(57)【要約】  光学センサシステム（２１）は、発光デバイス（２）、および、発光デバイス（２）から出射される光を検出する検出器（３）を有する光学センサヘッド（１）と、算出部（５１）とを備える。発光デバイス（２）は、第１の反射面（４）、第１の反射面（４）と対向する第２の反射面（５）、および、第１の反射面（４）と第２の反射面（５）との間に設けられた導波路（６）を含む共振器を有する。第１の反射面（４）上には、表面プラズモン励起可能な金属微粒子が少なくとも１つ以上形成されている。算出部（５１）は、検出器（３）の検出値に基づいて第１の反射面（４）における環境パラメータを算出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイス、ならびに、
前記発光デバイスから出射される光を検出する検出器を有し、
前記第１の反射面上に、表面プラズモンを励起する金属微粒子が少なくとも１つ形成されている光学センサヘッドと、
前記検出器の検出値に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備えていることを特徴とする光学センサシステム。
【請求項２】
前記発光デバイスは半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の光学センサシステム。
【請求項３】
前記金属微粒子の少なくとも一部が、前記発光デバイスの発光波長において透明性を示す保護層に覆われていることを特徴とする請求項１に記載の光学センサシステム。
【請求項４】
前記第１の反射面における環境パラメータの変化による、前記金属微粒子における表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量が、前記表面プラズモン励起波長域より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学センサシステム。
【請求項５】
前記第１の反射面における環境パラメータの変化による、前記金属微粒子における表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量が、前記発光デバイスから出射される光の波長の幅より小さいことを特徴とする請求項１または４に記載の光学センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴を利用した光学センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモン共鳴（入射光と金属微粒子内の電子の振動の共鳴）により、金属膜表面の屈折率を検出する表面プラズモンセンサは、感度が高いことおよびマーカーが不要であることから、主にバイオ分野における研究用途として使用されている。【０００３】
このセンサを用いた一般的なセンシング方法では、プリズムの１面に設けられた金属膜に対して、プリズムを介して光を集光して入射させ、その反射光を検出することにより、光が吸収される入射角から金属膜表面の屈折率を解析する。また、通常、金属膜に特定の分子を吸着する吸着層を設けておくことで、屈折率から分子の濃度を換算している。【０００４】
しかしながら、このセンシング方法を実施するには、光源、レンズ、プリズムなどからなる複雑な装置が必要となる。このため、装置の組立時の精度や、装置に経時変化を起こさないような厳しい温度管理や、センシングの結果に生じたずれの補正などが必要であることから、コストがかかるとともに、装置が大型化していた。また、上記の装置では、分子レベルの高精度な検出が困難である。【０００５】
これに対して、小型かつ感度の高い検出を行うため、共振器を用いる方法が提案されている。【０００６】
例えば、特許文献１には、平面状の導波路の一部に微小共振器を組み込み、この微小共振器表面の屈折率変化によるスペクトル応答の変化を検出するセンサが開示されている。この微小共振器は、表面プラズモン波のための共振器であって、薄い金属の層を有し、反射部分が周期構造となる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を用いている。【０００７】
また、特許文献２には、光ファイバの端面に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層を形成し、当該金属微粒子層の表面に検出対象分子に相補的な分子の分子層を形成した局在化表面プラズモンセンサが開示されている。この局在化表面プラズモンセンサは、光ファイバの端面から反射または散乱された光の変化を用いて、上記の相補的な分子に吸着または結合した検出対象分子を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国公表特許公報「特表２００７−５３７４３９号（２００７年１２月２０日公表）」
【特許文献２】日本国特許公報「特許０４２２４６４１号（２００９年２月１８日発行）」
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Cleveland Eugene Rayford II, George Schatz and Kevin Shuford, “Optical Properties of Gold Nanospheres”, Nanoscape Volume.2, Issue 1, p.p.27-33（２００５年春発行）
【非特許文献２】E. Stefan Kooij and Bene Poelsema, “Shape and size effects in the optical properties of metallic nanorods”, Physical Chemistry Chemical Physics, 2006, 8, p.p．3349−3357（２００６年３月１０日発行）
【非特許文献３】M. Li, Z. S. Zhang, X. Zhang, K. Y. Li and X. F. Yu, “Optical properties of Au/Ag core/shell nanoshuttles”, Optics Express Vol．16, No.18, p.p．14288-14293（２００８年８月２８日発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に開示されたセンサでは、光源の光を表面プラズモンに変換し、微小共振器を共振させた状態で検出対象と反応させ、再度表面プラズモンから光に変換して検出しているため、光から表面プラズモンへの変換において光強度のロスが生じる。また、２〜１０ミクロン長の共振器を利用しているため、減衰波である表面プラズモン波が共振器内部でロスしてしまい、感度向上が見込めない。また、別途光源が必要であることから分、小型化には限界がある。【００１１】
特許文献２に開示されたセンサでは、共振器を使用していないため、感度が低い。また、このセンサでは、光源の光を光ファイバに結合させる際、光強度のロスが生じる。【００１２】
本発明の目的は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高感度化および小型化が可能な光学センサシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学センサシステムは、第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイス、ならびに、前記発光デバイスから出射される光を検出する検出器を有し、前記第１の反射面上に、表面プラズモンを励起する金属微粒子が少なくとも１つ形成されている光学センサヘッドと、前記検出器の検出値に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様では、第１の反射面、第２の反射面、および、導波路によって共振器が構成される。第１の反射面における環境パラメータが変化し、金属微粒子で励起される表面プラズモンの励起波長が変化することにより、第１の反射面の反射率が変化する。この変化が発光デバイスの発振条件を変化させるため、発光デバイスから出射される光の強度も変化する。よって、前記検出器により検出される前記発光デバイスから出射される光の強度、さらにはこれから換算される発振条件に関連するパラメータに基づいて、第１の反射面４における環境パラメータを検出することができる。【００１５】
