JP2017181257A - 光検出装置および光検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】被写体を透過または反射する光のコヒーレンスの度合いを煩雑な操作を行うことなく測定する。
【解決手段】光検出装置は、複数の第１検出器および複数の第２検出器を含む光検出器と、前記光検出器上に配置された光結合層と、前記光結合層上に配置された偏光子アレイとを備える。前記光結合層は、第１低屈折率層、第１グレーティングを含む第１高屈折率層、および第２低屈折率層をこの順に含む。前記偏光子アレイは、一方向に偏光した光を透過させる第１偏光領域、および前記第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光領域を含む。前記第１偏光領域は、第１検出器に対向し、前記第２偏光領域は、第２検出器に対向する。前記第１偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位と、前記第２偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位とは、直交している。
【選択図】図８Ｃ

Description

本開示は、光検出装置、光検出システム、および光検出方法などに関する。

光は電磁波であり、波長、強度以外に、偏光または干渉性等の特性で特徴づけられる。このうち、光の干渉性を利用して被写体を測定する方法として、例えば、非特許文献１に示されるマイケルソンの干渉計が挙げられる。

東海大学出版会 光学の原理、ｐ482 M・ボルンほか 第１４回医用近赤外線分光法研究会、ｐ１３９−１４４、近赤外生体分光法の展望-１μｍ波長域の可能性、 西村吾朗

上記従来の方法では、光のコヒーレンスの度合いまたは位相を測定するには煩雑な操作が必要であった。本開示は、被写体を透過または反射する光のコヒーレンスの度合いまたは位相を煩雑な操作を行うことなく測定できる光検出技術を提供する。

本開示の一態様に係る光検出装置は、主面を有し、前記主面に沿って配置された複数の第１検出器および複数の第２検出器を含む光検出器と、前記光検出器上に配置された光結合層と、前記光結合層上に配置された偏光子アレイと、を備える。前記光結合層は、第１低屈折率層、前記第１低屈折率層上に配置され、第１グレーティングを含む第１高屈折率層、および前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層を含む。前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有する。前記偏光子アレイは、一方向に偏光した光を透過させる第１偏光子が配置された少なくとも１つの第１偏光領域、および前記第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光子が配置された少なくとも１つの第２偏光領域を含む。前記第１偏光領域は、前記複数の第１検出器の少なくとも１つに対向する。前記第２偏光領域は、前記複数の第２検出器の少なくとも１つに対向する。前記第１偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位と、前記第２偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位とは、直交している。

上記の包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、コヒーレンスの度合いまたは位相の状態を、煩雑な操作を行うことなく測定することができる。

図１Ａは、本開示の検討例に係る光検出システム１００の模式図である。 図１Ｂは、光検出装置１３が備える一つの開口９ａ（透光領域９ａ）に入射する散乱光５の様子を示している。 図２Ａは、検討例において、光が入射する方向に沿った面における光検出装置１３の断面図である。 図２Ｂは、検討例における光検出装置１３が有する遮光膜９を含むｘｙ面に平行な面の様子を示す平面図である。 図３Ａは、検討例における透光領域９ａおよび遮光領域９Ａのパターンを示す平面図である。 図３Ｂは、検討例における透光領域９ａおよび遮光領域９Ａの直下にあるグレーティングのパターンを示す平面図である。 図３Ｃは、検討例における各構成要素の位置関係を示す断面図である。 図４Ａは、検討例における電磁解析の構成を示す断面図である。 図４Ｂは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第１の図である。 図４Ｃは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第２の図である。 図４Ｄは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第３の図である。 図４Ｅは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第４の図である。 図４Ｆは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第５の図である。 図４Ｇは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第６の図である。 図４Ｈは、検討例において、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示す第７の図である。 図５Ａは、検討例における４つの開口９ａに入射する光と、その下にある３つの検出器１０ａ、１０Ａ、１０ａ’との位置関係を示す断面図である。 図５Ｂは、入射光のランダム係数ａと検出信号との関係を解析した結果を示す図である。 図６は、図５Ａに示す開口９ａの一つに入射する波連の一例を示している。 図７Ａは、検討例について行った解析における全体の光学配置を示している。 図７Ｂは、検討例について行った解析において得られた光強度の分布を示す図である。 図７Ｃは、検討例について行った解析において得られた光路長の平均の分布を示す図である。 図７Ｄは、検討例について行った解析において得られた光路長の標準偏差の分布を示す図である。 図７Ｅは、検討例について行った解析において得られた検出信号の分布の例を示している。 図７Ｆは、検討例について行った解析において得られた検出信号の分布の他の例を示している。 図８Ａは、本開示の実施形態１におけるＳ波透光領域（第１偏光領域）９ＳおよびＰ波透光領域（第２偏光領域）９Ｐの配列を示す平面図である。 図８Ｂは、本開示の実施形態１における光結合層１２に形成されているグレーティングの方位を示す平面図である。 図８Ｃは、本開示の実施形態１における各構成要素の配置関係を模式的に示すｘｚ面に平行な断面図である。 図８Ｄは、本開示の実施形態１における各構成要素の配置関係を模式的に示すｙｚ面に平行な断面図である。 図９は、本開示の実施形態１における構成を模式的に示す図である。 図１０Ａは、本開示の実施形態２におけるＳ波透光領域９ＳおよびＰ波透光領域９Ｐの配列を示す平面図である。 図１０Ｂは、実施形態２における光結合層１２に形成されるグレーティングの方位を示す平面図である。 図１０Ｃは、実施形態２における光検出器１０を含む構成要素間の位置関係を示すｘｚ面断面図である。 図１１Ａは、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００を模式的に示す図である。 図１１Ｂは、干渉計２００による光の干渉性または位相の評価方法を説明するための図である。 図１２は、光源３０から出射し、ｚ方向に伝搬する光の、ある時刻ｔ０での様子を示す概念図である。 図１３Ａは、波長λ０を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を説明するための第１の図である。 図１３Ｂは、波長λ０を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を説明するための第２の図である。 図１３Ｃは、波長λ０を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を説明するための第３の図である。 図１３Ｄは、波長λ０を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を説明するための第４の図である。 図１３Ｅは、波長λ０を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を説明するための第５の図である。 図１４Ａは、第２の従来例における光検出システム３００の模式的な断面図を示している。 図１４Ｂは、図１３Ａに示される光検出システム３００の、光源４２の発振と光検出器５０の検出信号との関係を示す説明図である。

本開示の実施の形態を説明する前に、光の干渉性または位相を測定する従来の方法について詳細に検討した結果を以下に説明する。

図１１Ａは、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００を模式的に示す図である。図１１Ｂは、この干渉計２００による光の干渉性または位相の評価方法を説明するための図である。図１１Ａに示すように、光源３０から出射した光３１は、第１の集光レンズ３５ａによって集光されて平行光３２になる。この平行光３２の一部は、ハーフミラー３３を透過して第１の反射ミラー３４ａに向かい（光３２ａ）、反射ミラー３４ａで反射されてハーフミラー３３に向かい（光３２ｂ）、ハーフミラー３３で反射されて第２の集光レンズ３５ｂに向かい（光３２ｃ）、集光レンズ３５ｂの焦平面に位置する光検出器３６に入射する（光３２ｄ）。一方、平行光３２の他の一部は、ハーフミラー３３で反射されて第２の反射ミラー３４Ａに向かい（光３２Ａ）、反射ミラー３４Ａで反射されてハーフミラー３３に向かい（光３２Ｂ）、ハーフミラー３３を透過して集光レンズ３５ｂに向かい（光３２Ｃ）、光３２ｄと重なる形で光検出器３６に入射する（光３２Ｄ）。光検出器３６は光３２ｄと光３２Ｄが干渉して得られる光を検出する。第２の反射ミラー３４Ａは、反射面の法線方向（矢印Ａ）に沿って位置が変化するように構成されている。第２の反射ミラー３４Ａの変位に伴って、光３２ｄに対する光３２Ｄの相対的な位相が変化する。

図１１Ｂは、光検出器３６によって検出される電気信号の一例を示している。図１１Ｂにおいて縦軸は光検出器３６によって検出される信号強度を表し、横軸は時間を表している。図１１Ｂに示すように、信号強度は時間の経過（すなわち反射ミラー３４Ａの変位）に伴い、ａからｂの範囲で変化する。ここで、（ｂ−ａ）／（ｂ＋ａ）の値を、干渉におけるコントラストと呼び、この値によって光３１の干渉性（コヒーレンス）の度合いが定義される。コントラストの値は第２の反射ミラー３４Ａの光軸方向の変位に伴い変化する。

反射ミラー３４Ａを固定し、ハーフミラー３３と反射ミラー３４ａとの間に透明な被写体４を配置する場合でも同じ原理が成立する。すなわち、光検出器３６によって検出される信号強度には被写体の形状に応じた強度差が空間的な分布として表れ、いわゆる干渉縞が形成される。その干渉縞の形状または間隔を測定することで、被写体の形状（位相情報）を計測できる。

図１２は、光の干渉現象を説明するための図である。図１２は、光源３０から出射し、ｚ方向に伝搬する光の、ある時刻ｔ０での様子を示す概念図である。図１２に示すように、光源３０から波連３７ａ、３７ｂ等が次々に出射する。波連の長さσ０はコヒーレンス長と呼ばれる。１つの波連内では波は連続しており、波長も均一である。波連が異なると位相の相関性は無くなり（波連３７ａでは位相δ０、波連３７ｂでは位相δ０’、δ０≠δ０’）、波長も異なる場合がある（波連３７ａでは波長λ０、波連３７ｂでは波長λ０’、λ０≠λ０’）。例えば、図１１Ａに示される光学系において、第２の反射ミラー３４Ａの変位を調整して、図１２に示す波連３７ａのうちの部分３７Ａと部分３７Ａ’とを干渉させる場合を考える。部分３７Ａ内の波と部分３７’内の波とでは、波長が等しく、波の位相差も時間的に安定している（ある値で変わらない）。したがって、干渉後の光の明暗（干渉光の振幅の大小）も時間的に安定する（ある明るさで変わらない）。つまり、干渉光は、位相差の量（反射ミラー３４Ａの変位）に応じて明るく見えたり暗く見えたりする（この状態はコヒーレントと呼ばれる）。次に、波連３７ａの部分３７Ａと波連３７ｂの部分３７Ｂとを干渉させる場合を考える。このとき、部分３７Ａ内の波と部分３７Ｂ内の波との波長が等しくなる保証は無く、これら２つの波の位相差も時間的にランダムに変化する。したがって、干渉後の光の明暗（干渉光の振幅の大小）は時間的にランダムに変化する。この変化はフェムト秒の時間スケールで生じる。従って干渉光は高速で明暗が繰り返され、人間の目には平均的な明るさにしか見えない（この状態はインコヒーレントと呼ばれる）。レーザー光は波連が長く、コヒーレンス長が数ｍから数百ｍ程であり、コヒーレント光の代表である。一方、太陽光は波連が短く、コヒーレンス長が１μｍ程度であり（後述する図１３Ａ〜１３Ｅに関する説明参照）、インコヒーレントな光の代表である。図１１Ａのような構成で光を干渉させる場合、レーザーのようにコヒーレンス長が長い光を使うと、同じ波連内で干渉する確率が高くなるため、コントラストは向上する（即ち、上記のコントラストの値が１に近くなる）。一方、太陽光のようにコヒーレンス長が短い光を使うと、異なる波連間で干渉する確率が高くなるため、コントラストは低下する（即ち、上記のコントラストの値が０に近くなる）。

