Lにパルス周期の半分程度の遅延を与えて(S104)、プローブパルス光と参照パルス光を空間的に重ねる(S105)。重ねられた光信号を検出して電気信号に変換する(S106)。FIG. 3 is a flowchart of the optical measurement method of the first embodiment. Irradiating the pulse light (S101), it divides the pulsed light to the reference pulse light L R and the probe pulse light L P (S102). The probe pulse light L P is incident on the sample to measure the sample (S103). The reference pulsed light L R giving half of the delay of the pulse period (S104), spatially overlap the reference pulse light and probe pulse light (S105). The superimposed optical signal is detected and converted into an electrical signal (S106).

他方、パルス光源に同期させた電気信号を生成し(S111)、位相調整して(S112)±1のロジック(例えば±1の方形波関数)に変換する(S113)。検出され電圧変換された電気信号とロジックが乗算される(S115)。乗算結果を時間平均などにより平均化して出力する(S116)。これにより、プローブパルス光と参照パルス光が打ち消され、プローブパルス光に含まれる微小な情報成分(測定結果)を信号雑音比良く抽出することができる。
<第2実施形態>
図4は、第2実施形態の光学測定装置10Bの概略構成図である。光学測定装置10Bは、光源11からの光をプローブパルス光と参照パルス光に分割して参照パルス光に遅延を与える点と、平衡器30に同一の検出器18で検出されたプローブパルス信号と参照パルス信号が入力されるとともに、パルス光と同期する電気パルスが入力される点で、第1実施形態の光学測定装置10Aと同様である。
On the other hand, an electric signal synchronized with the pulse light source is generated (S111), and the phase is adjusted (S112) to be converted to ± 1 logic (for example, ± 1 square wave function) (S113). The detected and voltage-converted electrical signal is multiplied by the logic (S115). The multiplication results are averaged by time averaging or the like and output (S116). Thereby, the probe pulse light and the reference pulse light are canceled, and a minute information component (measurement result) included in the probe pulse light can be extracted with a good signal-to-noise ratio.
Second Embodiment
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the optical measurement apparatus 10B of the second embodiment. The optical measuring device 10B splits the light from the light source 11 into probe pulse light and reference pulse light to give a delay to the reference pulse light, and the probe pulse signal detected by the same detector 18 in the balancer 30. It is the same as the optical measurement apparatus 10A of the first embodiment in that a reference pulse signal is input and an electric pulse synchronized with pulse light is input.

光学測定装置10Bは、試料20の前段に偏光ビームスプリッタ15が配置され、合波されたプローブパルス光Lと参照パルス光Lを試料20に入射する点と、図示しない刺激部からプローブパルス光Lと同期する刺激Sが試料20に与えられる点で、第1実施形態の光学測定装置10Aと異なる。Optical measuring device 10B is arranged a polarization beam splitter 15 in front of the sample 20, and that the combined probe pulse light L P and the reference pulse light L R is incident on the sample 20, the probe pulse from the stimulation unit (not shown) in that the stimulus S to synchronize with light L P is applied to the sample 20, different from the optical measuring device 10A of the first embodiment.

試料20に刺激Sを与えることで、試料分子に物理・化学反応あるいは分子振動が生じる。刺激Sはプローブパルス光にだけ同期しているので、刺激Sの影響はプローブパルス光にだけ反映される。平衡回路30で±1のロジックを用いてプローブパルス信号光と参照パルス信号との差分を得ることで、光源からの光のノイズを打ち消し、刺激Sの影響による情報成分だけを抽出することができる。   By applying the stimulus S to the sample 20, a physical / chemical reaction or molecular vibration occurs in the sample molecule. Since the stimulus S is synchronized only with the probe pulse light, the influence of the stimulus S is reflected only on the probe pulse light. By obtaining the difference between the probe pulse signal light and the reference pulse signal using ± 1 logic in the balanced circuit 30, it is possible to cancel out the noise of the light from the light source and extract only the information component due to the influence of the stimulus S. .

試料20から検出器18までの光路が、プローブパルス光Lと参照パルス光Lで同一なので、刺激以外の変動要因をほぼ完全に打ち消すことができる。例えば、測定中に試料20の透過率が変化しても影響を受けない。このことは、本発明を測定対象の空間分布を分析するイメージング(画像形成)に適用する場合に特に有効である。通常、試料は光学的に不均一であり、イメージング中に試料の透過率が変化する。試料20から検出器18までのプローブパルス光Lと参照パルス光Lの光路が異なると、測定中にプローブパルス光Lと参照パルス光Lの強度比が変化し、平衡が崩れるおそれがある。これに対し、図4のように同一の光路とすることで、ノイズ成分をバランス良く打ち消して、必要な情報を取り出すことができる。The optical path from the sample 20 to the detector 18, so identical reference pulsed light L R and the probe pulse light L P, it is possible to cancel the fluctuation factors other than stimulation almost completely. For example, even if the transmittance of the sample 20 changes during measurement, it is not affected. This is particularly effective when the present invention is applied to imaging (image formation) for analyzing the spatial distribution of a measurement target. Usually, the sample is optically non-uniform and the transmittance of the sample changes during imaging. When the optical path of the probe pulse light L P and the reference pulse light L R from the specimen 20 to the detector 18 is different from the intensity ratio of the reference pulse light L R and the probe pulse light L P is changed during measurement, a possibility that the equilibrium is broken There is. On the other hand, by using the same optical path as shown in FIG. 4, it is possible to cancel out noise components in a balanced manner and extract necessary information.

図5は、第2実施形態の光学測定方法のフローチャートである。パルス光を照射し(S201)、パルス光をプローブパルス光Lと参照パルス光Lに分割する(S202)。参照パルス光Lにパルス周期の半分程度の遅延を与えて(S204)、プローブパルス光Lと参照パルス光Lを空間的に重ねる(S205)。重ねられたパルス光を試料に入射するとともに、プローブパルス光Lと同期した刺激を試料に与える(S206)。プローブパルス光Lと参照パルス光Lの合成パルス光で、刺激の影響下にある試料を測定する(S207)。試料を透過したパルス光を検出して電気信号に変換する(S208)。FIG. 5 is a flowchart of the optical measurement method of the second embodiment. Irradiating the pulse light (S201), it divides the pulsed light to the reference pulse light L R and the probe pulse light L P (S202). The reference pulsed light L R giving half of the delay of the pulse period (S204), spatially overlap the reference pulse light L R and the probe pulse light L P (S205). With the superimposed pulsed light incident on the specimen, providing a synchronized stimulus probe pulse light L P to the sample (S206). In composite pulse light of the probe pulse light L P and the reference pulse light L R, measuring the sample under the influence of the stimulus (S207). The pulsed light transmitted through the sample is detected and converted into an electric signal (S208).

他方、パルス光源と同期した電気信号を生成し(S211)、位相調整して(S212)±1のロジック(例えば±1の方形波関数)に変換する(S213)。検出され電圧変換された電気信号とロジックが乗算される(S215)。乗算結果を、時間平均などを用いて平均化して出力する(S216)。
<第3実施形態>
図6は、第3実施形態の光学測定装置50の概略構成図である。第3実施形態では、平衡検出を、多数の信号を並列的にロックイン検出するマルチチャンネルロックイン検出に適用する。
On the other hand, an electric signal synchronized with the pulse light source is generated (S211), and the phase is adjusted (S212) to be converted into ± 1 logic (for example, ± 1 square wave function) (S213). The detected and voltage-converted electrical signal is multiplied by the logic (S215). The multiplication results are averaged using a time average or the like and output (S216).
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an optical measuring device 50 according to the third embodiment. In the third embodiment, balanced detection is applied to multi-channel lock-in detection in which multiple signals are locked in in parallel.

光学測定装置50は、白色光源51、光学素子52および55、分光器58、複数の検出器18−1〜18−n(適宜、「検出器18」と総称する)、各検出器に対応するTIA31−1〜31−n(適宜「TIA31」と総称する)、複数の平衡器30−1〜30−n(適宜、「平衡器30」と総称する)、及び多チャンネルロックインアンプ59を含む。光学素子52は、第1実施形態、第2実施形態と同様に、偏光ビームスプリッタである。検出器18は、たとえばアバランシェフォトダイオード(APD)である。白色光源51は、たとえばパルス繰り返し周波数が76MHzのパルスレーザとフォトニック結晶ファイバ(PCF)を用いて、連続的な複数の波長を含む白色パルス光を生成する。パルスレーザの中心波長は、たとえば800nmである。   The optical measuring device 50 corresponds to a white light source 51, optical elements 52 and 55, a spectroscope 58, a plurality of detectors 18-1 to 18-n (collectively referred to as “detector 18” as appropriate), and each detector. TIA31-1 to 31-n (collectively referred to as “TIA31” as appropriate), a plurality of balancers 30-1 to 30-n (referred to as “balancer 30” as appropriate), and a multi-channel lock-in amplifier 59. . The optical element 52 is a polarization beam splitter as in the first and second embodiments. The detector 18 is, for example, an avalanche photodiode (APD). The white light source 51 generates white pulse light including a plurality of continuous wavelengths using, for example, a pulse laser having a pulse repetition frequency of 76 MHz and a photonic crystal fiber (PCF). The center wavelength of the pulse laser is, for example, 800 nm.

図7に、白色光源51から出射される白色パルス光のスペクトルを示す。白色パルス光は、575nmから780nmに強度を有する。   FIG. 7 shows a spectrum of white pulse light emitted from the white light source 51. The white pulse light has an intensity from 575 nm to 780 nm.

図6に戻って、白色パルス光は、偏光ビームスプリッタ52でプローブパルス光Lと、参照パルス光Lに分割される。偏光ビームスプリッタ52を透過した光成分は、プローブパルス光Lとして、偏光ビームスプリッタ55に入射する。偏光ビームスプリッタ52で反射された光成分は、参照パルス光Lとして、ミラー53、54を介して偏光ビームスプリッタ55に入射する。参照パルス光Lの光路長は、白色光源51のパルス繰り返し周期に対して半周期(位相180°)遅れる長さに設定されている。Returning to FIG. 6, the white pulse light and probe pulse light L P at the polarization beam splitter 52 is split into the reference pulse light L R. Light component transmitted through the polarization beam splitter 52, a probe pulse light L P, incident on the polarization beam splitter 55. Light component reflected by the polarizing beam splitter 52, as the reference pulsed light L R, is incident on the polarization beam splitter 55 via the mirror 53 and 54. The optical path length of the reference pulse light L R is set to a length delayed a half period (phase 180 °) relative to the pulse repetition period of the white light source 51.

偏光ビームスプリッタ55で合波されたプローブパルス光Lと参照パルス光Lは、ダイクロイックミラーDM上で、800nmポンプパルス光Lと重ねられる。ポンプパルス光Lは、たとえば白色光源51で用いられているパルスレーザの出射光から分岐され図示しないチョッパーで強度変調されている。ポンプパルス光Lはプローブパルス光Lに同期するが、参照パルス光Lとは位相が180°ずれている。Reference pulse light L R and multiplexed probe pulse light L P by the polarization beam splitter 55, on the dichroic mirror DM, superimposed and 800nm pumping pulse light L S. The pump pulse light L S is branched from the light emitted from the pulse laser used in the white light source 51, for example, and is intensity-modulated by a chopper (not shown). Pump pulse light L S is synchronized with the probe pulse light L P, but the reference pulse light L R of phase 180 °.

プローブパルス光L、参照パルス光L、及びポンプパルス光Lは、試料20に入射する。ポンプパルス光Lの照射により、波長に応じた分子振動が生じ、散乱が生じる。散乱の影響で、ポンプパルス光Lに同期するプローブパルス光Lの強度が変調される。他方、ポンプパルス光Lとタイミングの異なる参照パルス光Lは、影響を受けない。試料20を透過した光のうち、ポンプパルス光LはショートパスフィルタSPFによって除去され、参照パルス光Lと強度変調を受けたプローパルス光Lが、レンズ57と光ファイバ61を介して分光器58に導かれる。The probe pulse light L P , the reference pulse light L R , and the pump pulse light L S are incident on the sample 20. By irradiation with the pump pulse light L S , molecular vibrations according to the wavelength are generated and scattering occurs. The influence of the scattering intensity of the probe pulse light L P to synchronize the pump pulse light L S is modulated. On the other hand, the reference pulse light L R of different pump pulse light L S and the timing is not affected. Of the light transmitted through the sample 20, the pump pulse light L S is removed by short-pass filter SPF, Puroparusu light L P having received the reference pulse light L R and the intensity modulation, via the lens 57 and the optical fiber 61 Spectroscopy Guided to instrument 58.

