(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】
(24)【登録日】2024-04-19
(45)【発行日】2024-04-30
(54)【発明の名称】ＣＡＲＳ光学系を含むシステム
(51)【国際特許分類】
G01N 21/65 20060101AFI20240422BHJP
【ＦＩ】
G01N21/65
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021571449
(86)(22)【出願日】2020-06-25
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-06
(86)【国際出願番号】 JP2020024954
(87)【国際公開番号】W WO2020262513
(87)【国際公開日】2020-12-30
【審査請求日】2023-05-10
(31)【優先権主張番号】62/866,115
(32)【優先日】2019-06-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】509339821
【氏名又は名称】アトナープ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102934
【弁理士】
【氏名又は名称】今井 彰
(72)【発明者】
【氏名】アンダーソン デイヴィッド
(72)【発明者】
【氏名】プレウィッキ マテウス
(72)【発明者】
【氏名】チュリン ドミトリー
(72)【発明者】
【氏名】パンドゥランガン アナンド
(72)【発明者】
【氏名】チャン アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】ブルックナー ルーカス
(72)【発明者】
【氏名】ムルティ プラカッシ スリダラ
【審査官】嶋田 行志
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００６／００６６８４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１４－００４５６２８（ＫＲ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１８０９８６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／８３
Ａ６１Ｂ ５／００－Ａ６１Ｂ ５／３９８
Ｇ０１Ｊ ３／００－Ｇ０１Ｊ ３／５２
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
Ｏｐｔｉｃａ
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ
ＡＣＳ ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮＳ
ＡＰＳ Ｊｏｕｒｎａｌｓ
ＪＪＡＰ
ＡＰＥＸ
ＫＡＫＥＮ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の範囲の波長の第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射して前記ターゲットからの光を取得することにより前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、
前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変する第１の位相変調ユニットと、
前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの前記位相差を可変させるように構成された第２の変調制御ユニットとを有するシステム。
【請求項2】
請求項１において、前記第１の位相変調ユニットを用いて、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を周期的にシフトさせるように構成された第１の変調制御ユニットをさらに有する、システム。
【請求項3】
請求項２において、前記第１の変調制御ユニットは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差をパルス毎にシフトさせるように構成されたユニットを含む、システム。
【請求項4】
請求項２または３において、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスは、フェムト秒からピコ秒のオーダーであり、前記第１の変調制御ユニットは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を１～１００ｋＨｚの周期でシフトさせる、システム。
【請求項5】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記第１の位相変調ユニットは、遅延を変調するユニットであって、前記第１の光路および前記第２の光路のうちの少なくとも一方の光路を変調して少なくとも２πの位相シフトを可能とするように構成された遅延変調ユニットを含む、システム。
【請求項6】
請求項５において、前記遅延変調ユニットは、再帰反射器と、前記再帰反射器を移動させるためのピエゾ素子とを含む、システム。
【請求項7】
請求項５または６において、前記遅延変調ユニットは、前記第２の光路の一部の光路を変調する、システム。
【請求項8】
第１の範囲の波長の第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、
前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射して前記ターゲットからの光を取得することにより前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、
前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変する第１の位相変調ユニットと、
前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するように前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給する第３の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変するように構成された第２の位相変調ユニットとをさらに有する、システム。
【請求項9】
請求項８において、前記第３の光パルスと前記第２の光パルスとの間の時間差を制御するように構成された時間遅延ユニットをさらに有する、システム。
【請求項10】
請求項８または９において、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を周期的にシフトさせるように構成された第３の変調制御ユニットをさらに有する、システム。
【請求項11】
請求項８ないし１０のいずれかにおいて、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変させるように構成された第４の変調制御ユニットをさらに有する、システム。
【請求項12】
第１の範囲の波長の第１の光パルスおよび前記第１の範囲より短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに出力して前記ターゲットからＣＡＲＳ光パルスを取得するように構成された光学ユニットを通して照射することと、前記ターゲットから前記光学ユニットを通って取得されたＣＡＲＳ光パルスを検出器によって検出することと、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが前記光学ユニットを通って照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することと、
前記光学ユニットを通して、前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを照射することと、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変することとを有する方法。
【請求項13】
請求項１２において、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を周期的にシフトさせることを含む、方法。
【請求項14】
