JP3157952B2 - 化学物質検出用光学センサー - Google Patents
化学物質検出用光学センサーInfo
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- Japan
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- light
- waveguide
- thin film
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
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- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7776—Index
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体又は液体状の化学
物質の存在を検知、定量或いは区別するために有用な光
学センサー及び該光学センサーを用いた化学物質検出装
置に関する。
物質の存在を検知、定量或いは区別するために有用な光
学センサー及び該光学センサーを用いた化学物質検出装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】プレナー状光導波路を用いた種々のタイ
プの光学センサーが知られている。例えば、Ｔｉｅｆｅ
ｎｔｈａｌｅｒ及びＬｕｋｏｓｚはジャーナル・オブ・
オプティカル・ソサイエティー・オブ・アメリカ誌（１
９８９年、第Ｂ６巻、第２０９頁）やセンサーズ・アン
ド・アクチュエーターズ誌（１９８８年、第１５巻、第
２７３頁）において、バイオケミカルセンサーとして使
用される光格子結合器を開示している。かかるセンサー
は、格子結合器によってプレナー状光導波路に結合した
光の励起による角共鳴を利用している。格子結合器上へ
のヒト免疫グロブリンの吸着によって、光導波路の厚み
及び屈折率が変化する。その結果、光導波路に入射する
光又は導波路から出射する光の結合角が変化するのであ
る。つまり、この測定システムでは、光導波路上面に生
化学分子が吸着することによって、該光導波路の厚み及
び屈折率が変化するという作用を利用している。かかる
変化は、格子結合器やプリズム結合器を用いた場合に
は、そのカップリング角を測定することによって検出す
ることができる。この検出は、あるモードにおける実効
屈折率の測定に相当するものである。
プの光学センサーが知られている。例えば、Ｔｉｅｆｅ
ｎｔｈａｌｅｒ及びＬｕｋｏｓｚはジャーナル・オブ・
オプティカル・ソサイエティー・オブ・アメリカ誌（１
９８９年、第Ｂ６巻、第２０９頁）やセンサーズ・アン
ド・アクチュエーターズ誌（１９８８年、第１５巻、第
２７３頁）において、バイオケミカルセンサーとして使
用される光格子結合器を開示している。かかるセンサー
は、格子結合器によってプレナー状光導波路に結合した
光の励起による角共鳴を利用している。格子結合器上へ
のヒト免疫グロブリンの吸着によって、光導波路の厚み
及び屈折率が変化する。その結果、光導波路に入射する
光又は導波路から出射する光の結合角が変化するのであ
る。つまり、この測定システムでは、光導波路上面に生
化学分子が吸着することによって、該光導波路の厚み及
び屈折率が変化するという作用を利用している。かかる
変化は、格子結合器やプリズム結合器を用いた場合に
は、そのカップリング角を測定することによって検出す
ることができる。この検出は、あるモードにおける実効
屈折率の測定に相当するものである。
【０００３】Ｒｅｕｔｅｒ及びＦｒａｎｋｅはアプライ
ド・フィジクス・レター誌（１９８８年、第５２巻、第
６７８頁）において、湿度をモニターするためのポリイ
ミド製の複屈折フィルムを有するプレナー状光導波路を
開示している。ＴＥモード及びＴＭモードの光は、プリ
ズム結合器によって同時にプレナー状光導波路中に入射
する。この測定システムでは、ＴＥモードとＴＭモード
との間の実効屈折率の差の変化を測定する。かかる測定
にはある特殊な複屈折フィルムが必要である。測定の結
果得られる出力値は、周囲の湿度の周期関数となってい
る。この出力値を、例えばプロセスの制御に利用しよう
とする場合には、複雑な演算システムが必要となる。
ド・フィジクス・レター誌（１９８８年、第５２巻、第
６７８頁）において、湿度をモニターするためのポリイ
ミド製の複屈折フィルムを有するプレナー状光導波路を
開示している。ＴＥモード及びＴＭモードの光は、プリ
ズム結合器によって同時にプレナー状光導波路中に入射
する。この測定システムでは、ＴＥモードとＴＭモード
との間の実効屈折率の差の変化を測定する。かかる測定
にはある特殊な複屈折フィルムが必要である。測定の結
果得られる出力値は、周囲の湿度の周期関数となってい
る。この出力値を、例えばプロセスの制御に利用しよう
とする場合には、複雑な演算システムが必要となる。
【０００４】一方、気体や液体の吸収或いは吸着による
ポリマー薄膜の膨潤を利用した種々の光学センサーも知
られている。例えば、ＧａｕｇｌｉｔｚのＧＩＴ Ｆａ
ｃｈｚ．Ｌａｂ．（１９９０年、第７巻、第８８９頁）
や光化学センサー及びバイオセンサーに関する第１回ヨ
ーロッパ会議の抄録に開示されているように、ポリマー
フィルムの膨潤を利用した気体や溶剤の検出のための反
射分光法が知られている。かかる方法を実施するための
装置においては、反射光の変化を分光学的に分析するた
めの分光器及び白色光源が用いられる。
ポリマー薄膜の膨潤を利用した種々の光学センサーも知
られている。例えば、ＧａｕｇｌｉｔｚのＧＩＴ Ｆａ
ｃｈｚ．Ｌａｂ．（１９９０年、第７巻、第８８９頁）
や光化学センサー及びバイオセンサーに関する第１回ヨ
ーロッパ会議の抄録に開示されているように、ポリマー
フィルムの膨潤を利用した気体や溶剤の検出のための反
射分光法が知られている。かかる方法を実施するための
装置においては、反射光の変化を分光学的に分析するた
めの分光器及び白色光源が用いられる。
【０００５】また、Ｎｙｌａｎｄｅｒらはセンサーズ・
アンド・アクチュエーターズ誌（１９８２年、第３巻、
第７９頁）において、気体を検出するために表面プラズ
モン共鳴法を用いた装置を開示している。かかる方法を
実施する場合、表面プラズモンの共鳴条件は、使用する
