JP2013238401A - 電磁波を用いる測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検体内部界面における反射波を精度良く取得する等のために、検体表面と窓部材との界面での屈折率差を調整した状態で窓部材と接触した検体からの電磁波を検出することできる測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】測定装置は、検体１１１と接触するための窓部材１１０と、窓部材と接触した検体に電磁波を照射する照射手段１０１と、窓部材と接触した検体からの電磁波を検出する検出手段１０２と、窓部材の誘電率を変化させる誘電率調整手段１０８と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を用いて検体の情報を得る測定装置及び測定方法に関する。特に、ミリ波からテラヘルツ波領域（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の領域）の高周波電磁波を用いて検体の物性等の情報を取得する装置及び方法に関する。

ＴＨｚ−ＴＤＳ装置（ＴＨｚ−Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ装置。ＴＨｚ−ＴＤＳは、以下、テラヘルツ時間領域分光とも呼ぶ）は、超短パルスによって、検出器に到達するテラヘルツ波（本明細書では、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下のうち少なくとも一部の周波数帯域を有する電磁波のことをテラヘルツ波とも呼ぶ）の電界強度を取得する。そして、この超短パルスが検出器に到達するタイミングを変化させながら電界強度を随時記録する。これにより、テラヘルツ波の時間波形を取得することができる。また、検体の特徴的な吸収を測定する場合、検体にテラヘルツ波を照射し、検体からのテラヘルツ波の時間波形を取得する。そして、この取得された時間波形をフーリエ変換することで周波数領域の情報に変換し、周波数スペクトルを取得することができる。また、検体内部に界面（屈折率が変化する箇所）が存在すると、検体内部の各界面からの反射波を含む時間波形を取得することができる。各界面からの反射波を反映した時間波形は、各々の光路長の相違を反映して検出器への到達時間が異なる。このため、検体内部の構造を時間波形から取得することができる。

このとき、検体表面が薄膜であり検体内部界面での屈折率差が小さい場合は、表面と内部界面の反射パルスが時間波形上で重なってしまうことがある。更には、内部界面の反射が表面の反射に対して小さい（内部界面の屈折率差が小さい）場合には、数値計算や照射パルスの短パルス化をせずに内部界面の反射パルスを分離することが難しいことがある。故に、内部界面の反射波の時間波形を、照射電磁波の短パルス化や数値計算をせずに検体表面の時間波形から分離することが求められている。

これに対し、検体内部界面での反射波を精度良く取得する為、検体表面での反射波の振幅を検体内部界面での反射波の振幅より小さくする、好ましくは無くすることが望まれる。こうした要求に答えるために、検体表面に屈折率の近い部材を密着させ、検体表面の反射波を軽減し、検体内部界面での反射波を精度良く測定する方法が考えられる。非特許文献１では、皮膚表面の薄膜（厚さ２０μｍ〜２００μｍ）である角質層に屈折率の近い石英を押し付け、これを窓部材（測定物を測定する際に光学的に密着させた部材を窓部材と以下呼ぶ）として用いたテラヘルツ波計測を行っている。ここでは、窓部材と角質層の屈折率により決定される振幅を持つ反射波が窓部材と角質層の界面より反射される。このような装置で測定することによって、角質層が空気に接している場合に比較して石英の窓部材と接触している方がこれの屈折率（誘電率）が角質層と屈折率が近いので、角質層表面での反射を軽減することができる。

J. Biomed. Opt. 16, 106010（Oct 03, 2011）

しかしながら、非特許文献１の方法は、皮膚内部の角質と表皮界面の反射パルスを精度良く取得するには不十分であった。なぜなら、窓部材の屈折率が可変ではなく固定値であるため、身体の部位や個人間で異なる角質層と窓部材との屈折率差は、角質表皮界面の反射波を数値計算を用いずに分離できるほど、必ずしも十分に小さい屈折率差とはならないからである。また、数値計算を行い角質層での反射波と角質表皮界面での反射波を分離できたとしても、各々の時間波形をフーリエ変換し周波数スペクトルを得る場合には、信号の一部がノイズとして除去されてしまい、精度の高い測定には不向きである。

上記課題に鑑み、本発明の測定装置は、検体と接触するための窓部材と、前記窓部材と接触した検体に電磁波を照射する照射手段と、前記窓部材と接触した検体からの電磁波を検出する検出手段と、前記窓部材の誘電率を変化させる誘電率調整手段と、を有することを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波測定方法は、検体に窓部材を接触させるステップと、前記窓部材と接触した検体に電磁波を照射するステップと、前記窓部材と接触した検体からの電磁波を検出するステップと、前記窓部材の誘電率を変化させるステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、誘電率を変化させることができる窓部材を検体に接触させて、窓部材と接触した検体に電磁波を照射し、そして窓部材と接触した検体からの電磁波を検出するので、検体表面と窓部材との界面での屈折率差を調整した状態で、窓部材と接触した検体からの電磁波を検出できる。従って、場合に応じて、検体表面と窓部材との界面での屈折率差を柔軟に調整することができる。例えば、検体表面が薄膜であり検体内部界面での屈折率差が小さい検体に関して、検体表面からの反射波の振幅を無視できる程度に軽減することができる。よって、薄膜内部界面からの微小な反射波形を、照射電磁波の短パルス化や数値計算をしなくても精度良く検出することができる。

