JP2010038623A - 微小共振器デバイス用光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小共振器デバイス用光計測装置において、光共振を容易に発生可能とする。
【解決手段】微小共振器デバイス１０を設置する試料ステージ１４１と、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に導光する照射光学系（１２２・１２３）と、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に照射する際の照射角度を調整する角度調整手段１２３と、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に照射することよって、微小共振器デバイス１０上の被測定物質から生じる信号光と微小共振器デバイス１０による反射光とを検出する光検出器１３２と、信号光および反射光を光検出器１３２に導光する検出光学系１３１ａと、反射光の強度が最小となるように、角度調整手段１２３を帰還制御する帰還制御部１２４とを備え、信号光に基づいて被測定物質の測定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小共振器構造の光閉じ込め現象による電場増強を利用した微小共振器デバイス用光計測装置に関するものである。

従来、生物発光、化学発光、蛍光およびラマン散乱光などは微弱であるため、微小共振器内の光共振によって測定光を局所に閉じ込め（共振器効果）プラズモンを誘起し、このプラズモンの電場増強効果を利用して上記のような微弱な光を増強する技術が良く使われる。このような方法に用いられる微小共振器デバイスの一例としては、ラマン分光法で使用され、前述した原理により表面においてラマン散乱光を増強する表面増強ラマンデバイスが挙げられる。表面増強ラマンデバイスを用いることにより、測定光の強度およびラマン散乱光そのものの強度が増強されるため、光学測定を高感度に実施することができる。

さらに、特許文献１に示されている通り、金属微粒子を用いることによって得られる局在プラズモン共鳴と、微小共振器構造を用いることによって得られる光共振とを利用し、より大きな表面増強ラマン効果を実現しているという報告もある。

局在プラズモン共鳴は、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸（金属微細凹凸構造）を有する金属体に光を照射すると、局所的な強電場が生じる現象である。したがって、金属体表面に接触した試料のラマン散乱光強度が増強される。これは、金属微細凹凸構造の規則性が高いほど、より均一性が高く効果的な強電場が得られる。
特表２００４−５３０８６７号公報

しかしながら、微小共振器構造を用いる微小共振器デバイスにおいて、一般的には測定試料や測定方法等の測定条件により、微小共振器デバイスそのものを取り替えなければならないという問題がある。これは、測定条件により必要とされる測定光の波長が異なるにも関わらず、微小共振器はその構造によって光共振する測定光の波長（共振波長）が決まっているため、測定光の波長に合わせて微小共振器構造を選択する必要があるためである。

例えば従来、共振器効果を効率的に生じせしめるために、微小共振器構造内の誘電体層の層厚を調整することにより、微小共振器構造を選択する手法が取られている。この結果、異なる波長の測定光により複数回の測定を行う場合、上記のような問題が生じる。さらにこのような方法では、層厚の精密な制御が必要となる等非常に煩雑な作業が増えることとなる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、１つの微小共振器デバイスで測定光の波長変更に対応可能となる微小共振器デバイス用光計測装置の提供を目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明による微小共振器デバイス用光計測装置は、
測定光を照射する光源と、
微小共振器デバイスを設置する試料ステージと、
測定光を微小共振器デバイスに導光する照射光学系と、
測定光を微小共振器デバイスに照射する際の照射角度を調整する角度調整手段と、
測定光を微小共振器デバイスに照射することよって、微小共振器デバイス上の被測定物質から生じる信号光と微小共振器デバイスによる反射光とを検出する光検出器と、
信号光および反射光を光検出器に導光する検出光学系と、
反射光の強度が最小となるように、角度調整手段を帰還制御する帰還制御部とを備え、
信号光に基づいて被測定物質の測定を行うことを特徴とするものである。

さらに、本発明による微小共振器デバイス用光計測装置において、照射光学系は、測定光を微小共振器デバイスに照射するための可動型ミラーを有するものであり、
角度調整手段は、可動型ミラーを駆動させることによって、照射角度を調整するものであることが好ましい。

また、試料ステージは、可動型試料ステージであり、
角度調整手段は、可動型試料ステージを駆動させることによって、照射角度を調整するものであることが好ましい。

そして、検出光学系は、可動型検出光学系であり、可動型検出光学系は、光検出器にて反射光を検出可能とするように、照射角度の調整に伴って駆動することが好ましい。或いは、本発明による微小共振器デバイス用光計測装置は、光検出器および検出光学系が固定される可動型検出器ステージを備え、可動型検出器ステージは、光検出器にて反射光を検出可能とするように、照射角度の調整に伴って駆動することが好ましい。

