観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置
【課題】試料の存在する領域と存在しない領域とを含む観察範囲の観察において試料を高いコントラストで観察する。
【解決手段】試料Ａを含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波Ｌ２を照射することにより、観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波Ｌ２と、テラヘルツ波Ｌ２よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波Ｌ１とを光学結晶８に入射させるステップと、光学結晶８から出射された第２の電磁波Ｌ１を検出するステップとを備え、第２の電磁波Ｌ１が、観察範囲内に存在する試料Ａにおいて反射または該試料Ａを透過した第１の電磁波Ｌ２の電場振幅または観察範囲内の試料Ａ以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波Ｌ２の電場振幅の一方が他方より大きくなる位相に配されるタイミングで光学結晶８に入射される観察方法を提供する。
【解決手段】試料Ａを含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波Ｌ２を照射することにより、観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波Ｌ２と、テラヘルツ波Ｌ２よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波Ｌ１とを光学結晶８に入射させるステップと、光学結晶８から出射された第２の電磁波Ｌ１を検出するステップとを備え、第２の電磁波Ｌ１が、観察範囲内に存在する試料Ａにおいて反射または該試料Ａを透過した第１の電磁波Ｌ２の電場振幅または観察範囲内の試料Ａ以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波Ｌ２の電場振幅の一方が他方より大きくなる位相に配されるタイミングで光学結晶８に入射される観察方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、透明な物質（例えば、水）のセンシング技術として、テラヘルツ波を使用したものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
このセンシング技術は、テラヘルツ波を透明な試料に通過させたときに、その成分分布に応じた強度分布をテラヘルツ波が備えることを利用している。
【０００３】
非特許文献１では、透明な試料を透過したテラヘルツ波を電気光学結晶に入射させる一方、ダイクロイックミラーによって同一光路に入射させた近赤外光を電気光学結晶に照射している。電気光学結晶はテラヘルツ波が照射されると、その電場状態に応じて特性が変化する。すなわち、電気光学結晶に試料情報が記録されることになる。そして、試料情報が記録された電気光学結晶を近赤外光が通過すると、通過の際に近赤外光が変調を受ける。したがって、変調された近赤外光を検出することにより、試料の成分分布を撮影することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】西澤潤一編著、「テラヘルツ波の基礎と応用」、株式会社工業調査会発行、２００５年４月１日、ｐ１６０−１６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電気光学結晶に入射されるテラヘルツ波は、試料を通過した後に電気光学結晶に入射するテラヘルツ波のみならず、試料を通過することなく電気光学結晶に入射するテラヘルツ波も電場の空間分布を有している。したがって、観察範囲に試料が存在する領域と試料が存在しない領域とが存在する場合には、試料が存在する領域においても何らかの情報が電気光学結晶に書き込まれてしまい、この領域における情報によって試料情報を高いコントラストで観察することが困難になるという不都合がある。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、試料の存在する領域と存在しない領域とを含む観察範囲の観察において試料を高いコントラストで観察することができる観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより、観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波と、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波とを光学結晶に入射させるステップと、前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出するステップとを備え、前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射される観察方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波が照射されると、試料各部の屈折率分布に応じた量だけ第１の電磁波において位相の遅れ、あるいは、試料における吸収によって振幅の変形が生じる。したがって、第１の電磁波は、試料の有無や、試料における屈折率分布、吸収特性の分布に応じて、その電場波形に空間的な変化が生じる。この第１の電磁波が光学結晶に入射すると、第１の電磁波が結晶内を通過するあるタイミングにおいて、第１の電磁波が持つ電場振幅の分布が光学結晶の特性の分布として反映される。また、第１の電磁波が結晶内を伝播する際、その振幅は時間の経過に伴って変化する。
【０００９】
そして、光学結晶に書き込まれた第１の電磁波の電場振幅の分布を第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波によって読み出す場合には、パルス状の第２の電磁波の光学結晶への入射に一致するタイミングで光学結晶に入射されている第１の電磁波の電場振幅の分布が読み出される。この場合において、試料において反射または試料を透過しうた第１の電磁波の電場振幅または試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場振幅の一方が他方より大きくなる位相に一致するタイミングで第２の電磁波を光学結晶に入射させることにより、振幅が小さい方の第１の電磁波の影響を抑え、大きい方の第１の電磁波の振幅分布を第２の電磁波によって読み出すことができる。その結果、試料をコントラストよく観察することができる。
【００１０】
上記発明においては、前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場振幅の一方がほぼゼロとなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射されることが好ましい。
このようにすることで、振幅がほぼゼロとなる側の第１の電磁波はほぼ消滅した状態となっているので、この第１の電磁波の影響を受けることなく、振幅が大きい側の第１の電磁波の電場振幅分布を第２の電磁波によって読み出すことができ、より高いコントラストで試料を観察することができる。
【００１１】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを観察範囲内に試料を配置した場合および配置しない場合において行った後に、前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、試料を配置しないで記憶された第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法を提供する。
【００１２】
本発明によれば、まず、観察範囲内に試料を配置しない状態で、光学結晶に対して第１の電磁波を入射させ、第２の電磁波の入射タイミングをずらしながら第２の電磁波を光学結晶に入射させて、光学結晶から出射された第２の電磁波を検出して得られた強度分布を第２の電磁波の入射タイミングとともに記憶しておく。次いで、観察範囲内に試料を配置した状態で、上記と同様の検出を行い、得られた第２の電磁波の強度分布を第２の電磁波の入射タイミングとともに記憶する。そして、同じ入射タイミングで第２の電磁波を入射させたときに検出された試料を配置した時と試料を配置しない時の第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正する。補正された第２の電磁波の強度分布において最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなるタイミングを選択することで、一方の強度分布が他方の強度分布によって最も影響を受け難い第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。
【００１３】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、観察範囲内に試料を配置せずに観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射し、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させ、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得して、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけてデータベースに記憶しておき、観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、前記データベースに記憶されている第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法を提供する。
【００１４】
本発明によれば、観察範囲内に試料を配置しない状態で、予め光学結晶に対して第１の電磁波を入射させ、第２の電磁波の入射タイミングをずらしながら第２の電磁波を光学結晶に入射させて、光学結晶から出射された第２の電磁波を検出して得られた強度分布と第２の電磁波の入射タイミングとをデータベースとして記憶しているので、観察の都度に、試料を配置しない状態での第２の電磁波の入射タイミング毎の第２の電磁波の強度分布の取得作業を行わずに済む。したがって、観察範囲内に試料を配置した状態で、入射タイミングをずらしながら第２の電磁波の強度分布を取得するだけで、一方の強度分布が他方の強度分布によって最も影響を受け難い第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。その結果、高いコントラストで試料の観察を行うことが可能な第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、取得された前記第２の電磁波の強度分布のうち、試料が存在していない領域に対応する光学結晶から出射された第２の電磁波のいずれかの強度に基づいて、試料を配置しない時の第２の電磁波の強度分布を生成するステップと、記憶されている前記第２の電磁波の強度分布および生成された試料を配置しない時の前記第２の電磁波の強度分布の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを含む入射タイミング設定方法を提供する。