図１３Ａから図１３Ｅは、波長λ０を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を示している。図１３Ａは、波長λ０を中心に波長の広がりがゼロの場合を示している。この場合、図１３Ｂに示すように、コヒーレンス長は無限大になる。図１３Ｃは、波長λ０を中心に波長の広がり（半値全幅）がΔλの場合を示している。この場合、図１３Ｄに示すように、コヒーレンス長σ０は、λ０²/Δλになる。縦モード幅とコヒーレンス長とはフーリエ変換の関係にある。この定理は、ウイナーヒンチンの定理と呼ばれる。これは次のように説明できる。図１３Ｅは、波長λ０を中心に波長の広がりがΔλの光を、波長λ０−Δλ／２の光２６と波長λ０＋Δλ／２の光２７の２つの光に置き換えて示している。光２６と光２７とが干渉することで発生する唸りの周期はλ０²/Δλであり、搬送波の波長は、光２６の波長と光２７の波長との平均値λ０になる。唸りの周期内では光の振動波形は均一で連続する。一方、異なる周期の光の振動波形は連続性が失われ、位相の相関性も無くなる。つまり、唸りの周期λ０²/Δλがコヒーレンス長になる。太陽光がインコヒーレントなのは、波長の広がり（縦モード幅）Δλが大きいためであり、中心波長λ０を０．５５μｍ、波長の広がりΔλを０．３０μｍとすると、コヒーレンス長σ０はλ０²／Δλ＝１．０μｍとなる。

次に、非特許文献２に開示されている光検出システムに類似する構成を第２の従来例として説明する。第２の従来例における光検出システムは、光の強度分布を光の伝播距離ごとに測定する。図１４Ａは、第２の従来例における光検出システム３００の模式的な断面図を示している。光源４２はレーザー光を出射する。図１４Ａに示すように光源４２から出射する波長λ０の光４３は被写体４４に照射される。その結果、被写体４４の表面または内部で発生した散乱光４５ａ、４５ｂ、４５ｃは集光レンズ４７で集光され、集光レンズ４７の像面位置に像４８ｂとして結像される。像４８ｂに対応して、レンズの物側には実質的な物体（物点の集まり）４８ａが存在する。像面位置には光検出器５０が配置されている。光検出器５０は複数の画素の集合体であり、入射する光の光量が画素ごとに検出される。光源４２はコントローラ４１に接続され、コントローラ４１によって発光が制御される。光検出器５０によって検出された光量は検出信号として演算回路５１で処理される。コントローラ４１および演算回路５１は、コンピュータ５２によって一括して制御される。

図１４Ｂは、図１４Ａに示される光検出システム３００の、光源４２の発振と光検出器５０の検出信号との関係を示す説明図である。光源４２がコントローラ４１の制御の下でパルス４３ａを発振する。このパルス４３ａによる光４３が被写体４４の内部で散乱されて光検出器５０で受光され、信号５３として検出される。図１４Ｂにおいて、縦軸は光源４２の発振強度、または光検出器５０の検出強度を表し、横軸は経過時間を表している。検出信号５３は散乱による光路長のバラつきの影響で、元のパルス４３ａに比べて時間幅が広がる。検出信号５３のうち先頭の出力５３ａは、被写体４４の表面で反射される光４５ａによる信号である。出力５３ａの後の時間ｔ０〜ｔ１の間の出力５３ｂは、被写体４４の内部で散乱され、散乱距離の短い光４５ｂによる信号である。出力５３ｂの後の時間ｔ１〜ｔ２の間の出力５３ｃは、散乱距離の長い光４５ｃによる信号である。コンピュータ５２による制御によって、演算回路５１は検出信号５３を時間分割し、信号５３ａ、５３ｂ、５３ｃの出力を分離して検出できる。光は、出力５３ａ、５３ｂ、５３ｃの順に被写体の浅い側から深い側を通過しているので、深さの異なる情報を分離して分析できる。

本願発明者らの検討によれば、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００を用いて光の干渉性（コヒーレンス）の度合いまたは位相を測定するには、反射ミラー３４Ａからの参照光３２Ｂ、３２Ｃが必要であり、構成が複雑になる。

一方、本願発明者らの検討によれば、第２の従来例である光検出システムは、時間分割幅に限界があるため、診断の際に深さ方向の分解能を充分に確保できない。例えば、時間分割幅を３００ピコ秒（ｐｓ）とすると、深さ分解能は９０ｍｍ程度になる。この分解能では、生体のような比較的小さい構造をもつ対象の診断または検査には向かない。

以下、本開示の実施の形態を説明する前に、従来例の課題を解決するために検討した形態（検討例）を説明する。

（検討例）
図１Ａは、本検討例に係る光検出システム１００の模式図である。光検出システム１００は、光源２と、集光レンズ７と、光検出装置１３と、制御回路１と、演算回路１４と、を備える。

光源２は、一定のコヒーレンス長の光３を被写体（対象物）４に照射する。光源２は、例えばコヒーレント光の代表であるレーザー光を出射する。光源２は、一定の強度の光を連続的に発光してもよいし、パルス光を発光してもよい。光源２が発光する光の波長は任意である。被写体４が生体の場合、光源２の波長は、例えば略６５０ｎｍ以上略９５０ｎｍ以下に設定され得る。この波長範囲は、体内での吸収率が低いことで知られている。この波長範囲は、赤色〜近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。

集光レンズ７は、被写体４と光検出装置１１３との間に配置される。集光レンズ７は、光源２が被写体４に光を照射して被写体４の表面または内部で発生した散乱光５ａ、５Ａを集光する。集光された光は、集光レンズ７の像面位置に像８ｂとして結像される。像８ｂに対応してレンズの物側には実質的な物体（物点の集まり）８ａが存在する。図１Ａに示す例では、集光レンズ７は、１つのレンズを備えているが、複数のレンズを備えてもよい。

光検出装置１３は、集光レンズ７の像面位置に配置される。光検出装置１３は、集光レンズ７が集光した散乱光５ａ、５Ａを検出する。光検出装置１３の詳細な構造については後述する。

演算回路１４は、光検出装置１３に接続され、光検出装置１３が検出した光量を示す電気信号を用いた演算処理を行う。演算回路１４は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等の画像処理回路であり得る。

制御回路１は、演算回路１４および光源２に接続されている。制御回路１は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、光検出装置１３による光の検出、演算回路１４による演算処理、光源２の発光光量、点灯タイミング、連続点灯時間、または発光波長もしくはコヒーレンス長を制御する。制御回路１は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロコンピュータ（マイコン）等の集積回路であり得る。制御回路１および演算回路１４は、統合された１つの回路によって実現されていてもよい。

光検出システム１００は、図示される構成要素以外にも、例えば演算回路１４が演算処理した結果を表示するディスプレイを備えていてもよい。

光検出装置１３は、後述するように、複数の検出器（「光検出セル」と称することもある）に対向する複数の透光領域（「開口」と称することもある）および複数の遮光領域を有している。被写体から入射した光は、透光領域を透過するが、遮光領域では遮光される。１つの透光領域を透過した光は、その透光領域に対向する１つの検出器に入射する。

図１Ｂは、光検出装置１３が備える一つの開口９ａ（透光領域９ａ）に入射する散乱光５の様子を示している。被写体４は散乱体である。被写体４の内部を伝搬する光線は、減衰係数μａで減衰し、散乱係数μｓで散乱を繰り返す。ここで、コヒーレンス長σ０、強度１の光線がｎ本（ｎは１以上の整数）だけ光源２から発光されるとする。図１Ｂは、一例として、２つの異なる位置から２つの光線が開口９ａに入射している様子を示している。開口９ａに入射したこれらの光は、開口９ａに対向する検出器に入射し、その光量が検出される。

図２Ａおよび図２Ｂは、本検討例における光検出装置１３の構成を示している。これらの図には、説明の便宜上、直交する３つの軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）が示されている（他の図についても同様である）。図２Ａは、光が入射する方向に沿った面における光検出装置１３の断面図である。図２Ｂは、光検出装置１３が有する遮光膜９を含むｘｙ面に平行な面の様子を示す平面図である。図２Ａは、図２Ｂの破線で囲まれた領域を含むｘｚ面に平行な断面を示している。図２Ａの断面構造を一つの単位構造として、当該単位構造がｘｙ面内に二次元的に周期的に並んでいる。

図２Ａに示すように、光検出装置１３は、光検出層（光検出器）１０と、光結合層１２と、遮光膜９と、をこの順に備える、図２Ａの例ではこれらがｚ方向に積層されている。また、図２Ａの例では、光検出装置１３は、遮光膜９上に透明基板９ｂと、光源２が出射する波長帯域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルター９ｐと、をこの順に備えている。

光検出器１０は、光検出器１０の面内方向（ｘｙ面に沿った方向）に二次元的に配列された複数の検出器（光検出セル）１０ａ、１０Ａを備える。光検出器１０は、光が入射する側から、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａ、透明膜１０ｃ、配線等の金属膜１０ｄ、Ｓｉまたは有機膜等で形成される感光部を備えている。金属膜１０ｄの隙間にある感光部が検出器１０ａ、１０Ａに相当する。各検出器１０ａ、１０Ａは、光源２から出射される光の波長帯域に検出感度を有する。複数のマイクロレンズ１１ａ、１１Ａの各々は、複数の検出器１０ａ、１０Ａのうちの１つに対向するように配置されている。マイクロレンズ１１ａ、１１Ａによって集光され金属膜１０ｄの隙間に入射する光が検出器１０ａ、１０Ａによって検出される。

