光熱変換測定装置
【課題】Ｓ／Ｎ比を効果的に向上させる。
【解決手段】本発明の光熱変換測定装置は、所定の周波数で光強度が変化する励起光Ｌ１１を試料Ｓに照射する第１光照射部１１と、試料Ｓに測定光Ｌ２１を照射する第２光照射部１２と、試料Ｓを通った測定光Ｌ２１を検出する光検出器１３と、光検出器１３と第２光照射部１２との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を光検出器１３へ向かう光路から遮断する偏光素子１４と、偏光素子１４に入射する測定光Ｌ２１の偏光状態を調整する偏光調整部１５と、励起光Ｌ１１の光強度が極小である期間に偏光調整部１５に入射した測定光Ｌ２１が所定の偏光状態になるように偏光調整部１５と第１光照射部１１とを所定の周波数で同期制御する制御部１６と、を備えている。
【解決手段】本発明の光熱変換測定装置は、所定の周波数で光強度が変化する励起光Ｌ１１を試料Ｓに照射する第１光照射部１１と、試料Ｓに測定光Ｌ２１を照射する第２光照射部１２と、試料Ｓを通った測定光Ｌ２１を検出する光検出器１３と、光検出器１３と第２光照射部１２との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を光検出器１３へ向かう光路から遮断する偏光素子１４と、偏光素子１４に入射する測定光Ｌ２１の偏光状態を調整する偏光調整部１５と、励起光Ｌ１１の光強度が極小である期間に偏光調整部１５に入射した測定光Ｌ２１が所定の偏光状態になるように偏光調整部１５と第１光照射部１１とを所定の周波数で同期制御する制御部１６と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光熱変換測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光熱効果を利用して、試料に含まれる検出対象物質等を検出する光熱変換測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。光熱変換測定装置は、励起光が照射された試料に検体光を照射し、試料を通った検体光を光検出器により検出する。試料に励起光が照射されると、検出対象物質が励起光を吸収して発熱する。この熱により試料が加熱されて、試料に屈折率の変化を生じる。屈折率が変化する前後で試料を通った検体光の位相が変化するので、この位相の変化量を光検出器の検出結果から求めることにより、例えば試料に含まれる検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０００３】
光熱変換測定装置には、分析感度の向上が期待されている。分析感度が向上すると、試料の量を減らすことや、試料の濃縮処理を簡素化すること、測定精度が向上することにより測定回数を減らすこと等が可能になる。分析感度を向上させるには、有意な信号とノイズとの比率（Ｓ／Ｎ）比を高めることが重要である。
【０００４】
Ｓ／Ｎ比を高める技術として、特許文献１、２に開示されている技術が挙げられる。
特許文献１では、励起光として、光チョッパーにより周期的に強度変調された光を用いている。この励起光が照射された試料を通ったプローブ光（測定光）は、光検出器により検出される。光検出器による検出信号は、ロックインアンプに入力される。ロックインアンプにより、励起光の変調周波数に相当する周波数成分の出力が増幅されることによりＳ／Ｎ比を高めることができる。
【０００５】
特許文献２では、特許文献１と同様に、周期的に強度変調された光を励起光として用いている。信号処理装置によって、その強度変調周期と同周期成分の位相変化を測定してＳ／Ｎ比を向上させている。検体光を反射ミラーで試料に往復通過させることにより、試料の屈折率の変化を高感度で測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２７７９５７号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１、２の技術にあっては、次に説明するように、Ｓ／Ｎ比の向上を図る上で改善の余地がある。
特許文献１で用いるロックインアンプは、例えば入力信号のＤＣ成分除去回路、極性反転回路、および積分回路等の電気回路により構成される。また、光信号は光センサにより電気信号に変換される。この際に、光センサ自体もノイズを発生し、シグナルに重畳することになりシグナルが劣化する。さらに、このように検出信号を処理する電気回路が複雑になると、電気的なノイズが二次的に発生して検出信号に付加されるおそれがある。
【０００８】
特許文献２では、検体光の位相差の変化を、励起光の強度変調周期と同周期成分について算出すれば、周波数の成分を有しないノイズの影響を除去しつつ試料の屈折率変化のみを測定できる、とされている。特許文献２の技術を実現するには、例えば検出信号に対してフーリエ変換等を利用した周波数解析を行うことにより、各周波数成分の強度分布を調べる。そして、励起光の強度変調と同じ周波数成分以外の周波数成分についてはノイズとみなして、電気信号をフィルタリングすることにより、ノイズ成分を除去する。このような手法を用いるには、ノイズ成分の周波数解析が可能な程度に、光検出器のサンプリング周波数を高める必要があり、装置コストが増加するおそれがある。周波数解析を行う手法に代えて電気回路により構成されたロックインアンプを利用する場合には、特許文献１と同様に電気的なノイズが付加されるおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上させることが可能な光熱変換測定装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記の目的を達成するために以下の手段を採用している。
本発明の第１の光熱変換測定装置は、所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、前記試料に測定光を照射する第２光照射部と、前記試料を通った前記測定光を検出する光検出器と、前記光検出器と前記第２光照射部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、前記偏光素子に入射する前記測定光の偏光状態を調整する偏光調整部と、前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光調整部に入射した前記測定光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、励起光の光強度が極小である期間に、偏光調整部に入射した測定光が所定の偏光状態になるように、制御部が偏光調整部と前記第１光照射部とを所定の周波数で同期制御するので、励起光の光強度が極小である期間に試料を通った光は、光検出器へ向かう光路から偏光素子により遮断される。したがって、測定期間のうちで試料に光熱効果が顕著に発現している期間に試料を通った測定光が選択されて光検出器に入射することになり、測定期間のうちで光熱効果を示す有意な検出結果が得られる期間を選択して測定光を光検出器により検出することができる。よって、光検出器による検出量のうちで光熱効果を示す有意な検出量の占める割合を増すことができ、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【００１２】
このような光熱変換測定装置により、励起光の光強度が変化する複数の周期にわたり測定を行うと、励起光の光強度が変化する周波数と異なる周波数のノイズが平均化されて除去される。すなわち、本発明では、同期検波と呼ばれる手法を光信号の段階で行っていることになる（以降、本発明でのこの技術を光ロックインと呼ぶ）。これにより、例えば電気回路により構成されたロックインアンプを用いなくともノイズを除去することができるので、電気回路にて電気的なノイズが二次的に発生してＳ／Ｎ比が低下することが回避される。また、光信号を同期検波することでＤＣに近い低周波数成分の信号に変換できる。従って、検出器の検出結果に対して周波数解析を行わなくともノイズを減らすことができ、光検出器のサンプリング周波数を下げることもできる。以上のように、本発明の光熱変換測定装置によれば、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上させることが可能になる。
【００１３】
本発明の第１の光熱変換測定装置において、前記光検出器は、前記試料を通っていない参照光と、前記偏光素子を経て前記光検出器へ向かう前記測定光とが干渉した干渉光の光強度を検出するとよい。
【００１４】
このようにすれば、試料を通っていない参照光と試料を通った測定光とが干渉した干渉光の光強度に試料での光学的距離の変化が反映されるので、光熱効果による試料の屈折率の変化を効率的に検出することができる。
【００１５】
本発明の第１の光熱変換測定装置において、前記偏光素子は、前記第２光照射部から射出された光を偏光方向が互いに異なる第１偏光と第２偏光とに分離する偏光分離素子により構成されており、前記第１偏光が前記測定光であり、前記第２偏光が前記参照光であるとよい。
【００１６】
このようにすれば、第２光照射部から射出された光を、偏光素子を利用して測定光と参照光とに分離するので、参照光用の光源等を追加する必要性や第２光照射部から射出された光を分離する光学部品を追加する必要性が低くなり、シンプルな構成の光熱変換測定装置にすることができる。
【００１７】
本発明の第２の光熱変換測定装置は、所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、前記試料に照射される測定光を含んだ光を射出する第２光照射部と、前記第２光照射部と前記試料との間の光路に配置され、前記第２光照射部から射出された光を前記測定光と、前記測定光とは偏光方向が異なる参照光とに分離する偏光分離素子と、前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系と前記偏光分離素子との間の前記参照光の光路に設けられ、前記参照光の偏光状態を調整することにより前記参照光と前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態を調整する偏光調整部と、前記干渉光学系から射出された前記干渉光を検出する光検出部と、前記干渉光学系と前記光検出部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光素子に入射する前記干渉光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
このようにすれば、偏光調整部が干渉光の偏光状態を所定の偏光状態に調整するので、結果として、測定光が、偏光素子から検出器へ向かう光路から遮断される。したがって、測定光自体の偏光状態を調整しなくとも、励起光の光強度が極小である期間に試料を通った測定光の影響を光検出器の測定結果から除くことができ、測定光の偏光状態を調整することによる測定光の波面の乱れの発生を回避することができる。
【００１９】
本発明の第２の光熱変換測定装置において、前記偏光調整部は、屈折率異方性を有する液晶層を含んでおり、前記励起光の光強度が極小である第１期間に、前記液晶層を通った前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記液晶層の配向状態と前記第１期間に前記液晶層に印加される電圧とが設定され、かつ前記励起光の光強度が極小となった後に次に極小となるまでの第２期間に、前記液晶層を通った前記参照光と前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記制御部が前記光検出器の検出結果に基づいて前記液晶層に印加される電圧を調整するとよい。
【００２０】
このようにすれば、光熱効果を発現しているときの試料の屈折率と関係性を有する値として、干渉光が所定の偏光状態になるように液晶層に電圧を印加したときの電圧を知ることができる。所定の液晶層に電圧を印加したときの、電圧と液晶層の屈折率との対応関係については予め調べておくことができ、この対応関係と干渉光が所定の偏光状態になる電圧とを比較することにより、光熱効果を発現しているときの試料の屈折率を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１光照射部および偏光調整部の動作タイミングと、偏光素子で測定光の透過／反射（遮断）が切替わるタイミングとの関係性を示すタイミングチャートである。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、検出対象物の濃度の違いによる測定光と参照光との位相差の比較例を示す図である。
【図４】測定サイクル数に対する累積光強度の関係を示す概念図である。
【図５】第２実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図６】第３実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】励起光の非照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図である。