分光器58は、プローブパルス光Lと参照パルス光Lをそれぞれ分光する。分光された各波長の光は、検出器18−1〜18−nで検出される。検出結果は、対応する平衡器30−1〜30−nに入力される。Spectrometer 58 disperses reference pulse light L R and the probe pulse light L P, respectively. The separated light of each wavelength is detected by detectors 18-1 to 18-n. The detection results are input to the corresponding balancers 30-1 to 30-n.

平衡器30−1〜30−nのそれぞれは図2に示す構成を有し、TIA31の電圧信号と、白色パルス光に同期した電気パルスとを入力とする。各平衡器30で±1のロジックによりプローブパルス光Lと参照パルス光Lが打ち消され、散乱により強度変調を受けた部分だけが試料情報として抽出される。各平衡器30の出力は、多チャンネルロックインアンプ59によってポンプパルス光の変調周波数でロックイン検出される。Each of the balancers 30-1 to 30-n has the configuration shown in FIG. 2, and receives a voltage signal of the TIA 31 and an electric pulse synchronized with white pulse light. The ± 1 logic at each balancer 30 probe pulse light L P and the reference pulse light L R is canceled, only the portion which receives the intensity modulation is extracted as a sample information by scattering. The output of each balancer 30 is lock-in detected by the multi-channel lock-in amplifier 59 at the modulation frequency of the pump pulse light.

白色プローブ光と、平衡検出及び多チャンネルロックイン検出を用いることにより、通常の1チャンネルロックイン検出でスペクトルを得る方法と比べて、計測速度が格段に速くなる。多チャンネルロックインアンプ59を、たとえば128チャンネルロックインアンプとすると、通常の1チャンネルのロックイン検出と比較して128倍の速度で計測が可能になる。白色光は通常はノイズが大きいが、平衡器30−1〜30−nを用いることで、各波長でノイズをキャンセルして微小な情報を高感度かつ高速に検出することができる。   By using white probe light, balanced detection and multi-channel lock-in detection, the measurement speed is remarkably increased compared with a method of obtaining a spectrum by normal one-channel lock-in detection. If the multi-channel lock-in amplifier 59 is, for example, a 128-channel lock-in amplifier, measurement can be performed at a speed 128 times that of normal one-channel lock-in detection. White light is usually noisy, but by using the balancers 30-1 to 30-n, noise can be canceled at each wavelength and minute information can be detected with high sensitivity and high speed.

第1実施形態及び第2実施形態と同様に、同一の光源から同一時刻に生成したパルス光を分割してプローブパルス光と参照パルス光とすることで、プローブパルス光と参照パルス光に含まれるノイズが同一となり、平衡検出の効果が最大になる。また、第1実施形態及び第2実施形態と同様に、プローブパルス光と参照パルス光を重ねた後の光路を同一にすることで、単一の分光器58で各波長に分光することができる。   As in the first and second embodiments, the pulse light generated from the same light source at the same time is divided into probe pulse light and reference pulse light, which are included in the probe pulse light and reference pulse light. Noise becomes the same, and the effect of balanced detection is maximized. Similarly to the first embodiment and the second embodiment, by making the optical path after the probe pulse light and the reference pulse light overlap each other, the single spectroscope 58 can split the light into each wavelength. .

さらに、各平衡器30で±1のロジック(符号反転の方形波)をバイアス印加により調整することができるので(図2参照)、白色光による試料測定に特に有効である。バイアスレベルをBとすると、波長ごとに各平衡器30で得られる信号出力Voutは、以下のように表わされる。   Furthermore, each balancer 30 can adjust ± 1 logic (sign-inverted square wave) by applying a bias (see FIG. 2), which is particularly effective for sample measurement using white light. When the bias level is B, the signal output Vout obtained by each balancer 30 for each wavelength is expressed as follows.

Vout=(プローブパルス信号)×(1+B)+(参照パルス信号)×(−1+B)
白色光を分光して観測する場合、最大の平衡を得るためには、全ての波長でプローブパルス光と参照パルス光の強度が同一となる光学的分割が必要であるが、一つの偏光ビームスプリッタ52でこれを実現するのは困難である。第3実施形態では、白色光に含まれる波長によって光学的分割比が異なる場合でも、後段の平衡器30で適切なバイアスを印加してプローブパルス光と参照パルス光の信号強度を均等に補正できるので、全ての波長で最大の平衡を得ることができる。
<第4実施形態>
図8及び図9は、第4実施形態の光学測定装置100の概略構成図である。第4実施形態では、第3実施形態の平衡検出とマルチチャンネルロックイン検出を誘導ラマン顕微鏡に適用する。
Vout = (probe pulse signal) × (1 + B) + (reference pulse signal) × (−1 + B)
When observing white light by spectroscopic observation, in order to obtain the maximum balance, optical splitting is required in which the intensity of the probe pulse light and the reference pulse light are the same at all wavelengths. This is difficult to achieve at 52. In the third embodiment, even when the optical division ratio varies depending on the wavelength included in the white light, the signal intensity of the probe pulse light and the reference pulse light can be corrected evenly by applying an appropriate bias by the balancer 30 at the subsequent stage. Therefore, the maximum balance can be obtained at all wavelengths.
<Fourth embodiment>
8 and 9 are schematic configuration diagrams of the optical measurement apparatus 100 according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the equilibrium detection and multi-channel lock-in detection of the third embodiment are applied to a guided Raman microscope.

分子振動情報を反映するラマン散乱スペクトルや強度を観測する方法として、誘導ラマン散乱法がある。誘導ラマン散乱法では、波長の異なる少なくとも2波長のパルスレーザ光を同期させて試料に照射する。波長の差が分子振動のエネルギーに相当したとき、波長が短い光の強度が減少し、波長が長い光の強度が増大する。波長が短い光の強度の減少を誘導ラマン損失、波長が長い光の強度の増加を誘導ラマン利得という。分子振動は物質により異なるので、誘導ラマン散乱法を用いて定性分析が可能である。さらに、誘導ラマン損失や誘導ラマン利得の強度は分子の濃度に比例するので、定量分析も可能である。これらの光を顕微鏡に導入して試料又は入射光を掃引し、試料の各点における誘導ラマン散乱強度を取得することで、誘導ラマン散乱強度や誘導ラマンスペクトルの空間分布を得ることができる。これを誘導ラマンイメージングと呼ぶ。   There is a stimulated Raman scattering method as a method of observing a Raman scattering spectrum and intensity reflecting molecular vibration information. In the stimulated Raman scattering method, a sample is irradiated with synchronized pulse laser beams of at least two wavelengths having different wavelengths. When the difference in wavelength corresponds to the energy of molecular vibration, the intensity of light having a short wavelength decreases and the intensity of light having a long wavelength increases. A decrease in the intensity of light having a short wavelength is referred to as induced Raman loss, and an increase in the intensity of light having a long wavelength is referred to as induced Raman gain. Since molecular vibration differs depending on the substance, qualitative analysis can be performed using stimulated Raman scattering. Furthermore, since the intensity of induced Raman loss and induced Raman gain is proportional to the concentration of molecules, quantitative analysis is also possible. By introducing these lights into a microscope, sweeping the sample or incident light, and acquiring the stimulated Raman scattering intensity at each point of the sample, the spatial distribution of the stimulated Raman scattering intensity and the stimulated Raman spectrum can be obtained. This is called guided Raman imaging.

第3実施形態のように、波長ごとに検出されるプローブパルス光をマルチチャンネルロックイン検出することにより、各波長での誘導ラマン散乱強度を取得しつつ、試料を入射光に対して相対的に掃引して、誘導ラマン散乱スペクトルによる画像を得る。   As in the third embodiment, the probe pulse light detected for each wavelength is subjected to multichannel lock-in detection, so that the stimulated Raman scattering intensity at each wavelength is obtained, and the sample is made relatively to the incident light. Sweep to obtain an image by stimulated Raman scattering spectrum.

図8において、光学測定装置100は、白色光源110と、偏光ビームスプリッタ119及び122と、試料20を光パルスに対して相対的に駆動するステージ127と、試料20からの光を測定する測定系150を含む。   In FIG. 8, the optical measurement apparatus 100 includes a white light source 110, polarization beam splitters 119 and 122, a stage 127 that drives the sample 20 relative to the light pulse, and a measurement system that measures light from the sample 20. 150.

白色光源110は、パルスレーザ光源101とフォトニック結晶ファイバ(PCF)116を含む。パルスレーザ光源101は、たとえばチタンサファイアパルスレーザで構成される。チタンサファイアパルスレーザは、チタンサファイアを利得媒質とした受動モードロック動作によって、中心波長800nm、パルス幅2.5ps、パルス繰り返し周波数76MHz、平均出力450mWでパルス光を出力するとともに、パルス光と同期したパルス電気信号を出力する。   The white light source 110 includes a pulse laser light source 101 and a photonic crystal fiber (PCF) 116. The pulse laser light source 101 is composed of, for example, a titanium sapphire pulse laser. The titanium sapphire pulse laser outputs pulse light at a center wavelength of 800 nm, a pulse width of 2.5 ps, a pulse repetition frequency of 76 MHz, and an average output of 450 mW by a passive mode-locking operation using titanium sapphire as a gain medium, and is synchronized with the pulse light. A pulse electric signal is output.

パルスレーザ光源101の出力光は、アイソレータ103を介してビームスプリッタ104に導かれる。アイソレータ103は、後段の光学素子からパルスレーザ光源101への戻り光を遮断し、パルスレーザ光源101の動作を安定させる。   The output light of the pulse laser light source 101 is guided to the beam splitter 104 via the isolator 103. The isolator 103 blocks the return light from the subsequent optical element to the pulse laser light source 101 and stabilizes the operation of the pulse laser light source 101.

ビームスプリッタ(BS)104は、パルスレーザ光源101から出力されるパルス光を分割し、40%を反射し、60%を透過させる。BS104を透過したパルス光は、焦点距離60mmの凹レンズ112と焦点距離120mmの凸レンズ113を経て、半波長板114に導かれる。レンズ112及び113は、対物レンズ115の瞳面を満たすようにビーム径を調整する。半波長板114を光軸回りに回転することにより、偏光面を調整する。   The beam splitter (BS) 104 splits the pulsed light output from the pulse laser light source 101, reflects 40%, and transmits 60%. The pulsed light transmitted through the BS 104 is guided to the half-wave plate 114 through a concave lens 112 having a focal length of 60 mm and a convex lens 113 having a focal length of 120 mm. The lenses 112 and 113 adjust the beam diameter so as to fill the pupil plane of the objective lens 115. The plane of polarization is adjusted by rotating the half-wave plate 114 around the optical axis.

偏光面を調整されたパルス光は、40倍、開口数0.65の顕微鏡用の対物レンズ115に入射する。対物レンズ115によって集光されたパルス光は、30cmの長さを有する偏波保持型のPCF116に導入される。PCF116はシリカで作製され、断面は、規則正しく配置された空隙がコアをとり囲む構造となっている。空隙がある領域は実質的にコアよりも屈折率が小さく、クラッドとして機能する。このようなファイバでは、コアとクラッドの屈折率の差が大きく、入射光は狭い空間領域に閉じ込められ、入射光のエネルギー密度が大きくなり、大きな非線形光学効果が得られる。この大きな非線形効果により、入射光の波長は、パルスレーザ101のパワーで広い範囲の波長に強度を有する白色光に変換される。PCF116の偏波保持機能により、入射光の偏光面の方向が適切ならば、直線偏光が出力される。   The pulsed light whose polarization plane has been adjusted is incident on a microscope objective lens 115 having a magnification of 40 and a numerical aperture of 0.65. The pulsed light collected by the objective lens 115 is introduced into a polarization-maintaining PCF 116 having a length of 30 cm. The PCF 116 is made of silica, and the cross section has a structure in which regularly arranged voids surround the core. A region having a void has a refractive index substantially smaller than that of the core and functions as a cladding. In such a fiber, the difference in refractive index between the core and the clad is large, the incident light is confined in a narrow space region, the energy density of the incident light is increased, and a large nonlinear optical effect is obtained. Due to this large nonlinear effect, the wavelength of the incident light is converted into white light having an intensity in a wide range of wavelengths by the power of the pulse laser 101. If the direction of the polarization plane of the incident light is appropriate due to the polarization maintaining function of the PCF 116, linearly polarized light is output.

