JP2006017648A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の２次元物性を測定する表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置において、測定面上のどの部分の試料について測定しているかを正確に認識可能とする。
【解決手段】 誘電体ブロック10と、その一面10ｂに形成されて試料に接触させられる薄膜層12と、光ビームを発生させる光源14と、光ビーム13Ｂを誘電体ブロック10に対して、それと薄膜層12との界面10ａで全反射するように入射させる入射光学系15と、上記界面10ａにおいて全反射した光ビーム13Ｂの強度を検出する２次元光検出手段20とを備えてなる測定装置において、上記一面10ｂに、光ビーム13Ｂの照射範囲内において所定のパターン12を形成し、このパターン12に基づいて、誘電体ブロック10の一面10ｂ上における物体の形状と、２次元光検出手段20が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段20の出力Ｓを補正する補正手段24を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面プラズモンの発生を利用して試料の物性を求める表面プラズモン共鳴測定装置等の測定装置に関するものである。

金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。

従来、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料中の物質を定量分析する表面プラズモン共鳴測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特許文献１参照）。

上記の系を用いる表面プラズモン共鳴測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。

なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを偏向させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、光ビームの偏向にともなって反射角が変化する光ビームを、光ビームの偏向に同期移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。

上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θ_ＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が、図３に示すように鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。

なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。

この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角θ_ＳＰより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、ε_ｍ とε_ｓ をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。

試料の誘電率ε_ｓ が分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角θ_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率や、それに対応する物性を求めることができる。

また、前記金属膜の上に、検体中の特定物質と特異的に結合するセンシング物質を固定しておいた場合は、金属膜の上に供給された検体中にその特定物質が含まれるとその結合によりセンシング物質の屈折率が変化するので、この屈折率変化を検出することにより、上記特定物質の有無を検出することもできる。

また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば非特許文献１に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られ、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。

上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を測定することができる。

なお、前記界面で全反射した光ビームの強度を光検出手段により測定して試料の分析を行なうには種々の方法があり、非特許文献２に記載されているように、複数の波長の光ビームを前記界面に対して全反射条件が得られる入射角で入射させ、この界面で全反射した光ビームの強度を各波長毎に測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することによって試料分析を行なってもよい。

さらには、非特許文献３に記載されているように、光ビームを前記界面に対して全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部をそれが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを前記界面で全反射した光ビームと干渉させ、その干渉後の光ビームの強度を検出することにより試料分析を行なってもよい。

なお、試料の物性の分析においては、複数の試料について同一条件で測定したい場合や、試料の２次元的な物性情報を得たい場合等があり、上述した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置はこれらに応用することも可能である（例えば特許文献２および３参照）。表面プラズモン共鳴測定装置を例に挙げると、前記図３に示す関係は、金属膜上に存在する物質の屈折率が変化すると同図で横軸方向に移動する形で変化する。したがって、前記界面の２次元的な広がりを有する領域に所定の入射角で光ビームを入射させた場合、該領域のうちその入射角で全反射減衰を生じる屈折率となっている部分、すなわち、ある特定の物質が金属膜上に存在する部分に入射した光成分が暗線として検出される。そこで、ある程度広いビーム断面を有する平行光を用い、前記界面で全反射した光ビームの断面の光強度分布を検出すれば、上記界面に沿った面内での特定物質の分布を測定することができる。また、図３に示すように、所定の入射角θ_ＳＰの前後ではやはり全反射光の強度が低くなるので、所定の入射角で界面に入射して全反射した光ビームの断面の光強度分布は、金属膜上に存在する物質（試料）の２次元的な屈折率分布を示すものとなる。

上述のことは、全反射減衰が表面プラズモン共鳴によって生じる代わりに、前記導波層での導波モードの励起によって生じるという点が異なるだけで、漏洩モード測定装置においても同様に認められるから、漏洩モード測定装置を適用して同じように試料の２次元物性を求めることも可能である。

なお上記のように「試料の２次元物性を求める」ということは、本明細書においては、１つの試料の２次元物性を求めることの他、薄膜層上に２次元的に配置された同一種類あるいは異なる種類の複数の試料の各物性を、互いに独立して求めることも含めて指すものとする。