【図８】励起光の照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせている場合がある。また、実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある。なお、本発明の技術範囲は下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図、図２は第１光照射部および偏光調整部の動作タイミングと、偏光素子で測定光の透過／反射（遮断）が切替わるタイミングとの関係性を示すタイミングチャートである。
【００２４】
図１に示す光熱変換測定装置１は、第１光照射部１１、第２光照射部１２、光検出器１３、偏光素子１４、偏光調整部１５、制御部１６を備えている。これら各種構成要素の間で光を導く光学部品として、ダイクロイックミラー１７１、集光レンズ１７２、反射ミラー１７３、１／４波長板１７４、反射ミラー１７５、および偏光板１７６が設けられている。第２光照射部１２、偏光素子１４、１／４波長板１７４、および反射ミラー１７５によりマイケルソン干渉系が構成されている。
【００２５】
光熱変換測定装置１は、概略すると以下のように動作する。
第１光照射部１１は、試料Ｓに励起光Ｌ１１を断続的に照射する。試料Ｓは、例えば検出対象物質を分散（または溶解）させた分散液（または溶液）である。検出対象物質は、励起光Ｌ１１を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換する。試料Ｓは、検出対象物質の濃度に応じた量の熱エネルギーを受け取り昇温する。試料Ｓの昇温に伴って試料Ｓの密度が変化することにより、検出対象物質に濃度に応じた変化量だけ試料Ｓの屈折率が変化する。
【００２６】
第２光照射部１２は、偏光調整部１５を介して試料Ｓに測定光Ｌ２１を照射する。制御部１６は、偏光調整部１５を第１光照射部１１と同期させて制御し、偏光調整部１５は測定光Ｌ２１の偏光状態を調整する。励起光Ｌ１１が照射されていない状態（以下、非照射状態という）の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光素子１４に遮られて光検出器１３へ向かう光路から除去される。励起光Ｌ１１が照射されている状態（以下、照射状態という）の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光素子１４を透過して光検出器１３へ向かう。
【００２７】
偏光素子１４を透過した測定光Ｌ２１は、マイケルソン干渉系にて参照光Ｌ２２と干渉して干渉光Ｌ２３になる。干渉光Ｌ２３のうちで偏光板１７６を通った光が、光検出器１３により検出される。光検出器１３の検出結果から測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２との位相差が求まり、この位相差により測定光Ｌ２１の光路長の変化量、すなわち試料Ｓの屈折率の変化量に関する測定量が得られる。この測定量から、例えば試料Ｓに含まれる検出対象物の濃度が求まる。
【００２８】
次に、光熱変換測定装置１の構成要素について説明する。
第１光照射部１１は、励起用光源１１１および光チョッパー１１２を含んでいる。励起用光源１１１は、例えばＹＡＧレーザー光源により構成され、レーザー光Ｌ１０として出力が１００ｍＷの二次高調波（波長５３３ｎｍ）を射出する。制御部１６は、発振器等を含んで構成され、周波数ｆのパルス信号を同期信号として光チョッパー１１２に供給する。このパルス信号に基づいて、光チョッパー１１２は、レーザー光Ｌ１０を第１光照射部１１から断続的に射出される励起光Ｌ１１に変換する。
【００２９】
図２に示すように、励起光Ｌ１１が射出されている期間（図４中の強）と、励起光Ｌ１１が射出されない期間（図４中弱）とが組となり、測定の１単位の期間（測定サイクル）になっている。測定サイクルの周期Ｔは、１／ｆである。このように、第１光照射部１１は、制御部１６に制御されて、光強度が周波数ｆで変化する励起光Ｌ１１を射出する。
【００３０】
図１の説明に戻り、第１光照射部１１から射出された励起光Ｌ１１は、ダイクロイックミラー１７１に入射する。ダイクロイックミラー１７１は、励起光Ｌ１１を反射させるとともに測定光Ｌ２１を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー１７１で反射した励起光Ｌ１１は、集光レンズ１７２の光軸と略平行な方向へ進行して集光レンズ１７２に入射する。励起光Ｌ１１は、集光レンズ１７２で屈折して、集光レンズ１７２の焦点に配置された試料Ｓに向かって進行する。試料Ｓへ入射した励起光Ｌ１１は、上記のように試料Ｓを検出対象の濃度に応じた分だけ加熱する。試料Ｓに吸収されなかった励起光Ｌ１１は、試料Ｓと偏光調整部１５との間の測定光Ｌ２１の光路から除かれる。
【００３１】
第２光照射部１２は、測定用光源１２１、偏光分離素子１２２、１２３、音響光学変調器１２４、１２５、および反射ミラー１２６、１２７を含んでいる。測定用光源１２１は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザー光源により構成され、波長が６３３ｎｍ、出力が１ｍＷのレーザー光Ｌ２０を射出する。レーザー光Ｌ２０は、下記の偏光素子１４に対するＰ偏光およびＳ偏光を含んでいる。以下の説明では、偏光素子１４に対するＰ偏光を単にＰ偏光と称し、偏光素子１４に対するＳ偏光を単にＳ偏光という。測定用光源１２１から射出されたレーザー光Ｌ２０は、偏光分離素子１２２に入射する。
【００３２】
偏光分離素子１２２、１２３は、偏光ビームスプリッタープリズム（以下、ＰＢＳという）やワイヤーグリッド偏光素子（以下、ＷＧ素子という）等により構成され、ここではＰＢＳプリズムにより構成されている。レーザー光Ｌ２０のうちのＰ偏光は、偏光分離素子１２２を透過して音響光学変調器１２４に入射する。レーザー光Ｌ２０のうちのＳ偏光は、偏光分離素子１２２で反射して音響光学変調器１２５に入射する。本実施形態では、偏光分離素子１２２を透過したＰ偏光を測定光Ｌ２１として用いるとともに、偏光分離素子１２２で反射したＳ偏光を参照光Ｌ２２として用いる。
【００３３】
音響光学変調器１２４、１２５は、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等により構成され、入射した光の周波数をシフトさせることが可能である。音響光学変調器１２４、１２５は、光ヘテロダイン干渉法と呼ばれる技術を実現する上で、必要に応じて測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２とで周波数を異ならせる。音響光学変調器１２４を通った測定光Ｌ２１は、反射ミラー１２６で反射して偏光分離素子１２３に入射し、偏光分離素子１２３を透過して偏光素子１４に入射する。音響光学変調器１２５を通った参照光Ｌ２２は、反射ミラー１２７で反射して偏光分離素子１２３に入射し、偏光分離素子１２３で反射して測定光Ｌ２１と同じ方向に進行した後に、偏光素子１４に入射する。
【００３４】
偏光素子１４は、第２光照射部１２から射出された測定光Ｌ２１が光検出器１３に至る光路に配置されている。偏光素子１４は、ＰＢＳプリズムやＷＧ素子により構成され、ここではＰＢＳプリズムにより構成されている。偏光素子１４は、偏光分離面（偏光ビームスプリッター膜）に対するＰ偏光を透過させ、偏光分離面に対するＳ偏光（所定の偏光状態の光）を反射させる特性を有している。本実施形態では、偏光素子１４の偏光分離面は、偏光分離素子１２３から偏光素子１４へ向かう光の光路に対して略４５°の角度をなしている。測定光Ｌ２１は、偏光素子１４で反射して偏光調整部１５に入射する。参照光Ｌ２２は、偏光素子１４を透過して、測定光Ｌ２１から分離される。
【００３５】
本実施形態の偏光調整部１５は、透明電極１５１、１５２、液晶層１５３、および駆動部１５４を含んでいる。液晶層１５３は、透明電極１５１、１５２の間に設けられている。駆動部１５４は、透明電極１５１、１５２に電圧を印加することにより、液晶層１５３に電界を印加する。
【００３６】
液晶層１５３は、電界が印加されていないときの配向状態が制御されている。本実施形態の液晶層１５３は、誘電異方性が負の液晶材料からなる垂直配向（ＶＡ）モードの液晶層である。液晶層１５３の厚み方向に直交する面内での屈折率は、電界非印加時に等方性になり、電界印加時に異方性になる。液晶層１５３のリタデーションは、測定光Ｌ２１の略１／４波長に設定されている。
【００３７】
すなわち、電界印加時の液晶層１５３において、その厚みに直交する面内で屈折率が最大となる方向を遅相軸方向とし、屈折率が最小となる方向を進相軸方向としたときに、液晶層１５３を通る光のうちで進相軸方向の偏光成分は、遅相軸方向の偏光成分に対して位相がπ／２だけ進むことになる。進相軸方向および遅相軸方向は、いずれも測定光Ｌ２１の偏光方向と交差する方向に設定される。
【００３８】
制御部１６は、第１光照射部１１に対して供給したパルス信号と同じ周波数ｆのパルス信号を同期信号として駆動部１５４に供給する。駆動部１５４は、このパルス信号に基づいて、液晶層１５３に電界を印加する。これにより、図２に示すように駆動部１５４は、励起光Ｌ１１と同じ周波数ｆで液晶層１５３に電界を印加する。また、駆動部１５４は、試料Ｓに励起光Ｌ１１が照射されている期間と略一致する期間に、液晶層１５３に電界を印加する。すなわち、試料Ｓが照射状態であるときに偏光調整部１５に入射した測定光Ｌ２１は、偏光状態がＳ偏光から略円偏光へ変化する。また、試料Ｓが非照射状態であるときに偏光調整部１５に入射した測定光Ｌ２１は、偏光状態がＳ偏光からほとんど変化しない。
【００３９】
図１の説明に戻り、偏光調整部１５から射出された測定光Ｌ２１は、ダイクロイックミラー１７１を透過して集光レンズ１７２へ入射する。ここでは、ダイクロイックミラー１７１から集光レンズ１７２へ向かう測定光Ｌ２１の光線束の中心軸が、集光レンズ１７２の光軸と略一致している。集光レンズ１７２を通った測定光Ｌ２１は、集光レンズ１７２の焦点に配置された試料Ｓに向かって進行する。ダイクロイックミラー１７１から集光レンズ１７２へ向かう励起光Ｌ１１および測定光Ｌ２１の進行方向が、いずれも集光レンズ１７２の光軸と略平行になっているので、試料Ｓでの測定光Ｌ２１の入射位置が試料Ｓでの励起光Ｌ１１の入射位置と略同じになる。
【００４０】
試料Ｓの光入射側の裏面側には、反射ミラー１７３が設けられている。試料Ｓに入射した測定光Ｌ２１は、試料Ｓを通って反射ミラー１７３で反射する。反射ミラー１７３で反射した測定光Ｌ２１は、試料Ｓ、集光レンズ１７２、ダイクロイックミラー１７１をそれぞれ再度通って、偏光調整部１５に再度入射する。試料Ｓの光学的距離は、試料Ｓの屈折率と厚みとの積で表され、光熱効果により変化する。
【００４１】
非照射状態の試料Ｓを通って偏光調整部１５へ入射した測定光Ｌ２１は、液晶層１５３に電界が印加されていないことにより、偏光状態がＳ偏光からほとんど変化しないで偏光調整部１５から射出される。照射状態の試料Ｓを通って偏光調整部１５へ入射した測定光Ｌ２１は、液晶層１５３に電界が印加されていることにより、偏光状態が略円偏光からＰ偏光へ変化して、偏光調整部１５から射出される。
【００４２】
試料Ｓを通った後に偏光調整部１５から射出された測定光Ｌ２１は、偏光素子１４に入射する。非照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光状態がＳ偏光になっていることにより、偏光素子１４で反射して光検出器１３へ向かう光路から遮断される（図２参照）。一方、照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光状態がＰ偏光になっていることにより、偏光素子１４を透過して光検出器１３へ向かう。
【００４３】
ところで、第２光照射部１２から照射されて偏光素子１４を透過した参照光Ｌ２２は、１／４波長板１７４を通り反射ミラー１７５で反射して進行方向が折り返され、１／４波長板１７４を再度通って偏光素子１４へ向かう。参照光Ｌ２２は、１／４波長板１７４を２回通ることにより偏光状態がＳ偏光に変化して偏光素子１４に入射し、偏光素子１４で反射する。偏光素子１４で反射した参照光Ｌ２２は、偏光素子１４を透過した測定光Ｌ２１と干渉して干渉光Ｌ２３になる。干渉光Ｌ２３のうちで偏光板１７６を通った光の光強度が光検出器１３により検出される。すなわち、偏光素子１４の偏光軸に対する旋光の、試料での屈折率変化に伴う位相変変化を検出することができる。
【００４４】
次に、図７、図８を参照しつつ、本発明に係る光ロックインアンプの肝要な機能について説明する。図７は、励起光の非照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図、図８は、励起光の照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図である。図７、図８中では、位相遅れ成分、位相進み成分、および液晶層に付加される位相バイアスを矢印にて概念的に示している。液晶層の位相バイアス（図中無地矢印）の両側に、位相遅れ成分と位相進み成分が振れている。
【００４５】
偏光板１７６に入射する干渉光Ｌ２３のうちで、偏光軸１７６Ａの軸方向に振動する成分は偏光板１７６を透過する。ここでは、説明の便宜上、位相変化を誇張して図示しているが、実際の位相変化はマイクロラジアン（１０−３ｒａｄ）オーダーである場合もある。
【００４６】
測定光Ｌ２１、参照光Ｌ２２は、偏光方向が互いに略直交した光であり、測定光Ｌ２１は偏光板１７６に入る前に試料Ｓを通過している。液晶層１５３を通過した測定光Ｌ２１の位相に応じて、干渉光Ｌ２３の振動面が変化するように、励起光Ｌ１１に同期して液晶層１５３に加える電圧を制御している。
