WO2015046070A1 - 光学測定装置および光学測定方法 - Google Patents

光学測定装置および光学測定方法 Download PDF

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WO2015046070A1
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phase
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light source
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敏秋 塚田
啓介 瀬戸
孝嘉 小林
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国立大学法人電気通信大学
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Definitions

  • the present invention relates to an optical measurement apparatus and an optical measurement method, and more particularly to an optical measurement technique for detecting a light intensity modulation signal based on a phase change of an optical signal obtained from a sample.
  • FIG. 1 (A) One type of optical signal detection device is the device shown in FIG. 1 (A), output light from a light source 1 such as a laser is transmitted or reflected on a sample 2 and the transmitted light or reflected light is detected by a light receiver 3, and based on the intensity change of the detected light, Observe the characteristics of 2.
  • a light source 1 such as a laser
  • a light receiver 3 based on the intensity change of the detected light
  • the intensity of the output light from the light source 1 is A
  • the intensity change rate (or intensity modulation degree) by the sample 2 is m
  • the conversion rate of the light receiver 3 is B
  • the magnitude of the output signal is A ⁇ (1 + m) ⁇ B.
  • the intensity component of the original optical signal is A ⁇ 1 ⁇ B
  • the signal component from the sample is A ⁇ m ⁇ B.
  • the signal component subjected to the intensity modulation is added to the light intensity signal of the original signal and detected.
  • the intensity change rate of the light source 1 in such an optical signal detection apparatus may be several tens of percent, which is generally 0.1 to 0.01% of the light intensity change rate (m) obtained from the sample 2. Therefore, it is extremely difficult to appropriately separate and acquire the optical signal from the sample 2.
  • a detection signal is generally obtained in a configuration as shown in FIG.
  • the sample condition is modulated at the frequency of the synchronization signal by the sample modulator 4 and the synchronization signal generator 5 provided outside.
  • the change in the light intensity of the light source 1 induced by the sample 2 is influenced by the modulation of the state of the sample and is modulated at the frequency of the synchronization signal.
  • a synchronous signal component synchronized with the modulation given to the sample is extracted by the synchronous detector 6 to obtain a modulated signal of the light intensity induced in the sample.
  • the output of the synchronous detector 6 is A (1 + m ⁇ sin ( ⁇ t)) ⁇ B ⁇ sin ( ⁇ t) become.
  • Integrating ⁇ t in the range of 0 to 2 ⁇ results in ⁇ ⁇ A ⁇ m ⁇ B, so that the signal component can be extracted.
  • the component A ⁇ B ⁇ sin ( ⁇ t) of the light source signal becomes zero by integration of ⁇ t: 0 to 2 ⁇ .
  • Patent Document 1 discloses a configuration of a laser microscope that obtains a detection signal by synchronously detecting a light intensity signal.
  • the integration time is lengthened so that the light source signal component can be regarded as zero.
  • it is difficult to detect the intensity change m in a short time with high stability, and the intensity change m There is a problem that it cannot be realized when the value fluctuates in a short time or when it is necessary to detect a large number of points at high speed.
  • the detected signal is proportional to the intensity A and the conversion rate B, and the fluctuations of A and B become the fluctuations of the detection signal as they are, and there is a problem that the quantitative measurement of the intensity change m becomes an obstacle. .
  • the present invention pays attention to such conventional problems, and its purpose is to achieve high-speed, high-sensitivity and high-precision stability without being affected by the intensity change of the output light of the light source or the sensitivity change of the light receiver. It is an object of the present invention to provide an optical measurement technique capable of performing the measurement.
  • an optical measurement device includes: A light source; A ⁇ / 2 phase adder that delays a part of the light component of the output light from the light source by ⁇ / 2 with respect to the other light component; A light receiver that detects light through the ⁇ / 2 phase adder and light guided to the sample and transmitted or reflected by the sample; A phase change detector for detecting a phase change generated in the detection light by using the detection signal of the light detected by the light receiver and a synchronization signal synchronized with the light source as an input; and And the characteristic of the sample is acquired by the phase change.
  • the phase change detector controls the phase of the synchronization signal so that the synchronization signal is orthogonal to the detection light, and outputs this control signal.
  • the phase change detector includes a phase shifter that adjusts the phase of the synchronization signal, a multiplier that multiplies the synchronization signal after the phase adjustment and the detection signal, and an output of the multiplier to the phase shifter. It is good also as a structure which has a feedback loop which returns.
  • FIG. 2 is a block diagram of an optical measuring apparatus 100A showing an embodiment of the present invention, and parts common to FIG.
  • the light source 1 irradiates the sample 2 with the output light, measures an intensity change generated in the transmitted light or reflected light as a phase change, and obtains the characteristics of the sample 2 based on the measurement result.
  • the light source 1 a pulse laser that emits light for a short time at a constant period, a CW laser subjected to periodic intensity modulation, or the like is used.
  • the light source 1 can be a light source whose light emission intensity changes at a constant period or a combination of a light source and a modulation device.
  • the modulation device becomes a detection device that detects the light emission period of the light source.
  • the light receiver 3 is a photoelectric converter that receives light and converts it into an electrical signal.
  • the light source synchronization signal generator 7 generates and outputs a synchronization signal for synchronously detecting the output light of the light source 1 and the detection signal from the light receiver 3. For example, if the light source 1 is a CW laser, light emission intensity modulation is performed, and if the light source 1 is a pulse laser, the frequency of light emission timing is determined.
  • the light source intensity modulator 8 controls the light emission intensity of the light source 1 based on the output signal of the light source synchronization signal generator 7.
  • the modulation phase change detector 9 synchronously detects a signal passing through the sample 2 received by the light receiver 3 and converted into an electric signal, and detects and outputs only the phase change between the light source synchronization signal. Yes, it can be realized by a two-phase lock-in amplifier that performs phase detection of the same phase component of the light source synchronization signal and a component shifted by ⁇ / 2.
  • the ⁇ / 2 phase adder 10 includes two beam splitters 10a and 10d and two reflection mirrors 10b and 10c.
  • the output light from the light source 1 is split by the beam splitter 10a into light that irradiates the sample 2 and light that does not irradiate the sample 2.
  • One of the branched light components is given a time delay of 1/4 ( ⁇ / 2) of the intensity modulation period of the light source 1 by the reflection mirrors 10 b and 10 c, and the other light component irradiates the sample 2.
  • the two light components are added again by the beam splitter 10d. For example, if the modulation period of the light source 1 is 20 ns, the optical path length of the ⁇ / 2 phase adder 10 is increased by 5 ns and re-added to the light irradiated on the sample 2.
  • the light from the light source 1 modulated at ⁇ c by the light source intensity modulator 8 is A ⁇ (1 + sin ( ⁇ c t))
  • ⁇ m representing the phase change
  • ⁇ m depends only on the intensity change (or intensity modulation degree) m of the sample 2.
  • the phase change of the light intensity with respect to the modulation signal in the light receiver 3 depends only on m, and the intensity change m generated by the sample 2 can be measured by detecting the change in the modulation phase angle at the subsequent stage of the light receiver 3. Since this phase change does not change depending on the intensity of the light source 1 and the sensitivity of the light receiver 3 and the modulation phase change detector 9, the intensity of the light source 1, the sensitivity of the light receiver 3, and the like are error factors for quantitative measurement of m. It will not be.