請求項１２または１３において、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変することを含む、方法。
【請求項15】
請求項１２において、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変することは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間で、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を周期的にシフトさせることを含む、方法。
【請求項16】
請求項１２または１５において、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を前記可変することは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変することを含む、方法。
【請求項17】
コンピュータがデバイスを動作させるためのコンピュータプログラムであって、前記デバイスは、第１の範囲の波長を有する第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、
前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長を有する第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射し、前記ターゲットからの光を取得して前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、
前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変させる第１の位相変調ユニットとを備え、
当該コンピュータプログラムは、
前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードを含む、コンピュータプログラム。
【請求項18】
請求項１７において、前記デバイスはさらに、
前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給し、前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するための第３の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変する第２の位相変調ユニットとを含み、
当該コンピュータプログラムは、
前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードをさらに含む、コンピュータプログラム。
【請求項19】
第１の範囲の波長を有する第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長を有する第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射し、前記ターゲットからの光を取得して前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、
前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変させる第１の位相変調ユニットとを有する装置であって、
コンピュータプログラムにより当該装置を制御するコントローラをさらに有し、
前記コンピュータプログラムは、
前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードを含む、装置。
【請求項20】
請求項１９において、前記装置はさらに、
前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給し、前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するための第３の光路と、
前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変する第２の位相変調ユニットとを含み、
前記コンピュータプログラムは、
前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードをさらに含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＣＡＲＳ光学系を含むシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
国際公開第２０１４/０６１１４７号には、顕微鏡が開示されている。この顕微鏡は、光源からの光束を第１ポンプ光束と第２ポンプ光束とに分割する第１光分割部と、第２ポンプ光束を入力として受け取ってストークス光束を出力するストークス光源と、第１ポンプ光束とストークス光束とを合波して合波光束を生成する合波部と、合波光束をサンプルに集光する第１集光部と、サンプルから発生し、合波光束とは異なる波長を有するＣＡＲＳ光を検出する第１検出器と、第２ポンプ光束とストークス光束の少なくとも一方を部分的に参照光束として分割する第２光分割部と、サンプルからの光束と参照光束を合波して干渉光を生成する第２合波部と、干渉光を検出する第２検出器とを備える。
【発明の概要】
【0003】
本発明は、ラマン分光法（ＲＳ）を組み込んだシステムに関し、より詳細には、コヒーレント反ストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、ＣＡＲＳ）を組み込んだシステムに関するものである。このシステムは、生体の関心対象（ターゲット）の生化学的および構造的な特徴付けを行う（評価する）ために用いられてもよく、より具体的には、生体の関心対象（ターゲット）の生化学的な組成を非侵襲的に評価したり、そのようなアプリケーションのためのシステムに適用してもよい。
【0004】
本発明の一態様は、第１の範囲の波長（第１の波長範囲）の第１の光パルス（複数の第１のライトパルス）を供給するように構成された第１の光路と、第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長（第２の波長範囲）の第２の光パルス（複数の第２のライトパルス）を供給するように構成された第２の光路と、第１の光パルスおよび第２の光パルスをターゲットに照射し、ターゲットからの光を取得してターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器によって検出するように構成された光入出力ユニット（光学的Ｉ／Ｏユニット）と、光入出力ユニットを介して第１の光パルスおよび第２の光パルスが照射される際の第１の光パルスと第２の光パルスとの位相差を可変する（変化させる）ように構成された第１の位相変調ユニットとを備えるシステムである。
【0005】
ＣＡＲＳは、分子結合が、第１の波長を有する第１の光（ポンプ光ビーム、ポンプビーム）と第２の波長を有する第２の光（ストークス光ビーム、ストークスビーム）との相互作用により位相が揃った振動状態に励起される、多光子プロセスである。分子結合の自然共鳴状態が波長の差に等しい場合、共鳴状態が生じる。この共鳴状態は、プローブ光ビーム（プローブビーム）でコヒーレントに検出することができる。ポンプビームは、通常、プローブビームとしても使用される。ストークスビームが広帯域スペクトルからなる場合、ポンプ－ストークス（Ｐ－Ｓ）相互作用はストークスビームの各波長で生じる完全にコヒーレントな出力スペクトルを生成する。しかしながら、ポンプ－ストークスが所定の分子を共振状態に励起するのに加えて、ストークスビーム中の２つの波長が分子結合の自然共振状態に等しい程度に離れている場合は振動共鳴を誘発し得る。これは、ストークス－ストークス（Ｓ－Ｓ）励起と呼ばれる。これらのプロセスは、放射プロセスに対してポンプ信号とストークス信号との間の位相関係に基づいて強め合う方向にも弱め合う方向にも働き、波長のほんの一部に相当するような時間的な遅延によって影響を受ける。例えば、ポンプビームの波長が約１μmの場合、反転する（フルシフトする）距離はわずか５００ｎｍであり、ファイバ長が５ｍであれば、そのファイバ長の０.０１％の変動に相当する。
【0006】
本発明では、システムはパルス化された第１の光および第２の光を照射し、第１の位相変調ユニットは、第１の光パルスおよび第２の光パルスが光入出力ユニットを介して照射される際の第１の光パルスと第２の光パルスとの間の位相差を可変する。したがって、第１の光（例えばストークス光）と第２の光（例えばポンプ光）との間の相対的な位相に応じて、第１の光と第２の光との間の強め合う、および弱め合う干渉を、パルス単位で制御することができる。
