JP7476317B2 - 非侵襲物質分析装置 - Google Patents
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Description
本開示は、非侵襲物質分析装置に関する。
特表２０１７－５１９２１４号公報（特許文献１）は、光学媒質と、赤外光源と、プローブ光源と、フォトダイオードとを備える非侵襲分析システムを開示している。具体的には、光学媒質上に生体サンプルが載置される。赤外光源は、赤外光を放射する。赤外光は、光学媒質を通って、生体サンプルに照射される。赤外光は生体サンプルに吸収されて、生体サンプルが発熱する。生体サンプルの吸収熱の程度は、サンプル中のまたはサンプルの表面上の生体成分の量または濃度に依存する。
プローブ光源は、可視光であるプローブ光を光学媒質に向けて放射する。プローブ光は、光学媒質と生体サンプルとの間の界面で内部全反射されて、光学媒質から出射する。生体サンプルの吸収熱は、光学媒質に伝わって、光学媒質の屈折率を変化させる。光学媒質の屈折率の変化は、光学媒質と生体サンプルとの間の界面におけるプローブ光の内部全反射に影響を与え、光学媒質から出射されるプローブ光の進行方向を変化させる。フォトダイオードは、光位置センサとして機能して、プローブ光の進行方向の変化を検出する。フォトダイオードで検出されたプローブ光の進行方向の変化から、生体成分の量または濃度を測定する。例えば、サンプルが患者の皮膚である場合、生体成分として患者の血糖値が測定される。
しかし、特許文献１に開示された非侵襲分析システムでは、フォトダイオードは、プローブ光の進行方向の変化に対応し得るように、大きなサイズを有している。そのため、非侵襲分析システムの小型化が困難である。本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化され得る非侵襲物質分析装置を提供することである。
本開示の非侵襲物質分析装置は、光導波回路と、励起光源と、プローブ光源と、第１光強度検出器とを備える。光導波回路は、サンプル載置領域を含む第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面とを有する。励起光源は、サンプル載置領域上に載置されるサンプルに向けて励起光を放射する。プローブ光源は、プローブ光を放射する。光導波回路は、プローブ光が入射される第１光導波路と、第１光導波路に光学的に結合する導波路型リング共振器と、導波路型リング共振器に光学的に結合する第２光導波路とを含む。第１光強度検出器は、第２光導波路に光学的に結合しており、かつ、プローブ光のうち第２光導波路に光学的に結合する第１光の強度を検出する。
本開示の非侵襲物質分析装置では、第１光強度検出器は、励起光のオン／オフによるプローブ光の位置の変化ではなく、励起光のオン／オフによる、第２光導波路に結合するプローブ光の強度の変化を検出している。そのため、第１光強度検出器は小型化されて、非侵襲物質分析装置は小型化される。
以下、実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１から図４を参照して、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１を説明する。図１から図３を参照して、非侵襲物質分析装置１は、光導波回路１０と、励起光源２３と、プローブ光源２６と、光強度検出器３０と、物質分析部３３とを主に備える。
図１から図４を参照して、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１を説明する。図１から図３を参照して、非侵襲物質分析装置１は、光導波回路１０と、励起光源２３と、プローブ光源２６と、光強度検出器３０と、物質分析部３３とを主に備える。
図１を参照して、プローブ光源２６は、プローブ光２７を放射する。プローブ光源２６は、例えば、レーザダイオードのようなレーザ光源である。本実施の形態では、プローブ光源２６は、光導波回路１０の外側に配置されている。プローブ光源２６は、基板１５上に配置されてもよい。
プローブ光２７の波長は、例えば、１１００ｎｍ以上である。プローブ光２７の波長は、１３００ｎｍ以上であってもよい。プローブ光２７の波長は、例えば、１７００ｎｍ以下である。そのため、プローブ光源２６として、ＩｎＧａＡｓＰ系レーザダイオードまたはＩｎＧａＮＡｓ系レーザダイオードのような安価な光通信用レーザダイオードを用いることができる。さらに、プローブ光２７は可視光ではないため、プローブ光２７が人の眼に損傷を与えるリスクが低減され得る。プローブ光２７の出力は、例えば、５ｍＷ以下である。そのため、プローブ光２７が人の眼に損傷を与えるリスクが低減され得る。
図１から図３を参照して、光導波回路１０は、主面１０ａと、主面１０ａとは反対側の主面１０ｂとを有する。光導波回路１０は、基板１５と、第１光導波路１１と、導波路型リング共振器１２と、第２光導波路１３と、クラッド層１４とを含む。光導波回路１０は、終端部１６，１７をさらに含んでもよい。
基板１５は、第１光導波路１１と、導波路型リング共振器１２と、第２光導波路１３と、クラッド層１４とを支持している。基板１５は、主面１０ｂを有する。基板１５は、例えば、シリコン基板である。
プローブ光２７は、光導波回路１０の第１光導波路１１に入射される。第１光導波路１１は、プローブ光２７が入射される端１１ａと、端１１ａとは反対側の端１１ｂとを含む。第１光導波路１１は、クラッド層１４よりも高い屈折率を有している。プローブ光２７は、第１光導波路１１を伝搬する。第１光導波路１１は、例えば、シリコン導波路である。
導波路型リング共振器１２は、第１光導波路１１に光学的に結合している。導波路型リング共振器１２は、クラッド層１４よりも高い屈折率を有している。プローブ光２７は、導波路型リング共振器１２を伝搬する。導波路型リング共振器１２は、熱光学効果を有している。導波路型リング共振器１２は、例えば、シリコン導波路である。シリコンの熱光学係数は、２．３×１０－４（Ｋ－１）である。シリコンは、光導波路用の光学材料の中で比較的大きな熱光学係数を有している。
第２光導波路１３は、導波路型リング共振器１２に光学的に結合している。第２光導波路１３は、クラッド層１４よりも高い屈折率を有している。プローブ光２７は、第２光導波路１３を伝搬する。主面１０ａの平面視において、第２光導波路１３は、導波路型リング共振器１２に関して、第１光導波路１１に対称に配置されている。第２光導波路１３は、光強度検出器３０に光学的に結合されている端１３ａと、端１３ａとは反対側の端１３ｂとを含む。端１１ａ，１３ａは、導波路型リング共振器１２に対して同じ側にある。端１１ｂ，１３ｂは、導波路型リング共振器１２に対して同じ側にある。
クラッド層１４は、第１光導波路１１、導波路型リング共振器１２及び第２光導波路１３を基板１５から隔てている。クラッド層１４は、第１光導波路１１、導波路型リング共振器１２及び第２光導波路１３を覆っている。クラッド層１４は、主面１０ａを有する。クラッド層１４の熱伝導率は、基板１５の熱伝導率よりも小さい。クラッド層１４は、例えば、シリカ系ガラスで形成されている。
プローブ光源２６から第１光導波路１１に入射したプローブ光２７は、主に、導波路型リング共振器１２を介して第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａと、導波路型リング共振器１２に結合せずに第１光導波路１１を伝搬する第２光２７ｂとに分かれる。図４に、第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率を示す。なお、導波路型リング共振器１２から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率は、第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率と同様である。図４の横軸は、プローブ光２７の波長を基準とする導波路型リング共振器１２の位相であり、以下の式（１）によって定義される。
導波路型リング共振器１２の位相＝２π×（ｎＬ）／λ （１）
ここで、ｎは導波路型リング共振器１２の屈折率を表し、Ｌは導波路型リング共振器１２の長さを表す。ｎＬは、導波路型リング共振器１２の光路長を表す。また、λは、プローブ光２７の波長を表す。図４において、ｍは自然数である。
ここで、ｎは導波路型リング共振器１２の屈折率を表し、Ｌは導波路型リング共振器１２の長さを表す。ｎＬは、導波路型リング共振器１２の光路長を表す。また、λは、プローブ光２７の波長を表す。図４において、ｍは自然数である。
