JPH04504765A - 光学インターフェース手段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、２つの光伝達媒体の間で光の結合を行う新規な手段、一層詳しくは、 非恒久的光結合を行う再使用可能な固体タイプの手段に関する。

２つの光伝達要素の間で非恒久的受動的（すなわち、屈折あるいは回折のない） 光結合を行う従来の方法では、浸漬オイルによって、あるいは、成る種の用途で は、適当な屈折率を有する未硬化シリコーンゴム組成物によって２つの要素を密 封結合する。この方法では、正確な量の結合媒質を給送しなければならず、手作 業か機械的な装置のいずれかが必要である。浸漬オイルも、新しい結合作業を行 う毎に一方あるいは両方の要素から除去して、障害になる気泡のない良好な光結 合を行わなければならない。このような浸漬オイル除去は拭い取りその他の清掃 作業で行うが、きたなくて時間のかかる作業であり、光学面に擦り傷を生じさせ る危険があるのに加えて、たとえば、営業的な測定機器などで自動化するのが難 しい。さらに、オイルは機器部品や光学部品、検知面を汚し易く、もちろん、こ れは特に営業用の装置ではかなりの不便を招く。

本発明の一目的は、従来の非恒久的光結合手段の上記および他の欠点、欠陥を解 消する、好ましくは、光学結像装置で使用するための改良した受動光結合手段を 提供することにある。

本発明の別の目的は、光結合を行って低屈折率損失、はぼ皆無の屈折あるいは回 折、そして、低光散乱を確保しようとしている媒体の少な（とも一方に関して整 合した屈折率を有する再使用可能な受動光結合手段を提供することにある。

本発明のまた別の目的は、再使用可能（すなわち、同じかあるいは他の固体光伝 達媒体に繰り返し接続または「ドツキング」できること）であり、汚染したとき あるいは使用不能となったときに交換することができる受動光結合手段を提供す ることにある。

上記および他の目的は、２つの光伝達媒体の間、たとえば、固体光学的透明媒体 （たとえば、ガラス・プリズム）と別の光学媒体（たとえば、ガラス、水、空気 ）の間で非恒久的受動光結合を行う再使用可能な光学固体タイプのインターフェ ース手段によって達成される。

最も広い局面では、本発明の光学インターフェース手段（以下、ときに、単に「 光学インターフェース」と呼ぶことがある）は、支持部材と、この支持部材に支 持された光学的に透明な弾性材料で作った１つまたはそれ以上の（整形）部材と からなり、このあるいはこれらの（整形）部材が前記光伝達媒体のうちの少な（ とも一方と接触するようになっており、それに整合した屈折率を有する。

支持手段は、単に、弾性材料部材のためのフレームであってもよく、弾性材料部 材はその中に懸架される。その場合、支持手段が透明である必要はないし、また は、弾性材料部材を透明な支持手段（たとえば、透明なプレートあるいはディス クもしくはレンズまたはプリズム）の片面あるいは両面に取り付けてもよい。

後者の場合、もちろん、透明弾性材料は支持手段に関しても整合した屈折率を持 たなければならない。特に、後で述べたケースでは、支持手段は取り扱いを容易 にするためにホルダなどを備えていると好ましい。

ここで用いている「整合した屈折率」なる表現は、相対的なものであり、弾性材 料の屈折率が特別な用途毎にそれに従って接触している媒体とほぼ一致するかあ るいは適合するということを意味している。たとえば、入射光が光結合手段と固 体媒体の間の平らなインターフェース接触面に対して直角な場合には、それぞれ の材料の屈折率の差は非常に「広範囲」にわたっていても許される。それに対し て、斜めの入射光の場合には、屈折率のずれは控えめすなわち小さくなければな らない。

弾性材料部材の接触面は、最低限、気泡の封じ込めを防止するように整形しであ るのが好ましい。最適な接触面形状は、もちろん、特定の用途によって異なり、 たとえば、ドーム形とか段付きとかが考えられる。

