(57)【要約】本発明は、縦軸（２２）に従って延在する本体（２１）と、本体（２１）の一端（２５）に面するように配置される光源（２３）と、を備え、光源（２３）は、複数の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードを有し、複数のダイオードは、本体（２１）の縦軸（２２）と実質的に垂直な放射面（２６）を形成するように配置される照明インジェクタエレメント（２０）に関する。また、本発明は、この照明インジェクタエレメント（２０）を備える光バイオリアクタ（１０）に関する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦軸（２２）に従って延在する本体（２１）と、前記本体（２１）の一端（２５）に面して配置される光源（２３）と、を備える照明インジェクタエレメント（２０）であって、
前記光源（２３）は、複数の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードを有し、
前記複数のダイオードは、前記本体（２１）の前記縦軸（２２）と実質的に垂直な放射面（２６）を形成するように配置され、
前記光源（２３）は、前記本体（２１）の上流側で、前記複数のダイオード（ＶＣＳＥＬ）によって放射された照明ビームを前記本体（２１）の側壁（２４）に向かって偏向するように構成された、発散又は収束入力レンズ（３０）に接続している、ことを特徴とする照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項２】
前記本体（２１）は円筒形状を、特に直線の又は平行六面体の円筒形状を有する、請求項１に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項３】
各ダイオード（ＶＣＳＥＬ）は、基本放射面（１１０）を有し、
前記放射面（２６）は、少なくとも全ての前記基本放射面（１１０）を有する、請求項１又は２に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項４】
前記（ＶＣＳＥＬ）ダイオードは集積回路を形成するように接続されている、請求項１から３の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項５】
前記光源（２３）は、前記放射面（２６）の中央領域（３４）よりも周辺領域（３３）により多くの照明を放射するように構成される、請求項１から４の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項６】
前記光源（２３）は前記周辺領域（３３）にのみ照明を放射するように構成される、請求項５に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項７】
前記放射面（２６）の前記中央領域（３４）には（ＶＣＳＥＬ）ダイオードを含まない、請求項５又は６に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項８】
前記光源（２３）を制御するように構成される制御装置（２９）をさらに備え、
前記放射面（２６）の前記周辺領域（３３）は、前記中央領域（３４）より多くの照明を放射する、請求項５又は６に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項９】
前記光源（２３）とは反対側の前記本体（２１）の一端に配置される末端鏡（３１）をさらに備え、
前記末端鏡（３１）に反射される前記照明ビームの一部を前記本体（２１）内に戻す、請求項５から８の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１０】
前記光源（２３）は、前記放射面（２６）の前記周辺領域（３３）に非一様なエネルギ密度を放射するように構成される、請求項５から９の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１１】
前記光源（２３）が前記放射面（２６）の前記周辺領域（３３）に非一様なエネルギ密度を放射するように、前記周辺領域（３３）の前記（ＶＣＳＥＬ）ダイオードの基本放射面は異なる寸法を有する、請求項１０を加えた請求項３に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１２】
前記光源（２３）が前記放射面（２６）の前記周辺領域（３３）に非一様なエネルギ密度を放射するように、非一様な電流密度を前記（ＶＣＳＥＬ）ダイオードに送るように構成される電力供給体（２８）をさらに備える、請求項１０又は１１に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１３】
前記本体内に配置される少なくとも１つの光学エレメント（３５ｉ）を備え、
前記光源（２３）によって放射され、前記本体（２１）の中央部（３６ｉ）を伝播するわずかな前記照明ビームを通すように構成され、
前記光源（２３）によって放射されたエネルギを局所に分布するように、前記本体の周辺部（３７ｉ）を伝播するわずかな前記照明ビームを前記本体（２１）の外側に向かって偏向する、請求項１から１２の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１４】
前記光学エレメント（３５ｉ）は、前記本体（２１）の前記中央部（３６ｉ）を伝播するわずかな前記照明ビームを通すように、前記本体（２１）の前記縦軸（２２）と実質的に同軸な開口（３８ｉ）を有する、請求項１３に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１５】
