JP5280039B2 - 表面プラズモンセンサー - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を利用して、検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーに関するものである。

近年、表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーが多く開発されている。表面プラズモンセンサーは、検出対象を含む液体または気体（以下、単に「試料」と言い、検出対象を含まない液体または気体は、試料とは呼ばないこととする。）の屈折率を検出するためのものであり、溶液の濃度測定、蛋白質・高分子の検出等に広範に用いられている。また、表面プラズモンセンサーは、試料の屈折率の時間変化を追うことにより、金属膜の該検出対象を吸着する吸着層への該検出対象の吸着過程や反応の時間変化等も検出することができる。

ここで、溶液の濃度を測定するための表面プラズモンセンサーを例として、表面プラズモンセンサーの具体的な構成について説明する。表面プラズモンセンサーは、誘電体基板上に金属膜が形成されており、該金属膜の該誘電体基板が形成されている側とは反対側の面に、検出対象、例えば所定の分子が吸着可能な吸着層が形成されており、該吸着層に対し前記分子を含む溶液を接触させることにより、該分子を該吸着層に吸着させる。そして、前記表面プラズモンセンサーは、光源から出射された光ビームを前記金属膜の前記吸着層が形成されている面とは反対側の面に照射することにより、前記溶液の屈折率を検出する。さらに、前記表面プラズモンセンサーは、前記溶液の屈折率の検出と同様に、前記分子を含まない溶媒の屈折率も検出し、前記溶媒の屈折率と前記溶液の屈折率との屈折率変化から、前記溶液の濃度を求めるものである。

前記表面プラズモンセンサーでは、前記屈折率を検出するために、表面プラズモン共鳴を利用している。表面プラズモン共鳴とは、誘電体基板上の金属膜に適切な偏光方向および入射角で光ビームを入射させた場合、該光ビームの該金属膜に平行な方向の波数と、表面プラズモンの波数とが一致すると、共鳴を起こす現象のことである。なお、表面プラズモンとは、金属表面の自由電子が、金属表面に平行な方向に振動する粗密波である。

すなわち、前記表面プラズモンセンサーでは、前記光ビームを前記金属膜に照射したとき、該光ビームが適切な入射角および偏光方向で該金属膜に入射されると、該光ビームは該金属膜上において表面プラズモンに変換される。そのため、前記光ビームの前記金属膜に対する反射率は、表面プラズモンに変換された分だけエネルギーが利用されるために小さくなる。

前記光ビームを適切な入射角および偏光方向で前記金属膜に入射した場合の入射角と反射率との関係を、横軸を入射角、縦軸を反射率としたグラフとして表現すると、反射率がある入射角で低下していることが分かる。この反射率が低下した部分を、ｄｉｐという。以下の説明においては、前記ｄｉｐにおける反射率の最小値を反射率Ｒｍｉｎとし、このときの入射角を入射角θｍｉｎとする。

すなわち、前記適切な入射角とは、前記光ビームのほとんどが前記金属膜上で表面プラズモンに変換される入射角θｍｉｎである。また、前記適切な偏光方向とは、前記誘電体基板と前記金属膜との間に形成された界面の法線と前記光ビームの光軸とを含む面を入射面とし、該入射面に対して平行な偏光方向（ｐ偏光）である。なお、前記光ビームの偏光方向が、前記入射面に対して垂直な偏光方向（ｓ偏光）では、前記表面プラズモン共鳴は起こらない。

前記表面プラズモンセンサーは、表面プラズモン共鳴を利用して入射角θｍｉｎを求めることにより、予め計算された入射角θｍｉｎと前記溶液の屈折率との関係から、該溶液の屈折率を算出することができる。

また、非特許文献１には、前記金属膜の膜厚および前記入射角θｍｉｎは、前記金属膜上に接触する媒質の屈折率に依存していると記載されている。したがって、前記入射角と前記反射率との関係は、前記金属膜上に接触する溶媒または溶液の屈折率に応じて異なる。そのため、前記表面プラズモンセンサーは、前記分子を含まない溶媒を前記金属膜に接触させた場合と、前記分子を含む溶液を前記金属膜に接触させた場合とにおける屈折率変化を検出することができる。

そして、前記表面プラズモンセンサーは、前記屈折率変化を用いて、予め計算された屈折率と前記溶液の濃度との関係から、該溶液の濃度を算出することができる。

表面プラズモンセンサーの金属膜の膜厚は、一般に、試料の正確な屈折率を検出するために、検出対象を含まない液体または気体を金属膜に接触させた場合における、光ビームの該金属膜に対する反射率Ｒｍｉｎが最も小さくなるように選択される。以下の説明においては、反射率Ｒｍｉｎが最も小さくなる金属膜の膜厚を膜厚ｄと呼ぶ。

さて、一般に物質の屈折率を測定する方法は、いくつかあり、非特許文献２などに紹介されている。

ところで、医療・バイオの分野で用いられる、蛋白質・高分子などを含む液体や気体の屈折率を測定するためには、吸収のある、すなわち消衰係数が０でない液体について、少量の試料でも測定できることが望ましい。

しかしながら、非特許文献２に開示された方法は、伝播方向の変化や偏光方向の変化から屈折率および消衰係数を求める方法であり、いずれも入射光が平行光でなければならないという問題がある。このため、試料に照射される光の面積は、少なくとも、１平方ｍｍ以上であることが必要となり、試料の屈折率および消衰係数を算出するためには、多量の試料が必要となる。すなわち、非特許文献２に開示された方法は、例えば、マイクロ流路内の液体など、少量の試料を対象とする測定には不適である。

特に、医療やバイオ等の分野においては、蛋白質や高分子等を含む試料の屈折率の測定に、表面プラズモンセンサーが用いられているが、蛋白質や高分子等を含む試料を大量に用意することは困難である。そのため、吸収がある試料の正しい屈折率を、該試料が少量であっても測定できる表面プラズモンセンサーの実現が望まれる。

以上のような問題を解決する従来技術の一例として特許文献１に開示された光吸収応答型表面プラズモンセンサー（以下、「光吸収応答型ＳＰＲ（surface plasmon resonance）センサー」と呼ぶ）がある。

この光吸収応答型ＳＰＲセンサーは、入射角θｍｉｎから屈折率を、また、反射率の変化から消衰係数を求める方法である。光吸収応答型ＳＰＲセンサーでは、表面プラズモンセンサーを用いることにより、少量の試料でも測定が可能であり、かつ小型で低コストな屈折率および消衰係数の測定装置を提供することが可能となっている。

一方、特許文献２に開示されたプラズモン発生装置は、基材の表面に負誘電率材料膜を形成し、基材界面で全反射する入射光によりプラズモンを励起し、励起されたプラズモンが負誘電率材料膜上を伝搬する構造のプラズモン発生装置において、負誘電率材料膜の厚さがプラズモン伝搬方向で変化し、励起部分では薄く、伝搬部分では厚く設定されている。

このプラズモン発生装置では、励起されるプラズモン光強度と伝搬距離が相反する関係となることを解消し、プラズモンの励起効率が高く且つ伝搬距離を長くする目的で、負誘電率材料膜の厚さを、プラズモン伝搬方向で変化し、励起部分では薄く、伝搬部分では厚く設定している。
特開２００１−２４２０７２号公報（２００１年９月７日公開） 特開２００５−９８７５６号広報（平成１７年４月１４日公開） Surface Plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Heinz Raether, Springer-Verlag, 1988 p.118〜p.123 光学的ハンドブック、田幸 敏治、辻内 順平、南 茂夫、朝倉書店 光学の原理Ｉ、マックス・ボルン、エミル・ウォルフ、東海大学出版会

しかしながら、前記特許文献１に開示された光吸収応答型ＳＰＲセンサーでは、入射角θｍｉｎから屈折率を、また、反射強度から消衰係数を求めているが、入射角θｍｉｎは、消衰係数にも依存するため、正確な屈折率を検出することができないという問題点がある。

また、消衰係数の増加に伴い、反射率Ｒｍｉｎも増加するために、ｄｉｐが判別しにくくなり、入射角θｍｉｎを検出するときのＳ／Ｎが悪化してしまうという問題点もある。このように、光吸収応答型ＳＰＲセンサーでは、吸収のある検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出する場合には、光吸収の影響を受けるために正確な屈折率を検出することができず、検出精度が悪くなってしまう。

さらに、消衰係数を算出するためには反射強度を正確に求める必要があり、ｐ偏光とｓ偏光の両方で測定するとともに、前記各偏光方向に対する透過率等を各入射角に対して補正しなければならず、作業が非常に煩雑となってしまう。

