专利名称：光学部件、使用该部件的光检测装置和方法、及分析方法
技术领域：
本发明涉及一种引导光至规定方向的光学部件和使用该光学部件的光检测装置、光检测方法及分析方法。
作为进行这样的光检测的代表性的生物学试验，可以举出基因排列的确定、特定基因的有无的确认等。
如图6所示，现有的使用于这样的试验的光检测装置37，由配置试样38的基板49、物镜42、分光镜43、反射镜44、放射滤光器(ェミツションフィルタ一)45、受光器透镜46、共焦点孔47、受光器48等构成。当从激光发射器(图中未示出)射出的激发光40由分光镜43反射，向试样38照射时，从被激励的试样38产生信号光41。该信号光41被位于试样38上侧的物镜42取入，透射分光镜43，由反光镜44导向至放射滤光器45，由受光器透镜46聚焦，由共焦点孔47去除干扰光(ノィズ光)，由受光器48检测出。在化学发光检测的情况下，虽然不照射激发光40，但直到从试样38发出的信号光41被受光器48检测出的过程是相同的。
从试样38产生的信号光41非常微弱。而且，在现有的光检测装置37中，由于信号光41中仅到达了由物镜42的数值孔径(NA)所规定的区域的光被利用于检测，而大部分信号光41不被利用，因此，信号光41的光利用率低。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的在于提供一种来自试样的微弱的信号光的利用率高的光学部件。
此外，本发明的另一个目的在于提供一种通过使用该光学部件，来高效率地检测微弱的信号光的光检测装置和光检测方法。
此外，本发明的再一个目的在于提供一种通过使用该光检测装置，使分析结果的准确性高的分析方法。
本发明的光学部件的特征是，由用于配置多个试样的透明基板、配置在上述基板的下侧的微透镜阵列、配置在上述微透镜阵列的下侧的反射构件构成，在此，上述微透镜阵列包括上述基板侧的第一透镜体和上述反射构件侧的第二透镜体，上述第二透镜体的各透镜被配置成其焦点位于对向的上述第一透镜体的各透镜表面上，上述第一透镜体和上述第二透镜体被配置成上述第一透镜体和上述第二透镜体的各透镜的合成焦点使上述试样的各个像聚焦在上述反射构件上。
根据该光学部件，能够利用透镜和反射构件的功能来控制由试样产生在微透镜阵列侧的信号光，返回到产生信号光的试样的位置。
另外，也可以在上述第一透镜体与第二透镜体之间设置光透射性树脂。
由于象这样地使第一透镜体与第二透镜体连结，因此装配变容易，同时也没有两透镜体的位置关系的经时变化。
此外，上述第一透镜体与第二透镜体之间也可以是空气层。
由于象这样地在两透镜体之间设置空气层，因此，能增大第一透镜体和第二透镜体与夹在它们之间的中间层的折射率差，因此，能增大透镜的NA。即，能取入更多的光，能使光的利用率提高。
上述反射构件也可以具有使规定波长的光反射的功能。再有，所述具有使规定波长的光反射的功能的反射构件，不仅是具有使预先设定了的波长的光反射的功能的反射构件，也包括具有使预先设定的另外的波长的光透射或吸收的功能的反射构件。
通过这样的构成，能使仅从试样产生的信号光反射，因此，能实现干扰少的高精度的检测。
本发明的第一个的光检测装置的特征是，包括上述这样的光学部件和受光器，从上述试样产生的信号光中的朝向上述微透镜阵列侧的信号光，通过上述第一透镜体和上述第二透镜体，聚焦在上述反射构件上，由上述反射构件反射后，从上述试样的位置向上述微透镜阵列的相对侧射出，由上述受光器进行检测。
根据该光检测装置，不仅能通过受光器检测由试样在受光器侧产生的信号光，而且也能检测在所述受光器的相对侧上产生的信号光，信号光的利用率提高。即，能高效率地检测微弱的信号光。
