WO2023145207A1 - 分光測定装置、及び分光測定方法 - Google Patents

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WO2023145207A1
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sample
light
fiber unit
face
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康昭 熊本
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国立大学法人大阪大学
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic measurement device and a spectroscopic measurement method, and more particularly to a spectroscopic measurement device and a spectroscopic measurement method that spectroscopically measure signal light such as Raman scattered light generated in a sample to generate a spectroscopic image.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 3 disclose methods for measuring Raman spectra.
  • Patent Document 1 discloses a multifocal confocal Raman microscope using a fiber bundle. Light from the pinhole array is incident on the incident end of the fiber bundle.
  • a fiber bundle is arranged in front of the spectroscope.
  • fibers are arranged in a row at the output end.
  • Non-Patent Document 2 multifocus is generated by modulating illumination light with a liquid crystal spatial light modulator.
  • Non-Patent Document 3 discloses a multifocal confocal Raman spectroscopy microscope.
  • Non-Patent Document 3 uses a microlens array to generate multifocus.
  • a multi-fiber is used.
  • the measurement time becomes long.
  • imaging takes a long time because a plurality of spatial coordinate positions are sequentially measured. If the measurement time per coordinate is shortened, the effect of noise will occur. Therefore, there is a demand to measure an appropriate spectral image in a short time.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a spectroscopic measurement apparatus and spectroscopic measurement method capable of generating an appropriate spectroscopic image with short-time measurement.
  • a spectrometer includes a light source that generates illumination light, a spectroscope that separates signal light from a sample illuminated by the illumination light and detects it with a two-dimensional array photodetector, the sample to the spectroscope, wherein the plurality of fibers are arranged adjacent to each other on the input end face of the fiber unit, and the plurality of fibers are arranged on the output end face of the fiber unit.
  • the detection result of the two-dimensional array photodetector with reference to the fiber units arranged in a multi-line pattern with a gap and the arrangement relationship of the plurality of fibers on the incident end surface and the output end surface of the fiber unit.
  • a processing unit that generates a spectroscopic image of the sample from.
  • the above spectroscopic measurement apparatus further includes a spatial light modulator that modulates the illumination light from the light source so as to selectively illuminate a plurality of points on the sample, and the signal light from the plurality of points passes through the fiber unit. It may be made to each enter into either of the said fibers.
  • the above spectroscopic measurement apparatus may further include a camera that captures an optical image of the sample, and selectively illuminate a plurality of points on the sample that are extracted based on the optical image.
  • the plurality of fibers may be arranged in a hexagonal close-packed arrangement on the incident end surface of the fiber unit.
  • the incident end face of the fiber unit may be arranged at a position conjugate with the sample.
  • the signal lights emitted from the different fibers may be detected so as not to overlap on the light receiving surface of the two-dimensional array photodetector.
  • the spectroscopic measurement method comprises the steps of illuminating a sample with illumination light from a light source, and transmitting signal light from the sample to a fiber unit from an incident end surface in which a plurality of fibers are arranged adjacently. emitting from the output end face of the fiber unit in which the plurality of fibers are arranged in a multi-line pattern with intervals; splitting the signal light emitted from the output end face into two-dimensional A spectroscopic image of the sample from the detection result of the two-dimensional array photodetector, with reference to the step of detecting with an array photodetector and the arrangement relationship of the plurality of fibers on the incident end face and the exit end face of the fiber unit. and generating
  • the spatial light modulator modulates the illumination light from the light source so as to selectively illuminate a plurality of points on the sample, and the signal light from the plurality of points is transmitted to the fiber of the fiber unit. You may make it each inject into either.
  • an optical image of the sample may be captured by a camera, and a plurality of points on the sample extracted based on the optical image may be selectively illuminated.
  • the plurality of fibers may be arranged in a hexagonal close-packed arrangement on the incident end surface of the fiber unit.
  • the incident end surface of the fiber unit may be arranged at a position conjugated to the sample.
  • the signal lights emitted from the different fibers may be detected so as not to overlap on the light receiving surface of the two-dimensional array photodetector.
  • a spectroscopic measurement device and spectroscopic measurement method capable of generating an appropriate spectroscopic image in a short time measurement.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a spectrometer according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows fiber arrangement
  • FIG. 4 is a diagram for explaining extraction processing of a ROI (Region Of Interest); It is a figure for demonstrating the spectroscopic measurement of the signal light from ROI.
  • 4A and 4B are diagrams showing images of the incident end and the exit end of the fiber unit 40.
  • FIG. 4 is a diagram showing spectroscopic measurement results of Example 1.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing spectroscopic measurement results of Example 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing spectroscopic measurement results of Example 3;
  • FIG. 10 is a diagram showing spectroscopic measurement results of Example 4;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the optical system of the spectrometer 1.
  • the spectroscopic measurement device 1 is a spectroscopic microscope that captures a spectroscopic image of the sample S.
  • the spectrometer 1 measures spectral data of Raman scattered light from the sample S.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the optical system of the spectrometer 1.
  • the spectroscopic measurement device 1 is a spectroscopic microscope that captures a spectroscopic image of the sample S.
  • the spectrometer 1 measures spectral data of Raman scattered light from the sample S.
  • the spectroscopic measurement apparatus 1 includes a spectral illumination optical system 10, an observation illumination light source 18, an observation optical system 20, a spectroscopic measurement optical system 30, a fiber unit 40, a spectroscope 50, and a processing device 60.
  • the spectral illumination optical system 10 is an optical system for guiding the illumination light L1 to the sample S. As shown in FIG.
  • the spectral illumination optical system 10 includes a light source 11 , a spatial light modulator 12 , a dichroic mirror 13 , a dichroic mirror 14 and a lens 15 .
  • the light source 11 is a laser light source that generates illumination light for spectrometry. Illumination light for spectroscopic measurement is simply referred to as illumination light L1.
  • the light source 11 is a DPSS (Diode Pumped Solid State) laser that emits CW (Continuous Wave) light with a wavelength of 660 nm.
  • DPSS Dynamic Switched Solid State
  • CW Continuous Wave
  • the type of light source 11 and the laser wavelength are not particularly limited.
  • the illumination light L1 serves as excitation light that excites the sample S. As shown in FIG. Therefore, the light source 11 generates monochromatic illumination light L1.
  • Illumination light L1 from the light source 11 enters the spatial light modulator 12 .
  • the spatial light modulator 12 spatially modulates the illumination light L1 based on the control signal from the processing device 60 .
  • the spatial light modulator 12 controls the spatial distribution of the illumination light L1 on the sample S. Thereby, on the sample S, the region on which the illumination light L1 is incident can be made into a desired shape and size. For example, the spatial light modulator 12 modulates the illumination light L1 so as to illuminate only the ROI of the sample.
  • the spatial light modulator 12 is, for example, a liquid crystal device such as LCOS (Liquid crystal on silicon).
  • the spatial light modulator 12 is a liquid crystal panel with pixels arranged in an array. By controlling the voltage applied to each pixel, the phase of the reflected light can be modulated.
  • the spatial light modulator 12 is not limited to a reflective liquid crystal device such as LCOS, and may be a transmissive liquid crystal device.
  • the spatial light modulator 12 is not limited to a liquid crystal device, and a DMD or the like can be used.
  • the illumination light L1 from the spatial light modulator 12 is incident on the dichroic mirror 13.
  • the dichroic mirror 13 splits light according to wavelength.
  • the dichroic mirror 13 reflects the wavelength of the illumination light L1. Therefore, the dichroic mirror 13 reflects the illumination light L1 toward the dichroic mirror 14 .
  • the dichroic mirror 14 splits light according to wavelength.
  • the dichroic mirror 14 transmits the wavelength of the illumination light L1. Therefore, the illumination light L ⁇ b>1 transmitted through the dichroic mirror 14 enters the lens 15 .
  • the lens 15 is an objective lens and converges the illumination light L1 on the sample S. Thereby, the sample S is illuminated with the illumination light L1. Further, the illumination light L1 is modulated by the spatial light modulator 12. FIG. Therefore, the illumination light L1 can illuminate a desired area on the sample S.
  • the sample S is mounted on a stage (not shown) or the like. In order to change the illumination position of the sample S, the stage may be a drive stage.
  • the observation illumination light source 18 is, for example, a lamp light source, and generates white observation illumination light L4.
  • the observation illumination light L4 from the observation illumination light source 18 illuminates the sample S.
  • the observation illumination light source 18 is not limited to a white lamp light source.
  • a non-monochromatic light source can be used for the observation illumination light source 18 .
  • the observation optical system 20 is an optical system for guiding the observation light L2 from the sample S to the camera 23.
  • the observation light L2 is light from the area illuminated by the observation illumination light L4.
  • the observation light L2 is scattered light scattered by the sample S, reflected light reflected by the sample S, fluorescence generated by the sample S, or the like.
  • the observation optical system 20 has a lens 15 , a dichroic mirror 14 , a dichroic mirror 13 , a filter 21 and a lens 22 .
  • the observation light L2 from the sample S is refracted by the lens 15 and enters the dichroic mirror 14.
  • the observation light L2 transmitted through the dichroic mirror 14 is incident on the dichroic mirror 13 .
  • the observation light L2 transmitted through the dichroic mirror 13 enters the filter 21 .
  • the filter 21 is an optical filter and transmits part of the light from the sample S.
  • the filter 21 is a wavelength filter that transmits or blocks light depending on the wavelength.
  • the camera 23, which will be described later can detect only the observation light L2 of the desired wavelength. In other words, light having a wavelength that passes through the dichroic mirror 14, the dichroic mirror 13, and the filter 21 becomes the observation light L2.
  • the observation light L2 that has passed through the filter 21 enters the lens 22 .
  • the lens 22 is an imaging lens and forms an image of the sample S on the light receiving surface of the camera 23 .
  • the camera 23 is a two-dimensional photodetector such as a (Charge Coupled Device) camera or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor. Therefore, the camera 23 captures a two-dimensional optical image of the sample S.
