JP2007171177A - 光による光子エネルギ情報の伝送 - Google Patents

Abstract

【課題】高い絶対波長分解能、高い相対波長分解能且つ高い対波長感度での高速検知を小型で安価な装置で実行可能にする。
【解決手段】光センサたる刺激波長コンバータ１２は、ある光子エネルギレンジ内で、刺激２０例えば広波長域光照明の内容に応じた光子エネルギピーク値を有する光２４即ち狭波長域光を出射する。伝搬部材３０は、コンバータ１０の出射光２４を拡散光３２に変換して光検知アセンブリ３４内の透過構造４０へと伝搬する。その光子エネルギ透過特性に横変性がある多層の構造４０は、その入射面にて受光した光３２の光子エネルギλａ，λｂに応じ異なる領域４２，４４から光子４６，４８を放出する。光子検知部材５０の位置５２，５４における光子放出量検知結果同士の比較により光子量差分や構造４０における光子放出位置を検知し、光２４の波長変化や光子エネルギ分布を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、光による光子エネルギ情報の伝送に関する。

非特許文献１には、しばしばファイバ型光センサと称されるセンサが記載されている。

米国特許第５１６６７５５号明細書 米国特許出願公開第２００３／００７７６６０号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２２３８８１号明細書 Peter Fuhr, "Measuring with Light", Sensors Magazine Online, May 1, 2000, [online] Internet URL: http://www.sensorsmag.com/articles/0500/26/ A. Othonos and K. Kalli, "Fiber-Bragg Gratings - Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing", Artech House Publishers, Norwood MA, 1999, pp.304-330 B. T. Cunningham, P. Li, S. Schulz, B. Lin, C. Baird, J. Gerstenmaier, C. Genick, F. Wang, E. Fine and L. Laing, "Label-Free Assays on the BIND System", Journal of Biomolecular Screening, Vol. 9, No. 6, 2004, pp. 481-490

ここに、上記文献に記載の如き刺激波長コンバータ(stimulus-wavelength converter)には、光子エネルギ情報（光子のエネルギ例えば波長乃至周波数についての情報）の読出に関連する複数の問題がある。第１に、高い相対波長分解能での検知を高速で行うことが難しく、仮にそうした検知を行うとしたら大型で高価な装置とする必要がある。第２に、高い絶対波長分解能での検知も難しい。第３に、入射光強度に対する感度はともかく波長に対する感度をさほど高められない。

従って、光情報伝送構造の改良が望まれているといえよう。

ここに、本発明の一実施形態に係る検知システムは、（１）広波長域光照明に応じ狭波長域光を出射する光センサと、（２）その光透過特性に横変性がある層を少なくとも一層有し上記光センサの出射光をその層を介して受光する検知器と、を備え、（３）上記検知器が、上記出射光が上記層を透過した位置に基づき当該出射光における波長変化を判別するシステムである。

本発明の一実施形態に係る装置は、（１）あるレンジ内の光子エネルギを有する光を出射する刺激波長コンバータと、（２）その光子エネルギ透過特性に横変性がある多層の透過構造と、（３）上記刺激波長コンバータからの出射光を上記透過構造の入射面へと伝搬する伝搬部材と、を備え、（４）上記刺激波長コンバータが、第１内容の刺激が与えられたときには上記レンジ内の第１ピーク値近傍の光子エネルギを有する第１の光を、また第２内容の刺激が与えられたときには当該レンジ内の第２ピーク値近傍の光子エネルギを有する第２の光を、それぞれ出射するよう構成されており、（５）上記透過構造が、その入射面にて上記第１の光を受光したときにはその出射面上の第１位置から、またその入射面にて上記第２の光を受光したときにはその出射面上の第２位置から、それぞれ光子を放出するよう構成されており、（６）上記刺激波長コンバータに与えられる刺激の内容が第１内容から第２内容へ又はその逆へと変化したとき、その変化に応じて上記第１位置における光子放出量と上記第２位置における光子放出量の相対的関係が変化する装置である。

そして、本発明の他の実施形態に係る装置は、（１）その光子エネルギ透過特性に横変性があり、あるレンジに亘りその光子エネルギが分布する光をその入射面にて受光したときその出射面上の複数の位置で光子を放出する多層の透過構造と、（２）上記出射面上の各位置における光子放出量を検知するフォトセンサ部材と、（３）同一の光子エネルギ分布についての複数通りの光子放出量検知結果が与えられたときそれらを相互比較することにより少なくとも一種類の光子量差分を求める回路と、を備える。

図１及び図２に、刺激波長コンバータ１２及び読出部材１４を備える刺激波長変換装置１０を示す。

刺激波長変換装置１０中の刺激波長コンバータ１２が刺激２０を受けると、当該コンバータ１２にてその刺激２０に対する反応即ち刺激２０との相互作用２２が生じ、その結果として光２４が出射される。図中、刺激２０は矢印線により、また相互作用２２は丸印により、それぞれ模式的に示されている。コンバータ１２に対する刺激２０の種類は様々であり、例えば検体が存在していることが刺激２０となることもあるし、検体が存在していないことが刺激２０となることもあるし、その他の物理条件・物理現象が刺激２０となることもある。何れにせよ、こうして生じる出射光２４は、どのような刺激２０がどのように与えられたかを示す光子エネルギ情報、例えば波長情報を伴っている。コンバータ１２に加わる刺激２０が変動すると、その変動に応じて光子エネルギの変動、例えば出射光波長偏倚が生じる。

刺激波長コンバータ１２の仕組み、即ち刺激２０によって光２４中の光子のエネルギが変化する仕組みは種々あり得る。例えばコンバータ１２がＦＢＧ（ファイバ型ブラッグ格子）やフォトニック結晶センサを有している場合、その反射面乃至反射点にて広帯域入射光の一部を反射させることにより光２４を出射する仕組みとすることができる。また、コンバータ１２がレーザ（空胴）共振子を有している場合、その内部で発生させた光２４を出射する仕組みとすることができる。或いは、コンバータ１２内で蛍光を発生させそれを出射光２４とする仕組みでもよく、広帯域入射光をファブリペロー構造又はこれに類する構造に通して出射光２４を発生させる仕組みでもよい。何れの仕組みを採る場合でも、コンバータ１２の出射光２４に含まれる光子のエネルギは、刺激２０の影響を受けることとなる。

読出部材１４内の伝搬部材３０は、コンバータ１２から出射される光２４を受光し、その光２４を光３２に変換して他の部材へと伝搬させる。その際、部材３０の入射面と出射面の間では、入射してきた光２４に対して種々の処置、例えば伝送、導波、平行化、結像、合焦、拡散等の処置又はその任意の組合せが施され、それによって光３２が形成される。例えば、図示の例では、部材３０の内部でコンバータ１２からの光を拡散させ、拡散した光３２を部材３０から出射している。部材３０による光２４の「拡散」とは、部材３０への入射光２４の強度分布に比べ部材３０からの出射光３２の強度分布の方が広くなるような処置を、常時、また少なくとも沿面の１方向について、入射光２４に施すことをいう。また、部材３０の入射面にてコンバータ１２から受光した光２４を部材３０の出射面まで伝送し、伝送した光３２を他の部材からなるアセンブリへと供給することができるよう、部材３０内に１本又は複数本の光ファイバを組み込んでおくとよい。

読出部材１４内の光検知アセンブリ３４は、伝搬部材３０の出射光２４を受光したとき電気信号を出力する。出力される電気信号は刺激２０についての情報を伴っている。また、アセンブリ３４は、図示の如く透過構造４０及び光子検知部材５０を備えている。

透過構造４０は光子を透過させる構造、特に当該構造４０上での横方向位置により透過可能な光子エネルギが異なる（これを「横変性のある」又は「横変している」と称する）構造、即ち横変透過構造である。例えば図中の構造４０内領域のうち領域４２と領域４４とでは透過できる光子エネルギが異なり、領域４２を透過できるのは波長λａを中心としたサブレンジに属する光子エネルギを有する光子、領域４４を透過できるのは波長λｂを中心としたサブレンジに属する光子エネルギを有する光子である。また、構造４０を透過した光は光子検知部材５０に入射する。部材５０における入射位置は構造４０における透過位置に応じて定まる（そうなるよう構造４０及び部材５０を配置する）。例えば構造４０の領域４２を透過した光４６は部材５０上の位置５２に入射し、領域４４を透過した光４８は位置５４に入射する。従って、与えられた刺激２０の違いで生じる波長（光子エネルギ）の違い例えば波長λａと波長λｂの違いを、部材５０における検知位置の違い例えば位置５２と位置５４の違いとして、検知することができる。

