(57)【要約】【課題】表面プラズモンを利用した光学素子において、Ｓ／Ｎを高め、複数の波長領域に対するフィルタ機能を実現する。【解決手段】光学素子１００は、金属薄膜１０１と、金属薄膜１０１の面内に形成された複数の矩形開口１０２からなる開口アレイ１０３とを有している。複数の矩形開口１０２は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口１０２で共通の長辺方向寸法Ｌおよび短辺方向寸法Ｓを有している。複数の矩形開口１０２は、また、矩形開口１０２の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチＰＬで配列され、かつ、矩形開口１０２の短辺方向に沿って長辺方向配列ピッチＰＬと異なる短辺方向配列ピッチＰＳで配列されている。長辺方向配列ピッチＰＬは短辺方向寸法Ｓに応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチＰＳは長辺方向寸法Ｌに応じて選択されている。【選択図】図１
2007232456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜と、
前記金属薄膜の面内に形成された複数の矩形開口からなる開口アレイと、
を有し、
前記複数の矩形開口は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口で共通の長辺方向寸法および短辺方向寸法を有し、
前記複数の矩形開口は、該矩形開口の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチで配列され、かつ、該矩形開口の短辺方向に沿って該長辺方向配列ピッチと異なる短辺方向配列ピッチで配列され、
前記長辺方向配列ピッチは前記短辺方向寸法に応じて選択され、かつ、前記短辺方向配列ピッチは前記長辺方向寸法に応じて選択されている、
光学素子。
【請求項２】
上記短辺方向寸法と上記長辺方向配列ピッチとは、前記長辺方向に偏光した光が入射するときに、該短辺方向寸法によって定まる、前記矩形開口を透過する光のピーク波長と、該長辺方向配列ピッチによって定まる、該矩形開口を透過する光のピーク波長とが一致するように選択されている、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
上記長辺方向寸法と上記短辺方向配列ピッチとは、前記短辺方向に偏光した光が入射するときに、該長辺方向寸法によって定まる、前記矩形開口を透過する光のピーク波長と、該短辺方向配列ピッチによって定まる、該矩形開口を透過する光のピーク波長とが一致するように選択されている、請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記金属薄膜は金属単体または合金から製造されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
光源と、
光路上の、前記光源に対して光進行方向側に配置され、該光源側の表面が、被測定物が密着配置されるように構成された、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子と、
光路上の、前記光学素子に対して光進行方向側に配置され、該光学素子を透過した光を２つの偏波成分に分離する偏光分離手段と、
光路上の、前記偏光分離手段に対して光進行方向側に、光の２つの分離方向に応じて各々配置され、該偏光分離手段から出射した光の透過スペクトルを求める２つの光スペクトル検出手段と、
を有する、
屈折率センサ。
【請求項６】
光源と、
光路上の、前記光源に対して光進行方向側に配置され、該光源側の表面が、被測定物が密着配置されるように構成された、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子と、
光路上の、前記光学素子に対して光進行方向側に配置されたバンドパスフィルタと、
光路上の、前記バンドパスフィルタに対して光進行方向側に配置され、該バンドパスフィルタを透過した光を２つの偏波成分に分離する偏光分離手段と、
光路上の、前記偏光分離手段に対して光進行方向側に、光の２つの分離方向に応じて各々配置され、該偏光分離手段から出射した光を受ける２つの受光器と、
前記２つの受光器に接続され、該２つの受光器の出力信号の差分を計算する演算手段と、
を有する屈折率センサ。
【請求項７】
光源と、
光路上の、前記光源に対して光進行方向側に配置され、該光源側の表面が、被測定物が密着配置されるように構成された、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子と、
