JP2018507386A - レンズフリーイメージングを実行するための装置および方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、フォトニック集積回路（２）を備えるイメージング装置（１）に関する。このフォトニック集積回路は、光信号（５）を導くための集積導波路（４）と、集積導波路（４）に光学的に結合され、光ビーム（９）として光信号（５）を導波路（４）の面外に導くように構成された光カプラ（８）と、流体媒体に浸漬された対象物（１２）を収容するためのマイクロ流体チャネル（９８）とを備える。マイクロ流体チャネルは、装置の動作中に、光ビームによって対象物を照射することができるように構成される。集積回路はさらに、光ビーム（９）によって照射された対象物（１２）を撮像するように位置決めされる少なくとも１つのイメージング検出器（１１）を備える。本発明はさらに、対応する撮像方法に関する。

Description

本発明は、撮像するための集積デバイスの分野に関する。より具体的には、本発明は、対象物を撮像する、例えば、顕微鏡を使用する蛍光撮像および／またはホログラフィのような倍率で対象物を撮像するためのレンズフリーイメージング装置および関連する方法に関する。
インラインホログラムのような倍率で画像を取得するためには、典型的には、光学的点源が必要である。例えば、ピンホールに焦点を当てた高い開口数（ＮＡ）の対物レンズを使用することによって、高品質の点源を提供することは、当技術分野で知られている。しかしながら、これは、高価で、スケールダウンするのが困難な大型の光学装置を必要とする。したがって、スケーラブルで、マイクロメータサイズの代替形態が有利であろう。このようなスケーラブルな代替形態は、例えば、並列オンチップホログラフィにおいて、多数の対象物が同時に撮像される用途において、さらに好ましい。
実質的に一様な球面波面を有する高ＮＡ光円錐を形成するために、非常に小さなコア直径を有する引っ張られたファイバを使用することは、当技術分野で知られている。しかしながら、半導体フォトニクスにおいては、暗示されたコスト削減、製造効率、およびスケーラビリティのために、より高いレベルのオンチップ集積化が有利であろう。
本発明の実施形態の目的は、例えば、生体細胞のようなマイクロメータースケール構造の顕微鏡撮像、インラインホログラフィック撮像および／または蛍光撮像において、撮像される対象物の良好で効率的な照射を行うことである。
本発明の実施形態の利点は、高価でスケールダウンすることが困難な大型光学装置を回避できることである。
本発明の実施形態の利点は、撮像される対象物を照明するためのスケーラブルな（例えば、マイクロメータサイズの）集積システムが提供されることである。
本発明の実施形態の利点は、多数の対象物を効率的な方法で同時に撮像することができることである。
本発明の実施形態の利点は、高レベルのオンチップ集積化を達成できることである。
本発明の実施形態の利点は、撮像される対象物を照明するために実質的に均一な球面波面が提供されることである。
上記の目的は、本発明の実施形態による方法および装置によって達成される。
第１の態様では、本発明は、少なくとも１つのフォトニック集積回路を備えたイメージング装置、例えば、レンズフリーイメージング装置に関する。このフォトニック集積回路は、光信号を導くための集積導波路と、集積導波路に光学的に結合され、光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くように適合された光カプラとを備える。イメージング装置はさらに、流体媒体に浸漬された対象物を収容するためのマイクロ流体チャネルを備える。したがって、イメージング装置は、流体（例えば、液体）内の対象物を移送するためのマイクロ流体チャネルを備えてよい。例えば、マイクロ流体チャネルは、例えば、流体媒体の流体流れの中で対象物を移送するために、撮像される対象物が浸漬された流体媒体を収容するように適合されてよい。マイクロ流体チャネルは、例えば、装置の動作中に、光ビームによって対象物を照射することができるように構成される、例えば、適合される。マイクロ流体チャネルは、例えば、光ビームを通す透明部分を有することによって、そして対象物がマイクロ流体チャネルの透明部分に存在する時に、光カプラによって集積導波路の面外に向けられた光ビームがこの対象物に当たるように、また光ビームが対象物と相互作用した時に少なくとも１つのイメージング検出器に当たるように位置決めされることによって、上記の目的に適合されてよい。イメージング装置は、光ビームによって照射された対象物を撮像するように位置決めされた少なくとも１つのイメージング検出器をさらに備える。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、光カプラは、焦点面に収束する集束光ビームとして集積導波路の面外に光信号を集束させるように適合された集光カプラとしてよい。この少なくとも１つのイメージング検出器は、この対象物が集束光ビームの伝搬方向に対して焦点面の下流側の対象物撮像位置に位置決めされた時に、集束光ビームによって照射された対象物を撮像するように位置決めされてよい。例えば、対象物撮像位置は、マイクロ流体チャネル内の位置、例えば、マイクロ流体チャネルの撮像部分におけるマイクロ流体チャネルの中央領域に対応してよい。例えば、対象物撮像位置は、マイクロ流体チャネルの中心軸に沿った点を含んでよい、またはその点から構成されてよい。
本発明のイメージング装置では、光カプラは、集積導波路の下の焦点から発散する発散光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くように、例えば、導波路の下（例えば、光ビームが集積導波路の面外に導かれる方向に対して基板の反対側）の仮想点源によって放出された発散光ビームを模倣するように適合された、デフォーカス光カプラ（例えば、バックフォーカス光カプラ）としてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、集光カプラは、集積導波路内に作製された微細構造のパターンを備えてよい。このパターンは、集光カプラ内を伝搬する光信号の減衰を補償するように適合されてよい。微細構造は、貫通孔、ピラー、および／またはキャビティ（例えば、局所的な凹部もしくはくぼみ）を備えてよい。このような微細構造は、導波路の面内の直径、例えば、導波路の面内の最大直径または最大全幅寸法、すなわち、５μｍ未満、例えば、１０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内、例えば、２０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内、例えば、５０ｎｍから２００ｎｍの範囲内を有してよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、光カプラは、グレーティングカプラ、例えば、集光グレーティングカプラを備えてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのフォトニック集積回路はさらに、集積導波路に光学的に結合され、光信号から実質的に円形の波面を形成するように適合された光学テーパを備えてよい。本発明の実施形態によるイメージング装置では、集光カプラは、光学テーパに光学的に結合され、焦点面内に収束する集束光ビームとして、集積導波路の面外で実質的に円形の波面を集束させるように適合されてよい。本発明の実施形態によるイメージング装置では、集束光カプラ（例えば、集光グレーティングカプラ）は、１ｍｍ以下の長さ、例えば、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、２０μｍ以下、例えば、１μｍ〜１０μｍの範囲の長さを有してよい。集光カプラはさらに、１０μｍ以下（例えば、１μｍ〜５μｍの範囲内、または好ましくはそれより小さい、例えば、０．５μｍ〜１．０μｍの範囲）の直径を有する焦点面内に焦点を形成するように適合されてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのフォトニック集積回路はさらに、集積導波路に光学的に結合され、光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くように適合された少なくとも１つの別の光カプラを備えてよい。光カプラおよび少なくとも１つの別の光カプラは、光カプラおよび少なくとも１つの別の光カプラそれぞれによって形成された光ビームが同時に異なる角度から対象物を照射するように、例えば、一致することによって同時に対象物を異なる角度から照射することができるように、位置決めされてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置は、反射面を備えてよく、反射面および少なくとも１つのイメージング検出器は、照射対象物からの光および光ビームが反射面によって反射され、反射後に少なくとも１つのイメージング検出器によって検出されるように位置決めされる。