ここに、仮に刺激波長コンバータ１２の出射光２４を拡散させず細い光のままで透過構造４０の入射面に供給する構成を採ったとしたら、光２４のうち光検知部材５０上に達するのは、構造４０のうちの光２４が入射したある狭い領域を透過できる波長だけとなり、従って部材５０上のある小さな領域だけで光子の検知が行われることとなろう。図示の構成であれば部材５０上の各所で検知できる筈の光子、従ってそれらの光子が有している筈の波長情報は、そうした拡散無しの構成では悉く失われてしまう。従って、光２４の成分波長情報を部材５０にて漏れなく取得しその結果を示す信号を発生させるには、部材５０への入射に先立つ光拡散処置が必要である。

図２に、光子検知部材５０として使用できるフォトセンサアレイの一例６０を示す。アレイ６０は複数個のセルを有しており、図中、符号６２はそのうち位置５２にあり波長λａを中心としたサブレンジに属する光４６を受光するセルを、また符号６４は位置５４にあり波長λｂを中心としたサブレンジに属する光４８を受光するセルを、それぞれ表している。また、刺激波長コンバータ１２の出射光２４には光子エネルギピーク、即ち周辺のサブレンジに比べ際立って光強度が高いサブレンジの代表的光子エネルギが現れる。現れるエネルギピークの個数は使用分野によって異なる。例えば、ある刺激２０への反応として波長λａに光子エネルギピークが現れ、別の刺激２０への反応として波長λｂに光子エネルギピークが現れる用途では、刺激内容が変化すると光２４の波長が例えばλａからλｂへと変化し、それに応じてセル６２及び６４にて検知される光子量が変化するため、それらから波長変化を検知することができる。また、コンバータ１２の出射光２４の光子エネルギレンジが広帯域ではなく狭帯域な使用分野、即ち光２４中の光子エネルギピークが１個で且つその光強度が近傍サブレンジ内光強度を上回るサブレンジが使用光子エネルギレンジ中の例えば１／１０未満しか占めないような使用分野もあろう。また、透過構造４０の入射面における光子エネルギ分布変化、例えばλａからλｂへの波長偏倚が生じた場合、位置５２にて検知される光子量と位置５４にて検知される光子量の関係、例えば比光子量に変化が生じる。比光子量は、位置５２及び５４にて検知される光子量の一方又は双方が増減したときに、一方が他方に対して増減した分に応じて増減する。

図２には、更に、セル６２による光子量検知結果とセル６４による光子量検知結果とを比較器７０により比較する手法が示されている。比較器７０は、刺激内容が特定形態で変化しそれによって例えばλａからλｂへの波長変化が生じたとき、そのことを示す信号が線７２上に出力されるよう構成しておく。比較器７０に対するバイアスは、そうした機能が実現されるように供給する。線７２上に出力される信号は、セル６２における光子量検知結果とセル６４における光子量検知結果との相違分即ち光子量差分を示す信号であるので、以後は差分信号と称する。ここでは比較器７０の出力を以て差分信号としているが、光子量差分を情報としてもたらすものであれば他種の信号でもよい。例えば、差動増幅器その他のアナログ比較器のアナログ出力（バイアスの有無を問わない）、光子量検知結果を示すディジタル値同士の差分（単純な差分でもよいし当該ディジタル値のうち一方又は双方を正規化乃至調整した上で差分を求めてもよい）、光子量検知結果同士の比（求める手段はアナログ回路でもディジタル回路でもよい）、関連のある複数種類の光子量差分同士の組合せ（複数通りの光子量検知結果それぞれと第３の情報例えば平均値との差分）等を以て、差分信号とすることができる。また、三通り以上の光子量検知結果から光子量差分を求める場合は、まずそれらの光子量検知結果を２個のグループに分け、次に加算や加重加算等の結合処理により各グループ内で光子量検知結果同士を結合させ、結合結果同士をグループ間で直に比較することによって、光子量差分を求めてもよい。結合の際に加重すればグループサイズ差を補償することも可能である。

また、刺激波長コンバータ１２が種々の採用可能な構成、例えばＦＢＧ、ＰＯＦ（プラスチック製光ファイバ）、フォトニック結晶等のうちどのような構成を採るかによって、コンバータ１２からの出射光２４の性質が変わる。従って、専ら、読出部材１４は、コンバータ１２からの入射光２４の性質に相応する構成となるよう設計すべきである。例えば、入射光２４が単色の光かスペクトラム域の広い光か、はたまた平行光か拡散光か等の別に応じ、設計するとよい。この他、読出部材１４の構成乃至設計を左右する要素としては、波長解像度や光子エネルギレンジがある。

例えば、単一のファイバにＦＢＧを１個付したものを刺激波長コンバータ１２として用いる場合、コンバータ出射光２４は点状単色光となるので、伝搬部材３０によってその光２４を拡散させ、拡散した光３２を透過構造４０上にくまなく行き渡らせるようにするとよい。それによって光子検知部材５０上に光（図１中の４６や４８）によるスポットが形成されたならば、そのスポットの位置に対応する波長成分がコンバータ出射光２４に含まれているということである。部材５０としては、被覆付の一次元フォトセンサアレイや、被覆付のＰＳＤ（位置センサ機能付検知器）を使用できる。

また、単一のファイバにＦＢＧを複数個付したものを刺激波長コンバータ１２として用いる場合、コンバータ出射光２４は光子エネルギが異なる複数の光子群を含む点状光となるので、伝搬部材３０によりその光２４を拡散させ、拡散した光３２を透過構造４０上にくまなく行き渡らせるようにするとよい。光子検知部材５０は、例えば図２に示したフォトセンサアレイ６０のような構成、即ち被覆付の一次元フォトセンサアレイのように各セルが対応する光子エネルギサブレンジ内の光子を検知する構成にするとよい。

また、ファイバ束を構成する各ファイバにＦＢＧを１個ずつ付したものを刺激波長コンバータ１２として用いる場合、コンバータ出射光２４は複数の単色成分を含む点状光となるので、やはり伝搬部材３０によりその光２４を拡散させるとよい。それによって、各単色成分を透過構造４０上の対応する（別々の）場所へと出射させ、光子検知部材５０上の対応する検知場所群（セル群）にてその単色成分を検知することができる。単色成分間のクロストークを最小限に抑えるには、その目的に適った光学系例えばブレードを設ければよい。部材５０は、例えば被覆付の二次元フォトセンサアレイや被覆付のＰＳＤによって実現できる。また、この手法は、非常に広い光子エネルギレンジに亘る単一点状光を光２４としてコンバータ１２から受光する構成にも、適するものである。

また、ファイバ束を構成する各ファイバにＦＢＧを複数個付したものを刺激波長コンバータ１２として用いる場合、コンバータ出射光２４は複数の単色成分を含み且つ各単色成分が光子エネルギの異なる複数の光子群を含む点状光となるので、やはり伝搬部材３０によりその光２４を拡散させ、拡散した光３２を透過構造４０上にくまなく行き渡らせるようにするとよい。光子検知部材５０は、例えば、それぞれ１個又は複数個のセルを含む行を複数本有し、各単色成分を成分毎に別々の行内のセルで受光するフォトセンサアレイとして、構成しておくとよい。こうした部材５０は、例えば、被覆付のＣＣＤ（電荷結合デバイス）ＩＣ（集積回路）や二次元フォトセンサアレイによって実現できる。単色成分間のクロストークを最小限に抑えるには、その目的に適った光学系例えばブレードを設ければよい。また、この手法は、非常に広い光子エネルギレンジに亘る単一点状光を光２４としてコンバータ１２から受光する構成にも、適するものである。

