JP6689266B2 - 試料中の所定の物質の存在を測定するための装置及び一意の軌道角運動量シグネチャに基づいて試料中の特定の種類の物質の存在を検出するための方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１１月１６日に出願された「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＵＳＩＮＧ ＯＲＢＩＴＡＬ ＡＮＧＵＬＡＲ ＭＯＭＥＮＴＵＭ ＳＩＧＮＡＴＵＲＥＳ」という名称の米国特許出願第１４／９４２，６４１号明細書（代理人整理番号Ｎｏ．ＮＸＧＮ−３２７７８）のＰＣＴ（特許協力条約）出願であり、米国特許出願第１４／９４２，６４１号明細書は、２０１４年１１月１９日に出願された「ＤＩＳＴＩＮＣＴ ＳＩＧＮＡＴＵＲＥＳ ＦＯＲ ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ」という名称の米国仮出願第６２／０８１，８４６号明細書（代理人整理番号Ｎｏ．ＮＸＧＮ−３２４２４）の利益を主張し、これらの出願の全体を参照により本明細書に援用する。

また、米国特許出願第１４／９４２，６４１号明細書は、２０１４年７月２４日に出願され、米国特許出願公開第２０１５−０２６０６５０号明細書として２０１５年９月１７日に公開された「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＭＡＫＩＮＧ ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ ＷＩＴＨＩＮ Ａ ＳＡＭＰＬＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＵＳＩＮＧ ＯＲＢＩＴＡＬ ＡＮＧＵＬＡＲ ＭＯＭＥＮＴＵＭ」という名称の米国特許出願第１４／３３９，８３６号明細書（代理人整理番号Ｎｏ．ＮＸＧＮ−３２１９６）の一部継続出願である。また、この出願は、２０１５年１０月５日に出願された「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＥＡＲＬＹ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＡＬＺＨＥＩＭＥＲＳ ＢＹ ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＭＹＬＯＩＤ−ＢＥＴＡ ＵＳＩＮＧ ＯＲＢＩＴＡＬ ＡＮＧＵＬＡＲ ＭＯＭＥＮＴＵＭ」という名称の米国特許出願第１４／８７５，５０７号明細書（代理人整理番号Ｎｏ．ＮＸＧＮ−３２７７６）の一部継続出願である。米国特許出願第１４／３３９，８３６号明細書及び第１４／８７５，５０７号明細書、並びに米国特許出願公開第２０１５−０２６０６５０号明細書の全体を参照により本明細書に援用する。

本発明は、軌道角運動量（ＯＡＭ）を使用した試料中の物質の検出に関し、より詳細には、試料を通過する信号に付与された軌道角運動量の一意のシグネチャに基づいて試料中の物質を検出することに関する。

多くの用途で、有機物及び無機物の濃度測定及び存在の検出への関心が高まっている。一例では、ヒト組織内の物質の検出は、個人の健康管理のますます重要な側面となっている。ヒト組織内の生物学的代謝物質を監視するための非侵襲性測定技法の開発は、様々なヒト疾患の診断治療の重要な側面であり、疾患の適切な管理に重要な役割を果たす。ヒト組織内の生物学的代謝物質を監視するための非侵襲性測定技法の開発は、様々なヒト疾患の診断治療の重要な側面であり、疾患の適切な管理に重要な役割を果たす。アルツハイマー病に関連する１つのそのような物質は、アミロイドβである。したがって、アルツハイマー病の初期段階の検出をより改良するために、改良されたアミロイドβ検出法が必要とされている。

ヒト組織内で監視されることがある生物学的物質の別の例は、グルコースである。グルコース（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６）は単糖であり、最も重要な炭水化物栄養源の１つである。グルコースは、ほぼ全ての生物学的プロセスの基礎であり、ＡＴＰアデノシン三リン酸及び他の必須細胞成分の産生に必要である。ヒト血液中のグルコース濃度の正常な範囲は、直前の食事の時間、身体の耐性の程度、及び他の因子に依存して、７０〜１６０ｍｇ／ｄｌである。自由に循環するグルコース分子は、膵臓からのインスリンの放出を刺激する。インスリンは、通常はグルコースに不透過性である細胞膜内の２つの特異的受容体を結合することによって、グルコース分子が細胞壁に浸透するのを助ける。

グルコース濃度に関わる問題に関連する１つの疾患は、糖尿病である。糖尿病は、インスリンの産生の低下、又はインスリンを利用して細胞膜を通してグルコースを輸送する機能の低下によって引き起こされる疾患である。結果として、疾患中、潜在的に危険な高濃度のグルコースが血液中に蓄積することがある（高血糖症）。したがって、起こり得る重大な生理学的合併症を防止するために、血糖濃度を正常な範囲内に保つことが非常に重要である。

生理学的グルコース監視の１つの重要な役割は、糖尿病（ｄｉａｂｅｔｅｓ ｍｅｌｌｉｔｕｓ又は単にｄｉａｂｅｔｅｓ）など、幾つかの代謝性疾患の診断及び管理である。グルコース監視のために現在使用されている、幾つかの侵襲性及び非侵襲性の技法がある。既存の非侵襲性グルコース監視技法の問題点は、臨床的に許容されるプロセスがまだ決定されていないことである。現在、血液の分析からの標準的な技法は、個人が指を穿刺し、その後、指から採取された血液試料を分析することを含んでいる。近年、非侵襲性の血糖監視は、医用生体工学の分野においてますます重要な研究課題となっている。特に、光学的手法の導入が、この技術分野で幾つかの進歩をもたらしている。光学の進歩により、光学撮像技術及び非侵襲性の撮像システムの開発に注目が集まっている。また、光学的検出法は単純かつ低リスクであるので、癌の診断及び治療における監視への光学的方法の適用は、成長している分野である。医療分野に加えて、様々な他の環境における様々な種類の物質の検出が容易に明らかであろう。

生体組織内の様々な組織代謝物やグルコースを検知するための多くの光学技法が、過去５０年にわたって開発されてきた。これらの方法は、蛍光、近赤外及び中赤外分光法、ラマン分光法、光音響、光コヒーレンス断層撮影、及び他の技法に基づいている。しかしながら、試行されているこれらの技法は、いずれも完全に満足の行くものではないことが分かっている。

光学物質の濃度検知に役立つ別の有機成分は、ヒトの皮膚である。ヒトの皮膚の防御メカニズムは、カロテノイド、ビタミン、酵素などの抗酸化物質の作用に基づいている。β−カロテン及びリコピンは、人体におけるカロテノイドの７０％超を占める。β−カロテン及びリコピンの局部又は全身への投与は、人体の防御系を改善するための一般的なストラテジーである。この治療の評価及び最適化は、ヒト組織、特に環境に対する障壁としてのヒトの皮膚におけるβ−カロテン及びリコペン濃度の測定を必要とする。

したがって、人体や他の種類の試料中の様々な物質の濃度や存在の検出を可能にする改良された非侵襲性の技法は、医療分野において多くの用途を有する。

本明細書で開示して述べるように、本発明は、その一態様において、試料中の所定の物質の存在を決定するための装置であって、加えられた第１の軌道角運動量シグネチャを有する第１の信号を生成して、第１の信号を試料に印加するための信号生成回路を備える装置を含む。検出器は、第１の信号が試料を通過した後に第１の信号を受信して、試料から受信された第１の信号において検出される第２の軌道角運動量シグネチャに基づいて、試料中の所定の物質の存在を決定する。

より完全に理解できるように、次に、添付図面と併せて以下の説明を参照する。

試料中の物質の存在を検出するために軌道角運動量シグネチャを使用するための様式を示す図である。 ＯＡＭ生成器がＯＡＭねじれビームを生成する様子を示す図である。 軌道角運動量が付与された光ビームを示す図である。 一連の平行な波面を示す図である。 波面の伝播方向の周りで渦巻き状に延びるポインティングベクトルを有する波面を示す図である。 平面波面を示す図である。 螺旋波面を示す図である。 スピンベクトルの変化のみを有する平面波を示す図である。 波への一意の軌道角運動量の印加を示す図である。 異なる軌道角運動量を加えられた信号間の相違を示す図である。 異なる軌道角運動量を加えられた信号間の相違を示す図である。 異なる軌道角運動量を加えられた信号間の相違を示す図である。 様々な固有モードに関するポインティングベクトルの伝播を示す図である。 軌道角運動量を使用して様々な物質の濃度測定及び存在検出を提供するための装置のブロック図である。 図１１のシステムの放出器を示す図である。 図１１のシステムの固定軌道角運動量生成器を示す図である。 平面波信号に軌道角運動量を加える際に使用される様々なホログラムを示す図である。 平面波信号に軌道角運動量を加える際に使用される様々なホログラムを示す図である。 平面波信号に軌道角運動量を加える際に使用される様々なホログラムを示す図である。 平面波信号に軌道角運動量を加える際に使用される様々なホログラムを示す図である。 エルミート−ガウスモードとラゲール−ガウスモードとの関係を示す図である。 軌道角運動量を信号に加えるための重ね合わされたホログラムを示す図である。 図１１のシステムで使用するためのチューニング可能な軌道角運動量生成器を示す図である。 複数のホログラム画像を含むチューニング可能な軌道角運動量生成器のブロック図である。 異なる軌道角運動量を加えることによってＯＡＭ生成器の出力を変えることができる様子を示す図である。 ＯＡＭ生成器がエルミート−ガウスビームをラゲール−ガウスビームに変換することができる代替の様式を示す図である。 ＯＡＭ生成器内のホログラムが光ビームをねじる様子を示す図である。 試料がＯＡＭねじれ波を受け取り、特定のＯＡＭシグネチャを有する出力波を提供する様子を示す図である。 軌道角運動量が、そのビーム軸の周りで分子と相互作用する様子を示す図である。 受信された軌道角運動量信号を増幅するためのマッチング回路のブロック図である。 高次軌道角運動量光ビームを生成するために、マッチングモジュールが非線形結晶を使用することができる様子を示す図である。 軌道角運動量検出器及びユーザインタフェースのブロック図である。 試料を通過する光ビームのスピン角偏光及び軌道角偏光に対する試料濃度の効果を示す図である。 試料を通過する光ビームの軌道角運動量偏光を変化させるプロセスをより詳細に示す図である。 図１２のシステムのユーザインタフェースのブロック図である。 図１５に示されるようなデバイスを介して収集されたデータを回送するためのネットワーク構成を示す図である。 軌道角運動量を使用してグルコースの濃度及び存在を測定するための装置のより特定的な実施形態のブロック図である。 被験試料を通過する信号の一意のＯＡＭシグネチャを検出するための光学システムを示す図である。 試料を通過した後にＯＡＭ強度図の楕円率が変化する様子を示す図である。 試料を通過した後に強度ダイアグラムの重心がシフトする様子を示す図である。 試料を通過した後に強度ダイアグラムの軸がシフトする様子を示す図である。 水のみからなる試料のＯＡＭシグネチャを示す図である。 １５％グルコース水溶液の試料のＯＡＭシグネチャを示す図である。 水のみからなる試料のインターフェログラムを示す図である。 １５％グルコース水溶液の試料のインターフェログラムを示す図である。 ＯＡＭビームの振幅を示す図である。 ＯＡＭビームの位相を示す図である。 ３つの異なるＯＡＭモードに関するキュベットの出力におけるビームの楕円率を示すグラフである。 キュベットに関する環形状のビームによる伝播を示す図である。 水に関する環形状のビームによる伝播を示す図である。 グルコースに関する環形状のビームによる伝播を示す図である。 様々な駆動電圧に関する水を通るＯＡＭ伝播を示す図である。 ＯＡＭねじれビームを生成するためにホログラムによって変えられる光ビームの例を示す図である。 空間光変調器によって生成される様々なＯＡＭモードを示す図である。 楕円を示す図である。 強度画像を解析するためのプロセスを示すフローダイアグラムである。 楕円当てはめアルゴリズムを示す図である。

