(57)【要約】所与の波長λの光に対し透過性の材料からなる表面（３）を有する光結合エレメントが提案される。この光結合エレメントが、特に偏光のような光のベクトル値の方向に依存しないで作用するように、光結合エレメントの表面に、等間隔で平行な、さらに所与の角度ψで互いに交差する線状凹部または凸部（５１、５２）が設けられる。
2005505015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の波長（λ）の光に対し透過性の材料からなる表面（３）を有する光結合エレメントにおいて、前記表面（３）の少なくとも一部領域に等間隔で平行な線状凹部（５１）があるエレメントであって、前記表面（３）には、前記第一の凹部と交差する（ψ）等間隔で平行なさらなる線状凹部（５２）があることを特徴とする、光結合エレメント。
【請求項２】
所与の波長（λ）の光に対し透過性の材料からなる表面（３）を有する光結合エレメントにおいて、前記表面（３）の少なくとも一部領域に等間隔で平行な線状凸部（７１）があるエレメントであって、前記表面（３）には、前記第一の凸部と交差する（ψ）等間隔で平行なさらなる線状凸部（７２）があることを特徴とする、光結合エレメント。
【請求項３】
あらかじめ設けられ、前記凸部（７、７１、７２）の間で規定される凹部（５１、５２、５）が三つのレベルの奥行き（ｄＴ１、ｄＴ２、ｄＴ１＋ｄＴ２）を備えて形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光結合エレメント。
【請求項４】
あらかじめ設けられた凸部（７、７１、７２）の間にある凹部（５、５１、５２）が基本的に同じ奥行きであることを特徴とする、請求項１または２に記載の光結合エレメント。
【請求項５】
前記線状凹部（５１、５２）ないし凸部（７１、７２）が線状であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項６】
前記等間隔で平行な線状凹部（５１、５２）ないし凸部（７１、７２）が直角で交差し、かつそこにある等間隔で平行な連続した線状凹部（５１、５２）ないし凸部（７１、７２）の間隔（ｄＯ）が同じであることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項７】
等間隔で平行な連続する線状凹部（５１、５２）ないし等間隔で平行な線状凸部（７１、７２）の間隔（ｄＯ）が以下のように、すなわち、
２００  ｎｍ  ≦  ｄＯ  ≦  ２００００  ｎｍ
好ましくは、
４０  ｎｍ  ≦  ｄＯ  ≦  ４０００  ｎｍ
特に、
１００  ｎｍ  ≦  ｄＯ  ≦  １２００  ｎｍ
で選択されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項８】
等間隔で平行な連続する線状凹部（５１、５２）ないし等間隔で平行な線状凸部（７１、７２）の間隔（ｄＯ）が、空気に接する所与の波長λに関し、以下のように、すなわち、
０．１  λ  ≦  ｄＯ  ≦  １０  λ
好ましくは、
０．２  λ  ≦  ｄＯ  ≦  ２  λ
特に好ましくは、
０．５  λ  ≦  ｄＯ  ≦  ０．６  λ
で選択されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項９】
あらかじめ設けられた凹部の奥行きｄＴが０．２ｎｍから２００００ｎｍであり、好ましくは１０ｎｍから４００ｎｍであることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１０】
あらかじめ設けられた凹部の奥行きｄＴが、空気に接する所与の波長λに関し、以下のように、すなわち、
０．００１  λ  ≦  ｄT  ≦  １０  λ
好ましくは、
０．０１  λ  ≦  ｄT  ≦    λ
特に好ましくは、
０．０５  λ  ≦  ｄT  ≦  ０．２  λ
で選択されることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１１】
連続する線状凹部ないし凸部の間隔に対する凸部の幅の比として定義される仕事率が０．２から０．８で、特に好ましくは０．４から０．６で選択されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１２】
前記表面（３）が、担体（１５）上に布設される、少なくとも一つの層を備えた層システム（１ａ）の表面であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１３】
前記担体（１５）の表面が前記領域において、前記層システム（１ａ）の表面と同じ凹部構造／凸部構造を有し、上面から見るとそれらの構造が互いに整列していることを特徴とする、請求項１２に記載の光結合エレメント。
【請求項１４】
前記担体（１５）の材料が所与の波長（λ）の光に対し、前記層システムの層材料よりも低い屈折率を有することを特徴とする、請求項１２または１３に記載の光結合エレメント。
【請求項１５】
前記層システムが、高屈折率材料から、好ましくは以下の材料、すなわち、
Ｔａ２Ｏ５、ＴａＯ２、ＮｂＯ５、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＨｆＯ２
の内の少なくとも一つからなる、少なくとも一つの層を有することを特徴とする、請求項１２から１４のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１６】
