(57)【要約】      （修正有）【課題】入射光のコヒーレンスに関する情報を、煩雑な操作を行うことなく取得する可能な光検出装置を提供する。【解決手段】光検出装置は、遮光膜９と、光結合層１２と、光検出器１０と、光学系１７と、を備える。遮光膜は、複数の透光領域９ａおよび複数の遮光領域９Ａが少なくとも第１の方向に交互に配置されている。光結合層は、遮光膜に対向し、光を第１の方向に伝搬させるグレーティングを含む。光検出器は、撮像面に配列された複数の第１の光検出セル１０ａおよび複数の第２の光検出セル１０Ａを含む。光学系は、光結合層および光検出器の間に配置されている。光結合層において複数の透光領域および遮光領域の各々に対向する部分を透過した光の像は、それぞれ光学系によって拡大または縮小され、複数の第１および第２の光検出セルのうち対応する光検出セル上に形成される。【選択図】図８
2018096985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の透光領域および複数の遮光領域が少なくとも第１の方向に交互に配置されている遮光膜と、
前記遮光膜に対向する光結合層であって、前記複数の透光領域に所定の波長の入射光が入射したときに、前記入射光の一部を前記第１の方向に伝搬させ、前記入射光の他の一部を透過させるグレーティングを含む光結合層と、
撮像面を有し、前記撮像面上に配置された複数の第１の光検出セルおよび複数の第２の光検出セルを含む光検出器と、
前記光結合層および前記光検出器の間に配置された光学系と、
を備え、
前記複数の第１の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の透光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第１の光検出セルのうち対応する第１の光検出セル上に形成される位置に配置され、
前記複数の第２の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の遮光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第２の光検出セルのうち対応する第２の光検出セル上に形成される位置に配置されている、光検出装置。
【請求項２】
前記光結合層は、
第１低屈折率層、
前記第１低屈折率層上に配置され、前記グレーティングを含む第１高屈折率層、および
前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層をさらに含み、
前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有する、
請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記光検出器は、
各々が前記複数の第１の光検出セルのうちの対応する第１の光検出セル上に配置された複数の第１マイクロレンズと、
各々が前記複数の第２光検出セルのうちの対応する第２光検出セル上に配置された複数の第２マイクロレンズと、をさらに含む、
請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記複数の第１の光検出セルから得られる複数の第１の信号と、前記複数の第２の光検出セルから得られる複数の第２の信号とに基づいて、前記複数の第１の光検出セルおよび前記複数の第２の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号を出力する演算回路をさらに備える、
請求項１から３のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項５】
前記複数の第１の光検出セルの各々から得られる信号をＰ0とし、
前記複数の第２の光検出セルの各々から得られる信号をＰ1とし、
前記複数の第２の光検出セルのうち、前記複数の第１の光検出セルの各々に対して前記第１の方向および前記第１の方向の反対方向において隣接する２つの第２の光検出セルから得られる２つの信号の平均値をＰ1’とし、
前記複数の第１の光検出セルのうち、前記複数の第２の光検出セルの各々に対して前記第１の方向および前記第１の方向の反対方向において隣接する２つの第１の光検出セルから得られる２つの信号の平均値をＰ0’とするとき、
前記演算回路は、
Ｐ1’／（Ｐ0＋Ｐ1’）またはＰ1’／Ｐ0の演算によって得られる信号を、前記複数の第１の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号として生成し、
Ｐ1／（Ｐ0’＋Ｐ1）またはＰ1／Ｐ0’の演算によって得られる信号を、前記複数の第２の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号として生成する、
請求項４に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光の干渉現象を利用して、被写体の光学的特性に関する情報を取得する光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光は電磁波であり、波長および強度以外に、偏光および干渉性などの特性によって特徴づけられる。このうち、光の干渉性を利用して被写体を測定する方法として、例えば、非特許文献１に示されるマイケルソンの干渉計を用いる方法が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】東海大学出版会  光学の原理、ｐ４８２、Ｍ・ボルンほか
【非特許文献２】第１４回医用近赤外線分光法研究会、ｐ１３９−１４４、近赤外生体分光法の展望−１μｍ波長域の可能性、西村吾朗
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の方法によって光のコヒーレンスの度合または位相を測定するには煩雑な操作が必要であった。本開示は、被写体を透過または反射する光のコヒーレンスの度合いまたは位相を煩雑な操作を行うことなく計測できる撮像技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る光検出装置は、複数の透光領域および複数の遮光領域が少なくとも第１の方向に交互に配置されている遮光膜と、
前記遮光膜に対向する光結合層であって、前記複数の透光領域に所定の波長の入射光が入射したときに、前記入射光の一部を前記第１の方向に伝搬させ、前記入射光の他の一部を透過させるグレーティングを含む光結合層と、
撮像面を有し、前記撮像面上に配置された複数の第１の光検出セルおよび複数の第２の光検出セルを含む光検出器と、
前記光結合層および前記光検出器の間に配置された光学系と、
を備える。
【０００６】
前記複数の第１の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の透光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第１の光検出セルのうち対応する第１の光検出セル上に形成される位置に配置されている。
【０００７】
前記複数の第２の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の遮光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第２の光検出セルのうち対応する第２の光検出セル上に形成される位置に配置されている。
【０００８】
