(57)【特許請求の範囲】
【請求項２】
可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、
前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、
前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、
前記参照光の周波数を変調する周波数変調手段と、
前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、
振幅変調された第２の光を第２の照射光として、前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と周波数変調された参照光とのヘテロダイン干渉光を検出する検出手段と、
を有する光干渉計。
【請求項３】
可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、
前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、
前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、
前記第１の照射光の周波数を変調する周波数変調手段と、
前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、
振幅変調された第２の光を第２の照射光とし、前記周波数変調された第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と前記参照光とのヘテロダイン干渉光を検出する検出手段と、
を有する光干渉計。
【請求項４】
前記第１の照射光を励起光とし、前記第２の照射光をストークス光とした場合に、
前記振幅変調に応じて誘導ラマンロスが生じた励起光を信号光とする、
請求項２または請求項３に記載の光干渉計。
【請求項５】
前記第１の照射光をストークス光とし、前記第２の照射光を励起光とした場合に、
前記振幅変調に応じて誘導ラマンゲインが生じたストークス光を信号光とする、
請求項２または請求項３に記載の光干渉計。
【請求項６】
前記光源が、前記第１の光を射出する第１のレーザ、前記第２の光を射出する第２のレーザ、及び前記第１のレーザの発振と前記第２のレーザの発振とを同期させる同期回路を有する、請求項２から請求項５までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項７】
前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を波長変換して前記第１の光及び前記第２の光を生成する波長変換装置と、を有する、請求項２から請求項５までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項８】
前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する波長変換装置と、前記波長変換装置の光出射側に配置され且つ前記波長が異なる２つの可干渉光の少なくとも一方を波長変換する少なくとも１つの波長変換素子と、を有する、請求項２から請求項５までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項９】
前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を２光波に分岐する分岐手段と、分岐された一方の光波を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第１の波長変換装置と、分岐された他方の光波を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第２の波長変換装置と、第１の波長変換装置及び第２の波長変換装置で生成された４つの可干渉光の中から２つの可干渉光を選択する選択手段と、を有する、請求項２から請求項５までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項１０】
前記光源が、第１のレーザ、第２のレーザ、前記第１のレーザの発振と前記第２のレーザの発振とを同期させる同期回路、前記第１のレーザから射出された光を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第１の波長変換装置、前記第１の波長変換装置で生成された２つの可干渉光の中から１つの可干渉光を選択する第１の選択手段と、前記第２のレーザから射出された光を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第２の波長変換装置、前記第２の波長変換装置で生成された２つの可干渉光の中から１つの可干渉光を選択する第２の選択手段と、を有する、請求項２から請求項５までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項１１】
前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を２光波に分岐する分岐手段と、分岐された一方の光波を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第１の波長変換装置と、分岐された他方の光波及び第１の波長変換装置で生成された２つの可干渉光からなる３つの可干渉光の中から２つの可干渉光を選択する選択手段と、を有する、請求項２から請求項５までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項１２】
前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第２の光の強度変化を計測する計測手段を更に備えた、請求項２から請求項１１までの何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項１３】
可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、
前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、
前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、
前記参照光又は前記第１の照射光の周波数を変調する周波数変調手段と、
前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、
振幅変調された第２の光を第２の照射光として、前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と前記参照光とのヘテロダイン干渉光を検出する検出手段と、
前記調整された光路長、前記標的分子の固有振動数、及び前記検出手段で検出された干渉光に基づいて、前記信号光と前記参照光の位相差で表される位相情報と分子の種類を識別する分子識別情報とを取得する第１の情報取得手段と、
を有する情報取得装置。
【請求項１４】
前記計測位置を相対移動させて前記対象物を走査する走査手段と、
前記走査手段により対象物を走査して複数の計測位置で取得された前記位相情報と前記分子識別情報とに基づいて、位相干渉像に分子識別機能が付加された前記対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得する第２の情報取得手段と、
を更に備えた請求項１３に記載の情報取得装置。
【請求項１５】
可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を用い、
前記第２の光の振幅を変調して第２の照射光とし、
前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割し、
前記参照光又は前記第１の照射光の周波数を変調し、
前記参照光の光路長を調整し、
前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光として、当該信号光と前記参照光とのヘテロダイン干渉光を検出し、
前記調整された光路長、前記標的分子の固有振動数、及び前記検出手段で検出された干渉光に基づいて、前記信号光と前記参照光の位相差で表される位相情報と分子の種類を識別する分子識別情報とを取得する、
を有する情報取得方法。
【請求項１６】
前記計測位置を相対移動させて前記対象物を走査し、
複数の計測位置で取得された前記位相情報と前記分子識別情報とに基づいて、前記位相干渉像に分子識別機能が付加された前記対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得する、
請求項１５に記載の情報取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉計、情報取得装置、及び情報取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を試料に照射したとき発生するラマン散乱光を検出することで画像を得るラマン顕微鏡が知られている。ラマン顕微鏡では、試料のラマン散乱スペクトルから、試料に含まれる分子を同定すると共に、当該分子の二次元分布を観察することができる。【０００３】
例えば、特開２０１１−１５８４１３号公報には、標本中の分子の特定の分子振動の周波数に等しい周波数差を有する２つの異なる周波数を有するパルスレーザ光を導光する２つの光路と、２つの光路を導光されてきたパルスレーザ光を合波する合波手段と、前記２つの光路の少なくとも一方に設けられ、前記２つの光路を導光されるパルスレーザ光の周波数分散量を変調する周波数変調手段と、前記２つの光路の少なくとも一方に設けられ、前記２つの光路を導光されるパルスレーザ光の振幅を変調するパルスレーザ光振幅変調手段と、前記合波手段により合波された前記２つのパルスレーザ光を標本中に集光し、標本中の分子の特定の分子振動から発生した誘導ラマン散乱を前記パルスレーザ変調部の変調に同期して検出する変調信号検出手段と、を有することを特徴とするレーザ顕微鏡装置が開示されている。【０００４】
しかしながら、ラマン顕微鏡で得られる顕微画像は「二次元画像」であり、試料の深さ方向における分子の分布は、焦点深さ方向を変えても、レーザ光の光路すべてからの信号が重畳されるため、厳密に観察することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、誘導ラマン散乱過程を利用して散乱光の位相情報と共に分子の種類を識別する分子識別情報を得ることができる、光干渉計、情報取得装置、及び情報取得方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、誘導ラマン散乱過程を利用して得られた散乱光の位相情報と分子識別情報とに基づいて、位相干渉像に分子識別機能が付加された対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得することができる、情報取得装置及び情報取得方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、振幅変調された第２の光を第２の照射光として、前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出手段と、を有する光干渉計である。【０００７】
