JP2002168606A - 光拡張手段を備えた偏光解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、多数の試料を簡易、迅速、且つ高
精度で測定し得る偏光解析装置を提供することを目的と
する。 【解決手段】 上記課題を解決するために、本発明は、
偏光解析すべき試料に光ビームを照射するための光源部
と、前記試料に前記光ビームの特定の偏光成分のみを入
射させるための偏光子と、前記試料を保持する試料保持
部と、前記試料によって反射された光から特定の偏光成
分を取り出すための検光子と、検光子を透過した光を検
出するための光検出器とを備えた偏光解析装置におい
て、前記光源部から射出された前記光ビームを拡張する
ための光拡張手段をさらに備えたことを特徴とする偏光
解析装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源部から射出さ
れた光ビームを拡張するための光拡張手段を備えたこと
を特徴とする偏光解析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】偏光解析は、薄膜に偏光を入射させて、
反射光の偏光状態の変化を測定することにより、オング
ストロームレベルでの厚さを測定することができる技術
である。

【０００３】偏光解析は、半導体のレジストの膜厚を測
定するために、主として、半導体製造分野において用い
られてきた技術であるが、近年、生物学的試料の測定に
も応用されるようになっている。

【０００４】例えば、特開平５−２０３５６５号には、
抗原抗体反応後における膜形成の有無を測定することに
よって、所定の被検物質を測定し得る装置が開示されて
いる。また、偏光解析は、核酸のハイブリダイゼーショ
ン後の厚さの変化をも測定できるので、核酸のハイブリ
ダイゼーションを簡易に測定するためにも使用できる。

【０００５】このように、偏光解析は生物学的試料を簡
易に測定する技術として有用であるが、例えば、特開平
６−１１７９３５や特開２０００−６５７２７に記載さ
れているような従来の偏光解析装置においては、集光し
た光ビームを試料の一点に照射していたので、多数の試
料を測定するためには多くの時間を要した。また、この
ような従来の装置で多数の試料を測定するためには、試
料を移動させて走査することが必要となるが、オングス
トロームレベルの厚さを測定する偏光解析においては、
かかる操作は大きな誤差の原因となり得る。

【０００６】このため、ＤＮＡチップやプロテインチッ
プの開発が進むにつれて、極めて多くの生物学的試料を
簡易、迅速、且つ高精度で測定するための偏光解析装置
が望まれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、多数の試料
を簡易、迅速、且つ高精度で測定し得る偏光解析装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、偏光解析すべき試料に光ビームを照射す
るための光源部と、前記試料に前記光ビームの特定の偏
光成分のみを入射させるための偏光子と、前記試料を保
持する試料保持部と、前記試料で反射された光から特定
の偏光成分を取り出すための検光子と、検光子を透過し
た光を検出するための光検出器とを備えた偏光解析装置
において、前記光源部から射出された前記光ビームを拡
張するための光拡張手段をさらに備えたことを特徴とす
る偏光解析装置を提供する。

【０００９】なお、本明細書において、「偏光解析」と
は、平らな表面の試料に偏光を入射させ、反射光の偏光
状態の変化を測定することにより、試料の屈折率を測定
し、試料が薄膜を形成しているときには、該試料の膜の
厚さを測定することができる解析をいう。

【００１０】「偏光解析」には、例えば、比較楕円偏光
解析、折返し光路型比較楕円偏光解析などの楕円偏光解
析などが含まれる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の偏光解析装置は、試料に
照射する光ビームを拡張するための光拡張手段を備えた
ことを特徴とする。

【００１２】本発明の装置は、光拡張手段を備えること
により、複数の試料に同時に光を照射することが可能で
ある。このため、本発明の装置を用いれば、複数の試料
に対して同時に偏光解析を行うことができる。また、同
一の光源部から射出された光ビームが複数の試料に照射
されるので、非常に高い精度で解析できる。

【００１３】以下、本発明の第１の実施の形態に係る偏
光解析装置について、図１を参照しながら説明する。

【００１４】［第１の実施の形態］図１に示されている
ように、本実施の形態に係る偏光解析装置１００は、偏
光解析すべき試料１０５に光ビームを照射するための光
源部１０１と、該光ビームを拡張するための光拡張手段
１０２と、試料１０５に特定の偏光成分のみを入射させ
るための偏光子１０３と、偏光子１０３を透過した光を
試料１０５の形状に適合させるためのピンホールアレイ
１０４と、試料１０５を保持するための試料保持部１０
６と、試料１０５によって反射された光から特定の偏光
成分を取り出すための検光子１０７と、検光子１０７を
透過した偏光成分を検出するための光検出器１０８と、
光検出器１０８で光電変換され、ケーブル１０９を介し
て伝導される電気的情報に所定の演算処理を施すための
データ処理部１１０とを備える。なお、図１に記載の偏
光解析装置１００においては、該装置の各構成要素は、
光ファイバーのようなファイバーで接続されていない
が、ファイバーを用いて、前記各構成要素に光を伝導さ
せてもよい。

