WO2015174332A1

WO2015174332A1 - 偏光分析装置

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Publication number: WO2015174332A1
Application number: PCT/JP2015/063282
Authority: WO
Inventors: 彰秀火原; 学渡慶次; 摂若尾
Original assignee: Hokkaido University NUC; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: JP6543826B2; JPWO2015174332A1; US20170074796A1; US9719927B2

Abstract

　励起光源１０は、測定対象の試料２に励起光４を照射する。イメージセンサ２０は、１次元または２次元に配列された複数の画素２２を含み、励起光４に応答して試料２から発せられる測定光６を受ける。偏光選択素子３０は、試料２とイメージセンサ２０の間に挿入され、１次元または２次元に配列された複数の画素３２を含む。各画素３２は、測定光６の対応する部分を受け、当該画素３２に印加される駆動信号Ｓ１に応じた偏光方向を有する測定光を選択し、イメージセンサ２０に供給するように構成される。測定制御部４０は、偏光選択素子３０の各画素３２に、第１周期Ｔ_１を有する周期的な駆動信号Ｓ１を与えるとともに、第１周期Ｔ_１を４つの露光時間Ｔ_２＝Ｔ_１／４に区分し、各露光時間においてイメージセンサ２０の各画素２２から得られるデータＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４を取得する。

Description

偏光分析装置

　本発明は、蛍光偏光解消法などに利用可能な偏光分析装置に関する。

　液体の粘度測定やバイオ分析の手法として、蛍光偏光解消法が用いられる。蛍光偏光解消法では、励起光偏光方向と水平な成分Ｉ_||および垂直な蛍光成分I_⊥をそれぞれ測定し、蛍光偏光度Ｐ＝(Ｉ_||－I_⊥)/(Ｉ_||＋I_⊥)として検出する。蛍光偏光解消法を用いると、通常では複数ステップが必要なイムノアッセイ（免疫検定法）がワンステップ化できる。

特開２００５－２９２６６２号公報

　しかし蛍光偏光解消法では、偏光方向が互いに垂直な２つの光Ｉ_||，I_⊥をそれぞれ測定した上で、蛍光偏光度Ｐを演算により検出する煩雑さのため、多サンプル測定はほとんどない。多点を同時に測定したい場合には、集光点を用いた一点測定を、集光点をスキャンしながら繰り返し行う必要があり、測定時間の長期化、装置の大型化、高コスト化の要因となっていた。

　本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、多点を同時測定可能な偏光分析装置の提供にある。

　本発明のある態様は偏光分析装置に関する。偏光分析装置は、測定対象の試料に励起光を照射する励起光源と、励起光に応答して試料から発せられる測定光を受ける１次元または２次元に配列された複数の画素を含むイメージセンサと、試料とイメージセンサの間に挿入され、１次元または２次元に配列された複数の画素を含み、各画素は、測定光の対応する部分を受け、当該画素に印加される駆動信号に応じた偏光方向を有する測定光を選択し、イメージセンサに供給するように構成された偏光選択素子と、偏光選択素子の各画素に、第１周期Ｔ_１を有する周期的な駆動信号を与えるとともに、第１周期Ｔ_１を複数Ｎ個（Ｎは整数）の露光時間Ｔ_２＝Ｔ_１／Ｎに区分したときに露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿Ｎにおいてイメージセンサの各画素から得られるデータＩ_１～Ｉ_Ｎを取得する測定制御部と、を備える。

　データＩ_１～Ｉ_Ｎは、露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿Ｎそれぞれにおけるイメージセンサの入射光を積分、積算、累積した値であってもよい。この態様によると、偏光選択素子を用いることにより、直交する２つの偏光成分を測定することができ、画素ごとに得られるＩ_１～Ｉ_Ｎにもとづいて、試料の状態を１次元的あるいは２次元的な多点情報として取得することができる。

　Ｎ＝４であり、データＩ_１～Ｉ_４が取得されてもよい。
　この場合、測定光のＡＣ振幅（ＡＣ値）を取得することができる。

　測定制御部は、各画素ごとに、
　√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝／（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）
　を演算することにより、偏光度Ｐを測定してもよい。

　測定制御部は、第１周期Ｔ_１を複数Ｍ個（Ｍ≧３、Ｍ≠Ｎ）の露光時間Ｔ_３＝Ｔ_１／Ｍに区分し、露光時間Ｔ_３＿１～Ｔ_３＿Ｍそれぞれにおいてイメージセンサの各画素から得られる中間データＩｍ_１～Ｉｍ_Ｍを取得し、中間データＩｍ_１～Ｉｍ_ＭをデータＩ_１～Ｉ_Ｎに変換してもよい。

　偏光選択素子は、液晶パネルと、偏光板と、を含んでもよい。
　これにより、駆動信号に応じた偏光方向を有する測定光を選択することができる。

　駆動信号は、正弦波であってもよいし、矩形波、のこぎり波、台形波などの周期波形であってもよい。「駆動信号がある波形（たとえば正弦波形）を有する」とは、駆動波形が厳密に正弦波形を有する場合のみでなく、それを近似した波形を有する場合も含む。

