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(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】2023-02-17
(45)【発行日】2023-02-28
(54)【発明の名称】検出装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/3581 20140101AFI20230220BHJP
【ＦＩ】
G01N21/3581
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019058206
(22)【出願日】2019-03-26
(65)【公開番号】P2020159814
(43)【公開日】2020-10-01
【審査請求日】2021-12-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000003562
【氏名又は名称】東芝テック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】小宮 研一
(72)【発明者】
【氏名】新井 竜一
(72)【発明者】
【氏名】小川 雄一
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 哲仁
【審査官】井上 徹
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１１／０７７９４９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／１３２７６１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－１８５１１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／２０７４７１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／０１
Ｇ０１Ｎ ２１／１７－Ｇ０１Ｎ ２１／６１
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電磁波の反射又は透過について周波数特性を有しており検出対象物を保持するように構成されたセンサに、電磁波を照射するように構成された照射部と、前記照射部から放射され、前記センサで反射した反射波又は前記センサを透過した透過波の強度を検出する検出部と、
前記反射波又は前記透過波の強度に基づいて前記センサに保持された前記検出対象物の有無又は量を算出するように構成された制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出に先立って、検出対象物が保持されていない前記センサに前記電磁波を照射したときに得られる反射波又は透過波の強度が前記センサの製造誤差に由来する透過率又は反射率の周波数特性の変化を打ち消すような所定の第１の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部から放射される前記電磁波の周波数の調整を行い、
前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出において、周波数が調整された前記電磁波を用い、
前記照射部に含まれる前記電磁波を放射する光源の温度を調整することで前記周波数の調整を行う
ように構成されている、
検出装置。
【請求項2】
前記制御部は、前記周波数の調整の前に、前記センサの光量調整用の領域で反射した反射波の強度、又は、前記センサの光量調整用の領域を透過した透過波の強度が、所定の第２の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部に供給するエネルギーを調整することで、放射される前記電磁波の出力を調整するように構成されている、請求項１に記載の検出装置。
【請求項3】
前記第２の値は、前記検出装置に設けられたメモリに記憶されている、又は、前記センサ若しくは前記センサを含む構造体に設けられたメモリに記憶されている、請求項２に記載の検出装置。
【請求項4】
前記第１の値は、前記検出装置に設けられたメモリに記憶されている、又は、前記センサ若しくは前記センサを含む構造体に設けられたメモリに記憶されている、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の検出装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
周期的な空隙が配置された構造体に電磁波が照射されると、空隙の特性に由来して電磁波の反射率又は透過率について特徴的な周波数特性が生じる。このような構造体に物質が付着した場合、反射率又は透過率の周波数特性は、当該物質の存在のために変化する。検出対象物としての微小物質が添加された上記のような構造体を有するセンサに電磁波を照射し、当該電磁波の反射特性又は透過特性に基づいて添加された微小物質の有無又は量を特定する手法が知られている。上記のようなセンサの構造体のパターンは、照射する電磁波の波長に基づいて設計され、製造されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１０／１１０４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
