(57)【要約】  ナノ構造の光学素子は、提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口のアレイを有する金属膜又は複数の金属アイランドを含む。金属膜又は金属アイランドは、入射放射が金属膜又は金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成される。
2007501391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器と、
金属膜又は複数の金属アイランドを含む波長分離素子であって、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドは、該膜又は該アイランド上に提供する入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口の２次元アレイを有する、波長分離素子と、
を備えるマルチスペクトル画像形成システムであって、
前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成され、
少なくとも第２のピーク波長及び該第２のピーク波長と異なる第３のピーク波長を有する放射の透過は、前記少なくとも１つのプラズモンモードとの前記共鳴により、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドの前記複数の開口を通して増強される、マルチスペクトル画像形成システム。
【請求項２】
前記金属膜又は前記金属アイランドは、単一の膜又は層の金属アイランド、又は複数の積層金属膜又は層の金属アイランドのうちの１つを含み、
前記金属膜又は前記金属アイランドは２次元セルアレイを含み、
各セルは複数のサブセルを含み、
第１のセルの第１のサブセル中の第１の開口の第１の周期は、前記第１のセルの第２のサブセル中の第２の開口の第２の周期と異なり、
前記第１のサブセル中の前記第１の開口を通る、前記第２のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第１の周期により増強され、
前記第２のサブセル中の前記第２の開口を通る、前記第３のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第２の周期により増強される、請求項１に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項３】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも１０個のセルを含み、
前記セルのそれぞれの各サブセル中の開口の周期は、前記セルのそれぞれの少なくともいくつかの他のサブセル中の開口の周期と異なり、
各サブセル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各サブセル中の前記開口の前記周期により増強される、請求項２に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項４】
各サブセル中の前記開口は同じ方向を向いたスリット形開口を含む、請求項３に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項５】
各セルは少なくとも３対のサブセルを含み、
各サブセル対の各サブセル中の開口の周期は同じであり、
所与のセルの各サブセル対中の開口の周期は、同じセルの他のサブセル対中の開口の周期と異なり、
各サブセル対の各サブセル中の前記開口は互いに直交する向きを有する、請求項４に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項６】
各サブセルは、前記光検出器に異なる色の可視光を透過させるようになっている、請求項５に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項７】
各サブセルは、前記光検出器に異なる狭帯域のＵＶ又はＩＲ放射を透過するようになっている、請求項５に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項８】
前記波長分離素子は、放射透明基板上に配置される複数の自己集合金属アイランドを備える、請求項１に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項９】
前記基板は複数のリッジを備え、前記金属アイランドは前記複数のリッジ上に非対称に形成される、請求項８に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項１０】
前記光検出器は、回折光学系を利用することなく前記金属膜又は前記金属アイランドに光学的に結合するＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアクティブピクセルアレイ、又は焦点面アレイを含む、請求項１に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項１１】
前記光検出器は前記波長分離素子に光学的に結合され、前記波長分離素子を透過した放射を検出するようになっている、前記透過した放射は、前記波長分離素子の前記金属膜又は前記金属アイランド上のプラズモンモードとの共鳴により増強する複数の異なるピーク波長を有する、請求項１に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項１２】
前記光検出器の各ピクセルは前記波長分離素子のセルに対応する、請求項１１に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項１３】
前記光検出器の各セルにより検出される放射の強度を求めるようになっているプロセッサをさらに備える、請求項１２に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項１４】
デジタルカラーカメラを備える、請求項１に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項１５】
光検出器と、
波長分離素子であって、
提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は複数の金属アイランド
を備え、
前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成され、少なくとも第２のピーク波長及び該第２のピーク波長と異なる第３のピーク波長を有する放射の透過は、前記少なくとも１つのプラズモンモードとの前記共鳴により、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドの前記複数の開口を通して増強される、波長分離素子と、
検体に放射を発せさせるようになっている励起源と、
検体が発し、前記画像形成システムにより検出される放射から、前記検体についての情報を求めるようになっているプロセッサと、
を備える、光学検体検出システム。
【請求項１６】
前記励起源は光学励起源を含む、請求項１７に記載の光学検体検出システム。
【請求項１７】
前記光学励起源と前記波長分離素子の間に偏光フィルタをさらに備える、請求項１６に記載の光学検体検出システム。
【請求項１８】
前記波長分離素子は、提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口の２次元アレイを有する金属膜又は複数の金属アイランドを備える、請求項１５に記載の光学検体検出システム。
【請求項１９】
第１の手段であって、入射放射を、該第１の手段上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数のピーク波長を有する透過放射に分離する第１の手段と、
前記透過放射を検出する第２の手段と、
前記入射放射のカラー画像を形成する第３の手段と、
を備える、マルチスペクトル画像形成システム。
【請求項２０】
前記透過放射は色で分けられた可視光を含み、
前記第３の手段は、前記カラー画像をコンピュータ可読媒体中、ディスプレイ上、又は視覚的に観察可能な有形媒体上に形成する手段を備える、請求項１９に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
【請求項２１】
検体に第１の放射を発せさせる第１の手段と、
第２の手段であって、第１の放射を、該第２の手段上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なるピーク波長を有する透過放射に分離する第２の手段と、
前記透過放射を検出する第３の手段と、
前記検出された透過放射から、前記検体についての情報を求める第４の手段と、
を備える、光学検体検出システム。
【請求項２２】
検体ホルダをさらに備える、請求項２１に記載の光学検体検出システム。
【請求項２３】
前記第４の手段は、前記第１の放射を発する前記検体の前記検体ホルダ上の位置に基づいて、前記検体ホルダ上に配置される前記検体についての医学的又は生物学的な情報を求める手段である、請求項２２に記載の光学検体検出システム。
【請求項２４】
基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に金属膜をモノリシックに塗布すること、
前記金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることであって、それにより、複数の開口を通る透過放射が前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なるピーク波長を有するように、前記金属膜上に提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する前記複数の開口の２次元アレイを形成する、パターニングすること、
とを含む、マルチスペクトル画像形成システムを製造する方法。
【請求項２５】
基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に複数の金属アイランドをモノリシックに塗布すること、
とを含む、マルチスペクトル画像形成システムを製造する方法であって、
前記複数の金属アイランドは、複数の開口を通る透過放射が、前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なるピーク波長を有するように、前記金属アイランド上に提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する前記開口の２次元アレイにより隔てられる、マルチスペクトル画像形成システムを製造する方法。
【請求項２６】
或る範囲の波長を有する入射放射が金属膜又は複数の金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように、入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口の２次元アレイを有する前記金属膜又は前記金属アイランド上に前記入射放射を提供すること、
透過放射が、異なるピーク波長を有する複数の通過帯域に同時に分離されるように、前記複数の開口に前記透過放射を提供すること、
前記透過放射を検出すること、
前記検出された透過放射に基づいてカラー画像を形成すること、
とを含む、カラー画像を形成する方法。
【請求項２７】
検体に第１の放射を発せさせること、
前記第１の放射を、波長分離素子上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なる波長を有する透過放射に分離すること、
前記透過放射を検出すること、
前記検出された透過放射から前記検体についての情報を求めること、
とを含む、検体についての情報を求める方法。
【請求項２８】
前記検体は蛍光体に取り付けられた生体材料を含み、
前記第１の放射は前記蛍光体が発する放射を含む、請求項２７に記載の検体についての情報を求める方法。
【請求項２９】
前記情報を求めるステップは、前記第１の放射を発する前記検体の位置に基づいて、前記検体についての医学的又は生物学的情報を求めることを含む、請求項２８に記載の検体についての情報を求める方法。
【請求項３０】
金属膜を設けること、
該金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることであって、それにより前記金属膜に、提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有し、放射の透過が前記金属膜上の少なくとも１つのプラズモンモードとの共鳴により増強されるような複数の開口を形成する、パターニングすること、
とを含む、ナノ構造素子を製造する方法。
【請求項３１】
前記金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングするステップは、
前記金属膜上にフォトレジストを形成すること、
前記フォトレジストをホログラフィ露光すること、
前記フォトレジストをパターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジストを使用して前記金属膜をパターニングすることであって、それにより前記金属膜中に複数のサブ波長スリット形開口を形成する、パターニングすること、
とを含む、請求項３０に記載のナノ構造素子を製造する方法。
【請求項３２】
提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は複数の金属アイランドを備える波長分離素子であって、
前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成され、
少なくとも第２のピーク波長及び該第２のピーク波長と異なる第３のピーク波長を有する放射の透過は、前記少なくとも１つのプラズモンモードとの共鳴により、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドの前記複数の開口を通して増強される、波長分離素子。
【請求項３３】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも２個のセルを含み、
第１のセル中の第１の開口の第１の周期は、第２のセル中の第２の開口の第２の周期と異なり、
前記第１のセル中の前記第１の開口を通る前記第２のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第１の周期により増強され、
前記第２のセル中の前記第２の開口を通る前記第３のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第２の周期により増強される、請求項３２に記載の波長分離素子。
【請求項３４】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも１０個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期はその他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通る異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前
記開口の前記周期により増強される、請求項３３に記載の波長分離素子。
【請求項３５】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期はその他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１０ｎｍだけ異なるピーク波長を有する、請求項３４に記載の波長分離素子。
【請求項３６】
前記金属膜又は前記金属アイランドにわたる開口の前記周期はチャープする、請求項３３に記載の波長分離素子。
【請求項３７】
各セル中の開口の周期は約２５０ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲を有し、各開口の幅は約２０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲を有する、請求項３５に記載の波長分離素子。
【請求項３８】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも２個のセルを含み、
各セルは複数の開口のうちの少なくとも１つを含み、
第１のセル中の前記金属膜又は前記金属アイランドの少なくとも１つの表面は、前記第２のピーク波長を有する前記放射の前記透過が増強されるような構成の、前記第１のセル中の開口に隣接して設けられる第１の周期的又は準周期的な表面形状を含み、
第２のセル中の前記金属膜又は前記金属アイランドの少なくとも１つの表面は、前記第３のピーク波長を有する前記放射の前記透過が増強されるような構成の、前記第２のセル中の開口に隣接して設けられる、前記第１の周期的な表面形状と異なる第２の周期的又は準周期的な表面形状を含む、請求項３２に記載の波長分離素子。
【請求項３９】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも１０個のセルを含み、
前記セルのそれぞれの中の周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セル中の周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の前記構成により増強される、請求項３８に記載の波長分離素子。
【請求項４０】
前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも３０個のセルを含み、
前記セルのそれぞれの中の周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セル中の周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体（features）の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有する、請求項３９に記載の波長分離素子。
【請求項４１】
前記開口は前記金属膜に配置されるスリットを備え、該スリットは前記幅よりも少なくとも１０倍長い長さを有する、請求項３２に記載の波長分離素子。
【請求項４２】
前記開口は前記金属膜中の円形開口、楕円形開口、又は多角形開口を含む、請求項３２に記載の波長分離素子。
【請求項４３】
放射透明基板上に配置される複数の自己集合金属アイランドを備える、請求項３２に記載の波長分離素子。
【請求項４４】
前記基板は複数のリッジを備え、前記金属アイランドは前記複数のリッジ上に非対称に形成される、請求項４３に記載の波長分離素子。
【請求項４５】
前記金属膜又は前記金属アイランドはナノ孔アレイ基板のナノ孔内に配置され、前記開口は前記ナノ孔アレイのリッジの上に配置される、請求項３２に記載の波長分離素子。
【請求項４６】
Ｎ個のセルを有するＮチャネルモノクロメータを備え、Ｎは１０〜１０，０００の整数であり、
各セルサイズは約５０〜約５００ミクロンであり、
各セルは、前記金属膜又は前記金属アイランドに少なくとも１つの開口を含み、
各セルは、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長と異なるピーク波長を有する放射の透過を増強するようになっている、請求項３６に記載の波長分離素子。
【請求項４７】
前記モノクロメータの長さ、幅、及び厚さはそれぞれ１ｃｍ未満である、請求項４６に記載の波長分離素子。
【請求項４８】
請求項３２に記載の波長分離素子と、
光検出器と、
を備える、スペクトル解析器。
【請求項４９】
前記光検出器は、回折光学系を利用することなく前記金属膜又は前記金属アイランドに光学的に結合するＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアクティブピクセルアレイ、又は焦点面アレイを含む、請求項４８に記載のスペクトル解析器。
【請求項５０】
提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は金属アイランドを備える波長分離素子と、
該波長分離素子に光学的に結合され、該波長分離素子を通して透過される放射を検出するようになっている光検出器であって、前記透過放射は、前記波長分離素子の前記金属膜又は前記金属アイランド上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有する、光検出器と、
を備える、スペクトル解析素子。
【請求項５１】
前記波長分離素子は少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期は、その他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通って透過する放射は、その他のセルを通って透過する放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項５０に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５２】
前記光検出器はＣＣＤアレイを含む、請求項５１に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５３】
前記光検出器はＣＭＯＳアクティブピクセルアレイを含む、請求項５１に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５４】
