CN108168715B - 光检测装置 - Google Patents

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Abstract

光检测装置具备遮光膜、光耦合层、光检测器和光学系统。遮光膜至少在第1方向上交替地配置有多个透光区域及多个遮光区域。光耦合层与上述遮光膜对置，包括使光在上述第1方向上传输的光栅。光检测器包括排列在摄像面上的多个第1光检测单元及多个第2光检测单元。光学系统配置在上述光耦合层及上述光检测器之间。在上述光耦合层中透射了与上述多个透光区域及遮光区域分别对置的部分的光的像分别被上述光学系统放大或缩小，并形成在上述多个第1及第2光检测单元中的对应的光检测单元上。

Description

光检测装置
技术领域
本申请涉及利用光的干涉现象取得与被摄体的光学特性有关的信息的光检测装置。
背景技术
光是电磁波，除波长及强度以外，还可通过偏光及干涉性等特性来赋予特征。其中，作为利用光的干涉性来测定被摄体的方法，例如可以举出在“光学的原理”(东海大学出版会，p.482，M·Born等)中示出的使用迈克尔逊干涉仪的方法。
发明内容
有关本申请的一技术方案的光检测装置具备：遮光膜，至少在第1方向上交替地配置有多个透光区域及多个遮光区域；光耦合层，与上述遮光膜对置，包括光栅，在规定的波长的入射光入射到上述多个透光区域时，该光栅将上述入射光的一部分向上述第1方向传输，使上述入射光的另一部分透射；光检测器，具有摄像面，包括配置在上述摄像面上的多个第1光检测单元及多个第2光检测单元；以及光学系统，配置在上述光耦合层及上述光检测器之间。上述多个第1光检测单元配置在以下的位置，该位置为，使得在上述光耦合层中透射了与上述多个透光区域分别对置的部分的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成在上述多个第1光检测单元中的对应的第1光检测单元上的位置。上述多个第2光检测单元配置在以下的位置，该位置为，使得在上述光耦合层中透射了与上述多个遮光区域分别对置的部分的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成在上述多个第2光检测单元中的对应的第2光检测单元上的位置。
上述包含性或具体的形态也可以由系统、方法、集成电路、计算机程序或记录介质实现。或者，也可以由系统、装置、方法、集成电路、计算机程序及记录介质的任意的组合实现。
附图说明
图1A是有关本研究例的光检测系统的示意图。
图1B表示向光检测装置13具备的1个透光区域入射的散射光的状况。
图2A是沿着光入射的方向的面的光检测装置的剖视图。
图2B是将光检测装置从光入射的一侧观察的平面图。
图3表示光检测装置的信号处理的方法。
图4A表示透光区域、遮光区域的图案的平面图。
图4B表示检测器的图案的平面图。
图4C表示透光区域、遮光区域及检测器的位置关系的剖视图。
图5A表示与图2A相同的剖视图。
图5B表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图5C表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图5D表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图5E表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图5F表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图5G表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图5H表示与图5A对应地描绘的通过FDTD法得到的光强度分布的电磁解析结果。
图6A是表示研究例的4个透光区域中的入射光与处于其下方的3个光检测器的位置关系的剖视图。
图6B是表示入射光的相位随机系数a及检测信号的关系的解析结果。
图7A表示整体的光学配置及光线跟踪的状况。
图7B表示光强度分布。
图7C表示光路长的平均分布。
图7D表示光路长的标准偏差分布。
图7E表示σ0＝18.5mm的情况下的检测信号的分布。
图7F表示σ0＝18.0mm的情况下的检测信号的分布。
图8表示实施方式的光检测装置的截面结构图。
图9A是示意地表示作为第1以往例的迈克尔逊干涉仪的结构的图。
图9B是示意地表示显示由光检测器检测的光的强度的电信号的时间变化的例子的图。
图10是用来说明光的干涉现象的图。
图11A表示以波长λ0为中心、波长的扩展是零的光。
图11B表示相干长度为无限大的情况。
图11C表示以波长λ0为中心、波长的扩展(半值全宽)是Δλ的光。
图11D表示相干长度σ0为λ0 2/Δλ的情况。
图11E表示将中心波长λ0及波长的扩展Δλ的光替换表示为波长λ0－Δλ/2及λ0+Δλ/2的2个光的情况。
图12A表示第2以往例的光检测系统的示意性的剖视图。
图12B表示图12A所示的光检测系统中的光源的振荡与来自光检测器的检测信号的关系的说明图。
标号说明
100 光检测系统
1 控制电路
2 光源
3 光
4 被摄体
5、5a、5A 散射光
7、17 透镜光学系统
8a 实质性的物体
8b 像
9 遮光膜
9a 透光区域
9A 遮光区域
10 光检测层
11a、11A 微透镜
12 光耦合层
13 光检测装置
14 运算电路
具体实施方式
(作为本申请的基础的认识)
在说明本申请的实施方式之前，关于对光的干涉性或相位进行测定的以往的方法，说明详细研究的结果。
