JP2011017576A - Refractive index measuring instrument, surface plasmon sensor and refractive index measurement method - Google Patents

Refractive index measuring instrument, surface plasmon sensor and refractive index measurement method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refractive index measuring instrument capable of performing the measurement of a refractive index or surface plasmon of a wide range, without having to exchange a prism, and to provide a surface plasmon sensor and a refractive index measurement method.SOLUTION: The refractive index measuring instrument is equipped with a rod-shaped optical element, having a circular arc part and a straight-line shaped part in the orthogonal cross section in the longitudinal direction thereof; a light source part for emitting the light linearly condensed to the straight line shaped part of the rod-shaped optical element; and an imaging element for imaging the intensity distribution of the reflected light from the rod-shaped optical element. The rod-shaped optical element has a refractive index distribution in the longitudinal direction thereof.

Description

本発明は、屈折率測定装置、表面プラズモンセンサ、及び屈折率測定方法に関するものである。   The present invention relates to a refractive index measuring device, a surface plasmon sensor, and a refractive index measuring method.

従来の屈折率測定装置として、アッベの屈折計が知られている。この屈折計では、三角柱形状又は半球形状のプリズム上に配置した被検物に対して光束を照射する。被検物から反射した発散光は、センサによって臨界角が検出され、この臨界角に基づいて被検物の屈折率が算出される(特許文献1)。   Abbe's refractometer is known as a conventional refractive index measuring device. In this refractometer, a light beam is irradiated onto a test object arranged on a prism having a triangular prism shape or a hemispherical shape. The divergent light reflected from the test object has a critical angle detected by a sensor, and the refractive index of the test object is calculated based on the critical angle (Patent Document 1).

ここで、具体的な被検物の屈折率測定方法について説明する。
まず、プリズムの屈折率をnp、被検物の屈折率をnsとする。屈折率測定のための光線は、プリズムと被検物の境界面の法線となす角度がθ1となるようにプリズム側から入射する。入射した光線が、境界面の法線に対して角度θ2で屈折するとき、np、ns、θ1、及びθ2は、次式(1)を満たす。
np・sinθ1=ns・sinθ2 ・・・(1)
ここで、「np・sinθ1/ns」の値が1以上になると、これに対応するθ2が存在しなくなる。このとき、光線は被検物の中には入り込めなくなるため、光は全反射する。
Here, a specific method for measuring the refractive index of the test object will be described.
First, the refractive index of the prism is np, and the refractive index of the test object is ns. The light beam for refractive index measurement is incident from the prism side so that the angle formed with the normal line of the boundary surface between the prism and the test object is θ1. When the incident light beam is refracted at an angle θ2 with respect to the normal of the boundary surface, np, ns, θ1, and θ2 satisfy the following expression (1).
np · sin θ1 = ns · sin θ2 (1)
Here, when the value of “np · sin θ1 / ns” is 1 or more, there is no corresponding θ2. At this time, since the light beam cannot enter the test object, the light is totally reflected.

また、次式(2)を満たすときの角度θ1を臨界角(θc)と呼ぶ。
np・sinθ1/ns=1 ・・・(2)
プリズムの屈折率npが既知であれば、光線の入射角を変化させ臨界角θcを測定することによって、次式(3)から被検物の屈折率nsを求めることができる。
np・sinθc=ns ・・・(3)
In addition, the angle θ1 when the following equation (2) is satisfied is called a critical angle (θc).
np · sin θ1 / ns = 1 (2)
If the refractive index np of the prism is known, the refractive index ns of the test object can be obtained from the following equation (3) by changing the incident angle of the light beam and measuring the critical angle θc.
np · sin θc = ns (3)

特開2004−170218号公報JP 2004-170218 A

しかしながら、上述の屈折率測定方法において、アッベの屈折計の屈折率測定のための光線とプリズムと被検物の境界面の法線となす角度θ1の取り得る範囲をθ1a〜θ1b、プリズムの屈折率をnpとすると、被検物の測定屈折率範囲はnp・sinθ1〜np・sinθ2に限定される。したがって、この測定レンジ外の被検物を測定する場合には、最適な屈折率を持つプリズムに交換する必要があり、作業に時間を要していた。また、屈折計を利用した表面プラズモンセンサにおいても、被検物に合わせた最適な屈折率を有するプリズムに交換する必要があった。   However, in the above-described refractive index measurement method, the possible range of the angle θ1 formed between the ray for measuring the refractive index of Abbe's refractometer and the normal of the boundary surface between the prism and the test object is θ1a to θ1b, and the refraction of the prism When the rate is np, the measured refractive index range of the test object is limited to np · sin θ1 to np · sin θ2. Therefore, when measuring a test object outside the measurement range, it is necessary to replace the prism with an optimum refractive index, which requires time. In addition, in a surface plasmon sensor using a refractometer, it is necessary to replace the prism with an optimum refractive index that matches the test object.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プリズムを交換することなく広い範囲の屈折率測定又は表面プラズモン測定を行うことのできる、屈折率測定装置、表面プラズモンセンサ、及び屈折率測定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and can perform a wide range of refractive index measurement or surface plasmon measurement without exchanging prisms, a refractive index measurement device, a surface plasmon sensor, and a refractive index measurement. It aims to provide a method.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る屈折率測定装置は、長手方向直交断面において円弧部と直線形状部を有するロッド状光学素子と、ロッド状光学素子の直線形状部にライン状に集光する光を射出する光源部と、ロッド状光学素子からの反射光の強度分布を撮像する撮像素子と、を備え、ロッド状光学素子は長手方向に屈折率分布を有することを特徴としている。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a refractive index measuring device according to the present invention includes a rod-shaped optical element having an arc portion and a linearly-shaped portion in a longitudinally orthogonal cross section, and a linear shape of the rod-shaped optical element. A light source unit that emits light condensed in a line shape and an image sensor that captures an intensity distribution of reflected light from the rod-shaped optical element, and the rod-shaped optical element has a refractive index distribution in the longitudinal direction. It is characterized by that.

