光学系及びそれを備える表面プラズモン測定装置、表面プラズモン測定方法
【課題】 回転機構等を備えずに、表面プラズモン共鳴角を測定することが可能な光学系、および、それを備える表面プラズモン測定装置、ならびに表面プラズモン測定方法を提供する。
【解決手段】 平行光を照射する照明ユニットと、光学素子５と、を備え、光学素子５が、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’を有し、照明ユニットは、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の焦点Ｊの側から放物面５ａまたは放物柱面５ａ’に向けて平行光を照射し、平行光の光軸Ｌが、光学素子５の放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の頂点Ｋを含む接面に垂直であり、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’が、金属膜または金属微粒子により蒸着された反射面５ａ１を有することを特徴とする。
【解決手段】 平行光を照射する照明ユニットと、光学素子５と、を備え、光学素子５が、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’を有し、照明ユニットは、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の焦点Ｊの側から放物面５ａまたは放物柱面５ａ’に向けて平行光を照射し、平行光の光軸Ｌが、光学素子５の放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の頂点Ｋを含む接面に垂直であり、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’が、金属膜または金属微粒子により蒸着された反射面５ａ１を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系及びそれを備える表面プラズモン測定装置、表面プラズモン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属中においては、自由電子が集団的に波のように振動して、プラズマ波と呼ばれる疎密波が生じる。金属表面に生じるこの電子の集団的振動は、表面プラズモンと呼ばれる。
【０００３】
この表面プラズモンを利用して、試料中の物質の定量分析を行う手法や、生化学的反応の進行に伴う物質の物理化学的な変化を検出する手法が提案されている。例えば、クレッチマン（Kretschmann）配置された光学系を用いて、試料中の物質の定量分析を行う表面プラズモンセンサーが知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−１８０３５３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された装置は、光源と、検出器と、試料に接触するプリズムとを備える。そして、特許文献１には、光源からの光が、試料に様々な角度で入射するように、光源および検出器を連続的に揺動させることが開示されている。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載された装置は、光源と、光検出部と、被検査物を保持する被検査物保持部とを備える。そして、特許文献２には、光学系を回転させず、被検査物保持部を回動させることが開示されている。
【０００６】
このように、特許文献１又は２に記載された装置を用いて表面プラズモン共鳴角を検出するには、必ず回転機構が必要となるという問題がある。
【０００７】
本発明は従来技術のこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転機構等を備えずに、表面プラズモン共鳴角を測定することが可能な光学系及びそれを備える表面プラズモン測定装置、表面プラズモン測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の光学系は、平行光を照射する照明ユニットと、光学素子と、を備え、前記光学素子が、放物面または放物柱面を有し、前記照明ユニットは、前記放物面または前記放物柱面の焦点の側から前記放物面または前記放物柱面に向けて平行光を照射し、前記平行光の光軸が、前記光学素子の前記放物面または前記放物柱面の頂点を含む接面に垂直であり、前記放物面または前記放物柱面が、金属膜または金属微粒子により蒸着された反射面を有することを特徴とする。
【０００９】
上記発明においては、前記照明ユニットと、前記光学素子と、の間に遮光板を備えることが好ましい。
【００１０】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ ・・・（１）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、前記光学素子の外径、
Ｆは、前記遮光板の直径、
である。
【００１１】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
Ｈ＜４ｃ ・・・（２）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【００１２】
上記発明においては、前記照明ユニットは、光源と、コリメートレンズを備えることが好ましい。
【００１３】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに参照面を有することが好ましい。
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
である。
【００１４】
さらに、上記目的を達成する本発明の表面プラズモン測定装置は、前記光学系と、前記光学系からの光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
上記発明においては、前記照明ユニットから照射された平行光は、前記光学素子の反射面で反射後、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光し、前記焦点で集光した光は、前記反射面に配置された試料に向けて照射され、前記光検出器が、該反射面からの反射光を検出することが好ましい。
【００１６】
さらに、上記目的を達成する本発明の表面プラズモン測定方法は、試料が、反射面に接触して配置される工程と、照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、前記集光した光が、前記反射面に向けて照射される工程と、該反射面からの反射光を検出する工程と、検出した反射光から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記目的を達成する本発明の他の表面プラズモン測定方法は、試料が、反射面に試料を接触して配置される工程と、照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、前記集光した光が、前記反射面および参照面に向けて照射される工程と、前記反射面および前記参照面からの反射光を検出する工程と、前記参照面からの反射光の光量に基づいて、該反射面からの反射光の光量を補正する工程と、補正された反射光の光量から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上の本発明によると、回転機構等を備えずに、表面プラズモン共鳴角を測定することが可能な光学系、および、それを備える表面プラズモン測定装置、ならびに表面プラズモン測定方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本実施形態の表面プラズモン測定装置について、以下説明する。
【００２０】
図１は本実施形態に係る光学系を備える表面プラズモン測定装置の第１実施形態を示す図である。
【００２１】
図中、１は表面プラズモン測定装置、２は光学系、３は光源、４はコリメートレンズ、５は光学素子、５ａは放物面、５ａ１は反射面、５ｂは平面、５１は試料、６は光検出器、７は遮光板、Ｊは焦点、Ｋは頂点、Ｌは光軸である。
【００２２】
また、Ｍは、遮光板７の外縁の近傍を通る光が、反射面５ａ１で反射後、焦点Ｊを通過し、再度放物面５ａに入射する位置である。
【００２３】
表面プラズモン測定装置１は、光学系２と光検出器６とを備える。光学系２は、照明ユニットと光学素子５を備える。照明ユニットは、光源３とコリメートレンズ４を備える。
【００２４】
