JP6044862B1 - 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、反射する光のコヒーレンス度合いを測定できる光検出装置を提供する。【解決手段】主面に沿って配置された第１の検出器および第２の検出器を含む光検出器１０と、前記光検出器１０上に配置され、第１の低屈折率層１２ｃ、前記第１の低屈折率層１２ｃ上に配置され、第１のグレーティングを含む第１の高屈折率層１２ｂ、および前記第１の高屈折率層上に配置された第２の低屈折率層１２ａを含み、前記第１の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第２の低屈折率層より屈折率が高い、光結合層１２と、前記光結合層上に配置され、少なくとも１つの透光領域９ａ、および前記少なくとも１つの透光領域に隣接する少なくとも１つの遮光領域９Ａを含み、前記少なくとも１つの透光領域は前記少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、前記少なくとも１つの遮光領域は前記少なくとも１つの第２の検出器に対向している遮光膜９とを備える。【選択図】図２Ａ

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

しかしながら上記従来の方法では、コヒーレンスの度合い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少なくとも１つの第１の検出器および少なくとも１つの第２の検出器を含む光検出器と、前記光検出器上に配置され、第１の低屈折率層、前記第１の低屈折率層上に配置され、第１のグレーティングを含む第１の高屈折率層、および前記第１の高屈折率層上に配置された第２の低屈折率層を含み、前記第１の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第２の低屈折率層より屈折率が高い、光結合層と、前記光結合層上に配置され、少なくとも１つの透光領域、および前記少なくとも１つの透光領域に隣接する少なくとも１つの遮光領域を含み、前記少なくとも１つの透光領域は前記少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、前記少なくとも１つの遮光領域は前記少なくとも１つの第２の検出器に対向している、遮光膜と、を備える。

本開示の一態様によれば、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ことができる。

図１Ａは、第１の実施形態による光検出システムおよび被写体を示す模式図である。 図１Ｂは光検出器上の一つの開口に入射する散乱光の様子を示す説明図である。 図２Ａは、第１の実施形態による光検出装置の断面図である。 図２Ｂは第１の実施形態による光検出装置を光の入射側から眺めた平面図である。 図３Ａは、第１の実施形態による光検出装置の断面図である。 図３Ｂは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図３Ｃは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図３Ｄは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図３Ｅは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図３Ｆは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図３Ｇは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図３Ｈは、第１の実施形態において、１パルスの入射光が光結合層を通過して検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図４Ａは第１の実施形態において、あるパルス条件において、検出器で受光される光量比Ｐ１／Ｐ０と入射光の実効コヒーレンス長（パルス幅）との関係を示す説明図である。 図４Ｂは、図４Ａにおける光源のパルス条件を示す説明図である。 図４Ｃは第１の実施形態において、別のパルス条件において、検出器で受光される光量比Ｐ１／Ｐ０と入射光の実効コヒーレンス長（パルス幅）との関係を示す説明図である。 図４Ｄは、図４Ｃにおける光源のパルス条件を示す説明図である。 図５Ａはグレーティングカプラにおける入力光と結合光の関係を示す説明図である。 図５Ｂはグレーティングカプラにおける入力光と結合光の関係を示す説明図である。 図５Ｃはグレーティングカプラにおける入力光と結合光の関係を示す説明図である。 図５Ｄはグレーティングカプラにおける入力光と結合光の関係を示す説明図である。 図６Ａは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｂは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｃは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｄは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｅは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｆは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｇは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｈは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｉは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図６Ｊは第１の実施形態において光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する原理を示す説明図である。 図７は、光検出器上の開口に入射する波連の様子を示す説明図である。 図８Ａは、光検出器上の開口への入射光の光路長のばらつきと実効コヒーレンス長の減衰との関係を示す説明図である。 図８Ｂは、実効コヒーレンス長の減衰比μ_dと、実効コヒーレンス長σ₀に対する光路長標準偏差σの比の値σ／σ₀との関係を示す図である。 図９Ａは、被写体の内部でコヒーレンス長が変化する原理を示す説明図である。 図９Ｂは、被写体の内部でコヒーレンス長が変化する原理を示す説明図である。 図９Ｃは、被写体の内部でコヒーレンス長が変化する原理を示す説明図である。 図１０Ａは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、全体の光学配置と光線追跡の結果とを示す図である。 図１０Ｂは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、検出される光強度分布図である。 図１０Ｃは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、光路長平均分布図である。 図１０Ｄは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、光路長標準偏差分布図である。 図１０Ｅは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、被写体内コヒーレンス長減衰分布図である。 図１０Ｆは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、図１０Ｄの各領域値に図１０Ｂの各領域の値を乗じた分布図である。 図１０Ｇは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、図１０Ｆの各領域値を図１０Ｅの各領域の値で割った分布図である。 図１０Ｈは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果における、図１０Ｄ、Ｅのｙ軸成分を平均化した値のｘ軸上分布図である。 図１１Ａは、第２の実施形態による光検出装置を示す模式的な断面図である。 図１１Ｂは、第２の実施形態による光検出装置を示す模式的な断面図である。 図１１Ｃは、他の実施形態を示す模式的な断面図である。 図１１Ｄは、他の実施形態を示す模式的な断面図である。 図１１Ｅは、他の実施形態を示す模式的な平面図である。 図１１Ｆは、他の実施形態を示す模式的な平面図である。 図１２は、第３の実施形態による光検出方法を示す模式的な断面説明図である。 図１３Ａは、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計とそれによる干渉性の評価方法とを示す説明図である。 図１３Ｂは、第１の従来例における検出器３６で検出される電気信号を示す図である。 図１４は、光の干渉現象を説明するために、光源を出射しｚ方向に伝搬する光のある時刻ｔ０時間の振動の様子を示す概念図である。 図１５Ａは、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す説明図である。 図１５Ｂは、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す説明図である。 図１５Ｃは、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す説明図である。 図１５Ｄは、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す説明図である。 図１５Ｅは、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す説明図である。 図１６Ａは、第２の従来例における光検出システムの模式的な断面図である。 図１６Ｂは、第２の従来例における光検出システムの、光源の発振と検出器の検出信号との関係を示す説明図である。 第１の従来例の使用例を示す模式的な断面図である。

本開示の実施の形態を説明する前に、以下に従来の光の干渉性を測定する方法について、詳細に検討した結果を説明する。

図１３Ａは第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００とそれによる干渉性の評価方法とを示す説明図である。図１３Ａに示すように、光源３０を出射する光３１を第１の集光レンズ３５ａにより集光して平行光３２とする。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と重なる形で検出器３６に入射する（光３２Ｄ）。検出器３６は光３２ｄと光３２Ｄとを干渉させて得られる光を検出する。第２の反射ミラー３４Ａは、反射面の光軸方向（矢印Ａの方向）についての位置が変更され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１３Ｂは検出器３６で検出される電気信号を示す。縦軸を検出器３６で検出される信号強度とし、横軸を時間としている。図１３Ｂで示すように、信号強度は時間の経過（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。

図１４は光の干渉現象を説明するために、光源３０を出射しｚ方向に伝搬する光の、ある時刻ｔ０の様子を示す概念図である。図１４に示すように、光源３０からは波連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３６ｂ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１３Ａで示した光学系で、第２の反射ミラー３４Ａの変位を調整して、波連３７ａのうち部分３７Ａと部分３７Ａ’とを干渉させる。部分３７Ａ内の波と部分３７Ａ’内の波とは波長が等しく、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）。一方、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検討する。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つの波の位相差は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）も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、インコヒーレントな光の代表である。図１３Ａ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と、同じ波連内で干渉する確率が高くなり、コントラストは向上する（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と、異なる波連間で干渉する確率が高くなり、コントラストは低下する（０に近くなる）。

図１５Ａから図１５Ｅ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す。図１５Ａ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１５Ｄに示すようにコヒーレンス長は無限大になる。図１５Ｂ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１５Ｅに示すようにコヒーレンス長σ₀はλ₀ ²／Δλになる。縦モード幅とコヒーレンス長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１５Ｃは波長λ₀を中心に波長の広がりがΔλの光を、波長λ₀−Δλ／２と波長λ₀＋Δλ／２の２つの光２６、２７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λ₀ ²／Δλであり、搬送波の波長は光２６と光２７の波長の平均値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λ₀ ²／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λ₀ ²／Δλ＝１．０μｍとなる。

