JP6180657B2 - スペクトル検知のためのチューナブルフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、サンプルから受け取られる光に基づくサンプルの解析のための分光解析装置に関する。更に、本発明は、組織の分光解析及び特徴づけに関する。

スペクトル組織センシング及び他のスペクトルセンシング方法のための装置は、広帯域光源及び１又は複数の広帯域スペクトロメータを有する。実際、これら２つは、可視及び近赤外波長レンジをカバーする必要により含められている。スペクトル組織センシングのための例示の従来技術は、国際出願第2012/127378号、第2012/093309号及び第2013/001423号公報に開示されている。国際出願第2011/132128号は、限られた数の波長が水及び脂質を検出するために使用される例を開示する。

このスペクトル組織センシングは、多くのアプリケーション領域において、特に医療アプリケーション領域において大きな潜在能力を有する。しかしながら、成功するためには、コスト及びフォームファクタが非常に重要である。現在の最先端技術は、なお、別個のカートで運搬されることを必要とし及び高い費用を含むシステムを必要とする。その結果、これらのシステムは病院環境において使用されるだけであり、ここで、このような装置の限られた数だけが予算及びワークフローに適合する。

米国特許出願公開第2012/0226118A1号公報は、物質（例えばグルコース）を検知するための埋め込み可能なセンサを開示する。センサは、サンプルと相互作用する放射線をスペクトル処理するためのフォトニック集積回路を利用する放射線プロセッサを有する。

米国特許出願公開第2007/0109550A1号公報は、光学入力信号の光学スペクトルを検出するシステム及び方法を開示する。システムは、複数の状態にわたって調節可能なマイクロ共振器を有するチューナブル光学フィルタ、及びプロセッサを有する。入力信号はマイクロ共振器に結合され、マイクロ共振器は、目標とする検出レンジより狭いスペクトルレンジにわたって連続的にチューニングされる。

本発明の目的は、今日のシステムに関連する問題の１又は複数を軽減する分光解析システムを提供することである。

この目的のために、本発明は、サンプルの解析のための分光解析装置であって、サンプルから光を受け取る入力部及び受け取られた光をフィルタリングするよう構成される１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタを有するフォトニック集積回路と、１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタを制御し、１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタから得られるフィルタ結果を受け取り、受け取られたフィルタ結果に基づいて分光解析結果を提供するように構成されるコントローラと、を有する分光解析装置を提供する。本発明の重要な要素は、小さい広帯域光源及び簡単なマイクロコントローラを有するフォトニック集積回路（ＰＩＣ）上のチューナブルフィルタ（例えば共振器）による迅速な検出及び高い解像度の組み合わせである。限られた数の波長が測定ごとに非常に狭い帯域で同時に測定されるので、迅速な検出が達成される。この結果、簡単な低ノイズの光検出器が使用されることができ、これは、優勢なノイズ寄与が入力光のショットノイズのみであることを意味する。４０の十分なＳＮＲを達成するために、１６００光子だけが必要とされ、これは、極めて速い測定時間を意味する。高速なチューナブル光学フィルタを適当な分類アルゴリズムと組み合わせることによって、従来の分光学に基づく現在知られている診断装置が、例えば組織認識に関して、大きく改善される。

本発明によれば、フォームファクタ及びコストが大幅に低減されることができ、それにより、モバイル装置への応用を可能にする。これは、病院におけるアプリケーションを広げるだけでなく、ポイントオブケアアプリケーション、モバイル及び緊急時サービス使用を可能にする。感受性光検出器及び小さいサイズのフィルタと組み合わせられる高速チューニング（数ミリ秒）及び高解像度（＜０．１ｎｍ）の能力は、単一の入力信号から供給される単一チップへのフィルタバンクの組み込みを可能にする。

様々な形のチューナブルフィルタが存在し、例えばファブリペローフィルタ、音響光学チューナブルフィルタ、分布されるブラッグ反射器光学フィルタ（例えば米国特許第5022730号に開示される）、（例えばDiCon Fiberoptics Inc http://www.diconfiberoptics.com/products/tunable_optical_filter.php）ＭＥＭＳチューナブルフィルタ、又は例えば国際公開第2004/057284号、第2006/114773号に開示される多変量光学素子に基づくチューナブルフィルタが存在する。これらの知られているフィルタは、小さい分光解析装置の生成を可能にするほど十分小さくなく、又は小さいチューニングレンジに苦しみ、又は他の不利益をもつ。

