JP5195112B2 - 屈折率センサ、屈折率センサアレイおよびバイオセンサ - Google Patents
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Description
図4は、上記構造の周期、屈折率を最適化した場合、入射光の波長に対する光の透過率のグラフを示している。これは、入射光の波長以下のサイズでの特定周期、屈折率を有する構造によって、ある特定波長λ1でのみ入射光が共鳴反射することを示している。これら材料は、入射光に対してすべて透明な材質で構成されているため、上記特定周期構造の条件のみ入射光を共鳴反射させ、その以外の条件では、入射光をほとんど透過させている。
特許文献1、2に開示されている方法においては、光の全反射において反射光の強度が入射角により変化することを利用して測定を行う。そのため、レンズやプリズム、検出器を高い位置精度で移動させなければならない。従って各デバイスの位置関係を維持するために、高い剛性をもった部材で固定する必要があり、装置が大型化し、高価なものになってしてしまう。
本発明の第1の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする。
また、本発明の第2の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする。
さらに本発明の第3の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする。
また、本発明の第5の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、ライン状のCCDからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CCDを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第6の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、ライン状のCCDからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CCDを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第7の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器はライン状のCMOSセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CMOSセンサを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第8の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、前記光検出器はライン状のCMOSセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CMOSセンサを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第9の手段は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、前記光検出器はライン状のCMOSセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CMOSセンサを設置することを特徴とする。
さらに本発明の第10の手段は、第1〜第9の手段のいずれか一つに記載の屈折率センサにおいて、前記光学素子と、前記光検出器を積層させることを特徴とする。
また、本発明の第12の手段は、バイオセンサであり、第11の手段に記載の屈折率センサアレイからなることを特徴とする。
そして本発明の参考例の光学素子は、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の入射光を共鳴反射させることができる共鳴フィルタや、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の光を透過させることができる光学フィルタとして用いることができる。
これにより、通常の屈折率変化の検出に必要となる分光器を必要とすることなく、被測定試料の屈折率の変化を位置の変化として検出することができる。また、フィルファクタの変化においての共鳴波長の変化が非常に小さい分、屈折率の変化に対して非常に高分解能となっている。そのため、微小な屈折率の変化を高精度に検知することが可能になる。これにより、従来検出が困難であった生体反応における変化を高感度で検出することが可能になる。
さらに本発明では、光学素子と光検出器を光の入射方向に対して直列に積層させている。これにより、センサ部を大幅に薄型化できると同時に、光学素子と光検出器の位置合わせが非常に容易になるため、簡易な屈折率センサとすることができる。
本発明の参考例の光学素子は、周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造、より具体的には、周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造、または周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造、を有するものであり、入射する光の波長以下の微細な凹凸構造による共鳴反射を利用して、特定の波長の光を透過又は反射させるものである。
そして本発明の参考例の光学素子からなる共鳴フィルタは、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の入射光を共鳴反射させるものである。
