JP2005257685A - ターゲットの光学位相測定 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＰＲベースの位相検出方式を実現する。
【解決手段】光学位相検出は、第１の偏光を有する第１の光波と該第１の偏光からオフセットされた偏光を有する第２の光波とを生成するステップと、前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を与えるステップとを含む。前記相対遅延は、指定された波長範囲にわたって波長が調整される時に、光波間に周波数オフセットを生じさせる。前記第１の光波と前記第２の光波とをターゲットに導くステップが、第３の光波と第４の光波とを提供する。前記第３の光波の偏光成分と、前記第４の光波の偏光成分とが検出されて、前記周波数オフセットにおける検出された信号を提供する。前記光学位相検出は、更には、前記第３の光波の偏光成分と、前記第４の光波の偏光成分との間の、前記ターゲットによって引き起こされた位相差を抽出するステップを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、位相測定に関し、特にターゲットの光学位相測定に関する。

表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）は、導電膜と隣接する誘電体との間の境界面に沿った表面プラズモン波の光学励起に関連する。共鳴の際には、入射光信号からのエネルギーが、表面プラズモン波内へと結合され、この結果、共鳴が発生する際の光波長において、導電膜から反射させられる光信号の強度が減少する。この共鳴光波長において、反射させられた光信号内での位相遷移（又は位相の変化、又は位相の移り変わり、又は位相のずれ）もまた発生する。この共鳴光波長における反射させられた光信号の位相は、誘電体内へと延在する表面プラズモン波に関連付けられたエバネッセント・テールのために、導電膜に隣接する誘電体の屈折率の変化に対して敏感に反応する。屈折率に対するこの位相の感度によって、誘電体が検知媒体として使用されることが可能となる。例えば、誘電体が生化学サンプルを含む場合には、屈折率の変化は、生化学サンプル内の生化学的な状態か又は経過（プロセス）を示すように使用されることができる。

誘電体か又は検知媒体の屈折率の変化に対する反射させられた光信号における位相遷移の感度のために、ＳＰＲに基づいた位相測定が、生化学的検知用の分析ツールとして活用されてきている。例えば、非特許文献１は、生化学サンプル内の抗体及び蛋白質の会合／解離に関連付けられた屈折率におけるマイクロ単位よりも小さい変化に対応する位相変化を検出するための干渉法、光ヘテロダイン法、及び他の技法を報告している。
Ｘｉｎｇｌｏｎｇ Ｙｕ他著、「Immunosensor based on optical heterodyne phase detection」、2003年、Sensors and Actuators B、vol.76、199〜202頁 Ｘｉｎｇｌｏｎｇ Ｙｕ他著、「Simulation and Analysis of Surface Plasmon Resonance Biosensor Based on Phase Detection」、2003年、Sensors and Actuators B、vol.91、285〜290頁 Ｊｏｈｎ Ｍａｒｋｕｓ著、「Modern Electronic Circuits Reference Manual」、McGraw-Hill, Inc．、ISBN 0-07-040446-1、699頁 Ｄｅｎｎｉｓ Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ編集、「Fiber Optic Test and Measurement」、ISBN 0-13-534330-5、42〜44頁 Ｘｉｎｇｌｏｎｇ Ｙｕ他著、「Immunosensor based on optical heterodyne phase detection」、2003年、Sensors and Actuators B、vol.76、200頁

屈折率の変化を検出することができる感度を、更に向上させるための位相検出方式に対するニーズが継続的に存在している。更に、生化学的検知用のサンプルのアレイを含む分析システムに適合するためにスケーラブルなＳＰＲに基づいた位相検出方式に対するニーズも存在している。

本発明の実施形態に従って、光学位相検出は、第１の偏光を有する第１の光波と該第１の偏光からオフセットされた偏光を有する第２の光波とを生成するステップと、前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を与えるステップとを含む。光波の波長が指定された波長範囲にわたって調整させられる時に、与えられた遅延が、周波数オフセットを生じさせる。

光波は、第１の光波と第２光波とに応答して、第３の光波と第４光波とを提供するターゲットに導かれる。第３の光波の偏光成分と第４の光波の偏光成分とが検出されて、周波数オフセットにおける検出された信号が提供される。この光学位相検出は、この場合、第３の光波の偏光成分と第４の光波の偏光成分との間の、ターゲットによって引き起こされた（又は誘発された）位相差を抽出するステップを含む。本発明の代替の実施形態に従って、光学位相検出のスケーリングは、ターゲットのアレイからのＳＰＲ誘発された位相ずれの同時か又は連続的な検出を可能にする。

ターゲットのアレイからの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）によって誘発された位相ずれの同時か又は連続的な検出を可能にする、ＳＰＲベースの位相検出方式が実現できる。

図１は、クレッシュマン配置（Kretschmann configuration）として知られる従来技術のＳＰＲトランスデューサ１０を示す。ＳＰＲトランスデューサ１０は、誘電体２に隣接する導電膜１を含む。しかしながら、ＳＰＲトランスデューサ１０のいくつかの用途においては、誘電体２は検知媒体であり、生体分子レセプタが結合するための場所を提供するために、導電膜１と誘電体２との間にリンカ層（図示せず）が挿入される。明確にするために、図１の導電膜１は、リンカ層が無い状態で、誘電体２に隣接して示されている。プリズム４は、誘電体２とは反対側の導電膜１側に隣接して配置されている。ＳＰＲトランスデューサ１０のクレッシュマン配置は、非特許文献２を含む様々な参考文献に記載されている。

