JPH03274426A - Highly directive photodetector - Google Patents

Highly directive photodetector

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JPH03274426A
JPH03274426A JP7768990A JP7768990A JPH03274426A JP H03274426 A JPH03274426 A JP H03274426A JP 7768990 A JP7768990 A JP 7768990A JP 7768990 A JP7768990 A JP 7768990A JP H03274426 A JPH03274426 A JP H03274426A
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highly directional
dimensional
photodetector
convex lens
array
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Tsutomu Ichimura
市村 勉
Fumio Inaba
稲場 文男
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a bright detector using a bright optical element which is able to take out nearly the whole energy of the 0-order Fraunhofer diffraction by providing a two-dimensional photodetector at the projecting side of a multi- luminous-flux highly-directive optical system. CONSTITUTION:A highly-directive optical element comprising a convex lens OB and a pin hole P at the focus of the lens OB is two dimensionally arranged, whereby a multi-luminous- flux highly-directive optical system is constituted. That is, many distributed index lenses GL are regularly arranged within a frame and bonded each other with use of a black silicone resin bonding agent B so that the light does not leak from a gap of the lenses. An array PA of pin holes are tightly attached to the rear face of an array GA of the distributed index lenses. Since each pin hole P of the array PA is aligned with the axis of the array GA, the intensity of the light passing through each pin hole of the array PA is changed in accordance with the distribution of a plane wave when the plane wave having the two-dimensional distribution of intensity enters the lens array GA. Therefore, if a two-dimensional photodetector is provided behind the pin hole array PA, the two-dimensional distribution of intensity of the plane wave can be measured.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、所定方向から入射してくる2次元的強度分布
を有する平面波を分離して検出することができる高指向
性光検出器に関し、例えば、生体等の散乱体内の吸収分
布を検出するのに適した高指向性光検出器に関するもの
である。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a highly directional photodetector capable of separating and detecting a plane wave having a two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction. For example, the present invention relates to a highly directional photodetector suitable for detecting absorption distribution in a scattering body such as a living body.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

X線の発見以来、生体(人体)内部を外部より損傷を与
えずに観察する技術(非観血的、あるいは無侵襲的計測
法)は、生物学、特に医学の分野で強く求狛られ発達し
てきた。この技術は電磁波として見ると最も波長の短い
ガンマ線やX線と、最も波長の長いラジオ波が使用され
ている。前者はxwACTとして、後者はNMR−CT
 (Magnetic  Re5onance  1m
aging%MRI)として実用化されている。
Since the discovery of X-rays, technology for observing the inside of living organisms (human bodies) from the outside without causing damage (non-invasive or non-invasive measurement methods) has been strongly sought after and developed in the field of biology, especially medicine. I've been doing it. This technology uses gamma rays and X-rays, which have the shortest wavelengths of electromagnetic waves, and radio waves, which have the longest wavelengths. The former is xwACT, the latter is NMR-CT
(Magnetic Re5onance 1m
aging%MRI).

一方、物理や化学の分野で広く用いられている紫外−可
視一近赤外一赤外の領域の分光学を“丸ごと”生体(i
n  vivo)へ応用する試みは比較的少ない。これ
は光を用いた生体計測、特に吸収や発光の過程を利用す
るものにおいて、最も基本的な“定量性”に関し多くの
問題が解決されずに残されているからである。現在、固
体素子を用いた反射スペクトルの測定装置や高感度TV
カメラ等による計測が試みられているが、再現性や得ら
れた絶対値に対し信頼性が少ないのはこの理由による。
On the other hand, spectroscopy in the ultraviolet-visible, near-infrared, and infrared regions, which are widely used in the fields of physics and chemistry, can be applied to the entire living body (i.e.
There have been relatively few attempts to apply it to n vivo. This is because many problems regarding the most basic "quantitativeness" remain unsolved in biological measurements that use light, especially those that utilize absorption and luminescence processes. Currently, reflection spectrum measurement devices using solid-state elements and high-sensitivity TVs are currently available.
This is the reason why measurements using cameras and the like have been attempted, but the reliability of the reproducibility and absolute values obtained is low.

生体組織のような散乱体で光を照射した際、180°向
かい合わせで受光すればある程度直進光を取り出すこと
ができるが、今のところ、その空間分解能はあまり良い
とはいえない。
When light is irradiated onto a scatterer such as a living tissue, it is possible to extract a certain amount of straight light if the light is received 180 degrees facing the object, but so far the spatial resolution cannot be said to be very good.

X線と光とでの空間分離能の差は今のところ埋めること
はできない。しかしながら光、特に近赤外光を用いると
、血液中のヘモグロビンから組織酸素濃度のイメージン
グができるはずである。これらは他のNMRCTやX線
CTと異なった情報を与えてくれるであろう。
The difference in spatial resolution between X-rays and light cannot currently be bridged. However, using light, particularly near-infrared light, it should be possible to image tissue oxygen levels from hemoglobin in the blood. These will provide information different from other NMRCT or X-ray CT.

3〜5叩の厚さの組織ならば、われわれは透過してきた
光を検出することができる。このことは“光−レントゲ
ン写真”を診断に使えることを意味する。女性の乳房は
組織が比較的均一であり光が透過しやすく、またその形
状から透過光の検出(厚さ;〜3cm程度)が容易であ
り、古くから乳ガンの診断に、DiaphanoBra
phy (Lightscanning)という名で用
いられてきた。
If the tissue is 3 to 5 thick, we can detect the light that passes through it. This means that "optical radiography" can be used for diagnosis. The tissue of the female breast is relatively uniform, allowing light to easily pass through it, and its shape makes it easy to detect transmitted light (thickness: ~3 cm).
It has been used under the name phy (Lightscanning).

このような状況の下で、本発明者は、特開平1−628
98号及び特開平1−250034号において、散乱光
に混入してし)る平面波を分離して取り出し、観察する
には、平面波のフランフォーファ回折像(エアリ−ディ
スク)の0次スペクトル(エアリ−ディスクの第1暗輪
内の部分が対応する。)のみを観察するようにすればよ
く、このようにすることによって散乱成分を殆ど除くこ
とができることを示した。そして、このようフニ観察を
実現する高指向性光学素子の1つとして、第42図のよ
うに相互に離れた2つのピンホールP、P2からなる光
学素子を提案した。この光学素子は、ピンホールP2を
通して0次光を検出器23で検出するものである。また
、第43図に示すように、直線状の細長い中空のガラス
繊維35からなっており、その内壁面には光吸収材、例
えばカーボン等の吸収材35が塗布されている高指向性
光学素子を提案した。このような光学素子においては、
適宜測定対象に応じて開口径と長さを設定し、光学素子
を入射開口径に比して充分長くすれば、高指向性光学素
子に入射した光のうち、光軸に平行な平面波のみが出射
面から取り出せることになる。そして、上記特開平1−
62898号及び特開平1−250034号において、
これらの高指向性光学素子を複数本束ねて構成した多光
束高指向性光学系の出射側に1次元ないし2次元光検出
器を組み合わせて、所定方向から入射してくる2次元的
強度分布を有する平面波を分離して検出する高指向性光
検出器を提案した。
Under such circumstances, the present inventors disclosed
No. 98 and Japanese Patent Application Laid-open No. 1-250034, in order to separate and extract the plane wave mixed with the scattered light and observe it, the zero-order spectrum (Airy disk) of the Franphofer diffraction image (Airy disk) of the plane wave is used. - It is sufficient to observe only the portion within the first dark ring of the disk), and it has been shown that by doing so, it is possible to eliminate most of the scattered components. As one of the highly directional optical elements that realizes such fin observation, we have proposed an optical element consisting of two pinholes P and P2 separated from each other as shown in Fig. 42. This optical element is for detecting zero-order light by the detector 23 through the pinhole P2. Further, as shown in FIG. 43, a highly directional optical element is made of a linear, elongated hollow glass fiber 35, and its inner wall surface is coated with a light absorbing material, such as an absorbing material 35 such as carbon. proposed. In such optical elements,
If the aperture diameter and length are set appropriately according to the measurement target and the optical element is made sufficiently long compared to the entrance aperture diameter, only plane waves parallel to the optical axis will be detected among the light incident on the highly directional optical element. It can be taken out from the exit surface. And, the above-mentioned Unexamined Patent Publication No. 1-
In No. 62898 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-250034,
A one-dimensional or two-dimensional photodetector is combined on the output side of a multi-beam high-directivity optical system constructed by bundling a plurality of these highly directional optical elements to detect a two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction. We have proposed a highly directional photodetector that separates and detects the plane waves that contain the waves.

C発胡が解決しようとする課題] しかしながら、第42図や第43図に示したような高指
向性光学素子においては、フランフォーファ回折像を観
察できる距離においては、フランフォーファ回折の0次
の回折像(エアリ−ディスクの第1暗輪)は、入射側の
開口直径より大きくなり、入射側の開口直径と同じ大き
さの取り出し開口を用いた場合、0次の回折像の一部し
か取り出せず、しかも、観測点を離すほど上記第1暗輪
は大きくなり、取り出し開口より取り出されるエネルギ
ーは小さくなることが分かった。したがって、このよう
な高指向性光学素子を密に東ねて多光束高指向性光学系
を構成し、その出射側に1次元ないし2次元光検出器を
取り付けて所定方向から入射してくる2次元的強度分布
を有する平面波を分離して検出しようとする場合、実際
に検出される平面波は相当減衰されてしまうため、閂る
い高指向性光検出器を得ることはできなかった。
Problems to be solved by C. However, in highly directional optical elements such as those shown in FIGS. The next diffraction image (the first dark ring of the Airy disk) is larger than the aperture diameter on the entrance side, and if an extraction aperture with the same size as the aperture diameter on the entrance side is used, it will be a part of the 0th order diffraction image. Furthermore, it was found that the further the observation point is moved away, the larger the first dark ring becomes, and the smaller the energy extracted from the extraction aperture becomes. Therefore, a multi-beam high-directivity optical system is constructed by closely arranging such highly directional optical elements, and a one-dimensional or two-dimensional photodetector is attached to the output side of the optical system to detect two or more beams incident from a predetermined direction. When attempting to separate and detect a plane wave with a dimensional intensity distribution, the plane wave that is actually detected is considerably attenuated, making it impossible to obtain a sharp, highly directional photodetector.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、
その目的は、1次元ないし2次元光検出器と共に用しる
多光束高指向性光学系の要素である高指向性光学素子を
、取り出し開口の直径を入射側の開口直径と同じにして
もフランフォーファ回折の0次の回折像の略全部のエネ
ルギーを取り出すことができる明るい光学素子とし、こ
のような明るい要素光学素子を複数本束ねて明るい多光
束高指向性光学系を構成し、結果的に、このような吠る
い多光束高指向性光学系と1次元ないし2次元光検出器
とからなる明るい高指向性光検出器を提供することであ
る。
The present invention was made in view of this situation, and
The purpose of this is to make a highly directional optical element, which is an element of a multi-beam highly directional optical system used with a one-dimensional or two-dimensional photodetector, even if the diameter of the extraction aperture is the same as the diameter of the entrance side aperture. A bright optical element that can extract almost all the energy of the 0th-order diffraction image of Forfar diffraction is used, and a plurality of such bright elementary optical elements are bundled to form a bright multi-beam highly directional optical system. Another object of the present invention is to provide a bright, highly directional photodetector comprising such a multi-beam, highly directional optical system and a one-dimensional or two-dimensional photodetector.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明の第1の高指向性光検出器は、凸レンズとその焦
点面に配置されたピンホールからフ二り、前記ピンホー
ルは前記凸レンズによるフランフォーファ回折像の第1
暗輪以下の直径を有し、前記凸レンズに所定方向から入
射する平面波成分のみを取り出すようにした高指向性光
学素子を複数本束ねて構成した多光束高指向性光学系と
、前記多光束高指向性光学系の出射側に配置した1次元
又ま2次元光検出器とを備え、所定方向から入射する1
次元又は2次シー的強度分布を有する平面波のみを取り
出して検出するように構成したことを特徴とするもので
ある。
The first highly directional photodetector of the present invention has a convex lens and a pinhole arranged at its focal plane, and the pinhole is a first part of the Franphofer diffraction image formed by the convex lens.
A multi-beam highly directional optical system configured by bundling a plurality of highly directional optical elements each having a diameter equal to or smaller than a dark ring and extracting only a plane wave component incident on the convex lens from a predetermined direction; It is equipped with a one-dimensional or two-dimensional photodetector placed on the output side of the directional optical system.
The present invention is characterized in that it is configured to extract and detect only plane waves having a two-dimensional or second-order sea-like intensity distribution.

