(57)【要約】【課題】表面電位測定装置において、微小値まで感度高く測定する。【解決手段】レーザ光１６を発する光源１５と、ＴｉＯ２（屈折率ｎ＝２．７）からなる透明誘電体ブロック１１上に、金属薄膜１２および被測定物１４と接触させられたＬｉＮｂＯ３（屈折率ｎ＝２．２９）からなる電気光学効果を有する膜１３がこの順に設けられてなる測定部１０と、発散光状態で発せられたレーザ光１６を、透明誘電体ブロック１１の一面から、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面に種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系１７と、ブロック１１と金属薄膜１２との界面で全反射した反射光を平行光化するコリメータレンズ１８と、該反射光を検出する光検出手段としてのフォトダイオードアレイ１９と、フォトダイオードアレイ１９の検出結果からＥＯ膜１３の屈折率変化量を求め、該屈折率変化量から被測定物１４の表面電位を求める信号処理部２０とから構成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
薄膜層、および被測定物と接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に、該電気光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、
前記光源からの光を、前記誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、前記誘電体ブロック側から該界面に入射させる入射光学系と、
前記誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した光の強度を検出する光検出手段と、
該光検出手段によって得られた前記全反射した光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、前記被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなることを特徴とする表面電位測定装置。
【請求項２】
光源と、
表面に回折格子が設けられた前記光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、
光源からの光を、前記回折格子に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射した光の強度を検出する光検出手段と、
該光検出手段により得られた前記反射した光の強度変化に基づいて、前記被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなることを特徴とする表面電位測定装置。
【請求項３】
前記電気光学効果を有する膜が、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＫＨ２ＰＯ４またはＺｎＯからなることを特徴とする請求項１または２記載の表面電位測定装置。
【請求項４】
前記電気光学効果を有する膜と前記被測定物との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１、２または３記載の表面電位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の表面電位を測定する表面電位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式による画像形成は、光半導体層と導電性支持層とを有する電子写真感光体を用い、この感光体の光半導体層をコロナ帯電等により一様に帯電した後、光ビーム走査や原稿からの反射光によって画像露光を行って光半導体層上の露光部分の帯電電荷を逃がして電子写真潜像（以下、静電潜像と記載する）を形成し、この静電潜像とは逆極性に帯電したトナーを接触させて潜像を可視像に変換することにより得ることができる。
【０００３】
このような電子写真方式による画像形成においては、静電潜像の状態、すなわち感光体の表面電位を知ることは感光体及び画像形成プロセスの評価等を行う上で重要である。
【０００４】
近年、表面電位を測定する方法として、電子ビームを用いた方法や、電気光学効果を有する結晶を利用して表面電位を測定する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記文献１に記載の電気光学効果を利用した表面電位計測装置は、ＬｉＮｂＯ３基板上面に形成されたプロトン交換光導波路とＳｉＯ２膜からなるバッファ層と、被測定物に電気的に接触した電極と備え、被測定物の表面電荷に応じた電圧がプローブを通じて電極に印加されると、電気光学効果を有する膜の屈折率が変化し、導波路内を導波する入射光は、光導波路内を導波する方向が印加前と変化する。基板から射出された光を光電変換素子により電圧に変換して表面電位を求めるものである。
【０００６】
