JP2013160623A - 光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光の影響を除去し、測定対象の光を高精度あるいは高感度で測定可能な光測定器を提供する。
【解決手段】励起光源１０は、試料１に対して、第１方向（ｘ軸）に励起光４を照射する。導光部３０は、その入射面３２に試料１から発せられる第１方向と実質的に垂直な第２方向（ｙ軸）に伝搬する被測定光６を受け、入射面３２と垂直な出射面３４にフォトニック結晶３８が形成され、その内部において被測定光６を第２方向に導波せしめるとともに、第２方向に導波する被測定光６を第２方向と垂直方向（ｘ軸負）に回折させて出射面３４から出力する。光検出器４０は、導光部３０の出射面３４から出射される被測定光６を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光測定装置に関する。

蛍光、燐光などの物質の発光を測定するために、光測定装置が利用される（たとえば特許文献１）。特許文献１に開示される落射型蛍光測定装置は、薄型の容器に封入された試料に対して、斜め方向に励起光（ポンプ光）を照射する励起光照射手段と、測定試料の蛍光の光軸が励起光の光軸と重ならないように試料した方向に配置され、蛍光を偏光・集光するレンズと、を備える。

特開２００５−６２０２３号公報

特許文献１の落射型蛍光測定装置では、励起光の光軸とレンズの光軸の差が４５度程度の傾きで配置される。したがって、励起光の散乱、迷光の一部はレンズに対して混入する可能性がある。

本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、励起光の影響を除去し、測定対象の光を高精度あるいは高感度で測定可能な光測定器の提供にある。

本発明のある態様は、光測定装置に関する。光測定装置は、測定対象の試料に対して、第１方向に励起光を照射する励起光源と、その入射面に試料から発せられる第１方向と実質的に垂直な第２方向に伝搬する被測定光を受け、入射面と垂直な出射面にフォトニック結晶が形成され、その内部において被測定光を第２方向に導波せしめるとともに、第２方向に導波する被測定光を第２方向と垂直方向に回折させて出射面から出力する導光部と、導光部の出射面から出射される被測定光を検出する光検出器と、を備える。

この態様によると、励起光の光軸と、導光部に入射する被測定光の光軸は垂直であるため、導光部の入射面には、励起光がほとんど入射しない。その結果、導光部の出射面からは、励起光が低減された被測定光を得ることができる。また、試料の側面の面積が小さい場合であっても、出射面の面積を広くとることにより、光検出器のアライメントの制約を大幅に緩和することができる。

試料は、第１方向に対して実質的に垂直な主平面と、第２方向に対して垂直な側面を有する薄板形状であってもよい。導光部の入射面は、試料の側面と光学的にカップリングされてもよい。
試料が微量である場合、薄板形状とすることにより、励起光の照射面積を大きくすることができる。また側面からの被測定光を確実に導光部に入射させることができる。さらに試料が薄板状であることにより、励起光の散乱光が、導光部に入射しにくくなり、より光検出器に入射する励起光を低減できる。

フォトニック結晶は、入射面に受けた被測定光を、励起光の波長を除去して回折するように構成されてもよい。
導光部には、フォトニック結晶の周期的な構造体の周期、形状等に応じた波長選択性を持たせることができる。そこでフォトニック結晶を、測定対象の光のみが出射面の方向に回折され、励起光の波長が出射面の方向に回折されないように構成することにより、光検出器に入射する励起光をさらに除去することができる。

試料の側面と導光部の入射面は、マッチングオイルを介して光学的に結合されてもよい。
これにより、被測定光の反射、散乱を抑制し、導光部内に被測定光を導くことができる。

試料は、薄板形状の内部空間を有する試料容器内に収容されてもよい。
試料が液体、あるいは粉体などであり安定した形状を有しない場合、試料容器に収容することで、測定が可能となる。また試料が薄板形状に収容されるため、試料が微量であっても、励起光の照射面積を大きくできる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、励起光の影響を除去し、測定対象の光を高精度、あるいは高感度で測定できる。

実施の形態に係る光測定装置の斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、導光部の構造を示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、図１の光測定装置の正面図および平面図である。 光測定装置により測定されるスペクトルの一例を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る光測定装置２の斜視図である。光測定装置２は、測定対象の試料１に励起光を照射し、それに応じて試料１から発せられる光（被測定光６という）を測定する。実施の形態に係る光測定装置２は、蛍光、燐光をはじめとするルミネセンスを対象とする。

光測定装置２は、主として試料容器１０、励起光源２０、導光部３０、ステージ５０を備える。

試料１が溶液や粉体などであって安定形状を有さない場合、試料１は薄板状の内部空間を有する試料容器１０に収容される。試料１が乾燥試料の場合、試料１は、基板上に薄板状となるように載せられてもよい。試料１が固体である場合、試料１そのものの形状を薄板状としてもよい。試料容器１０は、少なくとも励起光２２および試料１が発する被測定光６に対して透明な材料で構成される。たとえば試料容器１０の材料としては、シリコン樹脂（ＰＤＭＳ：Polydimethylsiloxane）やガラスが利用できる。