この場合、前記高指向性光学素子が、前記凸レンズと実
質的に同一の第2の凸レンズを前記ピンホールの出射側
に配置し、前記第2凸レンズの前側の焦点面が前記ピン
ホール面と一致するように配置して、前記ピンホールを
通過した光成分を平面波に変換して出射するようになっ
ているものであると、多光束高指向性光学系から出射す
る光は平面波になり、1次元又は2次元光検出器を多光
束高指向性光学系からある程度離して配置しても、入射
平面波の強度分布を分解して検出することができる。
In this case, the highly directional optical element disposes a second convex lens substantially the same as the convex lens on the exit side of the pinhole, and the front focal plane of the second convex lens coincides with the pinhole surface. If the optical system is arranged so that the light component passing through the pinhole is converted into a plane wave and emitted, the light emitted from the multi-beam highly directional optical system becomes a plane wave, and 1 Even if the dimensional or two-dimensional photodetector is placed a certain distance from the multi-beam highly directional optical system, the intensity distribution of the incident plane wave can be resolved and detected.

本発明の第2の高指向性光検出器は、凸レンズとその焦
点面に配置された光ファイバーからなり、前記光ファイ
バーのコアは前記凸レンズによるフランフォーファ回折
像の第1暗輪以下の直径を有し、前記凸レンズに所定方
向から入射する平面波成分のみを取り出すようにした高
指向性光学素子を複数本束ねて構成した多光束高指向性
光学系と、前記多光束高指向性光学系の出射側に配置し
た1次元又は2次元光検出器とを備え、所定方向から入
射する1と、元又は2次元的強度分布を有する平面波の
みを取り出して検出するように構成したことを特徴とす
るものである。
A second highly directional photodetector of the present invention includes a convex lens and an optical fiber disposed on its focal plane, and the core of the optical fiber has a diameter equal to or less than the first dark ring of the Franphofer diffraction image formed by the convex lens. a multi-beam highly directional optical system configured by bundling a plurality of highly directional optical elements that extract only plane wave components incident on the convex lens from a predetermined direction; and an output side of the multi-beam highly directional optical system. A one-dimensional or two-dimensional photodetector arranged in a predetermined direction, and configured to extract and detect only light beams incident from a predetermined direction and a plane wave having an original or two-dimensional intensity distribution. be.

この場合も、前記高指向性光学素子が、前記凸レンズと
実質的に同一の第2の凸レンズを前記光ファイバーの出
射側に配置し、前記第2凸レンズの前側の焦点面が前記
光ファイバーの出射面と一致するように配置して、前記
光ファイバーを通過した光成分を平面波に変換して出射
するようになっているものであると、多光束高指向性光
学系から出射する光は平面波になり、1次元又は2次元
光検出器を多光束高指向性光学系からある程度離して配
置しても、入射平面波の強度分布を分解して検出するこ
とができる。
In this case as well, the highly directional optical element arranges a second convex lens substantially the same as the convex lens on the exit side of the optical fiber, and the front focal plane of the second convex lens is the exit surface of the optical fiber. If the optical fibers are arranged so that they match, and the light component that has passed through the optical fiber is converted into a plane wave and then emitted, the light emitted from the multi-beam highly directional optical system becomes a plane wave, and 1 Even if the dimensional or two-dimensional photodetector is placed a certain distance from the multi-beam highly directional optical system, the intensity distribution of the incident plane wave can be resolved and detected.

本発明の第3の高指向性光検出器は、1次元又は2次元
の凸レンズアレイと、その焦点面に配置された1次元又
は2次元光検出器とからなり、前記光検出器は各凸レン
ズによるフランフォーファ回折のゼロ次回折像のみをサ
ンプリングして分離して読み出すように構成されており
、所定方向から入射する1次元又は2次元的強度分布を
有する平面波のみを取り出して検出するように構成した
ことを特徴とするものである。
A third highly directional photodetector of the present invention includes a one-dimensional or two-dimensional convex lens array and a one-dimensional or two-dimensional photodetector arranged on the focal plane of the one-dimensional or two-dimensional convex lens array, and the photodetector includes each convex lens. It is configured to sample and separate and read out only the zero-order diffraction image of Framphofer diffraction due to the method, and to extract and detect only plane waves with a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction. It is characterized by the following structure.

なお、前記凸レンズは対物レンズ、屈折率分布レンズ、
平板マイクロレンズの何れから構成してもよい。
Note that the convex lens is an objective lens, a gradient index lens,
It may be constructed from any flat plate microlens.

〔作用〕 本発明の第1及び第2の高指向性光検出器は、その高指
向性光学素子が、凸レンズとその焦点面に配置されたピ
ンホール又は光ファイバーからなり、前記ピンホール又
は光ファイバーのコアは前記凸レンズによるフランフォ
ーファ回折像の第1暗輪以下の直径を有するので、前記
凸レンズに所定方向から入射する平面波成分の大部分の
エネルギーは取り出すことができるが、その方向と異な
る方向からくる成分、散乱成分は殆ど取り除くことがで
きる。したがって、このような高指向性光学素子を複数
本束ねて構成した多光束高指向性光学系も所定方向から
入射する1次元又は2次元的強度分布を有する平面波の
みを肋るく分解能よく取り出すことができるので、これ
と1次元又は2次元光検出器を組み合わせることにより
、指向性、分解能が高く、感度のよい高指向性光検出器
が得られ、例えば、生体等の散乱体内の吸収分布を検出
するのに適した高指向性光検出器となる。
[Function] In the first and second highly directional photodetectors of the present invention, the highly directional optical element is composed of a convex lens and a pinhole or an optical fiber arranged in the focal plane of the convex lens. Since the core has a diameter less than or equal to the first dark ring of the Franphofer diffraction image produced by the convex lens, most of the energy of the plane wave component incident on the convex lens from a predetermined direction can be extracted, but energy from a direction different from that direction can be extracted. Most of the stray components and scattered components can be removed. Therefore, a multi-beam high-directivity optical system configured by bundling a plurality of such high-directivity optical elements can also extract only a plane wave having a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction with sufficient resolution. By combining this with a one-dimensional or two-dimensional photodetector, a highly directional photodetector with high directivity, resolution, and sensitivity can be obtained. It becomes a highly directional photodetector suitable for detection.

また、本発明の第3の高指向性光検出器は、1次元又は
2次元の凸レンズアレイの焦点面に配置された1次元又
は2次元光検出器が、各凸レンズによるフランフォーフ
ァ回折のゼロ次回折像のみをサンプリングして分離しで
読み出すように構成されているので、所定方向から入射
する1次元又は2次元的強度分布を有する平面Jのみを
周囲の散乱光等から分離して胡るく分解能よく検出でき
るので、同様に、生体等の散乱体内の吸収分布を検出す
るのに適した高指向性光検出器となる。
Further, in the third highly directional photodetector of the present invention, the one-dimensional or two-dimensional photodetector arranged on the focal plane of the one-dimensional or two-dimensional convex lens array has zero Franphofer diffraction due to each convex lens. Since it is configured to sample only the diffraction image and read it out separately, only the plane J having a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction can be separated from surrounding scattered light, etc. Since it can detect with high resolution, it is also a highly directional photodetector suitable for detecting the absorption distribution inside a scattering body such as a living body.

〔実施例〕〔Example〕

本発明の高指向性光検出器の説明の前に、この光検出器
の主要部を構成する多光束高指向性光学系の要素である
高指向性光学素子について、先ず説明する。
Before explaining the highly directional photodetector of the present invention, the highly directional optical element, which is an element of the multi-beam highly directional optical system that constitutes the main part of this photodetector, will first be explained.