また、本発明の参考例の光学素子からなる光学フィルタは、入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定の波長の光を透過させるものである。
本発明の参考例の光学素子からなる共鳴フィルタの共鳴反射波長は、微細な周期構造の周期(ピッチ)、周期構造の構造幅、周期構造の屈折率、周期構造の周辺の屈折率などによって決まってくる。そのため、周期構造の周期(ピッチ)、周期構造の屈折率を一定にした状態で、周期構造の構造幅を変化させる、つまり周期に対する構造幅の割合(フィルファクタ)を変化させることにより、周期構造周辺の微小な屈折率を共鳴反射する光の波長の変化として検出できる。つまり入射する光の波長を単一波長とした場合、周期構造周辺の微小な屈折率変化は、周期構造のフィルファクタの値により検知可能である。このため、微細な凹凸による周期構造のフィルファクタを空間的に変化させた構造を形成することにより、微小な屈折率の変化をフィルファクタに対応した空間的な位置として検出することが可能になる。
また、光検出器を複数の受光素子で構成し、フィルファクタの変化に対応して複数の受光素子をアレイ状に形成することにより、屈折率の変化をリアルタイムに位置の変化として検出することが可能になる。
尚、光検出器としてはライン状のCCD(charge coupled device)あるいはライン状のCMOS(complementary metal-oxide semiconductor)センサ等を用いることができる。
さらに、周期構造を含む被測定試料と光検出器を直列に積層させることにより、センサを大幅に薄型化することができる。
また、上記屈折率センサをさらに1次元もしくは2次元アレイ状にすることにより、一つの光源において複数の屈折率変化の検知・処理を一括で行うことができる。
入射光に対して共鳴反射を起こす光学素子の代表的な構造の断面図は図1に示すようになっている。
この光学素子(共鳴フィルタ)30は、基材層31、導波層32、格子層33という構成になっており、格子層33には微細な凹凸による周期構造が形成されている。そして、この格子層33の上に被測定試料層34が形成されている。図1による構成では、入射光35は被測定層側から入射している。この構造により、入射光に対して共鳴反射条件であれば反射光36が得られ、それ以外の条件ではほぼ入射光は透過光37となる。
全体にわたって、格子層33の構造周期Λは一定であり、徐々に構造幅aのみが空間的に変わっていくような構成になっている。つまり、位置によりフィルファクタF=a/Λが徐々に変化している。ここで、位置によって変化しているのはフィルファクタのみであり、周期Λ、格子層屈折率、導波層屈折率は一定である。フィルファクタを変化させたときに対する共鳴波長の変化は図5のグラフに示すような形になる。フィルファクタが0.5付近では共鳴波長の変化は少なく、0.5からずれるに従って共鳴波長の変化量は大きくなっていく。つまり空間的にフィルファクタFを変化させるように微細な凹凸による周期構造を形成しておくと、それに応じて空間的に共鳴波長が変化していく素子を作製することができる。
フィルファクタと共鳴波長、被測定試料層の屈折率と共鳴波長の変化の関係より、素子への入射光の波長λ1を固定しておくと、屈折率が変化したとき共鳴反射を起こすためのフィルファクタが変化することになる。これにより、空間的にフィルファクタを変化させた構造を作製し、ここに特定波長λ1の光を照射することにより、微小な屈折率変化を共鳴反射を起こす位置として検出することが可能になる。
さらに、CCDやCMOSセンサによる光検出器を、共鳴反射を起こす共鳴フィルタと積層させることにより、小型、薄型化した屈折率センサを作製することができる。
共鳴フィルタによる共鳴波長は入射光の角度によっても変化するため、屈折率センサの角度を微調整することにより、共鳴波長を合わせることは容易である。
本発明における屈折率センサの共鳴フィルタの基本的な構成は、図1に示すように基材層31の上に導波層32が形成され、その表面には入射光に対して共鳴反射が可能となるように周期凹凸構造が形成された格子層33がある。その上に、微細周期構造を覆うように被測定試料層34が形成されている。入射光の共鳴反射を可能とするために、周期凹凸構造の格子層材料と凹凸間に充填される被測定試料層材料の間に屈折率差が必要になる。
本実施例では、基材層31の材料として石英ガラス、その上の導波層32、格子層33に屈折率の高いTiO2を使用した。被測定試料層34がこの上に覆われるが、ここでは純水とエタノールの混合液を使用した。
屈折率センサに用いる共鳴フィルタの基本的な構成は実施例1の場合と同じである。
図12に屈折率センサの基本的な構成を示す。基材層121、導波層122、格子層123を有する共鳴フィルタ120において、実施例1で示したように、格子層の凹凸のフィルファクタが空間的に変化している。このフィルファクタの変化に対応させるように光検出器124として、複数の受光素子からなる受光素子アレイ、またはライン状のCCD、もしくはライン状のCMOSセンサを設置する。本実施例では、一例として画素サイズ20μmのライン状のCCDを使用し、フィルファクタはそれに合わせるように20μmごとに構造幅が変わるように作製した。また、構造幅の変化量は10nmごととした。このような構成にすることにより、図13に示すように共鳴反射する位置を検出できるため、屈折率の変化を高速・リアルタイムに測定することができる。
この光検出器124と、空間的にフィルファクタが変化している共鳴フィルタ120は、図12に示すように積層させるのが構成的に望ましい。これにより共鳴反射を検出する構成としても、非常に高精度で簡易なセンサとなるが、素子の小型化、薄型化が可能になるのに加えて、共鳴フィルタ120と光検出器124の位置合わせが非常に容易になるという点では、透過型の構成が有利である。