高速なチューナブル光学フィルタは、電気通信の分野で知られていて、例えば米国特許第6901178号公報を参照されたい。フォトニック集積回路の出現により、低コストのこのようなフィルタの生成が、今日、基板上で実現可能である。更に、小さいサイズのフィルタは、低い時定数をもたらし、より高速なチューニングを可能にする。このようなフィルタは、A. Meijerink et al., "Novel ring resonator-based integrated photonic beamformer for broadband phased array receive antennas - part I: design and performance analysis", Journal of Lightwave Technology, 2010, 28 (1). pp. 3-18. ISSN 0733-8724の文献に示されるようなより複雑な回路に組み込まれることができ、従って、電気通信分野のアプリケーションに関して関心のあるものとして考えられる。

本発明による装置の実施形態を示す図。 減衰器を有する他の実施形態を示す図。

図１は、光源（例えば、４Ｗタングステンハロゲン光源４ＷＴＨＳによって例示されるタングステンハロゲン、ＬＥＤ又はレーザ）を、フォトニック集積回路ＰＩＣと組み合わせた実施形態を示し、フォトニック集積回路ＰＩＣは、ビームスプリッタ（例えばアレイ状に配された導波路グレーティング（ＡＷＧ））及び複数のチューナブルフィルタ（例えばリングキャビティ共振器を有する）と、チューナブルフィルタ出力ごとの光検出器と、時間にわたって光検出器出力を積分する電子積分回路ＩＮＴ１．．ＩＮＴ３と、多重化ＡＤ変換器ＭＵＸＡＤＣと、適切な波長レンジ及び対応するスペクトル係数を記憶するように構成されるメモリＭＷＣＷＴ（係数及び波長テーブルを有するメモリ）を有するマイクロコントローラＭＣと、を有する。ハンドヘルド装置ＨＨＤとして使用されることができるように装置を駆動するバッテリＢＡＴが更に図１に示される。データを出力するために、装置は、それ自体のディスプレイを備えていることができ、又は例えばBluetoothを使用してタブレットコンピュータ、スマートフォン、スマートウォッチを通じて制御されることができる。この機能は、図１のディスプレイ又は通信インタフェースＤ／ＣＩによって示されている。チューニングは、使用されるリング共振器のタイプに依存し、例えば、熱的であり、光遅延線をチューニングすることにより、又は電気光学、熱光学又は音響光学的に屈折率を変更することによる。例えばRoeloffzen et al, "Silicon Nitride microwave photonic circuits", OPTICS EXPRESS 22937, Vol. 21(19), 2013]による文献を参照されたい。

動作中、マイクロコントローラＭＣは、広帯域光源４ＷＴＨＳをアクティブにする。その結果、広帯域光が、照明ファイバＩＬＦを通って、サンプル／関心のある対象に向かって光学プローブへ出力される。関心のある対象は、光の一部を散乱させ、吸収する。散乱光の一部は、検出ファイバＤＥＦによって取得される。

検出ファイバから到来する光は、関心のある波長レンジ全体（例えば今日使用されている可視及び近赤外レンジの４００−２０００ｎｍ）にわたって、ＰＩＣに提供される。ビームスプリッタ（例えばＡＷＧ）が、複数のチューナブルフィルタに入力光を分配し、各チューナブルフィルタは、それ自体の波長チューニングレンジをもつ。チューナブルフィルタは、シャープなバンドパスフィルタであり、例えば０．１−５ｎｍのレンジの光を通過させる。チューナブルフィルタを通過した光は、光検出器（例えば可視光の場合はＰＩＮダイオード又は近赤外光の場合はＩｎＧａＡｓダイオード）に結合される。光検出器によって変換された光子は、積分器の電荷として蓄積される。積分器の出力は、多重化ＡＤ変換器ＭＵＸＡＤＣに供給され、検出光量に対応する電気信号に変換される。

関心のある物質ごとに、クラシファイヤが、信頼性をもって物質の存在及び量を検出するためにスペクトル全体で限られた数のデータポイント（一般に５−２０の波長帯域のオーダー）を必要とする測定されたスペクトルレンジの次元縮小によって事前に生成される。これは、使用されるクラシファイヤに関係ない。関心のある各々の物質について、フィルタがチューニングされるべきである波長及び波長サブレンジのスペクトル係数が、マイクロコントローラのメモリに記憶される。マイクロコントローラによってたどられるプロシージャは、以下の通りである：

