(57)【要約】  短パルス及び超短光パルスを生成するためのコンパクトな光源及び方法が説明される。半導体レーザ又はＬＥＤは、テール発光を抑制した、約８５ｐｓと短いＦＷＨＭ持続時間を有する光パルスを発生させるために、バイポーラ波形によって駆動することができる。パルス光源は、他の用途の中でも、生体試料の蛍光寿命分析及び飛行時間イメージングのために使用することができる。
2018518670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発するように構成されている半導体ダイオードと、
前記半導体ダイオードの端子に結合されているトランジスタを含んでなる駆動回路とを備え、前記駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、前記ユニポーラ・パルスの受信に応答して前記半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加する、パルス光源。
【請求項２】
前記バイポーラ電気パルスは、第１の大きさ及び第１の極性を有する第１のパルスと、後続する、前記第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する、反対の極性の第２のパルスとを含む、請求項１に記載のパルス光源。
【請求項３】
前記第２の大きさは前記第１の大きさの２５％〜９０％である、請求項２に記載のパルス光源。
【請求項４】
前記半導体ダイオードの端子に接続されている複数のワイヤ・ボンドをさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項５】
前記駆動回路に結合されており、及び、前記ユニポーラ・パルスを形成し、前記ユニポーラ・パルスを前記駆動回路に出力するパルス発生器をさらに備える、請求項１に記載のパルス光源。
【請求項６】
前記パルス発生器、前記駆動回路、及び前記半導体ダイオードは同じプリント回路ボード上に位置する、請求項５に記載のパルス光源。
【請求項７】
前記パルス発生器、前記駆動回路、及び前記半導体ダイオードは同じ基板上に位置する、請求項５に記載のパルス光源。
【請求項８】
前記ユニポーラ・パルスのパルス長は、５０ｐｓ〜５００ｐｓである、請求項５に記載のパルス光源。
【請求項９】
前記パルス発生器は、２つの差動クロック信号から前記ユニポーラ・パルスを形成する第１の論理ゲートを備える、請求項５乃至８のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項１０】
前記第１の論理ゲートは、エミッタ結合論理ゲートを含む、請求項９に記載のパルス光源。
【請求項１１】
前記パルス発生器は、単一のクロック信号を受信し、４つのクロック信号を前記第１の論理ゲートに出力するように構成されているファン・アウト・ゲートをさらに備える、請求項９に記載のパルス光源。
【請求項１２】
前記パルス発生器は、前記ユニポーラ・パルスのパルス長を、１ｐｓ〜５ｐｓの増分で変化させるように構成されている調整可能遅延要素をさらに備える請求項９に記載のパルス光源。
【請求項１３】
前記トランジスタは、前記半導体ダイオードのカソードと、基準電位との間に接続されている通電端子を有し、前記第１の論理ゲートに結合されているゲート端子を有する請求項９に記載のパルス光源。
【請求項１４】
前記トランジスタの前記ゲート端子と、前記第１の論理ゲートからの出力との間に接続されているキャパシタをさらに備える請求項１３に記載のパルス光源。
【請求項１５】
前記トランジスタは高電子移動度電界効果トランジスタを含む、請求項１３に記載のパルス光源。
【請求項１６】
前記トランジスタは、５０ｐｓ〜２ｎｓの持続時間にわたって、前記半導体ダイオードを通じて４アンペアまでを切り換える、請求項１３に記載のパルス光源。
【請求項１７】
前記第１の論理ゲートと並列に接続されており、前記２つの差動クロック信号から第２のユニポーラ・パルスを形成するように構成されている第２の論理ゲートをさらに備え、前記第２の論理ゲートからの出力は前記トランジスタの前記ゲート端子に結合される請求項１３に記載のパルス光源。
【請求項１８】
前記トランジスタのドレイン端子は、前記半導体ダイオードのカソードに直に接続する請求項１３に記載のパルス光源。
【請求項１９】
前記ドレイン端子に並列に接続されている第１のキャパシタ及び抵抗器をさらに備える請求項１８に記載のパルス光源。
【請求項２０】
前記半導体ダイオードのアノードと、前記トランジスタのソース端子との間に接続されている第２のキャパシタをさらに備える請求項１８に記載のパルス光源。
【請求項２１】
前記パルス発生器及び前記駆動回路は、約３０Ｈｚ〜約２００ＭＨｚの繰り返し数にある前記バイポーラ電気パルスによって、前記半導体ダイオードを変調するように構成されている請求項５に記載のパルス光源。
【請求項２２】
５０ｐｓ〜５００ｐｓの半値全幅持続時間を有する光パルスが、前記バイポーラ電気パルスの印加に応答して前記半導体ダイオードから放出される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項２３】
前記光パルスは、２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍの群から選択される固有波長を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項２４】
前記光パルスのテールは、前記パルスのピークから２５０ｐｓ後に、前記パルスのピークを少なくとも２０ｄＢ下回ったままである、請求項２２に記載のパルス光源。
【請求項２５】
前記半導体ダイオードはレーザダイオードを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項２６】
前記レーザダイオードは、複数の量子井戸を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項２７】
前記半導体ダイオードは発光ダイオードである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項２８】
前記半導体ダイオードはスラブ結合光導波路レーザダイオードである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項２９】
前記半導体ダイオードから光パルスを受信する可飽和吸収体をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項３０】
前記可飽和吸収体は、前記半導体ダイオードと同じ基板内に形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項３１】
前記駆動回路は伝送線路パルス発生器を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項３２】
Ｕ字形状に形成されている伝送線路をさらに備える請求項３１に記載のパルス光源。
【請求項３３】
前記半導体ダイオードは前記伝送線路の第１の端部に接続されており、前記伝送線路の第２の端部に接続されている終端インピーダンスをさらに備える請求項３２に記載のパルス光源。
【請求項３４】
前記伝送線路の前記第１の端部及び前記第２の端部を基準電位に短絡するように構成されている短絡トランジスタをさらに備える請求項３３に記載のパルス光源。
【請求項３５】
単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、
前記パルス光源によって照射される対象の画像を前記光検出器アレイ上に形成するように構成されている光学系と
をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項３６】
前記光検出器アレイは、離れた対象に位置する少なくとも１つの蛍光分子の蛍光寿命を表す信号を生成する、請求項３５に記載のパルス光源。
【請求項３７】
前記光検出器アレイから蛍光寿命を表す信号を受信し、前記対象の電子画像のデジタル・データを発生させるように構成されている信号処理電子装置をさらに備え、前記電子画像は、蛍光寿命に基づいて前記対象の少なくとも１つの特性を示す請求項３６に記載のパルス光源。
【請求項３８】
少なくとも１つのクロック信号を受信する工程と、
前記少なくとも１つのクロック信号から電気パルスを生成する工程と、
前記電気パルスによってトランジスタのゲート端子を駆動する工程であって、前記トランジスタの通電端子は、光を発するように構成されている半導体ダイオードに接続されている、トランジスタのゲート端子を駆動する工程と、
前記電気パルスによる前記トランジスタの活性化に応答して光パルスを生成するために、前記半導体ダイオードにバイポーラ電流パルスを印加する工程と
を含む光パルスを生成する方法。
【請求項３９】
前記電気パルスはユニポーラ・パルスである請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記光パルスの振幅を制御するために、前記ユニポーラ・パルスのパルス振幅ではなく、パルス持続時間を調整する工程をさらに含む請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記光パルスは、５０ｐｓ〜２ｎｓの半値全幅持続時間を有する請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
前記光パルスは、５０ｐｓ〜５００ｐｓの半値全幅持続時間を有する請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４３】
前記光パルスは、２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍの群から選択される固有波長を有する請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
３０Ｈｚ〜２００ＭＨｚの繰り返し数にある一連の光パルスを生成するために、前記受信する工程、前記生成する工程、前記駆動する工程、及び前記印加する工程を繰り返す工程をさらに含む請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４５】
前記バイポーラ電流パルスは、第１の振幅を有する第１のパルスと、反対の極性の、前記第１のパルスとは異なる大きさの第２の振幅を有する第２のパルスとを含む請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４６】
前記半導体ダイオードはレーザダイオード又は発光ダイオードを含んでなる、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４７】
前記光パルスの一部分を、可飽和吸収体を用いて差動的に減衰させる工程をさらに備える、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記少なくとも１つのクロック信号を受信する工程は、前記トランジスタの前記ゲート端子に結合されている論理ゲートにおいて２つの差動クロック信号を受信する工程を含んでなる、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
前記少なくとも１つのクロック信号を受信する工程は、前記トランジスタの前記ゲート端子と並列に結合されている２つの論理ゲートにおいて２つの差動クロック信号を受信する工程を含んでなる、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記電気パルスを生成する工程は、前記電気パルスを形成するために、前記トランジスタの前記ゲート端子に結合されている論理ゲートを用いて２つの差動クロック信号を処理する工程を含んでなる、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
前記２つの差動クロック信号の間の位相遅延によって、前記電気パルスの長さを設定する工程をさらに備える、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記電気パルスを生成する工程は、前記電気パルスを形成するために、前記トランジスタの前記ゲート端子に並列に結合されている２つの論理ゲートを用いて２つの差動クロック信号を処理する工程を含んでなる、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５３】
前記半導体ダイオードからの前記光パルスを用いて試料を照射する工程と、前記試料から蛍光寿命を検出する工程とをさらに備える、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５４】
２つの異なる蛍光分子又は前記分子が位置する環境と関連付けられる異なる減衰率を有する少なくとも２つの異なる蛍光寿命を区別する工程であって、前記光パルスは単一の固有波長にある、区別する工程をさらに備える、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記検出されている蛍光寿命に基づいて、前記試料の少なくとも１つの特性を決定する工程をさらに備える、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記試料のある領域の電子画像を生成する工程と、
前記画像内で蛍光寿命に基づく前記少なくとも１つの特性を示す工程と
をさらに備える、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記半導体ダイオードからの光パルスを用いて試料を照射する工程と、
単一の光検出器の単一の電荷蓄積間隔の間に、前記単一の光検出器を用いて、前記試料から後方散乱される光子の到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別する工程と
をさらに備える、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５８】
前記弁別されている到来時刻に基づいて、前記試料の電子３次元画像を生成する工程をさらに備える、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
光を発する半導体ダイオードと、
光パルスを生成するために前記半導体ダイオードにバイポーラ電流パルスを印加させる駆動回路と、
前記光パルスを試料に送達する光学系と、
光検出器であって、前記光検出器の単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンへと弁別する、光検出器と
を備える蛍光寿命分析システム。
【請求項６０】
前記電流駆動回路に電気パルスを提供するパルス発生器をさらに備え、前記電流駆動回路は、前記電気パルスの受信に応答して前記半導体ダイオードにバイポーラ・パルスを印加させる、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６１】
前記電気パルスは、５０ｐｓ〜２ｎｓの持続時間を有するユニポーラ・パルスである請求項６０に記載のシステム。
【請求項６２】
前記電流駆動回路は、前記パルス発生器からの出力に結合されているゲート端子を有し、前記半導体ダイオードの端子と基準電位との間に接続されている通電端子を有するトランジスタを備える請求項６０又は６１に記載のシステム。
【請求項６３】
前記半導体ダイオードのアノードとカソードとの間に並列に接続されている第１の抵抗器及び第１のキャパシタと、
前記トランジスタのゲート端子と基準電位との間に並列に接続されている第２の抵抗器及び第２のキャパシタと
をさらに備える請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
前記半導体ダイオードはレーザダイオード又は発光ダイオードを含んでなる、請求項５９乃至６１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６５】
前記半導体ダイオードの端子に接続されている複数のワイヤ・ボンドをさらに備える請求項５９乃至６１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６６】
前記光パルスは、５０ｐｓと５００ｐｓとの間の半値全幅持続時間を有する請求項５９乃至６１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６７】
前記光パルスは、２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍの群から選択される固有波長を有する請求項５９乃至６１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６８】
前記光検出器が配置されている光検出器のアレイをさらに備え、前記光検出器のアレイは、前記光パルスの単一の電荷蓄積間隔の間に前記試料からの蛍光を時間ビニングする、請求項５９乃至６１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６９】
前記試料と前記光検出器アレイとの間に位置するイメージング光学素子をさらに備え、前記イメージング光学素子は、前記光検出器アレイにおいて、前記光パルスによって照射される前記試料の領域の画像を形成する、請求項６８に記載のシステム。
【請求項７０】
前記光検出器アレイにおいて形成される前記画像は、前記試料の微細領域の画像である請求項６９に記載のシステム。
【請求項７１】
光を発する半導体ダイオードと、
第１の論理ゲートであって、前記第１の論理ゲートの出力において第１のパルスを形成する、第１の論理ゲートと、
前記第１の論理ゲートに結合されている駆動回路と
を備え、前記駆動回路は、前記第１のパルスを受信し、前記第１のパルスの受信に応答して光パルスを生成するために、前記半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加させる、パルス光源。
【請求項７２】
前記第１のパルスはユニポーラ・パルスである請求項７１に記載のパルス光源。
【請求項７３】
前記第１の論理ゲートに結合されているファン・アウト・ゲート及び遅延要素をさらに備え、前記遅延要素は、前記ファン・アウト・ゲートからの少なくとも１つの出力を遅延させる請求項７２に記載のパルス光源。
【請求項７４】
前記遅延要素は、前記ユニポーラ・パルスのパルス長を、１ｐｓ〜５ｐｓの増分で変化させる、請求項７３に記載のパルス光源。
【請求項７５】
前記第１の論理ゲートは、２つの差動クロック信号から前記第１のパルスを形成する、請求項７１乃至７４のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項７６】
前記バイポーラ電気パルスは、第１の大きさ及び第１の極性を有する第１のパルスと、後続する、前記第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する、反対の極性の第２のパルスとを含む請求項７１乃至７４のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項７７】
前記第２の大きさは前記第１の大きさの２５％〜９０％である、請求項７６に記載のパルス光源。
【請求項７８】
前記半導体ダイオードの端子に接続されている複数のワイヤ・ボンドをさらに備える請求項７１乃至７４のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項７９】
前記２つの差動クロック信号から第２のパルスを形成する第２の論理ゲートをさらに備え、前記第２の論理ゲートは、前記第１の論理ゲートと並列に接続されており、前記第２の論理ゲートの出力は前記駆動回路に結合されている請求項７５に記載のパルス光源。
【請求項８０】
前記半導体ダイオードと基準電位との間に接続されている通電端子を有する、前記駆動回路内のトランジスタをさらに備える請求項７１乃至７４のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項８１】
前記光パルスは、５０ｐｓ〜２ｎｓの持続時間を有する請求項８０に記載のパルス光源。
【請求項８２】
光を発するように構成されている半導体ダイオードと、
前記半導体ダイオードの端子に結合されているトランジスタを含む駆動回路と
を備え、前記駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、前記ユニポーラ・パルスの受信に応答して前記半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加させ、前記トランジスタは、電流源と基準電位との間で前記半導体ダイオードと並列に接続されているパルス光源。
【請求項８３】
前記半導体ダイオードと前記基準電位との間に並列に接続されている抵抗器及びキャパシタをさらに備える請求項８２に記載のパルス光源。
【請求項８４】
前記トランジスタは通常は導電状態にあり、前記ユニポーラ・パルスによってパルス・オフされる、請求項８２に記載のパルス光源。
【請求項８５】
単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、
前記パルス光源によって照射される対象の画像を前記光検出器アレイ上に形成する光学系と
をさらに備える請求項８２乃至８４のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項８６】
光を発するように構成されている半導体ダイオードと、
前記半導体ダイオードの第１の端子に接続されている複数の第１の回路分岐と
を備え、各回路分岐は、その通電端子が、基準電位と前記半導体ダイオードの前記第１の端子との間に接続されているトランジスタを備えるパルス光源。
【請求項８７】
前記複数の第１の回路分岐のうちの第１の回路分岐内の第１の基準電位は、前記複数の第１の回路分岐のうちの第２の回路分岐内の第２の基準電位とは異なる値を有する請求項８６に記載のパルス光源。
【請求項８８】
前記複数の第１の回路分岐のうちの第１の回路分岐内の第１の基準電位は、正の値を有し、前記複数の第１の回路分岐のうちの第２の回路分岐内の第２の基準電位は、負の値を有する請求項８６に記載のパルス光源。
【請求項８９】
各回路分岐内に、前記トランジスタの通電端子と前記基準電位との間に接続されている抵抗器をさらに備える請求項８６に記載のパルス光源。
【請求項９０】
各回路分岐内に、前記トランジスタの通電端子と接地電位との間に接続されているキャパシタをさらに備える請求項８６に記載のパルス光源。
【請求項９１】
単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、
前記パルス光源によって照射される対象の画像を前記光検出器アレイ上に形成する光学系と
をさらに備える請求項８６乃至８９のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項９２】
信号及び反転信号を提供する無線周波数増幅器と、
前記信号及び位相シフト反転信号を受信し、パルス及び反転パルスを出力する論理ゲートと、
前記パルス及び前記反転パルスを共通の出力に結合する結合器と、
前記共通の出力に結合されており、前記パルス及び前記反転パルスの受信に応答して光パルスを生成させる半導体ダイオードと
を備えるパルス光源。
【請求項９３】
前記パルス又は前記反転パルスを減衰させる可変減衰器をさらに備える請求項９２に記載のパルス光源。
【請求項９４】
前記パルス又は前記反転パルスを時間的に遅延させる遅延要素をさらに備える請求項９２に記載のパルス光源。
【請求項９５】
前記無線周波数増幅器の入力に接続するＤＣブロックをさらに備える請求項９２に記載のパルス光源。
【請求項９６】
単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、
前記パルス光源によって照射される対象の画像を前記光検出器アレイ上に形成させる光学系と
をさらに備える請求項９２乃至９５のいずれか１項に記載のパルス光源。
【請求項９７】
第１の信号及び前記第１の信号の反転バージョンを受信し、パルス及び前記パルスの反転バージョンを出力する無線周波数論理ゲートと、
前記無線周波数論理ゲートに接続されている半導体ダイオードであって、前記半導体ダイオードの第１の端子において前記パルスを受信し、前記半導体ダイオードの第２の端子において前記パルスの前記反転バージョンを受信し、光パルスを放出する、半導体ダイオードと
を備えるパルス光源。
【請求項９８】
周期信号を受信し、前記第１の信号及び前記第１の信号の前記反転バージョンを出力する第１の増幅器と、
前記第１の信号又は前記第１の信号の前記反転バージョンの位相を変化させる位相調整器と
をさらに備える請求項９７に記載のパルス光源。
【請求項９９】
単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、