上記の包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様に係る撮像装置によれば、コヒーレンスの度合いまたは位相の状態を煩雑な操作を行うことなく、測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本検討例に係る光検出システムの模式図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、光検出装置が備える１つの透光領域に入射する散乱光の様子を示している。
【図２Ａ】図２Ａは、光が入射する方向に沿った面における光検出装置の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、光検出装置を光の入射する側から眺めた平面図である。
【図３】図３は、光検出装置の信号処理の方法を示している。
【図４Ａ】図４Ａは、透光領域、遮光領域のパターンの平面図を示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、検出器のパターンの平面図を示している。
【図４Ｃ】図４Ｃは、透光領域、遮光領域および検出器の位置関係の断面図を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、図２Ａと同じ断面図を示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図５Ｅ】図５Ｅは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図５Ｆ】図５Ｆは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図５Ｇ】図５Ｇは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図５Ｈ】図５Ｈは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ法による光強度分布の電磁解析結果を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、検討例における４つの透光領域での入射光とその下にある３つの光検出器の位置関係を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、入射光の位相ランダム係数ａおよび検出信号の関係を示す解析結果である。
【図７Ａ】図７Ａは、全体の光学配置および光線追跡の様子を示している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、光強度分布を示している。
【図７Ｃ】図７Ｃは、光路長の平均分布を示している。
【図７Ｄ】図７Ｄは、光路長の標準偏差分布を示している。
【図７Ｅ】図７Ｅは、σ0＝１８．５ｍｍの場合における検出信号の分布を示している。
【図７Ｆ】図７Ｆは、σ0＝１８．０ｍｍの場合における検出信号の分布を示している。
【図８】図８は、実施形態による光検出装置の断面構成図を示している。
【図９Ａ】図９Ａは、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計の構成を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、光検出器によって検出される光の強度を示す電気信号の時間変化の例を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、光の干渉現象を説明するための図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、波長λ0を中心に波長の広がりがゼロである光を示している。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、コヒーレンス長が無限大になることを示している。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、波長λ0を中心に波長の広がり（半値全幅）がΔλの光を示している。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、コヒーレンス長σ0がλ02／Δλになることを示している。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、中心波長λ0および波長の広がりΔλの光を、波長λ0−Δλ／２およびλ0＋Δλ／２の２つの光に置き換えて表せることを示している。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第２の従来例における光検出システムの模式的な断面図を示している。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａに示される光検出システムにおける光源の発振と光検出器からの検出信号との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施の形態を説明する前に、光の干渉性または位相を測定する従来の方法について、詳細に検討した結果を説明する。
【００１２】
図９Ａは、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００の構成を模式的に示す図である。図９Ａに示すように、光源３０から出射された光３１は、第１のレンズ光学系３５ａによって集光され平行光３２になる。なお、図では平行光３２の光軸のみを表している。この平行光３２の一部である光３２ａは、ハーフミラー３３を透過して第１の反射ミラー３４ａに向かう。第１の反射ミラー３４ａで反射された光３２ｂは、光３２ｃとしてハーフミラー３３でさらに反射されて第２のレンズ光学系３５ｂに向かう。光３２ｃは、第２のレンズ光学系３５ｂを通過し、光３２ｄとして第２のレンズ光学系３５ｂの焦平面に位置する光検出器３６に入射する。一方、平行光３２の他の一部である光３２Ａは、ハーフミラー３３で反射されて第２の反射ミラー３４Ａに向かう。第２の反射ミラー３４Ａで反射された光３２Ｂは、ハーフミラー３３に向かい、ハーフミラー３３を透過して光３２Ｃとして第２のレンズ光学系３５ｂに向かう。光３２Ｃは、第２のレンズ光学系３５ｂを通過し、光３２Ｄとして光３２ｄと重なる形で光検出器３６に入射する。光検出器３６は、光３２ｄと光３２Ｄとが干渉して生じる光を検出する。第２の反射ミラー３４Ａは、反射面の法線方向（矢印Ａ）に沿って位置が変化するように構成されている。第２の反射ミラー３４Ａの変位に伴って、光３２ｄに対する光３２Ｄの相対的な位相が変化する。
【００１３】
図９Ｂは、光検出器３６によって検出される光の強度を示す電気信号の時間変化の例を模式的に示す図である。図９Ｂは、マイケルソンの干渉計２００による光の干渉性および位相の評価方法を示している。図９Ｂにおける縦軸は、光検出器３６から出力される信号の強度を示し、横軸は時間を示している。第２の反射ミラー３４Ａの位置を時間的に変化させると、図９Ｂに示すように、信号強度はａからｂの範囲で変化する。ここで、（ｂ−ａ）／（ｂ＋ａ）の値を干渉におけるコントラストと呼ぶ。コントラストの値によって光３１の干渉性（コヒーレンス）の度合いが定義される。
【００１４】
第２の反射ミラー３４Ａを固定し、ハーフミラー３３と第１の反射ミラー３４ａとの間に透明な被写体３７を配置した場合でも、第２の反射ミラー３４Ａの位置を変化させた場合と同じ原理が成立する。すなわち、イメージセンサなどの光検出器３６から出力される信号の強度には被写体３７の形状に応じた強度差が空間的な分布として表れ、いわゆる干渉縞を形成する。その干渉縞の形状または間隔を測定することにより、被写体３７の形状または位相情報を計測できる。