積分される波長サブレンジの始めに合わせてフィルタをチューニングする。
積分器をリセットする。
積分器に蓄積された電荷を測定し、記憶する。
任意には、サブレンジがチューナブルフィルタの帯域幅より大きい場合、波長サブレンジ全体においてスキャンする。
測定を停止し、ＡＤ変換器を使用して蓄積された電荷を読み出す。

マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラＭＣにおいて、各々の測定されたフィルタ信号にメモリからのそのスペクトル係数を乗算し、これらの中間フィルタ結果の合計として最終的な出力を計算することによって、結果として得られる出力を組織クラシフィケーションとして計算する。アルゴリズム計算の複雑さは、乗算及び加算だけに低減され、簡単なマイクロコントローラ（例えばＡＲＭ−Ｃｏｒｔｅｘタイプ）が、小さいサイズ及び低消費電力でリアルタイム挙動を提供することができることを意味することに留意されたい。このアプローチは、正及び負の寄与（例えば回帰ベクトル）に基づく複雑なクラシフィケーションアルゴリズムを扱うことができることに留意されたい。このアルゴリズムは、寄与が非ゼロである特定の波長レンジについてチューナブルフィルタを使用する。正の寄与の場合は、計算において正の係数が使用され、負の寄与の場合、負の係数が使用される。最終的な合計は、正及び負な寄与を統合して単一の結果を与える。

その後、次の物質が、測定されることができる。バンク内のフィルタの数に依存して、任意に複数の物質が同時に測定されることができ、又は単一物質の複数の成分が、順次に測定されることができ、こうして分類される物質に対する大きい柔軟性を可能にする。

ここで記述されるアプローチは、別な方法で使用されることができる：

選択可能な解像度を有する完全な波長レンジ分光インプリメンテーション：所望の解像度に対応する固定のステップで関心のある波長レンジにわたってチューナブルフィルタを動かし（調整し）、フォトセンサにより強度を測定する（例えば、シリコンフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、光電子増倍管（使用される検出器技術に依存して、１又は複数が、波長レンジ全体をカバーするために必要とされうることに留意されたい））。実際、これは、初期情報を集めるとき、又は例えばこの情報に対してより複雑なアルゴリズムを実行するタブレットに接続されるときに、有用である。

比率に基づくクラシフィケーションアルゴリズム。このアルゴリズムは、２又はそれより多くの波長帯域を使用する。チューナブルフィルタは、関心のある各々の波長帯域について、バンドパスフィルタ（フォトセンサ）を有するように構成される。結果として得られる信号は、特定の特性のための標示を提供するために、減算され及び／又は除算されることができる。測定スピード及び正確さは、光量及び使用される帯域の数によってのみ制限される。計算のほとんどがＰＩＣにおいて光によって行われ、最終の除算及び係数の乗算のみがマイクロコントローラにおいて行われるので、アルゴリズムは、プロセッサ集約的でない。

代替の実施形態において、マイクロコントローラ上で必要とされる計算の量は、より複雑なＰＩＣを使用することによってより低減されることもでき、これは更に、フィルタの図２の減衰ＡＴＴ１．．ＡＴＴ３の構成を可能にし、又は変化するチューニングスピードを可能にする。このＰＩＣは、フォトニック集積回路の正及び負の寄与（例えば回帰ベクトル）に基づいてクラシフィケーションアルゴリズムの計算のほとんどを直接的に実現する。各々の減衰器（図２においてＡＴＴ１．．ＡＴＴ３）は、その光学チェーンにおいて光検出器によって検出された光学信号のパワーを、デジタルで変調するように、すなわち、所望のスペクトル係数に従ってそのオン及びオフを切り替えるように、構成されることができる；代替として、各々の減衰器は、アナログ振幅変調を、その光学チェーンにおいて光検出器によって検出された光学信号のパワーに適用するように構成されることができ、すなわち、その光学チェーンの光検出器によって検出された光学信号のパワーに、０及び１の間の任意の値（０及び１を含む）を有するスペクトル係数を適用するように、構成されることができる。

