JP2006258739A - 光束分岐出力装置および複数光束出力型の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面プラズモン励起用の複数の照射光束を形成する過程で光束分岐する際の光量損失が少なく、かつ各照射光束を高精度にアライメントすることが可能で、小型化も容易な光束分岐出力装置および複数光束出力型の測定装置を得る。
【解決手段】光束分岐出力装置３において、出射モジュール９から空間に出射された１つの光束を分岐させる分岐光学系１７は、第１、第２および第３の光束分岐手段１１，１２，１３により構成されている。第１の光束分岐手段１１は４個のプリズム単体Ｐ_１〜Ｐ_４により、第２の光束分岐手段１２は２個のプリズム単体Ｐ_５，Ｐ_６により、また第３の光束分岐手段１３は１２個のプリズム単体Ｐ_７〜Ｐ_１８により、それぞれ構成されており、１つの光束を測定光束用と参照光束用との各一対の１２組の光束に分岐する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、金属面と誘電体試料との境界面に励起される表面プラズモン（ＳＰ：Surface Plasmon)の変化を検出することにより、誘電体試料に関する情報を得る測定装置において、表面プラズモン励起用の複数の測定光束を出力するために用いられる光束分岐出力装置と、このような光束分岐出力装置を備えた複数光束出力型の測定装置に関する。

従来、誘電体と金属面との境界面に光を透過または反射させることにより、この境界面に電子の疎密波である表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンの変化を検出することにより、誘電体に起きた誘電的な変化等の情報を得るようにした測定装置が種々提案されている。例えば、表面プラズモン共鳴［共振］（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance)と称される現象を利用して、測定対象となる試料中の免疫反応物質を定量分析する測定装置（以下「ＳＰＲ測定装置」と称す）が知られている（下記特許文献１、２参照）。

このＳＰＲ測定装置では、例えば、ガラス板の表面に形成した金属膜に誘電体試料を接触させておき、Ｐ偏光とされた照射光束を、金属膜と誘電体試料との境界面に対し全反射されるような入射角度で照射する。このとき、金属膜と誘電体試料との境界に沿って進むエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって表面プラズモンが励起される。そして、エバネッセント波の波数ベクトルが表面プラズモンの波数ベクトルと等しい場合に、これらが共鳴する現象すなわち表面プラズモン共鳴が起きる。表面プラズモン共鳴が起きると照射光束のエネルギが表面プラズモンに移るため、反射光量が大きく減衰する現象（以下「全反射減衰」と称す）が生起される。

照射光束の角周波数と金属膜および誘電体試料の各誘電率とが共に一定の場合、表面プラズモン共鳴は、照射光束の入射角度が特定の角度（以下「共振角度」と称す）のときだけ生じる。しかし、誘電体試料中で免疫反応が起こる場合には、誘電体試料の誘電率が変化するので、それに応じて共振角度も変化する。この共振角度の変化を検出する（例えば、光量検出器を用いて、全反射減衰が生じる共振角度を暗線の位置により検出する）ことにより、誘電体試料中の免疫反応物質を定量分析するのが、ＳＰＲ測定装置の原理である。

特開２００３−１３９６８７号公報 特開２００３−１３９６９４号公報

上述したＳＰＲ測定装置においては、金属膜と誘電体試料との境界面に、照射光束を全反射される所定の入射角度で照射するための光束出力装置が用いられるが、これまでの光束出力装置は１光束出力型とされていた。このため、複数の誘電体試料を測定するのに多くの時間を要するという問題があった。

複数の照射光束が同時に出力されるようにできれば、多くの誘電体試料を短時間で測定することが可能となり極めて有益となるが、各誘電体試料の界面に照射される各々の測定光束の条件を揃えなければならないので、光源から出力された１つの光束を分岐して複数の測定光束とする必要がある。これまで、光源から出力された１つの光束を光ファイバで導光するとともに、その導光路中に配した２分岐モジュールを用いて光束を順次分岐させていき、最終的に所定数の照射光束を同時に出力し得る複数光束出力型装置の研究がなされていた。