  • the intensity of the light branched into the two optical paths is assumed to be equal, and the optical path difference is set to 1 ⁇ 4 period. Even in an actual configuration, even if the optical system deviates from ideal conditions, ⁇ m representing the phase change is not affected by the intensity of the light source 1 or the sensitivity change of the light receiver 3, so that a stable measurement result can be obtained. .
  • FIG. 3 is a block diagram of an optical measuring apparatus 100B showing another embodiment according to the present invention, and is a combination of the techniques shown in FIG. 1 (B) in order to further suppress noise than the configuration of FIG. It is.
  • the sample modulator 4 has a function of changing the magnitude of the intensity change of the signal light obtained by the sample 2 from the outside. This is realized by means for irradiating pumping light different from the light source 1 irradiated on the sample 2. In some cases, control is performed by the product of two signals from the external modulated wave.
  • the synchronization signal generator 5 is a signal generator that generates a synchronization signal for operating the sample modulator 4 and the synchronous detector 6 in synchronization.
  • the synchronous detector 6 is a detector having a function of extracting only a modulation frequency component from a signal whose intensity is modulated via the sample 2, such as a lock-in detection amplifier.
  • stable measurement can be performed without being affected by the intensity change of the light source 1, and high accuracy and high stability can be measured without being affected by the sensitivity change of the light receiver 3.
  • highly sensitive measurement can be performed by removing the noise component of the light source 1, and as a result, high speed and highly stable measurement can be realized.
  • phase detector described later
  • FIG. 4 is a block diagram of an optical measuring apparatus 100C showing another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the parts common to FIG.
  • the difference between FIG. 4 and FIG. 2 is that the sample 2 is provided downstream of the ⁇ / 2 phase adder 10. With such a configuration, the sample 2 is irradiated with light that has passed through the ⁇ / 2 phase adder 10.
  • FIG. 5 is a block diagram of an optical measuring device 100D showing another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the portions common to FIG.
  • the difference between FIG. 5 and FIG. 3 is that the sample 2 is provided downstream of the ⁇ / 2 phase adder 10. With such a configuration, the sample 2 is irradiated with light that has passed through the ⁇ / 2 phase adder 10 as in FIG.
  • both lights superimposed by the ⁇ / 2 phase adder 10 are placed at the same position on the sample. Or is reflected at the same position and input to the light receiver 3. Only the intensity change m due to the sample modulation can be detected without receiving effects other than the sample modulation such as reflection, scattering and absorption fluctuations by the sample 2.
  • FIG. 6 shows a configuration example of the optical measurement apparatus 200 of the second embodiment.
  • the present invention is applied to a stimulated Raman microscope.
  • the sample is irradiated with light of at least two wavelengths.
  • the intensity of light having a shorter wavelength decreases and the intensity of light having a longer wavelength increases.
  • spectral imaging when one light is used as a stimulus source (referred to as “pump light”) and the other light is used as probe light, molecular vibration can be observed by observing the intensity change of the probe light. Furthermore, it is also possible to obtain a spectrum by using white light as the probe light and observing the intensity change of each wavelength after the spectrum. By introducing these pump light and white probe light into a microscope and sweeping the light or the sample, a spectrum at each measurement point of the sample can be obtained. This is called spectral imaging.
  • a titanium sapphire pulse laser is used as the light source 21.
  • the light source 21 may be referred to as a “pulse light source 21”.
  • the light source 21 has an oscillation wavelength of 802 nm, a pulse width of 2.5 ps, and a pulse repetition frequency of 76.3 MHz.
  • Pulsed light from the pulsed laser is split by the beam splitter 24, one to generate the white pulse light, the other pump pulse light (hereinafter, simply referred to as "pump light”) is used as the L 1.
  • part of the pulsed light is collected and incident on a highly nonlinear photonic crystal fiber (PCF) 25.
  • the light source 21 and the PCF 25 constitute a white light source.
  • the polarization direction of the white pulse light whose spectrum is expanded by the PCF 25 is adjusted and fixed by the polarizer 26.
  • the vertically polarized light is used as the reference light L ref is reflected by the polarization beam splitter 10a, the horizontally polarized light is transmitted, the probe pulse light (hereinafter, simply referred to as "probe light”) is used as L 2.
  • the split ratio between the probe light L 2 and the reference light L ref is adjusted according to the polarization direction, and when the polarization direction is 45 degrees, the split ratio between the probe light L 2 and the reference light L ref is substantially equal.
  • the split ratio between the probe light L 2 and the reference light L ref is adjusted according to the polarization direction, and when the polarization direction is 45 degrees, the split ratio between the probe light L 2 and the reference light L ref is
  • the polarization direction of white pulse light generated by the PCF 25 fluctuates for each pulse. Since the split ratio of the polarization beam splitter 10a is polarization-dependent, if the polarization direction fluctuates, the split ratio fluctuates. In order to prevent such fluctuation of the split ratio for each pulse during measurement, it is important to fix the polarization by the polarizer 26.
  • a delay time of about 1 ⁇ 4 of the pulse repetition period is given.
  • the optical path length of the additional optical path is 98 cm.
  • the reference light L ref which is delayed by the polarizing beam splitter 10d, probe light L 2 and spatially superimposed, is reflected in parallel with the probe light L 2.
  • the ⁇ / 2 delay generation unit composed of the polarization beam splitters 10a and 10d and the reflection mirrors 10b and 10c may be called “ ⁇ / 2 phase adder 10” as in the first embodiment.
  • the polarization beam splitters 10a and 10d may be ordinary beam splitters, by using the polarization beam splitter, horizontal polarization is transmitted with high transmittance, and vertical polarization is reflected with high reflectance. Transmitted by the probe light L 2 is a high transmittance is horizontally polarized reference light L ref which is delayed a vertical polarization because it is reflected at a high reflectance, it is possible to suppress the loss of the white light low.
  • the dichroic mirror 27 is an optical element that transmits white light and reflects pump light.
  • the pump light L 1 is adjusted by the delay stage 38 so that the timing of incidence on the sample 22 coincides only with the probe light L 2 .
  • the delay stage 38 includes two mirrors 35 and 36 installed on a stage that moves linearly, and the optical path length can be adjusted by the positions of the mirrors 35 and 36. By appropriately adjusting the optical path length, it is possible to match the observed timing of the probe light L 2.
  • the pump light L 1 is subjected to intensity modulation by the light intensity modulator 41.
  • the light intensity modulator 41 an optical chopper, an electro-optic modulator (EOM), an acousto-optic modulator (AOM), or the like can be used. In the example of FIG. 6, it is modulated at 4.48 kHz by an optical chopper.
  • the intensity-modulated pump light L 1 is spatially superimposed on the probe light L 2 on the dichroic mirror 27 and aligned parallel to the probe light.
  • the probe light L 2 , the reference light L ref , and the pump light L 1 that are spatially superimposed are introduced into the microscope 28 and irradiated onto the sample 22.
  • the light intensity modulator 41 modulates the intensity of the pump light L 1 that modulates the sample 22.
  • the mirror 33, 34, 37, the delay stage 38, and the light intensity modulator 41 constitute a sample modulator.
