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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2026047048
(43)【公開日】2026-03-13
(54)【発明の名称】検出装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/41 20060101AFI20260305BHJP
【ＦＩ】
G01N21/41 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2025030515
(22)【出願日】2025-02-27
(31)【優先権主張番号】P 2024147679
(32)【優先日】2024-08-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京科学大学
(71)【出願人】
【識別番号】000232243
【氏名又は名称】日本電気硝子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001232
【氏名又は名称】弁理士法人大阪フロント特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】梶川 浩太郎
(72)【発明者】
【氏名】辻口 雅人
(72)【発明者】
【氏名】藤田 直樹
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA02
2G059BB04
2G059BB05
2G059CC09
2G059CC15
2G059EE04
2G059HH01
2G059HH02
2G059JJ12
2G059JJ19
(57)【要約】
【課題】装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる、検出装置を提供する。
【解決手段】表面プラズモン共鳴を利用した検出装置１であって、光源２と、光入射面５ａ、底面５ｂ、及び光出射面５ｃを有する光学プリズム５と、光学プリズム５の底面５ｂに設けられており、光源２から出射され光入射面５ａに入射した光を、光出射面５ｃ側に反射させる金属薄膜６とを有する、センサ部３と、センサ部３の金属薄膜６で反射した光を検出する、検出器４とを備え、光学プリズム５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されており、光学プリズム５において、光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角が、５°以上、１７０°以下であり、光入射面５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直であり、光出射面５ｃから出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直である、検出装置１。
【選択図】図１
【解決手段】表面プラズモン共鳴を利用した検出装置１であって、光源２と、光入射面５ａ、底面５ｂ、及び光出射面５ｃを有する光学プリズム５と、光学プリズム５の底面５ｂに設けられており、光源２から出射され光入射面５ａに入射した光を、光出射面５ｃ側に反射させる金属薄膜６とを有する、センサ部３と、センサ部３の金属薄膜６で反射した光を検出する、検出器４とを備え、光学プリズム５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されており、光学プリズム５において、光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角が、５°以上、１７０°以下であり、光入射面５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直であり、光出射面５ｃから出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直である、検出装置１。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面プラズモン共鳴を利用した検出装置であって、
光源と、
光入射面、底面、及び光出射面を有する光学プリズムと、前記光学プリズムの前記底面に設けられており、前記光源から出射され前記光入射面に入射した光を、前記光出射面側に反射させる金属薄膜とを有する、センサ部と、
前記センサ部の前記金属薄膜で反射した光を検出する、検出器と、
を備え、
前記光学プリズムは、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されており、
前記光学プリズムにおいて、前記光入射面と前記光出射面とのなす角が、５°以上、１７０°以下であり、
前記光入射面に入射する入射光の光軸と、前記光学プリズムの前記底面とが、略垂直であり、
前記光出射面から出射する出射光の光軸と、前記光学プリズムの前記底面とが、略垂直である、検出装置。
光源と、
光入射面、底面、及び光出射面を有する光学プリズムと、前記光学プリズムの前記底面に設けられており、前記光源から出射され前記光入射面に入射した光を、前記光出射面側に反射させる金属薄膜とを有する、センサ部と、
前記センサ部の前記金属薄膜で反射した光を検出する、検出器と、
を備え、
前記光学プリズムは、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されており、
前記光学プリズムにおいて、前記光入射面と前記光出射面とのなす角が、５°以上、１７０°以下であり、
前記光入射面に入射する入射光の光軸と、前記光学プリズムの前記底面とが、略垂直であり、
前記光出射面から出射する出射光の光軸と、前記光学プリズムの前記底面とが、略垂直である、検出装置。
【請求項2】
前記光学プリズムを構成する前記ガラスの屈折率ｎｄが、１．８以上、３．０以下である、請求項１に記載の検出装置。
【請求項3】
前記光学プリズムにおいて、前記光入射面と前記光出射面とのなす角が、９０°未満である、請求項１又は２に記載の検出装置。
【請求項4】
前記光学プリズムの断面形状が台形であり、
前記台形の一方側の斜辺に前記光入射面が配置されており、
前記台形の他方側の斜辺に前記光出射面が配置されている、請求項１又は２に記載の検出装置。
前記台形の一方側の斜辺に前記光入射面が配置されており、
前記台形の他方側の斜辺に前記光出射面が配置されている、請求項１又は２に記載の検出装置。
【請求項5】
前記光源から出射される光の波長が、６００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の検出装置。
【請求項6】
屈折率感度が、１０００ｎｍ／ＲＩＵ以上、３００００ｎｍ／ＲＩＵ以下である、請求項１又は２に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、表面プラズモン共鳴を利用した検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、表面プラズモン共鳴を利用した検出装置が知られている。表面プラズモンの共鳴条件は、表面近傍の物質の有無や屈折率に敏感であるため、表面プラズモン共鳴を利用した検出装置は、高感度な物質の検出手段として用いることができる。例えば、表面プラズモンを利用した検出装置は、測定対象物の微小な屈折率変化を測定することができることから、屈折率センサや、バイオセンサ、化学センサ等の分野で利用されている。
【0003】
下記の特許文献１には、プリズムと、プリズムの下部に設けられ、底面に金属膜が取り付けられた平板と有する、センサ部を備える、検出装置が開示されている。特許文献１では、プリズムに入射した光を平板と金属膜との界面で全反射させることにより生じる表面プラズモン共鳴を利用して、金属膜の表面に配置される測定対象物の屈折率変化を測定し、例えば、免疫反応等の細胞内でのタンパク質の相互作用を測定することができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００８－１９１０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、表面プラズモンを利用した検出装置では、通常、回転ステージ等を用いて入射角や反射角を精密に制御する機械的な機構が必要であることから、装置全体の簡略化や小型化が求められている。また、特許文献１のような検出装置では、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることが難しいという問題がある。