なお、環境パラメータとは、第１の反射面における光学特性に変化（金属微粒子の周辺または金属微粒子自体の屈折率の変化、第１の反射面の反射率の変化）を起こす要因の指標である。【００１６】
また、発振条件が変化することに起因した強度変化を検出しているため、単に表面プラズモンの励起波長が変化することによる強度変化を検出するよりも、感度を高めることができる。【００１７】
さらに、前記発光デバイスの前記第１の反射面上に、表面プラズモン励起を可能な金属微粒子が少なくとも１つ形成されているため、光学センサヘッドを、ほぼ発光デバイスのサイズに構成することで、大幅に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態１に係る光学センサシステムにおける光学センサヘッドの構成例を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は上記光学センサヘッドにおける金属微粒子の配置を示す断面図であり、（ｂ）は上記光学センサヘッドにおける保護層の介在した金属微粒子の配置を示す断面図である。
【図３】（ａ）は上記光学センサヘッドにおける表面プラズモン励起波長と金属微粒子からの光の透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は上記光学センサヘッドにおける表面プラズモン励起波長と金属微粒子からの光の反射率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態１の変形例に係る上記光学センサヘッドの斜視図である。
【図５】上記変形例に係る上記光学センサヘッドの側面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係る光学センサシステムの構成例を示す斜視図である。
【図７】（ａ）は上記光学センサシステムの光学センサヘッドにおける第１の反射面の反射率および第２の反射面の反射率を変化させたときの第２の反射面から放射された光の微分効率を示すグラフであり、（ｂ）は上記光学センサシステムの上記光学センサヘッドにおける第１の反射面の反射率および第２の反射面の反射率を変化させたときの閾値電流の変化を示すグラフである。
【図８】上記光学センサシステムにおける発光デバイスがシングルモードで発振する場合の当該発光デバイスの発光スペクトルと表面プラズモン励起波長域との関係を示す図である。
【図９】上記光学センサシステムにおける発光デバイスがマルチモードで発振する場合の当該発光デバイスの発光スペクトルと表面プラズモン励起波長域との関係を示す図である。
【図１０】上記光学センサシステムにおける発光デバイスの発光スペクトルと表面プラズモン励起波長域とのさらに他の関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態１に係る光学センサシステムの他の構成例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態２に係る光学センサシステムの構成例を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態３に係る光学センサシステムの他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態１に係る光学センサシステムにおける光学センサヘッド１について、図１〜図４を参照して説明すると、以下の通りである。
【００２０】
［光学センサヘッドの構成］
図１は、本実施形態の光学センサシステムにおける光学センサヘッド１の構成例を示す斜視図である。
【００２１】
図１に示すように、光学センサヘッド１は、発光デバイス２と、金属微粒子７と、検出器３とを備えて構成されている。図示を省略しているが、これらはパッケージ化されて一体となっている。発光デバイス２は、直方体の形状を成しており、第１の反射面４、第１の反射面４と対向する第２の反射面５、および、第１の反射面４と第２の反射面５との間に設けられた導波路６を有している。また、第１の反射面４上には金属微粒子７が形成されている。
【００２２】
発光デバイス２は、導波路６の両端に、第１の反射面４および第２の反射面５が設けられており、光が、第１の反射面４および第２の反射面５間で導波路６内を、ｚ方向およびｚ方向と逆の方向に往復するように構成されている。導波路６が利得を有しているので、導波路６を往復する光が利得により増幅され、一部の光が第１の反射面４および第２の反射面５から外部に放射される。このように、発光デバイス２は、第１の反射面４、第２の反射面５、および、導波路６を有することにより、共振器を構成している。
【００２３】
発光デバイス２として、具体的には市販のレーザ素子を用いればよく、特に小型化のためには半導体レーザ素子が好ましい。また、感度を上げるために、分布帰還型レーザ素子を用いてもよい。また、半導体レーザ素子を用いることで、後述するように、検出器３で検出された第１の反射面４および第２の反射面５の少なくともいずれか１つを通して外部に放射される光の強度から、第１の反射面４における環境パラメータを算出するのが容易となる。
【００２４】
なお、環境パラメータについては後に詳しく説明する。
【００２５】
発光デバイス２としてレーザを使用する場合、マルチモード発振でもシングルモード発振でもよい。一般的に、マルチモード発振はシングルモード発振よりも強度が強いが、シングルモード発振はマルチモード発振よりも発光デバイス２の発振スペクトルが狭い。したがって、シングルモード発振を用いることにより、表面プラズモン励起波長域の検出分解能が高くなり、検出感度が高くなる。
【００２６】
第１の反射面４、第２の反射面５、および、導波路６は、市販のレーザ素子（半導体レーザなど）であれば、すでに備わっている。しかしながら、第１の反射面４および第２の反射面５上にさらに別の膜を製膜し、反射率を調整することもできる。
【００２７】
検出器３は、市販のフォトディテクタであってもよいし、分光器であってもよい。市販のフォトディテクタは、光強度しか検出できないが、小型かつ低コストである。一方、分光器は、フォトディテクタほど小型にはできないが、反射スペクトルを検出できるため、光強度だけでなく、波長シフトの情報も得ることができる。これらの検出面は、検出する光が反射して光源に戻らないように、少し傾いていていてもよい。
【００２８】
また、検出器３は、発光デバイス２から出射された光、すなわち発光デバイス２の第１の反射面４または第２の反射面５を透過した光を検出できる位置であれば、どこに設置されてもよい。
【００２９】
ところで、市販の半導体レーザは、半導体レーザの光出力を一定に保つために、内部に半導体レーザの出射光の強度をモニタする光検出器（フォトダイオードなど）が設けられている。発光デバイス２を市販の半導体レーザで構成する場合、この光検出器を検出器３として利用してもよい。これにより、光学センサヘッド１を容易に作製することができる。
【００３０】
金属微粒子７は、表面プラズモンを励起する金属からなる。具体的には、金、銀、アルミニウムなどの材料が主に金属微粒子７として利用される。
【００３１】
金属微粒子７は、発光デバイス２から出射された光によって表面プラズモンが励起される。金属微粒子７で表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起波長域は、環境変化により、変化する。環境変化とは、温度、湿度、または、圧力であってもよいし、金属微粒子７周辺に検出対象９が存在することによって、金属微粒子７周辺または金属微粒子７自体の屈折率に変化が生じることであってもよい。検出対象９は、それ単独で金属微粒子７周辺に配置されることもあるし、気体（例えば空気）または液体（例えば水）に含まれた形態で金属微粒子７周辺に配置されることもある。
【００３２】
金属微粒子７は、発光デバイス２からの出射光の波長において表面プラズモンが励起できればよい。したがって、金属微粒子７の形状は、球形、連結球、楕円球、ロッド状、角柱、メイズ状、星型などのように限定されない。ただし、金属微粒子７の形状は、表面プラズモンの励起に影響する。例えば、非特許文献１に記載されているように、サイズが１００ｎｍ以上になると、励起波長は、ピークが長波長側にシフトするとともに、幅が広がることが知られている。
