(57)【要約】【課題】入射する光の波長以下の微細な凹凸構造による共鳴反射を利用して、特定の波長の光を透過又は反射させる光学素子と、それを用いた屈折率センサを提供する。【解決手段】本発明の光学素子３０は、格子層３３の微細な凹凸による周期構造が（周期Λを一定にした状態又は屈折率を一定にした状態で）構造幅ａを空間的に変化させた構造を有し、入射する光の波長以下の微細な凹凸構造による共鳴反射を利用して特定の波長の光を透過又は反射させる。本発明の屈折率センサは、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子（共鳴フィルタ）３０と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備えており、微細な凹凸による周期構造を周期一定（又は屈折率一定）で構造幅ａを空間的に変化させ、入射光が共鳴反射する構造幅の位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する。【選択図】図２
2010026194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出することを特徴とする屈折率センサ。
【請求項５】
請求項４記載の屈折率センサにおいて、
前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする屈折率センサ。
【請求項６】
請求項４記載の屈折率センサにおいて、
前記光検出器はライン状のＣＣＤからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記ＣＣＤを設置することを特徴とする屈折率センサ。
【請求項７】
請求項４記載の屈折率センサにおいて、
前記光検出器はライン状のＣＭＯＳセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記ＣＭＯＳセンサを設置することを特徴とする屈折率センサ
【請求項８】
請求項４〜７のいずれか一つに記載の屈折率センサにおいて、
前記光学素子と、前記光検出器を積層させることを特徴とする屈折率センサ。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれか一つに記載の屈折率センサを１次元又は２次元アレイ状に配置したことを特徴とする屈折率センサアレイ。
【請求項１０】
請求項９に記載の屈折率センサアレイからなることを特徴とするバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の波長の光を共鳴反射させる共鳴フィルタや、特定の波長の光を透過させる光学フィルタとして用いることができできる光学素子と、その光学素子を用い被測定試料の反応や屈折率の変化を検出する屈折率センサ及び屈折率センサアレイと、前記屈折率センサアレイを用い抗体反応などを検査するバイオセンサに関する。また、本発明の光学素子は、光の偏光方向を検出する偏光センサ等にも応用することができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオテクノロジーの発展に伴い、高感度かつ安価に製造できるバイオセンサへの要求が高まってきている。このような中、抗原抗体反応などを検出するためのセンサ、特定の目的物や液体中の成分の変化などを検出するためのセンサ、血中や尿中成分をモニタリングするためのセンサ、として、屈折率変化を検知するセンサ、デバイスが期待されている。
【０００３】
このようなセンサとして、表面プラズモン共鳴を利用したセンサが知られている。現在、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）やたんぱく質に蛍光体などでラベル化し、結合した蛍光体を蛍光顕微鏡や蛍光スキャナによって読み取ることによって検出を行っている方法がよく使われているが、蛍光体を付けるという前工程が不要になる、この工程でＤＮＡやたんぱく質、その他の物質に悪影響を与える、といった問題がなくなることから、この表面プラズモン共鳴を利用した測定法が盛んに研究されている。表面プラズモン共鳴は、金属層に光が入射したときに金属表面に誘起される表面プラズモン波が入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴して励起される現象である。このような表面プラズモン共鳴を使ったセンサとして代表的な光学構造は、プリズムの全反射を利用したものである。具体的に述べると、金属膜を蒸着したプリズムに光を入射すると、プリズム表面において発生しているエバネッセント波と金属表面において励起された表面プラズモン波が共鳴するが、この表面プラズモン共鳴を起こす入射角度は金属表面の試料の屈折率によって変化する。そこで、これを利用して、反射光の減少する角度の変化を表面の屈折率変化として検出する（特許文献１（特開平５−１８８９０号公報）、特許文献２（特開平６−５８８７３号公報）参照）。
【０００４】
