(57)【要約】【課題】  検出感度の向上を図れる光学センサを提供すること。【解決手段】  実施形態の光学センサ１は、第１の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタ１１を含む。バンドパスフィルタ１１において、前記第１の波長帯域は第１の波長を含み、前記第１の波長帯域における光の透過率分布は前記第１の波長において第１の極大値を有する。光学センサ１は、第２の波長帯域の光の透過を阻止するノッチフィルタ１２をさらに含む。ノッチフィルタ１２において、前記第２の波長帯域は前記第１の波長よりも短い第２の波長を含み、前記第２の波長帯域における光の透過率分布は前記第２の波長において第１の極小値を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタであって、前記第１の波長帯域は第１の波長を含み、前記第１の波長帯域における光の透過率分布は前記第１の波長において第１の極大値を有するバンドパスフィルタと、
第２の波長帯域の光の透過を阻止するノッチフィルタであって、前記第２の波長帯域は前記第１の波長よりも短い第２の波長を含み、前記第２の波長帯域における光の透過率分布は前記第２の波長において第１の極小値を有するノッチフィルタと
を具備する光学センサ。
【請求項２】
前記第１の波長帯域は前記第２の波長帯域よりも狭く、かつ、前記第１の波長帯域は前記第２の波長帯域内に含まれる請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記バンドパスフィルタは、第３の波長帯域の光を透過し、前記第３の波長帯域は第３の波長を含み、前記第３の波長帯域における光の透過率分布は前記第３の波長において第２の極大値を有し、
前記ノッチフィルタは、第４の波長帯域の光の透過を阻止し、前記第４の波長帯域は第４の波長を含み、前記第４の波長帯域における光の透過率分布は前記第４の波長において第２の極小値を有する請求項１または２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記ノッチフィルタを透過した光の像を撮像するイメージセンサをさらに具備する請求項１ないし３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項５】
前記第１の波長帯域は蛍光色素の励起光の波長を含み、前記第２の波長帯域は前記励起光の波長を含む請求項４に記載の光学センサ。
【請求項６】
前記ノッチフィルタは、前記蛍光色素からの蛍光を透過する請求項５に記載の光学センサ。
【請求項７】
前記イメージセンサは、前記ノッチフィルタを透過した前記蛍光の像を撮像する請求項６に記載の光学センサ。
【請求項８】
第１の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタであって、前記第１の波長帯域は第１の波長を含み、前記第１の波長帯域における光の透過率分布は前記第１の波長において第１の極大値を有するバンドパスフィルタと、
第２の波長帯域の光の透過を阻止するノッチフィルタであって、前記第２の波長帯域は第２の波長を含み、前記第２の波長帯域における光の透過率分布は前記第２の波長において第１の極小値を有するノッチフィルタと、
前記ノッチフィルタを透過した光の像を撮像するイメージセンサとを具備し、
前記バンドパスフィルタと前記イメージセンサとの間の距離は、前記バンドパスフィルタの光の入射面に対して所定値以上の入射角で入射した前記第１の波長を有する光が、前記イメージセンサの外側に照射されるように設定されている光学センサ。
【請求項９】
前記バンドパスフィルタは前記イメージセンサの上方に配置されている請求項８に記載の光学センサ。
【請求項１０】
前記バンドパスフィルタは前記イメージセンサの側面から離間して配置されている請求項８に記載の光学センサ。
【請求項１１】
前記第１の波長帯域は蛍光色素の励起光の波長を含み、前記第２の波長帯域は前記励起光の波長を含む請求項８ないし１０のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項１２】
前記ノッチフィルタは、前記蛍光色素からの蛍光を透過する請求項１１に記載の光学センサ。
【請求項１３】
前記イメージセンサは前記蛍光を検出する請求項１２に記載の光学センサ。
【請求項１４】
