JP7364293B2 - 気体と浮遊物質を検出するための光学検出器 - Google Patents

Description

本発明は、光学検出器に係り、特に、気体と浮遊物質を検出する光学検出器に関するものである。

気体検知器は、環境汚染を動的に監視するために用いられる。環境汚染は、日常生活、工業、学界及び研究サークルにおける共通の懸念事項である。現在、気体検知器中に用いられる３つの主要技術は、金属酸化物半導体（ＭＯＳと略称）、赤外線（ＩＲと略称）及び電気化学を含む。ＭＯＳとは、金属半導体酸化物材料から作製される構成要素を指す。ＭＯＳ技術を用いる気体検知器は、通常、ＭＯＳデバイスと気体との相互作用により生成された表面吸着または反応を検出する。ＭＯＳベースの気体検知器は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳと略称）プロセスを用いて大量生産が可能であると共に、空気品質検出のためにたびたび用いられている。赤外線検出を用いる気体検知器は、通常、赤外線光の特定波長で特定の気体の吸収特性に頼るものである。特に、赤外線気体検知器は、通常、赤外線光を吸収した気体の濃度に比例する赤外線の吸収量を計測する。赤外線検出を有する気体検知器は、食品識別または検知のための小型模型の分光計として用いてもよい。電気化学を用いる気体検知器は、通常、標的気体で具体的に発生する化学反応を促進させると共に、気体濃度に比例する発生電流を計測する電気化学を用いる気体検知器は、通常、健康と疾患測定のためにたびたび用いられている。

赤外線検出を用いる気体検知器は、多くの場合、赤外線光の特定波長で気体サンプルの吸収特性を計測する必要がある。吸収量の増加と計測容易さを図るために、気体検知器は、大きな気体サンプルが必要となる場合があり、あるいは正確に計測待ちの気体により、十分な吸収量の赤外線光を提供するために、気体を介して赤外線光を複数回反射させる必要な場合がある。しかし、反射すると光を吸収する。そして赤外線検出器は、大きな気体サンプルと高品質の反射体が必要となる場合がある。その結果、反射材料のコスト、気体室の容積及び気体検知器中に用いられる検出時間を増大させてしまう。

米国特許出願公開第２０１６／０３１２２６２号明細書

検出結果に影響する可能性のある気体検知器に関係する付加的要因は、検出のための標的ではないその他の気体の存在、外部環境の湿度、外部環境の温度、気体検知器の温度、外部環境における空気流動、及び検出のために用いる時間を含む。これらの要因または関係は、気体検知器に下記の問題を引き起こす可能性がある。
（１）外部温度と湿度により、検出精度に多大な影響を及ぼす可能性がある。
（２）気体組成解像度（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）が乏しくなることがある。
（３）気体検知器は、始動後に正確な検出のために安定する長時間を要するおそれがある。
（４）気体検知器は、長時間使用のために大量の電力を消費することとなる。
そこで、従来の気体検知器中に発見された問題を解決するために、新しいタイプの気体検知器が待望されていた。

気体とその中の浮遊物質を検出するためのかかる光学検出器は、反射体（あるいは、伝送体／吸収体）近傍の気体サンプルの成分または構造成分（ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）に依存する光学特性を有する反射体（あるいは、伝送体／吸収体）からの（あるいは、それらを透過）単一反射を用いて安定な検出を提供することができる。

本開示の一実施例において、光学検出器は、測定室と、少なくとも１つの光源と、反射感知対象物と、測定光学センサと、プロセッサとを備える。測定室は、例えば、特定の気体や粒子などのような１つまたはそれ以上の検出待ちの標的成分を含有する気体サンプルを収容するように構成する。少なくとも１つの光源は、測定室に連結し、それは入射光を発して測定室に進入するように構成する。少なくとも１つの光源は、特定スペクトルを有する入射光を発するように構成してもよい。反射感知対象物は、測定室内の気体サンプル中に１つまたはそれ以上の標的成分が存在する場合に、その反射特性を変える反射体であってもよい。反射感知対象物は、測定室内に配置すると共に、測定反射光に形成するように、入射光を受光して入射光を反射するところに位置する。測定光学センサは、測定反射光を受光すると共に、検出したスペクトル信号を生成する。プロセッサは、測定光学センサに連結し、検出したスペクトル信号を受信すると共に、検出したスペクトル信号に基づいて、検出結果を算出する。

光学検出器は、参照室、参照対象物及び参照光学センサをさらに備えてもよい。測定室、感知対象物及び測定光学センサとは対称的に配置するように構成する。少なくとも１つの光源は、また、参照室に連結し、かつ入射光を発して測定室及び参照室に進入するように構成する。参照室は、サンプリングしている同一の気体を収容し、そして参照対象物は、参照室内に配置し、入射光を受光すると共に、入射光を反射して参照反射光に形成する。参照光学センサは、参照反射光を受光・検出し、参照スペクトル信号を生成する。測定と参照要素の対称性は、感知対象物からの反射と参照対象物からの反射との間の差異に起因して、参照スペクトル信号と検出したスペクトル信号との間の差異をもたらす結果になる。プロセッサは、また、参照光学センサに連結し、検出したスペクトル信号と参照スペクトル信号を受信すると共に、検出したスペクトル信号と参照スペクトル信号に基づいて、校正結果を算出する。

反射感知対象物に到達する入射光の経路長は、参照対象物に到達する入射光の経路長と同じであってもよく、そして測定光学センサに到達する測定反射光の経路長は、参照光学センサに到達する参照反射光の経路長と同じであってもよい。

光学検出器は、少なくとも１つの分光レンズをさらに備えてもよく、その分光レンズは、測定室、参照室と、少なくとも１つの光源の１つとの間に位置する。少なくとも１つの分光レンズの各々は、少なくとも１つの光源の１つから測定室及び参照室へ進入した入射光を分割するように構成する。

