特許 6380941 光検出装置、光検出方法およびプログラム

(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】6380941

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】光検出装置、光検出方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20180820BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20180820BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/65

   G01N21/27 B

【請求項の数】7

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2016-504052(P2016-504052)

(86)(22)【出願日】2015年2月10日

(86)【国際出願番号】JP2015053615

(87)【国際公開番号】WO2015125665

(87)【国際公開日】20150827

【審査請求日】2017年12月1日

(31)【優先権主張番号】特願2014-33129(P2014-33129)

(32)【優先日】2014年2月24日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、独立行政法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「先端計測分析技術・機器開発プログラム」に係る委託研究、産業技術協力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 隆行

(72)【発明者】

【氏名】三沢 和彦

(72)【発明者】

【氏名】小原 祐樹

【審査官】 嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−３３４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２８６６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５１６７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Takayuki Suzuki et al.，Efficient heterodyne CARS measurement by combining spectral phase modulation with temporal delay tec，Optics Express，２０１１年 ６月 ６日，Vol.19 No.12，pp.11463-11470

【文献】 鈴木隆行 他，広帯域パルスの単色成分位相変調を用いた位相敏感CARS分光，電子情報通信学会技術研究報告. LQE, レーザ・量子エレクトロニクス，２０１２年 ５月１８日，Vol.112 No.62，pp.1-5

【文献】 H.KANO et al.，Near-infrared coherent anti-Stokes Raman Scattering microscopy using supercontinuum generated from a，Applied Physics B，２００５年，Vol.80，pp.243-246

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／７４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１パルス光を発生する光源部と、
前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過し前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射するフィルタ部と、
前記第２パルス光を複数の位相で位相変調する位相変調部と、
前記第３パルス光と前記位相変調部で位相変調された第２パルス光とを合波して第４パルス光とする合波部と、
前記第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出する検出部と、
前記検出部で検出された散乱光の周波数スペクトルから前記位相変調部で位相変調された第２パルス光に基づいて散乱した散乱光の周波数スペクトルを以下に示す（１）または（２）の演算処理により前記位相変調部における位相変調と同期させて抽出する抽出部と、
を含む光検出装置。
（１）
前記複数の位相を、φ、φ＋２π／３、φ＋４π／３ （φは固定位相）とし、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋２π／３）、Ｉ（φ＋４π／３）について下式に示すＩの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出する。

【数1】

（２）
前記複数の位相を、φ、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２（φは固定位相）とし、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋π／２）、Ｉ（φ＋π）、Ｉ（φ＋３π／２）について下式に示すＩの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出する。

【数2】

【請求項2】

前記光源部が超短パルスレーザを用いた光源であり、
前記第２パルス光の周波数スペクトルの帯域幅が前記第３パルス光の周波数スペクトルの帯域幅より狭い
請求項１に記載の光検出装置。

【請求項3】

前記位相変調部が電気光学効果に基づく変調器、または、入射した光の光路長を変化さて出射させる光路長調整部である
請求項１または請求項２に記載の光検出装置。

【請求項4】

前記フィルタ部および前記合波部は、前記第２パルス光および前記位相変調部で位相変調された第２パルス光を透過し、前記第３パルス光を反射する単一のバンドパスフィルタで構成された
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光検出装置。

【請求項5】

前記抽出部で抽出する周波数スペクトルがコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の周波数スペクトルである
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光検出装置。

【請求項6】

フィルタ部において、光源部から発生した第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過させ、前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射させ、
前記第２パルス光を位相変調部により複数の位相で位相変調し、
前記第３パルス光と前記位相変調部で位相変調された第２パルス光とを合波部で合波させて第４パルス光とし、
前記第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出部で検出し、
前記検出部で検出された散乱光の周波数スペクトルから前記位相変調部で位相変調された第２パルス光に基づいて散乱した散乱光の周波数スペクトルを以下に示す（１）または（２）の演算処理により前記位相変調部における位相変調と同期させて抽出部で抽出する
光検出方法。
（１）
前記複数の位相を、φ、φ＋２π／３、φ＋４π／３ （φは固定位相）とし、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋２π／３）、Ｉ（φ＋４π／３）について下式に示すＩの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出する。

【数1】

（２）
前記複数の位相を、φ、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２（φは固定位相）とし、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋π／２）、Ｉ（φ＋π）、Ｉ（φ＋３π／２）について下式に示すＩの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出する。

【数2】

【請求項7】

第１パルス光を発生する光源部と、
前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過し前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射するフィルタ部と、
前記第２パルス光を複数の位相で位相変調する位相変調部と、
前記第３パルス光と前記位相変調部で位相変調された第２パルス光とを合波して第４パルス光とする合波部と、
前記第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出する検出部と、
を含む光検出装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記検出部で検出された散乱光の周波数スペクトルから前記位相変調部で位相変調された第２パルス光に基づいて散乱した散乱光の周波数スペクトルを以下に示す（１）または（２）の演算処理により前記位相変調部における位相変調と同期させて抽出する抽出部
として機能させるためのプログラム。
（１）
前記複数の位相を、φ、φ＋２π／３、φ＋４π／３ （φは固定位相）とし、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋２π／３）、Ｉ（φ＋４π／３）について下式に示すＩの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出する。

【数1】

（２）
前記複数の位相を、φ、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２（φは固定位相）とし、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋π／２）、Ｉ（φ＋π）、Ｉ（φ＋３π／２）について下式に示すＩの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出する。

【数2】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光検出装置、光検出方法およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、光検出装置、光検出方法およびプログラムに関し、特に、物質の分析においてラマン分光技術を用いる場合の光検出装置、光検出方法およびプログラムに関する。すなわち、２つ以上のパルスレーザ光を試料に照射し、その結果試料から発せられるラマン散乱光を観察することにより、試料内の物質を分析する場合の光検出装置に関する。

【0003】

ラマン分光技術による微量物質の検出は、分析装置における基本技術としての重要性が高く、多くの技術開発が行われてきた。一方、昨今の医療技術の進歩と共に、微量物質検出技術の医療診断技術への応用が試みられており、当該医療診断技術の分野においてもより一層の微量物質の検出感度の向上が求められようになってきている。

