特開 2023-95835 スペクトルイメージングシステム及びスペクトルイメージング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023095835

(43)【公開日】2023-07-06

(54)【発明の名称】スペクトルイメージングシステム及びスペクトルイメージング方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/39 20060101AFI20230629BHJP

   G02F 1/37 20060101ALI20230629BHJP

   G01N 21/01 20060101ALI20230629BHJP

【ＦＩ】

G01N21/39

G02F1/37

G01N21/01 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022206664

(22)【出願日】2022-12-23

(31)【優先権主張番号】P 2021211167

(32)【優先日】2021-12-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

【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３１年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「超短赤外パルス光源を用いた顕微イメージング装置の開発と生命科学への応用」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願委託研究

(71)【出願人】

【識別番号】592032636

【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園

(74)【代理人】

【識別番号】100120868

【弁理士】

【氏名又は名称】安彦 元

(72)【発明者】

【氏名】藤 貴夫

(72)【発明者】

【氏名】趙 越

【テーマコード（参考）】

2G059

2K102

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059EE01

2G059EE12

2G059FF01

2G059GG01

2G059GG08

2G059HH01

2G059HH06

2G059JJ14

2G059JJ18

2G059KK04

2K102AA07

2K102AA33

2K102BA18

2K102BB02

2K102BC01

2K102BD09

2K102CA28

2K102DA01

2K102DD03

2K102DD05

2K102DD06

2K102DD09

2K102DD10

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】赤外帯域において高精度かつ広帯域なスペクトルのイメージングが可能なスペクトルイメージングシステム及びスペクトルイメージング方法を提供する。
【解決手段】スペクトルイメージングシステムは、赤外域レーザを出射する第１出射手段と、前記赤外域レーザと周波数が異なる参照レーザを出射する第２出射手段と、前記第１出射手段により出射され、測定対象を透過又は反射した赤外域レーザを集光させる凹面鏡と、前記凹面鏡により集光された赤外域レーザによる前記測定対象の像が形成されると共に前記第２出射手段により出射された参照レーザが前記像に照射され、当該参照レーザに基づいて、前記像を形成する前記赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換する非線形結晶と、前記非線形結晶により変換されたＳＦＧ光を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外域レーザを出射する第１出射手段と、
前記赤外域レーザと周波数が異なる参照レーザを出射する第２出射手段と、
前記第１出射手段により出射され、測定対象を透過又は反射した赤外域レーザを集光させる凹面鏡と、
前記凹面鏡により集光された赤外域レーザによる前記測定対象の像が形成されると共に前記第２出射手段により出射された参照レーザが前記像に照射され、前記参照レーザに基づいて、前記像を形成する前記赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換する非線形結晶と、
前記非線形結晶により変換されたＳＦＧ光を検出する検出手段とを備え、
前記非線形結晶は、前記像が形成される面と垂直な方向の厚さが１μｍ～１０００μｍの何れかであること
を特徴とするスペクトルイメージングシステム。

【請求項2】

前記非線形結晶は、前記像が結像面に形成されること
を特徴とする請求項１に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項3】

前記非線形結晶は、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）と、ＬＢＯと、ＬｉＩＯと、ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）と、ＫＮｂＯ₃と、ＡｇＧａＳ₂と、ＺｎＧｅＰ₂と、ＫＴｉＯＡｓＯ₄（ＫＴＡ）と、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃（５ｍｏｌｅ％ ＭｇＯ）と、Ａｇ₃ＡｓＳ₃と、ＡｇＧａＳｅ₂と、ＣｄＳｅと、ＣｄＧｅＡｓ₂フィルムと、ＣｓＢ₃Ｏ₅と、ＭｇＢａＦ₄と、ＬｉＧａＯ₂と、ＣｓＴｉＯＡｓＯ₄と、ＮａＮＯ₂と、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅と、Ｋ₃Ｌｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅と、ＨｇＧａ₂Ｓ₄と、ＨｇＳと、Ａｇ₃ＳｂＳ₃と、Ｓｅと、Ｔｌ₃ＡｓＳ₃と、Ｔｅフィルムと、Ｓｉフィルムと、α－ＳｉＯ₂との中の何れか１以上を含むこと
を特徴とする請求項１に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項4】

前記非線形結晶は、前記厚さが３μｍ～４μｍの何れかであること
を特徴とする請求項１に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項5】

前記非線形結晶は、０．５５５μｍ～０．７８８μｍの波長の光を透過すること
を特徴とする請求項１の何れか１項に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項6】