【００１６】
本発明によれば、観察範囲内において試料が存在していない領域に対応する光学結晶から出射される第２の電磁波の強度に基づく強度分布を生成し、観察範囲から得られた第２の電磁波の強度分布を、生成された強度分布で補正するので、補正用に試料が存在していない領域に対応する光学結晶からの代表的な第２の電磁波の強度を取得しておけば足り、これによって、高いコントラストで試料の観察を行うことが可能な第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。このとき、試料を配置していない状態と試料を配置した状態とで分けて測定を行う必要がなく、簡易かつ迅速に入射タイミングを設定することができる。
【００１７】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、前記光学結晶に前記第１の電磁波が入射していない状態で前記第２の電磁波を前記光学結晶に入射させて、該光学結晶から出射した前記第２の電磁波を検出して取得したバックグラウンドの強度分布を記憶しておき、観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射した前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、記憶されている第２の電磁波の強度分布から予め記憶しておいた前記バックグラウンドの強度分布を減算または除算して補正するステップと、前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、補正された第２の電磁波の強度分布をフーリエ変換するステップと、フーリエ変換された強度分布において、試料の大きさに対応する周波数成分が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法を提供する。
【００１８】
本発明によれば、第１の電磁波を入射させないで第２の電磁波のみを入射させた場合においても光学結晶から出射した第２の電磁波として取得されてしまうバックグラウンドの強度分布を記憶しておき、第１の電磁波を入射して取得された第２の電磁波の強度分布を記憶していたバックグラウンドの強度分布によって補正するので、補正された第２の電磁波の強度分布からはバックグラウンドノイズが除去されている。そして、バックグラウンドノイズが除去された強度分布をフーリエ変換して試料のサイズに対応する周波数成分強度を調べることにより、試料部分の強度分布が急激に変化するタイミングを簡単に見つけることができる。フーリエ変換成分は周波数増大につれて強度が減少する曲線を示すが、コントラストが良くない場合には高周波での強度減少が大きくなる。このコントラスト低下による強度減少が明瞭に観測される周波数は試料のサイズが小さくなるにつれて高周波になるため、試料のサイズに応じた周波数の強度変化を調べ、その強度が最も大きくなるタイミングを選ぶことによって、試料の存在する領域と試料の存在しない領域との境界をコントラストよく検出可能な第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。
【００１９】
また、本発明は、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射する第１の照射部と、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波を入射させる光学結晶と、該光学結晶に向けて前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波を入射させる第２の照射部と、前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出する検出部とを備え、前記第２の照射部から発せられる前記第２の電磁波の入射タイミングは、該第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に設定されている観察装置を提供する。
【００２０】
上記発明においては、前記第２の電磁波の入射タイミングは、前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方がほぼゼロとなる位相に設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、試料の存在する領域と存在しない領域とを含む観察範囲の観察において試料を高いコントラストで観察することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。
【図２】図１の観察装置における（ａ）試料への入射前のテラヘルツ波、（ｂ）ステージを通過した後のテラヘルツ波をそれぞれ示す図である。
【図３】図１の観察装置における近赤外光の電気光学結晶への入射タイミングの設定方法を説明するフローチャートである。
【図４】図１の観察装置の第１の変形例を示す全体構成図である。
【図５】図１の観察装置の第２の変形例を示す全体構成図である。
【図６】図５の観察装置におけるテラヘルツ波と近赤外光の入射方向を説明する図である。
【図７】図１の観察装置の第３の変形例を示す全体構成図である。
【図８】図１の観察装置の光学結晶として和周波混合または差周波混合を行うものを説明する図である。
【図９】図３の入射タイミングの設定方法の第１の変形例を説明するフローチャートである。
【図１０】図３の入射タイミングの設定方法の第２の変形例を説明するフローチャートである。
【図１１】図３の入射タイミングの設定方法の第３の変形例を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態に係る観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、パルス状の近赤外光（例えば、フェムト秒パルスレーザ光）Ｌ１を発生する光源２と、該光源２からの近赤外光Ｌ１を２つの光路に分割するビームスプリッタ３と、該ビームスプリッタ３により分割された一方の光路に設けられ、テラヘルツ波Ｌ２を発生するテラヘルツ波照射光学系４と、他方の光路に設けられた近赤外光照射光学系５と、テラヘルツ波照射光学系４の途中位置に配置された細胞等の試料Ａを載置するステージ６と、これら照射光学系４，５を導光されてきたテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを合波するビームスプリッタ７と、該ビームスプリッタ７の後段に配置された電気光学結晶８と、電気光学結晶８を透過した近赤外光Ｌ１を検出する検出光学系９とを備えている。
【００２４】
テラヘルツ波照射光学系４は、ビームスプリッタ３により分割された近赤外光Ｌ１の内の一方の近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波Ｌ２に変換するテラヘルツ波放射素子１１と、該テラヘルツ波放射素子１１から放射されたテラヘルツ波Ｌ２を略平行光にする集光レンズ１０と、ステージ６上の試料Ａを透過させられたテラヘルツ波Ｌ２の光束径を調節するレンズ１２とを備えている。
【００２５】
近赤外光照射光学系５は、ビームスプリッタ３により分割された近赤外光Ｌ１の内の他方の近赤外光Ｌ１の偏光状態を直線偏光に整える１／２波長板１５と、近赤外光Ｌ１のビームスプリッタ３，７間の光路長を調節する光路長調節光学系１３と、光路を調節された近赤外光Ｌ１の光束径を増大させて略平行光に変換するビームエキスパンダ１４とを備えている。
【００２６】
光路長調節光学系１３は、近赤外光Ｌ１を折り返す２個の可動ミラー１３ａと，該可動ミラー１３ａの一方に対向して配置された固定ミラー１３ｂと、可動ミラー１３ａを固定ミラー１３ｂに対して矢印Ｂの方向に移動させる移動機構（図示略）とを備えている。固定ミラー１３ｂに対して可動ミラー１３ａを移動させることで、近赤外光Ｌ１の位相を調節することができるようになっている。
【００２７】
電気光学結晶８は、テラヘルツ波Ｌ２が照射されることにより、その電場状態に応じて屈折率の分布が変化する非線形光学結晶である。例えば、ＺｎＴｅ：テルル化亜鉛を挙げることができる。電気光学結晶８に電場の空間分布を有するテラヘルツ波Ｌ２が照射されることで、その電場振幅の分布が屈折率分布として電気光学結晶８に書き込まれる（反映される）。その書き込まれた領域に近赤外光Ｌ１を通過させると、近赤外光Ｌ１の偏光方向が変化させられるようになっている。書き込まれた情報は瞬時に消失するので、情報の書き込み直後に読み出せるように、テラヘルツ波Ｌ２の直後に近赤外光Ｌ１を電気光学結晶８に入射させる必要がある。
【００２８】
検出光学系９は、電気光学結晶８を透過した近赤外光Ｌ１を結像させる結像光学系１９と、１／２波長板１５に対して直交配置された偏光子１６と、該偏光子１６を通過した近赤外光Ｌ１を撮像して２次元的な強度分布を取得するＣＣＤカメラ１７とを備えている。ここで、ＣＣＤカメラ１７は試料Ａと光学的に共役な位置に配置されている。近赤外光Ｌ１は、テラヘルツ波Ｌ２が照射されている電気光学結晶８を透過することにより、テラヘルツ波Ｌ２の電場によって誘起された複屈折のために偏光状態が楕円偏光となっている。したがって、偏光子１６を通過した近赤外光Ｌ１のみを検出することにより、偏光状態が変化した成分のみを撮像することができるようになっている。なお、ＣＣＤカメラ１７に代えて、ＣＭＯＳカメラを採用してもよい。図中符号１８はミラー、符号２７は集光レンズである。
【００２９】
また、光路長調節光学系１３およびＣＣＤカメラ１７には、光路長調節光学系１３から出力される後述する近赤外光Ｌ１の入射タイミングと、ＣＣＤカメラ１７から出力される近赤外光Ｌ１の強度分布とを対応づけて記憶する記憶部２８が接続されている。
【００３０】
ここで、本実施形態に係る観察装置１における前記近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射タイミングについて以下に説明する。
図２（ａ）に示されるように、試料Ａへの入射前において、各部のテラヘルツ波Ｌ２の電場の位相および波形はほぼ一致している。一方、図２（ｂ）に示されるように、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’は、試料Ａの屈折率によって、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ２と比較して、位相が遅れる。また、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’は、試料Ａにおける吸収によって、波形が変形する。
【００３１】
その結果、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’と、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ２とは、そのピーク位置の位相が時間軸方向にずれる。そして、図２（ｂ）に符号Ｃで示されるように、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなる位置において試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’が大きな電場振幅（例えば、ピーク振幅）を有する位相が存在する。