  • the processing device 60 is an information processing device such as a personal computer.
  • the camera 23 outputs imaging data of the optical image of the sample S to the processing device 60 .
  • the processing device 60 stores the imaging data of the optical image in a memory or the like. That is, the processing device 60 stores luminance data corresponding to the amount of light received for each pixel of the camera 23 .
  • the processing device 60 has a display or the like that displays an optical image.
  • the user can extract the ROI of the sample S by checking the optical image captured by the camera 23 . For example, the user can select the ROI on the display screen of processing device 60 . This identifies the coordinates in the optical image.
  • the dichroic mirror 14 may be arranged so that it can be inserted into and removed from the optical path. When observing the optical image of the sample S, the dichroic mirror 14 may be removed from the optical path. In other words, the dichroic mirror 14 should be inserted into the optical path during spectroscopic measurement.
  • the spectroscopic measurement optical system 30 is an optical system from the sample S to the photodetector 55 of the spectroscope 50 . That is, the spectroscopic measurement optical system 30 guides the signal light L3 generated by the sample S to the photodetector 55 .
  • the spectroscopic measurement optical system 30 has a lens 15 , a dichroic mirror 14 , a filter 31 , a lens 32 , a fiber unit 40 and a spectroscope 50 .
  • the signal light L3 generated by the sample S is incident on the lens 15.
  • Signal light L3 refracted by lens 15 enters dichroic mirror 14 .
  • the dichroic mirror 14 transmits light of laser wavelength.
  • the dichroic mirror 14 reflects the signal light L3 having a wavelength different from that of the illumination light L1 toward the filter 31 .
  • the signal light L 3 reflected by the dichroic mirror 14 enters the filter 31 .
  • the filter 31 is an optical filter and transmits part of the light from the sample S.
  • the filter 31 is a wavelength filter that transmits or blocks light depending on the wavelength.
  • the filter 31 blocks light of the laser wavelength of the light source 11 and transmits light of a predetermined wavelength band.
  • the spectrometer 50 which will be described later, can spectroscopically measure the signal light L3 having a wavelength different from the laser wavelength.
  • the signal light L3 that has passed through the filter 31 is incident on the lens 32 .
  • the lens 32 is an imaging lens and forms an image of the sample S on the incident end of the fiber unit 40 . That is, the incident end surface of the fiber unit 40 is arranged at a position conjugate with the sample S.
  • the fiber unit 40 has a plurality of fibers and guides the incident signal light L3 to the spectroscope 50 .
  • the fiber unit 40 includes an incident side holder 41 , an exit side holder 42 and a connecting portion 43 .
  • the fiber unit 40 is a bundle fiber in which a plurality of fibers are bundled.
  • a fiber unit 40 is arranged in the optical path from the sample S to the spectroscope 50 .
  • the fiber unit 40 includes an incident-side holder 41, an exit-side holder 42, and a connection portion 43.
  • the fiber arrangement differs between the incident end face and the exit end face of the fiber unit 40.
  • the incident-side holder 41 is, for example, a cylindrical holder that accommodates a plurality of fibers inside.
  • the incident side holder 41 fixes a plurality of fibers on the incident end face side of the fiber unit 40 . Therefore, on the incident end side of the fiber unit 40, a plurality of fibers are arranged adjacent to each other. Specifically, a plurality of fibers are arranged in a close-packed arrangement.
  • the output side holder 42 is, for example, a cylindrical holder, and accommodates a plurality of fibers inside.
  • the output side holder 42 fixes a plurality of fibers on the output end face side of the fiber unit 40 .
  • On the output end side of the fiber unit 40 a plurality of fibers are arranged in a multi-line pattern with an interval. Therefore, spectrometry can be performed with a multifocal optical system.
  • the connecting portion 43 connects the incident side holder 41 and the emitting side holder 42 .
  • the connecting portion 43 is a flexible portion arranged between the incident side holder 41 and the emitting side holder 42 .
  • the configuration of the fiber unit 40 will be described later.
  • the output end of the fiber unit 40 is arranged just before the spectroscope 50 .
  • the signal light L3 propagated through the fibers of the fiber unit 40 is emitted from the emission end of the fiber unit 40 and enters the spectroscope 50 .
  • a signal light L3 from the sample S is incident on the spectroscope 50 via the fiber unit 40 .
  • the spectroscope 50 includes a lens 51, a grating 52, a lens 54, and a photodetector 55.
  • a signal light L3 from the fiber unit 40 is incident on the lens 51 .
  • the lens 51 refracts the signal light L3 so that it becomes a parallel light beam.
  • Signal light L3 from lens 51 enters grating 52 .
  • the grating 52 is a wavelength dispersion element that disperses the signal light L3 according to wavelength.
  • the grating 52 has a diffraction angle according to wavelength.
  • the spectral direction of the signal light L3 by the grating 52 is assumed to be the X direction.
  • the grating 52 is shown as a transmissive diffraction grating, the signal light L3 reflected by the grating 52 enters the lens 54.
  • the wavelength dispersion element is not limited to a transmission type diffraction grating, and may be a reflection type diffraction grating, a prism, or the like.
  • the signal light L3 wavelength-dispersed by the grating 52 enters the lens 54 .
  • the lens 54 converges the signal light L3 on the light receiving surface of the photodetector 55 .
  • the photodetector 55 is a two-dimensional array photodetector such as a CCD (Charge Coupled Device) camera or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor.
  • the photodetector 55 has, for example, a plurality of pixels arranged along the X direction and the Y direction.
  • the X direction and the Y direction are directions perpendicular to the optical axis of the optical system. That is, the XY plane is a plane perpendicular to the optical axis.
  • the X coordinate of the photodetector 55 corresponds to the wavelength and spatial position of the signal light L3.
  • An image of the output end of the fiber unit 40 is formed on the light receiving surface of the photodetector 55 .
  • the photodetector 55 can capture a spectroscopic image of the sample S spectroscopically separated by the spectroscope 50 .
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the fiber unit 40. As shown in FIG.
  • the fiber unit 40 has a plurality of fibers 45.
  • the incident side holder 41 fixes the plurality of fibers 45 on the incident end face 411 of the fiber unit 40 .
  • a plurality of fibers 45 are arranged adjacent to each other on the incident end face 411 of the fiber unit 40 .
  • the incident ends of the fibers 45 are circular, and a plurality of fibers 45 are arranged so that each circle touches the adjacent circle.
  • the incident end surface 411 is positioned conjugate with the sample S. An image of the sample S is formed on the incident end surface 411 .
  • the signal light L3 from one light irradiation spot on the sample enters one or more fibers 45 . By arranging the fibers 45 closer together, the gap between the fibers 45 can be reduced.
  • the area of the sample S that cannot be spectroscopically measured can be reduced. If the signal light L3 from the sample S enters the gap between the fibers 45, the signal light L3 does not reach the spectroscope 50. FIG. By closely arranging the fibers 45, the area of the gaps between the fibers 45 can be reduced. As a result, the area where spectral measurement cannot be performed can be reduced.
  • Non-Patent Document 4 https://www.tem-inc.co.jp/products/detail-29.php discloses a technique for numbering and mapping multiple fibers. Using this technique, the spacing between fibers can be eliminated or reduced. By fusion-bonding the fibers, a honeycomb structure is formed, eliminating gaps between the fibers. Adjacent fibers may also be glued together with an adhesive such as epoxy resin.
  • 1800 fibers 45 are two-dimensionally densely arranged on the incident end surface 411 .
  • a plurality of fibers 45 are arranged in a hexagonal close-packed array. Therefore, one fiber 45 is arranged so as to be in contact with six fibers 45 around it. In other words, each of the plurality of fibers 45 contacts six fibers 45 .
  • the fibers 45 are not arranged in a matrix. That is, the two arrangement directions on the incident end surface 411 are not orthogonal.
  • the incident side holder 41 holds the fibers 45 so that the plurality of fibers 45 are closely arranged on the incident end surface 411 of the fiber unit 40 . That is, the incident side holder 41 fixes the plurality of fibers 45 so that the fibers 45 are arranged adjacent to each other. By doing so, the spectroscopic measurement of the sample S can be performed more appropriately.
  • An image of the output end surface 421 is formed on the light receiving surface of the photodetector 55 .
  • a plurality of fibers 45 are arranged in a multi-line pattern with a gap.
  • the output side holder 42 holds the plurality of fibers 45 so that the plurality of fibers 45 are arranged at intervals.
  • a plurality of fibers 45 are arranged along the X direction and the Y direction on the output end face 421 .
  • a plurality of fibers 45 are arranged in a two-dimensional matrix. The two array directions on the output end face 421 are not orthogonal.
  • a plurality of fibers 45 are arranged at regular intervals in the X direction.
  • a plurality of fibers 45 are arranged at regular intervals in the Y direction. In this way, the output side holder 42 holds the plurality of fibers 45 so that the plurality of fibers 45 are arranged at regular intervals.
  • 1800 fibers 45 are arranged in a 15 ⁇ 120 matrix. That is, the fibers 45 are arranged in a multi-line form of 15 lines, and 120 fibers 45 are included in one line. 120 fibers 45 included in one line are arranged in parallel in the Y direction.
  • 1800 fibers 45 are arranged in a circular area with a diameter of about 2 to 3 cm.
  • a single fiber 45 has a circular diameter of about 45 ⁇ m.
  • a circular area with a diameter of about 90 ⁇ m is detected by the photodetector 55 . That is, a circular area with a diameter of about 90 ⁇ m is enlarged and imaged on the incident end surface 411 of the fiber unit 40 . Therefore, the photodetector 55 simultaneously detects the signal light L3 from this circular area.
  • 1800 fibers 45 are arranged in a rectangular area of about 14 to 15 cm in the X direction and about 6 to 7 cm in the Y direction. It should be noted that multi-slits corresponding to multi-lines may be provided on the output end face 421 .