ポリマーフィルムの光学的パラメーターに大きく影響を
受ける。かかる光学的パラメーターは、周囲の有機物蒸
気によって変化するものである。
アンド・アクチュエーターズ誌（１９８２年、第３巻、
第７９頁）において、気体を検出するために表面プラズ
モン共鳴法を用いた装置を開示している。かかる方法を
実施する場合、表面プラズモンの共鳴条件は、使用する
ポリマーフィルムの光学的パラメーターに大きく影響を
受ける。かかる光学的パラメーターは、周囲の有機物蒸
気によって変化するものである。
【０００６】Ｂｕｔｌｅｒはケミカル・バイオケミカル
・アンド・エンバイロメンタル・ファイバー・センサ誌
（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、１３６８（１９９０）４６−５
４）において、マルチモード光ファイバーの末端にポリ
マーフィルムを施したセンサーを開示している。かかる
ポリマーフィルムが化学溶剤と接触すると、フィルムの
膨潤が生じ、ファイバー末端での反射度が変化する。
・アンド・エンバイロメンタル・ファイバー・センサ誌
（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、１３６８（１９９０）４６−５
４）において、マルチモード光ファイバーの末端にポリ
マーフィルムを施したセンサーを開示している。かかる
ポリマーフィルムが化学溶剤と接触すると、フィルムの
膨潤が生じ、ファイバー末端での反射度が変化する。
【０００７】これら従来のセンサーではポリマー薄膜の
膨潤を利用し、かかる膨潤を種々の方法で検出してい
る。そのような方法には、例えばポリマー薄膜の厚みや
屈折率の変化を測定するための表面プラズモン共鳴法や
ＩＥＲ法（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅ
ｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）等がある。
膨潤を利用し、かかる膨潤を種々の方法で検出してい
る。そのような方法には、例えばポリマー薄膜の厚みや
屈折率の変化を測定するための表面プラズモン共鳴法や
ＩＥＲ法（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅ
ｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）等がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に鑑み、
本発明は、気体又は液体状の化学物質の検出用の光学セ
ンサーにおいて、光導波路として使用される導波用薄膜
を提供することを目的とする。
本発明は、気体又は液体状の化学物質の検出用の光学セ
ンサーにおいて、光導波路として使用される導波用薄膜
を提供することを目的とする。
【０００９】また、本発明は、光導波路における特定の
モードの光の減衰の程度を測定することを目的とする。
モードの光の減衰の程度を測定することを目的とする。
【００１０】更に、本発明は異種の化学物質を区別し得
るセンサーを提供することを目的とする。
るセンサーを提供することを目的とする。
【００１１】また更に、本発明は、検出すべき化学物質
の同定性を向上させ、バックグラウンドの効果を校正し
又は異種の化学物質を同時に検出するために、同一又は
異なる種類の複数の光学センサー群から成る光学センサ
ーを提供することを目的とする。
の同定性を向上させ、バックグラウンドの効果を校正し
又は異種の化学物質を同時に検出するために、同一又は
異なる種類の複数の光学センサー群から成る光学センサ
ーを提供することを目的とする。
【００１２】また、本発明は、光源、光導波路に入射す
る光及び光導波路から出射する光を結合するための結合
器並びに光の強度を測定するための光検出器から成る検
出システムを提供することを目的とする。
る光及び光導波路から出射する光を結合するための結合
器並びに光の強度を測定するための光検出器から成る検
出システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的は、光導波路に
おける特定のモードの光の減衰を測定する光学センサー
から成る本発明によって達成される。本発明において
は、特定のモードの光の減衰が、導波用薄膜の厚み及び
／又は屈折率の変化に由来していることを利用してい
る。本発明においては、導波用薄膜が検出すべき化学物
質と相互作用し、その結果該導波用薄膜の厚み及び／又
は屈折率が変化する。そのような変化が起きると、光導
波路の導波特性が変化、つまり特定モードの光の減衰の
程度が変化するのである。一般に、特定のモードの光の
減衰の程度は、特定のモードの光を励起させ、励起した
光が光導波路と結合して出射する光の強度を測定する
か、又は、導波路中に入射し得た光の強度（つまり、入
射光強度−反射光強度（於入射側結合器））を測定する
ことによって得られる。従って、本発明においては、複
屈折フィルムのような特殊な部材の使用は本質的に不要
である。測定された光の強度は、ある濃度範囲において
検出すべき化学物質の濃度と比例関係にあるので、本発
明によれば、該化学物質の存在の有無を検出するのみな
らず、その濃度までも測定することが可能である。
おける特定のモードの光の減衰を測定する光学センサー
から成る本発明によって達成される。本発明において
は、特定のモードの光の減衰が、導波用薄膜の厚み及び
／又は屈折率の変化に由来していることを利用してい
る。本発明においては、導波用薄膜が検出すべき化学物
質と相互作用し、その結果該導波用薄膜の厚み及び／又
は屈折率が変化する。そのような変化が起きると、光導
波路の導波特性が変化、つまり特定モードの光の減衰の
程度が変化するのである。一般に、特定のモードの光の
減衰の程度は、特定のモードの光を励起させ、励起した
光が光導波路と結合して出射する光の強度を測定する
か、又は、導波路中に入射し得た光の強度（つまり、入
射光強度−反射光強度（於入射側結合器））を測定する
ことによって得られる。従って、本発明においては、複
屈折フィルムのような特殊な部材の使用は本質的に不要
である。測定された光の強度は、ある濃度範囲において
検出すべき化学物質の濃度と比例関係にあるので、本発
明によれば、該化学物質の存在の有無を検出するのみな
