JP2006507494A - 試験エレメントの光学検査用の測定装置 - Google Patents

Abstract

光源（１６）と、光検出器（２４）と、光源（１６）および光検出器（２４）のあいだの光路の中で試験エレメント（１０）を位置決めする装置（１２）とを備える、特に診断用の試験エレメント（１０）を光学的に検査するための測定装置において、光源（１６）が１つまたはそれ以上の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を有し、ＯＬＥＤ（１４）が結像光学系（２０）および／または光検出器（２４）と共に１つの複合体構造を形成する測定装置。

Description

本発明は、光源と、光検出器と、光源および光検出器のあいだの光路の中で試験エレメントを位置決めする装置とを備える、特に診断用試験エレメントを光学的に検査するための測定装置に関する。

この形式の分析システムは、分析物で負荷できる使い捨て試験ストリップを光学的に、たとえば変色を検査する目的で医療診断に使用される。そのために必要な、場合によっては被検者自身が使用できる測定モジュール内の測光構造は、所望の性能を達成するために個別的な構成要素の正確な整列を必要とする。製造においては、通常、光源、光学系および検出器が不連続の個別部材として複数の部品点数で、いわゆる「ピック・アンド・プレイス」法によって組み立てられる。これは限られた精度と再現性でのみ可能であり、構成要素および提供される光学的構造寸法または焦点距離が小さくなるほど、さらに時間がかかる。

電子機器内の表示素子として、結晶半導体構造に基づく従来の無機ＬＥＤと異なり、大面積で非常に薄い可撓性の接合エミッタとして製造できる有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を基材とする表示ピクセルを形成することがそれ自体公知である。

上記を前提として本発明の基礎をなす課題は、特に高い製造および測定精度で、単純でコンパクトな構造形状を達成するために、冒頭に挙げた形式の測定装置を改善することである。

この課題を解決するために特許請求の範囲第１項に示した特徴の組合せが提案される。本発明の有利な実施形態および継続形成は従属請求項から明らかである。

本発明は、照明源、光学系および／または検出器から構成される堅固な複合体を構成する思想を前提とする。それにしたがって本発明により、光源が１つまたはそれ以上の有機発光ダイオード群（ＯＬＥＤ）を有し、ＯＬＥＤが担体基板を介して結像光学系および／または光検出器と共に１つの複合体構造を形成することが提案される。

それによって簡単にロットごとに、構成要素の高度の均一な位置精度と低い製造ばらつきで製造することが可能である。構造寸法は少なくとも光源の平面構造によって相当縮小することができる。ＯＬＥＤの使用によって比較的少ないエネルギー消費量で高い発光強度、広い視野角、潜在的に低い製造コストおよび材料コストの低減および分析機器用の測光モジュールの製造のために大規模に自動化できる生産工程のような多面的な利点が生じる。

従来のＬＥＤ光源に対し、測光測定ユニットでＯＬＥＤの使用で別の予期しない利点が生じる：測光構造として最適化できる光源を可変成形する可能性がある。ＯＬＥＤ表面上の均一な光分布によって結像光学系をそれ自体として改善することができ、従来のＬＥＤで必要であったようなシャドウ電極への適合が不要になる。光学系と光源のあいだの距離および側方の位置精度において本質的に小さい許容差によって、むしろ広範囲に距離に左右されない試験フィールドの照明を達成するために測定光を視準することが可能である。視準が完全でない場合でも距離許容差に対して少なくとも１つの低い感度が生じる。それに加えて複合体構造内の小さい位置許容差が効率的な操作を可能にする小さい焦点距離を可能にする。特にそれによって送信機側で少ない所要エネルギーで測定することができ、あるいは受信機側で良好な信号対雑音比を達成することができる。

好ましくは複数のＯＬＥＤが１次元または２次元の発光ピクセルアレイとして担体基板上に配置されている。しかもＯＬＥＤが互いに異なる放出波長領域を有し、および／または好ましくはラスタ状に異なる照明標的面に整列することができる。この方法により標的面を、たとえば顕微鏡の試料量に制限し、あるいは付加的な評価を可能にするために局所解像照明を行うことができる。

ＯＬＥＤは、１次元のコンパクト性で２つの電極層と、１つのサンドイッチ状に介在する好ましくは１種のポリマー材料から形成されるエレクトロルミネッセンス発光層とから構成することができる。しかもピクセルサイズは、５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下を達成することができる。

有利な実施形態は、ＯＬＥＤが基板に境接する透明の、基板を通して光を照射する前面電極層と、そこから離間する背面電極層とを有することを企図している。しかも前面または背面電極層は、全てのＯＬＥＤ用に共通に形成しもしくは接触させることができ、他方それぞれ対向する各個電極を介して個々のピクセルの独立の駆動が可能である。

