(57)【要約】【課題】  局在表面プラズモンと伝搬表面プラズモンとの間の結合を利用せずに、しかも励起光の入射角依存性に左右されずに十分に大きな増強電場が得られる光学デバイス及び検出装置を提供すること。【解決手段】  検出装置１００は、光源１３０と、集光レンズ１３１Ｃと、光学デバイス１０とを有する。光学デバイス１０は、基板１２と、基板上に形成される金属層１４と、金属層上に形成される誘電体層１６と、誘電体層上に形成される複数の金属ナノ粒子１８とを有する。基板は、法線Ｌ２，Ｌ３上に中心Ｐ１，Ｐ２を持つ曲率半径Ｒ１，Ｒ２で規定される球面１０Ａ，１０Ｂが、光ビームＢ１，Ｂ２の照射面積以上の領域にて表面に形成される。誘電体層の厚さをｄ、光ビームの波長をλ、波長λでの誘電体層の屈折率をｎ、自然数をｍとしたとき、誘電体層の厚さｄはｍ×λ／ｎに設定されている。【選択図】      図１９
2014119262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光ビームを入射する光学デバイスと、
前記光学デバイスに流体試料を導入する導入機構と、
を有し、
前記光学デバイスは、
前記光ビームを入射する面に該面の法線を曲率半径の中心線とする球面が形成され、前記球面が前記光ビームの照射領域と同じまたは該照射領域よりも広く形成された基板と、
前記球面上に形成される金属層と、
前記金属層上に形成される誘電体層と、
前記誘電体層上に形成される複数の金属ナノ粒子と、
を有し、
前記誘電体層の厚さをｄ、前記光ビームの波長をλ、前記波長λでの前記誘電体層の屈折率をｎ、自然数をｍとしたとき、前記誘電体層の厚さｄがｍ×λ／ｎに設定されることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記球面を前記光ビームの入射方向に凹となる形状とし、
前記集光レンズの焦点が、前記球面よりも前記光ビームの入射方向の上流に設定されることを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記球面を前記光ビームの入射方向に凸となる形状とし、
前記集光レンズの焦点が、前記球面よりも前記光ビームの入射方向の下流に設定されることを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記球面の曲率半径の中心は、前記光ビームの光軸上に設定されることを特徴とする検出装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記球面の曲率半径の中心が、前記焦点と一致していることを特徴とする検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項において、
前記曲率半径は、数μｍオーダーから数十μｍオーダーであることを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の検出装置と、前記検出装置からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器。
【請求項８】
光ビームを入射する光学デバイスであって、
前記光ビームを入射する面に該面の法線を曲率半径の中心とする球面が形成され、前記球面が前記光ビームの照射領域と同じまたは該照射領域よりも広く形成された基板と、
前記球面に形成される金属層と、
前記金属層上に形成される誘電体層と、
前記誘電体層上に形成され、前記光ビームが入射する複数の金属ナノ粒子と、
を有し、
前記誘電体層の厚さをｄ、前記光ビームの波長をλ、前記波長λでの前記誘電体層の屈折率をｎ、自然数をｍとしたとき、前記誘電体層の厚さｄはｍ×λ／ｎに設定されていることを特徴とする光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイス、検出装置、及び電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）を応用したセンサーに対する関心が高まっている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生するＳＰＲを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。
【０００３】
ここで、ＳＰＲを応用した高感度な表面プラズモン共鳴センサーを実現するには、近接電場の増強度ができるだけ大きいことが望まれている（非特許文献１）。
【０００４】
近年、高感度なセンシングを目的として、金属ナノ粒子や金属ナノ構造を用いたＳＰＲセンサーが提案されている。例えば、特許文献１に提案されているＳＰＲセンサーでは、金属ナノ粒子を２〜４０ｎｍの極薄い誘電体層を介して金属膜の上に周期的に配列させている（特許文献１の図１参照）。このセンサーへ光を照射すると、局在表面プラズモン（ＬＳＰ：Localized Surface Plasmon）と伝搬表面プラズモン（ＰＳＰ：Propagating Surface Plasmon）の間に結合が生じ、金属ナノ粒子の表面に現れる近接電場が大きく増強される。この増強された近接電場へ被検出分子が捕獲されると強いＳＥＲＳ表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ: Surface Enhanced Raman Scattering）信号が発生し、この信号を取得して分光解析することにより被検出分子を特定できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５３８２６４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．５２，３８５３（１９８３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示されている金属ナノ構造においては、強い近接電場が現れる場所（ホットサイトと呼ぶ）の密度（単位面積あたりの数）が低いという課題があった。このために、センサーとしての感度が低く、ＳＰＲセンサーとして実用には至っていない。ホットサイトの密度を高めるには、金属ナノ粒子の配列周期を短くすればよい。しかし、間隔を狭くして金属ナノ粒子を並べると、局在表面プラズモンＬＳＰと伝搬表面プラズモンＰＳＰとの間の結合を利用できないため、十分に大きな増強電場が得られないというジレンマが生じる。
【０００８】
