特許 6255257 計測装置及び計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6255257

(24)【登録日】2017年12月8日

(45)【発行日】2017年12月27日

(54)【発明の名称】計測装置及び計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20171218BHJP

   G02F 1/39 20060101ALI20171218BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/65

   G02F1/39

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-13438(P2014-13438)

(22)【出願日】2014年1月28日

(65)【公開番号】特開2015-141282(P2015-141282A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2017年1月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】504013775

【氏名又は名称】学校法人 埼玉医科大学

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(72)【発明者】

【氏名】戸井田 昌宏

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１７４５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５０４７６６８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０１９２９６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６０４４０９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１１７１２６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０５１３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８６８５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／７４

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１−７／００

Ａ６１Ｂ ３／００−３／１８

Ａ６１Ｂ ９／００−１０／０６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプ光を発生する光源と、前記ポンプ光の第二高調波を励起光とする光パラメトリック発振器とを有し、前記光パラメトリック発振器からのアイドラー光をストークス光として発生する光源部と、
前記ポンプ光のパルスを伸長して、前記ストークス光のパルス幅を前記ポンプ光のパルス幅よりも短くするパルス伸長部と、
前記ストークス光を分割する光分割部と、
パルス伸長された前記ポンプ光と前記光分割部で分割された一方のストークス光とを被検体上で走査させる光走査部と、
前記光パラメトリック発振器からのシグナル光の波長を変調する光変調部と、
前記被検体からのアンチストークス光を増幅する光増幅部と、
波長変調された前記シグナル光と、増幅された前記アンチストークス光との干渉光を検出して検出信号を出力する第１の光検出部と、
前記光分割部で分割された他方のストークス光と、前記被検体からのストークス光の反射光との干渉光を検出して検出信号を出力する第２の光検出部と、
前記第１の光検出部からの検出信号と、前記第２の光検出部からの検出信号に基づいて、画像生成処理を行う信号処理部とを含み、
前記光パラメトリック発振器は、
光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶を有する、計測装置。

【請求項2】

請求項１において、
パルス伸長された前記ポンプ光は、ピコ秒パルスレーザー光であり、前記ストークス光は、フェムト秒パルスレーザー光である、計測装置。

【請求項3】

ポンプ光を発生する手順と、
前記ポンプ光の第二高調波を励起光とする光パラメトリック発振器からのアイドラー光をストークス光として発生する手順と、
前記ポンプ光のパルスを伸長して、前記ストークス光のパルス幅を前記ポンプ光のパル
ス幅よりも短くするパルス伸長手順と、
前記ストークス光を分割する光分割手順と、
パルス伸長された前記ポンプ光と前記光分割手順で分割された一方のストークス光とを被検体上で走査させる光走査手順と、
前記光パラメトリック発振器からのシグナル光の波長を変調する光変調手順と、
前記被検体からのアンチストークス光を増幅する光増幅手順と、
波長変調された前記シグナル光と、増幅された前記アンチストークス光との干渉光を検出して検出信号を出力する第１の光検出手順と、
前記光分割手順で分割された他方のストークス光と、前記被検体からのストークス光の反射光との干渉光を検出して検出信号を出力する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順で出力した検出信号と、前記第２の光検出手順で出力した検出信号に基づいて、画像生成処理を行う信号処理手順とを含み、
前記光パラメトリック発振器は、
光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶を有する、計測方法。

【請求項4】

請求項３において、
パルス伸長された前記ポンプ光は、ピコ秒パルスレーザー光であり、前記ストークス光は、フェムト秒パルスレーザー光である、計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被検体の形態情報及び分子情報を計測する計測装置及び計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