【0004】

上記ラマン分光技術として、コヒーレントアンチストークスラマン散乱法（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＣＡＲＳ）が知られている（特許文献１）。これは、二種類又はそれ以上の光パルスを試料に照射し、それらの間に起こる非線形光学過程によって試料から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光（ＣＡＲＳ光）を観察するものである。

【0005】

たとえば、図１０（ａ）に示されるようなエネルギー準位を持った分子をＣＡＲＳによって観察することを考える。まず、初期状態のエネルギー準位Ｌ１において、角周波数ω１をもった第１のパルス光（励起光）の入射によって試料の分子が励起され、そのエネルギー準位が矢印Ａで示すようにＬ３まで上がる。そして、角周波数ω２を持った第２のパルス光（ストークス光）を入射させることにより、分子のエネルギー準位は光子放出により矢印Ｂで示すようにＬ３からＬ２に下がる。さらに角周波数ω３を持った第３のパルス光（プローブ光）を入射させることにより、分子のエネルギー準位は、矢印Ｃで示すように、Ｌ２からＬ４に上昇し、ＣＡＲＳ光の発生によって矢印Ｄで示すように、Ｌ４からＬ１に下がる。

【0006】

このように、角周波数ω１、ω２、ω３をもった３種類のパルス光の入射によって、いわゆる四光波混合過程が生じ、結果として角周波数ω１＋ω３−ω２を持つＣＡＲＳ光が発生する。このようなＣＡＲＳ光は、入射パルスの周波数差Δω=ω１−ω２が、観察すべき分子のエネルギー準位差に共鳴するときに特に強く現れる。現実に用いることの可能な光パルスを考慮すると、Δωが分子の振動モード周波数に一致するときに強いシグナルが得られることが考えられるため、このような振動モードを持つ分子の検出が可能となる。また、この手法は２種類のパルス光を用いて上記第３のパルス光によって生ずる光学過程を第１のパルス光によって起こすことにより、2ω１−ω２の角周波数を持つＣＡＲＳ光を検出することによっても実現される。

【0007】

図１０（ｂ）は、試料に照射されたパルス光のスペクトルＳＰと、当該照射によって発生したＣＡＲＳ光のスペクトルＳＣを示している。スペクトルＳＰの一部に対応するパルス光によりラマン散乱が発生し、波長λがΔλだけ短波長側に遷移した位置にＣＡＲＳ光のスペクトルＳＣが発生している。この波長の遷移幅Δλは、一般にラマンシフトと呼ばれ、波長の代わりに波数ｎ（波長λの逆数、ｃｍ^−１）で表す場合もある。なお、以下では、パルス光の波長に言及する場合には、当該パルス光のスペクトルの中心波長で示すこととする。

【0008】

図１１に、このような原理を利用した、従来技術に係るラマン分光装置８０を示す。ラマン分光装置８０は、２種類のレーザパルス光源である第１レーザパルス光源８２、第２レーザパルス光源８４、これら光源からのパルス光を試料８８の同一箇所に照射するための光学系８６、試料８８より放出されるＣＡＲＳ光を検出する検出装置９０を含んで構成されている（特許文献１、非特許文献１）。そして、たとえば、第１レーザパルス光源８２および第２レーザパルス光源８４から発せられるパルス光の波長を変化させることにより、試料８８に含まれた特定分子から発せられるＣＡＲＳ光を選択的に検出することが可能となっている。

【0009】

ＣＡＲＳ光は、試料８８中の分子に固有の性質である分子の振動によって検出されるので、たとえば生体内の微量分子を同定する場合において、当該微量分子に対する標識物質による染色等を必要としない。したがって、特に標識物質の分子よりも小さい分子から構成される小分子化合物を観測する場合に、標識物質の影響により阻害されることなく観測が可能となる。このように、ＣＡＲＳ光の観察によるラマン分光装置は、特に生体観察において他の方法に対する優位性を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００２−１０７３０１号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Journal of Physical Chemistry B105, p.1277(2001)

【非特許文献2】Applied Physics B 80, p.243-246 (2005)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

ところで、複数の振動準位、あるいは複数の分子種を同時に観測するためには、広帯域の振動スペクトルの一括測定が必須となる。このためには、多くの光周波数を一括して含む広帯域光源、すなわち超短パルス光源が必要となる。

【0013】

しかしながら、広帯域の超短パルスの光源を用いることで、ＣＡＲＳ光信号の周波数分解能が下がってしまう。ＣＡＲＳ光信号も広帯域となるため、ラマンシフトの正確な値を得ることが困難となるからである。
また、超短パルスは先頭出力（ピークパワー）が高いため、非共鳴バックグラウンドも同時に発生し、観測対象のＣＡＲＳ光信号を覆い尽くしてしまう。

【0014】

ここで、共鳴成分であるＣＡＲＳ光を含む信号光には、上記非共鳴バックグラウンドと呼ばれる光成分が重畳されることが知られている（非特許文献１）。図１２（ａ）は、非共鳴バックグラウンドの発生過程の一例を示している。まず、初期状態のエネルギー準位Ｌ１において、角周波数ω１を持った第１のパルス光の入射によって試料の分子が励起され、そのエネルギー準位が矢印Ｅで示すように仮想的な準位Ｌ６まで上がる。そして、角周波数ω２を持った第２のパルス光を入射させることにより、矢印Ｆで示すようにエネルギー準位がさらに仮想的な準位Ｌ７まで上がる。さらに角周波数ω３を持った第３のパルス光を入射させることにより、分子のエネルギー準位は、矢印Ｇで示すように、仮想的な準位Ｌ７から仮想的な準位Ｌ５に下がり、光の発生によって矢印Ｈで示すように、仮想的な準位Ｌ５から準位Ｌ１に下がる。仮想的な準位Ｌ５から準位Ｌ１への遷移で発生した光が非共鳴バックグラウンドである。

