(57)【要約】【課題】試料の屈折率の絶対値を容易に且つ高精度で求める。【解決手段】導波モード共鳴フィルタ５０の格子層４を覆う媒体層を試料Ｓとし、導波層３の端面に単色光を照射して、検出器１４によりその出射光を検出し、データ処理部で出射スペクトルを作成する。出射スペクトルには高い出射率を示す共鳴ピークが現れるが、その共鳴ピークの角度や波長は試料Ｓの屈折率の実部に依存し、共鳴ピークの強度は試料Ｓの屈折率の虚部に依存する。従って、検出した共鳴ピークの波長や角度、及び強度から試料の屈折率を求めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)格子部材を周期的に配置してなる格子層を備え、導波路端面を有する導波モード共鳴フィルタと、
b)前記導波モード共鳴フィルタの前記格子層に被測定物が接触した状態で前記導波路端面から光を照射する光照射手段と、
c)前記光照射手段による光照射に対する前記導波モード共鳴フィルタからの出射光スペクトルを測定するスペクトル測定手段と、
d)前記スペクトル測定手段の測定結果に基づいて前記試料の屈折率を計算する演算手段と、
を備えることを特徴とする屈折率計。
【請求項２】
請求項１に記載の屈折率計であって、前記導波モード共鳴フィルタが、格子層と導波層を積層した複層構造を有することを特徴とする屈折率計。
【請求項３】
請求項１に記載の屈折率計であって、前記導波モード共鳴フィルタの前記格子層が、屈折率の異なる第１格子と第２格子を周期的に交互に配置した単層構造を有し、導波層としても機能することを特徴とする屈折率計。
【請求項４】
請求項１に記載の屈折率計であって、前記光照射手段が、波長可変単色光源から放射された単色光を導波路端面に照射し、
前記スペクトル測定手段が、前記波長可変単色光源から放射される単色光の波長を変化させたときの波長スペクトルを測定することを特徴とする屈折率計。
【請求項５】
請求項１に記載の屈折率計であって、前記光照射手段が、白色光源から放射された白色光を導波路端面に照射し、
前記スペクトル測定手段が、出射光の波長スペクトルを測定することを特徴とする屈折率計。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の屈折率計であって、
出射光が投影されるスクリーンを備えることを特徴とする屈折率計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固相、液相、気相など、様々な相の吸収誘電体を含む誘電体である試料の屈折率を測定するための屈折率計に関し、更に詳しくは、導波モード共鳴フィルタを利用した屈折率計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物質の屈折率を測定する手法として、様々な方法が利用され、また提案されている。例えば固体試料の屈折率を測定する方法としては、最小偏角法や臨界角法などといった異なる屈折率を持つ誘電体の平坦な界面での屈折角を測定する方法、或いは、エリプソメトリのような薄膜試料の干渉効果による反射特性を測定する方法、などが知られている。また、流体（気体及び液体）試料の屈折率を測定する方法としては、マイケルソンモーレー型干渉計や、吸収スペクトル分光法など、試料を伝播する光の吸収を測定するものが一般的である。
【０００３】
しかしながら、上述のような各種方法にはそれぞれデメリットがある。即ち、最小偏角法では、試料をプリズム化する必要があるため、試料の形状やサイズを任意に選ぶことができない。そのため、薄膜試料や微小化された試料を測定することできない。アッベ式やプルフリッヒ式などの臨界角法でも同様に、薄膜試料には十分に対応することができない。何故なら、薄膜試料では、その干渉効果により臨界線の境界が明確ではなくなり、高精度の測定が不可能だからである。
【０００４】
一方、エリプソメトリを利用した測定法では、半導体結晶のエピタキシャル成長やスパッタリングによる蒸着などにより形成される、界面が極めて平坦で且つ平行となる薄膜試料しか測定することができず、測定可能な試料の制約が非常に大きい。また、マイケルソンモーレー型干渉計や吸収スペクトル分光法では、光路長を大きくとる必要があり、微小量の試料の測定には向かない。
【０００５】
近年、上記のような従来の屈折率の測定原理とは異なる、導波モード共鳴格子と呼ばれる光学素子を利用して屈折率を測定する方法が提案されている（非特許文献２参照）。導波モード共鳴格子（Guided-mode resonant grating: GMRG）は、１９８５年にマシェフらにより初めて提案された（非特許文献１参照）サブ波長回折格子の一種であり、誘電体材料の屈折率や寸法などを適当に定めた構造とすることにより非常に鋭い狭帯域特性を持つことが知られている。この特性を利用して、波長選択フィルタや波長シフタなどへの応用が進められている。
