(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光素子を有する受光素子群において、検出されかつＴの周期を有する変調光のＳＮ比を向上する方法であって、
（ａ）前記変調光を複数の受光素子で受ける工程と、
（ｂ）前記受光素子において発生する電荷を、第１期間、第１電荷保持部で保持する工程と、
（ｃ）前記第１期間の終了後の第２期間、前記受光素子において発生する電荷を第２電荷保持部で保持する工程と、
（ｄ）前記第１期間と前記第２期間との組を少なくとも１回以上含む前期期間の間に前記第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１１を検出するとともに、前記前期期間の間に前記第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２１を検出する工程と、
（ｅ）前記前期期間の終了後、前記第１期間の位相と前記変調光の位相を相対的に所定量移相させて、前記第１期間と前記第２期間との組を少なくとも１回以上含む後期期間の間に前記第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１２を検出するとともに、前記後期期間の間に前記第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２２を検出する工程と、
（ｆ）{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値}を算出する工程と、を有し、
前記前期期間及び前記後期期間が変調光の周期Ｔ×ｎを含み（ｎは１以上の整数）、前記第１期間と前記第２期間は、それぞれＴ／２以下である方法。
【請求項２】
前記所定量の移相がｍ×Ｔ±Ｔ／２の移相（ｍは整数）である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記前期期間及び前記後期期間が変調光の周期Ｔ×ｎを含み、ｎは２以上の整数の場合において、前記第１期間及び前記第２期間が間欠的な期間であり、前記第１期間及び前記第２期間の両方が前記前期期間及び前記後期期間において（ｎ−１）回以下である請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｑ１１とＱ１２の差分値及び前記Ｑ２１とＱ２２の差分値が、それぞれ前記第１期間と前記第２期間の一組の間での差分値を積分したものである請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
電気光学変調素子、電界吸収変調素子、又は空間光変調素子により移相を行う請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値}を前記受光素子群に直接又は間接的に接続される積分回路で処理する請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調光検出のＳＮ比を向上する方法、特に、誘導ラマン散乱イメージングのＳＮ比を向上する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体又は生体試料においてタンパク質等の分布を３次元で蛍光観察する手法が盛んに行われている。蛍光観察を行うには、標本固定、切片化、免疫化学染色等の工程や、蛍光タンパク質発現の遺伝子改変を行う必要があり、蛍光染色される生体や生体試料も制限されている。
【０００３】
そこで、これに代わる手段として、生体内又は生体試料の対象物を無染色で観察可能な誘導ラマン散乱を利用した顕微鏡が提案されている（特許文献１）。
この誘導ラマン散乱を利用した顕微鏡は、例えば波長の異なる２つの光波を対象物の同一部分に同時に入射させ、この２つの光波の周波数差が対象物を構成する物質の分子振動数に一致することによって生じる誘導ラマン散乱効果を検出することにより対象物中の状態を３次元的に観測するものである。この誘導ラマン散乱顕微鏡を用いれば、対象物に対する蛍光染色を行わなくても観察が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１３６８９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８５９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
誘導ラマン散乱では、一方の光を変調し、他方の光に現れる変調成分を検出する。このとき、他方の光に現れる変調成分は、一方の光を変調していない（あるいは、一方の光を入射していないときの）光の強度に比べて１０-4から１０-5と非常に小さい。このため、他方の光の元々の光がバックグラウンド光となり、大きなバックグラウンド光が重畳した状態で、小さな変調成分を検出する必要がある。
【０００６】