次に、非特許文献２に示される光検出システムを第２の従来例として説明する。非特許文献２に示される光検出システムは、光の強度分布を距離ごとに測定する。図１６Ａ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１６Ａに示すように、光源４２を出射する波長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。像面位置には検出器５０が配置されている。検出器５０は複数の画素の集合体であり、画素ごとに、入射する光の光量が検出される。光源４２の発光はコントローラ４１により制御される。検出器５０で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により一括して制御される。

図１６Ｂは、図１６Ａで示した光検出システム３００の、光源４２の発振と検出器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の内部を散乱して検出器５０で受光され、信号５３として検出される。図１６Ｂでは、縦軸を光源４２の発振強度、または検出器５０の検出強度とし、横軸を経過時間としている。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の内部を散乱し散乱距離の短い光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ことになる。

本願発明者の検討によれば、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００で干渉性（コヒーレンス）の度合いを測定できるのは、光源３０の位置、すなわち光の伝搬方向に垂直な面内の１点に限られる。例えば、図１７に示すように、図１３Ａに示したマイケルソンの干渉計２００を用い、光源３０から光３１を被写体３８に照射し、散乱光３９を取り込んで干渉させることを考える。散乱光３９は光の伝搬方向が空間的に広がっている。したがって、散乱光３９がそのまま集光レンズ３５ａに入射し集光されてもその光が平行光とならないので干渉性の度合いを測定することができない。そのため、集光レンズ３５ａで集光される光を平行光３２とするために、集光レンズ３５ａの焦平面位置にピンホール４０を設置する必要がある。散乱光３９をピンホール４０に通すことで、集光レンズ３５ａで集光される光を平行光３２とすることができる。しかし、この構成でコヒーレンスの度合いを測定できるのは、ピンホール４０の位置、すなわち光の伝搬方向に垂直な面内の限られた１点に対してだけである。しかも、干渉計全体は大掛かりな装置になる上、コヒーレンスの度合いを測定するには反射ミラー３４Ａを動かすという煩雑な操作が必要である。

一方、本願発明者の検討によれば、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３００ｐｓとすると、深さ分解能は９０ｍｍ程度になり、生体のような比較的小さな対象の診断、検査には向かない。

本開示の第一の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少なくとも１つの第１の検出器および少なくとも１つの第２の検出器を含む光検出器と、前記光検出器上に配置され、第１の低屈折率層、前記第１の低屈折率層上に配置され、第１のグレーティングを含む第１の高屈折率層、および前記第１の高屈折率層上に配置された第２の低屈折率層を含み、前記第１の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第２の低屈折率層より屈折率が高い、光結合層と、前記光結合層上に配置され、少なくとも１つの透光領域、および前記少なくとも１つの透光領域に隣接する少なくとも１つの遮光領域を含み、前記少なくとも１つの透光領域は前記少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、前記少なくとも１つの遮光領域は前記少なくとも１つの第２の検出器に対向している、遮光膜とを備える。

この光検出装置によれば、光検出装置に入射した光は、一部が遮光領域で遮光され、他の一部が透光領域を透過して光結合層に入射する。光結合層に入射した光は、光結合層を透過して当該透光領域に対向して配置された第１の検出器に入射する光と、第１の高屈折率層内を伝播する光とに分かれる。第１の高屈折率層内を伝播した光の一部は放射されて当該透光領域に隣接する遮光領域に対向して配置された第２の検出器に入射する。つまり、透光領域に対向して配置された第１の検出器によって光結合層を透過する光を検出できる。また、遮光領域に対向して配置された第２の検出器によって、第１の高屈折率層内を伝播する光を検出できる。この２種類の検出光量によって、光検出装置に入射した光の実効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ことができる。

また、本開示の第二の態様に係る光検出装置は、第一の態様に係る光検出装置において、前記少なくとも１つの第１の検出器は複数の第１の検出器を備え、前記少なくとも１つの第２の検出器は複数の第２の検出器を備え、前記複数の第１の検出器および前記複数の第２の検出器は前記主面に沿って２次元に配置され、前記少なくとも１つの透光領域は複数の透光領域を備え、前記少なくとも１つの遮光領域は複数の遮光領域を備え、前記複数の透光領域の各々は、前記複数の第１の検出器のうち少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、前記複数の遮光領域の各々は、前記複数の第２の検出器のうち少なくとも１つの第２の検出器に対向している。

この光検出装置によれば、光の実効コヒーレンスの度合いを面内分布情報として測定することができる。

また、本開示の第三の態様に係る光検出装置は、第二の態様に係る光検出装置において、平面視において、前記複数の遮光領域は、ストライプパターン状、またはチェッカーパターン状に配置されている。

また、本開示の第四の態様に係る光検出装置は、第一の態様に係る光検出装置において、前記光検出器は、前記少なくとも１つの第１の検出器と前記光結合層との間に配置された第１のマイクロレンズと、前記少なくとも１つの第２の検出器と前記光結合層との間に配置された第２のマイクロレンズと、をさらに含む。

また、本開示の第五の態様に係る光検出装置は、第一から第三の態様のいずれかに係る光検出装置において、前記光結合層は、第３の低屈折率層、および前記第３の低屈折率層と前記１の低屈折率層との間に配置され、第２のグレーティングを含む第２の高屈折率層をさらに含み、前記第２の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第３の低屈折率層より屈折率が高い。

本開示の第五の態様に係る光検出装置において、第１のグレーティングのピッチと、第２のグレーティングのピッチとが異なっていてもよい。

本開示の第五の態様に係る光検出装置において、第１の高屈折率層の膜厚と、第２の高屈折率層の膜厚とが異なっていてもよい。

また、本開示の第六の態様に係る光検出システムは、第一の態様に係る光検出装置と、光源とを備える。

この光検出システムによれば、光源からの光が被写体を透過または反射し光検出装置に入射した光は、一部が遮光領域で遮光され、他の一部が透光領域を透過して光結合層に入射する。光結合層に入射した光は、光結合層を透過して当該透光領域に対向して配置された第１の検出器に入射する光と、第１の高屈折率層内を伝播する光とに分かれる。第１の高屈折率層内を伝播した光の一部は放射されて当該透光領域に隣接する遮光領域に対向して配置された第２の検出器に入射する。つまり、透光領域に対向して配置された第１の検出器によって光結合層を透過する光を検出できる。また。遮光領域に対向して配置された第２の検出器によって、第１の高屈折率層内を伝播する光を検出できる。この２種類の検出光量によって、光源からの光が被写体を透過または反射し光検出装置に入射した光の実効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ことができる。

また、本開示の第七の態様に係る光検出システムは、第六の態様に係る光検出システムにおいて、演算回路をさらに備え、前記演算回路は、前記少なくとも１つの第１の検出器が検出した第１の信号と、前記少なくとも１つの第２の検出器が検出した第２の信号との比の値を算出する。

この光検出システムによれば、２種類の検出光量の比の値を算出する。この比の値によって光の実効コヒーレンスの度合いを測定することができる。

また、本開示の第八の態様に係る光検出システムは、第六の態様に係る光検出システムにおいて、前記演算回路は、前記少なくとも１つの第１の検出器が検出した第１の信号と、前記少なくとも１つの第２の検出器が検出した第２の信号との和に占める前記第１の信号の割合、および前記和に占める前記第２の信号の割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出する。

また、本開示の第九の態様に係る光検出システムは、第七の態様に係る光検出システムにおいて、前記少なくとも１つの第１の検出器は複数の第１の検出器を備え、前記少なくとも１つの第２の検出器は複数の第２の検出器を備え、前記複数の第１の検出器および前記複数の第２の検出器は前記主面に沿って２次元に配置され、前記少なくとも１つの透光領域は複数の透光領域を備え、前記少なくとも１つの遮光領域は複数の遮光領域を備え、前記複数の透光領域の各々は、前記複数の第１の検出器のうち少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、前記複数の遮光領域の各々は、前記複数の第２の検出器のうち少なくとも１つの第２の検出器に対向しており、前記演算回路は、前記複数の第１の検出器の各々について前記比の値を算出することにより、前記光検出器における前記比の値の分布を示す画像を生成する。

また、本開示の第十の態様に係る光検出システムは、第八の態様に係る光検出システムにおいて、前記少なくとも１つの第１の検出器は複数の第１の検出器を備え、前記少なくとも１つの第２の検出器は複数の第２の検出器を備え、前記複数の第１の検出器および前記複数の第２の検出器は前記主面に沿って２次元に配置され、前記少なくとも１つの透光領域は複数の透光領域を備え、前記少なくとも１つの遮光領域は複数の遮光領域を備え、前記複数の透光領域の各々は、前記複数の第１の検出器のうち少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、前記複数の遮光領域の各々は、前記複数の第２の検出器のうち少なくとも１つの第２の検出器に対向しており、前記演算回路は、前記複数の第１の検出器の各々について、前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出することにより、前記光検出器における前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つの分布を示す画像を生成する。