本发明的第一个的光检测方法的特征是，由配置在基板上的多个试样产生的信号光中的、朝向配置有第一透镜体和第二透镜体的微透镜阵列侧的信号光，通过上述第一透镜体和上述第二透镜体，聚焦在反射构件上，由上述反射构件反射后，通过上述第二透镜体和上述第一透镜体，从上述试样的位置向上述微透镜阵列的相对侧射出，由受光器进行检测。
根据该光检测方法，不仅能通过受光器检测由试样在受光器侧产生的信号光，而且也能检测在所述受光器的相对侧上产生的信号光，信号光的利用率提高。即，能高效率地检测微弱的信号光。
本发明的另外的光学部件的特征是，由用于配置多个试样的透明基板和配置在上述基板的下侧的角立方体阵列构成，在此，上述角立方体阵列被设置成从上述试样产生的信号光中的、入射到角立方体阵列上的信号光被反射到上述检测体的位置。
所述角立方体阵列，是指具有使从任何角度入射的光线都向入射的方向反射的特性的三棱镜。根据该光学部件，能将由试样在角立方体阵列侧产生的光返回到产生光的试样的位置。
上述角立方体阵列也可以具有使规定波长的光反射的功能。另外，所述具有使规定波长的光反射的功能的角立方体阵列，不仅是具有使预先设定了的波长的光反射的功能的角立方体阵列，也包括具有使预先设定的波长的光透射或吸收的功能的角立方体阵列。
通过这样的构成，能使仅从试样产生的信号光反射，因此，能实现干扰少的高精度的检测。
再有，设从上述试样到上述角立方体阵列的光反射区域的距离为d，向上述角立方体阵列的信号光的入射角为θ时，上述角立方体阵列的光反射区域的边缘部分最好位于距投影在上述光反射区域上的上述试样的配置范围的边缘部分至少d×tanθ以上距离的位置。
由于象这样地设定角立方体阵列，因此，能准确地检测来自在基板上配置在最端部的试样的信号光。
本发明的第二个的光检测装置的特征是，由用于配置多个试样的透明基板、和配置在上述基板的下侧的角立方体阵列、及受光器构成，从上述试样产生的信号光中的、朝向上述角立方体阵列侧的信号光，由上述角立方体阵列反射后，从上述试样的位置向上述角立方体阵列的相对侧射出，由上述受光器进行检测。
根据该光检测装置，不仅能通过受光器检测由试样在受光器侧产生的信号光，而且也能检测在所述受光器的相对侧上产生的信号光，信号光的利用率提高。即，能高效率地检测微弱的信号光。
本发明的第二个的光检测方法的特征是，由配置在基板上的多个试样产生的信号光中的朝向角立方体阵列侧的信号光，由上述角立方体阵列反射，从上述试样的位置向上述角立方体阵列的相对侧射出，由受光器进行检测。
根据该光检测方法，不仅能通过受光器检测由试样在受光器侧产生的信号光，而且也能检测在所述受光器的相对侧上产生的信号光，信号光的利用率提高。即，能高效率地检测微弱的信号光。
本发明的分析方法的特征是，根据由第一个和第二个的光检测装置检测到的信号光的有无或强度，来评价试样中的分子间相互作用的有无或程度。
根据该分析方法，由于能高效率地检测试样产生的微弱的信号光，因此，试样的分析结果的正确性提高。
图6是说明现有的光检测装置的说明图。
(第一实施例)
图1是说明本发明的第一实施方式的光检测装置1的说明图，图2(a)和图2(b)是说明构成光检测装置1的光学部件2内的光路的说明图。
光检测装置1由光检测系统22和配置在光检测系统22的下侧的光学部件2构成。光检测系统22由物镜12、分光镜13、反光镜14、放射滤光器15、受光器透镜16、共焦点孔17、受光器18等构成，具有以受光器18检测出由试样3产生的信号光11的作用。在此，光检测系统22的结构为假设使用光电倍增管作为受光器18的情况。
