特許 7174528 偏光分析装置及び偏光分析装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-09

(45)【発行日】2022-11-17

(54)【発明の名称】偏光分析装置及び偏光分析装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 4/04 20060101AFI20221110BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20221110BHJP

【ＦＩ】

G01J4/04 Z

G01N21/64 A

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2018066892

(22)【出願日】2018-03-30

(65)【公開番号】P2019178891

(43)【公開日】2019-10-17

【審査請求日】2021-02-02

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、先端計測分析技術・機器開発プログラム「オンサイト蛍光偏光イムノアッセイ装置の開発」委託研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】303018827

【氏名又は名称】Ｔｉａｎｍａ Ｊａｐａｎ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】藤央弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】溝口 親明

【審査官】平田 佳規

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／１７４３３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１７０６８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０７－０２０８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２６５６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２１２５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－００４１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３９９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００８８８４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ ４／００ － ４／０４

Ｇ０１Ｎ ２１／２１ － ２１／２３

Ｇ０１Ｎ ２１／６２ － ２１／７４

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｆ １／１３３

Ｇ０９Ｇ ３／１８

Ｇ０９Ｇ ３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有する偏光分析装置であって、
前記制御装置は、
輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出し、
位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出し、
前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成し、
前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加し、
前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測し、
前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出し、
前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、
前記基準電圧の算出では、前記制御装置は、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度をＨ（ｐ）、第一調整パラメータをｋ、第二調整パラメータをｎとする式（１）に基づいて前記基準電圧を算出し、
前記補正基準電圧の算出では、前記制御装置は、前記位相ｐを変数とする分数関数を用いて算出された補正値を前記基準電圧に加算することによって、前記補正基準電圧を算出することを特徴とする偏光分析装置。

【数1】

【請求項2】

請求項１に記載の偏光分析装置であって、
前記制御装置は、第三調整パラメータをＫ、第四調整パラメータをａ、第五調整パラメータをｂ、第六調整パラメータをｃ、第七調整パラメータをｄとする式（２）で与えられる前記分数関数を用いて前記補正値を算出することを特徴とする偏光分析装置。

【数2】

【請求項3】

請求項２に記載の偏向分析装置であって、
前記第一調整パラメータ、前記第二調整パラメータ、前記第三調整パラメータ、前記第四調整パラメータ、前記第五調整パラメータ、前記第六調整パラメータ、及び前記第七調整パラメータは、液晶粘度、温度、及び駆動周波数に応じて調整可能であることを特徴とする偏向分析装置。

【請求項4】

試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有する偏光分析装置であって、
前記制御装置は、
輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出し、
位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出し、
前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成し、
前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加し、
前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測し、
前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出し、
前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、また、前記位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる矩形波の部分の始端から終端に向けて前記補正量が小さくなり、
前記補正基準電圧の算出では、前記制御装置は、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記補正基準電圧をＶ’、第八調整パラメータをＧとする式（３）に基づいて前記補正基準電圧を算出し、
前記第八調整パラメータは式（４）を満たすことを特徴とする偏光分析装置。

【数3】

【数4】

【請求項5】

請求項４に記載の偏向分析装置であって、
前記第八調整パラメータは、液晶粘度、温度、及び駆動周波数に応じて調整可能であることを特徴とする偏向分析装置。

【請求項6】

試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有する偏光分析装置であって、
前記制御装置は、
輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出し、
位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出し、
前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成し、
前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加し、
前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測し、
前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出し、
前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、また、前記位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる矩形波の部分の始端から終端に向けて前記補正量が小さくなり、
前記補正基準電圧の算出では、前記制御装置は、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記補正基準電圧をＶ’、第九調整パラメータをｑとする式（５）に基づいて前記補正基準電圧を算出し、
前記第九調整パラメータは式（６）を満たすことを特徴とする偏光分析装置。

