JP4625405B2

JP4625405B2 - Ｓｐｒ測定機器

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Publication number: JP4625405B2
Application number: JP2005365448A
Authority: JP
Inventors: 弦岩崎; 倫子瀬山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP2007170866A

Description

本発明は、ＳＰＲ測定機器に関し、より詳細には、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を用いた屈折率センサー等のＳＰＲ測定機器に関するものである。

表面プラズモン（ＳＰＲ）現象は、例えば金等の金属表面の局所的屈折率を測定する手法として使われている。特に、特異的に結合する２つの生体分子の一方を金表面に固定し、他方が結合することによって局所的屈折率が大きくなるのを検出する手法は広く用いられている（非特許文献１参照）。このような測定法自体もＳＰＲと呼ばれている。ＳＰＲでは、レセプターとリガンド、抗原と抗体、互いに相補する配列のＤＮＡなどの、濃度の測定、解離定数、結合速度の測定が行われている。例えば、アデノウィルスの感染の初期段階で関与するファイバー部分とウィルスが感染する細胞表面物質との結合速度が測定されている。

従来、ＳＰＲ法の光学系は、金属薄膜を形成した高屈折率透明材料に単色光を照射し、上記高屈折率透明材料にて全反射した光を受光素子で測定する。光源からの強い全反射光を測定するので、感度の低い安価な受光素子を用いることができる。また、単純な光学系で実現でき、例えば、光源にはＬＥＤを、検出のための受光素子にはＣＣＤカメラ等を用いることができ、共に安価な素子を用いることができる。このような特徴から、ＳＰＲ法は安価で小型の測定器による高精度な測定にも適用できる。

さて、ＳＰＲ法では一般に、金などの薄膜からのＰ偏光反射光強度の入射角依存性から屈折率を求める。最も広く使われているクレッチェマン光学系と楔型の入射光束とＣＣＤのような２次元のイメージング素子とを用いる装置系では、ＣＣＤから得られる画像の反射強度データから反射率最小入射角度（ＳＰＲ角度）を求め、ＳＰＲ角度から屈折率を決定する（特許文献１参照）。

この場合、図８および９に示すように、画像の入射角度を表す軸がＸ軸、反射面上で入射面に垂直な方向の線上の反射位置を表す軸がＹ方向に並び、反射強度が画素の値になる画像が得られる。高感度測定のためには、反射率が最小になる入射角度（ＳＰＲ角度）をこの画像から高精度に推定する必要がある。このアルゴリズムとしては、既知の方法を用いることができる（非特許文献２参照）。

しかし、光源、ＣＣＤを固定する光学系の温度による変形、振動による変形、光路のごみのよって生じるノイズのため、ＳＰＲ角度の推定値にもドリフトやノイズが現れる。低ノイズ化を図るためには、フレームの異なる画像を加算し時間的に平均化するか、同じ屈折率を取ると考えられる反射点からのデータを加算し空間的に平均化することが考えられる。ＣＣＤや、ＣＭＯＳカメラ素子のひとつの画素はノイズを含むが、これを平均化すると、安定した測定が可能である。しかし、前者の場合は時間分解能が低下し、また後者の場合は空間分解能が低下する。

また、特許文献１のように、ＳＰＲの影響を受けないＳ偏光で、Ｐ偏光の強度分布を規格化すると、装置の不完全さによるＳＰＲ曲線の歪みを補正でき、理論式である多層膜フレネル反射式へのフィッティング精度を高めることができ、ＳＰＲ角度を精密に決定できる。

特許第３４３７６１９号明細書 Rajendrani Mukhopadhyay "Surface plasmon resonance instruments diversify" Anal Chem Product Review Anal. Chem. (2005), 77 313A-317A Knut Johansen et al. "Surface plasmon resonance: instrumental resolution using photo diode arrays" Meas. Sci. Technol. 2000 11 1630-1638

しかしながら、特許文献１のような、ランダム偏光の光をプリズムに入射し、該プリズムから出射した光を偏光プリズムにてＰ偏光とＳ偏光とに分割する方式では、偏光の分解後に、それぞれの偏光が通過する光路における、温度による変形等の影響の差が大きい場合は、Ｓ偏光による規格化を行っても、上記偏光の分解後の影響はキャンセルできない。この場合は、光学系が複雑になり、偏光を切り替える部品、または二個の光検出器が必要になる。また、偏光素子で分割した後の光路にノイズ源がある場合には、効果が無くなる。特に、偏光子の出射側表面の傷や汚れの影響を除くことができない。また、偏光子を回転させる場合には、偏光状態によって均一性が無くなり、Ｓ偏光による高精度な規格化が困難になる。