次に図面を参照して、軌道角運動量シグネチャを使用して物質を検出するためのシステム及び方法の様々な図及び実施形態を図示して説明し、他の可能な実施形態も述べる。図面全体を通して、同様の要素を示すために同様の参照番号を使用する。各図は必ずしも正しい縮尺では描かれておらず、幾つかの例では、図面は、単に例示の目的で、誇張され及び／又は一部簡略化されている。当業者は、可能な実施形態の以下の例に基づいて、多くの可能な用途及び変形形態を理解されよう。

ここで図面、特に図１を参照すると、試料を通過する信号に付与された一意の軌道角運動量シグネチャに基づいて、試料中の特定の物質の存在を検出するための様式が示されている。一連の平面波を有する光信号１０２が、空間光変調器（ＳＬＭ）１０４など、光信号１０２に軌道角運動量（ＯＡＭ）信号を印加するためのデバイスに印加される。本実施形態では光信号１０２の使用を想定しているが、代替実施形態では、軌道角運動量又は他の直交信号を有する他の種類の信号を利用することもできる。ＳＬＭ１０４は、既知のＯＡＭねじれが加えられた出力信号１０６を生成する。ＯＡＭねじれは、試料１０８への出力信号１０６の印加の前には、ベースラインとなる既知の特性を有している。試料１０８は、キュベットなどの保持容器内に収容された物質を含んでいてもよく、又は患者の目若しくは身体などその自然の状態での物質、若しくは天然でのその自然発生位置にある物質でもよい。試料１０８は、説明されたシステムによって特定の物質又は対象物が検出されていることを示すにすぎない。試料１０８を通過すると、出力信号１０６は一意のＯＡＭシグネチャを加えられ、この信号がＯＡＭ個別シグネチャ信号１１０として提供される。ＯＡＭビームは、キラル溶液と相互作用すると一意のトポロジー変化を示すことが観察されている。ＯＡＭビームがキラル物質の試料を通過させられるときにキラル分子が一意のＯＡＭシグネチャを生成することが分かっているが、非キラル分子／物質を通過する信号からの一意のＯＡＭシグネチャの生成が提供されることもある。これらの一意のトポロジー特性を仮定して、振幅測定と位相測定の両方において、特定のシグネチャを有する所与の溶液中の分子の存在を検出することができる。次いで、例えばカメラ１１２を使用してこの個別シグネチャ信号１１０を検査することができ、個別シグネチャ信号１１０に加えられている一意の信号特性を検出し、この一意のシグネチャに基づいて試料中の物質を決定する。限定はしないが、非侵襲性のソリューションが重要な食品、化学、製薬、及び医療産業での試験を含め、様々な分子の検出を様々な産業に適用することができる。一意のシグネチャによって示される特定の物質の決定は、一実施形態では、特定の物質又は濃度に関連する既知のシグネチャを含む一意のシグネチャデータベースとのシグネチャの比較によって決定されることができる。そのようなデータベースを作成する方法は、当業者に知られている。

次に図２を参照すると、図２は、ＯＡＭ生成器２２０がＯＡＭねじれビーム２２２を生成することができる様子を示している。ＯＡＭ生成器２１０は、振幅マスクを有するホログラム、位相マスクを有するホログラム、空間光変調器（ＳＬＭ）、又はディジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）を含む、ねじれビーム２２２を生成するための多くのデバイスを使用することができる。ＯＡＭ生成器２２０は、一連の平面波を含む（例えばレーザからの）光ビーム２２１を受け取る。ＯＡＭ生成器２２０は、軌道角運動量をビーム２２２に加える。ビーム２２２は、強度ダイアグラム２２３によって示されるように、単一のＯＡＭモードを含む。ＯＡＭねじれビーム２２２は、検出対象の物質を含む試料２２４を通過するようにされる。前述したように、試料２２４は、容器内にあっても、その自然発生位置にあってもよい。試料２２４中の物質の存在は、強度ダイアグラム２２５におけるような新たなＯＡＭモードレベルを生成する。ビーム２２２が試料２２４を通過すると、特定の濃度での特定の物質の検出に基づいて、出力ビーム２２６は、それに関連する３つの異なるシグネチャを有する。これらのシグネチャは、強度パターンの離心率の変化２２８と、強度パターンの重心でのシフト又は並進２３０と、楕円体強度パターン出力の３つの一般的な方向（α、β、γ）での回転２３２とを含む。これらの個別シグネチャ標示は、それぞれ任意の構成で行われることもあり、各個別シグネチャは、特定の物質の存在及びこれらの検出された物質の濃度の一意の標示を提供する。これら３つの個別シグネチャは、測定中の分子が検出されたときに現れ、これらのシグネチャの変化の仕方が濃度レベルを表す。試料２２４を通過するビームからのヘリシティスペクトルの検出は、試料物質から螺旋波散乱（前方及び後方）を検出することを含む。

グルコース、アミロイドβ、及び他のキラル物質の計測のために光のＯＡＭを使用できることは、上述した構成を使用して実証されている。ＯＡＭビームは、３ｃｍの光路リンク中のキラル溶液と相互作用すると、一意のトポロジー変化を示すことが観察されている。一意のトポロジー変化が非キラル物質から提供されることもあることを理解すべきである。アミロイドβ及びグルコースなどのキラル溶液は、キラル溶液と相互作用する際に軌道角運動量（ＯＡＭ）ビームが一意のトポロジー変化を示すことが観察されている。典型的には、ＯＡＭは自然散乱光子によっては搬送されない。このことは、キラル分子のヘリシティを識別するときに、ねじれビームの使用をより正確にする。なぜなら、ＯＡＭは、その検出の際に周囲光散乱（ノイズ）を有さないからである。それにより、物質によって付与された一意のＯＡＭシグネチャは、自然散乱光子中のＯＡＭを搬送しない周囲光散乱（ノイズ）によって干渉されず、これは検出をはるかに正確にする。これらの一意のトポロジー特性を仮定して、振幅測定と位相測定の両方において、特定のシグネチャに基づいて、所与の試料中のアミロイドβの存在及び濃度を検出することができる。分子キラリティは、空間反転又は反転と回転の組合せの下での不一致に関連する構造的掌性を表し、適切な回転軸の欠如に関する通常の基準に相当する。ある物質をその鏡像と同一にすることができないとき、その物質はキラルである。鏡像と重ね合わせることができないキラル分子は、鏡像異性体として知られている。従来、キラル光学は、光学的回転の場合でさえ、円偏光された光に関係し、この現象の解釈は、平面偏光状態を、逆の掌性を有する円偏光の重ね合わせとして理解することを一般に必要とする。円偏光された光の場合、左右の形状が、固有スピン角運動量の符号（±ｈ）、及びまた関連の電磁場ベクトルによって描かれる軌跡のヘリシティを示す。この理由から、物質とのその相互作用は、鏡像異性的に特異的である。

分子の対称性又はキラリティを評価するために、連続対称性尺度（ＣＳＭ）が使用される。この値は、０〜１００の範囲内である。分子の対称性値が高いほど、分子は対称性が歪んだものになり、分子はよりキラルになる。測定は、キラル分子と最も近いアキラル分子との間の最短距離に基づく。

連続対称性尺度は、以下の式に従って実現することができる。

Ｑ_ｋ：元の構造

：対称性操作された構造
Ｎ：頂点の数
ｄ：サイズ正規化係数
＊スケールは、０〜１（０〜１００）である：
Ｓ（Ｇ）が大きいほど、Ｇ対称性からの偏差が高くなる。

連続キラリティ尺度としてのＳＧは、以下の式に従って決定することができる。

Ｇ：Ｓ（Ｇ）を最小にするアキラル対称点群
アキラル分子：Ｓ（Ｇ）＝０

アキラル分子は、Ｓ（Ｇ）＝０の値を有する分子がよりキラルであるほど、Ｓ（Ｇ）の値は高くなる。

光渦を設計する可能性の実現により、軌道角運動量に対する関心が高まっている。ここで、ヘリシティが電磁場の波面に存在し、関連する角運動量は「軌道」と呼ばれる。放射線自体は、一般に、「ねじれ」又は「螺旋」ビームと呼ばれる。多くの場合、光渦は、アキラル物質との相互作用についてのみ研究されてきた。唯一の明らかな例外は、液晶に関する近年の幾つかの研究である。光学的応答が鏡像異性的に特異的な分子に関連付けられる任意の系を調べるために、そのようなビームが使用される場合、どのような新しい特徴が予想され得るかを評価することがタイムリーであり興味深い。

まず、光学的相互作用におけるキラリティの顕出に関する基準は、一般化された形で構成される。簡潔にするために、一意の鏡像異性的な特異性を有する物質が仮定される。これは、光学的応答に関与する全ての分子成分（又は発色団）に固有であり且つ共通のキラリティを表す。この種の系に関する結果は、単一分子の研究にも適用される。例えば、ねじれネマチック結晶におけるように、より長距離の並進／回転秩序がキラリティを生成することもできるが、そのようなメゾスコピックキラリティは、鏡像異性的に特異的な相互作用を直接生じることはできない。唯一の例外は、電子的に異なり、非対称的に配向されるが、本来的にアキラルの２つ以上の分子又は発色団を光波がプローブする場合である。

キロプティカル相互作用は、それらの電磁気的な発端によって区別することができる：通常の一重項電子基底状態での分子系では、それらは、光放射の入力に関連する電場と磁場の空間的変化を含む。空間にわたるこの変化は、非対称に配置された隣接する発色団との結合（限定された用途のカークウッドの２群モデル）によって、又はより一般に、その関連の電場及び磁場と個々の発色団との結合によって、キラリティに関与すると理解することができる。キラリティは、パリティの局所的な破壊を表すので、電気的及び磁気的な相互作用の干渉を可能にする。２群の場合でさえ、系において対を成す電気的相互作用は、２つの群が含む単一のエンティティの電気的及び磁気的相互作用に対応する。したがって、以下では便宜上、「キラル中心」という用語が、発色団又は分子のいずれかを表すために使用される。

レーザの出現により、波動方程式のガウスビーム解は一般的なエンジニアリング用語になり、その拡張である２つの高次レーザモード、すなわちデカルト対称性に関するエルミート−ガウスモードと、円柱対称性に関するラゲール−ガウスモードなどが、実験室での光学操作に加わった。高次のラゲール−ガウスビームモードは、渦巻き又は螺旋位相波面を示す。したがって、ビームの伝播ベクトル又はアイコナール方程式、したがってビーム運動量は、スピン角運動量に加えて、軌道角運動量、すなわち海軸の周りの揺れを含む。この現象は、しばしば渦度と呼ばれる。ラゲール−ガウスビームに関する表現は、以下のように円柱座標で与えられる。