本発明のいくつかの態様は、局在表面プラズモンと伝搬表面プラズモンとの間の結合を利用せずに、十分に大きな増強電場が得られる光学デバイス、検出装置、及び電子機器等を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の他の幾つかの態様は、大きな増強電場と高いホットサイト密度を両立でき、しかも励起光の入射角度依存性に左右されずに信号強度を増大できる光学デバイス、検出装置、及び電子機器等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】
【００１０】
（１）本発明の一態様は、
光を出射する光源と、
前記光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光ビームを入射する光学デバイスと、
前記光学デバイスに流体試料を導入する導入機構と、
を有し、
前記光学デバイスは、
前記光ビームを入射する面に該面の法線を曲率半径の中心線とする球面が形成され、前記球面が前記光ビームの照射領域と同じまたは該照射領域よりも広く形成された基板と、
前記球面上に形成される金属層と、
前記金属層上に形成される誘電体層と、
前記誘電体層上に形成される複数の金属ナノ粒子と、
を有し、
前記誘電体層の厚さをｄ、前記光ビームの波長をλ、前記波長λでの前記誘電体層の屈折率をｎ、自然数をｍとしたとき、前記誘電体層の厚さｄがｍ×λ／ｎに設定されている検出装置に関する。
【００１１】
本発明の一態様では、誘電体層の厚さｄをｍ×λ／ｎに設定すると、図４に示す多層干渉膜による反射と干渉により、増強電場を確保できる。つまり、局在表面プラズモンと伝搬表面プラズモンとの間の結合を利用せずに、十分に大きな増強電場が得られる。加えて、図２の領域Ｂを用いた本発明の一態様の金属ナノ粒子のピッチＰ（Ｐｂ）は、図２の領域Ａで一義的に求まる金属ナノ粒子のピッチＰａ＝λ(ε２＋ε１/ε２)１／２よりも短くすることができる。これにより、大きな増強電場と高いホットサイト密度を両立でき、検出感度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の一態様ではさらに、上述した球面が形成された基板上に、金属層及び誘電体層を形成すると、球面上に複数の金属ナノ粒子が形成される。そのため、集光レンズで集光された光ビームの入射角度が球面全域で小さくなる。そのため、集光レンズの開口数ＮＡを大きくすることで、図１８に実線で示す理論曲線に従ってラマン信号強度を増強することができる。
【００１３】
（２）本発明の一態様では、前記球面を前記光ビームの入射方向に凹となる形状とし、
前記集光レンズの焦点を、前記球面よりも前記光ビームの入射方向の上流に設定することができる。
【００１４】
図１９（Ａ）に示すように、集光レンズの焦点を通過した光ビームを凹状の球面上に照射することで、光ビームの入射角度が球面全域で小さくなる。
【００１５】
（３）本発明の一態様では、前記球面を前記光ビームの入射方向に凸となる形状とし、前記集光レンズの焦点を、前記球面よりも前記光ビームの入射方向の下流に設定することができる。
【００１６】
図１９（Ｂ）に示すように、集光レンズの焦点を通過する前の光ビームを凸状の球面上に照射することで、光ビームの入射角度が球面全域で小さくなる。
【００１７】
（４）本発明の一態様では、前記球面の前記曲率半径の中心は、前記光ビームの光軸上に設定することができる。
【００１８】
こうすると、球面に入射される光ビームは光軸を中心線として線対称にて球面に入射されるので、光ビームの入射角度が球面全域でより小さくなる。この位置合わせには、例えばＣＤやＤＶＤの読み取り装置に採用されているインフォーカスサーボ機構を用いることができる。
【００１９】
（５）本発明の一態様では、前記球面の前記曲率半径の中心を、前記焦点と一致させることができる。
【００２０】
こうすると、球面に入射される光ビームの入射角度は、球面上での入射位置に依存せずに０゜となる。
【００２１】
（６）本発明の一態様では、前記曲率半径は、数μｍオーダーから数十μｍオーダーとすることができる。
【００２２】
金属ナノ粒子のサイズは１〜１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ以下であるので、上述した範囲の曲率半径で規定される球面部分に複数の金属ナノ粒子を形成することができる。また、励起光のビーム径は数μｍ程度であるので、球面部分に存在する複数の金属ナノ粒子に光ビームを入射させることができる。しかも、基板に形成される球面による凹凸が微細であることから、基板上にスパッタリングまたは蒸着等により金属層及び誘電体層を形成することに支障はない。
【００２３】
（７）本発明の他の態様は、上述した（１）〜（６）のいずれか記載の検出装置と、前記検出装置からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器に関する。
【００２４】
本発明の他の態様に係る電子機器は、医療診断や飲食物の検査等に有益である。
【００２５】
（８）本発明のさらに他の態様は、
光ビームを入射する光学デバイスであって、
前記光ビームを入射する面に該面の法線を曲率半径の中心とする球面が形成され、前記球面が前記光ビームの照射領域と同じまたは該照射領域よりも広く形成された基板と、
前記球面に形成される金属層と、
前記金属層上に形成される誘電体層と、
前記誘電体層上に形成され、前記光ビームが入射する複数の金属ナノ粒子と、
を有し、
前記誘電体層の厚さをｄ、前記光ビームの波長をλ、前記波長λでの前記誘電体層の屈折率をｎ、自然数をｍとしたとき、前記誘電体層の厚さｄはｍ×λ／ｎに設定されている光学デバイスに関する。
【００２６】
この光学デバイスを用いることで、（１）にて説明した検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１（Ａ）は本発明の実施形態に係る光学デバイスの断面図であり、図１（Ｂ）は平面図である。
【図２】図１（Ａ）（Ｂ）に示す光学デバイス構造の分散曲線を示す特性図である。
【図３】双極子イメージ（虚像）の作用による電場増強を説明するための図である。
【図４】多層膜干渉の作用による電場増強を説明するための図である。
【図５】図５（Ａ）は光学デバイスの具体例を示し、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の構造で得られる増強電場のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は図５（Ａ）と同じ光学デバイスの具体例を示し、図６（Ｂ）はその構造により得られる電場強度Ｅ４を示している。
【図７】図７（Ａ）は図６（Ａ）とは異なる金属層を有する光学デバイスの具体例を示し、図７（Ｂ）はその構造により得られる電場強度Ｅ４を示している。