さらに、可搬型のＳＰＲ装置の場合には、機械的動作部分が無く、固体素子だけで構成することによって、精度を上げる必要がある。また、電池動作を行うには、電力を必要としない方法が望まれ、受光素子の部品点数が少ないことが望まれる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度による変動を受けにくく、製造コストを低減し、小型化が可能なＳＰＲ測定機器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、試料の複素屈折率に依存して出現する一個の特徴点の位置を測定するＳＰＲ測定機器において、光源と、前記試料が配置される金属薄膜が形成されたプリズムと、前記光源から出射された光を楔型の光にし、該楔型の光を前記プリズムに入射することにより、前記金属薄膜に対して所定範囲の角度内の入射角の光を一度に入射する手段と、前記プリズムに入射され、前記金属薄膜にて反射された光を受光する受光手段と、前記光源と前記受光手段との間に配置され、前記光源からの光に空間的強度分布を発生させるフィルターであって、フィルター上に、それぞれＳＰＲ角度よりも低角度側の光と高角度側の光を遮断する２つのマーカーが形成されているフィルターとを備え、前記受光手段にて受光される光には、前記空間的強度分布が含まれており、前記受光手段において、前記フィルター上に形成された前記２つのマーカーに対応する前記空間的強度分布の強度が極小となる光を受光する位置の変動により、前記特徴点の、測定される光路のドリフトを含む信号から、前記試料の複素屈折率変化に依存しないドリフト成分を除くことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記受光手段にて受光された光と該光の、前記受光手段における受光位置とから、前記金属薄膜による反射率の入射角依存性を示す反射率曲線を取得する手段をさらに備え、前記取得する手段は、前記反射率曲線から、前記特徴点に対応する入射角および前記受光手段における、空間的強度分布の強度が極小となる光を受光する位置に対応する入射角の代表値を求めることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、試料の複素屈折率に依存して出現する一個の特徴点の位置を測定するＳＰＲ測定機器において、光源と、前記試料が配置される金属薄膜が形成されたプリズムと、前記光源から出射された光を楔型の光にし、該楔型の光を前記プリズムに入射することにより、前記金属薄膜に対して所定範囲の角度内の入射角の光を一度に入射する手段と、前記プリズムに入射され、前記金属薄膜にて反射された光を受光する受光手段と、前記光源と前記受光手段との間に配置され、前記受光手段にて受光された光に基づく測定値に、前記試料の屈折率変動に依存しない第１のパターンを挿入するためのフィルターであって、フィルター上に、それぞれＳＰＲ角度よりも低角度側の光と高角度側の光を遮断する２つのマーカーが形成されているフィルターとを備え、前記第１のパターンの変動により、前記測定値における、前記特徴点の、測定される光路のドリフトを含む第２のパターンから、前記試料の複素屈折率変化に依存しないドリフト成分を除くことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記測定値は、前記受光手段にて受光された光と該光の、前記受光手段における受光位置とから求められた、前記金属薄膜による反射率の入射角依存性を示す反射率曲線であり、前記第１のパターンに対応する入射角および前記第２のパターンに対応する入射角の代表値を求める手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、温度による変動を受けにくく、温度制御を行う場合に比べて消費電力が少なく、製造コストが低いＳＰＲ測定機器を提供することが可能となる。このため、特に、小型・携帯用の装置として用いる場合に、有益である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態では、表面プラズモン現象を用いた屈折率センサー等のＳＰＲ測定機器において、温度による測定光学系の温度変動をキャンセルして、測定光学系の温度変動による影響を軽減している。本発明の一実施形態に係るＳＰＲ測定機器は、プリズムを用いて金属薄膜と光とを結合する光学系（所謂、クレッチマン配置、オットー配置）で効果がある。また、グレーティングを用いて結合する場合でも効果がある。