【数5】

【数6】

【請求項7】

請求項６に記載の偏光分析装置であって、
前記第九調整パラメータは式（７）を満たすことを特徴とする偏光分析装置。

【数7】

【請求項8】

請求項７に記載の偏向分析装置であって、
前記第九調整パラメータは、液晶粘度、温度、及び駆動周波数に応じて調整可能であることを特徴とする偏向分析装置。

【請求項9】

試料から発せられた偏光を分析する偏光分析装置の制御方法であって、
前記偏光分析装置は、
前記試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有し、
前記偏光分析装置の制御方法は、
前記制御装置が、輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出する第１のステップと、
前記制御装置が、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出する第２のステップと、
前記制御装置が、前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成する第３のステップと、
前記制御装置が、前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加する第４のステップと、
前記制御装置が、前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測する第５のステップと、
前記制御装置が、前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出する第６のステップと、を含み、
前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、
前記第１のステップでは、前記制御装置が、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度をＨ（ｐ）、第一調整パラメータをｋ、第二調整パラメータをｎとする式（８）に基づいて前記基準電圧を算出し、
前記第２のステップでは、前記制御装置が、前記位相ｐを変数とする分数関数を用いて算出された補正値を前記基準電圧に加算することによって、前記補正基準電圧を算出することを特徴とする偏光分析装置の制御方法。

【数8】

【請求項10】

請求項９に記載の偏光分析装置の制御方法であって、
前記第２のステップでは、前記制御装置が、第三調整パラメータをＫ、第四調整パラメータをａ、第五調整パラメータをｂ、第六調整パラメータをｃ、第七調整パラメータをｄとする式（９）で与えられる前記分数関数を用いて前記補正値を算出することを特徴とする偏光分析装置の制御方法。

【数9】

【請求項11】

請求項１０に記載の偏向分析装置の制御方法であって、
前記第一調整パラメータ、前記第二調整パラメータ、前記第三調整パラメータ、前記第四調整パラメータ、前記第五調整パラメータ、前記第六調整パラメータ、及び前記第七調整パラメータは、液晶粘度、温度、及び駆動周波数に応じて調整可能であることを特徴とする偏向分析装置の制御方法。

【請求項12】

試料から発せられた偏光を分析する偏光分析装置の制御方法であって、
前記偏光分析装置は、
前記試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有し、
前記偏光分析装置の制御方法は、
前記制御装置が、輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出する第１のステップと、
前記制御装置が、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出する第２のステップと、
前記制御装置が、前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成する第３のステップと、
前記制御装置が、前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加する第４のステップと、
前記制御装置が、前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測する第５のステップと、
前記制御装置が、前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出する第６のステップと、を含み、
前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、また、前記位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる矩形波の部分の始端から終端に向けて前記補正量が小さくなり、
前記第２のステップでは、前記制御装置が、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記補正基準電圧をＶ’、第八調整パラメータをＧとする式（１０）に基づいて前記補正基準電圧を算出し、
前記第八調整パラメータは式（１１）を満たすことを特徴とする偏光分析装置の制御方法。

【数10】

【数11】

【請求項13】

請求項１２に記載の偏向分析装置の制御方法であって、
前記第八調整パラメータは、液晶粘度、温度、及び駆動周波数に応じて調整可能であることを特徴とする偏向分析装置の制御方法。

【請求項14】

試料から発せられた偏光を分析する偏光分析装置の制御方法であって、
前記偏光分析装置は、
前記試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有し、
前記偏光分析装置の制御方法は、
前記制御装置が、輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出する第１のステップと、
前記制御装置が、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出する第２のステップと、
前記制御装置が、前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成する第３のステップと、
前記制御装置が、前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加する第４のステップと、
前記制御装置が、前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測する第５のステップと、
前記制御装置が、前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出する第６のステップと、を含み、
前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、また、前記位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる矩形波の部分の始端から終端に向けて前記補正量が小さくなり、
前記第２のステップでは、前記制御装置が、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記補正基準電圧をＶ’、第九調整パラメータをｑとする式（１２）に基づいて前記補正基準電圧を算出し、
前記第九調整パラメータは式（１３）を満たすことを特徴とする偏光分析装置の制御方法。

【数12】

【数13】

【請求項15】

請求項１４に記載の偏光分析装置の制御方法であって、
前記第九調整パラメータは式（１４）を満たすことを特徴とする偏光分析装置の制御方法。

【数14】

【請求項16】

請求項１５に記載の偏向分析装置の制御方法であって、
前記第九調整パラメータは、液晶粘度、温度、及び駆動周波数に応じて調整可能であることを特徴とする偏向分析装置の制御方法。

【請求項17】

試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有する偏光分析装置であって、
前記制御装置は、
輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出し、
位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧を補正することによって補正基準電圧を算出し、
前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成し、
前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加し、
前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測し、
前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出することを特徴とする偏光分析装置。