また、以上説明した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置は、誘電体ブロックと薄膜層（前者にあっては金属膜であり、後者にあってはクラッド層および光導波層）との界面で光ビームを全反射させることにより、この全反射時に生じるエバネッセント波と表面プラズモンあるいは導波モードとを結合させているものであるが、誘電体ブロックの一面で光ビームを全反射させる代わりに該一面に回折格子を形成して、同様の表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置を構成することもできる。つまりその場合は、誘電体ブロック側からその回折格子に光ビームを入射させると、回折により生じて薄膜層側に浸み出したエバネッセント光と表面プラズモンあるいは導波モードとが結合するので、誘電体ブロック側に反射回折する光の強度が減衰する。そこで、この減衰が生じたときの回折格子に対する光ビームの入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。

さらに、以上説明した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置は、全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる光ビームの入射角θが、試料の屈折率に応じて変化することを利用して試料分析するものであるが、入射角θを一定にしておいても同様の試料分析を行うことができる。つまり光ビームの入射角θが一定の場合は、図４に示すようにその光ビームの波長λがある特定値λ_ＳＰのときに、全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる。そして、この全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる特定波長λ_ＳＰは試料の屈折率に依存するので、この特定波長λ_ＳＰを検出することにより、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。

このような方式の測定装置は、試料の２次元物性を求める上で特に有利なものとなる。つまりその場合は、ある波長幅を有する例えば白色光等からなる光ビームを発生させる光源が用いられるとともに、全反射光あるいは反射回折光を分光検出する２次元光検出手段が用いられ、前記界面や回折格子に対する光ビームの入射角を変化させる必要が無いので、試料の一定個所を安定して照射することが可能になる。
特開平６−１６７４４３号公報 特開２００１−２５５２６７号公報 特開２００１−５１１２４９号公報 「分光研究」、1998年、第47巻、第1号、第21〜23頁および第26〜27頁 D.V.Noort,K.Johansen,C.F.Mandenius,"Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement"EUROSENSORS XIII,1999年,第585-588頁 P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Beloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk,"Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array Biosensing"EUROSENSORS XIII, 1999年,第235-238頁

ところで、上述した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置においては、２次元光検出手段が検出した２次元画像が、実際の測定面、つまり薄膜層（表面プラズモン共鳴測定装置にあっては金属膜であり、漏洩モード測定装置にあってはクラッド層および光導波層である）や回折格子が形成された誘電体ブロックの一面における像とは縦横比が異なった、歪んだ像となることがある。これは、前記光ビームが、プリズム状とされた誘電体ブロックの光出射面で屈折することや、上記測定面が光ビームの軸に対して傾斜していることに起因している。

特許文献２には、上述の２次元光検出手段が検出する２次元画像の歪みに関する先見情報を元に、検出画像を、測定面上の比率に合うように演算補正する方法が示されている。しかしこの方法では、画像の縦横比は復元されるものの、測定面上のどの部分の試料について測定しているかを知ることは不可能である。そうであると、前述したように１つの試料の２次元物性を求める場合には該物性の２次元分布を誤って把握してしまうし、あるいは測定面上に２次元的に配置された複数の試料の各物性を求める場合には、ある試料の物性を他の試料の物性と取り違えて把握してしまう、といった問題を招くことになる。

本発明は上記の事情に鑑み、試料の２次元物性を測定する表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置において、測定面上のどの部分の試料について測定しているかを正確に認識可能とすることを目的とする。

本発明による第１の測定装置は、先に説明した全反射光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
誘電体ブロックと、
この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
このパターンに基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における物体の形状と、前記２次元光検出手段が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の出力を補正する補正手段が設けられたことを特徴とするものである。

また本発明による第２の測定装置も、全反射光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
上記第１の測定装置におけるのと同様の誘電体ブロックと、薄膜層と、光源と、入射光学系と、２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
前記２次元光検出手段が検出した前記所定のパターンの像を表示させる表示手段と、
この表示手段に表示された前記パターンにおける基準点を示す情報を入力する手段と、
入力された前記基準点に関する情報に基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における位置と、前記２次元光検出手段の光検出検出面上の位置とを対応付けるように前記２次元光検出手段の出力を補正する補正手段とが設けられたことを特徴とするものである。