前記波長分離素子は少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セル中の周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セル中の周期的又
は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項５０に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５５】
前記解析器は、前記波長分離素子と前記光検出器の間に回折光学系を含まない、請求項５０に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５６】
前記金属膜又は前記金属アイランドにわたる開口の周期はチャープする、請求項５０に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５７】
前記光検出器の各セルにより検出される放射の強度を求めるようになっているプロセッサをさらに備える、請求項５０に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５８】
前記スペクトル解析器の放射透過方向での厚さは１ｃｍ未満であり、前記スペクトル解析器の前記放射透過方向に直交する長さは１ｃｍ未満である、請求項５０に記載のスペクトル解析素子。
【請求項５９】
第１の手段であって、入射放射を、該第１の手段上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有する透過放射に分離する第１の手段と、
前記透過放射を検出する第２の手段と、
を備える、スペクトル解析素子。
【請求項６０】
支持体と、
第１の手段であって、入射放射が該第１の手段上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように該入射放射を受け、透過放射が前記少なくとも１つのプラズモンモードとの前記共鳴により増強されるように、少なくとも第２のピーク波長及び該第２のピーク波長と異なる第３のピーク波長を有する放射を透過する第１の手段と、
を備える、波長分離素子。
【請求項６１】
基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に金属膜をモノリシックに塗布すること、
前記金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングして、複数の開口を通る透過放射が前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有するように、前記金属膜上に提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する前記複数の開口を形成すること、
とを含む、スペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６２】
前記金属膜は少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期は、その他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器アレイは固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記金属膜の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射
を検出するように構成される、請求項６１に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６３】
固定状態光検出器アレイを設けることは、前記基板中又は前記基板上にＣＣＤアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項６２に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６４】
固定状態光検出器アレイを設けることは、ＣＭＯＳアクティブピクセルアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項６２に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６５】
前記金属膜上に周期的又は準周期的な表面形状の構成をフォトリソグラフィにより形成することをさらに含む、請求項６１に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６６】
前記金属膜は少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項６１に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６７】
基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に複数の金属アイランドをモノリシックに塗布すること、
とを含む、スペクトル解析素子を製造する方法であって、
前記複数の金属アイランドは、複数の開口を通る透過放射が前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有するように、前記金属アイランド上に提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する前記開口により隔てられる、スペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６８】
前記金属アイランドは少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期は、その他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器アレイは固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記金属膜の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項６７に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項６９】
固定状態光検出器アレイを設けることは、前記基板中又は前記基板上にＣＣＤアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項６８に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項７０】
固定状態光検出器アレイを設けることは、ＣＭＯＳアクティブピクセルアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項６８に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項７１】
前記金属アイランド上に周期的又は準周期的な表面形状の構成をフォトリソグラフィにより形成することをさらに含み、
前記金属アイランドは少なくとも３０個のセルを含み、
前記各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項６７に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
【請求項７２】
或る範囲の波長を有する入射放射が金属膜又は複数の金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように、入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口を有する前記金属膜又は前記金属アイランド上に前記入射放射を提供すること、
透過放射が、異なるピーク波長を有する複数の通過帯域に同時に分離されるように、前記複数の開口に前記透過放射を提供すること、
とを含む、波長分離方法。
【請求項７３】
透過放射の各通過帯域を別個に検出することをさらに含む、請求項７２に記載の波長分離方法。
【請求項７４】
放射透明基板と、
前記基板上の複数の金属アイランドと、
を備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、
隣同士の金属アイランドは、該素子上に提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の距離だけ隔てられ、
前記金属アイランドは、前記入射放射が前記金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記複数の金属アイランド間で少なくとも１つの第２のピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項７５】
前記第１の波長及び前記第２の波長は７００ｎｍ以下であり、前記隣同士のアイランドは１００ｎｍ未満で隔てられる、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項７６】
前記複数の金属アイランド間の透明領域アレイは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が前記透明領域アレイの周期により増強されるような周期ａ０を有する、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項７７】
前記透明領域は幅の少なくとも１０倍長い長さを有するスリットを含む、請求項７６に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項７８】
前記複数の金属アイランドは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が増強されるような、前記金属アイランドの少なくとも１つの表面上に設けられた周期的な表面形状を有する、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項７９】
前記金属アイランド間の透明領域は、幅の少なくとも１０倍長い長さを有するスリットを含む、請求項７８に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８０】
前記周期ａ０は、可視光入射放射の場合、約２００ｎｍ〜約７００ｎｍである、請求項７６に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８１】
前記複数の金属アイランドは前記透明基盤上の複数のリッジ上に配置される、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８２】
前記複数の金属アイランドのそれぞれ１つは、前記複数のリッジの対応する１つの上に配置される、請求項８１に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８３】
各金属アイランドのそれぞれは、各リッジの上面上、及び各リッジのそれぞれの少なくとも１つの側面の少なくとも一部上に延在する、請求項８２に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８４】
各金属アイランドの長さは幅の少なくとも１０倍長く、
各リッジの長さは幅の少なくとも１０倍長く、
各金属アイランドは、各リッジの第２の側面上よりも前記各リッジの第１の側面上でより低く延在する、請求項８３に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８５】
前記複数のリッジは複数の矩形リッジを含み、
前記基板は放射透明材料の１つ又は複数の層を含む、請求項８４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８６】
前記基板はナノ孔アレイを含む、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８７】
前記基板は、放射透明基板材料上に配置される陽極酸化アルミニウムナノ孔アレイを含む、請求項８６に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８８】
前記複数の金属アイランドは、互いに接続されない複数の離散金属アイランドを含む、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項８９】
前記少なくとも１つの所定の第１の波長を有する前記入射放射を発するようになっている放射源と、
前記基板及び前記複数の金属アイランド間を透過する前記放射を検出するようになっている放射検出器と、
をさらに備える、請求項７４に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項９０】
放射透明基板を設けること、
該透明基板上に複数の金属アイランドを形成すること、
とを含む、表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法であって、
隣同士の金属アイランドは該素子上に提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の距離だけ隔てられ、
前記金属アイランドは、前記入射放射が前記金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記複数の金属アイランド間で少なくとも１つの第２のピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９１】
前記基板は第１の表面上に複数のリッジを含み、
前記複数の金属アイランドを形成するステップは、金属が前記リッジ間に塗布されないように、前記複数のリッジ上に前記金属アイランドを選択的に塗布することを含む、請求項９０に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９２】
前記選択的に塗布するステップは、金属を前記リッジ上に、該リッジの上面に対して非直交方向に向けることにより前記金属アイランドを角度付きで塗布することを含む、請求項９１に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９３】
前記リッジは平坦な上面を含み、前記金属は前記平坦な上面に対して２０〜７０度の角度に向けられる、請求項９２に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９４】
前記選択的に塗布するステップは、前記基板がターゲットに対して２０〜７０度だけ傾けられるように前記ターゲットから前記基板上に金属を提供することを含む、請求項１９に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９５】
リソグラフィを利用して前記複数のリッジを形成することをさらに含む、請求項９１に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９６】
前記複数のリッジを形成するステップは、
前記基板の前記第１の表面上にフォトレジスト層を形成すること、
前記フォトレジスト層を選択的に露光すること、
前記露光されたフォトレジスト層をパターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして使用して、前記基板の前記第１の表面をエッチングして、前記リッジを形成すること、
とを含む、請求項９５に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９７】
前記フォトレジスト層を選択的に露光するステップは、前記フォトレジスト層をホログラフィックに露光することを含み、
前記選択的に塗布することは、金属を前記リッジ上に、該リッジの上面に対して非直交方向に向けることにより前記金属アイランドを角度付きで塗布することを含む、請求項９６に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９８】
前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
透明基板の回折格子パターンが第１の金属層の上面に移るように該回折格子パターンの該基板上に該第１の金属層を形成すること、
ナノ孔が前記第１の金属層の前記上面の前記回折格子パターンのトラフに選択的に形成されるように前記第１の金属層を陽極酸化すること、
前記ナノ孔に前記金属アイランドを選択的に成長させること、
とを含む、請求項９５に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項９９】
前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
材料の回折格子パターンが第１の金属層の上面に移るように該回折格子パターンの該材料上に該第１の金属層を形成すること、
ナノ孔が前記第１の金属層の前記上面の前記回折格子パターンのトラフに選択的に形成されるように前記第１の金属層を陽極酸化すること、
テンプレート材料のリッジが前記ナノ孔中に延在するように、前記陽極酸化された第１の金属層上に前記テンプレート材料を塗布すること、
前記陽極酸化された第１の金属層から前記テンプレート材料を分離すること、
前記テンプレート材料上に前記金属アイランドを選択的に形成すること、
とを含む、請求項９５に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項１００】
前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
前記基板上に金属層を形成すること、
前記金属層をパターニングして前記複数の金属アイランドにすること、
とを含む、請求項９０に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項１０１】
前記パターニングするステップは、
前記金属層の第１の面にフォトレジスト層を形成すること、
前記フォトレジスト層を選択的に露光すること、
前記露光されたフォトレジスト層をパターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして使用して、前記金属層をエッチングして前記複数のアイランドにすること、
とを含む、請求項１００に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項１０２】
前記フォトレジスト層を選択的に露光するステップは、前記フォトレジスト層をホログラフィックに露光することを含む、請求項１０１に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項１０３】
前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
前記基板の前記第１の表面上にフォトレジスト層を形成すること、
前記フォトレジスト層を選択的に露光すること、
前記露光されたフォトレジスト層をパターニングすることであって、それにより前記基板の前記第１の表面の部分を露出する、パターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジスト層上及び前記基板の前記第１の表面の露出部分上に金属層を形成すること、
前記パターニングされたフォトレジスト層及び該パターニングされたフォトレジスト層上にある前記金属層の部分を剥離することであって、それにより前記基板の前記第１の表面上に複数の金属アイランドを残す、剥離すること、
とを含む、請求項９０に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項１０４】
前記フォトレジスト層を選択的に露光するステップは、前記フォトレジスト層をホログラフィックに露光することを含む、請求項１０３に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
【請求項１０５】
放射透明基板及び該基板の少なくとも１つの表面上に配置される複数の金属アイランドを備える波長分離素子を設けること、
前記波長分離素子上に入射放射を提供すること、
前記波長分離素子を通して少なくとも１つの第１のピーク波長を有する放射を透過させること、
とを含む放射透過であって、
前記入射放射は前記金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴して、前記波長分離素子を通して透過された前記放射を増強する、放射透過方法。
【請求項１０６】
前記入射放射及び前記透過放射は可視光を含む、請求項１０５に記載の放射透過方法。
【請求項１０７】
隣同士の金属アイランドは１００ｎｍ未満だけ隔てられ、前記可視光は前記金属アイランド間で透過される、請求項１０６に記載の放射透過方法。
【請求項１０８】
前記少なくとも１つのプラズモンモードは、金属アイランド／隣接誘電体界面を含む平面に沿って表面プラズモン共鳴を含み、表面プラズモン共鳴は前記金属アイランドの側壁
に沿って局在する、請求項１０７に記載の放射透過方法。
【請求項１０９】
前記金属アイランド間の透明領域は、幅よりも少なくとも１０倍長い長さを有するスリットを備え、
前記スリット幅は、表面プラズモン励起が共鳴ポイントからずれ、それによって前記金属表面に沿った正味電力流が前記透明領域中にじょうごに注ぎ込まれるようにして入り、次いで伝搬透過ビームを形成する放射モードに分かれるように選択される、請求項１０８に記載の放射透過方法。
