JP3919749B2 - 示差屈折率測定用光学装置の構成及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般には、物質の屈折率を測定するための光学機器に関し、より詳細には、検査用サンプルと参照用サンプルとの間の屈折率の差を測定するための光学構成及び方法に関する。本発明は、示差屈折計及び表面プラズモン共振型（ＳＰＲ）のバイオセンサー装置に適用可能である。

屈折率測定装置は、斜角で入射する非平行ビーム光を、高屈折率プリズムとサンプルの間の表面対表面の境界に導き、この境界で干渉後の光の部分を観測可能にすることにより、全反射の臨界角を測定する。透過光屈折率測定装置では、サンプルとプリズムを通して送られる光を観測し、他方、反射光屈折率測定装置では、表面対表面境界での全反射により反射される光を観測する。いずれの場合も、照射領域が検出視野の一部の上に与えられ、そして、検出視野中のこの照射領域と、これに隣接した暗い領域との間の影線の位置により、サンプルの屈折率が幾何学的に推測できるようになる。示差屈折計は、例えば米国特許第５,１５７,４５４号に開示されており、これは、検査サンプルと既知の参照サンプルとの屈折率の差を測定するために開発され、ここから試料温度、照射レベルその他等の、測定結果をもたらす可変の試験条件を「減ずる」ことにより、より適正かつ正確な測定結果を得ることができる。出願人が知る先行技術における示差屈折計では、時間の経過に伴い故障や消耗する可動部を有しており、且つ／又は、不透明度の比較的高いサンプルの測定を行わないよう、光を透過する品種に制限される。

また、関連した先行技術の一部には、検知境界面における内面反射の変化を観測することにより、被検体分子の結合層への結合を解析するようにデザインされた光バイオセンサー装置もある。より具体的には、 Ivarsson らの米国特許第５,３１３,２６４号には光バイオセンサーシステムについての記載があり、これは、検知表面を横切って横に延びる光の画線５により照射される複数の平行する検知表面３９Ａ〜Ｄと、検知表面のそれぞれから反射される光線を感光素子の二次元配列７の対応する列で撮像するアナモルフィックレンズシステム６とを備えている。したがって、感光素子からの信号を処理して、各検知表面において共振角度と関連する最小の反射率を決定することができる。米国特許第５,３１３,２６４号で説明されるシステムでは、可動部の使用は排除されるが、にもかかわらず、光学的に複雑で、二次元の配列を必要とするため、コストを増加させる因子となる。

最後に、感光素子セルの一次元の（線形の）配列が、一つの試験サンプルに関する非微分読み取りを取得するようにデザインされる自動屈折率測定装置に一般に用いられる点に注意されたい。その例は、米国特許第４,６４０,６１６(MICHALIK) や米国特許第６,１７２,７４６ (BYRNE ら )に見出すことができる。しかし本出願人は、この線形配列を用いることでもたらされる経済性は認識しているものの、この線形配列を用いて動作する示差屈折率測定のための臨界角光装置については認識していない。

したがって、本発明の目的は、試験サンプルと参照サンプルとを、一つの照射ビームによって照射する、示差屈折率測定用の光学装置の構成を提供することにある。

発明の別の目的は、可動部を要しない示差屈折率測定用の光学装置の構成を提供するにある。

本発明の更なる目的は、検出された光が、この構成の光境界面において透過よりも反射される方が多い、示差屈折率測定用の光学装置の構成を提供することにある。

本発明の更なる目的は、試験サンプルに対応する第１の光境界面と参照サンプルに対応する第２の光境界面で相互作用する光を、一本の線形走査配列の光電池により検出する、臨界角示差屈折率測定用の光学装置の構成を提供することにある。

本発明の更なる目的は、上述の目的に従い、バイオセンサー装置用に表面プラズモン共振の原理に基礎をおいて動作する、示差屈折率測定用の光学装置の構成を提供することにある。

本発明の第１の具体例に従って形成される光学装置の構成は、この構成のメリジオナル平面を画する光路を備えている。光路の高屈折率プリズムが、サンプル表面に支持される試験サンプルと参照サンプルがメリジオナル平面の反対側に配置されるように、メリジオナル平面の区画により分割されるサンプル表面を有することで、試験サンプルに関連する第１の光境界面と、参照サンプルに関連する第２の光境界面とを形成する。照射ビームは光路に沿って移動してこれら両方の光学の境界面を同時に照射し、試験サンプルの屈折率によって画される第１の部分ビームと、参照サンプルの屈折率によって画される第２の部分ビームとを提供する。光学手段によって、第１の部分ビームと第２の部分ビームが、メリジオナル平面内に調心された光電池の線形走査配列の異なるそれぞれのセグメントを照射するように、向けられることにより、屈折率の差を、配列上の影線位置の差によって決定することができる。第１の具体例では、光学手段は、第１の部分ビーム路に、プリズムの出口表面に添付される一つのウェッジを有することで、第２の部分ビームに対しての偏向を、それに引き起こす。

