(57)【要約】【課題】テラヘルツ波を用いて細胞等の試料の画像を高い空間分解能で短時間に取得できるとともに、簡単かつ小型にできる観察装置を提供する。【解決手段】非線形光学結晶からなる試料載置台２１を備える試料保持部２０を有し、試料保持部２０の内部においてテラヘルツ波を試料載置台２１の試料載置面２１ａに照射して全反射させる第１の照射系と、テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状のプローブ光を、試料保持部２０を経て試料載置面２１ａのテラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねて照射する第２の照射系と、試料載置面２１ａで反射されて試料保持部２０から射出さえるプローブ光の偏光状態を検出して試料載置台２１に載置された試料Ｓａの画像を生成する検出系と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶からなる試料載置台を備える試料保持部を有し、該試料保持部の内部においてテラヘルツ波を前記試料載置台の試料載置面に照射して全反射させる第１の照射系と、
前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状のプローブ光を、前記試料保持部を経て前記試料載置面の前記テラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねて照射する第２の照射系と、
前記試料載置面で反射されて前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出して前記試料載置台に載置された試料の画像を生成する検出系と、
を備える観察装置。
【請求項２】
前記試料保持部は、前記試料載置台の前記試料載置面とは反対側の面に接合された光学素子を有し、
前記第１の照射系は、前記光学素子から前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記テラヘルツ波を照射して全反射させ、
前記第２の照射系は、前記光学素子及び前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記プローブ光を照射し、
前記検出系は、前記試料載置台及び前記光学素子を経て前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出する、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記光学素子は、非線形光学結晶からなり、
前記第１の照射系は、前記光学素子にポンプ光を入射させて該光学素子内で前記テラヘルツ波を発生させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記第１の照射系は、前記試料載置台にポンプ光を入射させて該試料載置台内で前記テラヘルツ波を発生させて、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項５】
前記プローブ光及び前記ポンプ光は、近赤外光である、
請求項３又は４に記載の観察装置。
【請求項６】
前記第１の照射系は、前記光学素子にテラヘルツ波を入射させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項７】
前記試料保持部は、前記試料載置面と前記プローブ光の入射面とが平行である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の観察装置。
【請求項８】
前記試料載置面に前記テラヘルツ波及び前記プローブ光が同軸で照射される、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の観察装置。
【請求項９】
前記検出系は、前記試料載置台に前記試料が載置された状態と、載置されていない状態との前記プローブ光の偏光状態の差分に基づいて前記試料の画像を生成する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記試料載置面は、前記プローブ光の反射コートを有する、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を使用して試料を観察する観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を利用した分光測定技術が開発されている。テラヘルツ波は、半導体やアミノ酸結晶などの固体試料の評価のみならず、水溶液のイオン濃度や水の温度変化に対しても感度を有することから、水溶液や水を多く含む生体試料の測定技術としても注目されている。しかし、テラヘルツ波は水による吸収が非常に強く、透過測定による観察の場合は、試料の厚さを非常に薄くするなどの手間がかかる。また、テラヘルツ波は、可視光と比べて波長が非常に長いため、空間分解能が悪い。