本発明の実施形態によるイメージング装置は、光ビームを空間的にフィルタリングするために（例えば、対象物に到達する前に光ビームを空間的にフィルタリングするために）、少なくとも１つのフォトニック集積回路と少なくとも１つのイメージング検出器との間に配置される少なくとも１つのピンホールをさらに備えてよい。例えば、少なくとも１つのピンホールは、例えば、グレーティングカプラが集光グレーティングカプラである実施形態では、焦点面内の光ビームの焦点に位置決めされてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置はさらに、励起導波路を備えてよい。本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのフォトニック集積回路の集積導波路は、ビーム分割手段、例えば、ビームスプリッタ、例えば、導波路スプリッタを介して、励起導波路に光学的に結合されてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのイメージング検出器は、複数の対象物を同時に撮像するように適合されてよく、各々の対象物は、異なる光カプラによって照射されるように位置決めされる。本発明の実施形態によるイメージング装置では、複数の光カプラは、複数の対象物を同時に照射することができるように位置決めされてよい。例えば、各々の光カプラは、対応する対象物を照射してよい。例えば、１つの対象物または複数の対象物は、例えば、マイクロ流体チャネル内の流体流れと共に移動する時に、複数の光カプラを伝搬し、通過してよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置は、対応する複数の集束光ビームとして集積導波路の面外に光信号を結合するために光信号を対応する複数の集光カプラに伝送するのに複数の集積導波路に光信号を分配するために、ビーム分割手段（例えば、導波路スプリッタ）を備えた入力カプラを備えてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのイメージング検出器は、複数の対象物を同時に撮像するように適合されてよく、複数の対象物の各々の対象物は、対応する光カプラによって放出された対応集束光ビームによって照射されるように位置決めされる。本発明の実施形態によるイメージング装置では、複数の光カプラは、複数の対象物を同時に照射することができるように位置決めされてよい。例えば、各々の光カプラは対応する対象物を照射してよく、少なくとも１つのイメージング検出器は複数の対象物を同時に撮像するように適合されてよい。例えば、１つの対象物または複数の対象物は、例えば、マイクロ流体チャネル内の流体流れと共に移動する時に、複数の光カプラを伝搬し、通過してよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのイメージング検出器は、対象物のホログラフィック回折画像を取得するように適合されてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのイメージング検出器は、対象物の蛍光画像を取得するように適合されてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、集積導波路は、光カプラの異なる部分に光学的に結合されてよく、そのことにより光ビームの均一性を高めることができる。例えば、集積導波路は、光カプラの所定の離散的な数の部分に光学的に結合されてよい。例えば、集積導波路は、光カプラの反対側（例えば、導波路の面内の反対側）から光カプラに光学的に結合されてよい。集積導波路は、集光カプラの周囲に離間して配置された光学的相互接続部において光カプラの複数の異なる部分に光学的に結合されてよい。例えば、光学的相互接続部は、例えば、所定の有限角度間隔（例えば、３６０°／ｎの間隔）だけその近傍から離間されるように、集光カプラの周囲に離間して配置されてよく、この場合、ｎは１より大きい有限の自然数、例えば、１より大きく２１未満、例えば、１６未満、例えば、１１未満、例えば、この場合、ｎは２、３、４または５である。
本発明の実施形態によるイメージング装置は、例えば、少なくとも１つのイメージング検出器が対象物のホログラフィック回折画像を取得することができるように、少なくとも１つのフォトニック集積回路に光信号を供給するための少なくとも部分的にコヒーレントな光源を備えてよい。
第２の態様では、本発明はさらに、対象物を撮像する方法に関する。この方法は、光信号を集積導波路（例えば、集積回路デバイスの基板内または基板上の集積導波路）に結合するステップと、光カプラを使用して光信号から光ビームを形成し、そのことにより光ビームを集積導波路の面外に導くステップとを含む。この方法はさらに、マイクロ流体チャネル内を流れる流体中に対象物を浸漬することによって対象物を移送するステップを含む。マイクロ流体チャネルは、例えば、対象物がマイクロ流体チャネルを通って移送される時に、光ビームによって対象物を照射することができるように適合されてよい。この方法はさらに、光ビームを使用して対象物を照射するステップと、照射された対象物を撮像するステップとを含む。
実施形態による方法では、光ビームを形成するステップは、例えば、焦点面内に収束する集束光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くために、集光カプラを使用して光信号から集束光ビームを形成するステップを含んでよい。この方法はさらに、集束光ビームの伝搬方向に対して焦点面の下流側の対象物撮像位置において集束光ビームで対象物を照射するステップと、照射された対象物を撮像するステップとを含んでよい。
本発明の実施形態による方法はさらに、集積導波路に実質的に円形の波面を有する光波を形成するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、光ビームを形成するステップは、集光カプラを使用して光ビームを集束させるステップを含んでよく、例えば、光カプラを使用して光信号から光ビームを形成するステップは、集光グレーティングカプラのような集光カプラに光波を導入して、焦点面に収束する集束光ビームとして集積導波路の面外に光波を結合するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、光ビームを形成するステップは、集積導波路の下の焦点から発散する発散光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くステップ、例えば、導波路の下（例えば、光ビームが集積導波路の面外に導かれる方向に対して基板の反対側）の仮想点源によって放出される発散光ビームを模倣するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法はさらに、光ビームをその焦点内で空間的にフィルタリングし、そのことによって焦点から対象物に向かって伝搬する実質的に均一な球面波を取得するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、ステップは、複数の異なる集積導波路と複数の異なる光カプラを使用して、複数の対象物に対して並行して実行されてよい。本発明の実施形態による方法では、光信号は、複数の集積導波路に結合されてよく、対象物を撮像するステップは、異なる光カプラによって形成された光ビームによってそれぞれ照射された複数の対象物を同時に撮像するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、光信号を集積導波路に結合するステップは、光信号を複数の集積導波路に分配するステップを含んでよく、この場合、複数の集積導波路の各々の集積導波路において、実質的に円形の波面を有する光波が形成される。さらに、光波を集光カプラに導入するステップは、焦点面内に収束する対応集束光ビームとして集積導波路の面外に光波を結合するために、各々の光波を対応する集光カプラに導入するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法はさらに、別の光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くために、少なくとも１つの別の光カプラ（例えば、別の集光カプラもしくはデフォーカス光カプラ）を使用して光信号から少なくとも１つの別の光ビームを形成するステップと、前記光ビームおよび前記少なくとも１つの別の光ビームによって異なる角度から前記対象物を同時に照射するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、対象物を撮像するステップは、対応する光カプラによって形成された対応する集束光ビームによってそれぞれ照射された複数の対象物を同時に撮像するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、対象物を撮像するステップは、対象物のホログラフィック回折画像を取得するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、対象物を撮像するステップは、対象物の蛍光画像を取得するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法はさらに、例えば、入力カプラへの入力として、集積導波路に結合するための少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを供給するステップを含んでよい。したがって、光信号は、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームの形で集積導波路に結合されてよい。