更に、上に例示した刺激波長コンバータ１２から出射される光２４は点状光であったが、刺激波長コンバータ１２から非点状光を出射するようにしてもよい。例えば、ファイバ又はファイバの端部切り子面から光２４を出射する構成に代え、大断面光源と見なせる構成を採ることもできる。ここでいう大断面光源とは、その出射面が広く且つその出射面全体に亘りほぼ均一な光子エネルギ分布で光２４を出射できるよう構成された光源であり、光検知アセンブリ３４に直付けできるように構成することも可能である。また、入射光（図１中の４６，４８）のパワーが小さい場合は、光子検知部材５０を（１）検知エリアが小面積の構成、（２）冷却ＣＣＤ、アバランシェフォトダイオード、ＰＭＴ（光増倍管）等を複数個用いたアレイを有する構成、或いは（３）インテンシファイドＣＣＤアレイを有する構成にするとよい。

図１に示した光検知アセンブリ３４は、各種のフォトセンサアレイや各種のＰＳＤという形態を採って実現することができる。図３に示すのは、アセンブリ３４として使用しうるフォトセンサアレイの一例１００が組み込まれたＩＣの一例９０である。また、図４〜図１１に示すのは、図３に示したＩＣ９０又はこれに類する回路を備えるアセンブリ３４の各種実施形態である。なお、これらの実施形態におけるアレイ１００は各種のＰＳＤに置き換えることができる。

図３に示すＩＣ９０中のフォトセンサアレイ１００は二次元アレイであり、少なくとも２個の行に亘り配列されたセル群を有しており、各セルにはフォトセンサが内蔵されている。アレイ１００は、各部分例えば各行内に位置するセルが、他の部分例えば他の行内に位置するセルとは異なる光子エネルギレンジ又はサブレンジにて光子を検知するよう構成されている。即ち、例えば部位毎に異なる被覆（例えば厚みの異なる被覆）によって覆われる等、各部の構造が互いに異なっている。そのため、１個のＩＣ９０から得られる情報だけで、広範な光子エネルギレンジに亘り仔細に入射光子を解析することができる。また、基準セル例えば行１０２内のセルによって、空間分解能の高いリアルタイムな基準信号を発生させることができる。即ち、アレイ１００は複数個のサブレンジセル並びに１個又は複数個の基準セルを有しており、アレイ１００内の基準セルは、サブレンジセルの近傍に位置するよう例えばサブレンジセルの隣りに配置されている。

まず、行１０２内の各セルは基準セルであり、波長λａｌｌによって代表されるある好適な光子エネルギレンジ全体に亘り光子を検知しその結果を信号として出力する。この信号は、行１０４内のサブレンジセルのうちこの基準セルの近傍に位置するサブレンジセル用の基準信号として、使用される。なお、セルの構成次第で出力信号の強度が異なるので、行１０２内のセルから得られる信号の強度と、行１０４内のセルのうちこれと対をなすセルから得られる信号の強度は、一般に異なるものになる。望みであれば、行１０２内のセルと行１０４内のセルの構成をそれ相応に異なる構成とすることによって、両信号強度を同じオーダにすることができる。

他方、行１０４内の各セルはサブレンジセルであり、所定光子エネルギレンジを構成するサブレンジのうち何れかのサブレンジにて、光子を検知する。図示の例では、当該所定光子エネルギレンジの最短波長はλｍｉｎ、最長波長はλｍａｘであり、これらの波長により光子エネルギレンジの広がりが定まっている。図中、セル１０６を例として示されているように、各サブレンジセルは当該所定光子エネルギレンジのサブレンジ例えば波長λｐを中心とするサブレンジにて光子を検知する。ＩＣ９０は、更に、これらのセルをアレイ化するためのアレイ回路や、読出に関連する各種機能を実行する周辺回路１１０を、内蔵している。

このＩＣ９０により実現されるフォトセンサアレイ１００はコンパクトな構成であるので、刺激２０の変化を検知する装置１０内で使用することができる。更に、ＩＣ９０を複数個用いて装置１０を実現することもでき、そうした場合、各ＩＣ９０による検知結果同士を結合させることでより完璧に近い検知結果を得ることができる。

図４に光検知アセンブリ３４の一例構成を示す。この図に示すアセンブリ３４は、適当な支持部材上により支持した状態で形成するとよい。図示されているのはアレイ１００内一フラグメント１５０の断面であり、このフラグメント１５０内のセル１５２の上方には、入射光１６２の受光口となる透過構造１６０が配置されている。構造１６０は例えばその光透過特性に横変性がある膜であり、楔状透過（空胴）共振子１７０を反射膜１７２と反射膜１７４の間に挟み込んだ楔状ファブリペローエタロンとして構成されている。構造１６０の各部の厚みはｙ軸沿い位置の関数であり、当該ｙ軸沿い位置によって異なる厚みであるので、構造１６０を透過する波長も当該ｙ軸沿い位置の関数となり、各部位毎に異なる波長になる。

透過構造１６０は、フラグメント１５０の上又は上方に形成された複数層に及ぶ被覆、即ち図中の反射膜１７２及び１７４並びに楔状透過共振子１７０によって形成されている。これら膜１７２及び１７４並びに共振子１７０は何れも、蒸着室内で堆積ビームにさらすことにより形成することができる。特に、そのうち均一厚みの膜１７２及び１７４は軸揃え堆積法(on-axis deposition)により、その厚みが横変している共振子１７０は軸を外した堆積法即ち軸外し堆積法(off-axis deposition)により、それぞれ形成することができる。更に、膜１７２及び１７４は共振子１７０に比べて厚みがあるが、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５等の非金属素材の層により形成する場合はこうするのが望ましい。ブラッグミラーを形成する際には、こうした素材、即ち何れも低吸収率だが相互屈折率差がある二種類の素材を用い、各素材による薄い層を交互に堆積、形成する、という手法を採るのがよかろう。無論、反射性のある金属により形成することもでき、その場合は膜１７２及び１７４を図示の例よりかなり薄くすることができる。非金属素材を使用する場合、共振子１７０並びに膜１７２及び１７４の具体的な厚みは、所望透過波長λ及び共振子１７０の屈折率ｎから決定できる。まず、共振子１７０の厚みは典型的にはλ／（２ｎ）又はその整数倍に設定し、膜１７２及び１７４内のブラッグミラー層の厚みは典型的にはλ／（４ｎ）に設定する。各膜１７２，１７４を構成するブラッグミラー層のペア数は、例えば２〜５ペアという少数から２０〜３０ペアに至るまでの数値範囲内で、適宜設定することができる。そのため、この場合の膜１７２及び１７４は大抵は共振子１７０に比べかなり厚くなる。

図５に透過構造１６０の光透過横変特性を示す。楔状透過共振子１７０の厚みがｙ軸沿い位置の関数でありその値が部位間で相違しているため、共振子１７０を透過する波長もｙ軸沿い位置の関数となり部位毎に異なっている。この図においては、９組のセル１５２へと大部分の光子が透過する波長、即ち反射率極小点に、１〜９の符号が付されている。このように、構造１６０が高い光透過率を呈するサブレンジは、横方向位置に応じて部位毎に異なっている。

図６に、アセンブリ３４の別例として透過構造１８０を備える構成を示す。この構造１８０は横方向傾斜ブラッグミラーとして形成されており、層１８２、１８４、１８６及び１８８それぞれに横方向の勾配が付されている。層１８２、１８４、１８６及び１８８は、蒸着室内で軸外し堆積法を実施することにより形成することができる。

図７に透過構造１８０の光透過横変特性を示す。構造１８０の反射波長はｙ軸沿い位置の関数であり、部位毎に異なる波長の光が反射される。曲線２００、２０２、２０４及び２０６は構造１８０各部の反射率、即ち４個のセル１５２の上方にある各部位での反射率を表している。例えば曲線２００は図６で最左端にあるセル１５２上方の部分の反射率であり、曲線２０６は４個のセル１５２のうちの最右端の（即ち最左端から４個目の）セル１５２上方の部分の反射率である。このように、構造１８０が高い反射率を呈するサブレンジは各部横方向位置により異なっている。

