発明の詳細な説明【発明の詳細な説明】 【０００１】 続きを表示（約 4,100 文字）【技術分野】 【０００２】 本発明は、高精度、且つ小型化が可能なデジタルホログラフィック顕微鏡に係り、薄型導波路によりビームスプリッタによるアライメント調整不要な簡易的に物体の振幅・位相情報を計算できる小型光学装置に関する。 【背景技術】 【０００３】 インターネットやマルチメディア通信の急速かつグローバルな普及に伴い、光通信ネットワークの成長が加速している。光通信網の大容量化に向けて、光波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing : WDM）伝送網（非特許文献1）などの開発が行われており、このような光通信網のキーとして石英系平面導波路（Planer Lightwave Circuit : PLC）を提供することができる。これは大規模集積に適し、長期安定性があり大量生産が可能であるためである（非特許文献2）。PLC技術により光パワースプリッター（非特許文献3）、アレイ型導波路回折格子（Array Waveguide Grating: AWG）（非特許文献4）、熱光学位相シフタ（非特許文献5、6）に応用されている。しかし、石英系導波路のコアは屈折率の低い材料を用いているため、導波路の製造、特に曲がり導波路の作製においては曲げ半径を小さくすることができず、光集積回路の微小化への限界があった。そのため、シリコンやInPなど屈折率の高い材料をコアとして用いた導波路の開発および光集積回路の微小化が進められてきた。近年ではシリコンナイトライド導波路が注目されている。このシリコンナイトライド導波路は微小な光集集積回路の開発可能な点の他に400から2350 nmの広い波長範囲で透明性を持ち、0.3 dB/mから1.0 dB/mという低い伝送損失で光を導波できるという特徴をもつ（非特許文献7）。このため、シリコンナイトライド導波路の特徴を生かし、1チップで光ビームを送受信できるグレーティングカプラ(特許事例1)や多モード干渉の原理をもとに低損失かつ広帯域で利用可能な波長多重化器が提案・開発されている（非特許文献8）。 【０００４】 デジタルホログラフィック顕微鏡(Digital Holographic Microscope : DHM)（非特許文献9）は非侵襲・非接触で微小物体の厚みや屈折率の定量位相情報の計測が可能な光学測定装置の一つである。DHMは光源の光を物体光と参照光に分波し、対象物体を透過及び反射した物体光と基準となる参照光を合波することで干渉縞を形成する。その干渉縞を撮像素子で記録し、ホログラムを生成したのちに再生伝搬計算で対象物体を再構成する手法である。この手法を用いた癌細胞の識別や対象物体の表面形状分析などが行われている（非特許文献10）。しかし、従来技術では拡大用の対物レンズや光軸調整用のミラーなどの光学素子によって、光学系が大型化・複雑化する問題や生体細胞を摘出する等の課題があった。 【先行技術文献】 【非特許文献】 【０００５】 H. Toba, et.al., “A 100-ch optical WDM transmission/distribution at 622 Mbits/s over 50 km,” J. Lightwave Technol., 8,1396–1401(1990). A. Himeno, K. Kato and T. Miya, "Silica-based planar lightwave circuits," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 4(6), 913-924 (1998). M.Okuno, A. Takagi, M.Yasu and N. Takato, Spring Natl. Cony. IECE. Jpn., (1989). X. JM. Leijtens, et.al., "Arrayed waveguide gratings." Wavelength filters in fibre optics. Springer, Berlin, Heidelberg, 125-187 (2006). M. Haruna and H. Koyama, Proc. ECOC'83, Firenze, October (1983). M.Kawachi, "Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components." Optical and Quantum Electronics 22.5, 391-416 (1990). D. J. Blumenthal, R. Heideman, D. Geuzebroek, A. Leinse and C. Roeloffzen, "Silicon Nitride in Silicon Photonics," in Proceedings of the IEEE, 106(12), 2209-2231(2018). J.Mu, S, et.al., "A Low-Loss and Broadband MMI-Based Multi/Demultiplexer in Si3N4/SiO2 Technology," in Journal of Lightwave Technology, 34(15), 3603-3609 (2016). J. W. Goodman, et al., “Digital image formation from electronically detected holograms” Appl. Phys. Lett. 11 77(1967). E. Watanabe, T. Hoshiba, and B. Javidi, “High-precision microscopic phase imaging without phase unwrapping for cancer cell identification,” Opt. Lett. 38(8), 1319-1321 (2013). 【特許文献】 【０００６】 特開2021-507290 【発明の概要】 【発明が解決しようとする課題】 【０００７】 従来技術では拡大用の対物レンズや光軸調整用のミラーなどの光学素子によって、光学系が大型化・複雑化する問題があった。この為例えば生体組織下の細胞や血管を観察する際には生体内部から生体や生体細胞を摘出する等が必要となり、計測には時間がかかっていた。また摘出を必要としない場合でも蛍光プローブなどで標識付けが必要となり、共焦点顕微鏡や二光子顕微鏡のような計測装置では装置が大型化になると同時に計測時間が長く、扱いが難しい等の課題があった。 【課題を解決するための手段】 【０００８】 前記課題を解決するための手段として、薄型導波路を使った光学系で構成する。薄型導波路は例えばシリコンナイトライド導波路を用いた構造にする。これによりミラーやビームスプリッタなどの空間光学系を必要としない光学系とする。また、光源から出射された光を導波路によって物体光と参照光に分波・出射し、物体光と参照光の干渉させることで、ビームスプリッタによるアライメントの調整を必要としない光学系とする。さらに出射部分にグレーティングカプラを配置し、そのグレーティングカプラをフレネルゾーンプレートのように集光させることにより，任意の点におけるイメージングを可能にする。 【発明の効果】 【０００９】 本発明によれば、光源から出射された光を薄型の導波路によって物体光と参照光に分波・出射し、物体光と参照光の干渉させることで、ビームスプリッタによるアライメントの調整を必要としない光学系が作成できる。また、導波させた波長の干渉縞からサンプルの透過スペクトルに応じたイメージングが作成できる。さらに、出射端面を入射端面と垂直に配置することで、入射した光の漏れ光が出射光に重畳することなく物体光の振幅情報を取得でき計算によるイメージングがより高精度に出来る。出射部分にグレーティングカプラを配置し、導波路平面上から物体光と参照光を出射させることで、導波路の同一端面からの出射する方法に比べ、物体光のみ照射される範囲を確保することができる。さらに出射部のグレーティングカプラをフレネルゾーンプレートのように集光させることにより，任意の点におけるイメージングを可能になる等の効果があり高精度イメージングデータを取得することが可能である。このため、生体観察の用途として簡易な血管検査や生体内の癌細胞の検査（正常細胞と癌細胞の識別）、生体組織の３次元生体認証等の用途に関して有効である。また、光導波路を含めた光学系の多くを１チップ化することができ、超小型の光学系を構築することが可能となる。従って小型で且つ低コスト化も可能であることから医療用や生体観察用だけではなく、例えば生体認証用途にも応用可能となり、ATMや防犯用途等にも応用可能である。 【図面の簡単な説明】 【００１０】 実施例に係る小型光学装置を含む全体システム構成の一例を示す図。 実施例に係る小型光学装置のソフトウェア構成図。 実施例に係る小型光学装置の薄型光学系の構成図。 実施例に係る小型光学装置のMMIスプリッタの例を示す図。 実施例の有効性を示すシミュレーションを示す図。 本発明の別の実施例を示す図。 【発明を実施する形態】 （【００１１】以降は省略されています） この特許をJ-PlatPatで参照する
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