参照対象物は、各種の温湿度条件下で低い変色性を維持するように構成してもよく、かつ参照対象物は、セラミック、酸化アルミニウムまたはジルコニアを含んでもよい。

光学検出器は、第１保護ガラスと、第２保護ガラスとをさらに備えてもよく、その第１保護ガラスは、測定室と測定光学センサとの間に介在し、その第２保護ガラスは、参照室と参照光学センサとの間に介在する。第１保護ガラスと第２保護ガラスは、測定室及び参照室から測定光学センサ及び参照光学センサを隔離して、測定光学センサ及び参照光学センサが気体サンプル中の汚染を受けることなく、あるいはその他の構造成分に影響を受けないように構成してもよい。

光学検出器は、プロセッサに連結する温湿度検出器をさらに備えてもよく、それは、気体サンプルの温度と湿度を検出すると共に、温湿度結果を生成するように構成する。また、プロセッサは、検出したスペクトル信号、参照スペクトル信号、及び温湿度結果に基づいて、温湿度結果を算出する。

反射感知対象物が気体サンプル（検出待ちの少なくとも１つの標的構造成分を含有）に接触する場合に、反射感知対象物は、少なくとも１つの標的構造成分の種類と少なくとも１つの標的気体の濃度に基づいてその構造を変える。例えば、反射感知対象物は、少なくとも１つの標的構造成分に反応するＤＮＡ修飾ファージ及びＤＮＡ非修飾ファージの少なくとも１つを含む不透明な対象物であってもよい。それゆえに、感知対象物は、入射光を反射して、気体サンプル中の少なくとも１つの標的構造成分の存在または濃度に対応するスペクトルを有する測定反射光を形成する。

本開示の別の実施例において、気体とその中の浮遊物質を検出するための光学検出器は、気体室と、光源と、透過感知（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ ｓｅｎｓｉｎｇ）対象物と、測定光学センサと、プロセッサとを備える。気体室は、分析待ちの気体サンプルを収容するように構成する。光源は、気体室に連結し、かつ気体室に進入する入射光を発するように構成する。透過感知対象物は、気体室内に配置し、そして透過感知対象物は、気体サンプルの１つまたはそれ以上の標的構造成分を感知して、例えば、不透明度などのような透過感知対象物の光透過または吸収特性を変える。透過感知対象物は、入射光を受光し、そして透過感知対象物には入射光を透過または通過させて測定透過光に形成するように構成する。測定光学センサは、測定透過光を受光・検出し、検出したスペクトル信号を生成するように構成する。プロセッサは、測定光学センサに連結し、かつプロセッサは、検出したスペクトル信号を受信し、検出したスペクトル信号に基づいて、検出結果を算出するように構成する。

光学検出器は、参照対象物及び参照光学センサをさらに備えてもよく、それらは感知対象物及び測定光学センサとは対称的に配置してもよい。参照対象物は、光透過対象物を含んでもよく、気体室内に配置し、かつ入射光を受光すると共に、参照透過光に形成するように構成する。参照光学センサは、参照透過光を受光・検出して、参照スペクトル信号を取得するように構成する。プロセッサは、また、参照光学センサに連結し、参照スペクトル信号を受信すると共に、検出したスペクトル信号と参照スペクトル信号に基づいて、校正結果を算出するように構成する。

透過感知対象物に到達する入射光の経路長は、参照対象物に到達する入射光の経路長と同じであってもよい。そして測定光学センサに到達する測定透過光の経路長は、参照光学センサに到達する参照透過光の経路長と同じであってもよい。

光学検出器は、第１保護ガラスと、第２保護ガラスとをさらに備えてもよく、その第１保護ガラスは、透過感知対象物と測定光学センサとの間に介在し、その第２保護ガラスは、参照対象物と参照光学センサとの間に介在する。第１保護ガラスと第２保護ガラスは、測定光学センサ及び参照光学センサから気体室を隔離して、測定光学センサ及び参照光学センサが気体による汚染を受けないように保護することができる。

光学検出器は、プロセッサに連結する温湿度検出器をさらに備えてもよい。温湿度検出器は、気体サンプルの温度と湿度を検出すると共に、温湿度結果を生成する。プロセッサは、検出したスペクトル信号、参照スペクトル信号、及び温湿度結果に基づいて、校正結果を算出する。

透過感知対象物が気体サンプル（検出待ちの少なくとも１つの成分を含有）に接触する場合に、透過感知対象物は、少なくとも１つの気体成分（ｇａｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の種類と少なくとも１つの成分の濃度に基づいてその構造を変える。それゆえに、透過感知対象物には入射光を透過させて、少なくとも１つの成分の種類と濃度に対応するスペクトルを有する測定透過光に形成する。例えば、透過感知対象物は、ＤＮＡ修飾ファージ及びＤＮＡ非修飾ファージの少なくとも１つを含む光透過対象物であってもよい。

従来技術と比較して、本願に開示の光学検出器の実施例は、下記の利点を有する。
（１）光学検出器は、さまざまな環境要因（例えば、温度と湿度）、光学検出器の温度及び光源からの放射に対応付けられている内蔵の校正基準を有する。
（２）内蔵の校正基準は、開始後に安定化または予熱時間を必要とせず、例えば、ＬＥＤなどのような光源の使用を許容する。
（３）光学検出器は、その他の検出しなかった気体の影響を回避する検出特異性を有するので、高い気体組成解像度を有する。
（４）光学検出器は、反射または透過構成を使用可能である。
（５）気体検知器は、多重反射のための十分な容積の気体室を必要としないから、光学検出器を小型化することが許容される。
（６）光学検出器は、多重反射なしに正確な検出結果を検出することができ、それによって検出時間を短縮し、消費電力を削減する。