　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明のある態様によれば、多点を同時測定できる。

実施の形態に係る偏光分析装置の基本構成を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）は、偏光選択素子の構成例および動作原理を示す図である。図３（ａ）～（ｃ）は、偏光分析装置の動作波形図である。偏光分析装置の具体的な構成例を示す図である。図５（ａ）～（ｃ）は、図４の偏光分析装置を用いて、溶媒粘度に応じた蛍光偏光度Ｐを測定した結果を示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る偏光分析装置により測定された蛍光偏光度Ｐ（LCD-CCD system）と、従来手法（Conventional PF apparatus）により測定された、ＥＧ比と蛍光偏光度Ｐの関係を示す図である。偏光分析装置の光学系の変形例を示す図である。図８（ａ）～（ｄ）は、第７変形例においてＭ＝３、５、６、７としたときの波形図である。図９（ａ）～（ｄ）は、異なる波形Ｉ（ωｔ）における、位相φと式（Ｃ）で与えられるＡＣ値の関係を示す図である。

　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　図１は、実施の形態に係る偏光分析装置１の基本構成を示す図である。偏光分析装置１は、主として、励起光源１０、イメージセンサ２０、偏光選択素子３０、測定制御部４０、を備える。ここでは説明の簡潔化および理解の容易化のため、イメージの拡大、縮小を行わずに実像を測定するものとする。

　励起光源１０は、測定対象の試料２に励起光４を照射する。たとえば励起光源１０は、レーザである。本実施の形態において試料２は蛍光物質であり、励起光４により励起され、それに応じて発光する。したがって励起光源１０の波長は、試料２に応じて選択される。試料２から出射する測定光６ａ（蛍光）の偏光方向は、試料２の状態、たとえばその温度や粘度、それに含まれる特定の物質の量、物質の種類などに応じて変化する。

　イメージセンサ２０は、１次元または２次元に配列された複数の画素２２を含み、励起光４に応答して試料２から発せられる測定光６ａを受光するように配置される。たとえばイメージセンサ２０としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳセンサ、フォトダイオードアレイなどが利用可能であり、その種類は特に限定されない。後述するように、イメージセンサ２０は、露光時間が制御、設定可能であることが要求される。

　偏光選択素子３０は、１次元または２次元に配列された複数の画素３２を含み、試料２とイメージセンサ２０の間に挿入される。本実施の形態において偏光選択素子３０は透過型デバイスであり、各画素３２は、その裏面に測定光６ａの対応する部分を受け、当該画素３２に印加される駆動信号Ｓ１に応じた偏光方向を有する測定光６ｂを選択し、イメージセンサ２０に供給するように構成される。

　たとえば各画素３２は、駆動信号Ｓ１がある値Ｓ_ＭＩＮのとき、所定の第１方向の偏光成分Ｉ_⊥を選択し、駆動信号Ｓ１が別の値Ｓ_ＭＡＸのとき、第１方向と⊥な第２方向の偏光成分Ｉ_||を選択し、通過させる。

　測定制御部４０は、偏光選択素子３０の各画素３２に、第１周期Ｔ_１を有する周期的な駆動信号Ｓ１を与える。また測定制御部４０は駆動信号Ｓ１と同期して、第１周期Ｔ_１をＮ個（Ｎは整数）の露光時間Ｔ_２＝Ｔ_１／Ｎに区分し、露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿Ｎそれぞれにおいてイメージセンサ２０の各画素から得られるデータＩ_１～Ｉ_Ｎを取得する。本実施の形態では、Ｎ＝４の場合を説明する。

　以上が偏光分析装置１の基本構成である。続いて偏光選択素子３０について説明する。
　図２（ａ）、（ｂ）は、偏光選択素子３０の構成例および動作原理を示す図である。
　たとえば、偏光選択素子３０は透過型であり、液晶パネル３４と偏光板３６の組み合わせにより実現できる。液晶パネル３４は、複数の画素３５および図示しないゲートドライバやソースドライバを含む。各画素３５には、独立した駆動信号Ｓ１が印加可能となっている。各画素３５は、裏面から入射する光の偏光方向を、駆動信号Ｓ１のレベル（大きさ）に応じた角度θ、回転させる偏光素子である。たとえば駆動信号Ｓ１がＳ_ＭＩＮであるとき、回転角θは０度であり、駆動信号Ｓ１がＳ_ＭＡＸであるとき、回転角θは９０度であり、駆動信号Ｓ１が中間的な値をとるとき、回転角θは中間的な値をとる。駆動信号Ｓ１と回転角θの関係は、いわゆるγカーブと関連を有する。この画素３５は、図１の画素３２に対応する。たとえば８ビットの液晶パネル３４では、駆動信号Ｓ１は、２^８＝２５６階調で表され、したがってＳ_ＭＩＮ＝０、Ｓ_ＭＡＸ＝２５５に対応する。

　偏光板３６は、液晶パネル３４にオーバーラップしており、所定方向（図２においてＸ方向）の偏光成分を選択的に通過し、それと垂直方向（図２においてＹ方向）の偏光成分を遮断（吸収もしくは反射）する。

　一般的に市販されるＬＣＤ（Liquid Crystal Panel）パネルは、液晶パネル３４と、液晶パネル３４を挟むように配置された２枚の偏光板を含み、２枚の偏光方向が直交している。実施の形態に係る偏光選択素子３０は、市販されるＬＣＤパネルを分解し、１枚の偏光板を除去することにより構成することができる。

