JP6762514B2 - 光分析方法、プログラム、光分析システム及び導光路内蔵チップ - Google Patents

Description

本発明は、光分析方法、プログラム、光分析システム及び導光路内蔵チップに関し、特に、導光路内蔵チップ内部の目視できない部位を照明する照明光学系を備える導光路内蔵チップ等に関するものである。

一般に、物質、分子、原子の発光現象を利用した発光分析の感度は非常に高い。また、測定対象に光を照射し、当該測定対象から放出される光を用いた分析も行われている。このような光分析の例として、吸光度法やレーザ誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence：LIF）がある。

近年、このような光測定器や光測定装置の携帯可能な程度までの小型化や測定の高性能化が要請されている。

ここで、光測定装置を小型化すると、装置内において、測定対象に光を照射するための光源と、測定対象からの観測光をモニタする検出器との距離が近くなる。光源からの照射光を測定対象に導く照射光学系を構成する導光路や、測定対象からの観測光を検出器に導光する観測光収集光学系を構成する導光路には、集光レンズや光学フィルタ等の光学素子が存在する。そのため、装置内の導光路を光が進行する際に発生する反射光や散乱光といった、測定においてノイズとなりうる迷光の影響は、装置が小型化するにつれて顕著になる。このような迷光は、装置筐体の内壁においても発生する。

発明者らは、迷光の影響をできるだけ抑制し、光学測定装置の小型化を実現するために、顔料を少なくとも一部に含む樹脂を用いて光学系およびモノリシックな筐体を構成した光誘起蛍光測定器（特許文献１）を提案した。これはLIF装置に関するものである。

具体的には、以下の構成の特徴を有する。（１）照射光学系を構成する導光路、観測光収集光学系を構成する導光路の一部に、照射光及び観測光に対して透明な樹脂が充填されている。（２）これらの導光路を構成する透明樹脂を包囲するようにさらに樹脂を設ける。この樹脂には顔料が含有されている。（３）顔料は、迷光を吸収する特性を有する。顔料の含有量は、少なくとも迷光を全て吸収する量に設定されている。（４）透明樹脂と顔料含有樹脂との樹脂の材質は同じである。

上記の構成により、例えば、以下の作用・効果を奏する。まず、透明樹脂と顔料含有樹脂との樹脂の材質を同じにすることにより、両樹脂が接触する界面において光の反射や散乱が抑制される。また、顔料含有樹脂に入射した迷光は、顔料により吸収される。そのため、導光路を構成する透明樹脂に戻ることはほとんどない。さらに、顔料含有樹脂から外部へ迷光が漏れることもない。そのため、迷光の複雑な多重反射がほとんど発生しない。結果として、観測光収集光学系は、複雑な多重反射に対応する必要がなく簡便化され、結果的に本測定器は小型化される。

このような樹脂に各構成要素（光学要素）などを埋設した構造、さらに、光吸収性顔料を含有する樹脂で包囲した構造は、光学測定装置にのみ応用できるだけではなく、例えば、μＴＡＳ（マイクロ総合分析システム；Micro Total Analysis System）用の光学チップにも応用できる。

また、本発明者らが提案した、携帯型端末機器のディスプレイ表面にマイクロチップを貼り付けて光学測定を行うLOT（Labo on Tablet）方式に用いる光分析装置、光分析処理装置に含まれるマイクロチップにも応用できる（例えば、特許文献２参照）。

特許第５６６５８１１号公報 特開２０１５―１５８３８４号公報

しかし、上記したマイクロチップの筐体が顔料含有樹脂で包囲されていて、筐体の内部を目視することができないため、前記マイクロチップが設計通りに製造されているかを確認することや、前記マイクロチップを携帯型端末機器のディスプレイ表面の所定の位置に位置合わせすることが困難である。

ゆえに、本発明は、導光路を内蔵する導光路内蔵チップ（マイクロチップ）における目視できない部位に関する情報を得ることを容易とする表示方法等を提供することを課題とする。