前記パルス光源によって照射される対象の画像を前記光検出器アレイ上に形成する光学系と
をさらに備える請求項９７又は９８に記載のパルス光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、蛍光寿命及び飛行時間用途を含む時間領域用途のために、短パルス及び超短光パルスを生成するためのデバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
時間領域分析を含む様々な研究開発の分野及び商業用途において、超短光パルス（すなわち、約１００ピコ秒未満の光パルス）が有用である。例えば、超短光パルスは、時間領域分光法、光学式測距、時間領域イメージング（ＴＤＩ）、及び光コヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）のための寿命分解蛍光検出に有用であり得る。超短パルスはまた、光通信システム、医療用途、及び光電子デバイスならびに材料の試験を含む商業用途にも有用であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のモード・ロック・レーザは、超短光パルスを生成するように開発されており、様々なそのようなレーザが現在市販されている。例えば、いくつかの固体レーザ及びファイバ・レーザは、２００フェムト秒を十分に下回る持続時間を有するパルスを送達するように開発されている。しかしながら、いくつかの用途について、これらのパルス持続時間は、有用な結果を得るために必要とされるよりも短い場合があり、これらのレージング・システムの費用は法外に高い場合がある。加えて、これらのレージング・システムは、相当に大きいフットプリント（例えば、０．０９２９ｍ２（１ｆｔ２）程度以上）及び相当の重量を有し、容易に携帯可能ではない場合がある独立型システムであり得る。そのようなレージング・システム及びそれらの駆動電子装置は、交換可能モジュールとして機器に組み込むのが困難である場合があり、又はさらには、手持ち式デバイスに組み込まれることが不可能である場合がある。結果として、超短パルス・レーザは、そこから出力ビームが特定の用途のための別の機器に結合され得る別個の独立型機器として製造されることが多い。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書において説明されている技術は、レーザダイオード（ＬＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて短パルス及び超短光パルスを生成するための装置及び方法に関する。短パルスは、約１００ピコ秒と約１０ナノ秒との間の半値全幅（ＦＷＨＭ）時間プロファイルを有するパルスである。超短パルスは、約１００ピコ秒未満のＦＷＨＭ時間プロファイルを有するパルスである。いくつかの実施形態においては約２ナノ秒未満であり、場合によっては約１００ピコ秒未満の持続時間を有するパルスを生成するために、コンパクトで低コストのレーザ・システムに実装することができる利得切換技法及び関連回路が説明される。本発明者らは、コンパクトで低コストのパルス・レーザ・システムを、機器（例えば、蛍光寿命イメージング・デバイス、寿命分解蛍光検出を利用する生物分析機器、飛行時間機器、光コヒーレンス・トモグラフィ機器）であって、そのような機器を容易に携帯可能になり、従来の超短パルス・レーザ・システムを使用するそのようなシステムの場合に可能であるよりもかなり低いコストで製造されることを可能にすることができる、機器に組み込むことができることを認識し、諒解するに至った。高い可搬性は、そのような機器を、研究、開発、臨床、商用、及び家庭内の用途により有用なものにすることができる。
【０００５】
いくつかの実施形態は、光を発するように構成されている半導体ダイオードと、半導体ダイオードの端子に結合されているトランジスタを含む駆動回路とを備えるパルス光源に関し、駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、ユニポーラ・パルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されている。
【０００６】
いくつかの実施形態は、光パルスを生成する方法に関する。方法は、少なくとも１つのクロック信号を受信する工程と、少なくとも１つのクロック信号から電気パルスを生成する工程と、電気パルスによってトランジスタのゲート端子を駆動する工程であって、トランジスタの通電端子は、光を発するように構成されている半導体ダイオードに接続されている、駆動する工程と、電気パルスによるトランジスタの活性化に応答して光パルスを生成するために、半導体ダイオードにバイポーラ電流パルスを印加する工程とを含むことができる。
【０００７】
いくつかの実施形態は、光を発するように構成されている半導体ダイオードと、光パルスを生成するために半導体ダイオードにバイポーラ電流パルスを印加するように構成されている駆動回路と、光パルスを試料に送達するように構成されている光学系と、光検出器であって、光検出器の単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンへと弁別するように構成されている光検出器とを備える、蛍光寿命分析システムに関する。
【０００８】
いくつかの実施形態は、光を発するように構成されている半導体ダイオードと、第１の論理ゲートであって、第１の論理ゲートの出力において第１のパルスを形成するように構成されている、第１の論理ゲートと、第１の論理ゲートに結合されている駆動回路とを備えるパルス光源に関し、駆動回路は、第１のパルスを受信し、第１のパルスの受信に応答して光パルスを生成するために、半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されている。
【０００９】
いくつかの実施形態は、光を発するように構成されている半導体ダイオードと、半導体ダイオードの端子に結合されているトランジスタを含む駆動回路とを備えるパルス光源に関し、駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、ユニポーラ・パルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されており、トランジスタは、電流源と基準電位との間で半導体ダイオードと並列に接続されている。
【００１０】
いくつかの実施形態は、光を発するように構成されている半導体ダイオードと、半導体ダイオードの第１の端子に接続されている複数の第１の回路分岐とを備えるパルス光源に関し、各回路分岐は、その通電端子が、基準電位と半導体ダイオードの第１の端子との間に接続されているトランジスタを備える。
【００１１】
いくつかの実施形態は、信号及び反転信号を提供する無線周波数増幅器と、信号及び位相シフト反転信号を受信し、パルス及び反転パルスを出力するように構成されている論理ゲートと、パルス及び反転パルスを共通の出力上に結合するように構成されている結合器と、共通の出力に結合されており、パルス及び反転パルスの受信に応答して光パルスを生成するように構成されている半導体ダイオードとを備えるパルス光源に関する。
【００１２】
いくつかの実施形態は、第１の信号及び第１の信号の反転バージョンを受信し、パルス及びパルスの反転バージョンを出力するように構成されている無線周波数論理ゲートと、無線周波数論理ゲートに接続されている半導体ダイオードであって、半導体ダイオードの第１の端子においてパルスを受信し、半導体ダイオードの第２の端子においてパルスの反転バージョンを受信し、光パルスを放出するように構成されている、半導体ダイオードとを備えるパルス光源に関する。
【００１３】
本教示の上記の及び他の態様、実施態様、動作、機能、特徴及び実施形態は、添付の図面とともに以下の説明からより十分に理解することができる。
本明細書において記載されている図は、例示を目的としたものにすぎないことを、当業者は理解しよう。いくつかの事例において、本発明の様々な態様は、本発明の理解を容易にするために、誇張又は拡大されて示されている場合があることを理解されたい。図面において、同様の参照符号は、概して様々な図全体を通じて同様の特徴、機能的に類似する及び／又は構造的に類似する要素を参照する。図面は、必ずしも原寸に比例してはおらず、むしろ、本教示の原理を例示しているところが強調されている。図面は、決して本教示の範囲を限定するようには意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１−１】いくつかの実施形態による分析機器に組み込まれているパルス・レージング・システムを示す図。
【図１−２】いくつかの実施形態による超短光パルスの列を示す図。
【図２−１Ａ】いくつかの実施形態による、利得切換のための光学ポンプ及び出力パルスを示す図。
【図２−１Ｂ】いくつかの実施形態による、緩和振動を示す図である。
【図２−１Ｃ】いくつかの実施形態による、テールを示している光出力パルスを示す図。
【図２−２Ａ】いくつかの実施形態によるパルス半導体レーザダイオードを示す図。
【図２−２Ｂ】１実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルス化するためのパルサ回路の概略図。
【図２−２Ｃ】いくつかの実施形態による、レーザダイオードに送達される電流の改善を示す図。
【図２−３】いくつかの実施形態による、レーザダイオードを利得切換するための電流駆動波形を示す図。
【図２−４Ａ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路を示す図。
【図２−４Ｂ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路の概略図。
【図２−４Ｃ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路の概略図。
【図２−４Ｄ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルス化するためのＲＦドライバを示す図。
【図２−４Ｅ】いくつかの実施形態による、図２−４Ｄの回路によって生成される駆動波形を示す図。
【図２−４Ｆ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルス化するためのＲＦドライバを示す図。
【図２−４Ｇ】いくつかの実施形態による、図２−４Ｆの回路によって生成される駆動波形を示す図。
【図２−４Ｈ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路の概略図。
【図２−４Ｉ】いくつかの実施形態による、レーザダイオードへのパワー結合の効率を示す図。
【図２−４Ｊ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードからの光学的発光をパルス化するためのパルサ及びドライバ回路を示す図。
【図２−４Ｋ】いくつかの実施形態による、パルスの列を生成するためのパルサ回路を示す図。
【図２−４Ｌ】いくつかの実施形態による、パルサ回路内の論理ゲートへのデータ入力を示す図。
【図２−４Ｍ】いくつかの実施形態による、電気パルスによってレーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのドライバ回路を示す図。
【図２−５Ａ】いくつかの実施形態による、レーザダイオードを利得切換するためのパルサ回路を示す図。
【図２−５Ｂ】いくつかの実施形態による、パルサ回路の駆動電圧を示す図。
【図２−５Ｃ】いくつかの実施形態による、利得切換レーザダイオードから生成される超高速光パルスの例示的な測定値を示す図。
【図２−５Ｄ】いくつかの実施形態による、利得切換レーザダイオードから生成される超高速光パルスの例示的な測定値を示す図。
【図２−６Ａ】いくつかの実施形態による、利得切換又はＱ切換することができる、スラブ結合光導波路半導体レーザを示す図。
【図２−６Ｂ】いくつかの実施形態による、スラブ結合光導波路レーザにおける光学モード・プロファイルを示す図。
【図２−６Ｃ】いくつかの実施形態による、集積された利得切換半導体レーザ及び結合されている可飽和吸収体を示す図。
【図３−１】いくつかの実施形態による、光パルスのタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図３−２】いくつかの実施形態による、光パルスのタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図３−３】いくつかの実施形態による、２つのパルス源からの光パルスのタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図３−４Ａ】いくつかの実施形態による、２つのパルス源からの光パルスのインターリーブされたタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図３−４Ｂ】いくつかの実施形態による、２つのパルス光源からのインターリーブ及び同期されたパルス列を示す図。
【図４−１】いくつかの実施形態による試料の蛍光寿命を分析するための機器を示す図。
【図４−２】異なる発光寿命を有する蛍光分子の発光確率を示す図。
【図４−３】蛍光分子からの蛍光発光の時間ビニング検出を示す図。
【図４−４】いくつかの実施形態による時間ビニング光検出器を示す図。
【図４−５Ａ】いくつかの実施形態による複数の励起パルス、ならびに、その後の蛍光発光及び対応するビニングされた信号を示す図。
【図４−５Ｂ】いくつかの実施形態による、特定の蛍光色素分子についてのビニングされた信号から生成されるヒストグラムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の特徴及び利点は、図面とともに取り上げられるときに下記に記載される詳細な説明からより明らかとなろう。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向に関する参照（「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」など）が使用される場合がある。そのような参照は、読者が図面を通常の向きで見るのを補助するものとしてのみ意図されている。これらの方向に関する参照は、具現化されるデバイスの好ましい又は唯一の向きを説明するようには意図されていない。デバイスは、他の向きで具現化されてもよい。
Ｉ．導入
本発明者らは、１ＧＨｚを下回るパルス繰り返し数を有する従来の超短パルス光源は、一般的に大きく、高価で、多くのモバイル用途には適していないことを認識し、諒解するに至った。例えば、従来の超短パルス・レーザは、コンパクトなポータブル機器に組み込むことができない。本発明者らは、小さい短パルス又は超短パルス光源が、広範囲の時間領域用途のための新規で有用なデバイスを可能にすることができることを認識し、諒解するに至った。そのような用途は、限定ではないが、飛行時間イメージング、測距、蛍光及び蛍光寿命分析、生物又は化学分析、光コヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）、及び医療ポイント・オブ・ケア（ＰＯＣ）計装を含む。いくつかの事例において、ＰＯＣ計装は、生体試料からの蛍光発光を検出し、生体試料の特性を決定するために蛍光発光を分析するための装置を含むことができる。パルス光源を使用して、そのような計装において蛍光発光を励起することができる。本発明者らは、いくつかの実施形態による、コンパクトな短パルス及び超短パルス光源、及び、約２ナノ秒を下回り、さらには１００ピコ秒未満のパルス持続時間を有する様々な波長にある光パルスを生成することができるシステムを着想した。
【００１６】
概観すると、図１−１は、蛍光発光を励起及び検出するＰＯＣもしくはＯＣＴ機器又は飛行時間イメージング機器のような、分析機器１−１００に組み込むことができるパルス光源１−１１０を示している。機器は、光学系１−１４０及び分析システム１−１６０を含むことができる。光学系１−１４０は、１つ又は複数の光学構成要素（例えば、レンズ、ミラー、光ファイバ、光学フィルタ、減衰器）を含むことができ、光源１−１１０からの光パルスに対して動作し、及び／又は、この光パルスを分析システム１−１６０に送達するように構成することができる。分析システムは、分析されるべき試料１−１７０から光信号（例えば、蛍光発光、後方散乱放射）を受信し、受信光信号を表す電気信号を生成するように構成されている１つ又は複数の構成要素（例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、光検出器）を含むことができる。いくつかの実施形態において、分析システム１−１６０は、電気信号を処理するように構成されている電子装置をさらに含むことができる。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、パルス光源１−１１０は、利得切り換えされる少なくとも１つのレーザダイオード（ＬＤ）を含むことができる。いくつかの実施形態において、パルス光源１−１１０は、短電流パルスによって駆動される少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでもよい。ナノ秒スケールの、又は、より短い電流パルスを発生させるパルサ回路１−１１２を、光源１−１１０を駆動するために、分析機器１−１００に含むことができる。
【００１８】
レーザダイオードとして構成されるとき、パルス光源１−１１０は、利得媒体１−１０５（例えば、複数の量子井戸を含んでもよく、又は、含まなくてもよい任意の適切な半導体接合）と、光学レーザ・キャビティの端部を規定する少なくとも２つのキャビティ・ミラー１−１０２、１−１０４（又はレーザダイオードの反射ファセット）とを備えることができる。いくつかの実施形態において、ビーム成形、偏光制御、波長選択、及び／又はパルス形成のための１つ又は複数の追加の光学素子がレーザ・キャビティ内にあってもよい。集光光学素子がレーザダイオードに含まれてもよく、レーザダイオードからの発光をビームに集束するように構成されてもよい。レーザダイオードからのビームは、集光光学素子によってコリメートされてもよく、又は、されなくてもよい。レーザが利得切換モードにおいて動作するとき、レーザのダイオード接合を通じた電流パルスの印加に応答して、キャビティの端部ミラー１−１０２、１−１０４の間でレーザ・キャビティ内に光パルスを増大させることができる。キャビティ・ミラーの１つ１−１０４（しばしば出力カプラと称される）は、パルスの１部分を部分的に透過することができ、それによって、光パルス１−１２２がパルス・レーザ１−１１０から放出される。電流駆動パルスがレーザダイオードに繰り返し印加されるとき、レーザ・キャビティからパルス１−１２２（１つのみが示されている）の列を、高速に連続して放出することができる。このパルスの列は、ビーム・ウェストｗによって特性化することができるレーザ・ビームと称される場合がある。レーザ・ビームは、コリメートされてもよく（平行な破線によって示されている）、部分的にコリメートされてもよく、又はコリメートされなくてもよい。ビーム・ウェストは、放出されるレーザ・ビームの横方向寸法（例えば、ガウス・ビームの横方向強度プロファイルの±１／ｅ２値、又は、他の横方向強度ビーム／プロファイルの半値全幅（ＦＷＨＭ）値）を表し、出力カプラからの距離によって値が変化し得る。ビームのコリメーション及びウェストは、レーザのキャビティの幾何形状及び光学特性、及び、任意の光学素子（例えば、コリメート・レンズ）がレーザ・キャビティに含まれるか否かに依存し得る。
【００１９】
発光ダイオードとして構成されるとき、パルス光源１−１１０は、非コヒーレント又は部分的にコヒーレントな光を発するように構成されている任意の適切な半導体接合を備えることができる。集光光学素子がＬＥＤに含まれてもよく、ＬＥＤからの発光を出力ビームに集束するように構成されてもよい。ＬＥＤからのビームは、集光光学素子によってコリメートされてもよく、又は、されなくてもよい。動作時、ＬＥＤは、ＬＥＤ接合にわたる電流パルスの印加に応答して主に自然に放出される光子の光パルスを発生させるが、いくらかの誘導放出が、増幅された自然放出として出力中に存在し得る。一般的に、ＬＤから放出されるスペクトル帯域幅が２ナノメートル未満であり得る一方で、ＬＥＤから放出されるスペクトル帯域は、数十ナノメートル程度である。
【００２０】
ＬＤ又はＬＥＤから放出される固有波長は、半導体材料及び／又は半導体材料に添加される不純物の選択によって選択することができる。スペクトルの赤色及び赤外線領域におけるより長い波長には、リン化インジウム・ベースの半導体及びその合金が使用され得る。スペクトルの黄色領域に対するより短い波長には、ガリウムヒ素リン・ベースの半導体及びその合金が使用され得る。スペクトルの緑色及び青色領域には、アルミニウム・ガリウム・リン又は窒化ガリウム及びそれらの合金が使用され得る。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、固有波長２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍのうちの１つ又は複数を有するパルスを生成するために、蛍光発光を励起及び検出する機器（例えば、ＰＯＣ蛍光寿命イメージング機器）のパルス光源１−１１０に対して、特定の半導体材料を選択することができる。いくつかの実施態様において、約２７０ｎｍ〜約３７０ｎｍ、約３４０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約３８０ｎｍ〜約４９０ｎｍ、及び約４１０ｎｍ〜約４７０ｎｍの波長の範囲うちの１つに該当する波長の範囲又はスペクトル分布を有するパルスを生成するための機器のパルス光源１−１１０に対して、半導体を選択することができる。
【００２２】
参考までに、「固有波長」又は「波長」という語句は、制限された放射帯域幅内の中心波長又は主波長を指し得る。いくつかの事例において、これは、放射帯域幅内のピーク波長を指す場合がある。「固有エネルギー」又は「エネルギー」という語句は、固有波長と関連付けられるエネルギーを指し得る。「光学的（ｏｐｔｉｃａｌ）」という用語は、紫外線、可視光、近赤外線、及び短波長赤外線のスペクトル帯域を指し得る。
【００２３】
いくつかの実施形態において、光学系１−１４０は、パルス光源１−１１０から放出されるパルス１−１２２のビームに対して動作することができる。例えば、光学系は、ビームを再成形し、及び／又は、ビームの発散を変化させるための１つ又は複数のレンズを含んでもよい。ビームの再成形は、ビーム・ウェストの値を増大もしくは低減すること、及び／又は、ビームの断面形状を変化させること（例えば、楕円形から円形に、円形から楕円形に、など）を含んでもよい。ビームの発散を変化させることは、ビームの発散を増大又は低減することを含んでもよい。いくつかの実施態様において、光学系１−１４０は、ビーム・エネルギーの量を変化させるための減衰器又は光学増幅器を含むことができる。いくつかの事例において、光学系は、波長フィルタリング要素を含むことができる。いくつかの実施態様において、光学系は、パルス成形要素、例えば、パルス・ストレッチャ及び／又はパルス圧縮器を含むことができる。いくつかの実施形態において、光学系は、パルス長を低減するための可飽和吸収体、又は、パルス波長を周波数２倍化を介してより短い波長へ、又は、パラメトリック増幅を介してより長い波長へ変換するための非線形結晶のような、１つ又は複数の非線形光学素子を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、光学系１−１４０は、光源１−１１０からのパルスの偏光を変更、選択、及び／又は制御する１つ又は複数の要素を含むことができる。
【００２４】
パルス光源１−１１０及び光学系１−１４０は、図１−１においては分析システム１−１６０とは別個の要素として示されているが、パルス光源及び光学系は、いくつかの実施形態によれば、分析システム１−１６０内に収容することができる、コンパクトな交換可能モジュールとして製造されてもよい。いくつかの実施形態において、パルサ回路１−１１２及びパルス光源１−１１０は、同じボード（例えば、同じプリント回路ボード）又は同じ基板（例えば、同じ半導体基板）上に集積されてもよい。
【００２５】
様々な実施形態において、パルス光源から放出されるパルス１−１２２は、図１−２に示すような時間強度プロファイルを有し得る。いくつかの実施形態において、放出されるパルスのピーク強度値は、ほぼ等しくなり得、プロファイルはガウス時間プロファイルを有してもよいが、ｓｅｃｈ２プロファイルのような他のプロファイルが可能であり得る。いくつかの事例において、パルスは、対称時間プロファイルを有しなくてもよく、他の時間的形状を有してもよい。いくつかの実施形態において、光源１−１１０内の利得及び／又は損失動態は、図２−１Ｃに関連して下記に説明するように、非対称プロファイルを有するパルスをもたらし得る。各パルスの持続時間は、図１−２に示すような、半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって特性化することができる。超短光パルスは、１００ピコ秒未満のＦＷＨＭ値を有することができる。短光パルスは、約１０ナノ秒未満のＦＷＨＭ値を有することができる。