被検体の形態画像（形態情報）と被検体内の成分分布画像（分子情報）の同時計測を実現するものとして、ＣＡＲＳとＯＣＴを複合化した計測装置が知られている（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１７４５３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の計測装置では、ＣＡＲＳを用いて成分計測を行うとともに、ＣＡＲＳのストークス光をＯＣＴ計測光として用いてＯＣＴにより形態計測を行う。ＣＡＲＳでは、計測対象とする成分分子の振動吸収バンドに対応した周波数差のあるポンプ光とストークス光を用い、複数の成分分子の計測を行うためには、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）で発生するストークス光（アイドラー光）の波長（周波数）を変化させる必要がある。ストークス光の波長の変更は、ＯＰＯ内の非線形光学結晶を回転させることで行い、非線形光学結晶を回転させると、光源部（ＯＰＯ）からのストークス光の出射位置及び出射方向が変化する。一方、ＯＣＴでは干渉光学系を構成するため、ストークス光の波長の変更に伴って、ストークス光の出射位置及び出射方向が変化すると、ＯＣＴの干渉光学系の再調整が必要となり、計測装置としての実用性を著しく欠くこととなる。

【0005】

また、特許文献１には、ＯＰＯからのシグナル光を局発参照光として、被検体からのアンチストークス光を光ヘテロダイン検波することが開示されているが、この場合にも、ストークス光の波長の変更に伴って、ストークス光とともにシグナル光の出射位置及び出射方向が変化すると、光ヘテロダイン検波のための干渉光学系の再調整も必要となるため、実用性を二重で欠くこととなる。

【0006】

更に、上記の計測装置では、ＣＡＲＳの共鳴信号／非共鳴信号比の向上及びＣＡＲＳとＯＣＴの複合化を実現するために、ストークス光のパルス幅をフェムト秒オーダーとしている。これによりＣＡＲＳの共鳴信号／非共鳴信号比は向上するものの、共鳴信号そのものの強度が低下してしまう。また、計測対象によっては、アンチストークス光を検出する光学系のＮＡ値が制限される場合（例えば、眼科領域に応用した場合）もあり、光ヘテロダイン検波の更なる高感度化が望まれる。

【0007】

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ストークス光の波長を変更しても実用性を損なうことなく、被検体の形態情報と分子情報の同時計測を行うことが可能な計測装置及び計測方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明に係る計測装置は、
ポンプ光を発生する光源と、前記ポンプ光の第二高調波を励起光とする光パラメトリック発振器とを有し、前記光パラメトリック発振器からのアイドラー光をストークス光として発生する光源部と、
前記ポンプ光のパルスを伸長して、前記ストークス光のパルス幅を前記ポンプ光のパルス幅よりも短くするパルス伸長部と、
前記ストークス光を分割する光分割部と、
パルス伸長された前記ポンプ光と前記光分割部で分割された一方のストークス光とを前記被検体上で走査させる光走査部と、
前記被検体からのアンチストークス光を検出して検出信号を出力する第１の光検出部と、
前記光分割部で分割された他方のストークス光と、前記被検体からのストークス光の反射光との干渉光を検出して検出信号を出力する第２の光検出部と、
前記第１の光検出部からの検出信号と、前記第２の光検出部からの検出信号に基づいて、画像生成処理を行う信号処理部とを含み、
前記光パラメトリック発振器は、
光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶を有することを特徴とする。

【0009】

また本発明に係る計測方法は、
ポンプ光を発生する手順と、
前記ポンプ光の第二高調波を励起光とする光パラメトリック発振器からのアイドラー光をストークス光として発生する手順と、
前記ポンプ光のパルスを伸長して、前記ストークス光のパルス幅を前記ポンプ光のパルス幅よりも短くするパルス伸長手順と、
前記ストークス光を分割する光分割手順と、
パルス伸長された前記ポンプ光と前記光分割手順で分割された一方のストークス光とを前記被検体上で走査させる光走査手順と、
前記被検体からのアンチストークス光を検出して検出信号を出力する第１の光検出手順と、
前記光分割手順で分割された他方のストークス光と、前記被検体からのストークス光の反射光との干渉光を検出して検出信号を出力する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順で出力した検出信号と、前記第２の光検出手順で出力した検出信号に基づいて、画像生成処理を行う信号処理手順とを含み、
前記光パラメトリック発振器は、
光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶を有することを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶により光パラメトリック発振器を構成することで、非線形光学結晶を回転させてもシグナル光とアイドラー光（ストークス光）の出射位置及び出射方向を固定することができるため、ストークス光の波長の変更（計測対象分子の変更）に伴うＯＣＴの干渉光学系の調整を不要とすることができ、ストークス光の波長を変更しても実用性を損なうことなく、被検体の分子情報と形態情報とを同時に計測することができる。