他方、本発明による第３の測定装置は、先に説明した反射回折光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
誘電体ブロックと、
この誘電体ブロックの一面に形成された回折格子と、
この回折格子の上に形成されて試料に接触させられる薄膜層と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、前記回折格子の少なくとも一部を照射するように入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射回折した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
このパターンに基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における物体の形状と、前記２次元光検出手段が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の出力を補正する補正手段が設けられたことを特徴とするものである。

また本発明による第４の測定装置も、反射回折光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
上記第３の測定装置におけるのと同様の誘電体ブロックと、回折格子と、薄膜層と、光源と、入射光学系と、２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
前記２次元光検出手段が検出した前記所定のパターンの像を表示させる表示手段と、
この表示手段に表示された前記パターンにおける基準点を示す情報を入力する手段と、
入力された前記基準点に関する情報に基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における位置と、前記２次元光検出手段の光検出検出面上の位置とを対応付けるように前記２次元光検出手段の出力を補正する補正手段とが設けられたことを特徴とするものである。

なお、上述した本発明による各測定装置において、前記所定のパターンとしては、前記薄膜層を所定パターンに形成してなるものや、試料とは屈折率が異なる例えば金属薄膜からなる材料を所定パターンに形成してなるもの等を適用することができる。そして、このように薄膜層や金属薄膜等からなる所定のパターンは、矩形状のものに形成したり、あるいは周期パターンとして形成することができる。

さらに上記所定のパターンとしては、誘電体ブロックの一面に形成された凹部から構成することも可能である。

そのような凹部としては、例えば点状に形成されたものを適用することができ、その場合は該凹部を、矩形の頂点となる位置にそれぞれ配置したり、あるいは周期的に配列することが望ましい。

また上述のような凹部として、線状に形成されたものを適用することもでき、その場合は該凹部を、矩形のパターンを形成するものとしたり、あるいは周期的に配列されたものとすることが望ましい。

他方、本発明の測定装置においては、前記光源として、ある波長幅を有する光ビームを発生させるものが用いられ、その上で前記２次元光検出手段として、光ビームを分光検出するものが用いられることが望ましい。

本発明による第１および第３の測定装置においては、薄膜層あるいは回折格子が形成されて測定面となる誘電体ブロックの一面に、そこに照射される光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成された上で、このパターンに基づいて、誘電体ブロックの一面上における物体の形状と、２次元光検出手段が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の出力を補正する補正手段が設けられているので、本装置によれば、この補正後の２次元光検出手段の出力を画像化する等により、測定面上のどの部分について測定しているかを正確に認識可能となる。

また、本発明による第２および第４の測定装置においては、薄膜層あるいは回折格子が形成されて測定面となる誘電体ブロックの一面に、そこに照射される光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成されるとともに、
前記２次元光検出手段が検出した前記所定のパターンの像を表示させる表示手段と、
この表示手段に表示された前記パターンにおける基準点を示す情報を入力する手段と、
入力された前記基準点に関する情報に基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における位置と、前記２次元光検出手段の光検出検出面上の位置とを対応付けるように前記２次元光検出手段の出力を補正する補正手段とが設けられているので、この補正後の２次元光検出手段の出力を画像化する等により、測定面上のどの部分について測定しているかを正確に認識可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。本実施形態の装置は一例として前述した表面プラズモン共鳴測定装置であって、透明合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスから形成されて例えばほぼ台形の断面形状を有する誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面10ｂ（図中の上面）に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12と、白色光13を発する光源14と、この光源14から発散光状態で発せられた白色光13を平行光化し、平行光となった光ビーム13Ｂを上記金属膜12に向けて誘電体ブロック10に入射させる入射光学系15とを有している。

さらにこの表面プラズモン共鳴測定装置は、上記誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ａで全反射した光ビーム13Ｂが入射する位置に配された回折格子16と、この回折格子16を光ビーム13Ｂの入射角が変化する方向（矢印Ａ方向）に回転させる回折格子駆動手段17と、回折格子16で反射回折した光ビーム13Ｂを収束させる集光レンズ18と、この集光レンズ18による光ビーム13Ｂの収束位置に配されたピンホール板19と、このピンホール板19のピンホール19ａを通過した光ビーム13Ｂを２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ20とを有している。