【００２６】
光源１−１１０から放出されるパルスは、パルス分離間隔と称されることがある周期的な間隔Ｔだけ、時間的に離間することができる。いくつかの実施形態において、Ｔは、レーザにおける能動的利得及び／又は損失変調速度によって決定することができる。例えば、レーザダイオードが利得切り換えされる繰り返し数、又は、発光ダイオードの接合に印加される電流が、パルス分離間隔Ｔを決定することができる。いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔは、約１ｎｓと約１００ｎｓとの間であってもよい。いくつかの実施態様において、パルス分離間隔Ｔは、例えば、イメージング・デバイスのフレーム・レートにおいて繰り返すために、長くすることができる。いくつかの事例において、パルス分離間隔Ｔは、約１００ｎｓと約５０ｍｓとの間であってもよい。
【００２７】
パルス１−１２２の横方向空間プロファイルは、いくつかの実施形態では単一モードガウスであってもよいが、本発明はそのようなプロファイルには限定されない。いくつかの実施態様において、パルス１−１２２の横方向空間プロファイルは、例えば、複数の明確に異なる強度ピークを有する、マルチ・モードであってもよい。マルチ・モード・ソースについて、光学系１−１４０は、パルスの横方向強度プロファイルを均質化する拡散光学素子を含むことができる。マルチ・モード・ソースを使用することを可能にすることによって、レーザダイオードからより高いパルス・エネルギーを得ることができる。例えば、レーザダイオードの活性領域を、レーザの光軸を横断する方向において拡大して、その光出力を増大することができる。
【００２８】
蛍光発光を励起するために使用されるとき、パルス光源からのパルス１−１２２は、「励起パルス」と称される場合がある。
「蛍光分子」という用語は、蛍光タグ、分子プローブに付着され得る蛍光マーカ、蛍光色素分子、及び自己蛍光分子を指すために使用され得る。「蛍光発光」という用語は、蛍光タグ、分子プローブに付着され得る蛍光マーカ、蛍光色素分子、及び自己蛍光分子から発する光を指すために使用され得る。
【００２９】
ＩＩ．パルス光源
本発明者らは、レーザダイオード及び発光ダイオードから短パルス及び超短光パルスを生成するためのパルサ回路及び技法を着想した。パルス化回路及び技法は、いくつかの実施態様においては、半導体レーザを利得切換し、最大１００ＭＨｚの繰り返し数（１０ナノ秒程度と短いＴ）において約１Ｗのピーク・パワーを有する、約８５ピコ秒（ｐｓ）パルスの列（ＦＷＨＭ）を生成するために利用されている。いくつかの実施形態において、ユニポーラ又はバイポーラ電流波形を、パルサ回路によって生成することができ、光パルスを励起し、パルスのテールにおける発光を抑制するように、レーザダイオードの利得媒体を駆動するために使用することができる。いくつかの実施形態において、ユニポーラ又はバイポーラ電流波形を、パルサ回路によって生成することができ、短パルス又は超短光パルスを出力するように１つ又は複数の発光ダイオードを駆動するために使用することができる。
【００３０】
レーザダイオードにおける利得切換を説明する目的で、利得切換と関連付けられるレーザ動態を示すために、図２−１Ａから図２−１Ｃが含まれている。図２−１Ａは、いくつかの実施形態によれば、利得切換レーザの利得媒体に印加されるポンプ・パワーを表すポンプ・パワー曲線２−１１０を示す。図示されているように、ポンプ・パワーは、レーザ・キャビティ内の利得媒体に、短い持続時間（約０．６マイクロ秒として示されている）にわたって印加することができる。半導体レーザダイオードについて、ポンプ・パワーの印加は、レーザダイオードのｐ−ｎ接合又は多重量子井戸（ＭＱＷ）にわたってバイアス電流を印加することを含むことができる。ポンプ・パワー・パルスは、周期的に離間された時間間隔で、例えば、パルス分離間隔又はパルス繰り返し時間Ｔで、繰り返し印加することができる。
【００３１】
ポンプ・パワー・パルスが印加されている間、レーザ・キャビティ内の光学利得は、利得がキャビティにおける光学損失を超え始めるまで増大する。この時点の後、レーザはレージング（すなわち、誘導放出の工程によって利得媒体を通過する光子を増幅）し始めることができる。増幅工程の結果として、レーザ光が急速に増大し、利得媒体内の励起状態が空乏して、少なくとも１つの出力パルス２−１３０が図示のように生成される。いくつかの実施形態において、ポンプ・パワー・パルス２−１１０は、出力パルスのピークが生じるのとほぼ同時にオフになるように、タイミングをとられる。ポンプ・パワー・パルスがオフになることによって、さらなるレージングが終了し、それによって、出力パルス２−１３０が消える。いくつかの実施形態において、出力パルス２−１３０は、図面に示すように、ポンプ・パルス２−１１０よりも短い持続時間を有し得る。例えば、利得切換によって生成される出力パルス２−１３０は、ポンプ・パルス２−１１０の持続時間の１／５よりも小さくてもよい。
【００３２】
ポンプ・パワー・パルスがオフにされない場合、図２−１Ｂに示す動態が生じ得る。この事例において、階段関数として示されているポンプ・パワー曲線（ポンプ電流密度として示されている）２−１４０は、半導体レーザに印加される電流密度を表す。グラフは、利得媒体がポンピング電流密度によって励起され、それによって、レーザダイオードの利得領域におけるキャリア密度Ｎが生成されることを示している。レージング閾値電流密度Ｉｔｈの約２倍のポンプ電流密度Ｉが時刻ｔ＝０において印加され、その後、そのままにされる。グラフは、レーザの光学利得がキャビティ内の損失を超えるまで、半導体利得領域のキャリア密度Ｎが増大することを示している。この時点の後、キャリア密度及び光学利得をキャビティ損失を下回る値まで空乏させる第１のパルス２−１６１が増大し、放出される。その後、第２のパルス２−１６２が増大し、キャリア密度Ｎを空乏させ、放出される。キャリア密度の増大及び空乏は、レーザが安定して連続波動作になる（例えば、この例では約７ナノ秒後）まで、数サイクルにわたって繰り返す。パルス（パルス２−１６１、パルス２−１６２、及び後続のパルス）のサイクルは、レーザの緩和振動と称される。
【００３３】
本発明者らは、超短パルスを生成するためにレーザを利得切換するときの課題は、緩和振動が継続することの有害な影響を回避することであることを認識し、諒解するに至った。例えば、図２−１Ｃに示すように、ポンプ・パワー・パルス２−１１０が十分迅速に終端しない場合、少なくとも第２の光パルス２−１６２（緩和振動に起因する）がレーザ・キャビティ内で増大し始め、利得切換出力パルス２−１７０にテール２−１７２を付加する場合がある。本発明者らは、そのようなテールは、蛍光寿命に基づいて蛍光分子を区別することを目標とする用途のようないくつかの用途にとっては望ましくない可能性があることを認識し、諒解するに至った。励起パルスのテールが十分迅速に低減されない場合、波長フィルタリングが利用されない限り、励起放射は、検出器を圧倒する場合がある。代替的に又は付加的に、励起パルス上のテールは、蛍光分子を励起し続ける場合があり、蛍光寿命の検出を複雑にする場合がある。
【００３４】
励起パルスのテールが十分迅速に低減される場合、蛍光発光中に存在する励起放射は、無視できるものであり得る。そのような実施態様において、蛍光発光の検出中に励起放射をフィルタリングすることは、蛍光発光を検出し、蛍光分子寿命を区別するためには必要ない場合がある。いくつかの事例において、励起フィルタリングをなくすことによって、分析システム１−１６０を大幅に単純化し、その費用を低減することができ、システムの構成をよりコンパクトにすることを可能にすることができる。例えば、蛍光発光中の励起波長を抑制するためにフィルタが必要ない場合、励起源及び蛍光検出器は密に近接して（例えば、同じ回路基板又は集積デバイス上に、またさらには互いの数マイクロメートル（数ミクロン）以内に）位置することができる。
【００３５】
本発明者らはまた、いくつかの事例において、励起パルス上のテールは許容することができることも認識し、諒解するに至った。例えば、分析システム１−１６０は、波長フィルタを検出光路に組み込むことを容易に可能にする光学的構成を有することができる。波長フィルタは、検出器が生物学的試料から定量化可能な蛍光を受信するように、励起波長を拒絶するように選択することができる。結果として、パルス光源からの励起放射は、検出される蛍光を圧倒しない。
【００３６】
いくつかの実施形態において、蛍光分子の発光寿命τは、いくつかの実施形態によれば、１／ｅ強度値によって特性化することができるが、いくつかの実施形態では、他の測定基準が使用されてもよい（例えば１／ｅ２、発光半減期など）。蛍光分子の寿命を決定する正確度は、蛍光分子を励起するために使用される励起パルスが、蛍光分子の寿命よりも短い持続時間を有する場合に改善される。好ましくは、励起パルスは、蛍光分子の発光寿命よりも少なくとも３倍だけ短いＦＷＨＭ持続時間を有する。より長い持続時間を有する励起パルス、又は、相当のエネルギーを有するテール２−１７２は、減衰する発光が評価されている間に蛍光分子を励起し続け、蛍光分子寿命の分析を複雑にする場合がある。そのような事例における蛍光寿命決定を改善するために、デコンボリューション技法を使用して、検出されている蛍光から、励起パルス・プロファイルの畳み込みを解くことができる。
【００３７】
いくつかの事例において、蛍光分子又は試料の消光を低減するために、超短パルスを使用して蛍光分子を励起することが好ましい場合がある。蛍光分子のポンピングが延長することによって、蛍光分子が経時的に白化及び／又は損傷する場合があり、一方で、より短い持続時間にわたって強度をより高くすることは、（たとえ分子にかかる全エネルギー量が同じであったとしても）より低い強度での長時間の曝露ほどには、蛍光分子を損傷しない場合があることが分かっている。曝露時間を低減することによって、蛍光分子に対する、光によって誘発される損傷を回避又は低減し、蛍光分子が分析システム１−１６０内でそのために使用される測定の時間又は回数を増大することができる。
【００３８】
いくつかの用途において、本発明者らは、励起パルスが、パルスのピーク・パワー・レベルを少なくとも約４０ｄＢ下回るパワー・レベルまで、迅速に（例えば、パルスのピークから約２５０ｐｓ以内に）終端することが望ましいことを見出した。いくつかの実施形態は、より少量のパワー低減、例えば、約２５０ｐｓ以内で約２０ｄＢと約４０ｄＢとの間のパワー低減を許容することができる。いくつかの実施形態は、２５０ｐｓ以内で、例えばいくつかの実施形態において約４０ｄＢと約８０ｄｂとの間、又は、いくつかの実施形態において約８０ｄＢと約１２０ｄｂとの間の、同様の又はより大量のパワー低減を必要とする場合がある。いくつかの実施形態において、これらのパワー低減レベルは、ポンピング・パルスのピークから約１００ｐｓ以内に必要とされ得る。
【００３９】
いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔ（図１−２参照）もまた、パルス・レーザ・システムの重要な態様になり得る。例えば、蛍光分子の発光寿命を評価及び／又は区別するためにパルス・レーザを使用するとき、励起パルスの間の時間は好ましくは、発光寿命を十分に正確に決定することを可能にするために、試験されている蛍光種の任意の発光寿命よりも長い。例えば、後続のパルスは、先行するパルスから励起される蛍光分子又は励起される蛍光分子の集合が、蛍光を発するために妥当な時間を得る前に到来するべきではない。いくつかの実施形態において、間隔Ｔは、蛍光分子を励起する励起パルスと、励起パルスの終端後で、かつ次の励起パルスの前に、蛍光分子によって放出される後続の光子との間の時間を決定するのに十分に長い必要がある。
【００４０】
励起パルス間の間隔Ｔは、蛍光種の減衰特性を決定するのに十分に長くなるべきであるが、パルス分離間隔Ｔが、短期間に多くの測定が行われることを可能にするのに十分に短いことも望ましい。限定ではなく例として、いくつかの用途において使用される蛍光分子の発光寿命（１／ｅ値）は、約１００ピコ秒〜約１０ナノ秒の範囲内であり得る。それゆえ、使用される蛍光分子に応じて、約２００ｐｓ程度と短いパルス分離間隔を使用することができ、一方で、より寿命の長い蛍光分子については、約２０ナノ秒よりも長いパルス分離間隔Ｔを使用することができる。したがって、蛍光寿命分析のために蛍光発光を励起するために使用される励起パルスは、いくつかの実施形態によれば、約２５ピコ秒と約２ナノ秒との間のＦＷＨＭ持続時間を有することができる。
【００４１】
蛍光発光を検出し、寿命分析に関するデータ及び視覚表示を提供するために積分時間領域イメージング・アレイが使用されるいくつかの用途において、パルス分離間隔Ｔは、イメージング・システムのフレーム・レートよりも短くなる必要はない場合がある。例えば、単一の励起パルス後に十分な蛍光信号がある場合、イメージング・フレームの複数の励起パルスにわたる信号累積は必要ない場合がある。いくつかの実施形態において、パルス光源１−１１０のパルス繰り返し数Ｒｐは、イメージング・システムのフレーム・レートＲｆに同期することができ、それによって、パルス繰り返し数は、約３０Ｈｚ程度に遅くすることができる。他の実施形態において、パルス繰り返し数は、フレーム・レートよりも相当に高くなり得、画像内の各画素の蛍光遅延信号は、複数の励起パルス後の積分値であり得る。
【００４２】
パルス光源２−２００の例が、図２−２Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、パルス光源２−２００は、基板２−２０８上に形成されている市販の又はカスタム半導体レーザダイオード２−２０１（又は１つもしくは複数のＬＥＤ）を備えることができる。レーザダイオード又はＬＥＤは、電気コネクタ２−２２４を含むハウジング２−２１２内にパッケージすることができる。レーザ又はＬＥＤからの出力ビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させるためにパッケージに含まれる、１つ又は複数の光学素子２−２０５（例えば、１つ又は複数のレンズ）があり得る。レーザダイオード２−２０１（又は１つもしくは複数のＬＥＤ）は、接続ケーブル２−２２６及び少なくとも１本のワイヤ２−２２０を介してダイオード２−２０１へと１連の電流パルスを提供することができるパルサ回路２−２１０によって駆動することができる。パルサ回路２−２１０からの駆動電流は、レーザダイオード又はＬＥＤから放出される光パルス２−２２２の列を生成することができる。
【００４３】
ＬＥＤを使用することの１つの利点は、それらの費用がレーザダイオードと比較してより低いことである。加えて、ＬＥＤは、イメージング用途により良好に適し得る、より広い、一般的にインコヒーレントなスペクトル出力を提供する（例えば、ＬＥＤは、より少ない光学干渉アーチファクトを生成し得る）。レーザダイオードについて、収集される画像内のスペックルを回避するための方策がとられない限り、コヒーレント放射は、スペックルを導入し得る。また、ＬＥＤは、励起波長を紫外線（例えば、約２４０ｎｍまで下げる）へと拡張することができ、生物試料における自己蛍光を励起するために使用することができる。
【００４４】
いくつかの実施形態によれば、レーザダイオード２−２０１は、第１の導電型（例えば、ｐ型）を有する第１の層２−２０２と、反対の導電型を有する第２の層２−２０６とを備える半導体接合を含むことができる。第１の層と第２の層との間には、１つ又は複数の中間層２−２０４が形成されてもよい。例えば、中間層は、第１の層及び第２の層から注入されるキャリアが再結合して光子を生成する多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含んでもよい。いくつかの実施形態において、中間層は、電子及び／又は正孔ブロック層を含んでもよい。レーザダイオードは、いくつかの実施態様において、無機材料及び／又は有機半導体材料を含んでもよい。材料は、所望の発光波長が得られるように選択することができる。例えば、無機半導体について、ＩＩＩ族窒化物組成が約５００ｎｍ未満の波長において発光するレーザに使用されてもよく、ＩＩＩ族ヒ化物組成又はＩＩＩ族リン化物組成が、約５００ｎｍを超える波長において発光するレーザに使用されてもよい。限定ではないが、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、端面発光レーザダイオード、又は、スラブ結合光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ）を含む、任意の適切なタイプのレーザダイオード２−２０１が使用されてもよい。
【００４５】
いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数のＬＥＤが、レーザダイオードの代わりに使用されてもよい。ＬＥＤは、ＬＤよりも低い強度を有し得るため、複数のＬＥＤが使用されてもよい。ＬＥＤは緩和振動又はレージング動作に関連付けられる動態を受けないため、その出力パルスは、レーザについて生じるよりも持続時間が長く、スペクトル帯域幅がより広くなり得る。例えば、出力パルスは、約５０ｐｓと約２ｎｓとの間であってもよく、スペクトル帯域幅は、約２０ｎｍ以上であってもよい。いくつかの実施態様において、ＬＥＤからの出力パルスは、約１００ｐｓと約５００ｐｓとの間であってもよい。より長い減衰時間を有する蛍光分子のために、より長い励起パルスが許容可能であり得る。加えて、ＬＥＤは、非偏光又は部分偏光出力ビームを生成することができる。パルス光源のいくつかの実施態様において、後述するパルサ回路の実施形態を使用して、１つ又は複数のＬＥＤを駆動することができる。
【００４６】
本発明者らは、いくつかの従来のレーザダイオード・システムが、図２−２Ｂに示すようにモデル化することができる電流ドライバ回路を備えることを認識するに至った。例えば、電流ドライバ２−２１０は、レーザダイオードに電流パルスを送達するように構成されているパルス電圧源２−２３０を備えることができる。レーザダイオードへの接続は、一般的に、ケーブル２−２２６、アダプタ又はコネクタ２−２２４、及び、レーザダイオード２−２１０上のコンタクト・パッドに接合されている単一のワイヤ２−２２０を通じて行われる。アダプタ２−２２４とレーザダイオードとの間の接続は、直列インダクタンスＬ１及び直列抵抗Ｒ１を含むことができる。接続はまた、コンタクト及び／又はダイオード接合と関連付けられる小さい接合静電容量（図示せず）をも含むことができる。
【００４７】
本発明者らは、ワイヤ・ボンド（例えばコネクタ２−２２４とレーザダイオード２−２０１との間）の数を増大することによって、レーザダイオード２−２０１への接続のインダクタンス及び／又は抵抗を低減することができることを認識し、諒解するに至った。そのようなインダクタンス及び／又は抵抗の低減は、レーザダイオードの電流変調をより高速にし、出力パルスをより短くすることを可能にすることができる。いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードの速度を向上させるために、単一のワイヤ・ボンド２−２２０が、複数の並列ワイヤ・ボンドに置き換えられてもよい。例えば、ワイヤ・ボンドの数は、３本以上に増大することができる。いくつかの実施態様において、レーザダイオードに対する最大５０本のワイヤ・ボンドがあってもよい。
【００４８】
本発明者らは、市販のレーザダイオードに対する、ワイヤ・ボンド２−２２０の数の増大の影響を調査した。考慮された１例の市販のレーザは、現在ウシオ（Ｕｓｈｉｏ）［米国カリフォルニア州サイプレス（Ｃｙｐｒｅｓｓ）所在］から入手可能なオクラロ（Ｏｃｌａｒｏ）レーザダイオード、モデルＨＬ６３１３３ＤＧであった。ワイヤ・ボンドの数を増大させる数値シミュレーションの結果が、図２−２Ｃに示されている。シミュレーションは、ワイヤ・ボンドの数を、市販のデバイスの単一のボンド（曲線２−２５０）から、３本のワイヤ・ボンド（曲線２−２５２）及び３６本のワイヤ・ボンド（曲線２−２５４）へと増大させた。固定１８Ｖパルスについてレーザダイオードへと送達される平均駆動電流が、３つの異なる事例について、一定範囲の周波数にわたって決定された。結果は、ワイヤ・ボンドの数が多くなるほど、より多くの電流がより高い周波数においてレーザダイオードに送達されることが可能になることを示している。例えば、１ＧＨｚにおいて、３本だけのワイヤ・ボンドを使用することによって（曲線２−２５２）、単一のワイヤ・ボンドの場合よりも４倍を超える量の電流が、レーザダイオードに送達されることが可能になる。短パルス及び超短パルスは、より広い帯域幅（短パルスを形成するためのより高い周波数成分）を必要とするため、複数のワイヤ・ボンドを加えることによって、より高い周波数成分が、単一のワイヤ・ボンドよりも短いパルスにおいてレーザダイオードを駆動することを可能にする。いくつかの実施態様において、複数のワイヤ・ボンドは、レーザダイオード上の単一のコンタクト・パッド又は複数のコンタクト・パッドと、レーザダイオード・パッケージ上のアダプタ又はコネクタ２−２２４との間に延在することができる。コネクタは、外部標準ケーブルへ（例えば、５０オームＢＮＣ又はＳＭＡケーブルへ）接続するように構成することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態において、ワイヤ・ボンドの数及びワイヤ・ボンド構成は、レーザダイオードに接続されているアダプタ及び／又はケーブルのインピーダンスに整合するように選択することができる。例えば、ワイヤ・ボンドのインピーダンスは、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードから電流ドライバへのパワー反射を低減するために、コネクタ２−２２４のインピーダンスに整合することができる。他の実施形態において、ワイヤ・ボンドのインピーダンスは、正の電流駆動パルスの間に負のパルスを発生させるために、選択的に不整合にすることができる。レーザダイオードのパッケージング方法を選択すること（例えば、アダプタからレーザダイオードへのワイヤ・ボンドの数を選択すること）によって、より高い周波数においてレーザダイオードに供給される電流変調を改善することができる。これは、高速利得切換信号に対するレーザダイオードの応答性を高めることができ、光パルスをより短くすること、パルス・ピーク後の光パワーの低減をより高速にすること、及び／又は、パルス繰り返し数を増大することを可能にすることができる。
【００５０】
ここで、図２−３を参照して、本発明者らは、バイポーラ・パルス波形２−３００をレーザダイオードに印加することによって、生成される光パルス上の望ましくない発光テール２−１７２（図２−１Ｃを参照）を抑制することができることをさらに認識し、諒解するに至った。バイポーラ・パルスはまた、ＬＥＤからの光パルスを短縮するために使用することもできる。バイポーラ・パルスは、第１の極性の第１のパルス２−３１０、及び、後続する、反対の極性の第２のパルス２−３１２を含むことができる。第２のパルス２−３１２の大きさは、第１のパルスの大きさとは異なってもよい。いくつかの実施形態において、第２のパルスは、第１のパルス２−３１０とほぼ等しい又はそれよりも小さい大きさを有してもよい。他の実施形態において、第２のパルス２−３１２は、第１のパルス２−３１０よりも大きい大きさを有してもよい。
【００５１】
いくつかの実施形態において、第２のパルスの大きさは、第１のパルスの大きさの約１０％と、第１のパルスの大きさの約９０％との間であってもよい。いくつかの実施態様において、第２のパルスの大きさは、第１のパルスの大きさの約２５％と、第１のパルスの大きさの約９０％との間であってもよい。いくつかの事例において、第２のパルスの大きさは、第１のパルスの大きさの約５０％と、第１のパルスの大きさの約９０％との間であってもよい。いくつかの実施形態において、第２のパルスのエネルギー量は、第１のパルスのエネルギー量の約２５％と、第１のパルスのエネルギーの約９０％との間であってもよい。いくつかの実施態様において、第２のパルスのエネルギー量は、第１のパルスのエネルギー量の約５０％と、第１のパルスのエネルギーの約９０％との間であってもよい。
【００５２】
第１の駆動パルスは、レーザダイオード接合を順方向バイアスし、それによって、ダイオード活性領域内にキャリアを発生させることができ、キャリアは再結合して、光パルスを生成することができる。反対の極性にある第２の駆動パルス２−３１２は、ダイオード接合を逆方向バイアスし、活性領域からのキャリアの除去を加速して、光子発生を終了させることができる。第２の電気パルス２−３１２が、第２の緩和振動パルス（図２−１Ｂのパルス２−１６２を参照）とほぼ同時、又はその直前（例えば、約２００ｐｓ以内）に生じるようにタイミングをとられる場合、そうでない場合に第２の光パルスを生成するキャリア濃度は、発光テール２−１７２が抑制されるように減少する。
