JP2015215351A - 分光センサ、及びそれを採用した分光器 - Google Patents
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Abstract
【課題】分光センサ、及びそれを採用した分光器を提供する。【解決手段】分光センサは、共振波長帯域が互いに異なる複数のナノアンテナを具備するナノアンテナ・アレイ部と、複数のナノアンテナからの光をそれぞれ検出する複数の光検出器を具備する光検出器アレイ部と、を含む分光センサ、及びそれを採用した分光器である。【選択図】図１
Description
本発明は、ナノアンテナ・アレイを利用した分光センサ、及びそれを採用した分光器に関する。
ラマン分光法（Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は、対象体に照射された励起光（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｌｉｇｈｔ）によって、対象体内で起こる非弾性散乱（ｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を測定し、多様な物質に対する成分分析が可能である。
しかし、そのような非弾性散乱は、信号強度が非常に小さく、測定が困難であるという短所があり、それを補完するために、信号強度を増幅するための構成などが必要であり、バルキー（ｂｕｌｋｙ）光学系構造を有することになる。
最近、そのような分光器構造を小型化し、その性能を向上させるために、データ分析法、小型化されたラマンセンサを開発するための多様な研究が進められている。
本発明が解決しようとする課題は、ナノアンテナ・アレイを利用した分光センサ、及びそれを採用した分光器を提供するものである。
前記課題を解決するために、本発明の一類型による分光センサは、共振波長帯域が互いに異なる複数のナノアンテナを具備するナノアンテナ・アレイ部と、前記複数のナノアンテナからの光をそれぞれ検出する複数の光検出器を具備する光検出器アレイ部と、を含む。
前記複数のナノアンテナのそれぞれは、支持部と、前記支持部上に配置された複数のプラズモニックナノ粒子と、を含む。
前記プラズモニックナノ粒子は、伝導性物質が陽刻された形態によってなる。
または前記プラズモニックナノ粒子は、伝導性物質が陰刻された形態によってなる。
前記支持部は、誘電体物質からなる。
または、前記支持部は、外部信号によって光学的特性が変わる物質からなる。
前記外部信号は、電気信号、弾性波、熱または機械的力でもある。
前記複数のナノアンテナのそれぞれは、第１誘電体層と、前記第１誘電体層より大きい屈折率を有する第２誘電体層とが第１方向に沿って交互積層された積層構造、及び前記積層構造を貫通して形成された複数のナノホールを含む上部ナノ構造層；第３誘電体層と、前記第３誘電体層より大きい屈折率を有する第４誘電体層と、が第１方向に沿って交互積層された積層構造、及び前記積層構造を貫通して形成された複数のナノホールを含む下部ナノ構造層；並びに前記上部ナノ構造層と下部ナノ構造層との間に配置され、誘電物質からなる中間層；を含んでもよい。
前記上部ナノ構造層及び下部ナノ構造層に形成された積層構造の周期は、前記共振波長をλとするとき、λ／２以下でもある。
前記複数のナノホールは、前記第１方向と垂直である平面上に、所定の規則性を有して配置される。
前記規則性を示す周期は、前記共振波長をλとするとき、λ／３よりも小さい。
前記第１誘電体層と第３誘電体層は、同じ物質からなり、前記第２誘電体層と第４誘電体層は、同じ物質からもなる。
前記複数のナノホールは、空気、または屈折率が１より大きい誘電体物質でも充填される。
前記上部ナノ構造層に形成された複数のナノホールと、前記下部ナノ構造層に形成された複数のナノホールは、前記中間層を貫通して互いに連結された形態を有することができる。
前記課題を解決するために、本発明の一類型による分光センサモジュールは、対象体に励起光を照射するための光源と、前記対象体から、前記励起光による散乱光をセンシングすることができる前述のいずれか１つの分光センサと、を含む。
前記分光センサは、前記対象体から反射された散乱光をセンシングするように配置される。
前記分光センサモジュールは、透光性材質からなり、互いに対面する第１面及び第２面を有するベースをさらに含み、前記光源は、前記ベースの前記第１面に、前記第２面を介して前記対象体に励起光を照射するように配置され、前記分光センサは、前記ベースの前記第１面に、前記第２面を介して入射される前記対象体からの散乱光をセンシングするように配置される。