【００４７】
図７に示すように、励起光Ｌ１１の非照射状態であって液晶層１５３による補償動作を行わない状態では、試料Ｓの屈折率が照射状態よりも小さい値になり、測定光Ｌ２１の位相が遅れる。その結果、干渉光Ｌ２３の偏光角が小さくなり、偏光板１７６を通過する光の光量が減少する。そこで液晶層１５３による補償動作を行い、測定光Ｌ２１の位相が遅れる分だけを液晶層１５３で位相を進めて相補的に動作させる。これにより、干渉光Ｌ２３の電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａと略一致するようになり、干渉光Ｌ２３が偏光板１７６を通り光検出器１３に到達する。このようにして、試料Ｓが非加熱に相当する状態であることが得られる。仮にノイズによって測定光Ｌ２１の位相が所定の位相になっていない場合には、所定値からの位相のずれに応じて電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａから外れるため、光検出器１３に到達する光の光量が減少する。すなわち、ノイズを含んだ光信号が光検出器１３により検出されにくくなる。
【００４８】
図８に示すように、励起光Ｌ１１の照射状態であって液晶層１５３による補償動作を行わない状態では、試料Ｓの屈折率が非照射状態よりも大きい値になり、測定光Ｌ２１の位相が進む。その結果、干渉光Ｌ２３の偏光角が小さくなり、偏光板１７６を通過する光の光量が減少する。そこで液晶層１５３による補償動作を行い、測定光Ｌ２１の位相が進む分だけ液晶層１５３で位相を遅らせて相補的に動作させる。これにより、干渉光Ｌ２３の電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａと略一致するようになり、干渉光Ｌ２３が偏光板１７６を通り光検出器１３に到達する。このようにして、試料Ｓが非加熱に相当する状態であることが得られる。仮にノイズによって測定光Ｌ２１の位相が所定の位相になっていない場合には、所定値からの位相のずれに応じて電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａから外れるため、光検出器１３に到達する光の光量が減少する。すなわち、ノイズを含んだ光信号が光検出器１３により検出されにくくなる。
【００４９】
以上のように、励起光Ｌ１１の照射状態または非照射状態に応じて、取り出す位相を選択することでロックイン（同期検波）ができ、光信号の状態でロックイン（同期検波）処理を実現することができる。また、旋光での方法に変えて、レーザー干渉そのものによる屈折率−位相変化の検出も可能である。以下、概略説明を行う。
【００５０】
試料Ｓを通り偏光素子１４から偏光板１７６へ向かう測定光Ｌ２１の電界成分ＥＳは、下記の式（１）で表され、偏光素子１４を透過して偏光板１７６へ向かう参照光Ｌ２２の電界成分ＥＲは下記の式（２）で表される。また、干渉光Ｌ２３の光強度Ｉは下記の式（３）で表される。
【００５１】
【数１】
【００５２】
式（１）、（２）中のａＳ、ａＲは振幅、ｆＳ、ｆＲは周波数、φＳ、φＲは位相を、それぞれ表す。式（３）中の角括弧は、時間平均を示す。式（３）から分かるように、光検出器１３で検出される光強度Ｉは、測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２との位相差（φＳ−φＲ）の関数である。測定光Ｌ２１の位相φＳは、試料Ｓの光学的距離に応じて変化する。換言すると、光強度Ｉの変化量を調べることにより、位相差（φＳ−φＲ）の変化が求まり、測定光Ｌ２１の位相φＳの変化量を知ることができる。得られた測定光Ｌ２１の位相φＳの変化量から試料Ｓの光学的距離の変化量が求まり、試料Ｓの屈折率の変化量が求まる。さらに、試料Ｓの屈折率の変化量から、試料Ｓでの検出対象物の濃度が求まる。式（３）からわかるように、位相差（φＳ−φＲ）が０となる付近で測定すると、位相差（φＳ−φＲ）の変化量に対する光強度Ｉの変化量が最大となり、検出精度を高めることができる。
【００５３】
図３（ａ）〜（ｃ）は検出対象物の濃度の違いによる、測定光と参照光との位相差の比較例を示す図である。ここでは、検出物対象物の濃度が１００％（図３（ａ））、５０％（図３（ｂ））、０％（図３（ｃ））の３状態での測定光の位相φＳ、参照光の位相φＲ、および位相差（φＳ−φＲ）の比較を概念的に図示している。
【００５４】
本例では、検出対象物の濃度が１００％であるときに位相差（φＳ−φＲ）が略０になるように、測定光Ｌ２１の光路長、および参照光Ｌ２２の光路長が設定されている。本例では、検出対象物の濃度が低くなるにつれて、位相φＳが０に近づき、位相差（φＳ−φＲ）が減少して位相差（φＳ−φＲ）の絶対値が増加する。
【００５５】
検出対象物の濃度を測定する場合には、例えば、検出対象物の濃度が既知である試料を用いて、予め、検出対象物の濃度と位相差（φＳ−φＲ）との対応関係を調べておく。そして、検出対象物の濃度が未知である試料の測定結果と、上記の対応関係とを比較することにより、検出対象物の濃度を知ることができる。
【００５６】
実際の測定では、図３（ａ）〜（ｃ）に示した略矩形状の波形にノイズがのっており、測定サイクル１つの結果のみで位相差（φＳ−φＲ）を求めることは難しい。本実施形態の光熱変換測定装置１によれば、複数の測定サイクルにわたり測定した干渉光の光強度の累積を求めることにより、ノイズの影響を減らすことができ、検出対象物を高精度に検出することができる。すなわち、本発明に係る光ロックイン技術により、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５７】
図４は、複数の測定サイクルにわたり干渉光の光強度を測定したときの、測定サイクル数に対する累積光強度の関係を示す概念図である。図４中の検量線Ａは、検出対象物の濃度が１００％である試料の検量線、検量線Ｂは検出対象物の濃度が０％である試料の検量線を示す。図４中の測定値を示すカーブは、検出対象物の濃度が未知である場合の測定結果を示す。
【００５８】
図４に示すように測定値のカーブは、測定サイクル数が比較的少ない場合（例えば１０〜１００）には、累積光強度に占めるノイズによる測定誤差の割合が高くなっている。測定サイクル数を増すにつれて、累積光強度に占める測定誤差の割合が低下する。これは、ノイズによる誤差がランダムである（例えば、誤差分布がガウス分布に従う）と仮定したときに、ノイズの累積値が０に近づくためである。換言すると、光強度の累積を求めることにより、上記の周波数ｆよりも高周波のノイズ成分をローパスフィルターにより除去した場合と同等の結果が得られる。
【００５９】
例えばｆ＝１ｋＨｚであれば、１０００サイクルの累積に１秒の時間が必要となる。ｆ＝１０ｋＨｚとすれば１０００サイクルは、０．１秒で終了する。このロックイン周波数ｆは、試料Ｓに応じて最適な値を選ぶとよい。もちろん１００サイクル以下で、検量線に収束すれば１００サイクル程度でもよいし、１０００サイクルでは足りない場合は、５０００サイクル、１万サイクルなどサイクル数を増やすことなど、適宜変えることが望ましい。
【００６０】
光熱変換測定装置１にあっては、非照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１が偏光素子１４に遮られて光検出器１３に検出されなくなる。このことは、非照射状態の試料を通った測定光を遮断することなく光検出器で検出したときの検出信号に、非照射状態に相当する期間で値が０となる信号を乗算する処理（位相敏感検出法）を施した場合と同等の結果が得られることを意味する。すなわち、通常のロックインアンプにおいて電気信号に対して電気回路を利用して行う処理を、光検出器１３に検出される前の光を対象として行うことができる。したがって、電気回路によるロックインアンプを利用する場合と比較して電気回路での二次的なノイズの発生を回避することができる。また、複数の測定サイクルにわたり累積光強度を求めることにより、ノイズによる誤差の割合を減らすことができるので、光検出器に求められるサンプリング周波数を下げることができ、装置コストを下げることも可能になる。以上のように、第１実施形態の光熱変換測定装置１によれば、Ｓ／Ｎ比を効果的に高めることができる。
【００６１】
また、マイケルソン干渉系を利用したヘテロダイン干渉法により干渉光Ｌ２３の光強度を検出しているので、測定光Ｌ２１の光強度を参照光Ｌ２２の光強度により実質的に増幅することができる。したがって、測定光Ｌ２１の光強度を高めなくともＳ／Ｎ比を向上させることができ、試料Ｓに対するダメージを減らすことができる。
【００６２】
なお、第１実施形態では、液晶層１５３のリタデーションが測定光Ｌ２１の１／４波長に設定されているが、液晶層１５３のリタデーションは適宜変更可能である。例えば、液晶層のリタデーションが測定光の１／２波長であり、偏光素子１４と試料Ｓとの間の測定光の光路に１／４波長板が追加されていてもよい。換言すると、液晶層１５３のリタデーションを１／４波長に設定することにより、１／４波長板を省くことができる。これにより、装置コストを下げることができ、また測定光Ｌ２１が通る界面の数が減ることにより波面の乱れを減らすことができる。
【００６３】
また、第２光照射部１２から偏光素子１４へ向かう光のうちで、偏光素子１４を透過した光を測定光に用いてもよい。いずれの構成であっても、非照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１が偏光素子１４により光検出器１３へ向かう光路から遮断されるとともに、照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１が偏光素子１４を経て光検出器１３へ向かうようになっていればよい。
【００６４】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態の光熱変換測定装置について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、マイケルソン干渉系に代えてマッハツェンダー干渉系を採用している点である。第２実施形態の説明において、第１実施形態と同様の構成については第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
図５は、第２実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
図５に示す光熱変換測定装置１Ｂは、第１光照射部１１、第２光照射部１２Ｂ、光検出器１３、偏光素子１４、偏光調整部１５Ｂ、および制御部１６を備えている。これら各種構成要素の間で光を導く光学部品として、ダイクロイックミラー１７１、集光レンズ１７２、反射ミラー１７３、１／４波長板１７４Ｂ、偏光分離素子１７５Ｂ、および偏光板１７６が設けられている。偏光調整部１５Ｂは、第２光照射部１２Ｂにおける測定光Ｌ２１の光路内に配置されている。第２光照射部１２Ｂ、偏光素子１４、および偏光分離素子１７５Ｂによりマッハツェンダー干渉系が構成されている。
【００６６】
第２光照射部１２Ｂは、測定用光源１２１、偏光分離素子１２２、音響光学変調器１２４、１２５、および反射ミラー１２６を含んでいる。測定用光源１２１から射出されたレーザー光Ｌ２０のうちのＳ偏光（参照光Ｌ２２）は、偏光分離素子１２２で反射して音響光学変調器１２５に入射した後に、音響光学変調器１２５を通って偏光分離素子１７５Ｂに入射する。
【００６７】
測定用光源１２１から射出されたレーザー光Ｌ２０は、偏光分離素子１２２に入射する。レーザー光Ｌ２０のうちのＰ偏光（測定光Ｌ２１）は、偏光分離素子１２２を透過して、偏光調整部１５Ｂに入射する。偏光調整部１５Ｂを通った測定光Ｌ２１は、反射ミラー１２６で反射した後に偏光素子１４に入射する。
【００６８】
第２実施形態の偏光調整部１５Ｂは、液晶層１５３Ｂのリタデーションが測定光Ｌ２１の１／２波長に設定されている点を除くと、第１実施形態と同様である。偏光調整部１５Ｂは制御部１６に制御されており、試料Ｓが非照射状態であるときに、駆動部１５４が液晶層１５３Ｂに電界を印加しないので、液晶層１５４を通った測定光Ｌ２１は、偏光状態がＰ偏光からほとんど変化しない。すなわち、試料Ｓが非照射状態であるときに、光調整部１５Ｂから射出された測定光Ｌ２１は、音響光学変調器１２４を通った後に偏光素子１４を透過する。これにより、測定光Ｌ２１が、偏光素子１４から試料Ｓへ向かう光路から遮断され、結果として偏光素子１４から光検出器１３へ向かう光路から遮断される。
【００６９】
試料Ｓが照射状態であるときに、駆動部１５４が液晶層１５３Ｂに電界を印加し、液晶層１５３Ｂを通った測定光Ｌ２１の偏光状態がＰ偏光からＳ偏光に変化する。試料Ｓが照射状態であるときに、光調整部１５Ｂから射出された測定光Ｌ２１は、音響光学変調器１２４を通った後に、偏光素子１４で反射して試料Ｓへ向かう。偏光素子１４で反射した測定光Ｌ２１は、１／４波長板１７４Ｂを通ることにより、偏光状態がＳ偏光から略円偏光に変化する。１／４波長板１７４Ｂを通った測定光Ｌ２１は、ダイクロイックミラー１７１および集光レンズ１７２を通って、照射状態の試料Ｓに入射する。照射状態の試料Ｓに入射した測定光Ｌ２１は、反射ミラー１７３で反射して進行方向が折り返される。反射ミラー１７３で反射した測定光Ｌ２１は、集光レンズ１７２およびダイクロイックミラー１７１を通って、１／４波長板１７４Ｂに再度入射して、偏光状態が略円偏光からＰ偏光に変化する。偏光状態がＰ偏光になった測定光Ｌ２１は、偏光素子１４を透過して光検出器１３へ向かう。