図14に示すように、実施例2で示したフィルファクタを変化させた共鳴フィルタ120と光検出器124を積層させた屈折率センサ141をアレイ状並べる。図14においては、横方向にフィルファクタの変化している屈折率センサ141があり、この屈折率センサ141を縦方向に複数並べ、1次元にアレイ化した状態である。この状態で単一波長の入射光を一様に照射すると、各屈折率センサ141における反応、変化を同時に検出することが可能になる。
まず円盤状の石英ガラス基板151を用意し、その上にTiO2薄膜152を真空蒸着法により形成する(図15(a))。成膜するTiO2の膜厚は、入射光を共鳴させるために設計され、導波層と凹凸部を含む格子層を形成するために、これら2つの層の合計の厚さになるように成膜する。ここでは、高屈折率の薄膜が必要となり、TiO2の代わりにTa2O5、HfO2などを使用しても簡易に成膜可能である。
このフォトレジスト層上に微細パターンを形成するが、本発明においては、ピッチが一定であり凹凸による周期構造のフィルファクタを空間的に変化させた構造を形成する必要がある。このため、パターン形成のためにXθ型の原盤露光装置を使用した。このXθ型の原盤露光装置は、円盤状の原盤を回転させながら、集光した露光ビームを一定方向に並進させることにより、スパイラル状の溝を形成するものである。
次にこのようにして凹凸構造が形成されたフォトレジスト層153をマスクとしてTiO2層のエッチングを所定の深さまで行う(図15(d))。エッチングは、CF4ガスによりTiO2のエッチングを所定の深さまで行い、最後に残ったフォトレジスト層の残膜を再びO2ガスにより除去する。本実施例では深さ30nmの深さにエッチングをした。このようにしてTiO2層152上に格子層154が形成される(図15(e))。
ここでは、共鳴フィルタの作製にあたってXθ型の露光装置を用いたが、XY型の露光機などでももちろん作製は可能である。
31:基材層
32:導波層
33:格子層
34:被測定試料層
35:入射光
36:反射光
37:透過光
81:基材層
82:導波層+格子層
83:被測定試料層
84:導波層の厚さ
85:格子層の深さ
86:微細構造の周期(ピッチ)
87:微細構造の構造幅
120:共鳴フィルタ
121:基材層
122:導波層
123:格子層
124:光検出器(受光素子アレイまたはライン状CCDまたはライン状CMOSセンサ)
141:屈折率センサ
151:石英ガラス
152:TiO2薄膜
153:フォトレジスト層
154:格子層
161:レーザー光源
162:光変調器
163:コントローラ
164:ミラー
165:対物レンズ
166:基板
167:スピンドル
168:並進ユニット
Claims (12)
- 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は複数の受光素子からなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて、前記受光素子をアレイ状に並べることを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器はライン状のCCDからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CCDを設置することを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、ライン状のCCDからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CCDを設置することを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、ライン状のCCDからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CCDを設置することを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器はライン状のCMOSセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CMOSセンサを設置することを特徴とする屈折率センサ。 - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が周期を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、前記光検出器はライン状のCMOSセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CMOSセンサを設置することを特徴とする屈折率センサ - 入射光の波長以下の微細な凹凸による周期構造を有し、入射光と微細な凹凸による周期構造が共鳴することにより特定の波長の光を共鳴反射させる光学素子であり、
前記周期構造が屈折率を一定にした状態で構造幅を空間的に変化させた構造の前記光学素子と、該光学素子による透過光又は反射光を検出する光検出器を備え、前記入射光が共鳴反射する位置により凹凸周辺部の屈折率を検出する屈折率センサであって、前記光検出器は、前記光検出器はライン状のCMOSセンサからなり、前記光学素子の周期構造の構造幅の変化に応じて前記CMOSセンサを設置することを特徴とする屈折率センサ。 - 請求項1〜9のいずれか一つに記載の屈折率センサにおいて、
前記光学素子と、前記光検出器を積層させることを特徴とする屈折率センサ。 - 請求項1〜10のいずれか一つに記載の屈折率センサを1次元又は2次元アレイ状に配置したことを特徴とする屈折率センサアレイ。
- 請求項11に記載の屈折率センサアレイからなることを特徴とするバイオセンサ。
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