前記分光センサモジュールは、前記第２面に配置され、前記光源からの励起光を前記対象体に集束し、前記対象体からの散乱光を、前記分光センサに集束する光学レンズをさらに含んでもよい。
前記ベースは、フレキシブル材質からもなる。
前記分光センサモジュールは、前記対象体に着用される形態を有することができる。
前記分光センサは、前記対象体を透過した散乱光をセンシングするように配置される。
前記分光センサモジュールは、イヤリング形態で前記対象体に着用される形態を有することができる。
前記課題を解決するために、本発明の一類型による分光器は、対象体に励起光を照射するための光源と、前記対象体から、前記励起光による散乱光をセンシングすることができる前述のいずれか１つの分光センサと、を具備する分光センサモジュール；及び前記分光センサでセンシングされた信号から、前記対象体の物性を分析する信号処理部；を含む。
前記光源は、近赤外線帯域の光を照射することができる。
前記信号処理部は、ラマン分光法によって、前記対象体の物性を分析することができる。
前記分光センサモジュールは、前記対象体に着用されるように構成される。
前記分光器は、前記信号処理部で分析された結果をディスプレイする表示部をさらに含んでもよい。
本発明の分光センサは、ナノアンテナ・アレイと光検出器アレイとが結合された構造を有し、対象体からの信号を波長別に強く集中させて検出することができる。従って、前述の分光センサは、高い分解能と、高い信号対ノイズ比とを有し、さらに数十ないし数百ｎｍほどの薄い厚みに具現される。従って、前述の分光センサは、着用可能であり、携帯可能な小型分光器の形態に適用されるのに適する。
また、前述の分光センサは、光検出器アレイを形成する半導体工程段階で、連続してナノアンテナ・アレイを形成する工程が行われ、比較的簡素な工程で製造される。
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態による、分光センサ、及びそれを採用した分光器について詳細に説明する。以下の図面で、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜さのために誇張されてもいる。一方、以下で説明する実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から多様な変形が可能である。以下で、「上部」や「上」と記載されているものは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含んでもよい。
図１は、一実施形態による分光センサ（ｓｐｅｃｔｒｏ−ｓｅｎｓｏｒ）１００の概略的な構造及び動作について説明するための概念図である。
分光センサ１００は、共振波長帯域が互いに異なる複数のナノアンテナ１１１を具備するナノアンテナ・アレイ部１１０と、複数のナノアンテナ１１１からの光をそれぞれ検出する複数の光検出器１２１を具備する光検出器アレイ部１２０と、を含む。
各ナノアンテナ１１１は、分光分析する対象からの光信号Ｌのうち一部特定波長を、下部の光検出器１２１に伝達させることができる。そのために、ナノアンテナ１１１は、それぞれ多様な角度に入る光のうち特定波長成分だけ共振して伝達させることができるように、物質及び構造が定められる。伝達する方式は、光の実際進行あるいは近接場によるエネルギー伝達方式が可能である。また、隣接したナノアンテナ１１１間の共振波長が互いに異なる場合、ナノアンテナ１１１で共振される光のエネルギー分布（空間モード形態）が、隣接したナノアンテナ１１１同士互いに交差されもする。
ナノアンテナ１１１は、例えば、それぞれの厚みと、ナノアンテナ１１１間の間隔とがサブ波長（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）の寸法を有し、所定波長帯域の光を強く集める役割を行うように構成される。そのような機能は、金属物質と誘電体物質との境界で起こる表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるものであると知られており、ナノアンテナ１１１の細部的なパターンによって共振波長が異なる。
本実施形態において、ナノアンテナ・アレイ部１１０を構成するナノアンテナ１１１は、いずれも異なる共振波長を有するように構成されてもよく、いくつかずつグループをなし、グループ別に異なる共振波長を有するように構成されてもよい。または、行単位または列単位で異なる共振波長を有するように配置されもする。
光検出器１２１は、入射光を電気的信号に変える多種のセンサを含み、例えば、フォトダイオード（ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）またはＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のような素子を含んでもよい。
