光检测装置以及光检测系统的制作方法
本公开涉及光检测装置、光检测系统以及光检测方法等。
背景技术：
光是电磁波，除了波长、强度以外，还以偏光或干涉性等特性来表征。其中，作为对光的干涉性进行测定的方法，例如可以列举“光学的原理”(东海大学出版社、p.482、M·玻恩等)中给出的迈克尔逊的干涉仪(Michelson interferometer)。
技术实现要素：
本公开的一个方式所涉及的光检测装置，具备：光检测器，其具有主面，包含沿着所述主面而配置的至少1个第1检测器以及至少1个第2检测器；光耦合层，其配置在所述光检测器上，包含第1低折射率层、配置在所述第1低折射率层上且包含第1光栅的第1高折射率层、以及配置在所述第1高折射率层上的第2低折射率层，所述第1高折射率层与所述第1低折射率层以及所述第2低折射率层相比折射率高；和遮光膜，其配置在所述光耦合层上，包含至少1个透光区域、以及与所述至少1个透光区域相邻的至少1个遮光区域，所述至少1个透光区域与所述至少1个第1检测器对向，所述至少1个遮光区域与所述至少1个第2检测器对向。
附图说明
图1A是表示第1实施方式的光检测系统以及被摄体的示意图。
图1B是表示入射到光检测器上的一个开口的散射光的样态的说明图。
图2A是第1实施方式的光检测装置的剖视图。
图2B是从光的入射侧观察第1实施方式的光检测装置的平面图。
图3A是第1实施方式的光检测装置的剖视图。
图3B是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图3C是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图3D是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图3E是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图3F是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图3G是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图3H是在第1实施方式中，通过电磁分析按照时间经过顺序来表示1个脉冲的入射光穿过光耦合层而被检测器受光的样态的图。
图4A是在第1实施方式中，在某脉冲条件下，表示由检测器受光的光量比P1/P0与入射光的有效相干长度(脉冲宽度)的关系的说明图。
图4B是表示图4A中的光源的脉冲条件的说明图。
图4C是在第1实施方式中，在另外的脉冲条件下，表示由检测器受光的光量比P1/P0与入射光的有效相干长度(脉冲宽度)的关系的说明图。
图4D是表示图4C中的光源的脉冲条件的说明图。
图5A是表示光栅耦合器中的输入光与耦合光的关系的说明图。
图5B是表示光栅耦合器中的输入光与耦合光的关系的说明图。
图5C是表示光栅耦合器中的输入光与耦合光的关系的说明图。
图5D是表示光栅耦合器中的输入光与耦合光的关系的说明图。
图6A是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6B是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6C是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6D是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6E是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6F是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6G是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6H是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6I是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图6J是表示在第1实施方式中光量比P1/P0强烈依赖于入射光的有效相干长度的原理的说明图。
图7是表示入射到光检测器上的开口的波列的样态的说明图。
图8A是表示向光检测器上的开口入射的入射光的光路长度的偏差与有效相干长度的衰减之间的关系的说明图。
图8B是表示有效相干长度的衰减比μd、与光路长度标准偏差σ相对于有效相干长度σ0的比值σ/σ0之间的关系的图。
图9A是表示在被摄体的内部相干长度变化的原理的说明图。
图9B是表示在被摄体的内部相干长度变化的原理的说明图。
图9C是表示在被摄体的内部相干长度变化的原理的说明图。
图10A是表示将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、整体的光学配置和光线追踪的结果的图。
图10B是将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、所检测的光强度分布图。
图10C是将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、光路长度平均分布图。
图10D是将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、光路长度标准偏差分布图。
图10E是将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、被摄体内相干长度衰减分布图。
图10F是将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、对图10D的各区域值乘以图10B的各区域的值而得到的分布图。
图10G是将人体头部假定为被摄体、通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、将图10F的各区域值除以图10E的各区域的值而得到的分布图。
图10H是将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果中的、将图10D、E的y轴成分平均化而得到的值的x轴上分布图。
图11A是表示第2实施方式的光检测装置的示意剖视图。
图11B是表示第2实施方式的光检测装置的示意剖视图。
图11C是表示其他实施方式的示意剖视图。
图11D是表示其他实施方式的示意剖视图。
图11E是表示其他实施方式的示意平面图。
图11F是表示其他实施方式的示意平面图。
图12是表示第3实施方式的光检测方法的示意剖面说明图。
图13A是表示作为第1现有例的迈克尔逊的干涉仪和基于该干涉仪的干涉性的评价方法的说明图。
图13B是表示由第1现有例中的检测器36检测的电信号的图。
图14是为了说明光的干涉现象，示出在光源射出并沿z方向传播的光的某时刻t0时间的振动的样态的概念图。
图15A是说明光的波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系的说明图。
图15B是表示光的波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系的说明图。
图15C是表示光的波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系的说明图。
图15D是表示光的波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系的说明图。
图15E是表示光的波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系的说明图。