前記本体（２１）の内部に配置され、前記本体（２１）に沿って互いに離れて延在する複数の光学エレメント（３５ｉ）を備え、
前記光学エレメント（３５ｉ）は、前記光源（２３）によって放射されたエネルギを前記本体（２１）に沿って分配するように、前記光源（２３）から離れるほどより減少する前記照明ビームであって、前記本体（２１）の前記中央部（３６ｉ）を伝播するわずかな前記照明ビームを通すように構成される、請求項１４に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１６】
前記光学エレメント（３５ｉ）は、前記本体（２１）の前記中央部（３６ｉ）を伝播するわずかな前記照明ビームを通すように、前記本体（２１）の前記縦軸（２２）と実質的に同軸な開口（３８ｉ）を各々有し、
前記開口（３８ｉ）は、前記光源（２３）に関連して離れていくとサイズが減少する、請求項１５に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１７】
前記光学エレメント（３５ｉ）は発散レンズ又はプリズムである、請求項１３から１６の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１８】
前記光学エレメント（３５ｉ）は、前記放射面（２６）の前記周辺領域（３３）によって放射される全ての照明を、前記本体（２１）の外側に向かって偏向するように構成される、請求項１３から１７の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）。
【請求項１９】
培養のために、特に光合成微生物、好ましくは微細藻類、の連続培養のために、意図される光バイオリアクタ（１０）であって、
前記微生物の培地（１２）を含むように意図される少なくとも１つの培養コンテナ（１１）と、
請求項１から１８の何れか一項に記載の照明インジェクタエレメント（２０）と、を備え、
前記照明インジェクタエレメント（２０）の前記本体（２１）は、前記培養コンテナ（１１）内に配置される、ことを特徴とする光バイオリアクタ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的な照明分野に関する、特に光合成微生物の集約的且つ連続的な培養のための照明分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの照明エレメントは、例えば、発光若しくはネオンチューブ、蛍光チューブ、又は発行ダイオード（又はＬＥＤ）のような先行技術から知られている。
【０００３】
特に、ＬＥＤは、ランベルト形状に、つまりは耳たぶ形状に従うエネルギ放射図を有する。ＬＥＤは、放射面と垂直な主要方向に最大限のエネルギフローを放射し、このエネルギフローは、この主要方向から離れて減少する。
【０００４】
また、ＬＥＤは、立体角が概ね９０度に限定されている放射円錐を有する。ＬＥＤは、それゆえ、主要方向に対して大きく傾斜した方向に、特に４５度を越える方向に、エネルギを放射しない。このようにして、ＬＥＤが、例えば、主に垂直方向に照明を放射するように部屋の天井に取り付けられたときには、水平方向を照らすことは出来ず、その結果、室内の照明の質を減らす。そのような照明の質は、使用者に対して快適性の問題を提示する可能性があり、この欠点を修正するため照明システムを掛け合わせる必要がある。
【０００５】
しかしながら、ＬＥＤを使用することにはかなりの利点があり、特にＬＥＤを使用している期間に、特にＬＥＤが熱くなっていない時に、準不変な相当量の照明の出力を有する。
【０００６】
ＬＥＤとは反対に、蛍光又はネオンチューブは、径方向の全てにエネルギ放射を生じ、天井照明として取り付けられたときには、水平方向にさえエネルギ放射を生じる。
【０００７】
しかしながら、そのような照明エレメントはＬＥＤより照明の出力が非常に弱く、照明強度は時間が経つとともに弱くなる。そのような照明エレメントは、火花を出し、ユーザを特に困らせることを頻発する。
【０００８】
光合成微生物を、特に微細藻類を、集約培養するための特定の照明分野において、重要なことは、照明エレメントによって放射されたエネルギフローが、微細藻類の生産物を改善するために、照明エレメントの全放射方向において可能な限り最も均一であることである。
【０００９】
実際に、生産物は、微細藻類が培養される光バイオリアクタのボリューム内の照明の質に直接的に依存することが分かっている。それは、最適な平均エネルギで正確に照らすため全生物学的液体にとって必要であり、微細藻類の性質に依存する。その結果、光源と生物学的液体との間の接点は、有益な生物学的液体（溶液槽）のボリュームを最大限にする最も大きな可能性を有さなければならない。
【００１０】
要約すると、１リットルあたり１グラムのオーダーの濃度ｄで、照明は、λ＝０．５ｃｍの深さを超えて吸収される。１ｍ３のリアクタに対して、１ｍ２の照明面（１ｍ２の平面を有する光源）で、生物学的液体の適切なボリュームは、わずか１／２００ｍ３である。理想的なリアクタは、照らされたボリュームがリアクタのボリュームと等しい場合である。さらに一般的なリアクタの質の要因は、Ｑ＝Ｓλ／Ｖ０の関係によって定義される。Ｓは、リアクタのボリュームＶ０における照明面（適切なパワーで）、λは照明の浸透の深さである。
【００１１】
大量の生成物Ｍは、リアクタ内で分散した照明エレメントのボリュームであるＶｅで、下記のような関係で表される。Ｍ＝（Ｖ０−Ｖｅ）ｄ（ｄは、ボリューム単位あたりの微細藻類の集まりである）。
【００１２】