導波路型リング共振器１２の位相がπの偶数倍であるとき、第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率が最大となる。また、導波路型リング共振器１２の位相がπの奇数倍からπの偶数倍に近づくにつれて、第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率はより急激に変化する。
導波路型リング共振器１２の自由スペクトル領域Δｆ（すなわち、第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率が最大となる周波数の間隔）は、式（２）によって与えられる。
Δｆ＝ｃ／（ｎＬ）＝（ｆλ）／（ｎＬ） （２）
ここで、ｃは、真空中の光速を表す。
ここで、ｃは、真空中の光速を表す。
式（１）及び式（２）に照らして、導波路型リング共振器１２の屈折率ｎまたはプローブ光２７の波長λが変化すると、導波路型リング共振器１２の位相及び自由スペクトル領域Δｆが変化して、第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率が変化する。
図１を参照して、終端部１６は、第１光導波路１１の端１１ｂに設けられている。終端部１７は、第２光導波路１３の端１３ｂに設けられている。終端部１６，１７は、プローブ光２７を散乱する光散乱体またはプローブ光２７を吸収する光吸収体である。終端部１６，１７は、プローブ光２７を散乱または吸収して、導波路型リング共振器１２、プローブ光源２６及び光強度検出器３０へ進むプローブ光２７の戻り光を低減する。終端部１６，１７は、例えば、導波路の外に散乱しやすい先細りの導波路と、散乱光を吸収する電極（例えば、金属電極）とで形成されている。
図１から図３を参照して、光導波回路１０の主面１０ａは、サンプル２１が載置されるサンプル載置領域１９を含む。サンプル２１は、例えば、患者の皮膚または体液などである。主面１０ａの平面視において、サンプル載置領域１９は、導波路型リング共振器１２の内側にあり、導波路型リング共振器１２によって囲まれている。
図２及び図３を参照して、励起光源２３は、サンプル載置領域１９上に載置されるサンプル２１に向けて励起光２４を放射する。励起光２４の波長は、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の吸収波長に応じて定められる。励起光２４の波長は、プローブ光２７の波長よりも長くてもよい。励起光２４は、例えば、中赤外光である。励起光２４の波長は、例えば、６．０μｍ以上である。励起光２４の波長は、８．０μｍ以上であってもよい。励起光２４の波長は、例えば、１３．０μｍ以下である。励起光２４の波長は、１１．０μｍ以下であってもよい。励起光２４は、複数の波長を有する光であってもよい。例えば、非侵襲物質分析装置１を用いて患者の血糖値を測定する場合、励起光２４の波長範囲は、糖の指紋スペクトルの波長を含む波長範囲（例えば、８．５μｍ以上１０μｍ以下の波長範囲）である。励起光源２３は、例えば、広帯域の中赤外光を放射し得る量子カスケードレーザである。サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質に吸収されない参照光が、励起光２４とともにサンプル２１に照射されてもよい。
励起光２４は、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質に吸収される。物質による励起光２４の吸収によって、サンプル２１で吸収熱が発生する。サンプル２１の吸収熱は、導波路型リング共振器１２に伝導して、導波路型リング共振器１２の温度が変化する。導波路型リング共振器１２は熱光学効果を有している。そのため、導波路型リング共振器１２の温度が変化すると、導波路型リング共振器１２の屈折率が変化して、導波路型リング共振器１２を介した第１光導波路１１から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率が変化する。
サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質は、例えば、生体成分である。具体的には、非侵襲物質分析装置１を用いて患者の血糖値を得る場合、非侵襲物質分析装置１によって分析される物質は、患者の表皮中の組織間質液中に存在している糖である。
本実施の形態では、励起光源２３は主面１０ａに対向して配置されている。励起光２４は、主面１０ａの側からサンプル２１に入射する。励起光２４は、基板１５を通ることなく、サンプル２１に入射する。基板１５が励起光２４に対して透明である場合には、励起光源２３は光導波回路１０の主面１０ｂに対向して配置されてもよく、励起光２４は、基板１５を通って、サンプル２１に入射してもよい。
図１を参照して、光強度検出器３０は、第２光導波路１３の端１３ａに光学的に結合している。光強度検出器３０は、プローブ光２７のうち第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａの強度を検出する。光強度検出器３０は、サンプル２１に励起光２４を照射していない時に光強度検出器３０に入射する第１光２７ａの第１強度と、サンプル２１に励起光２４を照射している時に光強度検出器３０に入射する第１光２７ａの第２強度とを測定する。上記のように、サンプル２１に励起光２４を照射していない時とサンプル２１に励起光２４を照射している時との間で、導波路型リング共振器１２の温度が変化して、導波路型リング共振器１２を介した第１光導波路１１から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率が変化する。そのため、第１光２７ａの第２強度は、第１光２７ａの第１強度と異なる。
光強度検出器３０は、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度とを物質分析部３３に出力する。光強度検出器３０は、例えば、ＳｉＧｅフォトダイオードのようなフォトダイオードである。本実施の形態では、光強度検出器３０は、基板１５上に配置されている。光強度検出器３０は、光導波回路１０の外部に配置されてもよい。
非侵襲物質分析装置１は、プローブ光２７のうち第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａの強度に基づいて、物質を分析する。図１を参照して、物質分析部３３は、光強度検出器３０に接続されている。物質分析部３３は、光強度検出器３０から、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度とを受信する。物質分析部３３は、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度とから、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の種類、量または濃度を得る。
物質分析部３３は、例えば、プロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような記憶装置とを含むマイクロコンピュータである。プロセッサとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が採用され得る。ＲＡＭは、プロセッサによって処理されるデータを一時的に記憶する作業用メモリとして機能する。記憶装置には、例えば、プロセッサで実行されるプログラムなどが記憶されている。本実施の形態では、記憶装置に記憶されているプログラムをプロセッサが実行することで、物質分析部３３は、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度とから、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の種類を特定する、または、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の量もしくは濃度を算出する。物質分析部３３における各種処理は、ソフトウェアによって実行されることに限られず、専用のハードウェア（電子回路）によって実行されてもよい。