【００５３】
様々な回路構成を使用して、バイポーラ・パルス波形を生成することができる。図２−４Ａは、バイポーラ・パルス波形を有するレーザダイオード又は１つもしくは複数のＬＥＤを駆動するために使用することができる回路のほんの１例を示す。いくつかの実施形態において、伝送線路２−４１０（例えば、ストリップ・ライン又は同軸導体アセンブリ）をパルス回路２−４００内に構成して、バイポーラ・パルスを半導体レーザダイオード２−４２０又は少なくとも１つのＬＥＤに送達することができる。伝送線路２−４１０は、Ｕ字形構成に形成することができ、第１の導体上で、充電抵抗器ＲＣｈを通じてＤＣ電圧源ＶＤＤによってバイアスすることができる。伝送線路は、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードのインピーダンスにほぼ整合するインピーダンスを有することができる。いくつかの実施形態において、伝送線路のインピーダンスは、約５０オームであってもよい。いくつかの実施態様において、伝送線路のインピーダンスは、約２０オームと約１００オームとの間であってもよい。いくつかの実施態様において、伝送線路のインピーダンスは、約１オームと約２０オームとの間であってもよい。
【００５４】
パルサ２−４００は、伝送線路の１端にある伝送線路の第２の導体と、基準電位（例えば図示されている例では接地）との間に接続されている終端抵抗器Ｚｔｅｒｍをさらに含むことができる。伝送線路の第２の導体の他端は、レーザダイオード２−４２０に接続することができる。伝送線路の第１の導体の端部は、第１の導体の端部を基準電位（例えば、接地）に周期的に分路するように起動することができるスイッチＭ１（例えば、電界効果トランジスタ又はバイポーラ接合トランジスタ）に接続することができる。
【００５５】
いくつかの事例において、終端インピーダンスＺｔｅｒｍは、線路に戻る反射を低減するために、伝送線路２−４１０のインピーダンスにほぼ等しくすることができる。代替的に、終端インピーダンスＺｔｅｒｍは、負のパルスを（スイッチＭ１による分路の後に）線路内及びレーザダイオード２−４２０に反射するために、線路のインピーダンスよりも小さくてもよい。いくつかの実施態様において、終端インピーダンスＺｔｅｒｍは、反射される負のパルスの形状を制御するように選択される、容量性及び／又は誘導性構成要素を含んでもよい。図２−４Ａに示すような伝送線路パルサを使用して、約３０Ｈｚから約２００ＭＨｚまでの範囲内の繰り返し数を有する電気バイポーラ・パルスを生成することができる。いくつかの実施形態によれば、伝送線路パルサのための伝送線路２−４１０は、図２−５Ａに示すように、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に形成されてもよい。
【００５６】
図２−４Ｂは、別個の構成要素を使用して形成することができ、基板（チップ又はＰＣＢなど）に集積することができる半導体光ダイオード２−４２３（例えば、レーザダイオード又は１つもしくは複数のＬＥＤ）に接続されているドライバ回路２−４０１の実施形態を示す。いくつかの実施形態において、回路は、レーザダイオード又はＬＥＤ２−４２３と同じ基板に集積されてもよい。レーザ・ドライバ回路２−４０１は、トランジスタＭ１のゲート又はベースに接続されている制御入力２−４０５を備えることができる。トランジスタは、ＣＭＯＳ  ＦＥＴ、バイポーラ接合トランジスタ、又は高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ  ｐＨＥＭＴなど）であってもよいが、他の高速の、大電流を処理するトランジスタが使用されてもよい。トランジスタは、電流源２−４３０と、基準電位（例えば、接地電位、ただし、他の基準電位値が使用されてもよい）との間に接続することができる。トランジスタＭ１は、電流源２−４３０と基準電位との間で、レーザダイオード２−４２３（又は１つもしくは複数のＬＥＤ）、及び、当該レーザダイオードと直列に接続されている抵抗器Ｒ１と並列に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、ドライバ回路２−４０１は、レーザダイオードと基準電位との間で抵抗器Ｒ１と並列に接続されているキャパシタＣ１をさらに含むことができる。トランジスタＭ１が記載されているが、ハイ伝導状態及びロー伝導状態を有する任意の適切な制御可能スイッチが使用されてもよい。
【００５７】
動作時、ドライバ回路２−４０１は、トランジスタＭ１がオンである、すなわち、伝導状態にあるときに、レーザダイオード２−４２３をバイパスする電流をもたらすことができる。それゆえ、レーザダイオードからの光出力はない。トランジスタＭ１がオフになると、電流はトランジスタにおける抵抗経路の増大に起因して、レーザダイオードを通じて流れることができる。トランジスタが再びオンにされるまで、電流はレーザダイオードをオンにする。光パルスは、レーザダイオードに電流パルスを提供するためにトランジスタの制御ゲートをオン状態とオフ状態との間で変調することによって発生させることができる。この手法は、レーザを駆動するために必要とされる電源上の電圧及びトランジスタ上の電圧の量を、いくつかのパルス技法と比較して低減することができ、これは、そのような高速回路を実装するために重要な態様である。
【００５８】
抵抗器Ｒ１及び並列キャパシタＣ１が存在することに起因して、ダイオードが順方向に伝導されているとき、キャパシタ上に電荷が蓄積する。これは、トランジスタＭ１が「オフ」状態、例えば、ロー又は非伝導状態にあるときに生じ得る。トランジスタがオンにされると、キャパシタにわたって貯蔵されている電圧がレーザダイオードを逆方向にバイアスする。逆方向バイアスは、実効的に、レーザダイオードにわたって負のパルスを生成し、これによって、そうでなく負のパルスがない場合に生じることになる発光テール２−１７２が低減し、又は、なくなり得る。抵抗器Ｒ１の値は、スイッチがその後開き、及び／又は、その後の光パルスがレーザダイオードによって発生する前に、キャパシタ上の実質的にすべての電荷が放電するように、選択することができる。例えば、時定数ｔ１＝Ｒ１Ｃ１は、パルス繰り返し間隔Ｔの約２分の１又は３分の１よりも小さくなるように設計されてもよい。いくつかの実施態様において、時定数ｔ１＝Ｒ１Ｃ１は、約０．２ｎｓと約１０ｎｓとの間であってもよい。
【００５９】
いくつかの実施態様において、トランジスタＭ１は、レーザダイオードからの出力光パルスの第１のピークの後に伝導状態に切り替わるように構成することができる。例えば、図２−１Ｂを参照すると、光検出及び論理回路は、第１のパルス２−１６１の減衰する強度を検知することができ、伝導状態に切り替わるようにトランジスタＭ１をトリガすることができる。いくつかの実施形態において、トランジスタＭ１は、安定したクロック信号に基づいて伝導状態に切り替わるようにトリガされてもよい（例えば、同期クロック・エッジを基準にしてトリガされる）。いくつかの実施態様において、トランジスタＭ１は、トランジスタＭ１が非伝導状態に切り替わる時点から測定される所定の遅延時間に従って、伝導状態に切り替わるようにトリガされてもよい。選択された時点においてトランジスタＭ１を伝導状態に切り替えることによって、ピーク光パルスの直後にレーザ・パワーを低減することができ、レーザ・パルスを短縮することができ、及び／又は、パルスのテール発光を低減することができる。
【００６０】
図２−４Ｂに示す駆動回路は、レーザのアノード側に位置する電流源２−４３０を示しているが、いくつかの実施形態において、電流源は代替的に又は付加的に、レーザのカソード側に位置してもよい（例えば、トランジスタＭ１、抵抗器Ｒ１、及び接地のような基準電位の間に接続されてもよい）。
【００６１】
超短パルスを生成するための駆動回路の他の実施形態が可能である。例えば、レーザダイオード又はＬＥＤの電流パルス駆動回路２−４０２は、図２−４Ｃに示すように、レーザダイオードのノードに接続されている複数の電流駆動分岐を備えてもよい。ドライバ回路２−４０２は、個別の又は集積構成要素を使用して形成することができ、基板（例えばＡＳＩＣチップ又はＰＣＢ）上に集積することができる。いくつかの実施形態において、ドライバ回路は、１つもしくは複数の半導体光ダイオード２−４２５（例えば、レーザダイオード又は１つもしくは複数の発光ダイオード）と同じ基板上に集積されてもよい。図面は、ドライバ回路を、レーザダイオード２−４２５のアノードに接続されているものとして示しているが、いくつかの実施形態において、同様の駆動回路が代替的に又は付加的に、レーザダイオードのカソードに接続されてもよい。レーザダイオードのカソード側に接続されている駆動回路は、レーザダイオードのアノード側で使用されるものとは反対の型のトランジスタ、及び、反対の極性の電圧源を利用することができる。
【００６２】
いくつかの実施態様によれば、Ｎ個の順方向バイアス電流パルスをレーザダイオード２−４２５又はＬＥＤに印加するように構成されているＮ個の回路分岐（例えば、回路分岐２−４３２、２−４３４、２−４３６）、及び、Ｍ個の逆方向バイアス電流パルスをレーザダイオードに印加するように構成されているＭ個の回路分岐（例えば回路分岐２−４３８）があってもよい。図２−４Ｃにおいては、Ｎ＝３かつＭ＝１であるが、他の値が使用されてもよい。各順方向バイアス電流分岐は、順方向バイアス電流をレーザダイオードに送達するように構成されている電圧源Ｖｉを備えることができる。各逆方向バイアス電流分岐は、逆方向バイアス電流をレーザダイオードに送達するように構成されている電圧源Ｖｊを備えることができる。各回路分岐は、スイッチ又はトランジスタＭ１と直列に接続されている抵抗器Ｒ１をさらに含むことができる。各回路分岐は、一方の側でトランジスタＭ１と抵抗器Ｒ１との間のノードに接続されており、他方の側で固定基準電位に接続されているキャパシタＣｉを含むことができる。いくつかの実施形態において、キャパシタＣｉは、トランジスタＭ１と関連付けられる接合静電容量（例えばソース−ボディ静電容量）であってもよく、別個の個別的なキャパシタは設けられなくてもよい。いくつかの実施態様において、回路分岐から送達される総電流量を制限するために、少なくとも１つの追加の抵抗器がダイオード２−４２５と直列に含まれてもよい。
【００６３】
動作時、合計され、レーザダイオード接合にわたって印加される、回路分岐の各々からの一連の電流パルスを発生させるために、タイミングをとられたパルス制御信号が、スイッチ又はトランジスタＭｉの制御入力Ｓｉに印加され得る。各分岐内の構成要素（Ｖｉ、Ｖｊ、Ｒｉ、Ｃｉ）ならびに制御入力Ｓｉに印加される制御パルスのタイミング及びパルス持続時間の値は、レーザダイオード２−４２５に印加される所望のバイポーラ電流パルス波形を生成するように、独立して選択することができる。ほんの１例として、Ｖ１、Ｖ２及びＶ３の値は、異なる値を有するように選択することができる。Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３の値は同じであってもよく、Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３の値は同じであってもよい。この例において、パルス信号を制御入力Ｓｉに対してずらすことによって、パルス持続時間は同様であるが，パルス振幅は異なる、順方向バイアス回路分岐からのずれて重なり合う電流パルス系列を生成することができる。逆方向バイアス回路分岐からのタイミングをとられたパルスは、順方向バイアス・パルスを消滅させるか、又は、迅速にオフにすることができる反対の極性の電流パルスを生成することができ、レーザダイオードからのテール発光を抑制することができる逆方向バイアス・パルスをさらに生成することができる。逆方向バイアス・パルスは、順方向バイアス・パルスのうちの１つもしくは複数と時間的に少なくとも部分的に重なり合うように、慎重にタイミングをとることができる。したがって、図２−４Ｃに示す回路を使用して、図２−３に示すようにバイポーラ電流パルスを同期させることができる。
【００６４】
図２−４Ｄは、無線周波数（ＲＦ）構成要素を使用して製造することができる、パルス・ドライバ２−４０３の別の実施形態を示す。ＲＦ構成要素は、いくつかの実施形態によれば、約５０ＭＨｚと約１ＧＨｚとの間の周波数にある信号を処理するように設計することができる。いくつかの実施態様において、パルス・ドライバ２−４０３は、入力波形（例えば、方形波又は正弦波）をドライバにＡＣ結合する入力ＤＣブロック２−４３５を備えることができる。ＤＣブロックに、増幅器２−４４０を後置することができ、増幅器２−４４０は、それぞれ別個の回路経路２−４４０ａ、２−４４０ｂに沿って進む非反転及び反転出力波形を生成する。第１の回路経路２−４４０ａは、１つもしくは複数のアダプタ２−４４２を含むことができる。第１の経路内の信号に対して第２の経路内の信号を選択的に位相シフトするために、可変位相調整器２−４４５を、第２の回路経路２−４４０ｂ内に含むことができる。
【００６５】
第１の回路経路及び第２の回路経路は、ＲＦ論理ゲート２−４５０（例えば、ＡＮＤゲート又は他の論理ゲート）の非反転入力に接続することができる。論理ゲート２−４５０の反転入力は、ゲートにおけるスプリアス・パワー反射を回避するために、適切なインピーダンス整合ターミネータ２−４４６によって終端することができる。論理ゲート２−４５０の非反転出力及び反転出力は、２つの回路経路２−４５０ａ、２−４５０ｂに沿って結合器２−４６０に接続することができる。反転回路経路２−４５０ｂは、遅延要素２−４５４及び減衰器２−４５６を含むことができ、これらのいずれか又は両方は、調整可能であってもよい。遅延要素を使用して、反転信号を非反転信号に対して遅延させることができ、減衰器を使用して、反転信号の振幅を調整することができる。
【００６６】
論理ゲートから結果もたらされる反転信号及び非反転信号はその後、結合器２−４６０において合計される。結合器２−４６０からの出力は、レーザダイオード又は１つもしくは複数のＬＥＤを駆動するための出力バイポーラ・パルスを提供するＲＦ増幅器２−４７０に接続することができる。出力バイポーラ・パルスは、図２−４Ｅに示すような波形を有することができる。
【００６７】
動作時、入力方形波又は正弦波は、ドライバにＡＣ結合することができ、非反転バージョン及び反転バージョンとして２つの回路経路２−４４０ａ、２−４４０ｂに分割することができる。第１の増幅器２−４４０は、いくつかの実施形態によれば、正弦波形を整える制限増幅器であってもよい。第２の回路経路２−４４０ｂにおいて、反転波形が、調整可能位相調整器２−４４５によって位相シフトされて、反転波形を非反転波形に対して時間的に遅延させることができる。第１の増幅器２−４４０から結果もたらされる波形はその後、ＲＦ論理ゲート２−４５０（例えば、ＡＮＤゲート）によって処理されて、論理ゲートの非反転出力及び反転出力において短ＲＦパルスを生成することができる。短ＲＦパルスの持続時間は、いくつかの実施形態によれば、位相調整器２−４４５を使用して調整することができる。例えば、位相調整器は、論理ＡＮＤゲート２−４５０に対する入力における非反転波形と反転波形の両方が同時に「オン」状態にある期間を調整することができ、これによって出力パルスの長さが決定される。
【００６８】
図２−４Ｅを参照すると、論理ゲート２−４５０からの短反転パルス２−４１７は、非反転パルスと結合する前に、遅延要素２−４５４によって非反転パルス２−４１５に対して量δだけ遅延され、減衰器２−４５６によって所望の振幅まで減衰され得る。いくつかの実施形態において、負のパルス振幅｜ＶＰ−｜は、正のパルス振幅Ｖｐ＋未満であり得る。パルス分離間隔Ｔは、パルス・ドライバ２−４０３への正弦波又は方形波入力の周波数によって決定することができる。出力パルス波形は、ＤＣオフセットを含んでもよく、又は、含まなくてもよい。出力波形は方形波波形を有するものとして示されているが、ＲＦ構成要素及び／又はケーブルにおける静電容量及びインダクタンスは、むしろ図２−３に示す波形に近い、より丸みを帯びた波形を有する出力パルスを生成してもよい。
【００６９】
図２−４Ｃ及び図２−４Ｂに関連して前述したように、レーザダイオード又はＬＥＤに対する電流又は電圧の印加は、いくつかの実施形態において、アノードとカソードの両方に対するものであり得る。分割又は差動電圧又は電流パルスをカソードとアノードの両方に印加することができる無線周波数パルス・ドライバ回路２−４０４が図２−４Ｆに示されている。回路の前端は、いくつかの実施形態によれば、図２−４Ｄに示すパルス・ドライバ回路２−４０３の前端と同様であってもよい。しかしながら、パルス・ドライバ回路２−４０４においては、論理ゲート２−４５０からの非反転出力及び反転出力は結合されなくてもよく、代わりに、差動駆動として、レーザダイオードのアノード及びカソードに印加することができる。単純にするために、後続の負又は逆バイアス・パルスの生成に関連する回路は、図２−４Ｆには示されていない。
【００７０】
差動パルス・ドライバ回路２−４０４によって生成される分割又は差動駆動の例が、図２−４Ｇに示されている。論理ゲート２−４５０からの第１の出力は、振幅＋Ｖｐの正のパルス２−４１６を生成することができ、論理ゲート２−４５０からの第２の反転出力は、反対の振幅−Ｖｐの負のパルス２−４１８を生成することができる。パルス列は、いくつかの実施形態において、小さいＤＣオフセットを有してもよく、又は、有しなくてもよい。正のパルス２−４１６及び負のパルス２−４１８が存在することによって、実効的な振幅２Ｖｐを有する順方向バイアス・パルスが、レーザダイオードにわたって生成される。バイアスをレーザダイオードにわたって分割し、アノード及びカソードに部分バイアスを印加することによって、パルス・ドライバ２−４０４が処理する電圧パルスの振幅は、実効的に２分の１に低減することができる。したがって、パルス・ドライバ２−４０４は、そうでない場合により振幅の大きいパルスについて達成することが可能であり得るよりも高い周波数において動作することができ、より短いパルスを生成することができる。代替的に、パルス・ドライバ回路２−４０４は、バイアス・パルス＋Ｖｐをレーザダイオードのアノードに提供するのみである駆動回路と比較して、レーザダイオードにわたって印加される駆動パルスの振幅を実効的に倍増することができる。そのような実施形態において、レーザダイオードからのパワー出力を増大することができる。
【００７１】
レーザダイオードに印加されるパワー及び／又は駆動速度を増大することができる別の方法が、図２−４Ｈに示されている。いくつかの実施形態によれば、複数のパルス・ドライバ出力２−４７０は、レーザダイオード２−４２５又はＬＥＤのアノードに接続することができる。この例においては、４つのパルス・ドライバがレーザダイオードのアノードに接続されている。差動パルス・ドライバ回路が使用されるいくつかの実施形態においては、レーザダイオードのカソードに接続されている複数のドライバもあってもよい。各ドライバ及びその関連するケーブルは、インピーダンスＺ０を有することができ、レーザダイオード２−４２５は、インピーダンスＺＬになっているものであり得る。それらが並列に接続しているために、ドライバの出力インピーダンスは、レーザダイオードに接続されているドライバの数で分割される。ダイオードへと送達されるパワーは、パルス・ドライバの結合インピーダンスがレーザダイオード２−４２５のインピーダンスにほぼ一致する、又は、逆が成り立つときに、増大することができる。
【００７２】
図２−４Ｉのグラフは、４つの駆動ソースに関するレーザダイオード２−４２５に結合されるパワーの効率の増大を、レーザダイオード及びレーザダイオード回路のインピーダンスの関数として示す。この例において、４つのパルス・ドライバは各々、約５０オームの線路インピーダンスを有し、約１００ｍＡの最大電流で５Ｖ振幅の出力パルスを送達するように構成されている。このプロットは、レーザダイオードのインピーダンスが約１０オームであるときに、レーザダイオードに結合されるパワーが最大値に達することを示している。この値は、４つのパルス・ドライバ出力２−４７０の並列出力インピーダンスにほぼ等しい。したがって、レーザダイオード２−４２５及びその関連する回路のインピーダンスは、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードを駆動するのに使用される１つもしくは複数のパルス・ドライバの結合インピーダンスにほぼ一致するように設計することができる。
【００７３】
他の回路ドライバ構成が、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルシングするために使用されてもよい。いくつかの実施形態によれば、発光ダイオードへの電流注入は、「高い繰り返し数及びピーク・パワーを有する単純なナノ秒未満紫外線光パルス発生器（Ａ  ｓｉｍｐｌｅ  ｓｕｂ−ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌｉｇｈｔ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ  ａｎｄ  ｐｅａｋ  ｐｏｗｅｒ）」，Ｐ．Ｈ．ビン（Ｐ．Ｈ．Ｂｉｎｈ）ら著，Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒ．  Ｖｏｌ．  ８４，  ０８３１０２  （２０１３）、又は、「光検出器の試験のための発光ダイオードを使用した紫外線ナノ秒光パルス発生器（Ａｎ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｌｉｇｈｔ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｆｏｒ  ｔｅｓｔ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）」，荒木勉（Ｔ．  Ａｒａｋｉ）ら著，Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒ．  Ｖｏｌ．  ６８，  １３６５  （１９９７）に記載されているパルサ回路を使用してナノ秒未満のパルスを生成するようにパルス化することができる。
【００７４】
パルサ回路の別の例が、図２−４Ｊに示されている。いくつかの実施形態によれば、パルサ回路は、パルス発生器２−４８０を備えることができ、パルス発生器２−４８０は、例えば、システム・クロックからの１つもしくは複数のクロック信号を受信し、ドライバ回路２−４９０に電気パルスの列を出力することができ、ドライバ回路２−４９０は、パルス発生器から電気パルスが受信されるのに応答して、レーザダイオード又は発光ダイオードに電流パルスを注入する。したがって、出力光パルスは、システム・クロックに同期することができる。システム・クロックはまた、検出電子装置（例えば、イメージング・アレイ）を動作させるために使用することもできる。
【００７５】
いくつかの実施形態によれば、パルス発生器２−４８０は、受動電子構成要素とデジタル電子構成要素との組み合わせから形成することができ、第１の回路基板上に形成することができる。いくつかの事例において、パルス発生器は、アナログ回路構成要素を含んでもよい。他の実施形態では、パルス発生器の一部分が、ドライバ回路２−４９０と同じ基板上に形成されてもよく、パルス発生器の一部分が、ドライバ回路から遠隔した別個の基板上に形成されてもよい。ドライバ回路２−４９０は、受動、アナログ、及びデジタル電子構成要素から形成されてもよく、パルス発生器又はパルス発生器の一部分と同じ又は異なる回路基板上に形成されてもよい。光源（レーザダイオード又は発光ダイオード）は、ドライバ回路を有する回路基板上に含まれてもよく、又は、システム内に位置して、高速ケーブル（例えばＳＭＡケーブル）によってドライバ回路２−４９０に接続されてもよい。いくつかの実施態様において、パルス発生器２−４８０及びドライバ回路２−４９０は、エミッタ結合論理要素を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、パルス発生器２−４８０、ドライバ回路２−４９０、及び半導体光ダイオード２−４２３は、同じプリント回路基板、ラミネート、又は集積回路に集積することができる。
【００７６】
パルス発生器２−４８０の１例が、図２−４Ｋに示されている。いくつかの実施態様において、パルス発生器は、一方が他方に対して遅延されている、２つの差動クロック出力を生成する第１の段を含むことができる。第１の段は、クロック入力を受信することができ、ファン・アウト２−４８１と、遅延２−４８３とを含むことができる。ファン・アウトは、クロック信号の２つのコピー及びクロック信号の２つの反転コピーを生成するように構成されている論理ドライバ及び論理インバータを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、クロックは、対称デューティ・サイクルを有してもよいが、他の実施形態では、非対称デューティ・サイクルが使用されてもよい。１つのコピー及び１つの反転コピーが、差動クロック出力（ＣＫ１、
