JP5495474B2

JP5495474B2 - 光子エネルギレンジ内サブレンジ毎光子検知

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Publication number: JP5495474B2
Application number: JP2006342377A
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Inventors: キーゼルピーター; シュミットオリバー; エイチヴォルストオリバー
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Description

本発明は、ＩＣ（集積回路）上に設けられたフォトセンサアレイにより光子を検知する技術に関する。

特許文献２には、細胞流用長尺状流路（チャネル）からの輻射をモニタできるようアレイ型検知器を配したシステムが記載されている。このシステムによれば、単一の検知器チップを用いて標本及び基準物からのビームをモニタし、各標本における光の吸収や各標本から発せられる蛍光を調べることができる。各画素によって検知された信号をビーム別に総計することによって、各標本及び各基準物からの輻射パワー、ひいてはそれらの比を求めることができる。

米国特許第５１６６７５５号明細書米国特許第６５８０５０７号明細書 S. Devasenathipathy and J. G. Santiago, "Electrokinetic Flow Diagnostics", in K. S. Breuer, Ed. 'Micro and Nano-Scale Diagnostic Techniques', Springer-Verlag, New York, 2003, pp. 113-154 M. Koch, A. G. R. Evans and A. Brunnschweiler, "Design and Fabrication of a Micromachined Coulter Counter", J. Micromech. Microeng., Vol. 9, 1999, pp. 159-161 V. Sivaprakasam, A. Houston, C. Scotto and J. Eversole, "Multiple UV Wavelength Excitation and Fluorescence of Bioaerosols", Optics Express, Vol. 12, No.9 (2004), pp. 4457-4466 Nicholas J. Goddard, Kirat Singh, Fatah Bounaira, Richard J. Holmes, Sara J. Baldock, Lynsay W. Pickering, Peter R. Fielden and Richard D. Snook, "Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguies (ARROWs) as Optimal Optical Detectors for MicroTAS Applications", [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/MicroTAS/MicroTas2.htm K. Singh and N.J. Goddard, "Leaky ARROW Waveguides for Optical Chemical and Biosensors", Abstract Submitted to Biosensors 1998, [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/Biosensors/ARROW-Biosensors.htm

ここに、複数個のセルからなるアレイを用いた光子検知に際しては、従来から種々の問題が発生していた。そうした問題の一つに、同一のアレイを構成する複数個のセル間での検知結果の相違、という問題があった。これは、専ら各種不均一性、不均質性が原因で生じていた。

従って、複数個のＩＣを用いた光子検知技術を改良し、上掲の問題を含め各種問題を解決することが、求められているといえよう。

ここに、本発明の一実施形態に係る適用対象光子エネルギレンジ内光子エネルギ検知方法は、（１）その部位毎に光子放出量が異なる経路からの光子検知を、１個又は複数個の第１及び第２セルを有するフォトセンサアレイ付の集積回路により、当該経路を構成する複数個のセグメントにて個別に行うステップを有し、（２）上記個別セグメント内光子検知を、適用対象光子エネルギレンジのほぼ全体を通じた入射光子量を１個又は複数個の第１セルで、また当該適用対象光子エネルギのサブレンジのうちそのセグメントに対応するサブレンジ内での入射光子量をそのセグメントに対応する１個又は複数個の第２セルで、それぞれ検知することにより行い、（３）そして上記複数個のセグメントのうち少なくとも２個が、対応するサブレンジが互いに異なるセグメントである方法である。

本発明の一実施形態に係る適用対象光子エネルギレンジ内光子エネルギ検知システムは、（１）その部位毎に光子放出量が異なる経路沿いに配置されたフォトセンサアレイを有する集積回路と、上記フォトセンサアレイを構成するセルに応答する調整回路と、を備え、（２）上記フォトセンサアレイが、適用対象光子エネルギレンジのほぼ全体を通じた入射光子量を検知する１個又は複数個の第１セルと、当該適用対象光子エネルギのサブレンジのうちそのセグメントに対応するサブレンジ内での入射光子量を検知する１個又は複数個の第２セルとを、上記経路を構成するセグメント毎に且つ複数個のセグメントそれぞれに沿って備え、（３）上記調整回路が、上記経路を構成するセグメントのうち少なくとも１個について、そのセグメントに対応するサブレンジにおける入射光子量を上記適用対象光子エネルギレンジ全体を通じた入射光子量に基づき調整した値を示す信号を、そのセグメントに対応する１個又は複数個の第１及び第２セルによる入射光子量検知結果を双方とも用いて発生させる回路であり、（４）上記複数個のセグメントのうち少なくとも２個のセグメントが、対応するサブレンジが互いに異なるセグメントであるシステムである。

そして、本発明の一実施形態に係る適用対象光子エネルギレンジ内光子エネルギセンサは、（１）少なくとも１本の第１ラインに沿って並んだ第１セル及び少なくとも１本の第２ラインに沿って並んだ第２セルを含むフォトセンサアレイであって第１セルとその近傍の第２セルとの対である第１第２セル対を１個又は複数個含むフォトセンサアレイを有する集積回路と、（２）第２ライン上方にあり第２セルに対する光子入射に介在する第２ライン向け透過構造と、を備え、（３）第１第２セル対のうち少なくとも１個にて、第１セルが適用対象光子エネルギレンジのほぼ全体を通し入射光子を受け取り、第２セルが当該適用対象光子エネルギレンジのサブレンジのうち対応するサブレンジ内の入射光子を第２ライン透過構造を介して受け取るセンサである。

図１に、流路付構造物１２を支持基体としその上に形成されているアナライザ１０について、その構成要素のうち幾つかを模式的に示す。図示の如く、この流路付構造物１２には蛇のように曲がりくねったチャネル１４が形成されている。また、このチャネル１４は、その内部に物体１６を通すことができるよう、形成されている。物体１６は、例えば、解析対象となる検体を含有する小体積流体乃至液滴であり、適当な物質例えば流体によって、このチャネル１４内を運ばれていく。

物体１６は、図中矢印線２０で示されるように、主流体により搬送されてチャネル１４内に入っていく。その送給元は例えば補給用リザーバ及び標本ウェルであり、主流体内への入り方は等速送出用電極２２によって制御される。補給用リザーバとして用いうる装置としては、例えばセル即ち凝縮(concentration)発生場所を有する生体濃縮装置(bio-enrichment device)があり、そうした装置はマイクロファブリケーション法によって形成できる。また、そうした生体濃縮装置を用いることによって、その装置のセルからチャネル１４内へと生体濃縮済標本(bio-enrichment sample)を送り込むこと、特に生体濃縮済標本をその吸収、散乱、蛍光等の帯域により選別、分類してチャネル１４内に送り込むことができる。また、ここでは等速送出(metering)の方法として電極２２による電気的等速送出を使用しているが、圧力による等速送出も採用可能である。

アナライザ１０に設けるチャネルの本数は適当な本数にすることができる。各チャネルの構成は図中のチャネル１４と同様の構成でよい。各チャネルに対する検体標本供給元例えば標本ウェル、リザーバ、コンテナ等は、チャネル毎に設けてもよいし複数のチャネルで共用してもよい。各標本ウェル内には、定常的に或いは検知後に実施される処理に応じて特定の種類の検体を継続的に収集しておくとよい。更に、各チャネルに設ける部材の個数及び種類は、そのチャネルを用いどのような種類の解析を実施したいかに応じて設定するとよく、従ってそれらはチャネル毎に異なる個数又は種類となりうる。また、１個の広いチャネルを区画して複数本のチャネルを形成すること、例えば互いに平行な数本のチャネルを形成することも可能である。

物体１６を搬送するための流体は、矢印線２４で示すように別の入口からチャネル１４内に入れることもできる。矢印線２０又は２４に沿ってチャネル１４内に入った流体が辿る経路は、様々な装置により制御される。例えば、この図のチャネル１４に設けられている分岐ジャンクションのうち２個は、それぞれ別のアウトレットにつながっており且つ弁を有している。図中の弁３０及び３２がそれである。チャネル１４内の流体は、矢印線２６で示すように弁３０に対するトグル制御によって一方のアウトレットから排出させることができ、また、矢印線２８で示すように弁３２に対するトグル制御によって他方のアウトレットからも排出させることができる。即ち、物体１６が到来したとき弁３０又は３２を開かせることによって、物体１６及びそれを搬送する流体を、その弁に対応するアウトレットから排出させることができる。これは物体１６を対象とするゲーティングの一形態であり、他の形態によるゲーティングも採用可能である。例えば、帯電している粒子であればクーロン力によって偏向させることができるし、分極可能な粒子であれば誘電泳動力によって偏向させることができる。そして、流体は、矢印線３４で示すように、最後段に設けられたアウトレットを介しチャネル１４から排出させることができる。

