JPH08261925A - 光学的手法による物質情報検出システム - Google Patents
光学的手法による物質情報検出システムInfo
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- JPH08261925A JPH08261925A JP9306495A JP9306495A JPH08261925A JP H08261925 A JPH08261925 A JP H08261925A JP 9306495 A JP9306495 A JP 9306495A JP 9306495 A JP9306495 A JP 9306495A JP H08261925 A JPH08261925 A JP H08261925A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 １つのシステムで、簡易に、高い精度で、物
質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を検出でき
る、物質情報検出システムを提供する。 【構成】 本物質情報検出システムは、媒質層１０がは
少なくとも２層以上の誘電体膜４，５，６からなり、誘
電体膜層の少なくとも１層以上が光導波路層を形成する
ものであり、誘電体膜層は透明、または少なくとも１層
以上が電磁線吸収物質を含有して所定の消衰係数（複素
屈折率の虚部）をもつものである、よう設定するととも
に、光結合部材１と被検物質７によって定まる臨界角度
以上の領域における所定の入射角度において、媒質層１
０と被検物質７との間で最適な光導波路モードがたつよ
う、媒質層１０の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適化
しておき、最適化された媒質層を用いて、所定の入射角
度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被検物質７
の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感度で検出
する。
質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を検出でき
る、物質情報検出システムを提供する。 【構成】 本物質情報検出システムは、媒質層１０がは
少なくとも２層以上の誘電体膜４，５，６からなり、誘
電体膜層の少なくとも１層以上が光導波路層を形成する
ものであり、誘電体膜層は透明、または少なくとも１層
以上が電磁線吸収物質を含有して所定の消衰係数（複素
屈折率の虚部）をもつものである、よう設定するととも
に、光結合部材１と被検物質７によって定まる臨界角度
以上の領域における所定の入射角度において、媒質層１
０と被検物質７との間で最適な光導波路モードがたつよ
う、媒質層１０の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適化
しておき、最適化された媒質層を用いて、所定の入射角
度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被検物質７
の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感度で検出
する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学的手法による物質
情報検出システムに係り、さらに詳しくは、被検物質の
屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を、１つのシステ
ムで、高感度でしかも簡易に検出することのできる物質
情報検出システムに関する。
情報検出システムに係り、さらに詳しくは、被検物質の
屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を、１つのシステ
ムで、高感度でしかも簡易に検出することのできる物質
情報検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】物質の表面近傍の屈折率変化や膜厚分
布、吸収量等を測定する方法として、従来より種々の方
法が用いられているが、近年、表面プラズモン共鳴を利
用した方法、光導波路を利用した方法等が注目されてい
る。
布、吸収量等を測定する方法として、従来より種々の方
法が用いられているが、近年、表面プラズモン共鳴を利
用した方法、光導波路を利用した方法等が注目されてい
る。
【０００３】表面プラズモン共鳴による方法は、金属表
面におけるプラズマの振動が、該金属表面に隣接する物
質の屈折率によって影響されることとを利用したもの
で、この共鳴は、電磁線を光学プリズムに入射させた場
合に発生するエバネッセント波（減衰波）を用いて達成
することができる。すなわち、プリズムに金属薄膜を設
けたセンサを作製し、このセンサの金属薄膜に被検物質
を接触させ、プリズムと被検物質とによって定まる臨界
角度以上の領域における特定の入射角度にて電磁線を入
射させると、光の一部が金属界面に滲出してエバネッセ
ント波を生じる。そして、この波数と、金属の薄膜表面
に生じる表面波（表面プラズモン）の波数が一致すると
共鳴が起こって反射光強度が減り、入射角度に対する反
射率曲線において反射率の低下の谷（ディップ）が観察
される。この表面プラズモンの波数は、金属に接する媒
質表面の屈折率変化による影響を受けることから、反射
光の強度の変化をモニターすることにより、金属薄膜に
隣接する被検物質表面の屈折率の変化を検出することが
できるというものである。
面におけるプラズマの振動が、該金属表面に隣接する物
質の屈折率によって影響されることとを利用したもの
で、この共鳴は、電磁線を光学プリズムに入射させた場
合に発生するエバネッセント波（減衰波）を用いて達成
