CN1987423A - 光学检查方法以及使用它的光学检查装置 - Google Patents

Abstract

实现使用可以用电池驱动，不会受到环境温度条件的影响，并且可以得到正确的传感检测结果的可搬运型的光学检查机器的检查方法。当用具备具有基板(5)、配置在该基板上的光波导层(6)、粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜(7)的传感器芯片，向传感器芯片照射光的光源(8)，和接受从传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件(9)的光学检查装置，向传感器芯片照射一定期间的光，并利用从传感器芯片得到的光信号，测定放置在传感薄膜上的试样中所含有的物质量时，在检查光照射的一定期间内，使光源多次一明一灭，并由感光元件测定点亮时的光量，进行物质量的决定。这时，也可以测定熄灭时的光量，从它们的差进行物质量的决定。

Description

光学检查方法以及使用它的光学检查装置

技术领域

本发明涉及测定试样中的物质量的光学检查技术，特别是涉及具备光波导型传感器的光学检查方法以及可搬运型的光学检查装置。

背景技术

如今，正在活跃地进行免疫传感器等医疗用的传感器的研究·开发·实用化，并着眼于将光波导型传感器用作医疗用传感器。这个所谓的光波导型传感器，是由作为光波导层的板状的透光性基板，和接合在其表面上的、具有传感检测功能的薄膜构成的，是通过在所述光波导层内一面进行全反射一面传播的检查光来检测粘贴或放置在该传感薄膜表面上的生物组织或生物组织液和薄膜材料在化学方面或物理方面相互作用而在传感薄膜上产生的物理特性的变化。作为该光波导型传感器，已知有(1)利用当检查光一面在光波导层内进行全反射一面传播时，在光波导层和传感薄膜的界面上产生的易消散(evanescent)波被传感薄膜或存在于其表面上的物质吸收，检查光衰减的现象的传感器(参照专利文献1)，和(2)测定由检查光产生的易消散波，激发存在于传感薄膜表面上的物质而产生的荧光的光量的(参照专利文献2)传感器等。

在前者中，观测检查光的透过率，从衰减率判定所述生物组织或生物组织液中所存在的特定的物质的量，后者是从产生的荧光的光量判定特定的物质的量的。

另外，在采用所述光波导型传感器的检查中，不只是生物组织或生物组织液中所存在的物质的定量，还多进行在使生物组织接触玻璃芯片之后，连续地照射光，从测定光强度的经时变化，检测生物组织所含有的物质的反应速度的试验。

在上述的医疗用光学检查装置中，机器的测定性能被温度或照明等使用环境制约的情况不少。另一方面，在一般消费者使用的可搬运性的检查机器中，与熟知机器操作的专家所操作的固定型检查装置不同，虽然设想了在各种不同的条件下的使用，但还是要求实现对应所有的使用状况确保检查精度，并且操作容易的检查机器。例如，在上述的光学检查机器中，从光源射出的光束的品质(光束模式、光束扩散、偏振光、波长、可相干性等)依存于环境温度而变化，这意味着给检查机器所使用的玻璃传感器芯片的光的传播状态、和反射率/透过率、光干涉等也造成影响，并且测定的光强度因环境影响而变动。在这种状况下，不能期待正确的测定结果，在民生用的医疗用光学检查机器中，没有解决这一问题，很难实用化。

对于上述的问题，作为最有效的方法，考虑用加热器或珀耳帖元件对光源进行温度控制的方法。可是，这种方法在固定型的光检查机器中非常有现实性，但在应用于可以搬运的手持型的光检查机器时，存在(1)这些控制机器尺寸较大，(2)消耗电力增大、检查机器所使用的电池寿命变短，(3)在测定前需要调温待机时间，不能简便地使用等许多问题。

