JPH07159319A - センサ装置 - Google Patents
センサ装置Info
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- JPH07159319A JPH07159319A JP34173093A JP34173093A JPH07159319A JP H07159319 A JPH07159319 A JP H07159319A JP 34173093 A JP34173093 A JP 34173093A JP 34173093 A JP34173093 A JP 34173093A JP H07159319 A JPH07159319 A JP H07159319A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
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Abstract
装置において、センサヘッドの小型構成を維持しつつ、
被検試料の温度変化に拘わらず正しい測定結果が得られ
るように温度補正を簡易に実現すると共に、温度に依存
しない実時間の連続測定を可能にし、さらには機能性の
向上と共に測定精度の向上を図ること。 【構成】点状光源1からの光路に沿って、コリメータレ
ンズ2と、第1のシリンドリカルレンズ3と、被検試料
21,22,…を接触させる表面プラズモン励起用金属薄
膜4bを一面に設けた高屈折率のプリズム4と、第2の
シリンドリカルレンズ5とを備え、この第2のシリンド
リカルレンズ5の後側焦平面上に設けられる固体撮像素
子を2次元固体撮像素子6としたことを特徴とするセン
サ装置。
Description
共鳴振動を利用したセンサ装置に関する。
共鳴振動(以下、SPRと略記する)を利用したセンサ
装置のセンサヘッドに関し、フィールドユースやバイオ
プロセスユース、各種プラントのインプロセスに利用可
能なきわめてコンパクト化した高精度なセンサヘッド
を、実願平1−26347号(実開平2−118247
号公報)として先に提案している。
振動を励起し、その励起の観測によって試料の屈折率を
知り、それを介して試料の濃度などの情報を得るもので
ある。ところが、試料の屈折率は、試料の温度によって
その密度が変化することから温度変化によって屈折率が
変わる。従って、例えば屈折率測定を利用するSPRセ
ンサでは、温度の変化が測定結果(例えば濃度、同一濃
度の試料でも温度が異なれば別の結果を与える)に誤差
を生じさせる。そこで、SPRセンサにおいて、この温
度変化の影響を補正する手段をとる必要がある。従来
は、例えば濃度情報だけを正確に得たいということで、
センサヘッド部を同一の温度に制御して液体もしくは気
体の測定を行っていた。しかしながら、実際にセンサと
して広範な分野に用いる場合には温度を一定に保つこと
は現実的ではなく、温度をモニタしてその影響を補正す
るようにすべきである。
ルを利用する方法が考えられている。即ち、事前に被検
物質M(m)(m=1,2,3,……)の各点温度T(n)
(n=1,2,3,………)における各既知濃度D
(k)(k=1,2,3,……)の試料の励起角(高屈
折率プリズムからのエバネッセント波によって金属薄膜
に表面プラズモンを共鳴励起する光の入射角)を測定し
ておき、それをコンピュータ内メモリに補正用テーブル
としておき、実際の測定に際しては、別の方法で被検試
料の温度も同時に測定し、得られた励起角のデータに対
し、測定した被検試料温度と補正用テーブルを用いてコ
ンピュータ内でテーブル・ルックアップ処理により補正
を行うというものである。
る方法は、たしかに、広い濃度範囲、広い温度範囲にお
いて精密な測定を可能にし保証するものである反面、コ
ンピュータ内メモリに予めきわめて膨大な量の既知デー
タ(このデータを採取するのも難があるが、測定系例え
ば光学系の構成により必ずしも一定のデータとなるとは
限らない問題もある)を記憶させておかねばならず、そ
して実際の測定に際しこの膨大なデータの検索というコ
ンピュータでは時間を要する手順を踏まねばならない。
これは、例えば濃度等の経時変化のリアルタイム測定を