光路上の、前記光学素子に対して光進行方向側に配置され、該光学素子を透過した光を２つの偏波成分に分離する偏光分離手段と、
光路上の、前記偏光分離手段に対して光進行方向側に、光の２つの分離方向に応じて各々配置された２つのバンドパスフィルタと、
光路上の、前記２つのバンドパスフィルタに対して光進行方向側に配置され、該バンドパスフィルタを透過した光を各々が受ける２つの受光器と、
前記２つの受光器に接続され、該２つの受光器の出力信号の差分を計算する演算手段と、
を有する屈折率センサ。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載の屈折率センサと、
前記被測定物を前記光学素子に密着して供給する流路装置と、
を有する、化学センサ。
【請求項９】
前記光学素子を構成する前記金属薄膜の前記光源側の表面に、選択された前記被測定物を特異吸着する物質が固定されている、請求項８に記載の化学センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子に関し、また、その光学素子を利用した屈折率センサ、および化学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療における診断や食品の検査等において、バイオセンサの需要がますます増大しており、小型かつ低コストで、高速センシングの可能なバイオセンサの開発が求められている。このため、電極やＦＥＴを用いて電気化学的検出を行うバイオセンサが開発されてきた。
【０００３】
また、さらなる集積化、低コスト化が可能で、かつ測定環境を選ばないセンサが求められており、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。これは、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させた表面プラズモン共鳴を用い、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものである。
【０００４】
特許文献１には、金属開口アレイにおける光の異常透過現象が述べられている。これは、金属薄膜上に光の波長以下の大きさの微小開口をアレイ状に配列させることで、入射光のフラックスに微小開口の面積をかけたものよりも多くの光が透過する現象である。この現象は、光が金属薄膜に入射すると光の波長に対応する表面プラズモンが励起され、プラズモンの形態で微小開口を透過し、入射面と反対の面で再び光として放射されることによって発生すると考えられている。特許文献１に記載の技術は、透過強度の増大に着目したものである。
【０００５】
特許文献２には、表面プラズモンの特性を利用して屈折率を測定する化学センサ装置が開示されている。ここで用いられているセンサ素子は、１つの透過ピーク波長によってセンシングをおこなう。
【特許文献１】特許第３００８９３１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７０１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属薄膜上の開口アレイは、もっぱら局在プラズモン共鳴による透過強度の増大の点で注目されていた。開口アレイは一方でフィルタとしての特性も備えているが、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）が必ずしも高くなかった。また、開口アレイを屈折率センサに適用する場合、測定精度を高めるためには複数の波長領域に対するフィルタ機能を備えているのが有利であるが、そのような装置はいまだ実現されていない。
【０００７】
そこで、本発明は、Ｓ／Ｎを高め、複数の波長領域に対するフィルタ機能を実現できる、表面プラズモンを利用した光学素子を提供することを目的とする。また、本発明は、このような光学素子を用いた屈折率センサ、および化学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】
【０００８】
本発明の光学素子は、金属薄膜と、金属薄膜の面内に形成された複数の矩形開口からなる開口アレイとを有している。複数の矩形開口は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口で共通の長辺方向寸法および短辺方向寸法を有している。複数の矩形開口は、また、矩形開口の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチで配列され、かつ、矩形開口の短辺方向に沿って長辺方向配列ピッチと異なる短辺方向配列ピッチで配列されている。長辺方向配列ピッチは短辺方向寸法に応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチは長辺方向寸法に応じて選択されている。
