JP2000111515A - 二次元化学画像測定装置 - Google Patents

二次元化学画像測定装置

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JP2000111515A
JP2000111515A JP10281293A JP28129398A JP2000111515A JP 2000111515 A JP2000111515 A JP 2000111515A JP 10281293 A JP10281293 A JP 10281293A JP 28129398 A JP28129398 A JP 28129398A JP 2000111515 A JP2000111515 A JP 2000111515A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
light source
led module
chemical image
dimensional chemical
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JP10281293A
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Shuji Takamatsu
修司 高松
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Horiba Ltd
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Horiba Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ部分の構造が簡単であり、かつ任意の
空間分解能で高速に測定を行うことができる二次元化学
画像測定装置を提供すること。 【解決手段】 半導体基板6の一方の面にセンサ面8を
有し、前記半導体基板6に対してその他方の面側から走
査光源からの照射光14を二次元的に照射するように構
成された二次元化学画像測定装置において、前記走査光
源として個別に点灯制御される複数のLED18を二次
元的に配置したLEDモジュール15を用い、このLE
Dモジュール15と前記半導体基板6との間に、LED
モジュール15を縮小または拡大して投影する結像光学
系4を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体基板の一
方の面にセンサ面を有し、前記半導体基板に対してその
他方の面側から走査光源からの照射光を二次元的に照射
するように構成された二次元化学画像測定装置に関す
る。
【0002】
【発明の背景】前記二次元化学画像測定装置(または光
走査型二次元濃度分布測定装置ともいう)として、例え
ば、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33
(1994)pp L394−L397に記載してある
ように、LAPS(Light−Addressabl
e Potentiometric Sensor)方
式を採用して、pH感応膜の表面に生ずる電位を測定す
るものがある。このような装置においては、EIS(電
解液E−絶縁体I−半導体S)構造に光を走査し、この
光走査によって半導体中において誘発された交流光電流
を取り出すことにより測定を行うことができる。
【0003】そして、本願出願人は、このような二次元
化学画像測定装置関連の技術を、例えば特開平8−32
0301号公報、特開平9−292365号公報、特開
平10−113199号公報などのほか、多数特許出願
しているところである。
【0004】
【従来技術およびその問題点】ところで、従来の二次元
化学画像測定装置においては、走査光源が単一の光源か
らなり、各測定点への何らかの方法で光軸を移動させる
必要があった。そのための移動手段として、透過型のX
Yステージなどの機械的二次元走査機構を用いていた。
その結果、測定に時間がかかり、高速で変化する現象を
測定するのが困難であったり、液体中の物質を測定する
と、走査に起因する振動で前記物質が移動して精度よく
測定できない場合があった。
【0005】これに対して、本願出願人は、センサ部
を、複数の短冊状のセンサを互いに並列に配置してなる
センサアレイと、前記センサの配置方向と直交する方向
に互いに並列に配置され同時点灯する複数のLEDアレ
イからなる走査光源とから構成したものを特許出願(特
願平9−275299号)している。このような二次元
化学画像測定装置は、完全な固体型二次元化学画像測定
装置であり、従来の二次元化学画像測定装置に比べて、
一画面の測定速度が格段に速くなり、高速測定およびリ
アルタイム測定が可能となり、これまで測定できなかっ
た変化の速い現象などを測定できる。
【0006】しかしながら、上記センサアレイとLED
アレイとを組み合わせた二次元化学画像測定装置におい
ては、センサがセンサアレイよりなるので、センサ部分
の構造が複雑であるとともに、測定の空間分解能が固定
されているので、測定対象部分に応じた空間分解能で測
定できないといった課題がある。