【0007】
このシステムは、第１の光パルスと第２の光パルスとの間の位相差を第１の位相変調ユニットを用いて周期的にシフトさせるように構成された第１の変調制御ユニットを有していてもよい。この場合、検出器は平均化された強度を有する信号を検出することができ、この信号は、複数の第１の光パルスおよび複数の第２の光パルスによって生成された複数のＣＡＲＳ光パルスにおいて、強め合った強度と弱め合った強度との間の中間的な強度であり得る。システムは、ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、第１の光パルスと第２の光パルスとの間の位相差を可変させるように構成された第２の変調制御ユニットを備えてもよい。この場合、検出器は最も高い強度（強い）信号を検出することができ、それは第１の光パルスおよび第２の光パルスによって生成されたＣＡＲＳ光パルスにおいて強め合った強度を有する信号であり得る。
【0008】
本発明の異なる態様は、（ｉ）第１の範囲の波長の複数の第１の光パルスおよび第１の範囲より短い第２の範囲の波長の複数の第２の光パルスを、これら第１の光パルスおよび第２の光パルスをターゲットに出力し、ターゲットから複数のＣＡＲＳ光パルスを取得するように構成された光学ユニットを通して照射することと、（ｉｉ）検出器によってターゲットから光学ユニットを通して取得された複数のＣＡＲＳ光パルスを検出するステップと、（ｉｉｉ）複数の第１の光パルスおよび第２の光パルスが光学ユニットを通して照射される際の、これら第１の光パルスと第２の光パルスとの間の位相差を可変させることとを含む方法である。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本明細書の実施形態は、図面を参照して以下の詳細な説明から、よりよく理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本明細書の実施形態ならびにその様々な特徴および効果の詳細は、添付した図面および以下の説明に詳述される非限定的な実施形態を参照して、より詳しく説明される。周知の構成要素および処理技法の説明は、本明細書の実施形態を不必要に不明瞭にしないように省略される。本明細書で説明される例は、単に、本明細書の実施形態が実施され得ることの理解を容易にし、当業者が本明細書の実施形態を実施することを可能にすることを意図したものである。したがって、実施例は、本明細書の実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0011】
図１は、本発明の一実施形態によるシステム１を示す。システム１は、光学系（光学システム）１０とコントローラ（制御ユニット）５５とを含む。このシステム１は、アプリケーション（用途）に応じて、測定装置、分析装置、監視装置、モニタなどとして使用することができる。光学系１０は、ＣＡＲＳ（コヒーレント反ストークスラマン散乱）を用いて、人体などのターゲット５の表面や内部の状態および成分を示すデータを取得する。コントローラ５５は、ＣＡＲＳにより内部の組成（成分）を分析するアナライザー（分析器）５６を含む。アナライザー５６は、ＣＡＲＳ光１７が生成されるターゲット５の部分を検証（確認）するためのモニタ（監視モジュール）５６ｃを含んでもよい。コントローラ５５のメモリに格納されたプログラム（プログラムプロダクト、ソフトウェア、アプリケーション）５９が、メモリ、ＣＰＵなどのコンピュータ資源を用いてコントローラ５５としての処理を実行するために提供される。プログラム（ソフトウェア）５９は、プロセッサあるいはコンピュータが読み取り可能な他の記憶媒体として提供されてもよい。
【0012】
光学システム１０は、ストークス光パルス（ストークスビームパルス、第１の光パルス）１１およびポンプ光パルス（ポンプビームパルス、第２の光パルス）１２のための第１の波長１０４０ｎｍの第１のレーザパルス３０ａを生成するためのレーザ光源（レーザーソース）３０を含む。好ましいレーザ光源３０の１つはファイバレーザである。第１のレーザパルス３０ａは、数１０～数１００ｍＷの１～数１００ｆＳ（フェムト秒）オーダーの複数のパルスを含む。光学系１０は、レンズ、フィルタ、ミラー、ダイクロイックミラー、プリズムなどの複数の光学素子３２を含み、これらの光学素子３２は、複数のレーザ光パルスを分離および合成するための光路を構成する。
【0013】
光学系（光学システム）１０は、ポンプ光パルス１２と共通の第１のレーザパルス３０ａからＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ、ファイバ）２１ａを介して、第１の範囲Ｒ１の波長１０８０～１３００ｎｍの複数のストークス光パルス（第１の光パルス）１１を供給するように構成されたストークス光路（第１の光路、ストークスユニット）２１を含む。光学系１０は、ストークス光１１と共通の第１のレーザパルス３０ａから、第１の範囲の波長（第１の範囲）Ｒ１よりも短い第２の範囲Ｒ２の波長１０７０ｎｍの複数のポンプ光パルス（第２の光パルス）１２を供給するように構成されたポンプ光路（第２の光路、ポンプユニット）２２を含む。光システム１０は、光路２１により供給されるストークス光パルス１１と、光路２２により供給されるポンプ光パルス１２とを、光入出力ユニット（レンズシステム）２５に供給する、共通光路２８ａを含む。光路２１、２２、２８ａは、各光路を構成するフィルタ、ファイバ、ダイクロイックミラー、プリズム等の必要な光学素子３２を含む。以下の光路についても同様である。
【0014】
光学系１０は、さらに、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２をターゲット５に対して同軸状に出力し、ターゲット５からの光を、共通光路２８ｃを介して取得するように構成された光入出力ユニット（光Ｉ／Ｏユニット、光学ユニット）２５を含む。典型的な光入出力ユニット２５は、ターゲット５に対向する対物レンズまたはレンズ系（レンズシステム）であり、レンズ２５を介して、ターゲット５にストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２を照射または放射し、ターゲット５からＣＡＲＳ光パルス１７を取得または受信する。数１００ｆＳ（フェムト秒）オーダーのパルス幅を有する複数のストークス光パルス１１および複数のポンプ光パルス１２によって生成される複数のＣＡＲＳ光パルス１７は、９００～１０００ｎｍの波長を有してもよい。これらのＣＡＲＳ光パルス１７は検出器（ディテクタ）５０によって検出され、これらのＣＡＲＳ光パルスに含まれるスペクトルはアナライザー５６によって分析される。光学系１０は、後方ＣＡＲＳ光パルス（Ｅｐｉ－ＣＡＲＳ）１７を取得し、光入出力ユニット２５からの後方ＣＡＲＳ光パルス１７を導くように構成された第１の入力光路２８ｃを含む。光学系１０は、前方ＣＡＲＳ光を得るように構成された光路を含んでもよい。
【0015】
光学系１０は、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２が光入出力ユニット２５を介して照射される際の、ストークス光パルス（第１の光パルス）１１とポンプ光パルス（第２の光パルス）１２との位相差を可変するように構成された位相変調ユニット（第１位相変調ユニット）６０を有する。位相変調ユニット６０としては、ＬＣ－ＳＬＭ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉｌａ Ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、液晶空間光変調器）、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅ－ｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ、アレイ導波路回折格子）などを用いることができる。この光学系１０において、位相変調ユニット６０は、ストークス光路（第１の光路）２１およびポンプ光路（第２の光路）２２の少なくとも一方の光路（光路長）を変調して（変えて）２π（３６０度）を超える位相シフトを実現するように構成された遅延変調ユニット６１を含む。この例では、遅延変調ユニット６１は、ポンプ光路（第２の光路）２２の光路（光路長）を変調して、２πを超える位相シフトを実現する。ポンプ光パルス１２は、より狭い範囲Ｒ２の波長を有するので、ポンプ光パルス１２を生成する光路２２は、適切な範囲が得られるように光路長を変調するのに適している。