好ましくは、結像光学系が試験エレメントの標的面への光源および／または光検出器上の試験エレメントの標的面の結像のために少なくとも１つの光学レンズを有する。

広範囲に集積するために、結像光学系が複数の平面配列で微細構造化した好ましくは非球面レンズユニットを有する場合に有利である。しかもこの結像光学系は、好ましくは担体基板上に特にスタンピングによって成形されるレンズ構造によって形成されている。択一的に結像光学系が特にスタンピング（熱間−または射出スタンピング）、射出成形または反応射出成形によってレンズ構造として前成形し、担体基板に平坦に結合した箔材として好ましくはポリマー基材に形成することも可能である。

好適な光路を有するコンパクトな構造は、ＯＬＥＤが担体基板の一方の側に、かつ結像光学系がその対向側に配置されることによって達成される。しかも担体基板は、透明の平面材料、特に薄ガラスまたはポリマーフィルムから構成されている。

本発明の別の好ましい実施形態は、光検出器が少なくとも１つの層状の有機フォトダイオードによって形成されることを企図している。それによって光学構成要素の位置決めでさらなる改善を達成することができ、光エミッタ−および受光器の層蒸着は集積による製造に関しても特別の利点をもたらす。

好ましくは、局所解像走査を可能にするために、複数の有機フォトダイオードが線状または平面状のセンサピクセルアレイとして担体基板上に配置されている。別の有利な実施形態において、担体基板の表面上にマトリックス状に配置され、基本測光器として局所的に組合せた複数のＯＬＥＤおよびフォトダイオードが多重測光器を形成する。

その他の改善は、位置決め装置が試験エレメントのための保持部、案内部または係止部を含むことを企図している。位置決め装置は装填箇所と測定箇所のあいだで移動可能の試験エレメント収容部を含むこともできる。

長寿命をさらに高めるために、ＯＬＥＤがその表面で特にコーティングまたはハウジングによって環境に対して物質を通さないように遮蔽されている場合に有利である。

別の有利な実施形態は、試験エレメントが光学的に走査可能の検出される生物学的物質のためのインジケータフィールドを設けた、特に使い捨て品として指定された試験ストリップ、たとえばグルコース試験ストリップによって形成されることを企図している。

以下、本発明は、図面に概略的に簡単な方法で表した実施例を利用してより詳しく説明する。

図面に示した光学測定装置は、たとえば血液試料中のグルコース試験用の診断試験ストリップ１０の測光検査または評価に使われている。この測定装置は、試験ストリップ１０用の位置決めユニット１２ならびに少なくとも１つの有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ１４）によって形成された光源１６と、担体基板１８と、結像光学系２０と、少なくとも１つのポリマーフォトダイオード２２を有する光検出器２４とから構成される複合体構造を含む。

図１に示した実施形態において、異なる放出波長を有する複数のマトリックス状に配置したＯＬＥＤ１４を設けている。フィルム状のＯＬＥＤ１４は、サンドイッチ型構成で２つの電極層２８、３０のあいだに配置した少なくとも１つの薄い有機発光層２６を基材とする。印加電圧でアノード層２８から正の電荷が発光層２６の中に押し進められ、他方、カソード層３０に電子が注入される。電場によって注入された電荷担体がそれぞれ対向する電極層へ移動する。電子と正孔が互いに会合すると、放射再結合のできる電子正孔対が形成される。しかも発光スペクトルは使用する有機半導体材料によって決定される。高効率のＯＬＥＤは、この注入エレクトロルミネッセンス効果を最適化する別の注入層および輸送層ならびに拡散障壁としてかつ均質化のための補助層を含む。

図１記載の実施形態において担体基板１８に境接する共通のアノード２８を設けており、このアノードはＩＴＯ（インジウム−スズ−酸化物）または類似の酸化化合物ならびに導電性ポリマーから構成され、放射光に対して透過性である。それに対して、金属層から構成されるカソード３０は、独立のタップ３２を介して個別的に駆動可能である。

駆動されたＯＬＥＤの様々な波長にわたって、試験ストリップ１０上の分析試験面３４の光学的に検出できる様々な反応または性質を評価することができる。さらにＯＬＥＤのマトリックス配列によって、たとえば最少の試料体積で所定の試験面３４を局所解像的に検査するために、異なる照明標的面または照明スポットを照射することができる。