図８に、光透過横変特性が二方向それぞれに沿って現れる透過構造２１０を、形成する手法を示す。この手法は、フォトセンサアレイ１００の行毎に異なる被覆を形成する際に使用できる。基準セルの形成も、同時に又は別途、実施することができる。また、この構造２１０は、堆積源２１２からフラグメント１５０を構成するセル１５２の上又は上方に向け堆積ビーム２１４を出射することにより形成することができる。ビーム２１４の特徴はその方向にある。即ち、図８の右半分に示すｘ方向断面及び左半分に示すｙ方向断面双方において、構造２１０の表面に対するビーム２１４の射突方向が傾いている。従って、ビーム２１４の方向はそれら二種類の傾き角で記述でき、記述されるビーム２１４の方向はｘ軸沿い位置及びｙ軸沿い位置に応じ各部毎に異なるものになる。このようにビーム２１４のｙ方向断面内射突方向及びｙ方向断面内射突方向が共に傾いているため（それに伴い各部位から見たビーム２１４の到来方向が二次元的に異なっているため）、構造２１０においては、ｘ軸沿い及びｙ軸沿い共に、程度の差はあるが、同じ傾向の厚み勾配が現れる。従って、ｙ軸と平行に走る１個の行内のセル同士のサブレンジ（光子検知可能レンジ）の関係は図７でのそれと同様であるが、何れもｙ軸と平行に走る複数の行同士でも、セル同士のサブレンジに相違がある。なお、構造２１０を堆積により形成する際には、構造２１０を形成する場所（支持構造物）を傾斜させてもよいし、堆積源２１２の向きを傾けてもよいし、両手法を併用してもよい。

図９に、光透過横変特性を呈する透過構造２２０をその物理的厚みに差を付けることなく形成する手法を示す。この図に示した手法の特徴は、実際の即ち物理的な厚みｄに差を付けることなく、物理的な厚みｄと屈折率ｎの積である光学的厚みｄ×ｎを横方向位置に応じ変化させたことである。この手法においては、まず、図の上半分に示す如く、堆積源２２４を用いフラグメント１５０の表面に向け堆積ビーム２２６を照射し、それによって均質且つ均一厚の被覆２２２を堆積、成長させる。次いで、図の下半分に示す如く光源２３０から輻射２３２を発してフラグメント１５０の表面を横断走査する。これによって、屈折率がその横方向位置により異なる構造２２０が形成される。そのために使用する光源２３０は、ｘ軸と平行な（即ち図９の紙面に垂直な）線上では発光出力強度Ｉが一定だが、それらの線同士では発光出力強度Ｉが異なる紫外光源とする。図中の線の中では、最左端の線上の発光出力強度Ｉが最低値Ｉｍｉｎであり、最右端の線上の発光出力強度Ｉが最高値Ｉｍａｘである。従って、フラグメント１５０内に存するセル群に向け透過する光の波長も、図中最左端における最短波長λｍｉｎから最右端における最長波長λｍａｘまで、ｙ軸沿い位置によって異なる長さになる。また、複数個のフォトセンサアレイを並べ、それら複数個のアレイに対し単一の光源２３０から同時に同一強度パターンで光を当てて横断走査することもできる。並べ方等が適切であれば、この手法により複数個のアレイをバッチ生産することができる。更に、光密度の二次元的変化も、紫外光源強度の二次元的変化によって実現できる。

図１０に光検知アセンブリ３４の一例構成を示す。この図に示すアセンブリ３４は、ｘ軸沿いには勾配無しか一定勾配であるが、ｙ軸沿いには段差状勾配が付された透過構造２４０を有している。この構成は、図示のフラグメント１５０内のセル１５２の如く、個々に光子を検知できる複数個のセルを有するフォトセンサアレイ１００と併用できる。使用するアレイ１００が例えばＣＣＤ型又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）型である場合、互いに別々の段差の下方に位置する複数のセル同士では、入射光子が採りうるエネルギレンジのうちの互いに別々のサブレンジにて、光子を受け取ることとなる。図中その断面を示す構造２４０は入射光２４２の受入口となる部材であり、反射膜２４６と反射膜２４８の間に段差型透過（空胴）共振子２４４を挟み込んだ段差型ファブリペローエタロンとして構成されている。構造２４０における透過波長はｙ方向位置の関数であり、そのｙ方向位置に応じ各部位毎に異なっている。

図１１に、透過構造２４０を形成する際に使用するハーフトーンマスク２５０を示す。このマスク２５０は、段差型透過共振子２４４を形成する際に堆積源２２４とフラグメント１５０の間に配置されるマスクであり、これを用いることによって被覆２２２に段差、即ち構造２４０の如き外形を持たせることができる。また、マスク２５０は、一連なりになったＮ個の矩形領域２５２〜２５４を有している。各領域２５２〜２５４には複数の孔があいており、各孔の大きさは、堆積ビーム２２６により搬送される素材が容易に通過できるような大きさとされている。各領域２５２〜２５４における孔の密度は図中の数字の昇順で高くなっていき、左端にある一番目の領域２５２では最低の密度ρ１、右端にあるＮ番目の領域２５４では最高の密度ρＮとなっている。孔の密度が大きい程、その矩形領域の下方における共振子２４４の厚みが大きくなるので、形成される共振子２４４の厚みは例えば領域２５２の下方では最大、領域２５４の下方では最小である。この手法は、また、共振子厚みが連続的に変化する構成例えば均一勾配の構成を実現する際に、応用することができる。即ち、その孔密度がρ１からρＮへと連続的に変化するようマスク２５０を変形構成することによって、楔状透過共振子１７０のようにその厚みが徐変する共振子、ひいては透過構造１６０のようにその左端が最も薄くその右端が最も厚い透過構造を、形成することができる。また、図９に示した手法と組み合わせることによって、その物理的厚みは均一だが光学的厚みにはちょうど透過構造２４０における物理的厚み変化と同様の変化がある透過構造を、形成することができる。それを実施するには、例えば走査輻射又は同時輻射による段差状輻射機能を光源２３０に持たせてもよいし、光源２３０の機能は一定輻射機能としつつ段差状吸収機能を有する光吸収構造を介した輻射供給により光学的段差を形成するようにしてもよい。

以上説明した構成によれば、複数個のセルによる光子量検知結果を並列に読み出して比較することができるため、入射光に波長偏倚が現れているかどうか、また現れている場合にはどのような偏倚かについて、情報を取得することができる。また、サブレンジセルの近傍に位置する基準セル、例えばサブレンジセルの行と平行な行内にある基準セルを用い、ある光子エネルギレンジ全体を対象として光子量検知を行い、その結果を基準情報として利用することができる。また、同一アレイ内隣接セル間にサブレンジ重複がある場合、デコンボリューション等の計算手法を使用することによって、正確さを向上させることができる。更に、単一の横方向傾斜型ＤＢＲ（分布型ブラッグミラー）を透過構造として用いる構成例えば図６に示した構成においては、波長分解能が制約される反面、フォトセンサアレイ１００の光感度を高めることができ、蛍光検知や発光検知に適する装置を得ることができる。また、刺激２０の変化を上述の通り光学的に検知する手法には、アレイ１００を覆う被覆の横変光透過特性又は光反射特性によってそのアレイ１００上での位置と光子エネルギとの間に良好な相関が生じる、という利点がある。即ち、アレイ１００から得られる位置依存性の信号は刺激２０の変化により生じる波長偏倚についての情報を含んでいる。なお、図４に示した被覆を試作してみたところ、個々のサブレンジにおける光子透過率として約６０％という典型値が得られている。更に、図３中の行１０２の上方に何らかの被覆乃至透過構造を配する場合、好適な基準信号を得るには、その被覆乃至透過構造を、波長λａｌｌによって代表される光子エネルギレンジ全体に亘りグレイフィルタとして機能する構成とする必要がある。また、行１０２を被覆しない構成とすることも可能である。