【００３２】
電気光学結晶８においては、入射されるテラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’の電場振幅に依存して屈折率が変化させられるので、一方のテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなる位相においては、他方のテラヘルツ波Ｌ２’のみによる屈折率の変化のみが発生することになる。したがって、その位相に一致するタイミングで近赤外光Ｌ１を入射させることにより、一方のテラヘルツ波Ｌ２による屈折率変化を実質的に消滅させた状態で他方のテラヘルツ波Ｌ２’による屈折率変化の情報のみを近赤外光Ｌ１に重畳させることができ、そのような近赤外光Ｌ１を検出光学系９によって検出することができるようになっている。
【００３３】
このように構成された本実施形態に係る観察装置１を用いた観察方法について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて透明な細胞のような試料Ａの観察を行うには、ステージ６に試料Ａを載置し、光源２からパルス状の近赤外光Ｌ１を出射させる。
【００３４】
ビームスプリッタ３により分岐されてテラヘルツ波照射光学系４に入射された近赤外光Ｌ１は、ミラー１８によって偏向され、集光レンズ２７によって集光されてテラヘルツ波放射素子１１を通過させられることにより、テラヘルツ波Ｌ２に変換され、レンズ１０によって略平行光に変換された後に、ステージ６上の試料Ａを含む観察範囲に照射される。
【００３５】
観察範囲内における試料Ａが存在する領域においては、テラヘルツ波Ｌ２は、試料Ａの屈折率によって位相が遅らせられ、試料Ａの吸収によってその波形が変形されたテラヘルツ波Ｌ２’となる。一方、試料Ａが存在しない領域においては、テラヘルツ波Ｌ２は、位相の遅れや波形の変形を伴うことなくそのまま透過させられる。そして、テラヘルツ波Ｌ２はレンズ１２によって光束径が調節される。
【００３６】
試料Ａは透明な細胞等であるが、試料Ａを透過させられたテラヘルツ波Ｌ２’は、試料Ａにより変調されて試料Ａ内における屈折率や吸収の分布に応じた電場振幅の分布を有するようになる。そして、観察範囲を透過させられることにより試料Ａの情報を重畳させられて電場振幅の分布を有するテラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’が電気光学結晶８に入射されると、電気光学結晶８においては、テラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’の電場振幅の分布に応じた屈折率分布が発生する。
【００３７】
一方、ビームスプリッタ３により分岐されて近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ１は、１／２波長板１５を透過させられることによって電気光学結晶８に複屈折が生じた際に偏光状態が変化するように直線偏光の回転方向を設定される。そして、偏光状態を設定された近赤外光Ｌ１は、光路長調節光学系１３によってその位相を調節された後に、ビームエキスパンダ１４によって光束径を拡大させられて、ビームスプリッタ７によってテラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’と同一の光路に合流され、電気光学結晶８に入射される。
【００３８】
この場合において、本実施形態においては、光路長調節光学系１３により近赤外光照射光学系５の光路長を調節することによって、近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射タイミングが調節されている。すなわち、近赤外光Ｌ１は、試料Ａを透過することなく電気光学結晶８に入射されるテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなりかつ試料Ａを透過して電気光学結晶８に入射されるテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅が十分に大きくなる位相にほぼ一致するタイミングで電気光学結晶８に入射される。
【００３９】
これにより、試料Ａを透過することなく電気光学結晶８に入射したテラヘルツ波Ｌ２による電気光学結晶８の屈折率の変化を抑え、試料Ａを透過した後に電気光学結晶８に入射したテラヘルツ波Ｌ２’のみによる屈折率分布、すなわち、試料Ａの屈折率分布を近赤外光Ｌ１によって精度よく読み出すことができる。
【００４０】
電気光学結晶８を透過させられることにより、試料Ａの屈折率分布の情報が重畳された近赤外光Ｌ１は、偏光子１６を通過させられることにより、電気光学結晶８によって変化した成分のみが抽出された後に、ＣＣＤカメラ１７によって撮像される。これにより、試料Ａを含む観察範囲の画像が取得される。この画像中においては、試料Ａが存在しない領域を通過したテラヘルツ波Ｌ２の影響が取り除かれており、高いコントラストで、試料Ａの鮮明な観察を行うことができる。
【００４１】
次に、上記観察方法における近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射タイミング設定方法について、図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る入射タイミング設定方法は、ステージ６上に試料Ａを載置しないで行う試料Ａなしデータの取得ステップと、ステージ６上に試料Ａを載置して行う試料Ａありデータの取得ステップと、取得された試料Ａありデータおよび試料Ａなしデータに基づいて、近赤外光Ｌ１の入射のタイミングを算出するタイミング算出ステップとを備えている。
【００４２】
試料Ａなしデータの取得ステップおよび試料Ａありデータの取得ステップは、試料Ａが載置されているかいないかの違いだけであるので、ここでは試料Ａなしデータの取得ステップについて説明し試料Ａありデータの取得ステップについては説明を省略する。
試料Ａなしデータの取得ステップは、観察範囲内に試料Ａを配置しない状態（ステップＳ１）で、電気光学結晶８にテラヘルツ波Ｌ２および近赤外光Ｌ１を入射させ、光路長調節光学系１３を作動させて、テラヘルツ波Ｌ２に対する近赤外光Ｌ１の入射タイミングをずらしながら近赤外光Ｌ１の強度分布を取得する。
【００４３】
具体的には、試料Ａなしデータの取得ステップは、近赤外光Ｌ１の入射タイミングを初期設定するステップＳ２と、観察範囲を透過したテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを電気光学結晶８に入射させる入射ステップＳ３と、電気光学結晶８を透過した近赤外光Ｌ１をＣＣＤカメラ１７によって撮像して強度分布を取得する強度分布取得ステップＳ４と、取得された近赤外光Ｌ１の強度分布をそのときの入射タイミングとともに記憶部２８に記憶する記憶ステップＳ５と、全ての入射タイミングで強度分布の取得を行ったか否かを判定し、終了していない場合には、光路長調節光学系１３を作動させて入射タイミングを所定の変動幅でずらすタイミング変動ステップＳ６と、ステップＳ３〜Ｓ６を、所定の入射タイミングの範囲にわたって繰り返す繰返ステップＳ７とを含んでいる。
【００４４】
試料Ａありデータの取得ステップは、試料Ａなしデータの取得ステップの後に、試料Ａが載置されているか否かを確認し（ステップＳ８）、試料Ａが載置されていない場合に、試料Ａを載置し（ステップＳ９）、ステップＳ２〜Ｓ７を繰り返す。
【００４５】
タイミング算出ステップは、近赤外光Ｌ１の入射タイミング毎に、試料Ａなしデータの取得ステップにおいて記憶した近赤外光Ｌ１の強度分布と、試料Ａありデータの取得ステップにおいて記憶した近赤外光Ｌ１の強度分布とを用いて、一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正する補正ステップＳ１０と、補正された近赤外光Ｌ１の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値を算出する算出ステップＳ１１と、算出結果が最も大きくなる入射タイミングを選択する選択ステップＳ１２とを含んでいる。
【００４６】
そして、このようにして選択された入射タイミングに設定して観察を行うことで、試料Ａが存在しない領域を透過したテラヘルツ波Ｌ２による影響を抑えた高いコントラストの観察を行うことができる。
【００４７】
このように、本実施形態に係る観察装置１および観察方法によれば、観察範囲内に配置される細胞等の透明な試料Ａを試料Ａではない領域から区別して高いコントラストで鮮明な観察を行うことができるという利点がある。
また、本実施形態に係る入射タイミング設定方法によれば、上記観察方法において使用する近赤外光Ｌ１の入射タイミングを簡易に設定することができ、高コントラストでの観察を容易に実現することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、試料Ａを透過していないテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなり、かつ試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅がピークとなるタイミングで近赤外光Ｌ１を電気光学結晶８に入射させることとした。これに代えて、試料Ａを透過していないテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がピークとなり、試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅がほぼゼロとなるタイミングで近赤外光Ｌ１を電気光学結晶８に入射させてもよい。
【００４９】
また、本実施形態においては、試料Ａを透過していないテラヘルツ波Ｌ２または試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅の一方がほぼゼロとなるタイミングを選択したが、これに代えて、電場振幅が厳密にゼロにならなくても他方に対して十分に低いレベルの振幅となっているタイミングを採用することにしてもよい。
【００５０】
また、本実施形態においては、近赤外光照射光学系５に光路長調節光学系１３を配置して、近赤外光照射光学系５の光路長を調節することで、テラヘルツ波Ｌ２に対する近赤外光Ｌ１の入射タイミングを調節することとしたが、これに代えてあるいはこれとともに、テラヘルツ波照射光学系４に光路長調節光学系（図示略）を配置することにしてもよい。
【００５１】
また、本実施形態においては、図４〜図８に示されるように、電気光学結晶８の表面に試料Ａを載置する載置面８ａを設けることにしてもよい。図４において、符号２０は集光レンズ、符号２１，２２は放物面ミラー、符号２３は対物レンズ、符号２４は１／４波長板、符号２５は偏光子、符号２６は結像レンズである。また、図４，５，７において、光路長調節光学系１３は、三角プリズム１３ａ‘，１３ｂ’により構成されている。
【００５２】
このように構成することで、試料Ａを通過した直後にテラヘルツ波Ｌ２を電気光学結晶８に入射させることができ、光学系によって空間分解能を制限されることなく、高い分解能で観察することができるという利点がある。その結果、細胞のように微細な試料Ａであっても、簡易な構成で高い空間分解能により精度よく観察することができる。