ＳＰＲトランスデューサ１０の典型的な用途において、導電膜１は、導電膜１に沿って表面プラズモン波、すなわち表面プラズモンを励起させるための指定された入射角φ_ＳＰと波長とにおける入射光信号Ｉｉに対する適切な厚さｄ１を有する金の層である。表面プラズモンに関連付けられるのは、導電膜１に隣接する誘電体２内へと透過するエバネッセント・テール（図示せず）である。表面プラズモン内へと結合されない入射光信号Ｉｉのエネルギーは、導電膜１において反射され、結果として、反射光信号Ｉｒが生じる。

図２は、入射光信号Ｉｉが導電膜１上のターゲットＴ上に衝突することから結果として生じる、図１のＳＰＲトランスデューサ１０のコンテキストにおける反射光信号Ｉｒの例示的な位相曲線を示す。位相は、入射光信号Ｉｉが表面プラズモンに結合する波長λ_Ｒの近傍における波長λに対して示されている。この波長λ_Ｒは、ＳＰＲ（表面プラズモン共鳴）の光波長であり、本明細書において以下、これを共鳴波長λ_Ｒと呼ぶ。図２は、反射光信号Ｉｒの位相が、共鳴波長λ_Ｒの近傍における入射光信号Ｉｉの波長λに対して非常に感度が良いことを示す。共鳴波長λ_Ｒは同様に、誘電体２を透過するエバネッセント・テールのために、誘電体２の屈折率ｎ_ｓの変化に対して非常に感度が良い。反射光信号Ｉｒの位相を検出することによって、誘電体２の屈折率ｎ_ｓの変化を検出することができる。

本発明の実施形態による、光学位相検出器２０が、図３に示されている。光学位相検出器２０は、光信号Ｉ_１を生成する波長可変光源２２を含む。光信号Ｉ_１は、第１の偏光を有する第１の光波と、該第１の偏光からオフセットされた第２の偏光を有する第２の光波とを含む。典型的な例において、第１の光波と第２光波とのオフセットされた偏光は、従来の偏光ｐ、ｓである。説明の目的のため、ｐ偏光を有する光波を光波ｐと呼び、ｓ偏光を有する光波を光波ｓと呼ぶ。

波長可変光源２２は、光信号Ｉ_１の光波ｐと光波ｓとの間に相対遅延τを引き起こす遅延素子２４を含む。波長可変光源２２の波長λが、λ_１とλ_２との間の波長範囲にわたって速度γで調整されるか又は掃引される時に、この引き起こされた遅延τによって、結果として光波ｐと光波ｓとの間に周波数オフセットγτが生じる。

図４Ａは、本発明の一実施形態を示す。波長可変光源２２は、偏光遅延ユニットＰＤＵにカスケード接続された波長可変レーザー２６を含む。波長可変レーザー２６は、λ_１とλ_２との間の波長範囲にわたって掃引されることができる。λ_１とλ_２との間の波長範囲は、誘電体２の屈折率ｎ_ｓにおける対応するシフトの結果生じる共鳴波長λ_Ｒにおけるシフトに適応させるために十分に広い。一例において、波長可変レーザー２６は、少なくとも１４９２〜１６４０ナノメートルの波長範囲λ_１〜λ_２内において線形な傾きで波長を調整することができるアジレント・テクノロジーズ・インク社のモデル８１６８０Ｂである。偏光遅延ユニットＰＤＵは、波長可変レーザー２６によって提供される光信号を第１の分岐（ブランチ）と第２の分岐（ブランチ）とに分光する偏波保持ファイバカプラ（又は偏光保持ファイバカプラ）２３を含む。分岐のうち１つである、例えば第１の分岐は、第１の分岐内の光と第２の分岐内の光との間に相対遅延τを引き起こすための所定の長さの光ファイバ２５を含む。第１の分岐と第２の分岐とは、次に偏光ビーム結合器２８に結合されて、この偏光ビーム結合器２８が、偏光ｐのような１つの偏光を有する第１の分岐からの光と、偏光ｓのようなオフセットされた偏光を有する第２の分岐からの光とをコリメータ３０へと伝送する。偏光ビーム結合器２８は、光信号Ｉ_１の光波ｐと光波ｓとを提供する。

偏光遅延ユニットＰＤＵは、平面光回路を使用して代替的に実施される。この場合、偏波保持ファイバカプラ２３と偏光ビーム結合器２８とは、平面光内において実施され、遅延素子２４は、平面光導波路を用いて実施される。更に別の例において、偏光遅延ユニットＰＤＵは、図４Ｂにおいて示されるように、偏光ビームスプリッタ２１と、遅延素子２４としての自由空間・光経路と、偏光ビーム結合器２８とを使用して実施される。

コリメータ３０か又は他のビーム調整要素が、波長可変光源２２に結合され、図５Ａにおいて示されるように、光信号Ｉ_１を導電膜１上のターゲットＴへと導いている。光信号Ｉ_２は、ターゲットＴにおいて反射させられる。光信号Ｉ_２は、光信号Ｉ_１の光波ｐと光波ｓとのオフセットされた偏光に対応するオフセットされた偏光を有する光波ｐ_ｒと光波ｓ_ｒとの対を含む。光波ｐは、導電膜１の面に対して垂直な電界成分を有するが、光波ｓは、導電膜１の面内に配置される電界を有する。光波ｐは、表面プラズモンに結合するが、光波ｓは、表面プラズモンに結合しない。従って、光信号Ｉ_２の光波ｐ_ｒは、図２において示されるように共鳴波長λ_Ｒにおいて位相ずれを受けるが、光信号Ｉ_２の光波ｓ_ｒは、このような位相ずれを受けない。

光信号Ｉ_２は、図５Ａに示されるように、光波ｐ_ｒ、ｓ_ｒの偏光軸から４５度だけ回転オフセットされた偏光軸Ｘを有する偏光器３２によって受信される。しかしながら、４５度とは異なる別の角度における該偏光軸からの、偏光器３２の偏光軸Ｘの回転オフセットもまた適する。