することができる。すなわち、プリズムに金属薄膜を設
けたセンサを作製し、このセンサの金属薄膜に被検物質
を接触させ、プリズムと被検物質とによって定まる臨界
角度以上の領域における特定の入射角度にて電磁線を入
射させると、光の一部が金属界面に滲出してエバネッセ
ント波を生じる。そして、この波数と、金属の薄膜表面
に生じる表面波（表面プラズモン）の波数が一致すると
共鳴が起こって反射光強度が減り、入射角度に対する反
射率曲線において反射率の低下の谷（ディップ）が観察
される。この表面プラズモンの波数は、金属に接する媒
質表面の屈折率変化による影響を受けることから、反射
光の強度の変化をモニターすることにより、金属薄膜に
隣接する被検物質表面の屈折率の変化を検出することが
できるというものである。
【０００４】他方、光導波路による方法は、屈折率の高
いコア部（光導波路部）と屈折率の低いクラッド部とか
らなる光導波路において、コア部を電磁線が伝播する
際、この電磁線が、クラッド部に接触した物質による吸
収の影響を受け減衰することを利用したものである。具
体的には、例えば、光導波路の一端に入射光用プリズム
を、他端に射出光用プリズムをそれぞれ設け、入射光用
プリズムに入射された電磁線を光導波路部に導き、この
光導波路内で減衰伝播された電磁線を射出光用プリズム
を介して他端側から射出させるような構成とし、かつこ
のクラッド部に被検物質を接触させる。そして、この被
検物質の電磁線の吸収量の変化に応じてクラッド部を介
して光導波路部で電磁線が減衰することを利用して、そ
の減衰の程度から被検物質の状態を検出するというもの
である。
いコア部（光導波路部）と屈折率の低いクラッド部とか
らなる光導波路において、コア部を電磁線が伝播する
際、この電磁線が、クラッド部に接触した物質による吸
収の影響を受け減衰することを利用したものである。具
体的には、例えば、光導波路の一端に入射光用プリズム
を、他端に射出光用プリズムをそれぞれ設け、入射光用
プリズムに入射された電磁線を光導波路部に導き、この
光導波路内で減衰伝播された電磁線を射出光用プリズム
を介して他端側から射出させるような構成とし、かつこ
のクラッド部に被検物質を接触させる。そして、この被
検物質の電磁線の吸収量の変化に応じてクラッド部を介
して光導波路部で電磁線が減衰することを利用して、そ
の減衰の程度から被検物質の状態を検出するというもの
である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記表
面プラズモン共鳴を用いた方法においては、金属薄膜を
用いるため、反射率曲線におけるディップの幅は、用い
る金属の屈折率による制限を受ける。したがってディッ
プ形状の最適化の達成は金属膜厚の調整によるしかな
く、そのため高感度の検出を得るに十分な程度にまで最
適化することが難しい。さらに、この表面プラズモン共
鳴を用いた方法では、光導波路を有しないことから、光
の伝播長が短く、そのため反射率曲線においてシャープ
なディップが得られず、高感度の検出が困難であるとい
う問題もある。光の伝播長を長くするためには、例えば
プリズムと金属薄膜との間に誘電体膜を１層設け、その
屈折率を被検物質の屈折率と等しく設定し、光伝播長を
長くするという方法などもあるが、作業が複雑化する、
被検物質の選定が制限される等の不具合が生じる。
面プラズモン共鳴を用いた方法においては、金属薄膜を
用いるため、反射率曲線におけるディップの幅は、用い
る金属の屈折率による制限を受ける。したがってディッ
プ形状の最適化の達成は金属膜厚の調整によるしかな
く、そのため高感度の検出を得るに十分な程度にまで最
適化することが難しい。さらに、この表面プラズモン共
鳴を用いた方法では、光導波路を有しないことから、光
の伝播長が短く、そのため反射率曲線においてシャープ
なディップが得られず、高感度の検出が困難であるとい
う問題もある。光の伝播長を長くするためには、例えば
プリズムと金属薄膜との間に誘電体膜を１層設け、その
屈折率を被検物質の屈折率と等しく設定し、光伝播長を
長くするという方法などもあるが、作業が複雑化する、
被検物質の選定が制限される等の不具合が生じる。
【０００６】他方、上記の従来の光導波路を利用した方
法においては、検出精度を高めるためには光伝播長を長
くしなければならず、したがって光導波路の長さそのも
のを長くしなければならない。また入射光用、射出光用
として別々にプリズムを設ける必要もあり、装置のコン
パクト化、簡素化ができない。
法においては、検出精度を高めるためには光伝播長を長
くしなければならず、したがって光導波路の長さそのも
のを長くしなければならない。また入射光用、射出光用
として別々にプリズムを設ける必要もあり、装置のコン
パクト化、簡素化ができない。
【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、従来の方法に比べ、被検物質の情報を
きわめて高感度で、しかも簡易に検出することのできる
システムを提供することにある。
で、その目的は、従来の方法に比べ、被検物質の情報を
きわめて高感度で、しかも簡易に検出することのできる
システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記従来の問題点を解決
するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、被検
物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量の検出を、
１つのシステムで、簡易に、しかも従来のいずれの方法
よりもそれぞれ高い精度で検出することができる、従来
のいずれの方法とも異なる新規な技術を開発し、本発明
を完成するに至った。
するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、被検