【００３３】
また、金属微粒子７は、連結球、楕円球、ロッド状、メイズ状など、１以外のアスペクト比を持つ形状である場合でも、励起波長が変化する。金属微粒子７のアスペクト比について、図２を用いて説明する。
【００３４】
図２の（ａ）は、光学センサヘッド１における金属微粒子の配置を示す断面図であり、図２の（ｂ）は、光学センサヘッド１における保護層の介在した金属微粒子の配置を示す断面図である。
【００３５】
図２の（ａ）に示す構成では、金属微粒子７のｚ方向の長さに対して、ｘ方向の長さが３倍になっている。金属微粒子７のｙ方向の長さは、ｘ方向と同じであるとする。このように金属微粒子７が楕円球である場合、金属微粒子７のｚ方向に対するｘ方向およびｙ方向のアスペクト比は３である。
【００３６】
金属微粒子７が球状（アスペクト比が１）である構成に対して、発光デバイス２の偏光方向のアスペクト比が高くなるほど、励起波長が長くなるという性質が知られている。具体的には、金属微粒子７が空気中で直径１００ｎｍ以下の球形であれば、表面プラズモン励起波長は、金属微粒子７の形成材料がＡｕであれば５１０ｎｍ近辺であり、同材料がＡｇであれば３６０ｎｍ近辺である。
【００３７】
しかし、非特許文献２に記載されているように、同材料をＡｕとし、発光デバイス２の偏光方向のアスペクト比を２とすると、表面プラズモン励起波長は５９０ｎｍ近辺となる。このように、アスペクト比が高くなるにつれ、表面プラズモン励起波長が長波長シフトすることが知られている。
【００３８】
図２の（ｂ）に示す構成では、金属微粒子７の一部が保護層８で覆われている。保護層８は、発光デバイス２の発光波長において吸収がなく、透明性を示す材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、一般的には例えばＳｉＯ２のような誘電体が用いられる。
【００３９】
金属微粒子７の一部が保護層８で覆われることにより、検出対象９やその他の物質により、金属微粒子７が経時変化することを防げる。また、保護層８によって金属微粒子７の周辺における屈折率が変わるため、表面プラズモン励起波長が変化する。これにより、金属微粒子７の周辺における屈折率を保護層８によって高くすることができる。したがって、発光デバイス２の発光波長に表面プラズモン励起波長域を調整することができる。
【００４０】
なお、金属微粒子７で励起される表面プラズモンが保護層８の外側に存在していれば、保護層８の外側における環境パラメータの変化により、表面プラズモンの励起強度が変化する。これに伴い、金属微粒子７が形成された第１の反射面４および第２の反射面５の少なくともいずれか１つでの反射率が変化する。これにより、発光デバイス２の内部での発振条件が変化し、上記の反射率が、第１の反射面４および第２の反射面５の少なくともいずれか１つから放射される光の強度または波長の変化として検出されて、表面プラズモンが存在している部分の環境パラメータの変化を検出できる。このような理由から、保護層８は、金属微粒子７の全体を覆っていてもよい。これにより、保護層８による金属微粒子７の経時変化の抑制効果を高めることができる。また、保護層８が金属微粒子７を覆う表面積が増えるため、金属微粒子７の周辺における屈折率を保護層８によってより高くすることができる。したがって、発光デバイス２の発光波長に表面プラズモン励起波長域をより長波長に調整することができる。
【００４１】
一方、保護層８の外側に表面プラズモンが存在していなければ、保護層８の外側における環境パラメータが変化しても、表面プラズモンの励起強度に変化が及ばない（あるいは非常に小さい）ので、発光デバイス２の内部での発振条件が変化しない。このため、第１の反射面４および第２の反射面５の少なくともいずれか１つから放射される光の強度または波長が変化せず、環境パラメータの変化を検出することができない。
【００４２】
金属微粒子７は、第１の反射面４上に１個以上形成されていればよいが、発光デバイス２の光が照射される範囲に複数個形成されることが好ましい。この場合、複数の金属微粒子７は、サイズおよびアスペクト比が互いに異なっていてもよい。
【００４３】
［光学センサヘッドの動作］
上記のように構成される光学センサヘッド１の動作について説明する。
【００４４】
第１の反射面４の環境パラメータが前述のように変化することで、金属微粒子７の周辺または金属微粒子７自体の屈折率が変化するので、金属微粒子７の表面プラズモン励起波長が変化する。これにより、金属微粒子７すなわち第１の反射面４における反射率が変化すると、この反射率の変化が発光デバイス２の共振器に影響を与える結果、発光デバイス２の発振条件が変化する。
【００４５】
発振条件の変化は、第１の反射面４および第２の反射面５の少なくともいずれか１つから放射される光の強度または波長の変化として検出され、これらの変化が環境パラメータの変化に換算される。本願において、環境パラメータとは、第１の反射面４における光学特性に変化（金属微粒子７の周辺または金属微粒子７自体の屈折率の変化、第１の反射面４の反射率の変化）を起こす要因の指標である。具体的には、環境パラメータとしては、温度・湿度・圧力や、酸化・還元力、金属微粒子７周辺に存在する気体・液体・固体（検出対象９）の種類・濃度・数量などが挙げられる。
【００４６】
発光デバイス２が半導体レーザ素子であれば、微分効率および閾値の少なくともいずれか１つの変化を検出してもよい。
【００４７】
なお、本実施形態において、屈折率とは複素屈折率も含む。すなわち、消衰係数が変化した場合でも同様である。
【００４８】
以下、光学センサヘッド１の具体的な動作について、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）シミュレーション、および理論計算した結果を用いて説明する。
【００４９】
図３の（ａ）は、光学センサヘッド１における表面プラズモン励起波長と金属微粒子７からの光の透過率との関係を示すグラフである。図３の（ｂ）は、光学センサヘッド１における表面プラズモン励起波長と金属微粒子７からの光の反射率との関係を示すグラフである。図３の（ａ）および（ｂ）は、上記のそれぞれの関係をＦＤＴＤシミュレーションにより計算した結果を示している。
【００５０】
上記のＦＤＴＤシミュレーションにおいては、いずれも、形成材料をＡｕとし、形状を短軸２０ｎｍ、長軸６０ｎｍ、かつアスペクト比３を有する角柱とした金属微粒子７を想定している。また、入射光の偏光方向は金属微粒子７の長軸方向である。また、図３の（ａ）および（ｂ）ともに、金属微粒子７が空気中にある状態を想定して、金属微粒子７の周囲における屈折率を１．０とし、検出対象９が金属微粒子７の周囲に存在することで、屈折率が１．０１、１．０３、１．０５と大きくなった場合を示している。
【００５１】
図３の（ａ）および（ｂ）からわかる通り、表面プラズモン励起波長は、ピーク波長を中心として、ある程度の幅を持っている。例えば、金属微粒子７がある構成とない構成とで、透過率および反射率の差を求めれば、表面プラズモン励起波長の範囲がわかる。これは、金属微粒子７のサイズ、アスペクト比および配列が不均一であることにより広がっている場合でも適用できる。
【００５２】
本実施形態では、以下、この表面プラズモン励起波長の範囲を、表面プラズモン励起波長域と称する。この表面プラズモン励起波長域は、例えば、金属微粒子７が形成された部分の第１の反射面４の反射率と、金属微粒子７が形成されていない部分の第１の反射面４の反射率とを外部から測定し、両反射率の差分を求めることで特定することができる。また、このような表面プラズモン励起波長域の特定において、必要であれば、測定した両反射率を補正してもよい。
【００５３】
図３の（ａ）に示すように、屈折率１．０の場合、表面プラズモン励起波長６２３ｎｍで透過率が低下していることから、金属微粒子７での表面プラズモン共鳴により光が吸収されていることがわかる。また、図３の（ｂ）に示すように、屈折率１．０の場合、反射率が上昇しているのは、金属微粒子７で反射がほとんどなく、散乱光だけが戻るためである。さらに、屈折率が１．０１、１．０３、１．０５と大きくなるにつれ、表面プラズモン励起波長域がシフトすることにより、屈折率が最小となり、かつ反射率が最大となるピーク波長は、６２５ｎｍ、６２７ｎｍ、６３１ｎｍと順次シフトしていく。
【００５４】