考える場合、きわめてなじみ難い手法であり問題が多
い。
案後において、検出精度のより精密化実現の要請や機能
性向上の要望、例えばさらなるコンパクト化、また、機
械的駆動部をもつ場合には(SPRはP偏光とのみ結合
するので、基本的には偏光子が用いられるが、例えばこ
の偏光子を回転させる乃至は光路上に進退させる機構な
ど)、これの完全排除の要望などである。
アルタイム測定に適合した形で被検試料の温度補正を可
能にするセンサ装置を提供することを基本的な課題とす
る。
を推進させつつ、測定精度のより一層の向上を図るとと
もに、機能性も一層の向上を図ることである。
の光路に沿って、コリメータレンズと、第1のシリンド
リカルレンズと、被検試料を接触させる表面プラズモン
励起用金属薄膜を一面に設けた高屈折率のプリズムと、
第2のシリンドリカルレンズと、この第2のシリンドリ
カルレンズの後側焦平面上に設けられる固体撮像素子と
を備え、この固体撮像素子からの信号を処理するデータ
処理手段を有するセンサ装置において、前記固体撮像素
子を2次元固体撮像素子としたことを基本的な特徴とし
ている。
ンズと前記2次元固体撮像素子との間に偏光分離素子を
設ける。
屈折率プリズムの金属薄膜上に収束した線状像(センシ
ング域)に、濃度が既知の参照試料とともに、少なくと
も1つの被検試料を接触させ、そのそれぞれからの反射
光を2次元固体撮像素子で同時に検出し、参照試料と被
検試料の励起角の特性曲線(R−θ曲線;反射率Rの入
射角θ依存曲線)を同時に測定する。そして、参照試料
の励起角と被検試料の励起角との差を求める。この両者
が同一温度にあり、かつ両者の温度係数がほぼ同一であ
れば、それぞれで得られる励起角の差は温度に依存しな
いため、この両励起角の差を用いることにより温度の影
響を受けない測定が可能となる。
広くない場合、試料の温度係数は測定領域においてほぼ
一定とみなせるので実用上の支障はない。尚、実際の測
定に際しては、予め求めた検量線によりこれを参照しつ
つリアルタイム測定を行なえる。
分離素子は、第2のシリンドリカルレンズからの光をP
偏光光とS偏光光に分離する。分離されたP偏光光とS
偏光光は、2次元固体撮像素子に同時に検出される。表
面プラズモンを励起するのはP偏光光のみでありS偏光
光は励起には全く関与しない。従って、2次元固体撮像
素子で同時に検出するP偏光のデータをS偏光のデータ
で割り算することにより、用いている光源のむら、時間
的なゆらぎ、使用している光学系の部分的ないし局部的
な不整、さらには、2次元固体撮像素子の素子間の感度
むら等もこの割算処理により補正され、より精度の高い
励起角のデータを得ることができる。と同時に、通常よ
く行われる偏光子の回転等などの機械的駆動部を一切用
いずに測定の高精度化が実現できるものである。
撮像素子に1次元固体撮像素子(リニアイメージセンサ)
を利用することが考えられるが、上記の如く、多チャン
ネルの同時測定を企図する場合、1次元固体撮像素子の
パッケージングが空間的に障害となり、仮にこれを並列
・並置すると、チャンネル数は必然的に少なく制約され
てしまうという欠点を招来してしまうと同時に、光電検
出部がセンサヘツドの形と容積を決めてしまう(大型化
する)問題があり、よりコンパクト化の実現という要請
に反することとなる。ここにも、2次元固体撮像素子を
適用した利点があり、コンパクト化とともに温度補正の
簡易化を含む多チャンネルの同時測定を可能にし、偏光
分離素子を用いる場合には、機械的駆動部を一切排除し
てP偏光とともにS偏光を同時に検出できることとな
り、測定精度の一層の向上に貢献できるものである。
部を示す。1は準単色光源としての発光ダイオード(以
下、LEDと略記する)である。LED1からの光路・
光軸に沿って、コリメータレンズ2、第1のシリンドリ
カルレンズ3、一面4aに表面プラズモン励起用の所定
膜厚の金属薄膜4bを形成した高屈折率の三角プリズム
4、第2のシリンドリカルレンズ5、2次元固体撮像素
子としての2次元CCDイメージセンサ6が配設されて
いる。2次元CCDイメージセンサ6は、第2のシリン
ドリカルレンズ5の後側焦平面上に設置され、フーリエ
変換光学系を形成している。2次元CCDイメージセン