【００７０】
一方、第２光照射部１２Ｂから射出された参照光Ｌ２２は、偏光分離素子１７５Ｂで反射して光検出器１３へ向かう。偏光分離素子１７５Ｂから光検出器１３へ向かう測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２は、偏光板１７６上で干渉して干渉光Ｌ２３となる。以下、第１実施形態と同様に、干渉光Ｌ２３の光強度が光検出器１３により検出される。
【００７１】
すなわち、偏光素子の偏光軸に対する旋光での屈折率−位相変化の検出を行っている。第２実施形態でも第１実施形態と同様に、旋光での方法に変えて、レーザー干渉そのものによる屈折率−位相変化の検出も可能である。これによって、複数の測定サイクルにわたり測定した干渉光の光強度の累積を求めることにより、ノイズの影響を減らすことができ、検出対象物を高精度に検出することができる。
【００７２】
第２実施形態の光熱変換測定装置１Ｂにあっては、第１実施形態と同様の理由により、Ｓ／Ｎ比を効果的に高めることができる。また、励起光Ｌ１１の非照射状態の試料Ｓに測定光Ｌ２１が入射しないので、光入射による試料Ｓへのダメージが低減される。
【００７３】
［第３実施形態］
次に、図６を参照しつつ、第３実施形態の光熱変換測定装置について説明する。第３実施形態が第１、第２実施形態と異なる点は、偏光状態が調整された参照光と測定光とが干渉した干渉光を光検出器により検出して、試料の光熱効果を測定する点である。第３実施形態の説明においては、第１実施形態または第２実施形態と同様の構成についてはそれぞれ同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
図６は、第３実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
図６に示す光熱変換測定装置１Ｃは、第１光照射部１１と、第２光照射部１２Ｃ、光検出器１３、偏光素子１４Ｃ、偏光調整部１５、制御部１６Ｃ、および偏光分離素子１７Ｃを備えている。これら各種構成要素の間で光を導く光学部品として、ダイクロイックミラー１７１、集光レンズ１７２、反射ミラー１７３Ｃ、１７４Ｃ、偏光分離素子１７５Ｃが設けられている。反射ミラー１７４Ｃおよび偏光分離素子１７５Ｃにより、干渉光学系が構成されている。
【００７５】
第２光照射部１２Ｃは、例えば第１、第２実施形態の測定用光源１２１により構成され、レーザー光Ｌ２０を射出する。第２光照射部１２Ｃから射出されたレーザー光Ｌ２０は、偏光分離素子１７Ｃに入射する。偏光分離素子１７Ｃは、ＰＢＳプリズムにより構成されており、レーザー光Ｌ２０をＳ偏光（測定光Ｌ２１）とＰ偏光（参照光Ｌ２２）とに分離する。
【００７６】
偏光分離素子１７Ｃから射出された測定光Ｌ２１は、反射ミラー１７３で反射した後に、ダイクロイックミラー１７１および集光レンズ１７２を通って試料Ｓに入射する。試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、反射ミラー１７４Ｃで反射して偏光分離素子１７５Ｃに入射する。偏光分離素子１７Ｃから射出された参照光Ｌ２２は、偏光調整部１５を通って偏光分離素子１７５Ｃに入射する。
【００７７】
励起光Ｌ１１の非照射状態で、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る測定光Ｌ２１の光路長（光学的距離）と、参照光Ｌ２２の光路長（光学的距離）との差分が、レーザー光Ｌ２０の波長の整数倍になるように、偏光分離素子１７５Ｃが配置されている。例えば、試料Ｓが光路内に配置されていないときの、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２の光路長の差分が、レーザー光Ｌ２０の波長の整数倍になるように各種構成要素を配置する。そして、光路内に試料Ｓを配置するときに、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る参照光Ｌ２２の光路に、ダミーの試料（図示略）を配置して測定を行う。ダミーの試料は、非照射状態の試料Ｓと光学的距離が略同じものであり、例えば試料Ｓから検出対象物を除いたものである。
【００７８】
偏光分離素子１７５Ｃに入射した測定光Ｌ２１は、偏光分離素子１７５Ｃで反射して偏光素子１４Ｃへ向かう。偏光分離素子１７５Ｃに入射した参照光Ｌ２２は、偏光分離素子１７５Ｃを透過して偏光素子１４Ｃへ向かう。偏光分離素子１７Ｃから偏光素子１４Ｃへ向かう測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２とが互いに干渉して、干渉光Ｌ２３になり、偏光素子１４Ｃに入射する。
【００７９】
本実施形態の偏光素子１４Ｃは、偏光板により構成されている。偏光素子１４Ｃの吸収軸は、励起光Ｌ１１の非照射状態での干渉光Ｌ２３の偏光方向と略一致している。ここでは、励起光Ｌ１１の非照射状態で試料Ｓを通った測定光Ｌ２１がＳ偏光（偏光方向が図６中のＹ方向）になっており、偏光調整部１５を通った参照光Ｌ２２がＰ偏光（偏光方向が図６中のＸ方向）になっている。
【００８０】
上記のように、励起光Ｌ１１の非照射状態で、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２の光路長の差分が、レーザー光Ｌ２０の波長の整数倍になっているので、偏光分離素子１７５Ｃの偏光分離面を通った測定光Ｌ２１の位相と参照光Ｌ２２の位相が同じになる。したがって、干渉光Ｌ２３は、測定光Ｌ２１の偏光方向および参照光Ｌ２２の偏光方向と略４５°の角度をなす略直線偏光になる。この直線偏光の偏光方向が、偏光素子１４Ｃの吸収軸と一致するようになっている。
【００８１】
偏光調整部１５は、第１実施形態と同様のものであり、液晶層１５３に印加する電圧、および液晶層に電圧を印加するタイミングが制御部１６Ｃにより制御される。
【００８２】
試料Ｓが非照射状態であるときに、液晶層１５３を通る参照光Ｌ２２の偏光状態が変化しないように、液晶層１５３の配向状態および液晶層１５３に印加される電圧が設定されている。本実施形態の液晶層１５３は、誘電異方性が負の液晶材料からなる垂直配向（ＶＡ）モードの液晶層である。試料Ｓが非照射状態であるときに、透明電極１５１、１５２は同電位になっており、液晶層１５３に電界を印加しないようになっている。
【００８３】
制御部１６Ｃは、第１光照射部１１に対して供給したパルス信号と同じ周波数ｆのパルス信号を同期信号として駆動部１５４に供給する。駆動部１５４は、このパルス信号に基づいて、液晶層１５３に電圧を印加する。すると、液晶層１５３が屈折率の異方性を発現し、液晶層１５３を通った参照光Ｌ２２の偏光状態が、Ｐ偏光から印加電圧に応じた楕円偏光に変化する。液晶層１５３のＸ方向の屈折率の変化に伴って、上記の楕円偏光のうちでＸ方向を振幅方向とする電界成分の位相が変化する。
【００８４】
励起光Ｌ１１の照射状態で、偏光分離素子１７５Ｃに入射した参照光Ｌ２２（楕円偏光）のうちで、Ｐ偏光すなわちＸ方向を振幅方向とする電界成分が偏光分離素子１７５Ｃを透過する。励起光Ｌ１１の照射状態で、試料Ｓを通った測定光Ｌ２１の位相は、試料Ｓの光熱効果により変化している。励起光Ｌ１１の非照射状態では、偏光分離素子１７５Ｃの偏光分離面を通った測定光Ｌ２１の位相が、参照光Ｌ２２の位相とずれることになる。すなわち、偏光素子１４Ｃに入射する干渉光Ｌ２３の偏光状態が楕円偏光になり、この楕円偏光の透過軸方向の電界成分が偏光素子１４Ｃを透過して、光検出器１３に検出される。
【００８５】
制御部１６Ｃは、光検出器１３から干渉光Ｌ２３の光強度の検出結果を受け取る。この検出結果に基づいて、制御部１６Ｃは、干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃ透過しないように、駆動部１５４を制御して液晶層１５３に印加される電圧を調整する。励起光Ｌ１１の照射状態であって干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃ透過しない状態では、光熱効果により屈折率が変化した試料Ｓを通ることにより位相が変化した測定光Ｌ２１の位相が、液晶層１５３を通ることより位相が変化した参照光Ｌ２２の位相と同じになる。
【００８６】
ところで、液晶層１５３に印加される電圧と液晶層１５３の屈折率との対応関係については予め調べておくことができる。したがって、励起光Ｌ１１の照射状態で上記のように調整された電圧と上記の対応関係とを比較することにより、励起光Ｌ１１の照射状態での液晶層１５３の屈折率が分かり、励起光Ｌ１１の照射状態での試料Ｓの屈折率を知ることができる。
【００８７】
第３実施形態の光熱変換測定装置１Ｃにあっては、非照射状態において、干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃに遮られて光検出器１３に検出されなくなる。したがって、照射状態において、干渉光Ｌ２３のうちの偏光素子１４Ｃからの漏れ光を光検出器１３により検出しやすくなり、干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃを透過しないように液晶層１４に印加する電圧を高精度に求めることができる。これにより、試料Ｓの光熱効果を高精度かつ効率的に測定することが可能になる。
【００８８】
また、第３実施形態でも第１実施形態および第２実施形態同様に、旋光での方法に変えて、レーザー干渉そのものによる屈折率−位相変化の検出も可能である。これによって、複数の測定サイクルにわたり測定した干渉光の光強度の累積を求めることにより、ノイズの影響を減らすことができ、検出対象物を高精度に検出することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１、１Ｂ、１Ｃ・・・光熱変換測定装置、１１・・・第１光照射部、
１２、１２Ｂ、１２Ｃ・・・第２光照射部、１３・・・光検出器、１４・・・偏光素子、
１５、１５Ｂ・・・偏光調整部、１６・・・制御部、１１１・・・励起用光源、
１１２・・・光チョッパー、１２１・・・測定用光源、
１２２、１２３・・・偏光分離素子、１２４、１２５・・・音響光学変調器、
１２６、１２７・・・反射ミラー、１５１、１５２・・・透明電極、
１５３、１５３Ｂ・・・液晶層、１５４・・・駆動部、
１７１・・・ダイクロイックミラー、１７２・・・集光レンズ、
１７３、１７３Ｃ、１７４Ｃ・・・反射ミラー、１７４、１７４Ｂ・・・１／４波長板、１７５・・・反射ミラー、１７５Ｂ、１７５Ｃ・・・偏光分離素子、
１７６・・・偏光板、Ｌ１０・・・レーザー光、Ｌ１１・・・励起光、
Ｌ２０・・・レーザー光、Ｌ２１・・・測定光、Ｌ２２・・・参照光、
Ｌ２３・・・干渉光、Ｓ・・・試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光熱変換測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光熱効果を利用して、試料に含まれる検出対象物質等を検出する光熱変換測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。光熱変換測定装置は、励起光が照射された試料に検体光を照射し、試料を通った検体光を光検出器により検出する。試料に励起光が照射されると、検出対象物質が励起光を吸収して発熱する。この熱により試料が加熱されて、試料に屈折率の変化を生じる。屈折率が変化する前後で試料を通った検体光の位相が変化するので、この位相の変化量を光検出器の検出結果から求めることにより、例えば試料に含まれる検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０００３】
光熱変換測定装置には、分析感度の向上が期待されている。分析感度が向上すると、試料の量を減らすことや、試料の濃縮処理を簡素化すること、測定精度が向上することにより測定回数を減らすこと等が可能になる。分析感度を向上させるには、有意な信号とノイズとの比率（Ｓ／Ｎ）比を高めることが重要である。
【０００４】
Ｓ／Ｎ比を高める技術として、特許文献１、２に開示されている技術が挙げられる。
特許文献１では、励起光として、光チョッパーにより周期的に強度変調された光を用いている。この励起光が照射された試料を通ったプローブ光（測定光）は、光検出器により検出される。光検出器による検出信号は、ロックインアンプに入力される。ロックインアンプにより、励起光の変調周波数に相当する周波数成分の出力が増幅されることによりＳ／Ｎ比を高めることができる。
【０００５】
特許文献２では、特許文献１と同様に、周期的に強度変調された光を励起光として用いている。信号処理装置によって、その強度変調周期と同周期成分の位相変化を測定してＳ／Ｎ比を向上させている。検体光を反射ミラーで試料に往復通過させることにより、試料の屈折率の変化を高感度で測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２７７９５７号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１、２の技術にあっては、次に説明するように、Ｓ／Ｎ比の向上を図る上で改善の余地がある。
特許文献１で用いるロックインアンプは、例えば入力信号のＤＣ成分除去回路、極性反転回路、および積分回路等の電気回路により構成される。また、光信号は光センサにより電気信号に変換される。この際に、光センサ自体もノイズを発生し、シグナルに重畳することになりシグナルが劣化する。さらに、このように検出信号を処理する電気回路が複雑になると、電気的なノイズが二次的に発生して検出信号に付加されるおそれがある。