周期的な構造を有するセンサを用いた物質の検出において、検出誤差を小さくする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本実施形態の一態様によれば、検出装置は、電磁波の反射又は透過について周波数特性を有しており検出対象物を保持するように構成されたセンサに、電磁波を照射するように構成された照射部と、前記照射部から放射され、前記センサで反射した反射波又は前記センサを透過した透過波の強度を検出する検出部と、前記反射波又は前記透過波の強度に基づいて前記センサに保持された前記検出対象物の有無又は量を算出するように構成された制御部とを備える。前記制御部は、前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出に先立って、検出対象物が保持されていない前記センサに前記電磁波を照射したときに得られる反射波又は透過波の強度が前記センサの製造誤差に由来する透過率又は反射率の周波数特性の変化を打ち消すような所定の第１の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部から放射される前記電磁波の周波数の調整を行い、前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出において、周波数が調整された前記電磁波を用い、前記照射部に含まれる前記電磁波を放射する光源の温度を調整することで前記周波数の調整を行うように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
［第１の実施形態］
第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、微量な微小物質を検出する検出装置に関する。この検出装置では、試料は、空隙が配置された構造体に固定される。当該構造体に電磁波が照射されることで、試料中に含まれる検出対象物の有無又は量等が検出される。一般に、周期的な空隙が配置された構造体に電磁波が照射されたときの当該電磁波の反射率又は透過率は、空隙の特性に由来する周波数特性を有する。この構造体に検出対象物が付着したとき、この電磁波の反射率又は透過率の周波数特性は変化する。検出装置では、照射した電磁波の反射率又は透過率の周波数特性の変化を利用して検出対象物を検出する。検出装置が用いる電磁波は、例えばテラヘルツ帯域の電磁波である。
第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、微量な微小物質を検出する検出装置に関する。この検出装置では、試料は、空隙が配置された構造体に固定される。当該構造体に電磁波が照射されることで、試料中に含まれる検出対象物の有無又は量等が検出される。一般に、周期的な空隙が配置された構造体に電磁波が照射されたときの当該電磁波の反射率又は透過率は、空隙の特性に由来する周波数特性を有する。この構造体に検出対象物が付着したとき、この電磁波の反射率又は透過率の周波数特性は変化する。検出装置では、照射した電磁波の反射率又は透過率の周波数特性の変化を利用して検出対象物を検出する。検出装置が用いる電磁波は、例えばテラヘルツ帯域の電磁波である。
【0008】
〈装置構成〉
本実施形態の検出装置１０の構成例の概略を図１に示す。検出装置１０は、検出装置１０の各部の動作を制御する制御部を構成するCentral Processing Unit（ＣＰＵ）１１１と、メモリ１１３と、アドレスデコーダ１１５とを備える。ＣＰＵに代えて又はＣＰＵに加えて、Application Specific Integrated Circuit（ＡＳＩＣ）、又はField Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）などといった集積回路が用いられてもよい。
本実施形態の検出装置１０の構成例の概略を図１に示す。検出装置１０は、検出装置１０の各部の動作を制御する制御部を構成するCentral Processing Unit（ＣＰＵ）１１１と、メモリ１１３と、アドレスデコーダ１１５とを備える。ＣＰＵに代えて又はＣＰＵに加えて、Application Specific Integrated Circuit（ＡＳＩＣ）、又はField Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）などといった集積回路が用いられてもよい。
【0009】
本実施形態では、試料が固定される空隙を有する構造体をセンサ２００と称する。検出装置１０は、試料が固定されたセンサ２００が載置されるステージ１６１を備える。ステージ１６１は、ｘｙｚθ方向に移動可能な可動ステージである。ステージ１６１は、テラヘルツ光ビームの焦点位置にセンサ２００を移動させる。
【0010】
検出装置１０は、ステージ１６１を移動させる、ｘモータ１７１と、ｙモータ１７５と、ｚモータ１８１と、θモータ１８５とを備える。ｘモータ１７１は、ステージ１６１をｘ軸方向に移動させる。ｙモータ１７５は、ステージ１６１をｙ軸方向に移動させる。ｚモータ１８１は、ステージ１６１をｚ軸方向に移動させる。θモータ１８５は、ステージ１６１をθ軸周りに回転させる。
【0011】
ｘモータ１７１は、ドライバ＿ｘ１７３によって駆動される。ドライバ＿ｘ１７３は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に接続されている。ｙモータ１７５は、ドライバ＿ｙ１７７によって駆動される。ドライバ＿ｙ１７７は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に接続されている。ｚモータ１８１は、ドライバ＿ｚ１８３によって駆動される。ドライバ＿ｚ１８３は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に接続されている。θモータ１８５は、ドライバ＿θ１８７によって駆動される。ドライバ＿θ１８７は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に接続されている。これらモータは、ＣＰＵ１１１の制御下で動作して、ステージ１６１を所望の位置に移動させる。
