JPH08261925A - Substance information detecting system by optical method - Google Patents
Substance information detecting system by optical methodInfo
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- JPH08261925A JPH08261925A JP9306495A JP9306495A JPH08261925A JP H08261925 A JPH08261925 A JP H08261925A JP 9306495 A JP9306495 A JP 9306495A JP 9306495 A JP9306495 A JP 9306495A JP H08261925 A JPH08261925 A JP H08261925A
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光学的手法による物質
情報検出システムに係り、さらに詳しくは、被検物質の
屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を、1つのシステ
ムで、高感度でしかも簡易に検出することのできる物質
情報検出システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substance information detection system using an optical method, and more particularly, to a system for measuring the refractive index, the film thickness, and the amount of electromagnetic radiation absorbed by a surface layer of a substance to be detected. The present invention relates to a substance information detection system that is highly sensitive and can be easily detected.
【0002】[0002]
【従来の技術】物質の表面近傍の屈折率変化や膜厚分
布、吸収量等を測定する方法として、従来より種々の方
法が用いられているが、近年、表面プラズモン共鳴を利
用した方法、光導波路を利用した方法等が注目されてい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, various methods have been used as a method of measuring a change in refractive index, a film thickness distribution, an absorption amount, etc. in the vicinity of a surface of a substance. Attention has been paid to a method using a wave path.
【0003】表面プラズモン共鳴による方法は、金属表
面におけるプラズマの振動が、該金属表面に隣接する物
質の屈折率によって影響されることとを利用したもの
で、この共鳴は、電磁線を光学プリズムに入射させた場
合に発生するエバネッセント波(減衰波)を用いて達成
することができる。すなわち、プリズムに金属薄膜を設
けたセンサを作製し、このセンサの金属薄膜に被検物質
を接触させ、プリズムと被検物質とによって定まる臨界
角度以上の領域における特定の入射角度にて電磁線を入
射させると、光の一部が金属界面に滲出してエバネッセ
ント波を生じる。そして、この波数と、金属の薄膜表面
に生じる表面波(表面プラズモン)の波数が一致すると
共鳴が起こって反射光強度が減り、入射角度に対する反
射率曲線において反射率の低下の谷(ディップ)が観察
される。この表面プラズモンの波数は、金属に接する媒
質表面の屈折率変化による影響を受けることから、反射
光の強度の変化をモニターすることにより、金属薄膜に
隣接する被検物質表面の屈折率の変化を検出することが
できるというものである。The method using surface plasmon resonance utilizes the fact that the vibration of plasma on a metal surface is affected by the refractive index of a substance adjacent to the metal surface. This can be achieved by using an evanescent wave (attenuated wave) generated when the light is made incident. That is, a sensor in which a metal thin film is provided on a prism is manufactured, a test substance is brought into contact with the metal thin film of the sensor, and electromagnetic radiation is applied at a specific incident angle in a region equal to or greater than a critical angle determined by the prism and the test substance. Upon incidence, a portion of the light seeps into the metal interface, producing an evanescent wave. When this wave number matches the wave number of a surface wave (surface plasmon) generated on the surface of the metal thin film, resonance occurs and the reflected light intensity decreases. To be observed. Since the wave number of this surface plasmon is affected by the change in the refractive index of the surface of the medium in contact with the metal, the change in the refractive index of the surface of the test substance adjacent to the metal thin film is monitored by monitoring the change in the intensity of the reflected light. It can be detected.
【0004】他方、光導波路による方法は、屈折率の高
いコア部(光導波路部)と屈折率の低いクラッド部とか
らなる光導波路において、コア部を電磁線が伝播する
際、この電磁線が、クラッド部に接触した物質による吸
収の影響を受け減衰することを利用したものである。具
体的には、例えば、光導波路の一端に入射光用プリズム
を、他端に射出光用プリズムをそれぞれ設け、入射光用
プリズムに入射された電磁線を光導波路部に導き、この
光導波路内で減衰伝播された電磁線を射出光用プリズム
を介して他端側から射出させるような構成とし、かつこ
のクラッド部に被検物質を接触させる。そして、この被
検物質の電磁線の吸収量の変化に応じてクラッド部を介
して光導波路部で電磁線が減衰することを利用して、そ
の減衰の程度から被検物質の状態を検出するというもの
である。On the other hand, in the method using an optical waveguide, when an electromagnetic wave propagates through a core portion in an optical waveguide including a core portion (optical waveguide portion) having a high refractive index and a clad portion having a low refractive index, the electromagnetic radiation is This is based on the fact that it is attenuated by the influence of absorption by a substance in contact with the clad portion. Specifically, for example, an incident light prism is provided at one end of the optical waveguide, and an emission light prism is provided at the other end, and the electromagnetic radiation incident on the incident light prism is guided to the optical waveguide portion. The electromagnetic radiation attenuated and propagated through the prism for emission light is emitted from the other end side, and a test substance is brought into contact with the clad portion. Then, the state of the test substance is detected from the degree of the attenuation by utilizing the fact that the electromagnetic radiation is attenuated in the optical waveguide section through the cladding section in accordance with the change in the absorption amount of the test substance by the electromagnetic radiation. That is.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記表
面プラズモン共鳴を用いた方法においては、金属薄膜を
用いるため、反射率曲線におけるディップの幅は、用い
る金属の屈折率による制限を受ける。したがってディッ
プ形状の最適化の達成は金属膜厚の調整によるしかな
く、そのため高感度の検出を得るに十分な程度にまで最
適化することが難しい。さらに、この表面プラズモン共
鳴を用いた方法では、光導波路を有しないことから、光
の伝播長が短く、そのため反射率曲線においてシャープ
なディップが得られず、高感度の検出が困難であるとい
う問題もある。光の伝播長を長くするためには、例えば
プリズムと金属薄膜との間に誘電体膜を1層設け、その
屈折率を被検物質の屈折率と等しく設定し、光伝播長を
長くするという方法などもあるが、作業が複雑化する、
被検物質の選定が制限される等の不具合が生じる。However, in the method using surface plasmon resonance, since a metal thin film is used, the width of the dip in the reflectance curve is limited by the refractive index of the metal used. Therefore, the optimization of the dip shape can only be achieved by adjusting the metal film thickness, and it is difficult to optimize the dip shape to an extent sufficient to obtain highly sensitive detection. Furthermore, in the method using surface plasmon resonance, since no optical waveguide is provided, the light propagation length is short, so that a sharp dip cannot be obtained in the reflectance curve, and it is difficult to detect with high sensitivity. There is also. In order to increase the light propagation length, for example, one dielectric film is provided between the prism and the metal thin film, the refractive index is set to be equal to the refractive index of the test substance, and the light propagation length is increased. There are methods, but the work becomes complicated,
Problems such as limitation of the selection of the test substance occur.