【００５３】
また、図５および図６に示すように電気光学結晶８の載置面８ａにテラヘルツ波Ｌ２を透過させ、近赤外光Ｌ１を反射する反射膜２７を配置して、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射方向を逆方向に構成することにしてもよい。このようにすると、近赤外光Ｌ１が試料Ａを透過しないので、読み出し用の近赤外光Ｌ１が試料Ａによって変調されず、テラヘルツ波Ｌ２によって、図６の斜線Ｅで示される電気光学結晶８の領域に書き込まれた情報をより正確に読み出すことができる。
【００５４】
また、図７に示されるように、共焦点観察装置を構成してもよい。
図７に示す例では、図５の観察装置１の近赤外光照射光学系５の途中に、近赤外光Ｌ１を２次元的に走査するスキャナ（近接ガルバノミラー）３０を設け、対物レンズ２３の焦点位置と光学的に共役な位置に、共焦点ピンホール３１を配置している。これにより、対物レンズ２３の焦点位置が配置されている電気光学結晶８の載置面８ａ近傍の領域Ｅからの近赤外光Ｌ１のみを光検出器（例えば、光電子増倍管）３２によって検出することができる。したがって、電気光学結晶８自体を比較的厚く構成しても鮮明な画像を得ることができる。
【００５５】
また、上記各実施形態においては、光学結晶として、電気光学結晶８を例示して説明したが、これに代えて、２種類の異なる波長の光Ｌ１，Ｌ２を同時に入射させると、その２つの光Ｌ１，Ｌ２が和周波混合または差周波混合されて、その周波数の和または差の周波数を有する他の光Ｌ３が射出される非線形光学結晶８’を採用してもよい。このようにすることで、例えば、和周波混合の場合では、図１に示される観察装置１において、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを同時に試料Ａおよび非線形光学結晶８’に入射させると、図８に示されるように、試料Ａの屈折率分布に応じて変調されたテラヘルツ波Ｌ２（例えば、波長３ｍｍ、周波数０．１ＴＨｚ）とさほど変調されていない近赤外光Ｌ１（例えば、波長８００ｎｍ）とが非線形光学結晶８’において和周波混合され、試料Ａの屈折率分布の情報を含む他の波長（例えば、波長７９９．７９ｎｍ）の和周波混合光Ｌ３が対物レンズ２３により集光される。したがって、これを検出することにより、試料Ａの画像を取得することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態においては、試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２を検出した。これに代えて、試料Ａで反射したテラヘルツ波Ｌ２を電気光学結晶８もしくは非線形光学結晶８’に入射させ、その電場波形を測定しても良い。このようにすることで、テラヘルツ波Ｌ２が試料Ａを透過しない場合においても、測定を行うことが可能となる。
【００５７】
また、本実施形態に係る入射タイミング設定方法においては、観察の都度に、試料Ａを載置しないときの近赤外光Ｌ１の強度分布を入射タイミング毎に取得して対応づけて記憶し、その後、試料Ａを載置したときの近赤外光Ｌ１の強度分布を入射タイミング毎に取得して対応づけて記憶することとした。これに代えて、予め、試料Ａを載置しないときの近赤外光Ｌ１の強度分布を入射タイミング毎に取得して対応づけて記憶したデータベースを作成しておいてもよい。この場合には、図９に示されるように、試料Ａなしデータの取得ステップを省略して最初から試料Ａを載置し（ステップＳ２１）、その代わりに、補正前にデータベースから試料Ａを載置しないときの近赤外光Ｌ１の強度分布を読み出すことにすればよい（ステップＳ２２）。
【００５８】
また、観察範囲内の試料Ａの存在する領域と試料Ａが存在しない領域とを予め区別することができる場合には、図１０に示されるように、ステップＳ５において記憶された近赤外光Ｌ１の強度分布の内のいずれかの強度分布から、試料Ａが存在しない領域に対応するいずれかの位置の強度値を得て、その強度値を全ての位置の強度値とする強度分布を試料Ａが存在しない場合の強度分布として擬似的に生成してもよい（ステップＳ２３）。このようにすることで、試料Ａが存在しない場合の強度分布の取得を省略して簡易にコントラストよく観察するための入射タイミングを設定することができる。
【００５９】
また、図１１に示されるように、テラヘルツ波Ｌ２を入射させることなく近赤外光Ｌ１のみを電気光学結晶８に入射させて、電気光学結晶８を透過してきた近赤外光Ｌ１を撮像することによりバックグラウンドの強度分布を予め記憶しておいてもよい。この場合には、全ての入射タイミング毎の近赤外光Ｌ１の強度分布を取得した後に、予め記憶しておいたバックグラウンドの強度分布を読み込み（ステップＳ２４）、近赤外光Ｌ１の入射のタイミング毎に、記憶されている近赤外光Ｌ１の強度分布から読み出したバックグラウンドの強度分布を減算または除算して補正し（ステップＳ２５）、補正された強度分布をフーリエ変換し（ステップＳ２６）、フーリエ変換された強度分布において、試料のサイズに対応する周波数成分が最も大きくなるタイミングを選択すればよい（ステップＳ１１，Ｓ１２）。
【００６０】
このようにすることで、高い周波数成分の存在する領域、例えば、試料Ａの輪郭を鮮明に際立たせた観察を行うことができる。また、試料がコントラストよく観察できている画像では、試料のサイズに応じた周波数の強度が強くなっている。したがって、その強度が強い位置を探索することにより、コントラストが向上するタイミングを選択することができる。試料のサイズによって対応する周波数が異なるため、複数個の試料が存在する場合には、探索する周波数を選ぶことで、特定の試料をコントラストよく観察できるようにすることもできる。
【００６１】
なお、この場合には、塵埃等の不純物も際立たせてしまうことがあるので、この場合には、ローパスフィルタを併用して、所定以上の高い周波数成分を消去することにしてもよい。または、これに加えて、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタを併用してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
Ａ 試料
Ｌ１ 近赤外光（第２の電磁波）
Ｌ２ テラヘルツ波（第１の電磁波）
１ 観察装置
４ テラヘルツ波照射光学系（第１の照射部）
５ 近赤外光照射光学系（第２の照射部）
８ 電気光学結晶（光学結晶）
８′ 非線形光学結晶（光学結晶）
８ａ 載置面
９ 検出光学系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、透明な物質（例えば、水）のセンシング技術として、テラヘルツ波を使用したものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
このセンシング技術は、テラヘルツ波を透明な試料に通過させたときに、その成分分布に応じた強度分布をテラヘルツ波が備えることを利用している。
【０００３】
非特許文献１では、透明な試料を透過したテラヘルツ波を電気光学結晶に入射させる一方、ダイクロイックミラーによって同一光路に入射させた近赤外光を電気光学結晶に照射している。電気光学結晶はテラヘルツ波が照射されると、その電場状態に応じて特性が変化する。すなわち、電気光学結晶に試料情報が記録されることになる。そして、試料情報が記録された電気光学結晶を近赤外光が通過すると、通過の際に近赤外光が変調を受ける。したがって、変調された近赤外光を検出することにより、試料の成分分布を撮影することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】西澤潤一編著、「テラヘルツ波の基礎と応用」、株式会社工業調査会発行、２００５年４月１日、ｐ１６０−１６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電気光学結晶に入射されるテラヘルツ波は、試料を通過した後に電気光学結晶に入射するテラヘルツ波のみならず、試料を通過することなく電気光学結晶に入射するテラヘルツ波も電場の空間分布を有している。したがって、観察範囲に試料が存在する領域と試料が存在しない領域とが存在する場合には、試料が存在する領域においても何らかの情報が電気光学結晶に書き込まれてしまい、この領域における情報によって試料情報を高いコントラストで観察することが困難になるという不都合がある。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、試料の存在する領域と存在しない領域とを含む観察範囲の観察において試料を高いコントラストで観察することができる観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより、観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波と、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波とを光学結晶に入射させるステップと、前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出するステップとを備え、前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射される観察方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波が照射されると、試料各部の屈折率分布に応じた量だけ第１の電磁波において位相の遅れ、あるいは、試料における吸収によって振幅の変形が生じる。したがって、第１の電磁波は、試料の有無や、試料における屈折率分布、吸収特性の分布に応じて、その電場波形に空間的な変化が生じる。この第１の電磁波が光学結晶に入射すると、第１の電磁波が結晶内を通過するあるタイミングにおいて、第１の電磁波が持つ電場振幅の分布が光学結晶の特性の分布として反映される。また、第１の電磁波が結晶内を伝播する際、その振幅は時間の経過に伴って変化する。
【０００９】
そして、光学結晶に書き込まれた第１の電磁波の電場振幅の分布を第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波によって読み出す場合には、パルス状の第２の電磁波の光学結晶への入射に一致するタイミングで光学結晶に入射されている第１の電磁波の電場振幅の分布が読み出される。この場合において、試料において反射または試料を透過しうた第１の電磁波の電場振幅または試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場振幅の一方が他方より大きくなる位相に一致するタイミングで第２の電磁波を光学結晶に入射させることにより、振幅が小さい方の第１の電磁波の影響を抑え、大きい方の第１の電磁波の振幅分布を第２の電磁波によって読み出すことができる。その結果、試料をコントラストよく観察することができる。
【００１０】
上記発明においては、前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場振幅の一方がほぼゼロとなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射されることが好ましい。