本発明の第1の観点は、導光路内蔵チップと測定機器を備える光分析システムにおける表示方法であって、前記導光路内蔵チップは、前記導光路内蔵チップの外部から光が入る第1光導入部と、前記導光路内蔵チップの外部へ光が出る光導出部と、前記第1光導入部から測定対象を経由して前記光導出部へ達する第1導光路と、前記第１導光路に隣接して光を吸収する吸光部と、前記第1光導入部とは異なる、前記導光路内蔵チップの外部から光が入る第2光導入部と、前記第2光導入部から前記第1導光路の一部へ達する第2導光路を備え、前記測定機器は、前記光導出部からの光を受光する受光部と、前記受光部が受光した光情報を表示する表示部と、前記表示部を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記表示部を制御して、前記第2導光路を通って前記受光部が受光した光情報を表示させる検査光表示ステップを含む、表示方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点の表示方法であって、前記第2導光路が、前記第2光導入部から前記光導出部へ達する導光路であり、前記導光路内蔵チップと前記測定機器との相対的な位置関係を調整する位置調整ステップと、前記制御部が、前記表示部を制御して、前記第2導光路を通って前記受光部が受光した光情報を表示させる調整後表示ステップをさらに含む。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の表示方法であって、前記測定機器は、光を発する発光部をさらに備え、前記制御部は、前記発光部も制御するものであり、前記検査光表示ステップの前に、前記制御部が、前記発光部を制御して、前記第２光導入部に光が入るよう発光させる検査光発光ステップをさらに含む。

本発明の第４の観点は、第３の観点の表示方法であって、前記検査光発光ステップにおいて、前記制御部は、前記発光部を制御して、前記光導出部に対して発光させる。

本発明の第５の観点は、受光部及び表示部を備える測定機器がさらに備えるコンピュータを、第１から第４のいずれかの観点の前記制御部として機能させるためのプログラムである。

本発明の第６の観点は、外部から光が入る第1光導入部と、外部へ光が出る光導出部と、前記第1光導入部から測定対象を経由して前記光導出部へ達する第1導光路と、前記第１導光路に隣接して光を吸収する吸光部とを備える導光路内蔵チップであって、前記第1光導入部とは異なる、外部から光が入る第2光導入部と、前記第2光導入部から前記第1導光路の一部へ達する第2導光路を備える導光路内蔵チップである。

本発明の第７の観点は、第６の観点の導光路内蔵チップであって、前記第2導光路が、前記第2光導入部から前記光導出部へ達する導光路である。

本発明の第８の観点は、第６又は第７の観点の導光路内蔵チップであって、前記第2導光路が、光ファイバーからなり、外部光源に接続されている。

本発明の第９の観点は、導光路内蔵チップと測定機器を備える光分析システムであって、前記導光路内蔵チップは、前記導光路内蔵チップの外部から光が入る第1光導入部と、前記導光路内蔵チップの外部へ光が出る光導出部と、前記第1光導入部から測定対象を経由して前記光導出部へ達する第1導光路と、前記第１導光路に隣接して光を吸収する吸光部と、前記第1光導入部とは異なる、前記導光路内蔵チップの外部から光が入る第2光導入部と、前記第2光導入部から入って前記第1導光路の一部へ達する第2導光路を備え、前記測定機器は、前記第１光導入部又は前記第２光導入部に光を発する発光部と、前記光導出部からの光を受光する受光部と、前記受光部が受光した光情報を表示する表示部とを備える光分析システムである。

本発明の各観点によれば、導光路内蔵チップの内部や測定機器との接触面等の目視できない部位に光照射し、照射された領域の状況を反映した光情報を得ることが可能となる。これにより、導光路内蔵チップと測定機器とを位置合わせすることが容易となる。

また、外部からは目視できない導光路の情報を光導出の可否や導出された光情報から得ることができるため、設計通りに製造されているかを確認することも可能となる。例えば、導光路内蔵チップの導光路中の所定の場所に光照射し、その照射された領域の導光路に陥没等の欠陥がないかを検査することが可能となる。

高精度な測定を行うためには、光導出部から放出される光が携帯型端末機器の内蔵カメラに十分に届くように、光導出部の位置と内蔵カメラの位置との位置合わせ（アライメント）を精密に行う必要がある。この際、従来、作業者が任意に導光路内蔵チップ（マイクロチップ）を動かして、光が内蔵カメラで検出される位置を探していた。また、光が内蔵カメラに検出されると、内蔵カメラによる検出光の像が所定のものとなるように調整していた。