前記非線形結晶は、３μｍ以上の波長の光の透過率が１０％以上であり、かつ０.６μｍ～０.８μｍの波長の光における光学濃度が３以下であること
を特徴とする請求項１に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項7】

前記赤外域レーザは、波数帯域が２００ｃｍ^-1～５５００ｃｍ^-1の何れかであること
を特徴とする請求項１に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項8】

前記赤外域レーザは、パルス幅が１５．０ｆｓ以下のパルス波であること
を特徴とする請求項１に記載のスペクトルイメージングシステム。

【請求項9】

赤外域レーザを出射させ、
前記赤外域レーザと周波数が異なる参照レーザを出射させ、
測定対象を透過又は反射した前記赤外域レーザを凹面鏡に集光させ、
前記赤外域レーザによる前記測定対象の像が形成されると共に前記参照レーザが前記像に照射される非線形結晶に、前記参照レーザに基づいて、前記像を形成する前記赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換させ、
前記非線形結晶により変換されたＳＦＧ光を検出させ、
前記非線形結晶は、前記像が形成される面と垂直な方向の厚さが１μｍ～１０００μｍの何れかであること
を特徴とするスペクトルイメージング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スペクトルイメージングシステム及びスペクトルイメージング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、波数帯域が５００ｃｍ^-1～１５００ｃｍ^-1の分子識別において重要な帯域である指紋領域の波数の光を用いた赤外イメージングが注目を集めており、例えば非特許文献１－７に記載されているような量子カスケードレーザを用いた赤外イメージング技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Haase, K., Kroger-Lui, N., Pucci, A., Schonhals, A. & Petrich, W. Real-time mid-infrared imaging ofliving microorganisms. J. Biophotonics 9, 61-66 (2016).

【非特許文献2】Bassan, P., Weida, M. J., Rowlette, J. & Gardner, P. Large scale infrared imaging of tissue microarrays (TMAs) using a tunable Quantum Cascade Laser (QCL) based microscope. Analyst 139,3856-3859 (2014).

【非特許文献3】Bird, B. & Rowlette, J. High definition infrared chemical imaging of colorectal tissue using a SperoQCL microscope. Analyst 142, 1381-1386 (2017).

【非特許文献4】Kroger-Lui, N. et al. Rapid identification of goblet cells in unstained colon thin sections by meansof quantum cascade laser-based infrared microspectroscopy. Analyst 140, 2086-2092 (2015).

【非特許文献5】Yeh, K. & Bhargava, R. Discrete frequency infrared imaging using quantum cascade lasers forbiological tissue analysis. in Biomedical Vibrational Spectroscopy 2016: Advances in Research andIndustry vol. 9704 970406 (2016).

【非特許文献6】Koziol, P. et al. Denoising influence on discrete frequency classification results for quantumcascade laser based infrared microscopy. Anal. Chim. Acta 1051, 24-31 (2019).

【非特許文献7】Shi, L. et al. Mid-infrared metabolic imaging with vibrational probes. Nat. Methods 17, 844-851(2020).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方、上記の赤外イメージングでは、発光光源としてインコヒーレント光源、又は量子カスケードレーザが用いられており、赤外帯域の測定においては赤外検出器が用いられている。

【0005】

しかしながら、量子カスケードレーザは、広帯域の波長を出すことができないため、広域帯での測定ができない。例えば、９００ｃｍ^-1～１８００ｃｍ^-1をカバーするのに、四台の量子カスケードレーザが必要である。そのため、一度の波長掃引で狭い波長帯域でしか掃引することができないため、広い波長帯域を掃引するには時間がかかる。また、現在市販の量子カスケードレーザは指紋領域をカバーすることができるが、中赤外全領域（３μｍ～２０μｍ）をカバーすることができない。

【0006】

また、従来のＦＴ－ＩＲ分光器に使われる広帯域の波長を出せるインコヒーレント光源は光強度が低いため、イメージングに用いることが難しい。

【0007】

また、ＨｇＣｄＴｅ等の赤外線検出素子は、約３μｍ以上の波長の光を検出する際には、熱雑音による影響が大きくなるため、感度が悪くなる。液体窒素を用いて冷却しても、検出効率や信号対雑音比（ＳＮ比）は可視領域の検出器（例えば、シリコンベースの検出器）より優れない。