【0016】
遅延変調ユニット６１は、再帰反射体（レトロリフレクタ）６２と、再帰反射体６１を移動させる（動かす）ピエゾ素子６３とを含む。ピエゾ素子６３は、再帰反射体６２を振動させる振動子として機能してもよく、再帰反射体６２の位置を精密に決める装置として機能してもよい。ピエゾ素子６３は、正弦波、余弦波、三角波、定電圧など任意の波形パターンで再帰反射体６２を動かすことができる。再帰反射体６２の振動の振幅は、ピエゾ素子６３への印加電圧を用いて、例えば０～１５０Ｖに調整することができる。再帰反射体６２の振動の周波数は、ピエゾ素子６３によって約１ｋＨｚあるいはそれ以下から数１００ｋＨｚまで制御することができる。
【0017】
システム１０は、位相変調ユニット６０のピエゾ素子６３を制御または駆動するように構成された変調制御ユニット６５を備える。変調制御ユニット６５は、セルフ制御ユニット（自律制御ユニット、自己制御ユニット、第１の変調制御ユニット）６６と、リモート制御ユニット（遠隔制御ユニット、第２の変調制御ユニット）６７とを含む。セルフ制御ユニット６６は、位相変調ユニット６０を用いて、ストークスパルス（第１の光パルス）１１とポンプパルス（第２の光パルス）１２との位相差を周期的に、または繰り返しシフト（変移、移相、変位、入れ替え）させる。セルフ制御ユニット６６は、セルフ制御ユニット６６に予めインストールされたプログラムに基づいて、ピエゾ素子６３を用いて再帰反射体（レトロリフレクタ）６１の振動速度および振幅を制御するための回路、マイクロコントローラなどのユニットを含む。これらのストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２は、フェムト秒（ｆＳ）～ピコ秒（ｐＳ）のオーダーであり、セルフ制御ユニット６６は、ストークス光パルス１１とポンプ光パルス１２との位相差を１～１００ｋＨｚの周期、さらには１～１０ｋＨｚの周期でシフト（入れ替え、移相）させてもよい。
【0018】
セルフ制御ユニット６６は、再帰反射器６２を特定の速度および振幅で微視的に振動させることによって、第１の光パルスと第２の光パルスとの間の位相差をパルスごとに（パルス単位で）シフトさせる能力、ユニットまたは機能を有するものであってもよい。セルフ制御ユニット６６は、位相差をプラス側およびマイナス側にπ（１８０度）だけシフトまたは変調してもよい。セルフ制御ユニット６６は、２πの範囲を超えて位相差をシフトまたは変調してもよい。サンプル取得速度、例えばミリ秒（ｍＳ）を超えて位相差を変調することによって、安定したＣＡＲＳ出力を得ることができる。この応答は、フィードバック機構なしでも、機械的振動および温度変化の両方に対して安定している。
【0019】
図２は、シミュレーションによって得られたグルコース成分を示す典型的なＣＡＲＳスペクトルを示す。シミュレーションは、ストークス－ストークス（Ｓ－Ｓ）励起および、波長のわずかな部分に相当する時間的な遅延よって影響を受ける可能性があるポンプ信号とストークス信号との間の位相関係の効果をサポートしており、それらの強度は、図２に示すように、位相のオフセット範囲がπの最小の振幅と最大の振幅（曲線４４および曲線４２）の間で変化する。記録されたスペクトルのコヒーレントな重ね合わせは、純粋なポンプ－ストークス（ポンプ－ストークス－プローブ）スペクトルを生成し、曲線４１に示したようになることが予想される。上記のデモンストレーションにおいては、信号出力の急速な変動を引き起こし得る環境ストレスに対する感度を高められており、その感度を低下させる手順として、２πの範囲を超えて位相を変調することを開発した。このような変調を、サンプルの取得速度を大幅に超えて行うことにより、図２に示す曲線４３によって表されるような、安定したＣＡＲＳ出力を得ることができる。
【0020】
図２において、曲線４１は、再現された最も強い信号を示し、コヒーレントなポンプ－ストークス（ポンプ－ストークス－プローブ）スペクトルの複数の信号が強め合うように加えられた信号に対応するものであり、曲線４２は、シミュレーションにより得られた最も強いスペクトルを示し、曲線４３は、再現されたポンプ－ストークススペクトルを示し、これはシステム１において、位相変調ユニット６０がセルフ制御ユニット６６の制御下で使用されたときのシステム１の信号によって得られるスペクトルに対応しており、曲線４４は、シミュレーションにより得られた最も強度が低い信号を示し、曲線４５は、再現された最も低い信号を示し、コヒーレントなポンプ－ストークススペクトルの複数の信号が弱め合うように加えられた信号に対応するものであり、曲線４６は、ストークス－ストークス（ストークス－ストークス－プローブ）励起を示す。位相変調ユニット６０を振動モード（セルフ制御モード）で使用することによって、ポンプビームパルス１２により位相をスウィープすること（フェイズスウィーピング、位相を走査すること、位相を一掃すること、位相を全範囲で集計すること）を実装することができ、スペクトルが位相差（位相遅延）の全範囲にわたって平均化されることにより、信号の感度を低下させることができる。
【0021】
変調制御ユニット６５のリモート制御ユニット（第２の変調制御ユニット）６７は、ＣＡＲＳ光パルスの既知成分のピーク、例えばグルコース成分を示すスペクトルのピークが最大化するように、ストークス光パルス１１とポンプ光パルス１２との位相差を可変させるように構成されている。コントローラ５５のアナライザー（分析器、解析器）５６は、リモート制御ユニット６７を制御して、グルコースを示すピーク高さを監視しながら、位相変調ユニット６０を用いて位相差を変化させ、ピーク高さが最も高い状態で位相差を固定させることができる。この条件では、検出器（ディテクタ）は、特定の用途（アプリケーション）における測定の関心領域（ＲＯＩ）であり得るグルコース成分のスペクトルの少なくとも周囲において、コヒーレントなポンプ－ストークススペクトルが強め合うように加算された信号を得ることができる。ピーク高さが最大となる条件は、温度あるいは他の条件により変化し、リモート制御ユニット６７は、位相変調ユニット６０を用いて周期的に位相差を探索することで、その変動に追従することができる。ＲＯＩが変更された場合も同様のプロセスを適用できる。ピークを最大化するときの条件を探索する際に、既知の成分および濃度を有するテストサンプルを用いてもよい。代案としてのリモート制御モードは、若干複雑なアプローチとなるが、サーボループを使用してプローブ光パルス１２の位相差（時間遅延）を調整してＣＡＲＳ信号を最大化してもよい。この方法は、ループ応答が、温度または機械的応力がＣＡＲＳ出力応答に影響を及ぼし得る速度よりも速ければ有効である。
【0022】
図３は、システム１の異なる実施形態を示し、光学系１０ａを含む。この光学系（光学システム）１０ａは位相変調ユニット（第１の位相変調ユニット）６０を含み、この位相変調ユニット６０は、ＰＣＦ２１ａにより複数の広帯域ストークスパルス（ブロードバンドストークスパルス）を生成する前に、ストークス光路（第１の光路）２１の光路（光路長）を変調して第１のレーザパルス３０ａの位相を２πを超えてシフトさせるように構成された遅延変調ユニット６４を含む。この図に示される光学系１０ａの他の光路および要素は、図１に示される光学系１０のものと共通する。
【0023】
図４は、システム１のさらに異なる実施形態を示し、光学系１０ｂを含む。この光学系（光学システム）１０ｂはハイブリッド光学系であり、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、光干渉断層撮影）とＣＡＲＳ（コヒーレント反ストークスラマン散乱）とを用いて、人体等のターゲット５の表面や内部の状態および成分を示すデータを取得する。コントローラ５５は、ディテクタ５０によって検出された干渉光パルス１６からＯＣＴ画像を生成するＯＣＴ分析モジュール５６ａと、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７による情報の信頼性を確認するために、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７が生成されたターゲット５の部位を確認（検証）し、ＯＣＴ画像の情報と連携してターゲット５を解析する監視モジュール５６ｃとを含む。コントローラ５５は、さらに、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７の検出結果を用いて、ターゲット５の一部の組成の少なくとも一部を分析するＴＤ－ＣＡＲＳ分析モジュール５６ｂを備える。