【図８】図８（Ａ）は誘電体層を二層とした光学デバイスの具体例を示し、図８（Ｂ）はその構造により得られる電場強度Ｅ４を示している。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｄ）は図８（Ａ）に示す光学デバイスの製造方法を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は図９（Ｃ）に示すレジストパターン例を示す図である。
【図１１】誘電体上に形成される金属ナノ粒子をアイランド状に形成した光学デバイスの断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は本発明の実施形態である図１１の構造により得られる信号増強度を示す図であり、図１２（Ｂ）は従来構造で得られる信号増強度を示す図である。
【図１３】光学デバイスに対する励起光の入射角度θを説明するための図である。
【図１４】図１４（Ａ）（Ｂ）は、Ｓ偏光及びＰ偏光のそれぞれについて電場の増強度の入射角度依存性を示す特性図である。
【図１５】入射角度により生ずる誘電体層中での位相差（光路差）を説明するための図である。
【図１６】近接電場強度のピークずれ量と入射角度の関係を示す図である。
【図１７】励起光が集光レンズにて集光されてセンサーチップに入射する様子を示す図である。
【図１８】ラマン信号強度と集光レンズの開口数ＮＡとの関係を示す図である。
【図１９】図１９（Ａ）（Ｂ）は、誘電体層の凹状球面または凸状球面と集光レンズとの関係を示す図である。
【図２０】誘電体層の凸状球面上に複数の金属ナノ粒子が形成されたセンサーチップを示す図である。
【図２１】誘電体層のマイクロ凹レンズアレイ上に金属アイランドが形成されたセンサーチップを示す図である。
【図２２】本発明の実施形態に係る検出装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、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ある。
【００２９】
１．光学デバイス
１．１．光学デバイスの基本構造
図１に、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサーチップ（光学デバイス）１０の構造を模式的に示す。図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は平面図であり、どちらも構造の一部である。
【００３０】
センサーチップ１０は、基板１２上に金属層１４を有し、金属層１４上に厚さｄの誘電体層１６を有する。金属ナノ粒子１８は、誘電体層１６を介して金属層１４の上に例えば周期Ｐで例えば二次元方向に配列されている。金属層１４は励起光を透過しない程度に厚く設けてある。
【００３１】
このセンサーチップ１０が従来技術と相違する特徴点として、第１に、誘電体層１６の厚さｄが、特許文献１に開示された従来の厚さである２〜４０ｎｍよりも十分に厚いことである。第２に、局在表面プラズモンＬＳＰと伝搬表面プラズモンＰＳＰの間の結合を利用せず、双極子イメージと多層膜の干渉の利用により増強電場を形成していることである。第３に金属ナノ粒子１８の周期Ｐが、従来の金属ナノ粒子の周期（ピッチ）よりも十分に小さいことである。
【００３２】
ここで、第１〜第３特徴点は相互に関係を有する。つまり、第１特徴点または第２特徴点の構造が要因となって第３特徴点を結果として生みだし、逆に第３特徴点が要因となって、第２特徴点の原理によって第３特徴点の構造を結果として生み出す、相互の関係を有する。このことから、本発明は多面的に定義することができる。
【００３３】
１．２．金属ナノ粒子の配列方向の周期
先ず、第３特徴点について述べる。金属ナノ粒子１８の配列方向（一次元方向または二次元方向）の周期（ピッチ）Ｐについて説明する。なお、金属ナノ粒子１８の配列方向の周期（ピッチ）Ｐは一定である必要はなく、非周期性を呈していてもよい。後述する図１１のアイランド形状の金属ナノ粒子３１のように不定周期またはランダム配列である場合には、隣り合う金属ナノ粒子の最大ピッチＰとして下記の要件を満たしていればよい。
【００３４】
図２は図１（Ａ）（Ｂ）に示す光学デバイス構造の分散曲線であり、縦軸は角周波数ω、横軸は波数ｋである。図２に示すように、金属ナノ粒子１８に励起される局在表面プラズモンＬＳＰの分散曲線と、金属層１４と誘電体層１６との界面に励起される伝播表面プラズモンＰＳＰの分散曲線がある。
【００３５】
従来は局在表面プラズモンＬＳＰの分散曲線と伝播表面プラズモンＰＳＰの分散曲線が交差するＡの領域に注目していた。局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの間に生じる結合を利用して、金属ナノ粒子表面の近接電場を増強していた。その場合、従来構造の周期Ｐａの金属ナノ粒子が与える波数２π／Ｐａと、ＰＳＰの分散曲線との交点が共鳴波長（縦軸、角周波数ω０）であり、これはセンサーチップへの入射光の励起波長λと等しい。
【００３６】
つまり、角周波数ω（波長λ）の光をセンサーチップ構造へ照射したときに励起される伝播表面プラズモンＰＳＰの波数（エバネッセント波の波数）Ｋａは、Ｋａ＝２π／Ｐａａとなる。使用される励起波長λとの関係で周期Ｐａを求めると、励起波長λが６３３ｎｍのとき、周期Ｐａは６００ｎｍにもなる。
【００３７】
平面視でのサイズが例えば直径１００ｎｍの金属ナノ粒子であると、ホットサイトは金属ナノ粒子の近傍に生ずるので、周期Ｐａが６００ｎｍではホットサイトの密度は疎となる。また、励起光のビーム径は数μｍ程度であるので、ビーム径内に位置するホットサイトは周期Ｐａの数周期分と少ない。このように、従来構造にてＬＳＰとＰＳＰとの間に生じる結合を利用して、金属ナノ粒子表面の近接電場を増強しようとすると、金属ナノ粒子の周期Ｐａが長くなるため、ホットサイトの密度を高めることができなかった。
【００３８】
そこで本実施形態では、図２の領域Ａでなく領域Ｂに着目した。領域Ｂでの波数Ｋｂは領域Ａでの波数Ｋａよりも大きい。波数は周期の逆数であるので、領域Ｂを用いた本実施形態の金属ナノ粒子１８の配列周期Ｐｂ（Ｐ）を短くすることができる。
【００３９】
ここで、配列方向での金属ナノ粒子１８の長さを２ｒとする。金属ナノ粒子１８が平面視で円形であれば、ｒは半径に相当する。ただし、金属ナノ粒子１８の平面視での形状は問わず、後述のように楕円などであってもよい。また、λを励起波長、ε１を誘電体層１６の複素誘電率、ε２を金属層１４の複素誘電率とすると、Ｐ（Ｐｂ）＜Ｐａを満たすことから、本実施形態の金属ナノ粒子１８の周期Ｐの上限として、Ｐ＜Ｐａ＝λ(ε２＋ε１/ε２)１／２が成立する。