らず、その濃度までも測定することが可能である。
【００１４】本発明の化学物質検出用光学センサーは、
導波用薄膜を含むプレナー状光導波路から成る。検出す
べき化学物質は、導波用薄膜に吸着するか若しくは吸収
され又は導波用薄膜と反応する。その結果、導波用薄膜
の厚みや屈折率が変化して導波特性が変化する。
導波用薄膜を含むプレナー状光導波路から成る。検出す
べき化学物質は、導波用薄膜に吸着するか若しくは吸収
され又は導波用薄膜と反応する。その結果、導波用薄膜
の厚みや屈折率が変化して導波特性が変化する。
【００１５】導波用薄膜の厚み及び屈折率が変化する
と、光のモードが導波モードから放射モードになるか又
はその逆になり、導波路中を導波する光の強度が変化す
る。導波モードと放射モードとを区別するためには、導
波用薄膜は極めて透明なものである必要がある。導波モ
ードから放射モードに変化する場合には、導波用薄膜の
厚みが減少する。つまり、導波モードを保持する最低の
厚みが存在することになる。かかる最低の厚みをカット
オフ厚みという。
と、光のモードが導波モードから放射モードになるか又
はその逆になり、導波路中を導波する光の強度が変化す
る。導波モードと放射モードとを区別するためには、導
波用薄膜は極めて透明なものである必要がある。導波モ
ードから放射モードに変化する場合には、導波用薄膜の
厚みが減少する。つまり、導波モードを保持する最低の
厚みが存在することになる。かかる最低の厚みをカット
オフ厚みという。
【００１６】ある特定のモードの光の光導波路内におけ
る導波特性は、導波用薄膜の厚み及び／又は屈折率によ
って決定される。導波用薄膜の厚みは、該導波用薄膜の
面に接している検出すべき化学物質の濃度によって変化
し、その結果、光の導波特性も変化することになる。本
発明においては、導波用薄膜の厚みは、種々のモードの
光のうちのある特定のモードの光が「ウエット」状態の
導波用薄膜内を導波するが（導波モード）、「ドライ」
状態の導波用薄膜内を導波しない（放射モード）ような
値に選択する。つまり、導波用薄膜の厚みは、「ウエッ
ト」状態ではカットオフ厚みより大きな値であり、且
つ、「ドライ」状態ではカットオフ厚みよりも小さな値
である必要がある。ここで、「ウエット」状態とは、検
知すべき気体又は液体状の化学物質の存在下における導
波用薄膜の状態をいい、「ドライ」状態とは、そのよう
な化学物質が存在しない場合における導波用薄膜の状態
をいう。なお、「ウエット」及び「ドライ」とは、それ
ぞれ導波用薄膜の厚みが大きいこと及び小さいことに対
応するか、又は導波用薄膜の屈折率が高いこと及び低い
ことによって対応している。従って、ウエット状態では
導波用薄膜の厚みはカットオフ厚みよりも大きく導波モ
ードになっているので光は導波するが、ドライ状態では
導波用薄膜の厚みはカットオフ厚み以下であり放射モー
ドになっているので、光はそのエネルギーを導波用薄膜
の外へ放射するので、光導波路の出射側での光の強度は
非常に低くなる。
る導波特性は、導波用薄膜の厚み及び／又は屈折率によ
って決定される。導波用薄膜の厚みは、該導波用薄膜の
面に接している検出すべき化学物質の濃度によって変化
し、その結果、光の導波特性も変化することになる。本
発明においては、導波用薄膜の厚みは、種々のモードの
光のうちのある特定のモードの光が「ウエット」状態の
導波用薄膜内を導波するが（導波モード）、「ドライ」
状態の導波用薄膜内を導波しない（放射モード）ような
値に選択する。つまり、導波用薄膜の厚みは、「ウエッ
ト」状態ではカットオフ厚みより大きな値であり、且
つ、「ドライ」状態ではカットオフ厚みよりも小さな値
である必要がある。ここで、「ウエット」状態とは、検
知すべき気体又は液体状の化学物質の存在下における導
波用薄膜の状態をいい、「ドライ」状態とは、そのよう
な化学物質が存在しない場合における導波用薄膜の状態
をいう。なお、「ウエット」及び「ドライ」とは、それ
ぞれ導波用薄膜の厚みが大きいこと及び小さいことに対
応するか、又は導波用薄膜の屈折率が高いこと及び低い
ことによって対応している。従って、ウエット状態では
導波用薄膜の厚みはカットオフ厚みよりも大きく導波モ
ードになっているので光は導波するが、ドライ状態では
導波用薄膜の厚みはカットオフ厚み以下であり放射モー
ドになっているので、光はそのエネルギーを導波用薄膜
の外へ放射するので、光導波路の出射側での光の強度は
非常に低くなる。
【００１７】導波用薄膜と検出すべき化学物質との相互
作用（例えば、導波用薄膜の厚みや屈折率の変化）は、
検出すべき化学物質の種類によって、その程度が異な
る。従って、本発明の光学センサーにおいては、かかる
相互作用の相違に基づく出射光の強度及び／又は応答特
性の相違を利用して異種の化学物質を区別して検出する
ことができる。
作用（例えば、導波用薄膜の厚みや屈折率の変化）は、
検出すべき化学物質の種類によって、その程度が異な
る。従って、本発明の光学センサーにおいては、かかる
相互作用の相違に基づく出射光の強度及び／又は応答特
性の相違を利用して異種の化学物質を区別して検出する
ことができる。
【００１８】本発明において使用される導波用薄膜は、
検出すべき化学物質若しくは化学物質群と反応し得るも
のであるか、又は該化学物質若しくは化学物質群を吸収
し若しくは吸着し得るものであれは、その種類は問わな
い。実用的には有機物又はポリマーから調製することが
有利である。導波用薄膜として使用し得るポリマーに
は、例えば種々の側鎖基を有するビニルポリマー類、ポ
リシロキサン類、ポリエステル類のような重縮合物、ポ
リアミド類、ポリイミド類、ポリウレタン類及びポリウ
レア類がある。一方、低分子量の有機物には、例えば、
フタロシアニン類、ポルフィン類、ポルフィリン類、有
機金属錯体、シクロデキストリン類、カリキザレン類、
クラウンエーテル類又はアザクラウン類のような他のク
ラウン化合物等の錯化剤及びクリプタンド類がある。
検出すべき化学物質若しくは化学物質群と反応し得るも
のであるか、又は該化学物質若しくは化学物質群を吸収
し若しくは吸着し得るものであれは、その種類は問わな
い。実用的には有機物又はポリマーから調製することが
有利である。導波用薄膜として使用し得るポリマーに
は、例えば種々の側鎖基を有するビニルポリマー類、ポ
リシロキサン類、ポリエステル類のような重縮合物、ポ
リアミド類、ポリイミド類、ポリウレタン類及びポリウ