【0007】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、センサ部分の構造が簡単であ
り、かつ任意の空間分解能で高速に測定を行うことがで
きる二次元化学画像測定装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、半導体基板の一方の面にセンサ面を
有し、前記半導体基板に対してその他方の面側から走査
光源からの照射光を二次元的に照射するように構成され
た二次元化学画像測定装置において、前記走査光源とし
て個別に点灯制御(点灯し、消灯する制御、以下同じ)
される複数のLEDを二次元的に配置したLEDモジュ
ールを用い、このLEDモジュールと前記半導体基板と
の間に、LEDモジュールを縮小または拡大して投影す
る結像光学系を設けている(請求項1)。
【0009】上記構成の二次元化学画像測定装置におい
ては、半導体基板を走査する走査光源が個別に点灯制御
されるLEDを二次元的に配置したLEDモジュールよ
りなるので、半導体基板を比較的高速で走査することが
できる。そして、前記LEDモジュールを拡大または縮
小して投影できるようにしているので、任意の空間分解
能が得られ、測定対象部位の大きさにマッチした空間分
解能で測定を行うことができる。
【0010】そして、前記二次元化学画像測定装置にお
いて、LEDモジュールに代えて、画素が個別に点灯制
御されるフラットパネルディスプレイを走査光源として
用いてもよい(請求項2)。
【0011】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を、図面を参照
しながら説明する。図1〜図3は、この発明の一つの実
施の形態を示す。まず、図1は、この発明の二次元化学
画像測定装置の一例としての光走査型pH画像装置の構
成を概略的に示す図で、この図において、1は測定装置
本体で、センサ部2、光照射部3および結像光学系4と
からなる。
【0012】前記センサ部2は、次のように構成されて
いる。すなわち、5はセンサで、シリコンなどの半導体
よりなる矩形状の基板6の一方の面(図示例では上面)
にSiO2 層7、センサ面としてのSi3 4 層8を熱
酸化、CVDなどの手法によって順次形成してなるもの
で、センサ面8は水素イオンに応答する。9はセンサ面
8を含みその周囲に設けられるセルで、溶液などの試料
10を収容できるように構成され、合成樹脂などの絶縁
性素材よりなる。なお、センサ面8の材料として、Si
3 4 層のほか、Al2 3 やTa2 5 なども用いる
ことができる。
【0013】そして、11,12はセンサ面8の近傍に
設けられる対極、比較電極(参照極)で、これらの対極
11、比較電極12は、ともに後述するポテンショスタ
ット23に接続されている。また、13は半導体基板6
に設けられる電流信号取出し用のオーミックコンタクト
で、後述する電流−電圧変換器24および演算増幅回路
25を介してポテンショスタット23に接続されてい
る。
【0014】次に、前記光照射部3の構成について、図
2および図3を参照しながら説明すると、この光照射部
3は、前記センサ部2の下面側、より詳しくは、半導体
基板6のセンサ面8とは反対側に設けられており、半導
体基板6に対して照射光14を二次元的に走査しながら
照射するもので、走査光源15とこの走査光源15から
の照射光14を平行光にするコリメートレンズ16とか
らなる。
【0015】前記走査光源15は、個別に点灯制御され
る複数のLEDを二次元的に配置したLEDモジュール
からなり、このLEDモジュール15は、図2および図
3に示すように、適宜の基板17の上面に、例えば8×
8個のLED18を二次元的(X,Y方向)に配置して
構成されている。そして、各LED18の出力は、例え
ば1.0μW以上であり、その配置ピッチ(図3におけ
る符号pで表される長さ)は、例えば1mm以下であ
る。また、このLEDモジュール15は、全体がモノリ
シック構造であってもよく、一部を構成するモノリシッ
ク構造のものを組み合わせたハイブリッド構造としてあ
ってもよい。さらに、LEDモジュール15として複数
のLEDアレイを組み合わせたものでってもよい。
【0016】前記コリメートレンズ16は、前記LED
モジュール15とセンサ部2との間に設けられている。
【0017】次に、結像光学系4の構成について、図2
および図3を参照しながら説明すると、この結像光学系
4は、図2に示すように、コリメートレンズ16とセン
サ部2との間に設けられた集光レンズ19と、これをコ
リメートレンズ16とセンサ部2との間において矢印A
またはBで示す方向に直線的に移動させる移動機構20
とからなり、LEDモジュール15の各LED18から
の照射光14をセンサ部2の半導体基板6の裏面におい
て結像させるものである。
【0018】そして、図1および図2において、21は
前記光照射部3および結像光学系4を制御する二次元光
照射制御部で、光照射部3は、二次元光照射制御部21
からの制御信号により、LEDモジュール15の各LE
D18を順次点灯する。また、結像光学系4は、二次元
光照射制御部21からの制御信号により、集光レンズ1
9の位置を矢印AまたはBで示す方向に直線的に移動す