光信号Ｉ_２の光波ｐ_ｒとｓ_ｒとが、偏光器３２を通過した結果として、相互作用して、検出器３４において干渉信号Ｉ（ｔ）を形成する。干渉信号Ｉ（ｔ）は、式（１）で表される。

式（１）において、Ｅ_Ｓ（ｔ）とＥ_Ｐ（ｔ）とは、それぞれ光信号Ｉ_２の光波ｐ_ｒ、ｓ_ｒの電界の大きさを表す。γは、波長可変光源２２が調整されるか又は掃引される速度である。τは、波長可変光源２２によって提供される光信号Ｉ_１の光波ｐと光波ｓとの間で引き起こされる相対遅延である。Δφ_ｓｐは、光信号Ｉ_２の光波ｐ_ｒと光波ｓ_ｒとの間の位相差である。光信号Ｉ_１の光波ｓは、表面プラズモンに結合しないため、光信号Ｉ_２の光波ｓ_ｒは、ＳＰＲによる位相ずれを受けない。従って、位相差Δφ_ｓｐは、光波ｐ_ｒの位相ずれであり、位相φ_ｐとして示される。光波ｓ及びｓ_ｒは、光波ｐ及びｐ_ｒと同じ光路を伝搬するため、光波ｓ_ｒの位相に対する光波ｐ_ｒの位相φ_ｐを決定することは、機械的振動、温度変化、及び他の影響に対する耐性を提供する。

干渉信号Ｉ（ｔ）は、波長可変光源２２の波長λが、共鳴波長λ_Ｒの近傍において波長範囲λ_１〜λ_２にわたって調整される時に、検出器３４によって捕捉される。検出器３４は、干渉信号Ｉ（ｔ）内における２Ｅ_ＳＥ_Ｐｃｏｓ（２πγτｔ＋φ_ｐ）項に応答する。２Ｅ_ＳＥ_Ｐｃｏｓ（２πγτｔ＋φ_ｐ）項が測定されるか又は検出されることができる感度を改善するために、検出器３４は、周波数γτについての狭帯域幅内における応答性に関してフィルタリングされるか、又はそうでなければ調整されることができる。検出器３４は、検出された信号Ｉ_ＤＥＴ（ｔ）＝Ｋ_１ｃｏｓ（２πγτｔ＋φ_ｐ）を提供する。ここで、Ｋ_１は定数であり、γτは、波長可変光源２２によって提供される光信号Ｉ_１の光波ｐと光波ｓとの間の周波数の差分、すなわちビート周波数である。検出された信号Ｉ_ＤＥＴ（ｔ）は、典型的には、電気信号である。

典型的には、検出器３４は、捕捉した光信号を対応する電気信号へと変換するためのフォトダイオードか、光センサーか、又は他の適切なトランスデューサである。代替的には、検出器３４は、検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎの各々によって捕捉される一連の光信号に対応する一連の電気信号を提供する検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎのアレイか又は２次元のグリッドである。

光学位相検出器２０内に基準信号Ｉ_ＲＥＦを含めることによって、干渉信号Ｉ（ｔ）の２Ｅ_ＳＥ_Ｐｃｏｓ（２πγτｔ＋φ_ｐ）項の中の位相φ_ｐを分離することができる。例えば、図４Ａの実施形態において示されるように、光カプラ３７によって光信号Ｉ_１から分岐された基準信号Ｉ_ＲＥＦは、基準ターゲットＴ_ＲＥＦに反射させられ、偏光器３２を通過して、Ｅ_ＳＲＥＦＥ_ＰＲＥＦｃｏｓ（２πγτｔ）項を含む干渉信号Ｉ_Ｒ（ｔ）を、基準検出器３４Ｒにおいて提供する。基準検出器３４Ｒは、干渉信号Ｉ_Ｒ（ｔ）内のＥ_ＳＲＥＦＥ_ＰＲＥＦｃｏｓ（２πγτｔ）項に応答し、周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）＝Ｋ_２ｃｏｓ（２πγτｔ）を提供する。ここで、Ｋ_２は定数である。周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）は、典型的には、電気信号である。

検出器３４と検出器３４Ｒとからの検出された信号Ｉ_ＤＥＴ（ｔ）と周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）とが、位相φ_ｐを抽出するために、位相比較器か又は他のプロセッサ３６に印加される。印加された信号間の位相差を抽出するのに適した位相比較器は、当該技術分野において周知であり、例えば、非特許文献３に記載されている。しかしながら、任意の適切なプロセッサ３６が、検出された信号Ｉ_ＤＥＴ（ｔ）と周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）とから位相φ_ｐを抽出するか又は別様で決定するために使用される。

図４Ａは、基準ターゲットＴ_ＲＥＦ上に入射する基準光信号Ｉ_ＲＥＦを示す。そのように基準光信号Ｉ_ＲＥＦが基準ターゲットＴ_ＲＥＦ上に入射することによって、基準光信号Ｉ_ＲＥＦが、信号Ｉ_１とＩ_２とによって伝搬させられる光路に平行な光路を伝搬するようになる。基準信号Ｉ_ＲＥＦの光路内の基準ターゲットＴ_ＲＥＦが、共鳴波長λ_Ｒにおける表面プラズモンの励起をサポートしない時には、基準信号Ｉ_ＲＥＦは、ＳＰＲに関連付けられた位相ずれを受けない。その検出された位相は、従って、ターゲットＴの誘電体２の屈折率に起因する。基準信号Ｉ_ＲＥＦの光路内の基準ターゲットＴ_ＲＥＦが、共鳴波長λ_Ｒにおける表面プラズモンの励起をサポートする時には、基準信号Ｉ_ＲＥＦは、ＳＰＲに関連付けられた位相ずれを受ける。このように、検出された位相は、ターゲットＴの誘電体２の屈折率と、基準ターゲットＴ_ＲＥＦの誘電体の屈折率との間の差に起因する位相差である。

