観察装置
【課題】細胞のような透明で微細な被写体を高い分解能で簡易に観察する。
【解決手段】試料Ａを載置する載置面６ａを有する光学結晶６と、該光学結晶６に向けて第１の電磁波Ｌ２を載置面６ａとは反対側から照射する第１の照射系４および第２の電磁波Ｌ１を照射する第２の照射系５と、該第２の照射系５から照射され試料Ａの載置面６ａにおいて反射した第２の電磁波Ｌ１を検出する検出系７とを備え、第１の電磁波Ｌ２は、パルス状のテラヘルツ波であり、第２の電磁波Ｌ１は、テラヘルツ波Ｌ２よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、第１の電磁波Ｌ２の照射領域と第２の電磁波Ｌ１の照射領域の少なくとも一部が光学結晶６内の載置面６ａ近傍で重なるように、第１の照射系４と第２の照射系５が配置され、検出系７は、その合焦位置が光学結晶６の載置面６ａ近傍と一致するように配置されている観察装置１を提供する。
【解決手段】試料Ａを載置する載置面６ａを有する光学結晶６と、該光学結晶６に向けて第１の電磁波Ｌ２を載置面６ａとは反対側から照射する第１の照射系４および第２の電磁波Ｌ１を照射する第２の照射系５と、該第２の照射系５から照射され試料Ａの載置面６ａにおいて反射した第２の電磁波Ｌ１を検出する検出系７とを備え、第１の電磁波Ｌ２は、パルス状のテラヘルツ波であり、第２の電磁波Ｌ１は、テラヘルツ波Ｌ２よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、第１の電磁波Ｌ２の照射領域と第２の電磁波Ｌ１の照射領域の少なくとも一部が光学結晶６内の載置面６ａ近傍で重なるように、第１の照射系４と第２の照射系５が配置され、検出系７は、その合焦位置が光学結晶６の載置面６ａ近傍と一致するように配置されている観察装置１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は観察装置に関し、特に、可視光による観察が困難な透明な試料、例えば細胞等の試料を観察するための観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
透明な物質（例えば、水）のセンシング技術として、従来、テラヘルツ波を使用したセンシング技術が知られている（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を透過させたときに、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。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、結像光学系により電気光学結晶に結像させている。また、結像光学系の途中にダイクロイックミラーを配置して、このダイクロイックミラーによって同一光路上に近赤外光を導入することで、導入された近赤外光を同じ電気光学結晶に照射させている。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（テラヘルツ波の振幅、位相の状態）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。そのため、この状態の電気光学結晶を近赤外光が透過すると、透過の際に近赤外光が変調をうける。そこで、変調された近赤外光を検出することにより、試料の成分分布を観察することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【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、ｐ．１６０−１６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、テラヘルツ波は、波長３０μｍ〜３ｍｍ程度の極めて長波長の電磁波である。一方、光学系の空間分解能は、光学系のＦ値と波長の積により決定される。そのため、従来技術のセンシング技術では、結像光学系の空間分解能が極めて低くなる。すなわち、電気光学結晶には分解能の低い情報が記録されることになる。そのため、細胞のように微細な構造を持つ試料を観察するための観察装置には使用することができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、細胞のような透明で微細な構造を持つ試料を高い分解能で簡易に観察することができる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】
【０００６】
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、試料を載置する載置面を有する光学結晶と、該光学結晶に向けて第１の電磁波を前記載置面とは反対側から照射する第１の照射系および第２の電磁波を照射する第２の照射系と、該第２の照射系から照射され前記試料の載置面において反射した前記第２の電磁波を検出する検出系とを備え、前記第１の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、光学結晶の載置面に試料を載置した状態で、載置面とは反対側から光学結晶に向けて第１の照射系によりパルス状のテラヘルツ波（第１の電磁波）を照射すると、テラヘルツ波は光学結晶を透過して載置面上の試料に入射され、その一部が試料において反射されて、再度載置面を透過して光学結晶内に入射される。ここで、テラヘルツ波は、試料において反射される際に、試料の屈折率および吸収の分布に従って変調される。そして、変調されたテラヘルツ波は、試料において反射された直後に光学結晶内に再度入射され、光学結晶に作用して、光学結晶内に複屈折を生じさせる。
【０００８】
テラヘルツ波が光学結晶に入射した後、あるいは入射するのと同時に、テラヘルツ波より短い波長のパルス状の第２の電磁波を、テラヘルツ波が入射された光学結晶に、載置面とは反対側から第２の照射系により入射させると、光学結晶の載置面において反射した第２の電磁波が、光学結晶内の複屈折に従って変調されて光学結晶から射出される。そして、検出系により、光学結晶の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。この場合に、試料と載置面との間に結像光学系を含まず、試料が光学結晶に対してテラヘルツ波の波長以下の間隔で近接して配置されるため、波長の長いテラヘルツ波を利用しながら、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。
【０００９】
上記発明においては、前記載置面に、前記第１の電磁波を透過し、前記第２の電磁波を反射する反射膜が設けられていてもよい。
このようにすることで、反射膜によってテラヘルツ波のみを透過させて、試料の屈折率および吸収の分布に従って変調されたテラヘルツ波を光学結晶内に入射させ、第２の電磁波については、試料に入射させることなく、光学結晶内に複屈折によって書き込まれた情報の読み出しのみに使用することができる。これにより、第２の電磁波を試料に照射せずに済み、試料によって受ける変調を抑えて、さらに高い分解能で試料の観察を行うことができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記光学結晶が、前記第１の電磁波の電場状態に応じて屈折率が変化する電気光学結晶であり、前記検出系が、前記載置面において反射された後に前記光学結晶を通過する前記第２の電磁波の偏光状態を検出することとしてもよい。
【００１１】
このようにすることで、試料の屈折率および吸収の分布の情報は、反射するテラヘルツ波（第１の電磁波）に電場状態の変化として引き渡され、試料から反射した直後に入射する電気光学結晶に屈折率の分布として転写される。そして、試料の屈折率および吸収の分布の情報が転写された電気光学結晶に、第２の電磁波を透過させると、その電磁波の偏光の状態が変化する。検出系においては、その変化した偏光の状態を抽出することで、試料の屈折率および吸収の分布を取得することができ、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記光学結晶が、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波を和周波混合または差周波混合する非線形光学結晶であり、前記検出系が、前記光学結晶から発せられた和周波混合または差周波混合された電磁波を検出することとしてもよい。
【００１３】
このようにすることで、試料において反射される際に試料の屈折率および吸収の分布に従って変調されたテラヘルツ波（第１の電磁波）と、第２の電磁波とが、非線形光学結晶の作用によって和周波混合または差周波混合されて、テラヘルツ波と第２の電磁波の和または差の周波数を有する電磁波として光学結晶から射出される。射出された電磁波にはテラヘルツ波に含まれていた試料の屈折率および吸収の分布の情報がそのまま含まれているので、これを検出することにより、試料の屈折率および吸収の分布を取得することができ、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。
【００１４】
