(57)【要約】【課題】水分などテラヘルツ波またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つため測定が困難な試料に対して，高感度測定を行うことができ、さらに、試料の２次元画像を提供することができる近接場光計測法および近接場光計測装置を提供する。【解決手段】光源１１で発生したテラヘルツ波またはミリ波の入射光は、光学素子部１２により平行光となった後、光チョッパー２４等により強度変調を受け、レンズ２６によって集光し、導波路１３へ入射する。導波路１３内を伝播するテラヘルツ波またはミリ波は、特性伝播モードを持ち、導波路１３の表面に均一な近接場光を発生させながら伝播する。導波路１３から再び自由空間へ放射されたテラヘルツ波またはミリ波の透過光は、焦電素子型検出器２７ａにより検出され、オシロスコープ２８に表示される。試料を、導波路１３の表面に発生する近接場光の到達範囲内に配置し、試料の情報を取得することができる。【選択図】図１
2008026523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波またはミリ波の光源で発生させたテラヘルツ波またはミリ波の入射光を、導波路に伝播させ、前記導波路の外部に発生する近接場光により、前記近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を得ることを特徴とする近接場光計測法。
【請求項２】
前記導波路を通過した透過光を検出することにより、前記試料の情報を得ることを、
特徴とする請求項１記載の近接場光計測法。
【請求項３】
前記導波路は管状で、前記入射光の波長の６倍〜１０００倍の内径を有し、
前記近接場光は前記入射光が有する特性伝播モードにより、前記導波路の表面近傍に発生することを、
特徴とする請求項１または２記載の近接場光計測法。
【請求項４】
前記試料は、液体、粉体、固体、ゲル状物質または気体から成り、
前記試料の情報を連続的に測定可能であることを、
特徴とする請求項１、２または３記載の近接場光計測法。
【請求項５】
前記入射光の波長を変えることにより、または、広帯域の前記入射光に対する前記透過光を分光することにより、分光測定可能であることを、特徴とする請求項２、３または４記載の近接場光計測法。
【請求項６】
前記試料と前記導波路との相対位置を変化させることによる前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定可能であることを特徴とする請求項２、３、４または５記載の近接場光計測法。
【請求項７】
前記導波路は前記入射光の伝播方向に沿って曲率を有することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の近接場光計測法。
【請求項８】
テラヘルツ波またはミリ波の光源と、
前記光源からのテラヘルツ波またはミリ波の入射光を伝播可能に設けられた導波路と、
前記導波路の外部に発生する近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を取得するよう、前記導波路を通過した透過光を検出する検出部とを、
有することを特徴とする近接場光計測装置。
【請求項９】
前記近接場光の到達範囲内で前記試料と前記導波路との相対位置を変化させるよう、前記試料または前記導波路を移動可能に設けられた移動手段と、
前記移動手段で前記試料または前記導波路を移動させながら、前記検出部で前記透過光を検出するとき、前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定して２次元画像または３次元画像で表示する解析手段とを、
有することを特徴とする請求項８記載の近接場光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波帯やミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料に対して、高感度測定を行うことができる近接場光計測法および近接場光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フーリエ変換赤外分光光度計（FT-IR）に含まれる方法として、全反射吸収測定法（ATR法）があり、ATR法は試料に化学的、物理的処理を施すことなく測定できる利点がある。一方、近年、光と電波との中間に位置する電磁波であるテラヘルツ波帯の工学的応用が盛んに行われている。【０００３】
テラヘルツ波帯は、従来の赤外光やＸ線では分析できなかった対象物の分析ができる可能性がある。例えば、封筒や不透明なプラスチック中の化学薬品などは、赤外光やＸ線を用いても検出困難であるが、テラヘルツ波帯の電磁波を用いることにより分析が可能である（例えば、特許文献１、２参照）。【０００４】
ところが、テラヘルツ波およびミリ波は、水に強く吸収されるため水分を多く含む試料の分析に際しては、凍結粉末法などによる試料の固体化が必要であった。この課題に対し、テラヘルツ波の近接場光を用いることにより液体試料の測定を可能にしたテラヘルツ波―ATR法が報告されている（例えば、特許文献３、非特許文献１、２参照）【０００５】
また、近接場光を効率よく発生させる手法として、可視光〜近赤外光領域の電磁波に対しては導波路における伝播モードに関する事例が報告されている。すなわち、導波路透過後の光の強度分布から導波路内部における伝播モードが決定でき、効率よく近接場光を発生させる伝播モードが知られている。また、このとき、導波路は、入射光の波長に対して、１０〜１０００倍程度の内径または幅を有していることも報告されている（例えば、非特許文献３、４参照）。【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８６７１６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４４１３号公報
【特許文献３】特開２００４−３５４２４６号公報
【非特許文献１】広理英基、他２名、「時間領域テラヘルツATR分光法」、分光研究、社団法人日本分光学会、2004年、第53巻、第６号、p.361-364
【非特許文献２】広理英基、他３名（H.Hiroi, K.Yamashita, M.Nagai and K.Tanaka）、「アテニュエイテッド  トータル  リフレクション  スペクトロスコピイ  イン  タイム  ドメイン  ユージング  テラヘルツ  コヒーレント  パルス（Attenuated Total Reflection Spectroscopy in Time Domain Using Terahertz Coherent Pulses）」、ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Jpn.J.Appl.Phys.）、社団法人応用物理学会、2004年、第43巻、第10A号、L1287-L1289
