(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気伝導体の突起を仮想平面に対して平行な方向に沿って配列した突起群を含み、
前記突起群は、
第１の周期から段階的に増加または減少する第１の可変周期で配列される第１の突起群と、
前記第１の周期とは異なる第２の周期から段階的に増加または減少する第２の可変周期で配列される第２の突起群と、
を有し、
前記第１の周期及び前記第２の周期は、
入射光の波長λ１よりも短い周期であり、
前記第１の突起群は、
第１の領域に設けられ、
前記第２の突起群は、
前記第１の領域に隣接する第２の領域に設けられることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の領域から前記第２の領域に亘って、前記第１の突起群及び前記第２の突起群の周期が段階的に増加又は減少することを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記入射光は、
前記仮想平面に向かう垂線に対して第１の角度で入射する光と、
前記仮想平面に向かう垂線に対して、前記第１の角度とは異なる第２の角度で入射する光と、
を含み、
前記第１の周期で配列される突起には、前記第１の角度で入射する光が入射し、前記第２の周期で配列される突起には、前記第２の角度で入射する光が入射し、
前記第１の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第２の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長とが、前記波長λ１となるように、前記突起群の材質と前記第１の周期と前記第２の周期と前記第１の角度と前記第２の角度が設定されることを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１の周期は、
前記第２の周期よりも長い周期であることを特徴とする光デバイス。
【請求項５】
請求項３において、
前記第１の周期は、
前記第２の周期よりも短い周期であることを特徴とする光デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記突起群は、
同一の配列方向に配列されることを特徴とする光デバイス。
【請求項７】
請求項６において、
前記突起群は、
縞状に配列され、
前記突起群の配列方向は、
縞状配列の全体に亘って同じ一直線方向であることを特徴とする光デバイス。
【請求項８】
請求項６において、
前記突起群は、
同心円状に配列され、
前記突起群の配列方向は、
同心円状配列のラジアル方向であることを特徴とする光デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記突起群の配列方向は、
前記入射光の偏光方向と同じ方向であることを特徴とする光デバイス。
【請求項１０】
請求項９において、
前記入射光は、
直線偏光であり、
前記突起群の配列方向は、
前記直線偏光の偏光方向と同じ方向であることを特徴とする光デバイス。
【請求項１１】
請求項９において、
前記入射光は、
ラジアル偏光であり、
前記突起群の配列方向は、
前記ラジアル偏光の偏光方向と同じ方向であることを特徴とする光デバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
前記突起群の頂面に、電気伝導体により形成される第１の小突起群を含み、
前記第１の小突起群における突起間の間隔は、
前記突起群における前記突起の配列周期よりも短いことを特徴とする光デバイス。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかにおいて、
前記仮想平面に平行な面であって前記突起群の隣り合う突起間に、電気伝導体により形成される第２の小突起群を含み、
前記第２の小突起群における突起間の間隔は、
前記突起群における前記突起の配列周期よりも短いことを特徴とする光デバイス。
【請求項１４】
光源と、
請求項１乃至１３のいずれかに記載の光デバイスと、
前記光源からの前記波長λ１の光を前記突起群に向けて集光し、前記仮想平面に向かう垂線に対して第１の角度で入射する成分と前記第１の角度とは異なる第２の角度で入射する成分とを少なくとも含む入射光を前記突起群に向けて入射させる第１光学系と、
前記光デバイスの前記突起群により散乱または反射された光の中からラマン散乱光を取り出す第２光学系と、
前記第２光学系を介して受光された前記ラマン散乱光を検出する検出器と、
を含むことを特徴とする分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイス及び分析装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や飲食物の検査等に用いられるセンサーの需要が増大しており、高感度かつ小型のセンサーの開発が求められている。このような要求に応えるために、電気化学的な手法をはじめ様々なタイプのセンサーが検討されている。これらの中で、集積化が可能であること、低コスト、測定環境を選ばないこと等の理由から、表面プラズモン共鳴を用いたセンサーに対する関心が高まっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、金属周期構造により光を表面プラズモンポラリトンに結合させる表面プラズモン共鳴センサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４０３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このセンサーでは、表面プラズモンの共鳴条件が、光の入射角度に対して選択性が大きいため、特定の入射角の光しか表面プラズモンポラリトンに結合しない。そのため、対物レンズで集光した光の一部しか表面プラズモンポラリトンに結合せず、十分なセンシング感度を得られないという課題がある。
【０００６】