担体基板１８は、発生した光に対して透過性の薄い平面材料、特に薄ガラスまたは可撓性のポリマーフィルムまたは好適な多層から構成される。その上に載せるＯＬＥＤ１４は層状エミッタとして非常に小さい寸法で製造することができる。たとえばピクセルサイズは、５０および２００μｍのあいだにすることができ、他方、発光層２６の層厚は１００nｍの範囲に置くことができる。このような構造は、浸漬法、スピン−およびディップ−コーティング、スクリーン−およびインクジェット印刷、ＰＶＤ−およびＣＶＤ法のような異なるプロセス技術により高い精度で製造することができる。

結像光学系２０は、担体基板１８のＯＬＥＤ１４の対向側に取り付けられている。この結像光学系は、測定光のエミッタ側の減結合および検出器側の結合用の複数の平面的に配分したレンズユニット３６を有する。これらのレンズユニットは前製造された微細構造化レンズ構造３８として、たとえばホットスタンピングによるフィルム材料の形態で試験エレメント１０に対向する基板側に積層することができる。択一的にこのレンズ構造を自由基板側に、たとえばスタンピングによって直接成形することも可能である。

ポリマーフォトダイオード２２は、ＯＬＥＤと同様にサンドイッチ型構造で２つの電極層４０、４２と１つの半導体ポリマー層４４とから構成されている。このような感光性の層セルはそれ自体公知であり、たとえば、その内容がここに含まれるダイら（Ｄey et al）のア ダイポリマー ベイスト ソリッド ステート シンフィルム フォトエレクトロケミカル セル ユースト フォア ライトディテクション（A Ｄye／Polymer based solid state thin filｍ photoelectrochemical cell used for light detection）、シンセティック メタルズ（Synthetic Ｍetals） １１８（２００１）、１９〜２３頁の出版物に記載されている。

ただ１つのフォトダイオード２２の代わりに、複数のフォトダイオードを１次元または２次元アレイまたはダイオードフィールドとして担体基板１８上に配置することもできる。また、従来の測光受信機を上記のＯＬＥＤ光源と組合せることも考えられる。

ＯＬＥＤ１４と、結像光学系２０と、フォトダイオード２２とから構成される複合体構造によって非常にコンパクトかつ光学的に精密な測光器配列を実現することができ、この配列は１つのコンパクトなハウジング４６の中で、特に使い捨て品として形成される試験ストリップ１０自体の評価を行うために利用者に提供することができる。この目的のために、ハウジング４６の中に挿入可能の収容部４８を試験ストリップ１０用の位置決めユニットとして設けている。

光路は、図１記載の配列において、光源１６から基板１８および結像光学系２０を通して試験面３４へ、およびそこから反射もしくは再放出され結像光学系２０を介して基板１８を通して検出器２４へ延びている。しかしまた基本的に試験ストリップ１０が光源と検出器のあいだの透過光で検査される透過性配列も可能である。

図１にしたがって、各ＯＬＥＤ１４は、レンズユニット群３６を通して試験ストリップ１０上の標的面に結像される。図２および３に示した実施形態は、各ＯＬＥＤ１４に大きいレンズ直径をもつ各個レンズ３６が組み込まれることによって、前記ＯＬＥＤから区別される。これは図２に対応してフレネルレンズ３６’として形成されており、しかもその構造形状は微細構造化および成形技術で最適化されている。図３は放射光の集束用の非球面集光レンズ３６’’を示す。

図２および３記載の実施形態において、ＯＬＥＤ１４の独立のアノード層２８が個別に制御可能の前面電極として設けられており、他方、貫通するカソード層３０が共通の背面電極を形成する。

図４に示した実施例において、環境に対してＯＬＥＤ１４の自由表面を気密に遮蔽するためのハウジング５０は、有機発光層２６と輸送／注入層５２および金属電極３０を酸素や水分の影響による酸化から保護するために設けられている。ハウジング５０は周辺部側で接着層５４を介して電極層２８もしくは担体基板１８上に固定することができ、乾燥剤５６を付加的な水分保護剤として含むことができる。独立のハウジングの代わりにコーティング等も担体基板１８と共に物質を通さない障壁として設けることもできることは自明である。

図５に、担体基板の表面上にマトリックス状に配置した複数の基本測光器５８を有する別の実施形態を示している。基本測光器５８は、それぞれ四角形のピクセル面上に十字形のポリマーフォトダイオード２２と、４つのコーナー領域に配置した異なる波長で作動するＯＬＥＤ１４によって形成され、もちろん別の局所的な組合せも考えることができる。それによって試験エレメント１０上の標的面は、図５に円６０で具体的に示したように、局所解像で光学的に走査することができる。これは小さい試料量を不正確な位置決めでも測光的に検査することを可能にする。同時に、それによって、光学測定区間を縮小し、必要な場合はさらに結像光学系を省くことも可能である。