PCF116で生成された白色光は、40倍、開口数0.65の顕微鏡用対物レンズ117によってコリメートされる。このとき、白色光の偏光面の方向はPCF116を回転させることで調整される。コリメートされた白色パルス光Lが、白色光源110の出力となる。   White light generated by the PCF 116 is collimated by a microscope objective lens 117 having a magnification of 40 × and a numerical aperture of 0.65. At this time, the direction of the polarization plane of white light is adjusted by rotating the PCF 116. The collimated white pulse light L becomes the output of the white light source 110.

白色パルス光Lは、偏光ビームスプリッタ(PBS)119によりプローブパルス光Lと参照パルス光Lに分割される。参照パルス光Lは、パルスレーザ光源101のパルス繰り返し周期に対して半周期遅れる分の、すなわち位相が180°遅れる分の長い光路を経て、PBS122に入射し、プローブパルス光Lと空間的に重ねられる。PBS119、122は、共に水平偏光を透過させ、垂直偏光を反射する。PBS119に偏光面が45°傾いた偏光を入射すると, 透過した水平偏光と反射された垂直偏光の強度がほぼ等しくなる。PBS122においては、水平偏光であるプローブパルス光Lが透過し、垂直偏光である参照パルス光Lが反射されることで、プローブパルス光Lと参照パルス光Lが高いスループットで重ねられる。White pulse light L is split into the reference pulse light L R and the probe pulse light L P by the polarization beam splitter (PBS) 119. Reference pulse light L R is the pulsed laser light source 101 pulse repetition minute delayed half cycle with respect to the period, i.e. after a long optical path in phase is delayed 180 ° min, enters the PBS122, spatial and probe pulse light L P Is superimposed on. The PBSs 119 and 122 both transmit horizontally polarized light and reflect vertically polarized light. When polarized light whose plane of polarization is inclined by 45 ° is incident on PBS 119, the intensity of transmitted horizontal polarized light and reflected vertical polarized light are substantially equal. In PBS122, transmits the probe pulse light L P is a horizontally polarized light, by reference pulsed light L R is vertically polarized light is reflected, the reference pulse light L R and the probe pulse light L P is overlapped with a high throughput .

プローブパルス光Lと参照パルス光Lは、ショートパス干渉フィルタ111を透過する。ショートパス干渉フィルタ111によって白色光の780nm以上の波長成分は遮断され、変調されたポンプパルス光Lと同軸上に重ねられる。Reference pulse light L R and the probe pulse light L P passes through the short-pass interference filter 111. The short-path interference filter 111 blocks white light having a wavelength component of 780 nm or more and superimposes the modulated pump pulse light L S on the same axis.

BS104で反射された40%のパルス光は、光チョッパー105によって強度が変調(オン・オフ)され、ポンプパルス光Lとして用いられる。ポンプパルス光Lは、焦点距離170mmの凸レンズ107と焦点距離150mmの凹レンズ108を通る。レンズ107及び108は、ポンプパルス光Lのビーム径を白色パルス光Lのビーム径と同一にする。The intensity of the 40% pulse light reflected by the BS 104 is modulated (on / off) by the optical chopper 105 and used as the pump pulse light L S. The pump pulse light L S passes through a convex lens 107 having a focal length of 170 mm and a concave lens 108 having a focal length of 150 mm. Lenses 107 and 108, the beam diameter of the pumping pulse light L S equal to the beam diameter of the white pulse light L.

ポンプパルス光Lはディレイステージ109に導かれる。ディレイステージ109は図示しないマイクロメータによって平行に滑動する2枚のミラーM1、M2を有し、ポンプパルス光Lの光路長を調整してプローブパルス光Lと同期させる。ポンプパルス光Lのパワーは、減光フィルタ106によって調整される。ポンプパルス光Lのパワーが大きいほど信号雑音比は大きくなるが、大きなパワーは試料20の破壊を招く。そこで、 減光フィルタ106を用いて、ポンプパルス光Lのパワーを、信号雑音比を大きく保ちつつ試料20を破壊しないレベルに調整する。The pump pulse light L S is guided to the delay stage 109. Delay stage 109 includes two mirrors M1, M2 in parallel to slide by a micrometer (not shown), synchronized with the probe pulse light L P by adjusting the optical path length of the pump pulse light L S. The power of the pump pulse light L S is adjusted by the neutral density filter 106. The signal-to-noise ratio increases as the power of the pump pulse light L S increases, but the large power causes the sample 20 to be destroyed. Therefore, the neutral density filter 106 is used to adjust the power of the pump pulse light L S to a level that does not destroy the sample 20 while maintaining a large signal-to-noise ratio.

ポンプパルス光Lは、ショートパス干渉フィルタ111上で、プローブパルス光L及び参照パルス光Lと重ねられる。ショートパス干渉フィルタ111は、800nmの光に対してはミラーとして機能する。ポンプパルス光Lとプローブパルス光Lはタイミングが一致しており、誘導ラマン信号がプローブパルス光Lの強度変調として得られる。他方、参照パルス光Lは、ポンプパルス光Lとタイミングがずれているので相互作用しない。Pump pulse light L S is on a short-pass interference filter 111, it is superimposed on the probe pulse light L P and the reference pulse light L R. The short path interference filter 111 functions as a mirror for 800 nm light. Pump pulse light L S and the probe pulse light L P is the timing matches, stimulated Raman signal is obtained as the intensity modulation of the probe pulse light L P. On the other hand, the reference pulse light L R do not interact since the pump pulse light L S and timing is deviated.

重ね合わされたプローブパルス光Lと、参照パルス光L、及びポンプパルス光Lは、焦点距離100mmの凹レンズ123と焦点距離200mmの凸レンズ124を透過する。レンズ123、124は、合成光のビーム径を後段の対物レンズ126の瞳面を満たすように拡大する。And the probe pulse light L P superimposed, the reference pulse light L R, and the pump pulse light L S is transmitted through the convex lens 124 of the concave lens 123 and the focal length 200mm focal length 100 mm. The lenses 123 and 124 expand the beam diameter of the combined light so as to fill the pupil plane of the objective lens 126 at the subsequent stage.

合成光は、反射率8%、透過率92%のビームスプリッタ125を透過した後、対物レンズ126に入射する。対物レンズ126によって集光されたビームは、ステージ127に固定された試料20を照射する。ステージ127は、たとえばピエゾ駆動されるステージであり、測定中に試料20を入射光に対して掃引する。   The combined light passes through the beam splitter 125 having a reflectance of 8% and a transmittance of 92%, and then enters the objective lens 126. The beam condensed by the objective lens 126 irradiates the sample 20 fixed to the stage 127. The stage 127 is, for example, a piezo-driven stage, and sweeps the sample 20 with respect to incident light during measurement.

ビームスプリッタ125で反射されたビームは、減光フィルタ129を透過したあと、結像レンズ130によってCCDカメラ131上に結像される。CCDカメラ131で、試料20上でのポンプパルス光Lと、プローブパルス光L及び参照パルス光Lの重なりを確認する。減光フィルタ129はCCDカメラ131に結像された像の強度を調整する。The beam reflected by the beam splitter 125 passes through the neutral density filter 129 and then forms an image on the CCD camera 131 by the imaging lens 130. The CCD camera 131, and the pump pulse light L S of on the sample 20, to confirm the overlap of the probe pulse light L P and the reference pulse light L R. The neutral density filter 129 adjusts the intensity of the image formed on the CCD camera 131.

試料20を透過した光は、コンデンサレンズ132によってコリメートされる。コリメートされた光はショートパスフィルタ133に導かれ、コリメート光に含まれる光のうちポンプパルス光Lが遮断される。ポンプパルス光Lが除去されたコリメート光は、焦点距離100mmの凸レンズ134で集光され、マルチモード光ファイバ135を介して測定系150に入力される。The light transmitted through the sample 20 is collimated by the condenser lens 132. The collimated light is guided to the short pass filter 133, and the pump pulse light L S among the light included in the collimated light is blocked. Collimated light pumping pulse light L S is removed is condensed by the convex lens 134 of focal length 100 mm, it is input to the measurement system 150 via a multimode optical fiber 135.

図9は、測定系150を中心として、光学測定装置100のユニット間の接続関係を示す。図示の便宜上、図8のレンズ134までの光学系を誘導ラマン顕微鏡160とする。誘導ラマン顕微鏡160で得られた光信号(プローブパルス光Lと参照パルス光Lを含む)は、マルチモード光ファイバ135によって分光器136に導入される。分光器136では、マルチモード光ファイバ135からの光がコリメート鏡(不図示)によって平行に回折格子(不図示)に照射され、回折格子によって分光された光が、カメラ鏡(不図示)によってバンドルファイバ137の端面上に結像される。分光器136の焦点距離は300mm、回折格子刻線密度は1200g/mmである。FIG. 9 shows a connection relationship between units of the optical measurement apparatus 100 with the measurement system 150 as the center. For convenience of illustration, the optical system up to the lens 134 in FIG. Optical signal obtained by the stimulated Raman microscope 160 (including a reference pulse light L R and the probe pulse light L P) is introduced into the spectrometer 136 by the multi-mode optical fiber 135. In the spectroscope 136, the light from the multimode optical fiber 135 is irradiated onto the diffraction grating (not shown) in parallel by a collimating mirror (not shown), and the light dispersed by the diffraction grating is bundled by the camera mirror (not shown). An image is formed on the end face of the fiber 137. The spectroscope 136 has a focal length of 300 mm and a diffraction grating engraving density of 1200 g / mm.

バンドルファイバ137は、縦16本、横128本の光ファイバが束ねられたものであり、分光された光ビームを128に分割する。バンドルファイバ137の縦16本ごとに1本の光ファイバ138に束ねられる。   The bundle fiber 137 is a bundle of 16 vertical fibers and 128 horizontal optical fibers, and divides the split light beam into 128. Every 16 bundle fibers 137 are bundled into one optical fiber 138.

128の波長に対応する128本の光ファイバ138は(図示の便宜上、1本のみを示す)、それぞれ150Vにバイアス電圧がかけられたアバランシェフォトダイオード(APD)139−1〜139−n(この例では、n=128)に接続される。APD139はアバランシェ降伏によってそれ自身で微弱な検出信号を増幅する機能(作用)を有する。   128 optical fibers 138 corresponding to 128 wavelengths (only one is shown for convenience of illustration), avalanche photodiodes (APD) 139-1 to 139-n each biased to 150V (this example) Then, n = 128). The APD 139 has a function (action) for amplifying a weak detection signal by itself by avalanche breakdown.

各APD139で検出されTIA141で電圧に変換されたプローブパルス信号と参照パルス信号は、対応する平衡器140に入力される。各平衡器140は、図2の平衡器30と同様の構成を有する。平衡器140により、プローブパルス信号と参照パルス信号に、バイアス調整された方形波が乗算され、プローブパルス信号と参照パルス信号の符号が互いに逆符号となる。逆符号のプローブパルス信号と参照パルス信号はローパスフィルタ(図2参照)で足し合わされ、差分が得られる。各平衡器140から出力される信号は、プローブパルス光Lと参照パルス光Lが互いに打ち消され、誘導ラマン散乱による影響を表わす情報だけを乗せている。プローブパルス信号と参照パルス信号を逆符号にするタイミングは、パルスレーザ光源101から供給されるパルスレーザ光と同期した電気パルス信号によって制御される。The probe pulse signal and the reference pulse signal detected by each APD 139 and converted into a voltage by the TIA 141 are input to the corresponding balancer 140. Each balancer 140 has the same configuration as the balancer 30 of FIG. The balancer 140 multiplies the probe pulse signal and the reference pulse signal by a square wave whose bias is adjusted, and the signs of the probe pulse signal and the reference pulse signal are opposite to each other. The probe pulse signal with the opposite sign and the reference pulse signal are added by a low-pass filter (see FIG. 2), and a difference is obtained. Signal output from the balanced device 140, the reference pulse light L S and the probe pulse light L P is canceled each other, it is placed only information representing the effect of stimulated Raman scattering. The timing at which the probe pulse signal and the reference pulse signal are reversed is controlled by an electric pulse signal synchronized with the pulse laser beam supplied from the pulse laser light source 101.