  • the output side holder 42 fixes the plurality of fibers 45 so that the plurality of fibers 45 are arranged at intervals on the output end face 421 .
  • the density of the plurality of fibers 45 on the incident end face 411 is higher than the density of the plurality of fibers 45 on the exit end face 421 .
  • the fibers 45 are sparsely arranged on the output end face 421 and densely arranged on the incident end face 411 .
  • the density is 60% or more in the region where the fibers 45 are arranged. in short.
  • the fibers 45 are densely arranged so that the fibers 45 occupy 60% or more of the area in which the fibers 45 are arranged.
  • the interstitial area between fibers 45 is preferably less than 40%.
  • the fibers 45 are densely arranged so that the fibers 45 occupy 75% or more of the area in which the fibers 45 are arranged.
  • the area of interstices between fibers 45 is less than 25%.
  • the signal lights L3 emitted from the adjacent fibers 45 enter the photodetector 55 so as not to overlap each other. That is, the signal light L3 from different fibers 45 is detected by different pixels of the photodetector 55. FIG. By doing so, the spectral image can be appropriately measured.
  • the signal light L3 emitted from the fiber unit 40 as described above is split by the spectroscope 50 .
  • the spectral direction of the spectroscope 50 is defined as the X direction.
  • a pixel address in the X direction on the photodetector 55 indicates the spectral wavelength and spatial position.
  • a pixel address in the Y direction indicates a position in a multiline.
  • FIG. 3 is a diagram showing an image of the light receiving surface of the photodetector 55.
  • the pixels of the photodetector 55 are arranged in the X direction and the Y direction.
  • FIG. 3 schematically shows fibers 45 included in one line.
  • the arrangement direction of the fibers 45 included in one line is parallel to the Y direction.
  • the arrangement direction of the lines is parallel to the X direction. Therefore, the arrangement direction of the fibers 45 and the arrangement direction of the pixels are parallel.
  • the spectral direction of the grating 52 is the X direction.
  • the spectral data of one line of fiber 45 is measured in a strip-shaped detection area on the light receiving surface.
  • the detection area where the spectral data of the fiber 45 included in the first line is measured is indicated as a detection area D1.
  • the detection regions where the spectral data of the fiber 45 on the 2nd to 15th lines are measured are shown as detection regions D2 to D15, respectively. Since 120 fibers 45 are included in one line, 120 spectral data can be measured in one detection area D1.
  • the detection areas D1 to D15 are arranged so as not to overlap each other.
  • the detection area D1 and the detection area D2 are shifted in the Y direction.
  • the spectroscope 50 disperses the signal light on the long wavelength side to the +X side and the signal light L3 on the short wavelength side to the -X side.
  • the pixel address corresponding to the longest wavelength in the detection area D1 is on the -X side of the pixel address corresponding to the shortest wavelength in the detection area D2.
  • the filter 31 limits the wavelength range of the signal light L3 so that the detection areas D1 to D15 do not overlap.
  • the distance in the X direction between the fibers 45 on the output end face 421 is set to a predetermined value or more.
  • the fibers 45 are arranged apart from each other on the output end face 421 .
  • fibers 45 included in one line are spaced apart in the Y direction. Therefore, the signal light L3 from the adjacent fiber 45 is incident on pixels with different Y-direction addresses. Signal light L3 from each fiber 45 is detected by different pixels. In other words, the signal light L3 from the other fiber 45 does not enter the pixel into which the signal light L3 from one fiber 45 has entered.
  • the signal light L3 from each fiber 45 is detected without overlapping. Therefore, the Raman spectrum of a plurality of points of the sample S can be measured with a single shot (one frame) of the photodetector 55 without scanning the illumination light L1. This makes it possible to detect Raman scattered light from a two-dimensional area on a plane perpendicular to the optical axis.
  • part of the signal light from each fiber 45 may be detected so as to overlap.
  • the original spectrum can be recovered by mathematical techniques such as compressed sensing techniques.
  • the signal light L3 from one fiber 45 can be wavelength-dispersed to more pixels. Therefore, the wavelength range that can be spectroscopically measured can be widened. Alternatively, wavelength resolution can be improved.
  • the signal light L3 from each fiber 45 can be spectroscopically measured independently. It becomes possible to spectroscopically measure the signal light L3 from 1800 points of the sample S at the same time. In other words, a two-dimensional spectral image of 1800 pixels can be captured in a short time.
  • a signal light L3 from an arbitrary light irradiation spot (one spot) on the sample S is incident on one fiber 45 .
  • the spectrum of the signal light L3 emitted from one fiber 45 corresponds to the spectrum data of one light irradiation spot (one place) on the sample S.
  • the fiber unit 40 has 1800 fibers 45 . Therefore, the spectrometer 1 can detect 1800 Raman spectra. That is, the spectrometer 1 can spectroscopically measure the signal lights L3 from 1800 points on the sample S, respectively. Then, the processing device 60 generates a spectroscopic image of the sample S based on the detection signal of the photodetector 55 . That is, a spectral image is generated based on 1800 spectral data. The process of generating a spectral image by the processing device 60 will be described below.
  • the incident side holder 41 and the emitting side holder 42 are connected by the connecting portion 43 .
  • a plurality of fibers 45 are bundled in the connecting portion 43 so as to be deformable.
  • the correspondence relationship between the position of each fiber 45 on the incident end face 411 and the position of each fiber 45 on the exit end face 421 is known.
  • the position of the incident end face 411 and the position of the exit end face 421 of one fiber 45a are associated with each other.
  • the position of the incident end face 411 of another fiber 45b and the position of the exit end face 421 are associated with each other.
  • the processing device 60 stores information indicating the layout relationship of each fiber 45 .
  • the processor 60 stores the correspondence relationship between the position of the fiber 45 on the incident end face 411 and the position on the exit end face 421 .
  • the processing device 60 generates a spectral image from the detection result of the photodetector 55 by referring to the arrangement relationship of each fiber 45 .
  • the processor 60 rearranges the detection data for each pixel of the photodetector 55 so as to match the fiber arrangement on the incident end face 411 .
  • the processing device 60 constructs a two-dimensional spectral image by two-dimensional mapping.
  • the fibers 45 are arranged more densely on the incident end face 411 than on the outgoing end face 421 . Therefore, the photodetector 55 can detect the signal light L3 from more points on the sample S. If the position on the sample corresponds to the area where the fibers 45 are closely arranged, the signal light propagates through one of the fibers 45 and is detected by the photodetector 55 .
  • the spectroscope 50 can spectroscopically measure the signal lights L3 from the plurality of fibers 45 at the same time. That is, the signal light L3 emitted from the fiber 45 is detected independently of the signal light L3 emitted from the other fibers 45. FIG. This allows the spectroscope 50 to spectroscopically measure the signal light L3 from a larger number of fibers 45 .
  • the spectroscopic measurement device 1 can capture a two-dimensional spectroscopic image without scanning laser light. Therefore, it becomes possible to measure a Raman spectroscopic image in a short time. Furthermore, since the Raman spectrum can be measured in a short period of time, measurement with low phototoxicity is possible. Since there is no need to label with a fluorescent substance or the like, label-free spectroscopic measurement is possible. Also, the signal light L3 from each fiber 45 is separated and detected. By doing so, spectrometry can be performed with a high SN (Signal to Noise) ratio.
  • an optical image is taken by optical observation of the camera 23 before spectroscopic measurement.
  • observation illumination light L4 from the observation illumination light source 18 illuminates the entire field of view of the objective lens.
  • the user or the processing device 60 extracts a plurality of points on the sample as ROI based on the optical image.
  • processor 60 displays an optical image on a monitor.
  • the user designates an area of interest with a mouse or the like while viewing the optical image on the monitor.
  • Processing device 60 stores the coordinates of the designated area. This extracts the ROI.
  • observation illumination light L4 for capturing an optical image is light from a light source different from the illumination light L1 used during spectroscopic measurement.
  • the observation illumination light source 18 and the light source 11 can be switched between when capturing an optical image and when measuring the spectroscopy.
  • the spatial light modulator 12 controls the beam of the illumination light L1 from the light source 11 so as to selectively illuminate the ROI on the sample S.
  • the spatial light modulator 12 modulates the illumination light L1 so that the illumination light L1 is incident only on the ROI. In other words, the spatial light modulator 12 modulates the illumination light L1 so that the illumination light L1 is not applied to areas other than the ROI. As a result, multiple points extracted as ROIs are illuminated at the same time.
  • a processing device 60 generates a binary image for controlling the spatial light modulator 12 .
  • a binary image for example, it is 1 at positions that are ROIs and 0 at positions that are not ROIs.
  • the processor 60 outputs a control binary image to the spatial light modulator 12, which is an LCOS device.
  • the spatial light modulator 12 has a plurality of control pixels and diffracts incident light. The spatial light modulator 12 can control the phase of diffracted light for each pixel.
  • the spatial light modulator 12 By using the spatial light modulator 12, it is possible to form a multi-focus for arbitrary multiple points on the sample S. That is, since the illumination light L1 is focused only on the ROI, it is possible to prevent Raman scattered light from being generated outside the ROI. This allows measurements with a high SN ratio. In addition, phototoxicity to the sample S can be reduced because only the ROI is irradiated with light.
  • the connective tissue and nerves of the biological sample are extracted as ROIs. Therefore, the spatial light modulator 12 modulates the illumination light L1 so that only the connections and nerves are selectively illuminated.
  • a signal light L3 from the ROI propagates to the spectroscope 50 via the fiber unit.
  • the spectroscope 50 spectroscopically measures the signal light L3 from the location illuminated by the illumination light L1.
  • the processing device 60 generates a spectral image based on the spectrum measurement result of the spectroscope 50 .
  • the processing device 60 decodes the spectral measurement results and segment images. Therefore, the processing device 60 generates images based on the segment images of the optical image in areas other than the ROI, and generates images based on the spectral measurement results in the ROI. Thereby, a more appropriate spectral image can be generated and displayed.
