(57)【要約】多色ＣＡＲＳにおいて指紋領域は信号が密集している領域であり、これら信号の強度や空間分布の情報は細胞解析にとって重要であるが、信号強度が低いためレーザのパワーを増加させると細胞へダメージを与えるという課題があった。そこで、パルス変調器１２０によって短パルスレーザ光源から出射されたレーザ光のパルス数を変化させる構成とした。これにより信号強度を大幅に低下させず細胞へのダメージを抑制することを可能とした。
2017090075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源とサンプルとの間の光路中に設けられた、前記短パルスレーザ光源から発生されるレーザ光のパルスのうち所定のパルスのパワーを低減させるように変調する変調器と、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、
前記第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、
前記サンプルより生じた光を検出する分光器と、
を有することを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
前記変調器は前記所定のパルスを照射しないように変調することを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項３】
前記変調器は前記レーザ光のパルス数を１／２以下にすることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項４】
前記変調器は前記レーザ光の所定のパルスのパワーを１／２以下に低減することを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項５】
前記変調器は、前記短パルスレーザ光源に内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項６】
前記変調器は、前記短パルスレーザ光源と前記分岐部との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項７】
さらに、水の吸収帯域における強度を低減するように前記スーパーコンティニューム光のスペクトルを調整するスペクトル調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項８】
前記水の吸収帯域は１４００ｎｍから１００００ｎｍであることを特徴とする請求項７記載の光計測装置。
【請求項９】
前記スペクトル調整手段は、前記分岐部における前記第一の光束と前記第二の光束の光量比を調整する光量比調整手段であることを特徴とする請求項７記載の光計測装置。
【請求項１０】
前記スペクトル調整手段は、前記第一の光束の光路中に設けられた波長フィルタであることを特徴とする請求項７記載の光計測装置。
【請求項１１】
前記スペクトル調整手段は、前記光ファイバの長さが３０ｃｍ以上１ｍ以下であることを特徴とする請求項７記載の光計測装置。
【請求項１２】
前記スペクトル調整手段は、前記光ファイバに入射するパワーを制御するパワー制御手段であることを特徴とする請求項７記載の光計測装置。
【請求項１３】
短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、
前記第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、
水の吸収帯域における強度を低減するように、前記スーパーコンティニューム光のスペクトルを調整するスペクトル調整手段と、
前記スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、
前記サンプルより生じた光を検出する分光器と、
を有することを特徴とする光計測装置。
【請求項１４】
サンプルの所定領域に、短パルスレーザ光源からの出射光を、第１の周波数で照射し、第１の温度上昇量を取得するステップと、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で照射し、第２の温度上昇量を取得するステップと、
少なくとも前記第１の温度上昇量と前記第２の温度上昇量から、前記サンプルに照射する前記出射光の周波数を決定するステップと、