このような温度変動の軽減の一例として、本発明の一実施形態では、測定光学系において、光源と受光素子との間に、光源からの光に空間的な強度分布を発生させるためのフィルター、すなわち、光源から照射され、プリズムに備えられた金属薄膜に入射する光、または上記金属薄膜から反射された光の一部を遮断するフィルターが配置されている。このフィルターによって、例えばＳＰＲ角度を求める場合は、測定光の測定データ（入射角度に対する反射光強度の関係を示すデータ）において、ＳＰＲ角度に対応するピーク（シグナル）から離れた位置に、上記フィルターの像によるピーク（シグナル）を挿入している。このフィルターの像によるシグナルは、測定試料の複屈折率の温度変化の影響を受けず、測定光学系の温度変化の影響のみを受けるシグナルであるので、このシグナルを利用して、測定データから測定光学系の温度変動分をキャンセルする。

また、本発明の一実施形態では、ＳＰＲ測定の精度を向上するために、Ｓ偏光とＰ偏光とを切換えて出力する光源と、その切換えに同期して受光する受光素子を備えるようにしても良い。

（第１の実施形態）
本実施形態では、受光素子面上に、プリズムに備えられ、試料が配置された金属薄膜のＳＰＲ測定領域の屈折率に依存しない空間的パターンを発生させるためのフィルターを、光源と受光素子との間に配置している。このフィルターには、光を遮断するためのマスク（マーカーとも呼ぶ）が形成されており、このフィルターが光源とプリズムとの間に設けられている場合は、金属薄膜への入射光のうち、ＳＰＲ角度から離れた角度の入射光の一部を遮断する。また、上記フィルターがプリズムと受光素子との間に設けられている場合は、金属薄膜にて反射された反射光のうち、ＳＰＲ角度で反射される光から離れた角度で反射する光の一部を遮断する。この遮断により、受光素子にて検出された測定データにおいて、ＳＰＲ角度に対応する（下向き）ピーク（ＳＰＲ測定部分とも呼ぶ）から離れた部分に、マーカーによる空間的パターン（マーカーの像によるピーク）が生じる。すなわち、金属薄膜への入射光または反射光のうち、フィルターのマーカーによって遮断された光の入射角度では、光はほとんど透過していないので、上記測定データにおいて、遮断された入射角度において、マーカーの像によるピークが発生するのである。

このようなフィルターを用いると、受光素子では、ＳＰＲ測定領域の屈折率に依存する第１のパターン（ＳＰＲ角度に対応するピーク）と、ＳＰＲ測定領域の屈折率に依存しない第２のパターン（マーカーの像によるピーク）とが重畳したパターンが得られる。この第１のパターンは、試料の複素屈折率変動と、測定光学系のドリフト（機械的ひずみ、変形および温度による変形を含む）成分を含むパターンである。よって、試料の複素屈折率が変動すれば、測定データ中で、第１のパターンであるＳＰＲ角度に対応するピークの位置は変動し、また、測定光学系の温度変動や機械的ひずみ、変形によっても、上記ピークは変動する。一方、第２のパターンである、マーカーの像によるピークは、試料の屈折率変動ではその位置が変化しないが、測定光学系の温度変動や機械的ひずみ、変形によってはその位置を変化させる。

なお、受光素子にて検出される測定データにおいて、測定対象がＳＰＲ角度の場合は、第１のパターンはＳＰＲ角度に対応するパターンとなるが、測定対象が、ＳＰＲ波長、臨界角やブリュースター角である場合は、第１のパターンは測定対象に対応したピークとなる。すなわち、第１のパターンは、試料の複素屈折率に依存して出現する一個の特徴点（ＳＰＲ角度、ＳＰＲ波長、臨界角、ブリュースター角）の位置（例えば、金属薄膜への入射角度、入射光の波長）に対応付けることができる。よって、本実施形態では、第１のパターンの特徴点の位置を受光素子で測定し、それぞれの特徴点の位置を決定し、第１のパターンの変動を第２のパターンを基準に測定する。これによって、ＳＰＲ測定機器としてのＳＰＲセンサーの測定値の変動から、第１および第２のパターンが含む、測定光学系が有する装置の機械的ひずみ・変形、および測定光学系の温度による変形と、ＳＰＲ測定領域の屈折率変動とを分離して測定することができる。

なお、本実施形態では、受光素子によって測定される測定値から、装置の機械的ひずみ・変形、および測定光学系の温度による変形による影響を軽減することが重要であり、そのために、受光素子の測定値において、ＳＰＲ角度等の特徴点の位置に対応するピーク（シグナル）と重ならないように、マーカーによるピーク（シグナル）を形成するようにしている。このために、フィルター上において、マーカーは、フィルターにおける、ＳＰＲ測定部分に対応する領域から離れている領域に形成すれば良い。