图9A是示意地表示作为第1以往例的迈克尔逊干涉仪200的结构的图。如图9A所示，从光源30射出的光31被第1透镜光学系统35a聚光而成为平行光32。另外，在图中仅表示了平行光32的光轴。作为该平行光32的一部分的光32a透射半反射镜33而朝向第1反射镜34a。被第1反射镜34a反射的光32b被半反射镜33进一步反射为光32c，朝向第2透镜光学系统35b。光32c穿过第2透镜光学系统35b，作为光32d而向位于第2透镜光学系统35b的焦平面中的光检测器36入射。另一方面，作为平行光32的另一部分的光32A被半反射镜33反射而朝向第2反射镜34A。被第2反射镜34A反射后的光32B朝向半反射镜33，透射半反射镜33，作为光32C而朝向第2透镜光学系统35b。光32C穿过第2透镜光学系统35b，作为光32D而以与光32d重叠的形式向光检测器36入射。光检测器36检测光32d与光32D干涉而产生的光。第2反射镜34A构成为，位置沿着反射面的法线方向(箭头A)变化。随着第2反射镜34A的移位，光32D相对于光32d的相对的相位变化。
图9B是示意地示出表示由光检测器36检测的光的强度的电信号的时间变化的例子的图。图9B表示由迈克尔逊干涉仪200进行的光的干涉性及相位的评价方法。图9B中的纵轴表示从光检测器36输出的信号的强度，横轴表示时间。如果使第2反射镜34A的位置随着时间而变化，则如图9B所示，信号强度在从a到b的范围中变化。这里，将(b－a)/(b+a)的值称作干涉的对比度。由对比度的值定义光31的干涉性(相干性)的程度。
在将第2反射镜34A固定、在半反射镜33与第1反射镜34a之间配置了透明的被摄体37的情况下，与使第2反射镜34A的位置变化的情况相同的原理也成立。即，在从图像传感器等光检测器36输出的信号的强度中，与被摄体37的形状对应的强度差表示为空间上的分布，形成所谓的干涉条纹。通过测定该干涉条纹的形状或间隔，能够计测被摄体37的形状或相位信息。
为了将干涉条纹的空间上的分布一起测定，也有将光检测器36作为多个检测器的集合体，检测向每个检测器入射的光的量的情况。构成多个检测器的集合体的各个光检测器也被称作像素。
图10是用来说明光的干涉现象的图。图10示意地表示从光源30射出、在Z方向上传输的光的某时刻t0的状况。如图10所示，从光源30依次射出波列38a、38b等多个波列。波列的长度σ0被称作相干长度。在1个波列内，波连续，波长也均匀。如果波列不同，则没有相位的相关性。例如，在波列38a中是相位δ0，在波列38b中是相位δ0’，δ0≠δ0’。有如果波列不同则波长也不同的情况。例如，在波列38a中是波长λ0，在波列38b中是波长λ0’，λ0≠λ0’。
首先，说明在图9A所示的结构中调整第2反射镜34A的位置、使图10的波列38a中的部分38A与部分38A’干涉的情况。部分38A内的波和部分38A’内的波的波长相等，波的相位差也在时间上稳定。因而，干涉后的光的明暗(干涉光的振幅的大小)也在时间上稳定。即，如图10的左下部分所示，干涉光39a对应于相位差的量(第2反射镜34A的移位)而看起来较亮(左下部分的上段)、或看起来较暗(左下部分的下段)。将该状态称作相干。
接着，说明使波列38a的部分38A与波列38b的部分38B干涉的情况。在此情况下，没有部分38A内的波与部分38B内的波的波长相等的保证，这2个波的相位差也在时间上随机地变化。结果，干涉后的光的明暗(干涉光的振幅的大小)在时间上随机地变化。该变化例如是飞秒单位的速度。因而，如图10的右下部分所示，干涉光39b高速地反复明暗，人眼看起来只像平均的明亮度。将该状态称作不相干。激光的波列较长，相干长度是几m到几百m左右，是相干光的典型的例子。另一方面，太阳光的波列较短，相干长度是1μm左右，是不相干的光的典型的例子。在以图9A那样的结构使光干涉的情况下，如果使用如激光那样相干长度较长的光，则在相同的波列内干涉的概率较高。结果，对比度提高而接近于1。另一方面，如果使用如太阳光那样相干长度较短的光，则在不同的波列间干涉的概率较高(即，在相同的波列间干涉的概率较低)。结果，对比度下降而接近于0。
图11A至图11E表示中心波长λ0的光的波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系。图11A表示以波长λ0为中心、波长的扩展是零的光。在此情况下，如图11B所示，相干长度为无限大。图11C表示以波长λ0为中心、波长的扩展(半值全宽)是Δλ的光。在此情况下，如图11D所示，相干长度σ0为λ0 2/Δλ。纵模宽度和相干长度处于傅立叶变换的关系。这被称作维纳－辛钦(Wiener–Khinchin)定理。该定理可以如以下这样说明。
图11E表示将中心波长λ0及波长的扩展Δλ的光替换表示为波长λ0－Δλ/2及λ0+Δλ/2的2个光27、28的情况。通过光27与光28的干涉而发生的差拍的周期是λ0 2/Δλ。输送波的波长是光27和光28的波长的平均值λ0。在差拍的周期内，光的振动波形均匀而连续。另一方面，如果跨周期，则不同周期的光的振动波形失去连续性，相位的相关性也消失。即，差拍的周期λ0 2/Δλ相当于相干长度。太阳光不相干是因为波长的扩展(纵模宽度)Δλ较大。如果设中心波长λ0为550nm，设波长的扩展Δλ为300nm，则相干长度σ0为λ0 2/Δλ＝1.0μm。
接着，作为第2以往例而说明在“近红外生物体分光法的展望－1μm波段的可能性”(第14次医用近红外线分光法研究会，p.139－144，西村吾朗)中公开的光检测系统。第2以往例的光检测系统按照光的传输距离测定光的强度分布。
图12A表示第2以往例的光检测系统300的示意性的剖视图。光源42射出激光。如图12A所示，从光源42射出的波长λ0的光43被照射至被摄体44。结果，在被摄体44的表面或内部产生的散射光45a、45b、45c被透镜光学系统47聚光，作为像48b被成像到透镜光学系统47的像面位置。对应于像48b，在透镜的物侧存在实质的物体48a。在像面位置配置有光检测器50。光检测器50是多个检测器(即像素)的集合体，按每个像素检测入射的光的光量。来自光源42的发光被控制器41控制。由光检测器50检测出的光量作为检测信号被运算电路51处理。控制器41及运算电路51被计算机52一起控制。