また、前記特許文献２に開示されたプラズモン発生装置では、負誘電率材料膜の膜厚が異なっている部分が存在しているが、励起されるプラズモン光強度と伝搬距離が相反する関係となることを解消し、プラズモンの励起効率が高く且つ伝搬距離を長くする目的で採用された構成であり、各金属膜からの反射光を比較して物理量の測定を行なう観点は、開示されていない。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、吸収がある検出対象の屈折率および消衰係数を、光吸収の影響を受けずに測定できる表面プラズモンセンサーを提供することである。

本発明の表面プラズモンセンサーは、前記課題を解決するために、光源から出射された光ビームの波長において透光性を有する誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体または気体を接触させた金属層と、前記光ビームの各入射角に対する上記金属膜からの反射光を検出する検出手段とを備えており、光源から出射された光ビームを該金属層の該液体または該気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、該液体または該気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーにおいて、前記金属層は、前記誘電体基板上に隣接して形成された互いに膜厚の異なる少なくとも２つの金属膜から構成され、各金属膜からの反射光を比較することを特徴としている。

ここで、光ビームを適切な入射角および偏光方向で各金属膜に入射した場合の入射角と反射率との関係を、横軸を入射角、縦軸を反射率としたグラフとして表現すると、反射率がある入射角で、急激に低下して極小となることが分かる。この反射率が低下した部分を、ｄｉｐという。以下の説明においては、前記ｄｉｐにおける反射率の最小値を反射率Ｒｍｉｎとし、このときの入射角を入射角θｍｉｎとする。

なお、反射率の最小値Ｒｍｉｎとなる入射角θｍｉｎは、検出対象を含む液体または気体（以下、必要に応じて「試料」と言う場合があるが、この場合、検出対象を含まない液体または気体は、試料とは呼ばないこととする。）の屈折率だけでなく、試料の光の吸収すなわち消衰係数（光の進行距離に対する振幅の減衰に関係する）の変化にも依存するため、検出対象やこれを含む液体または気体に吸収があると、屈折率と消衰係数を個別に求めることができないという不具合が生じる。

また、上述のように、光ビームの各金属膜に対する反射率の最小値Ｒｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎにおける光ビームの各金属膜に対する入射角θｍｉｎは、前記検出対象を含む液体または気体の屈折率および消衰係数に依存して変化する。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、互いに異なる膜厚を有する少なくとも２つの金属膜を光源から出射された光ビームの波長において透光性を有する誘電体基板上に隣接して設けており、各金属膜からの反射光を比較するものである。

従来の一般的な表面プラズモンセンサーでは、金属膜は、特定の膜厚が１種のもののみ設けられていた。また、膜厚の異なっている金属膜（負誘電率材料膜）を有するものもあるが（特許文献２参照）、各金属膜からの反射光を比較して物理量を測定するものは従来技術には存在していない。

さらに、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記光ビームの各入射角に対する上記金属膜からの反射光を検出する検出手段を備えている。それゆえ、光源から出射された光ビームを検出対象を含む液体または気体を接触させた各金属膜に照射することによって、生じた反射光を該検出手段が検出することにより、各金属膜における入射角θｍｉｎを測定することができるようになっている。

ここで、入射角θｍｉｎの前記検出対象を含む液体または気体の屈折率および消衰係数への依存性は、各金属膜の膜厚よって変化する。よって、予め膜厚の異なる各金属膜における入射角θｍｉｎと、屈折率および消衰係数との関係を調べておくことにより、前記検出対象を含む液体または気体の屈折率および消衰係数を算出することができる。

なお、金属層への入射角と、屈折率および消衰係数との関係は、フレネルの式から導出できる。ここでは、図２７に基づき、多層膜における反射率を、転送行列法を使って導く方法について説明する（非特許文献３参照）。

図２７に示すように、Ｎ層の多層膜へ、媒質０から媒質Ｎ＋１へ向かってｐ偏光の光が入射した場合を考える。多層膜の入射側からｊ番目の膜に対する転送行列は、膜厚ｄ_ｊ、この膜への入射角θ_ｊ、ならびにｊ番目の膜の屈折率ｎ_ｊおよび消衰係数ｋ_ｊを纏めた、

ここで、入射空間である媒質０における電場および磁場の大きさである、

と書ける。

これにより、入射角、試料の屈折率および消衰係数、反射率の関係がわかる。したがって、第１金属膜および第２金属膜のそれぞれが、試料の屈折率および消衰係数が変化したときに、入射角θｍｉｎがどのような依存性を持つかをあらかじめ調べておくことができる。屈折率および消衰係数が未知の試料を測定したときは、これらの結果を理論式に代入して解いてもよいし、後に、説明する図５〜７などのようなグラフをあらかじめ計算しておき、ここから求めてもよい。

以上より、簡易な構成で、吸収がある検出対象の屈折率および消衰係数を、光吸収の影響を受けずに測定できる表面プラズモンセンサーを提供することができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記各金属膜間に形成された境界線は、前記光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されていることが好ましい。

光ビームを金属膜に照射する際、互いに膜厚が異なる金属膜の各金属膜に順番に照射してもよいが、互いに膜厚が異なる金属膜に同時に照射すると、測定時間が短くなる。この際、前記各金属膜間に形成された境界線は、前記光ビームの入射角を変化させて複数の測定を行なう場合に、前記光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されているので、それぞれの金属膜に対して、最も測定範囲が広くなるようにすることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記各金属膜のうち少なくとも１つの金属膜の膜厚は、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄより薄いことが好ましい。

一般に、ある膜厚において、前記入射角θｍｉｎおよび前記反射率Ｒｍｉｎを最小とすることができる消衰係数の所定値が存在する。すなわち、前記入射角θｍｉｎおよび前記反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０から該所定値までは、単調減少し、所定値以降は、単調増加していく傾向を示す。

また、前記各金属膜のうち少なくとも１つの金属膜の膜厚を、膜厚ｄより薄くすることで、該所定値を含む充分広い所定の範囲内の消衰係数において、前記入射角θｍｉｎおよび前記反射率Ｒｍｉｎの変化を、半分程度に抑えることが可能となる。

そのため、金属膜を上記のような膜厚に設定すれば、吸収がある検出対象を用いた場合でも、前記入射角θｍｉｎは消衰係数にほとんど依存しない。したがって、従来の装置の金属膜厚を薄くするだけという簡易な構成で、光吸収の影響を受けずに吸収がある検出対象の屈折率を正確に検出することができる。

さらに、本発明の表面プラズモンセンサーは、消衰係数の増加に伴う反射率Ｒｍｉｎの変動も抑えられるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。また、入射角θｍｉｎと屈折率との関係および屈折率と濃度との関係は線形であるため、非常に単純な計算により、入射角から前記液体または前記気体の屈折率だけでなく、濃度を求めることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記各金属膜のうち少なくとも１つの金属膜の膜厚は、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄであることが好ましい。

金属膜の膜厚を膜厚ｄとした場合は、消衰係数が０のときに前記光ビームの前記金属膜に対する反射率の最小値Ｒｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎにおける前記光ビームの前記金属膜に対する入射角θｍｉｎとが最小値となる。したがって、消衰係数が０、すなわち検出対象を含む液体または気体に吸収がない場合は、反射率Ｒｍｉｎの値を最小値とすることができるため、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎを高くすることができ、測定感度を高めることができる。

また、前記検出対象やこれを含む上記液体または上記気体に吸収がない場合は、入射角θｍｉｎは消衰係数に依存して変化することが無いので、該金属膜の検出結果のみの入射角θｍｉｎの値から検出対象を含む液体または気体の正確な屈折率さらには濃度を算出することが可能となる。

なお、前記金属層が、膜厚ｄより薄い金属膜と、膜厚ｄに等しい金属膜との組合せから構成される場合、光の吸収がある試料を測定する場合においても、より正確な屈折率及びより正確な消衰係数を算出することが可能となる。なぜなら、膜厚ｄより薄い金属膜での測定結果を用いれば、消衰係数の影響を抑制して正確な屈折率を算出することができ、さらに、膜厚ｄに等しい金属膜での測定結果と、該膜厚ｄより薄い金属膜より算出した正確な屈折率とを用いて正確な消衰係数を算出することが可能となるからである。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記各金属膜は、金を主成分としていることが好ましい。