  • Spectroscopic images contain spectral information in ROIs.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the fiber unit 40 when the illumination light L1 selectively illuminates only the ROI.
  • FIG. 5 shows an incident end face 411 and an exit end face 421 of the fiber unit 40 . Further, a light receiving surface image of the photodetector 55 that has detected the signal light L3 emitted from the fiber unit 40 is shown.
  • the fiber 45 corresponding to the ROI is shown as the fiber 451
  • the fiber 45 corresponding to the area other than the ROI is shown as the fiber 452.
  • An image of the ROI is formed on the incident end surface 411 .
  • the position of the fiber 451 on the incident end face 411 corresponds to the ROI.
  • a signal light L3 from the ROI enters the fiber 451 . Areas other than the ROI are not illuminated with the illumination light L1. Therefore, the signal light L3 is not generated in regions other than the ROI. Therefore, the signal light L3 does not enter the fiber 452 .
  • the spectroscope 50 splits the signal light L3.
  • the light receiving surface of the photodetector 55 splits the signal light L3 in the X direction.
  • the signal light L3 from each fiber 451 is detected so as not to overlap on the light receiving surface. Therefore, the signal light L3 from each point of the sample S can be spectroscopically measured appropriately. Since light from regions other than the ROI can be reduced, noise light can be suppressed. Therefore, measurement with a high SN ratio is possible. Therefore, it is possible to generate an appropriate spectroscopic image with short-time measurement.
  • the array direction of the multilines and the array direction of the pixels are parallel, but the array direction of the multilines and the array direction of the pixels may not be parallel. Also, the spectral direction and the pixel array direction may not be parallel.
  • FIG. 6 is a diagram showing images of the incident end face 411 and the exit end face 421.
  • FIG. A plurality of fibers 45 are arranged close to each other on the incident end face 411 .
  • a plurality of fibers 45 are in a close-packed array.
  • a plurality of fibers 45 are arranged in a multi-line arrangement on the output end face 421 .
  • 15 lines M1 to M15 are formed on the output end face 421.
  • the spectroscopic measurement method includes steps of illuminating a sample with illumination light from a light source, and inputting signal light from the sample into a fiber unit from an incident end face in which a plurality of fibers are arranged adjacently.
  • Example 1 will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows an optical image of the sample S and the results of spectroscopic measurement of Raman scattered light.
  • the spectral measurement result indicates the amount of light detected by each pixel of the photodetector 55 .
  • the sample S is polystyrene.
  • the spectral illumination optical system 10 selectively illuminates the laser spots A and B as an ROI. Then, the signal light L3 from the laser spots A and B enters the spectroscope 50 via the fiber unit 40.
  • Example 2 will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows an optical image of the sample S and the results of spectroscopic measurement of Raman scattered light.
  • sample S contains polystyrene and calcium carbonate (CaCO 3 ).
  • Spot 1 and spot 2 in FIG. 8 are ROIs.
  • polystyrene and calcium carbonate are each extracted as ROI.
  • spot 1 corresponds to polystyrene and spot 2 corresponds to calcium carbonate.
  • the signal light L3 from the spot 1 and the signal light L3 from the spot 2 are incident on different pixels on the light receiving surface. Therefore, each Raman spectrum can be measured at different pixels of the photodetector 55 .
  • the peak wavelength of the Raman spectrum of polystyrene is different from the peak wavelength of the Raman spectrum of calcium carbonate.
  • FIG. 9 is an image showing ROI extraction and ROI illumination with selective illumination of the ROI.
  • the sample S is polystyrene.
  • a ROI is extracted from the optical image of the sample S.
  • the ROI is then selectively illuminated.
  • FIG. 9 shows an image of the incident end face during ROI illumination and the results of spectroscopic measurement. Signal lights from a plurality of points on the sample S are detected by different pixels.
  • the signal light is mainly Raman scattered light, but the signal light may be light other than Raman scattered light. Therefore, the spectroscopic measurement apparatus according to this embodiment may be a spectroscopic measurement apparatus other than Raman spectroscopy.
  • it may be a spectrometer that detects fluorescence excited by excitation light, or a spectrometer that measures an ultraviolet absorption spectrum or a near-infrared absorption spectrum. These spectrometers can also measure spectra with a high SN ratio.
  • it is suitable for a spectroscopic measurement device that requires high-speed measurement and repeated measurement.
  • a biological sample or a medical sample can be used as the sample S to be measured.
  • the sample S can be a sample for pathological diagnosis, a drug discovery sample, foods, cosmetics, advanced materials, devices, and the like. Spectroscopic measurement results can be used to assist in quality control. Furthermore, various samples such as field science (space, ocean, ecology) can be used as the sample S.