本発明の第一の実施形態等に係る装置構成を説明するための模式図。 第一の実施形態等における窓部材の例を説明するための模式図。 測定装置及び方法の動作例を説明する図。 窓部材の誘電率調整工程例を説明する図。 本発明の第二の実施形態における窓部材を説明する図。 本発明の第四の実施形態等における窓部材を説明する図。 本発明の第五の実施形態を説明する図。 本発明の第六の実施形態における窓部材を説明する図。

本発明は、検体と接触した窓部材の誘電率を調整することができ、適宜調整した状態の窓部材と接触した検体に電磁波を照射し、この窓部材と接触した検体からの電磁波を検出することを特徴とする。電磁波は、典型的には後述の実施形態や実施例で説明するテラヘルツ波などのパルスであるが、連続波を用いることもできる。連続波の場合、各界面からの反射波の位相差による強度の強弱を干渉計の技術を用いて検出し、検体の構造（界面間の距離など）を検出することができる。ただし、電磁波パルスを用いて時間波形を測定する場合と比較して、検体の屈折率などの特性を検出することは困難であるし、本発明を適用しても分解能は多少劣る。また、界面における反射波は、照射部と検出部を窓部材と検体に対して透過配置として、検体を透過する電磁波から検出することもできる。この場合も、反射配置の場合と同様な効果が得られる。また、窓部材は、窓部材と検体表面との屈折率差の調整の他に、柔らかい検体などの表面の凹凸をなくして窓部材の表面形状に合わせて平坦等にするといった役割を担うこともできる。この様に、本発明は、以下で説明する実施形態や実施例の内容には限定されず、本発明の趣旨の範囲で種々に変更、置き換え等が可能である。

（第一の実施形態）
第一の実施形態に係る、テラヘルツ波を用いて検体を測定するための測定装置について、図１を用いて説明する。図１のように、本装置は、時間領域でテラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分と、検体からの反射パルスに基づいて窓部材の誘電率変化などを検知する部分と、誘電率が可変な窓部材と、その窓部材の誘電率を調整する機構を有する。時間領域でテラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分は、非特許文献１に示された様な一般的なテラヘルツ時間領域分光装置と同じである。即ち、この部分は、照射部１０１、検出部１０２、光学遅延部１０３、パルスレーザ源１０４、制御部１０５、時間波形取得部１０６を含む。

照射部１０１は、テラヘルツ波パルスを発生する部分である。照射部１０１でのテラヘルツ波発生方法には、瞬時電流を利用する手法やキャリヤのバンド間遷移を利用する手法がある。前者の瞬時電流を利用する手法としては、半導体や有機結晶の表面にレーザ光を照射してテラヘルツ波を発生する手法や、半導体薄膜上に金属電極でアンテナパターンを形成した光伝導素子に電界を印加して電界印加部にレーザ光を照射する方法が適用できる。また、ＰＩＮダイオードが適用できる。後者の利得構造を利用する手法としては、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）や量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）等の様に半導体量子井戸構造を用いる手法が適用できる。

検出部１０２は、テラヘルツ波パルスの電界強度を検出する部分である。検出部１０２での検出方法には、光伝導による電界強度に対応した電流を検出する手法、電気光学効果を用いて電場を検出する手法、磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法などがある。光伝導による電流を検出する手法としては、光伝導素子が適用できる。電気光学効果を用いて電場を検出する手法としては、直交偏光子と電気光学結晶を使った手法が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法としては、直交偏光子と磁気光学結晶を使った手法が適用できる。検出部１０２に入射するテラヘルツ波は、検出部１０２に焦点を結ぶことで単位面積あたりの強度を増やし、検出感度を高めることができる。

パルスレーザ源１０４は、超短パルスレーザを出力する部分である。照射部１０１と検出部１０２は、この超短パルスレーザによってキャリヤが励起されることで動作する。本実施形態では、図１のように、超短パルスレーザは二つの光路に分岐される。後述する光学遅延部１０３を経由するパルスレーザは照射部１０１に入力する。別経路を通る超短パルスレーザは、検出部１０２に入力する。光学遅延部１０３は、テラヘルツ波パルスの時間波形のうちの検出部１０２でサンプリングする位置を調整する部分である。具体的には、照射部１０１に入力される超短パルスレーザに対し、検出部１０２に入力される超短パルスレーザのタイミングを遅延ないし変化させる。この遅延時間の調整は、制御部１０５で行い、光学長を直接調整する手法と実効的な光学長を調整する手法がある。直接調整する手法としては、折り返し光学系と可動部を用いる方法がある。実効的な光学長を調整する手法としては、電気光学結晶などを用いてトリガ信号が伝搬する経路中の時定数ないし屈折率を変化させる方法がある。図１の例は、折り返し光学系と可動部を用いる例を示している。