上記ＣＣＤエリアセンサ20の出力信号はこの制御部24に入力され、該制御部24が後述のようにして求めた分析結果は表示手段25に表示される。

なお界面10ａに対する光ビーム13Ｂの入射角θは、臨界角以上でかつ表面プラズモンを励起させる範囲の角度とされる。そこで、光ビーム13Ｂは界面10ａで全反射する。また光ビーム13Ｂは、界面10ａに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、例えば光源14内に波長板や偏光板を組み込んで、白色光13の偏光の向きを制御すればよい。

以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置の作用について説明する。本装置により試料分析するに当たり、分析対象の試料30は金属膜12の上に配される。この状態で光源14が点灯され、平行光とされた白色光である光ビーム13Ｂは誘電体ブロック10に入射する。この光ビーム13Ｂは誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ａで全反射し、誘電体ブロック10から出射して回折格子16において反射回折する。なお、このときの回折角は光ビーム13Ｂの波長λに応じて異なるので、光ビーム13Ｂは空間的に分光された状態で回折格子16から出射する。

分光された光ビーム13Ｂは集光レンズ18によって集光され、その収束位置に配されたピンホール板19のピンホール19ａを通過して、ＣＣＤエリアセンサ20に入射する。ＣＣＤエリアセンサ20は、光ビーム13Ｂの強度をビーム断面内の各位置毎に検出し、その検出光強度を示す光検出信号Ｓを、例えば計算機システムからなる制御部24に入力する。

上述した通り、ピンホール板19に入射する光ビーム13Ｂは空間的に分光されているので、ある狭い波長領域の光のみがピンホール19ａを通過することになる。そして、試料分析に際しては回折格子16が前述のように回転され、それにより、ピンホール19ａを通過する光ビーム13Ｂの波長が掃引される。ＣＣＤエリアセンサ20は、こうして掃引される各波長毎に上記光強度を検出する。

このとき、掃引する波長範囲が適切に設定されていれば、先に図４を参照して説明したように、ある特定の波長λ_ＳＰにおいて表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ、それはＣＣＤエリアセンサ20において、検出光強度の著しい低下として検出される。上記特定波長λ_ＳＰの値は試料30の屈折率と一義的に対応しているので、この全反射減衰が生じたときの波長λ_ＳＰの値つまりは回折格子16の回転位置に基づいて、試料30の屈折率やそれと対応している試料30の物性を求めることができる。そこで制御部24は、光検出信号Ｓと、自身が制御する回折格子16の回転位置とに基づいて、試料30の屈折率等の物性を求める。この回折格子16の回転位置と試料の物性との関係は、予め実験や経験に基づいて求めておくことができる。

なお本実施形態では、光ビーム13Ｂが金属膜12を２次元的に照射し、全反射した該光ビーム13Ｂの強度がビーム断面内の各位置毎に検出されるので、制御部24においては、上記試料30の屈折率等の物性の２次元分布が求められる。こうして制御部24が求めた試料30の物性の２次元分布は、表示手段25において、例えば金属膜12の範囲内において屈折率等の物性値の大小を濃度の大小で表すように画像化して表示される。

ここで図２の（１）に、誘電体ブロック10の上面10ｂの部分の平面形状を示す。ここに示される通り、誘電体ブロック10の上面10ｂは光ビーム13Ｂの軸に対して傾いているため、この上面10ｂにおける光ビーム13Ｂの照射範囲は楕円状となっている。また同図（２）にはＣＣＤエリアセンサ20の光検出面20ａにおける光ビーム13Ｂの入射範囲を示すが、この入射範囲は上記誘電体ブロック上面10ｂにおける光ビーム13Ｂの照射形状と一致してはいない。したがって、誘電体ブロック上面10ｂに形成された金属膜12は、光検出面20ａにおいて歪んだ形状で検出されることになる。そうであると、上記屈折率等の物性値の大小を画像化して表示した際に、その物性値の２次元分布が誤って把握されてしまう。あるいは、金属膜12上に２次元的に配置した複数の試料の各物性を求める場合には、ある試料の物性を他の試料の物性と取り違えて把握してしまう、といった問題を招くことになる。