【非特許文献３】デグナム（J.J. Degnan）、「ザ  ウェイブガイド  レーザー：ア  レビュー（The Waveguide Laser: a Review）」、アプライド  フィジックス（App. Phys.）、（米国）、1976年、第11巻,p.1-33
【非特許文献４】デグナム（J.J. Degnan）、「ウェイブガイド  レーザー  モード  パターン  イン  ザ  ニア  アンド  ファー  フィールド（Waveguide Laser Mode Patterns in the Near and Far Field）」、アプライド  オプティックス（App. Opt.）、（米国）、1973年、第12巻、第5号、pp.1026-1033
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、水分を多く含む試料など、テラヘルツ波またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料に対して、高感度測定を行うことができる近接場光計測法および近接場光計測装置を提供することを目的としている。さらに、試料の２次元画像および３次元画像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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る近接場光計測法は、テラヘルツ波またはミリ波の光源で発生させたテラヘルツ波またはミリ波の入射光を、導波路に伝播させ、前記導波路の外部に発生する近接場光により、前記近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を得ることを特徴とする。【０００９】
本発明に係る近接場光計測法は、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用して、その近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を得ることができる。テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用するため、特に、テラヘルツ波帯またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料の情報を得ることもできる。また、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光により、高感度な試料表面周辺の非破壊・非侵襲測定を行うことができる。テラヘルツ波またはミリ波帯の電磁波は、水に強く吸収される性質を有しているが、本発明に係る近接場光計測法によれば、生体組織や食品、水溶アミノ酸などの水分を多く含む試料であっても、水の吸収の影響を受けることなく高感度に測定することができる。【００１０】
テラヘルツ波またはミリ波の光源は、例えば、後進波管やテラヘルツ波パラメトリック光源、ガン発振器、インパット発振器、タンネット発振器、超短パルスレーザーによる光伝導スイッチ励起、量子カスケードレーザー、p-Geレーザー、自由電子レーザー等から成る。導波路は、シリコン単結晶やテフロン（登録商標）、プラスチック系材料、石英ガラス、セラミックス、金属酸化物、半導体など、テラヘルツ波またはミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象の試料よりも屈折率が高いもので構成されるのが好ましい。【００１１】
なお、一般的に、テラヘルツ波は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ、波長が３０μｍ〜３ｍｍの電磁波である。ミリ波は、周波数が３０〜３００ＧＨｚ、波長が１〜１０ｍｍの電磁波である。【００１２】
本発明に係る近接場光計測法は、前記導波路を通過した透過光を検出することにより、前記試料の情報を得ることが好ましい。この場合、透過光の強度や強度変化等を測定することにより、試料の情報を得ることができる。【００１３】
本発明に係る近接場光計測法で、前記導波路は管状で、前記入射光の波長の６倍〜１０００倍の内径を有し、前記近接場光は前記入射光が有する特性伝播モードにより、前記導波路の表面近傍に発生することが好ましい。この場合、入射光が有する特性伝播モードにより、導波路表面近傍に均一な近接場光を発生させることができ、高感度かつ高精度な測定が可能である。管状の導波路とは、内部が空洞ではなく密な円筒状のことを指し、その断面形状は、円形、楕円形、矩形、多角形等を成していてもよい。【００１４】
本発明に係る近接場光計測法で、前記試料は、液体、粉体、固体、ゲル状物質または気体から成り、前記試料の情報を連続的に測定可能であってもよい。この場合、試料の情報の時間的、空間的変化を得ることができる。【００１５】
本発明に係る近接場光計測法は、前記入射光の波長を変えることにより、または、広帯域の前記入射光に対する前記透過光を分光することにより、分光測定可能であってもよい。この場合、試料に含まれる化学物質や、物質の構造等を特定することができる。【００１６】
本発明に係る近接場光計測法は、前記試料と前記導波路との相対位置を変化させることによる前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定可能であってもよい。この場合、測定された試料の形状から、試料の２次元画像を得ることができる。また、試料と導波路との相対位置を変化させる方法として、例えば、試料を導波路に沿って移動させたり、導波路を試料の表面に沿って移動させたりしてスキャンする方法や、試料と導波路とを互いに近づけたり遠ざけたりする方法がある。これらを組み合わせることにより、試料の２次元形状だけでなく、３次元形状も得ることができ、試料の３次元画像を得ることもできる。【００１７】
本発明に係る近接場光計測法で、前記導波路は前記入射光の伝播方向に沿って曲率を有していてもよい。この場合、導波路の形状を、試料の形状や測定状況に合わせることができ、効率的な測定を行うことができる。また、試料と近接場光との相互作用面積を拡げることができるため、高感度の測定が可能である。導波路の曲率は、入射光が有する特性伝播モードが変化しない範囲であることが好ましい。【００１８】