  • the endoscope may be a rigid endoscope or a flexible endoscope, and may be a medical endoscope or an industrial endoscope.
  • FIG. 10 is a diagram showing measurement results of a biological sample.
  • an optical image obtained by imaging adipose tissue as a sample and its spectroscopic measurement result are shown.
  • a ROI is extracted from the optical image.
  • FIG. 10 shows the ROI as a laser irradiation spot. Then, the ROI is selectively irradiated with laser light serving as excitation light.
  • Non-transitory computer-readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (eg, flexible discs, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (eg, magneto-optical discs), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, Includes CD-R/W, semiconductor memory (eg, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)).
  • magnetic recording media eg, flexible discs, magnetic tapes, hard disk drives
  • magneto-optical recording media eg, magneto-optical discs
  • CD-ROMs Read Only Memory
  • CD-Rs Includes CD-R/W
  • semiconductor memory eg, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)
  • the program may also be delivered to the computer by various types of transitory computer readable media.
  • Examples of transitory computer-readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves.
  • Transitory computer-readable media can deliver the program to the computer via wired channels, such as wires and optical fibers, or wireless channels.

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Abstract

本実施の形態にかかる分光測定装置（１）は、照明光を発生する光源（１１）と、照明光で照明された試料からの信号光を分光して、光検出器（５５）で検出する分光器（５０）と、試料Ｓから分光器までの光路中に配置された複数のファイバを有するファイバユニット（４０）であって、ファイバユニット（４０）の入射端面（４１１）では、複数のファイバ（４５）が隣接して配設され、出射端面では複数のファイバ（４５）が間隔を開けたマルチライン状に配列されているファイバユニット（４０）と、ファイバユニット（４０）の入射端面（４１１）と出射端面（４２１）における複数のファイバ（４５）の位置関係を参照して、光検出器（５５）の検出結果から試料Ｓの分光画像を生成する処理部と、を備えている。

Description

分光測定装置、及び分光測定方法
　本発明は、分光測定装置、及び分光測定方法に関し、特に詳しくは試料で発生したラマン散乱光等の信号光を分光測定して、分光画像を生成する分光測定装置、及び分光測定方法に関する。
　特許文献１、及び、非特許文献１～３には、ラマンスペクトルを測定する方法が開示されている。特許文献１には、ファイババンドルを用いた多焦点共焦点ラマン顕微鏡が開示されている。ファイババンドルの入射端には、ピンホールアレイからの光がそれぞれ入射する。非特許文献１では、分光器の手前にファイババンドルが配置されている。また，非特許文献１では、出射端において、ファイバが１列に並んでいる。
　非特許文献２では、液晶空間光変調器により照明光を変調することで、マルチフォーカスを生成している。非特許文献３では、多焦点の共焦点ラマン分光顕微鏡が開示されている。非特許文献３では、マイクロレンズアレイを用いてマルチフォーカスを生成している。さらに、非特許文献３では、マルチファイバを用いている。
特開２０１２－２３７６３７号公報
"High-resolution confocal Raman microscopy using pixel reassignment" Roider, et al.,  Optics Letters Vol. 41, Issue 16, pp. 3825-3828 (2016) "Tissue diagnosis using power-sharing multifocal Raman micro-spectroscopy and auto-fluorescence imaging"  Sinjab, et al., Biomed. Opt. Express 7, 2993 (2016). "Rapid and accurate peripheral nerve imaging by multipoint Raman spectroscopy" Kumamoto, et al., Sci. Rep. 7, 845 (2017). インターネット検索：https://www.tem-inc.co.jp/products/detail-29.php　［令和３年１２月８日検索］
　ラマン散乱光等の微弱な信号光を分光測定する場合、測定時間が長くなってしまう。特に、イメージングを行う場合、複数の空間座標位置を順次測定するため、長い時間がかかるが、１座標あたりの測定時間を短くすると、ノイズの影響が生じてしまう。よって、適切な分光画像を短時間で測定したいという要望がある。
　本開示は上記の点に鑑みなされたもので、短時間の測定で適切な分光画像を生成することができる分光測定装置、及び分光測定方法を提供することを目的とする。
　本実施形態にかかる分光測定装置は、照明光を発生する光源と、前記照明光で照明された試料からの信号光を分光して、２次元アレイ光検出器で検出する分光器と、前記試料から前記分光器までの光路中に配置された複数のファイバを有するファイバユニットであって、前記ファイバユニットの入射端面では、前記複数のファイバが隣接して配列され、出射端面では前記複数のファイバが間隔を開けたマルチライン状に配列されているファイバユニットと、前記ファイバユニットの前記入射端面と前記出射端面における前記複数のファイバの配置関係を参照して、前記２次元アレイ光検出器の検出結果から前記試料の分光画像を生成する処理部と、を備えている。
　上記の分光測定装置では、試料上の複数点を選択的に照明するように、前記光源からの照明光を変調する空間光変調器をさらに備え、前記複数点からの信号光が前記ファイバユニットの前記ファイバのいずれかにそれぞれ入射するようにしてもよい。
　上記の分光測定装置では、前記試料の光学像を撮像するカメラをさらに備え、前記光学像に基づいて抽出された前記試料上の複数点が選択的に照明されていてもよい。
　上記の分光測定装置では、前記ファイバユニットの入射端面において、前記複数のファイバが六方最密配列となっていてもよい。
　上記の分光測定装置では、前記試料と共役な位置に前記ファイバユニットの入射端面が配置されていてもよい。
　上記の分光測定装置では、異なる前記ファイバから出射した信号光は前記２次元アレイ光検出器の受光面において重ならないように検出されていてもよい。
　本実施の形態にかかる分光測定方法は、光源からの照明光を用いて試料を照明するステップと、前記試料からの信号光を、複数のファイバが隣接して配列された入射端面からファイバユニットに入射させるステップと、前記複数のファイバが間隔を開けたマルチライン状に配列されている前記ファイバユニットの出射端面から出射させるステップと、前記出射端面から出射した前記信号光を分光して、２次元アレイ光検出器で検出するステップと、前記ファイバユニットの前記入射端面と前記出射端面における前記複数のファイバの配置関係を参照して、前記２次元アレイ光検出器の検出結果から前記試料の分光画像を生成するステップと、を備えている。
　上記の分光測定方法では、試料上の複数点を選択的に照明するように、空間光変調器が前記光源からの照明光を変調し、前記複数点からの信号光が前記ファイバユニットの前記ファイバのいずれかにそれぞれ入射するようにしてもよい。
　上記の分光測定方法では、カメラによって、前記試料の光学像を撮像し、前記光学像に基づいて抽出された前記試料上の複数点が選択的に照明されていてもよい。
　上記の分光測定方法では、前記ファイバユニットの入射端面において、前記複数のファイバが六方最密配列となっていてもよい。
　上記の分光測定方法では、前記試料と共役な位置に前記ファイバユニットの入射端面が配置されていてもよい。
　上記の分光測定方法では、異なる前記ファイバから出射した信号光は前記２次元アレイ光検出器の受光面において重ならないように検出されていてもよい。
　本発明によれば、短時間の測定で適切な分光画像を生成することができる分光測定装置、及び分光測定方法を提供することができる。
実施の形態１に係る分光測定装置を示す模式図である。 ファイバユニットの入射端と出射端におけるファイバ配置を示す図である。 光検出器の受光面の画像を示す図である。 ＲＯＩ（Region Of Interest: 関心領域）の抽出処理を説明するための図である。 ＲＯＩからの信号光の分光測定を説明するための図である。 ファイバユニット４０の入射端と出射端の画像を示す図である。 実施例１の分光測定結果を示す図である。 実施例２の分光測定結果を示す図である。 実施例３の分光測定結果を示す図である。 実施例４の分光測定結果を示す図である。
　以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
実施の形態１．
　実施の形態１にかかる分光測定装置とその測定方法について、図１を用いて説明する。図１は、分光測定装置１の光学系を示す模式図である。分光測定装置１は、試料Ｓの分光画像を撮像する分光顕微鏡である。より具体的には、分光測定装置１は、試料Ｓからのラマン散乱光のスペクトルデータを測定する。
　分光測定装置１は、分光用照明光学系１０と、観察用照明光源１８と、観察光学系２０と、分光測定光学系３０と、ファイバユニット４０と、分光器５０と、処理装置６０と、を備えている。まず、分光用照明光学系１０について説明する。分光用照明光学系１０は、照明光Ｌ１を試料Ｓに導くための光学系である。分光用照明光学系１０は、光源１１、空間光変調器１２、ダイクロイックミラー１３、ダイクロイックミラー１４，及びレンズ１５を備えている。