图12B是表示图12A所示的光检测系统300的光源42的振荡与来自光检测器50的检测信号的关系的说明图。图12B的纵轴表示光源42的振荡强度或光检测器50的检测强度，横轴表示经过时间。光源42在控制器41的控制下振荡出脉冲43a。由该脉冲43a带来的光43在被摄体44的内部被散射，被光检测器50接受，作为信号53被检测出。信号53的时间宽度在由散射带来的光路长的偏差的影响下比原来的脉冲43a的时间宽度宽。信号53中的开头的输出53a是基于由被摄体44的表面反射的光45a的信号成分。输出53a后的从时间t0到t1之间的输出53b，是由在被摄体44的内部中散射而散射距离较短的光45b带来的信号成分。输出53b之后的从时间t1到t2之间的输出53c，是由散射距离较长的光45c带来的信号成分。通过计算机52的控制，运算电路51能够将信号53进行时间划分，将输出53a、53b、53c分离来检测。光以输出53a、53b、53c的顺序从被摄体44的较浅侧穿过较深侧。因而，能够将深度不同的信息分离而分析。
根据本申请发明人的研究，为了使用作为第1以往例的迈克尔逊干涉仪200测定干涉性(相干)的程度或相位，需要来自第1反射镜34A的光32B、32C。因此，结构变得复杂。此外，由于干涉光路存在于规定的空间中，所以容易受到周围环境的变化(例如空气对流或振动)的影响。
另一方面，根据本申请发明人的研究，在作为第2以往例的光检测系统300中，时间划分宽度有限。因而，在测定时难以充分确保深度方向的分辨率。例如，如果设时间划分宽度为300ps，则深度分辨率为90mm左右。因此，第2以往例的光检测系统300并不适合于生物体那样的拥有比较小的构造的对象的诊断或检查。
接着，在叙述本申请的实施方式之前，说明作为本申请发明人为了解决以往例的课题而研究的形态的研究例。
(研究例)
图1A是有关本研究例的光检测系统100的示意图。光检测系统100具备光源2、透镜光学系统7、光检测装置13、控制电路1和运算电路14。
光源2以一定的相干长度的光3照射被摄体4。例如，光源2可以是发出作为相干光的代表的激光的激光源。光源2既可以连续地发出一定的强度的光，也可以发出单一的脉冲光。光源2发出的光的波长是任意的。但是，在被摄体4是生物体的情况下，光源2的波长例如可以设定为约650nm以上且约950nm以下。该波长范围包含在从红色到近红外线的波长范围中。在本说明书中，不仅针对可见光，针对红外线及紫外线也包含在“光”的概念中。
透镜光学系统7例如是聚光透镜，将光源2向被摄体4照射光并在被摄体4的表面或内部发生的散射光5a、5A进行会聚。被会聚的光作为像8b，被成像在透镜光学系统7的像面位置。对应于像8b，在透镜光学系统7的物侧存在实质性的物体8a。在图1A所示的例子中，透镜光学系统7具备1个透镜。透镜光学系统7也可以是多个透镜的集合体。
光检测装置13配置在透镜光学系统7的像面位置。光检测装置13检测透镜光学系统7会聚的散射光5a、5A。光检测装置13的详细的构造后述。
运算电路14进行光检测装置13检测到的信号的运算处理。运算电路14例如可以是数字信号处理器(DSP)等图像处理电路。
控制电路1通过执行例如记录在存储器中的程序，控制由光检测装置13进行的光的检测、由运算电路14进行的运算处理、光源2的发光光量、点灯定时、连续点灯时间、发光波长、相干长度等中的至少1个。控制电路1例如可以是中央运算处理装置(CPU)或微型计算机等的集成电路。控制电路1及运算电路14也可以由合并的1个电路实现。
另外，光检测系统100也可以具备显示由运算电路14运算处理后的结果的未图示的显示器。
图1B表示向光检测装置13具备的1个透光区域9a入射的散射光5的状况。被摄体4是散射体。在被摄体4的内部中传输的光线以衰减系数μa衰减，以散射系数μs反复散射。
图2A是沿着光入射的方向的面的光检测装置13的剖视图。图2B是将光检测装置13从光入射的一侧观察的平面图(包括后述的遮光膜9的XY面的平面图)。图2A表示与包括图2B的由虚线包围的区域的XZ面平行的截面。如图2B所示，将图2A所示的截面构造作为1个单位构造，该单位构造在XY面内周期性地排列。另外，在图2A、图2B中，为了说明的方便而表示了正交的3个轴(X轴、Y轴、Z轴)。关于其他的图也使用同样的坐标轴。
光检测装置13依次具备光检测器10、光耦合层12和遮光膜9。在图2A的例子中，它们在Z方向上层叠。在图2A的例子中，在遮光膜9上依次具备透明基板9b和带通滤波器9p。在光检测装置13中，设排列有多个像素的面为“摄像面”。
光检测器10在光检测器10的面内方向(XY面内)上具备作为第1光检测单元的第1像素10a、作为第2光检测单元的第2像素10A。光检测器10从光入射的一侧起，具备微透镜11a、11A、透明膜10c、布线等金属膜10d、由Si或有机膜等形成的感光部。处于金属膜10d之间的感光部相当于第1像素10a、第2像素10A。多个微透镜11a、11A以1个微透镜与1个像素对置的方式配置。被微透镜11a、11A聚光而向金属膜10d的间隙入射的光被第1像素10a、第2像素10A检测出。
光耦合层12配置在光检测器10上，在光检测器10的面直方向(Z轴方向)上，依次具备作为第1低折射率层的第1透明层12c、作为第1高折射率层的第2透明层12b、以及作为第2低折射率层的第3透明层12a。第1透明层12c及第3透明层12a例如可以由SiO2等形成。第2透明层12b例如可以由Ta2O5等形成。