第２の具体例では第１の具体例と同様に、別のウェッジが、第２の部分ビームの経路のプリズムの出口表面に、第１のウェッジに対して逆向きに添付されることにより、これら部分ビーム間の離隔距離をより大きくすることが実現される。

第１の具体例及び第２の具体例に基づく第３の具体例は、分子相互作用、特に表面プラズモン共振の原理を用いた結合層への被検体分子の特異的な結合を、観測する目的での、基本的構成の応用である。第３の具体例に従って、金属薄膜が、サンプル表面上に置かれるスライドに、又は直接にサンプル表面に塗布形成され、第１のエバネッセント波の光境界面と第２のエバネッセント波の光境界面を画するよう、試験サンプルと参照サンプルに金属膜との接触を与えられる。この具体例では、第１の部分ビームと第２の部分ビームによって発生する共振の極小部の位置が検出される。

本発明の第４の具体例で教示されるように、光学手段は、部分ビームを線形走査配列の軸に沿って分離するためと、部分ビームをメリジオナル平面の方へ一点に集めて線形走査配列に到着させるための両方のために、第１の部分ビームと第２の部分ビームの経路に、対向する形態で配置される一対の２軸ウェッジを有してもよい。２軸ウェッジを用いることに代えて、一対の単軸ウェッジを、円筒レンズ又はプリズムと線形走査配列との間の複プリズムと協働で用いてもよい。

本発明は、試験サンプルと参照サンプルとの間の屈折率の差を測定するための、特定の光学装置の構成に基づいた方法を更に含む。

本発明の本質と作動の様式は、添付の図面とともに以下の発明の詳細な説明に、より詳細に説明される。

本発明の第１の具体例に従って形成される光学装置の構成を、図面の図１（ａ）〜図６を参照して以下に説明する。第１の具体例の光学装置の構成は、図１（ａ）及び（ｂ）に概略が示され、符号１０で指示される。光学装置の構成１０は、光源１１にあるビームの原点から光路ＯＰに沿って進む照射ビーム１２を有している。照射ビーム１２は、ディフューザー１４、偏光子１６、コリメーティングレンズ１８、コリメーティングレンズ１８に近隣接し中心波長が５８９ｎｍの狭いバンド幅の光を伝送する単色フィルター２０、接近してフィルター２０に隣接する集束レンズ２２の順に進行する。この収束性の照射ビームは次いで、ミラー２４により、高屈折率プリズム２６の方向にリダイレクトされる。

プリズム２６は、図２に平面図が示されており、光入射／出射面２６Ａと、第１の内部反射面２６Ｂと、サンプル面２６Ｃと、第２の内部反射面２６Ｄとを有している。サンプル表面２６Ｃはパーティション２７により、試験サンプルＴＳを受ける第１の領域と、参照サンプルＲＳを受ける第２の領域とに分割される。ミラー２４によって反射された後に、照射ビーム１２は、光入射／出射面２６Ａを通ってプリズム２６に入射し、この照射ビームがサンプル面２６Ｃに斜角で入射するよう第１の内部反射面２６Ｂで反射される。特に、非平行光のビーム光、この場合はある角度範囲内の様々な入射角でサンプル面２６Ｃに斜角で入射する発散性の光線照射ビーム１２が、サンプル面に接近する。図２より大変容易に理解されることだが、パーティション２７が、光路ＯＰがサンプル面２６Ｃに接近した際にこの光路と同一平面上にあることで、照射ビーム１２を構成する光線が、試験サンプルＴＳに関連した第１の光境界面３０Ａと参照サンプルＲＳに関連した第２の光境界面３０Ａとの間で左右対称に配分されるようになる。

本具体例では、第１の光境界面３０Ａ及び第２の光境界面３０Ｂは臨界角光境界面であり、第１の光境界面３０Ａはサンプル面２６Ｃと試験サンプルＴＳとの接触面積により、第２の光境界面３０Ｂはサンプル面２６Ｃと参照サンプルＲＳとの接触面積により、それぞれ画される。これらの接触面積は、パーティション２７の反対側のサンプル面２６Ｃに対して試験サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳを接触させるようにデザインされたフローセルを用いることにより、あるいはサンプル面２６Ｃのそれぞれの領域に試験サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳを適用することにより、パーティション２７の反対側のサンプル面２６Ｃの上へ試験サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳを垂下することで、形成することができる。照射ビーム１２の第１の光境界面３０Ａに達した部分は、スネルの法則に従い、その境界面で相互作用し、その相互作用により、臨界角度より大きな角度で入射する光線は全てサンプル面２６Ｃから内部へと反射され、臨界の角度未満の角度で入射する光線は屈折して試験サンプルを通り、光学系の外へ伝送される。したがって、内部に反射された光は、試験サンプルＴＳの屈折率によって画される第１の部分ビーム１３Ａを形成する。照射ビーム１２の第２の光境界面３０Ｂに達する部分についても、同様の干渉は生じ、その干渉により、内部に反射された光が、参照サンプルＲＳの屈折率によって画される第２の部分ビーム１３Ｂを形成する。これは、図２と図３を比較することにより、より良く理解することができる。図２では、試験サンプルＴＳと参照サンプルＲＳとで屈折率が同じである一方、図３では、試験サンプルＴＳと参照サンプルＲＳとでは屈折率が異なっている。