本発明の第２の態様は、可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、前記参照光の周波数を変調する周波数変調手段と、前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、振幅変調された第２の光を第２の照射光として、前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と周波数変調された参照光との干渉光を検出する検出手段と、を有する光干渉計である。【０００８】
本発明の第３の態様は、可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、前記第１の照射光の周波数を変調する周波数変調手段と、前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、振幅変調された第２の光を第２の照射光とし、前記周波数変調された第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出手段と、を有する光干渉計である。【０００９】
本発明の第４の態様は、前記第１の照射光を励起光とし、前記第２の照射光をストークス光とした場合に、前記振幅変調に応じて誘導ラマンロスが生じた励起光を信号光とする、第１の態様から第３の態様までの何れかの光干渉計である。【００１０】
本発明の第５の態様は、前記第１の照射光をストークス光とし、前記第２の照射光を励起光とした場合に、前記振幅変調に応じて誘導ラマンゲインが生じたストークス光を信号光とする、第１の態様から第３の態様までの何れかの光干渉計である。【００１１】
本発明の第６の態様は、前記光源が、前記第１の光を射出する第１のレーザ、前記第２の光を射出する第２のレーザ、及び前記第１のレーザの発振と前記第２のレーザの発振とを同期させる同期回路を有する、第１の態様から第５の態様までの何れかの光干渉計である。【００１２】
本発明の第７の態様は、前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を波長変換して前記第１の光及び前記第２の光を生成する波長変換装置と、を有する、第１の態様から第５の態様までの何れかの光干渉計である。【００１３】
本発明の第８の態様は、前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する波長変換装置と、前記波長変換装置の光出射側に配置され且つ前記波長が異なる２つの可干渉光の少なくとも一方を波長変換する少なくとも１つの波長変換素子と、を有する、第１の態様から第５の態様までの何れかの光干渉計である。【００１４】
本発明の第９の態様は、前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を２光波に分岐する分岐手段と、分岐された一方の光波を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第１の波長変換装置と、分岐された他方の光波を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第２の波長変換装置と、第１の波長変換装置及び第２の波長変換装置で生成された４つの可干渉光の中から２つの可干渉光を選択する選択手段と、を有する、第１の態様から第５の態様までの何れかの光干渉計である。【００１５】
本発明の第１０の態様は、前記光源が、第１のレーザ、第２のレーザ、前記第１のレーザの発振と前記第２のレーザの発振とを同期させる同期回路、前記第１のレーザから射出された光を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第１の波長変換装置、前記第１の波長変換装置で生成された２つの可干渉光の中から１つの可干渉光を選択する第１の選択手段と、前記第２のレーザから射出された光を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第２の波長変換装置、前記第２の波長変換装置で生成された２つの可干渉光の中から１つの可干渉光を選択する第２の選択手段と、を有する、第１の態様から第５の態様までの何れかの光干渉計である。【００１６】
本発明の第１１の態様は、前記光源が、１つのレーザと、当該１つのレーザから射出された光を２光波に分岐する分岐手段と、分岐された一方の光波を波長変換して波長が異なる２つの可干渉光を生成する第１の波長変換装置と、分岐された他方の光波及び第１の波長変換装置で生成された２つの可干渉光からなる３つの可干渉光の中から２つの可干渉光を選択する選択手段と、を有する、第１の態様から第５の態様までの何れかの光干渉計である。【００１７】
本発明の第１２の態様は、前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第２の光の強度変化を計測する計測手段を更に備えた、第１の態様から第１１の態様までの何れかの光干渉計である。【００１８】
本発明の第１３の態様は、可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を射出する光源と、前記第２の光の振幅を変調する振幅変調手段と、前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割する分割手段と、前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、振幅変調された第２の光を第２の照射光として、前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光とし、当該信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出手段と、前記調整された光路長、前記標的分子の固有振動数、及び前記検出手段で検出された干渉光に基づいて、前記信号光と前記参照光の位相差で表される位相情報と分子の種類を識別する分子識別情報とを取得する第１の情報取得手段と、を有する情報取得装置である。【００１９】
本発明の第１４の態様は、前記計測位置を相対移動させて前記対象物を走査する走査手段と、前記走査手段により対象物を走査して複数の計測位置で取得された前記位相情報と前記分子識別情報とに基づいて、位相干渉像に分子識別機能が付加された前記対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得する第２の情報取得手段と、を更に備えた第１３の態様の情報取得装置である。【００２０】
本発明の第１５の態様は、可干渉性の第１の光、及び前記第１の光の振動数に対して標的分子の固有振動数に相当する振動数差を有する第２の光を用い、前記第２の光の振幅を変調して第２の照射光とし、前記第１の光を参照光と第１の照射光とに分割し、前記参照光の光路長を調整し、前記第１の照射光と前記第２の照射光とが対象物の計測位置に照射されたときに前記第１の光と前記第２の光の振動数差が標的分子と共鳴して前記振幅変調に応じて誘導ラマンロス又は誘導ラマンゲインが生じた第１の光を信号光として、当該信号光と前記参照光との干渉光を検出し、前記調整された光路長、前記標的分子の固有振動数、及び前記検出手段で検出された干渉光に基づいて、前記信号光と前記参照光の位相差で表される位相情報と分子の種類を識別する分子識別情報とを取得する、を有する情報取得方法である。【００２１】
本発明の第１６の態様は、前記計測位置を相対移動させて前記対象物を走査し、複数の計測位置で取得された前記位相情報と前記分子識別情報とに基づいて、前記位相干渉像に分子識別機能が付加された前記対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得する、第１５の態様の情報取得方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、誘導ラマン散乱過程を利用して散乱光の位相情報と共に分子の種類を識別する分子識別情報を得ることができる。また、本発明によれば、誘導ラマン散乱過程を利用して得られた散乱光の位相情報と分子識別情報とに基づいて、位相干渉像に分子識別機能が付加された対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】誘導ラマン散乱過程における照射光と散乱光とを示す模式図である。
【図２Ａ】誘導ラマン散乱に用いる励起光とストークス光とを示す模式図である。
【図２Ｂ】誘導ラマン散乱過程を誘導ラマンロス効果または誘導ラマン散乱ラマンゲイン効果で検出する原理を説明する模式図である。
【図３Ａ】誘導ラマン散乱の観察方向が前方である例を示す模式図である。
【図３Ｂ】誘導ラマン散乱の観察方向が斜め方向である例を示す模式図である。
【図３Ｃ】誘導ラマン散乱の観察方向が斜め方向である例を示す模式図である。
【図３Ｄ】誘導ラマン散乱の観察方向が横方向である例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光干渉計の構成の一例を示す概略図である。
【図５】図４に示す光干渉計の動作を示す概念図である。
【図６Ａ】光干渉画像法により対象物の所定深さにおける位相干渉像が取得される原理を説明する説明図である。
【図６Ｂ】信号光と参照光との位相差を示す模式図である。
【図７Ａ】図４に示す光干渉計の共鳴時の時間領域での出力信号を示す模式図である。
【図７Ｂ】図４に示す光干渉計の共鳴時の周波数領域での出力信号を示す模式図である。
【図７Ｃ】図４に示す光干渉計の非共鳴時の時間領域での出力信号を示す模式図である。
【図７Ｄ】図４に示す光干渉計の非共鳴時の周波数領域での出力信号を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る光干渉計の構成の一例を示す概略図である。
【図９】図８に示す光干渉計の動作を示す概念図である。
【図１０】光源の第１の変形例を示す概略図である。
【図１１Ａ】光源の第２の変形例を示す概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示す光源の変形例を示す概略図である。
【図１２】光源の第３の変形例を示す概略図である。