【０００６】
上記のようにして狭帯域化された導波モード共鳴格子の光学特性は、その素子を構成する誘電体材料や基板、或いは入射空間の屈折率に大きく依存するので、ごく僅かな屈折率の変化を検出することが可能となる。非特許文献２、３では、この特性を利用した屈折率センサの可能性について言及している。こうした従来技術は、導波モード共鳴格子を利用して複素屈折率の実部を測定することのみを示しており、複素屈折率の虚部についての測定は考慮されていない。
【０００７】
これに対し、本願発明者は、非特許文献４により、導波モード共鳴格子を利用して複素屈折率の実部のみならず、虚部について測定を行う方法を提案している。即ち、導波モード共鳴フィルタへの入射角を横軸に、反射率を縦軸にとった角度スペクトルにおいて現れるピークの位置が複素屈折率の実部、強度が虚部を反映したものとなることを示している。
【０００８】
非特許文献４でも指摘したように、導波モード共鳴格子自体は原理的にいくらでも反射帯域を狭小化することができる。従って、導波モード共鳴格子を用いて屈折率を測定した場合、その分解能は測定系の角度分解能や波長分解能に依存する。つまり、共鳴入射角や共鳴波長を精度良く求められれば、その値は試料の屈折率に依存するので、精度良く屈折率を求めることができる。
【０００９】
僅かな屈折率変化を感知するためには僅かな共鳴条件の変化を感知する必要がある。そのためには、入射波長や入射角を高精度で制御できる、高い波長分解能や入射角分解能を持つ高機能で且つ高精度な測定系が必要となる。
屈折率の測定光学系では、入射角度と出射角度とを同時に同一値で走査する所謂θ−２θ光学系が使用される。このとき、ゴニオメータなどを利用して光源と検出器を同期して移動させているが、入射角度と出射角度とを同時に且つ同一値で高精度に走査することは非常に手間がかかる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】マシェフ、ほか１名、「ゼロ・オーダー・アノマリー・オブ・ディエレクトリック・コーテッド・グレーティングス（Zero order anomaly of dielectric coated gratings）」、オプティカル・コミュニケーション（optical communication）、55、pp. 377-380、1985
【非特許文献２】スー・シェン、ほか２名、「ストロング・リゾナント・カップリング・オブ・サーフェス・プラズモン・ポラリトンズ・トゥー・ラディエイション・モーズ・スルー・ア・スィン・メタル・スラブ・ディエレクトリック・グレーティングス（Strong resonant coupling of surface plasmon polaritons to radiation modes through a thin metal slab with dielectric gratings）」、ジャーナル・オブ・オプティカル・ソサイエティ（J. Opt. Soc.）、Vol. 24, No. 1, pp. 225-230、2007
【非特許文献３】菊田久雄、ほか４名、「リフラクティブ・インデクス・センサ・ウィズ・ア・ガイデッド-モード  リゾナント・グレーティング・フィルタ（Refractive index sensor with a guided-mode resonant grating filter）」、プロシーディングス・オブ・ＳＰＩＥ（Proc. SPIE）、Vol. 4416, pp. 219-222、2001
【非特許文献４】佐藤晃、「導波モード共鳴フィルターの屈折率依存特性」、第36回電磁界理論シンポジウム、平成１９年１０月１９日、電磁界理論研究専門委員会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、試料の屈折率の絶対値を容易に且つ高い精度で求めることができる、導波モード共鳴フィルタを利用した屈折率計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明に係る屈折率計は、
a)格子部材を周期的に配置してなる格子層を備え、導波路端面を有する導波モード共鳴フィルタと、
b)前記導波モード共鳴フィルタの前記格子層に被測定物が接触した状態で前記導波路端面から光を照射する光照射手段と、
c)前記光照射手段による光照射に対する前記導波モード共鳴フィルタからの出射光スペクトルを測定するスペクトル測定手段と、
d)前記スペクトル測定手段の測定結果に基づいて前記試料の屈折率を計算する演算手段と、
を備えることを特徴とする
【００１３】
前記導波モード共鳴フィルタは、格子層と導波層を積層した複層構造を有するように構成することができる。
