WO2014125943A1 - 光学センサヘッド、および光学センサシステム - Google Patents

光学センサヘッド、および光学センサシステム Download PDF

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hole
detector
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田鶴子 北澤
岩田　昇
隆信 佐藤
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Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor head and an optical sensor system.
  • a method of detecting a change in the resonance state of an optical resonator is used in various fields because it has high sensitivity and does not require a marker.
  • the return light from the optical recording medium is returned to the semiconductor laser, the oscillation state of the semiconductor laser is changed, and this change is detected by a monitor PD (Photodetector).
  • Patent Document 2 as a vibration detector, a vibrator is formed integrally with a semiconductor laser and a monitor PD, intensity modulation is applied to the oscillation state of the semiconductor laser by return light from the vibrator, and a signal detected by the monitor PD is detected. By analyzing this modulation, the change in the natural frequency of the vibrator and the pressure, temperature, displacement, flow rate, and the like, which are the causes, are measured.
  • Patent Document 3 in a recording apparatus that uses a semiconductor laser element provided with a metal film having an exit window on an end face and records with near-field light generated at the exit window, reflected light from the recording medium of near-field light. Recording medium using the change in voltage generated between the current injection electrodes to the semiconductor laser element or the change in light intensity of the semiconductor laser element emitted from the side opposite to the end face provided with the metal film due to the return to the semiconductor laser element Is playing.
  • the surface plasmon sensor that detects the refractive index of the metal film surface by surface plasmon resonance (resonance of incident light and vibration of electrons in the metal) mainly has high sensitivity and does not require a marker. It is used for research purposes in the bio field.
  • a method using a resonator has been proposed in order to perform detection with a small size and high sensitivity.
  • a microresonator is incorporated in a part of a planar waveguide, and a change in spectral response due to a change in refractive index on the surface of the microresonator is detected.
  • This microresonator is made of a metal thin film, and the reflection part uses DBR (Distributed Bragg Reflector) reflection by a periodic structure, and is a resonator for surface plasmon waves.
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • a metal fine particle layer having a size capable of exciting localized surface plasmon resonance is formed on an end face of an optical fiber, and a molecule complementary to a detection target molecule is formed on the surface of the metal fine particle layer.
  • a localized surface plasmon sensor having a molecular layer formed thereon is disclosed. This localized surface plasmon sensor detects a molecule to be detected that is adsorbed or bound to the complementary molecule using a change in light reflected or scattered from the end face of the optical fiber.
  • Patent Document 1 since the optical recording medium is separated from the semiconductor laser, high-precision adjustment is required to return the light amount necessary for reproduction to the semiconductor laser, and the position due to change with time is also required. Since it must be structured to prevent deviation, it leads to higher costs.
  • Patent Document 2 an oscillator having a high aspect ratio must be formed on the same substrate close to the semiconductor laser, and accuracy is required in masking and etching. Further, since the natural frequency must be detected, signal processing after detection is complicated.
  • Patent Document 4 since a resonator having a length of 2 to 10 microns is used, a surface plasmon wave that is a damped wave is lost inside the resonator, and an improvement in sensitivity cannot be expected. In addition, there is a limit to downsizing as a separate light source is required.
  • Patent Document 3 is for reproducing a change in reflectance of near-field light on a recording medium located away from a metal film having an exit window, and uses near-field light spreading outward from the exit window. is doing.
  • This system is configured to be influenced by the outside of the through hole.
  • the detection range is too wide for molecular level detection.
  • Patent Document 5 has low sensitivity because it does not use a resonator. Further, in this sensor, a loss of light intensity occurs when the light from the light source is coupled to the optical fiber.
  • An object of the present invention is to provide an optical sensor system capable of high sensitivity and miniaturization, as well as high sensitivity and miniaturization, being hardly affected by the outside of the through hole, and having a detection range that is not too wide.
  • An optical sensor head and an optical sensor system including the same are provided.
  • the optical sensor system of the present invention includes a first reflecting surface, a second reflecting surface facing the first reflecting surface, and the first reflecting surface and the second reflecting surface.
  • a light emitting device having a waveguide provided between, a reactant formed on the first reflecting surface, and light emitted from one of the first reflecting surface and the second reflecting surface.
  • An optical sensor system comprising: a first detector that detects light intensity; and a calculation unit that calculates an environmental parameter on the first reflection surface based on the light intensity detected by the first detector. , The reflectance R 1 of the first reflecting surface and the light intensity P (R 1 ) detected by the detector, Satisfy the relationship.
  • the optical sensor head of the present invention includes a first reflecting surface, a second reflecting surface facing the first reflecting surface, and the first reflecting surface and the second reflecting surface.
  • a light-emitting device provided with a waveguide provided between, a light-shielding film provided on the first reflecting surface, provided with a through-hole for generating near-field light, and the first or
  • An optical sensor head comprising a detector that detects a light intensity of light emitted from the light emitting device through a second reflecting surface, wherein the opening area of the through hole on the light emitting surface of the light shielding film Is larger than the opening area of the through hole on the facing surface of the light shielding film facing the first reflecting surface.
  • the conventional optical sensor system here means “a system that detects the amount of change in environmental parameters from reflected light or transmitted light when a reactant is irradiated with light”, details of which will be described later. To do.
  • the light intensity distribution in the through hole is weak in the vicinity of the light exit surface and strong in the vicinity of the opposing surface, so that it is not easily affected by the outside of the through hole, and the through hole Only the refractive index change inside the hole can be detected with good sensitivity. For this reason, if the opening size on the opposing surface of the through hole is made sufficiently small, detection at the molecular level can be performed. In addition, since only the detection target that can enter into the opening on the opposing surface of the through hole is detected, it is possible to detect the detection target after selecting it according to the opening size. Furthermore, since the detection target only needs to exist inside the through hole, the sample volume can be reduced. Further, since a separate light source is not required, the size can be reduced.
  • FIG. 3 is a graph showing light emission characteristics (relationship between reflectance of a reflecting surface, differential efficiency, and threshold current) of a light emitting device included in the optical sensor system depicted in FIG. 1.
  • 2 is a graph showing light emission characteristics (relationship between reflectance of a reflection surface and light intensity emitted from two reflection surfaces) of a light-emitting device included in the optical sensor system depicted in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph showing the light emission characteristics of the light emitting device included in the optical sensor system depicted in FIG. 1 (relation between the reflectance of the reflecting surface and the value obtained by differentiating the light intensity radiated from the two reflecting surfaces by the reflectance).
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a through hole formed in a light shielding film in the optical sensor head shown in FIG. It is a photograph which shows the FDTD simulation result in three types of optical sensor heads including the optical sensor head shown in FIG. It is a photograph which shows the FDTD simulation result in case the polarization direction of the light radiate
  • 8 is a graph showing the intensity distribution from the facing surface toward the exit surface in each example of FIGS. 7 (d)-(f). It is a figure which shows the characteristic of the optical sensor head shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a flow path member that can be attached to the optical sensor head shown in FIG. 5. It is sectional drawing equivalent to FIG. 6 of the optical sensor head which concerns on the modification of Embodiment 2 of this invention. It is a perspective view of the optical sensor head concerning another modification of Embodiment 2 of the present invention. It is a perspective view of the optical sensor system which concerns on Embodiment 3 of this invention.
  • the optical sensor system 200 includes a light emitting device 102, a reactant 120, two detectors 103a and 103b, a drive circuit 108, a calculation unit 151, and a display unit 152. It consists of and.
  • the light emitting device 102, the reactant 120, and the detectors 103a and 103b constitute an optical sensor head 101.
  • the optical sensor head 101 is packaged and integrated.
  • the light emitting device 102 is provided between the first reflecting surface 104, the second reflecting surface 105 facing the first reflecting surface 104, and the first reflecting surface 104 and the second reflecting surface 105.
  • a waveguide 106 is provided.
  • the reactant 120 is formed on the first reflecting surface 104.
  • the two detectors 103a and 103b are arranged at positions where the light emitting device 102 and the reactant 120 are sandwiched in the direction along the waveguide 106, and the upper surface of the detector 103a faces the second reflecting surface 105 to detect The lower surface of the vessel 103 b faces the upper surface of the reactant 120. As will be described later, only one of the two detectors 103a and 103b may be arranged.
  • the drive circuit 108 is connected to the calculation unit 151 and two electrodes (not shown) of the light emitting device 102, and supplies an injection current to the light emitting device 102 through the two electrodes.
  • the first reflecting surface 104 and the second reflecting surface 105 are provided at both ends of the waveguide 106, and the space between the first reflecting surface 104 and the second reflecting surface 105 is within the waveguide 106.
  • light reciprocates.
  • a gain exists in the waveguide 106, and the light traveling back and forth through the waveguide 106 is energy-amplified by the gain, and a part of the light is emitted to the outside from the first reflecting surface 104 and the second reflecting surface 105.
  • the light emitting device 102 includes the first reflection surface 104, the second reflection surface 105, and the waveguide 106 to form a resonator.
  • a commercially available laser element may be used as the light emitting device 102, and a semiconductor laser element is particularly preferable for miniaturization.
  • a distributed feedback laser element may be used.
  • the first reflecting surface 104, the second reflecting surface 105, and the waveguide 106 are already provided as long as they are commercially available laser elements (semiconductor laser elements or the like). However, in the optical sensor system 200 according to this embodiment, since the reactant 120 is formed on the first reflecting surface 104, the reflectance of the first reflecting surface 104 is different from that on the market. .
  • the detectors 103a and 103b may be small and low-cost commercially available photodetectors.
  • the detection surfaces of the detectors 103a and 103b may be slightly inclined with respect to the optical axis so that the light to be detected is reflected and does not return to the light source.
  • the detector 103a is arranged immediately after the second reflecting surface 105 of the light emitting device 102 in FIG. 1 and is configured to detect the light intensity of the light transmitted through the second reflecting surface 105. As long as the light intensity of the light transmitted through the second reflection surface 105 can be detected, it may be installed anywhere. Similarly, the detector 103a may be installed anywhere as long as the light intensity of the light transmitted through the first reflecting surface 104 and the reactant 120 can be detected.
  • a commercially available semiconductor laser element is provided with a photodetector (photodiode or the like) that monitors the light intensity of the emitted light from the semiconductor laser element.
  • this photodetector may be used as the detector 103a. Thereby, the optical sensor system 200 can be easily manufactured.
  • the reactant 120 formed on the first reflecting surface 104 of the light emitting device 102 changes its optical properties by changing environmental parameters detected by the optical sensor system 200.
  • the optical property include a dielectric constant and a refractive index (including an absorption coefficient).
  • the optical property may be one that changes with changes in dielectric constant or refractive index (for example, transmittance, reflectance, absorption, electrical conductivity, or band gap).
  • the reactant 120 may be, for example, a thin film or an aggregate of fine particles (for example, metal fine particles that excite surface plasmons), and may have any shape.
  • the material of the reactant 120 may be appropriately selected from dielectrics, semiconductors, metals, organic films, and the like according to environmental parameters. For example, since the optical properties of oxides change depending on the amount of oxygen in the surroundings, the reactant formed of the oxide can be used for detecting the concentration of oxidizing or reducing gas or detecting the concentration of oxidizing or reducing liquid. In addition, since the optical properties of a material used for a piezoelectric element or the like change depending on pressure, the pressure applied to the reactant can be detected using the reactant formed of the material. Furthermore, if an organic film that binds only a specific substance is used as a reactant, the concentration of the specific substance can be detected.
  • the reactant 120 when the material of the reactant 120 is a metal, it is preferable that the reactant 120 has a shape that can excite surface plasmons. In that case, even if the reactant 120 itself does not react, the surrounding refractive index changes depending on the environmental parameter, so that the excitation condition of the surface plasmon changes, and the reflectance of the first reflecting surface 104 changes. If the light-shielding film (see FIG. 5) is provided with a through-hole as a shape capable of exciting surface plasmons, it is difficult to be influenced by the outside of the through-hole, and information on only the portion provided with the through-hole can be obtained.
  • the opening size of the through hole is preferably shorter than the wavelength of the light emitted from the light emitting device 102. In this case, since there is almost no light that passes through the reactant 120, there is almost no influence of the return light. Details of the light shielding film provided with the through hole will be described later.
  • the environmental parameters include temperature, humidity, pressure, oxidizing or reducing power, and the type, concentration or quantity of gas, liquid or solid existing around the reactant 120.
  • the calculation unit 151 calculates environmental parameters on the first reflecting surface 104 by performing analysis based on the light intensity of the light detected by the detector 103a and / or the detector 103b. Since the analysis may require the driving conditions of the light emitting device 102, the calculation unit 151 is connected to the driving circuit 108 of the light emitting device 102 as shown in FIG.
  • the display unit 152 displays the calculation result by the calculation unit 151.
  • a commercially available display may be used, and the environmental parameter may be displayed only by numbers.
  • a computer is used as the calculation unit 151
  • a display corresponding to the computer is used as the display unit 152
  • environmental parameters can be displayed in a graph on the display.
  • the user can input measurement conditions and analysis contents using an input device such as a keyboard. Note that if the calculation result of the calculation unit 151 is connected to another device, the display unit 152 is not necessary.
  • the optical sensor system 200 further includes a temperature sensor 109 disposed in the vicinity of the light emitting device 102.
  • a temperature sensor 109 disposed in the vicinity of the light emitting device 102.
  • the calculation unit 151 calculates a change in the detection signal of the light emitting device 102 based on the temperature. to correct.
  • the calculation unit 151 may be realized by a logic circuit (hardware) formed in an integrated circuit (IC chip) or the like, or may be realized by software using a CPU (Central Processing Unit). In the latter case, the calculation unit 151 includes a CPU that executes instructions of a program that is software for realizing each function. In addition, the calculation unit 151 expands the above program and various data on a ROM (Read Only Memory) or a storage device (referred to as “recording medium”) in which the computer (or CPU) is readable. It further has a RAM (Random Access Memory) and the like. And the function of the calculation part 151 is implement
  • a “non-temporary tangible medium” such as a tape, a disk, a card, a semiconductor memory, a programmable logic circuit, or the like can be used.
  • the program may be supplied to the computer via an arbitrary transmission medium (such as a communication network or a broadcast wave) that can transmit the program.
  • the program can be electronically transmitted in the form of a data signal embedded in a carrier wave.
  • a commercially available laser element is used as the light emitting device 102, and the reactant 120 is formed on the first reflecting surface 104.
  • commercially available photodetectors are installed at the positions described above as detectors 103a and 103b so that the light intensity of the light emitted to the outside through the second reflecting surface 105 and the first reflecting surface 104 can be detected.
  • An external resonator may be added to a commercially available laser element, and the reflection surface thereof may be used as the first reflection surface 104.
  • the reactant 120 can be formed on the first reflecting surface 104 of the light emitting device 102 by sputtering, vapor deposition, chemical synthesis, or the like. If the reactant 120 is a conductive material, if the reactant 120 is formed on the entire surface of the first reflective surface 104, the electrode of the light emitting device 102 is short-circuited, so that light is emitted from the first reflective surface 104.
  • the reactant 120 may be formed only on the portion to be formed. In that case, the reactant 120 may be formed after masking a part of the first reflecting surface 104.
  • the optical sensor head 101 can be manufactured using the existing technology only by forming on the emission surface (first reflection surface 104) of the semiconductor laser element.
  • each parameter in the formulas (1) to (3) is as follows.
  • ⁇ 1 differential efficiency of light emitted from the first reflecting surface 104
  • ⁇ 2 differential efficiency of light emitted from the second reflecting surface 105
  • Ith threshold current
  • R 1 reflectance of the first reflecting surface 104
  • R 2 reflectance of the second reflecting surface 105
  • T 1 transmittance of the first reflecting surface 104
  • T 2 transmittance of the second reflecting surface 105
  • ⁇ stm internal differential efficiency
  • ⁇ i internal quantum efficiency
  • ⁇ int Internal loss
  • J 0 Transparent current
  • ⁇ Optical confinement factor of active layer
  • h Planck's constant
  • ⁇ Light frequency
  • q Electron charge
  • L Resonator length
  • W Active layer width
  • d Active layer thickness
  • the two detectors 103b and 103a may be used to detect the light intensities of the light emitted from the first reflecting surface 104 and the second reflecting surface 105, respectively. You may detect the light intensity of the light radiated
  • the emission intensity P of the semiconductor laser element is the differential efficiency ⁇ 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 or the derivative of the light emitted from the second reflecting surface 105 when the injection current I is greater than or equal to the threshold current Ith. It is known that the efficiency ⁇ 2 is used to express a linear relationship as in the following formula (4).
  • FIG. 2 shows differential efficiencies ⁇ 1 of light emitted from the first reflecting surface 104 and the second reflecting surface 105 when the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 in the light emitting device 102 is changed.
  • eta 2 is a graph showing changes of the threshold current I th.
  • parameters of a typical semiconductor laser element having a wavelength of 785 nm are used. It is assumed that R 2 of the second reflecting surface 105 is fixed at 0.7.
  • the differential efficiency ⁇ 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 decreases, and the second reflecting surface 105 It can be seen that the differential efficiency ⁇ 2 of the emitted light increases. Further, as the reflectivity R 1 of the first reflection surface 104 becomes large, it can be seen that the threshold current I th is reduced.
  • the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 and the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 when the injection current is 20 mA are calculated.
  • the results are shown in FIG.
  • the reason why the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 is 0.05 or less and no value is that the threshold current is 20 mA or more in that range, and therefore laser oscillation does not occur when the injection current is 20 mA. .
  • the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 than takes the maximum value, the reflectance R 1 is 0.45 when the reflectance R 1 of 0.45 Also decreases as it grows larger. This is because both the threshold current I th and the differential efficiency ⁇ 1 decrease as the reflectance R 1 increases.