基準光信号Ｉ_ＲＥＦを提供するための例示的な方式が提示されてきたが、任意の他の適切なシステム、デバイス、要素、又は方式が、代替的に使用されて、ＳＰＲによって引き起こされた位相φ_ｐを分離するために、基準光信号Ｉ_ＲＥＦを提供することを理解されたい。基準光信号Ｉ_ＲＥＦは、図４Ａにおいて示されるように、干渉信号Ｉ（ｔ）のビート周波数γτにおける周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）を提供する。図４Ａにおいて示された代替の実施形態においては、基準光信号Ｉ_ＲＥＦが、光信号Ｉ_１から分岐させられて、基準ターゲットＴ_ＲＥＦに反射させられること無く、偏光器３２と検出器３４とに直接的に送られる。

共鳴波長λ_Ｒの近傍における光波長λと位相φ_ｐとの間の関係を確立するために位相φ_ｐが測定される時には、光信号Ｉ_１の光波ｐの波長λが、メモリ内か又は他の記憶装置（図示せず）内に記録される。光信号Ｉ_１の波長λは、非特許文献４に記載されているような、光干渉測定法、ホモダインスペクトル解析、又はヘテロダインスペクトル解析を使用してか、又は任意の他の適切な波長識別技法を使用して、記録されるか又は決定される。代替として、波長λは、開始波長λ_１及び開始時刻ｔ_１と、停止波長λ_２及び停止時刻ｔ_２と、波長可変光源２２が期間ｔ_２〜ｔ_１内において開始波長λ_１と停止波長λ_２との間で調整されるか又は掃引される調整速度γとに基づいて決定される。波長範囲λ_１〜λ_２にわたる線形な調整特性を有する波長可変光源２２について、時刻ｔ_ｘと波長範囲λ_１〜λ_２内における波長λ_ｘとの間でダイレクト・マッピングが確立される。例えば、波長可変光源２２の調整範囲内か又は掃引範囲内において、λ_ｘ＝λ_１＋（ｔ_ｘ−ｔ_１）γの関係に従って位相φ_ｐが測定される対応する時刻ｔ_ｘに基づいて波長λ_ｘが決定される。波長可変光源２２が非線形な調整特性を有する時には、それらの特性は、波長可変光源２２の掃引中か又は調整中における指定された時刻を、波長範囲λ_１〜λ_２内における波長λｘにマッピングするために使用される。波長可変光源２２が調整されるか又は掃引される時に時間の関数としての位相φ_ｐを記録することによって、且つ、波長可変光源２２の時刻ｔ_ｘと波長λ_ｘとの間におけるその確立されたマッピングを使用することによって、波長λに対する位相φ_ｐが決定される。

波長λと位相φ_ｐとの間の関係から、共鳴波長λ_Ｒにおけるか又は共鳴波長λ_Ｒに十分に近くにおける量ｄφ_ｐ／ｄλを容易に決定することができる。ここで、量ｄφ_ｐ／ｄλは、共鳴波長λ_Ｒでの波長λの変化に対する位相φ_ｐの感度を表す。

本発明の代替の実施形態に従って、位相φ_ｐの測定値は、共鳴波長λ_Ｒにおける量ｄφ_ｐ／ｄλを近似するために使用される。図２は、共鳴波長の近傍において、量ｄφ_ｐ／ｄλによって表される波長変化に対する位相ずれの感度が、ほぼ一定である波長範囲が存在することを示す。従って、この波長範囲内における量ｄφ_ｐ／ｄλは、共鳴波長における量ｄφ_ｐ／ｄλの近似を提供する。この近似の精度は、ＳＰＲの位相遷移が発生する.波長範囲内における波長λに対する位相φ_ｐの傾きの均一性に依存する。

共鳴波長λ_Ｒにおける量ｄφ_ｐ／ｄλと、共鳴波長λ_Ｒにおける屈折率に対する波長感度を表す量ｄλ／ｄｎ_Ｓの決定とから、屈折率ｎ_Ｓの変化に対する位相φ_ｐの感度を表す量ｄφ_ｐ／ｄｎ_Ｓが、ｄφ_ｐ／ｄｎ_Ｓ＝（ｄφ_ｐ／ｄλ）（ｄλ／ｄｎ_Ｓ）として確立される。量ｄλ／ｄｎ_Ｓは、様々な方法で決定される。一例において、量ｄλ／ｄｎ_Ｓは、屈折率ｎ_Ｓの変化に対する共鳴波長λ_Ｒの感度をモデル化するため、導電膜−誘電体境界面でのフレスネル反射を解明するためのＭＡＴＬＡＢか又は他の適切なプログラムか又は環境を用いて、図１の構成１０のコンピュータシミュレーションから決定される。別の例において、量ｄλ／ｄｎ_Ｓは、経験的に決定される。異なる既知の屈折率ｎ_Ｓ１、ｎ_Ｓ２．．．ｎ_ＳＸを有する誘電体２を有するターゲットＴは、共鳴波長λ_Ｒ近傍における波長λでの光信号Ｉ_１によって連続的にか又は同時に照射されて、それぞれの屈折率ｎ_Ｓ１、ｎ_Ｓ２．．．ｎ_ＳＸに対応するＳＰＲの共鳴波長λ_Ｒ１、λ_Ｒ２．．．λ_ＲＸが決定される。屈折率ｎ_Ｓ１、ｎ_Ｓ２．．．ｎ_ＳＸに対する共鳴波長λ_Ｒ１、λ_Ｒ２．．．λ_ＲＸの曲線へのあてはめ、補間、又は他の適切な技法が使用されて、屈折率ｎ_Ｓと共鳴波長λ_Ｒとの間でのマッピングを確立して、共鳴波長λ_Ｒにおける量ｄλ／ｄｎ_Ｓを決定する。