前記検出対象を含む液体または気体は、前記金属膜に直接接触する。そのため、前記金属膜は前記液体または前記気体によって化学反応を起こさない安定した金属から構成されていることが望ましい。金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。そのため、本発明の表面プラズモンセンサーの金属膜として金を用いることにより、前記検出対象を含む前記液体または前記気体によって化学反応を起こさず、該液体または該気体の屈折率を高い分解能で検出するとともに、金属膜の酸化による経時劣化を防ぐことができる。

なお、金には不純物が含まれていてもよいが、一般に不純物濃度が高くなると、反射率のｄｉｐが広くなり、検出分解能を下げることになるため、金の純度は高い方が好ましい。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記光源の波長は、６００ｎｍ〜１５５０ｎｍであることが好ましい。

金属膜上に表面プラズモンを励起させるためには、光源から出射される光ビームの波長が重要である。上述したように、前記金属膜は金から構成されていることがもっとも望ましいが、金から構成された該金属膜上に表面プラズモンを励起するためには、６００ｎｍ〜１５５０ｎｍの波長の光ビームを該金属膜に照射することが望ましい。

前記光源から約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビームを金から構成された前記金属膜に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で前記検出対象を含んだ前記液体または前記気体の屈折率を検出することができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記金属膜の膜厚と、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄとの差は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。

前記金属膜の膜厚が前記膜厚ｄである場合、前記入射角θｍｉｎおよび前記反射率Ｒｍｉｎの変化を所定の範囲内に抑えるためには、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。

また、前記金属膜の膜厚を前記膜厚ｄよりも大きく異なる値にした場合にも、該金属膜の膜厚を該膜厚ｄにした場合と同様に、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。

そこで、本発明の表面プラズモンセンサーでは、前記金属膜の膜厚と前記膜厚ｄとの差を約２０ｎｍ以下にすることにより、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を、膜厚ｄの場合よりも抑えることができる。また、反射率Ｒｍｉｎの変動も、膜厚ｄの場合よりも抑えることができるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記金属膜の膜厚と、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄとの差は、１０ｎｍ〜１５ｎｍであることが好ましい。

前記構成により、前記各金属膜のうち少なくとも１つの金属膜の膜厚は、膜厚ｄより薄く、かつ入射角と反射率との対応関係において反射率が、表面プラズモン共鳴により、所定の入射角で急激に低下して極小値をとる場合の、消衰係数の増加に対する入射角θｍｉｎの増加率が、該極小値近傍の該反射率に対する入射角の半値全幅の１／１０程度となるような消衰係数の範囲を最大限にすることができる。

そのため、前記検出対象を含んだ前記液体または前記気体の正確な屈折率が検出可能な、検出対象の消衰係数の範囲を最大限にすることができる。また、この消衰係数の範囲における反射率Ｒｍｉｎの変動も、前記金属膜の膜厚を前記膜厚ｄとした場合と比較して、半分以下に抑えられるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、前記構成に加えて、前記誘電体基板は、前記表面プラズモンセンサーから着脱可能な構成であることが好ましい。

金属膜を形成した誘電体基板が、表面プラズモンセンサーから着脱可能であることにより、検出対象に応じて金属膜を誘電体基板ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの装置を用いて、多種の検出対象の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の膜厚を有する金属膜が形成された誘電体基板と取り替えることにより、前記表面プラズモンセンサーの感度や測定範囲等を変えることができる。

本発明の表面プラズモンセンサーは、以上のように、前記金属層は、前記誘電体基板上に隣接して形成された互いに膜厚の異なる少なくとも２つの金属膜から構成され、各金属膜からの反射光を比較するものである。

それゆえ、簡易な構成で、吸収がある検出対象の屈折率および消衰係数を、光吸収の影響を受けずに測定できる表面プラズモンセンサーを提供するという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１〜図２６に基づいて説明すると以下の通りである。

〔実施の形態１〕
（表面プラズモンセンサーの全体構成）
まず、本発明の一実施形態である表面プラズモンセンサー１の全体構成について図１〜図３を参照して説明する。図１は、表面プラズモンセンサー１の全体構成の概略を示す図である。

表面プラズモンセンサー１は、図１に示すように、光源２と、コリメートレンズ３と、集光レンズ４と、プリズム（誘電体基板）５と、金属層６と、第１レンズ７と、第２レンズ８と、光検出器９と、光源駆動回路１０と、算出回路１１と、モニター１２とを備えている。なお、上記構成の他、本来、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路、及び各回路を制御するＣＰＵ（central processing unit）など（不図示）が必要であるが、本発明の目的とはあまり関係がないので、以下では、このような回路やＣＰＵなどに関する説明は省略する。

本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、試料（検出対象を含む液体または気体）１４を接触させた金属層６に対し、光源２から出射された光ビーム１３を金属層６の試料１４が接触している面とは反対側の面に照射することにより、試料１４の屈折率および消衰係数を検出するものである。なお、試料１４としては、検出対象を含む液体または気体が挙げられる。なお、以下では、検出対象を含まない液体または気体は、試料とは呼ばないこととする。

光源２は、光ビーム１３を出射するものであり、半導体レーザや発光ダイオード等が好適に用いられる。光源２から出射された光ビーム１３は、金属層６に照射されることにより、金属層６表面において表面プラズモンを励起する。ここで、光ビーム１３が複数の波長を含んでいる場合、各波長における表面プラズモンの励起条件が異なる。そのため、光ビーム１３が金属層６によって反射された反射光の入射角依存性が異なり、分析が複雑になってしまう。したがって、光源２の波長領域は、できるだけ狭いことが望ましく、単一波長であることがより好ましい。

また、光源２から出射された光ビーム１３の偏光方向は、プリズム５と金属層６との間に形成された界面の法線と、光ビーム１３の光軸を含む面とを入射面としたとき、該入射面に対して平行な偏光方向、すなわちｐ偏光が望ましい。光ビーム１３は、偏光方向をｐ偏光とすることにより、金属層６表面において表面プラズモンを励起することができる。なお、光ビーム１３の偏光方向が前記入射面に対して垂直な偏光方向、すなわちｓ偏光の場合は、光ビーム１３は金属層６表面において表面プラズモンを励起することができない。

コリメートレンズ３は、光源２から出射された光ビーム１３を平行光に変換するものである。コリメートレンズ３の焦点距離は、短ければ短いほど、光源２から出射された光ビーム１３の利用効率が上がる。

集光レンズ４は、光源２から出射された光ビーム１３を、金属層６上に集光するものである。コリメートレンズ３によって光源２から出射された光ビーム１３を平行光に変換しておくことにより、集光レンズ４は効率よく光ビーム１３を金属層６上に集光することができる。また、集光レンズ４は、位置を調整することにより、様々な入射角で光ビーム１３を金属層６へ入射することができる。

集光レンズ４としては、全方位を集光する平凸レンズ等のレンズを用いてもよいし、一方向のみ集光するシリンドリカルレンズ等のレンズを用いてもよい。集光レンズ４として全方位を集光するレンズを用いた場合は、金属層６への入射角が複雑となるが、照射面積を小さくすることができる。そのため、全方位を集光するレンズを用いた表面プラズモンセンサー１は、試料１４の局所的な情報を得ることが可能となる。

また、集光レンズ４として一方向のみ集光するレンズを用いた場合は、集光しない方向は元のビームサイズのままであるため、金属層６への入射角は集光した方向にのみ依存する。そのため、一方向のみを集光するレンズを用いた表面プラズモンセンサー１は、試料１４の解析が容易となるとともに、光ビーム１３の照射面積を大きくできるため、試料１４の全体的な情報を得ることができる。

金属層６への入射角の角度範囲は、集光レンズ４の開口数で決まるが、金属層６上で表面プラズモンが励起される角度が含まれるように決定する必要がある。さらに、金属層６への入射角の範囲を、全ての光ビーム１３が全反射するような範囲にすることも好ましい。なお、コリメートレンズ３および集光レンズ４は、それぞれ一度平行光にしてから集光する構成にしているが、有限系のレンズ１つで代用してもよい。

プリズム５は、透光性を有する誘電体基板であり、光源２から出射された光ビーム１３を通過させることにより、任意の入射角で光ビーム１３を金属層６に照射し、金属層６表面に表面プラズモンを励起するものである。プリズム５を構成する材料としては、光源２の波長を透過でき、金属層６上に表面プラズモンを励起できる材料であれば特に限定されないが、ガラスや樹脂等が好適に用いられる。光源２から出射された光ビーム１３の波長が赤外の場合は、プリズム５を構成する材料としてシリコンを用いてもよい。