以下、この問題を防止するための構成について説明する。本実施形態において金属膜12は、誘電体ブロック上面10ｂにおける光ビーム13Ｂの照射範囲内に収まる矩形の所定パターンに形成されている。計算機システムからなる制御部24は、この矩形パターンに基づいて、誘電体ブロック上面10ｂにおける物体の形状と、ＣＣＤエリアセンサ20が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の光検出信号Ｓを補正する。それにより、表示手段25に表示される物性値の分布は、図２の（３）に示すように形状が補正された金属膜12の領域内に示されるようになり、該分布と金属膜12上の位置との対応が取られて上述の問題が防止され得る。

なお、上記光検出信号Ｓの補正は、より具体的には以下の通りにしてなされる。まず、分析に使用されるものと同様の金属膜12が形成された誘電体ブロック10を用意し、その上面10の反射画像をＣＣＤエリアセンサ20と同じ参照用ＣＣＤエリアセンサで真上から撮像する等により、金属膜12の歪んでいない画像を制御部24に取り込む。制御部24は、その取り込んだ金属膜12の画像から、その濃度がステップ状に変化する点を検出することにより、該金属膜12の輪郭画像を得、その輪郭画像をテンプレートとして記憶、保存する。そして実際の分析時に制御部24は、テンプレートを少しずつ傾けながら、それと取得した金属膜12の輪郭画像とが一致するようにテンプレートマッチングを行い、両者の輪郭が一致したときのテンプレートの傾きから、ＣＣＤエリアセンサ20で検出された金属膜12の像が実物に対して何度傾いているかを知る。そして制御部24は、このようにして知った金属膜12の像の傾きを解消するように２次元光検出手段の光検出信号Ｓを補正する。

なお、誘電体ブロック上面10ｂにおける物体の形状と、ＣＣＤエリアセンサ20が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の光検出信号Ｓを補正する方法は上述のものに限らず、その他の公知の種々の画像認識技術も適宜適用可能である。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は本発明の第２の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。なおこの図５において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。

この第２実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図１に示した装置と比べると回折格子駆動手段17が省かれ、その代わりに、ピンホール板19を概略矢印Ｃ方向に移動させるピンホール板駆動手段40が設けられた点が異なる。このピンホール板駆動手段40の作動は、制御部24によって制御される。

本実施形態の測定装置においても、光検出信号Ｓが制御部24により第１実施形態と同じように補正され、それにより同様の効果が得られる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は本発明の第３の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第３実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図１に示した測定装置と比べると、金属膜12の上にセンシング物質50が固定されている点が異なる。このセンシング物質50は、後述する検体51の中の特定物質と特異的に結合するものである。

上記構成の測定装置によって検体51を分析する際には、検体51がセンシング物質50の上に供給される。この検体51の中に特定物質が含まれると、それがセンシング物質50と結合するので、該センシング物質50の屈折率が変化する。したがって、図１の装置と同様にしてＣＣＤエリアセンサ20に入射する光ビーム13Ｂの波長を掃引する操作を検体51の供給前と後に行ない、その２つの場合で全反射減衰波長λ_ＳＰが変化するか否かを検出することにより、上記結合の有無つまりは特定物質の有無を分析することができる。

本実施形態の測定装置においても、光検出信号Ｓが制御部24により第１実施形態と同じように補正され、それにより同様の効果が得られる。

なお本実施形態では、光ビーム13Ｂのビーム断面内強度分布を測定するＣＣＤエリアセンサ20を用いているので、上記センシング物質50と特定物質との結合が検体51のどの部分において生じたかを調べることもできる。

また、上記のように金属膜12の上に１種類のセンシング物質50を固定する代わりに、金属膜12の上に複数種類のセンシング物質を互いに適宜間隔を置いて並んだ状態に固定しておけば、ＣＣＤエリアセンサ20の出力に基づいて、どの位置でセンシング物質と特定物質との結合が生じたか、つまりどの種類のセンシング物質に特定物質が結合したかを調べることができる。