図５を主に参照して、非侵襲物質分析装置１を用いた本実施の形態の非侵襲物質分析方法を説明する。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、サンプル載置領域１９上にサンプル２１を載置すること（Ｓ１）を備える。光導波回路１０の温度とサンプル２１の温度との間に差があると、光導波回路１０とサンプル２１との間で熱の移動が発生する。この熱の移動は、サンプル２１の吸収熱による導波路型リング共振器１２を介した第１光導波路１１から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率の変化の検出を困難にして、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の分析を困難にする。そこで、光導波回路１０とサンプル２１との間に熱平衡状態が実現するまで、後述するステップＳ３を行わない。光導波回路１０とサンプル２１との間に熱平衡状態が実現すると、非侵襲物質分析装置１を用いて、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の分析を行う。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、励起光２４をサンプル２１に照射しないで、光強度検出器３０に入射する第１光２７ａの第１強度を測定すること（Ｓ３）を備える。励起光２４がサンプル２１に照射されていない（励起光２４のオフ状態）ため、サンプル２１で吸収熱は発生しない。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、励起光２４をサンプル２１に照射しながら、光強度検出器３０に入射する第１光２７ａの第２強度を測定すること（Ｓ４）を備える。励起光２４がサンプル２１に照射されている（励起光２４のオン状態）ため、励起光２４は、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質に吸収される。サンプル２１で吸収熱が発生する。サンプル２１の吸収熱は、導波路型リング共振器１２に伝導する。導波路型リング共振器１２の温度が変化して、導波路型リング共振器１２の屈折率が変化する。導波路型リング共振器１２を介した第１光導波路１１から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率が変化する。そのため、第１光２７ａの第２強度は、第１光２７ａの第１強度と異なる。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度とから、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の量または濃度を得ること（Ｓ５）を備える。例えば、物質分析部３３は、メモリ（図示せず）に接続されている。メモリは、励起光２４の波長と物質の種類とが対応づけられているデータテーブルと、第１強度と第２強度との間の差と物質の量または濃度とが対応づけられているデータテーブルを格納している。物質分析部３３は、これらデータテーブルを参照して、物質の種類を特定するとともに、物質の量または濃度を算出する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１の効果を説明する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、光導波回路１０と、励起光源２３と、プローブ光源２６と、第１光強度検出器（光強度検出器３０）とを備える。光導波回路１０は、サンプル載置領域１９を含む第１主面（主面１０ａ）と、第１主面とは反対側の第２主面（主面１０ｂ）とを有する。励起光源２３は、サンプル載置領域１９上に載置されるサンプル２１に向けて励起光２４を放射する。プローブ光源２６は、プローブ光２７を放射する。光導波回路１０は、プローブ光２７が入射される第１光導波路１１と、第１光導波路１１に光学的に結合する導波路型リング共振器１２と、導波路型リング共振器１２に光学的に結合する第２光導波路１３とを含む。第１光強度検出器は、第２光導波路１３に光学的に結合しており、かつ、プローブ光２７のうち第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａの強度を検出する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、光導波回路１０と、励起光源２３と、プローブ光源２６と、第１光強度検出器（光強度検出器３０）とを備える。光導波回路１０は、サンプル載置領域１９を含む第１主面（主面１０ａ）と、第１主面とは反対側の第２主面（主面１０ｂ）とを有する。励起光源２３は、サンプル載置領域１９上に載置されるサンプル２１に向けて励起光２４を放射する。プローブ光源２６は、プローブ光２７を放射する。光導波回路１０は、プローブ光２７が入射される第１光導波路１１と、第１光導波路１１に光学的に結合する導波路型リング共振器１２と、導波路型リング共振器１２に光学的に結合する第２光導波路１３とを含む。第１光強度検出器は、第２光導波路１３に光学的に結合しており、かつ、プローブ光２７のうち第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａの強度を検出する。
第１光強度検出器（光強度検出器３０）は、励起光２４のオン／オフによるプローブ光２７の位置の変化ではなく、励起光２４のオン／オフによる、第２光導波路１３に結合する第１光２７ａの強度の変化を検出している。そのため、第１光強度検出器は小型化されて、非侵襲物質分析装置１は小型化される。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１では、第１主面（主面１０ａ）の平面視において、サンプル載置領域１９は、導波路型リング共振器１２の内側にある。
第１主面（主面１０ａ）の平面視において、サンプル載置領域１９は、導波路型リング共振器１２によって囲まれている。サンプル２１の吸収熱は、導波路型リング共振器１２に効率的に伝導する。励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。そのため、非侵襲物質分析装置１は、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、第１光２７ａの強度に基づいて、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析する物質分析部３３をさらに備える。そのため、非侵襲物質分析装置１は小型化される。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１では、光導波回路１０は、第１終端部（終端部１７）を含む。第２光導波路１３は、第１光強度検出器（光強度検出器３０）に光学的に結合されている第１端（端１３ａ）と、第１端とは反対側の第２端（端１３ｂ）とを含む。第１終端部は、第２光導波路１３の第２端に設けられており、プローブ光２７を散乱または吸収する。
第１終端部（終端部１７）は、プローブ光２７を散乱または吸収して、プローブ光２７の戻り光が導波路型リング共振器１２、プローブ光源２６及び第１光強度検出器（光強度検出器３０）に結合することを防止する。そのため、非侵襲物質分析装置１は、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１では、光導波回路１０は、第２終端部（終端部１６）を含む。第１光導波路１１は、プローブ光２７が入射される第３端（端１１ａ）と、第３端とは反対側の第４端（端１１ｂ）とを含む。第２終端部は、第１光導波路１１の第４端に設けられており、前記プローブ光２７を散乱または吸収する。
第２終端部（終端部１６）は、プローブ光２７を散乱または吸収して、プローブ光２７の戻り光が導波路型リング共振器１２、プローブ光源２６及び第１光強度検出器（光強度検出器３０）に結合することを防止する。そのため、非侵襲物質分析装置１は、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１では、導波路型リング共振器１２は、シリコン導波路である。
シリコンは、光導波路用の光学材料の中で比較的大きな熱光学係数を有している。そのため、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の量が少ない等の理由によりサンプル２１の吸収熱が少なくても、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。非侵襲物質分析装置１は、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