図１２〜図２７に、刺激波長コンバータ１２から光検知アセンブリ３４へと出射光２４を供給する方法の例を示す。幾つかの例では光２４を拡散させる部材を用いているが、用いていない例もある。また、光子エネルギの分解能即ち波長分解能に多大な影響を及ぼす事項として、被覆の勾配、フォトセンサアレイ１００の長さ等の他に、光ビーム幾何という事項がある。即ち、好適な性能を実現するには完全に平行な光ビームが望まれるであろうし、それには光ビームを平行化するための光学部品が必要となろうが、大抵の使用分野では波長分解能の絶対的な良好さが厳格に要求されることはないのでそうした部品が際立って重要視されることもないであろう。また、コンバータ出射光２４が平行光の例もあるし拡散光の例もある。コンバータ１２は、その端面から光２４を出射する光ファイバ、点状の光２４を出射する光源、大断面の光２４を出射する光源、それらのアレイ、光導波路等の光学部品複合体やフォトニック結晶又は光バイオセンサから光２４を出射する構成等、種々の構成とすることができる。或いは、コンバータ１２本体は非ファイバ型の構成としておき、そのコンバータ１２からの出射光２４を１本又は複数本の光ファイバにカップリングして伝送乃至導波させ、その光ファイバを介してアセンブリ３４に供給するようにしてもよい。コンバータ１２又はその一部としてフォトニック結晶を用いる場合、そのフォトニック結晶は、例えば、高屈折率誘電体素材を別の素材例えば空気と交互に配置した周期配置型の構成とする。この構造における誘電体素材配置間隔は例えば約１０〜１０００ｎｍの範囲内とする。

まず、図１２中のフォトセンサアレイ２６０は、横変透過構造たる被覆２６２により覆われている。刺激波長コンバータ１２からの出射光２４はファイバ２７０によってこのアレイ２６０に供給されているが、ファイバ２７０に代え他種大断面光源を用いることもできる。用いる光源は面内での光分布が均一な光源でも不均一な光源でもよいが、不均一なものを用いる場合でも、基準セルによる光子量検知結果を利用することによってサブレンジセルによる光子量検知結果を調整し、不均一さを均すことができる。また、ファイバ２７０は、できる限り被覆２６２の表面の近くに配置する。その際、図１３に掲げた断面から看取できるように、ファイバ２７０の断面積はアレイ２６０の面積にほぼ等しくしておくとよい。図示した構成では、ファイバ２７０の端面のうち被覆２６２側を向いた面が光２４を拡散させる部材として機能し、その結果ファイバ２７０と被覆２６２の界面にて出射光２４が拡散するので、面のサイズ乃至面積を合わせることによって、ファイバ２７０からの出射光を被覆２６２のほぼ全面積に亘り拡散させ、光３２として供給することができる。なお、この構成は単純な素子配置による構成であり安価に実現できる反面、高い波長分解能を得たいケースには向いていない。また、ファイバ２７０としては、適切なものである限り、ガラス製の光ファイバやポリマ性の光ファイバ等、各種のファイバを使用できる。

次に、図１４中の出射光源２８０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の点状光源や光ファイバのように、拡散した出力光ビームを供給する光源であり、フォトセンサアレイ２６０の全検知エリアを照明できるよう、被覆２６２から十分に離れた場所に配置されている。この構成も、単純な配置による安価な構成である反面、高い波長分解能を得たいケースには向いていない。また、この構成における出射光２４の拡散は、光源２８０と被覆２６２を隔てる間隙にて生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、この間隙内に存する空気、気体等の透明媒体或いは真空である。

また、図１５においてはレンズ２８２が出射光源２８０と被覆２６２の間に配置されており、光源２８０から出射された拡散光２４がこのレンズ２８２によって平行化されている。この構成も単純な配置による構成であるが、それでいて高い波長分解能を得たいケースに向いている。また、この構成における出射光２４の拡散は光源２８０とレンズ２８２を隔てる間隙にて生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、この間隙内に存する空気、気体等の透明媒体或いは真空である。また、この構成の変形例としては、レンズ２８２により大断面光源（例えばファイバの端部切り子面）を実際に被覆２６２上に結像させる構成がある。

図１６においては、点状出射光源２８０と被覆２６２の間に光学部品２８４が配置されている。この光学部品２８４は例えばＳｅｌｆｏｃレンズ或いはＧＲＩＮ(gradient index)レンズであり、光源２８０から出射された拡散光２４を平行化する。この構成では、使用できるレンズ２８４のサイズについて使用先の被覆２６２のサイズによる制限があるが、例えばその表面のすぐ近くに合焦するよう構成されている市販のＧＲＩＮレンズを使用することによって、全構成部材を相互固定して比較的頑丈な構成を得ることができる。また、この構成における出射光２４の拡散はレンズ２８４の内部のうち光源２８０付近に位置する部位で生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、レンズ２８４内の当該部位である。なお、Ｓｅｌｆｏｃは登録商標、ＧＲＩＮは商標である。以下その商標表記を省略する。

図１７〜図１９においては、ガラス又はポリマ製の光ファイバ２９２、２９４及び２９６からなるファイバ束２９０の結束面が、被覆２６２のできるだけ近くに配置され、当該被覆２６２とカップリングされている。他方、フォトセンサアレイ２６０の光学的厚みはｘ方向沿いでは均一であるがｙ方向沿いでは勾配を有している。従って、ファイバ２９２、２９４及び２９６により光子を検知可能なエネルギレンジはどのファイバでも同一である。更にｘ方向沿いにも勾配を付ければファイバ毎に異なるエネルギレンジで光子の検知を行うことができる。この構成は、単純な配置による安価な構成であるが、高い波長分解能を得たいケースには向いていない。また、この構成における出射光２４の拡散は、ファイバ２９２、２９４及び２９６と被覆２６２との界面にて生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、ファイバ２９２、２９４及び２９６の端面のうち被覆２６２側を向いている面である。更に、ファイバ束２９０に代え、図１４〜図１６に示した各種構成の出射光源を複数個、使用することもできる。

図２０〜図２２においては、フォトセンサアレイ２６０のｙ方向沿い全域を照明できるよう被覆２６２から離隔配置されており、例えばＬＥＤ、光ファイバ等として実現されている複数個の光源３０２、３０４及び３０６それぞれから、拡散光ビームが発せられ、それら複数本の拡散光ビームが被覆２６２を介し受光される。なお、図２１では個々の光源３０２、３０４及び３０６を見分けることができるが、それと直交する方向から描かれた図２０では見分けることができず、光源３０２、３０４及び３０６がひとまとまりになり１個の光源列３００として見えている。また、各光源３０２、３０４及び３０６は、例えば点状又はストライプ状の光を出射するよう構成されたＬＥＤ、或いは同様の目的で一群のファイバを直線配置したものであり、従って、個別に解析対象サブエリアを形成する光源３０２、３０４及び３０６を束ねたものであるといえる。これは大断面光源の一形態であるので、他種大断面光源を以て光源３０２、３０４及び３０６に置き換えることも可能である。また、レンズ３１０は円筒面を有する平凸レンズであり、ｘ方向については各ビームを合焦させる一方、ｙ方向については各ビームを引き続き拡散させるので、複数個の線状スポット３１２が形成されることとなる。この構成においては、ｙ方向における出射光２４の拡散が、レンズ３１０の前後にある２個の間隙乃至隔離部にて生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、これらの間隙内に存する空気、気体等の透明媒体或いは真空である。この構成においては、更に、ｘ方向における線状スポット３１２同士の間隔を適切に設定することによって、出射光源間のクロストーク（例えば出射光源３０２からの光対出射光源３０４からの光のクロストーク）を回避できる。また、被覆２６２の光学的厚みは、例えばｘ方向沿いでは均一にしｙ方向にて勾配を付けるとよい。但し、ｘ方向についても光学的厚みに勾配その他の不均一性を付けることが可能である。

図２３及び図２４に、複数個の線状スポット３１２を形成できる別の構成を示す。この構成では、光学部品として結像レンズ３２０及び平凹レンズ３２２を使用している。これらレンズ３２０及び３２２は、ビーム間クロストークが生じないようｘ方向沿いでは各出射光ビームを別々の位置に結像させつつも、ｙ方向についてはアレイ２６０の全体に各出射光ビームを拡散させる。レンズ３２０で結像されるにもかかわらずｙ方向では収束せず各出射光ビームがほぼ平行化されるのは主としてレンズ３２２の作用である。この構成によれば、比較的高い波長分解能を得ることができる。また、この構成における出射光２４の拡散は、光源３０２、３０４及び３０６とレンズ３２０を隔てる間隙にて生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、この間隙内に存する空気、気体等の透明媒体或いは真空である。更に、レンズ３２０に代えＳｅｌｆｏｃレンズを用いてこれと同等の構成を実現することもできる。この構成を応用して大断面光源を実現することもできる。