专利文献1：特开2004-184381号公报

专利文献2：特开平8-285851号公报

如上述，在利用具备传感检测功能的板状的玻璃芯片，和向板状的玻璃芯片照射光而得到的光信号判定传感检测结果的医疗用光学检查机器中，其测定结果容易受到环境温度的影响。为了得到正确的传感检测结果，将光源进行调温的方法是有效的，但这存在很难适用于可以搬运的手持型的光学检查机器的问题。

发明内容

本发明的目的在于实现可以用电池驱动，不会受到温度等环境条件的影响，并且可以得到正确的传感检测结果的可搬运型的光学检查机器。

本发明的第1方面是一种光学检查方法，它是用具备具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片，向所述传感器芯片照射光的光源，和接受从所述传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件的光学检查装置，向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量，其特征在于：

在为了测定上述物质量而照射光的一定期间内，使所述光源多次一明一灭，并由该感光元件进行光的计测。

在所述本发明的第1方面中，最好从在所述光源的点亮时以及所述光源的熄灭时由所述感光元件测定的光量的差，测定物质量。另外在所述本发明的第1方面中，最好作为所述光源，采用半导体激光元件(LD)或光半导体元件(LED)。

本发明的第2方面是一种光学检查装置，它是具备向具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片照射光的光源，和接受从所述传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件，向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量的光学检查装置，其特征在于：

在从所述光源到所述传感器芯片的光路上，配置换算成光扩散的指标的雾值大于等于10.0％的扩散板。

本发明的第3方面是一种光学检查装置，它是具备向具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片照射光的光源，和接受从所述传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件，向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量的光学检查装置，其特征在于：

所述光学检查装置具备容纳所述光源以及所述感光元件的框体，所述光源经由用具有小于等于1.0W/m·K的热传导率的材料构成的部件，被固定在该框体上。

本发明的第4方面是一种光学检查装置，它是具备载置具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片的框体，容纳在该框体内、向该传感器芯片照射光的光源，和配置在该框体内、接受从该传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件，向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量的光学检查装置，其特征在于：

该光源经由用具有小于等于1.0W/m·K的热传导率的材料构成的部件，被固定在该框体上；

在从该光源到该传感器芯片的光路上，配置有换算成光扩散的指标的雾值大于等于10.0％的扩散板；

并且在为了测定配置在该传感薄膜表面上的试样中的物质量而照射光的一定期间内，使该光源一明一灭。

发明的效果

如以上所述，根据本发明，可以提供在利用向板状玻璃芯片照射光而得到的光信号判定传感检测结果的机器中，环境温度影响较少的可搬运型的光学检查装置。

附图说明

图1是第1实施方式的光学检查装置的概略剖面图。

图2是第1实施方式的光学检查方法的计测的时序图。

图3是第2实施方式的光学检查装置的概略剖面图。

图4是第3实施方式的光学检查装置的概略剖面图。

图5是其他的实施方式的光学检查装置的概略图。

图6是以往的光学检查方法的计测的时序图。

具体实施方式

(第1实施方式)

来自于本实施方式中所使用的激光二极管等的光，相干性极高，这种相干性极高的光，容易因温度变化而在波长的移动以及光谱分布上发生变化。如果采用这样对温度变化敏感的光，当在测定中存在温度变化的情况下，测定结果的信赖性降低。本实施方式在光学检查装置中，通过抑制相对于传感器芯片成为热源的光源的温度上升，避免由温度上升导致的检查结果的精度降低。

(检查装置)

以下用本实施方式的作为光学检查装置的概略图的图1说明本实施方式的检查装置。

在图1中，1是光学检查装置，该光学检查装置主要具备用金属等热传导性以及强度良好的材料形成的框体2，以附设的方式配置在该框体2上的传感器芯片4，配置在该框体2的内部的如半导体激光元件(LD)或光半导体元件(LED)这样的光源8，将从该光源8照射的光照射到所述传感器芯片4上的如反射镜这样的光学系统10，以及接受从传感器芯片输出的光的如光电二极管这样的感光元件9。