レア類がある。一方、低分子量の有機物には、例えば、
フタロシアニン類、ポルフィン類、ポルフィリン類、有
機金属錯体、シクロデキストリン類、カリキザレン類、
クラウンエーテル類又はアザクラウン類のような他のク
ラウン化合物等の錯化剤及びクリプタンド類がある。
【００１９】導波用薄膜を支持するための基板は平坦な
ものであればその種類は問わない。導波用薄膜内に光を
導波するためには、導波用薄膜は、その屈折率よりも低
い屈折率を有する物質から成るクラッドによって取り囲
まれていなければならない。基板の屈折率が導波用薄膜
の屈折率よりも低い場合には、クラッドを使用すること
なく、導波用薄膜を基板上に直接施すことができる。導
波用薄膜の面のうち、基板に接していない方の面は空気
と接触しているか、又は、用途によっては該面上に導波
用薄膜を保護するためのカバー層又はクラッドとしての
上層（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）を設けてもよい。通常
の場合には、導波用薄膜に隣接する空気層が上層として
作用する。
ものであればその種類は問わない。導波用薄膜内に光を
導波するためには、導波用薄膜は、その屈折率よりも低
い屈折率を有する物質から成るクラッドによって取り囲
まれていなければならない。基板の屈折率が導波用薄膜
の屈折率よりも低い場合には、クラッドを使用すること
なく、導波用薄膜を基板上に直接施すことができる。導
波用薄膜の面のうち、基板に接していない方の面は空気
と接触しているか、又は、用途によっては該面上に導波
用薄膜を保護するためのカバー層又はクラッドとしての
上層（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）を設けてもよい。通常
の場合には、導波用薄膜に隣接する空気層が上層として
作用する。
【００２０】例えば、Ｓｉなどの屈折率の高い基板を用
いる場合、Ｓｉ基板と有機物薄膜層又はポリマー薄膜層
との間にＳｉＯ2層を設けることができる。
いる場合、Ｓｉ基板と有機物薄膜層又はポリマー薄膜層
との間にＳｉＯ2層を設けることができる。
【００２１】上記の物質から導波用薄膜を形成する場合
には、公知の如何なる薄膜成長法をも使用することがで
きる。例えば、スピンコーティング、ポリマー溶液のキ
ャスティング、溶融押出法、気相成長法等を使用するこ
とができる。
には、公知の如何なる薄膜成長法をも使用することがで
きる。例えば、スピンコーティング、ポリマー溶液のキ
ャスティング、溶融押出法、気相成長法等を使用するこ
とができる。
【００２２】本発明においては、複数の光学センサー群
から成る化学物質検出用光学センサーを使用することも
できる。即ち、本発明の光学センサーをアレー状に配置
してセンサー群となし光学センサーとして使用すること
ができる。この場合、導波用薄膜及び／又は基板の種類
は個々のプレナー状光導波路において同一でもよく又は
異なっていてもよい。光学センサーをアレー状に配置す
ることによって、異種の化学物質の検出及び／又は同定
を同時に行うことができる。
から成る化学物質検出用光学センサーを使用することも
できる。即ち、本発明の光学センサーをアレー状に配置
してセンサー群となし光学センサーとして使用すること
ができる。この場合、導波用薄膜及び／又は基板の種類
は個々のプレナー状光導波路において同一でもよく又は
異なっていてもよい。光学センサーをアレー状に配置す
ることによって、異種の化学物質の検出及び／又は同定
を同時に行うことができる。
【００２３】本発明においては、上記の光学センサーに
加えて、該センサー、該センサーに光を入射させるため
の光源、入射光及び／又は出射光の強度を検出するため
の光検出器並びに周辺電気回路から成る化学物質検出装
置を提供する。
加えて、該センサー、該センサーに光を入射させるため
の光源、入射光及び／又は出射光の強度を検出するため
の光検出器並びに周辺電気回路から成る化学物質検出装
置を提供する。
【００２４】光源としては、例えば半導体レーザー、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザーのような固体レーザー、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザーのような気体レーザー、色素レーザー及び発光
ダイオード等を使用することができる。結合器として
は、光をプレナー状光導波路に結合し得る結合器であれ
ば如何なる種類のものも使用し得る。例えば、プリズム
結合器又は格子結合器やファイバー型結合器を使用する
ことができる。光検出器は、入射光の強度及び／又はプ
レナー状光導波路から出射した光の強度を測定するため
のものであり、例えば光の強度を電気信号に変換するフ
ォトダイオード、フォトトランジスタ、光導電体、光電
管、光電子倍増管等を使用することができる。周辺電気
回路は、光検出器からの電気信号を処理・増幅して記録
計へ結果を出力するような手段を有する。また、該周辺
電気回路は、センサーが有毒性物質や燃焼性物質、引火
性物質等の危険物質を検出した場合に、それを報知する
ための手段、例えば警報器や、それに加えて又はそれに
代えて、遮断するための手段、例えばスイッチ又はパイ
プラインをオン−オフする手段などを備えていてもよ
い。
ｄ：ＹＡＧレーザーのような固体レーザー、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザーのような気体レーザー、色素レーザー及び発光
ダイオード等を使用することができる。結合器として
は、光をプレナー状光導波路に結合し得る結合器であれ
ば如何なる種類のものも使用し得る。例えば、プリズム
結合器又は格子結合器やファイバー型結合器を使用する
ことができる。光検出器は、入射光の強度及び／又はプ
レナー状光導波路から出射した光の強度を測定するため
のものであり、例えば光の強度を電気信号に変換するフ
ォトダイオード、フォトトランジスタ、光導電体、光電
管、光電子倍増管等を使用することができる。周辺電気
回路は、光検出器からの電気信号を処理・増幅して記録
計へ結果を出力するような手段を有する。また、該周辺
電気回路は、センサーが有毒性物質や燃焼性物質、引火
性物質等の危険物質を検出した場合に、それを報知する
ための手段、例えば警報器や、それに加えて又はそれに