本発明の実施形態による方法では、光ビームは、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームとしてよい。
本発明の実施形態による方法はさらに、集積導波路に結合するための少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを供給するステップを含んでよい。
本発明の特定の好ましい態様は、添付の独立請求項および従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と適宜組み合わせることができ、請求項に明示的に記載されているのみではない。
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載する実施形態（単数または複数）から明らかになり、それらの実施形態を参照して解明されるであろう。
本発明の実施形態によるイメージング装置を示す。 本発明の実施形態によるイメージング装置における例示的な集積フォトニックデバイスを示す。 本発明の実施形態によるイメージング装置で使用するための別の例示的な集積フォトニックデバイスを示す。 本発明の実施形態による方法を示す。 本発明の例示的な実施形態を示し、マイクロ流体チャネルに収容された浸漬生体試料を含む流体が撮像される。 本発明の実施形態によるイメージング装置を示す。 本発明の実施形態によるイメージング装置を示す。 本発明の実施形態の態様を説明するために、点源の十分な近似を提供するための面外結合のパワー分布を示す。 本発明の実施形態による例示的なグレーティングカプラを示す。 本発明の実施形態によるグレーティングカプラを伝搬する光の目標パワー分布を示す。 本発明の実施形態による光カプラで使用する微細構造の散乱断面積を決定するためのシミュレーションモデルを示す。 本発明の実施形態による光カプラで使用する微細構造の波長の関数としてのシミュレーション散乱断面を示す。 本発明の実施形態による光カプラで使用する散乱微細構造の例示的な目標分布を示す。 本発明の実施形態による光カプラで使用する散乱微細構造の例示的な目標分布からの散乱微細構造位置のランダムサンプリングを示す。 本発明の実施形態による光カプラで使用する散乱微細構造の例示的な目標分布からの散乱微細構造位置のランダムサンプリングを示し、これらのランダムサンプリング位置が最も近い格子線に当たるように調整される。 本発明の実施形態による光カプラのシミュレーションによって得られた散乱光の等強度面を示す。 本発明の実施形態による光カプラのシミュレーションの散乱強度プロットを示す。 本発明の実施形態による散乱中心位置の例示的な目標分布を示し、散乱微細構造の異方性を考慮する。 本発明の実施形態による微細構造の異方性散乱を補償した目標密度分布に従った微細構造のランダムサンプリングを示す。 本発明の実施形態による微細構造の異方性散乱を補償した目標密度分布に従った微細構造のランダムサンプリングを示し、ランダムにサンプリングされた微細構造位置が格子線上の最も近い位置に調整される。 本発明の実施形態によるシミュレーション光カプラの適合性を反復的に改善するためのメッシュを示す。 反復メッシュ最適化シミュレーションにおける反復に対応した、本発明の実施形態によるシミュレーション光カプラにおける散乱微細構造の第１の位置決めを示す。 反復メッシュ最適化シミュレーションにおける別の反復に対応した、本発明の実施形態によるシミュレーション光カプラにおける散乱微細構造の第２の位置決めを示す。 本発明の実施形態による光カプラのシミュレーション面外結合された光照射野を示し、光カプラの面の上方の焦点距離に形成された焦点を示す。 本発明の実施形態による光カプラのシミュレーション面外結合した光照射野を示し、カプラの面に平行な焦点面内の焦点を示す。 本発明の実施形態によるシミュレーション光カプラの面外結合された光の遠視野を示す。 自由な光伝搬領域を含む、本発明の実施形態によるイメージング装置の一部を示す。 デフォーカス光カプラを備える、本発明の実施形態によるイメージング装置の一部を示す。 本発明の実施形態によるイメージング装置の第１の例示的な集積導波路を示す。 本発明の実施形態によるイメージング装置の第２の例示的な集積導波路を示す。 本発明の実施形態によるイメージング装置の態様を説明するための一例を示す。
図面は概略的なものに過ぎず、限定的ではない。図面では、いくつかの要素のサイズは、説明のために誇張されており、縮尺通りに描かれていない場合がある。
請求項の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
異なる図面において、同一の参照符号は、同一または類似の要素を指す。
本発明は、特定の実施形態に関して、および特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらの実施形態に限定されず、請求項によってのみ限定される。記載されている図面は概略的なものに過ぎず、限定的ではない。図面では、いくつかの要素のサイズは、説明のために誇張されており、縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法および相対的な寸法は、本発明の現実の実施化に対応していない。
さらに、明細書および請求項における「第１の」、「第２の」などの用語は、同様の要素を区別するために使用され、必ずしも時間的に、空間的に、序列によって、またはその他の方法で、順序を説明するために使用されていない。このように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示されている以外の順序で動作可能であることを理解されたい。
さらに、明細書および請求項における用語「上」、「下」などの用語は、説明目的で使用され、必ずしも相対的な位置を説明するために使用されていない。このように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示されている以外の向きで動作可能であることを理解されたい。
請求項で使用される用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、その後に列挙される手段に限定されるものとして解釈されるべきではなく、つまり、他の要素またはステップを排除するものではないことに留意されたい。したがって、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、記載されている特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するものとして解釈されるべきであるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、もしくは構成要素、またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。したがって、「手段Ａおよび手段Ｂを備える装置」という表現の範囲は、構成要素Ａおよび構成要素Ｂのみからなる装置に限定すべきではない。これは、本発明に関して、装置の唯一の関連する構成要素がＡおよびＢであることを意味する。
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な箇所における「一実施形態では」または「実施形態で」という表現の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態を指すとは限らないが、そうである場合もある。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、本開示から当業者に明らかになるように、任意の適切な方法で組み合わされてよい。
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴は、開示を合理化し、１つまたは複数の様々な発明の態様の理解を助けるために、単一の実施形態の中にまとめられる場合もある。しかしながら、この開示の方法は、請求される発明が各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、本発明の態様は、１つの前述の開示されている実施形態の全ての特徴よりも少ない。したがって、［発明を実施するための形態］に続く請求項は、本発明の別個の実施形態として独立した各請求項と共に、この発明を実施するための形態に明確に組み込まれる。