本発明に従い、第１の部分ビーム１３Ａ及び第２の部分ビーム１３Ｂを導いて、光電池の線形走査配列３８のそれぞれ別々のセグメントを照射する光学手段４０が提供される。ここで説明する第１の具体例では、光学手段４０は、好ましくはプリズム２６の光入射／出射表面２６Ａに光学セメント等により接着された単一の「１軸」ウェッジ４２と、プリズム２６中の光学変化を補償する機能を有する集合レンズ４４と、線形走査配列３８の方向に光をリダイレクトするためのミラー４６とを備えている。ウェッジ４２は、第１の部分ビーム１３Ａだけを受けて屈折させるだけで第２の部分ビーム１３Ｂを受けず屈折させないように、配置が与えられる。対照的に、集合レンズ４４とミラー４６は、第１の部分ビーム１３Ａと第２の部分ビーム１３Ｂの両方を受けて伝える。試験サンプルＴＳに対応する第１の部分ビーム１３Ａだけに関するウェッジ４２を専有的に使用する結果、試験サンプルと参照サンプルが同じ屈折率を有する場合であっても、第２の部分ビーム１３Ｂではなく第１の部分ビーム１３Ａが、線形走査配列３８の異なるセグメントを照射する。

光路ＯＰはメリジオナル平面ＭＰを画し、その中に光路が属している。光学装置の構成がメリジオナル平面によって、メリジオナル平面の一方の側の試験サンプル光学系と、メリジオナル平面の反対側の参照サンプル光学系とに分割されるように、パーティション２７がメリジオナル平面ＭＰで調心される。線形走査配列３８のセルのラインは、メリジオナル平面ＭＰに属するよう調心されることが好ましい。光源１１が真の点光源に接近するところでは、第１の部分ビーム１３Ａと第２の部分ビーム１３Ｂはそれぞれ、セルのラインの対向する側の配列に到着するだろうから、これらは両方とも線形走査配列で適切に撮像されないことが認識されるだろう。しかしながら、第１の部分ビーム１３Ａ及び第２の部分ビーム１３Ｂの横の精細度が、これら部分ビームが線形走査配列３８のセルを照射することを防止するに十分鋭くないよう、第１の具体例では、光源１１としてハロゲンバルブを用いている。従って、光学手段４０は、第１の部分ビーム１３Ａまたは第２の部分ビーム１３Ｂの横方向のリダイレクションを提供しない。

臨界角屈折率測定の従来技術及びここでは図５を参照してよく理解されるように、第１の部分ビーム１３Ａは、試験サンプルＴＳの屈折率を示す線形走査配列３８の第１の位置に、影線１５Ａを現す。同様に、第２の部分ビーム１３Ｂは、参照サンプルＲＳの屈折率を示す線形走査配列３８の第２の位置に、影線１５Ｂを現す。試験サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳが同じ屈折率を有する場合は、影線１５Ａ及び１５Ｂは第１の部分ビーム１３Ａ上のウェッジ４２の影響により決定される基本距離の分だけ離される。この基本距離が検量を通してわかれば、抽出検査サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳとの間の屈折率の差は、線形走査配列３８上で撮像されるそれぞれの影線の間の距離を観測し、この観測された距離が基本距離から逸脱する度合いを求めることにより、計算することが可能である。参照サンプルＲＳの屈折率が特定のテスト条件のためにわかっている場合は、試験サンプルＴＳの屈折率は、これら屈折率の測定差から計算することができる。

線形走査配列上の影線位置を決めるために、様々なアルゴリズムを利用可能であることはここで注意されるべきであり、例えば、米国特許第４,６４０,６１６号；第５,６１７,２０１号；第６,１７２,７４６号；２００１年２月２７日に出願の共有の米国特許出願第０９／７９４,９９１号に教示される通りであり、これらの文献のそれぞれは、参照として本願明細書に包含される。上述の第１の具体例が、ライカマイクロシステム社 (Leica Microsystems Inc.) から入手可能な既存の ライカＡＲ６００(Leica AR600) 自動屈折率測定装置を、上述のごとくパーティション２７及びウェッジ４２を有するように改造して、実施された点に、更に注意されたい。純粋に非制限的な例としては、屈折率ＮＤ＝１．５１７、アッベ（Ｖ）数 Ｖ＝６４．５、ウェッジ角度５°２５'の光学ガラスウェッジを用い、パーティション２７をサンプル面２６Ｃに加硫（ＲＴＶ）シリコンを室温で塗布して形成した。無論、他の合成のラバーガスケット物質、例えばバイトン(VITON) 合成ゴム組成物等は、適切なバリアを提供する。