光結合層１２は、光検出器１０上に配置され、光検出器１０の面直方向（ｚ軸方向）において、第１の透明層１２ｃ、第２の透明層１２ｂ、および第３の透明層１２ａをこの順に備える。第１の透明層１２ｃおよび第３の透明層１２ａは、例えばＳｉＯ₂等からなる。第２の透明層１２ｂは、例えばＴａ₂Ｏ₅等からなる。第２の透明層１２ｂは、第１の透明層１２ｃ及び第３の透明層１２ａよりも屈折率が高い。本明細書において、第１の透明層１２ｃ、第２の透明層１２ｂ、および第３の透明層１２ａを、それぞれ、第１低屈折率層、第１高屈折率層、および第２低屈折率層と称することがある。また、第１の透明層１２ｃおよび第３の透明層１２ａを、低屈折率透明層と称し、第２の透明層１２ｂを、高屈折率透明層と称することがある。本開示において、「低屈折率」および「高屈折率」の用語は、屈折率の相対的な関係を示しているにすぎず、その層の絶対的な屈折率の値を限定するものではない。

光検出装置１３は、高屈折率透明層１２ｂと低屈折率透明層１２ｃとをこの順にさらに繰り返した構造を備えていてもよい。図２Ａの例における光検出装置１３は、高屈折率透明層１２ｂと低屈折率透明層１２ｃとを合計６回繰り返した構造を有している。高屈折率透明層１２ｂは、低屈折率透明層１２ｃ、１２ａによって挟まれているので、導波層として機能する。高屈折率透明層１２ｂと、低屈折率透明層１２ｃ、１２ａとの界面に全面に渡ってピッチ（周期）Λの直線グレーティング１２ｄが形成されている。グレーティング１２ｄの格子ベクトルは、光結合層１２の面内方向（ｘｙ面に平行）におけるｘ軸に平行である。グレーティング１２ｄのｘｚ面に平行な断面の形状は、積層される高屈折率透明層１２ｂおよび低屈折率透明層１２ｃにも順次転写される。積層方向について透明層１２ｂ、１２ｃの成膜の指向性が高い場合には、グレーティングのｘｚ断面をＳ字またはＶ字状にすることで形状の転写性を維持しやすい。なお、グレーティング１２ｄは、少なくとも高屈折率透明層１２ｂの一部に備えられていればよい。高屈折率透明層１２ｂがグレーティング１２ｄを備えることにより、入射光が高屈折率透明層１２ｂを伝播する光（導波光）に結合できる。

光結合層１２と光検出器１０との間の隙間はできるだけ狭い方がよい（できれば密着すべきである）。この隙間（マイクロレンズ１１ａと１１Ａの間の空間を含む）に接着剤等の透明媒質を充填してもよい。透明媒質を充填する場合、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａでのレンズ効果を得るために、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａの構成材料は充填される透明媒質よりも充分大きな屈折率であればよい。

遮光膜９は、複数の遮光領域９Ａと複数の透光領域９ａとを有する。図２Ａの例では、後述する透明基板９ｂ上にＡｌ等からなる金属反射膜がパターニングされることにより、遮光領域９Ａおよび透光領域９ａが形成されている。すなわち、金属反射膜が形成された領域が遮光領域９Ａであり、金属反射膜が形成されていない領域が透光領域９ａである。なお、遮光領域９Ａは、少なくとも光結合層の側において、光反射性を有していればよい。図２Ａに示す透光領域９ａは、図２Ｂに示す透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４等に対応する。図２Ａに示す遮光領域９Ａは、図２Ｂに示す遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４等に対応する。つまり、遮光膜９は、遮光膜９の面内方向（ｘｙ面内）に複数の遮光領域９Ａと複数の透光領域９ａとを有する。複数の遮光領域９Ａの各々は、一つの検出器１０Ａに対向する。複数の透光領域９ａの各々は、一つの検出器１０ａに対向する。図２Ｂに示すように、複数の遮光領域９Ａ（９Ａ１〜９Ａ４）は、チェッカーパターンを形成する。これらの遮光領域９Ａ（９Ａ１〜９Ａ４）はチェッカーパターン以外を形成してもよく、例えばストライプパターンでもよい。「ストライプパターン」とは、複数の遮光領域９Ａが、一方向（例えばｘ方向またはｙ方向）に並び、その隣には複数の透光領域９ａが当該方向に並び、さらにその隣に複数の遮光領域９Ａが当該方向に並ぶようなパターンを意味する。言い換えれば、ストライプパターンは、同じ方向に並ぶ複数の透光領域９ａおよび複数の遮光領域９Ａが、当該方向に垂直な方向に交互に配列されたパターンである。

透明基板９ｂは、遮光膜９の光入射側に配置されている。透明基板９ｂは、例えばＳｉＯ₂等の透光性の材料からなる。バンドパスフィルター９ｐは、透明基板９ｂの光入射側に配置されている。バンドパスフィルター９ｐは、入射する光５のうち、波長λ０近傍の光のみを選択的に透過させる。波長λ０は、光源２から出射される光の空気中での波長である。光源２が所定の波長帯域の光を出射する場合、波長λ０は、例えば中心波長である。

光検出装置１３に入射する光５は、バンドパスフィルター９ｐ、透明基板９ｂを経て、光６Ａ、６ａとして、反射膜の形成された遮光領域９Ａと反射膜の除去された透光領域９ａに至る。光６Ａは遮光領域９Ａで遮光されるが、光６ａは透光領域９ａを透過し、光結合層１２に入射する。光結合層１２に入射した光６ａは、低屈折率透明層１２ａを経て、高屈折率透明層１２ｂに入射する。高屈折率透明層１２ｂの上下の界面にはグレーティングが形成されている。以下の（式１）を満たせば高屈折率透明層１２ｂ内に導波光６ｂが発生する。
（式１）sinθ = N-λ0/Λ
ここで、Ｎは導波光６ｂについての実効屈折率、θは入射面（ｘｙ面）の法線に対する入射角度である。図２Ａの例では光が入射面に垂直に入射しているのでθ＝０である。この場合、導波光６ｂはｘｙ面内をｘ方向に伝搬する。

高屈折率透明層１２ｂを透過してその下層に入射する光の成分は、下層側にある各高屈折率透明層１２ｂに入射する際に、（式１）と同じ条件で導波光６ｃを発生させる。なお、全ての高屈折率透明層１２ｂで導波光が発生するが、図２Ａには、２つの層で発生する導波光のみが代表して示されている。下層側で発生する導波光６ｃも同様にｘｙ面内をｘ方向に伝搬する。導波光６ｂ、６ｃは、導波面（ｘｙ面に平行）の法線に対して角度θ（図２Ａの例ではθ＝０）で上下方向に光を放射しながら伝搬する。その放射光６Ｂ１、６Ｃ１は、遮光領域９Ａの直下では上方（反射膜側）に向かう成分が遮光領域９Ａで反射し、反射面（ｘｙ面）の法線に沿って下方に向かう光６Ｂ２となる。光６Ｂ１、６Ｃ１、６Ｂ２は、高屈折率透明層１２ｂに対し（式１）を満たしているので、その一部が再び導波光６ｂ、６ｃとなる。この導波光６ｂ、６ｃも新たな放射光６Ｂ１、６Ｃ１を生成し、これらが繰り返される。全体として、透光領域９ａの直下では、導波光にならなかった成分（実際にはこれに導波の後、最終的に放射された成分も加わるが、導波光にならなかった成分として特徴づける）が光結合層１２を透過し、透過光６ｄとしてマイクロレンズ１１ａに入射し、検出器１０ａで検出される。領域９Ａの直下では、導波光になった成分が放射され、放射光６Ｄとしてマイクロレンズ１１Ａに入射し、検出器１０Ａで検出される。

透光領域９ａは、図１Ｂに示す開口に相当する。透光領域９ａを透過した光は、直下の検出器１０ａに向かう光と、左右の検出器１０Ａに向かう光とに分岐し、それぞれ検出される。図２Ｂに示される透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４にそれぞれ対向する４個の検出器、および遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４にそれぞれ対向する４個の検出器での検出光量をそれぞれｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４、およびＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とする。前者４つは導波光にならなかった光の検出光量であり、後者４つは導波光になった光の検出光量である。透光領域９ａ１の直下の検出器１０ａでは導波光になった光の光量が検出されず、遮光領域９Ａ２の直下の検出器１０Ａでは導波光にならなかった光の光量が検出されない。

ここで、透光領域９ａ１の直下の検出位置で、導波光になった光の検出光量Ｑ０＝（Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４）／４（またはＱ０＝（Ｑ１＋Ｑ２）／２）を定義し、遮光領域９Ａ２の直下の検出位置で、導波光にならなかった光の検出光量ｑ０＝（ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４）／４（またはｑ０＝（ｑ１＋ｑ２）／２）を定義する。すなわち、ある領域（遮光領域または透光領域）において、当該領域を中心としてｘ方向および／またはｙ方向に隣接する領域（画素）の直下の検出位置で検出される光量の平均値を定義する。この定義を全ての領域に適用することで、光検出器１０を構成する全ての検出領域（検出器）で導波光にならなかった光の検出光量および導波光になった光の検出光量を定義できる。演算回路１４は、光検出器１０を構成する全ての検出器において、導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量とを上記のように定義する。そして、これらの比の値（例えば、ｑ１／Ｑ０、Ｑ０／ｑ１、ｑ０／Ｑ２、もしくはＱ２／ｑ０等）、またはこれらの光量の和に対する各光量の比の値（例えば、Ｑ０／（Ｑ０＋ｑ１）、ｑ１／（Ｑ０＋ｑ１）、Ｑ２／（Ｑ２＋ｑ０）、もしくはｑ０／（Ｑ２＋ｑ０）等）を検出器ごとに算出した値を各検出器に相当する画素に割り当てて画像を生成するなどの演算処理を行う。

図３Ａおよび図３Ｂは、透光領域９ａおよび遮光領域９Ａのパターンと、それらの直下にあるグレーティング１２ｄとの関係を示している。図３Ａは、透光領域９ａおよび遮光領域９Ａのパターンを示す平面図である。図３Ｂは、透光領域９ａおよび遮光領域９Ａの直下にあるグレーティング１２ｄを示す平面図である。図３Ｃは、図２Ａと同様の図であり、検出器も含めたこれらの位置関係を示すｘｚ面に平行な断面を示している。図３Ｂに示すように、グレーティング１２ｄの格子ベクトルの方向は一律で、ｘ軸方向に一致している。透光領域９ａの直下の検出領域をＰ０、遮光領域９Ａの直下の検出領域をＰ１とすると、Ｐ０およびＰ１のそれぞれは、Ｗ×Ｗのサイズのチェッカーパターンをなす。図３Ａに実線で示す画素領域１３ａには検出領域Ｐ０、Ｐ１が２つずつ含まれ、破線で示す画素領域１３ｂにも検出領域Ｐ０、Ｐ１が２つずつ含まれる。画素領域をｘｙ面内で遮光領域９Ａの幅（＝Ｗ）の分だけどのようにずらしても、位置関係の入れ替えはあるが、領域Ｐ０、Ｐ１が必ず２つずつ含まれる。前述したように、検出光量は、式１に示すｑ０およびＱ０を計算することによって補間処理される。解像度が画素サイズで決まるとすれば、解像度は画素領域１３ａ、１３ｂのサイズである２Ｗ×２Ｗとなるが、画素はｘｙ面内のどの方向に幅Ｗだけ動かしても同じ補間処理が成り立つので、補間処理後の解像度はＷ×Ｗまで改善する。