本発明の幾つかの態様によれば、光と表面プラズモンポラリトンの結合効率を向上できる光デバイスを提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、電気伝導体の突起を仮想平面に対して平行な方向に沿って配列した突起群を含み、前記突起群における前記突起の配列周期は、第１の周期及び前記第１の周期とは異なる第２の周期を少なくとも含み、前記第１の周期及び前記第２の周期は、入射光の波長λ１よりも短い周期である光デバイスに関係する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、電気伝導体の突起群が、仮想平面に対して平行な方向に沿って配列される。その突起群の配列周期には、入射光の波長λ１よりも短い第１の周期及び第２の周期が少なくとも含まれる。これにより、光と表面プラズモンポラリトンの結合効率を向上すること等が可能になる。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記突起群は、前記第１の周期で配列される第１の突起群と、前記第２の周期で配列される第２の突起群と、を有し、前記第１の突起群は、第１の領域に設けられ、前記第２の突起群は、前記第１の領域に隣接する第２の領域に設けられてもよい。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記突起群は、前記第１の周期から段階的に増加または減少する第１の可変周期で配列される第１の突起群と、前記第２の周期から段階的に増加または減少する第２の可変周期で配列される第２の突起群と、を有し、前記第１の突起群は、第１の領域に設けられ、前記第２の突起群は、前記第１の領域に隣接する第２の領域に設けられてもよい。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記第１の領域から前記第２の領域に亘って、前記第１の突起群及び前記第２の突起群の周期が段階的に増加又は減少してもよい。
【００１２】
これらの本発明の一態様によれば、第１の周期及び第１の周期とは異なる第２の周期を少なくとも含む周期で突起群を配列できる。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記入射光は、前記仮想平面に向かう垂線に対して第１の角度で入射する光と、前記仮想平面に向かう垂線に対して、前記第１の角度とは異なる第２の角度で入射する光と、を含み、前記第１の周期で配列される突起には、前記第１の角度で入射する光が入射し、前記第２の周期で配列される突起には、前記第２の角度で入射する光が入射し、前記第１の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第２の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長とが、前記波長λ１となるように、前記突起群の材質と前記第１の周期と前記第２の周期と前記第１の角度と前記第２の角度が設定されてもよい。
【００１４】
このようにすれば、第１の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長と、第２の周期で配列される突起での表面プラズモン共鳴の共鳴波長を、入射光の波長λ１と同じ波長にできる。これにより、第１の入射角度の入射光と第２の入射角度の入射光を表面プラズモンポラリトンに結合させることができる。
【００１５】
また、本発明の一態様では、前記第１の周期は、前記第２の周期よりも長い周期であってもよい。
【００１６】
また、本発明の一態様では、前記第１の周期は、前記第２の周期よりも短い周期であってもよい。
【００１７】
これらの本発明の一態様によれば、第１の周期と第２の周期の大小関係を設定できる。これにより、表面プラズモンポラリトンの伝搬方向を調整できる。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記突起群は、同一の配列方向に配列されてもよい。
【００１９】
また、本発明の一態様では、前記突起群は、縞状に配列され、前記突起群の配列方向は、縞状配列の全体に亘って同じ一直線方向であってもよい。
【００２０】
また、本発明の一態様では、前記突起群は、同心円状に配列され、前記突起群の配列方向は、同心円状配列のラジアル方向であってもよい。
【００２１】
これらの本発明の一態様によれば、突起群を、基材の表面に平行な方向に沿って、同一の配列方向に配列できる。
【００２２】
また、本発明の一態様では、前記突起群の配列方向は、前記入射光の偏光方向と同じ方向であってもよい。
【００２３】
また、本発明の一態様では、前記入射光は、直線偏光であり、前記突起群の配列方向は、前記直線偏光の偏光方向と同じ方向であってもよい。
【００２４】
また、本発明の一態様では、前記入射光は、ラジアル偏光であり、前記突起群の配列方向は、前記ラジアル偏光の偏光方向と同じ方向であってもよい。
【００２５】
これらの本発明の一態様によれば、入射光の偏光方向と同じ方向に沿って、突起群を配列できる。
【００２６】
また、本発明の一態様では、前記突起群の頂面に、電気伝導体により形成される第１の小突起群を含み、前記第１の小突起群における突起間の間隔は、前記突起群における前記突起の配列周期よりも短くてもよい。
【００２７】
このようにすれば、突起群の突起の頂面に第１の小突起群を形成できる。これにより、第１の小突起群に局在型の表面プラズモンを励起できる。
【００２８】
また、本発明の一態様では、前記仮想平面に平行な面であって前記突起群の隣り合う突起間に、電気伝導体により形成される第２の小突起群を含み、前記第２の小突起群における突起間の間隔は、前記突起群における前記突起の配列周期よりも短くてもよい。
【００２９】
このようにすれば、突起群の隣り合う突起間に第２の小突起群を形成できる。これにより、第２の小突起群に局在型の表面プラズモンを励起できる。
【００３０】
また、本発明の他の態様は、光源と、上記のいずれかに記載の光デバイスと、前記光源からの前記波長λ１の光を前記突起群に向けて集光し、前記仮想平面に向かう垂線に対して第１の角度で入射する成分と前記第１の角度とは異なる第２の角度で入射する成分とを少なくとも含む入射光を前記突起群に向けて入射させる第１光学系と、前記光デバイスの前記回折格子により散乱または反射された光の中からラマン散乱光を取り出す第２光学系と、前記第２光学系を介して受光された前記ラマン散乱光を検出する検出器と、を含む分析装置に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、センサーチップの比較例。
【図２】入射光の入射角度についての説明図。
【図３】比較例における表面プラズモン共鳴の模式的な説明図。
【図４】比較例における表面プラズモンポラリトンの分散曲線。
【図５】図５（Ａ）は、本実施形態のセンサーチップの構成例の平面視図。図５（Ｂ）は、本実施形態のセンサーチップの構成例の断面図。
【図６】Ｐ１＞Ｐ２の場合の表面プラズモン共鳴の模式的な説明図。