量ｄλ／ｄｎ_Ｓはまた、導電膜１と誘電体２との間の境界面における適切な波ベクトルをマッチングすることによっても決定されることができる。このことは、表面プラズモンの波ベクトルｋ_ＳＰＲ＝ｗ／ｃ（（ε_１ｎ_Ｓ ^２）（ε_１＋ｎ_Ｓ ^２））^１／２を、光信号Ｉ_１の波ベクトルｋｘ＝ｎ_４（２π／λ）ｓｉｎφ_ＳＰと等しくするステップを含む。ここで、ε_１は、導電膜１の誘電率であり、ｎ_４は、プリズム４の屈折率であり、φ_ＳＰは、光信号Ｉ_１の入射角である。量ｄλ／ｄｎ_Ｓを式（２）のように、波ベクトルｋ_ＳＰＲ、ｋｘの式から導き出すことができる。ここで、導電膜１の誘電率ε_１の虚数成分は、零に設定されている。

共鳴波長における量ｄλ／ｄｎ_Ｓを決定するために提示した代替は、例示である。共鳴波長λ_Ｒにおけるか又は共鳴波長λ_Ｒに適切に近い波長における量ｄλ／ｄｎ_Ｓを、決定するためにか又は近似するために、任意の適切な方式が代替的に使用されることを理解されたい。その結果、屈折率ｎ_Ｓの変化に対する位相φ_ｐの感度を、ｄφ_ｐ／ｄｎ_Ｓ＝（ｄφ_ｐ／ｄλ）（ｄλ／ｄｎ_Ｓ）として確立することができる。

本発明の代替の実施形態に従って、異なる屈折率ｎ_Ｓを有する誘電体２についての位相φ_ｐの測定に基づいて、位相φ_ｐと屈折率ｎ_Ｓとの間でのマッピングが確立される。この実施形態において、位相φ_ｐが検出され、確立されたマッピングから誘電体２の屈折率ｎ_Ｓの変化が決定される。一例において、屈折率ｎ_Ｓにおける変化ｄｎ_Ｓは、例えば、非特許文献５において提供されているような定数によって、共鳴波長λ_Ｒでの位相φ_ｐにおける位相ずれｄφ_ｐに関連付けられる。

本発明の別の実施形態に従って、例えば、屈折率ｎ_Ｓと屈折率ｎ_Ｓ＋Δｎ_Ｓとの異なる屈折率を有する２つか又は３つ以上のターゲットＴについて、位相φ_ｐは、波長λに対して検出される。図６において示されるように、屈折率ｎ_Ｓ、ｎ_Ｓ＋Δｎ_Ｓに対応する検出された位相φ_ｐは、屈折率における差分Δｎ_Ｓによる、共鳴波長λ_Ｒから共鳴波長λ_Ｒ＋Δλ_Ｒへの共鳴波長におけるシフトの結果として生成されるオフセット曲線である。共鳴波長と屈折率との間のマッピングは、この場合、共鳴波長の差分Δλ_Ｒを屈折率における対応する差分Δｎ_Ｓに変換するために、使用されることが可能である。

本発明の代替の実施形態において、共鳴波長λ_Ｒの近傍での波長λの変化に対する位相φ_ｐの変化の感度は、図５Ａに示されているようなターゲットＴにおける従来の偏光ｐ、ｓに対して、光信号Ｉ_１の光波ｐ、ｓのオフセットされた偏光をミスアライメントさせる（又は調整をずらす、又はアライメントをずらす）か又は回転させることによって修正され、この結果として、図５Ｂに示されるように、ミスアライメントさせられた偏光ｐ’、ｓ’を有する光波ｐ’、ｓ’が生じる。偏光におけるミスアライメントに起因して、量ｄφ_ｐ／ｄλにおける増加として現われるこの感度の向上は、誘電体２の屈折率の変化に対する、対応する位相の感度の向上を提供する。図７は、光信号Ｉ_１が、光波ｐ、ｓに対してミスアライメントさせられた光波ｐ’、ｓ’を有する時の、光信号Ｉ_２の（φ_ｐ（ｐ’，ｓ’）として示されている）位相φ_ｐを示す。光信号Ｉ_１が光波ｐ、ｓを有する時の光信号Ｉ_２の位相は、図７において、φ_ｐ（ｐ，ｓ）として示されている。

偏光のミスアライメントは、様々な代替の方法で達成される。例えば、ミスアライメントは、図４Ａ内に示される実施形態において、例えば偏光ビーム結合器２８とコリメータ３０との間のファイバ内に、半波長板の複屈折（図示せず）を生成することによって生じられる。ミスアライメントは、代替的には、偏光ビーム結合器２８の直後に光信号Ｉ_１を平行化することによって、且つ、その平行化された光信号のビーム内に、わずかにミスアライメントさせられた自由空間の半波長板を挿入することによって達成される。代替として、偏光成分におけるミスアライメントは、偏光ビーム結合器２８のわずかなミスアライメントによって達成されることができる。この場合、コリメータ３０は、偏光ビーム結合器２８に隣接して配置されている。