る。
【0019】なお、図2において、22は前記光照射部
3からセンサ部2までの光路を、測定に無用の妨害を与
える外部の放射線または電磁波から保護する遮蔽部材で
ある。
【0020】さらに、図1において、23は前記センサ
部2、光照射部3および結像光学系4を制御したり、セ
ンサ部2からの信号を演算制御部としてのコンピュータ
28(後述する)に送る制御ボックスで、半導体基板6
に適宜のバイアス電圧を印加するためのポテンショスタ
ット24と、半導体基板6に形成されたオーミックコン
タクト13から取り出される電流信号を電圧信号に変換
する電流−電圧変換器25と、この電流−電圧変換器2
5からの信号が入力される演算増幅回路26と、この演
算増幅回路26と信号を授受したり、二次元光照射制御
部21に対する制御信号を出力するインタフェースボー
ド27などよりなる。
【0021】28は各種の制御や演算を行うとともに、
画像処理および出力機能を有する画像出力装置としての
コンピュータで、キーボードなどの入力装置29、カラ
ーディスプレイなどの表示装置30およびメモリ装置3
1を備えている。
【0022】上記構成の二次元化学画像測定装置を用い
て、溶液10の水素イオン濃度(pH)を測定する場合
について説明すると、セル9内に溶液10を入れる。こ
れにより、センサ面8に溶液10が接する。そして、対
極11および比較電極12を溶液10に浸漬する。
【0023】上記の状態で、半導体基板6に空乏層が発
生するように、ポテンショスタット24からの直流電圧
を比較電極12とオーミックコンタクト13との間に印
加して、半導体基板6に所定のバイアス電圧を印加す
る。この状態で半導体基板6に対して光照射部3のLE
Dモジュール15によって照射光14を一定周期(例え
ば、5kHz)で断続的に照射することにより半導体基
板6に交流光電流を発生させる。この照射光14の断続
照射は、コンピュータ28の制御信号がインタフェース
ボード27を介して入力されることによって行われる。
前記光電流は、半導体基板6の照射点に対向する点で、
センサ面8に接している溶液10におけるpHを反映し
た値であり、その値を測定することにより、この部分で
のpH値を知ることができる。
【0024】さらに、光走査部制御装置21によってL
EDモジュール15の各LED18を順次点灯してゆ
き、画素のデータをサンプリングする。例えば、LED
モジュール15において、左上から順番にLED18を
点灯してゆけば、画像データの画素の並びと同じ配列で
サンプリングすることが可能になる。したがって、溶液
10における位置信号(X,Y)と、その場所で観測さ
れた交流光電流値により、表示装置30の画面上にpH
を表す二次元画像が表示される。
【0025】そして、上記測定に際して、集光レンズ1
9を図2において矢印A方向に移動させると、LEDモ
ジュール15の半導体基板6の裏面における像は、図3
における符号aで示すように縮小され、逆に、集光レン
ズ19を図2において矢印B方向に移動させると、LE
Dモジュール15の半導体基板6の裏面における像は、
図3における符号bで示すように拡大される。そして、
この縮小・拡大の倍率αは任意に設定することができる
ので、半導体基板6の裏面において結像するLEDモジ
ュール15のLED18の像のピッチも任意にとること
ができる(α倍される)。したがって、空間分解能は、
結像光学系4の設定精度の範囲で任意にとることができ
る。
【0026】上述のように、結像光学系4によって縮小
投射または拡大投射を自由に行うことができるので、L
EDモジュール15におけるLED18のピッチpは、
現実的な範囲で設計を行うことができるし、市販のLE
Dアレイによるモジュールを購入して使用することもで
きる。
【0027】そして、上記二次元化学画像測定装置にお
いては、透過型のXYステージなどの機械的二次元走査
機構を用いてないので、センサ部2の構成が簡単であ
る。また、センサ部2が移動せず、静止した状態である
ので精度よく測定することができる。
【0028】そして、この二次元化学画像測定装置は、
完全な固体型二次元化学画像測定装置であり、冒頭に掲
げた特願平9−275299号のものとほぼ同じ程度
に、一画面の測定を高速に行うことができ、したがっ
て、高速測定およびリアルタイム測定が可能となり、こ
れまで測定できなかった変化の速い現象などを測定でき
る。
【0029】上記実施の形態における二次元化学画像測
定装置においては、走査光源15としてLEDモジュー
ルを用いていたが、これに代えて、画素が個別に点灯制
御されるフラットパネルディスプレイを用いてもよい。
以下、これについて、図4および図5を参照しながら説
明する。
【0030】図4および図5において、32は走査光源
としてのフラットパネルディスプレイ(FPD)で、こ
のFPD32としては、LCD(液晶ディスプレイ)方
式のものや、プラズマディスプレイ方式のもの、あるい
は、フィールドエミッタ方式のモノリシック冷陰極アレ
イなど、前記LEDモジュール15における個々のLE
D18に相当する画素33(図示例では10×10個配
列されている)を個別に点灯制御できる表示装置であれ
ばよい。そして、各画素33からの照射光の強さが1.
