JP6473942B2 - 光検出装置、および光検出システム - Google Patents
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Description
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37
A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)。
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0.55μ
m、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=1.0
μmとなる。
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。
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。
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。
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。
ーレンス長を測定することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2を0.22μmとした。
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。
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。
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。
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。
8Aに示すように、zを伝搬軸方向の距離とし、光路長sk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μdは(式3)で与えられる。μd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。
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。
える。光のコヒーレンス長はσk、球状反射体26へのy軸入射位置はyk、球状反射体26の球面法線に対する入射角はψk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ykからyk+Δykに変わると、角度ψkはψk+Δψk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δk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Δykは(式6)で与えられる(cは
光速)。
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (9)
- 光結合層と、前記光結合層上に配置される遮光膜とを備え、
前記光結合層は、
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く、
前記遮光膜は、複数の透光領域および複数の遮光領域を含み、
前記複数の透光領域の少なくとも1つは、前記複数の遮光領域の少なくとも1つに隣接し、
前記複数の透光領域および前記複数の遮光領域は、平面に沿って周期的に並んでいる、
光学部材。 - 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る、
請求項1に記載の光学部材。 - 前記光結合層下に配置された複数のマイクロレンズをさらに備える、
請求項1に記載の光学部材。 - 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に記載の光学部材。 - 前記遮光膜は、前記複数の遮光領域のうちの1つに隣接する2つの透光領域を含み、前記第1のグレーティングは、前記光結合層の積層方向から見て前記2つの透光領域の双方と重なる、請求項1に記載の光学部材。
- 前記第1の高屈折率層は前記第1の低屈折率層と前記第2の低屈折率層との間に配置され、前記第1グレーティングは、前記光結合層の積層方向から見て前記少なくとも1つの遮光領域と重なる、請求項1に記載の光学部材。
- 光学部材と、
光検出器と、
を備え、
前記光学部材は、光結合層と、前記光結合層上に配置される遮光膜とを備え、
前記光結合層は、
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く、
前記遮光膜は、
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、
前記第1の高屈折率層は、前記光検出器と前記遮光膜との間に配置される、
光検出装置。 - 前記光検出器は、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の検出器に対応しており、
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の検出器に対応している、
請求項7に記載の光検出装置。 - 前記光検出器は、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の検出器を含み、
前記少なくとも1つの透光領域を通って前記光結合層に入射した光は、
前記光結合層における前記透光領域直下の領域から放射される第1部分と、
前記光結合層における前記遮光領域直下の領域から放射される第2部分と、に分かれ、
前記第1部分が前記少なくとも1つの第1検出器に向けられ、前記第2部分が前記少なくとも1つの第2検出器に向けられる、
請求項7に記載の光検出装置。
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