例えば、共鳴波長λ_Ｒの近傍において光波長λが掃引されるか又は調整させられる時に、位相φ_ｐを測定する間、挿入された半波長板を（存在する場合に）回転させることによってか、又は偏光ビーム結合器２８を回転させることによって、光信号Ｉ_１の偏光の所与のミスアライメントに対して、共鳴波長λ_Ｒの近傍での波長λの変化に対する位相φ_ｐの変化の感度は、経験的に向上させられるか又は最大化させられることができる。

偏光ミスアライメントの分析的な決定に基づいて、共鳴波長λ_Ｒの近傍での波長λの変化に対する位相φ_ｐの変化の感度は、向上させられるか又は最適化されることができる。分析的な決定において、光波ｐ_ｒ、ｓ_ｒに対応する光信号Ｉ_２の電界Ｅ_ＳＯとＥ_ＰＯとは、行列式（３）によって表される。

行列式（３）において、項ｒ_ｓは、ターゲットＴにおける光波ｓの反射についてのジョーンズ行列要素である。項ｒ_Ｐｅ^ｊφｐは、ターゲットＴにおける光波ｐの反射についてのジョーンズ行列要素である。項ａと項ｂとは、偏光ミスアライメントについてのジョーンズ行列要素であり、ここで、ａ＝｜ａ｜ｅ^ｊδａであり、ｂ＝｜ｂ｜ｅ^ｊδｂである。項Ｅ_ＳとＥ_Ｐとは、光信号Ｉ_１の光波ｐ、ｓそれぞれの電界成分である。

ターゲットＴからの反射信号Ｉ_２は、図５Ｂにおいて示されるように、偏光器３２を通過させられて、干渉信号Ｉ’（ｔ）を提供する。干渉信号Ｉ’（ｔ）＝｜ｃｏｓαＥ_ＳＯ＋ｓｉｎαＥ_ＰＯ｜^２は、検出器３４によって捕捉される。ここで、角度αは、光信号Ｉ_２の光波と、偏光器３２の軸Ｘとの間の回転オフセットを表す。検出器３４は、周波数γτの近傍における干渉信号Ｉ’（ｔ）内の項に応答する。該周波数γτは、波長可変光源２２によって提供される光信号Ｉ_１の光波ｐ’とｓ’との間の周波数の差分、すなわちビート周波数である。検出器３４は、干渉信号Ｉ’（ｔ）内の指定された項が測定されるか又は検出されることができる感度を改善するために、周波数γτについての狭帯域幅内での応答性に合わせて、フィルタリングされるか又はそうでなければ調整されることができる。検出器３４は、式（４）において表される電気信号Ｉ’_ＤＥＴ（ｔ）を提供する。

光信号Ｉ_１の偏光のミスアライメントについて、式（４）に基づいて、波長に対する高い位相感度が達成される。ここで、｜ｂ｜は、ターゲットＴからの光波ｐの反射率ｒ_Ｐにほぼ等しい。ＳＰＲの位相φ_ｐと、ミスアライメントの位相δ_ａ＋δ_ｂとの和は、πの奇数倍である。典型的な例において、光波ｐ、ｓの偏光と、光波ｐ’、ｓ’の偏光との間での５度未満のミスアライメントについての感度の向上が達成される。

図８Ａ〜図８Ｂにおいて示される、本発明の代替の実施形態において、光学位相検出器２０がスケーリングされて、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎとして示されるターゲットＴであってＳＰＲトランスデューサのアレイを含むターゲットＴからのＳＰＲ誘発された位相ずれの同時か又は連続的な検出を可能にしている。図８Ａにおいて、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイは、光スプリッタ４２によって光信号Ｉ_１から提供されて、コリメータ３０_１〜３０_Ｎを介して導かれる光信号Ｉ１_１〜Ｉ１_Ｎによって照射される。ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイと、検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎのアレイを含む検出器４４との間に、レンズのようなイメージング素子（又は結像素子、又は撮像素子）４３が挿入される。イメージング素子４３は、図示されるようなターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイと偏光器３２との間か、又は偏光器３２と検出器アレイ４４との間の光路内に配置される。イメージング素子４３は、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎの物理的な位置と、検出器アレイ４４内の検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎの物理的な位置との間のマップか又は他の対応付けとを提供し、その結果、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイから反射された光信号Ｉ_２１〜Ｉ_２Ｎは、検出器アレイ４４内の対応する検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎによって捕捉される。検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎは、検出された信号Ｉ_１ＤＥＴ（ｔ）〜Ｉ_ＮＤＥＴ（ｔ）を位相比較器か又は他のプロセッサ４６に提供する。プロセッサ４６は、検出された信号Ｉ_１ＤＥＴ（ｔ）〜Ｉ_ＮＤＥＴ（ｔ）を周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）と比較して、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイ内における各ターゲットから反射された信号Ｉ２_１〜Ｉ２_Ｎの対応する位相を抽出する。

図８Ａにおいて示される実施形態において、周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）は、光信号Ｉ_１を分岐させることと、基準光信号Ｉ_ＲＥＦを偏光器４７によって偏光させることと、結果的に生じる干渉信号Ｉ_Ｒ（ｔ）を検出器４４Ｒによって検出することとを介して、波長可変光源２２によって提供される光信号Ｉ_１から導出される基準光信号Ｉ_ＲＥＦから、結果として生じる。代替の実施形態において、周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）は、例えば、検出された信号Ｉ_ＸＤＥＴ（ｔ）といった検出された信号Ｉ_１ＤＥＴ（ｔ）〜Ｉ_ＮＤＥＴ（ｔ）のうちの指定された１つによって提供される。この指定された検出された信号Ｉ_ＸＤＥＴ（ｔ）は、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイ内におけるターゲットＴ_ｘに対応する。ターゲットＴ_ｘが、ターゲットＴ_ｘ上に入射する光信号Ｉ１_Ｘの波長におけるＳＰＲ位相ずれを引き起こさない時には、プロセッサ４６によって抽出される位相は、基準光信号Ｉ_ＲＥＦの位相に関連する。ターゲットが、ターゲットＴ_ｘ上に入射する光信号Ｉ１_Ｘの波長におけるＳＰＲ位相ずれを引き起こす時には、プロセッサ４６によって抽出される位相は、差分（又は微分）である。この差分位相は、ターゲットＴ_ｘに対応する屈折率に関連する、ターゲットのアレイ内のターゲット間の差分屈折率に対応する。