光源３は、半導体レーザーやＬＤ、ＬＥＤ等を使用してもよい。コリメートレンズ４は、光源３から照射された光を平行光にする。光源３と、コリメートレンズ４は、光学素子５の光軸Ｌ上に配置されている。より具体的には、光源３と、コリメートレンズ４と、光学素子５の、それぞれの光軸は一致している。
【００２５】
光学素子５は、ガラスあるいはプラスチックを材料とし、少なくとも一方の断面が放物形状を備える素子である。光学素子５は、放物面５ａと、平面５ｂを備える。
【００２６】
放物面５ａは、回転放物面形状である。放物面５ａは、頂点Ｋを有するとともに、光学素子５内に焦点Ｊを有する。平面５ｂは、放物面５ａに対向する面であって、放物面５ａの焦点Ｊと頂点Ｋを結ぶ直線（光軸Ｌ）に垂直な面である。
【００２７】
放物面５ａは、金属膜又は金属微粒子により蒸着された反射面５ａ１を有する。表面プラズモン共鳴現象は、反射面５ａ１として、金属膜が蒸着されている場合は、膜厚が３００ｎｍ以下のときに最も効率よく起こる。また、反射面５ａ１として、金属粒子が蒸着されている場合は、粒子直径が３００ｎｍ以下のときに最も効率よく起こる。例えば、金属膜厚または金属粒子の粒子直径が、３０〜８０ｎｍの金や銀において、最も効率よく起こる。なお、金属膜又は金属微粒子と、光学素子５と、の間には、クロムを蒸着することで密着性を高めることができる。
【００２８】
光検出器６は、光学素子５の平面５ｂ側に配置されている。光検出器６は、光検出器６の面が、光軸Ｌに垂直に配置されている。光検出器６としては、ＣＣＤカメラやラインセンサ等を使用してもよい。
【００２９】
なお、遮光板７は、必ずしも必要ではない。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、光源３から出射された光は、コリメートレンズ４で平行光となって、放物面５ａをもつ光学素子５に入射し、反射面５ａ１で反射された後、光学素子
５の焦点Ｊで集光する。焦点Ｊに集光後に発散した光は、再び反射面５ａ１で反射する。この光は、放物面５ａの焦点Ｊから出射されるため、平行光となって光学素子５から出射する。光学素子５から出射した光は、光検出器６に入射し、光検出器６のビット毎に光電変換される。そして、光検出器６は、入射光量と相関する電気信号を出力する。
【００３１】
ここで、焦点Ｊに集光後に反射面５ａ１に入射する光のうち、表面プラズモン共鳴角θｐで入射する光線は、入射光のエネルギーが表面プラズモンに移行する。表面プラズモン共鳴角θｐとは、反射面５ａ１に接している試料５１中に発生するエバネッセント場の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくなる角度をいう。従って、このような角度で光が入射した場合、試料５１と反射面５ａ１との界面で反射する光の強度は鋭く低下する。
【００３２】
光学素子５から出射された光は、反射面５ａ１の異なる位置に入射した光であるため、光検出器６における異なる位置に入射する。従って、図１（ｂ）に示すように、光検出器６の検出位置に応じた、反射光の検出光強度（各ビットの光量）が得られる。なお、光検出器６の中央部では、コリメートレンズ４の影になっているため、光量は０になっている。また、コリメートレンズ４の大きさによって、光が、光検出器６に届く位置が制限されている。
【００３３】
光検出器６の検出位置は、光検出器６に入射した光の、反射面５ａ１での入射角度・反射角度に依存している。すなわち、反射位置が光軸Ｌから遠いほど放物面５ａに入射する光線の入射角が大きくなる。ここで、反射光の検出光強度が極小値である位置に対応した特定の入射角度が、表面プラズモン共鳴角（θp）である。
【００３４】
従って、光検出器６による検出結果に基づいて、反射光の検出光強度が極小値である位置の情報を、その位置に対応する反射面５ａ１での入射角度に変換することにより、表面プラズモン共鳴角（θp）を求めることができる。
【００３５】
図２は、光源３から光検出器６までの光の進行順路を示すフローチャートである。まず、工程１で、照明ユニット（光源３、コリメートレンズ４）から平行光を照射する（ＳＴ１）。続いて、工程２で、平行光が、光学素子５の反射面５ａ１で反射する（ＳＴ２）。次に、工程３で、光学素子５の反射面５ａ１で反射された光が、光学素子５の放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の焦点Ｊで集光する（ＳＴ３）。続いて、工程４で、集光した光が、反射面５ａ１に向けて照射される（ＳＴ４）。次に、工程５で、反射面５ａ１からの反射光が、検出される（ＳＴ５）。
【００３６】
ここで、表面プラズモン測定装置を用いた測定例について説明する。反射面５ａ１の上には、たとえば抗体を固定化する。そして、この抗体が特異的に認識する抗原を含む試料５１を注入する。試料５１を注入した直後から、抗原・抗体反応が始まる。この抗原・抗体反応が始まると、反射面５ａ１の表面では、屈折率が変化する。屈折率が変化すると、表面プラズモン共鳴角は、図３（ａ）に示したように、θp1からθp2へ変化する。
【００３７】
図３（ｂ）は、この表面プラズモン共鳴角の経時変化をグラフとして表示したものである。表面プラズモン共鳴角の変化は、抗原・抗体反応の進行度合いに影響されるため、表面プラズモン共鳴角の変化を観察することで、反射面５ａ１での分子（抗原・抗体）の相互作用の時間変化をリアルタイムに観察することができる。
【００３８】
また、本実施形態は、放物面５ａの焦点Ｊに点光源を投影しているため、光源３からの光は、自動的に色々な角度で試料５１に入射する。従って、本実施形態によれば、スキャニング機構などの回転機構がなくても表面プラズモン共鳴角の計測が可能である。
【００３９】
次に、図４に示すように第１実施形態における表面プラズモン測定装置１について詳しく説明する。
【００４０】
本実施形態においては、コリメートレンズ４と光学素子５との間に遮光板７を配置することが好ましい。
【００４１】
光源３から出射された光は、コリメートレンズ４を通り、放物面５ａの反射面５ａ１で反射し、焦点Ｊを通り発散光になる。
【００４２】
ここで、コリメートレンズ４を透過した平行光のうち、光軸Ｌに近い位置から反射面５ａ１に向かった光は、反射面５ａ１で反射され、焦点Ｊを通過した後、反射面５ａ１に到達せず、直接に平面５ｂから出射する。このような光は、迷光となり、測定に寄与しないノイズ光になる。
【００４３】
従って、遮光板７を、コリメートレンズ４と光学素子５との間の、特に光軸Ｌに近い位置に配置することによって、測定に寄与しないノイズ光を制限することができる。このため、表面プラズモン共鳴角を高精度に測定することができる。
【００４４】
また、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ ・・・（１）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、光学素子５の外径、
Ｆは、遮光板７の直径
である。
【００４５】
条件式（１）を満足する時、焦点Ｊを通過した発散光はすべて反射面５ａ１に到達する。そのため、測定に寄与しないノイズ光を制限することができる。
【００４６】
以下にその理由を示す。
【００４７】
放物面５ａの断面がZ=(1/4c)X2を満たした放物面となるＸ−Ｚ断面に関し、コリメートレンズ４から出射された平行光が放物面５ａに入射する座標をＡ(a,a2/4c)、焦点Ｊの座標をＪ(0,c)とする。また、光がＡで反射した後に、焦点Ｊを通り、放物面５ａに入射する位置をＢ(b,b2/4c)とする。
【００４８】
線分ＡＪはZ=[(a2/4c-c)/a]X+c、であるため、線分ＡJと放物面５ａが交わる点は、(x-a)(x+4c2/a)=0からX=a,-4c2/aとなる。従って、ｂは、ａを用いて、b=-4c2/a と表わされる。
【００４９】
a=F/2の光（遮光板７の外縁の近傍を通る光）が、放物面５ａに２度目に入射する位置Ｂにおいて、b>-E/2を満たせば、焦点Ｊを通過した発散光は全て光学素子５の反射面５ａ１に到達する。したがって、a=F/2、b>-E/2を、b=-4c2/aに代入すると、条件式（１）が得られる。
【００５０】
また、コリメートレンズ４の光線有効径をＤ、遮光板７の直径をＦとすると、Ｆ＜Ｄを満たすことが必要である。これにより、遮光板７で光すべてを遮光することがない。
【００５１】
また、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２’）を満足することが好ましい。
Ｄ＜４ｃ ・・・（２’）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｄは、コリメートレンズ４の有効径、
である。
【００５２】