图16A是第2现有例中的光检测系统的示意剖视图。
图16B是表示第2现有例中的光检测系统的、光源的振荡与检测器的检测信号的关系的说明图。
图17是表示第1现有例的使用例的示意剖视图。
具体实施方式
在说明本公开的实施方式之前，以下说明针对现有的对光的干涉性进行测定的方法进行了详细研究的结果。
图13A是表示作为第1现有例的迈克尔逊的干涉仪200和基于干涉仪200的干涉性的评价方法的说明图。如图13A所示，使在光源30射出的光31通过第1聚光透镜35a进行聚光而成为平行光32。该平行光32的一部分透过半反射镜33而向第1反射镜34a前进(光32a)，在反射镜34a发生反射而向半反射镜33前进(光32b)，在半反射镜33发生反射而向第2聚光透镜35b前进(光32c)，并入射到位于聚光透镜35b的焦平面的检测器36(光32d)。另一方面，平行光32的一部分在半反射镜33发生反射而向第2反射镜34A前进(光32A)，在反射镜34A发生反射而向半反射镜33前进(光32B)，透过半反射镜33而向聚光透镜35b前进(光32C)，并以与光32d重叠的形式入射到检测器36(光32D)。检测器36对使光32d与光32D发生干涉而得到的光进行检测。第2反射镜34A构成为能够变更反射面的光轴方向(箭头A)的位置。伴随第2反射镜34A的位移，光32D相对于光32d的相对相位发生变化。
图13B表示由检测器36检测的电信号。将纵轴设为由检测器36检测的信号强度，将横轴设为时间。如图13B所示，信号强度伴随时间的经过(反射镜34A的位移)在a至b的范围内变化。在此，将(b-a)/(b+a)的值称作干涉中的对比度(contrast)，通过该值来定义光31的干涉性(相干性)的程度。对比度的值伴随第2反射镜34A的光轴方向的位移而变化。
图14是为了说明光的干涉现象，示出在光源30射出并沿z方向传播的光的、某时刻t0的样态的概念图。如图14所示，从光源30接连射出波列37a、37b等。波列的长度σ0被称作相干长度。在1个波列内，波连续，波长也均匀。若波列不同则有时相位不再有相关性(在波列37a中相位δ0，在波列36b中相位δ0′，δ0≠δ0′)、波长也不同(在波列37a中波长λ0，在波列37b中波长λ0′，λ0≠λ0′)。例如，在图13A所示的光学系统中，对第2反射镜34A的位移进行调整，使波列37a中的部分37A与部分37A′发生干涉。部分37A内的波与部分37A’内的波的波长相等，波的相位差也在时间上稳定(为某值不变)。因此，干涉后的光的明暗(干涉光的振幅的大小)也在时间上稳定(为某亮度不变)。即，干涉光根据相位差的量(反射镜34A的位移)而看起来忽明忽暗(该状态被称作相干)。另一方面，对使波列37a的部分37A与波列37b的部分37B发生干涉的情况进行研究。此时，不保证部分37A内的波与部分37B内的波的波长相等，这2个波的相位差在时间上随机变化。因此，干涉后的光的明暗(干涉光的振幅的大小)也在时间上随机变化。该变化是飞秒单位的速度。因此干涉光高速地反复明暗，人眼只能看见平均的亮度(该状态被称作不相干)。激光的波列较长，相干长度为数m至数百m程度，是相干光的代表。另一方面，太阳光的波列较短，相干长度为1μm程度，是不相干的光的代表。在通过图13A那样的构成来使光发生干涉的情况下，若像激光那样相干长度较长，则在相同波列内发生干涉的概率变高，对比度提高(接近1)。另一方面，若像太阳光那样相干长度较短，则在不同的波列间发生干涉的概率变高，对比度下降(接近0)。
图15A至E表示以波长λ0为中心的光的、波长的扩展(纵模宽度)与相干长度的关系。图15A以波长λ0为中心示出波长的扩展为零的情况，此时，如图15D所示相干长度成为无限大。图15B以波长λ0为中心示出波长的扩展为Δλ的情况，此时，如图15E所示相干长度σ0成为λ02/Δλ。纵模宽度与相干长度处于傅里叶变换的关系，被称作维纳-辛钦(Wiener-Khintchine)的定理。这可以说明如下。图15C以波长λ0为中心将波长的扩展为Δλ的光置换为波长λ0-Δλ/2和波长λ0+Δλ/2这2个光26、27。通过光26与光27发生干涉而产生的拍频(唸り)的周期为λ02/Δλ，载波的波长成为光26和光27的波长的平均值λ0。在拍频的周期内，光的振动波形均匀且连续。另一方面，不同周期的光的振动波形丧失连续性，相位也不再有相关性。即，拍频的周期λ02/Δλ成为相干长度。太阳光为不相干是因为波长的扩展(纵模宽度)Δλ较大，若将中心波长λ0设为0.55μm、将波长的扩展Δλ设为0.30μm，则相干长度σ0为λ02/Δλ＝1.0μm。
接着，将“近红外生物体分光法的展望——1μm波长段的可能性”(第14次医用近红外线分光法研究会，p.139-144，西村吾朗)所示的光检测系统作为第2现有例来进行说明。“近红外生物体分光法的展望——1μm波长段的可能性”(第14次医用近红外线分光法研究会，p.139144，西村吾朗)中给出的光检测系统，按照每个距离来测定光的强度分布。图16A示出了第2现有例中的光检测系统300的示意剖视图。光源42射出激光。如图16A所示，在光源42射出的波长λ0的光43被照射到被摄体44。其结果，在被摄体44的表面或内部产生的散射光45a、45b、45c由聚光透镜47聚光，并在聚光透镜47的像面位置成像为像48b(对应于像48b在透镜的物侧存在实质的物体(物点的聚集)48a)。在像面位置配置有检测器50。检测器50是多个像素的集合体，按照每个像素检测入射的光的光量。光源42通过控制器41来控制发光。由检测器50检测出的光量作为检测信号由运算电路51来处理。控制器41、运算电路51通过计算机52来一并控制。
图16B是表示图16A所示的光检测系统300的、光源42的振荡与检测器50的检测信号的关系的说明图。光源42在控制器41的控制下对脉冲43a进行振荡。基于该脉冲43a的光43在被摄体44的内部发生散射而由检测器50受光，并被检测为信号53。在图16B中，将纵轴设为光源42的振荡强度或检测器50的检测强度，将横轴设为经过时间。检测信号53在散射所引起的光路长度的偏差的影响下，与原脉冲43a相比时间宽度变宽。检测信号53中的最先的输出53a是在被摄体44的表面发生反射的光45a的信号。输出53a之后的时间t0～t1期间的输出53b是在被摄体44的内部进行散射且散射距离短的光45b的信号。输出53b之后的时间t1～t2期间的输出53c是散射距离长的光45c的信号。通过计算机52的控制，运算电路51能够对检测信号53进行时间分割，将信号53a、53b、53c的输出分离来进行检测。光按照输出53a、53b、53c的顺序从被摄体的浅侧穿过深侧，因此能够将深度不同的信息分离来进行分析。
根据本申请发明人的研究，通过作为第1现有例的迈克尔逊的干涉仪200能够测定干涉性(相干性)的程度，这仅限于光源30的位置、即与光的传播方向垂直的面内的1点。例如，如图17所示，考虑使用图13A所示的迈克尔逊的干涉仪200，从光源30向被摄体38照射光31，取入散射光39并使其发生干涉。散射光39的光的传播方向在空间上扩散。因此，即使散射光39直接入射到聚光透镜35a并被聚光，该光也不会成为平行光，因此无法测定干涉性的程度。因此，为了使由聚光透镜35a聚光的光成为平行光32，需要在聚光透镜35a的焦平面位置设置针孔40。通过使散射光39穿过针孔40，能够使由聚光透镜35a聚光的光成为平行光32。但是，通过该构成能够测定相干性的程度，这仅针对针孔40的位置、即与光的传播方向垂直的面内的有限的1点。而且，干涉仪整体会成为大型的装置，且为了测定相干性的程度需要使反射镜34A移动这种繁杂的操作。
另一方面，根据本申请发明人的研究，作为第2现有例的光检测系统，时间分割宽度存在限度，因此在诊断时无法充分确保深度方向的分辨率。例如，若将时间分割宽度设为300ps，则深度分辨率成为90mm程度，不适合生物体这样的比较小的对象的诊断、检查。