金属層６表面に表面プラズモンを効率よく励起するためには、光ビーム１３を入射角が約４５度で金属層６に照射することが望ましい。しかしながら、光ビーム１３をプリズム５ではなく平行基板を介して、約４５度の入射角で金属層６に入射させることは困難である。そのため、本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、プリズム５を用いることにより、金属層６に入射角約４５度で光ビーム１３を照射している。

プリズム５としては、図１においては三角プリズムが用いられているが、台形、楔形、半円柱型、および半球型プリズム等も好適に用いられる。例えば、プリズム５として半円柱型や半球型プリズムを用いた場合は、半円柱および半球の中心に向かって光ビーム１３を入射すると、プリズムの入射面への入射角がほぼ直角であるために、該入射面における反射率が小さくなり、光の利用効率が高くなる。

また、プリズム５として三角プリズムを用いた場合は、入射面での屈折により、プリズムへの入射角と金属層６への入射角とが異なるが、半円柱型プリズムに比べ安価であるために、一般的に利用されている。プリズム５は、上述した構成に限られず、金属層６に適切な角度で入射できればよいため、他の形状でもよいし、導波路でもよい。

金属層６は、光源２から照射された光ビーム１３により、表面プラズモンを発生させるものであり、互いに膜厚の異なる第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂから構成されている。表面プラズモンセンサー１では、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂを備えることにより、試料１４の屈折率および消衰係数を算出することができる。なお、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定方法および試料１４の屈折率および消衰係数を算出方法については、後述するのでここでは説明は省略する。

金属層６は、スパッタや蒸着等により形成することができ、プリズム５の所定の一面上に直接形成されていてもよいし、プリズム５と同程度の屈折率を有した誘電体基板上に形成し、前記誘電体基板の金属層６が形成されている側とは反対側の面をプリズム５の所定の一面上にインデックスマッチング剤を挟んでのせてもよい。前記インデックスマッチング剤としては、市販されている液体やジェル等を用いてもよいし、ＵＶ硬化樹脂を用いてもよい。ただし、金属層６が形成された前記誘電体基板が傾くと、入射角の誤差が生じるため、該誘電体基板をプリズム５上に安定して固定可能なインデックスマッチング剤を用いる必要がある。また、前記誘電体基板またはプリズム５との密着性の向上や、金属層６の面精度を上げるために、前記誘電体基板またはプリズム５と金属層６との間に下地層を設けてもよい。

また、金属層６が形成された前記誘電体基板をプリズム５に対して着脱可能にしておくことにより、検出対象に応じて金属膜を誘電体基板ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの装置を用いて、多種の試料１４の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の膜厚を有する金属層６が形成された誘電体基板と取り替えることにより、表面プラズモンセンサー１の感度や測定範囲等を変えることができる。

なお、プリズム５の所定の一面上とは、プリズム５が図１に示す三角プリズムの場合は三角形の底辺を含む面であり、プリズム５が半円柱型または半球型プリズムの場合は半円柱または半球型の中心を含む面であり、プリズム５によって光ビーム１３を入射角約４５度で金属層６に入射可能な面である。

また、金属層６表面にさらに特定の分子を吸着できる吸着層を設け、試料１４中の特定の分子を検出する構成としてもよい。試料１４には、検出対象以外の物質が混入している可能性がある。その場合、表面プラズモンセンサー１によって試料１４の屈折率を検出すると、前記検出対象および前記物質が含まれた濃度が検出されてしまう。そこで、金属層６に前記吸着層を設けることにより、検出対象のみを吸着することができ、該検出対象のみの屈折率および消衰係数を知ることが可能となる。

金属層６を構成する材料としては、表面プラズモンを励起可能な金属または合金であればよく、例えば、銀、銅、アルミニウム、白金、金等が好適に用いられる。金属層６は、試料１４に直接接触するために、試料１４によって化学反応を起こさない安定した金属から構成されていることが望ましい。

上述した金属のうち、金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。そのため、表面プラズモンセンサー１の金属膜として、金は最も好適に用いられる。金属層６として金を用いることにより、試料１４によって化学反応を起こさず、高い分解能で屈折率を検出することができるとともに、金属膜の酸化による経時劣化を防ぐことができる。

なお、金には不純物が含まれていてもよいが、一般に不純物濃度が高くなると、反射率のｄｉｐが広くなり、検出分解能を下げることになるため、金の純度は高い方が好ましい。

金属層６が金から構成されている場合、金属層６上に表面プラズモンを励起するためには、約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビーム１３を金属層６に照射することが望ましい。光源２から約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビーム１３を金から構成された金属層６に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で試料１４の屈折率を検出することができる。

また、金属層６の膜厚は、非特許文献１に示すように、主に４つの要素、すなわちプリズム５、金属層６および試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率および消衰係数と光源２の波長とにより、表面プラズモンを励起するための膜厚ｄが決定され、通常、数１０ｎｍ程度である。ただし、本発明においては、金属層６は互いに膜厚が異なる金属膜からなることが特徴であり、この詳細については後述する。

また、表面プラズモンセンサー１では、各金属膜間に形成された境界線は、光ビームの入射角を変化させて複数の測定を行なう場合に、光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されていることが好ましい。

光ビームを金属膜に照射する際、互いに膜厚が異なる金属膜の各金属膜に順番に照射してもよいが、互いに膜厚が異なる金属膜に同時に照射すると、測定時間が短くなる。この際、前記各金属膜間に形成された境界線は、光ビームの入射角を変化させて複数の測定を行なう場合に、光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されているので、それぞれの金属膜に対して、最も測定範囲が広くなるようにすることができる。

第１レンズ７および第２レンズ８は、プリズム５と金属層６との間に形成された界面において反射した光ビーム１３を、光検出器９へ集光させて入射させるためのものである。第１レンズ７および第２レンズ８は、前記界面からの反射光を一度平行光にしてから光検出器９に集光する構成であるが、本発明はこれに限られず、１つの有限系のレンズを用いてもかまわない。

光検出器９は、プリズム５と金属層６との間に形成された界面において光ビーム１３が反射した反射光強度を検出するものである。光検出器９としては、ＣＣＤ（charge-coupled device）若しくはＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）、またはアレイ状検出器を用いることにより、反射光を一度に取り込むことが好ましい。特に、光検出器９としてＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いれば、光ビーム１３のどの光線を測定に用いるかを選択することができる。

光源駆動回路１０は、光源２を駆動するものであり、図示しない電源から電圧の供給を受けて光源２に電流を流すことにより、光源２を駆動する。なお、光源２の破壊を防ぐために、光源駆動回路１０には光源２に流す電流値に上限値を設けておくことが好ましい。

算出回路１１は、光検出器９の検出結果から試料１４の屈折率および消衰係数を算出するものである。具体的には、算出回路１１は、光検出器９で検出された光ビーム１３の反射光強度から、光ビーム１３の金属層６への入射角θｍｉｎを算出する。そして、算出回路１１は、予め入力された入射角θｍｉｎと屈折率および消衰係数との関係から、算出された前記入射角θｍｉｎに対応する屈折率および消衰係数を算出する。

また、算出回路１１は、表面プラズモンセンサー１による検出結果を記憶する記憶部を備えていてもよい。算出回路１１としては、ＬＳＩ（large-scale integration）やＩＣ（integrated circuit）などの半導体チップや、これらを複合化したコンピュータ等が好適に用いられる。

モニター１２は、算出回路１１に記憶された測定結果や、該測定結果から算出した正確な屈折率および消衰係数の種々の結果を表示するものである。

モニター１２としては、例えば、ＣＲＴ（cathode-ray tube）や液晶ディスプレイ等が好適に用いられる。

次に、本実施形態の表面プラズモンセンサー１を用いて、試料１４の屈折率および消衰係数を検出する方法について図１〜図３を参照して説明する。図２は、表面プラズモンセンサー１の金属層６に対する試料１４の接触方法の一例を示す図である。図３は、表面プラズモンセンサー１の金属層６に対する試料１４の接触方法の他の一例を示す図である。なお、試料１４は、表面プラズモンセンサー１によって屈折率を検出する対象であり、検出対象を含んだ液体または気体である。

まず、本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、試料１４の屈折率の検出を行うために、試料１４を金属層６表面に接触させる。例えば、試料１４として液体を用いた場合には、図２に示すように、金属層６のプリズム５が設けられている側とは反対側の面に液滴として接触させる。また、例えば、試料１４として液体または気体を用いた場合には、図３に示すように、金属層６表面に設けられたマイクロ流路１５に液体または気体を流して接触させる。試料１４を金属層６表面に接触させる方法としては、上述した方法に限られず、試料１４が金属層６表面に接触可能な構成であれば構わない。