Ｄ＜４ｃの時、コリメートレンズ４を通過し、光学素子５内で２回反射した光は、コリメートレンズ４に戻らずに、光検出器６に入射する。
【００５３】
以下にその理由を示す。
【００５４】
放物面５ａの断面がZ=(1/4c)X2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、コリメートレンズ４から出射された平行光が放物面５ａに入射する座標をＡ(a,a2/4c)、焦点Ｊの座標をＪ(0,c)とする。そうすると、上述した通り、光がＡで反射した後に、焦点Ｊを通り、放物面５ａに入射する位置ＢのＸ座標ｂは、b=-4c2/a となる。
【００５５】
光学素子５で２回反射した光が、コリメートレンズ４に戻らないためには、|b|>aが必要である。つまり、a<2cである。よって、コリメートレンズ４の有効径をＤとすると、Ｄ＜４ｃが必要条件となる。なお、本実施形態では、コリメートレンズ４の有効径Ｄ＝平行光の光束直径Ｈである。
【００５６】
図５は、光軸Ｌを含む断面（Ｘ−Ｚ面）と、Ｚ軸方向から光学素子５を見た場合の反射面５ａ１の被覆の様子を示したものである。この場合、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影が円となるように、被覆されている。
【００５７】
図５に示すように、光検出器６の中心は、光軸Ｌからずれていることが好ましい。このような構成により、小型の光学系を構成することが可能となる。
【００５８】
図６に記載された表面プラズモン測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して片側に配置すると共に、遮光板７を光源３と光学素子５の間に配置する。そして、光源３から照射された光のうち、遮光板７に遮光されない光が光検出器６で検出される。これにより、光検出器６を必要以上に大きくする必要がなくなるため、表面プラズモン測定装置１を小型に構成することができる。
【００５９】
図７に記載された表面プラズモン測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して交差するように配置し、光源３からの光の一部を光検出器６によって遮光する。そして、光源３から照射された光のうち、遮光板７に遮光されない光が光検出器６で検出される。これにより、光検出器６によって、測定に不要な光を遮光することができるため、遮光板７が不要となる。従って、表面プラズモン測定装置１を小型に構成することができる。
【００６０】
図８に記載された表面プラズモン測定装置１は、光源３を光軸Ｌに対して片側に配置し、光源３からの光が光検出器６で検出される。より具体的に説明するために、コリメートレンズ４の光学素子５側の面における有効面の外縁のうち、最も光軸Ｌに近い位置をＰとする。この場合、条件式（１）の導出と同様の理由により、Ｐから光軸Ｌまでの距離は、８ｃ2／Ｅよりも大きいことが好ましい。ただし、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、光学素子５の光軸がＺ軸であり、ｃは、ｃ＞
０を満たす任意の定数であり、Ｅは、光学素子５の外径である。これにより、光源３を遮光する必要がないため、光量のロスを防止することができる。
【００６１】
なお、反射面５ａ１の被覆の仕方は、図５に記載の被覆の仕方に限定されない。ここで、上述した通り、Ｍは、a=F/2の光（遮光板７の外縁の近傍を通る光）が、反射面５ａ１で反射後、焦点Ｊを通過し、再度放物面５ａに入射する位置である。この場合、Ｍと光軸Ｌとの距離よりも、光軸Ｌからの距離が小さい位置に反射面５ａ１が被覆されていればよい。従って、図９に示すように、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影の円の半径は、Ｍと光軸Ｌとの距離よりも大きければ、適宜変更が可能である。
【００６２】
また、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影において、コリメートレンズ４の光線有効半径Ｄ／２よりも、光軸Ｌからの距離が小さい位置は、通常のミラー面としてもよい。すなわち、照明ユニットからの照射光が、１回目に反射される位置においては、反射する機能を奏すればよいため、必ずしも金属膜又は金属微粒子により蒸着されていなくてもよい。
【００６３】
このように、放物面５ａの中央部のみ通常のミラー面とし、輪帯状に金属膜又は金属微粒子を蒸着して反射面を形成してもよい。
【００６４】
また、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影において、図５及び図９では、反射面５ａ１は円形で形成されているが、必ずしもＺ軸（光軸）に回転対称な反射面５ａ１を形成する必要はない。
【００６５】
図１０は、表面プラズモン測定装置１の第２実施形態を示す図である。光検出器６を光軸Ｌに対して一方の側に配置すると共に、放物面５ａの当該一方の側に金属膜又は金属微粒子を蒸着する。
【００６６】
光軸Ｌに対して他方側には、光が入射する部分のみを反射面５ａ１とする。より具体的には、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影において、コリメートレンズ４の光線有効半径Ｄ／２よりも、光軸Ｌからの距離が小さい位置に反射面５ａ１を形成する。
【００６７】
そして、遮光板７は、光源３と光学素子５の間に配置され、遮光板７に遮光されない光が光検出器６で検出される。このように、反射面５ａ１を形成することで、反射面５ａ１を小さくすることができる。
【００６８】
さらに、光検出器６に入射する光束は、２回反射すればよいので、図１１から図１３に示すように反射面５ａ１を形成しても構わない。図１１は、反射面５ａ１を上方から見て、扇形に形成したものである。また、図１２は、反射面を上方から見て、長方形に形成したものである。また、図１３は、半径５ｒ１’の第１反射面５ａ１’と、半径５ｒ１’より大きい半径５ｒ１’’の第２反射面５ａ１’’とを、それぞれ半円で形成したものである。
【００６９】
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態では、図１４に示すように、光軸Ｌに対して、光学素子５の一方の側に反射面５ａ１を形成する。また、光軸Ｌに対して、光学素子５の他方の側に反射面５ａ１と参照面５ａ２を形成する。より具体的には、図１３に示すように、反射面５ａ１を形成し、参照面５ａ２には、反射面を形成しない。
【００７０】
この場合、半径５ｒ１’は、コリメートレンズ４の光線有効半径Ｄ／２に相当する。
【００７１】
ここで、半導体レーザーやＬＤ、ＬＥＤ等の光源３でコリメートされた光の強度は、光軸Ｌで最も大きく、光軸Ｌから離れるほど小さくなるガウス分布をなす。この強度分布は
、光検出器６の計測に影響を与え、表面プラズモン共鳴角の測定において、検出される表面プラズモン共鳴角の精度が低下する。
【００７２】
本実施形態によれば、参照面においては、金属膜又は金属微粒子を蒸着していないため、表面プラズモンは発生しない。このため、表面プラズモン共鳴角に対応する位置での、光量の検出値は、低下しない。
【００７３】
ただし、参照面５ａ２に入射する光のうち、光学素子５と試料５１の界面で全反射条件を満たさない光は、光学素子５の参照面５ａ２を透過する。従って、光検出器６における臨界角（全反射が起きる時の、最小入射角）に対応する位置よりも光軸Ｌ側では、検出光強度はゼロに近づく。なお、図１４における測定データの各ビットの光量の近傍に記載された点線は、参照データの光量を光軸Ｌに対して反転させたものである。
【００７４】
ここで、参照データについて、光検出器６の中心からの距離ｌでの参照面からの反射光の検出強度をＩｒ（ｌ）とする。また、測定データについて、光検出器６の中心からの距離ｌでの反射面５ａ１からの反射光の検出強度をＩｍ（ｌ）とする。そうすると、測定データＩ（ｌ）は、Ｉｍ（ｌ）／Ｉｒ（ｌ）によって求めることができる。
【００７５】
このように、光源３の強度分布である参照データを、試料で反射された測定データにフィードバックすることで、光源３からの光強度分布を仮想的に均一化することができる。
【００７６】
本実施形態によれば、このような補正により、高精度に表面プラズモン共鳴角を測定することができる。
【００７７】
なお、参照面５ａ２は、通常のミラー面とすることで、表面プラズモンが発生することを防止してもよい。これにより、参照面５ａ２に入射する光のうち、全反射条件を満たさない光が、参照面５ａ２を透過することがない。
【００７８】
次に、表面プラズモン測定方法について説明する。図１５は表面プラズモン測定方法のフローチャートを示す図である。
【００７９】