【0015】

図１２（ｂ）は、入射パルス光のスペクトルＳＰ、ＣＡＲＳ光のスペクトルＳＣ、および非共鳴バックグラウンドのスペクトルＳＮの各スペクトルを示したものである。図１２（ｂ）では、直感的な理解のために５つのスペクトルＳＮで示しているが、実際の非共鳴バックグラウンドは離散的なスペクトルではなく、連続的なスペクトルを有して発生する。上述では、理解の容易化の観点から、仮想的な準位Ｌ５ないしＬ７を介して非共鳴バックグラウンドが発生するとして説明したが、実際の非共鳴バックグラウンドは振動準位を介さないで発生するからである。

【0016】

上記のような連続的なスペクトルを有する非共鳴バックグラウンドが発生すると、ＣＡＲＳ光はその非共鳴バックグラウンドの中に埋もれてしまう。このように非共鳴バックグラウンド内に埋もれてしまったＣＡＲＳ光の抽出は非常に困難である。また、非共鳴バックグラウンドは、ラマン光の検出においてノイズとして作用し、この影響により、得られる画像のコントラストが下がったり、またスペクトルのシフトや歪み等の悪影響が発生したりする。

【0017】

さらに、一般にＣＡＲＳ光は非線形光学効果に起因しているために、極めて強度が弱い。また、生体内の分子の観察においては、観察対象を保護するために入射パルス光の照射光強度をなるべく低くすることが要求されており、その場合には、信号光に含まれるＣＡＲＳ光はさらに弱くなる。

【0018】

上記のように、ノイズに埋もれた弱い光を観測する一方法として、入射パルス光に位相変調を施して試料に照射し、試料から発生する信号光のスペクトルのうち位相変調に同期した成分のみを直接抽出するロックイン検出を用いた方法がある（非特許文献２）。しかしながら、信号光の検出部としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いる場合には、ロックイン検出を採用することができない。ＣＣＤは素子の内部に電荷を蓄積させる構造のため、ＤＣ（直流）成分も含めてＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換せざるを得ないが、アナログ信号の状態で変調成分だけを抽出するロックイン検出は原理的に不可能だからである。

【0019】

また、ロックイン機構を用いないでラマン光を検出する方法として、入射パルス光に対しランダムな位相変調をかけて試料に照射し、発生した信号光の光強度を複数取得し、取得した複数の光強度に対する数値解析（信号処理）からラマン光を検出する方法もある。
本検出方法は、いわば擬似的な位相敏感検波を用いた検出方法である。

【0020】

図１３に、上記検出方法に関して、入射パルス光の周波数の１周期（０〜２π）に相当する波形と、当該波形に施す位相変調の位置を模式的に示している。本方法では、入射パルス光に対しランダムな位相位置の位相変調を施して試料に照射し、試料において散乱した信号光の中から、当該位相変調が施された信号を正弦波近似して再現し、抽出する。

【0021】

しかしながら、上記検出方法では、実用的な感度でＣＡＲＳ光を検出するために、数１００個（たとえば、５００個）レベルの位相変調が必要である（図１３では、１４個の位相位置について位相変調を施した場合を例示している）。したがって、本検出方法では、測定に多大な時間を要し、また、複数のランダムな位相を適用していることから、ノイズの除去、あるいは感度の点で不十分であった。

【0022】

本発明は、以上のような背景に鑑みてなされたものであり、電気的な処理による位相敏感検出機構を確立し、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法およびプログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0023】

本発明の第１の態様に係る光検出装置は、第１パルス光を発生する光源部と、前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過し前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射するフィルタ部と、前記第２パルス光を複数の位相で位相変調する位相変調部と、前記第３パルス光と前記位相変調部で位相変調された第２パルス光とを合波して第４パルス光とする合波部と、前記第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出する検出部と、前記検出部で検出された散乱光の周波数スペクトルから前記位相変調部で位相変調された第２パルス光に基づいて散乱した散乱光の周波数スペクトルを所定の演算処理により前記位相変調部における位相変調と同期させて抽出する抽出部と、を含むものである。

【0024】

本発明の第２の態様に係る光検出装置は、第１の態様に係る光検出装置において、前記複数の位相が、φ、φ＋２π／３、φ＋４π／３ （φは固定位相）であるものである。

【0025】

本発明の第３の態様に係る光検出装置は、第２の態様に係る光検出装置において、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋２π／３）、Ｉ（φ＋４π／３）について下式に示すＩを演算し、当該Ｉの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出するものである。

【0026】

本発明の第４の態様に係る光検出装置は、第１の態様に係る光検出装置において、前記複数の位相が互いに直交するものである。

【0027】

本発明の第５の態様に係る光検出装置は、第４の態様に係る光検出装置において、前記複数の位相が、φ、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２（φは固定位相）であるものである。

【0028】

本発明の第６の態様に係る光検出装置は、第５の態様に係る光検出装置において、前記抽出部は、前記検出部で検出された散乱光の前記複数の位相の各々における光強度Ｉ（φ）、Ｉ（φ＋π／２）、Ｉ（φ＋π）、Ｉ（φ＋３π／２）について下式に示すＩを演算し、当該Ｉの値が０または許容範囲内で０に近い値になる周波数スペクトルを抽出するものである。

【0029】

本発明の第７の態様に係る光検出装置は、第１〜第６のいずれか１つの態様に係る光検出装置において、前記光源部が超短パルスレーザを用いた光源であり、前記第２パルス光の周波数スペクトルの帯域幅が前記第３パルス光の周波数スペクトルの帯域幅より狭いものである。

【0030】

本発明の第８の態様に係る光検出装置は、第１〜第７のいずれか１つの態様に係る光検出装置において、前記位相変調部が電気光学効果に基づく変調器、または、入射した光の光路長を変化さて出射させる光路長調整部であるものである。

【0031】

本発明の第９の態様に係る光検出装置は、第１〜第８のいずれか１つの態様に係る光検出装置において、前記フィルタ部および前記合波部は、前記第２パルス光および前記位相変調部で位相変調された第２パルス光を透過し、前記第３パルス光を反射する単一のバンドパスフィルタで構成されたものである。

【0032】

本発明の第１０の態様に係る光検出装置は、第１〜第９のいずれか１つの態様に係る光検出装置において、前記抽出部で抽出する周波数スペクトルがコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の周波数スペクトルであるものである。