しかし、導光路内蔵チップの筐体が顔料含有樹脂で包囲されていて、筐体の内部や測定機器との接触面を目視することができない。しかも、光導出部から放出される光は、比較的強度が小さい。そのため、ある程度位置が合っていないと、内蔵カメラでの検出が難しい。結局のところ、位置合わせステップの当初は、作業者の勘所（予測）に依存することとなり、導光路内蔵チップ（マイクロチップ）を携帯型端末機器のディスプレイ表面の所定の位置に位置合わせすることが困難であった。

本発明の第2の観点、及び、第７の観点によれば、光導出部又は光導出部の近傍の導光路内壁を表示部に表示することが可能となる。また、光導出部から放出される光強度が大きくなる。そのため、導光路内蔵チップの位置合わせが容易となる。

本発明の第３の観点によれば、外部光源を用いることなく、導光路内蔵チップと測定機器の位置合わせを容易とすることができる。

本発明の第４の観点によれば、光導出部の形状をさらに明確に表示し、導光路内蔵チップと測定機器の位置合わせをさらに容易とすることができる。

本発明の第８の観点によれば、導光路内蔵チップの内部や測定機器設置面等の目視できない部位を照明する照明光学系の選択肢を拡げることが可能となる。例えば、測定機器が備える発光部から放出される光より強度や波長が異なる光を放出する外部光源を用いることにより、照明光の選択の自由度が拡がる。

本発明の導光路内蔵チップの構成の一例（実施例1）である。 本発明の導光路内蔵チップの構成の一例（実施例2）である。 本発明の導光路内蔵チップの構成の一例（実施例3）である。 本発明の導光路内蔵チップの構成の一例（実施例4）である。 測定機器のディスプレイ面上に、導光路内蔵チップを設置した状態の写真である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について述べる。なお、本発明の実施の形態は、以下の
実施例に限定されるものではない。

図1から図4は、本発明の光分析システムの構成例である、測定機器1上に設置された導光路内蔵チップ3を示す図である。

測定機器1には、例えば、タブレットPCやスマートフォンを用いることが考えられる。測定機器1は、タッチパネル式ディスプレイ5、中央処理装置（CPU）、記憶装置（メモリ）及びカメラ7（本願請求項に記載の「受光部」の一例）を備える。また、測定機器1は、そのディスプレイ5の一部に、カメラ7で受光した画像を表示する画像表示部9（後で述べる図５参照）と、測定対象に照射する光を発する第1発光部11と、導光路を照明する光を発する第2発光部13を表示できるようプログラムされている。なお、ディスプレイ5上の画像表示部9、第1発光部11及び第2発光部13を、それぞれ必要に応じて、表示のオンオフ、光の波長、光の強度等を切り替えられるように表示動作を制御するための表示動作入力部15（後で述べる図５参照）を設けてもよい。

図1の導光路内蔵チップ3は、第1光導入部17、第1空気室19、測定対象導入部21、第2空気室23、光導出部25、第2光導入部27、及び、吸光部29を備える。ここで、第1光導入部17から測定対象導入部21中の測定対象を通過し、光導出部25に達する光の導光路を第1導光路31という。第1導光路31は、透明シリコーン樹脂からなり、顔料含有シリコーン樹脂からなる光吸収部29で包囲されている。第1空気室19及び第2空気室23は、大気中とシリコーン樹脂中の屈折率の差を利用して、測定対象や光導出部25に光軸を合わせるために設けられ、第2光導入部27は、光導出部25に隣接して設けられている。

本発明の光分析システムにおける測定時には、測定機器1の第1発光部11からの光が、第1光導入部17を通じて導光路内蔵チップ3内へ導入され、測定対象へ照射される。測定対象からの光は、光導出部25を通じて、導光路内蔵チップ3から測定機器1の受光部7へ導出される。測定機器1は、受光した光に基づいて、演算部にて光の分析を行う。

なお、導光路内蔵チップ3は、図1に示す通り光吸収部29で包囲されており、その内部にある導光路や空気室等は目視できない。また、導光路内蔵チップ3の光導出部25を有する面が測定機器1のディスプレイ5面に接するよう設置されるため、測定時には、光導出部25を有する面も見ることができない。

