(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中の物質を検知する光学式センサであって、
表面に凸曲面を有しており、流体中の物質に反応して屈折率を変化させる感応部と、
前記感応部の周囲に配置されて、前記感応部の前記凸曲面に光を照射する発光素子と、
前記感応部の周囲に配置されて、前記感応部の前記凸曲面での反射光を受ける受光素子と、を備え、
前記凸曲面は、前記凸曲面を前記発光素子からの光が入射する第１方向に沿って視たときに光の入射方向に向かって凸状に湾曲していて、前記凸曲面を前記第１方向に直交する第２方向に沿って視たときに凹状に湾曲しており、
前記感応部の屈折率の変化に応じた反射光の光強度の変化によって前記物質を検知する、光学式センサ。
【請求項２】
前記凸曲面に対応した凹曲面を有している透光性基板をさらに備えており、
前記感応部は、前記凸曲面が前記透光性基板の前記凹曲面に合わさるように、前記透光性基板に配されている、請求項１に記載の光学式センサ。
【請求項３】
前記受光素子を第１受光素子としたときにおいて、
前記第１受光素子の隣に配列された第２受光素子をさらに有しており、
前記凸曲面は、前記第１受光素子および前記第２受光素子の配列方向に対して凸状に湾曲した形状である、請求項１または２に記載の光学式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微量な試料を容易かつ正確に測定するセンサ装置が求められている。このセンサ装置として、例えば金属表面に生じる表面プラズモンを応用した光センサ装置の開発が行なわれている。ここで、表面プラズモンを応用した光センサ装置は、光透過性媒体上に設けられた金属薄膜（感応部）の表面で生じる光−表面プラズモン波の相互作用を利用して特定の物質を検出または測定するセンサである。表面プラズモンを用いた光センサ装置は、検出感度が高いことから、低濃度のガス、イオン、抗原、ＤＮＡなどの検出する方法として検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４４４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光センサ装置では、金属薄膜で反射した光をセンサアレイで受光している。このとき、センサアレイでの分解能を向上させるために、センサアレイに入射する光のスポット径を大きくする必要がある。そのため、金属薄膜とセンサアレイとの距離を大きくする必要があり光センサ装置が大型化しやすかった。したがって、光センサ装置を小型化することが求められている。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、小型化することが可能な光学式センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一形態に係る光学式センサは、流体中の物質を検知する光学式センサであって、表面に凸曲面を有しており、流体中の物質に反応して屈折率を変化させる感応部と、前記感応部の周囲に配置されて、前記感応部の前記凸曲面に光を照射する発光素子と、前記感応部の周囲に配置されて、前記感応部の前記凸曲面での反射光を受ける受光素子と、を備え、前記凸曲面は、前記凸曲面を前記発光素子からの光が入射する第１方向に沿って視たときに光の入射方向に向かって凸状に湾曲していて、前記凸曲面を前記第１方向に直交する第２方向に沿って視たときに凹状に湾曲しており、前記感応部の屈折率の変化に応じた反射光
の光強度の変化によって前記物質を検知する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、感応部が凸曲面を有しており、感応部の凸曲面で光を反射することで反射光のスポット径を大きくしやすくすることができる。したがって、光学式センサを小型化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光学式センサの上下方向に沿った断面を示した断面図である。
【図２】図１に示した光学式センサの断面の一部を拡大して示した断面図である。
【図３】光の反射の仕方を説明する図である。
【図４】図１に示した光学式センサの一部の構成部材を示した斜視図である。