本発明に係る近接場光計測装置は、テラヘルツ波またはミリ波の光源と、前記光源からのテラヘルツ波またはミリ波の入射光を伝播可能に設けられた導波路と、前記導波路の外部に発生する近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を取得するよう、前記導波路を通過した透過光を検出する検出部とを、有することを特徴とする。【００１９】
本発明に係る近接場光計測装置は、本発明に係る近接場光計測法を実施するために使用される。本発明に係る近接場光計測装置は、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用して、その近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を得ることができる。テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用するため、特に、テラヘルツ波帯またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料の情報を得ることもできる。また、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光により、高感度な試料表面周辺の非破壊・非侵襲測定を行うことができる。本発明に係る近接場光計測装置で、導波路は管状で、近接場光は導波路の表面近傍に発生することが好ましい。なお、管状の導波路とは、内部が空洞ではなく密な円筒状のことを指し、その断面形状は、円形、楕円形、矩形、多角形等を成していてもよい。【００２０】
本発明に係る近接場光計測装置は、前記近接場光の到達範囲内で前記試料と前記導波路との相対位置を変化させるよう、前記試料または前記導波路を移動可能に設けられた移動手段と、前記移動手段で前記試料または前記導波路を移動させながら、前記検出部で前記透過光を検出するとき、前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定して２次元画像または３次元画像で表示する解析手段とを、有していてもよい。この場合、測定された試料の形状から、試料の２次元画像または３次元画像を得ることができる。また、移動手段は、近接場光の到達範囲内で試料と導波路との相対位置を変化させることができるものであればいかなるものであってもよく、試料を導波路に沿って移動させたり、導波路を試料の表面に沿って移動させたりするものや、試料と導波路とを互いに近づけたり遠ざけたりするものから成っていてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水分を多く含む試料など、テラヘルツ波またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料に対して、高感度測定を行うことができる近接場光計測法および近接場光計測装置を提供することができる。さらに、試料の２次元画像および３次元画像を提供することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１乃至図１８は、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置を示している。
図１に示すように、近接場光計測装置１０は、光源１１と光学素子部１２と導波路１３と検出部１４とを有している。【００２３】
光源１１は、テラヘルツ波およびミリ波を発生可能であり、後進波管から成る。図１に示す一例では、光源１１は、周波数約１ＴＨｚの連続波を、出力約１ｍＷで発生するようになっている。【００２４】
光学素子部１２は、光学調整用光源２１とＩＴＯ膜付きガラス板２２と軸外し放物面鏡２３と光チョッパー２４とワイアーグリッド２５とレンズ２６とを有している。ＩＴＯ膜付きガラス板２２は、光学調整用光源２１からの光を真っ直ぐに透過可能、かつ、光源１１からの入射光を約９０度反射可能に配置されている。ＩＴＯ膜付きガラス板２２は、光源１１からの入射光の伝播方向を、光学調整用光源２１からの光の伝播方向に一致させるよう調整可能になっている。軸外し放物面鏡２３は、４つから成り、光源１１からの入射光を平行光にし、その入射光を導波路１３に案内する光路を形成するよう配置されている。光チョッパー２４は、光路の中間付近に設けられ、入射光を強度変調するよう構成されている。ワイアーグリッド２５は、光路の終端付近に設けられ、入射光の一部を透過し、残りを９０度反射するよう構成されている。レンズ２６は、ワイアーグリッド２５を透過した入射光を集光して、導波路１３の内部に案内するよう配置されている。【００２５】
導波路１３は、テラヘルツ波およびミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象試料よりも屈折率が高い、円筒状のシリコン結晶から成る。導波路１３は、レンズ２６を通過した光源１１からの入射光を、一端から内部に伝播可能に設けられている。導波路１３は、入射光の波長が０．３ｍｍ（周波数：１ＴＨｚ）のとき、内径が２ｍｍ（屈折率３．４の導波路）、入射光の波長が３ｍｍ（周波数：０．１ＴＨｚ）のとき、内径が２０ｍｍ（屈折率１．６の導波路）であり、入射光の波長の約７倍の内径を有している。なお、入射光の波長が０．３ｍｍ（周波数：１ＴＨｚ）のとき、内径が５ｍｍ（入射光の波長の約１７倍）の導波路を使用して、近接場光の発生が確認されている。導波路の屈折率や形状にもよるが、原理的には、導波路の内径の限界は入射光の波長の１／２であることから、入射光の波長の０．５倍程度の内径を有する導波路を使用しても、近接場光を発生させることができる。【００２６】
検出部１４は、２つの焦電素子型検出器２７ａ，２７ｂとオシロスコープ２８とコンピュータ２９とを有している。一方の焦電素子型検出器２７ａは、導波路１３の他端側に配置され、導波路１３を通過した透過光を検出可能になっている。他方の焦電素子型検出器２７ｂは、ワイアーグリッド２５により反射された参照光を検出可能に配置されている。オシロスコープ２８は、各焦電素子型検出器２７ａ，２７ｂが接続され、各焦電素子型検出器２７ａ，２７ｂで検出された透過光の透過信号および参照光の参照信号を表示可能になっている。コンピュータ２９は、オシロスコープ２８に接続され、透過信号および参照信号を入力して解析可能になっている。【００２７】
