JP2000111516A

JP2000111516A - 二次元化学画像測定装置

Info

Publication number: JP2000111516A
Application number: JP10284259A
Authority: JP
Inventors: Shuji Takamatsu; 修司高松
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】センサ部分の構造が簡単であり、従来におい
ては測定が困難であった人体内部や、バルク状測定対象
内部などにおける微小領域を迅速に測定することができ
る二次元化学画像測定装置を提供すること。【解決手段】光導波路２の一端に、半導体基板６の一
方の面にセンサ面８を有するセンサ部３を設けるととも
に、前記光導波路２の他端に、個別に点灯制御される複
数の単位光源２１からなる光走査用光源アレイ１８およ
びこの光走査用光源アレイ１８によって発せられる照射
光１７を光導波路２へ集光する光学系１９を設け、前記
照射光１７を前記半導体基板６に対して二次元的に照射
するようにした。

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（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、Ｊ
ｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９
４）ｐｐＬ３９４−Ｌ３９７に記載してあるように、
ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−ＡｄｄｒｅｓｓａｂｌｅＰｏ
ｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃＳｅｎｓｏｒ）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、センサ部と光走査用光源
との位置関係が固定的であるため、人体内部や、生肉の
内部などバルク状の測定対象の内部に挿入した状態での
測定ができなかった。

【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二次元化学画像測定
装置を特許出願（特願平９−２７５２９９号）している
が、この二次元化学画像測定装置は、センサ部のサイズ
が大きく、生体内部や、バルク状測定対象の内部にセン
サ部を挿入して測定することは困難であった。また、こ
の二次元化学画像測定装置においては、測定の空間分解
能が固定されているので、μｍオーダーといった微小領
域での測定に無理がある。

【０００６】また、本願出願人は、光ファイバを用いた
二次元化学画像測定装置を「ＬＡＰＳ型ｐＨセンサ」と
して特許出願している〔特願平８−３１８７７３号（特
開平９−２０３７２２号）〕が、これは、光ファイバ自
体を動かして走査するものであり、走査部の構成が複雑
であり、走査のための制御が煩瑣である。

【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、従来においては測定が困難であった人体内部や、バ
ルク状測定対象内部などにおける微小領域を迅速に測定
する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、この発明の二次元化学画像測定装置においては、光
導波路の一端に、半導体基板の一方の面にセンサ面を有
するセンサ部を設けるとともに、前記光導波路の他端
に、個別に点灯制御される複数の単位光源からなる光走
査用光源アレイおよびこの光走査用光源アレイによって
発せられる照射光を光導波路へ集光する光学系を設け、
前記照射光を前記半導体基板に対して二次元的に照射す
るようにしている（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、細くかつ屈曲性に優れた光ファイバの一端にセン
サ部を設け、他端に個別に点灯制御される複数の単位光
源からなる光走査用光源アレイを設けているので、従来
の二次元化学画像測定装置においては困難であったとこ
ろの人体内部などのバルク内部における微小領域におけ
るｐＨなど化学濃度の分布測定を確実にしかも高速で行
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
いては、光導波路に対してセンサ部を着脱自在に装着で
きるようにしてあってもよく（請求項２）、また、光走
査用光源アレイとして、ＬＥＤアレイやフラットパネル
ディスプレイを用いることができる（請求項３、請求項
４）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１〜図４は、この発明の第１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、光導波路２、センサ部３および光照射部４か
らなる。

【００１２】前記光導波路２は、図２にも示すように、
例えば光ファイバからなり、コア部分が例えば直径１０
ｍｍで適宜の長さ（２〜３ｍ程度）を有している。

【００１３】次に、前記センサ部３について説明する
と、このセンサ部３は、光ファイバ２の一端側に設けら
れ、光ファイバ２を介して送られてくる光照射部４から
の光が照射されるもので、例えば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Ｓｉ₃Ｎ₄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。このセンサ５
は、例えば１０ｍｍ四方の大きさを有している。なお、
前記センサ面８の材料として、Ｓｉ₃Ｎ₄のほか、ＡＩ
₂Ｏ₃やＴａ₂Ｏ₅を用いることができる。