本発明に係る屈折率測定装置において、ロッド状光学素子は、長手方向の一方から他方へ行くほど屈折率が大きくなり、長手方向の一方から他方へ行くほど屈折率に対応して円弧部の半径が小さくなることが好ましい。   In the refractive index measuring apparatus according to the present invention, the rod-shaped optical element has a refractive index that increases from one side to the other side in the longitudinal direction, and the radius of the arc portion corresponding to the refractive index from one side to the other in the longitudinal direction. Is preferably small.

本発明に係る屈折率測定装置において、ロッド状光学素子は、直線形状部を構成する面に測定面を有することが好ましい。   In the refractive index measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the rod-shaped optical element has a measurement surface on a surface constituting the linear shape portion.

本発明に係る屈折率測定装置において、ロッド状光学素子は、直線形状部を構成する面に金属薄膜を有することが好ましい。   In the refractive index measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the rod-shaped optical element has a metal thin film on a surface constituting the linear shape portion.

本発明に係る表面プラズモンセンサは、上述のいずれかの屈折率測定装置を備え、金属薄膜の上面に測定面を有することを特徴としている。   A surface plasmon sensor according to the present invention includes any one of the above-described refractive index measurement devices, and has a measurement surface on an upper surface of a metal thin film.

本発明に係る屈折率測定方法は、被検物とプリズムとの界面に光源からの光を照射し、界面で反射した光を光電センサにより検出し、臨界角から被検物の屈折率を測定する屈折率測定方法であって、プリズムの複数の部分で被検物の屈折率を求め、その平均値を被検物の屈折率とすることを特徴としている。   The refractive index measurement method according to the present invention irradiates light from a light source on an interface between a specimen and a prism, detects light reflected by the interface with a photoelectric sensor, and measures the refractive index of the specimen from a critical angle. In this method, the refractive index of the test object is obtained at a plurality of portions of the prism, and the average value is used as the refractive index of the test object.

本発明に係る屈折率測定装置、表面プラズモンセンサ、及び屈折率測定方法は、プリズムを交換することなく広い範囲の屈折率測定を行うことができる、という効果を奏する。   The refractive index measuring device, the surface plasmon sensor, and the refractive index measuring method according to the present invention have an effect that a wide range of refractive index can be measured without replacing the prism.

本発明の第1実施形態に係る屈折率測定装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the refractive index measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る屈折率測定装置の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the refractive index measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る光検出器の検出面に対応した平面図である。It is a top view corresponding to the detection surface of the photodetector which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る光検出器の検出面に対応した平面図であって、光検出器で検出される画像の例を示す平面図である。It is a top view corresponding to the detection surface of the photodetector which concerns on 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is a top view which shows the example of the image detected with a photodetector. 本発明の第1実施形態に係る光検出器の検出面に対応した平面図であって、光検出器で検出された画像の例を示す平面図である。It is a top view corresponding to the detection surface of the photodetector which concerns on 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is a top view which shows the example of the image detected with the photodetector. 図5に示す測定画像についての入射角度と反射光強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle about the measurement image shown in FIG. 5, and reflected light intensity. 図5に示す測定画像についての入射角度とdI/dθとの関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the incident angle and dI / dθ for the measurement image shown in FIG. 5. 本発明の第2実施形態に係るプリズムの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the prism which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 比較例に係るプリズムへ入射する光線の入射面を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the entrance plane of the light ray which injects into the prism which concerns on a comparative example. 比較例に係るプリズムに入射した光線による波面を示す平面図である。It is a top view which shows the wave front by the light ray which injected into the prism which concerns on a comparative example. 本発明の第2実施形態に係るプリズムに入射した光線による波面を示す平面図である。It is a top view which shows the wave front by the light ray which injected into the prism which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下に、本発明に係る屈折率測定装置、表面プラズモンセンサ、及び屈折率測定方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of a refractive index measuring device, a surface plasmon sensor, and a refractive index measuring method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment.

<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係る屈折率測定装置100の構成を示す斜視図である。図2は、第1実施形態に係る屈折率測定装置100の構成を示す側面図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a refractive index measuring apparatus 100 according to the first embodiment. FIG. 2 is a side view showing the configuration of the refractive index measuring apparatus 100 according to the first embodiment.

屈折率測定装置100は、プリズム101と、光源102(光源部)と、光検出器(撮像素子)103と、を備える。プリズム101と光源102との間にはシリンドリカルレンズ104が配置され、プリズム101と光検出器103との間にはシリンドリカルレンズ105が配置されている。   The refractive index measuring apparatus 100 includes a prism 101, a light source 102 (light source unit), and a photodetector (imaging device) 103. A cylindrical lens 104 is disposed between the prism 101 and the light source 102, and a cylindrical lens 105 is disposed between the prism 101 and the photodetector 103.