【0008】

これらのことから、非特許文献１－７に示すような量子カスケードレーザによる赤外イメージングは効率が低いこと、計測可能な波数領域が狭いことが問題点となっている。

【0009】

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、赤外帯域において高精度かつ広帯域なスペクトルのイメージングが可能なスペクトルイメージングシステム及びスペクトルイメージング方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１発明に係るスペクトルイメージングシステムは、赤外域レーザを出射する第１出射手段と、前記赤外域レーザと周波数が異なる参照レーザを出射する第２出射手段と、前記第１出射手段により出射され、測定対象を透過又は反射した赤外域レーザを集光させる凹面鏡と、前記凹面鏡により集光された赤外域レーザによる前記測定対象の像が形成されると共に前記第２出射手段により出射された参照レーザが前記像に照射され、当該参照レーザに基づいて、前記像を形成する前記赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換する非線形結晶と、前記非線形結晶により変換されたＳＦＧ光を検出する検出手段とを備え、前記非線形結晶は、前記像が形成される面と垂直な方向の厚さが１μｍ～１０００μｍの何れかであることを特徴とする。

【0011】

第２発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記非線形結晶は、前記像が結像面に形成されることを特徴とする。

【0012】

第３発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記非線形結晶は、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）と、ＬＢＯと、ＬｉＩＯと、ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）と、ＫＮｂＯ₃と、ＡｇＧａＳ₂と、ＺｎＧｅＰ₂と、ＫＴｉＯＡｓＯ₄（ＫＴＡ）と、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃（５ｍｏｌｅ％ ＭｇＯ）と、Ａｇ₃ＡｓＳ₃と、ＡｇＧａＳｅ₂と、ＣｄＳｅと、ＣｄＧｅＡｓ₂フィルムと、ＣｓＢ₃Ｏ₅と、ＭｇＢａＦ₄と、ＬｉＧａＯ₂と、ＣｓＴｉＯＡｓＯ₄と、ＮａＮＯ₂と、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅と、Ｋ₃Ｌｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅と、ＨｇＧａ₂Ｓ₄と、ＨｇＳと、Ａｇ₃ＳｂＳ₃と、Ｓｅと、Ｔｌ₃ＡｓＳ₃と、Ｔｅフィルムと、Ｓｉフィルムと、α－ＳｉＯ₂との中の何れか１以上を含むことを特徴とする。

【0013】

第４発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記非線形結晶は、前記像が形成される面と垂直な方向の厚さが３μｍ～４μｍの何れかであることを特徴とする。

【0014】

第５発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記非線形結晶は、０．５５５μｍ～０．７８８μｍの波長の光を透過することを特徴とする。

【0015】

第６発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記非線形結晶は、の透過率が１０％以上であり、かつ０.６μｍ～０.８μｍの波長の光における光学濃度が３以下であることを特徴とする。

【0016】

第７発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記赤外域レーザは、波数帯域が２００ｃｍ^-1～５５００ｃｍ^-1の何れかであることを特徴とする。

【0017】

第８発明に係るスペクトルイメージングシステムは、第１発明において、前記赤外域レーザは、パルス幅が１５．０ｆｓ以下のパルス波であることを特徴とする。

【0018】

第９発明に係るスペクトルイメージング方法は、赤外域レーザを出射させ、前記赤外域レーザと周波数が異なる参照レーザを出射させ、測定対象を透過又は反射した前記赤外域レーザを凹面鏡に集光させ、前記赤外域レーザによる前記測定対象の像が形成されると共に前記参照レーザが前記像に照射される非線形結晶に、前記参照レーザに基づいて、前記像を形成する前記赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換させ、前記非線形結晶により変換されたＳＦＧ光を検出させ、前記非線形結晶は、前記像が形成される面と垂直な方向の厚さが１μｍ～１０００μｍの何れかであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

第１発明～第９発明によれば、非線形結晶は、参照レーザに基づいて、赤外域レーザをＳＦＧ光に変換する。これにより、赤外域レーザを可視光域に変換できるため、赤外帯域の波長の光を高精度かつ広帯域にイメージングすることが可能となる。また、レーザの照射面積を大きくしても高精度にイメージングすることができるため、より高速にイメージングを行うことが可能となる。また、赤外域レーザを可視光域に変換できるため、赤外帯域のスペクトル情報を保ったままの光を可視用のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ、又はＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサによりハイパースペクトルイメージングすることが可能となるので、センサ感度が増大し、赤外帯域の波長の光を高精度かつ広帯域にイメージングすることが可能となる。