時間波形取得部１０６は、テラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分である。光学遅延部１０３による調整量と検出部１０２の出力を参照し、時間波形を構築する。ここで、周波数スペクトルを求める場合、この時間波形をフーリエ変換する。ＴＨｚ−ＴＤＳ装置を測定装置として用いる場合は、検体１１１にテラヘルツ波を照射した時の時間波形の変化を求める。また、検体１１１と照射テラヘルツ波の相対的な位置を、光学遅延部１０３の位置情報を制御している制御部１０５の情報と関連づけることで、検体１１１を可視化することができる。以上の構成は、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置として知られる一般的な構成である。

更に本実施形態では、内部に界面Ｃを持つ２層構造の検体１１１に窓部材１１０が接触した形で設置されており、窓部材１１０には、これの誘電率を調整するための誘電率調整部１０８が接続されている。また、時間波形取得部１０６で取得された時間波形から窓部材１１０と検体１１１の誘電率や誘電率変化を算出する誘電率変化検知手段である誘電率変化検知部１０７が設けられている。

本実施形態では、照射部１０１と検出部１０２は、窓部材１１０と検体１１１に対して反射配置をとっている。照射部１０１から発生したテラヘルツ波は窓部材１１０や検体１１１の界面（界面Ａ、Ｂ、Ｃ）等で焦点を結び、入射したテラヘルツ波パルスの一部は焦点を結んだ箇所の物性などに応じて吸収、散乱される。この結果、反射されたテラヘルツ波パルスは検出部１０２に集光された後、入射され測定される。テラヘルツ波をこのような構成の検体１１１に照射することで検出される時間波形は、検体１１１表面の界面Ｂ（窓部材と検体との界面）と検体内部の界面Ｃの光学長差が小さい場合、各々の反射パルスは重畳されることとなる。このままでは、界面Ｃの周波数スペクトルを取得する場合、界面Ｂでの反射パルスを時間波形上で分離しなければならず、精度の高い測定には不向きである。

検体１１１の内部界面Ｃの情報を精度良く取得する為には、窓部材１１０の誘電率（屈折率）を検知し、界面Ｂの反射が十分に抑制されるように（つまり窓部材と検体表面の屈折率が十分に一致するように）窓部材１１０の誘電率を調整することが有効である。このような構成にすることにより、時間波形上で界面Ｂの反射パルスを消失もしくは界面Ｃの反射振幅に対して十分に小さい値とすることができる。

窓部材１１０や検体１１１各層（界面で挟まれた部分）の誘電率を検知する場合、時間波形取得部１０６で取得されたテラヘルツ波パルスの時間波形を誘電率変化検知部１０７へ転送する。誘電率を算出する方法は、例えば、次の様にして実行される。反射率がほぼ１００％の参照用金属鏡（以後リファレンスと呼ぶ）の表面と所望の界面とをほぼ同じ位置とし、リファレンスと検体１１１の各部位の反射パルスの時間波形を測定する。更に各々の時間波形をフーリエ変換し、周波数スペクトルを取得する。リファレンスと検体１１１の各部位との振幅比と位相シフトを周波数軸上で取ることにより複素振幅反射率が算出できる。更に、算出された複素振幅反射率の実数部と虚数部を分離して窓部材や検体各部の複素屈折率や複素誘電率が算出できる。こうして、誘電率変化検知手段は、検出手段の検出信号から窓部材の誘電率変化を検知する。すなわち、窓部材の誘電率変化は、検出手段で検出される窓部材の反射波の信号から複素振幅反射率を算出し、複素振幅反射率から複素屈折率と複素誘電率を算出することで検知される。

窓部材１１０の誘電率変化を検知する場合、リファレンスは窓部材１１０の誘電率を変化させる毎に測定することが望ましい。更にリファレンスと検体の測定面との相対位置は１μｍ程度以内の精度で一致させる必要がある。このような背景から、リファレンスを窓部材の一部に、位置がそろう形態で具備することが望ましい。（後述の図６の第三実施形態を参照）

誘電率変化検知部１０７では、リファレンスと検体１１１の各部位の反射パルスの時間波形から上記のような処置を行うことにより誘電率を検知し、その結果を誘電率調整部１０８へ転送することができる。誘電率調整部１０８は窓部材１１０の誘電率を変化させる機構を備える。望ましくは、誘電率変化検知部１０７で算出された窓部材１１０の誘電率の結果を誘電率調整部１０８へ転送し、その結果を以って窓部材１１０の誘電率を変化させることである。窓部材１１０の誘電率を変更する場合には、誘電率の検知と調整を交互に行ってもよいし、同時に行ってもよい。好ましくは、検体１１１表面の誘電率を予め測定しておき、その誘電率に近づくように窓部材の誘電率を調整することである。すなわち、窓部材と検体の表面との界面からの信号から、誘電率調整部が、両者の屈折率差を小さくする工程を含んで誘電率を調整すると良い。