【図７】表面プラズモンポラリトンの分散曲線。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、センサーチップの光入射角度に対する反射光強度の特性例。
【図９】センサーチップの詳細な構成例。
【図１０】突起群が縞状に配列される場合の集光ビームの偏光方向の例。
【図１１】センサーチップの第２の構成例。
【図１２】突起群が同心円状に配列される場合の集光ビームの偏光方向の例。
【図１３】センサーチップの変形例。
【図１４】Ｐ１＜Ｐ２の場合の表面プラズモン共鳴の模式的な説明図。
【図１５】センサーチップの第３の構成例の断面図。
【図１６】分析装置の構成例。
【図１７】センサーチップの配置位置についての説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３３】
１．比較例
上述のように、金属周期構造を用いた表面プラズモン共鳴センサーでは、表面プラズモン共鳴が入射光の入射角に対して選択性が大きいという課題がある。この点について、図１（Ａ）〜図４を用いて具体的に説明する。
【００３４】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に、本実施形態のセンサーチップ（光デバイス）の比較例を示す。図１（Ａ）は、センサーチップの平面図であり、図１（Ｂ）は、センサーチップの断面図である。図１（Ａ）に示すように、このセンサーチップＳＣには、１次元の凹凸による金属周期構造が形成されている（網掛け部分により周期構造の突起部を表す）。具体的には、図１（Ｂ）に示すように、センサーチップＳＣの基材ＫＢの平面に沿った方向に、突起群ＴＫが周期Ｐａで配列される。
【００３５】
このセンサーチップＳＣでは、金属周期構造により、光を表面プラズモンポラリトン（SPP：Surface Plasmon Polariton）へ結合させる。その励起された表面プラズモンポラリトンは、金属周期構造の表面近傍に増強電場を生成し、その増強電場は、センサー表面に付着した標的物に作用して表面増強ラマン散乱を生じさせる。そして、その表面増強ラマン散乱による散乱光スペクトルを取得することで、標的物（特定物質）の検知を行う。
【００３６】
図２に示すように、センサーチップＳＣには、対物レンズＬＮで集光したレーザー光ＬＢが入射光として照射される。このように対物レンズＬＮで集光すると、レーザー光ＬＢの照射領域ＩＡには、種々の角度で光線が入射する。例えば、光軸上ではθａ１＝０°で光線が入射し、照射領域ＩＡの外周上ではθａ２≠θａ１で光線が入射する。このとき、上述のセンサーチップＳＣでは、金属周期構造による表面プラズモン共鳴（SPR：Surface Plasmon Resonance）の光入射角選択性が大きいため、特定の角度成分（例えばθａ１＝０°）を有する光しか表面プラズモンポラリトンへ結合しない。この点について、図３、図４を用いて説明する。
【００３７】
図３は、比較例における表面プラズモン共鳴の模式的な説明図である。図３に示すように、周期Ｐａの金属格子に、θａ１＝０°、θａ２＞０°で波数ｋａの光が入射するものとする。そうすると、金属格子の回折条件により、θａ１＝０°の入射光に対して波数２π／Ｐａのエバネッセント波（Evanescent Wave）が生じ、θａ２＞０°の入射光に対して波数２π／Ｐａ±ｋａｘのエバネッセント波が生じる。ここで、ｋａｘ＝ｋａ・ｓｉｎθａ２である。
【００３８】
例えば、波数２π／Ｐａのエバネッセント波に対して表面プラズモンポラリトンが結合するとする。そうすると、θａ１＝０°の入射光により波数２π／Ｐａの表面プラズモン（SP：Surface Plasmon）が励起される。一方、θａ２＞０°の入射光では、波数２π／Ｐａ±ｋａｘのエバネッセント波が表面プラズモンポラリトンと結合せず、表面プラズモンは励起されない。
【００３９】
図４には、比較例における表面プラズモンポラリトンの分散曲線を示す。Ａ１は分散曲線であり、Ａ２はライトラインであり、Ａ３はθａ１＝０°の場合の回折条件を表す直線であり、Ａ４とＡ５はθａ２＞０°の場合の回折条件を表す直線である。共鳴条件は、回折条件を表す直線Ａ３〜Ａ５と分散曲線Ａ１との交点により表される。すなわち、θａ１＝０°の場合には、周波数ω０の入射光に共鳴し、θａ２＞０°の場合には、周波数ω１、ω２≠ω０の入射光に共鳴する。従って、レーザー光ＬＢが単一周波数ω０であるとすると、特定の入射角度θａ１＝０°の入射光のみが波数２π／Ｐａの表面プラズモンポラリトンと結合することになる。
【００４０】
このように、比較例のセンサーチップでは、特定の角度（例えば、垂直入射θａ１＝０°）で入射した光だけが表面プラズモンポラリトンへ結合するため、センサーチップの一部でしか表面プラズモン共鳴が生じない。そのため、光と表面プラズモンポラリトンの結合効率が極めて低くなってしまい、微弱なラマン散乱光を高感度にセンシングする上での課題となっている。
【００４１】
２．構成例
そこで、本実施形態では、入射光の入射角度に応じて周期が異なる金属格子を形成することで、入射光と表面プラズモンポラリトンの結合効率を向上し、表面増強ラマン散乱等のセンシング感度を向上する。図５（Ａ）〜図７を用いて、この本実施形態のセンサーチップ（光デバイス、金属格子）について説明する。なお、以下では、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせている。
【００４２】
ここで、以下では、センサーチップを表面増強ラマン散乱分光に用いる場合について説明するが、本実施形態では、この場合に限定されず、センサーチップによる増強電場を種々の分光手法に利用することが可能である。また、以下では、センサーチップが、金属で形成される金属格子である場合を例に説明するが、本実施形態ではこの場合に限定されない。すなわち、センサーチップは、電気伝導体により形成される格子であればよく、例えば半導体（例えばポリシリコン）により形成される格子であってもよい。
【００４３】
図５（Ａ）は、本実施形態のセンサーチップの構成例の平面視図である。このセンサーチップは、表面プラズモン共鳴と表面増強ラマン散乱を利用して標的物（標的物質、標的分子）を検出するためのものであり、基材１００（基板）、第１の突起群１１０、第２の突起群１２０を含む。このセンサーチップは、１次元の周期構造を有する回折格子である。
【００４４】
