JPS6280610A - 光学装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、処理量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　）を変えず
に光学開口数の間の遷移を与える光学装置に関し、特に
化学的分析および生化学的分析を行う改良式光学装置に
関する。

（従来技術、および発明が解決しようとする問題点） 分析や検定に利用される多くの化学的、生化学的な方法
の中で特に有用で感度の高いものに減衰全内部反射（Ａ
ＴＲ）　　分光法の原理による光学装置がある。免疫検
定法て特に有用なこのような光学装置ではファイバー光
学導波路を使用し、この導波路の外部表面の１部には試
験溶液中で抗原と反応する抗体が共有結合で固定可能で
ある。上記導波路の１端部に導入された光ビームは導波
路の密度の高い部分で内部に全反射され、エバネツセン
ト波として知られる電磁波を発生する。このエバネツセ
ント波は導波路と試験溶液の界面に沿って波長程度の拡
がりを持つことを特徴としている。しかしながら、エバ
ネツセント波の上記のような界面へのわずかな侵透でも
、試験溶液中の抗原が反応する固定抗体とエバネツセン
ト波の間で、また抗原が存在したバルクの溶液とのほん
のわずかではあるが光学的な相互作用が可能になる。こ
のような光学的な相互作用は抗原の検定に用いることが
できる。検定に対して内部全反射分光法を利用する一連
のこのような装置が知られており、記゛載されている。

例えば、米国特許第４，１３３，６３９号明細書では光
学的相互作用により誘起されたけい光を測定する装置が
記載してあり、同、’ｒ　□１．＋１５０，８９５号明
細書は分析物（ａｎａｌｙｔｅ　）によるエバネツセン
ト波の吸収に基づく装置が記載してあり、同第４，３２
１，０５７および４．３９９，０９９号明細書ではファ
イバーを伝搬した放射の変化を検出する装置が記載して
あり、更に、同第４，４４７，５４６号ではけい光免疫
検定装置が記載しである。

このような装置の感度は多くの因子により決定されるが
、最も重要な因子の１つは、検定される周囲媒体との接
触部位で感度がファイバーの開口数（ＮＡ）と共に急速
に増大することにある。この感度は開口数が小さいうち
はその８次のべきに依存する関数であり、また更に開口
数が小さくなってもその大きな値での有効べきがその′
！ま用いられる。

ここに開口数（ＮＡ　）は、 （１１ＮＡ＝　ｎｌ　ｓｉｎ　Ｂ で定義される。ここでｎ２　は、放射がファイバーの入
射端部に入射するように初めに伝搬する媒質の屈折率で
あり、Ｂはこのファイバーの入射端部での放射の最大受
容角である。

このように、式（１）はファイバー入射端の開口数を規
定する。

開口数は更に次のように表わすことができる。

（２）　　　　ＮＡ＝（ｎ２−ｎ２）　　２ここでれ。

はファイバーコアの屈折率であり、ｎｌ　　はファイバ
ー周囲の媒体（例えば、抗原を含むサンプルまたはバル
クの溶液）の屈折率である。式（２）はファイバーと被
検定液体との接触部分の開口数を規定するために用いら
れる。このようなファイバーに対して、周囲媒体とファ
イバーが接触する部分の開口数はファイバーコア材が非
常に大きな屈折率を持ち、その周囲の媒体が非常に小さ
な屈折率を持つ時、即ちｎ。＞ｎｌの時最大になる。例
えば、常屈折率のガラスファイバーが、１．３３〜１．
３５付近の屈折率を持つ水溶液により囲繞される部位で
満足な感度を与えることができる。

ファイバーの入射端部での開口数が周囲溶液との接触部
位のものより小さい時は、接触部位での開口数が大きい
場合の利点は得られず、また装置は、感度が８次のべき
に依存することを考えると、その本来の場合に比べて感
度が低下する。入射端部における開口数がファイバーと
の接触部位におけるものよυ大−きい場合は、入射光は
境界面でファイバーから漏出し、背景けい光を非常に増
加させる。