【００７７】
【数１】
2018518670.tif 000003
【００７８】
）を形成することができ、遅延要素２−４８３によって、第２のコピー及び第２の反転コピー（ＣＫ２、
【００７９】
【数２】
2018518670.tif 000004
【００８０】
）に対して遅延させることができる。遅延要素は、任意の適切な可変又は固定遅延要素を含んでもよい。遅延要素の例は、ＲＦ遅延線及び論理ゲート遅延を含む。いくつかの実施態様において、第１の対のクロック信号（ＣＫ１、
【００８１】
【数３】
2018518670.tif 000005
【００８２】
）は、第２の対のクロック信号（ＣＫ２、
【００８３】
【数４】
2018518670.tif 000006
【００８４】
）に対して１クロックサイクルのうちの少なくとも一部分だけ遅延される。遅延は、部分サイクルに加えて、１つもしくは複数の全サイクルを含んでもよい。各対のクロック信号の中で、反転信号は、クロックの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジが基本的に同時に生じるように、その対応する一方に同期することができる。
【００８５】
本発明者らは、パルス発生器２−４８０からの電流駆動パルスの長さを調整し、超短電流駆動パルスの振幅を調整するのではなく、固定振幅を維持することによって、レーザダイオード又はＬＥＤの超短パルス化をより確実に制御することができることを見出した。電流駆動パルスの長さを調整することによって、パルスあたりにレーザダイオードに送達されるエネルギーの量が調整される。いくつかの実施形態において、高速回路は、（例えば、アナログ又はデジタル遅延要素２−４８３を用いて遅延又は位相を調整することによって）信号位相を高分解能に制御することを可能にし、これは、いくつかの実施態様によれば、パルス長の高分解能制御を達成するために使用することができる。
【００８６】
いくつかの事例において、パルス発生器２−４８０の第１の段は、ファン・アウト２−４８１及び遅延２−４８３の代わりに、２重出力クロックを含んでもよい。２重出力クロックは、２つの差動クロック信号を発生させることができ、２つの差動クロック信号の間に調整可能な位相遅延をもたらすことができる。いくつかの実施態様において、調整可能な位相遅延は、３ｐｓものわずかな対応する時間分解能を有することができる。
【００８７】
遅延クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２及びそれらの反転信号がどのように生成されるかにかかわらず、信号は、高速伝送線路を介して高速論理ゲート２−４８５に伝送することができる。基板間のケーブルを介した信号伝送について、クロック・パルスはケーブルに起因して劣化する場合がある。例えば、伝送線路の制限された帯域幅が、クロック・パルスを別様に歪ませる場合があり、結果としてタイミングを不均等にする場合がある。いくつかの実施態様において、伝送歪みが４つのクロック信号に等しく影響を及ぼすように、同じタイプのケーブル又は伝送線路をすべてのクロック信号に使用することができる。例えば、信号歪み及びタイミング・オフセットが、４つのクロック信号について基本的に同じであるとき、結果として受信論理ゲート２−４８５によって生成される駆動パルスは、基本的に、クロック信号の伝送からの信号歪みがない場合と同じになる。したがって、数フィートの距離を介したクロック信号の伝送は、駆動パルス持続時間に影響を及ぼすことなく、許容することができる。これは、システム・クロックに同期され、精密に調整可能なパルス持続時間（例えば約３ｐｓの増分で調整可能）を有する超短駆動パルスを生成するのに有用であり得る。クロック信号がローカルに（例えば、ドライバ回路２−４９０と同じ基板上に）生成される場合、クロック信号の伝送に関連する信号歪みは、重大でない場合があり、伝送線路はある程度異なってもよい。
【００８８】
いくつかの実施形態によれば、クロック信号は、キャパシタＣ１とＡＣ結合することができ、高速論理ゲート２−４８５のデータ入力に提供することができる。キャパシタＣ１は、約１０ｎＦと約１μＦとの間の静電容量を有することができる。いくつかの実施形態によれば、論理ゲートは、エミッタ結合論理（ＥＣＬ）２入力差動ＡＮＤ／ＮＡＮＤゲートを含んでもよい。論理ゲート２−４８５の例は、オン・セミコンダクタ（ＯＮ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）［米国ロード・アイランド州イースト・グリニッジ（Ｅａｓｔ  Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ）所在］から入手可能なモデルＭＣ１００ＥＰ０５を含む。論理ゲートへのデータ入力におけるＡＣ結合信号は、図２−４Ｌに示す信号と同様に見え得、図面において、水平破線はゼロ電圧レベルを示す。図２−４Ｌの図示は、伝送線路によって導入される歪みを含まない。歪みは、信号プロファイルの形状を丸め、変化させ得るが、同じタイプ及び長さのケーブルが各クロック信号に使用されるときは、クロック信号の相対位相に影響を及ぼさないものであり得る。遅延要素２−４８３は、垂直破線によって示される遅延Δｔを提供することができ、この遅延は、３ｐｓと小さい増分で調整可能であり得る。いくつかの実施態様において、遅延要素２−４８３は、１ｐｓと１０ｐｓとの間の値を有する増分で調整可能な遅延を提供することができる。論理ゲート２−４８５は、受信クロック信号を処理し、遅延要素２−４８３によって導入される遅延に対応する出力ポートＱにおいて出力信号を生成することができる。小さい遅延によって、出力は、短パルス又は超短パルス系列を含む。高速論理ゲート２−４８５を用いると、パルス持続時間は、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約２ｎｓとの間（ＦＷＨＭ）であってもよく、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約０．５ｎｓとの間であってもよく、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約２００ｐｓとの間であってもよく、さらには、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約１００ｐｓとの間であってもよい。ポートＱからの駆動パルスは、ＥＣＬ論理ゲート２−４８５の高速スルー・レートに起因して、実質的に方形のプロファイルを有することができる。バイアス回路２−４８７を、出力ポートに接続することができ、正のエミッタ結合論理に対して電圧Ｖ１が印加され得る。パルス発生器２−４８０の出力端子Ｐｏｕｔから提供される出力パルスは、いくつかの実施形態によれば、ＤＣオフセットを含み得る。
【００８９】
いくつかの実施態様において、２つ以上の高速論理ゲート２−４８５を、キャパシタＣ１及びバイアス回路２−４８７の間に並列に接続することができる。これらの論理ゲートは同じであってもよく、並列に動作して、パルス発生器の出力においてより大きい電流駆動機能を提供することができる。本発明者らは、論理ゲート２−４８５又はゲートが、高速切り換え（例えば、超短駆動パルスを生成するための速やかな立ち上がり及び立ち下がり時間）を可能にする必要があり、ドライバ回路２−４９０内の高電流トランジスタＭ１を駆動するのに十分な出力電流を提供する必要があることを認識し、諒解するに至った。いくつかの実施態様において、論理ゲート２−４８５を並列に接続することによって、パルス回路の性能を改善することができ、１００ｐｓ未満の光パルスを生成することが可能になる。
【００９０】
図２−４Ｍは、レーザダイオード又はＬＥＤ２−４２３に接続することができる、ドライバ回路２−４９０の実施形態を示す。ドライバ回路は、高速トランジスタＭ１のゲートに接続されている、抵抗器Ｒ３と直列のキャパシタＣ２を有するＡＣ結合入力を含むことができる。Ｃ２の静電容量は、いくつかの実施形態によれば、約０．１μＦと約１０μＦとの間であってもよく、Ｒ３は、約１０オームと約１００オームとの間の値を有してもよい。トランジスタＭ１は、いくつかの実施形態によれば、高電流（例えば、少なくとも１アンペア、場合によっては、最大４アンペア以上）を切り換えることが可能な高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ  ＦＥＴ）を含んでもよい。トランジスタＭ１は、マルチ・ギガヘルツ速度においてそのような大電流を切り換えることが可能な高速トランジスタであってもよい。いくつかの実施形態によれば、トランジスタＭ１は、３０Ｈｚと約２００ＭＨｚとの間の繰り返し数において、約５０ｐｓと約２ｎｓとの間の電気パルス持続時間にわたって、１アンペアを超える電流を切り換えることができる。トランジスタＭ１の例は、アバゴ・テクノロジー（Ａｖａｇｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）［米国カリフォルニア州サンノゼ（Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ）所在］から入手可能なモデルＡＴＦ−５０１８９−ＢＬＫを含む。バイアス及びフィルタリング回路要素（例えば、抵抗器Ｒ４、Ｒ７、及びＣ３）を、キャパシタＣ２とトランジスタＭ１のゲートとの間に接続することができる。トランジスタＭ１のドレインは、レーザダイオード又は発光ダイオード２−４２３のカソードに直に接続することができ、トランジスタＭ１のソースは、基準電位（例えば、接地）に接続することができる。ダイオード２−４２３のアノードは、ダイオード電圧源ＶＬＤに接続することができる。抵抗器Ｒ６及びキャパシタ４を、ダイオード２−４２３にわたって並列に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、抵抗器Ｒ６は、約５０オームと約２００オームとの間の値を有してもよく、Ｃ４は、約５ｐＦと約５０ｐＦとの間の静電容量を有してもよい。キャパシタＣ５（約１μＦと約５μＦとの間の値を有する）もまた、ダイオード２−４２３及びトランジスタＭ１と並列に、ダイオード電圧源ＶＬＤと基準電位（例えば、接地）との間に接続することができる。
【００９１】
いくつかの実施形態において、保護ダイオード（図示せず）が、レーザダイオード２−４２３のカソード及びアノードにわたって逆方向に接続されてもよい。保護ダイオードは、レーザダイオード接合を破壊し得る過剰な逆バイアス電位からレーザダイオードを保護することができる。
【００９２】
動作時、パルス発生器２−４８０からのパルスがトランジスタＭ１を一時的にオンにし、レーザダイオード又は発光ダイオード２−４２３の活性領域に電流が注入されることを可能にする。いくつかの実施態様において、大量の順方向電流（例えば、最大４アンペア）が一時的にトランジスタＭ１を流れる。順方向電流は、レーザダイオード接合にキャリアを注入し、光放射の短パルス又は超短パルスを生成する。トランジスタＭ１がオフになると、寄生インダクタンスが発光ダイオード又はレーザダイオードにわたって電流を流し続け、レーザダイオードと並列に接続されているＲＣネットワークによって消散され得るまで、ダイオードのカソード側に電荷が蓄積される。カソードにおける電荷のこの一時的な蓄積は、レーザダイオードに逆方向バイアス・パルスをもたらし、活性領域からのキャリアの除去を加速する。これによって、光パルスの終端が加速される。
【００９３】
本発明者らは、図２−４Ｍの実施形態について説明されている光パルス化技法は、レーザダイオードをオンにするために必要とされ得るより高く、より短い電流パルスをもたらすことができるため、方形波パルスの微分に基づくパルス化技法よりも優れていることを見出した。
【００９４】
本発明者らは、様々なパルス駆動回路を組み立て、それらを使用して、レーザダイオードを駆動した。図２−５Ａは、組み立てられたパルサ回路２−５００の別の実施形態を示す。この実施形態は、図２−４Ａに示すようなパルサ２−４００を実装する。組み立てられた回路において、伝送線路２−４１０が、図に示すように、プリント回路基板上にＵ字形構成でパターン化された平行板ストリップ・ラインとして形成される。ＧａＮ  ｐＨＥＭＴトランジスタがＵ字形伝送線路の２つの端部を短絡するための分路スイッチＭ１として使用された。パルサ回路２−５００は、最大１００ＭＨｚの繰り返し数において動作することができ、５０オームの負荷を駆動するために使用することができる。いくつかの実施形態において、パルサ回路は、約１０ＭＨｚと約１ＧＨｚとの間の繰り返し数において動作することができる。
【００９５】
パルサ２−５００からの測定波形が、図２−５Ｂに示されている。波形は、約１９．５Ｖの振幅を有する正のパルス、及び、それに後続する、正のパルスに後続する、約−５Ｖの振幅に達する負のパルスを示す。正のパルスの持続時間は、約１．５ナノ秒である。再び図２−４Ａを参照すると、パルサ２−５００は、約５０オームの終端抵抗器Ｚｔｅｒｍと、約２００オームのプル・アップ又は充電抵抗器Ｒｃｈを有するように構築された。Ｚｔｅｒｍの値は、終端抵抗から伝送線路に戻るパワー反射を低減するように選択された。伝送線路２−４１０に印加されるバイアスは、１００Ｖであり、スイッチＭ１は、１００ＭＨｚの繰り返し数において駆動された。０Ｖバイアスからの相対オフセットを調節するために、約−１．３ＶのＤＣバイアスがバイアス・ティーを介してダイオードに結合された。スイッチＭ１の駆動パルスは、約０Ｖと約２Ｖとの間で振動する方形波信号であった。
【００９６】
市販のレーザダイオード（ウシオ・モデルＨＬ６３１３３ＤＧ）を駆動して１００ｐｓ未満の光パルスを生成するために、市販のテスト・ベッド・ドライバが使用された。光パルス測定値が、図２−５Ｃ及び図２−５Ｄに示されている。図２−５Ｃに示すように、テール発光が低減したパルスが、１００ＭＨｚの繰り返し数において生成された。レーザダイオードからの平均パワーは、約８．３ミリワットであるものとして測定された。図２−５Ｄに示すパルス持続時間が、約８４ピコ秒であるものとして測定された。レーザダイオードからの光学的発光の強度は、パルスのピークの約２５０ｐｓ後に、約２４．３ｄＢだけ低減されることが分かった。レーザダイオードは単一のボンド・ワイヤを有していたにもかかわらず、１００ｐｓ未満のパルスが生成された。複数のボンド・ワイヤ又はパルス回路に対するさらなる改善によって、より短いパルス（例えば、約２５ｐｓと約７５ｐｓとの間）が生成され得る。
【００９７】
図２−６Ａは、上述の利得切換装置及び技法のいずれかに従って、利得切換によって光パルスを生成するために使用することができる半導体レーザ２−６００の例を示す。レーザ及びパルス駆動回路は、大量生産することができ、低コストで製造することができる。例えば、レーザは、平面集積回路技術を使用して端面発光デバイスとして微細加工することができる。そのようなレーザは、スラブ結合光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ）と称される場合がある。図面は、レーザの立断面図を示す。レーザは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系（例えば、光スペクトルの緑色、赤色、又は赤外線領域における放射を放出するため）から形成されてもよいが、他の実施態様においては（例えば、スペクトルの緑色、青色、又は紫外線領域における放射を放出するために）他の材料系（ＧａＮ／ＡｌＧａＮなど）が使用されてもよい。レーザダイオードは、限定ではないが、ＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＰ、及びＩｎＧａＮを含む他の半導体材料系から製造されてもよい。
【００９８】
いくつかの実施形態によれば、ＳＣＯＷＬは、ｎ型基板又はバッファ層２−６２７（例えば、Ａｌを含むＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ層）の上に形成されてもよい。例えば、バッファ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含んでもよく、ｘは約０．２５と約０．３０との間である。基板又はベース層の屈折率は、いくつかの実施形態によれば、約３．４と３．５との間である第１の値ｎ１を有してもよい。低ドープｎ型半導体材料の電子輸送層２−６１７を、基板２−６２７上に形成することができる。いくつかの実施形態において、電子輸送層２−６１７は、エピタキシャル成長によって、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含むように形成することができ、ｘは約０．２０と約０．２５との間であり、約５×１０１６ｃｍ−３のｎ型ドーパント濃度を有する。電子輸送層の厚さｈは、約１マイクロメートル（１ミクロン）と約２マイクロメートル（２ミクロン）との間であってもよい。輸送層２−６１７は、ｎ１よりも大きい第２の反射率値ｎ２を有することができる。その後、多重量子井戸領域２−６２０を、電子輸送層２−６１７上に形成することができる。多重量子井戸領域は、ＭＱＷ領域内のエネルギーバンドギャップを変調する異なるドーピング濃度を有する材料が交互になった（例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの層が交互になった）層を含むことができる。量子井戸領域２−６２０内の層（約２０ｎｍと約２００ｎｍとの間の厚さを有し得る）は、エピタキシ、原子層堆積、又は適切な蒸着工程によって堆積することができる。多重量子井戸領域は、ｎ２よりも大きい実効的な第３の反射率値ｎ３を有することができる。ｐ型ドープ材料の正孔輸送層２−６１５が、量子井戸領域に隣接して形成され得、ｎ２未満の反射率値ｎ４を有し得る。いくつかの実施形態において、ＳＣＯＷＬの異なる複数の領域の反射率の値は、いくつかの実施形態に従って、図２−６Ｂに示されているようなものであり得る。いくつかの実施形態において、ＳＣＯＷＬは、ＧａＮ半導体及びその合金、又は、ＩｎＰ半導体及びその合金を含んでもよい。
【００９９】
「隣接する」という用語は、２つの要素が互いに近接近して（例えば、２つの要素のうちの大きい方の横方向寸法又は垂直方向寸法の約５分の１未満の距離内に）配置されることを指し得る。いくつかの事例において、隣接する要素の間には、介在する構造又は層があってもよい。いくつかの事例において、隣接する要素は、介在する構造又は要素なしに互いに直に隣接してもよい。
【０１００】
レーザ・デバイスの層が堆積された後、トレンチ２−６０７を層内にエッチングして、約０．２５マイクロメートル（０．２５ミクロン）と約１．５マイクロメートル（１．５ミクロン）との間である幅ｗを有するレーザの活性領域を形成することができる。デバイスの第１の表面上にｎ−コンタクト２−６３０を形成することができ、ｐ型輸送層２−６１５上に、活性領域に隣接してｐ−コンタクト２−６１０を形成することができる。半導体層の露出面は、いくつかの実施形態によれば、酸化物又は他の電気絶縁層によって不動態化することができる。
【０１０１】
活性領域に隣接するトレンチ２−６０７、及び、屈折率値ｎ１、ｎ２、ｎ３、及びｎ４が、レーザの光学モードを、図面に示すように、量子井戸に隣接し、デバイス中央リブの下にあるレージング領域２−６２５に制限する。ＳＣＯＷＬは、そうでなければレージング領域２−６２５において形成及びレージングし得るより高次の横方向モードを、隣接する領域内の損失の多いより高次のスラブモードに結合するように設計することができる。適切に設計されると、レージング領域２−６２５からのすべてのより高次の横方向モードは、そのレージング領域内の基本モードと比較して相対的に損失が高く、レージングしなくなる。いくつかの実施態様において、ＳＣＯＷＬ２−６００の横方向光学モードは、単一横方向モードであってもよい。光学モードの幅は、約０．５マイクロメートル（０．５ミクロン）と約６マイクロメートル（６ミクロン）との間であってもよい。ｘ方向にとられたモード・プロファイル２−６２２は、いくつかの実施形態によれば、図２−６Ｂに示すように成形することができる。他の実施態様において、ＳＣＯＷＬは、対象の領域を照射するために複数の光学横方向モードを生成することができる。いくつかの実施形態において、活性領域の長さ（紙面に入る寸法に沿った）は、約２０マイクロメートル（２０ミクロン）と約１０ｍｍとの間であってもよい。ＳＣＯＷＬの出力パワーは、より長い活性領域の長さを選択することによって増大することができる。いくつかの実施形態において、ＳＣＯＷＬは、３００ｍＷを超える平均出力パワーを送達することができる。
【０１０２】
半導体レーザ（例えば、ＳＣＯＷＬ）及びパルサ回路は、結合させて、多くの用途に適した低コスト超高速パルス・レーザを作成することができるが、図２−５Ｄに示すターン・オフ・レートは、いくつかの蛍光寿命分析には適さない場合がある。いくつかの事例において、より迅速なターン・オフが必要とされる場合がある。例えば、本発明者らは、蛍光寿命に基づくいくつかの測定は、パルスのテールが、パルス・ピーク後の２５０ｐｓ以内に、パルス・ピークを約２５ｄＢと約４０ｄＢとの間で下回るレベルまで消滅することを必要とし得ることを見出した。いくつかの事例において、パルス・パワーは、パルス・ピーク後の１００ｐｓ以内に、この値の範囲まで降下する必要があり得る。いくつかの実施態様において、パルス・テールは、パルス・ピーク後の２５０ｐｓ以内に、パルス・ピークを約４０ｄＢと約８０ｄＢとの間で下回るレベルまで降下する必要があり得る。いくつかの実施態様において、パルス・テールは、パルス・ピーク後の２５０ｐｓ以内に、パルス・ピークを約８０ｄＢと約１２０ｄＢとの間で下回るレベルまで降下する必要があり得る。
【０１０３】
パルスの発光テールをさらに抑制するための１つの手法は、パルス・レーザ又は高輝度ＬＥＤシステムに、可飽和吸収体を含めることである。いくつかの実施形態によれば、半導体可飽和吸収体２−６６５を、図２−６Ｃに示すように、半導体レーザ２−６００又は高輝度ＬＥＤと同じ基板上に組み込むことができる。半導体レーザは、いくつかの実施形態によれば、量子井戸領域２−６２０を含むＳＣＯＷＬ構造を備えることができる。ＳＣＯＷＬは、パルサ回路２−４００又は上述した他のパルス化回路のような、パルス源２−６７０によって駆動することができる。
【０１０４】
ＳＣＯＷＬの１端に隣接して、可飽和吸収体２−６６５を形成することができる。可飽和吸収体２−６６５は、半導体レーザからの光子を吸収するように調整されているバンド・ギャップを有する領域を含むことができる。例えば、可飽和吸収体は、レーザの光学的発光の固有エネルギーにほぼ等しい少なくとも１つのエネルギーバンドギャップを有する単一の量子井戸又は複数の量子井戸を含むことができる。いくつかの実施形態において、可飽和吸収体は、ダイオード・レーザ・キャビティ内の領域を電気的に絶縁するように、ダイオード・レーザの領域にイオン注入することによって形成することができる。この領域に負のバイアスを印加して、同じレーザダイオード構造の利得よりもむしろ、吸収を促進することができる。レーザ２−６００からの高いフルエンスにおいて、可飽和吸収体の価電子帯はキャリアが空乏し得、伝導帯が満たされ得、可飽和吸収体によるさらなる吸収が妨げられる。結果として、可飽和吸収体は白化し、レーザから吸収される放射の量が低減する。このように、レーザ・パルスのピークは、パルスのテール又はウィングよりも小さい強度の減衰で、可飽和吸収体を「突き抜ける」ことができる。したがって、パルスのピークに対して、パルスのテールがさらに抑制され得る。
【０１０５】
いくつかの実施形態によれば、高反射器（図示せず）がデバイスの１端に形成され、又は位置することができる。例えば、高反射器は、可飽和吸収体からのレーザ放出を方向転換し、出力パワーを増大させるように、可飽和吸収体から最も遠い、レーザの１端に位置してもよい。いくつかの実施形態によれば、デバイスからの抽出を増大させるために、可飽和吸収体及び／又はＳＣＯＷＬの１端に、反射防止コーティングを被着させることができる。
【０１０６】
いくつかの実施形態によれば、可飽和吸収体は、バイアス供給源２−６６０を含むことができる。バイアス供給源は、各パルス後に活性領域からキャリアを掃引し、可飽和吸収体の応答を改善するために使用することができる。いくつかの実施形態において、バイアスは、可飽和回復時間を時間依存にするように（例えば、パルス繰り返し数において）変調することができる。この変調は、パルス特性をさらに改善することができる。例えば、可飽和吸収体は、可飽和吸収体の回復時間が十分である場合は、低い強度において別様により大きく吸収することによって、パルス・テールを抑制することができる。そのような差動吸収はまた、パルス長をも低減することができる。可飽和吸収体の回復時間は、可飽和吸収体に対する逆方向バイアスを印加又は増大することによって調整することができる。