プリズム101は、平面からなる上面101aと曲面からなる下面101bとで構成されるロッド状光学素子である。プリズム101の上面101a、下面101bは、長手方向直交断面において円弧部と直線形状部をそれぞれ構成する。ここで、プリズム101の長手方向とは図2における紙面垂直方向である。プリズム101は、長手方向(アキシャル方向)の一方から他方へ行くほど屈折率が大きくなるような屈折率分布を持つ。
プリズム101の上面101a(直線形状部を構成する平面)は、屈折率測定の測定面であり、被検物が塗布されている。
The prism 101 is a rod-shaped optical element composed of a flat upper surface 101a and a curved lower surface 101b. The upper surface 101a and the lower surface 101b of the prism 101 respectively constitute an arc portion and a linear shape portion in the longitudinal cross section. Here, the longitudinal direction of the prism 101 is a direction perpendicular to the paper surface in FIG. The prism 101 has a refractive index distribution such that the refractive index increases from one to the other in the longitudinal direction (axial direction).
An upper surface 101a of the prism 101 (a plane constituting the linear shape portion) is a measurement surface for refractive index measurement, and a test object is applied thereto.

屈折率測定装置100において、光源102から出射された平行光は、シリンドリカルレンズ104を通過した後、プリズム101の下面101b(円弧部を構成する曲面)に入射する。この入射光は、プリズム101の上面101aの幅方向の中心を結んだ集光ライン101cで反射し、下面101bから出射し、シリンドリカルレンズ105を通過して光検出器103に入射する。   In the refractive index measuring apparatus 100, the parallel light emitted from the light source 102 passes through the cylindrical lens 104 and then enters the lower surface 101 b (the curved surface forming the arc portion) of the prism 101. This incident light is reflected by a condensing line 101 c that connects the centers in the width direction of the upper surface 101 a of the prism 101, exits from the lower surface 101 b, passes through the cylindrical lens 105, and enters the photodetector 103.

ここで、光源102側のシリンドリカルレンズ104は、プリズム101の上面101aでアキシャル方向に沿ってライン照明をするように配置してある。   Here, the cylindrical lens 104 on the light source 102 side is arranged so as to perform line illumination along the axial direction on the upper surface 101 a of the prism 101.

また、検出側にシリンドリカルレンズ105を配置することにより、プリズム101からの出射光が平行光となって光検出器103に入射するため、シェーディングがなく測定精度を高めることができる。   In addition, by arranging the cylindrical lens 105 on the detection side, the light emitted from the prism 101 becomes parallel light and enters the photodetector 103, so that there is no shading and measurement accuracy can be improved.

光源102としては、例えば、半導体レーザーやLED(Light Emitting Diode)を使用する。光検出器(撮像素子)としては、例えば、CCD(charge coupled device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、光電センサを使用する。   As the light source 102, for example, a semiconductor laser or an LED (Light Emitting Diode) is used. As the photodetector (imaging device), for example, a CCD (charge coupled device), a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), or a photoelectric sensor is used.

また、光源102とシリンドリカルレンズ104との間には、光源からの光を拡散させる光拡散板を配置するとよい。光拡散板を用いることによってシリンドリカルレンズ104に入射する光の強度を均一化することができる。   Further, a light diffusing plate for diffusing light from the light source may be disposed between the light source 102 and the cylindrical lens 104. By using the light diffusing plate, the intensity of light incident on the cylindrical lens 104 can be made uniform.

光源102として点光源を用いる場合、その強度分布は、光軸中心位置で最も大きく、周辺に向かうほど小さくなるものが好ましく、ガウス形分布が好ましい。このような光強度分布を用いることにより、屈折率の測定精度の低下或いは誤測定の発生を抑えることができる。   When a point light source is used as the light source 102, the intensity distribution is preferably the largest at the center position of the optical axis and becomes smaller toward the periphery, and a Gaussian distribution is preferred. By using such a light intensity distribution, it is possible to suppress a decrease in refractive index measurement accuracy or occurrence of erroneous measurement.

図3は、光検出器103の検出面に対応した平面図である。図4は、光検出器103の検出面に対応した平面図であって、光検出器103で検出される画像の例を示す平面図である。以下の説明においては、光検出器103で検出される画像を測定画像と呼ぶこととする。   FIG. 3 is a plan view corresponding to the detection surface of the photodetector 103. FIG. 4 is a plan view corresponding to the detection surface of the photodetector 103, and is a plan view illustrating an example of an image detected by the photodetector 103. In the following description, an image detected by the photodetector 103 is referred to as a measurement image.

光検出器103(検出面)の横軸方向は、プリズム101の上面101aのライン照明の集光ライン101cの方向(長手方向)と一致している。プリズム101はアキシャル方向に屈折率分布を持っているため、光検出器103の横軸方向はプリズム101の屈折率変化を表す。   The horizontal axis direction of the photodetector 103 (detection surface) coincides with the direction (longitudinal direction) of the light-condensing line 101c of the line illumination on the upper surface 101a of the prism 101. Since the prism 101 has a refractive index distribution in the axial direction, the horizontal axis direction of the photodetector 103 represents a change in the refractive index of the prism 101.