前記決定された周波数の出射光を、前記サンプルに照射し、前記サンプルの光計測を行うステップと
を有することを特徴とする光計測方法。
【請求項１５】
前記出射光の周波数を決定するステップは、さらに、
所定の信号強度が確保されている否かを判断するステップと、
前記信号強度が確保されていない場合に、前記所定の信号強度が確保されるように、前記周波数を増加させるステップと
を有することを特徴とする請求項１４記載の光計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱を利用する光計測装置及び光計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡は自然科学、工学、産業分野において必須の装置として発展してきた。特に近年は再生医療や創薬の分野で細胞観察用途として高機能化のニーズが高まっている。現在の細胞解析では試薬を用いて細胞を染色し、顕微鏡等で観察する方法が一般的である。しかし、この方法は染色による細胞への影響のため、同一の細胞の継続的な解析や検査した細胞を直接医療向けに用いることが困難である。【０００３】
ＣＡＲＳ（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering）顕微鏡は、非線形光学効果の応用によってラマン顕微鏡と比較して高速に分子同定が可能であり、非侵襲特性を有することから細胞観察用途に好適である。【０００４】
ＣＡＲＳは３次の分極による発光であり、ＣＡＲＳを発生させるためには、ポンプ光、ストークス光、プローブ光が必要とされる。一般的には、光源の数を少なくするために、プローブ光はポンプ光で代用される。この場合、誘起される３次の分極は
ＰAS(3)(ωAS)=|χr(3)(ωAS)+χnr(3)|ＥP2(ωP)Ｅ*S(ωS)
で表される。ここに、χr(3)(ωAS)は３次の電気感受率の分子振動の共鳴項であり、周波数依存性のないχnr(3)は非共鳴項である。また、ポンプ光及びプローブ光の電場をＥPで表し、ストークス光の電場はＥSで表している。上式中でＥSの肩についたアスタリスクは複素共役を示す。ＣＡＲＳ光の強度は以下のように表される。【０００５】
ＩCARS(ωAS)∝|ＰAS(3)(ωAS)|2
図２は、ＣＡＲＳにおけるエネルギー準位図である。ＣＡＲＳ光が発生する機構を、図２に示した分子のエネルギー準位図を用いて説明する。本図は共鳴項のプロセスを示している。２０１は分子の基底状態を表し、２０２は振動励起状態を表す。周波数ωPのポンプ光と周波数ωSのストークス光を同時に照射する。このとき分子は中間状態２０３を介して、２０２のある振動励起準位に励起される。この励起状態にある分子に周波数ωPのプローブ光を照射すると、中間状態２０４を介して周波数ωASのＣＡＲＳ光を発生しながら、分子は基底状態に戻る。このときのＣＡＲＳ光の周波数はωAS＝２・ωP−ωSと表される。【０００６】
上記３次の分極のうち非共鳴項χnr(3)に関係する一つのプロセスを図３に示す。周波数ωPのポンプ光と周波数ω'Sのストークス光の同時照射によって誘起される状態が振動励起状態ではなく、２０５の中間状態が励起されるプロセスである。周波数ωPのプローブ光を照射することにより、中間状態２０４を介して周波数ωASの非共鳴のＣＡＲＳ光が発生する。【０００７】
ＣＡＲＳ顕微鏡のうち、図４に示すようにストークス光として広帯域な光源を用い、発生するＣＡＲＳ光を分光検出するものは多色ＣＡＲＳ顕微鏡（もしくはマルチプレックスＣＡＲＳ顕微鏡）と呼ばれており、例えば特許文献２に構成等が開示されている。多色ＣＡＲＳ顕微鏡は、ＣＡＲＳ光の分光スペクトルからラマンスペクトルを推定できるため、特許文献１のように特定のスペクトル成分のみを検出する方式（これを便宜的に単色ＣＡＲＳと呼ぶ）に比べて取得できる情報が多く、測定対象のより詳細な解析に適している。【０００８】
図５は、従来の多色ＣＡＲＳ顕微鏡の構成を示す図である。短パルスレーザ光源５０１からの出力はビームスプリッタ５０２で２分岐され、一方がフォトニック結晶ファイバ５０３などの光ファイバに導入され、内部で広帯域な光（スーパーコンティニューム光と呼ばれる）が発生する。スーパーコンティニューム光はファイバからの出射後に所望の波長成分（励起光よりも波長が長い成分）のみがロングパスフィルタ５０４により抽出され、これがストークス光として用いられる。もう一方の励起光とストークス光はダイクロイックミラー５０５等により合波され、サンプル５０６に集光、照射されてＣＡＲＳ光が発生し、これを分光器５０７で検出してスペクトルを取得する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許６１０８０８１号明細書