【０００３】
これに対し、例えばエバネッセント波を利用できる全反射光学系を用いたセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このセンサ装置を用いれば、テラヘルツ波の試料への入射深度を浅くすることができることから、水を多く含む試料に対してもテラヘルツ波による観察が容易となる。また、微小開口を用いてテラヘルツ波を試料に入射させることにより、テラヘルツ波の全反射面（試料載置面）に平行な方向に対しても回折限界を超える分解能を実現することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９０３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示のセンサ装置は、回折限界を超える高い空間分解能で試料のイメージングを行う場合、センサ装置に対して試料を空間走査する必要がある。そのため、画像取得に時間がかかるとともに、試料が接着性を有する細胞等の場合は、走査が困難となって観察できない場合がある。また、走査機構を要するため、構成が複雑となり、装置が大型化することも懸念される。
【０００６】
したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、テラヘルツ波を用いて細胞等の試料の画像を高い空間分解能で短時間に取得できるとともに、簡単かつ小型にできる観察装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る観察装置は、
非線形光学結晶からなる試料載置台を備える試料保持部を有し、該試料保持部の内部においてテラヘルツ波を前記試料載置台の試料載置面に照射して全反射させる第１の照射系と、
前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状のプローブ光を、前記試料保持部を経て前記試料載置面の前記テラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねて照射する第２の照射系と、
前記試料載置面で反射されて前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出して前記試料載置台に載置された試料の画像を生成する検出系と、
を備えるものである。
【０００８】
前記試料保持部は、前記試料載置台の前記試料載置面とは反対側の面に接合された光学素子を有し、
前記第１の照射系は、前記光学素子から前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記テラヘルツ波を照射して全反射させ、
前記第２の照射系は、前記光学素子及び前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記プローブ光を照射し、
前記検出系は、前記試料載置台及び前記光学素子を経て前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出する、とよい。
【０００９】
前記光学素子は、非線形光学結晶からなり、
前記第１の照射系は、前記光学素子にポンプ光を入射させて該光学素子内で前記テラヘルツ波を発生させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、とよい。
【００１０】
前記第１の照射系は、前記試料載置台にポンプ光を入射させて該試料載置台内で前記テラヘルツ波を発生させて、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、とよい。
【００１１】
前記プローブ光及び前記ポンプ光は、近赤外光である、とよい。
【００１２】
前記第１の照射系は、前記光学素子にテラヘルツ波を入射させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、とよい。
【００１３】
前記試料保持部は、前記試料載置面と前記プローブ光の入射面とが平行である、とよい。
【００１４】
前記試料載置面に前記テラヘルツ波及び前記プローブ光が同軸で照射される、とよい。
【００１５】
前記検出系は、前記試料載置台に前記試料が載置された状態と、載置されていない状態との前記プローブ光の偏光状態の差分に基づいて前記試料の画像を生成する、とよい。
【００１６】
前記試料載置面は、前記プローブ光の反射コートを有する、とよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、テラヘルツ波を用いて細胞等の試料の画像を高い空間分解能で短時間に取得できるとともに、簡単かつ小型にできる観察装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。
【図２】図１の部分詳細図である。
【図３】第２実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。