断面図による有機発光−およびフォトダイオードからなる複合体構造としての測光測定装置ならびに診断試験ストリップの評価用の結像光学系である。 断面図による有機発光ダイオードおよび組み込まれた結像光学系の別の実施形態である。 断面図による有機発光ダイオードおよび組み込まれた結像光学系の別の実施形態である。 断面図によるハウジングの中に気密に遮蔽された有機発光ダイオード配列である。 平面図による組合せ有機発光およびフォトダイオードを基材とする各個測光器のマトリックス配列である。

Claims (20)

1. 光源（１６）と、光検出器（２４）と、光源（１６）および光検出器（２４）のあいだの光路の中で試験エレメント（１０）を位置決めする装置（１２）とを備える、特に診断用の試験エレメント（１０）を光学的に検査するための測定装置において、
   光源（１６）が１つまたはそれ以上の有機発光ダイオードを有し、有機発光ダイオード（１４）が担体基板（１８）を介して結像光学系（２０）および／または光検出器（２４）と共に１つの複合体構造を形成する測定装置。
2. 複数の有機発光ダイオード（１４）が１次元または２次元の発光ピクセルアレイとして担体基板（１８）上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記有機発光ダイオード（１４）が互いに異なる放出波長領域を有することを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
4. 前記有機発光ダイオード（１４）がラスタ状に異なる照明標的面に整列されることを特徴とする請求項１、２または３記載の測定装置。
5. 前記有機発光ダイオード（１４）が２つの電極層（２８、３０）と、サンドイッチ状に介在する好ましくは１種のポリマー材料から形成されるエレクトロルミネッセンス発光層（２６）とから構成されることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の測定装置。
6. 前記有機発光ダイオード（１４）が５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下のピクセルサイズを有することを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の測定装置。
7. 前記有機発光ダイオード（１４）が担体基板（１８）に境接する透明の前面電極層（２８）と、それから離間する背面電極層（３０）とを有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の測定装置。
8. 結像光学系（２０）が試験エレメント（１０）の標的面（３４）に光源（１６）および／または光検出器（２４）上の試験エレメント（１０）の標的面（３４）を結像するために少なくとも１つの光学レンズ（３６；３６’、３６’’）を有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の測定装置。
9. 結像光学系（２０）が複数の平面配列で微細構造化した、好ましくは非球面レンズユニット（３６）を有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の測定装置。
10. 結像光学系（２０）が担体基板（１８）上に特にスタンピングによって成形されるレンズ構造（３８）によって形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の測定装置。
11. 結像光学系（２０）が特にスタンピング、射出成形または反応射出成形によってレンズ構造（３８）として前成形され、担体基板（１８）と平面的に結合した箔材として、好ましくはポリマー基材に形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の測定装置。
12. 前記有機発光ダイオード（１４）が担体基板（１８）の一方の側に、かつ結像光学系（２０）がその対向側に配置されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、または１１記載の測定装置。
13. 担体基板（１８）が透明の平面材料、特に薄ガラスまたは必要な場合に多層のポリマーフィルムから構成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１または１２記載の測定装置。
14. 光検出器（２４）が少なくとも１つの層状の有機フォトダイオード（２２）によって形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２または１３記載の測定装置。
15. 複数の有機フォトダイオード（２２）が線状または平面状のセンサピクセルアレイとして担体基板（１８）上に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の測定装置。
16. 前記有機発光ダイオード（１４）および必要な場合はフォトダイオード（２２）がコーティング法によって担体基板（１８）に塗布されることを特徴とする請求項１４または１５記載の測定装置。
17. 担体基板（１８）の表面上にマトリックス状に配置され、基本測光器（５８）として局所的に組合せた複数の有機発光ダイオード（１４）およびフォトダイオード（２２）が多重測光器を形成することを特徴とする請求項１４、１５または１６記載の測定装置。
18. 位置決め装置（１２）が試験エレメントのための保持部、案内部または係止部を含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６または１７記載の測定装置。
19. 前記有機発光ダイオード（１４）がその表面で特にコーティングまたはハウジング（５０）によって環境に対して物質を通さないように遮蔽されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７または１８記載の測定装置。
20. 試験エレメント（１０）が光学的に走査可能の検出される生物学的物質のためのインジケータフィールド（３４）を設けた、特に使い捨て品として指定された試験ストリップ、たとえばグルコース試験ストリップによって形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８または１９記載の測定装置。

Images