さらに、上記とは反対に、金属膜12の上に１種類のセンシング物質を互いに適宜間隔を置いて並んだ状態に複数固定しておき、各センシング物質に相異なる検体を供給すれば、ＣＣＤエリアセンサ20の出力に基づいて、どの位置でセンシング物質と特定物質との結合が生じたか、つまりどの検体がセンシング物質と結合したかを調べることができる。

なお、上述のようなセンシング物質と特定物質との組合せとしては、例えば各種抗体と抗原との組合せを挙げることができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図７は本発明の第４の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第４実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図１に示した測定装置と比べると、誘電体ブロック10に代えて、下面に光入射用回折格子61および光出射用回折格子62が形成された直方体状の誘電体ブロック60が用いられている点が異なるものである。

本装置においては、光ビーム13Ｂが光入射用回折格子61で回折して、界面10ａに全反射可能な入射角で入射し、全反射後に光出射用回折格子62で回折して誘電体ブロック60外に出射する。その他の点は、図１に示した装置と基本的に同様である。

本実施形態の測定装置においても、誘電体ブロック60の上面60ｂにおいて光ビーム13Ｂの照射範囲内に、矩形の所定パターンとされた金属膜12が設けられ、そして光検出信号Ｓが制御部24により第１実施形態と同じように補正され、それにより同様の効果が得られる。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図８は本発明の第５の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第５実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図１に示した測定装置と比べると、誘電体ブロック10に代えて、上面（金属膜12が形成される面）に回折格子71が形成された誘電体ブロック70が用いられた点が異なるものである。なお回折格子71は誘電体ブロック70の上面に凹凸を形成してなるもので、その凹凸の高さおよびピッチは、典型的にはそれぞれ数十ｎｍ、１μｍ程度である。

本装置においては、光ビーム13Ｂが回折格子71で反射回折して折り返す。そしてこの場合も、光ビーム13Ｂの波長λがある特定値λ_ＳＰを取るとき、回折により生じて金属膜12側に浸み出したエバネッセント光と表面プラズモンとが結合して、誘電体ブロック70側に反射回折する光ビーム13Ｂの強度が鋭く減衰する。そこでこの装置においても、図１の装置と同様にして、試料30の屈折率や、それに関連する試料30の特性を分析することができる。

本実施形態の測定装置においても、回折格子71の上において光ビーム13Ｂの照射範囲内に、矩形の所定パターンとされた金属膜12が設けられ、そして光検出信号Ｓが制御部24により第１実施形態と同じように補正され、それにより同様の効果が得られる。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図９は本発明の第６の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第６実施形態の装置は先に説明した漏洩モード測定装置であり、図１に示した測定装置と比べると、誘電体ブロック10の上面10ｂに、金属膜12に代えてクラッド層80および光導波層81がこの順に形成されている点が異なるものである。

誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層80は、誘電体ブロック10よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層81は、クラッド層80よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層80の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で36.5ｎｍ、光導波層81の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。

上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビーム13Ｂを誘電体ブロック10を通してクラッド層80に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光ビーム13Ｂが誘電体ブロック10とクラッド層80との界面10ｃで全反射するが、クラッド層80を透過して光導波層81に入射した特定波長の光は、該光導波層81を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層81に取り込まれるので、上記界面10ｃで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。

光導波層81における導波光の波数は、該光導波層81の上の試料30の屈折率に依存するので、掃引波長範囲内で全反射減衰が生じる上記特定波長を知ることによって、試料30の屈折率や、それに関連する試料30の特性を分析することができる。そして特に本実施形態では、ＣＣＤエリアセンサ20により光ビーム13Ｂの強度がビーム断面内の各位置毎に検出されるので、制御部24においては、試料30の屈折率等の物性の２次元分布が求められる。こうして制御部24が求めた試料30の物性の２次元分布は、表示手段25に表示される。

本装置においても、誘電体ブロック10の上面10ｂにおいて光ビーム13Ｂの照射範囲内に、クラッド層80および光導波層81が矩形の所定パターンにして形成され、そして光検出信号Ｓが制御部24により第１実施形態と同じように補正され、それにより同様の効果が得られる。

次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図１０は本発明の第７の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第７実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図１に示した測定装置と比べると、制御部24の構成が異なるとともに、この制御部24に情報を入力するキーボード等の入力手段23が設けられた点が異なるものである。

