JP5340244B2 - バイオ物質を検出するビームスキャニングシステム - Google Patents

Description

本発明は、ビームスキャニングシステムに関し、特に、癌、微生物などを含むバイオ物質を検出するビームスキャニングシステムに関する。

レーザー光源を用いたビームスキャニングは、レーザーレーダ（ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ）、大面積スキャニングディスプレイ（ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｙｓ）、自由空間（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ）光通信、レーザープリンタ、バーコードリーダなど様々な分野で使用されている。現在までレーザー光源を用いたビームスキャニングは、様々な構成方式によって開発されている。例えば、機械的ビームスキャニング、ＭＥＭｓ（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）基盤のビームスキャニング、光位相配列（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）方式のビームスキャニングなどがレーザー光源を用いたビームスキャニングとして開発されている。

機械的ビームスキャニングの代表的な方法は、ポリゴンミラーまたはホログラフィックディスクを用いるが、光の効率、スキャニング範囲などで優れた長所を示している。しかし、高い精度を得るためには、高精密な光学用品が必要なだけでなく、構成が複雑で高価であるという短所がある。また、機械的に駆動されるのでスキャニング速度がｍｓ（ミリ秒）範囲内に制限されるという短所がある。

ＭＥＭｓ基盤のビームスキャニングは、機械的ビームスキャニングと同様に機械的な駆動方式によって速度に制限がある。機械的な駆動方式を克服するために、ニオブ酸リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）電気光学プリズムデフレクター（ｐｒｉｓｍ ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用いる研究が進められている。ニオブ酸リチウム電気光学プリズムディフレクタを用いる場合、ｎｓ（ナノ秒）範囲内での高い駆動速度が長所であるが、５００Ｖ以上の高い駆動電圧を必要とするため、非現実的である。

前述したような短所を克服するために、最近は、光位相配列方式のビームスキャニングに関する研究が多くなされている。光位相配列方式のビームスキャニングは、駆動電圧が低く、高い速度でのビームスキャニングが可能である。

特開２００７−０１０６６６号公報 特開２００８−２５９７４３号公報

本発明の課題は、スーパコンティニューム光源（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）および光位相配列（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）方式を用いたビームスキャニングに基づいて癌、微生物などを含むバイオ物質を検出するビームスキャニングシステムを提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明におけるビームスキャニングシステムは、スーパコンティニューム光ビーム（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍｍ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ）を生成して出射する光源と、前記スーパコンティニューム光ビームを受信して少なくとも２つの経路にガイドする光素子と、前記経路のうちの１つの経路に可変的に電圧を供給して該経路にガイドされる光ビームの位相を変化させる電圧供給部とを備える。

本発明は、超高速ビームスキャニング方式を用いて映像を取得することができ、マイクロ流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）管の内部にリアルタイムで流れるバイオ物質を試料の固定なしに連続的に検出することができる。
また、本発明は、スーパコンティニューム光源を用いるので、マイクロ流体管の内部にリアルタイムで流れるバイオ物質の映像を取得することができるだけでなく、バイオ物質の分光（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）も可能である。

光位相配列（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）を用いたビームスキャニングを示す例示図である。 本発明の実施例におけるビームスキャニングシステムを概略的に示す図面である。 本発明の実施例における光素子を概略的に示す図面である。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、光位相配列（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）を用いたビームスキャニングを示す例示図である。図１に示すように、ｘ−ｙ平面に存在する光源から光ビームをξ−η平面に投射すると、ξ−η平面で干渉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）パターンが発生するが、この干渉パターンは、次の式１により説明される。

式１において、Ａ_ｎはｎ番目の光源から出射された光ビームの強度、φ_ｎはｎ番目の光源から出射された光ビームの位相、ω_０は光ビームのスポット大きさ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）、λは光ビームの波長、Ｌはｘ−ｙ平面とξ−η平面間の距離、ｘ_ｎとｙ_ｎはｘ−ｙ平面上でｎ番目の光源の位置を表す。

式１に示すように、各光源から出射された光ビームの位相が変わることになると、干渉パターンの位置がξ−η平面上で変わることになる。従って、本実施例では、各光源の位相を変化させて干渉パターンの位置を変化させるビームスキャニングを行う。