図４Ａから図４Ｈは、１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を示している。図４Ａは図２Ａと同じ断面図を示している。図４Ｂ〜４Ｈは、図４Ａに対応して描いたＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）法による光強度分布の電磁解析の結果を経過時間順に並べた図である。本解析では、透光領域９ａおよび遮光領域９Ａのｘ方向の幅Ｗを５．６μｍ、グレーティングのｚ方向の深さを０．２μｍ、高屈折率透明層（第２の透明層）をＴａ₂Ｏ₅膜とし、そのｚ方向の厚さｔ１を０．３４μｍ、低屈折率透明層（第１の透明層）をＳｉＯ₂膜とし、そのｚ方向の厚さｔ２を０．２２μｍとした。

図４Ｂでは半値幅１１ｆｓ(伝播距離に換算して３．３μｍ)でパルス発振した波長λ０＝８５０ｎｍの光６ａが透光領域９ａを透過している。図４Ｃでは光６ａの発振が終わる一方、積層された高屈折率透明層１２ｂ内を伝播する導波光６ｂ、６ｃが発生し、導波光にならなかった成分はそのまま光結合層１２を透過しマイクロレンズ１１ａに光６ｄとして入射している。図４Ｄでは導波光６ｂ、６ｃが上下に光６Ｂ１、６Ｃ１を放射しながら遮光領域９Ａの下まで伝播している。一方、透過光６ｄはマイクロレンズ１１ａによって検出器１０ａの上まで集光されている。図４Ｅでは透過光６ｄが検出器１０ａに入射している。一方、放射光６Ｂ１、６Ｃ１および反射光６Ｂ２は放射光６Ｄを形成しマイクロレンズ１１Ａに入射し、集光されている。図４Ｆから図４Ｈでは、透過光６ｄおよび放射光６Ｄが集光されながら検出器１０ａ、１０Ａにそれぞれ入射している。

なお、図４Ｅから図４Ｈから分かるように、導波光６ｂ、６ｃは、遮光領域９Ａの下の範囲で放射されきれず、一部が導波光の状態で隣接する右側の透光領域の範囲に到達してしまう。放射損失係数（導波光の放射されやすさ）は、グレーティングの深さを大きくすると大きくなる。よって、遮光領域９Ａの下の領域でのグレーティングの深さを大きくすれば放射光量が増え、検出光量をより大きくできる。

図５Ａは、検討例における４つの開口９ａに入射する光と、その下にある３つの検出器１０ａ、１０Ａ、１０ａ’との位置関係を示す断面図である。図５Ａに示す例では、４つの開口９ａには位相がランダムに異なる光が入射する。図５Ａにおいて、ωは光の角周波数（ω＝２πｃ／λ０、ｃは光速）、ｔは時間、ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４はランダム関数（０から１の間でランダムな値をとる関数）、ａはランダム係数（ランダム値の振幅）を表している。

図５Ｂは、入射光のランダム係数ａと検出信号との関係を解析した結果を示す図である。４つの開口９ａの中間にある遮光領域９Ａの直下の検出器を１０Ａ、その両隣りにある２つの透光領域９ａの直下の検出器を１０ａ、１０ａ’とし、それらの検出光量を、それぞれＰ１、Ｐ０、Ｐ０’とし、検出信号を２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）で定義する。図５Ｂにおいて、菱形マークはＴＥモード入射（Ｓ偏光）、四角マークはＴＭモード入射（Ｐ偏光）、三角マークはＴＥＭモード入射（ランダム偏光、又は円偏光、又は４５度方向の偏光）の条件での解析結果を示している。ＴＥモード入射およびＴＥＭモード入射の条件では、係数ａが増大するにしたがって検出信号が低下する。ａ＝０はコヒーレントで位相が揃っている場合に相当し、ａ＝１はインコヒーレントな状態に相当する。図５Ｂに示す結果から、検出信号２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）の大小に基づいて、入射光のコヒーレンスの度合い（位相のランダム性）を知ることができる。なお、図５Ｂには示されていないが、検出信号は、位相差と相関をもつため、検出信号に基づいて位相の差異も計測できる。この例では、検出信号として、２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）が用いられているが、他の信号を検出信号としてもよい。演算回路１４は、透光領域９ａに対向する検出器によって検出される光量を第１光量Ｐ０とし、遮光領域９Ａに対向する検出器１０Ａによって検出される光量を第２光量Ｐ１として、（１）第２光量Ｐ１と第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、（２）第１光量Ｐ０と第２光量Ｐ１との和に対する第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および（３）第１光量Ｐ０と第２光量Ｐ１との和に対する第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、の少なくとも１つの信号を、上記検出信号として出力してもよい。これらの検出信号は、いずれも、ランダム係数ａと相関をもつため、検出信号に基づいて、入射光のコヒーレンスの度合いを知ることができる。

図６は、図５Ａに示す開口９ａの一つに入射する波連の一例を示している。光源２が一定のコヒーレンス長σ０の光を出射するので、被写体４内でコヒーレンス長が変化しないとすると、開口９ａに入射する波連１５ａ、１５ｂも全て同じコヒーレンス長σ０をもつ。しかし、散乱により波連１５ａ、１５ｂは異なるタイミングで開口９ａに入射する。波連１５ａ、１５ｂの後にはコヒーレンス長σ０が同じで位相が異なる波連が連なる。図６に示すように、２つの同一波長の波連１５ａ、１５ｂが位相をランダムにずらし連続して入射すると、これらは干渉して３つの波連１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを形成する。波連１５Ｃは波連１５ａと１５ｂとが重なり干渉してできる波連である。波連１５Ａ、１５Ｂは波連１５ａと波連１５ｂとが互いに重ならなかった残りの部分である。波連１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃとも波長は揃い、合成波（波連１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）の波長の広がり（縦モード幅）も元の波連１５ａ、１５ｂと変わらない。つまり、時間コヒーレンスにおいて定義されるコヒーレンス長は変化しない（図１３Ａ〜１３Ｅ参照）。しかし、波連１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの間には位相の相関性はまったくない。波の連続性、つまり、位相が連続する波の長さとしてコヒーレンス長を定義すると、合成波のコヒーレンス長は元のσ０に比べて短くなっている。この意味で定義されるコヒーレンス長を「実効コヒーレンス長」と呼び、時間コヒーレンスで定義されるコヒーレンス長を「コヒーレンス長」と呼び、それぞれ区別することにする。

次に、図７Ａから図７Ｆを参照しながら、被写体として人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で入射光の強度分布を計算した結果を説明する。

図７Ａは、本解析における全体の光学配置および光線追跡の様子を示している。図７Ｂ〜７Ｄは、検出位置での映像８ｂを２０×２０の領域に分けて分析した結果を示している。図７Ｂは光強度分布を、図７Ｃは光路長の平均分布を、図７Ｄは光路長の標準偏差分布を示している。図７Ａに示すように、人体頭部は、頭皮４ａ、頭骨４ｂ、ＣＦＳ層４ｃ、血液層４ｅ（酸化ヘモグロビン層と還元ヘモグロビン層を、紙面を境に面法線方向に並ぶように配置）、および灰白質４ｄを含む。それぞれの吸収係数（１／ｍｍ）、散乱係数(１／ｍｍ)、異方性散乱パラメータ、および膜厚（ｍｍ）を表１に示す。

解析領域はｘｙ方向に６０ｍｍ×６０ｍｍ、ｚ方向に２２ｍｍであり、この領域を超えて伝搬する光線は計算から除外した。入射光３は頭皮４ａの表面の中心（ｘ＝ｙ＝０）から−ｘ方向に１５ｍｍずれた位置を中心に、ｘ方向およびｙ方向に５ｍｍずつ隔てた３×３の９箇所の位置に垂直に入射する光を想定した。検出については、頭皮４ａの表面から１０００ｍｍだけ離れた位置に集光レンズ７を設置し、物側開口数（＝ｓｉｎα）を０．１として取り込まれる光線から、像面位置の像８ｂを算出した。図７Ｂ〜７Ｄに示す検出対象領域は、頭皮４ａの表面の中心（ｘ＝ｙ＝０）から＋ｘ方向に１５ｍｍずれた位置を中心に、ｘ方向およびｙ方向に幅０．８ｍｍの範囲内の領域である。この領域からの散乱光の分布を計算によって求めた。図７Ｂでは白いほど強度が大きく、図７Ｃおよび図７Ｄでは白いほど値が大きい。ｙ＞０の領域は酸化ヘモグロビン層に相当し、ｙ＜０の領域は還元ヘモグロビン層に相当する。図７Ｂ〜７Ｄのいずれについても、酸化ヘモグロビン層と還元ヘモグロビン層との間で微弱な差が存在する。なお、画像は集光レンズ７によって反転するので、画像中の酸化ヘモグロビン層および還元ヘモグロビン層の位置は、現実の位置とは逆転する。

光源２がコヒーレンス長σ０の光を発振するとすれば、光路長の標準偏差がコヒーレンス長σ０以下なら、受光される光が同じ波連内にある可能性が高く、位相の相関性は高い。この場合、受光される光は明るい箇所と暗い箇所とが入り乱れて現れる。一方、光路長の標準偏差がσ０以上なら、受光される光の波連が異なる可能性が高く、位相の相関性は無くなる（図１２参照）。この場合、受光される光は場所によらず均一な明るさになる。図５Ｂを参照して説明したように、入射光のコヒーレンスの度合いは検出信号２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）、Ｐ１／Ｐ０、Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）等に関係する。このため、検出信号の大きさに基づいて、入射光の標準偏差がコヒーレンス長σ０以上であるか否かを判定できる。