【図４】図３の部分詳細図である。
【図５】第３実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。
【図６】第４実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。
【図７】第５実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。この観察装置は、試料を顕微観察するものである。図１において、レーザ光源１１は、フェムト秒近赤外パルスレーザ光を射出するもので、例えば広帯域の近赤外パルスレーザ光を発振するチタンサファイアレーザが用いられる。レーザ光源１１から射出されるフェムト秒近赤外パルスレーザ光は、ビームスプリッタ１２によりポンプ光とプローブ光とに分岐される。ポンプ光は、パルスフロント傾斜光学系１３に入射される。パルスフロント傾斜光学系１３は、例えば回折格子及びレンズ等を含んで構成され、入射するポンプ光のパルスフロントを傾斜させて射出する（例えば、特開２０１１−２０３３３９号公報参照）。パルスフロント傾斜光学系１３から射出されるポンプ光は、試料Ｓａを保持する試料保持部２０に、その側面から入射される。
【００２１】
一方、ビームスプリッタ１２で分岐されたプローブ光は、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、ビームエキスパンダ３３、集光レンズ３４、反射ミラー３５及び対物レンズ３６を経て、平行光として試料保持部２０の下面から対物レンズ３６の光軸に対して斜め方向に試料保持部２０内に入射される。また、試料保持部２０内で反射されて試料保持部２０の下面から射出されるプローブ光は、対物レンズ３６、結像レンズ４０、１／４波長板４１及び１／２波長板４２を経て偏光ビームスプリッタ４３に入射されて、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐される。そして、分岐されたＳ偏光成分及びＰ偏光成分は、光路調整光学系４４及び４５により光路長が等しくなるよう光路調整された後、偏光ビームスプリッタ４６から平行に射出されてカメラ４７の撮像素子４８の異なる受光領域に結像され、その撮像素子４８の出力が信号処理回路４９で処理されて、試料Ｓａのテラヘルツ波による画像が生成される。
【００２２】
図２は、図１の試料保持部２０及び対物レンズ３６の部分詳細図である。試料保持部２０は、試料Ｓａを載置する試料載置面２１ａを有する試料載置台２１と、試料載置台２１の試料載置面２１ａとは反対側の面に接合された光学素子２２とを有する。光学素子２２は、例えば接着剤により試料載置台２１に接合してもよいし、試料載置台２１に着脱自在に接合してもよい。試料載置面２１ａには、プローブ光を反射させる反射コート２３が形成され、この反射コート２３上に試料Ｓａが載置される。試料載置台２１及び光学素子２２は、それぞれ平板状に形成され、試料載置面２１ａとプローブ光が入射する光学素子２２の入射面２２ａ（試料保持部２０の下面）とが平行となっている。したがって、試料保持部２０の全体が平板状となっている。
【００２３】
試料載置台２１及び光学素子２２は、ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。図１のパルスフロント傾斜光学系１３から射出されるポンプ光は、光学素子２２の側面２２ｂから、該側面２２ｂに対してほぼ垂直に入射される。光学素子２２は、入射されるポンプ光を伝播して、傾斜したパルスフロントの集光位置において差周波混合によりテラヘルツ波のパルスを発生させる（チェレンコフ放射現象）。光学素子２２内でパルス状に発生したテラヘルツ波は、試料載置台２１を経て試料載置面２１ａで全反射される。
【００２４】
一方、対物レンズ３６により光学素子２２の入射面２２ａから試料保持部２０に斜め照射される平行光のプローブ光は、光学素子２２及び試料載置台２１を経てテラヘルツ波とほぼ同軸に伝播されて、試料載置面２１ａの反射コート２３で全反射される。反射コート２３で全反射されたプローブ光は、試料載置台２１及び光学素子２２を経て試料保持部２０の下面（光学素子２２の入射面２２ａ）から射出されて、対物レンズ３６を経て結像レンズ４０（図１参照）に導かれる。
【００２５】
ここで、光学素子２２の結晶軸は、テラヘルツ波を効率よく発生させるため、図２において、対物レンズ３６の光軸方向をＺ、光学素子２２内でのポンプ光の伝播方向をＹ、ＺＹと直交する方向をＸとするとき、Ｙ軸を中心に９０°回転した方向となっている。また、ポンプ光の偏光方向は、光学素子２２の結晶軸のＺ方向としている。これにより、光学素子２２内で高強度のテラヘルツ波が放射され、その放射角（チェレンコフ角）θはポンプ光の伝播方向に対して約６０°となる。この場合、試料載置面２１ａへのテラヘルツ波の入射角は約３０°となるが、試料載置面２１ａ上に載置される試料Ｓａの屈折率ｎが、例えばｎ＝２．１とすると、全反射の臨界角は約２４°となるので（試料載置台２１の屈折率を５．１１として算出）、発生したテラヘルツ波を試料載置面２１ａで全反射させることができる。