本公开的一个方式所涉及的光检测装置，具备：光检测器，其具有主面，包含沿着所述主面而配置的至少1个第1检测器以及至少1个第2检测器；光耦合层，其配置在所述光检测器上，包含第1低折射率层、配置在所述第1低折射率层上且包含第1光栅的第1高折射率层、以及配置在所述第1高折射率层上的第2低折射率层，所述第1高折射率层与所述第1低折射率层以及所述第2低折射率层相比折射率高；和遮光膜，其配置在所述光耦合层上，包含至少1个透光区域、以及与所述至少1个透光区域相邻的至少1个遮光区域，所述至少1个透光区域与所述至少1个第1检测器对向，所述至少1个遮光区域与所述至少1个第2检测器对向。
根据该光检测装置，入射到光检测装置的光，一部分被遮光区域遮光，另一部分透过透光区域而入射到光耦合层。入射到光耦合层的光被分为透过光耦合层并入射到与该透光区域对向配置的第1检测器的光、和在第1高折射率层内传播的光。在第1高折射率层内传播的光的一部分被辐射并入射到与和该透光区域相邻的遮光区域对向配置的第2检测器。即，能够通过与透光区域对向配置的第1检测器来检测透过光耦合层的光。此外，能够通过与遮光区域对向配置的第2检测器，来检测在第1高折射率层内传播的光。根据该2种检测光量，无需进行繁杂的操作就能够测定入射到光检测装置的光的有效相干性的程度。
此外，本公开的第二方式所涉及的光检测装置，在第一方式所涉及的光检测装置中，所述至少1个第1检测器具备多个第1检测器，所述至少1个第2检测器具备多个第2检测器，所述多个第1检测器以及所述多个第2检测器沿着所述主面二维配置，所述至少一个透光区域具备多个透光区域，所述至少一个遮光区域具备多个遮光区域，所述多个透光区域的每一个与所述多个第1检测器中的至少一个第1检测器对向，所述多个遮光区域的每一个与所述多个第2检测器中的至少一个第2检测器对向。
根据该光检测装置，能够测定光的有效相干性的程度作为面内分布信息。
此外，本公开的第三方式所涉及的光检测装置，在第二方式所涉及的光检测装置中，在俯视下，所述多个遮光区域配置为条纹图案状或方格图案状。
此外，本公开的第四方式所涉及的光检测装置，在第一方式所涉及的光检测装置中，所述光检测器还包含：第1微透镜，其配置在所述至少一个第1检测器与所述光耦合层之间；和第2微透镜，其配置在所述至少一个第2检测器与所述光耦合层之间。
此外，本公开的第五方式所涉及的光检测装置，在第一至第三方式的任意一者所涉及的光检测装置中，所述光耦合层还包含：第3低折射率层；以及第2高折射率层，其配置在所述第3低折射率层与所述第1低折射率层之间，且包含第2光栅，所述第2高折射率层与所述第1低折射率层以及所述第3低折射率层相比折射率高。
在本公开的第五方式所涉及的光检测装置中，第1光栅的间距与第2光栅的间距可以不同。
在本公开的第五方式所涉及的光检测装置中，第1高折射率层的膜厚与第2高折射率层的膜厚可以不同。
此外，本公开的第六方式所涉及的光检测系统，具备第一方式所涉及的光检测装置和光源。
根据该光检测系统，来自光源的光透过被摄体或在被摄体上发生反射并入射到光检测装置的光，一部分被遮光区域遮光，另一部分透过透光区域而入射到光耦合层。入射到光耦合层的光，被分为透过光耦合层而入射到与该透光区域对向配置的第1检测器的光、和在第1高折射率层内传播的光。在第1高折射率层内传播的光的一部分被辐射而入射到与和该透光区域相邻的遮光区域对向配置的第2检测器。即，能够通过与透光区域对向配置的第1检测器来检测透过光耦合层的光。此外，能够通过与遮光区域对向配置的第2检测器来检测在第1高折射率层内传播的光。根据该2种检测光量，无需进行繁杂的操作就能够测定来自光源的光透过被摄体或在被摄体上发生反射并入射到光检测装置的光的有效相干性的程度。
此外，本公开的第七方式所涉及的光检测系统，在第六方式所涉及的光检测系统中，还具备运算电路，所述运算电路算出所述至少一个第1检测器检测出的第1信号、与所述至少一个第2检测器检测出的第2信号的比值。
根据该光检测系统，算出2种检测光量的比值。通过该比值能够测定光的有效相干性的程度。
此外，本公开的第八方式所涉及的光检测系统，在第六方式所涉及的光检测系统中，所述运算电路算出从在所述至少一个第1检测器检测出的第1信号、与所述至少一个第2检测器检测出的第2信号的和中所述第1信号所占的比例、以及在所述和中所述第2信号所占的比例所构成的群中选择的至少1个。
此外，本公开的第九方式所涉及的光检测系统，在第七方式所涉及的光检测系统中，所述至少一个第1检测器具备多个第1检测器，所述至少一个第2检测器具备多个第2检测器，所述多个第1检测器以及所述多个第2检测器沿着所述主面二维配置，所述至少一个透光区域具备多个透光区域，所述至少一个遮光区域具备多个遮光区域，所述多个透光区域的每一个与所述多个第1检测器中的至少一个第1检测器对向，所述多个遮光区域的每一个与所述多个第2检测器中的至少一个第2检测器对向，所述运算电路通过针对所述多个第1检测器的每一个算出所述比值，从而生成表示所述光检测器中的所述比值的分布的图像。
此外，本公开的第十方式所涉及的光检测系统，在第八方式所涉及的光检测系统中，所述至少一个第1检测器具备多个第1检测器，所述至少一个第2检测器具备多个第2检测器，所述多个第1检测器以及所述多个第2检测器沿着所述主面二维配置，所述至少一个透光区域具备多个透光区域，所述至少一个遮光区域具备多个遮光区域，所述多个透光区域的每一个与所述多个第1检测器中的至少一个第1检测器对向，所述多个遮光区域的每一个与所述多个第2检测器中的至少一个第2检测器对向，所述运算电路，针对所述多个第1检测器的每一个，算出从所述第1信号在所述和中所占的所述比例以及所述第2信号在所述和中所占的所述比例所构成的群中选择的至少1个，由此来生成表示所述光检测器中的从所述第1信号在所述和中所占的所述比例以及所述第2信号在所述和中所占的所述比例所构成的群中选择的至少一个的分布的图像。
此外，本公开的第十一方式所涉及的光检测系统，在第六至第十方式的任意一者所涉及的光检测系统中，所述光源射出脉冲光。
根据该光检测系统，与射出连续光的情况相比能够提高被摄体内部的断层信息的测定精度。
此外，本公开的第十二方式所涉及的光检测系统，在第六至第十一方式的任意一者所涉及的光检测系统中，所述光检测装置还具备带通滤波器，所述带通滤波器配置在所述光耦合层上，有选择地透过所述光源所射出的光的波长。
根据该光检测系统，能够进行抑制了干扰光的影响的测定。
此外，本公开的第十三方式所涉及的光检测系统，在第六至第十二方式的任意一者所涉及的光检测系统中，还具备控制电路，所述控制电路使从所述光源射出的光的相干长度发生变化。
根据该光检测系统，能够根据从光源射出的光的相干长度来测定有效相干长度。
此外，本公开的第十四方式所涉及的光检测系统，在第九方式所涉及的光检测系统中，还具备控制电路，所述控制电路使从所述光源射出的光的相干长度发生变化，所述运算电路按照由所述控制电路变化后的每个相干长度，生成表示所述比值的分布的所述图像。
根据该光检测系统，能够根据从光源射出的光的相干长度来测定有效相干长度。若使来自光源的光的相干长度变化，则透过被摄体或在被摄体反射回来的光的有效相干长度也变化。另一方面，所述比值具有相对于有效相干长度的变化率大的区域和小的区域。因此，通过使从光源射出的光的相干长度变化，例如，能够在相对于有效相干长度的变化率大的区域中算出所述比值。即，能够使有效相干长度的分布信息反映到表示所述比值的分布的图像中。
此外，本公开的第十五方式所涉及的光检测系统，在第十方式所涉及的光检测系统中，还具备控制电路，所述控制电路使从所述光源射出的光的相干长度发生变化，所述运算电路按照由所述控制电路变化后的每个相干长度，生成表示从所述第1信号在所述和中所占的所述比例以及所述第2信号在所述和中所占的所述比例所构成的群中选择的至少一个的分布的所述图像。
