(57)【要約】【課題】簡易かつ低コストで光導波路へ光を導入する方法を提供する。また、簡易かつ低コストで測定することができる光導波路分光測定装置を提供する。【解決手段】光導波路コア（１１）に接するように設けられた液滴（１２）に、光源から発射された光を光導波路コア内に導入する光導入用光導波路（１３）の先端（１３ａ）を挿入し、液滴（１２）を介して光導波路コア（１１）内に光を導入する光導波路への光導入方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路コアに接するように設けられた液滴に、光源から発射された光を光導波路コア内に導入する光導入用光導波路の先端を挿入し、液滴を介して光導波路コア内に光を導入することを特徴とする光導波路への光導入方法。
【請求項２】
前記の液滴と光導波路コアとの接触角が、１５０°以下であることを特徴とする請求項１記載の光導波路への光導入方法。
【請求項３】
前記液滴が、グリセリン、高屈折率液、高濃度塩溶液、水、油の液滴であることを特徴とする請求項２記載の光導波路への光導入方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路への光導入方法を用いたことを特徴とする光導波路分光測定方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路への光導入方法を用いたことを特徴とする顕微鏡の照明方法。
【請求項６】
試料との接触表面を有する光導波路コア、該光導波路コアに接するように設けられた液滴、光源から発射された光を前記液滴を介して前記光導波路コア内に導入する光導入用光導波路、および前記光導波路コアの内部で全反射を繰り返した光を出射する光出射部からなる試料測定部を有することを特徴とする請求項４記載の方法に使用される光導波路分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路への光導入方法及びそれを用いた光導波路分光測定装置に関する。詳しくは、小液滴を用いた光導波路への光導入方法及びそれを用いた光導波路分光測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路を利用した分光装置では、非常に薄い光導波路のコアにプローブ光となる光を導入する必要がある。
従来、このような薄い層に光を導入するために、カップリングプリズムと呼ばれる屈折率の高いプリズムを用いるか、あるいはコア表面に回折格子（グレーティング）となる溝、模様等を加工したり、導波路コア端面を光入射が可能になるように研磨したりして、導波路自身に加工をすることにより光を導入する必要があった（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
カップリングプリズムを用いた光導入方法について、図７を参照しながら説明する。図７は従来のカップリングプリズムを用いた光導入方法の模式図である。光導波路コア７１に接するようにカップリングプリズム７２が配置され、光導波路コア７１とカップリングプリズム７２との間にはカップリング液７４が塗布される。光源から発射され光ファイバ７３により伝搬された光を、集光レンズ７５で集光し、入射光側カップリングプリズム７２を介して光導波路コア７１内に導入する。
【０００４】
しかし、カップリングプリズムは高価であり、かつ壊れやすく、利用には注意を要した。また、カップリングプリズムと光導波路との間にカップリング液を使用する必要があり、カップリング液が蒸発した場合に問題があった。また、カップリングプリズムやカップリング液による光吸収があり、紫外域での測定が困難であるという問題があった。
【０００５】
グレーティングを利用する場合は、予め表面にグレーティングの加工が必要であり、エッチング等の比較的高度な技術が必要となるため加工コストが高くついていた。また波長依存性が強く、分光の際に重要となる白色光の導入が困難であった。導波路端面から光入射する場合は、端面の精密加工が必要になるため加工コストが高くついていた。また端面まで光を通すため導波路全体を光が通る状態にする必要があり、利用の際の制限となることもあった。
以上のように、従来の技術では使いやすさ、コスト、波長依存性など何らかの問題があった。
【０００６】
また、光源から発射された光を光導波路コア内に導入する光導入用光導波路として光ファイバを利用する系では、光ファイバからの光をレンズ等によってカッティングプリズムの入射ポイントに集光する必要があり、装置の小型化やコストの面で不利であった。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２８０２３６１号明細書
【特許文献２】
特許第２８０７７７７号明細書
【特許文献３】