光源をさらに具備し、前記光源からの光は前記バンドパスフィルタに入射する請求項１ないし１３のいずれかに記載の光学センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は光学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の検出対象物を検出する検出装置の一つとして、光学センサを用いたものがある。検出対象物は例えば細胞であり、当該細胞は例えば蛍光色素を用いて染色されている。蛍光染色された細胞に光（励起光）を照射すると蛍光が発生する。当該蛍光は光学センサを用いて検出する。この種の光学センサは検出感度の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１７／１６９０８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、検出感度の向上を図れる光学センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の光学センサは、第１の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタを含む。当該バンドパスフィルタにおいて、前記第１の波長帯域は第１の波長を含み、前記第１の波長帯域における光の透過率分布は前記第１の波長において第１の極大値を有する。光学センサは、第２の波長帯域の光の透過を阻止するノッチフィルタをさらに含む。当該ノッチフィルタにおいて、前記第２の波長帯域は前記第１の波長よりも短い第２の波長を含み、前記第２の波長帯域における光の透過率分布は前記第２の波長において第１の極小値を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る光学センサを模式的に図である。
【図２】図２は、バンドパスフィルタの角度依存性を説明するための図である。
【図３】図３は、バンドパスフィルタの光透過率の波長依存性と、ノッチフィルタの光透過率の波長依存性との関係を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る光学センサを用いた検出装置を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、第２の実施形態に係る光学センサを説明するだめのバンドパスフィルタおよびノッチフィルタのそれぞれの光透過率の波長依存性を示す図である。
【図６】図６は、第３の実施形態に係る光学センサを模式的に示す図である。
【図７】図７は、第４の実施形態に係る光学センサを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。また、図面において、同一符号は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光学センサ１を模式的に図である。
【０００８】
本実施形態の光学センサ１は、光源１０、バンドパスフィルタ１１、ノッチフィルタ１２およびイメージセンサ２０を含む。
光源１０は、第１の蛍光色素を励起する第１の励起光を含む光Ｌ０を発生する。光源１０は、例えば、ＬＥＤ（light-emitting diode）を用いて構成される。
【０００９】
バンドパスフィルタ１１は光源１０の下方に配置されている。バンドパスフィルタ１１は光の入射面１１ｓを有する。光源１０で発生した光Ｌ０は入射面１１ｓに入射する。バンドパスフィルタ１１は第１の波長帯域（バンド幅）の光を透過する。バンドパスフィルタ１１の第１の波長帯域は、第１の励起光の波長を含む。したがって、バンドパスフィルタ１１を透過した光Ｌ１は第１の励起光を含む。
【００１０】
バンドパスフィルタ１１を透過した第１の光Ｌ１は、第１の励起光とは異なる波長の光（迷光）を含む。迷光を減らして蛍光検出の感度を改善するためには、第１の通過帯域は狭い方が好ましく、通過帯域以外の除去比が１０−８以下であることが好ましい。
【００１１】
バンドパスフィルタ１１の下方にはノッチフィルタ１２が配置されている。ノッチフィルタ１２は光の入射面１２ｓを有する。バンドパスフィルタ１１を透過した第１の光Ｌ１は入射面１２ｓに入射する。ノッチフィルタ１２の厚さは、例えば、１０μｍ以下である。
【００１２】
入射面１２ｓ上には、第１の蛍光色素により染色された検出対象物３０を含む検体液体（不図示）が供給される。入射面１２ｓ上に検体液が供給された状態で、検出対象物３０に第１の光Ｌ１中に含まれる第１の励起光が照射されると、検出対象物３０（第１の蛍光色素）から蛍光Ｌ２を発生する。
【００１３】
ノッチフィルタ１２は第２の波長帯領域（ブロッキング領域）の光の透過を阻止する。ノッチフィルタ１２の第２の波長帯領域は、第１の励起光の波長を含んでいるが、蛍光Ｌ２の波長は含んでいない。したがって、蛍光Ｌ２はノッチフィルタ１２を通過するが、第１の励起光はノッチフィルタ１２を通過しない。