  • the probe light L 2 and the reference light L ref that have passed through the sample 22 are collected by a condenser lens (not shown) and are incident on the spectroscope 29.
  • imaging for measuring the signal intensity at each measurement point of the sample 22 is possible by sweeping the sample 22 or light.
  • the spectroscope 29 separates white light, and a specific wavelength component is introduced into the light receiver 23. A signal from the light receiver 23 is introduced into the phase detector 30.
  • the synchronization signal used for the phase detector 30 is supplied from a light source (pulse laser) 21.
  • the output from the phase detector 30 is introduced into the lock-in detector 31.
  • Reference signal used for lock-in detection is adapted to be supplied from the optical intensity modulator controller 42, only the signal due to stimulation by the pump light L 1 can be obtained.
  • FIG. 6 for the sake of illustration, the configuration for one wavelength is shown. However, by arranging the measurement series from the light receiver 23 to the lock-in detector 31 in parallel for each wavelength, a stimulated Raman spectrum can be obtained. it can.
  • phase detector 30 used in FIG. 6 will be described with reference to FIG. In the method of the second embodiment, since the intensity fluctuation of the white pulse light is large, it is important to measure the phase change of the signal subjected to the intensity modulation due to the stimulated Raman scattering without being affected by the intensity fluctuation.
  • the phase detection feature of the second embodiment is that feedback control is performed on the phase of the synchronization signal so that the phase of the photodetection signal and the phase of the synchronization signal are orthogonal, and this feedback control signal is obtained as an output of the phase detector 30. It is. Since the feedback control signal for the synchronization signal changes so that the phase difference between the light detection signal and the synchronization signal is maintained at 90 °, the phase feedback signal is proportional to the phase of the light detection signal.
  • the split probe light L 2 and reference light L ref are converted into current by the common light detection element 231 of the light receiver 23.
  • This current is converted into a voltage signal using a resonator 232 that resonates at the pulse repetition frequency as a load.
  • a transimpedance amplifier with a resistor as a load may be used to convert the current signal into a voltage signal.
  • the voltage signal from the resonator is amplified to an appropriate level by the preamplifier 233.
  • the amplified signal is input to the multiplier 301 of the phase detector 30.
  • the optical splitting ratio of the white probe light L 2 and the reference light L ref a: and b (a + b 1) . Since the reference light L ref is the phase is delayed 90 ° in comparison with the probe light L 2 by an additional optical path corresponding to a quarter cycle, to represent the basic components of the probe light L 2 in a cosine wave, the reference light L ref The basic component is represented by a sine wave.
  • the signal input to the multiplier 301 is the sum of these,
  • A is proportional to the intensity of the white light source and includes fluctuation
  • m is the degree of intensity change due to stimulated Raman scattering (intensity modulation degree)
  • ⁇ c is the pulse repetition angular frequency
  • ⁇ m is the formula (7).
  • phase change ⁇ m and the intensity change (or intensity modulation degree) m are proportional.
  • the synchronization signal which is another input signal of the phase detector 30, is introduced into the multiplier 301 and multiplied by the photodetection signal.
  • This sync signal is
  • the phase shifter 305 can adjust the phase ⁇ d of the synchronization signal by the voltage.
  • the relationship between the phase ⁇ d of the synchronization signal and the phase control voltage v 0 output from the integrator 304 described later is expressed by Expression (10) using a constant K.
  • the offset (r) of the output from the multiplier 301 is corrected by the subtracter 302.
  • the offset (r) determines the phase relationship between the synchronization signal and the photodetection signal, and is determined by this offset correction and an unintended circuit element offset. Alternatively, an offset of an unintended circuit element can be canceled by offset correction.
  • the output from the multiplier 301 including the offset (r) is
  • the Laplace transform of A ⁇ a 2 (1 + m) 2 + b 2 ⁇ 1/2 is A ′
  • the Laplace transform of 1 / [A ⁇ a 2 (1 + m) 2 + b 2 ⁇ 1/2 ] is (1 / A ) ′
  • ⁇ d Laplace transform is V 0 , ⁇ m , ⁇ d
  • the integration time of the integrator 304 is T
  • the output of the integrator 304 is expressed by Expression (14).
  • the operator means a convolution integral.
  • the target value to be fed back is an amount obtained by setting ⁇ T ⁇ 0 in the equation (16).
  • the output of the phase detector 30 depends on the amplitude A of the photodetection signal as shown in Equation (18).
  • the feedback control voltage v 0 is affected by the fluctuation of A (optical noise). That is, in order to maximize the signal-to-noise ratio by the method of the second embodiment in which the phase of the synchronization signal follows the light detection signal and the phase control signal of the synchronization signal is obtained as the output of the phase detector 30, It is important to make the phase and the phase of the light detection signal orthogonal.
  • T ⁇ can be kept small even if ⁇ is large. This means that by shortening T, the cutoff frequency of the feedback loop is increased (response speed is increased), and high-speed phenomena can be observed.
  • the gain slope of the integrator 304 is only ⁇ 20 dB / dec, it is impossible to sufficiently remove the high frequency component in the output of the multiplier 301 represented by the equation (11) only by shortening T. .
  • the frequency at which the intensity change m due to the sample 22 is observed is 1/100 of the pulse repetition frequency
  • the intensity change m due to stimulated Raman scattering is 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 5
  • the carrier wave of the pulse repetition frequency is The influence appears in the output as an intensity modulation degree of about 10 ⁇ 2 and the dynamic range is narrowed. Therefore, by inserting the loop filter 303 in the feedback loop, it was sufficiently attenuate signals of 2 [omega c, setting a large cut-off frequency.
  • the phase delay is set to less than 120 °, overshoot does not appear, and this value is a measure of an appropriate phase delay.
  • the phase control signal obtained in this way may be output through a bandpass filter 306 that passes the observed frequency component of interest.
  • a bandpass filter 306 that passes the observed frequency component of interest.
  • FIG. 8 shows the relationship between the intensity of the white light source (horizontal axis) and the output value (vertical axis) due to stimulated Raman scattering by the optical measurement apparatus 200 of the second embodiment.
  • the power of the white light source was adjusted using a neutral density filter.
  • the power of the white light source is measured immediately before the light receiver 23.
  • the output signal is derived from the Raman band of C—H stretching vibration of cyclohexane and corresponds to an intensity modulation degree of 1.7 ⁇ 10 ⁇ 3 .
  • FIG. 9 shows the effect of optical noise removal by the optical measurement device 200.
  • the vertical axis represents the observed noise converted into the intensity modulation degree.
  • the intensity noise of the white light locks the signal immediately after the multiplier 301 by fixing the phase of the synchronization signal of the optical measuring apparatus 200 and blocking the reference light L ref and observing only the probe light L 2. It is measured 140 times by in-detection, and the root mean square (RMS) is calculated.
  • RMS root mean square
  • noise when applying the phase detection of the second embodiment as a RMS value measured noise 140 times in terms of blocked pump light L 1.
  • the pump light L 1 was incident, and the RMS value of noise was converted into the intensity modulation degree using the known relationship between the modulation degree of cyclohexane and the output.
  • This measurement was repeated by changing the intensity balance of the reference light L ref and the probe light L 2.