  • the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 increases monotonously as the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 increases. This is because as the reflectance R 1 increases, the threshold current I th decreases while the differential efficiency ⁇ 2 increases.
  • FIG. 4 shows the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 obtained based on FIG. 3, the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104, and the second reflecting surface 105.
  • the relationship between the values dP 1 / dR 1 and dP 2 / dR 1 obtained by differentiating the light intensity P 2 of the emitted light by the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 is shown.
  • These values dP 1 / dR 1 and dP 2 / dR 1 are the sensitivities of the first reflective surface 104 and the second reflective surface 105 in the optical sensor system 200 according to the present embodiment to the amount of change in the reflectance R 1. It corresponds to.
  • a difference in the light intensity detected by the detector 103a and / or the detector 103b with respect to a minute change in the reflectance of the first reflecting surface 104 may be obtained.
  • a film having a known refractive index and film thickness
  • the surface of the first reflecting surface 104 is formed.
  • the reflectance of the first reflecting surface 104 may be measured from the outside using, for example, a commercially available reflectance measuring device.
  • the above-described conventional optical sensor system that is, “a system for detecting a change amount of an environmental parameter from reflected light or transmitted light when light is irradiated onto a reactant” will be briefly described.
  • the reactant is separated from the light emitting device.
  • the reactant 120 is in contact with the first reflecting surface 104 of the light emitting device 102, whereby the change in the optical properties of the reactant 120 is caused by the light emitting device (resonator). ) 102, the light intensity P is not constant, and the light intensity P changes as the reaction of the reactant 120 proceeds.
  • the optical property is a reflectance R 1 that changes with a change in refractive index
  • the optical sensor system 200 has the sensitivities dP 1 / dR 1 and dP 2 under the condition that the reactants having the same characteristics are irradiated with the light emitted from the light emitting devices having the same characteristics. If the absolute value of / dR 1 is equal to or greater than P (R 1 ) (see the following formula (5)), it is possible to detect the environmental parameter with higher sensitivity than the conventional optical sensor system described above.
  • FIG. 4 shows P (R 1 ) and —P (R 1 ) depicted in FIG. 3 together with dP 1 / dR 1 and dP 2 / dR 1 .
  • the following equation (5) (5) The range of the reflectance R 1 where is satisfied can be found.
  • Parameters related to the equation (5) include reflectance R 1 and R 2 defined by the coating material and film thickness on the reflective surfaces 104 and 105, and the injection current I to the light emitting device 102, and the following: There is.
  • ⁇ stm Internal differential efficiency
  • ⁇ i Internal quantum efficiency
  • ⁇ int Internal loss
  • J 0 Transparent current
  • ⁇ Optical confinement factor
  • L of active layer L Resonator length
  • W Active layer width
  • d Active layer thickness
  • the injection current I can be controlled when the optical sensor system 200 is driven. Therefore, based on measuring the reflectance R 1 with the above-described reflectance measuring device and simultaneously measuring the light intensity P 1 and / or P 2 with the detector 103a and / or the detector 103b, Equation (5) is established.
  • the range of the injection current I is calculated in advance from FIG. 4, and the range is stored in the storage unit in the calculation unit 151. Then, when calculating the environmental parameter, an injection current I having a value within the stored range is supplied to the light emitting device 102.
  • the drive circuit 108 may be controlled so that the value of the injected current is within an appropriate range.
  • the optical sensor system of this embodiment not only has higher sensitivity than the conventional optical sensor system described above, but also requires no optical adjustment because the reactant is formed on the first reflecting surface of the light emitting device. In addition, there is no change over time such as misalignment. Therefore, the number of manufacturing steps is small, and the cost is low because no countermeasure against misalignment is required. Furthermore, when the rising edge of the detection signal of the first detector can be made steep, the detection speed is increased.
  • the calculation unit 151 includes the total light amount and the detected light amount of the light emitted from the light emitting device 102.
  • the calculated reflectivity or refractive index may be corrected using a correction coefficient determined by the ratio.
  • the environmental parameter and the first reflective surface in the first reflective surface 104 are obtained by simulation or actual measurement.
  • a set of 104 and the reflectance R 1 is obtained in advance at several points.
  • a relational expression between the environmental parameter on the first reflecting surface 104 and the reflectance R 1 on the first reflecting surface 104 is derived, and the calculating unit 151 This relational expression is stored in the storage unit. Based on this relational expression, the calculation unit 151 can calculate an environmental parameter on the first reflecting surface 104 from the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104.
  • the environmental parameter whose value is known and the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 and / or the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 You may measure the set of several points beforehand.
  • the calculation unit 151 can calculate the environmental parameter on the first reflecting surface 104 to be obtained by comparing the light intensity measured for the environmental parameter whose value is unknown with some measured sets.
  • the calculation unit 151 includes a storage unit that stores a set of the value of the environmental parameter and the light intensity P 1 and / or P 2 of the light emitted from the light emitting device 102.
  • the storage unit may be a commercially available device such as a hard disk, an optical disk, or a solid memory.
  • a semiconductor laser element is used as the light emitting device 102.
  • the reflectivity of the first reflecting surface 104 changes with changes in the optical properties of the periphery of the reactant 120 or the reactant 120 itself.
  • Other laser elements such as a fiber laser may be used as the light emitting device 102 as long as the resonator oscillation conditions change.
  • Example 1 In Example 1, the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 before the reaction of the reactant 120 (initial state) in the specific examples described with reference to FIGS. 2 to 4 is 0.3.
  • the reflectance R 2 of the second reflecting surface 105 is 0.7, which is higher than the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104, and it is difficult to transmit light in the light emitting device 102 to the outside. Therefore, the differential efficiency ⁇ 1 is larger than the differential efficiency ⁇ 2 as shown in FIG. 2, and the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflective surface 104 is the second reflective surface 105 as shown in FIG. Is greater than the light intensity P 2 of the light emitted from.
  • the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 regardless of the value of reflectance R 1, the increase in reflectivity R 1 of the first reflecting surface 104 It turns out that it increases with it. Therefore, if the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 increases due to the reaction of the reactant 120, the detection intensity at the first detector 103a increases as the reaction of the reactant 120 proceeds, S / N increases. In this case, since the light intensity detected by the detector 103a before the reaction of the reactant 120 can be set to a small value, the driving energy of the light emitting device 102 can be reduced and the power consumption can be reduced.
  • the detection intensity at the first detector 103 a decreases as the reaction of the reactant 120 proceeds. Therefore, even if the reaction of the reactant 120 proceeds, the detection intensity of the first detector 103a is not saturated, and the circuit adjustment is performed so that the sensitivity of the detector 103a is maximized in the state before the reaction. it can. Therefore, the S / N can be increased particularly in a region where the amount of change is very small, and highly sensitive detection is possible.
  • the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 increases as the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 increases.
  • the rate R 1 exceeds 0.45 (maximum value)
  • the detection range is preferably a range where R 1 is 0.3 to 0.45.
  • Equation (5) does not hold for the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104.
  • High-sensitivity detection which is the effect of
  • R 1 of the first reflecting surface 104 decreases due to the reaction of the reactant 120
  • the detection intensity at the first detector 103a decreases as the reaction proceeds. Therefore, the detection intensity of the first detector 103a is not saturated by the reaction, and the circuit can be adjusted so that the sensitivity of the detector 103a is maximized before the reaction. Therefore, the S / N can be increased particularly in a region where the amount of change is very small, and highly sensitive detection is possible.
  • Example 2 In Example 2, the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 before the reaction of the reactant 120 (initial state) in the specific example described with reference to FIGS. 2 to 4 is 0.7.
  • Example 2 the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 and the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 are both described above. It can be seen that (5) holds. That is, in the case of Example 2, it can be seen that the sensitivity is higher than that of the conventional optical sensor system described above, regardless of whether the light intensity P 1 or the light intensity P 2 is detected.
  • the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 is reflected by the first reflecting surface 104 when the reflectance R 1 is in the range of 0.45 to 0.7. It can be seen that the rate R 1 decreases as it increases. Therefore, if the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 increases due to the reaction of the reactant 120, the detection intensity at the second detector 103b decreases as the reaction of the reactant 120 proceeds. Therefore, even if the reaction of the reactant 120 proceeds, the detection intensity of the first detector 103a is not saturated, and the circuit is adjusted so that the sensitivity of the second detector 103b is maximized in the state before the reaction. I can leave.
  • the reactant 120 that reflectance R 1 of the first reflection surface 104 is reduced by reacting, as long as the reflectance R 1 is 0.45 or more, first as the reaction of the reactants 120 proceeds
  • the detection intensity at the second detector 103b increases, and the S / N increases.
  • the driving energy of the light emitting device 102 can be reduced and the power consumption can be reduced.
  • the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 increases It can be seen that it increases with time. Therefore, if the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 increases due to the reaction of the reactant 120, the detection intensity at the first detector 103a increases as the reaction of the reactant 120 proceeds, S / N increases. In this case, since the light intensity detected by the detector 103a before the reaction of the reactant 120 can be set to a small value, the driving energy of the light emitting device 102 can be reduced and the power consumption can be reduced.
  • the detection intensity at the detector 103 a decreases as the reaction of the reactant 120 proceeds. Therefore, even if the reaction of the reactant 120 proceeds, the detection intensity of the first detector 103a is not saturated, and the circuit is adjusted so that the sensitivity of the first detector 103a is maximized in the state before the reaction. I can leave. Therefore, the S / N can be increased particularly in a region where the amount of change is very small, and highly sensitive detection is possible.
  • Example 3 the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 before the reaction of the reactant 120 (initial state) in the specific example described with reference to FIGS. 2 to 4 is 0.45.
  • Example 3 the sensitivity dP 1 / dR 1 when detecting the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 is almost 0, and the above equation (5) is established. I understand that there is no. On the other hand, when the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 is detected, the above (5) holds, and it can be seen that the sensitivity dP 2 / dR 1 is higher than the conventional optical sensor system described above. .
  • the effect when the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 is increased or decreased by the reaction of the reactant 120 is as described in the first and second embodiments.
  • the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 has a maximum value. Therefore, if the reactant 120 has a temperature dependency that the reaction rate is higher as the temperature is higher, the sensitivity is calculated based on the light intensity P 2 while heating at the light intensity P 1. And high sensitivity can be made compatible.
  • the reaction of the reactant 120 is reversible, for example, when a reverse reaction (refresh) is performed by light irradiation, refreshing can be performed at the maximum intensity by calculating the sensitivity based on the light intensity P 1. Can be made compatible.
  • Example 4 the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 before the reaction of the reactant 120 (initial state) in the specific example described with reference to FIGS. 2 to 4 is 0.1.
  • the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 is not defined, and the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 is operated to be constant. Further, at least one of the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 and the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 is more sensitive than the above-described conventional optical sensor system. To be higher.
  • the drive circuit 108 which is a control means, performs feedback control based on the light intensity information received via the calculation unit 151 so that the value specified by the user or manufacturer is constant. If the light emitting device 102 is a semiconductor laser element, the driving circuit 108 adjusts the injection current to the element. As shown in FIG. 3, the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 and the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 are the first reflection.
  • the drive circuit 108 When the first detector 103a detects only the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 because the dependency of the surface 104 on the reflectance R 1 is different, the calculation unit 151 or the drive Based on the relationship between the light intensity P 1 and the light intensity P 2 stored in the storage unit included in the circuit 108, the drive circuit 108 performs feedback control so that the light intensity P 1 becomes constant.
  • the drive circuit 108 may be directly connected to the two detectors 103a and 103b so that the light intensity information can be received without going through the calculation unit 151.
  • the amount of change in the light intensity P 2 and / or the light intensity P 1 detected by the detector 103a and / or the detector 103b is recorded in the drive circuit 108 at time intervals for performing feedback control, and sequentially integrated. In this way, since the light intensity P 2 and / or the total change amount of the light intensity P 1 after the reactant 120 starts the reaction can be known, the light when feedback is not applied in the same manner as described above. Based on the calculated intensity, the absolute value of the environmental parameter can be detected.
  • the reaction temperature of the reactant 120 is substantially constant. Further, if the reaction of the reactant 120 acts to increase the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104, the injection into the light emitting device 102 so as not to increase the light intensity P 1. Since control that gradually decreases the current is performed, power consumption can be reduced.
  • Example 6 In Example 6, the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 is not defined, and the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104 and the light emitted from the second reflecting surface 105 are reduced. Any of the light intensities P 2 is made more sensitive than the conventional optical sensor system described above.
  • the detector 103 a detects the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105
  • the detector 103 b detects the light intensity P 1 of the light emitted from the first reflecting surface 104.
  • the intensity P 1 decreases, and the light intensity P 2 of the light emitted from the second reflecting surface 105 increases.
  • the detection intensity at the detector 103b decreases, so that the detection intensity of the second detector 103b does not saturate due to the reaction, and the detector 103b is in a state before the reaction.
  • the circuit can be adjusted to maximize the sensitivity. Therefore, the S / N can be increased particularly in a region where the amount of change is very small, and highly sensitive detection is possible.
  • the detection intensity at the detector 103a increases as the reaction of the reactant 120 proceeds, and the S / N increases. That is, in the present embodiment, these two effects can be combined.
  • the detector 103a and the detector 103b It is preferable to set one of the detectors as high sensitivity and the other as a low sensitivity detector.
  • a high-sensitivity detector can increase the detection speed of the optical sensor system 200, and a low-sensitivity detector can widen the measurement range of environmental parameters. That is, a high sensitivity, high speed, and wide range optical sensor system 200 can be obtained.
  • the reflectance R 1 of the first reflecting surface 104 has been described with specific values. However, the reflectance R 1 may be set to other values as long as the effects described in the embodiments are obtained. Further, the reflectance R 2 of the second reflecting surface 105 and the value of the injection current may be appropriately changed.
  • FIG. 5 is a perspective view of the optical sensor head 1 of the present embodiment.
  • the optical sensor head 1 includes a light emitting device 2, a light shielding film 7, a dielectric film 12, and a detector 3. Although not shown, these are packaged and integrated.
  • the light emitting device 2 is provided between the first reflecting surface 4, the second reflecting surface 5 facing the first reflecting surface 4, and the first reflecting surface 4 and the second reflecting surface 5.
  • a waveguide 6 is provided.
  • a light shielding film 7 is formed on the first reflecting surface 4 via a dielectric film 12.
  • the light shielding film 7 is provided with a through hole 8 for generating near-field light.
  • the hole axis of the through hole 8 is on the extension line of the waveguide 6.
  • a first reflecting surface 4 and a second reflecting surface 5 are provided at both ends of the waveguide 6, and light is transmitted between the first reflecting surface 4 and the second reflecting surface 5 in the waveguide 6. Is configured to reciprocate.
  • a commercially available laser element may be used as the light emitting device 2, and a semiconductor laser element is particularly preferable for miniaturization.
  • a distributed feedback laser element may be used.
  • the semiconductor laser element as will be described later, it is easy to calculate the refractive index inside the through hole 8 from the light intensity radiated to the outside through the second reflecting surface 5 detected by the detector 3. It becomes.
  • the first reflecting surface 4, the second reflecting surface 5, and the waveguide 6 are already provided as long as they are commercially available laser elements. However, another film can be formed on the first reflecting surface 4 and the second reflecting surface 5 to adjust the reflectance.
  • the light shielding film 7 is formed of a material that does not transmit ambient light in order to generate near-field light in the through hole 8.
  • the light shielding film 7 is preferably made of a metal that excites surface plasmons. Specifically, materials such as gold, silver, and aluminum are mainly used.
  • the through-hole 8 formed in the light shielding film 7 generates near-field light by the light emitted from the light emitting device 2.
  • the detection target When the detection target is filled in the through hole 8, the refractive index inside the through hole 8 changes.
  • the detection target may be both disposed inside the through-hole 8 alone and disposed in the through-hole 8 in a form contained in gas (for example, air) or liquid (for example, water). .
  • the through-hole 8 has a larger area on the light exit surface 7 b of the light shielding film 7 than the opening area on the facing surface 7 a of the light shielding film 7 facing the first reflecting surface 4.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing the xz cross section of the light-shielding film 7 including the one-dot chain line in FIG.
  • the increasing rate of the cross-sectional area (xy cross-sectional area) of the through hole 8 is continuous from the facing surface 7a contacting the dielectric film 12 on the first reflecting surface 4 to the light emitting surface 7b. It has become.
  • two surfaces facing the x direction among the hole surfaces defining the through hole 8 are tapered surfaces having a constant inclination with respect to the facing surface 7a. Is inclined with respect to the z-axis so that the xy cross-sectional area of the through-hole 8 increases upward, and the rate of increase is constant.
  • FIG. 6B which is also a cross-sectional view showing the xz cross-section
  • a step-like through hole 28 is formed in the light shielding film 7.
  • the increasing rate of the cross-sectional area (xy cross-sectional area) of the through hole 28 is discontinuous from the facing surface 27a that contacts the dielectric film 12 on the first reflecting surface 4 to the light emitting surface 27b.
  • FIGS. 6A and 6B illustrate, as an example, a state in which the detection target 9 that is a liquid is filled in the through holes 8 and 28.
  • the shape and size of the through holes 8 and 28 strongly influence the intensity distribution of the near-field light in the through holes 8 and 28. Specifically, near-field light tends to be strongly excited as the distance between two surfaces facing each other is shorter.
  • the shapes of the through holes 8 and 28 change at least in the xz cross section, thereby opening the through holes 8 and 28 on the emission surfaces 7b and 27b.
  • the area is larger than the opening area of the through holes 8 and 28 on the opposing surfaces 7a and 27a.