【請求項１１０】
前記スリット幅は、前記金属アイランドへの前記入射放射の侵入深さ約１〜約３つ分である、請求項１０９に記載の放射透過方法。
【請求項１１１】
高波長での透過放射の強度と主通過帯域放射のピーク透過の強度の比は０．４以下である、請求項１０９に記載の放射透過方法。
【請求項１１２】
前記複数の金属アイランド間の透明領域アレイは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が前記透明領域アレイの周期により増強されるような周期ａ０を有する、請求項１０５に記載の放射透過方法。
【請求項１１３】
前記透明領域は、幅の少なくとも１０倍長い長さを有するスリットを含む、請求項１１２に記載の放射透過方法。
【請求項１１４】
前記複数の金属アイランドは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が増強されるような、前記金属アイランドの少なくとも１つの表面上に設けられた前記周期的な表面形状を有する、請求項１０５に記載の放射透過方法。
【請求項１１５】
前記周期ａ０は、約２００ｎｍ〜約７００ｎｍである、請求項１１３に記載の放射透過方法。
【請求項１１６】
前記複数の金属アイランドは、前記透明基板上の複数のリッジ上に配置され、
前記複数の金属アイランドのそれぞれ１つは、前記複数のリッジの対応する１つの上に配置される、請求項１０５に記載の放射透過方法。
【請求項１１７】
前記複数の金属アイランドは、互いに接続されない複数の離散金属アイランドを含む、請求項１０５に記載の放射透過方法。
【請求項１１８】
前記透過放射を検出することをさらに含む、請求項１０５に記載の放射透過方法。
【請求項１１９】
放射透明基板と、
第１の手段であって、入射放射が該第１の手段上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴して、該第１の手段を通して透過される少なくとも１つの第１のピーク波長を有する放射を増強するように該入射放射を受け、前記少なくとも１つの第１のピーク波長を有する前記放射を透過する第１の手段と、
を備える、表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２０】
放射透明基板と、
該基板上の複数の金属アイランドと、
該金属アイランドを隔てる複数のスリット形透明領域と、
を備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、
入射放射が前記金属アイランドに提供されるとき、前記透明領域の最も狭いポイントで
の幅は、前記金属アイランドの表面プラズモン場の侵入深さの約１〜約３つ分の範囲を有する、表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２１】
前記アイランドは１００ｎｍ未満だけ隔てられる、請求項１２０に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２２】
前記アイランドは約４０ｎｍ〜約６０ｎｍだけ隔てられる、請求項１２１に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２３】
間に少なくとも１つの透明領域を有し、上に非金属形状を有する複数の金属アイランドを備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、該金属アイランドは、入射放射が前記金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記複数の金属アイランド間で少なくとも１つのピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２４】
前記非金属形状は、前記金属アイランド上に周期的又は準周期的に配置された誘電体形体を含む、請求項１２３に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２５】
前記非金属形状は、可変屈折率を有する、前記金属アイランド上の少なくとも１つの誘電層を含む、請求項１２３に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２６】
少なくとも１つのアパーチャ及び上に非金属形状を有する金属膜を備える金属プラズモン共鳴光学素子であって、該金属膜は、入射放射が該金属膜上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記少なくとも１つのアパーチャを通る少なくとも１つのピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、金属プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２７】
前記非金属形状は、前記金属膜上に周期的又は準周期的に配置される誘電体形体を含む、請求項１２６に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２８】
前記非金属形状は、可変屈折率を有する、前記金属膜上の少なくとも１つの誘電層を含む、請求項１２６に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１２９】
２つ以上の積層金属膜又は２つ以上の金属アイランド層を備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、各金属膜又は各金属アイランド層は、提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口の２次元アレイを含み、前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１３０】
前記金属膜又は前記金属アイランド層は、前記素子に提供される前記入射放射に略直交するように積層される、請求項１２９に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１３１】
前記素子を透過する放射は、単一金属膜又は単一金属アイランド層のみを備える素子を通して透過される放射と比較して、より低い強度を有するサイドピーク、より低い背景透過、及び狭い主通過帯域幅を有するように構成される、請求項１２９に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１３２】
第１の金属膜又は第１の金属アイランド層の開口は、第２の金属膜又は第２の金属アイランド層の対応する開口からずれる、請求項１２９に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【請求項１３３】
前記ずれは、前記第１の膜又は層及び前記第２の膜又は層のスペクトルプロファイルの重複を調整することによって前記素子の帯域通過特性を向上させるように選択される、請求項１３２に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府は、海軍調査局からの認可番号０００１４−９９−０６６３に準じて本発明に特定の権利を有し得る。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、包括的には光学素子を対象とし、特にナノ構造光学素子及びこの素子の製造方法を対象とする。
【０００３】
［発明の背景］
従来の光学系によれば、金属膜のサブ波長（sub-wavelength）アパーチャを通る光の透過量は直径ｄが波長λよりもかなり小さい場合に極めて小さく、ベーテ限界（Bethe limit）Ｔ／ｆ〜（ｄ／λ）４に従うものと予想される。但し、Ｔ／ｆはアパーチャが占める面積に対して正規化された透過量を示す。近年、米国特許第５，９７３，３１６号及び同６，２３６，０３３号並びにNature、Vol.391、pp.667〜669において（すべて、全体を参照により本明細書に援用する）、入射光が金属膜の表面プラズモンと共鳴する場合に、金属膜のサブ波長アパーチャ（複数可）の極めて高い透過量を得ることが可能なことが報告された。
【０００４】
［発明の概要］
本発明の一つの実施の形態は、光検出器、及び提供される入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は複数の金属アイランドを含む２次元波長分離素子を備えたマルチスペクトル画像形成システムに関する。金属膜又は金属アイランドは、入射放射が金属膜又は金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成される。金属膜又は金属アイランドの開口又は表面形体の周期は様々である。金属膜は、単一の金属膜又は複数の積層金属膜のうちの１つを含むことができる。金属アイランドは、単一の金属アイランド層又は複数の積層金属アイランドのうちの１つを含むことができる。
【０００５】
［好ましい実施の形態の詳細な説明］
本発明者等は、光学素子、たとえばモノクロメータ及びスペクトル解析器を含むコンパクト波長分離素子等並びにマルチスペクトル画像形成システム及び光学検体検出システムが、放射効果のプラズモン共鳴増強に基づき得ることを認識した。金属膜又は金属アイランドの開口又は表面形体の周期は、金属膜又は金属アイランドの異なる部分又はセルで様々であり、画像形成システム及び検出システムの２次元波長分離素子部を形成する。
【０００６】
波長分離素子は、膜又はアイランドに提供する入射放射の波長未満の幅を有する複数の開口の２次元アレイを有する金属膜又は複数の金属アイランドを含む。金属膜は単一の金属膜又は複数の積層金属膜のうちの１つを含むことができる。金属アイランドは、単一の金属アイランド層又は複数の積層金属アイランドのうちの１つを含むことができる。金属膜又は金属アイランドは、入射放射が金属膜又は金属アイランド上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように構成される。開口を透過する増強された放射は、２つの異なるピーク波長を有する少なくとも２つの通過帯域範囲を有し、好ましくは、異なるピーク波長を有する３つ以上、たとえば１０以上の異なる通過帯域範囲を有する。
【０００７】
図１は、ミクロンスケールモノクロメータ素子１０１として積層１次元（１Ｄ）スリットアレイを使用する波長分離の概略図である。図２Ａは素子１０１の上部を示す。図１に示すように、波長範囲λ１〜λｎを有する入射放射が、複数の開口１０７を有する金属膜
１０５に提供される。開口は、入射放射が金属膜上の少なくとも１つのプラズモンモードと共鳴するように、入射放射の少なくとも１つの波長未満の幅を有する。異なるピーク波長λi、λｊ、及びλｋを有する複数の通過帯域に同時に分離されるように、複数の開口を通して透過された放射が提供される。入射放射は膜１０５のいずれの側に提供してもよい。
【０００８】
好ましくは、７００ｎｍ未満、たとえば４００ｎｍ〜７００ｎｍ（すなわち、可視光）のピーク波長を有する放射を入射放射として使用する。この場合、開口７は幅７００ｎｍ以下、たとえば１５〜２００ｎｍ、好ましくは４０〜６０ｎｍを有する。より長い波長を有する入射放射、たとえば赤外線放射等の場合、開口はそれに比例してより長い幅を有することができる。
【０００９】
この素子１０１では、金属層又は金属膜１０５が放射透明基板１０３上に形成される。しかしこれに代えて、基板上に支持基板すなわち金属アイランドのない自立形金属メンブレン膜を使用することもできる。たとえば、図２Ｂは、透明領域７で隔てられた金属アイランド５を含む波長分離素子１を示す。
【００１０】
金属膜１０５は、セルパターンに周期的に配置されたスリット形開口１０７を含む。スリットは好ましくは、幅よりも少なくとも１０倍長い長さを有する。しかし、開口１０７は、他の任意の適した形状、たとえば円形、楕円形、多角形、又は不規則形等を有することができる。たとえば、図２Ｃは、円形開口２０７の群がセル２０８Ａ、２０８Ｂ、及び２０８Ｃ内に配置された金属膜２０５を含む素子２０１を示す。
【００１１】
金属膜１０５は、少なくとも２つのセル等、所望の数のセル又は領域１０８に分けられる。ここで、開口１０７の回折格子周期は各セル内で略同じである。しかし、開口１０７の回折格子周期はセル毎に異なる。換言すれば、各セル内の開口１０７はセル内の隣の開口からおよそ等間隔で離間される。しかし、この間隔はセル毎に異なる。たとえば、３つのセル１０８Ａ、１０８Ｂ、及び１０８Ｃを図１に示す。
【００１２】
各セル１０８内の開口１０７の回折格子周期は、透過スペクトル中の特定のピーク波長に通過帯域を生成するように設計される。したがって、或るピーク波長を有する放射の透過が、第１のセル１０８Ａ中の開口の周期により増強される。異なるピーク波長を有する放射の透過が、第２のセル１０８Ｂ中の開口の異なる周期により増強される。
【００１３】
好ましくは、素子１０１は少なくとも１０個のセル、より好ましくは少なくとも３０個のセル、たとえば３０〜３，０００個、たとえば３０〜１，０００個のセルを含む。各セル中の開口の周期はその他の各セルの開口の周期と異なる。各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する通過帯域放射の透過は、各セル中の開口の周期により増強される。好ましくは、各セル１０８を透過した通過帯域放射は、その他のセル１０８を透過した放射のピーク波長から少なくとも１ｎｍ、たとえば少なくとも１０ｎｍ、たとえば１０〜１００ｎｍだけ異なるピーク波長を有する。
【００１４】
表面プラズモンの伝搬長は約５〜１０ミクロンであると推定される。十分なプラズモン相互作用を生み出すことから、この数字と同等又はそれよりも大きなセルサイズが好ましい。０．５μｍピーク通過帯域波長を仮定する場合、たとえば、１０μｍセルが回折格子周期約３０個分に相当する。セルサイズは５ミクロンより大きい、たとえば１０ミクロン以上、たとえば１０〜１０，０００ミクロンであってよく、セル１個当たりの回折格子数はセルサイズ及びピーク通過帯域波長により変化する。
【００１５】
市販のＣＣＤ素子の通常のピクセルサイズに合致することから、約１０ミクロン、たと
えば５〜２０ミクロンのサイズのセル１０８が好ましい。アレイ密度が高い場合（すなわち、空間分解能がより高い場合）、セルサイズを可能な限り小さく留めることが望ましい。しかし、組み立てやすくするために、セルサイズは約５０〜５００μｍに増大させることができる。この場合、Ｎチャネルモノクロメータアレイ１０１の全体サイズはおよそＮ×（５０〜５００）μｍになる。Ｎチャネルモノクロメータアレイは、好ましくは、Ｎ個のセル１０８を有する。ここで、Ｎは１０〜１０，０００の整数である。
【００１６】
可視光入射放射の場合、好ましくは、各セル中の開口の周期は約２５０ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲であり、各開口の幅は、好ましくは、約２０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲である。赤外線入射放射の場合、開口１０７の幅はこれより長くてよい。
【００１７】
上述した１×Ｎアレイパターンに対する代替の設計は、チャープ回折格子（すなわち開口）パターンを利用するものである。換言すれば、回折格子周期（すなわち、開口の周期）が距離Ｌにわたって連続チャープする。放射検出器が波長分離素子と併用される場合、検出器のピクセルサイズＷにより波長分離素子の有効セルサイズが決まり、アレイのチャネルの総数はＬ／Ｗになる。この設計の利点は、モノクロメータアレイ全体を以下に説明するように単一のホログラフィックリソグラフィプロセスで実装できることにある。
【００１８】
図２Ｄ及び図２Ｅは、本発明の第２の好ましい実施の形態による波長分離素子１１を示す。第２の実施の形態では、金属膜又は金属アイランド１５は、図２Ｄに示すように金属膜又は金属アイランド１５の少なくとも１つの表面上に設けられた周期的又は準周期的な表面形状（surface topography：表面トポグラフィ）を有する。所望であれば、金属膜又は金属アイランドを放射透明基板１３上に形成することができる。形状１２は、開口１７での放射の透過を増強するように構成される。周期的な形状１２は、金属表面プラズモンと入射放射の強力な結合を提供する任意の金属形体を含むことができる。たとえば、形状は、金属膜又は金属アイランド１５の表面上に、規則正しく繰り返す（すなわち準周期的又は周期的な）パターン、たとえば２次元格子等に配置された任意の適した隆起領域及び／又は陥没領域を含むことができる。隆起領域は、円柱形突起、半球形突起、線形リブ、湾曲リブ、矩形リブ、隆起リング、及び／又は隆起スパイラルを含むことができる。陥没領域は、円柱形陥没、半球形陥没、線形トラフ、湾曲トラフ、矩形トラフ、リング形トラフ、及び／又はスパイラル形トラフを含むことができる。隆起領域又は陥没領域の幅又は直径は、好ましくはこれら形体の周期未満であり、この周期と基板の屈折率との積は、放射の所望の最大透過波長未満であるべきである。
【００１９】
金属膜又は金属アイランド１５は少なくとも２個のセル１８、好ましくは複数のセル、たとえば少なくとも１０個のセル、より好ましくは少なくとも３０個のセルを含む。各セル１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、複数の開口１７のうちの少なくとも１つを含む。各セルの周期的又は準周期的表面形状１２の構成は、その他の各セルの周期的又は準周期的表面形状の構成と異なる。各セルは第１の好ましい実施の形態と同様に、異なるピーク波長を有する通過帯域放射を透過させるように構成される。
【００２０】
図２Ａ〜図２Ｃに示す線形回折格子パターンは本来の機能として偏光検出能力を有するが、フィルタの偏光依存性は用途によっては望ましくない場合がある。図２Ｅに示すモノクロメータパターンは透過の際の偏光に反応しない。たとえば、図２Ｅに示すように、各同心パターンに一定周期の起伏を形成するに当たって環状回折格子パターン１２を使用する。サブ波長アパーチャ１７が各パターンの中心に作られ、入射光は、回折格子周期で決まる特定の波長での表面プラズモンの共鳴励起を介してじょうごに注ぎ込まれるようにしてアパーチャに入ることになる。周期の異なる環状回折格子パターンを２次元アレイ、たとえば図２Ｅに示す２×２アレイ等に配置すると、偏光に反応しない４チャネルスペクトル解析器になる。
【００２１】
第２の実施の形態の別の好ましい態様では、表面形状１２は、金属への表面プラズモン結合を含む、金属以外の材料を含む形状を含む。一例では、金属表面に隣接する誘電層又は周囲媒質の屈折率は、金属表面の形状変調なしで（すなわち、金属表面上の起伏／窪みなしで）周期的又は準周期的に変調する。たとえば、平坦な、又は起伏のある金属表面上に形成された誘電層（複数可）の周期的な配置により、金属への表面プラズモン結合を誘発することができる。したがって、図２Ｄ中の要素１２は、平坦な金属膜又は金属アイランド１５の表面上に形成された、周期的又は準周期に配置された誘電材料形体を示すことができる。別法として、屈折率が変化する平坦又はテクスチャ加工された誘電層（複数可）をプラズモン結合に使用することができる。平坦な誘電層（複数可）で屈折率を変化させることは、層（複数可）の組成を金属膜又は金属アイランド上のその層の幅に沿って周期的又は準周期的に変調させることによって実現することができる。任意の適した誘電材料、たとえばシリカ、石英、アルミナ、窒化ケイ素等が使用され得る。
【００２２】
第２の好ましい実施の形態では、開口又は透明領域１７は、開口１７の周期が放射の透過増強に実質的に寄与しないように第１の実施の形態の周期よりもはるかに大きな周期ａ０で隔てられる。たとえば、周期ａ０は好ましくは、表面プラズモンの有効伝搬距離に等しく、Ａｇアイランドに可視光が照射される場合にはたとえば５ミクロン以上であり、好ましくは約５〜１０ミクロンである。
【００２３】
図２Ｆ、図２Ｇ、及び図２Ｈは、３つの異なる波長を有する光が、入射光のピーク波長よりも小さな幅を有する複数の開口を含む金属アイランド又は金属膜を備える同じ波長分離素子を透過する際の差分の時間領域有限差分（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示す。具体的には、入射光のピーク波長は、図２Ｆ、図２Ｇ、及び図２Ｈに示すシミュレーションにおいてそれぞれ５４０ｎｍ、６８０ｎｍ、及び１５００ｎｍである。
【００２４】
波長分離素子、たとえばモノクロメータ又はナノ光学フィルタアレイ等は超小型に製造することができ、波長分離は超小スペースで実現することができる。たとえば、寸法は、屈折光学系による制約を受けることなく、放射伝搬方向（すなわち、長さ）を横断する方向に沿ってミクロン規模の面積で、且つ長手（すなわち、放射伝搬）方向に沿って略ゼロの長さ（すなわち積層の厚み、たとえば０．１ミクロン未満）と小さく製造することができる。好ましくは、モノクロメータの長さ、幅、及び厚さはそれぞれ１ｃｍ未満である。より好ましくは、モノクロメータの長さは１００ミクロン未満であり、その厚さは１０ミクロン未満である。
【００２５】
金属膜にある、又は金属アイランド間のスリット形開口の場合（すなわち、１Ｄ回折格子の場合）、サブ波長開口を通る光透過率は入射光の偏光に依存する。たとえばＴＥ偏光（すなわち、電界が回折格子線に平行）の場合、表面プラズモンは縦波であるため、電界方向に沿って回折格子ベクトルがないことにより表面プラズモンは励起しない。したがって、ＴＥ偏光の場合の透過はＴＭ偏光よりもはるかに低くなるものと予期される。この偏光依存性は、入射光の偏光（及びその空間分布）を検出するために利用することができる。別法として、波長分離素子は偏光フィルタとして使用することができる。