また、本開示の第十一の態様に係る光検出システムは、第六から第十の態様のいずれかに係る光検出システムにおいて、前記光源が、パルス光を出射する。

この光検出システムによれば、連続光を出射する場合に比べて被写体内部の断層情報の測定精度を高めることができる。

また、本開示の第十二の態様に係る光検出システムは、第六から第十一の態様のいずれかに係る光検出システムにおいて、前記光検出装置は、前記光結合層の上に配置された、前記光源が出射する光の波長を選択的に透過するバンドパスフィルターをさらに備える。

この光検出システムによれば、外乱光の影響を抑制した測定をすることができる。

また、本開示の第十三の態様に係る光検出システムは、第六から第十二の態様のいずれかに係る光検出システムにおいて、制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させる。

この光検出システムによれば、光源から出射する光のコヒーレンス長に応じて実効コヒーレンス長を測定することができる。

また、本開示の第十四の態様に係る光検出システムは、第九の態様に係る光検出システムにおいて、制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させ、前記演算回路は、前記制御回路が変化させたコヒーレンス長ごとに前記比の値の分布を示す画像を生成する。

この光検出システムによれば、光源から出射する光のコヒーレンス長に応じて実効コヒーレンス長を測定することができる。光源からの光のコヒーレンス長を変化させると、被写体を透過または反射してきた光の実効コヒーレンス長も変化する。一方、前記比の値は、実効コヒーレンス長に対する変化率が大きい領域と小さい領域を有する。したがって、光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させることで、例えば、実効コヒーレンス長に対する変化率が大きい領域において前記比の値を算出することができる。つまり、実効コヒーレンス長の分布情報を前記比の値の分布を示す画像に反映させることができる。

また、本開示の第十五の態様に係る光検出システムは、第十の態様に係る光検出システムにおいて、制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させ、前記演算回路は、前記制御回路が変化させたコヒーレンス長ごとに、前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つの分布を示す前記画像を生成する。

また、本開示の第十六の態様に係る光検出システムは、第九の態様に係る光検出システムにおいて、前記演算回路は、所定の時間範囲内に前記複数の第１の検出器が検出した前記第１の信号および前記複数の第２の検出器が検出した前記第２の信号を用いて、前記複数の第１の検出器の各々について前記比の値を算出し、前記複数の第１の検出器のうち、前記比の値が閾値以上となる第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第１の画像、および前記比の値が前記閾値より小さい第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第２の画像を生成する。

この光検出システムによれば、時間分解により抽出した光をさらに前記比の値の大きさに応じて分離することができる。これにより、例えば、時間分解により抽出した被写体内部で散乱した光を、さらに前方散乱光と後方散乱光とに区別することができる。

また、本開示の第十七の態様に係る光検出システムは、第十の態様に係る光検出システムにおいて、前記演算回路は、所定の時間範囲内に前記複数の第１の検出器が検出した前記第１の信号および前記複数の第２の検出器が検出した前記第２の信号を用いて、前記複数の第１の検出器の各々について、前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出し、前記複数の第１の検出器のうち、前記和に占める前記第１の信号の前記割合が閾値以上または前記和に占める前記第２の信号の前記割合が前記閾値以下となる第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第１の画像、および前記和に占める前記第１の信号の前記割合が前記閾値より小さいまたは前記和に占める前記第２の信号の前記割合が前記閾値より大きい第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第２の画像を生成する。

また、本開示の第十八の態様に係る光検出方法は、光源からの光が被写体を透過または反射した光の一部を、導波層上にグレーティングが形成された光結合層を透過する透過光と、前記導波層内を伝播する導波光とに分離し、前記透過光による第１の光量を検出し、前記導波光による第２の光量を検出する。

この光検出方法によれば、光結合層を透過する透過光と導波層内を伝播する導波光とを分離して光量を検出する。この検出光量によって、光の実効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ことができる。実効コヒーレンスは、位相が連続する波の長さで定義される。

また、本開示の第十九の態様に係る光検出方法は、第十八の態様において前記第１の光量と前記第２の光量との比の値を算出する。

この光検出方法によれば、２種類の検出光量の比の値を算出する。この比の値によって光の実効コヒーレンスの度合いを測定することができる。

また、本開示の第二十の態様に係る光検出方法は、第十八の態様において前記第１の光量と前記第２の光量との和に占める前記第１の光量の割合および前記和に占める前記第２の光量の割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本開示の内容を限定する主旨ではない。また、以下の実施の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。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１Ａは、本実施の形態に係る光検出システム１００、および被写体４を示す模式図である。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１１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４に照射する。例えば、光源２が発光する光３はコヒーレント光の代表であるレーザー光である。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３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、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、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の詳細な構造は後述する。

演算回路１１は、光検出装置１３が検出した信号の演算処理を行う。演算回路１１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、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１１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と演算回路１１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。

なお、光検出システム１００は、演算回路１１が演算処理した結果を表示する不図示の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（感光部）に対向する複数の透光領域（「開口」とも称する）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（後述する「透光領域９ａ」）に入射する散乱光５の様子を示す。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本だけ光源から発光されるとする。また、光源２を出射したｋ番目の光線が、減衰および散乱を繰り返しながら開口９ａに入射する際の光量をｐｋとする。この場合、開口９ａに入射する光線の総光量ｐ₀は（式１）で表される。

図２Ａおよび図２Ｂは、光検出装置１３の構成を示す。なお、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）。図２Ｂは光検出装置１３を光の入射する側から眺めた平面図である。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（図２Ｂの破線で囲まれた領域を含むｘｚ面における断面図）である。図２Ｂは、後述する遮光膜９を含むｘｙ面に平行な断面の様子を示している。図２Ａの断面構造を一つの単位として、当該単位構造がｘｙ面内で周期的に並んでいる。

光検出装置１３は、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、遮光膜上に透明基板９ｂと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のある面（「主面」と称する）に沿った方向（ｘｙ面内）に２次元に配列された複数の検出器１０ａ、１０Ａを備える。光検出器１０は、光が入射する側から順に、マイクロレンズ１０ｂおよび１０Ｂ、透明膜１０ｃ、配線等の金属膜１０ｄ、並びに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。複数のマイクロレンズ１０ｂ、１０Ｂは、１つのマイクロレンズが１つの検出器（１０ａ、１０Ａ）に対向するように配置される。マイクロレンズで集光され金属膜１０ｄの隙間に入射する光が検出器１０ａ、１０Ａで検出される。

光結合層１２は、光検出器１０上に配置されている。光結合層１２は、光検出器１０の面直方向（ｚ軸方向）において、第１の低屈折率層である第１の透明層１２ｃ、第１の高屈折率層である第２の透明層１２ｂ、および第２の低屈折率層である第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および第３の透明層１２ａよりも屈折率が高い。高屈折率透明層１２ｂと低屈折率透明層１２ｃをこの順にさらに繰り返した構造を備えてもよい。図２Ａは、これらの３つの層の組み合わせを合計６回繰り返した構造を示している。高屈折率透明層１２ｂは低屈折率透明層１２ｃ、１２ａで挟まれているので、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との界面の全面に渡ってピッチΛの直線グレーティング１２ｄが形成される。グレーティング１２ｄの格子ベクトルは光結合層１２の主面（ｘｙ面）に沿った方向のうちｘ軸方向に平行である。グレーティング１２ｄのｘｚ断面形状は、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。透明層１２ｂ、１２ｃの成膜の指向性が積層方向に高い場合には、グレーティング１２ｄ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、結合した光が高屈折率透明層１２ｂを伝播する。

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１０ｂと１０Ｂ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１０ｂ、１０Ｂでのレンズ効果を得るために、マイクロレンズ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とすればよい。

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。図２Ａの透光領域９ａは図２Ｂの透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４等に対応する。図２Ａの遮光領域９Ａは図２Ｂの遮光領域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。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（図２Ｂ参照）。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。

透明基板９ｂは遮光膜９の光入射側に配置される。透明基板９ｂは、例えばＳｉＯ₂等の材料からなる。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る。バンドパスフィルター９ｐは、入射する散乱光５の内、波長λ₀近傍の光のみを選択的に透過させる。

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１２ｄが形成されている。グレーティング１２ｄのピッチΛが（式２）を満たせば、導波光６ｂが発生する。