ナノアンテナ・アレイ部１１０と光検出器アレイ部１２０は、ナノアンテナ・アレイ部１１０での信号が、光検出器アレイ部１２０に光学的に伝達される構造に配置される。例えば、図示されているように、光損失が可能な限り減るように、ナノアンテナ・アレイ部１１０と光検出器アレイ部１２０は、統合的に集積された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）形態でもある。ナノアンテナ・アレイ部１１０上に、光検出器アレイ部１２０が直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）形成され、互いに物理的に接触する形態でもあるが、それに限定されるものではない。
多様な波長成分を含む光Ｌが分光センサ１００に入射されれば、ナノアンテナ・アレイ部１１０の表面をなすナノパターンによって、多様な方向に反射、散乱されるが、そのとき、ナノアンテナ１１１の共振波長帯域に属する光は、異なる方向に反射、散乱されず、ナノアンテナ１１１のナノ領域で共振して増幅される。従って、入射光Ｌに含まれた多様な波長成分の光は、対応するナノアンテナ１１１近傍に集束され、そのように集束された光が、それぞれのナノアンテナ１１１に対応するように備えられた光検出器１２１で検出されながら、高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を作ることができる。ナノアンテナ１１１の共振波長帯域幅は、非常に狭く形成されるために、一実施形態の分光センサ１００は、非常に高い分解能を有することができる。
また、一実施形態による分光センサ１００は、光検出器アレイ部１２０とナノアンテナ・アレイ部１１０とが統合的に結合された形態であるので、光路による損失が少なく、信号対ノイズ比が大きくなる。そして、光検出器アレイ部１２０を形成する半導体工程段階で、連続してナノアンテナ・アレイ部１１０を形成する段階が遂行され、全体的な工程が減少する。
図２Ａ及び図２Ｂは、図１の分光センサ１００に採用されるナノアンテナ１１１の例示的な構造を示している。
図面を参照すれば、ナノアンテナ１１１は、支持部Ｓと、支持部Ｓ上に配置された複数のプラズモニックナノ粒子ＮＰと、を含む。
プラズモニックナノ粒子ＮＰは、図２Ａに図示されているように、伝導性物質Ｍが陽刻された形態によってなる。または、図２Ｂに図示されているように、伝導性物質Ｍが陰刻された形態によってもなる。
伝導性物質Ｍとしては、表面プラズモン励起（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）が起こる導電性が高い金属物質が採用される。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のうちから選択された少なくともいずれか一つが採用され、あるいはそれらのうちいずれか一つを含む合金からもなる。また、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）のように、高伝導性の二次元物質または伝導性酸化物が採用されもする。
支持部Ｓは、誘電体物質（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）によってもなり、フレキシブル材質からもなる。支持部Ｓは、図示された形状に限定されるものではなく、ナノアンテナ１１１それぞれに具備される支持部Ｓがいずれも連結されて１つの誘電体基板の形態を有することもできる。
支持部Ｓはまた、外部信号によって光学的特性が変わる物質からもなる。該外部信号は、例えば、電気信号、弾性波、熱または機械的力でもある。例えば、電気信号が加えられれば、有効屈折率が変わるｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ物質、例えば、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）・ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）のような伝導性酸化物、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などが支持部Ｓとして採用される。または、弾性波が入射されれば、有効屈折率が変わる弾性媒質、例えば、酸化物、窒化物が採用される。または、熱を印加すれば、所定温度以上で相転移が起こり、屈折率が変わる物質などが支持部Ｓとして採用される。そのような物質として、例えば、ＶＯ２、ＶＯ２Ｏ３、ＥｕＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２またはＣａ２ＲｕＯ４が採用される。