そして、試料１４を金属層６表面に接触させた後、図１に示すように、光源２から光ビーム１３が出射される。そして、光ビーム１３は、コリメートレンズ３によって平行光に変換され、集光レンズ４によって様々な入射角で、プリズム５を介してプリズム５と金属層６との間に形成された界面に対して金属層６にｐ偏光で照射される。そして、光ビーム１３は、金属層６で反射され、その反射光は第１レンズ７および第２レンズ８を介して光検出器９へ集光される。そして、光検出器９へ集光された反射光の反射光強度の入射角依存性の測定を行い、モニター１２に表示する。なお、本願では、金属層６は、少なくとも２つの金属膜からなるため、反射光の分析は、それぞれの金属膜に分けて行われる。

さらに算出回路１１は、光検出器９で検出された光ビーム１３の反射光強度から、それぞれの金属膜における入射角θｍｉｎを算出する。そして、予め入力された入射角θｍｉｎと屈折率および消衰係数との関係から、算出された入射角θｍｉｎに対応する試料１４の屈折率および消衰係数を算出する。さらに、算出回路１１は、予め屈折率または消衰係数と濃度との関係を入力しておくことにより、算出された前記屈折率に対応する試料１４の濃度を算出することもできる。

（第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定）
上述したように、表面プラズモンセンサー１では、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂは、互いに膜厚が異なっており、プリズム５の所定の一面上に隣接して形成されている。表面プラズモンセンサー１では、前記構成により、試料１４の屈折率および消衰係数を算出することができる。まず、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂを備えることにより、試料１４の屈折率および消衰係数を算出する方法について以下に説明する。

光ビーム１３の第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂに対する反射率の最小値Ｒｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎにおける光ビーム１３の第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂに対する入射角θｍｉｎは、試料１４の屈折率および消衰係数に依存して変化する。さらに、入射角θｍｉｎの試料１４の屈折率および消衰係数への依存性は、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚よって変化する。

そのため、光源２から出射された光ビーム１３を、試料１４を接触させた第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂに照射することにより、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂにおける入射角θｍｉｎを測定することができる。

ここで、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂにおける入射角θｍｉｎと、屈折率および消衰係数との関係を予め調べておくことにより、試料１４の屈折率および消衰係数を算出することができる。

なお、金属層への入射角と、屈折率および消衰係数との関係は、フレネルの式から導出できる。ここでは、図２７に基づき、多層膜における反射率を、転送行列法を使って導く方法について説明する（非特許文献３参照）。

図２７に示すように、Ｎ層の多層膜へ、媒質０から媒質Ｎ＋１へ向かってｐ偏光の光が入射した場合を考える。多層膜の入射側からｊ番目の膜に対する転送行列は、膜厚ｄ_ｊ、この膜への入射角θ_ｊ、ならびにｊ番目の膜の屈折率ｎ_ｊおよび消衰係数ｋ_ｊを纏めた、

ここで、入射空間である媒質０における電場および磁場の大きさである、

と書ける。

これにより、入射角、試料１４の屈折率および消衰係数、反射率の関係がわかる。したがって、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂのそれぞれが、試料１４の屈折率および消衰係数が変化したときに、入射角θｍｉｎがどのような依存性を持つかをあらかじめ調べておくことができる。屈折率および消衰係数が未知の試料１４を測定したときは、これらの結果を理論式に代入して解いてもよいし、後に、説明する図５〜７などのようなグラフをあらかじめ計算しておき、ここから求めてもよい。

なお、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚は、反射率Ｒｍｉｎおよび入射角θｍｉｎを測定するために、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂに照射された光ビーム１３の少なくとも一部を表面プラズモンに変換可能に設定されている必要がある。

次に、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定方法について、図４〜図１６を参照して説明する。第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚は、上述したように、４つの要素、すなわち、プリズム５、金属層６、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率、および光源２の波長により、種々の膜厚を選択することができる。以下に、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定に用いられる前記各要素の取り得る値について、代表的な例を説明する。

プリズム５の屈折率としては、一般にプリズムに用いられる石英の屈折率１．４６と、高屈折率な屈折率２．０とを用いる。なお、プリズム５の材料としては、石英だけでなくガラスも好適に用いられるが、一般的なガラスの屈折率は約１．５であり、石英の場合とほぼ同様の結果となる。

第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの屈折率は、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂを構成する材料に依存しており、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂを構成する材料は、上述したように種々の材料が考えられる。ただし、以下の説明においては、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの材料としてＡｕ（金）を用いる。

試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率としては、試料１４が検出対象を含む液体である場合と、検出対象を含む気体である場合が考えられる。そのため、試料１４が検出対象を含む液体である場合、検出対象を水に溶かして濃度を測定することを想定し、検出対象を溶かす前の溶媒、すなわち水の屈折率１．３３を用いる。また、試料１４が検出対象を含む気体である場合、検出対象を空気または真空中に溶かして濃度を想定することを想定し、検出対象を溶かす前の屈折率１．０を用いる。

第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂを構成する材料をＡｕとした場合、光源２の波長としては、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂ上に表面プラズモンを励起するのに適した赤色から赤外域が用いられる。具体的に、以下の説明においては、半導体レーザの波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザの波長１０５４ｎｍを用いる。

以下に、前記４つの要素を組み合わせた場合における第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定について第１実施例〜第３実施例を挙げて説明する。ただし、プリズム５を石英、試料１４を液体とすると、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂにおいて表面プラズモンをほとんど励起することができないため、この構成は除外した。

〔第１実施例〕
まず、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定の第１実施例について図４〜７を参照して説明する。本実施例では、前記４つの要素として、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を選択した場合における第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定について説明する。

まず、前記４つの要素で消衰係数を０とした場合の光源２の各波長における、光ビーム１３の第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂに対する入射角と反射率との関係について図４を参照して説明する。図４は、前記４つの要素で消衰係数を０とした場合における、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの光ビーム１３の金属層６に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。なお、図中の点線は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。

また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長における金属層６の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合は金属層６の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合は金属層６の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合は金属層６の膜厚を３５ｎｍとしている。

光ビーム１３の各波長における反射率が落ちるｄｉｐの半値全幅は、図４に示すように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍのとき約３．４度、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍのとき約０．８度、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍのとき約０．５度であることが分かる。

ここで、「ｄｉｐの半値全幅」とは、入射角と反射率との対応関係において反射率が、表面プラズモン共鳴により、所定の入射角で急激に低下して極小値をとる場合の、該極小値近傍の該反射率に対する入射角の半値全幅のことである。

次に、試料１４の光吸収を考慮し、消衰係数を０から増加させた場合において、光源２の各波長における金属層６の膜厚の選定について説明する。

〔波長６３５ｎｍ〕
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、Ａｕ膜の膜厚を３０ｎｍ、３５ｎｍ、および５０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図５（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚３０ｎｍ、破線が膜厚３５ｎｍ、実線が膜厚５０ｎｍを示す。

Ａｕ膜の膜厚が光ビーム１３の波長６３５ｎｍの膜厚ｄである５０ｎｍの場合、図５（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０９まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．７度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約３．４度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．３４４として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図５（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、Ａｕ膜の膜厚が３５ｎｍの場合、図５（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０９まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．４度増加する。これは、上述したｄｉｐの半値全幅（約３．４度）の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図５（ｂ）に示すように、５０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。

また、Ａｕ膜の膜厚が３０ｎｍの場合、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである５０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、Ａｕ膜の膜厚を膜厚ｄである５０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０５の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、Ａｕ膜の膜厚を３５ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、Ａｕ膜の膜厚を３０ｎｍまで薄くしてしまうと、Ａｕ膜の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合におけるＡｕ膜の膜厚は、Ａｕ膜の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約２０ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、Ａｕ膜の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

すなわち、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、第１金属膜６ａの膜厚を膜厚ｄとし、第２金属膜６ｂの膜厚を膜厚ｄよりも０ｎｍを超え、かつ約２０ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂから屈折率と消衰係数とをそれぞれ算出することができる。