【0012】
検出装置１０は、照射部１３０を備える。照射部１３０は、単一周波数の電磁波を放射する電磁波発生部１２１と、電磁波発生部１２１を駆動するドライバ＿発生部１２３と、電磁波発生部１２１から放射された電磁波をセンサ２００に導く第１の光学系１４１とを含む。電磁波発生部１２１は、例えばテラヘルツ波といった電磁波を放射する。第１の光学系１４１は、例えば、ミラー、レンズなどといった光学素子を含む。ＣＰＵ１１１の制御下で、ドライバ＿発生部１２３は、電磁波発生部１２１に電磁波を放射させる。電磁波発生部１２１から放射された電磁波は、第１の光学系１４１を介してセンサ２００に照射される。第１の光学系１４１は、例えば、電磁波のビームがセンサ２００で焦点を結ぶように構成されている。この電磁波の少なくとも一部は、センサ２００で反射する。
【0013】
本実施形態では、電磁波発生部１２１から放射される電磁波の周波数を安定させるために、また、周波数を微調整するために、電磁波発生部１２１の温度を制御する機構が設けられている。検出装置１０は、電磁波発生部１２１の温度を制御するペルチェ素子１２５と、ペルチェ素子１２５と共に設けられたファン１３１とを備える。ペルチェ素子１２５は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に接続されたドライバ＿ペルチェ１２７によって駆動される。ファン１３１は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に接続されたドライバ＿ファン１３３によって駆動される。検出装置１０は、電磁波発生部１２１の温度を取得するためのサーミスタ１３５と、サーミスタ１３５が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する第１のＡＤ変換器１３７とを備える。第１のＡＤ変換器１３７が変換した信号は、アドレスデコーダ１１５を介してＣＰＵ１１１に伝達される。サーミスタ１３５が取得した電磁波発生部１２１の温度は、温度制御に用いられる。
【0014】
検出装置１０は、検出部１５０を備える。検出部１５０は、センサ２００で反射した反射光を受信する電磁波受信部１５１と、反射光を電磁波受信部１５１に導く第２の光学系１４３とを含む。検出装置１０は、電磁波受信部１５１から出力される信号を増幅するアンプ１５３と、アンプ１５３で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第２のＡＤ変換器１５５とを備える。反射した電磁波は、第２の光学系１４３を介して電磁波受信部１５１へと導かれる。電磁波受信部１５１は、電磁波を検出し、検出結果を示すアナログ電気信号を生成する。電磁波受信部１５１は、例えば電磁波の強度を検出し、電磁波の強度に応じた電気信号を出力する。電磁波受信部１５１から出力されたアナログ電気信号は、アンプ１５３で増幅され、第２のＡＤ変換器１５５でデジタル電気信号に変換され、ＣＰＵ１１１へと伝達される。ＣＰＵ１１１は、電磁波受信部１５１の検出結果に基づいて、センサ２００に固定された検出対象物の有無、量又は特性等を特定する。
【0015】
〈センサ構成〉
検出対象物の検出には、センサ２００が用いられる。センサ２００の一例の構造について、図面を参照して説明する。図２Ａは、センサ２００の模式的な平面図を示す。図２Ｂは、図２Ａに示したIIB－IIB線におけるセンサ２００の模式的な断面を示す。
検出対象物の検出には、センサ２００が用いられる。センサ２００の一例の構造について、図面を参照して説明する。図２Ａは、センサ２００の模式的な平面図を示す。図２Ｂは、図２Ａに示したIIB－IIB線におけるセンサ２００の模式的な断面を示す。
【0016】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、センサ２００において、基板２２４の上に金属膜２２２が設けられている。基板２２４は、例えばシリコンで形成されている。金属膜２２２は、例えば金で形成されている。図２Ａに示すように、金属膜２２２には、例えばＣ型の空隙２３２が多数並べて形成されている。多数のＣ型の空隙２３２を有する図２Ａに示す例は、メタマテリアル共振器の代表例であり、相補型分割リング共振器と呼ばれている。相補型分割リング共振器２１２は、所定の周波数帯の電磁波が照射されたときに、特徴的な反射特性を示す。すなわち、電磁波が照射されたとき、金属膜２２２のＣ型の空隙２３２が形成されている部分の周辺は、電気的にＬＣ回路のように振る舞う。このため、このＬＣ回路の共振周波数の近傍の周波数において、照射された電磁波は、相補型分割リング共振器２１２と強く相互作用する。その結果、相補型分割リング共振器２１２は、ＬＣ回路の共振周波数の近傍で反射率が低下する反射特性を示す。例えば、Ｃ型の空隙２３２の大きさが数μｍ程度であるとき、共振周波数は、テラヘルツ帯域に表れる。
【0017】
〈検出原理等〉
図２Ａ及び図２Ｂに示すような二次元の共振器配列を用いたメタマテリアルに電磁波を照射したときの反射率の周波数特性、すなわち、分光特性の一例の概略を図３に示す。横軸は照射する電磁波の周波数を示し、縦軸は反射率を示す。太い破線ｇ１は、相補型分割リング共振器２１２であるメタマテリアルに検出対象物がないときの周波数特性を示す。メタマテリアルは、特定の周波数に対して、異常透過性を示す。