よって、発光デバイス２の発光波長を固定しておけば、金属微粒子７の周囲における屈折率が変化することにより、金属微粒子７からの透過率が増加し、かつ反射率が減少することになる。また、同様の原理で、金属微粒子７自体の屈折率が変化した場合にも、ピーク波長がシフトする。
【００５５】
［光学センサヘッドの製造方法］
次に、図１に示す光学センサヘッド１の製造方法を説明する。
【００５６】
発光デバイス２は、市販のレーザ素子を用いればよく、この第１の反射面４に金属微粒子７を形成すればよい。そして、第２の反射面５を通して外部に出射される光を検出できるように、市販のフォトディテクタを検出器３として設置すればよい。
【００５７】
例えば、発光デバイス２として半導体レーザ素子を用いる場合、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の裏面からの発光強度をモニタするフォトディテクタとがパッケージ化されているタイプのものを用いることができる。この半導体レーザ素子の出射面（第１の反射面４）に、ｐ電極とｎ電極とが導通しないように金属微粒子７の材料を数ｎｍ程度分スパッタや蒸着などにより製膜すれば、当該材料が島状に成長することにより、メイズ状の金属微粒子７を形成することができる。このとき、金属微粒子７は複数形成され、そのサイズおよびアスペクト比は分布している。
【００５８】
また、非特許文献３に記載されているように、化学合成などにより、球状、楕円球、ロッド状などの金属微粒子７を第１の反射面４に形成することもできる。この場合、金属微粒子７を複数形成しても、そのサイズおよびアスペクト比はほとんど分布しないように、ほぼ均一にすることもできる。
【００５９】
［変形例］
ここで、光学センサヘッド１の変形例について説明する。
【００６０】
発光デバイス２を気体中で利用する場合には、上述の構成のみでもセンシングできるが、より精密な測定を行う場合や、液体中で利用する場合には、工夫が必要である。特に、発光デバイス２が半導体レーザ素子である場合には、光学センサヘッド１をそのまま液体に接触させると、半導体レーザ素子においてｐ電極とｎ電極とが導通してしまうため、発光しなくなり、最悪の場合、破壊される。
【００６１】
このような不都合を回避するために、第１の反射面４における導波路６の端付近にのみ検出対象９を含む気体および液体の少なくともいずれか１つを流すような部材を用いることが好ましい。図４は、このような部材である流路部材１０を含む変形例の光学センサヘッド１の一例を示す斜視図である。図５は、当該変形例の光学センサヘッド１の側面図である。
【００６２】
図４および図５に示すように、本変形例に係る光学センサヘッド１は、発光デバイス２に加えて流路部材１０を備えている。この流路部材１０は、方形の筒状に形成されており、図４および図５における左から右へ検出対象９を流すための流路を内部に有している。また、流路部材１０の下面における中央部には窓１１（開口部）が設けられている。この窓１１は、流路を第１の反射面４側に露出させるように方形に開口している。
【００６３】
なお、流路部材１０は、方形の筒状には限定されず、その他の形状に形成されていてもよい。また、窓１１も、方形には限定されず、その他の形状に形成されていてもよい。
【００６４】
第１の反射面４と流路部材１０との間には、Ｏリング１２が設けられている。このＯリング１２は、Ｏリング１２の内側に、窓１１の全ての開口領域および第１の反射面４の発光範囲が収まるように配置されている。また、Ｏリング１２は、第１の反射面４と流路部材１０とにｚ方向で密着している。
【００６５】
ここで、発光範囲とは、発光デバイス２から放射される光が第１の反射面４において、検出対象９を検出できる面積である。窓１１が発光範囲の一部のみと対向するように形成かつ設置されている場合、発光範囲の窓１１に対向していない部分は、検出に寄与しないため、検出感度の低下を招く。流路部材１０における窓１１の周囲の領域は、検出対象９を含む気体および液体の少なくともいずれか１つが漏れ出ないように、Ｏリング１２を介して第１の反射面４に密着させられる。
【００６６】
光学センサヘッド１は、上記のような流路部材１０を有することにより、流路部材１０の流路を流れる検出対象９を含む気体または液体を、漏らさずに所望の箇所に流すことができる。
【００６７】
［光学センサシステムの構成］
本実施形態に係る光学センサシステム２１について、図６〜図１０を参照して説明する。
【００６８】
図６は、本発明の実施形態１に係る光学センサシステム２１の構成例を示す斜視図である。
【００６９】
図６に示すように、光学センサシステム２１は、図１に詳細を示した光学センサヘッド１と、算出部５１と、表示部５２とを備えて構成されている。
【００７０】
算出部５１は、光学センサヘッド１の検出器３で検出された結果を解析し、第１の反射面４における環境パラメータを算出する。
【００７１】
表示部５２は、算出部５１による算出結果を表示する。表示部５２としては、市販のディスプレイを用いればよく、数字（環境パラメータ）だけ表示するものでもよい。
【００７２】
算出部５１としてコンピュータを利用する場合、表示部５２としてコンピュータに対応したディスプレイを用いれば、ディスプレイに環境パラメータをグラフ表示させることができる。また、算出部５１としてコンピュータを利用する場合には、ユーザが測定条件や解析内容をキーボードなどの入力装置を用いて入力することもできる。
【００７３】
なお、算出部５１の算出結果を、別の機器に接続する場合であれば、表示部５２は不要である。
【００７４】
後述する光学センサシステム２１の動作に関するアルゴリズムを備えたプログラムは、光学センサシステム２１の製造者や販売者が提供するものであってもよいし、ユーザが独自に作成するものであってもよい。
【００７５】
また、光学センサシステム２１は、温度センサを備えていてもよい。発光デバイス２は、温度変化すると、一般的に発光スペクトルが変化する。特に、発光デバイス２が半導体レーザ素子である場合、温度が上昇するにしたがって、発光ピーク波長が長波長側にシフトする。そこで、温度センサにより、発光デバイス２の温度を検出しておけば、その温度に基づいて、発光デバイス２の波長シフトによる検出信号の変化を補正できる。
【００７６】
［ソフトウェアによる実現例］
算出部５１は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【００７７】
後者の場合、算出部５１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵを備える。また、算出部５１は、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。
【００７８】
上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。
【００７９】
なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【００８０】
［光学センサシステムの動作］
算出部５１で行なわれる、検出器３の検出結果の解析、および環境パラメータの算出原理について、説明する。
【００８１】
なお、以下の説明においては、発光デバイス２が半導体レーザ素子であり、検出器３の検出結果（検出値）が発光デバイス２から放射された光の強度であり、金属微粒子７が、発光デバイス２の光が照射される範囲に複数個形成されているものとする。
【００８２】
〈半導体レーザ素子の利用例〉
上述のとおり、環境パラメータの変化により、金属微粒子７の周辺または金属微粒子７自体の屈折率が変化し、金属微粒子７で励起される表面プラズモンの励起波長が変化し、第１の反射面４の反射率が変化する。まず、この第１の反射面４の反射率の変化が、発光デバイス２である半導体レーザ素子の発振条件に与える影響の計算について説明する。
【００８３】
ここで、半導体レーザ素子の発振条件とは、閾値電流および微分効率である。これらは、一般に下記の数式（１）〜（３）で表されることが知られている。
【００８４】
ここで、数式（１）〜（３）における各パラメータは、以下のとおりである。
【００８５】
η１：第１の反射面４から放射された光の微分効率
η２：第２の反射面５から放射された光の微分効率
Ｉth：閾値電流
Ｒ１：第１の反射面４の反射率
Ｒ２：第２の反射面５の反射率
Ｔ１：第１の反射面４の透過率
Ｔ２：第２の反射面５の透過率
ηstm：内部微分効率