【図１３】光源の第５の変形例を示す概略図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る光干渉計の構成の一例を示す概略図である。
【図１５】振幅変調前のストークス光の時間領域での光強度の変化を示すグラフである。
【図１６】振幅変調後のストークス光の時間領域での光強度の変化を示すグラフである。
【図１７】周波数変調前の参照光の周波数領域での光強度の変化を示すグラフである。
【図１８】周波数変調後の参照光の周波数領域での光強度の変化を示すグラフである。
【図１９】誘導ラマン散乱信号の検出結果を示すグラフである。
【図２０】干渉信号の観測結果（共鳴時）を示すグラフである。
【図２１】干渉信号の観測結果（非共鳴時）を示すグラフである。
【図２２】光源の第４の変形例を示す概略図である。
【図２３】図２２に示す光源の変形例を示す概略図である。
【図２４】図２２に示す光源の他の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２５】
＜誘導ラマン散乱光＞
まず、誘導ラマン散乱について簡単に説明する。
図１は誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）過程における照射光と散乱光とを示す模式図である。図２Ａは誘導ラマン散乱に用いる励起光とストークス光とを示す模式図である。図２Ａでは、ストークス光が振幅変調されている場合を図示するが、後述する通り、励起光が振幅変調されていてもよい。図２Ｂは誘導ラマン散乱過程を誘導ラマンロス効果または誘導ラマン散乱ラマンゲイン効果で検出する原理を説明する模式図である。
【００２６】
図１に示すように、誘導ラマン散乱では、試料Ｓに対して振動数ωｐの励起光と振動数ωｓのストークス光とを同時に照射する。ストークス光の振動数ωｓは、励起光の振動数ωｐより小さい。励起光とストークス光の振動数の差（ωｐ−ωｓ）が、標的分子のもつ固有振動数Ωに一致した場合には、励起光とストークス光とが重なり合った電場の下で誘導過程により励起光の光散乱が誘起される。
【００２７】
図２Ｂに示すように、光散乱が誘起された結果として、ストークス光に「誘導ラマンゲイン（ＳＲＧ）」と称される強度ゲインΔＩＳが発生する。また、励起光に「誘導ラマンロス（ＳＲＬ）」と称される強度ロスΔＩＰが発生する。以下では、誘導ラマンゲインが生じたストークス光を「ＳＲＧ光」と称し、誘導ラマンロスが生じた励起光を「ＳＲＬ光」と称する。一定条件下で試料Ｓに励起光とストークス光とが入射すると、試料ＳからはＳＲＧ光とＳＲＬ光とが出射する。誘導ラマン散乱過程は、励起光とストークス光との位相が揃った、即ち、コヒーレントな状態で起こるので、ＳＲＧ光及びＳＲＬ光も位相の揃ったコヒーレント光となり、励起光及びストークス光の位相情報が保持される。
【００２８】
誘導ラマン散乱過程では、通常、上記のＳＲＧ光またはＳＲＬ光の強度変化を信号として検出する。振動数ωｓの値を振動数ωｐの値に対して変化させることで、分子の固有振動数Ωに応じて分子の種類が識別される。なお、本実施の形態では、干渉によりＳＲＧ光またはＳＲＬ光の位相情報も検出するが、これについては後述する。
【００２９】
また、誘導ラマン散乱過程は、振動数差（ωｐ−ωｓ）が分子の固有振動数Ωに一致した場合にのみ起こる。この現象を「共鳴」と称する。換言すれば、振動数差（ωｐ−ωｓ）に一致する固有振動数Ωの分子が存在しない場合には、共鳴による誘導ラマン散乱過程は起こらない。従って、検出信号に非共鳴バックグラウンドと呼ばれる背景雑音が発生しないという利点を有する。
【００３０】
ここで、共鳴時と非共鳴時との相違を図１に戻って説明する。非共鳴時には、試料Ｓを透過または試料Ｓで反射・散乱された励起光及びストークス光のみが観察される。一方、共鳴時には、出射したＳＲＧ光及びＳＲＬ光が、非共鳴時に観察された光に加えて観察される。なお、非共鳴時の散乱はレイリー散乱である。この通り、共鳴時と非共鳴時とで異なる光が観察される。
【００３１】
他のラマン散乱としては、自発ラマン散乱、コヒーレント反ストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ：Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)等が知られている。自発ラマン散乱では、コヒーレントな散乱光は得られない。また、ＣＡＲＳは誘導ラマン散乱に比べて検出信号の強度が大きいが、非共鳴バックグラウンド信号も大きく信号対バックグラウンド比（Ｓ／Ｂ）が低い。非共鳴バックグラウンドが発生しない誘導ラマン散乱は、Ｓ／Ｂが極めて高くＣＡＲＳに比べて、分子の種類の識別能に優れている。
【００３２】
励起光及びストークス光としては、一般には、ピコ秒、フェムト秒等とパルス幅が短く、且つ高周波数で繰り返し発振されるパルスレーザ光が使用されている。但し、本実施の形態では、励起光及びストークス光の各々は、原理的に誘導ラマン散乱過程を生じさせる光であればよく、パルスレーザ光に限定される訳ではない。例えば、励起光又はストークス光として、スーパールミネセントダイオード (ＳＬＤ：Super Luminescent Diode)等から射出された光を用いてもよい。また、励起光及びストークス光として、連続発振されるレーザ光（ＣＷ光）を用いてもよい。また、本実施の形態では、励起光及びストークス光のうち誘導ラマン散乱の発生に関係しない光、また参照光のうち位相干渉像を取得する際に干渉させる部分以外の光は非コヒーレント状態でもよい。
【００３３】
励起光及びストークス光は、振動数差（ωｐ−ωｓ）が特定の値となればよく、励起光及びストークス光の波長帯域は任意である。励起光及びストークス光の波長帯域は、用途に応じて決定すればよい。例えば、生体用途には、安全性が高く、生体深部への到達度が高い近赤外光が用いられる。一般に、近赤外光とは、波長８００ｎｍ〜２５００ｎｍの光である。生体用途には、水の吸収が無い波長範囲の近赤外光が用いられる。例えば、後述する光断層画像法（ＯＣＴ）で１３７５ｎｍ以下の近赤外光を用いた例がある。
【００３４】
しかしながら、誘導ラマン散乱では、通常、励起光及びストークス光の波長帯域は８００ｎｍ以下の可視域が用いられることが多い。波長帯域が制限される理由は、励起光の波長が長くなると、励起光の波長の４乗に比例して散乱光の強度が低下するためである。なお、本実施の形態に係る光干渉計で使用可能な波長帯域については後述する。
【００３５】
なお、図１では、ＳＲＧ光及びＳＲＬ光が、試料Ｓに対して励起光及びストークス光の入射方向とは反対の方向に出射する「後方散乱」を図示しているが、ＳＲＧ光及びＳＲＬ光は種々の方向で観測される。照射光由来のＳＲＧ光（誘導ラマンゲインが生じたストークス光）やＳＲＬ光（誘導ラマンロスが生じた励起光）は、当該ＳＲＧ光又はＳＲＬ光が透過、反射、散乱又は屈折されて出射する方向で観測する。
【００３６】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄは当該ＳＲＧ光又はＳＲＬ光の観察方向の他の例を示す模式図である。図３Ａに示すように、励起光及びストークス光の入射方向と同じ方向に出射する「前方散乱光」や透過光を観測してもよい。例えば、照射光を透過する試料の場合は、前方散乱光を観測し、照射光を透過しない試料の場合は後方散乱光を観測する。また、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、励起光及びストークス光の入射方向に対し試料Ｓの内部構造等に起因して反射、散乱又は屈折されて斜め方向に出射する光を観測してもよい。或いは、図３Ｄに示すように、試料Ｓから横方向に出射する光を観測してもよい。
【００３７】
また、図１では、励起光及びストークス光が試料Ｓに対して同軸で入射する例を示しているが、同軸入射に限定される訳ではない。励起光とストークス光とが試料Ｓの所望の位置で重なり合えばよく、励起光及びストークス光を試料Ｓに対して反対側から入射させてもよい。また、励起光の光軸とストークス光の光軸とが試料Ｓ内で交差するように入射させてもよい。このような非同軸の入射光学系を「off-axis光学系」と称する。なお、off-axis光学系については後述する。
【００３８】
＜光干渉計−第１の実施の形態−＞
次に、誘導ラマン散乱過程を利用した光干渉計について説明する。
【００３９】
（光干渉計の構成例）
まず、光干渉計の構成について説明する。
図４は本発明の第１の実施の形態に係る光干渉計の構成の一例を示す概略図である。図４に示すように、光干渉計１０は、振動数の異なる２種類のレーザ光を射出する光源２０を備えている。光源２０は、励起光として使用される振動数ωｐのレーザ光を射出するレーザ２２、ストークス光として使用される振動数ωｓのレーザ光を射出するレーザ２４、及びレーザ２２の発振とレーザ２４の発振とを同期させる同期回路２６を備えている。本実施の形態では、レーザ２２及びレーザ２４として、ピコ秒、フェムト秒等とパルス幅が短く、且つ高周波数で繰り返し発振可能なパルスレーザを用いる例について説明する。
【００４０】
レーザ２２の光出射側には、反射面３０Ａを有するビームスプリッタ３０が配置されている。ビームスプリッタ３０には、レーザ２２から射出された振動数ωｐのレーザ光が入射する。ビームスプリッタ３０は、反射面３０Ａにより一部の入射光を透過し且つ残りの入射光を反射する。ここでは、ビームスプリッタ３０を透過した光を「励起光」、反射した光を「参照光」としている。なお、ビームスプリッタ３０の用途として、この分岐方法に限定するものではなく、透過した光を「参照光」、反射した光を「励起光」とすることも可能である。
【００４１】
ビームスプリッタ３０の光透過側、即ち「励起光」の光路上には、選択反射ミラー３２と、反射面３４Ａを有するビームスプリッタ３４とが、ビームスプリッタ３０側からこの順で配置されている。選択反射ミラー３２は、振動数ωｐのレーザ光を透過し且つ振動数ωｓのレーザ光を反射する。なお、選択反射ミラー３２として、振動数ωｐのレーザ光を反射し且つ振動数ωｓのレーザ光を透過する性状のものを用いてもよい。選択反射ミラー３２としては、一般に、ダイクロイックミラー等が用いられる。ビームスプリッタ３４は、反射面３４Ａの一方の側（図４の左側及び上側）から入射した光の一部又は全部を透過し且つ反射面３４Ａの他方の側（図４の右側及び下側）から入射した光の一部又は全部を反射する。ビームスプリッタ３４としては、一般に、ハーフミラー（半透鏡）、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ等が用いられる。
【００４２】
ビームスプリッタ３０の光反射側、即ち「参照光」の光路上には、反射ミラー３６、周波数変調素子３８、光学遅延装置４０、及び反射ミラー４６が、ビームスプリッタ３０側からこの順に配置されている。周波数変調素子３８は、入射した光の周波数を変調する変調素子である。周波数変調素子３８としては、音響光学偏向素子(ＡＯＤ：Acousto-Optic Deflector)等の音響光学素子(ＡＯ又はＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator)、ポッケルスセル等の電気光学変調素子（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）等が用いられる。