  • Strength balance of the probe light L 2 and the reference light L ref was adjusted by the angle of the polarizer 26 in FIG.
  • an optical balance value of zero means that the probe light power and the reference light power are equal.
  • the optical noise does not depend on the optical balance, and the noise is reduced to 5 ⁇ 10 ⁇ 6 Hz ⁇ 1/2 which is about 1/20 of the light source noise.
  • the signal-to-noise ratio improves in proportion to the 1/2 power of the integration time, so that the noise becomes 1/20 means that the integration time required to obtain the same signal-to-noise ratio becomes 1/400. Means that. That is, a speed increase of 400 times is realized.
  • the noise removal capability is maximum when the optical balance is equal, and if the balance is lost, the optical noise cannot be removed accordingly.
  • the noise removal capability does not depend on the optical balance. This feature also contributes to the robustness of the optical measuring device 200.
  • FIG. 10 shows the effect of applying the present invention to guided Raman imaging.
  • the sample is a polystyrene sphere having a diameter of 4 ⁇ m on a slide glass, and the signal is observed at a wavelength at which a Raman band of C—H stretching vibration of the benzene ring of polystyrene is obtained.
  • the time constant for lock-in detection was 100 ms.
  • FIG. 10A the phase of the synchronization signal is fixed, the reference light L ref is blocked, and the intensity modulation of the probe light L 2 is observed in the image obtained from the signal immediately after the multiplier 301.
  • This condition is the same as that in which only the lock-in detection is applied to the light detection signal without applying the method of the second embodiment (the method in FIG. 1B).
  • Figure The image 10 (a) the signal fluctuations caused by the optical noise of the probe light L 2 is dominant, the image of the polystyrene spheres is not obtained.
  • FIG. 10B is an image obtained by applying the method of the second embodiment, and the relative contrast of the image is adjusted to be equal to that in FIG.
  • the optical noise is reduced, and the fluctuation of the signal is small compared to FIG.
  • a region where a polystyrene sphere having a diameter of 4 ⁇ m is present a region having a large signal intensity is observed in a disk shape corresponding to the shape of the polystyrene sphere. That is, the optical noise is reduced and the stimulated Raman scattering signal is observed without being canceled.
  • This measurement result demonstrates that the present invention is applicable to stimulated Raman imaging and is effective in improving its signal-to-noise ratio.

Abstract

　光源の出力光の強度変化や受光器の感度変化の影響を受けることなく高速高感度で高精度の安定した測定が行える光学測定技術を提供する。光学測定装置は、光源と、前記光源からの出力光の一部の光成分を他の光成分に対してπ／２遅延させるπ／２位相加算器と、前記π／２位相加算器を介した光と、試料に導かれ、前記試料で透過または反射された光を検出する受光器と、前記受光器で検出された検出光と、前記光源に同期する同期信号とを入力とし、前記同期信号を用いて前記検出光に生じた位相変化を検出する位相変化検出器と、を有し、前記位相変化により前記試料の特性を取得する。

Description

光学測定装置および光学測定方法
　本発明は、光学測定装置および光学測定方法に関し、詳しくは、試料から得られる光信号の位相変化に基づいて光強度変調信号を検出する光学測定技術に関するものである。
　光信号検出装置の一種に、図１に示す装置がある。図１（Ａ）では、レーザ等の光源１からの出力光を試料２に透過あるいは反射させてその透過光あるいは反射光を受光器３で検出し、この検出光の強度変化に基づいて、試料２の特性を観測する。
　図１（Ａ）において、光源１からの出力光の強度をＡ、試料２による強度変化率（または強度変調度）をｍ、受光器３の変換率をＢとすると、出力信号の大きさはＡ×（１＋ｍ）×Ｂとなる。ここで元の光信号の強度成分はＡ×１×Ｂ、試料からの信号成分はＡ×ｍ×Ｂである。強度変調を受けた信号成分は、元信号の光強度信号に加算されて検出される。
　このような光信号検出装置における光源１の強度変化率は数１０％になることもあり、一般的に試料２から得られる光強度変化率（ｍ）の０．１～０．０１％に比べてはるかに大きく、試料２からの光信号を適切に分離して取得することはきわめて困難である。
　そこで、従来から一般に、たとえば図１（Ｂ）のような構成で検出信号を得ることが行われている。なお、図１（Ｂ）では図１（Ａ）と共通する部分には同一の符号を付けている。図１（Ｂ）において、外部に設けた試料変調器４と同期信号発生器５により、試料の状態を同期信号の周波数で変調させる。試料２により誘起される光源１の光強度の変化は試料の状態の変調の効果を受け、同期信号の周波数で変調される。試料に与えられた変調に同期した同期信号成分を同期検波器６で抽出することにより試料に誘起された光強度の変調信号を得ている。