【0006】他方、上記の従来の光導波路を利用した方
法においては、検出精度を高めるためには光伝播長を長
くしなければならず、したがって光導波路の長さそのも
のを長くしなければならない。また入射光用、射出光用
として別々にプリズムを設ける必要もあり、装置のコン
パクト化、簡素化ができない。On the other hand, in the above-described method using the conventional optical waveguide, the light propagation length must be increased in order to enhance the detection accuracy, and therefore, the optical waveguide length itself must be increased. Further, it is necessary to provide separate prisms for the incident light and the outgoing light, and the apparatus cannot be made compact and simple.
【0007】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、従来の方法に比べ、被検物質の情報を
きわめて高感度で、しかも簡易に検出することのできる
システムを提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a system which can detect information on a test substance with extremely high sensitivity and can be easily detected as compared with the conventional method. It is in.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記従来の問題点を解決
するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、被検
物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量の検出を、
1つのシステムで、簡易に、しかも従来のいずれの方法
よりもそれぞれ高い精度で検出することができる、従来
のいずれの方法とも異なる新規な技術を開発し、本発明
を完成するに至った。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present inventors have conducted intensive studies, and as a result, have found that the refractive index, the film thickness of the test substance, and the amount of electromagnetic radiation absorbed by the surface layer portion. Detection,
The present invention has been completed by developing a new technique that can be easily detected with a single system at a higher accuracy than any of the conventional methods and is different from any of the conventional methods.
【0009】すなわち本発明によれば、 光結合部材および媒質層を介して被検物質に電磁線を入
射し、該被検物質からの反射光特性を該媒質層および該
光結合部材を介して監視することにより該被検物質の情
報を検出する光学的手法による物質情報検出システムに
おいて、 前記媒質層は少なくとも2層以上の誘電体膜層からな
り、かつ該誘電体膜層の少なくとも1層以上が光導波路
層を形成するものであり、 該誘電体膜層は透明、または少なくとも1層以上が電磁
線吸収物質を含有して所定の消衰係数(複素屈折率の虚
部)をもつものである、よう設定するとともに、 前記光結合部材と前記被検物質によって定まる臨界角度
以上の領域における所定の入射角度において、前記媒質
層と前記被検物質との間で最適な光導波路モードがたつ
よう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適化
しておき、この最適化された媒質層を用いて、前記所定
の入射角度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被
検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感度
で検出することを特徴とする、光学的手法による物質情
報検出システムが提供される。That is, according to the present invention, electromagnetic waves are incident on the test substance via the optical coupling member and the medium layer, and the characteristics of the reflected light from the test substance are changed via the medium layer and the optical coupling member. In a substance information detection system by an optical method of detecting information on the test substance by monitoring, the medium layer includes at least two or more dielectric film layers, and at least one or more of the dielectric film layers Is an optical waveguide layer, and the dielectric film layer is transparent or at least one layer contains an electromagnetic radiation absorbing substance and has a predetermined extinction coefficient (imaginary part of complex refractive index). At a predetermined incident angle in a region equal to or greater than a critical angle determined by the optical coupling member and the test substance, an optimal optical waveguide mode is established between the medium layer and the test substance. The refractive index, thickness, and extinction coefficient of the medium layer are optimized, and by using the optimized medium layer, the reflectivity of the electromagnetic radiation incident near the predetermined angle of incidence is used. Provided is a substance information detection system using an optical method, which detects a refractive index, a film thickness, and an electromagnetic radiation absorption amount of a surface layer portion of a test substance with high sensitivity.