さらに、本明細書で説明されるいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれる様々な特徴の中でいくつかの特徴を含むが、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内であり、異なる実施形態を形成する。例えば、以下の請求項において、請求される実施形態のいずれかを任意の組み合わせで使用することができる。
本明細書での説明では、多くの特定の詳細が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細がなくても実施されてよいと理解される。他の例では、周知の方法、構造、および技術は、この説明の理解を不明瞭にしないために詳細に示されていない。
本発明の実施形態において「イメージング」について言及される場合、対象物の空間的特性の表現または再現を取得するプロセス（例えば、二次元画像の形成）について言及される。このような画像は、例えば、グレースケール画像表現を形成する複数の位置（例えば、２次元グリッド上）について得られたスカラー値を含んでよく、例えば、カラー画像表現を形成する複数の位置のベクトル値をさらに含んでよい。例えば、このようなベクトル値は、例えば、複数の異なる蛍光体に対して記録された発光強度に対応する異なるスペクトル成分を符号化することができる。得られた画像は、対象物の構造の直接的な表現、例えば、実体顕微鏡の拡大された光学的表現を形成することができるが、対象物の構造のより複雑な表現、例えば、対象物の空間特性を符号化するホログラフィ干渉パターンを形成することもできる。撮像は、対象物の静的空間表現の記録に関係づけられてよいが、画像の時系列の取得、例えば、研究中の対象物の光学特性の時間変化だけでなく空間変化も符号化するビデオシーケンスの取得にも関係づけられてよい。
説明全体を通して、「光」について言及されている。本発明との関連において光とは、３７５ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を有する電磁放射線、すなわち、可視光線、赤外線、近赤外線、および紫外線を含む電磁放射線を意味する。
説明全体を通して、「光カプラ」について言及されている。これは、集積回路内の光伝搬領域、例えば、集積導波路内の領域または集積導波路（例えば、集積導波路の上部または下部で）と接触している領域を指し、そこに、集積回路の内部および／または外部で光を結合するための光分散構造（例えば、格子）が配置される。所定の入射角および光周波数に対して、格子が導波路の導波モードに光を結合するように、導波モード共鳴が発生することができる。対称性により、導波路のこの導波モードは、カプラによってこの所定の角度に沿って導波路外部で結合されてもよい。本発明の特定の実施形態は、このような光カプラを備える装置に関する。
説明全体を通して、「集積導波路」について言及されている。これは、集積回路内または集積回路上に、例えば、フォトニック集積回路内に集積された光伝搬領域を指す。これは、平面導波路のような光導波路、例えば、誘電体スラブ導波路、ストリップ導波路、リブ導波路、セグメント化導波路、フォトニック結晶導波路、テーパ導波路、または集積回路内のオンチップ集積化に適していることが知られている任意の他の光伝搬構造を指す。
第１の態様では、本発明は、少なくとも１つのフォトニック集積回路、（例えば、少なくとも１つのフォトニック集積回路デバイス）を備えるイメージング装置（例えば、レンズフリーイメージング装置）に関する。この少なくとも１つのフォトニック集積回路は、光信号を導くための集積導波路と、集積導波路に光学的に結合され、光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くように構成された光カプラとを備える。イメージング装置は、光ビームによって照射された対象物を撮像するように位置決めされた少なくとも１つのイメージング検出器をさらに備える。この対象物は、流体（例えば、浸漬された生体試料を含む流体）を含んでよい。イメージング装置は、撮像される対象物を収容するための（例えば、分析される流体媒体を収容するための）マイクロ流体チャネルを備えてよい。
イメージング装置は、流体媒体に浸漬された対象物を収容するためのマイクロ流体チャネルを備える。例えば、マイクロ流体チャネルは、例えば、流体媒体の流体流れの中で対象物を移送するために、対象物が浸漬された流体媒体（例えば、液体媒体）を収容するように適合されてよい。マイクロ流体チャネルは、例えば、装置の動作中に、光ビームによって対象物を照射することができるように構成される、例えば、適合される。マイクロ流体チャネルは、光ビームチャネルの透明部分に存在する時に、光カプラによって集積導波路の面外に向けられた光ビームがこの対象物に当たるように、また対象物と相互作用した光ビームが少なくとも１つのイメージング検出器に当たるように位置決めされることによって、上述の目的に適合するように構成されてよい。
さらに、光カプラは、焦点面内で収束する集束光ビームとして集積導波路の面外に光信号を集束するように適合された集光カプラとしてよい。したがって、少なくとも１つのイメージング検出器は、この対象物が集束光ビームの伝搬方向に対して焦点面の下流側の対象物撮像位置に位置決めされた時に、例えば、対象物が撮像セクション（例えば、マイクロ流体チャネルの上述した透明部分に対応する）にある時に、集束光ビームによって照射された対象物を撮像するように位置決めされてよい。
図１を参照すると、本発明の実施形態によるイメージング装置１が示されている。特に、イメージング装置１は、レンズフリーイメージング装置、例えば、光学レンズ構造を必要とせずに、対象物に入射する光波の減衰、反射、屈折、回折、および／または位相変調によって得られる空間パターンを観察することによって、対象物の空間的表現を取得するための装置としてよい。装置は、例えば、拡大された対象物を撮像するように、例えば、顕微鏡撮像のように、拡大された対象物の画像を取得するように構成されてよい。
イメージング装置１は、流体媒体に浸漬された対象物１２を収容するためのマイクロ流体チャネル９８を備える。例えば、マイクロ流体チャネルは、例えば、流体媒体の流体流れの中で対象物を移送するために、対象物が浸漬された流体媒体（例えば、液体媒体）を収容するように適合されてよい。マイクロ流体チャネルは、例えば、装置の動作中に、光ビームによって対象物を照射することができるように構成される、例えば、適合される。マイクロ流体チャネルは、光ビームを通す部分を有することによって、そして対象物が光マイクロ流体チャネルの透明部分に存在する時に、光カプラによって集積導波路の面外に向けられた光ビームがこの対象物に当たるように、また対象物と相互作用した光ビームが少なくとも１つのイメージング検出器に当たるように位置決めされることによって、上述の目的に適合されてよい。
このイメージング装置１は、少なくとも１つのフォトニック集積回路２を備える。実施形態によるフォトニック集積回路２（例えば、図２で、基板面に対して横方向投影図で示されているように）、励起光信号５を導くための集積導波路４を備える。例えば、フォトニクス集積回路デバイス２は、フォトニック集積回路処理に適した基板（例えば、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板）を備えてよく、その中もしくはその上に集積導波路４が設けられる。本発明の実施形態の利点は、光源（例えば、点状焦点を有する集束光ビームを提供する光源）は、集積フォトニック処理技術を使用して提供することができることである。さらなる利点は、複数の（例えば、多数の）このような光源を単一の基板上に設けることができ、したがって、複数の対象物の並行撮像のための光源を低コストかつ効率的に製造することができることである。
例えば、イメージング装置１は、励起光信号５を少なくとも１つのフォトニック集積回路２に供給するために、光源（例えば、少なくとも部分的にコヒーレントな光源）を備えてよい。例えば、そのような光源は、フォトニック集積回路上の集積導波路への結合のための有限帯域幅を有する少なくとも部分的にコヒーレントな光を供給するために、レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えてよい。本発明の実施形態の利点は、効率的かつ低コストの方法で、対象物のホログラフィック撮像を行うことができる、例えば、同時に多数の対象物のホログラフィック撮像を行うことができることである。
例えば、本発明の実施形態では、集積導波路は、リッジ導波路またはリブ導波路２０１（例えば、低屈折率材料２０３の領域間に配置された高屈折率材料２０２のスラブによって画定される光伝導チャネル）を備えてよい。光カプラ８は、例えば、リッジ導波路またはリブ導波路２０１に光学的に結合された高屈折率材料のスラブ内に設けられてよい。このような実施形態の一例を図２９に示す。本発明の実施形態では、集積導波路は、テーパ導波路２１０（例えば、低屈折率材料２１３の領域間に配置された高屈折率材料２１２のテーパ領域によって画定される光伝導チャネル）を備えてよい。このような実施形態の一例を図３０に示す。例えば、光カプラ８は、このようなテーパ導波路２１０のテーパ部分に形成されてよい。