また、本発明は、試料を載置する載置面を有する光学結晶と、該光学結晶に向けて、同一波長かつ、強度または偏光の異なる２つの電磁波を、それらの照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記載置面とは反対側から照射する照射系と、該照射系から照射され前記試料の載置面において反射した一方の電磁波を検出する検出系とを備え、前記光学結晶が、前記一方の電磁波によってはテラヘルツ波を発生せず、所定の強度または偏光を有する他方の電磁波によってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶であり、前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置を提供する。
【００１５】
本発明によれば、テラヘルツ波の発生手段として光学結晶を利用することができ、別個の発生手段を必要としないので装置を簡略にすることができる。また、テラヘルツ波を発生させる電磁波および読み出しに使用する電磁波としては、強度または偏光が異なる同一波長の電磁波を使用することができ、さらに構成を簡易にすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、細胞のような透明で微細な構造を持つ試料を高い分解能で簡易に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】
【００１７】
【図１】本発明の第１の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試料および光学結晶に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。
【図３】図１の観察装置による観察手順を示すフローチャートである。
【図４】図２の第１の変形例を示す図である。
【図５】図２の第２の変形例を示す図である。
【図６】図１の観察装置の変形例を示す全体構成図である。
【図７】図１の観察装置の他の変形例を示す全体構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。
【図９】図８の観察装置における試料および光学結晶に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。
【図１０】図９の変形例を示す図である。
【図１１】図９の観察装置の変形例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の第１の実施形態に係る観察装置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、フェムト秒パルス状の近赤外光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たテラヘルツ波照射光学系（第１の照射系）４と、他方の光路に設けられた近赤外光照射光学系（第２の照射系）５と、これら照射光学系４，５の後段に配置され、細胞等の試料Ａを載置する載置面６ａを有する電気光学結晶６と、電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ１を検出する検出光学系７とを備えている。
【００１９】
テラヘルツ波照射光学系４は、ビームスプリッタ３により分割された光路の一方の光路に配置されている。テラヘルツ波照射光学系４は、分割された近赤外光Ｌ１の内の一方を集光する集光レンズ８と、該集光レンズ８により集光された近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波（第１の電磁波）Ｌ２に変換するテラヘルツ波放射素子９と、該テラヘルツ波放射素子９から放射されたテラヘルツ波Ｌ２を略平行光束に変換する第１の放物面ミラー１０ａと、該第１の放物面ミラー１０ａによって略平行光束となったテラヘルツ波Ｌ２を試料Ａに集光する第２の放物面ミラー１０ｂとを備えている。
【００２０】
第２の放物面ミラー１０ｂには、その中央近傍に貫通孔１１が設けられており、後述するように、電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ１を、検出光学系７側に通過させるようになっている。図中、符号１２はミラーである。
【００２１】
近赤外光照射光学系５は、ビームスプリッタ３により分割された光路の他方の光路に配置されている。近赤外光照射光学系５は、光路調整光学系１３と、近赤外光Ｌ１の偏光を調節する１／２波長板１４と、該１／２波長板１４によって偏光を調節された近赤外光Ｌ１を集光して電気光学結晶６内に合焦させる対物レンズ１５とを備えている。なお、近赤外光照射光学系５を通過する近赤外光Ｌ１が第２の電磁波となる。
対物レンズ１５は、その焦点位置が電気光学結晶６内の載置面６ａに近接する領域Ｓ（図２参照。）に配置されている。
【００２２】
光路調整光学系１３は、２個２対のミラー１３ａ〜１３ｄで構成され、一対のミラー１３ｂ、１３ｃを他方の対のミラー１３ａ，１３ｄ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。ミラー１３ａにおいて偏向された近赤外光Ｌ１は、一対のミラー１３ｂ，１３ｃにおいて２回偏向させられることにより折り返された後に、ミラー１３ｄにおいて偏向されることで元の光路に戻るようになっている。２対のミラー１３ａ〜１３ｄの間隔を変更することで、近赤外光Ｌ１の光路長を調節することができるようになっている。
【００２３】
電気光学結晶６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が変化する光学結晶であって、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６に電場状態の分布を有するテラヘルツ波Ｌ２が照射されることで、その電場状態の分布が屈折率分布として電気光学結晶６に書き込まれ（電場状態の分布が屈折率分布として反映され）、その書き込まれた領域Ｓ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。ここで、テラヘルツ波Ｌ２の電場状態とは、テラヘルツ波の振幅、位相の状態を示している。
【００２４】
電気光学結晶６の載置面６ａには、図２に示されるように、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６ｂが設けられている。電気光学結晶６の載置面６ａとは反対側から入射されたテラヘルツ波Ｌ２は反射膜６ｂを透過して試料Ａに入射される一方、同じ方向から入射された近赤外光Ｌ１は、反射膜６ｂを透過せずに反射されて、電気光学結晶６内を再び通過して入射面と同一面から外部に出射されるようになっている。
【００２５】
検出光学系（検出系）７は、電気光学結晶６から出射され、対物レンズ１５によりコリメートされた近赤外光Ｌ１を分岐するビームスプリッタ１６と、該ビームスプリッタ１６により分岐された近赤外光Ｌ１の内から所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ１を選択する光選択光学系１７と、選択された所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ１を集光する結像レンズ１８と、結像レンズ１８により集光された近赤外光Ｌ１を撮影する撮像素子（光検出器）１９とを備えている。撮像素子１９としては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサが用いられる。
【００２６】
光選択光学系１７は、所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ１のみを透過させる偏光子（以下、偏光子１７とも言う。）であり、テラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射していない状態で入射される近赤外光Ｌ１が完全に遮断されるように調節されている。上述のように、テラヘルツ波Ｌ２の電場によって、電気光学結晶６には複屈折が誘起される。この電気光学結晶６を透過することで、近赤外光Ｌ１には位相変化が生じて偏光状態が変化する。これによって、光選択光学系１７を透過してその後段の撮像素子１９に入射する近赤外光Ｌ１の強度が変化するようになっている。
【００２７】
このように構成された本実施形態に係る観察装置１の作用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、電気光学結晶６の載置面６ａ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。
【００２８】
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１２により１回偏向された後に集光レンズ８によって集光され、テラヘルツ波放射素子９に照射される。これにより、テラヘルツ波Ｌ２が発生し、放物面ミラー１０ａによって略平行光束に変換された後に、放物面ミラー１０ｂによって試料Ａに集光される。このとき、テラヘルツ波Ｌ２は、電気光学結晶６に向けて試料Ａの載置面６ａとは反対側、すなわち、下面から入射され、電気光学結晶６およびその載置面６ａに設けられた反射膜６ｂを透過して試料Ａに入射される。
【００２９】
試料Ａは透明な細胞等であるが、試料Ａに入射されたテラヘルツ波Ｌ２は、試料Ａによって反射されることにより変調されて、試料Ａ内における屈折率および吸収の分布に応じた電場状態の分布を有するようになる。そして、そのように電場状態の分布を有するテラヘルツ波Ｌ２が、反射膜６ｂを透過して電気光学結晶６に再度入射されると、電気光学結晶６においては、テラヘルツ波Ｌ２の強度分布に応じた屈折率分布が発生する。
【００３０】