本発明において用いる多光束高指向性光学系の要素であ
る高指向性光学素子の基本的原理は、第1図に示すよう
に、入口開口P1による回折波を凸レンズLに入射させ
、その焦点面上に回折像の第1暗輪に略等しい径を有す
るピンホールP2を配置して、0次の回折像の大部分を
取り出すようにしたもので、特にピンホールP2の径を
入口開口の径以下にするものである。なお、この場合、
入口開口P1はレンズLの開口P。自身であってもよし
)。7.ず、0次の回折像の大きさと開口Pの関係を求
袷る。レンズによる回折像のエアリ−ディスクの第1暗
輪の直径りは、 D = 2.44λ・f/Dr  ・・・・・・・(1
)となる。ここで、Drは開口P1の直径、fはレンズ
Lの焦点距離である。開口直径Drが第1暗輪直径り以
上になる条件を求めると、 D %≧244λ・f  ・・・・・・・(2)となる
。凸レンズを用いてこのような条件を満足する高指向性
光学素子を構成することは極めて容易である。数値例を
あげると、例えば、波長λとして500nmの光を用い
ると、1mmの開口直径り、に対して焦点距離fが5c
mの凸レンズを用いると、エアリ−ディスクの第1暗輪
の直径りは6.I X I L”mm、焦点距離fが1
0cmの凸レンズを用いると、第1111!輪の直径り
は1.22X10”mmとなり、式(2)の条件を満足
していることが分かる。このような式(2)の条件を満
足する高指向性光学素子を単位として用いれば、多数の
高指向性光学素子を隣接して密に並べて入射する全ての
平面波を取り込む場合でも、隣接するもの相互が相互に
干渉することがなく、場所によって強度が相違する2次
元的平面波に乗った例えば吸収像が高解像力で検出でき
る。
The basic principle of the highly directional optical element, which is an element of the multi-beam highly directional optical system used in the present invention, is as shown in FIG. A pinhole P2 having a diameter approximately equal to the first dark ring of the diffraction image is placed above to extract most of the 0th order diffraction image.In particular, the diameter of the pinhole P2 is set to the diameter of the entrance aperture. The following shall be done. In this case,
The entrance aperture P1 is the aperture P of the lens L. (You can even be yourself). 7. First, the relationship between the size of the zero-order diffraction image and the aperture P is determined. The diameter of the first dark ring of the Airy disk in the diffraction image by the lens is D = 2.44λ・f/Dr (1
). Here, Dr is the diameter of the aperture P1, and f is the focal length of the lens L. When determining the conditions under which the aperture diameter Dr is equal to or larger than the first dark ring diameter, D%≧244λ·f (2) is obtained. It is extremely easy to construct a highly directional optical element that satisfies these conditions using a convex lens. To give a numerical example, for example, when using light with a wavelength λ of 500 nm, the focal length f is 5 c for an aperture diameter of 1 mm.
If a convex lens of m is used, the diameter of the first dark ring of the Airy disk is 6. I X I L”mm, focal length f is 1
When using a 0cm convex lens, the number 1111! It can be seen that the diameter of the ring is 1.22 x 10"mm, which satisfies the condition of formula (2). If a highly directional optical element that satisfies the condition of formula (2) is used as a unit, Even when a large number of highly directional optical elements are closely arranged next to each other to capture all the incident plane waves, the adjacent ones do not interfere with each other, and the two-dimensional plane waves whose intensity differs depending on the location are used. For example, absorption images can be detected with high resolution.

次に、具体的な高指向性光学素子の例を説明する。第2
図に示したものは、前記式(2)の関係を満足する例え
ば顕微鏡対物レンズからなる対物レンズObとその焦点
面に配置したピンホールPとからなり、ピンホールPは
対物レンズobによるフランフォーファ回折の0次の回
折像のみを通過させるものである。また、第3図(a)
に別の形態の凸レンズGLを示す。これは、商品名「セ
ルフォックレンズ」として知られているもので、屈折率
分布レンズとも呼ばれる。このレンズは、屈折率が中心
軸から周辺に徐々に低下しており、凸レンズと同様に集
光作用をする。その長さを適当に選択することにより、
焦点面を円筒体の端面に一致させることができる。この
ような屈折率分布レンズGLの一端の焦点面に、第3図
(b)に示すように、第2図の場合と同様なピンホール
Pを配置してフランフォーファ回折の0次の回折像のみ
を通過させるようにすることもできる。
Next, a specific example of a highly directional optical element will be explained. Second
What is shown in the figure is composed of an objective lens Ob made of, for example, a microscope objective lens that satisfies the relationship of formula (2) above, and a pinhole P placed in its focal plane. This allows only the 0th order diffraction image of the phasic diffraction to pass through. Also, Figure 3(a)
shows another form of convex lens GL. This is known under the trade name "Selfoc Lens" and is also called a gradient index lens. This lens has a refractive index that gradually decreases from the central axis to the periphery, and has a light condensing effect similar to a convex lens. By appropriately selecting the length,
The focal plane can be made to coincide with the end face of the cylinder. As shown in FIG. 3(b), a pinhole P similar to the case in FIG. It is also possible to allow only images to pass through.

ところで、光ファイバーの中には、多モードファイバー
、屈折率分布ファイバー、シングルモードファイバー等
が知られているが、この中シングルモードファイバーは
コア径が極とて小さく、入射端のコア端面に入射した光
しか通さず、かつ、軸に対して大きな角度をIChす光
は通さない性質を有するものであり、第2図ないし第3
図ら)のピンホールPの代わりに用いることができる。
By the way, among optical fibers, there are multimode fibers, graded index fibers, single mode fibers, etc. Among these, single mode fibers have extremely small core diameters, and when the light is input to the core end face at the input end. It has the property of only allowing light to pass through, and not allowing light that passes at a large angle to the axis, as shown in Figures 2 to 3.
It can be used in place of the pinhole P shown in Fig.

しかも、シングルモードファイバーの口径は、対物レン
ズob又は屈折率分布レンズGLのフランフォーファー
回折の第1暗輪と一致する値なので、効率的にフランフ
ォーファ回折の0次の回折像のみを結合して伝達させる
のに都合がよい。さらに、光ファイバーを取り出し部に
用いるので、その光を任意の場所に導くことができ、配
置上有利である。
Moreover, since the aperture of the single mode fiber has a value that matches the first dark ring of Franhofer diffraction of the objective lens ob or the gradient index lens GL, only the 0th-order diffraction image of Franhofer diffraction is efficiently combined. It is convenient for conveying information. Furthermore, since an optical fiber is used for the extraction part, the light can be guided to any desired location, which is advantageous in terms of arrangement.

第4図は対物レンズobの焦点にシングルモードファイ
バーSMを配置して高指向性光学素子を構成した例を示
し、第5図は屈折率分布レンズGLの一端の焦点にシン
グルモードファイバーSMを配置して高指向性光学素子
を構成した例を示す。
Fig. 4 shows an example in which a single mode fiber SM is arranged at the focal point of the objective lens ob to configure a highly directional optical element, and Fig. 5 shows an example in which a single mode fiber SM is arranged at the focal point of one end of the gradient index lens GL. An example in which a highly directional optical element is constructed is shown below.

接眼レンズ等の場合、フランフォーファー回折の第1暗
輪がマルチモードファイバーの口径と同じにすることが
可能である。例えば、レンズの前に小さな開口径を入れ
て第1暗輪をマルチモードファイバーの口径と一致でき
る。このような場合はマルチモードファイバーも使用で
きる。
In the case of an eyepiece, etc., the first dark ring of Franhofer diffraction can be made to be the same as the aperture of the multimode fiber. For example, a small aperture can be placed in front of the lens so that the first dark ring matches the aperture of the multimode fiber. In such cases, multimode fibers can also be used.

上記のような高指向性光学素子を通過し六−平面波は、
素子から発散する球面波として出て行く。
The hexagonal plane wave passing through the highly directional optical element as described above is
It leaves the element as a spherical wave that diverges.

例えば、ピンホールPの背後に光検出器を配置して吸収
率を測定するような場合は、このように出射光が発散す
るものであってもよいが、例えば高指向性光学素子を多
数束ねて吸収物体の分布像を検知するような場合には、
高指向性光学素子から平面波として出て行くように構成
することが望ましい。第6図から第9図にこのような構
成のいくつかを示す。第6図の場合は、出射側に入射側
の対物レンズOblと同様の対物レンズOb2を中間に
配置したピンホールPにその焦点が一致するように配置
したもので、0次の回折像がピンホールPを通過して球
面波となり、対物レンズOb2により再び平面波に変換
されるものである。第7面の場合は、第3図b)のピン
ホールPの後にその前に配置した屈折率分布レンズGL
Iと同様の屈折率分布レンズGL2を共焦点に配置する
ものである。第8図(a)のものは、第6図のピンホー
ルPの代わりにシングルモードファイバーSMを用いる
ものである。なお 区のら)に示すように、一方の対物
レンズObl又はOb2の代わりに屈折率分布レンズG
Lを用いてもよい。この場合、屈折率分布レンズGLの
フランフォーファー回折の第1暗輪と対物レンズ○b1
又はOb2の第1暗輪と略一致することが必要である。
For example, when a photodetector is placed behind the pinhole P to measure the absorption rate, the emitted light may diverge in this way, but for example, if a large number of highly directional optical elements are bundled, When detecting the distribution image of an absorbing object using
It is desirable that the light be configured to exit as a plane wave from the highly directional optical element. Several such configurations are illustrated in FIGS. 6-9. In the case of Fig. 6, an objective lens Ob2, which is similar to the objective lens Obl on the input side, is placed on the exit side so that its focal point coincides with a pinhole P placed in the middle, so that the 0th order diffraction image is in focus. The wave passes through the hole P, becomes a spherical wave, and is converted back into a plane wave by the objective lens Ob2. In the case of the seventh surface, the gradient index lens GL is placed after and in front of the pinhole P in Figure 3b).
A gradient index lens GL2 similar to I is arranged confocally. The one shown in FIG. 8(a) uses a single mode fiber SM in place of the pinhole P in FIG. 6. Furthermore, as shown in Fig. 1), a gradient index lens G is used instead of one of the objective lenses Obl or Ob2.
L may also be used. In this case, the first dark ring of Franhofer diffraction of the gradient index lens GL and the objective lens ○b1
Alternatively, it is necessary that it approximately coincide with the first dark ring of Ob2.

第9図のものは第7図のピンホールPの代わりにシング
ルモードファイバーSMを用いるものである。
The one shown in FIG. 9 uses a single mode fiber SM instead of the pinhole P shown in FIG.

以上説明してきた高指向性光学素子は、何れも2次元の
分布を有する平面波を同時に検出することはできない。
None of the highly directional optical elements described above can simultaneously detect plane waves having a two-dimensional distribution.

そこで、これらの高指向性光学素子を多数2次元的に並
べて多光束高指向性光学系を構成することにする。まず
、出射光が拡散光になるものの例を第10図から第13
図を参照にして説明する。第10図の多光束高指向性光
学系は第3図ら)の高指向性光学素子を多数並列させた
ものに相当する。これは、まず、枠内に多数の同様な屈
折率分布レンズGLを俵積み状に規則正しく並べ、例え
ば黒色シリコン樹脂からなる接着剤已によって相互に接
着すると共に、隙間を通って光が後ろに漏れないように
する。このようにして形成された屈折率分布レンズアレ
イGAの後ろの面にピンホールアレイPAを密着する。
Therefore, a large number of these highly directional optical elements are two-dimensionally arranged to form a multi-beam highly directional optical system. First, examples of cases in which the emitted light becomes diffused light are shown in Figures 10 to 13.
This will be explained with reference to the drawings. The multi-beam high-directivity optical system shown in FIG. 10 corresponds to one in which a large number of high-directivity optical elements of FIG. 3 and others are arranged in parallel. First, a large number of similar graded refractive index lenses GL are arranged in a stacked pattern in a regular manner within a frame, and they are adhered to each other using adhesive strips made of black silicone resin, for example, and light leaks backward through the gaps. Make sure not to. A pinhole array PA is closely attached to the rear surface of the gradient index lens array GA thus formed.