【0033】

本発明の第１１の態様に係る光検出方法は、フィルタ部において、光源部から発生した第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過させ、前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射させ、前記第２パルス光を位相変調部により複数の位相で位相変調し、前記第３パルス光と前記位相変調部で位相変調された第２パルス光とを合波部で合波させて第４パルス光とし、前記第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出部で検出し、前記検出部で検出された散乱光の周波数スペクトルから前記位相変調部で位相変調された第２パルス光に基づいて散乱した散乱光の周波数スペクトルを所定の演算処理により前記位相変調部における位相変調と同期させて抽出するものである。

【0034】

本発明の第１２の態様に係るプログラムは、第１パルス光を発生する光源部と、前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過し前記第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射するフィルタ部と、前記第２パルス光を複数の位相で位相変調する位相変調部と、前記第３パルス光と前記位相変調部で位相変調された第２パルス光とを合波して第４パルス光とする合波部と、前記第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出する検出部と、を含む光検出装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記検出部で検出された散乱光の周波数スペクトルから前記位相変調部で位相変調された第２パルス光に基づいて散乱した散乱光の周波数スペクトルを所定の演算処理により前記位相変調部における位相変調と同期させて抽出する抽出部として機能させるためのものである。

【発明の効果】

【0035】

本発明によれば、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法およびプログラムを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本実施の形態に係る光検出方法の手順について説明するための図である。

【図2】第１の実施の形態に係る光検出装置の構成例を示す概略構成図である。

【図3】第１の実施の形態に係る位相変調の変調位相を説明するための模式図、および光変調器に印加する駆動電圧を示すグラフである。

【図4】第１の実施の形態に係る光検出装置の各部光信号の波形およびスペクトルを示す図の一部である。

【図5】第１の実施の形態に係る光検出装置の各部光信号の波形およびスペクトルを示す図の一部である。

【図6】実施の形態に係る光検出処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】第１の実施の形態に係る光検出装置の実施例を示すグラフである。

【図8】第２の実施の形態に係る光検出装置の構成例を示す概略構成図である。

【図9】第３の実施の形態に係る位相変調の変調位相を説明するための模式図である。

【図10】ラマン散乱を説明するための図である。

【図11】従来技術に係るラマン分光装置の構成を示すブロック図である。

【図12】非共鳴バックグラウンドを説明するための図である。

【図13】従来技術に係る位相変調を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。本発明においては、光源からのパルス光に対して位相変調する際の複数の変調位相は、相互に直交していてもよいし直交していなくともよいが、本実施の形態では、理解のし易さの観点から、まず直交する４位相で位相変調する場合を例示して説明する。

【0038】

［第１の実施の形態］
本発明では、超短パルス光の広帯域スペクトルの一部に位相変調を施して試料に照射し、試料において発生した信号光から位相変調されたスペクトルと同期した周波数成分を抽出し、観測する。すなわち、広帯域スペクトルの一部である狭帯域のパルス光に対して、最も大きなスペクトル変化が得られる複数の直交位相を指定して位相変調を施し、各変調位相におけるスペクトルを積算することにより信号のコントラストを向上させている。なお、本実施の形態においては、「直交」を、２つの信号の積を積分した場合に０となるという通常の意味で用いている。

【0039】

図１を参照しつつ、本発明の概要について、より具体的に説明する。図１は、本発明に係る光検出方法の手順を示しており、同図は、試料において発生したＣＡＲＳ光をスペクトル情報として抽出する場合を例示している。

【0040】

図１に示すように、まず、手順Ｔ１で、光源のパルス光について狭帯域成分を有するパルス光（第１のパルス光）と広帯域成分を有するパルス光（第２のパルス光）とに分波する。
つぎの手順Ｔ２では、第２のパルス光に対して第１のパルス光を遅延させる。第１のパルス光を遅延させるのは、緩和時間の早い信号光を選択的に除去するためである。この遅延により、たとえば、生体内での主要なノイズ源となる水に由来する信号を効果的に除去することができる。

【0041】

つぎの手順Ｔ３では、手順Ｔ２で遅延させた第１のパルス光に対して、予め定められた直交する複数の位相で位相変調を施す。
つぎの手順Ｔ４では、位相変調された第１のパルス光と第２のパルス光とを合波する。

【0042】

つぎの手順Ｔ５では、当該合波された光を試料に照射する。
つぎの手順Ｔ６では、試料において発生した信号光を分光する。

【0043】

つぎの手順Ｔ７では、分光した信号光を受光部に入射させ電気信号に変換する。
つぎの手順Ｔ８では、当該電気信号に対し所定の信号処理を実行することにより、ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する。

【0044】

以上の手順により、試料に含まれる分子の振動を反映したＣＡＲＳ光のスペクトルを得ることができる。

【0045】

図２に、本実施の形態に係る光検出装置１０を示す。光検出装置１０は、光源１２、光変調器１４、分光器１６、受光部１８、制御部２０、信号発生器２２、バンドパスフィルタ２４、ショートパスフィルタ２８、対物レンズ３０、３２、レトロリフレクタ３４Ａ、３４Ｂ、反射鏡３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃを含んで構成されている。

【0046】

光源１２は、光検出装置１０において、ラマン散乱過程における、励起光、ストークス光、およびプローブ光の各々に対応する光を発生させる光源である。本実施の形態に係る光検出装置１０では、光源１２に広帯域のパルス光を発生する超短パルスレーザを用いている。

【0047】

バンドパスフィルタ２４は、光源１２から出射したパルス光ＰＡについて、一部を透過させて狭帯域の第１のパルス光ＰＢとし、他部を反射させて広帯域の第２のパルス光ＰＤとする狭帯域バンドパスフィルタである。また、本実施の形態に係るバンドパスフィルタ２４は、位相変調された第１のパルス光ＰＣと、レトロリフレクタ３４Ｂで折り返された第２のパルス光ＰＤとを合波し、試料２６に照射するパルス光ＰＥとする機能を兼用している。

【0048】

なお、本実施の形態では、バンドパスフィルタ２４は、第１のパルス光ＰＣと第２のパルス光ＰＤとを分波する機能と合波する機能とを兼用した形態を例示して説明するが、これに限られず、これらを別の素子を用いて構成してもよい。この場合には、合波する素子として、通常のハーフミラーを用いればよい。