実施の形態２．
図６を参照して、実施の形態２の非侵襲物質分析装置１ｂを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図６を参照して、実施の形態２の非侵襲物質分析装置１ｂを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｂは、終端部１６（図１を参照）に代えて、光強度検出器３７を備えている。光強度検出器３７は、第１光導波路１１の端１１ｂに光学的に結合している。光強度検出器３７は、プローブ光２７のうち導波路型リング共振器１２に結合せずに第１光導波路１１を伝搬する第２光２７ｂの強度を検出する。
非侵襲物質分析装置１ｂは、プローブ光２７のうち第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａの強度とプローブ光２７のうち導波路型リング共振器１２に結合せずに第１光導波路１１を伝搬する第２光２７ｂの強度とに基づいて、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析する。例えば、非侵襲物質分析装置１ｂは、プローブ光２７のうち第２光導波路１３に光学的に結合する第１光２７ａの強度とプローブ光２７のうち導波路型リング共振器１２に結合せずに第１光導波路１１を伝搬する第２光２７ｂの強度との間の差に基づいて、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析する。
具体的には、光強度検出器３７は、サンプル２１に励起光２４を照射していない時に光強度検出器３７に入射する第２光２７ｂの第３強度と、サンプル２１に励起光２４を照射している時に光強度検出器３７に入射する第２光２７ｂの第４強度とを測定する。実施の形態１において記載したように、サンプル２１に励起光２４を照射していない時とサンプル２１に励起光２４を照射している時との間で、導波路型リング共振器１２の温度が変化して、導波路型リング共振器１２を介した第１光導波路１１から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率が変化する。そのため、第２光２７ｂの第４強度は、第２光２７ｂの第３強度と異なる。
光強度検出器３７は、第２光２７ｂの第３強度と第２光２７ｂの第４強度とを物質分析部３３に出力する。光強度検出器３７は、例えば、ＳｉＧｅフォトダイオードのようなフォトダイオードである。本実施の形態では、光強度検出器３７は、基板１５上に配置されている。光強度検出器３７は、光導波回路１０の外部に配置されてもよい。
物質分析部３３は、光強度検出器３０に加えて光強度検出器３７にも接続されている。物質分析部３３は、光強度検出器３０から、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度とを受信するとともに、光強度検出器３７から、第２光２７ｂの第３強度と第２光２７ｂの第４強度とを受信する。物質分析部３３は、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度と第２光２７ｂの第３強度と第２光２７ｂの第４強度とから、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の種類、量または濃度を得る。
図７を主に参照して、非侵襲物質分析装置１ｂを用いた本実施の形態の非侵襲物質分析方法を説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、実施の形態１の非侵襲物質分析方法と同様であるが、以下の点で実施の形態１の非侵襲物質分析方法と異なっている。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、ステップＳ１に続いて、励起光２４をサンプル２１に照射しないで、光強度検出器３０に入射する第１光２７ａの第１強度と光強度検出器３７に入射する第２光２７ｂの第３強度とを測定すること（Ｓ１３）を備える。励起光２４がサンプル２１に照射されていない（励起光２４のオフ状態）ため、サンプル２１で吸収熱は発生しない。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、励起光２４をサンプル２１に照射しながら、光強度検出器３０に入射する第１光２７ａの第２強度と光強度検出器３７に入射する第２光２７ｂの第４強度とを測定すること（Ｓ１４）を備える。励起光２４がサンプル２１に照射されている（励起光２４のオン状態）ため、励起光２４は、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質に吸収される。サンプル２１で吸収熱が発生する。サンプル２１の吸収熱は、導波路型リング共振器１２に伝導する。導波路型リング共振器１２の温度が変化して、導波路型リング共振器１２の屈折率が変化する。導波路型リング共振器１２を介した第１光導波路１１から第２光導波路１３へのプローブ光２７の結合率が変化する。そのため、第１光２７ａの第２強度は、第１光２７ａの第１強度と異なる。第２光２７ｂの第４強度は、第２光２７ｂの第３強度と異なる。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、第１光２７ａの第１強度と第１光２７ａの第２強度と第２光２７ｂの第３強度と第２光２７ｂの第４強度とから、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質の量または濃度を得ること（Ｓ１５）を備える。例えば、物質分析部３３は、第１光２７ａの第１強度と第２光２７ｂの第３強度との間の差を、励起光２４のオフ時の第１差分信号として算出する。物質分析部３３は、第１光２７ａの第２強度と第２光２７ｂの第４強度との間の差を、励起光２４のオン時の第２差分信号として算出する。メモリは、励起光２４の波長と物質の種類とが対応づけられているデータテーブルと、第１差分信号との第２差分信号との間の差と物質の量または濃度とが対応づけられているデータテーブルを格納している。物質分析部３３は、これらデータテーブルを参照して、物質の種類を特定するとともに、物質の量または濃度を算出する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、第２光強度検出器（光強度検出器３７）をさらに備える。第２光強度検出器は、第１光導波路１１に光学的に結合しており、かつ、プローブ光２７のうち導波路型リング共振器１２に結合せずに第１光導波路１１を伝搬する第２光２７ｂの強度を検出する。
非侵襲物質分析装置１ｂは、第１光強度検出器（光強度検出器３０）によって測定される第１光２７ａの強度と第２光強度検出器（光強度検出器３７）によって測定される第２光２７ｂの強度との間の差に基づいて、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。光導波回路１０の小さな擾乱に起因して、第１光２７ａの強度が雑音成分を含むことがある。小さな擾乱は、例えば、製造プロセスに起因する光導波回路１０の光入射面の荒れ及び光導波路の側壁の荒れである。第１光２７ａの強度と第２光２７ｂの強度との間の差を得ることによって、第１光２７ａの強度の雑音成分は、第２光２７ｂの強度の雑音成分によって打ち消される。そのため、第１光２７ａの強度と第２光２７ｂの強度との間の差は、第１光２７ａの強度よりも高いＳ／Ｎ比を有している。非侵襲物質分析装置１ｂは、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、第１光２７ａの強度と第２光２７ｂの強度との間の差に基づいて、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析する物質分析部３３をさらに備える。
第１光２７ａの強度と第２光２７ｂの強度との間の差を得ることによって、第１光２７ａの強度の雑音成分は、第２光２７ｂの強度の雑音成分によって打ち消される。そのため、第１光２７ａの強度と第２光２７ｂの強度との間の差は、第１光２７ａの強度よりも高いＳ／Ｎ比を有している。非侵襲物質分析装置１ｂは、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
実施の形態３．