図３１はさらに、この実施形態の態様を例示した一例を示している。波長λの励起波が導波路２０２を伝搬する。導波路内の円筒状の位相面が光カプラ８に伝搬する。次に、光信号は、導波路の面外で、例えば、ｘｙ平面外で焦点２３０に向かう、例えば、（０、ｆｙ、ｆｚ）で、結合される。例えば、面外の球面位相面は、屈折率ｎｔｏｐを有する媒体中の光カプラ８から所定の焦点に向かって伝搬し、ここで、例えば、ピンホールが本発明の実施形態に従って配置されてよい。したがって、導波路２０２（例えば、リッジ導波路またはリブ導波路）から来る光は、平面導波路領域に結合されてよく、ここで、光は円筒状位相面で回折する。この光を面外で結合し、それを座標（０、ｆｙ、ｆｚ）を有する所望の焦点で集束させるために、光カプラはそれに応じて整形された格子線を有してよい。例えば、これを達成するための１つの可能な形状は、以下の式で規定される。
Figure 2018507386

ここで、ｍは異なる格子線に対応する整数である。
少なくとも１つのフォトニック集積回路は、励起導波路を備えてよい。少なくとも１つのフォトニック集積回路の集積導波路は、ビーム分割手段（例えば、導波路スプリッタ）を介して、励起導波路に光学的に結合されてよい。少なくとも１つのフォトニック集積回路は、励起光信号５を集積導波路に結合するように適合された入力カプラを備えてよい。装置が、ビーム分割手段（例えば、導波路スプリッタ）を介して、励起導波路に結合された複数の集積導波路を備える場合、励起導波路は、励起光信号５を励起導波路に結合するように適合された入力カプラを備えてよい。例えば、本明の実施形態によるイメージング装置は、 対応する複数の集束光ビームとして集積導波路の面外に光信号を結合するために光信号を対応する複数の集光カプラに伝送するのに、対応する複数の光学テーパを有する複数の集積導波路に光信号を分配するために、ビーム分割手段（例えば、導波路スプリッタ）を備える入力カプラを備えてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、少なくとも１つのフォトニック集積回路は、集積導波路４に光学的に結合された自由伝搬領域１４をさらに含んでよい。自由伝搬領域１４は、集積導波路４内を伝搬する光信号５から自由伝搬領域に大きな（例えば、円形）波面１３が形成されるように適合される。自由伝搬領域１４は、集積導波路４に光学的に結合された大きな表面としてよい。好ましくは、自由伝搬領域１４の材料は、集積導波路４の屈折率と同じ屈折率を有する。自由伝搬領域１４は、集積導波路４と同じ材料から作製されたスラブとしてよい。このような実施形態では、光カプラ８（例えば、集光グレーティングカプラのような集光カプラ）は、自由伝搬領域１４内に形成された波面が光カプラ８を使用して自由伝搬領域１４の外に結合されるように、自由伝搬領域１４内に位置決めされてよい。例えば、光カプラ８は、自由伝搬領域１４においてエッチングされてよい。
本発明の実施形態の利点は、自由伝搬領域１４を使用することによって、光カプラ８の改善された（例えば、最適な）照射を実現することができ、そのことにより光カプラ８による光の効率的な面外結合に寄与することができることである。このような実施形態を図２７に示す。
フォトニック集積回路２はさらに、集積導波路４に光学的に結合され、励起光信号５から広がった波面７を形成するように構成された光学テーパ６を備えてよい。光学テーパは、面内の２次元球面波面を形成することができる。例えば、導波路の一部は、実質的に円形の波面を有する光波として光信号を光カプラ８（例えば、集光グレーティングカプラのような集光カプラ）に伝送するためのテーパ部分を形成するような形状に適合されてよい。
あるいは、光学テーパは、光信号５から実質的に準平面の波面（例えば、平面波面）を形成するように適合されてよい。光学テーパは、面内の２次元波面を形成することができる。例えば、導波路の一部は、実質的に平面状の波面を有する光波として光信号を光カプラ８（例えば、集束光カプラ）に伝送するためのテーパ部分を形成するような形状に適合されてよい。
フォトニック集積回路２はさらに、集積回路２からの光を結合し、集積導波路に光学的に結合され、集積導波路の面外に光信号を光ビームとして導くよう適合された光カプラ８（例えば、グレーティングカプラまたは他のカプラ）を備える。本発明の実施形態によるイメージング装置では、光カプラは、集束ビーム内で集積回路２からの光を結合し、焦点面に収束する集束光ビームとして集積導波路の面外に光信号を集束するように適合された集光カプラ（例えば、集光グレーティングカプラまたは他のカプラ）としてよい。例えば、集光グレーティングカプラは、平面導波路の面外に（例えば、フォトニック集積回路の基板の面外に）、実質的に円形または平面状の波面７（例えば、実質的に円形または平面状の波面７を有する光波）を集束するように適合されてよい。
本発明の実施形態によるイメージング装置では、光カプラは、発散ビーム内で集積回路２からの光を結合し、発散光ビームとして集積導波路の面外に光信号を導くように適合されたデフォーカス光カプラ（例えば、デフォーカスグレーティングカプラ）または他のカプラとしてよい。このように、本発明のイメージング装置では、光カプラは、光カプラの一方側に仮想焦点１６を有し、他方側に光波面が形成されるように設計されてよい。例えば、光カプラは、異なる構造を備えてよく、各々の構造または各々の構造群は、光を異なる方向に面外結合しないように設計される。このようにして、構造の集合体は、光カプラの一方側（例えば、集積導波路の面の一方側）に、準円形光波面を協働して形成することができ、その波面の仮想焦点１６は、グレーティングカプラの他方側（例えば、集積導波路の面の反対側）に位置する。
本発明の利点は、対象物を光カプラの近くに位置決めすることができ、このことはまた、装置の小型化にも寄与することである。このような実施形態を図２８に示す。
光信号の面外結合のためのグレーティングカプラのような光カプラでは、導波路によって供給された光信号は、光カプラを通って伝搬する間に減衰する場合がある。これは、光の不均一な分配を引き起こし、特定の用途において対象物を照射するのに不利点となる場合がある。本発明の一実施形態では、集積導波路は、光カプラの異なる部分に光学的に結合されてよく、そのことによって、形成された光ビームの均一性を高めることができる。例えば、集積導波路は、光カプラの一部に光学的に結合されてよく、また集積導波路は、光カプラの別の部分に光学的に結合されてよい。異なる位置で集積導波路を光カプラに結合することにより、光カプラ内での光減衰の問題が解決され、良好な均一性を有する光ビームが形成され得る。光カプラに到達する異なる光信号間、例えば、異なる位置でカプラ内に伝搬する光間の位相差は、実質的にゼロであることが好ましい、例えば、ゼロであるのが好ましい、例えば、製造許容差およびコストの制約の範囲内で達成可能な程度に小さいことが好ましい。
例えば、集積導波路は、光カプラの所定の離散的かつ有限の数の部分に光学的に結合されてよい。例えば、集積導波路は、光カプラの反対側（例えば、導波路の面内の反対側）から光カプラに光学的に結合されてよい。集積導波路は、集光カプラの周囲に離間して配置された光学的相互接続部において光カプラの複数の異なる部分に光学的に結合されてよい。例えば、光学的相互接続部は、例えば、各光学的相互接続部が所定の有限の角度間隔（例えば、３６０°／ｎの間隔、この場合、ｎは１より大きい有限自然数である）だけその近傍から離間されるように、集光カプラの周囲に離間して配置されてよい。
本発明の実施形態では、集積導波路は、第１および第２の導波路に光学的に結合されてよい。したがって、集積導波路内を伝搬する光信号は、光学的に分割され、第１および第２導波路を伝搬する。第１の導波路は、光カプラの一方側（例えば、一端）に光学的に結合されてよく、第２の導波路は、同じ光カプラの他方側（例えば、他端）に光学的に結合されてよい。集積導波路を２つの導波路に分割することによって、導波路を伝搬する同じ光信号を異なる位置で光カプラに２度供給して、光カプラ内における光信号の減衰を補償する、または光信号の減衰の不利な影響を少なくとも低減することができる。好ましくは、光カプラに到達する両方の光信号間の位相差は実質的にゼロである。したがって、第１および第２の導波路は、光カプラに到着する光信号間の位相差が実質的にゼロであるように、例えば、ゼロに等しい、例えば、所定の許容差の範囲内、例えば、製造許容差の範囲内でゼロに等しい。
本発明の一実施形態では、集積導波路は、光ビームの均一性をさらに高めるために、光カプラの複数の位置で光カプラに光学的に結合されてよい。例えば、集積導波路は、複数の導波路に、例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、またはそれ以上の導波路に光学的に結合されてよい。したがって、集積導波路内を伝搬する光信号は、光学的に分割され、この複数の導波路のそれぞれを伝搬する。複数の導波路は、グレーティングカプラ上の複数の位置に光学的に結合されてよい。
集光カプラは、実質的に円形または平面状の波面７を、焦点面１０に収束する集束光ビーム９として、導波路の面外に集束させるように適合されてよい。例えば、集光カプラは、実質的に円形または平面状の波面を有する誘導光信号を自由空間で集束する球面波へと面外結合するように適合された、曲線状のチャープ格子パターンを有する集光グレーティングカプラとしてよい。