【０１０７】
ＩＩＩ．システム・タイミング及び同期
図１−１を再び参照すると、短パルス又は超短パルスを生成するために使用される方法及び装置にかかわらず、システム１−１００は、分析システム１−１６０の少なくともいくつかの電子的動作（例えば、データ取得及び信号処理）を、光源からの光パルスの繰り返し数と同期させるように構成されている回路を含むことができる。パルス繰り返し数を分析システム１−１６０上の電子装置に同期させるための少なくとも２つの方法が存在する。第１の技法によれば、マスタ・クロックをタイミング・ソースとして使用して、パルス光源におけるパルスの発生と機器電子装置の両方をトリガすることができる。第２の技法において、パルス光源からタイミング信号を導出し、機器電子装置をトリガするために使用することができる。
【０１０８】
図３−１は、クロック３−１１０が同期周波数ｆｓｙｎｃにおけるタイミング信号を、パルス光源１−１１０（例えば、利得切換パルス・レーザ又はパルスＬＥＤ）と、各励起パルス１−１２０と生物学的物質、化学物質、又は他の物理的物質との間の相互作用からもたらされる信号を検出及び処理するように構成することができる分析システム１−１６０の両方に提供する。ほんの１例として、各励起パルスは、生物試料の特性（例えば、がん性又は非がん性、ウイルス又は細菌感染、血糖値）を分析するために使用される、生物試料の１つ又は複数の蛍光分子を励起することができる。例えば、非がん性細胞は、第１の値の固有蛍光寿命τ１を呈し得、一方で、がん性細胞は、第１の寿命値とは異なり、区別することができる第２の値の寿命τ２を呈し得る。別の例として、血液の試料から検出される蛍光寿命は、血糖値に依存する寿命値及び／又は強度値（別の安定したマーカに対する）を有することができる。各パルス又はいくつかのパルスから成る系列の後、分析システム１−１６０は、蛍光信号を検出及び処理して、試料の特性を決定することができる。いくつかの実施形態において、分析システムは、イメージングされるエリア内の領域の１つ又は複数の特性を示す、エリアの２次元又は３次元マップを含む、励起パルスによって調査されるエリアの画像を生成することができる。
【０１０９】
行われる分析のタイプにかかわらず、分析システム１−１６０上の検出及び処理電子装置は、各光励起パルスの到来と慎重に同期される必要があり得る。例えば、蛍光寿命を評価するとき、発光事象のタイミングを正確に記録することができるように、試料の励起の時間を正確に知ることが有益である。
【０１１０】
図３−１に示す同期構成は、光パルスが能動的方法（例えば、外部制御）によって生成されるシステムに適し得る。能動パルス・システムは、限定ではないが、利得切換レーザ及びパルスＬＥＤを含むことができる。そのようなシステムにおいて、クロック３−１１０が、パルス光源１−１１０におけるパルス生成（例えば、利得切換又はＬＥＤ接合への電流注入）をトリガするために使用されるデジタル・クロック信号を提供することができる。機器上での電子的動作が、機器におけるパルス到来時間に同期することができるように、同じクロックがまた、同じ又は同期したデジタル信号を分析システム１−１６０に提供することもできる。
【０１１１】
クロック３−１１０は、任意の適切なクロッキング・デバイスであってもよい。いくつかの実施形態において、クロックは、水晶発振器又はＭＥＭＳベースの発振器を含んでもよい。いくつかの実施態様において、クロックは、トランジスタ・リング発振器を含んでもよい。
【０１１２】
クロック３−１１０によって提供されるクロック信号の周波数ｆｓｙｎｃは、パルス繰り返し数Ｒと同じ周波数である必要はない。パルス繰り返し数は、Ｒ＝１／Ｔによって与えることができ、Ｔはパルス分離間隔である。図３−１において、光パルス１−１２０は、距離Ｄだけ空間的に分離されるものとして示されている。この分離距離は、関係Ｔ＝Ｄ／ｃ、ｃは光速、による分析システム１−１６０におけるパルスの到来の間の時間Ｔに対応する。実際には、パルス間の時間Ｔは、フォトダイオード及びオシロスコープによって決定することができる。いくつかの実施形態によれば、Ｔ＝ｆｓｙｎｃ／Ｎであり、Ｎは１以上の整数である。いくつかの実施態様において、Ｔ＝Ｎｆｓｙｎｃであり、Ｎは１以上の整数である。
【０１１３】
図３−２は、タイマ３−２２０が分析システム１−１６０に同期信号を提供するシステムを示す。いくつかの実施形態において、タイマ３−２２０は、パルス光源１−１１０から同期信号を導出することができ、導出された信号は、分析システム１−１６０に同期信号を提供するために使用される。
【０１１４】
いくつかの実施形態によれば、タイマ３−２２０は、パルス光源１−１１０から光パルスを検出するフォトダイオードからアナログ又はデジタル化信号を受信することができる。タイマ３−２２０は、受信したアナログ又はデジタル化信号から同期信号を形成又はトリガするための任意の適切な方法を使用することができる。例えば、タイマは、シュミット・トリガ又は比較器を使用して、検出された光パルスからデジタル・パルスの列を形成することができる。いくつかの実施態様において、タイマ３−２２０はさらに、遅延ロック・ループ又は位相ロック・ループを使用して、安定したクロック信号を、検出される光パルスから生成されるデジタル・パルスの列に同期させることができる。デジタル・パルスの列又はロックされている安定したクロック信号は、機器上の電子装置を光パルスと同期させるために、分析システム１−１６０に提供することができる。
【０１１５】
いくつかの実施形態において、図３−３に示すように、２つ以上のパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂが、２つ以上の異なる波長にある光パルスを分析システム１−１６０に供給するために必要とされ得る。そのような実施形態においては、光源のパルス繰り返し数及び分析システム１−１６０上の電子的動作を同期させる必要があり得る。いくつかの実施態様において、２つのパルス光源がパルスを生成する能動的方法を使用する場合、図３−１に関連して上述した技法を使用することができる。例えば、クロック３−１１０が、同期周波数ｆｓｙｎｃにあるクロック又は同期信号を、両方のパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂ及び分析システム１−１６０に供給することができる。
【０１１６】
いくつかの実施態様において、図３−４Ａ及び図３−４Ｂに示すように、２つのパルス光源からのパルスを時間的にインターリーブすることが有益であり得る。パルスがインターリーブされると、第１の供給源１−１１０ａからのパルス３−１２０ａが、第１の時刻ｔ１において第１の固有波長λ１によって分析システム１−１６０にある１つ又は複数の試料を励起することができる。その後、１つ又は複数の試料との第１のパルスの相互作用を表すデータを、機器によって収集することができる。後の時刻ｔ２において、第２の供給源１−１１０ｂからのパルス３−１２０ｂが、第２の固有波長λ２によって分析システム１−１６０にある１つ又は複数の試料を励起することができる。その後、１つ又は複数の試料との第２のパルスの相互作用を表すデータを、機器によって収集することができる。パルスをインターリーブすることによって、１つの波長におけるパルスと試料との相互作用の効果が、第２の波長におけるパルスと試料との相互作用の効果と混じり合わないようにすることができる。さらに、２つ以上の蛍光マーカと関連付けられる特性を検出することができる。
【０１１７】
パルスは、図３−４Ａに示すように、タイミング及び同期回路によってインターリーブすることができる。図３−３に関連して説明した方法を使用して、２つのパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂからのパルス列を同期させ、分析システム１−１６０上の電子装置及び動作を、パルスの到来と同期させることができる。パルスをインターリーブするために、１つのパルス光源のパルスを他方のパルス光源からのパルスと位相ロックするか、又は、位相がずれるようにトリガすることができる。例えば、第１のパルス光源１−１１０ａのパルスは、第２のパルス光源１−１１０ｂからのパルスと（位相ロック・ループもしくは遅延ロック・ループを使用して）位相ロックするか、又は、１８０度位相がずれるようにトリガすることができるが、いくつかの実施形態において、他の位相又は角度関係が使用されてもよい。いくつかの実施態様において、パルス光源のうちの１つに提供されるトリガ信号に、タイミング遅延を加えることができる。タイミング遅延は、トリガ・エッジを、パルス分離間隔Ｔのほぼ２分の１だけ遅延させることができる。いくつかの実施形態によれば、周波数２倍化同期信号を、タイマ３−２２０によって発生させることができ、機器電子装置及び動作をパルス光源からのインターリーブされたパルスの到来と同期させるために、機器３−１６０に提供することができる。
【０１１８】
ＩＶ．パルス光源の時間領域用途
上述したパルス光源は、様々な時間領域用途にとって有用である。いくつかの実施形態において、パルス光源は、蛍光寿命、蛍光波長、蛍光強度、又はそれらの組み合わせに基づいて、生体試料の状態又は特性を検出及び／又は特性化するように構成されているシステムにおいて使用することができる。パルス光源はまた、飛行時間システムにおいても使用することができる。飛行時間システムは、短パルス又は超短光パルスによって標的を照射し、その後、標的からの後方散乱放射を検出して、標的の３次元画像を形成し、又は、標的までの距離を決定するイメージング・システム及び測距システムを含み得る。
【０１１９】
蛍光発光を利用する時間領域用途において、第１の固有波長において動作するパルス光源が、試料中の１つ又は複数の蛍光分子を励起することができ、分析システムが、パルス光源の波長とは異なる１つ又は複数の波長における試料からの蛍光発光を検出及び分析することができる。いくつかの実施形態によれば、試料中に存在する１つ又は複数の蛍光分子からの蛍光寿命の分析に基づいて、生体試料の１つ又は複数の特性を決定することができる。いくつかの実施態様において、生体試料の１つ又は複数の特性の決定をさらに補助するために、蛍光発光の追加の特性（例えば、波長、強度）が分析されてもよい。蛍光寿命に基づいて生体試料の特性を決定するシステムは、イメージング・システム又は非イメージング・システムであり得る。イメージング・システムとして構成されるとき、蛍光検出のために画素アレイを使用することができ、画素アレイ上に試料の少なくとも１部分の画像を形成するために、試料と画素アレイとの間にイメージング光学素子を設置することができる。いくつかの実施態様において、非イメージング・システムは、画素アレイを使用して、複数の試料からの蛍光発光を並行して検出することができる。
【０１２０】
いくつかの実施形態による、蛍光寿命分析に少なくとも部分的に基づき、パルス光源を使用して生体試料の特性を決定するための機器４−１００が、図４−１に示されている。そのような機器は、１つ又は複数のパルス光源４−１２０と、時間ビニング光検出器４−１５０と、光学系４−１３０（１つ又は複数のレンズであってもよく、１つ又は複数の光学フィルタを含んでもよい）と、対象に対して圧迫することができ、その上に生体試料を設置することができる透明窓４−１４０とを備えることができる。１つ又は複数のパルス光源及び光学系は、１つ又は複数の光源からの光パルスが、窓４−１４０を通してある領域を照射するように構成することができる。光励起パルスによって励起される蛍光発光は、光学系４−１３０によって収集することができ、下記にさらに説明するように、１つ又は複数の蛍光分子の寿命を判別することができる時間ビニング光検出器４−１５０へと方向付けることができる。いくつかの実施態様において、光検出器４−１５０は、非イメージングであり得る。いくつかの実施態様において、光検出器４−１５０は、各々が時間ビニング機能を有する、試料の画像を形成するための画素のアレイを備えることができる。画像データは、空間分解蛍光寿命情報及び従来のイメージング情報を含むことができる。機器の構成要素は、機器を手持ち式デバイスとして操作することができるような小さいサイズにすることができるケーシング４−１０５内に取り付けることができる。光源（複数可）４−１２０及び光検出器４−１５０は、同じ回路ボード４−１１０上に取り付けられてもよく、又は、取り付けられなくてもよい。いくつかの実施形態において、機器４−１００は、マイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラを含んでもよく、かつ／又は、処理のための外部デバイス（例えば、スマートフォン、ラップトップ、ＰＣ）及び／もしくはデータ記憶装置にデータを伝送することができるような、データ通信ハードウェアを含んでもよい。
【０１２１】
蛍光寿命に基づいて試料を分析するように構成されているシステムは、異なる蛍光分子の間の蛍光寿命の差、及び／又は、蛍光寿命に影響を及ぼす異なる環境における同じ蛍光分子の寿命の差を検出することができる。説明として、図４−２は、例えば、２つの異なる蛍光分子、又は、異なる環境内の同じ蛍光分子からの蛍光発光を表すことができる、２つの異なる蛍光発光確率曲線（Ａ及びＢ）をプロットしている。曲線Ａを参照すると、短パルス又は超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、示されているように、時間とともに減衰し得る。いくつかの事例において、経時的な光子が放出される確率の低減は、指数減衰関数
【０１２２】
【数５】
2018518670.tif 000007
【０１２３】
によって表すことができ、式中、ＰＡ０は初期発光確率であり、τＡは、発光減衰確率を特性化する、第１の蛍光分子と関連付けられる時間パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」又は「寿命」と称されてもよい。いくつかの事例において、τＡの値は、蛍光分子のローカル環境によって変更されてもよい。他の蛍光分子は、曲線Ａに示すものとは異なる発光特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する場合があり、その寿命は、半減期値又は何らかの他の測定基準によって特性化することができる。
【０１２４】
第２の蛍光分子は、図４−２の曲線Ｂについて示すように、指数関数的ではあるが、測定可能に異なる寿命τＢを有する減衰プロファイルを有し得る。いくつかの実施形態において、種々の蛍光分子は、約０．１ｎｓ〜約２０ｎｓに及ぶ範囲の寿命又は半減期値を有し得る。図示されている例において、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は曲線Ａの寿命よりも短く、発光の確率は、第２の分子の励起直後では、曲線Ａよりも高い。
【０１２５】
本発明者らは、蛍光発光寿命の差を使用して、異なる蛍光分子の存否を判別し、及び／又は、１つ又は複数の蛍光分子の寿命に影響を及ぼす試料中の異なる環境もしくは条件を判別することができることを認識し、諒解するに至った。いくつかの事例において、寿命（例えば、発光波長ではなく）に基づいて蛍光分子を判別することによって、分析システム１−１６０のいくつかの態様を単純化することができる。１例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合、波長弁別光学素子（波長フィルタ、各波長の専用検出器、異なる波長における専用パルス光源、及び／又は回折光学素子）の数を低減することができるか、又は、なくすことができる。いくつかの事例において、単一のパルス光源を使用して、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光するが、測定可能に異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起することができる。同じ波長領域内で発光する異なる蛍光分子を励起及び判別するために、異なる波長における複数の光源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作及び保守管理の複雑さを低減することができ、よりコンパクトにすることができ、より低いコストで製造することができる。
【０１２６】
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、一定の利点を有することができるが、追加の検出技法を可能にすることによって、分析システムによって得られる情報の量を増大することができる。例えば、いくつかの分析システム１−１６０は、蛍光波長及び／又は蛍光強度に基づいて試料の１つ又は複数の特性を判別するようにさらに構成されてもよい。
【０１２７】
再び図４−２を参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起後の蛍光発光事象を時間ビニングするように構成されている光検出器を用いて、異なる蛍光寿命を区別することができる。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクルの間に行われ得る。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定するという概念は、図４−３にグラフで示されている。時刻ｔ１又はｔ１の直前の時刻において、蛍光分子又は同じタイプ（例えば、図４−２の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子の集合が、短パルス又は超短光パルスによって励起される。分子の集合について、発光の強度は、図４−３に示すように、時間プロファイルを有し得る。
【０１２８】
一方、単一の分子又は少数の分子について、蛍光光子の放出は、図４−２の曲線Ｂの統計値に従って生じる。時間ビニング光検出器４−１５０は、発光事象を、蛍光分子（複数可）の励起時間に関して測定されている個別の時間ビン（図４−３には３つが示されている）に蓄積することができる。多数の発光事象が合計される場合、結果もたらされる時間ビンは、図４−３に示す減衰強度曲線を近似することができ、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子又は蛍光分子が位置している異なる環境の間で区別することができる。
【０１２９】
時間ビニング光検出器の例は、本願明細書に援用する国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０４４３６０号に記載されており、そのような光検出器の実施形態は、説明を目的として図４−４に示されている。単一の時間ビニング光検出器４−４００は、すべて半導体基板上に形成される、光子吸収／キャリア発生領域４−４０２、キャリア移動領域４−４０６、及び複数のキャリア貯蔵ビン４−４０８ａ、４−４０８ｂ、４−４０８ｃを備えることができる。キャリア移動領域は、キャリア輸送チャネル４−４０７によって複数のキャリア貯蔵ビンに接続することができる。３つのキャリア貯蔵ビンのみが図示されているが、より多くのビンがあってもよい。キャリア貯蔵ビンに接続されている読み出しチャネル４−４１０があり得る。光子吸収／キャリア発生領域４−４０２、キャリア移動領域４−４０６、キャリア貯蔵ビン４−４０８ａ、４−４０８ｂ、４−４０８ｃ、及び読み出しチャネル４−４１０は、半導体を局所的にドーピングすること、及び／又は、調整絶縁領域を形成して光検出機能をもたらし、キャリアを閉じ込めることによって形成することができる。時間ビニング光検出器４−４００はまた、デバイスを通じてキャリアを輸送するための電場をデバイス内に発生させるように構成されている、基板上に形成されている複数の電極４−４２０、４−４２２、４−４３２、４−４３４、４−４３６、４−４４０をも含むことができる。
【０１３０】
動作時、蛍光光子が、異なる複数の時点において光子吸収／キャリア発生領域４−４０２において受け取られ、キャリアを発生させることができる。例えば、ほぼ時刻ｔ１において、３つの蛍光光子が、光子吸収／キャリア発生領域４−４０２の空乏領域において３つのキャリア電子を発生させることができる。デバイス内の電場（電極４−４２０及び４−４２２及び任意選択的に又は代替的に４−４３２、４−４３４、４−４３６に対するドーピング及び／又は外部印加バイアスに起因する）が、キャリアをキャリア移動領域４−４０６に移動させることができる。キャリア移動領域において、移動距離が、蛍光分子の励起後の時間に変換される。後の時刻ｔ５において、別の蛍光光子が、光子吸収／キャリア発生領域４−４０２において受け取られ、追加のキャリアを発生させることができる。この時点において、最初の３つのキャリアは、第２の貯蔵ビン４−４０８ｂに隣接するキャリア移動領域４−４０６内の位置に移動している。後の時刻ｔ７において、電気的バイアスを電極４−４３２、４−４３４、４−４３６と電極４−４４０との間に印加して、キャリア移動領域４−４０６から貯蔵ビンへとキャリアを横方向に輸送することができる。最初の３つのキャリアはその後、第１のビン４−４０８ａに輸送して保持することができ、後に発生したキャリアは、第３のビン４−４０８ｃに輸送して保持することができる。いくつかの実施態様において、各貯蔵ビンに対応する時間間隔は、ナノ秒未満の時間スケールにあるが、いくつかの実施形態（例えば、蛍光色素分子がより長い減衰時間を有する実施形態）では、より長い時間スケールが使用されてもよい。
【０１３１】
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）後にキャリアを発生及び時間ビニングする工程は、単一の励起パルスの後に１度行われてもよく、又は、光検出器４−４００の単一の電荷蓄積サイクルの間に複数の励起パルス後に複数回繰り返されてもよい。電荷蓄積が完了した後、キャリアは、読み出しチャネル４−４１０を介して貯蔵ビンから読み出すことができる。例えば、適切なバイアス・シーケンスを少なくとも電極４−４４０及び下流の電極（図示せず）に印加して、貯蔵ビン４−４０８ａ、４−４０８ｂ、４−４０８ｃからキャリアを除去することができる。
【０１３２】
信号取得の態様は、図４−５Ａ及び図４−５Ｂにおいて、複数の励起パルスについてさらに詳細に示されている。図４−５Ａにおいて複数の励起パルスが、時刻ｔｅ１、ｔｅ２、ｔｅ３、．．．において試料に印加される。各励起パルス後、１つ又は複数の蛍光発光事象が時刻ｔｆｎにおいて生じ得、これによって、発光事象がいつ生じるかに応じて、キャリアが異なるキャリア貯蔵ビンに蓄積される。複数の励起事象の後、各キャリア貯蔵ビン内に蓄積された信号を読み出して、ヒストグラム４−５１０（図４−５Ｂに示す）として表すことができる信号系列をもたらすことができる。信号系列は、試料中の蛍光色素分子（複数可）の励起後の各ビニングされている時間間隔中に検出される光子の数を示すことができ、蛍光発光減衰率を表す。信号系列又はヒストグラムを使用して、異なる蛍光分子、又は、蛍光分子が存在する異なる環境を区別することができる。
【０１３３】
異なる蛍光分子の区別の例として、図４−３Ｂ及び図４−４に示すような、３つの時間ビンを有する光検出器が、図４−５Ｂのビン１〜ビン３のヒストグラムによって表され、図４−２の曲線Ｂに対応する３つの信号値（３５、９、３．５）を生成することができる。これらのビニングされた信号値は、ビニングされた値（１８、１２、８）を生成し得る、図４−２の曲線Ａに対応するもののような、異なる蛍光分子から記録されるビニングされた信号値とは異なる相対値及び／又は絶対値を有し得る。ビニングされた値の信号系列を、較正基準と比較することによって、２つ以上の蛍光分子、又は、蛍光寿命に影響を及ぼす環境を区別することが可能である。単一の固有波長のみにおいて動作するパルス光源を使用して、寿命情報に基づいて、複数の異なる蛍光分子及び／又は環境を区別することができることは有益であり得る。
【０１３４】
いくつかの実施形態によれば、励起パルスの信号レベルを記録する（例えば、励起パルスによって直に発生するキャリアを蓄積する）ために、少なくとも１つの時間ビニング光検出器内に、励起ビン（例えば、ビン０）が含まれ得る。記録される信号レベルを使用して、蛍光信号レベルを正規化することができ、これは、強度に基づいて蛍光分子を区別するのに有用であり得る。
【０１３５】
いくつかの実施形態において、貯蔵ビン４−４０８からの信号値を使用して、発光減衰曲線（例えば、単一の指数関数的減衰）を当てはめ、検出される寿命を決定することができる。いくつかの実施形態において、ビニングされた信号値は、２重指数又は３重指数のような、複数の指数関数的減衰に当てはめられ得る。ラゲール分解プロセスを使用して、複数の指数関数的減衰を分析することができる。いくつかの実施態様において、信号値は、ベクトル又は位置として取り扱うことができ、Ｍ次元空間にマッピングすることができ、クラスタ分析を使用して、検出される寿命を決定することができる。寿命が決定されると、蛍光分子のタイプ、又は、蛍光分子が位置する環境の特性を識別することができる。
【０１３６】