物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量の検出を、
１つのシステムで、簡易に、しかも従来のいずれの方法
よりもそれぞれ高い精度で検出することができる、従来
のいずれの方法とも異なる新規な技術を開発し、本発明
を完成するに至った。
【０００９】すなわち本発明によれば、 光結合部材および媒質層を介して被検物質に電磁線を入
射し、該被検物質からの反射光特性を該媒質層および該
光結合部材を介して監視することにより該被検物質の情
報を検出する光学的手法による物質情報検出システムに
おいて、 前記媒質層は少なくとも２層以上の誘電体膜層からな
り、かつ該誘電体膜層の少なくとも１層以上が光導波路
層を形成するものであり、 該誘電体膜層は透明、または少なくとも１層以上が電磁
線吸収物質を含有して所定の消衰係数（複素屈折率の虚
部）をもつものである、よう設定するとともに、 前記光結合部材と前記被検物質によって定まる臨界角度
以上の領域における所定の入射角度において、前記媒質
層と前記被検物質との間で最適な光導波路モードがたつ
よう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適化
しておき、この最適化された媒質層を用いて、前記所定
の入射角度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被
検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感度
で検出することを特徴とする、光学的手法による物質情
報検出システムが提供される。
射し、該被検物質からの反射光特性を該媒質層および該
光結合部材を介して監視することにより該被検物質の情
報を検出する光学的手法による物質情報検出システムに
おいて、 前記媒質層は少なくとも２層以上の誘電体膜層からな
り、かつ該誘電体膜層の少なくとも１層以上が光導波路
層を形成するものであり、 該誘電体膜層は透明、または少なくとも１層以上が電磁
線吸収物質を含有して所定の消衰係数（複素屈折率の虚
部）をもつものである、よう設定するとともに、 前記光結合部材と前記被検物質によって定まる臨界角度
以上の領域における所定の入射角度において、前記媒質
層と前記被検物質との間で最適な光導波路モードがたつ
よう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適化
しておき、この最適化された媒質層を用いて、前記所定
の入射角度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被
検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感度
で検出することを特徴とする、光学的手法による物質情
報検出システムが提供される。
【００１０】ここで、被検物質の屈折率または膜厚の検
出は、前記最適化された媒質層として、少なくとも１層
以上が電磁線吸収物質を含有してなる多層の誘電体膜を
用い、この媒質層にて前記所定の入射角度近傍にて入射
させた電磁線の反射率を検知することにより行う。
出は、前記最適化された媒質層として、少なくとも１層
以上が電磁線吸収物質を含有してなる多層の誘電体膜を
用い、この媒質層にて前記所定の入射角度近傍にて入射
させた電磁線の反射率を検知することにより行う。
【００１１】また、被検物質の表層部の電磁線吸収量の
検出は、前記媒質層として透明な誘電体膜を用い、この
誘電体膜と、電磁線吸収物質を含有する被検物質との間
で最適な光導波路モードがたつよう前記最適化を行い、
この最適化された媒質層にて前記所定の入射角度近傍に
て入射させた電磁線の反射率を検知することにより行
う。
検出は、前記媒質層として透明な誘電体膜を用い、この
誘電体膜と、電磁線吸収物質を含有する被検物質との間
で最適な光導波路モードがたつよう前記最適化を行い、
この最適化された媒質層にて前記所定の入射角度近傍に
て入射させた電磁線の反射率を検知することにより行
う。
【００１２】本発明で用いられる媒質層は、まず、少な
くとも２層以上の誘電体膜からなり、しかもこの誘電体
膜の少なくとも１層以上が光導波路層を形成する。ここ
でいう「光導波路」とは、光学的範囲内またはその付近
の電磁線のためのいかなる伝送路も含むものとし、ここ
で光波は導波路壁における反復内部反射により導波路内
を伝送される。また、誘電体膜は、誘電体材質からなる
ものであれば、特に制限されることなくいかなるものも
用いることができる。具体的にはポリテトラフルオロエ
チレン、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＳｉＯ
2 、ポリスチレン、ＭｇＦ2 等が例示されるが、これら
に限定されるものではない。
くとも２層以上の誘電体膜からなり、しかもこの誘電体
膜の少なくとも１層以上が光導波路層を形成する。ここ
でいう「光導波路」とは、光学的範囲内またはその付近
の電磁線のためのいかなる伝送路も含むものとし、ここ
で光波は導波路壁における反復内部反射により導波路内
を伝送される。また、誘電体膜は、誘電体材質からなる
ものであれば、特に制限されることなくいかなるものも
用いることができる。具体的にはポリテトラフルオロエ
チレン、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＳｉＯ
2 、ポリスチレン、ＭｇＦ2 等が例示されるが、これら
に限定されるものではない。
【００１３】次に、この誘電体膜層は透明、または少な
くとも１層以上が電磁線吸収物質を含有して所定の消衰
係数（複素屈折率の虚部）をもつ。電磁線吸収物質は、
検出に用いる電磁線の種類を吸収する物質であれば特に
限定されることなく用いることができるが、誘電体膜形
成に用いる溶媒との相溶性が良好なもの等が好適に用い