代えて、遮断するための手段、例えばスイッチ又はパイ
プラインをオン−オフする手段などを備えていてもよ
い。
【００２５】本発明の化学物質検出装置の一態様を図１
に示す。光源１からの光はプリズム結合器２を通じてプ
レナー状光導波路に結合する。光源からの光が偏光して
いない場合には、光がプレナー状光導波路に結合する前
に、偏光板のような偏光子によって光を偏光させること
が望ましい。プレナー状光導波路は導波用薄膜３と基板
６とから成っている。なお、場合によっては導波用薄膜
３と基板６との間にクラッドを設けてもよい。入射した
光が導波用薄膜３内を導波して出射するときにはプリズ
ム結合器４によって再び結合し、このようにして出射し
た光の強度が光検出器５によって測定される。二つのプ
リズム結合器は、プレナー状光導波路内において、特定
のモードの光が励起するようにその結合角を調節する。
二つのプリズム結合器の間隔は一般に約１〜１００ｍｍ
である。検出すべき化学物質は、二つのプリズム結合器
間の導波用薄膜３上を流通する。導波路用薄膜の厚み
は、検出すべき化学物質の種類、該薄膜を構成する物質
の種類、導波する光のモード及び／又は使用する基板の
種類などに依存するが、一般に約０．１〜１００μｍで
あり、好ましくは０．５〜１０μｍである。
に示す。光源１からの光はプリズム結合器２を通じてプ
レナー状光導波路に結合する。光源からの光が偏光して
いない場合には、光がプレナー状光導波路に結合する前
に、偏光板のような偏光子によって光を偏光させること
が望ましい。プレナー状光導波路は導波用薄膜３と基板
６とから成っている。なお、場合によっては導波用薄膜
３と基板６との間にクラッドを設けてもよい。入射した
光が導波用薄膜３内を導波して出射するときにはプリズ
ム結合器４によって再び結合し、このようにして出射し
た光の強度が光検出器５によって測定される。二つのプ
リズム結合器は、プレナー状光導波路内において、特定
のモードの光が励起するようにその結合角を調節する。
二つのプリズム結合器の間隔は一般に約１〜１００ｍｍ
である。検出すべき化学物質は、二つのプリズム結合器
間の導波用薄膜３上を流通する。導波路用薄膜の厚み
は、検出すべき化学物質の種類、該薄膜を構成する物質
の種類、導波する光のモード及び／又は使用する基板の
種類などに依存するが、一般に約０．１〜１００μｍで
あり、好ましくは０．５〜１０μｍである。
【００２６】検出すべき化学物質が導波用薄膜上を流通
すると、両者の相互作用（つまり、吸着、吸収或いは反
応）によって、導波用薄膜の導波特性が変化する。その
結果、出射する光の強度が変化するので、かかる変化が
光検出器の信号の変化として測定される。このようにし
て、気体又は液体中に検出すべき化学物質が存在してい
るか否かを測定することができる。
すると、両者の相互作用（つまり、吸着、吸収或いは反
応）によって、導波用薄膜の導波特性が変化する。その
結果、出射する光の強度が変化するので、かかる変化が
光検出器の信号の変化として測定される。このようにし
て、気体又は液体中に検出すべき化学物質が存在してい
るか否かを測定することができる。
【００２７】出射する光の強度は、ある範囲で検出すべ
き化学物質の濃度に比例しているので、これを利用し
て、該化学物質の定量をすることも可能である。即ち、
種々の濃度を有する化学物質を本発明の装置の光学セン
サー上に流通させて、そのときの光の強度を測定して、
濃度と光の強度との関係の検量線を作成すればよい。
き化学物質の濃度に比例しているので、これを利用し
て、該化学物質の定量をすることも可能である。即ち、
種々の濃度を有する化学物質を本発明の装置の光学セン
サー上に流通させて、そのときの光の強度を測定して、
濃度と光の強度との関係の検量線を作成すればよい。
【００２８】特定のモードの光の減衰を測定するための
他の方法には、結合器を用いてプレナー状光導波路に結
合する光を励起させ、次いでプレナー状光導波路から出
射する光の強度を測定する方法がある。或いは、プレナ
ー状光導波路に結合した光の強度を測定してもよい。か
かる測定は、例えば、入射側のプリズム結合器や格子結
合器等の結合器で反射した光の強度を測定し、次いで、
結合器に入射した光の強度から、かかる強度を差し引く
ことから成る。
他の方法には、結合器を用いてプレナー状光導波路に結
合する光を励起させ、次いでプレナー状光導波路から出
射する光の強度を測定する方法がある。或いは、プレナ
ー状光導波路に結合した光の強度を測定してもよい。か
かる測定は、例えば、入射側のプリズム結合器や格子結
合器等の結合器で反射した光の強度を測定し、次いで、
結合器に入射した光の強度から、かかる強度を差し引く
ことから成る。
【００２９】本発明においては、光源からの光を分割す
るためのビームスプリッターを使用してもよい。ビーム
スプリッターによって分割された光の一方は、参照用光
として利用し、他方は結合器によって光導波路に結合さ
せる。この場合、光検出器を２個使用して、かかる参照
用光の強度及びプレナー状光導波路から出射した光の強
度の双方をそれぞれ測定する。かかる出力値は、プレナ
ー状光導波路から出射した光の強度と参照用光の強度と
の比で表されることになる。かかる操作は、光源からの
光が十分に安定したものであれば必要ではない。
るためのビームスプリッターを使用してもよい。ビーム
スプリッターによって分割された光の一方は、参照用光
として利用し、他方は結合器によって光導波路に結合さ
せる。この場合、光検出器を２個使用して、かかる参照
用光の強度及びプレナー状光導波路から出射した光の強
度の双方をそれぞれ測定する。かかる出力値は、プレナ
ー状光導波路から出射した光の強度と参照用光の強度と
の比で表されることになる。かかる操作は、光源からの
光が十分に安定したものであれば必要ではない。
【００３０】プレナー状光導波路が幾つかの種類の異な
ったモードの光を同時に導波する場合には、結合器は、
これら種々のモードの光を区別して結合するような手段
を有していなければならない。結合器としてプリズム結
合器や格子結合器を使用する場合には、特定のモードの
光が励起するための共鳴条件は、かかる光の結合角に依
存している。それ故、種々の異なった結合角における光
の強度を測定すれば、種々のモードの光の強度をそれぞ
れ容易に区別することができる。
ったモードの光を同時に導波する場合には、結合器は、