図６（ａ）〜８は、本発明の第２の具体例に従って形成され符号１１０によって識別される光学装置の構成を例示する。光学装置の構成１１０は、第２の部分ビーム１３Ｂをリダイレクトするよう、第１の部分ビーム１３Ａと対向する様式で第２のウェッジを加え、部分ビームの離隔距離をより大きくして、線形走査配列３８での基本距離をより大きくとるという点を除いて、第１の具体例の光学装置の構成１０と同様である。より具体的には、光学手段４０は、第１の部分ビーム１３Ａを受けるために配置される第１のウェッジ４２Ａと、第２の部分ビーム１３Ｂを受けるために配置される第２のウェッジ４２Ｂとを有している。第１のウェッジ４２Ａと第２のウェッジ４２Ｂは、コスト低減のため、材料及び幾何形状は同一であることが好ましいが、しかしながら、第２のウェッジ４２Ｂは、第１のウェッジ４２Ａに対して１８０度回転されている。したがって、第１のウェッジ４２Ａの厚い端は、光入射／出射面２６Ａの中心により近く、他方、第２のウェッジ４２Ｂの厚い端は、光入力／出口面２６Ａの外側の端部により近い。

第１の部分ビーム１３Ａと第２の部分ビーム１３Ｂとを導くための光学手段４０は、第１の部分ビーム１３Ａ又は第２の部分ビーム１３Ｂのいずれかの方向に影響を及ぼすことにより、又はこれら両方の部分ビームの方向に影響を及ぼすことにより、線形走査配列３８の異なるそれぞれのセグメントを照射するように動作することができることが、上記の記載から理解されよう。ここでは光学手段４０が単一のウェッジ４２または一対のウェッジ４２Ａ、４２Ｂを備える場合を説明してきたが、プリズム、レンズ及びミラーを有する（これに限定されない）他のタイプの光学素子を、これら部分ビームの一方又は両方の方向に影響するために用いてもよいことは認識されよう。

図９、１０（ａ）及び１０（ｂ）は、表面プラズモン共振原理に基づいて示差屈折率測定を実行するために本発明の第３の具体例に従って形成される光学装置の構成の、光境界面部分の模式的な拡大図である。第３の具体例は、試験サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳのためのそれぞれの光境界面１３０Ａ及び１３０Ｂが、臨界角光境界面ではなくエバネッセント波光境界面であり、狭帯域フィルター１８が、好ましくは中心波長が７８０ｎｍの光を伝えるという点を除いて、上述の第１の具体例と全ての箇所で同様である。ガラススライド５０は、その上向き面の上に金属薄膜５２が具備される。本具体例では、金属の膜５２は、スライド５０のガラス表面への接着用におよそ１０オングストロームのクロム層と、厚さ約５０ナノメートルの金の層とを有している。ＲＴＶシリコン等のガスケット材料が、金属の膜５２に塗布されて、パーティション２７を提供する。金属の膜５２は、透過性のガラススライド５０及びこのガラススライド５０の下側とサンプル表面２６Ｃの間に提供される透過性のオイルの薄膜層５４を介して間接的に、プリズムサンプル表面２６Ｃと光学的に連結される。無論、図１１に例示されるように、直接にサンプル表面２６Ｃに膜を塗布することにより、金属の膜５２はサンプル表面２６Ｃと光学的に連結することが可能である。試験サンプルＴＳと参照サンプルＲＳは、第１の光境界面と第２の光境界面をそれぞれ形成するよう、パーティション２７のそれぞれ反対側で金属被覆５２と接触する。照射ビーム１２からの光が第１の光境界面で金属膜５２に達すれば、光線の特定の部分は、試験サンプルＴＳの屈折率によって決定される共振角度で入射してこの光線に関連するエネルギが吸収され、光線の残りの部分は、金属膜５２によって内部に反射される。その結果、第１の部分ビーム１３Ａは、線形走査配列３８上の第１の位置で共振極小を現し、これは試験サンプルＴＳの屈折率を示す。同様に、第２の部分ビーム１３Ｂは、線形走査配列３８上の第２の位置で共振極小を現し、これは参照サンプルＲＳの屈折率を示す。