られ得るであろう。具体的には、メチレンブルー、メチ
ルレッド、メチルオレンジ、ローダミン等の色素などが
例示されるが、これらに限定されるものではない。ま
た、誘電体の材質自体が電磁線吸収をもつものであって
もよい。
くとも１層以上が電磁線吸収物質を含有して所定の消衰
係数（複素屈折率の虚部）をもつ。電磁線吸収物質は、
検出に用いる電磁線の種類を吸収する物質であれば特に
限定されることなく用いることができるが、誘電体膜形
成に用いる溶媒との相溶性が良好なもの等が好適に用い
られ得るであろう。具体的には、メチレンブルー、メチ
ルレッド、メチルオレンジ、ローダミン等の色素などが
例示されるが、これらに限定されるものではない。ま
た、誘電体の材質自体が電磁線吸収をもつものであって
もよい。
【００１４】さらにこの媒質層は、前記光結合部材と前
記被検物質とによって定まる臨界角度以上の領域におけ
る所定の入射角度において電磁線を所定の入射角度にて
照射した場合、被検物質との間で最適な光導波路モード
がたつよう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を
最適化しておく必要がある。媒質層の屈折率は用いられ
る各誘電体膜の材質を選択することによって、消衰係数
は電磁線吸収物質の含有量を調整することによって、そ
れぞれ定め得る。また、各誘電体膜の膜厚によりディッ
プの深さが影響を受けるので、最適化が必要である。本
発明の場合、最適化のためのパラメータとして、入射角
度、媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数という多くの
選択肢を用いることができるので、それだけ被検物質に
より合った最適化を行うことができ、高い感度での検出
が可能となる。
記被検物質とによって定まる臨界角度以上の領域におけ
る所定の入射角度において電磁線を所定の入射角度にて
照射した場合、被検物質との間で最適な光導波路モード
がたつよう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を
最適化しておく必要がある。媒質層の屈折率は用いられ
る各誘電体膜の材質を選択することによって、消衰係数
は電磁線吸収物質の含有量を調整することによって、そ
れぞれ定め得る。また、各誘電体膜の膜厚によりディッ
プの深さが影響を受けるので、最適化が必要である。本
発明の場合、最適化のためのパラメータとして、入射角
度、媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数という多くの
選択肢を用いることができるので、それだけ被検物質に
より合った最適化を行うことができ、高い感度での検出
が可能となる。
【００１５】以下に本発明の検出システムを、添付図面
を参照しながら実施例により具体的に説明する。ただ
し、本発明はこれによりなんら制限されるものではな
い。
を参照しながら実施例により具体的に説明する。ただ
し、本発明はこれによりなんら制限されるものではな
い。
【００１６】
【実施例】図１は、本発明の検出システムの概略の一例
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【００１７】同図は媒質層が３層の例を示し、透明基板
３の一方の面上に媒質層第１の誘電体薄膜４、第２の誘
電体薄膜５、第３の誘電体膜６が、それぞれ形成されて
媒質層１０をなす。そして、透明基板３の他方の面に
は、マッチングオイル２を介して、光学プリズム（光結
合部材）１が設けられている。図中、符号７は被検物質
を、８は電磁線源を、９はフォトダイオードを、１１は
Ｘ−Ｙステージを、１２は光学プリズム固定部材をそれ
ぞれ示す。
３の一方の面上に媒質層第１の誘電体薄膜４、第２の誘
電体薄膜５、第３の誘電体膜６が、それぞれ形成されて
媒質層１０をなす。そして、透明基板３の他方の面に
は、マッチングオイル２を介して、光学プリズム（光結
合部材）１が設けられている。図中、符号７は被検物質
を、８は電磁線源を、９はフォトダイオードを、１１は
Ｘ−Ｙステージを、１２は光学プリズム固定部材をそれ
ぞれ示す。
【００１８】上記媒質層１０は、その中に少なくとも１
層以上が光導波路層を形成するような多層構造をなす。
例えば、第１の誘電体膜４の屈折率をｎ4 、第２の誘電
体膜５の屈折率をｎ5 、第３の誘電体膜の屈折率をｎ
6 、被検物質の屈折率をｎ7 、光学プリズム１の屈折率
をｎ1 とすると、ｎ5 、ｎ6 ＞ｎ4 、ｎ7 となるよう誘
電体膜の材質を選定することにより、第２の誘電体膜５
および第３の誘電体膜６が光導波路を形成することとな
るが、もちろん、これらの例に限定されるものではな
い。さらに多層の場合、複数個の光導波路層間にクラッ
ド層が形成されていてもよい。
層以上が光導波路層を形成するような多層構造をなす。
例えば、第１の誘電体膜４の屈折率をｎ4 、第２の誘電
体膜５の屈折率をｎ5 、第３の誘電体膜の屈折率をｎ
6 、被検物質の屈折率をｎ7 、光学プリズム１の屈折率
をｎ1 とすると、ｎ5 、ｎ6 ＞ｎ4 、ｎ7 となるよう誘
電体膜の材質を選定することにより、第２の誘電体膜５
および第３の誘電体膜６が光導波路を形成することとな
るが、もちろん、これらの例に限定されるものではな
い。さらに多層の場合、複数個の光導波路層間にクラッ
ド層が形成されていてもよい。
【００１９】また、入射電磁線が光導波路モードを結合
するためには、光学プリズム１の屈折率はクラッド層の
屈折率より高い必要がある。例えば、上記の例では、ｎ
1 ＞ｎ4 、ｎ7 となる。
するためには、光学プリズム１の屈折率はクラッド層の
屈折率より高い必要がある。例えば、上記の例では、ｎ
1 ＞ｎ4 、ｎ7 となる。
【００２０】媒質層１０は、透明か、あるいは、第１の
誘電体薄膜４、第２の誘電体薄膜５、第３の誘電体膜６
の少なくともいずれか１層に電磁線吸収物質が含まれて