図２は、本発明の実施例におけるビームスキャニングシステムを概略的に示す図面である。図２を参照すると、ビームスキャニングシステム２００は、光源２１０、電圧供給部２２０、光素子２３０、ビーム集束部２４０、ミラー２５０およびビーム処理部２６０を備える。また、ビームスキャニングシステム２００は、複数のバイオ物質のそれぞれに対応するバイオ物質情報（以下、第１のバイオ物質情報という）を格納する格納部（図示せず）をさらに備える。ここで、第１のバイオ物質情報は、バイオ物質に対応するスペクトルデータ（ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｄａｔａ）、ビーム映像などを含む。しがし、第１のバイオ物質情報は、必ずしもこれに限定されない。

光源２１０は、光ビームを生成して出射する。本実施例において、光源２１０は、スーパコンティニューム光源（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）を含む。光源２１０は、スーパコンティニューム光ビームを形成することができる装置であればいかなる装置であっても構わない。

電圧供給部２２０は、電圧を可変的に供給する。本実施例において、電圧供給部２２０は、電圧を可変的に生成して供給することができる装置であればいかなる装置であっても構わない。

光素子２３０は、光源２１０から出射された光ビームを受信して少なくとも２つの経路にガイド（ｇｕｉｄｅ）する。一実施例において、光素子２３０は、電圧供給部２２０から供給された電圧を用いて光ビームのガイド経路のうちの１つの経路を通過する光ビームの位相を変化させるように構成することによって、光ビームの遠距離領域パターン（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）である光ビームの干渉パターンの位置を調節することができる。光素子２３０については、図３を参照してより具体的に説明する。

図３は、本発明の実施例における光素子を概略的に示す図面である。図３を参照すると、光素子２３０は、 光源２１０から出射された光ビームを受信する１つの入射ポート２３１と、入射ポート２３１から分岐した２つの出射ポート２３２ａ、２３２ｂとを備えるｙ−分岐形式の光素子を含む。 また、光素子２３０は、出射ポートのうちの１つ、例えば出射ポート２３２ａに設けられた電極２３３を備える。電極２３３に電圧を印加することによって、電場が発生して該出射ポート２３２ａにガイドされる光ビームの位相が変わることになる。

前述した実施例では、光素子２３０が２つの出射ポート２３２ａ、２３２ｂを備えるものとして説明したが、必ずしもこれに限定されない。他の実施例では、光素子２３０が２つ以上の出射ポートを備えることもできる。

また、前述した実施例では、電極２３３が出射ポート２３２ａに設けられるものとして説明したが、必ずしもこれに限定されない。他の実施例では、電極２３３を出射ポート２３２ｂに設けることもできる。

図３において、符号３０は、出射ポート２３２ａ、２３２ｂから出力される光ビームの遠距離領域パターンである干渉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）パターンを表す。電圧が電極２３３に印加されると、キャリア密度（ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）が変わることになり、キャリア密度の変化に応じてウエーブガイド（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、即ち出射ポート２３２ａ、２３２ｂを通過する光ビームの屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）が変わることによって、位相が変わることになる。従って、出射ポート２３２ａ、２３２ｂから出力される光ビーム間に位相差が発生することになって、式１により干渉パターンの位置が変わることになる。

前述した実施例では、干渉パターンの位置を変化させるために電極２３３に電圧を印加するものとして説明したが、必ずしもこれに限定されない。他の実施例では、干渉パターンの位置を変化させるために電極２３３に光フィールド（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）、マイクロウエーブ（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）などを印加することもできる。

再び図２を参照すると、ビーム集束部２４０は、光素子２３０から出力される光ビームを集束（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）させる。ビーム集束部２４０は、光素子２３０から出力される光ビームを集束させることができる装置であればいかなる装置であっても構わない。一例として、ビーム集束部２４０は、ビーム集束レンズを含む。

ミラー２５０は、ビーム集束部２４０により集束された光ビームをマイクロ流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）管２０に反射させる。ここで、マイクロ流体管２０は、癌、微生物などを含むバイオ物質２１が流れる管である。