  • the intensity of the near-field light generated in the through holes 8 and 28 is controlled by the opposing surface regardless of whether the linearly polarized light, the circularly polarized light or the elliptically polarized light is emitted from the light emitting device 2 and the direction of the polarized light. In the vicinity of 7a and 27a, it can be made stronger than in the vicinity of the exit surfaces 7b and 27b.
  • the shapes of the through holes 8 and 28 may be changed in both the xz cross section and the yz cross section.
  • near-field light generated in the through-holes 8 and 28 is concentrated in the vicinity of the opposing surfaces 7a and 27a of the light-shielding film 7, so that it is farther from the through-holes 8 and 28 when measuring the refractive index inside the through-holes 8 and 28. It is almost unaffected by the refractive index. Therefore, the refractive index in the vicinity of the through holes 8, 28, mainly the inside of the through holes 8, 28 can be detected with high sensitivity. For this reason, if the opening area in the opposing surfaces 7a and 27a of the through-holes 8 and 28 is sufficiently small, detection at the molecular level can be performed. Further, since the detection target only needs to exist inside the through holes 8 and 28, the sample volume can be reduced. Furthermore, since a separate light source is not required, the size can be reduced.
  • the cross-sectional shape of the through hole 8 may be not a straight line (trapezoid) but a curved line (a bowl). Further, as long as the rate of increase in the cross-sectional area of the through hole is continuous, the inclination angle may change midway. Further, the cross-sectional shape of the through-hole 28 is not a two-stage change as shown in FIG. 6B, but a multi-stage change of three or more stages as long as the increase rate of the cross-sectional area of the through-hole is discontinuous. However, it may not have a horizontal part and / or a vertical part.
  • the through holes 8 and 28 may be asymmetrical rather than symmetrical with respect to the z axis (FIGS. 6A and 6B).
  • one side may be a surface parallel to the z-axis.
  • the detection target hardly stays in the vicinity of the light emission surface 7b, and can smoothly enter the vicinity of the opposing surface 7a where the light intensity distribution is strong. For this reason, even if the area of the opposing surface 7a is small, it can be detected with sufficient sensitivity.
  • the range in which the light intensity distribution inside the through hole 28 is strong can be widened, and the detection sensitivity can be increased.
  • the through hole is formed so that the opening area of the through hole on the emission surface is larger than the opening area of the through hole on the opposing surface. It is sufficient that the shape is changed at least in either or both of the xz cross section and the yz cross section. If the light emitted from the light emitting device 2 includes both x-polarized light and y-polarized light, the opening area of the through hole on the emission surface is larger than the opening area of the through hole on the opposing surface.
  • the shape of the through hole only needs to change in at least one of the xz cross section and the yz cross section. In this case, it is preferable that the shape of the through hole is changed in both the xz cross section and the yz cross section.
  • surface plasmons have a property of being strongly excited on a plane orthogonal to the polarization direction of incident light. Therefore, in this embodiment, if the light emitted from the light emitting device 2 is x-polarized light, the shape of the through-holes 8 and 28 changes at least in the xz cross section, thereby relating to the x direction on the emission surfaces 7b and 27b.
  • the opening lengths of the through holes 8 and 28 are larger than the opening lengths of the through holes 8 and 28 in the x direction on the facing surfaces 7a and 27a. Thereby, the intensity of the near-field light generated in the through holes 8 and 28 can be made stronger near the opposing surfaces 7a and 27a than near the exit surfaces 7b and 27b. Therefore, the detection sensitivity can be further increased.
  • the opening length of the through holes 8 and 28 in either the x direction or the y direction on the facing surfaces 7a and 27a is smaller than the wavelength of the light emitted from the light emitting device 2. Thereby, there is almost no light transmitted through the through holes 8 and 28, and it is difficult to be influenced by the outside of the through holes 8 and 28, and only the refractive index change inside the through holes 8 and 28 can be detected.
  • the opening size of the through holes 8 and 28 can be set to about several nanometers, it is possible to allow only one molecule to be detected to enter the through holes 8 and 28. That is, the through holes 8 and 28 can also have a function of selecting a detection target having a certain size or less.
  • the optimal through-hole with which the near-field light intensity to be generated has a very narrow shape, if the discontinuous shape as shown in FIG.
  • the detection target that can enter the inside of the through hole 28 can be selected based on the opening size of the through hole 28 in 27b.
  • the detector 3 may be a commercially available photodetector or a spectroscope. Commercially available photodetectors can only detect intensity, but are small and low cost. On the other hand, although the spectroscope cannot be made so small, it can detect not only the intensity but also wavelength shift information because it can detect the reflection spectrum.
  • a detector may be disposed on the opposite side of the light emitting device 2 with the light shielding film 7 interposed therebetween. In that case, the detector detects the light intensity of the light passing through the first reflecting surface 4 and the through hole 8. The light passing through the through hole 8 is light in which near-field light generated mainly in the through holes 8 and 28 is scattered.
  • the near-field light generated in the through-holes 8 and 28 is stronger in the vicinity of the opposing surfaces 7a and 27a than in the vicinity of the exit surfaces 7b and 27b. Therefore, the intensity of light scattered from the near-field light in the vicinity of the opposing surfaces 7a and 27a. Become stronger. Therefore, even when light passing through the through hole 8 is detected, it is difficult to be influenced by the outside of the through holes 8 and 28, and only the refractive index change inside the through holes 8 and 28 can be detected.
  • the refractive index inside the through-holes 8 and 28 changes, the first reflecting surface 4 (which will be described below assuming that the dielectric film 12 is not provided, but when the dielectric film 12 is provided).
  • the same reflectance as described below holds, and the light intensity distribution in the waveguide 6 reciprocating between the first reflecting surface 4 and the second reflecting surface 5 changes.
  • the transmittance of light emitted from the second reflecting surface 5 changes. Therefore, the refractive index inside the through holes 8 and 28 can be determined by detecting the transmittance of the light emitted from the second reflecting surface 5. For example, if an adsorption layer for adsorbing specific molecules is provided in the through holes 8 and 28, the concentration of the specific molecules can be known.
  • the light intensity distribution was obtained by FDTD simulation for the following three structures (1), (2), and (3).
  • the light-shielding film 7 is gold having a thickness of 135 nm
  • the through-hole 8 has a width in the xz direction on the first reflecting surface 4 of 50 nm, and a width in the xz direction on the light emission surface is 200 nm.
  • the light shielding film 7 has a thickness of 135 nm of gold
  • the light-shielding film 7 is gold having a thickness of 135 nm
  • the through-hole 8 is a slit having a width of 50 nm in the xz direction, and continues infinitely in the y direction.
  • the incident light was all polarized in the width direction (x direction) of the slit and had a wavelength of 780 nm.
  • FIGS. 7 (a), (b), and (c) are the simulation results of the light intensity distribution in the cross section including the polarization direction for the structures (1), (2), and (3), respectively. the same).
  • the through hole is a conventional simple slit shape (structure (3))
  • the strength is highest at the edge of the through hole on the light exit surface as shown in FIG. Therefore, strong light is distributed outside the light exit surface.
  • the highest strength in the structure (1) is the edge of the through hole 8 in the opposing surface 7a
  • the highest strength in the structure (2) is from the opposing surface 27a until the slit width changes. is there. That is, in the structures (1) and (2), the light intensity distribution can be brought closer to the inner side than the light exit surfaces 7b and 27b, and the structure is sensitive to the refractive index change inside the through holes 8 and 28. ing.
  • the structure (2) has a wider range of strong light intensity inside the through hole, and the detection sensitivity can be increased.
  • the structure (1) is less affected by the outside of the through hole.
  • the detection target is less likely to stay near the light exit surface 7b, and the detection target can smoothly enter the vicinity of the opposing surface 7a where the light intensity is high.
  • FIGS. 7D, 7E, and 7F are simulation results of light intensity distribution in cross sections including the width direction of the slits for the structures (1), (2), and (3), respectively. However, these have an intensity scale of 1/3 with respect to FIGS. 7 (a), (b), and (c). If the through hole is a conventional simple slit shape (structure (3)), as shown in FIG. 7 (f), the light just oozes around the through hole 8 on the facing surface 7a.
  • the amount of oozing increases and the intensity distribution of light inside the light exit surfaces 7b and 27b can be enhanced.
  • the intensity distribution from the facing surfaces 7a and 27a toward the exit surfaces 7b and 27b in the hole axis is shown in FIG. From this graph, it can be seen that the light intensity inside the through holes of the structures (1) and (2) is stronger than that of the structure (3), and the intensity at the exit surfaces 7b and 27b is sufficiently low. That is, the structures (1) and (2) are sensitive to changes in the refractive index inside the through holes 8 and 28.
  • the oscillation conditions of the semiconductor laser element are threshold current and differential efficiency. These are generally known to be expressed by the following mathematical formulas (1) to (3).
  • each parameter is as follows.
  • ⁇ 1 differential efficiency of light emitted from the first reflecting surface 4
  • ⁇ 2 differential efficiency of light emitted from the second reflecting surface 5
  • I th threshold current
  • R 1 reflection of the first reflecting surface 4
  • R 2 reflectivity of the second reflecting surface 5
  • T 1 transmittance of the first reflecting surface 4
  • T 2 transmittance of the second reflecting surface 5
  • ⁇ stm internal differential efficiency
  • ⁇ i internal quantum efficiency
  • ⁇ int internal loss
  • J 0 transparency current
  • ⁇ optical confinement factor of active layer h: Planck constant
  • ⁇ frequency of light
  • L resonator length
  • W active layer width
  • d active layer thickness
  • FIG. 8A shows that the differential efficiency ( ⁇ 2 ) of the light emitted from the second reflecting surface 5 changes as the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 changes. .
  • the differential efficiency of light emitted from the second reflecting surface 5 with respect to the change in the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 It can be seen that the amount of change in ⁇ 2 ) increases.
  • the reflectance (R 2 ) of the second reflecting surface 5 is smaller, the differential efficiency of the light emitted from the second reflecting surface 5 with respect to the change in the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 ( It can be seen that the amount of change in ⁇ 2 ) increases.
  • the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 is large, and the second It is preferable that the reflectance (R 2 ) of the reflecting surface 5 is small.
  • FIG. 8B shows that the threshold current changes as the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 changes. It can also be seen that the smaller the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 is, the larger the amount of change in the threshold current with respect to the change in the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 is. However, even if the reflectance (R 2 ) of the second reflecting surface 5 changes, the amount of change in the threshold current with respect to the change in the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 hardly changes. That is, as the reflectance (R 2 ) of the second reflecting surface 5 is smaller, the threshold current value is larger, but the overall curve is substantially the same, and the amount of change in the threshold current is almost unchanged.
  • the reflectance (R 1 ) of the first reflecting surface 4 is small.
  • the amount of light emitted from the first reflecting surface 4 becomes strong or the amount of light absorbed by the first reflecting surface 4 is large.
  • heat is applied to the detection target 9 existing in the vicinity of the first reflecting surface 4. For this reason, it is preferable to correct the temperature change due to the amount of heat.
  • the light-emitting device 2 may be a commercially available laser element. If the light-shielding film 7 is formed on the first reflective surface 4 via the dielectric film 12 and then the through-hole 8 is formed in the light-shielding film 7. Good. Then, a commercially available photodetector may be installed as the detector 3 so that the light intensity of light emitted outside through the second reflecting surface 5 can be detected.
  • a semiconductor laser element when used as the light emitting device 2, a type in which the semiconductor laser element and the detector 3 for monitoring the emission intensity from the back surface of the semiconductor laser element are packaged can be used.
  • a light-shielding film 7 gold, silver, aluminum, etc.
  • a film is formed by vapor deposition or the like, and then the through hole 8 may be formed by FIB (Focused Ion Beam) or photolithography.
  • the FIB focused beam scanning method and photolithography conditions are appropriately set. Just decide. For example, in order to make a structure as shown in FIG. 6A, the number of scans in the FIB in the x direction may be reduced toward the outside and the number of scans in the center may be increased. Alternatively, a mask may be set in advance in the region of the through hole 8 and the light shielding portion may be formed by forming the film from an oblique direction, and then the mask of the through hole 8 may be removed. In order to make a structure as shown in FIG. 6B, a wide concave portion is dug in the light emission surface 27b, and then a narrow through hole is formed between the bottom surface of the concave portion and the opposing surface 27a. Just dig in.
  • the light-emitting device 2 When the light-emitting device 2 is used in a gas, sensing can be performed with only the above-described configuration. However, when more precise measurement is performed or when the light-emitting device 2 is used in a liquid, a device is required. In particular, when the light-emitting device 2 is a semiconductor laser element, if the optical sensor head 1 is brought into contact with the liquid as it is, the p-electrode and the n-electrode are brought into conduction, so that the light is not emitted and is destroyed in the worst case.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating an example of the flow path member 10.
  • a window (opening) 11 that exposes the flow path to the outside is provided at the center of the upper surface of the flow path member 10 in which a flow path from left to right is formed inside.
  • the window 11 is preferably formed to be larger than the opening size in the exit surface 7 b of the through hole 8.
  • the flow path member 10 is brought into close contact with the light shielding film 7 so that the through hole 8 of the light shielding film 7 is within the range of the window 11 (preferably coincident with the opening on the emission surface 7b) (see FIG. 11).
  • a gas or liquid including the detection target 9 is leaked by sandwiching a rubber ring between the light shielding film 7 and the flow path member 10 so as to surround the opening and the window 11 in the emission surface 7b of the through hole 8. Can be washed away.
  • the width of the flow path member 10 is narrow around the window 11, but the width of the flow path member 10 may be uniform.
  • the end of the flow path member 10 may be connected to a tube or the like so that the liquid containing the detection target 9 can be sucked out of the flow path member 10.
  • the window 11 may be smaller than the opening size of the exit surface 7 b of the through hole 8, but depending on the flow velocity of the gas and / or liquid including the detection target 9, the detection target 9 is within the range of the through hole 8 larger than the window 11. There is a risk of accumulation of gas and / or liquid containing.
  • a recess 41 connected to the through hole 8 is formed in the dielectric film 22 formed on the first reflecting surface 4.
  • the recess 41 is defined by a tapered surface that has the same inclination angle as that of the above-described tapered surface that defines the through-hole 8 and is connected to the inclined surface to form one inclined surface.
  • the through-hole 8 and the recessed part 41 together form one recessed part.
  • the size of the through hole 8 in the x direction is the smallest at the bottom surface of the recess 41, and thus the light intensity is the strongest here.
  • the recessed part 41 connected to the through-hole 8 is formed in the dielectric film 22, since the detection target 9 can exist also in the recessed part 41, a sensitivity can be raised further.
  • a recess 42 connected to the through hole 28 is formed in the dielectric film 32 formed on the first reflecting surface 4.
  • the recess 42 is defined by two vertical surfaces separated by the same width as the lower vertical portion below the horizontal portion of the through hole 28.
  • the through hole 28 and the recess 42 are combined to form one recess.
  • the size of the through hole 28 in the x direction is the smallest between the horizontal portion and the bottom surface of the recess 42, and the light intensity is the strongest here. If the concave portion 42 connected to the through hole 28 is formed in the dielectric film 32 as described above, the detection target 9 can exist also in the concave portion 42, so that the sensitivity can be increased.
  • the optical sensor head 101 shown in FIG. 11 uses a light shielding film 37 divided into two regions 37a and 37b that are insulated from each other with the through hole 38 as a boundary.
  • the through hole 38 is formed as a slit that divides the light shielding film 37 into two, but this is not necessarily the case, and the light shielding film is insulated from each other by the through hole and the insulating layer. It may be divided into two regions.
  • a circuit 39 including a DC power supply 39a is provided as a voltage applying means for applying a DC voltage between the two regions 37a and 37b of the light shielding film 37.
  • the detection target can be collected in the through hole 38 by electrophoresis. This is because when a voltage is applied between the two regions 37a and 37b that are insulated from each other, a strong electric field is generated at a place where the distance between the two regions 37a and 37b is the narrowest.
  • the detection sensitivity is further improved. Note that an AC voltage may be applied between the two regions 37a and 37b, and the size of the detection target that can be collected may be selected based on the frequency.
  • FIG. 12 analyzes the result detected by the optical sensor head 1 shown in detail in FIG. 5 and the detector 3 of the optical sensor head 1, and calculates the refractive index in the through hole 8. 51, a display unit 52 that displays the calculation result of the calculation unit 51, and a drive circuit 53.
  • the calculation unit 51 may be a circuit system alone, or may be a computer and software that operates on the computer.
  • the display unit 52 may be a commercially available display, and may display only numbers (refractive index).
  • a computer is used as the calculation unit 51, if a display corresponding to the computer is used as the display unit 52, the refractive index can be displayed in a graph on the display.
  • the user can input measurement conditions and analysis contents using an input device such as a keyboard.
  • the drive circuit 53 is a circuit for driving the light emitting device 2 of the optical sensor head 1, and is connected to two electrodes (not shown) of the light emitting device 2, and an injection current is injected into the light emitting device 2 through the two electrodes. Supply. Since the analysis in the calculation unit 51 may require the driving condition of the light emitting device 2, the calculation unit 51 is connected to the driving circuit 53 of the light emitting device 2 as shown in FIG.
  • the program provided with an algorithm related to the operation of the optical sensor system described later may be provided by the manufacturer or may be created by the user.
  • the differential efficiency ( ⁇ 2 ) of the light emitted from the second reflecting surface 5 a current is passed through the light emitting device 2 at at least two current values equal to or higher than the threshold current, The light intensity of the light emitted from the second reflecting surface 5 is detected by the detector 3.
  • the calculation unit 51 obtains the differential efficiency ( ⁇ 2 ) by dividing the difference between the plurality of detection intensities detected by the detector 3 by the difference in current value.