【００４０】
本実施形態での金属ナノ粒子１３の周期Ｐの下限は、配列方向で隣り合う２つの金属ナノ粒子１８が接触しない長さとなる。よって、周期Ｐの下限としては、Ｐ＞２ｒとなる。以上のことから、本実施形態の金属ナノ粒子１８の周期Ｐとして、
２ｒ＜Ｐ＜λ(ε２＋ε１/ε２)１／２…（１）
が成立する。
【００４１】
また、本実施形態の金属ナノ粒子１８の周期Ｐを従来構造の周期Ｐａよりも十分に小さくして、ホットサイトの密度を高めるには、係数ｃがｃ＞１として、
２ｒ＜Ｐ＜λ(ε２＋ε１/ε２)１／２／ｃ…（２）
を満たすものとすることができる。なお、係数ｃの上限の定義は不要であり、なぜなら、ｃを過大とすると２ｒ＜Ｐが不成立となって式（２）を満たさないことから、おのずと係数ｃには上限が内在しているからである。
【００４２】
また、周期Ｐを短くすることを考慮すると、配列方向での金属ナノ粒子１８の長さを２ｒは、例えば３０ｎｍ＜２ｒ＜１００ｎｍとすることが好ましい。加えて、励起波長λが、５００ｎｍ＜λ＜８００ｎｍであることを考慮すると、
４０ｎｍ＜Ｐ＜５００ｎｍ…（３）
とすることができる。この数値範囲は、従来構造の周期Ｐａ＝λ(ε２＋ε１/ε２)１／２／ｃ＝６００ｎｍ程度のとき、式（２）の係数ｃを１．２〜１５とした範囲とほぼ同じとなる。
【００４３】
１．３．誘電体層の厚さ
誘電体層１６の厚さｄは、特許文献１に開示された従来の厚さである２〜４０ｎｍよりも厚いことを条件とする。よって、
ｄ＞４０ｎｍ、さらに好ましくはｄ＞１００ｎｍ…（４）
とすることができる。
【００４４】
なお、上述の通り、誘電体層１６の厚さ（第１特徴点）は、第２特徴点と相関があり、誘電体層１６の厚さｄについては、式（４）のように絶対値で定義されることの他、局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの結合によらずに大きな増強電場を発生させること（第２特徴点）から定性的に求めることもできる。以下、その点について説明する。
【００４５】
１．４．局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの結合に頼らない増強電場の形成原理
本実施形態では、図２のＢ領域を利用することから、上述の通り金属ナノ粒子１８の周期Ｐを小さくしており（第３特徴点）、その因果関係から局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの間に生じる結合を利用せず、局在表面プラズモンＬＳＰだけで大きな増強電場を発生させる必要がある（第２特徴点）。
そのためには、金属ナノ粒子１８に作用する電場を強くして、金属ナノ粒子１８に大きな分極を発現させることが必要となる。本実施形態では、電場増強の起源として（１）双極子イメージ及び（２）多層膜干渉を利用している。この利用原理（１）（２）との因果関係から、以下に説明する通り、誘電体層１６の厚さｄは従来技術よりも厚くなる（第２特徴点）。
【００４６】
１．４．１．双極性イメージ
図３に示すように、励起光の照射により金属ナノ粒子１８に誘起される分極をｐ１とすると、金属層１４に現れる逆方向の分極ｐ２の双極子イメージ（虚像）の作用により、金属ナノ粒子１８に加わる電場Ｅ１は、誘電体層の厚さをｄ、誘電体層１６の複素誘電率をε１は、金属層１４の複素誘電率をε２とすると、
Ｅ１＝βｐ１／（２ｄ）３…（５）
となる。ただし、双極子イメージの大きさを与える係数β＝（ε２―ε１）/（ε２＋ε１）である。
【００４７】
したがって、分極ｐ１は、金属ナノ粒子１８の分極率をαとし、励起光の電場をＥ２とすると、
ｐ１＝［α／（１−αβ／(２ｄ)３）］・Ｅ２…（６）
となる。
【００４８】
式（６）からわかるように、係数１／（１−αβ／(２ｄ)３)の大小により、分極ｐ１は増大あるいは減少する。一般的な誘電体や金属を用いる限り、ε１は正でε２は負であるから、β＞１である。したがって、上記の係数である１／（１−αβ／(２ｄ)３)が正の大きな値をもつためには、α／(２ｄ)３)＜１であることから、
ｄ＞α１／３／２…（７）
が成立する。
【００４９】
双極子イメージの作用により金属ナノ粒子１８に誘起される分極ｐ１を大きくすること、つまり、金属ナノ粒子１８に作用する電場Ｅ１を増強するには、誘電体層１６の厚さｄは、金属ナノ粒子１８の分極率αの三乗根α１／３の半値α１／３／２よりも大きいことを意味する。
【００５０】
さらに、上記係数１／（１−αβ／(２ｄ)３)）が正の大きな値をもつためには、誘電体層１６の複素誘電率ε１と金属層１４の複素誘電率ε２とは、Ｒｅ［  ］が複素数の実部を表し、Ｉｍ［  ］が複素数の虚部を表すものとすると、
Ｒｅ［ε２］≧−ε１、Ｉｍ［ε２］≒０…（８）
が成立することが望ましい。
【００５１】
式（８）を満足する金属ナノ粒子１８の素材には、例えばＡｇとＡｕがある。ＡｇとＡｕの分極率αはおよそ６×１０７（ｎｍ３）であり、この値を式（７）に代入すると、ｄ＞２００ｎｍとなり、いずれも従来技術の誘電体層の厚さ４０ｎｍよりも厚くすることが必要となる。
【００５２】
つまり、局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの結合に頼らない構造として金属ナノ粒子１８の周期Ｐを小さくしながら（第３特徴点）、双極性イメージを利用して金属ナノ粒子１８に作用する電場を大きくし（第２特徴点）、そのために誘電体層１６の厚さを従来よりも厚くする必要がある（第１特徴点）。換言すれば、誘電体層１６の厚さを従来よりも厚くしたから（第１特徴点）、局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの結合に頼らずに双極性イメージを利用して金属ナノ粒子１８に作用する電場を大きくすることができ（第２特徴点）、それにより金属ナノ粒子１８の周期Ｐを小さくできた（第３特徴点）。
【００５３】
１．４．２．多層膜干渉
図１（Ａ（Ｂ）に示す金属ナノ粒子１８が密に並んだ層は、図４に示すように実効的には薄い金属層１８Ａとして作用し、誘電体層１６を挟んで対向する厚い金属層１４とで一対のミラーを形成して、一種の共振構造をつくる。この共振構造１４，１６，１８Ａに入射した光は、上下の金属層１４，１８Ａの間で反射を繰り返し、多数の反射波の間で干渉が起こる。
【００５４】
そのため、金属層１８Ａの反射率と誘電体層１６の厚さにより、金属ナノ粒子１８に作用する電場の強さが左右される。励起波長λに対して反射率が高い金属素材を金属ナノ粒子１８に用いると、金属ナノ粒子１８に作用する電場の強さは、誘電体層１６の厚さｄに対して周期的に強弱を繰り返す（後述の図５（Ｂ）参照）。電場のピークを与える誘電体層１６の厚さｄは近似的に以下の条件で決まる。