反射感知対象物を用いる本開示の実施例による光学検出器の斜視図である。 図１の光学検出器の分解図である。 図１の光学検出器の構成要素の他面を示す分解図である。 図１の光学検出器のＡ－Ａ´断面線とＢ－Ｂ´断面線を示す模式図である。 図４のＡ－Ａ´断面線に沿う断面図である。 図４のＢ－Ｂ´断面線に沿う断面図である。 多重光源を用いる本開示の実施例による光学検出器を示す分解図である。 図６の光学検出器の他面を示す分解図である。 図６の光学検出器のＣ－Ｃ´断面線とＤ－Ｄ´断面線を示す模式図である。 図８の光学検出器のＣ－Ｃ´断面線に沿う断面図である。 図８の光学検出器のＤ－Ｄ´断面線に沿う断面図である。 透過感知対象物を用いる本開示の実施例による光学検出器の斜視図である。 図１０の光学検出器の分解図である。 図１０の光学検出器の他面を示す分解図である。 図１０の光学検出器のＥ－Ｅ´断面線とＦ－Ｆ´断面線を示す模式図である。 図１３の光学検出器のＥ－Ｅ´断面線に沿う断面図である。 図１３の光学検出器のＦ－Ｆ´断面線に沿う断面図である。

添付図面は、本発明自体を制限するものではなく、実施例を図示して説明するためのものである。異なる図面において同じ参照符号を付したものは類似または同一のアイテムを意味するものとする。

以下の詳細な説明と議論を踏まえ、添付の図面を参照しながら、特定の実施例を記載する。これらの実施例は、単なる代表例であって、特定の方法、装置、条件、材料及び同類のものなどは、いずれも本発明を特定の実施例に限定することを意図するものではない。加えて、図面中の装置は、その相対位置を表現するために使用するに過ぎず、実際の寸法比率を描画したものではない。

図１には、本開示の第１実施例に従う光学検出器１００が示されている。検出器１００は、１つまたはそれ以上の標的気体、または気体サンプルの構造成分であってもよい浮遊物質を検出するために用いる。その原理と構造を明確に解釈するため、以下、主に標的気体または気体を検出する実施例を記載する。しかし、本願に開示の光学検出器は、例えば、気体サンプル中に浮遊する粒子のような浮遊物質を検出することも可能である。

図１には、本開示の第１実施例による光学検出器１００の斜視図が示されている。図２と図３は、図１の光学検出器１００の構成要素の異なる面を示す分解図である。図４は、図１の光学検出器１００の断面線Ａ－Ａ´とＢ－Ｂ´を示す模式図であり、そして図５Ａと図５Ｂには、それぞれ光学検出器１００の断面線Ａ－Ａ´とＢ－Ｂ´に沿う断面図が示されている。図１～図５Ｂに示すように、光学検出器１００は、測定室１１１と、光源１２と、反射感知対象物１３１と、測定光学センサ１４１と、プロセッサ１９とを備える。測定室１１１は、気体サンプルを収容するように構成し、気体サンプルは、光学検出器１００の周囲環境から抽出する。光源１２は、測定室１１１に連結し、かつ入射光を発して測定室１１１に進入するように構成する。反射感知対象物１３１は、測定室１１１内または近傍に配置すると共に、測定室１１１内の気体サンプルに暴露する。反射感知対象物１３１は、時々標的気体と呼ばれる検出待ちの気体を検出し、標的気体が存在する場合に、反射感知対象物１３１は、反射感知対象物１３１の色を変えることで気体を感知する。一般的には、感知対象物は、多種の異なる標的気体に対して感応することができ、そして反射感知対象物１３１の反射特性における変化は、どの種類の標的気体の存在と標的気体の濃度に依存して異なるものである。反射感知対象物１３１は、さらに、測定反射光に形成するように、入射光を受光して入射光を反射するように位置・構成する。測定光学センサ１４１は、測定反射光を受光し、検出したスペクトル信号を生成するように構成する。プロセッサ１９は、測定光学センサ１４１に連結し、検出したスペクトル信号を受信すると共に、検出したスペクトル信号に基づいて、検出結果を算出する。特に、プロセッサ１９は、ソフトウェアまたはファームウェアを実行して検出したスペクトル信号（及び以下に記載のとおりのその他のデータ入力）を分析する。例えば、１つまたはそれ以上の標的気体、あるいは気体サンプル中の粒子の存在または濃度の指示のような検出結果を生成する。

光学検出器１００は、反射感知対象物１３１の既知または校正特性を用いる。例えば、特定の濃度で標的成分が存在する場合に、反射感知対象物１３１の反射性において所定の変更を予想し、検出結果を判定する。反射感知対象物１３１が気体サンプル（少なくとも１つの標的構造成分を含有）に接触する場合に、反射感知対象物１３１は、構造成分の種類と構造成分の濃度に基づいてその構造を変える。それゆえに、反射感知対象物１３１は、反射を行い、かつ入射光を変更して反射感知対象物１３１の反射特性における変化に依存するスペクトル分布を有する測定反射光に形成することができる。伝統的な赤外線検出を用いる気体検知器と比較して、光学検出器１００では、多重反射を必要とせず、気体の構造成分を検出することができるので、光学検出器１００は、反射材料のコスト、気体室の容積及び検出時間を低減できる。

外部環境の特性（例えば、温度や湿度など）は、検出したスペクトル信号をシフトしたり作り替えたりする。そのため、検出結果における環境誤差を回避するための補正が必要となる。検出結果の環境誤差を回避するために、光学検出器１００は、参照室１１２、参照対象物１３２及び参照光学センサ１４２とをさらに備えてもよく、それらは測定室１１１、反射感知対象物１３１及び測定光学センサ１４１とは対称的に配置してもよい。参照室１１２は、即ち、測定室１１１内の気体サンプルと同じ組成を有する気体である分析待ちの気体の一部を収容するように構成する。参照対象物１３２は、参照室１１２内または近傍に配置する。そして参照対象物１３２は、入射光を受光すると共に、入射光を反射して参照反射光に形成するように構成する。参照光学センサ１４２は、参照反射光を受光・検出して、参照スペクトル信号を生成するように構成する。光源１２は、測定室１１１及び参照室１１２に連結し、かつ入射光を発して測定室及び参照室のいずれにも進入してもよい。プロセッサ１９は、さらに、参照光学センサ１４２に連結し、検出したスペクトル信号と参照スペクトル信号を受信すると共に、検出したスペクトル信号と参照スペクトル信号を用いて校正結果を算出する。