ここで、ｗ（ｘ）は、ビームスポットサイズであり、ｑ（ｃ）は、球面波面の変化とスポットサイズとを含む複素ビームパラメータである。整数ｐ及びｍは、それぞれ放射角及び方位角モードである。ｅｘｐ（ｉｍθ）項は、渦巻き相の波面を表す。

次に図３も参照すると、システムと共に使用するためのビームの一実施形態が示されている。光ビーム３００は、光ビーム３００中の光子３０２の流れからなる。各光子は、エネルギー

と、波面に垂直な光ビーム軸３０４に沿って向けられた線形運動量

とを有する。周波数とは無関係に、光ビーム中の各光子３０２は、光ビーム伝播方向に平行又は逆平行に整列された

のスピン角運動量３０６を有する。全ての光子３０２のスピンの整列が、円偏光された光ビームを生じる。円偏光に加えて、光ビームは軌道角運動量３０８を搬送することもあり、この軌道角運動量３０８は、円偏光に依存せず、したがって光子スピンに関係しない。

光学実験において、定義された周波数の好適に挙動する光ビームの発生源として、レーザが広く使用されている。光ビーム３００を提供するために、レーザが使用されることがある。任意の光ビーム３００におけるエネルギー流束は、ポインティングベクトルによって与えられ、このポインティングベクトルは、光ビーム内の電場と磁場のベクトル積から計算することができる。真空又は任意の等方性物質では、ポインティングベクトルは、波数ベクトルに平行であり、光ビームの波面に垂直である。通常のレーザ光では、波面４００は、図４に示されるように平行である。光子の波数ベクトル及び線形運動量は、ｚ方向４０２で軸に沿って向けられる。そのような光ビームの場の分布は、マクスウェル波動方程式の近軸解である。ただし、これらの単純な光ビームが最も一般的であるが、他の可能性もある。

例えば、ｌ個の絡み合った螺旋波面を有するビームも、波動方程式の解である。これらの複雑なビームの構造は視覚化が難しいが、それらの形状は、ｌ＝３のフジッリパスタからよく知られている。最も重要なことに、波面は、ポインティングベクトルと、図５に参照番号５０２で示されるように、光ビーム軸伝播方向の周りで渦巻き状に延びる波数ベクトルとを有する。

ポインティングベクトルは、波面で方位角成分を有し、ビーム断面にわたって積分したときに非ゼロの結果を有する。円偏光された光のスピン角運動量も同様に解釈することができる。円偏光された平面波面を有するビームは、軌道角運動量を有さないが、径方向強度勾配に比例するポインティングベクトルの方位角成分を有する。これは、光ビームの断面にわたって積分すると有限値になる。ビームが直線偏光されるときには、ポインティングベクトルに方位角成分がなく、したがってスピン角運動量がない。

したがって、光ビーム３００中の各光子３０２の運動量は、方位角成分を有する。運動量の詳細な計算は、光ビームでの全ての電場及び磁場、特にビームの伝播方向の電場及び磁場を含む。ビーム内の点に関して、運動量の方位角成分とｚ成分との比は、ｌ／ｋｒであると判明している（ここで、ｌ＝ヘリシティ又は軌道角運動量；ｋ＝波数２π／λ；ｒ＝半径ベクトルである）。光ビーム３００中の各光子３０２の線形運動量は、

によって与えられ、したがって、半径ベクトルｒでの方位角成分のクロス積を取ると、光子６０２に関する軌道運動量

が得られる。また、波数ベクトルの方位角成分は、ｌ／ｒであり、波長とは無関係であることにも留意されたい。

次に図６及び図７を参照すると、平面波面及び螺旋波面が示されている。通常、平面波面６０２を有するレーザビームは、エルミート−ガウスモードで特徴付けられる。これらのモードは、矩形対称性を有し、２つのモード指数ｍ６０４及びｎ６０６によって記述される。ｘ方向にｍ個のノードがあり、ｙ方向にｎ個のノードがある。合わせて、ｘ方向とｙ方向の合成モードが、ＨＧ_ｍｎ６０８と表される。これに対して、図７に示されるように、螺旋波面７０２を有するビームは、ラゲール−ガウスモードで最も良く特徴付けられ、これらのモードは、指数Ｉ７０３と、絡み合った螺旋の数７０４と、ｐ、すなわち径方向ノードの数７０６とによって記述される。ラゲール−ガウスモードは、ＬＧ_ｍｎ７１０と表される。ｌ≠０の場合、光ビーム３００での位相特異点は、軸強度で０になる。螺旋波面を有する光ビーム３００が円偏光もされているとき、角運動量は軌道及びスピン成分を有し、光ビームの全角運動量は、光子当たり

である。

送信されたエネルギー信号の軌道角運動量状態を使用して、信号によって送信される電磁放射に物理的な情報を埋め込むことができる。マクスウェル−ヘヴィサイド方程式は、以下のように表すことができる。

ここで、∇はデル演算子、Ｅは電場強度、Ｂは磁束密度である。これらの方程式を使用して、マクスウェルのオリジナルの方程式から２３個の対称性／保存量を導き出すことができる。しかしながら、よく知られている保存量は１０個しかなく、これらのうちの幾つかしか商業的には使用されていない。歴史的には、マクスウェルの方程式が元の四元数の形式を保っていたとすれば、対称性／保存量を確認するのはより容易であっただろう。しかしながら、ヘヴィサイドによって現在のベクトル形式に修正されたことによって、マクスウェルの方程式においてそのような固有の対称性を確認するのはより難しくなった。

保存量及び電磁場は、系のエネルギーの保存及び系の線形運動量の保存に従って、表すことができる。時間対称性、すなわち系のエネルギーの保存は、以下の式に従うポインティングの定理を使用して表すことができる。

空間対称性、すなわち電磁ドップラーシフトを表す系の線形運動量の保存は、以下の式で表すことができる。

系のエネルギー中心の保存は、以下の式で表すことができる。

同様に、方位角ドップラーシフトを生じる系の角運動量の保存は、以下の式で表される。

自由空間内の放射ビームの場合、ＥＭ場角運動量Ｊ^ｅｍは、以下のように２つの部分に分けることができる。

実数値表現における各特異フーリエモードに関しては、以下のようになる。

最初の部分はＥＭスピン角運動量Ｓ^ｅｍであり、その従来の表現は波の偏光である。第２の部分はＥＭ軌道角運動量Ｌ^ｅｍであり、その従来の表現は波のヘリシティである。一般に、ＥＭ線形運動量Ｐ^ｅｍとＥＭ角運動量Ｊ^ｅｍ＝Ｌ^ｅｍ＋Ｓ^ｅｍとの両方が遠方界まで放射される。

ポインティングの定理を使用することによって、以下の光速の式に従って、信号の光学的渦度を決定することができる。

ここで、Ｓは、ポインティングベクトル

であり、Ｕは、エネルギー密度

であり、ＥとＨは、それぞれ電場と磁場であり、εとμ_０は、それぞれ媒質の誘電率と透磁率である。ここで、以下の式に従って、光速の回転（Ｃｕｒｌ）によって、光学的渦度Ｖを決定することができる。

次に図８及び図９を参照すると、スピンベクトルのみが変えられた平面波の状況（図８）と、ポインティングベクトルが伝播方向の周りで渦巻き状に延びるようにスピンベクトルと軌道ベクトルが変えられた状況（図９）とにおいて、信号と、その信号の関連するポインティングベクトルとが変化する様子が示されている。

図８に示される平面波の状況では、平面波のスピンベクトルのみが変えられるとき、送信される信号は、３つの構成のうちの１つを取ることができる。スピンベクトルが同方向であるとき、一般に参照番号８０４で示されるように、線形信号が提供される。参照番号８０４は、線形信号を提供するためにスピンベクトルがｘ方向のみで変えられることを示しているが、スピンベクトルをｙ方向で変えて、参照番号８０４で示されている信号と同様であるが、参照番号８０４で示されている信号に対して垂直向きで現れる線形信号を提供することもできる。参照番号８０４で示されるような直線偏光では、信号に関するベクトルは、同方向であり、同じ大きさを有する。

参照番号８０６で示されるような円偏光では、信号ベクトル８１２は、互いに対して９０度であるが、同じ大きさを有する。これにより、信号は、参照番号８０６で示されるように伝播し、図８に示される円偏光８１４を提供する。楕円偏光８０８では、信号ベクトル８１６は、やはり互いに対して９０度であるが、異なる大きさを有する。これは、信号伝播４０８に関して図示される楕円偏光８１８を提供する。図８に示される平面波の場合、ポインティングベクトルは、図８に示されている様々な信号構成に関して一定の方向で維持される。

図９での状況は、一意の軌道角運動量が信号に加えられたときを示している。これが生じるとき、ポインティングベクトルＳ９１０は、信号の全体的な伝播方向９１２の周りで渦巻き状に延びる。ポインティングベクトル９１０は、３つの軸方向成分Ｓ_φ、Ｓ_ｐ、及びＳ_ｚを有し、これらの軸方向成分が変化し、それによりベクトルは信号の伝播方向９１２の周りで渦巻き状に延びる。ポインティングベクトル９１０を構成する様々なベクトルの値の変化により、ポインティングベクトルの渦巻きが変えられて、本明細書でさらに詳しく述べるように、同じ波長又は周波数で信号が送信されることを可能にする。さらに、ポインティングベクトル９１０によって示される軌道角運動量の値を測定して、走査メカニズムによって処理される特定の物質の存在及び特定の物質に関連する濃度を決定することができる。

図１０Ａ〜１０Ｃは、異なるヘリシティ（すなわち信号に加えられる軌道角運動量）を有する信号の相違を示している。異なるヘリシティは、ビームが通過させられた試料中の異なる物質及び物質の濃度を示している。信号に関連する特定の軌道角運動量シグネチャを決定することによって、特定の物質及びその物質の濃度量を決定することができる。信号１００２、１００４、及び１００６に関連する渦巻き状に延びる各ポインティングベクトルは、それぞれ異なる形状の信号を提供する。信号１００２は＋１の軌道角運動量を有し、信号１００４は＋３の軌道角運動量を有し、信号１００６は−４の軌道角運動量を有する。各信号は、異なる軌道角運動量及び関連するポインティングベクトルを有し、その信号が、検出された軌道角運動量に関連する特定の物質及び物質の濃度を示すことを可能にする。これは、信号から、物質の決定及び様々な種類の物質の濃度を決定することを可能にする。なぜなら、軌道角運動量は、個別に検出可能であり、試料物質を透過された信号の軌道角運動量に影響を与えた特定の物質及び特定の物質の濃度の一意の標示を提供するからである。

図１１は、様々な固有モードに関するポインティングベクトルの伝播を示している。各リング１１２０は、異なる軌道角運動量を表す異なる固有モード又はねじれを表している。異なる軌道角運動量はそれぞれ、特定の物質及び特定の物質の特定の濃度に関連する。軌道角運動量の検出は、関連の物質の存在と、装置による検出対象の物質の濃度との標示を提供する。各リング１１２０は、異なる物質及び／又は監視対象の選択された物質の濃度を表している。各固有モードは、異なる物質及び物質濃度を示すリングを生成するためのポインティングベクトル１１２２を有する。