【特許文献２】特開２００９−２２２５３１号公報
【特許文献３】特開２０１５−７６１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＣＡＲＳ顕微鏡によって細胞の分化状態や活性状態を評価するには、生体の組成に対応するピークが多数密集している指紋領域(約８００〜１８００ｃｍ−１)の活用が適している。指紋領域の信号は論文等で主に報告されている約２９００ｃｍ−１のＣＨ伸縮信号に対して１／１０程度であるため、信号のＳＮ比の向上が必要である。しかし、信号強度を上げるため照射するレーザパワーを増加させる場合、細胞へダメージを与える可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで本発明者らはＣＡＲＳの非線形光学特性に着目して、信号強度の大幅な低下なくダメージを抑制する計測装置を発明した。ＣＡＲＳは信号強度がポンプ光の2乗、ストークス光の1乗に比例するため、レーザのパワーを低下させた場合その3乗に比例して信号強度が低下する。そこで本発明の一態様の光計測装置は、短パルスレーザ光源と、短パルスレーザ光源から発生されるレーザ光のパルスのうち所定のパルスのパワーを低減させるように変調する変調器と、短パルスレーザ光源から変調器を介した出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、サンプルより生じた光を検出する分光器を有することを特徴とする光計測装置とした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＣＡＲＳの信号強度を大幅に低下させず細胞へのダメージを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に従う基本的な構成例を示す模式図。
【図２】ＣＡＲＳにおけるエネルギー準位図。
【図３】非共鳴項χnr(3)に関係する一つのプロセス。
【図４】多色ＣＡＲＳ顕微鏡のエネルギー順位図。
【図５】従来の多色ＣＡＲＳ顕微鏡の構成を示す図。
【図６】反射型ＣＡＲＳの構成例を示す図。
【図７】ガラスボトムディッシュのサンプルの例。
【図８】本発明に従う装置がパルス周波数を学習し、決定する動作を示したフローチャートの例。
【図９】パルス周波数と所定時間照射後の温度上昇の関係。
【図１０】細胞サンプルへレーザ照射を継続した場合の、照射時間とレーザ集光点近傍の温度上昇を示した図。
【図１１】レーザの発光条件を示す図。
【図１２】ダメージと信号強度の関係を示した模式図。
【図１３】短パルスレーザ光源の波長が１０６４ｎｍの場合の、ラマンシフトに対応するポンプ光、ストークス光、ＣＡＲＳ光の波長、および水の吸収スペクトルを示した図。
【図１４】本実施例に従う基本的な構成例を示す模式図。
【図１５】本発明に従う装置がストークス光の帯域を調整後、パルス周波数を学習し決定する動作を示したフローチャートの例。
【図１６】本発明に従う装置がパルス周波数を決定後、ストークス光の帯域を調整する動作を示したフローチャートの例。
【図１７】２種類の広帯域ストークス光のスペクトルと水の吸収スペクトルを示した図。
【図１８】細胞サンプルへ2種類のストークス光照射を継続した場合の、照射時間とレーザ集光点近傍の温度上昇を示した図。
【図１９】本実施例に従う基本的な構成例を示す模式図。
【図２０】本発明に従う装置がストークス光の帯域を調整する動作を示したフローチャートの例。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】
本実施例では、レーザのパルスを変調することによりダメージを低減する装置や動作の例を説明する。
（装置構成）
図１は、本発明に従う基本的な構成例を示す模式図である。本装置の特徴はコントローラ１００によって制御されるパルス変調器１２０及び温度センサ１２１を備えていることである。以下、各構成要素について詳細に説明する。