参照対象物１３２は、各種の温湿度条件下で低い変色性を維持する材料を含有してもよい。そのため、参照対象物１３２の反射率は、環境の温度と湿度によってほとんど影響を受けていない。実際には、参照対象物１３２は、温度と湿度の変化に対して応答の低いセラミック、酸化アルミニウムまたはジルコニアを含んでもよい。入射光及び参照反射光が参照室１１２内の分析待ちの気体に接触した後に、参照光学センサ１４２は、参照スペクトル信号を受信・生成する。従って、参照スペクトル信号は、環境の現在の温度と湿度及び光学検出器１００の温度で分析待ちの気体を通過させる作用（ｅｆｆｅｃｔ）の後に、光源１２からの光の基準スペクトル分布を表現する。それゆえに、参照スペクトル信号は、反射体の特性に何も変更を加えず、ブランク校正信号を提供することにある。プロセッサ１９が測定スペクトル信号及び参照スペクトル信号を一緒に用いて検出結果を算出する場合に、プロセッサ１９は、温度と湿度の影響を入れた校正結果を算出する。

上記の構成要素を固定するために、光学検出器１００は、対象物ホルダ１５１と、センサホルダ１５２と、センサ保護カバー１５３とをさらに備える。図２～図５Ｂに示すように、対象物ホルダ１５１は、反射感知対象物１３１及び参照対象物１３２を保持する。そしてセンサホルダ１５２は、光源１２、測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２を保持する。センサ保護カバー１５３は、対象物ホルダ１５１とセンサホルダ１５２との間にあると共に、それぞれこれらに連結する。対象物ホルダ１５１と、センサホルダ１５２と、センサ保護カバー１５３とを一緒に組み立てる場合に、対象物ホルダ１５１とセンサ保護カバー１５３との間に測定室１１１及び参照室１１２を形成する。空間１６２、１６３と１６４は、センサ保護カバー１５３とセンサホルダ１５２との間に形成し、かつそれぞれ測定光学センサ１４１、参照光学センサ１４２と光源１２を保有している。図示された構成において、参照室１１２から測定室１１１を隔離し、かつ測定センサ収納空間１６２と、参照センサ収納空間１６３と、光源収納空間１６４とを相互に隔離する。加えて、センサ保護カバー１５３は、測定センサ収納空間１６２から測定室１１１を隔離するように構成する。また、参照センサ収納空間１６３から参照室１１２を隔離するように構成して、分析待ちの気体が測定センサ収納空間１６２及び参照センサ収納空間１６３に進入することを防止することができる。分析待ちの気体は、測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２に影響・損傷を与える構造成分を含有してもよく、空間１６２と１６３の隔離は、感知精度に影響する可能性のある要因を回避することができる。

図１～図５Ｂに示すように、対象物ホルダ１５１は、２つの対象物ハウジングスロット１５５（一つは、反射感知対象物１３１を保持するもので、もう一つは、参照対象物１３２を保持するものである）を有する。反射感知対象物１３１及び参照対象物１３２が対象物ハウジングスロット１５５内に固定する場合に、反射感知対象物１３１と対象物ホルダ１５１との間に２つの開口１６１を形成すると共に、参照対象物１３２と対象物ホルダ１５１との間に２つの開口１６１を形成する（図１を参照）。開口１６１は、測定室１１１が外部環境と連通すると共に、参照室１１２が外部環境と連通するように構成することで、分析待ちの気体を光学検出器１００に対して自由に出入りさせることが許容される。

光源１２から発して２つの室（測定室１１１及び参照室１１２）に進入する入射光を均等に分岐させるために、光学檢射器１００は、分光レンズ１７をさらに備える。分光レンズ１７は、光ビームをフォーカスまたは視準分岐させる光学特性の有無にかかわらないビーム‐スプリッタ（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）などのような光学素子であってもよい。図２に示すように、センサ保護カバー１５３は、分光レンズ１７を収納するレンズハウジングスロット１５６をさらに含む。図５Ｂに示すように、光学検出器１００の組み立てが完了すると、分光レンズ１７は、光源１２の真上にあり、かつ測定室１１１と、参照室１１２と、光源収納空間１６４との間に位置する。分光レンズ１７は、光源１２から測定室１１１と参照室１１２とに進入する入射光を分岐させるように構成する。分光レンズ１７は、対象物ホルダ１５１に隣接するセンサ保護カバー１５３のレンズハウジングスロット１５６内に収納する。そのため、測定室１１１と、参照室１１２と、光源収納空間１６４とを相互に隔離するが、光により相互に光通信を行うことができる。

光により測定室１１１と測定センサ収納空間１６２とを連通するために、及び光により参照室１１２と参照センサ収納空間１６３とを連通するために、光学検出器１００は、第１保護ガラス１８１と、第２保護ガラス１８２とをさらに備える。図２と図５Ｂに示すように、センサ保護カバー１５３は、２つのガラスハウジングスロット１５７をさらに含む。そのうち、１つのガラスハウジングスロット１５７は、測定室１１１と測定センサ収納空間１６２との間にあり、かつ第１保護ガラス１８１を収納するように構成する。もう１つのガラスハウジングスロット１５７は、参照室１１２と参照センサ収納空間１６３との間にあり、かつ第２保護ガラス１８２を収納するように構成する。測定光学センサ１４１により測定反射光を円滑に受光するために、第１保護ガラス１８１は、測定反射光の光経路上にある。同様の理由から、参照光学センサ１４２により参照反射光を円滑に受光するために、第２保護ガラス１８２は、参照反射光の光経路上にある。従って、測定室１１１は、光により測定センサ収納空間１６２と連通することができ、かつ参照室１１２は、光により参照センサ収納空間１６３と連通することができる。第１保護ガラス１８１と第２保護ガラス１８２は、また、測定室１１１及び参照室１１２から測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２を隔離して、測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２が気体による汚染を受けないように保護することができる。