本実施形態の測定装置においては、ＣＣＤエリアセンサ20の光検出信号Ｓに基づいて、金属膜12の部分を含む画像が表示手段25に表示される。装置操作者はこの表示画像を見て、矩形の所定パターンをなしている金属膜12の基準点、例えばその４つの頂点部分を示す画素位置を示す情報を制御部24に入力させる。制御部24は、上記基準点が例えば１ｃｍ×１ｃｍの正方形の頂点であることを記憶しており、入力された画素位置が、そのような正方形の頂点を担うものとなるようにＣＣＤエリアセンサ20の光検出信号Ｓを補正する。それによりこの場合も、金属膜12上の位置とＣＣＤエリアセンサ20の光検出面上の位置との対応が取られ、ひいては表示手段25に表示される物性値の分布が、金属膜12上の位置と正確に対応して示されるようになる。

なお、以上説明した第７実施形態における補正方法は、第２〜６実施形態に示したような基本構成を有する測定装置に対しても同様に適用可能であり、そのようにした場合も、上記と同様の効果を得ることができる。

また、本発明の測定装置において形成される所定のパターンは、上に説明した矩形状の金属膜12からなるものに限定されるものではない。例えば図１１に示すように、周期的に並ぶように形成した複数の金属膜12’を所定のパターンとすることもできる。

また図１２に示すように、誘電体ブロック10の上面10ｂ全面に金属膜12を形成し、その上に、分析対象の試料とは屈折率が異なる材料から所定パターン90を形成してもよい。より具体的には、金属膜12を例えば５０ｎｍの厚さで均一に形成し、その上に例えば１ｎｍの厚さのＳｉＯ₂薄膜からなる所定パターン90を、光ビーム13Ｂの照射範囲内に形成すればよい。このようなパターン90は、その周りの部分と反射特性が異なるので、光検出手段でその反射像を検出することにより、その輪郭部分を容易に判別可能となる。なお、上述のように試料とは屈折率が異なる材料はＳｉＯ₂薄膜に限定されるものではなく、その他に、比較的厚い金属層等から該パターンを形成してもよい。また、このような材料からなるパターンを、図１１に示すような周期的に並ぶ形状に形成してもよい。

さらには図１３に示すように、金属膜12が全面的に形成された誘電体ブロック上面10ｂにおいて、光ビーム13Ｂの照射範囲内に点状の凹部91を設けて、それを所定パターンとすることもできる。このような凹部91の部分では、前述した全反射や回折反射が起こらず反射率が低下するので、その位置を容易に検出可能となる。そのような凹部は、例えば矩形の頂点となる位置に設けると、測定面上の位置を検出する上で好ましい。

またこのような凹部は、線状あるいは矩形のパターンなす溝として形成することもできるし、複数の点状あるいは線状として、それらを周期的に配列してもよい。

本発明の第１の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図 図１の装置における測定面上の金属膜の形状（１）、光検出手段に検出された金属膜の像の形状（２）、および補正された金属膜の像の形状（３）を示す概略図 表面プラズモン共鳴測定装置における測定光入射角と検出光強度との関係を示すグラフ 表面プラズモン共鳴測定装置における測定光波長と検出光強度との関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図 本発明の第３の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図 本発明の第４の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図 本発明の第５の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図 本発明の第６の実施形態による漏洩モード測定装置を示す概略側面図 本発明の第７の実施形態による漏洩モード測定装置を示す概略側面図 本発明における所定パターンの別の例を示す平面図 本発明における所定パターンのさらに別の例を示す平面図 本発明における所定パターンのさらに別の例を示す平面図

符号の説明

10、60、70 誘電体ブロック
10ａ 誘電体ブロックと金属膜との界面
10ｂ、60ｂ 誘電体ブロックの上面
10ｃ 誘電体ブロックとクラッド層との界面
12、12’ 金属膜
13 白色光
14 白色光源
15 入射光学系
16 回折格子
17 回折格子駆動手段
18 集光レンズ
19 ピンホール板
20 ＣＣＤエリアセンサ
24 制御部
25 表示手段
40 ピンホール板駆動手段
50 センシング物質
51 検体
61 光入射用回折格子
62 光出射用回折格子
71 回折格子
80 クラッド層
81 光導波層
90、91 所定のパターン