次に図１２を参照すると、本明細書で上述した原理に従って、装置によって検出された軌道角運動量に応じて、物質の存在の検出及び様々な物質の濃度の測定を行うための装置のブロック図が示されている。放出器１２０２は、一連の平面波を含む波エネルギー１２０４を送信する。放出器１２０２は、図７に関して前述したような一連の平面波を提供することができる。軌道角運動量生成回路１２０６は、既知の様式で波１２０８に加えられた軌道角運動量を有する一連の波を生成する。軌道角運動量生成回路１２０６は、本明細書で以下にさらに詳しく説明するように、ホログラム又は何らかの他の種類の軌道角運動量生成プロセスを利用することができる。ＯＡＭ生成回路１２０６は、空間光変調器（ＳＬＭ）、振幅マスク、又は位相マスクを通して、平面波を透過させることによって生成されることができる。軌道角運動量ねじれ波１２０８が、被験試料物質１２１０に加えられる。試料物質１２１０はある物質を含み、その物質の存在及び濃度が、本明細書に記載のプロセスに従って検出装置によって決定される。試料物質１２１０は、容器内にあっても、個人の身体など天然でのその自然発生位置にあってもよい。

試料物質１２１０からの一連の出力波１２１２は、試料から出て、試料物質１２１０中の物質及び研究中の特定の物質の濃度に起因して付与された特定の軌道角運動量を有する。出力波１２１２は、研究中の特定の物質によって生成された特定の軌道角運動量を増幅するためのマッピングアパーチャを含む、マッチングモジュール１２１４に印加される。マッチングモジュール１２１４は、装置によって検出された特定の物質及び物質の濃度に関連する軌道角運動量を増幅する。増幅されたＯＡＭ波１２１６は、検出器１２１８に提供される。検出器１２１８は、試料中の物質及び物質の濃度に関するＯＡＭ波を検出し、この情報をユーザインタフェース１２２０に提供する。検出器１２１８は、試料を通過するビームから明確なトポロジー特性を検出するために、カメラを利用することができる。ユーザインタフェース１２２０は、情報を解釈し、関連する物質の種類及び濃度の標示を、個人又は記録デバイスに提供する。

次に図１３を参照すると、放出器１２０２がより詳細に示されている。放出器１２０２は、幾つかの種類のエネルギー波１２０４をＯＡＭ生成モジュール１２０６に放出することができる。放出器１２０２は、光波１３００、電磁波１３０２、音波１３０４、又は任意の他の種類の粒子波１３０６を放出することができる。放出される波１２０４は、軌道角運動量が付与されていない図４に示されるような平面波であり、様々な種類の放出デバイスからのものでよく、情報が含まれていてもよい。一実施形態では、放出デバイスは、レーザを含むことができる。平面波は、ねじれやヘリシティが加えられていない互いに平行な波面を有し、波の軌道角運動量は０である。平面波でのポインティングベクトルは、波の伝播方向と完全に一致している。

ＯＡＭ生成モジュール１２０６は、入射平面波１２０４を処理し、放出器１２０２から提供された平面波１２０４に既知の軌道角運動量を付与する。ＯＡＭ生成モジュール１２０６は、放出器１２０２の平面波から、ねじれ又は螺旋電磁波、光波、音波、又は他の種類の粒子波を生成する。螺旋波１２０８は、波の伝播方向に整列されておらず、図１４に示されるように、伝播方向の周りでの回旋を有する。ＯＡＭ生成モジュール１２０６は、一実施形態では、図１４に示されるような固定軌道角運動量生成器１４０２を備えることができる。固定軌道角運動量生成器１４０２は、放出器１２０２から平面波１２０４を受け取り、固定軌道角運動量を加えられた出力波１４０４を生成する。

固定軌道角運動量生成器１４０２は、一実施形態では、ＯＡＭねじれ波１４０４を生成するために、固定軌道角運動量を平面波１２０４に加えるためのホログラフィック画像を含むことができる。軌道角運動量生成器１４０２に印加される光信号に対して所望の軌道角運動量ねじれを生成するために、様々な種類のホログラフィック画像を生成することができる。これらのホログラフィック画像の様々な例が、図１５Ａ〜図１５Ｄに示されている。一実施形態では、軌道角運動量生成回路１２０６による放出器１２０２から送信された平面波信号の変換は、ホログラフィック画像を使用して実現されることができる。

大半の市販のレーザは、平面波面とガウス関数によって表される横方向強度とを有する、ＨＧ_００（エルミート−ガウス分布）モード１６０２（図１６）を放出する。ＨＧ_００エルミート−ガウスモード１６０２をラゲール−ガウスモード１６０４に問題なく変換するために、幾つかの異なる方法が使用されているが、最も簡単に理解できるのは、ホログラムの使用である。

ラゲール−ガウスビームを表す円柱対称解ｕ_ｐｌ（ｒ，φ，ｚ）は、以下の式で与えられる。

ここで、ｚ_Ｒはレイリー範囲であり、ｗ（ｚ）はビームの半径、Ｌ_Ｐはラゲール多項式、Ｃは定数、ビームウエストはｚ＝０である。

コンピュータで生成されたホログラムは、その最も単純な形式では、所望のビームが従来のレーザのビームと小さな角度で交差するときに生じる計算された干渉パターンから生成される。計算されたパターンは、高解像度のホログラフィックフィルムに転写される。現像されたホログラムが元のレーザビーム内に置かれるとき、回折パターンが生じる。その１次回折は、所望の振幅及び位相分布を有する。これは、ＯＡＭ生成モジュール１２０６を実装するための１つの様式である。ＯＡＭ生成モジュールで使用するためのホログラフィック画像の多くの例が、図１５Ａ〜図１５Ｄに関して示されている。

ホログラム設計には様々なレベルの洗練がある。グレースケールを有さない白黒領域のみを含むホログラムは、バイナリホログラムと呼ばれる。バイナリホログラムでは、２つの干渉するビームの相対強度は重要でなく、ホログラムの透過率は、計算された０〜πの位相差に関してはゼロに設定され、π〜２πの位相差に関しては１に設定される。バイナリホログラムの限界は、回折格子をブレーズすることによって多少は克服することができるものの、入射パワーが１次回折スポットで終わることがほとんどないことである。モード純度が特に重要であるときには、より洗練されたホログラムを作成することも可能であり、回折ビームが所要の径方向プロファイルを有するように、パターンのコントラストが半径の関数として変えられる。

ホログラフィック画像１５０２を通って照射する平面波は、ホログラフィック画像１５０２を通過した後に加えられた所定の軌道角運動量シフトを有する。ＯＡＭ生成器１２０２は、同じ画像が使用されて、ホログラフィック画像を通過させられるビームに適用されるという意味合いで固定されている。ホログラフィック画像１５０２は変化しないので、ホログラフィック画像１５０２を通過されているビームには、常に同じ軌道角運動量が加えられる。図１５Ａ〜１５Ｄは、軌道角運動量生成器１２０２で利用することができる様々なホログラフィック画像の幾つかの実施形態を示しているが、画像１５０２を通して照射されるビームにおいて所望の軌道角運動量を実現するために、任意の種類のホログラフィック画像１５０２を利用することができることを理解されたい。

図１７に示されるホログラフィック画像の別の例では、多数の軌道角運動量（ｌ）を生成するために、グリッド状に組み合わされた２つの個別のホログラムを利用するホログラムが示されている。図１７の重ね合わされたホログラムは、ｌ＝１及びｌ＝３の軌道角運動量を有し、これらの軌道角運動量が互いに重ね合わされて、合成渦グリッド１７０２を構成する。利用されるホログラムは、直線状（ｌ＝＋１、ｌ＝０、ｌ＝−１）でのみならず正方形状でも様々な数の軌道角運動量（ｌ）を生成するように、２つのホログラムがグリッド状に組み合わされた様式で構築されることもでき、これは多くの変数をより容易に識別することが可能である。したがって、図１７の例では、上縁部に沿った軌道角運動量は、＋４から＋１へ、さらには−２へ変化し、下縁部では＋２から−１へ、さらには−４へ変化する。同様に、左縁部に沿って、軌道角運動量は＋４から＋３へ、さらには＋２へ変化し、右縁部では−２から−３へ、さらには−４へ変化する。提供される軌道角運動量は、ホログラムの水平中心を横切って＋３から０へ、さらには−３へ変化し、垂直軸に沿って＋１から０へ、さらには−１へ変化する。したがって、ビームが通過するグリッドの部分に応じて、様々な軌道角運動量を実現することができる。

次に図１８を参照すると、固定軌道角運動量生成器に加えて、軌道角運動量生成回路１２０６は、チューニング可能な軌道角運動量生成器回路１８０２をも備えることができる。チューニング可能な軌道角運動量生成器１８０２は、入力平面波１２０４を受け取るが、さらに、１つ又は複数のチューニングパラメータ１８０４を受信する。チューニングパラメータ１８０４は、チューニング可能なＯＡＭ生成器１８０２をチューニングし、選択された軌道角運動量を加え、それにより、ＯＡＭ生成器１８０２から出力されるチューニングされたＯＡＭ波１８０６は、選択された軌道角運動量値を加えられている。

これは様々な様式で実現することができる。一実施形態では、図２２に示されるように、チューニング可能な軌道角運動量生成器１８０２は、チューニング可能なＯＡＭ生成器１８０２内に、複数のホログラム画像２２０２を含むことができる。チューニングパラメータ１８０４は、ホログラフィック画像２２０６の１つの選択を可能にして、セレクタ回路２２０４を介して所望のＯＡＭ波ねじれ出力信号１８０６を提供する。代替として、図１６で述べたようなグリッド状のホログラフィ画像を利用することもできる。ビームは、グリッド状の画像の一部分に照射されて、所望のＯＡＭ出力を提供することができる。チューニング可能なＯＡＭ生成器１８０２は、提供された入力パラメータ１８０４に応じて、出力される軌道角運動量波１８０６に特定の軌道角運動量を加えるように制御されるという利点を有する。これは、様々な異なる物質の存在及び濃度を監視することを可能にし、又は代替として、同じ物質の様々な異なる濃度を監視することを可能にする。

次に図１９を参照すると、チューニング可能な軌道角運動量生成器１８０２のブロック図がより詳細に示されている。生成器１８０２は、提供された光信号に対して様々な種類の軌道角運動量を提供するための複数のホログラフィック画像１９０２を含んでいる。これらのホログラフィック画像１９０２は、入力チューニングパラメータ１８０４に応じたセレクタ回路１９０４に応じて選択される。選択されたフィルタ１９０６は、セレクタ制御装置１９０４に応じて選択されているホログラフィック画像を備え、入力平面波１２０４を受け取って、チューニングされた軌道角運動量波出力１２０６を提供する。このようにして、所望の軌道角運動量を有する信号をＯＡＭ生成回路１２０６から出力することができる。

次に図２０を参照すると、異なる軌道角運動量を信号に加えることによって、ＯＡＭ生成器１２０６の出力する信号を変化させることができる様子が示されている。図２０は、幾つかの螺旋位相波面を示しており、ここで、ポインティングベクトルはビーム軸にもはや平行でなく、したがって軌道角運動量が加えられている。ビーム内の任意の固定された半径において、ポインティングベクトルは、軸周りで渦巻き軌道を辿る。各行は、符号ｌによって表されており、軌道角運動量量子数

