JP2006526790A - 光伝搬モードを用いる物質内の光不均質性およびその他特性の測定 - Google Patents

Abstract

本願は、試料を感知するために、一つ以上の導波路を含むことができる共通光路内の一つ以上の光伝搬モードを制御するための設計、実装および技法を記載する。

Description

発明の詳細な説明

本ＰＣＴ出願は、下記４件の米国特許仮出願の特典を請求する。
１．出願第６０／４７５，６７３号、発明の名称「物質内の光不均質性の画像を取得するための方法および装置」、２００３年６月４日出願；
２．出願第６０／５１４，７６８号、発明の名称「コヒーレンスゲート光グルコースモニタ」、２００３年１０月２７日出願；
３．出願第６０／５２６，９３５号、発明の名称「物質内の光不均質性の画像を取得するための方法および装置」、２００３年１２月４日出願；および、
４．出願第６０／５６１，５８８号、発明の名称「物質内の光不均質性およびその他特性の情報取得」、２００４年４月１２日出願。

更に、本ＰＣＴ出願は、係属中の米国特許出願第＿＿＿＿＿号、発明の名称「光伝搬モードを用いる物質内の光不均質性およびその他特性の測定」、２００４年６月３日出願、の特典を請求する。

上に引用する米国特許出願の開示全体を、本ＰＣＴ出願の一部として引用し、本明細書に組み込む。

発明の背景
本願は、限定はしないが、ヒトおよび動物の皮膚、生体組織および体器官を含めた、各種物質の非侵襲性光プロービングに関する。

非侵襲性光手段による物質の調査は、物質中での光と物質との相互作用の不均質性により、その物質の構造的、組成的、生理学的および生物学的情報を明らかにできるので、多くの研究対象となってきた。限定はしないが、ヒトおよび動物の皮膚、生体組織、および体器官を含めた、各種物質の非侵襲性光プロービングに、光コヒーレンス領域反射率測定法（ＯＣＤＲ：optical coherence domain reflectometry）に基づく各種装置および技法を用いて、これら物質の断層撮影による計測値を提供できる。

多くのＯＣＤＲシステムでは、光源からの光が、２本の別々の光路内をそれぞれ伝搬する試料ビームと参照ビームとに分割される。光源は部分干渉性光源であってもよい。試料ビームは、調査対象物質すなわち試料に照射されるように、それ自体の光路に沿って導かれる一方で、参照ビームは参照面に向かう別の光路内に導かれる。次いで、試料および参照面からの反射ビームを互いに重なり合うようにして光干渉させる。その干渉では、試料ビームおよび参照ビームの２本の光路長が非常に近くない限り、波長に依存する位相遅延により、観察し得る干渉縞は生じない。これが距離測定のための物理的メカニズムを提供する。ビームスプリッタを用いて光源からの光を分割するとともに、光検出器での検出のために、反射した試料ビームと反射した参照ビームとを結合する。放射光のかかる分割および再結合の両方とも、周知のマイケルソン干渉計に基本的に基づく同一装置を使用する。部分干渉性の光の干渉の発見および理論は、ＢｏｒｎおよびＷｏｌｆ著「光学原理」Pergamon Press（１９８０年）に要約されている。

自由空間マイケルソン干渉計内の低コヒーレンス光は測定目的で利用された。光ファイバ構成部品に基づく光干渉計は、物質の特性を示す手段として、低コヒーレンス光を用いる各種測定器で用いられた。光ファイバＯＣＤＲの各種実施の形態には、例えば、Ｓｏｒｉｎ他の米国特許第５，２０２，７４５号、Ｍａｒｃｕｓ他の米国特許第５，６５９，３９２号、Ｍａｎｄｅｒａ他の米国特許第６，２５２，６６６号、およびＴｅａｒｎｅｙ他の米国特許第６，４２１，１６４号に開示された装置がある。特定光学構成のＯＣＤＲの医療診断分野での応用は、「光コヒーレンス断層撮影法」（ＯＣＴ）として周知である。

図１は、米国特許第６，４２１，１６４号等に記載されている光ファイバＯＣＤＲシステムの多くに用いられる代表的な光レイアウトを示す。マイケルソン構成の試料ビームおよび参照ビームをそれぞれ案内する２本の光ファイバにファイバースプリッタが組み付けられる。これらの多くと他の実施に共通するのは、低コヒーレンス光源からの光放射が、先ず２本の別々のビームすなわち試料用導波路を進行して試料と相互作用する試料ビームと、参照導波路を進行する参照ビームとに物理的に分離されることである。次に、ファイバースプリッタが、試料からの反射放射光と参照導波路からの参照光とを結合することにより干渉を生じさせる。

概要
本願で説明する非侵襲性光プロービングのための設計、技法および実施の形態は、一つ以上の共通光導波路内の、実質的に同一の光路に沿って伝搬する、異なる光波および光モードの、重ね合わせおよび相互作用を利用する。光波または光モードが調査対象物質と相互作用する場合、その物質の光特性に関する情報を取得するために、別の光波または光モードとの重ね合わせを利用できる。

本願で説明する方法および装置は、商業実施可能でユーザーに優しい装置へＯＣＤＲを実装する際の様々な技術上の問題の認識および実際上の考慮、ならびに上記引用特許および他の刊行物が開示するＯＣＤＲシステムの様々な技術上の制約に少なくとも一部が基づいている。一例として、図１に示す、または上記特許に記載するＯＣＤＲシステム設計に関係する少なくとも一つの短所は、試料光ビームから参照光ビームを分離することである。この光路分離に起因して、２本のビーム間の相対光位相すなわち遅延差は、異なる物理的長さ、振動、温度、導波路屈曲等の制御不能な揺らぎおよび変動を受ける可能性がある。試料用アームが、例えば、参照アームから分離したファイバーベース・カテーテルの形状である場合、ファイバを操作すると、試料光ビームと参照光ビームとの間の位相差の著しい揺らぎとドリフトを生ずる可能性がある。この揺らぎとドリフトは測定に悪影響をもたらすことになる。例えば、２本のビーム間の位相差の揺らぎとドリフトは、屈折率の絶対評価および複屈折の測定等、位相に敏感な測定に技術上の困難さを招くことになろう。

本願で説明する各種実施例では、光放射を物理的に分離して別々の光路を進むようにはしない。代わりに、すべての伝搬波およびモードを、一つ以上の共通の光導波路を通じて、本質的に同一の光路に沿って案内する。共通光路を伴うこうした設計は、温度変動、システム特には導波路、の物理的運動、ならびに、導波路およびシステムに対する振動および音響的影響等、システム環境上の揺らぎがある中で異なる放射波やモード間の相対位相を安定化する上で有利に用いられる。こうした局面および他の局面において、本システムは、位相差遅延における上記揺らぎおよびドリフトを著しく減少させる意味もあって、試料光および参照光が異なる光路を進行する各種干渉計ベースシステムの２ビーム路構成をなくす設計を行う。従って、そうした光学設計により、本システムは「組込まれた」光路差の安定性を備えることになり、絶対反射位相の決定および複屈折の決定等、位相に敏感な測定にとって有益である。更に、本願で説明する技法および装置は、共通光路を用いて光を案内することにより、光プロービング用装置の構造および光構成を単純化する。

各種応用では、試料内の孤立容積部にある物質の吸収特性取得が有益となる場合がある。他の応用では、特徴的なスペクトル吸収により識別可能な幾つかの物質の分布をマッピングすることが望ましい場合がある。先に記載の特許におけるシステム等のＯＣＤＲシステムによっては、これらのスペクトル特性および他のスペクトル特性に関する光不均質性の直接測定の実行が困難なこともある。本願で説明するシステムおよび技法は、試料のこれらのスペクトル特性および他のスペクトル特性の直接測定を可能とするように構成できる。

実施例を以下説明して本システムおよび技法の各種特徴および利点を示す。このような特徴の一つは、物質内の光不均質性に関する情報を、低コヒーレンス放射光を利用して非侵襲手段により取得する方法および装置である。別の特徴は、光放射を試料光路および参照光路に分割する必要性をなくすことにより、高い信号安定性と高い信号対雑音比とを達成することである。更なる特徴としては、例えば、複屈折および絶対屈折率等の位相分解測定を実行できるプラットフォーム、スペクトル吸収に関する光不均質性を取得する能力、各種の干渉計ベース光システムにおける偏光変動により発生する信号ドリフトおよびフェーディング問題の解決、ならびに単純な光編成を備える放射光源の効率的使用、が含まれる。ここに記載するシステムおよび技法の利点には、とりわけ、性能および装置信頼性の向上、平易な操作および保守管理、簡素な光レイアウト、装置の複雑さ低減、ならびに製造の複雑さおよびコストの低減、が含まれる。

試料を光感知するための例示の各種方法および技法を説明する。実施によっては、２つの異なる光伝搬モード（例えば、第１および第２モード）の入力光が、第２モードの一部入力光を試料へ送る光プローブヘッドまで、共通の入力光路を通じて導かれる。プローブヘッドは、第１モードの光および第２モードの試料からの戻り光の両方を、共通光路を通じて検出モジュールへ導く。

例えば、本明細書で説明する方法は以下のステップを含む。第１伝搬モードおよび第２の異なる伝搬モードの両方の光放射はともに、光導波路を通じて試料に向けて案内される。第１伝搬モードの放射光は、試料に達する前に試料から離れる方向へ導かれる。第２伝搬モードの放射光は、試料と相互作用するように導かれて、その相互作用による戻り放射光を生成する。第２伝搬モードの戻り放射光および第１伝搬モードの放射光の両方が、試料から離れた光導波路に入って結合される。次に、第２伝搬モードの戻り放射光と、光導波路からの第１伝搬モードの放射光とを用いて試料情報を抽出する。

別の実施例として、導波路と、プローブヘッドと、検出モジュールとを含んで、試料を光測定するための装置を説明する。導波路を用いて、第１伝搬モードと第２の異なる伝搬モードとをサポートし、そして第１および第２伝搬モードの両方の入力ビームを受取って案内する。プローブヘッドを導波路に結合して入力ビームを受取り、第１伝搬モードの入力ビームの第１部分を第１伝搬モードで導波路へ反射して返し、そして第２伝搬モードの入力ビームの第２部分を試料に導く。プローブヘッドは、試料からの第２部分の反射光を集め、第２伝搬モードの反射第２部分として反射光を導波路へ送り出す。検出モジュールを用いて、導波路の反射第１部分および反射第２部分を受取り、反射第２部分により搬送される試料情報を抽出する。

本願は、一つの入力導波路を用いて入力光を光プローブヘッドに導き、別の出力導波路を用いて光プローブヘッドからの出力光を導く装置についても説明する。例えば、試料を光測定する装置は入力導波路を含むことができ、この導波路は、第１伝搬モードおよび第２の異なる伝搬モードをサポートして、第１および第２の両伝搬モードの入力ビームを受取って、案内する。装置は、第１および第２の伝搬モードをサポートする出力導波路を含むこともできる。この装置では、プローブヘッドが入力導波路に結合して入力ビームを受取り、そして出力導波路に結合し、このプローブヘッドは、第１伝搬モードの入力ビームの第１部分を第１伝搬モードの出力導波路内に導き、第２伝搬モードの入力ビームの第２部分を試料へ導くように動作できる。プローブヘッドは、試料からの、第２部分の反射光を集め、第２伝搬モードの反射第２部分として反射光を出力導波路へ送り出す。この装置に更に検出モジュールを含んで、出力導波路の反射第１部分と反射第２部分とを受取り、反射第２部分で搬送される試料情報を抽出できるようにしてもよい。

他の実施の形態によっては、単一の光伝搬モード、例えば所定の第１モード、の光は、測定試料に隣接する光プローブヘッドへ導かれる。光プローブヘッドは、入力光の第１部分を第１モードで試料から離れる方向へ、かつ入力光の第２部分を試料へ導く。次に、光プローブヘッドは、第２の異なるモードで試料からの戻り光を導いて、共通光路内で第１モードの第１部分と併せて共伝搬させる。

例えば、試料を光測定するための一方法は以下のステップを含む。第１伝搬モードの案内された光のビームを試料へ導く。第１伝搬モードの、案内された光の第１部分は、第１部分が試料に達する前に、試料に隣接する位置で試料から離れる方向に導かれる。第１伝搬モードの第２部分は、試料に達するように導かれる。試料からの第２部分の反射光は、第１伝搬モードと異なる第２伝搬モードになるよう制御されて反射第２部分を生成する。次いで、第１伝搬モードの反射第１部分および第２伝搬モードの反射第２部分は両方ともに、共通導波路を通じて検出モジュールに導かれて、試料上の反射第２部分から情報を抽出する。

試料を光測定するための別の方法についても説明する。この方法では、第１伝搬モードの光が測定試料の近傍に導かれる。次いで、第１伝搬モードの光の第１部分は、試料へ達する前に試料の近傍で試料から離れた方向へ伝搬するように導かれる。第１伝搬モードの光の第２部分は試料の方向に導かれて試料で反射する。試料からの反射光は、第１伝搬モードから独立した第２伝搬モードになるよう制御されて、共通光路に沿って第１部分と共伝搬する。第１伝搬モードの第１部分と第２伝搬モードの反射光とを用いて、試料情報を得る。

本願は更に、光プローブヘッドが一つのモードで入力光を受光し、２つのモードで光を出力する試料を光測定するための装置およびシステムの実施例を説明する。このような装置の一実施例には、第１伝搬モードの入力ビームを受光して案内するための導波路と、導波路に結合して入力ビームを受光し、入力ビームの第１部分を第１伝搬モードで導波路に反射させて返し、入力ビームの第２部分を試料へ導くプローブヘッドとが含まれる。このプローブヘッドは、試料からの第２部分の反射を集光し、その反射を第１伝搬モードとは異なる第２伝搬モードの反射第２部分として導波路に送り出す。この装置には更に、導波路の反射第１部分および反射第２部分を受取り、反射第２部分が搬送する試料情報を抽出する検出モジュールが含まれる。

別の実施例では、試料を光測定するための、以下を含む装置を開示する。すなわち、光源；少なくとも第１および第２の独立した伝搬モードをサポートするとともに、光源からの光放射を第１伝搬モードで調査対象試料近傍へ案内する導波路；試料近傍で導波路の終端を成すとともに、導波路の第１伝搬モードの一部の伝搬方向を逆にする一方、残りの光放射を試料に透過させ、試料からの反射光を第２伝搬モードに変換するよう動作可能なプローブヘッド；および、プローブヘッドおよび導波路からの第１および第２伝搬モードの両方の光を透過させるとともに、第１伝搬モードと第２伝搬モードとの間の相対光路長を変化させる差動遅延変調器；である。この装置には、モードコンバイナが含まれ、差動遅延変調器から受光し、各モードの一部を一対の新規モードに変換することにより第１伝搬モードと第２伝搬モードとを重ね合わせるよう動作可能である。この装置には少なくとも一つのフォト検出器を用いて、２つの新規モードの少なくとも一方で受光する。更に、電子コントローラがフォト検出器との通信に用いられ、フォト検出器の出力から試料情報を抽出するよう動作可能である。