光学的に透明な弾性材料は、特定の用途毎に弾性、強度、屈折率などに関する特 別の要件を満たす材料であればいかなるものでもよく、成る特定の用途に合った 適当な材料を見つけるのは、本開示内容から、当業者にとってその常識内で可能 である。広範囲にわたる材料等級の例としては、透明ゴムあるいは（架橋）エラ ストマー（たとえば、シリコーンゴムあるいはポリブタジェン）ならびに透明エ ポキシ樹脂を挙げることができる。

本発明の概念は、非恒久的受動光結合を行おうとしているあらゆる状況、用途あ るいは装置に応用可能である。反射面を固定光結合ガラス体から分離できるよう にしようとしている「内面反射」に基づくすべての測定原理に合わせた光結合が その好例であり、たとえば、ＡＲＴ（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ　Ｔｏｔａｌ　Ｒｅ ｆｌｅｃｔｉｏｎ）の測定［たとえば、ＳＰＲ技術（表面プラズモン共鳴１、ブ ルースター角反射測定法、エバネッセント波エリプソメトリ−１ＩＲ３（Ｉｎｔ ｅｒｎａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｌ　［たとえば 、内面反射赤外線分光法、内面反射蛍光発光、全内面反射蛍光発光］がある。本 発明の結合手段または光学インターフェース手段に合った他の考えられる用途は 次の通りである。

−平らな基体についての屈折率測定のためのプリズム・カップラ ー　通信または検出あるいはこれら両方のための光導波管ユニットに対する光結 合 −伝達、反射、光散乱および吸光度の測定のための光案内ユニットに対する光結 合 −顕微鏡スライドから顕微鏡への結像光結合−顕微鏡作業における基板ガラスお よびカバーガラスに対する結合照明光 −成る細片、たとえば、皮膚片の効果的な加熱のための赤外線領域における光結 合 本発明の光学インターフェースは、臨界角屈折率測定法でも使用できる。それ故 、成る入射角範囲にあり、プリズムまたは光フアイバ内で反射した光線を、プリ ズムと互換性透明液体含有プロセスパイプまたはフローセルの間で光学インター フェースを介して結合することができる。

光学インターフェースの別の用途は光学格子結合器にある。それ故、光学インタ ーフェースは平らな導波管と格子領域を備えた互換性のある平らな導波管あるい は透明プレートの間で光を結合するのに使用できる光学インターフェースのまた 別の用途は、反射式屈折率検出器にある。この技術は、プリズム面がフローセル の一側面を形成している場合にプリズムからフローセルに光線を結合することに 基づいている。さらに、検体の存在による屈折率の増大が、フローセルの反対側 面を形成している反射面からプリズム内へ反射してくる光の強さの測定値として 測定される。光学インターフェースを使用することによって、光線は、プリズム と、フローセルの固定側面または交換可能な側面を形成する交換可能な平らな透 明プレートとの間で結合され得る。

以下、本発明を限定のつもりのない実施例によって添付図面を参照しながら一層 詳しく説明する。図面において、 第１図は、本発明による光学インターフェース手段すなわち「光学インターフェ ース」の実施例を含む顕微鏡検査装置の概略部分図である。