いる。この電磁線吸収物質の含有量を変えることによっ
て、後述の媒質層の最適化において消衰係数を調整する
ことができる。被検物質７の屈折率、膜厚を検出する場
合には電磁線吸収物質を含有した媒質層を、被検物質７
の表層の電磁線吸収量を検出する場合には透明な媒質層
を、それぞれ用いる。
誘電体薄膜４、第２の誘電体薄膜５、第３の誘電体膜６
の少なくともいずれか１層に電磁線吸収物質が含まれて
いる。この電磁線吸収物質の含有量を変えることによっ
て、後述の媒質層の最適化において消衰係数を調整する
ことができる。被検物質７の屈折率、膜厚を検出する場
合には電磁線吸収物質を含有した媒質層を、被検物質７
の表層の電磁線吸収量を検出する場合には透明な媒質層
を、それぞれ用いる。
【００２１】また本発明では、媒質層１０は、最適の光
導波路モードがたつように最適化される必要がある。
「最適の光導波路モード」とは、伝搬長が長く、伝搬定
数の実部が該被検物質の屈折率変化に対して敏感に変化
するモードを意味する。媒質層１０の最適化について、
被検物質の屈折率の検出手順とともに、以下に説明す
る。
導波路モードがたつように最適化される必要がある。
「最適の光導波路モード」とは、伝搬長が長く、伝搬定
数の実部が該被検物質の屈折率変化に対して敏感に変化
するモードを意味する。媒質層１０の最適化について、
被検物質の屈折率の検出手順とともに、以下に説明す
る。
【００２２】被検物質７の屈折率の検出は、例えば、以
下のような手順で行う。
下のような手順で行う。
【００２３】まず、媒質層１０の最適化を行う。検出対
象である被検物質７がもつと推定される屈折率を包含し
た範囲内にある既知の屈折率ｎs を有する試料を第３の
誘電体膜６に接触させる。この状態で電磁線源８から電
磁線を、光学プリズム１と被検物質７によって定まる臨
界角度以上の領域における入射角度にて、光学プリズム
１に入射させる。ここで、電磁線の入射角度、誘電体膜
の屈折率、膜厚および消衰係数をパラメータとして、光
学プリズム１の界面における反射率が急激に降下するデ
ィップが得られる入射角度を求める。上記臨界角度以上
の領域でこのようなディップが生じるのは、各誘電体膜
の材質、膜厚等に依存して存在する導波路モードの波数
ベクトルが、入射光線の波数ベクトルの界面方向成分量
と等しくなった時に、光学プリズム１の界面から媒質層
１０内に滲出した入射光が該媒質層１０内に光導波路モ
ードを励起し、この導波路内を減衰しながら伝播する。
導波路モードが最適化されている場合には、入射光のエ
ネルギーはすべて導波路モードに与えられ、反射率は極
端に小さくなる。一方、最適化が行われていない場合に
は、導波路モードのエネルギーの一部が再び反射光とし
て射出される。媒質層１０の第３の誘電体膜６に接触配
置されている被検物質７の屈折率が変化すれば、この屈
折率変化が光導波路モードに影響を与え、これが射出光
にも影響を与えることとなる。したがって、反射率変化
をフォトトダイオード１０によって観察することによ
り、被検物質７の屈折率変化を検出することができる。
象である被検物質７がもつと推定される屈折率を包含し
た範囲内にある既知の屈折率ｎs を有する試料を第３の
誘電体膜６に接触させる。この状態で電磁線源８から電
磁線を、光学プリズム１と被検物質７によって定まる臨
界角度以上の領域における入射角度にて、光学プリズム
１に入射させる。ここで、電磁線の入射角度、誘電体膜
の屈折率、膜厚および消衰係数をパラメータとして、光
学プリズム１の界面における反射率が急激に降下するデ
ィップが得られる入射角度を求める。上記臨界角度以上
の領域でこのようなディップが生じるのは、各誘電体膜
の材質、膜厚等に依存して存在する導波路モードの波数
ベクトルが、入射光線の波数ベクトルの界面方向成分量
と等しくなった時に、光学プリズム１の界面から媒質層
１０内に滲出した入射光が該媒質層１０内に光導波路モ
ードを励起し、この導波路内を減衰しながら伝播する。
導波路モードが最適化されている場合には、入射光のエ
ネルギーはすべて導波路モードに与えられ、反射率は極
端に小さくなる。一方、最適化が行われていない場合に
は、導波路モードのエネルギーの一部が再び反射光とし
て射出される。媒質層１０の第３の誘電体膜６に接触配
置されている被検物質７の屈折率が変化すれば、この屈
折率変化が光導波路モードに影響を与え、これが射出光
にも影響を与えることとなる。したがって、反射率変化
をフォトトダイオード１０によって観察することによ
り、被検物質７の屈折率変化を検出することができる。
【００２４】上記媒質層の最適化の具体例として、本発
明者らがシミュレーションを行った結果を図２に示す。
明者らがシミュレーションを行った結果を図２に示す。
【００２５】図２は、被検物質としてｎS ＝１．３３０
のもの（液状物質）とした場合の媒質層の最適化を行っ
た反射率曲線である。上記第１の誘電体膜４としてポリ
テトラフルオロエチレン膜（膜厚７００ｎｍ、ｎ3 ＝
１．３０３）を；第２の誘電体膜５としてポリメタクリ
ル酸メチル（ＰＭＭＡ）に色素（メチレンブルー）を含
有させたＰＭＭＡ膜（膜厚６００ｎｍ、ｎ4 ＝１．４９
０＋０．００１ｉ）を；第３の誘電体膜としてＳｉＯ2
膜（膜厚１０ｎｍ、ｎ6 ＝１．４５９）をそれぞれ用い
てシミュレーションを行ったところ、線Ａに示すよう
に、入射角度６２．０°にて深くて幅の狭いディップを
得た。
のもの（液状物質）とした場合の媒質層の最適化を行っ
た反射率曲線である。上記第１の誘電体膜４としてポリ
テトラフルオロエチレン膜（膜厚７００ｎｍ、ｎ3 ＝
１．３０３）を；第２の誘電体膜５としてポリメタクリ
ル酸メチル（ＰＭＭＡ）に色素（メチレンブルー）を含
有させたＰＭＭＡ膜（膜厚６００ｎｍ、ｎ4 ＝１．４９
０＋０．００１ｉ）を；第３の誘電体膜としてＳｉＯ2
膜（膜厚１０ｎｍ、ｎ6 ＝１．４５９）をそれぞれ用い