【0049】

レトロリフレクタ３４Ａは、バンドパスフィルタ２４で分波され、入射する第１のパルス光ＰＢを入射方向に折り返す部位である。本実施の形態では、互いに直角に配置された反射鏡を用いているが、これに限られず、たとえば直角プリズム等を用いてもよい。

【0050】

光変調器１４は、レトロリフレクタ３４Ａで折り返された第１のパルス光ＰＢに対して所定の位相変調を施し、変調された第１のパルス光ＰＣとする変調器である。本実施の形態では、光変調器１４の一例として、電気光学効果により光の位相を変調するＬＮ（リチウムナイオベート；ＬｉＮｂＯ_３）変調器を用いた形態を例示して説明するが、これに限られない。たとえば、駆動機構の付いた反射鏡等の、機械的に光の位相を遅延させる構成を用いた形態としてもよい。

【0051】

信号発生器２２は、光変調器１４の駆動電圧を変えて位相変調を行うための電気信号を発生するシグナルジェネレータである。信号発生器２２の出力は、図示しない駆動回路を介して光変調器１４に接続される場合もある。

【0052】

対物レンズ３０は、バンドパスフィルタ２４で合波されたパルス光ＰＥを試料２６に対して集光し、照射するレンズである。
対物レンズ３２は、試料において発生した信号光であるパルス光ＰＦ（ＣＡＲＳ光とともに励起光等も含まれている）を集光し、分光器１６に導くレンズである。

【0053】

対物レンズ３０および試料２６の少なくとも一方を動かすことにより、試料２６におけるパルス光ＰＥの照射位置を変更する（スキャンする）ことができる。この場合、対物レンズ３０および試料２６の少なくとも一方に、紙面に垂直な平面内で移動させることが可能な駆動機構、たとえばピエゾ素子を用いた駆動機構を設けてもよい。

【0054】

ショートパスフィルタ２８は、パルス光ＰＦからＣＡＲＳ光より圧倒的に光強度が大きい励起光（試料２６を透過しただけの光）の成分を除去してパルス光ＰＧとし、ＣＡＲＳ光を抽出し易くするための長波長カットフィルタである。なお、励起光の除去は励起光の一部であってもよい。また、ショートパスフィルタ２８は、励起光の大きさに応じて適宜に設ければよいもので、必須のものでもない。

【0055】

分光器１６は、パルス光ＰＧを分光するとともに分光した光を受光部１８に導く部位であり、特に制限なく一般的なスペクトロメータを用いて構成することができる。

【0056】

受光部１８は、分光されたＣＡＲＳ光を含む光を受光する部位であり、本実施の形態では、一例として、ＣＣＤを用いている。受光部１８としては、ＣＣＤに限定されず、たとえば光電子増倍管、フォトダイオード等の他の受光素子を用いることもできる。

【0057】

制御部２０は、試料２６から発生したＣＡＲＳ光を含むパルス光ＰＧから、ＣＡＲＳ光の周波数成分を抽出する信号処理を行うための部位であり、また、信号発生器２２で発生させる光変調器１４を位相変調するための駆動電圧の波形制御等を行うための部位である。制御部２０は、一般的なパーソナル・コンピュータ等を用いて構成することができる。

【0058】

反射鏡３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは、光路を変換するためのミラーである。

【0059】

つぎに、図３を参照して、本実施の形態に係る光変調器１４で行われる位相変調についてより具体的に説明する。

【0060】

本実施の形態に係る光検出装置１０では、広帯域スペクトルの一部である狭帯域のパルス光ＰＢに対して、最も大きなスペクトル変化が得られる４つの位相を指定して位相変調を施す。そして、各変調位相における光強度Ｉを積算することにより信号のコントラストを向上させている。また、本実施の形態では、４つの位相として直交する４つの位相、すなわち基準となる位相を０とした４つの位相、０、π／２，π，３π／２を用いている。

【0061】

つまり、図３（ａ）示すように、本実施の形態では、パルス光ＰＢの光の波形ＷＯの１周期に対して、基準位相位置Ｍ_０の位相０、位相位置Ｍ_１の位相π／２、位相位置Ｍ_２の位相π、位相位置Ｍ_３の位相３π／２で位相変調を行っている。

【0062】

図３（ｂ）は、上記位相変調を行う際に光変調器１４に印加する駆動電圧波形の一例を示しており、同図に示すように、本実施の形態では階段状の駆動電圧波形を採用している。本実施の形態に係る光変調器１４はＬＮ変調器を採用しているため、当該光変調器の駆動信号として電圧信号を用いる。

【0063】

図３（ｂ）において、Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、およびＶ_３は、各々図３（ａ）の位相位置Ｍ_０、Ｍ_１、Ｍ_２およびＭ_３において印加する駆動電圧を示しており、したがって、各々、０、π／２、π、３π／２の位相変化をパルス光ＰＢに付与する。なお、図３（ｂ）に示されたＶ_πは、ＬＮ変調器の半波長電圧、すなわち光信号に対してπの位相変化を付与する駆動電圧を示している。また、本実施の形態に係る光検出装置１０では、各駆動電圧の周期Ｔを、一例として１ｍｓ（ミリ秒）としている。

【0064】

なお、本実施の形態では、上記変調位相は４つの位相の相対的な関係（つまり、π／２の位相差）が維持されればよく、位相の絶対値は問題とならない。

【0065】

本実施の形態に係る光検出装置１０では、上記光変調器１４の駆動電圧は信号発生器２２から（あるいは、信号発生器２２から図示しない駆動回路を介して）供給され、また、信号発生器２２で発生させる電圧の波形は、制御部２０によって制御される。また、光変調器１４において施される位相変調に関する条件、たとえば、位相変調数、各位相位置の変調位相、各位相変調に適用する駆動電圧等は、制御部２０内に設けられた図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）あるいはＮＶＭ（Ｎｏｎ ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶手段に格納しておいてもよい。

【0066】

また、本実施の形態では、光変調器１４に印加する駆動電圧の波形として階段状の波形を例示して説明したが、これに限られず、たとえば各々の駆動電圧（Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３）のピーク値を有するパルス状の波形としてもよい。