これら２つの関係は、同時に最大にされなければならない。
【００１３】
このため、例えば、国際公開第２０１１／０８０３４５号では、終端にＬＥＤを配置される、筒状形状の照明ガイドを備える照明インジェクタエレメントを提案している。ＬＥＤは、放射線形状の、円錐形状の、又は、ＬＥＤによって放射された高角度光線をインジェクタの軸方向に送り戻す他の形状の、鏡によって囲まれる。
【００１４】
また、インジェクタエレメントの照明ガイドは、ＬＥＤ側の一端で、不透明度が光源から離れて減少する鏡で覆われている。言い換えると、この金属鏡は、インジェクタエレメントの上部に十分に設けられ、前進的に半透明になり、最終的には消える。実際に、これらの鏡がなければ、ＬＥＤのランベルト形状のエネルギ放射形を与えられ、側壁に沿ってチューブによって放射されたエネルギ量はＬＥＤから離れて指数関数的に減少し、その結果、照明エネルギは、インジェクタエレメントの上部に実質的に出る。それゆえ、インジェクタエレメントがチューブに沿って可能な限り最も一様なエネルギを放射するように、そのような鏡を使用することは重要であることが理解される。
【００１５】
また、本開示によって、ＬＥＤとは反対に、照明ガイドの一端に鏡を配置し、ＬＥＤから直接的に発光された照明ビーム、又は放射の主要方向に対して小さい角度を有する方向に反射された照明ビームを、インジェクタエレメントの照明ガイドに沿って送り戻し、ＬＥＤから離れて増加するエネルギ損失を補償する。このような鏡は、例えば、円錐形状、半球面形状、放射線形状、又はより複雑な形状を有する。
【００１６】
そのような鏡を使用することは、鏡によって反射されたエネルギフローのかなりの量の吸収を導き、有益エネルギの損失を引き起こし、インジェクタエレメントの局部加熱を引き起こし、最終的には生物学的液体（溶液槽）の加熱を引き起こす。
【００１７】
実際に、品質の良い鏡が与えられ、０．８μｍの波長を有する照明の放射があると、照明エネルギの５％が、鏡に反射する際に吸収される。このようにして、もし再配向される照明ビームの一回きりの反射があり、且つ、これらの照明ビームが、例えば、照明フローの５０％であれば、照明エネルギの２．５％を吸収可能である。
【００１８】
ここで、ＬＥＤを囲む鏡の場合について、放射の主要方向に対して最も大きな角度を有する照明ビームは、複数回反射される。また、この効果は、インジェクタエレメント部（数十ｍｍ２の面）と比較して大きな放射面を有するＬＥＤのために補強される。それゆえ、１０％以上で向上するエネルギ吸収が観察され、そして、このときには質の良い鏡を有する。
【００１９】
円錐形状、又は、より複雑な形状の鏡の使用は、照明ビームの反射回数を限定し、それゆえ、反射される照明フローの吸収に関する損失を減らす。
【００２０】
しかしながら、これらの鏡の幾つかは、製造することが産業的に困難であるという事実は別として、これらの鏡による照明フローの吸収は相当な量である。
【００２１】
それゆえ、そのような鏡を使用することは特に複雑であり、パワーに関して高価であることが理解される。
【００２２】
それゆえ、照明エネルギ損失を減らすために、光バイオリアクタ用の照明インジェクタエレメントを開発する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の目的は、それゆえ、光源によって放射されたエネルギとインジェクタエレメントを去るエネルギと間の照明エネルギ損失を減らすための照明インジェクタエレメントを提供することである。本発明の別の目的は、インジェクタエレメントの全放射方向において、全体として均一のエネルギフローを与えるインジェクタエレメントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
このような目的のため、本発明は、縦軸に従って延在する本体と、本体の一端に面して配置される光源と、を備える、第１観点の照明インジェクタエレメントを提案する。
【００２５】
照明インジェクタエレメントは、光源が複数の垂直共振器型面発光レーザダイオードを有し、複数のダイオードは本体の縦軸と実質的に垂直な放射面を形成するように配置される。
【００２６】
他の有利且つ非限定的な特徴によると、
・本体は円筒形状を、特に直線の又は平行六面体の円筒形状を有する。
・各ダイオードは、基本放射面を有し、放射面は、少なくとも全ての基本放射面を有する。
・ダイオードは集積回路を形成するように接続されている。
・光源は、放射面の中央領域よりも周辺領域により多くの照明を放射するように構成される。
・光源は周辺領域にのみ照明を放射するように構成される。
・放射面の中央領域にはダイオードを含まない。
・光源を制御するように構成される制御装置をさらに備え、放射面の周辺領域は、中央領域より多くの照明を放射する。
・光源とは反対側の本体の一端に配置される末端鏡をさらに備え、末端鏡に反射される照明ビームの一部を本体内に戻す。
・光源は、放射面の周辺領域に非一様なエネルギ密度を放射するように構成される。
・光源が放射面の周辺領域に非一様なエネルギ密度を放射するように、周辺領域のダイオードの基本放射面は異なる寸法を有する。
・光源が放射面の周辺領域に非一様なエネルギ密度を放射するように、非一様な電流密度をダイオードに送るように構成される電力供給体をさらに備える。
・照明インジェクタエレメントは、本体内に配置される少なくとも１つの光学エレメントを備え、光源によって放射された照明ビームであって、本体の中央部を伝播するわずかな照明ビームを通すように構成され、光源によって放射されたエネルギを局所に分布するように、本体の周辺部を伝播するわずかな照明ビームを本体の外側に向かって偏向する。