【0006】
本発明の目的は、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる、検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
以下、上記課題を解決する検出装置の各態様について説明する。
【0008】
本発明の態様１に係る検出装置は、表面プラズモン共鳴を利用した検出装置であって、光源と、光入射面、底面、及び光出射面を有する光学プリズムと、前記光学プリズムの前記底面に設けられており、前記光源から出射され前記光入射面に入射した光を、前記光出射面側に反射させる金属薄膜とを有する、センサ部と、前記センサ部の前記金属薄膜で反射した光を検出する、検出器とを備え、前記光学プリズムは、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されており、前記光学プリズムにおいて、前記光入射面と前記光出射面とのなす角が、５°以上、１７０°以下であり、前記光入射面に入射する入射光の光軸と、前記光学プリズムの前記底面とが、略垂直であり、前記光出射面から出射する出射光の光軸と、前記光学プリズムの前記底面とが、略垂直であることを特徴としている。なお、前記光学プリズムにおいて、前記光入射面とは、外部から前記光学プリズムに光が入射する側の面のことをいい、前記光出射面とは、前記光学プリズムから外部に光が出射する側の面のことをいうものとする。
【0009】
態様２に係る検出装置では、態様１において、前記光学プリズムを構成する前記ガラスの屈折率ｎｄが、１．８以上、３．０以下であることが好ましい。
【0010】
態様３に係る検出装置では、態様１又は態様２の光学プリズムにおいて、前記光入射面と前記光出射面とのなす角が、９０°未満であることが好ましい。
【0011】
態様４に係る検出装置では、態様１から態様３のいずれか一つの態様において、前記光学プリズムの断面形状が台形であり、前記台形の一方側の斜辺に前記光入射面が配置されており、前記台形の他方側の斜辺に前記光出射面が配置されていることが好ましい。
【0012】
態様５に係る検出装置では、態様１から態様４のいずれか一つの態様において、前記光源から出射される光の波長が、６００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下であることが好ましい。
【0013】
態様６に係る検出装置では、態様１から態様５のいずれか一つの態様において、屈折率感度が、１０００ｎｍ／ＲＩＵ以上、３００００ｎｍ／ＲＩＵ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる、検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図30】比較例の検出装置を模式的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
【0017】
【0018】
図１に示すように、検出装置１は、光源２と、センサ部３と、検出器４とを備える。また、センサ部３は、光学プリズム５と、金属薄膜６とを有する。
【0019】
光学プリズム５は、光入射面５ａと、底面５ｂと、光出射面５ｃとを有する。本実施形態において、光学プリズム５の形状は、三角柱状であり、光学プリズム５の断面形状は、三角形である。特に、本実施形態において、光学プリズム５の断面形状は、二等辺三角形である。もっとも、光学プリズム５の形状は、特に限定されず、例えば、光学プリズム５の断面形状が、台形等（例えば、等脚台形）であってもよい。なお、金属薄膜６は、光学プリズム５の底面５ｂ上に設けられている。なお、本実施形態のように、光学プリズム５の断面形状が二等辺三角形である場合、底辺の長さは、例えば、５ｍｍ～２０ｍｍとすることができ、高さは、５ｍｍ～１００ｍｍとすることができる。もっとも、光学プリズム５の寸法は、特に限定されず、検出装置１の用途や、使用する光の波長に応じて適宜決定することができる。
【0020】
検出装置１では、光源２から出射された光が、光学レンズでコリメートされ、偏光フィルタに入射する（図１において、光学レンズ及び偏光フィルタは、図示を省略している）。偏光フィルタでは、光がｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離され、そのうちｐ偏光（以下、単に光と称する場合がある）が、光学プリズム５側に出射する。光学プリズム５に到達した光は、光入射面５ａで屈折し、底面５ｂ側へ進行する。底面５ｂに到達した光は、金属薄膜６で反射し、光出射面５ｃ側へ進行する。光出射面５ｃに到達した光は、光出射面５ｃで屈折し、光学レンズで集光され、検出器４側へ進行する。検出装置１では、このようにして、光が検出器４に到達し、検出される。
【0021】
本実施形態の検出装置１は、光学プリズム５の底面５ｂに到達した光が、金属薄膜６で全反射するように構成されている。このような検出装置１では、特定の入射共鳴角及び波長において、表面プラズモン共鳴（伝搬型表面プラズモン共鳴）が起こる。このとき、検出対象物１０の屈折率変化や金属薄膜６の表面６ａへの物質の吸着や脱離により共鳴波長が変化するため、その変化を測定したり、センシングしたりすることにより、検出対象物１０における屈折率ｎｄの変化、あるいは検出対象物１０中に含まれる物質の検出やその物質における状態の変化を追うことができる。従って、検出装置１は、金属薄膜６の表面６ａに検出対象物１０を配置して用いることができ、例えば、屈折率センサや、バイオセンサ、化学センサ等の分野で利用することができる。
【0022】
本実施形態の検出装置１において、光学プリズム５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されている。また、検出装置１において、光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角は、５°以上、１７０°以下である。なお、図１に示すように、本実施形態では、光学プリズム５の断面形状が、三角形であるため、光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αは、三角形の頂角に相当する。
【0023】
なお、本実施形態において、光学プリズム５を構成するガラスの屈折率ｎＣは、１．７８以上、３．９９以下であることが好ましい。また、光学プリズム５を構成するガラスの屈折率ｎＣは、より好ましくは１．７９以上、３．９５以下である。
【0024】
検出装置１においては、光学プリズム５の光入射面５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直である。また、光学プリズム５の光出射面５ｃから出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直である。なお、本実施形態において、略垂直とは、完全に垂直な場合だけでなく、±３．０°の誤差がある場合も含まれる意味で用いられるものとする。もっとも、光軸Ｘ１及び光軸Ｘ２と、光学プリズム５の底面５ｂとが、完全に垂直となるように設計されることが望ましい。
【0025】
本実施形態の検出装置１は、上記の全体の構成を備えるので、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる。
【0026】
より具体的には、本実施形態の検出装置１では、光源２及び検出器４と対向する位置に、センサ部３を設置するだけで、表面プラズモン共鳴を利用したセンシング等を行うことができる。従って、検出装置１では、例えば、回転ステージ等を用いて入射角や反射角を精密に制御する機械的な機構等を必要とせず、装置全体の簡略化や小型化を図ることができる。