一方、光検出器103(検出面)の縦軸は、プリズム101からシリンドリカルレンズ105を経て入射する光の入射角度に対応している。すなわち、プリズム101の集光ライン101cから光検出器103に入射する光は、プリズム101の長手方向の位置によって異なる屈折率に応じた角度で光検出器103に入射し、入射角度が大きいほど上側に入射する。
例えば、図3に示す例では、画素Aは、プリズム屈折率n1の位置に、光線入射角θ1の光の反射情報として表される。
On the other hand, the vertical axis of the photodetector 103 (detection surface) corresponds to the incident angle of light incident from the prism 101 through the cylindrical lens 105. That is, light incident on the photodetector 103 from the condensing line 101c of the prism 101 is incident on the photodetector 103 at an angle corresponding to a refractive index that varies depending on the position in the longitudinal direction of the prism 101. Is incident on.
For example, in the example illustrated in FIG. 3, the pixel A is represented as light reflection information at the light incident angle θ <b> 1 at the position of the prism refractive index n <b> 1.

ここで、被検物の屈折率をnsとすると、n1・sinθ1/nsの値が1以上のとき、光線は被検物とプリズム101の界面で全反射するため、光検出器103上の対応する画素は明るくなる。これに対して、n1・sinθ1/nsの値が1未満のとき、光線は被検物に屈折して入り込むため、対応する画素は暗くなる。このように、全画素で明暗測定をすることができ、図4に例示する測定画像が形成される。ここで、明暗部の境界線を臨界角ラインと呼び、図4に示す例では臨界角ラインは直線Lとなる。   Here, when the refractive index of the test object is ns, the light beam is totally reflected at the interface between the test object and the prism 101 when the value of n1 · sin θ1 / ns is 1 or more. The pixels to be brightened. On the other hand, when the value of n1 · sin θ1 / ns is less than 1, the light beam is refracted and enters the test object, so that the corresponding pixel becomes dark. In this way, brightness measurement can be performed on all pixels, and a measurement image illustrated in FIG. 4 is formed. Here, the boundary line between the light and dark portions is called a critical angle line, and in the example shown in FIG.

測定画像から、プリズム101の特定の屈折率における臨界角が判明する。各屈折率における臨界各の値から、被検物の屈折率を求めることができる。   From the measurement image, the critical angle at a specific refractive index of the prism 101 is found. The refractive index of the test object can be obtained from each critical value at each refractive index.

以下に、臨界角の求め方を図5〜7を用いて説明する。図5は、光検出器103の検出面に対応した平面図であって、光検出器で検出された画像の例を示す平面図である。図6は、図5に示す測定画像についての入射角度と反射光強度との関係を示すグラフである。図7は、図5に示す測定画像についての入射角度とdI/dθとの関係を示すグラフである。ここで、dI/dθは、入射角度θで反射光強度を微分した値である。   Below, the method of calculating | requiring a critical angle is demonstrated using FIGS. FIG. 5 is a plan view corresponding to the detection surface of the photodetector 103 and showing an example of an image detected by the photodetector. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the incident angle and the reflected light intensity for the measurement image shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle and dI / dθ for the measurement image shown in FIG. Here, dI / dθ is a value obtained by differentiating the reflected light intensity with respect to the incident angle θ.

測定によって、図5のような測定画像が得られたとする。まず、測定画像のうち、プリズム101の特定の屈折率npにおける、反射光強度Iと入射角度θの関係を求める。反射光強度Iは、光検出器103が検出した各画素における明るさに基づいて算出する。反射光強度Iと入射角度θの関係は、図6に示すI−θカーブで表される。   Assume that a measurement image as shown in FIG. 5 is obtained by the measurement. First, in the measurement image, the relationship between the reflected light intensity I and the incident angle θ at a specific refractive index np of the prism 101 is obtained. The reflected light intensity I is calculated based on the brightness at each pixel detected by the photodetector 103. The relationship between the reflected light intensity I and the incident angle θ is represented by an I-θ curve shown in FIG.

次に、先の工程で得られたI−θカーブから、dI/dθ−θカーブ(図7)を作成する。dI/dθ−θカーブは、光検出器103への入射角度と反射光強度Iの変化との関係を示すカーブで、I−θカーブを微分したカーブである。このdI/dθ−θカーブから、反射光強度Iの変化の最大値を与える入射角度を求める。この入射角度の値は、図7に示す例では、反射光強度Iが最大値をとる入射角度θcであり、この角度が臨界角である。
以上のように求めた、屈折率np、臨界角θcを次式(3)に適用することにより、被検物の屈折率nsが求められる。
np・sinθc=ns ・・・(3)
Next, a dI / dθ-θ curve (FIG. 7) is created from the I-θ curve obtained in the previous step. The dI / dθ-θ curve is a curve showing the relationship between the incident angle to the photodetector 103 and the change in the reflected light intensity I, and is a curve obtained by differentiating the I-θ curve. From this dI / dθ-θ curve, an incident angle giving the maximum value of the change in the reflected light intensity I is obtained. In the example shown in FIG. 7, the value of this incident angle is the incident angle θc at which the reflected light intensity I takes the maximum value, and this angle is the critical angle.
By applying the refractive index np and the critical angle θc obtained as described above to the following equation (3), the refractive index ns of the test object can be obtained.
np · sin θc = ns (3)

なお、光検出器103の各画素とプリズム101の屈折率の位置関係は、例えば下記のステップから求める。
(1)ステップ1:屈折率が既知の試料(屈折率ns1)をプリズム101の上面101aに載せる。
(2)ステップ2:試料の測定画像を取得する。
The positional relationship between the refractive index of each pixel of the photodetector 103 and the prism 101 is obtained, for example, from the following steps.
(1) Step 1: A sample having a known refractive index (refractive index ns1) is placed on the upper surface 101a of the prism 101.
(2) Step 2: Obtain a measurement image of the sample.