具体的には、基材１００は、金属（広義には導電体）を含み、例えば円形や四角形の平板状に形成される。第１の突起群１１０は、第１の領域Ｒ１に形成され、基材１００の平面（広義には面）に平行な第１の方向Ｄ１に沿って周期Ｐ１で配置される。第２の突起群１２０は、第２の領域Ｒ２に形成され、方向Ｄ１に沿って、周期Ｐ１とは異なる周期Ｐ２（Ｐ１＞Ｐ２、またはＰ１＜Ｐ２）で配置される。ここで、基材１００の平面とは、突起群が形成される側の基材１００の表面１３０に平行な面である。例えば、第１の突起群１１０と第２の突起群１２０は、基材１００に対する平面視において、方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行な縞状に形成される。
【００４５】
図５（Ｂ）は、本実施形態のセンサーチップの構成例の断面図である。この断面図の断面は、基材１００の平面に垂直な面であり、突起群１１０、１２０の配列方向Ｄ１に平行な面である。図５（Ｂ）に示すように、基材１００の平面の法線方向を方向Ｄ３とする。
【００４６】
基材１００は、ガラス基板１４０の上に金属薄膜１５０を形成したものである。第１の突起群１１０は、第１材質の金属により形成され、第２の突起群１２０は、第２材質の金属により形成される。これらの金属薄膜１５０、第１の突起群１１０、第２の突起群１２０により金属格子１６０が構成される。第１、第２材質の金属は、例えば金属薄膜１５０と同じ材質の金属であり、Ａｇ（銀）や、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）等、またはこれらの合金が用いられる。第１の突起群１１０と第２の突起群１２０の断面形状は、基材１００の表面１３０から高さＨの凸形状である。凸形状は、例えば矩形（略矩形を含む）であり、あるいは台形、円弧等であってもよい。金属格子１６０の製造手法として、電子ビームリソグラフィーやナノインプリントを利用できる。
【００４７】
なお、上記構成例では、周期が異なる２つの金属凹凸構造が同心円状に分割された領域Ｒ１、Ｒ２に配置される場合を例に説明したが、本実施形態では、図５（Ａ）に示すような領域Ｒ２が領域Ｒ１の周りを囲む場合に限定されない。例えば、本実施形態では、方向Ｄ１に沿って２つの領域Ｒ２が配置され、その２つの領域Ｒ２の間に領域Ｒ１が配置されてもよい。
【００４８】
３．周期Ｐ１、Ｐ２の設定手法
次に、本実施形態における周期Ｐ１、Ｐ２の設定手法について説明する。まず、本実施形態のセンサーチップの機能を説明する。図６は、Ｐ１＞Ｐ２の場合の表面プラズモン共鳴の模式的な説明図である。なお、以下ではＰ１＞Ｐ２の場合を例に説明するが、図１４等に示すようにＰ１＜Ｐ２であってもよい。
【００４９】
図６に示すように、入射光の波数がｋｉであり、周期Ｐ１の格子にθ１＝０°で入射光が入射し、周期Ｐ２の格子にθ２＞０°で入射光が入射するものとする。そうすると、金属格子の回折条件により、周期Ｐ１の格子では波数２π／Ｐ１のエバネッセント波が生じ、周期Ｐ２の格子では波数２π／Ｐ２±ｋｉｘのエバネッセント波が生じる。ここで、ｋｉｘ＝ｋｉ・ｓｉｎθ２である。また、入射光の入射角度とは、基材平面の法線方向Ｄ３の反対方向（基材平面に向かう垂線）と入射光との成す角度である。
【００５０】
本実施形態では、２π／Ｐ２−ｋｉｘ＝２π／Ｐ１を満たすように周期Ｐ１、Ｐ２を設定する。また、波数２π／Ｐ１のエバネッセント波に対して表面プラズモンポラリトンが結合するように周期Ｐ１を設定する。そうすると、入射角θ１、θ２の両方の入射光と表面プラズモンポラリトンが結合し、周期Ｐ１、Ｐ２の両方の格子で波数２π／Ｐ１の表面プラズモンが励起される。なお、図６に示すように、対物レンズの焦点よりも対物レンズ側にセンサーチップが配置され（図１７に示す位置Ａ）、Ｐ１＞Ｐ２である場合には、センサーチップの内側から外側に向かう波数のエバネッセント波に表面プラズモンポラリトンが結合する。そのため、表面プラズモンポラリトンはセンサーチップの内側から外側に向かって伝搬する。
【００５１】
このように、本実施形態のセンサーチップは、チップ表面に形成された金属凹凸構造により入射光を表面プラズモンポラリトンへ結合させる。そして、その表面プラズモンポラリトンにより金属凹凸構造の表面近傍に強い局所電場を発生させる。センサーチップ内側の周期Ｐ１の金属凹凸構造は、垂直及びその近傍の角度成分を有する光を表面プラズモンポラリトンへ強く結合させる。一方、外側の周期Ｐ２の金属凹凸構造は、斜めの角度成分を有する光を表面プラズモンポラリトンへ強く結合させる。このようにして、上述の比較例に比べて、金属凹凸構造へ入射した光エネルギーのより多くを表面プラズモンポラリトンへ結合させることが可能となる。
【００５２】
次に、周期Ｐ１、Ｐ２の設定手法について説明する。図７に、本実施形態における表面プラズモンポラリトンの分散曲線を示す。Ｂ１は分散曲線であり、Ｂ２はライトラインであり、Ｂ３はθ１＝０°の場合の回折条件を表す直線であり、Ｂ４とＢ５はθ２＞０°の場合の回折条件を表す直線である。
【００５３】
まず、厳密結合波解析（RCWA：Rigorous Coupled Wave Analysis）により分散曲線Ｂ１を求める（L.Li and C.W.Haggans,J.Opt.Soc.Am.,A10,1184-1189(1993)）。分散曲線Ｂ１は、金属の種類や、媒質の種類や、金属格子の断面形状に固有の曲線である。次に、入射光の周波数ω＝ω０（角周波数）と分散曲線Ｂ１との交点Ｂ６を直線Ｂ３が通るように、周期Ｐ１を設定する。これにより、周期Ｐ１の格子により、入射角度θ１の入射光に対して表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。次に、交点Ｂ６を直線Ｂ４（または直線Ｂ５）が通るように周期Ｐ２を設定する。すなわち、２π／Ｐ２−ｋｉｘ＝２π／Ｐ１（または２π／Ｐ２＋ｋｉｘ＝２π／Ｐ１）を満たすように周期Ｐ２を設定する。これにより、周期Ｐ２の格子により、入射角θ２の入射光に対して表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。このようにして、２つの金属凹凸構造に同じ共鳴波長をもたせることができる。
【００５４】
さて、上述のように、金属周期構造を用いた表面プラズモン共鳴センサーでは、表面プラズモン共鳴が入射光の入射角に対して選択性が大きいため、対物レンズで集光した光の一部しか表面プラズモンポラリトンと結合しないという課題があった。
【００５５】
この点、本実施形態のセンサーチップ（光デバイス）は、基材１００に形成された金属格子１６０標的物を配置し、表面プラズモン共鳴及び表面増強ラマン散乱を利用して、標的物を検出する。金属格子１６０（電気伝導体格子）は、金属（電気伝導体）により形成される突起群１１０、１２０を有する。この突起群１１０、１２０は、基材１００の表面１３０（広義には仮想平面）に平行な方向（例えば方向Ｄ１、またはラジアル方向）に沿って、入射光の波長λ１よりも短い周期で配列される。この突起群の周期は、第１の周期Ｐ１及び第１の周期Ｐ１とは異なる第２の周期Ｐ２（Ｐ２≠Ｐ１）を少なくとも含む。