図２Ａ及び図２Ｂに示すような二次元の共振器配列を用いたメタマテリアルに電磁波を照射したときの反射率の周波数特性、すなわち、分光特性の一例の概略を図３に示す。横軸は照射する電磁波の周波数を示し、縦軸は反射率を示す。太い破線ｇ１は、相補型分割リング共振器２１２であるメタマテリアルに検出対象物がないときの周波数特性を示す。メタマテリアルは、特定の周波数に対して、異常透過性を示す。
【0018】
太い実線ｇ１１は、相補型分割リング共振器２１２であるメタマテリアルに検出対象物が付着しているときの周波数特性を示す。相補型分割リング共振器２１２に物質が付着したとき、当該物質がＬＣ回路の主に容量成分を変化させる。その結果、当該ＬＣ回路の共振周波数が変化する。すなわち、図３に示すように、相補型分割リング共振器２１２に検出対象物があるか否かに応じて、反射率の周波数特性が変化する。検出装置１０は、この周波数特性の変化に基づいて、検出対象物である試料中の微小物質の有無又は量を検出する。
【0019】
例えば、電磁波発生部１２１が単一の周波数ｆ１の電磁波を放射するとき、電磁波受信部１５１を用いて取得される反射率は、検出対象物が付着することでｓ１からｓ１１へと変化する。このような反射率の変化に基づいて、センサ２００上の物質の量等が求まる。ＣＰＵ１１１は、例えば、検出対象物が固定されていないセンサ２００について、電磁波の反射強度又は反射率を予め取得しておく。また、ＣＰＵ１１１は、試料中の検出対象物がセンサ２００に付着するような処理を行ったセンサ２００について、電磁波の反射強度又は反射率を取得する。ＣＰＵ１１１は、これら２種類の電磁波の反射強度又は反射率を比較して、試料中の検出対象物の有無又は量等を特定する。
【0020】
センサ２００のメタマテリアルの周期構造パターンは、照射する電磁波の波長に基づいて、設計及び製造されている。設計通りに製造されることが理想的であるが、センサ２００の製造過程において、周期構造を形成するパターン形状や周期に誤差が生じることがある。このような製造誤差は、反射率の周波数特性を変化させる。
【0021】
例えば、センサ２００に検出対象物がないときの反射率の周波数特性が、設計上は図３に示す太い破線ｇ１であったものが、製造誤差のため細い破線ｇ２のように変化したとする。このとき、センサ２００に検出対象物があるときの反射率の周波数特性も、設計通りであれば太い実線ｇ１１であるところ、製造誤差のため細い実線ｇ２１のように変化する。
【0022】
その結果、設計通り製造されたセンサ２００を用いて取得される場合、周波数ｆ１の電磁波で取得される反射率の変化は、ｓ１とｓ１１との差ΔＳ１となる。これに対して、製造誤差を含むセンサ２００を用いて取得される場合、周波数ｆ１の電磁波で取得される反射率の変化は、ｓ２とｓ２１との差ΔＳ２となる。ここで差ΔＳ１と差ΔＳ２とは、一致しない。すなわち、センサ２００の製造誤差に由来する検出誤差が生じることになる。
【0023】
そこで本実施形態では、センサ２００の製造誤差の影響を打ち消すように、電磁波発生部１２１から放射される電磁波の周波数を変化させる。すなわち、図３に示すように、センサ２００に検出対象物がないときの反射率が、設計値であるｓ１となるように、電磁波発生部１２１から放射される電磁波の周波数をｆ２にする。その結果、センサ２００に検出対象物があるときの反射率もｓ１１となる。すなわち、周波数ｆ２の電磁波で取得される反射率の変化は、ｓ１とｓ１１との差ΔＳ１となり、検出対象物の量などを正確に求めることが可能となる。電磁波発生部１２１から放射される電磁波の周波数は、例えば電磁波発生部１２１の温度を変更することで、変更され得る。
【0024】
〈装置の動作〉
検出装置１０の動作について、図４に示すフローチャートを参考して説明する。
検出装置１０の動作について、図４に示すフローチャートを参考して説明する。
【0025】
試料の測定に先立って、検出装置１０は、試料を添加していないセンサ２００を用いて、反射率が設定値ｓ１となるように、電磁波発生部１２１から放射する電磁波の周波数を調整する。
【0026】
ＡＣＴ１０１において、ＣＰＵ１１１は、メモリ１１３から、記憶されている基準光量Ｉ１（第１の値）を読み出す。この基準光量Ｉ１は、反射率が設定値ｓ１となる光量である。なお、メモリ１１３に記憶されている第１の値は、基準光量Ｉ１に限らず、これに相当する値であればよい。例えば、メモリ１１３には、反射率の設定値ｓ１が記憶されていてもよい。この場合、ＣＰＵ１１１は、メモリ１１３から読み出した反射率の設定値ｓ１に基づいて、基準光量Ｉ１を算出してもよい。また、ＣＰＵ１１１は、後述する測定した光量と基準光量Ｉ１との比較に代えて、測定した光量に基づいて算出した反射率と読み出した反射率の設定値ｓ１との比較を行ってもよい。
【0027】
ＡＣＴ１０２において、ＣＰＵ１１１は、ドライバ＿発生部１２３に、電磁波発生部１２１へと既定の電流値の電流を印加させる。
【0028】
ＡＣＴ１０３において、ＣＰＵ１１１は、電磁波発生部１２１の温度が所定温度となるように温度制御を開始する。より具体的には、サーミスタ１３５を用いて取得した温度を監視しながら、ファン１３１を動作させたペルチェ素子１２５を用いて電磁波発生部１２１の温度を調整する。
【0029】
ＡＣＴ１０４において、ＣＰＵ１１１は、電磁波発生部１２１の温度が目標としている所定温度になったか否かを判定する。所定温度になっていないとき、所定温度になるまで温度調整が継続されつつ、処理は待機する。所定温度になったとき、以降その温度は維持され、処理はＡＣＴ１０５に進む。
【0030】
ＡＣＴ１０５において、ＣＰＵ１１１は、試料を添加していないセンサ２００が電磁波の照射位置に配置されるように、ステージ１６１を移動させる。
【0031】