【００５５】
ｄ≒ｍλ／２√ε１  …（９）
つまり、誘電体層１６の厚さｄはｍλ／２√ε１と実質的に等しくすると、図５（Ｂ）に示す電場のピークを生じさせることができる。ただし、ｍは自然数、λは励起波長である。
【００５６】
式（９）に代えて、下記の式（１０）の条件としてもよい。
【００５７】
ｄ≒ｍλ／２ｎ  …（１０）
ただし、ｍは自然数、λは励起波長、ｎは波長λでの誘電体層の屈折率である。なお、本実施形態では、電場のピークを与える原理は多層膜干渉が支配的であると考え、後述する電場強度のピークずれの入射角度依存性を、多層膜干渉の原理である式（１０）に基づいて説明する。
【００５８】
式（８）の条件に近い複素誘電率ε２を有する金属ナノ粒子１８の素材には、例えばＡｇとＡｕがある
例えば、励起波長を６３３ｎｍとしたときに、Ａｇの誘電率はε２＝−１６．１＋ｊ１．１、Ａｕの誘電率はε２＝−９．４＋ｊ１．１である。
【００５９】
誘電体層１６をＳｉＯ２（ε１＝２．１＋ｊ０）とすると、双極子イメージの大きさを与える係数βは、Ａｇではβ＝１．２となり、Ａｕではβ＝１．６となる。したがって、金属ナノ粒子１８にＡｇとＡｕのどちらを用いても、金属ナノ粒子１８には大きな分極ｐ１、すなわち、大きな近接電場が現れることが期待できる。と同時に、ＡｇとＡｕは可視域の波長で高い反射率を有するため、誘電体層１６の材料であるＳｉＯ２の厚さを式（９）または式（１０）に基づいて設定すれば、金属ナノ粒子１８の位置に大きな電場をつくることができる。ただし、式（９）または式（１０）は等号で成立させる必要は必ずしもなく、左辺の厚さｄが右辺の式に近い値であれば、金属ナノ粒子１８に作用する電場の強さをピークに近づけることができる。つまり、誘電体層１６の厚さｄは式（９）または（１０）に基づいて設定されていれば良い。
【００６０】
１．５．誘電体層の厚さまたは金属層の材質と増強電場の強さとの相関
図５（Ａ）に、図１（ａ）（ｂ）のセンサーチップ構造の具体例を示す。この構造では、円柱形状を有する金属ナノ粒子１８が縦横にＰ＝１４０ｎｍの周期Ｐで並んでいる。この金属ナノ粒子１８の直径（２ｒ）は４０−１１０ｎｍ、高さは２０ｎｍである。
【００６１】
図５（Ｂ）に、時間領域差分（ＦＤＴＤ：Finite Difference Time Domain method）法で求めた近接電場の強さＥ４を示す。なお、近接電場の強さＥ４に注目した理由は以下のとおりである。
【００６２】
ＳＰＲを応用した高感度な表面プラズモン共鳴センサーを実現するには、近接電場の増強度ができるだけ大きいことが望ましい。非特許文献１に記述されているように、増強度γは、
γ＝（励起波長における増強度）×（ラマン散乱波長における増強度）…（１１）
と定義することができる。
【００６３】
この式（１１）からわかるように、ラマン散乱における増強度を高めるには、励起過程における増強度と散乱過程における増強度の両方を、同時に高める必要がある。したがって、センサーチップが励起波長および散乱波長の近傍に強い共鳴ピークをもてば、両過程の相乗効果により増強効果は飛躍的に高まることになる。すなわち、Ｅ４が増強度の目安となる。
【００６４】
図５（Ｂ）からわかるように、粒子表面での電場強度が最大となる金属ナノ粒子の粒子径が存在する。
【００６５】
誘電体層１６の厚さに対しては、図５（Ｂ）に示すように、電場強度はほぼ周期的に離散的なピークを有する。そのうち最大ピークは、特許文献１にて注目されていたように誘電体層の厚さが４０ｎｍ以下で生ずる第一のピークではなく、それよりも厚い誘電体層で生ずる第二のピークであることが明らかである。
【００６６】
この実施例では、第二ピークの強度（Ｅ４）は第一ピークの強度（Ｅ４）のおよそ２倍である。金属ナノ粒子１８の大きさにより電場強度が左右される理由は、粒子サイズがＬＳＰの共鳴波長域を決めるからである。他方、誘電体層１６の厚さに対して電場強度が周期的に変化する理由は、図４に示す上下ふたつの界面での反射と干渉により、金属ナノ粒子１８の位置における外部電場の強さが左右されるからである。
【００６７】
以上のことから、誘電体層１６を従来よりも厚くすることで（第１特徴点）、その効果として、局在表面プラズモンＬＳＰと伝播表面プラズモンＰＳＰとの結合に頼らずに金属ナノ粒子１８に作用する電場を増強することができる（第２特徴点）。その第２特徴点により金属ナノ粒子１８の周期Ｐを大きくしなければならないという制約が解除され、金属ナノ粒子１８の周期Ｐを小さくすることができ（第３特徴点）、その効果としてホットサイトの密度を高めることができる。
【００６８】
図６（Ａ）（Ｂ）及び図７（Ａ）（Ｂ）には、金属層１４の素材が異なる構造と、それにより得られる電場強度とを示した。図６（Ａ）は、図５（Ａ）と同じく金属層１４にＡｕを用いた構造を示し、図６（Ｂ）に得られる増強電場が示されている（図５（Ｂ）の結果と同じ）。図７（Ａ）は金属層１４にＡｇを用いた構造を示し、図７（Ｂ）に得られる増強電場が示されている。図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）にて第二ピークに注目すると、金属層１４はＡｕよりもＡｇのほうが、電場の増強度Ｅ４は、およそ１．２倍大きいことがわかる。
【００６９】
１．６．複数種の誘電体層の積層
図８は、誘電体層を第１層誘電体層１６Ａと第２層誘電体層１６Ｂの積層とした構造を示す。最表層の第２層誘電体層１６Ｂを例えばＳｉＯ２で形成し、金属層（Ａｕ）１４と第２層誘電体層１６Ｂとの間に、第１層誘電体層１６Ｂとは材質の異なる第１層誘電体層１６Ａを形成した。第１層誘電体層１６Ａは材質が例えばＡｌ２Ｏ３でごく薄く（≦５ｎｍ）設けた。第１層誘電体層１６ＡのＡｌ２Ｏ３層が５ｎｍの場合でも、図８（Ｂ）にて示す電場ピークを与える第２層誘電体層（ＳｉＯ２）１６Ｂの厚さは、第１層誘電体層（Ａｌ２Ｏ３）１６Ａを設けない場合と比べて、１０ｎｍくらい薄くなる。なお、第１，第２層誘電体層１６Ａ，１６Ｂのトータル厚さが、上述の式（９）または（１０）にて定義される誘電体層１６の厚さｄの要件を満足していればよい。
【００７０】
第１層誘電体層（Ａｌ２Ｏ３）１６Ａを設ける理由は、スパッタリング等でＳｉＯ２層を形成するときに、熱応力のために厚いＳｉＯ2層が剥離するのを防止するためである。つまり、第１層誘電体層（Ａｌ２Ｏ３）１６Ａを密着層または剥離防止層として機能させる。
【００７１】
２．製造方法
２．１．周期性のある金属ナノ粒子を有する光学デバイスの製造方法