【００１５】
干渉縞の空間的な分布を一度に測定するために、光検出器３６を複数の検出器の集合体として、検出器ごとに入射する光の量を検出する場合もある。複数の検出器の集合体を構成する個々の光検出器は、画素とも呼ばれる。
【００１６】
図１０は、光の干渉現象を説明するための図である。図１０は、光源３０から出射されＺ方向に伝搬する光の、ある時刻ｔ0における様子を模式的に示している。図１０に示すように、光源３０からは、波連３８ａ、３８ｂなどの複数の波連が次々に出射する。波連の長さσ0はコヒーレンス長と呼ばれる。１つの波連内では波は連続しており、波長も均一である。波連が異なると、位相の相関性は無くなる。例えば、波連３８ａでは位相δ0、波連３８ｂでは位相δ0’であり、δ0≠δ0’である。波連が異なると波長も異なる場合がある。例えば、波連３８ａでは波長λ0、波連３８ｂでは波長λ0’であり、λ0≠λ0’である。
【００１７】
まず、図９Ａに示される構成において第２の反射ミラー３４Ａの位置を調整して、図１０における波連３８ａのうちの部分３８Ａと部分３８Ａ’とを干渉させる場合を説明する。部分３８Ａ内の波と部分３８Ａ’内の波とは波長が等しく、波の位相差も時間的に安定している。したがって、干渉後の光の明暗（干渉光の振幅の大小）も時間的に安定する。つまり、図１０の左下部分に示すように、干渉光３９ａは、位相差の量（第２の反射ミラー３４Ａの変位）に応じて明るく見えたり（左下部分の上段）、暗く見えたりする（左下部分の下段）。この状態はコヒーレントと呼ばれる。
【００１８】
次に、波連３８ａの部分３８Ａと波連３８ｂの部分３８Ｂとを干渉させる場合を説明する。この場合、部分３８Ａ内の波と部分３８Ｂ内の波との波長が等しくなる保証はなく、これら２つの波の位相差も時間的にランダムに変化する。その結果、干渉後の光の明暗（干渉光の振幅の大小）は時間的にランダムに変化する。この変化は、例えばフェムト秒単位の速さである。したがって、図１０の右下部分に示すように、干渉光３９ｂは高速で明暗が繰り返され、人間の目には平均的な明るさにしか見えない。この状態はインコヒーレントと呼ばれる。レーザ光は、波連が長く、コヒーレンス長が数ｍから数百ｍ程であり、コヒーレント光の典型的な例である。一方、太陽光は、波連が短く、コヒーレンス長が１μｍ程度であり、インコヒーレントな光の典型的な例である。図９Ａのような構成で光を干渉させる場合、レーザ光のようにコヒーレンス長が長い光を使うと、同じ波連内で干渉する確率が高くなる。その結果、コントラストは向上し１に近くなる。一方、太陽光のようにコヒーレンス長が短い光を使うと、異なる波連間で干渉する確率が高くなる（すなわち、同じ波連間で干渉する確率が低くなる）。その結果、コントラストは低下し０に近くなる。
【００１９】
図１１Ａから図１１Ｅは、中心波長λ0の光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を示している。図１１Ａは、波長λ0を中心に波長の広がりがゼロである光を示している。この場合、図１１Ｂに示すように、コヒーレンス長は無限大になる。図１１Ｃは、波長λ0を中心に波長の広がり（半値全幅）がΔλの光を示している。この場合、図１１Ｄに示すように、コヒーレンス長σ0はλ02／Δλになる。縦モード幅とコヒーレンス長とはフーリエ変換の関係にある。これはウイナーヒンチンの定理と呼ばれる。この定理は次のように説明できる。
【００２０】
図１１Ｅは、中心波長λ0および波長の広がりΔλの光を、波長λ0−Δλ／２およびλ0＋Δλ／２の２つの光２７、２８に置き換えて表せることを示している。光２７と光２８とが干渉することで発生する唸りの周期はλ02／Δλである。搬送波の波長は光２７と光２８との波長の平均値λ0である。唸りの周期内では光の振動波形は均一で連続する。一方、周期を跨ぐと、異なる周期の光の振動波形は連続性が失われ、位相の相関性もなくなる。つまり、唸りの周期λ02／Δλがコヒーレンス長に相当する。太陽光がインコヒーレントであるのは、波長の広がり（縦モード幅）Δλが大きいためである。中心波長λ0を５５０ｎｍ、波長の広がりΔλを３００ｎｍとすると、コヒーレンス長σ0はλ02／Δλ＝１．０μｍとなる。
【００２１】
次に、非特許文献２に開示されている光検出システムを、第２の従来例として説明する。非特許文献２に開示されている光検出システムは、光の強度分布を光の伝搬距離ごとに測定する。
【００２２】
図１２Ａは、第２の従来例における光検出システム３００の模式的な断面図を示している。光源４２はレーザ光を出射する。図１２Ａに示すように、光源４２から出射された波長λ0の光４３は被写体４４に照射される。その結果、被写体４４の表面または内部で発生した散乱光４５ａ、４５ｂ、４５ｃは、レンズ光学系４７によって集光され、レンズ光学系４７の像面位置に像４８ｂとして結像される。像４８ｂに対応してレンズの物側には実質的な物体４８ａが存在する。像面位置には光検出器５０が配置されている。光検出器５０は複数の検出器（すなわち画素）の集合体であり、画素ごとに入射する光の光量が検出される。光源４２からの発光は、コントローラ４１によって制御される。光検出器５０によって検出された光量は検出信号として演算回路５１で処理される。コントローラ４１および演算回路５１は、コンピュータ５２によって一括して制御される。
【００２３】
図１２Ｂは、図１２Ａに示される光検出システム３００における光源４２の発振と光検出器５０からの検出信号との関係を示す説明図である。図１２Ｂにおける縦軸は光源４２の発振強度または光検出器５０の検出強度を表し、横軸は、経過時間を表している。光源４２がコントローラ４１の制御の下でパルス４３ａを発振する。このパルス４３ａによる光４３が被写体４４の内部で散乱されて光検出器５０で受光され、信号５３として検出される。信号５３の時間幅は、散乱による光路長のばらつきの影響で、元のパルス４３ａの時間幅に比べて広がる。信号５３のうち先頭の出力５３ａは、被写体４４の表面で反射された光４５ａによる信号成分である。出力５３ａの後の時間ｔ0からｔ1の間の出力５３ｂは、被写体４４の内部を散乱し散乱距離の短い光４５ｂによる信号成分である。出力５３ｂの後の時間ｔ1からｔ2の間の出力５３ｃは、散乱距離の長い光４５ｃによる信号成分である。コンピュータ５２による制御によって、演算回路５１は信号５３を時間分割し、出力５３ａ、５３ｂ、５３ｃを分離して検出できる。光は出力５３ａ、５３ｂ、５３ｃの順に被写体４４の浅い側から深い側を通過している。したがって、深さの異なる情報を分離して分析できる。
【００２４】
本願発明者の検討によれば、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００を用いて干渉性（コヒーレンス）の度合いまたは位相を測定するためには、第２の反射ミラー３４Ａからの光３２Ｂ、３２Ｃが必要である。このため、構成が複雑になる。また、干渉光路が所定の空間中に存在することから、周囲環境の変化（例えば空気対流または振動）の影響を受けやすい。
【００２５】
一方、本願発明者の検討によれば、第２の従来例である光検出システム３００では、時間分割幅に限界がある。したがって、測定の際に深さ方向の分解能を充分に確保することは困難である。例えば、時間分割幅を３００ｐｓとすると、深さ分解能は９０ｍｍ程度になる。このため、第２の従来例における光検出システム３００は、生体のような比較的小さな構造をもつ対象の診断または検査には向かない。
【００２６】
次に、本開示の実施の形態について述べる前に、従来例の課題を解決するために本願発明者が検討した形態である検討例を説明する。