在用于配置多个试样3的基板19的下侧按顺序重叠上侧基板4、微透镜阵列(マィクロレンズァレィ)21、下侧基板8、反射构件9而构成光学部件2。微透镜阵列21的结构为，在基板侧的第一透镜体5与反射构件侧的第二透镜体7之间具有中间层6，第二透镜体7的各透镜被配置成其焦点位于对向的第一透镜体5的各透镜表面上，第一透镜体5和第二透镜体7被配置成第一透镜体5和第二透镜体7的各透镜的合成焦点使试样3的各个像聚焦在反射构件9上。另外，也可以不使用基板19而将试样3直接配置在上侧基板4的上面，也可以直接配置在第一透镜体5上。
中间层6也可以是光透射性树脂层，也可以是空气层。在中间层6是空气层的情况下，也可以在没形成微透镜阵列21的透镜的部分施加密封材料，连结第一透镜体5和第二透镜体7。象这样地使第一透镜体5和第二透镜体7连结，装配变得容易，同时也没有两透镜体的位置关系的经时变化。
基板19、上侧基板4、微透镜阵列21及下侧基板8用可透射信号光的透明材料制成。
对光检测装置1的工作进行说明。从激光发射器(图中未示出)照射的激发光10由分光镜13反射，当激励试样3时，就从包含荧光分子的试样3产生信号光11。在物镜12侧产生的信号光11a，在物镜12的数值孔径(NA)的范围内被取入至物镜12。另一方面，在微透镜阵列21侧发生的信号光11b被取入至第一透镜体5，在第一透镜体5与中间层6的界面上、以及中间层6与第二透镜体7的界面上受到折射作用，由反射构件9反射。之后，通过第二透镜体7、中间层6、第一透镜体5再次受到折射作用，返回到试样3的位置，被取入至物镜12。
象这样地被取入至物镜12的信号光11，透射分光镜13，由反光镜14导入至放射滤光器15，由受光器透镜16聚焦，由共焦点孔去除干扰光(ノィズ光)，由受光器18接收光。
但是，通过试样3漏到微透镜阵列21侧的激发光10，也同样地被取入至第一透镜体5，在第二透镜体7上受到折射作用而到达反射构件9。但是，若使用使规定波长的光反射的带通反光镜(バンドパスミラ一)等作为反射构件9，将其波长特性选定为反射信号光11，透射或吸收激发光10，则激发光10不被带通反光镜反射，所以不会被取入至物镜12而变成干扰光。
下面，对第一透镜体5、第二透镜体7及中间层6的形状与折射率的关系进行说明。在此，设定第一透镜体5的折射率为n1，中间层6的折射率为n2，第二透镜体7的折射率为n3。
如图1所示，在第一透镜体5和第二透镜体7的透镜表面的形状为凹形的情况下，相互关系成为n1＜n2且n3＜n2。在此，若设中间层6为空气层(n2＝1)，则由于第一透镜体与第二透镜体7的折射率差变大，因此，微透镜阵列21的NA变大，就能取入更多的光。因而，能使光的利用率提高。此外，中间层也可以为树脂层。在这种情况下，使用的树脂最好热膨胀系数与第一透镜体5或第二透镜体7大致相同。通过这样地设定，耐周围条件性变强，能抑制经时变化。
此外，虽然没有图示，但在第一透镜体5和第二透镜体7的透镜表面的形状为凸形的情况下，相互关系成为n1＞n2且n3＞n2。此外，在第一透镜体5的透镜表面的形状为凹形、而第二透镜体7的透镜表面的形状为凸形的情况下，可使n1＜n2＜n3，在相反的透镜形状的情况下，可使n1＞n2＞n3。
另外，图1是模式图，是不考虑各结构要素的折射率的差异来描述的。
下面，根据图2(a)，说明光学部件2在微透镜阵列21侧产生的信号光11b的光路。为了便于说明，省略了上侧基板4和下侧基板8等。