前記層システムの厚さｄＳが、
２  ｎｍ  から  ２００００  ｎｍ
好ましくは、
２０  ｎｍ  から  ４０００  ｎｍ
特には、
４０  ｎｍ  から  ６００  ｎｍ
好ましくは、
ｄＳ＝１５０  ｎｍ
であることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１７】
前記層システムの厚さｄSが、空気に接する所与の波長λに関し、以下のとおりである、すなわち、
０．０１  λ  ≦  ｄS  ≦  １０  λ
好ましくは、
０．０１  λ  ≦  ｄS  ≦  ２  λ
特に好ましくは、
０．２  λ  ≦  ｄS  ≦  ０．３  λ
であることを特徴とする、請求項１２から１６のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１８】
前記等間隔で平行な線状凹部（５１、５２）の間に残る凸部（７）、あるいは前記等間隔で平行な線状凸部（７１、７２）の間に残る凹部（５）が上面から見て偏菱形、菱形、長方形または正方形であることを特徴とする、請求項１から１７のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１９】
請求項２または３から１６のいずれかに記載の光結合エレメントであって、請求項２に従属する限り、前記平行な線状凸部（７１、７２）の間にある凹部（５）が上面から見て円形または楕円形であることを特徴とする、エレメント。
【請求項２０】
物質分析のための光学分析基盤における、請求項１から１９のいずれかに記載の光結合エレメントの使用。
【請求項２１】
通信技術におけるデータ伝送のための、請求項１から１９のいずれかに記載の光結合エレメントの使用。
【請求項２２】
表面に格子のある光結合エレメントが所与の波長の入射光に作用する際の偏光独立性を実現するための方法であって、直交偏光ベクトル成分が格子によって同程度の影響を受けるように、前記表面格子が前記表面に二次元で形成されることを特徴とする、方法。
【請求項２３】
表面に格子のある光結合エレメント上の滴の大きさを減じるための方法であって、二次元で広がる表面格子を設けることにより、そこに形成される滴の大きさが減じられることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所与の波長の光に対し透過性の材料からなる表面を有し、前記表面の少なくとも一部領域に、等間隔で平行な線状凹部、または等間隔で平行な線状凸部を有する線格子がある、光結合エレメントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この発明はまず第一に、蛍光を手掛かりに化学反応または生化学反応を証明するための、上述のような光結合エレメントにおける様々な認識をその前提とするものである。これに関しては、特にＷＯ  ０１／０２８３９が参照されるが、そこではそのような光結合エレメントについて分析基盤の枠内で述べられている。「変則的反射」として知られている効果が利用される。その場合、層が布設された担体が設けられる。好ましくはこの担体が、そしてまた前記層が、例えばレーザーやＬＥＤのような、好ましくは少なくともほぼ単色の光源のＵＶ−ＶＩＳまたはＮＩＲ領域（２００ｎｍから２０００ｎｍ）の所与の波長の光に対して透過性である。絶縁材料の場合、前記層の材料は前記所与の波長で観察すると、担体の材料よりはるかに高い屈折率を有する。層がその上に横たわる担体表面には線格子があり、その構造は薄膜を介して層表面へ移行する。「変則的反射効果」が利用される場合、所与の波長の光がある一定の入射角を維持しながら完全に反射され、層に沿って、ないし層を通って透過する光は実際に皆無である。構造パラメータを適切に選択することにより、エバネッセントな、すなわち横減衰された電磁場が層表面に接する周囲で特に強くなり、これによりこの領域の蛍光分子が特に効率的に励起される。これによって、分析されるべき試料の層表面において、この文献に関し周知の方法で可能であったものより、はるかに小さな濃度のいわゆる蛍光標識のある物質の検出が可能となる。
【０００３】
前記線解析格子ないし、担体基板／層および層／周囲雰囲気の両境界面にある、上面を覆うように整列した線格子はその際、線状凹部とその間の凸部が波状にある方向に広がるように、整列する。線格子を備えた光結合エレメントは、波構造として観察した場合、前記線状凹部とその間の凸部に対して一次元で垂直に延びる。この指向性に鑑み、この出願に詳述される手順では、前記所与の波長のレーザー光線は、光結合エレメントを備えた基盤にそれが当たる前に、偏光器によりまずある一定の方向に偏光される。
【０００４】
その他の光学分析法のため、あるいは通信技術上の目的のため、例えば波導層内へレーザー光線を連結かつ分離するための光結合エレメントを観察しても、前記線格子が上述の意味において一次元で整列しており、したがって前記線状凹部とその間の凸部とが表面に沿った方向に広がっているのがわかる。この指向性に基づき、基本的には光結合エレメントに導かれた光のベクトル数値が空間的に決定され、その方向に応じて様々に光結合エレメントの影響を受ける。典型的には、上記のＷＯ  ０１／０２８３９の方法では、当たった光は光結合エレメントにおけるその偏光方向に従って様々な影響を受ける。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明の課題は、当たった光のベクトル値、特にその偏光等に、ベクトル方向には関係なく、一層大きな影響を及ぼす、始めに述べられたような光結合エレメントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これは、少なくとも表面の一部領域に、等間隔で並行な線状凹部を有する上述のような光結合エレメントにおいて、先に述べられた線状凹部と交差する、等間隔で平行なさらなる線状凹部が表面にあることにより、達成される。