サ6は適合するインターフェースを介してデータ処理部
(図示せず)と接続され、データ処理部には電子計算機た
とえばパーソナルコンピュータを含む。
元CCDイメージセンサ6との間には、入射光をP偏光
光とS偏光光とに分離する偏光分離素子7、例えば方解
石の結晶が設けられている。
光軸に沿う横断面で示すように、LED1の発散光束は
コリメータレンズ2により平行光束になり、第1のシリ
ンドリカルレンズ3に入射する。第1のシリンドリカル
レンズは、入射平行光束を三角プリズム4の金属薄膜4
bを設けた一面4aの中央部に線状に収束する。この収
束光束の入射角θは最も小さい入射角θminの光線がこ
こで全反射するように三角プリズム4の屈折率、臨界角
等が選定されている。
との界面に収束した線状像10(センシング域)の上に参
照試料20、この参照試料20と隣接する形で被検試料
21、被検試料22の例えば液体試料が滴下により表面
張力を維持した状態で金属薄膜4b上に置かれている。
た光、その光束は第2のシリンドリカルレンズ5に入射
する。第2のシリンドリカルレンズ5は、その後側焦平
面上に受光面を位置させた2次元CCDイメージセンサ
6上に、三角プリズム4における入射角θを電子走査の
画素位置に対応付けたスペクトル光を投射する(フーリ
エ変換した光束を投影する)。
のシリンドリカルレンズ5からの出射光束は、図2の
(B)に示されるように、この偏光分離素子7により、P
偏光光7pとS偏光光7sとに分離され、所定の分離量
(スプリットないしシャー量)を保持したまま両者独立し
て2次元CCDイメージセンサ6に入射する。従って、
線状のセンシング域10上の任意の一点に対し、2次元
CCDイメージセンサ6上の入射角θに対応付けた走査
チャネルはP偏光とS偏光の2つのチャネルをもつこと
になる。
料20は、被検試料の温度変化に対応する温度補正を行
うために置かれるもので、予め濃度が既知の試料であ
る。被検試料21,22(あるいは、23,24,2
5,……と少なくとも1つ、一般に2以上の試料を同時
に置くことが可能である)は、濃度が未知の試料である。
シング域10に入射された光はここで全反射する。全反
射する際、エバネッセント波(縦波)を生じ金属薄膜4b
の厚さ方向に伝播する。金属薄膜4b上の試料20,2
1,22の濃度(屈折率)に応じて一定の入射角のP偏光
光のみ表面プラズモンを励起する。入射角θspのP偏
光光のエネルギーが金属プラズマ中に移ったということ
であり、ここで全反射した反射光の角度スペクトルを2
次元CCDイメージセンサ6で検出することによりその
吸収ピーク位置が判り、この角度位置に基づき理論式を
適用した演算処理により試料の濃度が求められる。
ルの吸収ピーク位置は、試料の温度が変化すると変化す
る。すなわち、試料の温度が変わると、密度が変化し屈
折率が変化するからである。吸収ピークが、温度によっ
てどのようにシフトするか、またどの程度シフトするか
を別に行った検証例を図3に示す。図3は、励起角θs
pの温度依存性を調べたもので、試料として水分を含ん
だエタノールを用い、水分濃度0.3%、1%、5%、
10%の試料のそれぞれに対して、横軸に試料温度をと
り縦軸に励起角θspをとりこれをプロットしたもので
ある。試料温度はディジタル温度計のプローブを試料中
に接触させて測定されている。図3より、例えば、温度
範囲21℃から25℃では、濃度0.3%から10%の
試料に対する励起角の温度依存性はほぼ同じとみなすこ
とができ、差動検出により温度補正が行えることがわか
る。1%の水分を含むエタノールを参照試料とした場合
の検量線を図4に示す。測定は、21.5℃、23.5
℃、24.5℃の3種類の温度が異なる試料について行
ったものである。異なる温度条件で得られた結果が同一
の検量線T上にあり、差動検出法による温度補正が有効
であることが確認できる。
例における温度補正の仕方を説明する。参照試料20を
水分が1%のエタノールとする。被検試料20,22は
水分は未知である。三角プリズム4を囲う環境温度は変
化し、三角プリズム4の温度もこの変化に応じて変わる
が、試料20,21,22の温度は三角プリズム4自体
の温度で決まり、それぞれほぼ同じ温度であるとみなし