試験サンプルＴＳと参照サンプルＲＳが同じ屈折率を有する場合は、それぞれの共振極小は、第１の部分ビーム１３Ａへのウェッジ４２の影響によって決定される基本距離だけ離される。この基本距離が検量を通してわかれば、抽出検査サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳとの間の屈折率の差は、線形走査配列３８上で撮像されるそれぞれの共振極小の間の距離を観測し、この観測された距離が基本距離から逸脱する度合いを求めることにより、計算することが可能である。参照サンプルＲＳの屈折率が特定のテスト条件のためにわかっている場合は、試験サンプルＴＳの屈折率は、これら屈折率の測定差から計算することができる。図１２にプロットされる照度曲線は、線形走査配列３８に沿って第１の及び第２の位置で検出可能な共振極小１７Ａ及び１７Ｂの出現を示す。

エバネッセント波原理に基づく本具体例は、分子相互作用の観測の用途、結合層への被検体分子の特異的な結合の分析の用途に、有用な用途を見出す。したがって、金属の膜５２に所定の特別仕様の結合層を塗るように調製されたスライドを、様々な被検体の用途に作ることができる。

図１３〜１８は、本発明の第４の具体例に従って形成される光学装置の構成２１０を示す。光学装置の構成２１０は、光路ＯＰに沿い続いてディフューザー２１４内を移動する照射ビーム２１２を提供する照射ソース２１１と、コリメーティングレンズ２１５と、狭帯域フィルタ２１６と、線形偏光子２１８と、集束レンズ２２０とを備えている。集束レンズ２２０の焦点面には、ピンホールアパーチャ２２２が配置される。発散ビーム２１２は次いで、高屈折率プリズム２２６に進入する前に、高屈折率ガラスレンズ２２４により再びフォーカスされる。ここで、高屈折率プリズム２２６は、光入力表面２２６Ａと、試験サンプルＴＳ及び参照サンプルＲＳに接触するサンプル表面２２６Ｂと、光出口表面２２６Ｃとを有する。レンズ２２４は、プリズム２２６の光入力表面２２６Ａに光学セメントで固定されていることが好ましい。照射光は、プリズム２２６内のサンプル表面２２６Ｂの近くのポイントでフォーカスされ、その後はビームは再び発散性をもつ。図１５から理解されるように、非平行光光線が所定の角度範囲内の様々な入射角でサンプル表面２２６Ｂに斜角で入射するよう、発散ビームは、サンプル表面２２６Ｂに斜角で入射する。

前述の各具体例と同様に、照射ビーム２１２を形成する光線が、試験サンプルＴＳに関連する第１の光境界面２３０Ａと、参照サンプルＲＳに関連する第２の光境界面２３０Ｂとの間で左右対称に配分されるよう、サンプル表面２２６Ｂは、光路ＯＰによって画されるメリジオナル平面と同一平面上にある線形パーティション２２７によって分割される。照射ビーム２１２の光境界面２３０Ａで内部に反射される部分は第１の部分ビーム２１３Ａになり、照射ビーム２１２の光境界面２３０Ｂで内部に反射される部分は第２の部分ビーム２１３Ｂになる。第１のビーム部分２３０Ａ及び第２のビーム部分２３０Ｂは、光出口表面２２６Ｃを通ってプリズム２２６を出て行く。

光学手段２４０は、光電池の線形走査配列２３８の異なるそれぞれのセグメントを照射するように第１の部分ビーム２１３Ａと第２の部分ビーム２１３Ｂとを導くために提供される。本具体例では、照射ビーム２１２は、ウェル状に形成された点光源から出発し、光学手段２４０は、部分ビーム２１３Ａと２１３Ｂを、線形走査配列２３８のセルにより受容するための構成のメリジオナル平面ＭＰの方へ向かう横方向内向きの収束性のＸ軸方向と、発散性のＹ軸方向に導くように機能し、これら部分ビームが配列の異なるセグメントを照射するようにする。図１３〜１６の具体例では、システムのＹ軸（配列セルライン）に沿って、部分ビームを分割する機能は、対向する位置に配置された一対の同一の１軸ウェッジ２４２Ａ、２４２Ｂによって実行される。１軸ウェッジ２４２Ａ、２４２Ｂは光学セメントを用いて光出口表面２２６Ｃに固定され、それぞれ部分ビーム２１３Ａ、２１３Ｂを受けるように配置されることが好ましい。この点で、本具体例は、図７（ａ）〜９に関して上述した第２の具体例と同様である。図１５は、部分ビーム２１３Ａ及び２１３Ｂの上でウェッジ２４２Ａと２４２Ｂとが分割している作用を示す拡大図である。ウェッジ２４２Ａ及び２４２Ｂの対に加え、光学手段２４０は、ウェッジ２４２Ａ及び２４２Ｂの後ろに配置され、両方の部分ビームを受け、これら部分ビームをメリジオナル平面ＭＰの対向する側方の側から線形走査配列２３８の方へ収束するようにするための、第３の光学素子２４３を備えている。第３の光学素子２４３は、図１３及び１４に示す円筒レンズ、又は図１６に示す複プリズムであることが好ましく、これは、部分ビーム２１３Ａ及び２１３Ｂが、線形走査配列２３８のセルを照射するようメリジオナル平面ＭＰの方へ横方向内向きに導かれるように、選択及び配置が与えられる。