此外，本公开的第十六方式所涉及的光检测系统，在第九方式所涉及的光检测系统中，所述运算电路，使用在规定的时间范围内所述多个第1检测器检测出的所述第1信号以及所述多个第2检测器检测出的所述第2信号，针对所述多个第1检测器的每一个算出所述比值，生成表示所述多个第1检测器中、的所述比值成为阈值以上的第1检测器在所述规定的时间范围内检测出的所述第1信号的分布的第1图像、以及表示所述比值比所述阈值小的第1检测器在所述规定的时间范围内检测出的所述第1信号的分布的第2图像。
根据该光检测系统，能够将通过时间分解而抽出的光进一步根据所述比值的大小而分离。由此，例如，能够将通过时间分解而抽出的在被摄体内部发生了散射的光，进一步区分为前方散射光和后方散射光。
此外，本公开的第十七方式所涉及的光检测系统，在第十方式所涉及的光检测系统中，所述运算电路，使用在规定的时间范围内所述多个第1检测器检测出的所述第1信号以及所述多个第2检测器检测出的所述第2信号，针对所述多个第1检测器的每一个，算出从所述第1信号在所述和中所占的所述比例以及所述第2信号在所述和中所占的所述比例所构成的群中选择的至少1个，生成第1图像以及第2图像，所述第1图像表示所述多个第1检测器中的、所述第1信号在所述和中所占的所述比例为阈值以上或者所述第2信号在所述和中所占的所述比例为所述阈值以下的第1检测器在所述规定的时间范围内检测出的所述第1信号的分布，所述第2图像表示所述第1信号在所述和中所占的所述比例比所述阈值小或者所述第2信号在所述和中所占的所述比例比所述阈值大的第1检测器在所述规定的时间范围内检测出的所述第1信号的分布。
此外，本公开的第十八方式所涉及的光检测方法，将来自光源的光透过被摄体或在被摄体反射后的光的一部分，分离为透过在波导层上形成了光栅的光耦合层的透过光、和在所述波导层内传播的波导光，检测所述透过光的第1光量，并检测所述波导光的第2光量。
根据该光检测方法，分离为透过光耦合层的透过光和在波导层内传播的波导光来检测光量。通过该检测光量，无需进行繁杂的操作就能够测定光的有效相干性的程度。有效相干性用相位连续的波的长度来定义。
此外，本公开的第十九方式所涉及的光检测方法，在第十八方式中，算出所述第1光量与所述第2光量的比值。
根据该光检测方法，算出2种检测光量的比值。根据该比值能够测定光的有效相干性的程度。
此外，本公开的第二十方式所涉及的光检测方法，在第十八方式中，算出从在所述第1光量与所述第2光量的和中所述第1光量所占的比例以及在所述和中所述第2光量所占的比例所构成的群中选择的至少1个。
另外，以下说明的实施方式，均示出总括或具体的例子。以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置等为一例，并非旨在限定本公开的内容。此外，关于以下的实施方式中的构成要素中、在表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，作为任意的构成要素来进行说明。
以下，参照附图对实施方式具体进行说明。
(第1实施方式)
图1A是表示本实施方式所涉及的光检测系统100以及被摄体4的示意图。光检测系统100具备光源2、聚光透镜7、光检测装置13、控制电路1、和运算电路11。
光源2将一定的相干长度的光3照射到被摄体4。例如，光源2所发出的光3是作为相干光的代表的激光。光源2可以连续地发出一定强度的光，也可以发出脉冲光。光源2所发出的光3的波长是任意的。在被摄体4为生物体的情况下，光源2的波长可以设定为例如大致650nm以上且大致950nm以下。该波长范围包含在红色～近红外线的波长范围中。在本说明书中，不仅对可见光使用“光”的用语而且对红外线也使用“光”的用语。
聚光透镜7对光源2向被摄体4照射光而在被摄体4的表面或内部产生的散射光5a、5A进行聚光。聚光后的光在聚光透镜7的像面位置被成像为像8b(对应于像8b在透镜的物侧存在实质的物体(物点的聚集)8a)。在图示例中聚光透镜7具备1个透镜，但也可以具备多个透镜。
光检测装置13配置在聚光透镜7的像面位置。光检测装置13对聚光透镜7聚光后的散射光5a、5A进行检测。光检测装置13的详细构造在后面叙述。
运算电路11进行光检测装置13检测出的信号的运算处理。运算电路11可以为例如数字信号处理器(DSP)等的图像处理电路。
控制电路1例如通过执行记录在存储器中的程序，来控制光检测装置13所进行的光的检测、运算电路11所进行的运算处理、光源2的发光光量、点亮定时、连续点亮时间、或者发光波长或相干长度。控制电路1例如可以是中央运算处理装置(CPU)或微型计算机(micro-computer)等的集成电路。控制电路1和运算电路11也可以由统一的1个电路来实现。
另外，光检测系统100也可以具备显示运算电路11进行运算处理的结果的未图示的显示器。
图1B示出入射到光检测装置13所具备的一个开口9a(后述的“透光区域9a”)的散射光5的样态。被摄体4是散射体。在被摄体4的内部传播的光线，以衰减系数μa进行衰减，并以散射系数μs反复散射。在此，假设从光源发出相干长度σ0、强度1的n条光线。此外，将在光源2射出的第k条光线反复衰减、散射的同时入射到开口9a时的光量设为pk。此时，入射到开口9a的光线的总光量p0用式1来表示。
【数式1】
(式1)
图2A以及图2B表示光检测装置13的构成。另外，在本图中，为了说明的方便，示出了正交的3个轴(x轴、y轴、z轴)(关于其他图也是同样)。图2B是从光入射的一侧观察光检测装置13的平面图，图2A是光检测装置13在沿着光入射的方向的面上的剖视图(包含图2B的虚线所包围的区域的xz面上的剖视图)。图2B以包含后述的遮光膜的作为xy面上的剖视图的图2A的剖面构造为一个单位，在xy面内周期性地排列该单位构造。
光检测装置13依次具备光检测器10、光耦合层12、和遮光膜9，在图2A的例子中，它们在z方向上层叠。此外，在图2A的例子中，在遮光膜上依次具备透明基板9b和带通滤波器9p。
光检测器10在光检测器10的面内方向(xy面内)具备多个检测器10a、10A。光检测器10从光入射的一侧起，具备微透镜10b(10B)、透明膜10c、布线等金属膜10d、由Si或有机膜等形成的感光部。位于金属膜10d的间隙的感光部相当于检测器10a、10A。多个微透镜10b、10B被配置为1个微透镜与1个检测器(10a、10A)对向。由微透镜聚光并入射到金属膜10d的间隙的光由检测器10a、10A来检测。
光耦合层12配置在光检测器10上，在光检测器10的与面垂直方向(面直方向)(z轴方向)上，依次具备作为第1低折射率层的第1透明层12c、作为第1高折射率层的第2透明层12b、以及作为第2低折射率层的第3透明层12a。第1透明层12c以及第3透明层12a由SiO2等构成。第2透明层12b由Ta2O5等构成。第2透明层12b与第1透明层12c以及第3透明层12a相比折射率高。也可以具备进一步依次反复高折射率透明层12b和低折射率透明层12c的构造，在图2A中示出了合计反复了6次的构造。高折射率透明层12b被低折射率透明层12c、12a夹持，作为波导层而发挥作用。在高折射率透明层12b与低折射率透明层12c、12a的界面遍及整面地形成间距Λ的直线光栅12d。光栅的光栅矢量与光耦合层12的面内方向(xy面)上的x轴平行。光栅12d的xz剖面形状还被依次转印到被层叠的高折射率透明层12b以及低折射率透明层12c(在透明层12b、12c的成膜在层叠方向上指向性高的情况下，通过将光栅的xz剖面设为S字或V字状容易维持形状的转印性)。另外，光栅12d只要至少设置于高折射率透明层12b的一部分即可。由于高折射率透明层12b具备光栅12d，因而耦合后的光在高折射率透明层12b中传播。