放射を投影するファイバーの少なくともその端部を正確
に位置決めするようにファイバーの装着手段を設けるこ
とが重要であるが、装着材の屈折率が一般に口、よシ大
きい場合は、ファイバーと装着部材の接触部位は開口数
を減らす傾向がある。この問題を解決するために、装着
部材とファイバーの間に低屈折率媒体を介在させるよう
に、通常は高分子量ポリマーのコーチングを用いて、放
射が伝搬するファイバーの端部の少なくとも近傍で、フ
ァイバーを被着する方法が従来取られた。このようなコ
ーチングは不透明で屈折率が小さいことが好ましい。分
析（ａｎａｌｙｔｅ　）溶液あるいは被検サンプルと接
触するように構成したファイバ一部分はコーチングは施
さないよってしておく。理想的には、クラッド（被着）
の屈折率がサンプルのものと同じならファイバーを通過
できる放射を有効に用いることができる。不幸にも、入
手可能な殆んどのクラッドの屈折率は１．４０〜１．４
３の近くにあシ、またこのような屈折率は最大開口数を
、低屈折率のクラッドが得られた場合に可能なものより
はるかに小さな値に制限する。

更に、このような開口数は高屈折率がラスコアを持つク
ラッドファイバーを設けることにより改良できるが、屈
折率が非常に大きいガラスは可塑性で可剥性の低屈折率
クラッドとしては現在市販されてない。このような開゛
口数の改良は装置の最大受容立体角にわたって放射束を
できるだけ大きくして達成できるが、その場合ファイバ
ーのクラッド端部を正確に装着することが、入射放射の
軸外角（ｏｆｆ−ａｘｉｓ　ａｎ２１ｅ　）　　が非常
に大きい時は特に重要になる。この装着要件は現在用い
られている非常に小さな直径（例えば、く約３５０ミク
ロン）の電気通信用ファイバーに対して満足な結果を得
ることは特に困難である。例えば、米国特許第４，０５
０，８９５号明細書では、角度の大きな光線をファイバ
ーに結合するために環状の開口と一連の半球形レンズを
用いている。しかし、このような方法で非常に大きな開
口数を得るには被写界深度の浅い十分に収差補正された
レンズが必要である。このようなレンズは製造が困難で
高価であり、また調整が難かしく、更に通常は多数枚の
レンズ構造を取るため透過率は大きくない。大きな開口
数の照明を得るためには浸漬型装置を現在は用いるよう
にしなければならないが、操作が難しく、高価である。

以上に記載した従来の装置の欠点に鑑み、本発明は改良
式の光学装置を提供することを主要な目的とし、この装
置は浸漬光学系の必要性を澄小にし、ファイバーの光透
過率を改良し、焦点深度の大きな照明用レンズの使用を
可能にし、これ等の改良点の全ては改良した開口数を利
用することにより与えられる。

本発明は更に、開口数が十分に大きな新規な光ファイバ
ーを提供し、更に、ファイバーを装着或いは保持する部
位に隣接して常屈折率のクラッド材料の使用を可能にす
る内部全反射伝搬用の光ファイバーを提供することを他
の重要な目的とする。

本発明は更に、減衰全反射分光法（ＡＴＲ）により固体
−液体界面における分析物（ａｎａｌ）’ｔｅｓ　）を
検出する改良式光学装置を提供し、開口数が改良され、
従って感度が増加したファイバー光学系によるかかる光
学装置を提供し、達成された開口数がサンプルとファイ
バーの屈折率により許容される↓うな十分に大きな上記
光学装置を提供し、分析（ａｎａｌｙｔｅ　）サンプル
の屈折率の変化に起因する装置の応答に与える効果を低
減させるかかる光学装置を提供し、これまで合理的に使
用されたものより直径が大きなファイバーの使用を可能
てし、従ってファイバーの装着と整合を容易にするかか
る装置を提供し、更により頑丈な装置を提供し、入射面
積をかなり大きくシ、それによりよ６ｍ＜の光を収集で
きるが、サンプリング領域でのファイバー径を小さくし
、それにより大きな感度を保証するかかる装置を提供し
、ファイバーの横方向および軸方向の調整に対する公差
要件を低減したかかる装置を提供し、更に、ファイバー
光学検定装置の開口数を改良する方法を提供することを
更に目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段） 以上に記載した本発明の目的およびその他の目的を達成
するため、本発明による光ファイバーは比較的大きな直
径の入射瞳から、この入射瞳から長手方向の位置におけ
るかなり小さな直径に徐々にテーパー状に構成される。