コントローラ１００は、調整機構を含む装置全体の制御を行うとともに、ユーザからの測定指示の受け付けや測定結果の表示を行うインターフェースを備える。短パルスレーザ光源１０１は、コントローラ１００の指示に基づいて短パルスレーザ光を出射する。短パルスレーザ光源１０１はチタンサファイアレーザやファイバレーザ、マイクロチップレーザなどであり、パルス幅はナノ秒以下である。また、ピークパワーは非線形光学効果を誘起可能なキロワットオーダ以上が望ましい。波長については測定対象の吸収帯域や用いる光学部品の対応波長から選定すればよいが、８００ｎｍや１０６４ｎｍなどとすることができる。【００１５】
パルス変調器１２０はコントローラ１００からレーザ光のパルスタイミング信号を受け取り、短パルスレーザ光源から入射されたレーザ光のパルス数を半分や１／３などに間引くことによってパルス繰り返し周波数を制御する。本パルス変調器はポッケルスセルと１／２波長板によって構成してもよいし、高速シャッタやＮＤ（Neutral Density）フィルタを用いてもよい。また、パルス変調機能として短パルスレーザ光源１０１に内蔵されていてもよい。なお、このような内蔵型の場合も、本願明細書では、パルス変調器と称するものとする。【００１６】
パルス変調器にて変調されたレーザ光は１／２波長板１０２及び偏光ビームスプリッタ１０３に入射し、偏光ビームスプリッタ１０３にて偏光方向に基づいたパワー比で透過成分と反射成分とに分岐する。偏光ビームスプリッタ１０３を透過したレーザ光は、集光レンズ１０４によってフォトニック結晶ファイバ１０５の端面に集光される。フォトニック結晶ファイバはコアの周囲に蜂の巣状の中空のクラッドが形成された光ファイバであり、入射光をコアに強く閉じ込める。短パルスレーザ光を入射することによって自己位相変調等の非線形光学現象が誘起され、幅広いスペクトルを有するスーパーコンティニューム光が生成される。生成されたスーパーコンティニューム光は、コリメートレンズ１０６によって平行光となり、ロングパスフィルタ１０７によって短波長成分がカットされたのち、ポンプ光波長を反射しそれ以外の波長の光を透過するダイクロイックミラー１０８を透過してストークス光として対物レンズ１１３に入射する。【００１７】
一方、偏光ビームスプリッタ１０３を反射したレーザ光は、ミラー１０９、ミラー１１２、及びダイクロイックミラー１０８によって反射され、ポンプ光として対物レンズ１１３に入射する。対物レンズ１１３は、ダイクロイックミラー１０８によって同軸上に合波された広帯域ストークス光とポンプ光とをサンプル１１４に集光する。ＣＡＲＳ光生成効率及び空間分解能の向上のため、対物レンズ１１３の開口数は例えば０．８以上など高いほうが望ましい。【００１８】
サンプル１１４では前述のＣＡＲＳ過程が誘起され、サンプル１１４の分子種に対応する波長のＣＡＲＳ光が生成される。また、温度センサ１２１によってストークス光とポンプ光の集光点近傍の温度が測定される。この温度センサには放射温度計を用いてもよいし、細胞サンプルの場合には水が主成分であるため、温度上昇により集光点近傍で発生する気泡を観察するカメラや蒸発した水分をモニタする湿度計を用いて温度に換算してもよい。また、温度センサの代わりに細胞のダメージによる形状変化を直接モニタするカメラを用いてもよい。【００１９】
サンプル１１４には後述するパルス周波数条件の学習用の領域が設けられている。例えば図７に示すようにガラスボトムディッシュをサンプルとする場合には、ガラス部の右下１０ｘ１０ｕｍの領域７０１を細胞の存在しない培地のみの学習用とすればよい。なお、学習動作を行わない場合には本領域は無くてもよい。【００２０】
生成されたＣＡＲＳ光はコリメートレンズ１１５にて平行光となり、ノッチフィルタ１１７及びショートパスフィルタ１１８によってポンプ光及びストークス光の透過成分がカットされ、分光器１１９に入射する。分光器１１９はＣＡＲＳスペクトルを検出し、コントローラ１００にスペクトル情報を受け渡す。【００２１】
なお、パルス変調器はサンプルへの集光前であればいずれの場所に設置しても良く、例えばダイクロイックミラー１０８と対物レンズ１１３の間に設置しても良いが、この場合には広帯域の光に対応した変調器を用いる必要がある。また、図１ではポンプ光及びストークス光の入射方向と同方向に伝播するＣＡＲＳ光を検出する透過型ＣＡＲＳシステムを示したが、図６に示すように反射ＣＡＲＳ光を検出してもよい。この場合には、ポンプ光波長より短波長の光を反射し、長波長の光を透過するダイクロイックミラー１２２を用いて反射ＣＡＲＳ光を分光器１１９に導入すればよい。このような構成は入射レーザに対して不透明なサンプルや厚みのあるサンプルを測定する際に有用である。また、ミラー１０９とミラー１１２の間のポンプ光の光路は集光レンズ１０４からコリメートレンズ１０６までと同様に一般的なシングルモードファイバ等を用いたファイバ光学系としてもよい。装置の小型化が可能となるからである。