ここで、Ｎは導波光６ｂ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ｘｚ面内をｘ方向に伝搬する。

高屈折率透明層１２ｂを透過して下層に入射する光の成分は、下層側にある全ての高屈折率透明層１２ｂにおいても、これに入射する際に（式２）と同じ条件で導波光６ｃが発生する。なお、実際には全ての高屈折率透明層１２ｂで導波光が発生するが、図２Ａでは２つの層で発生する導波光を代表して示している。下層側で発生する導波光６ｃも同様にｘｚ面内をｘ方向に伝搬する。導波光６ｂ、６ｃは導波面（ｘｙ面）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のうち、遮光領域９Ａの直下で上方（反射膜側）に向かう成分は、遮光領域９Ａで反射され、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２）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を生成する。結果として、これらの過程が繰り返される。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が光結合層１２を透過し、透過光６ｄとしてマイクロレンズ１０ｂに入射し、検出器１０ａで検出される。遮光領域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１０Ｂに入射し、検出器１０Ａで検出される。

透光領域９ａは図１Ｂに示した開口に相当する。透光領域９ａを通じて、光は直下の検出器１０ａに向かう成分と左右の検出器１０Ａに向かう成分とに分岐し、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つの検出器１０ａ、および遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４にそれぞれ対向する４つの検出器１０Ａ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ない。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ｑ＝（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（光検出器１０を構成する全ての検出器）で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を定義できる。演算回路１１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、演算回路１１は、これらの比の値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。

次に、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説明する。図３Ａは図２Ａと同じ断面図である。図３Ｂ〜図３Ｈは、図３Ａに対応して描いたＦＤＴＤによる光強度分布の電磁解析結果を示し、経過時間順に並べている。領域９ａ、９Ａのｘ方向およびｙ方向の幅を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方向の厚み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方向の厚みｔ２を０．２２μｍとした。

図３Ｂでは半値幅１１ｆｓ（伝搬距離に換算して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３Ｃ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内を伝搬する導波光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１０ｂに入射する（光６ｄ）。図３Ｄ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の下まで伝搬する。一方、透過光６ｄはマイクロレンズ１０ｂによって検出器１０ａの上まで集光する。図３Ｅでは透過光６ｄが検出器１０ａに入射する。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１０Ｂに入射し、集光する。図３Ｆから図３Ｈでは透過光６ｄ、および放射光６Ｄが集光しながらそれぞれ検出器１０ａ、１０Ａに入射している。ここで、検出器１０ａ、１０Ａで検出される総光量をそれぞれＰ０、Ｐ１とする。図４Ａは、Ｐ１／Ｐ０の値と入射光のコヒーレンス長との関係を示している（曲線１４Ａ）。ただし、コヒーレンス長はパルス幅（すなわちコヒーレンス時間）に光速をかけて換算した。また、検出光量Ｐ１は図３Ａから図３Ｈでの解析結果である検出器１０Ａでの受光量を倍にしている。これは解析が導波光６ｂ１等からの放射成分だけを検出しているのに対し、実際には反対側から伝搬してくる相似な導波光６ｂ１’等からの放射成分も加わるためである（図２Ｂ参照）。光量比Ｐ１／Ｐ０はグレーティングカプラ（図２Ａで示した高屈折率透明層（第２の透明層）１２ｂの構造の様な、グレーティングを用いた光結合器のこと）により導波光に結合する成分と結合しなかった成分との光量比を示す。

図４Ａからわかるように、光量比Ｐ１／Ｐ０は、コヒーレンス長１μｍ以下で０．２程度と小さく、コヒーレンス長１０μｍ以上で１．３程度と大きく、その間ではコヒーレンス長の増大に伴って単調に増加する。すなわち光量比Ｐ１／Ｐ０は入射光のコヒーレンス（干渉性の度合い）に強く依存する。光量比Ｐ１／Ｐ０は、太陽光等のインコヒーレントな光（コヒーレンス長１μｍ以下）では小さく、光の干渉性が高まるに応じて大きくなり、部分コヒーレントな光（コヒーレンス長１０μｍ以上）で飽和する。なお、曲線１４Ａは光源が図４Ｂに示すパルス条件（条件Ａ）でパルス発振した場合の結果を示している。すなわち、パルスの振幅はガウシアン分布のエンベロープをなし、パルス幅内で位相は揃っている。このとき、コヒーレンス長σ₀＝パルス幅×光速である。これに対し、図４Ｃにおける曲線１４Ｂ１〜１４Ｂ４は、図４Ｄに示すパルス条件でパルス発振した場合の結果を示している。すなわち、パルスの振幅はガウシアン分布のエンベロープをなすが、位相がガウシアン分布のピークを境にφだけ変化している。曲線１４Ｂ１〜１４Ｂ４は、それぞれ位相差φを０、π／４、π／２、πとした条件による結果を示している。この場合のコヒーレンス長はσ₀＝パルス幅×光速／２で定義する。なお、φ＝０の条件による曲線１４Ｂ１は曲線１４Ａと同じ条件となるが、コヒーレンス長σ₀の定義が異なるので、曲線１４Ａの横軸の尺度をほぼ半分にした特性になる。図４Ｃに示すとおり、位相差φが大きくなるにしたがって、曲線はコヒーレンス長の長い側にシフトしている。統計的には隣接する波連の位相差は０とπの間にあるが、曲線１４Ｂ１の横軸の尺度を倍にした特性である曲線１４Ａが平均的な特性と考えられる。

なお、図３Ｅから図３Ｈ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深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深くすれば検出光量Ｐ１をより大きくでき、光量比Ｐ１／Ｐ０の変調度を更に高めることができる。

図５Ａから図５Ｄはグレーティングカプラにおける入力光と結合光との関係を示す。図５Ａから図５Ｄにおいて、導波層１７の上にはグレーティング１７ａが形成され、全体としてグレーティングカプラとして機能する。導波層１７は、本実施の形態における第２の透明層１２ｂに相当する。図５Ａにおいて、入力光（導波層１７を伝搬する導波光１８）はグレーティングカプラにより、３つの結合光、すなわち導波光１９ａと放射光１９ｂ、１９ｃに分離する。導波理論における相反定理によれば、図５Ｂに示すように、図５Ａにおける３つの結合光に対する逆進波、すなわち導波光１８Ａと入射光１８Ｂ、１８Ｃが同時に入力すると（トリプルポンピング）、１００％の効率で導波光１９Ａが発生する。一方、図５Ｃに示すように、図５Ａにおける３つの結合光のうち、２つの結合光に対する逆進波、すなわち導波光１８Ａと入射光１８Ｃが同時に入力されると（ダブルポンピング）、導波光１９Ａと透過光１９Ｂが発生し、導波光１９Ａの光量は弱まる。さらに、図５Ｄに示すように、図５Ａにおける３つの結合光のうち、１つの結合光に対する逆進波、すなわち入射光１８Ｃだけが入力されると（シングルポンピング）、導波光１９Ａと透過光１９Ｂが発生し、導波光１９Ａの光量はさらに弱まる。すなわち図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄの順に、導波光１９Ａへの入力効率は低下する。