・光学エレメントは、本体の中央部を伝播するわずかな照明ビームを通すように、本体の縦軸と実質的に同軸な開口を有する。
・照明インジェクタエレメントは、本体の内部に配置され、本体に沿って互いに離れて延在する複数の光学エレメントを備え、光学エレメントは、光源によって放射されたエネルギを本体に沿って分配するように、光源から離れるほどより減少する照明ビームであって、本体の中央部を伝播するわずかな照明ビームを通すように構成される。
・光学エレメントは、本体の中央部を伝播するわずかな照明ビームを通すように、本体の縦軸と実質的に同軸な開口を各々有し、開口は、光源に関連して離れていくとサイズが減少する。
・光学エレメントは発散レンズ又はプリズムである。
・光学エレメントは、放射面の周辺領域によって放射される全ての照明を、本体の外側に向かって偏向するように構成される。
【００２７】
本発明の第２観点によると、本発明は、培養のために、特に光合成微生物、好ましくは微細藻類、の連続培養のために、意図される光バイオリアクタであって、微生物の培地（１２）を含むように意図される少なくとも１つの培養コンテナと、上記本発明の第１観点の照明インジェクタエレメントと、を備え、照明インジェクタエレメントの本体は培養コンテナ内に配置される光バイオリアクタに関する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
単に図示するとともに非限定的であり、添付図を考慮されなければならない、下記の説明から、本発明の他の特徴、目的、及び利点は示される。
【図１】本発明の実施形態に係る照明インジェクタエレメントを備える光バイオリアクタであって、培養のために、特に光合成微生物の連続培養のために意図される光バイオリアクタ、の縦断面を示す概略図である。
【図２】垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードの構造の断面を示す概略図である。
【図３】図１に示された変形例に係る照明インジェクタエレメントを備える光バイオリアクタの縦断面を示す概略図である。
【図４】放射されたエネルギ密度がＶＣＳＥＬによって形成される全放射面にわたって非一様である、複数のＶＣＳＥＬのエネルギ放射形状の第１例を示す図である。
【図５】放射されたエネルギ密度がＶＣＳＥＬによって形成される全放射面にわたって非一様である、複数のＶＣＳＥＬのエネルギ放射形状の第２例を示す図である。
【図６】図１及び図３に示された変形例に係る照明インジェクタエレメントを備える光バイオリアクタの縦断面を示す概略図である。
【図７】ＶＣＳＥＬが図４に示されるような放射形状を有するときに、図６に示された照明インジェクタエレメントによって全長にわたって放射されたエネルギ分布を示す図である。
【図８】ＶＣＳＥＬが図５に示されるような放射形状を有するときに、図６に示された照明インジェクタエレメントによって全長にわたって放射されたエネルギ分布を示す図である。
【図９】図１、３及び６に示された変形例に係る平面照明インジェクタエレメントの縦断面を示す概略図である。
【図１０】図１、３、６及び９に示された変形例に係る平面照明インジェクタエレメントの縦断面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明の実施形態に係る、培養のための、特に光合成微生物の、好ましくは微細藻類の連続培養のために意図される光バイオリアクタ１０を示す。
【００３０】
光バイオリアクタ１０は、微生物の培地１２を含むように意図された少なくとも１つの培養コンテナ１１と、少なくとも１つの照明インジェクタエレメント２０と、を備える。
【００３１】
照明インジェクタエレメント２０は、縦軸２２に従って延在する円筒形状の中空体２１を備える。光バイオリアクタを使用する際には、照明インジェクタエレメント２０の縦軸２２は、垂直方向と実質的に一致する。
【００３２】
円筒形状は、表面の直角方向に応じる表面の並行移動（ベースを形成する）によって生じるボリュームを意味する。例えば、中空体２１は、回転体（ベースが円盤である円筒）又はプリズム（ベースが多角形である円筒）の円筒形状を有することができる。特に、中空体２１は直方体形状を有することができる。
【００３３】
中空体２１は、培養コンテナ１１内に配置される。中空体２１は、好ましくは、吸収による損失を避けるために中空であるが、下記で説明するように、透明な材料から任意に作られることも可能である。直方体形状を有する中空体２１の場合、図９又は図１０に示すように、中空体２１の２つの対向面は、好ましくは、互いに近接するように配置されるプレート２１ａ、２１ｂである。プレート２１ａ、２１ｂは、中空体２１の長さ（高さ）及び幅を決め、プレート２１ａ、２１ｂ間の距離は中空体２１の厚さを決める。プレートは、例えば、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、又はガラスから作られる。
【００３４】
照明インジェクタエレメント２０の中空体２１は、光源２３によって放射された照明フローを導くため、（照明インジェクタエレメントが垂直方向に向けられた際に、照明インジェクタエレメント２０の上端に配置される）光源２３に結合され、その照明フローは側壁２４を経由して培地１２に渡る。このような結合は、例えば、分散又は収束入力レンズ３０を介して、照明ビームを偏向するように構成され、下記で説明する。
【００３５】
中空エレメント２０の場合、側壁２４（平行六面体のためのプレート２１ａ、２１ｂ）を定義している中空体２１の中央空洞と被覆体との間のインデックスステップは、横方向の照明の伝達を制御可能とする。完全エレメントの場合、粗さを有する任意の２重の被覆体（２つの異なる指数を有するように）を有する構造が必要である。