【０００８】
特許文献２では、検体光の位相差の変化を、励起光の強度変調周期と同周期成分について算出すれば、周波数の成分を有しないノイズの影響を除去しつつ試料の屈折率変化のみを測定できる、とされている。特許文献２の技術を実現するには、例えば検出信号に対してフーリエ変換等を利用した周波数解析を行うことにより、各周波数成分の強度分布を調べる。そして、励起光の強度変調と同じ周波数成分以外の周波数成分についてはノイズとみなして、電気信号をフィルタリングすることにより、ノイズ成分を除去する。このような手法を用いるには、ノイズ成分の周波数解析が可能な程度に、光検出器のサンプリング周波数を高める必要があり、装置コストが増加するおそれがある。周波数解析を行う手法に代えて電気回路により構成されたロックインアンプを利用する場合には、特許文献１と同様に電気的なノイズが付加されるおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上させることが可能な光熱変換測定装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記の目的を達成するために以下の手段を採用している。
本発明の第１の光熱変換測定装置は、所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、前記試料に測定光を照射する第２光照射部と、前記試料を通った前記測定光を検出する光検出器と、前記光検出器と前記第２光照射部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、前記偏光素子に入射する前記測定光の偏光状態を調整する偏光調整部と、前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光調整部に入射した前記測定光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、励起光の光強度が極小である期間に、偏光調整部に入射した測定光が所定の偏光状態になるように、制御部が偏光調整部と前記第１光照射部とを所定の周波数で同期制御するので、励起光の光強度が極小である期間に試料を通った光は、光検出器へ向かう光路から偏光素子により遮断される。したがって、測定期間のうちで試料に光熱効果が顕著に発現している期間に試料を通った測定光が選択されて光検出器に入射することになり、測定期間のうちで光熱効果を示す有意な検出結果が得られる期間を選択して測定光を光検出器により検出することができる。よって、光検出器による検出量のうちで光熱効果を示す有意な検出量の占める割合を増すことができ、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【００１２】
このような光熱変換測定装置により、励起光の光強度が変化する複数の周期にわたり測定を行うと、励起光の光強度が変化する周波数と異なる周波数のノイズが平均化されて除去される。すなわち、本発明では、同期検波と呼ばれる手法を光信号の段階で行っていることになる（以降、本発明でのこの技術を光ロックインと呼ぶ）。これにより、例えば電気回路により構成されたロックインアンプを用いなくともノイズを除去することができるので、電気回路にて電気的なノイズが二次的に発生してＳ／Ｎ比が低下することが回避される。また、光信号を同期検波することでＤＣに近い低周波数成分の信号に変換できる。従って、検出器の検出結果に対して周波数解析を行わなくともノイズを減らすことができ、光検出器のサンプリング周波数を下げることもできる。以上のように、本発明の光熱変換測定装置によれば、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上させることが可能になる。
【００１３】
本発明の第１の光熱変換測定装置において、前記光検出器は、前記試料を通っていない参照光と、前記偏光素子を経て前記光検出器へ向かう前記測定光とが干渉した干渉光の光強度を検出するとよい。
【００１４】
このようにすれば、試料を通っていない参照光と試料を通った測定光とが干渉した干渉光の光強度に試料での光学的距離の変化が反映されるので、光熱効果による試料の屈折率の変化を効率的に検出することができる。
【００１５】
本発明の第１の光熱変換測定装置において、前記偏光素子は、前記第２光照射部から射出された光を偏光方向が互いに異なる第１偏光と第２偏光とに分離する偏光分離素子により構成されており、前記第１偏光が前記測定光であり、前記第２偏光が前記参照光であるとよい。
【００１６】
このようにすれば、第２光照射部から射出された光を、偏光素子を利用して測定光と参照光とに分離するので、参照光用の光源等を追加する必要性や第２光照射部から射出された光を分離する光学部品を追加する必要性が低くなり、シンプルな構成の光熱変換測定装置にすることができる。
【００１７】
本発明の第２の光熱変換測定装置は、所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、前記試料に照射される測定光を含んだ光を射出する第２光照射部と、前記第２光照射部と前記試料との間の光路に配置され、前記第２光照射部から射出された光を前記測定光と、前記測定光とは偏光方向が異なる参照光とに分離する偏光分離素子と、前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系と前記偏光分離素子との間の前記参照光の光路に設けられ、前記参照光の偏光状態を調整することにより前記参照光と前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態を調整する偏光調整部と、前記干渉光学系から射出された前記干渉光を検出する光検出部と、前記干渉光学系と前記光検出部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光素子に入射する前記干渉光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
このようにすれば、偏光調整部が干渉光の偏光状態を所定の偏光状態に調整するので、結果として、測定光が、偏光素子から検出器へ向かう光路から遮断される。したがって、測定光自体の偏光状態を調整しなくとも、励起光の光強度が極小である期間に試料を通った測定光の影響を光検出器の測定結果から除くことができ、測定光の偏光状態を調整することによる測定光の波面の乱れの発生を回避することができる。
【００１９】
本発明の第２の光熱変換測定装置において、前記偏光調整部は、屈折率異方性を有する液晶層を含んでおり、前記励起光の光強度が極小である第１期間に、前記液晶層を通った前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記液晶層の配向状態と前記第１期間に前記液晶層に印加される電圧とが設定され、かつ前記励起光の光強度が極小となった後に次に極小となるまでの第２期間に、前記液晶層を通った前記参照光と前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記制御部が前記光検出器の検出結果に基づいて前記液晶層に印加される電圧を調整するとよい。
【００２０】
このようにすれば、光熱効果を発現しているときの試料の屈折率と関係性を有する値として、干渉光が所定の偏光状態になるように液晶層に電圧を印加したときの電圧を知ることができる。所定の液晶層に電圧を印加したときの、電圧と液晶層の屈折率との対応関係については予め調べておくことができ、この対応関係と干渉光が所定の偏光状態になる電圧とを比較することにより、光熱効果を発現しているときの試料の屈折率を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１光照射部および偏光調整部の動作タイミングと、偏光素子で測定光の透過／反射（遮断）が切替わるタイミングとの関係性を示すタイミングチャートである。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、検出対象物の濃度の違いによる測定光と参照光との位相差の比較例を示す図である。
【図４】測定サイクル数に対する累積光強度の関係を示す概念図である。
【図５】第２実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図６】第３実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】励起光の非照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図である。
【図８】励起光の照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせている場合がある。また、実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある。なお、本発明の技術範囲は下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図、図２は第１光照射部および偏光調整部の動作タイミングと、偏光素子で測定光の透過／反射（遮断）が切替わるタイミングとの関係性を示すタイミングチャートである。
【００２４】
図１に示す光熱変換測定装置１は、第１光照射部１１、第２光照射部１２、光検出器１３、偏光素子１４、偏光調整部１５、制御部１６を備えている。これら各種構成要素の間で光を導く光学部品として、ダイクロイックミラー１７１、集光レンズ１７２、反射ミラー１７３、１／４波長板１７４、反射ミラー１７５、および偏光板１７６が設けられている。第２光照射部１２、偏光素子１４、１／４波長板１７４、および反射ミラー１７５によりマイケルソン干渉系が構成されている。
【００２５】
光熱変換測定装置１は、概略すると以下のように動作する。
第１光照射部１１は、試料Ｓに励起光Ｌ１１を断続的に照射する。試料Ｓは、例えば検出対象物質を分散（または溶解）させた分散液（または溶液）である。検出対象物質は、励起光Ｌ１１を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換する。試料Ｓは、検出対象物質の濃度に応じた量の熱エネルギーを受け取り昇温する。試料Ｓの昇温に伴って試料Ｓの密度が変化することにより、検出対象物質に濃度に応じた変化量だけ試料Ｓの屈折率が変化する。
【００２６】
第２光照射部１２は、偏光調整部１５を介して試料Ｓに測定光Ｌ２１を照射する。制御部１６は、偏光調整部１５を第１光照射部１１と同期させて制御し、偏光調整部１５は測定光Ｌ２１の偏光状態を調整する。励起光Ｌ１１が照射されていない状態（以下、非照射状態という）の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光素子１４に遮られて光検出器１３へ向かう光路から除去される。励起光Ｌ１１が照射されている状態（以下、照射状態という）の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光素子１４を透過して光検出器１３へ向かう。
【００２７】
偏光素子１４を透過した測定光Ｌ２１は、マイケルソン干渉系にて参照光Ｌ２２と干渉して干渉光Ｌ２３になる。干渉光Ｌ２３のうちで偏光板１７６を通った光が、光検出器１３により検出される。光検出器１３の検出結果から測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２との位相差が求まり、この位相差により測定光Ｌ２１の光路長の変化量、すなわち試料Ｓの屈折率の変化量に関する測定量が得られる。この測定量から、例えば試料Ｓに含まれる検出対象物の濃度が求まる。
【００２８】
次に、光熱変換測定装置１の構成要素について説明する。
第１光照射部１１は、励起用光源１１１および光チョッパー１１２を含んでいる。励起用光源１１１は、例えばＹＡＧレーザー光源により構成され、レーザー光Ｌ１０として出力が１００ｍＷの二次高調波（波長５３３ｎｍ）を射出する。制御部１６は、発振器等を含んで構成され、周波数ｆのパルス信号を同期信号として光チョッパー１１２に供給する。このパルス信号に基づいて、光チョッパー１１２は、レーザー光Ｌ１０を第１光照射部１１から断続的に射出される励起光Ｌ１１に変換する。
【００２９】
図２に示すように、励起光Ｌ１１が射出されている期間（図４中の強）と、励起光Ｌ１１が射出されない期間（図４中弱）とが組となり、測定の１単位の期間（測定サイクル）になっている。測定サイクルの周期Ｔは、１／ｆである。このように、第１光照射部１１は、制御部１６に制御されて、光強度が周波数ｆで変化する励起光Ｌ１１を射出する。
【００３０】
図１の説明に戻り、第１光照射部１１から射出された励起光Ｌ１１は、ダイクロイックミラー１７１に入射する。ダイクロイックミラー１７１は、励起光Ｌ１１を反射させるとともに測定光Ｌ２１を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー１７１で反射した励起光Ｌ１１は、集光レンズ１７２の光軸と略平行な方向へ進行して集光レンズ１７２に入射する。励起光Ｌ１１は、集光レンズ１７２で屈折して、集光レンズ１７２の焦点に配置された試料Ｓに向かって進行する。試料Ｓへ入射した励起光Ｌ１１は、上記のように試料Ｓを検出対象の濃度に応じた分だけ加熱する。試料Ｓに吸収されなかった励起光Ｌ１１は、試料Ｓと偏光調整部１５との間の測定光Ｌ２１の光路から除かれる。