特許第３０４１４０８号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡易かつ低コストで光導波路へ光を導入する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、簡易かつ低コストで測定することができる光導波路分光測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、光導波路コアに接するように設けられた液滴は、液と界面の濡れ性に応じてそれぞれの接触角を持っているが、接触角が特定の範囲にある場合は、液滴はカップリングプリズムと同様の働きをすることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされるに至ったものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、
（１）光導波路コアに接するように設けられた液滴に、光源から発射された光を光導波路コア内に導入する光導入用光導波路の先端を挿入し、液滴を介して光導波路コア内に光を導入することを特徴とする光導波路への光導入方法、
（２）前記の液滴と光導波路コアとの接触角が、２０°以上１８０°未満又は１８０°であることを特徴とする（１）項に記載の光導波路への光導入方法、
（３）前記液滴が、グリセリン、高屈折率液、高濃度塩溶液、水、油の液滴であることを特徴とする（２）項に記載の光導波路への光導入方法、
（４）（１）〜（３）のいずれか１項に記載の光導波路への光導入方法を用いたことを特徴とする光導波路分光測定方法、
（５）（１）〜（３）のいずれか１項に記載の光導波路への光導入方法を用いたことを特徴とする顕微鏡の照明方法、および
（６）試料との接触表面を有する光導波路コア、該光導波路コアに接するように設けられた液滴、光源から発射された光を前記液滴を介して前記光導波路コア内に導入する光導入用光導波路、および前記光導波路コアの内部で全反射を繰り返した光を出射する光出射部からなる試料測定部を有することを特徴とする（４）項に記載の方法に使用される光導波路分光測定装置
を提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明では、光導波路コアへ光を導入する手段として、従来のカップリングプリズムを使用せずに液滴を使用することを特徴とする。本発明の液滴を介した光導入方法について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の液滴を介した光導入方法の模式図である。光導波路コア１１に接するように液滴１２が配置され、液滴１２内に光ファイバ１３の先端１３ａが挿入される。光源から発射された光を、光ファイバ１３により伝搬し、光ファイバ１３から液滴１２を介して光導波路コア１１内に導入する。
本発明では、高価で壊れやすいカップリングプリズムを使用したり、光導波路コアを加工したりする必要がない。また、液滴を利用することにより、液滴中に光源から発射された光を光導波路コア内に導入する光導入用光導波路（光ファイバ等）を直接挿入することが可能となり、特に集光系を使わずに導入点へ光を集めることが可能となる。したがって、簡易に低コストで光導波路コア内に光を導入することができ、装置の小型化も可能となる。
【００１２】
図２及び図３に本発明の好ましい一実施態様を示す。図２は、光導波路を使用した分光測定装置の一実施例を示す斜視図である。図３は、光導波路を使用した分光測定装置の一実施例を示す模式図である。
装置は、光導波路コア２１，３１、液滴２２，３２、支持基板２３，３３、シリコンゴムシート２４，３４、光源３５から発射された光を光導波路コア２１，３１内に導入する光導入用光導波路２６，３６、試料セル２７，３７、および光導波路コア２１，３１内で全反射を繰り返した光を出射する光出射部２８，３８からなる試料測定部を有する。
【００１３】
図２を参照しながら本発明の光導波路分光測定装置の好ましい一実施態様を説明する。
装置は、まず支持基板２３上にシリコンゴムシート２４が配置され、シリコンゴムシート２４上に光導波路コア２１が配置される。光導波路コア２１には試料セル２７中の試料が接するように配置される。光導波路コア２１に接するようには液滴２２が配置され、液滴２２には、光源から発射された光を光導波路コア２１内に導入する光導入用光導波路２６の先端２６ａが挿入される。
【００１４】
光導波路コア２１の厚さは１μｍ〜１ｍｍが好ましく、２μｍ〜０．５ｍｍがより好ましく、１０μｍ〜０．２ｍｍがさらに好ましい。光導波路コア２１の材質は、ソーダガラス、石英、プラスチック、サファイヤなど透明で光学的に安定なものであればよい。光導波路コア２１内に導入された光は光導波路コア２１内を全反射しながら進む。
【００１５】
光導波路コア２１の端部には光出射部２８が設けられている。なお、光はある反射角度の範囲で内部反射して反対側の端面に到達するが、そのときにたまたま上または下を向いている光があり、出射光は図２に描かれているように上下に分かれる。これは反射回数が２ｎのもの及び２ｎ＋１のものに相当する。
【００１６】
支持基板２３は、光導波路コア２１自身に充分な強度がある場合には特に必要がないが、いわゆるクラッドの働きをするため、使用することが好ましい。使用する場合は、支持基板２３の厚さは１０ｍｍ以下が好ましく、０．１〜２ｍｍがより好ましい。大きさに特に制限はないが例えば、外形が長さ５〜２００ｍｍ、幅１〜３０ｍｍ、好ましくは外形が長さ３０〜７５ｍｍ、幅１０〜２５ｍｍのものを使用することができる。