ピンホールアレイPAの各ピンホールは、各屈折率分布
レンズGLの軸と一致するように設けられている。その
ため、屈折率分布レンズアレイGAの前方から2次元的
に強度分布を有する平面波がこの屈折率分布レンズアレ
イGAに入射すると、ピンホールアレイPAの各ピンホ
ールを通過した光の強度はその分布に従って異なる。し
たがって、各ピンホールの後ろに別々の光検出器を配置
するか、ピンホールアレイPAの後ろに2次元光検出器
を配置することによって、平面波の2次元的強度分布を
測定できる。また、第11図の多光束高指向性光学系は
第2図の高指向性光学素子を多数並列させたものに相当
するが、この場合、対物レンズを並列に並べる代わりに
、平板マイクロレンズPMを用いている。平板マイクロ
レンズPMは、例えばフォ) IJソグラフィクな手法
を用いて、透駄板に微小なレンズを規則的にアレイ状に
制作するか、イオン交換、イオン打ち込み等の手法で屈
折率分布レンズを規則的にアレイ状に制作したものであ
る。そして、各微小レンズの焦点の位置に対応してピン
ホールを有するピンホールアレイPAを平板マイクロレ
ンズPMの焦点面に配置することで、第10図の多光束
高指向性光学系と同様の多光束高指向性光学系を構成す
ることができる。さらに、第12図の多光束高指向性光
学系は第5図の高指向性光学素子を多数並列させたもの
に相当する。
Each pinhole of the pinhole array PA is provided so as to coincide with the axis of each gradient index lens GL. Therefore, when a plane wave having a two-dimensional intensity distribution enters the gradient index lens array GA from the front of the gradient index lens array GA, the intensity of the light passing through each pinhole of the pinhole array PA will follow the distribution. different. Therefore, by placing a separate photodetector behind each pinhole or by placing a two-dimensional photodetector behind the pinhole array PA, the two-dimensional intensity distribution of the plane wave can be measured. Furthermore, the multi-beam high-directivity optical system shown in FIG. 11 corresponds to a system in which a large number of high-directivity optical elements shown in FIG. is used. A flat plate microlens PM is produced by, for example, producing a regular array of minute lenses on a transparent plate using the IJ sophistic method, or by creating a gradient index lens regularly using methods such as ion exchange or ion implantation. It was created in the form of an array. By arranging a pinhole array PA having pinholes corresponding to the focal position of each microlens on the focal plane of the flat microlens PM, a multi-beam array similar to the multi-beam highly directional optical system shown in FIG. A highly directional optical system can be constructed. Furthermore, the multi-beam high-directivity optical system shown in FIG. 12 corresponds to one in which a large number of high-directivity optical elements shown in FIG. 5 are arranged in parallel.

すなわち、第10図で説明した屈折率分布レンズアレイ
GAの後ろの面に、レンズrレイGAの各屈折率分布レ
ンズの軸に対応してシングルモードファイバーSMを多
数曲べて構成したシングルモードファイバーアレイSA
を密着させたものであり、第10図のピンホールアレイ
PAの代わりにシングルモードファイバーアレイSAを
用いて間様な作用をするものを構成している。さらに、
第13図のものは、第11図のもののピンホールアレイ
PAの代わりにシングルモードファイバーアレイSAと
同様なシングルモードファイバーSMの配列体SHを用
いている。この配列体SHは、両側に支持具Sを設け、
各支持具Sは、平板マイクロレンズPMの各微小レンズ
の焦点の位置を中心にしてシングルモードファイバーS
Mの直径に等しい開口を多数設けたもので、各開口にシ
ングルモードファイバーSMの入射端と出射端を挿入し
て規則的にシングルモードファイバーSMを配列したも
のである。
That is, on the rear surface of the gradient index lens array GA explained in FIG. array SA
A single-mode fiber array SA is used in place of the pinhole array PA shown in FIG. 10 to provide a temporary effect. moreover,
The one in FIG. 13 uses an array SH of single mode fibers SM similar to the single mode fiber array SA in place of the pinhole array PA in FIG. 11. This array SH is provided with supports S on both sides,
Each support S is a single mode fiber S centered on the focal point of each microlens of the flat microlens PM.
A large number of openings equal to the diameter of M are provided, and the input and output ends of single mode fibers SM are inserted into each opening, and the single mode fibers SM are regularly arranged.

ところで、第10図から第13図の多光束高指向性光学
系は、前記したように出射光が発散光になるものである
。このように出射光がピンホールアレイPA等の後ろの
面の出射点から発散光として出ると、2次元光検出器等
の検出器は余り離して配置することができない(余り離
れると隣接するチャンネル同士が千渉を起こして、強度
分布を測定することができなくなる。)。そこで、出射
光も入射光と同様に分布を持った平面波として出射する
多光束高指向性光学系を構成することができる。その例
を第14図から第17図に示す。第14図の多光束高指
向性光学系は、第7図の高指向性光学素子を多数並列さ
せたものに相当する。
By the way, in the multi-beam high-directivity optical systems shown in FIGS. 10 to 13, the emitted light becomes diverging light, as described above. If the emitted light comes out as diverging light from the emitting point on the back surface of the pinhole array PA, etc., the detectors such as the two-dimensional photodetector cannot be placed too far apart (if they are too far apart, the adjacent channels (The two may interfere with each other, making it impossible to measure the intensity distribution.) Therefore, it is possible to construct a multi-beam highly directional optical system in which the emitted light is also emitted as a plane wave having a distribution similar to that of the incident light. Examples are shown in FIGS. 14 to 17. The multi-beam high-directivity optical system shown in FIG. 14 corresponds to one in which a large number of high-directivity optical elements shown in FIG. 7 are arranged in parallel.

この光学系を構成するには、第10図との関連で説りし
た2個の屈折率分布レンズアレイGAI、GA2の間に
ピンホールアレイPAを配置し、それぞれの屈折率分布
レンズの軸とピンホールアレイPAの各ピンホールを整
列して密着する。このように構成すると、2次元的に強
度分布している入射平面波は散乱光がこの多光束高指向
性光学系によって取り除かれて同様に2次元的に強度分
布を有している平面波として出るので、2次元光検出器
等の検出器をこの多光束高指向性光学系からある程度能
して配置しても、2次元的に強度分布を測定することが
できる。第15図の多光束高指向性光学系は、第11図
の多光束高指向性光学系の後ろに共焦点で第2の平板マ
イクロレンズPM2を配置したものである。また、第1
6図の多光束高指向性光学系は、第9図の高指向性光学
素子を多数並列させたものに相当する。詳細な説明は必
要なからう。さらに、第17図の多光束高指向性光学系
は、第13図の多光束高指向性光学系の後ろに、配列体
SHの各シングルモードファイバーの出射端のコアに第
2の平板マイクロレンズPM2の前側の焦点が一致する
ようにして配置したものである。
To configure this optical system, a pinhole array PA is placed between the two gradient index lens arrays GAI and GA2 explained in connection with FIG. 10, and the axis of each gradient index lens is The pinholes of the pinhole array PA are aligned and brought into close contact. With this configuration, scattered light from an incident plane wave with a two-dimensional intensity distribution is removed by this multi-beam highly directional optical system and output as a plane wave with a two-dimensional intensity distribution as well. Even if a detector such as a two-dimensional photodetector is arranged to some extent from this multi-beam highly directional optical system, the intensity distribution can be measured two-dimensionally. The multi-beam highly directional optical system shown in FIG. 15 has a confocal second plate microlens PM2 arranged behind the multi-beam highly directional optical system shown in FIG. 11. Also, the first
The multi-beam high-directivity optical system shown in FIG. 6 corresponds to one in which a large number of high-directivity optical elements shown in FIG. 9 are arranged in parallel. A detailed explanation is not necessary. Furthermore, the multi-beam highly directional optical system shown in FIG. 17 includes a second flat microlens at the core of the output end of each single mode fiber of the array SH, behind the multi-beam highly directional optical system shown in FIG. 13. They are arranged so that the front focal points of PM2 coincide.

さて、上記の第10図から第17図に示したような多光
束高指向性光学系と2次元光検出器を組み合わせること
により、所定方向から入射してくる2次元的強度分布を
有する平面波を拡散光等のバックグラウンド光から高感
度で分離して検出することができる明るい高指向性光検
出器を構成することができる。
Now, by combining a multi-beam highly directional optical system and a two-dimensional photodetector as shown in Figures 10 to 17 above, plane waves with a two-dimensional intensity distribution that are incident from a predetermined direction can be detected. It is possible to construct a bright, highly directional photodetector that can separate and detect background light such as diffused light with high sensitivity.

すなわち、第18図に示した高指向性光検出器は、第1
0図に示した多光束高指向性光学系11の出射側に2次
元光検出器20を配置するものである。また、第19図
に示した高指向性光検出器は、第11図に示した多光束
高指向性光学系12の出射側に2次元光検出器20を配
置するものである。第20図は第12図に示した多光束
高指向性光学系13の出射側に2次元光検出器20を配
置するものである。そして、第21図は第13図に示し
た多光束高指向性光学系14の出射側に2次元光検出器
20を配置するものである。これら第18図から第21
図に示した高指向性光検出器においては、多光束高指向
性光学系11〜13から出射する光は、図示のようにピ
ンホールアレイPAの各ピンホール又はシングルモード
ファイバーの出射端から発散する光であるので、2次元
光検出器20の光電変換面21を多光束高指向性光学系
11〜13の出射面から余り離して配置すると、隣接す
るチャンネル同士が干渉を起こして、強度分布を正確に
測定することができなくなる。
That is, the highly directional photodetector shown in FIG.
A two-dimensional photodetector 20 is arranged on the output side of the multi-beam high-directivity optical system 11 shown in FIG. The highly directional photodetector shown in FIG. 19 has a two-dimensional photodetector 20 disposed on the output side of the multi-beam highly directional optical system 12 shown in FIG. In FIG. 20, a two-dimensional photodetector 20 is arranged on the output side of the multi-beam highly directional optical system 13 shown in FIG. In FIG. 21, a two-dimensional photodetector 20 is arranged on the output side of the multi-beam highly directional optical system 14 shown in FIG. These figures 18 to 21
In the highly directional photodetector shown in the figure, the light emitted from the multi-beam highly directional optical systems 11 to 13 diverges from each pinhole of the pinhole array PA or the output end of the single mode fiber as shown in the figure. Therefore, if the photoelectric conversion surface 21 of the two-dimensional photodetector 20 is placed too far from the output surface of the multi-beam highly directional optical systems 11 to 13, adjacent channels will interfere with each other and the intensity distribution will change. It becomes impossible to measure accurately.