図９（Ａ）〜図９（Ｄ）に、図８（Ａ）に示すセンサーチップの製作工程を示す。まず、蒸着やスパッタリング等の真空成膜法で、図９（Ａ）に示すように、石英ガラス基板１２の上に金属層１４（例えば、ＡｇやＡｕ）を１５０ｎｍ程度つける。金属層１４の厚さは励起光である可視光を透過しない厚さであり、図４にて説明したミラー層の機能を担保する。
【００７２】
次に、図９（Ｂ）に示すように、スパッタリングで金属層１４の表面へ熱伝導特性に優れた第１誘電体層（例えば、Ａｌ２Ｏ３）１６Ａを５ｎｍ程度形成する。続いて、図９（Ｃ）に示すように、第１誘電体層１６Ａの表面へスパッタリングで厚さ２３０ｎｍの第２誘電体層（例えば、ＳｉＯ２）１６Ｂを形成する。さらに、平らな表面へインプリント他の方法でレジストパターン２０を形成する。ここで、レジストパターン２０として、図１０（Ａ）にはドットパターンの例を、図１０（Ｂ）には楕円パターンの例を示した。
【００７３】
最後に、図９（Ｄ）に示すように、レジストパターン２０の上から金属を真空蒸着し、その後でレジストパターン２０を除去すれば金属ナノ粒子１８の二次元周期配列が形成される。
【００７４】
２．２．金属ナノアイランドを有する光学デバイスの製造方法
図９（Ｃ）（Ｄ）工程に代えて、図１１に示すように、真空蒸着によりＡｇアイランド３０をＳｉＯ２層１６Ｂの表面に形成し、金属ナノ粒子１８の粒径とピッチが一定でないランダム配列としてもよい。
【００７５】
図１１の例では、Ａｇアイランド３０中のＡｇナノ粒子３１の大きさはおよそ４０−８０ｎｍ程度、第２誘電体層（例えば、ＳｉＯ２）１６Ｂの厚さは２３０ｎｍ、第１誘電体層（例えば、Ａｌ２Ｏ３）１６Ａの厚さは５ｎｍである。
【００７６】
図１１の構造で取得したラマンスペクトルを図１２（Ａ）に示す。図１２（Ａ）に示すカウント値に相当する信号増強度として１．３×１０８を得ている。比較のために、図１２（Ｂ）には、ＳｉＯ２層１６Ｂの厚さが従来技術である３０ｎｍのときのラマンスペクトルを示す。図１２（Ｂ）のカウント値に相当する信号増強度は８．０×１０７である。図１２（Ａ）の条件での増強電場は第二ピ−クに、図１２（Ｂ）の条件での増強電場は第一ピークに相当し、図１２（Ａ）の信号増強度は従来技術である図１２（Ｂ）の信号増強度よりも１．６倍大きい。この値は、図５（Ｂ）に示した計算機シミュレーションの傾向とも一致する。
【００７７】
３．電場強度の入射角依存性を低減させる光学デバイス及び検出装置
３．１．電場強度及びラマン信号強度の光入射角度依存性
上述したセンサーチップ１０の性能は、図１３に示すように、誘電体層１６の垂線Ｌに対する励起光の入射角度θに左右される。図１４（Ａ）（Ｂ）に、ＦＤＴＤ(Finite-difference time-domain：時間領域差分)法で求めた近接電場強度Ｅ４と入射角度θとの関係を示す。図１４（Ａ）は入射直線偏光がＳ偏光（偏光方向が紙面と直交）の場合の関係を、図１４（Ｂ）は入射直線偏光がＰ偏光（偏光方向が紙面と平行）の場合の関係をそれぞれ示す。なお、金属ナノ粒子１８が二次元配列される時には、励起光にはＳ偏光及びＰ変更の双方が含まれている。図１４（Ａ）（Ｂ）に示す結果からわかるように、入射角度θが０゜のときに誘電体層（ＳｉＯ２）１６の厚さｄ＝２３０ｎｍで近接電場強度Ｅ４がピークとなる。このピークの高さと位置は、入射角度θが０〜１０゜の範囲ではほとんど変化しない。しかし、入射角度θが２０゜を越えるあたりから電場強度Ｅ４は低下し、入射角度θが４０゜を越えるとほとんど電場の増強は期待できない。
【００７８】
その理由は、１．４．２．欄で説明した薄膜干渉の効果により、図１４（Ａ）（Ｂ）に示すようにピーク電場を与える誘電体層（ＳｉＯ２）１６の厚さｄの条件が、厚くなる方向にずれるためである。
【００７９】
図１５は、入射角度θで入射される励起光の光路差（位相差）δを説明する図である。入射角度θに対して、誘電体層１６中の屈折角をθ’と定義すると、誘電体層１６中の光路長ｄ’は、ｄ’＝ｄ／ｃｏｓθ’と表される。ここで、入射角度θ＝０の時の誘電体層１６中の光路長は誘電体層１６の厚さｄに等しい。よって、入射角度θ＝０の時の誘電体層１６中の光路長ｄと、入射角度θが０゜以外の時の光路長ｄ’との位相差δは、
δ＝ｄ’−ｄ＝ｄ／ｃｏｓθ’−ｄ＝ｄ（１／ｃｏｓθ’−１）…（１２）
となる。
【００８０】
ここで、式（１０）にて自然数ｍ＝１であるときのｄ＝λ／２ｎを式（１２）に代入すると、
δ＝λ（１／ｃｏｓθ’−１）／２ｎ…（１３）
が得られる。
【００８１】
図１６は、近接電場強度Ｅ４のピークずれ量と入射角度の関係を示している。図１６では、図１４（Ａ）に示す入射角度０〜４０゜のときのピークずれ量（ｎｍ）をプロットしている。図１６ではさらに、式（１３）に示す位相差（光路差）の式を曲線で示している。図１４（Ａ）にてＦＤＴＤ法にて求められた入射角度θに依存するピークずれ量は、式（１３）の曲線にて近似することができる。
【００８２】
図１７は、励起光が集光レンズ（対物レンズ）１３１Ｃにて集光されてセンサーチップ１０に入射する様子を図示している。ただし、図１７ではスケールの関係で金属ナノ粒子１８の図示は省略されている。集光レンズ１３１Ｃに入射する光線の最大角度をαとしたとき、集光レンズ１３１Ｃの開口数ＮＡ（numerical aperture）はＮＡ＝ｓｉｎαで表される。ここで、図１７にて破線で示す低ＮＡから実線で示す高ＮＡになるように高めると、図１８に実線で示す理論曲線のように、ラマン信号強度が増加することが期待される。
【００８３】
しかし、実際には図１８にてＦＤＴＤ法の解析結果を示す破線の通り、単調には増加しない。図１４（Ａ）（Ｂ）に示したように近接電場強度Ｅ４が入射角度θの依存性を有する場合には、集光レンズ１３１Ｃの開口数ＮＡが０．３を越えるあたりから、ラマン信号強度は飽和してしまう。よって、高ＮＡの集光レンズ１３１Ｃを用いたとしても、ラマン信号強度を増加することができない。
【００８４】
３．２．光入射角度を小さくしたセンサーチップ（光学デバイス）
図１７に示す高いＮＡの集光レンズ１３１Ｃを有効に使い大きなラマン信号強度を取得するには、センサーチップ１０への励起光の入射角度が小さくなるようにすればよい。図１９（Ａ）（Ｂ）は、入射角度を小さくした光学デバイス１０の金属ナノ粒子１８を除く表面（球面）１０Ａ，１０Ｂを模式的に示す。ただし、図１９（Ａ）（Ｂ）でもスケールの関係で金属ナノ粒子１８の図示は省略されている。
【００８５】
図１９（Ａ）（Ｂ）共に、センサーチップ１０の表面１０Ａ，１０Ｂに対する法線Ｌ２，Ｌ３上に中心Ｐ１，Ｐ２を持つ曲率半径Ｒ１，Ｒ２で規定される球面が、表面１０Ａ，１０Ｂでのビーム径Ｄ１，Ｄ２のビーム面積（照射面積）以上の領域に形成されている。センサーチップ１０の球面１０Ａ，１０Ｂ上での光照射面積Ａは、球面の一頂点から一定の高さ範囲内にある球体の表面積の公式から、以下の式で与えられる。