図２５〜図２７に、複数個の点状又は線状光源３３２、３３４、３３６及び３３８から出射光ビームを供給するまた別の構成を示す。例えばＬＥＤや光ファイバ束として構成される光源３３２、３３４、３３６及び３３８は、図２６に示すように一列に配置されており、これと直交する方向から描いた図２５ではひとまとまりの光源列３３０として見えている。また、この構成では、ビーム間クロストークを防ぐため、例えば複数枚のブレード３４０例えば反射性ブレードが使用されている。線状スポット３４２は、図２７に示すパターンで複数個、形成される。この構成における出射光２４の拡散は、光源３３２、３３４、３３６及び３３８と被覆２６２を隔てる間隙にて生じている。即ち、光２４を拡散させる部材として機能しているのは、この間隙内に存する空気、気体等の透明媒体或いは真空である。

図２８に、図１に示した装置１０又はこれに類する装置を製造する手順の一例を示す。図中、ステップ４００においては刺激波長コンバータ１２が製作される。製作されるのは、例えばＦＢＧ付のファイバ式光学センサ、ＰＯＦセンサ、フォトニック結晶センサ、光バイオセンサ等である。続くステップ４０２においては、ステップ４００で製作されたコンバータ１２と、光検知アセンブリ３４と、１個又は複数個の拡散部材とからなり、コンバータ１２からの出射光をアセンブリ３４上に入射させる装置が、製作される。

図２９に、波長刺激コンバータ１２の出射光から波長情報を取得するのに使用可能なシステム６００の特徴部分を示す。この図のシステム６００は、バス６０４を介し各種部材をＣＰＵ（中央処理ユニット）６０２に接続した構成を有している。このシステム６００は更に外部Ｉ／Ｏ（入出力部）６０６、メモリ６０８及び集積回路Ｉ／Ｏ６１０を備えており、これらは何れもバス６０４に接続されている。外部Ｉ／Ｏ６０６は、ＣＰＵ６０２がシステム６００外の装置と通信できるようにする部材である。また、集積回路Ｉ／Ｏ６１０は、ＣＰＵ６０２が光検知アセンブリ３４内のＩＣと通信できるようにする部材であり、この図にはＩＣとして第０ＩＣ６１２から第Ｍ−１ＩＣ６１４に至るΜ個のＩＣが示されている。また、それらＩＣ６１２〜６１４はフォトセンサアレイを内蔵している。この図では、第ｍＩＣ６１６の内部にフォトセンサアレイ６１８が描かれている。

メモリ６０８としてはプログラムメモリ６３０等が設けられており、プログラムメモリ６３０内には読出比較ルーチン６４０等のルーチンが格納されている。ルーチン６４０を実行中のＣＰＵ６０２は、各ＩＣ６１２〜６１４に信号を供給して各サブレンジセルによる光子量検知結果を読み出し、読み出した光子量検知結果同士を比較することによって、光子量差分等の波長情報を取得する。また、この比較に先立ち基準セルによる光子量検知結果を読み出し、サブレンジセルによる光子量検知結果をそれらに基づき調整するよう、ルーチン６４０を構成してもよい。ＣＰＵ６０２による信号出力はこうした形態には限定されず、光子量検知結果を得るのに必要であれば様々な信号を随時出力する。例えば、ＰＳＤから差動増幅器へと出力電流を供給する回路に対し、制御信号を供給する構成とすることもできる。

ルーチン６４０にて比較を実行するのは波長情報を取得するためである。例えば、ひとたび光子エネルギ分布が得られれば、その一種類の光子エネルギ分布から差分信号を発生させ、波長情報を取得することができる。或いは、２個の光子エネルギピーク値から、波長偏倚情報を取得することもできる。まず、一種類の光子エネルギ分布から光子量差分を求めるには、ＰＳＤによる複数通りの光子量検知結果同士、或いは複数（群）のセルによる光子量検知結果同士を、電流比較すればよい。その種の比較に適する差動増幅器をＩＣ上に回路形成しておき利用することで、ルーチン６４０では、比較結果から得られる情報の分解能を格段に高めることができる。その場合、各セルからその差動増幅器への読出を制御しつつその差動増幅器で比較を行わせ、比較により得られたアナログ値を、ディジタル値への変換後にバス６０４を介してＣＰＵ６０２に転送させる、という手順を実行する。差動増幅器を用いれば、特に、二種類のＰＳＤ電流間の強度比較を高分解能で実行することができる。なお、差動増幅器以外にも、使用できるアナログ部品はある。その中には、アナログ差分が得られるものもアナログ比が得られるものもあるし、得られる出力にバイアスが加わるものもあるし加わらないものもある。次に、光子エネルギピーク値から波長偏倚情報を取得するには、光子量検知結果同士の比較により光子出射位置の変化を検知すればよい。例えば図２に示す例では、比較器７０として使用されている差動増幅器の出力がハイからローへ又はその逆へと変化したならば、波長λａから波長λｂへ又はその逆へのエネルギピーク値変化が生じたということである。

また、アナログ比較ではなく、光子量検知結果をディジタル化して比較する手順を採用することもでき、それに基づきＣＰＵ６０２が適当なルーチンを実行して、比較結果を表すディジタルデータ例えばディジタルの光子量差分を得る構成とすることもできる。そうしたルーチンでは、減算、除算等の演算を実行することによって複数通りの光子量検知結果間の相違を導出する。また、そのルーチン内で、比較に先立ち各ディジタル値を正規化乃至調整する処理を実行することもできる。こうしたディジタル比較には、アナログ比較に比べて融通が利くという利点がある。即ち、対をなす光子量検知結果同士を比較するという単純な処理は勿論、非ゼロの又はしきい値以上の光子量検知結果を何らかの適当なやり方で漏れなく複数のグループに分け、各グループ内での光子量検知結果の加算により光子量検知結果総和を求め、光子量検知結果総和同士を比較するというより複雑な処理でも、ＣＰＵ６０２にて実行することができる。また、光子量検知結果総和同士の比較に先立ち、各グループに属する光子量検知結果の個数の違いを補う荷重で、それら光子量検知結果総和を加重するとなおよい。グループの分け方としては、例えば位置に基づく分け方等、適当な基準による分け方を使用すればよい。

また、ＣＰＵ６０２にて光子量検知結果を校正値と比較することにより、分解能を更に向上させることができる。波長の絶対値について正確な情報を得たい場合は、位置と波長の対応関係を示すデータ構造に仕立て上げた校正値を利用すればよく、波長の相対値（例えば比）について正確な情報を得たい場合は、位置の違い又は光子量検知結果の比と、波長の違い、ピーク値の違い、分布の違い又は刺激値の違いとの対応関係を示すデータ構造に仕立て上げた校正値を利用すればよい。ルーチン６４０は、光子量検知結果を読み出し、読み出した光子量検知結果を上記校正データ構造による校正値と比較し、それによって波長の絶対値、波長の相対値又はその双方を得る構成とすることができる。

ルーチン６４０の実行による光子量差分の導出は、透過構造入射面にて受光した光３２の光子エネルギ分布毎に、即ち多数の光子エネルギ分布それぞれについて個別的に、実行することができる。例えば、第１の光子エネルギ分布を有する光と第２の光子エネルギ分布を有する光をシーケンシャルに即ち相次いで受光した場合に、それら二種類の分布それぞれについて光子量差分を求め、求めた光子量差分同士を比較するよう、ルーチン６４０を構成することができる。分布の違いが刺激の違いによるものであれば、光子量差分同士の比較により刺激についての情報を取得することができる。また、この場合、第１の分布の光を受光してから第２の分布の光を受光する前に十分な時間があれば、その隙に第１の分布から光子量差分を導出することもできる。更に、第１の分布の光と第２の分布の光をパラレルに即ち同時並行的に受光した場合に分布毎に光子量差分を求めるよう、ルーチン６４０を構成することができる。例えば複数個の光源からの光によって、互いに十分に離れた場所に別々の光子エネルギ分布が形成されたときには、それらの分布を相独立に検知して分布毎に光子量差分を求めることができる。