図８から図１０を参照して、実施の形態３の非侵襲物質分析装置１ｃを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図８から図１０を参照して、実施の形態３の非侵襲物質分析装置１ｃを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図８及び図９を参照して、本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、導波路型リング共振器１２の温度を調整する温度調整器４０を備える。温度調整器４０は、例えば、ヒータ電極のようなヒータである。ヒータに電流を印加することによってヒータは発熱して、導波路型リング共振器１２の温度を変化させる。ヒータは、例えば、タンタル、白金またはチタンなどの高抵抗金属材料によって形成されている。温度調整器４０は、導波路型リング共振器１２よりも、主面１０ａの近くに配置されている。温度調整器４０は、クラッド層１４によって、導波路型リング共振器１２から隔てられている。
主面１０ａの平面視において、導波路型リング共振器１２の周方向に沿う帯形状を有している。主面１０ａの平面視において、導波路型リング共振器１２の周方向における温度調整器４０の長さは、例えば、導波路型リング共振器１２の周方向における導波路型リング共振器１２の長さの５０％以下である。そのため、温度調整器４０がサンプル２１の吸収熱に比べて過大な熱を光導波回路１０に供給することが防止される。温度調整器４０に起因してサンプル２１の吸収熱の検出感度が大幅に低下することを避けることができる。導波路型リング共振器１２の周方向における温度調整器４０の長さは、導波路型リング共振器１２の周方向における導波路型リング共振器１２の長さの２０％以下であってもよい。
導波路型リング共振器１２の位相は、実施の形態１の式（１）によって与えられる。そのため、図１０に示されるように、温度調整器４０を用いて導波路型リング共振器１２の温度を変化させると、導波路型リング共振器１２の初期位相（励起光２４のオフ時における導波路型リング共振器１２の位相）が変化する。本実施の形態では、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなるように、温度調整器４０の温度を設定する。こうして、導波路型リング共振器１２の初期位相が設定される。
例えば、図１０を参照して、温度調整器４０がオフ状態である場合に、導波路型リング共振器１２は、ｐ１の初期位相を有している。ｐ１の初期位相を有する導波路型リング共振器１２では、励起光２４のオン／オフによる第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率の変化が小さく、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化は小さい。
温度調整器４０を用いて導波路型リング共振器１２の温度を変化させて、導波路型リング共振器１２の初期位相をｐ２に設定する。ｐ２の初期位相を有する導波路型リング共振器１２では、励起光２４のオン／オフによる第１光導波路１１から導波路型リング共振器１２へのプローブ光２７の結合率の変化が大きくなり、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化は大きくなる。そのため、サンプル２１の吸収熱をより高い精度で検出することができる。サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質をより高い精度で分析することができる。
図１１を主に参照して、非侵襲物質分析装置１ｃを用いた本実施の形態の非侵襲物質分析方法を説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、実施の形態１の非侵襲物質分析方法（図５を参照）と同様であるが、以下の点で実施の形態１の非侵襲物質分析方法と異なっている。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、ステップＳ１とステップＳ３との間に、温度調整器４０を用いて、導波路型リング共振器１２の初期位相を調整すること（Ｓ２）をさらに備える。具体的には、励起光２４をサンプル２１に照射することなく、温度調整器４０を用いて導波路型リング共振器１２の温度を変化させながら、光強度検出器３０を用いて第１光２７ａの強度を測定する。温度調整器４０の温度の変化（すなわち、導波路型リング共振器１２の温度の変化）に対する第１光２７ａの強度変化の比が大きくなるように、好ましくは当該比が最大となるように、温度調整器４０の温度を設定する。こうして、導波路型リング共振器１２の初期位相が設定される。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、導波路型リング共振器１２の温度を調整する温度調整器４０をさらに備える。
温度調整器４０によって導波路型リング共振器１２の温度を調整して、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなるように、導波路型リング共振器１２の初期位相（励起光２４のオフ時における導波路型リング共振器１２の位相）を設定することができる。そのため、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃでは、第１主面（主面１０ａ）の平面視において、導波路型リング共振器１２の周方向における温度調整器４０の長さは、導波路型リング共振器１２の周方向における導波路型リング共振器１２の長さの５０％以下である。
そのため、温度調整器４０がサンプル２１の吸収熱に比べて過大な熱を光導波回路１０に供給することが防止される。温度調整器４０に起因してサンプル２１の吸収熱の検出感度が大幅に低下することを避けることができる。より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
実施の形態４．
図１２を参照して、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１２を参照して、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｄは、プローブ光源２６の温度を調整する温度調整器４２をさらに備える。温度調整器４２は、例えば、ヒータまたはペルチェ素子である。温度調整器４２によってプローブ光源２６の温度を変化させると、プローブ光源２６から放射されるプローブ光２７の波長が変化する。
導波路型リング共振器１２の位相は、実施の形態１の式（１）によって与えられるから、プローブ光２７の波長が変化すると、導波路型リング共振器１２の初期位相（励起光２４のオフ時における導波路型リング共振器１２の位相）が変化する。本実施の形態では、温度調整器４２によってプローブ光源２６の温度を調整して、プローブ光２７の波長を調整する。励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなるように、プローブ光２７の波長が設定される。こうして、導波路型リング共振器１２の初期位相が設定される。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、プローブ光源２６の温度を調整する温度調整器４２をさらに備える。
温度調整器４２によってプローブ光源２６の温度を調整して、プローブ光２７の波長を調整する。プローブ光２７の波長の調整によって、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなるように、導波路型リング共振器１２の初期位相（励起光２４のオフ時における導波路型リング共振器１２の位相）を設定することができる。そのため、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
実施の形態５．
図１３及び図１４を参照して、実施の形態５の非侵襲物質分析装置１ｅを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１３及び図１４を参照して、実施の形態５の非侵襲物質分析装置１ｅを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
本実施の形態では、光導波回路１０は、導波路型リング共振器１２に対向する基板１５の表面１５ａに、凹部１５ｃが設けられている。凹部１５ｃは、光導波回路１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）において、導波路型リング共振器１２に対向している。凹部１５ｃは、基板１５を切削またはエッチングすることによって形成される。主面１０ａの平面視において、凹部１５ｃは、導波路型リング共振器１２にオーバーラップしている。