また、シリコンゴムシート２４を使用することが好ましい。シリコンゴムシート２４は、光導波路コア２１が直接支持基板２３又はその他の物に密着して光が損失してしまうのを防止する役割を果たす。また、同時に、光導波路コア２１が滑って位置が変動しないように固定する役割も果たす。
【００１７】
液滴２２は、光導波路コア２１との接触角が１８０°未満をなすものが好ましく、１５０°以下をなすものがより好ましい。ここで、接触角の下限は特に制限はないが、液滴２２を介して光導波路コア２１内へ光を導入する目的の範囲で適宜定めることができる。好ましくは２０°以上、より好ましくは３０°以上である。
液滴２２は、具体的には、グリセリン、高屈折率液、高濃度塩溶液、高濃度糖類溶液、水、油等の液滴であることが好ましい。高屈折率液としては例えば、ジクロロメタン、ジブロモナフタレン等が挙げられ、高濃度塩溶液としては例えば、炭酸カリウム５０質量％溶液、ヨウ化カリウム４０質量％溶液等が挙げられ、高濃度糖類溶液としては例えば、５０質量％ショ糖溶液等が挙げられ、油としては例えば、シリコンオイル、パラフィン油等が挙げられる。
液滴２２の直径は、好ましくは０．０５〜１０ｍｍ、より好ましくは０．２〜３ｍｍである。
【００１８】
試料セル２７はガラス、石英、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などを使用することができる。厚さは特に制限はないが例えば１〜５ｍｍ程度である。試料セルの大きさは、小さいほど試料が少なくて済むので好ましいが、小さすぎるとセルの作製が困難になる。したがって大きさに特に制限はないが例えば、外形が長さ約５ｃｍ、幅約３ｃｍ、高さ約１．５ｃｍで、内法が長さ約４ｃｍ、幅約２ｃｍ、深さ約１ｃｍのものを使用することができる。ただし、内法の深さについては０．１ｍｍ以上が好ましい。
【００１９】
本発明において、光源は白熱灯、発光ダイオード、レーザー、ダイオードレーザーなどが用いられる。スペクトルを測定する場合や色調の変化を見る場合には、白色光を使用することが好ましい。この場合、白色光とはある波長幅をもつ光ということであり、白い色の光という意味ではない。白色光を用いることにより高価なレーザーを使用する必要がなくなり、装置が簡便かつ安価になる。本発明では紫外光を使用することができ、紫外域における測定が可能である。
【００２０】
光源から発射された光を光導波路コア２１内に導入する光導入用光導波路２６としては、例えば、光ファイバを用いることができる。
【００２１】
本発明において測定される試料は、気体、液体又は固体のいかなる状態でもよい。ただし、測定試料は後述するように光導波路コアに接していることが必要である。
すなわち、本発明の光導入方法を応用して、光導波路コアに接した溶液やガスなどの流体の屈折率を測定することにより試料の特性、例えば物質濃度を測定することができる。
また、光導波路コア表面に特定の物質と結合しやすい物質を物理吸着又は化学結合によりコーティングさせて、特定の物質がその表面に結合したことによる微少な有効屈折率変化を検知することにより表面薄膜や吸着物質等の特性、例えば厚みや物質濃度を測定することもできる。
【００２２】
図３を参照しながら本発明の光導波路分光測定方法の好ましい一実施態様を説明する。
まず、試料セル３７内に測定試料を設置する。測定試料は光導波路コア３１の表面と接している。
次に、光導波路コア３１に接するように液滴３２を設け、液滴３２内に光ファイバ３６の先端３６ａを挿入する。
白色光源３５から発射された光を、光ファイバ３６により伝搬し、液滴３２を介して、光導波路コア３１に導入する。光導波路コア３１内に導入された光は全反射を繰り返して光導波路コア３１の端部の光出射部３８から出射し、出射した光を受光レンズ３９を通じて検出器へ送り、光の強度を測定する。検出器により出射光の強度を測定し、レコーダにより記録する。光の強度の測定方法は常法により行うことができ、例えば、フォトダイオードを使った光パワーメーターを用いて測定することができる。
なお、白色光源３５と液滴３２との間および受光レンズ３９と検出器との間には、光ファイバーを使用することが好ましい。この光ファイバーの使用により、光出射部とレンズとの距離や角度を容易かつ微妙に調整することができる。
出射光の強度から、光導波路コア３１に接する試料の屈折率変化を高感度に測定することができる。
【００２３】
本発明の光導入方法は、吸着等の界面における現象の観察、抗原抗体反応等を利用した高感度分析などを光導波路を用いて行う場合に利用することができる。すなわち、本発明の光導波路分光測定装置は、光導波路コア内を伝搬する光の吸収や蛍光作用を利用して、界面、コア近傍あるいはコアそのものの分析を行うことができ、高感度な界面計測装置、生体物質測定装置として利用することができる。
また、本発明の光導入方法は、薄膜評価、塗料・染料・発色剤等の色素研究、エッチングなどの表面改質技術の評価、太陽電池、触媒反応、医用分析、環境分析、ガスセンサー、表面センサーなどの分野において応用することができる。
【００２４】
本発明の光導入方法は、顕微鏡の照明に適用することもできる。図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の光導入方法を顕微鏡の照明に適用した一実施例を示す模式図である。