一方、金属中で自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じることが知られており、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは表面プラズモンと呼ばれ、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料の物性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特によく知られているものとして、Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばブロック状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属薄膜と、光を発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射条件となり、かつ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００８】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属薄膜に対して臨界角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属薄膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属薄膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射した光の強度が鋭く減衰する。この光強度の減衰は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。したがって、この全反射減衰が生じる入射角である全反射減衰角θＳＰより表面プラズモンの波数が分かる。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。従って、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００９】
表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍ  とεｓ  をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【００１０】
【数１】
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試料の誘電率εｓ  が分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料の屈折率が分かるので、結局、上記全反射減衰が生じる全反射減衰角θＳＰを知ることにより、試料の屈折率あるいは屈折率に関連する特性を分析することができる。
【００１１】
また、エバネッセント波を利用した類似のセンサーとして、漏洩モードセンサも知られている（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。
【００１２】
なお、エバネッセント波を利用したセンサにおいて、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、試料の特性を分析する方法としては種々の方法があり、例えば、前述したように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰により発生した暗線の位置（全反射減衰角θＳＰ）を検出することにより全反射減衰の状態を測定して、試料の特性を分析する方法、あるいは、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰波長λＳＰを検出することにより試料の特性を分析する方法を挙げることができる（例えば非特許文献２参照）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−２５８３６８号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平６−１６７４４３号公報
【００１５】
【非特許文献１】
「分光研究」第４７巻  第１号（１９９８）第２１〜２３頁および第２６〜２７頁
【００１６】
【非特許文献２】
Ｄ．Ｖ．Ｎｏｏｒｔ，Ｋ．Ｊｏｈａｎｓｅｎ，Ｃ．Ｆ．Ｍａｎｄｅｎｉｕｓ，  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｇｏｌｄ  ｉｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，  ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ  ＸＩＩＩ，  １９９９，  ｐｐ．５８５−５８８
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の表面電位測定方法において、電子ビームを用いた方法では、表面電荷を破壊してしまうという問題があり、また、電気光学結晶を用いた非接触な測定方法では、微小な表面電位を測定する場合、被測定物にプローブを近づけたときの被測定物近傍の電界による電気光学効果は非常に僅かであるため、Ｓ／Ｎ比が悪く、表面電位を高感度で測定することが困難である。
【００１８】