【００４３】
光学遅延装置４０は、一対の反射ミラー４２、４４と、一対の反射ミラー４２、４４を矢印Ａ方向に移動させるピエゾ素子等のミラー駆動部（図示せず）とを備えている。一対の反射ミラー４２、４４は、周波数変調素子３８から入射した参照光の光路を折り返して、参照光を反射ミラー４６に照射する。一対の反射ミラー４２、４４が移動することで、参照光の光路長が調整される。
【００４４】
参照光の光路長（即ち、信号パルス光と参照パルス光の時間的な重なりのタイミング、さらには信号パルス光に対する参照パルス光の位相差）が調整されて、後述する信号光と参照光との位相差が設定される。なお図示されていないが、参照光のパルス幅を適当な光学素子により短くすることにより、信号光と時間的に重なる部分をより短くすることで、測定個所をより限定して空間分解能を上げることもできる。これについては後述する。
【００４５】
一方、レーザ２４の光出射側には、即ち「ストークス光」の光路上には、振幅変調素子５０、反射ミラー５２、選択反射ミラー３２、及びビームスプリッタ３４が、レーザ２４側からこの順に配置されている。レーザ２４から射出された振動数ωｓのレーザ光（ストークス光）は、振幅変調素子５０に入射する。振幅変調素子５０は、入射した光の振幅を変調する変調素子である。振幅変調素子５０としては、ＡＯＤ等の音響光学素子、ポッケルスセル等の電気光学変調素子等が用いられる。
【００４６】
ビームスプリッタ３４は、選択反射ミラー３２から入射した「励起光」及び「ストークス光」の一部又は全部と、反射ミラー４６から入射した「参照光」の一部又は全部とを透過する。なお、計測対象物である試料Ｓは、ビームスプリッタ３４の励起光出射側に配置される。ビームスプリッタ３４の参照光出射側には、ダイクロイックミラー等の選択反射ミラー５４と、光検出器６０とが、ビームスプリッタ３４側からこの順で配置されている。光検出器６０は、信号光及び参照光に感度を有し、測定する周波数帯域に対し充分な応答特性をもつ光検出器であれば特に制限はない。光検出器６０としては、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device)等の受光素子が用いられる。
【００４７】
光検出器６０には、高速サンプリング装置等の信号処理装置６４が電気的に接続されている。信号処理装置６４は、解析装置６２に電気的に接続されている。解析装置６２としては、一般に、ロックインアンプ、ＦＦＴアナライザ等が用いられる。また、解析装置６２は、振幅変調素子５０と電気的に接続されている。更に、解析装置６２は、「画像情報の取得処理」等、得られた情報に基づいて各種の情報処理を行う情報処理装置６６に電気的に接続されている。ここで「電気的に接続」とは、電気信号の授受が可能であることを意味している。
【００４８】
なお、ロックインアンプとは、増幅(アンプ)機能と特定信号検出(ロックイン)機能を併せ持った増幅器である。また、ＦＦＴアナライザとは、入力された信号波形をディジタル的（離散的）にサンプリングし、サンプリングデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を用いてフーリエ変換して、フーリエ変換の結果を表示する計測器である。
【００４９】
また、情報処理装置６６は、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されている。即ち、情報処理装置６６は、ＣＰＵ（中央処理装置;  Central Processing Unit）、各種プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、プログラムの実行時にワークエリアとして使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）、各種情報を記憶する不揮発性メモリ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）を備えている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ、及びＩ／Ｏの各々は、バスを介して接続されている。
【００５０】
また、図示はしていないが、光干渉計１０には、計測対象物である試料Ｓを走査する走査機構が設けられている。光干渉計１０では、この走査機構により計測位置を相対移動させて試料Ｓを走査し、複数の計測位置での計測結果を取得する。
【００５１】
（光干渉計の概略動作）
次に、上記の光干渉計の動作について簡単に説明する。
光干渉計１０では、レーザ２２とレーザ２４とが同期されて発振し、レーザ２２から振動数ωｐのレーザ光が射出され、レーザ２４から振動数ωｓのレーザ光が射出される。レーザ２２から射出された振動数ωｐのレーザ光は、ビームスプリッタ３０に入射し、ビームスプリッタ３０により「参照光」と「励起光」とに分割される。
【００５２】
ビームスプリッタ３０の反射面３０Ａを透過した振動数ωｐのレーザ光（励起光）は、選択反射ミラー３２を透過し、ビームスプリッタ３４の反射面３４Ａを透過して、試料Ｓに照射される。一方、レーザ２４から射出された振動数ωｓのレーザ光（ストークス光）は、振幅変調素子５０により振幅が変調される。振幅変調されたストークス光は、反射ミラー５２で光路が折り曲げられ、選択反射ミラー３２で反射されて、ビームスプリッタ３４に入射する。振幅変調されたストークス光は、ビームスプリッタ３４の反射面３４Ａを透過して、試料Ｓに照射される。本実施の形態では、励起光とストークス光は、選択反射ミラー３２及びビームスプリッタ３４により同軸で試料Ｓに照射される。
【００５３】
試料Ｓに励起光及びストークス光が照射されると、試料ＳからはＳＲＧ光及びＳＲＬ光が出射する。図４では、励起光及びストークス光を実線で図示し、ＳＲＧ光及びＳＲＬ光を点線で図示している。なお、図４ではＳＲＬ光だけを図示している。ＳＲＧ光及びＳＲＬ光は、ストークス光と同様に振幅変調されている。ＳＲＧ光とＳＲＬ光とは、ビームスプリッタ３４の反射面３４Ａで反射されて、選択反射ミラー５４に入射する。選択反射ミラー５４は、振動数ωｓのＳＲＧ光を透過し且つ振動数ωｐのＳＲＬ光を反射する。振幅変調されたＳＲＬ光が、選択反射ミラー５４で反射されて、信号光として光検出器６０に照射される。
【００５４】
一方、ビームスプリッタ３０の反射面３０Ａで反射された振動数ωｐのレーザ光（参照光）は、反射ミラー３６で光路が折り曲げられて、周波数変調素子３８に入射する。周波数変調素子３８に入射した参照光は、周波数が変調され（即ち、周波数がシフトされ）、光学遅延装置４０により光路長が調整され、反射ミラー４６により光路が折り曲げられて、ビームスプリッタ３４に入射する。周波数変調され且つ信号光との時間的重なりや位相差が調整された参照光が、ビームスプリッタ３４の反射面３４Ａを透過し、選択反射ミラー５４で反射されて、光検出器６０に照射される。
【００５５】
本実施の形態では、振幅変調されたＳＲＬ光（信号光）と、周波数変調され且つ信号光に対する位相差が調整された参照光とが、光ヘテロダイン干渉する。なお、光ヘテロダイン干渉については後述する。これら信号光と参照光との干渉光が、光検出器６０で検出される。光検出器６０の検出信号は、信号処理装置６４に入力される。信号処理装置６４は、入力された信号に対し、増幅や波長フィルタリング等の処理を行い、処理された信号を解析装置６２に出力する。
【００５６】
解析装置６２は、振幅変調素子５０の変調周波数を特定し、信号処理装置６４から入力された信号から、特定された周波数で変調された信号を選択検出する。解析装置６２は、選択検出された信号を光干渉計の出力信号として出力する。なお、出力信号については後述する。また、情報処理装置６６は、後述する通り、誘導ラマン散乱光（ＳＲＬ光もしくはＳＲＧ光）に基づく標的分子の種類及び分布情報をもつ位相干渉像を作画し、従来の形状のみの位相干渉像に分子識別機能が付加された対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報を取得する。
【００５７】
ここで、光干渉計１０の動作を更に概念的に説明する。
図５は図４に示す光干渉計の動作を示す概念図である。図５に示すように、本実施の形態では、レーザ２２から射出された振動数ωｐのレーザ光（励起光）を、参照光と試料Ｓに照射する励起光とに分割する。参照光は、周波数変調素子３８により周波数変調される。また、レーザ２４から射出された振動数ωｓのレーザ光（ストークス光）から、振幅変調素子５０により振幅変調されたストークス光を生成する。試料Ｓに励起光と振幅変調されたストークス光とを照射することで、ストークス光と同様に振幅変調されたＳＲＧ光及びＳＲＬ光が得られる。
【００５８】
本実施の形態では、誘導ラマンロスが生じた励起光であるＳＲＬ光を信号光として選択する。ＳＲＬ光は、参照光と同じレーザ２２で生成された振動数ωｐのレーザ光から分割された光であり、参照光と可干渉である。従って、振幅変調されたＳＲＬ光（信号光）と、周波数変調された参照光と、を光ヘテロダイン干渉させる。同一の光源から射出された光を信号光と参照光にしているので、これらの干渉光の位相ゆらぎが低減される。なお、干渉に使用しない振幅変調されたＳＲＧ光からも、誘導ラマンゲインΔＩＳを得ることができる。誘導ラマンゲインΔＩＳは、固有振動数Ωで共鳴している分子の個数に比例して増加する。このため、ＳＲＧ光を観測して得られた誘導ラマンゲインΔＩＳを、分子定量情報として用いてもよい。
【００５９】
（光ヘテロダイン干渉）
ここで、光ヘテロダイン干渉による信号強度の増幅原理について説明する。
誘導ラマン散乱過程で得られるＳＲＧ光の強度変化及びＳＲＬ光の強度変化はいずれも微弱である。光ヘテロダイン干渉させることで、信号光として使用されるＳＲＬ光の強度変化が増幅されることになる。
【００６０】
信号光の電場の最大振幅を「Ｅｓ０」、周波数を「Ｆ」、位相を「θｓ（ｘ）」とする。また、参照光の電場の最大振幅を「Ｅｒ０」、変調後の周波数を「Ｆ＋ｆ」、位相を「θｒ（ｘ）」とする。信号光と参照光の電場強度Ｅｓ及びＥｒは下記式で表される。
【００６１】
【数１】
0006008299.tif 000002
【００６２】
また、光ヘテロダイン干渉後の干渉光の強度Ｉは、下記式で表される。
【００６３】
【数２】
0006008299.tif 000003
【００６４】
上記式の第３項から以下の３つのことが分かる。
まず、光ヘテロダイン干渉により、周波数ｆを有するうなり信号が新たに発生することが分かる。例えば、参照光を周波数変調して、信号光の周波数Ｆを１０００Ｈｚ、参照光の周波数（Ｆ＋ｆ）を１００５Ｈｚに設定すると、周波数５Ｈｚのうなり信号が発生する。上記うなり信号を同期検波器等で選別検出することにより、高いＳ／Ｂで計測を行うことができる。