図７Ｅおよび図７Ｆは、検出信号（この例ではＰ１／Ｐ０）の分布の例を示している。図７Ｅは、σ０＝１８．５ｍｍの場合の例を示し、図７Ｆは、σ０＝１８．０ｍｍの場合の例を示している。図中の黒い領域は、検出信号が一律に小さい領域を表している。図７Ｅに示すσ０＝１８．５ｍｍの例では、光路長の標準偏差が１８．５ｍｍを超える領域で検出信号が小さくなる。一方、図７Ｆに示すσ０＝１８．０ｍｍの例では、光路長の標準偏差が１８．０ｍｍを超える領域で検出信号が小さくなる。したがって、図７Ｆの例では、図７Ｅの例に比べて、検出信号が小さくなる領域が広い。図７Ｅおよび図７Ｆにおいて、黒い領域以外の領域では、位置に応じて検出信号の大小が不規則に変わるので、検出信号が一律に小さい黒い領域と判別できる。コヒーレンス長σ０をパラメータにして、黒い領域を分析することで、被写体内部の散乱の様子を知ることができる。

したがって、制御回路１は、光源２から出射される光のコヒーレンス長を変化させ、変化させたコヒーレンス長ごとに撮像するように、光源２、光検出装置１３、および演算回路１４を制御する。演算回路１４は、制御回路１が変化させた光のコヒーレンス長ごとに、例えば、（１）第２光量Ｐ１と第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、（２）第１光量Ｐ０と第２光量Ｐ１との和に対する第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および（３）第１光量Ｐ０と第２光量Ｐ１との和に対する第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、の少なくとも１つの信号を生成して出力する。これらの信号に基づいて、被写体内部の散乱の様子を知ることができる。

コヒーレンス長を可変にする光源２として、例えば高周波重畳半導体レーザーまたはスイープ光源（レーザーの波長を数ｎｍ〜数十ｎｍの範囲で周期的にスイープさせる光源）が実用化レベルにある。例えば、高周波重畳回路（一般には３００ＭＨｚの周波数）で駆動される半導体レーザーは、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲のコヒーレンス長で発振する。重畳回路の周波数または振幅等を変える（例えば周波数を小さくする）ことで、０．２ｍｍ〜数十ｍｍの範囲でコヒーレンス長を変化させることができる。また、スイープ光源では、波長変動幅または周期（周波数）を変えることで０．３ｍｍ〜数十ｍｍの範囲でコヒーレンス長を変化させることができる。ただし、スイープ光源を使う場合は、光結合層１２に入射する光の波長を限定するために、場合によりバンドパスフィルター９ｐが用いられる。また、ＬＥＤ等の線幅の広い光源と狭帯域のバンドパスフィルターとを組み合わせて、所望のコヒーレンス長を得ることもできる。光源に波長の異なる２つ以上の光源を使ってもよい。これらの光が被写体内で散乱され、開口９ａに入射するときに、図１３Ｃを参照して説明した原理で唸りが発生し、２つの光源からの光の波長差に応じてコヒーレンス長が短くなる。この場合、実効的にコヒーレンス長の短い光源を使った場合と同じである。ただしこの場合も、光結合層１２に入射する光の波長を限定するために、場合によりバンドパスフィルター９ｐが用いられる。波長の異なる複数の光源を使う場合、光源の発光強度比を変化させる操作と連動させてもよい。

このように、本検討例の光検出システム１００によれば、図７Ａに示した被写体について、頭骨４ｂの奥にある酸化／還元ヘモグロビン４ｅの分布差が電気信号の出力差として検出できる。これは、図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して説明した光強度分布像を検出する方法（第２の従来例）に比べて、時間分割の必要がないので、計測を大幅に簡素化できる。また、光源２のコヒーレンス長を変えるだけで被写体内部の散乱の様子を比較、分析でき、計測の分解能を高めることができる。

しかし、検討例の光検出装置には、解像度の観点で、改善の余地があった。光結合層１２で十分な入力結合（即ち、入射光の導波光への変換）を確保するためには、透光領域９ａおよび遮光領域９Ａのｘ方向の幅Ｗを十分に大きくする必要があった。より具体的には、幅Ｗは、グレーティングのピッチ（即ち周期）Λの１０倍程度は必要であった。このため、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明した補間処理を用いても、補間処理後の解像度は幅Ｗで制限されるという課題があった。

そこで、本開示の一態様に係る光検出装置は、一方向に偏光した入射光を透過させる領域（透光領域）および遮光する領域（遮光領域）を有する偏光子アレイを備える。前記透光領域は前記複数の検出器の一部の検出器に対向し、前記遮光領域は前記複数の検出器のうちの他の一部の検出器に対向する。グレーティングの方位は透光領域と遮光領域とで直交する。このような構成により、Ｓ偏光とＰ偏光の２種類の散乱情報を取得でき、検出の解像度を高めることができる。

本開示の他の態様に係る光検出装置では、光検出器が光結合層内を伝播する光の染みだし光（エバネセント成分）が及ぶ範囲に配置される。これにより、光結合層内を伝播する光の検出が容易になる。

本開示のさらに他の態様に係る光検出装置は、一方向に偏光した入射光を透過させる領域（透光領域）および遮光する領域（遮光領域）を有する偏光子アレイを備える。前記透光領域は前記複数の検出器の一部の検出器に対向し、前記遮光領域は前記複数の検出器のうち他の一部の検出器に対向する。グレーティングのピッチは透光領域と遮光領域とで異なる。このような構成によっても、Ｓ偏光とＰ偏光の２種類の散乱情報を取得でき、検出の解像度を高めることができる。

本開示のさらに他の態様に係る光検出装置では、偏光子アレイに含まれる各偏光子は、一定の隙間を隔てて周期的に配置された直線状の複数の金属線で形成される。金属線の方位が透光領域と遮光領域とで直交することで、偏光に応じた光分離が可能になる。

本開示のさらに他の態様に係る光検出装置は、入射する光の偏光方向を一様に一方向に揃える直線偏光子が前記偏光子アレイ上に配置される。前記直線偏光子の面法線周りの回転に応じて入射光の偏光方位が変化する。これにより、透光領域と遮光領域の位置が容易に入れ替わることが可能になる。

上記の態様の他、本開示は、以下の項目に記載の光検出装置および光検出システムを含む。

[項目１］
主面を有し、前記主面に沿って配置された複数の第１検出器および複数の第２検出器を含む光検出器と、
前記光検出器上に配置された光結合層であって、
第１低屈折率層、
前記第１低屈折率層上に配置され、第１グレーティングを含む第１高屈折率層、および
前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層を含み、
前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有する、光結合層と、
前記光結合層上に配置された偏光子アレイであって、
一方向に偏光した光を透過させる第１偏光子が配置された少なくとも１つの第１偏光領域、および前記第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光子が配置された少なくとも１つの第２偏光領域を含み、
前記第１偏光領域は、前記複数の第１検出器の少なくとも１つに対向し、
前記第２偏光領域は、前記複数の第２検出器の少なくとも１つに対向し、
前記第１偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位と、前記第２偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位とは、直交している、
偏光子アレイと、
を備える光検出装置。

[項目２］
前記第１検出器は、前記第２偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分が及ぶ範囲内に配置され、
前記第２検出器は、前記第１偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分が及ぶ範囲内に配置されている、
項目１に記載の光検出装置。

[項目３］
前記第１検出器は、第１の時間において、前記第１偏光領域を透過した光と、前記第２偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分とを検出し、
前記第２検出器は、前記第１の時間とは異なる第２の時間において、前記第２偏光領域を透過した光と、前記第１偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分とを検出する、
項目２に記載の光検出装置。

[項目４］
主面を有し、前記主面に沿って配置された複数の第１検出器および複数の第２検出器を含む光検出器と、
前記光検出器上に配置された光結合層であって、
第１低屈折率層、
前記第１低屈折率層上に配置され、第１グレーティングを含む第１高屈折率層、および
前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層を含み、
前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有する、光結合層と、
前記光結合層上に配置された偏光子アレイであって、
一方向に偏光した光を透過させる第１偏光子が配置された少なくとも１つの第１偏光領域、および前記第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光子が配置された少なくとも１つの第２偏光領域を含み、
前記第１偏光領域は、前記複数の第１検出器の少なくとも１つに対向し、
前記第２偏光領域は、前記複数の第２検出器の少なくとも１つに対向し、
前記第１偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの周期と、前記第２偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの周期とは、異なっている、
偏光子アレイと、
を備える光検出装置。

[項目５］
前記第１偏光子および前記第２偏光子の各々は、一定の隙間を隔てて周期的に配置された直線状の複数の金属線によって形成され、
前記第１偏光子における前記複数の金属線の方位と、前記第２偏光子における前記複数の金属線の方位とは、直交している、
項目１から４のいずれかに記載の光検出装置。

[項目６］
前記偏光子アレイ上に配置され、前記偏光子アレイに入射する光の偏光方向を一様に特定の方向に揃える直線偏光子と、
前記直線偏光子を前記主面に垂直な軸の周りに回転させるモータと、
前記モータを制御する第１制御回路と、
を備える、
項目１から４のいずれかに記載の光検出装置。

[項目７］
前記第１制御回路は、
前記直線偏光子の偏光透過軸の方向と、前記第１偏光子の偏光透過軸の方向とを揃えた状態で、前記光検出器に１回目の光の検出を実行させ、
前記直線偏光子の偏光透過軸の方向と、前記第２偏光子の偏光透過軸の方向とを揃えた状態で、前記光検出器に２回目の光の検出を実行させる、
項目６に記載の光検出装置。

[項目８］
前記光結合層は、
前記第１低屈折率層と前記光検出器との間に配置された第３低屈折率層、および
前記第３低屈折率層と前記１低屈折率層との間に配置され、第２グレーティングを含む第２高屈折率層をさらに含み、
前記第２高屈折率層は、前記第１低屈折率層および前記第３低屈折率層よりも高い屈折率を有し、
前記第２グレーティングの方位は、前記第１グレーティングの方位と整合している、
項目１から７のいずれかに記載の光検出装置。

[項目９］
項目１から８のいずれかに記載の光検出装置と、
前記光検出装置に接続された演算回路をさらに備え、
前記演算回路は、
前記第１偏光領域に対向する前記第１検出器によって検出される光量を第１光量Ｐ０とし、前記第２偏光領域に対向する前記第２検出器によって検出される光量を第２光量Ｐ１とするとき、
前記第２光量Ｐ１と前記第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、
前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および
前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号
の少なくとも１つの信号を出力する、
光検出システム。

[項目１０］
前記少なくとも１つの第１偏光領域は複数の第１偏光領域を備え、
前記少なくとも１つの第２偏光領域は複数の第２偏光領域を備え、
前記複数の第１偏光領域および前記複数の第２偏光領域は、隣接する第１偏光領域および第２偏光領域の対を複数個含み、
前記演算回路は、
前記隣接する透光領域および遮光領域の対ごとに、前記隣接する透光領域および遮光領域に対向する前記第１検出器および前記第２検出器から出力される信号に基づいて、
前記第２光量Ｐ１と前記第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、
前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および
前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号
の少なくとも１つの信号を生成して出力する、
項目９に記載の光検出システム。