第２図は、本発明による光学インターフェースの実施例を含む、表面プラズモン 共鳴（ＳＰＲＩ　に基づく光学バイオセンサ装置の概略展開図である。

第３図は、第２図の光学インターフェースの平面図である。

第４図は第１図のバイオセンサ装置のセンサ・ユニットおよび液体取り扱いブロ ックに結合した第２図の光学インターフェースの断面図である。

第１図において、顕微鏡の対物レンズ１は、カバーガラス３と基板ガラス４との 間に封じ込まれた試験片２を検査するように設定しである。この試験片は、たと えば、試験片２、カバーガラス３、基板ガラス４に第２の光学インターフェース ５を介して結合した光）アイル５ａとして示しである。対物レンズ１は、カバー ガラス３に取り付けた透明な弾性材料層すなわち扁平体６を介してカバーガラス ３に光結合しである。この扁平体はレンズ１との空気を排除した密着状態にある 。カバーガラス・プレート３とそれによって支持された透明弾性材料層６は再使 用可能な光結合手段すなわち光学インターフェースを構成している。この場合の 入射光は対物レンズ１と光結合器６との接触境界面に対して直角となっているの で、レンズ１の屈折率と透明弾性材料層６の屈折率の控えめなずれは光結合性能 にとっては無害である。光学インターフェース組立体３．６は、光結合用の浸漬 オイルを用いる場合のようにレンズを拭う必要なしにレンズ１に容易にかつ繰り 返し取り付けたり、取り外したりすることができる別の実施例では、光学インタ ーフェースは、たとえば、両面に透明材料の対向した弾性層を有する別体の透明 プレートからなる。この場合、光学インターフェースはレンズとカバーガラス・ プレートの間に挿入できる別体のユニットとなり、たとえば、適当な手段によっ て顕微鏡に固定するようにすることができる。

第２図は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）に基づいた光学バイオセンサ装置を概 略展開図で示している。この光学バイオセンサ装置は、光源７と、プリズム１０ に向かって横方向に延びる発散ビーム９を送る第ルンズ手段８とを包含し、ビー ムはプリズムの底面に合焦して光のすじ１１を形成する。センサ・ユニット１２ の検知領域から反射してきた光線はアナモルフィック・レンズ系１３を経て二次 元光検出器装置１４上に結像する。光検出器の発生した電気信号はコンピュータ の形をした評価装置１５内で処理される。プリズム１０および本発明による光学 インターフェース１６によって、光はセンサ・ユニット１２上の光のすじ１１に 送られる。このセンサ・ユニットは流路１８Ａ−１８Ｄの多数の平行な上向き開 放部分１７Ａ−１７Ｄと接触して位置させるようになっている。図には、流路の うち１８Ａのみが示しである。流路は液体処理用ブロック・ユニット１９の一部 となっている。この液体処理用ブロック・ユニット１９は各流路のための概略的 に示す入口接続手段２０と出口接続手段２１とを備える。

第３図は第２図の光学インターフェース・プレート１６のより詳しい細部の平面 図であり、第４図は第２図でプリズム１０．センサ・ユニット１２間に挿入され た光学インターフェースを示している。このとき、センサ・ユニット１２は流路 １７Ａ−１７Ｄを含む液体処理用ブロック・ユニット２２と接触している。光学 インターフェース１６は２つの突出する舌片２４．２５を有する金属（または、 プラスチック）のフレームまたはホルダ２３を包含する。これらの舌片はそれぞ れ１つずつ孔を備えており、これらの孔２６．２７は舌片を完全に貫通しており 、光源７、レンズ手段８、プリズム１０、結像光学ユニット１３および光検出器 装置１４を固定位置に収容するハウジング（図示せず）の２つのガイド・ピンを 受け入れるようになっている。ガイド・ビンはフレーム２３を適正な位置に保持 するのに役立つ。フレーム２３は２つのフランジ２８．２９を有し、これらのフ ランジに対してガラスまたはプラスチックの透明プレート３０が取りつけである 。透明プレート３０は、その片面に、並んだ状態の多数の長手方向に平行に延び る隆起３１を備えている。透明プレートの反対面には、先に述べた片面の隆起と 対向して位置する同数の長平方向に平行な隆起３２が設けである。これらの隆起 は透明弾性材料で作られており、流路の上向き開放部分１７Ａ−１７Ｄ間の距離 に対応する距離隔たっている。第４図でより明瞭にわかるように、隆起３１．３ ２は各側に長平方向に延びる段部３３を有し、これらの段部は一連の階段状の断 面形状を有する構造を構成している。これら段付き構造のそれぞれの最上部段ま たは頂部プラットフォームはセンサ・ユニット１２、したがって、プリズム１０ に対して弾力的に押し付けられる。この段付き構造は、プリズム、したがって、 センサ・ユニットに隣接する境界面間に空気ポケットが生じるのを防ぐ。第４図 は、第２図のバイオセンサ装置の分析位置にあるプリズム１０、光学インターフ ェース・プレート１６およびセンサ・ユニット１２を示している。隆起３１．３ ２は、それらの間の距離が流路１８Ａ−１８Ｄの上向き開放部分１７　Ａ　−１ ７Ｄ間の距離に一致するように隔たっている。