　図２（ａ）に示すように、測定光６ａは、Ｘ方向の偏光成分Ｉ_||と、Ｙ方向の偏光成分Ｉ_⊥を含む。図２（ａ）では、Ｓ１＝Ｓ_ＭＩＮであり、液晶パネル３４の各画素３５は、Ｘ方向の成分Ｉ_||および偏光成分Ｉ_⊥それぞれの偏光方向を回転させずに、そのまま通過させる。液晶パネル３４を通過した測定光６ｃのうち、Ｙ方向の偏光成分を有するＩ_||’は、偏光板３６を通過せず、Ｘ方向の偏光成分を有するＩ_⊥’は、偏光板３６を通過する。つまり図２（ａ）の状態では、測定光６ａのうち、Ｘ方向の偏光成分Ｉ_⊥が選択される。

　図２（ｂ）では、Ｓ１＝Ｓ_ＭＡＸであり、液晶パネル３４の各画素３５は、Ｘ方向の成分Ｉ_||および偏光成分Ｉ_⊥それぞれの偏光方向を９０度回転させて通過させる。そして液晶パネル３４を通過した測定光６ｃのうち、Ｙ方向の偏光成分を有するＩ_⊥’は、偏光板３６を通過せず、Ｘ方向の偏光成分を有するＩ_||’は、偏光板３６を通過する。つまり図２（ｂ）の状態では、測定光６ａのうち、Ｙ方向の偏光成分Ｉ_||が選択される。

　測定光６ａのＸ方向の偏光成分Ｉ_⊥に着目すると、図２（ａ）のＳ１＝Ｓ_ＭＩＮのときに、その透過率α_⊥が最大（≒１）となり、図２（ｂ）のＳ１＝Ｓ_ＭＡＸのときに、その透過率α_⊥が最小（≒０）となる。中間的な状態（Ｓ_ＭＡＸ＜Ｓ１＜Ｓ_ＭＡＸ）では、透過率α_⊥は、Ｓ１に応じた中間値をとる。同様に測定光６ａのＹ方向の偏光成分Ｉ_||に着目すると、図２（ａ）のＳ１＝Ｓ_ＭＩＮのときに、その透過率α_||が最小（≒０）となり、図２（ｂ）のＳ１＝Ｓ_ＭＡＸのときに、その透過率α_||が最大（≒１）となる。中間的な状態（Ｓ_ＭＡＸ＜Ｓ１＜Ｓ_ＭＡＸ）では、透過率α_||は、Ｓ１に応じた中間値をとる。

　任意の駆動信号Ｓ１の値について、偏光選択素子３０は、液晶パネル３４によって測定光６ａの偏光方向が駆動信号Ｓ１に応じて回転角θだけ回転されるときに、回転後の偏光方向がＸ方向と一致する光を通過させるものと把握できる。

　以上が偏光選択素子３０の構成例である。続いて図１の偏光分析装置１の動作を説明する。

　図３（ａ）～（ｃ）は、偏光分析装置１の動作波形図である。図３（ａ）～（ｃ）には、偏光選択素子３０の１画素と、それに対応するイメージセンサ２０の１画素の動作が示される。

　図３（ａ）に示すように、駆動信号Ｓ１としては、周期Ｔ_１の正弦波が与えられる。その結果、偏光選択素子３０の偏光成分Ｉ_||に対する透過率α_||は、駆動信号Ｓ１と同相で変化し、偏光選択素子３０の偏光成分Ｉ_⊥に対する透過率α_⊥は、駆動信号Ｓ１と逆相で変化する。

　図３（ｂ）では、試料２からの測定光６ａとして、Ｉ_||＞I_⊥の蛍光が定常的に得られている場合を示している。駆動信号Ｓ１が最大値Ｓ_ＭＡＸであるときのイメージセンサ２０への入射光６ｂは、偏光成分Ｉ_||に相当し、駆動信号Ｓ１が最大値Ｓ_ＭＩＮであるときのイメージセンサ２０への入射光６ｂは、偏光成分Ｉ_⊥を示している。

　図３（ｃ）に示すように、イメージセンサ２０は、偏光選択素子３０と言い換えれば駆動信号Ｓ１と同期している。測定制御部４０は、駆動信号Ｓ１の第１周期Ｔ_１を４分割した第２周期Ｔ_２をイメージセンサ２０の露光時間として、露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿４それぞれにおいて得られる入射光６ｂの受光量（輝度）を示す輝度データＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４を出力する。

　以上が偏光分析装置１の動作である。輝度データＩ_１～Ｉ_４は、たとえば蛍光偏光度Ｐの算出に利用することができる。

　イメージセンサ２０と偏光選択素子３０の対応する画素の位相関係を高精度に制御可能な場合、駆動信号Ｓ１の最小値Ｓ_ＭＩＮに対応する露光時間Ｔ_２＿１に得られる輝度データＩ_１をＩ_⊥として、駆動信号Ｓ１の最大値Ｓ_ＭＡＸに対応する露光時間Ｔ_２＿３に得られる輝度データＩ_３をＩ_||として取得することができる。この場合には、蛍光偏光度Ｐを、式（１）から求めることができる。
　Ｐ＝(Ｉ_||－I_⊥)/(Ｉ_||＋I_⊥)＝（Ｉ_３－Ｉ_１）／（Ｉ_３＋Ｉ_１）　　…（１）