【００５６】
なお、上記では、センサーチップが金属格子１６０を含む場合を例に説明したが、本実施形態ではこれに限定されず、センサーチップが突起群１１０、１２０を含んでさえいればよい。すなわち、金属格子１６０は、突起群１１０、１２０による周期構造の一例であり、本実施形態では、センサーチップが必ずしも格子に形成される必要はない。
【００５７】
ここで、周期Ｐ１、Ｐ２を少なくとも含む突起群の周期とは、周期Ｐ１、Ｐ２のみを含む周期であってもよく、周期Ｐ１、Ｐ２とは異なる他の周期をさらに含む周期であってもよい。また、仮想平面とは、突起群１１０、１２０の配列方向や入射光の入射角度θ１、θ２等の基準となる平面であり、例えば基材１００の平面（例えば基材１００の表面１３０）に平行な面である。
【００５８】
これにより、入射光と表面プラズモンポラリトンとの結合効率を向上することが可能になる。すなわち、上述のように、突起群の周期が周期Ｐ１とＰ２を含むことで、異なる入射角度θ１、θ２の入射光を同じ共鳴波長λ１（周波数ω０）で表面プラズモンポラリトンに結合させることができる。
【００５９】
具体的には、本実施形態では、図５（Ａ）等に示すように、金属格子１６０は、第１の領域Ｒ１と、第１の領域Ｒ１に隣接する第２の領域Ｒ２を含む。第１の領域Ｒ１には、第１の周期Ｐ１で配列される第１の突起群１１０が設けられ、第２の領域Ｒ２には、第２の周期Ｐ２で配列される第２の突起群１２０が設けられる。
【００６０】
このようにすれば、領域Ｒ１、Ｒ２に一定の周期Ｐ１、Ｐ２で突起群を配列できる。これにより、周期Ｐ１及びＰ１とは異なる周期Ｐ２を少なくとも含む周期で、突起群を配列できる。
【００６１】
また、本実施形態では、第１領域Ｒ１には、第１の周期Ｐ１から段階的に増加または減少する第１の可変周期で配列される第１の突起群が設けられ、第２領域Ｒ２には、第２の周期Ｐ２から段階的に増加または減少する第２の可変周期で配列される第２の突起群が設けられてもよい。例えば、第１の領域Ｒ１から第２の領域Ｒ２に亘って、領域の境界で急激に周期を変化させず（領域内と同じ規則性に則って）、第１の突起群及び第２の突起群の周期が段階的に増加又は減少してもよい。
【００６２】
このようにすれば、領域Ｒ１、Ｒ２に周期Ｐ１、Ｐ２から段階的に変化する可変周期で突起群を配列できる。これにより、周期Ｐ１及びＰ１とは異なる周期Ｐ２を少なくとも含む周期で、突起群を配列できる。
【００６３】
ここで、周期が段階的に増加または減少するとは、１周期毎または複数周期毎に周期が増加または減少することである。例えば、増加は単調増加であり、減少は単調減少である。より具体的には、可変周期をＰｊ（ｊは自然数）とし、周期Ｐｊの突起への入射光の入射角度をθｊとし、θ１＝０°すると、２π／Ｐｊ−ｋｉ・ｓｉｎθｊ＝２π／Ｐ１（または、２π／Ｐｊ＋ｋｉ・ｓｉｎθｊ＝２π／Ｐ１）を満たすように周期Ｐｊが増加または減少することである。
【００６４】
また、本実施形態では、図６等に示すように、入射光は、基材１００の平面に向かう垂線に対して第１の角度θ１で入射する光と、第１の角度θ１とは異なる第２の角度θ２で入射する光を含む。第１の突起群１１０（第１の周期Ｐ１で配列される突起）には、第１の角度θ１で入射する光が入射し、第２の突起群１２０（第２の周期Ｐ２で配列される突起）には、第２の角度θ２で入射する光が入射する。そして、図７等に示すように、第１の突起群１１０と第２の突起群１２０での表面プラズモン共鳴の共鳴周波数（共鳴波長）が、同じ周波数ω０（波長λ１）となるように、突起群の材質と周期Ｐ１と周期Ｐ２とが設定される。
【００６５】
このようにすれば、異なる入射角度θ１、θ２の入射光を同じ共鳴周波数ω０（共鳴波長λ１）で表面プラズモンポラリトンに結合させるように、突起群の材質と周期Ｐ１と周期Ｐ２を設定できる。
【００６６】
また、本実施形態では、図６等に示すように、第１の周期Ｐ１は、第２の周期Ｐ２よりも長い周期である（Ｐ１＞Ｐ２）。また、本実施形態では、図１４等に示すように、第１の周期Ｐ１は、第２の周期Ｐ２よりも短い周期であってもよい（Ｐ１＜Ｐ２）。
【００６７】
このように、センサーチップの内側の周期Ｐ１と外側の周期Ｐ２の長短を入れ替えることで、表面プラズモンポラリトンの伝搬方向を反対方向にできる。例えば、図９や図１１に示すように、センサーチップの内側から外側に表面プラズモンポラリトンが伝搬する場合には、センサーチップ全面で偏りの無い増強電場を得ることができる。希薄な標的物では標的物の付着位置を予測できないが、偏りの無い増強電場によって付着位置に依らないセンシングが可能になる。なお、図１７に示すように、センサーチップの配置を替えることで、表面プラズモンポラリトンの伝搬方向を入れ替えることもできる。
【００６８】
また、本実施形態では、突起群は、同一の配列方向に配列される。例えば、図５（Ａ）に示すように、突起群は縞状（直線的な縞状）に配列され、その配列方向は、縞状配列の全体に亘って同じ一直線方向Ｄ１である。あるいは、図１１に示すように、突起群は同心円状に配列され、その配列方向は、同心円状配列のラジアル方向（半径方向）であってもよい。
【００６９】
このようにすれば、基材１００の表面に平行な方向に沿って、第１の周期Ｐ１及び第１の周期Ｐ１とは異なる第２の周期Ｐ２（Ｐ２≠Ｐ１）を少なくとも含む周期で突起群を配列できる。なお、本実施形態では、金属格子１６０は１次元周期構造に限定されず、２次元周期構造であってもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、突起群の配列方向は、入射光の偏光方向と同じ方向である。例えば、図１０に示すように、入射光は直線偏光であり、突起群の配列方向は、直線偏光の偏光方向と同じ方向Ｄ１である。あるいは、図１２に示すように、入射光はラジアル偏光であり、突起群の配列方向は、ラジアル偏光の偏光方向と同じ方向（同心円の半径方向）であってもよい。
【００７１】