さらに、検出光学系は、テレセントリック光学系を含むものであることが好ましい。

本発明による微小共振器デバイス用光計測装置は、微小共振器デバイスに対する測定光の照射角度を容易に変更可能とするように構成されている。したがって、測定光の照射角度を調整することにより、薄膜（微小共振器構造の誘電体層）による干渉条件を適宜容易に調整することができる。これにより、微小共振器デバイスの構造を変更することなく、容易に微小共振器内部に光共振を生じせしめ測定光を閉じ込めることができる。この結果、測定光の波長に合わせて微小共振器構造を選択する等の煩雑な作業を回避することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

「微小共振器デバイス用光計測装置」
＜第１の実施形態＞
本発明による微小共振器デバイス用光計測装置（以下、光計測装置という。）の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の光計測装置１０１の全体構成を示す概略図である。

本実施形態にかかる光計測装置１０１は、図１に示すように、光計測装置１０１をコントロールする制御部１１０と、測定光Ｌｏを照射する光源１２１と、光源１２１を制御する光源ドライバ１２０と、微小共振器デバイス１０を設置する可動型試料ステージ１４１と、可動型試料ステージ１４１を駆動する試料ステージドライバ１４０と、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に導光する照射光学系（ビームエクスパンダ１２２、可動型ミラー１２３）と、可動型ミラー１２３を制御して測定光Ｌｏの照射角度を調整するミラードライバ１２４と、信号光と微小共振器デバイスによる反射光とを検出する光検出器１３２と、信号光および反射光を光検出器１３２に導光する検出光学系１３１ａと、検出光学系１３１ａと光検出器１３２とを固定する可動型検出器ステージ１３０と、可動型検出器ステージ１３０を駆動する検出器ステージドライバ１３５とを備えている。

制御部１１０は、本光計測装置１０１上の各構成の動作内容を制御すると共に各動作のタイミング制御を行っている。

光源１２１は、測定光Ｌｏを発するものである。光源１２１として例えば、半導体レーザ等が挙げられる。測定光Ｌｏは、特に限られるものではなく、測定試料や測定条件等により適宜選択することができる。なお、光源１２１は、測定光Ｌｏを導光するファイバ光学系や集光レンズと組み合わせて使用することも可能である。また、光源１２１は、光源ドライバ１２０を介して制御部１１０に接続されている。

可動型試料ステージ１４１は、被測定物質を乗せた微小共振器デバイス１０を配置するステージである。可動型試料ステージ１４１としては、ピエゾステージ、モーターステージ等の可動ステージを用いることができる。そして、可動型試料ステージ１４１は、試料ステージドライバ１４０を介して制御部１１０に接続されている。可動型試料ステージ１４１は、測定光Ｌｏの照射角度に応じ、試料ステージドライバ１４０によって駆動可能となっている。

照射光学系は、ビームエクスパンダ１２２と、可動型ミラー１２３とを有する光学系である。光源１２１より発せられた測定光Ｌｏは、ビームエクスパンダ１２２によって光束を調整され、可動型ミラー１２３によって反射されて、可動型試料ステージ１４１上に配置された微小共振器デバイス１０に照射される。可動型ミラー１２３としては、ガルバノミラー等の電気制御ミラーを用いることができる。なお、可動型ミラー１２３は、ピエゾステージ、モーターステージ等の可動ステージと組み合わせて構成されてもよい。そして、可動型ミラー１２３は、ミラードライバ１２４を介して制御部１１０に接続されている。可動型ミラー１２３は、ミラードライバ１２４によって駆動可能となっている。すなわち、本実施形態において、この可動型ミラー１２３が、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に照射する際の照射角度を調整する角度調整手段としての役割を成す。

光検出器１３２は、特に限られるものではなく、ＣＣＤ、ＰＤ（フォトダイオード）、光電子増倍管、ｃ−ＭＯＳ等を用いることができる。光検出器１３２は、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に照射することよって微小共振器デバイス１０上の被測定物質から生じる信号光および微小共振器デバイスによる反射光を検出するように、可動型検出器ステージ１３０に検出光学系１３１ａと共に固定され配置されている。また、光検出器１３２は、ロックインアンプ１３４を介して制御部１１０に接続されている。ロックインアンプは、周波数変換技術を利用することで、雑音に埋もれている微小信号を測定することができる。ロックインアンプの周波数は、例えば１００Ｈｚ〜１ｋＨｚである。