【００２６】
任意の適した金属、たとえばＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、及びＣｕ等を使用して金属膜又は金属アイランドを形成することができる。好ましくは、９〜１０ｅＶ範囲でバルクプラズモン周波数を示すＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、又はそれぞれの合金を含む金属を使用する。これにより、プラズモン誘発現象を広いスペクトル範囲（可視光からＩＲ）で観察できるようになる。Ａｌ及びＣｕは、集積回路チップ及び光検出器の相互接続金属被覆として使用される一般的な金属である。したがって、波長分離素子の金属膜又は金属アイランドは、チップ及び光検出器の形成に使用されるものと同じ半導体製造機器を使用して製造することができる。
【００２７】
本発明の第３の好ましい実施の形態では、最初の２つの実施の形態の波長分離素子３０１を光検出器３０２と併用して、図３に示すようなスペクトル解析素子３０４を形成する。可視光、ＵＶ、及び／又はＩＲ通過帯域透過放射を検出することができる任意の素子を光検出器３０２として使用することができる。光検出器３０２は、波長分離素子３０１を透過した放射を検出するようになっている。
【００２８】
好ましくは、アレイ固体状態光検出器セル、たとえば半導体光検出器アレイ等を光検出器として使用する。最も好ましくは、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサアレイ、又は焦点面アレイを光検出器として使用する。図３に示す光検出器３０２は、基板３１３、たとえば半導体又は他の適した基板等、及び複数の感光ピクセル又はセル３０６を備える。好ましくは、各光検出器セル又はピクセル３０６は、波長分離素子３０１の各セルのそれぞれからの所与のピーク波長を有する通過帯域放射を検出するように構成される。波長分離素子３０１は金属膜又は金属アイランド３０５及び取捨選択的に放射透明基板３０３を備える。
【００２９】
光検出器３０２は、金属膜又は金属アイランドを通る近距離場出力を検出するために金属膜又は金属アイランド３０５の出力面に光学的に結合する（すなわち、接する、又は近傍にある）ことができる。そして、各検出器セルの出力は表示及び処理のために電子的にアドレス指定される。プロセッサ、たとえばコンピュータ又は専用マイクロプロセッサ等が好ましくは設けられて、光検出器の各セルが検出した放射の強度を求める。したがって、光検出器３０２は、好ましくは、波長分離素子と光検出器の間に屈折光学系を利用することなく金属膜又は金属アイランド３０５に光学的に結合される。
【００３０】
本発明の好ましい態様では、スペクトル解析器３０４の放射透過方向での厚さは１ｃｍ未満であり、スペクトル解析器３０４の、放射透過方向に直交する長さも１ｃｍ未満である。
【００３１】
本発明の第４の好ましい実施の形態では、ナノフォトニクスモノクロメータ／スペクトル解析器を、モノクロメータが２次元アレイ構成に拡張される場合にマルチスペクトル画像形成システムとして使用することができる。マルチスペクトル画像形成システムとは、複数の色で構成される画像を形成できるシステムのことである。マルチスペクトル画像形成システムの一例は、被写体又は周囲のカラーデジタル動画及び／又は静止画を取り込むことができるデジタルカラーカメラである。マルチスペクトル画像形成システムの別の例は、赤外線放射を発する被写体の可視色でデジタル画像を形成する赤外線カメラ、たとえば暗視カメラ等である。このカメラは、光検出器が検出した放射に基づいてカラー画像（すなわち、視覚的に観察可能な画像に変換することができるデータとして、又は実際に視覚的に観察可能な画像として）を形成するプロセッサ、たとえばコンピュータ、専用マイクロプロセッサ、又は論理回路等を含む。マルチスペクトル画像形成システムは、カラー画像をデジタル形態で（すなわち、コンピュータ可読媒体、たとえばコンピュータメモリ又はＣＤ／ＤＶＤ  ＲＯＭ等にデータとして）、デジタル表示形態で（すなわち、画面に静止画又は動画として）、且つ／又は視覚的に観察可能で有形の媒体にプリントアウト、たとえば用紙にカラー写真等として記憶することができる。
【００３２】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、３次元波長分離素子４０１及び光検出器４０２を備えたマルチスペクトル画像形成システム４０４の例を示す。波長分離素子４０１は、空間分解偏光検出能力を有するマルチ画像作成を可能にする、金属アイランド又はサブ波長スリットが金属膜４０５において２Ｄモザイクに配置されたものを示す。システム４０４は、波長分離素子４０１において２次元に配置されたセル４０８のアレイを含む。好ましくは、セル４０８は矩形又は正方形マトリックスレイアウトに配置される。しかし、他の任意のレイアウトをこれに代えて使用することができる。各セル４０８は、多次元画像のマルチカラー部分を生成するようになっている。
【００３３】
各セル４０８は少なくとも３つのサブセル４１８を含む。特定のセル４０８の各サブセル４１８は、特定の一色（又は狭いＩＲ、ＶＩＳ、又はＵＶ放射帯域）を透過させるように設計される。好ましくは、各サブセル４１８は、所与の第１の周期を有するスリット形開口４０７を備えた金属アイランド又は金属膜４０５を含む。開口のこの第１の周期は、所与のセル４０８中のその他のサブセル４１８の少なくともいくつかの周期と異なる。この場合、特定のセル４０８中の各サブセル４１８は、特定の偏光を有する特定の一色（又は狭いＩＲ又はＵＶ放射帯域）を透過するように設計される。換言すれば、各サブセル４１８は、所与の狭帯域波長を有する放射を透過させる。たとえば、狭帯域波長は可視光放射の特定の色に対応することができる。２Ｄアレイ４０４の各セル４１８は、同じ配置のサブセル４１８を含むことから、好ましくは、アレイ中のその他のセルと同一である。
【００３４】
たとえば、図４Ｂは、波長分離素子に３２個のセル４０８（８×４アレイのセル４０８Ａ、４０８Ｂ、４０８Ｃ等）を含むシステム４０４Ａを示す。各セル４０８は６個のサブセル４１８を含む。各サブセルは、特定の偏光を有する特定の一色を検出器４０２に透過させるように設計される。３個のサブセル４１８Ａ、４１８Ｂ、４１８Ｃは、第１の方向（たとえば、水平方向等）を向いたスリット形開口４０７を有する。別の３つのサブセル４１８Ｄ、４１８Ｅ、及び４１８Ｆは、第１の方向に直交する第２の方向（たとえば、垂直方向等）を向いたスリット形開口を有する。したがって、このサブセルレイアウトを有する各セル４０８はＴＭ偏光及びＴＥ偏光の両方を透過させることができる。この実施の形態の好ましい一態様では、各サブセル対（４１８Ａと４１８Ｄ、４１８Ｂと４１８Ｅ、４１８Ｃと４１８Ｆ）での開口４０７の周期は同じである。各サブセル対のサブセルは、互いに直交する向きのスリット形開口を有して各色のＴＥ偏光及びＴＭ偏光を検出する。しかし、開口４０７の周期は各サブセル対で異なる。したがって、図４Ｂに示すシステム４０４Ａは、３色画像形成システムであり、各サブセル対が一色を透過させるようになっている。
【００３５】
図４Ｃは、波長分離素子に９個のセル４０８（３×３セルアレイ）を含むシステム４０４Ｂを示す。各セル４０８は１２個のサブセル４１８を含む。この実施の形態の好ましい一態様では、各サブセル対の開口の周期は同じである。各サブセル対のサブセルは互いに直交する向きのスリット形開口を有して各色のＴＥ偏光及びＴＭ偏光を検出する。しかし、開口の周期は各サブセル対で異なる。したがって、図４Ｃに示すシステム４０４Ｂは、６色画像形成システムであり、各サブセル対が一色を透過させるようになっている。
【００３６】
サブセル４１８は、各セル４０８において正方形マトリックス又は矩形マトリックスにされる。しかし、他の任意の適した配置を使用することができる。３色又は６色分離システムについて例示のみを目的として上述した。各セル中のサブセルの数を増やすことにより、システムを、７色以上の色分離及び画像形成の高解像度マルチチャネル解析器に容易にスケールアップすることができる。さらに、セル４０８を図４Ｂに示すように隣のセルに接して配置してもよく、又は図４Ｃに示すように隣のセルから離して配置してもよい。単一のセル４０８内のサブセル４１８のモザイク配置により、マルチカラー分離能力が可能になり、モザイクセルを２Ｄアレイまで繰り返すと、単一のチップ上にスペクトル解析器アレイが形成され、マルチスペクトル画像形成システム、たとえばカラーカメラ等が形成される。
【００３７】
上述したシステムは、サブ波長スリット形開口を有する金属アイランド又は金属膜を含む。しかし、周期的又は準周期的表面形状を有する金属アイランド又は金属膜をこれに代
えて使用することができる。たとえば、マルチスペクトル画像形成システムは、図４Ａ〜図４Ｃに示すスリット形開口を有する金属アイランド又は金属膜に代えて、図２Ｅに示す２次元アレイになったサブセルを備えることができる。したがって、図２Ｅはマルチセルアレイのうちの１個のセルを示し、このセルは４個のサブセル１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、及び１８Ｄを含む。各サブセルは、異なる周期及びサブ波長開口１７を有する形体１２を有する。したがって、これは４色カラー画像形成システムである。これらサブセルは偏光に依存しないため、図４Ａ〜図４Ｃに示すシステムのように各色の画像形成に同じ開口周期であるが直交する開口方向を有するサブセル対を形成する必要はない。
【００３８】
さらに、マルチスペクトル画像形成システムは上述したように光検出器４０２も含む。好ましくは、光検出器４０２は、金属膜又は金属アイランド中の各セル４０８に１個のピクセル又はセル４０６を含む。最も好ましくは、各光検出器ピクセル４０６は、１個のみのセル４０８を透過した放射を受けるように、基板４１３上に各セル４０８と位置合わせされて配置される。
【００３９】
本発明の第５の好ましい実施の形態では、上述したナノフォトニクススペクトル解析器又はマルチスペクトル画像形成システムを光学検体検出システムに使用する。検体検出システムとは、検体からの放射がスペクトル解析器又はマルチスペクトル画像形成システムによって検出されるシステムのことである。検体は有機材料、たとえば生体材料（すなわち、タンパク質、抗体、抗原等）等、高分子材料、又は無機材料、たとえば金属、ガラス、セラミック、又は半導体材料等であることができる。検体は固体状態、液体状態、又は気体状態のうちのいずれの１つ又は複数であることができる。検体からの任意の適した放射、たとえば検体からの蛍光又はルミネセンス、検体を透過した、若しくは検体から反射された入射放射の吸収若しくは透過率、又は検体による入射放射の変化、たとえば検体を透過した、若しくは検体から反射した放射のピークシフト等を検体検出システムによって検出することができる。
【００４０】
図５Ａは例示的な光学検体検出システム５００を示す。システム５００は励起源５０１、検体ホルダ５０２、及び上述した１次元スペクトル解析器３０４又は２次元マルチスペクトル画像形成システム４０４のいずれか一方を備える。
【００４１】
任意の適した励起源５０１を使用することができる。好ましくは、光学励起源、たとえば発光ダイオード、レーザ、又はＵＶ範囲、可視範囲、又はＩＲ範囲で放射するランプ等を使用する。しかし、検体５０３から光応答５０４、たとえば蛍光を生成する他の任意の非光学励起源をこれに代えて使用することができる。たとえば、励起源として、熱に応答して検体に放射させる熱源、たとえばヒータ又は加熱炉を含むことができる。別法として、Ｘ線、ガンマ線、又は電子が検体に放射させる場合、Ｘ線源、ガンマ線源、又は電子ビーム源を励起源として使用することができる。
【００４２】
検体ホルダ５０２は、光学検出中に検体５０３を保持することができる任意の装置を含むことができる。たとえば、図４Ａに示すように、検体ホルダ５０２は、検体５０３が液体、固体、又はゲルの生体材料、たとえば血清試料等である場合、ミクロスライドを含むことができる。別法として、検体ホルダ５０２は、気体又は液体の検体の場合に放射透明気体容器又は放射透明液体容器、又は固体又はゲルの検体５０３の場合に任意の適したシェルフ、サセプタ、又は支持体を含むことができる。
【００４３】
システム５００は、検体の２次元分解が必要ない場合、１次元スペクトル解析器３０４（すなわち、上述したモノクロメータ及び光検出器の組み合わせ）を備えて検体５０３から放射５０４を検出する。システム５００は、検体５０３の２次元分布からの放射を検出することが望ましい場合、上述した２次元マルチスペクトル画像形成システム４０４を備
える。たとえば、マルチスペクトル画像形成システムは、検体５０３の異なる領域が発した放射５０４の差分を検出することができ、且つ／又はマルチスペクトル画像システムを使用して検体５０３のより大きな部分からの放射５０４を検出することができる。
【００４４】
図５Ｂは、光学検体検出システム５００の好ましい実施の形態を示す。このシステム５００では、励起源５０１は発光ダイオード又はレーザダイオードを含む。励起源５０１と検体ホルダ５０２の間に、取捨選択的なナノ光学励起フィルタ５０６が配置される。フィルタ５０６は、入射放射を偏光するために、同じ周期を有するサブ波長スリット形開口５０７を含む金属フィルム又は金属アイランドを備えることができる。別法として、フィルタは入射放射を偏光する別種の偏光フィルタを備えることができる。検体ホルダ５０２はマイクロスライドを含み、検体５０３は生体材料、たとえばタンパク質、抗体等、及び／又は蛍光体含有試料を含む。マルチスペクトル画像形成システム４０４は、上述した光検出器４０２及び波長分離素子４０１を備える。好ましくは、波長分離素子４０１の開口４０７はスリット形であり、フィルタ５０６の開口に直交する方向を向く。したがって、開口４０７は偏光した励起源５０１放射が光検出器４０２に到達するのを防ぎ、光検出器は、開口４０７を透過した検体５０３からの蛍光を検出する。換言すれば、２次元ナノ光学モノクロメータ４０１の回折格子線は、吸収されなかった入射（すなわち、励起放射）が検出器アレイ４０２に到達する前に大部分濾波されるように励起フィルタ５０６の回折格子線と直交するように位置合わせされる。
【００４５】
ナノ光学フィルタは許容角約±５〜１０度を示す。ナノ光学モノクロメータアレイ４０１と検体ホルダ４０２の間の約２００〜約２０００ミクロンの間隔は、波長分離素子（すなわち、ナノ光学アレイ）４０１の約１０〜約１００ミクロンのセルサイズに妥当であるものと予期される。この間隔は、検体５０３があるプレート形検体ホルダ５０２を摺動させてシステム５００に出し入れするに十分なスペースを提供する。
【００４６】
上述したように、ナノ光学モノクロメータアレイ４０１は上述したようなハイブリッド又はモノリシック様式で検出器チップ４０２に集積することができる。ハイブリッド構成の場合では、市販の検出器チップ（ＣＣＤ又はＣＭＯＳアクティブピクセルセンサアレイ）を使用することができる。ナノ光学モノクロメータ４０１のセル４０８（すなわち、チャネル）の数は比較的少数に、たとえば１０〜１００個のセルに保つことができる。しかし、より多数のセル、たとえば１００〜１０，０００個のセルを使用することもできる。各セルのサイズは約５０〜約５００ミクロンであることができ、これは市販の光検出器アレイのピクセルサイズ（通常、ＣＣＤでは約１０ミクロン）よりも５〜１０倍大きい。次いで、セル４０８を透過する蛍光信号の特定の波長成分が約５〜約５０個のピクセルによって検出される。別法として、各セル４０８は１個の光検出器ピクセルに対応するように設計することができる。モノクロメータ４０１及び光検出器４０２のモノリシック集積の場合、ナノ光学モノクロメータはＣＭＯＳ（又はＣＣＤの）アクティブピクセルアレイチップの金属相互接続の一部に配置することができる。したがって、全体プロセスは標準的なＣＭＯＳプロセスに適合する。
【００４７】
図６は、本発明の好ましい実施の形態による医療解析のための光学検体検出システム５００を使用する方法を示す。しかし、システム５００は他の検体及び／又は他の目的で使用することが可能である。
【００４８】
図６に示すように、生体検体５０３、たとえば血液又は他の人又は動物の体液等が検体ホルダ５０２に提供される。検体５０３は各種対象成分、たとえばタンパク質、抗体等を含む。検体ホルダ５０２は１種又は複数種の添加部材（attachment member）５０８のアレイ、たとえば各種抗体、抗原、タンパク質等を含む。たとえば、添加部材５０８は各種疾病タンパク質、たとえばインフルエンザタンパク質、天然痘タンパク質、及び炭疽タン
パク質等に固有の抗体を含むことができる。別法として、添加部材５０８は各種疾病抗体に固有の抗原又はタンパク質を含むことができる。
【００４９】
この実施の形態の好ましい一態様では、これら抗体は任意の適した蛍光体、たとえば有機染料分子又は半導体量子ドット等で蛍光標識される。検体５０３が抗体５０８に特に結び付く抗原又はタンパク質を含む場合、これら抗原又はタンパク質は抗体５０８に結合する。結合により、励起放射に応答して蛍光体が発する放射５０４の特性が変わる。たとえば、蛍光体が発する放射５０４の波長及び／又は強度が結合によって変化し得る。光検出器４０２は放射５０４を検出し、コンピュータ又は他のプロセッサ５０９が光検出器による検出結果の記憶、送信、及び／又は表示を行う。たとえば、炭疽固有の抗体５０８に付着した蛍光体からの放射５０４が変化する場合、コンピュータ５０９は、検体血液５０３が炭疽菌に感染した患者からのものであることを示す。
【００５０】
結合は以下の方法の１つ又は複数により検出することができる。第１の方法では、異なる添加部材が検体ホルダ５０２の異なる領域に提供され、このレイアウト情報がコンピュータ５０９に提供される。添加部材５０８を含む検体ホルダ５０２は励起放射又は入射放射５０１で照射され、蛍光体の蛍光放射５０４が光検出器４０２により背景放射として検出される。次いで、検体５０３は検体ホルダ５０２に提供され、検体ホルダは再び励起放射５０１で照射される。光検出器は蛍光放射５０４を検出し、コンピュータ５０９は、検体ホルダ上の任意の領域からの蛍光放射５０４が検体５０３の配置前と配置後で変化したか否かを判断する。したがって、コンピュータは、検体ホルダ５０２の特定の領域で特定の添加部材５０８への結合があったか否かを判断し、それにより、添加部材５０８は検体ホルダ５０２の異なる領域で異なることから検体５０３の中身を判断することができる。所望であれば、励起放射５０１を検体ホルダ５０２に向けて、検体５０３のタンパク質又は抗原と添加部材５０８とのリアルタイム結合を常時検出することができる。
【００５１】
結合を検出する別の方法では、異なる蛍光波長を有する蛍光体を各種の添加部材５０８に付着させ、このデータがコンピュータ５０９に記憶される。添加部材５０８を収容した試料ホルダ５０２が励起放射又は入射放射５０１で照射され、蛍光体の蛍光放射５０４が光検出器４０２により背景放射として検出される。次いで、検体５０３が検体ホルダ５０２に提供され、検体ホルダが再び励起放射５０１で照射される。光検出器は蛍光放射５０４を検出し、コンピュータ５０９は、特定の波長の蛍光放射５０４が検体５０３の配置前と配置後で変化したか否かを判断する。したがって、コンピュータは、検体５０３の導入後に変化した蛍光放射の波長に基づいて特定の添加部材５０８への結合があったか否かを判断することができる。所望であれば、励起放射５０１を検体ホルダ５０２に向けて、検体５０３のタンパク質又は抗原と添加部材５０８とのリアルタイム結合を常時検出することができる。この方法では、変化した放射のロケーションではなく波長が結合の検出に使用されるため、異種の蛍光体／添加部材５０８を検体ホルダ５０２の異なる領域に配置することが好ましいが、これは必ずしも必要なことではない。所望であれば、検出された放射の強度を使用して、検体の中身と添加部材５０８との結合の程度を測ることができることに留意されたい。
【００５２】
第３の検出方法を図６に示す。この方法では、蛍光体を添加部材５０８に付着させない。付着に代えて、追加の蛍光標識部材５１０、たとえば蛍光標識された抗体、抗原、又はタンパク質等が検体５０３の後に検体ホルダ５０２に提供される。これら蛍光標識部材５１０は、検体５０３に見られるタンパク質、抗原、又は抗体に結合するように設計される。したがって、検体５０３を形成する抗体、抗原、又はタンパク質が添加部材５０８に結合する場合、蛍光標識付き部材５１０も検体５０３を形成するこれら抗体、抗原、又はタンパク質に結合する。検体５０３を形成する結合した抗体、抗原、又はタンパク質の有無は、検体ホルダ５０２に励起放射又は入射放射５０１を照射することにより判断され、部材５１０からの蛍光放射５０４が光検出器４０２によって検出される。異種の蛍光標識付き部材５１０に異なる波長の放射を発する蛍光体で標識することができ、且つ／又は異種の添加部材５０８を検体ホルダ５０２の異なる部分に配置して、添加部材５０８に結合したタンパク質、抗体、又は抗原の種類を区別することができる。
【００５３】
この方法では、添加部材５０８を含むことが好ましいが、これら部材５０８を省いてもよい。添加部材５０８を含むことに代えて、検体ホルダ５０２の表面を、対象とするすべてのタンパク質、抗体、抗原、又は他の検体成分を付着させるように処理することができ、異なる波長の放射を発する蛍光体で標識した異種の蛍光標識部材５１０を検体５０３に提供する。部材５１０は検体の特定の成分にのみ結合するように設計される。これら検体成分が存在しない場合、部材５１０は検体ホルダ５０２に残らない。したがって、付着した標識付き部材５１０が発する放射の波長（複数可）を測ることにより、検体の特定成分の有無を添加部材５０８なしで検出することができる。
【００５４】