そして、ルーチン６４０の実行によって得られた波長情報は、例えばデータアレイやデータリストのような、適当なデータ構造に仕立て上げるとよい。即ち、ＣＰＵ６０２は、生の波長情報を用い且つ校正データ構造に基づき刺激又はその変化を示す関連情報乃至数値を導出又は計算し、波長情報やこの関連情報乃至数値を外部Ｉ／Ｏ６０６を介して出力できるのであるが、それら波長情報並びに関連情報乃至数値がある単一のデータ構造内に全て組み込むことで、適当な手法でのストリーミングによって外部Ｉ／Ｏ６０６を介しそのデータ構造を出力することが可能になる。

図３０に、図１に示した装置１０を１個又は複数個備えるカメラ７００を示す。このカメラ７００は、刺激波長コンバータ１２（図中の点状光源７０２）からの出射光２４を受光する。また、図中の７１２は横変透過構造たる被覆、７１４は光子検知部材たるＩＣであり、これらＩＣ７１４及びその被覆７１２によって１個のアセンブリが形成されている。光源７０２からの出射光２４は、結像レンズ７１０に至る間隙内を伝搬するにつれ拡散していき、レンズ７１０によって平行化された後にこのアセンブリ上に入射する。被覆７１２に横方向の不均質性がある場合、その入射面への光の入射角に依存するエラーが生じることがあるが、レンズ７１０にて平行化してあるため入射角にぶれがなく、従ってその種のエラーを回避することができる。そして、処理システム７２０は、ＩＣ７１４から信号を読み出しその信号から波長情報を取得する。こうしたカメラ３０は、円筒面レンズ及びＣＣＤアレイを備えた安価な市販のウェブカムタイプカメラを改変すること、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓ製の傾斜付ファブリペロー共振子等の線形可変フィルタかそれと同等の機能を有する市販のフィルタをＣＣＤアレイ上に配置することにより、製作することができる。カメラ３０に向け光を出射する光源７０２は、波長可調光源、即ち種々の異なる波長で光スポットを形成できる光源にするとよい。また、アレイから読み出した信号を画像に変換してもよい。そうして得られた画像からは、光子量最大の位置を視覚的に読み取ることができる。

図３１に、一群の波長とその波長を受光できる一群の位置との関係の概略を示す。曲線７３０は、ある波長の光を入射したときそれに応じて出力が発生する位置を画像から読み取り、種々の波長で読み取った位置を結んだ線である。このように、波長分解能は０．１ｎｍ未満という精細な（高い）分解能になっている。

図３２に、三端子半導体ＰＳＤを有する装置７５０を示す。この装置７５０は、スポット状の入射光を受光したとき、ＰＳＤの上面上におけるスポット位置を示す信号を出力する。そのＰＳＤは、ｎ型シリコン基板７５２と、ｐｎ接合により隔てられた２個の抵抗層７５４及び７６０とを有している。上側の抵抗層７５４はインプランテーションにより形成されたｐ型抵抗層であり、その両端には合計２個のコンタクト即ち電極７５６及び７５８が形成されている。下側の抵抗層７６０はインプランテーションにより形成されたｎ型抵抗層であり、この装置にバイアス電圧ＶＢｉａｓを印加するためのバイアス電極７６２として使用されている。更に、基板７５２の上面は横変性を有する透過構造７７０によって覆われている。この構造７７０は、シリコン製光子検知器の検知可能スペクトラム域内にある波長の一部を透過させるよう、設計されている。光源７７２が構造７７０を単一波長光で照明すると、基板７５２の上面においては、構造７７０を透過した光によりまたその光の波長に応じた位置７７４に、スポットが形成される。スポットが形成されると、その位置７７４から電極７５６に向かう光電流及び電極７５８に向かう光電流が、抵抗層７５４及び７６０を通って流れる。これらの光電流は、電極７５６及び７５８から取り出された後、差動増幅器に供給されるか或いはディジタル値に変換された上で比較される。その結果として、位置７７４を示す信号が得られる。

光源７７２として可調９５０ｎｍＶＣＳＥＬ（垂直空胴面発光レーザ）を用いた場合、図３３にグラフとして示すように、サブｐｍ（ピコメートル）レベルという非常に高い波長分解能が得られる。この図には、ＶＣＳＥＬから発せられる照明光の波長を約０．１ｐｍ、０．２ｐｍ及び０．５ｐｍの幅Δλで増減調整する過程で、電極７５６からの信号と電極７５８からの信号から求めた差分信号がどのように経時変化するかを示してある。図中、曲線中のほぼ垂直な部分として示されているように、差分信号の値は、照明光の波長を増減するたびにほぼ瞬時的に且つ検知可能な幅で変化する。

また、光源７７２としてハロゲンランプを用い、約１ｎｍの半値幅で単色光が通されるよう且つそのランプの広大な波長域に亘り透過波長を掃引できるよう、そのランプの出射光スペクトラムをフィルタリングした場合、図３４に示すグラフが得られる。曲線８００は位置変化による波長変化勾配が３２ｎｍ／ｍｍの、また曲線８０２は４ｎｍ／ｍｍの、構造７７０についての曲線である。曲線８００にあっては、差分信号の値が、約１００ｎｍの波長域に亘り約８６ｍＶ／ｍｍの勾配で単調変化しており、曲線８０２にあっても同様の傾向で但しより急な勾配で変化している。従って、勾配を緩やかにすることで、波長域の広さを犠牲にしつつも波長分解能を良好なものとすることができ、逆に勾配を急にすることで、波長分解能を犠牲にしつつもより広い波長域をカバーすることができる。

更に、同じ行内に隣り合わせに並んだ３個のセルを有するフォトセンサアレイを用い、それら３個のセルのうち第１及び第２のセルの出力を第１の差動増幅器に接続して相互比較し、また第２及び第３のセルの出力を第２の差動増幅器に接続して相互比較することとした場合、図３５に示すグラフが得られる。曲線８１０は第１及び第２のセル間の、また曲線８１２は第２及び第３のセル間の、出力比較により得られたものである。曲線８１０及び８１２の何れでも波長により差分信号の値が変わるが、対応している波長域は二組のセル間で互いに異なっている。

図３６に、ＦＢＧセンサ８５２を備える温度検知装置８５０を示す。ＦＢＧセンサ８５２は８３４ｎｍＦＢＧであり、その片面は加熱冷却対象素子上に実装されている。加熱冷却対象素子は温度コントローラに接続されているので、温度コントローラにより加熱／冷却電流を調整することで加熱冷却対象素子の温度を制御することができるが、センサ８５２の他面が外気に露出しているのでこの温度制御は完全なものではない。光源８５４は、８１７ｎｍ近傍の狭帯域光を出射するＳＬＥＤ(super luminescent emitting diode)であり、その出射光は、ファイバ８５６及びカプラ８５８を介してセンサ８５２に入射される。なお、カプラ８５８としては市販の３ｄＢ２×１カプラを使用できる。センサ８５２による反射光は、カプラ８５８及びファイバ８６０を介し、その勾配が３２ｎｍ／ｍｍの横変性を有する透過構造８６２に送られ、この構造８６２によってフォトダイオードアレイ８６４上にスポットが形成される。形成されるスポットの位置は反射光の波長に応じて決まるのであるが、反射光の波長は温度を示しているので、スポットの位置はつまるところ温度に応じた位置となる。アレイ８６４においては、互いに異なるサブレンジに属する波長の光を受光できるよう複数個例えば２個のセルが配置されている。それらのセルの出力電流Ｉ１及びＩ２は差動増幅器８６６に供給され相互比較される。