したがって、これらの多光束高指向性光学系11〜13
と組み合わせて用いる2次元光検出器20は、これらの
光学系11〜13と光電変換面21が密着できるもので
なければならない。また、2次元光検出器20による2
次元位置の光強度読み出し方式としては、各高指向性光
学素子の出射端の中心が対応する位置の検出強度のみを
読み出すようにすれば、所定方向からの平面波とそれ以
外の散乱光等とを高分解能で分離して検出することがで
きる。
Therefore, these multi-beam highly directional optical systems 11 to 13
The two-dimensional photodetector 20 used in combination with the two-dimensional photodetector 20 must be such that these optical systems 11 to 13 and the photoelectric conversion surface 21 can be brought into close contact with each other. In addition, the two-dimensional photodetector 20
As a method for reading light intensity at dimensional positions, if only the detected intensity at the position corresponding to the center of the output end of each highly directional optical element is read out, plane waves from a predetermined direction and other scattered light, etc. can be read out. It can be separated and detected with high resolution.

さらに、第22図から第25図の高指向性光検出器は、
それぞれ第14図から第17図に示した多光束高指向性
光学系15〜18の出射側に2次元光検出器20を配置
するものである。これらの多光束高指向性光学系15〜
18は、先に述べたように、2次元的に強度分布してい
る入射平面波がこの多光束高指向性光学系によって散乱
光が取り除かれて同様に2次元的に強度分布を有してい
る平面波として出るので、2次元光検出器2oの光電変
換面21をこれらの多光束高指向性光学系15〜18の
出射面からある程度距離をおいて配置しても、2次元的
に強度分布を正確に測定することができる特徴を有して
いる。
Furthermore, the highly directional photodetector shown in FIGS. 22 to 25 is
A two-dimensional photodetector 20 is arranged on the output side of the multi-beam high-directivity optical systems 15 to 18 shown in FIGS. 14 to 17, respectively. These multi-beam highly directional optical systems 15~
18, as mentioned above, an incident plane wave with a two-dimensional intensity distribution has scattered light removed by this multi-beam highly directional optical system, and thus has a two-dimensional intensity distribution as well. Since it is emitted as a plane wave, even if the photoelectric conversion surface 21 of the two-dimensional photodetector 2o is placed at a certain distance from the output surface of these multi-beam highly directional optical systems 15 to 18, the intensity distribution cannot be determined two-dimensionally. It has the characteristics of being able to measure accurately.

ところで、以上の第18図から第25図に示した高指向
性光検出器は、多光束高指向性光学系11〜18を用い
ている。しがしながら、多光束高指向性光学系11〜1
4のピンホールアレイPA。
By the way, the highly directional photodetector shown in FIGS. 18 to 25 above uses multi-beam highly directional optical systems 11 to 18. However, the multi-beam high-directivity optical system 11-1
4 pinhole array PA.

シングルモードファイバーアレイSA、又ハ、シングル
モードファイバー配列体SHの作用である、各対物レン
ズ又は屈折率分布レンズによるフランフォーファ回折の
ゼロ次回折像のみを取り出す作用を、2次元光検出器2
oの強庶像の読み出し方式に分担させ、これらピンホー
ルアレイPA、シングルモードファイバーアレイSA、
又は、シングルモードファイバー配列体SHを省くこと
もできる。すなわち、第26図及び第27図に示すよう
に、高指向性光検出器を、平板マイクロレンズPM又は
屈折率レンズアレイGA等の凸レンズアレイと、その焦
点面に光電変換面21を配置した2次元光検出器20と
から構成する。このように構成すると、これら高指向性
光検出器に入射する平面波は第28図(a)に示すよう
なレンズアレイの各単位凸レンズLUによってその焦点
面に図のら)に示すようなフランフォーファ回折像FD
を形成するので、この中のゼロ次回折像のみを読み出す
ために、図の(C)の○印位置のみの強度をサンプリン
グして読み出すようにすれば、このサンプリングが第1
8図又は第19図のビンホルアレイPAと同じ作用をす
ることになる。したがって、ピンホルアレイPAを省い
て、凸レンズアレイとその焦点面に配置した2次元光検
出器とからのみで、本発明の高指向性光検出器を構成す
ることもできる。
The two-dimensional photodetector 2 detects the effect of the single-mode fiber array SA and the single-mode fiber array SH, which extracts only the zero-order diffraction image of Franhofer diffraction caused by each objective lens or gradient index lens.
These pinhole arrays PA, single mode fiber arrays SA,
Alternatively, the single mode fiber array SH can be omitted. That is, as shown in FIGS. 26 and 27, the highly directional photodetector is constructed using a convex lens array such as a flat plate microlens PM or a refractive index lens array GA, and a photoelectric conversion surface 21 arranged on its focal plane. It consists of a dimensional photodetector 20. With this configuration, the plane waves incident on these highly directional photodetectors are transmitted to the focal plane by each unit convex lens LU of the lens array as shown in FIG. F diffraction image FD
Therefore, in order to read out only the zero-order diffraction image, if we sample and read out the intensity only at the ○ mark position in (C) of the figure, this sampling becomes the first
It has the same effect as the Vinhol array PA shown in FIG. 8 or FIG. 19. Therefore, it is also possible to omit the pinhole array PA and configure the highly directional photodetector of the present invention only from the convex lens array and the two-dimensional photodetector arranged on its focal plane.

さて、上記のように多光束高指向性光学系11〜18、
又は、平板マイクロレンズPM、屈折率しンズアレイG
A等の凸レンズアレイと組み合わせて用いる2次元光検
出器としては、特に限定されるものではないが、既存の
あらゆる2次元光検出器を用いることができる。その例
を以下に示す。
Now, as mentioned above, the multi-beam high-directivity optical systems 11 to 18,
Or, flat plate microlens PM, refractive index lens array G
The two-dimensional photodetector used in combination with the convex lens array such as A is not particularly limited, but any existing two-dimensional photodetector can be used. An example is shown below.

2次元光検出器は、光の2次元的な強度分布を電気的な
画像信号に変換するものであり、その光検出器の構成と
しては、大別して固体イメージセンサ−と光電変換イメ
ージセンサ−がある。固体イメージセンサ−の例として
は、第29図に示す並列独立処理フォトダイオードアレ
イ、第30図に示す電荷結合デバイス(CCD)型イメ
ージセンサ−1さらに、第31図にヌす電界効果トラン
ジスタ(MOS)型イメージセンサ−があげられる。
A two-dimensional photodetector converts the two-dimensional intensity distribution of light into an electrical image signal, and the configuration of the photodetector can be roughly divided into solid-state image sensors and photoelectric conversion image sensors. be. Examples of solid-state image sensors include a parallel independent processing photodiode array shown in FIG. 29, a charge-coupled device (CCD) type image sensor 1 shown in FIG. 30, and a field-effect transistor (MOS) shown in FIG. ) type image sensor.

並列独立処理フォトダイオードアレイとは、光起電効果
を持つフォトダイオード100を第29図に示すように
アレイ状に配置すると共に、各フォトダイオードの出力
を直接取り出せるように配線したものである。各フォト
ダイオードから独立して信号を抽出できることから、必
要に応じて、特定のフォトダイオードにアクセスするこ
と、また、背景光を除去した信号(AC成分信号)と背
景光を除去しない信号(DC成分信号)との切換え等の
各フォトダイオードからの信号の並列した独立処理が可
能となっている。
The parallel independent processing photodiode array is one in which photodiodes 100 having a photovoltaic effect are arranged in an array as shown in FIG. 29, and wired so that the output of each photodiode can be taken out directly. Since the signal can be extracted independently from each photodiode, it is possible to access a specific photodiode as needed, and to separate the signal with background light removed (AC component signal) and the signal without background light removed (DC component signal). It is possible to perform parallel and independent processing of the signals from each photodiode, such as switching between the two photodiodes.

CCD型イメージセンサ−とは、第30図に示すように
、例えばn型シリコンウェハー上に拡散やエピタキシャ
ル成長によってp型層をつくり、さらに、その上に3個
の電極が1単位となる絵素110がマトリックス状に配
置されるように電極を設けたものである。絵素を構成す
る3つの電極に印加する電圧を順次選択的に切換えるこ
とにより、入射光により発生した信号電荷(例えば、正
孔)を一方向に順繰りに移送させながら、映像信号を取
り出すよう構成されている。また、CCDを冷却するこ
とにより、常温時の暗電流や固定ノイズを減少させるこ
ともできる。
As shown in FIG. 30, a CCD type image sensor is a p-type layer formed by diffusion or epitaxial growth on an n-type silicon wafer, and on top of which a p-type layer is formed by forming a picture element 110 on which three electrodes form one unit. The electrodes are arranged so that they are arranged in a matrix. By sequentially and selectively switching the voltage applied to the three electrodes that make up the picture element, a video signal is extracted while signal charges (e.g., holes) generated by incident light are sequentially transferred in one direction. has been done. Furthermore, by cooling the CCD, dark current and fixed noise at room temperature can be reduced.

M、O3型イメージセンサ−とは、第31図が示すよう
に、X5YII[に対応する2つの電極が1つの単位と
なる絵素120がマ) IJフックス状配列されており
、しかも、各絵素がMOS型の電界効果トランジスタで
作られた走査回路とスイッチ回路を構成しているもので
ある。センサーから映像信号を取り出すには、第31図
のX、Y軸の走査信号発生器により各絵素に走査パルス
を与え、入射光により絵素内に発生した信号電荷を、x
1Y軸の電極の電圧がOとなった絵素から信号電流とし
て取り出すのである。
As shown in FIG. 31, the M, O3 type image sensor has picture elements 120 in which two electrodes corresponding to It consists of a scanning circuit and a switch circuit made of MOS type field effect transistors. To extract a video signal from the sensor, a scanning pulse is applied to each pixel by the X and Y axis scanning signal generator shown in FIG. 31, and the signal charge generated in the pixel by the incident light is
A signal current is extracted from the picture element whose voltage on the Y-axis electrode becomes O.