更に別の実施例では、光導波路と、光プローブヘッドと、光検出モジュールとを含む装置を説明する。光導波路は、第１光モードで光放射を案内する。光プローブヘッドは光導波路に結合して光放射を受ける。光プローブヘッドは、（１）光放射の一部を光導波路に返して方向転換させる一方、残りの放射光を試料に透過させ、（２）試料からの反射または後方散乱した放射光を受取って、導波路に導き、そして（３）試料からの反射または後方散乱した光を第１光モードと異なる第２光モードになるよう制御するように動作可能である。光検出モジュールを用いて、プローブヘッドにより方向転換された放射光を、導波路を通じて受取って、第１および第２光モードの光放射の少なくとも一部を共通光モードに変換する。

試料を光測定するための装置の更なる実施例は、入力導波路と、出力導波路と、プローブヘッドとを含む。入力導波路は、第１および第２の異なる伝搬モードをサポートし、第１伝搬モードの入力ビームを受取って案内するために用いられる。出力導波路は、第１および第２の異なる伝搬モードをサポートする。プローブヘッドは、入力導波路に結合されて入力ビームを受取るとともに、出力導波路に結合されて光を送り出す。プローブヘッドは、第１伝搬モードの入力ビームの第１部分を出力導波路へ導き、入力ビームの第２部分を試料へ導くように動作可能である。更に、プローブヘッドは、試料からの第２部分の反射を集光し、その反射を第２伝搬モードの反射第２部分として出力導波路へ送り出す。この装置は更に、出力導波路中の反射第１部分および反射第２部分を受取り、反射第２部分が搬送する試料情報を抽出する検出モジュールを含む。

本願は、試料を光測定するための装置の実施例も説明する。この実施例では、少なくとも一つの伝搬モードを保持できる第１導波路を用いる。放射光を発する光源を用いて、第１導波路の伝搬モードを励起する。光ディレクタを用いて、その第１ポートにより第１導波路を終端と成し、第１ポートに入る光モードを、少なくとも一部、第２ポートを通じて通過させ、第２ポートに入る光モードを、少なくとも一部、第３ポートを通じて通過させる。この装置は第２導波路も含み、この第２導波路は少なくとも２つの独立した伝搬モードをサポートするとともに、第２ポートに結合される第１端部および第２端部を有する。注意すべきは、プローブヘッドは、第２導波路の第２端部に結合され、光の伝搬方向を一部逆にして第２導波路へ返し、残りが試料を透過するように動作できることである。このプローブヘッドは、試料反射から集めた光を、第２導波路がサポートする直交モードに変換し、直交モードの光を第２導波路へ導くように動作できる。少なくとも２つの独立した伝搬モードをサポートする第３導波路も含まれ、この第３導波路は、光ディテクタの第３ポートに接続されて、そこから受光する。第３導波路に接続する差動遅延変調器を用いて、第２導波路から受光し、一方のモードに、他方を基準とした可変位相遅延と可変光路長を与える。少なくとも２つの独立したモードをサポートする第４導波路が差動遅延変調器に結合されて、この第４導波路はそこから受光する。検出サブシステムを配置して、第４導波路から受光し、第４導波路からの２つの伝搬モードを重ね合わせて、互いに直交する２つの新規モードを形成する。この検出サブシステムは、新規モードの光をそれぞれ受取る２つのフォト検出器を含む。

更に、本願では、単一伝搬モードの入力光を光プローブヘッドに導き、その光プローブヘッドを用いて、同一モードの、一つ以上の導波路を接続して形成できる共通伝搬光路に沿った、試料に達しない光および試料から戻る光の両方を、検出モジュールに向けて導く光感知装置およびシステムについて説明する。例えば、この局面に基づく装置は、少なくとも光の入力伝搬モードをサポートする導波路と、導波路に結合されたプローブヘッドと、検出モジュールとを含むことができる。この導波路を用いて入力伝搬モードの入力ビームを受取って案内する。プローブヘッドを用いて入力ビームを受取り、入力ビームの第１部分を入力伝搬モードの導波路へ返すよう反射させ、入力伝搬モードの入力ビームの第２部分を試料へ導く。プローブヘッドは、試料からの第２部分の反射光を集め、入力伝搬モードの反射第２部分として反射光を導波路へ送り出す。検出モジュールを用いて、導波路から入力伝搬モードの反射第１部分および反射第２部分を受取り、反射第２部分により搬送される試料情報を抽出する。

これらの特徴および他の特徴、システム構成、関係付けられる利点、および実施の改変を、付帯する図面、文章説明、および請求項で詳細に説明する。

詳細な説明
光導波路等の光路内を進む光のエネルギーは、異なる伝搬モードにあってもよい。異なる伝搬モードは様々な形式をとることができる。光の偏光状態は、このような伝搬モードの例である。２つの独立した伝搬モードは、結合メカニズムがない限り互いに混合することはない。一例として、直交する２つの偏光モードは、２つのモードが同一の光路または導波路に沿って伝搬し、空間的に互いに重なり合っていても互いに相互作用しない。本願で説明する例示の技法および装置は、同一光路または同一導波路内の光の２つの独立した伝搬モードを用いて、試料の光特性を測定する。プローブヘッドを用いて、２つの伝搬モードまたは単一の伝搬モードのいずれかで光を試料へ導き、試料からの反射光または後方散乱光を受取ることができる。

例えば、第１伝搬モードの案内された光の一つのビームを、試料へ導いてもよい。第１伝搬モードの第１部分が試料に達する前に反射される一方、第１伝搬モードの第２部分が試料に達するように編成できる。試料からの第２部分の反射は、第１伝搬モードと異なる第２伝搬モードで制御され、反射第２部分を生成する。第１伝搬モードの反射第１部分と第２伝搬モードの反射第２部分は両方とも、共通導波路を通じて検出モジュール中へ導かれ、試料上の反射第２部分からの情報を抽出する。

別の実施例では、第１伝搬モードおよび第２の異なる伝搬モードの光放射の両方を、光導波路を通じて試料に向けて案内する。第１伝搬モードの放射光は、試料に達する前に試料から離れる方向に導かれる。第２伝搬モードの放射光は、試料と相互作用するよう導かれて、相互作用による戻り放射光を生成する。第２伝搬モードの戻り放射光および第１伝搬モードの放射光の両方が、試料から離れた光導波路中に結合される。次に、第２伝搬モードの戻り放射光および光導波路からの第１伝搬モードの放射光を用いて、試料情報を抽出する。

本願の開示に基づくこれらの実施および他の実施において、２つの独立モードは、プローブヘッドと試料との間の、プローブ光が進む特別な距離以外、同一導波路または自由空間内の同一光路に閉じ込められて進行する。この特徴は、導波路の機械的運動があっても、光の２モード間の相対位相すなわち光路差を安定化させる。これは、試料光および参照光が異なる光路を進む干渉計感知装置とは対照的である。別々の光路を備えるこれらの干渉計感知装置は、概して光構成が複雑な光路差内の変動によって引き起こされるノイズを出す傾向があり、動作および実施が困難である。導波路型の下記実施例はその一部が、上記および他の制約を克服するように設計される。

図２は、一実施による感知装置の一実施例を示す。この装置は、同一導波路に沿う２つの伝搬モードの光を、試料２０５の光不均質性情報を取得するための、試料２０５近傍にある光プローブヘッドへ導く。用途によっては、試料ホルダを用いて試料２０５を支持してもよい。広帯域光源２０１からの光放射を第１デュアルモード導波路２７１に結合して、２つの直交伝搬モード００１および００２を励起する。光ディレクタ２１０を用いて、この２つのモードを、プローブヘッド２２０により終端を成す第２デュアルモード導波路２７２へ導く。プローブヘッド２２０は、少なくとも以下の機能を実行するように構成してもよい。すなわち、プローブヘッド２２０の第１の機能は、導波路２７２のモード００１の光の一部の伝搬方向を逆方向に変えることであり、プローブヘッド２２０の第２の機能は、モード００２の光の残りの部分を再整形し、試料２０５へ渡すことであり、そしてプローブヘッド２２０の第３の機能は、試料２０５から反射した光を集めて、第２デュアルモード導波路２７２へ返すことである。次いで、両モード００１および００２の返されて進む光は、光ディレクタ２１０により第３導波路２７３へ導かれ、更に、差動遅延変調器２５０に向かって伝搬する。差動遅延変調器２５０は、２つのモード００１と００２間の相対光路長および光位相を変えることができる。検出サブシステム２６０を用いて、２つの伝搬モード００１と００２とを重ね合わせて、相互に直交する２つの新規モードを形成し、これをフォト検出器が受光する。各新規モードはモード００１と００２との混合モードである。

検出サブシステム２６０での２つのモード００１と００２との重ね合わせが距離検出を可能にする。検出サブシステム２６０に入るモード００２の光は試料から反射して、試料２０５の光不均質性についての情報を担い、もう一方のモード００１は、プローブヘッド２２０内で試料２０５をバイパスする。これら２つのモード００１および００２が導波路を通じて独立したままである限り、従来のマイケルソン型干渉計システムのいくつかで用いられる別々の光路がなくても、検出サブシステム２６０内での両モードの重ね合わせを用いて、試料２０５についての情報を得ることができる。

解析を容易にするために、モード００１の振幅が第１直線偏光のＥ_００１であり、モード００２の振幅が、第１導波路２７１における第２直交直線偏光のＥ_００２であると仮定して、光源スペクトルの狭い幅（thin slice）を考える。試料２０５は、事実上複素数である実効反射係数Γにより特性化することができ、差動遅延変調器３５０は、モード００１に与えられる純粋な位相シフトΓにより特性化できる。ここで、２つのモード００１および００２をベクトル空間内で相対的に４５°回転させて、一対の新規モードＥ_ＡおよびＥ_Ｂ、上にそれらを投影することにより重ね合わせることにする。新規モードＥ_ＡおよびＥ_Ｂは次のように表すことができる：

試料２０５を除く、システムの全構成要素が無損失であると仮定する。２つの重ね合わせたモードの合成強度は：

であり、ここで、ψは試料からの反射と関係付けられる位相遅延である。反射係数ｒを特性化する便利な方法は、上記２つの光強度差を測定することである。すなわち：

である。Γが差動遅延変調器２５０で変調される場合、測定信号、式（３）は、それに応じて変調される。Γの周期変動または時間線形変動に対して、周期振動と、そのピークツーピーク値に応じた測定信号とは、ｒの絶対値に比例する。

図２の広帯域光源２０１について、ここで２つの位相Γおよびψが波長に依存すると考える。２つのモード００１および００２が検出システム２６０に達する時に、著しい光路差に直面する場合、全体の位相角Γ−ψも同様に、著しい波長依存となるに違いない。その結果、光源スペクトル全体について式（３）を積分する測定信号は、Γが変化しても滑らかな関数を生み出す。著しい振動が測定信号に発生する条件は、２つのモード００１および００２を重ね合わせる位置で類似の光路長に直面する場合である。この場合、全体の位相角Γ−ψは、波長に依存しなくなるか、または波長にほとんど依存しなくなる。言い換えると、変調器２５０により設定された所与の相対光路長に対して、測定信号の振動は、２つのモード００１および００２が進む光路長が等しくなる距離からの他のモードの反射を示す。従って、図２に示すシステムを、反射源の距離測定に利用できる。

２つのモード００１と００２間の相対位相の安定性により、位相感知測定を、図２のシステムで比較的容易に実行できる。以下、試料２０５から反射される放射光に関係付けられる絶対位相を決定するための、図２のシステムに基づく例示の方法を説明する。

この方法では、差動遅延変調器２５０による位相差に、変調振幅Ｍ、変調周波数Ωの正弦波変調を加える。２つの新規モードの光強度差は測定信号であり、次式のように表すことができる：

測定信号が、基本周波数Ωの振動および基本周波数Ωの高調波周波数の振動を示すことは式（４）から明らかである。基本周波数および各高調波の振幅は、ψおよび｜ｒ｜と関連している。ｒと高調波との間の関係を導き出すことができる。例えば、基本周波数振動および第２高調波の振幅は、式（４）から次のように求められる：

ここで、Ｊ_１およびＪ_２は、それぞれ１次および２次ベッセル関数である。式（５ａ）および（５ｂ）を用いて、｜ｒ｜およびψ、すなわちｒの完全な特性化、を解くことができる。従って、測定信号の各種次数の高調波内容を解析することにより、複素反射係数ｒを完全に特性化することができる。特に、測定信号の基本周波数成分の存在はψの存在による。

図３は、図２に示すシステムの実施例を示す。光源２０１のスペクトルを選択して所望の距離測定分解能を満たすことができる。スペクトルが広い程、距離測定分解能が高くなる。光源２０１として各種光源を用いることができる。例えば、幾つかの半導体スーパールミネッセンス発光ダイオード（ＳＬＥＤ）、および増幅自然発光（ＡＳＥ：amplified spontaneous emission）の光源は、この目的に適当なスペクトル特性を持つことができる。この特別な実施例では、入力導波路３７１内の２つのモード００１および００２の振幅を均衡させるために、偏光コントローラ３０２を用いて偏光状態を制御する。導波路３７１ならびに他の導波路３７２および３７３をデュアルモード導波路とすれば、相互に直交する２つの独立偏光モードをサポートできる。実用的で市販の導波路の一つが偏光保持（ＰＭ）光ファイバである。偏光保持光ファイバは２つの独立した偏光モード、すなわち低速軸に沿って偏光するｓ波と、高速軸に沿って偏光したｐ波とを搬送できる。良好な品質の偏光保持光ファイバでは、これら２つのモードは、かなりの距離に対して、エネルギー交換すなわち結合がほとんどないとみなせる。偏光保存サーキュレータ３１０は、以下の仕組みに基づいて光波流を導く。すなわち、ファイバ３７１から来る２つの偏光モードがファイバ３７２へ導かれ、ファイバ３７２から来る２つの偏光モードがファイバ３７３へ導かれる。偏光保存サーキュレータ３１０を用いて、２つの独立偏光モードの分離を維持する。例えば、ファイバ３７１のｓ波は、ｓ波さもなければｐ波としてのみファイバ３７２へ導かれるのがよい。ある種の市販の偏光保存サーキュレータは、この目的に適している。

図３のシステムは、試料２０５の光プロービングのために、導波路３７２に結合する光プローブヘッド３２０を実装している。プローブヘッド３２０は、導波路３７２から受取る光の一部、すなわち２つのモード００１および００２の内の一方のモード（例えば、００２）、を試料２０５へ渡し、試料２０５からの同一モード００２の反射光、および後方散乱光を集光する。試料２０５から集光したモード００２の戻り光は試料２０５の情報を搬送し、処理されて試料２０５の情報が抽出される。プローブヘッド３２０へ向けて伝搬する導波路３７２中の他方のモード００１の光は、プローブヘッド３２０により反射する。モード００２の戻り光とモード００１の反射光はともに、プローブヘッド３２０により導波路３７２中に導かれて戻り、差動遅延変調器２５０、ならびに、サーキュレータ３１０および導波路３７３を通じて検出システム２６０へ導かれる。