【００６５】
また、信号光の最大電場振幅Ｅｓ0が小さくても、参照光の最大電場振幅Ｅｒ0を大きくすることで、周波数ｆのうなり信号として観測される干渉光の強度は参照光の電場振幅倍に増幅される。例えば、最大電場振幅Ｅｒ０を信号光の最大電場振幅Ｅｓ0の１万倍大きく設定することにより、信号光の誘導ラマンロスまたは誘導ラマンゲインの僅かな振幅の変化を、原理的には１万倍以上に増幅できる。
【００６６】
更に、信号光と参照光との位相差（θｓ（ｘ）−θｒ（ｘ））が位相情報として記録される。これにより、信号発生源の分子の位置情報が精度よく記録されることになる。なお、位置情報の記録については次に説明する。
【００６７】
ここで、本実施の形態に係る光干渉計で使用可能な波長帯域について説明する。
上述した通り、誘導ラマン散乱では、励起光の波長が長くなると散乱光の強度が低下するため、励起光及びストークス光の波長帯域が制限される。しかしながら、本実施の形態では、光ヘテロダイン干渉により干渉光の強度は参照光の電場振幅倍に増幅されるので、励起光及びストークス光の波長帯域の制限が緩和される。例えば、励起光及びストークス光の波長帯域を、１０００ｎｍ以上とすることも可能である。励起光の波長を長くすることで、深さ方向での計測範囲が拡大する。
【００６８】
（光干渉画像法）
従来の光断層画像法（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）などの光干渉画像法では、反射光若しくはレイリー散乱光と参照光との干渉により位相情報を記録する。これに対して、本実施の形態では、誘導ラマン散乱で得られたＳＲＧ光又はＳＲＬ光と参照光との干渉により位相情報を記録する。本実施の形態では、標的分子の固有振動数に応じてストークス光の周波数を変えて（即ち、分子の種類毎に）干渉による信号を取得して、位相情報を記録することができる。
【００６９】
例えば、励起光の波長を固定した場合、ストークス光の波長を高速で掃引することにより、種々の波長の誘導ラマン散乱効果を高速で検出してもよい。また、測定波長範囲の波長を一度に含む光を用いて、種々の波長の誘導ラマン散乱効果を一度に検出してもよい。このとき、ストークス光の波長を固定して、励起光の波長を高速で掃引する、もしくは、測定波長範囲の波長を一度に含む光を励起光として用いても良い。両者の方式について、さらに参照光の波長も高速で掃引、もしくは測定波長範囲の波長を一度に含む参照光を用いることで、種々の波長の誘導ラマン散乱効果の検出を、深さ方向について一度で行う方式としてもよい。
【００７０】
上記波長掃引方式としては、波長掃引型ＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ，Swept Source OCT）や、スペクトラルドメインＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ, Spectral-Domain OCT）など、従来の光干渉画像法で使用される方式と同様の方式を用いることができる。
【００７１】
なお、位相情報の記録原理は、従来の光干渉画像法と同じである。
図６Ａは光干渉画像法により対象物の所定深さにおける位相干渉像が取得される原理を説明する説明図である。図６Ｂは信号光と参照光との位相差を示す模式図である。図６Ａに示すように、内部に積層構造を有する試料からの反射により信号光を得る場合には、深部からの反射光ほど深さに比例した時間及び位相遅れを生じる。光干渉画像法では、図６Ｂに示すように、参照光の光路長を変化させて（即ち、光路長を掃引して）、信号光と参照光の時間的重なりを調整すると共に位相差を調整する。本実施の形態では、光学遅延装置４０により、信号光と参照光の時間的重なりを調整すると共に位相差を調整することができる。
【００７２】
上記の位相干渉像の取得原理は、タイムドメインＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ，time-domain OCT）の信号取得原理と同様である。なお、位相干渉像の取得に際しては、信号光及び参照光に対して波長掃引方式である上述したＳＳ−ＯＣＴ方式またはＳＤ−ＯＣＴ方式を組み合わせることにより、光路長の掃引なしで深さ方向の位相干渉像を構築することができる。
【００７３】
なお、参照光のパルス時間幅や、位相が保たれている時間幅を短くすることで、信号光と可干渉な時間的重なりを限定することで、深さ方向の計測分解能を高めることもできる。図６Ａでは、信号光と参照光とが時間的に重なる様子を模式的に示している。
【００７４】
信号光と参照光の時間的重なりの中で、さらにそれらの位相差がゼロの場合に、信号光と参照光とが最も強め合う。従って、所定深さからの反射光（信号光）と参照光とを時間的に重ね合わせ、さらにそれらの位相差をゼロにすることで、所定深さからの反射光が最も増幅される。これにより、位相差計測の精度で、試料の深さ方向の位相干渉像を取得することができる。一般に従来の位相差計測の精度は０．１°以上に達しており、例えば、波長１０００ｎｍの光で１ｎｍ程度の凹凸を見極めることが原理的に可能となる。
【００７５】
（出力信号の特徴）
次に、光干渉計の出力信号について説明する。
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄの各々は、図４に示す光干渉計の出力信号を示す模式図である。図７Ａに示すように、振幅変調されたＳＲＬ光（信号光）と、周波数ｆで周波数変調された参照光とを光ヘテロダイン干渉させると、分子との共鳴によりＳＲＬ光が得られている場合には、時間領域で見ると振幅変調された干渉信号（インターフェログラム）が検出される。
【００７６】
図７Ｂに示すように、振幅変調された干渉信号を周波数領域で見ると、うなり周波数ｆの両側にＳＲＬ光由来のサイドバンドが出現する。例えば、うなり周波数ｆを３０ＭＨｚとし、振幅変調の変調周波数を３ＭＨｚとした場合には、うなり周波数ｆから±３ＭＨｚの位置、即ち、２７ＭＨｚと３３ＭＨｚとにサイドバンドが現れる。一方、標的分子が所定の計測位置に存在せず、共鳴が起きない場合には、図７Ｃに示すように、干渉信号の振幅は一定となる。この場合には、図７Ｄに示すように、周波数領域で見ると、うなり周波数ｆのバンドだけが計測され、サイドバンドは計測されない。
【００７７】
振幅変調された信号光の電場振幅を「Ｅｓ´」、その最大電場振幅を「Ｅｓ０´」に変更すると、光ヘテロダイン干渉後の干渉光の強度Ｉは、下記式に書き直される。
【００７８】
【数３】
0006008299.tif 000004
【００７９】
信号光の最大電場振幅「Ｅｓ０´」は振幅変調により変動する。上記式から分かるように、分子との共鳴によりＳＲＬ光が得られている場合には、うなり信号の振幅も周期的に変調される。例えば、１６００ｃｍ−１に固有振動数を有する分子の分布を計測する場合には、励起光とストークス光との振動数差（ωｐ−ωｓ）を１６００ｃｍ−１に設定して、うなり信号の振幅の周期的変調の有無を観測する。うなり信号の振幅の周期的変調が観測されれば、計測位置に標的分子が存在し、標的分子との共鳴によりＳＲＬ光が得られている。一方、うなり信号の振幅の周期的変調が観測されなければ、計測位置に標的分子は存在しない。
【００８０】
上記の通り、本実施の形態では、計測位置を相対移動させて対象物を走査する。計測位置に標的分子が存在する場合と存在しない場合は、光干渉信号の振幅変調の有無、ないしはフーリエ変換されたスペクトルのサイドバンドの有無で判別される。標的分子が存在する場合、その振幅強度は、固有振動数を与える振動モードのラマン散乱断面積ならびに標的分子の濃度に比例する。ストークス光の振動数を掃引することで、また対象物を走査することで、複数の計測位置での分子識別情報（標的分子の種類や量）及びそれらの空間分布を表す情報が取得される。
【００８１】
これら分子識別情報と信号光と参照光の位相差情報とに基づいて、標的分子の種類及びその空間分布情報をもつ位相干渉像が取得されると共に、位相干渉像に分子識別機能が付加された対象物の立体画像又は断層画像を表す画像情報が取得される。これらの情報処理は、図４に示す情報処理装置６６により行われる。
【００８２】
なお、振動数ωｐの励起光だけを試料Ｓに空間的に走査しながら照射して、予め対象物の反射光若しくはレイリー散乱光と、参照光の位相干渉像を取得すると、対象物の形状のみの情報が得られる。一方、誘導ラマン散乱光と参照光との分子識別的な位相干渉像を合成、比較すれば、対象物の形状に対する標的分子の空間分布や存在量などの解析が行える。
【００８３】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係る光干渉計について説明する。
図８は本発明の第２の実施の形態に係る光干渉計の構成の一例を示す概略図である。第２の実施の形態に係る光干渉計１０Ａは、励起光とストークス光を逆転させるように構成した以外は、第１の実施の形態と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８４】
光干渉計１０Ａでは、レーザ２２とレーザ２４の配置が逆になり、レーザ２４から射出された振動数ωｓのレーザ光が、ビームスプリッタ３０に入射し、ビームスプリッタ３０により「参照光」と「ストークス光」とに分割される。また、レーザ２２から射出された振動数ωｐのレーザ光が、振幅変調素子５０に入射し、振幅変調素子５０により振幅が変調される。
【００８５】
図９は図８に示す光干渉計の動作を示す概念図である。
図９に示すように、本実施の形態では、レーザ２４から射出された振動数ωｓのレーザ光（ストークス光）を、参照光と試料Ｓに照射するストークス光とに分割する。参照光は、周波数変調素子３８により周波数変調される。また、レーザ２２から射出された振動数ωｐのレーザ光（励起光）から、振幅変調された励起光を生成する。試料Ｓに振幅変調された励起光とストークス光とを照射することで、励起光と同様に振幅変調されたＳＲＧ光及びＳＲＬ光が得られる。
【００８６】
ここで、誘導ラマンゲインが生じたストークス光であるＳＲＧ光を信号光として選択する。ＳＲＧ光は、参照光と同じレーザ２４で生成された振動数ωｓのレーザ光から分割された光であり、参照光と可干渉である。従って、振幅変調されたＳＲＧ光（信号光）と、周波数変調された参照光と、を光ヘテロダイン干渉させる。これにより、干渉光の位相ゆらぎが低減される。なお、第１の実施の形態と同様、干渉に使用しない振幅変調されたＳＲＬ光を分子定量に使用してもよい。
【００８７】
＜光源の変形例＞
なお、上記第１及び第２の実施の形態では、２台のレーザと２台のレーザの発振を同期させる同期回路を備える光源を用いる例について説明したが、光源の構成はこれに限定される訳ではない。誘導ラマン散乱過程に必要な、振動数ωｐの励起光と振動数ωｓのストークス光とを射出できる光源であれば特に制限はない。以下に、光源の変形例を例示する。