【0020】

特に、第２発明によれば、非線形結晶は、像が結像面に形成される。これにより、結像した像をイメージングできるため、より高精度なイメージングが可能となる。

【0021】

特に、第３発明によれば、非線形結晶は、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）と、ＬＢＯと、ＬｉＩＯと、ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）と、ＫＮｂＯ₃と、ＡｇＧａＳ₂と、ＺｎＧｅＰ₂と、ＫＴｉＯＡｓＯ₄（ＫＴＡ）と、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃（５ｍｏｌｅ％ ＭｇＯ）と、Ａｇ₃ＡｓＳ₃と、ＡｇＧａＳｅ₂と、ＣｄＳｅと、ＣｄＧｅＡｓ₂フィルムと、ＣｓＢ₃Ｏ₅と、ＭｇＢａＦ₄と、ＬｉＧａＯ₂と、ＣｓＴｉＯＡｓＯ₄と、ＮａＮＯ₂と、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅と、Ｋ₃Ｌｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅と、ＨｇＧａ₂Ｓ₄と、ＨｇＳと、Ａｇ₃ＳｂＳ₃と、Ｓｅと、Ｔｌ₃ＡｓＳ₃と、Ｔｅフィルムと、Ｓｉフィルムと、α－ＳｉＯ₂との中の何れか１以上を含む。これらの中の何れか１以上を含む非線形結晶は、他の非線形結晶と比べて赤外帯域において、高い強度と広い波数帯域を有するため、さらに高精度かつ広帯域にイメージングすることが可能となる。

【0022】

特に、第４発明によれば、非線形結晶は、像が形成される面と垂直な方向の厚さが３μｍ～４μｍの何れかである。これにより、さらに高精度かつ広帯域にイメージングすることが可能となる。

【0023】

特に、第５発明によれば、非線形結晶は、０．５５５μｍ～０．７８８μｍの波長の光を透過することを特徴とする。これにより、可視光域に変換したＳＦＧ光が非線形結晶を透過できるため、赤外帯域の波長の光を高精度かつ広帯域にイメージングすることが可能となる。

【0024】

特に、第６発明によれば、非線形結晶は、の透過率が１０％以上である、かつ０.６μｍ～０.８μｍの波長の光における光学濃度が３以下であることを特徴とする。これにより、非線形結晶は赤外域の光のスペクトル情報を保持したまま波長変換させることができるため、赤外帯域の波長の光を高精度かつ広帯域にイメージングすることが可能となる。

【0025】

特に、第８発明によれば、赤外域レーザは、パルス幅が１５．０ｆｓ以下のパルス波であることを特徴とする。これにより、赤外域レーザは、結像面に設けられた非線形結晶において、十分な強度を有するため、赤外帯域の波長の光を高精度にイメージングすることが可能となる。また、赤外域レーザは、結像面に設けられた非線形結晶において、十分な強度を有するため、赤外領域の二次元イメージングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、本発明を適用したスペクトルイメージングシステムの全体構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、波長変換部の構成例を示す図である。

【図3】図３（ａ）は、復数のシート状の分子層が重なった非線形結晶を示す図である。図３（ｂ）は、非線形結晶の製造方法を示す図である。

【図4】図４は、位相差が０になるときの波長に対する非線形結晶の角度を示すグラフである。

【図5】図５は、本発明を適用した非線形結晶毎の比較を示す図である。

【図6】図６は、本発明を適応した非線形結晶の厚さ毎の比較示す図である。

【図7】図７（ａ）は、本発明を適応した非線形結晶の厚さが１００μｍの場合のＳＦＧ光の強度を示す図である。図７（ｂ）は、本発明を適応した非線形結晶の厚さが４μｍの場合のＳＦＧ光の強度を示す図である。図７（ｃ）は、本発明を適応した非線形結晶の厚さが１μｍの場合のＳＦＧ光の強度を示す図である。図７（ｄ）は、本発明を適応した非線形結晶の厚さに対するＳＦＧ光の強度を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明を適用したスペクトルイメージングシステム１は、赤外域のレーザを用いて、測定対象をイメージングするために用いられる。

【0028】

図１は、実施形態に係るスペクトルイメージングシステム１の全体構成を示すブロック図である。スペクトルイメージングシステム１は、評価装置２と、スペクトル撮像装置４と、第１レーザ照射部５と、第２レーザ照射部６と、測定対象３と、波長変換部７とを備える。