これに対し、本発明者は、誘導ラマン散乱顕微鏡から得られる信号を精度良く検出する特定の画像回路や撮像素子を作製している（特許文献２）。この特許文献２では、電荷振り分け部と、ローパスフィルタと、サンプリング回路と、積分回路とを備える画像回路が開示されている。しかしながら、バックグラウンド光が大きい場合やバックグラウンド光が変化する場合には、微弱な信号はバックグラウンド光の影響を受けて検出し難くなる為、バックグラウンド光による影響をさらに低減する必要がある。例えば、電荷振り分けやその後の回路の不均一性や、入力光と出力信号の間に非線形性がある場合、回路の不均一性や非線形性による影響が１％であり、バックグラウンド光が１％変動すると、画像回路からの出力は、バックグラウンド光に換算して１０-4変動してしまう。このため、バックグラウンド光に対して変調成分が１０-5であると、変調成分に対して１０倍ものバックグラウンド光による影響が現れてしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、バックグラウンド光による影響を受けずに、変調光検出のＳＮ比を向上する方法を提供することを目的として掲げた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、検出されかつＴの周期を有する変調光のＳＮ比を向上する方法において、第１電荷保持部と第２電荷保持部を備える受光素子に、変調光と、相対的に所定量移相した変調光とを検出する際、変調光入射時の第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれで得られる電荷差分値と、移相変調光入射時の第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれで得られる電荷差分値との差分を取ることにより、バックグラウンド光による影響に相当する電荷量を相殺すると共に、変調分に相当する電荷量を増幅し、結果としてＳＮ比が向上することを見出し、本発明を完成した。
【０００９】
また、本発明者らは、第１電荷保持部と第２電荷保持部を備える受光素子で変調光を受光する際、第１期間の第１電荷保持部（及び第２期間の第２電荷保持部）それぞれで得られる電荷の差分値と、移相後の第１期間の第１電荷保持部（及び移相後の第１期間に連動して移相される第２期間の第２電荷保持部）それぞれで得られる電荷の差分値との差分を取ることによっても、バックグラウンド光による影響に相当する電荷量を相殺すると共に、変調分に相当する電荷量を増幅し、結果としてＳＮ比が向上することを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、上記目的を達成し得た本発明の方法とは、複数の受光素子を有する受光素子群において、検出されかつＴの周期を有する変調光のＳＮ比を向上する方法であって、（ａ）前記変調光を複数の受光素子で受ける工程と、（ｂ）前記受光素子において発生する電荷を、第１期間、第１電荷保持部で保持する工程と、（ｃ）前記第１期間の終了後の第２期間、前記受光素子において発生する電荷を第２電荷保持部で保持する工程と、（ｄ）前記第１期間と前記第２期間との組を少なくとも１回以上含む前期期間の間に前記第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１１を検出するとともに、前記前期期間の間に前記第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２１を検出する工程と、（ｅ）前記前期期間の終了後、前記第１期間の位相と前記変調光の位相を相対的に所定量移相させて、前記第１期間と前記第２期間との組を少なくとも１回以上含む後期期間の間に前記第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１２を検出するとともに、前記後期期間の間に前記第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２２を検出する工程と、（ｆ）{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値}を算出する工程と、を有し、前記前期期間及び前記後期期間が変調光の周期Ｔ×ｎを含み（ｎは１以上の整数）、前記第１期間及び前記第２期間が、それぞれＴ／２以下である。
この方法により、バックグラウンド光による影響に相当する電荷量は相殺され、しかも変調分に相当する電荷量は増幅されることになり、結果としてＳＮ比を向上することができる。
【００１１】
本発明において、所定量の移相はｍ×Ｔ±Ｔ/２の移相（ｍは整数）であることが好ましく、電気光学変調素子、電界吸収変調素子、又は空間光変調素子により移相を行うことも好ましい。これにより、移相前の第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれから求められる電荷差分値と、移相後の第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれから求められる電荷差分値とを組とし、この組の間で電荷差分値の差分をとると、特にバックグラウンド光による影響に相当する電荷量を相殺できる。
【００１２】
前記前期期間及び前記後期期間が変調光の周期Ｔ×ｎを含み、ｎは２以上の整数の場合において、前記第１期間及び前記第２期間が間欠的な期間であり、前記第１期間及び前記第２期間の両方が前記前期期間及び前記後期期間において（ｎ−１）回以下であることが好ましい。第１期間と第２期間を間欠的な期間とすると共に、それぞれ同一回数とすることにより、前期期間と後期期間との間で電荷量を差分できる。
本明細書において、「間欠的」は、第１期間及び第２期間の一方又は両方にこれらとは異なる第３期間（例えば電荷振り分け停止期間）が設けられる場合や第３期間が設けられない場合に、第１期間及び／又は第２期間が、一定の時間を隔てて繰り返されることを意味する。
具体的に、第３期間が設けられる場合、第３期間は、第１期間と次の第１期間の間に設けられるか、第２期間と次の第２期間の間に設けられるか、或いは第１期間と次の第１期間の間及び第２期間と次の第２期間の間の両方に設けられ、第１期間、第２期間及び第３期間が連続する（ｎが２以上の整数の場合）。