図４−３及び図４−４に関連して説明されている例は、３つの時間ビンを示しているが、時間ビニング光検出器は、より少ない又はより多い時間ビンを有してもよい。例えば、時間ビンの数は、２、３、４、５、６、７、８又はそれ以上であってもよい。いくつかの事例において、１６個、３２個、６４個又はそれ以上の時間ビンがあってもよい。いくつかの実施形態によれば、光検出器内の時間ビンの数は、再構成可能であってもよい。例えば、１つ又は複数の隣接するビンが、読み出し時に結合されてもよい。
【０１３７】
図４−３に関する論述は、１度に単一のタイプの蛍光分子からの発光を検出することに関するが、いくつかの事例において、試料は、異なる寿命を有する２つ以上の異なる蛍光分子を含んでもよい。複数の異なる蛍光分子が時間的発光プロファイルに寄与する場合、平均蛍光寿命を使用して、その集合を表すことができる。いくつかの実施形態において、分析システム１−１６０は、蛍光分子の組み合わせを判別するように構成することができる。例えば、蛍光分子の第１の組み合わせは、蛍光分子の第２の組み合わせとは異なる平均寿命を呈し得る。
【０１３８】
いくつかの実施形態によれば、時間ビニング光検出器は、イメージング・アレイ内で使用されてもよく、イメージング光学素子が、時間ビニング光検出器アレイと試料との間に含まれてもよい。例えば、イメージング・アレイの各イメージング画素が、時間ビニング光検出器４−４００を含んでもよい。イメージング光学素子は、光検出器アレイ上に試料のある領域の画像を形成することができる。光検出器アレイ内の各画素は、画素に対応するイメージングされている領域の部分の蛍光寿命を決定するために分析される時間ビニングされた信号値を記録することができる。したがって、そのようなイメージング・アレイは、異なる蛍光寿命特性を有する画像内の異なる領域を判別するための、空間分解蛍光寿命イメージング情報を提供することができる。いくつかの実施態様において、例えば、各画素のすべてのビンを合計すること、又は、励起パルスビン（ビン０）から画像を構築することによって、同じ時間ビニング光検出器を使用して、同じ領域の従来の画像を得ることができる。蛍光寿命の変動は、従来のグレイ・スケール又はカラー画像上に、重なり合う色分けされたマップとして表示することができる。いくつかの事例において、寿命マッピングによって、手術を実施する医師が、組織の異常な又は疾患のある領域（例えば、がん性又は前がん性）を識別することを可能にすることができる。
【０１３９】
本発明者らは、パルス光源、及び、蛍光寿命を検出するための時間ビニング光検出器を、臨床環境又は家庭内環境において用途を有し得る低コストの可搬性のポイント・オブ・ケア（ＰＯＣ）機器内に結合させることができることを認識し、諒解するに至った。そのような機器はイメージング又は非イメージングであってもよく、蛍光寿命分析を利用して、生体試料（例えば、ヒト組織）の１つ又は複数の特性を決定することができる。いくつかの事例において、生体試料の特性を決定するための機器４−１００は、生物学的物質の分析（例えば、有害である可能性のある物質の分析）の分野において使用することができる。ＰＯＣ機器及び蛍光寿命を使用した試料分析のいくつかの態様を、下記に説明する。
【０１４０】
本発明者らは、いくつかの内因性生体分子が、患者の状態又は患者の組織もしくは器官の状態を決定するために分析することができる特徴的な寿命で蛍光発光することを認識し、諒解するに至った。したがって、いくつかの生来の生体分子は、患者のある領域の内因性蛍光分子としての役割を果たし、患者のその領域の標識のないレポ−タを提供することができる。内因性蛍光分子の例は、限定ではなく例として、ヘモグロビン、コラーゲン、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤ（Ｐ）Ｈ）、レチノール、リボフラビン、コレカルシフェロール、葉酸、ピリドキシン、チロシン、ジチロシン、糖化付加物、イドラミン、リポフスチン、ポリフェノール、トリプトファン、フラビン、及びメラニンを含み得る。
【０１４１】
内因性蛍光分子は、それらが発する光の波長、及び、励起エネルギーに対するそれらの応答が異なり得る。いくつかの例示的な内因性蛍光分子の励起及び蛍光発光の波長が、表１に示される。追加の内因性蛍光分子及びそれらの固有蛍光波長は、レチノール−５００ｎｍ、リボフラビン−５５０ｎｍ、コレカルシフェロール−３８０〜４６０ｎｍ、及びピリドキシン−４００ｎｍを含む。
【０１４２】
【表１】
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【０１４３】
内因性蛍光分子はまた、異なる蛍光寿命、及び／又は、周囲の環境の影響を受ける蛍光寿命をも有し得る。内因性蛍光分子の蛍光寿命に影響を及ぼし得る環境要因は、組織構造、形態、酸素化、ｐＨ、血管分布、細胞構造及び／又は細胞代謝状態の変化を含む。いくつかの実施形態において、健康な組織の蛍光寿命（又は結合寿命の平均）は、不健康な組織のものとは異なり得る。短パルス又は超短光パルスによって照射されている患者の組織から検出される蛍光寿命を分析することによって、臨床医が、患者の疾患の、他の評価技法よりも早期の段階を検出することが可能になり得る。例えば、何らかのタイプの皮膚がんを、がんが肉眼で見えるようになる前に、蛍光寿命分析を使用して早期の段階において検出することができる。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、特定の生体分子の存在及び／又は相対濃度を検出して、患者の状態を決定することができる。いくつかの生体分子について、分子の酸素化状態が、患者の状態の指標を提供することができる。分子の蛍光寿命は、分子の酸素化状態に基づいて変化し得る。検出される蛍光寿命の分析を使用して、患者の組織中の生体分子の酸化状態及び還元状態の相対濃度を決定することができる。相対濃度は、患者の状態を示すことができる。いくつかの事例において、いくつかの生体分子（例えば、ＮＡＤＨ）は、細胞中の他の分子（例えば、タンパク質）に結合することができ、非結合又は自由溶液状態を有することができる。結合状態及び非結合状態は、異なる蛍光寿命を有することができる。細胞又は組織の評価は、蛍光寿命に基づいて、自由形態対結合形態の分子の相対濃度を決定することを含むことができる。
【０１４５】
特定の生体分子は、がん（例えば、メラノーマ）、腫瘍、細菌感染、ウイルス感染、及び糖尿病を含む、様々な疾患及び状態の指標を提供することができる。例として、がん細胞及び組織は、特定の生体分子（例えば、ＮＡＤ（Ｐ）Ｈ、リボフラビン、フラビン）から蛍光寿命を分析することによって、健康な細胞及び組織から区別することができる。がん組織は、これらの生体分子のうちの１つ又は複数の濃度が、健康な組織よりも高いものであり得る。別の例として、ヘキソキナーゼ及びグリコーゲン付加物のような、グルコース濃度を示す生体分子と関連付けられる蛍光寿命を検出することによって、個人の糖尿病を評価することができる。別の例として、老化に起因する全般的な変化を、蛍光寿命に基づいて、コラーゲン及びリポフスチンの濃度を検出することによって、評価することができる。
【０１４６】
いくつかの実施形態において、外因性蛍光分子を、組織のある領域に組み込むことができ、内因性蛍光分子の代わりに、又は、それに加えて使用することができる。いくつかの事例において、外因性蛍光マーカは、プローブに含むことができ、又は、試料中の標的（例えば、特定の分子、細菌、又はウイルス）の存在を識別するためのマーカとして提供することができる。外因性蛍光分子の例は、蛍光染色液、有機色素、蛍光タンパク質、酵素、及び／又は量子ドットを含む。そのような外因性分子は、プローブ、又は、試料中に存在すると考えられる特定の標的又は成分に特異的に結合する官能基（例えば、分子、イオン、及び／又はリガンド）に接合することができる。外因性蛍光分子をプローブに付着させることによって、外因性蛍光分子を示す蛍光寿命を検出することによる標的の識別が可能になり得る。いくつかの実施形態において、外因性蛍光分子は、患者に容易に投与することができる（例えば、皮膚に対する局所使用、消化管イメージングのための摂取）、組成物（例えば、ゲル又は液体）内に含めることができる。
【０１４７】
諒解され得るように、コンパクトなＰＯＣイメージング機器は、臨床医が、患者の状態を非侵襲的に評価及び／又は診断することを可能にすることができる。患者から生体試料を抽出するのではなく、イメージング・デバイスによって組織の許容可能な領域をイメージングすることによって、結果を得るために含まれる時間を低減し、手順の侵襲性を低減し、コストを低減し、かつ／又は、臨床医が、患者を遠隔試験位置へと動かすか、又は、患者の試料を試験施設に送ることなく、患者を処置する能力を促進するように、患者の評価を実施することができる。
【０１４８】
時間領域蛍光寿命イメージングの別の用途は、顕微鏡法の分野にある。短パルス又は超短光パルスによって、顕微鏡によって見られる試料を励起し、時間ビニング光検出器アレイによって試料から蛍光発光を検出することによって、蛍光寿命画像顕微法（ＦＬＩＭ）を実施することができる。検出される蛍光発光は、顕微鏡の視野内の対応するイメージングされている部分の寿命を決定するために、画素レベルで分析することができ、寿命データを、結果もたらされる試料の画像にマッピングすることができる。したがって、蛍光寿命に基づいて、試料特性を顕微鏡レベルで決定することができる。
【０１４９】
パルス光源及び時間ビニング光検出器アレイはまた、蛍光寿命分析を含まない時間領域用途に使用することもできる。１つのそのような用途は、飛行時間（ＴＯＦ）イメージングを含む。ＴＯＦイメージングにおいて、光パルスを使用して、離れた対象を照射することができる。イメージング光学素子を使用して、パルスからの後方散乱放射を収集し、時間ビニング光検出器アレイ上に、離れた対象の画像を形成することができる。アレイ内の各画素において、光子の到来時刻を決定することができる（例えば、後方散乱パルスのピークがいつ生じるかを決定する）。到来時刻は、対象と光検出器アレイとの間の距離に比例するため、イメージングされる対象の表面トポグラフィを示す、対象の３次元マップを作成することができる。
【０１５０】
Ｖ．構成
装置及び方法の様々な構成及び実施形態を実装することができる。いくつかの例示的な構成をこの節で説明するが、本発明は、リストされている構成及び実施形態のみには限定されない。
【０１５１】
（１）光を発するように構成されている半導体ダイオードと、半導体ダイオードの端子に結合されているトランジスタを含む駆動回路とを備え、駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、ユニポーラ・パルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されているパルス光源。
【０１５２】
（２）バイポーラ電気パルスは、第１の大きさ及び第１の極性を有する第１のパルスと、後続する、第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する、反対の極性の第２のパルスとを含む構成（１）のパルス光源。
【０１５３】
（３）第２の大きさは第１の大きさの２５％と９０％との間である（２）のパルス光源。
（４）半導体ダイオードの端子に接続されている複数のワイヤ・ボンドをさらに備える（１）乃至（３）のいずれか１つのパルス光源。
【０１５４】
（５）駆動回路に結合されており、ユニポーラ・パルスを形成し、ユニポーラ・パルスを駆動回路に出力するように構成されているパルス発生器をさらに備える（１）乃至（４）のいずれか１つのパルス光源。
【０１５５】
（６）パルス発生器、駆動回路、及び半導体ダイオードは同じプリント回路ボード上に位置する（５）のパルス光源。
（７）パルス発生器、駆動回路、及び半導体ダイオードは同じ基板上に位置する（５）のパルス光源。
【０１５６】
（８）ユニポーラ・パルスのパルス長は、５０ｐｓと５００ｐｓとの間である（１）乃至（７）のいずれか１つのパルス光源。
（９）パルス発生器は、２つの差動クロック信号からユニポーラ・パルスを形成する第１の論理ゲートを備える（５）乃至（８）のいずれか１つのパルス光源。
【０１５７】
（１０）第１の論理ゲートは、エミッタ結合論理ゲートを含む（９）のパルス光源。
（１１）パルス発生器は、単一のクロック信号を受信し、４つのクロック信号を第１の論理ゲートに出力するように構成されているファン・アウト・ゲートをさらに備える（９）又は（１０）のパルス光源。
【０１５８】
（１２）パルス発生器は、ユニポーラ・パルスのパルス長を、１ｐｓと５ｐｓとの間の増分で変化させるように構成されている調整可能遅延要素をさらに備える（９）乃至（１１）のいずれか１つのパルス光源。
【０１５９】
（１３）トランジスタは、半導体ダイオードのカソードと、基準電位との間に接続されている通電端子を有し、第１の論理ゲートに結合されているゲート端子を有する（９）乃至（１２）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６０】
（１４）トランジスタのゲート端子と、第１の論理ゲートからの出力との間に接続されているキャパシタをさらに備える（１３）のパルス光源。
（１５）トランジスタは高電子移動度電界効果トランジスタを含む（１）乃至（１４）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６１】
（１６）トランジスタは、５０ｐｓと２ｎｓとの間の持続時間にわたって、半導体ダイオードを通じて４アンペアまでを切り換えるように構成されている（１）乃至（１５）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６２】
（１７）第１の論理ゲートと並列に接続されており、２つの差動クロック信号から第２のユニポーラ・パルスを形成するように構成されている第２の論理ゲートをさらに備え、第２の論理ゲートからの出力はトランジスタのゲート端子に結合される（９）乃至（１３）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６３】
（１８）トランジスタのドレイン端子は、半導体ダイオードのカソードに直に接続する（１）乃至（１７）のいずれか１つのパルス光源。
（１９）ドレイン端子に並列に接続されている第１のキャパシタ及び抵抗器をさらに備える（１８）のパルス光源。
【０１６４】
（２０）半導体ダイオードのアノードと、トランジスタのソース端子との間に接続されている第２のキャパシタをさらに備える（１８）又は（１９）のパルス光源。
（２１）パルス発生器及び駆動回路は、約３０Ｈｚと約２００ＭＨｚとの間の繰り返し数にあるバイポーラ電気パルスによって、半導体ダイオードを変調するように構成されている（５）乃至（２０）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６５】
（２２）５０ｐｓと５００ｐｓとの間の半値全幅持続時間を有する光パルスが、バイポーラ電気パルスの印加に応答して半導体ダイオードから放出される（１）乃至（２１）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６６】
（２３）光パルスは、２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍの群から選択される固有波長を有する（１）乃至（２１）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６７】
（２４）光パルスのテールは、パルスのピークから２５０ｐｓ後に、パルスのピークを少なくとも２０ｄＢ下回ったままである（１）乃至（２３）のいずれか１つのパルス光源。
【０１６８】
（２５）半導体ダイオードはレーザダイオードを含む（１）乃至（２４）のいずれか１つのパルス光源。
（２６）レーザダイオードは、複数の量子井戸を含む（２５）のパルス光源。
【０１６９】
（２７）半導体ダイオードは発光ダイオードである（１）乃至（２６）のいずれか１つのパルス光源。
（２８）半導体ダイオードはスラブ結合光導波路レーザダイオードである（１）乃至（２７）のいずれか１つのパルス光源。
【０１７０】
（２９）半導体ダイオードから光パルスを受信するように構成されている可飽和吸収体をさらに備える（１）乃至（２８）のいずれか１つのパルス光源。
（３０）可飽和吸収体は、半導体ダイオードと同じ基板内に形成されている（１）乃至（２９）のいずれか１つのパルス光源。
【０１７１】
（３１）駆動回路は伝送線路パルス発生器を備える（１）乃至（４）、（１５）、（１６）、（１８）、及び（２２）乃至（３０）のいずれか１つのパルス光源。
（３２）Ｕ字形状に形成されている伝送線路をさらに備える（３１）のパルス光源。
【０１７２】
（３３）半導体ダイオードは伝送線路の第１の端部に接続されており、伝送線路の第２の端部に接続されている終端インピーダンスをさらに備える請求項（３１）又は（３２）のパルス光源。
【０１７３】
（３４）伝送線路の第１の端部及び第２の端部を基準電位に短絡するように構成されている短絡トランジスタをさらに備える請求項（３３）のパルス光源。
（３５）単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、パルス光源によって照射される対象の画像を光検出器アレイ上に形成するように構成されている光学系とをさらに備える（１）乃至（３４）のいずれか１つのパルス光源。
【０１７４】
（３６）光検出器アレイは、離れた対象に位置する少なくとも１つの蛍光分子の蛍光寿命を表す信号を生成するように構成されている（３５）のパルス光源。
（３７）光検出器アレイから蛍光寿命を表す信号を受信し、対象の電子画像のデジタル・データを発生させるように構成されている信号処理電子装置をさらに備え、電子画像は、蛍光寿命に基づいて対象の少なくとも１つの特性を示す（３５）又は（３６）のパルス光源。
【０１７５】
（３８）少なくとも１つのクロック信号を受信する工程と、少なくとも１つのクロック信号から電気パルスを生成する工程と、電気パルスによってトランジスタのゲート端子を駆動する工程であって、トランジスタの通電端子は、光を発するように構成されている半導体ダイオードに接続されている、駆動する工程と、電気パルスによるトランジスタの活性化に応答して光パルスを生成するために、半導体ダイオードにバイポーラ電流パルスを印加する工程とを含む光パルスを生成する方法。
【０１７６】
（３９）電気パルスはユニポーラ・パルスである実施形態（３８）の方法。
（４０）光パルスの振幅を制御するために、ユニポーラ・パルスのパルス振幅ではなく、パルス持続時間を調整する工程をさらに含む（３８）又は（３９）の方法。
【０１７７】
（４１）光パルスは、５０ｐｓと２ｎｓとの間の半値全幅持続時間を有する（３８）乃至（４０）のいずれか１つの方法。
（４２）光パルスは、５０ｐｓと５００ｐｓとの間の半値全幅持続時間を有する（３８）乃至（４０）のいずれか１つの方法。
【０１７８】
（４３）光パルスは、２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍの群から選択される固有波長を有する（３８）乃至（４２）のいずれか１つの方法。
【０１７９】
（４４）３０Ｈｚと２００ＭＨｚとの間の繰り返し数にある一連の光パルスを生成するために、受信する工程、生成する工程、駆動する工程、及び印加する工程を繰り返す工程をさらに含む（３８）乃至（４３）のいずれか１つの方法。
【０１８０】
（４５）バイポーラ電流パルスは、第１の振幅を有する第１のパルスと、反対の極性の、第１のパルスとは異なる大きさの第２の振幅を有する第２のパルスとを含む（３８）乃至（４４）のいずれか１つの方法。
【０１８１】
（４６）半導体ダイオードはレーザダイオード又は発光ダイオードを含む（３８）乃至（４５）の方法。
（４７）光パルスの一部分を、可飽和吸収体を用いて差動的に減衰させる工程をさらに含む（３８）乃至（４６）のいずれか１つの方法。
【０１８２】
（４８）少なくとも１つのクロック信号を受信する工程は、トランジスタのゲート端子に結合されている論理ゲートにおいて２つの差動クロック信号を受信する工程を含む（３８）乃至（４７）のいずれか１つの方法。
【０１８３】
（４９）少なくとも１つのクロック信号を受信する工程は、トランジスタのゲート端子と並列に結合されている２つの論理ゲートにおいて２つの差動クロック信号を受信する工程を含む（３８）乃至（４７）のいずれか１つの方法。
【０１８４】
（５０）電気パルスを生成する工程は、電気パルスを形成するために、トランジスタのゲート端子に結合されている論理ゲートを用いて２つの差動クロック信号を処理する工程を含む（３８）乃至（４９）のいずれか１つの方法。
【０１８５】
（５１）２つの差動クロック信号の間の位相遅延によって、電気パルスの長さを設定する工程をさらに含む（５０）の方法。
（５２）電気パルスを生成する工程は、電気パルスを形成するために、トランジスタのゲート端子に並列に結合されている２つの論理ゲートを用いて２つの差動クロック信号を処理する工程を含む（３８）乃至（５１）のいずれか１つの方法。
【０１８６】
（５３）半導体ダイオードからの光パルスを用いて試料を照射する工程と、試料から蛍光寿命を検出する工程とをさらに含む（３８）乃至（５２）のいずれか１つの方法。
（５４）２つの異なる蛍光分子又は分子が位置する環境と関連付けられる異なる減衰率を有する少なくとも２つの異なる蛍光寿命を区別する工程であって、光パルスは単一の固有波長にある、区別する工程をさらに含む（５３）の方法。
【０１８７】
（５５）検出されている蛍光寿命に基づいて、試料の少なくとも１つの特性を決定する工程をさらに含む（５３）又は（５４）の方法。
（５６）試料のある領域の電子画像を生成する工程と、画像内で蛍光寿命に基づく少なくとも１つの特性を示す工程とをさらに含む（５５）の方法。
【０１８８】
（５７）半導体ダイオードからの光パルスを用いて試料を照射する工程と、単一の光検出器の単一の電荷蓄積間隔の間に、単一の光検出器を用いて、試料から後方散乱される光子の到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別する工程とをさらに含む（３８）乃至（５２）のいずれか１つの方法。
【０１８９】
（５８）弁別されている到来時刻に基づいて、試料の電子３次元画像を生成する工程をさらに含む（５７）の方法。
（５９）光を発するように構成されている半導体ダイオードと、光パルスを生成するために半導体ダイオードにバイポーラ電流パルスを印加するように構成されている駆動回路と、光パルスを試料に送達するように構成されている光学系と、光検出器であって、光検出器の単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンへと弁別するように構成されている、光検出器とを備える蛍光寿命分析システム。
【０１９０】
（６０）電流駆動回路に電気パルスを提供するように構成されているパルス発生器をさらに備え、電流駆動回路は、電気パルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ・パルスを印加するように構成されている（５９）のシステム。
【０１９１】
（６１）電気パルスは、５０ｐｓと２ｎｓとの間の持続時間を有するユニポーラ・パルスである（６０）のシステム。
（６２）電流駆動回路は、パルス発生器からの出力に結合されているゲート端子を有し、半導体ダイオードの端子と基準電位との間に接続されている通電端子を有するトランジスタを備える（６０）又は（６１）のシステム。
【０１９２】
（６３）半導体ダイオードのアノードとカソードとの間に並列に接続されている第１の抵抗器及び第１のキャパシタと、トランジスタのゲート端子と基準電位との間に並列に接続されている第２の抵抗器及び第２のキャパシタとをさらに備える（６２）のシステム。
【０１９３】
（６４）半導体ダイオードはレーザダイオード又は発光ダイオードを含む（５９）乃至（６３）のいずれか１つのシステム。
（６５）半導体ダイオードの端子に接続されている複数のワイヤ・ボンドをさらに備える（５９）乃至（６３）のいずれか１つのシステム。
【０１９４】
（６６）光パルスは、５０ｐｓと５００ｐｓとの間の半値全幅持続時間を有する（５９）乃至（６３）のいずれか１つのシステム。
（６７）光パルスは、２７０ｎｍ、２８０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３７０ｎｍ、３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４０５ｎｍ、４１０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６５ｎｍ、４７０ｎｍ、４９０ｎｍ、５１５ｎｍ、６４０ｎｍ、６６５ｎｍ、８０８ｎｍ、及び９８０ｎｍの群から選択される固有波長を有する（５９）乃至（６３）のいずれか１つのシステム。
【０１９５】
（６８）光検出器が配置されている光検出器のアレイをさらに備え、光検出器のアレイは、光パルスの単一の電荷蓄積間隔の間に試料からの蛍光を時間ビニングするように構成されている（５９）乃至（６３）のいずれか１つのシステム。