図１７に示される代替としては、光学手段２４０は、２つの直交方向に傾斜する対向位置に配置された一対の２軸ウェッジ２４５Ａ及び２４５Ｂを備える。この２軸ウェッジは、図１８により詳細に示される。角度α及び角度βは、システムの幾何形状により等しい角度でもよく、あるいは等しくない角度でもよい。このように、ウェッジ２４５Ａ及び２４５Ｂは、システムのＹ軸に沿って部分ビームを発散させ、またシステムのＸ軸に沿ってこれらビームを収束させることにより、線形走査配列２３８のそれぞれのセグメントを照射するようにする。

図１３〜１８の基本光学装置の配置は、上述の第３の具体例と類似の方法で、サンプル表面２２６Ｂに金属薄膜を有するガラススライドを連結させることにより、又はサンプル表面２２６Ｂを金属薄膜で直接にコーティングすることにより、臨界角光境界面ではなくエバネッセント波光境界面と関連して用いることができることが、認識されるだろう。

図１（ａ）及び（ｂ）は、臨界角原理に基づいて示差屈折率測定を行うための、本発明の第１の具体例に従って形成される光学の構成の模式的な側面図であり、図１（ａ）では試験サンプルの、図１（ｂ）では参照サンプルの、それぞれの光線の軌跡を示し、試験サンプルと参照サンプルの両方は水である。 図２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示される光学装置の構成の光境界面部分の模式的な上面図である。 図３は、図２と同様であるが試験サンプルが参照サンプルより高い屈折率を有している物質の場合の、模式的な上面図である。 図４は、図２に示される光境界面部分の模式的な正面図である。 図５は、第１の具体例の光学装置の構成に従って、線形走査配列の上に形成される照射パターンの一例を示す模式的な線図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、第１の具体例と同様の本発明の第２の具体例に従って形成される光学装置の構成の横の模式的な側面図であり、（ａ）では試験サンプルの、（ｂ）では参照サンプルの、それぞれの光線の軌跡を示し、試験サンプルと参照サンプル両方は、水である。 図７は、図６（ａ）及び（ｂ）に示される光学装置の構成の光境界面部分の概略上面図である。 図８は、図７に示される光境界面部分の模式的な正面図である。 図９は、表面プラズモン共振原理に基づき示差屈折率測定を実行するための、本発明の第３の具体例に従って形成される光学装置の構成における光境界面部分の概略上面図である。 図１０（ａ）は、図９の線Ａ-Ａに略沿った模式的な断面図であり、図１０（ｂ）は、図９の線Ｂ−Ｂに略沿った模式的な断面図である。 図１１は、図１０（ａ）と同様の断面図であり、第３の具体例の光学装置の構成の光境界面部分の変形例を示す。 図１２は、第３の具体例の光学装置の構成に従った線形走査配列から信号に基づいたセル数の関数として光の強度のプロットであり、ここでは水が、試験サンプルと参照サンプルとして機能している。 図１３は、本発明の第４の具体例に従って形成される光学装置の構成の模式的な側面図である。 図１４は、図１３に示される光学装置の構成の模式的な上面図である。 図１５は、図１３に示される光学装置の構成の光学手段に関する拡大詳細線図である。 図１６は、図１４と同様の模式的な上面図であり、図１３及び図１４に示される光学装置の構成において、この光学手段の一部に複プリズムを利用する変形例を示す。 図１７は、図１３と同様の模式的な側面図であり、図１３及び図１４に示される光学装置の構成において、その光学手段として対向する２軸ウェッジを利用する変形例を示す。 図１８は、図１７の変形例において、２軸ウェッジを用いることを例示する斜視図である。

Claims (45)

1. 試験サンプルと参照サンプルの間の屈折率の差を測定するに用いられる光学装置の構成であって、前記光学装置の構成は、
   前記光学装置の構成のＹ−Ｚメリジオナル平面を画する光路と、
   前記試験サンプルに関連する第１の光境界面と、
   前記参照サンプルに関連する第２の光境界面とを具え、
   前記第１の光境界面と第２の光境界面が、前記Ｙ−Ｚメリジオナル平面の対向する側に配置され、
   前記光路に沿って移動する照射ビームであって、前記照射ビームからの光は、前記第１の光境界面と第２の光境界面に入射することにより、前記試験サンプルの屈折率によって画される第１の部分ビームと、前記参照サンプルの屈折率によって画される第２の部分ビームとを与える、前記照射ビームと、
   複数の光電池を備え、それらのそれぞれが対応するセルの入射光による照射の量によって決まる振幅での走査の間に、出力パルスを提供する、線形走査配列であって、前記Ｙ−Ｚメリジオナル平面内に調心される線形走査配列と、
   前記線形走査配列の異なるそれぞれのセグメントを照射するために、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとを導くための光学手段であって、前記第１の部分ビームは、前記配列上の第１の位置での前記試験サンプルの前記屈折率を示す特徴を表し、前記第２の部分ビームは、前記配列上で第２の位置での前記参照サンプルの前記屈折率を示す特徴を表す、前記光学手段と
   を備え、
   屈折率の前記差は、前記配列上の前記第１の位置と第２の位置の差から決定することができる、光学装置の構成。
   