第３期間が設けられない場合、第１期間は第２期間と互い違いに設けられ、第１期間及び第２期間が連続する（ｎが１以上の整数の場合）。
【００１３】
前記Ｑ１１とＱ１２の差分値及び前記Ｑ２１とＱ２２の差分値が、それぞれ前記第１期間と前記第２期間の一組の間での差分値を積分したものであることも好ましい。
【００１４】
前記{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値}を前記受光素子群に直接又は間接的に接続される積分回路で処理してもよい。得られた電荷差分値の差分値を直接又は間接的に積分回路で処理し出力することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バックグラウンド光による影響（例えば１／ｆゆらぎ）を低減でき、ＳＮ比を向上することができる。変調光の検出は、従来、バックグラウンド光に対して１０-4の信号までに限られていたが、バックグラウンド光に対して１０-5の信号まで検出が可能となる。
【００１６】
加えて、円二色性分光は、異なる波長毎に偏光の光吸収の差を測定するのに対し、本発明によれば、これらの処理を纏めて一度に行うことができる。
更に、手術時に、対象物の蛍光測定は暗視野で行う必要があるが、本発明によれば、バックグラウンド光の影響を受けることがない為、明視野で蛍光をモニタリングでき、手術中に対象物の蛍光測定も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一態様を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明の別態様を示す概念図である。
【図３】図３は、変調光（ａ）、第１期間（ｂ）、及び第２期間（ｃ）の関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明に使用され得る回路の一例である。
【図５】図５は、本発明の方法を適用しない場合（図５（ａ））に対し、本発明の方法を適用する場合（図５（ｂ））にバックグラウンド光による影響（１／ｆゆらぎ）の低減を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．変調光のＳＮ比を向上する方法
本発明は、複数の受光素子を有する受光素子群において、検出されかつＴの周期を有する変調光のＳＮ比を向上する方法であり、変調光の移相前後から求められる電荷量の差分値又は受光素子に含まれる電荷保持部の受光期間の移相前後から求められる電荷量の差分値を算出することにより、変調光のＳＮ比を向上する方法である。
【００１９】
具体的に、本発明の方法は、（ａ）前記変調光を複数の受光素子で受ける工程と、（ｂ）前記受光素子において発生する電荷を、第１期間、第１電荷保持部で保持する工程と、（ｃ）前記第１期間の終了後の第２期間、前記受光素子において発生する電荷を第２電荷保持部で保持する工程と、（ｄ）前記第１期間と前記第２期間との組を少なくとも１回以上含む前期期間の間に前記第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１１を検出するとともに、前記前期期間の間に前記第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２１を検出する工程と、（ｅ）前記前期期間の終了後、前記第１期間の位相と前記変調光の位相を相対的に所定量移相させて、前記第１期間と前記第２期間との組を少なくとも１回以上含む後期期間の間に前記第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１２を検出するとともに、前記後期期間の間に前記第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２２を検出する工程と、（ｆ）{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値}を算出する工程と、を有し、前記前期期間及び前記後期期間が変調光の周期Ｔ×ｎを含み（ｎは１以上の整数）、前記第１期間及び前記第２期間が、それぞれＴ／２以下である。以下の工程（ａ）〜（ｆ）を具体的に説明する。
【００２０】
１−１．工程（ａ）
工程（ａ）は、変調光を複数の受光素子で受ける工程である。
変調光は、観察対象物の情報を含み観察対象物から伝搬する光であって、一定の周期Ｔで変調されている光である。光に変調をかける方法は特に限定されないが、例えば、変調のかかっていない光と、周期Ｔの変調がかけられている光とを同時に観察対象物に照射することにより得られる変調光であってもよいし、観察対象物に電気的な刺激により得られる変調光であってもよい。また、明るいバックグラウンド光のもとで、検出にかからない波長の光刺激によって、観察対象物から得られる変調光であってもよい。
【００２１】
電気的な刺激により得られる変調光は、例えば生体試料にパルス信号等の電気刺激を与えて得られる変調光であり、その他にも、発光ダイオードのような半導体試料にパルス信号等の電気刺激を与えて得られる変調光である。
【００２２】
複数の入射光により得られる変調光は、例えば第１入射光と、Ｔの周期を有する第２入射光とを試料に入射させて得られる変調光である。
第１入射光は、例えばレーザー光であり、好ましくはパルスレーザー光であり、より好ましくは超短パルスレーザー光である。
第２入射光は、Ｔの周期を有するものである限り、第１入射光と同様のレーザー光であればよい。
