JP2009180524A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で測定を行うことができ、簡素な構成の３次元測定装置及び測定方法を得る。
【解決手段】薄板状部材の片面側に結像光学系及び撮像素子を配置し、溝部のうちの被測定部に蛍光を発する液体を流入させ、撮像素子により液体から発せられる蛍光を受光して画像を作成し、該画像に基づいて被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定する測定装置とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄板状の部材に形成された微細な溝部の形状を測定する測定装置及び測定法法に関するものである。

近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段（例えばポンプ、バルブ、流路である溝部、センサなど）を微細化して１チップ上に集積化したシステムが開発されている。これは、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ：マイクロ総合分析システム）、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐｓ）、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。

また、マイクロチップの微細流路である溝部内に試薬などを封入し、マイクロポンプによって微細流路に液体を注入して試薬などを移動させ、反応部、次いで検出部へ流すことにより、血液など検体との反応結果を測定することができる反応検出装置も知られている。

上記のような反応検出装置においては、マイクロチップに形成される溝部である微細流路の深さや平面形状が正確に形成されていないと試薬等の流量が変化し、反応結果がばらつく恐れがあり、マイクロチップの微細流路は所定の精度内の寸法に形成されている必要がある。このためには、形成されたマイクロチップの微細流路が所定の精度内にあるか否かを測定し確認する必要がある。

一方、３次元の形状計測装置として、２次元配列型共焦点光学系を用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１０５８３５号公報

しかしながら、上記の３次元の形状計測装置は、被測定物を順次光軸方向に移動させ、移動位置と光検出器アレイの出力値を対にしてデータ処理を行うものである。このため、一つの測定に時間を要し、かつ複雑な光学系と正確な刻みで光軸方向に移動させるステージ等が必要であり、高価なものである。

本発明は、上記問題に鑑み、短時間で測定を行うことができ、簡素な構成の３次元測定装置及び測定方法を得ることを目的とするものである。

上記の目的は、下記構成により解決される。

（１）薄板状部材に形成された溝部の形状の測定装置であって、前記薄板状部材の片面側に結像光学系及び撮像素子を配置し、前記溝部のうちの被測定部に蛍光を発する液体を流入させ、前記撮像素子により前記液体から発せられる蛍光を受光して画像を作成し、該画像に基づいて前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定することを特徴とする測定装置。

（２）前記画像の明部と暗部の境界に基づいて前記被測定部の平面形状を計測し、前記明部内の受光光量に基づいて前記被測定部の深さを計測することを特徴とする（１）に記載の測定装置。

（３）薄板状部材に形成された溝部の形状の測定装置であって、前記薄板状部材の片面側に結像光学系及び撮像素子を配置し、前記溝部のうちの被測定部に着色された液体を流入させ、前記薄板状部材を光源により照明し、前記撮像素子により前記薄板状部材の画像を作成し、該画像に基づいて前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定することを特徴とする測定装置。

（４）前記画像の着色部に基づいて前記被測定部の平面形状を計測し、前記着色部内の受光光量に基づいて前記被測定部の深さを計測することを特徴とする（３）に記載の測定装置。

（５）薄板状部材に形成された溝部の形状の測定方法であって、前記溝部のうちの被測定部に蛍光を発する液体を流入させる工程と、前記液体から発せられる蛍光を受光する撮像素子による画像を作成する工程と、前記撮像素子により作成された画像に基づいて、前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定する工程とを有することを特徴とする測定方法。

（６）薄板状部材に形成された溝部の形状の測定方法であって、前記溝部のうちの被測定部に着色された液体を流入させる工程と、前記薄板状部材を光源で照明し、撮像素子による薄板状部材の画像を作成する工程と、前記撮像素子により作成された画像に基づいて、前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定する工程とを有することを特徴とする測定方法。

本発明によれば、３次元形状の測定を短時間で行うことのできる測定方法を得ることができ、簡素な構成で、３次元形状の測定を短時間で行うことのできる低価格の測定装置を得ることが可能となる。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る測定装置で測定される被測定物の薄板状部材の一例を示す斜視図である。本例に示す溝部が形成された薄板状部材は、マイクロチップ分析システムに用いられるマイクロチップである。

同図に示すように、薄板状のマイクロチップ１には溝部である微細流路ｒが形成され、更に、微細流路ｒには微細流路ｒとは異なる断面形状の中間貯留部１３９、検出部１４８、廃液部１６０等が接続されて形成されている。微細流路ｒはマイクロメーターオーダーで形成されており、例えば、幅ｗは数十〜数百μｍ、好ましくは５０〜３００μｍで、深さｈは２５〜１０００μｍ程度、好ましくは５０〜３００μｍである。なお、ｇは上流開口部、ｉは注入孔である。