このようなテーパーをもつファイバーは、放射が入射瞳
から直径のより小さな部位に向けて伝搬するにつれて放
射の入射角が徐々に増加し、よシ小さな断面部分の放射
の開口数が直径の比に逆比例して大きくなるため、処理
量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　）を保存することができる
ものである。換言すると、ファイバーを伝搬する光ビー
ムは、放射を限定する媒体のテーパーによシ角度的に圧
縮され、テーパー化ファイバーの大小部分の直径の比は
開口数の比に正確に逆比例する。

本発明のその他の目的は以下の説明で次第に明らかにな
ろう。

以上より本発明は諸要素の構成と組合わせ、および諸部
分の構成を備えた装置と、若干のステップと１つ以上の
かかるステップのその他のステップに対する関係と順序
からなる方法とにより構成され、これ等の装置と方法は
以下の詳細な説明で例示され、更にそれ等の適用範囲は
特許請求の範囲に示される。

（実施例） ここで第１図を参照すると、本発明のファイバー２０の
実施ψりが図示される。このファイバーは１端部、即ち
入射面２２から対向する、即ち端子端部２４に延在する
細長い構造をなし、好ましくはほぼ円形の断面を有する
。

ファイバーの入射面２２は通常平面であシ、ファイバー
の長手方向の軸線に直角に配置され、更に、入射励起光
の散乱の原因となる欠陥或いは表面欠陥を最小にするよ
うに十分研磨されていることが望ましい。一方、ファイ
バー面２２は、例えば拡大成いは整合光学面を与えるよ
うに他の所望の光学形状に構成される。上記ファイバー
２０は、当業者には公知のように、式（１）で上記のよ
うに規定され、且つファイバーの長軸にほぼ対称な円錐
状受容角（Ｂ）内で入射面２２に入射する励起用放射を
多重の内部全反射により、その長さ方向に沿って伝搬す
るように構成される。このファイバー２０は励起用放射
に光学的に透明な非常に多くのほぼ均質な材料、例えば
ガラスなどのガラス状材料、石英や、サファイヤなどの
結晶性材料、ポリオレフィンやポリプロピレンなどの合
成ポリマーなどで形成される。

以下に記載するように液体検定に上記ファイバー２０を
用いる場合は、ファイバー２０を形成する材料の屈折率
（ｎｌ）は被検定液体の屈折率ｎ２よシ大きくなければ
ならない。後者の屈折率は水溶液の場合約１．３である
。

ファイバー２０の１つの形態では入射面２２から端子端
部２４に向けて徐々に、滑らかな、長手方向のテーパと
して与えられる。このようなテーパの徐々の変化はファ
イバーに対する臨界角を越えずに入射ビームを徐々に収
束させるためになされる。このファイバーのテーパー角
は５°以下であることが理想的である。通常は長さが数
ミリメートルのファイバーに対してその直径は、入射面
２２における直径１ｍから端部２４の２〜３００　　ミ
クロンまで滑らかにテーパー化される（テーパー角の変
化は必らずしも直線的である必要はなく、不連続や突然
の変化がなければよい）。ファイバーの端子端部２４に
おける直径が、最大開口数を与える成る限界値以下にな
ると、放射はその部位でファイバーから漏出することに
なる。

次に、第２図に示した実施例を参照すると、液体を検定
する例示としての装置２６が示してあシ、この装置は本
発明の原理を考慮したものである。この装置２６は光フ
ァイバー２０と閉鎖部分２８と装着手段３０とを備え、
またこの装置は本発明の発明者の１人に対する１９８４
年５月８日付けの米国特許第４，４４７゜５４６号　明
細書に示しである装置に多くの点で類似している。

この第２図に示したファイバー２０は、入射放射による
励起を最大にするためにそのテーパー化部分３２が入力
部分３４と細長い出力部分３６の間に延在することを除
くと、第１図の実施例に関して説明した特徴を有する。