【0027】
また、本実施形態の検出装置１では、光学プリズム５が、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されているので、光学プリズム５の底面５ｂに到達した光を、金属薄膜６で全反射させるように設計することができ、表面プラズモン共鳴を生じ易くすることができる。また、光学プリズム５を構成する材料の屈折率ｎｄが大きいほど、光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αがより大きくなるように設計することができる。
【0028】
また、本実施形態の検出装置１では、光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αが、５°以上、１７０°以下であるので、検出装置１における屈折率感度を高めるように設計することができる。なお、上述したように、光学プリズム５を構成する材料の屈折率ｎｄが大きいほど、光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αを大きくすることができる。
【0029】
また、本実施形態の検出装置１では、光学プリズム５の光入射面５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直であるので、図３０の比較例の検出装置１０１のように、光軸Ｘ３と、光学プリズム１０５の底面１０５ｂとが平行に配置される場合のように、光軸Ｘ３が底面すれすれに配置される場合と比較して、例えば、光源２から出射される光のビーム径を大きくするなど、検出装置１における光学設計の自由度を高めることができる。
【0030】
従って、本実施形態の検出装置１によれば、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる。
【0031】
本実施形態において、光学プリズム５を構成する材料の屈折率ｎｄは、１．８以上、好ましくは１．８５以上、より好ましくは２．０以上であり、４．０以下、好ましくは３．５以下、より好ましくは３．０以下、さらに好ましくは２．５以下である。光学プリズム５を構成する材料の屈折率が上記下限値以上である場合、後述するディップ波長が長波長側にシフトするので、金属薄膜６による損失をより少なくすることができ、検出装置１の屈折率感度をより高めることができる。また、光学プリズム５を構成する材料の屈折率は、材料選択の幅をより広げられるという観点から、上記上限値以下とすることが好ましい。なお、屈折率ｎｄは、周知のＶブロック法を用いて測定することができる。具体的には、試料を３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍに切り出し、一端を直角研磨した後に、研磨面を鏡面仕上げし、当該試料に対して、精密屈折系ＫＰＲ－２０００（島津製作所社製）を用いて、Ｈｅランプのｄ線の屈折率を測定する。
【0032】
光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αは、５°以上、好ましくは１０°以上、より好ましくは３０°以上であり、１７０°以下、好ましくは１３０°以下、より好ましくは１０５°以下、さらに好ましくは９０°未満、特に好ましくは８０°以下である。光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αが上記下限値以上である場合、光学プリズム５の光入射面５ａに入射する光の反射ロスをより一層低減することができる。また、光学プリズム５の低背化を図ることができる。光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αが上記上限値以下又は上記上限値未満である場合、光学プリズム５を構成する材料選択の幅をより一層広げることができる。
【0033】
光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αは、光学プリズム５を構成する材料の屈折率ｎｄが１．８～２．５である場合は、５°以上、９０°未満であることが好ましく、８°以上、８０°以下であることがより好ましく、１０°以上、７６°以下であることがさらに好ましい。この場合、検出装置１における屈折率感度をより一層高めることができ、また使用する光の波長をより一層望ましい範囲に設計することができる。
【0034】
光学プリズム５の光入射面５ａと光出射面５ｃとのなす角αは、光学プリズム５を構成する材料の屈折率ｎｄが２．５～４．０である場合（ｎｄは２．５より大きくてもよい）は、７０°以上、１７０°以下であることが好ましく、８０°以上、１４０°以下であることがより好ましく、９０°以上、１３０°以下であることがさらに好ましい。この場合、検出装置１における屈折率感度をより一層高めることができ、また使用する光の波長をより一層望ましい範囲に設計することができる。
【0035】
本実施形態において、光源２から出射される光としては、例えば、可視光や近赤外光を用いることができる。なかでも、光源２から出射される光の波長は、好ましくは６００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。例えば、金属薄膜６がＡｕである場合には、光源２から出射される光の波長は、６００ｎｍ以上、１２００ｎｍ以下であることがより好ましい。また、例えば、金属薄膜６がＡｇである場合には、光源２から出射される光の波長は、４００ｎｍ以上、１８００ｎｍ以下であることがより好ましい。また、光源２から出射される光は、インコヒーレント光であってもよい。本実施形態の検出装置１では、光学プリズム５の光入射面５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム５の底面５ｂとが、略垂直であり、光学設計の自由度を高めることができるので、インコヒーレント光を利用した検出装置等にも好適に用いることができる。
【0036】
また、光源２から出射される光のビーム径は、特に限定されないが、例えば、０．０１ｍｍ以上とすることができ、好ましくは１ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以下である。
【0037】
光学プリズム５を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、屈折率ｎｄが１．８以上、４．０以下であり、かつ波長６００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の光に対して透過性を有する材料を用いることができる。光学プリズム５を構成する材料としては、例えば、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ダイヤモンド等が挙げられる。ガラスとしては、例えば、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５及びＬａ２Ｏ３から選択される少なくとも一種を含有するガラスであることが好ましい。光学プリズム５を構成するガラスは、例えば、ガラスが質量％で、ＴｉＯ２＋Ｔａ２Ｏ５＋Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌａ２Ｏ３ １０％～９０％を含有することが好ましい。
【0038】
以下、光学プリズム５を構成する材料がガラスである場合において、ガラス組成の好ましい範囲について理由を説明する。なお、各成分の範囲の説明において、特に断りのない限り、％表示は質量％を指す。
【0039】
ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５及びＬａ２Ｏ３は、ガラスの屈折率を顕著に高める成分である。ＴｉＯ２＋Ｔａ２Ｏ５＋Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌａ２Ｏ３の含有量（ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５及びＬａ２Ｏ３の合量）は１０％～９０％であることが好ましい。詳細には、ＴｉＯ２＋Ｔａ２Ｏ５＋Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌａ２Ｏ３の含有量の下限は１０％以上、２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、特に６０％以上であることが好ましく、ＴｉＯ２＋Ｔａ２Ｏ５＋Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌａ２Ｏ３の含有量の上限は９０％以下、特に８０％以下であることが好ましい。なお、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５及びＬａ２Ｏ３の各成分の好ましい含有量は以下の通りである。
【0040】
ＴｉＯ２の含有量は０％～６０％であることが好ましい。ＴｉＯ２の含有量の下限は０％以上、１％以上、２％以上、５％以上、特に１０％以上であることが好ましく、ＴｉＯ２の含有量の上限は６０％以下、５０％以下、４０％以下、特に３０％以下であることが好ましい。ＴｉＯ２の含有量が多すぎるとガラスが着色したり、耐失透性が低下し易くなる。
【0041】
Ｔａ２Ｏ５の含有量は０％～６０％であることが好ましい。Ｔａ２Ｏ５の含有量の下限は０％以上、１％以上、２％以上、５％以上、特に１０％以上であることが好ましく、Ｔａ２Ｏ５の含有量の上限は６０％以下、５０％以下、４０％以下、特に３０％以下であることが好ましい。Ｔａ２Ｏ５の含有量が多すぎると耐失透性が低下し易くなる。
【0042】
Ｎｂ２Ｏ５の含有量は０％～６０％であることが好ましい。Ｎｂ２Ｏ５の含有量の下限は０％以上、１％以上、２％以上、５％以上、特に１０％以上であることが好ましく、Ｎｂ２Ｏ５の含有量の上限は６０％以下、５０％以下、４０％以下、特に３０％以下であることが好ましい。Ｎｂ２Ｏ５の含有量が多すぎると、液相温度が急激に上昇し、液相粘度が低下して量産性が悪化する傾向にある。また、内部透過率が低下しやすくなる。
【0043】
Ｌａ２Ｏ３の含有量は０％～６０％であることが好ましい。Ｌａ２Ｏ３の含有量の下限は０％以上、１％以上、２％以上、５％以上、特に１０％以上であることが好ましく、Ｌａ２Ｏ３の含有量の上限は６０％以下、５０％以下、４０％以下、特に３０％以下であることが好ましい。Ｌａ２Ｏ３の含有量が多すぎると、液相粘度が低下して量産性が悪化する傾向にある。
【0044】
金属薄膜６の材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ等を用いることができる。金属薄膜６の厚みとしては、好ましくは３０ｎｍ以上、より好ましくは４５ｎｍ以上であり、好ましくは７０ｎｍ以下、より好ましくは５５ｎｍ以下である。金属薄膜６の厚みが、上記範囲内にある場合、表面プラズモンをより一層容易に励起させることができる。
【0045】
検出器４としては、例えば、ＣＣＤカメラ、フォトダイオード、光電子増倍管、分光装置とＣＣＤカメラやフォトダイオードアレイ等を用いることができる。
【0046】
偏光フィルタとしては、例えば、プラスチックの偏光フィルムを用いることができる。なお、検出装置１において、偏光フィルタは、設けられていなくてもよい。
【0047】
光学レンズとしては、例えば、対物レンズを用いることができる。なお、検出装置１において、光学レンズは、設けられていなくてもよく、入射側の光学レンズ及び出射側の光学レンズのうち一方のみが設けられていてもよい。
【0048】
本実施形態の検出装置１の屈折率感度は、好ましくは１０００ｎｍ／ＲＩＵ以上、より好ましくは２０００ｎｍ／ＲＩＵ以上であり、好ましくは３００００ｎｍ／ＲＩＵ以下、より好ましくは２００００ｎｍ／ＲＩＵ以下である。なお、検出装置１の屈折率感度（Ｓｎ）は、検出対象物１０の屈折率の変化に伴いディップ波長が変化したときに、ディップ波長の変化量（Δλ）を屈折率の変化量（Δｎ）で除することにより求めることができる（Ｓｎ＝Δλ／Δｎ）。検出装置１の屈折率感度が上記範囲内にある場合、屈折率センサや、バイオセンサ、化学センサ等の用途において好適に利用することができる。
【0049】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
【0050】
図２に示すように、検出装置２１では、光学プリズム２５の形状が、等脚台形を側面に有する六面体であり、その断面形状は等脚台形である。光学プリズム２５の形状は、等脚台形を側面に有する六面体でなくても、四角錐台状でもよい。その場合、錐体の頂点を含む底面に垂直な面で切った断面の形状は、図２に示す等脚台形となるようにする。なお、本実施形態のように、光学プリズム５の断面形状が台形である場合、底辺の長さは、例えば、５ｍｍ～２０ｍｍとすることができ、高さは、５ｍｍ～５０ｍｍとすることができる。
【0051】
検出装置２１では、光学プリズム２５の断面形状である台形において、台形の一方側の斜辺に光入射面２５ａが配置されており、台形の他方側の斜辺に前記光出射面２５ｃが配置されている。より具体的には、光学プリズム２５の六面体または四角錐台状において、対向している斜面の一方側の斜面が光入射面２５ａであり、他方側の斜面が光出射面２５ｃである。検出装置２１において、光入射面２５ａと光出射面２５ｃとのなす角αは、光入射面２５ａの延びる方向における仮想線と、光出射面２５ｃの延びる方向における仮想線とがなす角である。光入射面２５ａと光出射面２５ｃとのなす角αは、光入射面２５ａの延びる方向における仮想線と、光出射面２５ｃの延びる方向における仮想線とを結んでなる三角形の頂角に相当する。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
【0052】
第２の実施形態の検出装置２１においても、光学プリズム２５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されている。また、検出装置２１においても、光学プリズム２５の光入射面２５ａと光出射面２５ｃとのなす角αが、５°以上、１７０°以下である。また、検出装置２１においても、光学プリズム２５の光入射面２５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。また、光学プリズム２５の光出射面２５ｃから出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。そのため、第２の実施形態の検出装置２１においても、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる。
【0053】
第２の実施形態の検出装置２１のように、光学プリズム２５の形状が、六面体または四角錐台状であり、光学プリズム２５の断面形状は等脚台形となる。この場合、光学プリズム２５を低背化することができるので、検出装置２１を小型化することができる。
【0054】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
【0055】
図３に示すように、検出装置３１は、光源及び検出器が一体化されてなる光源／検出器４０を備える。また、光源／検出器４０と、光学プリズム２５との間に、光学レンズ３７及びスリット板３８が設けられている。光学レンズ３７としては、例えば、第１の実施形態で説明した光学レンズを用いることができる。スリット板３８は、入射側スリット３８ａ及び出射側スリット３８ｂを有する。
【0056】
検出装置３１では、光源／検出器４０から出射された光が、光学レンズ３７で平行光にされ、偏光フィルタに入射する（図３において、偏光フィルタは、図示を省略している）。偏光フィルタでは、光がｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離され、そのうちｐ偏光（以下、単に光と称する場合がある）が、スリット板３８側に出射する。スリット板３８に到達した光は、入射側スリット３８ａを通って、光学プリズム２５側に出射する。光学プリズム２５に到達した光は、光入射面２５ａで屈折し、底面２５ｂ側へ進行する。底面２５ｂに到達した光は、金属薄膜６で反射し、光出射面２５ｃ側へ進行する。光出射面２５ｃに到達した光は、光出射面２５ｃで屈折し、スリット板３８側に出射する。スリット板３８に到達した光は、出射側スリット３８ｂを通って、光学レンズ３７側に出射する。光学レンズ３７に到達した光は、光学レンズ３７で集光され、光源／検出器４０側へ進行する。検出装置３１では、このようにして、光源／検出器４０の検出器に光が到達し、検出される。その他の点は、第２の実施形態と同様である。