また、窓部材１１０を制御する誘電率調整部１０８の誘電率調整手段の制御量と窓部材１１０の誘電率変化量の相関についてデータベースを予め取得しておき、検体１１１表面の誘電率測定後、データベースを参照して窓部材１１０の誘電率を調整してもよい。つまり、後述する液体浸潤調整手段の例で言えば、多孔質材の情報（厚み、空孔率、材質など）と液体の情報（濃度、浸潤量、混合比など）のうちの少なくとも１つの情報或いは情報の組み合わせと多孔質材の複素屈折率（複素誘電率）との関係を保持するデータベースを用いて液体浸潤の調整を行う。また、窓部材１１０の誘電率は、検体１１１のどの部位の情報が必要かによって調整することが望ましい。例えば、検体１１１の界面Ｂ（即ち界面Ｂを形成する検体１１１の部分）の情報を取得したい場合には、界面Ｃの情報が不要となる。このような場合は出来るだけ界面Ｂの反射を大きくする為に、界面Ｂ（即ち界面Ｂを形成する検体１１１の部分）と窓部材１１０との誘電率（屈折率）差を大きくするのが良い。一方で、界面Ｃの情報を取得したい場合には、界面Ｂの情報が不要となる。このような場合は出来るだけ界面Ｂの反射を小さくする為に、界面Ｂ（即ち界面Ｂを形成する検体１１１の部分）と窓部材１１０との誘電率（屈折率）差を小さくするのが良い。

従来は、測定する検体１１１の屈折率（誘電率）や情報を所望する界面の構成に応じて、適した屈折率（誘電率）を有する窓部材をその都度選択する必要があった。しかし、本発明によれば窓部材１１０の誘電率を調整する機構を備えることにより、所望の界面情報の取得に適した誘電率の窓部材１１０に簡便に調整することができる。

窓部材１１０の材料は、例えば、毛管力や表面張力等によって液体を浸潤できる機構を備える。更には、使用する電磁波に対して透過率が高いものが望ましい。この高い透過率を有する物の例として、ポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホンの粒状ないしスポンジ状構造体からなる多孔質材が挙げられる。また、窓部材１１０の他の構造として、繊維性物質、針状構造体等が挙げられる。これらの部材の微細構造の寸法（多孔質材であれば孔径、繊維性物質であれば繊維の太さや繊維間距離、針状構造体であれば針の太さや針間の距離）は、照射するテラヘルツ波を散乱させない為に、テラヘルツ波の波長より十分小さいこと、即ち数十μｍ以下であることが望ましい。また、多孔質材は、材質や親水性、疏水性等の性質の異なる複数の構造を含むこともできる。ただし、窓部材の材料、形態はこれらに限られるものではない。

こうした窓部材１１０に誘電率調整部１０８より供給する液体は、例えば水、生理食塩水、油、イオン水、ホルマリン、リン酸緩衝液、アルコール、細胞培養用培地、糖、ホルモン、タンパク質、アミノ酸、有機化合物、サイトカイン等のうちの少なくとも１つを含むものが望ましい。更には、テラヘルツ波の吸収が少ない液体が好ましい。また、窓部材へ浸潤させる液体は一種類であっても、２種類以上の液体を混合しても構わない。また、窓部材の異なる箇所に別々に浸潤させても構わない。液体は、上述の誘電率調整部１０８で混合することが望ましいが、窓部材１１０中に個別に浸潤させながら混合することも可能である。誘電率調整部１０８は、窓部材に少なくとも一種類以上の液体を浸潤させる手段と、独立に液体の浸潤量を調整する液体浸潤量調整手段を含むことができる。

図２を用いて、第一の実施形態における窓部材の具体的な例を更に説明する。図２（a）は、検体１１１の測定領域の詳細な断面図である。図２（b）は平面図である。図２の例の測定装置において、窓部材１１０は、Ｏリング１２１と窓部材固定治具１２０を用いて窓部材１１０を両面から挟み込むことで固定されている。窓部材固定治具１２０は円形状に孔が空いているので、窓部材１１０を挟み込むと窓部材１１０の中央部が外部に露出した状態となる。ここに検体１１１を設置する。テラヘルツ波は、窓部材１１０の露出部分を通過するように検体１１１に照射される。

Ｏリング１２１で窓部材１１０の外周を円形状に固定することにより、外側へ放射状に均一な張力を発生させることができる。更には、Ｏリング１２１の押しつぶし力を制御してＯリング１２１と窓部材固定治具１２０で窓部材１１０を挟む力を調整し、窓部材１１０の面方向に働く張力を調整することができる。こうして、重い検体１１１を載せた場合でも、窓部材１１０を撓ませることなく平面に保つことが出来る。平面に保つことにより窓部材１１０での無用なテラヘルツ波散乱を抑えることができ、精度の高い測定が可能となる。また、窓部材１１０の材料として多孔質材を用いる場合、液体の浸潤は液体流路１２２を介し窓部材１１０の上から液体を滴下することで行うことができる。滴下された液体は、窓部材１１０中に毛管力や表面張力等によって均一に染みわたらせることができる。窓部材１１０に液体を滴下する方法は、例えば、微小液滴を滴下できる市販のマイクロインジェクターやピペット等の注入手段が用いられる。注入手段は複数あってもよい。