【００３１】
第２光照射部１２は、測定用光源１２１、偏光分離素子１２２、１２３、音響光学変調器１２４、１２５、および反射ミラー１２６、１２７を含んでいる。測定用光源１２１は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザー光源により構成され、波長が６３３ｎｍ、出力が１ｍＷのレーザー光Ｌ２０を射出する。レーザー光Ｌ２０は、下記の偏光素子１４に対するＰ偏光およびＳ偏光を含んでいる。以下の説明では、偏光素子１４に対するＰ偏光を単にＰ偏光と称し、偏光素子１４に対するＳ偏光を単にＳ偏光という。測定用光源１２１から射出されたレーザー光Ｌ２０は、偏光分離素子１２２に入射する。
【００３２】
偏光分離素子１２２、１２３は、偏光ビームスプリッタープリズム（以下、ＰＢＳという）やワイヤーグリッド偏光素子（以下、ＷＧ素子という）等により構成され、ここではＰＢＳプリズムにより構成されている。レーザー光Ｌ２０のうちのＰ偏光は、偏光分離素子１２２を透過して音響光学変調器１２４に入射する。レーザー光Ｌ２０のうちのＳ偏光は、偏光分離素子１２２で反射して音響光学変調器１２５に入射する。本実施形態では、偏光分離素子１２２を透過したＰ偏光を測定光Ｌ２１として用いるとともに、偏光分離素子１２２で反射したＳ偏光を参照光Ｌ２２として用いる。
【００３３】
音響光学変調器１２４、１２５は、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等により構成され、入射した光の周波数をシフトさせることが可能である。音響光学変調器１２４、１２５は、光ヘテロダイン干渉法と呼ばれる技術を実現する上で、必要に応じて測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２とで周波数を異ならせる。音響光学変調器１２４を通った測定光Ｌ２１は、反射ミラー１２６で反射して偏光分離素子１２３に入射し、偏光分離素子１２３を透過して偏光素子１４に入射する。音響光学変調器１２５を通った参照光Ｌ２２は、反射ミラー１２７で反射して偏光分離素子１２３に入射し、偏光分離素子１２３で反射して測定光Ｌ２１と同じ方向に進行した後に、偏光素子１４に入射する。
【００３４】
偏光素子１４は、第２光照射部１２から射出された測定光Ｌ２１が光検出器１３に至る光路に配置されている。偏光素子１４は、ＰＢＳプリズムやＷＧ素子により構成され、ここではＰＢＳプリズムにより構成されている。偏光素子１４は、偏光分離面（偏光ビームスプリッター膜）に対するＰ偏光を透過させ、偏光分離面に対するＳ偏光（所定の偏光状態の光）を反射させる特性を有している。本実施形態では、偏光素子１４の偏光分離面は、偏光分離素子１２３から偏光素子１４へ向かう光の光路に対して略４５°の角度をなしている。測定光Ｌ２１は、偏光素子１４で反射して偏光調整部１５に入射する。参照光Ｌ２２は、偏光素子１４を透過して、測定光Ｌ２１から分離される。
【００３５】
本実施形態の偏光調整部１５は、透明電極１５１、１５２、液晶層１５３、および駆動部１５４を含んでいる。液晶層１５３は、透明電極１５１、１５２の間に設けられている。駆動部１５４は、透明電極１５１、１５２に電圧を印加することにより、液晶層１５３に電界を印加する。
【００３６】
液晶層１５３は、電界が印加されていないときの配向状態が制御されている。本実施形態の液晶層１５３は、誘電異方性が負の液晶材料からなる垂直配向（ＶＡ）モードの液晶層である。液晶層１５３の厚み方向に直交する面内での屈折率は、電界非印加時に等方性になり、電界印加時に異方性になる。液晶層１５３のリタデーションは、測定光Ｌ２１の略１／４波長に設定されている。
【００３７】
すなわち、電界印加時の液晶層１５３において、その厚みに直交する面内で屈折率が最大となる方向を遅相軸方向とし、屈折率が最小となる方向を進相軸方向としたときに、液晶層１５３を通る光のうちで進相軸方向の偏光成分は、遅相軸方向の偏光成分に対して位相がπ／２だけ進むことになる。進相軸方向および遅相軸方向は、いずれも測定光Ｌ２１の偏光方向と交差する方向に設定される。
【００３８】
制御部１６は、第１光照射部１１に対して供給したパルス信号と同じ周波数ｆのパルス信号を同期信号として駆動部１５４に供給する。駆動部１５４は、このパルス信号に基づいて、液晶層１５３に電界を印加する。これにより、図２に示すように駆動部１５４は、励起光Ｌ１１と同じ周波数ｆで液晶層１５３に電界を印加する。また、駆動部１５４は、試料Ｓに励起光Ｌ１１が照射されている期間と略一致する期間に、液晶層１５３に電界を印加する。すなわち、試料Ｓが照射状態であるときに偏光調整部１５に入射した測定光Ｌ２１は、偏光状態がＳ偏光から略円偏光へ変化する。また、試料Ｓが非照射状態であるときに偏光調整部１５に入射した測定光Ｌ２１は、偏光状態がＳ偏光からほとんど変化しない。
【００３９】
図１の説明に戻り、偏光調整部１５から射出された測定光Ｌ２１は、ダイクロイックミラー１７１を透過して集光レンズ１７２へ入射する。ここでは、ダイクロイックミラー１７１から集光レンズ１７２へ向かう測定光Ｌ２１の光線束の中心軸が、集光レンズ１７２の光軸と略一致している。集光レンズ１７２を通った測定光Ｌ２１は、集光レンズ１７２の焦点に配置された試料Ｓに向かって進行する。ダイクロイックミラー１７１から集光レンズ１７２へ向かう励起光Ｌ１１および測定光Ｌ２１の進行方向が、いずれも集光レンズ１７２の光軸と略平行になっているので、試料Ｓでの測定光Ｌ２１の入射位置が試料Ｓでの励起光Ｌ１１の入射位置と略同じになる。
【００４０】
試料Ｓの光入射側の裏面側には、反射ミラー１７３が設けられている。試料Ｓに入射した測定光Ｌ２１は、試料Ｓを通って反射ミラー１７３で反射する。反射ミラー１７３で反射した測定光Ｌ２１は、試料Ｓ、集光レンズ１７２、ダイクロイックミラー１７１をそれぞれ再度通って、偏光調整部１５に再度入射する。試料Ｓの光学的距離は、試料Ｓの屈折率と厚みとの積で表され、光熱効果により変化する。
【００４１】
非照射状態の試料Ｓを通って偏光調整部１５へ入射した測定光Ｌ２１は、液晶層１５３に電界が印加されていないことにより、偏光状態がＳ偏光からほとんど変化しないで偏光調整部１５から射出される。照射状態の試料Ｓを通って偏光調整部１５へ入射した測定光Ｌ２１は、液晶層１５３に電界が印加されていることにより、偏光状態が略円偏光からＰ偏光へ変化して、偏光調整部１５から射出される。
【００４２】
試料Ｓを通った後に偏光調整部１５から射出された測定光Ｌ２１は、偏光素子１４に入射する。非照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光状態がＳ偏光になっていることにより、偏光素子１４で反射して光検出器１３へ向かう光路から遮断される（図２参照）。一方、照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、偏光状態がＰ偏光になっていることにより、偏光素子１４を透過して光検出器１３へ向かう。
【００４３】
ところで、第２光照射部１２から照射されて偏光素子１４を透過した参照光Ｌ２２は、１／４波長板１７４を通り反射ミラー１７５で反射して進行方向が折り返され、１／４波長板１７４を再度通って偏光素子１４へ向かう。参照光Ｌ２２は、１／４波長板１７４を２回通ることにより偏光状態がＳ偏光に変化して偏光素子１４に入射し、偏光素子１４で反射する。偏光素子１４で反射した参照光Ｌ２２は、偏光素子１４を透過した測定光Ｌ２１と干渉して干渉光Ｌ２３になる。干渉光Ｌ２３のうちで偏光板１７６を通った光の光強度が光検出器１３により検出される。すなわち、偏光素子１４の偏光軸に対する旋光の、試料での屈折率変化に伴う位相変変化を検出することができる。
【００４４】
次に、図７、図８を参照しつつ、本発明に係る光ロックインアンプの肝要な機能について説明する。図７は、励起光の非照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図、図８は、励起光の照射状態での旋光の位相と光強度の関係を示す概念図である。図７、図８中では、位相遅れ成分、位相進み成分、および液晶層に付加される位相バイアスを矢印にて概念的に示している。液晶層の位相バイアス（図中無地矢印）の両側に、位相遅れ成分と位相進み成分が振れている。
【００４５】
偏光板１７６に入射する干渉光Ｌ２３のうちで、偏光軸１７６Ａの軸方向に振動する成分は偏光板１７６を透過する。ここでは、説明の便宜上、位相変化を誇張して図示しているが、実際の位相変化はマイクロラジアン（１０−３ｒａｄ）オーダーである場合もある。
【００４６】
測定光Ｌ２１、参照光Ｌ２２は、偏光方向が互いに略直交した光であり、測定光Ｌ２１は偏光板１７６に入る前に試料Ｓを通過している。液晶層１５３を通過した測定光Ｌ２１の位相に応じて、干渉光Ｌ２３の振動面が変化するように、励起光Ｌ１１に同期して液晶層１５３に加える電圧を制御している。
【００４７】
図７に示すように、励起光Ｌ１１の非照射状態であって液晶層１５３による補償動作を行わない状態では、試料Ｓの屈折率が照射状態よりも小さい値になり、測定光Ｌ２１の位相が遅れる。その結果、干渉光Ｌ２３の偏光角が小さくなり、偏光板１７６を通過する光の光量が減少する。そこで液晶層１５３による補償動作を行い、測定光Ｌ２１の位相が遅れる分だけを液晶層１５３で位相を進めて相補的に動作させる。これにより、干渉光Ｌ２３の電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａと略一致するようになり、干渉光Ｌ２３が偏光板１７６を通り光検出器１３に到達する。このようにして、試料Ｓが非加熱に相当する状態であることが得られる。仮にノイズによって測定光Ｌ２１の位相が所定の位相になっていない場合には、所定値からの位相のずれに応じて電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａから外れるため、光検出器１３に到達する光の光量が減少する。すなわち、ノイズを含んだ光信号が光検出器１３により検出されにくくなる。
【００４８】
図８に示すように、励起光Ｌ１１の照射状態であって液晶層１５３による補償動作を行わない状態では、試料Ｓの屈折率が非照射状態よりも大きい値になり、測定光Ｌ２１の位相が進む。その結果、干渉光Ｌ２３の偏光角が小さくなり、偏光板１７６を通過する光の光量が減少する。そこで液晶層１５３による補償動作を行い、測定光Ｌ２１の位相が進む分だけ液晶層１５３で位相を遅らせて相補的に動作させる。これにより、干渉光Ｌ２３の電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａと略一致するようになり、干渉光Ｌ２３が偏光板１７６を通り光検出器１３に到達する。このようにして、試料Ｓが非加熱に相当する状態であることが得られる。仮にノイズによって測定光Ｌ２１の位相が所定の位相になっていない場合には、所定値からの位相のずれに応じて電界成分の振動方向が偏光軸１７６Ａから外れるため、光検出器１３に到達する光の光量が減少する。すなわち、ノイズを含んだ光信号が光検出器１３により検出されにくくなる。
【００４９】
以上のように、励起光Ｌ１１の照射状態または非照射状態に応じて、取り出す位相を選択することでロックイン（同期検波）ができ、光信号の状態でロックイン（同期検波）処理を実現することができる。また、旋光での方法に変えて、レーザー干渉そのものによる屈折率−位相変化の検出も可能である。以下、概略説明を行う。
【００５０】
試料Ｓを通り偏光素子１４から偏光板１７６へ向かう測定光Ｌ２１の電界成分ＥＳは、下記の式（１）で表され、偏光素子１４を透過して偏光板１７６へ向かう参照光Ｌ２２の電界成分ＥＲは下記の式（２）で表される。また、干渉光Ｌ２３の光強度Ｉは下記の式（３）で表される。
【００５１】
【数１】
【００５２】
式（１）、（２）中のａＳ、ａＲは振幅、ｆＳ、ｆＲは周波数、φＳ、φＲは位相を、それぞれ表す。式（３）中の角括弧は、時間平均を示す。式（３）から分かるように、光検出器１３で検出される光強度Ｉは、測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２との位相差（φＳ−φＲ）の関数である。測定光Ｌ２１の位相φＳは、試料Ｓの光学的距離に応じて変化する。換言すると、光強度Ｉの変化量を調べることにより、位相差（φＳ−φＲ）の変化が求まり、測定光Ｌ２１の位相φＳの変化量を知ることができる。得られた測定光Ｌ２１の位相φＳの変化量から試料Ｓの光学的距離の変化量が求まり、試料Ｓの屈折率の変化量が求まる。さらに、試料Ｓの屈折率の変化量から、試料Ｓでの検出対象物の濃度が求まる。式（３）からわかるように、位相差（φＳ−φＲ）が０となる付近で測定すると、位相差（φＳ−φＲ）の変化量に対する光強度Ｉの変化量が最大となり、検出精度を高めることができる。
【００５３】
図３（ａ）〜（ｃ）は検出対象物の濃度の違いによる、測定光と参照光との位相差の比較例を示す図である。ここでは、検出物対象物の濃度が１００％（図３（ａ））、５０％（図３（ｂ））、０％（図３（ｃ））の３状態での測定光の位相φＳ、参照光の位相φＲ、および位相差（φＳ−φＲ）の比較を概念的に図示している。
【００５４】