支持部Ｓが、そのように外部信号によって光学的特性が変わる物質からなる場合、分光センサ１００は、支持部Ｓに印加する信号を適切に調節することによって、各ナノアンテナ１１１の共振波長帯域を変化させることができる。
ナノアンテナ１１１は、同一ロッド形状を有する４つのプラズモニックナノ粒子ＮＰを具備するように図示されているが、それは例示的なものである。ナノアンテナ１１１に具備されるプラズモニックナノ粒子ＮＰは、互いに異なる形状を有することができるし、また個数や配置も多様に変更される。
図３Ａないし図３Ｅは、図２のナノアンテナ１１１に採用されるプラズモニックナノ粒子の例示的な配置形態を示している。
図３Ａのように、２つの同形状のプラズモニックナノ粒子ＮＰ１が採用され、図３Ｂのように、長さが互いに異なる２つのプラズモニックナノ粒子ＮＰ２，ＮＰ２’が採用されてもよい。図３Ｃのように、同形状の３つのプラズモニックナノ粒子ＮＰ３が採用され、図３Ｄのように、同じ形状の２つのプラズモニックナノ粒子ＮＰ４と、長さが異なる１つのプラズモニックナノ粒子ＮＰ４’とが採用されてもよい。また、図３Ｅのように、２つの形状のプラズモニックナノ粒子ＮＰ５，ＮＰ５’がそれぞれ２個ずつ採用されもする。
図３Ａないし図３Ｅでは、いずれもロッド形状のプラズモニックナノ粒子を図示したが、多角形状、円形、楕円形、ワイヤグリッド（ｗｉｒｅ ｇｒｉｄ）形態を有することもできる。また、図示された形状は、図２Ａのように、陽刻されたパターン、または図２Ｂのように、陰刻されたパターンでもある。
図４は、図１の分光センサに採用されるナノアンテナ１１２の他の例示的な構造を示している。そして、図５は、図４のナノアンテナ１１２のＡ−Ａ’線断面図である。
ナノアンテナ１１２は、複数の誘電体層の積層構造に、水平方向に沿って、すなわち、積層構造と垂直である面に沿って、所定規則で配列されたナノ構造物を適用した構造によってなる。そのような構造は、積層方向には、特定波長帯域の光に対する共振を誘導し、水平方向のナノ構造物により、入射光の入射角に対する共振波長依存性を低減させる構造として提示されている。
ナノアンテナ１１２は、具体的には、上部ナノ構造層１０、下部ナノ構造層２０、及び上部ナノ構造層１０と下部ナノ構造層２０との間に配置された中間層３０を含んでもよい。
上部ナノ構造層１０は、第１誘電体層１１と、第１誘電体層１１より大きい屈折率を有する第２誘電体層１２とが交互積層された積層構造；及び積層構造を貫通して形成された複数のナノホールＮＨ；を含む。
下部ナノ構造層２０も、上部ナノ構造層１０と類似の構造であり、第３誘電体層２１と、第３誘電体層２１より大きい屈折率を有する第４誘電体層２２とが交互積層された積層構造；及び積層構造を貫通して形成された複数のナノホールＮＨ；を含む。
上部ナノ構造層１０、下部ナノ構造層２０において、異種の誘電体層が積層された周期ｐは、共振波長をλとするとき、λ／２以下の値を有することができる。
上部ナノ構造層１０、下部ナノ構造層２０は、それぞれ分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）で構成されもする。上部ナノ構造層１０、下部ナノ構造層２０をなす誘電体層の厚みは、共振波長の１／４に定められ、第１誘電体層１１、第２誘電体層１２、第３誘電体層２１及び第４誘電体層２２の材質と、誘電体層のペア（ｐａｉｒ）の数は、反射率を考慮して適切に調節される。すなわち、上部ナノ構造層１０において、第１誘電体層１１と第２誘電体層１２とからなる対の個数、下部ナノ構造層２０において、第３誘電体層２１と第４誘電体層２２とからなる対の個数は、図面では２個と図示されているが、それは例示的なものであり、それと異なってもよい。
上部ナノ構造層１０と下部ナノ構造層２０との反射率は、同じであってもよく、異なっていても良い。例えば、光検出器１２１（図１）側に隣接するように配置される下部ナノ構造層２０の反射率は、上部ナノ構造層１０の反射率より低く設定されもする。
上部ナノ構造層１０と下部ナノ構造層２０は、同一材質からもなる。すなわち、第１誘電体層１１と第３誘電体層２１とが同じ材質であり、第２誘電体層１２と第４誘電体層２２とが同じ材質からもなる。その場合、上部ナノ構造層１０に適用された誘電体層対の数と、下部ナノ構造層２０に適用された誘電体層対の数とを異ならせ、反射率が異なるように調節することができる。