【００３６】
図９又は図１０に示すように、直方体形状を有する中空体２１の場合には、照明はプレート２１ａ、２１ｂを通って、横方向に放射される。好ましくは、そして、光源２３の温度損失を管理するため、光源は培養コンテナ１１の外側に配置され、中空体の近位端２５に面し、特に冷却剤によって冷却されたラジエータ（好ましくは、全インジェクタエレメントに通常設けられている）に接触している。
【００３７】
本発明に係るインジェクタエレメントである照明ディフューザ２０は、照明エネルギを光源２３から側壁に、単に屈折現象によって移動させており、つまり、２つのメディア（つまり、インデックスステップ）を接続するために照明ビームを偏向し、光学レンズ３０のレベルにおいて、側壁２４、又は、別の光学エレメント３５ｉ（下記に示す）かどうか無関係である。
【００３８】
いわゆる拡散現象（異質なメディア小片による照明ビームの偏向）は、そのようにして最も回避される（最大限に透明なメディアが与えられることが好ましい）。これによるメディア内のエネルギを損失することはほとんどなく、光源２３によって供給されたエネルギの１００％を取り戻す。実際に、拡散メディアは、放射線の影響下で熱を有する傾向がある。
【００３９】
光源２３は、複数の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオード、いわゆるＶＣＳＥＬを有し、中空体２１の縦軸２２に実質的に垂直な放射面２６を形成するように配置され、中空体２１の縦軸２２と実質的に平行な放射方向２７に照明ビームを放射する。ＶＣＳＥＬは、少なくとも１つの電力供給体２８によって電流を供給される。電力供給体２８は、例えば、制御装置２９によって制御される。放射面２６は、好ましくは、中空体２１の横断面に適合した形状を有する。このようにして、中空体２１が円形の横断面を有する場合には、放射面２６は、好ましくは、円盤であり、これに対して中空体２１が直方体形状を有する場合には、放射面２６は、好ましくは、図９又は図１０に示すように、帯状形状である。
【００４０】
ＶＣＳＥＬは、一貫した照明の放射を生じるための直接遷移型半導体による半導体レーザであって、非一貫である照明のみを生じるＬＥＤとは逆である。
【００４１】
図２に示すように、ＶＣＳＥＬは、照明ビームの放射方向１０１に従う積層構造１００を備える。その積層構造１００は、特に、
−いわゆる下方金属接触層１０２と、
−ｎ型ドーパントを有する半導体基盤１０３と、
−いわゆるｎ型ドーパントを有するブラッグ鏡１０４と、
−共鳴する垂直共振器を形成する少なくとも１つの量子井戸１０５と、
−いわゆるｐ型ドーパントを有する上方ブラッグ鏡１０６と、
−開口１０８を有し、透明で伝導性の金属的酸化物層が堆積され、照明ビーム１０９が放射される、いわゆる上方金属接触層１０７と、を備える。
【００４２】
ＶＣＳＥＬは、それゆえに、積層１０２から積層１０７までの積層方向と実質的に垂直な基本放射面１１０を経て照明ビームを放射する。これは、トランシュを経由して、つまり、積層方向に対して実質的に平行な面（空洞の側面）を経て、放射する通常の固体レーザとは異なる。
【００４３】
ＶＣＳＥＬの基本放射面は、例えば、１００μｍ２のオーダーであり、供給される照明出力は、数百μｍ２の放射面のための可視領域において、数十ミリワットを超える。
【００４４】
ＶＣＳＥＬは、放射方向１０１（技術的に“平面”として知られている）に対して垂直方向に延在する積層構造１００を有するという事実は、Ｎ個のＶＣＳＥＬを備えるＣ−ＶＣＳＥＬ（集積レーザ回路）を形成するため、１ミリメートルの面でかなりの数を接続する。Ｃ−ＶＣＳＥＬによって放射された照明エネルギは、特に半導体層１０３から１０６を経由して、ＶＣＳＥＬ間で結合されていなければ、基本的な各ＶＣＳＥＬによって放射された照明エネルギの総計である。Ｃ−ＶＣＳＥＬは、ＬＥＤとは反対であり、ほとんど分散しない強力な照明の放射を生じる。Ｃ−ＶＣＳＥＬは、例えば、１ｍｍ２あたり光学上の十ワットを超えるパワーを生じる。
【００４５】
光源２３の複数のＶＣＳＥＬは、Ｃ−ＶＣＳＥＬ内に編成され、ＶＣＳＥＬの基本放射面１１０は、放射面２６を形成する。
【００４６】
Ｃ−ＶＣＳＥＬを使用することは、先行文献においては、ＬＥＤのランベルトエネルギ形状を修正するのに必要な鏡を用いないで行なうのと同様に、中空体２１の全長にわたって照明エネルギを運び、結果として、鏡の使用によるエネルギ損失を減らし、インジェクタエレメント２０の製造コストを下げる。
【００４７】
後述で明らかなように、Ｃ−ＶＣＳＥＬは、放射面２６を超えて、可変的なエネルギ密度を示すのに利点を有するように構成される。当業者は、この結果を得るための複数の技術を知っている、そして本発明に係る照明インジェクタエレメントは、その技術のいずれかに限定されない。
【００４８】
特に、ＶＣＳＥＬの複雑な構造（バラッグ鏡、活動層など）は、エピタキシー（例えば、分子ジェットによるエピタキシー）によって、少なくともＣ−ＶＣＳＥＬの全面の導電性基板上に形成される。基本的なＶＣＳＥＬの（つまり、各ＶＣＳＥＬの基本放射面の）境界は、光リソグラフィによってなされる。“光マスク”によって、各ＶＣＳＥＬの基本放射面１１０の寸法、及び、Ｃ−ＶＣＳＥＬの層における表面密度（言い換えると、２つの隣接するＶＣＳＥＬ間のピッチを変えること）を決めることが可能である。当業者に知られているように、接続技術は電気的制御の必要性に適合されたマスクを通して、デポジットの問題を形成する。放射面２６に“穴”を提供することが可能であり、言い換えると、ＶＣＳＥＬが欠けている部分がある。説明の明確さのために、全ての層は照明放射がゼロであるが、照明放射がゼロではない層によって囲われており、放射面２６の一部を形成するように考慮されている。