【請求項18】

試料から発せられた偏光を分析する偏光分析装置の制御方法であって、
前記偏光分析装置は、
前記試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、
電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、
前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、
前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有し、
前記偏光分析装置の制御方法は、
前記制御装置が、輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出するステップと、
前記制御装置が、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧を補正することによって補正基準電圧を算出するステップと、
前記制御装置が、前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成するステップと、
前記制御装置が、前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加するステップと、
前記制御装置が、前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測するステップと、
前記制御装置が、前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出するステップと、を含むことを特徴とする偏光分析装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、蛍光偏光免疫測定法等に利用できる偏光分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

蛍光偏光免疫測定法等に利用される偏光分析装置は、まず、レーザ等の光源から試料に光を照射する。偏光分析装置は、試料から発せられた入射光（励起光）の偏光方向と平行な偏光成分Ｉ_｜｜と、入射光（励起光）の偏光方向と垂直な偏光成分Ｉ_⊥とを計測し、二つの偏光成分を用いて偏光度を算出する。偏光度に基づいて液体の粘度等を見積もることができる。

【0003】

特許文献１には多点を同時に計測できる偏光分析装置が記載されている。特許文献１の偏光分析装置は、駆動信号に基づいて電圧を印加することによって、試料から発せられた測定光の特定方向の偏光を選択する偏光選択素子を有する。また、特許文献１の偏光分析装置は、偏光選択素子によって選択された偏光を受光するイメージセンサを有する。

【0004】

駆動信号が周期Ｔ１の正弦波信号である場合、図１０に示すように、正弦波形状の輝度変化となる偏光がイメージセンサに入射される。なお、図１０に示すグラフの横軸は時間を表し、縦軸は偏光選択素子を通過する測定光の輝度の大きさを表す。イメージセンサからは、図１１に示すような輝度データＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４が出力される。なお、図１１に示すグラフの横軸は時間を表し、縦軸は露光時間に計測された輝度の積分値を表す。

【0005】

ここで、偏光選択素子の平面にＸ軸及びＹ軸を設定し、Ｘ軸に平行な方向の偏光の輝度をＩ_｜｜とし、Ｙ軸に平行な偏光の輝度をＩ_⊥とする。特許文献１には、イメージセンサ及び偏光選択素子の位相関係を高い精度で制御でき、かつ、偏光が特定の条件を満たす場合、偏光度Ｐは式（１）から算出できることが記載されている。

【0006】

【数1】

【0007】

また、特許文献１には、位相関係が制御できない状況でも、正弦波信号が駆動信号として入力された場合、偏光度Ｐは、位相関係によらずに、式（２）から算出できることが記載されている。ここで、ＡＣ値及びＤＣ値はそれぞれ式（３）及び式（４）から算出できる。

【0008】

【数2】

【0009】

【数3】

【0010】

【数4】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】国際公開第２０１５／１７４３３２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

特許文献１には、液晶パネル及び偏光板から構成される偏光選択素子を用いることが記載されている。液晶パネルに、駆動信号として正弦波信号を入力した場合、液晶パネルは印加電圧に対する輝度変化がリニアでなく、さらに正極性及び負極性の違いによって偏光の輝度変化は正弦波とならない。そのため、偏光度の算出精度が低下するという課題が生じる。

【0013】

前述の課題に対しては、電圧が正極及び負極に振動し、かつ、液晶パネルの電圧輝度特性に基づいた変調により電圧の絶対値が変化する矩形波を駆動信号とすることによって極性差を解消しつつ偏光の輝度変化を正弦波形にできる。なお、電圧の絶対値の変化周期はＴ１である。

【0014】

しかし、前述のような矩形波を駆動信号として入力した場合でも液晶パネルの応答性に起因して、偏光選択素子を通過する偏光の出力は理想的な正弦波の形状にならない可能性がある。