このようにすれば、入射光の偏光方向と同じ方向に突起群を配列できる。これにより、入射光によって自由電子プラズマの粗密波が偏光方向に沿った方向に誘起され、突起群の配列方向に沿って伝搬する表面プラズモンを励起できる。なお、本実施形態では、入射光が、突起群の配列方向と同じ偏光方向の直線偏光またはラジアル偏光を含んでいればよい。すなわち、突起群の配列方向と同じ偏光方向のみから成る入射光に限定されず、入射光が突起群の配列方向と同じ偏光方向の成分を含んでさえいれば、他の偏光方向の偏光を含んでいてもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、図１５に示すように、突起群（例えば第１の突起群１１０と第２の突起群１２０）の頂面２２０に、金属により形成される第１の小突起群２００を含んでもよい。この第１の小突起群は、基材１００の平面に平行な方向（方向Ｄ１またはラジアル方向）に沿って、第１の周期Ｐ１及び第２の周期Ｐ２を少なくとも含む突起群の周期よりも短い、第１の短周期ＰＳ１で配列される。
【００７３】
また、本実施形態では、図１５に示すように、突起群の隣り合う突起間の底面２３０（仮想平面に平行な面であって突起群１１０、１２０の隣り合う突起間）に、金属により形成される第２の小突起群２１０を含んでもよい。この第２の小突起群２１０は、基材１００の平面に平行な方向（方向Ｄ１またはラジアル方向）に沿って、第１の周期Ｐ１及び第２の周期Ｐ２を少なくとも含む突起群の周期よりも短い、第２の短周期ＰＳ２で配列される。
【００７４】
なお、上記では、第１の小突起群２００が第１の短周期ＰＳ１で配列され、第２の小突起群２１０が第２の短周期ＰＳ２で配列される場合を例に説明したが、本実施形態ではこれに限定されない。すなわち、第１の小突起群２００や第２の小突起群２１０は、必ずしも周期性を有する必要はなく、例えば、それぞれの群における突起の大きさには多少の分布があってもよい。
【００７５】
このようにすれば、突起群１１０、１２０により伝搬型の表面プラズモンが励起され、その伝搬型の表面プラズモンにより第１の小突起群２００や第２の小突起群２１０に局在型の表面プラズモンが励起される。これにより、表面プラズモン共鳴による電場増強度をさらに向上できる。
【００７６】
４．詳細な構成例
図８（Ａ）〜図１０を用いて、センサーチップの詳細な構成例について説明する。
【００７７】
図８（Ａ）に、センサーチップの光入射角度に対する反射光強度の特性例を示す。図８（Ｂ）に示すように、金属凹凸構造の素材はＡｇであり、断面形状は矩形であり、凹凸の高さは４５ｎｍであり、励起波長は６３３ｎｍであり、偏光方向は金属凹凸構造の溝と直交する方向である。金属凹凸構造の周期が５９０ｎｍ、５５０ｎｍ、５００ｎｍ、４５０ｎｍのとき、入射角度を０°〜３０°の範囲で変化させるものとする。
【００７８】
図８（Ａ）に示すように、周期５９０ｎｍでは、光入射角度が０°の条件において表面プラズモン共鳴が認められる。また、周期５５０ｎｍ、５００ｎｍ、４５０ｎｍでは、それぞれ光入射角度が５°、１２°、２０°の条件において表面プラズモン共鳴が認められる。
【００７９】
したがって、図５（Ａ）に示すセンサーチップにおいて、Ｐ１＝５９０ｎｍ、Ｐ２＝５００ｎｍに設定すれば、およそ±１５度の入射角度幅を有する集光ビームを表面プラズモンポラリトンに結合させることができる。これは、ＮＡ＝０．２（ＮＡ：開口数）のレンズを用いて集光ビームを形成した場合に相当する。また、図９に示すように、金属凹凸構造群の数をひとつ増やし、第３の突起群１７０が周期Ｐ３で配列される第３の領域Ｒ３を第２の領域Ｒ２の外側に設けてもよい。そして、Ｐ１＝５９０ｎｍ、Ｐ２＝５００ｎｍ、Ｐ３＝４５０ｎｍに設定すれば、およそ±２５度の入射角度幅を有する集光ビームを表面プラズモンポラリトンへ結合することができる。これは、ＮＡ＝０．４のレンズを用いて集光ビームを形成した場合に相当する。図９の太矢印で示すように、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の場合には、表面プラズモンポラリトンは内側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ３に向かって方向Ｄ１に沿って伝搬する。
【００８０】
なお、図８（Ａ）に示す角度特性における共鳴ピークの幅の広狭は、金属凹凸構造の高さに依存する。構造が浅い場合、共鳴ピークは鋭く深く、構造が深い場合、共鳴ピークは広く浅くなる傾向がある。この点にも考慮して、配置する金属凹凸構造の数（領域の数、周期の変化幅）を決めればよい。入射集光ビームの角度幅が広がるほど（集光光学系のＮＡが大きくなるほど）、構造の数は増える。
【００８１】
図１０に、突起群が縞状に配列される場合の集光ビームの偏光方向の例を示す。図１０に示すように、センサーチップ３００には、直線偏光の集光ビームＬＢが入射される。この直線偏光は、入射ビームＬＢの入射領域ＩＡ全面で同じ偏光方向Ｄ１に偏光している。偏光方向Ｄ１は、図９等に示すように、突起群の配列方向Ｄ１と同じ方向である。このようにすれば、偏光方向に振動する電場により金属格子中の自由電子が揺さぶられ、方向Ｄ１に伝搬する表面プラズモンが励起される。
【００８２】
５．第２の構成例
上述の実施形態では、金属凹凸構造が縦縞状に配列される場合について説明したが、本実施形態では、周期が異なる金属凹凸構造が同心円状に配列されてもよい。図１１に、このようなセンサーチップの第２の構成例を示す。
【００８３】
このセンサーチップの金属格子は、半径方向Ｄｒ（ラジアル方向）に沿って同心円状に配列された第１の突起群１１０、第２の突起群１２０、第３の突起群１７０を含む。第１の突起群１１０は、同心円の中心点ＢＰ（基準点）を含む第１の領域Ｒ１に第１の周期Ｐ１で配列される。第２の突起群１２０は、領域Ｒ１の外側の第２の領域Ｒ２に第２の周期Ｐ２で配列される。第３の突起群１７０は、領域Ｒ２の外側の第３の領域Ｒ３に第３の周期Ｐ３で配列される。これらの突起群の各突起は、中心点ＢＰを中心とする円形に形成され、半径方向Ｄｒでの断面形状は例えば矩形である。なお、図１１の太矢印で示すように、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３である場合、励起された表面プラズモンポラリトンは、同心円の中心点ＢＰから外側へ向かって方向Ｄｒに沿って伝搬する。
【００８４】
次に、このセンサーチップの機能について説明する。このセンサーチップは、チップ表面に形成された同心円状の金属凹凸構造により入射光を表面プラズモンポラリトンに結合させ、その表面プラズモンポラリトンにより金属凹凸構造の表面近傍に強い局所電場を発生させる。内側の領域Ｒ１の金属凹凸構造は、垂直及びその近傍の角度成分を有する光を表面プラズモンポラリトンに強く結合させる。一方、外側の領域Ｒ２、Ｒ３の金属凹凸構造は、斜めの角度成分を有する光を表面プラズモンポラリトンに強く結合させる。このようにして、上述の比較例に比べて、金属凹凸構造へ入射した光エネルギーのより多くを表面プラズモンポラリトンに結合させることが可能となる。また、同心円状に突起群が配列されることで、平面視での回転方向（図１３に示す方向Ｄφ）に依らず共鳴するため、センシング感度をより向上できる。
