JP2016176776A - 光学式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出精度を向上させる光学式センサを提供する。
【解決手段】 本発明の一実施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１であって、流体中の物質に反応して屈折率を変化させる感応部２と、感応部２の周囲に配置されて、感応部２に光を照射する発光素子３と、発光素子３の光を集光するとともに、光路上において焦点が感応部２よりも発光素子３側に位置するように配されたレンズ５と、感応部２の周囲に配置されて、感応部２での反射光を受ける受光素子４と、を備え、感応部２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物質を検知する。その結果、光学式センサ１の検出精度を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式センサに関するものである。

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学式センサ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学式センサは、光透過性媒体上に設けられた金属薄膜の表面で生じる光−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学式センサは、検出感度が高いことから、低濃度のガス、イオン、抗原、ＤＮＡ等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を参照。）。

特開２００３−１３９６９４号公報

特許文献１に記載された光学式センサ装置では、光を集光するレンズの焦点が金属薄膜上に位置している。そのため、金属薄膜の温度が高くなりやすい。その結果、センサの検出精度が低下するおそれがある。

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、検出精度を向上させる光学式センサを提供することを目的とする。

本発明の一実施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、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、前記感応部に光を照射する発光素子と、前記発光素子の光を集光するとともに、光路上において焦点が前記感応部よりも前記発光素子側に位置するように配されたレンズと、前記感応部の周囲に配置されて、前記感応部での反射光を受ける受光素子と、を備え、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。

本発明によれば、レンズの焦点が感応部から外れているため、感応部での温度上昇を低減することができる。したがって、光学式センサの検出精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る光学式センサを模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学式センサの一部を拡大した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光学式センサの一部を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学式センサを模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学式センサの一部を拡大した斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光学式センサについて、図１〜図５を参照しつつ以下に説明する。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等が可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学式センサを上下方向（Ｚ軸方向）に切断したときの断面図であり、光学式センサ１の全体構成を模式的に示している。図２は、本発明の一実施形態に係る光学式センサの一部を拡大して模式的に示している。図３は、本発明の一実施形態に係る光学式センサの一部を図２よりも拡大して模式的に示している。図４は、図１とは異なる実施形態に係る光学式センサを模式的に示す断面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る光学式センサの一部を拡大して模式的に示しており、光が集光する様子を示している。なお、図中に記載されている点線は、光路を例示している。

光学式センサ１は、図１に示すように、主に、特定の物質に反応して屈折率を変化させる感応部２と、感応部２の周囲に配された発光素子３および受光素子４とを有している。光学式センサ１は、感応部２に光を照射し、感応部２で反射した光を受光することができる。その結果、例えば、感応部２を例えば空気または液体等の流体中に露出させ、感応部２の屈折率の変化に応じた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。

光学式センサ１は、発光素子３の光を集光するレンズ５をさらに有している。そして、発光素子３の光の光路上において、レンズ５は、レンズ５の焦点が感応部２よりも発光素子３側に位置するように配されている。すなわち、発光素子３の光軸を辿ったときに、感応部２よりも先にレンズ５の焦点に達する。その結果、レンズ５で集光された発光素子３の光が、広がりながら感応部２に入射する。ここで、従来、発光素子３の光を集光するレンズの焦点が感応部２上に位置していることから、光学式センサ１の使用時に発光素子３の光が感応部２の一点に集中して、感応部２の温度が上がるおそれがあった。その結果、感応部２の屈折率の変化が不安定になりやすく、光学式センサ１の検出精度が低下するおそれがあった。

これに対して、本発明によれば、レンズ５の焦点を感応部２からずらしていることから、発光素子３の光が感応部２の一点に集中せず、感応部２の温度上昇を低減することができる。したがって、光学式センサ１の検出精度の低下を低減することができる。

また、本発明によれば、発光素子３の光の光路上において、レンズ５の焦点が感応部２よりも発光素子３側に位置している。その結果、発光素子３の光の光路上において、感応部２がレンズ５の焦点よりも発光素子３側に位置している場合と比較して、光線が広がりやすく、受光素子４に入射する入射角の範囲が大きくなり、光学式センサ１の精度を向上させることができる。

なお、発光素子３からレンズ５の焦点までの光軸の光路長は、例えば１ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定される。また、発光素子３から感応部２までの光軸の光路長は、例えば１ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定される。また、光路長は、例えば部品寸法の測長、エリプソメータによる屈折率測定、光線のシミュレーション等によって、把握することができる。また、感応部２での発光素子３のスポット径は、例えば１以上５００ｍｍ^２以下に設定されている。

レンズ５は、例えば、凸レンズ、球面レンズ、非球面レンズまたはシリンドリカルレンズなどの種々のレンズを選択することができる。レンズ５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等の材料で形成される。レンズ５は、例えば押出成型などで樹脂を成形することによって形成することができる。