【０００７】
あるいは、表面の少なくとも一部領域に等間隔で平行な線状凸部がある上述のような光結合エレメントにおいて、先に述べられた線状凸部と交差する、等間隔で平行なさらなる線状凸部が前記表面にあることにより、達成される。
【０００８】
従来の、またこの発明による格子の周期性、すなわち前記凹部または凸部の列間隔は、光結合エレメントを目的に応じて使用する際に使用さるべき光の、所与の波長の関数で定められる。
【０００９】
したがって当然、ＷＯ  ０１／０２８３９ならびにＷＯ  ００／７５６４４では、光結合エレメントに二つの波長を有する光が使用されるべき場合、このエレメントはおそらく平行ではあるが、等間隔ではない凹部ないし凸部を有する、したがって局所的に調整された格子周期を有する設計、あるいは一方の線格子の第一周期が一方の波長の光にとって最適化された、互いに交差する線格子を有する設計が提案され、さらに第二の波長にとって最適化された第二の線格子は第一のそれとは異なる周期を有するように実現される。
【００１０】
しかしながらその際、光結合エレメントにおける前記波長の内の一方の光のベクトル値は、ベクトル方向の関数で様々に、特にその偏光方向に依存して、定められ処理される。
【００１１】
等間隔で並行な線状凹部が交差するこの発明の光結合エレメントでは、前記凹部に縁取られて、その間に凸部地帯が隆起する。同様に、等間隔の並行な線状凸部が交差する上述のような光結合エレメントでは、その間に凹部地帯が現れる。
【００１２】
さらに、この隆起構造の設置に関しては、ＥＰ１  ０４０  ８７４が参考となる。すなわちそこでは、光学分析技術のため表面網目加工の適切な影響を得るため、網目状になるべきでない表面領域に、その高さが５０ｎｍから１０μｍの一定の最低基準を超えない凸部構造を形成するよう提案され、しかもそのような構造が設けられた領域は、構造化されていない表面材料の表面エネルギの関係で、網目状化を阻み、網目状化は構造化されていない表面領域に集中する。記述のようにＥＰ１  ０４０  ８７４にしたがって構造化された領域は、そこにちょうど試料があるのでなければ、光結合領域にあてはまるものではなく、上記の隆起構造が光学作用に関し満たすべき基準は全くないが、この発明では、そしてまた以下に述べられるであろうように、表面領域の表面エネルギと関連のある表面網目加工の可能性についての分野が論じられる。
【００１３】
上述のように、前記ＥＰ  １  ０４０  ８７４から、疎水性構造表面で網目状にすべきでない表面領域を、したがってまた網目状にすべき表面領域を明確にする法則性が既知のものとなった。この発明による方法ではさらに、始めに述べられたような課題を解決するため、この関連でまた以下の利点が得られる。
【００１４】
ある境界面のある液体に対する表面エネルギは、ある限定された上面領域の表面に比例する。前記領域の表面が平らであれば、特定表面と称されるこの表面は、同じ上面領域の表面が粗い場合より、はるかに小さい。そのような表面領域上に液体の滴が落とされると、その滴はその領域上で最小エネルギに達するまで拡がる。これは実際、上記領域上の液体の滴が特定表面を増やしながら、ＥＰ  １  ０４０  ８７４において利用される効果が得られるまで、すなわち液体が観察対象領域から滴下するまで、収縮することを意味する。
【００１５】
この発明の光結合エレメントでは、観察対象領域の前記特定表面が、線格子が一つだけの場合と比較して、より大きくはなるが、それはその上の滴が収縮はするが、滴下しない範囲に留まる。例えばＷＰ  ０１／０２８３９から周知となったような技術の枠内でエバネッセント場、すなわち横減衰電磁場を発生させるためにこの発明の光結合エレメントを上述のように好ましい方法で使用した場合、それによって表面上に、標識のあるより高濃度の液体物質が生じ、これによって得られる選別可能な蛍光信号が再び高くなり、さらに複数の、それも多数の個々の液体滴を、それらが互いに合流することなく観察対象領域に置くことができる、という利点をもたらす。
【００１６】
この発明の光結合エレメントの好ましい一実施例では、凹部に三つの奥行きレベルを設けることが提案される。
【００１７】
凹部の奥行きに段階を付けることにより、前記特定表面の諸々の値に変化を付けるさらなるパラメータが得られる。
【００１８】
その際考慮すべきは、前記凹部の引っ込んだ側面部材もまた上述の特定表面を共に規定し、かつより奥行きの深い凹部は、奥行きのより浅い凹部よりも前記特定表面をより拡大する、という点である。
【００１９】
この発明の光結合エレメントの好ましいさらなる一実施形態では、凹部は基本的に全体的として同じ奥行きである。
【００２０】
この発明にしたがって設けられた等間隔で平行な線状凹部または凸部は例えば、当該領域に沿って円弧状に延び得るが、この発明による光結合エレメントのさらに好ましい一実施形態では、前記線状凹部ないし凸部を直線的に設けるよう提案される。
【００２１】