このようにすることで、振幅がほぼゼロとなる側の第１の電磁波はほぼ消滅した状態となっているので、この第１の電磁波の影響を受けることなく、振幅が大きい側の第１の電磁波の電場振幅分布を第２の電磁波によって読み出すことができ、より高いコントラストで試料を観察することができる。
【００１１】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを観察範囲内に試料を配置した場合および配置しない場合において行った後に、前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、試料を配置しないで記憶された第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法を提供する。
【００１２】
本発明によれば、まず、観察範囲内に試料を配置しない状態で、光学結晶に対して第１の電磁波を入射させ、第２の電磁波の入射タイミングをずらしながら第２の電磁波を光学結晶に入射させて、光学結晶から出射された第２の電磁波を検出して得られた強度分布を第２の電磁波の入射タイミングとともに記憶しておく。次いで、観察範囲内に試料を配置した状態で、上記と同様の検出を行い、得られた第２の電磁波の強度分布を第２の電磁波の入射タイミングとともに記憶する。そして、同じ入射タイミングで第２の電磁波を入射させたときに検出された試料を配置した時と試料を配置しない時の第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正する。補正された第２の電磁波の強度分布において最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなるタイミングを選択することで、一方の強度分布が他方の強度分布によって最も影響を受け難い第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。
【００１３】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、観察範囲内に試料を配置せずに観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射し、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させ、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得して、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけてデータベースに記憶しておき、観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、前記データベースに記憶されている第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法を提供する。
【００１４】
本発明によれば、観察範囲内に試料を配置しない状態で、予め光学結晶に対して第１の電磁波を入射させ、第２の電磁波の入射タイミングをずらしながら第２の電磁波を光学結晶に入射させて、光学結晶から出射された第２の電磁波を検出して得られた強度分布と第２の電磁波の入射タイミングとをデータベースとして記憶しているので、観察の都度に、試料を配置しない状態での第２の電磁波の入射タイミング毎の第２の電磁波の強度分布の取得作業を行わずに済む。したがって、観察範囲内に試料を配置した状態で、入射タイミングをずらしながら第２の電磁波の強度分布を取得するだけで、一方の強度分布が他方の強度分布によって最も影響を受け難い第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。その結果、高いコントラストで試料の観察を行うことが可能な第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、取得された前記第２の電磁波の強度分布のうち、試料が存在していない領域に対応する光学結晶から出射された第２の電磁波のいずれかの強度に基づいて、試料を配置しない時の第２の電磁波の強度分布を生成するステップと、記憶されている前記第２の電磁波の強度分布および生成された試料を配置しない時の前記第２の電磁波の強度分布の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを含む入射タイミング設定方法を提供する。
【００１６】
本発明によれば、観察範囲内において試料が存在していない領域に対応する光学結晶から出射される第２の電磁波の強度に基づく強度分布を生成し、観察範囲から得られた第２の電磁波の強度分布を、生成された強度分布で補正するので、補正用に試料が存在していない領域に対応する光学結晶からの代表的な第２の電磁波の強度を取得しておけば足り、これによって、高いコントラストで試料の観察を行うことが可能な第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。このとき、試料を配置していない状態と試料を配置した状態とで分けて測定を行う必要がなく、簡易かつ迅速に入射タイミングを設定することができる。
【００１７】
また、本発明は、上記観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、前記光学結晶に前記第１の電磁波が入射していない状態で前記第２の電磁波を前記光学結晶に入射させて、該光学結晶から出射した前記第２の電磁波を検出して取得したバックグラウンドの強度分布を記憶しておき、観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射した前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、記憶されている第２の電磁波の強度分布から予め記憶しておいた前記バックグラウンドの強度分布を減算または除算して補正するステップと、前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、補正された第２の電磁波の強度分布をフーリエ変換するステップと、フーリエ変換された強度分布において、試料の大きさに対応する周波数成分が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法を提供する。
【００１８】
本発明によれば、第１の電磁波を入射させないで第２の電磁波のみを入射させた場合においても光学結晶から出射した第２の電磁波として取得されてしまうバックグラウンドの強度分布を記憶しておき、第１の電磁波を入射して取得された第２の電磁波の強度分布を記憶していたバックグラウンドの強度分布によって補正するので、補正された第２の電磁波の強度分布からはバックグラウンドノイズが除去されている。そして、バックグラウンドノイズが除去された強度分布をフーリエ変換して試料のサイズに対応する周波数成分強度を調べることにより、試料部分の強度分布が急激に変化するタイミングを簡単に見つけることができる。フーリエ変換成分は周波数増大につれて強度が減少する曲線を示すが、コントラストが良くない場合には高周波での強度減少が大きくなる。このコントラスト低下による強度減少が明瞭に観測される周波数は試料のサイズが小さくなるにつれて高周波になるため、試料のサイズに応じた周波数の強度変化を調べ、その強度が最も大きくなるタイミングを選ぶことによって、試料の存在する領域と試料の存在しない領域との境界をコントラストよく検出可能な第２の電磁波の入射タイミングを設定することができる。
【００１９】
また、本発明は、試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射する第１の照射部と、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波を入射させる光学結晶と、該光学結晶に向けて前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波を入射させる第２の照射部と、前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出する検出部とを備え、前記第２の照射部から発せられる前記第２の電磁波の入射タイミングは、該第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に設定されている観察装置を提供する。
【００２０】
上記発明においては、前記第２の電磁波の入射タイミングは、前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方がほぼゼロとなる位相に設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、試料の存在する領域と存在しない領域とを含む観察範囲の観察において試料を高いコントラストで観察することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。
【図２】図１の観察装置における（ａ）試料への入射前のテラヘルツ波、（ｂ）ステージを通過した後のテラヘルツ波をそれぞれ示す図である。
【図３】図１の観察装置における近赤外光の電気光学結晶への入射タイミングの設定方法を説明するフローチャートである。
【図４】図１の観察装置の第１の変形例を示す全体構成図である。
【図５】図１の観察装置の第２の変形例を示す全体構成図である。
【図６】図５の観察装置におけるテラヘルツ波と近赤外光の入射方向を説明する図である。
【図７】図１の観察装置の第３の変形例を示す全体構成図である。
【図８】図１の観察装置の光学結晶として和周波混合または差周波混合を行うものを説明する図である。
【図９】図３の入射タイミングの設定方法の第１の変形例を説明するフローチャートである。
【図１０】図３の入射タイミングの設定方法の第２の変形例を説明するフローチャートである。
【図１１】図３の入射タイミングの設定方法の第３の変形例を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態に係る観察方法、入射タイミング設定方法および観察装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、パルス状の近赤外光（例えば、フェムト秒パルスレーザ光）Ｌ１を発生する光源２と、該光源２からの近赤外光Ｌ１を２つの光路に分割するビームスプリッタ３と、該ビームスプリッタ３により分割された一方の光路に設けられ、テラヘルツ波Ｌ２を発生するテラヘルツ波照射光学系４と、他方の光路に設けられた近赤外光照射光学系５と、テラヘルツ波照射光学系４の途中位置に配置された細胞等の試料Ａを載置するステージ６と、これら照射光学系４，５を導光されてきたテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを合波するビームスプリッタ７と、該ビームスプリッタ７の後段に配置された電気光学結晶８と、電気光学結晶８を透過した近赤外光Ｌ１を検出する検出光学系９とを備えている。
【００２４】
テラヘルツ波照射光学系４は、ビームスプリッタ３により分割された近赤外光Ｌ１の内の一方の近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波Ｌ２に変換するテラヘルツ波放射素子１１と、該テラヘルツ波放射素子１１から放射されたテラヘルツ波Ｌ２を略平行光にする集光レンズ１０と、ステージ６上の試料Ａを透過させられたテラヘルツ波Ｌ２の光束径を調節するレンズ１２とを備えている。