検出光学系１３１ａは、前述した信号光および反射光を光検出器１３２に導光する光学系である。

可動型検出器ステージ１３０は、光検出器１３２および検出光学系１３１ａを、最適な受光位置に移動させるステージであり、検出器ステージドライバ１３５を介して制御部１１０に接続されている。光検出器１３２および検出光学系１３１ａは、可動型検出器ステージ１３０上に固定されており、可動型検出器ステージ１３０と共に移動する。可動型検出器ステージ１３０は、光検出器１３２で検出した反射光強度に基づき、可動型検出器ステージ１３０の可動量を帰還制御する制御手段を備えている。可動型検出器ステージ１３０を帰還制御する上記制御手段は、例えば、可動型検出器ステージ１３０に直流電圧とこの直流電圧に重畳した交流電圧を印加する手段と、光検出器１３２で検出する反射光強度を交流電圧の周波数でロックイン検出するロックイン検出器と、このロックイン検出器の検出信号に基づき、直流電圧を帰還制御する帰還制御手段とを有している。可動型検出器ステージ１３０としては、例えば、ピエゾステージ、モーターステージ等の可動ステージを用いることができる。

また、本実施形態に係る微小共振器デバイス用光計測装置１０１を用いた光計測の工程は以下に示すものである。図２に示すように、まず、可動型ミラー１２３の角度を初期値に設定し（ＳＴ１）、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に照射する。これにより、微小共振器デバイス１０から反射してくる測定光Ｌｏの反射光の強度が最大となる位置に光検出器１３２を配置してその反射光強度を測定する（ＳＴ２）。次に、１回目の測定が終了したら、可動型ミラー１２３を角度Δθ_１回転させ（ＳＴ３）、光検出器１３２をΔθ_２（＝２Δθ_１）回転させる（ＳＴ４）。その後、同様に反射光強度を測定する（ＳＴ５）。その後、ＳＴ３〜ＳＴ５の工程を複数回繰返し実施し、測定光Ｌｏの照射角度と反射光強度の関係を求め、反射光強度が最も小さくなる照射角度θｍｉｎを求める（ＳＴ６）。そして、照射角度がθｍｉｎとなるように可動型ミラー１２３を設定して実測定を行う。

以下、本実施形態に係る微小共振器デバイス用光計測装置１０１の作用を詳細に説明する。

光源１２１より発せられた測定光Ｌｏは、ビームエクスパンダ１２２によって光束を調整され、可動型ミラー１２３によって反射されて、可動型試料ステージ１４１上に配置された微小共振器デバイス１０に照射される。このとき図３に示すように、本実施形態では、可動型ミラー１２３を回転させることにより、測定光Ｌｏの微小共振器デバイス１０への照射角度を調整し、共振器効果を効率よく生じさせるように調整している。

測定光Ｌｏの微小共振器デバイス１０への照射角度を調整することによって、共振器効果を効率よく生じさせることができる原理は以下に基づくものである。図４に示すように、屈折率ｎ_１、厚さｄの誘電体層１１および屈折率ｎ_２の金属層１２（１＜ｎ_１＜ｎ_２）からなる微小共振器デバイス１０を考える。この場合、反射光が弱められる薄膜（誘電体層）による干渉条件は、下記式（１）となる。

２・ｎ_１・ｄ・ｃｏｓθ_２＝（２ｍ−１）・λ／２・・・（１）
（ここで、ｍは正整数である。）
すなわち、スネルの法則によりθ_１→大ならばθ_２→大が言えるため、測定光Ｌｏの照射角度θ_１がπ／２以下の範囲で大きくなるに伴い、ｍ次の共振波長が小さくなることがわかる。つまり、共振波長が短波長シフトしていることになる。例えば、測定光Ｌｏの波長が７８５ｎｍの場合における、屈折率ｎ_１、層厚ｄ、効率よく共振する照射角度θ_１の関係を下記表に示す。表１中のθ_１は、上記式（１）下記式（２）および（３）を用いて算出した。なお、下記式（２）は、微小共振器デバイスに空気層から誘電体層に光が入射するときのスネルの法則を表す関係式である。