【００８８】
図１０は光源の第１の変形例を示す概略図である。図１０に示すように、第１の変形例に係る光源２０Ａは、励起用レーザ７０と、励起用レーザ７０から入射された光の波長を変換して２色の光を射出する波長変換装置７２とを備えている。
【００８９】
波長変換装置７２としては、非線形光学効果により波長変換したレーザ光を発生させる光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：Optical Parametric Oscillator）等が用いられる。波長変換装置７２としてＯＰＯを用いた場合、波長変換装置７２は、励起用レーザ７０から入射された１色の光から振動数の異なる２色の光を生成して射出する。２色の光は、シグナル光及びアイドラー光と称される。一般にアイドラー光はシグナル光より波長が長い。
【００９０】
この場合、シグナル光を振動数ωｐの励起光とし、アイドラー光を振動数ωｓのストークス光として使用すればよい。この構成によれば、１台のレーザで発振させるので、振動数ωｐの光と振動数ωｓの光とは同期しており、同期回路は不要となる。以下、波長変換装置としてＯＰＯを用いた場合の事例で説明する。
【００９１】
図１１Ａは光源の第２の変形例を示す概略図である。図１１Ｂは図１１Ａに示す光源の変形例を示す概略図である。図１１Ａに示すように、第２の変形例に係る光源２０Ｂは、励起用レーザ７０と、励起用レーザ７０から入射された光の波長を変換して２色の光（シグナル光とアイドラー光）を射出する波長変換装置７２と、２色の光の一方の光の光路に挿入された波長変換素子７４ｐと、を備えている。この例では、アイドラー光の光路に波長変換素子７４ｐが挿入されている。波長変換素子７４ｐを用いる以外は、第１の変形例に係る光源２０Ａと同じ構成である。
【００９２】
波長変換素子７４ｐとしては、第二高調波、第三高調波の生成に使用される非線形光学結晶等が用いられる。波長変換素子７４ｐを透過したアイドラー光の波長は、波長変換素子７４ｐにより、波長変換装置７２を出射したときの波長に対して１／２、１／３等、整数分の１倍の波長に変換される。ここで、波長変換素子７４ｐで波長変換されたアイドラー光の波長がシグナル光よりも短い場合は、波長変換素子７４ｐを透過したアイドラー光を振動数ωｐの励起光とし、シグナル光を振動数ωｓのストークス光として使用すればよい。この構成によれば、１台のレーザで発振させるので、振動数ωｐの光と振動数ωｓの光とは同期しており、同期回路は不要となる。また、より低振動数まで計測が可能になる。なお、図１１Ｂに示すように、シグナル光とアイドラー光の各々の光路に、波長変換素子７４ｓ、７４ｐを挿入してもよい。
【００９３】
図１２は光源の第３の変形例を示す概略図である。図１２に示すように、第３の変形例に係る光源２０Ｄは、励起用レーザ７０、選択反射ミラー７１Ａ、第１の波長変換装置７２Ａ、反射ミラー７１Ｂ、第２の波長変換装置７２Ｂ、及び選択手段７６を備えている。励起用レーザ７０から射出されたレーザ光は、選択反射ミラー７１Ａに入射する。選択反射ミラー７１Ａは、入射したレーザ光の一部を反射し且つ残部を透過する。
【００９４】
選択反射ミラー７１Ａを透過したレーザ光は、反射ミラー７１Ｂで反射されて第１の波長変換装置７２Ａに入射される。第１の波長変換装置７２Ａからは、波長変換された２色の光（シグナル光とアイドラー光）が射出される。選択反射ミラー７１Ａで反射されたレーザ光は、第２の波長変換装置７２Ｂに入射される。第２の波長変換装置７２Ｂからは、波長変換された２色の光（シグナル光とアイドラー光）が射出される。
【００９５】
選択手段７６は、第１の波長変換装置７２Ａ及び第２の波長変換装置７２Ｂから射出された最大で４色の光の中から、励起光及びストークス光として使用される２色の光を選択する。選択手段７６としては、２色の光を選択的に透過する光学フィルタ等が用いられる。この場合は、選択手段７６で選択された２つの光のうち、波長の短い方の光を振動数ωｐの励起光とし、他方の光を振動数ωｓのストークス光として使用すればよい。この構成によれば、１台のレーザで発振させるので、振動数ωｐの光と振動数ωｓの光とは同期しており、同期回路は不要となる。また、１台の波長変換装置を用いる場合に比べて、２台の独立した波長変換装置を用いているので振動数差（ωｐ−ωｓ）の設定可能範囲が一般に広範となる。
【００９６】
図２２は光源の第４の変形例を示す概略図である。図２２に示すように、第４の変形例に係る光源２０Ｆは、励起用レーザ７０、選択反射ミラー７１Ａ、波長変換装置７２、及び反射ミラー７１Ｂを備えている。
【００９７】
励起用レーザ７０から射出されたレーザ光は、選択反射ミラー７１Ａに入射する。選択反射ミラー７１Ａは、入射したレーザ光の一部を反射し且つ残部を透過する。選択反射ミラー７１Ａで反射されたレーザ光は、波長変換装置７２に入射される。波長変換装置７２からは、波長変換された２色の光（シグナル光とアイドラー光）が射出される。一方、選択反射ミラー７１Ａを透過したレーザ光は、反射ミラー７１Ｂによりシグナル光及びアイドラー光と同じ方向に反射される。
【００９８】
この場合、反射ミラー７１Ｂで反射された光を振動数ωｐの励起光とし、シグナル光またはアイドラー光を振動数ωｓのストークス光として使用すればよい。この構成によれば、１台のレーザで発振させるので、振動数ωｐの光と振動数ωｓの光とは同期しており、同期回路は不要となる。また、波長変換装置由来の強度や位相変化の影響を受けていない励起光を得ることができる。
【００９９】
また、波長変換装置７２から射出される２色の光の一方の光路に、入射光の波長を変換する波長変換素子７４を挿入してもよい。図２３に示す例では、光源２０Ｇは波長変換素子７４を有している。波長変換素子７４はシグナル光の光路に挿入されている。これ以外は図２２に示す光源２０Ｆと同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。この場合は、反射ミラー７１Ｂで反射された光、波長変換されたシグナル光、アイドラー光の３色の光が得られる。
【０１００】
一方、図２４に示す例では、光源２０Ｈは波長変換素子７４を有している。波長変換素子７４はアイドラー光の光路に挿入されている。これ以外は図２２に示す光源２０Ｆと同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。この場合は、反射ミラー７１Ｂで反射された光、シグナル光、波長変換されたアイドラー光の３色の光が得られる。
【０１０１】
図２３及び図２４に示す例では、図示しない選択手段により、３色の光の中から励起光及びストークス光として使用される２色の光が選択される。選択された２つの光のうち、波長の短い方の光を振動数ωｐの励起光とし、他方の光を振動数ωｓのストークス光として使用すればよい。図２３及び図２４に示す例でも、振動数ωｐの光と振動数ωｓの光とは同期しており、同期回路は不要となる。また、波長変換装置由来の強度や位相変化の影響を受けていない励起光を得ることができる。
【０１０２】
図１３は光源の第５の変形例を示す概略図である。図１３に示すように、第５の変形例に係る光源２０Ｅは、第１のレーザ８０と、第２のレーザ８２と、第１のレーザ８０と第２のレーザ８２の発振を同期させる同期回路８４と、第１のレーザ８０から入射された光の波長を変換して２色の光（シグナル光とアイドラー光）を射出する第１の波長変換装置８６と、第２のレーザ８２から入射された光の波長を変換して２色の光（シグナル光とアイドラー光）を射出する第２の波長変換装置９０と、第１の波長変換装置８６から射出された２色の光の中から１色の光を選択する選択手段８８と、第２の波長変換装置９０から射出された２色の光の中から１色の光を選択する選択手段９２と、を備えている。
【０１０３】
この場合は、選択手段８８で選択された光と、選択手段９２で選択された光のうち、波長の短い方の光を振動数ωｐの励起光とし、残りを振動数ωｓのストークス光として使用すればよい。この構成によれば、振動数差（ωｐ−ωｓ）の設定可能範囲が一般に広範となり、かつ２つの光の時間関係の制御が容易になる。
【０１０４】
上記の第３の変形例（図１２参照）及び第５の変形例（図１３参照）では、２台の波長変換装置を用いて振動数ωｐと振動数ωｓの２色の光を得ている。１台の波長変換装置のみを用いて振動数ωｐと振動数ωｓの２色の光を同時に得るためには、波長変換装置内の結晶温度を振動数差（ωｐ−ωｓ）が得られる一定温度に制御する必要がある。結晶温度が変動すると、発振波長に揺らぎが発生する。振動数差（ωｐ−ωｓ）が固定できなければ、共鳴による誘導ラマン散乱過程は維持できない。
【０１０５】
これに対し、２台の波長変換装置を用いた場合には、波長変換装置毎に発振波長を固定することが容易になる。また、２台の波長変換装置を用いることで、一方の波長と無関係に他方の波長を設定することができ、励起光及びストークス光の両方の波長を１０００ｎｍ以上にすることが容易となる。
【０１０６】
なお、上記の光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）としては、「PERIODICALLY-POLED」と称される形状の光学結晶（「ＰＰ結晶」と略称される。）を用いたＯＰＯを用いてもよい。このＰＰ結晶を用いたＯＰＯでは、波長変換した際に発生する光路の変動が低減される。
【０１０７】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態に係る光干渉計について説明する。
図１４は本発明の第３の実施の形態に係る光干渉計の構成の一例を示す概略図である。第３の実施の形態に係る光干渉計１０Ｂは、off-axis光学系を構成するように各要素を配置したものである。光干渉計１０Ｂの各要素の構成及び基本動作は、同軸光学系を用いた第１の実施の形態と同様であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０８】
図１４に示すように、光干渉計１０Ｂは、図１２に第３の変形例として図示した光源２０Ｄを備えている。光源２０Ｄは、励起用レーザ７０、選択反射ミラー７１Ａ、第１の波長変換装置７２Ａ、第１の選択手段７６Ａ、反射ミラー７１Ｂ、第２の波長変換装置７２Ｂ、及び第２の選択手段７６Ｂを備えている。光源２０Ｄは、以下に説明する通り、これらの構成により振動数の異なる２種類のレーザ光を射出する。
【０１０９】
励起用レーザ７０から射出されたレーザ光は、選択反射ミラー７１Ａに入射する。選択反射ミラー７１Ａは、入射したレーザ光の一部を反射し且つ残部を透過する。選択反射ミラー７１Ａを透過したレーザ光は、第１の波長変換装置７２Ａに入射され、波長変換されて２色の光を射出する。第１の選択手段７６Ａは、２色の光のうちストークス光として使用される振動数ωｓのレーザ光を透過する。
【０１１０】