【００１４】９，１０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、この実施の形態において
は、図３に示すように、センサ面８と同一面となるよう
に、かつ適宜の間隔をおいて互いに絶縁された状態で設
けられている。すなわち、対極９は、センサ面であるＳ
ｉ₃Ｎ₄層８をエッチングなどにより所定深さだけ削り
とり、その削り取った部分に白金をスパッタリングし、
Ｓｉ₃Ｎ₄層（センサ面）８の他の部分と同じ高さにな
るように形成されている。また、比較電極１０は、Ｓｉ
₃Ｎ₄層８をエッチングなどにより所定深さだけ削りと
り、その削り取った部分に白金をスパッタリングし、そ
の上から銀を電着し、さらに塩化銀処理を施して、Ｓｉ
₃Ｎ₄層８の他の部分と同じ高さになるように形成され
ている。そして、これらの対極９、比較電極１０は、後
述するポテンショスタット２４に接続されている。

【００１５】１１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２５および演算増幅回路２６を介してポテンシ
ョスタット２４に接続されている。

【００１６】なお、前記対極９、比較電極１０とポテン
ショスタット２４との間を接続する信号線１２，１３お
よびオーミックコンタクト１４と電流−電圧変換器２５
との間を接続する信号線１４は、光ファイバ２に密着す
るように例えばモールド１５で被覆されている。

【００１７】上記センサ５は、センサ面８を除く部分が
モールド１６されている。すなわち、センサ５は、光フ
ァイバ２の先端部において、当該先端部と一体となるよ
うに、モールドされて、光ファイバ２に対して位置ずれ
しないようにしてある。

【００１８】そして、前記光照射部４について説明する
と、この光照射部４は、光ファイバ２の他端側に設けら
れ、前記センサ５の半導体基板６を二次元的に照射する
ための照射光１７を発するもので、光走査用光源アレイ
１８とこの光走査用光源アレイ１８からの照射光１７を
光ファイバ２の他端側に集光する光学系１９とからな
る。

【００１９】前記光走査用光源アレイ１８は、個別に点
灯制御される複数の単位光源としてのＬＥＤを二次元的
に配置したＬＥＤアレイからなる。すなわち、このＬＥ
Ｄアレイ１８は、図４に示すように、適宜の基板２０の
上面に、例えば８×８個のＬＥＤ２１を二次元的（Ｘ，
Ｙ方向）に配置して構成されている。このＬＥＤアレイ
１８における各ＬＥＤ２１は、二次元光照射制御装置２
２によってそれぞれ点灯制御される、そして、各ＬＥＤ
２１の出力は、例えば１．０μＷ以上であり、その配置
ピッチ（図４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アレイ１８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。

【００２０】前記集光光学系１９は、ＬＥＤアレイ１８
によって発せられた照射光１７を光ファイバ２へ集光す
るもので、例えば集光レンズよりなり、ＬＥＤアレイ１
８と光ファイバ２との間に設けられている。この集光レ
ンズ１９を経ることにより、ＬＥＤアレイ１８からの照
射光１７は適宜集光される。図４において、符号１８’
は、センサ５における照射光の並びを示している。

【００２１】そして、図１において、２３は前記センサ
部３および光照射部４を制御したり、センサ部３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、この実施の形態において
は、ＬＥＤアレイ１８側に設けられている。この制御ボ
ックス２３は、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１１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２５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２２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。

【００２２】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。

【００２３】上記構成の二次元化学画像測定装置を用い
て、例えば人体の胃における水素イオン濃度（ｐＨ）を
測定する場合について説明すると、センサ部３を胃カメ
ラと同様に飲み込み、センサ部３を胃内に到達させ、そ
のセンサ面８を胃内壁に当接させる。

【００２４】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１０とオーミックコンタクト１１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、ＬＥＤアレイ１８のＬＥＤ２１を順次
点灯すると、各ＬＥＤ２１からの照射光１７は、集光レ
ンズ１９によって光ファイバ２に集光入射され、光ファ
イバ２を経て、センサ５の半導体基板６に照射される。

【００２５】そして、前記ＬＥＤアレイ１８からの照射
光１７を、半導体基板６に対して光照射部４のＬＥＤア
レイ１８によって照射光１７を一定周期（例えば、５ｋ
Ｈｚ）で断続的に照射することにより半導体基板６に交
流光電流が発生する。この照射光１７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
に接している胃内壁における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。つまり、胃の内部における微小部分の
ｐＨ値を得ることができる。

【００２６】さらに、二次元光照射制御部２２によって
ＬＥＤアレイ１８の各ＬＥＤ２１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アレイ
１８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、胃における位置
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。