また、化学分析用として用いられる表面電位測定装置においては、微小な電位を測定することが要求される。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みて、微小な表面電位まで、高感度および高精度で測定することを可能とする表面電位測定装置を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の表面電位測定装置は、光源と、薄膜層、および被測定物と接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に、該電気光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、誘電体ブロック側から該界面に入射させる入射光学系と、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段によって得られた全反射した光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第２の表面電位測定装置は、光源と、表面に回折格子が設けられた前記光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面付近に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、回折格子で反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段により得られた反射した光の強度変化に基づいて、被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなるものである。
【００２２】
電気光学効果を有する膜は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＫＨ２ＰＯ４またはＺｎＯからなることが望ましい。
【００２３】
また、電気光学効果を有する膜と被測定物との間に絶縁膜が設けられていることが望ましい。
【００２４】
なお、上記「被測定物の表面電位」には、表面電位の絶対値、相対値およびそれらの電位分布を含む。
【００２５】
また、上記測定装置において、上記薄膜層をクラッド層と、クラッド層より屈折率の高い光導波層とから構成し、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して表面電位を測定するように構成されたものとしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の第１の表面電位測定装置は、電気光学効果を有する膜の電界によって屈折率が変化するという特性を利用するものであって、被測定物の表面電荷によって変化する電気光学効果を有する膜の屈折率変化を、誘電体ブロックと薄膜層との界面から進入したエバネッセント光による全反射減衰状態から検知することにより、膜に接触されている被測定物の表面電位を求めるものである。エバネッセント光による全反射減衰を利用したセンサは微小な屈折率変化を容易に測定することが可能であることから、電気光学効果を有する膜の微小な屈折率変化を高感度で検知するので被測定物の微小な表面電位を高感度で測定することが可能である。
【００２７】
また、従来技術のように、被測定物と非接触で測定するのではなく、被測定物に電気光学効果を有する膜を接触させて測定するため、感度高く高精度で表面電位を測定することが可能である。
【００２８】
また、本発明の第２の表面電位測定装置は、被測定物の表面電荷によって変化する電気光学効果を有する膜の屈折率変化を、表面プラズモンあるいは導波モードと、回折格子によって生じた回折波（エバネッセント光）との共鳴による反射光の光強度減衰から検知することにより被測定物の表面電位を求めるものであり、上記本発明の第１の表面電位測定装置と同様に微小な表面電位を測定することができる。
【００２９】
電気光学効果を有する膜に、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＫＨ２ＰＯ４またはＺｎＯを用いた場合は、電気光学効果が大きいため高感度に表面電位を測定することが可能である。
【００３０】
電気光学効果を有する膜と被測定物との間に絶縁膜を設けた場合は、被測定物と電気光学効果を有する膜との絶縁性を高めることができ、より高感度に表面電位を測定することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３２】
本発明の第１の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面形状を図１に示す。
【００３３】
本実施形態による表面電位測定装置は、図１に示すように、光ビーム１６を発生させる例えば半導体レーザ素子からなる光源１５と、例えばＴｉＯ２（屈折率ｎ＝２．７）からなる、三角柱の一部が切り取られた形状の光ビーム１６を透過させる誘電体ブロック１１上に、例えば金、銀、銅、あるいはアルミニウム等からなる金属薄膜１２および被測定物１４と接触させられた例えばＬｉＮｂＯ３（屈折率ｎ＝２．２９）からなる電気光学効果を有する膜１３（以下、ＥＯ膜と記載する）がこの順に設けられてなる測定部１０と、発散光状態で発せられた光ビーム１６を、誘電体ブロック１１の一面から、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系１７と、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面で全反射し発散光の状態で誘電体ブロック１１の他の一面から出射された光ビーム１６を平行光化するコリメータレンズ１８と、該平行光化された光を検出する光検出手段としてのフォトダイオードアレイ１９と、フォトダイオードアレイ１９によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物１４の表面電位を求める信号処理部２０と、信号処理部２０により求められた表面電位を表示する表示部２１とからなるものである。