電気光学結晶６において発生する屈折率分布は、試料Ａに近接する程、試料Ａの屈折率および吸収の分布を精度よく反映している。なお、テラヘルツ波Ｌ２の照射により電気光学結晶６内に屈折率分布が発生している時間は極めて短いので、テラヘルツ波Ｌ２の照射直後に屈折率分布の情報を読み出す必要がある。
【００３１】
この情報の読み出しには、近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ１が用いられる。ビームスプリッタ３により分岐された近赤外光Ｌ１は、光路調整光学系１３において光路長を調節された後に、１／２波長板１４を透過することにより偏光方向を調節される。その後、近赤外光Ｌ１は、対物レンズ１５によって集光され、放物面ミラー１０ｂの貫通孔１１を通過してから、図２に示されるように、テラヘルツ波Ｌ２と同一の方向から電気光学結晶６に照射される。そして、電気光学結晶６の載置面６ａに設けられた反射膜６ｂによって反射されて下方に戻る際に、電気光学結晶６ａに屈折率分布として書き込まれている試料で反射したテラヘルツ波Ｌ２の情報を読み出す（近赤外光Ｌ１の偏光状態が変化させられる）。
【００３２】
図中、斜線で示される領域Ｓは、テラヘルツ波Ｌ２によって試料Ａの屈折率および吸収の分布の情報を書き込まれた領域である。同一の光源２から発せられた近赤外光Ｌ１に基づくテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とは、それぞれ異なる光路を通るので、そのままでは、パルスが同時に電気光学結晶６の領域Ｓを通過しないこともある。そこで、光路調整光学系１３による光路長の調節により、そのパルスの位相を精度よく調節することができる。
【００３３】
その結果、テラヘルツ波Ｌ２の照射とほぼ同時に近赤外光Ｌ１を領域Ｓに照射して、屈折率分布の情報を読み出すことができる。なお、図２において、近赤外光Ｌ１とテラヘルツ波Ｌ２は、交互に別々の領域に照射されているように描かれているが、実際には、両者の照射領域Ｓの少なくとも一部が重なるように照射されている。
【００３４】
領域Ｓでは、テラヘルツ波Ｌ２の照射によって屈折率が変化させられる。
電気光学結晶６を通過してその載置面６ａにおいて反射された近赤外光Ｌ１が、領域Ｓを通過すると、近赤外光Ｌ１の偏光状態が変化させられる。すなわち、対物レンズ１５により集光された近赤外光Ｌ１は、その一部が、その透過位置に応じて偏光状態が異ならされた状態で電気光学結晶６から下方に向けて出射される。
【００３５】
電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ１は、放物面ミラー１０ｂの貫通孔１１を通過させられた後に、対物レンズ１５によってコリメートされ、ビームスプリッタ１６によって分岐された光路上に配置されている偏光子１７に入射される。偏光子１７は、テラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射していない状態では、近赤外光Ｌ１を遮断するように設定されている。その一方、試料で反射されたテラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射している状態では、屈折率が変化した領域Ｓを通過することによって、偏光状態が変化した部分の近赤外光Ｌ１のみが、偏光子１７を通過させられる。これにより、電気光学結晶６に記録された屈折率分布の情報を、光の光量（強度）として読み出すことができる。
【００３６】
そして、このようにして抽出された近赤外光Ｌ１を結像レンズ１８によって集光し、撮像素子１９によって撮影することにより、可視光によっては観察できない透明な細胞等の試料Ａの画像を取得することができる。
【００３７】
この場合において、本実施形態に係る観察装置１によれば、従来のように試料Ａと電気光学結晶６との間に光学系を配置することなく、電気光学結晶６の載置面６ａに直接試料Ａを載置しているので、電気光学結晶６に書き込まれる情報は光学系によって空間分解能を制限されることがない。また、試料近傍に電気光学結晶６が配置されるため、試料通過後のテラヘルツ波の回折による空間分解能低下の影響を抑えることが出来る。また、情報の読み出しには、テラヘルツ波Ｌ２よりも短い近赤外光Ｌ１を用いているので、高い空間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構造を持つ試料Ａであっても、簡易な構成で高い空間分解能により試料Ａを観察することができる。
【００３８】
図３に、観察の手順を表すフローチャートを示す。
本実施形態に係る観察装置１を用いて観察を行うには、まず、バックグラウンド測定を行う。すなわち、光路調整光学系１３を用いてテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが時間的に重なっていない状態を形成するか、もしくはテラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射しない状態にして、画像を取得する（ステップＳ１）。次いで、光路調整光学系１３を調整してテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが時間的に重なっている状態を形成し、画像を取得する（ステップＳ２）。最後に、ステップＳ２において取得した画像と、ステップＳ１において取得した画像とを減算あるいは除算することにより、観察環境に起因する不要な情報を取り除くことができる（ステップＳ３）。これによって、イメージングを行うための良質な画像を得ることができる。なお、ステップＳ１，Ｓ２の順序は逆でもよい。
【００３９】
なお、本実施形態においては、放物面ミラー１０ｂに貫通孔１１を設けて、電気光学結晶６から出射される近赤外光Ｌ１を対物レンズ１５に導いているが、放物面ミラー１０ａ，１０ｂ間にテラヘルツ波Ｌ２を透過して近赤外光Ｌ１を反射するミラーを設けて、近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波Ｌ２と同じ光路に導いてもよい。この場合、ミラーとしてはＳｉ板等を使用すればよい。
また、検出光学系７においてビームスプリッタ１６と偏光子１７とを備えることとしたが、これに代えて、両者の機能を備える偏光ビームスプリッタを採用してもよい。
【００４０】
また、本実施形態においては、電気光学結晶６の載置面６ａに反射膜６ｂを設けることにより、テラヘルツ波Ｌ２を透過し近赤外光Ｌ１を反射することとしたが、これに代えて、図４に示されるように、反射膜６ｂを設けなくてもよい。この場合には、電気光学結晶６の載置面６ａにおいてフレネル反射が発生して近赤外光Ｌ１の一部を戻すことができる。したがって、上記と同様にテラヘルツ波Ｌ２によって書き込んだ情報を近赤外光Ｌ１によって読み出すことができる。
【００４１】
ただし、この場合には、近赤外光Ｌ１の一部が電気光学結晶６の載置面６ａを透過して試料Ａに入射されるので、近赤外光Ｌ１を照射することが好ましくない試料Ａの場合には適していない。そのような場合には、上記の反射膜６ｂを有する電気光学結晶６を使用することが好ましい。
【００４２】
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６を例示して説明した。しかし、これに代えて、図５に示されるように、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６′を採用してもよい。
【００４３】
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、試料Ａで反射したテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを同時に非線形光学結晶６′に入射させると、図５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１００μｍ、周波数３ＴＨｚ）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６′において和周波混合される。
【００４４】
そして、試料Ａの屈折率および吸収の分布の情報を含む他の波長（例えば、波長７９３．６５ｎｍ）の和周波混合光Ｌ３が対物レンズ１５により集光され、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。
この場合には、撮像素子１９には、近赤外光Ｌ１を入射させないように、偏光子１７に代えて、フィルタを設けることにすればよい。
【００４５】
また、図６に示されるように、共焦点観察装置２０を構成してもよい。
図６に示す例では、図１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）２０ａ，２０ｂを設け、対物レンズ１５の焦点位置と光学的に共役な位置に、共焦点ピンホール２８を配置している。これにより、対物レンズ１５の焦点位置が配置されている電気光学結晶６の載置面６ａ近傍の領域Ｓからの近赤外光Ｌ１のみを光検出器１９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６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。
【００４６】
また、図７に示されるように、近赤外光Ｌ１を検出する検出光学系７として、１／４波長板２１、結像レンズ１８、偏光ビームスプリッタ２２およびバランスフォトダイオードのような差分検出器２３を備える構成を採用してもよい。偏光ビームスプリッタ２２としては、例えばウォラストンプリズムが用いられるが、これに限られるものではない。