ＡＣＴ１０６において、ＣＰＵ１１１は、電磁波受信部１５１で取得される光量が、基準光量Ｉ１であるか否かを判定する。基準光量Ｉ１でないとき、処理はＡＣＴ１０７に進む。
【0032】
ＡＣＴ１０７において、ＣＰＵ１１１は、電磁波発生部１２１の温度を変更する。その後、処理はＡＣＴ１０６に戻る。すなわち、ＡＣＴ１０６及びＡＣＴ１０７を繰り返して、電磁波受信部１５１で取得される光量が基準光量Ｉ１となるように、電磁波発生部１２１の温度を試行錯誤により調整する。
【0033】
ＡＣＴ１０６において、電磁波受信部１５１で取得される光量が基準光量Ｉ１であると判定されたとき、処理はＡＣＴ１０８に進む。ＡＣＴ１０８において、ＣＰＵ１１１は、試料を添加したセンサ２００が電磁波の照射位置に配置されるように、ステージ１６１を移動させる。
【0034】
ＡＣＴ１０９において、ＣＰＵ１１１は、試料を添加したセンサ２００について測定を行う。すなわち、電磁波発生部１２１は、出力周波数を調整した電磁波を放射する。電磁波受信部１５１は、センサ２００で反射した電磁波を受信する。ＣＰＵ１１１は、電磁波受信部１５１で受信した電磁波の強度を取得する。
【0035】
ＡＣＴ１１０において、ＣＰＵ１１１は、取得した電磁波の強度をメモリ１１３に記憶する。
【0036】
ＡＣＴ１１１において、ＣＰＵ１１１は、計測結果についての解析を行い、解析結果をメモリ１１３に記録する。この解析には、例えば、電磁波発生部１２１から放射した電磁波の強度と電磁波受信部１５１で取得した電磁波の強度とに基づいて、センサ２００の反射率を算出することが含まれ得る。また、解析には、算出された反射率に基づいて、センサ２００上の検出対象物の有無又は検出対象物の量を求めることが含まれ得る。
【0037】
なお、図４に示した処理の順序は一例であって、適宜に変更され得る。例えば、ＡＣＴ１０１の基準光量Ｉ１の読出しは、ＡＣＴ１０６の判定前であればいつ行われてもよい。また、ＡＣＴ１０５のステージの移動もＡＣＴ１０６の判定前であればいつ行われてもよい。
【0038】
本実施形態では、センサ２００の製造誤差に由来するセンサ２００の反射率の周波数特性の変化を打ち消すように、センサ２００に照射される電磁波の周波数が調整される。このため、本実施形態の検出装置１０によれば、センサ２００の製造誤差に由来する検出誤差は小さくなる。また、本実施形態では、一般に出力周波数を所定値とするために所定温度に調整される電磁波発生部１２１の温度を微調整することで、出力周波数が微調整される。このため、装置構成を大きく変更することなく簡便に上記機能が実現される。
【0039】
このような検出装置１０は、例えば、試料中に含まれる細菌の検出などにも用いられ得る。
【0040】
［第２の実施形態］
第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態では、電磁波発生部１２１に既定電流を印加することで、電磁波発生部１２１から放射される電磁波の強度が所定の強度に設定されている。これに対して本実施形態では、さらに検出精度を高めるために、検出装置１０は、電磁波の出力強度を積極的に調整する。
第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態では、電磁波発生部１２１に既定電流を印加することで、電磁波発生部１２１から放射される電磁波の強度が所定の強度に設定されている。これに対して本実施形態では、さらに検出精度を高めるために、検出装置１０は、電磁波の出力強度を積極的に調整する。
【0041】
本実施形態で用いられるセンサ２０１の構成例の概略の模式図を図５Ａ及び図５Ｂに示す。図５Ａは、センサ２０１の平面図を示す。図５Ｂは、図５Ａに示したVB－VB線におけるセンサ２０１の断面を示す。図５Ａに示すように、本実施形態に係るセンサ２０１は、第１の実施形態にセンサ２００と同様に、基板２２４上に、Ｃ型の空隙２３２を有する金属膜２２２が形成されており、相補型分割リング共振器２１２が形成されている。本実施形態に係るセンサ２０１は、これに加えて、光量調整用の反射板２４２が設けられている。この反射板２４２は、例えば、基板２２４の上に金の膜が一面に形成されているものである。
【0042】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の電磁波発生部１２１の温度調整による出力周波数の調整に先立って、電磁波発生部１２１への印加電流が調整される。すなわち、電磁波発生部１２１に供給されるエネルギーが調整される。この印加電流の調整にあたって、反射率が周波数に応じて変化することがない反射板２４２が用いられる。すなわち、電磁波発生部１２１から放射された電磁波は反射板２４２に照射され、その反射波が電磁波受信部１５１で受信される。電磁波受信部１５１で受信された強度が設定値となるように、電磁波発生部１２１への印加電圧が調整される。
【0043】
本実施形態に係る検出装置１０の動作について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【0044】
ＡＣＴ２０１において、ＣＰＵ１１１は、メモリ１１３から、記憶されている基準光量Ｉ０及びＩ１を読み出す。基準光量Ｉ１は、第１の実施形態の場合と同じく、反射率が設定値ｓ１となる光量である。第１の実施形態と同様に、基準光量Ｉ１は、同等の値に置き換えられ得る。
【0045】
基準光量Ｉ０（第２の値）は、光量調整において、光量調整用の反射板２４２に電磁波を照射したときに電磁波受信部１５１で検出されるべき光量である。なお、メモリ１１３に記憶されている第２の値は、基準光量Ｉ０に限らず、これに相当する値であればよい。例えば、メモリ１１３には、反射率の設定値ｓ０が記憶されていてもよい。この場合、ＣＰＵ１１１は、メモリ１１３から読み出した反射率の設定値ｓ０に基づいて、基準光量Ｉ０を算出してもよい。また、ＣＰＵ１１１は、後述する測定した光量と基準光量Ｉ０との比較に代えて、測定した光量に基づいて算出した反射率と読み出した反射率の設定値ｓ０との比較を行ってもよい。