[項目１１］
前記演算回路は、生成した前記信号の値が所定の閾値以上となる領域と、前記信号の値が前記閾値未満となる領域とを区別して表した画像情報を生成する、項目１０に記載の光検出システム。

[項目１２］
所定の波長帯域の光を出射する光源をさらに備え、
前記複数の第１検出器および前記複数の第２検出器は、前記光源から出射される光の波長帯域に検出感度を有する、
項目８から１１のいずれかに記載の光検出システム。

[項目１３］
前記光結合層の上に配置され、前記光源が出射する波長帯域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルターをさらに備える、項目１２に記載の光検出システム。

[項目１４］
前記光源を制御する第２制御回路をさらに備え、
前記第２制御回路は、前記光源から出射される光のコヒーレンス長を変化させる、項目１２または１３のいずれかに記載の光検出システム。

[項目１５］
前記演算回路は、前記第２制御回路が変化させた光のコヒーレンス長ごとに、
前記第２光量Ｐ１と前記第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、
前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および
前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号
の少なくとも１つの信号を生成して出力する、
項目１４に記載の光検出システム。

以下、図面を参照しながら本開示の実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示している。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定するものではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施形態１）
本実施形態の構成は、検光子（直線偏光子）が光検出装置１３の前面に配置されている点、ならびに、透光領域および遮光領域の構造、グレーティングのパターニング、および光検出器の位置が異なる点を除いて、検討例と同じである。このため、検討例と共通する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図８Ａは、本実施形態におけるＳ波透光領域（第１偏光領域）９ＳおよびＰ波透光領域（第２偏光領域）９Ｐの配列を示す平面図である。本実施形態では、検討例における遮光膜９の変わりに、ワイアーグリッド（金属格子）偏光子であるＳ波透光領域９ＳおよびＰ波透光領域９Ｐのアレイ（偏光子アレイ）が用いられる。Ｓ波透光領域９Ｓには、Ｐ波の電場（電界）の振動方向（図８Ａにおけるｘ軸方向）に沿って波長の１／３以下のピッチでアルミニウム（Ａｌ）等のワイアーグリッド（金属格子）が形成されている。ｘ軸方向に金属配線が延びているので、この方向に電流が流れ、ｘ軸方向の電界ベクトルのエネルギーが消費される。結果として、Ｓ波透光領域９ＳはＳ波の光のみを透過させ、Ｐ波の光を遮光する。Ｐ波透光領域９Ｐには、Ｓ波の電界の振動方向（図８Ａにおけるｙ軸方向）に沿って波長の１／３以下のピッチでＡｌ等のワイアーグリッド（金属格子）が形成されている。ｙ軸方向に金属配線が伸びているので、この方向に電流が流れ、ｙ軸方向の電界ベクトルのエネルギーが消費される。結果として、Ｐ波透光領域９Ｐは、Ｐ波の光のみを透過させ、Ｓ波の光を遮光する。Ｓ波透光領域９Ｓは、Ｐ波を遮光するため、「Ｐ波遮光領域」と称することができる。Ｐ波透光領域９Ｐは、Ｓ波を遮光するため、「Ｓ波遮光領域」と称することができる。なお、本明細書において、Ｓ波およびＰ波の用語は、ｘｚ面に平行な入射面を基準として定められる。すなわち、Ｓ波は、当該入射面に垂直な方向に電界が振動する直線偏光であり、Ｐ波は、当該入射面に平行な方向に電界が振動する直線偏光である。

図８Ｂは、光結合層１２に形成されているグレーティングの方位を示す平面図である。図８Ｃおよび図８Ｄは、光検出器１０を含む構成要素間の位置関係を示す断面図である。図８Ｃは、光検出装置１３におけるｘｚ面に平行な断面を示している。図８Ｄは、光検出装置１３におけるｙｚ面に平行な断面を示している。本実施形態では、グレーティング１２Ｓは、Ｓ波透光領域９Ｓの直下に位置し、その格子ベクトルの方向はｘ軸方向である。グレーティング１２Ｐは、Ｓ波遮光領域９Ｐの直下に位置し、その格子ベクトルの方向はｙ軸方向である。

図８Ｂおよび図８Ｃに示されているように、Ｓ波透光領域９Ｓを透過したＳ波の光の一部は、グレーティング１２Ｓにより、光結合層１２内をｘ軸方向に伝搬するＴＥモードの導波光６ｂ、６ｃになる。導波光にならなかった光の成分は、光結合層１２を透過し（透過光６ｄ）、光検出器１０Ｓによって検出される。なお、光検出器１０Ｓに入射する光には、導波の後、最終的に放射された光の成分も加わり得るが、本開示では、この成分も導波光にならなかった成分として特徴づける。

導波光６ｂ、６ｃは、光結合層１２内を伝播する。光結合層１２における複数の層は近接して積層されているので、導波光は光結合層１２内の層間を移行しながら伝播し、グレーティング１２Ｐの領域に入る。グレーティング１２Ｐの領域では、グレーティング１２Ｐの格子ベクトルの方位（ｙ方向）が導波光６ｂ、６ｃの伝播方向に直交するので、導波光６ｂ、６ｃは光結合層１２から放射されない。そのため、本実施形態では、検出器１０Ｓは、Ｐ波透光領域（第２偏光領域）９Ｐを透過し、光結合層１２内を伝搬する光のエバネセント成分が及ぶ範囲内に配置され、検出器１０Ｐは、第１偏光領域９Ｓを透過し、光結合層１２内を伝搬する光のエバネセント成分が及ぶ範囲内に配置されている。検出器１０Ｓ、１０Ｐを光結合層１２に近接させ、光結合層１２からにじみ出た導波成分（エバネセント光）を検出器１０Ｐ側に誘い込むことで（リーキーモード光６Ｄ）、検出器１０Ｐが導波光６ｂ、６ｃを検出できるようにしている。本実施形態では、光検出器１０の表面に高屈折率の保護層１０ｅが成膜されているが、保護層１０ｅを省略してもよい。

一方、図８Ｂおよび図８Ｄに示されているように、Ｐ波透光領域９Ｐを透過したＰ波の光は、グレーティング１２Ｐによって光結合層１２内をｙ軸方向に伝搬するＴＥモードの導波光６Ｂ、６Ｃになる。導波光にならなかった成分は、光結合層１２を透過し（透過光６Ｄ）、光検出器１０Ｐによって検出される。導波光６Ｂ、６Ｃは、光結合層１２内を伝播する。光結合層１２における複数の層は近接して積層されているので、導波光は光結合層１２内の層間を移行しながら伝播し、グレーティング１２Ｓの領域に入る。グレーティング１２Ｓの領域ではグレーティングの格子ベクトルの方位（ｘ方向）が導波光６Ｂ、６Ｃの伝播方向に直交するので、導波光６Ｂ、６Ｃは光結合層１２から放射されない。そのため、本実施形態では、光検出器１０Ｓ、１０Ｐを光結合層１２に近接させ、光結合層１２からにじみ出た導波成分（エバネセント光）を検出器１０Ｓ側に誘い込むことで（リーキーモード光６ｄ）、検出器１０Ｓが導波光６ｂ、６ｃを検出できるようにしている。

図８Ａに示すように、領域９Ｓの直下の検出領域をＡ０、領域９Ｐの直下の検出領域をＡ１とすると、Ａ０、Ａ１はそれぞれＷ×Ｗのサイズのチェッカーパターンをなす。図８Ａに実線で示す画素領域１３ａには検出領域Ａ０、Ａ１が２つずつ含まれ、破線で示す画素領域１３ｂにも検出領域Ａ０、Ａ１が２つずつ含まれる。画素領域をｘｙ面内で各領域の幅（＝Ｗ）の分だけどのようにずらしても、位置関係の入れ替えはあるが検出領域Ａ０、Ａ１は必ず２つずつ含まれる。検討例について説明したように、検出光量は、式１に示すｑ０およびＱ０を計算することによって補間処理される。解像度が画素サイズで決まるとすれば、解像度は画素領域１３ａ、１３ｂのサイズである２Ｗ×２Ｗとなるが、画素はｘｙ面内のどの方向に幅Ｗだけ動かしても同じ補間処理が成り立つので、補間処理後の解像度はＷ×Ｗまで改善する。

図１Ｂに示す開口９ａ（図８Ａに示す領域９Ｓ、９Ｐに相当）に入射する光５の偏光方向はランダムである。本実施形態では、透明基板９ｂの手前（被写体側）に検光子（直線偏光子）１６が設けられている。検光子１６は、入射光５のうち、特定の直線偏光のみを透過させる。検光子１６は、不図示のモータに接続され、ｚ方向の中心軸の周りに回転することで偏光方位を選択できる。図８Ｃに示す状態では、検光子１６の回転により、Ｓ波（電界ベクトルの方向がｙ方向である光）のみが検光子１６を透過している。図８Ｄに示す状態では、Ｐ波（電界ベクトルの方向がｘ方向である光）のみが検光子１６を透過している。図８Ｃに示す光検出の状態と、図８Ｄに示す光検出の状態とは、同時には発生せず、検光子１６の回転によって択一的に選択される。このような構成により、検出器１０Ｓ、１０ＰはＰ波とＳ波の２種類の情報を容易に取得でき、実質的に解像度が倍に向上する。このため、検討例よりも精密に被写体内部の散乱の様子を比較し分析できる。

なお、本実施形態において、導波光６ｂ、６ｃ、６Ｂ、６ＣをＴＥモードの導波光として説明したが、グレーティング１２Ｓ、１２Ｐのピッチを変更してＴＭモードを励起する条件であってもよい。また、本実施形態の構成を、図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して説明した時間分割検出法（第２従来例）と組み合わせてもよい。これにより、時間分割して取り込んだ信号をコヒーレンスの状態の観点で分析でき、被写体内部の散乱の様子をより詳しく分析できる。

次に、本実施形態の構成をより詳細に説明する。

図９は、本実施形態における光検出装置１３の構成を模式的に示す図である。図９は、図８Ｃに示す光検出装置１３の構成要素に加え、モータ１５および制御回路１’を示している。なお、図９に示されている直線偏光子（検光子）１６は、実際には、複数のＳ波透光領域（第１偏光領域）９Ｓおよび複数のＰ波透光領域（第２偏光領域）９Ｐの全体を覆うように配置されている。