てシミュレーションを行ったところ、線Ａに示すよう
に、入射角度６２．０°にて深くて幅の狭いディップを
得た。
【００２６】一方、表面プラズモン共鳴を利用して金属
薄膜（銀）を用いて最適化を行ったところ、線Ｂに示す
ように、入射角度６７．５°にてディップが得られた
が、これは上記誘電体膜の場合（線Ａ）に比べてディッ
プの幅の狭さが劣り、これを用いた場合、検出感度が本
発明のものよりも低いことがわかる。
薄膜（銀）を用いて最適化を行ったところ、線Ｂに示す
ように、入射角度６７．５°にてディップが得られた
が、これは上記誘電体膜の場合（線Ａ）に比べてディッ
プの幅の狭さが劣り、これを用いた場合、検出感度が本
発明のものよりも低いことがわかる。
【００２７】したがって、被検物質が液状物質の場合、
上記各誘電体層のように最適化された媒質層を用いて、
入射角６２．０°近傍にて入射させれば、ディップの生
じる入射角度の変化を知るだけで被検物質の屈折率変化
を極めて感度よく検出することができる。
上記各誘電体層のように最適化された媒質層を用いて、
入射角６２．０°近傍にて入射させれば、ディップの生
じる入射角度の変化を知るだけで被検物質の屈折率変化
を極めて感度よく検出することができる。
【００２８】さらに、デイップの生じる入射角度−屈折
率の関係を示す検量線を作成しておけば、被検物質の屈
折率の値を知ることもできる。図３は、上記最適化され
た媒質層を用いて、屈折率を０．０１きざみで変化させ
た場合の、ディップが生じる入射角度を示す検量線であ
る。これを用いることにより、例えば、被検物質に対す
るディップの生じる角度が６２．５°であれば、その被
検物質の屈折率が１．３４２であることが読み取れる。
率の関係を示す検量線を作成しておけば、被検物質の屈
折率の値を知ることもできる。図３は、上記最適化され
た媒質層を用いて、屈折率を０．０１きざみで変化させ
た場合の、ディップが生じる入射角度を示す検量線であ
る。これを用いることにより、例えば、被検物質に対す
るディップの生じる角度が６２．５°であれば、その被
検物質の屈折率が１．３４２であることが読み取れる。
【００２９】被検物質の膜厚を検出する場合も、前記屈
折率の場合に準じて行うことができる。すなわち、上記
最適化された媒質層を用いて、既知の厚さの試料を複数
用いてディップの生じる入射角度−膜厚の検量線を作成
しておく。
折率の場合に準じて行うことができる。すなわち、上記
最適化された媒質層を用いて、既知の厚さの試料を複数
用いてディップの生じる入射角度−膜厚の検量線を作成
しておく。
【００３０】かかる後、未知の厚さの被検物質を誘電体
膜６に接触させ、ディップの生じる入射角度を求めれ
ば、検量線から膜厚を求めることができる。なお、単に
被検物質の膜厚の変化の有無を検知するだけであるなら
ば、検量線を作成しなくとも、ディップが生じる入射角
度が変化したことを知るだけで足りる。
膜６に接触させ、ディップの生じる入射角度を求めれ
ば、検量線から膜厚を求めることができる。なお、単に
被検物質の膜厚の変化の有無を検知するだけであるなら
ば、検量線を作成しなくとも、ディップが生じる入射角
度が変化したことを知るだけで足りる。
【００３１】被検物質の表層部の電磁線吸収量を検出す
る場合は、媒質層に電磁線吸収物質を含有させず、透明
な材質のものを用いる以外は、上記の場合とほぼ同様に
して行うことができる。
る場合は、媒質層に電磁線吸収物質を含有させず、透明
な材質のものを用いる以外は、上記の場合とほぼ同様に
して行うことができる。
【００３２】すなわち、まず透明媒質層膜の最適化を行
う。検出対象である被検物質がもつと推定される電磁線
吸収量を含む範囲での既知の消衰係数（例えば０．００
１）を有する試料を第３の誘電体膜６に接触させる。こ
の状態で電磁線を入射させる。ここで、入射角度、透明
誘電体膜の膜厚、試料の消衰係数をパラメータとしてと
り、反射率が急激に降下するディップが得られる入射角
度を求める。そして、ある所定入射角度θにおいて最も
シャープなディップが生じることを確認したら、その透
明媒質層を用いて、吸収量が既知の試料を複数用いて反
射率−消衰係数の検量線を作成しておく。
う。検出対象である被検物質がもつと推定される電磁線
吸収量を含む範囲での既知の消衰係数（例えば０．００
１）を有する試料を第３の誘電体膜６に接触させる。こ
の状態で電磁線を入射させる。ここで、入射角度、透明
誘電体膜の膜厚、試料の消衰係数をパラメータとしてと
り、反射率が急激に降下するディップが得られる入射角
度を求める。そして、ある所定入射角度θにおいて最も
シャープなディップが生じることを確認したら、その透
明媒質層を用いて、吸収量が既知の試料を複数用いて反
射率−消衰係数の検量線を作成しておく。
【００３３】かかる後、実際に未知の消衰係数をもつ被
検物質を誘電体膜６に接触させ、前記入射角度θを含む
範囲でその近傍の入射角にて電磁線を照射することによ
りディップを求めれば、前述の検量線から該被検物質の
表層部での消衰係数を求めることができる。
検物質を誘電体膜６に接触させ、前記入射角度θを含む
範囲でその近傍の入射角にて電磁線を照射することによ
りディップを求めれば、前述の検量線から該被検物質の
表層部での消衰係数を求めることができる。
【００３４】図４は、本発明者らが行ったシミュレーシ
ョンにおいて、反射率−消衰係数の関係を示す検量線で
ある。これを用いれば、例えば、反射率が０．４である
ことが観察されれば、この検量線から、被検物質の消衰
係数が０．０００１９であることがわかる。
ョンにおいて、反射率−消衰係数の関係を示す検量線で
ある。これを用いれば、例えば、反射率が０．４である
ことが観察されれば、この検量線から、被検物質の消衰
係数が０．０００１９であることがわかる。
【００３５】なお、単に被検物質の吸収量の変化の有無
を検知するだけであるならば、前記の検量線を作成しな
くとも、ディップの生じる深さを感知するだけで足り