另外，虽然在图1的光学检查装置中没有表示，但在本实施方式的光学检查装置上还具备控制装置，所述控制装置与所述光源8以及所述感光元件9连接，控制光源8的明灭的定时，或者处理从感光元件9输出的检查光的光量信息，算出试样所含有的物质量。

这些构成要素零件，最好从图未示的电池接受电力的供给而驱动。

该传感器芯片4，由硼硅玻璃那样的透明基板5，形成在该透明基板5的表面上的光波导层6，和形成在光波导层6的表面上的传感薄膜7构成，虽然图未示，但在该传感薄膜7的表面上放置有含有检查物质的试样。并且，在光波导层6的传感薄膜7侧表面上，设有用于光耦合的光栅11a、11b。

在所述框体2上，形成有通过检查光的孔12a、12b。检查光从光源经由光学系统10、孔12a、透明基板5被照射到光波导层6上。检查光由形成在该光波导层的表面上的第1光栅11a导入光波导层6内，在光波导层6内一面进行全反射，一面在光波导层6内传播，从第2光栅11b被放射，经由孔12b后由配置在框体2内的感光元件9测定检查光的光量。

当检查光在所述光波导层6内传播时，在光波导层6和传感薄膜7的界面上，光学特性等物理特性根据试样中所存在的特定物质的量而变化，并且检查光的强度按照该特性的变化而衰减，因此用感光元件9测定其衰减量，然后测定特定物质的量。

作为所述光源，可以采用各种发光元件，但特别是激光二极管，小型轻量，且可以用低电压驱动，光输出也较大，因此较理想。该光源如上述那样可以通过所述控制装置明灭。

作为所述光波导层材料，可以采用玻璃、SiO₂、氮化硅薄膜等透明陶瓷，或有机高分子树脂那样的透明的材料。

作为所述传感薄膜，只要是物理特性根据试样中所存在的物质的量而变化，并且该物理特性的变化可以通过检查光的照射检测的物质，都可以使用。具体地说，作为使用利用抗原抗体反应的传感器功能的传感薄膜，可以采用固定检体溶液所含有的、与光源反应的抗体的抗体固定化薄膜，或添加了与检体所含有的物质例如葡萄糖等糖类产生反应性的药剂、例如酶以及发色剂的有机高分子化合物薄膜，或者通过表面胞质团共鸣现象检测存在于表面上的材料的电容率的变化的金属薄膜等。

形成在所述光波导层上的光栅，是用于将从光源照射的光导入光波导层的、实现光耦合功能的部件，通过形成在位于光波导层表面和透明基板的界面上的光波导层表面上，可以不产生损失地在光波导层内传播检查光。作为该光栅部件，可以用氧化钛、氧化锡、氧化锌、铌酸锂、砷化镓、氧化铟锡、聚酰亚胺等的薄膜形成。

另外，只要是发挥光耦合功能的部件，代替所述光栅，还可以使用其他的光学部件，例如棱镜等。

(检查步骤)

对用所述图1的检查装置测定检查试样中的物质量的检查步骤进行说明。

本实施方式的检查方法，是用所述光学检查装置，通过使检查光的光源一明一灭地动作，抑制光源的温度上升的方式改善检查精度的方法。另外，是通过在光源点亮时和光源熄灭时，由感光元件测定检查光的光量，并从它们的差的光量决定特定物质的量的方式，确保测定结果的精度的方法。

在图2中展示了演示本实施方式的检查方法的步骤的时序图。在图2中，横轴表示经过时间。在时刻t1，将例如作为检查试样的生物组织液放置并涂抹在传感薄膜表面上。接着，在时刻t2，点亮光源8。之后在时刻t3，用感光元件9测定光源8点亮时的检查光量。接着，在时刻t4，熄灭光源，在时刻t5，用感光元件9测定熄灭时的检查光量。将从该t2到t5的循环重复规定次数，测定检查光的光量。算出用该步骤得到的点亮时的检查光的光量和熄灭时的检查光的光量的差。从光源照射的检查光的光量和上述差的光量的差，是检查光的衰减，这与所述传感薄膜上的生物组织或生物组织液中所存在的物质的浓度成比例。因而，对于具有已知的物质浓度的试样，预先制成测定衰减的校准曲线，通过参照它，可以决定特定物质的浓度。