【0024】
ハイブリッド光学システム（光学システム）１０ｂは、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２のための第１の波長１０４０ｎｍを有する第１のレーザパルス３０ａに加えて、ＯＣＴ光パルス１３およびプローブ光パルス（プローブビーム、第３の光パルス）１４のための第２の波長７８０ｎｍを有する第２のレーザパルス３０ｂを生成するためのレーザ源（レーザーソース）３０を含む。第２のレーザパルス３０ｂは、１～数１０ｐＳ（ピコ秒）オーダーで数１０～数１００ｍＷのパルスを含んでもよく、波長７８０ｎｍの第２のレーザパルス３０ｂは、波長１５６０ｎｍのソースオシレータから生成されてもよい。
【0025】
光学系１０ｂは、ストークス光路２１およびポンプ光路２２に加えて、プローブ光１４と共通の第２レーザ３０ｂから第２の範囲Ｒ２の波長よりも短い波長６２０～７８０ｎｍの範囲Ｒ４のＯＣＴ光（第３の光）１３を、ファイバ２３ａを介して供給するように構成されたＯＣＴ光路２３を含む。光学系１０ｂは、さらに、ＯＣＴ光１３と共通の第２レーザ３０ｂから、第２の範囲Ｒ２の波長よりも短く、かつ、波長の範囲Ｒ４よりも大きいか、または波長の範囲Ｒ４に含まれる、波長７８０ｎｍの第３の範囲Ｒ３のプローブ光パルス（プローブビームパルス、プローブパルス、第３の光パルス）１４を供給するように構成されたプローブ光路（第３の光路、プローブユニット）２４を有する。光学系１０ｂは、光路２３によって干渉計３５を介して供給されるＯＣＴ光パルス１３と、光路２４によって供給されるプローブ光パルス１４と、を光入出力ユニット２５に供給する共通の光路２８ｂを含む。
【0026】
プローブ光路２４は、プローブ光パルス（第３の光パルス）１４の出射（照射）とポンプ光パルス（第２の光パルス）１２の出射（照射）との間の時間差を制御するように構成された時間遅延ユニット２４ａを含む。時間遅延ユニットは、複数のコリメータと、コリメータ間の距離を制御することができる電動遅延ステージとを有してもよい。時間遅延は、コントローラ５５内のレーザ制御ユニット５８によって制御することができる。この時間遅延ユニット２４ａを用いることにより、プローブ光路２４は、ポンプ光パルス１２の照射から時間差を設けてプローブ光パルス１４を供給し、光入出力ユニット２５を介してターゲット５に照射することにより、ポンプ光パルス１２から数１０～数１００ｆＳ（フェムト秒）またはそれ以上遅延した遅延ＣＡＲＳパルス１７を得ることができる。
【0027】
光入出力ユニット（光学ユニット、レンズ系）２５は、ストークス光パルス１１、ポンプ光パルス１２、プローブ光パルス１４およびＯＣＴ光パルス１３をターゲット５に対して同軸状に出力するとともに、共通光路２８ｃを介して、ターゲットからＣＡＲＳ光（ＴＤ－ＣＡＲＳ光）パルス１７を取得する。同様に、光学ユニット（レンズ）２５を通して（介して）、ＯＣＴ光パルス１３がターゲットに照射または放射され、ターゲット５からの反射光パルス１５が取得または受信される。
【0028】
図５は、干渉計（インターフェロメーター）３５の一例を示す。干渉計３５は、参照ミラー３４ｍによってＯＣＴ光パルス１３から参照光パルス１３Ｒを分離するように構成された参照ユニット３４を含む。ファイバ干渉計３５は、４つのアーム（光路）を有し、光を分離して混合する。ＯＣＴ光パルス１３に対しては、ポート３５ａから入力された光の一部が参照光パルス１３Ｒとして分離され、ポート３５ｃを介して参照ミラー３４ｍに向かい、他の一部がポート３５ｂを介してサンプル（物体、ターゲット）５に出力される。ターゲット５から戻された（反射された）ＯＣＴ光パルス１５は、ポート３５ｂを介して入力され、参照光パルス１３Ｒと組み合わされ、または合波（重畳）されて干渉光パルス１６を生成する。干渉光パルス１６はポート３５ｄを介して検出器（ディテクタ）５０に出力される。ＣＡＲＳ光パルス１７は、同様に、ポート３５ｂおよび３５ｄを用いて干渉計３５を通過して検出器５０に供給される。
【0029】
光学系１０ｂでは、上述した複数の光路を用いて、レーザ光源３０側から順に、ＯＣＴ光パルス１３がプローブ光パルス１４と共通の経路を介して時分割で供給される。両方のパルス１３および１４は、さらに、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２と共通の経路を通して供給され、例えば、対物レンズ（レンズ系）などの光入出力ユニット２５を通して放出され、これらのパルスが、例えば人間の皮膚などのターゲット５に照射される。ターゲット５から反射した光パルス、またはターゲット５において発生した光パルス（反射光パルス１５およびＣＡＲＳ光パルス１７）は、ターゲット５から光学ユニット２５の対物レンズを通して取得され、光学系１０ｂの複数の光路に戻される。
【0030】
ＯＣＴ光パルス１３およびプローブ光パルス１４と経路を共有するためのダイクロイックミラーなどの光学素子は、６２０～７８０ｎｍのＯＣＴ光の反射光パルス１５およびＣＡＲＳ光パルス１７を選択するように構成された分離器（セパレータ）または選択ユニットであってもよい。このシステム１０ｂでは、波長の範囲Ｒ３よりも短く、ＯＣＴの波長の範囲Ｒ４と少なくとも部分的に重複する６８０～７６０ｎｍの波長の範囲Ｒ５を有するＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７が、取得された光からフィルタリングされ、ディテクタ５０に供給される。ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７は、ターゲット５において、ストークス光パルス１１、ポンプ光パルス１２およびプローブ光パルス１４によって生成される。この光学系１０ｂでは、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７および干渉光パルス１６の両方が干渉計３５を通してディテクタ５０に供給されているが、干渉光を生成するための他の光路と、干渉光パルス１６およびＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７をディテクタ５０に供給するための他の光路とを光学系１０ｂに設けてもよい。
【0031】
光学系１０ｂのディテクタ５０は、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７および干渉光パルス１６に共通する検出波長の範囲ＤＲを含む。典型的には、ディテクタ５０は、ＯＣＴ光１３の波長の範囲Ｒ４およびＴＤ－ＣＡＲＳ光１７の波長の範囲Ｒ５のうち大きい方と同じ検出範囲（測定範囲）ＤＲを有してもよい。例えば、この光学系１０ｂでは、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７は波長６８０～７６０ｎｍの範囲Ｒ５を有し、ＯＣＴ光パルス１３は波長６２０～７８０ｎｍの範囲Ｒ４を有し、検出範囲ＤＲは波長６２０～７８０ｎｍまたはそれ以上の範囲をカバーするように設定されている。ＣＡＲＳとＯＣＴとの検出について検出波長の範囲ＤＲを共有する単一かつ共通のディテクタ５０を適用することによって、システム構成が簡略化され、ＣＡＲＳを検出するためのスペクトル分解能およびＯＣＴによる撮像深さを増大できる。
【0032】
光学系１０ｂは、ＣＡＲＳ光パルス１７および干渉光パルス１６の生成または供給を時分割で切り替えるための光学素子を備えてもよい。光学系１０は、スイッチング素子を用いて第２のレーザ光パルス３０ｂからＯＣＴ光パルス１３およびプローブ光パルス１４を生成するように構成された生成用の光路を備えてもよい。スイッチング素子は、コントローラ５５内のレーザ制御ユニット５８の制御によりソースレーザ３０ｂの方向を、プローブ光路２４およびＯＣＴ光路２３に変えるＭＥＭＳミラーであってもよい。
【0033】
図６は、この光学系１０ｂの波長プラン（波長計画）の１つを示す。図６に示す計画では、ストークス光パルス１１は波長１０８５～１２３０ｎｍ（４００ｃｍ-１～１５００ｃｍ-１）の第１の範囲Ｒ１を有し、ポンプ光パルス１２は波長１０４０ｎｍの第２の範囲Ｒ２を有し、プローブ光パルス１４は波長７８０ｎｍの第３の範囲Ｒ３を有し、ＯＣＴ光パルス１３は波長６２０～７８０ｎｍの範囲Ｒ４を有し、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７は波長６８０～７６０ｎｍの範囲Ｒ５を有する。範囲Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびＲ５の全ては、波長６００ｎｍ～１３００ｎｍの範囲に含まれる。第２の範囲Ｒ２は第１の範囲Ｒ１よりも短く、第３の範囲Ｒ３は第２の範囲Ｒ２よりも短く、第３の範囲Ｒ３は第２の範囲Ｒ２よりも短く第４の範囲Ｒ４よりも大きいか、またはその範囲に含まれ、ＴＤ－ＣＡＲＳ１７の範囲Ｒ５は第３の範囲Ｒ３よりも短く、ＯＣＴの範囲Ｒ４と少なくとも部分的に重なる。