また、前記導波モード共鳴フィルタの前記格子層が、屈折率の異なる第１格子と第２格子を周期的に交互に配置した単層構造を有し、導波層としても機能するように構成しても良い。
【００１４】
更に、前記光照射手段は、波長可変単色光源から放射された単色光を導波路端面に照射し、前記スペクトル測定手段は、前記波長可変単色光源から放射される単色光の波長を変化させたときの波長スペクトルを測定するように構成してもよい。
また、前記光照射手段は、白色光源から放射された白色光を導波路端面に照射し、前記スペクトル測定手段は出射光の波長スペクトルを測定するように構成することもできる。
【００１５】
又、本発明に係る屈折率計においては、出射光の観測を容易にするために出射光が投影されるスクリーンを設けると良い。この場合は、スクリーン上の明線近傍に検出器を移動させ、その後、微調節しながら検出器を走査させることで共鳴条件を測定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の屈折率計によれば、導波モード共鳴フィルタの格子層との間に界面を形成するように試料を配置することにより、試料の形状やサイズなどに依らずにその試料の複素屈折率の実部と虚部とを共に測定することができる。従って、測定対象の試料は、固相、液相、気相のいずれでも良い。また、導波モード共鳴フィルタに対して導波路端面から光を照射するようにしたので入射角度の機械的走査が不要となり、試料の屈折率の絶対値を容易に且つ高い精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る屈折率計に利用される典型的な導波モード共鳴格子の構造を説明するための概略断面図。
【図２】導波モード共鳴格子の一例の構造を決めるパラメータを示す図。
【図３】試料の屈折率を変化させたときの角度スペクトルの計算結果の一例を示す図。
【図４】従来の屈折率測定方法を説明するための図。
【図５】試料の屈折率を変化させたときの角度スペクトルの計算結果の一例を示す図。
【図６】本発明に係る屈折率計に用いられる屈折率測定方法を説明するための図。
【図７】本発明に係る屈折率計に用いられる他の屈折率測定方法を説明するための図。
【図８】本発明の一実施例である屈折率計の概略構成図。
【図９】本発明の他の実施例である屈折率計の一部の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法について説明する。一般的に、導波モード共鳴格子には幾つか形態がある。図１は、典型的な導波モード共鳴格子の構造を説明するための概略断面図である。これらは、比較的作製が容易なものである。
【００１９】
図１（ａ）に示す導波モード共鳴格子１Ａでは、平板状の基板２の上に所定の厚さの導波層３が形成され、さらにその上に、断面矩形状で紙面に直交する方向に延伸する格子４ａが周期的に配置された格子層４が形成されている。基板２の屈折率はｎs、導波層３と格子層４（格子４ａ）は同一材料であり、同じ屈折率ｎ1である。また、導波モード共鳴格子が光学フィルタや光スイッチとして利用される場合には、通常、格子層４の上方の空間は空気層であるが、ここでは、これを試料を配置する媒体層５とする。この媒体層５の屈折率はｎ0である。基板２上に誘電体材料の薄膜を形成し、その後、エッチングで導波層３を残存させるように格子４ａを形成することができる。
【００２０】
図１（ｂ）に示す導波モード共鳴格子１Ｂは、その基本的な構造は図１（ａ）と同じであるが、導波層３と格子層４とは異なる誘電体材料からなり、前者は屈折率がｎ2、後者は屈折率がｎ1である。基板２上に異なる誘電体材料の薄膜を二層積層し、上の層だけをエッチングすることで格子４ａを形成することができる。例えば格子層４をフォトレジスト材料とすることで、導波層３を浸食しないエッチング終了を容易に実現することができる。
【００２１】
図１（ｃ）に示す導波モード共鳴格子１Ｃは、格子自体が導波層を兼ねるものであり、互いに屈折率の相違する第１格子６ａと第２格子６ｂとが周期的に交互に配置された格子層６を基板２の上に形成してある。
【００２２】
なお、上記導波モード共鳴格子１Ａ、１Ｂ、１Ｃでは、上方側（つまり媒体層５）からでも下方側（つまり基板２）からでも相反的な光学特性を示すから、基板２と媒体層５とを入れ替えて上側を基板２、下側を媒体層５とすることもできる。
【００２３】
次に、上記のような導波モード共鳴格子１Ａ、１Ｂ、１Ｃを用いて試料の複素屈折率の測定が可能であることを、シミュレーション計算に基づいて説明する。ここでは、図１（ａ）に示した構造の導波モード共鳴格子１Ａを例に挙げて説明する。
【００２４】