図６Ａから図６Ｊは、光量比Ｐ１／Ｐ０が入射光のコヒーレンス長に強く依存する原理を示す。図６Ａから図６Ｊにおいて、導波層１７の上にはグレーティング１７ａが形成され、全体としてグレーティングカプラとして機能する。図６Ａから図６Ｅは、入射光のコヒーレンス長が長い場合を示し、１つの波連２０を３段の矢印２０ａ（破線）、２０ｂ（実線）、２０ｃ（黒塗りつぶし）に分け、これが時間の経過とともにどのように伝搬、分岐するかを示している。図６ＦからＪは、入射光のコヒーレンス長が短い場合を示し、１つの波連２１を２段の矢印２１ａ（実線）、２１ｂ（黒塗りつぶし）に分け、これが時間の経過とともにどのように伝搬、分岐するかを示している。図６Ａでは長い波連２０がグレーティングカプラに入射する。図６Ｂでは２箇所ある位置２２ａでのシングルポンピングにより、弱い導波光（それぞれ破線矢印１個で表示）が発生し、残りは透過する（それぞれ破線矢印２個で表示）。図６Ｃでは位置２２ａでのシングルポンピングにより、弱い導波光（実線矢印１個で表示）と強い透過光（破線矢印２個で表示）とに分かれる。また、位置２２ｂでのダブルポンピングにより、強い導波光（破線矢印１個と実線矢印２個で表示）と弱い透過光（実線矢印１個で表示）とに分かれる。位置２２ｂでは、上からの入射光に左側から伝搬する導波光が加わるのでダブルポンピングとなる。図６Ｄでは位置２２ａでのシングルポンピングにより、弱い導波光（黒塗りつぶし矢印１個で表示）と強い透過光（黒塗りつぶし矢印２個で表示）に分かれ、位置２２ｂでのダブルポンピングにより、強い導波光（実線矢印１個と黒塗りつぶし矢印２個で表示）と弱い透過光（黒塗りつぶし矢印１個で表示）に分かれる。図６Ｅでは図６Ｄでの導波光および透過光の伝搬が継続する。矢印の数で光量比Ｐ１／Ｐ０を見積もると、導波光となる矢印（２３ｂ）の数が８個に対し、透過光となる矢印（２３ａ）の数が１０個となるため、Ｐ１／Ｐ０＝８／１０＝０．８０である。一方、図６Ｆ、図６Ｇでは短い波連２１がグレーティングカプラに入射する。図６Ｈでは２箇所ある位置２２ａでのシングルポンピングにより、弱い導波光（それぞれ実線矢印１個で表示）が発生し、残りは透過する（それぞれ実線矢印２個で表示）。図６Ｉでは位置２２ａでのシングルポンピングにより、弱い導波光（黒塗りつぶし矢印１個で表示）と強い透過光（黒塗りつぶし矢印２個で表示）に分かれる。また、位置２２ｂでのダブルポンピングにより、強い導波光（実線矢印１個と黒塗りつぶし矢印２個で表示）と弱い透過光（黒塗りつぶし矢印１個で表示）に分かれる。位置２２ｂでは、上からの入射光に左側から伝搬する導波光が加わるのでダブルポンピングとなる。図６Ｊでは図６Ｉでの導波光および透過光の伝搬が継続する。矢印の数で光量比Ｐ１／Ｐ０を見積もると、導波光となる矢印（２４ｂ）の数が５個に対し、透過光となる矢印（２４ａ）の数が７個となるため、Ｐ１／Ｐ０＝５／７＝０．７１である。従って、入射光のコヒーレンス長が長い方がダブルポンピングを起こす確率が高まるので、光量比Ｐ１／Ｐ０が大きくなることが分かる。

図７は図１Ｂで示した開口９ａに入射する波連の様子を示す。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をなすが、散乱により波連によって異なるタイミングで開口９ａに入射する。図７に示すように、２つの波連１５ａ、１５ｂ（波連１５ａ、１５ｂの後にはコヒーレンス長が同じで位相が異なる波連が連なる）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とも波長は揃っているが、これらの間に位相の相関性はまったくなく、波連の長さは元のσ₀に比べ短くなっている。合成波（波連１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）の波長の広がり（縦モード幅）は元の波連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５ＡからＤ参照）。一方、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短くなっている。以降、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。図７に示す効果がなければ、実効コヒーレンス長はコヒーレンス長に等しい。実効コヒーレンス長は必ずコヒーレンス長に等しいか短くなる。コヒーレンス長が短くなれば実効コヒーレンス長も短くなる。また、空間コヒーレンスが劣化しても実効コヒーレンス長は短くなる。図３Ａから図３Ｈ、図４Ａから図４Ｄ、図６Ａから図６Ｊの説明でのコヒーレンス長はいずれも実効コヒーレンス長の意味である。すなわち、図４Ａの光量比Ｐ１／Ｐ０は入射光の実効コヒーレンス長に強く依存する。

図８Ａおよび図８Ｂは開口９ａへの入射光の光路長（位相）のばらつきが実効コヒーレンス長の減衰とどう関係するかを示す説明図である。モンテカルロ法等の光線追跡的手法を用いれば、連続発振を前提として、開口９ａに入射する光線群を統計的に取り扱うことができる。例えば、光源２から多数の光線を発光させ、開口９ａに入射する光線がｎ本あったとし、そのうちｋ番目の光線の光路長をｓ_kとする（ｋ＝１、２、・・・、ｎ）。図８Ａに示すように、ｚを伝搬軸方向の距離とし、光路長ｓ_kの統計分布をｆ（ｚ）、光線の入射強度波形（光強度の時間変化に光速を掛けて距離単位に置き換えたもの）をｇ（ｚ）で与える。図７における実効コヒーレンス長の減衰原理を統計的に処理すれば、基準となる波連ｇ（ｚ）に対し波連ｇ（ｚ−ｚ₀）が同じ波連内にある確率μ_dは（式３）で与えられる。μ_dは実効コヒーレンス長の減衰比を表す。ただし、ｇ（ｚ）は（式４）で定義され、σ₀は光源が発光する光のコヒーレンス長である。ｍとσをそれぞれ光路長の平均と標準偏差として、ｆ（ｚ）を正規分布とすると（式５）が成り立つ。

図８Ｂの曲線１６は、減衰比μ_dと、実効コヒーレンス長σ₀に対する光路長標準偏差σの比の値σ／σ₀との関係を示す計算結果である。σ／σ₀の増大に伴って減衰比μ_dが小さくなることが示されている。なお、ｆ（ｚ）が正規分布でない場合、曲線１６は別の特性になる。

図８Ａおよび図８Ｂの関係は光源が連続発振の場合に成立するが、パルス発振の場合にも光路長のばらつきとパルス長（パルス時間幅に光速を掛けた値）が同程度の大きさであれば近似的に成立する。なお、実効コヒーレンス長の定義から見ると、近接する波連の間の位相差が小さい場合、これらの波連は一つの波連と見なすべきだが、（式３）はこれを無視している。従って、図８Ａおよび図８Ｂの関係は実効コヒーレンス長の減衰の影響を過剰に扱っているが、以下では図８Ａおよび図８Ｂの関係に基づき議論を進める。

図９Ａから図９Ｃは被写体４の内部でコヒーレンス長が変化する原理を示す説明図である。図８Ａおよび図８Ｂのモデルは実効コヒーレンスの劣化（いわば空間コヒーレンスの劣化）を示すものであったが、図９Ａから図９Ｃのモデルは時間コヒーレンスの劣化を示すものである。図９Ａに示すように、波長λ₀の光が屈折率ｎ₀の被写体内でｎ回の散乱を繰り返し、そのうちのｋ番目の散乱で光が半径ｒ₀の球状反射体２６に入射する場合を考える。光のコヒーレンス長はσ_k、球状反射体２６へのｙ軸入射位置はｙ_k、球状反射体２６の球面法線に対する入射角はψ_kであり、ｘ軸は光の伝搬方位にそろえて定義している。ただし、入射および反射はいずれも球の中心２６ａを含む同一の面内で起こるとする。波連２５のｙ軸位置がｙ_kからｙ_k＋Δｙ_kに変わると、角度ψ_kはψ_k＋Δψ_kに変化する。図９Ｂに示すように、反射体２６が静止している場合は、反射後の波連２７のコヒーレンス長に変化はない。図９Ｃに示すように、波連２５が反射体２６を反射している間に反射体２６がｘｙ面内で移動する場合は（移動速度のｙ成分をｖとする）、反射後には波連２７ａと波連２７ｂの２つの波連に分離する。これらの波連２７ａ、２７ｂは、被写体内部から外部に出射して焦点距離ｆの集光レンズ７により収束光２７Ａ、２７Ｂとなり、検出画素面９ａ上で集光して中心間隔δ_kの集光スポット（強度分布２８Ａ、２８Ｂ）を形成する。集光レンズ７の開口数をＮＡとすると、集光スポットの直径はλ₀／ＮＡで与えられる。波連が反射体２６で反射する間に変位する量Δｙ_kは（式６）で与えられる（ｃは光速）。

ｋ番目の散乱における散乱角余弦をｇ_kとすると、ｇ_k、ψ_k、δ_kの間には、（式７）、（式８）、（式９）の関係が成り立つ。ただしｎ₀は被写体の屈折率である。

一方、ｙ_kと角度ψ_kには（式１０）の関係がある。Δψ_kは（式１１）で与えられる。

集光スポットの中心間隔δ_kがスポット径（λ₀／ＮＡ）より大きい場合、２つのスポットの間に干渉はなくなり、２つの波連２７ａ、２７ｂ（または、２７Ａ、２７Ｂ）は分離し、コヒーレンス長も２つに分断されたとみなされる。従って、（式１２）で与えられるΔ_kを用いて、ｋ番目の散乱による波連の分割数は２Δ_kとなる。ｋ＋１番目のコヒーレンス長は（式１３）で与えられる。