そのため、従来は、導光路内蔵チップを測定機器上の所定の位置に設置することが難しかった。導光路内蔵チップと測定機器からなる光分析システムで測定を行うためには、第1光導入部が第1発光部上に、光導出部がカメラ上に位置するように、導光路内蔵チップを測定機器上に設置する必要がある。導光路内蔵チップの形状や測定機器上での設置位置を予め把握していれば、大きくずれることはないが、精度のよい測定を行うためには、光導出部からの光がカメラに十分届くように、光導出部の位置とカメラの位置とのアライメントを精密に行う必要がある。

従来は、ディスプレイの比較的広い領域を発光させて、導光路内蔵チップの光導入部に光を導光させ、光導出部から放出される光をカメラで受光しながら、アライメントを行っていた。しかしながら、導光路は黒色顔料シリコーン樹脂に包囲されているので、カメラが検出可能なのは、光導出部から放出される光だけである。そのため、光導出部の位置（光導出部から放出される光の位置）がカメラの位置に対応していない場合、カメラは光を受光できなかった。すなわち、カメラを用いても当該カメラと光導出部との精密なアライメントは不可能であった。また、光導出部からの光は、光導入部から導入されたディスプレイからの光が測定対象に照射された結果、当該測定対象から放出される観測光であるため、光の強度は比較的小さく、ある程度アライメントがあっていないと、カメラでの検出は難しい。そのため、従来の光分析システムでは、光導出部からの光をカメラで検出することが、作業者の勘所（予測）に依存しており、アライメントが難しく、時間がかかるものであった。

本発明の光分析システムにおける導光路内蔵チップ3の位置決め時には、測定機器1の第2発光部13を点灯させ、第2光導入部27を通じて、導光路内蔵チップ3の光導出部25の近傍を照明する。第2発光部13は、カメラ7及び光導出部25の近傍に設定する。そうすると、照明光の反射光がカメラ7に入射し、画像表示部9に光導出部25又は光導出部25の近傍の導光路内壁が表示される。

図5は、測定機器1のディスプレイ5面上に、導光路内蔵チップ3を設置した状態を写した写真である。ディスプレイ5右下の線で囲まれた長方形の領域内が、カメラで受光した画像を表示する画像表示部9である。(a)は第1発光部11点灯、かつ、第2発光部13消灯時、(b)は第1発光部11点灯、かつ、第2発光部13の点灯時を示している。(a)の第2発光部13の消灯時には、第1光導入部17から導入され、光導出部25に達した測定光のみが表示されている。(b)の第2発光部13の点灯時には、導光路内蔵チップ3の光導出部25を有する面又は光導出部25の近傍の導光路内壁が照明され、測定光に加え、光導出部25も表示されている。六角形の領域は、光導出部25又は光導出部25の近傍の導光路内壁である。このように、第2発光部13を点灯し光導出部25を照明することで、導光路内蔵チップ3の位置決めが容易になる。

なお、第2発光部13は、測定時には不要であるため、消灯させておく。

図2に示す導光路内蔵チップ103は、図1の導光路内蔵チップ3の構成要素に加え、第3の空気室105、第2光導入部107から光導出部25に達する第2導光路109をさらに備えており、第2光導入部107は光導出部25及びカメラ7の近傍ではなく、離れた位置に設けても良い。また、図2の測定機器101では、第2発光部111がカメラの近傍ではなく、第2光導入部107の下に位置するようにプログラムされている。

図2に示す本発明の光分析システムにおいては、第2発光部111からの光が、第2光導入部107より導光路内蔵チップ103内へ導入され、第2導光路109を通って、光導出部25へ達する。第2発光部111の光で、光導出部25を照明することで、図1の光分析システムと同様に、導光路内蔵チップ103の位置決めが容易になる。また、図1と同様に、測定時には第2発光部111は消灯させておく。

図3に示す導光路内蔵チップ203は、図1の導光路内蔵チップ3の構成要素に加え、光ファイバーからなる第2導光路205をさらに備える。光ファイバーに導光される光は、例えば、外部光源である。なお、外部光源の代わりに、ディスプレイに第2発光部を設け、そこから放出された光を第２導光路205に導光して、この光を照明光として用いることも可能である。図1の光分析システムと同様に、光導出部25を照明することができるため、導光路内蔵チップ203の位置決めが容易になる。なお、光を導光して光導出部25を照明する必要があるのは、導光路内蔵チップ203の位置決め時のみであって、測定時には第2導光路205は導光しない状態にしておく。