一方、選択反射ミラー７１Ａで反射されたレーザ光は、反射ミラー７１Ｂで反射されて、第２の波長変換装置７２Ｂに入射され、波長変換されて２色の光を射出する。第２の選択手段７６Ｂは、２色の光のうち励起光として使用される振動数ωｐのレーザ光を透過する。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、振動数ωｐのレーザ光を「励起光」と「参照光」とに分割する。
【０１１１】
光源２０Ｄの振動数ωｐのレーザ光出射側には、反射ミラー３１、反射面３０Ａを有するビームスプリッタ３０が配置されている。ビームスプリッタ３０には、反射ミラー３１で反射された振動数ωｐのレーザ光が入射する。ビームスプリッタ３０は、反射面３０Ａにより一部の入射光を反射し且つ残りの入射光を透過する。ここでは、ビームスプリッタ３０を透過した光を「励起光」、反射された光を「参照光」としている。
【０１１２】
ビームスプリッタ３０の光透過側、即ち「励起光」の光路上には、反射ミラー３２、レンズ３３、レンズ３５、アパーチャ３７Ａを有する遮光部材３７、及び反射面３４Ａを有するビームスプリッタ３４が、ビームスプリッタ３０側からこの順で配置されている。本実施の形態では、試料Ｓはレンズ３３とレンズ３５との間に配置される。なお、第１の実施の形態と異なり、反射ミラー３２は、選択反射ミラーではなく通常の反射ミラーでよい。
【０１１３】
ビームスプリッタ３０の光反射側、即ち「参照光」の光路上には、周波数変調素子３８、光学遅延装置４０、反射ミラー４６、及び反射面３４Ａを有するビームスプリッタ３４が、ビームスプリッタ３０側からこの順に配置されている。光学遅延装置４０は、一対の反射ミラー４２、４４と、一対の反射ミラー４２、４４を矢印Ａ方向に移動させるピエゾ素子等のミラー駆動部（図示せず）とを備えている。
【０１１４】
一方、光源２０Ｄの振動数ωｓのレーザ光出射側には、即ち「ストークス光」の光路上には、反射ミラー５１、振幅変調素子５０、反射ミラー５２、レンズ３３、レンズ３５、及びアパーチャ３７Ａを有する遮光部材３７が、光源２０Ｄ側からこの順に配置されている。
【０１１５】
ビームスプリッタ３４は、反射面３４Ａの一方の側（図１４の上側）から入射した参照光の一部又は全部を反射すると共に、反射面３４Ａの他方の側（図１４の左側）から入射した信号光の一部又は全部を透過する。ビームスプリッタ３４の参照光反射側（信号光透過側）には、光検出器６０が配置されている。
【０１１６】
なお、第１の実施の形態と同様であるため、電気的構成については図示を省略するが、図４に示す光干渉計と同様に、光検出器６０は、信号処理装置６４に電気的に接続されている。また、信号処理装置６４は、解析装置６２に電気的に接続されている。また、解析装置６２は、振幅変調素子５０とも電気的に接続されている。更に、解析装置６２は、情報処理装置６６に電気的に接続されている。
【０１１７】
次に、上記の光干渉計の動作について簡単に説明する。
光干渉計１０Ｂでは、光源２０Ｄから振動数ωｐのレーザ光と振動数ωｓのレーザ光とが射出される。光源２０Ｄから射出された振動数ωｐのレーザ光は、反射ミラー３１で反射されて、ビームスプリッタ３０に入射する。ビームスプリッタ３０の反射面３０Ａは、振動数ωｐのレーザ光の一部を反射し且つ残部を透過する。ここでは、「励起光」を透過し且つ「参照光」を反射する。即ち、振動数ωｐのレーザ光は、ビームスプリッタ３０により「励起光」と「参照光」とに分割される。
【０１１８】
ビームスプリッタ３０の反射面３０Ａを透過した励起光は、反射ミラー３２で光路が折り曲げられて、レンズ３３に入射する。入射した励起光は、レンズ３３により集光されて試料Ｓに照射される。一方、光源２０Ｄから射出された振動数ωｓのストークス光は、反射ミラー５２で光路が折り曲げられて振幅変調素子５０に入射する。入射したストークス光は、振幅変調素子５０により振幅が変調される。振幅変調されたストークス光は、反射ミラー５２で光路が折り曲げられて、レンズ３３に入射する。入射したストークス光は、レンズ３３により集光されて試料Ｓに照射される。
【０１１９】
本実施の形態では、レンズ３３を含む各光学要素が、励起光の光軸とストークス光の光軸とが試料Ｓ内で交差するように配置されて、off-axis光学系を構成する。従って、励起光と振幅変調されたストークス光とは、非同軸でレンズ３３に入射し、各光の光軸が試料Ｓ内で交差するように照射される。試料Ｓに励起光及びストークス光が照射されると、共鳴による誘導ラマン散乱効果が生じた場合には、試料Ｓ内の励起光とストークス光との交差領域からはＳＲＧ光及びＳＲＬ光が出射する。即ち、本実施の形態では、off-axis光学系により、誘導ラマン散乱過程を実現している。
【０１２０】
同軸光学系では、励起光とストークス光とが同じ光路を進む。このため、試料Ｓ内の光路の上流側に遮蔽物が存在する場合には、光路の下流側の試料Ｓからの散乱光は観察できなくなる。これに対し、off-axis光学系では、励起光とストークス光とは異なる光路を進み、両光の光軸は試料Ｓ内で交差する。従って、上流側に在る遮蔽物の影響を受けずに、下流側の試料Ｓからの散乱光を観察することができる。例えば、結節を有する生体組織等、構造が予測できない試料であっても、試料全体を観察することが可能になる。
【０１２１】
また、同軸光学系では、試料Ｓ内で励起光とストークス光の光路が重なり、試料Ｓ内の光路上では、誘導ラマン散乱効果を生じさせる光強度の閾値を超えた領域すべてで誘導ラマン散乱光（信号光）が発生する。これに対し、off-axis光学系では、励起光とストークス光とが空間的に重なる狭い領域でだけ誘導ラマン散乱光が発生し、他の領域では散乱光が発生しない。これにより測定目的箇所以外からの偽信号の発生が低減され、光の伝搬方向における分解能が向上する。即ち、計測位置（目的とする深度）で誘導ラマン散乱光が観察される。
【０１２２】
非共鳴の場合には、励起光及びストークス光が試料Ｓを透過する。一方、共鳴した場合には、透過する励起光及びストークス光に加え、ＳＲＧ光及びＳＲＬ光が試料Ｓ内の交差領域から出射する。図１４では、非共鳴時に試料Ｓを透過する励起光及びストークス光を実線で図示し、共鳴時に試料Ｓ内の交差領域から出射されるＳＲＧ光及びＳＲＬ光を点線で図示している。なお、図示はしていないが、共鳴により発生するＳＲＧ光は、非共鳴時に透過するストークス光と同じ光路を進む。ＳＲＧ光及びＳＲＬ光は、ストークス光と同じ周波数で振幅変調されている。ＳＲＧ光、ＳＲＬ光及びと透過光は、レンズ３５により平行光化されて、遮光部材３７に照射される。
【０１２３】
試料Ｓを透過した励起光またはＳＲＬ光は、遮光部材３７に設けられたアパーチャ３７Ａを通過する。アパーチャ３７Ａを通過した光は、ビームスプリッタ３４に入射し、ビームスプリッタ３４の反射面３４Ａを透過して、光検出器６０に照射される。ここでは、振幅変調されたＳＲＬ光が、信号光として光検出器６０に照射される。一方、試料Ｓを透過したストークス光またはＳＲＧ光は、遮光部材３７により遮断される。
【０１２４】
一方、ビームスプリッタ３０の反射面３０Ａで反射された参照光は、周波数変調素子３８に入射して、周波数変調素子３８により周波数が変調される。周波数が変調された参照光は、光学遅延装置４０により光路長が調整され、反射ミラー４６により光路が折り曲げられて、ビームスプリッタ３４に入射する。周波数変調され且つ信号光との時間的重なりや位相差が調整された参照光が、ビームスプリッタ３４の反射面３４Ａで反射されて、光検出器６０に照射される。
【０１２５】
本実施の形態では、振幅変調されたＳＲＬ光（信号光）と、周波数変調され且つ信号光に対する位相差が調整された参照光とが、光ヘテロダイン干渉する。これら信号光と参照光との干渉光が、光検出器６０で検出される。
【０１２６】
図４に示す第１の実施の形態と同様に、光検出器６０の検出信号は、信号処理装置６４に入力される。信号処理装置６４は、入力された信号を処理し、処理された信号を解析装置６２に出力する。解析装置６２は、信号処理装置６４から入力された信号から、特定の周波数で変調された信号を選択検出する。解析装置６２は、選択検出された信号を光干渉計の出力信号として出力する。
【０１２７】
なお、上記各実施形態で説明した構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。例えば、励起光及びストークス光として偏光を用いてもよい。この場合には、偏光ビームスプリッタや各種波長板等、偏光制御のための素子を適宜使用する。また、光の伝搬・混合・分離に光ファイバー等を用いてもよい。この場合はファイバーカップラーなどの光の伝搬・混合・分離のための素子を適宜使用する。また、干渉に支障が無い場合には、参照光を射出する光源を、励起光及びストークス光を射出する光源とは別の光源としてもよい。
【０１２８】
なお、日本出願２０１１−２１８２２０の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。また、本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【実施例】
【０１２９】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されるものではない。【０１３０】
＜光干渉計の構成＞
図１４に示すoff-axis光学系を有する光干渉計と同じ構成を備える光干渉計を用意した。主な光学要素の詳細を以下に記載する。なお、その他の光学要素としては、汎用の光学素子を用いた。
（１）励起レーザ７０：
Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第二高調波を用いて、モード同期のチタンサファイアレーザを励起する励起レーザを使用した。Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザとしては、Coherent社製の製品名「Verdi-V18」を用いた。チタンサファイアレーザとしては、Coherent社製の製品名「Mira-HP」を用いた。
（２）波長変換装置７２Ａ/７２Ｂ：
ＰＰ結晶を用いた光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を用いた。励起光用のＯＰＯ-Ｉ及びストークス光用のＯＰＯ- IIの各々としては、Angewandte Physik & Electronik GmbH社製の製品名「OPO PP Automatic」を用いた。
（３）振幅変調素子５０/周波数変調素子３８：
電気光学変調素子（ＥＯＭ）を用いた。振幅変調素子用のＥＯＭ及び周波数変調素子用のＥＯＭの各々としては、CONOPTICS社製の製品名「M-360-160(MD)LNB」を用いた。
（４）光学遅延装置４０：