  • the detector 3 When the detector 3 is configured to detect only a part of the light emitted from the second reflecting surface 5, the total light amount and the detected light amount of the light emitted from the second reflecting surface 5 are determined.
  • the calculation of the refractive index may be corrected by the ratio. In that case, the memory
  • the detector 3 detects the light intensity of the light radiated from the second reflecting surface 5 at that time by passing the current with at least two current values equal to or greater than the threshold current. To do. After calculating the differential efficiency ( ⁇ 2 ) of the light emitted from the second reflecting surface 5 by the calculation unit 51, the light intensity at a certain current value and the calculated differential efficiency ⁇ 2 are substituted into Equation (6). By doing so, a threshold current is obtained.
  • the relationship between the refractive index inside the through-hole 8 and the reflectance of the first reflecting surface 4 is calculated in advance by FDTD simulation. Or some points are calculated
  • the calculation unit 51 only needs to have a storage unit that stores the result of measuring a sample whose concentration is known before measurement.
  • the storage unit may be a commercially available device such as a hard disk, an optical disk, or a solid memory.
  • the oscillation wavelength of a semiconductor laser element changes depending on the environmental temperature. Based on this principle, if a spectroscope is used as the detector 3 to measure not only the intensity but also the spectrum, changes in the threshold current and the differential efficiency due to changes in the environmental temperature can be corrected. Also, the refractive index can be corrected by the temperature of the detection target and the light shielding film. Specifically, the calculation unit 51 may hold the result of measuring the relationship between the temperature and the oscillation wavelength in advance, or may be calculated from the configuration of the semiconductor laser element.
  • a plurality of optical sensor heads 1 may be used.
  • the shape of the through hole 8, the material of the light shielding film 7, the wavelength of the light emitting device 2 are different from each other, information obtained from each optical sensor head 1 is different.
  • the optical sensor heads 1 may be arranged apart from each other, may be arranged close to each other, and may be selected depending on the purpose.
  • the information obtained from the plurality of optical sensor heads 1 is integrated and the time change or location of the detection target 9 is determined. You can also get dependency information. Furthermore, if the temperature of the detection target 9 or the flow velocity of the detection target 9 is changed and the change in time or location is measured, the dynamic characteristics (viscosity, dispersion, etc.) of the detection target 9 in the flow path can be known. . If an adsorption layer that adsorbs specific molecules is provided inside the through-hole 8 and the concentration of the specific molecules is detected, the reaction conditions (reaction rate, dissociation constant, etc.) for the adsorption layer can be known.
  • the optical sensor system according to Embodiment 1 described above includes a first reflecting surface, a second reflecting surface facing the first reflecting surface, and the first reflecting surface and the second reflecting surface.
  • a light emitting device having a waveguide provided therebetween, a reactant formed on the first reflecting surface, and light emitted from one of the first reflecting surface and the second reflecting surface
  • an optical sensor system comprising: a first detector that detects an intensity; and a calculator that calculates an environmental parameter on the first reflecting surface based on the light intensity detected by the first detector.
  • the reflectance R 1 of the first reflecting surface and the light intensity P (R 1 ) detected by the detector are: Satisfy the relationship.
  • the optical sensor system is more sensitive than the above-described conventional optical sensor system.
  • the reactant is formed on the first reflecting surface of the light emitting device, optical adjustment is not required and a change with time such as a positional shift does not occur. Therefore, the number of manufacturing steps is small, and the cost is low because no countermeasure against misalignment is required. Furthermore, when the rising edge of the detection signal of the first detector can be made steep, the detection speed is increased.
  • the reactant R reacts to increase the reflectance R 1 of the first reflecting surface, or The reflectance R 1 of the first reflecting surface is reduced by the reaction of the reactants.
  • the reactant reacts, the light intensity of the light detected by the first detector increases, so the S / N increases. Further, since the light intensity detected by the detector before the reaction can be set to a small value, the driving energy of the light emitting device can be reduced and the power consumption can be reduced.
  • the material and film thickness of the reactant may be appropriately selected according to the coating state of the first reflecting surface.
  • the reflectance R 1 of the first reflecting surface is reduced by the reaction of the reactant, or And the reactant R reacts to increase the reflectance R 1 of the first reflecting surface.
  • the optical sensor system described above further includes control means for performing feedback control based on the light intensity detected by the first detector so that the light intensity detected by the first detector is constant. I have. With the above configuration, since the light intensity irradiated to the reactant is constant, the reaction temperature of the reactant is substantially constant. If the reaction of the reactant acts to increase the light intensity of the light emitted from the first reflecting surface, the injection current to the light emitting device is gradually decreased so as not to increase the light intensity. Therefore, power consumption can be reduced.
  • the optical sensor system described above further includes a second detector that detects the light intensity of light emitted from the other of the first reflecting surface and the second reflecting surface.
  • the detection speed of the optical sensor system can be increased with a high sensitivity detector, and the environmental parameter of a low sensitivity detector can be increased.
  • the measurement range can be widened. That is, a high sensitivity, high speed, and a wide range of optical sensor systems can be obtained.
  • the optical sensor head includes a first reflection surface, a second reflection surface facing the first reflection surface, and the first reflection surface and the second reflection surface.
  • a light-emitting device having a waveguide provided therebetween, a light-shielding film formed on the first reflecting surface, having a through-hole for generating near-field light, and the first or first
  • a detector for detecting the light intensity of light emitted from the light emitting device through the two reflecting surfaces, wherein the opening area of the through hole on the light emitting surface of the light shielding film is The opening area of the through hole on the opposing surface of the light shielding film opposite to the first reflecting surface is larger.
  • the light intensity distribution in the through hole is weak near the light exit surface and strong near the opposing surface, it is not easily affected by the outside of the through hole, and only the refractive index change inside the through hole is good. Can be detected with sensitivity. For this reason, if the opening size on the opposing surface of the through hole is made sufficiently small, detection at the molecular level can be performed. In addition, since only the detection target that can enter into the opening on the opposing surface of the through hole is detected, it is possible to detect the detection target after selecting it according to the opening size. Furthermore, since the detection target only needs to exist inside the through hole, the sample volume can be reduced. Further, since a separate light source is not required, the size can be reduced.
  • the light shielding film is made of a material that excites surface plasmons. According to the said structure, since the material of a light shielding film is a material which excites surface plasmon, the intensity
  • the light emitted from the light emitting device is linearly polarized light
  • the opening length of the through hole on the light exiting surface of the light shielding film with respect to the direction of the linearly polarized light is on the opposing surface of the light shielding film. It is larger than the opening length of the through hole.
  • the light emitted from the light emitting device is linearly polarized light, and the opening length of the through hole in the direction of the linearly polarized light on the facing surface of the light shielding film is greater than the wavelength of light emitted from the light emitting device. small. According to the said structure, there is almost no light which permeate
  • the increase rate of the cross-sectional area of the through hole is continuous. According to the above configuration, the detection target hardly stays in the vicinity of the light emission surface, and can smoothly enter the opposite surface side where the light intensity distribution is strong. For this reason, even if the area on the facing surface is small, it can be detected with sufficient sensitivity.
  • the increase rate of the cross-sectional area of the through hole is discontinuous. According to the said structure, the range where the intensity distribution of the light inside a through-hole is strong becomes wide, and it can raise detection sensitivity.
  • a dielectric film formed between the light emitting device and the light shielding film is further provided, and the dielectric film has a recess connected to the through hole. According to the above configuration, since the detection target can exist also in the recess formed in the dielectric film, the sensitivity can be further increased.
  • the light emitting device is a semiconductor laser element. According to the above configuration, a small optical sensor head can be obtained, and the refractive index inside the through hole can be calculated from the light intensity radiated to the outside through the first or second reflecting surface detected by the detector. Easy.