システム５００全体のパフォーマンスは以下の要因：励起源及び蛍光体両方のパワー及びスペクトル特性、検出器４０２の応答性、成分層の間隔、並びに励起フィルタ５０６及びモノクロメータアレイ４０１両方のフィルタ特性によって決まるものと予期される。有機染料蛍光体を使用するマルチスペクトル蛍光の場合、通常、各染料に異なる励起波長が求められる。ＬＥＤを図１〜図２Ｅに示すナノ光学励起フィルタと併用して、各成分波長で明確で狭いスペクトル幅を有する波長多重ビームを生成することができる。量子ドット蛍光体の場合、波長の異なる蛍光体を単一の励起波長で励起させることができる。これは有機染料蛍光体の使用と比較して励起光学系を簡易化する。
【００５５】
システム５００の利点は、ナノ光学モノクロメータ４０１の高精細分解能をスペクトル幅の狭い量子ドット又はナノチューブプローブと併せて利用して蛍光信号の多波長成分を同時に検出する能力にある。このマルチスペクトル検出により、混合波長信号からの各波長成分を抽出するにあたりデコンボリューション技法の適用が可能になる。これは、システム５００のスペクトル解析能力をさらに向上させる。
【００５６】
システム５００の別の利点は高いスループットである。たとえば、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、４×８又は３×３アレイ構成を有する２次元モノクロメータ４０１をそれぞれ使用することにより、８×４又は３×３検体アレイの同時解析が可能である。２Ｄアレイは、個々のセルがマルチスペクトル解析能力を保有し、最高のスループットを提供する。
【００５７】
１次元スペクトル解析器３０４及び２次元スペクトル解析器４０４は任意の適した方法で製造することができる。たとえば、波長分離素子３０１、４０１及び光検出器３０２、４０２を別個に製造し、次いで共に接合又は取り付けて解析器を形成することができる。たとえば、波長分離素子３０１、４０１及び光検出器３０２、４０２は、放射透明層又は接着剤により、及び／又は固定素子、たとえばブラケット等により互いに取り付けることができる。波長分離素子３０１、４０１及び光検出器３０２、４０２は外周に、又は全長に沿って互いに取り付けることができる。波長分離素子３０１、４０１は光検出器３０２、４０２に直接接してもよく、又は放射透明層、たとえば酸化ケイ素層若しくはガラス層等又は基板３０３を間に配置してもよい。
【００５８】
第３の実施の形態の別の好ましい態様では、スペクトル解析素子はモノリシックに形成される。換言すれば、波長分離素子３０１、４０１及び光検出器３０２、４０２を別個に形成してから互いに取り付けるのではなく、波長分離素子３０１、４０１及び光検出器３０２、４０２のうちの一方の個々の構成要素又は層が他方の上に順次形成される。したがって、波長分離素子３０１、４０１の個々の構成要素又は層を光検出器３０２、４０２の上に順次形成することができ、この逆もまた同様である。
【００５９】
たとえば、固体状態光検出器アレイ３０２、４０２が基板３１３内又はその上に設けられる。このステップは、好ましくは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳアクティブピクセルアレイ、又は焦点面アレイを基板３１３内又はその上にフォトリソグラフィで形成することを含む。換言すれば、光検出器アレイ３０２、４０２は、標準的な微細加工技法、たとえば半導体、金属、及び／又は絶縁層塗布、イオン注入、フォトレジストマスキング、及び層のマスキングされていない部分のエッチング等で形成することができる。
【００６０】
次いで、金属膜３０５、４０５を光検出器アレイ３０２、４０２上にモノリシックに塗布する（すなわち、金属膜が形成後にアレイ３０２、４０２に取り付けられるのではなく、薄膜塗布方法、たとえば蒸着、スパッタリング、又はＣＶＤ等により塗布される）。次いで、金属膜３０５、４０５をフォトリソグラフィでパターニングし、複数の開口を形成する。開口は、金属膜上又は金属膜上のハードマスク層上にフォトレジスト層を形成し、フォトレジスト層を露光してパターニングし、次いで金属膜のカバーされていない部分をエッチングして開口を形成することにより形成することができる。
【００６１】
別法として、複数の金属アイランドを光検出器アレイ３０２、４０２上にモノリシックに塗布する。いくつかの適したアイランド塗布方法を使用することができ、これらについて以下に詳述する。
【００６２】
金属膜又は金属アイランドが周期的又は準周期的な表面形状を含む場合、その形状は金属膜又は金属アイランド上にフォトリソグラフィで形成することができる。
【００６３】
本発明の好ましい態様では、波長分離素子は光検出器の金属被覆と同時に形成される。たとえば、金属膜又は金属アイランド３０５、４０５は、光検出器３０２、４０２の金属被覆又は相互接続上に形成された層間絶縁層上に形成することができる。ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、又は焦点面アレイ光検出器では、金属被覆相互接続の１つ又は複数のレベルが半導体デバイス上に形成される。波長分離素子３０１、４０１は、金属被覆層上、金属被覆層の間、金属被覆層のうちの１つの一部として（すなわち、金属レベルの一部が波長分離素子として機能し、別の部分が光検出器のための相互接続として機能する）、金属被覆層の下、又は基板３１３の金属被膜層から反対側に形成することができる。
【００６４】
たとえば、波長分離素子はＡｌ膜又はＡｌアイランドを含むことができ、標準ＣＭＯＳプロセスのＡｌ相互接続パーツの一部を含むことができる。たとえば０．１３μｍＣＭＯＳプロセスでは、５レベル又は６レベルの金属相互接続が使用される。これら相互接続はナノ光学モノクロメータアレイとして設計することができ、同じチップ上のＣＭＯＳアクティブピクセルアレイにモノリシックに集積することができる。ナノ光学フィルタアレイは、回折格子周期２５０〜７００ｎｍを使用することによりスペクトル範囲およそ４００〜１０００ｎｍをカバーするように設計することができる。したがって、スペクトル解析器チップ３０４、４０４は半導体製造サービスを利用して組み立てることができる。
【００６５】
好ましい実施の形態の素子では、所望であれば、対称構成を用いて通過帯域幅を低減する（すなわち、副ローブ又は側波帯の数を減らす）ことができる。この構成では、波長分離素子は、同じ誘電媒体で構成される２つの放射透明基板に挟まれる。
【００６６】
金属アイランドを波長分離素子として使用する場合、これらアイランドを任意の適した方法で製造することができる。たとえば、本発明の好ましい一態様では、放射透明領域又はスリット形開口で離間された金属アイランドを自己集合により形成する。換言すれば、金属膜を形成し、膜を金属アイランドにパターニングするのではなく、最初に、パターニ
ングされていない金属膜の一部であることなく、離間された金属アイランドを同時に又は順次形成する。金属アイランドは、互いに接続されない離散金属アイランド（すなわち、金属アイランドは互いに直接接しない）又は光素子の外周領域で互いに接続する金属アイランドを含むことができる。別の好ましい態様では、金属アイランドは、金属膜をパターニングしてアイランドにすることにより形成される離散アイランドを含む。好ましくは、アイランドはリソグラフィ法を用いてパターニングされる。
【００６７】
金属アイランド５は、それら自体が放射に対して不透明であるが、開口又は領域７を通してプラズモン増強放射透過を生成するような任意の適した厚さを有することができる。好ましくは、金属アイランドの厚さは金属の表皮深さの少なくとも約２倍又は３倍であるべきである。可視波長範囲の入射放射の場合の銀アイランドでは、表皮深さはおよそ３０ｎｍであり、金属アイランドの厚さは少なくとも約６０〜９０ｎｍ以上であるべきである。表皮深さは波長の長い範囲ほど大きくなり、金属毎にいくらか異なる。したがって、たとえば、金属アイランド５は約５０ｎｍ〜約２０００ｎｍ、たとえば１００ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１２０〜１８０ｎｍの厚さを有することができる。
【００６８】
第１及び第２の実施の形態の好ましい態様では、金属アイランド５、１５は自己集合によって形成され、透明基板３、１３上の複数のリッジ２１上に配置される。好ましくは、図７に示すように、複数の金属アイランド５、１５のそれぞれ１つは複数のリッジ２１の対応する１つに配置される。金属アイランド及びリッジは上述したように任意の適した形を有することができる。好ましくは、金属アイランド及びリッジは、アイランド間の開口７、１７がスリット形になるように形作られる。したがって、各金属アイランドの長さは、好ましくは、幅の少なくとも１０倍であり、各リッジの長さは、好ましくは、幅の少なくとも１０倍である。図７に示すように、複数のリッジ２１は、好ましくは、矩形の形を有する。リッジ２１は、放射透明基板３、１３の上部上の突起、放射透明基板若しくは光検出器３０２、４０２上にある放射透明層の上部上の突起、又は放射透明基板若しくは光検出器３０２、４０２上に配置される離散放射透明要素を含むことができる。したがって、基板３、１３は、単一基板（すなわち、単一層放射透明材料）を含んでもよく、又は２層以上の放射透明材料を含んでもよい。リッジ２１は、可変周期を有して第１の好ましい実施の形態の素子を形成することができる。
【００６９】
好ましくは、各金属アイランド５、１５のそれぞれは、各リッジ２１の上面２３及び各リッジ２１のそれぞれの少なくとも片面２５の少なくとも一部に延びる。最も好ましくは、金属アイランドは図８に示すように角度を付けた塗布によって形成される。この場合、金属は第１の側面２５から角度を付けて塗布されるため、各金属アイランド５、１５は、各リッジ２１の第２の側面２７よりも各リッジ２１の第１の側面２５に下がって延び、これについてはより詳細に以下に説明する。
【００７０】
本発明の代替の態様では、基板３、１３はナノ孔アレイを含む。好ましくは、基板３、１３は、放射透明基板又は光検出器上に配置された陽極酸化アルミニウムナノ孔アレイを含み、これについてはより詳細に以下に説明する。
【００７１】
本発明の好ましい態様の光学素子１、１１は、複数の金属アイランド５、１５が放射透明基板３、１３に形成される任意の適した方法により製造することができる。上述したように、金属アイランド５、１５は、好ましくは、金属がリッジ２１の間に塗布されないように複数のリッジ２１に選択的に塗布される。
【００７２】
図８は、角度を付けた塗布を利用して自己集合により金属アイランド５、１５を選択的に形成する好ましい方法を示す。この方法では、金属はリッジの上部に対して非直交方向でリッジ２１に向けられる。たとえば、リッジが平坦な上面２３を備える場合、金属はリ
ッジの平坦な上面２３に対して２０〜７０度の角度で、たとえば３０〜５０度の角度で向けることができる。
【００７３】
好ましくは、金属アイランド５、１５は、図８に示すように蒸着（熱又は電子ビーム）によりリッジ２１に塗布される。蒸着法では、金属は熱で又は電子ビームにより金属源又はターゲット３１から基板３、１３上に蒸着する。角度を付けた蒸着の場合、基板３、１３はターゲット３１に対して２０〜７０度、たとえば３０〜５０度、好ましくは４５度傾けられる。リッジ２１間のスペースは十分に小さいため、金属は角度を付けた塗布中、リッジ間に塗布されない。したがって、基板の角度シータは、リッジ２１間に金属が塗布されないようにするに十分なものであるべきである。金属アイランド５、１５はまた、他の任意の適した角度を付けた金属塗布法又は角度を付けない金属塗布法、たとえば金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、スパッタリング、及び他の適した方法等によって塗布することもできる。
【００７４】
リッジ２１は、任意の適した方法で基板３、１３上に形成することができる。好ましくは、リッジはリソグラフィを利用して製造される。最も好ましくは、リッジはフォトリソグラフィを利用して製造され、これについてより詳細に以下に説明する。しかし、リッジ２１はインプリント又はナノインデンテーションリソグラフィを利用して、たとえばリッジ付きスタンプで透明単一基板又は多層基板に刻印して透明基板に複数のリッジ及びグルーブを形成することにより製造することもできる。
【００７５】
図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃは、フォトリソグラフィを利用して透明基板（すなわち、単一基板又は多層基板）３、１３に、又は光検出器２０３上の層にリッジを形成する好ましい一方法を示す。図９Ａに示すように、フォトレジスト層４１が基板３、１３（又は光検出器２０３）の第１の表面上に形成される。「フォトレジスト層」という用語は、半導体及び他のマイクロデバイスパターニングに使用される任意の適したポジ型又はネガ型の感光層を含む。次いで、フォトレジスト層４１は放射、たとえばＵＶ又は可視光等に、又は電子ビーム等により選択的に露光される。
【００７６】
選択的な露光は、狭放射又は電子ビームをフォトレジスト層４１にわたって選択的に走査させることにより、又はホログラフィによりマスクを通して行うことができる。たとえば、図９Ｂ及び図９Ｃに示すように、フォトレジスト層は、波長分離素子の各セルに対し別個にホログラフィに露光させてもよく、又は層全体をチャープ回折格子パターンに同時に露光させてもよい。
【００７７】
ホログラフィックリソグラフィを行うために、レーザビームを２つのビームにスプリットする。次いで、２つのビームは反射して、フォトレジスト層４１上で収束する。２つのビームが収束する箇所に、強力な光の複数の平行線から構成される相互作用パターンが発生する。強力な光の平行線は、入射ビーム角を変更することで調整可能な特定の周期で発生する。光学系を変更する、たとえば光源の波長を変更し、且つ／又はフォトレジストに隣接する周囲誘電体の屈折率を変更することにより、周期のさらなる調整を実現することができる。したがって、フォトレジストは、２つのビームが収束する箇所で露光され、２つのビームが収束しない箇所では露光されない。図９Ｂに示す長さΛは、スプリットレーザビームのピーク波長を（ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２）で割ったものに等しい。但し、θ１及びθ２は、図９Ａに示すように、フォトレジスト表面の法線に対するレーザビームの角度である。
【００７８】
選択的な露光はフォトレジスト層４１に露光領域及び非露光領域を残す。ホログラフィック露光は、後に基板にスリット形リッジ及びグルーブを形成するために使用することができるスリット形露光領域及び非露光領域をフォトレジスト層４１に形成するため好ましい。
【００７９】
次いで、露光されたフォトレジスト層４１が図９Ｂに示すようにパターニングされる。フォトレジスト層４１が正のフォトレジスト層である場合、露光領域は適した溶剤によって除去され、非露光領域を図９Ｂに示すように基板３、１３上にフォトレジストパターン４３として残す。フォトレジスト層４１が負のフォトレジスト層である場合、非露光領域が適した溶剤によって除去され、露光領域がフォトレジストパターン４３として基板３、１３上に残る。
【００８０】
次いで、基板３、１３の上面が、パターニングされたフォトレジスト層４１をマスクとして使用して（すなわち、基板上に残っている露光領域又は非露光領域４３をマスクとして使用して）エッチングされてリッジが形成される。基板はウェットエッチング及び／又はドライエッチングによりパターニングすることができる。望むように他の中間処理ステップ、たとえばフォトレジストベーク、クリーニング等を付け加えることもできることに留意されたい。
【００８１】
さらに、所望であれば図９Ｄ〜図９Ｉに示すように、ハードマスク層、たとえば窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素等、又は金属層、たとえばクロム層等をフォトレジスト層４１と基板３、１３の間に必要に応じて加えることができる。図９Ｄ及び図９Ｅに示すように、ハードマスク層４２、たとえばＣｒ層が基板３、１３上に形成される。次いで、図９Ｆに示すように、フォトレジストパターン４３が任意の適した方法、たとえばホログラフィックリソグラフィ法等によりハードマスク層４２上に形成される。次いで、ハードマスク層４２がフォトレジストパターン４３をマスクとして使用してパターニングされてハードマスクパターン４４が形成され、次いでフォトレジストパターン４３が図９Ｇに示すように除去される。次いで、図９Ｈに示すように、基板３、１３はハードマスクパターン４４をマスクとして使用してパターニングされ、リッジ２１が形成される。次いで、ハードマスクパターン４４は除去される。次いで、図９Ｉに示すように、金属アイランド５が、たとえば角度を付けた塗布による等してリッジ２１上に選択的に塗布される。
【００８２】
上述した方法のパラメータの好ましい例は以下である。約４０ｎｍ厚のＣｒハードマスク層が熱蒸発により石英基板上に塗布される。この後、ハードマスク層上に約１００ｎｍ厚までＨＭＤＳ塗布及びフォトレジストスピンコーティングが続けられる。Ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔ  Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ１８０５及びＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ  Ｔｙｐｅ  Ｐ  Ｔｈｉｎｎｅｒを１：１の体積比で、スピン速度５０００ｒｐｍで使用する。次いで、フォトレジスト層にソフトベークを摂氏９５度で３０分間施した。フォトレジストをホログラフィックリソグラフィにより露光させる。ＵＶ  Ｈｅ−Ｃｄレーザ（波長３２５ｎｍ、ＣＷパワー１５ｍＷ）を露光に使用する。次いで、Ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔ３５１及び脱イオン水を１：４の体積比で使用してフォトレジスト層を現像する。次いで、現像された（すなわち、パターニングされた）フォトレジストにハードベークを摂氏１２０度で３０分間施す。
【００８３】
次いで、パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして使用してＣｒハードマスク層をエッチングする。２段階エッチングプロセスの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）システム（ＰｌａｓｍａＴｈｅｒｍ  ７９０  ＩＣＰ／ＲＩＥ）を使用してＣｒ層をエッチングする。段階１では、１０ｍＴｏｒｒ圧でＣｌ２（２０ｓｃｃｍ）＋Ｏ２（１０ｓｃｃｍ）、ＲＩＥパワー２５Ｗ、及びＩＣＰパワー１００Ｗを３０秒間使用する。段階２では、１０ｍＴｏｒｒ圧でＣｌ２（２４ｓｃｃｍ）＋Ｏ２（６ｓｃｃｍ）、ＲＩＥパワー１０Ｗ、及びＩＣＰパワー１００Ｗを７分間使用する。
【００８４】
次いで、パターニングされたハードマスク層をマスクとして使用して石英基板をパター
ニングする。１５ｍＴｏｒｒでＣＦ４（３７ｓｃｃｍ）＋Ｏ２（４ｓｃｃｍ）、ＲＩＥパワー１００Ｗ、及びＩＣＰパワー１５０Ｗを１２分間使用するＲＩＥにより石英基板をエッチングする。その後、ＮａＯＨ＋Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６＋Ｈ２Ｏ溶液での化学エッチングにより、残っているＣｒハードマスクを除去する。次いで、メサエッチングされた基板上に、角度を付けた塗布を利用してＡｇアイランドを塗布する。Ａｇアイランドは、傾斜角４５度でベースプレッシャー１０−５ＴｏｒｒでＡｇ源の熱蒸発を利用して様々な厚さまで塗布される。ホログラフィパターニングされメサエッチングされた基板が製造されると、これを、パターンを規定する度又は移す度に別個の光学プロセス又は電子リソグラフィプロセスがいずれも関わることなく、基板上にアレイパターンをナノインプリントする際の種型として利用することができる。
【００８５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、フォトリソグラフィ及びナノ孔アレイを使用して透明基板（すなわち、単一基板又は多層基板）３、１３内又は光検出器２０３上にリッジを形成する別の好ましい方法を示す。ナノ孔アレイを形成する例示的な一方法が、Z. Sun及びH. K. Kim、Appl. Phys. Lett., 81(18)(2002)3458に記載されている。
【００８６】
まず、図１０Ａに示すように、回折格子の形のフォトレジストパターン４３を、上述し図９Ａ及び図９Ｂに示すものと同様にして基板３、１３上又は光検出器２０３上に形成する。フォトレジストパターンは、ホログラフィック又は非ホログラフィックリソグラフィにより形成することができる。フォトレジストパターン４３を形成した後、基板３、１３をエッチングして、回折格子パターンを基板に移して図７に示すリッジ２１を形成することができ、この後、フォトレジストパターン４３を除去する。別法として、基板エッチングステップ及びフォトレジストパターン除去ステップを省いてよい。
【００８７】
図１０Ｂに示すように、陽極酸化可能な金属層５１を、リッジが存在する場合にはリッジ２１上に、フォトレジストパターンがまだ除去されていない場合にはフォトレジストパターン４３上に共形的に塗布する。共形的に塗布された金属層５１は、図１０Ｂに示すように、土台の基板の回折格子パターン又はフォトレジストパターンを呈する。換言すれば、金属層５１は、基板３、１３の回折格子パターンが第１の金属層５１の上面に移されるように回折格子がパターニングされた透明基板（すなわち、リッジ付き基板又はパターニングされたフォトレジスト４３で覆われた基板）上に形成される。
【００８８】