【0029】

第１レーザ照射部５は、例えば、赤外域レーザを測定対象３に照射する赤外線照射装置が用いられ、波数帯域が２００ｃｍ^-1～５５００ｃｍ^-1の赤外域レーザ、好ましくは２００ｃｍ^-1～３０００ｃｍ^-1の中赤外帯域の波長を含む赤外域レーザを照射するレーザ光源である。また、第１レーザ照射部５は、７．０ｆｓ以下の超短パルスを照射できるコヒーレント光源であることが好ましいが、１５．０ｆｓ以下の超短パルスを照射できるコヒーレント光源であってもよい。また、第１レーザ照射部５は、フィラメンテーション法により、６．９ｆｓの超短パルスかつ、３～２０μｍの波長の中赤外レーザを照射できる中赤外超短パルス光源を用いてもよい。また、第１レーザ照射部５は、T. Fuji, Y. Nomura and H. Shirai, "Generation and Characterization of Phase-Stable Sub-Single-Cycle Pulses at 3000 cm" in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 21, no. 5, pp. 1-12, Sept.-Oct. 2015, Art no. 8700612, doi: 10.1109/JSTQE.2015.2426415.に開示されている技術を用いてもよい。

【0030】

また、第１レーザ照射部５は、照射する赤外域レーザに強度が必要とされるため、ＯＰＡ（optical parametric amplifier）を用いた光源ではなく、より光の強度の高い赤外域レーザを照射できる中赤外超短パルス光源を用いるのが好ましい。

【0031】

第２レーザ照射部６は、赤外域レーザと周波数が異なる参照レーザを波長変換部７に照射する参照レーザ照射装置が用いられる。参照レーザ照射装置は、赤外域レーザと異なる周波数の参照レーザを照射するものであればよいが、好ましくは中心波長が７００ｎｍ～２０００ｎｍ、さらに好ましくは中心波長が８００ｎｍのレーザを照射するものである。また、第２レーザ照射部６は、第１レーザ照射部５に内蔵されていてもよい。

【0032】

測定対象３は、スペクトルイメージングシステム１を用いてイメージングをする対象となる測定物である。測定対象３は、例えば有機物、食品、薬品、脂質・蛋白質・糖類等を含む細胞、生体組織、生体物質、環境微粒子、又は鉱石、隕石や不純物を含む半導体材料等が含まれる。測定対象３は、第１レーザ照射部５から、赤外域レーザが照射される。測定対象３は、照射された赤外域レーザを波長変換部７に反射又は透過させる。測定対象３は０．５μｍ以上、２０．０ｍｍ以下大きさの物体が好ましいがこの限りではない。

【0033】

図２は、波長変換部７の構成例を示している。波長変換部７は、第１レーザ照射部５から照射され、測定対象３が反射した又は測定対象３を透過した赤外域レーザと、第２レーザ照射部６から照射された参照レーザとが照射される。波長変換部７は、照射された赤外域レーザを、参照レーザに基づいて、可視光域のＳＦＧ光に変換する。

【0034】

波長変換部７は、第１レーザ照射部５から照射され、測定対象３を透過又は反射した赤外域レーザを集光させる凹面鏡７１と、凹面鏡７１により集光された赤外域レーザによる測定対象３の像が形成されると共に第２レーザ照射部６により出射された参照レーザが当該像に照射され、当該参照レーザに基づいて、当該像を形成する赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換する非線形結晶７０と、非線形結晶７０と両面テープ７４を介して付着している基板７３とを有する。また、波長変換部７は、基板７３と両面テープ７４とを備えていなくてもよい。

【0035】

凹面鏡７１は、赤外域レーザ又は参照レーザを集光するためのレンズ又は鏡である、凹面鏡７１は、例えば赤外域レーザ又は参照レーザを反射する凹面を持つ鏡である。また、凹面鏡７１は、例えば赤外域レーザ又は参照レーザを透過させる凸レンズである。また、凹面鏡７１が集光させた結像面７２の位置は、凹面鏡７１の焦点距離及び測定対象３から凹面鏡７１までの距離により決定されてもよい。