光電変換イメージセンサ−としては、マイクロチャンネ
ルプレート (MCP)とダイオードアレイを組み合わ
せた第32図のような静電集束型MCPダイオードアレ
イや第33図のような近接型MCPダイオードアレイ、
また第34図に示すイメージ・オルシコン、第35図に
示すビジコン、MCPとビジコンを組み合わせた第36
図のようなフォトニックマイクロスコープシステム(V
IMシステム)、さらに、MCPと半導体装置検出素子
を組み合わせた第37図のようなフォトカウンティング
イメージアクイジョンシステム(PIASシステム)が
あげられる。
Photoelectric conversion image sensors include an electrostatic focusing MCP diode array as shown in Figure 32, which is a combination of a microchannel plate (MCP) and a diode array, and a proximity type MCP diode array as shown in Figure 33.
In addition, the image orthicon shown in Fig. 34, the vidicon shown in Fig. 35, and the 36th image orthicon that combines MCP and bidicon
Photonic microscope system (V
IM system), and a photo-counting image acquisition system (PIAS system) as shown in FIG. 37, which combines an MCP and a semiconductor device detection element.

静電集束型MCPダイオードアレイでは、第32図に示
すように、入射光は光電面130で光電子136を放出
させ、この光電子は電子レンズ系131で加速、結像さ
れてMCP132に入射する。MCP 132で電子は
増倍され、蛍光面133に入射し、光を放出する。蛍光
面から放出された光は光ファイバー134を通りダイオ
ードアレイ135に入射して映像信号を出力するよう構
成されている。
In the electrostatic focusing MCP diode array, as shown in FIG. 32, incident light causes a photocathode 130 to emit photoelectrons 136, which are accelerated and imaged by an electron lens system 131 and then enter an MCP 132. The electrons are multiplied by the MCP 132, enter the phosphor screen 133, and emit light. The light emitted from the phosphor screen is configured to pass through an optical fiber 134 and enter a diode array 135 to output a video signal.

近接型MCPダイオードアレイでは、第33図に示すよ
うに、入射光は光電面140で光電子を放出させ、該光
電子はMCP141に直接入射する。MCP 141で
電子は増倍され、蛍光面142に入射し、光を放出する
。蛍光面142からの光は光ファイバー143を通りダ
イオードアレイ144に入射して映像信号を出力するよ
う構成されている。
In the proximity type MCP diode array, as shown in FIG. 33, incident light causes photocathode 140 to emit photoelectrons, which are directly incident on MCP 141. Electrons are multiplied by the MCP 141, enter the phosphor screen 142, and emit light. The light from the fluorescent screen 142 is configured to pass through an optical fiber 143 and enter a diode array 144 to output a video signal.

イメージ・オルシコンでは、第34図が示すように光電
陰極150から入射光に応じて光電子151が放出され
、該光電子は加速され、ターゲットメツシュ152を通
過しターゲット (厚さ数μm程度の低抵抗ガラス板)
153に衝突する。その結果、ターゲット153から2
次電子が放出され、放出した電子はターゲットメツシュ
に集められ、ターゲット上には入射光に対応した正電荷
像が形成される。この状態でターゲツト面が電子ビーム
154で走査されると、ターゲツト面付近では減速電界
になっており、ターゲツト面上の正電荷を中和する。中
和して残った電子は、ターゲットの正電荷により密度変
調されており、さらに、もとの電子軌道とほぼ同じ軌道
を経て電子銃155付近に到達する。電子銃付近には2
次電子増倍部156が配置されており、これにより戻り
電子を増幅して映像信号を出力させる。
In the image orthicon, as shown in FIG. 34, photoelectrons 151 are emitted from a photocathode 150 in response to incident light, and the photoelectrons are accelerated and pass through a target mesh 152 to a target (with a low resistance of about several μm thick). glass plate)
Collision with 153. As a result, target 153 to 2
Next, electrons are emitted, and the emitted electrons are collected on the target mesh, and a positive charge image corresponding to the incident light is formed on the target. When the target surface is scanned by the electron beam 154 in this state, a decelerating electric field is created near the target surface, which neutralizes the positive charges on the target surface. The electrons remaining after neutralization are density-modulated by the positive charge of the target, and further reach the vicinity of the electron gun 155 via an orbit almost the same as the original electron orbit. There are 2 near the electron gun.
A secondary electron multiplier 156 is arranged, which amplifies the returned electrons and outputs a video signal.

ビジコンでは、第35図に示すように、ターゲットが透
明なフェースプレート160上に透明導電膜161と高
抵抗率の光導電膜162を重ねた構成を有しており、電
子ビーム163走査後に入射光があると電子と正孔の対
が発生し、電子は透明導電膜161を通り信号電極16
4へ流れるが、正孔は光導電膜の走査部側の表面へ移動
する。次に、再度電子ビームにより光電膜表面を走査す
ると、電子ビームは正孔による表面電位の大きさに応じ
てターゲットに流れ込み、信号電極164を通って映像
信号となる。
In the vidicon, as shown in FIG. 35, the target has a configuration in which a transparent conductive film 161 and a high resistivity photoconductive film 162 are stacked on a transparent face plate 160, and after scanning with an electron beam 163, the incident light is When there is a pair of electrons and holes, the electrons pass through the transparent conductive film 161 and reach the signal electrode 16.
4, but the holes move to the surface of the photoconductive film on the scanning section side. Next, when the surface of the photoelectric film is scanned again by the electron beam, the electron beam flows into the target according to the magnitude of the surface potential due to the holes, passes through the signal electrode 164, and becomes a video signal.

VIMシステムとは、第36図に示すように2次元光子
計数管170と低残像ビジコン171を組み合わせたも
のである。2次元光子計数管171に入射した光は光電
面172で光電子を発生し、この光電子はメツシュ17
3、電子レンズ174を経てMCP(第36図では2段
接続のMCP)175に入射して増幅され、出射面の蛍
光面176に当って輝点を形成する。この輝点はレンズ
177によって低残像ビジコンの光電面に結像し、ビジ
コンの出力から入射光に対応した映像信号が得られる。
The VIM system is a combination of a two-dimensional photon counter 170 and a low-afterimage vidicon 171, as shown in FIG. The light incident on the two-dimensional photon counter 171 generates photoelectrons on the photocathode 172, and these photoelectrons pass through the mesh 17.
3. The light enters an MCP (two-stage connected MCP in FIG. 36) 175 through an electron lens 174, is amplified, and hits a fluorescent screen 176 on the output surface to form a bright spot. This bright spot is imaged by the lens 177 on the photocathode of the vidicon with low afterimage, and a video signal corresponding to the incident light is obtained from the output of the vidicon.

PIASシステムとは、第37図に示すように、(だだ
し、第37図では3段接続のMCPとなっている)とシ
リコン半導体検出器181を組み合わせたものである。
The PIAS system, as shown in FIG. 37, is a combination of an MCP (in FIG. 37, a three-stage connected MCP) and a silicon semiconductor detector 181.

MCP182からの増倍され、加速された光電子は半導
体装置検出素子に入射し、入射の際の電子衝撃効果によ
りさらに増倍されて、該検出素子181の抵抗層を通っ
て素子周辺の4つの電極183より電流として出力され
る。この4つの出力を位置演算装置(図に示していない
)に入力することにより、入射光に対応した位置信号が
得られる。
The multiplied and accelerated photoelectrons from the MCP 182 enter the semiconductor device detection element, are further multiplied by the electron impact effect upon incidence, and pass through the resistance layer of the detection element 181 to the four electrodes around the element. 183 outputs it as a current. By inputting these four outputs to a position calculation device (not shown), a position signal corresponding to the incident light can be obtained.

以上、代表的な2次元光検出器について説明してきたが
、本発明における多光束高指向性光学系と組み合わせて
用いることのできる光検出器は、ここで説明したものに
限らず、2次元、又は、1次元的に光を検出できるもの
であれば如何なるものでも適用可能である。本発明の多
光束高指向性光学系を上記2次元検出器に適用する際に
は、上記2次元光検出器の入射光の代わりに多光束高指
向性光学系を通過した光を検出器に入射させるよVIM
システムで用いた2次元光子計数管180うにすればよ
い。なお、従来の第29図から37図に示した2次元光
検出器は、入射面に光フアイバープレートを用いて、画
面を明るくしたり、画面の平坦化等を行っていたが、こ
の光フアイバープレートの代わりに本発明における多光
束高指向性光学系を用いるようにしてもよいことはもち
ろんである。
Although typical two-dimensional photodetectors have been described above, photodetectors that can be used in combination with the multi-beam highly directional optical system of the present invention are not limited to those described here; Alternatively, any device that can detect light one-dimensionally is applicable. When applying the multi-beam highly directional optical system of the present invention to the two-dimensional detector, the light passing through the multi-beam highly directional optical system is sent to the detector instead of the incident light of the two-dimensional photodetector. Let it enter VIM
The two-dimensional photon counter 180 used in the system may be used. The conventional two-dimensional photodetectors shown in Figs. 29 to 37 use an optical fiber plate on the incident surface to brighten the screen and flatten the screen. Of course, the multi-beam, highly directional optical system of the present invention may be used instead of the plate.

さて、次に、以上のような高指向性光検出器の適用例に
ついて説明する。
Next, an application example of the above-described highly directional photodetector will be described.

第38図と第39図は、生体レーザー・センシング・ト
モグラフィー(レーザー光断層撮影法)に適用した場合
の概念図を示すものである。第38図の場合、レーザー
200からの高指向性の光を例えば第9図に示すような
高指向性光学素子201により生体403内に導入しく
第38図の場合は口から導入しているが、これに限られ
るものではなく、例えば肛門等から導入してもよい。)
、体内より高指向性の光を照射する。その中の生オで吸
収、散乱されずに透過してきた光を、本発明による高指
向性光検出器202によって検出して生体403の光断
層像を得る。その像を例えばモニター203に表示する
。第39図の場合は、第38図の場合とは逆に、生体外
から高指向性の光を照射し、体内で検出するのである。
FIG. 38 and FIG. 39 show conceptual diagrams when applied to biological laser sensing tomography (laser optical tomography). In the case of FIG. 38, the highly directional light from the laser 200 is introduced into the living body 403 by, for example, a highly directional optical element 201 as shown in FIG. However, the introduction is not limited to this, for example, it may be introduced through the anus or the like. )
, irradiates highly directional light from inside the body. The light that has passed through without being absorbed or scattered by the living body 403 is detected by the highly directional photodetector 202 according to the present invention to obtain an optical tomographic image of the living body 403. The image is displayed on a monitor 203, for example. In the case of FIG. 39, contrary to the case of FIG. 38, highly directional light is irradiated from outside the body and detected inside the body.