金属層５１は、陽極的に陽極酸化（anodically anodized）することができる任意の適した金属、たとえばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、及びこれらの合金を含むことができる。金属層５１は任意の適した方法、たとえばスパッタリング、ＭＯＣＶＤ、蒸発（熱又は電子ビーム）、ＭＢＥ等により塗布することができる。金属層５１は任意の適した厚さ、たとえば１００〜１０００ｎｍ、好ましくは３５０〜４００ｎｍを有することができる。金属層５１の上面のコルゲーション（corrugation）深さは、好ましくは、基板又はフォトレジストパターンのコルゲーション深さとおおよそ同じである。好ましくは、金属層５１のコルゲーション深さは約２０〜約３００ｎｍ、たとえば約８０〜１００ｎｍである。
【００８９】
次いで、金属層５１を任意の適した方法で陽極酸化する。たとえば、シリカ基板３、１３上のＡｌ層５１を室温で、白金線を対向電極として使用して希釈電解液（体積比で１Ｈ３ＰＯ４＋８００Ｈ２Ｏ）中で陽極酸化することができる。好ましくは、陽極酸化を一定電圧モードで約４０分間行う。陽極電圧は、所期の孔距離が回折格子周期に合致するようなものが選択され、たとえば３５０ナノメートル回折格子周期の場合には１４０ボルトが選択される。自然に形成されたアルミナ孔アレイでは、孔間隔は陽極酸化電圧に比例する。すなわち、約２．５ｎｍ／Ｖである。電圧は、金属層の異なる部分を陽極酸化する際に可変であり、可変周期の孔を形成する。陽極酸化後、好ましくは、試料をリン酸（水で１：３の体積比に希釈）で１〜２分間処理する。図１０Ｃは、アルミニウム層５１が陽極酸化により酸化アルミニウムに変化した場合の回折格子パターニングされたアルミニウム層５１で成長したナノ孔層５３の電子顕微鏡写真である。得られるアルミナ孔は均一の深さ、たとえば約１００〜２０００ｎｍ、好ましくは約３００〜４００ｎｍを示し、孔の底は窪んだ半球形を有し、バリアの厚さは約１００〜３００ｎｍ、たとえば１５０〜２００ｎｍである。好ましい孔径は約５〜１００ｎｍ、たとえば５〜１０ｎｍである。ナノ孔は、酸化陽極により酸化した金属層５１の上面の回折格子パターンにトラフを選択的に形成する。
【００９０】
ナノ孔アレイ５３、たとえば図１０Ｃに示すアレイを形成した後、金属アイランド５、１５を図１０Ｄに示すようにナノ孔に選択的に成長させる。酸化金属層のナノ孔内に金属アイランドを選択的に成長させる好ましい一方法は、図１０Ｅに示す電気めっき法である。ナノ孔アレイ５３は導電性又は半導電性基板６３上に形成される。基板６３は金属層、たとえば陽極酸化されていない金属層等、又はドープ半導体層、たとえばケイ素、ガリウムヒ素、又は窒化ガリウム等を含むことができる。基板６３は、素子１、１１に使用される放射透明基板３、１３、又は放射に対して透明若しくは非透明の一時的な基板を含むことができる。次いで、基板６３及びアレイ５３を、液体金属６７を含む電気めっき槽６５中に提供する。電位差（すなわち、電圧）を基板６３とアレイ５３の間に印加する。アレイ５３はナノ孔５７下の領域５５がより薄いため、これら領域５５に電圧勾配が存在する。これにより、金属６７は槽６５からナノ孔５７に選択的に塗布する。所望であれば、電気めっき法を使用してナノ孔５７を槽６５からの金属６７で選択的に充填することができる。金属６７は、上述したプラズモン増強効果を示し、電着により酸化金属孔に塗布することができる任意の金属、たとえばＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、及びこれらの合金等であることができる。したがって、ナノ孔５７に電気めっき金属６７を充填することによりアイランド５、１５を形成する。ナノ孔を電気めっき金属で充填することにより、モノクロメータ及び画像解析器用途に適し、図２Ｃに示す構造と相補型の構造を有する金属アイランドアレイを形成することができる。
【００９１】
本発明の代替の好ましい態様では、ナノ孔５７は電気めっきステップ中に金属６７で途中までしか充填されない。この場合、金属６７は、選択的な金属蒸着の触媒として機能することができる任意の金属であることができる。たとえば、金属６７はＡｕであることができる。次いで、触媒金属６７がナノ孔５７の底に形成されたアレイ５３を金属蒸着チャンバ、たとえば化学蒸着チャンバ等に移す。次いで、選択的蒸着により金属アイランド５、１５を触媒金属６７上に選択的に成長させる。金属アイランド５、１５は、上述したプラズモン増強効果を示し、触媒金属６７上に選択的に塗布することができるがナノ孔アレイ５３の酸化金属壁には塗布することができない任意の金属を含むことができる。たとえば、この金属はＡｌ又はＡｇを含むことができる。
【００９２】
ナノ孔アレイ５３が一時的な基板６３上に形成される場合、金属アイランド５、１５をアレイ５３に形成する前、又は形成した後に一時的な基板をアレイ６３から除去することができる。一時的な基板は、基板の選択的なエッチング、研磨、又は化学機械的研磨により、一時的な基板６３とアレイ５３の間にあるリリース層（明確にするために図示せず）の選択的エッチング、又はアレイ５３から基板６３を剥離することにより除去することができる。剥離の場合、１つ又は複数の剥離層を基板６３とアレイ５３の間に配置することができる。剥離層（複数可）は、互いに、又はアレイ及び／又は基板から機械的に分けることができるような低接着性及び／又は強度を有する。次いで、金属アイランド５、１５をアレイ上に形成する前、又は形成した後に透明基板３、１３又は光検出器２０３をアレイ５３上に、一時的な基板６３があった場所からアレイ５３の同じ側及び／又は反対側に取り付ける。
【００９３】
本発明の代替の好ましい態様では、ナノ孔アレイのリッジ上に、角度を付けて金属を塗
布することにより複数の開口を有する金属膜、たとえば図２Ｃに示す金属膜を形成する。角度付けた塗布方法については上述し、図８に示した。本発明の別の代替の態様では、金属層が、金属が孔の中に延在するようにナノ孔アレイ上に塗布され、次いで金属層を化学機械的研磨又はエッチングしてナノ孔アレイの上部を再び露出させる。研磨又はエッチングにより再び露出させるステップは、酸化金属ナノ孔アレイ透明領域で隔てられた離散金属アイランドをナノ孔に残す。
【００９４】
本発明の別の代替の態様では、ナノ孔アレイは、最初に基板３、１３をパターニングすることなく、すなわちフォトレジストパターン４３を形成することなく形成される。この態様では、金属層５１、たとえばＡｌ層、Ｔａ層、Ｔｉ層、又はＮｂ層等を、パターニングされていない基板又は光検出器２０３上に塗布する。次いで、任意の適した方法により金属層５１に起伏を形成する。たとえば、金属層の選択的なレーザアブレーションにより、ナノインデンテーション又はナノインプリントにより、又はフォトリソグラフィにより（すなわち、フォトレジストパターンを金属層に形成し、次いでパターンをマスクとして使用して金属層をエッチングし、フォトレジストパターンを除去することにより）起伏を形成することができる。好ましくは、ホログラフィックフォトリソグラフィを使用して金属層５１をパターニングし、一時的な窒化ケイ素、酸化ケイ素、又は酸窒化ケイ素のハードマスクをフォトレジストと金属層５１の間に使用する。次いで、金属層５１を上述したように陽極酸化する。
【００９５】
図１１は、テンプレートナノ孔アレイを使用して金属アイランドを形成する代替の方法を示す。図１１Ａに示すように、上述し図１０Ａ〜図１０Ｃに示した方法を使用して基板６３上の酸化金属ナノ孔アレイ５３を形成する。次いで、図１１Ｂに示すように共形テンプレート材料７１をアレイ６３上に塗布する。共形テンプレート材料７１は、アレイ５３のナノ孔５７を共形的に充填することができる任意の材料を含むことができる。たとえば、共形テンプレート材料７１は酸化ケイ素、窒化ケイ素、ガラス遷移温度を超えて加熱されたガラス、ＣＶＤリン珪酸ガラス又はホウ素燐ケイ酸ガラス（それぞれＰＳＧ又はＢＰＳＧ）、スピンオンガラス、又は高分子材料を含むことができる。所望であれば、共形テンプレート材料は透明基板３、１３のすべて又は一部を含むことができる。
【００９６】
次いで、図１１Ｃに示すように、共形テンプレート材料７１をナノ孔アレイ５３から除去する。共形テンプレート材料７１は、アレイのナノ孔５７中にそれまで延在していたリッジ７３を含む。次いで、金属アイランド５、１５を、電気めっき法を使用して共形テンプレート材料７１のリッジ７３間の孔７５の中に、又は上述した角度付けた塗布方法を使用してリッジ７３上に選択的に塗布する。共形テンプレート材料７１が透明基板３、１３材料である場合、プロセスはこのポイントで終わる。共形テンプレート材料７１が透明基板３、１３ではない場合、共形テンプレート材料７１を任意の適した方法、たとえば選択的エッチング、研磨、又は化学機械研磨等により金属アイランド５、１５から分ける。材料７１を除去する前又は除去した後に、金属アイランド５、１５を透明基板３、１３に取り付ける。
【００９７】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、基板又は光検出器２０３上にリッジを使用することなく、またナノ孔アレイを使用することなく金属アイランド５、１５を形成する代替の方法を示す。この方法では、金属層８１を図１２Ａに示すように基板３、１３上に形成する。基板３、１３は上面に形体又は平坦な上面を含むことができる。次いで、金属層８１を図１２Ｂに示すように複数の金属アイランド５、１５中にパターニングする。金属層８１は上述したようにリソグラフィでパターニングすることができる。したがって、フォトレジスト層４１が金属層８１の第１の面上に形成される。フォトレジスト層を選択的に露光して露光領域及び非露光領域を形成する。露光されたフォトレジスト層をパターン４３にパターニングし、パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして金属層をエッチングして複数のアイランド５、１５にする。
【００９８】
フォトレジスト層はホログラフィ的に、又は非ホログラフィ的に露光することができる。所望であれば、取捨選択的に、上述した一時的なハードマスク層を金属層８１とフォトレジストの間に形成することができる。別法として、フォトリソグラフィに代えて選択的なレーザアブレーション又は他の非フォトリソグラフィ方法により金属層をパターニングすることができる。
【００９９】
図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃは金属アイランド５、１５を形成する代替の剥離方法を示す。この方法でも基板上又はナノ孔アレイ上にリッジを使用する必要がない。この方法では、図１３Ａに示すようにフォトレジスト層４１を基板３、１３又は光検出器２０３上に形成する。基板３、１３は上面に形体を含んでもよく、又は平坦な上面を含んでもよい。フォトレジスト層を選択的に露光して露光領域及び非露光領域を形成する。フォトレジスト層への露光はホログラフィであってもよく、又はホログラフィでなくてもよい。
【０１００】
次いで、露光されたフォトレジスト層４１をパターニングしてフォトレジストパターン４３、基板３、１３の上面の露出部分を形成する。図１３Ｂに示すように、金属層８１をフォトレジストパターン４３上及び基板３、１３の上面の露出部分上に形成する。
【０１０１】
次いで、図１３Ｃに示すように、選択的エッチング又は他の適した剥離技法等によりフォトレジストパターン４３を剥離する。フォトレジストパターン４３上にある金属層８１の部分はパターン４３と共に剥離され、複数の金属アイランド５、１５が基板３、１３の上面に残る。
【０１０２】
光学素子１、１１の通過帯域特性をさらに向上させるために、図１４に示すように、金属膜又は金属アイランド層９１、９３の３次元積層構造を使用することができる。２個の単層１Ｄ光学素子９１、９３を回折格子線（すなわち、スリット形透明領域）９７が互いに略平行し、且つ遠距離場領域（far-field regime）において面間にスペースがある状態で対面させて垂直に重ねる。但し、遠距離場領域は、入射光又は入射放射の波長の約３〜５倍大きいスペースを含む。透明領域９７を、それでもなお両方の層を通して放射を透過させる量だけ互いにわずかにずらすことができる。次いで、２つの金属膜又はアイランド層が遠距離場領域で相互作用するものと予期され、したがって全体透過は基本的に２つの透過プロファイルの積になる。これにより、低強度側のピーク及び背景透過が抑圧されるとともに、主ピークの幅が狭まる。全体的に、３次元積層構造の金属膜又は金属アイランド層の使用により、光学フィルタアレイの帯域通過特性が向上する。
【０１０３】
本発明者等は、局在表面プラズモン（ＳＰ）共鳴が、金属アイランド又は金属膜の間で一方向に位置合わせされたスリット形透明領域のアレイ中の金属アイランド又は金属膜で発生し得るが、金属膜の非スリット形アパーチャのアレイでは発生し得ないことも発見した。放射の透過は、金属膜中の非スリット形アパーチャアレイを通してよりも金属アイランド間又は金属膜中のスリット形透明領域アレイを通してのほうが高い。
【０１０４】
さらに、本発明者等は、金属アイランド間のスリット形透明領域アレイにおいて、スリット形透明領域の幅及び金属アイランドの高さ（すなわち、厚さ）によりこれらアレイの透過特性が決まることを発見した。特定の理論に縛られることを望まずに、本発明者等は、局在ＳＰ共鳴がこの効果の要因であるものと信じる。透明領域の幅が好ましい範囲内である場合、主通過帯域波長での高い透過及び長波長範囲での低い透過を実現することができる。好ましい範囲は、金属アイランドのＳＰ場の侵入深さの約１〜約３倍である。最も好ましくは、幅は３０ｎｍよりも大きく、且つ１００ｎｍ未満である。この範囲は可視スペクトル光に好ましく、より長い波長領域の場合、好ましいスリット幅はそれに比例して広くなる。１Ｄ金属アイランド／スリット形透明領域アレイのこの特性は、波長分離素子のスペクトル特性を設計し、且つ／又は創り出すに当たって使用することができる。これとは対照的に、透明領域の幅がこの好ましい範囲を超える場合、主通過帯域波長及び長波長範囲での透過は高い。透明領域の幅がこの好ましい範囲を下回る場合、主通過帯域波長及び長波長範囲での透過量は極めて低くなる。
【０１０５】
特定の理論に縛られることを望まずに、本発明者等は、２種の表面プラズモン励起が、金属アイランド間又は金属膜中のスリット形透明領域を透過する放射の特性の要因であるものと信じる。すなわち、１）金属／空気界面又は金属／基板界面のいずれかを含む平面に沿ったＳＰ共鳴、及び２）スリット形透明領域によって隔てられた各金属アイランドを囲む表面（すなわち、金属アイランドの側壁又は金属膜中の透明領域の側壁）に沿って局在するＳＰ共鳴。
【０１０６】
本発明者等はまた、ピーク透過が、素子の、局在ＳＰ共鳴が金属／基板表面でのプラズモン共鳴からわずかにずれている箇所で発生するものと信じる。この場合、かかる素子では、長波長透過量が低いが、その一方で主通過帯域透過量が高いままであるものと予期される。さらに、金属アイランド又は金属膜の高さ（すなわち、厚さ）は主通過帯域ピークの幅に影響する。一般に、主通過帯域ピークの幅は、金属アイランド又は金属膜の厚さが低減するにつれて狭まる。素子は理想的には１つのピーク波長に１つの通過帯域を含むことに留意されたい。しかし、素子は２つ以上のピーク波長を有する２つ以上の通過帯域を含み得る。
【０１０７】
本発明のいくつかの態様では、金属膜中のサブ波長アパーチャ（複数可）に代えて、サブ波長放射透明領域により隔てられた金属アイランドを放射のプラズモン増強透過に使用することができる。好ましくは、金属アイランドはリソグラフィ及び／又は自己集合を使用して形成され、光学素子の処理を簡易化するとともに、精度を高める。
【０１０８】
本発明の好ましい一態様では、放射透明領域により離間された金属アイランドは自己集合により形成される。換言すれば、金属膜を形成して膜をパターニングして金属アイランドにするのではなく、離間された金属アイランドは、最初に、パターニングされていない金属膜の一部であることなく同時に又は順次形成される。金属アイランドは、互いに結び付いていない離散金属アイランド（すなわち、金属アイランドは互いに直接接しない）又は光学素子の外周領域で互いに結び付いた金属アイランドを含むことができる。
【０１０９】
別の好ましい態様では、金属アイランドは、金属膜をパターニングしてアイランドにすることにより形成される離散アイランドを含む。好ましくは、アイランドはリソグラフィ法を使用してパターニングされる。
【０１１０】
図１９Ａは、放射透明基板３及び基板３上に複数の金属アイランド５を備えた表面プラズモン共鳴光学素子１を示す。金属アイランド５は複数の放射透明領域７により隔てられる。図１９Ｂは、線Ａ−Ａ’に沿った素子１の側面断面図を示す。
【０１１１】
任意の適した材料を基板３及び金属アイランド５に使用することができる。たとえば、任意の放射透明材料（すなわち、可視光、ＵＶ、及びＩＲ透明材料）を基板材料として使用することができる。たとえば、基板３はガラス、石英、セラミック、プラスチック、又は半導体材料を含むことができる。基板３は複数の膜若しくは層、又は単一体を含むことができる。
【０１１２】
表面プラズモン共鳴効果を示す任意の材料（すなわち、イプシロンが負の材料）を金属アイランド５の材料として使用することができる。たとえば、バルクプラズモン周波数約
９〜１０ｅＶを示す、銀、金、銅、アルミニウム、及びこれらの合金等の金属が金属アイランド材料として好ましい。
【０１１３】
隣の金属アイランド５とは、素子１に提供する入射放射の少なくとも１つの所定の第１の波長未満の間隔９で隔てられる。好ましくは、この間隔は１００ｎｍ未満であり、たとえば４０〜６０ｎｍである。この範囲は可視スペクトル光に好ましく、波長領域が長くなるほど、好ましい間隔はそれに比例して広くなる。金属アイランド５は、入射放射が金属アイランド上の表面プラズモンモードと共鳴し、それによって複数の金属アイランド間での放射の透過が増強するように構成される。好ましくは、透過される放射は、表面プラズモン共鳴により透過が増強される少なくとも１つのピーク波長を有する。
【０１１４】
任意の適した放射を入射放射として使用することができる。たとえば、入射放射は可視光放射、ＵＶ放射、又はＩＲ放射を含むことができる。入射放射は、波長分布の狭い放射、たとえばピーク波長を有しピーク波長の前後に狭い帯域幅を有する放射等、及び波長分布の広い放射、たとえば白色光等を含むことができる。たとえば、金属アイランドのプラズモン波長よりも大きな波長を有する放射を使用することができる。たとえば、銀アイランドの場合、プラズモン波長は約３５０ｎｍである。したがって、約３５０ｎｍ〜マイクロ波波長を範囲とする波長を有する放射を使用することができる。ケイ素光検出器を使用して放射を検出する場合、好ましい入射放射波長の範囲は約３５０ｎｍ〜約１１００ｎｍである。
【０１１５】
好ましくは、ピーク波長が７００ｎｍ未満、たとえば４００ｎｍ〜７００ｎｍ（すなわち、可視光）の放射を入射放射として使用する。この場合、金属アイランド５の離間間隔９は７００ｎｍ以下、たとえば１５〜２００ｎｍであり、好ましくは４０〜６０ｎｍである。
【０１１６】
金属アイランド５は、アイランド５自体が放射に対して不透明であるが、領域７を通してプラズモン増強放射透過を生成するような任意の適した厚さを有することができる。好ましくは、金属アイランドの厚さは金属の表皮深さの少なくとも２倍又は３倍であるべきである。入射放射が可視波長範囲の場合の銀アイランドでは、表皮深さはおよそ３０ｎｍであり、金属アイランドの厚さは少なくとも約６０〜９０ｎｍ以上であるべきである。より長い波長範囲の場合、表皮深さは厚くなり、金属毎にいくらか異なる。したがって、たとえば、金属アイランド５は約５０ｎｍ〜約２０００ｎｍの厚さ、たとえば１００ｎｍ〜４００ｎｍの厚さを有することができ、好ましくは１２０〜１８０ｎｍの厚さを有することができる。
【０１１７】
本発明の一つの実施の形態では、透過放射のプラズモン増強は、金属アイランド間の透明領域７の周期又は間隔により発生する。たとえば、図１９Ａに示すように、複数の金属アイランドは幅１０を有し、それにより、アイランド５の幅１０に透明領域の幅９を加えたものに等しい周期ａ０を有する透明領域アレイを複数の金属アイランド間に形成する。透明領域７の周期ａ０は、プラズモン共鳴による放射透過増強のために素子１の照射に使用する入射放射の波長（複数可）に基づいて選択される。好ましくは、透明領域の周期ａ０は、透明領域７の幅の約３〜１０倍、たとえば５〜６倍である。したがって、透明領域７の幅９が、可視光入射に好ましい約３０〜１００ｎｍである場合、周期ａ０は約２００ｎｍ〜約７８０ｎｍ、たとえば２００ｎｍ〜７００ｎｍであり、たとえば約３７０ｎｍ〜約７００ｎｍである。しかし、周期ａ０は約６０ｎｍ〜約２ミクロン、たとえば０．１〜１．８ミクロンの範囲であることができる。
【０１１８】
図１９Ａに示すように、透明領域７はスリット形である。これらスリットは幅９よりもかなり長い長さを有する。好ましくは、長さは幅９の少なくとも１０倍である。しかし、
透明領域７はスリット形に代えて、放射のプラズモン増強透過をもたらす他の任意の適した形を有することができる。
【０１１９】
特定の理論に縛られることを望まずに、本発明者等は、２種の表面プラズモン励起が、金属アイランド間のスリット形透明領域を透過する放射の特性の要因であるものと信じる。すなわち、１）金属／空気界面又は金属／基板界面のいずれかを含む平面に沿ったＳＰ共鳴、及び２）スリット形透明領域によって隔てられた各金属アイランドを囲む表面（すなわち、金属アイランドの側壁）に沿って局在するＳＰ共鳴。
【０１２０】