本実施形態に係る表面プラズモン測定装置の測定方法は、まず、工程１１で、試料５１を反射面５ａ１に接触するように配置する（ＳＴ１１）。
【００８０】
次に、工程１２で、反射面５ａ１の検出位置における反射光の光量を検出する（ＳＴ１２）。
【００８１】
次に、工程１３で、光量と検出位置との関係から、表面プラズモン共鳴角に対応する検出位置を求める（ＳＴ１３）。
【００８２】
次に、工程１４で、検出した反射光の光量から表面プラズモン共鳴角を求める（ＳＴ１４）。
【００８３】
次に、工程１５で、表面プラズモン共鳴角に基づいて試料５１の定量分析を行う（ＳＴ１５）。
【００８４】
なお、他の実施方法としては、図１６に示される表面プラズモン測定方法を採用してもよい。まず、工程２１で、放物面５ａに参照面５ａ２を設ける表面プラズモン測定装置１および試料５１を配置する（ＳＴ２１）。工程２２で、照明ユニットから平行光が照射される（ＳＴ２２）。工程２３で、平行光が、光学素子５の反射面５ａ１で反射する（ＳＴ
２３）。工程２４で、反射面で反射した光が、放物面５ａの焦点で集光する（ＳＴ２４）。工程２５で、集光した光が、反射面５ａ１および参照面５ａ２に向けて照射される（ＳＴ２５）。工程２６で、反射面５ａ１および参照面５ａ２からの反射光が検出される（ＳＴ２６）。工程２７で、参照面５ａ２からの反射光の光量に基づいて、反射面５ａ１からの反射光の光量を補正する（ＳＴ２７）。工程２８で、補正された反射光の光量と検出位置との関係から表面プラズモン共鳴角を求める検出位置を求める（ＳＴ２８）。工程２９で、表面プラズモン共鳴角に対応する検出位置から表面プラズモン共鳴角を求める（ＳＴ２９）。工程３０で、求められた表面プラズモン共鳴角に基づいて、試料５１の定量分析を行う（ＳＴ３０）。
【００８５】
また、図１７に示すように、本実施形態における光学素子５の放物面５ａは、放物柱面５ａ’でもよい。放物柱面５ａ’は、光源３から出射された光の光軸Ｌに対して垂直な方向Ｘ，Ｙのうち、Ｘ方向から見た場合に平面で、Ｙ方向からみた場合に放物面である。また、コリメートレンズ４はシリンドリカルレンズでも構わない。
【００８６】
ここで、放物柱面５ａ’とは、図１７に記載された放物柱を構成する面について、平面５ｂを除いた面をいう。別の言い方をすれば、放物柱面５ａ’とは、断面が放物線であって、当該放物線を含む面に垂直な方向に奥行きのある面をいう。
【００８７】
なお、放物柱とは、平面上で、放物線と、放物線の軸に垂直な線と、で囲まれる形状を、当該平面に垂直な方向に奥行きのある柱体をいう。
【００８８】
なお、本実施形態では、照明ユニットは、光源３とコリメートレンズ４を用いて平行光を照射しているが、平行光が照射できるのであれば、他の態様であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係る光学系を備える表面プラズモン測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】光源から光検出器までの光の進行順路を示すフローチャートである。
【図３】表面プラズモン共鳴角の移動を示すグラフである。
【図４】表面プラズモン測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図５】光軸を含む断面（Ｘ−Ｚ面）と、Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示す図である。
【図６】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図７】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図８】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図９】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１０】表面プラズモン測定装置の第２実施形態を示す図である。
【図１１】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１２】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１３】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１４】表面プラズモン測定装置の第３実施形態を示す図である。
【図１５】表面プラズモン測定方法のフローチャートを示す図である。
【図１６】表面プラズモン測定方法のフローチャートを示す図である。
【図１７】表面プラズモン測定装置の放物柱面を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１…表面プラズモン測定装置
２…光学系
３…光源（照明ユニット）
４…コリメートレンズ（照明ユニット）
５…光学素子
５ａ…放物面
５ａ’…放物柱面
５ａ１…反射面
５ａ２…参照面
５ｂ…平面
６…光検出器
７…遮光板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系及びそれを備える表面プラズモン測定装置、表面プラズモン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属中においては、自由電子が集団的に波のように振動して、プラズマ波と呼ばれる疎密波が生じる。金属表面に生じるこの電子の集団的振動は、表面プラズモンと呼ばれる。
【０００３】
この表面プラズモンを利用して、試料中の物質の定量分析を行う手法や、生化学的反応の進行に伴う物質の物理化学的な変化を検出する手法が提案されている。例えば、クレッチマン（Kretschmann）配置された光学系を用いて、試料中の物質の定量分析を行う表面プラズモンセンサーが知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−１８０３５３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された装置は、光源と、検出器と、試料に接触するプリズムとを備える。そして、特許文献１には、光源からの光が、試料に様々な角度で入射するように、光源および検出器を連続的に揺動させることが開示されている。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載された装置は、光源と、光検出部と、被検査物を保持する被検査物保持部とを備える。そして、特許文献２には、光学系を回転させず、被検査物保持部を回動させることが開示されている。
【０００６】
このように、特許文献１又は２に記載された装置を用いて表面プラズモン共鳴角を検出するには、必ず回転機構が必要となるという問題がある。
【０００７】
本発明は従来技術のこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転機構等を備えずに、表面プラズモン共鳴角を測定することが可能な光学系及びそれを備える表面プラズモン測定装置、表面プラズモン測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の光学系は、平行光を照射する照明ユニットと、光学素子と、を備え、前記光学素子が、放物面または放物柱面を有し、前記照明ユニットは、前記放物面または前記放物柱面の焦点の側から前記放物面または前記放物柱面に向けて平行光を照射し、前記平行光の光軸が、前記光学素子の前記放物面または前記放物柱面の頂点を含む接面に垂直であり、前記放物面または前記放物柱面が、金属膜または金属微粒子により蒸着された反射面を有することを特徴とする。
【０００９】
上記発明においては、前記照明ユニットと、前記光学素子と、の間に遮光板を備えることが好ましい。
【００１０】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ ・・・（１）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、前記光学素子の外径、
Ｆは、前記遮光板の直径、
である。
【００１１】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
Ｈ＜４ｃ ・・・（２）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【００１２】
上記発明においては、前記照明ユニットは、光源と、コリメートレンズを備えることが好ましい。
【００１３】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに参照面を有することが好ましい。