【００３４】
光ビーム１６は、上述のように誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで集光されるので、種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角は、界面１１ａに対して全反射以上の角度とされる。光ビーム１６は、界面で全反射し、この全反射した光ビームには種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００３５】
なお、光ビーム１６は、界面に対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予め、レーザ光の向きをその偏光方向になるように配置すればよい。その他、波長板や偏光板で光１６の偏光の向きを制御してもよい。
【００３６】
誘電体ブロック１１は、金属薄膜１２が形成される検出面と、光源からの光が入射される入射面と、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで全反射した光ビーム１６を出力する出射面とを有する。
【００３７】
入射光学系１７は、光源から発散光状態で発せられた光ビーム１６を平行光化するコリメータレンズ１７ａと、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面に収束させる集光レンズ１７ｂとからなる。
【００３８】
被測定物１４は、画像形成装置における感光体などの帯電体からなるものであり、金属薄膜１２と短絡させられてグランドレベルに接地されている。
【００３９】
また、ＥＯ膜１３は、電界によって屈折率が変化する方向が金属薄膜１２に垂直な方向になるように設けられている。本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ３の結晶軸方向が金属薄膜１２と垂直な方向になるように設けられている。
【００４０】
ＥＯ膜１３の厚さは、薄い方が電界強度が強く屈折率変化が増すため、より高感度に表面電位を測定することができるが、全反射によって生じるエバネッセント光の浸み出し深さ（数１００ｎｍ）よりは厚くすることが望ましい。
【００４１】
次に、上記構成からなる表面電位測定装置の動作について説明する。
【００４２】
光源１５から発せられた光ビーム１６は、入射光学系１７の作用により、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで収束するように、誘電体ブロック１１の一面から入射されて、該ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに臨界角以上の角度で入射する。
【００４３】
この際、光ビーム１６は、界面１１ａに対して種々の入射角で入射する成分を含むことになる。なお、界面１１ａに入射した光１６はそこで全反射し、全反射した光ビーム１６は誘電体ブロック１１から出射し、コリメータレンズ１８によって平行光化され、フォトダイオードアレイ１９により光強度が検出される。フォトダイオードアレイ１９は複数のフォトダイオードが一列に並設されてなり、図１の面内において、光の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。従って、上記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの各成分をそれぞれ異なるフォトダイオードが受光することになる。
【００４４】
界面１１ａで光ビーム１６が全反射するとき、誘電体ブロック１１から金属薄膜１２側にエバネッセント光が浸み出す。そして、光ビーム１６が界面１１ａに対してある特定の入射角θｓｐで入射した場合は、このエバネッセント波は金属薄膜１２とＥＯ膜１３との界面で表面プラズモンを励起するのに利用されるため、この角度の光については反射光強度が鋭く低下する。この時の全反射角が全反射減衰角θｓｐであり、角度θｓｐにおいて、反射光強度は最小値をとる。
【００４５】
信号処理部２０は、フォトダイオードアレイ１９から得られた全反射減衰による光強度変化に基づいて被測定物の表面電位を求める。
【００４６】
図２（ａ）に示すように、被測定物が載置されていないＥＯ膜の屈折率ｎ０（基準屈折率ｎ０）を、ダイオードアレイにより得られた全反射減衰角θｓｐから求める。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＥＯ膜１３上に、被測定物１４の帯電した面をＥＯ膜１３と接するようにＥＯ膜１３上に載置し、被測定物１４と金属薄膜１２とを短絡させてグランドレベルとする。このとき、被測定物１４の表面電位によってＥＯ膜１３に電界２８が生じるため、ＥＯ膜１３の屈折率が変化する。変化後のＥＯ膜１３の屈折率ｎ１をダイオードアレイにより得られた全反射減衰角θｓｐから求める。
【００４８】
被測定物１４の載置前と載置後の屈折率からＥＯ膜１３の屈折率変化量Δｎ（ｎ１−ｎ０）を求め、該屈折率変化量ΔｎからＥＯ膜１３に生じる電界強度Ｅを算出する。
【００４９】
ＬｉＮｂＯ３からなるＥＯ膜１３において、屈折率変化量Δｎと電界との関係は次式で表される。
Δｎ＝−（ｎ０３／２）・γ３３・Ｅ
なお、式中、ｎ０はＬｉＮｂＯ３の変化前の基準屈折率、γ３３は電気光学定数｛（γ３３＝３２×１０−１２（ｍ／Ｖ）｝、Ｅは電界強度（Ｖ／ｍ）を示す。
【００５０】