【0057】
第３の実施形態の検出装置３１においても、光学プリズム２５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されている。また、検出装置３１においても、光学プリズム２５の光入射面２５ａと光出射面２５ｃとのなす角が、５°以上、１７０°以下である。また、検出装置３１においても、光学プリズム２５の光入射面２５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。また、光学プリズム２５の光出射面２５ｃから出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。そのため、第３の実施形態の検出装置３１においても、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる。
【0058】
第３の実施形態のように、検出装置３１が、光源及び検出器が一体化されてなる光源／検出器４０を備えていてもよい。この場合、光源／検出器４０から出射した光が、光源／検出器４０に戻ってきて検出されるため、検出装置３１全体をより簡略化することができ、また、検出装置３１をより小型化することもできる。なお、検出装置３１においては、光源／検出器４０からリング状の光を出射させてもよい。また、光源／検出器４０は、光源と検出器とがＹ型光ファイバーにより一体化されてなる構造であってもよい。具体的には、Ｙ型光ファイバーの第１の端部に光源が接続され、第２の端部に検出器が接続された構造であってもよい。この場合、光源から出射された光は、光源及び検出器が接続されていない端部（第３の端部、Ｙ字の下端部）から出射される。また、光学プリズム２５の底面２５ｂで反射された光はＹ型光ファイバーの第３の端部から入射し、検出器側へ進行する。
【0059】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
図４は、本発明の第４の実施形態に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
【0060】
図４に示すように、検出装置４１は、光源２を備える。光源２と、光学プリズム２５との間に、光学レンズ４３が設けられている。光学レンズ４３としては、例えば、第１の実施形態で説明した光学レンズを用いることができる。また、光学プリズム２５と、検出器４との間に、ミラー４４及び光学レンズ４５が設けられている。
【0061】
検出装置４１では、光源２から出射された光が、光学レンズ４３でコリメートされ、偏光フィルタに入射する（図４において、偏光フィルタは、図示を省略している）。偏光フィルタでは、光がｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離され、そのうちｐ偏光（以下、単に光と称する場合がある）が、光学プリズム２５側に出射する。光学プリズム２５に到達した光は、光入射面２５ａで屈折し、底面２５ｂ側へ進行する。底面２５ｂに到達した光は、金属薄膜６で反射し、光出射面２５ｃ側へ進行する。光出射面２５ｃに到達した光は、光出射面２５ｃで屈折し、ミラー４４側に出射する。ミラー４４に到達した光は、ミラー４４で反射され、光軸Ｘ２が底面２５ｂと平行になった後、光学レンズ４５側に出射する。光学レンズ４５に到達した光は、光学レンズ４５で集光され、検出器４側へ進行する。検出装置４１では、このようにして、検出器４に光が到達し、検出される。その他の点は、第２の実施形態と同様である。
【0062】
第４の実施形態の検出装置４１においても、光学プリズム２５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されている。また、検出装置４１においても、光学プリズム２５の光入射面２５ａと光出射面２５ｃとのなす角が、５°以上、１７０°以下である。また、検出装置４１においても、光学プリズム２５の光入射面２５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。また、光学プリズム２５の光出射面２５ｃから出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。そのため、第４の実施形態の検出装置４１においても、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる。
【0063】
（第４の実施形態の変形例）
図５は、本発明の第４の実施形態の変形例に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
図５は、本発明の第４の実施形態の変形例に係る検出装置を模式的に示す構成図である。
【0064】
図５に示すように、第４の実施形態の変形例の検出装置４１Ａでは、光源２と検出器４との配置が、第４の実施形態の検出装置４１とは、逆になっている。具体的には、検出装置４１Ａでは、光源２と、光学プリズム２５との間に、光学レンズ４５及びミラー４４が設けられている。また、光学プリズム２５と、検出器４との間に、光学レンズ４３が設けられている。
【0065】
検出装置４１Ａでは、光源２から出射された光が、光学プリズム２５の底面２５ｂと平行に進行し、光学レンズ４５でコリメートされ、偏光フィルタに入射する（図５において、偏光フィルタは、図示を省略している）。偏光フィルタでは、光がｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離され、そのうちｐ偏光（以下、単に光と称する場合がある）が、底面２５ｂと平行にミラー４４側へ進行し、ミラー４４で反射される。ミラー４４で反射された光は、光軸Ｘ１が底面２５ｂに垂直となり、光学プリズム２５側に進行する。光学プリズム２５に到達した光は、光入射面２５ａ１で屈折し、底面２５ｂ側へ進行する。底面２５ｂに到達した光は、金属薄膜６で反射し、光出射面２５ｃ１側へ進行する。光出射面２５ｃ１に到達した光は、光出射面２５ｃ１で屈折し、光学レンズ４３で集光され、検出器４側へ進行する。検出装置４１Ａでは、このようにして、光が検出器４に到達し、検出される。
【0066】
第４の実施形態の変形例の検出装置４１Ａにおいても、光学プリズム２５は、屈折率ｎｄが、１．８以上、４．０以下の材料により構成されている。また、検出装置４１Ａにおいても、光学プリズム２５の光入射面２５ａ１と光出射面２５ｃ１とのなす角が、５°以上、１７０°以下である。また、検出装置４１Ａにおいても、光学プリズム２５の光入射面２５ａ１に入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。また、光学プリズム２５の光出射面２５ｃ１から出射する出射光の光軸Ｘ２と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直である。そのため、第４の実施形態の変形例の検出装置４１Ａにおいても、装置全体を簡略化しつつ、光学設計の自由度を高めることができる。
【0067】
以下、具体例を用いて、本発明の検出装置のさらなる詳細について説明する。なお、以下の具体例においては、図２の検出装置２１を用いたシミュレーションによる実験例について説明する。なお、この具体例においては、光入射面２５ａと光出射面２５ｃとのなす角αは、光入射面２５ａの延びる方向における仮想線と、光出射面２５ｃの延びる方向における仮想線とを結んでなる三角形の頂角αと称するものとする。また、この具体例においては、光入射面２５ａの延びる方向における仮想線と、光出射面２５ｃの延びる方向における仮想線とを結んでなる三角形のうち、光入射面２５ａが位置する辺における長さ方向中心に光を入射させた。また、金属薄膜６としては、膜厚が４７ｎｍのＡｕ膜を用いた。また、検出対象物１０としては、屈折率ｎｄ＝１．３３の水を用いた。
【0068】
【0069】