（装置動作）
図１１はパルスの変調方法の模式図である。(ａ)は変調を行わない場合のレーザの出射波形であり、所定のピークパワーとパルス幅を有するレーザパルスが特定の繰り返し周波数で出射されている。平均パワーはこれらパルスを時間平均した値となる。（ｂ）は従来の装置によってパワーを調整した例である。パルスの繰り返し周波数を変化させることなくピークパワーを１／２とすることで平均パワーも１／２となる。このような制御はＮＤフィルタなどを用いることで容易に実現可能である。一方、（ｃ）（ｄ）は本発明に従うパルス変調方法を示した図である。（ｃ）はピークパワーを一定に保ったままパルス変調器１２０によってパルスを間引き、周波数を１／２とした例である。この場合にも平均パワーは１／２となる。また、（ｄ）は同様に３パルスに１パルスを間引いた例である。【００２２】
図８は本発明に従う装置がパルス周波数を学習し、決定する動作を示したフローチャートの例である。Ｓ８０１にてコントローラ１００が学習動作の開始を指示する。Ｓ８０２にて例えば図９に示すパルス周波数と所定時間照射後の温度上昇の関係を取得する。なお、パルスの間引きを行わないパルス周波数の高い領域から測定を行うことによって照射時間を短縮し、学習全体に要する時間を短縮することが可能である。また本動作では測定サンプルにダメージを与えることを避けるため、図７の学習用領域にて培地の温度上昇を測定してもよい。Ｓ８０３にて細胞ダメージに対応する温度上昇量の仕様からパルス繰り返し周波数を決定し、Ｓ８０４にて測定を開始する。このような動作は最初に実施した結果をコントローラ１００内蔵のメモリなどに格納しておき、以降は学習を行わず初回に決定したパルス周波数にて測定を行ってもよいが、測定毎に学習動作を行ってもよい。特に信号強度の低い細胞を測定する場合には、測定毎の周波数の最適化が有効である。
（発明の効果）
図１０は細胞サンプルへレーザ照射を継続した場合の、照射時間とレーザ集光点近傍の温度上昇を示した図である。図１１の（ａ）に示した基準条件と、図１１（ｂ）のようにピークパワーを１／２とした場合、図１１（ｃ）のようにパルス数を１／２とした場合の３条件の比較を示した。なお、前述のようにパルス数を１／２とした場合とピークパワーを１／２とした場合の平均パワーは、ともに基準条件に対して１／２となる。【００２３】
基準条件に対してパルス数を１／２とした場合には温度上昇率が抑制されており、ピークパワーを１／２とした場合と同様に５分程度まではレーザ照射による影響が小さいことを示している。一般的にＣＡＲＳでは空間点１点当たりの測定時間が数ｍｓから数十ｍｓであるため、この場合にはサンプルに与えるダメージをほぼ無視できると考えられる。一方、信号強度はピークパワーの３乗に比例するため、ピークパワーを１／２とした場合は１／８となるのに対し、パルス数を１／２とした場合には１／２に留まる。このように、所定のパルスを照射しないように変調することで、より具体的には、パルス数を１／２以下にすることによって、所定時間照射してもサンプルに与えるダメージを劇的に低減することが可能となる。なお、パルスのパワーを１／２以下としても、信号強度は低くなるがサンプルダメージを劇的に低減させる効果がある。【００２４】
図１２は前述のダメージと信号強度の関係を示した模式図である。ピークパワーを変化させた場合には、平均パワーの低下に伴って信号強度が３乗で低下する。一方、パルス数を変化させた場合には平均パワーの低下に対して線形な低下に留まる。ここで、レーザの平均パワーが温度上昇によるダメージに対応するとして、ダメージ仕様を０．８以下、信号強度仕様を０．６以上と仮定するとパルス数を変化させる場合のみ条件を満足する。【００２５】
本実施例のようにパルスを変調することによって、ピークパワーを低下させる場合と比較して信号強度の大幅な低下なくサンプルへのダメージを抑制することが可能である。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、実施例１で述べたパルス変調に加えて広帯域ストークス光のスペクトル帯域の制御によるダメージ抑制について述べる。【００２７】