周期Ｔは、例えば２００ｐ秒〜１ｍ秒であり、好ましくはパルスレーザーであればそのパルス周期の２倍以上、０．５μ秒以下であり、より好ましくはパルス周期の整数倍（好ましくは２倍以上）、特に好ましくは第１入射光と第２入射光のパルス光の繰り返し周波数が８０ＭＨｚの場合（パルスの周期が１２．５ｎ秒）２５あるいは５０ｎ秒である。
【００２３】
第１入射光は、短波長（例えば７００〜８００ｎｍ）であり、第２入射光は、長波長（例えば８００〜９５０ｎｍ）であってもよい。第１入射光の周波数は、第２入射光の周波数よりも高ければよい。
第１入射光と第２入射光の繰り返し周波数は、例えば約２０〜１００ＭＨｚであり、好ましくは７０〜９０ＭＨｚであり、特に好ましくは８０ＭＨｚである。
第１入射光と第２入射光は、例えばいずれもレーザー光源により発生され、第１入射光および第２入射光は、合波器としてのミラー（ダイクロイックミラー）に導入されることにより、第１入射光と第２入射光とが時間的及び空間的に重ね合わされて合波される。
【００２４】
第２入射光は、変調器により強度変調されてもよい。変調器は、例えば０．５ＭＨｚ以上、レーザーのパルス光の繰り返し周波数の１／２以下の周波数、好ましくは０．５ＭＨｚ以上４０ＭＨｚ以下の周波数を選択できる。これにより、約１％ゆらぐパルス光の強度を変調し、第２入射光を変調する場合に第１入射光に出現する１０-4以下の微弱な変調度を検出することができる。
なお、変調器の代わりにパルス発振の周期が、２倍異なるパルスレーザーを用いても良い。パルス周期Ｔ/２の第１入射光、パルス周期Ｔの第２入射光を用いることは、パルス周期Ｔ/２の第２入射光に周期Ｔで変調を与えたことと等価である。
上記は、第２入射光を変調する場合を示すが、第２入射光を変調する代わりに第１入射光を変調してもよく、変調器は、第１入射光の光路及び第２入射光の光路のいずれかに設けられてもよい。第１入射光を変調器で変調する場合、第２入射光に重畳する変調成分を検出する。また、第２入射光を変調器で変調する場合、第１入射光に重畳する変調成分を検出する。
【００２５】
第１入射光、第２入射光は、合波器によりこれらを重ね合わせてもよく、合波器からの第１入射光、第２入射光は同期されていることが好ましい。
第１入射光と第２入射光の同期は、例えばバランス相互相関器により行われてもよく、第１入射光、第２入射光を時間的に高精度に同期させてもよい。
【００２６】
第１入射光は、所定間隔で発せられた複数のパルスで構成されてもよい。
第２入射光は、隣り合う複数のパルス群をオンにする区間と、他の隣り合う複数のパルス群をオフにする区間を有するものであってもよい。
【００２７】
時間的及び空間的に重ね合わされた第１入射光、第２入射光は、対象試料に同時に照射されると、これら２つのパルス光の周波数の差が分子振動の周波数と一致すると、誘導ラマン散乱効果により第１入射光の強度が減衰し、第２入射光の強度は、増強され、第２入射光の強度が変調されていれば第１入射光の強度も変調されることとなる。逆に第１入射光の強度が変調されていれば第２入射光の強度も変調されることとなる。
【００２８】
第１入射光、第２入射光の時間幅は、５００フェムト秒〜５００ピコ秒であってもよい。時間幅が、５００フェムト秒よりも短くなると、波長幅が広がり、得られるラマン散乱スペクトルの波数（波長）分解能が悪くなり、個々の分子振動を検出し難くなる場合がある。５００ピコ秒より長くなると、ピークが小さくなり、誘導ラマン散乱の効率が低下する場合がある。
【００２９】
第１入射光と第２入射光は、時間的及び空間的に重ね合わせて、光学部品のマイクロレンズアレイに照射されてもよい。マイクロレンズアレイには、凹状又は凸状の複数のマイクロレンズが形成されていてもよい。これにより、第１入射光と第２入射光が複数の光束に分割され、試料に多数の光束を照射することができる為、生細胞等の試料へのダメージを低減できる。また、マイクロレンズが凹状である場合に、色収差による影響を低減できる。
【００３０】
試料を透過する第１入射光と第２入射光のうち、第２入射光がフィルタにより減衰されてもよく、変調された第１入射光が透過されてもよい。誘導ラマン散乱による第１入射光の変調度は、１０-4〜１０-5の非常に微弱なものであり、バックグラウンド信号の変動により影響を受けやすくなっている。
【００３１】
変調光は、Ｔの周期を有し、後述する第１電荷保持部の第１期間の時間間隔と、第２電荷保持部の第２期間との時間間隔の和とほぼ一致するようになっていることが好ましい。
変調光の周期Ｔは、ｎ倍繰り返され（ｎは１以上の整数）、これが前期期間及び後期期間に含まれることとなる。
【００３２】
受光素子は、例えばフォトダイオードであり、好ましくは第１電荷保持部と第２電荷保持部を少なくとも有するフォトダイオードである。受光素子は、半導体基板上に複数配設されてもよく、例えば８×６４の形式で配設され受光素子群を形成してもよいがこれに限定されない。
受光素子は、例えば０．５ＭＨｚ以上、レーザーのパルス発振の周波数の１／２以下の周波数、好ましくは０．５ＭＨｚ以上４０ＭＨｚ以下の周波数に感度を有する。
【００３３】
１−２．工程（ｂ）
工程（ｂ）は、複数の受光素子の個々の受光素子において発生する電荷を、第１期間、第１電荷保持部で保持する工程である。
第１電荷保持部は、第１期間の間、受光素子で発生する電荷を保持する機能素子（例えばキャパシタ）である。
第１期間の他に、第３期間（例えば電荷振り分け停止期間）が設けられていなくてもよく（ｎは１以上の整数）、第３期間が設けられていてもよく（ｎは２以上の整数）、第１期間と次の第１期間が一定の間隔（第２期間並びに／又は第２期間及び第３期間）を隔てて設けられる期間であってもよい。第１期間は、変調光の受光開始と同時に開始されてもよく、変調光の受光後に開始されてもよく、所望の強度を有する変調光成分に対応して設けられる期間である。第１期間は、好ましくは第１期間の終了後に設けられる第２期間の終了後に繰り返されてもよく、第２期間の終了後、一定の間隔（第３期間）を隔てて繰り返されてもよい。