流体の流れを維持するには、チャネル１４の長手方向に沿って、流体の流れを推進する部材を設ければよい。この推進部材は従来からある種類のものでよく、図示の例では電気浸透ポンプ４０が用いられている。推進部材には、流体の流れを維持する機能だけでなく、圧送法によりシステムを洗浄する機能や同じく圧送法により流体を初期充填する機能を持たせることができる。電気浸透ポンプ４０を含め、流路付構造物１２に設けられた各種部材は、相応の回路を設けることによって、相互に同期をとりつつ動作させることができる。

チャネル１４は、１８０度に曲がった屈曲部により複数個の直線部間をつないだ構成を有している。チャネル１４沿いには、それぞれ対応する直線部内を移動していく物体１６についての情報を取得するため、複数個の検知部材が次から次へと配されている。設けられている検知部材の一つはコールタカウンタ(Coulter counter)５０、他の一つはミー散乱センサ(Mie scatter sensor)５２であって、これらは何れも既存手法を用いて構成することができる。図中、コールタカウンタ５０及びミー散乱センサ５２は、チャネル１４を構成する同一の直線部沿いに配置されている。コールタカウンタ５０は電気式粒子サイズ検知器の一種であり、ミー散乱センサ５２は光学式検知器の一種である。ミー散乱センサ５２は、側方からチャネル１４に入射しチャネル１４内の物体１６例えば粒子により散乱された光を検知する。

チャネル１４沿いには、上述の一群の検知部材として、更に、可視光や赤外光に反応する光吸収検知部材５４、第１の蛍光検知部材５６、第２の蛍光検知部材５８、並びにラマン散乱検知部材６０が配されている。アナライザ１０には、これ以外にも、適宜、様々な検知部材を様々な組合せで設けることができる。全部又は一部の検知部材間に相互直列接続乃至相互縦続関係がない配置としてもよい。また、更に、特性的に所定条件を満たす検体がチャネル１４沿いのある位置を通過したとき、そのこと又はその時刻を示す起動信号を出力する光学式又は電気式の起動部品を、検知部材の一種として設けてもよい。こうした起動部品は既存の技術で実現できる。更に、生体粒子サイズ検知用差動抵抗に代え、電子病理学向けＥＩＳ(electrical impedance spectroscopy)用検知部材を、設けることもできる。

図１に示す一群の検知部材によれば、移動する粒子その他の物体１６についてのスペクトラム情報を取得することができる。取得したスペクトラム情報を用いれば、直交性のあるかたちで物体１６の特徴を調べることができ、また物体１６の識別を信頼性よく行うことができる。直交性のあるかたちで、とは、例えば相異なる光子エネルギレンジでの光子検知により得られた複数種類の情報や、相異なる強度レンジでの光子検知により得られた複数種類の情報のように、その間に直交性が成り立つ複数種類の情報を利用して、という意味である。素材選択が適切であれば、深紫外域から遠赤外域更にはＴＨｚ帯の周波数に至る光子エネルギ（光子のエネルギ即ち波長又は周波数のこと）レンジにてくまなく、スペクトラム情報を取得可能である。

また、アナライザ１０は、用途に応じ多信号解析を実行可能な構成、従って生体物質(bioagent)を試薬なしで識別可能な構成とすることができる。

検知部材５４、５６、５８及び６０はそれぞれＩＣ６４、６６、６８又は７０を有しており、それらＩＣ６４、６６、６８及び７０はそれぞれフォトセンサアレイを内蔵しており、各フォトセンサアレイは一群のセルから構成されており、各セル群はある光子エネルギレンジ内の光子を検知するよう構成されている。言い換えれば、検知部材５４、５６、５８及び６０は内蔵するセル群により実現されている。更に、ＩＣ６４、６６、６８及び７０にて光子を検知可能な光子エネルギレンジを互いに同一にしてもよいし違えてもよい。但し、光子を検知可能な光子エネルギレンジが同一の複数のＩＣにて別々の検知結果が得られるような構成とすることもできる。例えば、ＩＣ６６及び６８に係る光子エネルギレンジが互いに同一であるとする。そうした場合でも、それらＩＣ６６及び６８に対応する励起光源同士を、互いに別々の波長で発光するように構成しておけば、互いに異なる結果が得られる。即ち、そうした構成では、一方の波長の励起光を受けて物体１６が発する蛍光が例えばＩＣ６６で検知され、他方の波長の励起光を受けて物体１６が発する蛍光が例えばＩＣ６８で検知されることとなるので、蛍光検知結果が両ＩＣ間で異なる結果となりうる。なお、励起光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザ等によって実現することができる。また、検知部材５４、５６、５８及び６０を構成するセル群の光子検知可能波長域即ち光子エネルギレンジは、この例では複数個のサブレンジに分割されており、各サブレンジに属する光子をセルの小群（組）のうち対応するものが検知する構成を採っている。各小群に係るサブレンジは他の小群のそれと同じでもかまわないが、同一フォトセンサアレイ内小群のうち少なくとも２個は、互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう構成しておく。

更に、検知部材５６、５８及び６０には励起手段乃至照明手段を併設することができる。励起や照明の手法は、物体１６から光を放射させることが可能な手法である限り、どのような手法でもよい。また、単独の粒子又は低濃度の生物学的若しくは化学的物質の特性を調べることができるようアナライザ１０を構成する場合には、とりわけ、光標的間相互作用の強化(enhanced light-target interaction)が重要となる。チャネル１４は、その内部にあり検体を含む流体を光導波用のコア部とし、それを取り巻く高屈折率の部分をクラッディング部とする反共振光導波構造(anti-resonant waveguide)とすることができるので、概略、その長手方向に沿ってフォトニック相互作用を発生させることができ、これによって光標的間相互作用を強化することができる。また、この反共振光導波構造における光標的間相互作用強化を妨げないようにするため、ここでは更に、ＩＣ６６、６８及び７０を複数個のスペーサ７２によって支持する構造を採用している。このようにすれば、ＩＣ６６、６８及び７０とチャネル１４の対応部分との間に適正な幅の間隙が形成されるため、ＩＣ６６、６８及び７０が反共振光導波構造と機械的に抵触、競合することを、防ぐことができる。

反共振光導波構造においては、長手方向に沿って相互作用が生じることから、光と標的粒子（例えば分子）との間の相互作用が格段に強くなる。反共振光導波構造は、例えば、ガラス毛細管内にエアロゾルを入れた構造や、或いはガラススライド間に液体膜を挟んだ構造によって実現するのが、望ましい。励起は相応の電磁波を照射することによって行うことができる。

光標的間相互作用強化用光導波構造例えば反共振光導波構造を採用する場合、背景励起光抑圧機構の付加が必要になるかもしれない。背景励起光抑圧機構としては、例えば波長炉波特性を有する部材を、チャネル１４を形成する壁の一部又はフォトセンサアレイの頂部被覆の一部として設ければよい。

図２に、図１中の線２−２に沿ったアナライザ１０の断面を模式的に示す。図示したのは第２の蛍光検知部材５８を含む部分の断面であるが、第１の蛍光検知部材５６も本質的にこれと同様の断面を呈する。また、ラマン散乱検知部材６０の断面にも、これに類似する部分がある。

矢印線８２で示す如くチャネル１４の構成部分８０内を下流へと移動中の物体１６は、例えばレーザ光源やＬＥＤ光源として構成された光源８４等の励起部材から、励起光を受光する。チャネル構成部分８０は、例えば光源８４から発せられた光を受けて反共振光導波路として機能する等して、強化されたかたちで光標的間相互作用を発生させる。