【0011】

（２）また本発明に係る計測装置及び計測方法では、
パルス伸長された前記ポンプ光は、ピコ秒パルスレーザー光であり、前記ストークス光は、フェムト秒パルスレーザー光であってもよい。

【0012】

本発明によれば、ポンプ光をピコ秒パルスレーザー光として、ストークス光をフェムト秒パルスレーザー光として、該ストークス光をＯＣＴ測定光とすることで、アンチストークス光（ＣＡＲＳ光）の検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるとともに、ＣＡＲＳとＯＣＴの複合化における光パルスの不整合を回避してＣＡＲＳとＯＣＴの複合化を実現し、被検体の分子情報と形態情報とを同時に計測することが可能となる。

【0013】

（３）また本発明に係る計測装置では、
前記光パラメトリック発振器からのシグナル光の波長を変調する光変調部を更に含み、
前記第１の光検出部が、
波長変調された前記シグナル光と、前記被検体からのアンチストークス光との干渉光を検出して検出信号を出力してもよい。

【0014】

また本発明に係る計測方法では、
前記光パラメトリック発振器からシグナル光の波長を変調する光変調手順を更に含み、
前記第１の光検出手順では、
波長変調された前記シグナル光と、前記被検体からのアンチストークス光との干渉光を検出して検出信号を出力してもよい。

【0015】

本発明によれば、非線形光学結晶を回転させてもシグナル光とアイドラー光（ストークス光）の出射位置及び出射方向を固定することができるため、ストークス光の波長の変更（計測対象分子の変更）に伴うＯＣＴの干渉光学系の調整と光ヘテロダイン検波の干渉光学系の調整とを不要とすることができ、ストークス光の波長を変更しても実用性を損なうことなく、被検体の分子情報と形態情報とを同時に計測することができる。

【0016】

（４）また本発明に係る計測装置では、
前記被検体からのアンチストークス光を増幅する光増幅部を更に含み、
前記第１の光検出部が、
波長変調された前記シグナル光と、増幅された前記アンチストークス光との干渉光を検出してもよい。

【0017】

また本発明に係る計測方法では、
前記被検体からのアンチストークス光を増幅する光増幅手順を更に含み、
前記第１の光検出手順では、
波長変調された前記シグナル光と、増幅された前記アンチストークス光との干渉光を検出してもよい。

【0018】

本発明によれば、被検体からのアンチストークス光を増幅して、増幅されたアンチストークス光を、波長変調されたシグナル光と干渉させることで、アンチストークス光（ＣＡＲＳ光）の信号を高感度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】ＣＡＲＳにおける、光子と分子振動のエネルギー関係を示す図。

【図2】第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す図。

【図3】光パラメトリック発振器の構成を示す図。

【図4】ポンプ光、ストークス光及び対物レンズの位置関係を示す図。

【図5】被検体に照射されるポンプ光パルス及びストークス光パルスのパルスタイミングを示す図。

【図6】第２の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す図。

【図7】光パラメトリック発振器からのシグナル光のパルスタイミングを示す図。

【図8】被検体からの信号光側に光増幅器を挿入し、光増幅器への励起注入電流を変化させた時の干渉信号の利得特性と干渉信号の様子を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明さ
れる構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

【0021】

まず、本実施形態に係る計測装置及び計測方法における計測原理について説明する。

【0022】

本実施形態に係る計測装置及び計測方法は、生体試料（固体、器官、組織）を対象とした、非侵襲な生体イメージングにおいて、光散乱下にあっても優れた形態イメージングを可能とするＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）と、生体内分子を振動分光により弁別して分子イメージングを可能とするＣＡＲＳ（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering）の複合化を実現するものである。