【００２７】
（検討例）
図１Ａは、本検討例に係る光検出システム１００の模式図である。光検出システム１００は、光源２と、レンズ光学系７と、光検出装置１３と、制御回路１と、演算回路１４と、を備える。
【００２８】
光源２は、一定のコヒーレンス長の光３で被写体４を照射する。例えば、光源２は、コヒーレント光の代表であるレーザ光を発するレーザ光源であり得る。光源２は、一定の強度の光を連続的に発光してもよいし、単一のパルス光を発してもよい。光源２が発光する光の波長は任意である。しかし、被写体４が生体の場合、光源２の波長は、例えば略６５０ｎｍ以上略９５０ｎｍ以下に設定され得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線および紫外線についても「光」の概念に含まれるものとする。
【００２９】
レンズ光学系７は、例えば集光レンズであり、光源２が被写体４に光を照射して被写体４の表面または内部で発生した散乱光５ａ、５Ａを集光する。集光された光は、レンズ光学系７の像面位置に像８ｂとして結像される。像８ｂに対応してレンズ光学系７の物側には実質的な物体８ａが存在する。図１Ａに示す例ではレンズ光学系７は、１つのレンズを備えている。レンズ光学系７は複数のレンズの集合体であってもよい。
【００３０】
光検出装置１３は、レンズ光学系７の像面位置に配置される。光検出装置１３は、レンズ光学系７が集光した散乱光５ａ、５Ａを検出する。光検出装置１３の詳細な構造は後述する。
【００３１】
演算回路１４は、光検出装置１３が検出した信号の演算処理を行う。演算回路１４は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの画像処理回路であり得る。
【００３２】
制御回路１は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、光検出装置１３による光の検出、演算回路１４による演算処理、光源２の発光光量、点灯タイミング、連続点灯時間、発光波長、コヒーレンス長などの少なくとも１つを制御する。制御回路１は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロコンピュータなどの集積回路であり得る。制御回路１および演算回路１４は、統合された１つの回路によって実現されていてもよい。
【００３３】
なお、光検出システム１００は、演算回路１４が演算処理した結果を表示する不図示のディスプレイを備えていてもよい。
【００３４】
図１Ｂは、光検出装置１３が備える１つの透光領域９ａに入射する散乱光５の様子を示している。被写体４は散乱体である。被写体４の内部を伝搬する光線は、減衰係数μaで減衰し、散乱係数μsで散乱を繰り返す。
【００３５】
図２Ａは、光が入射する方向に沿った面における光検出装置１３の断面図である。図２Ｂは、光検出装置１３を光の入射する側から眺めた平面図（後述する遮光膜９を含むＸＹ面における平面図）である。図２Ａは、図２Ｂの破線で囲まれた領域を含むＸＺ面に平行な断面を示している。図２Ｂに示すように、図２Ａに示す断面構造を１つの単位構造として、当該単位構造がＸＹ面内で周期的に並んでいる。なお、図２Ａ、２Ｂには、説明の便宜上、直交する３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）が示されている。他の図についても同様の座標軸を用いる。
【００３６】
光検出装置１３は、光検出器１０と、光結合層１２と、遮光膜９と、をこの順に備える。図２Ａの例ではこれらがＺ方向に積層されている。図２Ａの例では、遮光膜９上に透明基板９ｂとバンドパスフィルタ９ｐと、をこの順に備えている。光検出装置１３において、複数の画素が配列された面を「撮像面」とする。
【００３７】
光検出器１０は、光検出器１０の面内方向（ＸＹ面内）に、第１の光検出セルである第１の画素１０ａ、第２の光検出セルである第２の画素１０Ａを備える。光検出器１０は、光が入射する側から、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａ、透明膜１０ｃ、配線などの金属膜１０ｄ、Ｓｉまたは有機膜などで形成される感光部を備えている。金属膜１０ｄの間にある感光部が第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａに相当する。複数のマイクロレンズ１１ａ、１１Ａは、１つのマイクロレンズが１つの画素に対向するように配置される。マイクロレンズ１１ａ、１１Ａで集光され金属膜１０ｄの隙間に入射する光が第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａで検出される。
【００３８】
光結合層１２は、光検出器１０上に配置され、光検出器１０の面直方向（Ｚ軸方向）において、第１低屈折率層である第１の透明層１２ｃ、第１高屈折率層である第２の透明層１２ｂ、および第２低屈折率層である第３の透明層１２ａをこの順に備える。第１の透明層１２ｃ、および第３の透明層１２ａは、例えばＳｉＯ2などによって形成され得る。第２の透明層１２ｂは、例えばＴａ2Ｏ5などによって形成され得る。
【００３９】
第２の透明層１２ｂは、第１の透明層１２ｃおよび第３の透明層１２ａよりも屈折率が高い。光結合層１２は、第２の透明層１２ｂと第１の透明層１２ｃとをこの順にさらに繰り返した構造を備えてもよい。図２Ａでは合計６回繰り返した構造を示している。第２の透明層１２ｂは第１の透明層１２ｃ、第３の透明層１２ａで挟まれている。したがって、第２の透明層１２ｂは導波層として機能する。第２の透明層１２ｂと、第１の透明層１２ｃ、第３の透明層１２ａとの界面に全面に渡ってピッチΛの直線グレーティングであるグレーティング１２ｄが形成される。グレーティング１２ｄの格子ベクトルは光結合層１２の面内方向（ＸＹ面）におけるＸ軸に平行である。グレーティング１２ｄのＸＺ断面形状は、積層される第２の透明層１２ｂおよび第１の透明層１２ｃにも順次転写される。第２の透明層１２ｂおよび第１の透明層１２ｃの成膜が積層方向に高い指向性を有している場合には、グレーティング１２ｄのＸＺ断面をＳ字またはＶ字状にすることで形状の転写性を維持しやすい。
【００４０】
なお、グレーティング１２ｄは、少なくとも第２の透明層１２ｂの一部に備えられていることが望ましい。第２の透明層１２ｂがグレーティング１２ｄを備えることにより、入射光が第２の透明層１２ｂを伝搬する光である導波光に結合できる。
【００４１】
光結合層１２と光検出器１０との間の隙間はできるだけ狭い方がよい。光結合層１２と光検出器１０とは密着していてもよい。光結合層１２と光検出器１０との間の隙間（マイクロレンズ１１ａ、１１Ａが配列された空間を含む）に接着剤などの透明媒質を充填してもよい。透明媒質を充填する場合、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａによるレンズ効果を得るために、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａの構成材料には、充填される透明媒質よりも充分大きな屈折率をもつ材料が使用される。
【００４２】
遮光膜９は、複数の遮光領域９Ａと複数の透光領域９ａとが２次元的に配列された構造を有する。図２Ａの例では、後述する透明基板９ｂ上に、例えばアルミニウム（Ａｌ）などから形成される金属反射膜がパターニングされることによって遮光領域９Ａおよび透光領域９ａが形成されている。
【００４３】