第３期間が設けられていない場合（ｎが１以上の整数である場合）、第１期間の開始から、次の第１期間の開始までの間隔はＴであってもよい。
第３期間が設けられている場合（ｎが２以上の整数である場合）、第１期間の開始から、次の第１期間の開始までの間隔はＴ×（ｎ−１）以下の整数であってもよい。
第１期間は、Ｔ／２以下であり、好ましくはＴ／２である。
第３期間（第１期間及び第２期間を除く）は、Ｔ／２以下又はＴ以下であることが好ましく、より好ましくはＴ／２又はＴである。
第１期間と第３期間の順序は、特に限定されず、第１期間及び第３期間、第３期間及び第１期間いずれの順序であってもよい。
【００３４】
１−３．工程（ｃ）
工程（ｃ）は、第１期間の終了後の第２期間、受光素子において発生する電荷を第２電荷保持部で保持する工程である。
第２電荷保持部は、第２期間の間、受光素子で発生する電荷を保持する機能素子（例えばキャパシタ）である。
第２期間は、第１期間で受光する変調光成分とは異なる所望の強度を有する変調光成分に対応して設けられる期間であり、第１期間の終了後に開始される。
第２期間の他に、第３期間（例えば電荷振り分け停止期間）が設けられていなくともよく（ｎは１以上の整数）、第３期間が設けられていてもよく（ｎは２以上の整数）、第２期間と次の第２期間が一定の間隔（第１期間並びに／又は第１期間及び第３期間）を隔てて設けられる期間であってもよい。第２期間は、第２期間の終了後に設けられる第１期間の終了後に設けられてもよく、第１期間の終了後、一定の間隔（第３期間）を隔てて繰り返されてもよい。
第３期間が設けられていない場合（ｎが１以上の整数である場合）、第２期間の開始から、次の第２期間の開始までの間隔はＴであってもよい。
第３期間が設けられている場合（ｎが２以上の整数である場合）、第２期間の開始から、次の第２期間の開始までの間隔は、Ｔ×（ｎ−１）以下の整数であってもよい。
第１期間、第２期間に第３期間が設けられていない場合（ｎが１以上の整数である場合）、第１期間の開始から、第２期間の開始までの間隔は、｛Ｔ×ｎ以下の整数＋Ｔ／２｝或いはＴ／２であってもよい。
第１期間、第２期間に第３期間が設けられている場合（ｎが２以上の整数である場合）、第１期間の開始から、第２期間の開始までの間隔は、｛Ｔ×（ｎ−１）以下の整数＋Ｔ／２｝或いはＴ／２であってもよい。
第２期間は、Ｔ／２以下であり、好ましくはＴ／２である。
第３期間（第１期間及び第２期間を除く）は、Ｔ／２以下又はＴ以下であることが好ましく、より好ましくはＴ／２又はＴである。
第２期間と第３期間の順序は、特に限定されず、第２期間及び第３期間、第３期間及び第２期間いずれの順序であってもよい。
【００３５】
１−４．工程（ｄ）
工程（ｄ）は、第１期間と第２期間との組を少なくとも１回以上含む前期期間の間に第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１１を検出するとともに、前期期間の間に第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２１を検出する工程である。
前期期間に第３期間が設けられていない場合（ｎが１以上の整数である場合）、前期期間において第１期間及び第２期間の両方はｎ回であってもよい。
前期期間に第３期間が設けられている場合（ｎが２以上の整数である場合）、前期期間において第１期間及び第２期間の両方は（ｎ−１）回以下であってもよい。
前期期間は、上述した第１期間と第２期間との組を少なくとも１回以上含むものである。前期期間において、第１電荷保持部は、少なくとも１回以上の第１期間の間に電荷を保持し、電荷量Ｑ１１を検出する。
同様に、前期期間において、第２電荷保持部は、少なくとも１回以上の第２期間の間に電荷を保持し、電荷量Ｑ２１を検出する。
受光素子による変調光の受光開始から受光停止までの時間間隔は、前期期間と一致していることが好ましい。
前期期間は、上述した周期Ｔと同様に、例えば２００ｐ秒〜１ｍ秒であり、好ましくはパルスレーザーであればそのパルス周期の２倍以上、０．５μ秒以下であり、より好ましくはパルス周期の整数倍（好ましくは２倍以上）、特に好ましくは第１入射光と第２入射光のパルス光の繰り返し周波数が８０ＭＨｚの場合（パルスの周期が１２．５ｎ秒）２５あるいは５０ｎ秒である。
【００３６】
１−５．工程（ｅ）
工程（ｅ）は、前期期間の終了後、第１期間の位相と変調光の位相を相対的に所定量移相させて、第１期間と第２期間との組を少なくとも１回以上含む後期期間の間に第１電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ１２を検出するとともに、後期期間の間に第２電荷保持部に蓄積された電荷量Ｑ２２を検出する工程である。
【００３７】
「第１期間の位相と変調光の位相を相対的に所定量移相する」とは、第１期間の位相に対して変調光の位相を所定量移相する場合、又は変調光の位相に対して第１期間の位相を所定量移相する場合を意味する。
【００３８】
第１期間の位相に対して変調光の位相を所定量移相する場合、所定量移相した変調光を受光素子で受光し、第１期間、第１電荷保持部で電荷を保持し、第２期間、第２電荷保持部で電荷を保持すればよい。この時、第１期間と第２期間の時間間隔やその順番は、前期期間と同様であってもよい。
【００３９】