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
である。
【００１４】
さらに、上記目的を達成する本発明の表面プラズモン測定装置は、前記光学系と、前記光学系からの光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
上記発明においては、前記照明ユニットから照射された平行光は、前記光学素子の反射面で反射後、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光し、前記焦点で集光した光は、前記反射面に配置された試料に向けて照射され、前記光検出器が、該反射面からの反射光を検出することが好ましい。
【００１６】
さらに、上記目的を達成する本発明の表面プラズモン測定方法は、試料が、反射面に接触して配置される工程と、照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、前記集光した光が、前記反射面に向けて照射される工程と、該反射面からの反射光を検出する工程と、検出した反射光から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記目的を達成する本発明の他の表面プラズモン測定方法は、試料が、反射面に試料を接触して配置される工程と、照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、前記集光した光が、前記反射面および参照面に向けて照射される工程と、前記反射面および前記参照面からの反射光を検出する工程と、前記参照面からの反射光の光量に基づいて、該反射面からの反射光の光量を補正する工程と、補正された反射光の光量から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上の本発明によると、回転機構等を備えずに、表面プラズモン共鳴角を測定することが可能な光学系、および、それを備える表面プラズモン測定装置、ならびに表面プラズモン測定方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本実施形態の表面プラズモン測定装置について、以下説明する。
【００２０】
図１は本実施形態に係る光学系を備える表面プラズモン測定装置の第１実施形態を示す図である。
【００２１】
図中、１は表面プラズモン測定装置、２は光学系、３は光源、４はコリメートレンズ、５は光学素子、５ａは放物面、５ａ１は反射面、５ｂは平面、５１は試料、６は光検出器、７は遮光板、Ｊは焦点、Ｋは頂点、Ｌは光軸である。
【００２２】
また、Ｍは、遮光板７の外縁の近傍を通る光が、反射面５ａ１で反射後、焦点Ｊを通過し、再度放物面５ａに入射する位置である。
【００２３】
表面プラズモン測定装置１は、光学系２と光検出器６とを備える。光学系２は、照明ユニットと光学素子５を備える。照明ユニットは、光源３とコリメートレンズ４を備える。
【００２４】
光源３は、半導体レーザーやＬＤ、ＬＥＤ等を使用してもよい。コリメートレンズ４は、光源３から照射された光を平行光にする。光源３と、コリメートレンズ４は、光学素子５の光軸Ｌ上に配置されている。より具体的には、光源３と、コリメートレンズ４と、光学素子５の、それぞれの光軸は一致している。
【００２５】
光学素子５は、ガラスあるいはプラスチックを材料とし、少なくとも一方の断面が放物形状を備える素子である。光学素子５は、放物面５ａと、平面５ｂを備える。
【００２６】
放物面５ａは、回転放物面形状である。放物面５ａは、頂点Ｋを有するとともに、光学素子５内に焦点Ｊを有する。平面５ｂは、放物面５ａに対向する面であって、放物面５ａの焦点Ｊと頂点Ｋを結ぶ直線（光軸Ｌ）に垂直な面である。
【００２７】
放物面５ａは、金属膜又は金属微粒子により蒸着された反射面５ａ１を有する。表面プラズモン共鳴現象は、反射面５ａ１として、金属膜が蒸着されている場合は、膜厚が３００ｎｍ以下のときに最も効率よく起こる。また、反射面５ａ１として、金属粒子が蒸着されている場合は、粒子直径が３００ｎｍ以下のときに最も効率よく起こる。例えば、金属膜厚または金属粒子の粒子直径が、３０〜８０ｎｍの金や銀において、最も効率よく起こる。なお、金属膜又は金属微粒子と、光学素子５と、の間には、クロムを蒸着することで密着性を高めることができる。
【００２８】
光検出器６は、光学素子５の平面５ｂ側に配置されている。光検出器６は、光検出器６の面が、光軸Ｌに垂直に配置されている。光検出器６としては、ＣＣＤカメラやラインセンサ等を使用してもよい。
【００２９】
なお、遮光板７は、必ずしも必要ではない。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、光源３から出射された光は、コリメートレンズ４で平行光となって、放物面５ａをもつ光学素子５に入射し、反射面５ａ１で反射された後、光学素子
５の焦点Ｊで集光する。焦点Ｊに集光後に発散した光は、再び反射面５ａ１で反射する。この光は、放物面５ａの焦点Ｊから出射されるため、平行光となって光学素子５から出射する。光学素子５から出射した光は、光検出器６に入射し、光検出器６のビット毎に光電変換される。そして、光検出器６は、入射光量と相関する電気信号を出力する。
【００３１】
ここで、焦点Ｊに集光後に反射面５ａ１に入射する光のうち、表面プラズモン共鳴角θｐで入射する光線は、入射光のエネルギーが表面プラズモンに移行する。表面プラズモン共鳴角θｐとは、反射面５ａ１に接している試料５１中に発生するエバネッセント場の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくなる角度をいう。従って、このような角度で光が入射した場合、試料５１と反射面５ａ１との界面で反射する光の強度は鋭く低下する。
【００３２】
光学素子５から出射された光は、反射面５ａ１の異なる位置に入射した光であるため、光検出器６における異なる位置に入射する。従って、図１（ｂ）に示すように、光検出器６の検出位置に応じた、反射光の検出光強度（各ビットの光量）が得られる。なお、光検出器６の中央部では、コリメートレンズ４の影になっているため、光量は０になっている。また、コリメートレンズ４の大きさによって、光が、光検出器６に届く位置が制限されている。
【００３３】
光検出器６の検出位置は、光検出器６に入射した光の、反射面５ａ１での入射角度・反射角度に依存している。すなわち、反射位置が光軸Ｌから遠いほど放物面５ａに入射する光線の入射角が大きくなる。ここで、反射光の検出光強度が極小値である位置に対応した特定の入射角度が、表面プラズモン共鳴角（θp）である。
【００３４】
従って、光検出器６による検出結果に基づいて、反射光の検出光強度が極小値である位置の情報を、その位置に対応する反射面５ａ１での入射角度に変換することにより、表面プラズモン共鳴角（θp）を求めることができる。
【００３５】
図２は、光源３から光検出器６までの光の進行順路を示すフローチャートである。まず、工程１で、照明ユニット（光源３、コリメートレンズ４）から平行光を照射する（ＳＴ１）。続いて、工程２で、平行光が、光学素子５の反射面５ａ１で反射する（ＳＴ２）。次に、工程３で、光学素子５の反射面５ａ１で反射された光が、光学素子５の放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の焦点Ｊで集光する（ＳＴ３）。続いて、工程４で、集光した光が、反射面５ａ１に向けて照射される（ＳＴ４）。次に、工程５で、反射面５ａ１からの反射光が、検出される（ＳＴ５）。
【００３６】
ここで、表面プラズモン測定装置を用いた測定例について説明する。反射面５ａ１の上には、たとえば抗体を固定化する。そして、この抗体が特異的に認識する抗原を含む試料５１を注入する。試料５１を注入した直後から、抗原・抗体反応が始まる。この抗原・抗体反応が始まると、反射面５ａ１の表面では、屈折率が変化する。屈折率が変化すると、表面プラズモン共鳴角は、図３（ａ）に示したように、θp1からθp2へ変化する。
【００３７】
図３（ｂ）は、この表面プラズモン共鳴角の経時変化をグラフとして表示したものである。表面プラズモン共鳴角の変化は、抗原・抗体反応の進行度合いに影響されるため、表面プラズモン共鳴角の変化を観察することで、反射面５ａ１での分子（抗原・抗体）の相互作用の時間変化をリアルタイムに観察することができる。
【００３８】
また、本実施形態は、放物面５ａの焦点Ｊに点光源を投影しているため、光源３からの光は、自動的に色々な角度で試料５１に入射する。従って、本実施形態によれば、スキャニング機構などの回転機構がなくても表面プラズモン共鳴角の計測が可能である。