滴下方式よりも更に早く均一に染みわたらせたい場合には、液体を導入して浸潤させる液体流路１２２を、窓部材固定治具１２０中のＯリング１２１を保持する溝と連通するように設けるのが望ましい。これにより、溝と窓部材１１０の接触部分から液体が早く均一に浸潤する。窓部材１１０への液体の供給量が毛管力などによる浸潤保持能力を超える場合、液体が外部に染み出る可能性がある。その場合は、窓部材１１０の周辺部の一部又は全部に隣り合って、液体を浸潤保持しない部材（即ち、液体を染み込ませない非浸潤部材であり、例えば、固体の樹脂）を設置するとよい。これにより、液体が窓部材外へ染み出すことを確実に防止できる。この様にして、検体表面と窓部材との界面での屈折率差を調整した状態で、窓部材と接触した検体からの電磁波を検出部で検出できる。

（第二の実施形態）
次に第二の実施形態の測定装置を説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。検体１１１を窓部材１１０と裏面窓部材１３０で挟んだ第二の実施形態における構造を図５に示す。ここでは、テラヘルツ照射方向（図５の下方向）から見て検体１１１の裏面に接触した裏面窓部材１３０を新たに追加する。つまり、検体を２枚の多孔質材で挟む構造としている。各々の窓部材（窓部材１１０と裏面窓部材１３０）は独立に誘電率調整部１０８を有する。

各々の窓部材は、複数のＯリング１２１と窓部材保持治具１２０で挟み込むことで固定される。裏面窓部材１３０の誘電率を調整する前にテラヘルツ波をこのような構成の検体１１１に照射して検出される時間波形は、内部の界面Ｃと検体裏面の界面Ｄの光学長差が小さい場合、各々の反射パルスは重畳される。また、界面Ｃの周波数スペクトルを取得する場合、界面Ｄでの反射パルスを時間波形上で分離しなければならず、精度の高い測定には不向きである。検体１１１の内部界面Ｃの情報を精度良く取得する為には、裏面窓部材１３０の誘電率（屈折率）を、界面Ｄの反射がなくなるように（裏面窓部材１３０と検体の界面Ｃ、Ｄ間の部分の屈折率が一致するように）調整することが有効である。また、裏面窓部材１３０に浸潤させる液体は、界面Ｅでの無用な反射を無くすため、照射するテラヘルツ波に対して吸収が大きいものが良い。このような構成にすることにより、界面Ｂの反射パルスの消失もしくは抑制に加えて、時間波形上で界面Ｄや界面Ｅの反射パルスを消失もしくは界面Ｃの反射振幅に対して十分に小さい値とすることができる。この様にして、検体の両表面と２つの窓部材との界面での屈折率差を調整した状態で、２つの窓部材と接触した検体からの電磁波を検出部で検出できる。

本実施形態は、検体１１１が乾燥して特性が変化してしまうような場合、例えば水分を含んだ生体の場合であっても、裏面窓部材１３０の適用は有効である。裏面窓部材１３０に水分を浸潤させることにより検体１１１周辺の湿度を調整することができる。よって検体１１１内の水分の蒸発を制御することができる。

（第三の実施形態）
第三の実施形態について説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。窓部材１１０の材料は強誘電体であってもよい。更には、窓部材１１０の材料は、照射する電磁波に対して吸収がなく透過率の高いものが良い。本実施形態の場合、窓部材１１０の誘電率を調整する方法は、誘電率調整部１０８より窓部材１１０に電圧を印加することにより窓部材１１０中に電界を発生させ、誘電率を変化させる。つまり、窓部材の誘電率調整手段は、窓部材に電界を印加する手段を含む。

電界の強さを変えることにより窓部材１１０の誘電率は調整できる。また、窓部材１１０の材料は、検体１１１の誘電率が、電界により変化する誘電率可変領域内に収まるような強誘電体材料を選択することが望ましい。強誘電体材料の例として、ＢａＴｉＯ_３やＢａＳｒＴｉＯ_３がある。これらの材料に例えば数Ｖ/μｍの電界を印加すると、テラヘルツ領域においては電界印加前に比べて数十％程度誘電率を減少させることができる。窓部材１１０に電圧を印加するために窓部材に電極を設ける場合、後述する図６で表面ないし裏面反射層１４０、１４１として示すような部分に、窓部材１１０に電圧を印加するための電極を設ければよい。電極のパターンは適宜設計すればよい。

（第四の実施形態）
第四の実施形態の測定装置を説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施形態では、図６に示す通り、窓部材１１０には、検体１１１と接していない面に表面反射層１４０を設け、検体１１１と接している裏面（電磁波が照射される側と反対側の面）に裏面反射層１４１を設ける。