0μW以上であるものが好ましい。
【0031】なお、LCDのように、パネル自体のスイ
ッチング速度が遅いものを走査光源32として用いる場
合、LEDなどによるバックライト光源を必要な周期で
点灯制御させるようにしてもよい。
【0032】この実施の形態における動作は、前記第1
の実施の形態におけるそれと同じであるのでその説明は
省略する。
【0033】なお、この発明は、上述の各実施の形態に
限られるものではなく、例えばセンサ面8を各種のイオ
ンや化学物質などに対応する物質で適宜修飾することに
より、水素イオン以外のイオンや化学物質の測定を行な
えるようにしてもよい。
【0034】
【発明の効果】この発明の二次元化学画像測定装置にお
いては、センサ部を二次元的に走査する走査光源が、個
々に点灯制御されるLEDを複数個二次元的に配置した
LEDモジュールや個々に点灯制御される画素を複数個
二次元的に配置したFPDよりなるので、センサ部の半
導体基板を比較的高速で走査することができ、測定を高
速で行うことができる。そして、LEDモジュールまた
はFPDを拡大または縮小して投影できるようにしてい
るので、任意の空間分解能が得られ、測定対象部位の大
きさにマッチした空間分解能で測定を行うことができ
る。
【0035】また、前記二次元化学画像測定装置におい
ては、センサ部や走査光源において機械的に動きがある
機構を用いてないので、装置全体の構成が簡単であると
いった構造上の利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の二次元化学画像測定装置の構成を概
略的に示す図である。
【図2】前記二次元化学画像測定装置の要部の構成を概
略的に示す図である。
【図3】前記要部の動作を説明するための図である。
【図4】二次元化学画像測定装置の要部の構成の他の実
施の形態を示す図である。
【図5】前記要部の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
4…結像光学系、6…半導体基板、8…センサ面、14
…照射光、15…LEDモジュール、18…LED、3
2…フラットパネルディスプレイ、33…画素。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の一方の面にセンサ面を有
    し、前記半導体基板に対してその他方の面側から走査光
    源からの照射光を二次元的に照射するように構成された
    二次元化学画像測定装置において、前記走査光源として
    個別に点灯制御される複数のLEDを二次元的に配置し
    たLEDモジュールを用い、このLEDモジュールと前
    記半導体基板との間に、LEDモジュールを縮小または
    拡大して投影する結像光学系を設けたことを特徴とする
    二次元化学画像測定装置。
  2. 【請求項2】 半導体基板の一方の面にセンサ面を有
    し、前記半導体基板に対してその他方の面側から走査光
    源からの照射光を二次元的に照射するように構成された
    二次元化学画像測定装置において、前記走査光源として
    画素が個別に点灯制御されるフラットパネルディスプレ
    イを用い、このフラットパネルディスプレイと前記半導
    体基板との間に、フラットパネルディスプレイを縮小ま
    たは拡大して投影する結像光学系を設けたことを特徴と
    する二次元化学画像測定装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002035219A2 (de) * 2000-10-24 2002-05-02 Forschungszentrum Jülich GmbH Messanordnung zum nachweis einer ein- oder mehrdimensionalen verteilung einer chemischen oder biochemischen komponente
JP2009239426A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Kenwood Corp デジタル無線機、制御方法及びプログラム

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