【００１５】光源部１０１は、例えば、固体レーザー、
気体レーザー、半導体レーザー、キセノンランプ、ハロ
ゲンランプ等であり得る。光源部１０１が、半導体レー
ザーの光源を有している場合、その射出光を平行化する
ために、好ましくはコリメーターレンズを備え得る。光
源部１０１として、キセノンランプとハロゲンランプを
使用するときには、通常、前分光又は後分光処理が必要
である。

【００１６】光源部１０１から射出された光ビームは、
光拡張手段１０２によって拡張される。迷光によるノイ
ズを減少させることができるので、光拡張手段１０２
は、拡張後に光ビームが所望の形状になるようなものを
選択することが好ましい。

【００１７】光ビームを円形に拡張するときには、例え
ば、図２に示されているようなケプラー型ビームエクス
パンダー（図２（ａ））、又はガリレー型ビームエクス
パンダー（図２（ｂ））を使用し得る。ケプラー型で
は、内部の焦点で一度集光するので、ガリレー型の方が
光路長を短くすることができる。ケプラー型を使用する
ときには、波面を安定させるために、二つのレンズの間
に、スペイシャルフィルターを介在させてもよい。

【００１８】光ビームを楕円形ないしは俵形に拡張する
ときには、図３（Ａ）に示されているような楕円形エキ
スパンダーを使用することができる。上面の円に垂直な
面で円柱を二分した形状を有するシリンドリカルレンズ
を４つ用いると、気体レーザーや固体レーザーを、矩形
の各々の隅部が曲線を帯びた俵形の形状に拡張すること
ができる。４つのシリンドリカルレンズのうち２つは、
切断面が対向するように縦置され、他の２つは、切断面
が対向するように横置されている。半導体レーザーの場
合、光拡張手段を通過する前に、既に楕円形となってい
るので、図３（Ｂ）に示されているように、切断面が対
向するように縦置された一対のシリンドリカルレンズを
通過させれば、光ビームを楕円形に拡張することができ
る。

【００１９】長方形や正方形などの四角形にするために
は、光を円形、楕円形などに拡張した後に、図４に示さ
れているような、四角形の穴があいたマスクを用いて、
拡張された光を四角形に加工する。もちろん、マスクの
穴の形状を所望の形状にすれば、光を任意の形状に加工
することが可能である。

【００２０】光拡張手段１０２を通過した光ビームは、
偏光子１０３によって偏光される。偏光子１０３は、光
源部１０１と試料保持部１０６の間に配置される。

【００２１】偏光解析装置１００において、偏光子１０
３は、試料保持部１０６への入射面に対して−４５°傾
いた偏光面を有する直線偏光を透過するように固定され
ている。ここで用いる「偏光面」という用語は、入射光
線と入射法線によって決まる平面であり、より具体的に
は、試料保持部に入射する光の波面の法線と反応部の表
面に立てた法線とを含む平面をいう。偏光子１０３は、
光軸周りの角度方向を変えられるように光軸周りに回転
可能に保持されていてもよい。

【００２２】偏光子１０３としては、偏光板、グラント
ムソンプリズム、グランレーザープリズム、ウォラスト
ンプリズム、グランレーザープリズムなどを使用し得る
が、これらに限定されない。

【００２３】偏光子１０３の後段には、必要に応じて、
図４に示されているような、ピンホールが複数設けられ
たピンホールアレイ１０４を備えつけてもよい。ピンホ
ールアレイ１０４は、測定部分以外の光を遮断するの
で、ピンホールアレイ１０４を用いると測定感度が向上
する。ピンホールの形状は、試料の形状に適合するよう
に、例えば、円形、矩形など任意の形状であり得る。ピ
ンホールの数は、測定箇所の個数に応じて設ければよ
い。

【００２４】偏光子１０３によって偏光された光ビーム
は、試料保持部１０６に戴置された試料１０５を照射す
る。試料１０５は、典型的には、生物学的試料であり得
る。例えば、ＤＮＡチップにハイブリダイズした核酸
や、液体中の抗原抗体複合体や免疫複合体、ＰＣＲ生成
物が試料となり得る。もちろん、試料１０５は、非生物
学的試料、例えば、半導体のレジストであってもよい。

【００２５】試料１０５が液体試料であるときには、試
料１０５は、ＤＮＡチップや試料セルなどの容器に収容
されて、試料保持部１０６上に戴置されるか、試料保持
部１０６の一面に設けられた容器挿入孔に挿入される。