〔波長７８０ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を３０ｎｍ、３５ｎｍ、および４５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図６を参照して説明する。図６（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図６（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚３０ｎｍの場合、破線が膜厚３５ｎｍの場合、実線が膜厚４５ｎｍの場合を示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４５ｎｍの場合、図６（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０２５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．１６度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．８度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．３３４として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図６（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が３５ｎｍの場合、図６（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０２５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０８度増加する。これは、上述したｄｉｐ（約０．８度）の半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。反射率Ｒｍｉｎの値も、図５（ｂ）に示すように、４５ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が３０ｎｍの場合、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである４５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０１８の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を３５ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を３０ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１５ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔波長１０５４ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を２２．５ｎｍ、２５ｎｍ、および３５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図７を参照して説明する。図７（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図７（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚２２．５ｎｍの場合、破線が膜厚２５ｎｍの場合、実線が膜厚３５ｎｍの場合を示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである３５ｎｍの場合、図７（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０２まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０９度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．５度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．３３２として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図７（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が２５ｎｍの場合、消衰係数が０から０．０２まで増えたときの入射角θｍｉｎの増加分は約０．０５度である。これは、ｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、消衰係数が増えたときの反射率Ｒｍｉｎも、３５ｎｍの場合に比べて半分以下の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が２２．５ｎｍの場合、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである３５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである３５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０１２の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を２５ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を２２．５ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１２．５ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔第２実施例〕
次に、金属層６の膜厚の選定の第２実施例について図８〜１１を参照して説明する。本実施例では、前記４つの要素として、金属層６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における金属層６の膜厚の選定について説明する。

まず、前記４つの要素で消衰係数を０とした場合の光源２の各波長における、光ビーム１３の金属層６に対する入射角と反射率との関係について図８を参照して説明する。図８は、前記４つの要素で消衰係数を０とした場合における、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの光ビーム１３の金属層６に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。なお、図中の点線は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。

また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長における金属層６の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合は金属層６の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合は金属層６の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合は金属層６の膜厚を４０ｎｍとしている。

光ビーム１３の各波長における反射率が落ちるｄｉｐの半値全幅は、図８に示すように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍのとき約１．２度、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍのとき約０．３度、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍのとき約０．１２度であることが分かる。

次に、試料１４の光吸収を考慮し、消衰係数を０から増加させた場合において、光源２の各波長における金属層６の膜厚の選定について説明する。

〔波長６３５ｎｍ〕
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を３３．５ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して説明する。図９（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図９（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚３３．５ｎｍ、破線が膜厚４０ｎｍ、実線が膜厚５０ｎｍを示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長６３５ｎｍの膜厚ｄである５０ｎｍの場合、図９（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３５まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．２度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約１．２度）の１／６程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００３として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図９（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が４０ｎｍの場合、図９（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３５まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．１３度増加する。これは、上述したｄｉｐの半値全幅（約１．２度）の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図９（ｂ）に示すように、５０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が３３．５ｎｍの場合、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである５０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである５０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０２４の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を４０ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を３３．５ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１６．５ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔波長７８０ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を２６．５ｎｍ、３０ｎｍ、４５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図１０（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚２６．５ｎｍの場合、破線が膜厚３０ｎｍの場合、実線が膜厚４５ｎｍの場合を示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４５ｎｍの場合、図１０（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１８まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０７度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．３度）の１／３程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００２として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１０（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が３０ｎｍの場合、図１０（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１８まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０４度増加する。これは、上述したｄｉｐ（約０．３度）の半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。反射率Ｒｍｉｎの値も、図１０（ｂ）に示すように、４５ｎｍの場合に比べて１／３程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が２６．５ｎｍの場合、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである４５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０１の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を３０ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を２６．５ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１８．５ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔波長１０５４ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を２２ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１１を参照して説明する。図１１（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図１１（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚２２ｎｍの場合、破線が膜厚２５ｎｍの場合、実線が膜厚４０ｎｍの場合を示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４０ｎｍの場合、図１１（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．００７まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０３度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．１２度）の１／４程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００１として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１１（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が２５ｎｍの場合、消衰係数が０から０．００７まで増えたときの入射角θｍｉｎの増加分は約０．０１５度である。これは、ｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、消衰係数が増えたときの反射率Ｒｍｉｎも、３５ｎｍの場合に比べて１／３程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が２２ｎｍの場合、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである４０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．００３の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を２５ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を２２ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１８ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔第３実施例〕
次に、金属層６の膜厚の選定の第３実施例について図１２〜１５を参照して説明する。本実施例では、前記４つの要素として、金属層６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として１．４６を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における金属層６の膜厚の選定について説明する。

まず、前記４つの要素で消衰係数を０とした場合の光源２の各波長における、光ビーム１３の金属層６に対する入射角と反射率との関係について図１２を参照して説明する。図１２は、前記４つの要素で消衰係数を０とした場合における、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビーム１３の金属層６に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。なお、図中の点線は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。

また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長における金属層６の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合は金属層６の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合は金属層６の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合は金属層６の膜厚を４０ｎｍとしている。

光ビーム１３の各波長における反射率が落ちるｄｉｐの半値全幅は、図１２に示すように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍのとき約２．１度、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍのとき約０．４度、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍのとき約０．１８度であることが分かる。

次に、試料１４の光吸収を考慮し、消衰係数を０から増加させた場合において、光源２の各波長における金属層６の膜厚の選定について説明する。

〔波長６３５ｎｍ〕
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を３３ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１３（ａ）および図１３（ｂ）を参照して説明する。図１３（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図１３（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚３３ｎｍ、破線が膜厚４０ｎｍ、実線が膜厚５０ｎｍを示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長６３５ｎｍの膜厚ｄである５０ｎｍの場合、図１３（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３２まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．３３度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約２．１度）の１／６程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００５として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１３（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が４０ｎｍの場合、図１３（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３２まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．２度増加する。これは、上述したｄｉｐの半値全幅（約２．１度）の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１３（ｂ）に示すように、５０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が３３ｎｍの場合、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである５０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである５０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０２４の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を４０ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を３３ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１７ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔波長７８０ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を２７ｎｍ、３０ｎｍ、４５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１４を参照して説明する。図１４（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図１４（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚２７ｎｍの場合、破線が膜厚３０ｎｍの場合、実線が膜厚４５ｎｍの場合を示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４５ｎｍの場合、図１４（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０８度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．４度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００１５として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１４（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が３０ｎｍの場合、図１４（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０４度増加する。これは、上述したｄｉｐ（約０．４度）の半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。反射率Ｒｍｉｎの値も、図１４（ｂ）に示すように、４５ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が２７ｎｍの場合、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである４５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．００８の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を３０ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を２７ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１８ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

〔波長１０５４ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、金属層６の膜厚を２１ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１５を参照して説明する。図１５（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）であり、図１５（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図（グラフ）である。なお、点線が膜厚２１ｎｍの場合、破線が膜厚２５ｎｍの場合、実線が膜厚４０ｎｍの場合を示す。

金属層６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４０ｎｍの場合、図１５（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．００７まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０５度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．１８度）の１／４程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００１として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１５（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。

また、金属層６の膜厚が２５ｎｍの場合、消衰係数が０から０．００７まで増えたときの入射角θｍｉｎの増加分は約０．０２度である。これは、ｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、消衰係数が増えたときの反射率Ｒｍｉｎも、４０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。

また、金属層６の膜厚が２１ｎｍの場合、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。

以上のことから、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、金属層６の膜厚を膜厚ｄである４０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．００３の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属層６の膜厚を２５ｎｍ、すなわち前記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属層６の膜厚を２１ｎｍまで薄くしてしまうと、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。

したがって、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合における金属層６の膜厚は、金属層６の膜厚ｄに対して、０ｎｍを超え、かつ約１９ｎｍ以下の範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属層６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属層６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。

前記第１実施例〜前記第３実施例に示したように、金属層６の膜厚を膜厚ｄ、すなわち、消衰係数が０の状態で表面プラズモン共鳴を起こす膜厚とした場合は、消衰係数が０のときに入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが最小値となる。すなわち、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０のとき最小値となり、消衰係数の増加に伴い単調増加していく。そのため、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎの変化を所定の範囲内に抑えるためには、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。

そこで、表面プラズモンセンサー１では、金属層６の膜厚を膜厚ｄよりも薄くすることにより、所定の消衰係数の値で入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎを最小とすることができる。すなわち、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０から所定値までで一度減少し、所定値以降で増加していく。そのため、金属層６の膜厚を膜厚ｄとする場合と比較して、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎの変化を半分程度にすることができる。