【0023】

ＯＣＴとＣＡＲＳでは、それぞれの計測における最適光パルス幅が大きく異なるため、ＯＣＴとＣＡＲＳの複合化は単純には成立しない。ＣＡＲＳでは、分子信号振動のＳ／Ｎ比は非共鳴信号により律速され、十分な共鳴信号／非共鳴信号比と、十分なスペクトル分解能（数ｃｍ^−１）を確保するため、数ｐ（ピコ）秒〜数十ｐ秒のパルス幅を有するポンプ光及びストークス光が用いられる。一方、ＯＣＴでは、高精細な形態イメージングを実現するため、数十ｆ（フェムト）秒〜数百ｆ秒程度のパルス幅を有する超短パルス（スペクトル幅＝１０００ｃｍ^−１程度）が用いられる。このように、ＯＣＴとＣＡＲＳの複合化には、光パルスの不整合という課題が存在する。

【0024】

図１に、ＣＡＲＳにおける、光子と分子振動のエネルギー関係を示す。ＣＡＲＳ信号には、分子振動のＶ＝１準位を介したアンチストークス光ω_ａｓ生成によるＶ＝０準位への緩和である共鳴過程と、Ｖ＝１準位を介さない（仮想準位ａを介した）アンチストークス光ω_ａｓ生成によるＶ＝０準位への緩和である非共鳴過程に基づく２種類がある。非共鳴過程では、Ｖ＝１準位を介さない（仮想準位ａを介する）ため、ポンプ光とストークス光の同時性（ポンプ光パルスとストークス光パルスを同時に被検体に照射すること）が必須である。しかし、共鳴過程では、初段のポンプ光ω_ｐとストークス光ω_ｓのミキシングによりＶ＝１準位へ励起された分子が、後段のポンプ光ω’_ｐでさらに励起されるため、後段の励起においては、ポンプ光ω’_ｐのみあればよくストークス光ω_ｓを必要としない。

【0025】

本実施形態の計測装置及び計測方法は、このようなＣＡＲＳの共鳴過程と非共鳴過程の特質に注目し、ＣＡＲＳ信号の共鳴過程／非共鳴過程比の向上を図るとともに、初段励起過程におけるストークス光ω_ｓをＯＣＴ計測光とすることで、ＣＡＲＳとＯＣＴの複合化における光パルスの不整合を回避し、ＣＡＲＳとＯＣＴの複合化を実現するものである。

【0026】

（第１の実施の形態）
図２に、第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す。計測装置１は、被検体（試料）Ｓに照射するポンプ光及びストークス光を発生する光源部１０と、ポンプ光及びストークス光の被検体Ｓへの照射タイミングを調整するための光遅延部２０と、ポンプ光のパルス幅を伸長してストークス光のパルス幅をポンプ光のパルス幅よりも短くするパルス伸長部３０と、ＯＣＴ参照光となるストークス光と被検体Ｓからのストークス光の反射光とを干渉させるための光干渉部４０と、ポンプ光とストークス光とを被検体Ｓ上で走査させる光走査部５０と、ポンプ光とストークス光とを被検体Ｓ上に集光させる対物レンズ６０と、被検体Ｓからのアンチストークス光（ＣＡＲＳ光）を検出する第１の光検出部７０と、ＯＣＴ参照光となるストークス光と被検体Ｓからのストークス光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出部７２と、信号処理部９０と、表示部９２とを含む。

【0027】

光源部１０は、ｆ秒パルスの基本波と第二高調波を発生するレーザー光源１１と、該第二高調波を励起光とする光パラメトリック発振器１２（ＯＰＯ）とを備える。レーザー光源１１は、例えば、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー結晶により構成することができる。Ｙｂ：ＹＡＧレーザーは、波長１０３４ｎｍの基本波と、波長５１７ｎｍの第二高調波を発生する。
レーザー光源１１からの基本波が、ポンプ光パルスとして取り出される。

【0028】

光パラメトリック発振器１２は、アイドラー光とシグナル光を出射する。光パラメトリック発振器１２からのアイドラー光が、ストークス光パルスとして取り出される。光パラメトリック発振器１２は、基本波（ポンプ光）の角周波数ω_ｐと、アイドラー光（ストークス光）の角周波数ω_ｓの差が、計測対象分子の振動数ω_γと等しくなるように（すなわち、ω_γ＝ω_ｐ−ω_ｓとなるように）、その結晶軸の角度が調整される。