【００２６】
これに対し、試料載置台２１の結晶軸は、試料Ｓａで変調されるテラヘルツ波成分を検出するため、光学素子２２の結晶軸に対してプローブ光のＸＹ面内で約４５°回転している。これにより、プローブ光は試料載置台２１を伝播中に、テラヘルツ波電場で誘起された試料載置台２１の複屈折（電気光学効果）によって偏光が変化するが、光学素子２２にではテラヘルツ波電場による屈折率変化は非常に小さく、その影響をほとんど受けなくすることができる。すなわち、テラヘルツ波によるプローブ光の偏光変化は試料載置台２１のみで生じるとみなすことができる。
【００２７】
本実施の形態において、第１の照射系は、レーザ光源１１、パルスフロント傾斜光学系１３及び試料保持部２０を含んで構成されている。第２照射系は、レーザ光源１１、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、ビームエキスパンダ３３、集光レンズ３４、反射ミラー３５、対物レンズ３６及び試料保持部２０を含んで構成されている。検出系は、対物レンズ３６、結像レンズ４０、１／４波長板４１、１／２波長板４２、偏光ビームスプリッタ４３、光路調整光学系４４、４５、偏光ビームスプリッタ４６、カメラ４７及び信号処理回路４９を含んで構成されている。
【００２８】
そして、第１の照射系において、試料保持部２０の光学素子２２へのポンプ光の入射により光学素子２２内で発生したテラヘルツ波が試料載置面２１ａで全反射する際に、試料載置面２１ａから染み出したエバネッセント成分が試料と相互作用して減衰・位相遅れが生じるため、全反射後のテラヘルツ波成分は試料Ｓａの情報を含んでいる。よって、光学結晶２２から出射されたプローブ光の偏光変化を検出することで、試料Ｓａで変調されたテラヘルツ波成分に基づいて試料Ｓａの画像を生成することができる。ここで、テラヘルツ波によるプローブ光の偏光変化は試料載置台２１でのみ生じるので、試料載置台が薄い場合には試料の極近傍（近接場領域）でテラヘルツ波を検出できることとなり、空間分解能を回折限界よりも高めることができる。なお、試料載置面２１ａに照射されるプローブ光の偏光方向は、試料載置台２１で生じる複屈折によって偏光状態が大きく変化するように、１／２波長板３１によって予め調整される。
【００２９】
ここで、検出系を構成する１／４波長板４１及び１／２波長板４２は、試料載置台２１にテラヘルツ波が入射されていない状態で、試料保持部２０を経て偏光ビームスプリッタ４３に入射されるプローブ光の偏光が４５度傾いた直線偏光となるように調整されるとよい。このように調整すると、試料載置台２１にテラヘルツ波が入射されていない状態では、偏光ビームスプリッタ４３により偏光分離されるプローブ光のＳ偏光とＰ偏光との強度比は１：１となり、カメラ４７には等しい強度のＳ偏光成分及びＰ偏光成分のプローブ光の像が形成される。これに対し、試料載置台２１にテラヘルツ波が入射して試料載置台２１に複屈折が生じた状態では、プローブ光の偏光が複屈折により変化して楕円偏光となり、結果として偏光ビームスプリッタ４３で分離されるＳ偏光成分とＰ偏光成分との強度比が変化して、撮像素子４８に結像される像の強度比もそれに応じて変化する。
【００３０】
したがって、信号処理回路４９において、撮像素子４８で取得されるＳ偏光成分の像とＰ偏光成分の像との差を演算すれば、テラヘルツ波が試料載置台２１に入射していない状態では、Ｓ偏光とＰ偏光との信号強度が等しいため、信号強度差はゼロとなる。これに対し、テラヘルツ波が試料載置台２１に入射したときには、Ｓ偏光とＰ偏光との信号強度差はゼロではなくなる。すなわち、テラヘルツ波の電場振幅強度となる。
【００３１】
このように、試料載置台２１を伝播したプローブ光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の像を撮像素子４８に結像させれば、つまり撮像素子４８を試料載置台２１の内部と光学的に共役な関係になるように配置すれば、試料載置台２１に入射したテラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することができる。しかも、試料載置台２１に入射するテラヘルツ波は、試料Ｓａで変調されて試料Ｓａの情報が転写されたものとなるので、テラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することにより試料Ｓａを顕微観察することが可能となる。また、必要に応じて、プローブ光の光路にある光路調整光学系３２より、プローブ光とテラヘルツ波との相対時間差を変化させる。これにより、検出されるテラヘルツ波の時間を掃引して、信号処理回路４９においてテラヘルツ波の時間変化を画像のシーケンスとして検出することができる。また、信号処理回路４９において、必要に応じて、検出した画像のシーケンスをフーリエ変換して、周波数スペクトル画像を生成することもできる。