これら種々のモードの光を区別して結合するような手段
を有していなければならない。結合器としてプリズム結
合器や格子結合器を使用する場合には、特定のモードの
光が励起するための共鳴条件は、かかる光の結合角に依
存している。それ故、種々の異なった結合角における光
の強度を測定すれば、種々のモードの光の強度をそれぞ
れ容易に区別することができる。
【００３１】本発明においては、光導波路及び／又は光
検出器へ光を分割し、導波し、集光し又はコリメートす
るために、適切な光学部材を使用することもできる。
検出器へ光を分割し、導波し、集光し又はコリメートす
るために、適切な光学部材を使用することもできる。
【００３２】本発明の光学センサーによれば、気体及び
液体状の化学物質の何れをも検出することができる。し
かも、本発明の光学センサーは極めて高い感度と広いダ
イナミックレンジを有し且つ迅速な応答速度を有する。
その一方で、使用する部品は少なく、しかも安価なもの
である。本発明の光学センサーは、例えば、プロセス制
御、品質管理、ガス漏れや液体の漏れの検知等の分野に
適用することができる。更には、高感度の性能が必要と
され且つ低コストが要求されるような分野、例えば空気
や水の汚染を測定するような環境モニターとして使用す
ることが有利である。また、本発明のセンサーはそれ自
身防爆性があるので、爆発の危険があるような環境でも
使用することができる。
液体状の化学物質の何れをも検出することができる。し
かも、本発明の光学センサーは極めて高い感度と広いダ
イナミックレンジを有し且つ迅速な応答速度を有する。
その一方で、使用する部品は少なく、しかも安価なもの
である。本発明の光学センサーは、例えば、プロセス制
御、品質管理、ガス漏れや液体の漏れの検知等の分野に
適用することができる。更には、高感度の性能が必要と
され且つ低コストが要求されるような分野、例えば空気
や水の汚染を測定するような環境モニターとして使用す
ることが有利である。また、本発明のセンサーはそれ自
身防爆性があるので、爆発の危険があるような環境でも
使用することができる。
【００３３】
【実施例１】本実施例では、カットオフ厚みを測定し
た。基板としてＺｎＯを用いて、その上にサファイアの
導波用薄膜を設けた光導波路を使用した。図２は、導波
用薄膜の厚みに対してＴＥ及びＴＭモードの光の速度を
プロットしたものである。使用した光源の波長は６３
２．８ｎｍであった。図２において、縦軸は、真空中で
の光の速度に対する導波用薄膜中でのＴＥ及びＴＭモー
ドの光の速度の比（ν／ｃ）を表し、ｎeffは、各モー
ドの光における実効屈折率を表し、βは伝搬定数を表
す。また、ｎ2はサファイアの屈折率を表し、ｎ3は基板
であるＺｎＯの屈折率を表す。
た。基板としてＺｎＯを用いて、その上にサファイアの
導波用薄膜を設けた光導波路を使用した。図２は、導波
用薄膜の厚みに対してＴＥ及びＴＭモードの光の速度を
プロットしたものである。使用した光源の波長は６３
２．８ｎｍであった。図２において、縦軸は、真空中で
の光の速度に対する導波用薄膜中でのＴＥ及びＴＭモー
ドの光の速度の比（ν／ｃ）を表し、ｎeffは、各モー
ドの光における実効屈折率を表し、βは伝搬定数を表
す。また、ｎ2はサファイアの屈折率を表し、ｎ3は基板
であるＺｎＯの屈折率を表す。
【００３４】図２から明らかなように、何れのモードの
光においても、カットオフ厚みが存在する。つまり、か
かるカットオフ厚み以下の厚みでは何れのモードも導波
されないのである。カットオフ厚みの値は、導波用薄
膜、基板及びカバー層や上層（もし有れば）の屈折率等
の値が分かれば、Ａ．Ｙａｒｉｖ，“ＯｐｔｉｃａｌＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，Ｓａｕｎｄｅｒｓ Ｃｏｌｌ
ｅｇｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，１９９１，Ｉｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎの（１３．２−５）
式及び（１３．２−１１）式より計算することができ
る。
光においても、カットオフ厚みが存在する。つまり、か
かるカットオフ厚み以下の厚みでは何れのモードも導波
されないのである。カットオフ厚みの値は、導波用薄
膜、基板及びカバー層や上層（もし有れば）の屈折率等
の値が分かれば、Ａ．Ｙａｒｉｖ，“ＯｐｔｉｃａｌＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，Ｓａｕｎｄｅｒｓ Ｃｏｌｌ
ｅｇｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，１９９１，Ｉｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎの（１３．２−５）
式及び（１３．２−１１）式より計算することができ
る。
【００３５】
【実施例２】本実施例では空気の湿度を検知する装置に
ついて説明する。本実施例の装置は、波長λ＝６７０ｎ
ｍのレーザーダイオード（ＩＬＥＥ ＬＤＡ２００
０）、３０ｍｍの集光レンズ、光導波路へ入射する光及
び光導波路から出射する光を結合するための二つのプリ
ズム結合器、及び光検出器（アンリツ製）から成ってい
た。二つの結合プリズム結合器間の距離は約１０ミリで
あった。装置全体をチャンバー内に設置し、チャンバー
内の温度及び湿度を調節した。このチャンバーからは、
温度及び湿度の値が出力されるようになっている。
ついて説明する。本実施例の装置は、波長λ＝６７０ｎ
ｍのレーザーダイオード（ＩＬＥＥ ＬＤＡ２００
０）、３０ｍｍの集光レンズ、光導波路へ入射する光及
び光導波路から出射する光を結合するための二つのプリ
ズム結合器、及び光検出器（アンリツ製）から成ってい
た。二つの結合プリズム結合器間の距離は約１０ミリで
あった。装置全体をチャンバー内に設置し、チャンバー
内の温度及び湿度を調節した。このチャンバーからは、
温度及び湿度の値が出力されるようになっている。
【００３６】メタクリル酸２−エチルヘキシエルとスチ
レンとの１：１共重合体をシクロヘキサノンに溶解し、
スライドガラス上にスピンコーティングして光導波路を
形成した。導波用薄膜の厚みは、ＴＥ1モードのカット
オフ厚みの近傍であった。ドライ状態では、導波用薄膜