同図に示すように、中間貯留部１３９、検出部１４８、廃液部１６０等は、目的に合わせた平面形状、深さに形成されている。

図２は、図１に示したマイクロチップの中間貯留部１３９周辺の拡大図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断したＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断したＢ−Ｂ断面図である。

同図に示すように、微細流路ｒ１とｒ２の間に形成された中間貯留部１３９は、平坦な底面部１３９ｍと、底面部１３９ｍと微細流路ｒ１とｒ２を繋ぐ傾斜部及び側道路１３９ｓで形成されている。なお、検出部１４８、廃液部１６０等についても、それぞれ目的に合わせて平面形状、深さが決められて形成されている。

なお、本明細書でいう溝部とは、微細流路ｒ、中間貯留部１３９、検出部１４８、廃液部１６０等の凹部を総称している。

図３は、本実施の形態に係る薄板状部材の溝部の形状を測定する測定装置８の外観図である。以下、溝部が形成された薄板状部材の例である上記のマイクロチップを被測定物として説明する。

測定装置８の筐体８２には、薄板状のマイクロチップ１を装置内部に挿入するための挿入口８３、表示部８４、メモリカードスロット８５、プリント出力口８６、操作パネル８７、外部入出力端子８８が設けられている。

測定担当者は、図１の矢印方向にマイクロチップ１を挿入し、操作パネル８７を操作して測定を開始させる。測定装置８の内部では、マイクロチップ１に形成された溝部の測定が自動的に行われ、測定が終了すると表示部８４に結果が表示される。測定結果は操作パネル８７の操作により、プリント出力口８６よりプリントを出力したり、メモリカードスロット８５に挿入されたメモリカードに記憶したりすることができる。また、外部入出力端子８８から例えばＬＡＮケーブルを使って、パソコンなどにデータを保存することができる。測定終了後、測定担当者はマイクロチップ１を挿入口８３から取り出す。

図４は、本実施の形態に係る測定装置８の概略構成を示す断面模式図である。同図においては、マイクロチップが図３に示す挿入口８３から挿入され、セットが完了している状態を示している。

測定装置８は、マイクロチップ１の溝部に励起光を照射すると蛍光を発する液体を送液するための駆動液Ｌ０を貯留する駆動液タンク７０、マイクロチップ１に駆動液Ｌ０を供給するためのマイクロポンプ５を有している。６はポンプ接続部であり、マイクロポンプ５とマイクロチップ１とを駆動液Ｌ０が漏れないように接続している。マイクロポンプ５は、例えば圧電素子が用いられ駆動液Ｌ０を順方向（マイクロチップ１に向かう方向）、逆方向（駆動液タンク７０に向かう方向）に送液が可能となっている。

また、マイクロチップ１の一方の面側（図４では下方）には、光源１６０と、この光源１６０からの励起光を効率よくマイクロチップ１に照射するための照射用レンズ１５０が配置されている。更に、マイクロチップ１の他方の面側（図４では上方）には、マイクロチップ１の表面を被写体とし、複数の受光画素が２次元的に配置された撮像素子１６１の撮像面を像面に設定された結像レンズ１５１が、蛍光波長近傍のみを透過させるバンドパスフィルタ１５２を介して配置されている。光源１６０は、例えば水銀ランプからなり、特定領域の波長の光を通過させるフィルタを介すことで、励起光としてマイクロチップ１に照射されるようになっている。

以下、測定装置８の測定動作の概略について説明する。

本実施の形態では、図１、図２に示す中間貯留部１３９の３次元形状の測定を例にとって説明する。

図５は、中間貯留部１３９へ励起光を照射すると蛍光を発する液体を充填させる工程を示す図である。

同図（ａ）に示すように、注入孔ｉ１及びｉ２から、それぞれ異なる液体Ｌ１、Ｌ２を注入させる。この液体Ｌ１、Ｌ２は混合した状態で励起光を照射すると蛍光を発する試薬である。注入孔ｉは、液体を注入した後は封止されている。それぞれの液体Ｌの間には、空気ａｉｒを介しているので隣接する液体Ｌ間では非接触状態が保たれるので、それぞれの液体は同図に示す初期配置においては混ざり合うことはない。また液体Ｌ１、Ｌ２の液体の総量は中間貯留部１３９の容量Ｖｓよりも大きくしている。