【0067】

つぎに、図４および図５を参照して、上記パルス光ＰＡないしパルス光ＰＧのパルス波形およびスペクトルについて説明する。図４（ａ）ないし図４（ｄ）は、パルス光ＰＡないしパルス光ＰＤの各々のパルス波形（横軸が時間ｔであり、縦軸が光強度Ｉ）、およびスペクトル（横軸が波長λであり、縦軸が光強度Ｉ）を示している。また、図５（ｅ）ないし図５（ｇ）は、パルス光ＰＥないしパルス光ＰＧの各々のパルス波形、およびスペクトルを示している。

【0068】

図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係るパルス光ＰＡ（光源１２からの出射光）は、広帯域のスペクトルＳ１を有し、パルス幅がフェムト秒オーダーの超短パルスレーザ光である光パルスＰ１である。より具体的には、光源１２の一例として、中心波長が約８００ｎｍ、パルス幅がフェムト秒オーダー（たとえば、１０ｆｓ）、帯域幅が１００ｎｍ（１６００ｃｍ^−１）であるチタン・サファイアレーザを用いている。

【0069】

図４（ｂ）に示すように、パルス光ＰＡがバンドパスフィルタ２４でパルス光ＰＢとして透過、分波されると、狭帯域のスペクトルＳ２を有する光パルスＰ２となる。本実施の形態に係る光検出装置１０では、パルス光ＰＢの帯域幅を、一例として約４ｎｍ（６０ｃｍ^−１）としている。

【0070】

図４（ｃ）は、パルス光ＰＢが光変調器１４によって複数の位相で変調され、パルス光ＰＣとして出力された状態を示している。図４（ｃ）に示すように、光パルスＰ３が複数の位相で位相変調されると、位相変調の数（本実施の形態では４つ）だけずれた位相で、後述の光強度Ｉの測定を行うことが可能となる。なお、光パルスＰ３のスペクトルＳ３は、光変調器１４での位相変調に起因するスペクトル上の微小な変動を除き、基本的に上記スペクトルＳ２と同じものである。

【0071】

一方、図４（ｄ）は、バンドパスフィルタ２４で反射、分波されたパルス光ＰＤを示しており、パルス光ＰＤは、広帯域のスペクトルＳ４を有する光パルスＰ４で構成されている。スペクトルＳ４は、スペクトルＳ１からスペクトルＳ３に相当する部分が減算されたスペクトルとなっている。

【0072】

上記パルス光ＰＣとパルス光ＰＤとがバンドパスフィルタ２４で合波されると、図５（ｅ）に示すように、スペクトルＳ５を有する光パルスＰ５および光パルスＰ６となる。これらの光パルスがパルス光ＰＥを構成している。

【0073】

なお、本実施の形態に係る光検出装置１０では、上記パルス光ＰＣが励起光およびプローブ光として作用し、パルス光ＰＤがストークス光として作用する。

【0074】

パルス光ＰＥが試料２６に照射されると、図５（ｆ）に示すように、スペクトルＳ６およびＳ７を含む信号光がパルス光ＰＦとして発生する。スペクトルＳ７はＣＡＲＳ光に対応するスペクトルであり、スペクトルＳ６は主として励起光に対応するスペクトルである。また、図５（ｆ）に示すように、スペクトルＳ７には、スペクトルマーカーＳｍが含まれている。なお、図５（ｆ）では１つのスペクトルＳ７を示しているが、本実施の形態に係る光検出装置１０では広帯域光を用いて励起しているので、実際には同時に複数のＣＡＲＳ光が発生する。

【0075】

本実施の形態において「スペクトルマーカー」とは、光変調器１４による位相変調に起因し、試料２６から発生したＣＡＲＳ光と非共鳴スペクトルとが干渉した結果発生する信号光のスペクトルの変動部分をいう。当該スペクトルの変動部分の変動形状はいわば正弦波状の形状をなしており、図４（ｃ）のようにパルス光ＰＢの位相をずらすと、その正弦波状の形状の位相が波長λ軸方向にずれる。本実施の形態においては、この変動部分、すなわちスペクトルマーカーをラマンシフトの標識として用いている。つまり、図５（ｆ）において点線で示したスペクトルＳ６に含まれるスペクトルＳ３の中心波長から、スペクトルマーカーＳｍ部の波長までの波長差Δλがラマンシフトに対応している。

【0076】

このように、本実施の形態に係る光検出装置１０では、ＣＡＲＳ光を含む狭帯域成分をマーキングすることにより、周波数分解能を向上させることが可能となった。
なお、図５（ｆ）では１つのスペクトルマーカーＳｍについて示しているが、実際には複数のＣＡＲＳ光に対応して複数のスペクトルマーカーＳｍが発生する。

【0077】

パルス光ＰＦがショートパスフィルタ２８を通過すると、図５（ｇ）に示すように、主として励起光のスペクトルであるスペクトルＳ６の所定部分が除かれて、スペクトルマーカーＳｍを有するＣＡＲＳ光のスペクトルＳ８が主として抽出される。実際には、上述した非共鳴バックグラウンドのスペクトルもスペクトルＳ８の周囲に発生しており、これらのスペクトルの一部も同時にショートパスフィルタ２８を通過する。

【0078】

つぎに、図６を参照して、本実施の形態に係る光る光検出装置１０で実行される光検出処理について説明する。図６は、本実施の形態に係る光検出処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

【0079】

本実施の形態に係る光検出装置１０では、図６に示す処理は、制御部２０等を介して光検出の開始を指示することで、制御部２０内に備えられた図示しないＣＰＵがＲＯＭ等の記憶手段に記憶された光検出処理プログラムを読み込み、実行することによりなされる。

【0080】

また、本実施の形態では、本光検出処理プログラムをＲＯＭ等の記憶手段に予め記憶させておく形態を例示して説明するが、これに限られない。たとえば、本光検出処理プログラムがコンピュータにより読み取り可能な可搬型の記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線または無線による通信手段を介して配信される形態等を適用してもよい。