しかし、このような分岐方式では、２分岐モジュールと光ファイバとの結合損失が大きいため、分岐数を増やすと各々の照射光束に必要な光量を確保することが難しくなるという問題がある。また、複数光束出力型とした場合には、所定のピッチで配置された各々の誘電体試料の界面に対して、各照射光束を所定の入射角度で照射する必要があるが、光ファイバを用いた方式では、各照射光束を高精度にアライメントすることが難しいという問題もある。さらに、光ファイバを用いた方式では、光ファイバを引き回すために多くのスペースが必要となるので、分岐数を増やすと装置が大型化しやすくなるという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、表面プラズモン励起用の複数の照射光束を形成する過程で光束分岐する際の光量損失が少なく、かつ各照射光束を高精度にアライメントすることが可能で、小型化も容易な光束分岐出力装置と、このような光束分岐出力装置を備えた複数光束出力型の測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の光束分岐出力装置では、空間に出射された１つの光束を、複数のプリズム単体からなるビームスプリッタにより分岐するようにしている。

すなわち、本発明に係る光束分岐出力装置は、空間に出射された１つの光束を分岐光路上に配置した光束分岐手段により所定数に分岐し、分岐させた各々の光束を、表面プラズモン励起用の照射光束として出力する光束分岐出力装置であって、前記光束分岐手段が、複数のプリズム単体を互いに接合してなるビームスプリッタを備えてなることを特徴とするものである。

前記１つの光束が入射する第１の光束分岐手段において、この１つの光束を測定光束用と参照光束用との互いに平行な一対の光束に分岐し、分岐光路上で第１の光束分岐手段よりも後段に配置される他の光束分岐手段の各光束分岐面において、入射する一対の光束を各一対の２組の光束に順次分岐していき、最終的に互いに平行な一対の測定光束と参照光束とからなる複数組の照射光束を出力するように構成することができる。この場合、第１の光束分岐手段は、後段に配置される他の光束分岐手段に比較して、より高精度に作製しておくことが好ましい。

また、少なくとも１つの光束分岐手段は、分岐光路上において互いに平行に配設された複数の光束分岐面を備えてなるようにしたり、光束分岐出力分岐光路の始端に偏光ビームスプリッタを配設したり、分岐光路の終端に全反射面を配設したりすることが可能である。

また、本発明に係る複数光束出力型の測定装置は、上記光束分岐出力装置と、この光束分岐出力装置から出力された照射光束を誘電体試料と金属との境界面に照射することにより、この金属面と誘電体試料との境界面に励起される表面プラズモンの変化を検出する検出手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明に係る光束分岐出力装置は、空間に出射された１つの光束を、複数のプリズム単体を接合してなるビームスプリッタにより分岐し、分岐させた各々の光束を、表面プラズモン励起用の照射光束として出力するものであり、光束分岐手段として上記ビームスプリッタを用いているので、分岐する際の光量損失が極めて少ない。

また、このようなビームスプリッタは、小型かつ高精度に形成することが可能であるので、光ファイバによる分岐方式の装置に比べて、複数の照射光束を高精度にアライメントすることが容易であり、装置を小型化することも可能である。

また、本発明に係る複数光束出力型の測定装置は、本発明による光束分岐出力装置を備えているので、多くの誘電体試料を高精度に短時間で測定することが可能である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る複数光束出力型の測定装置を概略的に示す図である。