【００２７】上述の説明から理解されるように、この発
明の二次元化学画像測定装置によれば、センサ部３と光
照射部４とを、可撓性に富む光ファイバ２のそれぞれの
端部に設けているので、両部３，４を分離しているの
で、従来測定が困難であった胃内部におけるｐＨを測定
することができ、その結果をリアルタイムに得ることが
できる。

【００２８】そして、前記光ファイバ２は、細く、屈曲
性に優れ丈夫であるので、人体内部における微小領域の
ｐＨなど化学濃度の測定にきわめて好適に用いることが
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、光走査用光源アレイ１８として、個
別に点灯制御される複数の単位光源としてのＬＥＤ２１
を二次元的に配置したＬＥＤアレイを用いていたが、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５を参照しながら説明する。

【００３０】図５において、３２は光走査用光源アレイ
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アレイ１８における個々のＬＥＤ２
１に相当する画素３３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光走査用光源アレイ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】この発明は、上述の実施の形態に限られる
ものではなく、種々に変形して実施することができ、例
えば、図６に示すように、センサ部３を、顕微鏡の対物
レンズのようにユニット化し、このユニットされたセン
サ部３を、光ファイバ２の先端に、着脱自在に取り付け
るようにしてあってもよい。この図において、２Ａは光
ファイバカバー、２Ｂは接続部材である。また、３４は
光ファイバ２によって伝搬されてくる照射光１７を適宜
拡大または縮小するためのレンズである。

【００３４】また、センサ面８を各種のイオンや化学物
質などの対応する感応膜で適宜修飾することにより、イ
オンセンサやバイオセンサとして使用することができ
る。この場合、センサ面８を例えば交互に各種の感応膜
で修飾することにより、複数種のイオンや化学物質の濃
度を同時に測定することができ、多機能化が図れる。

【００３５】そして、上述の実施の形態においては、対
極９および比較電極１０をセンサ面８と同一平面となる
ように形成してあったが、このようにする必要はなく、
これら９，１０をセンサ面８の近傍に設けてあってもよ
い。

【００３６】また、図２および図５において仮想線３５
で示すように、センサ５と光ファイバ２との間に、照射
光１７を適宜拡大または縮小するためのレンズを設けて
もよい。

【００３７】さらに、ＬＥＤアレイ１８やＦＰＤ３２に
おけるＬＥＤ２１や画素３３の配置は、測定目的に応じ
て適宜設定してもよいことはいうまでもない。

【００３８】

【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、細くかつ屈曲性に優れた光ファイバの一端にセ
ンサ部を設け、他端に個別に点灯制御される複数の単位
光源からなる光走査用光源アレイを設けているので、従
来の二次元化学画像測定装置においては困難であったと
ころの人体内部や、肉の塊などバルク状測定対象の内部
などにおける微小領域におけるｐＨなどイオン濃度や化
学物質の分布測定を確実にしかも高速で行うことができ
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測定装置本体の
構成の一例を概略的に示す図である。

【図３】センサの構成の一例を概略的に示す斜視図であ
る。

【図４】光走査用光源アレイの一例を示す図である。

【図５】測定装置本体の構成の他の例を概略的に示す図
である。

【図６】センサ部の構成の他の例を示す図である。

【符号の説明】

２…光導波路、３…センサ部、６…半導体基板、８…セ
ンサ面、１７…照射光、１８…ＬＥＤアレイ、１９…集
光光学系、２１，３３…単位光源、３２…フラットパネ
ルディスプレイ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路の一端に、半導体基板の一方の
面にセンサ面を有するセンサ部を設けるとともに、前記
光導波路の他端に、個別に点灯制御される複数の単位光
源からなる光走査用光源アレイおよびこの光走査用光源
アレイによって発せられる照射光を光導波路へ集光する
光学系を設け、前記照射光を前記半導体基板に対して二
次元的に照射するようにしたことを特徴とする二次元化
学画像測定装置。
【請求項２】光導波路に対してセンサ部を着脱自在に
装着できるようにしてなる請求項１に記載の二次元化学
画像測定装置。
【請求項３】光走査用光源アレイがＬＥＤアレイであ
る請求項１または２に記載の二次元化学画像測定装置。
【請求項４】光走査用光源アレイがフラットパネルデ
ィスプレイである請求項１または２に記載の二次元化学
画像測定装置。