2. 前記第１の部分ビームが、前記配列上の前記第１の位置で影線を現し、前記第２の部分ビームが、前記配列上の前記第２の位置で影線を現すよう、前記第１の光境界面と第２の光境界面とが、臨界角光境界面である請求項１に記載の光学装置の構成。
3. 前記第１の部分ビームが前記配列上の前記第１の位置で共振極小を現し、前記第２の部分ビームが前記配列上の前記第２の位置で共振極小を現すよう、前記第１の光境界面と第２の光境界面とが、エバネッセント波光境界面である、請求項１に記載の光学装置の構成。
4. 前記第１の光境界面と第２の光境界面とが、前記光路の中及び外に選択的に可動であるスライドの上に形成される請求項１に記載の光学装置の構成。
5. 光入力表面を有するプリズムと、光出口表面と、前記サンプル表面とを更に備え、前記照射ビームは、前記光入力表面を通って前記プリズムに進入し、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとは、前記光出口表面を通って前記プリズムから退出する、請求項１に記載の光学装置の構成。
6. 前記サンプル表面の第１の領域を前記試験サンプルに接触させ、前記サンプル表面の第２の領域を前記参照サンプルに接触することにより、前記第１の光境界面と第２の光境界面とが形成される請求項５に記載の光学装置の構成。
7. 前記試験サンプルと前記参照サンプルのミキシングを防止するために、前記Ｙ-Ｚメリジオナル平面に沿って、前記プリズムの前記サンプル表面を分割するパーティションを更に備える請求項６に記載の光学装置の構成。
8. 前記パーティションが、合成ゴムにより形成される請求項７に記載の光学装置の構成。
9. 前記第１の光境界面と第２の光境界面とが、前記試験サンプルにより接触される第１の領域と前記参照サンプルにより接触される第２の領域とを有する金属フィルムを、前記サンプル表面に連結させることによって形成される請求項５に記載の光学装置の構成。
10. 前記金属フィルムが、間接的に前記サンプル表面に連結される請求項９に記載の光学装置の構成。
11. 前記金属フィルムが、直接に前記サンプル表面に連結される請求項９に記載の光学装置の構成。
12. 前記光学手段は、前記第１の部分ビームを受けて前記第２の部分ビームに相対的にリダイレクトするための光学素子を、前記プリズムの前記光出口表面の後ろに有する請求項５に記載の光学装置の構成。
13. 前記光学素子が、前記プリズムの前記出口表面に固定される請求項１２に記載の光学装置の構成。
14. 前記光学素子が、ウェッジである請求項１２に記載の光学装置の構成。
15. 前記ウェッジが、１軸ウェッジである請求項１４に記載の光学装置の構成。
16. 前記ウェッジが、２軸ウェッジである請求項１４に記載の光学装置の構成。
17. 前記光学手段は、前記第２の部分ビームを受けて前記第１の部分ビームに相対的にリダイレクトするための光学素子を、前記プリズムの前記光出口表面の後ろに有する請求項５に記載の光学装置の構成。
18. 前記光学素子が、前記プリズムの前記出口表面に固定される請求項１７に記載の光学装置の構成。
19. 前記光学素子が、ウェッジである請求項１７に記載の光学装置の構成。
20. 前記ウェッジが、１軸ウェッジである請求項１９に記載の光学装置の構成。
21. 前記ウェッジが、２軸ウェッジである請求項１９に記載の光学装置の構成。
22. 前記光学手段が、前記第１の部分ビームを受けて前記第２の部分ビームに相対的にリダイレクトするための第１の光学素子を前記プリズムの前記光出口表面の後ろに、前記第２の部分ビームを受けて前記第２の部分ビームに相対的にリダイレクトするための第２の光学素子を前記プリズムの前記光出口表面の後ろに、有する請求項５に記載の光学装置の構成。
23. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とのそれぞれが、前記プリズムの前記出口表面に固定される請求項２２に記載の光学装置の構成。
24. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とのそれぞれが、ウェッジである請求項２２に記載の光学装置の構成。
25. 前記第１の光学素子と第２の光学素子とが、同一の１軸ウェッジである請求項２４に記載の光学装置の構成。
26. 前記第１の光学素子と第２の光学素子とが、同一の２軸ウェッジである請求項２４に記載の光学装置の構成。
27. 前記光学手段が、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとを受けて、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームを前記収束Ｘ軸方向に沿ってリダイレクトする光学素子を、前記プリズムの前記出口表面の後ろに配置されて有する請求項５に記載の光学装置の構成。
28. 前記光学素子が、円筒レンズである請求項２７に記載の光学装置の構成。
29. 前記光学素子が、複プリズムである請求項２７に記載の光学装置の構成。