生体に光を照射した際、７００ｎｍ以下の光はヘモグロビンに吸収され、１４００ｎｍ以上の光は細胞の主成分である水に吸収される。その間の波長帯域はダメージを抑制しながら内部を観察することが可能な生体の窓として近年注目されている。多色ＣＡＲＳにおいては、短パルスレーザ光源の波長によっては広帯域ストークス光のスペクトル帯域が水の吸収帯域に含まれる場合がある。図１３はポンプ光となる短パルスレーザ光源の波長が１０６４ｎｍの場合の、ラマンシフトに対応するポンプ光、ストークス光、ＣＡＲＳ光の波長、および水の吸収スペクトルを示した図である。水の吸収は１４００ｎｍ以上で急速に増加しており、３０００ｃｍ−１までＣＡＲＳ光を取得する場合にはストークス光の長波長領域が吸収帯域に含まれる。一方、指紋領域のみ取得する場合にはいずれの波長も水への吸収は少ない。すなわち水を主成分とする細胞サンプルへのダメージを抑制可能である。発明者らは、多色ＣＡＲＳにおける広帯域ストーク光の波長と水の吸収スペクトルの関係に着目し、細胞へのダメージを抑制し信号強度を確保する装置や動作を新規に考案した。
（装置構成）
図１４は本実施例に従う基本的な構成例を示す模式図である。なお、実施例１と同様な要素については説明を省略する。ストークス光の帯域を制御する手段としては、（１）フォトニック結晶ファイバ(以下ＰＣＦと略記する)への入射パワー制御、（２）ＰＣＦの長さ調整、（３）波長フィルタが挙げられる。１／２波長板１０２は可動式のホルダによってコントローラ１００の指示に従って回転され、入射したレーザ光の偏光を任意の方向に変化させる。偏光ビームスプリッタ１０３はレーザ光の偏光方向に基づいて反射光と透過光のパワー分岐比を変化させるため、ＰＣＦの入射パワーが変化する。ＰＣＦ１０５は生成するストークス光が所望のスペクトル帯域となるようにその長さが調整されている。一般に、ＰＣＦへの入射パワーが同一であれば、ＰＣＦの長さの増加に伴いスペクトルが広がる傾向にある。ストークス光の帯域を１４００ｎｍ以下に制御する場合には、例えば長さを３０ｃｍ以上１ｍ以下とすればよい。生成されたストークス光はカットオフ波長可変のショートパスフィルタ１４０１へ入射し、所望の波長成分のみが透過してポンプ光と合波する。なお、ここではＰＣＦへの入射パワー調整機構、所定の長さを有するＰＣＦ、波長フィルタの全てを備える例を示したが、いずれか１つまたは２つのみでもよい。【００２８】
その他の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
（装置動作）
図１５は本発明に従う装置がストークス光の帯域を調整後、パルス周波数を学習し決定する動作を示したフローチャートの例である。なお、実施例１と同様な動作については説明を省略する。Ｓ１５０１にて所望の分子種に応じてストークス光の帯域を制御する。例えば約２９００ｃｍ−１のＣＨ伸縮信号が必要な場合にはポンプ光波長である１０６４ｎｍから約１６００ｎｍまで、指紋領域のみが必要な場合には約１３００ｎｍまでに制御する。帯域の制御には前述したＰＣＦへの入射パワー調整または波長フィルタを用いればよい。前者の場合には予めパワーと帯域の関係を分光器を用いて取得しておけばよい。また、ＰＣＦへの入射パワーを変化させてＣＡＲＳ光や非共鳴光のスペクトルを取得し、それらのスペクトルが所望の波数まで広がる条件を直接探索してもよい。この場合には図７の学習用領域にてＰＣＦへの入射パワー条件を探索すればよい。以降の動作は実施例１と同様であるので説明を省略する。【００２９】
図１６は本発明に従う装置がパルス周波数を決定後、ストークス光の帯域を調整する動作を示したフローチャートの例である。図１２に示したように、パルス周波数を低下させた場合線形な変化ではあるが信号強度が低下する。図１６の動作はダメージ抑制のため必要な信号強度が確保不能な場合に有効である。Ｓ１６０１にて決定したパルス周波数にて必要な信号強度が確保されているかを確認する。信号強度は図７の学習用領域にて培地の非共鳴光から判定してもよいし、実際のサンプルを測定してＣＡＲＳ信号強度から判断してもよい。信号が所望の強度以上であればＳ８０４にて測定を開始する。所定の強度を下回っている場合にはＳ１６０２にて必要な信号強度までパルス周波数を増加させる。Ｓ１６０３にてストークス光の帯域を制限することによってサンプルへのダメージを抑制し、Ｓ８０４にて測定を開始する。なお、その他の動作については実施例１と同様であるため説明を省略する。また学習のタイミングについても実施例１と同様に、初回のみ実施しても良いし、測定毎に実施しても良い。