よって、屈折率変化量ΔｎからＥＯ膜１３に生じる電界強度を求めることができ、事前にＥＯ膜１３の正確な膜厚ｄｅを測定しておけば、得られた電界強度Ｅから被測定物１４の表面電位を求めることができる。
【００５１】
例えば、屈折率変化量Δｎが１．９２×１０−４であれば、上記式から、生じた電界強度は１０６（Ｖ／ｍ）となる。本実施形態では、基準電位を０Ｖとしているため、ＬｉＮｂＯ３膜の厚さが１μｍのとき、表面電位は１（Ｖ）と求めることができる。
【００５２】
被測定物を載置する前に基準屈折率を測定しておくことで、より正確に屈折率変化を測定することができる。また基準電位を０（Ｖ）と設定しておくことにより、被測定物の表面電位の絶対値を容易に求めることができる。
【００５３】
本実施形態では、信号処理部２０において、被測定物１４をＥＯ膜１３上に載置する前と後との屈折率を求めてから屈折率変化量Δｎを求めるようにした場合について説明したが、屈折率変化量Δｎを表面プラズモンの共鳴状態の変化、すなわち全反射減衰状態の変化から直接求め、表面電位を求めるようにしてもよい。
【００５４】
表面プラズモンの共鳴特性は急峻であり、屈折率変化量Δｎが１．９２×１０−４程度の屈折率変化は容易に検出することが可能である。このように、本発明によれば、従来の非接触の表面電位測定方法と比較して、より微小な表面電位を高い精度で容易に測定することが可能である。
【００５５】
なお、ＥＯ膜１３は、ゾルゲル法、例えば、特許第３１８８６１５号公報に記載のように、ＬｉＯ３Ｅｔ（リチウムエトキシド）とＮｂ（ＯＥｔ）５（ニオブエトキシド）を無水エタノール中に混合し、ＬｉＮｂ（ＯＥｔ）６（リチウム・ニオブ複合アルコキシド溶液）を調製し、加水分解した前駆体溶液を金属膜状に塗布してゲル薄膜を形成し、これを加熱することにより、形成可能である。
【００５６】
また、入射光を界面１１ａで２次元的に走査させることにより、被測定物の表面電位分布を得ることが可能である。
【００５７】
また、図３に示すように、ＥＯ膜１３と被測定物１４との間に、絶縁性を高めてより精度高い表面電位の測定を可能とするため、酸化膜や窒化膜等の無機誘電体膜あるいは有機誘電体膜等の絶縁膜２３を設けることが望ましい。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図４に示す。本実施の形態による装置は、入射光として単色光を平行光化して界面に入射させる構成とした点が上記第１の実施形態と異なる。上記第１の実施形態と同要素には同符号を付し、その説明を省略する（以下、同様）。
【００５９】
本実施形態の表面電位測定装置は、図４に示すように、レーザ光１６を発する半導体レーザ素子からなる光源１５と、測定部１０と、発散光状態で発せられたレーザ光１６を平行光化し、誘電体ブロック１１の一面から、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに全反射以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ２７と、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで全反射し、平行光の状態でブロック１１の他の一面から出射された光を２次元に検出する光検出手段としてのＣＣＤエリアセンサ２９と、ＣＣＤエリアセンサ２９よって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物１４の表面電位を求める信号処理部２０と、信号処理部２０により求められた表面電位を表示する表示部２１とからなるものである。また、光源１５は、図示されない回転機構を備え、これにより光源１５は回転させられ入射角度を変化させることが可能となっている。また、ＣＣＤエリアセンサ２９は図示されない回転機構を備え、前記入射されるレーザ光１６の角度変化による反射光の角度変化に対応して、位置を変化させることが可能となっている。
【００６０】
本実施形態の装置は、入射光１６を、ある一定の断面積のある平行光とし、界面１１ａからの反射光の断面積の光強度分布を、２次元的に検出可能なＣＣＤエリアセンサにより検出し、反射光の全反射減衰状態に基づいて被測定物の表面電位分布を得ることができる。この場合、基準屈折率および基準電位を設定しておくことにより絶対値の表面電位分布を得ることも可能であるが、相対値で得ることも可能である。
【００６１】
図５に示すように、異なる方向の電界４８ａおよび４８ｂを有する被測定物１４の表面電位分布を測定することも可能である。
【００６２】
上記「ある一定の断面積」とは、界面での所望の領域に対して一度に光を入射させるために必要な断面積である。
【００６３】
大面積の被測定物の表面電位を測定する場合は、本実施形態において、さらにレーザ光を界面１１ａで２次元走査することにより表面電位分布を得ることができる。
【００６４】
なお、入射光を平行光とした場合、誘電体ブロックの界面に垂直な方向と垂直方向とで非対称な光学系となるため、全反射光による像に歪が生じる。これを補正するための歪補償用光学系を設けることが望ましい。
【００６５】
次に、本発明の第３の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図６に示す。本実施形態の装置は、光源に白色光源を用い、白色光を平行化して入射光とした点が上記第１の実施の形態と異なる。
【００６６】