図８Ｂにおいて示される、本発明の実施形態に従って、レンズのような合焦要素（フォーカシング要素）４７は、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイを照射するために適度に広い、光信号Ｉ_１からのビームＢ_１を形成する。ターゲットのアレイは、光信号Ｉ_１のビームＢ１を反射して、ビームＢ２を形成する。ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイと偏光器３２との間の光路内に配置されるイメージング素子４３は、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎの物理的な位置と、検出器アレイ４４内の検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎの物理的な位置との間の対応づけを提供し、その結果、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイ内に配置された対応するターゲットから反射されたビームＢ２の各部分が、検出器アレイ４４内の対応する検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎによって捕捉される。検出器要素Ｄ_１〜Ｄ_Ｎは、検出された信号Ｉ_１ＤＥＴ（ｔ）〜Ｉ_ＮＤＥＴ（ｔ）を、位相比較器か又は他のプロセッサ４６に提供する。その位相比較器か又は他のプロセッサ４６は、各々の検出された信号Ｉ_１ＤＥＴ（ｔ）〜Ｉ_ＮＤＥＴ（ｔ）を周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）と比較して、ターゲットＴ_１−Ｔ_Ｎのアレイ内における各々のターゲットから反射されたビームＢ２内の光信号の位相を抽出する。

図８Ｂにおいて示される実施形態において、周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）は、光信号Ｉ_１を分岐させることと、基準光信号Ｉ_ＲＥＦを偏光器４７によって偏光させることと、結果的に生じる干渉信号Ｉ_Ｒ（ｔ）を検出器４４Ｒによって検出させることとを介して、波長可変光源２２によって提供される光信号Ｉ_１から導出される基準光信号Ｉ_ＲＥＦから、結果として生じる。代替の実施形態において、周波数基準Ｉ_ＲＤＥＴ（ｔ）は、例えば、検出された信号Ｉ_ＸＤＥＴ（ｔ）といった検出された信号Ｉ_１ＤＥＴ（ｔ）〜Ｉ_ＮＤＥＴ（ｔ）のうちの指定された１つによって提供される。この指定された検出された信号Ｉ_ＸＤＥＴ（ｔ）は、ターゲットＴ_１〜Ｔ_Ｎのアレイ内におけるターゲットＴ_Ｘに対応する。ターゲットＴ_Ｘが、ターゲットＴ_Ｘ上に入射する光ビームＢ１の一部分の波長におけるＳＰＲ位相ずれを引き起こさない時には、プロセッサ４６によって抽出される位相は、基準光信号Ｉ_ＲＥＦの位相に関連する。ターゲットが、ターゲットＴ_Ｘ上に入射する光信号Ｉ１_Ｘの波長におけるＳＰＲ位相ずれを引き起こす時には、プロセッサ４６によって抽出される位相は、差分（又は微分）である。この差分位相は、ターゲットＴ_Ｘに対応する屈折率に関連する、ターゲットのアレイ内のターゲット間の差分屈折率に対応する。

図９は、本発明の代替の実施形態による、位相検出方法５０のフローチャートを示す。方法５０のステップ５１において、光波ｐと光波ｓとが、波長範囲にわたって調整される。ステップ５２において、光波ｐと光波ｓとの間の周波数オフセットγτが、光波ｐと光波ｓとの間に相対遅延τを与えることによって、光信号Ｉ_１の波長が調整される時に、提供される。ステップ５４は、光波ｐと光波ｓとに応答して光波ｐ_ｒと光波ｓ_ｒとを提供するために、光波ｐと光波ｓとをターゲットＴへと導くステップを含む。ステップ５６は、周波数オフセットγτでの検出された信号を提供するために、光波ｐ_ｒの偏光成分と光波ｓ_ｒの偏光成分とを検出するステップを含む。ステップ５８において、光波ｐ_ｒと光波ｓ_ｒとの偏光成分間での、ターゲットＴによって引き起こされた位相差、すなわち位相φ_ｐが抽出される。位相φ_ｐを抽出するステップは、典型的には、検出された信号を、周波数オフセットγτでの周波数基準と比較する段階を含む。一例において、周波数基準は、偏光器を通過する基準光信号を検出するステップから導出される。ここで、基準光信号は、光信号Ｉ_１の光波ｐとｓとから分岐される。

ＳＰＲトランスデューサ１０か、又はＳＰＲトランスデューサのアレイが、本発明の実施形態による例示的なターゲットＴとして使用されてきたが、ターゲットＴは、代替的には、印加された光信号Ｉ_１に応答して光信号Ｉ_２を提供するのに適した任意のデバイスか、要素か、又はシステムである。ここで、光信号Ｉ_２は、光信号Ｉ_１の反射か、透過か、又は他の処理の結果から生じる。

本発明の実施形態が、詳細に説明されてきたが、特許請求の範囲において記載されているような本発明の範囲を逸脱することなく、当業者であれば、これらの実施形態に対する修正及び改変を行うことができることは明白なはずである。