このアルゴリズムは、例えば２つのチューナブルバンドフィルタ、２つの減衰器及び２つの統合フォトセンサを使用する。バンドフィルタ、減衰器及びフォトセンサを有する一方の光学チェーンは、クラシフィケーションに対し正の寄与を提供し、バンドフィルタ、減衰器及びフォトセンサを有する他方の光学チェーンは、クラシフィケーションに対する負の寄与を提供する。バンドフィルタは、波長レンジをスキャンし、同時に、減衰器が、特定の波長のためのベクトルの値によって設定される。寄与が正の場合、正のチェーンの減衰器は値によって設定され、負のチェーンの減衰器は、ゼロにセットされ、逆もまたありうる。結果は、正及び負のフォトセンサの間の差である。

２つのフィルタチェーンは独立してアクティブにされうるので、測定スピードは、正／負の寄与のために適切な波長で収集するだけで増大されることができ、これは、正及び負のチェーンが並列に動作させることができることを意味する。

代替として、単一チェーンを使用し、正及び負の寄与を順次に測定することも可能である。

減衰に代わって、特定のバンドにおいて信号が積分される時間を変えることができ、又はバンドパスフィルタがスペクトルにわたって動かされるスピードを変えることができ、回帰ベクトルの高い係数値がある場合は低いスピードで、低い係数値がある場合は高いスピードで、係数がゼロである間隔をスキップする、というようにスピードを変えることができる。結果に基づくアルゴリズムは、簡単な加算／減算だけを含み、従ってプロセッサ集約的でない。

本発明は、図面及び上述の記述において詳しく図示され記述されているが、このような図示及び記述は、制限的でなく、説明的又は例示的なものであると考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に制限されず、他のアプリケーションにおいても使用されることができる。

本発明は、ヘルスケアスペクトル組織センシング装置の重要なアプリケーションに適用できる。しかしながら、この技術は、今日スペクトロスコピーが使用されている任意の他の分野、例えば食品検査、汚染制御、収穫管理、生体外診断及び化学物質の解析のような分野においても有利である。

本発明を要約すると、スペクトロスコピーは、組織、食品、化学物質、その他の物質の重要な特性を認識することが可能であるが分かった。特定のケースにおいては、全部のスペクトルが必要でなく、スペクトル内の特定のバンドが、材料の特定の物質を特徴付けるために十分である。

今日、グレーティング又はプリズムを使用して波長ごとにセンサに光を分配するバルク光学素子（すなわち離散光学素子）が使用されている。これらの離散光学素子は、例えばＩｎＧａＡｓ又は同様の材料のような適切な材料の線形画像アレイのニーズにより、特に近赤外域において、大きな空間量を必要とし、高いコストを要する。更に、完全なスペクトルデータが、このようなセンサから収集されることを必要とし、このように通信及び処理オーバヘッドを増大させる。これは、これらの技術を使用する装置が低コストのハンドヘルドの装置に向かっているニーズと対立する。

フォトニック集積回路のような小型の埋め込みフォトニクスの最近の開発によって、この技術なしでは実現可能できなかった代替オプションが構築されることができる。例は、単一のダイ上に複数のチューナブル狭帯域フィルタを組み込む能力である。フィルタは、ミリ秒の範囲内でチューニング可能である。

本発明は、簡単なマイクロコントローラによる波長及びスペクトル係数を有する記憶されたテーブルに従う単一フォトニック集積回路上の高速チューナブルフィルタのチューニングを使用する。ハンドヘルドの分光解析装置ＨＨＤを（例えばタブレットコンピュータ、スマートフォン又はスマートウォッチのアドオンとして）提供する。分光解析最終結果の計算は、例えばフォトダイオードのような光検出器、及び結果として得られる信号の合計のみによって行われ、それによって、このような装置の離散光学素子のかなりの部分を置き換え、処理される全体のデータ量を低減する。

フィルタチェーンのチューナブル特性のため、多くの異なる物質が、ハードウェアに対する変更を必要とすることのなく、異なるフィルタ特性を適用することによって認識されることができ、それにより、同じプラットホーム上での異なるアプリケーションを可能にする。

本発明のさまざまな実施形態が提供される：

１．サンプルの解析のための分光解析装置であって、
サンプルから光を受け取る入力部と、受け取られた光をフィルタリングする１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタと、を有するフォトニック集積回路と、
前記１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタを制御し、前記１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタから得られたフィルタ結果を受け取り、受け取られたフィルタ結果に基づいて分光解析結果を提供するように構成されたコントローラと、
を有する分光解析装置。