　しかしながら、イメージセンサ２０および偏光選択素子３０の全画素について、駆動信号Ｓ１の位相と露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿４の位相関係を一定に保つことは困難である。つまり、ある画素においては、露光時間Ｔ_２＿１が駆動信号Ｓ１の最小値Ｓ_ＭＩＮに対応するかもしれないが、別の画素においては、別の露光時間Ｔ_２＿２、Ｔ_２＿３、Ｔ_２＿４が、最小値Ｓ_ＭＩＮに対応するかもしれない。この場合、式（１）を用いても、偏光度Ｐを得ることはできない。

　このような問題に対処するために、測定制御部４０は、以下の信号処理を行ってもよい。
　図３（ｂ）に示すように、Ｉ_||－I_⊥は、測定光６ｂのＡＣ振幅（ＡＣ値という）に対応し、（Ｉ_||＋I_⊥）／２は、測定光６ｂのＤＣ成分（ＤＣ値という）に対応する。
　Ｉ_||－I_⊥＝ＡＣ
　（Ｉ_||＋I_⊥）＝ＤＣ×２

　したがって、測定光６ｂのＡＣ値、ＤＣ値を得ることができれば、偏光度Ｐは、以下の式（２）から求めることができる。
　Ｐ＝（Ｉ_||－I_⊥）／（Ｉ_||＋I_⊥）＝ＡＣ／（ＤＣ×２）　　　…（２）

　４つの輝度データＩ_１～Ｉ_４と、ＡＣ値、ＤＣ値には、以下の対応が成り立つ。
　ＤＣ値に関しては、輝度データＩ_１～Ｉ_４の平均値をとればよく、したがって、式（３）から求めることができる。
　ＤＣ＝（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）／４　　　…（３）

　一方、ＡＣ値に関しては、式（４）から求めることができる。
　ＡＣ＝√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝　　　…（４）
　これは、Ｉ_１とＩ_３から得られる振幅と、Ｉ_２とＩ_４から得られる振幅の、ＲＭＳ（Root Mean Square）に相当する。

　当業者によれば、式（３）から得られるＤＣ値は、４つの露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿４と、駆動信号Ｓ１の位相関係に依存しないことが理解される。また詳しい証明は省略するが、駆動信号Ｓ１が正弦波である場合には、式（４）から得られるＡＣ値は、４つの露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿４と、駆動信号Ｓ１の位相関係に依存しない。

　したがって、測定制御部４０は、式（５）を演算することにより偏光度Ｐを測定することができる。
　Ｐ＝（Ｉ_||－I_⊥）／（Ｉ_||＋I_⊥）＝ＡＣ／（ＤＣ×２）
　　＝√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝／｛（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）／４×２｝
　　＝２×√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝／（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）　…（５）

　また測定光６ａのうち、Ｙ方向の偏光成分Ｉ_||は、輝度データＩ_１～Ｉ_４を用いて、式（６）から求めることができる。
　Ｉ_||＝（ＡＣ＋ＤＣ×２）／２
　＝［√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝＋｛（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）／２｝］／２
　　　　　…（６）

　また測定光６ａのうち、Ｘ方向の偏光成分Ｉ_⊥は、輝度データＩ_１～Ｉ_４を用いて、式（７）から求めることができる。
　Ｉ_⊥＝（ＤＣ×２－ＡＣ）／２
　＝［｛（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）／２｝－√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝］／２
　　　　　…（７）

　このように、実施の形態に係る偏光分析装置１によれば、１次元あるいは２次元にわたるすべての画素について、測定光６ａのＸ方向の偏光成分Ｉ_⊥、測定光６ａのＹ方向の偏光成分Ｉ_||を別々に測定することなく、偏光度Ｐを同時に測定することができる。また偏光分析装置１は、測定光６ａのＸ方向の偏光成分Ｉ_⊥、測定光６ａのＹ方向の偏光成分Ｉ_||それぞれについても、すべての画素について同時に測定することができる。

　すなわち、偏光分析装置１によれば、試料２の１次元あるいは２次元の偏光度Ｐの分布、偏光成分Ｉ_⊥の分布、偏光成分Ｉ_||の分布のいずれか、あるいは任意の組み合わせを同時に測定することができる。

　続いて、偏光分析装置１の具体的な用途について説明する。
　図４は、偏光分析装置１の具体的な構成例を示す図である。
　図４の偏光分析装置１は、液体の粘度を測定する。図１の励起光源１０、イメージセンサ２０、偏光選択素子３０、測定制御部４０に加えて、光学系５０、カラーフィルタ５２、を備える。

　試料２は、蛍光色素を混入した液体でありえる。たとえば試料２は、マイクロ流路を有するガラス管などのキャピラリーチューブ内に収容される。蛍光色素としては、フルオレセインなどが例示される。

　励起光源１０は、試料２に溶かされた蛍光色素を励起可能な光源であり、蛍光色素としてフルオレセインを用いた場合、波長４８８ｎｍの半導体レーザを用いてもよい。励起光源１０と試料２の間には、励起光の強度を調節するためのＮＤ（Neutral Density）フィルタ５４を挿入してもよい。イメージセンサ２０は、ＣＣＤアレイである。偏光選択素子３０は、図２に示した構造を有する。カラーフィルタ５２は、励起光４がイメージセンサ２０に入射するのを防止する。