Claims (17)

1. 誘電体ブロックと、
   この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層と、
   光ビームを発生させる光源と、
   前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように入射させる入射光学系と、
   前記界面で全反射した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
   前記誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
   このパターンに基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における物体の形状と、前記２次元光検出手段が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の出力を補正する補正手段が設けられたことを特徴とする測定装置。
2. 誘電体ブロックと、
   この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層と、
   光ビームを発生させる光源と、
   前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように入射させる入射光学系と、
   前記界面で全反射した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
   前記誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
   前記２次元光検出手段が検出した前記所定のパターンの像を表示させる表示手段と、
   この表示手段に表示された前記パターンにおける基準点を示す情報を入力する手段と、
   入力された前記基準点に関する情報に基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における位置と、前記２次元光検出手段の光検出検出面上の位置とを対応付けるように前記２次元光検出手段の出力を補正する補正手段とが設けられたことを特徴とする測定装置。
3. 誘電体ブロックと、
   この誘電体ブロックの一面に形成された回折格子と、
   この回折格子の上に形成されて試料に接触させられる薄膜層と、
   光ビームを発生させる光源と、
   前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、前記回折格子の少なくとも一部を照射するように入射させる入射光学系と、
   前記回折格子で反射回折した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
   前記誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
   このパターンに基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における物体の形状と、前記２次元光検出手段が検出した該物体の形状とが相似となるように、該２次元光検出手段の出力を補正する補正手段が設けられたことを特徴とする測定装置。
4. 誘電体ブロックと、
   この誘電体ブロックの一面に形成された回折格子と、
   この回折格子の上に形成されて試料に接触させられる薄膜層と、
   光ビームを発生させる光源と、
   前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、前記回折格子の少なくとも一部を照射するように入射させる入射光学系と、
   前記回折格子で反射回折した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
   前記誘電体ブロックの一面に、そこに照射される前記光ビームの照射範囲内において所定のパターンが形成され、
   前記２次元光検出手段が検出した前記所定のパターンの像を表示させる表示手段と、
   この表示手段に表示された前記パターンにおける基準点を示す情報を入力する手段と、
   入力された前記基準点に関する情報に基づいて、前記誘電体ブロックの一面上における位置と、前記２次元光検出手段の光検出検出面上の位置とを対応付けるように前記２次元光検出手段の出力を補正する補正手段とが設けられたことを特徴とする測定装置。
5. 前記所定のパターンが、前記薄膜層が所定パターンに形成されてなるものであることを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
6. 前記所定のパターンが、前記試料とは屈折率が異なる材料が所定パターンに形成されてなるものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の測定装置。
7. 前記所定のパターンが金属薄膜からなることを特徴とする請求項６項記載の測定装置。
8. 前記所定のパターンが、矩形状のものであることを特徴とする請求項５から７いずれか１項記載の測定装置。
9. 前記所定のパターンが、周期パターンであることを特徴とする請求項５から７いずれか１項記載の測定装置。
10. 前記所定のパターンが、前記誘電体ブロックの一面に形成された凹部であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の測定装置。
11. 前記凹部が点状に形成されたものであることを特徴とする請求項１０記載の測定装置。
12. 前記点状に形成された凹部が、矩形の頂点となる位置にそれぞれ配置されたものであることを特徴とする請求項１１記載の測定装置。
13. 前記点状に形成された凹部が、周期的に配列されていることを特徴とする請求項１１記載の測定装置。
14. 前記凹部が線状に形成されたものであることを特徴とする請求項１０記載の測定装置。
15. 前記線状に形成された凹部が、矩形のパターンを構成していることを特徴とする請求項１４記載の測定装置。
16. 前記線状に形成された凹部が、周期的に配列されていることを特徴とする請求項１４記載の測定装置。
17. 前記光源が、ある波長幅を有する光ビームを発生させるものであり、
    前記２次元光検出手段が、前記光ビームを分光検出するものであることを特徴とする請求項１から１６いずれか１項記載の測定装置。

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