窓部材１１０や検体１１１の複素屈折率、複素誘電率については、測定物の反射面と同位置上にリファレンスを設置して各々の反射パルスから周波数スペクトルを算出し、これによる複素振幅反射率から算出できることは第一の実施形態で述べた通りである。この時、窓部材１１０に予め、窓部材１１０用のリファレンスとして表面反射層１４０、検体表面用のリファレンスとして裏面反射層１４１を設けることにより、測定毎にリファレンスを設置する煩雑さを軽減することができる。この場合、検体１１１と表面反射層１４０と裏面反射層１４１を連続して測定することができるように、検体を設置する領域外で、少なくとも表面反射層の面方向の面積よりも裏面反射層の面方向の面積の方が大となるように窓部材１１０上に設置するのが良い。更には、測定物とリファレンスの位置を一致させる為、窓部材１１１を水平方向に移動できるステージを具備していることが望ましい。

反射層は、照射する電磁波に対し反射率がほぼ１００％とみなせる材料を選択する。反射層は、例えば真空蒸着法等により金属などを成膜して形成することができる。反射層の膜厚は、反射面を揃える制約があるので１μｍ以下が望ましい。反射層の平坦性は、照射する電磁波の波長の少なくとも１/１０以下の表面粗さ係数であればよい。この様に、本実施形態では、多孔質材などの窓部材１１０の表面の一部に、照射する電磁波の波長の少なくとも１/１０以下の表面粗さ係数の金属膜などの反射層を形成する。そして、各部位の複素誘電率の算出には、窓部材表面の少なくとも一部に設けた照射電磁波を全反射する金属薄膜膜などの反射層での反射波を用いる。

（第五の実施形態）
次に第五の実施形態の測定装置を説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７に示すように、本実施形態は、検体１１１にテラヘルツ波を照射する照射部１０１、検体１１１からのテラヘルツ波を検出する検出部１０２、照射部及び検出部と光学的に接触する窓部材１１０を備える内視鏡である。すなわち、接触式のテラヘルツイメージングプローブであって、一方の端部に、検体に臨む測定装置を備える。窓部材１１０には液体流路１２２が接続されており、窓部材１１０の誘電率を可変としている。

例えばプローブのチューブ状のケース内に内蔵された照射部１０１と検出部１０２には、光導波路１５０が接続されていると共に電気配線（不図示）がなされている。照射部１０１、検出部１０２、液体流路１２２は単一であっても複数であってもよい。照射部１０１から照射されたテラヘルツ波は、空気を介さず窓部材１１０や検体１１１で反射され、一部が検出部１０２にて検出されることが望ましい。このような構成にすることにより、生体内部の検体の測定においては、空気との界面での無用な反射ロスを生ずることなく検体１１１表面の反射を軽減でき、組織内部へテラヘルツ波を効率的に伝搬させることが可能となる。

また、窓部材１１０に多孔質材を使用した場合は、生体内で採取された粘膜や分泌物、ＤＮＡ等を窓部材１１０に浸潤させたり採取したりすることができる。更に、液体流路中に液体を充填せずに液体流路内を負圧にすることによって、窓部材に浸潤した前記物質を吸引し、体外に摘出し適宜分析することもできる。検体の測定方法は、上記第一の実施形態と同様である。

（第六の実施形態）
第六の実施形態の測定装置を説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施形態では、図８に示す通り、窓部材１１０は、検体１１１の形状に合わせて変形するもの、または検体１１１の形状に合わせた型を持つものを用いる。これにより、検体が医薬品錠剤のように固く変形ができない場合や、検体の表面形状が平坦でない場合には、検体１１１の形状に合わせて窓部材１１０の形状を変形させて、検体１１１との接触面を増大させることができる。または表面形状に応じた型を作り込んだ窓部材１１１を用意しておき、検体１１１との接触面を増大させることができる。このような窓部材１１０を使用することにより、医薬品錠剤表面での散乱を防止し医薬品錠剤の情報、例えばフィルムコート１６１の厚さや剥離、亀裂等の内部欠陥１６１、薬剤の分布等を取得することができる。検体の測定方法は、上記第一の実施形態と同様である。

以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
図３は、図１で示すような装置で検出されるテラヘルツ波パルスの時間波形の模式図を示す。実施例１では、検体１１１表面（界面Ｂ）が薄膜（界面Ｂ、Ｃ間の部分の厚さ＝３０μｍ、該部分の屈折率＝２、吸収・分散なし）であり、内部界面Ｃ（界面Ｃより上の部分の厚さ＝∞（前記薄膜より格段に厚いので無限大とみなせる）、該部分の屈折率＝２．１、吸収・分散なし）がある。こうした検体１１１上に、窓部材１１０（厚さ＝３００μｍ、屈折率＝１．２、吸収・分散なし）を設置した。窓部材１１０と検体１１１に照射するテラヘルツ波パルスの半値幅は３００ｆｓと設定した。

テラヘルツ波は波長が長いため、焦点を結ぶ領域はサブｍｍ〜数ｍｍである。これに加え、テラヘルツ波は、焦点以外から反射するテラヘルツ波パルスも測定することができる。そのため、図１のように窓部材１１０や検体１１１に複数の屈折率界面（Ａ、Ｂ、Ｃ）が存在し、焦点位置を含めた測定可能範囲内にこれらの界面が存在すると、テラヘルツ波パルスは、図３（ａ）のように複数の反射パルス（Ａ、Ｂ、Ｃ）が連なって測定される。界面（Ａ、Ｂ、Ｃ）の屈折率差を反映した反射パルスは、界面Ｂでの屈折率差（Δｎ＝０．８）に対して界面Ｃでの屈折率差（Δｎ＝０．１）が小さい為、反射振幅は界面Ｂに対して界面Ｃがおよそ１/２０程度に小さい。また、検体１１１表面が薄膜である為、検出される界面Ｂ、Ｃ間の光路長差が短く、各々の反射パルスは重畳された形で検出される。