【0034】
光学系１０ｂは、第１の位相変調ユニット６０に加えて、ストークス光パルス（第１の光パルス）１１およびポンプ光パルス（第２の光パルス）１２に対するプローブパルス（第３の光パルス）１４の位相差を可変するように構成された第２の位相変調ユニット７０をさらに備える。位相変調ユニット７０は、プローブ光路（第３の光路）２４の光路（光路長）を変調して２πを超える位相シフトを実現するように構成された遅延変調ユニット７１を含む。遅延変調ユニット７１は、再帰反射体（レトロリフレクタ）７２と、再帰反射体７２を動かす（移動させる）ピエゾ素子７３とを含む。ピエゾ素子７３は、第１の位相変調ユニット６０について説明したように、再帰反射体７２を振動させるための振動子として、および／または再帰反射体７２の位置を精密よく決める装置として機能することができる。再帰反射体７２の振動の振幅は、ピエゾ素子７３への印加電圧を用いて、例えば０～１５０Ｖに調整することができる。再帰反射体７２の振動周波数は、ピエゾ素子７３によって約１ｋＨｚまたはそれ以下から数１００ｋＨｚまで制御することができる。
【0035】
このシステム１０ｂは、位相変調ユニット７０のピエゾ素子７３を制御または駆動させるように構成された変調制御ユニット７５を備える。変調制御ユニット７５は、セルフ制御ユニット（自己制御ユニット、自律制御ユニット、第３の変調制御ユニット）７６と、リモート制御ユニット（遠隔制御ユニット、第４の変調制御ユニット）７７とを含む。セルフ制御ユニット７６は、上述したセルフ制御ユニット６６と同様の方法で、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２に対するプローブ光パルス１４の位相差を周期的に、または繰り返しシフト（移相、入れ替え）させるように構成されている。リモート制御ユニット７７は、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７のスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２に対するプローブ光パルス１４の位相差を可変するように構成されている。リモート制御ユニット７７の詳細な機能は、上述したリモート制御ユニット６７と共通する。
【0036】
図７は、システム１の処理を示すフローダイヤグラム（フローチャート）である。この処理は、コントローラ（制御ユニット）５５のメモリに格納されたプログラム（プログラムプロダクト、ソフトウェア、アプリケーション）５９によって実行される。ステップ８１において、レーザ制御ユニット５８は、レーザ光源３０および光学系１０ｂを制御して、第１の範囲Ｒ１の波長のストークス光パルス（第１の光パルス）１１と、第１の範囲Ｒ１の波長よりも短い第２の範囲Ｒ２の波長のポンプ光パルス（第２の光パルス）１２とを光入出力ユニット（光学ユニット）２５を介して照射させる。ステップ８１において、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルスの少なくとも一方が位相変調ユニット６０により位相変調され、それらのパルスが光学ユニット２５を通って照射される際のストークス光パルス１１とポンプ光パルス１２との間の位相差が可変されて（変更されて、変調されて）照射される。
【0037】
ストークス光パルス１１またはポンプ光パルス１２は、セルフ制御モード（セルフコントロールモード）８１ａおよびリモート制御モード（リモートコントロールモード）８１ｂの２つのモードのうちの一方で変調される。セルフ制御モード８１ａでは、位相変調ユニット６０は、セルフ制御ユニット６６により、ストークス光パルス１１とポンプ光パルス１２との位相差を周期的に、または繰り返しシフトさせる。リモート制御モード８１ｂでは、位相変調ユニット６０は、リモート制御ユニット６７により、ＣＡＲＳ光パルス１７のスペクトルの既知成分のピークを最大化させるように、ストークス光パルス１１とポンプ光パルス１２との位相差を可変させる。
【0038】
ステップ８２において、レーザコントローラ５８は、レーザ光源３０および光学系１０ｂを制御して、ポンプ光パルス１２の照射から時間差を設けて、第３の範囲Ｒ３の波長のプローブ光パルス（第３の光パルス）１４を照射させる。ステップ８２において、時間遅延ユニット２４ａを用いてポンプ光パルス１２の照射からの時間差を可変（変化）させて、プローブ光パルス１４をターゲット５に照射してもよい。ステップ８２において、プローブ光パルス１４は、位相変調器７０によって位相変調されて照射され、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２に対するプローブ光パルス１４の位相差を可変させる。
【0039】
プローブ光パルス１４は、セルフ制御モード（セルフコントロールモード）８２ａおよびセルフ制御モード（リモートコントロールモード）８２ｂの２つのモードのうちの一方で変調される。セルフ制御モード８２ａでは、位相変調ユニット７０は、セルフ制御ユニット７６により、プローブ光パルス１４の位相差を、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２に対して、周期的に、または繰り返しシフトさせる。リモート制御モード８２ｂでは、位相変調ユニット７０は、リモート制御ユニット７７により、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７のスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、プローブ光パルス１４のストークス光パルスおよびポンプ光パルス１２に対する位相差を可変させる。
【0040】
ステップ８３において、ディテクタ５０は、ターゲット５においてストークス光パルス１１、ポンプ光パルス１２、およびプローブ光パルス１４により生成されたＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７を検出する。ステップ８４において、分析器５６のＴＤ－ＣＡＲＳ分析モジュール５６ｂは、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７の検出結果を用いて、ターゲット５の一部の組成の少なくとも一部を分析してもよい。
【0041】
ステップ８５において、ステップ８４に前後して、または並行して、レーザコントローラ５８は、レーザ光源３０および光学系１０ｂを制御して、プローブ光パルス１４に対し時分割で範囲Ｒ４の波長のＯＣＴ光パルス１３を光学ユニット２５を介してターゲット５に照射する。ステップ８６において、ディテクタ５０は、参照光パルス１３Ｒとターゲット５からの反射光パルス１５とにより生成される干渉光パルス１６を、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７に対し時分割で検出する。
【0042】
ステップ８７において、分析器５６のＯＣＴ分析モジュール５６ａは、ディテクタ５０により検出された干渉光パルス１６からＯＣＴ画像を生成し、分析器５６の監視モジュール５６ｃは、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７による情報の信頼性を確認するために、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス１７が生成されたターゲット５の部分を確認してもよく、ＯＣＴ画像の情報とＴＤ－ＣＡＲＳ光１７の情報とを連携（協働）させてターゲット５を分析してもよい。
【0043】
上述したシステム１は、カスタマイズが容易であり、低コストであり、様々な分野における測定、研究、モニタリング（監視）および／または自己治療（セルフケア）に適したシステムを供給することができる。システム１は、グルコース、ヘモグロビンＡ１ｃ、クレアチニン、アルブミンなどを測定するための、最小侵襲デバイス、非侵襲デバイス、フローサンプラデバイス、またはウェアラブルデバイスであってもよい。
【0044】