図６に示すように、検出装置２１では、光学プリズム２５の光入射面２５ａに入射する入射光の光軸Ｘ１と、光学プリズム２５の底面２５ｂとが、略垂直であることから、光学プリズム２５の光入射面２５ａに入射する光の入射角及び屈折角は、スネルの法則より下記式（１）のように表される。
【0070】
【数1】
【0071】
また、金属薄膜６への光の入射角γ（表面プラズモン共鳴が生じる入射角γ）は、光学プリズム２５に入射する光の波長λ、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎ、金属薄膜６の膜厚、検出対象物１０の屈折率等の関数であり、γ（ｎ，λ）とも表される。なお、本関数は、光学プリズムを構成する材料の屈折率の波長依存性を考慮していない。そのため、ｄ線以外の波長における屈折率は、屈折率ｎｄと同じ値であると仮定している。図６より、入射角γ（γ（ｎ，λ））は、外角定理を用いて下記式（２）のように表される。
【0072】
【数2】
【0073】
式１（１）及び式（２）をまとめると、下記式（３）のように表される。
【0074】
【数3】
【0075】
式（３）より、表面プラズモン共鳴が生じる頂角αを求めるためには、下記式（４）及び下記式（５）をプロットし、その交点を求めればよいことがわかる。
【0076】
【数4】
【0077】
【数5】
【0078】
図７は、光学プリズムに入射する光の波長λを６３３ｎｍとし、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを１．５としたときに、式（４）及び式（５）をプロットしたグラフである。また、図８～図１１は、図７において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄをそれぞれ順に、１．８６、２．０、２．５、３．０としたときのグラフである。
【0079】
図７より、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄが１．５のときには、頂角αが０°以上となる式（４）及び式（５）の交点が存在していないことがわかる。一方、図８～図１１より、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄが１．８６～３．０のときには、式（４）及び式（５）の交点となる頂角α（表面プラズモン共鳴が生じる頂角α）が存在しており、上記屈折率ｎｄが大きいほど、式（４）及び式（５）の交点となる頂角αが大きくなっていることがわかる。
【0080】
同様にして、光学プリズムに入射する光の波長を６３３ｎｍとし、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを３．５、４．０としたときに、式（４）及び式（５）の交点となる頂角αを求めた。また、光学プリズムに入射する光の波長を８００ｎｍとし、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを１．８６、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０としたときに、式（４）及び式（５）の交点となる頂角αを求めた。結果を下記の表１に示す。なお、表１においては、検出対象物１０は水溶液（屈折率ｎｄは１．３３）としており、表面プラズモン共鳴が生じる入射角γを併せて示している。
【0081】
【表1】
【0082】
次に、検出装置２１の屈折率感度測定の具体例について説明する。
【0083】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを２．０とし、頂角αを３０°としたときの入射光の波長と反射率との関係を示す図である。図１２において、実線は、検出対象物１０として、屈折率ｎｄ＝１．３３の水溶液を用いた場合の結果を示しており、破線は、屈折率ｎｄ＝１．３４の水溶液を用いた場合の結果を示している。
【0084】
図１２より、検出対象物１０としての水溶液の屈折率ｎｄが１．３４である場合、水溶液の屈折率ｎｄが１．３３の場合と比較して、表面プラズモン共鳴が生じるディップ波長（共鳴波長）が長波長側にシフトしていることがわかる。
【0085】
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを２．０とし、頂角αを３５°としたときの入射光の波長と反射率との関係を示す図である。図１３において、実線は、検出対象物１０として、屈折率ｎｄ＝１．３３の水溶液を用いた場合の結果を示しており、破線は、屈折率ｎｄ＝１．３４の水溶液を用いた場合の結果を示している。
【0086】
図１３より、頂角αを３５°とすることにより、図１２のグラフ（同じ屈折率ｎｄであり、頂角αが３０°）よりも、表面プラズモン共鳴が生じるディップ波長（共鳴波長）が長波長側にシフトしていることがわかる。また、図１３においても、検出対象物１０としての水溶液の屈折率ｎｄが１．３４である場合、水溶液の屈折率ｎｄが１．３３の場合と比較して、表面プラズモン共鳴が生じるディップ波長（共鳴波長）が長波長側にシフトしていることがわかる。
【0087】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを２．０としたときの頂角αと屈折率感度との関係を示す図である。また、図１５は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを２．０としたときの頂角αと共鳴波長との関係を示す図である。
【0088】
なお、屈折率感度は、周辺媒質の屈折率ｎｄが１変化した場合に生じる共鳴波長の変化量であり、大きいほど感度がよい。また、共鳴波長とは、光源に白色光を用いた場合の反射率が最も小さくなる波長のことであり、この波長において表面プラズモン共鳴が強く生じている。また、屈折率感度（Ｓｎ）は、例えば、図１２に示すように、水溶液の屈折率の変化に伴い、ディップ波長（共鳴波長）が変化するときに、水溶液の屈折率の変化量（Δｎ）をディップ波長（共鳴波長）の変化量（Δλ）で除することにより求めた（Ｓｎ＝Δλ／Δｎ）。
【0089】
図１４及び図１５に示すように、頂角αが大きくなるほど、屈折率感度が大きくなっている一方、頂角αが大きくなるほど、共鳴波長も大きくなっていることがわかる。このように、所望する屈折率感度や、使用する光の波長に応じて頂角αを適宜調整することが望ましい。図１４及び図１５や上記の理由等を考慮して、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを２．０としたときは、例えば、頂角αを１５°以上、５０°以下、より好ましくは２６°以上、３８°以下とすることが望ましい。
【0090】
図１６は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを１．８６としたときの頂角αと屈折率感度との関係を示す図である。また、図１７は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを１．８６としたときの頂角αと共鳴波長との関係を示す図である。
【0091】
図１６及び図１７に示すように、頂角αが大きくなるほど、屈折率感度が大きくなっている一方、頂角αが大きくなるほど、共鳴波長も大きくなっていることがわかる。このように、所望する屈折率感度や、使用する光の波長に応じて頂角αを適宜調整することが望ましい。図１６及び図１７や上記の理由等を考慮して、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを１．８６としたときは、例えば、頂角αを５°以上、４０°以下、より好ましくは１０°以上、２２°以下とすることが望ましい。
【0092】
図１８は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを２．５としたときの頂角αと屈折率感度との関係を示す図である。また、図１９は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを２．５としたときの頂角αと共鳴波長との関係を示す図である。
【0093】