は薄すぎてＴＥ1モードの光を導波することはできなか
った。空気中の湿度を次第に増加していくと、導波用薄
膜の厚みが大きくなった。このようにして膨潤した導波
用薄膜はＴＥ1モードの光を導波した。このようにし
て、広範囲の湿度を測定することができた。図３は、光
検出器にて測定した光の強度を、チャンバー内の湿度と
共に示したものである。図３中、実線は光の強度を表
し、点線はチャンバー内の湿度を表す。図３から分かる
ように、二つの曲線の形は殆ど同じであった。この結果
より、光の強度は空気中の湿度に比例していることが分
かった。
レンとの１：１共重合体をシクロヘキサノンに溶解し、
スライドガラス上にスピンコーティングして光導波路を
形成した。導波用薄膜の厚みは、ＴＥ1モードのカット
オフ厚みの近傍であった。ドライ状態では、導波用薄膜
は薄すぎてＴＥ1モードの光を導波することはできなか
った。空気中の湿度を次第に増加していくと、導波用薄
膜の厚みが大きくなった。このようにして膨潤した導波
用薄膜はＴＥ1モードの光を導波した。このようにし
て、広範囲の湿度を測定することができた。図３は、光
検出器にて測定した光の強度を、チャンバー内の湿度と
共に示したものである。図３中、実線は光の強度を表
し、点線はチャンバー内の湿度を表す。図３から分かる
ように、二つの曲線の形は殆ど同じであった。この結果
より、光の強度は空気中の湿度に比例していることが分
かった。
【００３７】図４に、本実施例に使用したセンサーの時
間応答性を示す。チャンバー内の湿度を６０％から３０
％に低下させ、再び６０％に上昇させた。光の強度は殆
ど直ちに湿度の変化に追従した。なお、最初に湿度６０
％に対応する光の強度となるまでには約３秒間を要し
た。かかる時間差は、恐らく乾燥空気が湿潤空気に置換
することによって生じるものであり、センサーそれ自体
の時間応答性によるものではないと考えられる。
間応答性を示す。チャンバー内の湿度を６０％から３０
％に低下させ、再び６０％に上昇させた。光の強度は殆
ど直ちに湿度の変化に追従した。なお、最初に湿度６０
％に対応する光の強度となるまでには約３秒間を要し
た。かかる時間差は、恐らく乾燥空気が湿潤空気に置換
することによって生じるものであり、センサーそれ自体
の時間応答性によるものではないと考えられる。
【００３８】
【実施例３】本実施例では、実施例２と同様の装置を用
いてガソリンの検出を行った。その結果を図５に示す。
乾燥空気（ガソリン濃度０％）と、ガソリン飽和空気を
周期的に光学センサー上に流通させたところ、光の強度
もそれに追従して周期的に変化した。本実施例に使用し
たセンサーの応答時間は非常に速く、数秒程度であっ
た。
いてガソリンの検出を行った。その結果を図５に示す。
乾燥空気（ガソリン濃度０％）と、ガソリン飽和空気を
周期的に光学センサー上に流通させたところ、光の強度
もそれに追従して周期的に変化した。本実施例に使用し
たセンサーの応答時間は非常に速く、数秒程度であっ
た。
【図１】本発明の測定装置を表す図である。
【図２】ＴＥモード及びＴＭモードの光の分散曲線を表
す図である。
す図である。
【図３】本発明の光学センサーの出力値と湿度の値を比
較した図である。
較した図である。
【図４】本発明のセンサーの時間応答性を表す図であ
る。
る。
【図５】本発明のセンサーのガソリンに対する応答性を
表した図である。
表した図である。
１ 光源 ２ プリズム結合器 ３ 導波用薄膜 ４ プリズム結合器 ５ 光検出器 ６ 基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 哲 埼玉県川越市大字豊田本1982−11 ハッ ピーハイツ201 (72)発明者 本杉 賢司 埼玉県川越市脇田新町13番地５ シャト ルブラウン202号 (56)参考文献 特開 平４−285844（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−167429（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−160276（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−30622（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−501155（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／4982（ＷＯ，Ａ１) 欧州特許出願公開487992（ＥＰ，Ａ ３) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 1/02 G01M 3/38 G01N 21/00 G01N 21/41 G02B 6/02
Claims (4)
- 【請求項１】 導波用薄膜を含むプレナー状光導波路並
びに前記光導波路上に設けられた入射光用結合器及び出
射光用結合器から成る化学物質検出用光学センサーにお
いて、検知すべき気体又は液体状の化学物質が存在する
状態における前記導波用薄膜の厚みがカットオフ厚みよ
りも大きく、且つ、そのような化学物質が存在しない状
態における前記導波用薄膜の厚みがカットオフ厚み以下
である、化学物質検出用光学センサー。 - 【請求項２】 同一又は異なる種類の複数の光学センサ
ー群から成る、請求項１に記載の光学センサー。 - 【請求項３】 請求項１に記載のセンサー、前記センサ
ーに光を入射させるための光源、入射光及び／又は出射
光の強度を検出するための光検出器並びに周辺電気回路
から成る化学物質検出装置。 - 【請求項４】 周辺電気回路が、センサーが有毒性物
質、燃焼性物質及び引火性物質等の危険物質を検出した
場合に、それを報知するための手段及び／又は遮断する
ための手段を有する、請求項３に記載の装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13197593A JP3157952B2 (ja) | 1993-06-02 | 1993-06-02 | 化学物質検出用光学センサー |
| DE1994609009 DE69409009T2 (de) | 1993-06-02 | 1994-05-31 | Optischer sensor zur detektion von chemischen spezien |