説明する実施では、プローブヘッド３２０は、レンズ系３２１と、偏光選択反射器（ＰＳＲ）３２２とを含む。レンズ系３２１は光エネルギーを小領域に集中させるが、これは試料の横方向の空間分解による検討を容易にする。偏光選択反射器３２２はモード００１を反射して返し、モード００２を透過させる。従って、モード００２の光はプローブヘッド３２０を透過して、試料２０５上に照射される。試料２０５から返された反射光または散乱光をレンズ系３２１が集め、ＰＳＲ３２２が反射するモード００１の光とともに、導波路３７２内をサーキュレータ３１０に向けて伝搬させる。

図４は、一実施によるプローブヘッド３２０の詳細および偏光選択反射器（ＰＳＲ）３２２の実施例を示す。ＰＳＲ３２２は、図示構成の、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４２３と、反射器すなわちミラー４２４とを含み、ＰＢＳ４２３は、試料２０５への選択モード（例えば、モード００２）を透過させ、他方のモード（例えば、モード００１）を、試料２０５から離して反射器４２４で反射させて、迂回させる。反射器４２４の再帰反射は、反射したモード００１を、ＰＢＳ４２３およびレンズ系３２１へ返すように導く。反射器４２４は、ビームスプリッタ４２３の一側面に設けた反射コーティングでもよい。反射器４２４は、反射した放射光が、偏光保持光ファイバ３７２に再度入ることができるように調整しなければならない。モード００２の透過光は試料２０５を照射し、モード００２の試料２０５による反射光および後方散乱光は、ＰＢＳ４２３を通ってレンズ系３２１を透過する。レンズ系３２１は、モード００１および００２の両方の光をファイバ３７２に結合する。

図３に示す実施では、検出システム２６０が、偏光ビームスプリッタ３６１と、２つのフォト検出器３６２および３６３とを含む。偏光ビームスプリッタ３６１を用いて、変調器２５０から２つの独立偏光モード００１および００２を受取り、２つの独立偏光モード００１および００２を重ね合わせる。ビームスプリッタ３６１は、各独立偏光が２つの部分に分割され、独立偏光モード毎に、２つの分割部分が同一振幅を有するような方法で配向させてもよい。こうして、モード００１の一部、およびモード００２の一部は、ビームスプリッタ３６１の２つの出力ポートそれぞれで結合および混合されて、重ね合わされた新規モードを形成し、各フォト検出器は、式（１）により特性化された、重ね合わせモードを受取る。偏光ビームスプリッタ３６１は、反射面の入射面が、２つの独立偏光モード００１または００２と４５°の角度を成すように配向させてもよい。

図３のシステムは、更に、電子コントローラまたは制御電子機器３７０を実装して、フォト検出器３６２および３６３からの検出器出力を受取って、処理するとともに、システムの動作を制御する。例えば、電子コントローラ３７０を用いて、プローブヘッド３２０および差動遅延変調器２５０を制御できる。電子機器およびプログラムで制御される差動遅延変調器２５０は、位相差変調の形式を光路長差として生成し、試料２０５内部の深度に一致する距離を走査する。電子コントローラ３７０をプログラムして、変調器２５０が生成する様々な光路長差で式（３）により特性化した測定信号の振動振幅を記録し、抽出してもよい。従って、試料２０５上の選択位置で試料不均質性の一次元表現として、深度の関数とする反射プロファイルを取得できる。

試料２０５の光不均質性の２次元画像を取得するために、光伝搬方向に垂直な横方向にプローブ光を走査させるように、直進ステージまたは圧電式ポジショナ等の位置スキャナを介してプローブヘッド３２０を制御してもよい。横方向スキャンの増分毎に、深度を関数とする反射プロファイルを上記方法で記録できる。次いで、収集情報をディスプレイ・インターフェースモジュール３７２に表示して、試料２０５の不均質性を明らかにする断面画像を形成する。

一般に、横方向スキャンメカニズムを、本願で説明する各装置に実装して、光プローブヘッドおよび試料の横方向相対位置を変えて、試料の２次元マップを取得できる。例えば、光ヘッドおよび試料を保持する試料ホルダの一方にｘｙスキャナを連動させて、電子コントローラ３７０が生成する位置制御信号に応答するこの走査を得てもよい。

図５Ａおよび５Ｂは、導波路２７１、２７２および２７３、ならびに光ディレクタ２１０を用いて、試料２０５の測定時におけるプローブヘッド３２０への光およびプローブヘッドからの光を、２つのモードで導く別の例示システムを示す。第１光偏光器５１０をＰＭ導波路２７１の偏光軸に対して配向させ、広帯域光源２０１からの放射光を、独立伝搬モードとして直交する２つの直線偏光モードで導波路２７１中に結合する。光位相変調器５２０を導波路２７１に結合して、一方の案内されたモードの光の位相を他方に対して変調する。可変差動群遅延（ＶＤＧＤ：Variable Differential group delay）装置５３０を導波路２７３に挿入または接続して、２つの波の間の光路長差の制御可能量を導入する。第２光偏光器５４０および光検出器５５０をここで用いて検出システムを形成する。第２偏光器５４０は、案内された両波を同一の偏光方向に投影するように配向されるので、２つの伝搬モード間の光路長差の変化および光位相差の変化は、検出器５５０により検出可能な強度変動を引き起こす。

光源２０１からの光は部分偏光されるのが普通である。光源２０１からの最大光量が透過するように、そして透過光が導波路２７１中の案内された両モードへ実質的に等しい振幅で結合されるように、偏光器５１０を位置合わせしてもよい。導波路２７１内の直交する２つの偏光モードＳおよびＰについての電場は次のように表すことができる：

ここで、偏光器を伝わる電場をＥで表す。言うまでもなく、光は有限のスペクトル幅（広帯域または部分干渉性）を有する。電場は、次のフーリエ積分により表すことができる：

解析を簡略化するために、以下ではスペクトルの狭い幅すなわち特定波長の光波を考える。一般性を失わないように、偏光器、導波路、ルータ、ＰＳＲおよびＶＤＧＤを含む全ての構成要素が無損失であると仮定する。本質的に複素数である試料の反射係数をｒとする。ｐ波は、第２偏光器５４０に達した時に、ｓ波に対する光位相Γをとる：

偏光器５４０を貫通する光は次式で表すことができる：

フォト検出器５５０に照射される光の強度は次式で与えられる：

ここで、位相角δは、試料２０５の反射係数の複素数の性質を反映し、次のように定義される：

変調器５２０が、ｓ波に対するｐ波に、振幅Ｎおよび周波数Ωで正弦波の位相変調を加えると仮定すると、検出器５５０が受ける光強度は次のように表わされる：

ここで、位相角ψは２つのモード間の累積位相ずれであり、変調器５２０による周期変調を含まない。ＶＤＧＤ５３０または変調器５２０の静的位相推移を用いて、２つのモード間の位相差を調整してψを除去することもできる。Ｉの波形を図４にグラフ表示する。

図６は、検出器５５０で受ける強度Ｉの波形を位相の関数として示す。検出した光強度は、基本周波数Ωおよびその高調波を有する振動波形を呈する。基本周波数および各高調波の振幅は、δおよび｜ｒ｜に関連する。ｒと高調波との間の関係の数学的表現を導き出すことができる。例えば、基本周波数振動および第２高調波の振幅は、次のように求められる：

Ｊ_１およびＪ_２は、それぞれ１次および２次ベッセル関数である。式（１３ａ）および（１３ｂ）を用いて、｜ｒ｜およびδ、すなわちｒの完全な特性化、を解くことができる。

図５Ａおよび５Ｂのシステムに広帯域光源２０１を持たせる効果は、以下のように解析される。２つの伝搬モードの間に著しい群遅延差がある場合、波長に依存する大きな関連位相ずれψがあるに違いない。光源波長の大きな拡散は、位相ずれも大きく拡散していることを意味する。このような位相拡散は、群遅延差も除去しない位相制御装置では解消できない。この場合、検出した光強度は、次の積分で与えられる：

ψ（λ）の範囲が、光源のバンド幅についてπと同程度である場合、Ｉの振動は、位相差が原因で打ち消される、異なった波長の振動として観察できないことは容易に分かる。この現象は、色のついた干渉縞が、光路差が小さい（薄膜が薄い）場合だけに見える白色光の干渉と近いアナロジーにある。上記解析は、広帯域光源を使用することで提案の装置を用いて距離を検出できることを実証している。そうするために、ｐ波よりｓ波がシステム内で長い光路を持つとしよう（プローブヘッドと試料との間の往復は含まない）。システム内の所与の光路長差に対して、プローブヘッドと試料との間に、光路長差を打ち消す一致距離ｚがある。Ｉの振動が観察される場合、ｐ波は、この特定距離ｚから反射されているに違いない。従って、システム内の光路長差を変化させ、振動波形を記録することにより、縦方向の距離ｚすなわち深度、の関数として、反射係数ｒを取得できる。プローブヘッドを横方向に移動させることにより、横方向のｒの変化も記録できる。

図７は、光不均質性の画像を取得するための、図５Ｂで説明したシステムまたは図３のシステムの例示の一動作を示す。ステップ７１０で、２つのモードの間の相対位相遅延が、対応する深度で試料２０５を測定するために、固定値に変更され、例えば、増分だけ増加される。これは、差動遅延装置５３０を用いることにより、または図３の差動遅延変調器２５０でバイアスを用いることにより図５Ｂで達成できる。ステップ７２０で、図５Ｂの変調器５２０または図３の変調器２５０へ変調駆動信号を送って、固定値周辺の２つのモード間の相対位相遅延を変調する。ステップ７３０では、図５Ｂの検出器５５０で受けた強度波形または図３の検出器３６２、３６３で受けた強度波形を測定し、電子コントローラ３７０に格納する。ステップ７３０が完了すると、電子コントローラ３７０は、図５Ｂの差動遅延装置５３０または図３の差動遅延変調器２５０のバイアスを制御して、２つのモード間の相対位相遅延を、異なる深度で試料２０５を測定するために、異なる固定値に変更する。同一位置の異なる深度で所望の試料測定が完了するまで、この処理を処理ループ７４０で示すように繰り返す。この時点で、電子コントローラ３７０は、プローブヘッド３２０を制御して、試料２０５上の横方向の新規位置へ移動し、試料２０５上の所望する全位置について完了するまで、再度上記測定を繰り返す。この動作は処理ループ７５０で表される。電子コントローラ３７０は、ステップ７６０で各測定を処理して、基本周波数および高調波からδおよび｜ｒ｜の値を計算する。このようなデータ処理は、各測定後、あるいは全ての測定の完了後に実行してもよい。ステップ７７０では、計算データをディスプレイモジュール３７２へ送る。

上記実施では、試料２０５を感知する光は、２つの別の光路に沿って進む２部分に分離されない。光の２つの独立伝搬モードは、プローブヘッド３２０と試料２０５との間の、一つのモードが進む特別な距離を除き、光路に沿う全ての位置で基本的に同一導波路中を案内される。プローブヘッド３２０により方向転換された後、２つのモードは、検出モジュールへの光路に沿う全位置で同一導波路中を連続的に案内される。

代替として、光源からプローブヘッドに至る光を、２つの異なるモードではなく、単一伝搬モード（例えば、第１伝搬モード）で制御してもよい。プローブヘッドは、第１モードの第１部分の伝搬方向を逆にする一方、残りの部分すなわち第２部分を試料に達するように導く設計としてもよい。試料からの第２部分の反射光または後方散乱光はプローブヘッドで集光され、第１モードと異なる第２伝搬モードで制御されて反射第２部分を生じる。第１伝搬モードの反射第１部分および第２伝搬モードの反射第２部分はともに、処理のための検出モジュールへ、プローブヘッドにより共通導波路を通じて導かれる。システム全体に亘る２つのモードの光を用いる実施の形態と比較して、この代替設計は、検出モジュールにおける２つのモード間の相対位相遅延の安定性を更に向上させ、実施の恩恵が追加される。

図８Ａおよび８Ｂは、光感知システムの光レイアウトの一例示設計と、電子コントローラを有するそのシステムの実施の形態とを示す。入力導波路８７１は、第１伝搬モード、例えば、モード００１、の光を広帯域光源２０１から光ディレクタ８１０へ導くように設けられる。導波路８７１は、モード００１や００２等の、少なくとも一つの伝搬モードをサポートするように設計されたモード保持導波路であってあってもよい。モード００１等の特定モードで光を導波路８７１中へ結合する場合、導波路８７１は、基本的に光をモード００１に保持する。直交する２つの直線偏光モードをサポートする偏光保持ファイバを、例えば導波路８７１として用いることができる。図２、３、５Ａおよび５Ｂに示すシステムと同様に、デュアルモード導波路２７２および２７３を用いて光を導く。光ディレクタ５１０を用いて、導波路８７１、２７２および２７３を結合し、入力導波路８７１からのモード００１を、デュアルモード導波路２７２がサポートする２つのモード（例えば、モード００１および００２）の一方に搬送し、２つのモードの光を導波路２７２からデュアルモード導波路２７３へ導く。図８Ａで説明する実施例では、光ディレクタ８１０は、導波路８７１からのモード００１の光を導波路２７２の同一モード００１に結合する。代替として、光ディレクタ８１０は、導波路８７１からのモード００１の光を導波路２７２中の異なるモード００２に結合してもよい。デュアルモード導波路２７１は、感知するために光の一部を試料２０５に結合するプローブヘッド８２０により他端で終端を成す。

プローブヘッド８２０は、プローブヘッド３２０と異なるように設計され、光が試料２０５から反射または後方散乱する場合、プローブヘッド８３０がモード００１の光の一部を異なる他方のモード００２に変換する。代替として、導波路８７１から結合される導波路２７２の光がモード００２である場合、光が試料２０５から反射または後方散乱する時に、プローブヘッド８２０は、モード００２の光の一部を異なる他方のモード００１に変換する。図示の実施例では、プローブヘッド８２０は次の機能を実行する。すなわち、ａ）モード００１で到来する放射光の小部分の伝搬方向を逆にする、ｂ）残りの放射光を再整形して、それを試料２０５へ伝送する、そして、ｃ）試料２０５から反射した放射光を、デュアルモード導波路２７２によりサポートされる独立モード００２へ変換する。プローブヘッド８２０は、導波路２７２がサポートする他のモードに光の一部を単に変換するだけなので、プローブヘッド８２０は、この観点からみると部分モード変換器である。プローブヘッド８２０の動作により、プローブヘッド８２０から離れて伝搬する２つのモード、すなわち試料２０５をバイパスするモード００１と、試料反射または後方散乱から発せられる光のモード００２とがある。この点から、図８Ａに示すシステムの残りの構造および動作は、図２、３、５Ａおよび５Ｂのシステムに類似していてもよい。

図８Ｂは図８Ａの設計の実施例を示し、ここでは、差動遅延変調器２５０とプローブヘッド８２０とを制御する電子コントローラ３３７０が用いられ、ディスプレイ・インターフェースモジュール３７２が設けてある。部分偏光されてもよい、広帯域光源２０１からの放射光は、入力偏光コントローラ８０２により更に偏光され、制御されるので、図８Ａの導波路８７１としての偏光保持ファイバ３７１には単一偏光モードだけが励起される。偏光保存サーキュレータを用いて、導波路３７１からの光を導波路３７２へルーティングし、導波路３７２から導波路３７３へルーティングする光ディレクタ８１０を実装する。