本発明の実施の形態の近接場光計測法は、近接場光計測装置１０により実施することができる。光源１１で発生したテラヘルツ波またはミリ波の入射光は、軸外し放物面鏡２３等の光学素子部１２により平行光となった後、光チョッパー２４等により強度変調を受け、レンズ２６によって集光し、導波路１３へ入射する。導波路１３内を伝播するテラヘルツ波またはミリ波は、特性伝播モードを持ち、導波路１３の表面である外側面の近傍に均一な近接場光を発生させながら伝播する。導波路１３から再び自由空間へ放射されたテラヘルツ波またはミリ波の透過光は、焦電素子型検出器２７ａにより検出され、オシロスコープ２８やコンピュータ２９に表示される。試料を、導波路１３の表面に発生する近接場光の到達範囲内に配置し、導波路１３を通過した透過光の強度や強度変化等を測定することにより、試料の情報を取得することができる。【００２８】
本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０は、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用するため、テラヘルツ波帯またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料の情報を得ることができる。また、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光により、高感度な試料表面周辺の非破壊・非侵襲測定を行うことができる。このため、テラヘルツ波またはミリ波帯の電磁波は、水に強く吸収される性質を有しているが、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０によれば、生体組織や食品、水溶アミノ酸などの水分を多く含む試料であっても、水の吸収の影響を受けることなく高感度に測定することができる。【００２９】
本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０は、入射光が有する特性伝播モードにより、導波路１３の表面に均一な近接場光を発生させることができ、高感度かつ高精度な測定が可能である。また、液体、粉体、固体、ゲル状物質または気体から成る試料の情報を得ることができる。試料の情報を連続的に測定することにより、試料の情報の時間的、空間的変化を得ることができる。【００３０】
測定対象となる試料としては、有機化合物、無機化合物、金属、セラミックなどが考えられる。例えば、プラスチックなどの有機高分子、パイプ、塩ビ管、電線の被膜などの工学製品、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、レクチン、抗体、糖鎖、ビタミン、ホルモン、環境ホルモン、細胞、ウイルス、アレルギー成分、血液・リンパ液・骨髄液などの生体内成分、生体組織、青果物などの食品、医薬品、化粧品などが考えられる。【００３１】
図２に、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０により測定した、導波路１３を透過するテラヘルツ波強度の糖水溶液の濃度依存性を示す。なお、入射光の周波数は約１ＴＨｚであり、糖水溶液はグルコース水溶液である。図２に示すように、グルコース濃度の増加に従い、テラヘルツ波の透過率が単調に増加している結果が観察されている。【００３２】
このように、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０は、導波路１３の周辺にある水分量および水溶液濃度を計測可能である。このため、従来、吸収が大きく透過測定が困難であった試料を高感度に測定でき、同様に近接場光を用いるTHz-ATR法よりも試料との相互作用面積を大きく取れることから、高感度化を達成することができる。【００３３】
図３に、導波路１３の周囲に試料１として水を浸透させた紙（サンプル）を載せたときの、サンプルの長さと透過光強度の変化との関係を示す。なお、入射光の周波数は、約１ＴＨｚである。図３に示すように、導波路１３に接する部位が長くなるにつれて、透過率が低下している様子が観察されている。【００３４】
図４に、幅６ｃｍ程度の紙に、試料１として水または５０％濃度の糖水溶液を浸透させ、その紙を導波路１３の周囲に巻き付けたときの透過率を示す。なお、導波路１３として、内径が１．２ｃｍ、長さが３０ｃｍのテフロン（登録商標）ロッドを使用し、入射光として、周波数が９４ＧＨｚのミリ波を使用した。図４に示すように、糖水溶液の方が水よりも透過率が高いことが確認された。図２乃至図４の結果から、近接場光計測装置１０は、導波路１３の周辺にある水分量や水溶液濃度を計測可能である。【００３５】
図５乃至図１２に示すように、導波路１３は、柱状形態に限定されず、特性伝播モードが変化しない範囲で、入射光の伝播方向に沿って曲率を持ったものから成っていてもよい。この場合、導波路１３の形状を、試料１の形状や測定状況に合わせることができ、効率的な測定を行うことができる。また、試料１と近接場光との相互作用面積を拡げることができるため、高感度の測定が可能である。なお、導波路１３が有し得る曲率は、導波路１３の屈折率に依存する。【００３６】
図５に、近接場光計測装置１０を用いた生体情報計測システムを示す。図５に示すように、導波路１３は、内部で定在波が乱れない程度に曲率を有する機構を有し、これにより試料１である対象物との相互作用面積を広げることが出来るため、わずかな変化量も高感度で測定することが可能となる。なお、図５中ではコイル状の導波路１３を示したが、対象物や測定状況に応じて、Ｕ字やＳ字などの構成をとることも可能である。導波路１３を伝播したテラヘルツ波およびミリ波は、近接場光で得られる対象物の情報と共に、透過光として焦電素子型検出器２７ａ等の検出器で検出される。【００３７】
対象物が生体の際、導波路１３に密着した生物や青果物の外皮および近接場光が浸み込んだ深さ方向の情報を得ることが出来るため、生体水や血液、果汁などの変化を得ることができる。そのため、非侵襲で肌の潤いや血液成分の変化、農産物の場合は鮮度や品質の評価、さらには内部障害の非破壊判別が可能となる。【００３８】
図６に、図５の実験系で得た実験結果の判定法を示す。例えば、測定者の肌の潤いが高くなると、皮下層の水分量が上昇するため、導波路１３を染み出た近接場光が吸収され、焦電素子型検出器２７ａで得られる透過量は減少する。このような結果を利用することで、医薬品、化粧品の効能評価や、血液成分の変化などを非侵襲で計測することが可能になる。【００３９】