  • the detector is a spectroscope capable of measuring spectrum, and detects the wavelength of light emitted to the outside through the first or second reflecting surface. According to the above configuration, since the oscillation temperature of the semiconductor laser depends on the ambient temperature, the ambient temperature can be calculated from the detected wavelength, and the calculation of the refractive index can be corrected. Detection is possible.
  • the light shielding film is divided into two regions insulated from each other with the through hole as a boundary, Voltage application means for applying a voltage between the two regions of the light shielding film is further provided.
  • a detection target can be collected inside a through-hole by applying a voltage between the said 2 area
  • the optical sensor system is calculated by the optical sensor head, a calculation unit that calculates a refractive index in the through hole based on a detection value of the detector when the light emitting device emits light, and a calculation unit that calculates And a display unit for displaying the refractive index.
  • it becomes an optical sensor system which is hard to receive the influence outside a through-hole, can detect only the refractive index change inside a through-hole, and can also detect a molecular level.

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Abstract

　貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔内部の屈折率のみを検出する。第１の反射面４、第１の反射面４と対向する第２の反射面５、および、第１の反射面４と第２の反射面５との間に設けられた導波路６が形成された発光デバイス２と、近接場光を発生させるための貫通孔８が設けられた、第１の反射面４上に形成された遮光膜７と、第２の反射面５を通して発光デバイス２から出射される光の光強度を検出する検出器３とを備えた光学センサヘッドである。遮光膜７の光の出射面７ｂ上での貫通孔８の開口面積が、第１の反射面４に対向した遮光膜７の対向面７ａ上での貫通孔８の開口面積よりも大きい。

Description

光学センサヘッド、および光学センサシステム
　本発明は、光学センサヘッド、および光学センサシステムに関する。
　種々の光学センサにおいて、光共振器の共振状態の変化を検出する方式は、感度が高いことおよびマーカーが不要であることから、種々の分野で使用されている。例えば、特許文献１では、光記録媒体からの戻り光を半導体レーザに戻し、半導体レーザの発振状態を変化させ、この変化をモニタＰＤ（Photodetector）で検出している。
　特許文献２では、振動検出器として、振動子が半導体レーザおよびモニタＰＤと一体で形成されており、振動子からの戻り光により半導体レーザの発振状態に強度変調を与え、モニタＰＤで検出した信号からこの変調を解析することで、振動子の固有振動数の変化およびこの原因である圧力、温度、変位、流量などを測定している。
　また、特許文献３では、出射窓のある金属膜を端面に設けた半導体レーザ素子を用い、この出射窓で発生する近接場光で記録する記録装置において、近接場光の記録媒体からの反射光が半導体レーザ素子に戻ることによる、半導体レーザ素子への電流注入電極間に生じる電圧変化または金属膜を設けた端面とは逆側から放射される半導体レーザ素子の光強度変化を用いて、記録媒体の再生を行っている。
　一方で、表面プラズモン共鳴（入射光と金属内の電子の振動の共鳴）により、金属膜表面の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーは、感度が高いことおよびマーカーが不要であることから、主にバイオ分野における研究用途として使用されている。
　このセンサーを用いた一般的な方法では、プリズムの１面に設けられた金属膜に対して、プリズムを介して光を集光して入射させ、その反射光を検出し、光が吸収される入射角から金属膜表面の屈折率を解析する。また、通常、金属膜に特定の分子を吸着する吸着層を設けておくことで、屈折率から分子の濃度を換算している。
　しかしながら、この方法を実行するには、光源、レンズ、プリズムなどからなる複雑な構成が必要となっており、組立時の精度や、経時変化を起こさないような厳しい温度管理や生じたずれの補正などが必要であるため、コストがかかるとともに、装置が大型化していた。また、分子レベルの高精度な検出は困難である。
　これに対して、小型かつ感度の高い検出を行うため、共振器を用いる方法が提案されている。特許文献４では、平面状の導波路の一部に微小共振器を組み込み、この微小共振器表面の屈折率変化によるスペクトル応答の変化を検出している。この微小共振器は、金属薄膜からなり、反射部分は周期構造によるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射を用いており、表面プラズモン波のための共振器である。
　また、特許文献５には、光ファイバの端面に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層を形成し、当該金属微粒子層の表面に検出対象分子に相補的な分子の分子層を形成した局在化表面プラズモンセンサが開示されている。この局在化表面プラズモンセンサは、光ファイバの端面から反射または散乱された光の変化を用いて、上記の相補的な分子に吸着または結合した検出対象分子を検出している。
特開平９－２３７９１４号公報（１９９７年９月９日公開） 特開平６－１１７９１３号公報（１９９４年４月２８日公開） 特開２００１－２６６３８９号公報（２００１年９月２８日公開） 特表２００７－５３７４３９号公報（２００７年１２月２０日公開） 特許第４２２４６４１号公報（２００９年２月１８日発行）
　しかしながら、特許文献１では、光記録媒体が半導体レーザとは別体になっているため、再生に必要な光量を半導体レーザに戻すために、高精度な調整が必要になるとともに、経時変化による位置ずれを防ぐ構造にしなければならないため、高コスト化につながる。特許文献２では、アスペクト比の高い振動子を、半導体レーザに近接かつ同一基板上に形成しなければならず、マスキングやエッチングにおいて精度が求められる。また、固有振動数を検出しなければならないため、検出後の信号処理が複雑である。
　また、特許文献４では、２～１０ミクロン長の共振器を利用しているため、減衰波である表面プラズモン波が共振器内部でロスしてしまい、感度向上が見込めない。また、別途光源が必要な分、小型化には限界がある。
　特許文献３は、出射窓のある金属膜から離れた位置にある記録媒体での、近接場光の反射率変化を再生するためのものであり、出射窓から外側に広がった近接場光を利用している。この方式では、貫通孔外部の影響を受ける構成となっている。また、分子レベルの検出をするには、検出範囲が広すぎるという問題がある。
　特許文献５に開示されたセンサでは、共振器を使用していないため、感度が低い。また、このセンサでは、光源の光を光ファイバに結合させる際、光強度のロスが生じる。
　本発明の目的は、高感度化および小型化が可能な光学センサシステム、並びに、感度がよく、小型化が可能で、貫通孔外部の影響をほとんど受けず、しかも検出範囲が広すぎることがない光学センサヘッドおよびこれを含む光学センサシステムを提供することである。
　一つの観点において、本発明の光学センサシステムは、第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイスと、前記第１の反射面上に形成された反応体と、前記第１の反射面及び前記第２の反射面の一方から出射される光の光強度を検出する第１の検出器と、前記第１の検出器によって検出された光強度に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備えている光学センサシステムにおいて、前記第１の反射面の反射率Ｒ1と、前記検出器によって検出された光強度Ｐ(Ｒ1)とが、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 の関係を満たす。
　別の観点において、本発明の光学センサヘッドは、第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路が形成された発光デバイスと、近接場光を発生させるための貫通孔が設けられた、前記第１の反射面上に形成された遮光膜と、前記第１または第２の反射面を通して前記発光デバイスから出射される光の光強度を検出する検出器とを備えた光学センサヘッドであって、前記遮光膜の光の出射面上での前記貫通孔の開口面積が、前記第１の反射面に対向した前記遮光膜の対向面上での前記貫通孔の開口面積よりも大きい。
　第一の観点に従った光学センサシステムによると、従来の光学センサシステムとの比較において、高感度化および小型化が可能となる。なお、ここでの従来の光学センサシステムとは、「反応体に光を照射した際の反射光または透過光から環境パラメータの変化量を検出するシステム」を意味しており、その詳細については後述する。
　また、第二の観点に従った光学センサヘッドによると、貫通孔における光の強度分布が、光の出射面付近で弱く、対向面付近で強くなるため、貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔内部の屈折率変化のみを良好な感度で検出できる。このため、貫通孔の対向面における開口サイズを十分に小さくしておけば、分子レベルの検出ができる。また、貫通孔の対向面における開口に入り込める検出対象のみを検出することになるため、検出対象を開口サイズで選別した上で検出することが可能である。さらに、貫通孔の内部にのみ検出対象が存在すればよいので、サンプル容積を小さくすることができる。また、別途光源を必要としないために、小型化が可能である。
本発明の実施形態１に係る光学センサシステムの概略図である。 図１に描かれた光学センサシステムに含まれる発光デバイスの発光特性（反射面の反射率と、微分効率及び閾値電流との関係）を示すグラフである。 図１に描かれた光学センサシステムに含まれる発光デバイスの発光特性（反射面の反射率と、２つの反射面から放射される光強度との関係）を示すグラフである。 図１に描かれた光学センサシステムに含まれる発光デバイスの発光特性（反射面の反射率と、２つの反射面から放射される光強度を反射率で微分した値との関係）を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る光学センサヘッドの斜視図である。 図５に示す光学センサヘッドにおいて、遮光膜に形成された貫通孔を示す断面図である。 図５に示す光学センサヘッドを含む３種類の光学センサヘッドにおけるＦＤＴＤシミュレーション結果を示す写真である。 発光デバイスから出射される光の偏光方向が図７（ａ）‐（ｃ）とは異なる場合のＦＤＴＤシミュレーション結果を示す写真である。 図７（ｄ）‐（ｆ）の各例における、対向面から出射面に向けての強度分布を示したグラフである。 図５に示す光学センサヘッドの特性を示す図である。 図５に示す光学センサヘッドに取り付け可能な流路部材の概略斜視図である。 本発明の実施形態２の変形例に係る光学センサヘッドの図６に相当する断面図である。 本発明の実施形態２の別の変形例に係る光学センサヘッドの斜視図である。 本発明の実施形態３に係る光学センサシステムの斜視図である。
＜実施形態１＞
　本発明の実施形態１に係る光学センサシステム及びその実施例について、図１～図４を参照して説明する。
　［光学センサシステムの構成］
　本実施形態に係る光学センサシステム２００は、図１に示すように、発光デバイス１０２と、反応体１２０と、２つの検出器１０３ａ、１０３ｂと、駆動回路１０８と、算出部１５１と、表示部１５２とから構成されている。発光デバイス１０２、反応体１２０、及び、検出器１０３ａ、１０３ｂが光学センサヘッド１０１を構成している。図示を省略しているが、光学センサヘッド１０１はパッケージ化されて一体となっている。発光デバイス１０２は、第１の反射面１０４、第１の反射面１０４と対向する第２の反射面１０５、および、第１の反射面１０４と第２の反射面１０５との間に設けられた導波路１０６を有している。反応体１２０は、第１の反射面１０４上に形成されている。２つの検出器１０３ａ、１０３ｂは、発光デバイス１０２及び反応体１２０を導波路１０６に沿った方向に挟む位置に配置されており、検出器１０３ａの上面が第２の反射面１０５と対向し、検出器１０３ｂの下面が反応体１２０の上面と対向している。なお、後述するように、２つの検出器１０３ａ、１０３ｂのうちのどちらか一方だけが配置されていてもよい。駆動回路１０８は、算出部１５１と、発光デバイス１０２の図示しない２つの電極とに接続されており、当該２つの電極を介して発光デバイス１０２に注入電流を供給する。
　発光デバイス１０２は、導波路１０６の両端に、第１の反射面１０４および第２の反射面１０５が設けられて、第１の反射面１０４および第２の反射面１０５間を導波路１０６内で光が往復する構成である。導波路１０６に利得が存在し、導波路１０６を往復する光が利得によりエネルギー増幅され、一部の光が第１の反射面１０４および第２の反射面１０５から外部に放射される。このように、発光デバイス１０２は、第１の反射面１０４、第２の反射面１０５、および、導波路１０６を有することにより、共振器を構成している。
　発光デバイス１０２として具体的には市販のレーザ素子を用いればよく、特に小型化のためには半導体レーザ素子が好ましい。また、感度を上げるために、分布帰還型レーザ素子を用いてもよい。
　第１の反射面１０４、第２の反射面１０５、および、導波路１０６は、市販のレーザ素子（半導体レーザ素子など）であれば、すでに備わっている。しかしながら、本実施形態に係る光学センサシステム２００では、第１の反射面１０４上に反応体１２０が形成されているために、第１の反射面１０４の反射率が市販されているときとは異なる。
　検出器１０３ａ、１０３ｂは、小型かつ低コストな市販のフォトディテクタでよい。検出器１０３ａ、１０３ｂの検出面は、検出する光が反射して光源に戻らないように、光軸に対して少し傾いていてもよい。また、検出器１０３ａは、図１では発光デバイス１０２の第２の反射面１０５直後に配置されて、第２の反射面１０５を透過した光の光強度を検出する構成となっているが、第２の反射面１０５を透過した光の光強度を検出できる位置であれば、どこに設置されてもよい。同様に、検出器１０３ａは、第１の反射面１０４及び反応体１２０を透過した光の光強度を検出できる位置であれば、どこに設置されてもよい。
　ところで、市販の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子の光出力を一定に保つために、その内部に半導体レーザ素子の出射光の光強度をモニタする光検出器（フォトダイオードなど）が設けられている。発光デバイス１０２として市販の半導体レーザ素子を用いる場合、この光検出器を検出器１０３ａとして利用してもよい。これにより、光学センサシステム２００を容易に作製することができる。
　発光デバイス１０２の第１の反射面１０４上に形成された反応体１２０は、光学センサシステム２００で検出する環境パラメータの変化により自らの光学的性質を変化させる。ここで光学的性質としては、例えば誘電率及び屈折率（吸収係数含む）が挙げられる。なお、光学的性質は、誘電率又は屈折率の変化に伴って変化するもの（例えば、透過率、反射率、吸収率、電気伝導度、又は、バンドギャップ）であってもよい。
　反応体１２０は、例えば薄膜であってもよいし、微粒子（例えば表面プラズモンを励起する金属微粒子）の集合体であってよく、形状は問わない。反応体１２０の材質は、環境パラメータに応じて、誘電体、半導体、金属、有機膜などから適宜選べばよい。例えば、酸化物は周囲の酸素量により自らの光学的性質が変化するため、酸化物で形成された反応体を酸化若しくは還元ガスの濃度検出又は酸化若しくは還元性液体の濃度検出に利用できる。また、圧電素子などに用いられる材料は、圧力により光学的性質が変化するため、当該材料で形成された反応体を用いて反応体に加えられる圧力を検出できる。さらに、特定の物質のみを結合させる有機膜を反応体として用いれば、特定の物質の濃度を検出することができる。
　また、反応体１２０の材質が金属であるときには、反応体１２０を、表面プラズモンを励起できる形状にしておくことが好ましい。その場合、反応体１２０自体が反応しなくても、環境パラメータにより周囲の屈折率が変化することで表面プラズモンの励起条件が変化し、第１の反射面１０４の反射率が変化する。表面プラズモンを励起できる形状として、貫通孔が設けられた遮光膜（図５参照）であれば、貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔が設けられた部分のみの情報が得られる。特に、貫通孔の開口サイズを発光デバイス１０２から放射される光の波長より短くすることが好ましく、その場合、反応体１２０を透過する光がほとんどないため、戻り光の影響がほとんどない。貫通孔が設けられた遮光膜についての詳細は後述する。
　本明細書において、環境パラメータとしては、温度、湿度、圧力、酸化又は還元力、及び、反応体１２０の周辺に存在する気体、液体又は固体の種類、濃度又は数量などが挙げられる。
　算出部１５１は、検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂで検出された光の光強度に基づいて解析を行うことによって、第１の反射面１０４における環境パラメータを算出する。解析には発光デバイス１０２の駆動条件も必要となる場合があるため、図１に示すように算出部１５１は発光デバイス１０２の駆動回路１０８に接続されている。
　表示部１５２は、算出部１５１による算出結果を表示する。表示部１５２としては、市販のディスプレイを用いればよく、環境パラメータを数字だけで表示するものでもよい。算出部１５１としてコンピュータを利用する場合、表示部１５２としてコンピュータに対応したディスプレイを用いれば、ディスプレイに環境パラメータをグラフ表示させることができる。また、算出部１５１としてコンピュータを利用する場合には、ユーザが測定条件や解析内容をキーボードなどの入力装置を用いて入力することもできる。なお、算出部１５１の算出結果を、別の機器に接続する場合であれば、表示部１５２は不要である。
　本実施形態に係る光学センサシステム２００は、発光デバイス１０２の近傍に配置された温度センサ１０９をさらに含んでいる。環境パラメータ又は発光デバイス１０２が温度依存性を持つ場合、温度センサ１０９により発光デバイス１０２の温度を検出しておけば、その温度に基づいて、算出部１５１は、発光デバイス１０２の検出信号の変化を補正する。
　［ソフトウェアによる実現例］
　算出部１５１は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。後者の場合、算出部１５１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵを有している。また、算出部１５１は、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに有している。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、算出部１５１の機能が実現される。
　上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、当該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、上記プログラムは、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態で、電子的に伝送することも可能である。
　［光学センサヘッドの製造方法］
　次に、図１に示す光学センサヘッド１０１の製造方法の一例を説明する。発光デバイス１０２として市販のレーザ素子を用い、その第１の反射面１０４に反応体１２０を形成する。次に、第２の反射面１０５及び第１の反射面１０４を通して外部に出射される光の光強度をそれぞれ検出できるように、市販のフォトディテクタを検出器１０３ａ、１０３ｂとしてそれぞれ上述した位置に設置する。なお、市販のレーザ素子に外部共振器を加え、その反射面を第１の反射面１０４としてもよい。
　反応体１２０は、スパッタ、蒸着又は化学合成などにより発光デバイス１０２の第１の反射面１０４に形成することができる。反応体１２０が導電材料であれば、第１の反射面１０４の全面に反応体１２０を形成すると、発光デバイス１０２の電極をショートしてしまうため、第１の反射面１０４のうち、光が出射される部分のみに反応体１２０を形成すればよい。その場合、第１の反射面１０４の一部をマスクした上で反応体１２０を製膜すればよい。
　例えば、発光デバイス１０２として半導体レーザ素子を用いる場合、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の裏面からの発光強度をモニタするフォトディテクタとがパッケージ化されているタイプのものを用いることができ、反応体１２０を、この半導体レーザ素子の出射面（第１の反射面１０４）に形成するだけで、既存の技術を利用して光学センサヘッド１０１を製造できる。
　［光学センサシステムの動作］
　次に、算出部１５１で行なわれる、検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂで検出された光の光強度に基づいた解析、および環境パラメータの算出原理について説明する。なお、以下の説明においては、発光デバイス１０２が半導体レーザ素子であるとする。
　〈半導体レーザ素子の利用例〉
　上述のとおり、環境パラメータの変化により、反応体１２０の周辺または反応体１２０自体の光学的性質が変化し、第１の反射面１０４の反射率が変化する。まず、この第１の反射面１０４の反射率の変化が、発光デバイス１０２である半導体レーザ素子の発光強度に与える影響の計算について説明する。
　半導体レーザ素子の動作は、一般に下記の数式（１）～（３）で表されることが知られている。ここで、数式（１）～（３）における各パラメータは、以下のとおりである。
　η1：第１の反射面１０４から放射された光の微分効率
　η2：第２の反射面１０５から放射された光の微分効率
　Ｉth：閾値電流
　Ｒ1：第１の反射面１０４の反射率
　Ｒ2：第２の反射面１０５の反射率
　Ｔ1：第１の反射面１０４の透過率
　Ｔ2：第２の反射面１０５の透過率