【0036】

非線形結晶７０は、赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換する非線形の結晶である。非線形結晶７０は、第２レーザ照射部６により照射された参照レーザに基づいて、赤外域レーザを可視光域のＳＦＧ光に変換するために用いられる。非線形結晶７０は、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）が含まれる結晶であることが好ましいがこの限りではなく、透過帯域が３μｍを超え、０．５５５μｍ～０．７８８μｍの波長の光を透過できるものであればよい。非線形結晶７０は、例えば３μｍ以上の波長の光の透過率が１０％以上である、かつ０.６μｍ～０.８μｍの波長の光における光学濃度が３以下の結晶であってもよい。光学濃度は、光の吸収度合を対数で示すＯＤ（Optical Density）値である。非線形結晶７０は、例えばＬＢＯと、ＬｉＩＯと、ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）と、ＫＮｂＯ₃と、ＡｇＧａＳ₂と、ＺｎＧｅＰ₂と、ＫＴｉＯＡｓＯ₄（ＫＴＡ）と、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃（５ｍｏｌｅ％ ＭｇＯ）と、Ａｇ₃ＡｓＳ₃と、ＡｇＧａＳｅ₂と、ＣｄＳｅと、ＣｄＧｅＡｓ₂フィルムと、ＣｓＢ₃Ｏ₅と、ＭｇＢａＦ₄と、ＬｉＧａＯ₂と、ＣｓＴｉＯＡｓＯ₄と、ＮａＮＯ₂と、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅と、Ｋ₃Ｌｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅と、ＨｇＧａ₂Ｓ₄と、ＨｇＳと、Ａｇ₃ＳｂＳ₃と、Ｓｅと、Ｔｌ₃ＡｓＳ₃と、Ｔｅフィルムと、Ｓｉフィルムと、α－ＳｉＯ₂との中の何れか１以上ものである。また、非線形結晶７０は、像が形成される面と垂直な方向の厚さが１μｍ～１０００μｍのものが好ましいがこの限りではない。また、非線形結晶７０の厚さは、１μｍ以下であってもよい。非線形結晶７０の厚さは、例えばＧａＳｅ分子の一層の厚さである０．０００４７２μｍ以上であればよい。

【0037】

また、非線形結晶７０は、例えば図３（ａ）に示すように、複数のシート状の分子層７５が重なったものであってもよい。かかる場合、例えば非線形結晶７０は、ｘｙ面に平行する複数の分子層７５が、ｚ方向に重なっている結晶を用いてよい。

【0038】

基板７３は、非線形結晶７０が付着している基板である。基板７３は、非線形結晶７０が付着している主平面と当該主平面の対面とが光学研磨されている。基板７３は、例えば溶融石英やサファイア基板であってもよいが、これに限らず、ＳＦＧ光の波長帯域における透過率が高いものであればよい。また、非線形結晶７０の厚さが３０μｍ以上の場合、基板７３は、用いられなくてもよい。

【0039】

両面テープ７４は、基板７３に非線形結晶７０を付着させるためのテープである。両面テープ７４は、例えば厚さが５μｍで０．６μｍ～０．８μｍの波長の光が透過するものを用いてもよい。

【0040】

（非線形結晶７０の製造方法）
ここで、非線形結晶７０の製造方法について、図３（ｂ）を用いて説明する。非線形結晶７０は、スコッチテープ法を用いて製造されてもよい。また、非線形結晶７０は、像が形成される面と垂直な方向の厚さが例えば４μｍのものを製造する場合、基板７３に付着した両面テープ７４と非線形結晶７０の分子層７５とを圧着させ、基板７３を非線形結晶７０から引き離すことにより、非線形結晶７０から分子層７５を剥離させることで製造されてもよい。また、非線形結晶７０は、例えば基板７３に非線形結晶７０を蒸着させることで製造してもよい。また、非線形結晶７０は、基板７３に付着した結晶を、結晶成長させることで製造されてもよい。

【0041】

また、図４は、位相差が０になるときの波長に対する非線形結晶の角度を示すグラフである。非線形結晶７０は、赤外域レーザ及び参照レーザの入射角がθとなるように角度を設けてもよい。かかる場合、例えば入射角θは測定の対象となる波長に応じて、図４に示すグラフに従って決定されてもよい。これにより、測定の対象となる波長に応じて、適切な入射角θを設定できるため、より精度の高いイメージングが可能となる。また、非線形結晶７０は、凹面鏡７１により集光された赤外域レーザによる測定対象３の像が形成される位置、即ち凹面鏡７１の焦点距離よりも距離のある位置の何れかに設けられる。特に、非線形結晶７０は、凹面鏡７１の焦点距離及び測定対象３から凹面鏡７１までの距離により決定される結像面７２となるような位置に設けられるのが好ましい。