２．前記フォトニック集積回路は、１又は複数の光検出器を有し、各光検出器は、前記１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタの個々の１つに機能的に接続される、実施形態１に記載の分光解析装置。

３．前記フォトニック集積回路は、１又は複数の減衰器を有し、各減衰器は、前記１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタの個々の１つと、前記１又は複数の光検出器の個々の１つとの間に接続される、実施形態２に記載の分光解析装置。

４．前記コントローラが、１又は複数の減衰器を制御するように構成される、実施形態３に記載の分光解析装置。

５．１又は複数の積分器を有し、前記１又は複数の積分器の各々が、前記１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタの個々の１つから結果を収集するように構成される、実施形態１に記載の分光解析装置。

６．１又は複数の積分器を有し、前記１又は複数の積分器の各々が、前記１又は複数のチューナブルバンドパスフィルタの個々の１つから結果を収集するために、前記１又は複数の光検出器の個々の１つに接続される、実施形態２に記載の分光解析装置。

７．サンプルを照明する広帯域光源を有する、実施形態１に記載の分光解析装置。

８．分光解析結果を表示するディスプレイを有する、実施形態１に記載の分光解析装置。

上記に開示され及び更にここで更に詳しく述べられる代替の実現例において、減衰を制御するために各々の光学チェーンにおいて可変減衰器を使用するのではなく、減衰が、光検出器の電気出力を積分するように構成される積分器を、光学チェーンの各々の光検出器に提供することによって、時間ドメインにおいて達成されることができる。減衰は、ｉ）各々の光学チェーンのチューナブルバンドパスフィルタが特定の波長間隔をフィルタリングするように構成される時間を制御することによって、又はｉｉ）積分器が特定の波長間隔の積分を実施するように構成される時間を制御することによって、達成されることができる。このような実現例は、可変減衰器を有しない簡略化されたフォトニック集積回路において使用されることができる。各々の積分器から生じる信号は、光検出器によって検出される両方の光学信号強度と、その対応するチューナブルバンドパスフィルタが特定の波長間隔をフィルタリングするようにセットされる時間との両方に依存するので、積分器から生じる信号は、クラシフィケーションアルゴリズムに対する各々の波長間隔（すなわちスペクトル係数）の寄与を制御するために、上述のｉ）及び／又はｉｉ）を通じて調整されることができる。例えば、１つの波長間隔Δλ_１のスペクトル係数が、別の波長間隔Δλ_２のスペクトル係数の２倍であることが望ましい場合、積分器が波長Δλ_１の信号を記録する積分時間、又はチューナブルバンドパスフィルタが波長間隔Δλ_１に合わせられる時間は、Δλ_２の２倍でありうる。ＰＩＣによる光学処理のこの形態は、別のコントローラにおいて各波長間隔の寄与の結果を別個に処理する必要を軽減する。この実現形態は、ＰＩＣ内に可変減衰器を有する実現態様と両立でき、すなわち、積分器及びバンドパスフィルタの制御が、光学処理のある部分を実施するために使用されることができ、光学処理の他の部分が、可変減衰器によって実施されることができる。

この実現形態において、以下の例が、本発明を記述するために使用される：

１．サンプルの解析のための分光解析装置であって、
サンプルから光を受け取る入力部（ＤＥＦ）と、受け取られた光を少なくとも第１の光学チェーン（Ｃ１）及び第２の光学チェーン（Ｃ２）に分配するように構成されるデマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）と、を有するフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を有し、
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）が、その対応する光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）に分配される光をフィルタリングし、検出するようにそれぞれ構成されるチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）及び光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）を有し、
各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）が更に、その対応する光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）における光検出器の電気出力を積分するように構成される積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）を有し、
ｉ）各々のチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）は、対応するチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）が予め決められた波長間隔をフィルタリングするように構成される時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ）を示す制御データを受け取るように構成され、及び／又はｉｉ）各々の積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）は、対応する積分器がその対応する光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）の電気出力を積分するように構成される時間期間（ＴＩｎｔ）を示す制御データを受け取るように構成され、それにより、対応する積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）の積分結果が個々の時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ、ＴＩｎｔ）に基づいて制御される、分光解析装置。