本実施形態に係る光学式センサ１は、透光性基板６をさらに有している。そして、感応部２は、図２に示すように、透光性基板６に支持されている。すなわち、発光素子３の光は透光性基板６を介して感応部２に入射する。

透光性基板６は、図１および図２に示すように、上面６１を有している。そして、透光性基板６の上面６１には、感応部２が配置されている。透光性基板６は、上面６１に対向した下面６２と、上面６１および下面６２とに接続している側面６３とをさらに有している。本実施形態では、透光性基板６の下面６２の下方に、発光素子３および受光素子４が配されている。

本実施形態では、表面プラズモン共鳴現象を利用して感応部２での反射光の強度を変化させる。本実施形態では、感応部２は、図３に示すように、第１薄膜２１と、第１薄膜２１の上面に配された第２薄膜２２を有している。なお、感応部２に入射する光は、第１薄膜２１の第２薄膜２２が配置された直下の領域に入射する。

第１薄膜２１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２１は、例えば、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウムまたはカリウム等の金属材料を用いることができる。なお、第１薄膜２１の材料については、第１薄膜２１上に配置される第２薄膜２２の材料または発光素子３の光の波長等を考慮して選択すればよい。また、第１薄膜２１は、金属材料を単層で用いてもよいし、複数の層を積層してもよい。なお、第１薄膜２１の厚さは、第１薄膜２１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２１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２１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。

第２薄膜２２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２２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または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。第２薄膜２２の厚みは、例えば０．１ｎｍ以上１ｍｍ以下に設定される。

感応部２は、上記構成を有していることによって、発光素子３の光が第１薄膜２１の下面で反射されると、第１薄膜２１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２１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２１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２１の上面に位置する第２薄膜２２の屈折率によって異なることから、第２薄膜２２の屈折率が変化することによって、第１薄膜２１での光の反射率が変化し、ひいては感応部２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２２が反応した物質を特定することができる。

第１薄膜２１の面積は、第２薄膜２２の面積よりも大きくてもよい。その結果、第１薄膜２１によって、発光素子３の光の照射による熱を、光の照射部から拡散させることができ、感応部２の温度上昇を効果的に低減することができる。なお、第１薄膜２１の面積は、例えば１ｍｍ^２以上１０００ｍｍ^２以下に設定される。また、第２薄膜２２の面積は、例えば１ｍｍ^２以上１０００ｍｍ^２以下に設定される。また、第１薄膜２１および第２薄膜２２の面積は、例えば部品寸法の測長によって測定することができる。

第１薄膜２１および第２薄膜２２が金属材料からなる場合、第１薄膜２１の熱伝導率は、第２薄膜２２の熱伝導率よりも大きくてもよい。その結果、第１薄膜２１によって、発光素子３の光の照射による感応部２の温度上昇を効果的に低減することができる。なお、第１薄膜２１の熱伝導率は、例えば１０以上５００Ｗ／ｍＫ以下に設定される。また、第２薄膜２２の熱伝導率は、例えば１０以上５００Ｗ／ｍＫ以下に設定される。

透光性基板６は、上述した通り、感応部２を支持するものである。透光性基板６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等の材料で形成される。透光性基板６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等で測定することができる。なお、透光性基板６は、ガラスまたは樹脂材料等を、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。なお、透光性基板６の屈折率は、透光性基板６とレンズ５との間の領域の屈折率よりも大きい。また、本実施形態では、透光性基板６とレンズ５との間は空気であり、屈折率は、例えば１に設定される。

本実施形態に係る透光性基板６は、図１に示すように、上面６１と下面６２と間に設けられた側面６３とをさらに有している。そして、透光性基板６は、側面６３が傾斜した傾斜部６３ａをさらに有している。また、透光性基板６の傾斜部６３ａの外表面には、光を感応部２へ誘導するミラー７が設置されてもよい。その結果、発光素子３の実装位置の自由度が向上することから光学的センサ１の設計の自由度を向上させることができる。なお、ミラー７は、感応部２へ発光素子３の光を誘導することから、光路上においてレンズ５と感応部２との間に位置している。

ミラー７は、光を反射させるために、透光性基板６と屈折率の異なる材料からなる。ミラー７は、例えば金、銀または銅等の金属材料等で形成される。なお、ミラー７は、例えば蒸着法またはスパッタリング法等によって形成することができる。ミラー７の反射率は、例えば８０％以上に設定される。

レンズ５の焦点は、光路上においてミラー７上に位置していてもよい。その結果、発光素子３の光は、レンズ５の焦点で最も集光していることから、ミラー７上で発光素子３の光の照射領域（スポット径）は最も小さくなる。すなわち、ミラー７によって反射する光の照射領域が小さくできるため、ミラー７を小さくすることができ、光学式センサ１の小型化させることができる。なお、ミラー７の面積は、例えば１ｍｍ^２以上５００ｍｍ^２以下に設定される。