図4に示す導光路内蔵チップ303は、図1の導光路内蔵チップ3の構成要素に加え、第2光導入部305から測定対象導入部21に達する第2導光路307をさらに備える。また、図4の測定機器301では、第2発光部309がカメラ7の近傍ではなく、第2光導入部305の下に位置するようにプログラムされている。

図4に示す本発明の光分析システムにおける測定は、図1と同様に行うことができる。図1と図4の相違点は、第2導光路307が、第2光導入部305からどこに達しているかである。つまり、図1では光導出部25を照明したが、図4では第1導光路31中の測定対象導入部21を照明している。

図4の光分析システムによれば、第2発光部309を点灯させ、測定対象導入部21を照明することで、測定対象導入部21近傍の導光路に、構造上の欠陥がないかを調査することができる。ここで、図4の測定対象導入部21のように、照明される領域を検査領域という。また、第2光導入部305から入って検査領域に照射される第2発光部309からの光を検査光（本願請求項に記載の「検査光」の一例。）という。仮に、測定対象導入部21から光導出部25間の導光路が陥没し塞がってしまっていれば、検査光が光導出部25まで達することはなく、カメラ7に受光されない。

検査領域は、測定対象導入部21の近傍に限らず、第1導光路31中の任意の領域として良い。また、検査領域を複数設定し、検査領域の数に合わせて、第2光導入部305、第2導光路307及び第2発光部309を複数設けても良い。

1・・・測定機器、3・・・導光路内蔵チップ、5・・・タッチパネル式ディスプレイ、7・・・カメラ、9・・・画像表示部、11・・・第1発光部、13・・・第2発光部、15・・・表示動作入力部、17・・・、第1光導入部、19・・・第1空気室、21・・・測定対象導入部、23・・・第2空気室、25・・・光導出部、27・・・第2光導入部、29・・・光吸収部、31・・・第1導光路、101・・・測定機器、103・・・導光路内蔵チップ、105・・・第3の空気室、107・・・第2光導入部、109・・・第2導光路、111・・・第2発光部、201・・・測定機器、203・・・導光路内蔵チップ、205・・・第2導光路、301・・・測定機器、303・・・導光路内蔵チップ、305・・・第2光導入部、307・・・第2導光路、309・・・第2発光部

Claims (7)