したがって、界面Ｂと界面Ｃの反射パルスの分離には、デコンボリューションや回帰分析等の数値計算や照射テラヘルツ波のパルス幅をより短くする必要がある。更には、界面Ｂと界面Ｃの周波数スペクトルを個別に取得する場合、界面Ｂは、テラヘルツ波パルスの照射角度を調整し界面Ｂで全反射させて取得することができる。しかし、界面Ｃは、時間波形上で界面Ｂの情報と分離をする必要があるので情報取得がより困難である。

本実施例では、例えば上記と同様の構成の窓部材１１０と検体１１１に対して、界面Ｂをなす検体部分と同様の屈折率（誘電率）まで窓部材１１０の誘電率を調整する。このことにより、界面Ｂでの反射パルスを消失もしくは界面Ｃの反射振幅に対して十分に小さい値とすることができる。こうして、図３（a）の場合と同様の構成の窓部材１１０と検体１１１に対して、複数の反射パルス（Ａ、Ｂ、Ｃ）を例えば図３（ｂ）のようにすることができる（反射パルスＢは消失している）。

窓部材の誘電率を界面Ｂ、Ｃ間の検体部分と同様の屈折率（誘電率）に調整するまでの具体的な工程を説明する。図４のように行うことが最も簡易である。誘電率を調整する前の窓部材１１０の誘電率（屈折率）は既知であるものとする。まず、リファレンスの反射波の時間波形を取得し、誘電率変化検知部１０７に転送する。リファレンスは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等を平坦な基板へ蒸着したものを用いることができる。次に、窓部材１１０上に検体１１１を設置し、界面（Ａ、Ｂ、Ｃ）からの反射パルスの時間波形を取得する。この時、界面Ｂの反射波の情報（振幅、位相）は窓部材１１０と検体１１１表面の誘電率（屈折率）の値に依存する。この界面Ｂでの反射の情報（振幅と位相）を誘電率変化検知部１０７に転送する。誘電率変化検知部１０７では、リファレンスの情報と界面Ｂでの反射の情報から窓部材１１０と検体１１１表面の誘電率差（屈折率差）を計算する。そして、検体１１１表面の誘電率（屈折率）に一致するように窓部材の誘電率（屈折率）を調整する命令を誘電率調整部１０８に与える。誘電率調整部１０８では、命令通り窓部材１１１の誘電率調整を行う。誘電率調整を行った後、再度、界面（Ａ、Ｂ、Ｃ）からの反射パルスの時間波形を時間波形取得部１０６にて取得し、界面Ｂでの反射の情報（振幅と位相）を誘電率変化検知部１０７に転送する。このような工程を繰り返すことにより、最終的に窓部材１１０と検体表面の誘電率（屈折率）を一致させることができる。したがって、界面Ｂの反射を無くするか抑制して、精度良く界面Ｃの情報を検出することができる。

窓部材１１０に多孔質材を採用する場合、例えば日本ポール社製のメンブレンフィルター（製品番号６０１７２、材質は親水性ポリエーテルスルホン、平均孔径は０.４５μｍ）を用いることができる。窓部材１１０に浸潤させる液体について説明する。上記例のように界面Ｂ、Ｃ間の検体部分の屈折率（ｎ＝２）に一致させるには、窓部材１１０に浸潤させる液体は少なくとも界面Ｂ、Ｃ間の検体部分の屈折率以上の屈折率を持つ液体が望ましい。その場合、例えば水やイオン水等が適用できる。多孔質材の屈折率は、テラヘルツ波が通過する光路中の多孔質材とその空隙を占める媒質の存在比と各々の持つ屈折率で決定される。つまり、多孔質材中を空気（ｎ＝１）が占めている状態が屈折率として最も低く（上記メンブレンフィルターの場合にはｎ＝１.２程度）、空気以上の屈折率を持つ媒質である液体が浸潤することによって多孔質材全体の屈折率を上昇させることができる。上記例以外の例として、イソプロピルアルコールを浸潤液体として用いる場合は、ポリエーテルスルホンの多孔質材とその空隙を占めるイソプロピルアルコールの存在比に依存しておよそ１．２〜１.６の範囲で窓部材１１０の屈折率を調整することができる。