る。
を検知するだけであるならば、前記の検量線を作成しな
くとも、ディップの生じる深さを感知するだけで足り
る。
【００３６】なお、上記実施例は、媒質層が３層の場合
について説明したが、４層以上の多層の場合でも、基本
的には上記と同じ原理に基づいて考えることができる。
また、２層の場合は、例えば、図１から第３の誘電体膜
６がないと状態と仮定した場合では、ｎ5 ＞ｎ4 、ｎ7
となるよう誘電体膜の材質を選定することにより第２の
誘電体膜５が光導波路を形成することとなる点におい
て、上記と異なる以外は、上記３層の場合と同様であ
る。またこの場合、媒質層は透明、あるいは第１の誘電
体薄膜４、第２の誘電体薄膜５のいずれか、あるいは両
方に電磁線吸収物質が含まれる。
について説明したが、４層以上の多層の場合でも、基本
的には上記と同じ原理に基づいて考えることができる。
また、２層の場合は、例えば、図１から第３の誘電体膜
６がないと状態と仮定した場合では、ｎ5 ＞ｎ4 、ｎ7
となるよう誘電体膜の材質を選定することにより第２の
誘電体膜５が光導波路を形成することとなる点におい
て、上記と異なる以外は、上記３層の場合と同様であ
る。またこの場合、媒質層は透明、あるいは第１の誘電
体薄膜４、第２の誘電体薄膜５のいずれか、あるいは両
方に電磁線吸収物質が含まれる。
【００３７】また、上記実施例においては、検出対象が
液状物質について述べたが、検出対象はこれに限られる
ものではなく、本発明のシステムは、気体（ガス）状物
質、固体状物質等も検出し得ることはもちろんである。
液状物質について述べたが、検出対象はこれに限られる
ものではなく、本発明のシステムは、気体（ガス）状物
質、固体状物質等も検出し得ることはもちろんである。
【００３８】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、従
来のように、金属薄膜を用いた表面プラズモン共鳴を利
用した方法に比べ、検出物質に合わせた最適化の選択肢
が増え、より最適化が行いやすくなる。また、光導波路
モードを利用することから、反射率曲線においてシャー
プなディップを得ることができる。また本発明では、１
つのシステムで被検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁
線吸収量を極めて高感度で、しかも簡易に検出すること
ができる。
来のように、金属薄膜を用いた表面プラズモン共鳴を利
用した方法に比べ、検出物質に合わせた最適化の選択肢
が増え、より最適化が行いやすくなる。また、光導波路
モードを利用することから、反射率曲線においてシャー
プなディップを得ることができる。また本発明では、１
つのシステムで被検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁
線吸収量を極めて高感度で、しかも簡易に検出すること
ができる。
【図１】本発明の検出システムの一実施例を示す概略図
である。
である。
【図２】反射率−ディップの生じる入射角度の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
【図３】ディップの生じる入射角度−屈折率の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
【図４】反射率−消衰係数の関係を示すグラフである。
１ 光学プリズム（光結合部材） ２ マッチングオイル ３ 透明基板 ４ 第１の誘電体膜 ５ 第２の誘電体膜 ６ 第３の誘電体膜 ７ 被検物質 ８ 電磁線源 ９ フォトダイオード １０ 媒質層 １１ Ｘ−Ｙステージ １２ 光学プリズム固定部材
フロントページの続き (72)発明者 後藤 一義 東京都渋谷区神宮前６丁目26番１号 麒麟 麦酒株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 光結合部材および媒質層を介して被検物
質に電磁線を入射し、該被検物質からの反射光特性を該
媒質層および該光結合部材を介して監視することにより
該被検物質の情報を検出する光学的手法による物質情報
検出システムにおいて、 前記媒質層は少なくとも２層以上の誘電体膜層からな
り、かつ該誘電体膜層の少なくとも１層以上が光導波路
層を形成するものであり、 該誘電体膜層は透明、または少なくとも１層以上が電磁
線吸収物質を含有して所定の消衰係数（複素屈折率の虚
部）をもつものである、よう設定するとともに、 前記光結合部材と前記被検物質とによって定まる臨界角
度以上の領域における所定の入射角度において、前記媒
質層と前記被検物質との間で最適な光導波路モードがた
つよう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適
化しておき、この最適化された媒質層を用いて、前記所
定の入射角度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、
被検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感
度で検出することを特徴とする、光学的手法による物質
情報検出システム。 - 【請求項２】 前記最適化された媒質層として、少なく
とも１層以上が電磁線吸収物質を含有してなる誘電体膜
層を用い、この媒質層にて前記所定の入射角度近傍にて
入射させた電磁線の反射率から、被検物質の屈折率また
は膜厚を高感度で検出することを特徴とする、請求項１
記載の物質情報検出システム。 - 【請求項３】 前記媒質層として透明な誘電体膜を用
い、この誘電体膜と、電磁線吸収物質を含有する被検物
質との間で最適な光導波路モードがたつよう前記最適化
を行い、この最適化された媒質層にて前記所定の入射角
度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被検物質の