【００３２】
なお、試料Ｓａの画像は、試料載置台２１に試料Ｓａが載置された状態と、載置されていない状態とのプローブ光の偏光状態の差分に基づいて、試料Ｓａの画像を生成してもよい。つまり、試料載置台２１に試料Ｓａが載置されていない状態で試料載置台２１にテラヘルツ波とプローブ光とを照射した際に得られる画像情報と、試料載置台２１に試料Ｓａを載置した状態で試料載置台２１にテラヘルツ波とプローブ光とを照射した際に得られる画像情報とを取得し、両者の画像情報の差分から試料Ｓａの画像を生成してもよい。このようにすれば、バックグランドの画像が差し引かれた試料Ｓａの高精度の画像を得ることができる。
【００３３】
本実施の形態に係る観察装置によると、反射型の顕微鏡で細胞等の試料Ｓａの高い空間分解能を有する顕微鏡画像を、イメージングのために試料Ｓａを空間走査することなく、短時間で取得することができる。また、光学素子２２内でチェレンコフ放射現象によってポンプ光の伝播方向から斜め方向に放射される高強度のテラヘルツ波を、そのまま試料載置面２１ａに照射して全反射させるようにしているので、構成を単純化することができる。さらに、ポンプ光が試料Ｓａに照射されないので、ポンプ光によって試料Ｓａが影響されることがない。したがって、テラヘルツ波による試料Ｓａの高精度の画像が得られる。
【００３４】
また、試料保持部２０を構成するテラヘルツ波発生用の光学素子２２及びテラヘルツ波検出用の試料載置台２１は、例えば結晶軸を異ならせた単一の非線形光学素子で構成できるので、高強度テラヘルツ波発生と近接場イメージングとの両方を簡単に実現することができる。また、試料保持部２０を平板状とすることにより、対物レンズ３６と試料Ｓａとの僅かな空間（ワーキングディスタンス）に容易に挿入でき、例えば対物レンズと試料との間にビームスプリッタを配置して、テラヘルツ波とプローブ光との合波や分波を行う場合と比較して、顕微観察の収差に大きな影響を及ぼすこともない。また、試料保持部２０は、光学素子２２に対して試料載置台２１を着脱自在に構成すれば、装置の性能を安定に保つことができ、これにより性能管理が簡単となり、コスト低減が図れる。なお、試料載置台２１および光学素子２２の材料としてはＬｉＴａＯ３など他の種類の結晶材料を用いてもよい。また、試料載置台２１と光学素子２２間の屈折や試料載置面２１ａでの全反射臨界角を考慮したつつ上で、屈折率が近い異なる種類の結晶を試料載置台２１と光学素子２２にそれぞれ配置するようにしてもよい。また、図１ではプローブ光を対物レンズに入射する際に反射ミラー３５を用いているが、無偏光ビームスプリッタを用いて素子２０から出射した成分と分離してもよい。
【００３５】
（第２実施の形態）
図３は、第２実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。本実施の形態に係る観察装置は、第１の照射系として、ビームスプリッタ１２によって分岐されたポンプ光を入射してテラヘルツ波のパルスを発生するテラヘルツ波発生光学系５０を有する。テラヘルツ波発生光学系５０は、ポンプ光調整光学系５１、テラヘルツ波発生素子５２及びテラヘルツ波集光光学系５３を有して構成される。ビームスプリッタ１２からのポンプ光は、ポンプ光調整光学系５１を経てテラヘルツ波発生素子５２に入射される。これにより、テラヘルツ波発生素子５２からテラヘルツ波パルスが放射される。
【００３６】
ここで、テラヘルツ波発生素子５２は、非線形光学結晶や光伝導アンテナなどが利用可能である。ポンプ光調整光学系５１は、使用されるテラヘルツ波発生素子５２に応じて適切に構成される。例えば、テラヘルツ波発生素子５２が光伝導アンテナで構成される場合、ポンプ光調整光学系５１は図３に示すようにレンズを用いて構成される。また、テラヘルツ波発生素子５２が高強度テラヘルツ波を発生させる非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３等で構成される場合、ポンプ光調整光学系５１は回折格子などの光学素子を有する図１に示したようなパルスフロント傾斜光学系により構成されるとよい。
【００３７】
テラヘルツ波発生素子５２で発生されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波集光光学系５３を経て試料Ｓａを保持する試料保持部２０に、その側面から入射される。なお、テラヘルツ波集光光学系５３は、テラヘルツ波を透過させるプラスチック製のレンズや放物面鏡などにより構成される。
【００３８】
一方、第２の照射系は、ビームエキスパンダ３３で所定の光束径に調整されたプローブ光が、無偏光ビームスプリッタ６０、結像レンズ６１及び対物レンズ３６を経て、平行光として試料保持部２０の下面から対物レンズ３６の光軸方向に沿って試料保持部２０内に垂直に入射されるように構成される。また、検出系は、試料保持部２０内で反射されて試料保持部２０の下面から射出されるプローブ光が、対物レンズ３６、結像レンズ６１及び無偏光ビームスプリッタ６０を経て１／４波長板４１に入射されるように構成される。