【発明の効果】
【０００９】
矩形開口が長辺方向寸法と短辺方向寸法を持つ場合、すなわち正方形以外の長方形である場合、各方向の辺長の相違によって、各方向に偏光された入射光によって励起されるプラズモン共鳴ピーク波長は異なったものとなり、透過ピーク波長は偏光依存性を持つ。同様に、開口が各方向に長辺方向配列ピッチ、および長辺方向配列ピッチと異なる短辺方向配列ピッチで配列されている場合にも、プラズモン共鳴ピーク波長はこれらの配列ピッチに依存して異なったものとなる。本発明では、長辺方向配列ピッチは短辺方向寸法に応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチは長辺方向寸法に応じて選択されている。このため、矩形開口の開口寸法で決まるプラズモン共鳴ピーク波長と、矩形開口の配列ピッチで決まるプラズモン共鳴ピーク波長とを相関させ、入射光の透過特性を改善することができる。これによって、フィルタとしてのＳ／Ｎを高めることができる。また、長辺方向配列ピッチと短辺方向寸法とに依存するプラズモン共鳴ピーク波長は、短辺方向配列ピッチと長辺方向寸法とに依存するプラズモン共鳴ピーク波長とは独立に設定することができる。このため、異なる波長領域に対するフィルタ機能を実現することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、本発明の光学素子の概略構成図を示す。光学素子１００は、金属薄膜１０１と、金属薄膜１０１の面内に二次元状に形成された複数の矩形開口１０２からなる開口アレイ１０３とを有している。本発明の光学素子１００は、異方性を備えた、矩形開口１０２の配列からなる開口アレイ１０３が、入射光の偏光方向によって異なる透過スペクトルを有する性質を利用したものである。
【００１１】
金属薄膜１０１の材料は金属一般から選択できるが、鋭い共振ピークを得るためには、金、銀などのプラズモン共鳴が強く起きる金属、またはその合金が好適である。金属の種類によって励起されるプラズモン共鳴ピークの波長λｓｐｐが異なるので、ある光の波長の帯域で開口アレイの特性を利用したい場合、開口アレイの形状の他に、材料の選択という自由度もある。開口アレイは、フリースタンディングに形成する場合や、透明基板上に形成する場合が考えられる。
【００１２】
矩形開口１０２は、透過する光の波長よりも小さく形成されている。矩形開口１０２は長辺方向寸法Ｌおよび短辺方向寸法Ｓを有し、長辺方向寸法Ｌは短辺方向寸法Ｓより長い。したがって、開口アレイ１０３をなす個々の矩形開口１０２は、開口自身の特性として、薄膜平面内で異方性を持っている。この開口形状によって、特定の透過スペクトルで、平面内の任意の方向に偏波した光を透過させることが可能となる。長辺方向寸法Ｌおよび短辺方向寸法Ｓは、各矩形開口１０２で共通である。
【００１３】
矩形開口１０２は、矩形開口１０２の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチＰＬで配列されている。矩形開口１０２は、矩形開口１０２の短辺方向に沿って短辺方向配列ピッチＰＳで配列されている。長辺方向配列ピッチＰＬおよび短辺方向配列ピッチＰＳは、隣接する矩形開口１０２の中心間距離で定義される。短辺方向配列ピッチＰＳは長辺方向配列ピッチＰＬと異なっている。
【００１４】
本発明の光学素子１００では、長辺方向配列ピッチＰＬは短辺方向寸法Ｓに応じて選択され、短辺方向配列ピッチＰＳは長辺方向寸法Ｌに応じて選択されている。特に、個々の開口による透過スペクトルの偏波特性と、開口アレイ１０３の配列ピッチによる偏波特性が一致するような構造のパラメータとすることで、Ｓ/Ｎのよい優れた偏波特性を実現できる。
【００１５】
具体的には、長辺方向に偏光した光が入射する場合、短辺方向寸法Ｓに応じて、矩形開口１０２を透過する光のピーク波長が決まる。同様に、長辺方向配列ピッチＰＬに応じて、矩形開口１０２を透過する光のピーク波長が決まる。そして、両者のピーク波長が一致するように、短辺方向寸法Ｓおよび長辺方向配列ピッチＰＬが選択される。一方、短辺方向に偏光した光が入射する場合、長辺方向寸法Ｌに応じて、矩形開口１０２を透過する光のピーク波長が決まる。同様に、短辺方向配列ピッチＰＳに応じて、矩形開口１０２を透過する光のピーク波長が決まる。そして、両者のピーク波長が一致するように、長辺方向寸法Ｌおよび短辺方向配列ピッチＰＳが選択される。
【００１６】