図８Ｂのプローブヘッド８２０は、レンズ系３２１に類似するレンズ系８２１と、部分反射器８２２と、偏光回転器８２３とを含むように設計してもよい。部分反射器８２２は、導波路３７２から受取る光の第１部分を、伝搬モードを変えずに導波路３７２へ返すよう反射させるために用い、試料２０５への光および試料２０５からの光を透過させる。偏光回転器８２３を用いて、試料２０５からの光が導波路３７２へ入ったときに、その先がモード００２になるよう制御する。

図９は、システム実施の別の実施例を示し、ここでは、光プローブヘッド８２０は単一入力モードの光を受取り、光の一部を異なるモードに変換する。入力偏光器５１０を入力ＰＭファイバ２７２に用いて、単一偏光モードの入力光を制御する。位相変調器５２０と可変差動群遅延装置５３０とを出力ＰＭファイバ２７３に結合して、光検出前の２つのモードの相対位相遅延を制御し、変調する。出力偏光器５４０を設けて２つのモードを混合し、検出器５５０を用いて出力偏光器５４０からの出力を検出する。

図１０Ａおよび１０Ｂは、部分反射面１０１０と、レンズ系１０２０と、偏光を回転してモードを変換するための１／４波長プレート１０３０とを含むプローブヘッド８２０のための、可能性のある設計の２つの実施例を示す。図１０Ａでは、偏光保持ファイバ３７２の終端すなわち端部切断面を部分反射器１０１０として用いる。光ファイバの未コーティング終端は、光エネルギーの約４％を反射する。コーティングを利用して終端の反射率を所望の値に変えることができる。レンズ系１０２０は試料２０５の残りの放射光を再整形して送り出す。レンズ系１０２０が担うもう一つの役割は、試料２０５から反射して偏光保持ファイバ３７２に返される放射光を集めることである。１／４波長プレート１０３０は、その光軸が透過光の偏光方向と４５°の角度を成すように配向させる。試料２０５からの反射光は、１／４波長プレートを通って伝搬し、モード００１と垂直な方向すなわちモード００２に再度偏光される。代替として、１／４波長プレート１０３０をファラデー回転子に置き換えてもよい。図１０Ｂのヘッド設計では、レンズ系１０２０、および１／４波長プレートまたはファラデー回転子の位置が変更されている。

図８Ａ、８Ｂおよび９の実施例では、導波路８７１または３７１から光ディレクタ８１０すなわち偏光保存サーキュレータ、に入る偏光モードは一つだけである。従って、光ディレクタ８１０すなわち偏光保存サーキュレータは、図１１に示すように、偏光保持光サーキュレータ１１１０と２つの偏光ビームスプリッタ１１２０および１１３０とにより構成できる。偏光保持サーキュレータ１１１０を用いて、その３つのポートの間に、図３、５Ａと５Ｂに示す場合のような２つのモードではなく、ただ一つの偏光モードを搬送する。偏光ビームスプリッタ１１２０および１１３０は、ポート２に入る両偏光モードがポート３に搬送され、独立したままとなるように、偏光保持サーキュレータ１１１０に結合する。

差動遅延変調器２５０にはいくつかのハードウェア選択肢がある。図１２は、外部制御信号を印加して差動遅延素子を制御することにより、出力の相対遅延を変化させ、そして変調する変調器２５０の全体設計を示す。機械式素子または非機械式素子を用いて、２つのモード間の所望の相対遅延および遅延への変調を生成してもよい。

一実施例で、非機械式設計には、水晶およびルチル等の一種以上の固定された複屈折材料と組み合わせた、液晶材料等の同調可能な複屈折材料またはニオブ酸リチウム結晶等の光電複屈折材料の一つ以上の断片を含んでもよい。固定された複屈折材料は２つのモード間の固定遅延を提供し、同調可能な複屈折材料は２つのモード間の相対遅延の同調および変調機能を提供する。図１２Ａは、この非機械式設計の実施例を示しここで２つのモードは物理的に分離されず、２つの偏光モード間の相対遅延を変更する複屈折断片により同一光路を通じて導かれる。

図１２Ｂは、受取った光の２つのモードが、モードスプリッタにより２つの別々の光路に分離される別の設計を示す。可変遅延素子を一つの光路に挿入して、外部制御信号に応じて相対遅延を調整し、変調する。次いで、モードコンバイナを用いて、出力の２つのモードを互いに結合する。モードスプリッタおよびモードコンバイナは、直交する２つの直線偏光を２つのモードとして用いる場合は、偏光ビームスプリッタでもよい。

２つの光路の一方にある可変遅延素子は、各種構成で実施できる。例えば、可変遅延素子は機械式素子でもよい。図１２Ｂの装置の機械的実施は、最初に、放射光を偏光モード別に偏光ビームスプリッタで分離することにより構成でき、一方の偏光モードは固定光路を通じて伝搬させ、他方の偏光モードは、偏光保持ファイバの圧電型伸張器を持つ可変光路に伝搬させるか、または、一対のコリメートの一方のコリメータからの光が、再帰反射器への行程および再帰反射器からの行程を通じて他方のコリメータに集光されるように、機械的に移動可能な再帰反射器に共に面する一対のコリメータを持つ可変光路、もしくは、回転光学プレートを２回通り、反射器で反射することにより光学的にリンクされた一対のコリメータを持つ可変光路、に伝搬させる。

図１３Ａおよび１３Ｂは、図１２Ｂに適した機械式可変遅延素子の２つの実施例を示す。このような機械式可変遅延装置を用いて、光ビームの光路長を高速で変化させることができ、図１２Ｂに示す以外に各種用途がある。更に、本明細書の光システムはこのような遅延装置を用いてもよい。

図１３Ａに示す機械式遅延は、光ビームスプリッタ１３１０と、透明プレートでもよい回転光学プレート１３２０と、ミラーすなわち反射器１３３０とを含む。ビームスプリッタ１３１０は、装置の入力ポートおよび出力ポートとして用いられる。回転光学プレート１３２０は、ミラー１３３０とビームスプリッタ１３１０との間に配置される。ビームスプリッタ１３１０から回転光学プレート１３２０を通ってミラー１３３０に向かう光路沿いでビームスプリッタ１３１０は入力光ビーム１３００を受取る。ビームスプリッタ１３１０を透過する光１３００の一部は、回転光学プレート１３２０に当たって透過するビーム１３０１である。ミラー等の光反射器１３３０は、反対側から光学プレート１３１０に入射する光ビームに垂直となるよう配向される。ミラー１３２０からの反射光ビーム１３０２は、ビームスプリッタ１３１０に至るまで同一光路を辿って戻っていく。ビームスプリッタ１３１０は、戻って来た光１３０２の一部を出力ビーム１３０３として別の方向に反射する。

この装置では、光路長を光学プレート１３２０の回転により変化させる。光学プレート１３２０は高品位光学材料で製作できる。２つの光学面は平坦かつ良好に研磨されて光ビームの歪みを最小限にする。更に、２つの面は、光学プレート１３２０の両面の光伝搬方向を平行にするために、互いに平行でなければならない。光学プレート１３２０の厚さは、望ましい遅延変化量および回転角範囲に応じて選択できる。光ビームがたどる光路長は、光学プレート１３２０の回転角により決定される。光学プレート１３２０の表面が光ビームに垂直（入射角がゼロ）な場合に光路長が最小値となる。光路長は、入射角の増加とともに増える。

図１３Ａでは、光路全体を著しく拡散せずに進むことができるように、入力光ビームを平行にすることが有益である。光遅延を周期的に変化させるために光学プレート１３２０をモータに搭載してもよい。ミラー１３３０は、平坦な反射面の高品位ミラーを用いて実施しなければならない。ミラー１３３０の反射面は光ビームに垂直となるように維持する。

直線偏光した光を図１３Ａの入力ビーム１３００として用いる場合、この偏光に対する光学プレート１３２０の表面で起きる反射が他の偏光方向と比較して少なくなるように、入射面に（紙面に）平行な光の偏光方向をもつことが有益である。反射防止コーティングを用いて、光学プレート１３２０の表面の光反射を更に減らすことができる。

図１３Ａで用いるビームスプリッタ１３１０は、光透過および光反射の両方を利用して光を導く。ビームスプリッタ１３１０のこの態様は、入力光１３００がビームスプリッタ１３１０を透過して最初に装置へ入る時の反射損失と、光がビームスプリッタ１３１０の反射により装置を出る時の反射損失とに起因する装置出力の反射損失を招く。例えば、ビームスプリッタが５０／５０ビームスプリッタである場合、全入力光の最大２５％は出力光に残る可能性がある。このような光損失を避けるために、ビームスプリッタ１３２０の代わりに光サーキュレータを用いることができる。図１３Ｂは、３ポートを有する光サーキュレータ１３４０を用いて入力光を光学プレート１３２０およびミラー１３３０に導き、戻り光を出力ポートに導く実施例を示す。光サーキュレータ１３４０は、わずかな光損失で、ポート１に入るほとんど全ての光をポート２に導き、ポート２に入るほとんど全ての光をポート３に導くよう設計でき、従って、装置の光損失が著しく低下する。市販の、自由空間型またはファイバーべースの光サーキュレータを用いてサーキュレータ１３４０を実施してもよい。

図１４Ａは、図１２Ｂの遅延装置の実施例を、差動遅延変調器２５０の一部または全体として示す。第１光モードスプリッタ１４１０を用いて、導波路３７３中の２つのモードを２つのミラー１４３１および１４３２を持つ２つの光路へそれぞれ分離する。モードコンバイナとして動作する第２光モードスプリッタ１４４０を用いて、２つのモードを出力へ結合する。２つのモードが直交する２つの直線偏光である場合、例えば、偏光ビームスプリッタを用いて１４１０および１４４０を実施する。可変光遅延線または装置１４２０を上側光路に配置して、２つの光路間の遅延差を制御する。出力は、検出モジュールに至る別のデュアルモード導波路１４５０に結合されるか、あるいは検出モジュールへ直接送られる。図１４Ｂは、図１４Ａの設計に基づく遅延装置を示し、ミラー１４３２および可変光遅延線１４２０が、図１３Ａの機械式遅延装置で実施される。図１３Ｂの機械式遅延装置を用いて、図１４Ａの装置を実施することができる。

上記実施例では、プローブヘッド２２０、３２０または８２０のための出力導波路として、単一デュアルモード導波路２７２または３７２を用いる。従って、単一モードまたは２つの独立モードの入力光は、そのデュアルモード導波路２７２または３７２を通じてプローブヘッドへ導かれ、２つの独立モードの出力光も、プローブヘッドから検出サブシステムまたは検出器へ導かれる。

代替として、単一デュアルモード導波路２７２または３７２は、２つの別々の導波路、すなわち一方は光源からの入力光をプローブヘッドに導き、他方は、プローブヘッドからの光を検出サブシステムまたは検出器に導く導波路に置き換えてもよい。実施例として、図２の装置は、導波路２７２とは異なる第２導波路を有して、光プローブヘッド２２０からの２つの異なるモードの反射光を、変調器２５０および検出サブシステム２６０へ導いてもよい。この設計では、光ディレクタ２１０を除くことができる。これは利点である。実施において、２つのモードの反射光を第２導波路に導くようにプローブヘッド中の光学系を設計してもよい。

図１５は、図５Ｂに示す装置の代替としての設計の実施例を示す。この設計で、プローブ光は、一本のデュアルモード導波路１５１０を通じて試料２０５へ送り出され、反射／散乱光はプローブヘッド３２０により集光され、別のデュアルモード導波路１５２０を通じて導かれる。図４に示すプローブヘッドを用いて、導波路１５１０の代わりに導波路１５２０に光が反射されるように、ミラー４２４を配向させ、位置合わせしてもよい。この設計は、本願開示に基づいて、図２、３、８Ａ、８Ｂおよび９の例示装置を含む他の装置に適用できる。

上で説明した装置および技法を用いて、２つのモード間の相対位相遅延を異なる値で制御することにより、試料の所与の位置での光測定値を異なる深度で取得できるとともに、試料上のプローブヘッドの相対位置を横方向に変化させることにより、試料の異なる位置での光測定値を取得して、所与の深度または様々な深度で、試料の断層撮影マップを得ることができる。更に、このような装置および技法を用いて、試料の層上でのスペクトル選択測定を含む、試料上の他の測定を実行できる。

各種用途で、スペクトル吸収により識別可能な、試料中に分散した特定物質についての情報を取得することは有益である。このために、同調式バンドパスフィルタを用いて、プローブヘッドへの入射光をフィルタ処理し、入射光の広帯域スペクトル中の所望スペクトルウィンドウを選択して、試料の応答を測定し、そしてスペクトルウィンドウの中心波長を変化させて、試料の応答のスペクトル分布を測定できる。バンドパスフィルタのこの同調により、試料の複素反射係数の分布を測定しながら、光源スペクトルの可変部分を通過させることができる。

代替として、広帯域光を、光フィルタ処理せずに光プローブヘッドへ送ってもよく、プローブヘッドからの出力光中の異なる波長でスペクトル成分を選択および測定して、選択した波長周辺の試料の応答または試料の応答のスペクトル分布を測定してもよい。一実施では、同調式光バンドパスフィルタをプローブヘッドからの出力光の光路に挿入して光をフィルタ処理してもよい。別の実施では、回折格子または他の回折光素子を用いて、出力光の異なるスペクトル成分を光分離して、検出サブシステムまたは検出器で測定してもよい。

実施例として、図１６は、図２の設計に基づくシステムを示し、ここで同調式フィルタ１６１０を入力導波路２７１に挿入して、２つの異なるモードの入力光をフィルタ処理する。図１７は、図８Ａの設計に基づく別の例示システムを示し、ここで同調式フィルタ１７１０を入力導波路８７１に挿入して、単一モードの入力光をフィルタ処理する。このような同調式フィルタを別の位置に配置してもよい。

図１８は、図１６および１７の装置における同調式バンドパスフィルタの動作を示す。フィルタは、試料のスペクトルの特徴を測定するために、光源のスペクトル内の挟帯域スペクトルを選択する。

注目すべきは、本願の装置および技法を用いて、試料内の層を選択して、測定データを適切に処理することにより測定できることである。図１６および１７の装置に戻って参照し、界面ＩおよびＩＩにより画成される層の吸収特性を測定すると想定しよう。説明を簡単にするために、層内の物質のスペクトル吸収が波長依存の減衰係数μ_ｈ（λ）により特性化され、他の容積のスペクトル吸収はμ_ｇ（λ）により特性化されるものと仮定する。更に、界面Ｉ（ＩＩ）近傍の物質が、実効的な、かつ波長に依存しない反射係数ｒ_Ｉ（ｒ_ＩＩ）を有すると仮定する。対象の特性化吸収が光源のスペクトルの範囲にある場合、試料２０５の特性化吸収全体に亘って同調可能なパスバンドを持つ光フィルタ１６１０または１７１０を用いて、様々な波長を中心値にした試料２０５のスペクトル応答を測定できる。