励起光源２０は、試料１に対して、第１方向（ｘ軸方向）に励起光４を照射する。具体的には、励起光４は、試料１のｙｚ平面と平行である主平面１２に照射される。励起光源２０としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）は半導体レーザ（ＬＤ）、その他任意の光源を利用できる。また励起光４の波長は、試料１の種類に応じて定められる。必要に応じて、励起光源２０と試料１の間には、集光用のレンズを挿入してもよい。

ステージ５０は、ｙ軸方向に伝搬する被測定光６が、導光部３０の入射面３２にカップリングするように、試料容器１０および導光部３０を支持する。

図２（ａ）、（ｂ）は、導光部３０の構造を示す図である。図２（ａ）に示すように、導光部３０は、入射面３２、出射面３４、導光板３６、フォトニック結晶３８を備える。
導光板３６は、たとえば乳白色のアクリル板や、微細加工が施されたガラス板を用いて構成される。導光板３６の入射面３２には、ｙ軸方向に伝搬する被測定光６が入射する。導光板３６の、入射面３２と垂直な出射面３４には、フォトニック結晶３８が形成される。図２（ｂ）は、フォトニック結晶３８の拡大図である。

フォトニック結晶３８は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体である。フォトニック結晶３８は、たとえば正方格子状、あるいは三角格子状に配置された複数のホールアレイを有する。ホールの断面は円形であってもよいし、矩形であってもよい。たとえばフォトニック結晶３８は、導光板３６の出射面３４上に窒化シリコン膜を堆積させ、電子リソグラフィによってホールアレイを加工することで作製される。フォトニック結晶３８は、二酸化チタン等の材料を用いて作製してもよい。ホールアレイの間隔、深さ、フォトニック結晶３８の厚みは、回折させるべき被測定光６の波長に応じて定められる。

図１に戻る。導光部３０の内部には、ｙ軸方向に被測定光６が導波する。この被測定光６は、フォトニック結晶３８によってｙ軸方向と垂直な方向（ｚ軸負方向）に回折され、出射面３４から出力される。

光検出器４０は、導光部３０の出射面３４から出射される被測定光６を検出する。たとえば光検出器４０は、対物レンズ４２および分光器４４を備える。対物レンズ４２は、被測定光６を分光器４４の受光面に集光する。対物レンズ４２は省略してもよいし、対物レンズ４２に代えて光ファイバなどを用いてもよい。

分光器４４は、被測定光６を受光し、その分光スペクトルを測定する。スペクトル成分ではなく、単に被測定光６の強度を測定すれば足りる場合、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＭＯＳセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの測定器を用いてもよい。

図３（ａ）、（ｂ）は、図１の光測定装置２の正面図および平面図である。図３（ａ）に示すように、試料容器１０と導光部３０は、マッチングオイル５２を介してカップリングされる。これにより被測定光６の不要な反射、散乱を抑制し、導光部３０に被測定光６を導くことができる。なお、試料容器１０と導光部３０の屈折率が近い場合には、マッチングオイル５２を省略してもよい。

また励起光源２０が設けられる空間と、光検出器４０が設けられる空間は、遮光板５４によって遮蔽することが望ましい。これにより、散乱、反射した励起光４が分光器４４に入射するのを防止できる。

以上が光測定装置２の構成である。続いてその動作を説明する。
試料１に励起光４を照射することにより、試料１は蛍光あるいは燐光などの被測定光６を発する。ｙ軸方向に放射された被測定光６は、マッチングオイル５２を介して導光部３０の入射面３２に入射する。被測定光６は、導光部３０中をｙ軸方向に伝搬し、その過程においてフォトニック結晶３８によってｘ軸負方向に回折される。回折された被測定光６は光検出器４０に入射し、そのスペクトルが測定される。

図４は、光測定装置２により測定されるスペクトルの一例を示す図である。図４のスペクトルは、試料１としてサイバーグリーン（ＳＹＢＲ Ｇｒｅｅｎ Ｉ）を用いたＤＮＡ濃度の測定結果である。サイバーグリーンは、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）と結合することで青色光（λ＝４８８ｎｍ)を吸収し、緑色光（λ＝５２２ｎｍ）の蛍光を発する。励起光源２０としては、青色ＬＥＤが用いられる。

図４のスペクトルから明らかなように、光測定装置２によれば、５２２ｎｍの蛍光を高感度に測定することができる。試料１において散乱した励起光の一部は、導光部３０に入射し、フォトニック結晶３８によって回折されることにより光検出器４０に入射するが、その強度は、被測定光６である蛍光の測定に影響を与えないレベルに十分に低減されている。