第一透镜体的单位透镜5a和第二透镜体7的单位透镜7a被配置成单位透镜7a的焦点聚焦在单位透镜5a的透镜表面上(即，第一透镜体5与中间层6的界面上)。最好配置成单位透镜7a的焦点聚焦在单位透镜5a的透镜表面的中央。从而，由试样3所包含的荧光分子20a、20b、20c产生的信号光11b中的、通过位于单位透镜5a的透镜表面上的点P(单位透镜7a的焦点)的各信号光11p，通过单位透镜7a而变成平行光，分别入射至反射构件9上的位置A、B、C上。在各个位置上反射的各信号光11p沿原轨迹再次通过点P，返回到荧光分子20a、20b、20c的位置，从该位置向物镜侧射出。
此外，单位透镜5a、单位透镜7a及中间层6的形状和折射率被设定成试样3所包含的荧光分子20的像聚焦在反射构件9上。从而，由荧光分子20a、20b、20c产生的各信号光11b中的、不通过点P的光也通过第一透镜体5和第二透镜体7而受到折射作用，分别到达反射构件9上的位置A、B、C。
在此，若设定点P的位置在单位透镜5a的透镜表面的中央，则在第一透镜体5的NA的范围内被取入的信号光11b，由于在大致左右对称的入射角范围内入射至反射构件9上的位置A、B、C上，因此，在反射构件9上反射的信号光11b几乎都返回到荧光分子20a、20b、20c的位置，从该位置向物镜侧射出。
但是，点P的位置不限于单位透镜5a的透镜表面的中央。只要点P在单位透镜5a的透镜表面上，信号光11b就沿大致相同的轨迹返回到荧光分子20a、20b、20c的位置。
如上所述，由荧光分子20a、20b、20c在微透镜阵列21侧产生的信号光11b，利用微透镜阵列21和反射构件9，就象由荧光分子20a、20b、20c在物镜12侧产生的一样，从荧光分子20a、20b、20c的位置向物镜12侧射出，与由荧光分子20a、20b、20c在物镜12侧产生的信号光11a一样，由光检测系统22在受光器18上接收。
即，通过使用上述这样的光学构件2，受光器18就能从一个荧光分子接收大致两倍于现有的信号光。
另外，反射构件9的形状在图2(a)中是作为平面形状而进行了说明，但也可以如图2(b)所示地作为曲面形状。通过使反射构件9的形状为曲面形状，在根据微透镜阵列21的像差而将荧光分子20a、20b、20c的像不配置在反射构件9的同一平面上的情况下，就能去除其像差，而能正确地使反射光返回到荧光分子20a、20b、20c的位置。此外，由于能减小反射构件9的位置A、B、C上的反射角，因此，即使是来自包含在试样3的末端附近的荧光分子的信号光，也能使反射光高效率地返回到原位置。
此外，微透镜阵列21也可以由3个以上的透镜体构成。通过使用3个以上的透镜体，就能去除透镜像差，从而提高光学特性的精度。
在连结第一透镜体5和第二透镜体7时，如图3所示，也可以在与各个透镜体的光功能面不同的部分上配置隔板26。通过配置隔板26，能容易地控制各配置关系。
(第二实施例)图4是说明本发明的第二实施方式的光检测装置27的说明图。光检测装置27由光检测系统22和光学部件30构成。光检测系统22与图1中示出的相同，因此省略其说明。光学部件30由用于配置多个试样3的透明基板29和配置在基板29下侧的角立方体阵列(corner cube array)31构成，角立方体阵列31被设置成从试样3产生的信号光11中的入射到角立方体阵列31的信号光被反射到试样3的位置。在此，角立方体阵列31也可以设置有带通反光镜28。
对光检测装置27的工作进行说明。从激光发射器(图中未示出)照射的激发光10被分光镜13反射，当激励试样3时，就从试样3产生信号光11。在物镜12侧产生的信号光11a，在物镜12的NA的范围内被取入至物镜12。另一方面，在角立方体阵列31侧产生的信号光11b由角立方体阵列31反射，成为信号光11c。进一步，由角立方体阵列31的其它面反射，成为信号光11d，返回到试样3的位置，被取入至物镜12。已被取入到物镜12中的信号光11a和11b，透射分光镜13，由反光镜14导入至放射滤光器15，由受光器透镜16聚焦，由共焦点孔去除干扰光，由受光器18接收。