２．２又はそれより多くのチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）を制御し、
２又はそれより多くの積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）を制御し、
２又はそれより多くの積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）から得られる積分器結果を受け取り、
受け取られた積分器結果に基づいて分光解析結果を提供するように構成されるコントローラ（ＭＣ）、
を更に有する、例１に記載の分光解析装置。

３．前記コントローラ（ＭＣ）が更に、ｉ）フィルタリングされる波長間隔、及びｉｉ）フィルタが予め決められた波長間隔をフィルタリングするように構成される時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ）の両方、又はｉｉｉ）積分器がその対応する光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）の電気出力を積分するように構成される時間期間（ＴＩｎｔ）、を示す複数のスペクトル係数を記憶するように構成されるメモリ（ＭＷＣＷＴ）を有し、
前記コントローラ（ＭＣ）が更に、スペクトル係数を、個々の２又はそれより多くのバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）に又は個々の２又はそれより多くの積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）に適用することによって、各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）において積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）の結果を制御するように構成される、例２に記載の分光解析装置。

４．前記コントローラ（ＭＣ）が更に、ｉ）第１の光学チェーン（Ｃ１）の積分器から受け取られる積分器結果と、ｉｉ）第２の光学チェーン（Ｃ２）の積分器から受け取られる積分器結果との間の差又は比率に基づいて、受け取られた光検出器結果を処理するように構成される、例２又は３に記載の分光解析装置。

５．前記コントローラ（ＭＣ）は更に、関心のある予め決められた波長レンジにわたって、各チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）をステッピングすることによって、各チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）を制御するように構成される、例２に記載の分光解析装置。

６．前記ステッピングは、ｉ）第１の波長間隔（Δλ_１）が、チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）によって第１の時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ＿１）の間フィルタリングされるように、及び第２の波長間隔（Δλ_２）が、チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）によって第２の時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ＿２）の間フィルタリングされるように、複数の波長間隔（Δλ_１、Δλ_２）をフィルタリングするようチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）を構成することを含み、ここで、第１の時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ＿１）及び第２の時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ＿１）は少なくとも１．１倍異なり、及び／又はｉｉ）第３の波長間隔（Δλ_３）内の光学波長に対応する電気信号を第３の時間期間（ＴＩｎｔ＿３）の間積分することによって、及び同じ積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）により、第４の波長間隔（Δλ_４）の光学波長に対応する電気信号を第４の時間期間（ＴＩｎｔ＿４）の間積分することによって、複数の波長間隔（Δλ_３、Δλ_４）の光学波長に対応する光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）によって出力される電気信号が積分されるように、その対応する光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）の電気出力を積分するよう積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）を構成することを含み、第３の時間期間（ＴＩｎｔ＿３）及び第４の時間期間（ＴＩｎｔ＿４）は少なくとも１．１倍異なる、例５に記載の分光解析装置。

７．前記コントローラ（ＭＣ）が更に、個別の光学チェーンスペクトル伝送特性を提供するように、各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）におけるチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）をセットすることによって、各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）におけるチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）を制御するように構成され、個別の光学チェーンスペクトル伝送特性は、両方の光学チェーンについて合計されるとき、サンプルのスペクトルの１又は複数の光学放出ライン又は反射帯域又は吸収帯域と一致する組み合わされたスペクトル伝送特性を提供する、例２に記載の分光解析装置。

８．前記コントローラ（ＭＣ）は更に、積分される波長サブレンジの開始に合わせて各フィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）をチューニングし；各積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）の各出力をリセットし；各積分器の蓄積された電荷を測定し記憶し；アナログデジタル変換器（ＭＵＸＡＤＣ）を使用して各積分器の蓄積された電荷を読み出すことによって、各チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）及び各積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）を制御するように構成される、例２に記載の分光解析装置。

９．前記コントローラ（ＭＣ）は更に、波長サブレンジで始まる予め決められた波長レンジにわたって、各チューナブルバンドパスフィルタをスキャンすることによって、各チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）を制御するように構成される、例８に記載の分光解析装置。

１０．前記コントローラ（ＭＣ）が更に、組織タイプを示す組織クラシフィケーションを生成するように構成され、前記組織クラシフィケーションは、前記コントローラ（ＭＷＣＷＴ）のメモリに記憶されたスペクトル係数を各積分器結果に乗じ、加算、減算、乗算又は除算によって２又はそれより多くの積分器結果を組み合わせることによって、生成される、例３に記載の分光解析装置。