【図５】図１に示した光学式センサの平面方向に沿った断面を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態にかかる光学式センサ１について、図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明の一実施形態にかかる光学式センサは、いずれの方向が上方または下方とされてもよいが、以下の説明では、便宜的に直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義し、Ｚ軸方向の正側を上方とする。
【００１０】
図１に、本発明の一実施形態にかかる光学式センサ１の上下方向（Ｚ軸方向）に切断した断面を示す。なお、図１中の破線の矢印は光路を例示するものである。
【００１１】
本実施形態にかかる光学式センサ１は、図１に示すように、透光性基板２、発光素子３、受光素子４および、透光性基板２上に配されて特定の物質に反応する感応部５を有している。そして、発光素子３から出射した光を、透光性基板２を介して感応部５に入射させ、感応部５と透光性基板２との境界で反射する光を、受光素子４で受光する。このような構成を有していることによって、光学式センサ１は、感応部５を例えば空気または液体などの流体中に露出させ、感応部５で反射する光の強度の変化を受光素子４で検出することによって、流体中の特定の物質を検出することができる。
【００１２】
透光性基板２は、感応部５を支持するものである。また、透光性基板２は、発光素子３で発した光を感応部５へ誘導し、かつ感応部５で反射した光を受光素子４へ誘導するものである。透光性基板２は、例えばガラス、サファイア、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂またはシクロオレフィンコポリマー樹脂などの材料で形成される。透光性基板２の屈折率は、例えば１．４以上１．６以下に設定される。屈折率は、例えばエリプソメータなどで測定することができる。
【００１３】
本実施形態にかかる透光性基板２は、直方体状の外形を有している。そして本実施形態にかかる透光性基板２は、上面、下面および側面を有している。なお、本発明にかかる光学式センサ１において、透光性基板２の外形は直方体状に限られるわけでなく、直方体以外の形状でも構わない。
【００１４】
また、図１に示すように、透光性基板２は、透光性基板２の表面に、透光性基板２の内部に凹んだ凹曲面を有している。具体的には、本実施形態にかかる透光性基板２は、透光性基板２の上面および側面にわたって切り欠き部２１が形成されている。そして、切り欠き部２１の切り欠き面（内面）の形状が凹曲面になっている。
【００１５】
なお、透光性基板２は、ガラスまたは樹脂材料などを、例えば金型成形または切削加工することによって形成することができる。また、透光性基板２の切り欠き部２１も、例えば金型成型または掘削加工によって形成することができる。
【００１６】
発光素子３は、透光性基板２を介して感応部５に入射する光を発するものである。発光素子３としては、例えばレーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、発光ダイオード（
ＬＥＤ：Light Emitting Diode）または面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などを用いることができる。
【００１７】
また、受光素子４は、感応部５と透光性基板２との界面で反射された光を受けて電流に変換するものである。光学式センサ１は、受光素子４で発生する電流値を基にして感応部５の反射光の強度の変化を検出する。受発光素子４は、複数の受光部が配列されたアレイ状の素子である。受光素子４としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）
などを用いることができる。
【００１８】
本実施形態では、発光素子３および受光素子４は、透光性基板２の下面に設置されてい
る。発光素子３および受光素子４は、感応部５に光学的に接続されている。
【００１９】
感応部５は、流体中に露出しており、流体中の特定の物質に反応することによって、光の屈折率を変化させ、感応部５で反射する反射光の光の強度を変動させるものである。感応部５は、雰囲気中に露出しており、雰囲気中の特定の物質に反応して、屈折率を変化させる機能を有する。
【００２０】
図２に、光学式センサ１の透光性基板２と感応部５とを拡大して示す。
【００２１】
本発明にかかる光学式センサ１は、表面プラズモン共鳴現象を利用して感応部５での反射光の強度を変化させる。そのため、本発明にかかる感応部５は、図２に示すように、透光性基板２上に配された第１薄膜５１と、第１薄膜５１の上面に配された第２薄膜５２を有している。
