(57)【要約】【課題】シングルモード条件を維持しつつ、広範囲の波長でのスペクトル解析を可能とする。【解決手段】１つの広帯域光源１０と、広帯域光源の周囲に設けられた複数の分光素子２０とを備えて構成される。各分光素子は、所定の波長帯域と所定の入力角度の光のみを導入する光導入部２２と、導入された光を受光する受光部４０と、光導入部と受光部を接続する光導波路部３０と、光導波路部に設けられ、所定の波長帯域を透過する波長選択部３６とを備える。波長選択部を透過する所定の波長帯域は、分光素子ごとに、少なくとも２以上の異なる波長帯域として設定される。【選択図】図１
2019058412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの広帯域光源と、
前記広帯域光源の周囲に設けられた複数の分光素子と
を備え、
各前記分光素子は、
所定の波長帯域と所定の入力角度の光のみを導入する光導入部と、
前記導入された光を受光する受光部と、
前記光導入部と前記受光部を接続する光導波路部と、
前記光導波路部に設けられ、前記所定の波長帯域を透過する波長選択部と
を備え、
前記波長選択部を透過する前記所定の波長帯域は、前記分光素子ごとに、少なくとも２以上の異なる波長帯域として設定される
ことを特徴とする光センサ装置。
【請求項２】
各前記光導入部は、前記広帯域光源を中心とした同心円上に配置され、
前記所定の入力角度は、全ての前記分光素子で同一である
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項３】
前記受光部及び前記光導波路部は、前記同心円の内側に配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光センサ装置。
【請求項４】
前記受光部及び前記光導波路部は、前記同心円の外側に配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光センサ装置。
【請求項５】
前記分光素子は、第１群と第２群に区分けされ、
前記第１群に属する分光素子では、
前記光導入部が、前記広帯域光源を中心とした、半径が第１の長さの同心円上に配置され、
前記受光部及び前記光導波路部は、半径が第１の長さの前記同心円の内側に配置され、及び、
前記所定の入力角度は、全ての前記分光素子で同一であり、
前記第２群に属する分光素子では、
前記光導入部が、前記広帯域光源を中心とした、半径が第２の長さの同心円上に配置され、
前記受光部及び前記光導波路部は、半径が第２の長さの前記同心円の外側に配置され、
及び、
前記所定の入力角度は、全ての前記分光素子で同一である
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項６】
前記第１の長さ及び前記第２の長さが異なる
ことを特徴とする請求項５に記載の光センサ装置。
【請求項７】
前記第１の長さ及び前記第２の長さが等しく、
前記第１群に属する分光素子における前記所定の入力角度と、前記第２群に属する分光素子における前記所定の入力角度とが等しい
ことを特徴とする請求項５に記載の光センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光導波路を利用した光センサ装置、特に、血糖値センサに用いて好適な光センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を使用して血糖値を測定する装置は、採血を必要としない非侵襲の測定が可能であるので注目を集めている。このため、従来様々な技術が提案されている。この中で、光を皮膚表面から照射してその反射光を検出し、その反射光のスペクトルから皮膚内のグルコースの量を推定する技術が有力なものとして知られている。この目的で用いられる従来の装置は、バルク光学部品を組み合わせて構成されていて、病院のベッド脇で使用するような大きさのものであった。
【０００３】
従って、この装置を皮膚に貼り付けて使用できるような大きさにできるなら、その用途は、医療現場のみならず、日常的な場面まで大きく広げることができる。光導波路技術は、この装置の小型化の実現のために有力な候補になる（例えば、特許文献１参照）。特にシリコンを光導波路材料として利用するシリコンフォトニクスを用いると、光回路の大幅な小型化と、ＣＭＯＳ技術の量産技術による低コスト化により、この装置の広範な普及に寄与できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４５０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、血糖値の測定には、例えば、１４００〜１６００ｎｍの広い波長範囲でスペクトルを得ることが有用であることが最近判明しつつある。