【００２６】試料１０５は、試料保持部１０６において
所定の反応を施すこともできる。試料１０５に所定の反
応を施すときには、反応の種類に応じて、反応に必要な
手段を試料保持部１０６に加えてもよい。

【００２７】試料１０５に施す反応がＰＣＲである場合
には、試料保持部１０６の内部あるいは下部に、ヒータ
ーなどの加熱手段、及びサーモスタットなどの温度調節
手段を設置すればよい。

【００２８】偏光された光は、試料１０５の膜厚に応じ
て、光学的特性が変化する。例えば、試料１０５が液体
中に存在するときには、試料の膜厚の変化によって、試
料が溶存している液体の光学的特性が変化する。光学的
特性の変化は、試料１０５によって反射された光の偏り
に変化をもたらすので、該変化を測定すれば、試料の膜
厚を測定することができる。

【００２９】試料１０５によって反射された光は、検光
子１０７によって、特定の偏光成分が取り出される。検
光子１０７は、試料保持部１０６への入射面に対して−
４５°傾いた偏光面を有する直線偏光を透過するように
固定されている。検光子１０７は、より好ましくは、光
軸周りの角度方向を変えられるように、光軸周りに回転
可能に保持されている。検光子１０７は、測定の間、そ
の透過軸方向が特定の方向に固定されていてもよく、あ
るいは、光軸周りに回転されてもよい。

【００３０】また、偏光子１０３と試料１０５の間にλ
／４波長板を４５°の傾きで設置し、偏光子と検光子を
回転させることで、試料の表面の性質を測定しても構わ
ない。より具体的には、偏光子１０３によりある方向の
直線偏光とし、該直線偏光を、光の入射面に対してその
方位角が４５°にセットされたλ／４波長板により楕円
偏光とする。楕円偏光を定められた入射角で試料面に入
射させ、試料面からの反射光が直線偏光になるように偏
光子１０３を回転調節する。反射光はある傾きをもった
直線偏光なので、検光子１０７を回転してその傾きの方
向を調べる。偏光子１０３と検光子１０７の回転角を交
互に調節しつつ、消光点（光検出器１０８の出力が０と
なる点）における偏光子１０３と検光子１０７の角度の
読むことにより、試料表面の性質を解析することが可能
となる。

【００３１】検光子１０７を通過した偏光成分は、光検
出器１０８によって光電変換される。光検出器１０８に
は、ＣＣＤカメラ、ＳＩＴカメラ、フォトダイオード、
アバランシュフォトダイオード、フォトマルチプライヤ
ーなどが含まれるが、これらに限定されない。

【００３２】光検出器１０８から出力される電気信号
は、ケーブル１０９を介して、コンピューター等のデー
タ処理部１１０に取り込まれ、所定の演算処理が施され
る。その結果、例えば、反応液の光学的特性や試料の膜
厚などの測定データが得られる。これらの測定データ
は、コンピューターディスプレイなどの画像表示部（図
示せず）上に可視化させたもよい 以上のように、光拡張手段を備えた偏光解析装置を使用
すれば、多数の試料を同時に、高精度で測定することが
できる。

【００３３】［第二の実施の形態］本実施の形態では、
図５を参照しながら、光拡張手段を備えた比較偏光解析
装置について説明する。

【００３４】図５に示されているように、本実施の形態
に係る比較偏光解析装置５００は、対象試料５０４と検
体試料５０７とに光ビームを照射するための光源部５０
１と、該光ビームを拡張するための光拡張手段５０２
と、対象試料５０４に特定の偏光成分のみを入射させる
ための偏光子５０３と、対象試料５０４を保持すべき対
象試料保持部５０５と、対象試料５０４によって反射さ
れた光を折り返すための折り返しプリズム５０６と、検
体試料５０７を保持すべき検体試料保持部５０８と、検
体試料５０７によって反射された光から特定の偏光成分
を取り出すための検光子５０９と、検光子５０９を透過
した偏光成分を検出するための光検出器５１０と、光検
出器５１０で光電変換され、ケーブル５１１を介して伝
導される電気的情報に所定の演算処理を施すためのデー
タ処理部５１２とを備える。

【００３５】偏光解析装置５００において使用し得る光
源部５０１、光拡張手段５０２、偏光子５０３、並びに
それらの機能は、第一の実施の形態に記載したとおりで
ある。

【００３６】偏光子５０３を通過することにより、光ビ
ームは、対象試料５０４への入射面に対して−４５°傾
いた直線偏光に変換された後、対象試料５０４によって
反射される。該反射によって、前記直線偏光は、反応液
の光学的特性に応じた楕円偏光に変換される。

【００３７】対象試料５０４は、図のように、対象試料
保持部５０５上に戴置されるか、あるいは対象試料保持
部５０５の一面に設けられた試料容器挿入孔に挿入され
る。対象試料保持部５０５は、検体試料保持部５０８と
一体を成してもよい。