【００３９】
また、試料保持部２０は、図４に部分詳細図を示すように、第１実施の形態の場合と同様に、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の非線形光学結晶からなる平板状の試料載置台２１及び光学素子２２と、試料載置台２１の試料載置面２１ａ上に形成されたプローブ光の反射コート２３とを有する。本実施の形態において、光学素子２２は、側面２２ｂから入射されるテラヘルツ波を屈折させて、試料載置台２１を経てその試料載置面２１ａで全反射させるプリズムとして作用する。そのため、テラヘルツ波が入射する光学素子２２の側面２２ｂは、テラヘルツ波の中心光線に対して傾斜して形成されている。
【００４０】
その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、第１実施の形態と同一構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態において、試料保持部２０に入射されたテラヘルツ波が、試料載置面２１ａに照射されて全反射すると、第１実施の形態の場合と同様に、試料Ｓａにエバネッセント光が染み出して試料Ｓａと相互作用する。これにより、テラヘルツ波が試料Ｓａによって変調されて、試料載置台２１内に複屈折が生じ、プローブ光の偏光が変化する。したがって、第１実施の形態で説明したと同様に、プローブ光の偏光の変化を検出すれば、試料Ｓａで変調されたテラヘルツ波成分に基づいて試料Ｓａの画像を生成することができる。
【００４２】
本実施の形態によると、試料載置面２１ａに対してテラヘルツ波とプローブ光とが同軸で作用しないため、第１実施の形態の場合と比較してテラヘルツ波成分の検出効率は落ちるが、テラヘルツ波発生光学系５０により大口径のテラヘルツ波を発生させることができる。そして、テラヘルツ波発生光学系５０で発生されたテラヘルツ波を集光して高強度のテラヘルツ波として、光学素子２２に入射させて試料載置面２１ａで全反射させることができるので、検出効率の低下を補うだけの信号強度の向上を実現することが可能となる。なお、検出光率の低下は、試料載置台２１の厚さを薄くすることにより、その影響を低減することもできる。また、プローブ光は、対物レンズ３６によりその光軸方向から照射（垂直照射）されるので、第２の照射系や検出系を構成する光学素子の配置等が容易になり、構成を簡単にできる。
【００４３】
（第３実施の形態）
図５は、第３実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。本実施の形態に係る観察装置は、第２実施の形態において、試料載置面２１ａに対してテラヘルツ波とプローブ光とを同軸で作用させるようにしたものである。そのため、第２の照射系は、プローブ光を第１実施の形態の場合と同様に、対物レンズ３６により斜め照射して光学素子２２の入射面２２ａに入射させるように構成され、検出系も第１実施の形態と同様に構成される。また、第１の照射系を構成する試料保持部２０の光学素子２２は、側面２２ｂから入射されるテラヘルツ波が、側面２２ｂで屈折した後、入射面２２ａで全反射されてプローブ光と同軸で試料載置面２１ａに照射させるように形成される。その他の構成は、第２実施の形態と同様である。
【００４４】
本実施の形態によると、第２実施の形態と同様に、テラヘルツ波発生光学系５０（図３参照）から発生される高強度のテラヘルツ波を利用することができ、しかも、第１実施の形態と同様に、試料載置面２１ａに対してテラヘルツ波とプローブ光とを同軸で作用させるようにしたので、信号強度及び検出光率を向上することができる。
【００４５】
（第４実施の形態）
図６は、第４実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。本実施の形態に係る観察装置は、第３実施の形態において、試料保持部２０が、試料載置台２１と、試料載置台２１の試料載置面２１ａ上に形成されたプローブ光の反射コート２３とから構成されている。すなわち、試料保持部２０は、第１〜３実施の形態で示した光学素子２２が省略されている。プローブ光は、対物レンズ３６により試料載置台２１の下面（入射面）２１ｂに斜め照射される。また、テラヘルツ波発生光学系５０（図３参照）から発生される高強度のテラヘルツ波は、試料載置台２１の側面２１ｃから入射される。側面２１ｃは、入射されるテラヘルツ波が側面２１ｃで屈折した後、下面２１ｂで全反射されてプローブ光と同軸で試料載置面２１ａに照射させるように形成される。その他の構成は、第３実施の形態と同様である。
【００４６】
本実施の形態によると、試料載置台２１の側面２１ｃからテラヘルツ波を入射するため、上記第１〜３実施例と比べて試料載置台２１の厚さが厚くなりうるが、試料Ｓａの近接場領域でテラヘルツ波を検出できるため高い空間分解能を実現でき、且つ試料保持部２０を１つの非線形光学素子を用いて形成できるので、より簡単に構成できるとともに、コストダウンが図れる利点がある。