（発明の効果）
ストークス光のスペクトルとサンプルへのダメージの関係について説明する。図１７は２種類の広帯域ストークス光のスペクトルと水の吸収スペクトルを示した図である。ストークス光の長波長領域が水の吸収帯域内に含まれており、特にスペクトル帯域が広い(i)の場合には温度上昇による細胞ダメージの可能性がある。図１８は細胞サンプルへ前述の2種類のストークス光照射をそれぞれ継続した場合の、照射時間とレーザ集光点近傍の温度上昇を示した図である。ストークス(i)に対して(ii)は温度上昇率が低く、サンプルへのダメージが抑制されている。【００３０】
本実施例のようにパルス周波数の制御に加えて、ストークス光の帯域制限を行うことでよりサンプルへのダメージを抑制することができる。特に図１４の構成によってＰＣＦへの入射パワーを制限し、剰余パワーをポンプ光へ配分することによって信号強度の増加を見込むことができる。【００３１】
なお、特開２０１５−７６１２号に、「波数設定手段により設定された計測波数を実現する第１と第２の波長の組み合わせに、第１と第２の波長が共に７００ｎｍ以上１４００ｎｍ以下になる組み合わせがある場合、その組み合わせが光源調整手段によって選択される」技術について記載されているが、ポンプ光とストークス光に単一波長の光を用いるいわゆる単色ＣＡＲＳにおいて波長の選択方法を示したものであり、本願で課題としている多色ＣＡＲＳの広帯域光の制御については述べられていない。
【実施例３】
【００３２】
本実施例では、広帯域ストークス光のスペクトル帯域の制御によるダメージ抑制について述べる。【００３３】
図１９は本実施例に従う基本的な構成例を示す模式図である。実施例２の図１４に対してパルス変調器１２０を備えないことにより、より簡素な構成としている。このような構成は、例えば細胞培養装置へ組み込む場合など小型化が要求される場合に有効である。その他の要素は実施例２と同様であるので説明を省略する。【００３４】
図２０は本発明に従う装置がストークス光の帯域を調整する動作を示したフローチャートの例である。Ｓ１５０１にて例えば指紋領域に寄与する帯域にストークス光のスペクトルを制限した後、Ｓ２００１にてサンプルへのダメージを確認する。ダメージの確認は図７の学習用領域にて培地の温度上昇をモニタすればよく、Ｓ１５０１にて決定した１条件のみであるので加速試験を行わなくてもよい。ダメージが所定量以下であれば細胞の測定を開始する。一方、所定量以上であれば測定を中止する。【００３５】
本実施例によれば、広帯域ストークス光のスペクトルのうち不要な成分を除去するのみであるので、必要な信号帯域の強度を低下させることなくサンプルへのダメージを抑制することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  コントローラ
１０１  短パルスレーザ光源
１０２  １／２波長板
１０３  偏光ビームスプリッタ
１０４  集光レンズ
１０５  フォトニック結晶ファイバ
１０６  コリメートレンズ
１０７  ロングパスフィルタ
１０８  ダイクロイックミラー
１０９  ミラー
１１２  ミラー
１１３  対物レンズ
１１４  サンプル
１１５  対物レンズ
１１７  ノッチフィルタ
１１８  ショートパスフィルタ
１１９  分光器
１２０  パルス変調器
１２１  温度センサ
１２２  ダイクロイックミラー
２０１  分子の基底状態
２０２  振動励起状態
２０３  中間状態
２０４  中間状態
２０５  中間状態
５０１  短パルスレーザ光源
５０２  ビームスプリッタ
５０３  フォトニック結晶ファイバ
５０４  ロングパスフィルタ
５０５  ダイクロイックミラー
５０６  サンプル
５０７  分光器
７０１  学習用領域
１４０１  ショートパスフィルタ
【図１】
2017090075.tif 000003
【図２】
2017090075.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2017090075.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月17日(2017.11.17)