【０００６】
高精度の分光を行うには、シングルモード条件を達成することが有利であるが、光導波路は狭帯域でしかシングルモード条件が成立しない。
【０００７】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、シングルモード条件を維持しつつ、広範囲の波長でのスペクトル解析を可能とする、光センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明の光センサ装置は、１つの広帯域光源と、広帯域光源の周囲に設けられた複数の分光素子とを備えて構成される。
【０００９】
各分光素子は、所定の波長帯域と所定の入力角度の光のみを導入する光導入部と、導入された光を受光する受光部と、光導入部と受光部を接続する光導波路部と、光導波路部に設けられ、所定の波長帯域を透過する波長選択部とを備える。波長選択部を透過する所定の波長帯域は、各分光素子で、少なくとも２以上の異なる波長帯域として設定される。
【００１０】
上述した光センサ装置の実施にあたり、好ましくは、各光導入部は、広帯域光源を中心とした同心円上に配置され、所定の入力角度は、全ての分光素子で同一であるのが良い。
【００１１】
また、この発明の光センサ装置の他の好適実施例によれば、分光素子は、第１群と第２群に区分けされる。第１群に属する分光素子では、光導入部が、広帯域光源を中心とした、半径が第１の長さの同心円上に配置され、受光部及び光導波路部は、半径が第１の長さの同心円の内側に配置され、及び、所定の入力角度は、全ての分光素子で同一である。また、第２群に属する分光素子では、光導入部が、広帯域光源を中心とした、半径が第２の長さの同心円上に配置され、受光部及び光導波路部は、半径が第２の長さの同心円の外側に配置され、及び、所定の入力角度は、全ての分光素子で同一である。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の光センサ装置によれば、広帯域光源から出力された光のスペクトルを、所定の波長帯域の光を検出する複数の分光素子で測定することにより、分光素子を伝播する光のシングルモード条件を維持しつつ、広範囲の波長でのスペクトル解析を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１光センサ装置の模式的な平面図である。
【図２】第１光センサ装置の模式的な断面図である。
【図３】第２光センサ装置の模式的な平面図である。
【図４】第３光センサ装置の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１５】
（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、この発明の第１実施形態に係る光センサ装置（以下、第１光センサ装置とも称する。）を説明する。図１及び図２は、それぞれ、第１光センサ装置の模式的な平面図及び断面図である。
【００１６】
第１光センサ装置は、支持基板１００上に設けられた、広帯域光源１０と、複数の分光素子２０とを備えて構成される。各分光素子２０は、光導入部２２、光導波路部３０及び受光部４０を備えて構成される。広帯域光源１０及び各分光素子２０は、光導波路コア２００をパターニングするなどして形成されている。
【００１７】
支持基板１００は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）を材料として平板状体で形成される。支持基板１００上に、支持基板１００の上面を被覆し、かつ、光導波路コア２００を包含するクラッド３００が形成されている。クラッド３００は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を材料として形成される。光導波路コア２００は、クラッド３００よりも高い屈折率を有するＳｉを材料として形成される。その結果、光導波路コア２００は、光の伝送路として機能し、光導波路コア２００に入力された光は、光導波路コア２００の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。