この発明の根底をなす観点では、前記線状凹部ないし凸部は一貫して斜角で交差し得るが、それでも始めに述べられた課題は解決する。所与の波長の光は当該線格子において、特に格子の奥行き、格子の周期およびそのような周期内での凹部および凸部のデューティ・サイクル（Ｄｕｔｙ  Ｃｙｃｌｅ）、の関数で影響を受ける。したがってこの発明による光結合エレメントにおいては、斜角で交差する線状凹部ないし凸部においてこの斜角が、前記パラメータ、すなわち格子の奥行き、格子の周期およびデューティ・サイクルがそれぞれに応じて別様に設計されることで、交差パターンにおいて補整されると、観察される光の、特に偏光方向のようなベクトル値を少なくともほぼ同じに扱うことが全く可能である。また例えば、光の偏光方向にほぼ全く依存しない影響が、光結合エレメントによって得られる。はるかに好ましい一実施例では、線状凹部ないし線状凸部が直角で交差する。さらにその場合、連続する等間隔で平行な線状凹部ないし凸部の間隔は同じである。好ましくは２０ｎｍと２０００ｎｍの間の所与の波長λに関しては、（空気に接した場合）好ましくは以下の規格に則る。
【００２２】
格子周期は、連続する線状凹部ないし凸部の間隔として定義される。すなわち、
０．１λ    ≦    ｄ０    ≦    １０λ
好ましくは    ０．２λ    ≦    ｄ０    ≦    ２λ
特に好ましくは       ０．５λ    ≦    ｄ０    ≦    ０．６λ
格子の奥行きは、線状凸部間の、ないし線状凹部間の奥行きとして定義される。すなわち、
０．００１λ    ≦    ｄT    ≦    １０λ
好ましくは    ０．０１λ    ≦    ｄT    ≦    λ
特に好ましくは       ０．０５λ    ≦    ｄT    ≦    ０．２λ
その際、以下の絶対寸法が決まる。すなわち、
あらかじめ設けられた線状凹部ないし凸部の間隔ｄ０は、好ましくは２０ｎｍから２００００ｎｍの間、特に好ましくは４０ｎｍから４０００ｎｍの間、さらに好ましくは１００ｎｍから１２００ｎｍの間である。
【００２３】
その際、凹部の奥行きｄTは、好ましくは０．２ｎｍから２００００ｎｍの間、特に好ましくは２ｎｍから２０００ｎｍの間、さらに好ましくは１０ｎｍから４００ｎｍの間である。
【００２４】
凸部の幅ｄ７の連続する線状凹の間隔に対する比として定義されるデューティ・サイクルは好ましくは０．２から０．８、特に好ましくは０．４から０．６の間で選択される。
【００２５】
この発明による光結合エレメントのさらなる好ましい一実現形態では、前記表面は、ある担体に布設された層の表面を指す。特にこの発明の光結合エレメントの好ましい一適用例を見ると、すなわち、特にWO  ００／７５６４４に記載されたようなエバネッセント場、横減衰電磁場による蛍光マーカー測定法の枠内では、前記領域において担体表面が前記層の表面と同じ凹部／凸部構造を有し、かつ上面から見てそれらの構造が互いに整列するよう、提案される。
【００２６】
その際、担体材料は所与の波長の光に対し、層材料の屈折率より低い屈折率を有する。
【００２７】
少なくとも一つの高屈折材料からなる前記層は好ましくは以下の材料、すなわちＴａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＮｂＯ５、ＺｒＯ２、ＺｎＯまたはＨｆＯ２、の内の少なくとも一つからなり、かつその場合その厚さは好ましくは、空気に接した所与の波長λに対し、
2005505015.tif 000003
したがって絶対厚さは好ましくは、
２ｎｍ    ≦    ｄS    ≦    ２００００
好ましくは、
２０ｎｍ    ≦    ｄS    ≦    ４０００ｎｍ
特に好ましくは、
４０ｎｍ    ≦    ｄS    ≦    ６００ｎｍ
である。
【００２８】
この光結合エレメントを生化学に応用する場合、高屈折材料とは異なる化学組成が表面上にあるのが有利となり得る（例えば、前記構造上に適用されるべき化学物質がＳｉＯ２への付着のため最適化された場合、極めて薄い、したがって光学的作用のない、あるいは光学的に不利な作用のないＳｉＯ２層を前記高屈折層上に適用することが可能である。）。これは、さらなる材料、好ましくはＳｉＯ２からなる、好ましくは厚さｄが０．００１λ  ≦  ｄ  ≦  ０．２λの、好ましくは０．０１λ  ≦  ｄ  ≦  ０．０５λのさらなる薄膜層が布設されることにより、達成可能である。したがって、このさらなる層の絶対厚さｄは、好ましくはλが２００ｎｍから２０００ｎｍｍであると、好ましくは、
０．２ｎｍ    ≦    ｄ    ≦    ４００ｎｍ
好ましくは、  ２ｎｍ    ≦    ｄ    ≦    １００ｎｍ
である。
【００２９】
続いて図面を参考に、この発明の説明がなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１には、上面図および側面図で、従来のような線格子が示される。所与の波長の光に対して、例えばＴａ２Ｏ５のように特に波長λ＝６３３ｎｍであるレーザー光に対し透過性の材料からなる表面３に、線格子が嵌め込まれる。この格子は、互いに平行な凹部５からなり、唯一つの波長λ、好ましくは２００ｎｍ  ≦  λ  ≦  ２０００ｎｍの波長の光が当たるべき場合、凹部５は等間隔であるが、それはその間隔ｄＯが常に同じであり、同様にその幅ｄ５も、したがって凹部５の間のウェブ７の幅ｄ７もまた常に同じである、という意味においてである。間隔ｄOは、側面図から一目瞭然であるように、格子周期を規定し、格子のデューティ・サイクルは凸部の幅ｄ７の格子周期ｄOに対する比として規定される。