ｓｉｎθ_１＝ｎ_１ｓｉｎθ_２・・・（２）
ｓｉｎ^２θ_２＋ｃｏｓ^２θ_２＝１・・・（３）

可動型ミラー１２３を回転させた場合には、測定光Ｌｏの反射される方向も変化するため、図５に示すように、可動型検出器ステージ１３０は常に最大の反射光が検出できるよう帰還制御されている。なおこの場合、測定光Ｌｏが微小共振器デバイス１０から外れてしまうことも考えられるため、試料ステージ１４１は左右方向に駆動可能とされていることが好ましい。本実施形態の場合には、試料ステージ１４１は試料ステージドライバ１４０によって、左右方向に駆動可能となっている。

図６は、微小共振器デバイスの誘電体層の層厚が一定のとき、照射角度の変化に伴う測定光の波長と反射率の関係を示す概念図である。これにより、微小共振器デバイスの誘電体層の層厚が一定のとき、照射角度の増大に伴い共振効果を生じる共振波長が短波長側へシフトしているのがわかる。すなわち、これは、微小共振器デバイスを取替えずとも、測定光の照射角度を調整することにより、共振効果を効率よく生じる共振波長を作り出すことができることを示している。

以上に示したように、本発明による微小共振器デバイス用光計測装置は、微小共振器デバイスに対する測定光の照射角度を容易に変更可能とするように構成されている。したがって、測定光の照射角度を調整することにより、薄膜（微小共振器構造の誘電体層）による干渉条件を適宜容易に調整することができる。これにより、微小共振器デバイスの構造を変更することなく、容易に微小共振器内部に光共振を生じせしめ測定光を閉じ込めることができる。この結果、測定光の波長に合わせて微小共振器構造を選択する等の煩雑な作業を回避することが可能となる。

（第１の実施形態の設計変更）
光検出器１３２の配置を帰還制御する他の方法として、図９に示すように、光検出器１３２の他に光学系調整用の光検出器１３３を設け、この光学系調整用の光検出器１３３に入る信号に応じて光学系を帰還制御する方法が挙げられる。このような複数の光検出器を組み合わせたものとしては、特に限定されないが、被測定物質からの信号等を検出する光検出器１３２と光学系調整用の光検出器１３３が隣り合う構成にするのが最適である。このような場合、光学系調整用の光検出器１３３に光が検出されないように光学系を調整すればよい。

＜第２の実施形態＞
本発明による光計測装置の第２の実施形態について説明する。図７は、本実施形態の光計測装置１０２の全体構成を示す概略図である。

本実施形態の光計測装置１０２は、図１に示す第１の実施形態の光計測装置１０１において、検出光学系１３１ａがテレセントリック光学系を含む検出光学系１３１ｂとなっている点と、検出器ステージが固定されている点で異なっている。すなわち、本実施形態に係る光計測装置１０２は、図７に示すように、光計測装置１０２をコントロールする制御部１１０と、測定光Ｌｏを照射する光源１２１と、光源１２１を制御する光源ドライバ１２０と、微小共振器デバイス１０を設置する可動型試料ステージ１４１と、可動型試料ステージ１４１を駆動する試料ステージドライバ１４０と、測定光Ｌｏを微小共振器デバイス１０に導光する照射光学系（ビームエクスパンダ１２２、可動型ミラー１２３）と、可動型ミラー１２３を制御して測定光Ｌｏの照射角度を調整するミラードライバ１２４と、信号光と微小共振器デバイスによる反射光とを検出する光検出器１３２と、信号光および反射光を光検出器１３２に導光し、テレセントリック光学系を含む検出光学系１３１ｂと、検出光学系１３１ｂと光検出器１３２とを固定する検出器ステージ１３０とを備えている。なお、第１の実施形態と同様の要素には同じ符号を付し、同様の要素の説明は特に必要のない限り省略する。

検出光学系１３１ｂは、信号光および反射光を光検出器１３２に導光し、テレセントリック光学系を含む光学系である。検出光学系１３１ｂは、第１の実施形態と同様に検出器ステージ１３０に固定されている。

第２の実施形態においても、微小共振器デバイス用光計測装置は、微小共振器デバイスに対する測定光の照射角度を容易に変更可能とするように構成されている。したがって、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