また、特許文献３（特開平７−２２５１８５号公報）では、同様に表面プラズモン共鳴を利用し、入射光源、プリズム、光検出器を固定した構成としている。このため、センサ完成後に各デバイスの位置関係を調整する必要をなくしている。これは光検出器としてＣＣＤ撮像素子が固定されており、各反射角度の反射光量を検出することにより屈折率の変化を検出している。
【０００５】
また、特許文献４（特表２００７−５０６１０７号公報）では、波長以下の凹凸構造を有することによって、入射した光がその凹凸構造と共振して発生する共鳴反射を利用したセンシング方法を提案している。この共鳴反射を起こすにはいろいろな形態が考えられるが、簡単な原理を一般的な構成を使って図３に示す。基本構成は基材層１１、高屈折率の材料で形成される導波層１２、凹凸周期構造を形成している格子層１３からなる。格子層１３の領域は、高屈折率な材料部と低屈折率な材料部が所定の周期で交互に形成されている。
図４は、上記構造の周期、屈折率を最適化した場合、入射光の波長に対する光の透過率のグラフを示している。これは、入射光の波長以下のサイズでの特定周期、屈折率を有する構造によって、ある特定波長λ１でのみ入射光が共鳴反射することを示している。これら材料は、入射光に対してすべて透明な材質で構成されているため、上記特定周期構造の条件のみ入射光を共鳴反射させ、その以外の条件では、入射光をほとんど透過させている。
【０００６】
この共鳴反射の現象を利用すると、白色光を被測定試料をつけた素子に照射し、共鳴反射する光の波長を分光器でスキャンすることにより、被測定試料の屈折率変化を検知することができる。この方法においても、蛍光体などのラベルが不要であるため、物質に悪影響を与える、前処理工程に時間がかかる、などの問題をなくすことができる。さらに共鳴反射は、光量の大きなコントラストがとれるため、測定精度を高めることが可能である。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１８８９０号公報
【特許文献２】特開平６−５８８７３号公報
【特許文献３】特開平７−２２５１８５号公報
【特許文献４】特表２００７−５０６１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の従来技術による構成においては、以下のような課題がある。
特許文献１、２に開示されている方法においては、光の全反射において反射光の強度が入射角により変化することを利用して測定を行う。そのため、レンズやプリズム、検出器を高い位置精度で移動させなければならない。従って各デバイスの位置関係を維持するために、高い剛性をもった部材で固定する必要があり、装置が大型化し、高価なものになってしてしまう。
【０００９】
特許文献３に開示されている方法においては、光源、検出器などが固定されていて駆動部がなく、セッティング後の位置調整が不必要になっているため、動作の安定化が可能になっている。しかし、反射光の各角度による光量を検出しているため、検出するＣＣＤの位置は被測定試料からある程度の距離が必要になり、小型化・薄型化には適さない。
【００１０】
特許文献４に開示されている方法においては、検出に共鳴反射を利用しているため、コントラストの大きな信号を得ることができる。しかし、検出方法に分光器を利用しているため、装置の小型化が困難である。また、一つの光源に対して一つの測定しかできないため、処理の高速化、一括化ができないという問題がある。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、入射する光の波長以下の微細な凹凸の周期構造による共鳴反射を利用して、特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子を提供することを目的とし、さらにはその光学素子を用いることにより、可動部がなく安定した高精度な測定が可能であり、かつ素子の小型化、薄型化、処理の高速化が可能になる屈折率センサ及び屈折率センサアレイを提供すること、及び、前記屈折率センサアレイを用い抗体反応などを検査するバイオセンサ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】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第１の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造を有することを特徴とする。
また、本発明の第２の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造を有することを特徴とする。
さらに本発明の第３の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第４の手段は、屈折率センサであり、第１〜第３の手段のいずれか一つに記載の光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出することを特徴とする。
また、本発明の第５の手段は、第４の手段に記載の屈折率センサにおいて、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする。