【００３１】
凹部５の奥行きｄＴもまた通常、常に同じである。表面３と本体１の材料、格子周期、格子のデューティ・サイクルおよび格子の奥行きｄＴはその際、所望の光の波長λに合わせられる。
【００３２】
【数１】
2005505015.tif 000004
【００３３】
始めに既に述べられたように、図１に示されたタイプの線格子によって二つ以上の波長λの光が取り扱われることは周知である。この目的のため、線格子では格子周期ｄＯが、場合によっては進行方向ＬＧ１におけるさらなる値の他に、調整、すなわち局所的に変化をつけられる。しかしながら、以下で説明されるべきこの発明の線結合エレメントは、いずれにせよ唯一つの波長λのために最適化されるので、局所的に調整された格子周期または、異なる周期の線格子は観察領域には設けられない。
【００３４】
図２には、この発明による光結合エレメントの第一の原則的な実施形態が示される。図２（ａ）は上面図を、図２（ｂ）はある方向での横断面図を、さらに図２（ｃ）はそれに垂直な方向の横断面図を示す。本体１の表面３には、等間隔で平行な線状の第一凹部５１が、ならびにこれと角度ψで交差する第二の等間隔で平行な線状凹部５２が加工される。線状凹部５１および５２は前記観察領域において連続した凹部格子を二次元ｘおよびｙで形成する。
【００３５】
第一の線状凹部５１は幅ｄ５１を、第二の線状凹部５２は幅ｄ５２を有する。
【００３６】
連続する第一の線状凹部５１の間隔はｄ０１であり、連続する第二の線状凹部５２の間隔はｄ０２である。これらの間隔はそれぞれ対応する第一の格子周期ｄ０１と第二の格子周期ｄ０２とを規定する。
【００３７】
線状凹部５１および５２によって凸部地帯７が規定される。
【００３８】
第一のデューティ・サイクルは、（ｄＯ１−ｄ５１）／ｄＯ１の比率で規定される。第一のデューティ・サイクルも同様に、（ｄＯ２−ｄ５２）／ｄＯ２として規定される。
【００３９】
図２（ａ）の上面図における角度ψの選択、ならびに線状凹部のそれぞれの幅ｄ５Ｘおよびそれらの間隔ｄＯＸの寸法決めにより、残った凸部「地帯」７は偏菱形、菱形、長方形または正方形となる。
【００４０】
【数２】
2005505015.tif 000005
【００４１】
さらにこの発明による光結合エレメントでは、始めに述べられた特定表面が、例えば表面３の領域Ｂ１で見ると、その線格子が例として図１に示された従来の光結合エレメントに比して、はるかに大きいことが、明らかである。
【００４２】
図４（ａ）および図４（ｂ）をもとにこの効果についてさらに議論する前に、図２（ａ）と同様の図３について、この発明による光結合エレメントのさらなる一実施形態が示されるべきであろう。この実施形態では、本体１の表面３に等間隔で平行な第一の線状凸部７１があり、この凸部７１には等間隔で平行な第二の線状凸部７２が角度ψで交差する。そのようにして生じた二次元の凸部格子はその間にある凹部「地帯」５を縁取り、ないし規定する。
【００４３】
凸部７１ないし７２によって凸部の幅ｄ７１およびｄ７２が、ならびにそれぞれ対応する格子周期ｄ０１およびｄ０２が、例えば隣接する平行な線状凸部７１ないし７２の間隔に対応して、定められる。この場合デューティ・サイクルは、ｄ７１／ｄ０１ないしｄ７２／ｄ０２の比で規定される。
【００４４】
図３に示されたこの発明による光結合エレメントの光ベクトル値への影響に関しては、既に図２との関連でなされた説明が当てはまるが、この発明による光結合エレメントによって生じる特定表面の拡大に関してもまた同様である。
【００４５】
拡大した特定表面の滴形成への影響が図４に概略的に示される。図４（ａ）には、平らな表面１２を有する本体１０が概略的に示される。表面上には、液体の滴１４がある。図４（ｂ）では、構造化によって拡大された特定表面１２ａを備えた本体１０ａが図示される。ここでも液体の滴１４ａが表面に置かれる。どちらの図においてもＥａｓは周囲雰囲気と本体１０ないし１０ａの表面との間の表面エネルギを、Ｅｆｓは滴１４ないし１４ａの液体と本体１０ないし１０ａとの間の境界表面における表面エネルギを、そして最後にＥｆａは滴１４ないし１４ａの液体と周囲雰囲気との間の境界表面における表面エネルギを表す。基本的に液体の滴は、これらの表面エネルギの合計が最小となるまで拡がる。特定表面１２ａがより大きいため、構造化された表面１２ａ上の表面エネルギＥｆｓは平らな表面１２の場合より大きく、したがって滴１４ａは、左に図示された平らな表面１２の場合よりも、前述のエネルギ最小値に達するまでより大きく収縮する。
【００４６】
この効果はまた、図１に示された従来の線格子ないし光結合エレメントが図２または図３に示されたこの発明による格子ないしエレメントに変更された場合にも得られる。すなわち、図２または図３のように構造化された表面では、置かれた液体の滴がより大きく収縮するので、特に液体試料の光学分析のために、図２または図３にしたがって構造化された表面に試料滴を置くことが可能となり、この試料滴は図の効果により隣接する滴から「孤立」し、これによってまた、この発明による構造化された、所与の大きさの表面に、例えば図１の構造表面の場合よりはるかに多数の個々の滴を置くことが可能となる。これは例えば、多数の試料の自動化された迅速な光学分析にとって極めて重要である。個々の試料滴が互いに合流する危険は、それらが密に置かれても、図２または図３にしたがって構造化された表面では二次元で分散し、実質的に縮小される。