【0015】

本開示は、偏光度の算出精度を高めた偏光分析装置及び偏光分析装置の制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。試料に励起状態を発生させる第一光を照射する光源と、電圧が正極及び負極に振動し、第一周期で電圧の絶対値が変化する矩形波の制御情報に基づいて印加された電圧に応じて、励起状態の前記試料から発せられた第二光の特定の偏光方向の偏光を出力する偏光選択素子と、前記偏光選択素子を通過した偏光の輝度を計測するイメージセンサと、前記偏光選択素子及び前記イメージセンサを制御する制御装置と、を有する偏光分析装置であって、前記制御装置は、輝度変化が前記第一周期で振動する正弦波となる偏光を前記偏光選択素子から出力させるための前記矩形波の位相毎の基準電圧を算出し、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が大きくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧、及び、位相変化に伴って前記基準電圧の絶対値が小さくなる前記矩形波の部分の前記基準電圧の少なくともいずれかを補正することによって補正基準電圧を算出し、前記基準電圧及び前記補正基準電圧に基づいて、前記矩形波の制御情報を生成し、前記矩形波の制御情報に基づいて前記偏光選択素子に電圧を印加し、前記第一周期を四分割した時間幅の露光時間にしたがって前記イメージセンサを操作して、前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度を計測し、前記計測の結果に基づいて、前記試料の偏光度を算出し、前記補正基準電圧は、補正量が前記矩形波の位相変化に依存した階調となり、前記基準電圧の算出では、前記制御装置は、位相ｐにおける前記基準電圧をＶ、前記位相ｐにおける前記偏光選択素子から出力された偏光の輝度をＨ（ｐ）、第一調整パラメータをｋ、第二調整パラメータをｎとする式（５）に基づいて前記基準電圧を算出し、前記補正基準電圧の算出では、前記制御装置は、前記位相ｐを変数とする分数関数を用いて算出された補正値を前記基準電圧に加算することによって、前記補正基準電圧を算出する。

【数5】

【発明の効果】

【0017】

本開示によれば、偏光分析装置は、絶対値が大きくなる部分及び絶対値が小さくなる部分のいずれかの電圧を補正した矩形波に基づいて印加する電圧を制御することによって偏光度の算出精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本開示の偏光分析装置の構成例を示す図である。

【図2】本開示の偏光選択素子に補正を行っていない駆動信号を入力した場合の偏光の輝度変化を示すグラフである。

【図3】本開示の偏光選択素子に補正を行った駆動信号を入力した場合の偏光の輝度変化を示すグラフである。

【図4】本開示の矩形信号の位相及び補正値との間の関係を示す図である。

【図5】本開示の矩形信号の補正方法と補正結果との関係を示すグラフである。

【図6】本開示の偏光選択素子にＨｉｌｌ関数を用いてフィッティングした駆動信号を入力した場合の偏光の輝度変化を示すグラフである。

【図7】本開示の分数関数の特性を示すグラフである。

【図8】本開示の偏光選択素子に補正を行った駆動信号を入力した場合の偏光の出力を示すグラフである。

【図9】本開示の偏光選択素子に補正を行った駆動信号を入力した場合の偏光の出力を示すグラフである。

【図10】従来技術の偏光の輝度変化を示すグラフである。

【図11】従来技術の偏光の輝度データを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

【0020】

以下に説明する発明の構成において、同一又は類似する構成又は機能には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0021】

［第１の実施形態］
第１の実施形態では本開示の矩形信号の代表的な補正方法について説明する。

【0022】

図１は、本開示の偏光分析装置の構成例を示す図である。図２は、本開示の偏光選択素子に補正を行っていない矩形波の電圧を印加した場合の偏光の出力を示すグラフである。図２に示すグラフの左側の縦軸は電圧を表し、右側の縦軸は輝度を表し、横軸は時間を表す。

【0023】

本開示の偏光分析装置１０は、光源１１０、偏光選択素子１２０、イメージセンサ１３０、及び制御装置１４０から構成される。なお、試料１１及び偏光選択素子１２０の間に、対物レンズ等の光学系を設けてもよい。

【0024】

光源１１０は、測定対象の試料１１を励起させるための光を照射する。光源１１０は、例えば、レーザ等である。光源１１０が照射する光は、試料１１の種別及び状態に基づいて選択される。

【0025】

試料１１は、蛍光物質を含み、光源１１０から照射された光によって励起し、発光する。試料１１の発光により出射される測定光の偏光方向は、試料１１の温度及び粘度、並びに、試料１１に含まれる特定の物質の量及び種類に応じて変化する。本開示では、Ｉ_｜｜がＩ_⊥より大きい測定光が試料１１から定常的に出射されているものとする。

【0026】

偏光選択素子１２０は、駆動信号に基づいて印加された電圧にしたがって駆動し、試料１１から出射された測定光から特定の偏光方向の測定光のみを出力する。偏光選択素子１２０は、試料１１及びイメージセンサ１３０の間に設けられる。偏光選択素子１２０は、透過型の液晶パネル及び一枚の偏光板から構成される。本開示では、液晶パネルはＴＮ型の液晶パネルとする。