【００２５】
近赤外光照射光学系５は、ビームスプリッタ３により分割された近赤外光Ｌ１の内の他方の近赤外光Ｌ１の偏光状態を直線偏光に整える１／２波長板１５と、近赤外光Ｌ１のビームスプリッタ３，７間の光路長を調節する光路長調節光学系１３と、光路を調節された近赤外光Ｌ１の光束径を増大させて略平行光に変換するビームエキスパンダ１４とを備えている。
【００２６】
光路長調節光学系１３は、近赤外光Ｌ１を折り返す２個の可動ミラー１３ａと，該可動ミラー１３ａの一方に対向して配置された固定ミラー１３ｂと、可動ミラー１３ａを固定ミラー１３ｂに対して矢印Ｂの方向に移動させる移動機構（図示略）とを備えている。固定ミラー１３ｂに対して可動ミラー１３ａを移動させることで、近赤外光Ｌ１の位相を調節することができるようになっている。
【００２７】
電気光学結晶８は、テラヘルツ波Ｌ２が照射されることにより、その電場状態に応じて屈折率の分布が変化する非線形光学結晶である。例えば、ＺｎＴｅ：テルル化亜鉛を挙げることができる。電気光学結晶８に電場の空間分布を有するテラヘルツ波Ｌ２が照射されることで、その電場振幅の分布が屈折率分布として電気光学結晶８に書き込まれる（反映される）。その書き込まれた領域に近赤外光Ｌ１を通過させると、近赤外光Ｌ１の偏光方向が変化させられるようになっている。書き込まれた情報は瞬時に消失するので、情報の書き込み直後に読み出せるように、テラヘルツ波Ｌ２の直後に近赤外光Ｌ１を電気光学結晶８に入射させる必要がある。
【００２８】
検出光学系９は、電気光学結晶８を透過した近赤外光Ｌ１を結像させる結像光学系１９と、１／２波長板１５に対して直交配置された偏光子１６と、該偏光子１６を通過した近赤外光Ｌ１を撮像して２次元的な強度分布を取得するＣＣＤカメラ１７とを備えている。ここで、ＣＣＤカメラ１７は試料Ａと光学的に共役な位置に配置されている。近赤外光Ｌ１は、テラヘルツ波Ｌ２が照射されている電気光学結晶８を透過することにより、テラヘルツ波Ｌ２の電場によって誘起された複屈折のために偏光状態が楕円偏光となっている。したがって、偏光子１６を通過した近赤外光Ｌ１のみを検出することにより、偏光状態が変化した成分のみを撮像することができるようになっている。なお、ＣＣＤカメラ１７に代えて、ＣＭＯＳカメラを採用してもよい。図中符号１８はミラー、符号２７は集光レンズである。
【００２９】
また、光路長調節光学系１３およびＣＣＤカメラ１７には、光路長調節光学系１３から出力される後述する近赤外光Ｌ１の入射タイミングと、ＣＣＤカメラ１７から出力される近赤外光Ｌ１の強度分布とを対応づけて記憶する記憶部２８が接続されている。
【００３０】
ここで、本実施形態に係る観察装置１における前記近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射タイミングについて以下に説明する。
図２（ａ）に示されるように、試料Ａへの入射前において、各部のテラヘルツ波Ｌ２の電場の位相および波形はほぼ一致している。一方、図２（ｂ）に示されるように、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’は、試料Ａの屈折率によって、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ２と比較して、位相が遅れる。また、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’は、試料Ａにおける吸収によって、波形が変形する。
【００３１】
その結果、試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’と、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ２とは、そのピーク位置の位相が時間軸方向にずれる。そして、図２（ｂ）に符号Ｃで示されるように、試料Ａを通過していないテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなる位置において試料Ａを通過したテラヘルツ波Ｌ２’が大きな電場振幅（例えば、ピーク振幅）を有する位相が存在する。
【００３２】
電気光学結晶８においては、入射されるテラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’の電場振幅に依存して屈折率が変化させられるので、一方のテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなる位相においては、他方のテラヘルツ波Ｌ２’のみによる屈折率の変化のみが発生することになる。したがって、その位相に一致するタイミングで近赤外光Ｌ１を入射させることにより、一方のテラヘルツ波Ｌ２による屈折率変化を実質的に消滅させた状態で他方のテラヘルツ波Ｌ２’による屈折率変化の情報のみを近赤外光Ｌ１に重畳させることができ、そのような近赤外光Ｌ１を検出光学系９によって検出することができるようになっている。
【００３３】
このように構成された本実施形態に係る観察装置１を用いた観察方法について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて透明な細胞のような試料Ａの観察を行うには、ステージ６に試料Ａを載置し、光源２からパルス状の近赤外光Ｌ１を出射させる。
【００３４】
ビームスプリッタ３により分岐されてテラヘルツ波照射光学系４に入射された近赤外光Ｌ１は、ミラー１８によって偏向され、集光レンズ２７によって集光されてテラヘルツ波放射素子１１を通過させられることにより、テラヘルツ波Ｌ２に変換され、レンズ１０によって略平行光に変換された後に、ステージ６上の試料Ａを含む観察範囲に照射される。
【００３５】
観察範囲内における試料Ａが存在する領域においては、テラヘルツ波Ｌ２は、試料Ａの屈折率によって位相が遅らせられ、試料Ａの吸収によってその波形が変形されたテラヘルツ波Ｌ２’となる。一方、試料Ａが存在しない領域においては、テラヘルツ波Ｌ２は、位相の遅れや波形の変形を伴うことなくそのまま透過させられる。そして、テラヘルツ波Ｌ２はレンズ１２によって光束径が調節される。
【００３６】
試料Ａは透明な細胞等であるが、試料Ａを透過させられたテラヘルツ波Ｌ２’は、試料Ａにより変調されて試料Ａ内における屈折率や吸収の分布に応じた電場振幅の分布を有するようになる。そして、観察範囲を透過させられることにより試料Ａの情報を重畳させられて電場振幅の分布を有するテラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’が電気光学結晶８に入射されると、電気光学結晶８においては、テラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’の電場振幅の分布に応じた屈折率分布が発生する。
【００３７】
一方、ビームスプリッタ３により分岐されて近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ１は、１／２波長板１５を透過させられることによって電気光学結晶８に複屈折が生じた際に偏光状態が変化するように直線偏光の回転方向を設定される。そして、偏光状態を設定された近赤外光Ｌ１は、光路長調節光学系１３によってその位相を調節された後に、ビームエキスパンダ１４によって光束径を拡大させられて、ビームスプリッタ７によってテラヘルツ波Ｌ２，Ｌ２’と同一の光路に合流され、電気光学結晶８に入射される。
【００３８】
この場合において、本実施形態においては、光路長調節光学系１３により近赤外光照射光学系５の光路長を調節することによって、近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射タイミングが調節されている。すなわち、近赤外光Ｌ１は、試料Ａを透過することなく電気光学結晶８に入射されるテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなりかつ試料Ａを透過して電気光学結晶８に入射されるテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅が十分に大きくなる位相にほぼ一致するタイミングで電気光学結晶８に入射される。
【００３９】
これにより、試料Ａを透過することなく電気光学結晶８に入射したテラヘルツ波Ｌ２による電気光学結晶８の屈折率の変化を抑え、試料Ａを透過した後に電気光学結晶８に入射したテラヘルツ波Ｌ２’のみによる屈折率分布、すなわち、試料Ａの屈折率分布を近赤外光Ｌ１によって精度よく読み出すことができる。
【００４０】
電気光学結晶８を透過させられることにより、試料Ａの屈折率分布の情報が重畳された近赤外光Ｌ１は、偏光子１６を通過させられることにより、電気光学結晶８によって変化した成分のみが抽出された後に、ＣＣＤカメラ１７によって撮像される。これにより、試料Ａを含む観察範囲の画像が取得される。この画像中においては、試料Ａが存在しない領域を通過したテラヘルツ波Ｌ２の影響が取り除かれており、高いコントラストで、試料Ａの鮮明な観察を行うことができる。
【００４１】
次に、上記観察方法における近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射タイミング設定方法について、図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る入射タイミング設定方法は、ステージ６上に試料Ａを載置しないで行う試料Ａなしデータの取得ステップと、ステージ６上に試料Ａを載置して行う試料Ａありデータの取得ステップと、取得された試料Ａありデータおよび試料Ａなしデータに基づいて、近赤外光Ｌ１の入射のタイミングを算出するタイミング算出ステップとを備えている。
【００４２】
試料Ａなしデータの取得ステップおよび試料Ａありデータの取得ステップは、試料Ａが載置されているかいないかの違いだけであるので、ここでは試料Ａなしデータの取得ステップについて説明し試料Ａありデータの取得ステップについては説明を省略する。
試料Ａなしデータの取得ステップは、観察範囲内に試料Ａを配置しない状態（ステップＳ１）で、電気光学結晶８にテラヘルツ波Ｌ２および近赤外光Ｌ１を入射させ、光路長調節光学系１３を作動させて、テラヘルツ波Ｌ２に対する近赤外光Ｌ１の入射タイミングをずらしながら近赤外光Ｌ１の強度分布を取得する。
【００４３】
具体的には、試料Ａなしデータの取得ステップは、近赤外光Ｌ１の入射タイミングを初期設定するステップＳ２と、観察範囲を透過したテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを電気光学結晶８に入射させる入射ステップＳ３と、電気光学結晶８を透過した近赤外光Ｌ１をＣＣＤカメラ１７によって撮像して強度分布を取得する強度分布取得ステップＳ４と、取得された近赤外光Ｌ１の強度分布をそのときの入射タイミングとともに記憶部２８に記憶する記憶ステップＳ５と、全ての入射タイミングで強度分布の取得を行ったか否かを判定し、終了していない場合には、光路長調節光学系１３を作動させて入射タイミングを所定の変動幅でずらすタイミング変動ステップＳ６と、ステップＳ３〜Ｓ６を、所定の入射タイミングの範囲にわたって繰り返す繰返ステップＳ７とを含んでいる。