変調光の位相に対して第１期間の位相を所定量移相する場合、変調光の受光素子での受光前後又は変調光の受光素子での受光と同時に、第１期間の位相を所定量移相し、移相後の第１期間、第１電荷保持部で電荷を保持し、移相後の第１期間と連動して移相される第２期間、第２電荷保持部で電荷を保持すればよい。
【００４０】
所定量の移相は、ｍ×Ｔ±Ｔ／２の移相（ｍは整数）であることが好ましく、より好ましくは±Ｔ／２の移相である。当該条件を満たすと、第１電荷保持部及び第２電荷保持部で生じたバックグラウンド光による影響に相当する電荷量を、第１電荷保持部同士及び第２電荷保持部同士で相殺でき、変調分の電荷量を増幅できる。
【００４１】
後期期間に第３期間が設けられていない場合（ｎが１以上の整数である場合）、後期期間において第１期間及び第２期間の両方はｎ回であってもよい。
後期期間に第３期間が設けられている場合（ｎが２以上の整数である場合）、後期期間において第１期間及び第２期間の両方は（ｎ−１）回以下であってもよい。
後期期間は、前期期間の終了後に設けられ、上述した第１期間と第２期間との組を少なくとも１回以上含むものである。後期期間において、第１電荷保持部は、少なくとも１回以上の第１期間の間に電荷を保持し、電荷量Ｑ１２を検出する。同様に、後期期間において、第２電荷保持部は、少なくとも１回以上の第２期間の間に電荷を保持し、電荷量Ｑ２２を検出する。後期期間は、前期期間と同じ時間間隔であることが好ましい。なお、第１期間及び第２期間が存在しない場合に発生した電荷は排除されるものとする。
例えば、前期期間において、第１期間において第１電荷保持部における電荷の保持機能がＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦする矩形パルスであり、第２期間において第２電荷保持部における電荷の保持機能がＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮの矩形パルスである場合、後期期間においては、第１期間において第１電荷保持部における電荷の保持機能がＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮの矩形パルスであり、第２期間において第２電荷保持部における電荷の保持機能がＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦの矩形パルスであってもよい。
【００４２】
１−６．工程（ｆ）
工程（ｆ）は、{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値｝を算出する工程である。
（Ｑ１１とＱ２１の差分値）は、（Ｑ１１−Ｑ２１）又は（Ｑ２１−Ｑ１１）であることが好ましい。
（Ｑ１２とＱ２２の差分値）は、（Ｑ１２−Ｑ２２）又は（Ｑ２２−Ｑ１２）であることが好ましい。
{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値｝は、｛（Ｑ１１−Ｑ２１）−（Ｑ１２−Ｑ２２）｝、｛（Ｑ１１−Ｑ２１）−（Ｑ２２−Ｑ１２）｝、｛（Ｑ２１−Ｑ１１）−（Ｑ１２−Ｑ２２）｝、又は｛（Ｑ２１−Ｑ１１）−（Ｑ２２−Ｑ１２）｝であることが好ましい。
【００４３】
概念上、Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２はそれぞれ、正味の信号の電荷Ｑ’及びバックグラウンド光による影響（電荷振り分けやその後の回路の不均一性や、入力光と出力信号の間に非線形性によって生じたノイズ）に相当する電荷εを含み、すなわち（Ｑ１１’＋ε１１）、（Ｑ１２’+ε１２）、（Ｑ２１’＋ε２１）、（Ｑ２２’＋ε２２）として表せる。
例えば、（Ｑ１１−Ｑ２１）は、｛（Ｑ１１’＋ε１１）−（Ｑ２１’＋ε２１）｝となり、一方で、（Ｑ１２−Ｑ２２）は、｛（Ｑ１２’＋ε１２）−（Ｑ２２’＋ε２２）｝となる。
更に、｛（Ｑ１１−Ｑ２１）−（Ｑ１２−Ｑ２２）｝は、｛（Ｑ１１’＋ε１１）−（Ｑ２１’＋ε２１）｝−｛（Ｑ１２’＋ε１２）−（Ｑ２２’＋ε２２）｝となり、Ｑ１１’＝Ｑ２２’、Ｑ１２’＝Ｑ２１’の場合、２（Ｑ２２’−Ｑ２１’）＋（ε１１−ε２１−ε１２＋ε２２）となる。ε１１とε１２、ε２１とε２２は同一回路からのノイズであるため、回路の不均一性や、入力光と出力信号の間に非線形性も同一であり、バックグラウンド光による影響が相殺される。正味の変調分の電荷量が増幅され、バックグラウンド光による影響に相当する電荷量が相殺される。また、回路自身から発したノイズも相殺される。
【００４４】
電荷量の差分値は、前期期間のＱ１１、Ｑ１２の積分電荷量を差分したものでもよく、後期期間のＱ２１、Ｑ２２の積分電荷量を差分したものでもよい。また、Ｑ１１とＱ１２の差分値及びＱ２１とＱ２２の差分値はそれぞれ第１期間と第２期間の一組の間の差分値を積分したものであってもよい。例えば、前期期間の第１期間と第２期間を一組としてこの組の電荷量Ｑ１１とＱ１２との差分を算出し、前期期間の他の組の差分とを積分したものであってもよい。後期期間でも第１期間と第２期間を一組として同様に差分をとり、後期期間の他の組の差分とを積分してもよい。
【００４５】
電気光学変調素子、電界吸収変調素子、又は空間光変調素子により移相を行うことも好ましい。変調光の移相は、これら素子により行うことが好ましく、第１期間の移相は、例えば移相器などを用いることが好ましい。
【００４６】
{（Ｑ１１とＱ２１の差分値）と（Ｑ１２とＱ２２の差分値）との差分値}を受光素子群に直接又は間接的に接続される積分回路で処理することが好ましい。
積分回路は、増幅回路（例えばオペアンプ）、容量素子及びスイッチ等を含むものであれば、特に限定されず、電荷差分値を電圧に変換して出力する。