本実施形態における光検出装置１３は、主面（撮像面）に沿って配置された複数の第１検出器１０Ｓおよび複数の第２検出器１０Ｐを含む光検出器１０と、光検出器１０上に配置された光結合層１２と、光結合層１２上に配置された偏光子アレイ９’とを備える。ここで、「〜上に」とは、本開示の図面に示されている配置を基準にした場合に上に存在することを意味し、接触して上に位置している状態と、接触せずに（即ち、間に他の要素または層を介して）上に位置している状態とを含む。光結合層１２は、図２Ａの構成と同様、第１低屈折率層１２ｃと、第１低屈折率層１２ｃ上に配置され、第１グレーティング１２ｄを含む第１高屈折率層１２ｂと、第１高屈折率層１２ｂ上に配置された第２低屈折率層１２ａとを含む。第１高屈折率層１２ｂは第１低屈折率層１２ｃおよび第２低屈折率層１２ａよりも高い屈折率を有する。本実施形態では、光結合層１２は、さらに、第１低屈折率層１２ｃと光検出器１０との間に配置された第３低屈折率層と、第３低屈折率層と１低屈折率層１２ｃとの間に配置され、第２グレーティングを含む第２高屈折率層とをさらに含む。第２高屈折率層は、第１低屈折率層１２ｃおよび第３低屈折率層よりも高い屈折率を有する。第２グレーティングの方位は、第１グレーティングの方位と整合している。すなわち、図８Ｂに示す第１グレーティングの溝の方向がｙ方向である領域では、第２グレーティングの溝の方向もｙ方向であり、第１グレーティングの溝の方向がｘ方向である領域では、第２グレーティングの溝の方向もｘ方向である。光結合層１２は、上記以外にも、２つの低屈折率層と、それらに挟まれ、グレーティングを有する高屈折率層との組み合わせを複数有する。このような積層されたグレーティングの構造により、光結合層１２は、光導波路として機能する。なお、２つの低屈折率層と、それらに挟まれ、グレーティングを有する高屈折率層との組み合わせの数は任意であり、最低１つあればよい。

図９に示すように、偏光子アレイ９’は、一方向に偏光した光を透過させる第１偏光子が配置された複数の第１偏光領域９Ｓと、第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光子が配置された複数の第２偏光領域９Ｐとを含む。第１偏光領域９Ｓおよび第２偏光領域９Ｐの各々は、少なくとも１つ設けられていれば、検討例について説明した演算処理が可能である。なお、図９には示されていないが、図２Ａに示す構成と同様、光結合層１２の上に、光源２が出射する波長帯域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルターも配置され得る。

本実施形態では、１つの第１偏光領域９Ｓは、複数の第１検出器１０Ｓの１つに対向し、１つの第２偏光領域９Ｐは、複数の第２検出器１０Ｐの１つに対向しているが、このような構成に限定されない。１つの第１偏光領域９Ｓが、近接するｎ個（ｎは２以上の整数）の第１検出器１０Ｓに対向し、１つの第２偏光領域９Ｐが、近接するｎ個の第２検出器１０Ｐの１つに対向していてもよい。その場合、演算回路１４（図１Ａ）は、ｎ個の第１検出器１０Ｓからの信号の和およびｎ個の第２検出器１０Ｐからの信号の和のそれぞれを、１つの信号として処理すれば、検討例において説明した演算をそのまま適用できる。

本実施形態では、検討例とは異なり、第１偏光領域９Ｓに対向する領域における第１グレーティングの方位と、第２偏光領域９Ｐに対向する領域における第１グレーティングの方位とが、直交している。第１検出器１０Ｓは、第１の時間において、第１偏光領域９Ｓを透過した光と、第２偏光領域９Ｐを透過し、光結合層１２内を伝搬する光のエバネセント成分とを検出する。第２検出器１０Ｓは、第１の時間とは異なる第２の時間において、第２偏光領域９Ｐを透過した光と、第１偏光領域９Ｓを透過し、光結合層１２内を伝搬する光のエバネセント成分とを検出する。

図９に示すように、光検出装置１３は、偏光子アレイ９’上に配置され、偏光子アレイ９’に入射する光の偏光方向を一様に特定の方向に揃える直線偏光子１６と、直線偏光子１６を、光検出器１０の主面（撮像面）に垂直な軸の周りに回転させるモータ１５と、モータ１５および光検出器１０を制御する第１制御回路１’とを備えている。第１制御回路１’は、図１Ａに示す制御回路１（第２制御回路）と同じであっても異なっていてもよい。第１制御回路１’は、直線偏光子１６の偏光透過軸の方向と、第１偏光子（第１偏光領域９Ｓ）の偏光透過軸の方向とを揃えた状態で、光検出器１０に１回目の光の検出を実行させる。第１制御回路１’は、直線偏光子１６の偏光透過軸の方向と、第２偏光子（第２偏光領域９Ｐ）の偏光透過軸の方向とを揃えた状態で、光検出器１０に２回目の光の検出を実行させる。

以上の構成により、検出器１０Ｓ、１０Ｐは偏光方向が直交する２種類の偏光の情報を取得できるため、検討例の構成と比較して、実質的に解像度が倍に向上する。

演算回路１４は、検討例と同様の処理を行う。具体的には、第１偏光領域９Ｓに対向する第１検出器１０Ｓによって検出される光量を第１光量Ｐ０とし、第２偏光領域９Ｐに対向する第２検出器１０Ｐによって検出される光量を第２光量Ｐ１として、例えば（１）第２光量Ｐ１と第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、（２）第１光量Ｐ０と第２光量Ｐ１との和に対する第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および（３）第１光量Ｐ０と第２光量Ｐ１との和に対する第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、の少なくとも１つの信号を生成して出力する。この演算処理は、隣接する透光領域および遮光領域の対ごとに行われ得る。図５Ｂを参照して説明したように、上記のいずれかの検出信号に基づいて、被写体（対象物）の情報を得ることができる。演算回路１４は、メモリなどの記憶媒体に予め格納された、図５Ｂに示すような、検出信号とコヒーレンスの度合い（例えばランダム係数）との関係を規定する関数またはテーブルの情報を参照して、検出信号から、コヒーレンスの度合いを求める。

コヒーレンスの度合いと、対象物の構造との間には、相関がある。例えば、ある位置から到達する光のコヒーレンスの度合いが高い場合、その位置には、滑らかな表面を有する対象物が存在し、表面反射が生じていると推定できる。一方、ある位置から到達する光のコヒーレンスの度合いが低い場合、その位置では、対象物の内部で散乱が生じているか、凹凸を有する表面で反射が生じていると推定できる。演算回路１４は、このような信号の生成および対象物の構造の推定を、例えば隣接する透光領域および遮光領域の対ごとに生成する。これにより、広い領域にわたって、対象物の情報を得ることができる。

制御回路１が光源２から出射される光のコヒーレンス長を変化させる形態では、演算回路１４は、制御回路１が変化させた光のコヒーレンス長ごとに、上記のいずれかの検出信号を生成してもよい。これにより、図７Ｅおよび図７Ｆを参照して説明したように、コヒーレンス長をパラメータにして、被写体内部の散乱の様子を詳細に知ることができる。演算回路１４は、例えば図７Ｅおよび図７Ｆに示すように、生成した信号の値が所定の閾値以上となる領域と、信号の値が閾値未満となる領域とを区別して表した画像情報を生成してもよい。これにより、被写体内部の構造を可視化することができる。

（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２を説明する。

本実施形態の構成は、グレーティングのパターニングが異なる点以外は、全て実施形態１の構成と同じである。したがって、共通する構成要素には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０Ａは、本実施形態におけるＳ波透光領域９ＳおよびＰ波透光領域９Ｐの配列を示す平面図である。Ｓ波透光領域９Ｓには、Ｐ波の振動方向（ｘ軸方向）に沿って波長の１／３以下のピッチでＡｌ等のワイアーグリッド（金属格子）が形成されている。これにより、Ｓ波透光領域９Ｓは、Ｓ波の光を透過させ、Ｐ波の光を遮光する。Ｐ波透光領域９Ｐには、Ｓ波の振動方向（ｙ軸方向）に沿って波長の１／３以下のピッチでＡｌ等のワイアーグリッドが形成されている。これにより、Ｐ波透光領域９Ｐは、Ｐ波の光を透過させ、Ｓ波の光を遮光する。従って、Ｓ波透光領域９ＳはＰ波遮光領域と言え、Ｐ波透光領域９ＰはＳ波遮光領域と言える。

図１０Ｂは、光結合層１２に形成されるグレーティングの方位を示す平面図である。図１０Ｃは、光検出器１０を含む構成要素間の位置関係を示すｘｚ面断面図である。本実施形態では、グレーティング１２Ｓは、Ｓ波透光領域９Ｓの直下に位置し、その格子ベクトルの方向はｘ軸方向である。グレーティング１２Ｐは、Ｓ波遮光領域９Ｐの直下に位置し、その格子ベクトルはｘ軸方向である。すなわち、本実施形態では、Ｓ波透光領域９Ｓに対向するグレーティング１２ＳおよびＳ波遮光領域９Ｐに対向するグレーティング１２Ｐの格子ベクトルの方向は同じである。グレーティング１２Ｓとグレーティング１２Ｐとではピッチ（周期）が異なる。グレーティング１２ＳのピッチはＴＥモードの導波光６ｂ、６ｃが励起される条件を満たしている。一方、グレーティング１２Ｐのピッチは、ＴＭモードの導波光６Ｂ、６Ｃが励起される条件を満たしている。

図１０Ｂおよび図１０Ｃに示されているように、Ｓ波透光領域９Ｓを通過したＳ波の光の一部は、グレーティング１２Ｓにより、光結合層１２内をｘ軸方向に伝搬するＴＥモードの導波光６ｂ、６ｃになる。導波光にならなかった光の成分は、光結合層１２を透過し（透過光６ｄ）、光検出器１０Ｓによって検出される。なお、光検出器１０Ｓに入射する光には、導波の後、最終的に放射された光の成分も加わり得るが、本開示ではこの成分も導波光にならなかった成分として特徴づける。

導波光６ｂ、６ｃは、光結合層１２内を伝播する。光結合層１２における複数の層は近接して積層されているので、導波光は光結合層１２内の層間を移行しながら伝播し、グレーティング１２Ｐの領域に入る。グレーティング１２Ｐの領域では、グレーティング１２Ｐによる放射が生じ、その放射光が光検出器１０Ｐによって検出される。一方、Ｐ波透光領域９Ｐを透過したＰ波の光は、グレーティング１２Ｐによって光結合層１２内をｘ軸方向に伝搬するＴＭモードの導波光６Ｂ、６Ｃになる。導波光にならなかった成分は光結合層１２を透過し（透過光６Ｄ）、光検出器１０Ｐに検出される。導波光６Ｂ、６Ｃは光結合層１２内を伝播する。光結合層１２の各層は近接して積層されているので、導波光は光結合層１２の層間を移行しながら伝播する。グレーティング１２Ｓの領域では、グレーティング１２Ｓによる放射が生じ、その放射光が検出器１０Ｓによって検出される。本実施形態では、グレーティングによる放射効果が見込めるので、実施形態１のように、検出器１０Ｓ、１０Ｐを光結合層１２に近接させる必要はない。検討例と同様にマイクロレンズを使った構成も可能である。