【００４４】
試料Ａありデータの取得ステップは、試料Ａなしデータの取得ステップの後に、試料Ａが載置されているか否かを確認し（ステップＳ８）、試料Ａが載置されていない場合に、試料Ａを載置し（ステップＳ９）、ステップＳ２〜Ｓ７を繰り返す。
【００４５】
タイミング算出ステップは、近赤外光Ｌ１の入射タイミング毎に、試料Ａなしデータの取得ステップにおいて記憶した近赤外光Ｌ１の強度分布と、試料Ａありデータの取得ステップにおいて記憶した近赤外光Ｌ１の強度分布とを用いて、一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正する補正ステップＳ１０と、補正された近赤外光Ｌ１の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値を算出する算出ステップＳ１１と、算出結果が最も大きくなる入射タイミングを選択する選択ステップＳ１２とを含んでいる。
【００４６】
そして、このようにして選択された入射タイミングに設定して観察を行うことで、試料Ａが存在しない領域を透過したテラヘルツ波Ｌ２による影響を抑えた高いコントラストの観察を行うことができる。
【００４７】
このように、本実施形態に係る観察装置１および観察方法によれば、観察範囲内に配置される細胞等の透明な試料Ａを試料Ａではない領域から区別して高いコントラストで鮮明な観察を行うことができるという利点がある。
また、本実施形態に係る入射タイミング設定方法によれば、上記観察方法において使用する近赤外光Ｌ１の入射タイミングを簡易に設定することができ、高コントラストでの観察を容易に実現することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、試料Ａを透過していないテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がほぼゼロとなり、かつ試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅がピークとなるタイミングで近赤外光Ｌ１を電気光学結晶８に入射させることとした。これに代えて、試料Ａを透過していないテラヘルツ波Ｌ２の電場振幅がピークとなり、試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅がほぼゼロとなるタイミングで近赤外光Ｌ１を電気光学結晶８に入射させてもよい。
【００４９】
また、本実施形態においては、試料Ａを透過していないテラヘルツ波Ｌ２または試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２’の電場振幅の一方がほぼゼロとなるタイミングを選択したが、これに代えて、電場振幅が厳密にゼロにならなくても他方に対して十分に低いレベルの振幅となっているタイミングを採用することにしてもよい。
【００５０】
また、本実施形態においては、近赤外光照射光学系５に光路長調節光学系１３を配置して、近赤外光照射光学系５の光路長を調節することで、テラヘルツ波Ｌ２に対する近赤外光Ｌ１の入射タイミングを調節することとしたが、これに代えてあるいはこれとともに、テラヘルツ波照射光学系４に光路長調節光学系（図示略）を配置することにしてもよい。
【００５１】
また、本実施形態においては、図４〜図８に示されるように、電気光学結晶８の表面に試料Ａを載置する載置面８ａを設けることにしてもよい。図４において、符号２０は集光レンズ、符号２１，２２は放物面ミラー、符号２３は対物レンズ、符号２４は１／４波長板、符号２５は偏光子、符号２６は結像レンズである。また、図４，５，７において、光路長調節光学系１３は、三角プリズム１３ａ‘，１３ｂ’により構成されている。
【００５２】
このように構成することで、試料Ａを通過した直後にテラヘルツ波Ｌ２を電気光学結晶８に入射させることができ、光学系によって空間分解能を制限されることなく、高い分解能で観察することができるという利点がある。その結果、細胞のように微細な試料Ａであっても、簡易な構成で高い空間分解能により精度よく観察することができる。
【００５３】
また、図５および図６に示すように電気光学結晶８の載置面８ａにテラヘルツ波Ｌ２を透過させ、近赤外光Ｌ１を反射する反射膜２７を配置して、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１の電気光学結晶８への入射方向を逆方向に構成することにしてもよい。このようにすると、近赤外光Ｌ１が試料Ａを透過しないので、読み出し用の近赤外光Ｌ１が試料Ａによって変調されず、テラヘルツ波Ｌ２によって、図６の斜線Ｅで示される電気光学結晶８の領域に書き込まれた情報をより正確に読み出すことができる。
【００５４】
また、図７に示されるように、共焦点観察装置を構成してもよい。
図７に示す例では、図５の観察装置１の近赤外光照射光学系５の途中に、近赤外光Ｌ１を２次元的に走査するスキャナ（近接ガルバノミラー）３０を設け、対物レンズ２３の焦点位置と光学的に共役な位置に、共焦点ピンホール３１を配置している。これにより、対物レンズ２３の焦点位置が配置されている電気光学結晶８の載置面８ａ近傍の領域Ｅからの近赤外光Ｌ１のみを光検出器（例えば、光電子増倍管）３２によって検出することができる。したがって、電気光学結晶８自体を比較的厚く構成しても鮮明な画像を得ることができる。
【００５５】
また、上記各実施形態においては、光学結晶として、電気光学結晶８を例示して説明したが、これに代えて、２種類の異なる波長の光Ｌ１，Ｌ２を同時に入射させると、その２つの光Ｌ１，Ｌ２が和周波混合または差周波混合されて、その周波数の和または差の周波数を有する他の光Ｌ３が射出される非線形光学結晶８’を採用してもよい。このようにすることで、例えば、和周波混合の場合では、図１に示される観察装置１において、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを同時に試料Ａおよび非線形光学結晶８’に入射させると、図８に示されるように、試料Ａの屈折率分布に応じて変調されたテラヘルツ波Ｌ２（例えば、波長３ｍｍ、周波数０．１ＴＨｚ）とさほど変調されていない近赤外光Ｌ１（例えば、波長８００ｎｍ）とが非線形光学結晶８’において和周波混合され、試料Ａの屈折率分布の情報を含む他の波長（例えば、波長７９９．７９ｎｍ）の和周波混合光Ｌ３が対物レンズ２３により集光される。したがって、これを検出することにより、試料Ａの画像を取得することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態においては、試料Ａを透過したテラヘルツ波Ｌ２を検出した。これに代えて、試料Ａで反射したテラヘルツ波Ｌ２を電気光学結晶８もしくは非線形光学結晶８’に入射させ、その電場波形を測定しても良い。このようにすることで、テラヘルツ波Ｌ２が試料Ａを透過しない場合においても、測定を行うことが可能となる。
【００５７】
また、本実施形態に係る入射タイミング設定方法においては、観察の都度に、試料Ａを載置しないときの近赤外光Ｌ１の強度分布を入射タイミング毎に取得して対応づけて記憶し、その後、試料Ａを載置したときの近赤外光Ｌ１の強度分布を入射タイミング毎に取得して対応づけて記憶することとした。これに代えて、予め、試料Ａを載置しないときの近赤外光Ｌ１の強度分布を入射タイミング毎に取得して対応づけて記憶したデータベースを作成しておいてもよい。この場合には、図９に示されるように、試料Ａなしデータの取得ステップを省略して最初から試料Ａを載置し（ステップＳ２１）、その代わりに、補正前にデータベースから試料Ａを載置しないときの近赤外光Ｌ１の強度分布を読み出すことにすればよい（ステップＳ２２）。
【００５８】
また、観察範囲内の試料Ａの存在する領域と試料Ａが存在しない領域とを予め区別することができる場合には、図１０に示されるように、ステップＳ５において記憶された近赤外光Ｌ１の強度分布の内のいずれかの強度分布から、試料Ａが存在しない領域に対応するいずれかの位置の強度値を得て、その強度値を全ての位置の強度値とする強度分布を試料Ａが存在しない場合の強度分布として擬似的に生成してもよい（ステップＳ２３）。このようにすることで、試料Ａが存在しない場合の強度分布の取得を省略して簡易にコントラストよく観察するための入射タイミングを設定することができる。
【００５９】
また、図１１に示されるように、テラヘルツ波Ｌ２を入射させることなく近赤外光Ｌ１のみを電気光学結晶８に入射させて、電気光学結晶８を透過してきた近赤外光Ｌ１を撮像することによりバックグラウンドの強度分布を予め記憶しておいてもよい。この場合には、全ての入射タイミング毎の近赤外光Ｌ１の強度分布を取得した後に、予め記憶しておいたバックグラウンドの強度分布を読み込み（ステップＳ２４）、近赤外光Ｌ１の入射のタイミング毎に、記憶されている近赤外光Ｌ１の強度分布から読み出したバックグラウンドの強度分布を減算または除算して補正し（ステップＳ２５）、補正された強度分布をフーリエ変換し（ステップＳ２６）、フーリエ変換された強度分布において、試料のサイズに対応する周波数成分が最も大きくなるタイミングを選択すればよい（ステップＳ１１，Ｓ１２）。
【００６０】
このようにすることで、高い周波数成分の存在する領域、例えば、試料Ａの輪郭を鮮明に際立たせた観察を行うことができる。また、試料がコントラストよく観察できている画像では、試料のサイズに応じた周波数の強度が強くなっている。したがって、その強度が強い位置を探索することにより、コントラストが向上するタイミングを選択することができる。試料のサイズによって対応する周波数が異なるため、複数個の試料が存在する場合には、探索する周波数を選ぶことで、特定の試料をコントラストよく観察できるようにすることもできる。
【００６１】
なお、この場合には、塵埃等の不純物も際立たせてしまうことがあるので、この場合には、ローパスフィルタを併用して、所定以上の高い周波数成分を消去することにしてもよい。または、これに加えて、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタを併用してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
Ａ 試料
Ｌ１ 近赤外光（第２の電磁波）
Ｌ２ テラヘルツ波（第１の電磁波）
１ 観察装置
４ テラヘルツ波照射光学系（第１の照射部）
５ 近赤外光照射光学系（第２の照射部）
８ 電気光学結晶（光学結晶）
８′ 非線形光学結晶（光学結晶）
８ａ 載置面
９ 検出光学系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波と、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波とを光学結晶に入射させるステップと、
前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出するステップとを備え、
前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射される観察方法。
【請求項２】