【0010】ここで、被検物質の屈折率または膜厚の検
出は、前記最適化された媒質層として、少なくとも1層
以上が電磁線吸収物質を含有してなる多層の誘電体膜を
用い、この媒質層にて前記所定の入射角度近傍にて入射
させた電磁線の反射率を検知することにより行う。Here, the detection of the refractive index or the film thickness of the test substance is performed by using a multilayer dielectric film having at least one layer containing an electromagnetic radiation absorbing substance as the optimized medium layer. The detection is performed by detecting the reflectance of the electromagnetic radiation incident on the medium layer in the vicinity of the predetermined incident angle.
【0011】また、被検物質の表層部の電磁線吸収量の
検出は、前記媒質層として透明な誘電体膜を用い、この
誘電体膜と、電磁線吸収物質を含有する被検物質との間
で最適な光導波路モードがたつよう前記最適化を行い、
この最適化された媒質層にて前記所定の入射角度近傍に
て入射させた電磁線の反射率を検知することにより行
う。Further, the detection of the amount of electromagnetic radiation absorption at the surface layer of the test substance is performed by using a transparent dielectric film as the medium layer, and comparing the dielectric film with the test substance containing the electromagnetic radiation absorbing substance. Perform the above optimization so that an optimal optical waveguide mode is obtained between
The detection is performed by detecting the reflectance of the electromagnetic radiation incident on the optimized medium layer in the vicinity of the predetermined incident angle.
【0012】本発明で用いられる媒質層は、まず、少な
くとも2層以上の誘電体膜からなり、しかもこの誘電体
膜の少なくとも1層以上が光導波路層を形成する。ここ
でいう「光導波路」とは、光学的範囲内またはその付近
の電磁線のためのいかなる伝送路も含むものとし、ここ
で光波は導波路壁における反復内部反射により導波路内
を伝送される。また、誘電体膜は、誘電体材質からなる
ものであれば、特に制限されることなくいかなるものも
用いることができる。具体的にはポリテトラフルオロエ
チレン、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、SiO
2 、ポリスチレン、MgF2 等が例示されるが、これら
に限定されるものではない。The medium layer used in the present invention comprises at least two or more dielectric films, and at least one of the dielectric films forms an optical waveguide layer. As used herein, the term "optical waveguide" is intended to include any transmission path for electromagnetic radiation in or near the optical range, where light waves are transmitted through the waveguide by repeated internal reflection at the waveguide wall. The dielectric film is not particularly limited as long as it is made of a dielectric material. Specifically, polytetrafluoroethylene, polymethyl methacrylate (PMMA), SiO
2 , polystyrene, MgF 2 and the like, but are not limited thereto.
【0013】次に、この誘電体膜層は透明、または少な
くとも1層以上が電磁線吸収物質を含有して所定の消衰
係数(複素屈折率の虚部)をもつ。電磁線吸収物質は、
検出に用いる電磁線の種類を吸収する物質であれば特に
限定されることなく用いることができるが、誘電体膜形
成に用いる溶媒との相溶性が良好なもの等が好適に用い
られ得るであろう。具体的には、メチレンブルー、メチ
ルレッド、メチルオレンジ、ローダミン等の色素などが
例示されるが、これらに限定されるものではない。ま
た、誘電体の材質自体が電磁線吸収をもつものであって
もよい。Next, this dielectric film layer is transparent, or at least one layer contains an electromagnetic radiation absorbing substance and has a predetermined extinction coefficient (imaginary part of complex refractive index). Electromagnetic radiation absorbing materials
Any substance can be used without particular limitation as long as it is a substance that absorbs the type of electromagnetic radiation used for detection, but one having good compatibility with the solvent used for forming the dielectric film can be suitably used. Would. Specific examples include dyes such as methylene blue, methyl red, methyl orange, and rhodamine, but are not limited thereto. Further, the dielectric material itself may have electromagnetic radiation absorption.
【0014】さらにこの媒質層は、前記光結合部材と前
記被検物質とによって定まる臨界角度以上の領域におけ
る所定の入射角度において電磁線を所定の入射角度にて
照射した場合、被検物質との間で最適な光導波路モード
がたつよう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を
最適化しておく必要がある。媒質層の屈折率は用いられ
る各誘電体膜の材質を選択することによって、消衰係数
は電磁線吸収物質の含有量を調整することによって、そ
れぞれ定め得る。また、各誘電体膜の膜厚によりディッ
プの深さが影響を受けるので、最適化が必要である。本
発明の場合、最適化のためのパラメータとして、入射角
度、媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数という多くの
選択肢を用いることができるので、それだけ被検物質に
より合った最適化を行うことができ、高い感度での検出
が可能となる。Further, when the medium layer is irradiated with an electromagnetic ray at a predetermined incident angle at a predetermined incident angle in a region equal to or more than a critical angle defined by the optical coupling member and the test substance, the medium layer may be in contact with the test substance. It is necessary to optimize the refractive index, the thickness and the extinction coefficient of the medium layer so that the optimum optical waveguide mode is obtained between them. The refractive index of the medium layer can be determined by selecting the material of each dielectric film to be used, and the extinction coefficient can be determined by adjusting the content of the electromagnetic radiation absorbing substance. Further, since the depth of the dip is affected by the thickness of each dielectric film, optimization is necessary. In the case of the present invention, as parameters for the optimization, many options such as the incident angle, the refractive index of the medium layer, the thickness, and the extinction coefficient can be used. And detection with high sensitivity becomes possible.