ηi：内部量子効率
αint：内部損失
Ｊ0：透明化電流
Γ：活性層の光閉じ込め係数
ｈ：プランク定数
ν：光の振動数
ｑ：電子の電荷
Ｌ：共振器長
Ｗ：活性層の幅
ｄ：活性層厚さ
【００８６】
【数１】
2014208144.tif 000003
【００８７】
【数２】
2014208144.tif 000004
【００８８】
【数３】
2014208144.tif 000005
【００８９】
図７の（ａ）は、光学センサヘッド１における第１の反射面４の反射率Ｒ１および第２の反射面５の反射率Ｒ２を変化させたときの、第２の反射面５から放射された光の微分効率η２を示すグラフである。図７の（ｂ）は、光学センサヘッド１における第１の反射面４の反射率Ｒ１および第２の反射面５の反射率Ｒ２を変化させたときの閾値電流の変化を示すグラフである。図７の（ａ）および（ｂ）に示す特性では、代表的な波長７８０ｎｍの半導体レーザ素子のパラメータを用いている。
【００９０】
図７の（ａ）に示すように、第１の反射面４の反射率Ｒ１が変化することによって、第２の反射面５から放射された光の微分効率η２が変化することがわかる。また、第１の反射面４の反射率Ｒ１が大きいほど、第１の反射面４の反射率Ｒ１の変化に対する第２の反射面５から放射された光の微分効率η２の変化量が大きくなることがわかる。さらに、第２の反射面５の反射率Ｒ２が小さいほど、第１の反射面４の反射率Ｒ１の変化に対する第２の反射面５から放射された光の微分効率η２の変化量が大きくなることがわかる。
【００９１】
よって、第２の反射面５から放射された光の微分効率η２の変化から屈折率を検出するには、第１の反射面４の反射率Ｒ１が大きく、かつ第２の反射面５の反射率Ｒ２が小さい方が好ましい。
【００９２】
一方、図７の（ｂ）に示すように、第１の反射面４の反射率Ｒ１が変化することによって、閾値電流が変化することがわかる。また、第１の反射面４の反射率Ｒ１が小さいほど、第１の反射面４の反射率Ｒ１の変化に対する閾値電流の変化量が大きくなることがわかる。しかし、第２の反射面５の反射率Ｒ２が変化しても、第１の反射面４の反射率Ｒ１の変化に対する閾値電流の変化量はほとんど変化がない。すなわち、第２の反射面５の反射率Ｒ２が小さいほど、閾値電流の値は大きくなっているが、全体の曲線の傾きはほぼ同じであり、閾値電流の変化量はほとんど変化がない。
【００９３】
よって、閾値電流の変化から屈折率を検出するには、第１の反射面４の反射率Ｒ１が小さい方が好ましい。ただし、第１の反射面４の反射率Ｒ１が小さいということは、第１の反射面４から放射される光量が多くなること、あるいは第１の反射面４で吸収される光量が多くなることを意味している。いずれの場合も、第１の反射面４の付近に存在する検出対象９に熱を与えることになる。したがって、この熱量による温度変化を補正することが好ましい。
【００９４】
また、第１の反射面４の反射率Ｒ１が変化すれば、当然として、第１の反射面４から放射される光の強度が変化する。この変化量は、単なる第１の反射面４の反射率Ｒ１の変化量だけでなく、第１の反射面４の反射率Ｒ１が変化したことにより、発光デバイス２である半導体レーザ素子の発振条件が変化することにも起因する。
【００９５】
検出器３が検出するのは、第１の反射面４および第２の反射面５の少なくともいずれか１つから放射された光の強度である。以下、検出器３が、第２の反射面５から放射された光の強度を検出する場合を例に挙げて説明する。
【００９６】
半導体レーザ素子の発光強度Ｐは、注入電流Ｉが閾値電流Ｉth以上のとき、第２の反射面５から放射された光の微分効率η２により、次の数式（４）のように線形な関係で表されることが知られている。
【００９７】
【数４】
2014208144.tif 000006
【００９８】
算出部５１は、この強度そのものを環境パラメータに換算してもよいし、微分効率および閾値電流の少なくともいずれか１つの変化を算出し、その算出結果を環境パラメータに換算してもよい。
【００９９】
微分効率を求める場合、発光デバイス２に対して、閾値電流以上の少なくとも２つの電流値の電流を流して当該電流値を測定しておき、そのときに第２の反射面５から放射された光の強度を検出器３で検出する。算出部５１は、検出器３で検出された複数の検出強度の差を電流値の差で除算することにより、微分効率を求めればよい。また、上記の電流値は少なくとも２つあればよい。
【０１００】
なお、上記の電流値の測定点数を増やして、各電流値に対する検出強度に対してフィッティングすれば、電流値および検出強度の測定誤差の影響を小さくすることができる。
【０１０１】
検出器３は、第２の反射面５から放射された光の一部のみを検出するように構成されている場合、算出部５１は、第２の反射面５から放射された光の全光量と検出光量との比で定まる補正係数によって、屈折率の算出を所定の補正係数を用いて補正すればよい。この場合、算出部５１が、上記の補正係数を保持していればよい。
【０１０２】
算出部５１が閾値電流を算出する場合にも、閾値電流以上の少なくとも２つの電流値で電流を流し、そのときに第２の反射面５から放射された光の強度を検出器３で検出する。算出部５１は、第２の反射面５から放射された光の微分効率η２を算出した後、ある電流値での発光強度と、算出した微分効率η２とを数式（４）に代入することによって閾値電流を算出する。
【０１０３】
次に、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つから、環境パラメータを求める方法について説明する。
【０１０４】
まず、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つから、第１の反射面４の反射率Ｒ１を算出する。このため、数式（２）〜数式（４）の少なくともいずれか１つを用いれば、反射率Ｒ１を一意に算出できる。
【０１０５】
算出された第１の反射面４の反射率Ｒ１から第１の反射面４における環境パラメータを算出するには、予め第１の反射面４における環境パラメータと第１の反射面４の反射率Ｒ１との関係をシミュレーションまたは実測により何点か求めておく。また、この結果から、最小二乗法などのフィッティング法などにより、第１の反射面４における環境パラメータと第１の反射面４の反射率Ｒ１との関係式を求めておき、算出部５１にこの関係式を保持させる。これにより、算出部５１は、第１の反射面４の反射率Ｒ１から、上記の関係式に基づいて、第１の反射面４における環境パラメータを算出することができる。
【０１０６】
代替的には、光学センサヘッド１における金属微粒子７の周辺に、特定の分子を吸着する吸着層を設けておき、吸着層に吸着された特定の分子の濃度を検出することも可能である。この場合、予め、濃度が既知であるサンプルについて前述のように電流値に対する第２の反射面５から放射された光の強度、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つを測定・記録しておけばよい。濃度が不明のサンプルについて同様に電流値に対して得られた第２の反射面５から放射された光の強度、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つを、記録された第２の反射面５から放射された光の強度、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つとそれぞれ対比させることにより、濃度を算出する。この場合、算出部５１に、測定前に濃度が既知であるサンプルについての電流値と、第２の反射面５から放射された光の強度、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つとの関係を測定した結果を記録する記録部があればよい。記録部は、ハードディスク、光ディスク、固体メモリなど、市販のものでよい。
【０１０７】
以上のように、発光デバイスとして半導体レーザを例に挙げて説明したが、第１の反射面４の反射率が変化すれば、共振器の発振条件が変化するため、別の構成でもよい。
【０１０８】
以上、検出器３が、第２の反射面５から放射された光の強度を検出する場合について述べたが、検出器３が、第１の反射面４から放射された光の強度を検出する場合も同様である。
【０１０９】
［実施例］
続いて、光学センサシステム２１について、異なる条件で動作させる場合の各実施例について説明する。
【０１１０】
（実施例１）