【００１８】
なお、伝播する光が支持基板１００へ逃げるのを防止するために、光導波路コア２００は、支持基板１００から例えば少なくとも３μｍ以上離間して形成されるのが好ましい。
【００１９】
広帯域光源１０は、１４００〜１６００ｎｍの広い波長範囲の光を発光する。広帯域光源１０は、例えば、従来公知のレーザダイオード（ＬＤ）、或いは発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて構成される。
【００２０】
広帯域光源１０から出力された光は、皮膚内（図２中、Ｂで示す。）のある深さ（図２中、Ｃで示す。）で乱反射される。乱反射された光は、各分光素子２０に送られる。各分光素子２０では、１４００〜１６００ｎｍの波長範囲が数十ｎｍの波長範囲に区分けされた１つの波長範囲の光を扱う。
【００２１】
乱反射された光は、各分光素子２０の光導入部２２に入力される。血糖値に相関したグルコースが皮膚内に存在するのは、皮膚下５ｍｍ程度又はそれ以上の深さである。このため、広帯域光源１０と光導入部２２は、５ｍｍ程度又はそれ以上の間隔で配置される。
【００２２】
光導入部２２には、数十ｎｍの波長範囲の特定の入力角度で入射される光が導入される。光導入部２２に導入された光は、光導波路部３０に送られる。光導入部２２は、例えば、グレーティングカプラであり、光導波路コア２００に格子溝を設けることにより形成されている。格子溝は、光導波路コア２００の上面から、厚さ方向の中途まで穿たれて形成されている。格子溝は、光の伝播方向である長さ方向に沿って、周期的に複数形成されている。格子溝が形成される周期は、各分光素子が扱う光の波長範囲と、入力角度により定められる。
【００２３】
光導波路部３０は、例えば、シングルモード光導波路３４及びテーパ導波路３２を備えて構成される。テーパ導波路３２は、その幅が光導入部２２を構成するグレーティングカプラの幅から、シングルモード光導波路３４の導波路幅まで順次に変化する形状を有する。シングルモード光導波路３４には、波長選択部３６が設けられている。波長選択部３６は、例えば、グレーティング素子などで構成され、特定の波長のみを透過させる。ここでは図示されていないが、従来公知の回析光を入力光から分離する構造、あるいは偏波ダイバーシティ構造などを取り入れることができる。
【００２４】
各分光素子２０では、１つの波長帯域のみを扱うので、シングルモード光導波路３４は、容易にその波長帯域でシングルモード条件を達成することができ、また、波長選択部３６を、性能の良い光波長フィルタで容易に設計することができる。
【００２５】
シングルモード光導波路３４には、光導入部２２を構成するグレーティングカプラの格子間隔等で定まる、複数の、入力角度と波長帯域の組の光が送られる。この中で、その分光素子２０で扱われる、特定の波長帯域の光のみが波長選択部３６を透過して受光部４０に入力される。
【００２６】
受光部４０は、例えば、従来公知のフォトダイオード（ＰＤ）を用いて構成される。
【００２７】
なお、第１光センサ装置の広帯域光源１０及び光導入部２２が形成されている領域以外のクラッド３００上には、遮光のための薄膜などを設けるのが良い。
【００２８】
第１光センサ装置では、各分光素子２０は、広帯域光源１０の周囲に設けられている。各分光素子２０が備える光導入部２２と、広帯域光源１０との距離は互いに等しく、すなわち、光導入部２２は、広帯域光源１０を中心とする同心円上に設けられている。また、各光導入部２２が扱う入力角度は、互いに等しく設計されている。
【００２９】
これにより、各分光素子２０が備える受光部４０には、同じ深さで反射された光が入力される。
【００３０】
各分光素子２０は、それぞれ異なる波長を扱うので、第１光センサ装置全体として、皮膚内で反射される光の波長分布が測定できる。
【００３１】
なお、光の伝搬経路による測定結果のばらつきを考慮して、複数の分光素子の中で、同じ波長帯域を取り扱うものを設けても良い。
【００３２】
なお、光導入部２２は広帯域光源１０から一定の間隔、離して設けられる。光センサ装置の小型化のためには、光導波路部３０、及び、受光部４０を、光導入部２２と広帯域光源１０の間、すなわち、光導入部２２が配置される同心円の内側に配置するのが良い。