次いで、同図（ｂ）に示すように、上流開口部ｇからマイクロポンプ５により駆動液Ｌ０を注入させることにより送液を行う。駆動液Ｌ０の送液圧力により間に空気ａｉｒを介した状態で、微細流路ｒ１内に配置させていた液体Ｌは中間貯留部１３９に送液される。

更に、同図（ｃ）に示すように、液体Ｌ１、Ｌ２が中間貯留部１３９に送液され混ざり合った状態となる。液体Ｌ１、Ｌ２の液体の総量は中間貯留部１３９の容量Ｖｓよりも大きいため、中間貯留部１３９の下流側の連通部ＣＮは送液された液体Ｌで充填される。

この連通部ＣＮには、不図示であるが、液体が到達したか否かを検知する試料到達検知部が配置されている。試料到達検知部は、例えば所定の波長の光を発光するＬＥＤ等で構成された発光部と、該発光部の光を受光する受光部で構成され、マイクロチップ１を挟んで配置されている。

試料到達検知部は、駆動液の注入中の所定の時間毎に、発光部より所定時間、光を発光させ、連通部ＣＮを透過した光を受光部で受光させることで、透過光量を検知する。連通部ＣＮに液体Ｌ１とＬ２の混合液が到達した場合には、透過光量即ち受光光量が変化し、充填されたことを検知することができる。

不図示の試料到達検知部が、連通部ＣＮに位置する液体Ｌ１とＬ２の混合液の存在を検知するとマイクロポンプ５の動作を停止させる。

マイクロポンプ５の動作の停止後、所定の時間経過後に、光源１６０及びフィルタ、照射用レンズ１５０を介して、マイクロチップに向けて励起光を照射し、液体Ｌ１とＬ２の混合液から発せられる蛍光を撮像素子１６１で受光する。撮像素子１６１の撮像面上には、蛍光の波長を透過させるバンドパスフィルタ１５２と結像レンズ１５１により、中間貯留部１３９からの蛍光による画像が形成される。

図６は、光源１６０からの励起光の照射と、撮像素子１６１による蛍光の受光タイミングを示すタイムチャートである。

同図に示すように、光源１６０から励起光の照射を開始すると、図示の如く、液体Ｌ１とＬ２の混合液は蛍光を発し始め、その後安定した状態となる。撮像素子１６１は、蛍光の発光が安定した状態となって後に受光が開始されるよう設定されている。即ち、時間Ｔ１は、光源１６０からの励起光照射から蛍光発光の安定するまでの時間以上の時間に設定されている。さらに、撮像素子１６１の受光を時間Ｔ２の間行った後停止させ、その後、時間Ｔ３経過後に光源１６０の励起光の照射を停止させる。なお、撮像素子１６１の光量蓄積が少ない場合には、この動作を複数回行ってもよい。

この後、撮像素子１６１の各画素の光電変換データを読み出し、所定の処理をおこなって、蛍光による画像を作成する。

図７は、撮像素子１６１により得られた中間貯留部１３９の画像を示す図である。同図（ａ）は、撮像素子１６１により得られた中間貯留部１３９の画像から、明部と暗部の境界を抽出した図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＢ−Ｂ線上の画素の出力を示す図であり、同図（ｃ）は同図（ａ）に示すＣ−Ｃ線上の画素の出力を示す図である。

撮像素子１６１により得られた画像の明部と暗部の境界は、蛍光を発する部位とそうでない部位の境界であるため、同図（ａ）に示す明部と暗部の境界を抽出した形状は、中間貯留部１３９の平面形状を示すものとなる。この形状の実寸は、撮像素子上の大きさと設定されている撮像倍率の逆数の積により求めることができる。

また、蛍光の光量（強度）は、その深さに比例して増加するため、同図（ｂ）、（ｃ）に示すそれぞれの線上の画素出力は、その線上の中間貯留部１３９の深さに対応した出力となる。このため、明部内の各画素出力を得ることで各画素の位置に対応する中間貯留部１３９の深さを求めることができる。

このように、蛍光を受光して画像を作成し、明部と暗部の境界部を抽出することで平面形状を計測することができ、明部内の各点の画素出力即ち受光光量により深さを計測する事ができる。即ち、明部と暗部の境界部と明部内の各点の画素出力により３次元形状を求めることができる。

なお、測定部位が、結像レンズの光軸近傍に無い場合には、結像レンズ１５１の周辺光量特性のデータ等を用いて、像高に対応して画素出力値を校正することが好ましい。また、上記の例では光源と撮像素子を薄板状部材を挟むように配置した例で説明したが、光源と撮像素子を薄板状部材を一方の側に配置してもよい。