【0015】以下に本発明の検出システムを、添付図面
を参照しながら実施例により具体的に説明する。ただ
し、本発明はこれによりなんら制限されるものではな
い。Hereinafter, the detection system of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited by this.
【0016】[0016]
【実施例】図1は、本発明の検出システムの概略の一例
を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining an example of the outline of a detection system according to the present invention.
【0017】同図は媒質層が3層の例を示し、透明基板
3の一方の面上に媒質層第1の誘電体薄膜4、第2の誘
電体薄膜5、第3の誘電体膜6が、それぞれ形成されて
媒質層10をなす。そして、透明基板3の他方の面に
は、マッチングオイル2を介して、光学プリズム(光結
合部材)1が設けられている。図中、符号7は被検物質
を、8は電磁線源を、9はフォトダイオードを、11は
X−Yステージを、12は光学プリズム固定部材をそれ
ぞれ示す。FIG. 2 shows an example in which the medium layer has three layers, and the first dielectric thin film 4, the second dielectric thin film 5, and the third dielectric film 6 are formed on one surface of the transparent substrate 3. Are respectively formed to form the medium layer 10. An optical prism (optical coupling member) 1 is provided on the other surface of the transparent substrate 3 via a matching oil 2. In the drawing, reference numeral 7 denotes a test substance, 8 denotes an electromagnetic radiation source, 9 denotes a photodiode, 11 denotes an XY stage, and 12 denotes an optical prism fixing member.
【0018】上記媒質層10は、その中に少なくとも1
層以上が光導波路層を形成するような多層構造をなす。
例えば、第1の誘電体膜4の屈折率をn4 、第2の誘電
体膜5の屈折率をn5 、第3の誘電体膜の屈折率をn
6 、被検物質の屈折率をn7 、光学プリズム1の屈折率
をn1 とすると、n5 、n6 >n4 、n7 となるよう誘
電体膜の材質を選定することにより、第2の誘電体膜5
および第3の誘電体膜6が光導波路を形成することとな
るが、もちろん、これらの例に限定されるものではな
い。さらに多層の場合、複数個の光導波路層間にクラッ
ド層が形成されていてもよい。The medium layer 10 has at least one medium therein.
A multilayer structure is formed in which more than one layer forms an optical waveguide layer.
For example, the refractive index of the first dielectric film 4 is n 4 , the refractive index of the second dielectric film 5 is n 5 , and the refractive index of the third dielectric film is n.
6. Assuming that the refractive index of the test substance is n 7 and the refractive index of the optical prism 1 is n 1 , the material of the dielectric film is selected so that n 5 , n 6 > n 4 , n 7 . 2 dielectric film 5
The third dielectric film 6 forms an optical waveguide, but is not limited to these examples. In the case of a multilayer, a cladding layer may be formed between a plurality of optical waveguide layers.
【0019】また、入射電磁線が光導波路モードを結合
するためには、光学プリズム1の屈折率はクラッド層の
屈折率より高い必要がある。例えば、上記の例では、n
1 >n4 、n7 となる。In order for the incident electromagnetic radiation to couple the optical waveguide mode, the refractive index of the optical prism 1 needs to be higher than the refractive index of the cladding layer. For example, in the above example, n
1> a n 4, n 7.
【0020】媒質層10は、透明か、あるいは、第1の
誘電体薄膜4、第2の誘電体薄膜5、第3の誘電体膜6
の少なくともいずれか1層に電磁線吸収物質が含まれて
いる。この電磁線吸収物質の含有量を変えることによっ
て、後述の媒質層の最適化において消衰係数を調整する
ことができる。被検物質7の屈折率、膜厚を検出する場
合には電磁線吸収物質を含有した媒質層を、被検物質7
の表層の電磁線吸収量を検出する場合には透明な媒質層
を、それぞれ用いる。The medium layer 10 may be transparent or a first dielectric thin film 4, a second dielectric thin film 5, and a third dielectric thin film 6.
At least one layer contains an electromagnetic radiation absorbing substance. By changing the content of the electromagnetic radiation absorbing substance, the extinction coefficient can be adjusted in the optimization of the medium layer described later. When the refractive index and the film thickness of the test substance 7 are to be detected, the medium layer containing the electromagnetic radiation absorbing substance is placed on the test substance 7.
In order to detect the amount of electromagnetic radiation absorption of the surface layer, a transparent medium layer is used.
【0021】また本発明では、媒質層10は、最適の光
導波路モードがたつように最適化される必要がある。
「最適の光導波路モード」とは、伝搬長が長く、伝搬定
数の実部が該被検物質の屈折率変化に対して敏感に変化
するモードを意味する。媒質層10の最適化について、
被検物質の屈折率の検出手順とともに、以下に説明す
る。Further, in the present invention, the medium layer 10 needs to be optimized so that an optimum optical waveguide mode is obtained.
The “optimal optical waveguide mode” means a mode in which the propagation length is long and the real part of the propagation constant changes sensitively to the change in the refractive index of the test substance. About optimization of the medium layer 10,
This will be described below together with the procedure for detecting the refractive index of the test substance.
【0022】被検物質7の屈折率の検出は、例えば、以
下のような手順で行う。The detection of the refractive index of the test substance 7 is performed, for example, in the following procedure.