一対のミラーと同等の機能を果たすリトロリフレクターをピエゾ素子で駆動する微動光学遅延装置と、一対のミラーと同等の機能を果たすリトロリフレクターをメカニカルに駆動する粗動光学遅延装置とを組み合わせて用いた。微動光学遅延装置が、図１４の光学遅延装置４０に相当する。粗動光学遅延装置は、光路長を調節するために配置されるものである。本実施例では、周波数変調素子３８と光学遅延装置４０との間、ビームスプリッタ３０と反射ミラー３２との間の各々に、粗動光学遅延装置を配置した。微動光学遅延装置としては、Physik Instrumente GmbH社製の製品名「P-753.11C」を用いた。粗動光学遅延装置としては、シグマテック社製の製品名「FS-1020X」を用いた。
（５）光検出器６０：
ＩｎＧａＡｓフォトダイオード（ＰＤ）を用いた。ＰＤは、Electro-Optics Technology. Inc.社製の製品名「ET-3040」である。【０１３１】
＜励起光及びストークス光の生成＞
Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ、出力１４．５Ｗ）を用いてモード同期チタンサファイアレーザ（波長８００ｎｍ、パルス幅２ｐｓ、出力３．８Ｗ、パルス繰り返し７６．１ＭＨｚ）を励起し、得られた出力を２つに分割して、励起光用のＯＰＯ-Ｉとストークス光用のＯＰＯ-IIとに導入した。【０１３２】
ＯＰＯ-Ｉの出力を波長１１００ｎｍに固定して、誘導ラマン散乱過程における励起光及び干渉信号を得るための参照光として使用した。以下では、参照光をＯＰＯ-Ｉの局所発振光（ＬＯ：Local Oscillator）と称する。ＯＰＯ-IIの出力を１１００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲で可変とした。ＯＰＯ-IIの出力波長は、ＯＰＯ-Ｉの出力波長とは独立に変更される。ＯＰＯ-Ｉの出力光の振動数をωｐとし、ＯＰＯ-IIの出力光の振動数ωｓとしたとき、試料中の標的分子の固有振動数Ωが、Ω＝ωｐ−ωｓの関係を満たすように、ＯＰＯ-IIの出力光の波長を設定し、設定された波長の出力光をストークス光として使用した。【０１３３】
＜ストークス光の振幅変調＞
ＯＰＯ-IIからの出力（ストークス光）をＩｎＧａＡｓフォトダイオードで検出し、オシロスコープ（TEKTRONIKS社製の製品名「MDO 4104-6」）に取り込んだ結果を図１５に示す。縦軸は光強度（Intensity）を表す。単位は任意単位（a.u.）である。横軸は時間を表す。単位はマイクロ秒（μｓ）である。図１５に示すように、ＯＰＯ-IIから光パルスが１３ナノ秒（ｎｓ）の間隔で出力されており、その強度がほぼ一様であることがわかる。この出力に対して、振幅変調用のＥＯＭによって３ＭＨｚのサイン関数で変調をかけたときの結果を図１６に示す。図１５と同様に、縦軸は光強度（Intensity）を表し、横軸は時間を表す。図１６に示すように、光パルスの強度が周期的に変化しており、２マイクロ秒（μｓ）の時間内に６周期含まれていることが分かる。この変化の周波数が３ＭＨｚに対応する。【０１３４】
＜参照光の周波数変調＞
周波数変調用のＥＯＭによる変調をかけていないＯＰＯ-Ｉの局所発振光（ＬＯ）を、ミックスドドメインオシロスコープ（TEKTRONIKS社製の製品名「MDO 4104-6」）に取り込み、周波数領域でのスペクトルを得た結果を図１７に示す。縦軸は光強度（Intensity）を表す。単位はデシベル（ｄＢ）である。横軸は周波数（Frequency）を表す。単位はＭＨｚである。図１７に示すスペクトルにおいて、７６．１ＭＨｚに見られるシャープなバンドは、レーザのパルス繰り返し周波数に対応する。この出力に対して、周波数変調用のＥＯＭを用いて２０ＭＨｚのサイン関数で変調をかけた結果を図１８に示す。図１７と同様に、縦軸は光強度（Intensity）を表し、横軸は周波数（Frequency）を表す。図１８に示すように、周波数５６．１ＭＨｚと９６．１ＭＨｚとにバンドが見られ、元の周波数７６．１ＭＨｚのレーザ出力に対して２０ＭＨｚの変調がかかっていることが分かる。即ち、ＥＯＭを用いて数十ＭＨｚの周波数変調をかけることが可能であることが実証された。【０１３５】
＜誘導ラマン散乱信号の検出＞
試験試料としてポリスチレンフィルム（旭化成ケミカルズ社製の製品名「ＯＰＳフィルム（ＧＭグレード）」、厚さ１００μｍ（＝２５μｍ×４層）)を用い、ポリスチレンのベンゼン環呼吸振動の固有振動数（１００３ｃｍ−１）を、誘導ラマン散乱の共鳴対象として選択した。励起光の波長を１１００ｎｍに固定し、ストークス光の波長を１１００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で変化させながら、励起光とストークス光とを照射した。励起光とストークス光とを両光が試料内で交差するように照射した。励起光とストークス光との遅延時間を掃引した結果を図１９に示す。縦軸は光強度（Intensity）を表す。単位は任意単位（a.u.）である。横軸は遅延時間（Time delay）を表す。単位はピコ秒（ｐｓ）である。【０１３６】
図１９に示すように、ストークス光の波長が１２３６．０ｎｍ（振動数差１０００．３ｃｍ−１）のときに共鳴し、遅延時間０ｐｓ付近に下向きの誘導ラマン散乱（誘導ラマンロス）による信号が得られた。また、ストークス光の波長が１２４０．０ｎｍ（振動数差１０２６．４ｃｍ−１）、１２３２．０ｎｍ（振動数差９７４．０ｃｍ−１）になると非共鳴となり、誘導ラマン散乱による信号が消失した。ストークス光の波長を１２３６．４ｎｍ（振動数差１００２．９ｃｍ−１）に戻すと共鳴が再現されて、誘導ラマン散乱による信号が得られた。即ち、励起光とストークス光の両方に１０００ｎｍ以上の近赤外光を用いて、上記の試料内から誘導ラマン散乱信号を観測することができた。【０１３７】
＜誘導ラマン散乱干渉信号の取得＞
上記した通り、ポリスチレンのベンゼン環呼吸振動の固有振動数（１００３ｃｍ−１）を誘導ラマン散乱の共鳴対象として、誘導ラマン散乱光と参照光との光ヘテロダイン干渉による干渉信号の観測を行った。ＯＰＯ-Ｉの出力を波長１１００ｎｍに固定して、誘導ラマン散乱過程における励起光及び参照光（局所発振光ＬＯ）として用いた。ＯＰＯ-IIの出力を波長１２３６ｎｍに固定して、誘導ラマン散乱過程におけるストークス光として用いた。ストークス光にはＥＯＭにより３ＭＨｚのサイン関数で振幅変調をかけた。参照光ＬＯにはＥＯＭにより１０ＭＨｚのサイン関数で周波数変調をかけた。【０１３８】
励起光と振幅変調されたストークス光とを、光軸が試料内で交差するように集光して試験試料に照射して、共鳴による誘導ラマン散乱過程を実現した。試験試料から観測される波長１１００ｎｍの光には、３ＭＨｚの周波数で増減を繰り返す誘導ラマンロス信号（ＳＲＬ光)が含まれることになる。ＳＲＬ光と参照光ＬＯとが光検出器の受光面上で重なり合うように、ＳＲＬ光と周波数変調された参照光ＬＯとを光軸を合せて光検出器に入射させた。【０１３９】
ＳＲＬ光と周波数変調された参照光ＬＯとが光ヘテロダイン干渉することで、うなり周波数ｆとストークス光の振幅変調周波数ｆ´との和もしくは差の周波数ｆ±ｆ´の干渉信号が検出される。ここでは、共鳴時の周波数Ｆｉ−ＳＲＳの干渉信号を検出した。周波数Ｆｉ−ＳＲＳは下記式で与えられる。【０１４０】
【数４】
0006008299.tif 000005
【０１４１】
ここで、７６．１ＭＨｚは元来のレーザ光パルスの繰り返し周波数である。１０ＭＨｚは参照光ＬＯにかけた変調の周波数ｆである。３ＭＨｚはストークス光にかけた変調の周波数ｆ´である。【０１４２】
ミックスドドメインオシロスコープの検出周波数を、６３．１±０．１ＭＨｚの範囲に調整した。これにより、周波数Ｆｉ−ＳＲＳの干渉信号が抽出される。【０１４３】
ＳＲＬ光と参照光ＬＯとの間の遅延を微動光学遅延装置によって１０ｎｍずつ変化させながら、観測される干渉信号の光強度をプロットした結果を図２０に示す。縦軸は光強度（Intensity）を表す。単位は任意単位（a.u.）である。横軸は相対的な遅延（Relative delay）を表す。単位はｎｍである。また、励起光の波長を１１００ｎｍとし、ストークス光の波長を１２３６ｎｍとして、固有振動数１０００．３ｃｍ−１に対する共鳴による誘導ラマン散乱を観測した。【０１４４】
干渉信号が微弱であるため、１時間のあいだ積算を行った。また、干渉信号をサイン関数で最小二乗法によりフィッティングした結果を同時に太い実線で示した。図２０に見られるように、現時点では微弱ではあるが、ＳＲＬ光と参照光ＬＯとの干渉パターンが観測された。【０１４５】
なお、ＳＲＬ光と参照光ＬＯとの干渉パターンは、共鳴による誘導ラマン散乱が生じている場合にのみ観測された。非共鳴時にはＳＲＬ光が発生せず、図２１に示すように、ノイズのみが観測された。図２０と同様に、縦軸は光強度（Intensity）を表し、横軸は相対的な遅延（Relative delay）を表す。なお、励起光の波長を１１００ｎｍとし、ストークス光の波長を１２３０ｎｍとした。このとき、励起光とストークス光との振動数差は９６０．８ｃｍ−１であり、非共鳴状態となった。
【図２Ａ】
0006008299.tif 000006
【図２Ｂ】
0006008299.tif 000007
【図４】
0006008299.tif 000008
【図７Ａ】
0006008299.tif 000009
【図７Ｂ】
0006008299.tif 000010
【図７Ｃ】
0006008299.tif 000011
【図７Ｄ】
0006008299.tif 000012
【図８】
0006008299.tif 000013
【図１０】
0006008299.tif 000014
【図１１Ａ】
0006008299.tif 000015
【図１１Ｂ】
0006008299.tif 000016
【図１２】
0006008299.tif 000017
【図１３】
0006008299.tif 000018
【図１４】
0006008299.tif 000019
【図１５】
0006008299.tif 000020
【図１６】
0006008299.tif 000021
【図１７】
0006008299.tif 000022
【図１８】
0006008299.tif 000023
【図１９】
0006008299.tif 000024
【図２０】
0006008299.tif 000025
【図２１】
0006008299.tif 000026
【図２２】
0006008299.tif 000027
【図２３】
0006008299.tif 000028
【図２４】
0006008299.tif 000029
【図１】
0006008299.tif 000030
【図３Ａ】
0006008299.tif 000031
【図３Ｂ】
0006008299.tif 000032
【図３Ｃ】
0006008299.tif 000033
【図３Ｄ】
0006008299.tif 000034
【図５】
0006008299.tif 000035
【図６Ａ】
0006008299.tif 000036
【図６Ｂ】
0006008299.tif 000037
【図９】
0006008299.tif 000038