あるいは、集光カプラは、集積導波路内に作製された（例えば、パターン形成された）微細構造のパターンを備えてよい。微細構造は、貫通孔、ピラー、および／またはキャビティ（例えば、局所的な凹部もしくはくぼみ）を備えてよい。このような微細構造は、導波路の面内の直径、例えば、導波路の面内の最大直径または最大全幅寸法、すなわち、５μｍ未満（例えば、１０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内、例えば、２０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内、例えば、５０ｎｍから２００ｎｍの範囲内）を有してよい。
微細構造は、導波路内に、少なくとも部分的に作製（例えば、エッチング）されてよい。微細構造は、導波路内の貫通孔としてよい。貫通孔は、任意の適切な形状（例えば、長方形）を有してよい。微細構造はさらに、導波路内に作製される異なるタイプの微細構造（例えば、導波路内に作製される完全な微細構造（例えば、貫通孔）または部分的な微細構造（例えば、くぼみ））の組み合わせとしてよい。パターンは規則的なパターンとしてよい。本発明の実施形態によれば、パターンは、光信号が導波路から受信された時にグレーティングカプラを伝搬する際の光信号の減衰を補償するように構成されてよい。この構成パターンでは、確実に、形成された光円錐の均一性が向上し、規則的なパターンが使用される場合よりも大きなピンホールを使用することができる。利点としては、対象物を照射するのに使用される光のエネルギーが増大し、対象物をより十分に照射することができる。したがって、集束光カプラは、以下でさらに詳細に説明するような集光カプラとしてよい。
本発明の一実施形態によれば、異なる光カプラを使用して、異なる角度から対象物を同時に照射してよい。異なる光カプラは、全ての光カプラに光信号を供給する同じ集積導波路に接続されてよい。例えば、少なくとも１つのフォトニック集積回路２は、集積導波路４に光学的に結合された少なくとも１つの別の光カプラ８ａを備えてよい。少なくとも１つの別の光カプラ８ａは、光信号５を集積導波路４の面外に光ビーム９ａとして導くように適合されてよい。光カプラ８および少なくとも１つの別の光カプラ８ａは、光カプラ８および少なくとも１つの別の光カプラ８ａによる形成光ビームが一致し、そのことによって異なる角度から対象物を同時に照射することができるように位置決めされる。このような実施形態を図６および図７に示す。本発明の利点は、異なる角度から対象物を照射することにより、対象物の３Ｄ情報を記録できることである。対象物を識別するために３Ｄ情報を組み込むことによって、より高い精度が達成され得る。
本発明の別の実施形態では、各々の光カプラは、その光カプラに光信号を供給する独自の集積導波路を有し、この場合、異なる光カプラは、異なる角度から対象物を照射するように位置決めされる。例えば、少なくとも１つのフォトニック集積回路は、光信号を導くための少なくとも１つの他の集積導波路と、少なくとも１つの他の集積導波路に光学的に結合された少なくとも１つの他の光カプラとをさらに備えてよい。他の光カプラは、光信号を別の光ビームとして少なくとも１つの他の導波路の面外に導くように適合されてよい。光カプラおよび他の光カプラは、光カプラおよび他の光カプラによる形成光ビームが一致し、そのことによって異なる角度から対象物を同時に照射することができるように位置決めされてよい。
本発明の実施形態による装置用の集光カプラを設計し作製する技術は、当該技術分野において周知であり、例えば、フォトニクス集積装置２の基板上に電子ビーム加工技術を使用して適切な格子パターンが作成されてよい。集光グレーティングカプラの周期性は、面外結合された光が焦点面内の単一の集中点に集束されるように、位置の関数として変化してよい。十分な大きさの格子および短い焦点距離によって、高い開口数および小さいスポットサイズが達成され得る。例えば、約１０μｍ〜１００μｍの格子は、５μｍ〜１００μｍの焦点を形成することができる。
例えば、集光グレーティングカプラは、１０μｍ〜１０００μｍの範囲の長さを有してよく、焦点面に５μｍ〜１００μｍの範囲の直径を有する焦点を形成するように適合されてよい。集光グレーティングカプラは、５００μｍ以下（例えば、１μｍ〜１００μｍの範囲）の長さを有してよい。集束グレーティングカプラはさらに、焦点面内に１０μｍ以下（例えば、１μｍ〜５μｍの範囲内、または好ましくはそれより小さい０．５μｍ〜１．０μｍの範囲内）の直径を有する焦点を形成するように適合されてよい。
イメージング装置１はさらに、光ビーム９によって照射された対象物１２を撮像するように位置決めされたＣＭＯＳイメージング検出器のような少なくとも１つのイメージング検出器１１を備える。少なくとも１つのイメージング検出器１１は、例えば、形成された光ビームが集束光ビームである実施形態では、対象物が光ビームの伝搬方向に対して焦点面の下流側に位置決めされた時に、対象物を撮像するように適合されてよい。さらに、イメージング装置は、画像取得、デジタル化、および／または画像の送信ならびに／もしくは保存を行うための当技術分野で周知のような他の部品を備えてよい。イメージング装置はさらに、例えば、画像フィルタリング、画像変換、パターン認識、および／または画像圧縮などの画像処理動作を実行するように適合された処理手段（例えば、特定用途向け集積回路のようなプロセッサ）を備えてよい。
対象物１２は、例えば、図５に示されているように、マイクロ流体チャネル９８に収容される流体（例えば、浸漬された生体試料を含む流体）を含んでよい。
少なくとも１つのイメージング検出器は、例えば、対象物１２のホログラフィック回折画像を取得するように適合されてよい。
少なくとも１つのイメージング検出器１１は、対象物１２の蛍光画像を取得するように構成されてよい。例えば、イメージング装置１は、例えば、蛍光波長を含む通過帯域外の波長を拒絶するか、または実質的に減衰させるように、少なくとも１つのイメージング検出器に入射する光をバンドパスフィルタリングするために、蛍光剤の蛍光波長をスペクトル的に分離するように構成された少なくとも１つのスペクトルフィルタを備えてよい。
フォトニック集積回路２は、光ビーム９を空間的にフィルタリングするために（例えば、対象物に到達する前に光ビームをフィルタリングするために）、フォトニック集積回路２と少なくとも１つのイメージング検出器１１との間に位置決めされる少なくとも１つのピンホールコリメータ１５（例えば、少なくとも１つのピンホール１５）をさらに備えてよい。例えば、集束光ビームの波面は、焦点面でのピンホールによって除去されてよく、例えば、ピンホールコリメータは、低空間周波数バンドパスフィルタを実現することができる。したがって、集束光ビームを空間的にフィルタリングするために、少なくとも１つのピンホールコリメータが焦点面に位置決めされてよい。
少なくとも１つの撮像検出器１１は、複数の対象物１２を同時に撮像するように適合されてよく、複数の対象物の各々の対象物は、例えば、各々の対象物が対応する光カプラによって放出される対応集束ビームの伝搬方向に対して焦点面の下流側に位置決めされる場合に、対応する光カプラによって放出される対応光ビームによって各々の対象物を照射することができるように位置決めされる。したがって、励起導波路（例えば、単一励起導波路）は、例えば、光学ビーム分割手段を介して、対応するテーパおよび対応する集光カプラに接続して、光を分割し複数の対象物に導く複数の集積導波路に分割されてよい。例えば、図３は、例えば、光信号をフォトニック集積デバイス２に結合するように適合された励起導波路２０と、光信号を４つの焦点に導くための複数の集積導波路４とを備えた、本発明の実施形態によるフォトニック集積装置２を示している。例えば、複数の集光カプラ８によって供給される各々の集束光ビームは、例えば、対象物を照射するのに使用可能な点源を形成することができる。照射後、対象物のホログラムを記録することができる。
さらに、本発明の実施形態によるイメージング装置は、反射面を備えてよく、反射面および少なくとも１つのイメージング検出器は、被照射対象物からの光および光ビームが反射面によって反射され、反射後に、少なくとも１つのイメージング検出器によって検出されるように位置決めされる。
図５を参照すると、本発明の例示的な実施形態が示されており、イメージング装置は、基板上に堆積される適切な反射率のこのような反射面９９（例えば、ミラーまたは金属層）を備える。本発明の実施形態の利点は、少なくとも１つの集積回路２および少なくとも１つのイメージング検出器１１を単一の基板９７（例えば、単一の集積フォトニクスチップ）上に集積できることである。イメージング検出器１１内のブラインドスポットは、例えば、集積フォトニクスを実装するのに使用されてよい。本発明の利点は、集積フォトニクスおよびイメージング検出器がＣＭＯＳ互換処理工程を使用して製造できることである。このことは、処理を単純化し、装置の製造コストを低減する。さらに、ピンホールコリメータ１５（例えば、ピンホール開口が設けられた金属層のような層）がマイクロ流体チャネル９８と基板９７との間に設けられてよい。このような装置の製造について、次の段落で説明する。