【0029】

図３は、光パラメトリック発振器１２の構成を示す図である。光パラメトリック発振器１２は、光共振器を構成する第１ミラー１３、第２ミラー１４及び第３ミラー１５と、光共振器内に配置された第１非線形光学結晶１６及び第２非線形光学結晶１８を含む。第１ミラー１３（ダイクロイックミラー）は、光路ＯＰに対して４５°傾いて配置され、ポンプ光の第二高調波を透過し、シグナル光とアイドラー光を反射する特性を有する。また、第２ミラー１４（ハーフミラー）は、ポンプ光の第二高調波、シグナル光、アイドラー光を５０％の反射率で透過する特性を有し、第３ミラー１５は、これら３つの光を全反射（高反射率で反射）する特性を有する。

【0030】

第１非線形光学結晶１６及び第２非線形光学結晶１８は、形状（例えば、直方体）、寸法、材質（ここでは、ＫＴＰ結晶）が同一であり、光路ＯＰ（入射ビームの光軸）に対して互いに逆方向に同一角度傾くように配置される。第１非線形光学結晶１６及び第２非線形光学結晶１８は、それぞれ第１回転テーブル１７及び第２回転テーブル１９に載置され、第１回転テーブル１７及び第２回転テーブル１９は、連動（同期）して互いに逆方向に同一角度回転するように構成されている。図中左方向から第１ミラー１３に入射するポンプ光の第二高調波は、第１非線形光学結晶１６及び第２非線形光学結晶１８によって、シグナル光とアイドラー光に変換されて、第２ミラー１４から出射する。なお、第１非線形光学結晶１６は、ポンプ光の第二高調波が入射する位置Ｐ_１を中心に回転し、第２非線形光学結晶１８は、シグナル光とアイドラー光が出射する位置Ｐ_２を中心に回転する。

【0031】

ポンプ光の第二高調波は、第１非線形光学結晶１６及び第２非線形光学結晶１８との位相整合角度に合致したシグナル光とアイドラー光に変換される。すなわち、シグナル光とアイドラー光の波長は、光路ＯＰに対する第１非線形光学結晶１６及び第２非線形光学結晶１８の角度によって変化する。第１非線形光学結晶１６の角度変化によって光ビームの位置は変化するが、第１非線形光学結晶１６と逆方向に同一角度回転（対称回転）する第２非線形光学結晶１８によって光ビームの位置は補償されるため、結果として、非線形光学結晶を回転（シグナル光とアイドラー光の波長を変更）しても、光パラメトリック発振器１２から出射するシグナル光とアイドラー光の出射位置と出射方向は不変となる。

【0032】

図２の説明に戻ると、光源部１０からのポンプ光Ｐは、２つのミラー２２、２４を備えた光遅延部２０によって遅延させられ、ミラー２６を介してパルス伸長部３０に入射する。パルス伸長部３０は、例えば屈折率に負又は正の分散特性を有する光学材料で構成され、ポンプ光Ｐのパルス幅を伸長する。パルス伸長部３０によってパルス幅が伸ばされたポンプ光Ｐは、ハーフミラー４５、４２を透過して光走査部５０に入射する。

【0033】

一方、光源部１０からのストークス光Ｓ_Ｔは、ダイクロイックミラー８０で反射して、光干渉部４０のハーフミラー４１（本発明の光分割部に対応）で分割される。ハーフミラー４１を透過した一方のストークス光は、測定光（被検体Ｓへの照射光）としてのストークス光Ｓ_Ｍとなり、ハーフミラー４１で反射した他方のストークス光は、ＯＣＴ参照光としてのストークス光Ｓ_Ｓとなる。参照光であるストークス光Ｓ_Ｓは、ミラー４３、４４によって光路長が調整され、ハーフミラー４６を透過して第２の光検出部７２に入射する。一方、測定光であるストークス光Ｓ_Ｍは、ハーフミラー４２で反射して光走査部５０に入
射する。