　図１（Ｂ）において、試料２を周波数ωで変調した場合、受光器３からの出力は、
　Ａ（１＋ｍ×ｓｉｎ（ωｔ））×Ｂ
となる。
　一方、同期検波器６の出力は、
　Ａ（１＋ｍ×ｓｉｎ（ωｔ））×Ｂ×ｓｉｎ（ωｔ）
になる。
　そして、ωｔを０から２πの範囲で積分すると、π×Ａ×ｍ×Ｂとなるので信号成分を抽出できる。ここで、光源信号の成分Ａ×Ｂ×ｓｉｎ（ωｔ）は、ωｔ：０～２πの積分でゼロとなる。
　特許文献１には、光強度信号を同期検波して検出信号を得るレーザ顕微鏡の構成が示されている。
特開２００８－２９８８３３号公報
　しかし、この構成のレーザ顕微鏡では、１＞＞ｍの場合、出力光の強度Ａのもつノイズ成分の影響により、Ａの値は強度変化ｍに対して一定と考えることができなくなり、ωｔに関して０～２πの範囲で積分しても光源信号の成分がゼロとならない。
　一般的な同期検波器の手法として、光源信号成分をゼロにみなせるようにするために積分時間を長くするが、強度変化ｍを短時間で高安定に検出することは困難であり、強度変化ｍが短期に変動する場合や、多数点の検出を高速に行う必要がある場合には、実現できないという問題がある。
　また、検出された信号は強度Ａおよび変換率Ｂに比例したものであり、これらＡ、Ｂの変動はそのまま検出信号の変動となって、強度変化ｍの定量測定の障害になるという問題もある。
　本発明は、このような従来の問題点に着目したものであって、その目的は、光源の出力光の強度変化や受光器の感度変化の影響を受けることなく高速高感度で高精度の安定した測定が行える光学測定技術を提供することにある。
　このような課題を達成する発明の一つの態様として、光学測定装置は、
　光源と、
　前記光源からの出力光の一部の光成分を他方の光成分に対してπ／２遅延させるπ／２位相加算器と、
　前記π／２位相加算器を介した光と、試料に導かれ、前記試料で透過または反射された光を合わせて検出する受光器と、
　前記受光器で検出された光の検出信号と、前記光源に同期する同期信号とを入力とし、前記同期信号を用いて前記検出光に生じた位相変化を検出する位相変化検出器と、
　を有し、前記位相変化により前記試料の特性を取得することを特徴とする。
　良好な構成例として、前記位相変化検出器は、前記同期信号が前記検出光と直交するように前記同期信号の位相を制御し、この制御信号を出力する。
　たとえば、前記位相変化検出器を、前記同期信号の位相を調節する位相シフタと、位相調節後の前記同期信号と前記検出信号とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力を前記位相シフタに帰還する帰還ループとを有する構成としてもよい。
　これらの構成によれば、高感度で高精度の安定した高速測定を行える光学測定が実現できる。
従来の光信号検出の構成例を示す図である。 本発明に基づく光信号検出装置の一実施例を示す構成図である。 本発明に基づく光信号検出装置の他の実施例を示す構成図である。 本発明に基づく光信号検出装置の他の実施例を示す構成図である。 本発明に基づく光信号検出装置の他の実施例を示す構成図である。 本発明を誘導ラマン顕微鏡に適用する例を示す図である。 図６で用いる位相検波器の回路構成図である。 白色光源の強度と誘導ラマン散乱による出力値の関係を示す図である。 本発明の光雑音除去の効果を示す図である。 本発明による誘導ラマンイメージング結果を従来方法と比較して示す図である。
＜第１実施形態＞
　以下、本発明について、図面を用いて説明する。図２は本発明の一実施例を示す光学測定装置１００Ａの構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図２において、光源１は、その出力光を試料２に照射し、その透過光または反射光に生じた強度変化を位相変化として測定し、測定結果に基づいて試料２の特性を求める。光源１としては、一定周期で短時間発光するパルスレーザ、あるいは周期的な強度変調を掛けたＣＷレーザ等を用いる。すなわち、光源１は、一定周期で発光強度が変化する光源や、光源と変調装置を組み合わせたものが使用できる。なお、光源自体が一定周期で発光する場合は、変調装置は光源の発光周期を検出する検出装置となる。
　受光器３は、光を受光して電気信号に変換する光電変換器である。
　光源同期信号発生器７は、光源１の出力光と受光器３からの検出信号とを同期検波させるための同期信号を発生出力する。光源１がたとえばＣＷレーザであれば発光強度変調を行い、パルスレーザであれば発光タイミングの周波数を決める。
　光源強度変調器８は、光源同期信号発生器７の出力信号に基づいて光源１の発光強度を制御する。
　変調位相変化検出器９は、受光器３で受光して電気信号に変換出力される試料２を経由した信号を同期検波し、光源同期信号との間の位相変化のみを検出・出力するものであり、光源同期信号の同一位相成分とπ／２ずれた成分の位相検波を行う２位相のロックインアンプ等で実現できる。
　π／２位相加算器１０は、２個のビームスプリッタ１０ａ、１０ｄと２個の反射ミラー１０ｂ、１０ｃとで構成されている。
　光源１からの出力光は、ビームスプリッタ１０ａにより試料２を照射する光と試料２を照射しない光に分波される。分岐された一方の光成分は、反射ミラー１０ｂ、１０ｃにより光源１の強度変調周期の１／４（π／２）の時間遅れが与えられ、他方の光成分は試料２を照射する。２つの光成分はビームスプリッタ１０ｄにより再加算される。たとえば光源１の変調周期が２０ｎｓであれば、５ｎｓ分、π／２位相加算器１０の光路長を長くして試料２を照射した光に再加算する。
　図２において、光源強度変調器８によりωｃで変調された光源１からの光を、
Ａ×（１＋ｓｉｎ（ωｃｔ））
とする。
　ビームスプリッタ１０ａで分岐された光成分のうち、試料２側から受光器３に到達した光を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 とし、分波されπ／（２×ωｃ）時間遅れて受光器３に到着した光を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 とする。二つの光を加算すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 となる。ここで、位相変化を表わすθｍは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 であり、θｍは試料２による強度変化（または強度変調度）ｍのみに依存する。
　受光器３における光強度の変調信号に対する位相変化はｍのみに依存し、受光器３の後段で変調位相角の変化を検出することで、試料２により発生する強度変化ｍを測定できる。この位相変化は、光源１の強度や、受光器３と変調位相変化検出器９の感度によっても変化しないことから、光源１の強度や受光器３の感度等が、ｍの定量測定の誤差要素にはならない。
　なお、上記の計算では、簡略化のため、二つの光路に分岐させた光の強さを等しいものとし、光路差は１／４周期としている。実際の構成で、光学系が理想的な条件からずれていても、位相変化を表わすθｍが光源１の強度や受光器３の感度変化に影響されないので、安定した測定結果を得ることができる。
　図３は本発明に基づく他の実施例を示す光学測定装置１００Ｂの構成図であり、図２の構成よりもさらにノイズを抑制するために、図１（Ｂ）に示した手法を組み合わせたものである。
　試料変調器４は、試料２によって得られる信号光の強度変化の大きさを外部から変化させる機能を有するものである。試料２に照射される光源１とは別のポンピング光を照射する手段等で実現する。また、外部からの変調波二つの信号の積で制御する場合もある。
　同期信号発生器５は、試料変調器４と同期検波器６を同期して動作させるための同期信号を発生する信号発生器である。
　同期検波器６は、ロックイン検波増幅器等、試料２を経由して強度変調された信号から変調周波数成分のみを抽出する機能を有する検波器である。
　これらの構成によれば、光源１の強度変化の影響を受けることなく安定に計測でき、受光器３の感度変化の影響も受けることなく高精度、高安定に計測できる。
　また、光源１のノイズ成分を除去した高感度計測を行うことができ、結果として、高速高安定な計測が実現できる。
　また、高速計測が行えることから、多数のデータを計測して２次元あるいは３次元データとして活用するような多点計測アプリケーションにも適用できる。