このように、開口の寸法および配列ピッチがＸ，Ｙ方向で異なる開口アレイに、ブロードなスペクトルのいわゆる白色光を平面波，ないしガウシアンビーム等のビームとして照射すると、光によって励起されるプラズモン波長λｓｐｐが偏光方向に応じて異なる。その理由を以下に説明する。なお、Ｘ方向およびＹ方向は、図１で定義されている。
【００１７】
まず、単一の矩形開口に対する特性を説明する。光（電磁波）が開口を透過する時、開口は光束の断面積を制限することで光量を変化させる。開口の大きさが波長よりも充分大きな場合は開口の面積と光量との間には線形性がある。しかし、開口の大きさが小さくなり、波長と同程度になると透過光量は急激に減少する。これは、光の回折限界のためだと説明できる。このため、通常の伝搬光は波長サイズ以下の開口をほとんど透過することができない。しかし、入射光が金属表面でいったんプラズモンに変換された場合は、この光は開口を透過できる。入射光が金属表面でプラズモンに変換されるためには、開口の形状がプラズモンの励起を促進するような形状である必要がある。Ｘ方向とＹ方向の開口の形状の相違によって、Ｘ方向とＹ方向の偏光で励起されるプラズモンの波長が異なり、透過ピーク波長が偏光依存性を持つ。以上が、単一の矩形開口の有する性質である。
【００１８】
一方、異方性を持たない円形開口が異方性をもって周期的に配列している場合も、透過ピーク波長が偏光依存性を持つ。この場合、個々の開口は偏光依存性を持っていなくても、配列ピッチが異方性を持つことで偏光依存性が発現できる。このような構造では、Ｘ方向の周期構造に対しては、Ｘ方向の偏光での励起によって表面プラズモン共鳴が起こり、Ｙ方向の周期構造に対しては、Ｙ方向の偏光での励起によって表面プラズモン共鳴が起こる。ここで述べているように、周期的な配列構造の配列ピッチがＸ方向とＹ方向とで異なっている場合には、Ｘ方向偏光での表面プラズモン共鳴の波長と、Ｙ方向偏光での表面プラズモン共鳴の波長とが異なったものになるのである。これが開口の配列ピッチによる性質である。
【００１９】
これらの機能は単独でも利用することができるが、さらに高い偏光依存性を実現するために、本発明では、矩形開口の配列ピッチに異方性を持たせている。このため、単一の矩形開口による透過ピーク波長の偏光依存性と、配列ピッチによる透過ピーク波長の偏光依存性とを重畳的に利用することができる。そして、上述のように、個々の矩形開口が持つ２つの透過ピーク波長と周期配列が持つ２つの透過ピーク波長がそれぞれ重なるようなパラメータとすることで、偏光特性を高めることが可能になる。
【００２０】
このように構成した開口アレイにＸ偏光が入射した場合には、開口のうちＸ方向に直交する、すなわち開口のＹ方向の内壁１１にプラズモンが励起される（図１参照）。そのため、図２(ａ)に示すように、開口のＹ方向の長さとＸ方向の開口の周期（ピッチ）とを反映した透過スペクトルを示す。また、同様にＹ偏光を入射させた場合は、図２(ｂ)に示すように、開口のＸ方向の長さとＹ方向の開口の周期（ピッチ）とを反映した透過スペクトルを示す。
【００２１】
なお、上記の説明では、金属薄膜中に形成する開口の形状として、矩形を例に挙げて説明したが、本発明の概念は、長辺と短辺を有するような開口形状であれば良く、一例として、角丸の長方形、長円、楕円の開口形状も本発明の概念に含まれる。
【００２２】
以上説明したように、本発明の光学素子は、Ｘ方向の偏光に対する透過ピーク波長とＹ方向の偏光に対する透過ピーク波長が異なる開口アレイである。
【００２３】
（第１の実施形態）
図３（ａ）には、本発明の第１の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源３０１が設けられ、光路上の、光源３０１に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ３０２が配置されている。開口アレイ３０２の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物３０３が、開口アレイ３０２に密着して設けられている。光源３０１から放射された光は、開口アレイ３０２に入射し、透過する。光路上の、開口アレイ３０２に対して光進行方向側には、開口アレイ３０２を透過した光を２つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ３０４が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ３０４に対して光進行方向側には、偏光ビームスプリッタ３０４から出射した光の透過スペクトルを求めるマルチチャンネルアナライザ３０５、３０６が、光の２つの分離方向に応じて各々配置されている。マルチチャンネルアナライザ３０５、３０６は、それぞれ紙面に平行な偏光と紙面に垂直な偏光についての透過スペクトルを取得する。