第2透明层12b的折射率比第1透明层12c及第3透明层12a高。光耦合层12也可以具备还将第2透明层12b和第1透明层12c依次反复的构造。在图2A中表示了合计反复6次的构造。第2透明层12b被第1透明层12c、第3透明层12a夹着。因而，第2透明层12b作为导波层发挥功能。在第2透明层12b与第1透明层12c、第3透明层12a之间的界面上遍及整面形成有作为间距Λ的直线光栅的光栅12d。光栅12d的格子向量与光耦合层12的面内方向(XY面)的X轴平行。光栅12d的XZ截面形状还被向层叠的第2透明层12b及第1透明层12c依次转印。在第2透明层12b及第1透明层12c的成膜在层叠方向上具有较高的指向性的情况下，通过使光栅12d的XZ截面为S字或V字状，容易维持形状的转印性。
另外，光栅12d只要至少配置于第2透明层12b的一部分就可以。通过第2透明层12b具备光栅12d，入射光能够耦合到作为在第2透明层12b中传输的光的导波光中。
光耦合层12与光检测器10之间的间隙优选的是尽可能窄。光耦合层12和光检测器10也可以密接。也可以在光耦合层12与光检测器10之间的间隙(包括排列有微透镜11a、11A的空间)中填充粘接剂等透明介质。在填充透明介质的情况下，为了得到由微透镜11a、11A带来的透镜效果，在微透镜11a、11A的构成材料中，使用具有比填充的透明介质充分大的折射率的材料。
遮光膜9具有2维地排列有多个遮光区域9A和多个透光区域9a的构造。在图2A的例子中，通过在后述的透明基板9b上布图例如由铝(Al)等形成的金属反射膜，形成遮光区域9A及透光区域9a。
图2A中的透光区域9a对应于图2B中的透光区域9a1、9a2、9a3、9a4等。图2A中的遮光区域9A对应于图2B中的遮光区域9A1、9A2、9A3、9A4等。即，遮光膜9具有在遮光膜9的面内方向(XY面内)上排列的多个遮光区域9A和多个透光区域9a。多个遮光区域9A与多个第2像素10A分别对置。多个透光区域9a与多个第1像素10a分别对置。在本说明书中，有将第1像素10a的集合体称作“第1像素群”、将第2像素10A的集合体称作“第2像素群”的情况。
在本申请中，多个第1像素10a分别与多个透光区域9a的1个对置。同样，多个第2像素10A分别与多个遮光区域9A的1个对置。
另外，也可以2个以上的第1像素10a与1个透光区域对置。同样，也可以2个以上的第2像素10A与1个遮光区域对置。本申请也包括这样的形态。
在图2B所示的例子中，多个遮光区域9A1、9A2、9A3、9A4形成方格图案。这些遮光区域9A1、9A2、9A3、9A4也可以形成方格图案以外的图案。
透明基板9b配置在遮光膜9的光入射侧。透明基板9b例如可以由SiO2等材料形成。带通滤波器9p配置在透明基板9b的光入射侧。带通滤波器9p仅使入射的光5中的波长λ0附近的光有选择地透射。
向光检测装置13入射的光5经过带通滤波器9p及透明基板9b，作为光6A、6a而达到形成有反射膜的遮光区域9A及被除去了反射膜的透光区域9a。光6A被遮光区域9A遮光。光6a透射透光区域9a，向光耦合层12入射。入射到光耦合层12中的光6a经过第3透明层12a向第2透明层12b入射。在第2透明层12b的上下界面形成有光栅。如果满足以下的(式1)，则发生导波光6b。
sinθ＝N－λ0/Λ (式1)
这里，N是导波光6b的有效折射率。θ是相对于入射面(XY面)的法线的入射角度。在图2A中光垂直于入射面而入射(θ＝0°)。在此情况下，导波光6b在XY面内在X方向上传输。即，经过透光区域9a入射到光耦合层12中的光被向在X方向上相邻的遮光区域9A的方向导波。
透射第2透明层12b而向下层入射的光的成分向处于下层侧的全部的第2透明层12b入射。由此，在与(式1)相同的条件下发生导波光6c。导波光在全部的第2透明层12b中发生，但在图2A中仅将在2个层中发生的导波光作为代表而示出。在下层侧发生的导波光6c也同样在XY面内沿X方向传输。导波光6b、6c相对于导波面(XY面)的法线以角度θ(在图2A的例子中θ＝0°)一边向上下方向放射光一边传输。其放射光6B1、6C1在遮光区域9A的正下方，朝向上方(反射膜侧)的成分被遮光区域9A反射，成为沿着反射面(XY面)的法线朝向下方的光6B2。光6B1、6C1、6B2对于第2透明层12b满足(式1)。因而，其一部分再次成为导波光6b、6c。该导波光6b、6c也生成新的放射光6B1、6C1。这些过程被反复进行。作为整体，在透光区域9a的正下方，没有成为导波光的成分透射光耦合层12，作为透射光6d而向微透镜11a入射。结果，没有成为导波光的成分被第1像素10a检测到。实际上，在导波后最终被放射的成分也添加到没有成为导波光的成分中。但是，在本说明书中，将这样的成分也看作没有成为导波光的成分。在遮光区域9A的正下方，成为导波光的成分被放射，作为放射光6D而向微透镜11A入射。结果，成为导波光的成分被第2像素10A检测到。
经过透光区域9a，光向正下方的像素和左右的(即在X方向上相邻的)像素分支，分别被检测到。
设与图2B所示的透光区域9a1、9a2、9a3、9a4对置的第1像素10a中的各检测光量分别为q1、q2、q3、q4。设与图2B所示的遮光区域9A1、9A2、9A3、9A4对置的第2像素10A中的各检测光量分别为Q1、Q2、Q3、Q4。q1至q4表示没有成为导波光的光的检测光量。Q1至Q4表示成为了导波光的光的检测光量。在透光区域9a1的正下方的第1像素10a中没有检测到成为了导波光的光的光量。另一方面，在遮光区域9A2的正下方的第2像素10A中没有检测到没有成为导波光的光的光量。
这里，在透光区域9a1的正下方的检测位置，定义成为了导波光的光的检测光量Q0＝(Q1+Q2)/2(或Q0＝(Q1+Q2+Q3+Q4)/4)。同样，在遮光区域9A2的正下方的检测位置，定义没有成为导波光的光的检测光量q0＝(q1+q2)/2(或q0＝(q1+q2+q3+q4)/4)。即，在某区域(遮光区域或透光区域)中，定义由以该区域为中心、在X方向及/或Y方向上相邻的区域的正下方的像素检测到的光量的平均值。