中間層３０は、ナノアンテナ１１２内で、上部ナノ構造層１０及び下部ナノ構造層２０の規則性を崩す役割を行い、その材質は、特別が制限されるものではない。例えば、上部ナノ構造層１０と下部ナノ構造層２０とが同一材質から形成された場合、中間層３０は、それらに採用された材質と異なる材質によってなるが、厚みは、制限されるものではない。または、上部ナノ構造層１０、下部ナノ構造層２０に採用された誘電体層のうちいずれか一つと同一材質が中間層３０に採用され、その場合、上部ナノ構造層１０及び下部ナノ構造層２０に採用された誘電体層と異なる厚みを有することができる。
複数のナノホールＮＨは、積層方向と垂直である面に沿って、所定の規則性を有して配置される。規則性を示す周期Ｔは、共振波長をλとするとき、λ／３より小さい。
複数のナノホールＮＨは、空気、または屈折率が１より大きい誘電体物質によっても充填される。ナノホールＮＨを充填する誘電体物質の屈折率は、制限されるものではなく、例えば、第１誘電体層１１、第２誘電体層１２、第３誘電体層２１及び第４誘電体層２２のうちいずれか１つの屈折率と同じ値を有することもでき、あるいはそれとは異なる値を有することもできる。
図６Ａ及び図６Ｂは、図４のナノアンテナ１１２に採用されるナノホールの形状、配置の例と示している。
図６Ａを参照すれば、複数のナノホールＮＨ１は、第１方向には、周期Ｔ１であり、第２方向には、周期Ｔ２で配列される。Ｔ１、Ｔ２は、同じ値であってもよい。
図６Ｂを参照すれば、複数のナノホールＮＨ２は、周期Ｔ３で反復配置された列に、周期Ｔ４で反復配列され、隣接する列のナノホールＮＨ２が互いに食い違うように配列される。Ｔ３、Ｔ４は、同じ値であってもよい。
図６Ａ及び図６Ｂにおいて、ナノホールＮＨ１，ＮＨ２及びナノアンテナ１１２の断面形状は、円形に図示されているが、それらは例示的なものであり、それらに限定されるものではない。例えば、楕円形、多角形などの形状を有することができる。
図７は、図１の分光センサに採用されるナノアンテナ１１３のさらに他の例示的な構造を示す。
ナノアンテナ１１３は、積層構造を貫通するナノホールＮＨ４が、上部ナノ構造層１０、中間層３０、下部ナノ構造層２０を全体的に貫通するように形成された点で、図４のナノアンテナ１１２と差がある。すなわち、上部ナノ構造層１０に形成されたナノホールＮＨ４と、下部ナノ構造層２０に形成されたナノホールＮＨ４は、中間層３０を貫通して互いに連結された形態を有する。ナノホールＮＨ４の形態や配置は、図６Ａ及び図６Ｂに例示された形状を有することができる。
ナノアンテナ１１２，１１３が、図１のように、アレイ状に分光センサ１００に採用されるとき、それぞれのナノアンテナ１１２，１１３は、分光分析する対象からの光信号Ｌのうち一部特定波長を、下部の光検出器１２１に伝達させる。ナノアンテナ１１２，１１３は、それぞれ多様な角度に入る光のうち特定波長成分だけ共振させて光検出器１２１に伝達させることができるように、各誘電体積層構造の物質、厚み、ナノホールの細部的な事項が定められる。
図８は、一実施形態による分光器１０００の概略的な構造を示したブロック図である。
分光器１０００は、対象体ＯＢＪに励起光ＬＥを照射し、対象体ＯＢＪからの散乱光ＬＳをセンシングする分光センサモジュール３００を含む。分光センサモジュール３００は、光源部２００と分光センサ１００と、を含む。
ここで、対象体ＯＢＪは、人体、動物などの生体や食品などを含んでもよい。例えば、対象体ＯＢＪは、血糖測定のための人体、または新鮮度測定のための食品でもあり、その他、大気汚染や水質汚染などを分析するためのサンプルでもある。
光源部２００は、光源を含み、また該光源からの光が対象体ＯＢＪの必要な位置に向ける光学部材を含んでもよい。該光源は、対象体ＯＢＪから分析する性質によって、それに適する波長帯域の光を照射するように構成される。例えば、該光源は、近赤外線帯域の光を照射することができる。
分光センサ１００は、図１で例示したように、ナノアンテナ・アレイと光検出器アレイとを含む構成でもあり、または図２Ａ、２Ｂ、図３Ａないし図３Ｅで例示した多様な形態のナノアンテナ形状を採用することができる。ナノアンテナ・アレイを構成するナノアンテナの共振波長帯域は、光源から照射される光の波長より少し長い波長帯域に設定することができる。