図２Ａにおける透光領域９ａは、図２Ｂにおける透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４などに対応する。図２Ａにおける遮光領域９Ａは、図２Ｂにおける遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４などに対応する。つまり、遮光膜９は、遮光膜９の面内方向（ＸＹ面内）に配列された複数の遮光領域９Ａと複数の透光領域９ａとを有する。複数の遮光領域９Ａは、複数の第２の画素１０Ａにそれぞれ対向する。複数の透光領域９ａは、複数の第１の画素１０ａにそれぞれ対向する。本明細書において、第１の画素１０ａの集合体を「第１の画素群」、第２の画素１０Ａの集合体を「第２の画素群」と呼ぶことがある。
【００４４】
本開示では、複数の第１の画素１０ａの各々は、複数の透光領域９ａの１つに対向している。同様に、複数の第２の画素１０Ａの各々は、複数の遮光領域９Ａの１つに対向している。
【００４５】
なお、１つの透光領域に２つ以上の第１の画素１０ａが対向していてもよい。同様に、１つの遮光領域に２つ以上の第２の画素１０Ａが対向していてもよい。本開示は、そのような形態も含む。
【００４６】
図２Ｂに示す例では、複数の遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４は、チェッカーパターンを形成する。これらの遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４はチェッカーパターン以外のパターンを形成してもよい。
【００４７】
透明基板９ｂは遮光膜９の光入射側に配置されている。透明基板９ｂは、例えばＳｉＯ2などの材料によって形成され得る。バンドパスフィルタ９ｐは、透明基板９ｂの光入射側に配置されている。バンドパスフィルタ９ｐは、入射する光５のうち、波長λ0近傍の光のみを選択的に透過させる。
【００４８】
光検出装置１３に入射する光５は、バンドパスフィルタ９ｐおよび透明基板９ｂを経て、光６Ａ、６ａとして反射膜の形成された遮光領域９Ａおよび反射膜の除去された透光領域９ａに至る。光６Ａは遮光領域９Ａで遮光される。光６ａは透光領域９ａを透過し、光結合層１２に入射する。光結合層１２に入射した光６ａは、第３の透明層１２ａを経て、第２の透明層１２ｂに入射する。第２の透明層１２ｂの上下の界面にはグレーティングが形成されている。以下の（式１）を満たせば、導波光６ｂが発生する。
ｓｉｎθ＝Ｎ−λ0／Λ        （式１）
【００４９】
ここで、Ｎは導波光６ｂの実効屈折率である。θは入射面（ＸＹ面）の法線に対する入射角度である。図２Ａでは光が入射面に垂直に入射している（θ＝０o）。この場合、導波光６ｂはＸＹ面内をＸ方向に伝搬する。すなわち、透光領域９ａを経て光結合層１２に入射した光は、Ｘ方向に隣接する遮光領域９Ａの方向に導波される。
【００５０】
第２の透明層１２ｂを透過して下層に入射する光の成分は、下層側にある全ての第２の透明層１２ｂに入射する。これによって、（式１）と同じ条件で導波光６ｃが発生する。導波光は、全ての第２の透明層１２ｂで発生するが、図２Ａには、２つの層で発生する導波光のみを代表して示している。下層側で発生する導波光６ｃも同様にＸＹ面内をＸ方向に伝搬する。導波光６ｂ、６ｃは、導波面（ＸＹ面）の法線に対して角度θ（図２Ａの例ではθ＝０o）で上下方向に光を放射しながら伝搬する。その放射光６Ｂ１、６Ｃ１は、遮光領域９Ａの直下では上方（反射膜側）に向かう成分が遮光領域９Ａで反射し、反射面（ＸＹ面）の法線に沿って下方に向かう光６Ｂ２となる。光６Ｂ１、６Ｃ１、６Ｂ２は、第２の透明層１２ｂに対し（式１）を満たしている。したがって、その一部が再び導波光６ｂ、６ｃとなる。この導波光６ｂ、６ｃも新たな放射光６Ｂ１、６Ｃ１を生成する。これらの過程が繰り返される。全体として、透光領域９ａの直下では、導波光にならなかった成分が光結合層１２を透過し、透過光６ｄとしてマイクロレンズ１１ａに入射する。その結果、導波光にならなかった成分は第１の画素１０ａで検出される。実際には、導波の後に最終的に放射された成分も、導波光にならなかった成分に加わる。しかし、本明細書では、そのような成分も、導波光にならなかった成分として扱う。遮光領域９Ａの直下では、導波光になった成分が放射され、放射光６Ｄとしてマイクロレンズ１１Ａに入射する。その結果、導波光になった成分は第２の画素１０Ａによって検出される。
【００５１】
透光領域９ａを通じて、光は直下の画素と左右の（すなわちＸ方向に隣接する）画素に分岐し、それぞれ検出される。
【００５２】
図２Ｂに示される透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４に対向する第１の画素１０ａでの各検出光量をそれぞれｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４とする。図２Ｂに示される遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４に対向する第２の画素１０Ａでの各検出光量をそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とする。ｑ１からｑ４は、導波光にならなかった光の検出光量を表している。Ｑ１からＱ４は、導波光になった光の検出光量を表している。透光領域９ａ１の直下の第１の画素１０ａでは導波光になった光の光量が検出されない。一方、遮光領域９Ａ２の直下の第２の画素１０Ａでは導波光にならなかった光の光量が検出されない。
【００５３】
ここで、透光領域９ａ１の直下の検出位置で、導波光になった光の検出光量Ｑ０＝（Ｑ１＋Ｑ２）／２（またはＱ０＝（Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４）／４）を定義する。同様に、遮光領域９Ａ２の直下の検出位置で、導波光にならなかった光の検出光量ｑ０＝（ｑ１＋ｑ２）／２（またはｑ０＝（ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４）／４）を定義する。すなわち、ある領域（遮光領域または透光領域）において、当該領域を中心としてＸ方向および／またはＹ方向に隣接する領域の直下の画素で検出される光量の平均値を定義する。
【００５４】
この定義を全ての領域に適用することで、光検出器１０を構成する全ての画素で、導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量とを定義できる。
【００５５】
演算回路１４は、上記のような定義のもとに、補間された、導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量とを用いて、コヒーレンスの度合いの分布を示す光学的分布画像を生成するなどの演算処理を行う。演算回路１４は、これら２つの検出光量の比の値（またはこれらの光量和に対する各光量の比の値）を画素ごとに算出した値を各画素に割り当てることにより、光学的分布画像を生成する。
【００５６】
図３は、光検出装置１３の信号処理の方法を示している。図３では、グレーティングの格子ベクトルに沿って、第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａを含む８つの画素が並んでいる。第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａはそれぞれ透光領域９ａ、遮光領域９Ａに対向している。８つの画素で検出される信号をｐ0,k-4、ｐ1,k-3、ｐ0,k-2、ｐ1,k-1、ｐ0,k、ｐ1,k+1、ｐ0,k+2、ｐ1,k+3とする。例えば、信号ｐ0,kを検出する画素の左右にある画素で検出される信号ｐ1,k-1と信号ｐ1,k+1の平均値（ｐ1,k-1＋ｐ1,k+1）／２を補間値ｐ1,kとして定義する。同様に、信号ｐ1,k-1を検出する画素の左右にある画素で検出される信号ｐ0,k-2と信号ｐ0,kの平均値（ｐ0,k-2＋ｐ0,k）／２を補間値ｐ0,k-1として定義する。信号ｐ0,kおよび補間値ｐ1,kから、Ｐ０変調度ｐ0,k／（ｐ0,k＋ｐ1,k）またはＰ１変調度ｐ1,k／（ｐ0,k＋ｐ1,k）が算出される。検討例ではこれらの変調度を検出信号として利用する。