【００４７】
この場合には、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが領域Ｓにおいて時間的に重なっていない状態で近赤外光Ｌ１が円偏光となるように１／４波長板２１を調節しておく。そして、１／４波長板２１を通過した光を偏光ビームスプリッタ２２で直交する２つの偏光成分に分割し、差分検出器２３でその２つの偏光成分の強度差を検出するようにしておく。テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが領域Ｓにおいて時間的に重なっていない状態では、差分検出器２３により検出される強度差はゼロである。
【００４８】
この状態で、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが領域Ｓにおいて時間的に重なると、近赤外光Ｌ１の偏光状態が変化するので、差分検出器２３により検出される２つの偏光成分に強度差が発生する。これを検出することで、テラヘルツ波近接場成分の状態、すなわち、試料Ａの情報を得ることができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る観察装置３０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３０の説明において、上述した第１の実施形態に係る観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態に係る観察装置３０は、図８および図９に示されるように、電気光学結晶３１において相違し、それによって、テラヘルツ波照射光学系３２の構造が相違している。
本実施形態に係る観察装置３０において、電気光学結晶３１としては、特定の偏光状態または強度の近赤外光Ｌ１を入射させると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｌ２を発生するものが採用されている。
【００５１】
ここで、特定の偏光状態とは、近赤外光Ｌ１の偏光方向と電気光学結晶３１の結晶軸方向とが特定の条件を満たしている状態をいい、後述する１／２波長板１４、３３により調節することができる。また、近赤外光Ｌ１の強度は、ビームスプリッタ３４による強度分割比によって設定することができる。
【００５２】
そして、テラヘルツ波照射光学系３２は、ビームスプリッタ３４で分岐した一方の光路に２個一対のミラー３５ａ，３５ｂを配置して光路を折り返した後に、他のビームスプリッタ３６で他方の光路と同一光路に合流させるようになっている。この２個一対のミラー３５ａ，３５ｂを矢印Ｃの方向に移動可能に設けられており、移動によって光路長を調節するようになっている。２つの光路にはそれぞれ異なる偏光状態を実現するための１／２波長板１４，３３が配置されており、これら１／２波長板１４，３３を調節することにより、電気光学結晶３１に入射させる近赤外光Ｌ１の偏光状態を調節することができるようになっている。
【００５３】
このように構成された本実施形態に係る観察装置３０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置３０を用いて試料Ａの観察を行うには、電気光学結晶３１の載置面３１ａ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。
【００５４】
ビームスプリッタ３４により分岐されてテラヘルツ波照射光学系３２に入射された近赤外光Ｌ１は、一対のミラー３５ａ，３５ｂによって折り返される。このとき、その光路の途中に配置された１／２波長板３３によって偏光状態が調節される。その後、ビームスプリッタ３６によって他方の光路と同一の光路に合流され、対物レンズ１５によって集光されて電気光学結晶３１に入射される。
【００５５】
電気光学結晶３１は、特定の偏光状態または強度の近赤外光Ｌ１が入射されることにより、非線形光学効果の一種である光整流効果によってテラヘルツ波Ｌ２を発生する。一方、その条件から外れた近赤外光Ｌ１が入射された場合、テラヘルツ波Ｌ２は発生しない、もしくは発生するテラヘルツ波Ｌ２の強度は非常に小さい。したがって、一方の光路から入射させる近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波Ｌ２発生のために使用し、他方の光路から入射させる近赤外光Ｌ１を屈折率分布の情報を読み出すために使用することができる。
【００５６】
電気光学結晶３１内で発生したテラヘルツ波Ｌ２は、反射膜６ｂを透過して試料Ａに照射され、試料Ａにおいて反射することで、試料Ａの屈折率分布に応じて変調される。そして、そのように変調されたテラヘルツ波Ｌ２が再度反射膜６ｂを逆方向に透過して電気光学結晶３１に入射されることにより、電気光学結晶３１内に複屈折を生じさせ、試料Ａに対応する屈折率および吸収の分布の情報が書き込まれる。
【００５７】
そして、近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ１を用いて情報の読み出しが行われる。１／２波長板１４によって所定の偏光状態に設定された後に対物レンズ１５によって集光された近赤外光Ｌ１は、図９に示されるように、照射光学系３２から導かれた近赤外光Ｌ１と同一の方向から電気光学結晶３１に照射される。そして、第１の実施形態に係る観察装置１と同様にして、電気光学結晶３１の載置面３１ａに設けられた反射膜６ｂによって反射されて下方に戻る際に、電気光学結晶３１に書き込まれている情報を読み出すことができる。
このように、本実施形態に係る観察装置３０によれば、第１の実施形態とは異なり、テラヘルツ波放射素子９を用意する必要がなくなり、構成を簡略化することができる。
【００５８】
なお、本実施形態においては、単一のフェムト秒パルスレーザ光源２を２つの光路に分岐することとしたが、これに代えて、２つの別個のフェムト秒パルスレーザ光源２を用いてもよい。
【００５９】
また、本実施形態においては、図１０に示されるように、非線形光学結晶としての性質も備えた電気光学結晶３１を用いたが、それに代えてテラヘルツ波Ｌ２を発生させるための非線形光学結晶３１ｂと、屈折率分布の情報の書き込みと読み取りを行うための電気光学結晶３１ｃの２つを相互に積層状態に接着することにしてもよい。例えば、非線形光学結晶３１ｂがＤＡＳＴ結晶やＧａＳｅ結晶であり、電気光学結晶３１ｃがＺｎＴｅ結晶であってもよい。このようにすることで、高強度でかつ広帯域な信号の検出を行うことができる。
【００６０】
また、図１１に示されるように、異なる偏光状態または強度に設定された２つの近赤外光Ｌ１を合波した状態で、光ファイバ３８によって電気光学結晶３１まで導くことにしてもよい。図中、符号３７はカップリングレンズである。このようにすることで、電気光学結晶３１を比較的自由に移動させることができ、載置面３１ａ上に置くことが困難な試料Ａに対しても観察を行うことができるという利点がある。例えば、電気光学結晶３１を内視鏡の挿入部先端に配置して光ファイバ３８によって近赤外光Ｌ１を導くことにより、体腔内の観察を行うことも可能となる。
【００６１】
また、上記各実施形態においては、信号を時間的に連続して検出することにより、動画を取得することもできる。
【符号の説明】
【００６２】
Ｌ１ 近赤外光（第２の電磁波）
Ｌ２ テラヘルツ波（第１の電磁波）
Ａ 試料
Ｓ 領域（照射領域）
１，２０，３０ 観察装置
４ テラヘルツ波照射光学系（第１の照射系）
５ 近赤外光照射光学系（第２の照射系）
６，３１，３１ｃ 電気光学結晶（光学結晶）
６′，３１ｂ 非線形光学結晶（光学結晶）
６ａ，３１ａ 載置面
６ｂ 反射膜
７ 検出光学系（検出系）
３２ テラヘルツ波照射光学系（照射系）
【技術分野】
【０００１】
本発明は観察装置に関し、特に、可視光による観察が困難な透明な試料、例えば細胞等の試料を観察するための観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
透明な物質（例えば、水）のセンシング技術として、従来、テラヘルツ波を使用したセンシング技術が知られている（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を透過させたときに、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。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、結像光学系により電気光学結晶に結像させている。また、結像光学系の途中にダイクロイックミラーを配置して、このダイクロイックミラーによって同一光路上に近赤外光を導入することで、導入された近赤外光を同じ電気光学結晶に照射させている。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（テラヘルツ波の振幅、位相の状態）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。そのため、この状態の電気光学結晶を近赤外光が透過すると、透過の際に近赤外光が変調をうける。そこで、変調された近赤外光を検出することにより、試料の成分分布を観察することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【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、ｐ．１６０−１６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、テラヘルツ波は、波長３０μｍ〜３ｍｍ程度の極めて長波長の電磁波である。一方、光学系の空間分解能は、光学系のＦ値と波長の積により決定される。そのため、従来技術のセンシング技術では、結像光学系の空間分解能が極めて低くなる。すなわち、電気光学結晶には分解能の低い情報が記録されることになる。そのため、細胞のように微細な構造を持つ試料を観察するための観察装置には使用することができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、細胞のような透明で微細な構造を持つ試料を高い分解能で簡易に観察することができる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】