通过将该定义适用于全部的区域，能够在构成光检测器10的全部的像素中，定义没有成为导波光的光的检测光量和成为了导波光的光的检测光量。
运算电路14基于上述那样的定义，使用插补后的、没有成为导波光的光的检测光量和成为了导波光的光的检测光量，进行生成表示相干的程度的分布的光学分布图像等的运算处理。运算电路14通过将按每个像素计算出这2个检测光量的比值(或各光量相对于它们的光量和的比值)的值向各像素分配，生成光学分布图像。
图3表示光检测装置13的信号处理的方法。在图3中，沿着光栅的格子向量，排列有包括第1像素10a、第2像素10A的8个像素。第1像素10a、第2像素10A分别与透光区域9a、遮光区域9A对置。设由8个像素检测到的信号为p0，k－4、p1，k－3、p0，k－2、p1，k－1、p0，k、p1，k+1、p0，k+2、p1，k+3。例如，将由处于检测信号p0，k的像素的左右的像素检测的信号p1，k－1和信号p1，k+1的平均值(p1，k－1+p1，k+1)/2定义为插补值p1，k。同样，将由处于由检测信号p1，k－1的像素的左右的像素检测的信号p0，k－2和信号p0，k的平均值(p0，k－2+p0，k)/2定义为插补值p0，k－1。根据信号p0，k及插补值p1，k计算P0调制度p0，k/(p0，k+p1，k)或P1调制度p1，k/(p0，k+p1，k)。在研究例中，将这些调制度作为检测信号来利用。
图4A表示透光区域9a、遮光区域9A的图案的平面图。图4B表示第1像素10a、第2像素10A的图案的平面图。图4C表示透光区域9a、遮光区域9A及第1像素10a、第2像素10A的位置关系的剖视图。第1像素10a、第2像素10A分别位于透光区域9a、遮光区域9A的正下方。通常，如果设透光区域9a的正下方的检测区域为P0、遮光区域9A的正下方的检测区域为P1，则P0、P1分别形成W×W的尺寸的方格图案。在实线的像素区域13a中各包含1个P0、P1。在虚线的像素区域13b中也各包含1个P0、P1。不论将像素区域在XY面内怎样错开相当于遮光宽度(＝W)的量，虽然有位置关系的替换，但都必定包含各1个P0、P1。如上述那样，将检测光量用q0、Q0的式子进行插补处理。如果解析度由像素尺寸决定，则解析度成为作为像素区域13a、13b的尺寸的2W×W。但是，不论将像素在XY面内的哪个方向上移动宽度W，相同的插补处理都成立。因而，插补处理后的解析度改善到W×W。
说明1脉冲振荡的入射光穿过光耦合层12被光检测器10接受的状况。
图5A表示与图2A相同的剖视图。图5B至图5H是将与图5A对应地描绘的通过FDTD(Finite－Difference Time－Domain)法得到的光强度分布的电磁解析结果以经过时间顺序排列的图。设透光区域9a、遮光区域9A的X方向的宽度W为5.6μm，设光栅的间距为0.46μm，设光栅的Z方向的深度为0.2μm，设第2透明层为Ta2O5膜，设其Z方向的厚度t1为0.34μm，设第1透明层为SiO2膜，设其Z方向的厚度t2为0.22μm。
在图5B中，以半值宽度11fs(换算为传输距离，是3.3μm)脉冲振荡的波长λ0＝850nm的S偏振的光6a透射透光区域9a。在图5C中，光6a的振荡结束，另一方面，发生在层叠的第2透明层12b内传输的导波光6b、6c，没有成为导波光的成分原样透射光耦合层12，作为光6d而向微透镜11a入射。在图5D中，导波光6b、6c一边向上下放射光6B1、6C1一边传输到遮光区域9A的下方。另一方面，透射光6d被微透镜11a聚光到第1像素10a的上方。在图5E中，透射光6d向第1像素10a入射。另一方面，放射光6B1、6C1及反射光6B2形成放射光6D而向微透镜11A入射并聚光。在图5F至图5H中，透射光6d及放射光6D一边聚光一边分别入射到第1像素10a、第2像素10A中。
另外，根据图5E至图5H可知，导波光6b、6c在遮光区域9A的下方的范围中没有被放射完。结果，一部分以导波光的状态到达相邻的右侧的透光区域9a的范围。如果使光栅的深度变深则放射损失系数(导波光被放射的容易度)变大。因而，如果使遮光区域9A的下方的区域中的光栅的深度变深，则放射光量增加，能够使检测光量更大。
图6A是表示研究例中的4个透光区域9a中的入射光与处于其下方的3个像素的位置关系的剖视图。相位随机地不同的光向4个透光区域9a入射。在图6A中，ω表示光的角频率(ω＝2πc/λ0，c是光速)，t表示时间，r1、r2、r3、r4表示随机函数(在0到1之间取随机的值的函数)，a表示随机系数(随机值的振幅)。
图6B是表示入射光的相位随机系数a及检测信号的关系的解析结果。设处于4个透光区域9a的中间的遮光区域9A的正下方的像素为第2像素10A，设处于其两旁的透光区域9a的正下方的像素为第1像素10a、10a’。设它们的检测光量分别为P1、P0、P0’，将检测信号用2P1/(P0+P0’)定义。在图6B中，菱形标记表示TE模式入射(S偏振)、四角标记表示TM模式入射(P偏振)、三角标记表示TEM模式入射(随机偏振或圆偏振、或45度方向的偏振)的条件下的解析结果。在TE模式入射及TEM模式入射的条件下，随着系数a的增大而检测信号下降。a＝0相当于相干而相位一致的情况。a＝1相当于不相干的状态。因而，根据检测信号的大小，能够知道入射光的相干的程度(相位的随机性)。同样，根据检测信号的大小，还能够计测入射的光的相位的差异。
接着，作为被摄体而设想人体头部，以下表示用基于蒙特卡洛法的光线跟踪的方法计算出的结果。