図１８及び図１９に示すように、頂角αが大きくなるほど、屈折率感度が大きくなっている一方、頂角αが大きくなるほど、共鳴波長も大きくなっていることがわかる。このように、所望する屈折率感度や、使用する光の波長に応じて頂角αを適宜調整することが望ましい。図１８及び図１９や上記の理由等を考慮して、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを２．５としたときは、例えば、頂角αを３０°以上、９０°未満、より好ましくは７０°以上、７８°以下とすることが望ましい。
【0094】
図２０は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを３．０としたときの頂角αと屈折率感度との関係を示す図である。また、図２１は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを３．０としたときの頂角αと共鳴波長との関係を示す図である。
【0095】
図２０及び図２１に示すように、頂角αが大きくなるほど、屈折率感度が大きくなっている一方、頂角αが大きくなるほど、共鳴波長も大きくなっていることがわかる。このように、所望する屈折率感度や、使用する光の波長に応じて頂角αを適宜調整することが望ましい。図２０及び図２１や上記の理由等を考慮して、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを３．０としたときは、例えば、頂角αを８０°以上、１２０°以下、より好ましくは９４°以上、１０２°以下とすることが望ましい。
【0096】
図２２は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを３．５としたときの頂角αと屈折率感度との関係を示す図である。また、図２３は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを３．５としたときの頂角αと共鳴波長との関係を示す図である。
【0097】
図２２及び図２３に示すように、頂角αが大きくなるほど、屈折率感度が大きくなっている一方、頂角αが大きくなるほど、共鳴波長も大きくなっていることがわかる。このように、所望する屈折率感度や、使用する光の波長に応じて頂角αを適宜調整することが望ましい。図２２及び図２３や上記の理由等を考慮して、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを３．５としたときは、例えば、頂角αを１００°以上、１３０°以下、より好ましくは１１１°以上、１１７°以下とすることが望ましい。
【0098】
図２４は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを４．０としたときの頂角αと屈折率感度との関係を示す図である。また、図２５は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置において、光学プリズムを構成する材料の屈折率ｎｄを４．０としたときの頂角αと共鳴波長との関係を示す図である。
【0099】
図２４及び図２５に示すように、頂角αが大きくなるほど、屈折率感度が大きくなっている一方、頂角αが大きくなるほど、共鳴波長も大きくなっていることがわかる。このように、所望する屈折率感度や、使用する光の波長に応じて頂角αを適宜調整することが望ましい。図２４及び図２５や上記の理由等を考慮して、光学プリズム２５を構成する材料の屈折率ｎｄを４．０としたときは、例えば、頂角αを１１０°以上、１４０°以下、より好ましくは１２２°以上、１２８°以下とすることが望ましい。
【実施例0100】
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【0101】
（実施例１）
実施例１では、検出装置として、共鳴波長を測定する屈折率センサを作製した。センサ構成は図３に示す第３の実施形態の検出装置３１と同様とした。本検出装置３１では、光源／検出器４０から出射した光は、光学レンズ３７で平行光にされ、偏光フィルタに入射する（図３において、偏光フィルタは、図示を省略している）。偏光フィルタでは、光がｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離され、そのうちｐ偏光（以下、単に光と称する場合がある）が、スリット板３８側に出射する。スリット板３８に到達した光は、入射側スリット３８ａを通って、光学プリズム２５側に出射する。光学プリズム２５に到達した光は、光入射面２５ａで屈折し、底面２５ｂ側へ進行する。底面２５ｂに到達した光は、金属薄膜６で反射し、光出射面２５ｃ側へ進行する。光出射面２５ｃに到達した光は、光出射面２５ｃで屈折し、スリット板３８側に出射する。スリット板３８に到達した光は、出射側スリット３８ｂを通って、光学レンズ３７側に出射する。光学レンズ３７に到達した光は、光学レンズ３７で集光され、光源／検出器４０側へ進行する。検出装置３１では、このようにして、光源／検出器４０の検出器に光が到達し、検出される。
実施例１では、検出装置として、共鳴波長を測定する屈折率センサを作製した。センサ構成は図３に示す第３の実施形態の検出装置３１と同様とした。本検出装置３１では、光源／検出器４０から出射した光は、光学レンズ３７で平行光にされ、偏光フィルタに入射する（図３において、偏光フィルタは、図示を省略している）。偏光フィルタでは、光がｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離され、そのうちｐ偏光（以下、単に光と称する場合がある）が、スリット板３８側に出射する。スリット板３８に到達した光は、入射側スリット３８ａを通って、光学プリズム２５側に出射する。光学プリズム２５に到達した光は、光入射面２５ａで屈折し、底面２５ｂ側へ進行する。底面２５ｂに到達した光は、金属薄膜６で反射し、光出射面２５ｃ側へ進行する。光出射面２５ｃに到達した光は、光出射面２５ｃで屈折し、スリット板３８側に出射する。スリット板３８に到達した光は、出射側スリット３８ｂを通って、光学レンズ３７側に出射する。光学レンズ３７に到達した光は、光学レンズ３７で集光され、光源／検出器４０側へ進行する。検出装置３１では、このようにして、光源／検出器４０の検出器に光が到達し、検出される。
【0102】
光学プリズム２５としては、屈折率ｎｄが２．０、頂角αが３０°、高さが１１．２ｍｍ、底辺の長さが１４．６ｍｍである等脚台形を側面に有する六面体ガラスプリズムを用いた。ガラスプリズムを構成するガラスには、質量％で、ＴｉＯ２＋Ｔａ２Ｏ５＋Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌａ２Ｏ３ １０％以上を含有するガラスを用いた。ガラスプリズム（光学プリズム２５）の底面２５ｂの金属薄膜６には金薄膜を用い、膜厚は５０ｎｍとした。光源／検出器４０としては、光源と検出器とがＹ型光ファイバーにより一体化されてなる構造を有する光源／検出器を用いた。具体的には、Ｙ型光ファイバーの第１の端部に光源が接続され、第２の端部に検出器が接続された構造の光源／検出器４０を用いた。白色光の光源にはハロゲンランプ（オーシャンオプティクス社製）を用いた。検出器には光学分光器（ＵＳＢ－２０００、オーシャンオプティクス社製）を用いた。光源から出射された光は、Ｙ型光ファイバーの光源及び検出器が接続されていない端部（第３の端部、Ｙ字の下端部）から出射された。また、光学プリズム２５の底面２５ｂで反射された光はＹ型光ファイバーの第３の端部から入射し、検出器側へ進行し、検出された。検出対象物１０は水とエタノールとの混合液とした。具体的には、水とエタノールとの混合比を変えることにより混合液の屈折率ｎｄを制御した。なお、参考文献１によると、１５℃における水の屈折率ｎｄの値は１．３３３４５であり、エタノールの屈折率ｎｄは１．３６３３２である。
【0103】
参考文献１ 化学便覧 基礎編 改訂６版 １４章 表１４．５－３
【0104】