【００４７】
本発明に関し、図面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明はもとより図示例に限定される訳ではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４８】
以下、図１を参照しながら、本発明の一例を説明する。
図１は、本発明において変調光の位相を相対的に所定量移相する場合の一例である。前期期間において、第１入射光は、一定の間隔で連続的に入射し（図１（Ａ））、第２入射光は、一定の周期でオンオフしながら入射し（図１（Ｂ））、変調光は、第１入射光と第２入射光により合波される（図１（Ｃ））。変調光は、第１入射光と第２入射光が重なり合う部分で強度が減衰した成分と第１入射光と同じ強度の成分とを含む（図１（Ｃ））。
【００４９】
第１電荷保持部は、第１期間、変調光の強度が減衰された成分に対して電荷を保持し、第２電荷保持部は、第２期間、変調光の強度が減衰されていない成分に対して電荷を保持する（図１（Ｃ）〜（Ｄ））。第１期間と第２期間は、それぞれ一定の時間間隔を有し、第１期間と第２期間の組を１つ以上含む前期期間を構成する（図１（Ｅ））。第１期間が終了すると、第２期間が開始し、第２期間の終了後に、第１期間が再度開始する（図１（Ｅ））。
結果として、第１電荷保持部は、１つ以上の第１期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持し、第２電荷保持部は、１つ以上の第２期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持する。
【００５０】
次に後期期間で、第２入射光の位相を所定量移相すること以外は、前期期間と同様な手順を行う。すなわち、後期期間において、第１入射光は、一定の間隔で連続的に入射し（図１（Ａ））、第２入射光は、前期期間で使用された光の位相に対して所定量移相された後に、入射し（図１（Ｂ））、変調光は第１入射光と第２入射光により合波される（図１（Ｃ））。変調光は、前期期間の変調光に比べて位相がずれて、第１入射光と第２入射光が重なり合う部分で強度が減衰する成分と第１入射光と同じ強度の成分とを含む（図１（Ｃ））。
【００５１】
第１電荷保持部は、第１期間、変調光の強度が減衰されていない成分に対して電荷を保持し、第２電荷保持部は、第２期間、変調光の強度が減衰された成分に対して電荷を保持する（図１（Ｃ）〜（Ｄ））。第１期間と第２期間は、それぞれ一定の時間間隔を有し、第１期間と第２期間の組を１つ以上含む後期期間を構成する（図１（Ｅ））。第１期間が終了すると、第２期間が開始し、第２期間の終了後に、第１期間が再度開始する（図１（Ｅ））。
結果として、第１電荷保持部は、１つ以上の第１期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持し、第２電荷保持部は、１つ以上の第２期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持する。
【００５２】
前期期間において第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれで保持された電荷量の差分値と、後期期間において第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれで保持された電荷量の差分値との差分を算出する。そうすると、前期期間に生じたバックグラウンド光による影響に相当する電荷量と、後期期間に生じたバックグラウンド光による影響に相当する電荷量を相殺することができ、他方で前期期間に生じた変調分の信号に相当する電荷量と、後期期間に生じた移相後の変調分に相当する電荷量とを積算することができ、ＳＮ比を向上することが可能となる。
【００５３】
次に、図２を参照しながら、本発明の別例を説明する。
図２は、本発明の方法において第１期間の位相を相対的に所定量移相する場合の一例である。前期期間及び後期期間の両方において、第１入射光は、一定の間隔で連続的に入射し（図２（Ａ））、第２入射光は、一定の周期でオンオフされながら入射し（図２（Ｂ））、変調光は第１入射光と第２入射光により合波される（図２（Ｃ））。変調光は、第１入射光と第２入射光が重なり合う部分で強度が減衰される成分と第１入射光と同じ強度の成分とを含む（図２（Ｃ））。
【００５４】
前期期間において、第１電荷保持部は、第１期間、変調光の強度が減衰された成分に対して電荷を保持し、第２電荷保持部は、第２期間、変調光の強度が減衰されていない成分に対して電荷を保持する（図２（Ｃ）〜（Ｄ））。第１期間と第２期間は、それぞれ一定の時間間隔を有し、第１期間と第２期間の組を１つ以上含む前期期間を構成する（図２（Ｅ））。第１期間が終了すると、第２期間が開始し、第２期間の終了後に、第１期間が再度開始する（図２（Ｅ））。
結果として、第１電荷保持部は、１つ以上の第１期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持し、第２電荷保持部は、１つ以上の第２期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持する。
【００５５】
次に後期期間で、第１期間の位相を所定量移相すること以外は、前期期間と同様な手順を行う。第１期間の位相を所定量移相すると、これに対して第２期間の位相も所定量移相される（図２（Ｄ））。