图7A表示本解析中的光学配置及光线跟踪的状况。图7B至图7D表示将检测位置下的影像8b分为20×20的区域而分析的结果。图7B表示光强度分布，图7C表示光路长的平均分布，图7D表示光路长的标准偏差分布。如图7A所示，人体头部包括头皮4a、头骨4b、脑脊髄液(cerebrospinal fluid：CSF)层4c、血液层4e及灰白质4d。在表1中表示各自的吸收系数(1/mm)、散射系数(1/mm)、各向异性散射参数、膜厚(mm)。血液层4e配置为，将氧化血红蛋白层和还原血红蛋白层以纸面为边界在面法线方向上排列。
[表1]
Figure BDA0001418868790000151
解析区域在XY方向上是60mm×60mm，在Z方向上是22mm。超过该区域传输的光线从计算中排除。作为向人体头部入射的光3，设想以从头皮4a的表面的中心(X＝Y＝0)向－X方向错开15mm的位置为中心、向在X方向、Y方向上各隔开了5mm的3×3的9处位置垂直地入射的光。在检测中，在从头皮4a的表面离开了1000mm的位置设置作为透镜光学系统7的聚光透镜。根据将物体侧的数值孔径(sinα)设为NA＝0.1而取入的光线，计算出像面位置的像8b。图7B至图7D所示的散射光的检测区域是以从头皮4a的表面的中心(X＝Y＝0)向+X方向错开了15mm的位置为中心、在X方向、Y方向上为宽度0.8mm的范围内。在图7B中，越白则强度越大。在图7C及图7D中，越白则值越大。Y>0的区域相当于氧化血红蛋白层，Y<0的区域相当于还原血红蛋白层。在图7B至图7D中，都在氧化血红蛋白层与还原血红蛋白层之间存在微弱的差。由于图像通过聚光透镜反转，因此图像中的氧化血红蛋白层及还原血红蛋白层的位置与现实的位置反转。
假设光源2发出相干长度σ0的光。如果光路长的标准偏差是相干长度σ0以下，则接受的光处于相同的波列内的可能性高，相位的相关性高。此时，接受的光混杂出现较亮的部位和较暗的部位。另一方面，如果光路长的标准偏差是σ0以上，则接受的光的波列不同的可能性高，相位的相关性消失(参照图10)。此时，接受的光与场所无关地成为均匀的明亮度。如在图6B中说明那样，入射光的相干的程度与检测信号2P1/(P0+P0’)有关。因而，基于检测信号的大小，能够判定入射光的标准偏差是否是相干长度σ0以上。
图7E表示σ0＝18.5mm的情况下的检测信号的分布的例子。图7F表示σ0＝18.0mm的情况下的检测信号的分布的例子。图中的黑色的区域表示检测信号一律较小的区域。在图7E所示的σ0＝18.5mm的例子中，在光路长的标准偏差超过18.5mm的区域中检测信号变小(图7E的黑色的区域)。另一方面，在图7F所示的σ0＝18.0mm的例子中，与图7E所示的例子相比，检测信号较小的区域较大。在图7E及图7F中，在黑色的区域以外的区域，根据位置，检测信号的大小不规则地变化。通过以相干长度σ0为参数，分析黑色的区域，能够知道被摄体内部的散射的状况。
作为使相干长度可变的光源，高频叠加半导体激光、或使激光的波长在几nm到几十nm的范围中周期性地扫掠的扫掠光源处于实用化水平。例如，由高频叠加电路(通常是300MHZ的频率)驱动的半导体激光器以从0.1mm到0.2mm的范围的相干长度振荡。此时，通过改变叠加电路的频率或振幅等(例如使频率变小)，能够在从0.2mm到几十mm的范围中改变相干长度。通过将高频叠加电路与DFB激光器等组合，能够改变可变范围。在扫掠光源中，通过改变波长变动幅度或周期频率等，能够在从0.3mm到几十mm的范围中改变相干长度。但是，在使用扫掠光源的情况下，为了限定向光耦合层12入射的光的波长，根据情况而使用带通滤波器9p。此外，也可以将LED等的线宽较宽的光源与窄带的带通滤波器组合，来得到希望的相干长度。光源中也可以使用波长不同的2个以上的光源。这些光在被摄体内散射，当入射到透光区域9a中时，以在图11E中说明的原理发生差拍。结果，根据从2个光源射出的光的波长差，相干长度变短。但是，在此情况下，为了限定向光耦合层12入射的光的波长，根据情况也可使用带通滤波器9p。在使用波长不同的光源的情况下，也可以与使光源的发光强度比变化的操作联动。
这样，通过使用本研究例的光检测系统100，在图7A所示的被摄体中，能够检测处于头骨4b的里部的氧化血红蛋白及还原血红蛋白的分布差作为电信号的输出差。在该方法中，由于与在图12A及图12B中表示的检测光强度分布像的方法(第2以往例)相比，不需要时间划分，所以能够使计测大幅简洁化。此外，由于仅通过改变光源的相干长度就能够比较及分析被摄体内部的散射的状况，所以能够提高计测的解析力。
在本研究例的光检测装置中，将遮光膜9和光检测器10正确地对位，以使第1像素10a、第2像素10A分别设置在透光区域9a、遮光区域9A的正下方。
所以，本申请发明人想到了不需要将遮光膜和光检测器正确地对位的新的光检测装置。
有关本申请的一技术方案的光检测装置具备：遮光膜，至少在第1方向上交替地配置有多个透光区域及多个遮光区域；光耦合层，与上述遮光膜对置，包括光栅，在规定的波长的入射光入射到了上述多个透光区域时，上述光栅使上述入射光的一部分向上述第1方向传输，使上述入射光的另一部分透射；光检测器，具有摄像面，包括配置在上述摄像面上的多个第1光检测单元及多个第2光检测单元；以及光学系统，配置在上述光耦合层及上述光检测器之间。上述多个第1光检测单元配置在以下的位置：在上述光耦合层中透射了与上述多个透光区域分别对置的部分的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成到上述多个第1光检测单元中的对应的第1光检测单元上的位置。上述多个第2光检测单元配置在以下的位置：在上述光耦合层中透射了与上述多个遮光区域分别对置的部分的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成到上述多个第2光检测单元中的对应的第2光检测单元上的位置。
通过这样的结构，不再需要将光检测器的像素正确地对位到遮光膜的透光区域、遮光区域。