光源８４からの光が到達すると、物体１６に内包されている検体が蛍光、即ち光子エネルギスペクトラムに特徴のある光を放射する。放射された光の一部は光束８６となり検知器アセンブリ８７に向かう。検知器アセンブリ８７は少なくともＩＣ６８を有しており（場合によってはそれ以外の構造物も有しており）そのＩＣ６８上にはフォトセンサアレイがあるので、光束８６内の光子はそのフォトセンサアレイを構成するセル群によって検知されることとなる。なお、検知器アセンブリ８７は、ＩＣ６８上のフォトセンサアレイがチャネル構成部分８０内における物体１６の移動経路近くに位置し且つ当該フォトセンサアレイが当該移動経路に対して平行になるよう、ひいては集光効率が高まるよう、配置しておく。

図中の検知器アセンブリ８７は、チャネル１４の構成部分８０における反共振光導波を邪魔しないよう、複数個のスペーサ７２によって支持されている。即ち、複数個のスペーサ７２はチャネル構成部分８０内に入り込まないように配置されており、それによって検知器アセンブリ８７の下方には空隙８８が生じているので、チャネル構成部分８０内での反共振光導波は阻害されない。これは、空気の屈折率が、導波路（チャネル１４）内の液体のそれよりも低いためである。なお、ここでは空隙８８を形成しているがこれは反共振光導波が阻害されることを防ぐ方法の一例に過ぎず、十分な幅の間隙又は十分に屈折率の低い層乃至膜でさえあれば、設けるのが空気の層（空隙８８）でなくとも、反共振光導波が阻害されることを防止できる。低屈折率の素材を使用する場合、形成乃至使用すべき間隙、層又は膜の幅若しくは厚みは数μｍ程度、例えば１０μｍという狭さ乃至薄さになる。

また、物体１６はチャネル構成部分８０内通過中は途切れなしに励起光を受光するので、物体１６内の検体からの蛍光もフォトセンサアレイの長手方向に沿って途切れなく発生し続ける。従って、物体１６がチャネル構成部分８０内を移動する期間を途切れなく利用して、スペクトラム情報を収集することができる。

図２に示した構造は、更に、ラマン散乱検知部材６０をかたちづくる構造としても用いることができる。図２に示した構造によってラマン散乱検知部材６０を構成した場合、その出力信号は、完全なラマンスペクトラムではなく、それぞれ、ラマンスペクトラム間にある狭い間隙の幅なり、指定された複数本のラマンライン間の強度比なりを表す信号になる。

図２に示した形態でラマン散乱検知部材６０を実現するには、光源８４及びＩＣ７０を所定の仕様に合致させること、とりわけアナライザ１０における感度及び背景光抑圧能力に関する仕様に合致させることが、必要となろう。加えて、光サンプリングを効率的且つ確実に行えるようにするため、ＩＣ７０を構成するフォトセンサアレイとチャネル１４との間に、相応の光学部品を配置することが必要となろう。

図２からは、更に、流路付構造物１２を実現、形成する手法の例も看取できる。即ち、図中の構成では、例えば光透過性のガラス又はシリコン基板である支持層９０の上に、ポリジメチルシロキサン(polydimethylsiloxane；ＰＤＭＳ)によりマイクロモールド層９２が形成されており、更にこのマイクロモールド層９２内にチャネル１４が形成されている。図中の各層例えばマイクロモールド層９２をパターニングする際には、検体と検体の間の干渉ができるだけ少なくなるよう、チャネル１４のうちの光標的間相互作用発生部分の長さを設定しておくとよい。

ＰＤＭＳからなるパターン化マイクロモールド層９２を形成するには、例えば、ガラス等からなる支持層９０の上にＳＵ−８ポリマからなるテンプレートを形成し、その上にＰＤＭＳを堆積、成長させた上で、テンプレートを除去すればよい。そうすれば、テンプレートがなかった場所にパターン状の構造物が形成される。マイクロモールド層９２の上を覆っているのはガラス等により形成された光透過性プレート９４である。

こうした方法に代え、ガラスをエッチングしチャネルを形成する、という手法も使用できる。また、ＳＵ−８等のポリマ素材の層をマイクロファブリケーション法によりパターニングしてチャネルを形成すれば、アスペクト比の高いチャネル壁を形成できる。また、チャネル１４内で検体を搬送する媒体に応じ、チャネル１４にまつわる各種パラメタを設定すれば、更に好適な結果が得られる。

例えば、チャネル壁面等の接着性(adhesiveness)即ち生体粒子、バクテリア、タンパク質等の吸引されやすさによる標本損失を減らす方法が、幾つかある。具体的には、チャネル壁面等に抗接着性被覆を被着形成しておくことで、その壁面への生体粒子等の検体の付着を防止できる。特に、ポリエチレングリコール(polyethylene glycol；ＰＥＧ)の浸漬被膜を形成しておけば、大抵の生物系素材はその被着を好適に防止することができ、それでいて水溶液に作用する毛細管力も確保することができる。この他の使用可能な被覆としては、例えばパリレンＣ(parylene C；商標)や、気相成長テトラグリム(tetraglyme；tetraethylene glycol dimethyl ether；pentaoxa pentadodecan)がある。

更に、図２中、支持層９０の表面のうちＰＤＭＳによるマイクロモールド層９２とは逆側の面上には、その一部表面が励起光結合部９８として機能するよう光学部品９６が設けられている。光源８４から発せられた光は、この面９８を通ることで、チャネル１４の構成部分８０内にある反共振光導波路にカップリングされる。面９８は良好な結合が実現されるように形成されている。また、適当な素材と適当なプロセスを用いさえすれば、支持層９０及び光学部品９６を同一の素材による単一の層として形成することもできる。

図３に、検知器アセンブリ８７の一例構成を模式的に示す。この図の検知器アセンブリ８７内のＩＣ６８はフォトセンサアレイ１００を有しており、更に当該ＩＣ６８に取り付けられた複数個のスペーサ７２を有している。フォトセンサアレイ１００は図示の如く二次元アレイであり、少なくとも２個の行に亘り配列されたセル群を有している。そして、各セルにはフォトセンサが内蔵されている。

フォトセンサアレイ１００は、各部分例えば各行内に位置するセルが他の部分例えば他の行内に位置するセルとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知するように、また同一部分例えば同一行内に位置するセルが互いに異なる光子エネルギサブレンジにて光子を検知するように、例えば部位毎に異なる被覆によって覆われる等、異なる構造とされている。そのため、１個のＩＣから得られる情報だけで、広範な光子エネルギレンジに亘り仔細に入射光子を解析することができる。加えて、基準セル群を設ければ、空間分解能の高いリアルタイムな基準信号を発生させることができる。

このフォトセンサアレイ１００の特徴の一つは、サブレンジセルの近傍に何個かの基準セルが設けられていることである。

即ち、行１０２に属する各セルは、波長λａｌｌによって代表されるある適切な光子エネルギレンジ全体に亘り光子の検知を行いその結果を信号として出力する。この信号は、行１０４に属する近傍のセル用の基準信号として使用される。なお、セルの構成次第で出力信号の強度が異なるので、行１０２に属するセルから得られる信号の強度と、行１０４に属するセルのうちこれと対をなすセルから得られる信号の強度は、一般に異なるものになる。望みであれば、行１０２内のセルと行１０４内のセルの構成をそれ相応に異なる構成とすることによって、両信号強度を同じオーダにすることができる。

他方、行１０４内にある各セルは、所定光子エネルギレンジを構成するサブレンジのうち、何れかのサブレンジにて光子を検知する。図示の例では、当該所定光子エネルギレンジの最短波長はλｍｉｎ、最長波長はλｍａｘであり、これらの波長により光子エネルギレンジの広がりが定まっている。図中、セル１０６を例として示されているように、各セルはその光子エネルギレンジのサブレンジ例えば波長λｐを中心とするサブレンジにて光子を検知する。ＩＣ６８は、更に、これらのセルをアレイ化するためのアレイ回路や、フォトセンサアレイ１００からの検知結果情報の読出に関連する各種機能を実行する周辺回路１１０を、内蔵している。

図４に検知器アセンブリ８７の構成例を示す。この図には、フォトセンサアレイを構成する幾つかのセル（例えば図３中の行１０４内のセル）及びそれらにより光子が検知されるサブレンジが、より詳細に示されている。この図に示す検知器アセンブリ８７は、図中の上方向を空隙８８側に向け、複数個のスペーサ７２によって空隙８８上方に支持することができる。