【００４７】
図２のこの発明による光結合エレメントの第一の好ましい一実施例では、凹部５１の奥行きｄＴ１が凹部５２の奥行きｄＴ２と同じである。
【００４８】
図２に示されたような表面構造の製造方法に関しては、例えばＷＯ  ０１／５５７６０が全面的に参照可能である。この構造は、周知のリトグラフやエッチング技術で以下のように製造可能である。すなわち、
構造化されていない本体１の表面３上に、例えばＣｌａｒｉａｎｔ社製のラッカーＡＺ１８１５が約１２０ｎｍ、光ラッカー層として布設される。第一の凹部構造５１が光ラッカー層内に後域ホログラフィ（ＮＦＨ）、二光線ホログラフィ、あるいは通常のマスク感光によって曝射される。適切な感光技術は自明のことながら、格子周期の値ｄｏ１に応じて選択される。例えば３６０ｎｍの極めて短い格子周期には、例えばＷＯ  ０１／５５７６０に記載されたような、好ましくはホログラフィ感光法、特に後域ホログラフィ（ＮＦＨ）が使用される。
【００４９】
感光後は本体表面３が感光源に対し角度ψだけ（図２）旋回され、次に第二の凹部５２の構造にしたがって曝射される。
【００５０】
この第二の曝射後、光ラッカーが現像され、続いてエッチングプロセスにより、感光プロセス後５１、５２に応じて露出した表面部分が同時にエッチング除去される。その後、残った光ラッカーが、例えば酸素プラズマにより取り除かれる。
【００５１】
したがって、図２に示されたｄＴ１＝ｄＴ２の構造は、二つの凹部５１、５２の同時エッチングによって得られる。
【００５２】
図５に基づき、図２に示されたような、この発明による好ましいもう一つの光結合エレメントが説明されるべきであろう。ここでは、凹部領域５１、５２の奥行きに三つのレベルがある構造が現れる。ここでの手順は以下のとおりである。すなわち、第一の凹部構造５１がラッカー塗布および感光された後、光ラッカーが現像され、奥行きがｄＴ１の第一の線格子がエッチングされる。その後、本体１が角度ψだけ旋回され、表面が再びラッカー塗布され、感光されて現像され、奥行きがｄＴ２の第二の凹部構造５２がエッチングされる。この過程では二つの凹部構造５１および５２が別々にエッチングされるという事実により、エッチングされる奥行きｄＴ１およびｄＴ２を別々に選択することが可能となる。図５には、その結果得られた光結合エレメント構造の上面図が、まず第一に、二つのエッチングの奥行きないし凹分の奥行きｄＴ１およびｄＴ２が同じでない一般的例について示される。その際、斜線のないフィールドは、構造化されていない表面の本来のレベルにある構造エレメントを、したがって図２の凸部地帯７を表す。単に斜線が付された構造領域はそれぞれ書き込まれた奥行き、すなわちｄＴ２またはｄＴ１を有する。二重に斜線が付された構造領域では奥行きｄＴ１およびｄＴ２が深まる。したがって、三つの構造奥行きレベルｄＴ１、ｄＴ２、ｄＴ１＋ｄＴ２を有する表面構造が得られる。この場合、例えばエッチング時間の適当な査定によりｄＴ１＝ｄＴ２が選択されると、レベル数が３から２に減り、したがってｄＴ１＝ｄＴ２かつ２ｄＴ１＝２ｄＴ２となる。
【００５３】
図５の場合の光結合エレメントはさらに決定的に大きな特定表面を有し、したがって上述の滴の限局性効果がより強力に利用されることは明白である。
【００５４】
図３に示されたこの発明の光結合エレメントを見ると、そこでは凹部地帯５が相応の光ラッカー技術やエッチング技術により実際に袋孔としてエッチング可能であり、また場合によってはそこに凹部５が異なる奥行きレベルで実現可能であることが明らかである。
【００５５】
さらに、図３の凸部では、また所望とあれば奥行きに段差のある線状凸部７１ないし７２を実現することも、全く可能である。
【００５６】
図２の実施形態では、残った凸部地帯７が好ましくは、特に製造条件上、上面から見て偏菱形、菱形、長方形または正方形であり得る一方、図３の実施形態では、製造技術が異なることから凹部地帯５は基本的に上面から見て任意の形に形成され得、したがって図２との関連で説明された形状に加え、特に円形あるいは楕円形でもあり得る。
【００５７】
図２から図５にはこの発明の光結合エレメントが示されたが、そこでは本体１の表面のみが構造化されている。その際、表面３を規定する本体は好ましくは担体上に布設された、例えばＴａ２Ｏ５からなる、特に波導層のような層であり得る。ここで再び強調されるべきは、格子周期ｄ０１、ｄ０２および／またはデューティ・サイクルが異なろうと、その違いは二つの波長を考慮して設けられたのではなく、図１および図２について説明されたように、この発明にしたがって設けられた構造が斜角ψ≠９０°であっても、特に偏光のような、光のベクトル値成分にそのつど適切に作用できるように、設けられたものである。
【００５８】
したがって、はるかに好ましい一実施形態では、以下の選択となるのがわかる。
【００５９】
ψ＝９０°また同時に、
ｄ０１＝ｄ０２、
ｄ５１＝ｄ５２ないしｄ７１＝ｄ７２
これによりまた製造方法が、特に図２の形態のための製造方法が決定的に簡略化される。
【００６０】
特に、ＷＯ  ０１／５５７６０が参照されるマイクロ滴定濃度プレート用でもある、光結合エレメントを、特に蛍光マーカー付物質の認識にエバネッセント電磁場を利用するためにみると、これまでに詳述された本体１は、高屈折率で、所与の波長のレーザー光線に対し透過性の材料、例えば、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＺｎＯ２、ＨｆＯ２のような金属酸化物からなる、好ましくは厚さが１５０ｎｍの層によって実現される。その場合この層は、例えばＳｃｈｏｔｔ  ＤｅｓａｇのＡＦ４５グラスからなる担体上に、例えば層の厚さｄが０．７ｍｍで布設される。