| US08/545,631 US5640234A (en) | 1993-06-02 | 1994-05-31 | Optical sensor for detection of chemical species |
| EP19940919591 EP0737308B1 (en) | 1993-06-02 | 1994-05-31 | Optical sensor for detection of chemical species |
| PCT/EP1994/001768 WO1994028395A1 (en) | 1993-06-02 | 1994-05-31 | Optical sensor for detection of chemical species |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13197593A JP3157952B2 (ja) | 1993-06-02 | 1993-06-02 | 化学物質検出用光学センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06341894A JPH06341894A (ja) | 1994-12-13 |
| JP3157952B2 true JP3157952B2 (ja) | 2001-04-23 |
Family
ID=15070610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13197593A Expired - Fee Related JP3157952B2 (ja) | 1993-06-02 | 1993-06-02 | 化学物質検出用光学センサー |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5640234A (ja) |
| EP (1) | EP0737308B1 (ja) |
| JP (1) | JP3157952B2 (ja) |
| DE (1) | DE69409009T2 (ja) |
| WO (1) | WO1994028395A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008146569A1 (ja) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. | バイオセンサー |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE19521628A1 (de) * | 1995-06-14 | 1997-01-09 | Hoechst Ag | Optische Sonde mit Sensor aus einem optischen Polymeren |
| US5724151A (en) * | 1995-08-04 | 1998-03-03 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Waveguide sensing element for use in a sample medium and method of rear-firing electromagnetic radiation |
| US5739537A (en) * | 1995-12-21 | 1998-04-14 | Perstorp Analytical, Inc. | NIR absorbance measuring instrument with ATR probe |
| JP3343321B2 (ja) * | 1996-04-18 | 2002-11-11 | アヴェンティス・リサーチ・ウント・テクノロジーズ・ゲーエムベーハー・ウント・コー・カーゲー | 給油機 |
| EP0834735A3 (en) | 1996-10-01 | 1999-08-11 | Texas Instruments Inc. | A sensor |
| US6224830B1 (en) * | 1998-01-30 | 2001-05-01 | The Governors Of The University Of Alberta | Absorbance cell for microfluid devices |
| EP1090293B2 (en) | 1998-06-24 | 2019-01-23 | Illumina, Inc. | Decoding of array sensors with microspheres |
| DE19839552C2 (de) * | 1998-08-31 | 2001-07-05 | Siemens Ag | Optischer Sensor zur Erkennung einer Konzentration von Ionen, Atomen und/oder Molekülen in einem zu überwachenden Medium |
| ATE366414T1 (de) | 1998-11-13 | 2007-07-15 | Reichert Inc | Verfahren für qualitative und quantitative messungen |
| DE10030927C1 (de) * | 2000-06-24 | 2002-05-23 | Glukomeditech Ag | Refraktometrisches Verfahren zur langzeitstabilen genauen Messung der Konzentrationen gelöster Stoffe sowie eine miniaturisierbare Vorrichtung zu seiner Durchführung |
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| FR2871571B1 (fr) * | 2004-06-11 | 2007-03-16 | Cybernetix Sa | Procede de detecton et detecteur optique de gaz |
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