図４に示されているのはフォトセンサアレイの一部分１５０の断面であり、この部分１５０内のセル群１５２の断面が模式的に示されている。セル群１５２の上方にあるのは、レンズアレイ部１６４からの入射光１６２を受け入れるための透過構造１６０である。レンズアレイ部１６４は、例えばＳｅｌｆｏｃレンズアレイ等のＧＲＩＮ(gradient index)レンズアレイとして形成できる部材であり、この部材を設けることは必須ではない。レンズアレイ部１６４は、例えば、図２に示した空隙８８を介して光を受け取ることができるよう、また透過構造１６０に対し平行ビームを供給できるよう、構成するとよい。平行ビームを供給することによってスペクトラム分解能が向上する。なお、Ｓｅｌｆｏｃは登録商標、ＧＲＩＮは商標である。煩雑さを避けるため、以下の記載ではこれらについての登録商標表記及び商標表記を省略する。

透過構造１６０は例えば光透過横変(laterally varying；「横方向位置により異なる」の意)特性を有する膜とすることができる。透過構造１６０のうち図４に示されている部分は、楔状透過型（空胴）共振子１７０を反射膜１７２と反射膜１７４の間に挟み込んだ構造、即ち楔状ファブリペローエタロンを形成している。透過構造１６０の各部の厚みはｘ軸沿い位置の関数であり、当該ｘ軸沿い位置によって異なる厚みであるので、透過構造１６０を透過する波長も当該ｘ軸沿い位置の関数となり、各部位毎に異なる波長になる。

透過構造１６０は、フォトセンサアレイ１５０の上又は上方に複数層に及ぶ適当な被覆、即ち図中の反射膜１７２及び１７４並びに共振子１７０を形成することによって形成できる。これら反射膜１７２及び１７４並びに共振子１７０は何れも、蒸着室内で堆積ビームにさらすことにより形成することができる。また、その均一厚み部分は軸揃え堆積法(on-axis deposition)により、厚み横変部分即ちその厚みが各部位の横方向位置により異なる部分は適当に軸を外した堆積法即ち軸外し堆積法(off-axis deposition)により、それぞれ形成することができる。更に、図４に例示した反射膜１７２及び１７４は共振子１７０に比べて厚みがある。ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の非金属素材の層によりそれらを形成する場合、こうした厚みになる。反射性のある金属により形成する場合は、反射膜１７２及び１７４は図示の例よりかなり薄くてもよい。

共振子１７０並びに反射膜１７２及び１７４の具体的な厚みは、所望透過波長λ及び共振子１７０の屈折率ｎから決定できる。まず、共振子１７０の厚みは典型的にはλ／（２ｎ）又はその整数倍に設定し、反射膜１７２及び１７４内のブラッグミラー層の厚みは典型的にはλ／（４ｎ）に設定する。各反射膜１７２，１７４を構成するブラッグミラー層のペア数は、それらを形成する二種類の素材間の屈折率差、所望透過波長域幅、並びに所望阻止波長域内反射率に応じ、例えば２〜５ペアという少数から２０〜３０ペアに至るまでの数値範囲内で、適宜設定することができる。そのため、この構成を実施する場合、反射膜１７２及び１７４は大抵は共振子１７０に比べかなり厚くなる。

図５に透過構造１６０の光透過横変特性を示す。共振子１７０の厚みがｘ軸沿い位置の関数でありその値が部位間で相違しているため、共振子１７０を透過する波長もｘ軸沿い位置の関数となり部位毎に異なっている。図４に示した部分１５０内にあるセル群１５２は、ｘ方向及びこれに直交するｙ方向に沿って二次元的に並んだセルをそのｘ軸沿い位置毎にまとめたものであり、図示されているセル群１５２の個数は９である。図５においては、これら９組のセル群１５２へと大部分の光子が透過する波長が反射率極小点として示されており、各反射率極小点に１〜９の符号が付されている。このように、透過構造１６０が高い光透過率を呈するサブレンジは、横方向位置に応じて部位毎に異なっている。

図６に検知器アセンブリ８７の別例構成を示す。この検知器アセンブリ８７は透過構造１８０を備えている。透過構造１８０は例えば横グレーデッドブラッグミラーとして形成する。ここでいう横グレーデッドブラッグミラーとは、それを構成する層１８２、１８４、１８６及び１８８それぞれに横方向の勾配が付されているブラッグミラーのことである。層１８２、１８４、１８６及び１８８は、先の例で共振子１７０の形成に使用されていた手法と同様の手法で形成することができる。

図７に透過構造１８０の光透過横変特性を示す。透過構造１８０の反射波長はｘ軸沿い位置の関数であり、部位毎に異なる波長の光が反射される。図７中の曲線２００、２０２、２０４及び２０６は透過構造１８０各部の反射率、即ち図６に示された部分１５０内に存するセル群１５２のうち４個の上方にある部位での反射率を表している。例えば曲線２００は図６で最左端にあるセル群１５２上方の部分の反射率であり、曲線２０６は４個のセル群１５２のうちの最右端の（即ち最左端から４個目の）セル群１５２上方の部分の反射率である。このように、透過構造１８０が高い反射率を呈するサブレンジは、各部横方向位置により異なっている。

図８に透過構造形成手法の他の例を示す。この手法により形成される透過構造２１０は、光透過横変特性を呈する点で図５及び図７に示した構成と共通しているが、そうした光透過横変特性が二方向それぞれに沿って現れる点で異なっている。

透過構造２１０は、フォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）の上又は上方に形成される。その際には、堆積源２１２から透過構造２１０の表面に向けて堆積ビーム２１４を出射する。この堆積ビーム２１４はその方向によって特徴付けうる。即ち、図８の右半分に示すｘ方向断面及び左半分に示すｙ方向断面双方において、透過構造２１０の表面に対する堆積ビーム２１４の射突方向が傾いている。従って、堆積ビーム２１４の方向はそれら二種類の傾き角で記述でき、記述される堆積ビーム２１４の方向はｘ軸沿い位置及びｙ軸沿い位置に応じ各部毎に異なるものになる。このように堆積ビーム２１４のｙ方向断面内射突方向及びｙ方向断面内射突方向が共に傾いているため（それに伴い各部位から見た堆積ビーム２１４の到来方向が二次元的に異なっているため）、透過構造２１０においては、ｘ軸沿い及びｙ軸沿い共に、程度の差はあるが、同じ傾向の厚み勾配が現れる。従って、ある方向に沿って並べられたセル間で光子検知可能なサブレンジが部位毎に異なることは図７に示したものと同様であるが、この例では更に、他方の方向に沿って並べられたセル間にも光子検知可能なサブレンジの部位間相違が生じる。

図９に、光透過横変特性を呈する透過構造２２０をその物理的厚みに差を付けることなく形成する手法を示す。この図に示した手法の特徴は、実際の即ち物理的な厚みｄに差を付けることなく、物理的な厚みｄと屈折率ｎの積である光学的厚みｄ×ｎを横方向位置に応じ変化させ得るようにしたことである。

この手法においては、まず、図９の上半分に示す如く、堆積源２２４からフォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）の表面に向け堆積ビーム２２６を照射する。この照射は、均質且つ均一厚の被覆２２２が堆積し成長するように行う。

次いで、図９の下半分に示す如く光源２３０から輻射２３２を発してフォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）上の表面を横断走査する。これによって、屈折率がその横方向位置により異なる透過構造２２０が形成される。そのために使用する光源２３０は、例えば、ｙ軸と平行な（即ち図９の紙面に垂直な）線上では発光出力強度Ｉが一定だが、それらの線同士では発光出力強度Ｉが異なる紫外光源とする。図中の線の中では、最左端の線上の発光出力強度Ｉが最低値Ｉｍｉｎであり、最右端の線上の発光出力強度Ｉが最高値Ｉｍａｘである。従って、フォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）内に存するセル群に向け透過する光の波長も、図中最左端における最短波長λｍｉｎから最右端における最長波長λｍａｘまで、ｘ軸沿い位置によって異なる長さになる。また、複数個のフォトセンサアレイを並べ、それら複数個のフォトセンサアレイに対し単一の光源２３０から同時に同一強度パターンで光を当てて横断走査することもできる。並べ方等が適切であれば、この手法により複数個のフォトセンサアレイをバッチ生産することができる。更に、図８に示した手法で得られる二次元横変構造も、この手法を応用して実現することが可能である。