【００６１】
ここで、先に説明された構造化方法が層１の表面で実施されるのではなく、図２から図５に示された構造が前記担体の表面に加工される。その後、担体表面が層１で被覆され、担体表面上に布設されたこの発明による構造が、布設された前記層１の表面３にかたどられる。図２の構造では、ψ＝９０°、ｄＴ１＝ｄＴ２、さらに凹部の同時エッチングにより、図２の実施形態に従い構造化された担体表面１５Ｏを有する担体１５を備えた、図６の光結合エレメントが得られ、その上に布設された層１ａは構造化表面３ａを有する。
【００６２】
層１ａの材料はその際、担体１５の材料よりも高い屈折率を有するが、これはガラスや、特にＴａ２Ｏ５のような前述の層材料の一つで満たされる。
【００６３】
図７では、担体１５上の層１ａに、円形凹部地帯５を有する、図３の実施形態の構造が加工される。
【００６４】
図示された全ての実施形態では、この発明の光結合エレメントによって、基本的にベクトル方向に依存せず、光のベクトル値に作用するエレメントが得られる。さらに、この発明にしたがって構造化された表面に液体滴が当たると、特定表面の拡大により、明らかに限定された領域へ液体滴が集中し、これにより光結合エレメントの液体試薬との密度の高い接触が可能となる、という利点が得られる。この発明による光結合エレメントは、周知の全ての光学分析方法に、特にまたエバネッセント場を利用して、蛍光マーク付き物質を検査するために利用可能であるが、光学分析技術の観点からであろうと、あるいは通信技術の枠内であろうと、波導層からの、ないし波導層内への光、特にレーザー光線の結合および分離にも、また利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】一次元の線格子を有する従来の光結合エレメントの概略上面図である。
【図２】この発明による光結合エレメントの第一の好ましい実施形態を示す、図１と同様の概略上面図と、二つの断面図である。
【図３】この発明による光結合エレメントのさらなる実施形態を示す、図２と同様の上面図である。
【図４】表面に置かれた液体が滴を形成するための、表面構造の作用を示す概略図である。
【図５】三つの異なる奥行きレベルの凹部を有する、この発明による光結合エレメントの、図２および図３と同様の上面図である。
【図６】図２の実施形態にしたがって実現された、この発明による光結合エレメントの好ましい一実施形態を示す概略透視図である。
【図７】図３の実施形態にしたがって実現された、この発明による光結合エレメントの、図６と同様の図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005505015.tif 000043
2005505015.tif 000044
【手続補正書】
【提出日】平成15年9月10日(2003.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の波長（λ）の光に対し透過性の材料からなる表面（３）を有する光結合エレメントにおいて、前記表面（３）の少なくとも一部領域に等間隔で平行な線状凹部（５１）があるエレメントであって、前記表面（３）には、前記第一の凹部と交差する（ψ）等間隔で平行なさらなる線状凹部（５２）ないし凸部（７１）があり、前記表面（３）には、前記線状凹部（５１）ないし凸部（７１）と交差（ψ）する、等間隔で平行なさらなる線状凹部（５２）ないし凸部（７２）があるエレメントであって、前記表面（３）は、担体（１５）上に布設された、少なくとも一つの層を有する層システム（１ａ）の表面であり、かつ前記担体（１５）の材料は前記所与の波長の光（λ）に対し、前記層システム（１ａ）の層材料より低い屈折率を有することを特徴とする、光結合エレメント。
【請求項２】
所与の波長（λ）の光に対し透過性の材料からなる表面（３）を有する光結合エレメントにおいて、前記表面（３）の少なくとも一部領域に等間隔で平行な線状凹部（５１）ないし凸部（７１）があり、前記表面（３）には、前記線状凹部（５１）ないし凸部（７１）と交差（ψ）する、等間隔で平行なさらなる線状凹部（５２）ないし凸部（７２）があるエレメントであって、前記表面（３）は、担体（１５）上に布設された、少なくとも一つの層を有する層システム（１ａ）の表面であり、かつ前記担体（１５）の表面は前記領域において、前記層システム（１ａ）の表面と同じ凹部構造／凸部構造を有し、上面から見るとそれらの構造が互いに整列していることを特徴とする、光結合エレメント。
【請求項３】
請求項１および２に記載の光結合エレメント。
【請求項４】
あらかじめ設けられ、前記凸部（７、７１、７２）の間で規定される凹部（５１、５２、５）が三つのレベルの奥行き（ｄＴ１、ｄＴ２、ｄＴ１＋ｄＴ２）を備えて形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項５】
あらかじめ設けられた凸部（７、７１、７２）の間にある凹部（５、５１、５２）が基本的に同じ奥行きであることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項６】