具体地说，在上述时序图中，光源的点亮时间、熄灭时间、以及明灭次数，可以根据测定的物质的反应时间任意地选择，例如，重复将作为光源的激光二极管点亮0.5秒熄灭0.5秒的步骤，进行60秒光量的测定。这时，如果使点亮时的光量比该发光元件的正常使用的光量减少，则发热量进一步减少，因此较理想。为了进行比较，如果与图6所示那样一直点亮光源的以往的测定的时序图的方法相比，通过使光源按上述的条件明灭，进而将光量控制在通常使用的1/2，来自于LD的发热量可以降低到大约1/4。由此，光源的光束品质变动变小，改善了测定精度。

虽然当通过上述方法使来自于激光二极管的光量减少时，来自于光源的检查光的强度的信号水平降低，与由从本光学检查装置的外部进入的杂散光引起的噪声的信号水平的差减少，测定精度降低，但通过取得激光二极管点亮时和熄灭时的测定光强度的差，然后算出实质的信号强度，并算出实质的衰减量，就可以避免测定精度的降低。

根据以上记载的本实施方式，通过使光源一明一灭地动作，减少从光源放射的热量，减少由热导致的来自于光源的照射光的特性变化。

另外，在可搬运型的检查装置中，期望减少从光源发生的热量，因此必须限制光输出。但是，在使用小输出的检查光的情况下，与检查光的强度相比，从外部进入检查装置的杂散光的强度变得较大，杂散光的强度被重叠在输出光上，从而成为噪声，但通过取得点亮时信号强度和熄灭时信号强度的差可以排除杂散光的影响，可以利用小输出的光源。由此，在可搬运型的检查装置中，也可以实现精度较高的检查。

由此，减少了光源自身的发热，从而减少光源的温度变化，并减少从光源输出的光束的品质的变化，从而可以改善检查的精度。

(第2实施方式)

该实施方式的检查装置以如下的方式起作用，即在所述第1实施方式的检查装置中，通过在将从光源照射的检查光照射到传感器芯片上之前，使其通过扩散板，使检查光的特性发生变化，即使相干性降低，缓和检查光的受到热的影响的容易度，即便从光源输出的光束的品质发生变化，在入射到芯片上之前也使其变化缓和。

以下，在作为其概略剖面图的图3中展示了该实施方式的检查装置。在图3中，对于与图1的检查装置相同的构成要素，标以同一标号，并省略其详细的说明。

如图3所示，在该检查装置中，从光源8放射的检查光，被光学系统10反射，经由形成在框体2上的孔12a后被照射到传感器芯片4上，但与该孔12a相接地配置有扩散板13，它是使检查光的特性发生变化的部件。

上述扩散板13，具有通过如下的4个作用使检查光的相干性降低的功能，并缓和由检查装置的外部温度给检查光造成的影响。(1)使光束模式变得模糊不清。(2)增大光束扩散。(3)使偏振光随机化。(4)降低空间的可相干性。

在本实施方式中，即便从光源8输出的光束的品质因外部温度而变动，通过上述4个效果，给测定信号造成的影响也变小。作为本实施方式中所使用的扩散板，可以使用一般液晶的背光照明光扩散板等中所使用的。作为在本实施方式中所使用的扩散板的雾值(haze)，作为光扩散的指标的雾值的最好值，虽然也依存于传感器芯片的种类，但最好是大约30～50％的范围。

如果雾值低于上述范围，便不能期待通过使用扩散板得到的效果的改善，不理想。另一方面，如果物质超出上述范围，到达传感器芯片的检查光的光量减少，检查精度降低。

如以上说明那样，扩散板是降低检查光的相干性，并避免由检查环境的温度变化造成的影响的部件，但同时该扩散板13还起到遮断从光源8放射的热，防止热到达传感器芯片的作用。由此，可以进一步防止传感器芯片的温度上升。