【００１４】
ノッチフィルタ１２下にはイメージセンサ２０が設けられている。イメージセンサ２０はノッチフィルタ１２を通過した蛍光Ｌ２の像を撮像する。イメージセンサ２０は、例えば、ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサやＣＣＤ（Charge coupled device）イメージセンサなどのアレイセンサである。
【００１５】
なお、光源１０は光学センサ１の一部に含めなくても構わない。この場合、検出対象物３０を検出するときには、光学センサ１とは別に光源１０を用意する。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、バンドパスフィルタ１１の角度依存性を説明するための図である。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、第１の励起光Ｌledが入射面１１ｓに対して垂直に入射する場合、第１の励起光Ｌ1edはバンドパスフィルタ１１を通過して、励起光Ｌexとなる。第１の励起光Ｌledは光源（例えばＬＥＤ）本来のブロードな発光スペクトルを有する。励起光Ｌexは第１の励起光Ｌledにバンドパスフィルタ１１の特性が掛け算された特性となり、シャープなスペクトルを有する。
【００１７】
一方、図２（ｂ）に示すように、第１の励起光Ｌ1edが入射面１１ｓに対して非垂直に入射する場合、第１の励起光Ｌ1edはバンドパスフィルタ１１を通過すると、第１の励起光Ｌ1edはその波長よりも短い波長を有する光Ｌex’に変わる（励起光の短波長化）。光Ｌex’は励起光Ｌexよりも短波長化している。なお、図２（ｂ）においては、破線は入射面１１ｓの垂線を示しており、θは入射面１１ｓに対する第１の励起光Ｌ1edの入射角を示している。バンドパスフィルタ１１は、入射角θが大きいほど光Ｌex'の波長が短くなるという角度依存性を有する。
【００１８】
光Ｌex’（迷光）はノッチフィルタ１２では十分に吸収されず、光Ｌex’の一部はイメージセンサ２０に入射する。イメージセンサ２０により取得される蛍光の像のシグナルは迷光起因のノイズに埋もれて、蛍光検出の感度は低下する。
励起光の短波長化を防止するためには、例えば、光源１０から発生した光Ｌ０を平行化するためのレンズを含む照明光学系を採用することが考えられる。しかし、照明光学系が大型化し、光学センサの小型化は困難になる。
【００１９】
そこで、本実施形態では、図３に示す特性を有するバンドパスフィルタおよびノッチフィルタを採用する。図３には、図１に示したバンドパスフィルタ１１の光透過率の波長依存性と、図１に示したノッチフィルタ１２の光透過率の波長依存性との関係が示されている。
【００２０】
本実施形態では、バンドパスフィルタ１１の第１の波長帯域における光の透過率分布は、第１の波長λ１において第１の極大値（ピーク）を有する。より詳細には、第１の波長λ１は波長帯域幅（第１の波長帯域において光透過率が半分になるところの幅）の中心波長である。ノッチフィルタ１２の第２の波長帯域における光の透過率分布は、第２の波長λ２において第１の極小値を有する。より詳細には、第２の波長λ２は波長帯域幅（第２の波長帯域において光透過率が半分になるところの幅）の中心波長である。第２の波長λ２は第１の波長λ１よりも短い。言い換えれば、短波長化が生じた第１の励起光の波長が第２の波長λ２に一致するように、第１の波長λ１は設定される。したがって、ノッチフィルタ１２は短波長化が生じた第１の励起光を十分に吸収でき、蛍光検出の感度の向上を図れる。なお、第１の波長λ１は、例えば、想定される入射角θに基づいて決定される。
【００２１】
図４は、本実施形態に係る光学センサを用いた検出装置を模式的に示す断面図である。
図４において、４１は流路構造体４１を示しており、この流路構造体４１は励起光を透過する材料を用いて構成される。流路構造体４１は、ノッチフィルタ１２上に洗浄液および検体液を供給するための供給流路４２と、ノッチフィルタ１２上の液体（洗浄液、検体液）を回収するための回収流路４３とを含んでいる。検体液は、蛍光色素により染色された検出対象物（不図示）を含んでいる。検出対象物は、例えば、ウイルスや細菌等の病原体である。さらに、検出対象物は、病原体を構成するもの、例えば、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）、タンパク質または細胞でも構わない。
【００２２】
（第２の実施形態）