さらに本発明の第６の手段は、第４の手段に記載の屈折率センサにおいて、前記光検出器はライン状のＣＣＤからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記ＣＣＤを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第７の手段は、第４の手段に記載の屈折率センサにおいて、前記光検出器はライン状のＣＭＯＳセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記ＣＭＯＳセンサを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第８の手段は、第４〜第７の手段のいずれか一つに記載の屈折率センサにおいて、前記光学素子と、前記光検出器を積層させることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第９の手段は、屈折率センサアレイであり、第４〜第８の手段のいずれか一つに記載の屈折率センサを１次元又は２次元アレイ状に配置したことを特徴とする。
また、本発明の第１０の手段は、バイオセンサであり、第９の手段に記載の屈折率センサアレイからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光学素子では、周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造を有する（より具体的には、周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造を有する、または、周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造を有する）ことにより、入射する光の波長以下の微細な凹凸の周期構造による共鳴反射を利用して、特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子を実現することができる。
そして本発明の光学素子は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の入射光を共鳴反射させることができる共鳴フィルタや、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の光を透過させることができる光学フィルタとして用いることができる。
【００１６】
本発明では、上記の光学素子を用い、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備えることにより、入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出することができる屈折率センサを提供することができる。
これにより、通常の屈折率変化の検出に必要となる分光器を必要とすることなく、被測定試料の屈折率の変化を位置の変化として検出することができる。また、フィルファクタの変化においての共鳴波長の変化が非常に小さい分、屈折率の変化に対して非常に高分解能となっている。そのため、微小な屈折率の変化を高精度に検知することが可能になる。これにより、従来検出が困難であった生体反応における変化を高感度で検出することが可能になる。
【００１７】
さらに本発明の屈折率センサでは、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、受光素子をアレイ状に並べる構成、または前記光検出器はライン状のＣＣＤからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じてＣＣＤを設置する構成、あるいは前記光検出器はライン状のＣＭＯＳセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じてＣＭＯＳセンサを設置する構成としている。このように光検出器をフィルファクタの変化に対してアレイ状に形成していることにより、稼動部がなく、かつリアルタイムに安定した屈折率の変化を検出することが可能になる。
さらに本発明では、光学素子と光検出器を光の入射方向に対して直列に積層させている。これにより、センサ部を大幅に薄型化できると同時に、光学素子と光検出器の位置合わせが非常に容易になるため、簡易な屈折率センサとすることができる。
【００１８】
本発明の屈折率センサアレイは、上記の屈折率センサを１次元又は２次元アレイ状に配置している。これにより、アレイ状に並べられたそれぞれの屈折率センサに異なるＤＮＡやたんぱく質を固定化しておくことにより、蛍光体などのラベルを使わずに同時に複数の反応検査を行うことが可能になる。従って、この屈折率センサアレイを用いることにより、抗体反応などを検査するバイオセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の構成、動作及び作用効果を詳細に説明する。