このとき、金属層６の膜厚の下限値は、入射角θｍｉｎが金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合の入射角θｍｉｎと同じになる膜厚である。すなわち、上述した本発明の効果は、金属層６の膜厚を下限値から膜厚ｄまでの範囲内とすることにより、得ることができる。金属層６の膜厚の選定方法における前記第１実施例〜前記第３実施例の結果に基づいて、金属層６の膜厚ｄ、推奨膜厚、下限値を下記表にまとめる。（単位はすべてｎｍ）

前記表１から、金属層６の膜厚が膜厚ｄより約２０ｎｍ薄い膜厚から膜厚ｄまでの範囲内であれば、本発明の効果を得られることが分かる。このように、金属層６の膜厚と膜厚ｄとの差を約２０ｎｍ以下にすることにより、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を、膜厚ｄの場合よりも抑えることができる。また、反射率Ｒｍｉｎの変動も、膜厚ｄの場合よりも抑えることができるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。

また、金属層６の膜厚を膜厚ｄより１０ｎｍ〜１５ｎｍの範囲で薄くすることにより、推奨値の範囲となることが分かる。これにより、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を十分に小さく、例えばｄｉｐの１／１０程度にまで抑えること可能である。そのため、試料１４の正確な屈折率が検出可能な、検出対象の消衰係数の範囲を最大限にすることができる。また、この消衰係数の範囲における反射率Ｒｍｉｎの変動も、金属層６の膜厚を膜厚ｄとした場合と比較して、半分以下に抑えられるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。

したがって、金属層６の膜厚を膜厚ｄより薄い膜厚とすることにより、試料１４に吸収がある場合でも、入射角θｍｉｎの変化は試料１４の屈折率のみに依存する。そのため、算出回路１１は、予め入力された入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係から、入射角θｍｉｎに対応した正確な屈折率、さらには濃度を算出することができる。

ここで、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎと、屈折率との関係について図１６を参照して説明する。図１６（ａ）は金属層６の材料としてＡｕを、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係をプロットした図（グラフ）であり、図１６（ｂ）は金属層６の材料としてＡｕを、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、反射率Ｒｍｉｎと試料１４の屈折率との関係をプロットした図（グラフ）である。

図１６（ａ）のグラフから、入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係はほぼ線形であることが分かる。また、金属層６の材料、プリズム５の屈折率および試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として他の組合せを用いた場合であっても、図１６（ａ）に示したグラフと同様に線形となる。したがって、算出回路１１は、入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係を予め計算しておくことにより、線形近似することによって、非常に単純な計算で入射角θｍｉｎから試料１４の屈折率を算出することができる。また、試料１４の屈折率と濃度との関係もほぼ線形であるために、入射角θｍｉｎと屈折率との関係と同様に、単純な計算で濃度も算出することが可能である。

また、図１６（ｂ）のグラフから、試料１４の屈折率は反射率Ｒｍｉｎに依存していないことが分かる。そのため、試料１４の屈折率は、入射角θｍｉｎのみに基づいて算出することができる。

なお、試料１４の屈折率の検出における誤差をさらに少なくするためには、金属層６の膜厚を試料１４の消衰係数の範囲に応じて選択することが望ましい。具体的には、試料１４の消衰係数が前記第１実施例〜前記第３実施例において述べた範囲よりも小さい場合には、より膜厚ｄに近い膜厚とする。

また、前記説明においては、入射角θｍｉｎの変化がｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であれば、検出できない範囲の角度シフトであると説明したが、表面プラズモンセンサー１の検出感度が高くなるに伴い、金属層６の膜厚を膜厚ｄにより近い膜厚にすることが望ましい。

また、金属層６の膜厚の選定方法における前記第１実施例〜前記第３実施例では、金属層６の材料としてＡｕを用いて説明しているが、本発明の原理は金属層６がＡｕから構成されている場合に限られず、金属層６が他の材料から構成されている場合であっても適用することができる。また、プリズム５および試料１４についても、金属層６と同様であり、プリズム５および試料１４が上述した材料以外から構成されていたとしても、本発明の原理を適用することが可能である。

また、試料１４である、検出対象を含まない液体または気体自体にもともと吸収がある場合でも、検出対象に吸収があり、該検出対象を含む液体または気体の濃度を濃くしたときに試料１４の消衰係数が増加すれば、本発明の原理と同様である。

なお、金属層６が、膜厚ｄより薄い金属膜と、膜厚ｄに等しい金属膜との組合せから構成される場合、光の吸収がある試料を測定する場合においても、より正確な屈折率及びより正確な消衰係数を算出することが可能となる。なぜなら、膜厚ｄより薄い金属膜での測定結果を用いれば、消衰係数の影響を抑制して正確な屈折率を算出することができ、さらに、膜厚ｄに等しい金属膜での測定結果と、膜厚ｄより薄い金属膜より算出した正確な屈折率とを用いて正確な消衰係数を算出することが可能となるからである。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図１７〜図２６に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、実施の形態１の表面プラズモンセンサー１と同一の構成であるが、実施の形態１の表面プラズモンセンサー１では第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚はどちらも表面プラズモンが励起される膜厚であるのに対し、本実施形態では第１金属膜６ａの膜厚を膜厚ｄとし、第２金属膜６ｂの膜厚を表面プラズモンが励起されない膜厚としている。

本実施形態の表面プラズモンセンサー１では、前記構成により、第１金属膜６ａからの反射光を第２金属膜６ｂからの反射光で規格化することで、バックグラウンドノイズに影響されないようにすることができる。その原理について、図２６を参照して説明する。

図２６は、実施の形態２の表面プラズモンセンサー１における、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂからの反射光の強度分布と、第１金属膜６ａからの反射光を第２金属膜６ｂからの反射光で規格した場合の強度分布を示す図（グラフ）である。

なお、破線ａは第２金属膜６ｂからの反射光の強度分布を示しており、実線ｂは第１金属膜６ａからの反射光の強度分布を示しており、実線ｃは第１金属膜６ａからの反射光を第２金属膜６ｂからの反射光で規格化した場合の強度分布を示している。具体的な規格化の方法については、後に説明する。

第２金属膜６ｂからの反射光の強度分布は、図１７の破線ａに示すように、光源２自身の強度分布であるガウス分布となるが、レンズやプリズム５の光学部品に付着したごみ等により、不均一な強度分布となっている。

また、第１金属膜６ａからの反射光の強度分布は、図１７の実線ｂに示すように、所定の入射角で表面プラズモンが励起されるため、表面プラズモンの励起された角度で鋭い吸収が起きたことを示している。

したがって、第１金属膜６ａからの反射光を、第２金属膜６ｂからの反射光によって規格化することにより、図１７の実線ｃに示すように、破線ａのガウス分布やゴミなどの不均一さを除くことができる。ただし、第２金属膜６ｂでの反射率が１でない場合は、これを補正することが好ましい。

次に、第２金属膜６ｂの膜厚の選定方法について、図１７〜図２５を参照して説明する。第２金属膜６ｂの膜厚は、上述したように、４つの要素、すなわちプリズム５、金属層６、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率、および光源２の波長により、種々の膜厚を選択することができる。第２金属膜６ｂの膜厚の選定に用いられる前記各要素の取り得る値についての代表的な例は、第１実施形態で説明した値と同一であるので、ここでは説明を省略する。なお、以下の説明においては、第２金属膜６ｂの材料としてＡｕを用いる。

以下に、前記４つの要素を組み合わせた場合における第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂの膜厚の選定について第１実施例〜第３実施例を挙げて説明する。ただし、プリズム５を石英、試料１４を液体とすると、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂにおいて表面プラズモンをほとんど励起することができないため、この構成は除外した。

第２金属膜６ｂの膜厚の選定方法としては、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、光ビーム１３を第２金属膜６ｂに照射したとき、光ビーム１３の第２金属膜６ｂに対する反射率が１となる膜厚以上とすることにより可能である。

（第１実施例）
まず、第２金属膜６ｂの膜厚の選定の第１実施例について図１７〜図１９を参照して説明する。本実施例では、前記４つの要素として、第２金属膜６ｂの材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として１．４６を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における第２金属膜６ｂの膜厚の選定について説明する。

（波長６３５ｎｍ）
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、および１７０ｎｍとしたときの光ビーム１３の入射角と反射率との関係について図１７を参照して説明する。図１７は前記４つの要件で、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長６３５ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図１７に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１７０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１７０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（波長７８０ｎｍ）
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、および１５０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図１８を参照して説明する。図１８は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図１８に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１５０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１５０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（波長１０５４ｎｍ）
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、および１３０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図１９を参照して説明する。図１９は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図１９に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１３０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１３０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（第２実施例）
次に、第２金属膜６ｂの膜厚の選定の第２実施例について図２０〜２２を参照して説明する。本実施例では、前記４つの要素として、第２金属膜６ｂの材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における第２金属膜６ｂの膜厚の選定について説明する。