ＳＰＲトランスデューサについての従来技術の構成を示す図である。 図１の構成についての波長に対する位相の例を示す図である。 本発明の実施形態による、光学位相検出器を示す図である。 図３の光学位相検出器の例示的な実施形態を示す図である。 図３の光学位相検出器の例示的な実施形態を示す図である。 本発明の実施形態に含まれる、偏光された光信号の詳細図である。 本発明の実施形態に含まれる、偏光された光信号の詳細図である。 本発明の実施形態による、光波長に対する例示的な位相曲線を示す図である。 本発明の実施形態による、異なる偏光アライメントについての光波長に対する位相遷移を示す図である。 本発明の実施形態による、スケーリングされた光学位相検出器を示す図である。 本発明の実施形態による、スケーリングされた光学位相検出器を示す図である。 本発明の代替の実施形態による、位相検出法のフローチャートを示す図である。

符号の説明

２０ 光学位相検出器
２２ 波長可変光源
２３ 偏波保持カプラ
２５ 光学遅延素子
２６ 波長可変レーザー
２８ 偏光ビーム結合器
３０ コリメータ
３４ 検出器
３６ プロセッサ
４３ イメージング素子

Claims (20)

1. 第１の偏光を有する第１の光波と、第２の偏光と該第１の光波に対する遅延とを有する第２の光波とを生成する波長可変光源であって、該遅延は、指定された波長範囲にわたって該波長可変光源が調整される時に、該第１の光波と該第２の光波との間に周波数オフセットを引き起こすことからなる、波長可変光源と、
   前記第１の光波と前記第２の光波とを受光し、前記第１の光波と前記第２の光波とに応答して第３の光波と第４の光波とを提供するターゲットと、
   前記第３の光波の偏光成分と前記第４の光波の偏光成分とを捕捉して、前記周波数オフセットにおける検出された信号を提供する検出器と、
   前記検出された信号を受信して、前記第３の光波と前記第４の光波との間の、前記ターゲットによって引き起こされた位相差を抽出するプロセッサ
   とを備える、光学位相検出器。
2. 前記第３の光波と前記第４の光波との間の前記位相差を抽出することは、前記検出された信号を前記周波数オフセットにおける周波数基準と比較する段階を含む、請求項１に記載の光学位相検出器。
3. 前記第１の光波と前記第２の光波とを前記波長可変光源から分岐させ、分岐した第１の光波と分岐した第２の光波とを偏光器に通過させて、該分岐した第１の光波と該分岐した第２の光波との間の前記周波数オフセットにおける、前記偏光器からの結果として生じる信号を検出することによって、前記周波数基準が提供される、請求項２に記載の光学位相検出器。
4. 前記分岐した第１の光波と前記分岐した第２の光波とは、前記偏光器を通過する前に、基準ターゲットにおいて反射させられる、請求項３に記載の光学位相検出器。
5. 前記第１の光波は、ｓ偏光を有し、前記第２の光波は、直交するｐ偏光を有する、請求項１に記載の光学位相検出器。
6. 前記位相差は、前記ｐ偏光の成分の位相である、請求項４に記載の光学位相検出器。
7. 前記ターゲットは、ＳＰＲトランスデューサを含む、請求項１に記載の光学位相検出器。
8. 前記ターゲットと検出器との間に挿入されるイメージング素子であって、前記ターゲットの物理的な位置を、前記検出器の物理的な位置にマッピングする、イメージング素子を更に備える、請求項１に記載の光学位相検出器。
9. 前記ターゲットは、ＳＰＲトランスデューサのアレイを含む、請求項８に記載の光学位相検出器。
10. 前記波長可変光源は、
    偏波保持カプラに結合された波長可変レーザーと、
    前記偏波保持カプラの第１の出力に結合された光学遅延素子と、
    前記光学遅延素子と前記偏波保持カプラの第２の出力との間に結合された偏光ビーム結合器とを備え、
    前記偏光ビーム結合器は、コリメータに結合されることからなる、請求項１に記載の光学位相検出器。
11. 前記周波数オフセットは、前記相対的な遅延と前記波長可変光源の調整速度とによって確立される、請求項１に記載の光学位相検出器。
12. 指定された波長範囲にわたって、第１の偏光を有する第１の光波と、該第１の偏光からオフセットされた第２の偏光を有する第２の光波とを調整するステップと、
    前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を与えることによって、前記第１の光波と前記第２の光波との間に周波数オフセットを提供するステップと、
    前記第１の光波と前記第２の光波とを、前記第１の光波と前記第２の光波とに応答して第３の光波と第４の光波とを提供するターゲットに導くステップと、
    前記周波数オフセットにおける検出された信号を提供するために、前記第３の光波の偏光成分と前記第４の光波の偏光成分とを検出するステップと、
    前記第３の光波の偏光成分と、前記第４の光波の偏光成分との間の、前記ターゲットによって引き起こされた位相差を抽出するステップ
    とを含む、光学位相検出方法。
13. 前記位相差を抽出するステップは、前記検出された信号を、前記周波数オフセットにおける周波数基準と比較する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の光波は、ｓ偏光を有し、前記第２の光波は、直交するｐ偏光を有する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記周波数基準は、偏光器を通過する基準光信号を検出するステップから導出され、前記基準光信号は、前記第１の光波の分岐と、前記第２の光波の分岐とを含むことからなる、請求項１２に記載の方法。
16. 前記位相差は、前記ｐ偏光の成分の位相である、請求項１４に記載の方法。
17. 前記位相は、前記指定された波長範囲内における波長に対して記録される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ターゲットは、ＳＰＲトランスデューサを含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記ターゲットの物理的な位置を、検出器の物理的な位置にマッピングするステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記ターゲットは、ＳＰＲトランスデューサのアレイを含む、請求項１９に記載の方法。

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