【００５７】
図４Ａは、透光領域９ａ、遮光領域９Ａのパターンの平面図を示している。図４Ｂは、第１の画素１０ａ，第２の画素１０Ａのパターンの平面図を示している。図４Ｃは、透光領域９ａ、遮光領域９Ａおよび第１の画素１０ａ，第２の画素１０Ａの位置関係の断面図を示している。第１の画素１０ａ，第２の画素１０Ａはそれぞれ透光領域９ａ、遮光領域９Ａの直下に位置する。一般に透光領域９ａの直下の検出領域をＰ０、遮光領域９Ａの直下の検出領域をＰ１とすると、Ｐ０、Ｐ１はそれぞれＷ×Ｗのサイズのチェッカーパターンを形成する。実線の画素領域１３ａにはＰ０、Ｐ１が１つずつ含まれる。破線の画素領域１３ｂにもＰ０、Ｐ１が１つずつ含まれる。画素領域をＸＹ面内で遮光幅（＝Ｗ）の分だけどのようにずらしても、位置関係の入れ替えはあるがＰ０、Ｐ１は必ず１つずつ含まれる。前述したように、検出光量はｑ０、Ｑ０の式で補間処理される。解像度が画素サイズで決まるとすれば、解像度は画素領域１３ａ，１３ｂのサイズである２Ｗ×Ｗとなる。しかし、画素をＸＹ面内のどの方向に幅Ｗだけ動かしても同じ補間処理が成り立つ。したがって、補間処理後の解像度はＷ×Ｗまで改善する。
【００５８】
１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出器１０に受光される様子を説明する。
【００５９】
図５Ａは、図２Ａと同じ断面図を示している。図５Ｂから図５Ｈは、図５Ａに対応して描いたＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法による光強度分布の電磁解析結果を、経過時間順に並べた図である。透光領域９ａ、遮光領域９ＡのＸ方向の幅Ｗを５．６μｍ、グレーティングのピッチを０．４６μｍ、グレーティングのＺ方向の深さを０．２μｍ、第２の透明層をＴａ2Ｏ5膜とし、そのＺ方向の厚みｔ1を０．３４μｍ、第１の透明層をＳｉＯ2膜とし、そのＺ方向の厚みｔ2を０．２２μｍとした。
【００６０】
図５Ｂでは半値幅１１ｆｓ（伝搬距離に換算して３．３μｍ）でパルス発振した波長λ0＝８５０ｎｍのＳ偏光の光６ａが透光領域９ａを透過している。図５Ｃでは光６ａの発振が終わる一方、積層された第２の透明層１２ｂ内を伝搬する導波光６ｂ、６ｃが発生し、導波光にならなかった成分はそのまま光結合層１２を透過しマイクロレンズ１１ａに光６ｄとして入射する。図５Ｄでは導波光６ｂ、６ｃが上下に光６Ｂ１、６Ｃ１を放射しながら遮光領域９Ａの下まで伝搬する。一方、透過光６ｄはマイクロレンズ１１ａによって第１の画素１０ａの上まで集光する。図５Ｅでは透過光６ｄが第１の画素１０ａに入射する。一方、放射光６Ｂ１、６Ｃ１および反射光６Ｂ２は放射光６Ｄを形成しマイクロレンズ１１Ａに入射し、集光する。図５Ｆから図５Ｈでは透過光６ｄおよび放射光６Ｄが集光しながらそれぞれ第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａに入射している。
【００６１】
なお、図５Ｅから図５Ｈで分かるように、導波光６ｂ、６ｃは遮光領域９Ａの下の範囲で放射されきれない。その結果、一部が導波光の状態で隣接する右側の透光領域９ａの範囲に到達してしまう。放射損失係数（導波光の放射されやすさ）はグレーティングの深さを深くすると大きくなる。したがって、遮光領域９Ａの下の領域でのグレーティングの深さを深くすれば放射光量が増え検出光量をより大きくできる。
【００６２】
図６Ａは、検討例における４つの透光領域９ａでの入射光とその下にある３つの画素の位置関係を示す断面図である。４つの透光領域９ａには位相がランダムに異なる光が入射する。図６Ａにおいて、ωは光の角周波数（ω＝２πｃ／λ0、ｃは光速）、ｔは時間、ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４はランダム関数（０から１の間でランダムな値をとる関数）、ａはランダム係数（ランダム値の振幅）を表している。
【００６３】
図６Ｂは、入射光の位相ランダム係数ａおよび検出信号の関係を示す解析結果である。４つの透光領域９ａの中間にある遮光領域９Ａの直下の画素を第２の画素１０Ａ、その両隣にある透光領域９ａの直下の画素を第１の１０ａ，１０ａ’とする。それらの検出光量をそれぞれＰ１、Ｐ０，Ｐ０’とし、検出信号を２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）で定義する。図６Ｂにおいて、菱形マークはＴＥモード入射（Ｓ偏光）、四角マークはＴＭモード入射（Ｐ偏光）、三角マークはＴＥＭモード入射（ランダム偏光、または円偏光、または４５度方向の偏光）の条件での解析結果を示している。ＴＥモード入射およびＴＥＭモード入射の条件では、係数ａの増大にしたがって、検出信号が低下する。ａ＝０はコヒーレントで位相が揃っている場合に相当する。ａ＝１はインコヒーレントな状態に相当する。したがって、検出信号の大きさから、入射光のコヒーレンスの度合い（位相のランダム性）を知ることができる。同様に、検出信号の大きさから、入射する光の位相の差異も計測できる。
【００６４】
次に、被写体として人体頭部を想定し、モンテカルロ法による光線追跡的手法で計算した結果を以下に示す。
【００６５】
図７Ａは、本解析における光学配置および光線追跡の様子を示している。図７Ｂから図７Ｄは、検出位置での映像８ｂを２０×２０の領域に分けて分析した結果を示している。図７Ｂは光強度分布を、図７Ｃは光路長の平均分布を、図７Ｄは光路長の標準偏差分布を示している。図７Ａに示すように、人体頭部は、頭皮４ａ、頭骨４ｂ，脳脊髄液（ｃｅｒｅｂｒｏｓｐｉｎａｌ  ｆｌｕｉｄ：ＣＳＦ）層４ｃ，血液層４ｅ、および灰白質４ｄを含む。それぞれの吸収係数（１／ｍｍ）、散乱係数（１／ｍｍ）、異方性散乱パラメータ、膜厚（ｍｍ）を表１に示す。血液層４ｅは、酸化ヘモグロビン層と還元ヘモグロビン層を、紙面を境に面法線方向に並ぶように配置されている。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
解析領域はＸＹ方向に６０ｍｍ×６０ｍｍ、Ｚ方向に２２ｍｍである。この領域を超えて伝搬する光線は計算から除外した。人体頭部に入射する光３は、頭皮４ａの表面の中心（Ｘ＝Ｙ＝０）から−Ｘ方向に１５ｍｍずれた位置を中心に、Ｘ方向、Ｙ方向に５ｍｍずつ隔てた３×３の９箇所の位置に垂直に入射する光を想定した。検出において、頭皮４ａの表面から１０００ｍｍだけ離れた位置にレンズ光学系７である集光レンズを設置した。物体側の開口数（ｓｉｎα）をＮＡ＝０．１として取り込まれる光線から、像面位置の像８ｂを算出した。図７Ｂから図７Ｄに示す散乱光の検出領域は、頭皮４ａの表面の中心（Ｘ＝Ｙ＝０）から＋Ｘ方向に１５ｍｍずれた位置を中心に、Ｘ方向、Ｙ方向に幅０．８ｍｍの範囲内である。図７Ｂでは、白いほど強度が大きい。図７Ｃおよび図７Ｄでは、白いほど値が大きい。Ｙ＞０の領域は、酸化ヘモグロビン層に相当し、Ｙ＜０の領域は、還元ヘモグロビン層に相当する。図７Ｂから図７Ｄのいずれにおいても、酸化ヘモグロビン層と還元ヘモグロビン層との間で微弱な差が存在する。画像は集光レンズによって反転するので、画像中の酸化ヘモグロビン層および還元ヘモグロビン層の位置は、現実の位置とは逆転する。