　光学系５０は、試料２を拡大／縮小し、偏光選択素子３０およびイメージセンサ２０のサイズに適合させるために設けられる。したがって試料２のサイズが偏光選択素子３０やイメージセンサ２０に比べて小さい場合、拡大光学系が採用され、試料２のサイズが偏光選択素子３０やイメージセンサ２０に比べて大きい場合、縮小光学系が採用されうる。当業者によれば、光学系５０は、試料２、イメージセンサ２０、偏光選択素子３０のサイズ、位置関係に応じて適宜設計しうることが理解され、本発明において特に限定されるものではない。図４の例では、光学系５０は、対物レンズ５０ａ、接眼レンズ５０ｄおよびその他のレンズ群５０ｂ、５０ｃを含む。

　測定制御部４０は、電源４１、コンピュータ４２、コンバータ４３、ファンクションジェネレータ４４、コンバータ４５、コンピュータ４６を含む。
　電源４１は偏光選択素子３０に電源電圧を供給する。コンピュータ４２は、偏光選択素子３０の各画素に対する駆動信号Ｓ１を生成する。コンバータ４３は、コンピュータ４２の出力信号を受け、偏光選択素子３０の各画素を制御するインタフェースである。

　ファンクションジェネレータ４４は、イメージセンサ２０の露光時間を制御するための制御信号を生成する。コンバータ４５は、ファンクションジェネレータ４４が生成した制御信号にもとづいてイメージセンサ２０の各画素の露光時間を制御するインタフェースである。コンピュータ４６は、イメージセンサ２０から第２周期Ｔ_２にて出力される画像データ、すなわち各画素ごとの輝度データＩ_１～Ｉ_４を受け、輝度データＩ_１～Ｉ_４にもとづいて、必要な情報を演算する。

　なお測定制御部４０の構成は例示に過ぎず、当業者によれば、別のデバイスを用いて同等の機能が実現しうることが理解される。たとえばコンピュータ４２やコンピュータ４６は、汎用コンピュータではなく、専用設計されたハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせを用いてもよい。またファンクションジェネレータ４４についても、専用設計された機能ＩＣ（Integrated Circuit）や、ソフトウェア制御されるマイコンを用いてもよい。

　図５（ａ）～（ｃ）は、図４の偏光分析装置１を用いて、溶媒粘度に応じた蛍光偏光度Ｐを測定した結果を示す図である。図５（ａ）は蛍光偏光度Ｐを画像化したものであり、図５（ｂ）は、蛍光偏光度Ｐの数値であり、図５（ｃ）は、蛍光偏光度と粘度（ＣＰ）の関係を示す図である。

　この測定では、駆動信号Ｓ１の周波数は３Ｈｚであり、第１周期Ｔ_１は３３３ｍｓである。駆動信号Ｓ１は、正弦波を近似した信号であり、具体的には、１周期を８個の区間に分割し、区間ごとに駆動信号Ｓ１を同じ値とした。

　ファンクションジェネレータ４４は、イメージセンサ２０からの画像データのフレームレートを１２Ｈｚに設定した。このときの第２周期Ｔ_２は、８３．２ｍｓである。

　試料２としては、４本のガラスキャピラリー（外径０．５ｍｍ、内径０．３２ｍｍ）を用意し、それぞれに、濃度が異なる水とエチレングリコール（ＥＧ）の溶液を収容した。ＥＧ比は、０，４０，８０，１００である。ＥＧ比が高い方が溶液の粘度は高くなる。

　図５（ａ）～（ｃ）から確認されるように、実施の形態に係る偏光分析装置１によれば、蛍光偏光度Ｐの２次元分布を測定することができる。

　図６（ａ）は、実施の形態に係る偏光分析装置１により測定された蛍光偏光度Ｐ（LCD-CCD system）と、従来手法（Conventional PF apparatus）により測定された、ＥＧ比と蛍光偏光度Ｐの関係を示す図である。図６（ａ）に示すように、偏光分析装置１によれば、従来手法と同等の精度で蛍光偏光度Ｐを測定することができる。なお、従来手法では、２次元画像は取得できないことに留意されたい。

　また、偏光分析装置１を用いて、クロラムフェニコール（Chloramphenicol、バクテリア由来の抗生物質）をイムノアッセイ（免疫検定法）により測定した結果を図６（ｂ）に示す。横軸は、クロラムフェニコールの濃度を対数表示したものであり、縦軸は正規化された偏光度Ｐである。図６（ｂ）には、あわせて従来の手法により測定された偏光度Ｐが示される。このように偏光分析装置１は、イムノアッセイによる抗生物質の測定にも利用できる。

　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
　実施の形態では、駆動信号Ｓ１が正弦波である場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。正弦波に代えて、矩形波、台形波などの周期波形であってもよく、さらにはこれらの波形を近似した波形、多階調に量子化（離散化）した波形であってもよい。

（第２変形例）
　図７は、偏光分析装置１の光学系の変形例を示す図である。偏光選択素子３０は、試料２とイメージセンサ２０の間の、任意の位置に配置することが可能であるが、位置選択的に偏光解析を行いたい場合には、図７に示すように結像面に配置することが望ましい。また偏光選択素子３０が十分に薄いとみなせる場合には、試料２あるいはイメージセンサ２０に近接して配置してもよい。