通过试样3而漏到角立方体阵列31侧的激发光，也同样地到达角立方体阵列31。但是，若使用设置有带通反光镜28的角立方体阵列31，将带通反光镜的波长特性选定为反射信号光11，透射或吸收激发光10，则激发光10就不会被带通反光镜反射，所以不会作为干扰光而被取入至物镜12。
如上所述，由荧光分子在角立方体阵列31侧产生的信号光11b，根据角立方体阵列31的效果，象由荧光分子在物镜12侧产生的一样，从荧光分子的位置向物镜侧射出，与由荧光分子在物镜12侧产生的信号光11a相同，由受光器18接收。
即，通过使用上述这样的光学构件2，受光器18就能从一个荧光分子接收大致两倍于现有的信号光。
下面，对角立方体阵列的设计进行说明。为了使由试样3产生在角立方体阵列侧的信号光的多数返回到产生信号光的试样的位置，最好角立方体阵列31的节距细。此外，最好各角立方体的宽度比试样3的各个宽度短。
如图4所示，若设定基板29的折射率为na，试样3的折射率为nb，则由配置在基板29上的最端部的试样产生的信号光11e入射到角立方体阵列的入射角θ最大为临界角sin-1(nb/na)。由此，为了利用角立方体阵列使由配置在基板29上的最端部的试样产生的信号光反射，在设定从试样到角立方体阵列的光反射区域的距离为d，向角立方体阵列的信号光的入射角为θ时，角立方体阵列的光反射区域的边缘部分只要位于距投影在光反射区域上的上述试样的配置范围的边缘部分至少d×tanθ以上距离的位置即可。
通过这样地设定，能高效率地接收由基板29上的全部试样所产生的信号光。
例如，设定基板29的折射率为1.5，则信号光的入射角θ最大为42°，角立方体阵列的光反射区域的边缘部分只要位于距投影在光反射区域上的上述试样的配置范围的边缘部分至少d以上距离的位置即可。
在以上的实施例中，是以荧光检测的情况为例进行的说明，但可以明确，在化学发光检测的情况下，也能由本发明的光学部件得到同样的效果。在化学发光检测的情况下，因为不需要激发光10，所以，不需要使用带通反光镜作为反射构件9，或在角立方体阵列31上设置带通反光镜28。
此外，在以上的实施例中，假定使用光电倍增管作为受光器的情况来说明光检测系统22，但光检测系统也可以如图5所示，是CCD(电荷耦合式摄像机)23。在此，图5示出在光学部件上使用了微透镜阵列的例子，但不用说，也可以是使用了角立方体阵列的光学部件。在光检测中使用了CCD的情况下，能同时读取多个信号光，不需要扫描基板。
根据以上说明的光检测装置，若测定由试样产生的信号光的量，就能评价试样中的分子间相互作用的有无或程度。
例如，当在高密度地粘上了探测DNA的基板上，流过用荧光色素等标记了的样品DNA时，互补的DNA相互结合。由此，若检测出基板上的各位置上的荧光，就能评价各探测DNA与样品DNA的相互作用的有无或程度。若使用该方法，就能进行基因排列的确定、特定基因的有无的确认、特定基因的发现等级的测定等。
作为本发明的分析方法的其他用途，可以举出SNP(单一碱基多型)的解析、实验用鼠的物质的代谢、吸收、排泄的路径或状态的确认、细胞内的离子浓度测定、蛋白质的识别或功能解析等。此外，本发明的分析方法也可以利用于判别个人的健康状态的健康诊断或用于个人安全防卫的检查等。
根据本发明的光学部件，不仅能通过受光器检测由试样在受光器侧产生的信号光，而且也能检测在所述受光器的相对侧上产生的信号光，可以提高信号光的利用率。