本発明の光学素子は、周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造、より具体的には、周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造、または周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造、を有するものであり、入射する光の波長以下の微細な凹凸構造による共鳴反射を利用して、特定の波長の光を透過又は反射させるものである。
そして本発明の光学素子からなる共鳴フィルタは、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の入射光を共鳴反射させるものである。
また、本発明の光学素子からなる光学フィルタは、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の光を透過させるものである。
【００２０】
本発明の屈折率センサは、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備えており、微細な凹凸による周期構造を周期一定（または屈折率一定）で構造幅を空間的に変化させ、入射光が共鳴反射する構造幅の位置により凹凸周辺部の屈折率を検出するものである。
【００２１】
ここで、本発明の具体的な実施形態として、光学素子を共鳴フィルタとして用いた場合を例に挙げて説明する。
本発明の光学素子からなる共鳴フィルタの共鳴反射波長は、微細な周期構造の周期（ピッチ）、周期構造の構造幅、周期構造の屈折率、周期構造の周辺の屈折率などによって決まってくる。そのため、周期構造の周期（ピッチ）、周期構造の屈折率を一定にした状態で、周期構造の構造幅を変化させる、つまり周期に対する構造幅の割合（フィルファクタ）を変化させることにより、周期構造周辺の微小な屈折率を共鳴反射する光の波長の変化として検出できる。つまり入射する光の波長を単一波長とした場合、周期構造周辺の微小な屈折率変化は、周期構造のフィルファクタの値により検知可能である。このため、微細な凹凸による周期構造のフィルファクタを空間的に変化させた構造を形成することにより、微小な屈折率の変化をフィルファクタに対応した空間的な位置として検出することが可能になる。
【００２２】
このような構成の共鳴フィルタを作製することにより、分光機能を必要とせずに屈折率変化を検出することが可能になるため、素子の小型化、簡易化において大いに有利になる。また、フィルファクタの変化は、微小な屈折率変化に対応しているため、屈折率センサを大幅に高感度化させることができる。
また、光検出器を複数の受光素子で構成し、フィルファクタの変化に対応して複数の受光素子をアレイ状に形成することにより、屈折率の変化をリアルタイムに位置の変化として検出することが可能になる。
尚、光検出器としてはライン状のＣＣＤ（charge coupled device）あるいはライン状のＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）センサ等を用いることができる。
さらに、周期構造を含む被測定試料と光検出器を直列に積層させることにより、センサを大幅に薄型化することができる。
また、上記屈折率センサをさらに１次元もしくは２次元アレイ状にすることにより、一つの光源において複数の屈折率変化の検知・処理を一括で行うことができる。
【００２３】
ここで、本発明における光学素子を共鳴フィルタとして用い、光検出器と組み合わせた構成の屈折率センサの基本的な構成について図を用いて説明する。
入射光に対して共鳴反射を起こす光学素子の代表的な構造の断面図は図１に示すようになっている。
この光学素子（共鳴フィルタ）３０は、基材層３１、導波層３２、格子層３３という構成になっており、格子層３３には微細な凹凸による周期構造が形成されている。そして、この格子層３３の上に被測定試料層３４が形成されている。図１による構成では、入射光３５は被測定層側から入射している。この構造により、入射光に対して共鳴反射条件であれば反射光３６が得られ、それ以外の条件ではほぼ入射光は透過光３７となる。
【００２４】
次に本発明による共鳴フィルタ構造の構成を図２に示す。
全体にわたって、格子層３３の構造周期Λは一定であり、徐々に構造幅ａのみが空間的に変わっていくような構成になっている。つまり、位置によりフィルファクタＦ＝ａ／Λが徐々に変化している。ここで、位置によって変化しているのはフィルファクタのみであり、周期Λ、格子層屈折率、導波層屈折率は一定である。フィルファクタを変化させたときに対する共鳴波長の変化は図５のグラフに示すような形になる。フィルファクタが０．５付近では共鳴波長の変化は少なく、０．５からずれるに従って共鳴波長の変化量は大きくなっていく。つまり空間的にフィルファクタＦを変化させるように微細な凹凸による周期構造を形成しておくと、それに応じて空間的に共鳴波長が変化していく素子を作製することができる。
【００２５】
次に、図１における被測定試料層３４の屈折率を変化させたときに対する共鳴波長の変化は、図６のグラフに示すような形になる。ここでは、被測定試料層３４の変化と共鳴波長の変化は比例している。つまり被測定試料層の屈折率が変化すると、それに伴い共鳴波長が変化することを示している。