（第３変形例）
　実施の形態では、偏光選択素子３０を、液晶パネル３４を利用して構成する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。偏光選択素子３０は、液晶パネル３４と偏光板３６の組み合わせに代えて、それと等価な機能を有する公知の、あるいは将来利用可能なデバイスを用いることができる。また、偏光選択素子３０は透過型デバイスである必要はなく、反射型のデバイスであってもよい。

（第４変形例）
　実施の形態では、測定光として蛍光を測定する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば蛍光に代えて燐光を測定してもよい。あるいは試料が、励起光に応じて、非線形光学現象により２次高調波や３次高調波を発生する場合、それらを測定してもよい。つまり偏光分析装置１による測定対象は、試料２の状態に応じた偏光を有するさまざまな光を用いることができる。

（第５変形例）
　偏光分析装置１の用途は特に限定されるものではなく、イムノアッセイの他、以下の相互作用測定にも利用することができる。
　・糖鎖－タンパク質の相互作用
　・タンパク質間の相互作用
　・ＤＮＡ－タンパク質の相互作用
　・ペプチド－タンパク質の相互作用
　・リガンド－レセプターの相互作用

（第６変形例）
　実施の形態では、Ｎ＝４として、４つの露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿Ｎそれぞれにおけるイメージセンサの入射光を積分した値を示す輝度データＩ_１～Ｉ_４を取得し、輝度データＩ_１～Ｉ_４にもとづき、蛍光偏光度Ｐを測定したが、本発明はそれには限定されない。Ｎ≠４の場合であっても、Ｉ_１～Ｉ_Ｎにもとづいて、試料の状態を１次元的あるいは２次元的な多点情報として取得することができるという効果が得られる。たとえばＡＣ値やＤＣ値以外、あるいは蛍光偏光度Ｐ以外の情報が必要な場合には、Ｎ≠４とすることが考えられる。また後述の（ＤＣ値とＡＣ値に関する考察）に示すように、正弦波やその他の一部の波形では、Ｎ＝４とした場合に、ＡＣ値やＤＣ値、ひいては蛍光偏光度Ｐを好適に計算できるが、駆動信号として別の波形を用いた場合には、Ｎ≠４である方が、ＡＣ値やＤＣ値、ひいては蛍光偏光度Ｐを好適に計算しうる場合もある。

（第７変形例）
　実施の形態では、ＡＣ値やＤＣ値、蛍光偏光度Ｐなど、最終的に生成すべき量を計算するために必要なＮ個の輝度データＩ_１～Ｉ_Ｎを、測定により直接取得したが、本発明はそれに限定されない。たとえば、第１周期Ｔ_１を複数Ｍ個（Ｍ≧３，Ｍ≠Ｎ）の露光時間Ｔ_３＝Ｔ_１／Ｍに区分し、露光時間Ｔ_３＿１～Ｔ_３＿Ｍそれぞれにおいてイメージセンサの各画素から得られる中間データＩｍ_１～Ｉｍ_Ｍを取得し、中間データＩｍ_１～Ｉｍ_Ｍを、最終的に生成すべき量を計算するために必要なＮ個の輝度データＩ_１～Ｉ_Ｎに変換してもよい。

　たとえば、Ｍ＝８であれば、中間データＩｍ_１、Ｉｍ_２にもとづいて輝度データＩ_１を計算し、中間データＩｍ_３、Ｉｍ_４にもとづいて輝度データＩ_２を計算し、中間データＩｍ_５、Ｉｍ_６にもとづいて輝度データＩ_３を計算し、中間データＩｍ_７、Ｉｍ_８にもとづいて輝度データＩ_４を計算できる。

　そのほか、Ｍ＝３、５、６、７であっても、ＡＣ値やＤＣ値、蛍光偏光度Ｐなどを計算するために必要な輝度データＩ_１～Ｉ_４を得ることができる。

（i）Ｍ＝３
　以下に変換式の一例を示す。
　Ｉ_１＝３／４×Ｉｍ_１
　Ｉ_２＝１／４×Ｉｍ_１＋１／２×Ｉｍ_２
　Ｉ_３＝１／２×Ｉｍ_２＋１／４×Ｉｍ_３
　Ｉ_４＝３／４×Ｉｍ_３

　図８（ａ）は、Ｍ＝３のときの波形図である。左は、正弦波Ｉと露光時間Ｔ_３＿１～Ｔ_３＿３の関係、右は、位相φとＡＣ値の計算結果を示す。
　Ｉ（ωｔ）＝ＤＣ＋ＡＣ×ｓｉｎ（ωｔ＋φ）
　Ｔ_３＿１＝０～２π／３
　Ｔ_３＿２＝２π／３～４π／３
　Ｔ_３＿３＝４π／３～２π

　ＡＣ値は、露光時間Ｔ_３＿１～Ｔ_３＿３と、正弦波の位相差φに応じた値をとる。ＡＣ値は理想的には２であるが、上記変換式から得られる輝度データＩ_１～Ｉ_４にもとづいて計算されるＡＣ値は、１．４２±０．１０となる。これはＭ＝Ｎ＝４として輝度データＩ_１～Ｉ_４を直接取得する場合に比べて、７０％まで感度が低下し、７％の相対誤差が生ずることを意味する。感度低下を許容すれば、φをランダムにとって複数回演算すれば、十分小さい誤差となる。