図７に、近接場光計測装置１０を用いた工業製品等の非破壊検査システムについて示す。図７は、テラヘルツ波またはミリ波を透過する材質の管状部材の内部欠損を、非破壊で検査するものである。なお、本方法は、測定対象物の形状に合わせた導波路１３の形状を選ぶことで、板材など管状部材以外においても導入可能である。測定対象部との作用面積を広く取るため、導波路１３は内部で定在波が乱れない程度に曲率を有する機構を取ることも可能である。図７は、曲げられた導波路１３に接するように試料１である対象物が移動する構成となっており、対象物の移動が困難な場合は導波路１３が移動できる構成を取る事も可能である。導波路１３を伝播したテラヘルツ波またはミリ波の透過光は、焦電素子型検出器２７ａ等の検出器で検出される。【００４０】
図８に、図７の非破壊検査システムによる、試料１であるパイプ断面の測定部位を示す。近接場光計測装置１０による計測方法では、導波路１３の周辺に波長程度の染み出し深さを持つ近接場光１３ａを形成するため、パイプ内側の欠損やパイプの厚み変化を、導波路１３の透過量変化として非破壊モニタリングが可能である。測定は、１本の導波路１３をパイプに沿って移動させて行ってもよく、複数本の導波路１３をパイプに沿って並べて行ってもよい。また、導波路１３をコイル状に構成して測定してもよく、この場合、近接場光の作用面積を広く取ることができるため、対象物のわずかな変化を精度良くモニタリングできる効果がある。このときに得られる結果から、異常部を判定する方法を、図９に示す。対象物に異常が無い場合は任意の透過量を示すが、対象物が移動し、異常な部位があると、透過量が変化する。この変化量と閾値とを比較することで、不透明パイプの検査が可能となる。【００４１】
図１０に、近接場光計測装置１０を用いた、試料１である溶液物の反応モニタリング方法について示す。発生したテラヘルツ波またはミリ波は、集光レンズ２６で導波路１３の端面に集光され、ビームウエスト部で導波路１３とカップルする構成となっている。図１０に示すように、測定対象部との作用面積を広く取るため、導波路１３は内部で定在波が乱れない程度に曲率を有する機構を取ることも可能である。導波路１３は、溶液よりも屈折率の高い部材で構成され、内部で最低次のモードで伝播される。その結果、近接場光が導波路１３の全体から染み出す。テラヘルツ波およびミリ波帯は、可視光と異なり、水の吸収が大きい帯域であるため、染み出た近接場光の変化から、例えばタンパク質溶液中の酵素反応における加水分解による水分子の増減をモニタリングすることが可能となる。図１１に、タンパク溶液の酵素反応をモニタリングする方法を示す。酵素Ａを使うと、酵素Ｂに比べて反応性が高いことが判別できる。これらの結果とLC/MS（液体クロマトグラフィー／マススペクトロメトリー）などとの組み合わせにより、任意のペプチドの高効率生産が可能になる。【００４２】
このように、近接場光の利用により、テラヘルツ波およびミリ波帯では困難な水溶液中の反応を計測することができ、さらに導波路１３の形状を変化させることで感度良く反応を計測することが可能となる。さらに、図１２に示すように、導波路１３を試料１である液内に配置しない方法として、容器２の外周に密着させることが可能である。このとき、容器２はテラヘルツ波およびミリ波を透過できるものが望ましい。これにより、反応層（対象物）にセンシング部を直接接しない構成をとることができるため、洗浄やコンタミを防ぐことが可能となる。【００４３】
図１３に、抗原抗体反応に対する透過率の時間変化を、ビオチンとアビジンとの相互作用（結合）により、リアルタイムに計測した結果を示す。シリコンロッドから成る導波路１３に、直接ビオチンを結合させることはできないため、まずビオチン標識ＢＳＡ溶液に導波路１３を浸し、その後グルタールアルデヒドにて架橋し、導波路１３の表面にビオチン標識ＢＳＡを固定化した。この状態で実験系を構築し、測定を開始したのが図１３の０秒にあたる。
次に、ＢＳＡを溶解させたバッファー（Buffer）を導波路１３の周辺に満たす。このとき、バッファー（特に水）による吸収により、透過率が急激に低下する。
次に、溶液中のＢＳＡが導波路１３の表面に徐々に付着することにより、水分子と入れ替わる。ＢＳＡよりも水の方が吸収が大きいため、図１３に示すように、透過率が徐々に増加する。
次に、3500秒の時点でアビジンを滴下する。その結果、導波路１３の表面のビオチンとアビジンとが結合し、図１３に示すように、導波路１３の表層の近接場光の染み出しの領域（相互作用空間）に存在するアビジンの吸収分の透過率の減少が観測される。このように、近接場光計測装置１０は、抗原抗体反応に対する透過率の時間変化を、リアルタイムで計測することができる。【００４４】
また、細菌やウイルスに特異的に結合する化合物を、導波路１３に固定化することにより、細菌やウイルスを観測することができる。例えば、乳房炎になった乳牛から採取された牛乳には、乳房炎による炎症細胞が含まれているため、近接場光計測装置１０により、その細胞数を測定することにより、牛乳の安全性を確保することができる。【００４５】
図１４に、水および単糖類の水溶液に対して、入射光の波長を変えることにより、分光測定を行った結果を示す。単糖類の水溶液は、マンノース（Mannose）、グルコース（Glucose）、フルクトース（Fructose）の３種類の水溶液とし、入射光の周波数は、０．９３ＴＨｚおよび０．９６ＴＨｚとした。図１４（ｂ）に示すように、プラスチック製の容器３の中に、導波路１３として円筒状のシリコン結晶を通し、導波路１３が浸かるよう容器３の中に水または各水溶液の試料１を満たして、測定を行った。【００４６】
図１４（ａ）に示すように、０．９３ＴＨｚのとき、マンノースのみ透過率が低く、吸収が大きいことが確認された。なお、マンノースは、粉の場合、０．９３ＴＨｚ近傍に吸収があることが知られており、このことと本結果とが一致している。０．９６ＴＨｚのとき、３種類の単糖類の水溶液は、透過率がほぼ一致していることが確認された。これまで、各水溶液の分光スペクトルを測定したものはなく、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０により、液体試料の分光スペクトルを取得可能であることが確認された。なお、入射光の波長を変えることにより、オリゴ糖などの長い糖鎖や、他の液体試料も分析可能であると考えられる。【００４７】
図１５に示すように、近接場光計測装置１０は、回転ステージから成る移動手段３１を有し、試料１を回転ステージの上に載せて回転させることにより、試料１と導波路１３との相対位置を変化させるようになっていてもよい。このとき、回転ステージで試料を回転させながら、検出部１４の焦電素子型検出器２７ａで透過光を検出し、その透過光強度の変化から、解析手段のコンピュータ２９により試料１の形状を測定して２次元画像または３次元画像を表示することができる。なお、移動手段３１は、近接場光の到達範囲内で試料１と導波路１３との相対位置を変化させることができるものであればいかなるものであってもよい。【００４８】