表層部の電磁線吸収量を高感度で検出することを特徴と
する、請求項１記載の物質情報検出システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9306495A JPH08261925A (ja) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | 光学的手法による物質情報検出システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9306495A JPH08261925A (ja) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | 光学的手法による物質情報検出システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08261925A true JPH08261925A (ja) | 1996-10-11 |
Family
ID=14072093
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9306495A Pending JPH08261925A (ja) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | 光学的手法による物質情報検出システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08261925A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003090793A (ja) * | 2001-09-20 | 2003-03-28 | Fuji Photo Film Co Ltd | 全反射減衰を利用したセンサー |
| JP2003202289A (ja) * | 2001-11-02 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | 全反射光を利用した測定装置に用いられる測定ユニット、該測定ユニットの製造方法および全反射光を利用した測定装置 |
| JP2003202285A (ja) * | 2001-10-26 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | 全反射を利用した測定装置の測定用プレート |
| WO2011025407A1 (ru) * | 2009-08-27 | 2011-03-03 | Konopsky Valery Nikolaevich | Способ измерения показателя преломления и устройство для его осуществления (варианты) |
| JP2012083167A (ja) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Konica Minolta Holdings Inc | 微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置 |
| CN110763653A (zh) * | 2019-09-16 | 2020-02-07 | 深圳大学 | 基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器 |
-
1995
- 1995-03-27 JP JP9306495A patent/JPH08261925A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003090793A (ja) * | 2001-09-20 | 2003-03-28 | Fuji Photo Film Co Ltd | 全反射減衰を利用したセンサー |
| JP2003202285A (ja) * | 2001-10-26 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | 全反射を利用した測定装置の測定用プレート |
| JP2003202289A (ja) * | 2001-11-02 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | 全反射光を利用した測定装置に用いられる測定ユニット、該測定ユニットの製造方法および全反射光を利用した測定装置 |
| WO2011025407A1 (ru) * | 2009-08-27 | 2011-03-03 | Konopsky Valery Nikolaevich | Способ измерения показателя преломления и устройство для его осуществления (варианты) |
| JP2012083167A (ja) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Konica Minolta Holdings Inc | 微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置 |
| CN110763653A (zh) * | 2019-09-16 | 2020-02-07 | 深圳大学 | 基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器 |
| CN110763653B (zh) * | 2019-09-16 | 2023-12-29 | 深圳大学 | 基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器 |
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