【００８６】
Ａ＝２πＲ２（１−ｃｏｓα）…（１４）
図１９（Ａ）では、センサーチップ１０の球面１０Ａは凹状に形成されている。このため、集光レンズ１３１Ｃ１の焦点Ｆ１が、光ビームＢ１の入射方向に対してセンサーチップ１０の表面１０Ａよりも上流側に設定される。こうして、ビーム径Ｄ１の光ビームＢ１がセンサーチップ１０の表面１０Ａに入射される。一方、図１９（Ｂ）では、センサーチップ１０の球面１０Ｂは凹状に形成されている。このため、集光レンズ１３１Ｃ２の焦点Ｆ２が、光ビームＢ２の入射方向に対してセンサーチップ１０の表面１０Ｂよりも下流側に設定される。こうして、ビーム径Ｄ２の光ビームＢ２がセンサーチップ１０の球面１０Ｂに入射される。
【００８７】
図１９（Ａ）（Ｂ）から明らかなように、図１７に示すようにセンサーチップ１０の表面が平坦であるものと比較すれば、センサーチップ１０の球面１０Ａ，１０Ｂに入射される光ビームＢ１，Ｂ２の入射角度は格段に小さくなる。特に、図１９（Ａ）にて曲率半径Ｒ１の中心Ｐ１を焦点Ｆ１に一致させ、図１９（Ｂ）にて曲率半径Ｒ２の中心Ｐ２を焦点Ｆ２に一致させれば、センサーチップ１０の球面１０Ａ，１０Ｂに入射される光ビームＢ１，Ｂ２の入射角度は、球面１０Ａ，１０Ｂ上での入射位置に依存せずに０゜となる。曲率半径Ｒ１，Ｒ２はそれぞれ数μｍから数１０μｍの大きさであるため、集光レンズ１３１Ｃ１、１３１Ｃ２とセンサーチップ１０Ａ，１０Ｂとの間の距離を適切に設定することで、Ｐ１＝Ｆ１またはＰ２＝Ｆ２に設定することが可能である。このように入射角度が常に小さいと、図１８に実線で示す理論曲線に沿って、集光レンズ１３１Ｃ１、１３１Ｃ２の開口数ＮＡを大きくするほどラマン信号強度を増大させることができる。
【００８８】
図２０は、図１９（Ｂ）に示す球面１０Ｂがセンサーチップ１０上に複数形成される様子を模式的に示している。複数の球面１０Ｂの各々上に、複数の金属ナノ粒子１８が形成される。図２１は、図１９（Ａ）に示す球面１０Ｂがマイクロ凹レンズとしてアレイ状に形成され、その球面１０Ａ上に金属ナノ粒子１８がアイランド状に形成される様子を示している。
【００８９】
図１９（Ｂ）及び図２０に示すように、集光レンズ１３１Ｃ２の光軸Ｌ１は、センサーチップ１０の一つの球面１０Ｂに対する中心線上での法線Ｌ３と一致させることが好ましい。同様に、図１９（Ａ）に示すように、集光レンズ１３１Ｃ１の光軸Ｌ１は、センサーチップ１０上の一つの球面１０Ａ（図２１に示す一つのマイクロ凹レンズ）に対する中心線上での法線Ｌ２と一致させることが好ましい。こうすると、曲率半径Ｒ１，Ｒ２の中心Ｐ１，Ｐ２が光軸Ｌ１上に存在して、センサーチップ１０の球面１０Ａ，１０Ｂが光軸Ｌ１について線対称形となる。それにより、光ビームＢ１，Ｂ２を小さな入射角度にて設計通りに入射させることができる。
【００９０】
上述した光軸Ｌ１を法線Ｌ２，Ｌ３に一致させるには、集光レンズ１３１Ｃ１，１３１Ｃ２とセンサーチップ１０を相対的に位置合わせする。この位置合わせには、例えばＣＤやＤＶＤの読み取り装置に採用されているインフォーカスサーボ機構を用いることができる。例えばセンサーチップ１０からの反射光をモニターして、集光レンズ１３１Ｃ１，Ｃ２を、フォーカスエラー信号とトラッキングエラー信号等を用いて、サーボモーターにより精密に位置制御することができる。
【００９１】
本実施形態のように、センサーチップ１０の表面に球面１０Ａ，１０Ｂを有する微細凹凸の各々に金属ナノ粒子１８を形成すると、励起光である光ビームの入射角度が小さくなり、集光レンズ１３１Ｃの開口数ＮＡを大きくすることで、図１８に実線で示す理論曲線に従ってラマン信号強度を増強することができる。それにより測定時間が短縮されて、ＳＮ比が改善される。また、センサーチップ１０に入射される光ビームの入射角度のばらつき範囲が大きいと、図１４（Ａ）（Ｂ）に示すようにＳ偏光とＰ偏光とで増強電場の入射角度依存性が一致せず、入射偏光依存性が生ずる。本実施形態のように光ビームの入射角度のばらつき範囲が小さいと、センサーチップ１０上の光照射領域における偏光分布が小さくなる。このため、センサーチップ１０に固有の入射偏光依存性に左右されずに、安定した信号を取得することができ、定性分析に加え定量分析も可能となる。
【００９２】
３．３．製造方法
図１９（Ａ）（Ｂ）、図２０及び図２１に示すセンサーチップ１０は、図８に示したセンサーチップ１０の製造工程との唯一の違いは、基板１２の表面に負または正の曲率を有する微細な凹凸が設けられている点である。ここで、図１９（Ａ）（Ｂ）に示す典型的な曲率半径Ｒ１，Ｒ２は数μｍから数１０μｍの大きさである。そのため、例えば図２０に示す微細な凹凸が表面１２Ａに形成された基板１２に、ｎｍオーダーの金属層１４及び誘電体層１６の膜をスパッタリングあるいは真空蒸着で付けたとしても、実用上十分な程度に一様な厚さで膜が形成される。
【００９３】
図２１に示す例では、曲率半径がおよそ１０μｍのマイクロ凹レンズアレイが形成された基板１２の表面に、金属層（Ａｕ層）１４、誘電体層（ＳｉＯ２）層１６及び金属ナノ粒子（Ａｇアイランド）１８を形成している。金属ナノ粒子（Ａｇアイランド）１８は真空蒸着で形成し、金属層１４及び誘電体層１６はスパッタリングで形成できる。金属層（Ａｕ層）１４の厚さは１５０ｎｍ、誘電体層（ＳｉＯ２）１６の厚さは２３０ｎｍ、金属ナノ粒子（Ａｇアイランド）１８の大きさはおよそ４０〜８０ｎｍ程度である。基板１２の表面のマイクロ凹レンズアレイは、例えばガラスモールド成形などの方法で製造することができる。
【００９４】
４．検出装置及び電子機器
次に、検出装置の全体構成について説明する。図２２は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図２２に示される検出装置１００は、吸引口１０１Ａ及び除塵フィルター１０１Ｂを有する試料供給流路１０１、排出口１０２Ａを有する試料排出流路１０２、図１９（Ａ）（Ｂ）、図２０、または図２１に示す構造を有する光学デバイス（センサーチップ）１０３等を備えた光学デバイスユニット１１０を有する。光学デバイス１０３には、光が入射される。検出装置１００の筐体１２０は、ヒンジ部１２１により開閉可能なセンサーカバー１２２備える。光学デバイスユニット１１０は、センサーカバー１２２内にて、筐体１２０に対して着脱自在に配置される。光学デバイスユニット１１０が装着／非装着状態は、センサー検出器１２３により検出できる。
【００９５】
試料供給流路１０１及び試料排出流路１０２は、迂回して形成されることで、外光が入射し難い構造となっている。
【００９６】