【0027】

なお、図１に示すように、本開示では、偏光選択素子１２０の平面にＸ軸及びＹ軸を設定し、ＸＹ平面に直交し、かつ、測定光の進行方向にＺ軸を設定している。

【0028】

イメージセンサ１３０は、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、及びフォトダイオードアレイ等の複数の受光素子を含むセンサである。イメージセンサ１３０は、予め設定された露光時間に基づいて偏光選択素子１２０から出力された測定光の輝度に関する計測を行い、計測結果を輝度データとして出力する。イメージセンサ１３０からは図１１に示すような輝度データが得られる。

【0029】

制御装置１４０は、駆動信号に基づいて偏光選択素子１２０に電圧を印加し、また、イメージセンサ１３０の露光時間を制御する。制御装置１４０は、例えば、プロセッサ及びメモリを有する計算機、駆動信号に基づいて偏光選択素子１２０に電圧を供給する電源、並びに、イメージセンサ１３０の露出時間を制御するファンクションジェネレータを含む。制御装置１４０は駆動信号及び露光時間の位相関係が一定になるように制御する。

【0030】

ここで、駆動信号及び露光時間の関係について説明する。

【0031】

制御装置１４０は、図１０に示すような輝度変化が正弦波となる測定光の出力を得るための駆動信号の制御情報を生成し、駆動信号の制御情報に基づいて偏光選択素子１２０に電圧を印加する。ここで、駆動信号は周期Ｔ１で振動する。駆動信号の周期は測定光の出力（輝度変化）の周期と同期する。制御装置１４０は、周期Ｔ１を四つに分割し、それぞれの時間Ｔ２＿１、Ｔ２＿２、Ｔ２＿３、Ｔ２＿４を、イメージセンサ１３０の露光時間として設定する。制御装置１４０は、イメージセンサ１３０から輝度データを取得し、当該輝度を式（１）又は式（２）に代入することによって偏光度を算出する。

【0032】

偏光選択素子１２０を通過する測定光の輝度変化の位相と、測定光の受光タイミング（位相）とが一定の関係を保つ場合、偏光度Ｐは式（１）を用いて算出できる。また、偏光選択素子１２０を通過する測定光の位相と、測定光の受光タイミング（位相）とが一定の関係を保っていない場合、偏光度Ｐは式（２）を用いて算出できる。

【0033】

ここで、駆動信号及び偏光選択素子１２０を通過する測定光の関係について説明する。

【0034】

信号２００に示すような、輝度変化が正弦波となる測定光の出力を得るために、図２に示すような矩形波２１０を駆動信号として用いることを考える。矩形波２１０は、電圧が正極及び負極に振動し、かつ、一定の周期で電圧の絶対値が変化する信号である。電圧の絶対値の変化の周期はＴ１である。本開示では、矩形波を矩形信号とも記載する。

【0035】

本開示では、範囲２３０に含まれる矩形信号２１０を一周期分の矩形信号２１０として扱う。このとき、範囲２３０の左端が位相「０」となり、右端が「２π」となる。また、矩形信号２１０の正極及び負極の振動周期（パルス幅）は周期Ｔ１より小さいものとする。

【0036】

液晶パネルを通過する測定光の輝度変化の形状は、電圧の変化に対する液晶パネルの応答の遅延によって信号２２０のようになる。図２に示すように、信号２００及び信号２２０との間にはズレが生じる。前述のズレは、位相の変化に伴って電圧の絶対値が大きくなる矩形信号２１０の部分で顕著になる。本開示では、位相の変化に伴って電圧の絶対値が大きくなる矩形信号２１０の部分を、矩形信号２１０の立ち上がり部分と記載し、位相の変化に伴って電圧の絶対値が小さくなる矩形信号２１０の部分を、矩形信号２１０の立ち下がり部分と記載する。

【0037】

前述のズレの発生によって、偏光度Ｐの算出精度が低下する。なぜならば、式（２）の前提条件を満たさないためである。なお、本開示では、矩形信号２１０の立ち上がり部分の位相はπから２πとなる。