上記において開示された態様の１つは、（ａ）第１の波長範囲を有する第１の光、例えばストークス光を照射するように構成された第１のユニットと、（ｂ）第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲を有する第２の光、例えばポンプ光を照射するように構成された第２のユニットと、（ｃ）第１の光および第２の光の少なくとも一方の位相を周期的にシフトさせるように構成された位相変調ユニットと、（ｄ）第１の光および第２の光をターゲットに出力し、ターゲットからの光を取得してターゲットからのＣＡＲＳ光を検出器で検出するように構成された光学ユニットと、を備えるシステムである。上記の変調が、サンプル取得速度を大幅に超える場合、フィードバック機構なしで機械的振動および温度変動の両方に対して安定したＣＡＲＳを取得することができる。実施形態の１つは、２πを超えるような位相シフトを達成すようにミラーを変調（変動）するピエゾ素子を有するものである。
【0045】
１つの簡易な実施形態として、ピエゾ素子がミラーを変調して２πを超える位相シフトを達成するものが示されている。ポンプビームにおける位相をスウィープ（掃引）する実装は、スペクトルが位相遅延の全範囲にわたって平均化されるので、信号が敏感になりすぎることを低減（感度低下）することができる。このような効果をもたらすであろうプローブの時間的な変調を可能にする任意の実施形態であってもよい。
【0046】
異なる例として、わずかに複雑なアプローチになるが、サーボループを使用してＣＡＲＳ信号を最大化させるようにプローブ信号の時間遅延を調整してもよい。これは、このループの応答を、温度または機械的応力がＣＡＲＳ出力の応答に影響を及ぼし得る速度よりも速くすることができるときに有効である。
【0047】
本明細書における異なる態様は、検出器によってＣＡＲＳ光を検出することを含む方法である。検出することは、第１の範囲の波長を有する第１の光と、第１の範囲よりも短い第２の範囲の波長を有する第２の光とを、第１の光および第２の光の少なくとも一方の位相を周期的にシフトさせるように構成された位相変調ユニットを介してターゲットに照射してＣＡＲＳ光を生成することを含む。
上記には、第１の範囲の波長の第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射して前記ターゲットからの光を取得することにより前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変する第１の位相変調ユニットとを有するシステムが開示されている。このシステムは、前記第１の位相変調ユニットを用いて、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を周期的にシフトさせるように構成された第１の変調制御ユニットをさらに有してもよい。前記第１の変調制御ユニットは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差をパルス毎にシフトさせるように構成されたユニットを含んでもよい。前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスは、フェムト秒からピコ秒のオーダーであり、前記第１の変調制御ユニットは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を１～１００ｋＨｚの周期でシフトさせてもよい。前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの前記位相差を可変させるように構成された第２の変調制御ユニットをさらに有してもよい。前記第１の位相変調ユニットは、遅延を変調するユニットであって、前記第１の光路および前記第２の光路のうちの少なくとも一方の光路を変調して少なくとも２πの位相シフトを可能とするように構成された遅延変調ユニットを含んでもよい。前記遅延変調ユニットは、再帰反射器と、前記再帰反射器を移動させるためのピエゾ素子とを含んでもよい。前記遅延変調ユニットは、前記第２の光路の一部の光路を変調してもよい。このシステムは、前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するように前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給する第３の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変するように構成された第２の位相変調ユニットとをさらに有してもよい。このシステムは、さらに、前記第３の光パルスと前記第２の光パルスとの間の時間差を制御するように構成された時間遅延ユニットを有してもよい。このシステムは、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を周期的にシフトさせるように構成された第３の変調制御ユニットをさらに有してもよい。このシステムは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変させるように構成された第４の変調制御ユニットをさらに有してもよい。
上記には、また、第１の範囲の波長の第１の光パルスおよび前記第１の範囲より短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに出力して前記ターゲットからＣＡＲＳ光パルスを取得するように構成された光学ユニットを通して照射することと、前記ターゲットから前記光学ユニットを通って取得されたＣＡＲＳ光パルスを検出器によって検出することと、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが前記光学ユニットを通って照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することとを有する方法が開示されている。前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を周期的にシフトさせることを含んでもよい。前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変することを含んでもよい。この方法は、前記光学ユニットを通して、前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを照射することと、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変することをさらに有してもよい。前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変することは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間で、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を周期的にシフトさせることを含んでもよい。前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を前記可変することは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変することを含んでもよい。
上記には、さらに、コンピュータがデバイスを動作させるためのコンピュータプログラムが開示されている。前記デバイスは、第１の範囲の波長を有する第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長を有する第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射し、前記ターゲットからの光を取得して前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変させる第１の位相変調ユニットとを備える。当該コンピュータプログラムは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードを含む。前記デバイスはさらに、前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給し、前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するための第３の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変する第２の位相変調ユニットとを含み、当該コンピュータプログラムは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードをさらに含んでもよい。