図６〜図８に示すように、フォトダイオードアレイ等のフォトンセンサアレイ１００の上方に１個のＤＢＲ（分布型ブラッグ反射）ミラーが組み込まれており、且つそのミラーの光透過特性が僅かに横変している構成においては、各セルに流れる光電流の大きさがそのセルへの入射光のスペクトラムによって異なり、従って例えばその隣にある別のセルに流れる光電流と比べても僅かに異なる大きさになる。そのため、ＤＢＲミラーのうちセル上方に位置する部分での光透過特性がセル毎に解っていれば、各セルに流れる光電流に基づきそもそもの入射光スペクトラムを再現することができる。このとき、セルの個数によってスペクトラム再現用スペクトラム点数が決まり、ひいてはスペクトラム分解能が決まる。こうした手順によるスペクトラム再現が最もうまくいくのは、あるセルでは良好な透過特性を示すがその隣のセルでは示さない、というようにセル間で急峻な透過特性変化を呈する波長である。

図４に示した被覆を試作してみたところ、個々のサブレンジにおける光子透過率として約６０％という典型値が得られた。また、各サブレンジの幅は、波長でいうなら例えば０．０１〜数十ｎｍの範囲内の広さにするとよい。どの程度の幅にするかはそのフォトセンサアレイにおける被覆の構造及び勾配並びにセルのサイズによって変わる。また、フォトセンサとして高感度のもの例えばアバランシェフォトセンサアレイを使用することによって、受光出力強度を格段に高めることができる。

行１０４の上又は上方にある透過構造１６０、１８０、２１０及び２２０と違い、行１０２の上又は上方にある透過構造その他の被覆は、波長λａｌｌによって代表される光子エネルギレンジ全体に亘ってグレイフィルタとして機能させる必要がある。それは、好適な基準信号が得られるようにするためである。用途によっては、行１０２を被覆しないようにしてもよかろう。

図１０に、線１０−１０（図１参照）に沿ったアナライザ１０の断面、即ち光吸収検知部材５４の特徴的構成例えばＩＣ６４の断面を、模式的に示す。

矢印線２４２で示すようにチャネル１４の構成部分２４０内を下流へと移動中の物体１６は、図中光源２４４として示されている励起部材から励起光を受光する。光源２４４としては、その発光波長域が広い適当な照明部材、例えばＬＥＤやハロゲンランプ等の白色光源を使用する。チャネル構成部分２４０は、光標的間相互作用を強化する機能を有する。例えば、光源２４４からの光に対し反共振光導波路として機能することによって、その光と物体１６内の検体との間の相互作用を強化する。

光源２４４から励起光を受光した物体１６はその光を吸収し又は散乱させる。その結果生じる反射光は、励起光のスペクトラム分布とは異なったスペクトラム分布を有しており、ＩＣ６４上のフォトセンサアレイ１００を構成するセル群により検知される。例えば、物体１６に含有される検体がある特定のサブレンジに属する光子を吸収する検体である場合、当該吸収を表すスペクトラム分布即ち吸収性スペクトラム分布が検知されることとなる。また、物体１６は、チャネル構成部分２４０内を通り抜ける間、途切れなしに励起光を受光し続ける。そのため、物体１６がチャネル１４の構成部分２４０内を通っている間、物体１６からの反射光が途切れなしに且つＩＣ６４上の何れかのセルによって受光され続け、その結果として得られる検知結果はスペクトラム分布例えば吸収性スペクトラム分布の再現に使用できる内容になる。その後物体１６が湾曲部２４６に着きチャネル構成部分２４０ひいては光吸収検知部材５４から出ていくと、セル群により検知される光は励起光になり、再現できるスペクトラム情報も元々の即ち励起光のスペクトラムを示すものに戻る。

図１１に、図１０に示したものと同様の線に沿ったアナライザ１０の断面を模式的に示す。但し、この図に示したのはラマン後方散乱を検知するラマン散乱検知部材６０の断面である。同図中に示した特徴的構成の多くは、光吸収検知部材５４内対応部分と同様にして実現されている。

この図の構成では光源２４４からの励起光が上流から入射される。この励起光は、湾曲部２５０からチャネル構成部分２４０内に入ってきた物体１６により受光され、その物体１６又はその内部の検体によってラマン散乱される。その結果生じる後方散乱光におけるスペクトラム分布は、励起光におけるスペクトラム分布とは異なるものになる。この後方散乱光は、アセンブリ２５２に内蔵されるＩＣ７０上のフォトセンサアレイ１００を構成するセル群によって、検知される。なお、ここでは励起光を上流から入射しているので、チャネル１４の構成部分２４０の上流端、チャネル１４外の場所にセル群を配置してあるが、チャネル構成部分２４０の下流側から光源２４４によりチャネル構成部分２４０を照明する構成を採る場合は、セル群もチャネル構成部分２４０の下流端、チャネル１４外の場所に配置する。アセンブリ２５２の構成は相応の構成にすればよい。チャネル構成部分２４０内を通っている間中、物体１６は途切れなく励起光を受光し続けるので、アセンブリ２５２に内蔵されるＩＣ上のセル群も、物体１６がチャネル１４の構成部分２４０内を通っている間中、後方散乱光スペクトラムを検知し続ける。物体１６がラマン散乱検知部材６０から出ていくと、セル群により検知される光のスペクトラム分布は元々の即ち励起光のそれに戻る。

また、フォトセンサアレイ１００を構成するセルのうち行１０２内のセルは基準情報を得るのに使用される。得られる基準情報は、チャネル１４の特性に起因して生じる不均一性乃至不均質性、特に位置に依存した不均一性乃至不均質性の補正に使用される。更に、アセンブリ２５２に内蔵されるＩＣ７０を構成するフォトセンサアレイ１００は、チャネル壁を含め図中のチャネル１４の切り子全体を覆うように設けるとよい。

図１２に、フォトセンサアレイ上に透過構造を形成する方法の一例を示す。この方法によりその上に透過構造が形成されるフォトセンサアレイは、適用対象とする光子エネルギレンジのほぼ全体に亘り光子を検知する基準セルと、当該光子エネルギレンジのうちの対応するサブレンジにて光子を検知するサブレンジ検知セル即ちサブレンジセルと、を有するフォトセンサアレイ、即ちサブレンジセルによる光子量検知結果を表す信号を基準セルによる光子量検知結果に基づき調整できるフォトセンサアレイである。

このフォトセンサアレイを作動させると、光子量検知結果として、適用対象光子エネルギレンジ中の個々のサブレンジにおける光子量検知結果即ち第１光子量検知結果と、当該適用対象光子エネルギレンジ全体を通した光子量検知結果即ち第２光子量検知結果とが得られ、更には第２光子量検知結果に基づき第１光子量検知結果を調整した値を有する信号が得られる。得られる信号の値は従って第１及び第２光子量検知結果双方に依存している。また、第２光子量検知結果に基づく第１光子量検知結果の調整は、第１光子量検知結果に対する近似値を与え更にその近似値に対し第２光子量検知結果に依存するかたちで修正を施す関数に従い、行われる。この関数としては、例えば、第２光子量検知結果に基づき第１光子量検知結果を正規化する関数を使用できる。但し、正規化は好適に使用できる関数の一例に過ぎず、使用することができる関数は数多くある。

図１２に示す形成方法を用いることによって、図３に示したフォトセンサアレイ１００用の透過構造を、好適に形成することができる。即ち、行１０２には基準セル群が含まれ行１０４にはサブレンジセル群が含まれるフォトセンサアレイ１００を、好適に形成することができる。但し、それ以外の透過構造も形成可能である。

図１２中、ステップ３００においては基準セル用被覆が形成される。被覆を形成するに際しては、フォトセンサアレイ１００上に直に当該被覆を形成してもよいし、或いは光透過性を有する基板上に当該被覆を形成しその基板をフォトセンサアレイ１００上に配置するようにしてもよい。被覆形成手法としては、例えば、基準セル領域のみが露出されるようフォトリソグラフィによってマスクを形成し、次いで例えば誘電体多層構造又は金属薄膜群の電子ビーム成長法等により基準セル用被覆をマスク上に均一且つ均質に堆積乃至成長させ、そしてリフトオフ処置によってマスク及び非露出部分の被覆を除去する、という手法を使用することができる。或いは、フォトセンサアレイ上又は光透過性基板上全体に均一且つ均質な被覆を（例えば誘電体多層構造又は金属薄膜群の電子ビーム成長法によって）堆積乃至成長させ、そしてその均一均質比被覆に関し次に述べる一連の処置を施す、という手法も使用することができる。