以下，说明本申请的更具体的实施方式。另外，以下说明的实施方式都表示包含性或具体的例子。在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置等是一例，不是限定本申请的意思。此外，在以下的实施方式的构成要素中，关于在表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。
(实施方式)
本实施方式在光检测装置13的光耦合层12与光检测器10之间夹装透镜光学系统17这一点上与有关图1A及图2A所示的研究例的光检测系统100不同。其他的结构与光检测系统100相同，所以对共通的要素赋予相同的号码，省略详细的说明。以下，设透镜光学系统17为单一的透镜而进行说明。但是，透镜光学系统17也可以由多片透镜构成。
图8表示实施方式的光检测装置130的截面结构图。光检测装置130具备透光膜9、光耦合层12、透镜光学系统17及光检测器10。透光膜9、光耦合层12及光检测器10的各自的结构与图2A所示的光检测系统100的光检测装置13相同，所以省略说明。
在光耦合层12与光检测器10之间配置有透镜光学系统17。
穿过了光耦合层12的透射光6d及放射光6D作为整体而形成1个光强度分布16a。该光强度分布16a经过作为单一的透镜的透镜光学系统17被放大或缩小，作为是倒立像(傅立叶变换像)的光强度分布16b被成像到光检测器10上。光强度分布16b由第1像素10a及第2像素10A检测。另外，在图8中，作为例子表示经过透镜光学系统17而光强度分布16a被放大的例子。光强度分布16a、16b分别位于透镜光学系统17的物点、像点。如果透镜光学系统17的放大率或缩小率较大、光检测器的解析度足够，则光检测器10能够将透射光6d和放射光6D区分而检测。因而，有关本实施方式的光检测层装置130起到与有关研究例的光检测装置13相同的效果。除此以外，有关本实施方式的光检测层装置130能够得到不需要将光检测器的第1像素10a、第1像素10A正确地对位到遮光膜9的透光区域9a、遮光区域9A的正下方的效果。此外，在有关研究例的光检测装置13中，需要使透光区域9a、遮光区域9A的尺寸与光检测器10的像素尺寸(或像素尺寸的整数倍)一致。相对于此，在有关本实施方式的光检测装置130中，通过改变透镜光学系统17的放大率或缩小率，能够使用任意的像素尺寸的光检测器10。
在本实施方式中，多个第1像素10a配置为，使得在光耦合层12中透射了与多个透光区域9a分别对置的部分的光的像被透镜光学系统17放大或缩小，并形成在对应的第1像素10a上。同样，多个第2像素10A配置为，使得在光耦合层12中透射了与多个遮光区域9A分别对置的部分的光的像被透镜光学系统17放大或缩小，并形成在对应的第2像素10A上。
进而，也可以将有关本实施方式的光检测装置130与在图12B中表示的时间划分检测法组合使用。如果这样，则能够将时间划分而取入的信号以相干的状态的观点进行分析，能够更详细地分析被摄体内部的散射的状况。
如以上这样，本申请包括在以下的项目中记载的光检测装置。
[项目1]
有关本申请的项目1的非价值检测装置具备：遮光膜，至少在第1方向上交替地配置有多个透光区域及多个遮光区域；光耦合层，与上述遮光膜对置，包括光栅，在规定的波长的入射光入射到了上述多个透光区域时，上述光栅使上述入射光的一部分向上述第1方向传输，使上述入射光的另一部分透射；光检测器，具有摄像面，包括配置在上述摄像面上的多个第1光检测单元及多个第2光检测单元；以及光学系统，配置在上述光耦合层及上述光检测器之间；上述多个第1光检测单元配置在以下的位置：在上述光耦合层中透射了与上述多个透光区域分别对置的部分的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成到上述多个第1光检测单元中的对应的第1光检测单元上的位置；上述多个第2光检测单元配置在以下的位置：在上述光耦合层中透射了与上述多个遮光区域分别对置的部分的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成到上述多个第2光检测单元中的对应的第2光检测单元上的位置。
[项目2]
在项目1所记载的光检测装置中，也可以是，上述光耦合层还包括：第1低折射率层；第1高折射率层，配置在上述第1低折射率层上，包括上述光栅；以及第2低折射率层，配置在上述第1高折射率层上；上述第1高折射率层具有比上述第1低折射率层及上述第2低折射率层高的折射率。
[项目3]
在项目1或2所记载的光检测装置中，也可以是，上述光检测器还包括：多个第1微透镜，分别配置在上述多个第1光检测单元中的对应的第1光检测单元上；以及多个第2微透镜，分别配置在上述多个第2光检测单元中的对应的第2光检测单元上。
[项目4]
在项目1～3中任一项所记载的光检测装置中，也可以还具备运算电路，该运算电路基于从上述多个第1光检测单元得到的多个第1信号和从上述多个第2光检测单元得到的多个第2信号，输出表示入射到上述多个第1光检测单元及上述多个第2光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号。
[项目5]
在项目4所记载的光检测装置中，也可以是，当设从上述多个第1光检测单元分别得到的信号为P0，从上述多个第2光检测单元分别得到的信号为P1，从上述多个第2光检测单元中的、与上述多个第1光检测单元分别在上述第1方向及上述第1方向的相反方向上相邻的2个第2光检测单元得到的2个信号的平均值为P1＇，从上述多个第1光检测单元中的、与上述多个第2光检测单元分别在上述第1方向及上述第1方向的相反方向上相邻的2个第1光检测单元得到的2个信号的平均值为P0＇时，上述运算电路生成通过P1＇/(P0+P1＇)或P1＇/P0的运算得到的信号，作为表示入射到上述多个第1光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号，并且生成通过P1/(P0＇+P1)或P1/P0＇的运算得到的信号，作为表示入射到上述多个第2光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号。