また、レンズ５の焦点は、光路上においてミラー７と感応部２との間に位置していてもよい。その結果、感応部２への入射角の範囲を小さくすることができ、受光素子４の受光領域が同じ場合、受光素子４で感応部２の屈折率の変化に起因した光の反射率の変化を強調されることができる。したがって、光学式センサ１の感度を向上させることができる。なお、このとき、発光素子３からミラー７までの光路長は、例えば１ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定される。

一方、レンズ５の焦点は、光路上においてレンズ５とミラー７との間に位置していてもよい。その結果、光が広がりやすく、受光素子４に入射する入射角の範囲が大きくなり、光学式センサ１の精度を向上させることができる。なお、このとき、発光素子３からミラー７までの光路長は、例えば１ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定される。

透光性基板６は、図４に示すように、透光性基板６の下面６２から側面６３にわたって形成されている切り欠き部６４をさらに有していてもよい。そして、レンズ５は切り欠き
部６４に配されていてもよい。すなわち、レンズ５が、透光性基板６の下面６２を延長させた仮想下面と側面６３を延長した仮想側面とに囲まれる領域に配されていてもよい。その結果、光学式センサ１を小型化させることができる。

レンズ５はシリンドリカルレンズであってもよい。レンズ５をシリンドリカルレンズとすることで、図５に示すように、発光素子３の光を点ではなく線状に集光させることができる。言い換えれば、発光素子３の光を正面から見たときに、ある一方向に向かって光が収束している。この場合には、発光素子３の光が一点に集中する場合と比較して、発光素子３の光の集中を低減することができるため、感応部２の温度上昇を低減することができる。なお、図５は、レンズ５を通過した光が焦点に収束するまでの光の経路を示しており、現実には、焦点で収束した光は、そのまま焦点を通過して広がりながら進む。

レンズ５にシリンドリカルレンズを使用した場合、感応部２とミラー７とは、発光素子３の光が収束する方向に並んでいることが望ましい。その結果、感応部２の位置決めをしやすくなり、ひいては光学式センサ１の精度を向上させることができる。

レンズ５にシリンドリカルレンズを使用した場合、感応部２に入射する発光素子３の光の照射領域は、レンズ５によって光が収束する方向に伸びた形状であってもよい。その結果、発光素子３の光の照射領域が大きい状態で、感応部２に光を入射させることがで、感応部２の温度上昇を低減することができる。

発光素子３は、透光性基板６を介して感応部２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）、発光ダイオード（ＬＥＤ）または面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等を用いることができる。また、受光素子４は、感応部２と透光性基板６との界面で反射する光を受けるものであり、感応部２の反射光の強度の変化を検出する。受光素子４としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）などを用いることができる。発光素子３および受光素子４は、発光部分または受光部分を複数持つアレイ状素子を用いてもよい。

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６の下方に配置された配線基板（図示せず）に実装されている。発光素子３および受光素子４は、平面方向において、感応部２が間に位置するように所定の間隔をあけて配置されている。発光素子３および受光素子４は、感応部２に光学的に接続されている。なお、発光素子３および受光素子４は、透光性基板６の下面６２に配線を引きまわした上で、下面６２に実装されてもよい。

１ 光学式センサ
２ 感応部
２１ 第１薄膜
２２ 第２薄膜
３ 発光素子
４ 受光素子
５ レンズ
６ 透光性基板
６１ 上面
６２ 下面
６３ 側面
６３ａ 傾斜部
６４ 切り欠き部
７ ミラー

Claims (5)

1. 流体中の物質を検知する光学式センサであって、
   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、前記感応部に光を照射する発光素子と、
   前記発光素子の光を集光するとともに、光路上において焦点が前記感応部よりも前記発光素子側に位置するように配されたレンズと、
   前記感応部の周囲に配置されて、前記感応部での反射光を受ける受光素子と、を備え、
   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。
2. 前記発光素子の光を前記感応部に反射するとともに、光路上において前記レンズと前記感応部との間に配されたミラーを、さらに備え、
   光路上において、前記レンズの焦点は前記ミラー上に位置している、請求項１に記載の光学式センサ。
3. 前記発光素子の光を前記感応部に反射するとともに、光路上において前記レンズと前記感応部との間に配されたミラーを、さらに備え、
   光路上において、前記レンズの焦点は前記ミラーと前記感応部との間に位置している、請求項１に記載の光学式センサ。
4. 前記発光素子の光を前記感応部に反射するとともに、光路上において前記レンズと前記感応部との間に配されたミラーを、さらに備え、
   光路上において、前記レンズの焦点は前記ミラーよりも前記発光素子側に位置している、請求項１に記載の光学式センサ。
5. 前記レンズは、シリンドリカルレンズである、請求項１〜４のいずれかに記載の光学式センサ。

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