【００２２】
第１薄膜５１は、表面に表面プラズモン波が励起しやすくなるように、金属材料で形成されている。具体的には、第１薄膜５１は、例えば、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウムまたはカリウムなどの金属材料を用いることができる。なお、第１薄膜５１の材料については、第１薄膜５１上に配置される第２薄膜５２の材料または発光素子３の光の波長などを考慮して選択すればよい。
【００２３】
また、第１薄膜５１は、金属材料の単層を用いてもよいし、金属材料からなる複数の層を積層した積層体であってもよい。第１薄膜５１の厚さは、第１薄膜５１の上面で表面プラズモン波が励起するように、トンネル効果によって第１薄膜５１に入射した光が浸み出す厚さに設定される。具体的には、第１薄膜５１の厚みは、例えば０．５ｎｍ以上１μｍ以下となるように設定することができる。
【００２４】
第２薄膜５２は、雰囲気中の特定の物質に反応して屈折率（誘電率）を変化させる機能を有する。第２薄膜５２は、具体的に、水素ガスなどを検出する場合には、感応膜として、例えばマグネシウム、パラジウムなどの膜を用いることができる。また、アンモニアガスなどを検出する場合には、感応膜として、アクリル酸ポリマーまたは銅フタロシアニンなどの膜を用いることができる。他には、モノクローナル抗体、ビオチンまたはがレクチンなどの膜を用いることで抗原を検出することができる。
【００２５】
感応部５は、上記構成を有していることによって、透光性基板２内部を進んできた光が第１薄膜５１の界面で反射されると、第１薄膜５１の上面に表面プラズモン波が励起される。ここで、表面プラズモンは特定の入射角で第１薄膜５１に入射した光と共鳴することから、表面プラズモン波の励起によって光エネルギーの一部が損失して、特定の入射角で入射した光の第１薄膜５１での反射率が極端に小さくなる。そして、表面プラズモン波が励起する際の光の入射角は、第１薄膜５１の上面に位置する第２薄膜５２の屈折率によって異なることから、第２薄膜５２の屈折率が変化することによって、第１薄膜５１での光の反射率が変化し、ひいては感応部５での反射光の強度が変化することになる。よって、反射光の強度の変化を検出することによって、第２薄膜５２が反応した物質を特定することができる。
【００２６】
なお、第１薄膜５１および第２薄膜５２は、例えば蒸着法またはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００２７】
感応部５は、上述した通り、透光性基板２上に配されている。具体的には、感応部５は、図１に示すように、透光性基板２の切り欠き部２１の内面を覆って配されている。すなわち、感応部５は、透光性基板２の凹曲面に対応した凸曲面５３を有している。そして、発光素子３の光は感応部５の凸曲面５３に入射する。
【００２８】
ここで、従来、受光素子４で感応部５での反射光を受光する場合、反射光の分解能を向上させるために、受光素子４に入射するときの反射光のスポット径を大きくする必要があった。そのため、反射光を広げるために受光素子４と感応部５との距離を大きく確保する必要があった。その結果、光学式センサ１が大型化してしまうことがあった。
【００２９】
これに対して、本発明にかかる光学式センサ１は、感応部５が凸曲面５３を有しており、発光素子３の光は凸曲面５３で反射される構成としている。したがって、図３に示すように、発光素子３の光が平面を反射する場合と比較して、感応部５への光の入射角の分布を大きくすることができるため、感応部５で反射した反射光のスポット径を大きくすることができる。したがって、感応部５と受光素子４との距離を小さくすることができるため、光学式センサ１を小型化することができる。
【００３０】
なお、図３は、光が反射するときの反射面の形状の影響を説明するものである。図３（ａ）は光が平面で反射したとき様子を示しており、図３（ｂ）は、光が凸曲面で反射した時の様子を示している。また、図３中の実線の矢印は入射光を示すものであり、破線の矢印は反射光を示している。
【００３１】
感応部５の凸曲面５３は、図４に示すように、凸曲面５３を第１方向Ａ１に沿って視たときに凸状に湾曲しており、凸曲面５３を第１方向Ａ１に直交した第２方向Ａ２に沿って視たときに凹状に湾曲していてもよい。その結果、感応部５の凸曲面５３で反射する反射光について、反射光のスポット径のうち、第１方向Ａ１に沿った成分を大きくすることができ、第２方向Ａ２に沿った成分が大きくなるのを低減することができる。したがって、反射光の必要な部分のみスポット径を大きくすることができるため、不必要な部分のスポット径の拡大を低減することができるため、光学式センサ１を小型化させることができる。