ても差し支えがない。図4に示した検量線Tを用いる。
これは、予め作成されていてデータ処理部にもたれてい
るものである。図4において、水分濃度1%の検量線T
と交差したΔθの位置をΔθ=0(ゼロ)とする。図1に
おける濃度1%の参照試料と濃度未知の被検試料21,
22の角度スペクトルを2次元CCDイメージセンサ6
で同時に検出し、データ処理部におけるデータ処理によ
って吸収角度位置(励起角)を求める。求められた被検試
料21,22の励起角と同じく求められた参照試料20
の励起角との差Δθを求める。この差Δθを先に設定し
たΔθ=0の点に増分又は減分した検量線Tにおける濃
度軸を参照する。その落ちた点の濃度値が被検試料2
1,22の水分濃度を与えるものである。したがって、
検量線を用いるこの差動検出法は、基本的に温度計測が
必要ではなく、また膨大なデータ量のルックアップ・テ
ーブルを検索するという時間の掛かる処理(コンピュー
タ処理)も必要でないので、リアルタイム測定に適合
し、例えば、フローセルを設けて未知濃度の液体を流通
させ、この液体の濃度変化の経時変動を測定する場合な
どにはきわめて有効である。さらには、2次元CCDイ
メージセンサ6により、被検試料21,22,23,2
4,……の励起角のデータが多チャンネルかつ同時に測
定できるので、機能上も大変優れたものとなっている。
光7sとに分離する。これを受光する2次元CCDイメ
ージセンサ6の受光面の模式図を図6に示す。参照試料
を含めて試料をn個設定する場合を示している。試料数
に対応してチャンネル数はnで、電子走査の走査方向が
入射角θの方向に対応する。チャンネル1では、実線で
示されるP偏光の角度スペクトルθ1p、破線で示される
S偏光の角度スペクトルθ1sは、P偏光の角度スペクト
ルθ1pから若干の距離をおいた位置に形成される。2次
元CCDイメージセンサ6はこのP偏光,S偏光の角度
スペクトルの対θ1p,θ1s〜θnp,θnsを同時に検出す
ることができる。図7に示すように、例えば、ある1つ
のチャンネルのP,S偏光の検出波形が同図(A),(B)
のようであったとする。データ処理部において、P偏光
のデータをS偏光のデータで割り算する。すると、第7
図(C)に示すような、鋭い吸収ピークをもった角度スペ
クトルを得ることができる。これにより、励起角の位置
の決定(多くはコンピュータ内の演算でピーク位置を求
める)の精度を向上させることができる。
は、SPRがP偏光とのみ結合するということに基づく
が、P偏光もS偏光も分離されるまでは同一の光学系を
同時に伝播しているから、光源のむら、時間的なゆら
ぎ、光学系の不整,不均一に基づく歪みを両偏光光は同
時にまた同程度に被っている。さらには2次元CCDイ
メージセンサ6の画素間の感度むらもある。検出精度に
大きな影響を与える上記各種の事象は、P/Sのデータ
処理によりすべてキャンセルされ、測定精度の一層の向
上を図り得る。
る。同図(A)は、図1の三角プリズム4に替えて半円柱
プリズム40を用いたもので、中心軸と直交する断面を
模式的に示し、同図(B)は平面図を示している。半円柱
プリズム40の中心軸を含む平面には、表面プラズモン
励起用の金属薄膜41が、例えば蒸着により被着されて
いる。なお、この膜厚は、数十nmであり、説明のため
見える形で厚く示してある。第1のシリンドリカルレン
ズ3による収束光42は、半円柱の中心軸をねらって収
束され、半円柱の中心軸に沿って線状のセンシング域が
形成される。フローセル43は、このセンシング域をカ
バーするように設けられ、導入管43aと流出管43b
とを備える。図5(B)の平面図に示すように、フローセ
ル43はセンシング域に沿って複数設ける。その内の1
つを参照試料用に使用することができる。参照試料用の
フローセルは、好ましくは、中央部に位置するものを選
ぶとよい。
すると、入射光束42及び全反射された出射光束44の
いずれの光束を構成する光線も円柱表面で屈折すること
はないので、収差を大幅に低減でき、これによって測定
精度の向上が期待できる。
共鳴振動励起用の金属薄膜は、その材質が金、白金、
銀、銅、アルミニウムのいずれでもよいが、複素誘電率
の虚部が小さいもの、例えば銀とするのが好ましい。た