【００８５】
図１２に、突起群が同心円状に配列される場合の集光ビームの偏光方向の例を示す。図１２に示すように、センサーチップ３００には、ラジアル偏光の集光ビームＬＢが入射される。ラジアル偏光とは、対物レンズ（第１光学系）の光軸の回りに対称な偏光であり、入射ビームＬＢの入射領域ＩＡにおいて、同心円の中心点ＢＰを中心とする半径方向Ｄｒに偏光している。偏光方向Ｄｒは、突起群の配列方向Ｄｒと同じ方向である。このようにすれば、偏光方向に振動する電場により金属格子中の自由電子が揺さぶられ、方向Ｄｒに伝搬する表面プラズモンが励起される。
【００８６】
６．変形例
上記実施形態では、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の場合について説明したが、本実施形態では、図１３に示すようにＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３であってもよい。この場合、太矢印で示すように、表面プラズモンポラリトンは同心円の外側から中心点ＢＰに向かって方向Ｄｒに沿って伝搬する。
【００８７】
図１４を用いて、この伝搬方向について具体的に説明する。図１４は、Ｐ１＜Ｐ２の場合の表面プラズモン共鳴の模式的な説明図である。なお、以下では簡単のため、Ｐ１とＰ２についてのみ説明する。
【００８８】
図１４に示すように、周期Ｐ１の格子では波数２π／Ｐ１のエバネッセント波が生じ、周期Ｐ２の格子では波数２π／Ｐ２±ｋｉｘのエバネッセント波が生じる。Ｐ１＜Ｐ２の場合、２π／Ｐ２＋ｋｉｘ＝２π／Ｐ１を満たすように周期Ｐ１、Ｐ２を設定する。そうすると、センサーチップの外側から内側に向かう波数のエバネッセント波に表面プラズモンポラリトンが結合する。そのため、表面プラズモンポラリトンはセンサーチップの外側から内側に向かって伝搬する。
【００８９】
７．第３の構成例
上記実施形態では、突起群により伝搬型の表面プラズモンが励起されるが、本実施形態では、回折格子が、局在型の表面プラズモンを励起する他の突起群を含んでもよい。図１５は、このセンサーチップの第３の構成例の断面図である。
【００９０】
このセンサーチップは、基材１００、第１の突起群１１０、第２の突起群１２０、第１の小突起群２００、第２の小突起群２１０を含む。なお、以下では、図５（Ｂ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。
【００９１】
図１５に示すように、第１の小突起群２００は、第１の突起群１１０と第２の突起群１２０（以下、突起群とする）の頂面２２０に、突起群の配列方向Ｄ１（または方向Ｄｒ）に沿って周期的に配列される。第２の小突起群２１０は、突起群の突起間の底面２３０に、突起群の配列方向Ｄ１（または方向Ｄｒ）に沿って周期的に配置される。
【００９２】
より具体的には、第１の小突起群２００は、頂面２２０からの高さがＨ２であり、突起群の周期Ｐ１、Ｐ２より短い第１の短周期ＰＳ１で配列される。第２の小突起群２１０は、底面２３０からの高さがＨ３であり、突起群の周期Ｐ１、Ｐ２より短い第２の短周期ＰＳ２で配列される。例えば、周期ＰＳ１やＰＳ２は、５００ｎｍ以下に設定することが望ましく、高さＨ２やＨ３は、２００ｎｍ以下に設定することが望ましい。なお、高さＨ３は、Ｈ３＞Ｈ１であってもよく、Ｈ３≦Ｈ１であってもよい。
【００９３】
第１の小突起群２００と第２の小突起群２１０（以下、小突起群とする）の各突起の断面形状は、小突起群の配列方向Ｄ１での断面において、頂面２２０と底面２３０から凸形状に形成される。この凸形状は、矩形や台形、円弧等である。例えば、図５（Ａ）に示すように、突起群が縞状に形成される場合、小突起群は突起群に平行な縞状に形成される。あるいは、図１１に示すように突起群が同心円状に形成される場合、小突起群は、突起群の中心点ＢＰを中心とする同心円状に形成される。この小突起群は、突起群と同じ金属により形成されてもよく、異なる金属により形成されてもよい。
【００９４】
なお、上記では、小突起群の配列方向と突起群の配列方向が同じであるとしたが、本実施形態では、小突起群の配列方向と突起群の配列方向が異なる方向であってもよい。この場合、配列周期ＰＳ１やＰＳ２は、方向Ｄ１における配列周期となる。
【００９５】
次に、この第３の構成例のセンサーチップによる表面増強ラマン散乱について説明する。本実施形態では、励起光を集光してセンサーチップに入射させる。そうすると、上述のように、突起群により伝搬型の表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンは、金属格子１６０の表面に沿って伝搬し、小突起群に局在型の表面プラズモンを励起する。そして、この局在型の表面プラズモンは、小突起群の突起間に増強電場を励起し、その増強電場と標的物との相互作用により表面増強ラマン散乱が生じる。このとき、小突起群の突起間隔が狭いため、突起間に強い増強電場が励起される。そのため、突起間に吸着した標的物が１個〜数個であっても、その増強電場によって強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができる。
【００９６】
８．分析装置
図１６に、本実施形態のセンサーチップを含む分析装置の構成例を示す。この分析装置（広義には分光装置）は、センサーチップ３００（光デバイス）、レーザー光源３１０（広義には光源）、コリメーターレンズ３２０、偏光制御素子３３０、対物レンズ３５０（第１光学系）、ダイクロイックミラー３４０、集光レンズ３６０、エタロン３７０（広義には、３４０と３６０と３７０は第２光学系）光検出器３８０（検出器）、搬送部４２０、支持部４３０を含む。なお、本実施形態の分析装置は図１６の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば搬送部）を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
【００９７】
レーザー光源３１０は、表面プラズモンを励起するレーザー光を出射する。レーザー光の波長はセンサーチップ３００の共鳴波長と等しく、例えば６３３ｎｍである。レーザー光源３１０から出射されたレーザー光は、コリメーターレンズ３２０により平行光にされ、偏光制御素子３３０により直線偏光（またはラジアル偏光）にされる。偏光制御素子３３０を通過したレーザー光は、ダイクロイックミラー３４０によりセンサーチップ３００の方向に導かれ、対物レンズ３５０で集光され、支持部４３０に支持されたセンサーチップ３００に入射する。センサーチップ３００の表面には、例えば金属格子や検出物質選択機構が形成される。この金属格子の周期は、レーザー光の波長よりも短い。