【００４７】
（第５実施の形態）
図７は、第５実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。本実施の形態に係る観察装置は、第１実施の形態において、試料保持部２０が、試料載置台２１と、試料載置台２１の試料載置面２１ａ上に形成されたプローブ光の反射コート２３とから構成され、試料載置台２１の側面２１ｃからポンプ光が入射される。本実施の形態において、試料載置台２１は、入射されるポンプ光を伝播して、傾斜したパルスフロントの集光位置において差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる機能と、プローブ光によりテラヘルツ波成分を検出する機能とを有する。したがって、試料載置台２１の結晶軸は、上記の両機能の効率を考慮して適宜設定される。試料載置台２１内で発生したテラヘルツ波は、試料載置面２１ａで全反射される。また、プローブ光は、対物レンズ３６により試料載置台２１の下面２１ｂに斜め照射されて、テラヘルツ波と同軸で試料載置面２１ａに照射させる。その他の構成は、第１実施の形態と同様である。
【００４８】
本実施の形態によると、第４実施の形態と同様に、試料保持部２０を１つの非線形光学素子を用いて形成できるので、より簡単に構成できるとともに、コストダウンが図れる利点がある。
【００４９】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第２実施の形態及び第３実施の形態において、試料保持部２０を構成する光学素子２２は、試料載置台２１と同一材料に限らず、屈折率が試料載置台２１に近く、かつテラヘルツ波及びプローブ光が透過する任意の材料で形成することができる。また、上記各実施の形態において、試料保持部２０の反射コート２３は省略してもよく、第１〜３実施の形態の光学結晶２２の入射面２２ａおよび第４、第５の実施の形態の試料載置台２１の下面２１ｂにプローブ光用の反射防止膜が成膜されていてもよい。さらに、第１実施の形態及び第３〜５実施の形態において、プローブ光は、試料Ｓａに対するテラヘルツ波の照射領域と一部重なれば、必ずしもテラヘルツ波と同軸で照射されなくてもよい。
【００５０】
また、第１の照射系、第２の照射系及び検出系は、上述した構成に限らない。例えば、第１の照射系は、試料保持部２０の内部においてテラヘルツ波を試料載置台２１の試料載置面２１ａに照射して全反射させる構成であればよい。第２の照射系は、試料保持部２０を経て試料載置面２１ａのテラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねてプローブ光を照射させる構成であればよい。検出系は、試料載置面２１ａで反射されて試料保持部２０から射出されるプローブ光の偏光状態を検出して試料Ｓａの画像を生成する構成であればよい。
【００５１】
また、上述した実施の形態では、フェムト秒近赤外パルスレーザ光を用いてテラヘルツ波パルスを発生させるようにしたが、２つの異なる発振周波数を持つ連続波のレーザ光を用いて差周波に相当する単色のテラヘルツ波を発生させてもよい。この場合のレーザ光源としては、２波長の光を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ励起のＫＴＰ−ＯＰＯ（Optical-Parametric-Oscillator）光源や、２台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１  レーザ光源
１２  ビームスプリッタ
１３  パルスフロント傾斜光学系
２０  試料保持部
２１  試料載置台
２１ａ  試料載置面
２１ｂ  下面（入射面）
２２  光学素子
２２ａ  入射面
２２ｂ  側面
２３  反射コート
３１  １／２波長板
３２  光路調整光学系
３３  ビームエキスパンダ
３４  集光レンズ
３５  反射ミラー
３６  対物レンズ
４０  結像レンズ
４１  １／４波長板
４２  １／２波長板
４３、４６  偏光ビームスプリッタ
４４、４５  光路調整光学系
４７  カメラ
４８  撮像素子
４９  信号処理回路
５０  テラヘルツ波発生光学系
５１  ポンプ光調整光学系
５２  テラヘルツ波発生素子
５３  テラヘルツ波集光光学系
６０  無偏光ビームスプリッタ
６１  結像レンズ
【図１】
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【図２】
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【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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