は、出力信号中の１光子当たりのビーム軌道角運動量である。各ｌについて、左の列２００２は、光ビームの瞬時位相である。中央の列２００４は、角度強度プロファイルを含み、右の列２００６は、そのようなビームが平面波と干渉して渦巻き状の強度パターンを生成するときに生じる状態を示している。これは、図２３の様々な行で、軌道角運動量−１、０、１、２、及び３に関して示されている。

次に図２１を参照すると、ＯＡＭ生成器１２０６が、モード変換器２１０４及びドーブプリズム２１１０を使用して、放出器１２０２から出力されたエルミート−ガウスビーム出力を、軌道角運動量を付与されたラゲール−ガウスビームに変換することができる代替の様式が示されている。エルミート−ガウスモード平面波２１０２が、π／２モード変換器２１０４に提供される。π／２モード変換器２１０４は、ラゲール−ガウスモード２１０６でビームを生成する。ラゲール−ガウスモードビーム２１０６は、πモード変換器２１０８又はドーブプリズム２１１０のいずれかに加えられ、πモード変換器２１０８又はドーブプリズム２１１０は、モードを反転させて、逆ラゲール−ガウスモード信号２１１２を生成する。

次に図２２を参照すると、ＯＡＭ生成器１２０６内のホログラムがねじれ光ビームを生成する様子が示されている。ホログラム２２０２は、螺旋波面と１光子当たりｌｈの関連する軌道角運動量とを有する、光ビーム２２０４及び光ビーム２２０６を生成することができる。適切なホログラム２２０２は、所望のビーム形状２２０４、２２０６と平面波２２０８との干渉パターンから計算又は作成することができる。結果として得られるホログラム２２０２でのホログラフィックパターンは、回折格子に似ているが、ビーム軸に１叉の転位を有する。ホログラムに平面波２２０８が照光されると、１次回折ビーム２２０４及び２２０６は所望の螺旋波面を有し、所望の１次回折ビーム表示２２１０を提供する。

次に図２３を参照すると、試料１２１０が、ＯＡＭ生成器１２０６から提供される入力ＯＡＭねじれ波１２０８を受け取り、試料１２１０に関連する特定のＯＡＭシグネチャを有する出力ＯＡＭ波１２１２を提供する様子がより詳細に示されている。このＯＡＭシグネチャは、試料１２１０中の物質又は特定の監視される物質の濃度に依存する。試料１２１０は、研究中の任意の試料を含むことができ、固体形態でも、液体形態でも、気体形態でもよい。本明細書で述べるシステムを使用して検出することができる試料物質１２１０は、様々な異なる物質を含むことができる。前述したように、物質は、血液、水、油、又は化学物質などの液体を含むことができる。Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｐ、Ｃ−Ｓ、又はＣ−Ｎなど様々な種類の炭素結合を、検出できるように提供することができる。また、このシステムは、単結合（メタン又はイソオクタン）、二重結合物質（ブタジエン及びベンゼン）、又はアセチレンなどの三重結合炭素物質など、炭素原子間の様々な種類の結合を検出することができる。

試料１２１０は、炭水化物、脂質（シルセロール及び脂肪酸）、核酸（Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｐ）（ＲＮＡ及びＤＮＡ）、又は様々な種類のタンパク質（アミノＮＨ２及びカルボキシルＣＯＯＨのポリオーなど）若しくはアミノ酸（トリプトファン、チロシン、及びフェニルアラニンなど）を含む有機化合物など、検出可能な物質を含むことができる。モノマー、アイソマー、及びポリマーなど、試料１２１０中の様々な鎖を検出することもできる。試料中のＡＴＰ及びＡＤＰなどの酵素を検出することもできる。身体の腺によって生成又は放出された物質が試料中にあって検出されることもある。これらは、管／管路を介して外分泌腺によって放出される物質を含み、内分泌腺については血液試料又はホルモンに直接放出される。試料１２１０中で分泌物が検出され得る様々な種類の腺には、視床下部、松果体及び下垂体腺、副甲状腺並びに甲状腺及び胸腺、胴体の副腎及び膵臓腺、並びに女性の卵巣又は男性の精巣によって放出されるホルモンが含まれる。

また、試料１２１０は、メラノサイト及びケラチノサイトなどの個体の血液及び尿中の様々な種類の生化学マーカを検出するために使用することもできる。試料１２１０は、体内の防御物質を検出するために身体の様々な部位を含むこともできる。例えば、皮膚に関して、試料１２１０は、カロテノイド、ビタミン、酵素、β−カロテン、及びリコペンを検出するために使用することができる。眼の色素に関しては、メラニン／ユーメラニン、ジヒドロキシインドール、又はカルボン酸を検出することができる。また、このシステムは、ヘモグロビン、ミオグロビン、シトクロム、及びポルフィリン分子、例えばプロトポルフィリン、コポルフィリン、ウロポルフィリン、及びネマトポルフィリンを含む、試料１２１０中の身体の生合成経路内の様々な種類の物質を検出することもできる。また、試料１２１０は、検出対象の様々な細菌、例えばプロピオン細菌やアクネを含むこともできる。また、ポルフィロモナス歯肉炎、プレボテラ・インターメディア、及びプレボテラ・ニグレセンスなど様々な種類の歯垢細菌を検出することもできる。また、試料１２１０は、血液試料１２１０中のインスリン中のグルコースの検出のために使用することもできる。また、試料１２１０は、アミロイドβの検出を含むこともできる。ここで、試料中のアミロイドβの検出は、早期発症型アルツハイマー病の判定に使用することができる。より高レベルのアミロイドβは、アルツハイマー病の初期段階の徴候を提供することがある。試料１２１０は、検出されることが望まれる任意の物質を含むことができ、その物質は試料を通過する信号に一意のＯＡＭねじれを提供する。

試料１２１０中に提供されるビームでの軌道角運動量は、物質分子の回転に応じて、光から物質分子に伝達されることがある。螺旋波面を有する円偏光されたレーザビームがビーム軸周りの角度付き光リング内で分子を捕捉するとき、軌道角運動量とスピン角運動量との両方の伝達を観察することができる。この捕捉は、リングの強度勾配によって機械的な制約なく達成される光ピンセット方式である。分子に伝達された軌道角運動量は、図２４の参照番号２４０２で示されるように、ビーム軸周りで分子を公転させる。スピン角運動量は、参照番号２４０４で示されるように、分子自体の軸上で分子をスピンさせる。

試料１２１０からの出力ＯＡＭ波１２１２は、試料１２１０に関連する軌道角運動量を有しており、これは入力ＯＡＭ波１２０８に提供された軌道角運動量とは異なる。出力ＯＡＭ波１２１２の相違は、試料１２１０中に含まれる物質及び試料１２１０中のそれらの物質の濃度に依存する。異なる濃度の異なる物質は、それらに関連する一意の軌道角運動量を有する。したがって、出力ＯＡＭ波１２１２に関連する特定の軌道角運動量シグネチャを分析することによって、試料１２１０中に存在する物質に関する決定を行うことができ、試料中のそれらの物質の濃度も決定することができる。

次に図２５を参照すると、マッチングモジュール１２１４は、試料１２１０から出力軌道角運動量波１２１２を受け取り、この出力軌道角運動量波１２１２は、試料１２１０を通過した波に付与された軌道角運動量に基づいて、試料１２１０に関連する特定のシグネチャを有する。マッチングモジュール１２１４は、対象の特定の軌道角運動量を増幅して、増幅された対象の所望の軌道角運動量１２１６を有する増幅された波を提供する。マッチングモジュール１２１４は、研究中の特定の物質又は特性に関連する検出軌道角運動量を増幅するマッチングアパーチャを備えることができる。マッチングモジュール１２１４は、一実施形態では、図１５Ａ〜１５Ｄに関して述べたようなホログラフィックフィルタを備え、対象の所望の軌道角運動量波を増幅することができる。マッチングモジュール１２１４は、システムによって検出しようとしている対象の特定の物質に基づいて確立される。マッチングモジュール１２１４は、図１５Ａ〜１５Ｄに示されるようなホログラムを使用する固定モジュール、又はＯＡＭ生成モジュール１２０６に関して論じたものと同様のチューニング可能なモジュールを備えることができる。この場合、幾つかの異なる軌道角運動量をマッチングモジュールによって増幅して、試料１２１０中の異なる物質又は物質の異なる濃度を検出することができる。マッチングモジュール１２１４に関する構成要素の他の例は、試料１２１０から受け取られた波形における任意の所望の軌道角運動量値を増幅するために、量子ドット、ナノマテリアル、又はメタマテリアルを使用することを含む。

次に図２６を参照すると、マッチングモジュール１２１４は、所望の軌道角運動量信号を増幅するためにホログラフィック画像を使用するのではなく、非線形結晶を使用して、より高い軌道角運動量の光ビームを生成することもできる。非線形結晶２６０２を使用して、１次高調波軌道角運動量ビーム２６０４を非線形結晶２６０２に印加することができる。非線形結晶２６０２は、２次高調波信号２６０６を生成する。

次に図２７を参照すると、検出器１２１８がより詳細に示されており、検出器１２１８に、増幅された軌道角運動量波１２１６がマッチング回路１２１４から提供されて、検出器１２１８が所望のＯＡＭ測定量２６０２を抽出することができるようにする。検出器１２１８は、増幅されたＯＡＭ波１２１６を受け取り、試料１２１０中の特定の物質の存在及び研究中の特定の物質の濃度による放出波の軌道角運動量の観察可能な変化を検出して測定する。検出器１２１８は、試料１２１０に印加された入力ＯＡＭ波１２０８の状態からの、放出される増幅ＯＡＭ波１２１６の観察可能な変化を測定することが可能である。抽出されたＯＡＭ測定量２７０２は、ユーザインタフェース１２２０に加えられる。検出器１２１８が軌道角運動量での相違を検出することができる様子が、図２８〜３０に関してより詳細に例示されている。

図２８は、試料２８０２を通る光ビームの通過によるスピン角偏光と軌道角偏光との効果の相違を示している。試料２８０２ａでは、ビームが試料２８０２ａを通過したのに応答してスピン角偏光が変えられる様子が示されている。試料２８０２ａを通過する特定のスピン角運動量２８０４を有する波の偏光は、位置２８０４から新たな位置２８０６に回転する。回転は、同じ偏光面内で生じる。同様に、試料２８０２ｂに関して示されているように、画像は、試料２８０２ｂを通過する前に、一般に参照番号２８０８で示されるように現れる。試料２８０２ｂを通して画像を通過させると、画像は、参照番号２８１０に示される位置から参照番号２８１２に示される回転位置に回転する。回転量は、試料２８０２中で検出された物質の存在及び検出された物質の濃度のレベルに依存する。したがって、図２８の試料２８０２に関して見ることができるように、スピン角偏光と軌道角運動量はどちらも、試料２８０２中の物質の存在及び濃度に基づいて変化する。軌道角運動量の変化によって引き起こされる画像の回転の量を測定することによって、特定の物質の存在及び濃度を決定することができる。