【０００６】
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、試料を載置する載置面を有する光学結晶と、該光学結晶に向けて第１の電磁波を前記載置面とは反対側から照射する第１の照射系および第２の電磁波を照射する第２の照射系と、該第２の照射系から照射され前記試料の載置面において反射した前記第２の電磁波を検出する検出系とを備え、前記第１の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、光学結晶の載置面に試料を載置した状態で、載置面とは反対側から光学結晶に向けて第１の照射系によりパルス状のテラヘルツ波（第１の電磁波）を照射すると、テラヘルツ波は光学結晶を透過して載置面上の試料に入射され、その一部が試料において反射されて、再度載置面を透過して光学結晶内に入射される。ここで、テラヘルツ波は、試料において反射される際に、試料の屈折率および吸収の分布に従って変調される。そして、変調されたテラヘルツ波は、試料において反射された直後に光学結晶内に再度入射され、光学結晶に作用して、光学結晶内に複屈折を生じさせる。
【０００８】
テラヘルツ波が光学結晶に入射した後、あるいは入射するのと同時に、テラヘルツ波より短い波長のパルス状の第２の電磁波を、テラヘルツ波が入射された光学結晶に、載置面とは反対側から第２の照射系により入射させると、光学結晶の載置面において反射した第２の電磁波が、光学結晶内の複屈折に従って変調されて光学結晶から射出される。そして、検出系により、光学結晶の載置面近傍を通過した第２の電磁波を検出することで、試料の屈折率分布の情報を正しく含んだ電磁波を検出することができる。この場合に、試料と載置面との間に結像光学系を含まず、試料が光学結晶に対してテラヘルツ波の波長以下の間隔で近接して配置されるため、波長の長いテラヘルツ波を利用しながら、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。
【０００９】
上記発明においては、前記載置面に、前記第１の電磁波を透過し、前記第２の電磁波を反射する反射膜が設けられていてもよい。
このようにすることで、反射膜によってテラヘルツ波のみを透過させて、試料の屈折率および吸収の分布に従って変調されたテラヘルツ波を光学結晶内に入射させ、第２の電磁波については、試料に入射させることなく、光学結晶内に複屈折によって書き込まれた情報の読み出しのみに使用することができる。これにより、第２の電磁波を試料に照射せずに済み、試料によって受ける変調を抑えて、さらに高い分解能で試料の観察を行うことができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記光学結晶が、前記第１の電磁波の電場状態に応じて屈折率が変化する電気光学結晶であり、前記検出系が、前記載置面において反射された後に前記光学結晶を通過する前記第２の電磁波の偏光状態を検出することとしてもよい。
【００１１】
このようにすることで、試料の屈折率および吸収の分布の情報は、反射するテラヘルツ波（第１の電磁波）に電場状態の変化として引き渡され、試料から反射した直後に入射する電気光学結晶に屈折率の分布として転写される。そして、試料の屈折率および吸収の分布の情報が転写された電気光学結晶に、第２の電磁波を透過させると、その電磁波の偏光の状態が変化する。検出系においては、その変化した偏光の状態を抽出することで、試料の屈折率および吸収の分布を取得することができ、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記光学結晶が、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波を和周波混合または差周波混合する非線形光学結晶であり、前記検出系が、前記光学結晶から発せられた和周波混合または差周波混合された電磁波を検出することとしてもよい。
【００１３】
このようにすることで、試料において反射される際に試料の屈折率および吸収の分布に従って変調されたテラヘルツ波（第１の電磁波）と、第２の電磁波とが、非線形光学結晶の作用によって和周波混合または差周波混合されて、テラヘルツ波と第２の電磁波の和または差の周波数を有する電磁波として光学結晶から射出される。射出された電磁波にはテラヘルツ波に含まれていた試料の屈折率および吸収の分布の情報がそのまま含まれているので、これを検出することにより、試料の屈折率および吸収の分布を取得することができ、簡易に高い空間分解能で試料の観察を行うことができる。
【００１４】
また、本発明は、試料を載置する載置面を有する光学結晶と、該光学結晶に向けて、同一波長かつ、強度または偏光の異なる２つの電磁波を、それらの照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記載置面とは反対側から照射する照射系と、該照射系から照射され前記試料の載置面において反射した一方の電磁波を検出する検出系とを備え、前記光学結晶が、前記一方の電磁波によってはテラヘルツ波を発生せず、所定の強度または偏光を有する他方の電磁波によってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶であり、前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置を提供する。
【００１５】
本発明によれば、テラヘルツ波の発生手段として光学結晶を利用することができ、別個の発生手段を必要としないので装置を簡略にすることができる。また、テラヘルツ波を発生させる電磁波および読み出しに使用する電磁波としては、強度または偏光が異なる同一波長の電磁波を使用することができ、さらに構成を簡易にすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、細胞のような透明で微細な構造を持つ試料を高い分解能で簡易に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】
【００１７】
【図１】本発明の第１の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試料および光学結晶に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。
【図３】図１の観察装置による観察手順を示すフローチャートである。
【図４】図２の第１の変形例を示す図である。
【図５】図２の第２の変形例を示す図である。
【図６】図１の観察装置の変形例を示す全体構成図である。
【図７】図１の観察装置の他の変形例を示す全体構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。
【図９】図８の観察装置における試料および光学結晶に入射されるテラヘルツ波および近赤外光を説明する図である。
【図１０】図９の変形例を示す図である。
【図１１】図９の観察装置の変形例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の第１の実施形態に係る観察装置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、フェムト秒パルス状の近赤外光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たテラヘルツ波照射光学系（第１の照射系）４と、他方の光路に設けられた近赤外光照射光学系（第２の照射系）５と、これら照射光学系４，５の後段に配置され、細胞等の試料Ａを載置する載置面６ａを有する電気光学結晶６と、電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ１を検出する検出光学系７とを備えている。
【００１９】
テラヘルツ波照射光学系４は、ビームスプリッタ３により分割された光路の一方の光路に配置されている。テラヘルツ波照射光学系４は、分割された近赤外光Ｌ１の内の一方を集光する集光レンズ８と、該集光レンズ８により集光された近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波（第１の電磁波）Ｌ２に変換するテラヘルツ波放射素子９と、該テラヘルツ波放射素子９から放射されたテラヘルツ波Ｌ２を略平行光束に変換する第１の放物面ミラー１０ａと、該第１の放物面ミラー１０ａによって略平行光束となったテラヘルツ波Ｌ２を試料Ａに集光する第２の放物面ミラー１０ｂとを備えている。
【００２０】