　なお、位相変化を捉える電気的な手法はいろいろ提案されているが、本発明はどのような手法であっても適用でき、たとえば後述する位相検波器を用いることができる。
　図４は、本発明の他の実施例を示す光学測定装置１００Ｃの構成図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。図４と図２の違いは、試料２がπ／２位相加算器１０の下流に設けられていることである。このような構成により、試料２には、π／２位相加算器１０を通過した光が照射される。
　図５は、本発明の他の実施例を示す光学測定装置１００Ｄの構成図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図５と図３の違いは、試料２がπ／２位相加算器１０の下流に設けられていることである。このような構成により、試料２には、図４と同様に、π／２位相加算器１０を通過した光が照射される。
　図４および図５の構成によれば、試料２がπ／２位相加算器１０の下流に設けられていることにより、π／２位相加算器１０によって重ねられた両方の光が試料の同じ位置を透過、或いは同じ位置で反射して受光器３に入力される。試料２による反射や散乱、吸収の変動といった、試料変調以外の効果を受けることなく、試料変調による強度変化ｍのみを検出できる。
　以上説明したように、図２～図５の構成によれば、光源１の出力光の不規則な強度変動や受光器の不規則な感度変動の影響を受けることなく高速高感度で高精度の安定した測定が行える光学測定装置が実現できる。
＜第２実施形態＞
　図６は、第２実施形態の光学測定装置２００の構成例を示す。第２実施形態では、本発明を誘導ラマン顕微鏡に適用する。誘導ラマン散乱の観測では、少なくとも２波長の光を試料に照射する。この２波長の光のエネルギー差が分子振動のエネルギーに一致したときに、波長が短い方の光の強度が減少し、波長が長い方の光の強度が増加する。すなわち、片方の光を刺激源として（これを「ポンプ光」と呼ぶ）、もう片方の光をプローブ光とすると、プローブ光の強度変化を観測することで分子振動の観測が可能である。さらに、プローブ光として白色光を用い、分光した後に各波長の強度変化を観測することでスペクトルを得ることも可能である。これらポンプ光と白色プローブ光を顕微鏡に導入し、光または、試料を掃引することで、試料の各測定点におけるスペクトルを得ることができる。これをスペクトルイメージングという。
　第２実施形態では、光源２１としてチタンサファイアパルスレーザーを用いる。この点で、光源２１を「パルス光源２１」と称してもよい。光源２１の発振波長は８０２ｎｍ、パルス幅は２．５ｐｓ、パルス繰り返し周波数は７６．３ＭＨｚである。パルスレーザからのパルス光はビームスプリッタ２４により分割され、片方は白色パルス光の生成に、もう片方はポンプパルス光（以下、単に「ポンプ光」と称する）Ｌ１として用いられる。
　白色光の生成のため、パルス光の一部は集光され、高非線形フォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｆｉｂｅｒ）２５に入射される。光源２１とＰＣＦ２５で白色光源を構成する。ＰＣＦ２５によってスペクトルが拡張された白色パルス光の偏光方向は、偏光子２６によって、調整・固定される。次に、偏光ビームスプリッタ１０ａにより垂直偏光は反射され参照光Ｌref として用いられ、水平偏光は透過され、プローブパルス光（以下、単に「プローブ光」と称する）Ｌ２として用いられる。ここで、偏光方向によってプローブ光Ｌ２と参照光Ｌref への分割比が調整され、偏光方向が４５度である場合には、プローブ光Ｌ２と参照光Ｌref への分割比はほぼ等しくなる。
　通常、ＰＣＦ２５によって生成された白色パルス光の偏光方向はパルス毎に揺らぐ。偏光ビームスプリッタ１０ａの分割比は偏光依存性があるので、偏光方向が揺らぐと分割比の揺らぎをもたらす。このような、測定中のパルス毎の分割比の揺らぎを防ぐため、偏光子２６による偏光の固定が重要である。
　参照光Ｌref を、反射ミラー１０ｂ、１０ｃを含む付加的な光路に通過させることより、パルス繰り返し周期の１／４程度の遅延時間が与えられる。パルス繰り返し周波数が７６．３ＭＨｚの場合、付加的な光路の光路長は９８ｃｍである。遅延された参照光Ｌref は偏光ビームスプリッタ１０ｄにより、プローブ光Ｌ２と空間的に重ねられ、プローブ光Ｌ２と平行になるように反射される。偏光ビームスプリッタ１０ａ、１０ｄ及び反射ミラー１０ｂ、１０ｃで構成されるπ／２遅延生成部は、第１実施形態と同様に「π／２位相加算器１０」と呼んでもよい。
　偏光ビームスプリッタ１０ａ、１０ｄは通常のビームスプリッタでも良いが、偏光ビームスプリッタを用いることで水平偏光は高い透過率で透過し、垂直偏光は高い反射率で反射する。水平偏光であるプローブ光Ｌ２は高い透過率で透過し、垂直偏光である遅延された参照光Ｌref は高い反射率で反射されるので、白色光の損失を低く抑えることができる。
　空間的に重ねられたプローブ光Ｌ２と参照光Ｌref はダイクロイックミラー２７を透過する。ダイクロイックミラー２７は、白色光を透過させ、ポンプ光を反射する光学素子である。
　一方、ポンプ光Ｌ１はディレイ（遅延）ステージ３８によって、プローブ光Ｌ２とのみ、試料２２への入射のタイミングが一致するように調整される。ディレイステージ３８は直線状に移動するステージ上に設置された２枚の鏡３５、３６からなり、鏡３５、３６の位置によって光路長の調整が可能である。光路長を適切に調整することで、プローブ光Ｌ２とのみタイミングを一致させることが可能である。
　次に、ポンプ光Ｌ１は光強度変調器４１によって、強度変調を受ける。光強度変調器４１として光学チョッパや電気光学変調器（ＥＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏ‐Ｏｐｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、音響光学変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ‐Ｏｐｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などを用いることができる。図６の例では、光学チョッパにより、４．４８ｋＨｚで変調される。強度変調されたポンプ光Ｌ１はダイクロイックミラー２７上でプローブ光Ｌ２と空間的に重ねられ、プローブ光と平行にアラインされる。
　空間的に重ねられたプローブ光Ｌ２、参照光Ｌref 、及びポンプ光Ｌ１は顕微鏡２８に導入され、試料２２に照射される。光強度変調器４１は試料２２を変調するポンプ光Ｌ１の強度を変調するものであり、ミラー３３，３４，３７、ディレイステージ３８、及び光強度変調器４１で試料変調器を構成する。
　試料２２を透過したプローブ光Ｌ２と参照光Ｌref は図示しないコンデンサレンズで集められ、分光器２９に入射される。ここで、試料２２または光を掃引することで、試料２２の各測定点における信号強度を測定するイメージングが可能である。分光器２９によって、白色光が分光され、特定の波長成分が受光器２３に導入される。受光器２３からの信号は位相検波器３０に導入される。
　図６の構成例では、位相検波器３０に用いられる同期信号は光源（パルスレーザー）２１から供給されるようになっている。位相検波器３０からの出力は、ロックイン検出器３１に導入される。ロックイン検出に用いられる参照信号は、光強度変調器制御器４２から供給されるようになっており、ポンプ光Ｌ１による刺激に起因する信号のみが得られる。図６では、図示の便宜上、一波長分の構成を示しているが、受光器２３からロックイン検出器３１まで測定系列を波長ごとに並列的に配置することで、誘導ラマンスペクトルを得ることができる。
　図７を参照して、図６で用いた位相検波器３０の構成を説明する。第２実施形態の方法では、白色パルス光の強度揺らぎが大きいので、誘導ラマン散乱による強度変調を受けた信号の位相変化を、この強度揺らぎに影響されずに測定することが肝要である。
　第２実施形態の位相検波の特徴は、光検出信号の位相と同期信号の位相が直交するように同期信号の位相を帰還制御するとともに、この帰還制御信号を位相検波器３０の出力として得るものである。同期信号のための帰還制御信号は、光検出信号と同期信号の位相差が９０°を保つように変化するので、位相帰還信号は光検出信号の位相に比例する。