光導波回路１０は、熱絶縁部材４４を含む。凹部１５ｃは、熱絶縁部材４４によって充填されている。熱絶縁部材４４は、基板１５よりも小さな熱伝導率を有する。本実施の形態では、熱絶縁部材４４は、クラッド層１４と同じ材料（例えば、シリカ系ガラス）で形成されている。熱絶縁部材４４は、基板１５よりも小さな熱伝導率を有する材料で形成されていればよく、クラッド層１４と異なる材料で形成されてもよい。熱絶縁部材４４は、光導波回路１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）において、導波路型リング共振器１２に対向している。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅでは、光導波回路１０は、導波路型リング共振器１２を支持する基板１５と、基板１５よりも小さな熱伝導率を有する熱絶縁部材４４とを含む。導波路型リング共振器１２に対向する基板１５の表面１５ａに、第１主面（主面１０ａ）の平面視において導波路型リング共振器１２にオーバーラップしている凹部１５ｃが設けられている。凹部１５ｃは、熱絶縁部材４４によって充填されている。
熱絶縁部材４４のため、サンプル２１の吸収熱は、基板１５に逃げ難くなる。励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。そのため、非侵襲物質分析装置１ｅは、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
実施の形態６．
図１５及び図１６を参照して、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１５及び図１６を参照して、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｆでは、光導波回路１０に貫通孔４６が設けられている。貫通孔４６は、サンプル載置領域１９から主面１０ｂまで延在しており、光導波回路１０を貫通している。貫通孔４６は、導波路型リング共振器１２の内側にある。励起光２４は、貫通孔４６を通って、サンプル２１に照射される。本実施の形態では、主面１０ａの平面視において、サンプル２１の大きさは、貫通孔４６の大きさよりも大きい。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆでは、サンプル載置領域１９から第２主面（主面１０ｂ）まで延在する貫通孔４６が光導波回路１０に設けられている。励起光２４は、貫通孔４６を通って、サンプル２１に照射される。
励起光２４が通る貫通孔４６が光導波回路１０に設けられている。そのため、励起光２４は、光導波回路１０で吸収されることなく、より強い光強度でサンプル２１に到達する。サンプル２１の吸収熱が増加する。また、サンプル２１の吸収熱が光導波回路１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。そのため、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
光導波回路１０（基板１５）が励起光２４に対して不透明な材料で形成されていても、励起光２４を主面１０ｂの側からサンプル２１に向けて照射することが可能になる。光導波回路１０（基板１５）の材料の選択肢が拡がるとともに、励起光源２３の配置の自由度が増加する。
実施の形態７．
図１７及び図１８を参照して、実施の形態７の非侵襲物質分析装置１ｇを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｇは、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１７及び図１８を参照して、実施の形態７の非侵襲物質分析装置１ｇを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｇは、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｇは、光学媒質５０をさらに備える。光学媒質５０は、励起光２４を透過させる。励起光２４に対する光学媒質５０の透過率は、励起光２４に対する光導波回路１０（基板１５）の透過率より大きい。励起光２４は、光学媒質５０を通って、サンプル２１に照射される。励起光２４が中赤外光である場合、光学媒質５０は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）またはカルコゲナイドガラス（ＳＳｂＳｎＧｅ）のような中赤外光に対して透明な材料で形成されている。
光学媒質５０は、貫通孔４６を閉塞する。サンプル載置領域１９の少なくとも一部は、光学媒質５０によって形成されている。サンプル２１は光学媒質５０上に載置され得る。貫通孔４６は、光学媒質５０によって充填されている。光学媒質５０は、サンプル載置領域１９から主面１０ｂまで延在している。光学媒質５０の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも大きい。そのため、サンプル２１の吸収熱は、光学媒質５０を通って、導波路型リング共振器１２に効率的に伝わる。光学媒質５０の熱伝導率は、クラッド層１４の熱伝導率よりも大きくてもよい。光学媒質５０の熱伝導率は、基板１５の熱伝導率よりも小さい。そのため、サンプル２１の吸収熱は、光導波回路１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）に逃げ難い。
図１９を参照して、本実施の形態の変形例では、光学媒質５０は、光導波回路１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）において、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の内側面１２ａの高さまで延在している。すなわち、光学媒質５０は、導波路型リング共振器１２の内側面１２ａの少なくとも一部に対向している。光学媒質５０は、光導波回路１０の厚さ方向において、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の下面１２ｂの高さまで延在してもよい。すなわち、光学媒質５０は、導波路型リング共振器１２の内側面１２ａ全体に対向してもよい。導波路型リング共振器１２の下面１２ｂは、主面１０ｂに対向している。
貫通孔４６のうち光学媒質５０よりも主面１０ｂに近位する部分は、光学媒質５０によって充填されていない空洞である。励起光２４は、空洞及び光学媒質５０を通って、サンプル２１に照射される。光学媒質５０は基板１５から離れており、サンプル２１の吸収熱は、光学媒質５０を通して基板１５に逃げ難い。そのため、光学媒質５０は、クラッド層１４よりも大きな熱伝導率を有する材料で形成され得る。例えば、光学媒質５０は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）のような１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料で形成され得る。そのため、サンプル２１の吸収熱は、光学媒質５０を通して導波路型リング共振器１２に効率的に伝わる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｇは、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆの効果と同様の以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｇは、励起光２４を透過させる光学媒質５０をさらに備える。光学媒質５０は、貫通孔４６を閉塞する。励起光２４は、光学媒質５０を通って、サンプル２１に照射される。
励起光２４は光学媒質５０を通るため、より強い光強度でサンプル２１に到達する。また、サンプル２１の吸収熱は、光学媒質５０を通って、導波路型リング共振器１２に効率的に伝わる。励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
サンプル２１は、光学媒質５０上に載置され得る。そのため、サンプル２１のサイズが貫通孔４６のサイズよりも小さくても、あるいは、サンプル２１が液体であっても、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｇでは、光学媒質５０は、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の内側面１２ａの高さまで延在している。貫通孔４６のうち光学媒質５０よりも第２主面（主面１０ｂ）に近位する部分は、光学媒質５０によって充填されていない空洞である。