ビーム処理部２６０は、マイクロ流体管２０を通過した光ビーム２２を用いてマイクロ流体管２０を流れるバイオ物質を検出する。より詳細に、ビーム処理部２６０は、マイクロ流体管２０を通過した光ビーム２２を受信し、受信された光ビーム２２を用いてマイクロ流体管２０を流れるバイオ物質に対応するバイオ物質情報（以下、第２のバイオ物質情報という）を形成する。本実施例において、第２のバイオ物質情報は、スペクトルデータ、ビーム映像などを含む。しかし、 第２のバイオ物質情報は、必ずしもこれに限定されない。ビーム処理部２６０は、格納部から第２のバイオ物質情報と最大の類似の第１のバイオ物質情報を検出し、検出された第１のバイオ物質情報に対応するバイオ物質の種類を示す検出情報を形成する。検出情報は、ディスプレイ部（図示せず）、プリンタ（図示せず）などを含む出力装置（図示せず）に出力されることができる。また、検出情報は、格納部に格納されることもできる。

一実施例において、ビーム処理部２６０は、互いに異なる波長帯域の光検出器をアレイ化した光検出器アレイ（ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｒｒａｙ）（図示せず）を含む。他の実施例において、ビーム処理部２６０は、互いに異なる波長フィルタを有する広帯域の光検出器アレイを含む。ビーム処理部２６０は、複数の光検出器のそれぞれから出力される信号を組み合わせて分光（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）および映像取得を行う。従って、マイクロ流体管２０を通過するバイオ物質に対するインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）検出が可能である。

前述した実施例では、ビーム処理部２６０が光検出器アレイを含むものとして説明したが、必ずしもこれに限定されない。ビーム処理部２６０は、マイクロ流体管２０を通過する光ビームを受信し、受信された光ビームを用いてビーム映像を形成するＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）（図示せず）を含むことができる。

本発明は、望ましい実施例によって説明および例示をしたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項および範疇を逸脱することなく、様々な変形および変更が可能である。

一例として、前述した実施例では、ビーム集束部２４０により集束された光ビームをマイクロ流体管２０に反射させるためのミラー２５０を備えるものとして説明したが、他の実施例では、ビーム集束部２４０により集束されたビームを直接マイクロ流体管２０に照射させることもできる。

２００ ビームスキャニングシステム
２１０ 光源
２２０ 電圧供給部
２３０ 光素子
２３１ 入力ポート
２３２ａ、２３２ｂ 出射ポート
２３３ 電極
２４０ ビーム集束部
２５０ ミラー
２６０ ビーム処理部

Claims (6)

1. スーパコンティニューム光ビーム（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍｍ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ）を生成して出射する光源と、
   前記スーパコンティニューム光ビームを受信して少なくとも２つの経路にガイドする光素子と、
   前記経路のうちの１つの経路に可変的に電圧を供給して該経路にガイドされる光ビームの位相を変化させる電圧供給部と、
   複数のバイオ物質のそれぞれに対応する第１のバイオ物質情報を格納する格納部と、
   前記光素子から出力される前記光ビームを集束させるビーム集束部と、
   前記集束された光ビームをバイオ物質が流れるマイクロ流体管に反射させるミラーと、
   前記マイクロ流体管を通過した光ビームを受信し、前記受信された光ビームを用いて第２のバイオ物質情報を形成し、前記格納部から前記第２のバイオ物質情報と最大の類似の第１のバイオ物質情報を検出し、前記検出された第１のバイオ物質情報を基づいてバイオ物質を検出するビーム処理部と
   を備えることを特徴とするビームスキャニングシステム。
2. 前記光素子は、
   前記スーパコンティニューム光ビームを受信する入射ポートと、
   前記入射ポートから分岐して前記受信されたスーパコンティニューム光ビームを出力する複数の出射ポートと、
   前記複数の出射ポートのうちの１つの出射ポートに設けられ、前記供給された電圧に応答して電場を生成する電極と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のビームスキャニングシステム。
3. 前記光素子は、ｙ−分岐形式の光素子を含むことを特徴とする請求項２に記載のビームスキャニングシステム。
4. 前記第１および第２のバイオ物質情報は、スペクトルデータおよびビーム映像の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビームスキャニングシステム。
5. 前記ビーム処理部は、互いに異なる波長帯域の光検出器をアレイ化した光検出器アレイを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビームスキャニングシステム。
6. 前記ビーム処理部は、互いに異なる波長フィルタを有する光検出器アレイを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビームスキャニングシステム。

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