【0046】
ＡＣＴ２０２乃至ＡＣＴ２０４の処理は、第１の実施形態のＡＣＴ１０２乃至ＡＣＴ１０４の処理と同様である。すなわち、ＡＣＴ２０２において、ＣＰＵ１１１は、ドライバ＿発生部１２３に、電磁波発生部１２１へと既定の電流値の電流を印加させる。ＡＣＴ２０３において、ＣＰＵ１１１は、電磁波発生部１２１の温度が所定温度となるように温度制御を開始する。ＡＣＴ２０４において、ＣＰＵ１１１は、電磁波発生部１２１の温度が目標としている所定温度になったか否かを判定する。所定温度になっていないとき、所定温度になるまで温度調整が継続されつつ、処理は待機する。所定温度になったとき、処理はＡＣＴ２０５に進む。
【0047】
ＡＣＴ２０５において、ＣＰＵ１１１は、光量調整用の反射板２４２が電磁波の照射位置に配置されるように、ステージ１６１を移動させる。
【0048】
ＡＣＴ２０６において、ＣＰＵ１１１は、電磁波受信部１５１で取得される光量が、基準光量Ｉ０であるか否かを判定する。基準光量Ｉ０でないとき、処理はＡＣＴ２０７に進む。
【0049】
ＡＣＴ２０７において、ＣＰＵ１１１は、ドライバ＿発生部１２３の出力を調整して、電磁波発生部１２１に印加する電流を変更する。その後、処理はＡＣＴ２０６に戻る。ＡＣＴ２０６及びＡＣＴ２０７を繰り返して、電磁波受信部１５１で取得される光量が基準光量Ｉ０となるように、電磁波発生部１２１への印加電流が調整される。すなわち、電磁波発生部１２１からの出力光量が、所定値となるように電磁波発生部１２１に供給されるエネルギーが調整される。
【0050】
ＡＣＴ２０６において、電磁波受信部１５１で取得される光量が基準光量Ｉ０であると判定されたとき、処理は、ＡＣＴ２０８に進む。ＡＣＴ２０８乃至ＡＣＴ２１４の処理は、第１の実施形態のＡＣＴ１０５乃至ＡＣＴ１１１の処理と同様である。すなわち、ＡＣＴ２０８において、ＣＰＵ１１１は、試料を添加していないセンサ２０１が電磁波の照射位置に配置されるように、ステージ１６１を移動させる。ＡＣＴ２０９において、ＣＰＵ１１１は、電磁波受信部１５１で取得される光量が、基準光量Ｉ１であるか否かを判定する。基準光量Ｉ１でないとき、処理はＡＣＴ２１０に進む。ＡＣＴ２１０において、ＣＰＵ１１１は、電磁波発生部１２１の温度を変更する。その後、処理はＡＣＴ２０９に戻る。すなわち、ＡＣＴ２０９及びＡＣＴ２１０を繰り返して、電磁波受信部１５１で取得される光量が基準光量Ｉ１となるように、電磁波発生部１２１の温度が試行錯誤により調整される。
【0051】
ＡＣＴ２０９において、電磁波受信部１５１で取得される光量が基準光量Ｉ１であると判定されたとき、処理はＡＣＴ２１１に進む。ＡＣＴ２１１において、ＣＰＵ１１１は、試料を添加したセンサ２０１が電磁波の照射位置に配置されるように、ステージ１６１を移動させる。ＡＣＴ２１２において、ＣＰＵ１１１は、試料を添加したセンサ２０１について測定を行う。すなわち、電磁波発生部１２１は、出力周波数を調整した電磁波を放射する。電磁波受信部１５１は、センサ２０１で反射した電磁波を受信する。ＣＰＵ１１１は、電磁波受信部１５１で受信した電磁波の強度を取得する。ＡＣＴ２１３において、ＣＰＵ１１１は、取得した電磁波の強度をメモリ１１３に記憶する。ＡＣＴ２１４において、ＣＰＵ１１１は、計測結果についての解析を行い、解析結果をメモリ１１３に記録する。この解析には、例えば、電磁波発生部１２１から放射した電磁波の強度と電磁波受信部１５１で取得した電磁波の強度とに基づいて、センサ２０１の反射率を算出することが含まれ得る。また、解析には、算出された反射率に基づいて、センサ２０１上の検出対象物の有無又は検出対象物の量を求めることが含まれ得る。
【0052】
なお、図６に示した処理の順序は一例であって、適宜に変更され得る。例えば、ＡＣＴ２０１の基準光量Ｉ０と基準光量Ｉ１との読出しは、別々に行われてもよい。基準光量Ｉ０の読出しは、ＡＣＴ２０６の判定前であればいつ行われてもよい。基準光量Ｉ１の読出しは、ＡＣＴ２０９の判定前であればいつ行われてもよい。また、ＡＣＴ２０５のステージの移動もＡＣＴ２０６の判定前であればいつ行われてもよい。
【0053】
本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、センサ２０１の製造誤差に由来するセンサ２０１の反射率の周波数特性の変化を打ち消すように、センサ２０１に照射される電磁波の周波数が調整される。さらに、本実施形態では、電磁波発生部１２１の出力周波数の調整の前に、電磁波発生部１２１に印加する電流値の調整が行われる。このため、検出誤差は、第１の実施形態の場合と比較してさらに小さくなる。
【0054】
なお、本実施形態では、センサ２０１において、基板２２４上に金の膜の光量調整用の反射板２４２が形成されている例を示した。しかしながら、これに限らない。光量調整用の領域は、金の膜の反射板２４２に限らず、他の材料を用いて形成された膜、又は、膜が形成されず基板２２４が露出した状態の部分などであってもよい。また、第１の実施形態の場合と同様に図２Ａに示したような反射板２４２が形成されていないセンサ２００が用いられてもよい。この場合、Ｃ型の空隙２３２を有する金属膜２２２以外の領域２１４が、本実施形態に係る反射板２４２と同様の領域として用いられてもよい。
【0055】