　ηstm：内部微分効率
　ηi：内部量子効率
　αint：内部損失
　Ｊ0：透明化電流
　Γ：活性層の光閉じ込め係数
　ｈ：プランク定数
　ν：光の振動数
　ｑ：電子の電荷
　Ｌ：共振器長
　Ｗ：活性層の幅
　ｄ：活性層厚さ
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここでは、２つの検出器１０３ｂ、１０３ａを両方用いて第１の反射面１０４および第２の反射面１０５から放射された光の光強度をそれぞれ検出してもよいし、２つの検出器１０３ｂ、１０３ａの一方だけを用いて第１の反射面１０４又は第２の反射面１０５から放射された光の光強度を検出してもよい。つまり、２つの検出器１０３ａ、１０３ｂのうちいずれか一方だけが配置されていてもよい。
　半導体レーザ素子の発光強度Ｐは、注入電流Ｉが閾値電流Ｉth以上のとき、第１の反射面１０４から放射された光の微分効率η1または第２の反射面１０５から放射された光の微分効率η2を用いて、次の数式（４）のように線形な関係で表されることが知られている。
（数５）
　　Ｐ1＝η1（Ｉ－Ｉth）
　　Ｐ2＝η2（Ｉ－Ｉth）　　　　　（４）
　図２は、発光デバイス１０２における第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を変化させたときの、第１の反射面１０４および第２の反射面１０５から放射された光の微分効率η1、η2、および閾値電流Ｉthの変化の様子を示すグラフである。図２に示す特性では、代表的な波長７８５ｎｍの半導体レーザ素子が有するパラメータを用いている。第２の反射面１０５のＲ2は０．７で固定されているとする。
　図２に示すように、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が大きくなるにつれ、第１の反射面１０４から放射された光の微分効率η1が小さくなり、第２の反射面１０５から放射された光の微分効率η2が大きくなることがわかる。また、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が大きくなるにつれ、閾値電流Ｉthが小さくなることがわかる。
　これらの値を元に、注入電流を２０ｍＡとしたときの第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2を計算した結果を図３に示す。第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が０．０５以下で値がないのは、その範囲では閾値電流が２０ｍＡ以上であるため、注入電流を２０ｍＡとしたときにはレーザ発振していないためである。
　図３からわかるように、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1は、反射率Ｒ1が０．４５のときに極大値をとり、反射率Ｒ1が０．４５よりも大きくなるにつれて低下する。これは、反射率Ｒ1が大きくなるにつれて、閾値電流Ｉthと微分効率η1の両方が低下するためである。一方、第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2は、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が大きくなるにつれ単調に増加する。これは、反射率Ｒ1が大きくなるにつれて、閾値電流Ｉthが小さくなる一方で微分効率η2が大きくなるためである。
　本実施形態に係る光学センサシステム２００では、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が変化した際の、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2の少なくともいずれか一方を、検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂを用いて検出する。そして、算出部１５１が、検出された光強度Ｐ1及び／又はＰ2から、図３に描かれたグラフ又はこれと同等の関係式に基づいて、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を算出する。さらに、算出部１５１が、得られた反射率Ｒ1に基づいて、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を変化させた第１の反射面１０４における環境パラメータの変化量を算出する。
　図４に、図３に基づいて得られた、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1と、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2を第１の反射面１０４の反射率Ｒ1でそれぞれ微分した値ｄＰ1／ｄＲ1、ｄＰ2／ｄＲ1との関係を示す。これらの値ｄＰ1／ｄＲ1、ｄＰ2／ｄＲ1は、本実施形態に係る光学センサシステム２００における第１の反射面１０４および第２の反射面１０５の、反射率Ｒ1の変化量に対する感度に相当する。
　つまり、感度を測定するには、第１の反射面１０４の反射率の微小変化に対する検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂでそれぞれ検出された光強度の差を求めればよい。第１の反射面１０４の反射率を変化させるには、例えば、反応体１２０の上に（屈折率及び膜厚が既知である）膜を形成する、及び、第１の反射面１０４の表面に気体又は液体を流すといった手段がある。このとき第１の反射面１０４の反射率は、例えば市販の反射率測定装置を用いて外部から測定すればよい。
　ここで、上述した従来の光学センサシステム、すなわち「反応体に光を照射した際の反射光または透過光から環境パラメータの変化量を検出するシステム」について簡単に説明する。この従来の光学センサシステムは、反応体が発光デバイスとは分離した構成になっている。この反応体の透過率及び反射率をそれぞれＴ1及びＲ1とし、反応体に照射する光の光強度をＰ0とすると、反応体を透過した光の光強度はＰ0Ｔ1＝Ｐ0（１－Ｒ1）、反応体で反射した光の光強度はＰ0Ｒ1となる。したがって従来の光学センサシステムにおける感度、つまり、「反応体の光学的性質（例えば屈折率）が変化することによる反射率Ｒ1の変化に光強度がどれだけ依存するか」は、
　反射の場合には、ｄ（Ｐ0Ｒ1）／ｄＲ1＝Ｐ0と、
　透過の場合には、ｄ｛Ｐ0（１－Ｒ1）｝／ｄＲ1＝－Ｐ0
と表される。
　これに対して本実施形態に係る光学センサシステム２００では、反応体１２０が発光デバイス１０２の第１の反射面１０４に接していることによって反応体１２０の光学的性質の変化が発光デバイス（共振器）１０２にフィードバックされるため、光強度Ｐが一定ではなくなり反応体１２０の反応が進行するに連れて光強度Ｐが変化する。例えば光学的性質を屈折率変化に伴って変化する反射率Ｒ1としたとき、反応体１２０に照射される光の光強度Ｐ0は、一定ではなくＰ（Ｒ1）と表される（Ｐ0＝Ｐ（Ｒ1））。
　よって、互いに同じ特性を持つ発光デバイスから放射される光を互いに同じ特性を持つ反応体に照射するという条件下において、本実施形態の光学センサシステム２００は、その感度ｄＰ1／ｄＲ1、ｄＰ2／ｄＲ1の絶対値がＰ（Ｒ1）以上であれば（下記式（５）参照）、上述した従来の光学センサシステムよりも高感度に環境パラメータを検出することが可能となる。
　図４に、図３に描かれたＰ（Ｒ1）および－Ｐ（Ｒ1）を、ｄＰ1／ｄＲ1、ｄＰ2／ｄＲ1と共に示す。図４を参照することにより、以下の式（５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
が成り立つ反射率Ｒ1の範囲がわかる。
　式（５）に関係するパラメータとしては、反射面１０４、１０５へのコーティング材料および膜厚によって規定される反射率Ｒ1、Ｒ2、及び発光デバイス１０２への注入電流Ｉのほか、以下のものがある。
ηstm：内部微分効率
ηi：内部量子効率
αint：内部損失
Ｊ0：透明化電流
Γ：活性層の光閉じ込め係数
Ｌ：共振器長
Ｗ：活性層の幅
ｄ：活性層厚さ
λ：発光デバイス１０２が出射する光の波長
　これらのうちで、光学センサシステム２００を駆動させる際に制御できるのは注入電流Ｉだけである。そこで、反射率Ｒ1を上述した反射率測定装置で測定すると同時に光強度Ｐ1及び／又はＰ2を検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂで測定することに基づいて、式（５）が成り立つ注入電流Ｉの範囲を図４から予め算出しておき、当該範囲を算出部１５１内の記憶部に記憶しておく。そして、環境パラメータを算出する際には、当該記憶された範囲内の値を有する注入電流Ｉを発光デバイス１０２に供給する。すなわち、本実施形態の光学センサシステム２００において式（５）を成り立たせるには、駆動回路１０８が注入電流の値を適切な範囲内となるように制御すればよい。
　本実施形態の光学センサシステムは、上述した従来の光学センサシステムより高感度なものとなるだけでなく、反応体が発光デバイスの第１の反射面上に形成されているため、光学調整が不要であるとともに、位置ずれなどの経時変化が起きない。よって、製造工程が少なく、位置ずれ対策が不要な分、低コストである。さらに、第１の検出器の検出信号の立ち上がりを急峻なものとすることができる場合には、検出速度が速くなる。
　検出器１０３ａ及び検出器１０３ｂが発光デバイス１０２から放射された光の一部のみを検出するように構成されている場合、算出部１５１は、発光デバイス１０２から放射された光の全光量と検出光量との比で定まる補正係数を用いて、算出された反射率又は屈折率を補正すればよい。この場合、算出部１５１が有する記憶部が、上記の補正係数を記憶していればよい。
　算出された第１の反射面１０４の反射率Ｒ1から第１の反射面１０４における環境パラメータを算出するには、シミュレーションまたは実測により、第１の反射面１０４における環境パラメータと第１の反射面１０４の反射率Ｒ1との組を予め何点かにおいて求めておく。さらに、この結果から、最小二乗法などのフィッティング法を用いて、第１の反射面１０４における環境パラメータと第１の反射面１０４の反射率Ｒ1との関係式を導出し、算出部１５１が有する記憶部にこの関係式を記憶させる。この関係式に基づいて、算出部１５１は、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1から、第１の反射面１０４における環境パラメータを算出することができる。
　代替的には、値が既知である環境パラメータと、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1及び／又は第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2との組を予め何点かにおいて測定しておいてもよい。算出部１５１は、値が不明の環境パラメータについて測定された光強度と測定された幾つかの組とを対比することにより、求めるべき第１の反射面１０４における環境パラメータを算出することができる。この場合、環境パラメータの値と、発光デバイス１０２から放射された光の光強度Ｐ1及び／又はＰ2との組を記憶する記憶部を、算出部１５１内に有していることが好ましい。記憶部は、ハードディスク、光ディスク、固体メモリなど、市販のものでよい。また、環境パラメータの絶対値でなく、相対的な変化量を検出してもよい。
　本実施形態では発光デバイス１０２として半導体レーザ素子を用いているが、反応体１２０の周辺または反応体１２０自体の光学的性質の変化に伴って第１の反射面１０４の反射率が変化し、さらに共振器の発振条件が変化する限りにおいて、ファイバーレーザなどの他のレーザ素子を発光デバイス１０２として用いてもよい。
　［実施例］
　続いて、本実施形態の光学センサシステム２００における幾つかの実施例について説明する。
　（実施例１）
　実施例１は、図２～図４で説明した具体例において、反応体１２０が反応する前（初期状態）の第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を０．３としたものである。
　図４を参照すると、Ｒ1＝０．３においては、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2のいずれについても上記（５）が成り立つことが分かる。つまり、実施例１の場合、光強度Ｐ1および光強度Ｐ2のいずれを検出したとしても、上述した従来の光学センサシステムより感度が高いことがわかる。
　本実施例では、第２の反射面１０５の反射率Ｒ2が０．７となっていて第１の反射面１０４の反射率Ｒ1より高く、発光デバイス１０２内の光を外部に透過しにくいため、図２のように微分効率η1が微分効率η2より大きくなっており、図３のように第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1は第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2より大きくなっている。
　また、図３を参照すると、第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2は、反射率Ｒ1の値に拘わらず、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1の増加に連れて増加することがわかる。したがって、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するのであれば、反応体１２０の反応が進むにつれ第１の検出器１０３ａでの検出強度が大きくなり、Ｓ／Ｎが高くなる。また、この場合、反応体１２０の反応前に検出器１０３ａが検出する光強度を小さな値に設定しておくことができるため、発光デバイス１０２の駆動エネルギーを小さくでき、消費電力が小さくなる。一方、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が減少するのであれば、反応体１２０の反応が進むにつれ第１の検出器１０３ａでの検出強度が小さくなる。よって、反応体１２０の反応が進んでも第１の検出器１０３ａの検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で検出器１０３ａの感度が最大になるように回路調整をしておくことができる。よって、特に変化量が微小な領域でＳ／Ｎを高くすることができて、高感度な検出が可能となる。
　図３より、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1は、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1の増加に連れて増加するが、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が０．４５（極大値）を超えると減少に転じる。つまり、反射率Ｒ1が０．４５を跨ぐ範囲を検出範囲とすると、１つの光強度Ｐ1に対して２つの反射率Ｒ1が存在するため、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するのであれば、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1のみから反射率を検出する場合は、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が０．３～０．４５の範囲を検出範囲とするのがよい。なお、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が０．３１を超えると、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1に対して式（５）が成り立たなくなるため、本願の効果である高感度検出はできない。一方、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４のＲ1が減少するのであれば、反応が進むにつれ第１の検出器１０３ａでの検出強度が小さくなる。よって、反応することにより第１の検出器１０３ａの検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で検出器１０３ａの感度が最大になるように回路調整をしておくことができる。よって、特に変化量が微小な領域でＳ／Ｎを高くすることができて、高感度な検出が可能となる。
　（実施例２）
　実施例２は、図２～図４で説明した具体例において、反応体１２０が反応する前（初期状態）の第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を０．７としたものである。
　図４を参照すると、実施例２においても、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2のいずれについても上記（５）が成り立つことが分かる。つまり、実施例２の場合、光強度Ｐ1および光強度Ｐ2のいずれを検出したとしても、上述した従来の光学センサシステムより感度が高いことがわかる。
　また、図３を参照すると、反射率Ｒ1が０．４５～０．７の範囲では、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1は、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するにつれて減少することがわかる。したがって、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するのであれば、反応体１２０の反応が進むにつれ第２の検出器１０３ｂでの検出強度が小さくなる。よって、反応体１２０の反応が進んでも第１の検出器１０３ａの検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で第２の検出器１０３ｂの感度が最大になるように回路調整をしておくことができる。一方、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が減少するのであれば、反射率Ｒ1が０．４５以上である限り、反応体１２０の反応が進むにつれ第２の検出器１０３ｂでの検出強度が大きくなり、Ｓ／Ｎが高くなる。また、この場合、反応体１２０の反応前に検出器１０３ｂが検出する光強度を小さな値に設定しておくことができるため、発光デバイス１０２の駆動エネルギーを小さくでき、消費電力が小さくなる。
　そして、図３を参照すると、反射率Ｒ1の値に拘わらず、第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2は、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するにつれて増加することがわかる。したがって、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するのであれば、反応体１２０の反応が進むにつれ第１の検出器１０３ａでの検出強度が大きくなり、Ｓ／Ｎが高くなる。また、この場合、反応体１２０の反応前に検出器１０３ａが検出する光強度を小さな値に設定しておくことができるため、発光デバイス１０２の駆動エネルギーを小さくでき、消費電力が小さくなる。一方、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が減少するのであれば、反応体１２０の反応が進むにつれ検出器１０３ａでの検出強度が小さくなる。よって、反応体１２０の反応が進んでも第１の検出器１０３ａの検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で第１の検出器１０３ａの感度が最大になるように回路調整をしておくことができる。よって、特に変化量が微小な領域でＳ／Ｎを高くすることができて、高感度な検出が可能となる。
　（実施例３）
　実施例３は、図２～図４で説明した具体例において、反応体１２０が反応する前（初期状態）の第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を０．４５としたものである。
　図４を参照すると、実施例３では、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1を検出するときの感度ｄＰ1／ｄＲ1がほぼ０であり上記式（５）が成り立たないことがわかる。一方で、第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2を検出するときには、上記（５）が成り立ち、感度ｄＰ2／ｄＲ1が上述した従来の光学センサシステムより高いことがわかる。なお、反応体１２０の反応により第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加又は減少したときの効果は、実施例１及び実施例２で述べたとおりである。
　図３を参照すると、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1は最大値となっていることがわかる。したがって、高温であるほど反応速度が速い温度依存性を反応体１２０が有しているのであれば、光強度Ｐ1で加熱しながら、光強度Ｐ2に基づいて感度を算出することによって、高速かつ高感度を両立させることができる。また、反応体１２０の反応が可逆であり、例えば光照射により逆反応（リフレッシュ）する場合、光強度Ｐ1に基づいて感度を算出することによって、最大強度でリフレッシュできるため、高速リフレッシュと高感度を両立させることができる。
　（実施例４）
　実施例４は、図２～図４で説明した具体例において、反応体１２０が反応する前（初期状態）の第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を０．１としたものである。
　図４を参照すると、Ｒ1＝０．１においては、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1を検出するときの感度ｄＰ1／ｄＲ1が非常に高い。さらに、感度ｄＰ1／ｄＲ1自体がＲ1＝０．１付近において急激に変化しているため、感度ｄＰ1／ｄＲ1の第１の反射面１０４における反射率依存性が急激であれば、ある光強度になるまでの時間が短くなる。すなわち、検出器１０３ｂの検出信号の立ち上がりが急峻になり、光学センサシステム２００としての検出速度が速くなる。よって、高速検出と高感度を両立することができる。或いは、検出器１０３ｂの検出信号の立ち上がりが急峻な分、検出器１０３ｂとしてあえて検出感度の低いものを使用することができ、これにより、検出できる環境パラメータの範囲を広くすることができる。
　（実施例５）
　実施例５では、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を規定せず、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1が一定になるように動作させる。また、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2の少なくともいずれかが、上述した従来の光学センサシステムより感度が高くなるようにする。本実施例では、検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂを用いて光強度Ｐ2及び／又は光強度Ｐ1を検出するとともに、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1がユーザまたはメーカーにより規定された値で一定となるよう、制御手段である駆動回路１０８が算出部１５１を介して受け取った光強度情報に基づいたフィードバック制御を行う。発光デバイス１０２が半導体レーザ素子であれば、駆動回路１０８が当該素子への注入電流を調整することになる。図３に示されているように、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1と第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2とでは、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1への依存性が異なるため、第１の検出器１０３ａが第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2のみが検出される場合、算出部１５１または駆動回路１０８に含まれる記憶部に記憶された光強度Ｐ1と光強度Ｐ2との関係に基づいて、光強度Ｐ1が一定となるように駆動回路１０８がフィードバック制御を行う。なお、変形例として、算出部１５１を介することなく光強度情報を受け取ることができるように、駆動回路１０８が２つの検出器１０３ａ、１０３ｂと直接接続されていてもよい。