実際には、光源１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよく、かつ特定スペクトルを有する入射光を発するように構成する。例えば、広いスペクトルパワー分布またはスペクトルパワー分布は、反射感知対象物１３２がその光学特性を変える波長を有する光を含み、例えば、標的気体の濃度に依存する反射性を変える。赤外線ベースの気体検知器は、光源として赤外線を用い、そして赤外線光源は、予熱して安定する時間を必要とする。光学検出器１００は、赤外線光を必要とせず、かつ光源１２としてＬＥＤを用いてもよい。そのため、光学検出器１００は、起動後に安定化時間と予熱時間を取らずに用いることができる（参照光学センサ１４２は、また、光源１２からの光のスペクトルに表示しているスペクトル分布を計測し、それは光源１２を正確に安定させる必要性をさらに低減）。センサホルダ１５２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよく、そしてプロセッサ１９は、中央処理ユニット、マイクロコントローラユニット、またはセンサホルダ１５２を介して測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２に連結するコンピュータであってもよい。

光学検出器１００は、対象物ホルダ１５１と、センサホルダ１５２と、センサ保護カバー１５３とを通じて取り持ち・固定・据え付けして用いる。本願に開示の光学検出器１００は、光源１２に関連する参照構成要素を感知・対応する対象的な配置により、反射感知対象物１３１に到達する入射光の経路長は、参照対象物１３２に到達する入射光の経路長と同じであるという利点を有する。同様の理由から、測定光学センサ１４１に到達する測定反射光の経路長は、反射光学センサ１４２に到達する参照反射光の経路長と同じである。

１つの光源１２のみを有する図２～図５Ｂの光学検出器１００の実施例の他に、代わりに１つ以上の光源を有する光学検出器であってもよい。図６～図９Ｂには、多重光源１２を有する光学検出器２００の代替実施例を示している。光源１２は、同じスペクトルパワー分布または異なるスペクトルパワー分布を有する光を発することができる。例えば、光学検出器２００中の異なる光源１２は、異なる波長でスペクトル分布のピークを有する光を発することができる。図６は、本開示の別の実施例による光学検出器２００を示す分解図である。図７は、図６の光学検出器２００の他面を示す分解図である。図８は、図６の光学検出器２００の断面線Ｃ－Ｃ´とＤ－Ｄ´を示す模式図である。図９Ａは、図８の断面線Ｃ－Ｃ´に沿う光学検出器２００の断面図であり、そして図９Ｂは、図８の断面線Ｄ－Ｄ´に沿う光学検出器２００の断面図である。光学検出器２００中の大部分の構成要素は、光学検出器１００のそれらの構成要素と同じであり、それらの構成要素についての議論は、以下では繰り返しの説明を省略する。図６～図９Ｂに示すように、光学検出器２００は、２つの光源１２と、２つの分光レンズ１７とを特に備える。センサ保護カバー１５３は、２つの光源ハウジングスロット１５４と、２つのレンズハウジングスロット１５６と、２つのガラスハウジングスロット１５７とを含む。レンズハウジングスロット１５６は、光源ハウジングスロット１５４の真上に位置し、そしてレンズハウジングスロット１５６を光源ハウジングスロット１５４より大きくして、台形構造に形成する。各分光レンズ１７は、光源ハウジングスロット１５４と、測定室１１１と、参照室１１２との間に位置し、従って光源１２から発する入射光を測定室１１１と参照室１１２とに円滑に分岐させることができる。実際には、センサ保護カバー１５３の周囲に近接する台形構造の一側は、レンズハウジングスロット１５６及び光源ハウジングスロット１５４（図９Ａを参照）と垂直に交わる。

光学検出器２００において、測定光学センサ１４１と参照光学センサ１４２は、センサホルダ１５２上に固定し、かつセンサ保護カバー１５３とセンサホルダ１５２との間に形成するセンサ収納空間１６５内に収納する。この分野に熟知した当業者は、上記の教示に照らして多重光源１２に対して変更を加えることができ、あるいは上記の機能の実行を妨げることなく、構成要素の位置を調整できることに留意すべきである。

光学検出器１００と２００は、いずれも反射型感知対象物１３１を用いる。反射感知対象物１３１は、不透明で反射するＤＮＡ修飾ファージまたはＤＮＡ非修飾ファージの少なくとも１つを含むものであってもよい。米国特許出願公開第２０１６／０３１２２６２号明細書には、「生物模倣ウイルスベースの比色センサ（ＢＩＯＭＩＭＥＴＩＣ ＶＩＲＵＳ－ＢＡＳＥＤ ＣＯＬＯＲＩＭＥＴＲＩＣ ＳＥＮＳＯＲＳ）」という発明の名称を与えたものであり、その全体の参照によりこの明細書に組み込まれるものであり、繊維束を有する比色検知層に、例えば、関心のある標的気体や粒子などのような分析物との相互作用に際して変色を受けるように構成する糸状ファージを含む繊維束を如何にして自己組織化するかが記載されている。とりわけ、繊維束の断片は、関心のある分析物との相互作用に際し、第１立体構造から第２立体構造への変化を受けることによってその変色を受けている。このような技術は、反射感知対象物１３１に用いることから、変色によって反射感知対象物１３１の反射特性を作り替えることに起因して、特に反射光のスペクトル分布が入射光のスペクトル分布と異なることになる。反射感知対象物１３１は、異なるＤＮＡ修飾ファージまたはＤＮＡ非修飾ファージに基づいて、あるいは同じＤＮＡ修飾ファージまたはＤＮＡ非修飾ファージに基づいて、異なる気体成分とそれらの濃度を検出することが可能となる。より一般的には、反射感知対象物１３１は、いかなる変色材料を用いてもよく、かつファージを用いる材料に限定されない。