前記線状凹部（５１、５２）ないし凸部（７１、７２）が線状であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項７】
前記等間隔で平行な線状凹部（５１、５２）ないし凸部（７１、７２）が直角で交差し、かつそこにある等間隔で平行な連続した線状凹部（５１、５２）ないし凸部（７１、７２）の間隔（ｄＯ）が同じであることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項８】
等間隔で平行な連続する線状凹部（５１、５２）ないし等間隔で平行な線状凸部（７１、７２）の間隔（ｄＯ）が以下のように、すなわち、
２００  ｎｍ  ≦  ｄＯ  ≦  ２００００  ｎｍ
好ましくは、
４０  ｎｍ  ≦  ｄＯ  ≦  ４０００  ｎｍ
特に、
１００  ｎｍ  ≦  ｄＯ  ≦  １２００  ｎｍ
で選択されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項９】
等間隔で平行な連続する線状凹部（５１、５２）ないし等間隔で平行な線状凸部（７１、７２）の間隔（ｄＯ）が、空気に接する所与の波長λに関し、以下のように、すなわち、
０．１  λ  ≦  ｄＯ  ≦  １０  λ
好ましくは、
０．２  λ  ≦  ｄＯ  ≦  ２  λ
特に好ましくは、
０．５  λ  ≦  ｄＯ  ≦  ０．６  λ
で選択されることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１０】
あらかじめ設けられた凹部の奥行きｄＴが０．２ｎｍから２００００ｎｍであり、好ましくは１０ｎｍから４００ｎｍであることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１１】
あらかじめ設けられた凹部の奥行きｄＴが、空気に接する所与の波長λに関し、以下のように、すなわち、
０．００１  λ  ≦  ｄT  ≦  １０  λ
好ましくは、
０．０１  λ  ≦  ｄT  ≦    λ
特に好ましくは、
０．０５  λ  ≦  ｄT  ≦  ０．２  λ
で選択されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１２】
連続する線状凹部ないし凸部の間隔に対する凸部の幅の比として定義される仕事率が０．２から０．８で、特に好ましくは０．４から０．６で選択されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１３】
前記層システムが、高屈折率材料から、好ましくは以下の材料、すなわち、
Ｔａ２Ｏ５、ＴａＯ２、ＮｂＯ５、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＨｆＯ２
の内の少なくとも一つからなる、少なくとも一つの層を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１４】
前記層システムの厚さｄＳが、
２  ｎｍ  から  ２００００  ｎｍ
好ましくは、
２０  ｎｍ  から  ４０００  ｎｍ
特には、
４０  ｎｍ  から  ６００  ｎｍ
好ましくは、
ｄＳ＝１５０  ｎｍ
であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１５】
前記層システムの厚さｄSが、空気に接する所与の波長λに関し、以下のとおりである、すなわち、
０．０１  λ  ≦  ｄS  ≦  １０  λ
好ましくは、
０．０１  λ  ≦  ｄS  ≦  ２  λ
特に好ましくは、
０．２  λ  ≦  ｄS  ≦  ０．３  λ
であることを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１６】
前記等間隔で平行な線状凹部（５１、５２）の間に残る凸部（７）、あるいは前記等間隔で平行な線状凸部（７１、７２）の間に残る凹部（５）が上面から見て偏菱形、菱形、長方形または正方形であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載の光結合エレメント。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の光結合エレメントであって、請求項２に従属する限り、前記平行な線状凸部（７１、７２）の間にある凹部（５）が上面から見て円形または楕円形であることを特徴とする、エレメント。
【請求項１８】
物質分析のための光学分析基盤における、請求項１から１７のいずれかに記載の光結合エレメントの使用。
【請求項１９】
通信技術におけるデータ伝送のための、請求項１から１７のいずれかに記載の光結合エレメントの使用。
【請求項２０】
表面に格子のある光結合エレメントが所与の波長の入射光に作用する際の偏光独立性を実現するための方法であって、直交偏光ベクトル成分が格子によって同程度の影響を受けるように、前記表面格子が請求項１から１７のいずれかの記載に従い、前記表面に二次元で形成されることを特徴とする、方法。
【請求項２１】
表面に格子のある光結合エレメント上の滴の大きさを減じるための方法であって、請求項１から１７のいずれかに記載の二次元で広がる表面格子を設けることにより、そこに形成される滴の大きさが減じられることを特徴とする、方法。
【国際調査報告】
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