平衡器140−1〜140−nの各々から出力された信号は、多チャンネルロックインアンプ142の入力に接続される。多チャンネルロックインアンプ142は、たとえば32チャンネルのロックインアンプを4つ連結して128チャンネルとしたものである。   The signals output from each of the balancers 140-1 to 140-n are connected to the input of the multi-channel lock-in amplifier 142. The multi-channel lock-in amplifier 142 is formed by connecting four 32-channel lock-in amplifiers to 128 channels, for example.

光学測定装置100は、制御系としてチョッパー制御器144と、ピエゾステージ制御器148と、コンピュータ146を有する。チョッパー制御器144から多チャンネルロックインアンプ142にロックイン検出のための参照信号が供給される。チョッパー制御器144は、光チョッパー105(図8参照)への電源供給を制御する。また、光チョッパー105の回転数の信号を受けて、回転数をフィードバック制御する。   The optical measurement apparatus 100 includes a chopper controller 144, a piezo stage controller 148, and a computer 146 as a control system. A reference signal for detecting lock-in is supplied from the chopper controller 144 to the multi-channel lock-in amplifier 142. The chopper controller 144 controls power supply to the optical chopper 105 (see FIG. 8). Further, upon receiving a signal of the rotation speed of the optical chopper 105, the rotation speed is feedback-controlled.

コンピュータ146は多チャンネルロックインアンプ142を制御し、多チャンネルロックインアンプ142からのデータを収集するとともに、ピエゾステージ制御器148に制御信号を出力する。   The computer 146 controls the multi-channel lock-in amplifier 142, collects data from the multi-channel lock-in amplifier 142, and outputs a control signal to the piezo stage controller 148.

ピエゾステージ制御器148はコンピュータ146からの制御信号を受けて、ピエゾステージ127のアクチエータ(不図示)を制御する。多チャンネルロックインアンプ142からの出力信号をコンピュータ146で収集しつつ、試料20をピエゾステージ127によって掃引し、各測定点における誘導ラマンスペクトルを取得する。多チャンネルロックインアンプ142とピエゾステージ127は、コンピュータ146にインストールされたソフトウエアによって制御される。   The piezo stage controller 148 receives a control signal from the computer 146 and controls an actuator (not shown) of the piezo stage 127. While the output signal from the multi-channel lock-in amplifier 142 is collected by the computer 146, the sample 20 is swept by the piezo stage 127 to obtain a stimulated Raman spectrum at each measurement point. The multi-channel lock-in amplifier 142 and the piezo stage 127 are controlled by software installed in the computer 146.

図10は、光学測定装置100で得られる誘導ラマン損失画像である。図10(A)は第40から第50チャンネルの信号の総和により得られた画像、図10(B)は、第55から第65チャンネルの信号の総和により得られた画像である。   FIG. 10 is a stimulated Raman loss image obtained by the optical measurement apparatus 100. FIG. 10A shows an image obtained by summing the signals of the 40th to 50th channels, and FIG. 10B shows an image obtained by summing the signals of the 55th to 65th channels.

試料20として、ポリスチレン(PS)とポリメタクリル酸メチル(PMMA)を重量比1:1でトルエンに溶解し、溶液をスライドガラスに滴下、乾燥させて作製した膜を用いた。ロックイン検出の時定数は1000ms、ピクセルサイズは0.5×0.5μm、画像のサイズは20×20μmである。濃淡が薄いほど信号強度が大きく、濃いほど信号強度が小さいことを意味する。   As the sample 20, a film prepared by dissolving polystyrene (PS) and polymethyl methacrylate (PMMA) in toluene at a weight ratio of 1: 1 and dropping and drying the solution on a slide glass was used. The lock-in detection time constant is 1000 ms, the pixel size is 0.5 × 0.5 μm, and the image size is 20 × 20 μm. The lighter the shade, the higher the signal intensity, and the darker, the smaller the signal intensity.

図10(A)の第40から第50チャンネルの信号は、主にPSの寄与を示す。図10(B)の第55から第65チャンネルの信号は、主にPMMAの寄与を示す。図10(A)と図10(B)の画像は、一度のイメージングで得られた同一のデータから作成されている。図10(A)と図10(B)で異なるコントラストを示しており、膜内の位置によってPSとPMMAの濃度比が異なることが分析可能である。   The signals of the 40th to 50th channels in FIG. 10A mainly show PS contribution. The signals of the 55th to 65th channels in FIG. 10B mainly show the contribution of PMMA. The images in FIGS. 10A and 10B are created from the same data obtained by one imaging. 10A and 10B show different contrasts, and it is possible to analyze that the concentration ratio of PS and PMMA varies depending on the position in the film.

図11は、異なるピクセル位置での誘導ラマンスペクトルを示す図である。図8及び図9に示す光学測定装置100を用いることで、ポンプパルス光とプローブパルス光のいずれの波長も掃引することなく、各測定点での誘導ラマン損失スペクトルの取得が可能である。   FIG. 11 is a diagram showing stimulated Raman spectra at different pixel positions. By using the optical measurement apparatus 100 shown in FIGS. 8 and 9, it is possible to acquire a stimulated Raman loss spectrum at each measurement point without sweeping any wavelength of the pump pulse light and the probe pulse light.

図11中の実線は(X,Y)=(9,6)ピクセル(図10(A)及び図10(B)で白の三角印で示す位置)でのスペクトル、破線は(X,Y)=(27,33)ピクセル(図10(A)及び図10(B)で黒の三角印で示す位置)におけるスペクトルである。いずれのスペクトルも、PSのスペクトルとPMMAのスペクトルが重なったスペクトルとなっているが、PS由来のラマンバンドとPMMA由来のラマンバンドの強度比が異なっている。実線ではPS由来のラマンバンドの強度比が大きく、破線ではPMMA由来のラマンバンド強度比が大きい。このように、試料に白色パルス光を照射することで、一度に異なる物質の状態を測定することができる。   The solid line in FIG. 11 is the spectrum at (X, Y) = (9, 6) pixels (the positions indicated by white triangles in FIGS. 10A and 10B), and the broken line is (X, Y). = Spectrum at (27,33) pixels (positions indicated by black triangles in FIGS. 10A and 10B). Each spectrum is a spectrum in which the spectrum of PS and the spectrum of PMMA overlap, but the intensity ratio of the Raman band derived from PS and the Raman band derived from PMMA is different. In the solid line, the intensity ratio of the Raman band derived from PS is large, and in the broken line, the intensity ratio of the Raman band derived from PMMA is large. Thus, by irradiating the sample with white pulse light, the states of different substances can be measured at once.

図12は、本発明の効果を示す図である。第1〜第4実施形態を通して、同一の光源からの光をプローブパルス光と参照パルス光に分割し、参照パルス光に光源のパルス繰り返し周期の半分の遅延を与え、試料を透過したプローブパルス光と遅延が与えられた参照パルス光を同時検出し、平衡器30で±1のロジックとの乗算でプローブ光か参照光の信号の符号を反転し、バイアスによって平衡処理を行うことによって、効果的にノイズを低減し、所望の信号を高感度に得ることができる。   FIG. 12 is a diagram showing the effect of the present invention. Through the first to fourth embodiments, the light from the same light source is divided into probe pulse light and reference pulse light, the reference pulse light is delayed by half the pulse repetition period of the light source, and the probe pulse light transmitted through the sample. The reference pulse light to which the delay is given is detected simultaneously, the sign of the signal of the probe light or the reference light is inverted by multiplication with ± 1 logic by the balancer 30, and the balance process is performed by the bias. In addition, noise can be reduced and a desired signal can be obtained with high sensitivity.

図12では、平衡器30をロックインアンプに接続し、プローブパルス光のみを直接チョップして得た信号強度(左側のカラム)と、プローブパルス光と参照パルス光を同時にチョップして得た信号強度(右側のカラム)を示す。プローブパルス光のみの場合の強度が7.31×10-1Vであるのに対し、参照パルス光とプローブパルス光を同時に入射した場合は3.01×10-3Vとなった。平衡後の信号強度はプローブパルス光のみの場合と比べて1/243に低減している。これは、プローブパルス光に含まれるノイズも1/243として検出されることを意味する。第2実施形態のように試料に刺激Sを与える場合や、第3及び第4実施形態のようにポンプパルス光を用いる場合は、刺激やポンプパルス光はプローブパルス光のみに同期しているので、刺激あるいは誘導ラマン効果による強度変調は、プローブパルス光のみに生じ、参照パルス光には生じない。平衡器30によりプローブパルス光と参照パルス光の差分をとることで、刺激Sの影響や誘導ラマン信号だけを高感度で検出することができる。
<第5実施形態>
第1実施形態から第4実施形態では、光源からのパルス光をプローブ光と参照光に分割し、参照光にパルス繰り返しの半周期の遅延を与えた後、共通の光検出素子で光信号を検出し、検出信号に±1の方形波を乗算してノイズの相殺を行った。
In FIG. 12, the balance 30 is connected to the lock-in amplifier, the signal intensity obtained by directly chopping only the probe pulse light (left column), and the signal obtained by simultaneously chopping the probe pulse light and the reference pulse light. Intensity is shown (right column). The intensity in the case of only the probe pulse light is 7.31 × 10 −1 V, whereas it becomes 3.01 × 10 −3 V when the reference pulse light and the probe pulse light are incident simultaneously. The signal intensity after equilibrium is reduced to 1/243 compared to the case of probe pulse light alone. This means that noise included in the probe pulse light is also detected as 1/243. When the stimulus S is given to the sample as in the second embodiment, or when the pump pulse light is used as in the third and fourth embodiments, the stimulus and the pump pulse light are synchronized only with the probe pulse light. Intensity modulation by stimulation or induced Raman effect occurs only in the probe pulse light, and does not occur in the reference pulse light. By taking the difference between the probe pulse light and the reference pulse light by the balancer 30, only the influence of the stimulus S and the induced Raman signal can be detected with high sensitivity.
<Fifth Embodiment>
In the first to fourth embodiments, the pulsed light from the light source is divided into the probe light and the reference light, and the reference light is delayed by a half cycle of the pulse repetition, and then the optical signal is transmitted by the common photodetector. The detected signal was multiplied by a square wave of ± 1 to cancel the noise.

第5実施形態では、ノイズキャンセルのための平衡処理に正弦波を用いる。同じ光源から同時刻に放射された光の強度変調光をプローブ光と参照光に分割し、プローブ光と参照光に強度変調周期の1/4程度に相当する時間差をつけた後、共通の光検出素子で検出する。検出された信号に対して、光源からの光に同期し、かつ位相調整がなされた同期信号を乗算する。同期信号の位相を調整することでプローブ光の検出信号と参照光の検出信号の差を最小にして(平衡化して)光雑音を打ち消し、所望の信号成分だけを取り出す。   In the fifth embodiment, a sine wave is used for the balancing process for noise cancellation. After splitting the intensity-modulated light of the light emitted from the same light source at the same time into the probe light and the reference light, and adding a time difference corresponding to about 1/4 of the intensity modulation period to the probe light and the reference light, It detects with a detection element. The detected signal is multiplied by a synchronization signal that is synchronized with the light from the light source and phase-adjusted. By adjusting the phase of the synchronization signal, the difference between the detection signal of the probe light and the detection signal of the reference light is minimized (equilibrium) to cancel the optical noise, and only the desired signal component is extracted.