【００２４】
直交する２つの偏光成分について同様の処理を行うことで、同時に２つの異なる波長にピークを持つスペクトルを得ることができる。本実施形態の構成によれば、２つの偏光成分についての透過スペクトルを同時測定することが可能になり、例えば被測定物の屈折率の時間変化を追跡することが容易になる。
【００２５】
必要に応じて、光路途中に光学素子を付加してもよい。例えば、バンドパスフィルタ３０７によって狭帯域化したり、ＮＤフィルタ３０８によって光量調節をおこなったり、絞り３０９によって迷光の除去をおこなうことなどが考えられる。また、マルチチャンネルアナライザ３０５、３０６の様にスペルトル全体を取得する検出器の代わりに、分光器とフォトディテクタからなる検出系を用いても、スペクトルを取得することができる。
【００２６】
開口アレイ３０２の表面と接する被測定物３０３の屈折率が変化すると、開口アレイ３０２の表面においてプラズモン共鳴の起こる波長が変化する。結果として、透過ピークの位置がシフトする。図３(ｂ)に、Ｘ偏光で受光するときの、被測定物３０３の屈折率がｎのときの透過率スペクトル(実線)と、ｎ+Δｎのときの透過率スペクトル（破線）とを示す。また図３(ｃ)に、Ｙ偏光で受光するときの、被測定物３０３の屈折率がｎのときの透過率スペクトル(実線)と、ｎ+Δｎのときの透過率スペクトル（破線）とを示す。
【００２７】
そこで、逆に透過スペクトルのピークシフト量を知ることができれば、これから被測定物３０３の屈折率を知ることができる。特に本実施形態のように、二つの異なる透過スペクトルピークのピークシフト量を独立に測定することで、屈折率検知のＳ/Ｎを改善し、測定精度を高めることができる。
【００２８】
また、図４に示すように、光源４０１の直後に偏光子４０４を導入してもよい。この場合、まず、紙面に平行な偏光を、光源側表面に被測定物４０３が密着している開口アレイ４０２に照射して、マルチチャネルアナライザ４０５で透過スペクトルを測定する。次に、偏光子４０４を９０度回転させて、紙面に垂直な偏光を開口アレイ４０２に照射して、マルチチャネルアナライザ４０５で透過スペクトルを測定する。これによって、２つの偏光成分に対応するスペクトルを得ることができる。本実施形態は、同時測定はできないが、機器の構成部品数が少なくできるというメリットがある。
【００２９】
（第２の実施形態）
図５(ａ)には、本発明の第２の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源５０１が設けられ、光路上の、光源５０１に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ５０２が配置されている。光源５０１から放射された光は、開口アレイ５０２に入射される。開口アレイ５０２の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物５０３が、開口アレイ５０２に密着して設けられている。光路上の、開口アレイ５０２に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ５０４が配置されている。バンドパスフィルタ５０４は、開口アレイ５０２の２つの透過ピーク波長の中間に透過波長を有している。光路上の、バンドパスフィルタ５０４に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ５０４を透過した光を２つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ５０５が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ５０５に対して光進行方向側には、偏光ビームスプリッタ５０５から出射した光を受ける２つのフォトダイオード５０６,５０７が、光の２つの分離方向に応じて各々配置されている。さらに、フォトダイオード５０６,５０７に接続され、フォトダイオード５０６,５０７の出力信号の差分を計算する演算器５０８が設けられている。
【００３０】