すなわち、レーザ200からの高指向性の光をビーム拡
大器204にて拡大して外側から生体403に照射する
。体内には例えば第13図に示したような高指向性光学
系205が挿入され、その先端は体外から制御できるよ
うに構成されている。高指向性光学系205の後端には
2次元光検出器20が密着され、第21図のような高指
向性光検出器206を形成していて、生体403の光断
層像を体内から得、その像を例えばモニター203に表
示するものである。なお、この場合、高指向性光学系2
05の代わりに例えば第9図に示すような高指向性光学
素子を用い、2次元光検出器20の代わりに単一の光検
出器を用いるようにすることもできる。以上のようにし
て、本発明の高指向性光検出器を用いて生体403の光
CT像を得ることができる。
That is, highly directional light from the laser 200 is expanded by the beam expander 204 and irradiated onto the living body 403 from the outside. For example, a highly directional optical system 205 as shown in FIG. 13 is inserted into the body, and its tip is configured so that it can be controlled from outside the body. A two-dimensional photodetector 20 is closely attached to the rear end of the highly directional optical system 205, forming a highly directional photodetector 206 as shown in FIG. , the image is displayed on a monitor 203, for example. In this case, the highly directional optical system 2
05 may be replaced by a highly directional optical element as shown in FIG. 9, and the two-dimensional photodetector 20 may be replaced by a single photodetector. As described above, an optical CT image of the living body 403 can be obtained using the highly directional photodetector of the present invention.

次に、本発明の高指向性光検出器を従来公知の女性の乳
房の乳ガン診断装置に適用する場合を、第40図の構成
を示す図を参照にして説明する。
Next, a case where the highly directional photodetector of the present invention is applied to a conventionally known apparatus for diagnosing female breast cancer will be described with reference to a diagram showing the configuration of FIG. 40.

図中、401はスキャンヘッド、403は人体、405
はビデオカメラ、407はA/Dコンバータ、409は
近赤外光フレームメモリ、411は赤色光フレームメモ
リ、413はプロセッサ、415はカラー変換処理部、
417はエンコーダキーボード、419はD/Aコンバ
ータ、421はプリンタ、423はテレビモニタ、42
5はビデオテープレコーダである。赤色光(主に血液中
のヘモグロビンが強く吸収する)と近赤外光(血液、水
分、脂肪、その他が吸収する)を交互にライトガイドを
介してスキャンヘッド401により人体の被測定部位、
例えば乳房に照射しつつ走査する。
In the figure, 401 is a scan head, 403 is a human body, and 405
is a video camera, 407 is an A/D converter, 409 is a near-infrared light frame memory, 411 is a red light frame memory, 413 is a processor, 415 is a color conversion processing unit,
417 is an encoder keyboard, 419 is a D/A converter, 421 is a printer, 423 is a TV monitor, 42
5 is a video tape recorder. Red light (strongly absorbed mainly by hemoglobin in the blood) and near-infrared light (absorbed by blood, water, fat, etc.) are alternately transmitted through the light guide by the scan head 401 to the measured area of the human body.
For example, the breast is irradiated and scanned.

図では下から上方へ光が照射されている。その結果乳房
全体が明るく光り、この透過像をビデオカメラ405で
捉え、A/Dコンバータ407でデジタル信号に変換し
、デジタルスイッチを介して近赤外光、赤色光をそれぞ
れフレームメモリ409.411に取り込み、両フレー
ムメモリのデータから、プロセッサ413で近赤外光お
よび赤色光の強度比を演算し、さらにカラー変換処理し
てアナログ信号に変換し、プリンタやテレビモニタ、ビ
デオテープで光吸収分布像を観測する。従来のこの装置
においては、スキャンヘッド401からの光は平行光で
はなく、あたかも懐中電溶で照らしたのと同じように組
織(乳房)で拡がっており、これをビデオカメラのよう
な2次元検出器で受けるので分解能はあまり良くない。
In the figure, light is emitted from the bottom upwards. As a result, the entire breast shines brightly, and this transmitted image is captured by a video camera 405, converted to a digital signal by an A/D converter 407, and the near-infrared light and red light are stored in frame memories 409 and 411 respectively via a digital switch. From the data in both frame memories, the processor 413 calculates the intensity ratio of near-infrared light and red light, and then performs color conversion processing to convert it into an analog signal, which is then used as a light absorption distribution image on a printer, television monitor, or videotape. Observe. In this conventional device, the light from the scan head 401 is not parallel light, but spreads across the tissue (breast) in the same way as if it were illuminated with a flashlight, and this is detected by two-dimensional detection such as a video camera. The resolution is not very good because it is received by a device.

そこで、不発−においては、ビデオカメラ405の代わ
りに、例えば第18図から第27図に示したような高指
向性光検出器を用いて分解能を向上させることができる
Therefore, in the event of a misfire, the resolution can be improved by using, for example, a highly directional photodetector as shown in FIGS. 18 to 27 instead of the video camera 405.

また、第41図にコリメートした照射−受光系を使用し
た従来の光吸収分布像を得る装置構成を示すが、この例
においては、光源にレーザ光を使用し、光ファイバ43
3でレーザ光を導いて測定対象435に照射し、その透
過光をファイバコリメータ437で捉えて検出器443
で電気信号に変換し、前処理回路445、A/Dコンバ
ータ447、インターフェース449を介してコンピュ
ータ451で慣号処理する。この場合に照射用光ファイ
バ433と検出用のファイバコリメータ437をモータ
439で同期してスキャニングすることにより測定対象
各部位の光吸収分布像を得てモニタ453で観察してい
る。なお、光源は赤色光として633nmのHe−Ne
tz−ザー、近赤外光として830nmの半導体レーザ
ーを用いる。
Furthermore, FIG. 41 shows a conventional apparatus configuration for obtaining a light absorption distribution image using a collimated irradiation-receiving system. In this example, a laser beam is used as a light source, and an optical fiber 43
3, the laser beam is guided and irradiated onto the measurement target 435, and the transmitted light is captured by the fiber collimator 437 and sent to the detector 443.
The signal is converted into an electrical signal by the computer 451 via the preprocessing circuit 445, A/D converter 447, and interface 449. In this case, the optical fiber 433 for irradiation and the fiber collimator 437 for detection are scanned synchronously by a motor 439 to obtain a light absorption distribution image of each part to be measured, which is observed on a monitor 453. The light source is 633 nm He-Ne as red light.
An 830 nm semiconductor laser is used as the near-infrared light.

この診断装置は1977年、Jobsisらがネコや人
の頭部に近赤外光を照射して透過した光の検出に成功し
、その透過光量が動物の呼吸状態で変動することを報告
した。700〜1500nmの波長の近赤外光はネコの
頭程度の大きさの組織であれば5m”vV程度の照射光
量で十分に透過した光を検出でき、この光量は現在のレ
ーザーの安全基準の約1150以下である。また、われ
われが海岸で浴びる近赤外光の約1/10程度でもあり
非常に安全である。この装置においても、光ファイバ4
33、ファイバコリメータ437を本発明による高指向
性光学素子又は多光束高指向性光学系に置き換え、検出
器443として単一の光検出器ないし2次元光検出器を
用いるように変更することにより、解像力をさらに向上
させることができる。
In 1977, Jobsis et al. successfully used this diagnostic device to detect the transmitted light by irradiating the heads of cats and humans with near-infrared light, and reported that the amount of transmitted light varied depending on the breathing state of the animal. Near-infrared light with a wavelength of 700 to 1,500 nm can be detected in a tissue as large as a cat's head with an irradiation amount of about 5 m"vV, which exceeds the current laser safety standards. It is about 1150 or less.It is also about 1/10 of the near-infrared light that we are exposed to on the coast, making it very safe.This device also uses optical fiber 4
33. By replacing the fiber collimator 437 with a highly directional optical element or multi-beam highly directional optical system according to the present invention, and changing the detector 443 to use a single photodetector or a two-dimensional photodetector, Resolution can be further improved.

以上、本発明の高指向性光検出器に関して種々の実施例
を説明してきたが、光検出器は必ずしも2次元光検出器
である必要はなく、1次元方向のみの分解能を有する1
次元光検出器であってもよい。また、本発明は上記した
実施例に限定されることなく種々の変形が可能である。
Various embodiments of the highly directional photodetector of the present invention have been described above, but the photodetector does not necessarily have to be a two-dimensional photodetector;
It may also be a dimensional photodetector. Moreover, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various ways.

なお、第10図から第17図の多光束高指向性光学系の
分解能は各高指向性光学素子の径で決まってしまうので
、可能な限り細い素子を用いるようにすれば、より高い
分解能で2次元的に強度分布している平面波を検出する
ことができる。
Note that the resolution of the multi-beam high-directivity optical system shown in Figures 10 to 17 is determined by the diameter of each high-directivity optical element, so if you use the thinnest elements possible, you can achieve higher resolution. Plane waves with two-dimensional intensity distribution can be detected.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の第1及び第2の高指向性光検出器においては、
その高指向性光学素子が、凸レンズとその焦点面に配置
されたピンホール又は光ファイバーからなり、前記ピン
ホール又は光ファイバーのコアは前8己凸レンズによる
フランフオーコア回折像の第1暗輪以下の直径を有する
ので、前記凸レンズに所定方向から入射する平面波成分
の大部分のエネルギーは取り出すことができるが、その
方向と異なる方向からくる成分、散乱成分は殆ど取り除
くことができる。したがって、このような高指向性光学
素子を複数本束ねて構成した多光束高指向性光学系も所
定方向から入射する1次元又は2次元的強度分布を有す
る平面波のみを胡るく分解能よく取り出すことができる
ので、これと1次元又は2次元光検出器を組み合わせる
ことにより、指向性、分解能が高く、感度のよい高指向
性光検出器が得られ、例えば、生体等の散乱体内の吸収
分布を検出するのに適した高指向性光検出器となる。
In the first and second highly directional photodetectors of the present invention,
The highly directional optical element consists of a convex lens and a pinhole or optical fiber arranged on its focal plane, and the core of the pinhole or optical fiber has a diameter less than or equal to the first dark ring of the Franphaux core diffraction image formed by the front 8-convex lens. Therefore, most of the energy of the plane wave component incident on the convex lens from a predetermined direction can be extracted, but most of the components and scattered components coming from a direction different from that direction can be removed. Therefore, a multi-beam high-directivity optical system configured by bundling a plurality of such high-directivity optical elements can also extract only a plane wave having a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction with good resolution. By combining this with a one-dimensional or two-dimensional photodetector, a highly directional photodetector with high directivity, resolution, and sensitivity can be obtained. It becomes a highly directional photodetector suitable for detection.