図２０Ａは、より詳細に以下に説明する例１及び例２により製造された素子の透過スペクトルを示す。素子は、回折格子周期３７０ｎｍを有する金属アイランドを備える。例１の素子は、透明領域７の最小（すなわち、最も狭いポイントでの幅）幅が約５０〜１００ｎｍである１２０ｎｍ厚Ａｇアイランドを含む。例２の素子は、透明領域７の最小幅が約３０ｎｍである１２０ｎｍ厚Ａｇアイランドを含む。素子の光学透過はスペクトル範囲３５０〜１７５０ｎｍで測定される。非偏光白色光源に接続されたマルチモードファイバ（コア径６２．５μｍ及び開口数０．２０）からのビームを通常通り基板側から金属アイランドアレイに入射させる。アレイを通る零次透過を、Ａｇ層表面近傍に配置された別のマルチモードファイバで収集し（３〜５μｍギャップを有する）、次いで光学スペクトル解析器で特徴付ける。透過測定を、同じメサエッチング処理された石英構造を有するが、Ａｇ層のないダミー試料を用いて繰り返す。次いで、実試料から得られたスペクトルをダミーからのスペクトルで割るという、測定透過スペクトルに対する、メサエッチング処理された石英基板構造及び光ファイバに伴う影響を除去（又は軽減）するように設計されたプロセスにより、アレイを通る透過を計算する。
【０１２１】
図２０Ａに示すように、１２０ｎｍ厚及び２００ｎｍ厚の金属アイランドアレイからそれぞれおよそ３０％及び１５％のピーク透過率が観察される。入射ビームが偏光されておらず、ＴＥ偏光成分がスリット形透明領域を有するアレイを透過しないことを考慮して、ＴＭ偏光の場合の最大透過率はおよそ６０％であると推定される。これは約５００％透過効率に相当し、スリットを透過した光学パワーをスリットエリア上に衝突した入射パワーで割ったものとして定義される。
【０１２２】
図２０Ａに示すように、Ａｇアイランドの厚さが１２０ｎｍから２００ｎｍに増大すると、主ピーク（すなわち、主通過帯域波長範囲に対応するピーク）が６６０ｎｍから６９０ｎｍにシフトする。Ａｇの厚さが増大することに伴ってピーク幅も顕著に増大する。透過スペクトルのこれら特性、すなわち主ピークの赤方偏移及びピーク幅の増大は、主ピークがまず青方偏移するとともにピーク幅が狭まり、次いで金属厚がさらに増大するとピーク位置及び幅が一定になる金属膜中の２Ｄアパーチャアレイでの透過スペクトルの特性の逆である。
【０１２３】
２Ｄアパーチャアレイを通る光透過の分析研究では、青方偏移を示す初期領域は、金属層の上面及び底面での２つの表面プラズモンのエバネッセント結合によりモデリングされ、第２の領域は切り離されたＳＰＳによりモデリングされる。
【０１２４】
これとは対照的に、スリット形透明領域中の伝搬モードは、スリット形透明領域アレイを通る光透過に少なくとも部分的に寄与するものと信じられる。１Ｄアレイ光透過特性と２Ｄアレイ光透過特性の明確な相違は、スリット形透明領域を通しての光透過に関わるメカニズムは、膜中のアパーチャを通しての光透過に関わるものと異なることを強く示唆している。
【０１２５】
図２０Ａ中の透過スペクトルは３つの大きな降下を示す。およそ５８０ｎｍでの最小透
過ポイントは、金属アイランドの厚さが異なっても略同じ位置に留まる傾向があるが、厳密な位置は近傍ピークとの重複により分解することができない。この金属厚への鈍感性は、この最小透過ポイントで発生する現象が、主に金属の上面又は底面との光の相互作用を含むが、金属アイランドの側壁との光の相互作用を含まないことを示唆する。各金属アイランドの金属／基板界面を含む平面に沿ったＳＰ共鳴は、式：
【０１２６】
【数１】
2007501391.tif 000003
【０１２７】
を使用する計算に基づいて６００ｎｍ波長の光で発生するものと予期される。
【０１２８】
式中、Ｌは回折格子周期であり、ｍはＳＰ結合に関わる回折格子ベクトルの次元であり、εｍ及びεｄは金属及び隣接する誘電体（すなわち、この場合では石英基板）の誘電率である。ｍ＝１で計算されたこの数は、図２０Ａにおいて観察される最小に程よく合致する。同様に、およそ４３０ｎｍでの透過最小も、上記式により４３０ｎｍで発生すると予期される空気／金属界面でのＳＰ共鳴によく対応するが、厳密な位置は、金属アイランドがかなり透明であるバルクプラズモン波長（約３６０ｎｍ）と重複するためはっきりと分解することができない。
【０１２９】
１２０ｎｍ厚Ａｇ金属アイランドを有する試料はおよそ８００ｎｍで大きくはっきり明確な降下を示し、これは金属／基板界面に関連する透過最小のものよりもはるかに長い波長に対応することにも留意されたい。スリット形透明領域構造は伝搬モード（すなわち、金属アイランド側壁に沿った垂直ＳＰ）を可能にすることを考慮すると、これらアイランドの側壁を介して金属アイランドの上面及び底面上のＳＰ波を互いに結合することが可能である。この場合、以下の条件を閉ループに沿って満たす場合、
【０１３０】
【数２】
2007501391.tif 000004
【０１３１】
ＳＰはアイランドの表面、すなわち金属断面の外周に沿って共鳴するものと予期される。
【０１３２】
式中、ｍは整数であり、ＫＳＰはＳＰ波ベクトルであり、
【０１３３】
【数３】
2007501391.tif 000005
【０１３４】
として表すことができる。式中、λは入射光の自由空間波長である。金属断面の外周に沿って、ＳＰ波ベクトルＫＳＰの大きさは金属と相互作用する誘電材料に応じて、すなわちこの場合では空気であるかそれとも石英であるかに応じて変化する。金属断面の不規則な幾何学的形状により、近似を用いて金属アイランドの外周に沿った総相変化を計算することができる。均質な誘電体に囲まれた、半径ｒ０を有する円形断面という単純な幾何学的形状を仮定すると、式２での共鳴条件はＫＳＰｒ０＝ｍに減る。ｒ０＝１１０ｎｍ及び金属外周の３０％がシリカとの界面であり、残りが空気との界面であるという近似の場合、共鳴波長は双極共鳴の場合、すなわちｍ＝１の場合に８２０ｎｍと計算される。この数は、図２０Ａに示す１２０ｎｍ厚Ａｇアイランドを有する試料の透過率降下（８００ｎｍ）の位置にぴったりと合致する。最小透過ポイントは、金属アイランドの厚さが増大するにつれてより長い波長に向かってシフトする。この挙動もまた上述した共鳴条件に一致する。この表面プラズモン共鳴は各金属アイランドにおいて高度に局在化された現象であり、金属アイランドアレイの上面又は底面のいずれかを含む平面に沿って発生するＳＰ共鳴と異なることに留意することが重要である。
【０１３５】
Ｈｅ−Ｎｅレーザを使用しての固定波長（６３３ｎｍ）での透過率及び反射率の両方の角度依存性を図２０Ｂに示す。透過率及び反射率は、１２０ｎｍ厚Ａｇアイランドを有する１Ｄアレイ試料の場合に６３３ｎｍ波長（ＴＭ偏光）での入射角の関数として測定される。図２０Ａ及び図２０Ｂに示す結果は、図２０Ａ中の３つの大きな透過最小が、金属表面の異なるセクションに関わるＳＰ共鳴によるものであり得ることを示唆する。この波長でのＴＭ偏光された光の場合、透過スペクトルは、入射角が４５度のときに最小を示す（図２０Ｂ中の破線曲線）。この角度位置は、金属／基板界面を含む平面でのＳＰ励起の場合の条件、すなわち、ＫＳＰ＝Ｋ０ｓｉｎθ±ｍＫｇから計算される値（４３度）によく合致する。式中、ｋ０は入射ビームの波ベクトルであり、θは基板の法線から測定される入射角であり、Ｋｇは回折格子ベクトルである。反射スペクトル（実線曲線）は、同じ入射角で鋭いピークプロファイル（半値全幅２〜３度）を有する最大を示す。入射パワーと透過され反射されたパワーとの差として計算される電力損失は、ＳＰ共鳴ポイントにおいて最小である。この結果は、ＳＰ共鳴ポイントの近傍で発生する、回折に関連するウッドの異常回折（Wood's anomaly）によるものであり得る可能性があるが、ＳＰ共鳴がこの透過／反射異常において主要な役割を果たしている可能性のほうが高い。
【０１３６】
したがって、特定の理論に縛られることを望まずに、本発明者等は、表面プラズモン共鳴が、金属アイランドアレイとの２つの異なる相互作用モードを含む、観察された透過最小の要因であるものと信じる。すなわち、１）金属／空気界面又は金属／基板界面のいずれかを含む平面に沿ったＳＰ共鳴、及び２）スリット形透明領域によって隔てられた各金属アイランドを囲む表面（すなわち、金属アイランドの側壁）に沿って局在するＳＰ共鳴。これら共鳴ポイントでは、金属表面に沿った正味電力流はほとんど又はまったくなく、したがってスリット形透明領域への入射パワーのじょうご現象はほとんど又はまったくない。そして、入射パワーは、パワーを大きく失うことなく金属表面から強く反射して戻る。比較的薄い金属アイランドの場合、アレイを通るピーク（すなわち、通過帯域）透過は、金属表面に沿った正味電力流がスリット領域にじょうごに注ぎ込まれるようにして入り、次いで伝搬透過ビームを形成する放射モードに分かれるようにＳＰ励起が共鳴ポイントからずれていることによるものであると信じられる。したがって、金属アイランドに局在するＳＰの共鳴ポイントは、金属アイランドの厚さ及び／又は透明領域の幅を選択することにより回折格子周期から独立して調整することができ、以下に説明するようにアレイの透過特性を調整するために使用することができる。
【０１３７】
金属アイランドアレイを通る放射の透過特性に対する透明領域７の幅９の影響についてこれより説明する。本発明者等は、高い選択性を有する帯域通過フィルタの場合、透明領域の幅は、入射放射が空気／金属アイランド界面から金属アイランド上に向けられる場合に、金属アイランドのＳＰ場の侵入深さ又は表皮深さの約１〜３倍で変化すべきであるものと判断した。
【０１３８】
本発明者等は、ピーク透過が、ＳＰ共鳴が金属／基板表面でのＳＰ共鳴からわずかにずれている状況に対応するものと信じる。そして、各金属アイランドに局在する表面プラズ
モンは、透明領域の幅が減じられるとトンネルプロセスを介して互いに結合するものと予期される。近傍アイランドでの表面プラズモン間の結合は、スリット形透明領域にわたるＳＰ場の重複の程度に応じるものと予期され、これは、透明領域の幅と比較したＳＰ場の空間広がり（すなわち、ギャップサイズ）により決まる。
【０１３９】
ＳＰ場の表皮深さ又は侵入深さは、H. Raether, Surface Plasmons (Springer-Verlag,
New York, NY, 1988) page 6から以下のように表される。
【０１４０】
【数４】
2007501391.tif 000006
【０１４１】
式中、λは光の自由空間波長であり、ε’ｍは金属の誘電率の実数部であり、εｄは金属に隣接する媒質の誘電率である。場の強さは表面でのピーク値から１／ｅだけ減衰する。したがって、侵入深さは波長及び放射が透過する材料の両方に依存する。
【０１４２】
強結合が金属アイランド間で発生すると、金属アイランドは表面プラズモン振動の観点から仮想的に結び付く（ギャップに関わらず）。透明領域を通るＳＰの伝搬は最終的にブロックされ、透過スペクトルは、透明領域を有さない金属のものと同様のプロファイルを示す。したがって、金属アイランドアレイは、透明領域の幅が金属アイランドのＳＰ場の侵入深さの約１〜約３倍の範囲内にある場合、長波長透過を抑圧しながら主（通過帯域）透過を高く保つことにより狭帯域通過フィルタとして機能するものと予期される。
【０１４３】
金属アイランドアレイを通る放射の透過特性に対する金属アイランドの厚さの影響についてこれより説明する。主通過帯域ピークの幅は、金属アイランドの厚さの低減に伴って狭まる。
【０１４４】
主通過帯域ピーク幅は基本的に、ピーク前後の２つの透過降下、すなわち金属／誘電体界面でのＳＰの共鳴波長と金属アイランドに局在するＳＰの共鳴波長の隔たりによって決まる。前者の波長は大方、回折格子自体によって決まるが、後者は、基本的に金属アイランドの断面の外周を含む他のメカニズムにより左右される。金属アイランドの横寸法を回折格子周期近くに保ちながら（良好な帯域通過特性を実現するために、回折格子周期よりも表皮深さの長さ約１〜３つ分短い）、金属アイランドの縦寸法（すなわち、厚さ）は総外周を調整するために可変である。アイランドの厚さの変化により、局在ＳＰの共鳴波長、ひいては通過帯域幅が変化する。したがって、厚みの薄い金属アイランドを使用すると、通過帯域幅が狭くなる。
【０１４５】
この実施の形態の金属アイランドアレイの通過帯域特性の例を図２０Ａ及び図２０Ｃに示す。図２０Ｃは、厚さが１８０ｎｍ（すなわち、スペクトルを図２０Ａに示す１２０ｎｍ厚Ａｇアイランドと２００ｎｍ厚Ａｇアイランドの中間）の銀金属アイランドの透過スペクトルを示す。この素子の最小の透明領域の幅は約５０ｎｍと測定される。これとは対照的に、２００ｎｍ及び１２０ｎｍ厚のアイランドを有する素子の透明領域の最小幅はそ
れぞれ約３０ｎｍ及び５０〜１００ｎｍである。例１〜例３の素子では、金属アイランドは角度付けた塗布によりリッジ付き基板上に塗布される。したがって、金属アイランドの厚みを増せば、透明領域の幅が狭くなる。しかし、他の方法で製造された金属アイランドアレイの場合、透明領域の幅は必ずしも金属アイランドの厚さの増大に伴って狭くなるわけではない。
【０１４６】
図２０Ｃに示すように、長波長透過をおよそ２０％と低く維持しながら、１２０ｎｍ厚アイランドを有する素子のものよりもさらに高い７０％を超えるピーク透過（ＴＭ偏光の場合）が観察される。したがって、（Ｉｌｏｎｇｅｒ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／Ｉｍａｉｎ）＜０．４であり、好ましくは０．３以下である。但し、Ｉｍａｉｎは主通過帯域ピークの強度であり、Ｉｌｏｎｇｅｒ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈは主通過帯域ピークよりも長い波長での透過放射の強度である。図２０Ａに示すように、長波長範囲（９５０ｎｍを超える）での非常に高い透過率（およそ６５０ｎｍでの主通過帯域のピーク透過率と略同じレベル）が、１２０ｎｍ厚アイランド及び約３０ｎｍ幅の透明領域を有する素子の場合に見られる。しかし、長波長領域での透過率は、２００ｎｍ厚アイランド及び５０〜１００ｎｍ幅の透明領域を有する素子では劇的に下がる（ＴＭ偏光に関して透過率６０％レベルから１０％に）。しかし、この素子のピーク（通過帯域）透過率も大幅に下がる。
【０１４７】
λ＝６００ｎｍでのＡｇ／空気界面の場合、侵入深さは空気中では３９０ｎｍ、又は金属中では２５ｎｍと計算される。λ＝６００ｎｍでのＡｕ／空気界面の場合、侵入深さは空気中では２８０ｎｍ、又は金属中では３０ｎｍと計算される。図２０Ａ及び図２０Ｃは、主ピークの高い透過率を維持しながら狭帯域通過特性を実現するために好ましい透明領域の幅が４０〜５０ｎｍであることを示す。これとは対照的に、３０ｎｍ幅の透明領域を有する素子は、狭帯域通過特性を示したが、より低い主ピーク透過強度を示した。最大で１００ｎｍ幅の透明領域を有する素子は、より長い波長での透過の強度が高いことに鑑みて狭通過帯域特性を示さなかった。
【０１４８】
したがって、図２０Ａ及び図２０Ｃに提供される最小の透明領域の幅の好ましい範囲（望ましい帯域通過特性の場合におよそ４０〜５０ｎｍ）は、金属のＳＰ場の侵入深さとのぴったりした合致（又は空気側侵入深さのおよそ１／１０）を示す。狭帯域通過フィルタの透明領域の幅の好ましい範囲は、金属側のＳＰ場の侵入深さ約１〜３つ分（又は空気中の侵入深さのおよそ１／１０〜３／１０）であることが分かっている。
【０１４９】
偏光されていない光のピーク放射透過は最大で約５０％であると推定され、これは偏光されていない光の理論上の最大である。これはＴＭ偏光の光の略１００％の透過に相当する。透明領域充填率を考慮すると、各透明領域を通る透過効率は１００％よりも大きく、たとえば１００％〜５００％である。上限もまた、逆充填率（すなわち、周期／スリット幅）によって決まるため５００％よりも大きくなり得る。
【０１５０】
別の好ましい実施の形態では、光学素子１１の金属アイランド１５はまた放射透明基板１３上にも配置される。この代替の実施の形態の好ましい一態様では、金属アイランド１５は、図２１に示すように、金属アイランド１５の少なくとも１つの表面上に設けられた周期的な表面形状１２を有する。形状１２は、複数の金属アイランド間の放射透過を増強するように構成される。周期的な形状１２は、金属表面プラズモンと入射放射との強結合を提供する任意の金属形体を含むことができる。たとえば、形状は、規則正しく繰り返す（すなわち、周期的な）パターン、たとえば２次元格子等に配置された、金属アイランド１５の表面上の任意の適した隆起領域及び／又は陥没領域を含むことができる。隆起領域は、円柱形突起、半球形突起、線形リブ、湾曲リブ、矩形リブ、隆起リング、及び／又は隆起スパイラルを含むことができる。陥没領域は、円柱形陥没、半球形陥没、線形トラフ、湾曲トラフ、矩形トラフ、リング形トラフ、及び／又はスパイラル形トラフを含むことができる。隆起領域又は陥没領域の幅又は直径は、好ましくはこれら形体の周期未満であり、この周期と基板の屈折率との積は、放射の所望の最大透過波長未満であるべきである。
【０１５１】
この実施の形態の別の好ましい態様では、表面形状１２は、金属への表面プラズモン結合を含む、金属以外の材料を含む形状を含む。一例では、金属表面に隣接する誘電層又は周囲媒質の屈折率は、金属表面の形状変調なしで（すなわち、金属表面上の起伏／窪みなしで）周期的又は準周期的に変調する。たとえば、平坦な、又は起伏のある金属表面上に形成された誘電層（複数可）の周期的な配置により、金属への表面プラズモン結合を誘発することができる。したがって、図２１中の要素１２は、平坦な金属アイランド１５の表面上に形成された、周期的又は準周期に配置された誘電材料形体を示すことができる。別法として、屈折率が変化する平坦又はテクスチャ加工された誘電層（複数可）をプラズモン結合に使用することができる。平坦な誘電層（複数可）で屈折率を変化させることは、層（複数可）の組成を金属アイランド上のその層の幅に沿って周期的又は準周期的に変調させることによって実現することができる。任意の適した誘電材料、たとえばシリカ、石英、アルミナ、窒化ケイ素、高分子材料等が使用され得る。誘電率変調（金属表面起伏に代えて、又はこれに加えて）を波長調整可能構造に使用することができる。非金属形状も、１つ又は複数のアパーチャを有する金属膜上に使用することができる。
【０１５２】
この実施の形態では、透明領域１７は、透明領域１７の周期が放射の透過増強に実質的に寄与しないように前の実施の形態の周期よりもはるかに大きな周期ａ０で隔てられる。したがって、この実施の形態の金属アイランド１５の幅は、前の実施の形態のアイランド５の幅よりもはるかに大きい。たとえば、周期ａ０ひいてはアイランド１５のおおよその幅は、好ましくは、ＳＰＳの有効伝搬距離に等しく、Ａｇアイランドに可視光が照射される場合にはたとえば５ミクロン以上、好ましくは約５〜１０ミクロンである。
【０１５３】
図２１に示すように、透明領域１７はスリット形である。これらスリットは幅よりもはるかに大きな長さを有する。好ましくは、長さは幅の少なくとも１０倍長い。しかし、透明領域１７はスリット形に代えて、放射のプラズモン増強透過をもたらす他の任意の適した形を有することができる。
【０１５４】
素子１、１１では、所望であれば、対称構成を用いて通過帯域幅を低減する（すなわち、副ローブ又は側波帯の数を減らす）ことができる。この構成では、図２２に示すように金属アイランド５、１５が両側で同じ誘電媒質との界面を有するように、第１の基板３、１３と同じ誘電媒質から構成される第２の基板が金属アイランド５、１５上に取り付けられる。
【０１５５】
上述したように、金属アイランド５、１５は、互いに接続されない離散金属アイランド（すなわち、金属アイランドは互いに直接接しない）又は光素子の外周領域で互いに接続する金属アイランドを含むことができる。たとえば、図２３に示すように、金属アイランド５、１５は離散金属アイランドである。これとは対照的に、図２４に示すように、金属アイランド５、１５は素子１、１１の外周で互いに接続する。
【０１５６】
図１４の３次元Ａｇ金属アイランドアレイ中の透明領域を通る透過スペクトルを図１５に示す。縦軸は透過率ＰＯＵＴ／ＰＩＮに対応する。図１５に示す測定結果は、サイドピークがよく抑圧されることを裏付ける。主ピークもまたＦＷＨＭ値が１７０ｎｍから１４０ｎｍに狭められる。３次元構造は２層のみに限定されず、３以上の任意の適した数の層、並びに各種の異なる層パターン及び層間隔を有することができる。
【０１５７】
所望であれば、本明細書において説明する光学素子は、入射放射を発するようになって
いる一体型の放射源、たとえばレーザ、ＬＥＤ、又はランプ等、及び／又は基板を透過する、又は複数の金属アイランド間を透過する放射を検出するようになっている一体型の放射検出器、たとえば電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ又はＣＭＯＳアクティブピクセルアレイ等を備えることができる。別法として、放射源及び／又は放射検出器を素子と併用することができる。
【０１５８】
光学素子は任意の適した用途に使用することができる。したがって、素子は、狭通過帯域幅を有するナノ光ファイバとして、又は偏光子として使用することができる。素子はまた、入射放射の波長分離に使用することもできる。素子は他の用途、たとえば集光器、光ファイバのコリメータ又はカプラ、近視野走査型光学顕微鏡内の光選択素子、及びフォトリソグラフィマスク等として使用することもできる。
【０１５９】
具体例
以下の具体例に本発明の好ましい実施の形態を示すが、これを本発明の範囲に対する限定とみなすべきではない。
【０１６０】