【００４９】
あるいは、Ｃ−ＶＣＳＥＬにおいて、各ＶＣＳＥＬは、電力源２８に個々に接続されることが可能である。このような場合、制御装置２９は、ＶＣＳＥＬによって異なる電流密度を送るため、個々に電力源２８を制御するように構成される。また、ＶＣＳＥＬの電圧は制御可能である。また、Ｃ−ＶＣＳＥＬは、層によって範囲を定めることが可能であり、各層のＶＣＳＥＬは、互いに接続され、１つの層あたりに電力源２８が与えられる。これら２つの場合には、制御装置２９は、例えば、マトリクス制御回路である。ＶＣＳＥＬは、それどころか互いに接続可能であり、１つの電力源２８である。このようにして、電力源２８は制御装置２９によって制御され、一様の電流（言い換えると、ＶＣＳＥＬが表面装置あたりにつき同じインピーダンスを有すると、全てのＶＣＳＥＬにおいて制御電圧は同じである）を送る。
【００５０】
図１に示すように、光源２３は、中空体２１の上流側で、ＶＣＳＥＬによって放射された照明ビームを中空体２１の側壁２４に向かって偏向するように構成される、発散レンズ又は収束入力レンズ３０に接続される。収束レンズ３０は、中空体２１によって放射されたエネルギを制御するため、中空体２１の側壁２４に対して偏向される照明ビームの迎角を調整する。迎角は、好ましくは、インジェクタエレメントによって放射されたエネルギが、予め決められたエネルギ閾値と、いわゆる、微生物の飽和エネルギとの間となるように選択される。そのエネルギ閾値は、光合成を始めるのに必要な最小限のエネルギに相当する。次に、仰角は、入力レンズ３０の焦点距離を決定する。Ｃ−ＶＣＳＥＬは、中空体２１の縦軸２２に平行であり、実質的に円筒形状の照明ビームを放射し、それゆえに、照明ビームの仰角は、入力レンズ３０によってより容易に制御可能であることが分かる。また、これにより、照明ビームが、入力レンズによって中空体２１の側壁２４の全長にわたって反射される際に生じる照明スポットを表示し、それゆえ、中空体２１の全長にわたって放射されたエネルギを分配する。
【００５１】
図９に示すように、中空体２１が直方体形状を有する場合には、入力レンズ３０は、中空体２１の厚さ及び幅のそれぞれに対して、実質的に等しい幅及び長さを有する発散プリズム３０１によって取ってかえられる。プリズム３０’の表面は、中空体２１のプレート２１ａ、２１ｂに沿ってエネルギを最も良好に配分するために非平面であってもよい。
【００５２】
図１及び図３に示すように、Ｃ−ＶＣＳＥＬの放射面２６は、中空体２１の横断面と実質的に同じサイズである。Ｃ−ＶＣＳＥＬの放射面２６が中空体２１の横断面より小さい寸法を有するのであれば、インジェクタエレメント２０はＣ−ＶＣＳＥＬの拡大画像を投影している光学システムをさらに備えることが可能であり、好ましくは、照明ガイドのセクション、中空体２１の投入において配置される発散レンズ（又はプリズム）３０に備える。
【００５３】
図１に示すように、インジェクタエレメント２０は、中空体２１の末端に、つまり光源２３とは反対側の一端に、配置される末端鏡３１をさらに備える。末端鏡３１は、中空体２１内に照明ビームを送り戻すように構成され、光源２３から離れる際に、中空体２１から取り出されるエネルギ損失を補償する。末端鏡３１は、中空体２１の側壁２４によって放射されたエネルギフローを、より一様にする。末端鏡３１は、例えば、平坦な反射面、半球形状、円錐形状又は放射線形状を有する。末端鏡３１の反射面の形状は、好ましくは、末端鏡３１によって反射された照明エネルギが、光源２３により接近するときに、減少するように決定され、光源２３に戻るエネルギを最大限に減らす。実際に、インジェクタエレメント２０内のエネルギ損失を限定するため、末端鏡３１に直接的に届くわずかな照明ビーム（つまり、中空体２１の側壁２４によって反射されなかった）、及び、中空体２１の側壁２４によって末端鏡３１に向かって反射された照明フロー、を中空体２１に戻す利点がある。また、毎回、インジェクタエレメント２０内のエネルギ損失を限定するため、光源が熱くなることを防止し、且つ放射されたエネルギが培地１２に伝えられないように、光源２３に戻るわずかな照明ビームを減らすことには利点がある。末端鏡３１は、好ましくは、中空体２１の横断面と同じ寸法を有する。
【００５４】
また、図３に示すように、インジェクタエレメント２０は、末端鏡３１に面し、中空体２１の内部に配置される発散又は集光末端レンズ３２を備え付けることが可能であり、末端鏡３１に対して反射されたわずかな照明ビームの中空体２１の側壁２４に対する仰角を大きくする。このようにして、末端鏡３１によって反射されたエネルギは、より早く消費され、このエネルギが光源２３に戻らないというリスクは限定される。
【００５５】
本発明に係るより好ましい実施形態によると、光源２３は、放射面２６の中央領域３４よりも周辺領域３３において、より多くの照明を放射するように構成される。放射面２６の中央領域３４は、好ましくは、照明を放射しない。このようにして、末端鏡３１に対して直接的に反射された照明ビームの一部（つまり、中空体２１の側壁２４によって反射されなかった）は限定され、あるいは除去され、それゆえ、末端鏡３１によって直接的に光源２３に向かって反射されたエネルギを減らす。また、これにより末端鏡３１によって反射されたエネルギ量を限定し、それゆえ、この反射に関連するエネルギ損失を減らす。
【００５６】