また、本発明の第3の高指向性光検出器においては、1
次元又は2次元の凸レンズアレイの焦点面に配置された
1次元又は2次元光検出器が、各凸レンズによるフラン
フォーファ回折のゼロ次回折像のみをサンプリングして
分離して読み出すように構成されているので、所定方向
から入射する1次元又は2次元的強度分布を有する平面
波のみを周囲の散乱光等から分離して明るく分解能よく
検出できるので、同様に、生体等の散乱体内の吸収分布
を検出するのに適した高指向性光検出器となる。
Furthermore, in the third highly directional photodetector of the present invention, 1
A one-dimensional or two-dimensional photodetector disposed at the focal plane of a two-dimensional or two-dimensional convex lens array is configured to sample and separate and read out only the zero-order diffraction image of Franhofer diffraction by each convex lens. Therefore, only plane waves with a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction can be separated from surrounding scattered light, etc., and detected brightly and with good resolution. Similarly, the absorption distribution inside a scattering body such as a living body can be detected. This is a highly directional photodetector suitable for

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の高指向性光検出器に用いる多光束高指
向性光学系を構成する高指向性光学素子の基本的原理を
説明するための図、第2図から第9図はそれぞれ高指向
性光学素子の実施例を説明するための図、第10図から
第17図はそれぞれ本発明の高指向性光検出器に用いる
多光束高指向性光学系の実施例を説明するための図、第
18図から第21図は本発明による第1の高指向性光検
出器のいくつかの実施例を説明するための図、第22図
から第25図は本発明による第2の高指向性光検出器の
いくつかの実施例を説明するための図、第26図及び第
27図は本発明による第3の高指向性光検出器の2つ実
施例を説明するための図、第28図は本発明による第3
の高指向性光検出器の作用を説明するたtの図、第29
図から第37図は公知の2次元光検出器の例を説明する
だの図、第38図及び第39図は本発明による高指向性
光検出器を生体レーザー・センシング・トモグラフィー
に適用した場合の概念図、第40図は本発明による高指
向性光検出器を従来公知の女性の乳房の乳ガン診断装置
に適用する場合の構成を示す図、第41図は従来の光吸
収分布像を得る装置の構成を示す図、第42図及び第4
3図は先の出願において提案した高指向性光学素子を説
明するための図である。 L・・・凸レンズ、Po・・・レンズ開口%Pl・・・
入口開口、P2・・・ピンホール、○b、Obl、Ob
2・・・対物レンズ、P・・・ビンホーノベGLSGL
I、GL2・・・屈折率分布レンズ、SM・・・シング
ルモードファイバー、B・・・接着剤、GASGAI、
GA2・・・屈折率分布レンズアレイ、P\・・・ピン
ホールアレイ、PM、PMI、PM2・・・平板マイク
ロレンズ、SA・・・シングルモードファイバーアレイ
、SH・・・シングルモードファイバー配列体、S・・
・支持具、LU・・・単位凸レンズ、FD・・・フラン
フオーファ回折像、11〜18・・・多光束高指向性光
学系、20・・・2次元光検出器、21・・・光電変換
面、200・・・レーザー、201・・・高指向性光学
素子、202.206・・・高指向性光検出器、203
・・・モニター、204・・・ビーム拡大器、205・
・・高指向性光学系、403・・・生体
Fig. 1 is a diagram for explaining the basic principle of the highly directional optical element constituting the multi-beam highly directional optical system used in the highly directional photodetector of the present invention, and Figs. 2 to 9 are respectively Figures 10 to 17 are diagrams for explaining an embodiment of a highly directional optical element, and Figures 10 to 17 are diagrams for explaining an embodiment of a multi-beam highly directional optical system used in a highly directional photodetector of the present invention. 18 to 21 are diagrams for explaining some embodiments of the first highly directional photodetector according to the present invention, and FIGS. 22 to 25 are diagrams for explaining some embodiments of the first highly directional photodetector according to the present invention. 26 and 27 are diagrams for explaining two embodiments of the third highly directional photodetector according to the present invention, FIG. 28 shows the third embodiment according to the present invention.
Figure 29 for explaining the action of the highly directional photodetector.
37 is a diagram illustrating an example of a known two-dimensional photodetector, and FIGS. 38 and 39 show a case where the highly directional photodetector according to the present invention is applied to biological laser sensing tomography. 40 is a diagram showing the configuration when the highly directional photodetector according to the present invention is applied to a conventionally known breast cancer diagnostic device for female breasts, and FIG. 41 is a diagram showing a conventional method for obtaining a light absorption distribution image. Diagrams showing the configuration of the device, Figures 42 and 4
FIG. 3 is a diagram for explaining the highly directional optical element proposed in the previous application. L...Convex lens, Po...Lens opening %Pl...
Inlet opening, P2... pinhole, ○b, Obl, Ob
2...Objective lens, P...Binho Nobe GLSGL
I, GL2...Gradient index lens, SM...Single mode fiber, B...Adhesive, GASGAI,
GA2...gradient index lens array, P\...pinhole array, PM, PMI, PM2...flat plate microlens, SA...single mode fiber array, SH...single mode fiber array, S...
・Support, LU...Unit convex lens, FD...Franphaffer diffraction image, 11-18...Multi-beam highly directional optical system, 20...Two-dimensional photodetector, 21...Photoelectric Conversion surface, 200... Laser, 201... Highly directional optical element, 202.206... Highly directional photodetector, 203
...Monitor, 204...Beam expander, 205.
・Highly directional optical system, 403... Biological body

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)凸レンズとその焦点面に配置されたピンホールか
らなり、前記ピンホールは前記凸レンズによるフランフ
ォーファ回折像の第1暗輪以下の直径を有し、前記凸レ
ンズに所定方向から入射する平面波成分のみを取り出す
ようにした高指向性光学素子を複数本束ねて構成した多
光束高指向性光学系と、前記多光束高指向性光学系の出
射側に配置した1次元又は2次元光検出器とを備え、所
定方向から入射する1次元又は2次元的強度分布を有す
る平面波のみを取り出して検出するように構成したこと
を特徴とする高指向性光検出器。
(1) Consisting of a convex lens and a pinhole placed on its focal plane, the pinhole has a diameter equal to or less than the first dark ring of the Franphofer diffraction image formed by the convex lens, and the plane wave incident on the convex lens from a predetermined direction A multi-beam highly directional optical system configured by bundling a plurality of highly directional optical elements that extract only components, and a one-dimensional or two-dimensional photodetector placed on the output side of the multi-beam highly directional optical system. 1. A highly directional photodetector comprising: a highly directional photodetector configured to extract and detect only a plane wave having a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction.
(2)前記高指向性光学素子は、前記凸レンズと実質的
に同一の第2の凸レンズが前記ピンホールの出射側に配
置されており、前記第2凸レンズの前側の焦点面が前記
ピンホール面と一致するように配置されていて、前記ピ
ンホールを通過した光成分を平面波に変換して出射する
ようになっていることを特徴とする請求項1記載の高指
向性光検出器。
(2) In the highly directional optical element, a second convex lens substantially the same as the convex lens is arranged on the output side of the pinhole, and the front focal plane of the second convex lens is the pinhole surface. 2. The highly directional photodetector according to claim 1, wherein the highly directional photodetector is arranged so as to coincide with the pinhole, and the light component passing through the pinhole is converted into a plane wave and outputted.
(3)凸レンズとその焦点面に配置された光ファイバー
からなり、前記光ファイバーのコアは前記凸レンズによ
るフランフォーファ回折像の第1暗輪以下の直径を有し
、前記凸レンズに所定方向から入射する平面波成分のみ
を取り出すようにした高指向性光学素子を複数本束ねて
構成した多光束高指向性光学系と、前記多光束高指向性
光学系の出射側に配置した1次元又は2次元光検出器と
を備え、所定方向から入射する1次元又は2次元的強度
分布を有する平面波のみを取り出して検出するように構
成したことを特徴とする高指向性光検出器。
(3) Consisting of a convex lens and an optical fiber disposed on its focal plane, the core of the optical fiber has a diameter equal to or less than the first dark ring of the Franphofer diffraction image produced by the convex lens, and a plane wave incident on the convex lens from a predetermined direction A multi-beam highly directional optical system configured by bundling a plurality of highly directional optical elements that extract only components, and a one-dimensional or two-dimensional photodetector placed on the output side of the multi-beam highly directional optical system. 1. A highly directional photodetector comprising: a highly directional photodetector configured to extract and detect only a plane wave having a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction.
(4)前記高指向性光学素子は、前記凸レンズと実質的
に同一の第2の凸レンズが前記光ファイバーの出射側に
配置されており、前記第2凸レンズの前側の焦点面が前
記光ファイバーの出射面と一致するように配置されてい
て、前記光ファイバーを通過した光成分を平面波に変換
して出射するようになっていることを特徴とする請求項
3記載の高指向性光検出器。
(4) In the highly directional optical element, a second convex lens substantially the same as the convex lens is arranged on the output side of the optical fiber, and the front focal plane of the second convex lens is the output surface of the optical fiber. 4. The highly directional photodetector according to claim 3, wherein the highly directional photodetector is arranged so as to coincide with the optical fiber and converts a light component passing through the optical fiber into a plane wave and outputs the plane wave.
(5)1次元又は2次元の凸レンズアレイと、その焦点
面に配置された1次元又は2次元光検出器とからなり、
前記光検出器は各凸レンズによるフランフォーファ回折
のゼロ次回折像のみをサンプリングして分離して読み出
すように構成されており、所定方向から入射する1次元
又は2次元的強度分布を有する平面波のみを取り出して
検出するように構成したことを特徴とする高指向性光検
出器。
(5) Consisting of a one-dimensional or two-dimensional convex lens array and a one-dimensional or two-dimensional photodetector placed on its focal plane,
The photodetector is configured to sample and separate and read out only the zero-order diffraction image of Franphofer diffraction caused by each convex lens, and detects only a plane wave having a one-dimensional or two-dimensional intensity distribution incident from a predetermined direction. A highly directional photodetector characterized in that it is configured to extract and detect.
(6)前記凸レンズが対物レンズから構成されているこ
とを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の高
指向性光検出器。
(6) The highly directional photodetector according to any one of claims 1 to 5, wherein the convex lens is composed of an objective lens.
(7)前記凸レンズが屈折率分布レンズから構成されて
いることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記
載の高指向性光検出器。
(7) The highly directional photodetector according to any one of claims 1 to 5, wherein the convex lens is composed of a gradient index lens.
(8)前記凸レンズが平板マイクロレンズから構成され
ていることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に
記載の高指向性光検出器。
(8) The highly directional photodetector according to any one of claims 1 to 5, wherein the convex lens is composed of a flat microlens.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109341858A (en) * 2018-12-04 2019-02-15 河北大学 A kind of gradation type diffusing structure spectral analysis device and spectrum recovering method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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