本実施形態の装置は、図６に示すように、発散光状態で白色光３６を発する白熱球からなる光源３５と、測定部１０と、白色光３６を平行光化し、誘電体ブロック１１の一面から、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに臨界角以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ３７と、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで全反射し平行光状態で誘電体ブロック１１の他の一面から出射された平行光を、波長に応じて異なる角度に回折させる回折格子３８と、回折光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズ３９と、集光レンズ３９の集光位置に設置され、回折光からの特定の波長だけを抜き出すスリット４０と、スリット４０を透過した各波長の光を２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ４１と、回折格子の角度を掃引して検出波長を変化させるか、あるいは分光される各波長の集光位置にスリットの位置を移動させる制御部４２と、ＣＣＤエリアセンサ４１によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物１４の表面電位を求める信号処理部２０と、信号処理部２０により求められた表面電位を表示する表示部２１とからなるものである。また、回折格子３８には、制御部４２によって制御される、光の波長を連続的または離散的に掃引するための回転機構が設けられている。
【００６７】
光源３５から発せられた白色光３６は、コリメータレンズ３７の作用により、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに臨界角以上の角度で入射する。界面１１ａに入射した平行白色光は界面１１ａで全反射し、全反射した光３６は誘電体ブロック１１から出射し、回折格子３８により各波長に分光され、スリット４０を透過した特定の波長のみがＣＣＤエリアセンサ４１により各波長での光強度が検出される。検出結果から全反射減衰が生じる波長（全反射減衰波長λｓｐ）を特定することにより、被測定物の表面電位を求めることができる。
【００６８】
各波長における全反射減衰状態の検出は、スリット位置を固定して回折格子を回転させて行ってもよいし、回折格子を固定してスリットを移動させて行ってもよい。
【００６９】
なお、本実施形態では、測定装置の簡略化のため誘電体ブロック１１の出射側で白色光を分光しているが、入射側で分光して誘電体ブロック１１に入射させてもよい。
【００７０】
また、光源３５としては、白熱球の代わりに水銀ランプであってもよい。
【００７１】
次に、本発明の第４の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図７に示す。
【００７２】
本実施形態の装置は、図７に示すように、レーザ光１５を発する半導体レーザからなる光源１６と、厚さが均一な、例えばＴｉＯ２からなる基板５１上の一方の面５１ａ上に、金属薄膜５２および被測定物５４と接触させられたＥＯ膜５３をこの順に備えてなる測定部５０と、レーザ光１６を基板５１に入射させる入射光学系２７と、基板５１の前記一方の面５１ａと対向する他方の面５１ｂの一部の領域に形成された、前記レーザ光１６を基板５１と金属薄膜５２との界面５１ａで臨界角以上の角度で入射させる光入射手段としての回折格子５１ｃと、前記界面で全反射した光を、基板外に出射させる、前記他方の面５１ｂの前記一部と異なる他の領域に形成された光出射手段である回折格子５１ｄと、回折格子５１ｄから出射されたレーザ光の強度を検出する光検出手段であるＣＣＤエリアセンサ２９とを備えるものである。入射光学系２７は、レーザ光１６を平行光化するコリメータレンズと、種々の角度で回折格子５１ｃに入射させる不図示のゴニオメータとからなる。
【００７３】
基板５１に対して入射させられたレーザ光１６は、回折格子５１ｃにより、臨界角以上の角度で基板５１と金属薄膜５２との界面５１ａに入射する。界面５１ａで全反射した反射光は、回折格子５１ｄにより、基板５１外に出射される。上記実施形態と同様に反射光の全反射減衰の状態から被測定物５４の表面電位分布を求めることができる。
【００７４】
なお、回折格子５１ｃおよび５１ｄは、基板５１に直接形成することにより得ることができる。
【００７５】
次に、本発明の第５の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略構成図を図８に示す。
【００７６】
上記実施形態は表面プラズモンセンサを利用した装置であるが、本実施形態の表面電位測定装置は、漏洩モードセンサを利用したものである。
【００７７】
本実施形態の測定部は、ＴｉＯ２からなる誘電体ブロック１１の上に、クラッド層６２、光導波層６３および被測定物６５に接触させられたＥＯ膜６４をこの順に備えてなるものである。
【００７８】
誘電体ブロック１１は、ＥＯ膜６５より屈折率の高いＴｉＯ２からなり、クラッド層６２は、誘電体ブロック１１よりも低屈折率の金属、例えば金や、誘電体に例えば石英を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層６３は、クラッド層６２よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いて薄膜状に形成されている。クラッド層６２の膜厚は、金の場合で３６．５ｎｍ、光導波層６３の膜厚は、ＰＭＭＡで形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００７９】