ステップ３００を終えたら、次いでステップ３０２、３０４及び３０６に係る処置を実施してサブレンジセル用被覆を形成する。即ち、まずステップ３０２にて、一部サブレンジセル群が露出されるよう、例えばフォトリソグラフィによってマスクを形成する。

次のステップ３０４ではマスク上に別の層を堆積、成長させる。このとき、ステップ３００にてどのような被覆が形成されているかによって、ステップ３０４にて実施する処置の内容を変えるとよい。例えば、ステップ３００にて均一被覆が形成されたのが基準セル上方だけであり残りが未被覆のまま残されているのであれば、ステップ３０４では、例えば誘電体多層構造又は金属薄膜群の電子ビーム成長法によって、その光学的厚みが横変する被覆例えば楔状被覆を堆積、成長させればよい。逆に、ステップ３００にて全セル上方に均一均質被覆が形成されているのであれば、ステップ３０４では、まずその光学的厚みが横変する被覆例えば楔状被覆を堆積、成長させ、次いで均一均質被覆をもう一層堆積、成長させればよい。後者の場合、機能的には、ステップ３０４で形成した光学的厚み横変被覆が空胴（共振子）となり、ステップ３００で形成した下側の均一均質被覆が共振子下側のミラーとなり、ステップ３０４で形成した上側の均一均質被覆が共振子上側のミラーとなる。

ステップ３０４に係る処置が終了したら、次いでステップ３０６に係る処置を実施することにより、ステップ３０２にて露出させたサブレンジセル群を除く全領域から、ステップ３０２にて形成した被覆を除去する。この処置は、例えば、ステップ３０２にて形成したマスクをその上に堆積、成長させた被覆素材もろともに除去するリフトオフ処置によって、実施するとよい。ステップ３０６からステップ３０２に戻る破線で示されているように、ステップ３０２、３０４及び３０６に係る一連の処置は、全てのサブレンジセルが好適に被覆されるに至るまで、サブレンジセル群毎に且つ繰り返し実施される。

ステップ３０８では必要な処置を実施し組立を終了させる。例えば、フォトセンサアレイ等を含むＩＣに対し被覆を位置決めし実装する、ＩＣ上の回路と外部回路との間で通信を実行することができるようコネクタその他の回路を付加する、被覆付ＩＣの上方或いはこれを取り巻くようにハウジングを付加する等々の処置を実施する。

また、先に図３に示した例では、サブレンジセルとこれと対をなす基準セルとが互いに別々の行内に隣り合って配されるよう、それぞれ複数個のセルからなる複数個の行が並べて形成されている。こうした構成においては、行１０４に属するセルによる光子量検知結果即ちＩｓｕｂｒａｎｇｅを、これと対をなす基準セルによる光子量検知結果即ちＩｒｅｆに基づき、例えば比を演算する簡単な式Ｉｎｏｒｍ＝Ｉｓｕｂｒａｎｇｅ／Ｉｒｅｆを用いて正規化することができる。この要領による正規化は、基準セルが被覆されているか否かを問わず適用することができる。また、対をなす基準セル同士が互いに同じ検知領域面積を有し且つ互いに同じ入射光減衰量を呈しているサブレンジ群に対しては、入射光減衰量が光子エネルギに依存していない場合、この要領による正規化を適用することができる。光子エネルギに対する入射光減衰量の依存性を抑えるには、例えばグレイフィルタリングを施せばよい。グレイフィルタリングには、更に、受光強度が１／１０〜１／１００倍に抑制されるためサブレンジセル間信号値相違に比べ基準セル間信号値相違が小さくなる、という効果もある。従って、グレイフィルタリングを実施することによって信号に対する処置をより好適に行うことが可能になり、例えばＣＣＤ（電荷結合デバイス）オーバフロー等の問題を回避することができる。

図１３〜図１５に、それぞれ、上述した単純な手法による正規化だけでなくそれ以外の手法による正規化も実施可能なサブレンジセル及び基準セル配置の例を示す。各図中、波長を示す符号λｎ（λ１、λ２、…）が付されているのがサブレンジセル、付されていないのが基準セルである。また、先に図８に示した構成では、同一列に属する複数個のサブレンジセルが互いに異なるサブレンジにて光子を検知していたが、図１３〜図１５に示した構成では、同一列に属するサブレンジセルが、互いに概ね同一のサブレンジにて光子を検知する。

まず、図１３に示すアレイセグメント３３０は、図示の如く、フォトセンサアレイのうち５個の行３４０、３４２、３４４、３４６及び３４８（符号：Ｒ１〜Ｒ５）並びに５個の列３５０、３５２、３５４、３５６及び３５８（符号：Ｃ１〜Ｃ５）からなる部分である。そのうち、行３４０、３４４及び３４８に属するセルが適用対象光子エネルギレンジのほぼ全体を通して光子を検知する基準セルであるのに対し、行３４２及び３４６に属するセルは、当該適用対象光子エネルギレンジのうちの個々のサブレンジにて光子を検知するサブレンジセルである。また、同じ行３４２，３４６に属するセル同士は互いに異なるサブレンジにて光子を検知する。

図中のアレイセグメント３３０においては、一直線に並んだサブレンジセル群と一直線に並んだ別のサブレンジセル群の間に基準セル群が一直線に並んでおり（即ち行３４２と行３４６の間に行３４４があり）、更に、一直線に並んだ基準セル群と一直線に並んだ別の基準セル群の間にサブレンジセル群が一直線に並んでいる（即ち行３４０と行３４４の間に行３４２があり行３４４と行３４８の間に行３４６がある）。更に、図中のセルは皆、実質的に同じ広さの検知領域を有している。

次に、図１４に示すアレイセグメント３７０は、行３８０、３８４及び３８８が基準セルからなり行３８２及び３８６がサブレンジセルからなる点ではアレイセグメント３３０と同様であるが、図示の如く、行３８０、３８４又は３８８に属する各基準セルの検知領域が、行３８２又は３８６に属する各サブレンジセルの検知領域に比べかなり狭くなっている。例えば、基準セルにおける光子量検知結果とサブレンジセルにおける光子量検知結果がおよそ等しい振幅になるようにするには、こうした手法を用いて各セルにおける光子量検知結果を調整すればよい。基準セル対サブレンジセル検知領域面積比の具体的な値は、用途に応じて設定すればよい。通常、サブレンジセルへの入射光は、その上方の透過構造にて光反射が生じている分、弱くなっているので、この入射光強度低下分を考慮に入れて、当該比の値を設定するとよい。

図１３及び図１４に示した例においては、ｉ番目の行及びｊ番目の列に属するサブレンジセルによる光子量検知結果を示す強度値Ｉ（ｉ，ｊ）を、その近傍にある基準セル乃至基準セル群による光子量検知結果に基づき、また様々な手法で、正規化することができる。即ち、ｒ番目の行（即ち行３４２、３４６、３８２又は３８６）及びｃ番目の列に属するセルによる光子量検知結果についての正規化後強度値Ｉｎｏｒｍ（ｒ，ｃ）は、次に例示する何れの式によっても算出することができる。また、これらの式のうち幾つかは、図３に示した構成にも適用することができる。
［数１］
Ｉ（ｒ，ｃ）／Ｉ（ｒ−１，ｃ）
［数２］
Ｉ（ｒ，ｃ）／Ｉ（ｒ＋１，ｃ）
［数３］
２・Ｉ（ｒ，ｃ）／｛Ｉ（ｒ−１，ｃ）＋Ｉ（ｒ＋１，ｃ）｝
［数４］
６・Ｉ（ｒ，ｃ）／Σ｛Ｉ（ｒ−１，ｊ）＋Ｉ（ｒ＋１，ｊ）｝
（但しΣはｊ＝ｃ−１からｊ＝ｃ＋１までの総和）
なお、これらの式は一例に過ぎず、基準セルによる光子量検知結果に基づく正規化その他の調整は、他の式乃至手法によっても好適に実施することができる。