　光源１１は、分光測定用照明光を発生するレーザ光源である。分光測定用の照明光を単に照明光Ｌ１とする。光源１１は、波長６６０ｎｍのＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）光を放出するDPSS（Diode Pumped Solid State）レーザである。もちろん、光源１１の種類やレーザ波長は特に限定されるものではない。分光測定においては、照明光Ｌ１は試料Ｓを励起する励起光となる。したがって、光源１１は、単色の照明光Ｌ１を発生する。
　光源１１からの照明光Ｌ１は、空間光変調器１２に入射する。空間光変調器１２は、処理装置６０からの制御信号に基づいて、照明光Ｌ１を空間的に変調する。空間光変調器１２は、試料Ｓ上における照明光Ｌ１の空間的な分布を制御する。これにより、試料Ｓ上において、照明光Ｌ１が入射する領域を所望の形状、及びサイズにすることができる。例えば、空間光変調器１２は、試料のＲＯＩのみを照明するように、照明光Ｌ１を変調する。
　空間光変調器１２は、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）などの液晶デバイスである。空間光変調器１２は、アレイ状に配列された画素を備えた液晶パネルである。各画素に印加する電圧を制御することで、反射光の位相を変調することができる。もちろん、空間光変調器１２は、ＬＣＯＳ等の反射型の液晶デバイスに限らず、透過型の液晶デバイスであってもよい。さらに、空間光変調器１２は、液晶デバイスに限らず、ＤＭＤ等を用いることができる。
　空間光変調器１２からの照明光Ｌ１は、ダイクロイックミラー１３に入射する。ダイクロイックミラー１３は波長に応じて光を分岐する。ダイクロイックミラー１３は、照明光Ｌ１の波長を反射する。よって、ダイクロイックミラー１３は、照明光Ｌ１をダイクロイックミラー１４に向けて反射する。
　ダイクロイックミラー１４は、波長に応じて光を分岐する。ダイクロイックミラー１４は、照明光Ｌ１の波長を透過する。よって、ダイクロイックミラー１４を透過した照明光Ｌ１は、レンズ１５に入射する。レンズ１５は、対物レンズであり、照明光Ｌ１を試料Ｓに集光する。これにより、試料Ｓが照明光Ｌ１で照明される。さらに、照明光Ｌ１は、空間光変調器１２で変調されている。よって、照明光Ｌ１が、試料Ｓにおける所望の領域を照明することができる。なお、試料Ｓは図示しないステージなどに載置されている。試料Ｓの照明位置を変えるためステージを駆動ステージとしてもよい。
　次に、観察用照明光源１８と、観察光学系２０について、説明する。観察用照明光源１８は、例えば、ランプ光源であり、白色の観察用照明光Ｌ４を発生する。観察用照明光源１８からの観察用照明光Ｌ４が試料Ｓを照明する。もちろん、観察用照明光源１８は、白色のランプ光源に限られるものではない。観察用照明光源１８には、単色ではない光源を用いることができる。
　観察光学系２０は、試料Ｓからの観察光Ｌ２をカメラ２３まで導くための光学系である。観察光Ｌ２は、観察用照明光Ｌ４で照明された領域からの光である。例えば、観察光Ｌ２は、試料Ｓで散乱した散乱光、試料Ｓで反射した反射光、又は試料Ｓで発生した蛍光などである。観察光学系２０は、レンズ１５、ダイクロイックミラー１４、ダイクロイックミラー１３、フィルタ２１、及びレンズ２２を備えている。
　試料Ｓからの観察光Ｌ２は、レンズ１５で屈折されて、ダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４を透過した観察光Ｌ２は、ダイクロイックミラー１３に入射する。ダイクロイックミラー１３を透過した観察光Ｌ２は、フィルタ２１に入射する。
　フィルタ２１は、光学フィルタであり、試料Ｓからの光の一部を透過する。具体的には、フィルタ２１は、波長に応じて光を透過又は遮光する波長フィルタである。これにより、後述するカメラ２３が、所望の波長の観察光Ｌ２のみを検出することができる。換言すると、ダイクロイックミラー１４、ダイクロイックミラー１３、フィルタ２１を透過する波長の光が観察光Ｌ２となる。
　フィルタ２１を透過した観察光Ｌ２は、レンズ２２に入射する。レンズ２２は、結像レンズであり、試料Ｓの像をカメラ２３の受光面に結像する。カメラ２３は、（Charge Coupled Device）カメラやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の二次元光検出器である。したがって、カメラ２３は、試料Ｓの２次元の光学像を撮像する。
　処理装置６０は、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置である。カメラ２３は試料Ｓの光学像の撮像データを処理装置６０に出力する。処理装置６０は、光学像の撮像データをメモリなどに記憶する。つまり、処理装置６０は、カメラ２３の画素毎の受光量に応じた輝度データを記憶する。処理装置６０は、光学像を表示するディスプレイなどを有している。ユーザは、カメラ２３で撮像された光学像を確認することで、試料ＳのＲＯＩを抽出することができる。例えば、ユーザは処理装置６０の表示画面上において、ＲＯＩを選択することができる。これにより、光学像における座標が特定される。
　なお、ダイクロイックミラー１４は、光路に対して挿脱可能に配置されていても良い。そして、試料Ｓの光学像の観察時には、ダイクロイックミラー１４を光路上から外しても良い。つまり、分光測定時に、ダイクロイックミラー１４が光路上に挿入すればよい。
　次に、分光測定光学系３０について説明する。分光測定光学系３０は、試料Ｓから分光器５０の光検出器５５までの光学系である。つまり、分光測定光学系３０は、試料Ｓで発生した信号光Ｌ３を光検出器５５まで導く。分光測定光学系３０は、レンズ１５、ダイクロイックミラー１４、フィルタ３１、レンズ３２、ファイバユニット４０，及び分光器５０を備えている。
　試料Ｓで発生した信号光Ｌ３は、レンズ１５に入射する。レンズ１５で屈折した信号光Ｌ３はダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４はレーザ波長の光を透過する。ダイクロイックミラー１４は、照明光Ｌ１と異なる波長の信号光Ｌ３をフィルタ３１の方向に反射する。
　ダイクロイックミラー１４で反射した信号光Ｌ３は、フィルタ３１に入射する。フィルタ３１は、光学フィルタであり、試料Ｓからの光の一部を透過する。具体的には、フィルタ３１は、波長に応じて光を透過又は遮光する波長フィルタである。具体的には、フィルタ３１は、光源１１のレーザ波長の光を遮光し、所定の波長帯の光を透過する。これにより、後述する分光器５０が、レーザ波長と異なる波長の信号光Ｌ３を分光測定することができる。
　フィルタ３１を透過した信号光Ｌ３は、レンズ３２に入射する。レンズ３２は、結像レンズであり、ファイバユニット４０の入射端に試料Ｓの像を結像する。つまり、ファイバユニット４０の入射端面は、試料Ｓと共役な位置に配置されている。ファイバユニット４０は、複数のファイバを有しており、入射した信号光Ｌ３を分光器５０まで導く。ファイバユニット４０は、入射側ホルダ４１と出射側ホルダ４２と接続部４３とを備えている。
　ファイバユニット４０は複数のファイバが束ねられたバンドルファイバである。ファイバユニット４０は試料Ｓから分光器５０までの光路中に配置されている。ファイバユニット４０は入射側ホルダ４１と出射側ホルダ４２と接続部４３とを備えているファイバユニット４０の入射端面と出射端面とで、ファイバの配置が異なっている。
　入射側ホルダ４１は、例えば、円筒状のホルダであり、内部に複数のファイバを収容している。入射側ホルダ４１は、ファイバユニット４０の入射端面側において、複数のファイバを固定する。したがって、ファイバユニット４０の入射端側では、複数のファイバが隣接するように配列されている。具体的には、複数のファイバが細密配列となっている。
　出射側ホルダ４２は、例えば、円筒状のホルダであり、内部に複数のファイバを収容している。出射側ホルダ４２は、ファイバユニット４０の出射端面側において、複数のファイバを固定する。ファイバユニット４０の出射端側では、複数のファイバが間隔を開けたマルチライン状に配列されている。したがって、多焦点光学系での分光測定が可能となる。
　接続部４３は、入射側ホルダ４１と出射側ホルダ４２とを接続する。接続部４３は、入射側ホルダ４１と出射側ホルダ４２との間に配置された可撓性を有する部分である。ファイバユニット４０の構成については後述する。
　ファイバユニット４０の出射端は、分光器５０の直前に配置されている。ファイバユニット４０のファイバ内を伝播した信号光Ｌ３は、ファイバユニット４０の出射端から出射して、分光器５０に入射する。試料Ｓからの信号光Ｌ３は、ファイバユニット４０を介して、分光器５０に入射する。
　分光器５０は、レンズ５１，グレーティング５２，レンズ５４，及び光検出器５５を備えている。ファイバユニット４０からの信号光Ｌ３は、レンズ５１に入射する。レンズ５１は信号光Ｌ３が平行光束になるように屈折する。レンズ５１からの信号光Ｌ３は、グレーティング５２に入射する。グレーティング５２は、信号光Ｌ３を波長に応じて分散する波長分散素子である。グレーティング５２は、波長に応じた回折角を有している。グレーティング５２による信号光Ｌ３の分光方向をＸ方向とする。
　ここでは、グレーティング５２が透過型回折格子として示されているため、グレーティング５２で反射した信号光Ｌ３は、レンズ５４に入射する。なお、波長分散素子は透過型回折格子に限らず、反射型回折格子やプリズムなどでよい。
　グレーティング５２で波長分散された信号光Ｌ３は、レンズ５４に入射する。レンズ５４は、光検出器５５の受光面に信号光Ｌ３を集光する。光検出器５５は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の二次元アレイ光検出器である。光検出器５５は、例えば、Ｘ方向、及びＹ方向に沿って配列された複数の画素を有している。なお、Ｘ方向及びＹ方向は光学系の光軸に直交する方向である。つまり、ＸＹ平面は、光軸と直交する平面である。
　波長分散方向がＸ方向である場合、光検出器５５のＸ座標が信号光Ｌ３の波長及び空間位置に対応している。光検出器５５の受光面に、ファイバユニット４０の出射端の像が結像する。光検出器５５により、分光器５０で分光された試料Ｓの分光画像を撮像することができる。
　次に、ファイバユニット４０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、ファイバユニット４０の構成を模式的に示す図である。
　ファイバユニット４０が複数のファイバ４５を有している。ファイバユニット４０の入射端面４１１において、入射側ホルダ４１が複数のファイバ４５を固定している。ファイバユニット４０の入射端面４１１では、複数のファイバ４５が隣接して配列されている。ファイバ４５の入射端は円形となっており、各円が隣の円と接するように、複数のファイバ４５が配列されている。
　入射端面４１１は、試料Ｓと共役な位置となっている。試料Ｓの像が入射端面４１１に結像されている。換言すると、試料の１光照射スポットからの信号光Ｌ３は、１本又は複数本のファイバ４５に入射する。ファイバ４５を互いに近接するように配列することで、ファイバ４５間の隙間を小さくすることができる。
　これにより、試料Ｓにおいて分光測定できない領域を小さくすることができる。試料Ｓからの信号光Ｌ３がファイバ４５間の隙間に入射してしまうと、分光器５０まで信号光Ｌ３が到達しない。ファイバ４５を細密配置とすることで、ファイバ４５間の隙間の面積を小さくすることができる。このため、分光測定できない領域を小さくすることできる。
　非特許文献４（https://www.tem-inc.co.jp/products/detail-29.php）には、複数のファイバをナンバリングして、マッピングする技術が開示されている。この技術を用いることで、ファイバ間の隙間をなくす、あるいは減らして配置することができる。ファイバを融着加工することで、ハニカム構造となり、ファイバ間の隙間がなくなる。また、隣接するファイバをエポキシ樹脂などの接着剤で接着してもよい。