光学インターフェース・プレート上の隆起３１．３２、ガイド・ピン用の孔２６ ．２７、センサ・ユニット１２のキャリヤ・プレート（図示せず）上の対応する 孔および液体処理用ブロック・ユニットの上向き開放部分１７Ａ−１７Ｄの固定 取りつけというこの配置により、下方の隆起３２が対応する上向き開放部分１７ Ａ−１７Ｄのすぐ上に位置する光源として役立つことができる。隣接した隆起３ ２からの散乱光は個々の検知面についての共鳴角の決定を妨げることがない。

こうして、多数の流路部分を互いに隣接してバックすることが可能となる。たと えば、２０個までのこのような上向き開放部分を約１０ｍｍの幅の範囲内に一緒 にパックすることができ、しかも、散乱光が測定操作になんら干渉することがな い。

光学インターフェース１６のフレームまたはホルダ２３により光学インターフェ ースを手で提げることができ、上述したように、プリズム１０上に正しく位置決 めすることができる。

透明プレート３０は、たとえば、硼珪酸塩で作ることができ、たとえば、接着剤 でフレーム２３に取りつけることができる。上記の用途の場合、適当な厚さは約 １００ｕ、ｍである。透明プレート３０は、少なくとも、プリズム１０とほぼ同 じ屈折率を持たなければならない（斜めの入射光の場合）。

また、もちろん、隆起３１．３２を形成している透明弾性材料も、プレート３０ およびプリズムｌＯとほぼ同じ屈折率を持たなければならない。弾性材料として は、たとえば、シリコーンゴム、ポリブタジェンまたはエポキシ樹脂がある。硼 珪酸塩ガラスとほぼ同じ屈折￥（口、・１．５２１　を有するシリコーンゴムと しては、商品名ＤａＷＣｏｒｎｉｎｇ　Ｏｐｔｉｇａｒｄ　Ｘ３−６６６３０ｐ ｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｃｏａｔｉｎｇ　（ｎｏ＝１．５１）がある。上記の用 途にとって、隆起３１．３２は、たとえば、長さ約７ｍｍ、幅約７００μｍ、高 さ約５０μｍである。図示の段付き構造の代わりに、隆起は空気ポケットの発生 を防ぐドーム形状などであり得る。

上記の光学インターフェースは、たとえば、適当な屈折率、厚さおよび寸法のガ ラス片を金属フレームに接着し１次いで、シリコーンゴムのような透明弾性材料 の隆起を、適当な材料、たとえば、金属、プラスチック、セラミックあるいはシ リコンなどの材料で作った成形型で成形することによってガラスに取り付けるこ とによって製造することができる。

上記の光学インターフェースに余分な隆起３１．３２を設けることによって、光 結合に使用することに加えて、すべての光結合用隆起にとって均一な圧縮ならび に均質な環境を保証できる。したがって、たとえば、ただ１つの光結合用隆起の 場合、２つの側面隣接隆起を設けると好ましい。

上記タイプの光学インターフェースは、代替案として、センサ・ユニットに面す るガラス・プレートの側面にのみ透明弾性材料を設け、ガラス・プレートの反対 面を浸漬オイルによってプリズムに取りつけてもよい。