Ｘ方向、Ｙ方向それぞれの偏光を偏光ビームスプリッタ５０５で分離すると、Ｘ方向偏波の光の透過スペクトル（図５(ｂ)参照）と、Ｙ方向偏波の光の透過スペクトル（図５(ｃ)参照）を、バンドパスフィルタ５０４の透過波長で観測できる。これらの透過光を二つのフォトダイオード５０６,５０７に入射させることでＸ方向、Ｙ方向の透過スペクトルのうち、バンドパスフィルタの透過波長（観測波長）での強度の信号を得ることができる。開口アレイ５０２上の被測定物５０３の屈折率がｎからｎ+Δｎに増大して、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれの透過ピーク波長が長波長側にシフトしたときには、それによってフォトダイオード５０６が受光する強度は減少する（図５(ｂ)）。また、フォトダイオード５０７が受光する強度は増加する（図５(ｃ)）。演算器５０８によって、フォトダイオード５０６の出力信号からフォトダイオード５０７の出力信号を引き算することで、両偏波に共通の変動ノイズ成分をキャンセルし、より感度よく測定することができる。このような構成にすることにより、分光器を必要とせずに透過スペクトルの変化量を正確に測定することができ、被測定物５０３の屈折率の変化量を知ることができる。さらに差演算の前に適切な重みづけを行うことで、ノイズ成分を効果的にキャンセルすることができる。
【００３１】
（第３の実施形態）
第２の実施形態におけるバンドパスフィルタ５０４を偏光ビームスプリッタ５０５の手前に配置する代わりに、複数のバンドパスフィルタを用いる構成も可能である。図６(ａ)には、本発明の第３の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源６０１が設けられ、光路上の、光源６０１に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ６０２が配置されている。開口アレイ６０２の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物６０３が、開口アレイ６０２に密着して設けられている。光路上の、開口アレイ６０２に対して光進行方向側には、開口アレイ６０２を透過した光を２つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ６０４が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ６０４に対して光進行方向側には、２つのバンドパスフィルタ６０５，６０６が、光の２つの分離方向に応じて各々配置されている。光路上の、バンドパスフィルタ６０５，６０６に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ６０５，６０６を透過した光を受ける２つのフォトダイオード６０７，６０８が配置されている。さらに、フォトダイオード６０７，６０８に接続され、フォトダイオード６０７，６０８の出力信号の差分を計算する演算器６０９が設けられている。
【００３２】
このように、本実施形態では、バンドパスフィルタ６０５が偏光ビームスプリッタ６０４とフォトダイオード６０７との間に挿入され、バンドパスフィルタ６０６が偏光ビームスプリッタ６０４とフォトダイオード６０８との間に挿入されている。バンドパスフィルタ６０５の透過波長とバンドパスフィルタ６０６の波長とが一致している必要はない。バンドパスフィルタ６０５の透過強度の変化が最大になるように、バンドパスフィルタ６０５の透過波長は、図６(ｂ)に示すように、ピークの長波長側の肩部に設定されることが望ましい。同時に、バンドパスフィルタ６０６の透過強度の変化が最大になるように、バンドパスフィルタ６０６の透過波長は、図６(ｃ)に示すように、ピークの短波長側の肩部に設定されることが望ましい。被測定物の屈折率変化を精度よく測定するためには、このようなバンドパスフィルタ６０５，６０６の組み合わせが好適である。
【００３３】
あるいは、図６(ｄ)に示すようにして、二つのバンドパスフィルタ６０５，６０６の波長を選定することも可能である。すなわち、屈折率変化の範囲Ｉでは、主にフォトダイオード６０７（図中、ＰＤ１と表記）の出力が大きく変化するがフォトダイオード６０８（図中、ＰＤ２と表記）の出力変動は小さい。そして、さらに屈折率変化が大きくなって範囲ＩＩに入ると、主にフォトダイオード６０８からの出力が大きく変化し、フォトダイオード６０７からの出力変動は小さい。この場合には、２つのフォトダイオード６０７，６０８の出力信号の差を求めることで、測定可能な屈折率範囲を広げるという効果が得られる。なお、差演算の前に重み付けを調整することで、センサ出力の線形性を高めることができる。
【００３４】
（第４の実施形態）
上記の屈折率センサの構造にいくつかの要素を付加することで、化学センサが実現される。図７は、上述の屈折率センサを化学センサであるマイクロ化学分析システム(μ-ＴＡＳ:ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍやＬａｂ-ｏｎ-ａ-ｃｈｉｐとも呼ばれる)に一体形成した例を示している。
【００３５】