被写体４の内部で散乱はｎ回繰り返されるので、コヒーレンス長の減衰比μ_i（初期コ
ヒーレンス長σ₀に対する最終コヒーレンス長σ_nの比）は（式１４）で与えられる。

被写体４を生体とすると、異方性散乱係数は０．９と言われている。この値は、誘電体球のミー散乱における粒径パラメータ（２π×反射体半径／波長）〜１の条件に相当する。この条件に基づくと、反射体半径〜０．２×波長と見なしてよい。例えば、ｆ＝２００ｍｍ、ＮＡ＝０．１、ｖ＝１０ｍｍ／ｓ、ｃ＝３×１０¹¹ｍｍ／ｓ、σ₀＝６ｍｍ、λ₀＝０．８５×１０^-3ｍｍ、ｎ₀＝１．３７（条件Ｄ）とすると、Δ_kは（式１５）で与えられる。

Δ_kは０．１程度の値となり、１０回程度の散乱回数でコヒーレンス長はほぼ半減する。

図９ＡからＣのモデルでは前方散乱は２ψ_k＞π／２に相当し、後方散乱は２ψ_k＜π／２に相当する。（式１１）によると、ψ_k＞π／２（前方散乱）の場合、Δψ_kは大きくなるが、２ψ_k＜π／２（後方散乱）の場合、Δψ_kは小さくなる。従って、（式１２）、（式１３）より、前方散乱が多い場合はコヒーレンス長が劣化しやすく、後方散乱が多い場合はコヒーレンス長が劣化しにくい。

図１０Ａから図１０Ｈは、被写体に人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果を示す図である。図１０Ａは全体の光学配置と光線追跡の様子を示している。図１０Ｂから図１０Ｇ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１０Ｂは光強度分布、図１０Ｃは光路長平均分布、図１０Ｄは光路長標準偏差分布、図１０Ｅは被写体内コヒーレンス長減衰分布（（式１４）の計算結果）、図１０Ｆは図１０Ｄの各領域の値に図１０Ｂの各領域の値を乗じた分布、図１０Ｇは図１０Ｆの各領域値を図１０Ｅの各領域の値で割った分布を示している。図１０Ｈは、図１０Ｄ、図１０Ｅのｙ軸成分をｙ軸方向の領域３から領域１８までの範囲で平均化した値のｘ軸上分布図（ｘ軸方向の領域３から領域１８までを表示）である。人体頭部は頭皮４ａ、頭骨４ｂ、ＣＦＳ層４ｃ、灰白質４ｄ、白質４ｅ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、膜厚（ｍｍ）を表１に示す。

図１０Ａに示すように、灰白質４ｄと白質４ｅは同じ深さにある。図１０Ａでは、ｘ軸の正負でこれらの領域を分けている。解析領域はｘおよびｙ方向に４０ｍｍ×４０ｍｍ、ｚ方向に４７ｍｍ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の表面においてｘ方向、ｙ方向に１０ｍｍずつ隔てた３×３の位置（９箇所）で垂直に入射する光を想定した。検出は頭皮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を算出することで行った（その他の条件は条件Ｄに従う）。図１０Ｂの周縁が暗い（光強度が小さい）のは解析領域を超える光線を計算から除外したためである。図１０Ｂでは光の入射位置の近傍で明るく（光強度が強く）なり、図１０Ｃでは光の入射位置の近傍で暗く（光路長が短く）なる。図１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄとも左半分側（ｘ＜０、灰白質４ｄの側）が右半分よりもやや明るくみえるが、鮮明ではない。図１０Ｅは右半分側（ｘ＞０、白質４ｅの側）が左半分よりもやや明るく（コヒーレンスの減衰が小さく）みえる。周辺部を除いて平均化すると、図１０Ｄの光路長標準偏差は左半分側で平均値２６ｍｍ程度、右半分側で平均値２１ｍｍ程度である。図１０Ｅのコヒーレンス長減衰比は左半分側で平均値０．２９程度、右半分側で平均値０．３４程度である（図１０Ｈ参照）。図１０Ｆ、Ｇでは灰白質４ｄと白質４ｅの構造差が反映され、左半分側（ｘ＜０）が右半分よりも明らかに明るくみえる。

図８Ａおよび図８Ｂ、図９Ａから図９Ｃ、図１０Ａから図１０Ｈを総合すると、図４Ａについて次のことがいえる。すなわち、光源から光が出射した時のコヒーレンス長を６ｍｍとすると、図１０Ｅより、被写体内部の散乱によってコヒーレンス長は左半分（灰白質４ｄの側）で６．０×０．２９＝１．７４ｍｍ、右半分（白質４ｅの側）で６．０×０．３４＝２．０４ｍｍに減衰する。さらに図１０Ｄにより、光路長のばらつきは左半分でσ／σ₀＝２６／１．７４＝１４．９、右半分でσ／σ₀＝２１／２．０４＝１０．２となる（図４Ａ参照）。したがって、図８Ｂより、実効コヒーレンス長の減衰比μ_dは左半分で０．０００２０、右半分で０．０００４３となる。したがって、検出光の実効コヒーレンス長はそれぞれ６ｍｍ×０．０００２０＝１．２μｍ、６ｍｍ×０．０００４３＝２．６μｍとなる。図４Ａにおいて実効コヒーレンス長１．２μｍを示す直線１４ａと曲線１４Ａとの交点、実効コヒーレンス長２．６μｍを示す直線１４ｂと曲線１４Ａとの交点から、それぞれＰ１／Ｐ０の値が０．３、０．６の検出信号が得られることが分かる。つまり、本実施の形態に係る光検出装置１３での検出信号Ｐ１／Ｐ０によって頭骨４ｂの奥にある灰白質４ｄ、白質４ｅの分布を検出できることが分かる。検出信号Ｐ１／Ｐ０の分布は図１０Ｆおよび図１０Ｇの分布に似ており、左半分側（ｘ＜０）と右半分側との差別化が可能である（左半分側において右半分側よりも小さくなる）。なお、直線１４ａ、１４ｂの位置、すなわち検出光の実効コヒーレンス長が、曲線１４Ａの変動部（実効コヒーレンス長１〜１０μｍの範囲）を挟んで左右に分かれるような検出を行っても良い。光源からの光のコヒーレンス長を可変にできれば直線１４ａ、１４ｂの位置を自由に調節できる。光源からの光のコヒーレンス長に対応した検出信号Ｐ１／Ｐ０の分析を行うことにより、被写体の構造の分析を効率的に行える。さらに、図１０Ｆにおいて、検出信号Ｐ１／Ｐ０に関係する量である光路長標準偏差分布に光強度分布を掛けることで構造差を鮮明にできたように、検出信号Ｐ１／Ｐ０に他の検出信号（例えば、検出信号Ｐ０または検出信号（Ｐ０＋Ｐ１）等）を掛けたり、比較したり、様々な演算処理を加えることで、よりＳ／Ｎの高い信号を得ることができる。これらのＳ／Ｎを向上させる演算処理は、光源の発光強度またはレンズの絞り（すなわち光検出装置１３に入射する光量）を変化させた場合に、これに応じて実施してもよい。また、（式１５）が散乱体の移動速度ｖに関係することから、光源の出射方向を変化させた場合に、これに応じて上記演算処理を実施してもよい。

６ｍｍ程度のコヒーレンス長はレーザーとしては短いが、高周波重畳半導体レーザーまたはセルフパルセーション半導体レーザーなど、干渉性を落とすためにマルチスペクトル化された光源では実用化できる範囲にある。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可変にできる。また、スイープ光源（レーザーの波長を数十ｎｍの範囲で周期的にスイープさせる光源）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可変にできる。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を用いる。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。このとき、バンドパスフィルターは光源と被写体の間、被写体と光結合層の間のいずれかに配置すればよい。また、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を散乱し開口９ａに入射するときに、図１５Ｃで説明した原理で唸りが発生し、コヒーレンス長が短くなる。これは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を用いる。なお、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と、唸りの出方が変化して実効コヒーレンス長の分布も変化する。したがって、光源の発光強度比の変化に応じた演算処理を、検出信号Ｐ１／Ｐ０に加えてＳ／Ｎを向上させてもよい。