【0023】まず、媒質層10の最適化を行う。検出対
象である被検物質7がもつと推定される屈折率を包含し
た範囲内にある既知の屈折率ns を有する試料を第3の
誘電体膜6に接触させる。この状態で電磁線源8から電
磁線を、光学プリズム1と被検物質7によって定まる臨
界角度以上の領域における入射角度にて、光学プリズム
1に入射させる。ここで、電磁線の入射角度、誘電体膜
の屈折率、膜厚および消衰係数をパラメータとして、光
学プリズム1の界面における反射率が急激に降下するデ
ィップが得られる入射角度を求める。上記臨界角度以上
の領域でこのようなディップが生じるのは、各誘電体膜
の材質、膜厚等に依存して存在する導波路モードの波数
ベクトルが、入射光線の波数ベクトルの界面方向成分量
と等しくなった時に、光学プリズム1の界面から媒質層
10内に滲出した入射光が該媒質層10内に光導波路モ
ードを励起し、この導波路内を減衰しながら伝播する。
導波路モードが最適化されている場合には、入射光のエ
ネルギーはすべて導波路モードに与えられ、反射率は極
端に小さくなる。一方、最適化が行われていない場合に
は、導波路モードのエネルギーの一部が再び反射光とし
て射出される。媒質層10の第3の誘電体膜6に接触配
置されている被検物質7の屈折率が変化すれば、この屈
折率変化が光導波路モードに影響を与え、これが射出光
にも影響を与えることとなる。したがって、反射率変化
をフォトトダイオード10によって観察することによ
り、被検物質7の屈折率変化を検出することができる。First, the medium layer 10 is optimized. A sample having a known refractive index n s within a range including the refractive index estimated to be possessed by the test substance 7 to be detected is brought into contact with the third dielectric film 6. In this state, the electromagnetic radiation from the electromagnetic radiation source 8 is incident on the optical prism 1 at an incident angle in a region equal to or greater than the critical angle determined by the optical prism 1 and the test substance 7. Here, the incident angle at which the dip at which the reflectance at the interface of the optical prism 1 sharply drops is obtained using the incident angle of the electromagnetic radiation, the refractive index, the film thickness, and the extinction coefficient of the dielectric film as parameters. Such a dip occurs in the region equal to or larger than the critical angle because the wave vector of the waveguide mode existing depending on the material, thickness, etc. of each dielectric film is the amount of the interface direction component of the wave vector of the incident light beam. When it becomes equal to, the incident light that has leaked into the medium layer 10 from the interface of the optical prism 1 excites the optical waveguide mode into the medium layer 10 and propagates while attenuating in the waveguide.
When the waveguide mode is optimized, all the energy of the incident light is given to the waveguide mode, and the reflectance becomes extremely small. On the other hand, when optimization is not performed, part of the energy of the waveguide mode is emitted again as reflected light. If the refractive index of the test substance 7 placed in contact with the third dielectric film 6 of the medium layer 10 changes, this change in the refractive index affects the optical waveguide mode, which also affects the emitted light. It will be. Therefore, by observing the change in the reflectance with the photodiode 10, the change in the refractive index of the test substance 7 can be detected.
【0024】上記媒質層の最適化の具体例として、本発
明者らがシミュレーションを行った結果を図2に示す。FIG. 2 shows a result of a simulation performed by the present inventors as a specific example of the optimization of the medium layer.
【0025】図2は、被検物質としてnS =1.330
のもの(液状物質)とした場合の媒質層の最適化を行っ
た反射率曲線である。上記第1の誘電体膜4としてポリ
テトラフルオロエチレン膜(膜厚700nm、n3 =
1.303)を;第2の誘電体膜5としてポリメタクリ
ル酸メチル(PMMA)に色素(メチレンブルー)を含
有させたPMMA膜(膜厚600nm、n4 =1.49
0+0.001i)を;第3の誘電体膜としてSiO2
膜(膜厚10nm、n6 =1.459)をそれぞれ用い
てシミュレーションを行ったところ、線Aに示すよう
に、入射角度62.0°にて深くて幅の狭いディップを
得た。FIG. 2 shows that n S = 1.330 as a test substance.
7 is a reflectance curve obtained by optimizing a medium layer in the case of (liquid substance). As the first dielectric film 4, a polytetrafluoroethylene film (700 nm thick, n 3 =
1.303); as the second dielectric film 5, a polymethyl methacrylate (PMMA) containing a dye (methylene blue) containing a dye (methylene blue) (film thickness 600 nm, n 4 = 1.49)
0 + 0.001i); SiO 2 as the third dielectric film
Simulation was performed using each of the films (thickness: 10 nm, n 6 = 1.459). As shown in line A, a deep and narrow dip was obtained at an incident angle of 62.0 °.
【0026】一方、表面プラズモン共鳴を利用して金属
薄膜(銀)を用いて最適化を行ったところ、線Bに示す
ように、入射角度67.5°にてディップが得られた
が、これは上記誘電体膜の場合(線A)に比べてディッ
プの幅の狭さが劣り、これを用いた場合、検出感度が本
発明のものよりも低いことがわかる。On the other hand, when optimization was performed using a metal thin film (silver) using surface plasmon resonance, a dip was obtained at an incident angle of 67.5 ° as shown by a line B. It is understood that the width of the dip is inferior to that of the dielectric film (line A) in comparison with the case of the above dielectric film, and that the use of the dielectric film has lower detection sensitivity than that of the present invention.