【００３９】
次に、図４に示すように第１実施形態における表面プラズモン測定装置１について詳しく説明する。
【００４０】
本実施形態においては、コリメートレンズ４と光学素子５との間に遮光板７を配置することが好ましい。
【００４１】
光源３から出射された光は、コリメートレンズ４を通り、放物面５ａの反射面５ａ１で反射し、焦点Ｊを通り発散光になる。
【００４２】
ここで、コリメートレンズ４を透過した平行光のうち、光軸Ｌに近い位置から反射面５ａ１に向かった光は、反射面５ａ１で反射され、焦点Ｊを通過した後、反射面５ａ１に到達せず、直接に平面５ｂから出射する。このような光は、迷光となり、測定に寄与しないノイズ光になる。
【００４３】
従って、遮光板７を、コリメートレンズ４と光学素子５との間の、特に光軸Ｌに近い位置に配置することによって、測定に寄与しないノイズ光を制限することができる。このため、表面プラズモン共鳴角を高精度に測定することができる。
【００４４】
また、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ ・・・（１）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、光学素子５の外径、
Ｆは、遮光板７の直径
である。
【００４５】
条件式（１）を満足する時、焦点Ｊを通過した発散光はすべて反射面５ａ１に到達する。そのため、測定に寄与しないノイズ光を制限することができる。
【００４６】
以下にその理由を示す。
【００４７】
放物面５ａの断面がZ=(1/4c)X2を満たした放物面となるＸ−Ｚ断面に関し、コリメートレンズ４から出射された平行光が放物面５ａに入射する座標をＡ(a,a2/4c)、焦点Ｊの座標をＪ(0,c)とする。また、光がＡで反射した後に、焦点Ｊを通り、放物面５ａに入射する位置をＢ(b,b2/4c)とする。
【００４８】
線分ＡＪはZ=[(a2/4c-c)/a]X+c、であるため、線分ＡJと放物面５ａが交わる点は、(x-a)(x+4c2/a)=0からX=a,-4c2/aとなる。従って、ｂは、ａを用いて、b=-4c2/a と表わされる。
【００４９】
a=F/2の光（遮光板７の外縁の近傍を通る光）が、放物面５ａに２度目に入射する位置Ｂにおいて、b>-E/2を満たせば、焦点Ｊを通過した発散光は全て光学素子５の反射面５ａ１に到達する。したがって、a=F/2、b>-E/2を、b=-4c2/aに代入すると、条件式（１）が得られる。
【００５０】
また、コリメートレンズ４の光線有効径をＤ、遮光板７の直径をＦとすると、Ｆ＜Ｄを満たすことが必要である。これにより、遮光板７で光すべてを遮光することがない。
【００５１】
また、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２’）を満足することが好ましい。
Ｄ＜４ｃ ・・・（２’）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｄは、コリメートレンズ４の有効径、
である。
【００５２】
Ｄ＜４ｃの時、コリメートレンズ４を通過し、光学素子５内で２回反射した光は、コリメートレンズ４に戻らずに、光検出器６に入射する。
【００５３】
以下にその理由を示す。
【００５４】
放物面５ａの断面がZ=(1/4c)X2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、コリメートレンズ４から出射された平行光が放物面５ａに入射する座標をＡ(a,a2/4c)、焦点Ｊの座標をＪ(0,c)とする。そうすると、上述した通り、光がＡで反射した後に、焦点Ｊを通り、放物面５ａに入射する位置ＢのＸ座標ｂは、b=-4c2/a となる。
【００５５】
光学素子５で２回反射した光が、コリメートレンズ４に戻らないためには、|b|>aが必要である。つまり、a<2cである。よって、コリメートレンズ４の有効径をＤとすると、Ｄ＜４ｃが必要条件となる。なお、本実施形態では、コリメートレンズ４の有効径Ｄ＝平行光の光束直径Ｈである。
【００５６】
図５は、光軸Ｌを含む断面（Ｘ−Ｚ面）と、Ｚ軸方向から光学素子５を見た場合の反射面５ａ１の被覆の様子を示したものである。この場合、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影が円となるように、被覆されている。
【００５７】
図５に示すように、光検出器６の中心は、光軸Ｌからずれていることが好ましい。このような構成により、小型の光学系を構成することが可能となる。
【００５８】
図６に記載された表面プラズモン測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して片側に配置すると共に、遮光板７を光源３と光学素子５の間に配置する。そして、光源３から照射された光のうち、遮光板７に遮光されない光が光検出器６で検出される。これにより、光検出器６を必要以上に大きくする必要がなくなるため、表面プラズモン測定装置１を小型に構成することができる。
【００５９】
図７に記載された表面プラズモン測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して交差するように配置し、光源３からの光の一部を光検出器６によって遮光する。そして、光源３から照射された光のうち、遮光板７に遮光されない光が光検出器６で検出される。これにより、光検出器６によって、測定に不要な光を遮光することができるため、遮光板７が不要となる。従って、表面プラズモン測定装置１を小型に構成することができる。
【００６０】
図８に記載された表面プラズモン測定装置１は、光源３を光軸Ｌに対して片側に配置し、光源３からの光が光検出器６で検出される。より具体的に説明するために、コリメートレンズ４の光学素子５側の面における有効面の外縁のうち、最も光軸Ｌに近い位置をＰとする。この場合、条件式（１）の導出と同様の理由により、Ｐから光軸Ｌまでの距離は、８ｃ2／Ｅよりも大きいことが好ましい。ただし、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、光学素子５の光軸がＺ軸であり、ｃは、ｃ＞
０を満たす任意の定数であり、Ｅは、光学素子５の外径である。これにより、光源３を遮光する必要がないため、光量のロスを防止することができる。
【００６１】
なお、反射面５ａ１の被覆の仕方は、図５に記載の被覆の仕方に限定されない。ここで、上述した通り、Ｍは、a=F/2の光（遮光板７の外縁の近傍を通る光）が、反射面５ａ１で反射後、焦点Ｊを通過し、再度放物面５ａに入射する位置である。この場合、Ｍと光軸Ｌとの距離よりも、光軸Ｌからの距離が小さい位置に反射面５ａ１が被覆されていればよい。従って、図９に示すように、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影の円の半径は、Ｍと光軸Ｌとの距離よりも大きければ、適宜変更が可能である。
【００６２】
また、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影において、コリメートレンズ４の光線有効半径Ｄ／２よりも、光軸Ｌからの距離が小さい位置は、通常のミラー面としてもよい。すなわち、照明ユニットからの照射光が、１回目に反射される位置においては、反射する機能を奏すればよいため、必ずしも金属膜又は金属微粒子により蒸着されていなくてもよい。
【００６３】
このように、放物面５ａの中央部のみ通常のミラー面とし、輪帯状に金属膜又は金属微粒子を蒸着して反射面を形成してもよい。
【００６４】
また、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影において、図５及び図９では、反射面５ａ１は円形で形成されているが、必ずしもＺ軸（光軸）に回転対称な反射面５ａ１を形成する必要はない。
【００６５】
図１０は、表面プラズモン測定装置１の第２実施形態を示す図である。光検出器６を光軸Ｌに対して一方の側に配置すると共に、放物面５ａの当該一方の側に金属膜又は金属微粒子を蒸着する。
【００６６】
光軸Ｌに対して他方側には、光が入射する部分のみを反射面５ａ１とする。より具体的には、反射面５ａ１のＸ−Ｙ面への射影において、コリメートレンズ４の光線有効半径Ｄ／２よりも、光軸Ｌからの距離が小さい位置に反射面５ａ１を形成する。
【００６７】
そして、遮光板７は、光源３と光学素子５の間に配置され、遮光板７に遮光されない光が光検出器６で検出される。このように、反射面５ａ１を形成することで、反射面５ａ１を小さくすることができる。
【００６８】