30. 前記光学手段が、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとを受け、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとを収束Ｘ軸方向に沿ってリダイレクトする第３の光学素子を更に、前記プリズムの前記出口表面の後ろに配置して有する請求項２２に記載の光学装置の構成。
31. 前記第３の光学素子が、前記第１の光学素子及び第２の光学素子の後ろに配置される請求項３０に記載の光学装置の構成。
32. 前記第３の光学素子が、円筒レンズである請求項３０に記載の光学装置の構成。
33. 前記第３の光学素子が、複プリズムである請求項３０に記載の光学装置の構成。
34. 前記プリズム内の点に前記照射ビームをフォーカスするための集束レンズを更に備えることで、光の前記ビームは発散光円錐になり、前記発散する光の円錐は前記メリジオナル平面の第一の側の上の第１の相称的部分と、前記メリジオナル平面の第二の側の上の第二の相称的部分とを有し、前記第１及び第２の相称的部分は、第一及び第二の光境界面とに入射する請求項５に記載の光学装置の構成。
35. 前記集束レンズが、前記プリズムの前記光入力表面に固定される請求項３４に記載の光学装置の構成。
36. 試験サンプルと参照サンプルとの間の屈折率の差を測定するための方法であって、
    Ａ）サンプル表面を有する透過性の媒体を提供するステップと、
    Ｂ）前記サンプル表面の第１の領域を試験サンプルに接触させ前記サンプル表面の第２の領域を参照サンプルに接触させるステップと、
    Ｃ）前記透過性の媒体と前記試験サンプルの境界面と前記透過性の媒体と前記参照サンプルの境界面とを、斜角で入射する発散性の光線を有するビーム光で照射するステップと
    Ｄ）前記試験サンプルと関連する第１の臨界角影線と、光電池の単一の線形走査配列の上の前記参照サンプルに関連する第２の臨界角影線とを検出するステップと、
    Ｅ）前記線形走査配列上の前記第２の臨界角影線と前記第１の臨界角影線との間の距離に基づいて、屈折率の前記差を決定するステップと
    を備える方法。
37. 試験サンプルと参照サンプルとの間の屈折率の差を測定するための方法であって、
    Ａ）金属フィルムを固着して有する透過性の媒体を提供するステップと、
    Ｂ）前記金属フィルムの第１の領域を試験サンプルに接触させ、前記金属フィルムの第２の領域を参照サンプルに接触させるステップと
    Ｃ）前記境界面に斜角で入射する発散性の光線を有するビーム光により前記透過性の媒体及び前記金属フィルムの境界面を照射するステップであって、前記ビーム光は、前記第１の領域に対向する前記第１の範囲と前記第２の領域に対向する前記第２の範囲で同時に前記境界面を照射する、前記境界面を照射するステップと、
    Ｄ）光電池の単一の線形走査配列の上で、前記試験サンプルに関連した第１の共振誘導束極小と前記参照サンプルに関連した第２の共振誘導束極小とを検出するステップと、
    Ｅ）前記線形走査配列上の前記第１の共振誘導束極小と前記第２の共振誘導束極小との間の距離に基づき、屈折率の前記差を決定するステップと
    を有する方法。
38. 前記光学手段が、前記第１の相称的部分の前記第１の部分ビームを受けてリダイレクトするための第１の光学素子を前記プリズムの前記光出口表面の後ろに、前記第２の相称的部分の前記第２の部分ビームを受けてリダイレクトするための第２の光学素子を前記プリズムの前記光出口表面の後ろに、有する請求項３４に記載の光学装置の構成。
39. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とのそれぞれが、前記プリズムの前記出口表面に固定される請求項３８に記載の光学装置の構成。
40. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とのそれぞれが、ウェッジである請求項３８に記載の光学装置の構成。
41. 前記第１の光学素子と第２の光学素子とが、同一の１軸ウェッジである請求項４０に記載の光学装置の構成。
42. 前記第１の光学素子と第２の光学素子とが、同一の２軸ウェッジである請求項４０に記載の光学装置の構成。
43. 前記光学手段が、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとを受け、前記第１の部分ビームと第２の部分ビームとを収束Ｘ軸方向に沿ってリダイレクトする第３の光学素子を更に、前記プリズムの前記出口表面の後ろに配置して構成される請求項３８に記載の光学装置の構成。
44. 前記第３の光学素子が、円筒レンズである請求項４３に記載の光学装置の構成。
45. 前記第３の光学素子が、複プリズムである請求項４３に記載の光学装置の構成。

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