上記には、第１の範囲の波長の第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射して前記ターゲットからの光を取得することにより前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変する第１の位相変調ユニットとを有するシステムが開示されている。このシステムは、前記第１の位相変調ユニットを用いて、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を周期的にシフトさせるように構成された第１の変調制御ユニットをさらに有してもよい。前記第１の変調制御ユニットは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差をパルス毎にシフトさせるように構成されたユニットを含んでもよい。前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスは、フェムト秒からピコ秒のオーダーであり、前記第１の変調制御ユニットは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を１～１００ｋＨｚの周期でシフトさせてもよい。前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの前記位相差を可変させるように構成された第２の変調制御ユニットをさらに有してもよい。前記第１の位相変調ユニットは、遅延を変調するユニットであって、前記第１の光路および前記第２の光路のうちの少なくとも一方の光路を変調して少なくとも２πの位相シフトを可能とするように構成された遅延変調ユニットを含んでもよい。前記遅延変調ユニットは、再帰反射器と、前記再帰反射器を移動させるためのピエゾ素子とを含んでもよい。前記遅延変調ユニットは、前記第２の光路の一部の光路を変調してもよい。このシステムは、前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するように前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給する第３の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変するように構成された第２の位相変調ユニットとをさらに有してもよい。このシステムは、さらに、前記第３の光パルスと前記第２の光パルスとの間の時間差を制御するように構成された時間遅延ユニットを有してもよい。このシステムは、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を周期的にシフトさせるように構成された第３の変調制御ユニットをさらに有してもよい。このシステムは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変させるように構成された第４の変調制御ユニットをさらに有してもよい。
上記には、また、第１の範囲の波長の第１の光パルスおよび前記第１の範囲より短い第２の範囲の波長の第２の光パルスを、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに出力して前記ターゲットからＣＡＲＳ光パルスを取得するように構成された光学ユニットを通して照射することと、前記ターゲットから前記光学ユニットを通って取得されたＣＡＲＳ光パルスを検出器によって検出することと、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが前記光学ユニットを通って照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することとを有する方法が開示されている。前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を周期的にシフトさせることを含んでもよい。前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の位相差を可変することは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変することを含んでもよい。この方法は、前記光学ユニットを通して、前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを照射することと、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変することをさらに有してもよい。前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変することは、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間で、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を周期的にシフトさせることを含んでもよい。前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を前記可変することは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変することを含んでもよい。
上記には、さらに、コンピュータがデバイスを動作させるためのコンピュータプログラムが開示されている。前記デバイスは、第１の範囲の波長を有する第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、前記第１の範囲の波長よりも短い第２の範囲の波長を有する第２の光パルスを供給するように構成された第２の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをターゲットに照射し、前記ターゲットからの光を取得して前記ターゲットからのＣＡＲＳ光パルスを検出器で検出するように構成された光入出力ユニットと、前記光入出力ユニットを介して前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスが照射される際の前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの位相差を可変させる第１の位相変調ユニットとを備える。当該コンピュータプログラムは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとの間の前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードを含む。前記デバイスはさらに、前記第２の範囲の波長よりも短い第３の範囲の波長の第３の光パルスを供給し、前記光入出力ユニットを介して前記ターゲットに照射するための第３の光路と、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの位相差を可変する第２の位相変調ユニットとを含み、当該コンピュータプログラムは、前記ＣＡＲＳ光パルスのスペクトルの既知の成分のピークが最大化されるように、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスに対する前記第３の光パルスの前記位相差を可変するステップを実施するための実行可能コードをさらに含んでもよい。
【0048】
特定の実施形態に関する前述の説明は、本明細書における実施形態の一般的な性質を十分に明らかにするためのものであり、他者は、現在の知識を適用することによって、一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態を様々な用途に容易に修正および／または適合させることができ、即ち、そのような適合および修正は、開示される実施形態と均等な意味および範囲内に包含されるべきであり、そのように意図されている。本明細書で使用される表現または用語は、説明を目的とするものであり、限定を目的とするものではないことを理解されたい。したがって、本明細書の実施形態を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、本明細書の実施形態を添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内で修正して実施できることを認識するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】