第２の放物面ミラー１０ｂには、その中央近傍に貫通孔１１が設けられており、後述するように、電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ１を、検出光学系７側に通過させるようになっている。図中、符号１２はミラーである。
【００２１】
近赤外光照射光学系５は、ビームスプリッタ３により分割された光路の他方の光路に配置されている。近赤外光照射光学系５は、光路調整光学系１３と、近赤外光Ｌ１の偏光を調節する１／２波長板１４と、該１／２波長板１４によって偏光を調節された近赤外光Ｌ１を集光して電気光学結晶６内に合焦させる対物レンズ１５とを備えている。なお、近赤外光照射光学系５を通過する近赤外光Ｌ１が第２の電磁波となる。
対物レンズ１５は、その焦点位置が電気光学結晶６内の載置面６ａに近接する領域Ｓ（図２参照。）に配置されている。
【００２２】
光路調整光学系１３は、２個２対のミラー１３ａ〜１３ｄで構成され、一対のミラー１３ｂ、１３ｃを他方の対のミラー１３ａ，１３ｄ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。ミラー１３ａにおいて偏向された近赤外光Ｌ１は、一対のミラー１３ｂ，１３ｃにおいて２回偏向させられることにより折り返された後に、ミラー１３ｄにおいて偏向されることで元の光路に戻るようになっている。２対のミラー１３ａ〜１３ｄの間隔を変更することで、近赤外光Ｌ１の光路長を調節することができるようになっている。
【００２３】
電気光学結晶６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が変化する光学結晶であって、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６に電場状態の分布を有するテラヘルツ波Ｌ２が照射されることで、その電場状態の分布が屈折率分布として電気光学結晶６に書き込まれ（電場状態の分布が屈折率分布として反映され）、その書き込まれた領域Ｓ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。ここで、テラヘルツ波Ｌ２の電場状態とは、テラヘルツ波の振幅、位相の状態を示している。
【００２４】
電気光学結晶６の載置面６ａには、図２に示されるように、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６ｂが設けられている。電気光学結晶６の載置面６ａとは反対側から入射されたテラヘルツ波Ｌ２は反射膜６ｂを透過して試料Ａに入射される一方、同じ方向から入射された近赤外光Ｌ１は、反射膜６ｂを透過せずに反射されて、電気光学結晶６内を再び通過して入射面と同一面から外部に出射されるようになっている。
【００２５】
検出光学系（検出系）７は、電気光学結晶６から出射され、対物レンズ１５によりコリメートされた近赤外光Ｌ１を分岐するビームスプリッタ１６と、該ビームスプリッタ１６により分岐された近赤外光Ｌ１の内から所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ１を選択する光選択光学系１７と、選択された所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ１を集光する結像レンズ１８と、結像レンズ１８により集光された近赤外光Ｌ１を撮影する撮像素子（光検出器）１９とを備えている。撮像素子１９としては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサが用いられる。
【００２６】
光選択光学系１７は、所定の偏光方向を有する近赤外光Ｌ１のみを透過させる偏光子（以下、偏光子１７とも言う。）であり、テラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射していない状態で入射される近赤外光Ｌ１が完全に遮断されるように調節されている。上述のように、テラヘルツ波Ｌ２の電場によって、電気光学結晶６には複屈折が誘起される。この電気光学結晶６を透過することで、近赤外光Ｌ１には位相変化が生じて偏光状態が変化する。これによって、光選択光学系１７を透過してその後段の撮像素子１９に入射する近赤外光Ｌ１の強度が変化するようになっている。
【００２７】
このように構成された本実施形態に係る観察装置１の作用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、電気光学結晶６の載置面６ａ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。
【００２８】
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１２により１回偏向された後に集光レンズ８によって集光され、テラヘルツ波放射素子９に照射される。これにより、テラヘルツ波Ｌ２が発生し、放物面ミラー１０ａによって略平行光束に変換された後に、放物面ミラー１０ｂによって試料Ａに集光される。このとき、テラヘルツ波Ｌ２は、電気光学結晶６に向けて試料Ａの載置面６ａとは反対側、すなわち、下面から入射され、電気光学結晶６およびその載置面６ａに設けられた反射膜６ｂを透過して試料Ａに入射される。
【００２９】
試料Ａは透明な細胞等であるが、試料Ａに入射されたテラヘルツ波Ｌ２は、試料Ａによって反射されることにより変調されて、試料Ａ内における屈折率および吸収の分布に応じた電場状態の分布を有するようになる。そして、そのように電場状態の分布を有するテラヘルツ波Ｌ２が、反射膜６ｂを透過して電気光学結晶６に再度入射されると、電気光学結晶６においては、テラヘルツ波Ｌ２の強度分布に応じた屈折率分布が発生する。
【００３０】
電気光学結晶６において発生する屈折率分布は、試料Ａに近接する程、試料Ａの屈折率および吸収の分布を精度よく反映している。なお、テラヘルツ波Ｌ２の照射により電気光学結晶６内に屈折率分布が発生している時間は極めて短いので、テラヘルツ波Ｌ２の照射直後に屈折率分布の情報を読み出す必要がある。
【００３１】
この情報の読み出しには、近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ１が用いられる。ビームスプリッタ３により分岐された近赤外光Ｌ１は、光路調整光学系１３において光路長を調節された後に、１／２波長板１４を透過することにより偏光方向を調節される。その後、近赤外光Ｌ１は、対物レンズ１５によって集光され、放物面ミラー１０ｂの貫通孔１１を通過してから、図２に示されるように、テラヘルツ波Ｌ２と同一の方向から電気光学結晶６に照射される。そして、電気光学結晶６の載置面６ａに設けられた反射膜６ｂによって反射されて下方に戻る際に、電気光学結晶６ａに屈折率分布として書き込まれている試料で反射したテラヘルツ波Ｌ２の情報を読み出す（近赤外光Ｌ１の偏光状態が変化させられる）。
【００３２】
図中、斜線で示される領域Ｓは、テラヘルツ波Ｌ２によって試料Ａの屈折率および吸収の分布の情報を書き込まれた領域である。同一の光源２から発せられた近赤外光Ｌ１に基づくテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とは、それぞれ異なる光路を通るので、そのままでは、パルスが同時に電気光学結晶６の領域Ｓを通過しないこともある。そこで、光路調整光学系１３による光路長の調節により、そのパルスの位相を精度よく調節することができる。
【００３３】
その結果、テラヘルツ波Ｌ２の照射とほぼ同時に近赤外光Ｌ１を領域Ｓに照射して、屈折率分布の情報を読み出すことができる。なお、図２において、近赤外光Ｌ１とテラヘルツ波Ｌ２は、交互に別々の領域に照射されているように描かれているが、実際には、両者の照射領域Ｓの少なくとも一部が重なるように照射されている。
【００３４】
領域Ｓでは、テラヘルツ波Ｌ２の照射によって屈折率が変化させられる。
電気光学結晶６を通過してその載置面６ａにおいて反射された近赤外光Ｌ１が、領域Ｓを通過すると、近赤外光Ｌ１の偏光状態が変化させられる。すなわち、対物レンズ１５により集光された近赤外光Ｌ１は、その一部が、その透過位置に応じて偏光状態が異ならされた状態で電気光学結晶６から下方に向けて出射される。
【００３５】
電気光学結晶６から出射された近赤外光Ｌ１は、放物面ミラー１０ｂの貫通孔１１を通過させられた後に、対物レンズ１５によってコリメートされ、ビームスプリッタ１６によって分岐された光路上に配置されている偏光子１７に入射される。偏光子１７は、テラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射していない状態では、近赤外光Ｌ１を遮断するように設定されている。その一方、試料で反射されたテラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射している状態では、屈折率が変化した領域Ｓを通過することによって、偏光状態が変化した部分の近赤外光Ｌ１のみが、偏光子１７を通過させられる。これにより、電気光学結晶６に記録された屈折率分布の情報を、光の光量（強度）として読み出すことができる。
【００３６】
そして、このようにして抽出された近赤外光Ｌ１を結像レンズ１８によって集光し、撮像素子１９によって撮影することにより、可視光によっては観察できない透明な細胞等の試料Ａの画像を取得することができる。
【００３７】