【0027】したがって、被検物質が液状物質の場合、
上記各誘電体層のように最適化された媒質層を用いて、
入射角62.0°近傍にて入射させれば、ディップの生
じる入射角度の変化を知るだけで被検物質の屈折率変化
を極めて感度よく検出することができる。Therefore, when the test substance is a liquid substance,
Using a medium layer optimized like the above dielectric layers,
If the light is incident at an incident angle of about 62.0 °, a change in the refractive index of the test substance can be detected with extremely high sensitivity just by knowing the change in the incident angle at which the dip occurs.
【0028】さらに、デイップの生じる入射角度−屈折
率の関係を示す検量線を作成しておけば、被検物質の屈
折率の値を知ることもできる。図3は、上記最適化され
た媒質層を用いて、屈折率を0.01きざみで変化させ
た場合の、ディップが生じる入射角度を示す検量線であ
る。これを用いることにより、例えば、被検物質に対す
るディップの生じる角度が62.5°であれば、その被
検物質の屈折率が1.342であることが読み取れる。Further, if a calibration curve indicating the relationship between the incident angle at which dip occurs and the refractive index is prepared, the value of the refractive index of the test substance can be known. FIG. 3 is a calibration curve showing an incident angle at which a dip occurs when the refractive index is changed in increments of 0.01 using the optimized medium layer. By using this, for example, if the angle at which the dip occurs with respect to the test substance is 62.5 °, it can be read that the refractive index of the test substance is 1.342.
【0029】被検物質の膜厚を検出する場合も、前記屈
折率の場合に準じて行うことができる。すなわち、上記
最適化された媒質層を用いて、既知の厚さの試料を複数
用いてディップの生じる入射角度−膜厚の検量線を作成
しておく。The detection of the film thickness of the test substance can be performed in accordance with the above-mentioned refractive index. That is, using the optimized medium layer, a calibration curve of the incident angle-film thickness at which a dip occurs is prepared using a plurality of samples of known thickness.
【0030】かかる後、未知の厚さの被検物質を誘電体
膜6に接触させ、ディップの生じる入射角度を求めれ
ば、検量線から膜厚を求めることができる。なお、単に
被検物質の膜厚の変化の有無を検知するだけであるなら
ば、検量線を作成しなくとも、ディップが生じる入射角
度が変化したことを知るだけで足りる。After that, a test substance having an unknown thickness is brought into contact with the dielectric film 6 and the incident angle at which the dip occurs is obtained, whereby the film thickness can be obtained from the calibration curve. Note that if it is only necessary to detect the presence or absence of a change in the thickness of the test substance, it is sufficient to know that the incident angle at which the dip occurs has changed without creating a calibration curve.
【0031】被検物質の表層部の電磁線吸収量を検出す
る場合は、媒質層に電磁線吸収物質を含有させず、透明
な材質のものを用いる以外は、上記の場合とほぼ同様に
して行うことができる。When the amount of electromagnetic radiation absorption of the surface layer of the test substance is detected, the medium layer does not contain the electromagnetic radiation absorbing substance, and is substantially the same as the above case except that a transparent material is used. It can be carried out.
【0032】すなわち、まず透明媒質層膜の最適化を行
う。検出対象である被検物質がもつと推定される電磁線
吸収量を含む範囲での既知の消衰係数(例えば0.00
1)を有する試料を第3の誘電体膜6に接触させる。こ
の状態で電磁線を入射させる。ここで、入射角度、透明
誘電体膜の膜厚、試料の消衰係数をパラメータとしてと
り、反射率が急激に降下するディップが得られる入射角
度を求める。そして、ある所定入射角度θにおいて最も
シャープなディップが生じることを確認したら、その透
明媒質層を用いて、吸収量が既知の試料を複数用いて反
射率−消衰係数の検量線を作成しておく。That is, first, the transparent medium layer film is optimized. A known extinction coefficient (for example, 0.00) in a range including the electromagnetic radiation absorption amount estimated to be possessed by the test substance to be detected.
The sample having 1) is brought into contact with the third dielectric film 6. In this state, an electromagnetic ray is incident. Here, the incident angle, the thickness of the transparent dielectric film, and the extinction coefficient of the sample are taken as parameters, and the incident angle at which the dip at which the reflectance falls sharply is obtained. Then, when it is confirmed that the sharpest dip occurs at a certain predetermined incident angle θ, using the transparent medium layer, a calibration curve of the reflectance-extinction coefficient is created using a plurality of samples having known absorption amounts. deep.
【0033】かかる後、実際に未知の消衰係数をもつ被
検物質を誘電体膜6に接触させ、前記入射角度θを含む
範囲でその近傍の入射角にて電磁線を照射することによ
りディップを求めれば、前述の検量線から該被検物質の
表層部での消衰係数を求めることができる。Thereafter, a test substance having an actually unknown extinction coefficient is brought into contact with the dielectric film 6 and irradiated with electromagnetic radiation at an incident angle near the incident angle θ in the range including the incident angle θ. , The extinction coefficient of the test substance in the surface layer can be obtained from the above-mentioned calibration curve.