【0042】

ＳＦＧ光は、例えば６００ｎｍ～８００ｎｍの可視光域の光であるが、この限りではなく、４００ｎｍ～８００ｎｍほどの可視光域であるならば何れの波長であってもよい。

【0043】

スペクトル撮像装置４は、カラーフィルタを交換する方式のいわゆるマルチスペクトルカメラや、分散型もしくは干渉型の分光方式を用いたいわゆるハイパースペクトルカメラで構成されている。

【0044】

（スペクトルイメージングシステム１の動作）
次に、本実施形態におけるスペクトルイメージングシステム１の動作の一例について説明する。

【0045】

まず、第１レーザ照射部５は、測定対象３に赤外域レーザを照射し、さらに第２レーザ照射部６は、波長変換部７に参照レーザを照射する。例えば第１レーザ照射部５及び第２レーザ照射部６は、赤外域レーザと参照レーザとは、波長変換部７に照射されるように同位相となるようにそれぞれ異なる光路を用いてもよい。また、赤外域レーザと参照レーザとは、それぞれが平行ビームとなるように波長変換部７に照射されるように、例えば光路に多層膜ミラー等を用いてもよい。

【0046】

また、第１レーザ照射部５は、照射面積が直径１ｍｍ程の赤外域レーザを照射することが好ましいが、この限りではなく、直径１ｍｍ以上の照射面積となるように赤外域レーザを照射してもよい。第１レーザ照射部５は、例えば照射面積が１００ｍｍ²以上となる赤外域レーザを照射してもよい。これにより、測定対象３へ照射する赤外域レーザの照射面積が大きくなるため、より広範囲の帯域を一度に測定することが可能となり、測定時間を短縮することが可能となる。

【0047】

次に波長変換部７は、第１レーザ照射部５が測定対象３に照射し、反射した又は透過した赤外域レーザを、第２レーザ照射部６が照射した参照レーザに基づいて、可視光域のＳＦＧ光に変換する。非線形結晶７０は、例えば照射された赤外域レーザと、参照レーザとから、光混合の非線形光学効果により、統合周波数の光を発生させる。かかる場合、非線形結晶７０は、位相整合条件下で、和周波発生、または差周波発生が起きることにより、可視光域のＳＦＧ光またはＤＦＧ光を発生させることができる。また、ＳＦＧ光の周波数をω₃、赤外域レーザの周波数をω₁、参照レーザの周波数をω₂とすると、それぞれの周波数は数１で示される式の関係で示される。これにより、赤外域レーザは可視光域のＳＦＧ光に変換される。

【数1】

【0048】

また、波長変換部７は、非線形結晶７０が結像面７２となるように位置を調整することにより、非線形結晶７０に結像が形成される。これにより、光の強度の強い像を形成する赤外域レーザを扱うことができるため、測定対象３のイメージングを高精度に行うことが可能となる。かかる場合、赤外域レーザの光に強度が求められるため、第１レーザ照射部５は、上述したパルス幅が７．０ｆｓ以下の中赤外超短パルス光源を用いることが好ましい。これにより、赤外域レーザは、十分な強度を有する像を形成できるため、赤外帯域の波長の光の像を高精度にイメージングすることが可能となる。また、非線形結晶７０は、結像面７２となるように設けられることが好ましいが、結像面７２から例えば３ｍｍ程距離のある略結像面となるように設けられてもよい。

【0049】

次に、波長変換部７により変換されたＳＦＧ光をスペクトル撮像装置４に取り込み、測定対象３の解析画像を検出する。検出ステップＳ１３０は、例えば検出した解析画像を記憶部２８に記憶させてもよい。

【0050】

上述した各手段を行うことで、本実施形態におけるスペクトルイメージングシステム１の動作が完了する。これにより、これにより、赤外域レーザを可視光域に変換できるため、赤外帯域の波長の光を高精度にイメージングすることが可能となる。

【0051】

〈非線形結晶７０の比較〉
図５は、非線形結晶７０に含まれる材料毎の横軸を波数帯域とし、縦軸を光の強度とするグラフを示す図である。図５のグラフによると、中赤外帯域を示す５００ｃｍ^-1～３５００ｃｍ^-1の波数帯域において、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）を含む非線形結晶７０は、他のＢＢＯ、ＬｉＮｂＯ₃、Ｓｉ、ＬｉＧａＳ₂、の中の何れかを含む非線形結晶７０に比べて、光の強度が高い波数帯域が広い。このことから、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）は、他の非線形結晶と比べて高い強度と広い波数帯域を有するため、さらに高精度にイメージングすることが可能となる。また、ＬｉＧａＳ₂も中赤外帯域において高い光の強度を示しているため、非線形結晶７０にＬｉＧａＳ₂を用いてもよい。また、これらの３μｍ以上の波長の光の透過率が１０％以上である、かつ０.６μｍ～０.８μｍの波長の光における光学濃度が３以下の非線形結晶７０を用いることで、同様に高精度にイメージングすることが可能となる。