さらに、本実施形態では、テレセントリック光学系を含む検出光学系１３１ｂを用いている。微小共振器デバイスから反射してくる光は、照射角度が変わることで光路が変化してしまう。しかしながら、テレセントリック光学系では光軸方向に対してわずかに移動したり、傾斜させたりしても、像の形状は変化しない。このため、本実施形態においては、光検出器１３２を移動する必要がなくなる。この結果、微小共振器デバイス用光計測装置をより低コスト化かつ小型化することが可能となる。

（第２の実施形態の設計変更）
光検出器１３２を固定して測定を行う他の方法としては、ＣＣＤ等の大面積光検出器を用いる方法や、検出光学系のみを駆動可能とする方法等が挙げられる。前者の方法では、微小共振器デバイスからの信号光等の光路が変化しても、大面積測定が可能な光検出器を用いているため、光検出が可能となる。なお、例えばＣＣＤで検出を行った場合、検出される際のピクセル位置は変化してしまうが、光検出という観点からは信号に影響はない。一方、後者の方法では、微小共振器デバイスからの信号光等の光路が変化しても、信号光等を光検出器に導光するように検出光学系を調整すれば、光検出が可能となる。

また、テレセントリック光学系を含む検出光学系１３１ｂを有する光計測装置においても、検出器ステージ１３０を可動型とすることにより、照射角度をより広範囲に調整することが可能となる。

第１の実施形態に係る光計測装置を示す概略構成図 本発明に係る光計測装置を用いた測定の工程を示すフロー図 可動型ミラーの回転の様子を示す概略図 薄膜の干渉を示す概略図 第１の実施形態における可動型ミラーおよび検出器ステージの回転の様子を示す概略図 照射角度の変化に伴う測定光の波長と反射率の関係を示す概念図 第２の実施形態に係る光計測装置を示す概略構成図 第２の実施形態における可動型ミラーおよび検出器ステージの回転の様子を示す概略図 複数の光検出器を用いた構成の１例を示す概略図

符号の説明

１０ 微小共振器デバイス
１１ 誘電体層
１２ 金属層
１０１、１０２ 微小共振器デバイス用光計測装置
１１０ 制御部
１２０ 光源ドライバ
１２１ 光源
１２２ ビームエクスパンダ
１２３ ミラー
１２４ ミラードライバ
１３０ 検出器ステージ
１３１ａ・ｂ 検出光学系
１３２ 光検出器
１３４ ロックインアンプ
１３５ 検出器ステージドライバ
１４０ 試料ステージドライバ
１４１ 試料ステージ
Ｌｏ 測定光

Claims (6)

1. 測定光を照射する光源と、
   微小共振器デバイスを設置する試料ステージと、
   前記測定光を前記微小共振器デバイスに導光する照射光学系と、
   前記測定光を前記微小共振器デバイスに照射する際の照射角度を調整する角度調整手段と、
   前記測定光を前記微小共振器デバイスに照射することよって、該微小共振器デバイス上の被測定物質から生じる信号光と該微小共振器デバイスによる反射光とを検出する光検出器と、
   前記信号光および前記反射光を前記光検出器に導光する検出光学系と、
   前記反射光の強度が最小となるように、前記角度調整手段を帰還制御する帰還制御部とを備え、
   前記信号光に基づいて前記被測定物質の測定を行うことを特徴とする微小共振器デバイス用光計測装置。
2. 前記照射光学系が、前記測定光を前記微小共振器デバイスに照射するための可動型ミラーを有するものであり、
   前記角度調整手段が、前記可動型ミラーを駆動させることによって、前記照射角度を調整するものであることを特徴とする請求項１に記載の微小共振器デバイス用光計測装置。
3. 前記試料ステージが、可動型試料ステージであり、
   前記角度調整手段が、前記可動型試料ステージを駆動させることによって、前記照射角度を調整するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の微小共振器デバイス用光計測装置。
4. 前記検出光学系が、可動型検出光学系であり、
   該可動型検出光学系が、前記光検出器にて前記反射光を検出可能とするように、前記照射角度の調整に伴って駆動することを特徴とする請求項１から３に記載の微小共振器デバイス用光計測装置。
5. 前記光検出器および前記検出光学系が固定される可動型検出器ステージを備え、
   該可動型検出器ステージが、前記光検出器にて前記反射光を検出可能とするように、前記照射角度の調整に伴って駆動することを特徴とする請求項１から３に記載の微小共振器デバイス用光計測装置。
6. 前記検出光学系が、テレセントリック光学系を含むものであることを特徴とする請求項１から５に記載の微小共振器デバイス用光計測装置。

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