つづいて、光検出器103の画像の縦軸方向の最も下側の座標X1(最も小さい値の座標)に着目する。
(3)ステップ3:I−θカーブを用いて、プリズム101の屈折率方向の座標に対する臨界角を求める。
(4)ステップ4:ステップ3で求めた臨界角と試料の屈折率ns1から、座標X1でのプリズム101の屈折率を求めることができる。
Subsequently, attention is paid to the lowest coordinate X1 (the coordinate having the smallest value) in the vertical axis direction of the image of the photodetector 103.
(3) Step 3: Using the I-θ curve, the critical angle with respect to the coordinate in the refractive index direction of the prism 101 is obtained.
(4) Step 4: From the critical angle obtained in Step 3 and the refractive index ns1 of the sample, the refractive index of the prism 101 at the coordinate X1 can be obtained.

次に、光検出器103の画像の横軸方向(プリズムの同一屈折率)の座標X1のひとつ右側の座標X2に着目する。座標X1の場合と同様にステップ3、4から位置X2でのプリズム101の屈折率を求めることができる。同様にして、プリズム101の全X座標についてプリズムの屈折率を求める。   Next, attention is paid to the coordinate X2 on the right side of the coordinate X1 in the horizontal axis direction (the same refractive index of the prism) of the image of the photodetector 103. As in the case of the coordinate X1, the refractive index of the prism 101 at the position X2 can be obtained from steps 3 and 4. Similarly, the refractive index of the prism is obtained for all X coordinates of the prism 101.

なお、プリズム101の屈折率分布によっては、臨界角が存在しないことがある。この場合、上記試料と異なる屈折率の試料(屈折率ns2)を用いて同様の測定を行う。   Depending on the refractive index distribution of the prism 101, there may be no critical angle. In this case, the same measurement is performed using a sample having a different refractive index from the sample (refractive index ns2).

第1実施形態に係る屈折率測定装置及び屈折率測定方法によれば、屈折率を変えたときの臨界角の測定が一度で済むため、簡便に測定レンジの広い屈折率測定ができる。   According to the refractive index measuring apparatus and the refractive index measuring method according to the first embodiment, the critical angle when the refractive index is changed only needs to be measured once. Therefore, the refractive index can be easily measured with a wide measurement range.

(第2実施形態)
第2実施形態に係る屈折率測定装置においては、ロッド状光学素子としてのプリズム201の形状が第1実施形態に係るプリズム101と異なる。その他の構成は第1実施形態に係る屈折率測定装置と同様であり、屈折率の測定方法も同様である。以下の説明では、プリズム201以外の構成及び屈折率の測定方法についての詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
In the refractive index measurement device according to the second embodiment, the shape of the prism 201 as a rod-shaped optical element is different from that of the prism 101 according to the first embodiment. Other configurations are the same as those of the refractive index measurement apparatus according to the first embodiment, and the refractive index measurement method is also the same. In the following description, a detailed description of the configuration other than the prism 201 and the refractive index measurement method is omitted.

図8は、第2実施形態に係るプリズム201の構成を示す斜視図である。   FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the prism 201 according to the second embodiment.

第2実施形態に係るプリズム201は、第1実施形態のプリズム101と同様に、平面からなる上面201aと曲面からなる下面201bとで構成されるロッド状光学素子であって、長手方向(アキシャル方向)の一方から他方へ行くほど屈折率が大きくなるような屈折率分布を持つ。屈折率分布の具体例としては、長手方向手前側の端面211側で最も屈折率を小さくし、奥側の端面212に向かうほど屈折率が大きくなるように構成する(図8)。これに対して、手前の端面211側の屈折率を最も大きくし、奥の端面212に向かうほど屈折率を小さくなるようにしてもよい。   Similar to the prism 101 of the first embodiment, the prism 201 according to the second embodiment is a rod-shaped optical element composed of a flat upper surface 201a and a curved lower surface 201b, and has a longitudinal direction (axial direction). ) Has a refractive index distribution such that the refractive index increases from one to the other. As a specific example of the refractive index distribution, the refractive index is made the smallest on the end surface 211 side on the front side in the longitudinal direction, and the refractive index becomes larger toward the end surface 212 on the far side (FIG. 8). On the other hand, the refractive index on the front end surface 211 side may be maximized, and the refractive index may be decreased toward the inner end surface 212.

プリズム201では、プリズム101と同様に、光源102からの光は上面201aの中心の集光ライン201cに集光する。   In the prism 201, similarly to the prism 101, the light from the light source 102 is condensed on the condensing line 201c at the center of the upper surface 201a.