図１は、本発明の一実施形態に係る、ＳＰＲ角度を測定するためのＳＰＲセンサーの光学系を示す図である。
図１では、光源としてのＬＥＤ１と、ＢＫ７プリズム２との間に、図２に示すような、プリズムへの入射角度幅を規定するためのフィルターであって、測定データに第２のパターンを挿入するためのフィルター３を配置している。プリズム２は、両面テープ９を介してＢＫ７基板８が接着されており、ＢＫ７基板８の、プリズム２側と対向する面には、金薄膜６が形成されている。この金薄膜６上に測定対象となる試料が配置される。

図１において、ＬＥＤ１から出射した光は、レンズ４によって平行光となりフィルター３に入射する。フィルター３には、図２のように、マーカー３ａおよび３ｂが形成されており、このマーカー部分に入射した光は遮断される。フィルター３は、このマーカー３ａ、３ｂが形成された領域以外では、入射光を透過するフィルターである。このフィルター３は、光学系全体のドリフトをキャンセルする、または低減するためには、光源としてのＬＥＤ１の近くに設置することが望ましいが、この配置に限らず、ＬＥＤ１とＣＣＤ１３との間であれば、いずれの位置に配置しても良い。

なお、本実施形態において、マーカーを設けることにより、測定データに、試料の屈折率変化に依存しないピークを挿入することが重要であるので、ＳＰＲ角度とは異なる入射角の光の一部を遮断することができれば良い。よって、マーカーの形は、図２のように短冊状に限らず、三角形状、円状、楕円状、しま模様などいずれの形をとっても良い。また、マーカーの数も２つに限らず、１つでも良いし、２つ以上でも良い。

すなわち、プリズム２に入射される光のうち、ＳＰＲ角度から離れた角度の光を遮断するようにマーカーを配置すれば良いのである。この遮断された角度の光は試料に入射されない、ないしはされたとしてもその量は非常に少ないので、測定データ中において、上記遮断によるピーク（第２のパターン）は、試料の屈折率変動による影響をほとんど受けず、測定光学系の機械的ひずみや変形、温度による変形に依存したピークとなるのである。すなわち、上記遮断によるピークの時間変動が、測定光路の機械的ひずみ、変形および温度による変形によるドリフトと等価になる。

フィルター３を通過した光は偏光子５に入射し、プリズム２に形成された金薄膜６の入射面に対してＰ偏光となり、プリズム２に対して所定範囲の角度の入射光を入射する手段としてのシリンドリカルレンズ７に入射する。シリンドリカルレンズ７に入射した光は、該レンズによって、楔型の光に集光して、金薄膜６とＢＫ基板８との界面に線状に集束する。このシリンドリカルレンズ７によって、平行光が楔型の光となるので、所定範囲の角度（入射角）の入射光を一度にプリズム２（金属膜６）へと入射することができる。すなわち、シリンドリカルレンズ７に入射される光の位置に応じて、プリズム２への入射角が決まる。

図１では、シリンドリカルレンズ７の領域７ａから出射される光は、金薄膜２への入射角では低角度側となり、領域７ｂから出射される光は、上記入射角では高角度側となる。本実施形態では、シリンドリカルレンズ７の中央付近から出射される光の入射角度がＳＰＲ角度付近となるように、光学系を組んでいる。よって、フィルター３の中央付近を通過する光がＳＰＲ角度、またはその角度近傍の角度で金薄膜６へと入射する光となる。

よって、フィルター３に形成されているマーカー３ａ、３ｂは、フィルター３において、ＳＰＲ角度近傍の角度で入射する光となる光が入射する位置から、空間的に離れた位置に形成される。すなわち、金薄膜２への入射光のうち、マーカー３ａによって遮断された光の入射角は、ＳＰＲ角度よりも低角度側であり、マーカー３ｂによって遮断された光の入射角は、ＳＰＲ角度よりも高角度側となる。

金薄膜６にて反射された光は、シリンドリカルレンズ１０にて平行光となり、レンズ１１に入射される。レンズ１１に入射された光は、スリット１２を介して、受光素子としてのＣＣＤ１３に入射される。ＣＣＤ１３は、コンピュータ等のデータ処理装置（不図示）に接続されている。すなわち、ＣＣＤ１３にて受光された情報はデータ処理装置に送られ、該データ処理装置にて、本実施形態に係る処理を含む所定の処理が行われる。