分光器１０００はまた、分光センサ１００でセンシングされた信号から、対象体ＯＢＪの物性を分析し、必要な制御信号を生成する制御モジュール６００を含んでもよい。制御モジュール６００は、ユーザ・インターフェース５００と、信号処理部４００とを含んでもよい。ユーザ・インターフェース５００は、入力部と表示部とを具備することができる。信号処理部４００は、分光センサ１００でセンシングされた信号から、対象体ＯＢＪの物性を分析することができ、例えば、ラマン分光法（Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって、対象体ＯＢＪの物性を分析することができる。ラマン分光法は、対象体ＯＢＪ内に入射された光が、対象体ＯＢＪ内の原子または分子と衝突し、さまざまな方向に散らばる散乱（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）、特に非弾性散乱（ｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を利用する。そのような散乱は、原子または分子の表面で単に反射されるものではない、原子または分子に吸収されてから放出される散乱であり、散乱光は入射光の波長より長い波長を有することになる。そのような波長差は、２００ｎｍほど以下でもある。そのような散乱光のスペクトルを分析することにより、対象体ＯＢＪ内の分子の振動、分子の構造など多様な物性を知ることができる。
信号処理部４００は、分析された結果を、ユーザ・インターフェース５００の表示部に表示するように、映像信号に処理することができる。また、ユーザ・インターフェース５００からの入力により、光源部２００に制御信号を送ることができる。信号処理部４００はまた、分光センサ１００が外部信号によって、共振波長帯域が変わるように構成された場合、ユーザ・インターフェース５００からの入力によって、それを調節する制御信号を生成することができる。信号処理部４００は、マイクロプロセッサなどによって具現される。
分光センサモジュール３００と制御モジュール６００は、有線または無線で互いに連結される。例えば、分光器１０００は、分光センサモジュール３００と制御モジュール６００とが有線連結された小型携帯用機器として具現される。または、制御モジュール６００が携帯用移動通信機器に搭載され、分光センサモジュール３００と無線通信するように構成されもする。
図９は、図８の分光器１０００に採用される分光センサモジュール３０１の光学的配置の例を示している。
分光センサモジュール３０１は、光源２１０と、分光センサ１００とを含み、反射型であり、すなわち、分光センサ１００が対象体ＯＢＪから反射された散乱光ＬＳをセンシングするように、光学系が構成されている。
光源部２００は、光源２１０、光路転換部材２２０、絞り２３０を含む。光路転換部材２２０は、プリズム形態に図示されているが、それは例示的なものであり、ビームスプリッタや、平板ミラーの形態を有することもできる。または、光源２１０の配置位置によって省略されもする。
分光センサモジュール３０１は、対象体ＯＢＪからの散乱光ＬＳを分光センサ１００に集める光学レンズ１５０をさらに含んでもよい。
光源２１０から照射された励起光ＬＥは、対象体ＯＢＪ内の分子構造と衝突し、分子構造に吸収されてから再放出され、波長変換された散乱光ＬＳの形態で、対象体ＯＢＪから出る。散乱光ＬＳは、対象体ＯＢＪ内の分子状態によって、波長変換された程度が異なる多様なスペクトルを含む。本実施形態の分光センサモジュール３０１は、対象体ＯＢＪに励起光ＬＥが入射された経路と同じ経路に沿って出る散乱光ＬＳが、分光センサ１００に入射される光学系構造を採用しており、必要な場合、散乱光ＬＳを分光センサ１００側に分岐するさらなる光学部材を採用することもできる。
図１０は、図８の分光器１０００に採用される分光センサモジュール３００の光学的配置の他の例を示す。
分光センサモジュール３０２は、光源２１０と、分光センサ１００とを含み、透過型であり、すなわち、分光センサ１００が、対象体ＯＢＪを透過した散乱光ＬＳをセンシングするように、光学系が構成されている。
光源部２００は、光源２１０、光路転換部材２２０、絞り２３０を含む。光路転換部材２２０は、プリズム形態に図示されているが、それは例示的なことであり、ビームスプリッタや、平板ミラーの形態を有することもできる。または、光源２１０の配置によって省略されもする。
分光センサモジュール３０２は、対象体ＯＢＪからの散乱光ＬＳを、分光センサ１００に集める光学レンズ１５０をさらに含んでもよい。
光源２１０から照射された励起光ＬＥは、対象体ＯＢＪ内の分子構造と衝突し、分子構造に吸収されてから再放出され、波長変換された散乱光ＬＳの形態で、対象体ＯＢＪから出る。散乱光ＬＳは、対象体ＯＢＪ内の分子状態によって、波長変換された程度が異なる多様なスペクトルを含む。本実施形態の分光センサモジュール３０２は、対象体ＯＢＪを透過して出た散乱光ＬＳが分光センサ１００に入射される光学系構造を採用している。
図９のような反射型、または図１０のような透過型の採用いかんは、対象体ＯＢＪの性質によって適切に選択することができる。
図１１は、他の実施形態による分光器１００１の概略的な構造を示している。
分光器１００１は、分光センサモジュール３０３と、制御モジュール６００とを含む。本実施形態において、分光センサモジュール３０３は、透光性材質からなるベース２８０を具備し、ベース２８０の一面に互いに離隔されるように、光源２１０と分光センサ１００とが配置されている。