本実施形態では、互いに波長が異なる２種類の蛍光の検出感度の向上を図れる光学センサについて説明する。
図５は、第２の実施形態に係る光学センサを説明するだめのバンドパスフィルタおよびノッチフィルタのそれぞれの光透過率の波長依存性を示す図である。
【００２３】
本実施形態のバンドパスフィルタは、例えば、低屈折率のシリコン酸化膜と高誘電率のチタン酸化膜とを含む誘電体多層膜である。当該バンドパスフィルタは、第１の波長帯域の光、および、第３の波長帯域の光を透過する。第１の波長帯域は第１の波長λ１を含み、第３の波長帯域は第３の波長λ３を含む。第３の波長λ３は波長帯域幅（第３の波長帯域において光透過率が半分になるところの幅）の中心波長である。第１の波長帯域における光の透過率分布は第１の波長λ１において第１の極大値（ピーク）を有する。第３の波長帯域における光の透過率分布は第３の波長λ３において第２の極大値（ピーク）を有する。
【００２４】
本実施形態のノッチフィルタは、例えば、ポリフィリン金属錯体等の吸収色素が、アクリル系樹脂やシリコーン樹脂等のバインダー樹脂に溶解した有機膜である。ノッチフィルタ使用される各材料（吸収色素、バインダー樹脂等）は、自家蛍光が小さいことが好ましい。当該ノッチフィルタは、第２の波長帯域の光の透過、および、第４の波長帯域の光の透過を阻止する。第２の波長帯域は第２の波長λ２を含み、第４の波長帯域は第４の波長λ４を含む。第４の波長λ４は波長帯域幅（第４の波長帯域において光透過率が半分になるところの幅）の中心波長である。第２の波長帯域における光の透過率分布は第２の波長λ２において第１の極小値を有する。第４の波長帯域における光の透過率分布は第４の波長λ４において第２の極小値を有する。
【００２５】
波長化が生じた第１の励起光の波長が、ノッチフィルタの第２の波長λ２に一致するように、バンドパスフィルタの第１の波長λ１は高めに設定される。また、短波長化が生じた第２の励起光の波長が、ノッチフィルタの第４の波長λ４に一致するように、バンドパスフィルタの第３の波長λ３は高めに設定される。
【００２６】
したがって、本実施形態によれば、ノッチフィルタは短波長化が生じた第１の励起光および短波長化が生じた第２の励起光を十分に吸収でき、互いに波長が異なる２種類の蛍光の検出感度の向上を図れる。
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る光学センサ１を模式的に示す図である。
【００２７】
光源１０は、励起光Ｌexを含む光を発生する。バンドパスフィルタ１１の入射面１１ｓに対して非垂直に励起光Ｌexが入射すると、バンドパスフィルタ１１を通過した励起光Ｌexは、励起光Ｌexよりも短い波長を有する光Ｌex’となる。光Ｌex’は蛍光検出の感度を低下させる。
【００２８】
そこで、本実施形態では、バンドパスフィルタ１１とイメージセンサ２０との間の距離Ｄ１を一定値以上にすることにより、光Ｌex’がイメージセンサ２０に入射することを抑制する。
例えば、イメージセンサ２０のチップサイズが５ｍｍ□の場合、Ｄ１≧２８ｍｍであれば、θ≧５（所定値）の光Ｌex’がイメージセンサ２０に直接的に入射することを抑制できる。この場合において、θ＜５の光Ｌex’の影響を軽減するには、例えば、第１の実施形態で説明した光透過率の波長依存性を有するバンドパスフィルタ１１およびノッチフィルタ１２を採用する。
【００２９】
本実施形態の光学センサを用いた検出装置は、図４の検出装置において、バンドパスフィルタ１１とイメージセンサ２０との間の距離Ｄ１を一定値以上にすることにより実施できる。
（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る光学センサ１を模式的に示すである。
【００３０】
本実施形態では、イメージセンサ２０の側面側に光源１０およびバンドパスフィルタ１１を配置し、そして、イメージセンサ２０の側面からバンドパスフィルタ１１までの距離Ｄ１’を一定値以上にすることにより、光Ｌex’がイメージセンサ２０に入射することを抑制する。
【００３１】
なお、イメージセンサ２０の側面に光Ｌex’に対しての遮光膜（不図示）を設けても構わない。遮光膜の材料は、例えば、ＡｌやＴｉである。
イメージセンサ２０の上面上にはノッチフィルタ１２が配置され、ノッチフィルタ１２の上方には拡散板５０が配置されている。バンドパスフィルタ１１を通過した第１の光Ｌ１は拡散板５０により拡散され、当該拡散された第１の光Ｌ１はノッチフィルタ１２の入射面１２ｓに入射する。
【００３２】