図２９には、この全体的なプロセスがより詳細に示されている。光源２９０２は、拡大光学系２９０４を通して光ビームを照射する。拡大された光ビームは、Ｍｅｔａｌａｂで生成されたホログラム２９０６を通して印加され、このホログラム２９０６は、ビームに軌道角運動量を付与する。ホログラム２９０６からのねじれビームは、特定の長さＬを有する試料２９０８を通して照射される。前述したように、試料２９０８は、容器内にあっても、その自然発生状態でもよい。これにより、試料２９０８の出力側でねじれビームが生成されて、試料２９０８に関連する様々な軌道角運動量２９１０を有する幾つかの検出可能な波を生成する。試料２９０８に印加される光ビームに関連する画像２９１２は、試料２９０８中の物質の存在及び濃度に応じて角度φだけ回転する。画像２９１２の回転φは、軌道角運動量の値−ｌ又は＋ｌごとに異なる。画像の回転の変化Δφは、以下の式に従って記述することができる。
Δφ＝φ_ｌ−φ_−ｌ＝ｆ（ｌ，Ｌ，Ｃ）
ここで、ｌは軌道角運動量数であり、Ｌは試料の経路長であり、Ｃは検出される物質の濃度である。

したがって、試料Ｌの長さが分かっており、本明細書で述べるプロセスを使用して軌道角運動量を決定することができるので、これら２つの情報から、提供される試料中の物質の濃度を計算することが可能である。

上の式は、図３０により詳細に示されるユーザインタフェースで利用されることができる。ユーザインタフェース１２２０は、内部アルゴリズム３００２を使用してＯＡＭ測定量３００２を処理し、この内部アルゴリズム３００２は、物質及び／又は濃度情報３００４を生成し、この情報３００４は、何らかの種類のユーザディスプレイに表示されることができる。このアルゴリズムは、一実施形態では、本明細書で上述した式を利用して、試料の長さと検出された軌道角運動量の変化とに基づいて、物質及び／又は濃度を決定する。物質及び／又は濃度を計算するためのプロセスは、実験室環境で行われることがあり、そのような環境では、情報が実験室に無線で送信され、又はユーザインタフェースは、計器又は携帯電話に接続されたウェアラブルデバイスに関連付けることができ、ウェアラブルデバイスは、ローカルエリアネットワーク又はワイドエリアネットワークを介してパーソナル又はパブリッククラウドに接続された携帯電話でアプリケーションを実行する。デバイスのユーザインタフェース３０２０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ、又は他の無線プロトコルを利用する有線又は無線接続を有することができる。

次に図３１を参照すると、本明細書で上述した様式で収集されたユーザインタフェース１２２０に蓄積された様々なデータを記憶して、より高レベルの分析に利用することができる様子が示されている。本明細書で上述したようなデータを収集するための様々なデバイス３１０２は、プライベートネットワーククラウド３１０４を介して、又はパブリッククラウド３１０６を用いて、通信することができる。プライベートクラウド３１０４を用いて通信するとき、デバイス３１０２は、特定のユーザデバイスに関連する情報のみを記憶し、この情報は、そのユーザデバイスに関連するユーザの分析に関して使用される。したがって、各ユーザは、自分の糖尿病を監視及び維持するために、現在のグルコース濃度に関する情報を監視及び記憶することができる。

代替として、パブリッククラウド３１０６を用いて複数のデバイス３１０２から情報が収集されるとき、これらの情報は、個々のデバイス３１０２からパブリッククラウド３１０６に直接提供することも、関連のネットワークデバイス３１０２のプライベートクラウド３１０４を介してパブリッククラウド３１０６に提供することもできる。パブリッククラウド３１０６内のこの情報を利用して、パブリッククラウド３１０６に関連するサーバ３１０８に大きなデータベースを確立して、個々のデバイス３１０２それぞれからの処理された情報に関連する様々な健康関連の問題の大規模な分析を可能にすることができる。この情報は、公衆衛生の問題の分析に使用されることもある。

したがって、ユーザインタフェース１２２０は、物質及び／又は濃度情報３００４を決定するためのアルゴリズム３００２を含むことに加えて無線インターフェース３００６を含み、これは、図３１に関して述べたように、収集された情報を、パブリック又はプライベートクラウドを介して無線で送信することを可能にする。代替として、ユーザインタフェースは、収集された情報を遠隔の場所に無線で送信するのではなく、ローカルに記憶することを可能にするストレージデータベース３００８を備えることもできる。

次に図３２を参照すると、グルコース試料を通して照射された光ビームの光子の軌道角運動量を使用して、グルコースの存在及び濃度を測定するための特定の装置のブロック図の特定の例が示されている。この例は、グルコースの検出に関するものであるが、任意の物質の存在及び濃度の検出に適用可能であることを当業者は理解されよう。このプロセスは、図２５に関して述べたような非線形結晶を使用して、螺旋光ビームと共に２次高調波を生成する。放出モジュール２４０２は、ＯＡＭ生成モジュール３２０４に提供される平面電磁波を生成する。ＯＡＭ生成モジュール３２０４は、ホログラムを使用して、軌道角運動量が加えられた光波を生成して、電磁渦を有する波を生成する。ＯＡＭねじれ波は、試料中のグルコース及びグルコース濃度を検出するために、研究中の試料３２０６に印加される。回転されたシグネチャが、図２８〜２９に関して前述したように試料３２０６から出て、マッチングモジュール３２０８に提供される。マッチングモジュール３２０８は、軌道角運動量を増幅し、それにより、観察された濃度をグルコースのシグネチャの軌道運動量から計算することができるようになる。これらの増幅された信号は検出モジュール３２１０に提供され、検出モジュール３２１０は、ビームの半径ｗ（ｚ）、又は光ビームによって試料に提供される画像の回転を測定する。この検出された情報は、センサインタフェース有線接続又は無線Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ又はＺｉｇＢｅｅ接続を含むユーザインタフェースに提供されて、試料に関する濃度情報の表示のために読取り計器又はユーザ電話への物質の提供を可能にする。このようにして、研究中の試料の軌道角運動量シグネチャと、上述したように決定される試料中のこれらの物質の検出又は物質の濃度とを利用して、本明細書で述べる様々な種類の物質の濃度を決定することができる。

ラゲール多項式の直交性を仮定して、例えばｍｕｘ−ｄｅｍｕｘ光学素子設計を使用する通信アプリケーションでは、軌道角運動量（ＯＡＭ）を示すラゲール−ガウスビームが、空間分割多重（ＳＤＭ）のための基礎として決定されている。量子情報学では、ＯＡＭビームへの関心が高まっている。ＯＡＭは、キラル及び非キラル分子の溶液のプロービングも可能にする。

図３３は、情報を送信及び検出するためのさらなる光学構成を示している。ねじれネマチックＬＣＯＳ ＳＬＭ３３０２は、９μｍのピッチ及び８ビットの解像度を有する１０２４×７６８アレイを実装し、可視波長範囲（４３０〜６５０ｎｍ）をカバーし、ＶＧＡ接続を介して容易にインターフェースされる。プログラム可能なＳＬＭ３３０２は、様々な設計されたビームの生成を可能にする。ねじれネマチック（ＴＮ）反射型液晶（ＬＣＯＳ）ＳＬＭは、入力平面波１０２（図１）又はガウスビームの位相波面を変調するホログラムを実現するのに特に有用である。ＳＬＭは、Ｍａｔｌａｂ又はＭａｔｈｅｍａｔｉｃａなどの一般的なソフトウェアパッケージを使用してコンピュータアドレッシング可能であり、例えばホログラムを使用して、ビーム入力にインプリントされた任意の２次元位相シフトを定義する。

コリメートされた入力ビームは、ディスプレイで反射され、位相遅延フォーク型回折格子又はホログラムによって適切に符号化される。フォーク型回折格子に関する生成式は、以下のフーリエ級数として書くことができる。

ここで、ｒ及びφは座標、ｌは渦度の次数、Ｄはフォーク極から離れた直線回折格子の周期である。位相回折格子のフーリエ成分の重みｔ_ｍは、以下のように、整数次のベッセル関数で記述することができる。

ここで、ｋα及びｋβは、それぞれフォーク型回折格子の位相をずらして変調する。典型的には、ＯＡＭビームを生成するためには、この級数の少数の項のみが必要とされる。例えば、以下の伝達パターンが好適に用いられている。

ここで再び図３３を参照すると、被験試料３３０３を通過する信号の一意のシグネチャを検出するための光学構成が示されている。試料３３０３は、容器内にあっても、その自然発生状態でもよい。高レベルでは、この計器は、マッハ・ツェンダー干渉計を備える。干渉計の一方のアームが基準ビーム３３１０を伝播する。基準ビーム３３１０は、レーザ３３０４が複数の平面波を含む光ビームを生成し、この光ビームが望遠鏡３３０６を透過されることによって生成される。望遠鏡３３０６からの平面波光ビームは、第１のビームスプリッタ３３０８を通過する。ビームスプリッタ３３０８は、基準ビーム３３１０を生成し、基準ビーム３３１０は、ミラー３３１１で反射されて干渉回路３３１２に向かう。基準ビーム３３１０は平面波でよく、又はレンズの追加によって球面波面が実現されてもよい。このアームは、振幅のみの測定の場合には遮断される。

第２のアームでは、ビームスプリッタ３３０８からの分割された平面波ビームは、ビームコンバイナ３３１４において、空間光変調器３３０２から提供されるビームと結合される。空間光変調器３３０２は、フォーク型ホログラム３３１６を含む光ビームを提供する。ビームコンバイナ３３１４は、ＳＬＭ３３０２からのフォーク型ホログラムビーム３３１８と、レーザ３３０４からの平面波ビーム３３２０とを組み合わせて、既知のシグネチャのＯＡＭねじれビーム又は他の直交関数によるねじれビームを生成する。このビームは、一連のミラー３３２２によって反射され、ピンホールアパーチャ３３２４に集束され、その後、既知の軌道角運動量を有するビームが被験試料３３０３に通される。

試料ねじれビーム３３２６は、信号結合器３３１２において、基準ビーム３３１０と干渉される。次いで、この干渉された画像を、カメラ又は記録デバイス３３２８によって記録することができる。これは、被験試料３３０３中の物質を検出するために分析することができる一意のＯＡＭシグネチャ３３３０を提供する。理解できるように、一意のＯＡＭシグネチャ３３３０は、送信されたビームのシグネチャ３３３２とは異なる。シグネチャが変えられる様式は、本明細書で以下にさらに詳しく述べる。

第２のアームでは、ＬＣＯＳ ＳＬＭ３３０２を使用して、コリメートされた平面波入力ビーム３３２０をＯＡＭ符号化ビームに変換する。ＳＬＭ３３０２は、任意のｌ又はρのフォーク型ホログラムの表示を提供するために拡張ラップトップディスプレイ上でＭａｔｌａｂプログラムによって駆動される。ＳＬＭ３３０２に続いて、ビームは、３つのミラー３３２２で反射されて、回折されたＯＡＭモードの分離に十分な距離を提供し、それにより、ピンホール絞りアパーチャ３３２４は、被験試料３３０３を通過するように所望のモードを選択することができる。

図３３のセットアップを使用して、ＯＡＭシグネチャによって幾つかの対象物質を検出することができる。これらの物質の例としては、蒸留水中のアセトン、イソプロピルアルコール、スクロース、アミロイドβ、及びグルコースが挙げられる。分光グレードのソーダ石灰ガラスキュベット（１ｃｍ×２．５ｃｍ×３ｃｍ）、又はキャップにＢＫ７カバーガラスを有するより大きなカスタムメイドの円形キュベットを利用して、被験試料３３０３を収容することができる。