さらに、プリズム201においては、長手方向直交断面における下面201bに対応する円弧の半径を、屈折率が大きいほど小さくしている。図8のように、手前側の端面211から奥側の端面212に向かうにつれて屈折率が大きくなる場合には、屈折率の分布に対応させて、屈折率の小さい端面211側から屈折率の大きい端面212に向かうにつれて円弧の半径が小さくなっている(図8)。   Further, in the prism 201, the radius of the arc corresponding to the lower surface 201b in the longitudinal cross section is made smaller as the refractive index is larger. As shown in FIG. 8, when the refractive index increases from the front end surface 211 toward the back end surface 212, the refractive index increases from the end surface 211 side having a low refractive index corresponding to the refractive index distribution. The radius of the arc becomes smaller toward the end face 212 (FIG. 8).

図9は、比較例に係るプリズム901へ入射する光線の入射面920を示す斜視図である。図10は、比較例に係るプリズム901に入射した光線による波面を示す平面図である。
比較例に係るプリズム901は、図8のプリズム201と同様に、平面からなる上面901aと曲面からなる下面901bとで構成されるロッド状光学素子であって、長手方向手前側の端面911側の屈折率が最も小さく、奥側の端面912に向かうほど屈折率が大きくなるように構成している。プリズム901では、長手方向直交断面における901bに対応する円弧の半径は一定である。また、プリズム901では、光源102からの光は上面901aの幅方向の中心を結ぶ集光ライン901cに集光する。
FIG. 9 is a perspective view showing a light incident surface 920 incident on the prism 901 according to the comparative example. FIG. 10 is a plan view showing a wavefront caused by light rays incident on the prism 901 according to the comparative example.
The prism 901 according to the comparative example is a rod-like optical element composed of a flat upper surface 901a and a curved lower surface 901b, similar to the prism 201 of FIG. 8, and is on the end surface 911 side on the front side in the longitudinal direction. The refractive index is the smallest, and the refractive index increases toward the end surface 912 on the back side. In the prism 901, the radius of the arc corresponding to 901b in the longitudinal cross section is constant. In the prism 901, the light from the light source 102 is condensed on a condensing line 901c that connects the centers of the upper surfaces 901a in the width direction.

プリズム901においては、プリズム901の長手方向の屈折率分布による光路長差によって、光線の波面920はプリズム901の中心ライン901cから、少しずつずれが発生する(図10)。そのため、光線はプリズム901の中心ライン901cに対して垂直からずれた角度で入射する。   In the prism 901, the wavefront 920 of the light beam is gradually shifted from the center line 901c of the prism 901 due to the optical path length difference due to the refractive index distribution in the longitudinal direction of the prism 901 (FIG. 10). Therefore, the light ray is incident on the center line 901c of the prism 901 at an angle shifted from the vertical.

図11は、第2実施形態に係るプリズム201に入射した光線による波面を示す平面図である。
プリズム201では、屈折率の大きい端面212側は上面201aの幅(下面201bの半径)が小さく、屈折率の小さい端面211側ほど上面201aの幅(下面201bの半径)が大きい形状となっている。このため、光線の進行方向とプリズム201の中心の集光ライン201cとを垂直にすることが可能になる(図11)。別言すれば、集光ライン201cと入射光の波面220が互いに平行となる。そのため、光線はプリズム901の中心ライン901cに対して垂直の角度で入射する。
したがって、図9、10に示す比較例のプリズム901を用いた場合より正確に臨界角を測定することができる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第1実施形態と同様である。
FIG. 11 is a plan view showing a wavefront caused by light rays incident on the prism 201 according to the second embodiment.
In the prism 201, the end surface 212 having a large refractive index has a shape in which the width of the upper surface 201a (the radius of the lower surface 201b) is smaller, and the end surface 211 having a smaller refractive index has a larger width (the radius of the lower surface 201b). . For this reason, it becomes possible to make the advancing direction of a light beam perpendicular to the condensing line 201c at the center of the prism 201 (FIG. 11). In other words, the condensing line 201c and the wavefront 220 of incident light are parallel to each other. Therefore, the light ray is incident at an angle perpendicular to the center line 901c of the prism 901.
Therefore, the critical angle can be measured more accurately than when the prism 901 of the comparative example shown in FIGS.
In addition, about another structure, an effect | action, and an effect, it is the same as that of 1st Embodiment.

ここで、第1及び第2実施形態の変形例について説明する。
被検物の屈折率nsは、プリズム101又はプリズム201の複数の屈折率部分で算出し、算出値の平均を被検物の屈折率とすることが好ましい。
Here, modified examples of the first and second embodiments will be described.
The refractive index ns of the test object is preferably calculated by a plurality of refractive index portions of the prism 101 or the prism 201, and the average of the calculated values is preferably used as the refractive index of the test object.

これにより、多くの測定から被検物の屈折率を求めるため、測定誤差を軽減できより正確に屈折率測定ができる。   Thereby, since the refractive index of the test object is obtained from many measurements, the measurement error can be reduced and the refractive index can be measured more accurately.