これまで、テラヘルツ波およびミリ波による画像再構成は、その屈折率分布や散乱の影響によりテラヘルツ波およびミリ波が直進しないため、測定対象物が限定されていた。これに対し、図１５に示すように、導波路１３を使用することによって、試料１の屈折率分布や散乱の影響を受けることなく、試料１と導波路１３との相対位置の情報とそれぞれの位置における透過光強度から画像再構成が可能になる。画像再構成には、ラドン変換やラドン逆変換などの方法を使用することができる。【００４９】
また、入射光の波長を変えたり、広帯域の入射光による透過光を分光したりすることにより、分光測定を行うこともできる。図１６に、厚さ１ｍｍの試料に対して、分光計測を行った結果を示す。図１６に示すように、例えば、入射光の波長が１ＴＨｚのとき、透過率は約９％となり、所定の厚みを有する試料であっても、テラヘルツ波およびミリ波の近接場光を使用して分光計測可能であることが確認された。このような近接場分光を導入することにより、分光イメージングが可能になる。この結果、封筒内の化学物質や皮膚下の組織診断、青果物検査、工業材料検査など、試料の画像化による物質や物質の構造等の特定が可能になる。【００５０】
図１７に、矩形板状の試料１を、導波路１３の長さ方向に対して垂直方向に移動させて、透過光の強度変化を測定した結果を示す。なお、入射光の周波数は、約１ＴＨｚである。図１７に示すように、試料１をその長辺方向に沿って移動させたときも、試料１をその短辺方向に沿って移動させたときも、明瞭な透過率の変化が確認された。図１７の結果に基づいて、コンピュータ２９により試料１の形状を測定して２次元画像として表示した結果を、図１８に示す。図１８に示すように、試料１の平面形状が精度良く再現されていることが確認された。このように、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０によれば、試料１の２次元画像または３次元画像を得ることができる。【００５１】
図１９に、試料１として、途中で厚さが１ｍｍから２ｍｍに変化するポリエチレン板を使用し、その試料１を導波路１３の軸方向に対して垂直方向に移動させたときの、透過光の強度変化を測定した結果を示す。なお、入射光の周波数は、約１ＴＨｚである。図１９に示すように、試料１の厚さが変化する位置で、強度も変化していることが確認された。このことから、本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置１０によれば、試料１の２次元形状を測定可能であり、その形状から試料１の２次元画像を得ることができる。なお、厚さが変化した後の強度の変化は、試料１のエッジ部での散乱などの影響によるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態の近接場光計測装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、テラヘルツ波の透過率の水溶液濃度依存性を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、テラヘルツ波の透過率のサンプル長さ依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、水および５０％濃度の糖水溶液に対するミリ波の透過率を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の生体情報計測システムへの応用例を示す斜視図である。
【図６】図５に示す生体情報計測システムの実験結果の判定法を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、工業製品等の非破壊検査システムへの応用例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す非破壊検査システムの使用状態を示す断面図である。
【図９】図７に示す非破壊検査システムの実験結果から、異常部を判定する方法を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、溶液物の反応モニタリング方法への応用例を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示す反応モニタリング方法によるタンパク溶液の酵素反応をモニタリングする方法を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、容器内の対象物の計測への応用例を示す側面図である。
【図１３】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、抗原抗体反応に対する透過率の時間変化を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、（ａ）液体試料に対する分光測定結果を示すグラフ、（ｂ）導波路付近の液体試料の分光測定方法を示す斜視図である。
【図１５】図１に示す近接場光計測装置の移動手段を有する変形例を示す構成図である。
【図１６】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、分光計測結果を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、（ａ）矩形板状の試料をその長辺方向に沿って、導波路の長さ方向に対して垂直方向に移動させたときの透過率の変化を示すグラフ、（ｂ）矩形板状の試料をその短辺方向に沿って、導波路の長さ方向に対して垂直方向に移動させたときの透過率の変化を示すグラフである。
【図１８】図１７の結果から、試料の形状を測定して２次元画像として表示した結果を示す解析図である。
【図１９】本発明の実施の形態の近接場光計測法および近接場光計測装置の、（ａ）試料の厚みに対する透過光の強度変化を示すグラフ、（ｂ）試料の斜視図、（ｃ）導波路に対する試料の移動状態を示す側面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    試料
１０  近接場光計測装置
１１  光源
１２  光学素子部
１３  導波路
１４  検出部
２１  光学調整用光源
２２  ＩＴＯ膜付きガラス板
２３  軸外し放物面鏡
２４  光チョッパー
２５  ワイアーグリッド
２６  レンズ
２７ａ，２７ｂ  焦電素子型検出器
２８  オシロスコープ
２９  コンピュータ
【図１】
2008026523.tif 000003
【図２】
2008026523.tif 000004
【図３】