【0034】

ポンプ光Ｐとストークス光Ｓ_Ｍは、平行ビームに調整され、光走査部５０の走査ミラー５２、５４によって、被検体Ｓ上のＸＹ平面内で光走査される。走査ミラー５２、５４の駆動は、信号処理部９０によって制御される。また、ポンプ光Ｐとストークス光Ｓ_Ｍは、ダイクロイックミラー６２を透過して、対物レンズ６０によって被検体Ｓ上に集光される。対物レンズ６０は、図示しない駆動部（図示せず）によりＺ軸方向に移動可能に構成され、これにより被検体ＳにおけるＺ軸方向（深さ方向、奥行き方向）の光走査を行う。対物レンズ６０の駆動部は、信号処理部９０によって制御される。

【0035】

ポンプ光Ｐ、ストークス光Ｓ_Ｍ及び対物レンズ６０の位置関係は、図４に示すように調整される。すなわち、ポンプ光Ｐとストークス光Ｓ_Ｍの各光路が、対物レンズ６０の光軸ＯＡに対して対称な位置となるように調整される。なお、後述するアンチストークス光ＡＳの光路は、光軸ＯＡ上に位置する。

【0036】

被検体Ｓ内の集束位置では、ポンプ光Ｐとストークス光Ｓ_Ｍが重なり合い、その位置の被検体Ｓ内の計測対象分子との相互作用により、アンチストークス光（ＣＡＲＳ光）が発生する。被検体Ｓで発生したアンチストークス光ＡＳは、対物レンズ６０で集束され、ダイクロイックミラー６２によりポンプ光Ｐ及びストークス光Ｓ_Ｍと分離されて、第１の光検出部７０に入射する。第１の光検出部７０は、例えばフォトダイオードで構成され、アンチストークス光ＡＳを受光して、その検出信号をアンチストークス信号として信号処理部９０に出力する。

【0037】

一方、被検体Ｓ内で散乱反射したストークス光Ｓ_Ｍ（ストークス光Ｓ_Ｍの反射光）は、光路を逆走し、対物レンズ６０、ダイクロイックミラー６２、光走査部５０、光干渉部４０のハーフミラー４２、４５、４６を介して第２の光検出部７２に入射する。ストークス光Ｓ_Ｍの反射光は、参照光であるストークス光Ｓ_Ｓと干渉し、第２の光検出部７２で干渉光として検出される。干渉を発生させるために、ミラー４３、４４で構成される光路調整部は、ストークス光Ｓ_Ｍの反射光の光路長と、参照光であるストークス光Ｓ_Ｓの光路長が一致するように調整される。第２の光検出部７２は、例えばフォトダイオードで構成され、当該干渉光の検出信号をＯＣＴ干渉信号として信号処理部９０に出力する。

【0038】

信号処理部９０（コンピュータ）は、第１の光検出部７０からの検出信号（アンチストークス信号）と、第２の光検出部７２からの検出信号（ＯＣＴ干渉信号）に基づいて、画像を生成する処理を行う。また、信号処理部９０は、走査信号を、光走査部５０及び対物レンズ６０の駆動部に供給して、走査ミラー５２、５４の駆動と対物レンズ６０の駆動を制御する処理を行う。

【0039】

信号処理部９０は、第１の光検出部７０からのアンチストークス信号を、走査信号と同期された画像（ＣＡＲＳ画像）とする処理と、第２の光検出部７２からのＯＣＴ干渉信号を、走査信号と同期された画像（ＯＣＴ画像）とする処理を行う。ポンプ光Ｐ及びストークス光Ｓ_Ｍの走査は、Ｘ−Ｙ平面上とＺ軸方向において行われるため、被検体ＳのＸ−Ｙ平面における２次元画像と、被検体ＳのＸ−Ｚ平面或いはＹ−Ｚ平面における断層画像とを生成することができる。信号処理部９０で生成されたＣＡＲＳ画像（分子情報を表す画像、成分分布画像）及びＯＣＴ画像（形態情報を表す画像）は、表示部９２（ディスプレイ）に表示される。なお、ＣＡＲＳ画像と、ＯＣＴ画像を、個別に表示部９２に表示するようにしてもよいし、ＣＡＲＳ画像とＯＣＴ画像とを重畳した画像を、表示部９２に表示するようにしてもよい。