なお、流体試料を吸引及び排出する経路形状については、外部からの光がセンサーに入らないことに加えて、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるように、夫々考慮されたものなっている。外光が光学デバイス１０３に入らないようにすることで、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入らず、信号のＳ/Ｎ比が向上する。流路形状と共に、流路を形成する材料も、光を反射し難いような材料、色、表面形状を選択することが必要となる。また、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるようにすることで、この装置の近傍の流体試料を多く収集でき、高感度な検出が可能になる。流路の形状は、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部での滞留がなくなる。また、流体排出流路１０２に設けられる負圧発生部１０４としては、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンやポンプを選択することも必要である。
【００９７】
筐体１２０内には、光源１３０、光学系１３１と、光検出部１３２と、信号処理・制御部１３３と、電力供給部１３４とが設けられている。
【００９８】
図２２において、光源１３０は例えばレーザーであり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定ざれない。
【００９９】
光源１３０からの光は、光学系１３１を構成するコリメーターレンズ１３１Ａにより平行光にされる。コリメーターレンズ１３１Ａの下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、光源１３０として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。
【０１００】
コリメーターレンズ１３１Ａにより平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）１３１Ｂにより光学デバイス１０３の方向に導かれ、対物レンズ（集光レンズ）１３１Ｃで集光され、光学デバイス１０３に入射する。光学デバイス１０３からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ１３１Ｃを通過し、ハーフミラー１３１Ｂによって光検出部１００の方向に導かれる。なお、対物レンズ（集光レンズ）１３１Ｃは、上述した通り、例えばセンサーチップ１０からの反射光をモニターして、フォーカスエラー信号とトラッキングエラー信号等を用いて、サーボモーターにより精密に位置制御することができる。
【０１０１】
光学デバイス１０３からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ１３１Ｄで集光されて、光検出部１３２に入力される。光検出部１３２では先ず、光フィルター１３２Ａに到達する。光フィルター３２Ａ（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器１３２Ｂを介して受光素子１３２Ｃにて受光される。分光器１３２Ｂは、例えばファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されて通過波長帯域を可変とすることができる。分光器１３２Ｂを通過する光の波長は、信号処理・制御回路１３３により制御（選択）することができる。受光素子１３２Ｃによって、標的分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、標的分子１を特定することができる。
【０１０２】
電力供給部１３４は、電源接続部１３５からの電力を、光源１３０、光検出部１３２、信号処理・制御部１３３及びファン１０４等に供給する。電力供給部１３４は、例えば２次電池で構成することができ、１次電池、ＡＣアダプター等で構成してもよい。通信接続部１３６は信号処理・制御部１３３と接続され、信号処理・制御部１３３に対してデータや制御信号等を媒介する。
【０１０３】
図２２の例では、信号処理・制御部１３３は、図２２に示される光源１３０以外の光検出部１３２、ファン１０４等への命令を送ることができる。さらに、信号処理・制御部１３３０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、信号処理・制御部１３３は、標的分子１を特定することができる。なお、信号処理・制御部１３３は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等を例えば通信接続部１３６に接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。
【０１０４】
検出装置からの検出結果に基づいて健康または医療に関する情報を演算する演算部（図示せず）とこれらを表示する表示部（図示せず）とこれらを記憶する記憶部（図示せず）とを備えた電子機器は、医療診断や飲食物の検査等に有益である。例えば、この電子機器を用いて人間の呼気に含まれる極微量のアセトン濃度を検出して脂肪燃焼量を表示し、運動量との関係等を把握することにより、成人病予防等に役立たせることができる。
【０１０５】
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と共に記載された用語は、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。また光学デバイス、検出装置等の構成、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】
【０１０６】
１０  光学デバイス（センサーチップ）、１０Ａ，１０Ｂ  球面（表面）、１２  基板、１４  金属層、１６  誘電体層、１６Ａ  第１層誘電体層、１６Ｂ  第２層誘電体層、１８，３１  金属ナノ粒子、２０  レジストパターン、３０  金属アイランド、１００  検出装置、１３０  光源、１３１Ｃ，１３１Ｃ１，１３１Ｃ２  集光レンズ、１３２  光検出器、Ｂ１，Ｂ２  光ビーム、ｄ  誘電体層の厚さ、Ｆ１，Ｆ２  焦点、Ｌ１  光軸、Ｌ２，Ｌ３  法線、Ｐ  金属ナノ粒子のピッチ（周期）、Ｐ１，Ｐ２  曲率半径の中心、Ｒ１，Ｒ２  曲率半径
【図１】
2014119262.tif 000003
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図２１】
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