次に、水とエタノールとの混合液について、実施例１の検出装置３１を用いて共鳴波長変化量を測定し、波長６５０ｎｍから７８０ｎｍに現れた共鳴波長の変化量から、水とエタノールとの混合液の屈折率を求めた。結果を図２６に示す。図２６より、実施例１では、共鳴波長の変化量について、実験値とシミュレーション値がおおむね一致しており、検出装置３１が屈折率センサとして良好に動作したことが確認できた。なお、図２６に示す実線は、参考文献１で示された屈折率の値を内挿した混合液の屈折率の値である。参考文献１のエタノール濃度は重量％で示されているため、参考文献２に示されたエタノールの密度の値を用いて体積％に変換した。
【0105】
参考文献２ 理科年表 ２０２５年度版 物理／化学部 種々の物質の密度
【0106】
（実施例２）
実施例２では、検出装置として、物質を検出する化学センサを作製した。センサ構成は実施例１と同様とした。検出対象は０．０５ｍＭのアミノヘキサデカンチオールの水溶液とした。アミノヘキサデカンチオールは、金薄膜と接触すると、金薄膜表面に自己組織化単分子膜が成長する。この自己組織化単分子膜は光学的には誘電体薄膜として振る舞う。実施例２では、アミノヘキサデカンチオール水溶液をガラスプリズム底面の金薄膜の表面に曝露し、その共鳴波長の変化量から誘電体薄膜の厚さを算出した。また、算出された誘電体薄膜の厚さと、理論的な誘電体薄膜の厚さ（分子構造と結合長とから求めたアミノヘキサデカンチオール分子の長さ）とを比較した。
実施例２では、検出装置として、物質を検出する化学センサを作製した。センサ構成は実施例１と同様とした。検出対象は０．０５ｍＭのアミノヘキサデカンチオールの水溶液とした。アミノヘキサデカンチオールは、金薄膜と接触すると、金薄膜表面に自己組織化単分子膜が成長する。この自己組織化単分子膜は光学的には誘電体薄膜として振る舞う。実施例２では、アミノヘキサデカンチオール水溶液をガラスプリズム底面の金薄膜の表面に曝露し、その共鳴波長の変化量から誘電体薄膜の厚さを算出した。また、算出された誘電体薄膜の厚さと、理論的な誘電体薄膜の厚さ（分子構造と結合長とから求めたアミノヘキサデカンチオール分子の長さ）とを比較した。
【0107】
アミノヘキサデカンチオール水溶液をガラスプリズムの底面２５ｂの金薄膜（金属薄膜６）の表面６ａに曝露したときの測定経過時間と共鳴波長との関係を図２７に示す。図２７に示すように、測定開始後２００秒後にアミノヘキサデカンチオール水溶液の曝露を開始し、測定開始から３２００秒後（曝露開始３０００秒後）に共鳴波長の変化がほぼ止まり、誘電体薄膜の形成が終了したと判断した。このとき、共鳴波長は６７４ｎｍから６８２ｎｍに変化したため、共鳴波長の変化量は８ｎｍであった。金薄膜上の誘電体薄膜の厚さ１ｎｍにつき共鳴波長が３．４ｎｍ変化するというシミュレーション値から、誘電体薄膜の厚さはおおむね２．３５ｎｍと計算された。この厚さは、分子構造と結合長とから求めたアミノヘキサデカンチオール分子の長さ（２．３ｎｍ）とほぼ一致していた。測定開始から４０００秒後（曝露開始３８００秒後）に表面を水でリンスして反応を終了した。なお、このように、実施例２においては、実験値から算出した誘電体薄膜の厚さと、理論的な誘電体薄膜の厚さとがおおむね一致しており、化学センサとして良好に動作したことが確認できた。
【0108】
（実施例３）
実施例３では、検出装置として、別の実施の形態の共鳴波長を測定する屈折率センサを作製した。センサ構成は図４に示す第４の実施形態の検出装置４１と同様とした。本検出装置４１では、光源２から出射した光は、光学レンズ４３と偏光板（偏光フィルタ、図示せず）とを通過し、入射光の光軸Ｘ１と光学プリズム２５としてのガラスプリズムの底面２５ｂとが垂直となるようにガラスプリズムに入射する。続いて、ガラスプリズムから出射した光は、出射光の光軸Ｘ２と底面２５ｂとが垂直となるように進行し、ミラー４４で反射され、対物レンズ（光学レンズ４５）を通過した後、検出器４に入射する。
実施例３では、検出装置として、別の実施の形態の共鳴波長を測定する屈折率センサを作製した。センサ構成は図４に示す第４の実施形態の検出装置４１と同様とした。本検出装置４１では、光源２から出射した光は、光学レンズ４３と偏光板（偏光フィルタ、図示せず）とを通過し、入射光の光軸Ｘ１と光学プリズム２５としてのガラスプリズムの底面２５ｂとが垂直となるようにガラスプリズムに入射する。続いて、ガラスプリズムから出射した光は、出射光の光軸Ｘ２と底面２５ｂとが垂直となるように進行し、ミラー４４で反射され、対物レンズ（光学レンズ４５）を通過した後、検出器４に入射する。
【0109】
光学プリズム２５としては、実施例１と同様のガラスプリズムを用いた。実施例１と同様にガラスプリズム底面２５ｂの金属薄膜には金薄膜を用い、膜厚は５０ｎｍとした。白色光の光源２にはハロゲンランプ（オーシャンオプティクス社製）を用いた。検出器４には光学分光器（ＵＳＢ－２０００、オーシャンオプティクス社製）を用いた。また、検出対象物１０は実施例１と同様とした。
【0110】
次に、水とエタノールとの混合溶液について、実施例３の検出装置４１を用いて共鳴波長変化量を測定し、波長６５０ｎｍから７８０ｎｍに現れた共鳴波長の変化量から、水とエタノールとの混合液の屈折率を求めた。結果を図２８に示す。図２８より、実施例３では、共鳴波長の変化量について、実験値とシミュレーション値がおおむね一致しており、屈折率センサとして良好に動作したことが確認できた。なお、図２８に示す実線は、図２６と同様に参考文献１で示された屈折率の文献値を内挿した混合液の屈折率の値である。
【0111】
（実施例４）
実施例４では、検出装置として、物質を検出する化学センサを作製した。センサ構成は実施例３と同様とした。検出対象は０．５ｍＭのアミノヘキサデカンチオールの水エタノール溶液とした。実施例２と同様の方法により誘電体薄膜の厚さを算出した。算出された誘電体薄膜の厚さと、理論的な誘電体薄膜の厚さ（分子構造と結合長から求めたアミノヘキサデカンチオール分子の長さ）とを比較した。
実施例４では、検出装置として、物質を検出する化学センサを作製した。センサ構成は実施例３と同様とした。検出対象は０．５ｍＭのアミノヘキサデカンチオールの水エタノール溶液とした。実施例２と同様の方法により誘電体薄膜の厚さを算出した。算出された誘電体薄膜の厚さと、理論的な誘電体薄膜の厚さ（分子構造と結合長から求めたアミノヘキサデカンチオール分子の長さ）とを比較した。
【0112】
アミノヘキサデカンチオール水溶液（０．５ｍＭ）をガラスプリズム底面２５ｂの金薄膜の表面６ａに曝露したときの測定経過時間と共鳴波長との関係を図２９に示す。図２９に示すように、測定開始から５００秒後にアミノヘキサデカンチオール水溶液の曝露を開始し、測定開始から１５００秒後（曝露開始１０００秒後）に共鳴波長の変化がほぼ止まり、誘電体薄膜の形成が終了したと判断した。このとき、共鳴波長は６２５ｎｍから６３４ｎｍに変化したため、共鳴波長の変化量は９ｎｍであった。金薄膜上の誘電体薄膜の厚さ１ｎｍにつき共鳴波長が３．４ｎｍ変化するというシミュレーション値から、誘電体薄膜の厚さはおおむね２．６ｎｍと計算された。この厚さは、分子構造と結合長とから求めたアミノヘキサデカンチオール分子の長さ（２．３ｎｍ）とほぼ一致していた。測定開始から５９００秒後（曝露開始５４００秒後）に表面を水でリンスして反応を終了した。このように、実施例４においては、実験値から算出した誘電体薄膜の厚さと、理論的な誘電体薄膜の厚さとがおおむね一致しており、化学センサとして良好に動作したことが確認できた。
【符号の説明】
【0113】
１、２１、３１、４１、４１Ａ…検出装置
２…光源
３…センサ部
４…検出器
５、２５…光学プリズム
５ａ、２５ａ、２５ａ１…光入射面
５ｂ、２５ｂ…底面
５ｃ、２５ｃ、２５ｃ１…光出射面
６…金属薄膜
６ａ…表面
１０…検出対象物
３７、４３、４５…光学レンズ
３８…スリット板
３８ａ…入射側スリット
３８ｂ…出射側スリット
４０…光源／検出器
４４…ミラー
２…光源
３…センサ部
４…検出器
５、２５…光学プリズム
５ａ、２５ａ、２５ａ１…光入射面
５ｂ、２５ｂ…底面
５ｃ、２５ｃ、２５ｃ１…光出射面
６…金属薄膜
６ａ…表面
１０…検出対象物
３７、４３、４５…光学レンズ
３８…スリット板
３８ａ…入射側スリット
３８ｂ…出射側スリット
４０…光源／検出器
４４…ミラー
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】