（波長６３０ｎｍ）
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、および１５０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図２０を参照して説明する。図２０は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図２０に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１５０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１５０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（波長７８０ｎｍ）
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍ、および１３０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図２１を参照して説明する。図２１は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図２１に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１３０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１３０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（波長１０５４ｎｍ）
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、および１３０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図２２を参照して説明する。図２２は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図２２に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１３０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１３０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（第３実施例）
次に、第２金属膜６ｂの膜厚の選定の第３実施例について図２３〜２５を参照して説明する。本実施例では、前記４つの要素として、第２金属膜６ｂの材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、および１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を選択した場合における第２金属膜６ｂの膜厚の選定について説明する。

（波長６３０ｎｍ）
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図２３を参照して説明する。図２３は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図２３に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１５０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１５０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（波長７８０ｎｍ）
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍ、および１３０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図２４を参照して説明する。図２４は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図２４に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１３０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１３０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

（波長１０５４ｎｍ）
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、第２金属膜６ｂの膜厚を１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、および１３０ｎｍとしたときの試料１４の入射角と反射率との関係について図２５を参照して説明する。図２５は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

図２５に示すように、第２金属膜６ｂの膜厚が、１０ｎｍから膜厚ｄである５０ｎｍと厚くなるのにしたがいｄｉｐの存在が明確となり、５０ｎｍから１３０ｎｍと厚くなるにしたがい反射率が高くなる。

したがって、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とするためには、膜厚を１３０ｎｍ以上にする必要がある。なお、膜厚を１０ｎｍ以下にすることにより、第２金属膜６ｂが表面プラズモンを励起しない膜厚とすることも可能であるが、膜厚を１０ｎｍ以下に加工することは非常に困難であり、現実的でない。

以上の図１７〜２５は、光源２の波長、またはプリズム５の屈折率、または試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率を変えた場合における、入射角と反射率の関係を示すグラフである。これらより、それぞれ膜厚が一定以上であれば、第１金属膜６ａのｄｉｐの範囲で反射率がほぼ一定になることがわかる。図１７〜２５より示される、第２金属膜６ｂの膜厚の下限値を以下の表にまとめる。

つぎに、以上の構成の金属層６を備えた表面プラズモンセンサー１における算出回路１１および光検出器９による正確な反射率の算出方法について説明する。

算出回路１１は、光検出器９の測定結果から正確な反射率を算出するものであり、ＬＳＩやＩＣなどの半導体チップ、または、これらを複合化したコンピュータなどを用いればよい。

次ぎに、上記実施の形態２の表面プラズモンセンサー１における金属層６の構成の説明で用いた図２６を用いて正確な反射率の具体的な算出方法について説明する。

図２６は、光検出器９で検出される第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂからの反射光強度から１ラインを取り出し、その入射角依存性を示したグラフである。また、図２６は、算出回路１１の算出結果も示している。

第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂ表面に試料がある場合、第１金属膜６ａには、ある入射角で表面プラズモンが励起されるため、図２６の実線ｂのように、表面プラズモンの励起された角度で鋭い吸収が起きた強度分布が光検出器９で検出される。

第２金属膜６ｂでは表面プラズモンが励起されないため、反射光の強度分布は、図２６の破線ａのように光源２自身の強度分布であるガウス分布となるが、レンズやプリズム５などの光学部品に付着したゴミなどで、不均一な強度分布となる。

第２金属膜６ｂからの反射光強度分布は、入射光の強度分布そのものと考えられる。よって、これを基に、各入射角の入射光量を規格化することができる。また、別の測定時と比較して、入射光の強度変動が起きていないことを確認することもできる。算出回路１１による算出は単純に、上記第１の行程の結果と上記第２の行程との比または差を取ればよい。この算出結果が、図２６の実線ｃであり、図２６の破線ａのガウス分布やゴミなどの不均一さを除くことができる。ただし、第２金属膜６ｂでの反射率が１でない場合は、これを補正することが好ましい。

以上、算出回路１１により求められた上記入射角を用いて、試料の正確な反射率を求めることができる。その結果、屈折率を求めることができ、物質の検知を行うことができる。また、規定物質の濃度を測定する場合には、予め、各濃度に対する上記入射角の関係を測定しておけば、濃度を容易に求めることができる。さらに、正確な反射率から上記入射角を自動算出する構成としてもよい。

なお、別途、金属層６表面に試料がない状態で、あらかじめ第２金属膜６ｂからの反射光強度分布を測定しておいてもよい。

上記の構成を有する表面プラズモンセンサー１は、光源２の温度変化や経時変化のみならず、光源駆動回路１０の温度変化などの要因により、入射光の強度変動が起きた場合にも、正確な反射率を得ることができる。また、第１金属膜６ａおよび第２金属膜６ｂで反射する光がほぼ同じ光路を通るため、上記の要因に加え、光路上の影響にも対応可能である。また、従来に比べて、部品点数を少なくすることができ、低コストとすることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、検出対象を含む液体または気体の屈折率および消衰係数を検出するものであり、前記液体または前記気体の濃度測定、蛋白質や高分子等の検出等に好適に用いられる。

本発明に係る表面プラズモンセンサーの一実施形態の全体構成の概略を示す図である。 前記表面プラズモンセンサーの金属膜に対する試料の接触方法の一例を示す図である。 前記表面プラズモンセンサーの金属膜に対する試料の接触方法の他の一例を示す図である。 金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 （ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 （ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 （ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示した図であり、（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示した図である。 （ａ）は金属膜の材料としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、入射角θｍｉｎと試料の屈折率との関係をプロットした図であり、（ｂ）は金属膜の材料としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、反射率Ｒｍｉｎと試料の屈折率との関係をプロットした図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長６３５ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長７８０ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長６３５ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長７８０ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長６３５ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長７８０ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第２金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された波長１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 第１金属膜にて表面プラズモンが励起され、第２金属膜にて表面プラズモンが励起されない構成とした場合の測定結果および算出結果を示す図である。 転送行列法の説明のための、多層膜構造を示す概念図である。

符号の説明

１ 表面プラズモンセンサー
２ 光源
３ コリメートレンズ
４ 集光レンズ
５ プリズム（誘電体基板）
６ 金属層
６ａ 第１金属膜
６ｂ 第２金属膜
７ 第１レンズ
８ 第２レンズ
９ 光検出器（検出手段）
１０ 光源駆動回路
１１ 算出回路
１２ モニター
１３ 光ビーム
１４ 試料（検出対象を含む液体または気体）
１５ マイクロ流路

Claims (9)

1. 光源から出射された光ビームの波長において透光性を有する誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体または気体を接触させた金属層と、前記光ビームの各入射角に対する上記金属層からの反射光を検出する検出手段とを備えており、
   光源から出射された光ビームを該金属層の該液体または該気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、該液体または該気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーにおいて、
   前記金属層は、前記誘電体基板上に隣接して形成された互いに膜厚の異なる少なくとも２つの金属膜から構成され、
   前記検出対象を含まない状態の前記液体または前記気体を接触させた、前記各金属膜のうちの少なくとも１つの金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚を膜厚ｄとするとき、
   前記少なくとも１つの金属膜の膜厚が、前記膜厚ｄよりも薄くされており、前記少なくとも１つの金属膜に対する消衰係数の前記光ビームの入射角に対する変動が、前記少なくとも１つの金属膜の膜厚が膜厚ｄであるときの消衰係数の前記変動よりも小さくなっており、
   前記各金属膜からの反射光を比較することを特徴とする表面プラズモンセンサー。
2. 前記各金属膜間に形成された境界線は、前記光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサー。
3. 前記各金属膜のうちの残りの少なくとも１つの金属膜の膜厚は、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面プラズモンセンサー。
4. 前記各金属膜は、金を主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
5. 前記光源の波長は、６００ｎｍ〜１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の表面プラズモンセンサー。
6. 前記少なくとも１つの金属膜の膜厚と、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄとの差は、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の表面プラズモンセンサー。
7. 前記少なくとも１つの金属膜の膜厚と、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄとの差は、１０ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項４、５または６に記載の表面プラズモンセンサー。
8. 前記誘電体基板は、前記表面プラズモンセンサーから着脱可能なことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
9. 前記各金属膜からの反射光を比較することで、前記検出対象を含む前記液体または前記気体の消衰係数を算出する算出手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。

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