　具体的な構成例と、光検出信号と同期信号を直交させる意義を含めた原理の詳細は以下のとおりである。分光されたプローブ光Ｌ２と参照光Ｌref は、受光器２３の共通の光検出素子２３１によって電流に変換される。この電流は、パルス繰り返し周波数に共鳴する共振器２３２を負荷として電圧信号に変換される。電流信号を電圧信号に変換するために、抵抗を負荷とするトランスインピーダンスアンプを用いても良いが、共振器２３２を負荷とすることで、抵抗の熱雑音や計測に無関係な外来ノイズを避けることができる。共振器からの電圧信号はプリアンプ２３３によって適切な大きさまで増幅される。
　増幅された信号は、位相検波器３０の乗算器３０１に入力される。白色プローブ光Ｌ２と参照光Ｌref の光学的な分割比をａ：ｂ（ａ＋ｂ＝１）とする。参照光Ｌref は１／４周期に相当する付加的な光路によりプローブ光Ｌ２に比べて位相が９０°遅れるので、プローブ光Ｌ２の基本成分を余弦波で表すと、参照光Ｌref の基本成分は正弦波で表される。プローブ光Ｌ２の検出信号を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 参照光の検出信号を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 とすると、乗算器３０１に入力される信号はこれらの和であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 となる。ここで、Ａは白色光源の強度に比例し、揺らぎを含むもので、ｍは誘導ラマン散乱による強度変化の度合い（強度変調度）、ωｃはパルス繰り返し角周波数、θｍは式（７）で表される位相変化、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 である。ｍ＜＜１のとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 と近似でき、位相変化θｍと強度変化（または強度変調度）ｍは比例する。
　一方、位相検波器３０のもうひとつの入力信号である同期信号は、位相シフタ３０５により位相が調整されたあと、乗算器３０１に導入され、光検出信号と乗算される。この同期信号を、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 とする。位相シフタ３０５は、電圧によって同期信号の位相θｄを調整することが可能である。同期信号の位相θｄと、後述する積分器３０４から出力される位相制御電圧ｖ０の関係は、定数Ｋを用いて、式（１０）で表される。
　　　θｄ＝Ｋｖ０                                                                               （１０）
　乗算器３０１からの出力は、減算器３０２によってオフセット（ｒ）が補正される。オフセット（ｒ）は、同期信号と光検出信号の位相関係を決めるものであり、このオフセット補正や意図しない回路素子のオフセットによって定まる。あるいは、オフセット補正により、意図しない回路素子のオフセットを打ち消すことができるようになっている。オフセット（ｒ）を含む乗算器３０１からの出力は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 となる。
　問題とする応答周波数（信号の変化の速度）が２ωｃよりも十分に小さいときは、次に続く積分器３０４のゲインが２０ｄＢ／ｄｅｃの割合で減少する（周波数が１０倍になるごとに振幅が１／１０になる）ので、式（１１）の低周波成分、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 に注目すれば良い。
　また、角周波数ωｃの高周波成分を取り除くためにループフィルタ３０３を挿入しても良い。ループフィルタ３０３を挿入することで、測定の応答速度を大きくして、より高速な現象を測定することができる。ループフィルタ３０３による高速化の効果に関しては、後述する。
　式（１２）において、θｍ－θｄ＜＜１のとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 と近似できる。ここで、Ａ｛ａ２（１＋ｍ）２＋ｂ２｝１／２のラプラス変換をＡ’、１／［Ａ｛ａ２（１＋ｍ）２＋ｂ２｝１／２］のラプラス変換を（１／Ａ）’、ｖ０、θｍ 、θｄのラプラス変換をそれぞれＶ０、Θｍ、Θｄ、積分器３０４の積分時間をＴとすると、積分器３０４の出力は式（１４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 ここで、演算子は畳み込み積分を意味する。式（１０）の関係を用いて式（１４）を整理すると（Θｄ＝ＫＶ０を代入)、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 となる。出力の周波数応答は、応答角周波数をωとして、式（１５）のｓをｓ＝ｊωとしたものである（ｊ＝（－１）1/2）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　
帰還される目標値は、式（１６）において、ωＴ→０とした量であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 となる。このとき、出力は式（１７）を逆ラプラス変換して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 となる。式（１８）から、ｒ＝０のときは、目標値は
ｖ０→θｍ／Ｋ                                                                         （１９）
であり、式（１０）から、
              θｄ→θｍ                                                                                 （２０）
となる。
　式（６）、（９）、（２０）に注意すると、同期信号（式（９））は、Ａ、ａ、ｂとは無関係に光検出信号と直交していることが分かる。すなわち、位相シフタ３０５にフィードバックされる制御電圧ｖ０は、いかなる光学的分割比ａ：ｂにおいても、Ａの揺らぎ、すなわち光雑音の影響を受けずに光検出信号の位相変化θｍと比例することが分かる。
　一方、オフセットｒがゼロでないとき（ｒ≠０）は、式（１８）のように、位相検波器３０の出力は光検出信号の振幅Ａに依存する。これはフィードバック用の制御電圧ｖ０がＡの揺らぎ（光雑音）の影響を受けることを意味している。すなわち、同期信号の位相を光検出信号に追従させ、同期信号の位相制御信号を位相検波器３０の出力として得る第２実施形態の手法で信号雑音比を最大化させるためには、同期信号の位相と光検出信号の位相を直交させることが重要になる。
　次に、応答速度とループフィルタ３０３の効果に関して説明する。式（１６）から、Ｔが一定である時、ωが大きくなると、実際の位相変化と帰還制御される位相との偏差が大きくなることが分かる。これは、観測周波数が大きくなると、帰還制御が追従できなくなることを意味している。すなわち、高速な現象を観測できないことを意味している。
　ここで積分時間Ｔを短く設定すると、ωが大きくても、Ｔωは小さく保つことができる。これは、Ｔを短くすることで、帰還ループの遮断周波数が大きくなり（応答速度が大きくなり）、高速な現象の観測が可能になることを意味する。しかしながら、積分器３０４のゲイン傾きが－２０ｄＢ／ｄｅｃでしかないので、Ｔを短くするだけでは、式（１１）で表される乗算器３０１の出力中の高周波成分を十分に除くことができなくなる。
　たとえば、試料２２による強度変化ｍを観測する周波数がパルス繰り返し周波数の１／１００の場合、誘導ラマン散乱による強度変化ｍが１０－３～１０－５であるのに対し、パルス繰り返し周波数の搬送波の影響が１０－２程度の強度変調度として出力に現れ、ダイナミックレンジが狭まる。そこで、ループフィルタ３０３を帰還ループに挿入することで、２ωｃの信号を十分に減衰させ、遮断周波数を大きく設定する。ここで、遮断周波数における位相遅れが１８０°未満になるように、ループフィルタ３０３を設定することが重要である。位相遅れが１８０°を超えると、帰還が正帰還となり、制御の発振をもたらす。一般に、１２０°未満に位相遅れを設定すると、オーバーシュートが現れず、この値が適切な位相遅れの目安となる。