また、プリズム101又はプリズム201上に何も置かないときの測定画像をImage0とし、被検物を配置したときの測定画像(Image1)とし、光検出器103の各画素ごとに、Image1/Image0の比を求め、測定画像を再構成することが好ましい。   In addition, a measurement image when nothing is placed on the prism 101 or the prism 201 is referred to as Image0, and a measurement image (Image1) when the test object is disposed is set as Image1 / Image0 for each pixel of the photodetector 103. It is preferable to obtain the ratio and reconstruct the measurement image.

これにより、試料面(プリズム101の上面101a又はプリズム201の上面201a)での光源ムラを補正できるため、より正確に屈折率測定ができる。   Thereby, the light source unevenness on the sample surface (the upper surface 101a of the prism 101 or the upper surface 201a of the prism 201) can be corrected, so that the refractive index can be measured more accurately.

(第3実施形態)
第3実施形態は、本発明の表面プラズモンセンサの実施形態である。第3実施形態に係る表面プラズモンセンサは、第1実施形態のプリズム101の101a上に金属コートを施した構成である。
(Third embodiment)
The third embodiment is an embodiment of the surface plasmon sensor of the present invention. The surface plasmon sensor according to the third embodiment has a configuration in which a metal coat is applied on the prism 101a of the first embodiment.

この金属コートは、300nm以下が好ましく、たとえば30〜80nmの金属コートが施す。この金属コート膜としては、金や銀を用いると表面プラズモン共鳴現象が最も効率よく起こる。金属コート膜とプリズム101の間に、クロムをあらかじめ蒸着して密着性を高めてもよい。なお、金属コート膜を形成するプリズムは、第2実施形態のプリズム201でもよい。   The metal coat is preferably 300 nm or less, and for example, a metal coat of 30 to 80 nm is applied. When gold or silver is used for this metal coat film, the surface plasmon resonance phenomenon occurs most efficiently. Chromium may be deposited in advance between the metal coat film and the prism 101 to improve adhesion. The prism for forming the metal coat film may be the prism 201 of the second embodiment.

金属中においては、自由電子が集団的に波のように振動して、プラズマ波と呼ばれる疎密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの電子の集団的振動は、表面プラズモンと呼ばれている。この表面プラズモンを利用して、試料の屈折率を測定する方法や、試料中の物質の定量分析を行う手法や、生化学的反応の進行に伴う物質の物理化学的な変化を検出する手法が提案されている。そして、それらの中で特によく知られているものとして、クレッチマン(Kretschmann)配置として称される光学系を用いた、表面プラズモンセンサである。   In a metal, free electrons collectively vibrate like a wave to generate a dense wave called a plasma wave. The collective vibration of electrons generated on the metal surface is called surface plasmon. Using this surface plasmon, there are a method for measuring the refractive index of a sample, a method for quantitative analysis of substances in the sample, and a method for detecting physicochemical changes in substances as the biochemical reaction progresses. Proposed. Among them, a surface plasmon sensor using an optical system called a Kretschmann arrangement is particularly well known.

このような構成の表面プラズモンセンサにおいて、光ビームを金属コート膜に対して全反射角以上で入射させると、金属コート膜に接している試料中に、金属コート膜と試料の界面から離れるに従って振幅が減衰する表面電場(エバネッセント場)が生じる。エバネッセント波の波数ベクトルkevは、次式(4)にしたがって、入射角度θによって決定される。
ev=ω・np・sinθ/c ・・・(4)
ここで、ωは入射光の角周波数、cは真空中の光速、npは誘電体プリズムの屈折率である。
In the surface plasmon sensor having such a configuration, when a light beam is incident on the metal coat film at a total reflection angle or more, the amplitude increases in the sample in contact with the metal coat film as the distance from the interface between the metal coat film and the sample increases. A surface electric field (evanescent field) is generated in which is attenuated. The wave number vector k ev of the evanescent wave is determined by the incident angle θ according to the following equation (4).
k ev = ω · n p · sin θ / c (4)
Here, ω is the angular frequency of incident light, c is the speed of light in vacuum, and n p is the refractive index of the dielectric prism.

そして、光ビームを全反射角以上の特定の入射角θspで入射させると、上記エバネッセント波によって金属コート膜と試料の界面に表面プラズモンが励起される。表面プラズモンの波数kspは、次式(5)にしたがって、物質の誘電率によって決まる。
sp=[ω・(εm*εs/(εm+εs))1/2]/c ・・・(5)
ここで、ωは入射光の角周波数、cは真空中の光速、εmは金属の誘電率、εmは金属に接する物質の誘電率である。
When the light beam is incident at a specific incident angle θ sp that is equal to or greater than the total reflection angle, surface plasmons are excited at the interface between the metal coat film and the sample by the evanescent wave. Wave number k sp of the surface plasmon, according to the following equation (5), determined by the dielectric constant of the material.
k sp = [ω · (ε m * ε s / (ε m + ε s )) 1/2 ] / c (5)
Here, omega is the angular frequency of the incident light, c is the velocity of light in vacuum, epsilon m metal dielectric constant, the epsilon m is the dielectric constant of the material in contact with the metal.