【００９８】
図１６に示す矢印は、標的物の搬送方向を示す。標的物は、ファン（図示は省略）の駆動を制御することにより、搬入口４００から搬送部４２０の内部に導入され、排出口４１０から搬送部４２０の外部に排出される。このとき、搬送部４２０を通過する標的物の一部が、支持部４３０にて支持されたセンサーチップ３００に付着し、センサーチップ３００の表面に標的物（図示は省略）が配置される。
【００９９】
金属格子表面へレーザー光が入射すると、レーザー光の振動にともなって自由電子が共鳴振動し、金属格子表面の近傍には表面プラズモンポラリトンを介して極めて強い増強電場が生じる。その金属格子表面に例えば１〜数個の標的物質が近接すると、その標的物質から表面増強ラマン散乱が発生する。センサーチップ３００からのレイリー散乱光とラマン散乱光は、対物レンズ３５０を通過し、ダイクロイックミラー３４０によって光検出器３８０の方向に導かれる。この散乱光は、集光レンズ３６０で集光され、エタロン３７０（分光器）を通過し、光検出器３８０に入射する。そして、エタロン３７０により散乱光からラマン散乱光が分光され、光検出器３８０によりそのラマン散乱光が受光される。このようにして、散乱光がスペクトル分解され、標的物のスペクトル情報が得られる。
【０１００】
以上の分析装置によれば、周期の異なる金属微細構造を有するセンサーチップ３００を備えることで、角度幅のある入射集光ビームと表面プラズモンポラリトンを効率よく結合できる。これにより、高効率で高感度な表面プラズモン共鳴センサーを実現し、表面増強ラマン散乱スペクトルから標的物の有無を検出することが可能になる。また、高感度であるため、低濃度の被測定物質であっても正確に定性や定量ができる。また、本実施形態のセンサーチップは薄膜タイプであり、狭い場所に配置できるため、分析装置の小型化が可能になる。
【０１０１】
なお、本実施形態の分析装置は、麻薬や爆発物の検知、医療や健康診断、食品の検査に用いられるセンシング装置へ広く応用することが可能である。また、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出するアフィニティー・センサー等として用いることができる。
【０１０２】
９．センサーチップの配置位置
上述の分析装置では、センサーチップ３００を着脱式にすることが可能である。その場合、センサーチップ３００の表面を集光ビームの集光面（焦点からずれた位置）に合わせるために、オートフォーカス等の付加的な機構が必要となってしまう。
【０１０３】
この点、図１７に示すように、集光ビームの焦点の上下どちらかにオフセットを設けることで、着脱のたびにセンサーチップ３００を集光面に合わせる操作を不要にできる。具体的には、センサーチップ３００は、焦点（集光点）より対物レンズ３５０側の位置Ａ、または焦点より対物レンズ３５０の反対側の位置Ｂのいずれかに配置される。これにより、分析装置の構成を簡素にできる。
【０１０４】
また、センサーチップ３００の配置を位置Ａと位置Ｂで入れ替えることで、同じ周期構造のセンサーチップ３００であっても、表面プラズモンポラリトンの伝搬方向を変えることができる。例えば、図１１に示すように、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の金属凹凸構造の場合、焦点の前の位置Ａに置くと、励起された表面プラズモンポラリトンは中心から外側へ向かって伝搬する。一方、焦点の後の位置Ｂに置くと、励起された表面プラズモンポラリトンは外側から中心へ向かって伝搬する。
【０１０５】
金属ナノ構造のセンシング応用では、センサーチップ３００の中心へ表面プラズモンポラリトンを集中させて、中心においてのみ局所電場の強度を高めることは必ずしも必要ではない。中心のみ局所電場が増強されることは、センサーチップ３００の感度均一性やセンシングの再現性と相反する場合があるためである。どのような物質をどのように検出するかというセンシングの用途に応じて、表面プラズモンポラリトンの伝搬方向を考慮し、金属凹凸構造の構成と配置位置を決めることが望ましい。
【０１０６】
ここで、図１７に示すように、センサーチップ３００には、対物レンズ３５０の光軸と一致する光線を含む集光ビームが入射される。そして、対物レンズ３５０とセンサーチップ３００は、対物レンズ３５０の光軸がセンサーチップ３００の領域Ｒ１（図１１等に示す領域Ｒ１）を通るように配置される。但し、本実施形態は、この場合に限定されず、入射角度に幅のある集光ビームがセンサーチップ３００に入射されてさえいればよい。
【０１０７】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語（標的物、入射光、回折格子、導電体等）と共に記載された用語（標的物質、集光ビーム、金属格子、金属等）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光デバイス、分析装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１００  基材、１１０  第１の突起群、１２０  第２の突起群、１３０  基材の表面、
１４０  ガラス基板、１５０  金属薄膜、１６０  金属格子、１７０  第３の突起群、
２００  第１の小突起群、２１０  第２の小突起群、２２０  突起群の頂面、
２３０  突起群の突起間の底面、３００  センサーチップ、３１０  レーザー光源、
３２０  コリメーターレンズ、３３０  偏光制御素子、
３４０  ダイクロイックミラー、３５０  対物レンズ、３６０  集光レンズ、
３７０  エタロン、３８０  光検出器、４００  搬入口、４１０  排出口、
４２０  搬送部、４３０  支持部、
Ｄ１  第１の方向、Ｄ２  第２の方向、Ｄ３  法線方向、Ｄｒ  ラジアル方向、
ＩＡ  入射領域、ｋｉ  入射光の波数、ＬＢ  入射ビーム、Ｐ１  第１の周期、
Ｐ２  第２の周期、Ｐ３  第３の周期、ＰＳ１  第１の短周期、
ＰＳ１  第２の短周期、Ｒ１  第１の領域、Ｒ２  第２の領域、Ｒ３  第３の領域、
θ１  第１の角度、θ２  第２の角度、λ１  共鳴波長、ω０  共鳴周波数
【図１】
0005560891.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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