光耦合层12与光检测器10之间的间隙尽可能窄为佳(可以的话应密接)。也可以在该间隙(包括微透镜(10b与10B)之间的空间)填充粘接剂等透明媒质。在填充透明媒质的情况下，为了获得微透镜10b、10B处的透镜效果，只要将微透镜的构成材料设为充分大于所填充的透明媒质的折射率即可。
遮光膜9具有多个遮光区域9A和多个透光区域9a。在图2A的例子中，通过在后述的透明基板9b上对由Al等构成的金属反射膜进行图案形成，从而形成了遮光区域9A以及透光区域9a。图2A的透光区域9a对应于图2B的透光区域9a1、9a2、9a3、9a4等，图2A的遮光区域9A对应于图2B的遮光区域9A1、9A2、9A3、9A4等。即，遮光膜9在遮光膜9的面内方向(xy面内)具有多个遮光区域9A和多个透光区域9a。多个遮光区域9A的每一个与一个检测器10A分别对向。多个透光区域9a的每一个与一个检测器10a分别对向。多个遮光区域9A(9A1～9A4)形成方格图案(参照图2B)。这些遮光区域9A(9A1～9A4)也可以形成方格图案以外的图案，例如也可以为条纹图案。
透明基板9b配置在遮光膜9的光入射侧，由SiO2等材料构成。带通滤波器9p配置在透明基板9b的光入射侧，在入射的散射光5内，有选择地仅使波长λ0附近的光透过。
入射到光检测装置13的光5经由带通滤波器9p、透明基板9b，作为光6A、6a而到达形成有反射膜的遮光区域9A和去除了反射膜的透光区域9a。光6A被遮光区域9A遮光，而光6a透过透光区域9a，并入射到光耦合层12。入射到光耦合层12的光6a经由低折射率透明层12a，入射到高折射率透明层12b。在高折射率透明层12b的上下界面形成有光栅，只要光栅的间距Λ满足式2，则产生波导光6b。
【数式2】
(式2)
在此，N是波导光6b的有效折射率，θ是相对于入射面(xy面)的法线的入射角度。在图2A中光垂直于入射面而入射，因此θ＝0。在此情况下，波导光6b在xz面内向x方向传播。
透过高折射率透明层12b而入射到下层的成分，在位于下层侧的所有高折射率透明层12b中，也由于入射至此而在与式2相同的条件下产生波导光6c。另外，虽然实际上在所有的高折射率透明层12b中产生波导光，但在图2A中代表示出了在2个层中产生的波导光。在下层侧产生的波导光6c也同样地在xz面内向x方向传播。波导光6b、6c相对于波导面(xy面)的法线以角度θ(在图2A的例子中为θ＝0)向上下方向对光进行辐射同时进行传播。其辐射光6B1、6C1在遮光区域9A的正下方向上方(反射膜侧)前进的成分在遮光区域9A发生反射，成为沿着反射面(xy面)的法线向下方前进的光6B2。光6B1、6C1、6B2相对于高折射率透明层12b满足式2，因此其一部分再次成为波导光6b、6c。该波导光6b、6c也生成新的辐射光6B1、6C1，如此反复。作为整体，在透光区域9a的正下方，未成为波导光的成分透过光耦合层12，作为透过光6d而入射到微透镜10b，并由检测器10a检测。在区域9A的正下方，已成为波导光的成分被辐射，作为辐射光6D而入射到微透镜10B，并由检测器10A检测。
透光区域9a相当于图1B所示的开口。穿过透光区域9a，光分支到正下方的检测器和左右的检测器，分别被检测。若将与图2B所示的透光区域9a1、9a2、9a3、9a4分别对向的检测器、以及与遮光区域9A1、9A2、9A3、9A4分别对向的检测器中的各检测光量分别设为q1、q2、q3、q4、以及Q1、Q2、Q3、Q4，则前者4个是未成为波导光的光的检测光量，后者4个是已成为波导光的光的检测光量。透光区域9a1的正下方的检测器不检测已成为波导光的光的光量，遮光区域9A2的正下方的检测器不检测未成为波导光的光的光量。在此，在透光区域9a1的正下方的检测位置，定义已成为波导光的光的检测光量Q0＝(Q1+Q2+Q3+Q4)/4(或Q0＝(Q1+Q2)/2)，在遮光区域9A2的正下方的检测位置，定义未成为波导光的光的检测光量q＝(q1+q2+q3+q4)/4(或q0＝(q1+q2)/2)。即，在某区域(遮光区域或透光区域)，定义在以该区域为中心在x方向以及/或者y方向上相邻的区域的正下方的检测位置所检测的光量的平均值。通过将该定义应用于所有区域，从而能够在构成光检测器10的所有检测区域(构成光检测器10的所有检测器)定义未成为波导光的光的检测光量和已成为波导光的光的检测光量。运算电路11进行如下运算处理：在构成光检测器10的所有检测器中，如上述那样定义未成为波导光的光的检测光量和已成为波导光的光的检测光量，将按照每个检测器算出它们的比值而得到的值分配给与各检测器相当的像素来生成图像等。
接着，说明1个脉冲振荡的入射光穿过光耦合层12而被光检测器10受光的样态。图3A是与图2A相同的剖视图，图3B～H是基于与图3A对应地描绘的FDTD的光强度分布的电磁分析结果，按照时间经过顺序排列。将区域9a、9A的x方向以及y方向的宽度设为5.6μm，将光栅的z方向的深度设为0.2μm，将高折射率透明层(第2透明层)设为Ta2O5膜，将其z方向的厚度t1设为0.34μm，将低折射率透明层(第1透明层)设为SiO2膜，将其z方向的厚度t2设为0.22μm。
在图3B中以半值宽度11fs(换算为传播距离为3.3μm)进行了脉冲振荡的波长λ0＝850nm的光6a透过了透光区域9a。在图3C中光6a的振荡结束，另一方面，产生在被层叠的高折射率透明层12b内传播的波导光6b、6c，未成为波导光的成分直接透过光耦合层12并入射到微透镜10b(光6d)。在图3D中波导光6b、6c将光6B1、6C1向上下辐射同时传播到遮光区域9A下。另一方面，透过光6d通过微透镜10b聚光到检测器10a上。在图3E中透过光6d入射到检测器10a。另一方面，辐射光6B1、6C1以及反射光6B2形成辐射光6D并入射到微透镜10B，进行聚光。在图3F至H中透过光6d以及辐射光6D聚光，同时分别入射到检测器10a、10A。在将检测器10a、10A所检测的总光量分别设为P0、P1时，示出了P1/P0的值与入射光的相干长度之间的关系的是图4A的曲线14A。其中，相干长度对脉冲宽度(即相干时间)乘以光速而进行了换算。此外，检测光量P1将作为图3A至H中的分析结果的检测器10A中的受光量加倍。这是因为分析仅对来自波导光6b1等的辐射成分进行检测，相对于此，实际上还加上来自从相反侧传播来的相似的波导光6b1′等的辐射成分(参照图2B)。光量比P1/P0表示通过光栅耦合器(图2A所示的高折射率透明层(第2透明层)12b的构造那样的、使用了光栅的光耦合器)与波导光进行耦合的成分和未进行耦合的成分的光量比。
从图4A可知，光量比P1/P0在相干长度1μm以下小至0.2左右，在相干长度10μm以上大至1.3左右，其间伴随相干长度的增大而单调增加。即光量比P1/P0强烈地依赖于入射光的相干性(干涉性的程度)，对于太阳光等不相干的光(相干长度1μm以下)而言较小，随着光的干涉性提高而变大，在部分相干的光(相干长度10μm以上)中饱和。另外，曲线14A示出了光源以图4B所示的脉冲条件(条件A)进行了脉冲振荡的情况下的结果。即，脉冲的振幅构成高斯分布的包络线，在脉冲宽度内相位一致。此时，相干长度σ0＝脉冲宽度×光速。相对于此，图4C中的曲线14B1～14B4示出了在图4D所示的脉冲条件下进行了脉冲振荡的情况下的结果。即，脉冲的振幅虽然构成高斯分布的包络线，但相位以高斯分布的峰值为边界而变化了曲线14B1～14B4分别示出了将相位差设为0、π/4、π/2、π的条件下的结果。该情况下的相干长度用σ0＝脉冲宽度×光速/2来定义。另外，的条件下的曲线14B1成为与曲线14A相同的条件，但相干长度σ0的定义不同，因此成为使曲线14A的横轴的尺度大致减半的特性。如图4C所示，随着相位差变大，曲线向相干长度长的一侧移动。虽然统计而言相邻的波列的相位差处于0与π之间，但可以认为使曲线14B1的横轴的尺度加倍的特性即曲线14A是平均的特性。