例１、例２、及び例３の素子は、金属アイランドの厚さが例１では２００ｎｍ、例２では１２０ｎｍ、及び例３では１８０ｎｍであることを除き、同じプロセスで製造される。金属アイランドは角度付けた塗布により塗布されるため、透明領域の幅は、金属アイランドの厚さの低減に伴って増大した。したがって、例１での透明領域の最小幅は約５０〜１００ｎｍであり（金属アイランドのわずかな非均一性による幅がばらつく）、例２での透明領域の最小幅は約３０ｎｍであり、例３での透明領域の最小幅は約５０ｎｍである。１２０ｎｍ厚及び２００ｎｍ厚の金属アイランドを有する例１及び例２それぞれの素子の透過スペクトルを図２０Ａに示し、１８０ｎｍアイランドを有する例３の素子の透過スペクトルを図２０Ｃに示す。図１６Ａ、図１６Ｂ、及び図１６Ｃは、例１〜例３と同様の金属アイランドの厚さを有する金属アイランドアレイのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。金属アイランドの厚さは、図１６Ａでは４００ｎｍであり、図１６Ｂでは２５０ｎｍであり、図１６Ｃでは１８０ｎｍである。例１、例２、及び例３の素子は図９Ｄ〜図９Ｉに示す方法により製造される。
【０１６１】
図１７は、狭スリット形透明領域を有する例４の１次元（１Ｄ）銀金属アイランドアレイ素子の顕微鏡写真を示す。素子は２００ｎｍ厚Ａｇを１Ｄ回折格子エッチングされた石英基板上に塗布することによって形成される。回折格子パターンはホログラフィックプロセスで生成され、回折格子周期は７５０ｎｍに設計される。スリット幅は最も狭い部分でおよそ１５０ｎｍと測定される。これは、通常の入射波の場合に透明領域／金属アイランド表面面積比の約２０％に相当する。
【０１６２】
図１８は、Ａｇ金属アイランドアレイでの透明領域を通る透過スペクトルを示す。縦軸は、偏光されていない光の場合、ＰＯＵＴ／ＰＩＮである透過率に対応する。ＴＭ偏光の場合、ピーク透過率は９０％を超える。入射放射の入射角に対する透過スペクトルの依存性も図１８に示される。入射角がばらつくと、透過ピークはシフトし分離する。主通過帯域ピークは半値全幅約１７０ｎｍを示す。伝達行列及び準解析モデルに基づく透過スペクトルの数値解析を利用して、異なる透明領域設計及び均一性の向上により、また最適化された金属アイランドの厚さ及びスリット幅を用いて、はるかに狭い通過帯域幅約１０ｎｍ〜約１６０ｎｍ及び長波長においてよく抑圧された透過が可能である。
【０１６３】
図２５は例５〜例１２の実験準備の上面図を示す。図２５に示すように、金属アイランド又は複数の開口を含む金属膜を備える単一層又は二重層の波長分離素子３０１が、複数のピクセル３０６を含むラインカメラ３０２上に配置される。入射光３１５の一部は波長分離素子を透過することなくカメラ３０２のピクセル３０６により検出されるように、入
射光ビーム又は入力光ビーム３１５の面積は波長分離素子３０１の面積よりも大きい。
【０１６４】
図２６は例５、例６、及び例７の透過スペクトルを示す。図２６は、入射放射の透過率と放射の波長との関係のプロットである。例５では、白色光を、約２１００オングストローム厚の銀アイランドを有する金属アイランドアレイに透過させた。アイランド間の開口は回折格子周期（ｄｇ）約４０１ｎｍを有する。本明細書では、回折格子周期を透明領域の周期ａ０とも呼ぶ。図２６の左側のピーク（ａ）で示すように、このアレイを通る透過放射はピーク波長約６７６．２ｎｍを有する。例６では、白色光を約２１００オングストローム厚の銀アイランドを有する金属アイランドアレイに透過させた。アイランド間の開口は回折格子周期（ｄｇ）約４７８ｎｍを有する。図２６の中間のピーク（ｂ）で示すように、このアレイを通る透過放射はピーク波長約７８９．６ｎｍを有する。例７では、白色光を約２１００オングストローム厚の銀アイランドを有する金属アイランドアレイに透過させた。アイランド間の開口は回折格子周期（ｄｇ）約５５２ｎｍを有する。図２６の右側のピーク（ｃ）で示すように、このアレイを通る透過放射はピーク波長約９１２．８ｎｍを有する。したがって、図２６に示すように、アレイの開口の回折格子周期に応じてピーク波長の異なる放射がアレイを透過した。
【０１６５】
図２７は、従来技術による４５０ｎｍ、６５０ｎｍ、及び８８０ｎｍのフィルタを通る白色光の透過スペクトルを示す。図２８は例８の結果を示す。例８では、例５の波長分離素子を例７の波長分離素子の隣に配置した。換言すれば、回折格子周期（ｄｇ）約４０１ｎｍを有する金属アイランドアレイを、カメラ３０２上の第１の任意の位置に（すなわち、基準点から８０００〜１０，０００ミクロンの位置に）配置し、回折格子周期（ｄｇ）約５５２ｎｍを有する金属アイランドアレイを、カメラ３０２上の第２の任意の位置に（すなわち、基準点から１０，０００〜１２，０００ミクロンの位置に）配置する。次いで、白色光を図２７に示す従来技術による４５０ｍｍフィルタに通し、次いで例５及び例７のアレイを通す。次いで、カメラ３０２により透過光を検出する。図２８に示すように、約７，０００ミクロン及び約１３，０００ミクロンでの大きなピークは、アレイを透過しなかった光に対応する。さらに、図２８に示すように、例５及び例７のアレイは、４５０ｎｍピーク波長光のフィルタリングに有効であった。例５及び例７のアレイのピーク透過はそれぞれ６７６．２ｎｍ及び９１２．８ｎｍであるため、これは予期されることである。
【０１６６】
図２９は例９の結果を示す。例９の条件は、白色光を従来技術による４５０ｎｍフィルタではなく図２７の従来技術による６５０ｎｍフィルタに通したことを除き例８の条件と同一である。図２９に示すように、アレイ例７のピーク透過は９１２．８ｎｍであるため、このアレイは６５０ｎｍピーク波長光のフィルタリングに有効であった。これとは対照的に、例５のアレイのピーク透過は６７６．２ｎｍであるため、このアレイは６５０ｎｍ光の一部を透過した。
【０１６７】
図３０は例１０の結果を示す。例１０の条件は、白色光を従来技術による４５０ｎｍフィルタではなく図２７の従来技術による８８０ｎｍフィルタに通したことを除き例８の条件と同一である。図３０に示すように、アレイ例５は、ピーク透過が６７６．２ｎｍであるため、８８０ｎｍピーク波長光のフィルタリングに有効であった。これとは対照的に、例７のアレイは、ピーク透過が９１２．８ｎｍであるため、８８０ｎｍ光の一部を透過した。
【０１６８】
上述したように、波長分離素子１０１、３０１は、各セルで一定の回折格子周期（ｄｇ）又は素子の長さに沿ってチャープ回折格子周期を有することができる。図３１Ａは、各セルが異なる回折格子周期ｄ１、ｄ２、ｄ３、及びｄ４を含む波長分離素子の例を示す。図３１Ｂはかかる素子の顕微鏡写真である。図３２Ａは、回折格子周期がチャープする波長分離素子の例を示す。図３２Ｂは、回折格子周期と波長分離素子上の位置（ｘ）との関係の例示的なプロットを示す。
【０１６９】
図３３Ａは、２層波長分離素子を有する例１１を概略的に示す。素子は、一定回折格子周期９３を有するアレイ上に重ねられる、チャープ回折格子周期９１を有するアレイを含む。これに代えて、所望であればアレイ９３をアレイ９１上に積層してもよいことに留意されたい。任意の適した回折格子周期を選択することができる。好ましくは、アレイ９１のチャープ回折格子周期は、波長分離素子の少なくとも１つの位置ｘ１においてアレイ９３の一定回折格子周期ｄ１に重なる。これを、回折格子周期と素子上の位置ｘの関係のプロットである図３３Ｂに示す。検出器ピクセル３０６の１つをカメラ３０２の位置ｘ１に配置する。アレイ９１及び９３（図３４Ｃに示す）の両方を通る白色光の総透過率Ｔは、第１のアレイ９１（図３４Ｂに示す）を通る透過率Ｔ１と第２のアレイ９３（図３４Ａに示す）を通る透過率Ｔ２の積である。図３４Ａ〜図３４Ｃから見て取ることができるように、両方のアレイを透過する放射（すなわち、Ｔ）は、アレイ９１、９３のそれぞれ１つのみを透過する放射（すなわち、Ｔ１又はＴ２）よりも狭いピーク幅を有する。したがって、２つのアレイを重ねることにより、透過する放射のピーク幅が低減するとともに、主ピークの強度に対してサイドバンド又はサイドピークの強度が低減する。
【０１７０】
図３５Ａは、チャープ回折格子周期を有する２つのアレイ９１、９３が互いに重なった例１２を概略的に示す。検出器ピクセル３０６はカメラ３０２上の異なる位置に沿って配置される。したがって、各ピクセル３０６のウィンドウ（たとえば、７ミクロンウィンドウ）は、チャープ回折格子周期の異なる回折格子周期を有する波長分離素子の異なる部分を通過した異なるピーク波長の放射を取り込む。たとえば、図３５Ａは、アレイ９１及び９３が同じチャープ回折格子周期を有する場合を示す。アレイ９１、９３は、各アレイの透明領域が隣接するアレイの透明領域と位置合わせされるように重ねることができ、又は一方のアレイの透明領域が他方のアレイの透明領域から、ピクセル３０６の方向に沿った水平（すなわち、ｘ）方向に所定量だけずれるように重ねることができる。図３５Ｂはチャープアレイを各種配置した場合の透過スペクトルを示す。「オフセットなし」と記されたピークは、チャープアレイ９１、９３の透明領域間のずれがない、検出器上の所定位置（ｘ＝２９０ミクロン）においてアレイ９１、９３の両方を通る白色光の透過率に相当する。アレイの回折格子周期はこの位置（ｘ＝２９０ミクロン）において３４０ｎｍである。「４０ミクロンオフセット」と記されたピークは、チャープアレイ９１、９３の透明領域の間のオフセットが４０ミクロンである、検出器上の所定位置（ｘ＝３３０ミクロン）においてアレイ９１、９３の両方を通る白色光の透過率に相当する。回折格子周期はこの位置において４００ｎｍである。これら２つのピークから見て取ることができるように、アレイ間にずれを導入することにより、ピーク幅は狭まるが、全体のピーク強度は下がる。
【０１７１】
図３６Ａは、素子の長さに沿ってチャープ回折格子周期を有する例１３の単一層波長分離素子の透過スペクトルを示す（図３２Ａ参照）。素子は８００ミクロン幅（長さ方向に沿って）であり、９個のセル又はフィルタを備える。各フィルタは９８ミクロン幅であり、隣のセル同士間のステップで３０ｎｍの３９０ｎｍ〜６３０ｎｍに線形チャープする、異なる（が一定の）回折格子周期を有する。各セルで測定された透過スペクトルは、およそ７５０ｎｍからおよそ１１００ｎｍへの主通過帯域位置の漸進的線形シフトを示す。図３６Ａの凡例に列挙したピークは、図の右から左に示されている（すなわち、ｄｇ＝６３０ｎｍ「黒」ピークは右端のピークであり、ｄｇ＝３９０ｎｍ「紫」ピークは左端のピークである）。
【０１７２】
図３６Ｂは、図３６Ａに示す２個の同じ素子を含む例１４の２層積層波長分離素子の透過スペクトルを示す。積層構成の帯域通過特性の増強がはっきりと観察される。図３６は
、図３６Ａと比較して、短波長領域での低強度サイドピークの抑圧、長波長領域での透過の低減、及び約１５０〜２００ｎｍから約１００〜１５０ｎｍまでの主通過帯域幅の狭まりを示す。金属厚ひいては金属スリット幅の最適制御により帯域通過特性のさらなる向上、特に長波長透過の抑圧が予期される。図３６Ａに示す例では、メサエッチング処理された石英基板はスリット幅１２０ｎｍを有するように設計される。１５０ｎｍ厚Ａｇ層を角度を付けて塗布した後、スリット幅は５０〜８０ｎｍに低減する。金属厚の制御によりスリット幅を調整することができる。
【０１７３】
図３６Ｃは、線形アレイＣＣＤ検出器（実験構成については図２５参照）を使用して測定した、例１５の２層積層素子を使用しての波長分離を示す。波長分離素子は、それぞれが１４ミクロン幅を有する２８個のセル（フィルタ）を含む３９０ミクロン幅アレイである。回折格子周期はアレイ方向に沿って１０ｎｍのステップで３６０ｎｍから６３０ｎｍにチャープする。９８０ｎｍ波長光が波長分離素子に入射する（２層積層）。光は、ＣＣＤアレイのおよそ１０８５０ミクロンの位置でピクセルに記録される。７００ｎｍ光が同じ素子に入射する場合、光はＣＣＤアレイの１０６００ミクロンの位置で記録される。ＣＣＤ上のこの空間分離は２つの入力光のスペクトル分離に合致する。換言すれば、波長の異なる光は、その特定の波長の光を透過するように設計された波長分離素子の部分下にある、ＣＣＤアレイの異なる部分によって検出される。
【０１７４】
本発明の各種実施の形態及び好ましい態様について別個に上述した。しかし、好ましい一つの実施の形態又は一態様からの各ステップ又は各特徴を別の実施の形態又は別の態様で任意の適した様式で使用することができる。
【０１７５】
本発明の上記説明は、例示及び説明を目的として提示された。網羅的、すなわち本発明を開示した厳密な形態に限定する意図はなく、変更及び変形が上記教示に鑑みて可能であり、又は本発明の実施から得ることができる。図面及び説明は、本発明の原理及びその実際の適用を説明するために選ばれたものである。本発明の範囲は本明細書に添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】本発明の好ましい実施の形態による素子の側面断面図である。
【図２Ａ】本発明の好ましい実施の形態による素子の上面図である。
【図２Ｂ】本発明の好ましい実施の形態による素子の上面図である。
【図２Ｃ】本発明の好ましい実施の形態による素子の上面図である。
【図２Ｄ】本発明の好ましい実施の形態による素子の側面断面図である。
【図２Ｅ】本発明の好ましい実施の形態による素子の上面図である。
【図２Ｆ】３つの異なるピーク波長を有する光の透過量差分の時間領域有限差分（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示す。
【図２Ｇ】３つの異なるピーク波長を有する光の透過量差分の時間領域有限差分（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示す。
【図２Ｈ】３つの異なるピーク波長を有する光の透過量差分の時間領域有限差分（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示す。
【図３】本発明の好ましい実施の形態による素子の側面断面図である。
【図４Ａ】本発明の好ましい実施の形態のマルチスペクトル画像形成システムの斜視図である。
【図４Ｂ】本発明の好ましい実施の形態のマルチスペクトル画像形成システムの上面図である。
【図４Ｃ】本発明の好ましい実施の形態のマルチスペクトル画像形成システムの上面図である。
【図５Ａ】本発明の好ましい実施の形態の光学検体検出システムの斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の好ましい実施の形態の光学検体検出システムの斜視図である。
【図６】本発明の好ましい実施の形態の光学検体検出システムを使用する方法の概略図である。
【図７】本発明の好ましい実施の形態による素子の概略側面断面図である。
【図８】図７の素子の製造に使用される素子の概略側面断面図である。
【図９Ａ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図９Ｂ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図９Ｃ】ホログラフィックリソグラフィシステムの概略上面図である。
【図９Ｄ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略３次元図である。
【図９Ｅ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略３次元図である。
【図９Ｆ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略３次元図である。
【図９Ｇ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略３次元図である。
【図９Ｈ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略３次元図である。
【図９Ｉ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略３次元図である。
【図１０Ａ】本発明の好ましい実施の形態によるナノ孔アレイを製造する方法の顕微鏡写真である。
【図１０Ｂ】本発明の好ましい実施の形態によるナノ孔アレイを製造する方法の顕微鏡写真である。
【図１０Ｃ】本発明の好ましい実施の形態によるナノ孔アレイを製造する方法の顕微鏡写真である。
【図１０Ｄ】本発明の好ましい実施の形態による素子の概略側面断面図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｄの素子を製造するために使用される電気めっき槽の概略側面断面図である。
【図１１】図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、及び図１１Ｄは、本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図１２Ａ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図１３Ａ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図１３Ｂ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図１３Ｃ】本発明の好ましい実施の形態による素子を製造する方法の概略側面断面図である。
【図１４】本発明の好ましい実施の形態による素子の３次元図である。
【図１５】本発明の好ましい実施の形態の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図１６Ａ】本発明の実施の形態による素子の顕微鏡写真である。
【図１６Ｂ】本発明の実施の形態による素子の顕微鏡写真である。
【図１６Ｃ】本発明の実施の形態による素子の顕微鏡写真である。
【図１７】本発明の実施の形態による素子の顕微鏡写真である。
【図１８】本発明の好ましい実施の形態の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図１９Ａ】本発明の実施の形態による素子の概略上面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａの線Ａ−Ａ’に沿った側面断面図である。
【図２０Ａ】本発明の例による素子の透過スペクトルのグラフである。
【図２０Ｂ】本発明の例による素子の透過／反射スペクトルのグラフである。
【図２０Ｃ】本発明の例による素子の透過スペクトルのグラフである。
【図２１】本発明の好ましい実施の形態による素子の概略側面断面図である。
【図２２】本発明の好ましい実施の形態による素子の概略側面断面図である。
【図２３】本発明の好ましい実施の形態による素子の概略上面図である。
【図２４】本発明の好ましい実施の形態による素子の概略上面図である。
【図２５】例５〜例１２の実験準備の概略上面図である。
【図２６】例５、例６、及び例７の透過スペクトルのプロットである。
【図２７】従来技術による３つのフィルタの透過スペクトルのプロットである。
【図２８】例８の場合の透過量と検出器上の位置の関係のプロットである。
【図２９】例９の場合の透過量と検出器上の位置の関係のプロットである。
【図３０】例１０の場合の透過量と検出器上の位置の関係のプロットである。
【図３１Ａ】本発明の実施の形態による波長分離素子の概略上面図である。
【図３１Ｂ】図３１Ａの素子の顕微鏡写真である。
【図３２Ａ】本発明の実施の形態による波長分離素子の概略上面図である。
【図３２Ｂ】回折格子周期と図３２Ａの素子の検出器上の位置との関係の概略プロットである。
【図３３Ａ】例１１の素子の概略図である。
【図３３Ｂ】図３３Ａの素子の回折格子周期と検出器上の位置との関係の概略プロットである。
【図３４Ａ】例１１の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図３４Ｂ】例１１の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図３４Ｃ】例１１の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図３５Ａ】例１２の素子の回折格子周期と検出器上の位置との関係の概略プロットである。
【図３５Ｂ】例１２の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図３６Ａ】例１３及び１４の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図３６Ｂ】例１３及び１４の素子の透過スペクトルのプロットである。
【図３６Ｃ】例１５の素子の透過力と検出器上の位置との関係のプロットである。
【図１】
2007501391.tif 000007
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
2007501391.tif 000015
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2007501391.tif 000021
【図６】
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【図７】
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【図８】
2007501391.tif 000024
【図９Ａ】
2007501391.tif 000025
【図９Ｂ】
2007501391.tif 000026
【図９Ｃ】
2007501391.tif 000027
【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
2007501391.tif 000029
【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３６Ｃ】
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【国際調査報告】
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