増幅器８６６から得られる差分信号の大きさは、センサ８５２による反射波長を示す大きさとなる。図３７中の曲線８８０は、温度コントローラ（例えば熱電クーラ）が加熱冷却対象素子を制御しその温度を第１の設定値から第２の設定値へと変化させたときに、加熱冷却対象素子に組み込まれた温度監視用サーミスタの抵抗値がどのように経時変化するかを、表している。曲線８８２は、増幅器８６６から得られた差分信号の経時変化を表している。看取できるように、曲線８８２は全体として曲線８８０に追従しており、特に曲線８８０中の変化に対しては好適に追従している。定常的な状態における両者の相違は、恐らくはセンサ８５２に対する外気の作用によるものであろう。即ち、抵抗値が比較的安定している状態では、外気の作用がノイズとなり温度変動をもたらすものと見られる。

図３８に、定常状態における差分信号と装置７５０の温度との関係を示す。図中の丸印は、広い温度範囲に亘り行った温度計測の結果を表している。この図の結果に対し直線を当てはめるとｙ＝２２９−１２．２ｘなる線が得られるので、温度値ｘの変化に対する差分信号値ｙの感度は約１２．２ｍＶ／℃となり、温度分解能としては０．１℃といった精細な値を実現できる。

図３９に、９６ウェルプレート９０２及び読出部材９０４を備える装置９００のうち、１ウェル分の構成を示す。プレート９０２は、例えば、解析のため各ウェル内に標本流体を注入する装置と共に使用されるものであり、例えば米国マサチューセッツ州ウォバーン所在のＳＲＵ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＢＩＮＤ（商標） Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒをプレート９０２として使用することができる。それは刺激波長センサたるウェル９１２が８列×１２行＝９６個、アレイ状に並んだプレート即ち９６ウェルプレートであり、各ウェル９１２は壁９１４によって囲まれている。この壁９１４によって、各ウェル９１２の中身が他のウェル９１２のそれから分離され各ウェル９１２の汚染が防止されると同時に、それら壁９１４同士の協働によって、その片面にフォイル格子９１６が実装される安定な井桁状の枠組み乃至構造が形成されている。ウェル９１２の中に流体が存在しているときには、格子９１６のうちそのウェル９１２が占有している領域（ウェル領域）における反射波長がその流体に応じて変化する。即ち、格子９１６の各ウェル領域内にある物質は格子部材として機能する。

読出部材９０４としては、各ウェル９１２毎に、コリメーティングレンズ９２０が設けられている。レンズ９２０は、読出ファイバ９２６と共に光ファイバプローブ９２４内に収容された照明ファイバ９２２を介し、広帯域光を受光する。各ウェル９１２に対する計測に際しては、複数個のプローブ９２４を用いてもよい。ファイバ９２６は格子９１６の各ウェル領域からの反射光を光センサアセンブリ９３０へと伝送する。部材９０４は、こうした一群の部材をウェル９１２毎に設けた構成とすることができる。また、複数のウェル領域からの反射光を単一のアセンブリ９３０にて並列的に受光する構成とすることもできる。その場合における伝送手段は、ファイバ９２６を１行分即ちウェル８個分束ねたファイバ束により各行毎に反射光を伝送する構成とすることもできるし、９６個のウェル全てをカバーする二次元ファイバアレイにより全ウェル領域の反射光を同時伝送する構成とすることもできる。複数のアセンブリ９３０を用いる場合、それらを波長情報取得用の回路に対して並列接続することができる。

刺激波長変換装置の一例構成を示す図である。 フォトセンサアレイの一例構成を示す頂面図である。 ＩＣの一例構成を示す平面図である。 透過構造の一例構成を示す断面図である。 その横変光透過特性の一例を示すグラフである。 透過構造の一例構成を示す断面図である。 その横変光透過特性の一例を示すグラフである。 透過構造製造方法の一例を示す図である。 透過構造製造方法の一例を示す図である。 透過構造の一例構成を示す断面図である。 マスクの一例構成を示す頂面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す側面図である。 図１２に示した実施形態の１３−１３断面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す側面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す側面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す側面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す側面図である。 図１７に示した実施形態の頂面図である。 図１７及び図１８に示した実施形態の１９−１９断面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す頂面図である。 図２０に示した実施形態の側面図である。 図２０及び図２１に示した実施形態の２２−２２断面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す頂面図である。 図２３に示した実施形態の側面図である。 図１に示した装置の一実施形態を示す頂面図である。 図２５に示した実施形態の側面図である。 図２５及び図２６に示した実施形態の２７−２７断面図である。 刺激波長コンバータの一例製造手順を示すフローチャートである。 多数の刺激波長コンバータを制御可能なシステムの一例構成を示すブロック図である。 図１に示す装置が用いられたカメラを示す図である。 図３０に示したカメラによる撮影結果を示すグラフである。 図１に示す装置が用いられた位置センサを示す側面図である。 図３２に示したセンサの波長変化への応答を示すグラフである。 図３２に示したセンサにおける入射波長と差分信号との一例関係を示すグラフである。 図３２に示したセンサにおける入射波長と差分信号との一例関係を示すグラフである。 図１に示す装置が用いられた温度検知装置を示す図である。 図３６に示した装置における信号時間応答を示すグラフである。 図３６に示した装置における温度と差分信号との関係を示すグラフである。 図１に示す装置が用いられたウェルプレート情報取得装置を示す側面図である。

符号の説明

１０，７００，７５０，８５０，９００ 刺激波長変換装置（カメラ等）、１２，８５２，９０２ 刺激波長コンバータ（ＦＢＧセンサ等）、２０ 刺激、２４ コンバータ出射光、３０，２７０，２８２，２８４，２９０，２９２，２９４，２９６，３１０，３２０，３２２，７１０，８６０，９２０，９２６ 伝搬部材（ファイバ、レンズ等）、３２，１６２，２４２ 透過構造入射光、３４ 光検知アセンブリ、４０，１６０，１８０，２１０，２２０，２４０，２６２，７１２，７７０，８６２ 透過構造（被覆等）、４２，４４ 透過構造上の領域、４６，４８ 透過構造出射光、５０，６０，１００，２６０，６１８，７１４，８６４，９３０ 光子検知部材（フォトセンサアレイ等）、５２，５４，６２，６４，１０６，１５２ 光子検知部材上の位置（セル等）、７０，６０２，６４０，８６６ 比較器（差動増幅器、ＣＰＵ等）、６００，７２０ システム、λａ，λｂ 透過構造透過波長、λｍｉｎ〜λｍａｘ 光子エネルギレンジ。

Claims (3)

1. 広波長域光照明に応じ狭波長域光を出射する光センサと、その光透過特性に横変性がある層を少なくとも一層有し上記光センサの出射光をその層を介して受光する検知器と、を備え、
   上記検知器が、上記出射光が上記層を透過した位置に基づき当該出射光における波長変化を判別する検知システム。
2. あるレンジ内の光子エネルギを有する光を出射する刺激波長コンバータと、その光子エネルギ透過特性に横変性がある多層の透過構造と、上記刺激波長コンバータからの出射光を上記透過構造の入射面へと伝搬する伝搬部材と、を備え、
   上記刺激波長コンバータが、第１内容の刺激が与えられたときには上記レンジ内の第１ピーク値近傍の光子エネルギを有する第１の光を、また第２内容の刺激が与えられたときには当該レンジ内の第２ピーク値近傍の光子エネルギを有する第２の光を、それぞれ出射するよう構成されており、
   上記透過構造が、その入射面にて上記第１の光を受光したときにはその出射面上の第１位置から、またその入射面にて上記第２の光を受光したときにはその出射面上の第２位置から、それぞれ光子を放出するよう構成されており、
   上記刺激波長コンバータに与えられる刺激の内容が第１内容から第２内容へ又はその逆へと変化したとき、その変化に応じて上記第１位置における光子放出量と上記第２位置における光子放出量の相対的関係が変化する装置。
3. その光子エネルギ透過特性に横変性があり、あるレンジに亘りその光子エネルギが分布する光をその入射面にて受光したときその出射面上の複数の位置で光子を放出する多層の透過構造と、
   上記出射面上の各位置における光子放出量を検知するフォトセンサ部材と、
   同一の光子エネルギ分布についての複数通りの光子放出量検知結果が与えられたときそれらを相互比較することにより少なくとも一種類の光子量差分を求める回路と、
   を備える装置。

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