【0034】図4は、本発明者らが行ったシミュレーシ
ョンにおいて、反射率−消衰係数の関係を示す検量線で
ある。これを用いれば、例えば、反射率が0.4である
ことが観察されれば、この検量線から、被検物質の消衰
係数が0.00019であることがわかる。FIG. 4 is a calibration curve showing the relationship between the reflectance and the extinction coefficient in a simulation performed by the present inventors. If this is used, for example, if it is observed that the reflectance is 0.4, it can be seen from this calibration curve that the extinction coefficient of the test substance is 0.00019.
【0035】なお、単に被検物質の吸収量の変化の有無
を検知するだけであるならば、前記の検量線を作成しな
くとも、ディップの生じる深さを感知するだけで足り
る。If it is only necessary to detect the presence or absence of a change in the absorption amount of the test substance, it is sufficient to detect the depth at which the dip occurs, without creating the above calibration curve.
【0036】なお、上記実施例は、媒質層が3層の場合
について説明したが、4層以上の多層の場合でも、基本
的には上記と同じ原理に基づいて考えることができる。
また、2層の場合は、例えば、図1から第3の誘電体膜
6がないと状態と仮定した場合では、n5 >n4 、n7
となるよう誘電体膜の材質を選定することにより第2の
誘電体膜5が光導波路を形成することとなる点におい
て、上記と異なる以外は、上記3層の場合と同様であ
る。またこの場合、媒質層は透明、あるいは第1の誘電
体薄膜4、第2の誘電体薄膜5のいずれか、あるいは両
方に電磁線吸収物質が含まれる。In the above embodiment, the case where the number of the medium layers is three has been described. However, even when the number of the medium layers is four or more, it can be basically considered based on the same principle as described above.
In the case of two layers, for example, assuming that there is no third dielectric film 6 from FIG. 1, n 5 > n 4 , n 7
The second dielectric film 5 forms an optical waveguide by selecting the material of the dielectric film so as to satisfy the same condition as the above-described three-layer case, except for the above. Further, in this case, the medium layer is transparent, or one or both of the first dielectric thin film 4 and the second dielectric thin film 5 contain an electromagnetic radiation absorbing substance.
【0037】また、上記実施例においては、検出対象が
液状物質について述べたが、検出対象はこれに限られる
ものではなく、本発明のシステムは、気体(ガス)状物
質、固体状物質等も検出し得ることはもちろんである。In the above embodiment, the detection target is a liquid substance. However, the detection target is not limited to this, and the system of the present invention is applicable to a gas (gas) substance, a solid substance, and the like. Of course, it can be detected.
【0038】[0038]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、従
来のように、金属薄膜を用いた表面プラズモン共鳴を利
用した方法に比べ、検出物質に合わせた最適化の選択肢
が増え、より最適化が行いやすくなる。また、光導波路
モードを利用することから、反射率曲線においてシャー
プなディップを得ることができる。また本発明では、1
つのシステムで被検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁
線吸収量を極めて高感度で、しかも簡易に検出すること
ができる。As described above in detail, according to the present invention, compared with the conventional method using surface plasmon resonance using a metal thin film, the number of options for optimization according to the detection substance is increased. Optimization becomes easier. Further, since the optical waveguide mode is used, a sharp dip can be obtained in the reflectance curve. In the present invention, 1
With one system, the refractive index, the film thickness, and the amount of electromagnetic radiation absorbed in the surface layer of the test substance can be detected with extremely high sensitivity and easily.
【図1】本発明の検出システムの一実施例を示す概略図
である。FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a detection system of the present invention.
【図2】反射率−ディップの生じる入射角度の関係を示
すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a relationship between a reflectance and an incident angle at which a dip occurs.
【図3】ディップの生じる入射角度−屈折率の関係を示
すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a relationship between an incident angle at which a dip occurs and a refractive index.
【図4】反射率−消衰係数の関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a relationship between reflectance and extinction coefficient.
1 光学プリズム(光結合部材) 2 マッチングオイル 3 透明基板 4 第1の誘電体膜 5 第2の誘電体膜 6 第3の誘電体膜 7 被検物質 8 電磁線源 9 フォトダイオード 10 媒質層 11 X−Yステージ 12 光学プリズム固定部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical prism (optical coupling member) 2 Matching oil 3 Transparent substrate 4 1st dielectric film 5 2nd dielectric film 6 3rd dielectric film 7 Test substance 8 Electromagnetic radiation source 9 Photodiode 10 Medium layer 11 XY stage 12 Optical prism fixing member
フロントページの続き (72)発明者 後藤 一義 東京都渋谷区神宮前6丁目26番1号 麒麟 麦酒株式会社内Continued on the front page (72) Inventor Kazuyoshi Goto 6-26-1, Jingumae, Shibuya-ku, Tokyo Kirin Brewery Co., Ltd.