図13は、第5実施形態の光学測定装置200の概略図である。光源201からの光に対して、同期信号源207によって駆動される強度変調器202により周期的な強度変調が与えられる。強度変調を与えられた光はビームスプリッタ203によって試料計測に用いられるプローブ光LPと参照光LRに分割される。参照光LRは、ビームスプリッタ203後の付加的な光路によって強度変調の4分の1周期に相当する分の遅延が与えられる。参照光LRに与えられる遅延は、参照光LRとプローブ光LPが区別されればよいので、厳密に強度変調の4分の1周期でなくても、その近傍であればよい。プローブ光LPと参照光LRはビームスプリッタ206を用いて重ねられ、試料210に入射される。FIG. 13 is a schematic diagram of an optical measurement apparatus 200 according to the fifth embodiment. Periodic intensity modulation is given to the light from the light source 201 by the intensity modulator 202 driven by the synchronization signal source 207. Light given intensity-modulated is divided into reference light L R and the probe light L P to be used in the sample measured by the beam splitter 203. The reference light L R is given a delay corresponding to a quarter period of intensity modulation by an additional optical path after the beam splitter 203. Delay provided to the reference light L R, since the reference light L R and the probe light L P need be distinguished, not be a quarter period strictly intensity modulation may be in the vicinity thereof. The probe light L P and the reference light L R are overlapped using the beam splitter 206 and are incident on the sample 210.

試料210透過後のプローブ光LPと参照光LRは共通の光検出素子211によって電気信号に変換され、プリアンプ212によって適当な大きさに増幅される。便宜上、プローブ光LPの検出信号をA cos(wt)とすると、参照光LRの検出信号はB sin(wt)となる。ここでAはプローブ光LPの強度に比例する量、Bは参照光LRの強度に比例する量、wは同期信号の角周波数である。光雑音はAとBの揺らぎで表されるが、プローブ光LPと参照光LRは同時刻の光を分割したものなので、互いに比例して揺らぐ。あるいは、AとBの比は光学素子の特性で定まり、一定である。光検出素子211で検出される電気信号は、
A cos(wt) + B sin(wt)
と表わされる。この検出信号は増幅後に平衡器230に入力される。平衡器230は、乗算器231と、位相シフタ232と、ローパスフィルタ233を有する。プリアンプ212の出力は乗算器231の入力に接続される。一方、同期信号源207から出力される同期信号は、位相シフタ232によって位相が調整され、乗算器231に入力されて検出された信号と乗算される。便宜上、乗算器231に入力される同期信号を
C cos(wt + f)
と表す。ここでfは同期信号の位相であり、位相シフタ232によって調整される。従って、乗算器231からの出力は、
(1/2)AC{cos(2wt + f) + cos f} + (1/2)BC{sin(2wt + f) &#8211; sin f}
となる。この信号はローパスフィルタ233に入力され、低周波成分だけが出力される。その結果、平衡器230の出力信号は、A cos f &#8211; B sin fに比例する。つまり、位相fを適切に選択すると、プローブ光LPの検出信号と参照光LRの検出信号の差が出力されることが分かる。
The probe light L P and the reference light L R after passing through the sample 210 are converted into an electric signal by the common light detection element 211 and amplified to an appropriate size by the preamplifier 212. For convenience, if the detection signal of the probe light L P is A cos (wt), the detection signal of the reference light L R is B sin (wt). Here, A is an amount proportional to the intensity of the probe light L P , B is an amount proportional to the intensity of the reference light L R , and w is an angular frequency of the synchronization signal. The optical noise is represented by fluctuations of A and B, but the probe light L P and the reference light L R divide the light at the same time, and therefore fluctuate in proportion to each other. Alternatively, the ratio of A and B is determined by the characteristics of the optical element and is constant. The electrical signal detected by the light detection element 211 is
A cos (wt) + B sin (wt)
It is expressed as This detection signal is input to the balancer 230 after amplification. The balancer 230 includes a multiplier 231, a phase shifter 232, and a low pass filter 233. The output of the preamplifier 212 is connected to the input of the multiplier 231. On the other hand, the phase of the synchronization signal output from the synchronization signal source 207 is adjusted by the phase shifter 232, and is input to the multiplier 231 and multiplied by the detected signal. For convenience, the synchronization signal input to the multiplier 231 is
C cos (wt + f)
It expresses. Here, f is the phase of the synchronization signal and is adjusted by the phase shifter 232. Therefore, the output from the multiplier 231 is
(1/2) AC {cos (2wt + f) + cos f} + (1/2) BC {sin (2wt + f) &#8211; sin f}
It becomes. This signal is input to the low pass filter 233, and only the low frequency component is output. As a result, the output signal of the balancer 230 is proportional to A cos f &#8211; B sin f. That is, when the phase f is appropriately selected, it can be seen that the difference between the detection signal of the probe light L P and the detection signal of the reference light L R is output.

ここで、cos f : sin f = B: Aとなるようにfを調整すると、平衡器230の出力が零になる。そのようなfはtan-1(A/B) + 2np (nは整数)である。すなわち、光学素子の特性などでAとBの比が等しくないときも、fを調整することによって平衡器230の出力を零にし、平衡化ができる。この調整によりAとBの比がばらつくときでも、光雑音を打ち消すことができる。Here, when f is adjusted so that cos f: sin f = B: A, the output of the balancer 230 becomes zero. Such f is tan -1 (A / B) + 2np (n is an integer). That is, even when the ratio of A and B is not equal due to the characteristics of the optical element, the output of the balancer 230 can be made zero by adjusting f, and can be balanced. This adjustment can cancel the optical noise even when the ratio of A and B varies.

一方、同期信号源207によって駆動される刺激源208によって、試料210に周期的な刺激が与えられる。刺激の位相は、プローブ光LPのみに刺激に誘起される強度変調がかかるように、プローブ光LPと同位相に制御される。刺激による効果はプローブ光LPの強度Aのみに変調を与えるので、ローパスフィルタ233からは、光雑音が打ち消された刺激に誘起された信号のみが出力される。On the other hand, a periodic stimulus is given to the sample 210 by the stimulus source 208 driven by the synchronization signal source 207. The phase of the stimulus is controlled to be in phase with the probe light L P so that only the probe light L P is subjected to intensity modulation induced by the stimulus. Since the effect of the stimulus modulates only the intensity A of the probe light L P , the low-pass filter 233 outputs only the signal induced by the stimulus in which the optical noise has been canceled.

このように、検出信号に直流成分が含まれていなくても、プローブ光と参照光の検出信号の強度比の補正を実現することができる。光源201との同期信号の位相を調整して光検出信号に乗算することで、プローブ光LPと参照光LRの光雑音を打ち消して、所望の刺激信号だけを取り出すことができる。
<変形例>
図14は、第5実施形態の変形例である光学測定装置300の概略構成図である。図14では、図13の構成に加えて、光検出素子211の直前に分光器311を挿入し、光検出素子211の直後に光源の強度変調に共鳴する共振器312を挿入する。それ以外の構成要素の構成、配置、機能は、図13と同じである。
In this way, even if the detection signal does not contain a direct current component, it is possible to realize correction of the intensity ratio of the detection signal of the probe light and the reference light. By adjusting the phase of the synchronization signal with the light source 201 and multiplying the light detection signal, it is possible to cancel the optical noise of the probe light L P and the reference light L R and extract only the desired stimulus signal.
<Modification>
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of an optical measuring device 300 which is a modification of the fifth embodiment. In FIG. 14, in addition to the configuration of FIG. 13, a spectroscope 311 is inserted immediately before the light detection element 211, and a resonator 312 that resonates with intensity modulation of the light source is inserted immediately after the light detection element 211. The configuration, arrangement, and functions of the other components are the same as those in FIG.

図13と関連して述べたように、図13の構成は検出信号に直流成分が含まれていなくてもプローブ光と参照光の検出信号の強度比を一定にすることができる。この特徴があることで、共振器312を用いることができる(共振器からの信号には直流成分が含まれない)。   As described in connection with FIG. 13, the configuration of FIG. 13 can make the intensity ratio of the detection signal of the probe light and the reference light constant even if the detection signal does not contain a DC component. With this feature, the resonator 312 can be used (a DC component is not included in the signal from the resonator).

共振器312は熱雑音を生じさせる負荷抵抗を含まないので、熱雑音(電気的雑音)を排除し、光検出信号の特定の周波数成分だけを取り出して平衡器230に供給する。外来雑音など測定に関係しない周波数の混入を防止し、かつ、信号雑音比を改善することができる。   Since the resonator 312 does not include a load resistor that causes thermal noise, the thermal noise (electrical noise) is eliminated, and only a specific frequency component of the light detection signal is extracted and supplied to the balancer 230. It is possible to prevent mixing of frequencies that are not related to measurement, such as external noise, and to improve the signal to noise ratio.

図14でも、プローブ光LPと参照光LRが重ねられた後は共通の光路を通り、単一の光検出器211で検出されるので、分光器が共通となり分光測定への適用が容易である。Also in FIG. 14, after the probe light L P and the reference light L R are overlapped, they pass through a common optical path and are detected by a single photodetector 211, so the spectrometer is common and can be easily applied to spectroscopic measurement. It is.

図14の構成は、共振器を用いて電気的な雑音を低減しつつ、プローブ光LPと参照光LRの強度比の揺らぎによる光雑音を相殺するので、信号雑音比を最大限に向上することができる。
<第6実施形態>
図15は、第6実施形態の光学測定装置400の概略図である。図15でも、光検出素子211の直前に分光器311を配置し、直後に共振器312を配置する。
The configuration of FIG. 14 cancels out optical noise due to fluctuations in the intensity ratio of the probe light L P and the reference light L R while reducing electrical noise using a resonator, so that the signal-to-noise ratio is maximized. can do.
<Sixth Embodiment>
FIG. 15 is a schematic diagram of an optical measurement apparatus 400 according to the sixth embodiment. Also in FIG. 15, the spectroscope 311 is disposed immediately before the light detection element 211, and the resonator 312 is disposed immediately after.

第6実施形態では、プローブ光LPだけが試料210に導かれ、参照光LRは試料210を迂回する。試料210を透過しない参照光LRと、試料210を透過したプローブ光LPが空間的に重ねられて単一の光検出素子211で検出され、検出信号が平衡器430に入力される。また、試料にポンプ光(刺激)を照射し、ポンプ光の強度を参照信号の周波数で変調し、平衡器430の出力を参照信号の周波数でロックイン検出する。In the sixth embodiment, only the probe light L P is guided to the sample 210, and the reference light L R bypasses the sample 210. The reference light L R that does not pass through the sample 210 and the probe light L P that passes through the sample 210 are spatially overlapped and detected by a single light detection element 211, and a detection signal is input to the balancer 430. Further, the sample is irradiated with pump light (stimulation), the intensity of the pump light is modulated by the frequency of the reference signal, and the output of the balancer 430 is detected by lock-in at the frequency of the reference signal.

第6実施形態の特徴として、乗算器231の出力に含まれる直流成分に基づいて、位相シフタ232をフィードバック制御する。このフィードバック制御により、試料スキャン等よる試料の状態変化によってプローブ光と参照光の検出強度比が変わっても、不必要な状態変化を排除して、刺激に誘起された強度比変化だけを取り出すことができる。   As a feature of the sixth embodiment, the phase shifter 232 is feedback-controlled based on a direct current component included in the output of the multiplier 231. With this feedback control, even if the detection intensity ratio of the probe light and the reference light changes due to the sample state change due to sample scanning etc., the unnecessary state change is eliminated and only the intensity ratio change induced by the stimulus is taken out. Can do.

位相のフィードバック制御について、より具体的に説明する。平衡器430は、乗算器231、第1のローパスフィルタ433、第2のローパスフィルタ434、積分器435、及び位相シフタ232を有する。第2のローパスフィルタ434により、乗算器231の出力信号から直流成分が取り出され、その積分信号によって位相シフタ232が駆動される。   The phase feedback control will be described more specifically. The balancer 430 includes a multiplier 231, a first low-pass filter 433, a second low-pass filter 434, an integrator 435, and a phase shifter 232. The second low-pass filter 434 extracts a DC component from the output signal of the multiplier 231, and the phase shifter 232 is driven by the integrated signal.