図１に示す複数光束出力型の測定装置１（以下、単に「測定装置１」と称する）は、表面プラズモン共鳴を利用して誘電体試料中の免疫反応物質を定量分析するＳＰＲ測定装置であり、半導体レーザ等の光源装置２と、該光源装置２から出力された光束を複数の光束に分岐して出力する光束分岐出力装置３と、測定対象とされる誘電体試料を保持する試料保持手段４と、ラインセンサ等の光検出装置５と、コンピュータ等の解析装置６とから構成されている。これらのうち試料保持手段４は、略台形状の支持台７の上面に載置され、光束分岐出力装置３および光検出装置５は、試料保持手段４を挟むように支持台７の両斜面上にそれぞれ配置されている。また、光源装置２と光束分岐出力装置３との間には、光源装置２から出力された光束を光束分岐出力装置３に導光するための光ファイバ８が配されている。

上記試料保持手段４は、例えばガラスや透明樹脂（シクロオレフィンポリマ、ポリカーボネート、非晶性ポリオレフィン等を用いることが可）からなる貯留ブロック４１と、該貯留ブロック４１を保持する図示せぬ保持機構とからなる。この貯留ブロック４１は紙面に垂直な方向に所定の長さを有しており、その上部には誘電体試料を貯える凹部４２が紙面に垂直な方向に複数並設されている。複数の凹部４２は、例えば、免疫反応させる誘電体試料（測定用試料）を貯えるものと、免疫反応させない誘電体試料（参照用試料）を貯えるものとからなり、これらが所定の間隔（等間隔とは限らない）で交互に配設されるものとされる。また、凹部４２の底面４２ａには、例えば金（他に、銀、銅、アルミニウム等を用いることも可）の金属膜が形成されており、誘電体試料はこの金属膜と接触するように凹部４２内に貯えられる。

上記光束分岐出力装置３は、例えば、図２に示すように構成される。図２は本発明に係る光束分岐出力装置の一実施形態を示す図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図である。

図２に示す光束分岐出力装置３は、上記光源装置２（図１参照）から光ファイバ８により導光された光を１つの光束として空間に出射する出射モジュール９と、光量調整用の減衰フィルタ１０と、該減衰フィルタ１０を介して出射された１つの光束を所定数（この実施形態では２４）の光束に分岐させる分岐光学系１７と、分岐された各々の光束を収束させ表面プラズモン励起用の照射光束として出力する収束光学系１８とにより構成されている。なお、出射モジュール９から出射される光束は、所定の方向に略直線偏光した光束とされる。この直線偏光の振動方向は、光束分岐出力装置３から出力された各照射光束が上記凹部４２の底面４２ａに入射する際にＰ偏光となるように設定される。

上記分岐光学系１７は分岐光路上に配置された第１、第２および第３の光束分岐手段１１，１２，１３により構成されており、これら３つの光束分岐手段１１，１２，１３はそれぞれ、複数のプリズム単体を互いに接合することにより構成されている。すなわち、図２（ａ）に示すように、第１の光束分岐手段１１は４個のプリズム単体Ｐ_１〜Ｐ_４により構成されており、第２の光束分岐手段１２は２個のプリズム単体Ｐ_５，Ｐ_６により、また第３の光束分岐手段１３は１２個のプリズム単体Ｐ_７〜Ｐ_１８により、それぞれ構成されている。なお、上記プリズム単体Ｐ_１，Ｐ_３に替えて、これらが配置されている部分に、上記プリズム単体Ｐ_４と同様の平行四辺形型のプリズムを配置するようにしてもよい。

上記第１の光束分岐手段１１の４個のプリズム単体Ｐ_１〜Ｐ_４のうち、分岐光路上の始端に配置されたプリズム単体Ｐ_１とＰ_２は偏光ビームスプリッタを構成している。すなわち、プリズム単体Ｐ_１とＰ_２との境界部は、透明な複数の誘電体層からなる偏光分離面Ｓ_０とされており、図２（ａ）において左方より入射した上記１つの光束のうちの上記直線偏光の成分を、この偏光分離面Ｓ_０において図中下方へ直角に反射してプリズム単体Ｐ_３に入射させる。このような偏光ビームスプリッタを分岐光路上の始端に配置することにより、上記直線偏光以外の成分を取り除くことができるので、照射光束を略完全な直線偏光とすることが可能となる。