本実施形態の光学センサを用いた検出装置は、図４の検出装置において、イメージセンサ２０の側面側に光源１０およびバンドパスフィルタ１１を配置し、イメージセンサ２０の側面からバンドパスフィルタ１１までの距離Ｄ１’を一定値以上にし、そして、拡散板５０を追加することにより実施できる。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３４】
上述した実施形態の上位概念、中位概念および下位概念の一部または全て、および、上述していないその他の実施形態は、例えば、以下の付記１−１７、および、付記１−７の任意の組合せ（明らかに矛盾する組合せは除く）で表現できる。
［付記１］
第１の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタであって、前記第１の波長帯域は第１の波長を含み、前記第１の波長帯域における光の透過率分布は、前記第１の波長において第１の極大値を有するバンドパスフィルタと、
第２の波長帯域の光の透過を阻止するノッチフィルタであって、前記第２の波長帯域は前記第１の波長よりも短い第２の波長を含み、前記第２の波長帯域における光の透過率分布は、前記第２の波長において第１の極小値を有するノッチフィルタと
を具備する光学センサ。
［付記２］
前記第１の波長帯域は前記第２の波長帯域よりも狭く、かつ、前記第１の波長帯域は前記第２の波長帯域内に含まれる付記１に記載の光学センサ。
［付記３］
前記バンドパスフィルタは、第３の波長帯域の光を透過し、前記第３の波長帯域は第３の波長を含み、前記第３の波長帯域における光の透過率分布は前記第３の波長において第２の極大値を有し、
前記ノッチフィルタは、第４の波長帯域の光の透過を阻止し、前記第４の波長帯域は第４の波長を含み、前記第４の波長帯域における光の透過率分布は前記第４の波長において第２の極小値を有する付記１または２に記載の光学センサ。
［付記４］
前記ノッチフィルタを透過した光の像を撮像するイメージセンサをさらに具備する付記１ないし３のいずれかに記載の光学センサ。
［付記５］
前記第１の波長帯域は蛍光色素の励起光の波長を含み、前記第２の波長帯域は前記励起光の波長を含む付記４に記載の光学センサ。
［付記６］
前記ノッチフィルタは、前記蛍光色素からの蛍光を透過する付記５に記載の光学センサ。
［付記７］
前記イメージセンサは、前記ノッチフィルタを透過した前記蛍光の像を撮像する付記６に記載の光学センサ。
［付記８］
第１の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタであって、前記第１の波長帯域は第１の波長を含み、前記第１の波長帯域における光の透過率分布は、前記第１の波長において第１の極大値を有するバンドパスフィルタと、
第２の波長帯域の光の透過を阻止するノッチフィルタであって、前記第２の波長帯域は第２の波長を含み、前記第２の波長帯域における光の透過率分布は、前記第２の波長において第１の極小値を有するノッチフィルタと、
前記ノッチフィルタを透過した光の像を撮像するイメージセンサとを具備し、
前記バンドパスフィルタと前記イメージセンサとの間の距離は、前記バンドパスフィルタの光の入射面に対して所定値以上の入射角で入射した前記第１の波長を有する光が、前記イメージセンサの外側に照射されるように設定されている光学センサ。
［付記９］
前記バンドパスフィルタは前記イメージセンサの上方に配置されている付記８に記載の光学センサ。
［付記１０］
前記バンドパスフィルタは前記イメージセンサの側面から離間して配置されている付記８に記載の光学センサ。
［付記１１］
前記第１の波長帯域は蛍光色素の励起光の波長を含み、前記第２の波長帯域は前記励起光の波長を含む付記８ないし１０のいずれかに記載の光学センサ。
［付記１２］
前記ノッチフィルタは、前記蛍光色素からの蛍光を透過する付記１１に記載の光学センサ。
［付記１３］
前記イメージセンサは前記蛍光を検出する付記１２に記載の光学センサ。
［付記１４］
光源をさらに具備し、前記光源からの光は前記バンドパスフィルタに入射する付記１ないし１３のいずれかに記載の光学センサ。
【符号の説明】
【００３５】
Ｌ０，Ｌ１…光、Ｌ２…蛍光、Ｌ1ed…励起光、Ｌex'…短波長化した励起光、１０…光源、１１…バンドパスフィルタ、１１ｓ…入射面、１２…ノッチフィルタ、１２ｓ…入射面、２０…イメージセンサ、３０…検出対象物、４１…流路構造体、４２…供給流路、４３…回収流路、４４…開口部、５０…拡散板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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