【0040】

図５に、被検体Ｓに照射されるポンプ光パルス及びストークス光パルスのパルスタイミ
ングを示す。図４に示すように、ストークス光パルスは、ｆ秒（数十ｆ秒〜数百ｆ秒）のパルス幅を有し、ポンプ光パルスは、パルス伸長部３０でパルス幅が伸長されることで、ｐ秒（数ｐ秒〜数十ｐ秒）のパルス幅を有する。また、ストークス光パルスとポンプ光パルスは、パルスの立ち上がりが略一致するように、光遅延部２０でポンプ光の光路長が調整されている。

【0041】

ＣＡＲＳの共鳴過程では、分子の振動エネルギーは、初段のストークス光パルスとポンプ光パルスの同時照射によりＶ＝１準位（図１参照）に励起され、後段のポンプ光パルスのみの照射により更に励起され、Ｖ＝０準位への緩和によってアンチストークス光が生成される。一方、非共鳴過程では、分子の振動エネルギーは、初段のストークス光パルスとポンプ光パルスの同時照射により仮想準位ａ（図１参照）に励起されるため、後段のポンプ光パルスのみの照射では更に励起され難くなり、アンチストークス光が生成される確率が低下する。すなわち、図４に示すように、ストークス光とポンプ光のパルスの立ち上がりを一致させつつ、ストークス光のパルス幅をポンプ光のパルス幅よりも短くして、後段の励起過程でストークス光を照射しないようにすることで、ＣＡＲＳ信号の共鳴過程／非共鳴過程比（すなわち、ＣＡＲＳ信号のＳ／Ｎ比）を向上させることができる。

【0042】

更に、ストークス光を、ＯＣＴの計測に適した数十ｆ秒〜数百ｆ秒程度の超短パルスとし、当該ストークス光パルスをＯＣＴ計測光とすることで、ＣＡＲＳとＯＣＴの複合化における光パルスの不整合を回避し、ＣＡＲＳとＯＣＴの複合化を実現することができる。

【0043】

また、本実施形態によれば、光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶（１６、１８）により光パラメトリック発振器１２を構成することで、非線形光学結晶を回転させてもアイドラー光（ストークス光Ｓ_Ｔ）の出射位置及び出射方向を固定することができるため、計測対象分子の変更（ストークス光の波長変更）に伴うＯＣＴの干渉光学系（光干渉部４０）の調整を不要とすることができ、ＣＡＲＳとＯＣＴを複合化した計測装置としての実用性を高めることができる。

【0044】

（第２の実施の形態）
図６に、第２の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す。なお、図６において、図２に示した構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。

【0045】

図５に示したように、ＣＡＲＳの初段の励起過程でのパルス幅を数十ｆ秒〜数百ｆ秒としているため、Ｖ＝１準位への励起分布（population）が減少し、アンチストークス光の絶対強度が低下する。そこで、図６に示す計測装置１では、被検体からのアンチストークス光を光増幅するとともに、光パラメトリック発振器１２からのシグナル光ＳＧを参照光とした光ヘテロダイン検波を行うことで、アンチストークス信号を高感度に検出する。

【0046】

図６に示す計測装置１は、光パラメトリック発振器１２からのシグナル光ＳＧの光路長を調整するミラー８２、８３と、シグナル光ＳＧの波長を変調する光変調部８４と、被検体Ｓからのアンチストークス光ＡＳを増幅する光増幅部８６と、ハーフミラー６３を更に含む。光変調部８４は、音響光学素子（ＡＯＭ）で構成することができ、光増幅部８６は、例えば半導体増幅器や光ファイバー増幅器で構成することができる。

【0047】

光パラメトリック発振器１２からのシグナル光ＳＧは、ダイクロイックミラー８０を透過し、ミラー８２、８３を介して、光変調部８４に入射する。光変調部８４で波長変調されたシグナル光ＳＧは、ハーフミラー６３を透過して第１の光検出部７０に入射する。一方、被検体Ｓからのアンチストークス光ＡＳは、光増幅部８６で増幅され、光増幅部８６で増幅されたアンチストークス光ＡＳは、ハーフミラー６３で反射して第１の光検出部７０に入射する。