この場合において、本実施形態に係る観察装置１によれば、従来のように試料Ａと電気光学結晶６との間に光学系を配置することなく、電気光学結晶６の載置面６ａに直接試料Ａを載置しているので、電気光学結晶６に書き込まれる情報は光学系によって空間分解能を制限されることがない。また、試料近傍に電気光学結晶６が配置されるため、試料通過後のテラヘルツ波の回折による空間分解能低下の影響を抑えることが出来る。また、情報の読み出しには、テラヘルツ波Ｌ２よりも短い近赤外光Ｌ１を用いているので、高い空間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構造を持つ試料Ａであっても、簡易な構成で高い空間分解能により試料Ａを観察することができる。
【００３８】
図３に、観察の手順を表すフローチャートを示す。
本実施形態に係る観察装置１を用いて観察を行うには、まず、バックグラウンド測定を行う。すなわち、光路調整光学系１３を用いてテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが時間的に重なっていない状態を形成するか、もしくはテラヘルツ波Ｌ２が電気光学結晶６に入射しない状態にして、画像を取得する（ステップＳ１）。次いで、光路調整光学系１３を調整してテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが時間的に重なっている状態を形成し、画像を取得する（ステップＳ２）。最後に、ステップＳ２において取得した画像と、ステップＳ１において取得した画像とを減算あるいは除算することにより、観察環境に起因する不要な情報を取り除くことができる（ステップＳ３）。これによって、イメージングを行うための良質な画像を得ることができる。なお、ステップＳ１，Ｓ２の順序は逆でもよい。
【００３９】
なお、本実施形態においては、放物面ミラー１０ｂに貫通孔１１を設けて、電気光学結晶６から出射される近赤外光Ｌ１を対物レンズ１５に導いているが、放物面ミラー１０ａ，１０ｂ間にテラヘルツ波Ｌ２を透過して近赤外光Ｌ１を反射するミラーを設けて、近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波Ｌ２と同じ光路に導いてもよい。この場合、ミラーとしてはＳｉ板等を使用すればよい。
また、検出光学系７においてビームスプリッタ１６と偏光子１７とを備えることとしたが、これに代えて、両者の機能を備える偏光ビームスプリッタを採用してもよい。
【００４０】
また、本実施形態においては、電気光学結晶６の載置面６ａに反射膜６ｂを設けることにより、テラヘルツ波Ｌ２を透過し近赤外光Ｌ１を反射することとしたが、これに代えて、図４に示されるように、反射膜６ｂを設けなくてもよい。この場合には、電気光学結晶６の載置面６ａにおいてフレネル反射が発生して近赤外光Ｌ１の一部を戻すことができる。したがって、上記と同様にテラヘルツ波Ｌ２によって書き込んだ情報を近赤外光Ｌ１によって読み出すことができる。
【００４１】
ただし、この場合には、近赤外光Ｌ１の一部が電気光学結晶６の載置面６ａを透過して試料Ａに入射されるので、近赤外光Ｌ１を照射することが好ましくない試料Ａの場合には適していない。そのような場合には、上記の反射膜６ｂを有する電気光学結晶６を使用することが好ましい。
【００４２】
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６を例示して説明した。しかし、これに代えて、図５に示されるように、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６′を採用してもよい。
【００４３】
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、試料Ａで反射したテラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とを同時に非線形光学結晶６′に入射させると、図５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１００μｍ、周波数３ＴＨｚ）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６′において和周波混合される。
【００４４】
そして、試料Ａの屈折率および吸収の分布の情報を含む他の波長（例えば、波長７９３．６５ｎｍ）の和周波混合光Ｌ３が対物レンズ１５により集光され、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。
この場合には、撮像素子１９には、近赤外光Ｌ１を入射させないように、偏光子１７に代えて、フィルタを設けることにすればよい。
【００４５】
また、図６に示されるように、共焦点観察装置２０を構成してもよい。
図６に示す例では、図１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）２０ａ，２０ｂを設け、対物レンズ１５の焦点位置と光学的に共役な位置に、共焦点ピンホール２８を配置している。これにより、対物レンズ１５の焦点位置が配置されている電気光学結晶６の載置面６ａ近傍の領域Ｓからの近赤外光Ｌ１のみを光検出器１９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６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。
【００４６】
また、図７に示されるように、近赤外光Ｌ１を検出する検出光学系７として、１／４波長板２１、結像レンズ１８、偏光ビームスプリッタ２２およびバランスフォトダイオードのような差分検出器２３を備える構成を採用してもよい。偏光ビームスプリッタ２２としては、例えばウォラストンプリズムが用いられるが、これに限られるものではない。
【００４７】
この場合には、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが領域Ｓにおいて時間的に重なっていない状態で近赤外光Ｌ１が円偏光となるように１／４波長板２１を調節しておく。そして、１／４波長板２１を通過した光を偏光ビームスプリッタ２２で直交する２つの偏光成分に分割し、差分検出器２３でその２つの偏光成分の強度差を検出するようにしておく。テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが領域Ｓにおいて時間的に重なっていない状態では、差分検出器２３により検出される強度差はゼロである。
【００４８】
この状態で、テラヘルツ波Ｌ２と近赤外光Ｌ１とが領域Ｓにおいて時間的に重なると、近赤外光Ｌ１の偏光状態が変化するので、差分検出器２３により検出される２つの偏光成分に強度差が発生する。これを検出することで、テラヘルツ波近接場成分の状態、すなわち、試料Ａの情報を得ることができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る観察装置３０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３０の説明において、上述した第１の実施形態に係る観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態に係る観察装置３０は、図８および図９に示されるように、電気光学結晶３１において相違し、それによって、テラヘルツ波照射光学系３２の構造が相違している。
本実施形態に係る観察装置３０において、電気光学結晶３１としては、特定の偏光状態または強度の近赤外光Ｌ１を入射させると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｌ２を発生するものが採用されている。
【００５１】
ここで、特定の偏光状態とは、近赤外光Ｌ１の偏光方向と電気光学結晶３１の結晶軸方向とが特定の条件を満たしている状態をいい、後述する１／２波長板１４、３３により調節することができる。また、近赤外光Ｌ１の強度は、ビームスプリッタ３４による強度分割比によって設定することができる。
【００５２】
そして、テラヘルツ波照射光学系３２は、ビームスプリッタ３４で分岐した一方の光路に２個一対のミラー３５ａ，３５ｂを配置して光路を折り返した後に、他のビームスプリッタ３６で他方の光路と同一光路に合流させるようになっている。この２個一対のミラー３５ａ，３５ｂを矢印Ｃの方向に移動可能に設けられており、移動によって光路長を調節するようになっている。２つの光路にはそれぞれ異なる偏光状態を実現するための１／２波長板１４，３３が配置されており、これら１／２波長板１４，３３を調節することにより、電気光学結晶３１に入射させる近赤外光Ｌ１の偏光状態を調節することができるようになっている。
【００５３】
このように構成された本実施形態に係る観察装置３０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置３０を用いて試料Ａの観察を行うには、電気光学結晶３１の載置面３１ａ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。
【００５４】
ビームスプリッタ３４により分岐されてテラヘルツ波照射光学系３２に入射された近赤外光Ｌ１は、一対のミラー３５ａ，３５ｂによって折り返される。このとき、その光路の途中に配置された１／２波長板３３によって偏光状態が調節される。その後、ビームスプリッタ３６によって他方の光路と同一の光路に合流され、対物レンズ１５によって集光されて電気光学結晶３１に入射される。
【００５５】