動作に際しては以下のステップを実行できる。最初に、一方のモード（例えば、モード００１）が進む光路長が、他方のモード（例えば、モード００２）の界面Ｉから反射した放射光の光路長と一致するように差動遅延変調器２５０を調整する。この時点で、変調器２５０が生成する周期位相差に起因する測定信号の振動を記録しながら、フィルタ１６１０または１７１０のパスバンドを走査してもよい。振動振幅は波長の関数として次式で与えられる：

ここで、ｚ_Ｉは、試料２０５の上面から測定した界面Ｉの距離である。次に、差動遅延変調器２５０を再度調整して、モード００１が進む光路長が、モード００２の界面ＩＩから反射した放射光の光路長と一致するように、遅延差を変更する。界面ＩＩに対する測定信号は、以下のように得られる：

ここで、Ｚ_ＩＩは、界面Ｉから測定した界面ＩＩの距離である。界面ＩおよびＩＩが画成する層の吸収特性を得るために、式（７）および（６）を用いて、次の比を得る：

注意すべきは、この式は、対象層だけの吸収特性に関する情報を提供し、これが層上の測定を可能にすることである。従って、この方法は、試料直下の特定の指定層の吸収スペクトルを光学的に取得するように「コヒーレンスゲート」を提供する。

注意すべきは、光フィルタ１６１０または１７１０のパスバンドは、対象の吸収特性を分解するよう十分狭く、同時に対象層を識別するのに十分広く設計できることである。患者の皮膚の光プローピングで血糖値をモニタするための以下の実施例は、この編成が合理的かつ実用的であることを示す。

各種の信頼できるグルコースモニタは、糖尿病患者からの血液試料採取に頼っている。皮膚の繰り返し穿刺は患者にかなりの不快感を与える。従って、望ましいことは、非侵襲方法で血糖値をモニタすることである。周知ではあるが、血糖は、近赤外（ＮＩＲ）波長範囲に「シグニチャ」の光吸収ピークを持つ。また、言うまでもなく、グルコースの非侵襲モニタの主な障害は、プローブ光ビームが、その光路で、重なる吸収バンドを持つ各種生体組織および物質と相互作用を行うという点に起因する。他の全てのピークの中でシグニチャーグルコースピークの抽出は困難であることが検証されている。

上記「コヒーレンスゲート」を用いて、グルコースをモニタするための他の方法による困難を克服できる。グルコースモニタのために指定する層は真皮層がよく、この層にはグルコースが血管組織網および間質液に集中している。

図１９Ａはヒトの皮膚組織の例を示し、ここで説明したコヒーレンスゲート技法を用いて、表皮と皮下層との間の真皮層のグルコース濃度を測定できる。真皮層は、コヒーレンスゲート技法で光選択して測定できる。周知のように、表面の表皮層は、色素内容の影響により優勢なＮＩＲ吸収源となる。しかし血液がないので、表皮はグルコースモニタのための有益な情報を与えない。コヒーレンスゲート技法を適用して、表皮および皮下の組織の吸収を除去することにより、真皮層の吸収スペクトルだけを取得できる。本技法の更なる利点は、真皮層は表皮に比べて温度変動が少ないことである。周知のように、表面の温度変動はグルコースモニタを妨げる吸水シフトをもたらす。

図１９Ｂは、波長範囲が１から２．５ミクロンの間にある血中の優勢なグルコース吸収ピークを幾つか示す。これらのピークの幅は約１５０ｎｍである。ピークを分解するために、同調式バンドパスフィルタのバンド幅を３０ｎｍ前後になるよう選択できる。深度分解能は次式で決定できる：

従って、図１６および１７の装置または他の光感知装置で実施したコヒーレンスゲートを用いて、厚さが６０μｍ以上の組織層のグルコースの吸収特性を決定できる。図１９Ａに示すように、ヒトの皮膚は、典型的には厚さ０．１ｍｍの表皮層からなる。表皮の下に厚さ約１ｍｍの真皮層があり、そこでは、血液および間質液にグルコースが集中している。上記解析により、図１６および１７に示す装置を用いて、真皮層の吸収特性を表皮等の層の吸収特性から分離できることが示されている。

式（１８）から明らかなことは、所与の中心波長λ_０に対して、スペクトル分解能と層分解能との積は一定であるということである。フィルタバンド幅の選択は、測定の特定要件に対するこれら２つの分解能間のトレードオフに基づいてなされるべきである。

同調式バンドパスフィルタ１６１０または１７１０を、試料内の分離した容積の吸収特性を取得するように動作させることができる。

図２０は、図３の検出サブシステム２６０の一実施例を示し、２つの回折格子２０１０および２０２０を用いて、偏光ビームスプリッタ３６１からの出力光ビーム中の様々なスペクトル成分を分離する。レンズ２０１２は、回折格子２０１０からの回折成分を集光し、焦点面上の異なる位置に異なるスペクトル成分の焦点を合わせるよう配置する。異なるスペクトル成分を異なる光検出素子により受取ることができるように、多数の光検出素子を持つ検出アレイ２０１４をレンズ２０１２の焦点面に配置する。第２レンズ２０２２および検出器アレイ２０２４を、回折した成分の光路へ同様に用いる。単一の光検出器を測定に用いる５Ａ、５Ｂ、８Ａおよび８Ｂに示す装置では、単一の回折格子と、レンズと、検出器アレイとを用いる。

動作に際しては、各検出素子は波長間隔が小さな光を受取る。アレイの全ての素子からの光電流を合計して、図３に示す回折格子を用いずに各単一検出器が受取る信号と等価な信号を形成できる。それぞれの素子またはアレイの素子グループからの光電流を選択的に測定することにより、試料のスペクトル情報が得られる。

上記説明の実施例では、光プローブヘッドは、２つの異なる伝搬モードの光を送り出し、その２つのモードの一方の光が試料からの情報を搬送する。代替として、単一伝搬モードの光を、光プローブヘッドへの入力光として用いるとともに、光プローブヘッドからの出力光として用いる。従って、本設計に基づく装置は、共通光路を用いて、光をプローブヘッドおよび試料へ、そしてプローブヘッドおよび試料から、導くだけでなく、単一モードの光路を制御する。２つの異なるモードがプローブヘッドから出て来る光に対して用いられる上記実施例に比べて、この単一モード設計は、同一光路を伝搬する、異なったモード間の何らかの差を更になくすか、さもなければ減らす。

図２１は、導波路内のただ一つの伝搬モードにより物質の光不均質性および他の特性の情報を取得するための一例示システムを示す。広帯域光源２０１からの広帯域または低コヒーレンス光は、偏光保持導波路２７１および２７２によりプローブヘッド２１１０へ導かれる。プローブヘッド２１１０内部の部分反射器は、入力光の僅かな部分の方向を逆にして、放射波１を送出する一方、残りの入力光を試料２０５へ向けて透過させる。試料２０５からの後方散乱光または反射光は、第２放射波２となり、プローブヘッド２１１０により集光される。プローブヘッド２１１０は、放射波１と２を組合せ、結合して導波路２７２へ返す。放射波１および２は、導波路２７２を光ディレクタ２１０に向かって進み、光ディレクタは、放射波１および２を、導波路２７３を通って検出モジュール２１０１へ向けて導く。注意すべきは、プローブヘッド２１１０から出力される放射波１および２は、プローブヘッド２１１０への入力光と同一モードであることである。プローブヘッド２１１０は、放射波１および２を導波路２７２へ導く場合、光のモードを変更しない。

検出モジュール２１０１は、ビームスプリッタ２１２０と、２つの光路２１２１および２１２２と、光路２１２２の可変光遅延素子２１２３と、ビーム合波器２１３０と、２つの光検出器２１４１および２１４２とを含む。ビームスプリッタ２１２０は、同一モードの放射波１と２を含む導波路２７３の光を、２つの光路２１２１および２１２２にそれぞれ伝搬する２つの部分に分離する。注意すべきは、２つの部分のそれぞれには、放射波１および２の両方からの光が含まれることである。光路２１２２の可変遅延素子すなわち遅延線２１２３、を制御信号により制御して、２つの光路２１２１と２１２２間の相対光遅延を調整する。これらは、例えば、本明細書で説明する例示の遅延素子および他の遅延設計により実施してもよい。ビームコンバイナ２１３０は２つの光路の信号を結合して、互いに重ね、光検出器２１４１および２１４２それぞれに２つの光信号を出力する。ビームコンバイナは、結合された光を互いに直交偏光する２つの部分に分割する偏光ビームスプリッタでもよい。

プローブヘッド２１１０には、試料２０５に達しない放射波１を生成するように部分反射器を含んでもよい。プローブヘッド２１１０への光、およびプローブヘッド２１１１０からの光に対する単一伝搬モードが偏光モードであると仮定すると、プローブヘッド２１１０の部分反射器から反射された光すなわち放射波１は、試料から集めた光すなわち放射波２と同一の偏光を有する。従って、放射波１および２はともに、導波路２７２および２７３内を同一伝搬モードで進む。放射波１および２は異なる位置から反射されるので、ビームスプリッタ２１２０に達する時、異なる光路長となる。可変遅延素子２１２３の効果は、光路２１２１の光に対する光路２１２２の光の調整可能遅延量を追加することである。

動作に際しては、可変遅延素子２１２３は、光路２１２２を通って偏光ビームスプリッタ２１３０に達する部分放射波１に、他の光路２１２１を経てビームスプリッタ２１３０に達する部分放射波２と同様な光路長を与えることができるように調整できる。フォト検出器２１４１および２１４２での２つのビームの重ね合わせは、相対光路長が可変遅延素子２１２３により変化するので、測定可能な光強度変化がもたらされる。この変化を利用して、試料２０５の不均質性および他の特性に関する情報を読み出すことができる。

図２２は、偏光保持光ファイバを用いる図２１のシステムの実施例を示す。偏光コントローラ２０２は、光源２０１の出力部に配置されて、一偏光モードの入力光の偏光を制御できる。図示の光ヘッド２１１０はレンズ系２１１１および部分反射器２１１２を含む。２つのミラー１および２を用いて、ビームスプリッタ２１２０と２１３０との間に２つの光路を構築する。部分反射器２１２２から、および試料２０５から反射される光放射は、同一モードで偏光保持（ＰＭ）ファイバ２７２中を進む。放射波１および２の主部分が、ミラー１に反射される一方、残りの部分は、ビームスプリッタ２１２０によりミラー２へ導かれる。

偏光ビームスプリッタ２１３０の入射面は、一方の光路のミラー２および他方の光路からの可変遅延素子２１２３の両方からの光の偏光方向に対して有限角度を持たせることができる。この構成では、検出器２１４１および２１４２の両方が受ける光エネルギーは、２つの放射光すなわち放射波１と放射波２との重ね合わせである。言うまでもなく、ビームスプリッタ２１２０と２１３０との間は、光ファイバまたは他の光導波路で接続して、自由空間光路ならびに２つのミラー１および２を削除できる。

図２１および２２に示す実施例では、光ヘッド２１１０と試料２０５との間の間隔は、対象試料の深度より大きくできるので、ビームスプリッタ２１３０に達したときに、部分放射波１は、部分放射波２だけに類似する光路長を与えられる。言い換えると、図２１および２２のシステムの動作中は、同一の放射波の分割部分は類似の光路長を与えられない。

図２３は、プローブヘッド２１１０に対する一例示の光編成を示す。部分反射器２３１０は、部分反射ファイバ終端すなわちファイバ２７２の端部切断面により実現できる。未コーティングのファイバ先端の反射率は約４％であるので、部分反射器として使用できる。端部切断面の光コーティングを利用して反射率を所望値に変更できる。

ファイバ終端２３１０の反射率は、幾つかの因子に基づいて選択できる。一観点では、放射波１は、２つの検出器２１４１および２１４２で適度な光強度変化を創出できるように、十分に強くするのがよい。他方、放射波１は、フォト検出器２１４１および２１４２が圧倒されるので、あまり強すぎない方がよく、検出システムでの高い利得で使用を抑制する。システムの最適動作のために、ファイバ終端の反射率を、ファイバにより試料から集光される全ての光と同程度になるよう選択することもできる。

図２１および２２では、プローブヘッド２１１０に入力光を送り込み、そしてプローブヘッド２１１０から出力光を導くという両方のために、共通導波路２７２を用いる。代替として、図１５の設計と同様に、導波路２７２を、プローブヘッド２１１０に入力光を送り込むための入力導波路と、プローブヘッド２１１０からの出力光を検出モジュール２１０１のビームスプリッタ２１２０へ導く出力導波路とで置き換えてもよい。この設計では、光ディレクタ２１０を除くことができ、放射波１および２の両方を持つ出力光を出力導波路中へ導くように、光プローブヘッド２１１０を、設計できる。

以上説明したような他の実施例の光周波数の同調と同様に、図２１および２２の装置を実施する際に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、光の周波数バンドを同調し、そのフィルタの周波数バンドで試料２０５の特性を選択的に測定してもよい。更に、図２０に示すように、試料の異なるスペクトル成分を測定するための検出モジュールの回折格子を、モジュール２１０１で同様に用いることができる。