【００３３】
（第２実施形態）
図３を参照して、この発明の第２実施形態に係る光センサ装置（以下、第２光センサ装置とも称する。）を説明する。図３は、第２光センサ装置の模式的な平面図である。
【００３４】
第２光センサ装置は、第１光センサ装置と、断面形状は同様であるが、平面形状が異なっている。
【００３５】
第２光センサ装置の各分光素子２１では、光導波路部３１、及び、受光部４０が、光導入部２２に対して広帯域光源１０とは反対側、すなわち、光導入部２２が配置される同心円の外側に配置される。なお、装置の小型化のために、光導入部２２、光導波路部３１、及び、受光部４０を結ぶ光路は曲線状に形成される。
【００３６】
第１光センサ装置は、光導波路部３０、及び、受光部４０が、光導入部２２が配置される同心円の内側に配置されるので、小型化の面では、第２光センサ装置よりも好ましい。一方、第２光センサ装置は、光導波路部３１、及び、受光部４０が、光導入部２２が配置される同心円の外側に配置されるので、受光部４０から信号を取り出すための配線を表面配線にできる。このため、裏面配線が必要となる第１光センサ装置に比べて製造が容易になる。
【００３７】
（第３実施形態）
図４を参照して、この発明の第３実施形態に係る光センサ装置（以下、第３光センサ装置とも称する。）を説明する。図４は、第３光センサ装置の模式的な平面図である。
【００３８】
第３光センサ装置は、第１光センサ装置及び第２光センサ装置と、断面形状は同様であるが、平面形状が異なっている。
【００３９】
第３光センサ装置は、複数の分光素子２０及び２１が、第１群と第２群に分類される。第１群に含まれる分光素子２０は、第１光センサ装置と同様に、光導波路部３０、及び、受光部４０が、光導入部２２が配置される同心円の内側に配置され、各光導入部２２が扱う入力角度は互いに等しく設定される。また、第２群に含まれる分光素子２１は、第２光センサ装置と同様に、光導波路部３１、及び、受光部４０が、光導入部２２が配置される同心円の外側に配置され、各光導入部２２が扱う入力角度は互いに等しく設定される。なお、図４では、第２群に含まれる分光素子２１の図示を一部省略している。
【００４０】
第１群に含まれる各分光素子２０が備える光導入部２２と、広帯域光源１０との距離は互いに等しく第１の長さ、すなわち、光導入部２２は、広帯域光源１０を中心とする半径が第１の長さの同心円上に設けられている。また、第２群に含まれる各分光素子２１が備える光導入部２２と、広帯域光源１０との距離は互いに等しく第２の長さ、すなわち、光導入部２２は、広帯域光源１０を中心とする半径が第２の長さの同心円上に設けられている。さらに、第１の長さと第２の長さは、互いに異なっている。
【００４１】
光導入部２２と広帯域光源１０との距離を２種類設けることで、血糖値に相関したグルコースが皮膚内に存在する深さに個人差があっても、対応可能になる。なお、必要に応じて、光導入部２２と広帯域光源１０との距離を３種類以上設けてもよい。
【００４２】
また、第１の長さと第２の長さを等しくして、同じ深さで反射する光の測定精度を高めてもよい。
【００４３】
上述した各実施形態に係る光センサ装置によれば、広帯域光源から出力された光のスペクトルを、所定の波長帯域の光を検出する複数の分光素子で測定することにより、分光素子を伝播する光のシングルモード条件を維持しつつ、広範囲の波長でのスペクトル解析を可能とする。また、シリコン光導波路を使用することにより、小型の光回路を安価に大量生産することができる。
【００４４】
また、ここでは、主に、反射光のスペクトルから皮膚内のグルコースの量を推定する例を説明したが、これに限定されず、同様の原理で、広範囲の波長でのスペクトル解析が望まれる場面でも利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０    広帯域光源    
２０、２１    分光素子
２２    光導入部
３０、３１    光導波路部
３２    テーパ導波路
３４    シングルモード光導波路
３６    波長選択部
４０    受光部
１００    支持基板
２００    光導波路コア
３００    クラッド
【図１】
2019058412.tif 000003
【図２】
2019058412.tif 000004
【図３】
2019058412.tif 000005
【図４】
2019058412.tif 000006