(第3实施方式)

本实施方式是防止由光源的点亮产生的热到达传感器芯片的实施方式，其特征在于经由采用热传导率小于等于1.0W/m·K的材料(热绝缘性材料)的机构零件，将光源固定在框体上。

在图4中展示了本实施方式的检查装置的概略图。在图4中，对于与图1相同的功能的部件标以同一标号，并省略其详细的说明。

本实施方式的检查装置，如图4所示，用以热绝缘性材料形成的固定部件14将光源8固定在框体2上。由此，即便光学检查装置的外部温度变化，热被热绝缘性固定部件14遮断，不会给光源8的温度造成影响，可以将激光二极管的光束品质变化抑制在最小限，并可以确保较高的测定精度。

作为上述热绝缘性材料，只要热传导率在上述范围内，可以采用各种高分子树脂，但特别是最好使用热传导率为0.2W/m·K左右的PEEK(聚醚·醚酮树脂)材。

(其他的实施方式)

在上述各实施方式中，对达成所述本发明的目的的方法的例子进行了记载，但也可以通过将这各个实施方式的构成组合在一起的方式实现进一步改善的检查装置。具体地说，如图5所示，在光源明灭式的光学检查装置中，在从光源8到传感器芯片4的光路的中途，配置光扩散板13，同时经由热绝缘性部件14将光源8固定在框体2上的光学检查装置，带来最好的结果。

在以上的说明中，主要以利用了胞质团共鸣吸收的原理的检查装置为基础进行了说明，但本发明也可以适用于测定吸收由上述检查光产生的易消散波后发出的荧光的技术。

再者，只要无损于本发明的宗旨，各构成要件可以进行变更。

Claims (6)

1.一种光学检查方法，使用具备具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片，向所述传感器芯片照射光的光源，和接受从所述传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件的光学检查装置，向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量，所述光学检查方法的特征在于：

在为了测定上述物质量而照射光的一定期间内，使所述光源多次一明一灭，并由该感光元件进行光的计测。

2.如权利要求1所述的光学检查方法，其特征在于，从在所述光源的点亮时和所述光源的熄灭时所述感光元件测定的光量之差，测定物质量。

3.如权利要求1所述的光学检查方法，其特征在于，作为所述光源，采用半导体激光元件即LD，或光半导体元件即LED的任意一方。

4.一种光学检查装置，具备：

具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片；

向所述传感器芯片照射光的光源；和

接受从所述传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件，

向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量，所述光学检查装置的特征在于：

在从所述光源到所述传感器芯片的光路上，配置有换算成光扩散的指标的雾值大于等于10.0％的扩散板。

5.一种光学检查装置，具备：

向具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片照射光的光源；和

接受从所述传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件，

向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量，所述光学检查装置的特征在于：

所述光学检查装置具备容纳所述光源以及所述感光元件的框体，所述光源经由用具有小于等于1.0W/m·K的热传导率的材料构成的部件，被固定在该框体上。

6.一种光学检查装置，具备：

载置具有基板、配置在该基板上的光波导层、以及粘贴在该光波导层表面上的传感薄膜的传感器芯片的框体；

容纳在该框体内、向该传感器芯片照射光的光源；和

配置在该框体内、接受从该传感器芯片输出的光并变换成电信号的感光元件，

向所述传感器芯片照射一定期间的光，利用从所述传感器芯片得到的光信号，测定放置在所述传感薄膜上的试样中所含有的物质量，所述光学检查装置的特征在于：

该光源经由用具有小于等于1.0W/m·K的热传导率的材料构成的部件，被固定在该框体上；

在从该光源到该传感器芯片的光路上，配置有换算成光扩散的指标的雾值大于等于10.0％的扩散板；

并且在为了测定配置在该传感薄膜表面上的试样中的物质量而照射光的一定期间内，使该光源一明一灭。

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