また、本実施形態では、１つのセンサ２０１に相補型分割リング共振器２１２と光量調整用の反射板２４２とが設けられている例を示した。しかしながら、これに限らない。相補型分割リング共振器と光量調整用の反射板とは、２つの分離した基板にそれぞれ形成されていてもよい。この場合、ステージ１６１に、相補型分割リング共振器が形成された基盤と、光量調整用の反射板が形成された基盤とが配置される。また、光量調整用の反射板を変更する必要がない場合、光量調整用の反射板は、ステージ１６１に備え付けられていてもよい。
【0056】
［変形例］
第１の実施形態及び第２の実施形態の変形例について説明する。ここでは、第１及び第２の実施形態との相違点について説明する。何れの変形例においても、示した部分以外は第１及び第２の実施形態と同様に構成され、同様に動作し、同様の効果を得ることができる。また、各変形例は、組み合わせて適用され得る。
第１の実施形態及び第２の実施形態の変形例について説明する。ここでは、第１及び第２の実施形態との相違点について説明する。何れの変形例においても、示した部分以外は第１及び第２の実施形態と同様に構成され、同様に動作し、同様の効果を得ることができる。また、各変形例は、組み合わせて適用され得る。
【0057】
〈第１の変形例〉
第１及び第２の実施形態では、基準光量Ｉ０，Ｉ１などが、検出装置１０に設けられたメモリ１１３に記憶されているものとして説明した。しかしながら、これに限らない。例えば、基準光量Ｉ０，Ｉ１は、センサ２００などの基板、又は当該基板を保持する構造体などに設けられたメモリに記憶されてもよい。
第１及び第２の実施形態では、基準光量Ｉ０，Ｉ１などが、検出装置１０に設けられたメモリ１１３に記憶されているものとして説明した。しかしながら、これに限らない。例えば、基準光量Ｉ０，Ｉ１は、センサ２００などの基板、又は当該基板を保持する構造体などに設けられたメモリに記憶されてもよい。
【0058】
この変形例の場合の検出装置１０の構成例の概略を図７に示す。図７には、センサ２００などの基板、又は当該基板を保持する構造体などに設けられたメモリ２６０が模式的に描かれている。このメモリ２６０は、センサ２００がステージ１６１に載置されたとき、検出装置１０のインターフェース（Ｉ／Ｆ）１９１を介して、検出装置１０のＣＰＵ１１１に接続されるように構成されている。ＣＰＵ１１１は、センサ２００等のメモリ２６０に記憶された基準光量Ｉ０，Ｉ１などの情報を、当該メモリ２６０に接続するＩ／Ｆ１９１を介して読み出す。
【0059】
本変形例によれば、センサ２００に応じた基準光量Ｉ０，Ｉ１などが、センサ２００毎に記憶され得る。したがって、センサ２００の型式などと基準光量Ｉ０，Ｉ１との関係の管理が容易となる。
【0060】
また、センサ２００に設けられたメモリ２６０には、センサ２００の型式情報などが記憶されており、検出装置１０のメモリ１１３には、センサ２００の型式ごとの基準光量Ｉ０，Ｉ１などが記憶されていてもよい。検出装置１０のＣＰＵ１１１は、これら情報を読み出して、これら情報に基づいてセンサ２００の型式などに応じた基準光量Ｉ０，Ｉ１を取得できる。
【0061】
また、基準光量Ｉ０と基準光量Ｉ１とのうち一方が検出装置１０のメモリ１１３に記憶され、他方が、センサ２００のメモリ２６０に記憶されていてもよい。
【0062】
〈第２の変形例〉
第１及び第２の実施形態では、電磁波発生部１２１から照射される電磁波の周波数を変更するために、例えばテラヘルツ波光源といった電磁波発生部１２１の温度を変更している。しかしながら、これに限らない。電磁波の周波数を変更するために、電磁波発生部１２１のみならず、その周囲の光学系などを含めて温度が変更されてもよい。また、電磁波の周波数を変更するために、検出装置１０の全体又は部分の温度が変更されてもよい。これらのように、どのような範囲の温度が変更されてもよい。何れの場合も、光源である電磁波発生部１２１の温度が調整される。また、温度変更によらず、他の方法で放射される電磁波の周波数が変更されてもよい。
第１及び第２の実施形態では、電磁波発生部１２１から照射される電磁波の周波数を変更するために、例えばテラヘルツ波光源といった電磁波発生部１２１の温度を変更している。しかしながら、これに限らない。電磁波の周波数を変更するために、電磁波発生部１２１のみならず、その周囲の光学系などを含めて温度が変更されてもよい。また、電磁波の周波数を変更するために、検出装置１０の全体又は部分の温度が変更されてもよい。これらのように、どのような範囲の温度が変更されてもよい。何れの場合も、光源である電磁波発生部１２１の温度が調整される。また、温度変更によらず、他の方法で放射される電磁波の周波数が変更されてもよい。
【0063】
〈第３の変形例〉
第１及び第２の実施形態では、電磁波受信部１５１はセンサ２００で反射した電磁波を受信し、ＣＰＵ１１１はセンサ２００における電磁波の反射率を算出している。しかしながら、これに限らない。電磁波受信部１５１がセンサ２００を透過した電磁波である透過波を受信し、ＣＰＵ１１１が電磁波の透過率を算出してもよい。反射率の代わりに透過率が用いられても、第１及び第２の実施形態と同様に、センサ２００上の検出対象物の有無又は検出対象物の量が求められ得る。
第１及び第２の実施形態では、電磁波受信部１５１はセンサ２００で反射した電磁波を受信し、ＣＰＵ１１１はセンサ２００における電磁波の反射率を算出している。しかしながら、これに限らない。電磁波受信部１５１がセンサ２００を透過した電磁波である透過波を受信し、ＣＰＵ１１１が電磁波の透過率を算出してもよい。反射率の代わりに透過率が用いられても、第１及び第２の実施形態と同様に、センサ２００上の検出対象物の有無又は検出対象物の量が求められ得る。
【0064】
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。
なお、以下に本願の出願当初の特許請求の範囲の記載を付記する。