光学検出器１００と２００の反射型構造の実施形態とは別に、本開示のその他の実施例に従う光学検出器は、感知対象物のために、透過または伝送型構造を用いてもよい。図１０～図１４Ｂには、感知対象物のために、透過または伝送型構造を用いる光学検出器３００が特に図示・例示される。より具体的には、図１０には、光学検出器３００の斜視図が示されている。図１１と図１２は、図１０の光学検出器３００の構成要素の異なる面を示す分解図である。図１３は、図１０の光学検出器３００の断面線Ｅ－Ｅ´とＦ－Ｆ´を示す模式図である。図１４Ａと図１４Ｂは、それぞれ図１３の断面線Ｅ－Ｅ´とＦ－Ｆ´に沿う光学検出器３００の横断面図である。光学検出器３００の大部分の構成要素は、光学検出器１００または２００の対応構成要素と同じであり、同一の構成要素についての完全な記述は、以下では繰り返しの説明を省略する。

図１０～図１４Ｂに示すように、光学検出器３００は、気体室１１３と、光源１２と、透過感知対象物１３３と、測定光学センサ１４１と、プロセッサ１９とを備える。透過感知対象物１３３は、分析待ちの気体サンプルの標的構造成分を感知すると共に、透過感知対象物１３３の光透過特性を変える。透過感知対象物１３３は、入射光を受光するように位置しており、そして透過感知対象物１３３に入射光を透過させて測定透過光に形成する。とりわけ、透過感知対象物１３３は、気体サンプル中の１つまたはそれ以上の標的構造成分に依存する入射光の特定の波長を優先的に吸収して測定透過光を生成する。測定光学センサ１４１は、測定透過光を受光・検出して、検出したスペクトル信号を生成するように構成する。プロセッサ１９は、測定光学センサ１４１に連結し、検出したスペクトル信号を受信すると共に、検出したスペクトル信号に基づいて、検出結果を算出する。

透過感知対象物１３３が分析待ちの気体（少なくとも１つの検出待ちの標的構造成分を含有）に接触する場合に、透過感知対象物１３３は、標的気体構造成分の種類と濃度に基づいてその構造を変える。実際には、参照対象物１３２は、増加した変色構造を有するガラスなどのような光透過対象物または材料を含んでもよい。例えば、透過感知対象物１３３は、上記のようなＤＮＡ修飾ファージまたはＤＮＡ非修飾ファージのうちの少なくとも１つを含む光透過対象物であってもよい。それゆえに、透過感知対象物１３３に入射光を透過させ、透過感知対象物１３３の光学特性における変化に依存するスペクトルを有する測定透過光に形成することができる。透過感知対象物１３３は、異なるＤＮＡ修飾ファージまたはＤＮＡ非修飾ファージに基づいて、あるいは同じＤＮＡ修飾ファージまたはＤＮＡ非修飾ファージに基づいて、異なる気体成分とそれらの濃度を検出するが、これらに制限されるものではない。

環境要因によって影響を受ける検出結果を校正するために、光学検出器３００は、参照対象物１３２と、参照光学センサ１４２とをさらに備えてもよい。参照対象物１３２は、入射光を受光して参照透過光に形成するために、対称的に配置するように構成する。参照光学センサ１４２は、参照透過光を受光・検出して、参照スペクトル信号を取得するように構成する。プロセッサ１９は、また、参照光学センサ１４２に連結すると共に、参照スペクトル信号を受信して、検出したスペクトル信号と参照スペクトル信号に基づいて、校正結果を算出するように構成する。

上記の構成要素を固定するために、光学検出器３００は、光源ホルダ１５０と、対象物ホルダ１５１と、センサ保護カバー１５３と、センサホルダ１５２とをさらに備えてもよい。図１０～図１４Ｂに示すように、光源ホルダ１５０は、光源１２を固定するように構成し、対象物ホルダ１５１は、透過感知対象物１３３及び参照対象物１３２を固定するように構成し、そしてセンサホルダ１５２は、測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２を固定するように構成する。対象物ホルダ１５１は、光源ホルダ１５０とセンサホルダ１５２との間に介在すると共に、光源ホルダ１５０に連結する。センサ保護カバー１５３は、対象物ホルダ１５１とセンサホルダ１５２との間に介在すると共に、それぞれこれらに連結する。光源ホルダ１５０と、対象物ホルダ１５１と、センサ保護カバー１５３と、センサホルダ１５２とを一緒に組み立てる場合に、光源ホルダ１５０と対象物ホルダ１５１との間に気体室１１３を形成すると共に、センサ保護カバー１５３とセンサホルダ１５２との間にセンサ収納空間１６５を形成する。分析待ちの気体がセンサ収納空間１６５に進入することを回避するためのセンサ保護カバー１５３により、センサ収納空間１６５から気体室１１３を隔離してもよい。

光源ホルダ１５０は、光源ハウジングスロット１５４と、２つの開口１６１とを有する。光源ハウジングスロット１５４には、光源１２を収めるように構成し、そして開口１６１は、気体室１１３が外部環境と連通するように構成することで、分析待ちの気体を自由に出入りさせることが許容される。