だし、銀の薄膜は、外気や被検試料、特殊な環境にさら
されると硫化されやすいので、MgF2などの誘電体を
保護膜としてコーティングなどで被着しておくとよい。
なお、生化学やバイオ系で適用する場合、金属薄膜の上
へ抗体などを含む皮膜を被着するなどしておくとよい。
例えば抗原の検知の機能性とともに、保護膜としても作
用し都合がよい。また、金属薄膜を直接プリズムに被着
するほかに、薄いガラス板に形成したものを貼り付け、
センシング部を着脱自在、取り替え自在にすることも有
用である。汎用性を高める点で好ましい。
元CCDイメージセンサ6としてCCD形であったが、
MOS形であっても勿論よい。また、実施例では2次元
CCDイメージセンサ6として素子の形で示したが、よ
り簡便には、CCDカメラとしてこれを設定することで
目的を十分に達成できる。これによれば、設計の繁雑さ
が大幅に軽減されて好ましい。
方解石などの結晶系のもののほか、プリズム系のもの例
えば、サバール板、ウォラストンプリズム、グラムトム
ソンプリズムなどのいずれを適用してもよい。なおま
た、光源はLEDのほか、レーザダイオードを適用する
ことができる。
リエ変換用の第2のシリンドリカルレンズの後側焦平面
上に設けられる固体撮像素子を2次元固体撮像素子とし
たので、センサヘッドのコンパクトな構成を維持しなが
ら、参照試料を用いた被検試料の温度補正が、温度計測
が不要かつ簡便な形で測定可能となると共に、経時変化
のリアルタイム測定も可能となり、しかも、これらの測
定を多チャンネルで行うことができ、測定精度の向上と
ともに機能性を一段と向上させる効果がある。
説明図である。
に沿う横断面を示す。
のそれぞれの励起角の温度依存性によるシフトを調べた
一検証例のグラフである。
グラフである。
プリズムの縦断面を模式的に示し(B)は平面図である。
態様を示す説明図である。
検出出力のデータ波形を示し、(A)はS偏光、(B)はP
偏光、(C)はP偏光をS偏光で割算したデータ波形を示
す。
Claims (2)
- 【請求項1】点状光源からの光路に沿って、コリメータ
レンズと、第1のシリンドリカルレンズと、被検試料を
接触させる表面プラズモン励起用金属薄膜を一面に設け
た高屈折率のプリズムと、第2のシリンドリカルレンズ
と、この第2のシリンドリカルレンズの後側焦平面上に
設けられる固体撮像素子とを備え、この固体撮像素子か
らの信号を処理するデータ処理手段を有するセンサ装置
において、前記固体撮像素子を2次元固体撮像素子とし
たことを特徴とするセンサ装置。 - 【請求項2】前記第2のシリンドリカルレンズと前記2
次元固体撮像素子との間に偏光分離素子を設けた請求項
1記載のセンサ装置。
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---|---|---|---|
JP34173093A JP3437619B2 (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | センサ装置 |
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JP34173093A JP3437619B2 (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | センサ装置 |
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JPH07159319A true JPH07159319A (ja) | 1995-06-23 |
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ID=18348332
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP34173093A Expired - Lifetime JP3437619B2 (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | センサ装置 |
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