（ii）Ｍ＝５
　以下に変換式の一例を示す。
　Ｉ_１＝Ｉｍ_１＋１／４×Ｉｍ_２
　Ｉ_２＝３／４×Ｉｍ_２＋１／２×Ｉｍ_３
　Ｉ_３＝１／２×Ｉｍ_３＋３／４×Ｉｍ_４
　Ｉ_４＝１／４×Ｉｍ_４＋Ｉｍ_５

　図８（ｂ）は、Ｍ＝５のときの波形図である。理想的に２であるＡＣ値は、１．７６±０．０３となり、８５％まで感度が低下し、１％の相対誤差が生ずる。感度低下を許容すれば、φをランダムにとって複数回演算すれば、十分小さい誤差となる。

（iii）Ｍ＝６
　以下に変換式の一例を示す。
　Ｉ_１＝Ｉｍ_１＋１／２×Ｉｍ_２
　Ｉ_２＝１／２×Ｉｍ_２＋Ｉｍ_３
　Ｉ_３＝Ｉｍ_４＋１／２×Ｉｍ_５
　Ｉ_４＝１／２×Ｉｍ_５＋Ｉｍ_６
　図８（ｃ）は、Ｍ＝６のときの波形図である。理想的に２であるＡＣ値は、１．８９±０．１０となり、９４％まで感度が低下し、５％の相対誤差が生ずる。感度低下を許容すれば、φをランダムにとって複数回演算すれば、十分小さい誤差となる。

（iv）Ｍ＝７
　以下に変換式の一例を示す。
　Ｉ_１＝Ｉｍ_１＋３／４×Ｉｍ_２
　Ｉ_２＝１／４×Ｉｍ_２＋Ｉｍ_３＋１／２×Ｉｍ_４
　Ｉ_３＝１／２×Ｉｍ_４＋Ｉｍ_５＋１／４×Ｉｍ_６
　Ｉ_４＝３／４×Ｉｍ_６＋Ｉｍ_７
　図８（ｄ）は、Ｍ＝７のときの波形図である。理想的に２であるＡＣ値は、１．８７±０．１０となり、９３％まで感度が低下し、１％の相対誤差が生ずる。感度低下を許容すれば、φをランダムにとって複数回演算すれば、十分小さい誤差となる。

　当業者によれば、それ以外のＭについても、同様の結果が得られることが理解される。また、Ｍ＝３，５，６，７に関する変換式は、例示したそれらには限定されず、以下のように一般化することができる。
　Ｉ_１＝Σ_{ｉ＝１～Ｍ}（Ｋ_１ｉ×Ｉｍ_ｉ）
　Ｉ_２＝Σ_{ｉ＝１～Ｍ}（Ｋ_２ｉ×Ｉｍ_ｉ）
　Ｉ_３＝Σ_{ｉ＝１～Ｍ}（Ｋ_３ｉ×Ｉｍ_ｉ）
　Ｉ_４＝Σ_{ｉ＝１～Ｍ}（Ｋ_４ｉ×Ｉｍ_ｉ）
　Σ_{ｊ＝１～４}Ｋ_ｊｉ＝１　（ｉ＝１，２，・・・Ｍ）
　係数Ｋ_ｊｉを最適化することで、上の例よりも正確な測定が可能となる場合もある。

　Ｎ≠４の場合に一般化すれば、以下の式を得る。
　Ｉ_ｊ＝Σ_{ｉ＝１～Ｍ}（Ｋ_ｊｉ×Ｉｍ_ｉ）　　（ｊ＝１，２，…Ｎ）
　Σ_{ｊ＝１～Ｎ}Ｋ_ｊｉ＝Ｃ　（ｉ＝１，２，…Ｍ）
　ただしＣは任意の定数であり、上の例ではＣ＝１の場合を説明した。

（ＤＣ値とＡＣ値に関する考察）
　式（Ａ）で与えられる波形を考える。
　Ｉ（ωｔ）＝ＤＣ＋ＡＣ×ｓｉｎ（ωｔ＋φ）　　　…（Ａ）
　ωは角周波数、ｔは時間、φは任意の位相である。
　１周期（０≦ωｔ≦２π）を４つの区間に分割し、それぞれの区間について積分すると以下の式を得る。
　Ｉ_１＝∫_{０～π／２}Ｉ（ωｔ）ｄｔ
　Ｉ_２＝∫_{π／２～π}Ｉ（ωｔ）ｄｔ
　Ｉ_３＝∫_{π～３π／２}Ｉ（ωｔ）ｄｔ
　Ｉ_４＝∫_{３π／２～２π}Ｉ（ωｔ）ｄｔ

　数学的に、ＤＣ値およびＡＣ値は、以下の式で与えられる。
　ＤＣ＝（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）／４×２／π　　　…（Ｂ）
　ＡＣ＝√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝／（２√２）…（Ｃ）

　図９（ａ）～（ｄ）は、異なる波形Ｉ（ωｔ）における、位相φと式（Ｃ）で与えられるＡＣ値の関係を示す図である。図９（ａ）は、ＤＣ＝１０，ＡＣ＝２の正弦波の場合である。式（Ｃ）のＡＣ値はφに依存しない。このことは、イメージセンサ２０による露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿４と、駆動信号Ｓ１の位相差に関わらず、式（３）、（４）が成り立つことの数学的根拠となる。