このファイバーの上記両テーパ一部分はほぼ一定の直径
を有することが望ましい。入力部分３４の直径はテーパ
一部分３２のよシ大きな直径に整合し、また射出部分の
直径はテーパ一部分３２のよシ小さな直径に整合する。

出力部分３６の表面は検定のサンプリング或いは検知ゾ
ーンとして用いられるべきなので、全てのサンプリング
は装置の開口数の最大部位、即ちファイバーの直径がよ
り小さい部位で行われる。免疫検定装置として用いるた
めファイバー２０の長さは通常は約２５ｍに設定される
が、これはあくまでも例示として与えられたもので、こ
れに限定されるわけではない。

装着手段３０は入射面２２に隣接するファイバー２０の
短い部分を囲繞し、且つ後者の１端部に隣接する閉鎖部
分２８の内面の１部と接触するように入射面から半径方
向に延在する短いスリーブ、クラッド或いはフェルール
３８として簡単に示しである。第３図に特に示したよう
に、フェルール３８は、その各端部に隣接する体積部分
の間の液体の連通を可能にするようにファイバー２０の
軸線にほぼ平行に延在する１つ以上のパーホレーション
４０を備えると好ましい。このフェルール３８の主要な
機能は、入射光を正確に入射面２２に入射させ得るよう
にファイバー２０を位置付け、更に閉鎖部分２８の内面
から隔置されるようにファイバー２０を維持することに
ある。フェルール３８はファイバー２０の表面の１部と
必らず接触しているのでファイバーの開口数に悪影響を
与え、従ってフェルールとファイバー間の接触をフェル
ールの機械的役割との最小の釣合に制限し、更に被検定
液体近傍の、或いはそれに整合する低屈折率の、シロキ
サンのような材料で製造することが望まれる。

本実施例によると、ファイバー表面の細長い出力部分３
６のような動作部分は検定が行われる活性化領域として
規定される。この出力部分３６は、ファイバーの望まし
い部分だけがクラッドされないようにファイバー表面の
対向端部で付加したクラッドによシ境界が規定される。

上記活性化領域の寸法は勿論その他、の方法により制御
でき、事実、フェルールを越えたファイバーのほぼ全長
に活性化領域を形成することができる。しがしながら、
この活性化領域を、獲得できる最も大きな開口数の、直
径が一定のシリンダーとして構成し、それにより装置に
対して最大感度を与えることが望まれる。出力部分３６
の表面を活性化するために、この部分は、米国特許第４
．４４７，５４６号明細書に詳述され、ここに引用によ
り取込まれたような試薬でコートし、処理するのが普通
である。

上記閉鎖部分２８はチューブであり、好ましくは、限定
はされないが光学的に透明であり、また被検液体に対し
て比較的不溶性であり、化学的に非反応性の材料で形成
される。

この閉鎖部分２８は、通常は、内径がファイバー２０の
最大外径より大きなガラス管として与えられ、またファ
イバ一部分３６の少なくとも活性化表面を囲繞する所定
の体積部分を規定するように寸法を定めることが好まし
い。

上記テーパー化ファイバーの製造は、例えば市販の直径
が一定の（例えば５００ミクロン）ガラスファイバーコ
アを用い、これを、ファイバーの局部が可塑性になるま
でトーチまたは電気ヒータで局部的に加熱し、次にファ
イバーを低減された直径、例えば３００ミクロンにテー
パー化するように成る速度、温度分布で絞り成形するこ
とによシ達成すること力；できる。最小許容テーパー角
はファイバーの許容できる長さとしてのこのような実際
上の事項によシ規定されるが、最大テーパー角は内部の
全反射によシ光の伝搬を維持するのに必要な臨界角度関
係を獲保するのに必要な角度を越えるべきではない。例
えば、溶融石英のファイバーコアの場合の最大テーバ角
は約５゜以下にすることが好ましい。このテーパー化フ
ァイバーは所望部位で切断される。時間や温度、絞り成
形速度、および温度分布は勿論ファイバーに対して選択
した特定の材料の物理的特性に大きく依存する。テーパ
ー化ファイバーを絞り形成する他の多くの公知の方法も
利用することができる。本発明はそれ自体二重通過ファ
イバー（即ち、入射面がら遠位端部に光を伝搬し、次に
必要に応じてファイバーを通して入射面に光を反射する
ことができるもの）を形成する。第２図り端部４２に配
置した遠位反射面は、その部位でファイバーを加熱し、
ファイバーを破壊し、反対方向に光を反射できるミラー
、として用いられる大きな角度の成端部を形成するよう
な十分大きな速度でファイバーを絞り成形することによ
り容易に形成することができる。このように、成端部４
２は実際にはプリズム反射器に類似するが、研削やめつ
き、研磨などの従来のミラーの形成に付随する問題なし
に簡単に形成することができる。勿論、この成端部４２
は、励起放射からの妨害なしに入射面２２でけい光を観
測できるならば、所望に応じて光を漏出するように簡単
に形状づけることが可能である。