ピンホールコリメータ１５（例えば、ピンホール１５）は、基板９７上（例えば、透明な間隔層（例えば、基板９７上に配置された酸化物層上に）設けられてよい。マイクロ流体チャネル９８はさらに、同じ基板９７上に設けられてよく、例えば、第２の透明な間隔層（例えば、酸化物層）は、マイクロ流体チャネル９８が形成されるピンホールコリメータ１５上に設けられてよい。同様に、反射面は、マイクロ流体チャネル９８上の層として、例えば、第３の透明な間隔層（例えば、酸化物層）によってマイクロ流体チャネル９８から離間されて設けられてよい。このことは、操作時の容易なアライメントを可能にし、例えば、アライメント誤差の影響を非常に受けやすい可能性のある構成要素を単一の基板上に集積できるという利点がある。
第２の態様では、本発明はさらに、対象物を撮像する方法に関する。この方法は、光信号を集積導波路（例えば、基板内または基板上の集積導波路内）に結合するステップと、光カプラを使用して光信号から光ビームを形成し、光ビームを集積導波路の面外に導くステップとを含む。この方法はさらに、マイクロ流体チャネル内を流れる流体に対象物を浸漬することによって対象物を移送するステップを含む。マイクロ流体チャネルは、例えば、対象物がマイクロ流体チャネルを通って移送される時に、光ビームによって対象物を照射することができるように構成されてよい。この方法はさらに、光ビームを使用して対象物を照射するステップと、照射された対象物を撮像するステップとを含む。本発明の実施形態による方法の詳細は、実施形態によるイメージング装置に関する上述の説明に照らして、当業者によって理解されるであろう。例えば、実施形態またはその一部による方法は、実際には、本発明の実施形態またはその対応する部分による装置によって実行されてよい。
本発明の実施形態による対象物を撮像するための例示的な方法１００を図４に示す。この方法１００は、光信号を集積導波路（例えば、フォトニック集積回路基板のような基板内または基板上の集積導波路）に結合するステップ１０２を含む。光信号の集積導波路への結合ステップ１０２は、光信号を複数の導波路に分配するステップを含んでよい。例えば、光信号は、複数の集積導波路の各々の集積導波路において、実質的に円形の波面を有する光波が形成されるように分配されてよい。
本発明の実施形態による方法は、例えば、入力カプラへの入力として、例えば、集積導波路への結合のために、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを供給するステップ１０１をさらに含んでよい。したがって、光信号は、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームの形で集積導波路に結合されてよい。方法１００はさらに、例えば、光カプラ（例えば、集光グレーティングカプラのような集光カプラ）に供給するために、実質的に円形または平面状の波面を有する光波を集積導波路内に形成するステップを含んでよい。
この方法はさらに、光ビームが集積導波路の面外に向けられるように、光カプラを使用して光信号から光ビームを形成するステップ１０６を含む。本発明の実施形態による方法では、ビームを形成するステップ１０６は、集光カプラを使用して光ビームを集束させるステップ１０４を含んでよく、例えば、光カプラを使用して光信号から光ビームを形成するステップは、焦点面に収束する集束ビームとして導波路の面外に光波を結合するために集光カプラに光波を導入するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、ビームを形成するステップ１０６は、デフォーカス光カプラを使用して光ビームを形成するステップを含んでよく、例えば、光カプラを使用して光信号から光ビームを形成するステップは、光波を導波路の面外に、例えば、導波路の面の下の仮想点源から発散する発散ビームとして結合するために、例えば、導波路の面に対してこの仮想点源が存在する側とは反対方向の発散ビームとして導波路の面外に光を結合するために、光波をデフォーカス光カプラに導入するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法はさらに、例えば、焦点から対象物に向かって伝搬する実質的に均一な球面波（例えば、均一な球面波）を取得するために、その焦点内で光ビームを空間的にフィルタリングするステップ１０７を含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、ステップ（例えば、導波路へ光を結合するステップ１０２、光ビームを形成するステップ１０６、対象物を照射するステップ１０８、および／または対象物を撮像するステップ１０９）は、複数の異なる導波路および複数の異なる光カプラを使用して複数の対象物に対して並行して実行されてよい。本発明の実施形態による方法では、光信号は、複数の集積導波路に結合されてよく、対象物を撮像するステップは、異なる光カプラによって形成された光ビームによってそれぞれ照射された複数の対象物を同時に撮像するステップを含んでよい。
本発明の実施形態による方法では、光信号を集積導波路に結合するステップは、光信号を複数の導波路に分配するステップを含み、この場合、複数の導波路の各々の集積導波路において、実質的に円形または平面状の波面を有する光波が形成される。さらに、光波を集光カプラに導入するステップは、焦点面に収束する対応集束ビームとして光波を導波路の面外で結合するために、対応する集光カプラに各々の光波を導入するステップを含んでよい。
方法１００はさらに、光ビームを使用して対象物を照射するステップ１０８と、照射された対象物を撮像するステップ１０９とを含む。さらに、方法１００は、複数の対象物を同時に撮像するステップを含んでよく、各々の対象物は、対応する光カプラによって形成された対応する光ビームによって照射される。照射された対象物を撮像するステップ１０９は、ホログラフィック回折画像を取得するステップおよび／または対象物の蛍光画像を取得するステップを含んでよい。
本発明の実施形態は、導波路内に作製される（例えば、パターン形成される）微細構造のパターンを含む集光カプラを備えてよい、さもなければ関連してよい。微細構造は、導波路内に少なくとも部分的に作製（例えば、エッチング）されてよい。微細構造は、導波路内に貫通孔を備えてよい。このような貫通孔は、任意の適切な形状（例えば、長方形）を有してよい。微細構造はさらに、導波路内に作製された異なるタイプの微細構造（例えば、導波路内に作製された完全な微細構造（例えば、貫通孔）または部分的な微細構造（例えば、くぼみ））の組み合わせを含んでよい。例えば、微細構造は、導波路を完全に横切るように導波路内に作製されてよく（例えば、貫通孔）、または微細構造は、導波路内に延在するように導波路内に作製されてよい（例えば、くぼみ）。パターンは規則的なパターンとしてよい。本発明の実施形態によれば、パターンは、光信号が導波路から受信される時に光カプラを通って伝搬する際の光信号の減衰を補償するように構成されてよい。この構成パターンでは、確実に、形成された光円錐の均一性が向上し、規則的なパターンが使用される場合よりも大きなピンホールを使用することができる。利点としては、対象物を照射するのに使用される光のエネルギーが増大し、対象物をより十分に照射することができる。例えば、光の均一な面外結合を提供するために、微細構造は散乱中心を形成することができる。したがって、複数の湾曲した格子線を含む完全形成の集光グレーティングカプラを使用する代わりに、微細構造は、面外結合光強度を局所的に制御するように適合された密度分布に従って、格子線上に（例えば、光カプラと実質的に同一の光結合特性を有する完全形成の集光グレーティングカプラの格子線上の位置に実質的に対応する位置に）設けられてよい。本発明の実施形態では、光カプラは、所定の目標の面外結合光パワー分布を提供するように適合された（例えば、最適化された）連続的な密度分布の離散的なサンプリング近似である密度分布に従って、光カプラ上に位置決めされた微細構造を有してよい。本発明の別の態様では、本発明はさらに、このような集光カプラを設計する方法および／またはこのような集光カプラを製造する方法に関する。
図８を参照すると、点源の良好な近似を提供できる面外結合パワー分布Ｒが示されている。例えば、光カプラが形成される面の中心領域１０１において、例えば、中心領域１０１の上方の焦点に到達する前に面外結合波が移動するためのより大きな距離を考慮するために（例えば、逆２乗距離損失係数を克服するために）、面外結合パワーは、周辺領域１０２よりも低くすることができる。この面外結合パワー分布Ｒ（ｒ）は、例えば、数学的モデルによって、光カプラ内のパワー分布Ｐに関連付けることができる。
Figure 2018507386
したがって、図８に示す面外結合パワー分布Ｒについて、このモデルによって分布Ｐ（ｒ）を求めることができる。例えば、図９に示されている本発明の実施形態による光カプラの一部１０３上の分布Ｐ（ｒ）が、図１０に示されている。したがって、図８に示されているように、点源に近似した面外結合のパワー分布を得るために、図１０に示されているように、ハイ１０５からロー１０４までのパワー分布勾配Ｐ（ｒ）をカプラに設けることができる。面外結合パワー分布Ｒはさらに、以下のように、散乱断面積および散乱体密度にも関係づけられる。