被験試料３３０３は、試料の移動又はビーム投影装置の移動によって、ビーム経路の内外への迅速且つ再現性のある位置決めを可能にするように構成された並進段に取り付けられる。さらに、試料サービスからの後方反射が慎重に監視され、絞りによってブロックされ、したがって偽の２次相互作用は生じない。溶液中で、屈折率に依存する温度勾配を回避するために、試料を通る光パワーは低い（２５μＷ未満）。

被験試料の前後への波長板、可変リターダ、及び偏光子の挿入は、顕著な結果を表さなかった。グルコースがこれらの波長で旋光測定応答を有することはよく知られているが、濃度と経路長の積は、偏光状態の顕著なシフトを生じさせるには小さすぎる。これは、ＯＡＭ及びグルコースが分子の旋光分析よりも顕著な応答であることを示唆している。

計器の出力におけるビームの画像３３３０は、高解像度ＤＳＬＲカメラ３３２８を使用して記録され、このカメラ３３２８は、ビーム伝播方向に垂直に固定して取り付けられ、計器の振動又はシフトを防止するために遠隔からトリガされる。Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ及びＭａｔｌａｂ又は同様の種類の画像測定及び処理ソフトウェア又はアプリケーションを使用して、楕円率の測定が行われる。

この計器では、被験試料３３０３によって入力ビームに付与されたＯＡＭ状態への変化を、強度と位相の両方で定量化することができる。主にグルコース水溶液を使用して、一連の実験が行われている。１５％原液を様々な所望の濃度に希釈した。糖の異なるアイソマーは平衡に達する前に互いに相互作用するので、新たな又は変性された溶液を得るためには整定時間が必要とされる。溶液は、蒸発を防ぐためにキャップをされたキュベット内で、推奨される２時間よりもはるかに長い時間、一晩（約１５時間）かけて平衡させた。

図１に関して前述したように、試料３３０３の通過により、試料を通過した光ビームに一意のＯＡＭシグネチャが付与される。この一意のＯＡＭシグネチャは、試料中の物質の存在及び試料中の物質の濃度の識別を提供する。この一意のＯＡＭシグネチャは、試料３３０３に入力されたＯＡＭ信号シグネチャとの幾つかの相違点を含む。図３４〜３６に、一意のＯＡＭシグネチャの特性が示されている。図３４は、試料３３０３を通過した後にＯＡＭ強度ダイアグラムの楕円率が変化する様子を示している。最初に、参照番号３４０２で示されるように、強度ダイアグラムは、試料３３０３を通過する前の平面波ＯＡＭビームから、実質的に円形状を有する。試料３３０３を通過した後、強度ダイアグラムは、一般に参照番号３４０４で示されるように、はるかに楕円の形状を有する。この楕円形状は、検出された物質及び検出された物質の濃度に応じて異なる一意の特性である。強度ダイアグラムの楕円率を検出することによって、試料中の特定の物質の存在を決定することができる。

図３５は、試料３３０３を通過することによって変えられることができるＯＡＭシグネチャのさらなる特性を示している。この場合、強度ダイアグラムの重心がシフトされている。位置３５０２は、試料３３０３を通過する前の強度ダイアグラムの重心の初期位置を示している。試料３３０３を通過した後、重心は位置３５０４に移動し、これは、試料を通過する前の元の位置からの顕著なシフトである。シフトは、異なる物質によって一意に影響を及ぼされる。したがって、重心のシフトがＯＡＭ個別シグネチャ特性として使用されることがあり、重心シフトは、特定の物質の存在及び物質の濃度を示している。強度ダイアグラムの重心のシフトの分析に基づいて、物質の存在及び／又は濃度の決定を行うことができる。

図３６に、最後の個別ＯＡＭシグネチャ特性が示されている。この場合、強度ダイアグラムの楕円の長軸３６０２が、第１の位置３６０２から第２の位置３６０４まで、角度θ３６０６にわたってシフトする。強度ダイアグラムの楕円の長軸は、検出される物質に基づいて、位置３６０２から位置３６０４に回転する。角度θは、検出された特定の物質及び物質の濃度と一意に関連する。したがって、強度ダイアグラムにおいて決定された角度θに基づいて、物質を検出することができる。

数学的モデルを使用して、離心率の変化、重心のシフト又は並進、及び軸の回転の各変化によって提供される一意のＯＡＭシグネチャを表すことができる。離心率の変化は、以下の式によって表すことができる。

ここで、ａ、ｂ、ｃは、楕円の寸法である。

重心の変化は、以下の行列に従って、ベクトルｖの空間内でのシフト又は並進によって表すことができる。

軸の回転は、以下のような３つの異なる向きでの回転を示す一連の行列で表すことができる。

図３７Ａ及び３７Ｂに示される例では、水のみ（図３７Ａ）及び１５％のグルコース濃度を含む水（図３７Ｂ）からなる試料へのＯＡＭビームの印加が示されている。５４３ｎｍでのｌ＝７のＯＡＭビームが、水のみの３ｃｍキュベットを通して伝播されて、図３７Ａに示される強度ダイアグラムを提供する。図３７Ｂに示される強度ダイアグラムは、ｌ＝７のＯＡＭビームが１５％グルコース水溶液を通過するときに提供される。ＯＡＭシグネチャは、図３７Ａの強度ダイアグラムに示される通常の円形ビーム振幅に対して誘導された楕円率として現れる。明確なシグネチャ効果は、図３８Ａ及び３８Ｂに示されるような位相図でも観察することができる。図３８Ａ及び３８Ｂは、水の３ｃｍキュベット（図３８Ａ）及び１５％グルコース水溶液の３ｃｍキュベット（図３８Ｂ）を通って伝播する６３３ｎｍでのｌ＝２のＯＡＭビームのインターフェログラムを示している。この特定の干渉では、基準ビームは同じ球面波面を有する。これが、位相測定において本質的に渦巻きのパターンが観察される理由である。特に、グルコース溶液を通って伝播する試料の位相波面の２つの渦巻きの一方でねじれシフトが生じることに留意されたい。渦巻きパターンのシフトが、この実験における相互作用のシグネチャである。

擾乱されないＯＡＭモードは、数メートルの自由空間を伝播する。グルコース試料は、ＯＡＭビームに位相擾乱を付与すると見られ、それにより、ＯＡＭモードが、トポロジー的に伝播方向に関係付けられる。この効果は、より高感度の計測を可能にする。図３９はＯＡＭビームの振幅を示しており、図４０はＯＡＭビームの位相を示している。ビームはＯＡＭｌ＝ビームであり、５％グルコース溶液の３ｃｍキュベットを通過したときに摂動され、キュベットを越えて４ｍで平面波になる。ビームの楕円率は、振幅測定と位相測定の両方で、はるかに顕著である。

ＯＡＭシグネチャは、グルコース濃度に関して非線形であり、幾つかの条件下では、濃度と共にいくぶん周期的に現れる。図４１に、水中の５％〜９％のグルコース濃度に関して、３ｃｍのキュベットを使用して、ＯＡＭモードｌ＝５、６、７で、グルコース濃度の関数としての楕円率がプロットされている。予備データにはノイズがあるが、この傾向は、幾つかのＯＡＭモードにわたって持続する。

当業者には理解されるように、約７５０ｎｍを中心として、約２５０ｎｍのＦＷＨＭ（全幅半値）を有する、グルコースに関する広い吸収バンドが存在する。グルコースの５４３ｎｍでの吸光度は、６３３ｎｍに関する吸光度の４倍であると仮定して、正式な波長がより強いＯＡＭ応答を提供することは興味深い。これは、相互作用が、磁化率の虚部χ’’ではなく、磁化率の実部χ’に基づいていることを示唆している。グルコースの別の旋光分析特性において、２０ｃｍの試料セルを使用して、５４３ｎｍで６３３ｎｍよりも５０％大きい比旋光度を測定したことにも留意されたい。しかし、ＯＡＭの研究では、偏光による効果の顕著な変化は見られず、３ｃｍの試料を通るビームの偏光状態の変化も観察されなかった。これは、キラル分子を用いたＯＡＭの以前の偏光の研究と合致している。

ＯＡＭビームの渦度が効果に重要であるかどうかのチェックとして、環を使用して、グルコース試料を通して単純な光のリングを投射した。環パターンを、従来のプラスチック透明シートに印刷し、拡大されてコリメートされた５４３ｎｍのレーザビームを照射した。図４２Ａ〜４２Ｃで見ることができるように、水（図４２Ｂ）又はグルコース（図４２Ｃ）溶液のキュベットを通して、歪み又はシグネチャは観察されなかった。リング直径を変えても、典型的なＯＡＭビームよりも大きな直径でさえ、結果は変わらず、歪み又はシグネチャは観察されなかった。環の直径がキュベットよりも大きかった場合、明らかなクリッピングが観察された。この試験でのビームのパワーレベルは、ＯＡＭ実験よりも数桁大きかった。したがって、熱的影響が強調されている。

これらの実験では、グルコースの水溶液を使用したので、水中でのＯＡＭの伝播の研究に関連する。希釈に使用される溶媒である蒸留水を様々な連結及び断面の清浄な新しいセルに入れ、この媒体を通る様々なＯＡＭビームの伝播を測定した。乾燥細胞、経路長０．５ｃｍの水の試料、及び８ｃｍの水の試料を通して伝播されるＯＡＭモードの間で、顕著な相違は観察されなかった。

別のヌル結果は、可変リターダを用いた、ＯＡＭビームが液晶を通して伝播された実験で観察された。図４３で、参照番号４３０２、４３０４、及び４３０６は、０．１Ｖ〜６Ｖの間の異なる駆動電圧に関する可変波長板の出力でのｌ＝７のＯＡＭモードを示している。

直交関数で処理されたビームを試料を通して照射することによって生成された強度画像の離心率は、幾つかの異なる要因によって分散を有することがあることに留意されたい。図４４は、レーザ４４０２によって生成された光ビームが、ＳＬＭ４４０４によって提供されるホログラムによって変えられて、ＯＡＭねじれビーム４４０６を生成する例を示している。ＯＡＭねじれビームは、ＯＡＭ関数によって変えられることに加えて、エルミート−ガウス関数、ラゲール−ガウス関数、又は任意の他の種類の直交関数を使用して処理されてもよい。ＯＡＭねじれビームは、レンズ及びミラーのシステム４４０８を介して集束されて、モードソータ４４１０を通してビームを指向する。ビームは、モードソータ４４１２で再生成されるとき、その異なるモードに分離され、カメラ４４１４によって強度画像を記録することができる。

レーザ４４０２からのビームは、約０．１５の固有離心率を有する。図４５に示されるように、ｌ＝５、４、３、２、１に関して、列４５０２に、ＳＬＭによって生成される様々なＯＡＭモードが示されている。見て分かるように、ＳＬＭによって生成されるモードの離心率と、第２のモードソータ４４１２によって再生成されるモードの離心率とには、相違がある。

離心率の測定は、特定のシグネチャを識別するためにＰｈｏｔｏｓｈｏｐとＭａｔｌａｂを使用して行われる。ここで図４６を参照すると、長軸に沿った半径「ａ」、短軸に沿った半径「ｂ」、及び楕円の焦点４６０４までの距離「ｃ」を有する、楕円４６０２の一例が示されている。楕円の離心率は、離心率の式＝ｃ／ａで表される。離心率は０〜１で変化し、０は円を表し、１は直線を表す。離心率の式は、以下の式に従って計算される。