本発明は、もちろん、図面にも図示した上記の実施例に限られるものではなく、 請求の範囲に記載した発明の概念の範囲内で多くの修正、変更が可能である。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩｏ、４ 国際調査報告 国際調査報告 ｎｌＩｗｗ＋　ｍ　ｌ１ｗ　ｅ＋＋’＋＋ｗ　Ｉ＠Ｑ　＋ｗｍ　＋ｍｓ＋ｍ１１ １ｗ　ｐ＋ｗｒｍ　ｍｌ　ｒ＋＋ｐｄ　＋＋＋　Ｉｌｗ　６求jｈｆｉ−ｗ＋１ ｍ＋＋＋＋ａｌリーＭ　ｌｆｆ＋Ｍ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．２つの光学的に透明な媒体の間で非恒久的受動光結合を行う光学インターフ ェース手段であって、少なくとも一方の媒体が固体である光学インターフェース 手段において、支持部材（３；３０）と、それによって支持された光学的に透明 な弾性材料の少なくとも１つの整形体（６；３１、３２）とを包含し、この整形 体が前記固体媒体あるいは両媒体と弾性的に接触するようになっており、前記弾 性材料が前記両媒体に関して整合した屈折率を有することを特徴とする光学イン ターフェース手段。
2. ２．請求の範囲第１項記載の光学インターフェース手段において、前記支持部材 （３；３０）が、少なくとも部分的に、光学的に透明であり、前記弾性材料の整 形体（６；３１、３２）が支持部材の片側あるいは両側に取りつけてあって、支 持部材と共に少なくとも１つの光結合経路を形成していることを特徴とする光学 インターフェース手段。
3. ３．請求の範囲第１項または第２項記載の光学インターフェース手段において、 前記支持部材（３１；３２）を支持するホルダ部材（２３）を包含することを特 徴とする光学インターフェース手段。
4. ４．請求の範囲第１、２、３項のうちいずれか１つに記載の光学インターフェー ス手段において、前記光学的に透明な媒体がたとえばガラスで作った平らな基板 （１０、１２）であることを特徴とする光学インターフェース手段。
5. ５．請求の範囲第第１項から第４項のうちいずれか１つに記載の光学インターフ ェース手段において、前記透明弾性材料がゴム材料あるいは架橋エラストマーで あることを特徴とする光学インターフェース手段。
6. ６．請求の範囲第５項記載の光学インターフェース手段において、前記透明弾性 材料がシリコーンゴムであることを特徴とする光学インターフェース手段。
7. ７．請求の範囲第第１項から第６項のうちいずれか１つに記載の光学インターフ ェース手段において、前記支持部材（３；３０）がガラス、プラスチックまたは 石英で作ってあることを特徴とする光学インターフェース手段。
8. ８．請求の範囲第１項から第７項のうちいずれか１つに記載の光学インターフェ ース手段であり、内面反射ベース・システムにおいてプリズム（１０）と少なく とも１つの検知面を有するセンサ・ユニット（１２）との間に挿入してプリズム とセンサ・ユニットのドッキングを行うようになっている光学インターフェース 手段において、たとえばガラスで作った透明プレート（３０）を包含し、この透 明プレートがその片面に長手方向に平行に延びる隆起（３１）を支持しており、 これらの隆起（３１）が透明プレートの反対面で長手方向に平行に延びる隆起（ ３２）と整合しており、これらの隆起（３１、３２）が、（ｉ）弾性透明材料で 作ってあり、（ｉｉ）２つ以上の検知領域の場合に、前記センサ・ユニット（１ ２）の定まった検知領域（１７Ａ−１７Ｄ）の間の距離に対応した距離隔たって おり、（ｉｉｉ）入射光線の全横断面をセンサ・ユニットに結合させるに少なく とも充分な長さを有し、（ｉｖ）前記検知領域と正反対の側でセンサ・ユニット に押し付けられて光をセンサ・ユニット（１２）に送り込むようになっているこ とを特徴とする光学インターフェース手段。
9. ９．請求の範囲第８項記載の光学インターフェース手段において、各隆起（３１ 、３２）がその各側に多数の長手方向に延びる段部（３３）を有し、一連の階段 状の横断面形状を有する構造を形成しており、その最上方段部が、密閉空気ポケ ットを生じさせることなく、センサ・ユニット（１２）に弾力的に押し付けられ 、したがって、プリズム（１０）に押し付けられることを特徴とする光学インタ ーフェース手段。
10. １０．請求の範囲第１項から第７項のうちいずれか１つに記載の光学インターフ ェース手段を以下の用途に使用すること： −平らな基体についての屈折率測定のためのプリズム・カップラ −伝達、反射、光散乱および吸光度の測定のための光導波ユニットに対する光結 合 −顕微鏡スライドから顕微鏡への結像光結合−顕微鏡作業における基板ガラスお よびカバーガラスに対する結合照明光 −加熱のための赤外線領域における光結合。