１１．サンプルを照明するための広帯域光源（４ＷＴＨＳ）を更に有する、例１に記載の分光解析装置。

１２．分光解析結果を表示するように構成されるディスプレイ（Ｄ）を有する、例１に記載の分光解析装置。

１３．各チューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）が、光学リング共振器又はマッハツェンダ干渉計である、例１に記載の分光解析装置。

１４．前記フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）は、その対応する光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）に分配される光を減衰させるように構成される可変減衰器（ＡＴＴ１、ＡＴＴ２）を更に有し、前記減衰器は、各光学チェーン（Ｃ１、Ｃ２）においてデマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）と個々の光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）との間に配置される、例１又は例２に記載の分光解析装置。

１５．例２の分光解析装置のコントローラ上で実行されるとき、２又はそれより多くのチューナブルバンドパスフィルタ（ＴＢＦ１、ＴＢＦ２）を制御するステップと、
２又はそれより多くの積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）を制御するステップと、
２又はそれより多くの積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）から得られる積分器結果を受け取るステップと、
受け取られた積分器結果に基づいて分光解析結果を提供するステップと、
をコントローラ（ＭＣ）に実施させる命令を有し、
前記コントローラ（ＭＣ）は、ｉ）フィルタリングされる波長間隔、及びｉｉ）フィルタが予め決められた波長間隔をフィルタリングするように構成される時間期間（ＴＦｉｌｔｅｒ）、又はｉｉｉ）積分器がその対応する光検出器（ＰＤ１、ＰＤ２）の電気出力を積分するように構成される時間期間（ＴＩｎｔ）、を示す複数のスペクトル係数を適当することによって、１又は複数の積分器（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）の結果を制御するように構成される、コンピュータプログラム製品。

Claims (14)