【０１９６】
（６９）試料と光検出器アレイとの間に位置するイメージング光学素子をさらに備え、イメージング光学素子は、光検出器アレイにおいて、光パルスによって照射される試料の領域の画像を形成するように構成されている（６８）のシステム。
【０１９７】
（７０）光検出器アレイにおいて形成される画像は、試料の微細領域の画像である（６９）のシステム。
（７１）光を発するように構成されている半導体ダイオードと、第１の論理ゲートであって、第１の論理ゲートの出力において第１のパルスを形成するように構成されている、第１の論理ゲートと、第１の論理ゲートに結合されている駆動回路とを備え、駆動回路は、第１のパルスを受信し、第１のパルスの受信に応答して光パルスを生成するために、半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されているパルス光源。
【０１９８】
（７２）第１のパルスはユニポーラ・パルスである（７１）のパルス光源。
（７３）第１の論理ゲートに結合されているファン・アウト・ゲート及び遅延要素をさらに備え、遅延要素は、ファン・アウト・ゲートからの少なくとも１つの出力を遅延させる（７２）のパルス光源。
【０１９９】
（７４）遅延要素は、ユニポーラ・パルスのパルス長を、１ｐｓと５ｐｓとの間の増分で変化させるように構成されている（７３）のパルス光源。
（７５）第１の論理ゲートは、２つの差動クロック信号から第１のパルスを形成するように構成されている（７１）乃至（７４）のいずれか１つのパルス光源。
【０２００】
（７６）バイポーラ電気パルスは、第１の大きさ及び第１の極性を有する第１のパルスと、後続する、第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する、反対の極性の第２のパルスとを含む（７１）乃至（７５）のいずれか１つのパルス光源。
【０２０１】
（７７）第２の大きさは第１の大きさの２５％と９０％との間である（７６）のパルス光源。
（７８）半導体ダイオードの端子に接続されている複数のワイヤ・ボンドをさらに備える（７１）乃至（７７）のいずれか１つのパルス光源。
【０２０２】
（７９）２つの差動クロック信号から第２のパルスを形成するように構成されている第２の論理ゲートをさらに備え、第２の論理ゲートは、第１の論理ゲートと並列に接続されており、第２の論理ゲートの出力は駆動回路に結合されている（７５）乃至（７８）のいずれか１つのパルス光源。
【０２０３】
（８０）半導体ダイオードと基準電位との間に接続されている通電端子を有する、駆動回路内のトランジスタをさらに備える（７１）乃至（７９）のいずれか１つのパルス光源。
【０２０４】
（８１）光パルスは、５０ｐｓと２ｎｓとの間の持続時間を有する（８０）のパルス光源。
（８２）光を発するように構成されている半導体ダイオードと、半導体ダイオードの端子に結合されているトランジスタを含む駆動回路とを備え、駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、ユニポーラ・パルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されており、トランジスタは、電流源と基準電位との間で半導体ダイオードと並列に接続されているパルス光源。
【０２０５】
（８３）半導体ダイオードと基準電位との間に並列に接続されている抵抗器及びキャパシタをさらに備え、任意選択的に（２）乃至（４）、（１５）、及び（２２）乃至（３０）のいずれか１つの特徴を有し、（１）の特徴を除外する（８２）のパルス光源。
【０２０６】
（８４）トランジスタは、通常伝導しており、ユニポーラ・パルスによってパルス・オフされるように構成されている（８２）又は（８３）のパルス光源。
（８５）単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、パルス光源によって照射される対象の画像を光検出器アレイ上に形成するように構成されている光学系とをさらに備える（８２）乃至（８４）のいずれか１つのパルス光源。
【０２０７】
（８６）光を発するように構成されている半導体ダイオードと、半導体ダイオードの第１の端子に接続されている複数の第１の回路分岐とからなり、各回路分岐は、その通電端子が、基準電位と半導体ダイオードの第１の端子との間に接続されているトランジスタを備えるパルス光源。
【０２０８】
（８７）複数の第１の回路分岐のうちの第１の回路分岐内の第１の基準電位は、複数の第１の回路分岐のうちの第２の回路分岐内の第２の基準電位とは異なる値を有し、任意選択的に（４）、（１５）、（１６）及び（２２）乃至（３０）のいずれか１つの特徴を有し、（１）の特徴を除外する（８６）のパルス光源。
【０２０９】
（８８）複数の第１の回路分岐のうちの第１の回路分岐内の第１の基準電位は、正の値を有し、複数の第１の回路分岐のうちの第２の回路分岐内の第２の基準電位は、負の値を有する（８６）又は（８７）のパルス光源。
【０２１０】
（８９）各回路分岐内に、トランジスタの通電端子と基準電位との間に接続されている抵抗器をさらに備える（８６）乃至（８８）のいずれか１つのパルス光源。
（９０）各回路分岐内に、トランジスタの通電端子と接地電位との間に接続されているキャパシタをさらに備える（８６）乃至（８９）のいずれか１つのパルス光源。
【０２１１】
（９１）単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、パルス光源によって照射される対象の画像を光検出器アレイ上に形成するように構成されている光学系とをさらに備える（８６）乃至（９０）のいずれか１つのパルス光源。
【０２１２】
（９２）信号及び反転信号を提供する無線周波数増幅器と、信号及び位相シフト反転信号を受信し、パルス及び反転パルスを出力するように構成されている論理ゲートと、パルス及び反転パルスを共通の出力に結合するように構成されている結合器と、共通の出力に結合されており、パルス及び反転パルスの受信に応答して光パルスを生成するように構成されている半導体ダイオードとを備えるパルス光源。
【０２１３】
（９３）パルス又は反転パルスを減衰させるように構成されている可変減衰器をさらに備え、任意選択的に（４）乃至（１５）、（１６）、及び（２２）乃至（３０）のいずれか１つの特徴を有し、（１）の特徴を除外する（９２）のパルス光源。
【０２１４】
（９４）パルス又は反転パルスを時間的に遅延させるように構成されている遅延要素をさらに備える（９２）又は（９３）のパルス光源。
（９５）無線周波数増幅器の入力に接続するＤＣブロックをさらに備える（９２）乃至（９４）のいずれか１つのパルス光源。
【０２１５】
（９６）単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、パルス光源によって照射される対象の画像を光検出器アレイ上に形成するように構成されている光学系とをさらに備える（９２）乃至（９５）のいずれか１つのパルス光源。
【０２１６】
（９７）第１の信号及び第１の信号の反転バージョンを受信し、パルス及びパルスの反転バージョンを出力するように構成されている無線周波数論理ゲートと、無線周波数論理ゲートに接続されている半導体ダイオードであって、半導体ダイオードの第１の端子においてパルスを受信し、半導体ダイオードの第２の端子においてパルスの反転バージョンを受信し、光パルスを放出するように構成されている、半導体ダイオードとを備えるパルス光源。
【０２１７】
（９８）周期信号を受信し、第１の信号及び第１の信号の反転バージョンを出力するように構成されている第１の増幅器と、第１の信号又は第１の信号の反転バージョンの位相を変化させるように構成されている位相調整器とをさらに備え、任意選択的に（４）、（１５）、（１６）及び（２２）乃至（３０）のいずれか１つの特徴を有し、（１）の特徴を除外する（９７）のパルス光源。
【０２１８】
（９９）単一の電荷蓄積間隔の間に光子到来時刻を少なくとも２つの時間ビンに弁別するように各々が構成されている複数の画素を有する光検出器アレイと、パルス光源によって照射される対象の画像を光検出器アレイ上に形成するように構成されている光学系とをさらに備える（９７）又は（９８）のパルス光源。
ＶＩ．結論
このように、パルス・レーザのいくつかの実施形態のいくつかの態様を説明したが、様々な変更、修正、及び改善が当業者には容易に想到されることが諒解されるべきである。そのような変更、修正、及び改善はこの開示の１部であるように意図されており、本発明の精神及び範囲内にあることが意図されている。本教示を様々な実施形態及び例に関連して説明したが、本教示がこのような実施形態又は例に限定されることは意図されていない。逆に、本教示は、当業者には諒解されるであろうような、様々な代替形態、修正、及び均等物を包含する。
【０２１９】
様々な発明の実施形態が説明及び図示されてきたが、当業者は、その機能を実施し、かつ／又は、それらの結果及び／又は説明されている利点の１つもしくは複数を得るための様々な他の手段及び／又は構造を容易に想定し、そのような変形及び／又は修正の各々は、説明されている本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者は、説明されているすべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例であるように意図されていること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明の教示が使用される特定の１つ又は複数の用途に応じて決まることを容易に諒解するであろう。当業者は、日常の実験のみを使用して、説明されている特定の発明の実施形態に対する多くの均等物を認識することになり、又は、それを究明することが可能になる。それゆえ、上記の実施形態は例としてのみ提示されていること、ならびに、添付の特許請求項及びその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明及び特許請求されているのとは他の様態で実践されてもよいことが理解されるべきである。本開示の発明の実施形態は、説明されている各個々の特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法を対象とし得る。加えて、そのような特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法が相互に矛盾しない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、及び／又は方法の任意の組み合わせが、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【０２２０】
さらに、本発明のいくつかの利点が示され得るが、本発明のすべての実施形態がすべての説明されている利点を含むとは限らないことは諒解されるべきである。いくつかの実施形態は、有利であるとして説明されている任意の特徴を実装しなくてもよい。したがって、上記の説明及び図面は例示のみを目的としたものである。
【０２２１】
数値及び範囲は、本明細書及び特許請求の範囲において、近似する又は正確な値又は範囲として記載されている場合がある。例えば、いくつかの事例において、「約（ａｂｏｕｔ）」、「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語が、値を参照して使用されている場合がある。そのような参照は、参照されている値、ならびに、その値に妥当な変動が加わった値及び差し引かれた値を包含するように意図されている。例えば、「約１０と約２０との間」という語句は、いくつかの実施形態における「正確に１０と正確に２０との間」、及び、いくつかの実施形態における「１０＋δ１と２０＋δ２との間」を意味するように意図されている。値の変動δ１、δ２の量は、いくつかの実施形態においては値の５％未満であってもよく、いくつかの実施形態においては値の１０％未満であってもよく、さらに、いくつかの実施形態においては値の２０％未満であってもよい。例えば、２桁以上を含む範囲のような、値の大きい範囲が与えられている実施形態では、値の変動δ１、δ２の量は、５０％程度と高くなり得る。例えば、動作可能範囲が２から２００まで延在する場合、「約８０」は、４０と１２０との間の値を包含してもよく、範囲は、１と３００との間と大きくなってもよい。正確な値が意図される場合、例えば、「正確に２と正確に２００との間」のように、「正確に」という用語が使用される。
【０２２２】
限定ではないが、特許、特許出願、論説、著書、論文、及びウェブ・ページを含む、この出願において引用されているすべての文献及び同様の資料は、そのような文献及び同様の資料の形式にかかわらず、参照によりそれらの全体が明示的に組み込まれる。組み込まれている文献及び同様の資料のうちの１つ又は複数が、限定ではないが、定義されている用語、用語の用法、説明されている技法などを含め、この出願と異なるか、又は、相反する場合、この出願が優先する。
【０２２３】
使用されている節の見出しは、構成のみを目的としており、決して説明されている主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
また、説明されている技術は、そのうち少なくとも１つの例が提供されている方法として具現化され得る。方法の１部分として実施される動作は、任意の適切な様式で順序付けられてもよい。したがって、動作が示されているものとは異なる順序で実施され、たとえ例示的な実施形態においては順次の動作として示されていたとしても、いくつかの動作を同時に実施することを含んでもよい実施形態が構築されてもよい。
【０２２４】
定義及び使用されているものとしてのすべての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれている文書における定義、及び／又は、定義されている用語の通常の意味に優先するものとして理解されるべきである。
【０２２５】
不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、明確に逆に指示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味するように理解されるべきである。
【０２２６】
「及び／又は」という語句は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、そのように結合されている要素、すなわち、いくつかの事例では結合して存在し、他の事例では分離して存在する要素の「いずれか又は両方」を意味するものとして理解されるべきである。「及び／又は」を用いてリストされている複数の要素は、同じように、すなわち、そのように結合されている要素の「１つ又は複数」として解釈されるべきである。「及び／又は」条項によって具体的に識別されている要素以外の他の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在してもよい。したがって、非限定例として、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」のような限定しない文言とともに使用されているとき、「Ａ及び／又はＢ」に対する参照は、１実施形態においてはＡのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態においてはＢのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）を指し、また別の実施形態においてはＡとＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）を指し得る、などであり得る。
【０２２７】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、「又は」は、上記で定義されているような「及び／又は」と同じ意味を有するものとして理解されるべきである。例えば、リスト内で項目を分離しているとき、「又は」又は「及び／又は」は、包含的である、すなわち、複数の要素又は要素のリストのうちの少なくとも１つを含むが、２つ以上をも含み、また任意選択的に追加のリストされていない項目も含むものとして解釈されるべきである。「〜のうちの１つのみ」もしくは「〜のうちの正確に１つ」、又は、特許請求の範囲において使用されるとき、「〜からなる」のように、明確に逆に指示されている用語だけは、複数の要素又は要素のリストのうちの正確に１つの要素を含むことを指す。一般的に、使用されているような「又は」という用語は、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」又は「〜のうちの正確に１つ」のような、排他性の用語が先行するときは、排他的な選択肢（すなわち「１方又は他方であり、両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるべきである。「基本的に〜からなる」は、特許請求の範囲において使用されるとき、特許法の分野において使用されるものとしての、その通常の意味を有するべきである。
【０２２８】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、１つ又は複数の要素のリストを参照する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の要素のうちのいずれか１つ又は複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものとして理解されるべきであるが、必ずしも、要素のリスト内に具体的にリストされているあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではない。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別されている要素以外の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることも可能にする。したがって、非限定例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は、同等に「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、もしくは、同等に「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、１実施形態においては、Ｂが存在せず、２つ以上のＡを任意選択的に含む少なくとも１つのＡを指し（また、任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａが存在せず、２つ以上のＢを任意選択的に含む少なくとも１つのＢを指し（また、任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態では、任意選択的に２つ以上のＡを含む少なくとも１つのＡ、及び、任意選択的に２つ以上のＢを含む少なくとも１つのＢを指し得る（また、任意選択的に他の要素を含む）、などである。
【０２２９】
特許請求の範囲において、及び、上記の本明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「包含する」、「保持する」、「〜から構成される」などのようなすべての移行句は、限定しないものである、すなわち、含むが、それに限定されないことを意味するものとして理解されるべきである。「〜からなる」及び「基本的に〜からなる」という移行句のみが、それぞれ限定的な又は半限定的な移行句であるべきである。
【０２３０】
特許請求の範囲は、その旨述べられていない限り、記載されている順序又は要素に限定されるものとして読み取られるべきではない。添付の特許請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって、形態及び詳細に様々な変更を行うことができることが理解されるべきである。以下の特許請求項の及びその均等物の精神及び範囲内に入るすべての実施形態が特許請求される。
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１Ａ】
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【図２−１Ｂ】
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【図２−１Ｃ】
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【図２−２Ａ】
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【図２−２Ｂ】
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【図２−２Ｃ】
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【図２−３】
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【図２−４Ａ】
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【図２−４Ｂ】
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【図２−４Ｃ】
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【図２−４Ｄ】
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【図２−４Ｅ】
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【図２−４Ｆ】
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【図２−４Ｇ】
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【図２−４Ｈ】
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【図２−４Ｉ】
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【図２−４Ｊ】
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【図２−４Ｋ】
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【図２−４Ｌ】
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【図２−４Ｍ】
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【図２−５Ａ】
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【図２−５Ｂ】
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【図２−５Ｃ】
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【図２−５Ｄ】
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【図２−６Ａ】
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【図２−６Ｂ】
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【図２−６Ｃ】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４Ａ】
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【図３−４Ｂ】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図４−４】
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【図４−５Ａ】
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【図４−５Ｂ】
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【国際調査報告】
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2018518670.tif 000054
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