【0052】

〈非線形結晶７０の厚さの比較〉
図６は、本実施形態において、非線形結晶７０の厚さが異なるときのイメージングの比較を示す図である。図６は、非線形結晶７０の厚さがそれぞれ４μｍ、１０μｍ、３０μｍ、１００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの場合の測定対象３のイメージングを示している。図６によれば、非線形結晶７０の結像面７２と垂直な方向の厚さが４μｍ～１０００μｍの場合に精度の高いイメージングが可能となっている。また、例えば厚さが１０００μｍ以上の場合、非線形結晶７０内で変換されたＳＦＧ光が非線形結晶７０に吸収されるため、ＳＦＧ光の光の強度が足りなくなるためである。このため、非線形結晶７０の結像面７２と垂直な方向の厚さが４μｍ～１０００μｍの場合に精度の高いイメージングが可能となっている。また、非線形結晶７０の表面の面精度に依存するイメージングの質は、基板７３がついている厚さが４μｍのものと、厚さが５００μｍのものとが高くなっている。また、中赤外超短パルス光源の出力パワー（パルスエネルギー）や参照レーザの出力パワー（パルスエネルギー）を上げることができるなら、精度の高いイメージングができる結晶の厚みは１～１０００μｍの限りではない。

【0053】

図７（ａ）は、本発明を適応した非線形結晶７０の厚さが１００μｍの場合のＳＦＧ光の強度の計算結果を示す図である。図７（ｂ）は、本発明を適応した非線形結晶７０の厚さが４μｍの場合のＳＦＧ光の強度の計算結果を示す図である。図７（ｃ）は、本発明を適応した非線形結晶７０の厚さが１μｍの場合のＳＦＧ光の強度を示す図である。図７（ａ）、図７（ｂ）、及び図７（ｃ）のグラフは、縦軸がＳＦＧ光の強度を示し、横軸がＳＦＧ光の波長（μｍ）を示す。図７（ａ）、図７（ｂ）、及び図７（ｃ）のグラフが示すように、非線形結晶７０の厚さが１００μｍの場合と１μｍの場合とに比べて、非線形結晶７０の厚さが４μｍの場合は、ＳＦＧ光の強度が低下する点が少なくなる。本発明を適応した非線形結晶７０を用いる場合、非線形結晶７０の厚みが大きくなると、ＳＦＧ光の強度が強くなるが、位相整合条件に応じてフリンジが発生し、強度が低下する点が多くなる。強度が０となる点が多くなると、実際にイメージングを行う際に取り除く波長の点が多くなる。このため、強度が低下する点が多くなると、波長分解能が低下し、測定できる波長の点が少なくなる。このため、非線形結晶７０の厚さが３μｍ～４μｍであることが好ましい。

【0054】

図７（ｄ）は、本発明を適応した非線形結晶７０の厚さに対するＳＦＧ光の強度を示す図である。図７（ｄ）は、縦軸がＳＦＧ光の強度を示し、横軸が非線形結晶７０の厚さを示し、各実線及び点線はそれぞれ波長が７５０ｎｍ、７００ｎｍ、６５０ｎｍの場合のグラフを示す。図７（ｄ）が示すように、ＳＦＧ光の強度は、１μｍ程度から上昇し、５μｍ程度で低下する。このことから、非線形結晶７０の厚さが３μｍから４μｍまでの場合が、ＳＦＧ光の強度が十分に高くなり、位相整合条件に応じたフリンジが発生しない。このため、非線形結晶７０の厚さがが３μｍ～４μｍであることが好ましい。

【0055】

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0056】

１ ：スペクトルイメージングシステム
３ ：測定対象
４ ：スペクトル撮像装置
５ ：第１レーザ照射部
６ ：第２レーザ照射部
７ ：波長変換部
７０ ：非線形結晶
７１ ：凹面鏡
７２ ：結像面
７３ ：基板
７４ ：両面テープ
７５ ：分子膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】