　このようにして得られた位相制御信号を、着目する観測周波数成分を通すバンドパスフィルタ３０６を経て出力するようにしても良い。バンドパスフィルタ３０６を挿入することで、位相変化を表わす位相変調信号を出力する一方、位相のオフセットや観測に無関係な電気的雑音を除き、ダイナミックレンジを広げることができる。
　図８は、第２実施形態の光学測定装置２００による、白色光源の強度（横軸）と誘導ラマン散乱による出力値（縦軸）の関係を示す。白色光源のパワーは減光フィルターを用いて調整した。白色光源のパワーは受光器２３の直前で測定したものである。出力信号はシクロヘキサンのＣ－Ｈ伸縮振動のラマンバンドに由来し、１．７×１０－３の強度変調度に相当するものである。
　図８から、白色光源のパワーが１．５μＷから８μＷまで変化しても出力値は３０ｍＶ近傍で一定であることが分かる。この結果から、試料２２により生じた変化の測定において、光検出信号の強度変化ではなく、位相変化が検出されていることが実証されている。すなわち、光強度が変動しやすいプローブ光源を用いた場合や、光学系の乱れに由来するプローブ光の強度変動を生じた場合でも、これらの変動に影響されず、高い安定性で測定信号が得られることが分かる。
　図９は、光学測定装置２００による光雑音除去の効果を示す。縦軸は観測された雑音を強度変調度に換算したものである。白色光の強度雑音は、光学測定装置２００の同期信号の位相を固定したうえで、参照光Ｌref を遮断し、プローブ光Ｌ２のみを観測するようにして、乗算器３０１直後の信号をロックイン検出により１４０回測定し、二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　Ｓｑｕａｒｅ）を計算したものである。同期信号の位相を固定することで、乗算器３０１直後の信号は光検出信号の強度に比例する。プローブ光Ｌ２の信号強度は、プローブ光Ｌ２を直接強度変調してロックイン検出により得た。白色光の強度雑音を、ロックイン検出したプローブ光Ｌ２の信号強度で除算して変調度に換算した。白色光の強度雑音は変調度換算で１．１×１０－４Ｈｚ-1/2であった。
　一方、第２実施形態の位相検出を適用したときの雑音は、ポンプ光Ｌ１を遮断したうえで雑音を１４０回測定したＲＭＳ値として得た。次に、ポンプ光Ｌ１を入射し、既知のシクロヘキサンの変調度と出力の関係を用いて、雑音のＲＭＳ値を強度変調度に換算した。この測定をプローブ光Ｌ２と参照光Ｌref の強度バランスを変えて繰り返した。プローブ光Ｌ２と参照光Ｌref の強度バランスは、図６の偏光子２６の角度により調節した。
　図９の横軸の光学バランスは、｛（プローブ光パワー）－（参照光パワー）｝／｛（プローブ光パワー）＋（参照光パワー）｝で定義する。例えば、光学バランス値が零であるということは、プローブ光のパワーと参照光のパワーが等しいことを意味する。
　図９の結果から、光雑音は光学バランスに依存せず、光源雑音のおよそ１／２０である５×１０－６Ｈｚ－1/2 まで雑音が削減されていることが分かる。一般に、信号雑音比は積算時間の１／２乗に比例して改善するので、雑音が１／２０になるということは、同じ信号雑音比を得るのに必要な積算時間は１／４００となることを意味する。すなわち、４００倍の高速化が実現される。
　また、プローブ光Ｌ２と参照光Ｌref の差を観測する一般的なバランス検出法では、雑音除去能は光学バランスが等しいときに最大で、バランスが崩れるとその分だけ光雑音が除去できなくなるが、実施形態では原理的に雑音除去能が光学バランスに依存しない。この特徴も光学測定装置２００の堅牢性に寄与する。
　図１０は本発明を誘導ラマンイメージングに適用した効果である。試料はスライドガラス上の４μｍ径のポリスチレン球で、信号はポリスチレンのベンゼン環のＣ－Ｈ伸縮振動のラマンバンドが得られる波長で観測されている。ロックイン検出の時定数は１００ｍｓとした。
　図１０（ａ）は、同期信号の位相を固定し、参照光Ｌref を遮断して、乗算器３０１直後の信号により得られた像で、プローブ光Ｌ２の強度変調が観測される。この条件は、第２実施形態の手法を適用せずに、光検出信号に対しロックイン検出のみを適用したものと同じである（図１（Ｂ）の方法）。図１０（ａ）のイメージでは、プローブ光Ｌ２の光雑音に起因する信号揺らぎが支配的で、ポリスチレン球の像が得られていない。
　図１０（ｂ）は第２実施形態の手法を適用して得られた画像であり、イメージの相対的なコントラストは変調度換算で図１０（ａ）と等しくなるように調整してある。図１０（ｂ）のイメージでは、光雑音が低減されており、ポリスチレン球が無い領域で、図１０（ａ）と比較して信号の揺らぎが小さい。４μｍ径のポリスチレン球のある領域では、ポリスチレン球の形状に対応して円盤状に信号強度が大きい領域が観測されている。すなわち光雑音は低減され、かつ誘導ラマン散乱信号は打ち消されることなく観測されている。この測定結果は、本発明が誘導ラマンイメージングにも適用可能であり、その信号雑音比の向上に有効であることを実証している。
　本出願は、２０１３年９月２４日に出願された日本国特許出願第２０１３－１９６５０４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。
　１、２１　光源
　２、２２　試料
　３、２３　受光器
　４　試料変調器
　５　同期信号発生器
　６　同期検波器
　７　光源同期信号発生器
　８　光源強度変調器
　９　変調位相変化検出器（位相変化検出器）
　１０　π／２位相加算器
　３０　位相検波器（位相変化検出器）
　３１　ロックイン検出器
　４１　光強度変調器（試料変調器の一部）

Claims (8)

  1. 　光源と、
    　前記光源からの出力光の一部の光成分を他の光成分に対してπ／２遅延させるπ／２位相加算器と、
    　前記π／２位相加算器を介した光と、試料に導かれ、前記試料で透過または反射された光を検出する受光器と、
    　前記受光器で検出された検出光と、前記光源に同期する同期信号とを入力とし、前記同期信号を用いて前記検出光に生じた位相変化を検出する位相変化検出器と、
    　を有し、前記位相変化により前記試料の特性を取得することを特徴とする光学測定装置。
  2. 　前記位相変化検出器は、前記同期信号が前記検出光と直交するように前記同期信号の位相を制御するとともに、位相制御信号を位相変化の検出結果として出力することを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
  3. 　前記位相変化検出器は、
    　前記同期信号の位相を調節する位相シフタと、
    　位相調節後の前記同期信号と前記検出信号とを乗算する乗算器と、
    　前記乗算器の出力を前記位相シフタに帰還する帰還ループと、
    を有することを特徴とする請求項２に記載の光学測定装置。
  4. 　前記位相変化検出器は、前記乗算器の出力から低周波成分を取り出すフィルタをさらに有し、前記低周波成分が前記位相シフタに帰還されるとともに、前記位相変化の検出結果として出力されることを特徴とする請求項３に記載の光学測定装置。
  5. 　前記試料を刺激するポンプ光を生成するポンプ光源と、
    　前記位相変化検出器の出力を、前記ポンプ光に同期する信号で同期検波する同期検波器と、
    をさらに有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の光学測定装置。
  6. 　前記光源は白色光源であり、
    　前記受光器の前段に配置される分光器、
    をさらに有し、
    　前記受光器と前記位相変化検出器は、前記分光器により分光された波長ごとに配置されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の光学測定装置。
  7. 　光源からの出力光の一部の光成分に他の光成分に対するπ／２の遅延を与え、
    　試料で透過または反射された前記他の光成分と、前記遅延を受けた前記一部の光成分とを受光器にて検出し、
    　前記光源に同期する同期信号を用いて、前記受光器で検出された検出光の位相変化を検出し、
    　前記位相変化から前記試料の特性を取得することを特徴とする光学測定方法。
  8. 　前記同期信号が前記検出光と直交するように、前記同期信号の位相を制御するとともに、位相制御信号を前記位相変化の検出結果として用いることを特徴とする請求項７に記載の光学測定方法。
     
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