参照信号源451の出力は強度変調器452とロックイン検出器450に入力される。刺激源208からの刺激信号はプローブ光LPに同期し、強度変調器452によって強度変調を受けた後、試料210に入射される。The output of the reference signal source 451 is input to the intensity modulator 452 and the lock-in detector 450. The stimulation signal from the stimulation source 208 is synchronized with the probe light L P , is subjected to intensity modulation by the intensity modulator 452, and then enters the sample 210.

参照信号の周波数は、イメージングなどによる試料210の状態変化の周波数より十分に大きく設定される。第1のローパスフィルタ233の遮断周波数は、参照信号の周波数より大きく設定される。積分器435の遮断周波数は参照信号の周波数よりは小さく、試料210の状態変化の周波数よりは大きく設定される。つまり、各々の周波数の大小関係は、
(光源の強度変調周波数)>(第1のローパスフィルタ433の遮断周波数)
>(参照信号の周波数)>(積分器435の遮断周波数)>(試料の状態変化周波数)
となる。
The frequency of the reference signal is set sufficiently higher than the frequency of the state change of the sample 210 due to imaging or the like. The cutoff frequency of the first low-pass filter 233 is set to be larger than the frequency of the reference signal. The cutoff frequency of the integrator 435 is set smaller than the frequency of the reference signal and larger than the frequency of the state change of the sample 210. In other words, the magnitude relationship of each frequency is
(Intensity modulation frequency of light source)> (cutoff frequency of first low-pass filter 433)
> (Reference signal frequency)> (Integrator 435 cutoff frequency)> (Sample state change frequency)
It becomes.

第1のローパスフィルタ433の遮断周波数は参照信号(つまり刺激信号)の周波数よりも大きく、かつ試料210の状態変化の周波数よりも大きいので、試料210の刺激に誘起される状態変化の情報を含んだ信号が第1のローパスフィルタ433を通過して、平衡器430の出力として得られる。この出力を参照信号の周波数でロックイン検出することにより、刺激に誘起された信号が得られる。   Since the cut-off frequency of the first low-pass filter 433 is higher than the frequency of the reference signal (that is, the stimulus signal) and higher than the frequency of the state change of the sample 210, information on the state change induced by the stimulus of the sample 210 is included. The signal passes through the first low-pass filter 433 and is obtained as the output of the balancer 430. By detecting lock-in of this output at the frequency of the reference signal, a signal induced by stimulation can be obtained.

積分器435の遮断周波数は、参照信号の周波数よりも小さいので、積分器435からの出力には、刺激に誘起された信号はほとんど含まれない。しかし、試料210の状態変化の周波数よりは大きいので、試料の状態変化の情報は含まれる。つまり、積分器435からの信号は、刺激に誘起されたプローブ光LPの強度Aの変化を含まないが、試料210の状態変化やその他外乱によって変化するAとB(参照光LRの強度)の差の情報が含まれる。積分器435の出力信号に基づき、位相シフタ232はAとBの差が零になるようにフィードバック制御される。Since the cutoff frequency of the integrator 435 is smaller than the frequency of the reference signal, the output from the integrator 435 includes almost no signal induced by the stimulus. However, since it is higher than the frequency of the state change of the sample 210, information on the state change of the sample is included. That is, the signal from the integrator 435 does not include a change in the intensity A of the probe light L P induced by the stimulus, but A and B (intensities of the reference light L R) that change due to a change in the state of the sample 210 and other disturbances. ) Difference information is included. Based on the output signal of the integrator 435, the phase shifter 232 is feedback controlled so that the difference between A and B becomes zero.

外乱や試料の状態変化などでAとBの比が変化しても、状態変化による刺激の信号変化までは打ち消さないゆっくりとしたフィードバック制御により、プローブ光LPと参照光LRの検出信号強度比を一定にすることができる。その結果、光雑音を打ち消しながら、刺激に誘起された信号に基づいた試料の状態変化の観測が可能になる。Even if the ratio changes of A and B in such a state change of the disturbance or the sample, the slow feedback control does not negate until the signal changes of the stimulation by the state change, the detection signal intensity of the reference light L R and the probe light L P The ratio can be made constant. As a result, it is possible to observe the state change of the sample based on the signal induced by the stimulus while canceling the optical noise.

第5実施形態(図13及び図14)では、試料210の状態変化によるAとBの比の変化を防ぐためにプローブ光LPと参照光LRの双方を試料210に照射していたが、第6実施形態(図16)では、試料210の状態変化によるAとBの比の変化をフィードバック制御により補正するので、参照光LRを試料210に照射する必要がない。In the fifth embodiment (FIGS. 13 and 14), the sample 210 is irradiated with both the probe light L P and the reference light L R in order to prevent a change in the ratio of A and B due to a change in the state of the sample 210. in the sixth embodiment (FIG. 16), is corrected by feedback control of the change in the ratio of a and B according to the state change of the sample 210, it is not necessary to irradiate the reference light L R on the sample 210.

参照光LRを試料210に照射する必要がないので、参照光LRによる試料210の損傷を防止できる。従って、光源201の強度をより強くすることができる。また、試料210の照射による光学的損失を減らすことができる。これにより、検出信号強度を大きくして、熱雑音や外来雑音、光電流の散弾雑音に対する信号雑音比を向上することが可能になる。
<発展例>
図16は、第6実施形態の構成を誘導ラマン測定に適用した例を示す。
Since the reference light L R need not be applied to the sample 210, thereby preventing damage to the sample 210 by the reference light L R. Therefore, the intensity of the light source 201 can be further increased. Further, optical loss due to irradiation of the sample 210 can be reduced. As a result, it is possible to increase the detection signal intensity and improve the signal-to-noise ratio of thermal noise, external noise, and photocurrent shot noise.
<Development examples>
FIG. 16 shows an example in which the configuration of the sixth embodiment is applied to stimulated Raman measurement.

図16では、光源501としてパルスレーザを用いる。この例ではパルス繰り返し周波数は76.3 MHzで、4分の1周期に相当する光路長は約1mとなる。パルス光はビームスプリッタ505で分割され、一方の光成分はポンプ光LSと呼ばれる刺激源として用いられる。ポンプ(パルス)光LSは、チョッパー552によって強度が変調され、試料210に照射される。ポンプ光LSは適当な光路によって、プローブ光(パルス光)LPと同時に試料210に照射されるように調整される。In FIG. 16, a pulse laser is used as the light source 501. In this example, the pulse repetition frequency is 76.3 MHz, and the optical path length corresponding to a quarter period is about 1 m. The pulsed light is split by a beam splitter 505, and one light component is used as a stimulus source called pump light L S. The intensity of the pump (pulse) light L S is modulated by the chopper 552 and irradiated onto the sample 210. The pump light L S is adjusted by an appropriate optical path so that the sample 210 is irradiated simultaneously with the probe light (pulse light) L P.

もう一方のパルス光成分は、フォトニック結晶ファイバ(PCF)502に入射される。PCF502によって、単色のパルスレーザは白色パルス光に変換される。この白色パルス光は偏光子503を経た後、偏光ビームスプリッタ504によって、プローブ光LPと参照光LRに分割される。The other pulse light component is incident on a photonic crystal fiber (PCF) 502. The PCF 502 converts the monochromatic pulse laser into white pulse light. The white pulse light passes through the polarizer 503 and is then divided into the probe light L P and the reference light L R by the polarization beam splitter 504.

偏光子503は、白色光の偏光方向を固定・調整するために挿入されている。一般に、ビームスプリッタ504の分割比は入射光の偏光方向によって変化するため、偏光方向がパルス毎に揺らぐと、パルス毎にAとBの比が揺らぎ、光雑音を打ち消すことができなくなる。従って、パルス毎の分割比のばらつきを抑えるため、ビームスプリッタ504の直前の偏光子503によって偏光方向を固定する。偏光ビームスプリッタ504は水平方向の偏光を透過し、垂直方向の偏光を反射する。例えば、偏光子503の偏光方向を45°とすると、プローブ光LPと参照光LRの分割比は1:1になる。プローブ光LPは試料210に入射され、ポンプ光LSとプローブ光LPの誘導ラマン効果によって、分子振動の情報が強度変調として載せられる。参照光LRは付加的な光路によってパルス繰り返しの4分の1周期に相当する遅延が与えられた後、偏光ビームスプリッタ507上でプローブ光LPと空間的に重ねられる。白色光の分割と重ね合わせに偏光ビームスプリッタ504、507を用いる場合、プローブ光LPは水平偏光なので偏光ビームスプリッタ504,507を高い透過率で透過する。参照光LRは垂直偏光なので、高い反射率で反射される。したがって、通常のビームスプリッタよりも光学的な損失が小さく抑えられる。The polarizer 503 is inserted to fix and adjust the polarization direction of white light. In general, since the split ratio of the beam splitter 504 changes depending on the polarization direction of incident light, if the polarization direction fluctuates for each pulse, the ratio of A to B fluctuates for each pulse, and optical noise cannot be canceled. Therefore, the polarization direction is fixed by the polarizer 503 immediately before the beam splitter 504 in order to suppress the variation in the division ratio for each pulse. The polarization beam splitter 504 transmits horizontally polarized light and reflects vertically polarized light. For example, if the polarization direction of the polarizer 503 is 45 °, the split ratio of the probe light L P and the reference light L R is 1: 1. The probe light L P is incident on the sample 210, and information on molecular vibration is placed as intensity modulation by the induced Raman effect of the pump light L S and the probe light L P. The reference light L R is spatially overlapped with the probe light L P on the polarization beam splitter 507 after being given a delay corresponding to a quarter period of pulse repetition by an additional optical path. When the polarization beam splitters 504 and 507 are used for dividing and superposing white light, since the probe light L P is horizontal polarization, it passes through the polarization beam splitters 504 and 507 with high transmittance. Since the reference light L R is vertically polarized light, it is reflected with a high reflectance. Therefore, the optical loss can be suppressed smaller than that of a normal beam splitter.

プローブ光LPと参照光LRは共通の分光器311によって分光され、適当な波長が共通の光検出素子211に導入される。図16では図示の便宜上、単一の光検出素子211だけが描かれているが、複数の光検出素子211を波長毎に用意すると(図9参照)、同時多波長計測によるスペクトルを得ることができる。The probe light L P and the reference light L R are spectrally separated by the common spectrometer 311, and an appropriate wavelength is introduced into the common light detection element 211. In FIG. 16, for the sake of illustration, only a single light detection element 211 is depicted. However, if a plurality of light detection elements 211 are prepared for each wavelength (see FIG. 9), a spectrum obtained by simultaneous multi-wavelength measurement can be obtained. it can.

図17は、図16の系で測定されたプローブ光LPの光雑音打消し効果とフィードバックの効果(平衡器430のフィードバック制御)を示すものである。横軸は、プローブ光LPの強度Aと参照光LRの強度Bの差をAで規格化したものであり、光学的なバランスのずれを表す。縦軸は、光をチョップすることなく得られた信号をAで規格化したものであり、変調度換算の雑音を表す。雑音がなければ、信号が無く変調がかかっていない場合の信号強度は零になる。チョップされていない、或いは刺激に誘起された変調などがかけられていないにもかかわらず信号が観測されるのは、光雑音が原因である。Figure 17 shows the effect (feedback control of the balancer 430) of optical noise canceling effect and feedback of the probe light L P measured in the system of FIG. 16. The horizontal axis is obtained by standardizing the difference between the intensity A of the probe light L P and the intensity B of the reference light L R with A, and represents an optical balance shift. The vertical axis is a signal obtained by normalizing the signal obtained without chopping light with A, and represents the noise in terms of modulation factor. Without noise, the signal strength is zero when there is no signal and no modulation is applied. It is due to optical noise that the signal is observed even though it is not chopped or subjected to stimulation-induced modulation.

星印はノイズキャンセルなしにプローブ光のみを検出した測定結果を示す。四角印は、平衡器430でノイズキャンセルを行うが、フィードバック制御を行わない場合の測定結果を示す。丸印は、平衡器430でノイズキャンセルとフィードバック制御を行った時の測定結果を示す。   An asterisk indicates a measurement result of detecting only the probe light without noise cancellation. Square marks indicate measurement results when noise cancellation is performed by the balancer 430 but feedback control is not performed. Circles indicate measurement results when noise cancellation and feedback control are performed by the balancer 430.