2008026523.tif 000005
【図４】
2008026523.tif 000006
【図５】
2008026523.tif 000007
【図６】
2008026523.tif 000008
【図７】
2008026523.tif 000009
【図８】
2008026523.tif 000010
【図９】
2008026523.tif 000011
【図１０】
2008026523.tif 000012
【図１１】
2008026523.tif 000013
【図１２】
2008026523.tif 000014
【図１３】
2008026523.tif 000015
【図１４】
2008026523.tif 000016
【図１５】
2008026523.tif 000017
【図１６】
2008026523.tif 000018
【図１７】
2008026523.tif 000019
【図１８】
2008026523.tif 000020
【図１９】
2008026523.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月20日(2008.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波またはミリ波の光源で発生させたテラヘルツ波またはミリ波の入射光を、テラヘルツ波またはミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象の試料よりも屈折率が高く、管状で、前記入射光の波長の６倍〜１０００倍の内径を有する導波路に伝播させ、前記入射光が有する特性伝播モードにより、前記導波路の表面近傍に発生する近接場光により、前記近接場光の到達範囲内に配置された前記試料の情報を得ることを特徴とする近接場光計測法。
【請求項２】
前記導波路を通過した透過光を検出することにより、前記試料の情報を得ることを、
特徴とする請求項１記載の近接場光計測法。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記試料は、液体、粉体、固体、ゲル状物質または気体から成り、
前記試料の情報を連続的に測定可能であることを、
特徴とする請求項１または２記載の近接場光計測法。
【請求項５】
前記入射光の波長を変えることにより、または、広帯域の前記入射光に対する前記透過光を分光することにより、分光測定可能であることを、特徴とする請求項２または４記載の近接場光計測法。
【請求項６】
前記試料と前記導波路との相対位置を変化させることによる前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定可能であることを特徴とする請求項２、４または５記載の近接場光計測法。
【請求項７】
前記導波路は前記入射光の伝播方向に沿って曲率を有することを、特徴とする請求項１、２、４または５記載の近接場光計測法。
【請求項８】
テラヘルツ波またはミリ波の光源と、
テラヘルツ波またはミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象の試料よりも屈折率が高く、管状で、前記光源からのテラヘルツ波またはミリ波の入射光の波長の６倍〜１０００倍の内径を有し、前記入射光を伝播可能に設けられた導波路と、
前記入射光が有する特性伝播モードにより、前記導波路の表面近傍に発生する近接場光の到達範囲内に配置された前記試料の情報を取得するよう、前記導波路を通過した透過光を検出する検出部とを、
有することを特徴とする近接場光計測装置。
【請求項９】
前記近接場光の到達範囲内で前記試料と前記導波路との相対位置を変化させるよう、前記試料または前記導波路を移動可能に設けられた移動手段と、
前記移動手段で前記試料または前記導波路を移動させながら、前記検出部で前記透過光を検出するとき、前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定して２次元画像または３次元画像で表示する解析手段とを、
有することを特徴とする請求項８記載の近接場光計測装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
特許文献２：特開２００５−１１４４１３号公報
特許文献３：特開２００４−３５４２４６号公報
非特許文献１：広理英基、他２名、「時間領域テラヘルツＡＴＲ分光法」、分光研究、社団法人日本分光学会、２００４年、第５３巻、第６号、ｐ．３６１−３６４
非特許文献２：広理英基、他３名（Ｈ．Ｈｉｒｏｉ，Ｋ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，Ｍ．Ｎａｇａｉ  ａｎｄ  Ｋ．Ｔａｎａｋａ）、「アテニュエイテッド  トータル  リフレクション  スペクトロスコピイ  イン  タイム  ドメイン  ユージング  テラヘルツ  コヒーレント  パルス（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｕｌｓｅｓ）」、ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、社団法人応用物理学会、２００４年、第４３巻、第１０Ａ号、Ｌ１２８７−Ｌ１２８９
非特許文献３：デグナム（Ｊ．Ｊ．Ｄｅｇｎａｎ）、「ザ  ウェイブガイド  レーザー：ア  レビュー（Ｔｈｅ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｌａｓｅｒ：ａ  Ｒｅｖｉｅｗ）」、アプライド  フィジックス（Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．）、（米国）、１９７６年、第１１巻，ｐ．１−３３
非特許文献４：デグナム（Ｊ．Ｊ．Ｄｅｇｎａｎ）、「ウェイブガイド  レーザー  モード  パターン  イン  ザ  ニア  アンド  ファー  フィールド（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｏｄｅ  Ｐａｔｔｅｒｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｎｅａｒ  ａｎｄ  Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ）」、アプライド  オプティックス（Ａｐｐ．Ｏｐｔ．）、（米国）、１９７３年、第１２巻、第５号、ｐｐ．１０２６−１０３３
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００７］