また、図２（ａ）に示すように、この第１の光束分岐手段１１は、略完全な直線偏光とされた上記１つの光束を、光束分岐面Ｓ_１（プリズム単体Ｐ_３とＰ_４との境界面）において２つに分岐し、各々を互いに平行な一対の光束、すなわち光束分岐面Ｓ_１より図中右方へ直角に反射される測定光束用の光束（便宜上、図中実線で示す）と、光束分岐面Ｓ_１を通過しプリズム単体Ｐ_４の全反射面Ｔ_１より図中右方へ直角に反射される参照光束用の光束（便宜上、図中破線で示す）として出射するように構成されている。なお、第１の光束分岐手段１１において、空間からの光束の各入射面、および空間への光束の各出射面には反射防止膜がそれぞれ形成されている。このことは、第２の光束分岐手段１２および第３の光束分岐手段１３についても同様である。

また、上記第２の光束分岐手段１２は、図２（ａ）に示すように、上記第１の光束分岐手段１１より出射された上記一対の光束を、光束分岐面Ｓ_２（プリズム単体Ｐ_５とＰ_６との境界面）において各一対の２組の光束に分岐し、この各一対の２組の光束すなわち光束分岐面Ｓ_２を通過する一対の光束と、光束分岐面Ｓ_２より図中下方に直角に反射された後、プリズム単体Ｐ_５の全反射面Ｔ_２より図中右方へ直角に全反射される一対の光束とを、図中右方に互いに平行に出射するように構成されている。

また、上記第３の光束分岐手段１３は、図２（ａ）に示すように、上記第２の光束分岐手段１２より出射された上記各一対の２組の光束を、分岐光路上に互いに平行に配設された光束分岐面Ｓ_３〜Ｓ_７およびＳ_８〜Ｓ_１２において順次分岐していき、計１２組の一対の光束（計２４本の光束）を、互いに平行に出射するように構成されている。また、上記分岐光路の各終端に配置されたプリズム単体Ｐ_１１およびＰ_１８は、全反射面Ｔ_３およびＴ_４をそれぞれ備えており、この全反射面Ｔ_３およびＴ_４にそれぞれ入射した一対の光束を、光量を損失すること無く図中右方に直角に全反射するように構成されている。

上記各光束分岐面Ｓ_１〜Ｓ_１２における透過率と反射率との比（以下、「透過／反射比」と称す）は、上記２４本の光束の各光量が互いに略等しくなるように設定される。例えば、光束分岐面Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_７，Ｓ_１２の透過／反射比が共に１：１となるように設定され、光束分岐面Ｓ_３およびＳ_８の透過／反射比が共に５：１となるように、光束分岐面Ｓ_４およびＳ_９の透過／反射比が共に４：１となるように、光束分岐面Ｓ_５およびＳ_１０の透過／反射比が共に３：１となるように、光束分岐面Ｓ_６およびＳ_１１の透過／反射比が共に２：１となるように、それぞれ設定される。

一方、上記収束光学系１８は、図２（ｂ）に示すように、上記第３の光束分岐手段１３より出射された各一対の１２組の光束をそれぞれ発散させるロッドレンズ１４と、このロッドレンズ１４より発散された各一対の１２組の光束をそれぞれ収束させる一対のシリンドリカルレンズ１５，１６とにより構成されている。シリンドリカルレンズ１６より出射された１２組の一対の光束は、各一対の光束の一方が測定光束、他方が参照光束として、図１に示す貯留ブロック４１の左側面４１ａを通して、紙面に垂直な方向に並ぶ各凹部４２内の誘電体試料と金属膜との各境界面にそれぞれＰ偏光として照射される。