フィルファクタと共鳴波長、被測定試料層の屈折率と共鳴波長の変化の関係より、素子への入射光の波長λ１を固定しておくと、屈折率が変化したとき共鳴反射を起こすためのフィルファクタが変化することになる。これにより、空間的にフィルファクタを変化させた構造を作製し、ここに特定波長λ１の光を照射することにより、微小な屈折率変化を共鳴反射を起こす位置として検出することが可能になる。
【００２６】
ここで、本発明の屈折率センサにおいて、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサによる光検出器を、共鳴フィルタの空間的なフィルファクタに対応させてアレイ状に並べておくと、図７に示すような光検出器アレイによる信号が得られ、屈折率の変化をリアルタイムに、かつ一括で検出することが可能になる。
さらに、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサによる光検出器を、共鳴反射を起こす共鳴フィルタと積層させることにより、小型、薄型化した屈折率センサを作製することができる。
共鳴フィルタによる共鳴波長は入射光の角度によっても変化するため、屈折率センサの角度を微調整することにより、共鳴波長を合わせることは容易である。
【実施例１】
【００２７】
本発明におけるより具体的な実施例を図を用いて説明する。
本発明における屈折率センサの共鳴フィルタの基本的な構成は、図１に示すように基材層３１の上に導波層３２が形成され、その表面には入射光に対して共鳴反射が可能となるように周期凹凸構造が形成された格子層３３がある。その上に、微細周期構造を覆うように被測定試料層３４が形成されている。入射光の共鳴反射を可能とするために、周期凹凸構造の格子層材料と凹凸間に充填される被測定試料層材料の間に屈折率差が必要になる。
本実施例では、基材層３１の材料として石英ガラス、その上の導波層３２、格子層３３に屈折率の高いＴｉＯ２を使用した。被測定試料層３４がこの上に覆われるが、ここでは純水とエタノールの混合液を使用した。
【００２８】
入射光として７８０ｎｍの波長の光を使用すると、基材３１の屈折率は１．４５、ＴｉＯ２の屈折率は２．２０、非測定試料層の屈折率はエタノールの場合１．３６となる。このとき入射光の偏光方向と微細周期構造の方向が９０°の場合に共鳴反射する条件は、図８に示す周期（ピッチ）８６を４００ｎｍ、格子層の高さ８５を３０ｎｍ、凹凸が形成されていない部分の高屈折率層の厚さ８４は２００ｎｍである。ここで、フィルファクタを０．５〜０．７５まで、つまり構造幅８７を２００ｎｍ〜３００ｎｍまで空間的に変化させた。フィルファクタで０．５以上の領域を使用したのは、構造幅の広い領域で変化させるほうが、微細構造作製上の安定性が高いためである。
【００２９】
実際に被測定試料材料としてエタノールを使用し、フィルファクタを０．５〜０．７５まで変化させたときの共鳴フィルタの透過率のグラフは図９、共鳴波長の変化は図１０に示すようになる。また、フィルファクタを０．５とし、被測定試料材料を純水とエタノールの混合液としたときの透過率のグラフは図１１に示すようになり、１．３３〜１．３６までの屈折率を共鳴波長の変化として検出することができる。
【００３０】
ピッチ４００ｎｍのままフィルファクタを０．５から０．７５まで変化させた共鳴フィルタを使用した場合、フィルファクタの位置に応じて、共鳴条件の領域では光量がダウンし、共鳴条件から離れるに従ってほとんどの光を透過する。これにより、被測定試料で起こった屈折率変化を、共鳴条件となるフィルファクタの位置の変化に変換して検出することができる。また、この方法によると、共鳴波長近くの透過／反射のコントラストが非常に大きいため、感度の高い屈折率変化の検出が可能になる。
【実施例２】
【００３１】
次に本発明における屈折率センサの第２の実施例を説明する。
屈折率センサに用いる共鳴フィルタの基本的な構成は実施例１の場合と同じである。
図１２に屈折率センサの基本的な構成を示す。基材層１２１、導波層１２２、格子層１２３を有する共鳴フィルタ１２０において、実施例１で示したように、格子層の凹凸のフィルファクタが空間的に変化している。このフィルファクタの変化に対応させるように光検出器１２４として、複数の受光素子からなる受光素子アレイ、またはライン状のＣＣＤ、もしくはライン状のＣＭＯＳセンサを設置する。本実施例では、一例として画素サイズ２０μｍのライン状のＣＣＤを使用し、フィルファクタはそれに合わせるように２０μｍごとに構造幅が変わるように作製した。また、構造幅の変化量は１０ｎｍごととした。このような構成にすることにより、図１３に示すように共鳴反射する位置を検出できるため、屈折率の変化を高速・リアルタイムに測定することができる。
【００３２】
ここで、光検出器１２４であるライン状のＣＣＤの一画素が必ずしもフィルファクタの変化の一条件に一致している必要はなく、フィルファクタの変化の数以上の画素があればよい。さらに、フィルファクタの変化は、段階的である必要はなく、徐々に変化するような構成とすることもできる。また分解能を上げる必要があれば、構造幅の変化量を小さくすればよい。