この導波モード共鳴格子１Ａの構造を決めるパラメータを図２に示す。即ち、格子４ａの周期Λは３６０ｎｍ、格子４ａのデューティ比ｆは０．５、格子４ａの溝深さ（格子層４の厚さ）ｄ１は１０９．４ｎｍ、導波層３の厚さｄ２は９６．０ｎｍである。また、格子層４と導波層３の屈折率ｎ1は共に１．８（物質としては例えばメガネレンズ用ガラス［インターネット<http://www.ohara-inc.co.jp/jp/product/optical/opticalglass/data.html>など参照］などの高屈折率ガラスを想定）であり、基板２の屈折率ｎsは１．５２（物質としては例えばＢＫ７などの通常の光学ガラスを想定）である。ｎ０は試料の屈折率である。
【００２５】
ここで、試料で満たされる媒体層５の屈折率ｎ0を１．７２と１．７２±０．０００１(n=1.7199,n=1.7200,n=1.7201)としたときにおける、波長５００ｎｍのＴＥ偏光を入射光とする角度スペクトルを図３に示す。このときの測定光学系は、図４に示すような、いわゆるθ−２θ光学系を用いるのが一般的であり、導波モード共鳴格子１に対する光源１０と検出器１３の位置を機械的に走査することで鏡面反射のスペクトルを得ることができる。
【００２６】
即ち、光源１０から放出された所定の波長範囲の成分を含む測定光１１は、導波層３及び格子層４を挟んで試料Ｓとは反対側の基板２の一面（図中の下面）に所定の入射角で入射される。このときの導波モード共鳴格子１からの反射光が検出器１３により検出され、反射光の光量に応じた検出信号が取り出される。測定光１１の入射角θは所定角度範囲で走査され、これと連動して、検出器１３に入射する反射光１２の出射角も入射角と同一になるように検出器１３の位置も移動される。例えば、入射角をθ→θ＋Δθに変化させるように光源１０の位置を符号１０’の位置に移動させたとき、検出器１３の位置も符号１３’の位置に移動される。光源１０と検出器１３とは、周知のゴニオメータなどを利用して同期して移動させればよい。
【００２７】
図３に示すように、媒体層５の屈折率ｎ0の値によって共鳴ピークを与える入射角が異なるので、その角度を測定することで媒体層５の複素屈折率の実部を知ることができる。また、共鳴ピークの強度により複素屈折率の虚部を知ることができる。
このとき、例えば屈折率を1/10000の精度で測定するためには、入射角と出射角とを等しく且つ約1/1000°の精度の入射・出射角走査で光源１０及び検出器１３を移動させる必要がある。即ち、屈折率が1/10000ずれると共鳴入射角度が4/1000°ずれる。このずれをずれとして検出するためには、入射角及び反射角（観測角）が4/1000°の角度分解能を持ち、かつ入射角が反射角（観測角）が同一の値にならしめる角度走査機械系が必要となる。また、屈折率が1/10000異なる場合の反射スペクトルが分離できるように反射スペクトルの半値幅が4/1000°以下であることが要件となる。このような条件を同時に満足させることは無理ではないが、非常に手間がかかる。そこで、本実施例では、図５や図６に示すような測定光学系により、容易に、且つ高い精度で屈折率を測定できるようにしている。図５は単色光源１０１から放射された光を導波モード共鳴格子１に入射させる場合の構成であり、図６は白色光源１０２から放射された光を導波モード共鳴格子１に入射させる場合の構成である。
【００２８】
本実施例は、導波路端面から導波層３に光源１０からの光を直接入射結合させても、図３と同様の角度スペクトルが得られθ−２θ光学系と等価な結果が得られることに着目して成されたものである。この場合、導波路端面に微細構造や薄膜蒸着による反射防止構造を付与することで、入射光と導波層３の結合効率を上げることができる。
【００２９】
図５に示すように、単色光源１０１から放出された所定波長の測定光１１（平行ビーム）はシリンドリカルレンズ１５で導波層３の端面サイズ、即ち導波モード（横モード）の広がり程度にまで絞られ、導波層３の端面から当該導波層３に直接入射し結合する。このとき、測定光はシリンドリカルレンズ１５によって導波層３の導波モードに整合するような強度分布に整形されている。尚、単色光源１０１としては、波長可変レーザや、光源からの光を分光器で波長分散して所定波長域の光を出力光学系を通して出力するように構成された波長可変単色光源を用いることができる。
【００３０】
導波層３の端面から導入された光は固有の伝播モードを保持しながら進行し、回折格子４aと結合した後、導波層３のうち格子層４とは反対側の面から出射する。この出射光１６が検出器１３により検出され、出射光１６の光量に応じた検出信号が取り出される。このとき、試料の屈折率に応じて出射角θが変化するから、出射角毎に出射光の強度スペクトルを得ることにより、試料の屈折率に依存したスペクトル情報（角度スペクトル）が得られる。例えば試料の屈折率がn→ｎ＋Δｎθに変化すると、出射角がθ→Δθに変化するため、これに応じて検出器１３の位置が１３’の位置に移動される。