　より詳細には、入射端面４１１において、１８００本のファイバ４５が２次元細密配列となっている。複数のファイバ４５が六方最密配列となっている。よって、１本のファイバ４５がその周囲の６本のファイバ４５と接するように配列されている。換言すると、複数のファイバ４５のそれぞれが６本のファイバ４５と接している。さらに、ファイバ４５がマトリクス状に配列されていない。つまり、入射端面４１１における２つの配列方向が直交していない。
　入射側ホルダ４１は、ファイバユニット４０の入射端面４１１において、複数のファイバ４５が細密配置となるように、ファイバ４５を保持している。つまり、入射側ホルダ４１は、ファイバ４５が隣接して配列されるように複数のファイバ４５を固定している。このようにすることで、試料Ｓをより適切に分光測定することができる。
　出射端面４２１の像が、光検出器５５の受光面に結像する。出射端面４２１では、複数のファイバ４５が、間隔を開けてマルチライン状に配列されている。出射端面４２１では、複数のファイバ４５が互いに間隔を開けて配列されるように出射側ホルダ４２が複数のファイバ４５を保持している。
　出射端面４２１は、Ｘ方向、及びＹ方向に沿って複数のファイバ４５が配列されている。複数のファイバ４５が２次元マトリクス状に配列されている。出射端面４２１における２つの配列方向が直交していない。Ｘ方向において、複数のファイバ４５が等間隔になるように配列されている。同様に、Ｙ方向において、複数のファイバ４５が等間隔になるように配列されている。このように、複数のファイバ４５が一定間隔で配列されるように、出射側ホルダ４２が複数のファイバ４５を保持している。
　１８００本のファイバ４５が１５×１２０のマトリクス状に配列されている。つまり、ファイバ４５が、１５ラインのマルチライン状に配列されており、１ラインに１２０本のファイバ４５が含まれている。１ラインに含まれる１２０本のファイバ４５は、Ｙ方向に平行に配置されている。
　具体的には、入射端面４１１において、１８００本のファイバ４５が、直径２～３ｃｍ程度の円形領域に配置されている。１本のファイバ４５の直径は４５μｍ程度の円形となっている。試料Ｓ上において、直径９０μｍ程度の円形領域が光検出器５５で検出される。つまり、直径９０μｍ程度の円形領域が拡大されて、ファイバユニット４０の入射端面４１１に結像する。よって、この円形領域からの信号光Ｌ３を光検出器５５が同時に検出する。
　出射端面４２１において、１８００本のファイバ４５がＸ方向に１４～１５ｃｍ程度、Ｙ方向に６～７ｃｍ程度の矩形領域に配置されている。なお、出射端面４２１においては、マルチラインに対応するマルチスリットを設けてもよい。
　出射端面４２１において、複数のファイバ４５が間隔を空けて配列されるように、出射側ホルダ４２が複数のファイバ４５を固定している。入射端面４１１における複数のファイバ４５の密度は、出射端面４２１における複数のファイバ４５の密度よりも高くなっている。換言すると、出射端面４２１ではファイバ４５が粗に配置され、入射端面４１１ではファイバ４５が密に配置されている。
　具体的には、ファイバ４５が配列されている領域において、６０％以上の密度とすることが好ましい。つまり。ファイバ４５が配列されている領域において、６０％以上の面積がファイバ４５で占められるようにファイバ４５を密に配置する。換言すると、ファイバ４５間の隙間の領域は４０％未満とすることが好ましい。さらには、ファイバ４５が配列されている領域において、７５％以上の密度とすることがより好ましい。この場合、ファイバ４５が配列されている領域において、７５％以上の面積がファイバ４５で占められるようにファイバ４５を密に配置する。ファイバ４５間の隙間の領域は２５％未満とすることが好ましい。
　このようにすることで、隣接するファイバ４５から出射した信号光Ｌ３が重ならないように光検出器５５に入射する。つまり、異なるファイバ４５からの信号光Ｌ３は、光検出器５５の異なる画素で検出される。このようにすることで、分光画像を適切に測定することができる。
　上記のようにファイバユニット４０から出射された信号光Ｌ３は、分光器５０で分光される。ここで、分光器５０の分光方向をＸ方向とする。光検出器５５におけるＸ方向の画素アドレスが、分光波長及び空間位置を示す。Ｙ方向の画素アドレスは、マルチラインにおける位置を示す。
　光検出器５５の受光面について、図３を用いて説明する。図３は、光検出器５５の受光面の画像を示す図である。光検出器５５の画素の配列方向がＸ方向、及びＹ方向に配列されている。さらに、図３では、１ラインに含まれるファイバ４５を模式的に示している。ここでは、１ラインに含まれるファイバ４５の配列方向がＹ方向と平行である。複数のラインの配列方向がＸ方向に平行となっている。よって、ファイバ４５の配列方向と画素の配列方向が平行になっている。また、グレーティング５２による分光方向がＸ方向となっている。
　従って、１ラインのファイバ４５のスペクトルデータが受光面における帯状の検出領域で測定される。図３では、１ライン目に含まれるファイバ４５のスペクトルデータが測定される検出領域が検出領域Ｄ１として示されている。同様に、２ライン目～１５ライン目のファイバ４５のスペクトルデータが測定される検出領域をそれぞれ検出領域Ｄ２～Ｄ１５として示している。１ラインには１２０本のファイバ４５が含まれているため、１つの検出領域Ｄ１では１２０本のスペクトルデータが測定可能となる。
　検出領域Ｄ１～Ｄ１５は互いに重ならないように配置されている。例えば、検出領域Ｄ１と検出領域Ｄ２とがＹ方向にずれている。分光器５０が長波長側の信号光を＋Ｘ側、短波長側の信号光Ｌ３を－Ｘ側に分散しているとする。検出領域Ｄ１の最も長波長に対応する画素アドレスが、検出領域Ｄ２の最も短波長に対応する画素アドレスよりも－Ｘ側になっている。具体的には、検出領域Ｄ１～Ｄ１５が重ならないように、フィルタ３１が信号光Ｌ３の波長範囲を制限している。さらに、出射端面４２１におけるファイバ４５のＸ方向の間隔を所定値以上とする。
　さらに、出射端面４２１では、ファイバ４５が互いに離間して配置されている。例えば、図３に示すように、１ラインに含まれるファイバ４５がＹ方向に間隔を開けて配置されている。よって、隣接するファイバ４５からの信号光Ｌ３は異なるＹ方向アドレスの画素に入射する。各ファイバ４５からの信号光Ｌ３が異なる画素で検出される。換言すると、１つのファイバ４５からの信号光Ｌ３が入射した画素には他のファイバ４５からの信号光Ｌ３が入射しない。
　このように設計することで、各ファイバ４５からの信号光Ｌ３が重なることなく検出される。よって、照明光Ｌ１を走査することなく、光検出器５５のシングルショット（１フレーム）で試料Ｓの複数点のラマンスペクトルを測定することができる。これにより、光軸と直交する平面上の二次元領域からのラマン散乱光を検出することができる。
　あるいは、各ファイバ４５からの信号光の一部が重なるように検出されてもよい。この場合、圧縮センシング技術などの数学的技術によって、元のスペクトルを復元することができる。この場合、１本のファイバ４５からの信号光Ｌ３をより多くの画素に波長分散させることができる。よって、分光測定することができる波長範囲を広くすることができる。あるいは、波長分解能を向上することができる。
　各ファイバ４５からの信号光Ｌ３を独立して分光測定することができる。試料Ｓの１８００点からの信号光Ｌ３を同時に分光測定することが可能になる。換言すると、１８００画素の２次元分光画像を短時間で撮像することができる。試料Ｓの任意の１光照射スポット（一箇所）からの信号光Ｌ３が１本のファイバ４５に入射する。そして、１本のファイバ４５から出射した信号光Ｌ３のスペクトルが試料Ｓの１光照射スポット（一箇所）のスペクトルデータに対応する。
　例えば、ファイバユニット４０は１８００本のファイバ４５を有している。よって、分光測定装置１は、１８００本のラマンスペクトルを検出することができる。つまり、分光測定装置１は、試料Ｓ上の１８００点からの信号光Ｌ３をそれぞれ分光測定することができる。そして、処理装置６０が、光検出器５５の検出信号に基づいて、試料Ｓの分光画像を生成する。つまり、１８００個のスペクトルデータに基づいて、分光画像を生成する。以下、処理装置６０による分光画像の生成処理について説明する。
　上記のように、入射側ホルダ４１と出射側ホルダ４２とは接続部４３によって接続されている。接続部４３は、複数のファイバ４５が変形可能なように束ねられている。さらに、入射端面４１１における各ファイバ４５の位置と、出射端面４２１における各ファイバ４５の位置との対応関係が既知となっている。例えば、ある１本のファイバ４５ａの入射端面４１１の位置と出射端面４２１での位置とが対応付けられている。同様に、他の１本のファイバ４５ｂの入射端面４１１の位置と出射端面４２１での位置とが対応付けられている。
　このように、入射端面４１１において、任意の位置にあるファイバ４５の出射端面４２１の位置が既知となっている。処理装置６０は、それぞれのファイバ４５の配置関係を示す情報を記憶している。つまり、処理装置６０は、入射端面４１１におけるファイバ４５の位置と出射端面４２１における位置の対応関係を記憶している。そして、処理装置６０は、それぞれのファイバ４５の配置関係を参照して、光検出器５５の検出結果から分光画像を生成する。処理装置６０は、入射端面４１１でのファイバ配列に一致するように、光検出器５５の画素毎の検出データを並び替える。このように、処理装置６０が２次元マピングによって、２次元分光画像を構築する。
　このように、入射端面４１１において、ファイバ４５が出射端面４２１よりも密に配列されている。したがって、光検出器５５が試料Ｓ上のより多くの点からの信号光Ｌ３を検出することができる。ファイバ４５が細密配列された領域に対応する試料上の位置であれば、信号光がいずれかのファイバ４５を伝播して光検出器５５で検出される。
　さらに、出射端面４２１においてマルチライン状と配列されているため、分光器５０が複数のファイバ４５からの信号光Ｌ３を同時に分光測定することができる。つまり、ファイバ４５から出射した信号光Ｌ３が他のファイバ４５から出射した信号光Ｌ３と独立して検出される。これにより、分光器５０が、より多数のファイバ４５からの信号光Ｌ３を分光測定することができる。
　分光測定装置１では、レーザ光を走査することなく、２次元分光画像を撮像することができる。よって、ラマン分光画像を短時間で測定することが可能となる。さらに、短時間でのラマンスペクトルの測定が可能であるため、低光毒性での測定が可能となる。蛍光物質などで標識する必要が無いため、無標識での分光測定が可能となる。また、それぞれのファイバ４５からの信号光Ｌ３が分離されて、検出されている。このようにすることで、高いＳＮ（Signal to Noise）比で分光測定を行うことができる。
　次に、分光用照明光学系１０による照明方法の詳細について、図４を用いて説明する。まず、分光測定の前にカメラ２３の光学観察で光学像を撮像する。光学観察では、観察用照明光源１８からの観察用照明光Ｌ４が対物レンズの視野全体を照明する。そして、ユーザ又は処理装置６０が光学像に基づいて、試料上の複数点をＲＯＩとして抽出する。例えば、処理装置６０は光学像をモニタ上に表示する。ユーザはモニタの光学像を見ながら、マウスなどで関心ある領域を指定する。処理装置６０は、指定された領域の座標を記憶する。これにより、ＲＯＩが抽出される。
　なお、光学像を撮像するための観察用照明光Ｌ４は分光測定時の照明光Ｌ１と異なる光源からの光となっている。つまり、光学像の撮像時と分光測定時で観察用照明光源１８と光源１１とを切り替えて使うことができる。
　試料Ｓ上のＲＯＩを選択的に照明するように、空間光変調器１２が光源１１からの照明光Ｌ１のビームを制御する。ＲＯＩのみに照明光Ｌ１が入射するように、空間光変調器１２が照明光Ｌ１を変調する。換言すると、ＲＯＩ以外には、照明光Ｌ１が照射されないように、空間光変調器１２が照明光Ｌ１を変調する。これにより、ＲＯＩとして抽出された複数点が同時に照明される。
　処理装置６０が、空間光変調器１２を制御するための２値画像を生成する。２値画像では、例えば、ＲＯＩとなる位置では１、ＲＯＩ以外となる位置では０となっている。処理装置６０は、制御用の２値画像をＬＣＯＳデバイスである空間光変調器１２に出力する。空間光変調器１２は、複数の制御画素を備えており、入射光を回折する。空間光変調器１２は、画素毎に回折光の位相を制御することができる。