　検出器１０３ａ及び／又は検出器１０３ｂで検出した光強度Ｐ2及び／又は光強度Ｐ1の変化量は、フィードバック制御を行う時間間隔で駆動回路１０８に記録され、順次積算される。このようにすることで反応体１２０が反応を開始してからの光強度Ｐ2及び／又は光強度Ｐ1の総変化量がわかるため、上述と同様の方法でフィードバックをかけなかった場合の光強度を算出し、それに基づいて環境パラメータの絶対値を検出できる。
　本実施例では、反応体１２０に照射される光強度Ｐ1が一定となるため、反応体１２０の反応温度がほぼ一定となる。また、反応体１２０の反応が第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1を増加させるように作用するのであれば、光強度Ｐ1を増加させないように発光デバイス１０２への注入電流を徐々に減少させるような制御が行われるため、消費電力を低下させることができる。
　（実施例６）
　実施例６では、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1を規定せず、第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1および第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2のいずれも、上述した従来の光学センサシステムより感度が高くなるようにする。
　実施例６では、検出器１０３ａは第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2を検出し、検出器１０３ｂは第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1を検出する。これにより、反応体１２０が反応することにより第１の反射面１０４の反射率Ｒ1が増加するのであれば、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1＝０．６５（ｄＰ1／ｄＲ1と－Ｐ1との交点における反射率Ｒ1の値）以上の場合、図３に示すように、反応体１２０の反応が進行するに連れて第１の反射面１０４から放射された光の光強度Ｐ1が減少し、第２の反射面１０５から放射された光の光強度Ｐ2が増大する。したがって、反応体１２０の反応が進むにつれ検出器１０３ｂでの検出強度が小さくなるため、反応することにより第２の検出器１０３ｂの検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で検出器１０３ｂの感度が最大になるように回路調整をしておくことができる。よって、特に変化量が微小な領域でＳ／Ｎを高くすることができて、高感度な検出が可能となる。一方、検出器１０３ａでの検出強度は反応体１２０の反応が進むにつれて大きくなり、Ｓ／Ｎが高くなる。すなわち、本実施例では、これらの２つの効果を合わせもつことができる。
　また、例えば第１の反射面１０４の反射率Ｒ1＝０．３（ｄＰ1／ｄＲ1とＰ1との交点における反射率Ｒ1の値）以下の場合、検出器１０３ａおよび検出器１０３ｂのいずれか一方を高感度、もう一方を低感度な検出器としておくことが好ましい。これにより、高感度な検出器では光学センサシステム２００としての検出速度を速くでき、低感度な検出器では環境パラメータの測定範囲を広くできる。すなわち、高感度、高速、広範囲な光学センサシステム２００を得ることができる。
　以上、第１の反射面１０４の反射率Ｒ1について具体的な値を挙げて説明したが、各実施例で述べた効果が出れば、反射率Ｒ1を他の値としてもよい。また、第２の反射面１０５の反射率Ｒ2及び注入電流の値は適宜変更してもよい。
＜実施形態２＞
　次に、貫通孔８が設けられた遮光膜７が反応体１２０である、本発明の実施形態２に係る光学センサヘッド１について図５～図８を参照して説明する。
[光学センサヘッド構成]
　図５は、本実施形態の光学センサヘッド１の斜視図である。光学センサヘッド１は、発光デバイス２と遮光膜７と誘電体膜１２と検出器３とから構成されている。図示を省略しているが、これらはパッケージ化されて一体となっている。発光デバイス２は、第１の反射面４、第１の反射面４と対向する第２の反射面５、および、第１の反射面４と第２の反射面５との間に設けられた導波路６を有している。第１の反射面４上には誘電体膜１２を介して遮光膜７が形成されている。遮光膜７には、近接場光を発生させるための貫通孔８が設けられている。貫通孔８の孔軸は導波路６の延長線上にある。
　発光デバイス２は、導波路６の両端に、第１の反射面４および第２の反射面５が設けられ、第１の反射面４および第２の反射面５間を導波路６内で光が往復する構成である。導波路６中に利得が存在し、導波路６を往復する光が利得によりエネルギー増幅され、一部の光が第１の反射面４および第２の反射面５から外部に放射される。発光デバイス２として具体的には市販のレーザ素子を用いればよく、特に小型化のためには半導体レーザ素子が好ましい。また、感度を上げるために、分布帰還型レーザ素子を用いてもよい。また、半導体レーザ素子を用いることで、後述するように、検出器３で検出した第２の反射面５を通して外部に放射される光強度から、貫通孔８内部における屈折率を算出するのが容易となる。
　第１の反射面４、第２の反射面５、導波路６は、市販のレーザ素子であれば、すでに備わっている。しかしながら、第１の反射面４および第２の反射面５上にさらに別の膜を製膜し、反射率を調整することもできる。
　遮光膜７は、貫通孔８で近接場光を発生させるために、周囲の光を透過させない材料によって形成されている。感度を上げるために、貫通孔８内部に強い近接場光を発生させるには、遮光膜７は、表面プラズモンを励起する金属からなることが好ましい。具体的には、金、銀、アルミニウムなどの材料が主に利用される。
　遮光膜７に形成された貫通孔８は、発光デバイス２から出射された光によって近接場光を発生させる。貫通孔８内部に検出対象が充填されることによって、貫通孔８内部の屈折率に変化が生じる。検出対象は、それ単独で貫通孔８内部に配置される場合と、気体（例えば空気）または液体（例えば水）に含まれた形態で貫通孔８内部に配置される場合との両方があり得る。
　貫通孔８は、第１の反射面４に対向した遮光膜７の対向面７ａ上での開口面積より、遮光膜７の光の出射面７ｂでの面積の方が大きくなっている。具体的な構造を、図６（ａ）に示す。図６（ａ）は、遮光膜７の、図５の一点鎖線を含むｘｚ断面を示す断面図である。図６（ａ）では、第１の反射面４上の誘電体膜１２に接触する対向面７ａから光の出射面７ｂまで、貫通孔８の断面積（ｘｙ断面積）の増加率が連続的となっている。図６（ａ）に描かれた例では、貫通孔８を画定する孔面のうちｘ方向に対向する２つの面が対向面７ａに対する傾きが一定なテーパー面となっており、これら２つの面は貫通孔８のｘｙ断面積が上方ほど大きくなるようにｚ軸に対して傾斜しており、増加率は一定である。
　一方、同じくｘｚ断面を示す断面図である図６（ｂ）に描かれた別の例では、遮光膜７に階段状の貫通孔２８が形成されている。この例では、第１の反射面４上の誘電体膜１２に接触する対向面２７ａから光の出射面２７ｂまで、貫通孔２８の断面積（ｘｙ断面積）の増加率が不連続となっている。図６（ｂ）に描かれた例では、貫通孔２８を画定する孔面のうちｘ方向に対向する２つの面が１つの水平部分を含む階段状となっており、これら２つの面には貫通孔２８のｘｙ断面積が水平部分を境界としてその上方が下方よりも大きくなるように水平部分を挟んで２つの鉛直部分（上方鉛直部分及び下方鉛直部分）が形成されている。水平部分と鉛直部分との境界において貫通孔２８の断面積の増加率が不連続である。図６（ａ）、（ｂ）には、一例として、液体である検出対象９が貫通孔８，２８内に充填された様子が描かれている。
　貫通孔８，２８の形状・サイズが、貫通孔８，２８内における近接場光の強度分布に強く影響する。具体的には、近接場光は、互いに向き合う２つの面の面間距離が短いほど、強く励起される傾向がある。本実施形態では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように貫通孔８，２８の形状が少なくともｘｚ断面において変化することによって、出射面７ｂ，２７ｂ上での貫通孔８，２８の開口面積が、対向面７ａ，２７ａ上での貫通孔８，２８の開口面積よりも大きくなっている。これによって、発光デバイス２から出射されるのが直線偏光、円偏光および楕円偏光のいずれであるかおよび偏光の方向に拘わらず、貫通孔８，２８内で発生する近接場光の強度を対向面７ａ，２７ａ付近において出射面７ｂ，２７ｂ付近におけるよりも強くすることができる。貫通孔８，２８の形状は、ｘｚ断面およびｙｚ断面の両方において変化していてもよい。
　この結果、貫通孔８，２８で発生する近接場光が、遮光膜７の対向面７ａ，２７ａ付近に集中するため、貫通孔８，２８内部の屈折率測定に当たって、貫通孔８，２８より遠方の屈折率による影響をほとんど受けない。よって、貫通孔８，２８付近、主に貫通孔８，２８内部の屈折率を感度よく検出できる。このため、貫通孔８，２８の対向面７ａ，２７ａにおける開口面積を十分に小さくしておけば、分子レベルの検出ができる。また、貫通孔８，２８の内部にのみ検出対象が存在すればよいので、サンプル容積を小さくすることができる。さらに、別途光源を必要としないために、小型化が可能である。
　貫通孔８の断面形状は、図６（ａ）に示すように、直線的（台形）でなく、曲線的（お椀形）でもよい。さらに、貫通孔の断面積の増加率が連続的である限りにおいて、途中で傾斜角度が変化していてもよい。また、貫通孔２８の断面形状は、図６（ｂ）に示すような２段階の変化でなく、貫通孔の断面積の増加率が不連続である限りにおいて、３段階以上の多段階の変化でもよいし、水平部分及び／又は鉛直部分を有していなくてもよい。代替的には、貫通孔８，２８がｚ軸に対称（図６（ａ）、（ｂ））でなく、非対称でもよい。例えば、図６（ａ）、（ｂ）において片側がｚ軸に平行な面になっていてもよい。
　図６（ａ）の例によると、検出対象が光の出射面７ｂ付近で留まりにくく、光の強度分布が強い対向面７ａ付近までスムーズに入り込める。このため、対向面７ａにおける面積が小さくても、十分な感度で検出することができる。図６（ｂ）の例によると、貫通孔２８内部の光の強度分布が強い範囲を広くすることができ、検出感度を高めることができる。
　発光デバイス２から出射されるのがｘ偏光またはｙ偏光であれば、出射面上での貫通孔の開口面積が、対向面上での貫通孔の開口面積よりも大きくなるように、貫通孔の形状が少なくともｘｚ断面およびｙｚ断面のいずれか又は両方において変化していればよい。発光デバイス２から出射されるのがｘ偏光とｙ偏光の両方を含むのであれば、出射面上での貫通孔の開口面積が、対向面上での貫通孔の開口面積よりも大きくなるように、貫通孔の形状が少なくともｘｚ断面およびｙｚ断面のいずれかにおいて変化していればよい。この場合、貫通孔の形状がｘｚ断面およびｙｚ断面の両方において変化しているのが好ましい。
　また、表面プラズモンは、入射される光の偏光方向と直交する面で強く励起される性質を持つ。したがって、本実施形態では、発光デバイス２から出射されるのがｘ偏光であれば、貫通孔８，２８の形状が少なくともｘｚ断面において変化することによって、出射面７ｂ，２７ｂ上でのｘ方向に関する貫通孔８，２８の開口長さが、対向面７ａ，２７ａ上でのｘ方向に関する貫通孔８，２８の開口長さよりも大きくなっている。これによって、貫通孔８，２８内で発生する近接場光の強度を対向面７ａ，２７ａ付近において出射面７ｂ，２７ｂ付近におけるよりもより強くすることができる。したがって、検出感度をより一層高めることができる。
　対向面７ａ，２７ａ上でのｘ方向またはｙ方向のいずれかに関する貫通孔８，２８の開口長さが、発光デバイス２から出射される光の波長より小さくなっている。これによって、貫通孔８，２８を透過する光がほとんどなく、貫通孔８，２８外部の影響を受けにくく、貫通孔８，２８内部の屈折率変化のみを検出できる。
　本実施形態の光学センサヘッド１においては、貫通孔８，２８の開口サイズが小さければ小さいほど、貫通孔８，２８の内部に入り込める検出対象のサイズが小さくなる。貫通孔８，２８の開口サイズを数ｎｍ程度にすることで、貫通孔８，２８に検出対象の１分子のみが入り込めるようにすることも可能である。すなわち、貫通孔８，２８は、ある大きさ以下の検出対象を選別する機能も持つことができる。また、発生する近接場光強度が強くなる最適な貫通孔が非常に幅の狭い形状を有しているとしても、図６（ｂ）に示すような不連続形状であれば、光の出射面２７ｂにおける貫通孔２８の開口サイズで、貫通孔２８の内部に入り込める検出対象を選別しておくことができる。
　検出器３は、市販のフォトディテクタでもよいし、分光器でもよい。市販のフォトディテクタは、強度しか検出できないが、小型で低コストである。一方、分光器は、それほど小型にはできないが、反射スペクトルを検出できるため、強度だけでなく、波長シフトの情報も得ることができる。なお、検出器３に加えて又は検出器３に代えて、遮光膜７を挟んで発光デバイス２とは反対側に検出器を配置してもよい。その場合、当該検出器は、第１の反射面４及び貫通孔８を通った光の光強度を検出することになる。貫通孔８を通った光とは、主に貫通孔８，２８内で発生する近接場光が散乱された光である。貫通孔８，２８内で発生する近接場光は、対向面７ａ，２７ａ付近において出射面７ｂ，２７ｂ付近におけるよりも強いため、対向面７ａ，２７ａ付近の近接場光が散乱された光の強度は強くなる。よって、貫通孔８を通った光を検出する場合でも、貫通孔８，２８外部の影響を受けにくく、貫通孔８，２８内部の屈折率変化のみを検出できる。
[光学センサヘッドの動作]
　貫通孔８，２８内部の屈折率が変化すると、第１の反射面４（以下では誘電体膜１２が設けられていないと仮定して説明するが、誘電体膜１２が設けられている場合にも以下と同様の説明が成り立つ）の反射率が変化し、第１の反射面４および第２の反射面５間を往復する導波路６中の光の強度分布が変化する。そのため、第２の反射面５から出射される光の透過率が変化する。よって、第２の反射面５から出射される光の透過率を検出することで、貫通孔８，２８内部の屈折率がわかる。例えば、貫通孔８，２８内部に、特定の分子を吸着する吸着層を設けておけば、この特定の分子の濃度がわかる。
　以下、具体的な構成について、ＦＤＴＤ(Finite Difference Time Domain)シミュレーション、および理論計算した結果を用いて説明する。
　まず、次の３つの構造(1)、(2)、(3)について、ＦＤＴＤシミュレーションで光の強度分布を求めた。
　構造(1)は、遮光膜７は膜厚１３５ｎｍの金、貫通孔８は第１の反射面４上でのｘｚ方向の幅が５０ｎｍ、光の出射面上でのｘｚ方向の幅が２００ｎｍ、断面が図６（ａ）のような台形状のスリットで、ｙ方向には無限に続いているとした。内部は空気（屈折率＝１．０）とした。
　構造(2)は、遮光膜７は膜厚１３５ｎｍの金、貫通孔８は第１の反射面４から膜厚７０ｎｍまでのｘｚ方向の幅が５０ｎｍ、膜厚７０ｎｍから光の出射面までのｘｚ方向の幅が２００ｎｍ、断面が図６（ｂ）のような２段階型のスリットで、ｙ方向には無限に続いているとした。内部は空気（屈折率＝１．０）とした。
　構造(3)は、遮光膜７は膜厚１３５ｎｍの金、貫通孔８はｘｚ方向の幅が５０ｎｍのスリットで、ｙ方向には無限に続いているとした。内部は空気（屈折率＝１．０）とした。
　いずれの構造でもｙ方向には無限に続いているとしたが、これは、貫通孔８が発光デバイス２の導波路６に対して、ｙ方向に十分長く形成されている状態に対応する。
　入射光は、いずれも、スリットの幅方向（ｘ方向）の偏光で、波長７８０ｎｍとした。
　図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ構造(1)、(2)、(3)に対する、偏光方向を含む断面での光の強度分布のシミュレーション結果である（強度スケールはすべて同じ）。貫通孔が従来の単純なスリット形状（構造(3)）であれば、図７（ｃ）に示すように、光の出射面における貫通孔のエッジにおいて最も強度が高くなっている。そのため、光の出射面より外部にも強い光が分布している。一方、構造(1)で最も強度が高いのは、対向面７ａにおける貫通孔８のエッジであり、構造(2)で最も強度が高いのは、対向面２７ａからスリット幅が変わるまでの間である。すなわち、構造(1)および(2)では、光の強度分布を光の出射面７ｂ，２７ｂより内側に寄せることができており、貫通孔８，２８内部の屈折率変化に敏感な構造となっている。
　構造(1)に対して、構造(2)の方が、貫通孔内部の光強度が強い範囲が広くなり、検出感度を高めることができる。しかしながら、構造(1)の方が、貫通孔外部の影響は受けにくい。また、構造(1)の方が、検出対象が光の出射面７ｂ付近で留まりにくく、光強度が強い対向面７ａ付近まで検出対象がスムーズに入り込める。
　上記構成において、入射光の偏光方向を、スリットの幅に直交する方向（ｙ方向）とした場合の結果を、図７（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す。図７（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれ構造(1)、(2)、(3)に対する、スリットの幅方向を含む断面での光の強度分布のシミュレーション結果である。ただし、これらは図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に対して、強度スケールを１／３にしている。貫通孔が従来の単純なスリット形状（構造(3)）であれば、図７（ｆ）に示すように、対向面７ａにおける貫通孔８周辺に、光が少し浸み出しているだけだが、構造(1)および(2)では、浸み出し量が増え、光の出射面７ｂ，２７ｂより内側の光の強度分布を増強させることができている。また、それぞれの構成について、孔軸における対向面７ａおよび２７ａから出射面７ｂおよび２７ｂに向けての強度分布を図７（ｇ）に示している。このグラフより、構造(1)および(2)の貫通孔内部の光強度は構造(3)より強く、かつ出射面７ｂおよび２７ｂにおける強度は十分低いことがわかる。すなわち、構造(1)および(2)は、貫通孔８，２８内部の屈折率変化に敏感な構造となっている。
　次に、第１の反射面４の反射率変化が、発光デバイス２である半導体レーザ素子の発振条件に与える影響を計算する。半導体レーザ素子の発振条件とは、閾値電流と微分効率である。これらは、一般に下記の数式（１）～（３）で表せることが知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
ここで、各パラメータは、以下のとおりである。
　η1：第１の反射面４から放射された光の微分効率
　η2：第２の反射面５から放射された光の微分効率
　Ｉth：閾値電流
　Ｒ1：第１の反射面４の反射率
　Ｒ2：第２の反射面５の反射率
　Ｔ1：第１の反射面４の透過率
　Ｔ2：第２の反射面５の透過率
　ηstm：内部微分効率
　ηi：内部量子効率
　αint：内部損失
　Ｊ0：透明化電流
　Γ：活性層の光閉じ込め係数
　ｈ：プランク定数
　ν：光の振動数
　ｑ：電子の電荷
　Ｌ：共振器長
　Ｗ：活性層の幅
　ｄ：活性層厚さ
　図８は、代表的な波長７８０ｎｍの半導体レーザ素子のパラメータを用いて、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）および第２の反射面５の反射率（Ｒ2）を変化させたときの、（ａ）第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）および（ｂ）閾値電流の変化を示したものである。
　図８（ａ）より、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が変化することによって、第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）が変化することがわかる。また、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が大きいほど、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）の変化に対する第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）の変化量が大きくなることがわかる。さらに、第２の反射面５の反射率（Ｒ2）が小さいほど、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）の変化に対する第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）の変化量が大きくなることがわかる。
　よって、第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）の変化から屈折率を検出するには、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が大きく、第２の反射面５の反射率（Ｒ2）が小さい方が好ましい。
　一方、　図８（ｂ）より、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が変化することによって、閾値電流が変化することがわかる。また、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が小さいほど、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）の変化に対する閾値電流の変化量が大きくなることがわかる。しかし、第２の反射面５の反射率（Ｒ2）が変化しても、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）の変化に対する閾値電流の変化量はほとんど変化がない。すなわち、第２の反射面５の反射率（Ｒ2）が小さいほど、閾値電流の値は大きくなっているが、全体のカーブはほぼ同じであり、閾値電流の変化量はほとんど変化がない。
　よって、閾値電流の変化から屈折率を検出するには、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が小さい方が好ましい。ただし、第１の反射面４の反射率（Ｒ1）が小さいということは、第１の反射面４から放射される光量が強くなるか、第１の反射面４で吸収される光量が大きくなることを意味し、いずれの場合も第１の反射面４付近に存在する検出対象９に熱を与えることになる。このため、この熱量による温度変化を補正することが好ましい。
[光学センサヘッド製造方法]
次に、図６（ａ）に示す光学センサヘッド１の製造方法を説明する。発光デバイス２は、市販のレーザ素子を用いればよく、この第１の反射面４に誘電体膜１２を介して遮光膜７を製膜し、その後、遮光膜７に貫通孔８を形成すればよい。そして、第２の反射面５を通して外部に出射される光の光強度を検出できるよう、市販のフォトディテクタを検出器３として設置すればよい。
　たとえば、発光デバイス２として半導体レーザ素子を用いる場合、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の裏面からの発光強度をモニタする検出器３とがパッケージ化されているタイプのものを用いることができる。この半導体レーザ素子の出射面（第１の反射面４）に、誘電体膜１２を介して、ｐ電極とｎ電極とが導通しないように遮光膜７（金、銀、アルミニウムなど）をスパッタや蒸着などにより製膜し、その後、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）やフォトリソグラフィーなどにより貫通孔８を形成すればよい。