【００６８】
光源２はコヒーレンス長σ0の光を発振するとする。光路長の標準偏差がコヒーレンス長σ0以下であれば、受光される光は同じ波連内にある可能性が高く、位相の相関性は高い。このとき、受光される光は明るい箇所と暗い箇所とが入り乱れて現れる。一方、光路長の標準偏差がσ0以上であれば、受光される光の波連が異なる可能性が高く、位相の相関性は無くなる（図１０参照）。このとき、受光される光は場所に寄らず均一な明るさになる。図６Ｂで説明したように、入射光のコヒーレンスの度合いは検出信号２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）に関係する。したがって、検出信号の大きさに基づいて、入射光の標準偏差がコヒーレンス長σ0以上であるか否かを判定できる。
【００６９】
図７Ｅは、σ0＝１８．５ｍｍの場合における検出信号の分布の例を示している。図７Ｆは、σ0＝１８．０ｍｍの場合における検出信号の分布の例を示している。図中の黒い領域は、検出信号が一律に小さい領域を表している。図７Ｅに示すσ0＝１８．５ｍｍの例では、光路長の標準偏差が１８．５ｍｍを超える領域で検出信号は小さくなる（図７Ｅの黒い領域）。一方、図７Ｆに示すσ0＝１８．０ｍｍの例では、図７Ｅに示す例に比べて検出信号が小さい領域は広い。図７Ｅおよび図７Ｆにおいて、黒い領域以外の領域では、位置に応じて検出信号の大小が不規則に変わる。コヒーレンス長σ0をパラメータにして、黒い領域を分析することで、被写体内部の散乱の様子を知ることができる。
【００７０】
コヒーレンス長を可変にする光源として、高周波重畳半導体レーザ、またはレーザの波長を数ｎｍから数十ｎｍの範囲で周期的にスイープさせるスイープ光源が実用化レベルにある。例えば、高周波重畳回路（一般には３００ＭＨＺの周波数）で駆動される半導体レーザは０．１ｍｍから０．２ｍｍの範囲のコヒーレンス長で発振する。そのとき、重畳回路の周波数または振幅などを変える（例えば周波数を小さくする）ことで０．２ｍｍから数十ｍｍの範囲でコヒーレンス長を変えることができる。高周波重畳回路をＤＦＢレーザなどと組み合わせることで、可変範囲を変えることができる。スイープ光源では波長変動幅または周期周波数などを変えることで０．３ｍｍから数十ｍｍの範囲でコヒーレンス長を変えることができる。ただし、スイープ光源を使う場合は光結合層１２に入射する光の波長を限定するために、場合によりバンドパスフィルタ９ｐが用いられる。またＬＥＤなどの線幅の広い光源と狭帯域のバンドパスフィルタとを組み合わせて、所望のコヒーレンス長を得ることもできる。光源に波長の異なる２つ以上の光源を使ってもよい。これらの光が被写体内を散乱し、透光領域９ａに入射するとき、図１１Ｅで説明した原理で唸りが発生する。その結果、２つの光源から出射される光の波長差に応じてコヒーレンス長が短くなる。ただし、この場合でも、光結合層１２に入射する光の波長を限定するために、場合によりバンドパスフィルタ９ｐが用いられる。波長の異なる光源を使う場合、光源の発光強度比を変化させる操作と連動させてもよい。
【００７１】
このように本検討例の光検出システム１００を用いることにより、図７Ａで示した被写体において、頭骨４ｂの奥にある酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの分布差が電気信号の出力差として検出できる。この方法では、図１２Ａおよび図１２Ｂで示した光強度分布像を検出する方法（第２の従来例）に比べ時間分割の必要がないので、計測を大幅に簡素化できる。また光源のコヒーレンス長を変えるだけで被写体内部の散乱の様子を比較および分析できるため、計測の分解能を高めることができる。
【００７２】
本検討例の光検出装置では、第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａがそれぞれ透光領域９ａ、遮光領域９Ａの直下に設置されるように、遮光膜９と光検出器１０とを正確に位置合わせしている。
【００７３】
そこで、本願発明者は、遮光膜と光検出器とを正確に位置合わせすることが不要な新規な光検出装置を想到した。
【００７４】
本開示の一態様に係る光検出装置は、
複数の透光領域および複数の遮光領域が少なくとも第１の方向に交互に配置されている遮光膜と、
前記遮光膜に対向する光結合層であって、前記複数の透光領域に所定の波長の入射光が入射したときに、前記入射光の一部を前記第１の方向に伝搬させ、前記入射光の他の一部を透過させるグレーティングを含む光結合層と、
撮像面を有し、前記撮像面上に配置された複数の第１の光検出セルおよび複数の第２の光検出セルを含む光検出器と、
前記光結合層および前記光検出器の間に配置された光学系と、
を備える。
【００７５】
前記複数の第１の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の透光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第１の光検出セルのうち対応する第１の光検出セル上に形成される位置に配置されている。
【００７６】
前記複数の第２の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の遮光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第２の光検出セルのうち対応する第２の光検出セル上に形成される位置に配置されている。
【００７７】
このような構成により、光検出器の画素を、遮光膜の透光領域、遮光領域に正確に位置合わせする必要がなくなる。
【００７８】
以下、本開示のより具体的な実施の形態を説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００７９】
（実施形態）
本実施の形態は、光検出装置１３における光結合層１２と光検出器１０との間にレンズ光学系１７が介在する点で、図１Ａおよび図２Ａに示す検討例に係る光検出システム１００と異なる。その他の構成は光検出システム１００と同じであるため、共通する要素には同じ番号を振り、詳しい説明は省略する。以下では、レンズ光学系１７を単一のレンズとして説明する。しかし、レンズ光学系１７は複数枚のレンズで構成されてもよい。
【００８０】
図８は、実施形態による光検出装置１３０の断面構成図を示している。光検出装置１３０は、遮光膜９、光結合層１２、レンズ光学系１７、及び光検出器１０を備える。遮光膜９、光結合層１２、及び光検出器１０のそれぞれの構成は、図２Ａに示す光検出システム１００の光検出装置１３と同じであるので説明を省略する。
【００８１】
光結合層１２と光検出器１０との間に、レンズ光学系１７が配置されている。
【００８２】
光結合層１２を通過した透過光６ｄおよび放射光６Ｄは、全体として１つの光強度分布１６ａを形成する。この光強度分布１６ａは、単一のレンズであるレンズ光学系１７を通して拡大または縮小され、倒立像（フーリエ変換像）である光強度分布１６ｂとして光検出器１０上に結像される。光強度分布１６ｂは、第１の画素１０ａ及び第２の画素１０Ａにより検出される。なお、図８では、例として、レンズ光学系１７を通して光強度分布１６ａが拡大される例を示す。光強度分布１６ａ、１６ｂはそれぞれレンズ光学系１７の物点、像点に位置する。レンズ光学系１７の拡大率または縮小率が大きく、光検出器の解像度が十分であれば、光検出器１０は透過光６ｄと放射光６Ｄとを分別して検出できる。したがって、本実施形態に係る光検出装置１３０は、検討例に係る光検出装置１３と同じ効果を奏する。それに加えて、本実施形態に係る光検出装置１３０は、光検出器の第１の画素１０ａ、第２の画素１０Ａを、遮光膜９の透光領域９ａ、遮光領域９Ａの直下に正確に位置合わせすることが不要となる効果が得られる。また、検討例に係る光検出装置１３では、透光領域９ａ、遮光領域９Ａのサイズを光検出器１０の画素サイズ（または画素サイズの整数倍）に揃える必要があった。それに対して、本実施形態に係る光検出装置１３０では、レンズ光学系１７の拡大率または縮小率を変えることによって任意の画素サイズの光検出器１０を用いることができる。