そして、図１５に示すアレイセグメント４００は、行４１０、４１４及び４１８が基準セルからなり行４１２及び４１６がサブレンジセルからなる点でアレイセグメント３３０及び３７０と同様であり、また行４１０、４１４又は４１８に属する各基準セルの検知領域が行４１２又は４１６に属する各サブレンジセルの検知領域に比べかなり狭いという点でアレイセグメント３７０と同様であるが、行４１０又は４１８に属する各基準セルの検知領域が行４１４に属する各基準セルの検知領域に比べかなり狭く、図示の如く前者に対し後者が実質的に２倍の広さになっている。この例においては、正規化後強度値Ｉｎｏｒｍ（ｒ，ｃ）を、次に例示する何れの式によっても算出することができる。
［数５］
Ｉ（ｒ，ｃ）／Ｉ（ｒ−１，ｃ）
［数６］
Ｉ（ｒ，ｃ）／Ｉ（ｒ＋１，ｃ）
［数７］
３・Ｉ（２，ｃ）／｛２・Ｉ（１，ｃ）＋Ｉ（３，ｃ）｝
［数８］
３・Ｉ（４，ｃ）／｛２・Ｉ（５，ｃ）＋Ｉ（３，ｃ）｝
この式中、数５及び数６は行４１２及び４１６の何れに属するサブレンジセルに対しても好適に適用できるが、数７は行４１２に属するサブレンジセルのみ、数８は行４１６に属するサブレンジセルのみに対して好適に適用できる。

図１３〜図１５中の行３４２、３４６、３８２、３８６、４１２及び４１６におけるセル間のサブレンジの相違は、上述した何れの手法によっても実現できるが、上述した手法以外にもそうした相違を実現できる手法がある。例えば、図１６に例示するフォトセンサアレイ１５０では、その基準セル（図示せず）には被覆を施さないか或いはグレイフィルタを付すこととする一方、そのサブレンジセル１５２に対する光の入射は、ＤＢＲミラー４４２とＤＢＲミラー４４４とに挟まれた均一均質なファブリペロー（空胴）共振子４４０を介して行うようにしている。また、この例における共振子４４０並びにミラー４４２及び４４４は、光透過横変特性が生じないよう形成されているが、光入射角によってミラー４４２及び４４４の透過特性及び反射特性が異なるため、各セル１５２は互いに異なるサブレンジにて光子を検知することとなる。即ち、各セルを照明する光の入射角が各セル毎に有意に異なるので、各セルに対しその前段の透過構造が呈する特性は、互いに隣り合うセル同士で異なる特性となる。

この例においては、例えば点状又はスリット状の光源４５０をアセンブリ８７の上方に配置する。図１６には、この光源４５０から発せられる光線のうち３本が例示されている。そのうち光線４５２は、法線に対する入射角の傾きが０°であるので、図中最左端にあるサブレンジセルに向かい透過構造を最短光路で通過していく。これに対し、光線４５４は法線に対する入射角の傾きが３０°（即ち図示の通り透過構造表面に対する傾きが６０°）であり、光線４５６は法線に対する入射角の傾きが６０°であるので、光線４５４及び４５６は光線４５が透過構造内で辿る経路に比べて長い経路を透過構造内で辿ることとなる。そのため、波長に対する反射率の関係をグラフにすると先に図５に示したものとよく似たグラフになる。即ち、ある特定の光子エネルギを有する光子は、その入射角範囲に応じ、サブレンジセルのうち１個又は数個だけを照明する。

図１７に、アナライザ１０を動作させうるシステム５００を示す。この図のシステム５００は、バス５０４を介し各種部材をＣＰＵ（中央処理ユニット）５０２に接続した構成を有している。

システム５００は、共にバス５０４に接続された外部Ｉ／Ｏ（入出力部）５０６及びメモリ５０８を備えている。外部Ｉ／Ｏ５０６は、ＣＰＵ５０２がシステム５００外の装置と通信できるようにする部材である。

バス５０４にはこれら以外にも様々な部材が接続されている。まず、集積回路Ｉ／Ｏ５１０は、ＣＰＵ５０２がアナライザ１０内のＩＣと通信できるようにする部材であり、この図にはＩＣとして第０ＩＣ５１２から第Ｍ−１ＩＣ５１４に至るΜ個のＩＣが示されている。また、それらＩＣ５１２〜５１４はフォトセンサアレイを内蔵している。この図では、第ｍＩＣ５１６の内部にフォトセンサアレイ５１８が描かれている。フォトセンサアレイ５１８は、先に述べた通りサブレンジ群及び基準セル群を有している。同様に、流路形成装置Ｉ／Ｏ５２０もＣＰＵ５０２が各種流路形成装置と通信できるようにする部材であり、この図には流路形成装置として第０装置５２２から第Ｎ−１装置５２４に至るＮ個の装置が示されている。

メモリ４０８としてはプログラムメモリ４３０等が設けられている。プログラムメモリ４３０内には、図示の如く、検知光子量ルーチン５３２等のルーチンが格納されている。検知光子量ルーチン５３２は、実行時にサブルーチン５３４、５３６及び５３８を呼び出す。サブルーチン５３４はサブレンジセル群及び基準セル群から光子量検知結果を取得するサブルーチンであり、サブルーチン５３６はサブレンジセルによる光子量検知結果をその近傍にある１個又は複数個の基準セルによる光子量検知結果に基づき調整する際等に呼び出されるサブルーチンであり、サブルーチン５３８はサブルーチン５３４にて取得された未調整の光子量検知結果或いはサブルーチン５３６にて調整された光子量検知結果を外部Ｉ／Ｏ５０６を介し出力するサブルーチンである。

また、システム５００内のＩＣ例えば第ｍＩＣ５１６に、サブルーチン５３４及び５３６の機能を実現する周辺回路１１０を内蔵させてもよい。このようにすると、ＣＰＵ５０２は第ｍＩＣ５１６から直に調整済の光子量検知結果を取得でき、従ってＣＰＵ５０２にて光子量検知結果を調整する必要がなくなる。この場合、周辺回路１１０は、例えば、個々のサブレンジセルから光子量検知結果を読み出しそれをアナログ出力する部材５４２、これと対をなす基準セルから光子量検知結果を読み出しそれをアナログ出力する部材５４４、これら部材５４２及び５４４のアナログ出力間の差又は比を求める差動増幅器を有する回路５４６、部材５４２及び５４４のアナログ出力をディジタル化して出力する部材５４０及び５４８等を、備える構成とする。また、この場合、ＣＰＵ５０２は、図１７中のサブルーチンを図示の順序とは異なる順序で実行する。即ち、ＣＰＵ５０２はまずサブルーチン５３６を実行する。この場合におけるサブルーチン５３６は先の動作と異なっており、フォトセンサアレイ５１８が光子を検知する検知周期の間待機し周辺回路１１０により各サブレンジの光子量検知結果を調整させる動作を含んでいる。次いで、ＣＰＵ５０２は、サブルーチン５３４を実行してフォトセンサアレイ５１８から調整済の光子量検知結果を取得する。そして、ＣＰＵ５０２はサブルーチン５３８を実行する。

図１８に、サブルーチン５３４にて取得された光子量検知結果と、サブルーチン５３６にて調整された光子量検知結果との関係を、グラフにより示す。これらの光子量検知結果は共にサブルーチン５３８にて出力することができる。図中の曲線５６０は、多数のサブレンジセルから受け取った光子エネルギの関数である未調整の受光強度を示す曲線であり、曲線５６２は、光子エネルギの関数である調整済の受光強度、即ち近傍の基準セル又は基準セル群による光子量検知結果に基づく調整を受けた受光強度を示す曲線である。

以上例示説明した構成によれば、コンパクト且つ安価なコンポーネントが得られる。また、得られるコンポーネントを使用すれば分光分析等の機能を実現でき、その際、概ね、機械部品や光学部品を別途追加する必要もない。検知結果の読出は多数のＩＣから迅速且つ並列的に行うことができる。好適な被覆素材を用いまた相応の個数のＩＣを用いているため、広範囲に亘る光子エネルギに対処することができる。対処できる光子エネルギレンジは、おおよそ、紫外域から遠赤外域更にはＴＨｚ周波数域に及ぶ。また、それらのＩＣは流路形成システム等のより複雑な又はより大規模なシステム内に統合することができ、分光分析や波長偏倚検知等を含め複数の機能の実現に使用することができる。こうしたＩＣがとりわけ有用なのは、フォトセンサアレイ上に光が均一に拡散していかない分光分析の分野である。それは、近傍の基準セル又は基準セル群を使用して正規化その他の調整を光子量検知結果に施すことができるためである。