【0048】

ここで、上述したように、光パラメトリック発振器１２の励起光は、ポンプ光（角周波数ω_ｐ）の第二高調波（角周波数２ω_ｐ）であり、ポンプ光の角周波数ω_ｐと、ストークス光（光パラメトリック発振器１２のアイドラー光）の角周波数ω_ｓは、ω_γ＝ω_ｐ−ω_ｓとなるように調整されているため、アンチストークス光の角周波数は、ω_ａｓ＝２ω_ｐ−ω_ｓとなり、光パラメトリック発振器１２のシグナル光の角周波数と等しくなる。

【0049】

従って、ミラー８２、８３によって、図７に示すように、シグナル光ＳＧのパルスタイミングがアンチストークス光ＡＳのパルスタイミングと一致するように調整し、且つ光変調部８４によりシグナル光ＳＧの波長をシフトすれば、シグナル光ＳＧとアンチストークス光ＡＳとが干渉して光ビートが生じ、第１の光検出部７０で検出される。第１の光検出部７０は、検出した光ビートのビート信号をアンチストークス信号として信号処理部９０に出力する。

【0050】

本実施形態によれば、光路に対して互いに逆方向に同一角度傾くように回転する２つの非線形光学結晶（１６、１８）により光パラメトリック発振器１２を構成することで、非線形光学結晶を回転させてもアイドラー光（ストークス光Ｓ_Ｔ）とシグナル光ＳＧの出射位置及び出射方向を固定することができるため、計測対象分子の変更（ストークス光とシグナル光の波長変更）に伴うＯＣＴの干渉光学系（光干渉部４０）の調整を不要とすると同時に、計測対象分子の変更に伴うＣＡＲＳの光ヘテロダイン検波の干渉光学計の調整を不要とすることができ、ＣＡＲＳとＯＣＴを複合化した計測装置としての実用性を高めることができる。

【0051】

また、本実施形態では、被検体Ｓからのアンチストークス光ＡＳを光増幅してヘテロダイン検出することで、微弱なＣＡＲＳ信号の検出が可能となる。被検体Ｓからのアンチストークス光ＡＳが光増幅部８６で増幅されるとき、アンチストークス光ＡＳ以外の雑音光も同様に増幅されるが、シグナル光ＳＧは相関のあるアンチストークス光ＡＳのみと干渉する。ここで、シグナル光ＳＧは波長変調されているから、第１の光検出部７０では、アンチストークス光ＡＳとシグナル光ＳＧの周波数差の交流信号として検出される。一方、雑音光はシグナル光ＳＧとは干渉せずに直流信号として検出される。そこで、交流信号のみを計測することで、アンチストークス光の増幅検出が実現する。図８は、被検体からの信号光側に光増幅器（ここでは、ＰＤＦＡ：Praseodymium doped fiber amplifier）を挿入し、光増幅器への励起注入電流を変化させた時の干渉信号の利得特性と干渉信号の様子を示す図である。図８において、Ｉ_Ｓは、信号光光源の注入電流であり、Ｉ_Ｓが小さいほど大きな利得が得られ、２０ｄＢもの大きな利得改善効果（１００倍の信号増幅効果）が得られている。このような大きな信号増幅が実現できると、検出光学系のＮＡ値（開口数）が制限される用途（例えば、眼科領域での応用）においても、ＯＣＴとＣＡＲＳの同時計測を行うことができる。

【0052】

なお、本発明の適用は上述した実施例に限定されず、種々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ 計測装置、１０ 光源部、１１ レーザー光源（光源）、１２ 光パラメトリック発振器、１３ 第１ミラー、１４ 第２ミラー、１５ 第３ミラー、１６ 第１非線形光学結晶、１７ 第１回転テーブル、１８ 第２非線形光学結晶、１９ 第２回転テーブル、２０ 光遅延部、２２，２４，２６ ミラー、３０ パルス伸長部、４０ 光干渉部、４１，４２ ハーフミラー、４３，４４ ミラー、４５，４６ ハーフミラー、５０ 光走査部、５２，５４ 走査ミラー、６０ 対物レンズ、６２ ダイクロイックミラー、６３
ハーフミラー、７０ 第１の光検出部、７２ 第２の光検出部、８０ ダイクロイックミラー、８２，８３ ミラー、８４ 光変調部、８６ 光増幅部、９０ 信号処理部、９
２ 表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】