電気光学結晶３１は、特定の偏光状態または強度の近赤外光Ｌ１が入射されることにより、非線形光学効果の一種である光整流効果によってテラヘルツ波Ｌ２を発生する。一方、その条件から外れた近赤外光Ｌ１が入射された場合、テラヘルツ波Ｌ２は発生しない、もしくは発生するテラヘルツ波Ｌ２の強度は非常に小さい。したがって、一方の光路から入射させる近赤外光Ｌ１をテラヘルツ波Ｌ２発生のために使用し、他方の光路から入射させる近赤外光Ｌ１を屈折率分布の情報を読み出すために使用することができる。
【００５６】
電気光学結晶３１内で発生したテラヘルツ波Ｌ２は、反射膜６ｂを透過して試料Ａに照射され、試料Ａにおいて反射することで、試料Ａの屈折率分布に応じて変調される。そして、そのように変調されたテラヘルツ波Ｌ２が再度反射膜６ｂを逆方向に透過して電気光学結晶３１に入射されることにより、電気光学結晶３１内に複屈折を生じさせ、試料Ａに対応する屈折率および吸収の分布の情報が書き込まれる。
【００５７】
そして、近赤外光照射光学系５に入射された近赤外光Ｌ１を用いて情報の読み出しが行われる。１／２波長板１４によって所定の偏光状態に設定された後に対物レンズ１５によって集光された近赤外光Ｌ１は、図９に示されるように、照射光学系３２から導かれた近赤外光Ｌ１と同一の方向から電気光学結晶３１に照射される。そして、第１の実施形態に係る観察装置１と同様にして、電気光学結晶３１の載置面３１ａに設けられた反射膜６ｂによって反射されて下方に戻る際に、電気光学結晶３１に書き込まれている情報を読み出すことができる。
このように、本実施形態に係る観察装置３０によれば、第１の実施形態とは異なり、テラヘルツ波放射素子９を用意する必要がなくなり、構成を簡略化することができる。
【００５８】
なお、本実施形態においては、単一のフェムト秒パルスレーザ光源２を２つの光路に分岐することとしたが、これに代えて、２つの別個のフェムト秒パルスレーザ光源２を用いてもよい。
【００５９】
また、本実施形態においては、図１０に示されるように、非線形光学結晶としての性質も備えた電気光学結晶３１を用いたが、それに代えてテラヘルツ波Ｌ２を発生させるための非線形光学結晶３１ｂと、屈折率分布の情報の書き込みと読み取りを行うための電気光学結晶３１ｃの２つを相互に積層状態に接着することにしてもよい。例えば、非線形光学結晶３１ｂがＤＡＳＴ結晶やＧａＳｅ結晶であり、電気光学結晶３１ｃがＺｎＴｅ結晶であってもよい。このようにすることで、高強度でかつ広帯域な信号の検出を行うことができる。
【００６０】
また、図１１に示されるように、異なる偏光状態または強度に設定された２つの近赤外光Ｌ１を合波した状態で、光ファイバ３８によって電気光学結晶３１まで導くことにしてもよい。図中、符号３７はカップリングレンズである。このようにすることで、電気光学結晶３１を比較的自由に移動させることができ、載置面３１ａ上に置くことが困難な試料Ａに対しても観察を行うことができるという利点がある。例えば、電気光学結晶３１を内視鏡の挿入部先端に配置して光ファイバ３８によって近赤外光Ｌ１を導くことにより、体腔内の観察を行うことも可能となる。
【００６１】
また、上記各実施形態においては、信号を時間的に連続して検出することにより、動画を取得することもできる。
【符号の説明】
【００６２】
Ｌ１ 近赤外光（第２の電磁波）
Ｌ２ テラヘルツ波（第１の電磁波）
Ａ 試料
Ｓ 領域（照射領域）
１，２０，３０ 観察装置
４ テラヘルツ波照射光学系（第１の照射系）
５ 近赤外光照射光学系（第２の照射系）
６，３１，３１ｃ 電気光学結晶（光学結晶）
６′，３１ｂ 非線形光学結晶（光学結晶）
６ａ，３１ａ 載置面
６ｂ 反射膜
７ 検出光学系（検出系）
３２ テラヘルツ波照射光学系（照射系）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置する載置面を有する光学結晶と、
該光学結晶に向けて第１の電磁波を前記載置面とは反対側から照射する第１の照射系および第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
該第２の照射系から照射され前記試料の載置面において反射した前記第２の電磁波を検出する検出系とを備え、
前記第１の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、
前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、
前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、
前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置。
【請求項２】
前記載置面に、前記第１の電磁波を透過し、前記第２の電磁波を反射する反射膜が設けられている請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記光学結晶が、前記第１の電磁波の電場状態に応じて屈折率が変化する電気光学結晶であり、
前記検出系が、前記載置面において反射された後に前記光学結晶を通過する前記第２の電磁波の偏光状態を検出する請求項１または請求項２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記光学結晶が、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波を和周波混合または差周波混合する非線形光学結晶であり、
前記検出系が、前記光学結晶から発せられた和周波混合または差周波混合された電磁波を検出する請求項１に記載の観察装置。
【請求項５】
試料を載置する載置面を有する光学結晶と、
該光学結晶に向けて、同一波長かつ、強度または偏光の異なる２つの電磁波を、それらの照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記載置面とは反対側から照射する照射系と、
該照射系から照射され前記試料の載置面において反射した一方の電磁波を検出する検出系とを備え、
前記光学結晶が、前記一方の電磁波によってはテラヘルツ波を発生せず、所定の強度または偏光を有する他方の電磁波によってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶であり、
前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置。
【請求項１】
試料を載置する載置面を有する光学結晶と、
該光学結晶に向けて第１の電磁波を前記載置面とは反対側から照射する第１の照射系および第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
該第２の照射系から照射され前記試料の載置面において反射した前記第２の電磁波を検出する検出系とを備え、
前記第１の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、
前記第２の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、
前記第１の電磁波の照射領域と前記第２の電磁波の照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記第１の照射系と前記第２の照射系が配置され、
前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置。
【請求項２】
前記載置面に、前記第１の電磁波を透過し、前記第２の電磁波を反射する反射膜が設けられている請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記光学結晶が、前記第１の電磁波の電場状態に応じて屈折率が変化する電気光学結晶であり、
前記検出系が、前記載置面において反射された後に前記光学結晶を通過する前記第２の電磁波の偏光状態を検出する請求項１または請求項２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記光学結晶が、前記第１の電磁波と前記第２の電磁波を和周波混合または差周波混合する非線形光学結晶であり、
前記検出系が、前記光学結晶から発せられた和周波混合または差周波混合された電磁波を検出する請求項１に記載の観察装置。
【請求項５】
試料を載置する載置面を有する光学結晶と、
該光学結晶に向けて、同一波長かつ、強度または偏光の異なる２つの電磁波を、それらの照射領域の少なくとも一部が前記光学結晶内の前記載置面近傍で重なるように、前記載置面とは反対側から照射する照射系と、
該照射系から照射され前記試料の載置面において反射した一方の電磁波を検出する検出系とを備え、
前記光学結晶が、前記一方の電磁波によってはテラヘルツ波を発生せず、所定の強度または偏光を有する他方の電磁波によってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶であり、
前記検出系は、その合焦位置が前記光学結晶の前記載置面近傍と一致するように配置されている観察装置。
【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２０１１−５８８９２（Ｐ２０１１−５８８９２Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７４０３（Ｐ２００９−２０７４０３）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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