　空間光変調器１２を用いることで、試料Ｓの任意の複数点に対してマルチフォーカスを形成することができる。つまり、ＲＯＩのみに照明光Ｌ１が集光されるため、ＲＯＩ以外においてラマン散乱光が発生することを防ぐことができる。これにより、ＳＮ比の高い測定が可能になる。また、ＲＯＩ以外に光照射しないため、試料Ｓへの光毒性を軽減できる。
　図４では、生体試料の結合織と神経がＲＯＩとして抽出されている。よって、結合職と神経のみが選択的に照明されるように、空間光変調器１２が照明光Ｌ１を変調している。ＲＯＩからの信号光Ｌ３がファイバユニットを介して分光器５０に伝播する。分光器５０が、照明光Ｌ１で照明された箇所からの信号光Ｌ３を分光測定する。処理装置６０は、分光器５０のスペクトル測定結果に基づいて、分光画像を生成する。
　処理装置６０はスペクトル測定結果とセグメント画像の復号処理を行う。従って、処理装置６０は、ＲＯＩ以外の領域では、光学像のセグメント画像に基づいて画像を生成し、ＲＯＩではスペクトル測定結果に基づいて、画像を生成する。これにより、より適切な分光画像を生成して、表示することができる。分光画像では、ＲＯＩにおいてスペクトル情報が含まれている。
　図５は照明光Ｌ１がＲＯＩのみを選択的に照明したときの、ファイバユニット４０を説明するための図である。図５では、ファイバユニット４０の入射端面４１１と、出射端面４２１が示されている。さらに、ファイバユニット４０から出射した信号光Ｌ３を検出した光検出器５５の受光面画が示されている。
　図５では、ＲＯＩに対応するファイバ４５をファイバ４５１とし、ＲＯＩ以外の領域に対応するファイバ４５をファイバ４５２として示している。ＲＯＩの像が入射端面４１１に結像している。入射端面４１１におけるファイバ４５１の位置が、ＲＯＩに対応する。ファイバ４５１には、ＲＯＩからの信号光Ｌ３が入射する。ＲＯＩ以外の領域には、照明光Ｌ１で照明されていない。よって、ＲＯＩ以外の領域では、信号光Ｌ３が発生しない。よって、ファイバ４５２には、信号光Ｌ３が入射しない。
　出射端面４２１において、ファイバ４５１から信号光Ｌ３が出射すると、分光器５０が信号光Ｌ３を分光する。光検出器５５の受光面では、Ｘ方向に信号光Ｌ３が分光されている。それぞれのファイバ４５１からの信号光Ｌ３が受光面において重ならないように、検出されている。よって、試料Ｓの各点からの信号光Ｌ３を適切に分光測定することができる。ＲＯＩ以外の領域からの光を低減することができるため、ノイズ光を抑制することができる。よって、高いＳＮ比での測定が可能となる。よって、短時間の測定で、適切な分光画像を生成することができる。
　なお、図５では、マルチラインの配列方向と、画素の配列方向が平行となっているが、マルチラインの配列方向と、画素の配列方向は平行でなくてもよい。また、分光方向と画素の配列方向は平行でなくてもよい。
　図６は、入射端面４１１と出射端面４２１の画像を示す図である。入射端面４１１では、複数のファイバ４５が近接して配置されている。複数のファイバ４５は、細密配列となっている。出射端面４２１では、複数のファイバ４５がマルチライン配列となっている。図６では、出射端面４２１において、１５本のラインＭ１～Ｍ１５が形成されている。
　本実施の形態に係る分光測定方法は、光源からの照明光を用いて試料を照明するステップと、試料からの信号光を、複数のファイバが隣接して配列された入射端面からファイバユニットに入射させるステップと、前記複数のファイバが間隔を開けたマルチライン状に配列されている前記ファイバユニットの出射端面から出射させるステップと、前記出射端面から出射した前記信号光を分光して、２次元アレイ光検出器で検出するステップと、前記ファイバユニットの前記入射端面と前記出射端面における前記複数のファイバの配置関係を参照して、前記２次元アレイ光検出器の検出結果から前記試料の分光画像を生成するステップと、を備えている。
実施例１
　実施例１について、図７を用いて説明する。図７では、試料Ｓの光学像とラマン散乱光の分光測定結果が示されている。分光測定結果は光検出器５５の各画素の検出光量を示している。実施例１では、試料Ｓをポリスチレンとしている。ここでが、分光用照明光学系１０が、レーザスポットＡ、ＢをＲＯＩとして選択的に照明している。そして、レーザスポットＡ、Ｂからの信号光Ｌ３がファイバユニット４０を介して分光器５０に入射する。光検出器５５の受光面では、レーザスポットＡ、レーザスポットＢからの信号光が異なる画素に入射している。よって、それぞれのラマンスペクトルを光検出器５５の異なる画素で測定することができる。
実施例２
　実施例２について、図８を用い説明する。図８では、試料Ｓの光学像とラマン散乱光の分光測定結果が示されている。実施例１では、試料Ｓがポリスチレンと炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を含んでいる。図８のスポット１とスポット２がＲＯＩとなっている。
　ここでは、ポリスチレンと炭酸カルシウムのそれぞれがＲＯＩとして抽出されている。具体的には、スポット１がポリスチレンに対応し、スポット２が炭酸カルシウムに対応している。スポット１からの信号光Ｌ３とスポット２からの信号光Ｌ３が受光面において、異なる画素に入射している。よって、それぞれのラマンスペクトルを光検出器５５の異なる画素で測定することができる。ポリスチレンのラマンスペクトルのピーク波長は、炭酸カルシウムのラマンスペクトルのピーク波長と異なっている。
実施例３
　図９は、ＲＯＩの抽出と、ＲＯＩを選択的に照明したＲＯＩ照明を示す画像である。実施例３では試料Ｓがポリスチレンとなっている。試料Ｓの光学像からＲＯＩが抽出される。そして、ＲＯＩが選択的に照明されている。図９では、ＲＯＩ照明時の入射端面の画像と、分光測定結果とが示されている。試料Ｓ上の複数の点からの信号光が異なる画素で検出されている。
　なお、上記の実施の形態では、主として、信号光がラマン散乱光であるとして説明したが、信号光は、ラマン散乱光以外の光であってもよい。したがって、本実施の形態にかかる分光測定装置は、ラマン分光以外の分光測定装置であってもよい。例えば、励起光によって励起される蛍光を検出する分光測定装置や、紫外吸収スペクトルや近赤外吸収スペクトルを測定する分光測定装置であってもよい。これらの分光測定装置でも、高いＳＮ比で、スペクトルの測定を行うことができる。特に、高速計測や繰り返し計測を求められる分光測定装置に好適である。
　測定対象の試料Ｓとしては、生体試料や医療用サンプルとすることができる。また、病理診断用のサンプル、創薬サンプル、食品、化粧品、先端材料、デバイス等を試料Ｓとすることができる。分光測定結果を用いて、品質管理に資することができる。さらに、フィールドサイセンス（宇宙、海洋、生態）等の各種サンプルを試料Ｓとすることも可能である。分光測定装置を内視鏡と融合することで、対象物内部の検査を行うことが可能となる。なお、内視鏡は硬性内視鏡でも軟性内視鏡でもよく、医療内視鏡でも産業内視鏡でもよい。
実施例４
　図１０は、生体試料の測定結果を示す図である。実施例では、試料として脂肪組織を撮像した光学像と、その分光測定結果を示している。光学像からＲＯＩが抽出される。図１０では、ＲＯＩをレーザ照射スポットとして示している。そして、ＲＯＩに励起光となるレーザ光を選択的に照射している。
　また、上述した処理装置６０における処理の一部又は全部は、コンピュータプログラムとして実現可能である。このようなプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具。体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
　この出願は、２０２２年１月２５日に出願された日本出願特願２０２２－９１３７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１　分光測定装置
　１０　分光用照明光学系
　１１　光源
　１２　空間光変調器
　１３　ダイクロイックミラー
　１４　ダイクロイックミラー
　１５　レンズ
　１８　観察用照明光源
　２０　観察光学系
　２１　フィルタ
　２２　レンズ
　２３　カメラ
　３０　分光測定光学系
　３１　フィルタ
　３２　レンズ
　４０　ファイバユニット
　４１　入射側ホルダ
　４２　出射側ホルダ
　４５　ファイバ
　５０　分光器
　５１　レンズ
　５２　グレーティング
　５４　レンズ
　５５　光検出器
　６０　処理装置
　Ｌ１　照明光
　Ｌ２　観察光
　Ｌ３　信号光

Claims (12)

  1. 　照明光を発生する光源と、
    　前記照明光で照明された試料からの信号光を分光して、２次元アレイ光検出器で検出する分光器と、
    　前記試料から前記分光器までの光路中に配置された複数のファイバを有するファイバユニットであって、前記ファイバユニットの入射端面では、前記複数のファイバが隣接して配列され、出射端面では前記複数のファイバが間隔を開けたマルチライン状に配列されているファイバユニットと、
    　前記ファイバユニットの前記入射端面と前記出射端面における前記複数のファイバの配置関係を参照して、前記２次元アレイ光検出器の検出結果から前記試料の分光画像を生成する処理部と、を備えた分光測定装置。
  2. 　試料上の複数点を選択的に照明するように、前記光源からの照明光を変調する空間光変調器をさらに備え、
    　前記複数点からの信号光が前記ファイバユニットの前記ファイバにそれぞれ入射する請求項１に記載の分光測定装置。
  3. 　前記試料の光学像を撮像するカメラをさらに備え、
    　前記光学像に基づいて抽出された前記試料上の複数点が選択的に照明されている請求項２に記載の分光測定装置。
  4. 　前記ファイバユニットの入射端面において、前記複数のファイバが六方最密配列となっている請求項１～３のいずれか１項に記載の分光測定装置。
  5. 　前記試料と共役な位置に前記ファイバユニットの入射端面が配置されている請求項１～４のいずれか１項に記載の分光測定装置。
  6. 　異なる前記ファイバから出射した信号光は前記２次元アレイ光検出器の受光面において重ならないように検出されている請求項１～５のいずれか１項に記載の分光測定装置。
  7. 　光源からの照明光を用いて試料を照明するステップと、
    　前記試料からの信号光を、複数のファイバが隣接して配列された入射端面からファイバユニットに入射させるステップと、
    　前記複数のファイバが間隔を開けたマルチライン状に配列されている前記ファイバユニットの出射端面から出射させるステップと、
    　前記出射端面から出射した前記信号光を分光して、２次元アレイ光検出器で検出するステップと、
    　前記ファイバユニットの前記入射端面と前記出射端面における前記複数のファイバの配置関係を参照して、前記２次元アレイ光検出器の検出結果から前記試料の分光画像を生成するステップと、を備えている分光測定方法。
  8. 　試料上の複数点を選択的に照明するように、空間光変調器が前記光源からの照明光を変調し、
    　前記複数点からの信号光が前記ファイバユニットの前記ファイバにそれぞれ入射する請求項７に記載の分光測定方法。
  9. 　カメラによって、前記試料の光学像を撮像し、
    　前記光学像に基づいて抽出された前記試料上の複数点が選択的に照明されている請求項８に記載の分光測定方法。
  10. 　前記ファイバユニットの入射端面において、前記複数のファイバが六方最密配列となっている請求項７～９のいずれか１項に記載の分光測定方法。
  11. 　前記試料と共役な位置に前記ファイバユニットの入射端面が配置されている請求項７～１０のいずれか１項に記載の分光測定方法。
  12. 　異なる前記ファイバから出射した信号光は前記２次元アレイ光検出器の受光面において重ならないように検出されている請求項７～１１のいずれか１項に記載の分光測定方法。
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