　図９（ｂ）は、Ｉ（ω）が矩形波の場合である。
　Ｉ（ωｔ－φ）＝８　（０＜ωｔ＜π）
　Ｉ（ωｔ－φ）＝１２　（π＜ωｔ＜２π）
　矩形波の場合、式（Ｃ）で計算されるＡＣ値は、φに応じて２．２３～３．１１までの値をとり、最大１１．７％の系統誤差を生ずる。ここでは１回の測定について系統誤差とよぶ。φをランダムにとって複数回演算し、平均値をとることで、精度を高めることができる。駆動信号Ｓ１を矩形波とする場合、正弦波に比べて精度は低下するが、偏光分析装置１の制御を簡素化できるという利点がある。

　図９（ｃ）は、Ｉ（ωｔ）がのこぎり波の近似波形の場合である。
　Ｉ（ωｔ）＝ＤＣ＋ＡＣ×［ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＋１／２・ｓｉｎ２（ωｔ＋φ）
　　＋１／３ｓｉｎ３（ωｔ＋φ）］
　つまりＩ（ωｔ）は、のこぎり波をフーリエ級数展開し、ω、２ω、３ωまでとり、第４項以下を切り捨てた波形である。この場合、ＡＣ値はφに応じて１．７８～２．２２までの値をとり、最大７．８％の系統誤差を生ずる。φをランダムにとって複数回の平均値を演算すれば、偶然誤差として扱うことができる。

　図９（ｄ）は三角波の近似波形の場合である。
　Ｉ（ωｔ）＝ＤＣ＋ＡＣ×Ｘ
　Ｘ＝ｓｉｎ（ωｔ＋φ）－１／９・ｓｉｎ３（ωｔ＋φ）＋
　　＋１／２５・ｓｉｎ５（ωｔ＋φ）－１／８１・ｓｉｎ９（ωｔ＋φ）
　この場合、ＡＣ値はφに応じて１．９４～２．０５までの値をとり、最大２．１％の系統誤差を生ずる。φをランダムにとって複数回の平均値を演算すれば、偶然誤差として扱うことができる。

　このように、駆動信号Ｓ１の波形として、正弦波以外の波形が採用しうることが数学的に証明される。

　実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１…偏光分析装置、２…試料、４…励起光、６…測定光、１０…励起光源、２０…イメージセンサ、２２…画素、３０…偏光選択素子、３２…画素、３４…液晶パネル、３５…画素、３６…偏光板、４０…測定制御部、４１…電源、４２…コンピュータ、４３…コンバータ、４４…ファンクションジェネレータ、４５…コンバータ、４６…コンピュータ、５０…光学系、５２…カラーフィルタ、５４…ＮＤフィルタ、Ｓ１…駆動信号。

　本発明は、偏光分析装置に利用できる。

Claims

　測定対象の試料に励起光を照射する励起光源と、
　前記励起光に応答して前記試料から発せられる測定光を受ける１次元または２次元に配列された複数の画素を含むイメージセンサと、
　前記試料と前記イメージセンサの間に挿入され、１次元または２次元に配列された複数の画素を含み、各画素は、前記測定光の対応する部分を受け、当該画素に印加される駆動信号に応じた偏光方向を有する前記測定光を選択し、前記イメージセンサに供給するように構成された偏光選択素子と、
　前記偏光選択素子の各画素に、第１周期Ｔ_１を有する周期的な前記駆動信号を与えるとともに、前記第１周期Ｔ_１を複数Ｎ個（Ｎは整数）の露光時間Ｔ_２＝Ｔ_１／Ｎに区分したときに露光時間Ｔ_２＿１～Ｔ_２＿Ｎそれぞれにおいて前記イメージセンサの各画素から得られるデータＩ_１～Ｉ_Ｎを取得する測定制御部と、
　を備えることを特徴とする偏光分析装置。
　前記Ｎ＝４であり、データＩ_１～Ｉ_４が取得されることを特徴とする請求項１に記載の偏光分析装置。
　前記測定制御部は、各画素ごとに、
　√｛（Ｉ_１－Ｉ_３）^２＋（Ｉ_２－Ｉ_４）^２｝／（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）
　を演算することにより、偏光度Ｐを測定することを特徴とする請求項２に記載の偏光分析装置。
　前記測定制御部は、前記第１周期Ｔ_１を複数Ｍ個（Ｍ≧３，Ｍ≠Ｎ）の露光時間Ｔ_３＝Ｔ_１／Ｍに区分し、露光時間Ｔ_３＿１～Ｔ_３＿Ｍそれぞれにおいて前記イメージセンサの各画素から得られる中間データＩｍ_１～Ｉｍ_Ｍを取得し、前記中間データＩｍ_１～Ｉｍ_Ｍを前記データＩ_１～Ｉ_Ｎに変換することを特徴とすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の偏光分析装置。
　前記偏光選択素子は、
　液晶パネルと、
　偏光板と、
　を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の偏光分析装置。
　前記駆動信号は、正弦波、矩形波、のこぎり波、台形波のいずれかであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の偏光分析装置。