データ取得の際のパラメータとして、参照信号の周波数は4.5 kHz、第1のローパスフィルタ433の遮断周波数は10 kHz、積分器435と第2のローパスフィルタ435の遮断周波数は1 kHzとした。試料210は挿入せず、プローブ光LPと参照光LRの強度比を偏光子503の角度により調節した。フィードバック機能を無効にした状態で参照光LRを遮断し、プローブ光LPを直接チョップすると、プローブ光LPの強度Aが得られる。プローブ光LPを遮断し、参照光LRを直接チョップすると、参照光LRの強度Bが得られる。As parameters for data acquisition, the frequency of the reference signal was 4.5 kHz, the cutoff frequency of the first low-pass filter 433 was 10 kHz, and the cutoff frequency of the integrator 435 and the second low-pass filter 435 was 1 kHz. The sample 210 was not inserted, and the intensity ratio between the probe light L P and the reference light L R was adjusted by the angle of the polarizer 503. When the reference light LR is cut off and the probe light L P is directly chopped with the feedback function disabled, the intensity A of the probe light L P can be obtained. When the probe light L P is blocked and the reference light L R is directly chopped, the intensity B of the reference light L R is obtained.

図中の星印は、試料210を通さずに、参照光を遮断して得られた信号であり、プローブ光LPの光雑音を示す。変調度換算で約1.5×10-4 (Hz)-1/2の光雑音が観測されている。四角印の測定点では、フィードバック機能を無効にしているが、横軸の値がゼロ、すなわちA=Bとなるように偏光子503を調節することで、6.4×10-6 (Hz)-1/2まで雑音が打ち消されることが分かる。雑音の下限は、回路中の抵抗の熱雑音や能動素子による雑音、光電流の散弾雑音で定まる。これら雑音による信号対雑音比は、光源201の入射光強度を大きくすることで向上する。The star in the figure is a signal obtained by blocking the reference light without passing through the sample 210, and indicates the optical noise of the probe light L P. Modulation translated at about 1.5 × 10 -4 (Hz) - 1/2 of the optical noise is observed. At the measurement points indicated by the square marks, the feedback function is disabled, but by adjusting the polarizer 503 so that the value on the horizontal axis is zero, that is, A = B, 6.4 × 10 −6 (Hz) -1 It can be seen that the noise is canceled up to / 2 . The lower limit of the noise is determined by the thermal noise of resistors in the circuit, noise due to active elements, and shot noise of photocurrent. The signal-to-noise ratio due to these noises is improved by increasing the incident light intensity of the light source 201.

偏光子503を調節してAとBの比を崩していくと、AがBよりも大きい場合、BがAよりも大きい場合のいずれにおいても、光雑音を十分に打ち消すことができず、光雑音が観測される。   When the ratio of A and B is destroyed by adjusting the polarizer 503, the optical noise cannot be sufficiently canceled regardless of whether A is larger than B or B is larger than A. Noise is observed.

丸印の測定点では、フィードバック機能が用いられ、プローブ光と参照光の強度比が崩れた場合でも、光雑音が十分に打ち消されている。フィードバック機能を無効にすると強度比が崩れるにつれて光雑音が大きくなるが(四角印)、フィードバック機能を有効にすることで、AとBの強度比が崩れても、その強度比の変化が補償され、光雑音が最大限打ち消される。   At the measurement points indicated by circles, a feedback function is used, and even when the intensity ratio between the probe light and the reference light is broken, the optical noise is sufficiently canceled. Disabling the feedback function increases optical noise as the intensity ratio collapses (squares), but enabling the feedback function compensates for changes in the intensity ratio even if the intensity ratio of A and B collapses. , The optical noise is canceled out to the maximum.

図18〜図20は、第5実施形態と第6実施形態の光学測定を多波長同時計測誘導ラマン顕微鏡に適用したときの測定結果を示す。図18(a)は用いた試料600の上面図、図18(b)は側面図である。直径4μmのポリスチレン(PS)球602を、ポリビニルアルコール(PVA)膜601中に埋めた試料600を作製する。   18 to 20 show measurement results when the optical measurements of the fifth and sixth embodiments are applied to a multi-wavelength simultaneous measurement guided Raman microscope. 18A is a top view of the sample 600 used, and FIG. 18B is a side view. A sample 600 in which polystyrene (PS) spheres 602 having a diameter of 4 μm are embedded in a polyvinyl alcohol (PVA) film 601 is produced.

図19(a)の実線は、ポリスチレン(PS)の自発ラマンスペクトル、破線はPVAの自発ラマンスペクトルを示す。PSは、3054 cm-1にピークのあるラマンバンドを有し、PVAは2914 cm-1にピークがあるラマンバンドを有する。ポンプ光とプローブ光の波数差を3050 cm-1付近に設定すると、主にPS由来の信号が得られ、波数差を2915 cm-1付近に設定すると、主にPVA由来の信号が得られる。The solid line in FIG. 19A indicates the spontaneous Raman spectrum of polystyrene (PS), and the broken line indicates the spontaneous Raman spectrum of PVA. PS has a Raman band with a peak at 3054 cm −1 and PVA has a Raman band with a peak at 2914 cm −1 . When the wave number difference between the pump light and the probe light is set near 3050 cm −1 , a signal mainly derived from PS is obtained, and when the wave number difference is set near 2915 cm −1 , a signal mainly derived from PVA is obtained.

図19(b)と図19(c)は、ノイズキャンセル有り、かつフィードバック無しのときのイメージング結果をそれぞれ示す。測定開始時にプローブ光の強度Aと参照光の強度BをA = Bに設定し、試料600を掃引することで画像を得る。黒色ほど信号強度が小さく、白色ほど信号強度が大きい。図19(b)では、3050 cm-1のラマンバンドに共鳴するプローブ光の波長で得られた画像であり、PS球602が存在するところに強い信号が円板状に得られている。図19(c)は、2915 cm-1のラマンバンドに共鳴するプローブ光の波長で得られた画像であり、PS球602が存在しない部分の信号強度がほぼ一様に強い。PS球602が存在するところではPVA601が排除されているので、信号強度が円板状に減少している。FIG. 19B and FIG. 19C show imaging results when noise cancellation is performed and feedback is not performed, respectively. At the start of measurement, the intensity A of the probe light and the intensity B of the reference light are set to A = B, and the sample 600 is swept to obtain an image. The signal intensity is smaller as the color is black, and the signal intensity is greater as the color is white. FIG. 19B shows an image obtained at a wavelength of probe light resonating with a Raman band of 3050 cm −1 , and a strong signal is obtained in a disk shape where the PS sphere 602 exists. FIG. 19C is an image obtained at the wavelength of the probe light resonating with the 2915 cm −1 Raman band, and the signal intensity of the portion where the PS sphere 602 does not exist is almost uniformly strong. Since the PVA 601 is excluded where the PS sphere 602 exists, the signal intensity decreases in a disk shape.

図19(d)は比較として、実施形態のノイズキャンセルが実施されていないときのイメージング結果を示す。3050 cm-1のラマンバンドに共鳴する波長において、参照光をブロックしているので、プローブ光の光雑音が打ち消されていない。この場合、プローブ光の光雑音に信号が埋もれてPS球602の像が得られない。また、図には示さないが、2915 cm-1のラマンバンドに共鳴する波長においても同様である。実施形態では、参照光を用いた平衡処理を行うことにより、分光器を通しながら同時多波長で光雑音打消しが達成されることが分かる。For comparison, FIG. 19D shows an imaging result when the noise cancellation of the embodiment is not performed. Since the reference light is blocked at a wavelength that resonates with the Raman band of 3050 cm −1 , the optical noise of the probe light is not canceled out. In this case, the signal is buried in the optical noise of the probe light, and an image of the PS sphere 602 cannot be obtained. Further, although not shown in the figure, the same applies to a wavelength resonating with a Raman band of 2915 cm −1 . In the embodiment, it is understood that optical noise cancellation is achieved at the same multi-wavelength while passing through the spectroscope by performing the balancing process using the reference light.

図19(e)と図19(f)はそれぞれ、ノイズキャンセルに加えて、フィードバック制御を行ったときのイメージング結果を示す。図19(e)は3050 cm-1のラマンバンドに共鳴するプローブ光の波長で得られた画像、図19(f)は2915 cm-1のラマンバンドに共鳴するプローブ光の波長で得られた画像である。それぞれ、図19(b)と図19(c)と同様のコントラストが得られている。フィードバック制御を行うことにより、光学的なバランスが自動的に調整されて、光雑音が打ち消されていることが分かる。さらに、刺激に誘起された信号はフィードバックによって打ち消されないようにフィードバックの応答を適切に設定することで、ポンプ光による刺激が観測されるという原理が実証されている。FIGS. 19 (e) and 19 (f) show imaging results when feedback control is performed in addition to noise cancellation. FIG. 19 (e) is an image obtained with the wavelength of the probe light resonating with the Raman band of 3050 cm −1 , and FIG. 19 (f) is obtained with the wavelength of the probe light resonating with the Raman band of 2915 cm −1 . It is an image. The same contrast as in FIGS. 19B and 19C is obtained. By performing the feedback control, it is understood that the optical balance is automatically adjusted and the optical noise is canceled out. Furthermore, the principle that the stimulus by the pump light is observed by appropriately setting the feedback response so that the signal induced by the stimulus is not canceled by the feedback is demonstrated.

図20(a)と図20(b)は、それぞれ図19(b)と図19(e)のX = 4.25 mmにおける断面図である。この図は、測定中のプローブ光の強度Aと参照光の強度Bの比の崩れがフィードバック制御により自動補正される効果を示している。図20(a)はフィードバックを適用しない場合で、ポリスチレン(PS)球602が存在する領域で誘導ラマン散乱に由来して信号強度が大きくなっている。しかし、PS球602の形状が球状であるにもかかわらず、信号強度が場所によって大きく揺らいでいる。これは測定の開始時に光学的調整によって設定されたA=Bの条件が、PS球602を透過することで乱されたために、プローブ光の光雑音が十分に打ち消されなくなったためである。   20 (a) and 20 (b) are cross-sectional views taken along X = 4.25 mm in FIGS. 19 (b) and 19 (e), respectively. This figure shows the effect that the collapse of the ratio between the intensity A of the probe light and the intensity B of the reference light being measured is automatically corrected by feedback control. FIG. 20A shows a case where no feedback is applied, and the signal intensity is increased due to stimulated Raman scattering in the region where the polystyrene (PS) sphere 602 exists. However, although the PS sphere 602 has a spherical shape, the signal intensity greatly fluctuates depending on the location. This is because the optical noise of the probe light is not sufficiently canceled because the condition of A = B set by optical adjustment at the start of measurement is disturbed by passing through the PS sphere 602.

これに対し、図20(b)は、フィードバックを適用した場合で、PS球602が存在する領域で誘導ラマン散乱に由来して信号強度が大きい。しかも、図20(a)で見られるような、PS球602の存在領域における信号強度の大きな揺らぎは観測されない。これは、図20(b)ではPS球602を透過することによるA=Bの条件の乱れがフィードバックによって自動的に補正されて、プローブ光の光雑音が最大限に打ち消されているためである。測定中のA=B(あるいは強度比)の崩れが、第6実施形態のフィードバック制御による位相調整の方法で自動的に補正されるという原理が実証されている。   On the other hand, FIG. 20B shows a case where feedback is applied, and the signal intensity is large due to stimulated Raman scattering in the region where the PS sphere 602 exists. Moreover, a large fluctuation in the signal intensity in the region where the PS sphere 602 exists as seen in FIG. 20A is not observed. This is because in FIG. 20B, the disturbance of the condition of A = B due to transmission through the PS sphere 602 is automatically corrected by feedback, and the optical noise of the probe light is canceled to the maximum. . The principle that the collapse of A = B (or intensity ratio) during measurement is automatically corrected by the phase adjustment method using feedback control of the sixth embodiment has been demonstrated.

本出願は、2013年6月27日に出願された日本国特許出願第2013−135412号に基づきその優先権を主張するものであり、同日本国特許出願の全内容を参照することにより本願に援用する。   This application claims its priority based on Japanese Patent Application No. 2013-135212 filed on June 27, 2013, and is incorporated herein by reference in its entirety. Incorporate.