第２図の実施例を動作させる場合は、ファイバー２０の
出力部分３６は一連の活性化試薬（けい光標識剤を含む
抗体−抗原複合体の構成成分のような）のコート４３で
ｍＷされ、実質的に米国特許第４，４４７，５４６号明
細書に記載されたものと同様の手順で処理される。簡単
には、閉鎖部分２８とファイバー２０の間の空間４４は
被検定液体サンプル材料で充填され、このサンプルは必
要に応じてインキュベーションが許容される。第２図に
示したように、この装置は、励起放射源、好ましくは固
体発光体、或いは放射波長を正確に特定できるレーザを
有したけい光計４５と共に用いられる。入射面２２は励
起用放射で照明され、この励起用放射は通常は、これが
ファイバーを伝搬する際に生じるエバネツセント波によ
り出力部分３６の表面に隣接して与えられる体積部分に
けい光を励起し、或いは誘起できる。この励起用放射は
ファイバーの入射端部から塗膜部分にファイバーのテー
パにより角度的に圧縮され、これにより開口数をかなり
増加させている。出力部分３６の開口数３６は入射面２
２のものより非常に大きいので、上記のエバネッセント
波により励起された試薬は同一径の入射面を持つ非テー
パー化ファイバーがそう遇するようなかなり大きな励起
強度にさらされる。この誘起けい光は次に励起された材
料からファイバーに放出され、光度計４５によって読取
られる。更に、光度計の検出部分をファイバーの遠位端
部に位置付けて、ファイバーからの放出けい光を測定す
ることができるが、このような場合は励起用放射とけい
光放射をフィルタにより弁別する対策が講じられるべき
である。

本発明の検定装置の感度が最大の場合は、出来る限り最
大開口数を得ることが望ましい。

既に記載したように、８次のべきとして失われる信号は
非常に少ないが、パワーの漏出が非常に大きいと、若干
の信号が失われ、背景のけい光を増加させることになる
。最大開口数を示すファイバーを再現するにはファイバ
ーの入力面の、感度のある領域に対する同一直径比がフ
ァイバー毎に正確に再現されなければならず、これは製
造公差の点で実際的ではない。

この問題は必要なものよりわずかて大きな入射直径を有
する、即ち、ｃｉｉを入射面における直径とし、ｄ、を
ファイバーの最終点或いは感度のある点における直径と
してわずかに大きな直径比ｄ、／ｄ、　　を与えるファ
イバーを作ることにより回避することができる。このよ
うな構造によると、入射放射は、これがファイバーのサ
ンプルで覆われた部分て達した時ファイバーからの漏出
を開始するが、その点に到るまでの空気のよい小さな周
囲屈折率はファイバー表面を通してのエネルギー損失を
防止する。これは使用可能な最大直径比に対する拘束と
して用いられる。後者は、ファイバー／サンプル界面に
よシ与えられ得るものより大きくなければならないが、
ファイバー／空気界面における内部の全反射を保証する
ものよシ小さくなければならない。この関係は、 （３）　ｒ　＜　ＮＡｉ（ａｉ／ｄ、）　＜　ｎ。

と表わすことができ、ここにｎ。はファイバーの屈折率
、ｎ、はサンプルの屈折率、ＮＡ、はファイバーの入射
面における開口数である。これ等の条件の下では、よシ
大きな入射領域により収集された余分の光は、この光が
、周囲媒体がサンプルと同じ屈折率を持つ部位またはゾ
ーンに達するまでは、ファイバー内にとどまることにな
る。大きなｄ、はエネルギー入力が大きいことを意味す
るので、エネルギー損失は漏出放射がない場合のより小
さなｄ・の装置の場合と同じ正味の移動エネルギー量を
残すことになるが、漏出エネルギーは誉景放射を与える
ので許容されるべきではない。