光源２１０は、ベース２８０を通過し、対象体ＯＢＪに励起光ＬＥを照射するように配置され、分光センサ１００は、ベース２８０を通過して入射される対象体ＯＢＪからの散乱光ＬＳをセンシングするように配置される。
また、分光センサモジュール３０３は、光源２１０からの励起光ＬＥを対象体ＯＢＪに集束させ、対象体ＯＢＪからの散乱光ＬＳを分光センサ１００に集束させる光学レンズ２６０をさらに含んでもよい。光学レンズ２６０は、光源２１０と、分光センサ１００とが配置されたベース２８０の一面と対面する面に配置される。
ベース２８０は、フレキシブル材質からなる。その場合、分光センサモジュール３０３は、対象体ＯＢＪに着用される（ｗｅａｒａｂｌｅ）形態に適用されるのに有利である。
制御モジュール６００は、分光センサモジュール３０３と、有線または無線で連結される。制御モジュール６００は、分光センサモジュール３０３と共に、ベース２８０上に搭載され、例えば、ブレスレット状のウェラブル小型分光器を構成することができる。
または、分光センサモジュール３０３だけがブレスレット状のウェラブル機器として形成され、制御モジュールは、モバイル機器に搭載される形態に分光器が具現されもする。
図１２は、さらに他の実施形態による分光器１００２の概略的な構造を示している。
分光センサモジュール３０４は、光源部２００と、分光センサ１００とを具備し、透過型光学系構成を採用し、イヤリング状に対象体に着用される。
制御モジュール６００は、分光センサモジュール３０４と、有線または無線で連結される。例えば、制御モジュール６００は、モバイル機器に搭載され、分光センサモジュール３０４と通信することができる。
以上、本発明の理解の一助とするために、例示的な実施形態について説明し、添付された図面に図示した。しかし、そのような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点が理解されなければならないのである。本発明は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者らに可能であるからである。
本発明の分光センサ、及びそれを採用した分光器は、例えば、成分分析関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１０ 上部ナノ構造層
２０ 下部ナノ構造層
１１ 第１誘電体層
１２ 第２誘電体層
２１ 第３誘電体層
２２ 第４誘電体層
３０ 中間層
１００ 分光センサ
１１０ ナノアンテナ・アレイ部
１１１，１１２，１１３ ナノアンテナ
１２０ 光検出器アレイ部
１２１ 光検出器
１５０，２６０ 光学レンズ
２００ 光源部
２１０ 光源
２２０ 光路転換部材
２３０ 絞り
２８０ ベース
３００，３０１，３０２，３０３，３０４ 分光センサモジュール
４００ 信号処理部
５００ ユーザ・インターフェース
６００ 制御モジュール
１０００，１００１，１００２ 分光器
Ｌ 光信号
ＬＥ 励起光
ＬＳ 散乱光
Ｍ 伝導性物質
Ｓ 支持部
ＮＨ ナノホール
ＮＰ ナノ粒子
ＯＢＪ 対象体
２０ 下部ナノ構造層
１１ 第１誘電体層
１２ 第２誘電体層
２１ 第３誘電体層
２２ 第４誘電体層
３０ 中間層
１００ 分光センサ
１１０ ナノアンテナ・アレイ部
１１１，１１２，１１３ ナノアンテナ
１２０ 光検出器アレイ部
１２１ 光検出器
１５０，２６０ 光学レンズ
２００ 光源部
２１０ 光源
２２０ 光路転換部材
２３０ 絞り
２８０ ベース
３００，３０１，３０２，３０３，３０４ 分光センサモジュール
４００ 信号処理部
５００ ユーザ・インターフェース
６００ 制御モジュール
１０００，１００１，１００２ 分光器
Ｌ 光信号
ＬＥ 励起光
ＬＳ 散乱光
Ｍ 伝導性物質
Ｓ 支持部
ＮＨ ナノホール
ＮＰ ナノ粒子
ＯＢＪ 対象体
Claims (26)
- 共振波長帯域が互いに異なる複数のナノアンテナを具備するナノアンテナ・アレイ部と、
前記複数のナノアンテナからの光をそれぞれ検出する複数の光検出器を具備する光検出器アレイ部と、を含む分光センサ。 - 前記複数のナノアンテナのそれぞれは、
支持部と、
前記支持部上に配置された複数のプラズモニックナノ粒子と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の分光センサ。 - 前記プラズモニックナノ粒子は、伝導性物質が陽刻された形態によってなることを特徴とする請求項２に記載の分光センサ。
- 前記プラズモニックナノ粒子は、伝導性物質が陰刻された形態によってなることを特徴とする請求項２に記載の分光センサ。