【0038】

そこで、本開示の制御装置１４０は、前述のズレを解消するために、矩形信号２１０を補正し、補正された矩形信号に基づいて偏光選択素子１２０に電圧を印加する。

【0039】

次に、制御装置１４０が補正された矩形信号を算出するために実行する処理について説明する。

【0040】

（処理１）制御装置１４０は、偏光選択素子１２０として用いる液晶パネルの印加電圧と透過率の関係（ＶＴ特性）をシグモイド曲線にフィッティングして、さらに、輝度を変数とする電圧を表す逆関数を算出する。本開示では、電圧をｘ及び輝度をｙとし、また、輝度ｙを表す関数をＦ（ｘ）とし、その逆関数をＧ（ｙ）とする。

【0041】

本開示の制御装置１４０は、式（６）に示すＢｏｌｔｚｍａｎｎ関数を用いてフィッティングを行って、式（７）のような逆関数を算出する。ここで、Ａ１、Ａ２、ｘ０は調整可能なパラメータである。

【0042】

【数6】

【0043】

【数7】

【0044】

（処理２）制御装置１４０は、図１０に示す測定光の出力モデルＨ（ｐ）における位相ｐの輝度ｙを逆関数Ｇ（ｙ）に代入して、電圧ｘを算出する。本開示では、測定光の出力モデルＨ（ｐ）は式（８）で与えられる。制御装置１４０は、輝度Ｈ（ｐ）を式（７）の変数ｙに代入して、輝度Ｈ（ｐ）を実現するための矩形信号２１０の位相ｐにおける電圧を算出する。本開示では、矩形信号２１０の振幅に対応する電圧を基準電圧とも記載する。制御装置１４０は各位相について同様の処理を実行する。制御装置１４０は、算出された基準電圧及び矩形信号の振動周期から構成される情報を、駆動信号の制御情報として保持する。なお、矩形信号の振動周期は予め設定されているものとする。

【0045】

【数8】

【0046】

（処理３）制御装置１４０は、矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧を補正した第一補正基準電圧を算出する。第１の実施形態では、基準電圧に予め設定された固定値を追加した値が第一補正基準電圧として算出されるものとする。固定値は、例えば、「＋０．４Ｖ」である。

【0047】

（処理４）制御装置１４０は、第一補正基準電圧の算出結果に基づいて駆動信号の制御情報を更新する。

【0048】

制御装置１４０は、以上の処理によって生成された駆動信号の制御情報に基づいて、偏光選択素子１２０に電圧を印加する。図３は、本開示の偏光選択素子に補正を行った矩形波の電圧を印加した場合の偏光の輝度変化を示すグラフである。

【0049】

矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧が補正された矩形信号２５０にしたがって電圧が偏光選択素子１２０に印加された場合、偏光選択素子１２０を通過する測定光の輝度変化は信号２６０のようなグラフになる。図３に示すように、信号２００及び信号２６０の間のズレは、信号２００及び信号２２０の間のズレより小さくなっている。

【0050】

以上で説明したように、第１の実施形態によれば、制御装置１４０が矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧を補正した矩形信号に基づいて印加する電圧を制御することによって、偏光選択素子１２０を通過する測定光の輝度変化が理想的な正弦波となる。これによって、偏光度の算出精度を向上できる。

【0051】

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、矩形信号２１０の立ち上がり部分に対してのみ補正が行われていた。第２の実施形態では、矩形信号２１０の立ち下がり部分に対しても補正を行う。以下、第１の実施形態との差異を中心に、第２の実施形態を説明する。

【0052】

第２の実施形態の偏光分析装置１０の構成は、第１の実施形態と同一であるため省略する。

【0053】

第２の実施形態では、（処理３）において、制御装置１４０は、第一補正基準電圧とともに、矩形信号２１０の立ち下がり部分の基準電圧を補正した第二補正基準電圧を算出する。第２の実施形態では、基準電圧に予め設定された固定値を追加した値が第二補正基準電圧として算出されるものとする。固定値は、例えば、「－０．２Ｖ」である。

【0054】

第２の実施形態によれば、矩形信号２１０の立ち上がり部分及び立ち下がり部分のそれぞれに対して異なった補正を行うことによって、偏光選択素子１２０を通過する測定光の輝度変化をより理想的な正弦波に近づけることができる。

【0055】

［第３の実施形態］
第１の実施形態では、制御装置１４０は、矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧を一律に補正していた。一律に基準電圧を補正した場合、図３の範囲３００に示すようにオーバーシュートが発生する。第３の実施形態では、制御装置１４０は、オーバーシュートの発生を抑制するように、矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧を補正する。以下、第１の実施形態との差異を中心に、第３の実施形態を説明する。