［Ｃ１］
電磁波の反射又は透過について周波数特性を有しており検出対象物を保持するように構成されたセンサに、電磁波を照射するように構成された照射部と、
前記照射部から放射され、前記センサで反射した反射波又は前記センサを透過した透過波の強度を検出する検出部と、
前記反射波又は前記透過波の強度に基づいて前記センサに保持された前記検出対象物の有無又は量を算出するように構成された制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出に先立って、検出対象物が保持されていない前記センサに前記電磁波を照射したときに得られる反射波又は透過波の強度が所定の第１の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部から放射される前記電磁波の周波数の調整を行い、
前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出において、周波数が調整された前記電磁波を用いる
ように構成されている、
検出装置。
［Ｃ２］
前記制御部は、前記周波数の調整の前に、前記センサの光量調整用の領域で反射した反射波の強度、又は、前記センサの光量調整用の領域を透過した透過波の強度が、所定の第２の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部に供給するエネルギーを調整することで、放射される前記電磁波の出力を調整するように構成されている、請求項１に記載の検出装置。
［Ｃ３］
前記第２の値は、前記検出装置に設けられたメモリに記憶されている、又は、前記センサ若しくは前記センサを含む構造体に設けられたメモリに記憶されている、請求項２に記載の検出装置。
［Ｃ４］
前記制御部は、前記照射部に含まれる前記電磁波を放射する光源の温度を調整することで前記周波数を調整するように構成されている、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の検出装置。
［Ｃ５］
前記第１の値は、前記検出装置に設けられたメモリに記憶されている、又は、前記センサ若しくは前記センサを含む構造体に設けられたメモリに記憶されている、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の検出装置。
なお、以下に本願の出願当初の特許請求の範囲の記載を付記する。
［Ｃ１］
電磁波の反射又は透過について周波数特性を有しており検出対象物を保持するように構成されたセンサに、電磁波を照射するように構成された照射部と、
前記照射部から放射され、前記センサで反射した反射波又は前記センサを透過した透過波の強度を検出する検出部と、
前記反射波又は前記透過波の強度に基づいて前記センサに保持された前記検出対象物の有無又は量を算出するように構成された制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出に先立って、検出対象物が保持されていない前記センサに前記電磁波を照射したときに得られる反射波又は透過波の強度が所定の第１の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部から放射される前記電磁波の周波数の調整を行い、
前記検出対象物の有無又は量を特定するための前記電磁波の照射及び検出において、周波数が調整された前記電磁波を用いる
ように構成されている、
検出装置。
［Ｃ２］
前記制御部は、前記周波数の調整の前に、前記センサの光量調整用の領域で反射した反射波の強度、又は、前記センサの光量調整用の領域を透過した透過波の強度が、所定の第２の値となるように、前記透過波又は前記反射波の強度を監視しながら、前記照射部に供給するエネルギーを調整することで、放射される前記電磁波の出力を調整するように構成されている、請求項１に記載の検出装置。
［Ｃ３］
前記第２の値は、前記検出装置に設けられたメモリに記憶されている、又は、前記センサ若しくは前記センサを含む構造体に設けられたメモリに記憶されている、請求項２に記載の検出装置。
［Ｃ４］
前記制御部は、前記照射部に含まれる前記電磁波を放射する光源の温度を調整することで前記周波数を調整するように構成されている、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の検出装置。
［Ｃ５］
前記第１の値は、前記検出装置に設けられたメモリに記憶されている、又は、前記センサ若しくは前記センサを含む構造体に設けられたメモリに記憶されている、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の検出装置。
【符号の説明】
【0065】
１０…検出装置、１１１…ＣＰＵ、１１３…メモリ、１１５…アドレスデコーダ、１２１…電磁波発生部、１２３…ドライバ＿発生部、１２５…ペルチェ素子、１２７…ドライバ＿ペルチェ、１３０…照射部、１３１…ファン、１３３…ドライバ＿ファン、１３５…サーミスタ、１３７…第１のＡＤ変換器、１４１…第１の光学系、１４３…第２の光学系、１５０…検出部、１５１…電磁波受信部、１５３…アンプ、１５５…第２のＡＤ変換器、１６１…ステージ、１７１…ｘモータ、１７３…ドライバ＿ｘ、１７５…ｙモータ、１７７…ドライバ＿ｙ、１８１…ｚモータ、１８３…ドライバ＿ｚ、１８５…θモータ、１８７…ドライバ＿θ、１９１…インターフェース（Ｉ／Ｆ）、２００…センサ、２０１…センサ、２１２…相補型分割リング共振器、２１４…領域、２２２…金属膜、２２４…基板、２３２…空隙、２４２…反射板、２６０…メモリ。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