【００３１】
一方、図６では、上述した単色光源の場合と同様に、白色光源１０２から放出された光はシリンドリカルレンズ１５で導波層３の端面サイズ、即ち導波モード（横モード）の広がり程度にまで絞られ、導波層３の端面から当該導波層３に直接入射する。このとき、測定光１１はシリンドリカルレンズ１５によって導波層３の導波モードに整合するような強度分布に整形される。
導波層３には安定に伝播できる連続した波長帯域が存在するため、その波長帯域を含む白色光が導波層３に入射すると、それぞれの波長は固有の伝播モード（位相速度と強度分布）を保持しながら進行する。そのうち、格子層４と結合できる波長帯域の光は波長毎に所定の異なる出射角で出射するので、これら出射光を検出器１３で分光測定することにより試料の屈折率に依存するスペクトル情報（波長スペクトル、角度スペクトル）が得られる。なお、上述のようなスペクトル情報を得るために、フォトダイオードアレイ検出器やCCDアレイのような多波長同時検出型の検出器を用いると、格子層４と結合放射された所定波長範囲の光を一斉に検出できる。
【００３２】
ここで、屈折率ｎが１．４２６，１．４８８，１．４５７，１．５００，１．５５３，１．５５５，１．５６０の各試料について、出射光波長とその共鳴角度との関係をシミュレーション計算によって求めた結果をプロットした結果を図７に示す。図７に示すように、試料の屈折率によって共鳴角度の波長依存性が異なる。従って、所定の波長帯域の共鳴角度を測定することで、試料の屈折率を推算できることは明らかである。
【００３３】
続いて、上述したような測定手法を利用した本発明に係る屈折率計の一実施例を図８により説明する。ここでは、図５に示した単色光源１０１を用いた場合を例に挙げて説明するが、白色光源の場合も、検出器１３の駆動機構が不要となる以外の基本的な構成は同じである。また、導波モード共鳴フィルタ５０は、図１（ａ）に示した導波モード共鳴格子１と同じ構造のものであり、格子層４を覆い、隣接する格子４ａの間の空間にまで侵入するように試料Ｓが設けられている。この場合、試料Ｓは液体又は気体である。
【００３４】
図８において、モータを含む駆動部２０は制御部３０による制御の下に検出器１３を移動させる。また、制御部３０は光源１０から放射される測定光１１が所定波長となるように制御する。検出器１３の検出信号を受けて処理するデータ処理部２１は、スペクトル算出部２２、ピーク抽出部２３、及び屈折率算出部２４を含む。スペクトル算出部２２は駆動部２０により検出器１３が移動されるに従い順次入力される検出信号に基づいて、横軸が波長、縦軸が反射率又は回折効率などである波長スペクトルを作成する。ピーク抽出部２３は波長スペクトルに対しピーク検出を実行し、ピークトップを見つけ、ピークトップに対応する波長又は出射角、つまり共鳴波長又は共鳴出射角を算出する。そして、屈折率算出部２４は、共鳴波長又は共鳴入射角、ピーク強度から複素屈折率の実部及び虚部の値を算出し、出力部２５に出力する。
【００３５】
図８に示した屈折率計において、図９に示すように、出射光を受光するスクリーン４０を配置し、このスクリーン４０上に出射光を投影させるようにしても良い。そうすれば、スクリーン上に投影された出射光の強度分布Ｐから明線の位置を視覚的に認識することができ、検出器１３の位置合わせを容易に行うことができる。
また、導波モード共鳴フィルタ５０への試料Ｓの供給や測定後の洗浄などを自動的に行う手段を設けることができる。これにより、ユーザは自動的に試料の屈折率を出力部から得ることができる。
【００３６】
さらに、上記実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正、又は追加を行っても、本発明に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００３７】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…導波モード共鳴格子
２…基板
３…導波層
４，６…格子層
４ａ、６ａ、６ｂ…格子
５…媒体層（試料）
１０…光源
１０１…単色光源
１０２…白色光源
１１…測定光
１２…反射光
１３…検出器
１５…シリンドリカルレンズ
１６…出射光
２０…駆動部
２１…データ処理部
２２…スペクトル算出部
２３…ピーク抽出部
２４…屈折率算出部
３０…制御部
４０…スクリーン
５０…導波モード共鳴フィルタ
Ｓ…試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図７】
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