図１の構成では、プリズム２への一度の光の入射で、所定範囲の角度の入射角を一度に入射することができる。よって、上記光学系において、光をプリズム２に入射し、金薄膜６にて反射された光をＣＣＤ１３にて受光することにより、反射率の角度依存性を測定することができる。

さて、水をサンプルとして金薄膜６上に配置して測定を行ったところ、図３に示す、ＣＣＤ１３で測定される反射率の角度依存性が得られた。この角度依存性は、ＣＣＤ１３から送られてくる測定情報に基づいて、データ処理装置にて作成される。上記光学系では、金薄膜６への入射角度の違いによって、ＣＣＤ１３の受光面の位置が異なる。従って、ＣＣＤ１３の像は、１つの方向が入射角度になるのである。よって、角度依存性の情報は、ＣＣＤ１３の受光面の位置情報（ピクセル番号）に展開されることになる。

図３に示されるように、フィルター３上のマーカー３ａ、３ｂによって、入射角度の低角度側と高角度側にて光強度が制限されており、第２のパターンが観測される。また、マーカー３ａによるピークと、マーカー３ｂによるピークとの間には、第１のパターンとしての、ＳＰＲ角度に対応するピーク（ＳＰＲ測定部分）が観測される。この図３に示す測定データには、測定光学系が有する装置の機械的ひずみ・変形、および測定光学系の温度による変形の少なくともいずれか一方が影響していることがある。よって、これらの影響は各ピークにも影響している。

データ処理装置は、上記測定データから、マーカーによる像（マーカーにより遮断された光の入射角）とＳＰＲ角度の代表値として、反射強度最小値のＣＣＤ受光面での位置のピクセル番号、すなわちマーカー３ａ、３ｂのピクセル番号と、ＳＰＲによる反射率最小の位置のピクセル番号、すなわちＳＰＲ角度のピクセル番号とを求める。マーカーのピクセル番号、およびＳＰＲ角度のピクセル番号は、非特許文献１に開示されている、図形的重心を形成する方法によって求めることができる。

この光学系にて、水の屈折率を測定したところ、マーカーのピクセル番号、およびＳＰＲ角度のピクセル番号は共に室温の変化に依存して変化した。
まず、試料の屈折率に変化がない場合について測定した。
所定の時間毎に、図３に示すような測定データを取得し、マーカー３ｂの代表位置、およびＳＰＲ測定部分の代表位置の時間変化を測定した。データ処理装置にて、マーカー３ｂの代表位置Ａに対する、ＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂの時間変化を求めると、該関係は一次の関係となった。そこで、図４の時刻３０秒から１３５秒の間で、上記マーカー３ｂの代表位置Ａに対するＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂの時間変化の関係を最小二乗法で求めた。該求められた一次の式の傾きａと切片ｂとを用いて、時刻１３５秒以降では、マーカー３ｂの代表位置Ａから、ＳＰＲ角度の代表位置Ｂの位置を推定した推定値Ｃ（Ｃ＝ａ×マーカー３ｂの代表位置Ａ＋ｂ）を求め、（ＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂ）−（推定値Ｃ）をプロットした。図４において、時刻１３５秒にて室温を変化させても、図４に示されるように、（ＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂ）−（推定値Ｃ）は、変動が少ないことが分かった。なお、図４において、記号Ａが示すプロットは各時刻に対するマーカー３ｂの代表位置を示し、記号Ｂが示すプロットは各時刻に対するＳＰＲ測定部分の代表位置を示し、記号（Ｂ−Ｃ）が示すプロットは各時刻に対する（ＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂ）−（推定値Ｃ）を示す。

次に、試料の屈折率が変化する場合について測定した。
図５において、記号Ａが示すプロットは各時刻に対するマーカー３ｂの代表位置を示し、記号Ｂが示すプロットは各時刻に対するＳＰＲ測定部分の代表位置を示し、記号（Ｂ−Ｃ）が示すプロットは各時刻に対する（ＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂ）−（推定値Ｃ）を示す。
図５において、試料としての上記の水に時刻２２５秒でメルカプトプロピオン酸（３ＭＰＡ）を添加して、金薄膜６上に自己集積化膜を形成した。上記と同様にして、時刻０秒から１８０秒までの、上記マーカー３ｂの代表位置Ａに対するＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂの時間変化の関係を最小二乗法で求めて、求められた一次式の傾き、および切片を用いて、推定値Ｃを求めた。（ＳＰＲ測定部分の代表位置Ｂ）−（推定値Ｃ）をプロットすると、図５に示すように、ドリフトの少ないプロットを得ることができた。