另外，从图3E至H可知，波导光6b、6c在遮光区域9A下的范围内未被辐射完，一部分以波导光的状态而到达相邻的透光区域的范围。越加深光栅的深度则辐射损耗系数(波导光的易被辐射性)越大，因此只要使遮光区域9A下的区域中的光栅的深度较深则能够更增大检测光量P1，能够进一步提高光量比P1/P0的调制度。
图5A至D表示光栅耦合器中的输入光与耦合光的关系。在图5A至D中，在波导层17上形成光栅17a，作为整体而发挥光栅耦合器的作用。波导层17相当于本实施方式中的第2透明层12b。在图5A中，输入光(在波导层17中传播的波导光18)通过光栅耦合器而分离为3个耦合光、即波导光19a和辐射光19b、19c。根据波导理论中的相反定理，如图5B所示，若同时输入相对于图5A中的3个耦合光的反向波、即波导光18A和入射光18B、18C(三泵浦(pumping))，则以100％的效率产生波导光19A。另一方面，如图5C所示，若同时输入相对于图5A中的3个耦合光中的2个耦合光的反向波、即波导光18A和入射光18C(双泵浦)，则产生波导光19A和透过光19B，波导光19A的光量渐弱。进而，如图5D所示，若仅输入相对于图5A中的3个耦合光中的1个耦合光的反向波、即入射光18C(单泵浦)，则产生波导光19A和透过光19B，波导光19A的光量进一步渐弱。即按照图5B、图5C、图5D的顺序，向波导光19A的输入效率下降。
图6A至J表示光量比P1/P0强烈依赖于入射光的相干长度的原理。在图6A至J中，在波导层17上形成光栅17a，作为整体发挥光栅耦合器的作用。图6A至E示出入射光的相干长度较长的情况，将1个波列20分为3段的箭头20a(虚线)、20b(实线)、20c(涂黑)，示出了其随着时间的经过如何传播、分支。图6F至J示出入射光的相干长度较短的情况，将1个波列21分为2段的箭头21a(实线)、21b(涂黑)，示出了其随着时间的经过如何传播、分支。在图6A中长波列20入射到光栅耦合器，在图6B中通过存在两处的位置22a处的单泵浦，从而产生弱的波导光(分别用1个虚线箭头来显示)，其余的透过(分别用2个虚线箭头来显示)。在图6C中通过位置22a处的单泵浦，分为弱波导光(用1个实线箭头来显示)和强透过光(用2个虚线箭头来显示)。此外，通过位置22b处的双泵浦，分为强波导光(用1个虚线箭头和2个实线箭头来显示)和弱透过光(用1个实线箭头来显示)。在位置22b，对来自上方的入射光加上从左侧传播的波导光，因此成为双泵浦。在图6D中通过位置22a处的单泵浦，分为弱波导光(用1个涂黑箭头来显示)和强透过光(用2个涂黑箭头来显示)，通过位置22b处的双泵浦，分为强波导光(用1个实线箭头和2个涂黑箭头来显示)和弱透过光(用1个涂黑箭头来显示)。在图6E中图6D中的波导光以及透过光的传播继续。若以箭头的数量来估计光量比P1/P0，则成为波导光的箭头(23b)的数量为8个，相对于此成为透过光的箭头(23a)的数量为10个，P1/P0＝8/10＝0.80。另一方面，在图6F、图6G中短波列21入射到光栅耦合器，在图6H中通过存在两处的位置22a处的单泵浦，产生弱波导光(分别用1个实线箭头来显示)，其余的透过(分别用2个实线箭头来显示)。在图6I中通过位置22a处的单泵浦，分为弱波导光(用1个涂黑箭头1来显示)和强透过光(用2个涂黑箭头来显示)。此外，通过位置22b处的双泵浦，分为强波导光(用1个实线箭头和2个涂黑箭头来显示)和弱透过光(用1个涂黑箭头来显示)。在位置22b，对来自上方的入射光加上从左侧传播的波导光因此成为双泵浦。在图6J中图6I中的波导光以及透过光的传播继续。若以箭头的数量来估计光量比P1/P0，则成为波导光的箭头(24b)的数量为5个，相对于此成为透过光的箭头(24a)的数量为7个，P1/P0＝5/7＝0.71。因此，入射光的相干长度较长的一方引起双泵浦的概率提高，因此可知光量比P1/P0变大。
图7示出入射到图1B所示的开口9a的波列的样态。若假设由于光源2射出固定的相干长度σ0的光，因此在被摄体4内相干长度不发生变化，则入射到开口9a的波列15a、15b也全部构成相同的相干长度σ0，通过散射在根据波列而不同的定时入射到开口9a。如图7所示，若2个波列15a、15b(在波列15a、15b之后连着相干长度相同而相位不同的波列)将相位随机错开并连续入射，则它们发生干涉而形成3个波列15A、15B、15C。波列15C是波列15a和15b重叠并发生干涉而成的波列。波列15A、15B是波列15a和波列15b相互未重叠的剩余部分。波列15A、15B、15C的波长都一致，但在它们之间完全没有相位的相关性，波列的长度比原σ0短。合成波(波列15A、15B、15C)的波长的扩展(纵模宽度)与原波列15a、15b相同。即，在时间相干性中定义的相干长度不发生变化(参照图5A至D)。另一方面，若将相干长度定义为波的连续性、即相位连续的波的长度，则合成波的相干长度变短。以后，将以该意思来定义的相干长度称作“有效相干长度”，将以时间相干性来定义的相干长度称作“相干长度”，分别进行区分。若没有图7所示的效应，则有效相干长度等于相干长度。有效相干长度必定等于或短于相干长度。若相干长度变短则有效相干长度也变短。此外，空间相干性劣化，有效相干长度也变短。图3A至H、图4A至D、图6A至J的说明中的相干长度均为有效相干长度的意思。即，图4A的光量比P1/P0强烈地依赖于入射光的有效相干长度。
图8A以及B是表示向开口9a入射的入射光的光路长度(相位)的偏差与有效相干长度的衰减如何相关的说明图。若使用蒙特卡罗法(Monte Carlo method)等光线追踪的方法，则以连续振荡为前提，能够统计性地处理入射到开口9a的光线群。例如，若假设从光源2使许多光线发光，且存在n条入射到开口9a的光线，将其中第k条光线的光路长度设为sk(k＝1，2，……，n)。如图8A所示，将z设为传播轴方向的距离，将光路长度sk的统计分布设为f(z)，用g(z)来给出光线的入射强度波形(对光强度的时间变化乘以光速来置换为距离单位后的波形)。若统计性地处理图7中的有效相干长度的衰减原理，则相对于成为基准的波列g(z)而言，波列g(z-z0)处于相同波列内的概率μd用式3来给出，μd表示有效相干长度的衰减比。其中，g(z)用式4来定义，σ0是光源所发出的光的相干长度。若将m和σ设为光路长度的平均和标准偏差，将f(z)设为正态分布，则式5成立。
【数式3】
(式3)
【数式4】
(式4)
【数式5】
(式5)
图8B的曲线16是表示衰减比μd、和光路长度标准偏差σ相对于有效相干长度σ0的比值σ/σ0之间的关系的计算结果。示出了伴随σ/σ0的增大，衰减比μd变小。另外，在f(z)不是正态分布的情况下，曲线16成为另外的特性。
图8A以及B的关系在光源连续振荡的情况下成立，但在脉冲振荡的情况下只要光路长度的偏差与脉冲长度(对脉冲时间宽度乘以光速所得的值)为同等程度的大小则也近似地成立。另外，从有效相干长度的定义来看，在接近的波列之间的相位差小的情况下，这些波列应被视为一个波列，但式3忽视了这一点。因此，图8A以及B的关系过剩地处理了有效相干长度的衰减的影响，以下基于图8A以及B的关系进行讨论。
图9A至C是表示在被摄体4的内部相干长度发生变化的原理的说明图。图8A以及B的模型表示有效相干性的劣化(譬如空间相干性的劣化)，而图9A至C的模型表示时间相干性的劣化。如图9A所示，考虑如下情况：波长λ0的光在折射率n0的被摄体内反复n次散射，通过其中第k次的散射，光入射到半径r0的球状反射体26。光的相干长度为σk，向球状反射体26的y轴入射位置为yk，相对于球状反射体26的球面法线的入射角为φk，x轴与光的传播方位一致地定义。其中，假设入射、反射均在包含球的中心26a在内的同一面内发生。若波列25的y轴位置从yk变为yk+Δyk，则角度φk变化为φk+Δφk。如图9B所示，在反射体26静止的情况下，反射后的波列27的相干长度没有变化。如图9C所示，在波列25在反射体26上发生反射的期间，反射体26在xy面内移动的情况下(将移动速度的y成分设为v)，在反射后分离为波列27a和波列27b这2个波列。这些波列27a、27b从被摄体内部射出到外部并通过焦点距离f的聚光透镜7而成为收敛光27A、27B，在检测像素面9a上聚光而形成中心间隔δk的聚光点(强度分布28A、28B)。若将聚光透镜7的数值孔径设为NA，则聚光点的直径用λ0/NA来给出。波列在反射体26上反射的期间位移的量Δyk用式6来给出(c为光速)。