【0056】

第３の実施形態の偏光分析装置１０の構成は、第１の実施形態と同一であるため省略する。

【0057】

第３の実施形態では、制御装置１４０は、補正量が矩形信号２１０の位相変化に依存した階調となる第一補正基準電圧を算出する。具体的には、制御装置１４０は、矩形信号２１０の立ち上がり部分の始端の補正量が最大となり、当該部分の終端の方向に段階的に補正量が小さくなるように基準電圧を補正する。すなわち、位相の増加（位相の変化）に伴って補正量が小さくなるように基準電圧の補正が行われる。

【0058】

図４は、本開示の矩形信号２１０の位相及び補正値との間の関係を示す図である。図５は、本開示の矩形信号の補正方法と補正結果との関係を示すグラフである。図４の縦軸は電圧を表し、横軸は位相を表す。また、図５の左側の縦軸は電圧を表し、右側の縦軸は輝度を表し、横軸は時間を表す。

【0059】

第３の実施形態では、五つの補正方法を適用した。「＋０．４補正」は、第１の実施形態で示した矩形信号２１０の補正方法である。

【0060】

「ｅｘｐＧ補正」は、式（９）に示す式に基づいて第一補正基準電圧を算出する補正方法である。Ｇは補正に使用するパラメータを表す。ここで、ｐは位相、Ｖは位相ｐにおける矩形信号２１０の基準電圧、Ｖ’は位相ｐの補正後の基準電圧（第一補正基準電圧）を表す。したがって、「ｅｘｐ０．５補正」の場合、式（９）のＧが「０．５」である式に基づいて、矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧が補正される。

【0061】

【数9】

【0062】

なお、「ｅｘｐ０．３’補正」は、「ｅｘｐ０．３補正」と同じ数式を用いた補正方法であって、０．９πの第一補正基準電圧が０．８πの第一補正基準電圧と同等となるように補正する補正方法である。

【0063】

「q乗補正」は、式（１０）に示す式に基づいて第一補正基準電圧を算出する補正方法である。ｑは補正に使用するパラメータを表す。

【0064】

【数10】

【0065】

図５に示すように、「ｅｘｐＧ補正」では、Ｇが０．３以下の場合にオーバーシュートが改善することが分かった。また、「ｑ乗補正」では、ｑが２より大きく１０より小さい範囲で検証を行った結果、特にｑが３．５の場合にオーバーシュートの改善効果が高いことが分かった。

【0066】

第３の実施形態によれば、基準電圧に対する補正量が矩形信号２１０の位相変化に依存した階調となるように矩形信号２１０の立ち上がり部分の基準電圧を補正することによって、オーバーシュートの発生を抑止できる。したがって、一律に補正を行う場合より、偏光選択素子１２０を通過する測定光の起動変化をより正弦波に近づけることができる。

【0067】

［第４の実施形態］
第４の実施形態では、フィッティングに使用する関数及び補正基準電圧（第一補正基準電圧及び第二補正基準電圧）の算出方法が第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態との差異を中心に、第４の実施形態を説明する。

【0068】

第４の実施形態の偏光分析装置１０の構成は、第１の実施形態と同一であるため省略する。

【0069】

第４の実施形態では、（処理１）で用いる関数が異なる。具体的には、本開示の制御装置１４０は、式（１１）に示すＨｉｌｌ関数を用いてフィッティングを行い、式（１２）に示すような逆関数を算出する。ここで、ｋ及びｎは調整可能なパラメータである。

【0070】

【数11】

【0071】

【数12】

【0072】

（処理２）は第１の実施形態と同一である。具体的には、制御装置１４０は、図１０に示す測定光の出力モデルＨ（ｐ）を式（１２）の変数ｙに代入して、輝度Ｈ（ｐ）を実現するための矩形信号２１０の位相ｐにおける基準電圧を算出する。

【0073】

Ｈｉｌｌ関数を用いてフィッティングを行った場合、電圧の絶対値が最大となる周辺を示す図６の範囲６００の信号２００及び信号２６１の間のズレは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ関数を用いてフィッティングしたものより小さくなる。一方、矩形信号２５１の電圧の絶対値が最小となる周辺部分には大きなズレが発生しているため、当該ズレを解消するために基準電圧に補正値を加える。