貫通孔８の形状を、対向面７ａ上での開口面積より、光の出射面７ｂ上での開口面積が大きいものとするには、ＦＩＢの集光ビームのスキャン方法やフォトリソグラフィーの条件を適宜決めればよい。例えば、図６（ａ）のような構造を作るには、ＦＩＢでｘ方向に外側ほどスキャン数を少なく、中心ほどスキャン数を多くなるようにすればよい。また、あらかじめ貫通孔８の領域にマスクを設置しておき、斜めから製膜することで、遮光部を形成し、その後貫通孔８のマスクを取り除いてもよい。また、図６（ｂ）のような構造を作るには、光の出射面２７ｂに幅の広い凹部を掘り込んだ後、この凹部の底面と対向面２７ａとの間に幅の狭い貫通孔を掘り込めばよい。
　発光デバイス２を気体中で利用する場合には、上述の構成のみでもセンシングできるが、より精密な測定を行う場合や、液体中で利用する場合には、工夫が必要である。特に、発光デバイス２が半導体レーザ素子である場合には、光学センサヘッド１をそのまま液体に接触させるとｐ電極とｎ電極が導通してしまうため、発光しなくなり、最悪の場合、破壊される。
　これを防ぐために、貫通孔８付近にのみ検出対象９を含む気体および／または液体を流すような流路部材を用いることが好ましい。図９は、流路部材１０の一例を示す斜視図である。図９において、図中左から右への流路が内部に形成された流路部材１０の上面の中央部には、流路を外部に露出させる窓（開口部）１１が設けられている。窓１１は、好ましくは、貫通孔８の出射面７ｂにおける開口サイズ以上に形成されている。流路部材１０は、遮光膜７の貫通孔８が窓１１の範囲内（好ましくは出射面７ｂにおける開口と一致）となるよう、遮光膜７に密着させられる（図１１参照）。例えば、遮光膜７と流路部材１０との間に、貫通孔８の出射面７ｂにおける開口および窓１１を囲むようにゴム状のリングを挟むことにより、検出対象９を含む気体または液体を漏らさず流すことができる。図９に示す例では、流路部材１０の幅が窓１１の周辺で狭くなっているが、流路部材１０の幅は一様であってもよい。また、流路部材１０の端をチューブなどに繋ぎ、検出対象９を含む液体を流路部材１０から吸いだせるようにしてもよい。窓１１は、貫通孔８の出射面７ｂにおける開口サイズより小さくてもよいが、検出対象９を含む気体および／または液体の流速によっては、窓１１より大きい貫通孔８の範囲で、検出対象９を含む気体および／または液体が溜まってしまうおそれがある。
[誘電体膜に関する変形例]
上述した実施形態の変形例について説明する。図１０（ａ）に示す例では、第１の反射面４上に形成された誘電体膜２２に、貫通孔８に接続された凹部４１が形成されている。凹部４１は、貫通孔８を画定する上述したテーパー面と同じ傾斜角度を有し且つこれに接続されて一つの傾斜面を形成するテーパー面によって画定されている。そして、貫通孔８と凹部４１とが一緒になって一つの凹部を形成している。このとき、貫通孔８のｘ方向サイズは、凹部４１の底面で最も小さくなるので、ここで光強度が最も強くなる。このように誘電体膜２２に貫通孔８に接続された凹部４１が形成されていれば、検出対象９が凹部４１中にも存在できるため、さらに感度を上げることができる。
図１０（ｂ）に示す例では、第１の反射面４上に形成された誘電体膜３２に、貫通孔２８に接続された凹部４２が形成されている。凹部４２は、貫通孔２８の水平部分よりも下方にある下方鉛直部分間と同じ幅だけ離隔した２つの鉛直面によって画定されている。そして、貫通孔２８と凹部４２とが一緒になって一つの凹部を形成している。このとき、貫通孔２８のｘ方向サイズは、水平部分と凹部４２の底面との間で最も小さくなるので、ここで光強度が最も強くなる。このように誘電体膜３２に貫通孔２８に接続された凹部４２が形成されていれば、検出対象９が凹部４２中にも存在できるため、感度を上げることができる。
[電気泳動に関する変形例]
別の変形例として、図１１に示す光学センサヘッド１０１においては、貫通孔３８を境界として、互いに絶縁された二領域３７ａ、３７ｂに分割された遮光膜３７を用いられている。この変形例では、貫通孔３８が遮光膜３７を２つに分断するスリットとして形成されているが、必ずしもこのような形態とは限らず、貫通孔と絶縁層とによって、遮光膜が互いに絶縁された二領域に分割されていてもよい。
遮光膜３７の二領域３７ａ、３７ｂ間に直流電圧をかけるための電圧印加手段として、直流電源３９ａを含む回路３９が設けられている。回路３９を用いて領域３７ａ、３７ｂ間に電圧をかけることで、電気泳動により、貫通孔３８内部に検出対象を捕集することができる。なぜなら、互いに絶縁された二領域３７ａ、３７ｂ間に電圧をかけると、二領域３７ａ、３７ｂの間隔が最も狭い個所に強い電場が生じるからである。本実施形態では検出対象の捕集が行われるために、検出感度がさらに向上する。なお、二領域３７ａ、３７ｂ間に交流電圧をかけ、その周波数により、捕集できる検出対象のサイズなどを選別してもよい。
＜実施形態３＞
[光学センサシステム構成]
　本発明の実施形態３に係る光学センサシステムについて、図１２を参照して説明する。図１２に示す光学センサシステムは、図５に詳細を示した光学センサヘッド１と、光学センサヘッド１の検出器３で検出した結果を解析し、貫通孔８内の屈折率を算出する算出部５１と、算出部５１での算出結果を表示する表示部５２と、駆動回路５３とを含んでいる。
　算出部５１は、回路系のみでもよいし、コンピュータおよびコンピュータ上で動作するソフトでもよい。
　表示部５２は、市販のディスプレイを用いればよく、数字（屈折率）だけ表示するものでもよい。算出部５１としてコンピュータを利用する場合、表示部５２としてコンピュータに対応したディスプレイを用いれば、ディスプレイに屈折率をグラフ表示させることができる。また、算出部５１としてコンピュータを利用する場合には、ユーザが測定条件や解析内容をキーボードなどの入力装置を用いて入力することもできる。
　駆動回路５３は、光学センサヘッド１の発光デバイス２を駆動させるための回路であり、発光デバイス２の図示しない２つの電極に接続されており、当該２つの電極を介して発光デバイス２に注入電流を供給する。算出部５１における解析には発光デバイス２の駆動条件も必要となる場合があるため、図１２に示すように算出部５１は発光デバイス２の駆動回路５３に接続されている。
　後述する光学センサシステム動作に関するアルゴリズムを備えたプログラムは、メーカーが提供してもよいし、ユーザが独自に作成してもよい。
[光学センサシステムの動作]
　算出部５１で行う検出結果の解析、および屈折率の算出について、発光デバイス２が半導体レーザ素子であり、検出結果が第２の反射面５から放射された光の光強度である場合について説明する。
　まず、第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）を算出するには、発光デバイス２に対して、閾値電流以上の少なくとも２つの電流値で電流を流し、そのときに第２の反射面５から放射された光の光強度を検出器３で検出する。算出部５１は、検出器３で検出された複数の検出強度の差を電流値の差で割ることにより、微分効率（η2）を求める。半導体レーザ素子の発光強度Ｐは、注入電流Ｉが閾値電流以上のとき、
（数６）
      　　Ｐ＝η2（Ｉ－Ｉth）　　　（６）
のように線形な関係式で表されることが知られている。よって、測定する電流値は少なくとも２点でよい。なお、測定点数を増やしてフィッティングすれば、測定誤差の影響を小さくすることができる。
　検出器３が、第２の反射面５から放射された光の一部のみを検出する構成になっている場合には、第２の反射面５から放射された光の全光量と検出光量の比で屈折率の算出を補正すればよい。その場合、算出部５１が有する記憶部がその補正係数を記憶していればよい。
　算出部５１が閾値電流を算出する場合にも、閾値電流以上の少なくとも２つの電流値で電流を流し、そのときに第２の反射面５から放射された光の光強度を検出器３で検出する。第２の反射面５から放射された光の微分効率（η2）を算出部５１で算出した後、ある電流値での光強度と、算出した微分効率η2とを数式（６）に代入することによって閾値電流が得られる。
　次に、閾値電流および／または微分効率から、屈折率を求める方法について説明する。閾値電流および／または微分効率から、第１の反射面４の反射率を算出するには、数式（２）および／または数式（３）を用いれば、一意に算出できる。
　算出された第１の反射面４の反射率から、貫通孔８内部の屈折率を算出するには、あらかじめ貫通孔８内部の屈折率と第１の反射面４の反射率の関係をＦＤＴＤシミュレーションもしくは実測により何点か求めておき、算出部５１が有する記憶部にこれらの結果を記憶させる。この結果から最小二乗法などのフィッティング法を用いて、貫通孔８内部の屈折率と第１の反射面４の反射率との関係式を求めておけば、第１の反射面４の反射率から、貫通孔８内部の屈折率を算出することができる。
　代替的には、貫通孔８の内部に、特定の分子を吸着する吸着層を設け、この特定の分子の濃度を検出するのであれば、測定前に濃度のわかっているサンプルを測定し、そのときの閾値電流および／または微分効率を記録した後、濃度が不明のサンプルを測定してもよい。この場合、算出部５１に、測定前に濃度のわかっているサンプルを測定した結果を記憶する記憶部があればよい。記憶部は、ハードディスク、光ディスク、固体メモリなど、市販のものでよい。
[検出器として分光器を用いた例]
　半導体レーザ素子の発振波長は、環境温度によって変化することが知られている。この原理により、検出器３として分光器などを利用し、強度だけでなく、スペクトル測定を行えば、環境温度の変化による、閾値電流と微分効率の変化を補正することができる。また、検出対象と遮光膜の温度によって屈折率も補正することができる。具体的には、あらかじめ温度と発振波長の関係を測定した結果を算出部５１が保持してもよいし、半導体レーザ素子の構成から計算してもよい。
[光学センサヘッドを複数個用いた例]
　本発明の光学センサシステムにおいて、光学センサヘッド１は、複数個用いてもよい。例えば、貫通孔８の形状、遮光膜７の材料、発光デバイス２の波長などが互いに異なれば、それぞれの光学センサヘッド１から得られる情報が異なる。これらの情報を総合することで、検出対象９をより正確に検出する、検出対象９を検出する濃度レンジを広くする、検出対象９の種類を増やす、などの効果を得ることができる。この場合、光学センサヘッド１は、互いに離隔して配置されていてもよいし、近接して配列されていてもよく、目的によって選択すればよい。
　また、同じ構成を有する複数の光学センサヘッド１を流路１０に沿って配列しておけば、複数個の光学センサヘッド１から得られた情報を総合して、検出対象９の時間変化または場所依存の情報を得ることもできる。さらに、検出対象９の温度や検出対象９の流速を変え、時間変化または場所依存を測定すれば、流路中での検出対象９の動的特性（粘性、分散度など）を知ることができる。貫通孔８の内部に特定の分子を吸着する吸着層を設け、この特定の分子の濃度を検出すれば、吸着層に対する反応条件（反応速度、解離定数など）を知ることができる。
　上述した実施形態１に係る光学センサシステムは、第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイスと、前記第１の反射面上に形成された反応体と、前記第１の反射面及び前記第２の反射面の一方から出射される光の光強度を検出する第１の検出器と、前記第１の検出器によって検出された光強度に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備えている光学センサシステムにおいて、前記第１の反射面の反射率Ｒ1と、前記検出器によって検出された光強度Ｐ(Ｒ1)とが、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 の関係を満たす。
　上記構成により、上述した従来の光学センサシステムより高感度な光学センサシステムとなる。また、反応体が発光デバイスの第１の反射面上に形成されているため、光学調整が不要であるとともに、位置ずれなどの経時変化が起きない。よって、製造工程が少なく、位置ずれ対策が不要な分、低コストである。さらに、第１の検出器の検出信号の立ち上がりを急峻なものとすることができる場合には、検出速度が速くなる。
　また、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 であり、反応体が反応することにより前記第１の反射面の反射率Ｒ1が大きくなる、または、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 であり、反応体が反応することにより前記第１の反射面の反射率Ｒ1が小さくなる。上記構成により、反応体が反応するにつれ、第１の検出器が検出する光の光強度が増すため、Ｓ／Ｎが高くなる。また、反応前に検出器が検出する光強度を小さな値に設定しておくことができるため、発光デバイスの駆動エネルギーを小さくでき、消費電力が小さくなる。なお、反応することにより第１の反射面の反射率Ｒ1を大きく又は小さくするには、反応体の材料及び膜厚を、第１の反射面のコーティング状態に応じて適宜選択すればよい。
　また、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 であり、反応体が反応することにより前記第１の反射面の反射率Ｒ1が小さくなる、または、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 であり、反応体が反応することにより前記第１の反射面の反射率Ｒ1が大きくなる。上記構成により、反応体が反応するにつれて光強度が低下するため、反応が進んでも検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で第１の検出器自体の感度が最大になるように回路調整をしておくことができる。よって、特に変化量が微小な領域でＳ／Ｎを高くすることができて、高感度な検出が可能となる。
　また、上述した光学センサシステムは、前記第１の検出器によって検出される光強度が一定となるよう、前記第１の検出器によって検出された光強度に基づいてフィードバック制御を行う制御手段をさらに備えている。上記構成により、反応体に照射される光強度が一定となるため、反応体の反応温度がほぼ一定となる。また、反応体の反応が第１の反射面から放射された光の光強度を増加させるように作用するのであれば、光強度を増加させないように発光デバイスへの注入電流を徐々に減少させるような制御が行われるため、消費電力を低下させることができる。
　また、上述した光学センサシステムは、前記第１の反射面及び前記第２の反射面の他方から出射される光の光強度を検出する第２の検出器をさらに備えている。上記構成により、反応体が反応することにより第１の反射面から放射された光の光強度及び第２の反射面から放射された光の光強度の片方が増加し、片方が減少するようにしておけば、反応体の反応が進むにつれ検出強度が小さくなる検出器は、反応することにより検出強度が飽和することがなく、反応前の状態で当該検出器の感度が最大になるように回路調整をしておくことができ、反応体の反応が進むにつれ検出強度が大きくなる検出器は、Ｓ／Ｎが高くなる。すなわち、これらの２つの効果を合わせもつことができる。また、いずれか一方の検出器を高感度、他方の検出器を低感度としておくことにより、高感度な検出器では光学センサシステムとしての検出速度を速くでき、低感度な検出器では環境パラメータの測定範囲を広くできる。すなわち、高感度、高速、広範囲な光学センサシステムを得ることができる。
　また、実施形態２に係る光学センサヘッドは、第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路が形成された発光デバイスと、近接場光を発生させるための貫通孔が設けられた、前記第１の反射面上に形成された遮光膜と、前記第１または第２の反射面を通して前記発光デバイスから出射される光の光強度を検出する検出器とを備えた光学センサヘッドであって、前記遮光膜の光の出射面上での前記貫通孔の開口面積が、前記第１の反射面に対向した前記遮光膜の対向面上での前記貫通孔の開口面積よりも大きい。
　前記構成によると、貫通孔における光の強度分布が、光の出射面付近で弱く、対向面付近で強くなるため、貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔内部の屈折率変化のみを良好な感度で検出できる。このため、貫通孔の対向面における開口サイズを十分に小さくしておけば、分子レベルの検出ができる。また、貫通孔の対向面における開口に入り込める検出対象のみを検出することになるため、検出対象を開口サイズで選別した上で検出することが可能である。さらに、貫通孔の内部にのみ検出対象が存在すればよいので、サンプル容積を小さくすることができる。また、別途光源を必要としないために、小型化が可能である。
　前記遮光膜が、表面プラズモンを励起する材料からなる。前記構成によると、遮光膜の材料が、表面プラズモンを励起する材料であるため、貫通孔で発生する近接場光の強度が強くなり、したがって、検出感度が高くなる。
　前記発光デバイスから出射される光が直線偏光であり、前記直線偏光の方向に関して、前記遮光膜の前記出射面上での前記貫通孔の開口長さが、前記遮光膜の前記対向面上での前記貫通孔の開口長さよりも大きい。前記構成によると、表面プラズモンは、入射される光の偏光方向と直交する面で強く励起される性質を持つため、貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔内部の屈折率変化のみを検出することできる。
　前記発光デバイスから出射される光が直線偏光であり、前記遮光膜の前記対向面上での前記直線偏光の方向に関する前記貫通孔の開口長さが、前記発光デバイスから出射される光の波長より小さい。前記構成によると、貫通孔を透過する光がほとんどなく、貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔内部の屈折率変化のみを検出できる。
　前記貫通孔の断面積の増加率が連続的である。前記構成によると、検出対象が光の出射面付近で留まりにくく、光の強度分布が強い対向面側までスムーズに入り込める。このため、対向面における面積が小さくても、十分な感度で検出することができる。
　前記貫通孔の断面積の増加率が不連続である。前記構成によると、貫通孔内部の光の強度分布が強い範囲が広くなり、検出感度を高めることができる。
　前記発光デバイスと前記遮光膜との間に形成された誘電体膜をさらに備えており、前記誘電体膜には、前記貫通孔に接続された凹部が形成されている。前記構成によると、検出対象が誘電体膜に形成された凹部内にも存在できるため、さらに感度を上げることができる。
　前記発光デバイスが半導体レーザ素子である。前記構成によると、小型な光学センサヘッドとすることができるとともに、検出器で検出した前記第１または第２の反射面を通して外部に放射される光強度から、貫通孔内部における屈折率の算出が容易である。
　前記検出器がスペクトル測定可能な分光器であり、前記第１または第２の反射面を通して外部に出射される光の波長を検出する。前記構成によると、半導体レーザの発振波長が環境温度に依存することを利用して、検出した波長から、環境温度を算出し、屈折率の算出を補正することができるため、より正確な屈折率検出が可能となる。
　前記遮光膜が、前記貫通孔を境界として、互いに絶縁された二領域に分割されており、
前記遮光膜の前記二領域間に電圧をかけるための電圧印加手段をさらに備えている。前記構成によると、遮光膜の前記二領域間に電圧をかけることで、貫通孔内部に検出対象を捕集することができる。そのため、検出感度がさらに向上する。
　光学センサシステムは、上記の光学センサヘッドと、前記発光デバイスを発光させたときにおける前記検出器の検出値を元に、前記貫通孔内の屈折率を算出する算出部と、前記算出部で算出された屈折率を表示する表示部とを備える。前記構成によると、貫通孔外部の影響を受けにくく、貫通孔内部の屈折率変化のみを検出でき、分子レベルの検出も可能である光学センサシステムとなる。なお、検出値を得るには、少なくとも２つの電流値で発光デバイスを発光させることが好ましい。
　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。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１　光学センサヘッド
２　発光デバイス
３　検出器
４　第１の反射面
５　第２の反射面
６　導波路
７　遮光膜
７ａ　対向面
７ｂ　出射面
８　貫通孔
９　検出対象
１０　流路
１１　窓
１２　誘電体膜
１０１　光学センサヘッド
１０２　発光デバイス
１０３ａ　第１の検出器
１０３ｂ　第２の検出器
１０４　第１の反射面
１０５　第２の反射面
１０６　導波路
１０８　駆動回路
１０９　温度センサ
１２０　反応体
１５１　算出部
１５２　表示部
２００　光学センサシステム

Claims (8)

  1. 　第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路を有する発光デバイスと、
    　前記第１の反射面上に形成された反応体と、
    　前記第１の反射面及び前記第２の反射面の一方から出射される光の光強度を検出する第１の検出器と、
    　前記第１の検出器によって検出された光強度に基づいて前記第１の反射面における環境パラメータを算出する算出部とを備えている光学センサシステムにおいて、
    　前記第１の反射面の反射率Ｒ1と、前記検出器によって検出された光強度Ｐ(Ｒ1)とが、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     の関係を満たすことを特徴とする光学センサシステム。
  2. 　前記第１の検出器によって検出される光強度が一定となるよう、前記第１の検出器によって検出された光強度に基づいてフィードバック制御を行う制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学センサシステム。
  3. 　前記第１の反射面及び前記第２の反射面の他方から出射される光の光強度を検出する第２の検出器をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサシステム。
  4. 　第１の反射面、前記第１の反射面と対向する第２の反射面、および、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に設けられた導波路が形成された発光デバイスと、
    　近接場光を発生させるための貫通孔が設けられた、前記第１の反射面上に形成された遮光膜と、
    　前記第１または第２の反射面を通して前記発光デバイスから出射される光の光強度を検出する検出器とを備えた光学センサヘッドであって、
    　前記遮光膜の光の出射面上での前記貫通孔の開口面積が、前記第１の反射面に対向した前記遮光膜の対向面上での前記貫通孔の開口面積よりも大きいことを特徴とする光学センサヘッド。
  5. 　前記遮光膜が、表面プラズモンを励起する材料からなることを特徴とする請求項４に記載の光学センサヘッド。
  6. 　前記発光デバイスから出射される光が直線偏光であり、
    　前記直線偏光の方向に関して、前記遮光膜の前記出射面上での前記貫通孔の開口長さが、前記遮光膜の前記対向面上での前記貫通孔の開口長さよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の光学センサヘッド。
  7. 　前記発光デバイスから出射される光が直線偏光であり、
    　前記遮光膜の前記対向面上での前記直線偏光の方向に関する前記貫通孔の開口長さが、前記発光デバイスから出射される光の波長より小さいことを特徴とする請求項４又は５に記載の光学センサヘッド。
  8. 　請求項４～７のいずれか１項に記載の光学センサヘッドと、
    　前記発光デバイスを発光させたときにおける前記検出器の検出値を元に、前記貫通孔内の屈折率を算出する算出部と、
    　前記算出部で算出された屈折率を表示する表示部とを備える光学センサシステム。
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