【数式6】
(式6)Δyk＝vσk/c
若将第k次散射中的散射角余弦设为gk，则在gk、φk、δk之间，式7、式8、式9的关系成立。其中，n0为被摄体的折射率。
【数式7】
(式7)
【数式8】
(式8)
【数式9】
(式9)
另一方面，yk与角度φk存在式10的关系，Δφk用式11来给出。
【数式10】
(式10)
【数式11】
(式11)
在聚光点的中心间隔δk比点径(λ0/NA)更大的情况下，视为在2个点之间没有干涉，2个波列27a、27b(或27A、27B)分离，相干长度也分断为2个。因此，使用式12所给出的Δk，第k个散射所引起的波列的分割数为2Δk，第k+1个相干长度用式13来给出。
【数式12】
(式12)
【数式13】
(式13)
由于在被摄体4的内部散射反复n次，因此相干长度的衰减比μi(最终相干长度σn相对于初始相干长度σ0之比)用式14来给出。
【数式14】
(式14)
若将被摄体4设为生物体，则各向异性散射系数据说为0.9。该值相当于电介质球的米氏散射中的粒径参数(2π×反射体半径/波长)～1的条件。若基于该条件，则可以视为反射体半径～0.2×波长。例如，若假设f＝200mm，NA＝0.1，v＝10mm/s，c＝3×1011mm/s，σ0＝6mm，λ0＝0.85×10-3mm，n0＝1.37(条件D)，则Δk用式15来给出。
【数式15】
(式15)
Δk为0.1程度的值，通过10次程度的散射次数，相干长度大致减半。
在图9A至C的模型中前方散射相当于2φk＞π/2，后方散射相当于2φk＜π/2。根据式11，在φk＞π/2(前方散射)的情况下Δφk变大，而在2φk＜π/2(后方散射)的情况下Δφk变小。因此，根据式12、式13，在前方散射较多的情况下相干长度容易劣化，在后方散射较多的情况下相干长度不易劣化。
图10A至H是表示将人体头部假定为被摄体，通过基于蒙特卡罗法的光线追踪的方法而计算出的结果的图。图10A示出整体的光学配置与光线追踪的样态，图10B至G示出了将检测位置处的影像8b分为20×20的区域进行分析而得到的结果。图10B表示光强度分布，图10C表示光路长度平均分布，图10D表示光路长度标准偏差分布，图10E表示被摄体内相干长度衰减分布(式14的计算结果)，图10F表示对图10D的各区域的值乘以图10B的各区域的值而得到的分布，图10G表示将图10F的各区域值除以图10E的各区域的值而得到的分布，图10H是将图10D、E的y轴成分在y轴方向的区域3至区域18的范围内平均化而得到的值的x轴上分布图(显示x轴方向的区域3至区域18)。人体头部由头皮4a、头骨4b、CFS层4c、灰白质4d、白质4e构成，在表1中示出各自的吸收系数(1/mm)、散射系数(1/mm)、各向异性散射参数、膜厚(mm)。
【表1】
如图10A所示，灰白质4d和白质4e处于相同的深度，用x轴的正负划分了区域。分析区域在xy方向上为40mm×40mm，在z方向上为47mm，超过该区域而传播的光线从计算中除外。入射光3设想了在头皮4a的表面在x方向、y方向上各隔开10mm的3×3的位置垂直入射的光。检测将聚光透镜7设置在从头皮4a的表面离开1000mm的位置，根据将物侧数值孔径(＝sinα)设为0.1而取入的光线，算出了像面位置的像8b(其他条件按照条件D)。图10B的周缘较暗(光强度较小)是因为超过分析区域的光线从计算中除外。在图10B中在光的入射位置的附近变亮(光强度变强)，在图10C中在光的入射位置的附近变暗(光路长度变短)。图10B、C、D都是左半部分侧(x＜0，灰白质4d的一侧)比右半部分看起来稍亮，但不清晰。图10E的右半部分侧(x＞0，白质4e的侧)比左半部分看起来稍亮(相干性的衰减小)。若除了周边部之外进行平均化，则图10D的光路长度标准偏差在左半部分侧为平均值26mm程度，在右半部分侧为平均值21mm程度，图10E的相干长度衰减比在左半部分侧为平均值0.29程度，在右半部分侧为平均值0.34程度(参照图10H)。在图10F、G中反映了灰白质4d与白质4e的构造差，左半部分侧(x＜0)比右半部分看起来明显更亮。
若对图8A以及B、图9A至C、图10A至H进行综合，则在图4A中可以说为如下情况。即，若将光源射出时的相干长度设为6mm，则根据图10E，通过被摄体内部的散射，相干长度在左半部分(灰白质4d的一侧)衰减为6.0×0.29＝1.74mm，在右半部分(白质4e的一侧)衰减为6.0×0.34＝2.04mm。进而根据图10D，光路长度的偏差在左半部分为σ/σ0＝26/1.74＝14.9，在右半部分为σ/σ0＝21/2.04＝10.2(参照图4A)。因此，根据图8B，有效相干长度衰减比μd在左半部分为0.00020，在右半部分为0.00043。因此，检测光的有效相干长度分别为6mm×0.00020＝1.2μm，6mm×0.00043＝2.6μm。可知根据在图4A中表示有效相干长度1.2μm的直线14a与曲线14A的交点、表示有效相干长度2.6μm的直线14b与曲线14A的交点，分别能够得到P1/P0的值为0.3、0.6的检测信号。即，可知根据本实施方式所涉及的光检测装置13中的检测信号P1/P0，能够检测位于头骨4b的内部的灰白质4d、白质4e的分布。检测信号P1/P0的分布与图10F、G相似，能够实现左半部分侧(x＜0)与右半部分的差别化(左半部分侧比右半部分小)。另外，也可以在直线14a、14b的位置进行检测，即进行检测光的有效相干长度夹着曲线14A的变动部(有效相干长度1～10μm的范围)左右分开那样的检测。只要能够使光源的相干长度可变则能够自由调节直线14a、14b的位置。通过进行与光源的相干长度对应的检测信号P1/P0的分析，能够高效地进行被摄体构造的分析。进而，如同在图10F中，通过对作为与检测信号P1/P0相关的量的光路长度标准偏差分布乘以光强度分布能够清晰地得到构造差那样，通过对检测信号P1/P0乘以其他检测信号(例如，检测信号P0或检测信号(P0+P1)等)、或者进行比较，并施加各种各样的运算处理，能够得到S/N更高的信号。这些使S/N提高的运算处理，在使光源的发光强度或透镜的光圈(即入射到光检测装置13的光量)变化了的情况下，也可以与此相应地实施，此外，由于式15与散射体的移动速度v相关，因此在使光源的射出方向变化了的情况下，也可以与此相应地实施。
虽然6mm程度的相干长度作为激光来说较短，但对于高频重叠半导体激光或自脉动半导体激光等为了降低干涉性而被多光谱化的光源而言处于能够实用化的范围。由高频重叠电路(一般为300MHz的频率)驱动的半导体激光以0.1mm～0.2mm的范围的相干长度而振荡，通过改变重叠电路的频率或振幅等(例如减小频率)，能够在0.2mm～数十mm的范围内使相干长度可变。此外，对于扫描光源(使激光的波长在数十nm的范围内周期性地进行扫描的光源)而言通过改变波长变动幅度或周期频率能够在0.3mm～数十mm的范围内使相干长度可变。不过在使用扫描光源的情况下为了限定入射到光耦合层12的光的波长，根据情况而使用带通滤波器9p。此外通过将LED等线宽较宽的光源与狭频带的带通滤波器进行组合，也能够得到希望的相干长度。此时，带通滤波器只要配置在光源与被摄体之间、或者被摄体与光耦合层之间即可。或者，也可以对光源使用波长不同的2个以上的光源。这些光在被摄体内进行散射并入射到开口9a时，由于图15C所说明的原理而产生拍频，相干长度变短。与有效地使用了相干长度短的光源相同。不过，在此情况下，也为了限定入射到光耦合层12的光的波长，而根据情况使用带通滤波器9p。另外，在使用波长不同的光源的情况下，若使光源的发光强度比变化，则拍频的发出方式也发生变化从而有效相干长度的分布也发生变化。因此，也可以对检测信号P1/P0施加与光源的发光强度比的变化相应的运算处理来使S/N提高。