上記のような事実に基づき液体固有の屈折率や浸潤量を調整することによって、窓部材１１０の屈折率を調整することができる。浸潤させる液体として水を例にとれば、乾燥させて多孔質材中の水を蒸発させることにより、多孔質材の屈折率は元の空気で占められた状態に可逆的に戻すことが出来る。界面Ｂ、Ｃ間の検体部分の屈折率（ｎ＝２）に対して、窓部材１１０に浸潤させる液体に水を選択した場合の屈折率の調整方法について考察する。窓部材１１０中を水のみで浸潤し満たした場合のテラヘルツ領域における窓部材１１０の屈折率は、界面Ｂ、Ｃ間の検体部分の屈折率より大きな値（例えば１ＴＨｚにおいてｎ＝２．１）であった。また、多孔質材中の水の蒸発量は窓部材１１０の屈折率と相関があり、窓部材１１０の屈折率が大きいほど水の蒸発量も多く、窓部材１１０の屈折率の低下が大きかった。このような現象を利用し、窓部材に連続的に一定量の水を浸潤させ続け、水の蒸発量を一定に保つことで、窓部材１１０の屈折率を界面Ｂ、Ｃ間の検体部分の屈折率に一致させることができた。窓部材１１０の誘電率（屈折率）の変化検知と調整は、図１のような構成の装置を用いることにより行うことが可能である。

検体１１１として人体の皮膚を例に取る。人体の皮膚表面は、数十μｍ程度の薄膜である角質層があり内部に表皮がある。皮膚の反射パルスの情報から角質層の情報を除去して表皮の情報を取得する従来の数値計算を用いた方法では、検出部１０２の電気的なノイズと表皮の情報を区別することができず、表皮の情報の一部は数値計算を経て除去されてしまうということがあった。しかし、本発明の測定装置を適用すると、表皮の情報を除去せずに角質層の情報を除去することができるので、表皮界面の反射パルスから表皮の情報を精度良く取得することができる。

１０１・・照射部（照射手段）、１０２・・検出部（検出手段）、１０７・・誘電率変化検知部（誘電率変化検知手段）、１０８・・誘電率調整部（誘電率調整手段）、１１０・・窓部材、１１１・・検体

Claims (17)

1. 検体と接触するための窓部材と、前記窓部材と接触した検体に電磁波を照射する照射手段と、前記窓部材と接触した検体からの電磁波を検出する検出手段と、前記窓部材の誘電率を変化させるための誘電率調整手段と、を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記電磁波は電磁波パルスであり、
   前記検出手段の検出信号を用いて前記窓部材と接触した検体からの電磁波パルスの時間波形を算出するための時間波形取得手段を有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記検出手段で検出された前記窓部材と接触した検体からの電磁波の信号に基づいて前記窓部材の誘電率変化を検知する誘電率変化検知手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記誘電率調整手段は、前記誘電率変化検知手段で検知された前記窓部材の誘電率変化に基づいて、前記窓部材と検体の表面との屈折率差を小さくするように前記窓部材の誘電率を変化させることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記窓部材の誘電率変化は、前記検出手段で検出された前記窓部材の反射波の信号から複素振幅反射率を算出し、前記複素振幅反射率から複素屈折率と複素誘電率を算出することで検知されることを特徴とする請求項３または４に記載の測定装置。
6. 前記窓部材は、表面の少なくとも一部に、電磁波を全反射する反射層を具備し、
   前記複素誘電率の算出には、前記検出手段で検出される前記反射層での反射波の信号を用いることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 前記誘電率調整手段は、前記窓部材に少なくとも一種類以上の液体を浸潤させる手段と、独立に液体の浸潤量を調整する液体浸潤量調整手段と、を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の測定装置。
8. 前記窓部材は、多孔質材からなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の測定装置。
9. 前記多孔質材は、前記検体を２枚の多孔質材で挟む構造を有することを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
10. 前記多孔質材は、表面の一部に照射される電磁波の波長の１/１０以下の表面粗さ係数の反射層を少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項８または９に記載の測定装置。
11. 前記液体浸潤調整手段は、前記多孔質材の情報と前記液体の情報のうちの少なくとも１つの情報或いは情報の組み合わせと前記多孔質材の複素誘電率との関係を保持するデータベースを用いて液体浸潤の調整を行うことを特徴とする請求項８から１０の何れか１項に記載の測定装置。
12. 前記液体は、水、生理食塩水、油、イオン水、ホルマリン、リン酸緩衝液、有機化合物、細胞培養用培地、糖、ホルモン、タンパク質、アミノ酸、サイトカインのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７から１１の何れか１項に記載の測定装置。
13. 前記誘電率調整手段は、前記窓部材に電界を印加する手段を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の測定装置。
14. 前記窓部材は、前記検体の表面形状に合わせて変形しうることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の測定装置。
15. 前記電磁波が３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下のうち少なくとも一部の周波数帯域を有する電磁波であることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の測定装置。
16. 接触式のプローブであって、
    一方の端部に、検体に臨むための請求項１から１５の何れか１項に記載の測定装置を備え、
    前記照射手段と前記検出手段にそれぞれ接続された光導波路と、前記窓部材に接続された前記誘電率調整手段の液体流路と、が内蔵されていることを特徴とするプローブ。
17. 検体に窓部材を接触させるステップと、前記窓部材と接触した検体に電磁波を照射するステップと、前記窓部材と接触した検体からの電磁波を検出するステップと、前記窓部材の誘電率を変化させるステップと、を有することを特徴とする電磁波測定方法。

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