入射角θを調整し、エバネッセント波の波数ベクトルkevを表面プラズモンの波数kspと等しくすると、両者はプラズモン共鳴状態になり、入射光のエネルギーは表面プラズモンに移行するので、プリズムと金属コート膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。したがって、金属コート膜の表面に接する媒質の誘電率あるいは屈折率が変化すると、表面プラズモンの波数kspが変化し、それを共鳴させる入射光の入射角θspが変化する。つまり、入射角θspを知ることにより、物質中の特定物質の定量分析が可能になる。 When the incident angle θ is adjusted and the wave number vector k ev of the evanescent wave is made equal to the wave number k sp of the surface plasmon, both are in a plasmon resonance state, and the energy of the incident light is transferred to the surface plasmon. The intensity of the light totally reflected at the interface with the sharply decreases. Therefore, the dielectric constant or refractive index of the medium in contact with the surface of the metal coating film is changed, the wave number k sp of the surface plasmon is changed, the incidence angle theta sp incident light changes to resonance it. That is, knowing the incident angle θ sp enables quantitative analysis of a specific substance in the substance.

第3実施形態の表面プラズモンセンサは、一度の測定で、プリズム101の屈折率を変えたときの表面プラズモン共鳴角θsp求めることができるので、測定レンジの広い上記表面プラズモン共鳴現象を利用した表面プラズモンセンサが実現できる。 Since the surface plasmon sensor of the third embodiment can determine the surface plasmon resonance angle θ sp when the refractive index of the prism 101 is changed by a single measurement, the surface using the surface plasmon resonance phenomenon having a wide measurement range. A plasmon sensor can be realized.

以上のように、本発明に係る屈折率測定装置、屈折率測定方法、及び表面プラズモンセンサは、広い範囲の屈折率測定又は表面プラズモン測定に有用である。   As described above, the refractive index measurement device, the refractive index measurement method, and the surface plasmon sensor according to the present invention are useful for a wide range of refractive index measurement or surface plasmon measurement.

100 屈折率測定装置
101 プリズム(ロッド状光学素子)
101a 上面
101b 下面
101c 集光ライン
102 光源
103 光検出器
104、105 シリンドリカルレンズ
201 プリズム(ロッド状光学素子)
201a 上面
201b 下面
201c 集光ライン
211、212 端面
220 波面
901 プリズム(ロッド状光学素子)
901a 上面
901b 下面
901c 集光ライン
911、912 端面
920 波面
100 refractive index measuring device 101 prism (rod-shaped optical element)
101a Upper surface 101b Lower surface 101c Condensing line 102 Light source 103 Photo detector 104, 105 Cylindrical lens 201 Prism (rod-shaped optical element)
201a Upper surface 201b Lower surface 201c Condensing lines 211, 212 End face 220 Wavefront 901 Prism (rod-shaped optical element)
901a Upper surface 901b Lower surface 901c Condensing line 911, 912 End surface 920 Wavefront

Claims (6)

長手方向直交断面において円弧部と直線形状部を有するロッド状光学素子と、
前記ロッド状光学素子の直線形状部にライン状に集光する光を射出する光源部と、
前記ロッド状光学素子からの反射光の強度分布を撮像する撮像素子と、
を備え、
前記ロッド状光学素子は長手方向に屈折率分布を有することを特徴とする屈折率測定装置。
A rod-shaped optical element having a circular arc part and a linearly shaped part in the longitudinal cross section;
A light source unit that emits light that is condensed into a linear shape on the linear optical part of the rod-shaped optical element;
An image sensor for imaging an intensity distribution of reflected light from the rod-shaped optical element;
With
The rod-like optical element has a refractive index distribution in the longitudinal direction, and the refractive index measuring device.
前記ロッド状光学素子は、前記長手方向の一方から他方へ行くほど屈折率が大きくなり、前記長手方向の一方から他方へ行くほど前記屈折率に対応して前記円弧部の半径が小さくなる請求項1記載の屈折率測定装置。   The rod-shaped optical element has a refractive index that increases as it goes from one side of the longitudinal direction to the other side, and a radius of the arc portion that decreases according to the refractive index as it goes from one side of the longitudinal direction to the other side. The refractive index measuring apparatus according to 1. 前記ロッド状光学素子は、前記直線形状部を構成する面に測定面を有する請求項1又は請求項2に記載の屈折率測定装置。   The refractive index measuring device according to claim 1, wherein the rod-shaped optical element has a measurement surface on a surface constituting the linear shape portion. 前記ロッド状光学素子は、前記直線形状部を構成する面に金属薄膜を有する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の屈折率測定装置。   The refractive index measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the rod-shaped optical element has a metal thin film on a surface constituting the linearly shaped portion. 請求項4に記載の屈折率測定装置を備え、前記金属薄膜の上面に測定面を有することを特徴とする表面プラズモンセンサ。   5. A surface plasmon sensor comprising the refractive index measurement device according to claim 4 and having a measurement surface on an upper surface of the metal thin film. 被検物とプリズムとの界面に光源からの光を照射し、前記界面で反射した光を光電センサにより検出し、臨界角から前記被検物の屈折率を測定する屈折率測定方法であって、
前記プリズムの複数の部分で前記被検物の屈折率を求め、その平均値を前記被検物の屈折率とすることを特徴とする屈折率測定方法。
A refractive index measurement method for irradiating light from a light source to an interface between a test object and a prism, detecting light reflected by the interface with a photoelectric sensor, and measuring a refractive index of the test object from a critical angle. ,
A refractive index measurement method, wherein a refractive index of the test object is obtained at a plurality of portions of the prism, and an average value thereof is set as a refractive index of the test object.
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