ここで、ｘ_ｉは楕円での画素のｘ位置であり；ｙ_ｉは楕円での画素のｙ位置であり；Ｎは楕円での画素の数である。

試料がキュベット内に存在しないとき、離心率は０よりも大きいことが判明している。幾つかの要因が、非ゼロの離心率に寄与する。ＯＡＭねじれ信号は、屈折率に影響を及ぼすことがある幾つかの異なる要因に基づいて、異なる離心率を提供することが判明している。これらの要因は、重力によるキュベット内の物質の試料分布、空間光変調器からのカメラの距離、及び空間光変調器からのカメラのカメラ角度などを含む。離心率に影響を及ぼす他の要因は、キュベットの位置決め、試料による屈折率変化、キュベットの形状、及びキュベットからのビーム入射及び出射角などである。

また、幾つかの画像処理要因は、誤差範囲外の変化を引き起こさないように決定されている。ソフトウェア処理エラー、ＯＡＭでない円形マスク、試料の停留時間、又は試料容器を含むガラス又はプラスチックとの試料の相互作用に基づく変化が離心率の変化をもたらすことがあるが、それらの変化は、キュベット向きやカメラアライメントなどによって引き起こされる光学的な障害によるものではない。これらの要因は、離心率の幾つかの変化を生じるが、誤差範囲内であり、離心率変化の大部分は、検出される分子のシグネチャに基づく。

次に図４７を参照すると、カメラ４４１４によって撮影された強度画像を解析するためのフローダイアグラムが示されている。ステップ４７０２で、強度画像には倍精度振幅の閾値が適用され、リング外の余分な画素なしでリングが明瞭に見えるようにする。次に、ステップ４７０１で、画像全体について列と行の両方に沿って走査される。ステップ４７０６で、２つの最大の山のピーク及びそれらの位置が決定される。ステップ４００８で、見つかった全てのピーク位置について楕円が当てはめられる。最後に、ステップ４７１０で、楕円の長軸及び短軸、楕円の焦点、楕円の重心、離心率、及び向きの決定が行われる。

図４８は、楕円当てはめアルゴリズムのフローチャートを示している。ステップ４８０２で、見つかった全てのピークに関して、Ｘ画素位置とＹ画素位置が入力される。ステップ４８０４で、円錐式パラメータに関して初期推定が提供される。円錐式パラメータは、式Ａｘ^２＋Ｂｙ^２＋Ｃｘ＋Ｄｙ＋Ｅ＝０に関する、パラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥを含む。ステップ４８０６で、最適な当てはめを提供する円錐式パラメータを見つけるために、共役勾配アルゴリズムが使用される。ステップ４８０８で、楕円の向きが決定され、長軸及び短軸を決定するために動かされる。ステップ４８０８の決定は、式

に従って決定される。ステップ４８１０で、楕円の向きが戻されて、楕円の中心点を決定する。最後に、ステップ４８１２で、円錐式が楕円を表すかどうかが判断される。楕円の場合、パラメータＡ及びＢが存在し、同じ符号を有するが、等しくはない。この分析に基づいて、１ｍｍまでの側方シフトは、最大０．２のクリッピングにより、測定される離心率のかなりの変化を引き起こすことがあると確認される。

本開示の利益を享受する当業者は、一意のシグネチャに基づいて試料中の物質の存在を検出するためのこのシステム及び方法を理解されよう。本明細書の図面及び詳細な説明は、限定ではなく例示とみなされるべきであり、開示される特定の形態及び例に限定することは意図されていないことを理解されたい。逆に、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者に明らかな任意のさらなる修正、変更、再構成、置換、代替、設計選択、及び実施形態が含まれる。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなさらなる修正、変更、再構成、置換、代替、設計選択、及び実施形態の全てを包含するものと解釈されることが意図される。

Claims (27)

1. 試料中の所定の物質の存在を測定するための装置であって、
   加えられた第１の軌道角運動量シグネチャを有する第１の信号を生成して、該第１の信号を前記試料に印加するための信号生成回路と、
   前記第１の信号が前記試料を通過した後に前記第１の信号を受信して、前記試料から受信された前記第１の信号において検出される第２の軌道角運動量シグネチャに基づいて、前記試料中の前記所定の物質の存在を決定する検出器と
   を備え、
   前記検出器は、前記決定に応答した所定の物質の存在を示す出力を提供し、
   前記検出器は、前記第１の信号が前記試料を通過した後の前記第１の信号の位相を決定するための回路をさらに含み、
   前記回路は、前記第２の軌道角運動量シグネチャを有する前記第１の信号を、前記平面波を有する前記第１の信号と干渉させることによって前記位相を決定する、試料中の所定の物質の存在を測定するための装置。
2. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、モード強度の離心率、モード強度の重心のシフト、及びモード強度の楕円体強度出力の回転、のうちの少なくとも１つの変化をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、振幅測定値及び位相測定値の変化をさらに含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記検出器は、重力による試料の分布、前記試料に対するモード強度を記録するカメラの角度、前記試料を保持する容器、前記試料に対する前記第１のビームの入射角、及び前記試料からの前記第１のビームの出射角、のうちの少なくとも１つの効果を打ち消して、前記モード強度の離心率の変化を検出する、請求項１に記載の装置。
5. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、前記試料を通過した後の前記第１の光ビームのトポロジー特性を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記信号生成回路は、
   複数の平面波を含む前記第１の信号を放出するための放出源と、
   前記第１の信号を受信して、該第１の信号に前記第１の軌道角運動量シグネチャを加えて、軌道角運動量ねじれ信号を提供するための軌道角運動量生成回路と
   をさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記信号生成回路は、振幅マスク、位相マスク、空間光変調器、及びディジタル光プロセッサ、のうちの少なくとも１つで実装されたホログラムをさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記検出器は、
   前記試料からの前記第１の信号中の軌道角運動量において検出された前記第２の軌道角運動量シグネチャを決定するための軌道角運動量検出器と、
   前記検出された第２の軌道角運動量シグネチャに応答して、前記試料中の前記所定の物質の存在を決定するためのプロセッサと
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
9. 異なるシグネチャは、前記試料中の前記所定の物質の異なる濃度を示す、請求項１に記載の装置。
10. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、前記試料中の前記所定の物質の前記検出された存在のみから生じ、前記第２の軌道角運動量シグネチャは、周囲光中の自然散乱光子によって干渉されない、請求項１に記載の装置。
11. 試料中の所定の物質の存在を検出するための装置であって、
    複数の平面波を含む光ビームを放出するための放出源と、
    前記光ビームを受け取って、該光ビームに第１の軌道角運動量シグネチャを加えて、加えられた前記第１の軌道角運動量シグネチャを含む第１の信号を、前記試料に提供するための軌道角運動量生成回路と、
    前記第１の信号が前記試料を通過した後に前記第１の信号を受信して、前記試料から受信された前記第１の信号中において検出される第２の軌道角運動量シグネチャに基づいて、前記試料中の前記所定の物質の存在を決定するための検出器と
    を備え、
    前記第２の軌道角運動量シグネチャは、モード強度の離心率の変化、モード強度の重心のシフト、及びモード強度の楕円体強度出力の回転をさらに含み、
    前記検出器は、前記第１の信号が前記試料を通過した後の前記第１の信号の位相を決定するための回路をさらに含み、
    前記回路は、前記第２の軌道角運動量シグネチャを有する前記第１の信号を、前記平面波を有する前記第１の信号と干渉させることによって前記位相を決定する、試料中の所定の物質の存在を検出するための装置。
12. 前記検出器は、重力による試料の分布、前記試料に対するモード強度を記録するカメラの角度、前記試料を保持する容器、前記試料に対する前記第１のビームの入射角、及び前記試料からの前記第１のビームの出射角、のうちの少なくとも１つの効果を打ち消して、前記モード強度の離心率の変化を検出する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、前記試料を通過した後の前記第１の光ビームのトポロジー特性を含む、請求項１１に記載の装置。
14. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、前記試料中の前記所定の物質の前記検出された存在のみから生じ、前記第２の軌道角運動量シグネチャは、周囲光中の自然散乱光子によって干渉されない、請求項１１に記載の装置。
15. 前記信号生成回路は、振幅マスク、位相マスク、空間光変調器、及びディジタル光プロセッサ、のうちの少なくとも１つで実装されたホログラムをさらに備える、請求項１１に記載の装置。
16. 前記検出器は、
    前記試料からの前記第１の信号中において検出された前記第２の軌道角運動量シグネチャを決定するための軌道角運動量検出器と、
    前記検出された第２の軌道角運動量シグネチャに応答して、前記試料中の前記所定の物質の存在を決定するためのプロセッサと
    をさらに含む、請求項１１に記載の装置。
17. 一意の軌道角運動量シグネチャに基づいて試料中の特定の種類の物質の存在を検出するための方法であって、
    第１の軌道角運動量シグネチャが加えられた第１の信号を生成するステップと、
    前記第１の信号を前記試料に印加するステップと、
    前記第１の信号が前記試料を通過した後に前記第１の信号を受信するステップと、
    前記試料からの受信された前記第１の信号中における第２の軌道角運動量シグネチャを検出するステップと、
    前記試料から受信された前記第１の信号中において検出された前記第２の軌道角運動量シグネチャに基づいて、前記試料中の前記特定の種類の物質の存在を決定するステップと
    を含む、試料中の特定の種類の物質の存在を検出するための方法。
18. 検出するステップは、モード強度の離心率、モード強度の重心のシフト、及びモード強度の楕円体強度出力の回転、のうちの少なくとも１つの変化を検出するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 検出するステップは、重力による試料の分布、前記試料に対するモード強度を記録するカメラの角度、前記試料を保持する容器、前記試料に対する前記第１のビームの入射角、及び前記試料からの前記第１のビームの出射角、のうちの少なくとも１つの効果を打ち消して、前記モード強度の離心率の変化を検出するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 検出するステップは、前記第１の信号における振幅測定値及び位相測定値の変化を検出するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
21. 検出するステップは、前記試料を通して前記第１の信号を通過させた後に前記第１の信号のモード強度のトポロジー特性を検出するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
22. 前記生成するステップは、
    複数の平面波を含む前記第１の信号をレーザから放出するステップと、
    前記第１の信号を受信するステップと、
    前記第１の信号に前記第１の軌道角運動量シグネチャを加えて、軌道角運動量ねじれ信号を提供するステップと
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
23. 前記濃度を決定するステップは、前記第１の信号が前記試料を通過した後に前記第１の信号の位相を決定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
24. 前記位相を決定するステップは、前記第２の軌道角運動量シグネチャを有する前記第１の信号を、前記平面波を有する前記第１の信号と干渉させるステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１の信号を生成するステップは、振幅マスク、位相マスク、空間光変調器、及びディジタル光プロセッサ、のうちの少なくとも１つで実装されたホログラムを使用して前記第１の信号を生成するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
26. 前記第１の信号が前記試料を通過した後に前記第１の信号を受信するステップと、
    前記軌道角運動量の前記検出された値が関連付けられている前記信号の第１の部分を増幅するステップと
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
27. 前記第２の軌道角運動量シグネチャは、前記試料中の前記特定の種類の物質の前記検出された存在のみから生じ、前記第２の軌道角運動量シグネチャは、周囲光中の自然散乱光子によって干渉されない、請求項１７に記載の方法。

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