気体室１１３とセンサ収納空間１６５との間の光を伝達するために、光学検出器３００は、第１保護ガラス１８１と、第２保護ガラス１８２とをさらに備える。図１１と図１４Ｂに示すように、センサ保護カバー１５３は、２つのガラスハウジングスロット１５７をさらに含み、一つは、第１保護ガラス１８１を収めるように構成し、もう一つは、第２保護ガラス１８２を収めるように構成する。透過感知対象物１３３に入射光を円滑に透過させるために、第１保護ガラス１８１は、入射光の光経路にあり、かつ測定透過光の光経路にある。同様の理由から、参照対象物１３２に入射光を円滑に透過させるために、第２保護ガラス１８２は、入射光の光経路と参照透過光の光経路との間に位置する必要がある。加えて、測定光学センサ１４１により測定透過光を円滑に受光するために、測定光学センサ１４１は、測定透過光の光経路上に位置する必要がある。同様の理由から、参照光学センサ１４２により参照透過光を円滑に受光するために、参照光学センサ１４２は、参照透過光の光経路上に位置する必要がある。第１保護ガラス１８１と第２保護ガラス１８２は、また、測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２から気体室１１３を隔離するように構成し、測定光学センサ１４１及び参照光学センサ１４２が気体による汚染を受けないように保護することができる。

上記の説明によれば、光学検出器３００は、光源ホルダ１５０、対象物ホルダ１５１、センサ保護カバー１５３及びセンサホルダ１５２によって固定し、対称的な配置を提供することにより、光源１２からの透過感知対象物１３３に到達する入射光の経路長は、参照対象物１３２に到達する入射光の経路長と同じである。同様の理由から、測定光学センサ１４１に到達する測定透過光の経路長は、参照光学センサ１４２に到達する参照透過光の経路長と同じである。

実際には、精度を良くするために、光学検出器３００は、プロセッサ１９に連結する温湿度検出器１４３をさらに備えてもよい。温湿度検出器１４３は、分析待ちの気体の温度と湿度を検出すると共に、温湿度結果を生成するように構成する。プロセッサ１９は、また、温湿度結果に基づいて、校正結果を算出し、計測精度を向上させる。

実際には、反射感知対象物１３１と透過感知対象物１３３は、アンモニア（ＮＨ_３）、及び炭化水素、ハロゲン化炭化水素、酸素炭化水素、窒素炭化水素などのような揮發性有機化合物を含む気体成分を感知することができる。詳細には、標的気体構造成分は、ベンゼン系、有機塩化物、フロン系、有機ケトン、アミン類、アルコール類、エーテル類、エステル類、酸類由来の化合物、及び石油炭化水素化合物を含んでもよい。検出待ちの気体成分に対応するＤＮＡ修飾ファージを含む反射感知対象物１３１または透過感知対象物１３３が、検出待ちの標的気体構造成分を含む分析待ちの気体に接触する場合に、ＤＮＡ修飾ファージは構造を変える。それゆえに、入射光がＤＮＡ修飾ファージの構造に進入する場合に、ＤＮＡ修飾ファージの構造は、入射光のスペクトルを変えると共に、測定反射光または測定透過光に形成する。

加えて、反射感知対象物１３１または透過感知対象物１３３のファージは、気体を検出できるだけでなく、対応ファージによって検出することができる成分を含有する固体や液体などのような浮遊物質を検出することもできる。成分としては、有機化学物質、無機化学物質、ウイルスなどであってよい。ファージの液体中の検出メカニズムは、上記のとおりの気体中の検出メカニズムと類似であるため、ここではその説明を割愛する。

従来技術と比較して、光学検出器１００、２００または３００は、光源放出、温度や湿度などのようなさまざまな環境要因、及び光学検出器の温度の同時校正を提供する。光学検出器は、その他の検出しなかった気体の影響を回避する検出特異性を有するので、高い気体組成解像度を提供する。それは多重反射のための十分な容積の気体室を必要としないから、光学検出器を小型化することができる。加えて、赤外線を用いる気体検知器に比べると、光学検出器１００、２００または３００は、検出時間をより短縮でき、消費電力を少なくする。

以上、本発明については、実施例実装を開示したが、これらの実装はあくまでも例示であって、それらによって限定されるものと解釈されるべきではない。なお、開示された実施形態のさまざまな適応と特徴の組み合わせはすべて、以下の特許請求の範囲内に包含されることが意図される。

１２：光源
１７：分光レンズ
１９：プロセッサ
１００，２００，３００：光学検出器
１１１：測定室
１１２：参照室
１１３：気体室
１３１：反射感知対象物
１３２：参照対象物
１３３：透過感知対象物
１４１：測定光学センサ
１４２：参照光学センサ
１４３：温湿度検出器
１５０：光源ホルダ
１５１：対象物ホルダ
１５２：センサホルダ
１５３：センサ保護カバー
１５４：光源ハウジングスロット
１５５：対象物ハウジングスロット
１５６：レンズハウジングスロット
１５７：ガラスハウジングスロット
１６１：開口
１６２：測定センサ収納空間
１６３：参照センサ収納空間
１６４：光源収納空間
１６５：センサ収納空間
１８１：第１保護ガラス
１８２：第２保護ガラス

Claims (16)