【００３２】
なお、図４は、感応部５の斜視図を示している。なお、図４中では、第１薄膜５１と第２薄膜５２の記載は省略する。
【００３３】
また、上記の凸曲面５３の形状を以下に詳述する。
【００３４】
上記の凸曲面５３は、図１、２に示すように、透光性基板２の上面から一方向（本説明ではＸ軸方向）に沿って光学式センサ１を上下方向（Ｚ軸方向）に切断した時の断面を視たときには、凸状に湾曲している。一方で、図５に示すように、透光性基板２の側面から一方向（本説明ではＸ軸方向）に沿って光学式センサ１を平面方向（ＸＹ軸方向）に切断した時の断面を視たときには、凸曲面５３は、凹状に湾曲している。
【００３５】
なお、図５に、光学式センサ１を透光性基板２の側面からＸ軸に沿って平面方向（ＸＹ平面方向）に沿って切断したときの断面図を示す。
【００３６】
さらに、上記の凸曲面５３の形状を言い換えて以下に詳述する。
【００３７】
上記の凸曲面５３は、図４に示すように、例えば第１方向Ａ１、第２方向Ａ２および第１方向Ａ１と第２方向Ａ２とに直交する第３方向Ａ３を定義したとき、第２方向Ａ２および第３方向Ａ３の成分を有する１つの弓形の線分上に、第１方向Ａ１および第３方向Ａ３の成分を有する複数の弓形の線分を連続して配置したときに形成される曲面の形状である。
【００３８】
なお、本実施形態にかかる光学式センサ１において、透光性基板２を形成するときに凹曲面の形状を制御することによって、凸曲面５３の形状を制御することができる。
【００３９】
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更または改良などが可能である。
【００４０】
上述の実施形態では、光学式センサ１が、一つの受光素子４を有している例を説明したが、光学式センサ１は、複数の受光素子４を有していても構わない。この場合、例えば、光学式センサ１は、第１受光素子と第１受光素子の隣に配列された第２受光素子を有しており、凸曲面は、第１受光素子および第２受光素子の配列方向に対して凸状に湾曲した形状であってもよい。すなわち、凸曲面を配列方向に沿って視たときに、凸状に湾曲していればよい。その結果、第１受光素子および第２受光素子に感応部からの反射光を入射されることができ、第２受光素子をモニタ用にすることができる。
【００４１】
また、上述の実施形態では、光学式センサ１が透光性基板２を有している例を説明したが、光学式センサ１は、透光性基板２を有していなくてもよい。光学式センサは、例えば匡体を有しており、匡体内に感応部、発光素子および受光素子が収容されていてもよい。
【００４２】
この場合、感応部は、透光性基板ではなく、匡体の内壁面に固定されることで、支持されていてもよい。
【００４３】
また、上述の実施形態では、発光素子３の光が感応部５に向かって出射される例を説明したが、発光素子３の光は、感応部５に向かって出射されなくても構わない。この場合、光学式線センサは、例えばミラーを有していてもよい。その結果、発光素子の光をミラーに向かって出射して、ミラーで感応部に向かって反射させてもよい。なお、ミラーは、例えば金、例えば蒸着法またはスパッタリング法などによって、銀または銅などの金属材料などを付着させることで形成することができる。
【００４４】
また、上述の実施形態では、光が入射する感応部５の表面全体が凸曲面である例を説明したが、光が入射する感応部の表面全体が凸曲面でなくても構わない。この場合、光が入射する感応部の表面の一部が凸曲面を有していればよい。
【００４５】
また、上述の実施形態では、透光性基板２の切り欠き部２１の切り欠き面を凹曲面とした例を説明したが、透光性基板の上面に開口した凹部の底面を凹曲面としてもよい。
【００４６】
また、発光素子３は、発光部を複数持つアレイ状の素子を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  ・・・光学式センサ
２  ・・・透光性基板
２１・・・切り欠き部
３  ・・・発光素子
４  ・・・受光素子
５  ・・・感応部
５１・・・第１薄膜
５２・・・第２薄膜
５３・・・凸曲面
Ａ１・・・第１方向
Ａ２・・・第２方向
Ａ３・・・第３方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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