- 前記支持部は、誘電体物質からなることを特徴とする請求項２に記載の分光センサ。
- 前記支持部は、外部信号によって光学的特性が変わる物質からなることを特徴とする請求項２に記載の分光センサ。
- 前記外部信号は、電気信号、音波、熱または機械的力であることを特徴とする請求項６に記載の分光センサ。
- 前記複数のナノアンテナのそれぞれは、
第１誘電体層と、前記第１誘電体層より大きい屈折率を有する第２誘電体層とが第１方向に沿って交互積層された積層構造と、前記積層構造を貫通して形成された複数のナノホールと、を含む上部ナノ構造層と、
第３誘電体層と、前記第３誘電体層より大きい屈折率を有する第４誘電体層と、が第１方向に沿って交互積層された積層構造と、前記積層構造を貫通して形成された複数のナノホールと、を含む下部ナノ構造層と、
前記上部ナノ構造層と下部ナノ構造層との間に配置され、誘電物質からなる中間層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の分光センサ。 - 前記上部ナノ構造層及び下部ナノ構造層に形成された積層構造の周期は、前記共振波長をλとするとき、λ／２以下であることを特徴とする請求項８に記載の分光センサ。
- 前記複数のナノホールは、前記第１方向と垂直である平面上に、所定の規則性を有して配置されたことを特徴とする請求項８に記載の分光センサ。
- 前記規則性を示す周期は、前記共振波長をλとするとき、λ／３より小さいことを特徴とする請求項１０に記載の分光センサ。
- 前記第１誘電体層と第３誘電体層は、同じ物質からなり、
前記第２誘電体層と第４誘電体層は、同じ物質からなることを特徴とする請求項８に記載の分光センサ。 - 前記複数のナノホールは、空気、または屈折率が１より大きい誘電体物質で充填されたことを特徴とする請求項８に記載の分光センサ。
- 前記上部ナノ構造層に形成された複数のナノホールと、前記下部ナノ構造層に形成された複数のナノホールは、前記中間層を貫通して互いに連結されたことを特徴とする請求項８に記載の分光センサ。
- 対象体に励起光を照射するための光源と、
前記対象体から、前記励起光による散乱光をセンシングする請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の分光センサと、を含む分光センサモジュール。 - 前記分光センサは、前記対象体から反射された散乱光をセンシングするように配置されることを特徴とする請求項１５に記載の分光センサモジュール。
- 透光性材質からなり、互いに対面する第１面及び第２面を有するベースをさらに含み、
前記光源は、前記ベースの前記第１面に、前記第２面を介して前記対象体に励起光を照射するように配置され、
前記分光センサは、前記ベースの前記第１面に、前記第２面を介して入射される前記対象体からの散乱光をセンシングするように配置されることを特徴とする請求項１６に記載の分光センサモジュール。 - 前記第２面に配置され、前記光源からの励起光を前記対象体に集束し、前記対象体からの散乱光を、前記分光センサに集束する光学レンズをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の分光センサモジュール。
- 前記ベースは、フレキシブル材質からなることを特徴とする請求項１７に記載の分光センサモジュール。
- 前記分光センサモジュールは、前記対象体に着用される形態を有することを特徴とする請求項１９に記載の分光センサモジュール。
- 前記分光センサは、前記対象体を透過した散乱光をセンシングするように配置されることを特徴とする請求項１５に記載の分光センサモジュール。
- 前記分光センサモジュールは、イヤリング状に前記対象体に着用されることを特徴とする請求項２１に記載の分光センサモジュール。
- 対象体に励起光を照射するための光源と、
前記対象体から、前記励起光による散乱光をセンシングすることができる請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の分光センサを具備する分光センサモジュールと、
前記分光センサでセンシングされた信号から、前記対象体の物性を分析する信号処理部と、を含む分光器。 - 前記光源は、近赤外線帯域の光を照射することを特徴とする請求項２３に記載の分光器。
- 前記信号処理部は、ラマン分光法によって前記対象体の物性を分析することを特徴とする請求項２４に記載の分光器。
- 前記分光センサモジュールは、前記対象体に着用されるように構成されることを特徴とする請求項２３に記載の分光器。
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