Figure 2018507386
断面積σが分かっている場合に、目標散乱体密度ｎを定義することができる。この断面積は、例えば、シミュレーションによって（例えば、ルーメリカル（ｌｕｍｅｒｉｃａｌ）を使用して）求めることができる。例えば、図１１は、モードソース１１０と、散乱体として作用する微細構造１１１（例えば、浅いエッチング）とを含むシミュレーションモデルを示す。このモデルはさらに、シミュレーションされた散乱断面積を計算するために散乱フィールドを測定するためのフィールド監視ボックス１１２を含む。シミュレーションモデルは、ＳｉＯ２１１４プラットフォーム上のＳｉＮ１１３を使用する。図１２は、波長λの関数としての散乱断面積σの例示的なシミュレーション結果を示す。
図１３は、上述の数学的関係に従って、図１２に示す例示的なシミュレーション結果と、図１０に示す目標パワー分布Ｐとに対応する散乱中心の例示的な分布ｎを示す図である。この分布は、例えば、図１４に示されるように、本発明の実施形態に従って導波路内に作製される微細構造の位置をランダムにサンプリングするために使用することができる。さらに、このようなランダムにサンプリングされた位置のそれぞれの位置は、例えば、図１５に示されるように、最も近い格子線に当たるように調整されてよい。
散乱体は等方性ではないので、異方性散乱も考慮に入れられてよい。図１６は、シミュレーションによって得られた散乱光の等強度面を示す。図１７は、同じシミュレーションの２Ｄ散乱強度プロットを示しており、微細構造の中心領域１１８から周辺領域１１９への散乱強度の減少を示している。例えば、モデル化された微細構造エッチングの矩形形状によって誘導される異方性は、図１６および図１７に見ることができる。図１８は、微細構造のこのような異方性を考慮した後の散乱中心の例示的な分布ｎを示す。図１９および図２０は、微細構造の異方性散乱を補償したこの分布ｎによる微細構造のランダムサンプリングをそれぞれ示しており、これらのランダムにサンプリングされた微細構造は、格子線上の最も近い位置に位置する。
さらに、近似された点源を提供するためのグレーティングカプラの適合性は、例えば、上述したような初期ランダムサンプリングによって得られる微細構造位置間の間隔を調整して、各反復における目標点源分布へのシミュレーションされた面外結合フィールドの適合性を改善するために、メッシュツールを使用することによってさらに改善されてよい。図２１はこのようなメッシュを示し、図２２および図２３は２回のメッシュ補正反復における微細構造の位置付けを示す。
図２４〜図２６は、上述の手順によって得られた微細構造を備える光カプラの上方のシミュレーションされたフィールドを示す。シミュレーションされたカプラは、シミュレーション座標系のｚ＝０平面において、１０μｍ×１０μｍの寸法を有する。カプラは、（ｘ、ｙ、ｚ）＝（０，０，１０）μｍで１０μｍの距離に焦点を合わせるように設計される。図２４は、この距離において座標系原点の上方に形成された焦点を示す。図２５は、焦点面に形成された約２５０ｎｍの焦点を示す。図２６は、グレーティングカプラによって導波路の外に結合された光の遠視野を示す。

Claims (15)

  1. イメージング装置（１）であって、
    光信号（５）を導くための集積導波路（４）と、前記集積導波路（４）に光学的に結合された光カプラ（８）であって、前記光信号（５）を光ビーム（９）として前記集積導波路（４）の面外に導くように適合された光カプラ（８）とを備える、少なくとも１つのフォトニック集積回路（２）、
    流体媒体に浸漬された対象物（１２）を収容するためのマイクロ流体チャネル（９８）であって、前記装置の動作中に、前記光ビームによって前記対象物を照射することができるように構成されたマイクロ流体チャネル（９８）、および
    前記光ビーム（９）によって照射された前記対象物（１２）を撮像するように位置決めされた少なくとも１つのイメージング検出器（１１）、
    を含むイメージング装置（１）。
  2. 前記光カプラ（８）は、焦点面（１０）に収束する集束光ビームとして、前記集積導波路（４）の面外で前記光信号を集束するように適合された集束光カプラである、請求項１に記載のイメージング装置。
  3. 前記集束光カプラは、前記集積導波路（４）内に作製された微細構造のパターンを含み、前記パターンは、前記集光カプラ内を伝搬する光信号の減衰を補償するように適合される、請求項２に記載のイメージング装置。
  4. 前記少なくとも１つのフォトニック集積回路（２）は、前記集積導波路（４）に光学的に結合された少なくとも１つの別の光カプラ（８ａ）であって、光ビーム（９ａ）として前記光信号（５）を前記導波路（４）の面外に導くように適合された少なくとも１つの別の光カプラ（８ａ）をさらに含み、前記光カプラ（８）および前記少なくとも１つの別の光カプラ（８ａ）は、前記光カプラ（８）および前記少なくとも１つの別の光カプラ（８ａ）それぞれによって形成された光ビームが異なる角度から前記対象物を同時に照射するように位置決めされる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージング装置。
  5. 前記イメージング装置は、反射面をさらに備え、前記反射面および前記少なくとも１つのイメージング検出器（１１）は、前記被照射対象物からの光および前記光ビーム（９）が前記反射面によって反射され、反射後に前記少なくとも１つのイメージング検出器（１１）によって検出されるように位置決めされる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のイメージング装置。
  6. 前記光ビーム（９）を空間的にフィルタリングするために、前記少なくとも１つのフォトニック集積回路（２）と前記少なくとも１つのイメージング検出器（１１）との間に位置決めされる少なくとも１つのピンホール（１５）をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のイメージング装置。
  7. 前記イメージング装置は、励起導波路をさらに含み、前記少なくとも１つのフォトニック集積回路の前記集積導波路は、導波路スプリッタを介して前記励起導波路に光学的に結合される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のイメージング装置。
  8. 前記少なくとも１つのイメージング検出器（１１）は、複数の対象物を同時に撮像するように適合され、各々の対象物は、異なる光カプラ（８）によって照射されるように位置決めされる、請求項４に記載のイメージング装置。
  9. 前記集積導波路は、前記光カプラ（８）の異なる部分に光学的に結合され、そのことにより前記光ビーム（９）の均一性を高めることができる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のイメージング装置。
  10. 前記光信号を前記少なくとも１つのフォトニック集積回路（２）に供給するための少なくとも部分的にコヒーレントな光源をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載のイメージング装置。
  11. 対象物を撮像するための方法（１００）であって、
    光信号を集積導波路に結合するステップ（１０２）と、
    光カプラを使用して前記光信号から光ビームを形成するステップであって、前記光ビームを前記集積導波路の面外に導くステップ（１０６）と、
    マイクロ流体チャネルを流れる流体中に対象物を浸漬することによって対象物を移送するステップと、
    前記対象物を前記光ビームで照射するステップ（１０８）と、
    照射された前記対象物を撮像するステップ（１０９）と、
    を含む方法。
  12. 前記ビームを形成するステップ（１０６）は、集光カプラを使用して前記光ビームを集束するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記光ビームをその焦点内で空間的にフィルタリングして、そのことにより、前記焦点から前記対象物に向かって伝搬する実質的に均一な球面波を取得するステップ（１０７）をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ステップは、複数の異なる集積導波路と複数の異なる光カプラを使用して複数の対象物に対して並行して実行され、前記光信号は、前記複数の光導波路に結合され（１０２）、撮像するステップ（１０９）は、各々が異なる光カプラによって形成された光ビームによって照射された複数の対象物を同時に撮像するステップを含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記光信号は、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームである、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
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