[项目6]
有关本申请的项目6的程序，对从项目1～5中所记载的光检测装置的上述光检测器输出的多个信号进行处理的程序，使处理器基于从上述多个第1光检测单元得到的多个第1信号和从上述多个第2光检测单元得到的多个第2信号，输出表示入射到上述多个第1光检测单元及上述多个第2光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号。
在本申请中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分、或者框图的功能块的全部或一部分也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)或LSI(large scaleintegration)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成在一个芯片中，也可以将多个芯片组合而构成。例如，存储元件以外的功能块也可以被集成到一个芯片中。这里称作LSI或IC，但根据集成的程度而叫法变化，也可以称作系统LSI、VLSI(very large scaleintegration)或ULSI(ultra large scale integration)。也能够以相同的目的使用在LSI的制造后编程的Field Programmable Gate Array(FPGA)、或能够进行LSI内部的接合关系的重构或LSI内部的电路划分的设置的reconfigurable logic device。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作可以由软件处理来执行。在此情况下，软件被记录到一个或多个ROM、光盘、硬盘等的非暂时性的记录介质中，当软件被处理装置(processor)执行时，由该软件确定的功能被处理装置(processor)及周边装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性的记录介质、处理装置(processor)及需要的硬盘设备、例如接口。

Claims (5)

1.一种光检测装置，其特征在于，具备：
遮光膜，至少在第1方向上交替地配置有多个透光区域及多个遮光区域；
光耦合层，与上述遮光膜对置，包括光栅，在规定的波长的入射光入射到了上述多个透光区域时，上述光栅使上述入射光的一部分向上述第1方向传输，使上述入射光的另一部分透射；
光检测器，具有摄像面，包括配置在上述摄像面上的多个第1光检测单元及多个第2光检测单元；以及
光学系统，配置在上述光耦合层及上述光检测器之间；
上述多个第1光检测单元配置在以下位置，该位置为，使得透射了上述光耦合层中的与上述多个透光区域分别对置的区域的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成在上述多个第1光检测单元中的对应的第1光检测单元上的位置；
上述多个第2光检测单元配置在以下位置，该位置为，使得透射了上述光耦合层中的与上述多个遮光区域分别对置的区域的光的像被上述光学系统放大或缩小、并形成在上述多个第2光检测单元中的对应的第2光检测单元上的位置。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
上述光耦合层还包括：
第1低折射率层；
第1高折射率层，配置在上述第1低折射率层上，包括上述光栅；以及
第2低折射率层，配置在上述第1高折射率层上；
上述第1高折射率层具有比上述第1低折射率层及上述第2低折射率层高的折射率。
3.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
上述光检测器还包括：
多个第1微透镜，分别配置在上述多个第1光检测单元中的对应的第1光检测单元上；
多个第2微透镜，分别配置在上述多个第2光检测单元中的对应的第2光检测单元上。
4.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
还具备运算电路，该运算电路基于从上述多个第1光检测单元得到的多个第1信号和从上述多个第2光检测单元得到的多个第2信号，输出表示入射到上述多个第1光检测单元及上述多个第2光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号。
5.如权利要求4所述的光检测装置，其特征在于，
当设：
从上述多个第1光检测单元分别得到的信号为P0，
从上述多个第2光检测单元分别得到的信号为P1，
从上述多个第2光检测单元中的、与上述多个第1光检测单元分别在上述第1方向及上述第1方向的相反方向上相邻的2个第2光检测单元得到的2个信号的平均值为P1＇，
从上述多个第1光检测单元中的、与上述多个第2光检测单元分别在上述第1方向及上述第1方向的相反方向上相邻的2个第1光检测单元得到的2个信号的平均值为P0＇时，
上述运算电路生成通过P1＇/(P0+P1＇)或P1＇/P0的运算而得到的信号，作为表示入射到上述多个第1光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号，并且生成通过P1/(P0＇+P1)或P1/P0＇的运算而得到的信号，作为表示入射到上述多个第2光检测单元的各自的位置上的光的相干性的信号。
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