このため、第４図に示したように（ここでは、同じ数値
は第２図の実施例に関して同じ部分を示す。）、ファイ
バーから漏出した放射が背景問題を惹起する傾向のある
部位３２と３６の間の接合部において、或いはそれに隣
接して、ファイバーをその周囲でファイバーと接触する
放射吸収カラー４２で囲繞し、且つこのカラーは出来る
だけ適切にサンプル溶液のものに整合した屈折率を持つ
材料で形成するようにする。例えば、サンプルが水溶性
の場合、カラー４２は吸収染料またはカーボンブラック
で充填されたゲル、或いは黒色のポリテトラフルオロエ
チレンなどの放射吸収プラスチックのリングで形成され
る。

直径比の増加は製造公差要件を下げるだけでなく、検定
装置のファイバーに対する、軸方向および横方向の、要
求された位置決め公差を低減させる。入射面の面積の増
加は横方向の位置決め公差要件を低減させる。というの
は、この様な場合には、集光ビームに対して、それが入
射面を出る前に横方向に迷って進む距離が大きくなるか
らである。面積が増加すると、同じ開口数を得るのに必
要な受容角Ｂも低減させるので、入力光学系の許容焦点
深度が大きくなり、またこの焦点深度内に残るためファ
イバーの入射面に対し要求される軸方向の許容値が緩和
される。

本装置によれば、サンプルの屈折率とファイバーコアー
の屈折率ｉとにより課される拘束の下で達成できる大き
な開口数を持つ光ファイバー検定装置を提供することが
できる。

この場合のファイバーは米国特許第４，４４７，５４６
号明細書に記載された微細なファイバーではなくかなり
頑丈なガラス「ロンド」から製造されるので、使用する
ガラスの種類、即ち電気通信用ガラスに制限されず、従
ってサンプルに接触するファイバ一部位で得ることがで
きる最大開口数を更に増強する屈折率が非常に大きなガ
ラスを用いることができる。実際、サンプル部位での最
大開口数を１より大きくすることができる。これを、フ
ァイバーをテーパー化せずに達成するためには、イルミ
ネーターは液浸式にする必要がある。即ち、テーパー化
ファイバーの入射開口数は、サンプルとの接触点でこの
テーパー化ファイバーの内側に存在する開口数より小さ
くすることができるので、入射開口数が１以下の値を保
つような大きな入射直径を持つファイバーを用いること
により液浸なしで済ますことができる。

更に、本発明のテーパー化ファイバーを用いることによ
り小さな開口数の入射用レンズの使用が可能になる。こ
のような開口数の小さなレンズは安価で製造が容易、収
差補正が良好で、透過率を大きくでき、また良好な焦点
深度を与えるので、それ等による集光動作はより容易に
なる。

本発明によるテーパー化ファイバー自体は（少なくとも
これを装着或いは保持する端部で）従来の検定装置の場
合より直径を大きくできるので、このテーパー化ファイ
バーを用いて、よシ頑丈で、位置決め公差がより緩和さ
れた装置を構成することができる。更に、このテーパー
化ファイバーの入射端部或いは広い端部は従来のものが
必要とする程大きな開口数を持つ必要がないので、合理
的な屈折率のクラッドが可能となり、コアイノ（−の保
持や装着の問題はとるにたらぬものとなる。

光ファイバーを用いた検定装置においては、サンプルの
屈折率の制御不能な小変動の読取り値に与える効果は最
小にしなければならない。表面層の屈折率の小さな変動
も、制御が困難である。何故なら、これ等の変動は、抗
体層などの試薬がファイバーの表面に塗膜された状態に
依存するからである。本発明のテーパー化ファイバーは
このように有効開口数を改良しまた上記のような検定装
置に大きな屈折率のファイバーが使用可能なので、表面
膜や背景屈折率を制御する厳しさが犬き°く低減され、
またより良好な測定が可能となる。