10A、10B、100、200、300、400、500 光学測定装置
11、201 光源
18、18−1〜18−n、211 検出器
12、15、52、55、119、122,504,507 偏光ビームスプリッタ(光学素子)
20、210 試料
30、230、430 平衡器
34 コンパレータ(方形波生成器)
38,231 乗算器
51、110 白色光源
58、311 分光器
59 多チャンネルロックインアンプ
127 ステージ
150 測定系
202、252 強度変調器
232 位相シフタ
435 積分器
450 ロックイン検出器
451 参照信号減
501 パルス光源
プローブパルス光
参照パルス光
刺激またはポンプパルス光
10A, 10B, 100, 200, 300, 400, 500 Optical measuring device 11, 201 Light source 18, 18-1 to 18-n, 211 Detector 12, 15, 52, 55, 119, 122, 504, 507 Polarized beam Splitter (optical element)
20, 210 Sample 30, 230, 430 Balancer 34 Comparator (square wave generator)
38,231 Multiplier 51, 110 White light source 58, 311 Spectrometer 59 Multi-channel lock-in amplifier 127 Stage 150 Measurement system 202, 252 Intensity modulator 232 Phase shifter 435 Integrator 450 Lock-in detector 451 Reference signal reduction 501 Pulse light source L P probe pulse light L R reference pulse light L S stimulation or pumping pulse light

Claims (12)

光源と、
前記光源からの光をプローブ光と参照光に分割する第1光学素子と、
前記プローブ光を試料に導く第1パスと、
時間軸上で前記参照光と前記プローブ光の間に相対的な遅延を与えるように光路長が調整された前記参照光の第2パスと、
前記試料を照射した前記プローブ光と、前記光路長が調整された前記参照光をひとつの共通の検出素子で検出して検出信号を出力する検出器と、
前記検出信号のうち、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号にそれぞれ逆の符号を適用して平衡化を行い、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号の差分を前記試料の測定結果として出力する平衡器と、
を有することを特徴とする光学測定装置。
A light source;
A first optical element that splits light from the light source into probe light and reference light;
A first path for guiding the probe light to the sample;
A second path of the reference light in which an optical path length is adjusted so as to give a relative delay between the reference light and the probe light on a time axis;
A detector that outputs the detection signal by detecting the probe light that irradiates the sample, and the reference light, the optical path length of which has been adjusted, with a common detection element;
Among the detection signals, a signal derived from the probe light and a signal derived from the reference light are balanced by applying opposite signs to the signal derived from the probe light and the signal derived from the reference light, respectively. A balancer that outputs the difference between the measurement results of the sample,
An optical measuring device comprising:
前記平衡器は、
前記検出信号に、前記光源からの光に同期する±1の振幅の方形波を乗算する乗算器、
を有し、前記乗算結果により前記差分を得ることを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
The balancer is
A multiplier for multiplying the detection signal by a square wave having an amplitude of ± 1 synchronized with the light from the light source;
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the difference is obtained from the multiplication result.
前記平衡器は、
前記方形波にバイアスを印加するバイアス源、
をさらに有し、
前記バイアスにより前記プローブ光と前記参照光の検出強度比を調整することを特徴とする請求項2に記載の光学測定装置。
The balancer is
A bias source for applying a bias to the square wave;
Further comprising
The optical measurement apparatus according to claim 2, wherein a detection intensity ratio between the probe light and the reference light is adjusted by the bias.
前記平衡器は、
前記光源からの光の角周波数に同期する正弦波信号の位相を調整する位相シフタと、
前記検出信号に、前記位相が調整された前記正弦波信号を乗算する乗算器と、
を有し、前記乗算結果により前記差分を得ることを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
The balancer is
A phase shifter for adjusting the phase of a sine wave signal synchronized with the angular frequency of light from the light source;
A multiplier for multiplying the detection signal by the sine wave signal having the adjusted phase;
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the difference is obtained from the multiplication result.
前記平衡器は、前記乗算器の出力の直流成分を前記位相シフタにフィードバックさせるフィードバック系を有し、前記フィードバックを用いて、前記プローブ光と前記参照光の検出強度比を平衡させることを特徴とする請求項4に記載の光学測定装置。   The balancer includes a feedback system that feeds back a DC component of the output of the multiplier to the phase shifter, and uses the feedback to balance the detection intensity ratio of the probe light and the reference light. The optical measuring device according to claim 4. 前記検出器と前記平衡器の間に挿入される共振器
をさらに有し、前記検出信号のうち特定の帯域の周波数成分が前記平衡器に入力されることを特徴とする請求項4に記載の光学測定装置。
The resonator according to claim 4, further comprising a resonator inserted between the detector and the balancer, wherein a frequency component of a specific band of the detection signal is input to the balancer. Optical measuring device.
前記プローブ光に同期して刺激を生成する刺激源、
をさらに有し、
前記試料は前記プローブ光に同期して前記刺激を受け、
前記平衡器は前記刺激に誘起された前記試料の状態変化を前記測定結果として出力することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光学測定装置。
A stimulus source for generating a stimulus in synchronization with the probe light;
Further comprising
The sample receives the stimulation in synchronization with the probe light,
The optical measuring apparatus according to claim 1, wherein the balancer outputs a change in the state of the sample induced by the stimulus as the measurement result.
参照信号を生成する参照信号源と、
前記参照信号の周波数で前記平衡器の出力をロックイン検出するロックイン検出部と、
をさらに有し、
前記刺激の強度は、前記参照信号の周波数で変調されることを特徴とする請求項7に記載の光学測定装置。
A reference signal source for generating a reference signal;
A lock-in detector that locks in the output of the balancer at the frequency of the reference signal;
Further comprising
The optical measurement apparatus according to claim 7, wherein the intensity of the stimulus is modulated by a frequency of the reference signal.
前記試料と前記検出器の間に配置される分光器、
をさらに有し、
前記光源は白色光源であり、
前記第1光学素子は、前記光源からの光を白色プローブ光と白色参照光に分割し、
前記第2光学素子は、前記白色プローブ光と前記白色参照光を重ね合わせて前記試料に導き、
前記試料を透過した前記白色プローブ光と前記白色参照光は、前記分光器で複数の波長成分に分光され、
前記検出器は、前記分光された波長の各々に対応して配置され、対応する波長成分の前記プローブ光と前記参照光を共通して検出することを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
A spectrometer disposed between the sample and the detector;
Further comprising
The light source is a white light source;
The first optical element divides light from the light source into white probe light and white reference light,
The second optical element guides the sample by superimposing the white probe light and the white reference light,
The white probe light and the white reference light transmitted through the sample are split into a plurality of wavelength components by the spectrometer.
2. The optical measurement according to claim 1, wherein the detector is arranged corresponding to each of the dispersed wavelengths, and detects the probe light and the reference light having a corresponding wavelength component in common. apparatus.
光源からの光をプローブ光と参照光に分割し、
前記プローブ光で試料を照射し、
時間軸上で前記参照光と前記プローブ光の間に相対的な遅延を与え、
前記試料を照射した前記プローブ光と、前記遅延が与えられた前記参照光とを同一の検出素子で検出し、
前記検出された信号のうち、前記プローブ光に由来する信号と、前記参照光に由来する信号とにそれぞれ逆の符号を適用して平衡化を行うことで、前記プローブ光に由来する信号と前記参照光に由来する信号の差分を前記試料の測定結果として取得する、
ことを特徴とする光学測定方法。
Split the light from the light source into probe light and reference light,
Irradiate the sample with the probe light,
Giving a relative delay between the reference light and the probe light on the time axis;
Detecting the probe light irradiated on the sample and the reference light given the delay with the same detection element,
Among the detected signals, the signal derived from the probe light and the signal derived from the reference light are balanced by applying opposite signs to the signal derived from the probe light, and the signal derived from the probe light Obtaining a difference between signals derived from the reference light as a measurement result of the sample,
An optical measurement method.
前記平衡化は、直流バイアスが印加された前記光源からの光に同期する±1の振幅の方形波を、前記検出素子で検出された信号に乗算する処理を含むことを特徴とする請求項10に記載の光学測定方法。   11. The balancing includes a process of multiplying a signal detected by the detection element by a square wave having an amplitude of ± 1 synchronized with light from the light source to which a DC bias is applied. An optical measurement method as described in 1. 前記平衡化は、前記検出素子で検出された信号に、前記光源からの光に同期する位相調整後の正弦波を乗算する処理を含むことを特徴とする請求項10に記載の光学測定方法。   The optical measurement method according to claim 10, wherein the balancing includes a process of multiplying a signal detected by the detection element by a phase-adjusted sine wave synchronized with light from the light source.
JP2015523971A 2013-06-27 2014-06-12 Optical measuring apparatus and optical measuring method Pending JPWO2014208349A1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013135412 2013-06-27
JP2013135412 2013-06-27
PCT/JP2014/065587 WO2014208349A1 (en) 2013-06-27 2014-06-12 Optical measurement device and optical measurement method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2014208349A1 true JPWO2014208349A1 (en) 2017-02-23

Family

ID=52141693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015523971A Pending JPWO2014208349A1 (en) 2013-06-27 2014-06-12 Optical measuring apparatus and optical measuring method

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2014208349A1 (en)
WO (1) WO2014208349A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104764731B (en) * 2015-04-01 2018-01-16 广西科技大学 A kind of method of Raman spectrum on-line monitoring polyurethane prepolymer NCO content
JP7000117B2 (en) * 2016-11-29 2022-01-19 キヤノン株式会社 Noise reduction device and detection device with it
US11788967B2 (en) 2018-01-23 2023-10-17 Danmarks Tekniske Universitet Apparatus for carrying out Raman spectroscopy
FR3091925B1 (en) 2019-01-18 2021-01-29 Ap2E Optical feedback resonant optical cavity system, suitable for the detection of gas traces by Raman spectrometry

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4112882B2 (en) * 2001-07-19 2008-07-02 株式会社日立メディコ Biological light measurement device
JP2004333344A (en) * 2003-05-09 2004-11-25 Hitachi Ltd Optical measuring method and apparatus
JP5333370B2 (en) * 2010-07-22 2013-11-06 株式会社島津製作所 Gas concentration measuring device
ES2841105T3 (en) * 2012-11-27 2021-07-07 Siemens Healthcare Diagnostics Products Gmbh Procedure for determining a transmission value

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014208349A1 (en) 2014-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4753947B2 (en) Phase sensitive heterodyne coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy, and microscopy system and method
JP5847821B2 (en) Method and apparatus for non-resonant background reduction in coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy
US9188538B2 (en) Raman microscope and Raman spectrometric measuring method
EP2522969A2 (en) Nonlinear raman spectroscopic apparatus comprising single mode fiber for generating Stokes beam
US8804117B2 (en) Method for detecting a resonant nonlinear optical signal and device for implementing said method
JP2010169686A (en) Selective detection in coherent raman microscope method by spectral temporal excitation shaping, and system and method for imaging
US11041760B2 (en) Optical measurement device and optical measurement method
WO2014208349A1 (en) Optical measurement device and optical measurement method
US20150204790A1 (en) Stimulated raman scattering measurement apparatus
US10914676B2 (en) Observation apparatus and observation method
EP4089400B1 (en) Light detection device, and light detection method
JP5051744B2 (en) Multiphoton excitation spectrum and multiphoton absorption spectrum measurement equipment
WO2015046070A1 (en) Optical measuring apparatus and optical measuring method
JP6453487B2 (en) Optical measuring device and optical measuring method
JP2015197513A (en) Light source device, and information acquisition device using the same
WO2017002535A1 (en) Measuring device
KR101632269B1 (en) Frequency And Intensity Modulation Laser Absorption Spectroscopy Apparatus and The Measuring Method Of The Same
JP2021526632A (en) Composite multispectral Raman spectroscopy measurement method and equipment
JP2014092425A (en) Optical interference tomographic imaging apparatus and optical interference tomographic imaging method
WO2021177195A1 (en) Light detection device and light detection method
JP2014126491A (en) Information acquisition system, information acquisition device and information acquisition method
US9013694B2 (en) System and method for measuring a wavelength-resolved state of polarization of an optical signal