前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方がほぼゼロとなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射される請求項１に記載の観察方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における前記第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを観察範囲内に試料を配置した場合および配置しない場合において行った後に、
前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、試料を配置しないで記憶された第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
観察範囲内に試料を配置せずに観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させ、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得して、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけてデータベースに記憶しておき、
観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射するステップと、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、
前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、前記データベースに記憶されている第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、
取得された前記第２の電磁波の強度分布のうち、試料が存在していない領域に対応する光学結晶から出射された第２の電磁波のいずれかの強度に基づいて、試料を配置しない時の第２の電磁波の強度分布を生成するステップと、
記憶されている前記第２の電磁波の強度分布および生成された試料を配置しない時の前記第２の電磁波の強度分布の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、
補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
前記第１の電磁波を前記光学結晶に入射させずに前記第２の電磁波を前記光学結晶に入射させて、該光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出して取得したバックグラウンドの強度分布を記憶しておき、
観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から発せられた前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、
前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、記憶されている第２の電磁波の強度分布から予め記憶しておいた前記バックグラウンドの強度分布を減算または除算して補正するステップと、
前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、取得された前記補正後の強度分布をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された強度分布において、試料のサイズに対応する周波数成分が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項７】
試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射する第１の照射部と、
前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波を入射させる光学結晶と、
該光学結晶に向けて前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波を入射させる第２の照射部と、
前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出する検出部とを備え、
前記第２の照射部から発せられる前記第２の電磁波の入射タイミングが、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に設定されている観察装置。
【請求項８】
前記第２の電磁波の入射タイミングが、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方がほぼゼロとなる位相に設定されている請求項７に記載の観察装置。
【請求項１】
試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した第１の電磁波と、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波とを光学結晶に入射させるステップと、
前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出するステップとを備え、
前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射される観察方法。
【請求項２】
前記第２の電磁波が、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方がほぼゼロとなる位相に配されるタイミングで前記光学結晶に入射される請求項１に記載の観察方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における前記第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを観察範囲内に試料を配置した場合および配置しない場合において行った後に、
前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、試料を配置しないで記憶された第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
観察範囲内に試料を配置せずに観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させ、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得して、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけてデータベースに記憶しておき、
観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射するステップと、前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、
前記第２の電磁波の入射のタイミング毎に、前記データベースに記憶されている第２の電磁波の強度分布および試料を配置して記憶された第２の電磁波の強度分布の一方を他方から減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から出射された前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、
取得された前記第２の電磁波の強度分布のうち、試料が存在していない領域に対応する光学結晶から出射された第２の電磁波のいずれかの強度に基づいて、試料を配置しない時の第２の電磁波の強度分布を生成するステップと、
記憶されている前記第２の電磁波の強度分布および生成された試料を配置しない時の前記第２の電磁波の強度分布の一方から他方を減算または一方を他方で除算することにより補正するステップと、
補正された第２の電磁波の強度分布において、最大強度と最小強度との差の絶対値が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の観察方法における第２の電磁波の入射のタイミングを設定する方法であって、
前記第１の電磁波を前記光学結晶に入射させずに前記第２の電磁波を前記光学結晶に入射させて、該光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出して取得したバックグラウンドの強度分布を記憶しておき、
観察範囲内に試料を配置して、観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波を照射することにより前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波と前記第２の電磁波とを前記第１の電磁波に対する前記第２の電磁波の入射タイミングを変更しながら光学結晶に入射させるステップと、光学結晶から発せられた前記第２の電磁波の強度分布を取得するステップと、取得された強度分布を前記入射タイミングと対応づけて記憶するステップとを行った後に、
前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、記憶されている第２の電磁波の強度分布から予め記憶しておいた前記バックグラウンドの強度分布を減算または除算して補正するステップと、
前記第２の電磁波の入射タイミング毎に、取得された前記補正後の強度分布をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された強度分布において、試料のサイズに対応する周波数成分が最も大きくなる入射タイミングを選択するステップとを行う入射タイミング設定方法。
【請求項７】
試料を含む観察範囲に対してパルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を照射する第１の照射部と、
前記観察範囲において反射または該観察範囲を透過した前記第１の電磁波を入射させる光学結晶と、
該光学結晶に向けて前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の第２の電磁波を入射させる第２の照射部と、
前記光学結晶から出射された前記第２の電磁波を検出する検出部とを備え、
前記第２の照射部から発せられる前記第２の電磁波の入射タイミングが、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方が他方より大きくなる位相に設定されている観察装置。
【請求項８】
前記第２の電磁波の入射タイミングが、前記観察範囲内に存在する試料において反射または該試料を透過した第１の電磁波の電場の振幅または前記観察範囲内の試料以外の領域において反射または該領域を透過した第１の電磁波の電場の振幅の一方がほぼゼロとなる位相に設定されている請求項７に記載の観察装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−３３５８６（Ｐ２０１１−３３５８６Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８２７８３（Ｐ２００９−１８２７８３）
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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