図８は、光学センサシステム２１における発光デバイス２がシングルモードで発振する場合の発光デバイス２の発光スペクトルと表面プラズモン励起波長域との関係を示す図である。図９は、光学センサシステム２１における発光デバイス２がマルチモードで発振する場合の発光デバイス２の発光スペクトルと表面プラズモン励起波長域との関係を示す図である。
【０１１１】
光学センサシステム２１の実施例１では、複数の金属微粒子７のサイズ、アスペクト比および配列の少なくともいずれか１つが不均一である。具体的には、サイズおよびアスペクト比については分布しており、配列については方向が一定ではない。これにより、図８に示すように、複数の金属微粒子７による表面プラズモン励起波長域Ｌが広がり、環境パラメータの変化による表面プラズモン励起波長域Ｌのピーク波長のシフト量Ｍ（変化量）が、表面プラズモン励起波長域より小さくなるものとする。
【０１１２】
例えば、複数の金属微粒子７をスパッタなどで形成すると、サイズおよびアスペクト比ともに分布を生じさせることができるため、金属微粒子７を容易に作製できる。さらに、製膜条件を変えることで、サイズおよびアスペクト比の分布幅を変化させ、金属微粒子７の表面プラズモン励起波長域における幅を調整することができる。また、アスペクト比が１より大きい複数の金属微粒子７を、配列させずに分散させると、発光デバイス２の偏光方向における金属微粒子７のサイズに分布を生じさせることができる。
【０１１３】
この状態では、図８に示すように、発光デバイス２の出射光の波長（発振波長）が表面プラズモン励起波長域のピーク波長以下であることが好ましい。通常、検出対象９が気体または液体に混入すると、検出対象９がないときに比べて屈折率が大きくなり、図８に示すように、表面プラズモン励起波長域が長波長側にシフトする。例えば、図８における表面プラズモン励起波長域を示すグラフが、第１の反射面４における反射率を示すものであるとする。この場合、検出対象９により、表面プラズモン励起波長域が長波長にシフトすると、図８に示す発光デバイス２の発振波長における反射率は、単調増加する。発光デバイス２の発振波長が、表面プラズモン励起波長域のピーク波長以上であると、検出対象９により、表面プラズモン励起波長域が長波長にシフトすると、発光デバイス２の発振波長における反射率が一度減少した後、増加することになり、１つの反射率に対応する検出対象９の濃度が２つの値を持つことになる。
【０１１４】
よって、発光デバイス２の出射光の波長を表面プラズモン励起波長域のピーク波長以下にしておくことにより、検出対象９が気体または液体に混入すると、発光デバイス２の出射光に対する第１の反射面４からの反射率、すなわち第２の反射面５から放射された光の強度は単調増加または単調減少する。これにより、第２の反射面５から放射された光強度の値や増減のみから、第１の反射面４における環境パラメータの変化を検出することができる。したがって、発光デバイス２の構成が非常に簡易になる。
【０１１５】
発光デバイス２の出射光の波長が表面プラズモン励起波長域のピーク波長以下でない場合でも、表面プラズモン励起波長域に含まれる波長であれば、発光デバイス２の出射光の波長に対する第１の反射面４からの反射率、すなわち第２の反射面５から放射された光の強度の変化を時間的に記録しておけば、第１の反射面４における環境パラメータを解析することができる。このような解析は、算出部５１によって行なわれる。
【０１１６】
なお、上記の説明では、図８に示すように、発光デバイス２がシングルモードで発振する場合について説明したが、図９に示すように、発光デバイス２がマルチモードで発振する場合についても同様である。
【０１１７】
（実施例２）
光学センサシステム２１の実施例２では、実施例１と同様、図８または図９に示すように、第１の反射面４における環境パラメータの変化による表面プラズモン励起波長域のピーク波長のシフト量が、表面プラズモン励起波長域より小さくなるものとする。
【０１１８】
ただし、複数の金属微粒子７によって表面プラズモン励起波長域の幅に広げるために、各金属微粒子７が均一な１００ｎｍ以上のサイズ（粒径）と、均一なアスペクト比とを有している。また、金属微粒子７は均一に配列されている。このような構成を得るには、例えば、１００ｎｍ以上の均一なサイズの複数の金属微粒子７を用意し、シランカップリング剤などにより第１の反射面４に分散させればよい。
【０１１９】
このような金属微粒子７を用いると、サイズおよびアスペクト比に分布がなく、配列に不均一性がないので、表面プラズモン励起波長域を理論的に計算することができる。それゆえ、検出器３による検出結果を簡単に解析することができる。また、金属微粒子７のサイズを１００ｎｍ以上とる場合、市販の均一な粒子を第１の反射面４に均一に分散させればよいので、光学センサヘッド１を容易に作製することができるだけでなく、幅広い環境パラメータの変化を検出できる。
【０１２０】
（実施例３）
光学センサシステム２１の実施例３では、実施例１および２と同様、図８または図９に示すように、第１の反射面４における環境パラメータの変化による表面プラズモン励起波長域のピーク波長のシフト量が、表面プラズモン励起波長域より小さくなるものとする。
【０１２１】
ただし、複数の金属微粒子７が均一な１００ｎｍより小さいサイズ（粒径）と、均一なアスペクト比とを有している。また、金属微粒子７は均一に配列されている。
【０１２２】
これにより、サイズおよびアスペクト比に分布がなく、配列に不均一性がない。それゆえ、検出器３による検出結果の解析が容易である。また、市販の均一な粒子を第１の反射面４に均一に分散させればよく、光学センサヘッド１を容易に作製できる。しかも、１００ｎｍより小さいサイズでは、表面プラズモン励起波長域が狭いため、その分環境パラメータの変化を高分解能に検出できる。
【０１２３】
（実施例４）
図１０は、光学センサシステム２１における発光デバイス２の波長と表面プラズモン励起波長域とのさらに他の関係を示す図である。
【０１２４】
光学センサシステム２１の実施例４では、図１０に示すように、第１の反射面４における環境パラメータの変化による表面プラズモン励起波長域のピーク波長がシフト量Ｍ１（変化量）で変化する。このシフト量Ｍ１は、発光デバイス２から放射される光の波長の幅Ｌ１より小さい。
【０１２５】
前述のように、一般に、発光デバイス２は、温度の変化に応じて、発光スペクトルが変化する。特に、発光デバイス２が半導体レーザ素子である場合、温度が上昇するにしたがって、発光ピーク波長が長波長側にシフトする。よって、発光デバイス２の温度を変化させることにより、発光ピーク波長を調整することができる。これを実現するには、発光デバイス２の温度をペルチェ素子などにより強制的に変化させてもよいし、発光デバイス２の発光パワーを変化させ、自発的に発光デバイス２自身の温度を変化させてもよい。
【０１２６】
これにより、第２の反射面５から放射された光の強度、閾値電流および微分効率の少なくともいずれか１つのピーク（極大値または極小値）が、表面プラズモン励起波長域のピーク波長と直接対応するので、第１の反射面４についての光の強度、閾値電流および微分効率を算出する必要がない。
【０１２７】
表面プラズモン励起波長域のピーク波長から、第１の反射面４における環境パラメータを算出するには、予め第１の反射面４における環境パラメータと表面プラズモン励起波長域のピーク波長との関係をＦＤＴＤシミュレーションまたは実測により何点か求めておき、算出部５１にこれらの結果を保持させる。この結果から最小二乗法などのカーブフィッティングなどにより、第１の反射面４における環境パラメータと表面プラズモン励起波長域のピーク波長との関係式を求めておけば、表面プラズモン励起波長域のピーク波長から、第１の反射面４における環境パラメータを算出することができる。
【０１２８】
（実施例５）
図１１は、実施例５に用いられる光学センサシステム２１の構成例を示す斜視図である。
【０１２９】
光学センサシステム２１の実施例５では、実施例４同様、図１０に示すように、発光デバイス２から放射できる光の波長の幅Ｌ１が、第１の反射面４における環境パラメータの変化による表面プラズモン励起波長域のピーク波長のシフト量Ｍ１より広い。また、図１１に示すように、光学センサシステム２１は、発光デバイス２に隣接して外部共振器１３を備え、発光デバイス２がマルチモードで発振する。
【０１３０】