また光源にパルス光源を用いてもよい。このとき、コヒーレンス長はパルス長（パルス時間幅に光速を掛けた値）に等しい。パルス光源の場合、図９Ａから図９Ｃで示した時間コヒーレンス劣化の関係は成立している。一方、パルス光源の場合、波連の重なりが少なくなる。すなわち、基準とする波連に対してある波連が同じ波連内にある確率は低くなる。したがって、図８Ｂを参照して説明したような実効コヒーレンス長が短くなる効果が弱くなる。この場合、図４Ａにおける直線１４ａ、１４ｂの位置（検出光の実効コヒーレンス長）が曲線１４Ａの変動部（１〜１０μｍの範囲）に掛かるように、パルス時間幅を選択すればよい。

このように本実施形態の光検出装置を使うと、図１０Ａから図１０Ｈで示した被写体で、頭骨４ｂの奥にある灰白質４ｄおよび白質４ｅの差が電気信号の出力差として検出できる。これは、図１０Ｂで示した光強度分布像を検出する方法（第２の従来例）に比べ、Ｓ／Ｎを大幅に改善できる。

（第２の実施形態）
本実施の形態は、第２の透明層１２ｂで生成した導波光６ｂを検出器１０Ａに導くための構成が異なり、その他の構成は全て第１の実施形態と同じである。このため、共通する要素には同じ番号を振り、詳しい説明は省略する。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、導波光６ｂを検出器１０Ａに導くためのグレーティング１２ｄおよび導波層（第２の透明層）１２ｂの断面構造を示す。図１１Ａは図１Ａにおける集光レンズ７の中心軸近傍（軸上位置）の画素を含む断面図、図１１Ｂは集光レンズ７の軸外位置の画素を含む断面図である。本形態は、集光レンズ７の軸外位置において、透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）の中心と検出器１０ａ（または１０Ａ）の中心がずれるように配置される。なお、本開示において、「検出器が遮光領域または透光領域に対向して配置」されるとは、本実施の形態のように各中心位置がずれるように配置された形態も含む。グレーティング１２ｄは図１１Ａと図１１Ｂでピッチの条件が異なる。すなわち図１１Ａでは（式２）においてθ＝０とした場合のピッチ（＝Λ１）であるが、図１１Ｂではθ≠０とした場合のピッチ（＝Λ２）である。このため、図１１Ａでは紙面上の左右両方向に導波光６ｂが発生するが、図１１Ｂでは左右のどちらか一方に導波光６ｂが発生し（図では右側）、これが遮光領域９Ａの直下で放射され、放射光６Ｄとなって検出器１０Ａに入射する。（式２）におけるθの値は、集光レンズ７からの光の入射角に合わせて決められる。第１の実施形態では集光レンズ７に像側テレセントリックレンズを使う必要があったが、第２の実施形態ではその必要がないためレンズコストを抑えられる。

図１１Ｃは導波光６ｂを検出器１０Ａに導く他の形態を示す図である。第１の実施形態ではグレーティング１２ｄが全面に渡って形成されていたが、図１１Ｃではグレーティング１２ｄは透光領域９ａの直下にしか形成されてない。導波層（第２の透明層）１２ｂは遮光領域９Ａの直下でゆるやかに検出器１０Ａ側に向かって屈曲している。導波光６ｂも導波層（第２の透明層）１２ｂに沿って折れ曲がる（導波光６ｂ１）。導波光６ｂ１は導波層（第２の透明層）１２ｂの端面から放射され、放射光６Ｄとなって検出器１０Ａに入射する。導波層（第２の透明層）１２ｂを曲げる点で製造プロセスが複雑になるが、第１の実施形態に比べ、光損失の少ない検出が期待できる。

図１１Ｄは遮光領域９Ａとなる反射膜のパターニングが異なる形態を示す図である。第１の実施形態では、透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）に対し、ひとつのマイクロレンズ１０ｂ（または１０Ｂ）が対応し、ひとつの検出器１０ａ（または１０Ａ）が対応していたが、本実施形態では２つのマイクロレンズ１０ｂと１０ｂ’（または１０Ｂと１０Ｂ’）、２つの検出器１０ａと１０ａ’（または１０Ａと１０Ａ’）が対応する。２つの検出器１０ａと１０ａ’（または１０Ａと１０Ａ’）は電気的に導通される。本形態の場合、グレーティングカプラの導波光６ｂの進行方向の長さ（光の結合長）が大きくなる。図６Ａから図６Ｊを参照して説明した原理から、グレーティングカプラが長くなると、コヒーレンス長の長い入射光に対してもダブルポンピングを起こす確率に差が出やすい。つまり、図４Ａで示した光量比Ｐ１／Ｐ０が変化する範囲が広がるメリットがある。図１１Ｄの形態において、透光領域９ａ、遮光領域９Ａのｘｙ面内の幅を５．６μｍ×２μｍとし、光源が図４Ｂに示すパルス条件（条件Ａ）で発振したとして計算した結果を図４Ａの曲線１４Ｃ（条件Ｃ）に示す。光の結合長（透光領域９ａの幅）が大きくなることで、曲線１４Ｃは曲線１４Ａに比べ、コヒーレンス長の長い側にシフトしている。なお、透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）に対し、３つ以上のマイクロレンズ１０ｂ（または１０Ｂ）、検出器１０ａ（または１０Ａ）が対応してもよい。また、反射膜（遮光領域９Ａ）のパターニングについては、ピッチの異なる複数のパターンを組み合わせてもよい。例えば、図１１Ｅでは透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）がピッチの異なる２つのチェッカーパターンを形成し、図１１Ｆではピッチの異なる２つのストライプパターンを形成している。いずれの場合も、ピッチの狭いパターンよりもピッチの広いパターンの方が、１つの透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）に対応するマイクロレンズおよび検出器の数が多い。例えば、ピッチの狭いパターンにおいては、ｘ軸方向で１つの透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）に１つのマイクロレンズおよび１つの検出器が対応する。また、ピッチの広いパターンにおいては、ｘ軸方向で１つの透光領域９ａ（または遮光領域９Ａ）に２つのマイクロレンズおよび２つの検出器が対応する。なお、グレーティングの格子ベクトルの方位をｘ軸方向に平行にしているが、場所により変化させてもよい。

（第３の実施形態）
本実施の形態は信号の演算回路１１による演算方法が異なるだけで、その他の構成は第１および第２の実施形態と同じである。このため、共通する要素には同じ番号を振り、詳しい説明は省略する。

図１２は本実施形態における光源２の発振と検出信号の関係を示す説明図である。光源２が制御回路１の制御の下でパルス３ａを発振して光３を発生させる。この光３が被写体４の内部を散乱して、透光領域９ａを介して検出器１０ａ、１０Ａで受光される。その結果、図１２に示すような、縦軸を検出強度、横軸を経過時間とする信号６３が検出される。検出器１０ａで検出される光量をＰ０、検出器１０Ａで検出される光量をＰ１とすると、信号６３は光量Ｐ０（またはＰ０＋Ｐ１）に相当する。信号６３は散乱による光路長のバラつきの影響で、元のパルス３ａに比べ時間幅が広がってしまう。信号６３のうち先頭の出力６３ａは、被写体４の表面を反射する光５ａ１による信号である。信号６３のうち、時間ｔ１〜ｔ２の間の出力６３ｃは、被写体４の内部を散乱する光５ａ２、５ａ３による信号である。光５ａ２と５ａ３とでは、光路長は等しいが、光５ａ２は後方散乱が多く表層の近傍を伝搬する光路を描くのに対し、光５ａ３は後方散乱が少なく深層まで届く光路を描く。図９Ａから図９Ｃを参照して説明したように、前方散乱が多い場合はコヒーレンス長が劣化しやすく、後方散乱が多い場合はコヒーレンス長が劣化しにくいことがわかっている。したがって、前方散乱と後方散乱の比率が光５ａ２および光５ａ３による光量比Ｐ１／Ｐ０に反映される。本実施形態では、演算回路１１が信号６３の時間分解により出力６３ｃを検出して画像を生成する。つまり、内部散乱光５ａ２、５ａ３が到達する時間ｔ１〜ｔ２の間の光を検出して検出器ごとの強度分布情報として画像を生成する。さらに、演算回路１１は、光量比Ｐ１／Ｐ０の値に応じて出力６３ｃによる画像を分別する。具体的には、例えば、光量比Ｐ１／Ｐ０がある閾値以上となる画素による第１の画像を生成する。つまり、光量比Ｐ１／Ｐ０がある閾値以上となる画素に相当する検出器が検出した光量の分布情報として第１の画像を生成する。また、光量比Ｐ１／Ｐ０がある閾値より小さくなる画素による第２の画像を生成してもよい。つまり、光量比Ｐ１／Ｐ０がある閾値より小さくなる画素に相当する検出器が検出した光量の分布情報として第２の画像を生成してもよい。第２の従来例では光５ａ２と光５ａ３の区別がつかなかったが、本実施形態では前方散乱と後方散乱の比率が検出光量比Ｐ１／Ｐ０に反映されるので、光５ａ２と光５ａ３の区別が可能になり、被写体４の内部を深さに応じて分析できる。なお、第１の実施形態と同様に、検出信号Ｐ１／Ｐ０に他の検出信号（例えば、検出信号Ｐ０または検出信号（Ｐ０＋Ｐ１）等）を掛けたり、比較したり、様々な演算処理を加えてもよい。また、出力６３ｃに検出信号Ｐ１／Ｐ０または他の検出信号との演算処理を加えてもよい。