このとき各境界面に対する各照射光束の入射角度は、各境界面において全反射されるとともに、各境界面において表面プラズモン共鳴が生じ得る角度範囲を含む範囲に設定される。各照射光束を収束光束とするのは、各境界面に対して種々の入射角で入射する成分を含むようにするためである。

各境界面に照射された各照射光束は各境界面において全反射され、このとき、各境界面にエバネッセント波が生じる。そして、各境界面に対してある特定の入射角度（共振角度）で入射した成分によるエバネッセント波が金属膜の表面に励起する表面プラズモンと共鳴し、この成分のエネルギが表面プラズモンに移動するので、この成分については反射される光強度が大きく低下する全反射減衰が起きる。また、免疫反応させない参照用試料に対し、免疫反応させる測定用試料は免疫反応に伴い誘電率が変化するので、上記共振角度も変化することになる。

各境界面において全反射された各反射光束は、貯留ブロック４１の右側面４１ｂを通して上記光検出装置５に入射する。このとき、全反射減衰により光強度が大きく低下した成分の反射光強度は、いわゆる暗線として検出される。上記解析装置６により各一対の光束において、参照用試料の界面からの反射光束の暗線の位置と、測定用試料の界面からの反射光束の暗線の位置との差により上記共振角度の変化を求め、この共振角度の変化に基づいて測定用試料中の免疫反応物質が定量分析される。

本実施形態による測定装置１では、１回の照射により１２組の誘電体試料を一度に測定することができるので、多くの誘電体試料を短時間で測定することが可能である。また、本実施形態による光束分岐出力装置３では、３つの光束分岐手段１１，１２，１３がそれぞれ、複数のプリズム単体を互いに接合することにより構成されているので、１つの光束を各一対の１２組の光束に分岐させても光量の損失が極めて少ない。

すなわち、各光束分岐面Ｓ_１〜Ｓ_１２での光量損失は無いとみなせるので、光量損失が生じるのは、光束が各光束分岐手段１１，１２，１３に入射する際と、これらより出射される際だけに限られる。上述のように各入出射面には反射防止膜が形成されており、その反射率を１％とした場合でも、全体としての光量損失は６％に抑えることが可能となる。

これに対し、光ファイバ用の２分岐モジュールを用いて１つの光束を２４の光束に分岐する場合、１つの２分岐モジュールにおける光量損失が１５％程度生じるので、全体としての光量損失は５６％以上となる。

また、３つの光束分岐手段１１，１２，１３は、複数のプリズム単体を用いて、小型かつ高精度に形成することが可能であるので、光ファイバによる分岐方式の装置に比べて、複数の照射光束を高精度にアライメントすることが容易であり、装置を小型化することも可能である。特に、第１の光束分岐手段１１により、１つの光束を測定光束用と参照光束用との一対の光束に分岐し、第２および第３の光束分岐手段１２，１３により、その一対の光束を各一対の複数組の光束に分岐するようにしているので、対をなす測定光束と参照光束との間隔や方向を高精度にアライメントして出力することが可能である。

なお、第１の光束分岐手段１１は、第２および第３の光束分岐手段１２，１３に比較して、より高精度に作製しておくことが好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、上述した測定装置１においては、１２組に分岐された各組における一対の測定光束と参照光束との相対角度や光量比の精度が測定精度（検出精度）に極めて大きな影響を与えることが知られている。そこで、第１の光束分岐手段１１を高精度に作製することにより、対をなす測定光束と参照光束との相対角度や光量比を、分岐の最初の段階において高精度に規定しておけば、後段の第２および第３の光束分岐手段１２，１３においては、測定光束と参照光束とが互いに対をなした状態で分岐されるので、これらの作製精度が多少劣ったものであっても、最終的に得られる各組における一対の測定光束と参照光束との相対角度や光量比は、各組とも略同等とすることが可能となる。したがって、各組における測定精度を高精度に安定させることができるとともに、後段に配される他の光束分岐手段１２，１３の作製を容易とすることができる。