外部共振器１３は、例えば互いに向き合った２つのミラーからなるファブリーペロー共振器で構成され、ミラー間隔を調整できるようにしておく。ミラー間隔を変化させると、外部共振器１３での共振波長が変化するため、発光デバイス２の発振モードをマルチモードからシングルモードに変更することができる。すなわち、外部共振器１３の共振波長を変化させることで、検出器３の検出結果から表面プラズモン励起波長域がわかるため、第１の反射面４における環境パラメータを容易に解析することができる。
【０１３１】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２に係る光学センサシステム３１について、図１２を参照して説明すると、以下の通りである。
【０１３２】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記して、その説明を省略する。
【０１３３】
図１２は、本発明の実施形態２に係る光学センサシステム３１の構成例を示す図である。
【０１３４】
図１２に示すように、光学センサシステム３１は、複数の光学センサヘッド１を備えている。光学センサシステム３１において、光学センサヘッド１の個数および配置は、適宜選択することができる。
【０１３５】
このように構成される光学センサシステム３１においては、例えば、金属微粒子７の形状、材料、発光デバイス２の発光波長などが互いに異なれば、それぞれの光学センサヘッド１から得られる情報が異なる。これらの情報を総合することにより、検出対象９をより正確に検出する、検出対象９を検出する濃度レンジを広くする、検出対象９の種類を増やす、などの効果を得ることができる。この場合、光学センサヘッド１は、互いに離隔して配置されていてもよいし、近接して配列されていてもよく、目的によって配置間隔を設定すればよい。
【０１３６】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３に係る光学センサシステム３２について、図１３を参照して説明すると、以下の通りである。
【０１３７】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１，２における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記して、その説明を省略する。
【０１３８】
図１３は、本発明の実施形態３に係る光学センサシステム３２の構成例を示す図である。
【０１３９】
図１３に示すように、光学センサシステム３２は、同じ構成を有する複数の光学センサヘッド１と、流路部材１０とを備え、光学センサヘッド１が流路部材１０に沿って配列されている。また、流路部材１０と各光学センサヘッド１とは、対向する面でＯリング１２に密着している。
【０１４０】
このように構成される光学センサシステム３２においては、複数の光学センサヘッド１から得られた情報を総合して、検出対象９の時間変化または場所依存の情報を得ることもできる。さらに、検出対象９の温度や検出対象９の流速を変え、時間変化または場所依存の情報を測定すれば、流路中での検出対象９の動的特性（粘性、分散度など）を知ることができる。また、金属微粒子７に特定の分子を吸着する吸着層を設け、この特定の分子の濃度を検出すれば、吸着層に対する反応条件（反応速度、解離定数など）を知ることができる。
【０１４１】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学センサシステム（２１，３，３２１）は、第１の反射面（４）、前記第１の反射面と対向する第２の反射面（５）、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路（６）を有する発光デバイス（２）、ならびに、前記発光デバイスから出射される光を検出する検出器（３）を有し、前記第１の反射面上に、表面プラズモンを励起する金属微粒子（７）が少なくとも１つ形成されている光学センサヘッド（１）と、前記検出器の検出値に基づいて第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部（５１）とを備えている。
【０１４２】
前記構成では、第１の反射面、第２の反射面、および、導波路によって共振器が構成される。第１の反射面における環境パラメータにより、金属微粒子で励起される表面プラズモン励起波長域が決まり、第１の反射面の反射率が決まる。この反射率で発光デバイスの発振条件が決まるため、発光デバイスから出射される光の強度も決まる。よって、検出器により検出される発光デバイスから出射される光の強度・波長、さらにはこれから換算される発振条件に関連するパラメータを元に、算出部によって、第１の反射面における環境パラメータを算出することができる。また、環境パラメータの相対変化を算出することもできる。
【０１４３】
また、共振条件が変化することに起因した強度変化を検出しているため、単に表面プラズモン励起波長域が変化することによる強度変化を検出するよりも、感度が高くなる。
【０１４４】
本発明の態様２に係る光学センサシステムは、態様１に係る光学センサシステムにおいて、前記発光デバイスが半導体レーザであってもよい。
【０１４５】
前記構成によると、金属微粒子を半導体レーザの光出射面に形成すればよいため、容易に作成でき、非常に小型かつ安価な光学センサヘッドとなる。さらに、第１の反射面、第２の反射面、導波路、および、金属微粒子を一体化して作製することができるので、位置ずれなどの経時変化が起きず、信頼性が高くなる。また、半導体レーザの共振器には、利得が存在するため、光強度を高くして、検出信号のＳ／Ｎを高めることができる。さらに、半導体レーザの発振条件である、微分効率や閾値電流などのパラメータの変化を検出することにより、より詳細に検出結果を解析することができる。
【０１４６】
本発明の態様３に係る光学センサシステムは、態様１に係る光学センサシステムにおいて、前記検出器は、前記発光デバイスにおける前記第２の反射面から出射される光を検出し、前記半導体レーザに搭載されている光検出器であってもよい。
【０１４７】
市販の半導体レーザには、半導体レーザからの出射光の強度を検出するための光検出器が付随している場合が多く、この光検出器を検出器として利用すれば、光学センサヘッドを容易に作製することができる。
【０１４８】
本発明の態様４に係る光学センサシステムは、態様１に係る光学センサシステムにおいて、前記金属微粒子が、アスペクト比が１以上となる形状であってもよい。
【０１４９】
表面プラズモンを励起する金属材料は、アスペクト比が１の状態では、青色から緑色の波長で表面プラズモンを励起するが、アスペクト比が１以上であれば、表面プラズモン励起波長域が長波長側にシフトするため、安価な赤色から赤外の半導体レーザを使用することができる。
【０１５０】
本発明の態様５に係る光学センサシステムは、態様１に係る光学センサシステムにおいて、前記金属微粒子の少なくとも一部が、前記発光デバイスの発光波長において透明性を示す保護層に覆われていてもよい。
【０１５１】
前記構成では、検出対象やその他の物質により、前記金属微粒子が経時変化することを防げる。また、金属微粒子の周辺における屈折率を高くすることにもなり、発光デバイスの波長に表面プラズモン励起波長域を調整することもできる。
【０１５２】
本発明の態様６に係る光学センサシステムは、態様１に係る光学センサシステムにおいて、前記第１の反射面における環境パラメータの変化による、前記金属微粒子における表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量が、前記表面プラズモン励起波長域より小さくてもよい。
【０１５３】
前記構成によると、発光デバイスの発光波長を変化させなくても、発光デバイスから出射される光の強度変化のみから前記第１の反射面における環境パラメータの変化を検出できる。したがって、光学センサシステムを容易に構成することができる。
【０１５４】
本発明の態様７に係る光学センサシステムは、態様６に係る光学センサシステムにおいて、前記発光デバイスの発光波長が、前記金属微粒子における前記表面プラズモン励起波長域のピーク波長以下であってもよい。
【０１５５】
前記構成によると、前記第１の反射面における環境パラメータの変化に対して、第１の反射面における反射率および透過率が単調に変化する。これにより、検出器の検出値と金属微粒子の周辺における環境変化が１対１に対応するので、解析が容易となる。