図７に示すマイクロ化学分析システム７０１において、試料液注入部７０２から注入された被検査液が流路７０４を通って、反応液注入部７０３から注入された反応液と反応したのち、検出部７０５に到達する。検出部７０５には、図に拡大して示した、本発明の原理に基づく検出用の開口アレイ７０６が設けられている。被検査液は開口アレイ７０６に密着して供給され、開口アレイ７０６の表面および開口内部でセンサ材料と反応する。この検出部７０５に対して光源からの励起光７０７が照射され、開口アレイ７０６からの透過光７０８をバンドパスフィルタ７０９を介して、偏光ビームスプリッタ７１０で偏光分離する。それぞれの偏光の光強度を、フォトディテクタ７１１，７１２で検出し、これらの信号から、第２の実施形態のように屈折率を知ることができる。この屈折率から、被検査液中の検体の濃度がわかる。
【００３６】
本実施形態にしたがって被測定物（被検物質）を検出するためには、被検物質がアクティブな領域（開口アレイ近傍）に近接する必要がある。そのため、被検物質と選択吸着するセンサ材料を開口アレイに予め結合させておくことで、より感度よく測定できる。センサ材料としては、センサ材料と被検査物が反応して膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化のいずれかまたは複数を起こすものであればよい。アレイの表面で膜厚の変化を起こす被測定物の測定では、膜厚が薄い場合は、アクティブな領域中に被測定物が占める体積の割合は少なく、開口アレイはほとんど被測定物の屈折率を感じないので、溶液の屈折率が支配的である。膜厚が厚くなると、アクティブな領域中に被測定物が占める体積の割合が高くなり、被測定物の屈折率が支配的である。この場合、膜厚の変化を測定するために、アクティブな領域での実効的な屈折率の変化を測定していることになる。この機構を利用することにより、開口アレイの金属表面に吸着や析出する物質の有無や濃度をセンシングしたり、化学変化によって屈折率が変化する物質のセンシングができる。化学センシングをおこなうためには、バッチ系や流路系などがあるが、流路系の場合はさらに、被検物質をアクティブな領域（開口アレイ表面近傍）まで輸送する機能が加わる。
【００３７】
化学センサの構成の発展形として、バイオ物質の選択的特異吸着する性質を利用してバイオ物質のセンシングが可能になる。被検物質と選択的特異吸着するセンサ材料を予め開口アレイに結合させておくことで、被検物質を開口アレイ近傍に吸着する。その反応の結果生じる膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化のいずれかまたは複数の結果で生じる透過スペクトルの変化を測定することで、バイオ物質をセンシングすることができる。選択的特異吸着する物質には抗原抗体反応やＤＮＡのハイブリダイゼイションがあり、これらをセンシングすることで、疾病の診断をおこなうことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の光学素子の概略構成図である。
【図２】図１の光学素子の透過スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る屈折率センサの構成および効果を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る屈折率センサの変形例を示す構成図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る屈折率センサの構成および効果を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る屈折率センサの構成および効果を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る化学センサの構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００  光学素子
１０１  金属薄膜
１０２  矩形開口
１０３  開口アレイ
Ｌ  長辺方向寸法
Ｓ  短辺方向寸法
ＰＬ  長辺方向配列ピッチ
ＰＳ  短辺方向配列ピッチ
３０１  光源
３０２  開口アレイ
３０３  被測定物
３０４  偏光ビームスプリッタ
３０５，３０６  マルチチャンネルアナライザ
５０４  バンドパスフィルタ
５０６，５０７  フォトダイオード
５０８  演算器
【図１】
2007232456.tif 000003
【図２】
2007232456.tif 000004
【図３】
2007232456.tif 000005
【図４】
2007232456.tif 000006
【図５】
2007232456.tif 000007
【図６】
2007232456.tif 000008
【図７】
2007232456.tif 000009