另外，根据使用了本发明的光学部件的光检测装置和光检测方法，能高效率地检测微弱的信号光。
此外，根据使用了本发明的光检测装置的分析方法，由于能高效率地检测试样产生的微弱的信号光，因此，提高了试样的分析结果的正确性。
权利要求
1.一种光学部件，由用于配置多个试样的透明基板、配置在上述基板的下侧的微透镜阵列、配置在上述微透镜阵列的下侧的反射构件构成，其特征在于，上述微透镜阵列包括上述基板侧的第一透镜体和上述反射构件侧的第二透镜体，上述第二透镜体的各透镜被配置成其焦点位于对向的上述第一透镜体的各透镜表面上，上述第一透镜体和上述第二透镜体被配置成上述第一透镜体和上述第二透镜体的各透镜的合成焦点使上述试样的各个像聚焦在上述反射构件上。
2.如权利要求1所述的光学部件，其特征在于，在上述第一透镜体与上述第二透镜体之间设置有光透射性树脂。
3.如权利要求1所述的光学部件，其特征在于，上述第一透镜体与上述第二透镜体之间是空气层。
4.如权利要求1所述的光学部件，其特征在于，上述反射构件使规定波长的光反射。
5.一种光检测装置，包括权利要求1所述的光学部件和受光器，其特征在于，从上述试样产生的信号光中的朝向上述微透镜阵列侧的信号光，通过上述第一透镜体和上述第二透镜体，聚焦在上述反射构件上，由上述反射构件反射后，从上述试样的位置向上述微透镜阵列的相对侧射出，由上述受光器进行检测。
6.一种光检测方法，其特征在于，由配置在基板上的多个试样产生的信号光中的、朝向配置有第一透镜体和第二透镜体的微透镜阵列侧的信号光，通过上述第一透镜体和上述第二透镜体，聚焦在反射构件上，由上述反射构件反射后，通过上述第二透镜体和上述第一透镜体，从上述试样的位置向上述微透镜阵列的相对侧射出，由受光器进行检测。
7.一种光学部件，由用于配置多个试样的透明基板、和配置在上述基板的下侧的角立方体阵列构成，其特征在于，上述角立方体阵列被配置成从上述试样产生的信号光中的、入射到角立方体阵列上的信号光被反射至上述试样的位置。
8.如权利要求7所述的光学部件，其特征在于，上述角立方体阵列具有使规定波长的光反射的功能。
9.一种光检测装置，包括用于配置多个试样的透明基板、配置在上述基板的下侧的角立方体阵列、及受光器，其特征在于，从上述试样产生的信号光中的朝向上述角立方体阵列侧的信号光，由上述角立方体阵列反射后，从上述试样的位置向上述角立方体阵列的相对侧射出，由上述受光器进行检测。
10.一种光检测方法，其特征在于，由配置在基板上的多个试样产生的信号光中的、朝向角立方体阵列侧的信号光，由上述角立方体阵列反射，从上述试样的位置向上述角立方体阵列的相对侧射出，由受光器进行检测。
11.一种分析方法，其特征在于，根据由权利要求5或9中所述的光检测装置检测出的信号光的有无或强度，来评价试样中的分子间相互作用的有无或程度。
全文摘要
本发明涉及一种光学部件和使用该光学部件的光检测装置、光检测方法及分析方法，该光学部件可提高从试样产生的信号光的利用率，由用于配置多个试样的透明基板、配置在上述基板的下侧的微透镜阵列、配置在上述微透镜阵列的下侧的反射构件构成，在此，上述微透镜阵列包括上述基板侧的第一透镜体和上述反射构件侧的第二透镜体，上述第二透镜体的各透镜被配置成其焦点位于对向的上述第一透镜体的各透镜表面上，上述第一透镜体和上述第二透镜体被配置成上述第一透镜体和上述第二透镜体的各透镜的合成焦点使上述试样的各个像聚焦在上述反射构件上。
文档编号G02B5/124GK1480715SQ0314661
公开日2004年3月10日 申请日期2003年7月8日 优先权日2002年7月8日
发明者松下智彦, 西川武男, 青山茂, 男 申请人:欧姆龙株式会社