この光測定装置２によれば、以下の効果を得ることができる。

励起光４の光軸（ｘ軸）と、導光部３０に入射する被測定光６の光軸（ｙ軸）は垂直であるため、導光部３０の入射面３２には、励起光４がほとんど入射しない。その結果、導光部３０の出射面３４からは、励起光４が十分に低減された被測定光６を得ることができ、測定精度あるいは測定感度を高めることができる。

また、光測定装置２の別の効果は、以下の比較技術との対比によって明確となる。
比較技術においては、導光部３０を設ける代わりに、光ファイバあるいは対物レンズを、試料容器１０の側面１４にカップリングし、光ファイバあるいは対物レンズによって、被測定光６を分光器４４に導く。試料１が微量である場合、その側面１４の面積は小さくなるため、光ファイバあるいは対物レンズのアライメントは、非常に高い精度が要求される。たとえば試料１の液量が０．０５ｍｌ以下になると、ｘ軸方向の高さが非常に小さくなるため、アライメントには１００ミクロン以下の精度が要求される。

これに対して光測定装置２では、試料１と導光部３０が、試料１からの被測定光６は、導光部３０にカップリングするように、同じステージ上にマウントされている。したがって試料１と導光部３０のアライメントは不要である。
また、フォトニック結晶３８をｙ軸方向に広く形成することにより、光検出器４０に向かう被測定光６を、試料１の側面１４の面積よりも、広い面積で取り出すことができる。これにより光検出器４０のアライメントに、高い精度が必要とされなくなり、光測定装置２を簡易に利用できるようになる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
実施の形態では、試料１が薄板状である場合を説明したが、本発明はそれに限定されない。導光部３０の導光板３６のｘ軸方向の高さを大きく構成できる場合、試料１は必ずしも薄板である必要がないことが理解される。

（第２変形例）
図４のスペクトル図には、依然として励起光の波長が現れている。この励起光が被測定光６の測定を妨げる場合には、第２変形例が有効である。導光部３０の伝搬、回折特性には、フォトニック結晶３８の周期的な構造体の周期、形状等に応じた波長選択性を持たせることができる。そこで第２変形例では、被測定光６のみがｙ軸方向に伝搬し、また出射面３４の方向に回折される一方、励起光４の波長はｙ軸方向に伝搬せず、また出射面３４の方向に回折されないように、フォトニック結晶３８が構成される。第２変形例によれば、光検出器４０に入射する励起光４をさらに除去することができる。

（第３変形例）
光測定装置２は、蛍光、燐光の他、２光子吸収による発光などの非線形光学現象を測定する用途にも利用可能である。

（第４変形例）
実施の形態において、励起光４の光軸と被測定光６の光軸が直交する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。たとえば励起光４を試料１の主表面１２に対して傾けて照射してもよい。たとえば励起光４を、ｙ軸負方向の成分を有するよう傾けて照射すれば、導光部３０に対する励起光４の迷光をより低減できる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…試料、２…光測定装置、４…励起光、６…被測定光、１０…試料容器、１２…主表面、１４…側面、２０…励起光源、３０…導光部、３２…入射面、３４…出射面、３６…導光板、３８…フォトニック結晶、４０…光検出器、４２…対物レンズ、４４…分光器、５０…ステージ、５２…マッチングオイル、５４…遮光板。

Claims (5)

1. 測定対象の試料に対して、第１方向に励起光を照射する励起光源と、
   その入射面に前記試料から発せられる前記第１方向と実質的に垂直な第２方向に伝搬する被測定光を受け、前記入射面と垂直な出射面にフォトニック結晶が形成され、その内部において前記被測定光を前記第２方向に導波せしめるとともに、前記第２方向に導波する前記被測定光を前記第２方向と垂直方向に回折させて前記出射面から出力する導光部と、
   前記導光部の前記出射面から出射される前記被測定光を検出する光検出器と、
   を備えることを特徴とする光測定装置。
2. 前記試料は、前記第１方向に対して実質的に垂直な主平面と、前記第２方向に対して垂直な側面を有する薄板形状であり、前記導光部の前記入射面は、前記試料の前記側面と光学的にカップリングされることを特徴とする請求項１に記載の光測定装置。
3. 前記フォトニック結晶は、前記入射面に受けた前記被測定光を、前記励起光の波長を除去して回折するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光測定装置。
4. 前記試料の前記側面と前記導光部の前記入射面は、マッチングオイルを介して光学的に結合されることを特徴とする請求項２に記載の光測定装置。
5. 前記試料は、薄板形状の内部空間を有する試料容器内に収容されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光測定装置。