例えば、屈折率が約１６７６のテーパー化ファイバーを
用いた検定装置では、水および血清のサンプルをそれぞ
れ用いた測定は、標準の円筒状非テーパーファイバーを
用いた装置の約２倍と対照してみると約ｌＯ％の応答変
動を示した。

けい光検定装置にテーパー化ファイバーを用いるとかな
りの利点が得られる。クラッドを拡張した場合の正常フ
ァイバーに対する開口数の限界は（液体サンプルに対し
て）大雑肥に０．３であり、短いセグメントのクラッド
を用いた場合は０．４であり、クラッドへの若干の損失
を許容することができる。本発明のテーパー化ファイバ
ーによれば、１．０以上の開口数を容易に得ることがで
きる。特定の被検定サンプルに対して最適な開口数を得
るには、テーパー比は、開口数の比がサンプル部位で望
ましい最終の開口数を与えるように選択されるべきであ
る。このようにして得られる最大開口数はファイバーの
二乗屈折率−サンプルの二乗屈折率の平方根として与え
られる。例えば、最大開口Ｐｉは大きな屈折率１．７６
のファイバーおよび屈折率１．３５１のサンプルに対し
ては１．１２である。この大きな開口数は、標準の円筒
状ファイバーで得られる感度より約５００倍も大きい。

開口数による検定装置信号の改良は、次の４つの最適因
子によシ与えられる。即ち゛、装置の集光能力の二乗因
子、エバネッセント波を励起する効率の二乗因子、エバ
ネッセント波により発生したけい光の集光効率の二乗因
子、更にこのけい光の集光立体角の二乗因子により与え
られる。しかしながら、ファイバーの屈折率が増加する
と結合強度が固有に減少し、従って開口数が大きい場合
８次べきの増強を期待することはできないかくして、開
口数の大きなテーパー化ファイバーを用いた検定装置に
よった場合の改良は、理論値による１０，０００　倍は
得られず、大雑肥に最大５００倍程度である。この改良
が得られる理由は特に、エバネッセントゾーンの厚みが
開口数が大きいと小さくなり、従ってより小さな体積部
分がサンプルされるということによる。バルクのサンプ
ルに対しては厚み効果が存在し、また小さなファイバー
におけるように厚み効果がない所でも屈折率の不整合お
よび界面に沿っての放射の結合強度の変動に起因して小
さな厚み効果が更に存在する。

本発明ノファイバーの以上の説明においては、テーパ一
部分と出射部分３６は均一と考えられ、少なくともその
ように扱われたが、これは必要なことではなく、特に望
ましくない場合もある。第５図に特に示したように、フ
ァイバー２０は、上記の部分３２と３６にそれぞれ対応
して、２つの突合わせセクション４６と４８から形成さ
れるが、テーパー化部分４６は透明なポリメチルメタク
リレートなどの合成ポリマーから形成され、更に部分４
８は光学ガラスで形成され、従ってこれ等の部分の間の
接合はファイバーに沿って伝搬する放射が最大に透過で
きるように当然注意して構成しなければならない。

第６図に示したように、本発明によるファイバーは更に
光伝送路における入・出力光学系の直径を整合する遷移
要素としても利用可能である。第６図において、ファイ
バー２０は入射面２２において、通常は小形に出来ない
レーザまたは発光ダイオードなどの固体光源５０に結合
され、またファイバー２０の遠位端部２４は伝送用光フ
ァイバー５２の入力に結合される。後者の出力は次に光
電検出器５４に結合される。１方、他の遷移が望ましい
場合は、ファイバー５２の出力は他の同様のファイバー
２０のより小さな端部に結合し、そのより大きな端部は
上記検出器５４に結合すればよい。