【0081】

さらに、本実施の形態では、本光検出処理を、プログラムを実行することによるコンピュータを利用したソフトウエア構成により実現しているが、これに限らない。たとえば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を採用したハードウエア構成や、ハードウエア構成とソフトウエア構成の組み合わせによって実現してもよい。

【0082】

図６に示すように、まずステップＳ１００で、制御部２０内に設けられた図示しないＲＯＭあるいはＮＶＭ等の記憶手段から、光変調器１４における位相変調条件（変調位相数、各変調位置での変調位相、各位相変調に適用する駆動電圧等）を読み込む。

【0083】

つぎのステップＳ１０２では、ステップＳ１００で読み込んだ位相変調条件に基づいて、変調位相数Ｎ（本実施の形態では、Ｎ＝４）を設定し、つぎのステップＳ１０４では、信号発生器２２に対し光変調器１４を駆動するための駆動電圧、駆動波形等の設定を行う。

【0084】

つぎのステップＳ１０６では、変調位相数Ｎのカウンタであるｉを１にセットする。
つぎのステップＳ１０８では、光変調器１４に対し位相θ（ｉ）で位相変調を施し、つぎのステップＳ１１０で、位相θ（ｉ）で変調した場合の光強度Ｉ（ｉ）を取得する。

【0085】

つぎのステップＳ１１２では、カウンタｉがＮより大きいか否かを判定し、当該判定が否定判定となった場合には、ステップＳ１１４でカウンタｉを１インクリメントしてステップＳ１０８に戻り、位相θ（ｉ＋１）での位相変調を継続する。

【0086】

一方、ステップＳ１１２で肯定判定となった場合には、ステップＳ１１６に移行し、各位相θ（ｉ）で変調して取得した光強度Ｉ（ｉ）に基づいて、ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する信号処理を行う。ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する本信号処理は、光変調器１４での位相変調と同期させて行う。

【0087】

本信号処理は、以下の（式１）で示される処理に基づいて行う。

【0088】

より具体的には、信号光のスペクトルの中から、上記（式１）のＩの値が０または許容範囲内で０に近い値となるスペクトルを同定して、信号光のスペクトルにおけるスペクトルマーカーＳｍに対応する部分を抽出し、スペクトルを演算する。そして、ステップＳ１１８で演算したスペクトルを出力する。その後、本光検出処理プログラムを終了する。
本信号処理によれば、非共鳴バックグラウンドの強度、あるいはスペクトル形状の如何にかかわらず、非共鳴バックグラウンド成分を差し引くことができる。したがって、発生したＣＡＲＳ光に対する非共鳴バックグラウンドの影響を排除することでき、高感度な光検出装置の実現が可能となっている。
なお、上記許容範囲については、シミュレーション、または実機等を用いた実験等により予め設定し、制御部２０の図示しないＲＯＭあるいはＮＶＭ等に格納しておいてもよい。

【0089】

なお、上記実施の形態では、４つの位相について測定するサイクルを１回実行する場合を例示して説明したが、これに限られず、当該サイクルを複数回実行してもよい。実行回数が増えればそれだけＳ／Ｎ比は向上する。

【0090】

つぎに、図７を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１０の実施例について説明する。図７は、同じ試料について、本実施の形態に係る光検出装置１０によるＣＡＲＳ光の光検出結果と、先述したランダムな位相変調を用いた従来技術に係る光検出装置によるＣＡＲＳ光の光検出結果とを対比して示したものである。

【0091】

図７に示す実施例では、本実施の形態に係る光検出装置、従来技術に係る光検出装置ともに、以下の条件で実施している。
・光源１２（パルス光ＰＡ）：波長８００ｎｍ、パルス幅１０ｆｓ、帯域幅１２５ｎｍ（２０００ｃｍ^−１）
・狭帯域のパルス光（パルス光ＰＢ）：波長７７７ｎｍ、パルス幅０．６ｐｓ、帯域幅４ｎｍ
・試料：イソフルラン原液を滴下したプレパラート

【0092】

図７において、横軸は波数であり、励起光の波数に対する波数シフト量を示している。
また、縦軸は光強度（ａ．ｕ）である。図７に示す実施例では、従来技術に係る光検出装置の積算測定回数（つまり、ランダムな変調位相の数）を５００としている。

【0093】

図７において、ＳＣＩで示されたスペクトルがイソフルランの固有の分子振動のＣＡＲＳ光スペクトルである。従来技術に係る光検出装置では、ＣＡＲＳ光のスペクトルをほとんど観測できないのに対し、本実施の形態に係る光検出装置によればＣＡＲＳ光のスペクトルを明瞭に観測できていることがわかる。なお、図７において、ＳＰで示されるスペクトルは励起光のスペクトルである。

【0094】

以上詳述したように、本実施の形態に係る光検出装置、光検出方法およびプログラムによれば、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法およびプログラムを提供することができる。また、本実施の形態に係る光検出装置、光検出方法およびプログラムによれば、位相変調において相対的な位相関係が決まればよいので、ＬＮ変調器に固有の動作点の温度ドリフト等の影響がないという効果も奏することができる。

【0095】

［第２の実施の形態］
つぎに、図８を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１００について説明する。本実施の形態に係る光検出装置１００は、第１の実施の形態に係る光検出装置１０において、第１のパルス光ＰＢに対する位相変調の方式を変えたものである。したがって、図２と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

【0096】

光検出装置１０では、光変調器１４としてＬＮ変調器を用いていたのに対し、光検出装置１００では、駆動機構付レトロリフレクタ３８を用いている。図８に示すように、光検出装置１００では、制御部２０が図示しない駆動機構を介し、駆動機構付レトロリフレクタ３８を所定の変調位相に対応する複数の位置（本実施の形態では４つの位置）に配置することにより位相変調を行う。

【0097】

図８では、所定の変調位相に対応する位置を、駆動機構付レトロリフレクタ３８に付された１ないし４の数字で表しており、これらの各位置は、図３の位相位置Ｍ_０ないしＭ_３に各々対応している。すなわち、１ないし４の数字が付された駆動機構付レトロリフレクタ３８の位置が、各々変調位相０，π／２，π，３π／２に対応している。したがって、
図２の光検出装置１０と同様、光検出装置１００でも４つの位相の相対的な位置関係が維持されればよく、位相の絶対値は問題とならない。光検出装置１００における各部のパルス光ＰＡないしパルス光ＰＧの波形およびスペクトルも図４および図５と同様である。