【0074】

Ｈｉｌｌ関数を用いてフィッティングを行った場合、電圧の絶対値が最大となる周辺を示す図６の範囲６００の信号２００及び信号２６１の間の対称なズレは、式１１におけるパラメータｋやｎの調節によって改善が可能である。一方、矩形信号２５１の電圧の絶対値が最小となる周辺部分には非対称な大きなズレが発生しているため、当該ズレを解消するために基準電圧に補正値を加える。

【0075】

（処理３）では、制御装置１４０は、位相ｐを変数とする分数関数を用いて、矩形信号２５１の立ち上がり部分及び立ち下がり部分の基準電圧に追加する補正値を算出する。第４の実施形態では、式（１３）に示すような分数関数を用いて基準電圧に追加する補正値が算出される。ここで、Ｋ、ａ、ｂ、ｃ、ｄは調整可能なパラメータである。

【0076】

【数13】

【0077】

図７に分数関数の一例を示す。縦軸は補正値を表し、横軸は変数ｙの値を表す。図７に示すように、補正値はｙ＝０の近傍で急激に変化し、また、横軸の無限遠では０に収束するという特性を有する。

【0078】

パラメータの値としては、ａ、ｃ、ｄを「１」、ｂを「１０」、Ｋを「５」にすることが考えられる。

【0079】

矩形信号２５１の立ち上がり部分でのズレを解消するためには、印加する電圧が素早く上昇するように補正すればよく、矩形信号２５１の立ち下がり部分でのズレを解消するためには、印加する電圧が素早く下降するように補正すればよい。そこで、制御装置１４０は、図７に示すような特性を有する分数関数から算出された補正値を基準電圧に加えることによって補正基準電圧を算出する。

【0080】

本開示では、式（１３）の変数ｙには位相ｐを代入する。なお、変数ｙには位相ｐに任意の位相θを加えた値が代入されてもよい。θは調整可能なパラメータである。

【0081】

図８は、本開示の偏光選択素子に補正を行った駆動信号を入力した場合の偏光の出力を示すグラフである。

【0082】

図８に示すように、矩形信号２５２の電圧の絶対値が最小となる部分の周辺は、分数関数の特性を示す形状となっている。図８に示すような矩形波２５２に基づいて電圧が印加された場合、信号２００及び信号２６２の間のズレは、信号２００及び信号２６１の間のズレより小さくなる。

【0083】

第４の実施形態によれば、Ｈｉｌｌ関数を用いたフィッティング及び分数関数を用いた補正によって、効率的かつ簡便に偏光選択素子１２０を通過する測定光の輝度変化が理想的な正弦波となるように制御できる。

【0084】

［第５の実施形態］
第５の実施形態では、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式の液晶パネルを用いる点が、第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態との差異を中心に、第５の実施形態を説明する。

【0085】

図９は、本開示の偏光選択素子に補正を行っていない矩形波に対応する電圧を印加した場合の偏光の出力を示すグラフである。図９に示すグラフの左側の縦軸は電圧を表し、右側の縦軸は輝度を表し、横軸は時間を表す。

【0086】

図９に示すように、ＦＦＳ方式の液晶パネルの場合もＴＮ方式の液晶パネルと同様に、偏光選択素子１２０を通過する測定光の輝度変化と理想的な正弦波との間にズレが生じる。

【0087】

そこで、制御装置１４０は、第１の実施形態でから第４の実施形態で説明した補正方法を行って、前述のズレを解消する。なお、使用する数式及びパラメータは液晶パネルの特性等に合わせて適宜変更される。

【0088】

なお、ＦＦＳ方式の液晶パネルの場合、本開示の偏光選択素子に補正を行っていない矩形波に対応する電圧を印加した場合の偏光の輝度変化はほぼ正弦波であるため、制御装置１４０は位相のズレを補正してもよい。

【0089】

第５の実施形態によれば、ＦＦＳ方式の液晶パネルでも第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態、及び第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0090】

本開示で例示した数式に含まれるパラメータは、液晶粘度、温度、駆動周波数等に応じて適宜変更することができる。

【0091】

以上、本願の実施形態を説明したが、本願が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本願の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

【符号の説明】

【0092】

１０ 偏光分析装置
１１ 試料
１１０ 光源
１２０ 偏光選択素子
１３０ イメージセンサ
１４０ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】