本発明は、水分を多く含む試料など、テラヘルツ波またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料に対して、高感度測定を行うことができる近接場光計測法および近接場光計測装置を提供することを目的としている。さらに、試料の２次元画像および３次元画像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
［０００８］
上記目的を達成するために、本発明に係る近接場光計測法は、テラヘルツ波またはミリ波の光源で発生させたテラヘルツ波またはミリ波の入射光を、テラヘルツ波またはミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象の試料よりも屈折率が高く、管状で、前記入射光の波長の６倍〜１０００倍の内径を有する導波路に伝播させ、前記入射光が有する特性伝播モードにより、前記導波路の表面近傍に発生する近接場光により、前記
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
近接場光の到達範囲内に配置された前記試料の情報を得ることを特徴とする。
［０００９］
本発明に係る近接場光計測法は、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用して、その近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を得ることができる。テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用するため、特に、テラヘルツ波帯またはミリ波帯に大きな吸収や散乱を持つなど、通常の透過測定が困難な試料の情報を得ることもできる。また、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光により、高感度な試料表面周辺の非破壊・非侵襲測定を行うことができる。テラヘルツ波またはミリ波帯の電磁波は、水に強く吸収される性質を有しているが、本発明に係る近接場光計測法によれば、生体組織や食品、水溶アミノ酸などの水分を多く含む試料であっても、水の吸収の影響を受けることなく高感度に測定することができる。また、入射光が有する特性伝播モードにより、導波路表面近傍に均一な近接場光を発生させることができ、高感度かつ高精度な測定が可能である。管状の導波路とは、内部が空洞ではなく密な円筒状のことを指し、その断面形状は、円形、楕円形、矩形、多角形等を成していてもよい。
［００１０］
テラヘルツ波またはミリ波の光源は、例えば、後進波管やテラヘルツ波パラメトリック光源、ガン発振器、インパッド発振器、タンネット発振器、超短パルスレーザーによる光伝導スイッチ励起、量子カスケードレーザー、ｐ−Ｇｅレーザー、自由電子レーザー等から成る。導波路は、シリコン単結晶やテフロン（登録商標）、プラスチック系材料、石英ガラス、セラミックス、金属酸化物、半導体など、テラヘルツ波またはミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象の試料よりも屈折率が高いもので構成されるのが好ましい。
［００１１］
なお、一般的に、テラヘルツ波は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ、波長が３０μｍ〜３ｍｍの電磁波である。ミリ波は、周波数が３０〜３００ＧＨｚ、波長が１〜１０ｍｍの電磁波である。
［００１２］
本発明に係る近接場光計測法は、前記導波路を通過した透過光を検出することにより、前記試料の情報を得ることが好ましい。この場合、透過光の強度や強度変化等を測定することにより、試料の情報を得ることができる。
［００１３］
［００１４］
本発明に係る近接場光計測法で、前記試料は、液体、粉体、固体、ゲル状物質または気体から成り、前記試料の情報を連続的に測定可能であってもよい。この場合、試
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
料の情報の時間的、空間的変化を得ることができる。
［００１５］
本発明に係る近接場光計測法は、前記入射光の波長を変えることにより、または、広帯域の前記入射光に対する前記透過光を分光することにより、分光測定可能であってもよい。この場合、試料に含まれる化学物質や、物質の構造等を特定することができる。
［００１６］
本発明に係る近接場光計測法は、前記試料と前記導波路との相対位置を変化させることによる前記透過光の強度の変化から、前記試料の形状を測定可能であってもよい。この場合、測定された試料の形状から、試料の２次元画像を得ることができる。また、試料と導波路との相対位置を変化させる方法として、例えば、試料を導波路に沿って移動させたり、導波路を試料の表面に沿って移動させたりしてスキャンする方法や、試料と導波路とを互いに近づけたり遠ざけたりする方法がある。これらを組み合わせることにより、試料の２次元形状だけでなく、３次元形状も得ることができ、試料の３次元画像を得ることもできる。
［００１７］
本発明に係る近接場光計測法で、前記導波路は前記入射光の伝播方向に沿って曲率を有していてもよい。この場合、導波路の形状を、試料の形状や測定状況に合わせることができ、効率的な測定を行うことができる。また、試料と近接場光との相互作用面積を拡げることができるため、高感度の測定が可能である。導波路の曲率は、入射光が有する特性伝播モードが変化しない範囲であることが好ましい。
［００１８］
本発明に係る近接場光計測装置は、テラヘルツ波またはミリ波の光源と、テラヘルツ波またはミリ波帯で吸収係数が小さく、測定対象の試料よりも屈折率が高く、管状で、前記光源からのテラヘルツ波またはミリ波の入射光の波長の６倍〜１０００倍の内径を有し、前記入射光を伝播可能に設けられた導波路と、前記入射光が有する特性伝播モードにより、前記導波路の表面近傍に発生する近接場光の到達範囲内に配置された前記試料の情報を取得するよう、前記導波路を通過した透過光を検出する検出部とを、有することを特徴とする。
［００１９］
本発明に係る近接場光計測装置は、本発明に係る近接場光計測法を実施するために使用される。本発明に係る近接場光計測装置は、テラヘルツ波またはミリ波の近接場光を利用して、その近接場光の到達範囲内に配置された試料の情報を得ること
【国際調査報告】
2008026523.tif 000022
2008026523.tif 000023
2008026523.tif 000024
2008026523.tif 000025
2008026523.tif 000026
2008026523.tif 000027