本例では、検出対象物の濃度が１００％であるときに位相差（φＳ−φＲ）が略０になるように、測定光Ｌ２１の光路長、および参照光Ｌ２２の光路長が設定されている。本例では、検出対象物の濃度が低くなるにつれて、位相φＳが０に近づき、位相差（φＳ−φＲ）が減少して位相差（φＳ−φＲ）の絶対値が増加する。
【００５５】
検出対象物の濃度を測定する場合には、例えば、検出対象物の濃度が既知である試料を用いて、予め、検出対象物の濃度と位相差（φＳ−φＲ）との対応関係を調べておく。そして、検出対象物の濃度が未知である試料の測定結果と、上記の対応関係とを比較することにより、検出対象物の濃度を知ることができる。
【００５６】
実際の測定では、図３（ａ）〜（ｃ）に示した略矩形状の波形にノイズがのっており、測定サイクル１つの結果のみで位相差（φＳ−φＲ）を求めることは難しい。本実施形態の光熱変換測定装置１によれば、複数の測定サイクルにわたり測定した干渉光の光強度の累積を求めることにより、ノイズの影響を減らすことができ、検出対象物を高精度に検出することができる。すなわち、本発明に係る光ロックイン技術により、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５７】
図４は、複数の測定サイクルにわたり干渉光の光強度を測定したときの、測定サイクル数に対する累積光強度の関係を示す概念図である。図４中の検量線Ａは、検出対象物の濃度が１００％である試料の検量線、検量線Ｂは検出対象物の濃度が０％である試料の検量線を示す。図４中の測定値を示すカーブは、検出対象物の濃度が未知である場合の測定結果を示す。
【００５８】
図４に示すように測定値のカーブは、測定サイクル数が比較的少ない場合（例えば１０〜１００）には、累積光強度に占めるノイズによる測定誤差の割合が高くなっている。測定サイクル数を増すにつれて、累積光強度に占める測定誤差の割合が低下する。これは、ノイズによる誤差がランダムである（例えば、誤差分布がガウス分布に従う）と仮定したときに、ノイズの累積値が０に近づくためである。換言すると、光強度の累積を求めることにより、上記の周波数ｆよりも高周波のノイズ成分をローパスフィルターにより除去した場合と同等の結果が得られる。
【００５９】
例えばｆ＝１ｋＨｚであれば、１０００サイクルの累積に１秒の時間が必要となる。ｆ＝１０ｋＨｚとすれば１０００サイクルは、０．１秒で終了する。このロックイン周波数ｆは、試料Ｓに応じて最適な値を選ぶとよい。もちろん１００サイクル以下で、検量線に収束すれば１００サイクル程度でもよいし、１０００サイクルでは足りない場合は、５０００サイクル、１万サイクルなどサイクル数を増やすことなど、適宜変えることが望ましい。
【００６０】
光熱変換測定装置１にあっては、非照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１が偏光素子１４に遮られて光検出器１３に検出されなくなる。このことは、非照射状態の試料を通った測定光を遮断することなく光検出器で検出したときの検出信号に、非照射状態に相当する期間で値が０となる信号を乗算する処理（位相敏感検出法）を施した場合と同等の結果が得られることを意味する。すなわち、通常のロックインアンプにおいて電気信号に対して電気回路を利用して行う処理を、光検出器１３に検出される前の光を対象として行うことができる。したがって、電気回路によるロックインアンプを利用する場合と比較して電気回路での二次的なノイズの発生を回避することができる。また、複数の測定サイクルにわたり累積光強度を求めることにより、ノイズによる誤差の割合を減らすことができるので、光検出器に求められるサンプリング周波数を下げることができ、装置コストを下げることも可能になる。以上のように、第１実施形態の光熱変換測定装置１によれば、Ｓ／Ｎ比を効果的に高めることができる。
【００６１】
また、マイケルソン干渉系を利用したヘテロダイン干渉法により干渉光Ｌ２３の光強度を検出しているので、測定光Ｌ２１の光強度を参照光Ｌ２２の光強度により実質的に増幅することができる。したがって、測定光Ｌ２１の光強度を高めなくともＳ／Ｎ比を向上させることができ、試料Ｓに対するダメージを減らすことができる。
【００６２】
なお、第１実施形態では、液晶層１５３のリタデーションが測定光Ｌ２１の１／４波長に設定されているが、液晶層１５３のリタデーションは適宜変更可能である。例えば、液晶層のリタデーションが測定光の１／２波長であり、偏光素子１４と試料Ｓとの間の測定光の光路に１／４波長板が追加されていてもよい。換言すると、液晶層１５３のリタデーションを１／４波長に設定することにより、１／４波長板を省くことができる。これにより、装置コストを下げることができ、また測定光Ｌ２１が通る界面の数が減ることにより波面の乱れを減らすことができる。
【００６３】
また、第２光照射部１２から偏光素子１４へ向かう光のうちで、偏光素子１４を透過した光を測定光に用いてもよい。いずれの構成であっても、非照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１が偏光素子１４により光検出器１３へ向かう光路から遮断されるとともに、照射状態の試料Ｓを通った測定光Ｌ２１が偏光素子１４を経て光検出器１３へ向かうようになっていればよい。
【００６４】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態の光熱変換測定装置について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、マイケルソン干渉系に代えてマッハツェンダー干渉系を採用している点である。第２実施形態の説明において、第１実施形態と同様の構成については第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
図５は、第２実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
図５に示す光熱変換測定装置１Ｂは、第１光照射部１１、第２光照射部１２Ｂ、光検出器１３、偏光素子１４、偏光調整部１５Ｂ、および制御部１６を備えている。これら各種構成要素の間で光を導く光学部品として、ダイクロイックミラー１７１、集光レンズ１７２、反射ミラー１７３、１／４波長板１７４Ｂ、偏光分離素子１７５Ｂ、および偏光板１７６が設けられている。偏光調整部１５Ｂは、第２光照射部１２Ｂにおける測定光Ｌ２１の光路内に配置されている。第２光照射部１２Ｂ、偏光素子１４、および偏光分離素子１７５Ｂによりマッハツェンダー干渉系が構成されている。
【００６６】
第２光照射部１２Ｂは、測定用光源１２１、偏光分離素子１２２、音響光学変調器１２４、１２５、および反射ミラー１２６を含んでいる。測定用光源１２１から射出されたレーザー光Ｌ２０のうちのＳ偏光（参照光Ｌ２２）は、偏光分離素子１２２で反射して音響光学変調器１２５に入射した後に、音響光学変調器１２５を通って偏光分離素子１７５Ｂに入射する。
【００６７】
測定用光源１２１から射出されたレーザー光Ｌ２０は、偏光分離素子１２２に入射する。レーザー光Ｌ２０のうちのＰ偏光（測定光Ｌ２１）は、偏光分離素子１２２を透過して、偏光調整部１５Ｂに入射する。偏光調整部１５Ｂを通った測定光Ｌ２１は、反射ミラー１２６で反射した後に偏光素子１４に入射する。
【００６８】
第２実施形態の偏光調整部１５Ｂは、液晶層１５３Ｂのリタデーションが測定光Ｌ２１の１／２波長に設定されている点を除くと、第１実施形態と同様である。偏光調整部１５Ｂは制御部１６に制御されており、試料Ｓが非照射状態であるときに、駆動部１５４が液晶層１５３Ｂに電界を印加しないので、液晶層１５４を通った測定光Ｌ２１は、偏光状態がＰ偏光からほとんど変化しない。すなわち、試料Ｓが非照射状態であるときに、光調整部１５Ｂから射出された測定光Ｌ２１は、音響光学変調器１２４を通った後に偏光素子１４を透過する。これにより、測定光Ｌ２１が、偏光素子１４から試料Ｓへ向かう光路から遮断され、結果として偏光素子１４から光検出器１３へ向かう光路から遮断される。
【００６９】
試料Ｓが照射状態であるときに、駆動部１５４が液晶層１５３Ｂに電界を印加し、液晶層１５３Ｂを通った測定光Ｌ２１の偏光状態がＰ偏光からＳ偏光に変化する。試料Ｓが照射状態であるときに、光調整部１５Ｂから射出された測定光Ｌ２１は、音響光学変調器１２４を通った後に、偏光素子１４で反射して試料Ｓへ向かう。偏光素子１４で反射した測定光Ｌ２１は、１／４波長板１７４Ｂを通ることにより、偏光状態がＳ偏光から略円偏光に変化する。１／４波長板１７４Ｂを通った測定光Ｌ２１は、ダイクロイックミラー１７１および集光レンズ１７２を通って、照射状態の試料Ｓに入射する。照射状態の試料Ｓに入射した測定光Ｌ２１は、反射ミラー１７３で反射して進行方向が折り返される。反射ミラー１７３で反射した測定光Ｌ２１は、集光レンズ１７２およびダイクロイックミラー１７１を通って、１／４波長板１７４Ｂに再度入射して、偏光状態が略円偏光からＰ偏光に変化する。偏光状態がＰ偏光になった測定光Ｌ２１は、偏光素子１４を透過して光検出器１３へ向かう。
【００７０】
一方、第２光照射部１２Ｂから射出された参照光Ｌ２２は、偏光分離素子１７５Ｂで反射して光検出器１３へ向かう。偏光分離素子１７５Ｂから光検出器１３へ向かう測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２は、偏光板１７６上で干渉して干渉光Ｌ２３となる。以下、第１実施形態と同様に、干渉光Ｌ２３の光強度が光検出器１３により検出される。
【００７１】
すなわち、偏光素子の偏光軸に対する旋光での屈折率−位相変化の検出を行っている。第２実施形態でも第１実施形態と同様に、旋光での方法に変えて、レーザー干渉そのものによる屈折率−位相変化の検出も可能である。これによって、複数の測定サイクルにわたり測定した干渉光の光強度の累積を求めることにより、ノイズの影響を減らすことができ、検出対象物を高精度に検出することができる。
【００７２】
第２実施形態の光熱変換測定装置１Ｂにあっては、第１実施形態と同様の理由により、Ｓ／Ｎ比を効果的に高めることができる。また、励起光Ｌ１１の非照射状態の試料Ｓに測定光Ｌ２１が入射しないので、光入射による試料Ｓへのダメージが低減される。
【００７３】
［第３実施形態］
次に、図６を参照しつつ、第３実施形態の光熱変換測定装置について説明する。第３実施形態が第１、第２実施形態と異なる点は、偏光状態が調整された参照光と測定光とが干渉した干渉光を光検出器により検出して、試料の光熱効果を測定する点である。第３実施形態の説明においては、第１実施形態または第２実施形態と同様の構成についてはそれぞれ同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
図６は、第３実施形態の光熱変換測定装置の概略構成を示す模式図である。
図６に示す光熱変換測定装置１Ｃは、第１光照射部１１と、第２光照射部１２Ｃ、光検出器１３、偏光素子１４Ｃ、偏光調整部１５、制御部１６Ｃ、および偏光分離素子１７Ｃを備えている。これら各種構成要素の間で光を導く光学部品として、ダイクロイックミラー１７１、集光レンズ１７２、反射ミラー１７３Ｃ、１７４Ｃ、偏光分離素子１７５Ｃが設けられている。反射ミラー１７４Ｃおよび偏光分離素子１７５Ｃにより、干渉光学系が構成されている。
【００７５】
第２光照射部１２Ｃは、例えば第１、第２実施形態の測定用光源１２１により構成され、レーザー光Ｌ２０を射出する。第２光照射部１２Ｃから射出されたレーザー光Ｌ２０は、偏光分離素子１７Ｃに入射する。偏光分離素子１７Ｃは、ＰＢＳプリズムにより構成されており、レーザー光Ｌ２０をＳ偏光（測定光Ｌ２１）とＰ偏光（参照光Ｌ２２）とに分離する。
【００７６】
偏光分離素子１７Ｃから射出された測定光Ｌ２１は、反射ミラー１７３で反射した後に、ダイクロイックミラー１７１および集光レンズ１７２を通って試料Ｓに入射する。試料Ｓを通った測定光Ｌ２１は、反射ミラー１７４Ｃで反射して偏光分離素子１７５Ｃに入射する。偏光分離素子１７Ｃから射出された参照光Ｌ２２は、偏光調整部１５を通って偏光分離素子１７５Ｃに入射する。
【００７７】
励起光Ｌ１１の非照射状態で、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る測定光Ｌ２１の光路長（光学的距離）と、参照光Ｌ２２の光路長（光学的距離）との差分が、レーザー光Ｌ２０の波長の整数倍になるように、偏光分離素子１７５Ｃが配置されている。例えば、試料Ｓが光路内に配置されていないときの、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２の光路長の差分が、レーザー光Ｌ２０の波長の整数倍になるように各種構成要素を配置する。そして、光路内に試料Ｓを配置するときに、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る参照光Ｌ２２の光路に、ダミーの試料（図示略）を配置して測定を行う。ダミーの試料は、非照射状態の試料Ｓと光学的距離が略同じものであり、例えば試料Ｓから検出対象物を除いたものである。
【００７８】
偏光分離素子１７５Ｃに入射した測定光Ｌ２１は、偏光分離素子１７５Ｃで反射して偏光素子１４Ｃへ向かう。偏光分離素子１７５Ｃに入射した参照光Ｌ２２は、偏光分離素子１７５Ｃを透過して偏光素子１４Ｃへ向かう。偏光分離素子１７Ｃから偏光素子１４Ｃへ向かう測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２とが互いに干渉して、干渉光Ｌ２３になり、偏光素子１４Ｃに入射する。
【００７９】