本願では、ほんの数例の実施を開示したにすぎない。しかしながら、言うまでもなく、改変および強化がなされてもよい。

図１は、２つの別々な光路の参照ビームおよび試料ビームによる周知のマイケルソン干渉計に基づく従来の光感知装置の実施例を示す。 図２は、一実施による感知装置の一実施例を示す。 図３は、図２に示すシステムの実施例を示す。 図４は、図３で用いるプローブヘッドの一実施例および偏光選択反射器（ＰＳＲ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）の一実施例を示す。 図５Ａは、３つの導波路と光ディレクタとを用いて、試料測定時のプローブヘッドへの光およびプローブヘッドからの光を、２つのモードで導く別の例示である光感知システムを示す。 図５Ｂは、３つの導波路と光ディレクタとを用いて、試料測定時のプローブヘッドへの光およびプローブヘッドからの光を、２つのモードで導く別の例示である光感知システムを示す。 図６は、図５Ａおよび５Ｂのシステムの検出器で受ける光強度の波形を位相の関数として示し、検出した光強度は、基本周波数およびその高調波を持つ振動波形を表す。 図７は、光不均質性の画像を取得するための、図５Ｂに説明するシステムまたは図３のシステムの一例示動作を示す。 図８Ａは、単一モードの光を入力光として用いる光感知システムの光レイアウトの一例示設計、および電子コントローラを有するシステムの実施を示す。 図８Ｂは、単一モードの光を入力光として用いる光感知システムの光レイアウトの一例示設計、および電子コントローラを有するシステムの実施を示す。 図９は、光プローブヘッドが単一入力モードの光を受取り、その光の一部を異なるモードに変換するシステムの別の実施例を示す。 図１０Ａは、入力光が単一モードである、感知システムで用いるプローブヘッドの設計可能な２つの実施例を示す。 図１０Ｂは、入力光が単一モードである、感知システムで用いるプローブヘッドの設計可能な２つの実施例を示す。 図１１は、偏光保持光サーキュレータと２つの偏光ビームスプリッタとを含む光ディレクタの一実施を示す。 図１２は、外部制御信号を印加して差動遅延素子を制御し、出力の相対遅延を変えて変調する、本光感知システムで用いられる光差動遅延変調器の一実施例を示す。 図１２Ａは、図１２の光差動遅延変調器を実施するための２つの例示装置を示す。 図１２Ｂは、図１２の光差動遅延変調器を実施するための２つの例示装置を示す。 図１３Ａは、図１２Ｂに示す光差動遅延変調器の実施に好適な機械式可変遅延素子の２つの実施例を示す。 図１３Ｂは、図１２Ｂに示す光差動遅延変調器の実施に好適な機械式可変遅延素子の２つの実施例を示す。 図１４Ａは、図１２Ｂの遅延装置の実施例を、差動遅延変調器の一部または全体として示す。 図１４Ｂは、ミラーと可変光遅延線とが図１３Ａの機械式遅延装置によって実施される図１４Ａの設計に基づく遅延装置を示す。 図１５は、図５Ｂに示す装置の代替としての光感知システムを示す。 図１６は、入力導波路に同調式フィルタを挿入して、２つの異なるモードの入力光をフィルタ処理する図２の設計に基づくシステムを示す。 図１７は、入力導波路に同調式フィルタを挿入して、単一モードの入力光をフィルタ処理する図８Ａの設計に基づく別の例示システムを示す。 図１８は、図１６および１７の装置における同調式バンドパスフィルタの動作を示す。 図１９Ａは、ヒトの皮膚組織の例を示し、ここでは、本明細書で説明する光感知技法を用いて、表皮と皮下層との間の真皮層のグルコース（血糖）濃度を測定できる。 図１９Ｂは、波長範囲が１から２．５ミクロンの間にある血液中の優勢なグルコース吸収ピークの幾つかを示す。 図２０は、図３の検出サブシステムの一実施例を示し、２つの回折格子を用いて、偏光ビームスプリッタからの出力光ビーム中の異なるスペクトル成分を分離する。 図２１は、単一モードの光を光プローブヘッドへ導き、プローブヘッドからの出力光を同じ単一モードで導く光感知装置の実施例を示す。 図２２は、単一モードの光を光プローブヘッドへ導き、プローブヘッドからの出力光を同じ単一モードで導く光感知装置の実施例を示す。 図２３は、光プローブヘッドが光のモードを変更しない場合の、図２１および２２の装置の光プローブヘッドの設計の実施例を示す。

Claims (161)