【０１５６】
本発明の態様８に係る光学センサシステムは、態様６または７に係る光学センサシステムにおいて、前記金属微粒子のサイズ、アスペクト比および配列の少なくともいずれか１つが不均一であってもよい。
【０１５７】
前記構成によると、複数の金属微粒子による表面プラズモン励起波長域が広がり、第１の反射面における環境パラメータの変化による表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量を、表面プラズモン励起波長域より小さくすることができる。また、金属材料をスパッタなどで第１の反射面に製膜することにより、金属微粒子を容易に作製できるし、金属材料の製膜条件を変えることで、金属微粒子のサイズおよびアスペクト比の分布幅を変化させ、表面プラズモン励起波長域を調整することができる。
【０１５８】
本発明の態様９に係る光学センサシステムは、態様６に係る光学センサシステムにおいて、前記金属微粒子が、１００ｎｍ以上の均一なサイズと、均一なアスペクト比とを有し、かつ均一に配列されていてもよい。
【０１５９】
前記構成によると、金属微粒子のサイズおよびアスペクト比に分布がなく、配列に不均一性がないため、解析が容易、かつ市販の均一な粒子を第１の反射面に分散させればよい。したがって、光学センサシステムを容易に作製できるとともに、幅広い環境パラメータの変化を検出できる。
【０１６０】
本発明の態様１０に係る光学センサシステムは、態様６に係る光学センサシステムにおいて、前記金属微粒子が、１００ｎｍより小さい均一なサイズと、均一なアスペクト比とを有し、かつ均一に配列されていてもよい。
【０１６１】
前記構成によると、金属微粒子のサイズおよびアスペクト比に分布がなく、配列に不均一性がないため、解析が容易、かつ市販の均一な粒子を第１の反射面に分散させればよい。したがって、光学センサシステムを容易に作製できる。また、１００ｎｍより小さいサイズの金属微粒子では、表面プラズモン励起波長域が狭いので、それに応じて、環境パラメータの変化を高分解能に検出できる。
【０１６２】
本発明の態様１１に係る光学センサシステムは、態様１または６に係る光学センサシステムにおいて、前記金属微粒子の周辺における環境パラメータの変化による、前記金属微粒子における表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量が、前記発光デバイスから出射される光の波長の幅より小さくてもよい。
【０１６３】
前記構成によると、発光デバイスから出射される光の波長を変化させたときの、検出器からの検出値から、表面プラズモン励起波長域がわかる。これにより、第１の反射面４における環境パラメータの変化を容易に解析することができる。
【０１６４】
本発明の態様１２に係る光学センサシステムは、態様１１に係る光学センサシステムにおいて、前記発光デバイスから出射される光の強度および前記発光デバイスの温度の少なくともいずれか１つを変化させてもよい。
【０１６５】
発光デバイスから出射される光の強度を変化させると、間接的に発光デバイスの温度を変化させることになる。また、発光デバイスは、一般的に温度が変化すると、発光デバイスから出射される光の波長が変化する。よって、前記構成によると、発光デバイスから出射される光の強度および発光デバイスの温度の少なくともいずれか１つを変化させるだけで、容易に前記発光デバイスから出射され得る光の波長を変化させることができる。
【０１６６】
本発明の態様１３に係る光学センサシステムは、態様１１に係る光学センサシステムにおいて、前記発光デバイスが、共振波長が変化する外部共振器をさらに有していてもよい。
【０１６７】
前記構成では、発光デバイスがマルチモード発振している場合に、外部共振器の共振波長を変化させることにより、マルチモードからシングルモードに発振モードを変更することができる。したがって、容易に発光デバイスから出射される光の波長を変化させることができる。
【０１６８】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６９】
本発明は、表面プラズモン共鳴を用いたセンシングに好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１７０】
１  光学センサヘッド
２  発光デバイス
３  検出器
４  第１の反射面
５  第２の反射面
６  導波路
７  金属微粒子
８  保護層
９  検出対象
１０  流路部材
１１  窓
１２  Ｏリング
１３  外部共振器
２１  光学センサシステム
３１  光学センサシステム
３２  光学センサシステム
５１  算出部
５２  表示部
【図１】
2014208144.tif 000007
【図２】
2014208144.tif 000008
【図３】
2014208144.tif 000009
【図４】
2014208144.tif 000010
【図５】
2014208144.tif 000011
【図６】
2014208144.tif 000012
【図７】
2014208144.tif 000013
【図８】
2014208144.tif 000014
【図９】
2014208144.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
2014208144.tif 000017
【図１２】
2014208144.tif 000018
【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年11月29日(2016.11.29)
【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】
第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、
および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイス、ならびに、
前記発光デバイスから出射される光を検出する検出器を有し、
前記第１の反射面上に、表面プラズモンを励起する金属微粒子が少なくとも１つ形成されている光学センサヘッドと、
前記検出器の検出値に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備え、
前記第１の反射面における環境パラメータの変化による、前記金属微粒子における表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量が、前記表面プラズモン励起波長域より小さく、
前記発光デバイスの発光波長が、前記金属微粒子における前記表面プラズモン励起波長域のピーク波長未満であることを特徴とする光学センサシステム。
【請求項２】
第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、
および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイス、ならびに、
前記発光デバイスから出射される光を検出する検出器を有し、
前記第１の反射面上に、表面プラズモンを励起する金属微粒子が少なくとも１つ形成されている光学センサヘッドと、
前記検出器の検出値に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備える光学センサシステムであって、
前記第１の反射面における環境パラメータの変化による、前記金属微粒子における表面プラズモン励起波長域のピーク波長の変化量が、前記発光デバイスから出射される光の波長の幅より小さく、
前記光学センサシステムは、前記発光デバイスの温度を変化させることを特徴とする光学センサシステム。
【請求項３】
前記発光デバイスは半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学センサシステム。
【請求項４】
前記金属微粒子の少なくとも一部が、前記発光デバイスの発光波長において透明性を示す保護層に覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学センサシステム。
【国際調査報告】
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