励起光２４は空洞では減衰しないため、励起光２４は、より強い光強度でサンプル２１に到達する。サンプル２１の吸収熱が増加する。また、空洞中の空気の熱伝導率は低いため、空洞は、サンプル２１の吸収熱が導波路型リング共振器１２から逃げ難くする。そのため、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
実施の形態８．
図２０及び図２１を参照して、実施の形態８の非侵襲物質分析装置１ｈを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈは、実施の形態７の非侵襲物質分析装置１ｇと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図２０及び図２１を参照して、実施の形態８の非侵襲物質分析装置１ｈを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈは、実施の形態７の非侵襲物質分析装置１ｇと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈは、光学媒質５０に代えて、第１光学媒質５１と、第２光学媒質５２とを備える。第１光学媒質５１と、第２光学媒質５２とは、励起光２４を透過させる。励起光２４に対する第１光学媒質５１の透過率は、励起光２４に対する光導波回路１０（特に、基板１５）の透過率より大きい。励起光２４に対する第２光学媒質５２の透過率は、励起光２４に対する光導波回路１０（特に、基板１５）の透過率より大きい。第１光学媒質５１は、貫通孔４６を閉塞する。第２光学媒質５２は、貫通孔４６を閉塞する。第２光学媒質５２は、第１光学媒質５１よりもサンプル載置領域１９の近くに配置されている。サンプル載置領域１９の少なくとも一部は、第２光学媒質５２によって形成されている。サンプル２１は第２光学媒質５２上に載置され得る。励起光２４は、第１光学媒質５１と第２光学媒質５２とを通って、サンプル２１に照射される。
第１光学媒質５１は、第２光学媒質５２よりも低い熱伝導率を有する。第１光学媒質５１は、第２光学媒質５２を基板１５から隔てている。そのため、サンプル２１の吸収熱が光導波回路１０の厚さ方向に逃げ難くなる。第１光学媒質５１は、例えば、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率を有してもよく、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率を有してもよい。励起光２４が中赤外光である場合、第１光学媒質５１は、例えば、カルコゲナイドガラス（ＳＳｂＳｎＧｅ）で形成されている。
第２光学媒質５２は、第１光学媒質５１よりも高い熱伝導率を有する。そのため、サンプル２１の吸収熱は、第２光学媒質５２を通って、導波路型リング共振器１２に効率的に伝わる。第２光学媒質５２は基板１５から離れており、サンプル２１の吸収熱は基板１５に逃げ難い。そのため、第２光学媒質５２は、クラッド層１４よりも大きな熱伝導率を有する材料で形成され得る。例えば、第２光学媒質５２は、例えば、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有してもよく、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有してもよい。励起光２４が中赤外光である場合、第２光学媒質５２は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）で形成されている。
第２光学媒質５２は、光導波回路１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）において、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の内側面１２ａの高さまで延在している。すなわち、第２光学媒質５２は、導波路型リング共振器１２の内側面１２ａの少なくとも一部に対向している。第２光学媒質５２は、光導波回路１０の厚さ方向において、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の下面１２ｂの高さまで延在してもよい。すなわち、第２光学媒質５２は、導波路型リング共振器１２の内側面１２ａ全体に対向してもよい。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈは、実施の形態７の非侵襲物質分析装置１ｇの効果と同様の以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈは、励起光２４を透過させる第１光学媒質５１と、励起光２４を透過させる第２光学媒質５２とをさらに備える。第１光学媒質５１は、貫通孔４６を閉塞する。第２光学媒質５２は、貫通孔４６を閉塞し、第１光学媒質５１よりも高い熱伝導率を有し、かつ、第１光学媒質５１よりもサンプル載置領域１９の近くに配置されている。励起光２４は、第１光学媒質５１及び第２光学媒質５２を通って、サンプル２１に照射される。
サンプル２１の吸収熱は、第２光学媒質５２を通って、導波路型リング共振器１２に効率的に伝わる。しかし、第１光学媒質５１は、サンプル２１の吸収熱が導波路型リング共振器１２から逃げ難くする。励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。そのため、より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
サンプル２１は、第２光学媒質５２上に載置され得る。そのため、サンプル２１のサイズが貫通孔４６のサイズよりも小さくても、あるいは、サンプル２１が液体であっても、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈでは、第２光学媒質５２は、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の内側面１２ａの高さまで延在している。
サンプル２１の吸収熱は、光学媒質５０を通って、導波路型リング共振器１２により一層効率的に伝わる。そのため、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｈでは、第２光学媒質５２は、サンプル載置領域１９から導波路型リング共振器１２の下面１２ｂの高さまで延在している。導波路型リング共振器１２の下面１２ｂは、第２主面（主面１０ｂ）に対向している。
サンプル２１の吸収熱は、光学媒質５０を通って、導波路型リング共振器１２により一層効率的に伝わる。そのため、励起光２４のオン／オフによる第１光２７ａの強度の変化が大きくなる。より高い精度で、サンプル２１中のまたはサンプル２１の表面上の物質を分析することができる。
今回開示された実施の形態１－８はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１－８の少なくとも二つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ 非侵襲物質分析装置、１０ 光導波回路、１０ａ，１０ｂ 主面、１１ 第１光導波路、１１ａ，１１ｂ，１３ａ，１３ｂ 端、１２ 導波路型リング共振器、１２ａ 内側面、１２ｂ 下面、１３ 第２光導波路、１４ クラッド層、１５ 基板、１５ａ 表面、１５ｃ 凹部、１６，１７ 終端部、１９ サンプル載置領域、２１ サンプル、２３ 励起光源、２４ 励起光、２６ プローブ光源、２７ プローブ光、２７ａ 第１光、２７ｂ 第２光、３０，３７ 光強度検出器、３３ 物質分析部、４０，４２ 温度調整器、４４ 熱絶縁部材、４６ 貫通孔、５０ 光学媒質、５１ 第１光学媒質、５２ 第２光学媒質。
Claims (16)
- 血糖値を調べるために人体内に埋め込まずに前記人体に含まれる物質を分析する非埋込型の非侵襲物質分析装置において、
サンプル載置領域を含む第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する光導波回路と、
前記サンプル載置領域上に載置されるサンプルに向けて、前記サンプル載置領域に対して垂直方向から励起光を放射する励起光源と、
プローブ光を放射するプローブ光源と、
第１光強度検出器と、