このように、測定データ中の第１のパターンと第２のパターンとを用いることにより、光学系の温度変動や装置の機械的ひずみ、変形の影響をキャンセル、ないしは軽減できることが分かる。

本実施形態では、データ処理装置は、所定の時刻毎に図３に示す測定データを取得し、各時刻毎に、マーカーのピクセル番号とＳＰＲ角度のピクセル番号とを取得する。次いで、マーカーのピクセル番号、およびＳＰＲ角度のピクセル番号を、測定時刻に対してそれぞれプロットする。次いで、データ処理装置は、ＳＰＲ角度のピクセル番号の測定時間に対するプロットから、マーカーのピクセル番号の測定時間に対するプロットを差し引く演算を行う。これによって、光学系の機械的ひずみ、変形、および光学系の温度による変形の影響、すなわちこれら変形によるドリフトを除いた、ないしは軽減した、ＳＰＲ角度の時間プロットを得ることができる。

すなわち、試料の複屈折率の温度変動では、測定データにおいてマーカーによるピークの位置は変化せず、マーカーによるピークの位置は、測定光学系（測定光路）の温度変動や機械的ひずみ、変形だけに影響を受けるため、ＳＰＲ角度に対応するピークの温度変動からマーカーによるピークの温度変動を差し引くと、測定光学系の温度変動分および機械的ひずみ、変形の温度変動分をキャンセルすることができる。

よって、測定光学系の温度変動を軽減するための温度制御を行わなくても、上記温度変動による影響を軽減することができるので、消費電力を低減することができる。また、機械的可動部を設けなくても、ＳＰＲ角度などの特徴点の位置を測定できるので、小型化が容易となる。さらに、上記温度制御や機械的可動部を必要としないので、製造コストを低減することができる。

なお、屈折率を測定するために、ＳＰＲ角度を用いる以外にも、臨界角、ブリュースター角を用いても同様に、図２に示すようなフィルターを用いることによって、試料の屈折率の変化以外の変動によるドリフトをキャンセルできる。また、白色光源を用いて、反射光を分光することによって、ＳＰＲ波長を測定する、ＳＰＲ測定法においても、図２に示すようなフィルターを用いることによって同様の効果がある。

（第２の実施形態）
本実施形態では、時間的に、排他的に点滅する、Ｓ偏光を出射する光源とＰ偏光を出射する光源とからの光を合波し、該合波光を単一の光路を進行させ、上記点滅に同期する受光素子を制御することによって、時間的に、Ｓ偏光と、Ｐ偏光とを測定することで、光路中の試料の屈折率変化に依存しない変動成分、すなわち測定光路の温度による変動成分を分離することができる。

図６において、符号２０は、Ｐ偏光とＳ偏光とを切換えて出射する光源である。光源２０の後段には、入射光学系２１が配置されている。この入射光学系２１は、図１のレンズ４およびシリンドリカルレンズ７によって構成することができる。また、フィルター３を配置しても良い。入射光学系２１の後段には、金薄膜６を有するプリズム２が配置されている。入射光学系２１から、楔型の光をプリズム２に入射することで、所定範囲の角度（入射角）の入射光を一度にプリズム２（金属膜６）へと入射することができる。プリズム２の後段には、出射光学系２２が配置されており、入射光学系２１から出射され、金薄膜６にて反射された光が、出射光学系２２に入射する。この出射光学系２２は、図１のシリンドリカルレンズ１０およびレンズ１１によって構成することができる。出射光学系２２の後段には、受光素子としてのＣＣＤ２３が配置されている。ＣＣＤ２３は、コンピュータ等のデータ処理装置（不図示）に接続されている。すなわち、ＣＣＤ２３にて受光された情報はデータ処理装置に送られ、該データ処理装置にて、本実施形態に係る処理を含む所定の処理が行われる。

また、光源２０には、光源ドライバー２４が電気的に接続されており、光源ドライバー２４は同期信号発生装置２５に電気的に接続されている。ＣＣＤ２３にはカメラタイミング発生装置２６が電気的に接続されており、カメラタイミング発生装置２６も同期信号発生装置２５に電気的に接続されている。