1. ディスプレイを有する測定機器と、前記測定機器のディスプレイ面上に設置される導光路内蔵チップとを備える光分析システムにおける表示方法であって、
   前記導光路内蔵チップは、
   前記測定機器との間での位置合わせが必要とされて前記導光路内蔵チップの外部から光が前記導光路内蔵チップ内に入るための光導入部であって前記ディスプレイ面に接触する面に設けられる第１光導入部と、
   前記測定機器との間での位置合わせが必要とされて前記第１光導入部から入った光が前記導光路内蔵チップの外部へ出るための光導出部と、
   前記第１光導入部から測定対象を経由して前記光導出部へ達する第１導光路と、
   前記第１導光路を外部から目視ができない状態で包囲して前記第１導光路内の迷光を吸収する吸光部と、
   前記第１光導入部とは異なる光導入部であって前記導光路内蔵チップの外部から光が入る第２光導入部と、
   前記第２光導入部から前記第１導光路の一部へ達してさらに前記光導出部に達する第２導光路を備え、
   前記測定機器は、
   前記導光路内蔵チップとの間での位置合わせが必要とされて前記ディスプレイ面から前記第１光導入部に向かって光を発光する発光部であって前記測定対象に光を照射する第１発光部と、
   前記第２光導入部に向かって光を発光する発光部であって前記光導出部の近傍の導光路内壁又は前記第２導光路において前記第１導光路に達した位置の内部構造の欠陥の有無を映し出す照明光を発光する第２発光部と、
   前記光導出部からの光を受光するカメラと、
   前記カメラが受光した画像を表示する画像表示部と、
   前記画像表示部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第２発光部も制御するものであり、
   前記制御部が、前記第２発光部を制御して、前記第２光導入部に光が入り、前記光導出部に光が届くように発光させる検査光発光ステップと、
   前記第１発光部及び前記第２発光部が点灯している状態において、前記制御部が、前記画像表示部を制御して、前記第１導光路を通って前記カメラが受光した前記第１発光部からの光の有無を表す画像、及び、前記第２導光路を通って前記カメラが受光した前記光導出部の近傍の導光路内壁又は前記第２導光路において前記第１導光路に達した位置の内部構造の欠陥の有無を表す画像を表示させる検査光表示ステップを含む、表示方法。
2. 前記導光路内蔵チップと前記測定機器との相対的な位置関係を調整する位置調整ステップと、
   前記位置調整ステップによって、相対的な位置関係を調整した後、前記第１発光部及び前記第２発光部が点灯している状態において、前記制御部が、前記画像表示部を制御して、前記第１導光路を通って前記カメラが受光した前記第１発光部からの光の有無を表す画像、及び、前記第２導光路を通って前記カメラが受光した前記光導出部の近傍の導光路内壁又は前記第２導光路において前記第１導光路に達した位置の内部構造の欠陥の有無を表す画像を表示させる調整後表示ステップをさらに含む、請求項１記載の表示方法。
3. 前記光導出部が前記ディスプレイ面に接触する面に設けられる、請求項１又は２記載の表示方法。
4. 前記第２光導入部は、前記測定機器との間での位置合わせが必要とされて前記ディスプレイ面に接触する面に設けられ、
   前記第２発光部は、前記導光路内蔵チップとの間での位置合わせが必要とされて前記ディスプレイ面から前記第２光導入部に向かって光を発光する、請求項１から３のいずれかに記載の表示方法。
5. 前記測定機器が備えるコンピュータを、請求項１から４のいずれかに記載の前記制御部として機能させるためのプログラム。
6. ディスプレイを有する測定機器と、前記測定機器のディスプレイ面上に設置される導光路内蔵チップとを備える光分析システムであって、
   前記導光路内蔵チップは、
   前記測定機器との間での位置合わせが必要とされて前記導光路内蔵チップの外部から光が前記導光路内蔵チップ内に入るための光導入部であって前記ディスプレイ面に接触する面に設けられる第１光導入部と、
   前記測定機器との間での位置合わせが必要とされて前記第１光導入部から入った光が前記導光路内蔵チップの外部へ出るための光導出部と、
   前記第１光導入部から測定対象を経由して前記光導出部へ達する第１導光路と、
   前記第１導光路を外部から目視ができない状態で包囲して前記第１導光路内の迷光を吸収する吸光部と、
   前記第１光導入部とは異なる光導入部であって前記導光路内蔵チップの外部から光が入る第２光導入部と、
   前記第２光導入部から前記第１導光路の一部へ達してさらに前記光導出部に達する第２導光路を備え、
   前記測定機器は、
   前記導光路内蔵チップとの間での位置合わせが必要とされて前記ディスプレイ面から前記第１光導入部に向かって光を発光する発光部であって前記測定対象に光を照射する第１発光部と、
   前記第２光導入部に向かって光を発光する発光部であって前記光導出部の近傍の導光路内壁又は前記第２導光路において前記第１導光路に達した位置の内部構造の欠陥の有無を映し出す照明光を発光する第２発光部と、
   前記光導出部からの光を受光するカメラと、
   前記カメラが受光した画像を表示する画像表示部と、
   前記画像表示部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第２発光部も制御するものであり、
   前記制御部は、前記第２発光部を制御して前記第２光導入部に光を入れ、前記光導出部に光が届くように発光させることができ、
   前記制御部は、前記第１発光部及び前記第２発光部が点灯している状態において、前記画像表示部を制御して、前記第１導光路を通って前記カメラが受光した前記第１発光部からの光の有無を表す画像、及び、前記第２導光路を通って前記カメラが受光した前記光導出部の近傍の導光路内壁又は前記第２導光路において前記第１導光路に達した位置の内部構造の欠陥の有無を表す画像を表示させることができる、光分析システム。
7. 請求項６記載の光分析システムに用いられる導光路内蔵チップ。