第２光強度検出器とを備え、
前記光導波回路は、一端側から他端側へ前記プローブ光が入射される第１光導波路と、
前記第１光導波路に光学的に結合する導波路型リング共振器と、前記導波路型リング共振器に光学的に結合し、かつ、前記他端側から前記一端側へ前記導波路型リング共振器を介した前記プローブ光を伝搬させる第２光導波路とを含み、
前記第１主面の平面視において、前記励起光源から前記垂直方向に前記励起光が放射される前記サンプル載置領域は、前記導波路型リング共振器の内側に配置されており、
前記プローブ光源および前記第１光強度検出器は、前記サンプル載置領域及び前記導波路型リング共振器よりも前記一端側に配置されており、
前記第１光強度検出器は、前記第２光導波路に前記一端側で光学的に結合しており、かつ、前記プローブ光のうち前記第２光導波路に光学的に結合する第１光の強度を検出し、
前記第２光強度検出器は、前記第１光導波路に光学的に結合しており、かつ、前記プローブ光のうち前記導波路型リング共振器に結合せずに前記第１光導波路を伝搬する第２光の強度を検出する、非侵襲物質分析装置。 - 前記第１光の前記強度と前記第２光の前記強度との間の差に基づいて、前記サンプル中のまたは前記サンプルの表面上の物質を分析する物質分析部をさらに備える、請求項１に記載の非侵襲物質分析装置。
- 血糖値を調べるために人体内に埋め込まずに前記人体に含まれる物質を分析する非埋込型の非侵襲物質分析装置において、
サンプル載置領域を含む第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する光導波回路と、
前記サンプル載置領域上に載置されるサンプルに向けて、前記サンプル載置領域に対して垂直方向から励起光を放射する励起光源と、
プローブ光を放射するプローブ光源と、
第１光強度検出器と、
第１温度調整器とを備え、
前記光導波回路は、一端側から他端側へ前記プローブ光が入射される第１光導波路と、
前記第１光導波路に光学的に結合する導波路型リング共振器と、前記導波路型リング共振器に光学的に結合し、かつ、前記他端側から前記一端側へ前記導波路型リング共振器を介した前記プローブ光を伝搬させる第２光導波路とを含み、
前記第１主面の平面視において、前記励起光源から前記垂直方向に前記励起光が放射される前記サンプル載置領域は、前記導波路型リング共振器の内側に配置されており、
前記プローブ光源および前記第１光強度検出器は、前記サンプル載置領域及び前記導波路型リング共振器よりも前記一端側に配置されており、
前記第１光強度検出器は、前記第２光導波路に前記一端側で光学的に結合しており、かつ、前記プローブ光のうち前記第２光導波路に光学的に結合する第１光の強度を検出し、
前記第１温度調整器は、前記導波路型リング共振器の温度を調整する、非侵襲物質分析装置。 - 前記第１主面の前記平面視において、前記導波路型リング共振器の周方向における前記第１温度調整器の長さは、前記周方向における前記導波路型リング共振器の長さの５０％以下である、請求項３に記載の非侵襲物質分析装置。
- 血糖値を調べるために人体内に埋め込まずに前記人体に含まれる物質を分析する非埋込型の非侵襲物質分析装置において、
サンプル載置領域を含む第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する光導波回路と、
前記サンプル載置領域上に載置されるサンプルに向けて、前記サンプル載置領域に対して垂直方向から励起光を放射する励起光源と、
プローブ光を放射するプローブ光源と、
第１光強度検出器とを備え、
前記光導波回路は、一端側から他端側へ前記プローブ光が入射される第１光導波路と、
前記第１光導波路に光学的に結合する導波路型リング共振器と、前記導波路型リング共振器に光学的に結合し、かつ、前記他端側から前記一端側へ前記導波路型リング共振器を介した前記プローブ光を伝搬させる第２光導波路と、前記導波路型リング共振器を支持する基板と、前記基板よりも小さな熱伝導率を有する熱絶縁部材とを含み、
前記第１主面の平面視において、前記励起光源から前記垂直方向に前記励起光が放射される前記サンプル載置領域は、前記導波路型リング共振器の内側に配置されており、
前記導波路型リング共振器に対向する前記基板の表面に、前記第１主面の前記平面視において前記導波路型リング共振器にオーバーラップしている凹部が設けられており、
前記凹部は、前記熱絶縁部材によって充填されており、
前記プローブ光源および前記第１光強度検出器は、前記サンプル載置領域及び前記導波路型リング共振器よりも前記一端側に配置されており、
前記第１光強度検出器は、前記第２光導波路に前記一端側で光学的に結合しており、かつ、前記プローブ光のうち前記第２光導波路に光学的に結合する第１光の強度を検出する、非侵襲物質分析装置。 - 前記第１光の前記強度に基づいて、前記サンプル中のまたは前記サンプルの表面上の物質を分析する物質分析部をさらに備える、請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。
- 前記プローブ光源の温度を調整する第２温度調整器をさらに備える、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。
- 前記サンプル載置領域から前記第２主面まで延在する貫通孔が前記光導波回路に設けられており、
前記励起光は、前記貫通孔を通って、前記サンプルに照射される、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記励起光を透過させる光学媒質をさらに備え、
前記光学媒質は、前記貫通孔を閉塞し、
前記励起光は、前記光学媒質を通って、前記サンプルに照射される、請求項８に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記光学媒質は、前記サンプル載置領域から前記導波路型リング共振器の内側面の高さまで延在しており、
前記貫通孔のうち前記光学媒質よりも前記第２主面に近位する部分は、前記光学媒質によって充填されていない空洞である、請求項９に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記励起光を透過させる第１光学媒質と、
前記励起光を透過させる第２光学媒質とをさらに備え、
前記第１光学媒質は、前記貫通孔を閉塞し、
前記第２光学媒質は、前記貫通孔を閉塞し、前記第１光学媒質よりも高い熱伝導率を有し、かつ、前記第１光学媒質よりも前記サンプル載置領域の近くに配置されており、
前記励起光は、前記第１光学媒質及び前記第２光学媒質を通って、前記サンプルに照射される、請求項８に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記第２光学媒質は、前記サンプル載置領域から前記導波路型リング共振器の内側面の高さまで延在している、請求項１１に記載の非侵襲物質分析装置。
- 前記第２光学媒質は、前記サンプル載置領域から前記導波路型リング共振器の下面の高さまで延在しており、
前記導波路型リング共振器の前記下面は、前記第２主面に対向している、請求項１１に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記光導波回路は、第１終端部を含み、
前記第２光導波路は、前記第１光強度検出器に光学的に結合されている第１端と、前記第１端とは反対側の第２端とを含み、
前記第１終端部は、前記第２光導波路の前記第２端に設けられており、前記プローブ光を散乱または吸収する、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記光導波回路は、第１終端部と第２終端部とを含み、
前記第２光導波路は、前記第１光強度検出器に光学的に結合されている第１端と、前記第１端とは反対側の第２端とを含み、
前記第１終端部は、前記第２光導波路の前記第２端に設けられており、前記プローブ光を散乱または吸収し、
前記第１光導波路は、前記プローブ光が入射される第３端と、前記第３端とは反対側の第４端とを含み、
前記第２終端部は、前記第１光導波路の前記第４端に設けられており、前記プローブ光を散乱または吸収する、請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記導波路型リング共振器は、シリコン導波路である、請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。
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