図７において、光源２０は、ＬＥＤ２７、２９、Ｐ偏光を出射するように設定された偏光子２８、Ｓ偏光を出射するように設定された偏光子３０、カプラ３１を備えている。このような構成において、ＬＥＤ２７から出射した光は偏光子２８によりＰ偏光となる。このＰ偏光は、カプラ３１に入射して、入射光学系２１へと出射され、入射光学系２１を進行する。一方、ＬＥＤ２９から出射した光は偏光子３０にてＳ偏光となる。このＳ偏光についても、カプラ３１に入射して、入射光学系２１へと出射され、入射光学系２１を進行する。よって、発生したＰ偏光、およびＳ偏光共に同一の光路を進行することになる。

なお、本明細書において、「Ｐ偏光」とは、プリズムに備えられた金属薄膜に入射する光がＰ偏光となることを指す。同様に、「Ｓ偏光」とは、上記金属薄膜に入射する光がＳ偏光となることを指す。

また、図７において、光源ドライバー２４は、駆動回路３２、駆動回路３３、および排他的制御回路３４を備えている。排他的制御回路３４は、駆動回路３２および３３を介してそれぞれ、ＬＥＤ２７および２９の光のオンオフを制御する回路であって、同期信号発生装置２５からの同期信号に応じて、排他的にＬＥＤ２７および２９の一方の出力をオンにする。上記同期信号発生装置２５は、ＣＣＤ２３の１フレーム毎にＳ偏光とＰ偏光との出射を切換えるような同期信号を発生する。この同期信号を受けて、排他的制御回路３４は、各ＬＥＤの出力を制御する。よって、ＬＥＤ２７からは、上記ＣＣＤ２３の１フレーム毎にオンオフが切換えられるので、同期信号に応じて電気的に点滅した出力を行う。また、ＬＥＤ２９からは、ＬＥＤ２７がオンのときはオフとなり出力せず、ＬＥＤ２７がオフのときはオンとなり出力する。よって、ＬＥＤ２９についても、同期信号に応じて電気的に点滅した出力を行うことになる。

上記同期信号が、カメラタイミング発生装置２６に入力されると、カメラタイミング発生装置２６は、該同期信号に応じて、ＣＣＤ２３を制御する。このようにすることで、光源２０から出射されるＰ偏光とＳ偏光との切換えと、ＣＣＤ２３におけるフレームを撮るタイミングとを同期することができる。

このような構成において、同期信号発生装置２５から同期信号を光源ドライバー２４およびカメラタイミング発生装置２６とに出力すると、光源２０から、ＣＣＤ２３の１フレーム毎にＰ偏光とＳ偏光とを排他的に発光する。このとき発光した光は、入射光学系２１を通ってプリズム２に入射し、金薄膜６にて反射して、出射光学系２２を通ってＣＣＤ２３にて受光される。

さて、ＳＰＲ効果は、Ｐ偏光では観測されるが、Ｓ偏光では観測されない。一方、光路の変動によるＣＣＤ面上での像の移動は、Ｐ、Ｓ偏光双方の偏光で起こる。そこで、ＣＣＤ２３のフレームに同期して、Ｓ偏光とＰ偏光との切換えを行える光源２０を用いている。これによって、光源以外の全ての光学系の変動を同様に受けた光が、ＣＣＤ２３にて受光される。この構成でＣＣＤ２３の画像をデータ処理装置に取り込むと、フレーム時間である１／３０秒毎に、Ｓ偏光、Ｐ偏光の反射強度が次々に得られる。このとき、データ処理装置にて、時間的に隣接するフレームのピクセル毎に、Ｐ偏光の像の反射強度をＳ偏光の像の反射強度で割り算すると、光学系の軸のずれや、温度による変形、ごみによるＳＰＲ曲線の変形を補正することができる。このような、ＳＰＲ曲線の変形は、ＣＣＤ２３にて受光されるＰ偏光、Ｓ偏光双方に現れるので、ＳＰＲ効果を受けないＳ偏光のＳＰＲ曲線によって、Ｐ偏光のＳＰＲ曲線を規格化することによって、上記測定光学系に生じる変形の影響のみをキャンセル、ないしは軽減することができる。

この場合、特許文献１にて開示される方式と比較して、受光装置を１つにすることができる。よって、受光装置の性能差に影響を受けることがないので、ＳＰＲ曲線の変形をより効果的に抑えることができる。