この光検出器１２４と、空間的にフィルファクタが変化している共鳴フィルタ１２０は、図１２に示すように積層させるのが構成的に望ましい。これにより共鳴反射を検出する構成としても、非常に高精度で簡易なセンサとなるが、素子の小型化、薄型化が可能になるのに加えて、共鳴フィルタ１２０と光検出器１２４の位置合わせが非常に容易になるという点では、透過型の構成が有利である。
【実施例３】
【００３３】
次に本発明における屈折率センサアレイの実施例を説明する。
図１４に示すように、実施例２で示したフィルファクタを変化させた共鳴フィルタ１２０と光検出器１２４を積層させた屈折率センサ１４１をアレイ状並べる。図１４においては、横方向にフィルファクタの変化している屈折率センサ１４１があり、この屈折率センサ１４１を縦方向に複数並べ、１次元にアレイ化した状態である。この状態で単一波長の入射光を一様に照射すると、各屈折率センサ１４１における反応、変化を同時に検出することが可能になる。
【００３４】
ここで、上記の屈折率センサアレイの応用例としてはバイオセンサとして用いることができる。バイオセンサとしての使用例としては、図１４に示す屈折率センサアレイの各屈折率センサ表面に異なったプローブＤＮＡを固定させておく。そして屈折率センサアレイの全体にターゲットＤＮＡを含む試料を塗布した場合に、プローブＤＮＡとターゲットＤＮＡがハイブリダイゼーションしたセンサ部のみ屈折率変化を検出できる。このように、ＤＮＡやたんぱく質の生体反応検査を、並列にかつ精密に検出することが可能になる。
【実施例４】
【００３５】
次に本発明の屈折率センサに用いる光学素子（共鳴フィルタ）の製造方法の概略を図１５に示す。
まず円盤状の石英ガラス基板１５１を用意し、その上にＴｉＯ２薄膜１５２を真空蒸着法により形成する（図１５（ａ））。成膜するＴｉＯ２の膜厚は、入射光を共鳴させるために設計され、導波層と凹凸部を含む格子層を形成するために、これら２つの層の合計の厚さになるように成膜する。ここでは、高屈折率の薄膜が必要となり、ＴｉＯ２の代わりにＴａ２Ｏ５、ＨｆＯ２などを使用しても簡易に成膜可能である。
【００３６】
次にこのＴｉＯ２薄膜に凹凸による微細構造を形成する。そのために、まずＴｉＯ２上にｉ線系のポジ型フォトレジスト層１５３をスピンコート法によって成膜する（図１５（ｂ））。膜厚は約８０ｎｍとし、ホットプレートにより約１００℃で熱処理を行う。
このフォトレジスト層上に微細パターンを形成するが、本発明においては、ピッチが一定であり凹凸による周期構造のフィルファクタを空間的に変化させた構造を形成する必要がある。このため、パターン形成のためにＸθ型の原盤露光装置を使用した。このＸθ型の原盤露光装置は、円盤状の原盤を回転させながら、集光した露光ビームを一定方向に並進させることにより、スパイラル状の溝を形成するものである。
【００３７】
このＸθ型露光装置について、図１６を参照しながら簡単に説明する。光源１６１から出射されたレーザビームは、光変調器１６２で光量変調され、ミラー１６４で反射される。反射されたレーザ光は対物レンズ１６５を通して露光を行う基板１６６表面に集光される。ミラー１６４と対物レンズ１６５は一体となった並進ユニット１６８内にあり、エアースライダによって位置は制御されている。ここで露光する基板１６６はスピンドル１６７上のターンテーブルに載せられ平面内で回転する。レーザ光源波長は２５７ｎｍ、対物レンズ１６５のＮＡは０．９を用いた。ターンテーブルは露光線速が一定となるように半径によって回転数が制御され、エアースライダピッチ一定となるように等速で移動する。露光線速度は３ｍ／secとした。本発明におけるフィルファクタは、基板上で露光量を変化させることにより変えることができる。そのためコントローラ１６３からは、光変調器１６２に適切な光量となるように信号が与えられる。Ｘθ型の露光装置は、本発明のようなフィルファクタを変化させるような露光に適しており、また、ＸＹ走査型の露光装置と比較して高速に露光できる。このような装置を使うことにより、構造幅の変化は微小な露光光量の変化とすることができるため、構造幅の変化が微小な、高精細な素子を作製することが可能である。
【００３８】
このＸθ型露光装置を使用して、ピッチ４００ｎｍ、位置により光量を変えた露光を行ってフォトレジスト層１５３上に潜像を形成する。これを現像、リンス、振り切り乾燥の工程を経て、フォトレジスト層上にフィルファクタが変調された凹凸構造が形成される（図１５（ｃ））。
次にこのようにして凹凸構造が形成されたフォトレジスト層１５３をマスクとしてＴｉＯ２層のエッチングを所定の深さまで行う（図１５（ｄ））。エッチングは、ＣＦ４ガスによりＴｉＯ２のエッチングを所定の深さまで行い、最後に残ったフォトレジスト層の残膜を再びＯ２ガスにより除去する。本実施例では深さ３０ｎｍの深さにエッチングをした。このようにしてＴｉＯ２層１５２上に格子層１５４が形成される（図１５（ｅ））。
【００３９】