此外，也可以对光源使用脉冲光源。此时，相干长度等于脉冲长度(对脉冲时间宽度乘以光速而得到的值)。在脉冲光源的情况下，图9A至C所示的时间相干性劣化的关系成立。另一方面，在脉冲光源的情况下，波列的重叠变少(相对于作为基准的波列而言，某波列处于相同波列内的概率变低)。因此，图8B所说明那样的有效相干长度变短的效果减弱。在此情况下，对脉冲时间宽度进行选择，使得图4A中的直线14a、14b的位置(检测光的有效相干长度)落在曲线14A的变动部(1～10μm的范围)。
若像这样使用本实施方式的光检测装置，则在图10A至H所示的被摄体，能够将位于头骨4b的内部的灰白质4d、白质4e的差检测为电信号的输出差。这与图10B所示的对光强度分布像进行检测的方法(第2现有例)相比，能够大幅改善S/N。
(第2实施方式)
在本实施方式中，用于将在第2透明层12b生成的波导光6b引导至检测器10A的构成不同，其他构成全部与第1实施方式相同，因此对共同的要素标注相同的编号，省略详细的说明。
图11A、B表示用于将波导光6b引导至检测器10A的光栅12d以及波导层(第2透明层)12b的剖面构造。图11A是包含图1A中的聚光透镜7的中心轴附近(轴上位置)的像素的剖视图，图11B是包含聚光透镜7的轴外位置的像素的剖视图。在本方式中，配置为在聚光透镜7的轴外位置，透光区域9a(遮光区域9A)的中心与检测器10a(10A)的中心偏离。另外，在本公开中，“检测器与遮光区域或透光区域对向配置”还包含如本实施方式那样配置为各中心位置偏离的方式。光栅12d在图11A和图11B中间距的条件不同。即在图11A中是在式2中设为θ＝0的情况下的间距(＝Λ1)，在图11B中是设为θ≠0的情况下的间距(＝Λ2)。因此，在图11A中在纸面上的左右双方向产生波导光6b，而在图11B中在左右任意一方产生波导光6b(图中为右侧)，其在遮光区域9A的正下方被辐射，成为辐射光6D而入射到检测器10A。式2中的θ的值根据来自聚光透镜7的光的入射角来决定。在第1实施方式中，需要对聚光透镜7使用像侧焦阑透镜，而在第2实施方式中并不需要，因此能够抑制透镜成本。
图11C是表示将波导光6b引导至检测器10A的其他方式的图。在第1实施方式中光栅12d遍及整面而形成，而在图11C中光栅12d仅形成在透光区域9a的正下方。波导层(第2透明层)12b在遮光区域9A的正下方缓慢地朝向检测器10A侧弯曲，波导光6b也沿着波导层(第2透明层)12b而折弯(波导光6b1)，并从波导层(第2透明层)12b的端面被辐射，成为辐射光6D而入射到检测器10A。虽然由于将波导层(第2透明层)12b折弯这一点而制造工艺变得复杂，但与第1实施方式相比，能够期待光损耗少的检测。
图11D是表示成为遮光区域9A的反射膜的图案形成不同的方式的图。在第1实施方式中，对于透光区域9a(或遮光区域9A)，对应1个微透镜10b(或10B)，且对应1个检测器10a(或10A)，而在本实施方式中对应2个微透镜10b和10b′(或10B和10B’)、2个检测器10a和10a′(或10A和10A’)。2个检测器10a和10a′(或10A和10A’)被电导通。在本方式的情况下，光栅耦合器的波导光6b前进方向的长度(光的耦合长度)变大。根据图6A至J所说明的原理，若光栅耦合器变长，则对于相干长度较长的入射光，引起双泵浦的概率也容易出现差异。即，存在图4A所示的光量比P1/P0发生变化的范围变大的优点。在图11D的方式中，将透光区域9a、遮光区域9A的xy面内的宽度设为5.6μm×2μm，将假设光源以图4B所示的脉冲条件(条件A)进行振荡而计算出的结果表示为图4A的曲线14C(条件C)。由于光的耦合长度(透光区域9a的宽度)变大，因而曲线14C与曲线14A相比，向相干长度较长的一侧移动。另外，对于透光区域9a(或遮光区域9A)，也可以对应3个以上的微透镜10b(或10B)、检测器10a(或10A)。此外，反射膜(遮光区域9A)的图案形成也可以对间距不同的图案进行组合。例如，在图11E中透光区域9a(或遮光区域9A)形成间距不同的2个方格图案，在图11F中形成间距不同的2个条纹图案。在任意情况下，都是与间距窄的图案相比间距宽的图案的与1个透光区域9a(或遮光区域9A)对应的微透镜以及检测器的数量更多。例如，在间距窄的图案中，在x轴方向上对1个透光区域9a(或遮光区域9A)对应1个微透镜以及1个检测器。此外，在间距宽的图案中，在x轴方向上对1个透光区域9a(或遮光区域9A)对应2个微透镜以及2个检测器。另外，使光栅的光栅矢量的方位与x轴方向平行，但也可以根据场所而使其变化。
(第3实施方式)
本实施方式仅信号的运算电路11的运算方法不同，其他构成与第1以及第2实施方式相同，因此对共同的要素标注相同的编号，省略详细的说明。
图12是表示本实施方式中的光源2的振荡与检测信号的关系的说明图。光源2在控制电路1的控制下对脉冲3a进行振荡，该光3在被摄体4的内部进行散射，经由透光区域9a而由检测器10a、10A受光，检测到将纵轴设为检测强度、将横轴设为经过时间的信号63。若将由检测器10a检测的光量设为P0，将由检测器10A检测的光量设为P1，则信号63相当于光量P0(或P0+P1)。信号63在散射所引起的光路长度的偏差的影响下，与原脉冲3a相比时间宽度变大。信号63中的最先的输出63a是在被摄体4的表面发生反射的光5a1的信号。信号63中的时间t1～t2期间的输出63c是在被摄体4的内部进行散射的光5a2、5a3的信号。对于光5a2和5a3而言，光路长度相等，但光5a2的后方散射较多且描绘在表层附近传播的光路，相对于此，光5a3的后方散射较少且描绘到达深层的光路。在图9A至C的说明中，已知在前方散射多的情况下相干长度容易劣化，在后方散射多的情况下相干长度不易劣化。因此，前方散射与后方散射的比率被反映到光5a2以及光5a3的光量比P1/P0中。在本实施方式中，运算电路11通过信号63的时间分解来检测输出63c并生成图像。即，对内部散射光5a2、5a3到达的时间t1～t2期间的光进行检测并作为每个检测器的强度分布信息而生成图像。进而，运算电路11根据光量比P1/P0的值来区分基于输出63c的图像。具体来说，例如，生成基于光量比P1/P0为某阈值以上的像素的第1图像。即，作为与光量比P1/P0为某阈值以上的像素相当的检测器检测出的光量的分布信息而生成第1图像。此外，也可以生成基于光量比P1/P0比某阈值小的像素的第2图像。即，也可以作为与光量比P1/P0比某阈值小的像素相当的检测器检测出的光量的分布信息而生成第2图像。在第2现有例中没有区分光5a2和光5a3，而在本实施方式中前方散射与后方散射的比率被反映到检测光量比P1/P0中，因此能够区分光5a2和光5a3，能够根据深度来分析被摄体4的内部。另外，与第1实施方式同样地，也可以对检测信号P1/P0乘以其他检测信号(例如，检测信号P0或检测信号(P0+P1)等)，或者进行比较，来施加各种各样的运算处理。此外，也可以对输出63c施加与检测信号P1/P0或其他检测信号的运算处理。
标号说明
100 光检测系统
1 控制电路
2 光源
3 向被摄体入射的入射光
4 被摄体
5、5a、5A 散射光
7 聚光透镜
8a 实质的物体(物点的聚集)
8b 像面位置的像
9 遮光膜
9a 开口、透光区域
9A 遮光区域
10 光检测器
11 运算电路
12 光耦合层
13 光检测装置
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