1. 気体を収容するための測定室と、前記測定室から隔離され、前記気体を収容するために用いられる参照室と、前記測定室及び前記参照室に連結し、前記測定室及び前記参照室に進入する入射光を発するように構成する少なくとも１つの光源と、前記測定室内の前記気体に暴露した感知対象物と、測定光学センサと、前記参照室内の前記気体に暴露した参照対象物と、参照光学センサと、前記測定光学センサ及び前記参照光学センサに連結するプロセッサとを備える光学検出器であって、
   前記感知対象物は、前記気体の組成に基づいてその光学反射特性を変化させ、それにより、前記入射光が前記測定室内の前記感知対象物に向けられた後、前記入射光の反射光が前記感知対象物の入射面から生成され、前記反射光が測定光として採用され、
   前記測定光学センサは、前記測定光を受光し、及び前記測定光から、検出したスペクトル信号を生成するように構成し、
   前記参照対象物は、前記気体の組成に基づいてその光学反射特性を変化させ、それにより、前記入射光が前記参照室内の前記参照対象物に向けられた後、前記入射光の反射光が前記参照対象物の入射面から生成され、前記反射光が参照光として採用され、
   前記参照光学センサは、前記参照光を受光し、及び前記参照光から、参照スペクトル信号を生成するように構成し、
   前記プロセッサは、前記測定光学センサから前記検出したスペクトル信号を受信して、検出結果を算出し、前記参照光学センサから前記参照スペクトル信号を受信して、参照結果を算出し、前記検出結果及び前記参照結果に基づいて、校正結果を算出するように構成することを特徴とする、光学検出器。
2. 前記感知対象物に到達する前記入射光の経路長は、前記参照対象物に到達する前記入射光の経路長と同じであり、かつ前記測定光学センサに到達する前記測定光の経路長は、前記参照光学センサに到達する前記参照光の経路長と同じであることを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。
3. 前記感知対象物と前記測定光学センサとの間に、及び前記参照対象物と前記参照光学センサとの間に保護ガラスをさらに備え、前記保護ガラスは、前記測定光学センサ及び前記参照光学センサから前記測定室を隔離することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。
4. 前記感知対象物は、ＤＮＡ修飾ファージ及びＤＮＡ非修飾ファージの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。
5. 前記プロセッサに連結する温湿度検出器をさらに備え、前記温湿度検出器は、前記気体の温度と湿度を検出すると共に、温湿度結果を生成するように構成し、前記プロセッサは、前記検出したスペクトル信号、前記参照スペクトル信号、及び前記温湿度結果に基づいて、校正結果を算出するように構成することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。
6. 前記感知対象物は、前記気体に接触すると共に、少なくとも１つの気体成分の濃度に基づいて色を変えることで、前記感知対象物は、前記入射光をスペクトル分布（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を有する前記測定光に反射し、前記スペクトル分布は、前記少なくとも１つの気体成分の濃度に対応することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。
7. 前記感知対象物は、前記測定室内の前記気体の組成に依存する透過（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）特性を有する透過感知対象物を含み、前記透過感知対象物は、前記入射光を受光すると共に、前記入射光の一部分を伝送して前記測定光に形成するように構成することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。
8. 気体を収容するための測定室と、前記測定室から隔離され、前記気体を収容するために用いられる参照室と、前記測定室及び前記参照室に連結し、前記測定室及び前記参照室に進入する入射光を発するように構成する少なくとも１つの光源と、前記測定室内の前記気体に暴露した感知対象物と、測定光学センサと、前記参照室内の前記気体に暴露した参照対象物と、参照光学センサと、前記測定光学センサ及び前記参照光学センサに連結するプロセッサとを備える光学検出器であって、
   前記感知対象物は、前記気体の組成に基づいてその光透過特性を変化させ、それにより、前記入射光が前記測定室内の前記感知対象物の片面に向けられた後、前記入射光の透過光が前記感知対象物の反対面から受光され、前記透過光が測定光として採用され、
   前記測定光学センサは、前記測定光を受光して、前記測定光から、検出したスペクトル信号を生成するように構成し、
   前記参照対象物は、前記気体の組成に基づいてその光透過特性を変化させ、それにより、前記入射光が前記参照室内の前記参照対象物の片面に向けられた後、前記入射光の透過光が前記参照対象物の反対面から受光され、前記透過光が参照光として採用され、
   前記参照光学センサは、前記参照光を受光して、前記参照光から、参照スペクトル信号を生成するように構成し、
   前記プロセッサは、前記測定光学センサから前記検出したスペクトル信号を受信して、検出結果を算出し、前記参照光学センサから前記参照スペクトル信号を受信して、参照結果を算出し、前記検出結果及び前記参照結果に基づいて、校正結果を算出するように構成することを特徴とする、光学検出器。
9. 前記感知対象物に到達する前記入射光の経路長は、前記参照対象物に到達する前記入射光の経路長と同じであり、そして前記測定光学センサに到達する前記測定光の経路長は、前記参照光学センサに到達する前記参照光の経路長と同じであることを特徴とする、請求項８に記載の光学検出器。
10. 前記測定室、前記参照室と、少なくとも１つの光源の１つとの間に位置する少なくとも１つの分光レンズをさらに備え、前記少なくとも１つの分光レンズの各々は、前記少なくとも１つの光源から前記測定室及び前記参照室へ進入した前記入射光を分割するように構成することを特徴とする、請求項８に記載の光学検出器。
11. 前記参照対象物は、各種の温湿度条件下で低い変色性を維持するように構成することを特徴とする、請求項８に記載の光学検出器。
12. 前記参照対象物は、セラミック、酸化アルミニウムまたはジルコニアを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の光学検出器。
13. 前記測定室と前記測定光学センサとの間に介在する第１保護ガラスと、前記参照室と前記参照光学センサとの間に介在する第２保護ガラスとをさらに備え、
    前記第１保護ガラスと前記第２保護ガラスは、前記測定室及び前記参照室から前記測定光学センサ及び前記参照光学センサを隔離することを特徴とする、請求項１０に記載の光学検出器。
14. 前記プロセッサに連結する温湿度検出器をさらに備え、前記温湿度検出器は、分析待ちの前記気体の温度と湿度を検出すると共に、温湿度結果を生成するように構成し、前記プロセッサは、前記検出したスペクトル信号、前記参照スペクトル信号、及び前記温湿度結果に基づいて、校正結果を算出することを特徴とする、請求項８に記載の光学検出器。
15. 前記気体は少なくとも１つの気体成分を含み、前記透過光のスペクトル分布は、前記少なくとも１つの気体成分の濃度と共に変化することを特徴とする、請求項８に記載の光学検出器。
16. 不透明な対象物である前記感知対象物は、ＤＮＡ修飾ファージ及びＤＮＡ非修飾ファージの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学検出器。