1. 試料を光測定するための方法であって：
   第１伝搬モードの案内された光の一ビームを試料へ導き；
   前記第１伝搬モードの前記案内された光の第１部分を、前記第１部分が前記試料へ達する前に、前記試料に隣接する位置で前記試料から離れる方向に導く一方、前記第１伝搬モードの第２部分が前記試料へ到達可能とし；
   前記試料からの前記第２部分の反射光を、前記第１伝搬モードと異なる第２伝搬モードになるように制御して、反射第２部分を生成し；かつ、
   前記第１伝搬モードの反射第１部分および前記第２伝搬モードの前記反射第２部分の両方を、共通導波路を通じて検出モジュールへ導いて、前記反射第２部分から前記試料の情報を抽出するようにした方法。
2. 前記第１伝搬モードおよび前記第２伝搬モードは、互いに直交する２つの偏光モードである請求項１の方法。
3. 前記第１伝搬モードおよび前記第２伝搬モードは、直交する２つの直線偏光モードである請求項２の方法。
4. 更に、偏光回転器を用いて、前記反射第２部分を前記第２伝搬モードとするようにした請求項２の方法。
5. 更に、ファラデー回転子を用いて、前記反射第２部分を前記第２伝搬モードとするようにした請求項２の方法。
6. 更に、１／４波長プレートを用いて、前記反射第２部分を前記第２伝搬モードとするようにした請求項２の方法。
7. 更に、前記共通導波路を用いて、前記案内された光を前記試料に導くとともに、前記反射第１部分および前記反射第２部分を、前記試料から離れるように案内するようにした請求項１の方法。
8. 前記導波路は偏光保持導波路である請求項７の方法。
9. 前記導波路は偏光保持ファイバである請求項７の方法。
10. 更に、前記共通導波路とは異なる入力導波路を用いて、前記案内された光を前記試料へ導くようにした請求項１の方法。
11. 更に、前記反射第１部分と前記反射第２部分との間の相対位相遅延を調整するようにした請求項１の方法。
12. 更に、前記検出モジュール内で前記第１伝搬モードおよび前記第２伝搬モードのエネルギーを混合して、第１光信号および第２光信号を生成し：かつ、
    前記第１および第２光信号を検出して、前記試料の情報を抽出するようにした請求項１の方法。
13. 更に、前記第１光信号と前記第２光信号との差を用いて、前記試料の情報を抽出するようにした請求項１２の方法。
14. 更に、前記反射第１部分と前記反射第２部分との間の相対位相遅延をある変調周波数で変調し；かつ、
    前記変調周波数および前記変調周波数の高調波での前記差の振幅に関する情報を用いて、前記試料の情報を抽出するようにした請求項１３の方法。
15. 更に、前記第１光信号の異なる光スペクトル成分を分離し；
    前記第１光信号の前記異なる光スペクトル成分を測定し；
    前記第２光信号の異なる光スペクトル成分を分離し；
    前記第２光信号の前記異なる光スペクトル成分を測定し；かつ、
    前記異なる光スペクトル成分から選択したスペクトル成分での前記測定信号を用いて、前記試料のスペクトル応答を得るようにした請求項１２の方法。
16. 更に、光回折格子を用いて、前記第１光信号の前記異なる光スペクトル成分を光回折により分離するようにした請求項１５の方法。
17. 更に、前記試料への前記案内された光のスペクトル特性を制御して、前記試料の情報を得るようにした請求項１の方法。
18. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、前記試料への前記案内された光のスペクトル範囲の中心波長を選択して、前記スペクトル範囲内の前記試料のスペクトル応答を得るようにした請求項１の方法。
19. 更に、前記反射第１部分と前記反射第２部分との間の相対位相遅延を第１の値に調整して、前記試料中の第１層と関係付けられた第１信号を測定し；
    前記相対位相遅延を第２の異なる値に調整して、前記試料中の第２層と関係付けられた第２信号を測定し；かつ、
    前記第１信号と前記第２信号との間の比を得て、前記第１層と前記第２層との間に位置する、前記試料の層についての情報を抽出するようにした請求項１の方法。
20. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、前記試料への前記案内された光のスペクトル範囲の中心波長を選択して、前記スペクトル範囲内の前記第１層と前記第２層との間に位置する、前記試料の層のスペクトル応答を得るようにした請求項１９の方法。
21. 更に、前記比を用いて、皮膚組織の真皮層中のグルコース濃度を測定するようにした請求項１９の方法。
22. 更に、前記反射第１部分と前記反射第２部分との間の相対位相遅延をある値に調整して、前記反射第２部分の反射成分が、前記反射第１部分と位相で実質的に一致する層を選択し；
    前記値周辺の前記相対位相をある変調周波数で変調して測定値を得；かつ、
    前記測定値を処理して前記層の情報を得るようにした請求項１の方法。
23. 更に、光遅延装置を用いて前記相対位相遅延を生成するとともに調整し；かつ、
    光遅延変調器を用いて前記相対位相を変調するようにした請求項２２の方法。
24. 更に、前記第２部分と前記試料との間の相対横位置を調整して、前記試料上の異なる位置へ達するように前記第２部分を導いて、前記異なる位置での情報を得るようにした請求項１の方法。
25. 試料を光測定するための装置であって：
    第１伝搬モードの入力ビームを受取りかつ案内する導波路；
    前記導波路に結合されて前記入力ビームを受取り、前記入力ビームの第１部分を前記第１伝搬モードで前記導波路へ反射して返し、前記入力ビームの第２部分を試料へ導くプローブヘッドであって、前記試料から前記第２部分の反射を集光し、かつ前記第１伝搬モードとは異なる第２伝搬モードの反射第２部分として前記反射を前記導波路へ送り出すプローブヘッド；および、
    前記導波路の反射第１部分および前記反射第２部分を受取り、前記反射第２部分により搬送される、前記試料の情報を抽出する検出モジュールを備えた装置。
26. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の相対位相遅延を生成する光遅延装置；および、
    前記反射第１部分および第２部分の前記光路内に設けられて、前記相対位相を変調する光遅延変調器を更に備えた請求項２５の装置。
27. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の相対位相遅延を生成するとともに、前記相対位相を変調する光遅延変調器を更に備えた請求項２５の装置。
28. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の可変相対位相遅延を生成する可変光遅延ユニットを更に備え、
    前記可変光遅延ユニットが：
    前記第１伝搬モードの前記反射第１部分および前記第２伝搬モードの前記第２部分をそれぞれ、第１光路および第２光路へ分離するモード分割ユニット；および、
    前記第１光路および第２光路の一方に設けられて、光路長を調整する可変光遅延素子を備えた請求項２５の装置。
29. 前記可変光遅延素子が：
    遅延すべき入力光ビームを受取り、前記入力光ビームの一部を透過させるビームスプリッタ；
    前記ビームスプリッタからの透過光を受取り、前記透過光の光路長を変えるように回転する透明プレート；および、
    前記透明プレートを透過した光を反射させて前記透明プレートへ返し、前記透明プレートからの光を遅延出力として反射させる前記ビームスプリッタに到達させるミラーを備えた請求項２８の装置。
30. 前記可変光遅延素子が：
    遅延すべき入力光ビームを第１ポートで受取り、前記入力光ビームを第２ポートへ導く光サーキュレータ；
    前記光サーキュレータの前記第２ポートからの光を受取るとともに、回転して、通過する前記透過光の光路長を変える透明プレート；および、
    前記透明プレートを透過した光を反射させて前記透明プレートへ返し、前記第２ポートからの光を遅延出力として第３ポートへ導く前記光サーキュレータの前記第２光ポートに到達させるミラーを備えた請求項２８の装置。
31. 前記可変光路長素子は、ファイバと、前記ファイバに組み合わされて前記ファイバの長さを変えるファイバ伸張器とを備えた請求項２８の装置。
32. 前記可変光路長素子は、２つの光コリメータと、前記２つの光コリメータを接続する光路内に設けられた可動再帰反射器とを備えた請求項２８の装置。
33. 前記可変光路長素子は、２つの光コリメータと、前記２つの光コリメータを接続する光路内に設けられた光学プレートおよび反射器とを備え、前記光学プレートは回転して、光の光路長を変更する請求項２８の装置。
34. 前記反射第１部分と第２部分との間の可変相対位相遅延を生成する可変光遅延ユニットを、前記反射第１部分および第２部分の光路内に更に設け、前記可変光遅延ユニットが、少なくとも一つの同調複屈折材料および固定された複屈折材料を含む請求項２５の装置。
35. 前記同調複屈折材料は液晶を含む請求項３４の装置。
36. 前記同調複屈折材料は光電複屈折材料を含む請求項３４の装置。
37. 前記検出モジュールは光検出器を備えた請求項２５の装置。
38. 前記検出モジュールは、前記反射第１部分および第２部分を受取り、かつ混合して、前記光検出器への光出力を生成する光偏光器を更に備えた請求項３７の装置。
39. 前記光検出器からの出力を処理するとともに、前記出力を処理して前記試料の情報を抽出する電子ユニットを更に備えた請求項３８の装置。
40. 前記検出モジュールは：
    それぞれが前記第１および第２伝搬モードである前記反射第１部分および第２部分を受取り、かつ混合して、第１光信号および第２光信号を生成する光偏光ビームスプリッタ；
    前記第１光信号を受取る第１光検出器；
    前記第２光信号を受取る第２光検出器；および、
    前記第１および第２光検出器からの出力を受取り、かつ処理して、前記試料の情報を抽出する電子ユニットを備えた請求項２５の装置。
41. 前記第１および第２光検出器は、それぞれ第１および第２検出器アレイであり、
    前記装置は：
    前記第１光信号を受取り、かつ回折する第１回折格子；
    前記第１光信号の異なる回折成分を前記第１検出器アレイ上の異なる位置に収束させる第１レンズ；
    前記第２光信号を受取り、かつ回折する第２回折格子；および、
    前記第２光信号の異なる回折成分を前記第２検出器アレイ上の異なる位置に収束させる第２レンズを更に備えた請求項４０の装置。
42. 前記プローブヘッドは、前記試料からの反射を前記第２伝搬モードに設定する部分モード変換器を備えた請求項２５の装置。
43. 前記プローブヘッドは：
    前記入力ビームの前記反射第１部分を反射するとともに、前記試料への前記入力ビームの前記第２部分を透過させる部分反射器；および、
    前記部分反射器と前記試料との間に位置して、前記反射第２部分が前記第２伝搬モードになるように制御するに際に、前記反射第２部分の偏光を変える偏光回転器を備えた請求項２５の装置。
44. 前記プローブヘッドは：
    前記入力ビームの前記反射第１部分を反射するとともに、前記試料への前記入力ビームの前記第２部分を透過させる部分反射器；および、
    前記部分反射器と前記試料との間に位置して、前記反射第２部分が前記第２伝搬モードになるように制御するに際に、前記反射第２部分の偏光を変えるファラデー回転子を備えた請求項２５の装置。
45. 前記プローブヘッドは：
    前記入力ビームの前記反射第１部分を反射するとともに、前記試料への前記入力ビームの前記第２部分を透過させる部分反射器；および、
    前記部分反射器と前記試料との間に位置して、前記反射第２部分が前記第２伝搬モードになるように制御するに際に、前記反射第２部分の偏光を変える１／４波長プレートを備えた請求項２５の装置。
46. 前記導波路は偏光保持導波路である請求項２５の装置。
47. 前記導波路は偏光保持ファイバである請求項２５の装置。
48. 前記入力ビームを生成する光源；
    前記光源からの前記入力ビームを受取り、前記第１伝搬モードで前記入力ビームを案内する入力導波路；
    前記導波路から前記反射第１部分および第２部分を受取り、前記反射第１部分および第２部分を前記検出モジュールへ導く出力導波路；および、
    前記入力導波路と、前記導波路と、前記出力導波路とに結合され、前記入力導波路から来る光を前記導波路へ導き、前記導波路から来る光を前記出力導波路へ導くように動作可能な光ルータを更に備えた請求項２５の装置。
49. 前記光ルータは光サーキュレータである請求項４８の装置。
50. 前記光ルータは偏光保存光サーキュレータである請求項４８の装置。
51. 前記光ルータは：
    光サーキュレータ；
    前記導波路内に設けられて、前記第１伝搬モードの光を透過させ、かつ前記第２伝搬モードの光を反射する第１偏光ビームスプリッタ；
    前記出力導波路内に設けられて、前記第１伝搬モードの光を透過させ、かつ前記第２伝搬モードの光を反射する第２偏光ビームスプリッタ；および、
    前記第１と第２偏光ビームスプリッタとの間に結合されて、前記第１偏光ビームスプリッタにより反射された前記反射第２部分を、反射により前記反射第２部分を前記出力導波路に導く前記第２偏光ビームスプリッタへ導く、バイパス導波路を備えた請求項４８の装置。
52. 前記入力導波路と、前記導波路と、前記出力導波路とのうちの一つに配置されて、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項４８の装置。
53. 前記入力ビームをフィルタ処理して、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項２５の装置。
54. 前記反射第１部分および第２部分をフィルタ処理して、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項２５の装置。
55. 前記プローブヘッドと前記試料との間の横方向相対位置を変えて、前記第２部分を前記試料の異なる位置へ導くメカニズムを更に備えた請求項２５の装置。
56. 試料を光測定するための方法であって：
    第１伝搬モードの光を測定対象試料近傍へ導き；
    前記第１伝搬モードの光の第１部分を、前記試料に達しずに、前記試料近傍で前記試料から離れて伝搬するように導き；
    前記第１伝搬モードの光の第２部分を前記試料へ導いて、前記試料で反射させ；
    前記試料からの反射光が、前記第１伝搬モードから独立した第２伝搬モードになるように制御して、共通光路に沿って前記第１部分と共伝搬させ；かつ、
    前記第１伝搬モードの前記第１部分と、前記第２伝搬モードの前記反射光とを用いて、前記試料の情報を得るようにした方法。
57. 更に、少なくとも一つの光導波路を用いて光を案内するようにした請求項５６の方法。
58. 更に、少なくとも一つの光ファイバを用いて光を案内するようにした請求項５６の方法。
59. 前記第１および第２伝搬モードが偏光モードである請求項５６の方法。
60. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、前記光が前記試料近傍に達する前に前記光をフィルタ処理して、前記試料のスペクトル応答を選択して測定するようにした請求項５６の方法。
61. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、前記第１伝搬モードの前記第１部分と前記第２伝搬モードの前記反射光とをフィルタ処理して、前記試料のスペクトル応答を選択して測定するようにした請求項５６の方法。
62. 試料を光測定するための装置であって：
    ａ）光源：
    ｂ）少なくとも第１および第２の独立した伝搬モードをサポートするとともに、前記光源からの前記光放射を前記第１伝搬モードで検査対象試料近傍へ案内する導波路；
    ｃ）前記試料の近傍で前記導波路の終端を成すとともに、前記導波路の前記第１伝搬モードの一部の前記伝搬方向を逆にする一方、残りの前記光放射を前記試料に透過させるプローブヘッドであって、前記試料からの反射光を前記第２伝搬モードに変換するように動作可能なプローブヘッド；
    ｄ）前記プローブヘッドおよび前記導波路からの、前記第１および第２の伝搬モードの両方の前記光を透過させるとともに、前記第１と第２伝搬モードとの間の相対光路長を変える差動遅延変調器；
    ｅ）前記差動遅延変調器からの光を受取って、各モードの一部を一対の新規モードに変換することにより前記第１と第２伝搬モードとを重ね合わせるように動作可能なモードコンバイナ；
    ｆ）前記２つの新規モードの少なくとも一方の光を受取る少なくとも一つのフォト検出器；および、
    ｇ）前記フォト検出器と通信し、前記フォト検出器の出力から前記試料の情報を抽出するように動作可能な電子コントローラを備えた装置。
63. 前記電子コントローラが前記差動遅延変調器と通信し、それを制御するように動作する請求項６２の装置。
64. 前記電子コントローラが前記プローブヘッドと通信し、それを制御するように動作する請求項６２の装置。
65. 前記プローブヘッドへの光または前記プローブヘッドからの光をフィルタ処理して、前記試料のスペクトル応答を選択して測定するよう配置される同調式バンドパスフィルタを更に備えた請求項６２の装置。
66. 試料を光測定するための装置であって：
    少なくとも一つの伝搬モードを保持できる第１導波路；
    放射光を発して前記第１導波路の前記伝搬モードを励起する光源；
    第１ポートで前記第１導波路を終端と成し、前記第１ポートに入る前記光モードの少なくとも一部を、第２ポートを通過させ、前記第２ポートに入る前記光モードの少なくとも一部を、第３ポートを通過させる光ディレクタ；
    少なくとも２つの独立した伝搬モードをサポートし、前記第２ポートに結合される第１端部と第２端部とを有する第２導波路；
    前記第２導波路の前記第２端部に結合され、前記光の前記伝搬方向を一部逆にして前記第２導波路へ返し、残りを前記試料へ向けて透過させるように動作可能なプローブヘッドであって、前記試料反射から集光した光を、前記第２導波路がサポートする直交モードに変換し、前記直交モードの光を前記第２導波路へ導くように動作可能なプローブヘッド；
    少なくとも２つの独立した伝搬モードをサポートし、前記光ディレクタの前記第３ポートに接続されて、そこから光を受取る第３導波路；
    前記第３導波路に接続されて、前記第２導波路から光を受取って、一方のモードに、他方を基準とした可変位相遅延および可変光路長を与える差動遅延変調器；
    少なくとも２つの独立したモードをサポートし、前記差動遅延変調器に結合して、そこから光を受取る第４導波路；および、
    前記第４導波路から光を受取り、前記第４導波路からの前記２つの伝搬モードを重ね合わせて、互いに直交する２つの新規モードを形成するように配置される検出サブシステムを備え、
    前記検出サブシステムが、前記新規モードの光をそれぞれ受取る２個のフォト検出器を備えた装置。
67. 前記第１、第２、第３および第４導波路は、直交する２つの偏光モードをサポートする偏光保持光ファイバである請求項６６の装置。
68. 前記プローブヘッドは、有限の反射率を持つように偏光保持ファイバの未コーティングまたはコーティングした終端と、レンズと、直列に編成された１／４波長プレートまたはファラデー回転子とを備えた請求項６６の装置。
69. 前記差動遅延変調器は、少なくとも一つの同調可能な複屈折材料の断片と、少なくとも一つの固定された複屈折材料の断片とを備えた請求項６６の装置。
70. 前記同調可能な複屈折材料が液晶材料を含む請求項６９の装置。
71. 前記同調可能な複屈折材料がニオブ酸リチウム結晶を含む請求項６９の装置。
72. 前記固定された複屈折材料が水晶またはルチルを含む請求項６９の装置。
73. 前記差動遅延変調器は、受取った光をモードにより分離し、一方のモードを、固定光路を通じて導き、他方のモードを、可変光路長装置を通じて導く手段を備えた請求項６６の装置。
74. 前記可変光路長装置が：
    遅延すべき光ビームを受取り、前記光ビームの一部を透過させるビームスプリッタ；
    前記ビームスプリッタからの透過光を受取り、前記透過光の光路長を変えるように回転する透明プレート；および、
    前記透明プレートを透過した光を反射させて前記透明プレートへ返し、遅延出力として前記透明プレートから来る光を反射させる前記ビームスプリッタへ到達させるミラーを備えた請求項７３の装置。
75. 前記可変光路長装置は：
    第１ポートで遅延されるように入力光ビームを受取り、前記入力光ビームを第２ポートへ導く光サーキュレータ；
    前記光サーキュレータの前記第２ポートからの光を受取るとともに、回転して、透過する前記光の光路長を変える透明プレート；および、
    前記透明プレートを透過する光を前記透明プレートへ返すように反射させて、前記第２ポートからの光を遅延出力として第３ポートへ導く前記光サーキュレータの前記第２光ポートへ到達させるミラーを備えた請求項７３の装置。
76. 前記可変光路長装置は、偏光保持光ファイバの圧電式伸張器を備えた請求項７３の装置。
77. 一方のコリメータからの平行光が、再帰反射器への行程および前記再帰反射器からの行程を通じて他方によって集光されるように、前記可変光路長装置は、機械的に可動な前記再帰反射器に共に面する前記２つのコリメータを備えた請求項７３の装置。
78. 前記可変光路長装置は、回転光学プレートを２回通過し、反射器で反射することにより光学的にリンクされる２つのコリメータを備えた請求項７３の装置。
79. 前記光ディレクタは、前記第１導波路がサポートするモードを、前記第２導波路がサポートする前記モードの一方に搬送し、前記第２導波路がサポートする前記独立モードを、前記第３導波路がサポートする前記対応する独立モードに搬送する偏光保存サーキュレータである請求項６６の装置。
80. 前記光ディレクタは：
    ａ）第１ポートに入る偏光モードを、偏光状態の変化を生じずに第２ポートへ搬送するとともに、前記第２ポートに入る前記偏光モードを、偏光状態の変化を生じずに第３ポートへ搬送する偏光保持サーキュレータ；
    ｂ）前記偏光保持サーキュレータの前記第２ポートに接続され、偏光状態により前記光を２つの異なる光路に分離する第１偏光ビームスプリッタ；および、
    ｃ）前記偏光保持サーキュレータの前記第３ポートに接続され、偏光状態により前記光を２つの異なる光路に分離する第２偏光ビームスプリッタを備えた請求項６６の装置。
81. 前記光ディレクタは偏光に無感応なビームスプリッタである請求項６６の装置。
82. 前記検出サブシステムは、各分割放射光が、前記第４導波路内の前記２つの独立伝搬モードの重ね合わせとなり、かつフォト検出器により受取られるように配向される偏光ビームスプリッタを備えた請求項６６の装置。