図１０Ａに示すように、領域９Ｓの直下の検出領域をＡ０、領域９Ｐの直下の検出領域をＡ１とすると、検出領域Ａ０、Ａ１のそれぞれは、Ｗ×Ｗのサイズのチェッカーパターンをなす。図１０Ａに実線で示す画素領域１３ａには検出領域Ａ０、Ａ１が２つずつ含まれ、破線で示す画素領域１３ｂにも検出領域Ａ０、Ａ１が２つずつ含まれる。画素領域をｘｙ面内で各領域の幅（＝Ｗ）の分だけどのようにずらしても、位置関係の入れ替えはあるが、検出領域Ａ０、Ａ１は必ず２つずつ含まれる。検討例について説明したように、検出光量は、式１に示すｑ０およびＱ０を計算することによって補間処理される。解像度が画素サイズで決まるとすれば、解像度は画素領域１３ａ、１３ｂのサイズである２Ｗ×２Ｗとなるが、画素はｘｙ面内のどの方向に幅Ｗだけ動かしても同じ補間処理が成り立つので、補間処理後の解像度はＷ×Ｗまで改善する。

図１Ｂに示す開口９ａ（図１０Ａに示す領域９Ｓ、９Ｐに相当）に入射する光５は偏光方向はランダムである。本実施形態では、透明基板９ｂの手前（被写体側）に検光子（直線偏光子）１６が設けられている。検光子１６は、入射光５のうち、特定の直線偏光のみを透過させる。検光子１６は、不図示のモータに接続され、ｚ方向の軸の周りに回転することで偏光方位を選択できる。図１０Ｃに示す構成において、検光子１６の回転により、Ｓ波（電界ベクトルの方向がｙ方向である光）のみが検光子１６を透過する状態では、Ｐ波（電界ベクトルがｘ方向にある光）は遮断され、検出器１０Ｓ、１０ＰはＳ波の情報を取得できる。一方、検光子１６の回転によりＰ波のみが検光子１６を透過する状態では、Ｓ波は遮断され、検出器１０Ｓ、１０ＰはＰ波の情報を取得できる。従って、検出器１０Ｓ、１０Ｐは、Ｐ波とＳ波の２種類の情報を容易に取得でき、実質的に解像度が倍に向上する。このため、検討例よりも精密に被写体内部の散乱の様子を比較し分析できる。

なお、本実施形態において、導波光６ｂ、６ｃをＴＥモード、導波光６Ｂ、６ＣをＴＭモードの導波光として説明したが、グレーティング１２Ｓ、１２Ｐのピッチを変更してＴＭモードの導波光６ｂ、６ｃを励起し、ＴＥモードの導波光６Ｂ、６Ｃを励起してもよい。また、本実施形態の構成を、図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して説明した時間分割検出法（第２従来例）と組み合わせてもよい。これにより、時間分割して取り込んだ信号をコヒーレンスの状態の観点で分析でき、被写体内部の散乱の様子をより詳しく分析できる。

本開示は、被写体からの光のコヒーレンスまたは位相の状態を面内の分布情報として検出できる光検出装置に利用できる。例えば、脳血流量などの生体情報の測定に利用することができる。また、光強度分布の情報または時間分割検出法、コヒーレンス長可変の光源などと組み合わせることにより、被写体内部の情報を高精度、高解像に分析し得る。特にこれまで光強度分布の分析しかなかった撮像技術に、コヒーレンスの状態または位相という新しい評価軸が加わるため、イメージング技術に多機能性を提供し得る。

１００ 光検出システム
１ 制御回路
２ 光源
３ 出射光
４ 被写体
５、５ａ、５Ａ 散乱光
７ 集光レンズ
８ａ 実質的な物体（物点の集まり）
８ｂ 像面位置の像
９ 光結合層
９ａ 開口、透光領域
９Ａ 遮光領域
１０ 光検出器
１１ａ、１１Ａ マイクロレンズ
１３ 光検出装置
１４ 演算回路
１５ モータ

Claims (15)

1. 主面を有し、前記主面に沿って配置された複数の第１検出器および複数の第２検出器を含む光検出器と、
   前記光検出器上に配置された光結合層であって、
   第１低屈折率層、
   前記第１低屈折率層上に配置され、第１グレーティングを含む第１高屈折率層、および
   前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層を含み、
   前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有する、光結合層と、
   前記光結合層上に配置された偏光子アレイであって、
   一方向に偏光した光を透過させる第１偏光子が配置された少なくとも１つの第１偏光領域、および前記第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光子が配置された少なくとも１つの第２偏光領域を含み、
   前記第１偏光領域は、前記複数の第１検出器の少なくとも１つに対向し、
   前記第２偏光領域は、前記複数の第２検出器の少なくとも１つに対向し、
   前記第１偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位と、前記第２偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの方位とは、直交している、
   偏光子アレイと、
   を備える光検出装置。
2. 前記第１検出器は、前記第２偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分が及ぶ範囲内に配置され、
   前記第２検出器は、前記第１偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分が及ぶ範囲内に配置されている、
   請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記第１検出器は、第１の時間において、前記第１偏光領域を透過した光と、前記第２偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分とを検出し、
   前記第２検出器は、前記第１の時間とは異なる第２の時間において、前記第２偏光領域を透過した光と、前記第１偏光領域を透過し、前記光結合層内を伝搬する光のエバネセント成分とを検出する、
   請求項２に記載の光検出装置。
4. 主面を有し、前記主面に沿って配置された複数の第１検出器および複数の第２検出器を含む光検出器と、
   前記光検出器上に配置された光結合層であって、
   第１低屈折率層、
   前記第１低屈折率層上に配置され、第１グレーティングを含む第１高屈折率層、および
   前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層を含み、
   前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有する、光結合層と、
   前記光結合層上に配置された偏光子アレイであって、
   一方向に偏光した光を透過させる第１偏光子が配置された少なくとも１つの第１偏光領域、および前記第１偏光領域に隣接し、前記一方向に偏光した光を遮光する第２偏光子が配置された少なくとも１つの第２偏光領域を含み、
   前記第１偏光領域は、前記複数の第１検出器の少なくとも１つに対向し、
   前記第２偏光領域は、前記複数の第２検出器の少なくとも１つに対向し、
   前記第１偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの周期と、前記第２偏光領域に対向する領域における前記第１グレーティングの周期とは、異なっている、
   偏光子アレイと、
   を備える光検出装置。
5. 前記第１偏光子および前記第２偏光子の各々は、一定の隙間を隔てて周期的に配置された直線状の複数の金属線によって形成され、
   前記第１偏光子における前記複数の金属線の方位と、前記第２偏光子における前記複数の金属線の方位とは、直交している、
   請求項１から４のいずれかに記載の光検出装置。
6. 前記偏光子アレイ上に配置され、前記偏光子アレイに入射する光の偏光方向を一様に特定の方向に揃える直線偏光子と、
   前記直線偏光子を前記主面に垂直な軸の周りに回転させるモータと、
   前記モータを制御する第１制御回路と、
   を備える、
   請求項１から４のいずれかに記載の光検出装置。
7. 前記第１制御回路は、
   前記直線偏光子の偏光透過軸の方向と、前記第１偏光子の偏光透過軸の方向とを揃えた状態で、前記光検出器に１回目の光の検出を実行させ、
   前記直線偏光子の偏光透過軸の方向と、前記第２偏光子の偏光透過軸の方向とを揃えた状態で、前記光検出器に２回目の光の検出を実行させる、
   請求項６に記載の光検出装置。
8. 前記光結合層は、
   前記第１低屈折率層と前記光検出器との間に配置された第３低屈折率層、および
   前記第３低屈折率層と前記１低屈折率層との間に配置され、第２グレーティングを含む第２高屈折率層をさらに含み、
   前記第２高屈折率層は、前記第１低屈折率層および前記第３低屈折率層よりも高い屈折率を有し、
   前記第２グレーティングの方位は、前記第１グレーティングの方位と整合している、
   請求項１から７のいずれかに記載の光検出装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の光検出装置と、
   前記光検出装置に接続された演算回路をさらに備え、
   前記演算回路は、
   前記第１偏光領域に対向する前記第１検出器によって検出される光量を第１光量Ｐ０とし、前記第２偏光領域に対向する前記第２検出器によって検出される光量を第２光量Ｐ１とするとき、
   前記第２光量Ｐ１と前記第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、
   前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および
   前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号
   の少なくとも１つの信号を出力する、
   光検出システム。
10. 前記少なくとも１つの第１偏光領域は複数の第１偏光領域を備え、
    前記少なくとも１つの第２偏光領域は複数の第２偏光領域を備え、
    前記複数の第１偏光領域および前記複数の第２偏光領域は、隣接する第１偏光領域および第２偏光領域の対を複数個含み、
    前記演算回路は、
    前記隣接する透光領域および遮光領域の対ごとに、前記隣接する透光領域および遮光領域に対向する前記第１検出器および前記第２検出器から出力される信号に基づいて、
    前記第２光量Ｐ１と前記第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、
    前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および
    前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号
    の少なくとも１つの信号を生成して出力する、
    請求項９に記載の光検出システム。
11. 前記演算回路は、生成した前記信号の値が所定の閾値以上となる領域と、前記信号の値が前記閾値未満となる領域とを区別して表した画像情報を生成する、請求項１０に記載の光検出システム。
12. 所定の波長帯域の光を出射する光源をさらに備え、
    前記複数の第１検出器および前記複数の第２検出器は、前記光源から出射される光の波長帯域に検出感度を有する、
    請求項８から１１のいずれかに記載の光検出システム。
13. 前記光結合層の上に配置され、前記光源が出射する波長帯域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルターをさらに備える、請求項１２に記載の光検出システム。
14. 前記光源を制御する第２制御回路をさらに備え、
    前記第２制御回路は、前記光源から出射される光のコヒーレンス長を変化させる、請求項１２または１３のいずれかに記載の光検出システム。
15. 前記演算回路は、前記第２制御回路が変化させた光のコヒーレンス長ごとに、
    前記第２光量Ｐ１と前記第１光量Ｐ０との比Ｐ１／Ｐ０を示す信号、
    前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第１光量Ｐ０の割合Ｐ０／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号、および
    前記第１光量Ｐ０と前記第２光量Ｐ１との和に対する前記第２光量Ｐ１の割合Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）を示す信号
    の少なくとも１つの信号を生成して出力する、
    請求項１４に記載の光検出システム。