さらに、光検出器６に入射する光束は、２回反射すればよいので、図１１から図１３に示すように反射面５ａ１を形成しても構わない。図１１は、反射面５ａ１を上方から見て、扇形に形成したものである。また、図１２は、反射面を上方から見て、長方形に形成したものである。また、図１３は、半径５ｒ１’の第１反射面５ａ１’と、半径５ｒ１’より大きい半径５ｒ１’’の第２反射面５ａ１’’とを、それぞれ半円で形成したものである。
【００６９】
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態では、図１４に示すように、光軸Ｌに対して、光学素子５の一方の側に反射面５ａ１を形成する。また、光軸Ｌに対して、光学素子５の他方の側に反射面５ａ１と参照面５ａ２を形成する。より具体的には、図１３に示すように、反射面５ａ１を形成し、参照面５ａ２には、反射面を形成しない。
【００７０】
この場合、半径５ｒ１’は、コリメートレンズ４の光線有効半径Ｄ／２に相当する。
【００７１】
ここで、半導体レーザーやＬＤ、ＬＥＤ等の光源３でコリメートされた光の強度は、光軸Ｌで最も大きく、光軸Ｌから離れるほど小さくなるガウス分布をなす。この強度分布は
、光検出器６の計測に影響を与え、表面プラズモン共鳴角の測定において、検出される表面プラズモン共鳴角の精度が低下する。
【００７２】
本実施形態によれば、参照面においては、金属膜又は金属微粒子を蒸着していないため、表面プラズモンは発生しない。このため、表面プラズモン共鳴角に対応する位置での、光量の検出値は、低下しない。
【００７３】
ただし、参照面５ａ２に入射する光のうち、光学素子５と試料５１の界面で全反射条件を満たさない光は、光学素子５の参照面５ａ２を透過する。従って、光検出器６における臨界角（全反射が起きる時の、最小入射角）に対応する位置よりも光軸Ｌ側では、検出光強度はゼロに近づく。なお、図１４における測定データの各ビットの光量の近傍に記載された点線は、参照データの光量を光軸Ｌに対して反転させたものである。
【００７４】
ここで、参照データについて、光検出器６の中心からの距離ｌでの参照面からの反射光の検出強度をＩｒ（ｌ）とする。また、測定データについて、光検出器６の中心からの距離ｌでの反射面５ａ１からの反射光の検出強度をＩｍ（ｌ）とする。そうすると、測定データＩ（ｌ）は、Ｉｍ（ｌ）／Ｉｒ（ｌ）によって求めることができる。
【００７５】
このように、光源３の強度分布である参照データを、試料で反射された測定データにフィードバックすることで、光源３からの光強度分布を仮想的に均一化することができる。
【００７６】
本実施形態によれば、このような補正により、高精度に表面プラズモン共鳴角を測定することができる。
【００７７】
なお、参照面５ａ２は、通常のミラー面とすることで、表面プラズモンが発生することを防止してもよい。これにより、参照面５ａ２に入射する光のうち、全反射条件を満たさない光が、参照面５ａ２を透過することがない。
【００７８】
次に、表面プラズモン測定方法について説明する。図１５は表面プラズモン測定方法のフローチャートを示す図である。
【００７９】
本実施形態に係る表面プラズモン測定装置の測定方法は、まず、工程１１で、試料５１を反射面５ａ１に接触するように配置する（ＳＴ１１）。
【００８０】
次に、工程１２で、反射面５ａ１の検出位置における反射光の光量を検出する（ＳＴ１２）。
【００８１】
次に、工程１３で、光量と検出位置との関係から、表面プラズモン共鳴角に対応する検出位置を求める（ＳＴ１３）。
【００８２】
次に、工程１４で、検出した反射光の光量から表面プラズモン共鳴角を求める（ＳＴ１４）。
【００８３】
次に、工程１５で、表面プラズモン共鳴角に基づいて試料５１の定量分析を行う（ＳＴ１５）。
【００８４】
なお、他の実施方法としては、図１６に示される表面プラズモン測定方法を採用してもよい。まず、工程２１で、放物面５ａに参照面５ａ２を設ける表面プラズモン測定装置１および試料５１を配置する（ＳＴ２１）。工程２２で、照明ユニットから平行光が照射される（ＳＴ２２）。工程２３で、平行光が、光学素子５の反射面５ａ１で反射する（ＳＴ
２３）。工程２４で、反射面で反射した光が、放物面５ａの焦点で集光する（ＳＴ２４）。工程２５で、集光した光が、反射面５ａ１および参照面５ａ２に向けて照射される（ＳＴ２５）。工程２６で、反射面５ａ１および参照面５ａ２からの反射光が検出される（ＳＴ２６）。工程２７で、参照面５ａ２からの反射光の光量に基づいて、反射面５ａ１からの反射光の光量を補正する（ＳＴ２７）。工程２８で、補正された反射光の光量と検出位置との関係から表面プラズモン共鳴角を求める検出位置を求める（ＳＴ２８）。工程２９で、表面プラズモン共鳴角に対応する検出位置から表面プラズモン共鳴角を求める（ＳＴ２９）。工程３０で、求められた表面プラズモン共鳴角に基づいて、試料５１の定量分析を行う（ＳＴ３０）。
【００８５】
また、図１７に示すように、本実施形態における光学素子５の放物面５ａは、放物柱面５ａ’でもよい。放物柱面５ａ’は、光源３から出射された光の光軸Ｌに対して垂直な方向Ｘ，Ｙのうち、Ｘ方向から見た場合に平面で、Ｙ方向からみた場合に放物面である。また、コリメートレンズ４はシリンドリカルレンズでも構わない。
【００８６】
ここで、放物柱面５ａ’とは、図１７に記載された放物柱を構成する面について、平面５ｂを除いた面をいう。別の言い方をすれば、放物柱面５ａ’とは、断面が放物線であって、当該放物線を含む面に垂直な方向に奥行きのある面をいう。
【００８７】
なお、放物柱とは、平面上で、放物線と、放物線の軸に垂直な線と、で囲まれる形状を、当該平面に垂直な方向に奥行きのある柱体をいう。
【００８８】
なお、本実施形態では、照明ユニットは、光源３とコリメートレンズ４を用いて平行光を照射しているが、平行光が照射できるのであれば、他の態様であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係る光学系を備える表面プラズモン測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】光源から光検出器までの光の進行順路を示すフローチャートである。
【図３】表面プラズモン共鳴角の移動を示すグラフである。
【図４】表面プラズモン測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図５】光軸を含む断面（Ｘ−Ｚ面）と、Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示す図である。
【図６】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図７】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図８】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図９】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１０】表面プラズモン測定装置の第２実施形態を示す図である。
【図１１】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１２】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１３】Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１４】表面プラズモン測定装置の第３実施形態を示す図である。
【図１５】表面プラズモン測定方法のフローチャートを示す図である。
【図１６】表面プラズモン測定方法のフローチャートを示す図である。
【図１７】表面プラズモン測定装置の放物柱面を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１…表面プラズモン測定装置
２…光学系
３…光源（照明ユニット）
４…コリメートレンズ（照明ユニット）
５…光学素子
５ａ…放物面
５ａ’…放物柱面
５ａ１…反射面
５ａ２…参照面
５ｂ…平面
６…光検出器
７…遮光板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を照射する照明ユニットと、光学素子と、を備え、
前記光学素子が、放物面または放物柱面を有し、
前記照明ユニットは、前記放物面または前記放物柱面の焦点の側から前記放物面または前記放物柱面に向けて平行光を照射し、
前記平行光の光軸が、前記光学素子の前記放物面または前記放物柱面の頂点を含む接面に垂直であり、