83. 前記第１、第２、第３および第４導波路のうちの一つに、光をフィルタ処理する同調式バンドパスフィルタを更に備えた請求項６６の装置。
84. 第１光モードで光放射を案内する光導波路；
    前記光放射を受取る前記光導波路に結合される光プローブヘッドであって、（１）前記光放射の一部を方向変換させて前記光導波路へ返す一方、前記残りの放射光を試料に透過させ、（２）前記試料からの前記反射または後方散乱した放射光を受取り、前記導波路へ導き、そして（３）前記試料からの前記反射または後方散乱した光を前記第１光モードとは異なる第２光モードになるように制御する光プローブヘッド；および、
    前記プローブヘッドにより方向転換された前記放射光を、前記導波路を通じて受取り、前記第１および第２光モードの光放射の少なくとも一部を共通光モードへ変換する光検出モジュールを備えた装置。
85. 前記光導波路は光ファイバを備えた請求項８４の装置。
86. 前記光導波路は偏光保持ファイバを備えた請求項８４の装置。
87. 前記光プローブヘッドと前記光検出モジュールとの間の光路内に差動遅延装置を更に備えて、前記２つの伝搬モードの前記相対光路長を変調する請求項８４の装置。
88. 試料を光測定するための装置であって：
    第１および第２の異なる伝搬モードをサポートして前記第１伝搬モードの入力ビームを受取り、案内する入力導波路；
    前記第１および第２の異なる伝搬モードをサポートする出力導波路；
    前記入力導波路に結合されて前記入力ビームを受取るとともに、前記出力導波路に結合されて光を送り出すプローブヘッドであって、前記第１伝搬モードの前記入力ビームの第１部分を前記出力導波路へ導き、前記入力ビームの第２部分を試料へ導くように動作可能であり、かつ前記試料からの前記第２部分の反射を集光し、前記反射を前記第２伝搬モードの反射第２部分として前記出力導波路へ送り出すプローブヘッド；および、
    前記出力導波路の反射第１部分および前記反射第２部分を受取り、前記反射第２部分が搬送する前記試料の情報を抽出する検出モジュールを備えた装置。
89. 前記入力および出力導波路が偏光保持ファイバである請求項８８の装置。
90. 前記検出モジュールが受取る前記光をフィルタ処理するように配置される同調式バンドパスフィルタを更に備えた請求項８８の装置。
91. 第１伝搬モードおよび第２の異なる伝搬モードの両方の光放射を、光導波路を通じて試料に向けて案内し；
    前記第１伝搬モードの放射光を、前記試料へ達しずに前記試料から離れる方向へ導き；
    前記第２伝搬モードの放射光を、前記試料と相互作用するように導いて、前記相互作用による戻り放射光を生成し；
    前記第２伝搬モードの前記戻り放射光および前記第１伝搬モードの前記放射光の両方を前記試料から離れた前記光導波路に入れて結合し；かつ、
    前記第２伝搬モードの前記戻り放射光および前記光導波路からの前記第１伝搬モードの前記放射光を用いて、前記試料の情報を抽出するようにした方法。
92. 前記第１伝搬モードおよび前記第２伝搬モードは、互いに直交する２つの偏光モードである請求項９１の方法。
93. 前記第１伝搬モードおよび前記第２伝搬モードは、直交する２つの直線偏光モードである請求項９２の方法。
94. 前記導波路は偏光保持ファイバである請求項９１の方法。
95. 更に、前記試料から離れる方向で前記光導波路中に導かれた、前記第１伝搬モードの前記放射光と、前記第２伝搬モードの前記放射光との間の相対位相遅延を調整して、前記試料の層を選択して測定するようにした請求項９１の方法。
96. 更に、前記試料を測定する際に、前記相対位相遅延をある変調周波数で変調するようにした請求項９５の方法。
97. 更に、前記相対位相遅延を第１の値に調整して、前記試料内の第１層と関係付けられる第１信号を測定し；
    前記相対位相遅延を、第２の異なる値に調整して、前記試料中の第２層と関係付けられる第２信号を測定し；かつ
    前記第１信号と前記第２信号との間の比を得て、前記第１層と前記第２層との間に位置する前記試料の層に関する情報を抽出するようにした請求項９５の方法。
98. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、前記放射光をフィルタ処理し、前記第１層と前記第２層との間に位置する前記試料の層のスペクトル応答を得るようにした請求項９７の方法。
99. 更に、前記試料として皮膚組織を用いる場合に、前記比を用いて皮膚組織の真皮層のグルコース濃度を測定するようにした請求項９７の方法。
100. 更に、前記第１および前記第２伝搬モードの前記放射光のスペクトル特性を制御して、前記試料のスペクトル情報を得るようにした請求項９１の方法。
101. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて前記試料への前記放射光のスペクトル範囲の中心波長を選択し、前記スペクトル範囲での前記試料のスペクトル応答を得るようにした請求項９１の方法。
102. 更に、同調式光バンドパスフィルタを用いて、前記試料から離れた前記導波路を通じて導かれる前記放射光のスペクトル範囲の中心波長を選択し、前記スペクトル範囲での前記試料のスペクトル応答を得るようにした請求項９１の方法。
103. 更に、前記第１伝搬モードおよび前記第２伝搬モードのエネルギーを混合して、第１光信号および第２光信号を生成し；かつ、
     前記第１光信号および第２光信号を検出して前記試料の前記情報を抽出するようにした請求項９１の方法。
104. 更に、前記第１光信号と前記第２光信号との間の差を用いて、前記試料の情報を抽出するようにした請求項１０３の方法。
105. 更に、前記第１伝搬モードの前記放射光と、前記光導波路内を前記試料から離れる方向に導かれる前記第２伝搬モードの前記放射光との間の相対位相遅延をある変調周波数で変調し；かつ、
     前記変調周波数および前記変調周波数の高調波における前記差の振幅の情報を用いて、前記試料の情報を抽出するようにした請求項１０４の方法。
106. 更に、前記第１光信号の様々な光スペクトル成分を分離し；
     前記第１光信号の前記様々な光スペクトル成分を測定し；
     前記第２光信号の様々な光スペクトル成分を分離し；
     前記第２光信号の前記様々な光スペクトル成分を測定し；かつ、
     測定信号を用いて、前記様々な光スペクトル成分から選択されるスペクトル成分での前記試料のスペクトル応答を得るようにした請求項１０３の方法。
107. 更に、光回折格子を用いて、前記第１光信号の前記様々な光スペクトル成分を光回折により分離するようにした請求項１０６の方法。
108. 更に、前記第１伝搬モードの前記放射光と、前記光導波路内を前記試料から離れる方向へ導かれる前記第２伝搬モードの前記放射光との間の相対位相遅延をある値に調整して、前記第２伝搬モードの前記戻り放射光の反射成分が、前記第１伝搬モードの前記放射光と位相でほぼ一致する層を選択し；
     前記値周辺の前記相対位相をある変調周波数で変調して測定値を得；かつ、
     前記測定値を処理して前記層の情報を得るようにした請求項９１の方法。
109. 更に、光遅延装置を用いて前記相対位相遅延を生成するとともに調整し；かつ、
     光遅延変調器を用い、前記相対位相を変調するようにした請求項１０８の方法。
110. 更に、前記第２伝搬モードの前記放射光と前記資料との間の相対横方向位置を調整して、前記放射光を、前記資料上の異なる位置に達するように導き、前記異なる位置での情報を得るようにした請求項９１の方法。
111. 更に、前記第１および前記第２伝搬モードの前記光放射を少なくとも一部、一対の新規伝搬モードに変換し；かつ、
     一対の前記新規伝搬モードの前記光強度を検出して、前記試料についての情報を抽出するようにした請求項９１の方法。
112. 前記第１および前記第２伝搬モードは、直交する２つの直線偏光モードであり、
     前記方法は：更に、
     偏光器を用いて前記第１および第２伝搬モードを部分的に混合し、新規直線偏光モードの光信号を生成し；かつ、
     前記光信号を検出して前記試料の情報を得るようにした請求項９１の方法。
113. 試料を光測定するための装置であって：
     第１伝搬モードおよび第２の異なる伝搬モードをサポートして、前記第１伝搬モードおよび第２伝搬モードの両方の入力ビームを受取り、案内する導波路；
     前記導波路に結合されて前記入力ビームを受取り、前記第１伝搬モードの前記入力ビームの第１部分を反射して前記第１伝搬モードで前記導波路へ返し、前記第２伝搬モードで前記入力ビームの第２部分を試料へ導くプローブヘッドであって、前記試料からの前記第２部分の反射を集光し、前記第２伝搬モードの反射第２部分として前記反射を前記導波路へ送り出すプローブヘッド；および、
     前記導波路内の反射第１部分および前記反射第２部分を受取り、前記反射第２部分が搬送する前記試料の情報を抽出する検出モジュールを備えた装置。
114. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間に相対位相遅延を生成する光遅延装置；および、
     前記反射第１部分および第２部分の前記光路内に設けられて、前記相対位相を変調する光遅延変調器を更に備えた請求項１１３の装置。
115. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間に相対位相遅延を生成し、かつ前記相対位相を変調する光遅延変調器を更に備えた請求項１１３の装置。
116. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の可変相対位相遅延を生成する可変光遅延ユニットを更に備え、
     前記可変光遅延ユニットは：
     前記第１伝搬モードの前記反射第１部分および前記第２伝搬モードの前記第２部分をそれぞれ、第１光路および第２光路に分離するモード分割ユニット；および、
     前記第１光路および第２光路の一方に設けられて光路長を調整する可変光遅延素子を備えた請求項１１３の装置。
117. 前記可変光遅延素子は：
     遅延すべき入力光ビームを受取り、前記入力光ビームの一部を透過させるビームスプリッタ；
     前記ビームスプリッタからの透過光を受取り、回転して前記透過光の光路長を変える透明プレート；および、
     前記透明プレートを透過した光を前記透明プレートに反射させて返し、前記透明プレートからの光を遅延出力として反射する前記ビームスプリッタに到達させるミラーを備えた請求項１１６の装置。
118. 前記可変光遅延素子は：
     遅延すべき入力光ビームを第１ポートで受取り、前記入力光ビームを第２ポートへ導くための光サーキュレータ；
     前記光サーキュレータの前記第２ポートからの光を受取る透明プレートであって、回転して、同透明プレートを通る前記透過光の光路長を変える透明プレートは；および、
     前記透明プレートを透過した光を前記透明プレートに反射させて返し、前記第２ポートからの光を遅延出力として第３ポートへ導く前記光サーキュレータの前記第２光ポートへ到達させるミラーを備えた請求項１１６の装置。
119. 前記可変光路長素子は、ファイバと、前記ファイバの長さを変える、前記ファイバに組み合わされるファイバ伸張器とを備えた請求項１１６の装置。
120. 前記可変光路長素子は、２つの光コリメータと、前記２つの光コリメータを接続する光路内に設けられた可動再帰反射器とを備えた請求項１１６の装置。
121. 前記可変光路長素子は、２つの光コリメータ、ならびに、前記２つの光コリメータをリンクする光路内に設けられた光学プレートおよび反射器を備え、前記光学プレートは回転して光の光路長を変える請求項１１６の装置。
122. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の可変相対位相遅延を生成する可変光遅延ユニットを更に備え、前記可変光遅延ユニットは、少なくとも一つの同調可能な複屈折材料および少なくとも一つの固定された複屈折材料を備えた請求項１１３の装置。
123. 前記同調可能な複屈折材料は液晶を含む請求項１２２の装置。
124. 前記同調可能な複屈折材料が光電複屈折材料を含む請求項１２２の装置。
125. 前記検出モジュールが光検出器を備えた請求項１１３の装置。
126. 前記検出モジュールは、前記反射第１部分および第２部分を受取り、混合して、前記光検出器への光出力を生成する光偏光器を更に備えた請求項１２５の装置。
127. 前記光検出器からの出力を処理するとともに、前記出力を処理して前記試料の情報を抽出する電子ユニットを更に備えた請求項１２６の装置。
128. 前記検出モジュールは：
     それぞれ前記第１および第２伝搬モードである前記反射第１部分および第２部分を受取り、混合して、第１光信号および第２光信号を生成する光偏光ビームスプリッタ；
     前記第１光信号を受取る第１光検出器；
     前記第２光信号を受取る第２光検出器；および、
     前記第１および第２光検出器からの出力を受取り、処理して、前記試料の情報を抽出する電子ユニットを備えた請求項１１３の装置。
129. 前記第１および第２光検出器は、それぞれ第１および第２検出器アレイであり、
     前記装置は：
     前記第１光信号を受取り、回折する第１回折格子；
     前記第１光信号の異なる回折成分を前記第１検出器アレイ上の異なる位置に収束する第１レンズ；
     前記第２光信号を受取り、回折する第２回折格子；および、
     前記第２光信号の異なる回折成分を前記第２検出器アレイ上の異なる位置に収束する第２レンズを更に備えた請求項１２８の装置。
130. 前記プローブヘッドは、
     前記第１伝搬モードの前記入力ビームの前記第１部分を選択して反射させ、前記第２伝搬モードの前記入力ビームの前記第２部分を選択して前記試料に透過させる、モード選択反射器を備えた請求項１１３の装置。
131. 前記第１および第２伝搬モードは、直交する直線偏光モードであり、
     前記モード選択反射器は：
     前記第２伝搬モードの光を前記試料に透過させ、前記第１伝搬モードの光を反射させる偏光ビームスプリッタ；および、
     前記第１伝搬モードの前記光を前記偏光ビームスプリッタに反射して返すように配置される反射器を備えた請求項１３０の装置。
132. 前記プローブヘッドは、前記導波路と前記モード選択反射器との間にレンズ系を更に備えた請求項１３０の装置。
133. 前記導波路は偏光保持導波路である請求項１１３の装置。
134. 前記導波路は偏光保持ファイバである請求項２３の装置。
135. 前記入力ビームを生成する光源；
     前記光源から前記入力ビームを受取り、前記入力ビームを案内する入力導波路；
     前記導波路から前記反射第１部分および第２部分を受取り、前記反射第１部分および第２部分を前記検出モジュールへ導く出力導波路；および、
     前記入力導波路と、前記導波路と、前記出力導波路とに結合され、前記入力導波路から来る光を前記導波路へ導き、前記導波路から来る光を前記出力導波路へ導くよう動作可能な光ルータを更に備えた請求項１１３の装置。
136. 前記光ルータが光サーキュレータである請求項１３５の装置。
137. 前記光ルータが偏光保存光サーキュレータである請求項１３５の装置。
138. 前記入力導波路と、前記導波路と、前記出力導波路とのうちの一つに配置され、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項１３５の装置。
139. 前記入力ビームをフィルタ処理し、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項１１３の装置。
140. 前記反射第１部分および第２部分をフィルタ処理し、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項１１３の装置。
141. 前記プローブヘッドと前記試料との間の横方向相対位置を変えて、前記第２部分を前記試料の異なる位置へ導くメカニズムを更に備えた請求項１１３の装置。
142. 試料を光測定するための装置であって：
     第１伝搬モードおよび第２の異なる伝搬モードをサポートし、前記第１および第２伝搬モードの両方の入力ビームを受取り、案内する入力導波路；
     前記第１および第２伝搬モードをサポートする出力導波路；
     前記入力ビームを受取るように前記入力導波路に結合されるとともに、前記出力導波路に結合されるプローブヘッドであって、前記第１伝搬モードの前記入力ビームの第１部分を、前記第１伝搬モードで前記出力導波路へ導き、前記第２伝搬モードの前記入力ビームの第２部分を試料へ導くように動作可能であり、前記試料からの前記第２部分の反射を集光し、前記反射を前記第２伝搬モードの反射第２部分として前記出力導波路へ送り出すプローブヘッド；および、
     前記出力導波路の反射第１部分および前記反射第２部分を受取り、前記反射第２部分が搬送する前記試料の情報を抽出する検出モジュールを備えた装置。
143. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の相対位相遅延を生成する光遅延装置；および、
     前記反射第１部分および第２部分の前記光路内に設けられて、前記相対位相を変調する光遅延変調器を更に備えた請求項１４２の装置。
144. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の相対位相遅延を生成するとともに、前記相対位相を変調する光遅延変調器を更に備えた請求項１４２の装置。
145. 前記反射第１部分および第２部分の光路内に設けられて、前記反射第１部分と第２部分との間の可変相対位相遅延を生成する可変光遅延ユニットを更に備え、
     前記可変光遅延ユニットは：
     前記第１伝搬モードの前記反射第１部分と前記第２伝搬モードの前記第２部分とをそれぞれ、第１光路と第２光路とに分離するモード分割ユニット；および、
     前記第１光路および第２光路の一方に設けられて、光路長を調整する可変光遅延素子を更に備えた請求項１４２の装置。
146. 前記検出モジュールは：
     それぞれ前記第１および第２伝搬モードである前記反射第１部分および第２部分を受取り、混合して、第１光信号および第２光信号を生成する光偏光ビームスプリッタ；
     前記第１光信号を受取る第１光検出器；
     前記第２光信号を受取る第２光検出器；および、
     前記第１および第２光検出器からの出力を受取り、処理して、前記試料の情報を抽出する電子ユニットを備えた請求項１４２の装置。
147. 前記第１および第２光検出器がそれぞれ、第１および第２検出器アレイであり、
     前記装置は：
     前記第１光信号を受取り、回折する第１回折格子；
     前記第１光信号の異なる回折成分を前記第１検出器アレイ上の異なる位置に収束する第１レンズ；
     前記第２光信号を受取り、回折する第２回折格子；および、
     前記第２光信号の異なる回折成分を前記第２検出器アレイ上の異なる位置に収束する第２レンズを更に備えた請求項１４６の装置。
148. 前記プローブヘッドは、前記第１伝搬モードの前記入力ビームの前記第１部分を選択して反射させ、前記第２伝搬モードの前記入力ビームの前記第２部分を選択して前記試料に透過させるモード選択反射器を備えた請求項１４２の装置。
149. 前記第１および第２伝搬モードは、直交する直線偏光モードであり、
     前記モード選択反射器は：
     前記第２伝搬モードの光を前記試料へ向けて透過させ、前記第１伝搬モードの光を反射させる偏光ビームスプリッタ；および、
     前記第１伝搬モードの前記光を前記偏光ビームスプリッタへ反射して返すように配置される反射器を備えた請求項１４８の装置。
150. 前記プローブヘッドは、前記導波路と前記モード選択反射器との間にレンズ系を更に備えた請求項１４８の装置。
151. 前記導波路は偏光保持導波路である請求項１４２の装置。
152. 前記導波路は偏光保持ファイバである請求項１４２の装置。
153. 前記入力導波路および前記出力導波路の一方に設けられて、前記試料のスペクトル応答の一部を選択して測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項１４２の装置。
154. 前記プローブヘッドと前記試料との間の横方向相対位置を変化させて、前記第２部分を前記試料の異なる位置へ導くメカニズムを更に備えた請求項１４２の装置。
155. 試料を光測定する装置であって：
     少なくとも光の入力伝搬モードをサポートして、前記入力伝搬モードの入力ビームを受取り、案内する入力導波路；
     前記入力ビームを受取って、前記入力ビームの第１部分を反射させて前記入力伝搬モードで前記導波路へ返すとともに、前記入力ビームの第２部分を前記入力伝搬モードで試料へ導くように前記導波路に結合されるプローブヘッドであって、前記試料からの前記第２部分の反射を集光し、前記反射を前記入力伝搬モードの反射第２部分として前記導波路へ送り出すプローブヘッド；および、
     前記導波路から前記入力伝搬モードで反射第１部分および前記反射第２部分を受取り、前記反射第２部分が搬送する前記試料の情報を抽出する検出モジュールを備えた装置。
156. 前記検出モジュールは：
     受取った光を第１ビームおよび第２ビームに分割するビームスプリッタ；
     前記第１ビームを受取る第１光路；
     前記第２ビームを受取る第２光路；
     前記第１光路および前記第２光路に光結合して、前記第１および第２ビームを結合し、前記結合されたビームを、第１伝搬モードの第１出力ビームと第２伝搬モードの第２出力ビームとに分割するビームコンバイナ；
     前記第１出力ビームを受取る第１光検出器；および、
     前記第２出力ビームを受取る第２検出器を備えた請求項１５５の装置。
157. 前記検出モジュールは、前記第２光路に設けられて、前記ビームコンバイナでの前記第１ビームと前記第２ビームとの間の相対遅延を調整する可変光遅延素子を備えた請求項１５６の装置。
158. 前記ビームコンバイナは偏光ビームスプリッタであり、前記第１および第２伝搬モードは直交する２つの偏光モードである請求項１５６の装置。
159. 前記光プローブヘッドは、前記入力ビームの第１部分を反射して前記導波路へ返す光部分反射器を備えた請求項１５５の装置。
160. 光の光路内に設けられて、前記第１および第２出力ビームの周波数を同調して、前記フィルタのスペクトルバンド幅で前記試料を測定するための同調式光フィルタを更に備えた請求項１５５の装置。
161. 前記光プローブヘッドと前記試料との間の相対横方向位置を調整するように結合されて、前記第２部分を前記試料上の異なる位置に達するように導いて、前記異なる位置で前記試料の情報を得る位置決めメカニズムを更に備えた請求項１５５の装置。
     

Images