1. 物質のサンプルの解析のための分光解析装置であって、
   サンプルから光を受け取る入力部と、
   デマルチプレクサと、
   少なくとも第１の光学チェーン及び第２の光学チェーンと、
   を有するフォトニック集積回路を備え、前記デマルチプレクサは 前記受け取られた光を、前記第１の光学チェーン及び前記第２の光学チェーンに分配し、
   前記フォトニック集積回路の各光学チェーンは更に、その対応する光学チェーンに分配される光をフィルタリングし、減衰し、検出するように構成されるチューナブルバンドパスフィルタ、可変減衰器、及び光検出器を有し、
   前記分光解析装置が、
   前記２又はそれより多くのチューナブルバンドパスフィルタを制御し、
   前記２又はそれより多くの可変減衰器を制御し、
   前記２又はそれより多くの光検出器から得られる光検出器結果を受け取り、
   受け取られた光検出器結果に基づいて分光解析結果を提供するコントローラ、
   を更に有し、
   前記コントローラが更に、前記物質に対応する複数のスペクトル係数を記憶するメモリを有し、前記コントローラが更に、各光学チェーンの光検出器によって検出される光のパワーが、適用されるスペクトル係数に基づいて減衰されるように、各光学チェーンの前記可変減衰器に前記スペクトル係数を適用することによって、前記２又はそれより多くの可変減衰器を制御する、分光解析装置。
2. 前記フォトニック集積回路の各光学チェーンにおける前記チューナブルバンドパスフィルタ及び前記可変減衰器が、前記デマルチプレクサと個々の前記光検出器との間に配され、各光学チェーンにおける前記可変減衰器が、前記チューナブルバンドパスフィルタと個々の前記光検出器との間に配される、請求項１に記載の分光解析装置。
3. 各光学チェーンは更に、その対応する光学チェーンにおいて前記光検出器からの結果を収集する積分器を有する、請求項１に記載の分光解析装置。
4. ｉ）各チューナブルバンドパスフィルタは、対応するチューナブルバンドパスフィルタが予め決められた波長間隔をフィルタリングするように構成される時間期間を示す制御データを受け取り、及び／又は、ｉｉ）各可変減衰器は、対応する減衰器がその対応する光学チェーンにおける光学パワーを減衰させるように構成される時間期間を示す制御データを受け取る、請求項１に記載の分光解析装置。
5. 前記コントローラが更に、ｉ）前記第１の光学チェーンの前記光検出器から受け取られる光検出器結果と、ｉｉ）前記第２の光学チェーンの前記光検出器から受け取られる光検出器結果との間の差又は比率に基づいて、受け取られる光検出器結果を処理する、請求項１に記載の分光解析装置。
6. 前記コントローラが更に、関心のある予め決められた波長レンジにわたって各チューナブルバンドパスフィルタをステッピングすることによって、各チューナブルバンドパスフィルタを制御する、請求項１に記載の分光解析装置。
7. 前記ステッピングは、ｉ）第１の波長間隔がチューナブルバンドパスフィルタによって第１の時間期間の間フィルタリングされるよう、及び第２の波長間隔が同じチューナブルバンドパスフィルタによって第２の時間期間の間フィルタリングされるよう、複数の波長間隔をフィルタリングするようにチューナブルバンドパスフィルタを構成し、前記第１の時間期間及び前記第２の時間期間は少なくとも１．１倍異なる、請求項６に記載の分光解析装置。
8. 前記コントローラは更に、個別の光学チェーンスペクトル伝送特性を提供するように、各光学チェーンにおいて前記チューナブルバンドパスフィルタ及び／又は前記可変減衰器をセットすることによって、各光学チェーンにおいて前記チューナブルバンドパスフィルタ及び／又は前記可変減衰器を制御し、前記個別の光学チェーンスペクトル伝送特性は、前記第１及び第２の光学チェーンに関して合計される場合、前記サンプルのスペクトルの１又は複数の光学放出ライン又は反射帯域又は吸収帯域と一致する組み合わされたスペクトル伝送特性を提供する、請求項１に記載の分光解析装置。
9. ２又はそれより多くのチューナブルバンドパスフィルタを制御し、
   ２又はそれより多くの可変減衰器を制御し、
   ２又はそれより多くの積分器から得られる積分器結果を受け取り、
   受け取られた積分器結果に基づいて分光解析結果を提供する、コントローラを更に有し、
   前記コントローラは更に、各チューナブルバンドパスフィルタ及び各積分器を制御し、各フィルタを、積分される波長サブレンジの開始に合わせてチューニングし、各積分器の各出力をリセットし、各積分器の蓄積された電荷を測定し記憶し、アナログデジタル変換器を使用して各積分器の蓄積された電荷を読み出す、請求項３に記載の分光解析装置。
10. 前記コントローラは更に、波長サブレンジで始まる予め決められた波長レンジにわたって各チューナブルバンドパスフィルタをスキャンすることによって、各チューナブルバンドパスフィルタを制御し、前記積分器は、その対応する光検出器の電気出力を積分し、複数の波長間隔の光学波長に対応する前記光検出器により出力された電気信号は、第３の波長間隔内の光学波長に対応する電気信号を第３の時間期間の間積分することによって、及び同じ積分器で、第４の波長間隔内の光学波長に対応する電気信号を第４の時間期間の間積分することによって、積分され、前記第３の時間期間及び前記第４の時間期間が少なくとも１．１倍異なる、請求項９に記載の分光解析装置。
11. 前記コントローラが更に、複数のスペクトル係数を記憶するメモリを有し、前記コントローラが更に、組織タイプを示す組織クラシフィケーションを生成し、前記組織クラシフィケーションは、前記コントローラのメモリに記憶されたスペクトル係数に、読み出された各々の積分器信号を乗じ、加算、減算、乗算又は分割により２又はそれより多くの乗算された積分器信号を組み合わせることによって、生成される、請求項９に記載の分光解析装置。
12. 前記サンプルを照明する広帯域光源を更に有する、請求項１に記載の分光解析装置。
13. 分光解析結果を表示するディスプレイを更に有する、請求項１に記載の分光解析装置。
14. 請求項１に記載の分光解析装置のコントローラ上で実行されるとき、前記コントローラに、
    ２又はそれより多くのチューナブルバンドパスフィルタを制御するステップと、
    ２又はそれより多くの可変減衰器を制御するステップと、
    ２又はそれより多くのチューナブルバンドパスフィルタから得られるフィルタ結果を受け取るステップと、
    受け取られたフィルタ結果に基づいて分光解析結果を提供するするステップと、
    を実施させる命令を有するコンピュータプログラムであって、前記コントローラは、各光学チェーン内の可変減衰器にスペクトル係数を適用することによって、２又はそれより多くの可変減衰器を制御し、それにより、各光学チェーン内の前記光検出器によって検出される光のパワーが、適用されるスペクトル係数に基づいて減衰される、コンピュータプログラム。

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