【００８３】
本実施形態では、複数の第１の画素１０ａは、光結合層１２において複数の透光領域９ａの各々に対向する部分を透過した光の像が、レンズ光学系１７によって拡大または縮小されて、対応する第１の画素１０ａ上に形成されるように配置されている。同様に、複数の第２の画素１０Ａは、光結合層１２において複数の遮光領域９Ａの各々に対向する部分を透過した光の像が、レンズ光学系１７によって拡大または縮小されて、対応する第２の画素１０Ａ上に形成されるように配置されている。
【００８４】
さらに、本実施形態に係る光検出装置１３０を、図１２Ｂで示した時間分割検出法と組み合わせて用いてもよい。このようにすると、時間分割して取り込んだ信号をコヒーレンスの状態の観点で分析でき、被写体内部の散乱の様子をより詳しく分析できる。
【００８５】
以上のように、本開示は、以下の項目に記載の光検出装置を含む。
【００８６】
［項目１］
本開示の項目１に係る光検出装置は、
複数の透光領域および複数の遮光領域が少なくとも第１の方向に交互に配置されている遮光膜と、
前記遮光膜に対向する光結合層であって、前記複数の透光領域に所定の波長の入射光が入射したときに、前記入射光の一部を前記第１の方向に伝搬させ、前記入射光の他の一部を透過させるグレーティングを含む光結合層と、
撮像面を有し、前記撮像面上に配置された複数の第１の光検出セルおよび複数の第２の光検出セルを含む光検出器と、
前記光結合層および前記光検出器の間に配置された光学系と、
を備え、
前記複数の第１の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の透光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第１の光検出セルのうち対応する第１の光検出セル上に形成される位置に配置され、
前記複数の第２の光検出セルは、前記光結合層において前記複数の遮光領域の各々に対向する部分を透過した光の像が、前記光学系によって拡大または縮小されて、前記複数の第２の光検出セルのうち対応する第２の光検出セル上に形成される位置に配置されている。
【００８７】
［項目２］
項目１に記載の光検出装置において、
前記光結合層は、
第１低屈折率層、
前記第１低屈折率層上に配置され、前記グレーティングを含む第１高屈折率層、および
前記第１高屈折率層上に配置された第２低屈折率層をさらに含み、
前記第１高屈折率層は前記第１低屈折率層および前記第２低屈折率層よりも高い屈折率を有していてもよい。
【００８８】
［項目３］
項目１または２に記載の光検出装置において、
前記光検出器は、
各々が前記複数の第１の光検出セルのうちの対応する第１の光検出セル上に配置された複数の第１マイクロレンズと、
各々が前記複数の第２光検出セルのうちの対応する第２光検出セル上に配置された複数の第２マイクロレンズと、をさらに含んでいてもよい。
【００８９】
［項目４］
項目１から３のいずれかに記載の光検出装置は、
前記複数の第１の光検出セルから得られる複数の第１の信号と、前記複数の第２の光検出セルから得られる複数の第２の信号とに基づいて、前記複数の第１の光検出セルおよび前記複数の第２の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号を出力する演算回路をさらに備えていてもよい。
【００９０】
［項目５］
項目４に記載の光検出装置において、
前記複数の第１の光検出セルの各々から得られる信号をＰ0とし、
前記複数の第２の光検出セルの各々から得られる信号をＰ1とし、
前記複数の第２の光検出セルのうち、前記複数の第１の光検出セルの各々に対して前記第１の方向および前記第１の方向の反対方向において隣接する２つの第２の光検出セルから得られる２つの信号の平均値をＰ1’とし、
前記複数の第１の光検出セルのうち、前記複数の第２の光検出セルの各々に対して前記第１の方向および前記第１の方向の反対方向において隣接する２つの第１の光検出セルから得られる２つの信号の平均値をＰ0’とするとき、
前記演算回路は、
Ｐ1’／（Ｐ0＋Ｐ1’）またはＰ1’／Ｐ0の演算によって得られる信号を、前記複数の第１の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号として生成し、
Ｐ1／（Ｐ0’＋Ｐ1）またはＰ1／Ｐ0’の演算によって得られる信号を、前記複数の第２の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号として生成してもよい。
【００９１】
［項目６］
本開示の項目６に係るプログラムは、
項目１から５のいずれかに記載の光検出装置
における前記光検出器から出力される複数の信号を処理するプログラムであって、プロセッサに、
前記複数の第１の光検出セルから得られる複数の第１の信号と、前記複数の第２の光検出セルから得られる複数の第２の信号とに基づいて、前記複数の第１の光検出セルおよび前記複数の第２の光検出セルの各々の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号を出力させる。  本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。  ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【００９２】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインタフェース、を備えていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本開示は、被写体からの光のコヒーレンスおよび／または位相の状態を面内の分布情報として検出できる光検出方法などとして利用できる。例えば、脳血流量などの生体情報の測定に利用することができる。また、光強度分布の情報、時間分割検出法、コヒーレンス長可変の光源などと組み合わせることで、被写体内部の情報を高精度、高解像に分析し得る。特にこれまで光強度分布の分析しかなかった撮像技術に、コヒーレンスの状態および／または位相という新しい評価軸が加わることで、イメージング技術に多機能性を提供し得る。
【符号の説明】
【００９４】
１００        光検出システム
１        制御回路
２        光源
３        光
４        被写体
５、５ａ、５Ａ    散乱光
７、１７      レンズ光学系
８ａ    実質的な物体
８ｂ    像
９      遮光膜
９ａ    透光領域
９Ａ    遮光領域
１０    光検出層
１１ａ，１１Ａ    マイクロレンズ
１２    光結合層
１３    光検出装置
１４    演算回路
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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