以上、本発明に係る実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上記実施形態では、３つの光束分岐手段１１，１２，１３を用いて、１つの光束を１２組（２４本）の光束に分岐しているが、光束分岐手段の数を増減したり、最終的に出射される光束の数を増減したりすることが可能である。

また、上記実施形態では、光源装置２からの１つの光束を一平面（図２（ａ）において紙面と平行な面）内において２次元的に分岐しているが、１つの光束を３次元的に分岐するようにしてもよい。例えば図２（ａ）において、紙面内の左右方向にＸ軸を、紙面内の上下方向にＹ軸を、紙面と垂直な方向にＺ軸をそれぞれ設定したとき、最初の光束分岐手段においては、１つの光束をＸＺ平面内において分岐し、次の光束分岐手段においては、最初の光束分岐手段からの各光束を、ＸＹ平面と平行な各面内において分岐するというように、各光束分岐手段を配設することも可能である。

また、上記実施形態では、全反射減衰を利用したＳＰＲ測定装置に本発明を適用した例を示しているが、本発明は、表面プラズモンの変化を検出することにより、誘電体に起きる様々な情報を得る種々の測定装置、およびそのような測定装置で用いられる光束分岐出力装置に適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る複数光束出力型の測定装置の概略図 本発明による光束分岐出力装置の一実施形態を示す図

符号の説明

１ 複数光束出力型の測定装置
２ 光源装置
３ 光束分岐出力装置
４ 試料保持手段
５ 光検出装置
６ 解析装置
７ 支持台
８ 光ファイバ
９ 出射モジュール
１０ 減衰フィルタ
１１ 第１の光束分岐手段
１２ 第２の光束分岐手段
１３ 第３の光束分岐手段
１４ ロッドレンズ
１５，１６ シリンドリカルレンズ
１７ 分岐光学系
１８ 収束光学系
４１ 貯留ブロック
４１ａ （貯留ブロックの）左側面
４１ｂ （貯留ブロックの）右側面
４２ 凹部
４２ａ （凹部の）底面
Ｐ_１〜Ｐ_４ プリズム単体
Ｓ_０ 偏光分離面
Ｓ_１〜Ｓ_１２ 光束分岐面
Ｔ_１〜Ｔ_４ 全反射面

Claims (5)

1. 空間に出射された１つの光束を分岐光路上に配置した光束分岐手段により所定数に分岐し、分岐させた各々の光束を、表面プラズモン励起用の照射光束として出力する光束分岐出力装置であって、
   前記光束分岐手段は、複数のプリズム単体を互いに接合してなるビームスプリッタを備えてなることを特徴とする光束分岐出力装置。
2. 前記１つの光束が入射する第１の前記光束分岐手段において、該１つの光束を測定光束用と参照光束用との互いに平行な一対の光束に分岐し、前記分岐光路上で該第１の光束分岐手段よりも後段に配置される他の光束分岐手段の各光束分岐面において、入射する前記一対の光束を各一対の２組の光束に順次分岐していき、最終的に互いに平行な一対の測定光束と参照光束とからなる複数組の前記照射光束を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光束分岐出力装置。
3. 少なくとも１つの前記光束分岐手段は、前記分岐光路上において互いに平行に配設された複数の光束分岐面を備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の光束分岐出力装置。
4. 前記分岐光路の始端に、偏光ビームスプリッタを配設してなることを特徴とする請求項１〜３までのうちいずれか１項記載の光束分岐出力装置。
5. 請求項１〜４までのうちいずれか１項記載の光束分岐出力装置と、
   該光束分岐出力装置から出力された前記照射光束を誘電体試料と金属との境界面に照射することにより、該金属面と前記誘電体試料との境界面に励起される表面プラズモンの変化、を検出する検出手段と、
   を備えてなることを特徴とする複数光束出力型の測定装置。
   
   
   

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