【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】
短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源とサンプルとの間の光路中に設けられた、前記短パルスレーザ光源から発生されるレーザ光のパルス数を１／２以下にする変調器と、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、
前記第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、
前記サンプルより生じた光を検出する分光器と、
を有することを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
前記変調器は、前記短パルスレーザ光源に内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項３】
前記変調器は、前記短パルスレーザ光源と前記分岐部との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項４】
さらに、水の吸収帯域における強度を低減するように前記スーパーコンティニューム光のスペクトルを調整するスペクトル調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項５】
前記水の吸収帯域は１４００ｎｍから１００００ｎｍであることを特徴とする請求項４記載の光計測装置。
【請求項６】
前記スペクトル調整手段は、前記分岐部における前記第一の光束と前記第二の光束の光量比を調整する光量比調整手段であることを特徴とする請求項４記載の光計測装置。
【請求項７】
前記スペクトル調整手段は、前記第一の光束の光路中に設けられた波長フィルタであることを特徴とする請求項４記載の光計測装置。
【請求項８】
前記スペクトル調整手段は、前記光ファイバの長さが３０ｃｍ以上１ｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の光計測装置。
【請求項９】
前記スペクトル調整手段は、前記光ファイバに入射するパワーを制御するパワー制御手段であることを特徴とする請求項４記載の光計測装置。
【請求項１０】
サンプルの所定領域に、短パルスレーザ光源からの出射光を、第１の周波数で照射し、第１の温度上昇量を取得するステップと、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で照射し、第２の温度上昇量を取得するステップと、
少なくとも前記第１の温度上昇量と前記第２の温度上昇量から、前記サンプルに照射する前記出射光の周波数を決定するステップと、
前記決定された周波数の出射光を、前記サンプルに照射し、前記サンプルの光計測を行うステップと
を有することを特徴とする光計測方法。
【請求項１１】
前記出射光の周波数を決定するステップは、さらに、
所定の信号強度が確保されているか否かを判断するステップと、
前記信号強度が確保されていない場合に、前記所定の信号強度が確保されるように、前記周波数を増加させるステップと
を有することを特徴とする請求項１０記載の光計測方法。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
そこで本発明者らはＣＡＲＳの非線形光学特性に着目して、信号強度の大幅な低下なくダメージを抑制する計測装置を発明した。ＣＡＲＳは信号強度がポンプ光の2乗、ストークス光の1乗に比例するため、レーザのパワーを低下させた場合その3乗に比例して信号強度が低下する。そこで本発明の一態様の光計測装置は、短パルスレーザ光源と、短パルスレーザ光源から発生されるレーザ光のパルス数を１／２以下にする変調器と、短パルスレーザ光源から変調器を介した出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、サンプルより生じた光を検出する分光器を有することを特徴とする光計測装置とした。
【国際調査報告】
2017090075.tif 000023
2017090075.tif 000024
2017090075.tif 000025
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