また、以上説明した各種部材は、様々な形状、寸法、特性数値、質的特性等を有し又は呈するものとすることができる。

更に、上の説明では、流路付構造物、フォトセンサアレイ、透過構造等を構成する素材として特定の素材を示したが、使用できる素材は多様であり、また別々の素材により形成された副層を様々に組み合わせて層構造としたものを使用することもできる。

上の説明では、それぞれ特定の種類の透過構造を有する構成を示したが、説明した各種の透過構造はそれぞれ一例に過ぎず、横方向位置によるエネルギ分布の違い或いは光透過横変特性例えば光学的厚みの横方向位置による違いを実現できる限り、どのような構成の透過構造でも使用可能である。横変性のある透過構造は、説明していないものも含め、様々な手法により形成することができる。

更に、互いに異なるサブレンジにて光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイが得られるものであれば、透過構造を使用しない構成でもよく、使用できる構成は種々あろう。

以上の説明においては、その内部を流体が流れ物体が運ばれる流路を有する構造物に対し特定の形態でＩＣを配置した例を示したが、流路付構造物に対するＩＣの配置の仕方、設け方は説明したもの以外にも色々あろう。流路付構造物を伴わない構成とすることもできる。また、一例を挙げると、まずは４００〜７００ｎｍの波長域に属する蛍光又は散乱光を検知すべく、透過域が４００〜７００ｎｍで光透過横変特性を有するフィルタを備えたＩＣによって検体の事前検査を行い、その後、別のＩＣを用いてより細かな検査例えば１００〜数千ｃｍ^-1レンジでのラマン分光分析を行うこともできる。また、ある単一のＩＣ上にある単一の二次元フォトセンサアレイ内で、ある行と別の行とに別様の被覆を施し、別々の光子エネルギレンジにて光子検知を行わせるようにしてもよい。

また、上述した構成のうち幾つかにおいては、蛍光を生成、検知できるよう光標的間相互作用を強化する機能を備えた流路付構造物を用いている。こうした手法は、総じて、自己発光(self-emitting)乃至自発蛍光(auto-fluorescing)する物体例えば粒子に対しても、適用できる。更に、その発光機構は、蛍光、フォトルミネッセンス、ケモルミネッセンス、非弾性散乱等、様々な機構の何れであってもよい。また、上述した反共振光導波という手法は光標的間相互作用を強化するのに使用できる多様な手法の一例に過ぎず、反共振光導波以外の励起手法を経路沿いの随所で、また隣り合った場所でも、使用することができる。更に、反共振光導波を実現すべく調整することが可能なパラメタは幾つかあるが、そのうち一つはチャネルを取り巻く水晶乃至ガラスの形状である。この構造は全体として薄い方がよく、またその表面がチャネルに対して平行であることが求められることが多かろう。

また、図１７に例示した構成ではＣＰＵが用いられているが、これは、適当なものである限り、マイクロプロセッサその他の部材に置き換えてもよい。更に、光子量検知結果の調整はディジタル的に行ってもアナログ信号により行ってもよいし、またその光子量検知結果が得られたフォトセンサアレイがあるのと同じＩＣ上で行っても他の部材上で行ってもそれらの組合せにより行ってもよい。これは、各種のソフトウェアやハードウェアを適宜組み合わせて実行すればよい。

上に例示した各種構成では、各種構成部材が特定の形態で動作するように製造及び使用されているが、本発明の技術的範囲に属する限り、説明した動作とは異なる動作を実行するようにしてもよいし、説明した順序とは異なる順序で動作を実行させてもよいし、説明外の動作を実行するようにしてもよい。例えば、ＩＣから調整済の又は未調整の光子量検知結果を読み出す動作は、順次読出として実行してもよいし並列読出として実行してもよい。また、セル毎の読出として実行してもよいしストリーミング読出として実行してもよい。

流路付構造物上のアナライザを示す模式図である。上記アナライザの２−２断面を示す模式的断面図である。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的平面図である。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的断面図である。図４中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの別例構成を示す模式的断面図である。図６中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の一例形成方法を示す図である。上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の別例形成方法を示す図である。上記アナライザの１０−１０断面を示す模式的断面図である。後方散乱検知部材について同様の断面を示す模式的断面図である。上記各透過構造の概略製造手順を示すフローチャートである。上記アセンブリにて使用しうるフォトセンサアレイの一例セグメントを示す模式的平面図である。上記アセンブリにて使用しうるフォトセンサアレイの別例セグメントを示す模式的平面図である。上記アセンブリにて使用しうるフォトセンサアレイの別例セグメントを示す模式的平面図である。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的断面図である。上記アナライザを制御するシステムを示す模式的ブロック図である。上記システム内のＣＰＵから得られる出力を示すグラフである。

符号の説明

１０アナライザ、１４チャネル、１６物体、６４〜７０，５１２〜５１６ＩＣ（集積回路）、８０，２４０チャネル構成部分、８６，１６２，４５２〜４５６入射光（光線，光束）、８７，２５２検知器アセンブリ、１００，５１８フォトセンサアレイ、１０２，１０４，３４０〜３４８，３８０〜３８８，４１０〜４１８，Ｒ１〜Ｒ５行、１０６セル、１１０周辺回路、１５０，３３０，３７０，４００フォトセンサアレイの一部分（セグメント）、１５２セル群、１６０，１８０，２１０，２２０透過構造、３５０〜３５８，Ｃ１〜Ｃ５列、５０２ＣＰＵ、５３２検知光子量ルーチン、５６０未調整受光強度、５６２調整済受光強度、λａｌｌ基準セルの代表波長、λｐ，λ１〜λ５サブレンジセルの代表波長、λｍｉｎ最短波長、λｍａｘ最長波長。

Claims

第１ラインに沿って並んだ複数の第１セルである基準セル、及び第２ラインに沿って並んだ複数の第２セルであるサブレンジセルを含み、前記第１ラインと前記第２ラインとが互いに隣り合うようにそれぞれ複数配置されて形成された前記第１セルと前記第２セルとの対であるセル対を複数個含むフォトセンサアレイと、
前記フォトセンサアレイを有する集積回路と、
前記第２ライン上方にあり前記第２セルに対する光子入射に介在する第２ライン透過構造と、
を備え、
前記第１セルが適用対象光子エネルギレンジのほぼ全体を通し入射光子を受け取り、前記第２ラインに属する前記第２セル同士は当該適用対象光子エネルギレンジの互いに異なるサブレンジの入射光子を前記第２ライン透過構造を介して受け取り、前記第２ラインに直交する列のうち同一の列に属する前記第２セルは互いに同一のサブレンジの入射光子を前記第２ライン透過構造を介して受け取る、光子エネルギセンサ。
請求項１に記載の光子エネルギセンサにおいて、
前記第１セルは、前記第２セルよりも検知面積を小さくすることより、又はグレイフィルタリングより、光子検知量を減衰させるように構成された光子エネルギセンサ。
請求項１又は２に記載の光子エネルギセンサと、
測定対象物質が移動する経路と、
前記経路に沿って配置された複数の検知部材と、
前記フォトセンサアレイを構成するセルに応答する調整回路と、
を備え、
前記各検知部材が前記フォトセンサアレイ付の前記集積回路を備え、
前記フォトセンサアレイが、
適用対象光子エネルギレンジのほぼ全体を通じた入射光子量を検知する複数個の前記第１セルと、
当該適用対象光子エネルギのサブレンジのうち前記検知部材の各々で個別に設定されたサブレンジ内での入射光子量を検知する複数個の前記第２セルと、
を備え、
前記調整回路が、前記各検知部材のうち少なくとも１個について、対応するサブレンジにおける入射光子量を前記適用対象光子エネルギレンジ全体を通じた入射光子量に基づき調整した値を示す信号を、その前記検知部材に対応する前記第１セル及び前記第２セルによる入射光子量検知結果を双方とも用いて発生させる回路であり、
前記各検知部材において少なくとも２個の前記第２セルに対応する前記サブレンジが互いに異なる、光子エネルギ検知システム。