図４は、放射面２６におけるエネルギ密度を有する、光源２３の放射形状の一例を示す。この一例では、エネルギ密度は中央領域３４においてゼロであり、周辺領域３３において一様である。この一例では、中空体２１は回転体シリンダであって、放射形状は、中空体２１の縦軸２２についての回転対称である。放射面２６の中央領域３４は、円盤形状を有し、放射面２６の周辺領域３５はリング形状を有する。
【００５７】
このような好ましい実施形態によると、放射面２６の中央領域３４は、例えば、ＶＣＳＥＬを備えない。また、フォトリソグラフィによって扱われる基板は、中央領域３４のＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬの基本の放射面）を非活性化するように構成可能であり、周辺領域３３のＶＣＳＥＬのみが照明を放射することが可能である。
【００５８】
変形例によると、制御装置２９は光源２３を調整し、放射面２６の周辺領域３３は中央領域３４より多くの照明を放射する。このため、制御装置２９は、例えば、中央領域３４のＶＣＳＥＬに接続されている電力供給体２８に、小さい又はゼロの電流密度を送るように指示し、周辺領域３３のＶＣＳＥＬに接続されている電力供給体２８に、大きい電流密度を送るように指示する。中央領域３４のＶＣＳＥＬは、好ましくは、取り除かれる。また、ＶＣＳＥＬは電圧制御可能である。
【００５９】
有利には、光源２３は、放射面２６の周辺領域３３において、非一様なエネルギ密度を放射するようにさらに構成される。このため、フォトリソグラフィによって扱われる基板（図２に示すように、構造１００を決める堆積層）は、非一様なエネルギ密度を得るため（Ｃ−ＶＣＳＥＬにおいて）に、放射面２６の周辺領域３３のＶＣＳＥＬの基本放射面を調整するように構成可能である。変形例として、制御装置２９は、電力供給体２８に非一様な電流密度を放射面２６の周辺領域３３に送るように指示する。
【００６０】
図５は、放射面２６の周辺領域３３におけるエネルギ密度を有する、Ｃ−ＶＣＳＥＬの放射形状の一例を示す。この一例では、中空体２１は回転体シリンダであり、放射形状は中空体２１の縦軸２２についての回転対称である。図５に示すように、光源２３は、中央領域３４の一端から放射面２６の一端に向かって減少するエネルギを放射するように構成される。より正確には、中央領域３４の端から延びる第１領域において、エネルギは、高いレベルのエネルギから平均的に高いレベルのエネルギに向かって、中央領域３４から離れて減少し、第１領域の端から放射面２６の端に向かって延びる第２領域において、エネルギは、低い平均レベルのエネルギから低いレベルのエネルギに向かって、中央領域３４から離れて再度減少する。第１領域と第２領域との境界において、エネルギレベルは、それゆえ、不連続である。
【００６１】
また、図６に示すように、インジェクタエレメント２０は、中空体２１に沿って互いに間隔を空けて中空体２１の内部に配置された複数の光学エレメント３５ｉを備える。また、光学エレメント３５ｉは、光学エレメント３５ｉが光源２３から離れるほど減少する照明ビームであって、中央部３６ｉ内を伝播するわずかな照明ビームを通すように構成される。このようにして、照明ビームが光学エレメント３５ｉを通るたびに、光学エレメントは、幾つかのエネルギによってつきさされ、中空体２１の外側に向かってエネルギを送る。光学エレメント３５ｉは、照明ビームのエネルギを中空体２１に沿って分配する。第１の光学エレメント３５１は入力レンズ３０の役割を果たすことが可能であり、入力レンズに取ってかわることも可能である。
【００６２】
中空体２１に沿って一様にエネルギを分配するように、光源２３によって放射されたエネルギを取り除くことは可能であり、中空体２１に沿う平均的なエネルギは、微生物の発達を助けるのに十分である。中空体２１に沿って放射されたエネルギは、特に、予め決められたエネルギ閾値と、いわゆる、微生物の飽和エネルギとの間である。そのエネルギ閾値は、光合成を始めるのに必要な最小限のエネルギに相当する。
【００６３】
光学エレメント３５ｉは、好ましくは、中空体２１の横断面と同じ形状で、実質的に同じ寸法であり、光学エレメント３５ｉの一端は、中空体２１の側壁の内面に対して配置されている。このようにして、円形状の横断面の中空体２１の場合には、光学エレメント３５ｉは、中空体２１の径と実質的に等しい径を有し、これに対して直方体の形状を有する中空体２１の場合には、光学エレメント３５ｉは、中空体２１の幅及び厚さのそれぞれと実質的に等しい、長さと幅を有する。
【００６４】
例えば、光学エレメント３５ｉは、“穴が形成”され、中空体２１の縦軸２２と実質的に同軸な開口３８ｉを有しており、偏向せずに中空体２１の中央部３６ｉを伝播するわずかな照明ビームのみを通す。また、開口３８ｉは、光学エレメント３５ｉが光源２３から離れていくほど小さくなる。
【００６５】
光学エレメント３５ｉの開口３８ｉは、好ましくは、中空体２１の横断面形状と同じ形状を有する。このようにして、中空体２１が筒状であるとき、光学エレメント３５ｉの開口３８ｉは、好ましくは円形形状であり、開口３８ｉの径Ｄｉは、光学エレメント３５ｉが光源２３から離れるほど小さくなる。光学エレメント３５ｉは、例えば、発散レンズ又は偏向プリズムであって、特に環状プリズムである。レンズ３５ｉは、同一又は異なる焦点距離を有する。同様に、プリズム３５ｉは、同一又は異なる幾何学的形状を有する。
【００６６】
中空体２１が筒状であるときには、各レンズ３５ｉは、例えば、中空体２１の内壁に着けられている、プラスチックからなる弾性リング（不図示）によって、中空体内に配置される。
【００６７】