第１電荷保持部は、第１期間、変調光の強度が減衰されていない成分に対して電荷を保持し、第２電荷保持部は、第２期間、変調光の強度が減衰された成分に対して電荷を保持する（図２（Ｃ）〜（Ｄ））。第１期間と第２期間は、それぞれ一定の時間間隔を有し、第１期間と第２期間の組を１つ以上含む後期期間を構成する（図２（Ｅ））。第２期間が終了すると、第１期間が開始し、第１期間の終了後に、第２期間が再度開始する（図２（Ｅ））。
結果として、第１電荷保持部は、１つ以上の第１期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持し、第２電荷保持部は、１つ以上の第２期間の間、電荷を保持し続け、所定の電荷量を保持する。
【００５６】
前期期間において第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれで保持された電荷量の差分値と、後期期間において第１電荷保持部と第２電荷保持部それぞれで保持された電荷量の差分値との差分を算出する。この場合でも、前期期間に生じたバックグラウンド光による影響に相当する電荷量と、後期期間に生じたバックグラウンド光による影響に相当する電荷量を相殺することができ、他方で前期期間に生じた変調分に相当する電荷量と、後期期間に生じた移相後の変調分に相当する電荷量とを積算することができ、ＳＮ比を向上することが可能となる。
【００５７】
上述した図１及び２では、前期期間と後期期間の第１期間と第２期間は、互いに連続的に設けられているが（ｎが１以上の整数である場合）、第１期間と第２期間は、それぞれ間欠的に設けられても構わないし、第１期間と第２期間の間隔も、間欠的に設けられても構わない。
【００５８】
図３は、変調光（ａ）、第１期間（第３期間が一部設けられている）（ｂ）、及び第２期間（第３期間が一部設けられている）（ｃ）の関係を示す図である。
変調光の周期Ｔが１０である場合（ａ）、第１期間及び第２期間は、それぞれ８回であり、第１期間の開始から、次の第１期間の開始までの間隔は、Ｔまたは２Ｔであり、第２期間の開始から、次の第２期間の開始までの間隔も、Ｔまたは２Ｔであり、第１期間の開始から、第２期間の開始までの間隔は、Ｔ／２またはＴ＋Ｔ／２であり、第１期間及び第２期間に設けられている第３期間はＴ／２であり、第１期間及び第２期間はＴ／２である。
【００５９】
図４は、本発明に使用され得る回路の一例である（特開２０１４−１８５９９５号公報の図６）。図４に示される符号は、特開２０１４−１８５９９５号公報に示される符号と同様である。
【００６０】
図４の回路において、電荷振り分け部１３（受光素子）で生成する電流信号Ｉｉｎ、Ｉｉｐは、変調光の（強弱の）強度に対し電荷を保持する第１電荷保持部と第２電荷保持部のいずれかに由来する。電流信号Ｉｉｎ、Ｉｉｐは、ローパスフィルタ１５ａ、１５ｂを通過し、キャパシタ６１及び抵抗素子６３を含む直列回路で処理され、電流信号Ｉｉｎ、Ｉｉｐの低域成分を通過させて電圧信号として出力する。サンプリング回路１７ａ、１７ｂは、ローパスフィルタ１５ａ、１５ｂの出力にスイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂを介して一端が接続され、他端がスイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを介してバイアスされたキャパシタ６５ａ、６５ｂを含んでいる。さらに、これらのキャパシタ６５ａのローパスフィルタ１５ａ、１５ｂ側の端子は、スイッチＳＷ３を介して互いに接続されている。
【００６１】
積分回路１９は、全差動型オペアンプ（増幅器）６７を含む。さらに、積分回路１９は、この全差動型オペアンプ６７の一方の出力と反転入力との間に互いに並列に接続されたキャパシタ６９ａ及びスイッチＳＷ５ａと、全差動型オペアンプ６７の他方の出力と非反転入力との間に互いに並列に接続されたキャパシタ６９ｂ及びスイッチＳＷ５ｂと含んでいる。そして、全差動型オペアンプ６７の反転入力及び非反転入力は、それぞれ、スイッチＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂを介してサンプリング回路１７ａ、１７ｂの出力側と接続され、全差動型オペアンプ６７の出力が積分回路１９の差動出力とされる。
【００６２】
図５は、図４の回路を用いて得られたデータをフーリエ変換処理した結果を示す（横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は、|Ｙ（ｆ）|  パワー（スペクトル密度））。図５（ａ）は、本発明の方法を用いない場合の例であり、図５（ｂ）は、本発明の方法を用いた場合の例である。図５の（Ａ）では１０-1〜１０2Ｈｚの領域に示される様に、バックグラウンド光による影響（１／ｆゆらぎ）が見られる。一方、図５（Ｂ）では、１０-1〜１０2Ｈｚの領域においてバックグラウンド光による影響（１／ｆゆらぎ）が低減されていることが分かる。
【符号の説明】
【００６３】
１３：電荷振り分け部
１５ａ、１５ｂ：ローパスフィルタ
１７ａ、１７ｂ：サンプリング回路
１９：積分回路
６１：キャパシタ
６５ａ、６５ｂ：キャパシタ
６７：全差動型オペアンプ（全差動型増幅器）
６９ａ、６９ｂ：キャパシタ
【図１】
0006425242.tif 000002
【図２】
0006425242.tif 000003
【図３】
0006425242.tif 000004
【図４】
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【図５】
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