以上に記載した装置と方法は本発明の範囲から逸脱する
ことなく変更が可能であり、従って上記説明並びに添付
図面でなされた説明は単なる例示として与えられたもの
であり、何等の制限を課するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理によるファイバーの拡大断面図の
理想状態を示したものであり、第２図は本発明の原理を
具体化した、理想化した光ファイバーを用いた検定装置
の拡大長手方向断面図であシ、 第３図は第２図の検定装置の入射端部の立面図であり、 第４図は本発明の原理によるファイバー構造の他の形態
の理想化した拡大断面図であり、第５図は本発明の光フ
ァイバーによる他の検定装置の拡大長手方向断面図であ
り、更に、第６図は、通常の固体光学伝送装置における
遷移要素としての本発明のファイバーを用いた装置の概
略を示す。 （主要部分の符号の説明） ２０・・・ファイバー、２２・・・ファイバー入射面、
２４・・・ファイバ一端子端部、２６・・・液体検定装
置、２８・・・閉鎖部分、３０・・・装着手段、３２・
・・テーパ一部分、３４・・・入射部分、３６・・・出
射部分、３８・・・フェルール、４０・・・パーホレー
ション、４２・・・成端部、４３・・・塗膜、４４・・
・内部空間、４５・・・けい光計、４Ｇ・・・テーパ一
部分、４６．４８　・突合わせ部分１５０・・・固体光
源、５２・・・伝送用光ファイバー＼５４・・・光検出
器 出　願　人　：　オルト、インコーホレーテッドＦＩＧ
、　／ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ　６ 手続補正書 昭和６１年１０月２４日 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿 １、＄件の表示 昭和６１年　特　許　願　第２１０８２６号２、発明の
名称 光学装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　オルト、インコーホレーテッド４、代理人 （１）別紙の通り、委任状及び翻訳文各１通を提出致し
ます。 （２）別紙の通り、印書せる全文明細ど１通を提出致し
ます。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放射源と、 光ファイバーであつて、前記放射源を透過し、前記放射
   を導入できる入射面を備え、前記入射面と該光ファイバ
   ーに沿つて前記入射面から長手方向に隔置された位置と
   の間でその直径を変えるように滑らかにテーパー仕上げ
   された光ファイバーとの組合わせにより構成された光学
   装置。 ２、光ファイバーは入射面からテーパー状にされ、且つ
   該テーパーは約５°以下である特許請求の範囲第１項に
   記載の光学装置。 ３、放射源は固体発光体である特許請求の範囲第１項に
   記載の光学装置。 ４、放射源はレーザである特許請求の範囲第１項に記載
   の光学装置。 ５、入射面に光学的に結合されて光ファイバーを逆に伝
   搬する放射を検出する検出手段を含む特許請求の範囲第
   １項に記載の光学装置。 ６、光ファイバーの対向端部の開口数は空気により囲繞
   された前記ファイバーに対して１．０以上である特許請
   求の範囲第１項に記載の光学装置。 ７、入射面と、該入射面から隔置された位置の中間の光
   ファイバー周りで接触配置された放射吸収カラーを備え
   た特許請求の範囲第１項に記載の光学装置。 ８、励起放射による励起時にけい光を発することができ
   るけい光標識を含む試薬により免疫測定を行う光学装置
   であつて、前記励起用放射と前記けい光の両者を透過さ
   せる光ファイバーにして、該ファイバーの少なくとも１
   部を境界とするゾーン内に、該ゾーン内に配置され得る
   けい光標識からけい光を励起し得るエバネツセント波を
   生成するように、前記励起用放射を伝搬させ得る入射面
   を備えた光ファイバーを有した光学装置において、 前記光ファイバーが前記入射面と前記光ファイバーに沿
   い前記入射面から長手方向に隔置された位置との間で光
   ファイバーの直径を変えるように滑らかにテーパー化さ
   れた光学装置。 ９、試薬は抗原・抗体複合体である特許請求の範囲第８
   項に記載の光学装置。 １０、ゾーンを含み且つ少なくとも部分的に光ファイバ
   ー表面の部分を境界とする体積部分の境界を定める手段
   を有した特許請求の範囲第８項に記載の光学装置。 １１、体積部分は細管の寸法である特許請求の範囲第１
   ０項に記載の光学装置。 １２、境界規定手段は光ファイバー表面の少なくとも一
   部分を囲繞し且つそれから隔置された細長い閉鎖手段に
   より構成された特許請求の範囲第１０項に記載の光学装
   置。 １３、光ファイバーはその入射面から対向端部に向けて
   その直径を減らすように滑らかにテーパー化された特許
   請求の範囲第８項に記載の光学装置。