図６に示すように、インジェクタエレメント２０は筒状であり、光学エレメント３５ｉは、レンズ３５が光源２３から離れるほど小さくなる径Ｄｉの開口３８ｉを有する発散レンズである。このような例では、光源２３が放射方向に照明ビームを放射し、レンズ３５ｉは、わずかな照明ビームを遮断し、その照明ビームを中空体２１の外側に向かって偏向する。レンズ３５ｉは、このように、レンズ３５ｉの焦点距離ｆｉ及び径Ｄｉに依拠する長さＬｉを超えて、中空体の平均的エネルギを出力する。レンズ３５によって遮断されたわずかな照明ビームは、長さＬｉを超えて導入されるエネルギを決定する。長さＬｉの端において、新しいわずかな照明ビームは、レンズ３５ｉ＋１（レンズ３５ｉ＋１は、レンズ３５ｉより小さい径Ｄｉ＋１の開口３８ｉ＋１を有する範囲）によって遮断され、レンズ３５ｉ＋１の焦点距離ｆｉ＋１及び径Ｄｉ＋１に依拠する長さＬｉ＋１を超えて、中空体２１の外側に向かって偏向する。レンズ３５ｉ＋１によって受け取られる力は、開口３８ｉと開口３８ｉ＋１との間で表面の差と比例する。ｎ回このような操作を行なうこと（つまり、中空体内にｎ個のレンズ３５ｉが配置されている）は、照明ビームのエネルギの段階的排除を可能にし、中空体２１の全長に一様に照明ビームを分散させる。
【００６８】
長さＬｉは、レンズ３５ｉと、中空体２１の側壁２４におけるレンズ３５ｉの開口３８ｉの端によって偏向されたわずかな照明ビームが当たるポイントとの間の距離に相当する。中空体２１の全長に一様にエネルギを分配するためには、レンズ３５ｉ＋１は、好ましくは、長さＬｉに相当するレンズ３５ｉから離れて配置されることが分かる。
【００６９】
また、中空体２１の全長に一様にエネルギ分配を達成するためには、各レンズ３５ｉのパラメータがｎ個のレンズ３５ｉの機能として最適化されることが分かる。これらパラメータは、次のようなものがあり、各レンズ３５ｉの径Ｄｉ、長さＬｉ（又は、２連続する、レンズ３５ｉとレンズ３５ｉ＋１との間の距離）、及び焦点距離ｆｉである。また、レンズ３５ｉのパラメータの最適化もまた考慮されることは明らかであり、光合成微生物の発達のため、中空体２１によって放射される平均的エネルギが、エネルギ閾値と、いわゆる、微生物の飽和エネルギとの間であるに違いないという事実も明らかである。
【００７０】
インジェクタエレメント２０は、照明ビーム中に伝えられたエネルギを段階的に貫き、制御された方法で中空体２１の外側に向かって偏向する。
【００７１】
有利には、光学エレメント３５ｉは、放射面２６の周辺領域３３によって放射されたエネルギの全てを、中空体２１の外側に向かって偏向するように構成される。このため、放射面２６の中央領域３４は、レーザ源２３から最も離れた光学エレメント３５ｉの開口３８ｉより大きい又は等しい寸法を有する。実際に、全ての照明ビームが光学エレメント３５ｉによって反射され、わずかな照明ビームは、先に偏向されることなく、末端鏡３１に直接的に反射されない。末端鏡３１が照明ビームを直接的に光源２３に反射することを防止し、エネルギ損失及び光源２３の過熱を抑制する。
【００７２】
図１０に示すように、変形例として、中空体２１が直方体形状を有する場合には、開口３８ｉは、互いに間隔を空けて、且つ面して配置された一対の偏向プリズム３５ｉによって形成される。一対のプリズムの各プリズム３５ｉは、中空体２１とは反対側の一端であって、プレート２１ａ、２１ｂの内面に対して配置される一端と、一対のプリズムの他方のプリズム３５ｉに面して、且つ一対のプリズムの他方のプリズム３５ｉの他端から距離ｄｉを有するように延在する他端とを有する。この距離ｄｉは、開口３８ｉを形成する各一対のプリズム３５ｉ間である。距離ｄｉは、光学エレメント３５ｉが光源２３から離れるにつれて小さくなる。
【００７３】
図７及び図８には、光学エレメント３５ｉを備える円筒形状の中空体２１を備えるインジェクタエレメントによって放射されたエネルギ分布を示し、それぞれ、Ｃ−ＶＣＳＥＬが図５及び図６に示された放射形状に従う。インジェクタエレメント２０は、Ｃ−ＶＣＳＥＬが図５に示すような放射形状を有するときに、中空体２１に沿って全体的に一様にエネルギレベルを放射し、図６に示された放射形状は、インジェクタエレメント２０によって中空体２１に沿って放射されたエネルギ分布の一様性をさらに改善する。図１０に示されたインジェクタエレメント２０では、類似の結果が得られ、インジェクタエレメント２０は、プレート１２ａ、２１ｂの全面にわたって全体的に一様な放射形状を有する。
【００７４】
光源２３としてＣ−ＶＣＳＥＬを伴う光学エレメント３５ｉを使用することは、かなりの長さのインジェクタエレメント２０を生じ、１メートル（図１及び図３に示した円筒状の中空体２１のように）より大きく、又は大きな面積（図１０に示したような直方体形状を有する中空体２１のような）を有し、特に９０％を超えるような大きな出力（培地に送られたパワー／Ｃ−ＶＣＳＥＬによって放射されたパワー）を有する。
【００７５】
また、制御装置２９は、光源２３を制御するように構成可能であり、パルス光を放射する。特に、ＶＣＳＥＬを伴って、照明は、高頻度でＧＨＺを超えて調整可能である。反対に、ＬＥＤは１００ＭＨＺを超えるかもしれない。
【００７６】
また、インジェクタエレメント２０は、光源２３から熱損失を回復するように構成された平面熱パイプに取り付けられる。平面熱パイプは、培養コンテナ１１の外側であって、光源２３に接触するように配置される。このようにして、培養コンテナ１１の温度は、より容易に光合成微生物の成長のために特別な温度に維持される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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