本実施形態の偏光素子１４Ｃは、偏光板により構成されている。偏光素子１４Ｃの吸収軸は、励起光Ｌ１１の非照射状態での干渉光Ｌ２３の偏光方向と略一致している。ここでは、励起光Ｌ１１の非照射状態で試料Ｓを通った測定光Ｌ２１がＳ偏光（偏光方向が図６中のＹ方向）になっており、偏光調整部１５を通った参照光Ｌ２２がＰ偏光（偏光方向が図６中のＸ方向）になっている。
【００８０】
上記のように、励起光Ｌ１１の非照射状態で、偏光分離素子１７Ｃから偏光分離素子１７５Ｃに至る測定光Ｌ２１と参照光Ｌ２２の光路長の差分が、レーザー光Ｌ２０の波長の整数倍になっているので、偏光分離素子１７５Ｃの偏光分離面を通った測定光Ｌ２１の位相と参照光Ｌ２２の位相が同じになる。したがって、干渉光Ｌ２３は、測定光Ｌ２１の偏光方向および参照光Ｌ２２の偏光方向と略４５°の角度をなす略直線偏光になる。この直線偏光の偏光方向が、偏光素子１４Ｃの吸収軸と一致するようになっている。
【００８１】
偏光調整部１５は、第１実施形態と同様のものであり、液晶層１５３に印加する電圧、および液晶層に電圧を印加するタイミングが制御部１６Ｃにより制御される。
【００８２】
試料Ｓが非照射状態であるときに、液晶層１５３を通る参照光Ｌ２２の偏光状態が変化しないように、液晶層１５３の配向状態および液晶層１５３に印加される電圧が設定されている。本実施形態の液晶層１５３は、誘電異方性が負の液晶材料からなる垂直配向（ＶＡ）モードの液晶層である。試料Ｓが非照射状態であるときに、透明電極１５１、１５２は同電位になっており、液晶層１５３に電界を印加しないようになっている。
【００８３】
制御部１６Ｃは、第１光照射部１１に対して供給したパルス信号と同じ周波数ｆのパルス信号を同期信号として駆動部１５４に供給する。駆動部１５４は、このパルス信号に基づいて、液晶層１５３に電圧を印加する。すると、液晶層１５３が屈折率の異方性を発現し、液晶層１５３を通った参照光Ｌ２２の偏光状態が、Ｐ偏光から印加電圧に応じた楕円偏光に変化する。液晶層１５３のＸ方向の屈折率の変化に伴って、上記の楕円偏光のうちでＸ方向を振幅方向とする電界成分の位相が変化する。
【００８４】
励起光Ｌ１１の照射状態で、偏光分離素子１７５Ｃに入射した参照光Ｌ２２（楕円偏光）のうちで、Ｐ偏光すなわちＸ方向を振幅方向とする電界成分が偏光分離素子１７５Ｃを透過する。励起光Ｌ１１の照射状態で、試料Ｓを通った測定光Ｌ２１の位相は、試料Ｓの光熱効果により変化している。励起光Ｌ１１の非照射状態では、偏光分離素子１７５Ｃの偏光分離面を通った測定光Ｌ２１の位相が、参照光Ｌ２２の位相とずれることになる。すなわち、偏光素子１４Ｃに入射する干渉光Ｌ２３の偏光状態が楕円偏光になり、この楕円偏光の透過軸方向の電界成分が偏光素子１４Ｃを透過して、光検出器１３に検出される。
【００８５】
制御部１６Ｃは、光検出器１３から干渉光Ｌ２３の光強度の検出結果を受け取る。この検出結果に基づいて、制御部１６Ｃは、干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃ透過しないように、駆動部１５４を制御して液晶層１５３に印加される電圧を調整する。励起光Ｌ１１の照射状態であって干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃ透過しない状態では、光熱効果により屈折率が変化した試料Ｓを通ることにより位相が変化した測定光Ｌ２１の位相が、液晶層１５３を通ることより位相が変化した参照光Ｌ２２の位相と同じになる。
【００８６】
ところで、液晶層１５３に印加される電圧と液晶層１５３の屈折率との対応関係については予め調べておくことができる。したがって、励起光Ｌ１１の照射状態で上記のように調整された電圧と上記の対応関係とを比較することにより、励起光Ｌ１１の照射状態での液晶層１５３の屈折率が分かり、励起光Ｌ１１の照射状態での試料Ｓの屈折率を知ることができる。
【００８７】
第３実施形態の光熱変換測定装置１Ｃにあっては、非照射状態において、干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃに遮られて光検出器１３に検出されなくなる。したがって、照射状態において、干渉光Ｌ２３のうちの偏光素子１４Ｃからの漏れ光を光検出器１３により検出しやすくなり、干渉光Ｌ２３が偏光素子１４Ｃを透過しないように液晶層１４に印加する電圧を高精度に求めることができる。これにより、試料Ｓの光熱効果を高精度かつ効率的に測定することが可能になる。
【００８８】
また、第３実施形態でも第１実施形態および第２実施形態同様に、旋光での方法に変えて、レーザー干渉そのものによる屈折率−位相変化の検出も可能である。これによって、複数の測定サイクルにわたり測定した干渉光の光強度の累積を求めることにより、ノイズの影響を減らすことができ、検出対象物を高精度に検出することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１、１Ｂ、１Ｃ・・・光熱変換測定装置、１１・・・第１光照射部、
１２、１２Ｂ、１２Ｃ・・・第２光照射部、１３・・・光検出器、１４・・・偏光素子、
１５、１５Ｂ・・・偏光調整部、１６・・・制御部、１１１・・・励起用光源、
１１２・・・光チョッパー、１２１・・・測定用光源、
１２２、１２３・・・偏光分離素子、１２４、１２５・・・音響光学変調器、
１２６、１２７・・・反射ミラー、１５１、１５２・・・透明電極、
１５３、１５３Ｂ・・・液晶層、１５４・・・駆動部、
１７１・・・ダイクロイックミラー、１７２・・・集光レンズ、
１７３、１７３Ｃ、１７４Ｃ・・・反射ミラー、１７４、１７４Ｂ・・・１／４波長板、１７５・・・反射ミラー、１７５Ｂ、１７５Ｃ・・・偏光分離素子、
１７６・・・偏光板、Ｌ１０・・・レーザー光、Ｌ１１・・・励起光、
Ｌ２０・・・レーザー光、Ｌ２１・・・測定光、Ｌ２２・・・参照光、
Ｌ２３・・・干渉光、Ｓ・・・試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、
前記試料に測定光を照射する第２光照射部と、
前記試料を通った前記測定光を検出する光検出器と、
前記光検出器と前記第２光照射部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、
前記偏光素子に入射する前記測定光の偏光状態を調整する偏光調整部と、
前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光調整部に入射した前記測定光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする光熱変換測定装置。
【請求項２】
前記光検出器は、前記試料を通っていない参照光と、前記偏光素子を経て前記光検出器へ向かう前記測定光とが干渉した干渉光の光強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の光熱変換測定装置。
【請求項３】
前記偏光素子は、前記第２光照射部から射出された光を偏光方向が互いに異なる第１偏光と第２偏光とに分離する偏光分離素子により構成されており、
前記第１偏光が前記測定光であり、前記第２偏光が前記参照光であることを特徴とする請求項２に記載の光熱変換測定装置。
【請求項４】
所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、
前記試料に照射される測定光を含んだ光を射出する第２光照射部と、
前記第２光照射部と前記試料との間の光路に配置され、前記第２光照射部から射出された光を前記測定光と、前記測定光とは偏光方向が異なる参照光とに分離する偏光分離素子と、
前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とを干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系と前記偏光分離素子との間の前記参照光の光路に設けられ、前記参照光の偏光状態を調整することにより前記参照光と前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態を調整する偏光調整部と、
前記干渉光学系から射出された前記干渉光を検出する光検出部と、
前記干渉光学系と前記光検出部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、
前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光素子に入射する前記干渉光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする光熱変換測定装置。
【請求項５】
前記偏光調整部は、屈折率異方性を有する液晶層を含んでおり、前記励起光の光強度が極小である第１期間に、前記液晶層を通った前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記液晶層の配向状態と前記第１期間に前記液晶層に印加される電圧とが設定され、かつ前記励起光の光強度が極小となった後に次に極小となるまでの第２期間に、前記液晶層を通った前記参照光と前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記制御部が前記光検出器の検出結果に基づいて前記液晶層に印加される電圧を調整することを特徴とする請求項４に記載の光熱変換測定装置。
【請求項１】
所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、
前記試料に測定光を照射する第２光照射部と、
前記試料を通った前記測定光を検出する光検出器と、
前記光検出器と前記第２光照射部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、
前記偏光素子に入射する前記測定光の偏光状態を調整する偏光調整部と、
前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光調整部に入射した前記測定光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする光熱変換測定装置。
【請求項２】
前記光検出器は、前記試料を通っていない参照光と、前記偏光素子を経て前記光検出器へ向かう前記測定光とが干渉した干渉光の光強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の光熱変換測定装置。
【請求項３】
前記偏光素子は、前記第２光照射部から射出された光を偏光方向が互いに異なる第１偏光と第２偏光とに分離する偏光分離素子により構成されており、
前記第１偏光が前記測定光であり、前記第２偏光が前記参照光であることを特徴とする請求項２に記載の光熱変換測定装置。
【請求項４】
所定の周波数で光強度が変化する励起光を試料に照射する第１光照射部と、
前記試料に照射される測定光を含んだ光を射出する第２光照射部と、
前記第２光照射部と前記試料との間の光路に配置され、前記第２光照射部から射出された光を前記測定光と、前記測定光とは偏光方向が異なる参照光とに分離する偏光分離素子と、
前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とを干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系と前記偏光分離素子との間の前記参照光の光路に設けられ、前記参照光の偏光状態を調整することにより前記参照光と前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態を調整する偏光調整部と、
前記干渉光学系から射出された前記干渉光を検出する光検出部と、
前記干渉光学系と前記光検出部との間の光路に設けられ、所定の偏光状態の光を前記光検出器へ向かう光路から遮断する偏光素子と、
前記励起光の光強度が極小である期間に前記偏光素子に入射する前記干渉光が前記所定の偏光状態になるように前記偏光調整部と前記第１光照射部とを前記所定の周波数で同期制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする光熱変換測定装置。
【請求項５】
前記偏光調整部は、屈折率異方性を有する液晶層を含んでおり、前記励起光の光強度が極小である第１期間に、前記液晶層を通った前記参照光と、前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記液晶層の配向状態と前記第１期間に前記液晶層に印加される電圧とが設定され、かつ前記励起光の光強度が極小となった後に次に極小となるまでの第２期間に、前記液晶層を通った前記参照光と前記試料を通った前記測定光とが干渉した干渉光の偏光状態が前記所定の偏光状態になるように、前記制御部が前記光検出器の検出結果に基づいて前記液晶層に印加される電圧を調整することを特徴とする請求項４に記載の光熱変換測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２２６９１５（Ｐ２０１１−２２６９１５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６９２３（Ｐ２０１０−９６９２３）
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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