Claims (3)
質に電磁線を入射し、該被検物質からの反射光特性を該
媒質層および該光結合部材を介して監視することにより
該被検物質の情報を検出する光学的手法による物質情報
検出システムにおいて、 前記媒質層は少なくとも2層以上の誘電体膜層からな
り、かつ該誘電体膜層の少なくとも1層以上が光導波路
層を形成するものであり、 該誘電体膜層は透明、または少なくとも1層以上が電磁
線吸収物質を含有して所定の消衰係数(複素屈折率の虚
部)をもつものである、よう設定するとともに、 前記光結合部材と前記被検物質とによって定まる臨界角
度以上の領域における所定の入射角度において、前記媒
質層と前記被検物質との間で最適な光導波路モードがた
つよう、該媒質層の屈折率、厚さおよび消衰係数を最適
化しておき、この最適化された媒質層を用いて、前記所
定の入射角度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、
被検物質の屈折率、膜厚、表層部の電磁線吸収量を高感
度で検出することを特徴とする、光学的手法による物質
情報検出システム。1. An electromagnetic radiation is incident on a test substance via an optical coupling member and a medium layer, and characteristics of light reflected from the test substance are monitored through the medium layer and the optical coupling member. In a substance information detection system using an optical method for detecting information on a test substance, the medium layer includes at least two dielectric film layers, and at least one of the dielectric film layers forms an optical waveguide layer. The dielectric film layer is set to be transparent or to have at least one layer containing an electromagnetic radiation absorbing substance and having a predetermined extinction coefficient (imaginary part of complex refractive index). At a predetermined incident angle in a region equal to or greater than the critical angle defined by the optical coupling member and the test substance, the medium layer is set such that an optimal optical waveguide mode is established between the medium layer and the test substance. Refractive index, thickness The extinction coefficient and the extinction coefficient have been optimized, and using the optimized medium layer, from the reflectance of the electromagnetic radiation incident near the predetermined incident angle,
A substance information detection system using an optical method, which detects a refractive index, a film thickness, and an electromagnetic radiation absorption amount of a surface layer portion of a test substance with high sensitivity.
とも1層以上が電磁線吸収物質を含有してなる誘電体膜
層を用い、この媒質層にて前記所定の入射角度近傍にて
入射させた電磁線の反射率から、被検物質の屈折率また
は膜厚を高感度で検出することを特徴とする、請求項1
記載の物質情報検出システム。2. As the optimized medium layer, at least one or more dielectric film layers containing an electromagnetic radiation absorbing substance are used, and the medium layer is made to enter near the predetermined incident angle. 2. The method according to claim 1, wherein the refractive index or the thickness of the test substance is detected with high sensitivity from the reflectivity of the electromagnetic radiation.
Described substance information detection system.
い、この誘電体膜と、電磁線吸収物質を含有する被検物
質との間で最適な光導波路モードがたつよう前記最適化
を行い、この最適化された媒質層にて前記所定の入射角
度近傍にて入射させた電磁線の反射率から、被検物質の
表層部の電磁線吸収量を高感度で検出することを特徴と
する、請求項1記載の物質情報検出システム。3. A transparent dielectric film is used as the medium layer, and the optimization is performed so that an optimum optical waveguide mode is established between the dielectric film and a test substance containing an electromagnetic radiation absorbing substance. Detecting the amount of electromagnetic radiation absorbed by the surface layer of the test substance with high sensitivity from the reflectance of the electromagnetic radiation incident on the optimized medium layer in the vicinity of the predetermined incident angle. The substance information detection system according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9306495A JPH08261925A (en) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Substance information detecting system by optical method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9306495A JPH08261925A (en) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Substance information detecting system by optical method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08261925A true JPH08261925A (en) | 1996-10-11 |
Family
ID=14072093
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9306495A Pending JPH08261925A (en) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Substance information detecting system by optical method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08261925A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003090793A (en) * | 2001-09-20 | 2003-03-28 | Fuji Photo Film Co Ltd | Sensor using total reflection attenuation |
JP2003202285A (en) * | 2001-10-26 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | Measuring plate of measuring device utilizing total reflection |
JP2003202289A (en) * | 2001-11-02 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | Measuring unit used in measuring device utilizing total reflection, method of manufacturing measuring unit, and measuring device utilizing total reflection |
WO2011025407A1 (en) * | 2009-08-27 | 2011-03-03 | Konopsky Valery Nikolaevich | Refractive index measuring method and device for carrying out said method (variant embodiments) |
JP2012083167A (en) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Konica Minolta Holdings Inc | Minute substance detection sensor and minute substance detection device having the same |
CN110763653A (en) * | 2019-09-16 | 2020-02-07 | 深圳大学 | Terahertz gas sensor based on polymer Bloch surface wave |
-
1995
- 1995-03-27 JP JP9306495A patent/JPH08261925A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003090793A (en) * | 2001-09-20 | 2003-03-28 | Fuji Photo Film Co Ltd | Sensor using total reflection attenuation |
JP2003202285A (en) * | 2001-10-26 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | Measuring plate of measuring device utilizing total reflection |
JP2003202289A (en) * | 2001-11-02 | 2003-07-18 | Fuji Photo Film Co Ltd | Measuring unit used in measuring device utilizing total reflection, method of manufacturing measuring unit, and measuring device utilizing total reflection |
WO2011025407A1 (en) * | 2009-08-27 | 2011-03-03 | Konopsky Valery Nikolaevich | Refractive index measuring method and device for carrying out said method (variant embodiments) |
JP2012083167A (en) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Konica Minolta Holdings Inc | Minute substance detection sensor and minute substance detection device having the same |
CN110763653A (en) * | 2019-09-16 | 2020-02-07 | 深圳大学 | Terahertz gas sensor based on polymer Bloch surface wave |
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