ＴｉＯ２薄膜のエッチングに関しては、本実施例では凹凸深さが浅いためフォトレジストをマスクとしたエッチングで形成可能であるが、フォトレジストパターンをマスクとして金属薄膜を蒸着、フォトレジストを除去した後の金属パターンをマスクとしたエッチングを行うことも可能である。これにより、ＴｉＯ２層にピッチ４００ｎｍ、構造幅１５０〜３００ｎｍ、格子層深さ３０ｎｍ、導波層厚さ２００ｎｍの構造が形成される。
【００４０】
ここで形成されるのは、半径方向にフィルファクタが変調されたスパイラル状の凹凸構造であるが、素子に使用する幅としては１ｍｍもあれば十分であるため、形成される凹凸構造はほとんど直線である。この共鳴フィルタ素子に光検出器をセッティングすることによって、高感度な屈折率センサとすることができる。
ここでは、共鳴フィルタの作製にあたってＸθ型の露光装置を用いたが、ＸＹ型の露光機などでももちろん作製は可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上の実施例では、本発明に係る光学素子を共鳴フィルタとして用い、この共鳴フィルタと光検出器を組み合わせた屈折率センサ、屈折率センサアレイ、バイオセンサについて説明したが、本発明の光学素子は、特定波長を透過させる光学フィルタとして用いることができ、また、光の偏光方向を検査する偏光センサ等にも適用することができ、様々な光学装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態を示す図であり、共鳴反射を起こす光学素子の代表的な構造例を示す断面図である。
【図２】本発明におけ屈折率センサの共鳴フィルタ構造の構成例を示す図である。
【図３】本発明に関わる共鳴構造の光学素子の構成例を示した図である。
【図４】図３に示す共鳴構造の透過率を示した図である。
【図５】図２に示す共鳴フィルタの格子層のフィルファクタを変化させたときの共鳴波長の変化を示す図である。
【図６】図１における光学素子（共鳴フィルタ）上の被測定試料層の屈折率を変化させたときの共鳴波長の変化を示す図である。
【図７】本発明の屈折率センサの光検出器アレイにおいて検出される位置による受光量の変化を示す図である。
【図８】本発明の光学素子（共鳴フィルタ）の共鳴反射を起こす構造の断面図である。
【図９】本発明の光学素子（共鳴フィルタ）のフィルファクタを変化させたときの波長に対する透過率の変化を示す図である。
【図１０】本発明の光学素子（共鳴フィルタ）のフィルファクタに対する共鳴波長の変化を示す図である。
【図１１】被測定試料層の屈折率を変化させたときの波長に対する透過率の変化を示す図である。
【図１２】本発明の屈折率センサの一実施例を示す図であり、屈折率センサの共鳴フィルタと光検出器の位置関係と、得られる信号を示した図である。
【図１３】本発明の屈折率センサの光検出器により検出される信号の一例を示す図である。
【図１４】本発明の屈折率センサアレイの一実施例を示す図であり、屈折率センサをアレイ化したときの構成例と、検出される信号の一例を示す図である。
【図１５】本発明の屈折率センサに用いる光学素子（共鳴フィルタ）の製造方法の概略を示した図である。
【図１６】本発明の屈折率センサに用いる光学素子（共鳴フィルタ）を作製するときに使用した露光装置の構成例を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００４３】
３０：光学素子（共鳴フィルタ）
３１：基材層
３２：導波層
３３：格子層
３４：被測定試料層
３５：入射光
３６：反射光
３７：透過光
８１：基材層
８２：導波層＋格子層
８３：被測定試料層
８４：導波層の厚さ
８５：格子層の深さ
８６：微細構造の周期（ピッチ）
８７：微細構造の構造幅
１２０：共鳴フィルタ
１２１：基材層
１２２：導波層
１２３：格子層
１２４：光検出器（受光素子アレイまたはライン状ＣＣＤまたはライン状ＣＭＯＳセンサ）
１４１：屈折率センサ
１５１：石英ガラス
１５２：ＴｉＯ２薄膜
１５３：フォトレジスト層
１５４：格子層
１６１：レーザー光源
１６２：光変調器
１６３：コントローラ
１６４：ミラー
１６５：対物レンズ
１６６：基板
１６７：スピンドル
１６８：並進ユニット
【図１】
2010026194.tif 000003
【図２】
2010026194.tif 000004
【図３】
2010026194.tif 000005
【図４】
2010026194.tif 000006
【図５】
2010026194.tif 000007
【図６】
2010026194.tif 000008
【図７】
2010026194.tif 000009
【図８】
2010026194.tif 000010
【図９】
2010026194.tif 000011
【図１０】
2010026194.tif 000012
【図１１】
2010026194.tif 000013
【図１２】
2010026194.tif 000014
【図１３】
2010026194.tif 000015
【図１４】
2010026194.tif 000016
【図１５】
2010026194.tif 000017
【図１６】
2010026194.tif 000018