また、上記の実施の形態では、溝部に蛍光を発する液体を流入充填させて該溝部の３次元形状を測定するものであるが、溝部に着色された液体を流入充填させても測定が可能である。以下、着色された液体を流入充填させて測定する場合について説明する。

図８は、中間貯留部１３９に着色された液体を流入充填させた場合の、撮像素子１６１により得られた中間貯留部１３９の画像を示す図である。同図（ａ）は、撮像素子１６１により得られた薄板状部材の画像から、液体により着色された中間貯留部１３９の境界を抽出した図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＢ−Ｂ線上の画素の出力を示す図であり、同図（ｃ）は同図（ａ）に示すＣ−Ｃ線上の画素の出力を示す図である。

例えば、薄板状部材が略透明に形成されている場合、撮像素子１６１により得られる薄板状部材の画像から、液体により着色された部位を境界にして抽出すると同図（ａ）に示すような画像が得られる。また、この着色部の透過光量（強度）は、その深さに比例して減衰するため、同図（ｂ）、（ｃ）に示すそれぞれの線上の画素出力は、その線上の中間貯留部１３９の深さに対応した出力となる。このため、着色部内の各画素出力を得ることで各画素の位置に対応する中間貯留部１３９の深さを求めることができる。なお、この着色された液体を用い、透過光量に基づいて深さを測定する場合には、薄板状部材の一方の面側に撮像素子を配置し、他方の面から照明光を入射させる構成がよい。

このように、着色部を抽出することで被測定部の平面形状を計測することができ、着色部内の各点の画素出力即ち受光光量に基づいて被測定部の深さを計測することができる。即ち、着色部の境界と着色部内の各点の画素出力により３次元形状を求めることができる。

本実施の形態に係る測定装置で測定される被測定物の薄板状部材の一例を示す斜視図である。 図１に示したマイクロチップの中間貯留部周辺の拡大図である。 本実施の形態に係る薄板状部材の溝部の形状を測定する測定装置の外観図である。 本実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す断面模式図である。 中間貯留部へ励起光を照射すると蛍光を発する液体を充填させる工程を示す図である。 光源からの励起光の照射と、撮像素子による蛍光の受光タイミングを示すタイムチャートである。 撮像素子により得られた中間貯留部の画像を示す図である。 中間貯留部に着色された液体を流入充填させた場合の、撮像素子により得られた中間貯留部の画像を示す図である。

符号の説明

１ マイクロチップ
５ マイクロポンプ
６ ポンプ接続部
８ 測定装置
１３９ 中間貯留部
１５０ 照射用レンズ
１５１ 結像レンズ
１５２ バンドパスフィルタ
１６０ 光源
１６１ 撮像素子

Claims (6)

1. 薄板状部材に形成された溝部の形状の測定装置であって、
   前記薄板状部材の片面側に結像光学系及び撮像素子を配置し、前記溝部のうちの被測定部に蛍光を発する液体を流入させ、前記撮像素子により前記液体から発せられる蛍光を受光して画像を作成し、該画像に基づいて前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定することを特徴とする測定装置。
2. 前記画像の明部と暗部の境界に基づいて前記被測定部の平面形状を計測し、前記明部内の受光光量に基づいて前記被測定部の深さを計測することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 薄板状部材に形成された溝部の形状の測定装置であって、
   前記薄板状部材の片面側に結像光学系及び撮像素子を配置し、前記溝部のうちの被測定部に着色された液体を流入させ、前記薄板状部材を光源により照明し、前記撮像素子により前記薄板状部材の画像を作成し、該画像に基づいて前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定することを特徴とする測定装置。
4. 前記画像の着色部に基づいて前記被測定部の平面形状を計測し、前記着色部内の受光光量に基づいて前記被測定部の深さを計測することを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 薄板状部材に形成された溝部の形状の測定方法であって、
   前記溝部のうちの被測定部に蛍光を発する液体を流入させる工程と、
   前記液体から発せられる蛍光を受光する撮像素子による画像を作成する工程と、
   前記撮像素子により作成された画像に基づいて、前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定する工程とを有することを特徴とする測定方法。
6. 薄板状部材に形成された溝部の形状の測定方法であって、
   前記溝部のうちの被測定部に着色された液体を流入させる工程と、
   前記薄板状部材を光源で照明し、撮像素子による薄板状部材の画像を作成する工程と、
   前記撮像素子により作成された画像に基づいて、前記被測定部の平面形状及び深さの少なくとも一方を測定する工程とを有することを特徴とする測定方法。

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