本開示の技術は、被写体からの光の実効コヒーレンス長の状態を面内の分布情報として検出できる光検出方法などとして利用できう。本開示の技術は、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、時間分離検出法、またはコヒーレンス長可変の光源などと組み合わせることで、被写体内部の情報を高精度および／または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、実効コヒーレンス長分布という新しい評価軸が加わり、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 被写体への入射光
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 遮光膜
９ａ 開口、透光領域
９Ａ 遮光領域
１０ 光検出器
１１ 演算回路
１２ 光結合層
１３ 光検出装置

Claims (17)

1. 主面を有し、前記主面に沿って配置された少なくとも１つの第１の検出器および少なくとも１つの第２の検出器を含む光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、
   第１の低屈折率層、
   前記第１の低屈折率層上に配置され、第１のグレーティングを含む第１の高屈折率層、および
   前記第１の高屈折率層上に配置された第２の低屈折率層を含み、
   前記第１の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第２の低屈折率層より屈折率が高い、光結合層と、
   前記光結合層上に配置され、
   少なくとも１つの透光領域、および前記少なくとも１つの透光領域に隣接する少なくとも１つの遮光領域を含み、
   前記少なくとも１つの透光領域は前記少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、
   前記少なくとも１つの遮光領域は前記少なくとも１つの第２の検出器に対向している、遮光膜と、
   を備える光検出装置。
2. 前記少なくとも１つの第１の検出器は複数の第１の検出器を備え、
   前記少なくとも１つの第２の検出器は複数の第２の検出器を備え、
   前記複数の第１の検出器および前記複数の第２の検出器は前記主面に沿って２次元に配置され、
   前記少なくとも１つの透光領域は複数の透光領域を備え、
   前記少なくとも１つの遮光領域は複数の遮光領域を備え、
   前記複数の透光領域の各々は、前記複数の第１の検出器のうち少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、
   前記複数の遮光領域の各々は、前記複数の第２の検出器のうち少なくとも１つの第２の検出器に対向している、
   請求項１に記載の光検出装置。
3. 平面視において、前記複数の遮光領域は、ストライプパターン状、またはチェッカーパターン状に配置されている、請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記光検出器は、
   前記少なくとも１つの第１の検出器と前記光結合層との間に配置された第１のマイクロレンズと、
   前記少なくとも１つの第２の検出器と前記光結合層との間に配置された第２のマイクロレンズと、をさらに含む、請求項１に記載の光検出装置。
5. 前記光結合層は、
   第３の低屈折率層、および
   前記第３の低屈折率層と前記１の低屈折率層との間に配置され、第２のグレーティングを含む第２の高屈折率層をさらに含み、
   前記第２の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第３の低屈折率層より屈折率が高い、請求項１から３のいずれかに記載の光検出装置。
6. 主面を有し、前記主面に沿って配置された少なくとも１つの第１の検出器および少なくとも１つの第２の検出器を含む光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、
   第１の低屈折率層、
   前記第１の透明層の上に配置され、第１のグレーティングを含む第１の高屈折率層、および
   前記第１の高屈折率層の上に配置された第２の低屈折率層を含み、
   前記第１の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第２の低屈折率層より屈折率が高い、光結合層と、
   前記光結合層上に配置され、
   少なくとも１つの透光領域、および前記少なくとも１つの透光領域に隣接する少なくとも１つの遮光領域を含み、
   前記少なくとも１つの透光領域は前記少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、
   前記少なくとも１つの遮光領域は前記少なくとも１つの第２の検出器に対向している、遮光膜と、を備える光検出装置、および
   光源を備える、光検出システム。
7. 演算回路をさらに備え、
   前記演算回路は、前記少なくとも１つの第１の検出器が検出した第１の信号と、前記少なくとも１つの第２の検出器が検出した第２の信号との比の値を算出する、請求項６に記載の光検出システム。
8. 演算回路をさらに備え、
   前記演算回路は、前記少なくとも１つの第１の検出器が検出した第１の信号と、前記少なくとも１つの第２の検出器が検出した第２の信号との和に占める前記第１の信号の割合、および前記和に占める前記第２の信号の割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出する、請求項６に記載の光検出システム。
9. 前記少なくとも１つの第１の検出器は複数の第１の検出器を備え、
   前記少なくとも１つの第２の検出器は複数の第２の検出器を備え、
   前記複数の第１の検出器および前記複数の第２の検出器は前記主面に沿って２次元に配置され、
   前記少なくとも１つの透光領域は複数の透光領域を備え、
   前記少なくとも１つの遮光領域は複数の遮光領域を備え、
   前記複数の透光領域の各々は、前記複数の第１の検出器のうち少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、
   前記複数の遮光領域の各々は、前記複数の第２の検出器のうち少なくとも１つの第２の検出器に対向しており、
   前記演算回路は、前記複数の第１の検出器の各々について前記比の値を算出することにより、前記光検出器における前記比の値の分布を示す画像を生成する、請求項７に記載の光検出システム。
10. 前記少なくとも１つの第１の検出器は複数の第１の検出器を備え、
    前記少なくとも１つの第２の検出器は複数の第２の検出器を備え、
    前記複数の第１の検出器および前記複数の第２の検出器は前記主面に沿って２次元に配置され、
    前記少なくとも１つの透光領域は複数の透光領域を備え、
    前記少なくとも１つの遮光領域は複数の遮光領域を備え、
    前記複数の透光領域の各々は、前記複数の第１の検出器のうち少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、
    前記複数の遮光領域の各々は、前記複数の第２の検出器のうち少なくとも１つの第２の検出器に対向しており、
    前記演算回路は、前記複数の第１の検出器の各々について、前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出することにより、前記光検出器における前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つの分布を示す画像を生成する、請求項８に記載の光検出システム。
11. 前記光源は、パルス光を出射する、請求項６から１０のいずれかに記載の光検出システム。
12. 前記光検出装置は、前記光結合層の上に配置された、前記光源が出射する光の波長を選択的に透過するバンドパスフィルターをさらに備える、請求項６から１１のいずれかに記載の光検出システム。
13. 制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、前記光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させる、請求項６から１２のいずれかに記載の光検出システム。
14. 制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、前記光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させ、
    前記演算回路は、前記制御回路が変化させたコヒーレンス長ごとに、前記比の値の分布を示す前記画像を生成する、請求項９に記載の光検出システム。
15. 制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、前記光源から出射する光のコヒーレンス長を変化させ、
    前記演算回路は、前記制御回路が変化させたコヒーレンス長ごとに、前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つの分布を示す前記画像を生成する、請求項１０に記載の光検出システム。
16. 前記演算回路は、
    所定の時間範囲内に前記複数の第１の検出器が検出した前記第１の信号および前記複数の第２の検出器が検出した前記第２の信号を用いて、前記複数の第１の検出器の各々について前記比の値を算出し、
    前記複数の第１の検出器のうち、前記比の値が閾値以上となる第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第１の画像、および前記比の値が前記閾値より小さい第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第２の画像を生成する、請求項９に記載の光検出システム。
17. 前記演算回路は、
    所定の時間範囲内に前記複数の第１の検出器が検出した前記第１の信号および前記複数の第２の検出器が検出した前記第２の信号を用いて、前記複数の第１の検出器の各々について、前記和に占める前記第１の信号の前記割合および前記和に占める前記第２の信号の前記割合からなる群から選択される少なくとも１つを算出し、
    前記複数の第１の検出器のうち、前記和に占める前記第１の信号の前記割合が閾値以上または前記和に占める前記第２の信号の前記割合が前記閾値以下となる第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第１の画像、および前記和に占める前記第１の信号の前記割合が前記閾値より小さいまたは前記和に占める前記第２の信号の前記割合が前記閾値より大きい第１の検出器が前記所定の時間範囲内に検出した前記第１の信号の分布を示す第２の画像を生成する、請求項１０に記載の光検出システム。

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