前記放物面または前記放物柱面が、金属膜または金属微粒子により蒸着された反射面を有することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記照明ユニットと、前記光学素子と、の間に遮光板を備える請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足する請求項２に記載の光学系。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ ・・・（１）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、前記光学素子の外径、
Ｆは、前記遮光板の直径
である。
【請求項４】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２）を満足する請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の光学系。
Ｈ＜４ｃ ・・・（２）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【請求項５】
前記照明ユニットは、光源と、コリメートレンズを備える請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項６】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに参照面を有する請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の光学系。
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
である。
【請求項７】
前記光学系と、
前記光学系からの光を検出する光検出器と、
を備える請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の光学系を備える表面プラズモン測定装置。
【請求項８】
前記照明ユニットから照射された平行光は、
前記光学素子の反射面で反射後、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光し、
前記焦点で集光した光は、
前記反射面に配置された試料に向けて照射され、
前記光検出器が、該反射面からの反射光を検出する請求項７に記載の表面プラズモン測定装置。
【請求項９】
試料が、反射面に接触して配置される工程と、
照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、
前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、
前記集光した光が、前記反射面に向けて照射される工程と、
該反射面からの反射光を検出する工程と、
検出した反射光から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、
を備えることを特徴とする表面プラズモン測定方法。
【請求項１０】
試料が、反射面に接触して配置される工程と、
照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、
前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、
前記集光した光が、前記反射面および参照面に向けて照射される工程と、
該反射面および前記参照面からの反射光を検出する工程と、
前記参照面からの反射光の光量に基づいて、該反射面からの反射光の光量を補正する工程と、
補正された反射光の光量から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、
を備えることを特徴とする表面プラズモン測定方法。
【請求項１】
平行光を照射する照明ユニットと、光学素子と、を備え、
前記光学素子が、放物面または放物柱面を有し、
前記照明ユニットは、前記放物面または前記放物柱面の焦点の側から前記放物面または前記放物柱面に向けて平行光を照射し、
前記平行光の光軸が、前記光学素子の前記放物面または前記放物柱面の頂点を含む接面に垂直であり、
前記放物面または前記放物柱面が、金属膜または金属微粒子により蒸着された反射面を有することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記照明ユニットと、前記光学素子と、の間に遮光板を備える請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足する請求項２に記載の光学系。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ ・・・（１）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、前記光学素子の外径、
Ｆは、前記遮光板の直径
である。
【請求項４】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２）を満足する請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の光学系。
Ｈ＜４ｃ ・・・（２）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【請求項５】
前記照明ユニットは、光源と、コリメートレンズを備える請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項６】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに参照面を有する請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の光学系。
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
である。
【請求項７】
前記光学系と、
前記光学系からの光を検出する光検出器と、
を備える請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の光学系を備える表面プラズモン測定装置。
【請求項８】
前記照明ユニットから照射された平行光は、
前記光学素子の反射面で反射後、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光し、
前記焦点で集光した光は、
前記反射面に配置された試料に向けて照射され、
前記光検出器が、該反射面からの反射光を検出する請求項７に記載の表面プラズモン測定装置。
【請求項９】
試料が、反射面に接触して配置される工程と、
照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、
前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、
前記集光した光が、前記反射面に向けて照射される工程と、
該反射面からの反射光を検出する工程と、
検出した反射光から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、
を備えることを特徴とする表面プラズモン測定方法。
【請求項１０】
試料が、反射面に接触して配置される工程と、
照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、
前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、
前記集光した光が、前記反射面および参照面に向けて照射される工程と、
該反射面および前記参照面からの反射光を検出する工程と、
前記参照面からの反射光の光量に基づいて、該反射面からの反射光の光量を補正する工程と、
補正された反射光の光量から表面プラズモン共鳴角を検出する工程と、
を備えることを特徴とする表面プラズモン測定方法。
【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】
【公開番号】特開２０１０−２２００（Ｐ２０１０−２２００Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５８９７８（Ｐ２００８−１５８９７８）
【出願日】平成２０年６月１８日（２００８．６．１８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１８日（２００８．６．１８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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