【0098】

本実施の形態に係る光検出処理プログラムも、基本的に図６に示された第１の実施の形態に係る光検出処理プログラムと同様であるが、ステップＳ１０４のみ若干異なる。すなわち、本実施の形態に係る光検出処理プログラムでは、ステップＳ１０４で信号発生器２２を設定する代わりに、駆動機構付レトロリフレクタ３８の駆動機構の設定、すなわち、各変調位相に対応した駆動機構付レトロリフレクタ３８の位置の設定等を行う。そして、設定した駆動機構付レトロリフレクタ３８の位置に基づいて、第１の実施の形態と同様に、ステップＳ１０８において位相θ（ｉ）で位相変調し、ステップＳ１１０において光強度Ｉ（ｉ）を取得する。

【0099】

以上のように、本実施の形態に係る光検出装置、光検出方法およびプログラムによっても、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法およびプログラムを提供することができる。

【0100】

[第３の実施の形態]
本実施の形態は、上記各実施の形態において、ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する信号処理の際の位相変調条件のうち、変調位相数Ｎを一般化した形態である。また、本実施の形態は、位相変調を施す複数の位相が直交していない場合にも適用可能とした形態である。

【0101】

まず、複数の位相Φ＋φ_Ｎに対し、受光部で測定される共鳴信号の光強度Ｉ（φ_Ｎ）は、一般的に以下に示す（式２）で表される。

ここで、Ｎは、異なる変調位相を表す指標であり、Φは、未知の固定位相であり、Ｉ_ＮＲＢは、非共鳴バックグランドの強度である。

【0102】

たとえば、変調位相数Ｎが４の場合の、上記実施の形態における（式１）は、（式２）を用いて、以下のようにして求められる。
すなわち、φ_Ｎ＝０，π／２，π，３π／２を（式２）に代入すると、下記（式３）が得られる。

【0103】

（式３）から、Ｉ_ＮＲＢを消去すると、以下に示す（式４）が得られる。

【0104】

未知の固定位相Φが消去できるように、（式４）の各々の式の両辺を２乗し、加算して平方根をとると、以下に示す（式５）のように（式１）が得られる。

ただし、（式５）において右辺全体にかかる係数は本質的ではないので、（式１）では、１／２の係数を省略している。

【0105】

本発明において、未知量は、Ｉ、Φ、Ｉ_ＮＲＢの３つであるので、変調位相数Ｎが３の場合も原理的に光強度Ｉ（φ_Ｎ）を求めることができる。一例として、φ_Ｎ＝０，２π／３，４π／３とすると、以下に示す（式６）が得られる。

【0106】

（式６）から、Ｉ_ＮＲＢを消去すると、以下に示す（式７）が得られる。

【0107】

（式７）の第１式の両辺を３で割り、第２式の両辺を９で割って両式を加算し、（式７）からΦを消去すると、以下に示す（式８）を得る。

【0108】

本実施の形態に係る光検出処理も、図６に示すフローチャートに従って実行することができる。この場合、ステップＳ１０２において変調位相数Ｎ＝３を設定し、ステップＳ１０８において、変調位相０，２π／３，４π／３で変調を行えばよい。

【0109】

図９は、変調位相数Ｎが３の場合の変調位相を示している。図９に示すように、本実施の形態では、パルス光ＰＢの光の波形ＷＯの１周期に対して、基準位相位置Ｍ_０の位相０、位相位置Ｍ_１の位相２π／３、位相位置Ｍ_２の位相４π／３で位相変調を行えばよい。

【0110】

本実施の形態は、変調位相数Ｎが３であるので、変調位相数Ｎが４である上記実施の形態と比較して、周波数スペクトル抽出の演算時間が約３／４に短縮できるという利点がある。また、本実施の形態に係る変調位相０，２π／３，４π／３は、直交していない。つまり、本発明は、変調位相が相互に直交していない場合にも適用が可能である。むろん、変調位相数Ｎを３とし、かつ変調位相を直交させることも可能であり、その場合は、変調位相として、たとえば０，π／２，πを選択すればよい。

【0111】

以上のように、本発明は、複数の変調位相数Ｎ一般に対して適用することが可能であり、また、直交していない複数の変調位相に対しても適用することが可能である。

【0112】

なお、上記各実施の形態では、ＣＡＲＳ光のスペクトルを観測する形態を例示して説明したが、これに限られず、たとえば所定のスペクトル幅ごとに試料２６からの信号光を画像化する形態に適用してもよい。

【0113】

また、上記各実施の形態では、解析的に求められた計算式（（式１）、（式８））に基づいて周波数スペクトルを抽出する形態を例示して説明したが、これに限られず、たとえば、近似式に基づいて、光強度Ｉ（φ_Ｎ）を０近傍に収束させる条件から周波数スペクトルを抽出する形態としてもよい。

【0114】

また、上記各実施の形態では、位相を選択する場合において、位相０を基準として選択する形態を例示して説明したが、これに限られず、Ｎ個の位相の相対的な関係が維持されていればよいので、固定位相φを基準として選択してもよい。つまり、たとえば変調位相数Ｎが４の場合の各位相を、０＋φ、π／２＋φ、π＋φ、３π／２＋φのように選択してもよい。

【0115】

日本出願２０１４−０３３１２９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。
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。

【符号の説明】

【0116】

１０ 光検出装置
１２ 光源
１４ 光変調器
１６ 分光器
１８ 受光部
２０ 制御部
２２ 信号発生器
２４ バンドパスフィルタ
２６ 試料
２８ ショートパスフィルタ
３０、３２ 対物レンズ
３４Ａ，３４Ｂ レトロリフレクタ
３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ 反射鏡
３８ 駆動機構付レトロリフレクタ
８０ ラマン分光装置
８２ 第１レーザパルス光源
８４ 第２レーザパルス光源
８６ 光学系
８８ 試料
９０ 検出装置
１００ 光検出装置
Ｓｍ スペクトルマーカー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】