また、本実施形態に係るＳＰＲ測定機器を用いて、第１の実施形態と同様に、水の屈折率を測定した。データ処理装置にて、ＣＣＤ２３にて得られたデータに基づいて、非特許文献１に記載された、図形的重心を形成する方法によってＳＰＲ角度を求め、時間変化を記録したところ、ＬＥＤ２７、２９等の測定光学系の温度の変動による光強度の変動により、ＳＰＲ角度の推定精度が下がるのを低減できた。

本発明の一実施形態に係る、ＳＰＲ角度を測定するための光学系を示す図である。本発明の一実施形態に係る、測定データに第２のパターンを挿入するためのフィルターを示す図である。本発明の一実施形態に係る、受光素子にて測定された測定値における、入射角度と振幅との関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る、マーカーのピクセル番号とＳＰＲ角度のピクセル番号との代表値の時間変化を示す図である。本発明の一実施形態に係る、マーカーのピクセル番号とＳＰＲ角度のピクセル番号との代表値の時間変化を示す図である。本発明の一実施形態に係る、ＳＰＲ角度を測定するための光学系を示す図である。本発明の一実施形態に係る、光源および光源ドライバーの様子を示す図である。従来の、入射角度と、反射面上で入射面に垂直な方向の線上の反射位置とを示す図である。従来の、入射角度と、反射面上で入射面に垂直な方向の線上の反射位置とを示す図である。

符号の説明

１ＬＥＤ
２プリズム
３フィルター
４、１２レンズ
５偏光子
６金薄膜
７、１０シリンドリカルレンズ
８基板
９両面テープ
１３ＣＣＤ

Claims

試料の複素屈折率に依存して出現する一個の特徴点の位置を測定するＳＰＲ測定機器において、
光源と、
前記試料が配置される金属薄膜が形成されたプリズムと、
前記光源から出射された光を楔型の光にし、該楔型の光を前記プリズムに入射することにより、前記金属薄膜に対して所定範囲の角度内の入射角の光を一度に入射する手段と、
前記プリズムに入射され、前記金属薄膜にて反射された光を受光する受光手段と、
前記光源と前記受光手段との間に配置され、前記光源からの光に空間的強度分布を発生させるフィルターであって、フィルター上に、それぞれＳＰＲ角度よりも低角度側の光と高角度側の光を遮断する２つのマーカーが形成されているフィルターと、
を備え、
前記受光手段にて受光される光には、前記空間的強度分布が含まれており、
前記受光手段において、前記フィルター上に形成された前記２つのマーカーに対応する前記空間的強度分布の強度が極小となる光を受光する位置の変動により、前記特徴点の、測定される光路のドリフトを含む信号から、前記試料の複素屈折率変化に依存しないドリフト成分を除くことを特徴とするＳＰＲ測定機器。
前記受光手段にて受光された光と該光の、前記受光手段における受光位置とから、前記金属薄膜による反射率の入射角依存性を示す反射率曲線を取得する手段をさらに備え、
前記取得する手段は、前記反射率曲線から、前記特徴点に対応する入射角および前記受光手段における、空間的強度分布の強度が極小となる光を受光する位置に対応する入射角の代表値を求めることを特徴とする請求項１記載のＳＰＲ測定機器。
試料の複素屈折率に依存して出現する一個の特徴点の位置を測定するＳＰＲ測定機器において、
光源と、
前記試料が配置される金属薄膜が形成されたプリズムと、
前記光源から出射された光を楔型の光にし、該楔型の光を前記プリズムに入射することにより、前記金属薄膜に対して所定範囲の角度内の入射角の光を一度に入射する手段と、
前記プリズムに入射され、前記金属薄膜にて反射された光を受光する受光手段と、
前記光源と前記受光手段との間に配置され、前記受光手段にて受光された光に基づく測定値に、前記試料の屈折率変動に依存しない第１のパターンを挿入するためのフィルターであって、フィルター上に、それぞれＳＰＲ角度よりも低角度側の光と高角度側の光を遮断する２つのマーカーが形成されているフィルターとを備え、
前記第１のパターンの変動により、前記測定値における、前記特徴点の、測定される光路のドリフトを含む第２のパターンから、前記試料の複素屈折率変化に依存しないドリフト成分を除くことを特徴とするＳＰＲ測定機器。
前記測定値は、前記受光手段にて受光された光と該光の、前記受光手段における受光位置とから求められた、前記金属薄膜による反射率の入射角依存性を示す反射率曲線であり、
前記第１のパターンに対応する入射角および前記第２のパターンに対応する入射角の代表値を求める手段をさらに備えることを特徴とする請求項３記載のＳＰＲ測定機器。