光源１５から出射した光１６を、誘電体ブロック１１を通してクラッド層６２に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光が誘電体ブロック１１とクラッド層６２との界面１１ａで全反射するが、クラッド層６２を透過して光導波層６３に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層６３を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層６３に取り込まれるので、上記界面１１ａで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００８０】
光導波層６３における導波光の波数は、該光導波層６３上のＥＯ膜６４の屈折率に依存するので、全反射減衰状態から被測定物６５の表面電位を測定することができる。
【００８１】
本実施形態の漏洩モードを利用した表面電位測定装置は、上記の表面プラズモン励起を利用した表面電位測定装置と比較して略同等の感度で表面電位を測定することが可能である。
【００８２】
次に、本発明の第６の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図９に示す。
【００８３】
本実施形態による装置は、図９に示すように、光ビーム１５を発生させる半導体レーザ素子からなる光源１５と、表面７１ａに凹凸状の回折格子７５が設けられた透明誘電体ブロック７１上に金属薄膜７２、および被測定物７４に接触させられたＬｉＮｂＯ３からなるＥＯ膜７３をこの順に設けられてなる測定部７０と、光ビーム１６を平行光化して、回折格子７５に誘電体ブロック７１側から入射させるコリメータレンズからなる入射光学系２７と、回折格子７５により回折し、誘電体ブロック７１外に出射された反射光の光強度を検出する光検出手段２９と、光検出手段２９により得られた光強度変化に基づいて、表面電位を求める信号処理部２０と表面電位を表示する表示部２１とからなるものである。
【００８４】
誘電体ブロック７１の一面から回折格子７５が形成された界面７１ａに入射した光は、回折格子７５の効果で回折波（エバネッセント光）を発生させる。回折格子７５の凹凸差は通常数十ｎｍ程度が好ましく、ピッチは１μｍ前後が好ましい。
【００８５】
回折波の波数ｋは、回折格子７５の凹凸のピッチをＬ、光ビーム２６の波長をλ、入射角をθ、基板の屈折率をｎとすると、以下の式で表される。
ｋ＝ｓｉｎθ・２πｎ／λ±Ｎ２π／Ｌ（Ｎ：整数）
この回折波の波数ｋのいずれかが、金属薄膜７２とＥＯ膜７３との界面に形成される表面プラズモンモードの波数ｋｓｐに一致すると、表面プラズモン共鳴が起こる。表面プラズモン共鳴が起こると、反射光が減衰する。全反射型の表面プラズモン共鳴を利用した場合と同様に、共鳴の起こる角度から表面電位を求めることができる。
【００８６】
誘電体ブロック７１は、全反射を起こすようなＴｉＯ２のような高い屈折率を有する材料を用いる必要がなく、例えば、透明な合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いることが可能である。
【００８７】
本実施形態においても、上記第５の実施形態の漏洩モードを応用してもよい。
【００８８】
実施形態においては、ＥＯ膜として、ＬｉＮｂＯ３を例に説明したが、ＬｉＴａＯ３（屈折率２．１８）、ＢａＴｉＯ３、ＫＨ２ＰＯ４またはＺｎＯであってもよい。また、電気光学効果を有する膜としては、屈折率変化が電界強度に比例するポッケルス効果のある材料、あるいは屈折率変化が電界強度の２乗に比例するカー効果を有する材料のいずれであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図２】表面電位測定方法を示す測定部の断面図
【図３】金属薄膜上に絶縁膜を設けた測定部の断面図
【図４】本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図５】本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置に用いる測定部の断面図
【図６】本発明の第３の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図７】本発明の第４の実施形態による、回折格子を用いた表面電位測定装置を示す概略構成図
【図８】本発明の第５の実施形態による、漏洩モードセンサを利用した表面電位測定装置を示す概略構成図
【図９】本発明の第６の実施形態による、回折格子を用いた表面電位測定装置を示す概略構成図
【符号の説明】
１１    誘電体ブロック
１２    金属薄膜
１３    電気光学効果を有する膜
１４    被測定物
１５    光源
１６    レーザ光
１７    入射光学系
１８    コリメータレンズ
１９    フォトダイオードアレイ
２０    信号処理部
２１    表示部
【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７】
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【図８】
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【図９】
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