装置は、光導波路コア４１、液滴４２、支持基板４３、シリコンゴムシート４４、光源４５から発射された光を光導波路コア４１内に導入する光導入用光導波路４６、試料セル４７、および光導波路コア４１の上部に配置された顕微鏡４８からなる。
液滴４２を用いて光導波路コア４１内に光を導入し、光導波路コア４１表面で生じるエバネッセント波が光導波路コア４１表面に配置された試料により散乱した散乱光、あるいはエバネッセント波により励起された試料の蛍光（リン光）を、光導波路コア４１の上部又は下部に配置された顕微鏡観察装置４８により観察する。
この方法の利点は、蛍光照明装置が非常に簡便にできることや、暗視野照明が容易にできることである。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１及び図２に模式図を示したように、厚さ５０μｍの薄膜ガラスを７６ｍｍ×２６ｍｍに切ったものを光導波路として、その上に直径１ｍｍのグリセリン滴を載せ、このグリセリン滴の内部に光源から光を導く光ファイバを差し込み、光導波路コア内に光を導入した。光導波路コア内を伝搬した光は光導波路端面の光出射部から出射し、受光レンズにより集光された後光検出器に導かれた。このときの光伝搬損失を図５に示す。図５は、ＴＥモード及びＴＭモードの光伝播損失を示すグラフである。
図５に示した結果から、ＴＥモード及びＴＭモードのどちらも光伝播損失が少なく、本発明を問題なく利用することができることが分かった。具体的には、液滴を用いたことによって反射角度が無駄に広がって光伝播損失が増加するというような懸念は生じないことが分かった。
【００２６】
また、試料セルに２０ｎｍｏｌヘモグロビン水溶液を入れて同様に光導波路コア内に光を導入した。このときの光吸収スペクトルを図６に示す。図６は、２０ｎｍｏｌヘモグロビン水溶液の光吸収スペクトルの測定結果を示すグラフである。図６中、点線は実測データを表し、実線は実測データを平均化（スムージング）したものを表す。
図６に示した結果から、希薄なヘモグロビン溶液の光吸収スペクトルを問題なく測定することができることが分かった。このことにより、従来のプリズムを用いた場合や光導波路コアの端面から光入射させる場合と同様に、高感度測定が可能であることが分かった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の光導波路への光導入方法は、簡易かつ低コストで光導波路へ光を導入することができる。また、本発明の光導波路分光測定装置は、高価で壊れやすいカップリングプリズムを必要としないばかりか、光導波路コアの精密な加工が不要となり、測定が非常に容易になると共に、光導波路コアとして安価な薄膜ガラスを長方形に切っただけのものを用いることができ、低コスト化を実現することができる。また、液滴を利用することにより、液滴中に光源から発射された光を光導波路コア内に導入する光導入用光導波路（光ファイバ等）を直接挿入することが可能となり、特に集光系を使わずに導入点へ光を集めることが可能となる。また、本発明は光導波路を利用した蛍光の励起にも利用可能であるため、従来のカップリングプリズムを用いる方法で困難であった紫外域での測定も可能である。
【００２８】
本発明の光導入方法は、吸着等の界面における現象の観察、抗原抗体反応等を利用した高感度分析などを光導波路を用いて行う場合に利用することができ、薄膜評価、塗料・染料・発色剤等の色素研究、エッチングなどの表面改質技術の評価、太陽電池、触媒反応、医用分析、環境分析、ガスセンサー、表面センサーなどの分野において応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の液滴を介した光導入方法の模式図である。
【図２】図２は、光導波路を使用した分光測定装置の一実施例を示す斜視図である。
【図３】図３は、光導波路を使用した分光測定装置の一実施例を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の光導入方法を顕微鏡の照明に適用した一実施例を示す模式図である。
【図５】図５は、ＴＥモード及びＴＭモードの光伝播損失を示すグラフである。
【図６】図６は、２０ｎｍｏｌヘモグロビン水溶液の光吸収スペクトルの測定結果を示すグラフである。
【図７】図７は、従来のカップリングプリズムを用いた光導入方法の模式図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、７１  光導波路コア
１２、２２、３２、４２  液滴
１３、２６、３６、４３、７３  光導入用光導波路（光ファイバ）
１３ａ、２６ａ、３６ａ、４６ａ  光導入用光導波路の先端
２８、３８  光出射部
４８  顕微観察装置
７２  カップリングプリズム
７４  カップリング液
７５  集光レンズ
【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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【図６】
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【図７】
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