【００３８】対象試料５０４によって反射された楕円偏
光は、折り返しプリズム５０６の内部で四回反射された
後、射出光が入射光に対して所定の間隔おいて平行に射
出されるように、検体試料５０７に向けて折り返され
る。折り返しプリズム５０６に入射した偏光ビームは、
四回反射された結果、プリズムに入射した楕円偏光に対
して、長軸成分と短軸成分の大きさと方向が同じである
が、回転方向が反対の楕円偏光となる。折り返しプリズ
ム５０６は、例えば、二つの直角プリズムを組み合わせ
ることによって作られる。

【００３９】折り返しプリズム５０６から折り返された
楕円偏光は、検体試料保持部５０８上の検体試料５０７
によって反射されて、検光子５０９に向けられる。

【００４０】検体試料５０７での反射によって、前記折
り返された楕円偏光は、再度偏光された楕円偏光とな
る。検体試料５０７と対象試料５０４が、全く同一の場
合には、光ビームに対する両試料の楕円偏光作用が互い
に打ち消し合うように働くので、光検出器５１０で光が
全く検出されない消光状態になる。これに対して、検体
試料５０７と対象試料５０４が同一でない場合には、光
ビームに対する両試料の楕円偏光作用が打ち消し合わな
いので、光検出器５１０で光が検出される。このよう
に、比較楕円偏光解析においては、光が全く存在しない
状態を基準として解析が行われるので、Ｓ／Ｎ比が高く
なり、高精度の解析を行うことが可能である。

【００４１】検体試料５０７によって再度偏光された楕
円偏光は、検光子５０９を透過して光検出器５１０に達
する。検光子５０９、光検出器５１０、ケーブル５１
１、及びデータ処理部５１２の機能は、第一の実施態様
に記載されているとおりである。

【００４２】なお、図５には記載されていないが、本実
施の態様に係る偏光解析装置においても、偏光子５０３
と対象試料５０４の間、対象試料５０４と折り返しプリ
ズム５０６の間、及び／又は折り返しプリズム５０６と
検体試料５０７の間にピンホールアレイを備えつけるこ
とが好ましい。

【００４３】本実施の態様に係る偏光解析装置を用いれ
ば、さらに高い精度で、簡易且つ迅速に複数の試料を偏
光解析することが可能となる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の偏光解析装置は、複数の試料に
対して同時に光ビームを照射するための光拡張手段を備
えているので、複数の試料を簡易、迅速、且つ高精度で
偏光解析することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る本発明の偏光解析装置
を示した図。

【図２】本発明の偏光解析装置に設置し得る光拡張手段
の一例を示した図。

【図３】本発明の偏光解析装置に設置し得る光拡張手段
の一例を示した図。

【図４】本発明の偏光解析装置に使用し得るピンホール
アレイの一例を示した図。

【図５】第２の実施の形態に係る本発明の比較偏光解析
装置を示した図。

【符号の説明】

１００ 偏光解析装置 １０１ 光源部 １０２ 光拡張手段 １０３ 偏光子 １０４ ピンホールアレイ １０５ 試料 １０６ 試料保存部 １０７ 検光子 １０８ 光検出器 １０９ ケーブル １１０ データ処理部 ５００ 比較偏光解析装置 ５０１ 光源部 ５０２ 光拡張手段 ５０３ 偏光子 ５０４ 対象試料 ５０５ 対象試料保持部 ５０６ 掘り返しプリズム ５０７ 検体試料 ５０８ 検体試料保持部 ５０９ 検光子 ５１０ 光検出器 ５１１ ケーブル ５１２ データ処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB01 CC31 DD06 DD09 FF50 GG02 GG05 GG06 HH03 HH09 HH10 HH12 JJ01 JJ03 JJ17 JJ18 JJ19 JJ26 LL02 LL08 LL09 LL21 LL33 LL34 LL36 NN06 UU03 UU07 2G059 AA02 AA03 DD13 DD16 EE05 GG01 GG10 JJ11 JJ12 JJ19 JJ20 JJ30 KK01 KK02 KK03 MM01 PP04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光解析すべき試料に光ビームを照射す
   るための光源部と、 前記試料に前記光ビームの特定の偏光成分のみを入射さ
   せるための偏光子と、 前記試料を保持する試料保持部と、 前記試料によって反射された光から特定の偏光成分を取
   り出すための検光子と、 検光子を透過した光を検出するための光検出器とを備え
   た偏光解析装置において、 前記光源部から射出された前記光ビームを拡張するため
   の光拡張手段をさらに備えたことを特徴とする偏光解析
   装置。
2. 【請求項２】 前記光拡張手段が、前記光ビームを前記
   試料の形状に適合するように拡張することを特徴とする
   請求項１に記載の偏光解析装置。