(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射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スペクトル測定手段と、を具備し、該スペクトル測定手段の測定結果による共鳴入射角度又は共鳴波長に基づいて被測定物の屈折率を計算する屈折率測定装置を用いた屈折率測定方法であって、
a)異なる既知の屈折率を有する複数の基準液を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長をそれぞれ測定し、各屈折率に対する共鳴入射角度又は共鳴波長を把握する基準液測定ステップと、
b)該基準液測定ステップで得られた屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との離散的な関係に基づいて校正曲線を作成する校正曲線作成ステップと、
c)未知試料を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長を測定し、前記校正曲線を参照して、その測定結果から未知試料の屈折率を求める試料測定ステップと、
を実行することを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項２】
格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射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スペクトル測定手段と、を具備し、該スペクトル測定手段の測定結果による共鳴入射角度又は共鳴波長に基づいて被測定物の屈折率を計算する屈折率測定装置を用いた屈折率測定方法であって、
a)既知の屈折率を有する基準液を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長を測定し、少なくとも１つの屈折率に対する共鳴入射角度又は共鳴波長を把握する基準液測定ステップと、
b)前記導波モード共鳴格子の設計上の理論値に基づいて計算される屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係を示す分散曲線カーブを、前記基準液測定ステップで得られた屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係に基づいて修正することで校正曲線を取得する校正曲線取得ステップと、
c)未知試料を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長を測定し、前記校正曲線を参照して、その測定結果から未知試料の屈折率を求める試料測定ステップと、
を実行することを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の屈折率測定方法であって、同一の導波モード共鳴格子を用いて基準液の測定と未知試料の測定とを時分割で行うことを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の屈折率測定方法であって、同一の導波モード共鳴格子の異なる部位を用いて、基準液の測定と未知試料の測定とを同時並行的に行うことを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の屈折率測定方法であって、前記基準液として屈折率の異なる複数の基準液を使用し、前記複数の基準液は、導波モード共鳴格子上の隔壁によって隔てられた複数の収容部位にそれぞれ収容することを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の屈折率測定方法であって、前記基準液は屈折率が制御された市販の屈折液であることを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の屈折率測定方法であって、基準液及び未知試料の測定時に同時にそれぞれの温度を測定し、その温度の相違及び基準液の温度特性とに基づいて、未知試料の屈折率を補正することを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法。
【請求項８】
a)格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、
b)該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、
c)該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射光の波長を変化させたときの波長スペクトルを測定し、共鳴ピークを与える共鳴入射角度又は共鳴波長を求めるスペクトル測定手段と、
d)異なる既知の屈折率を有する複数の基準液を被測定物として、前記スペクトル測定手段によりそれぞれ測定された共鳴入射角度又は共鳴波長と屈折率との離散的な関係に基づいて、校正曲線を作成する校正曲線作成手段と、
e)未知試料を被測定物として前記スペクトル測定手段により測定された共鳴入射角度又は共鳴波長から、前記校正曲線を参照して、未知試料の屈折率を求める演算処理手段と、
を備えることを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【請求項９】
a)格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、
b)該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、
c)該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射光の波長を変化させたときの波長スペクトルを測定し、共鳴ピークを与える共鳴入射角度又は共鳴波長を求めるスペクトル測定手段と、
d)既知の屈折率を有する基準液を被測定物として、前記スペクトル測定手段により測定された共鳴入射角度又は共鳴波長と屈折率との関係に基づいて、前記導波モード共鳴格子の設計上の理論値に基づいて計算される屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係を示す分散曲線カーブを修正することで校正曲線を取得する校正曲線取得手段と、
e)未知試料を被測定物として前記スペクトル測定手段により測定された共鳴入射角度又は共鳴波長から、前記校正曲線を参照して、未知試料の屈折率を求める演算処理手段と、
を備えることを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の屈折率測定装置であって、同一の導波モード共鳴格子を用いて基準液の測定と未知試料の測定とを時分割で行うことを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の屈折率測定装置であって、同一の導波モード共鳴格子の異なる部位を用いて、基準液の測定と未知試料の測定とを同時並行的に行うことを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の屈折率測定装置であって、導波モード共鳴格子上に、屈折率の異なる複数の基準液をそれぞれ収容するための隔壁が設けられていることを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【請求項１３】
請求項８乃至１２のいずれかに記載の屈折率測定装置であって、前記基準液は屈折率が制御された市販の屈折液であることを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【請求項１４】
請求項８乃至１３のいずれかに記載の屈折率測定装置であって、基準液及び未知試料の測定時に同時にそれぞれの温度を測定する温度検出手段をさらに備え、その温度の相違及び基準液の温度特性とに基づいて、未知試料の屈折率を補正することを特徴とする、導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置。
【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、様々な相の誘電体及び吸収誘電体である試料の屈折率を測定するための屈折率測定方法及び屈折率測定装置に関し、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測定方法及び屈折率測定装置に関する。
【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】
ところで、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開示している。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が示されている。
【０００８】
非特許文献４でも指摘されているように、導波モード共鳴格子は、原理的にいくらでも反射帯域を狭小化することができ、屈折率の分解能は、測定系の角度分解能や波長分解能に依存する。共鳴入射角や共鳴波長が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、屈折率を求めることができる。理論的には、共鳴入射角や共鳴波長から計算により、試料の屈折率を求めることが可能である。
【０００９】
しかしながら、現実の素子構造は必ずしも設計通りのものであるとは限らず、製造上での素子構造の寸法誤差は必ず生じると言える。特に導波モード共鳴格子の場合、高い寸法精度で素子を製造することは未だ技術的に難しく、そのずれが測定値の誤差をもたらす。そのため、導波モード共鳴格子を利用した屈折率計では、２つの異なる試料の屈折率の差、つまり相対値については精度の高い測定が可能であるが、それぞれの試料の屈折率を絶対値として精度良く求めることは困難であるという問題がある。
【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
【発明の開示】
【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、導波モード共鳴格子を利用した屈折率測定方法及び屈折率測定装置を提供することである。
【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第１発明は、格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射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スペクトル測定手段と、を具備し、該スペクトル測定手段の測定結果による共鳴入射角度又は共鳴波長に基づいて被測定物の屈折率を計算する屈折率測定装置を用いた屈折率測定方法であって、
a)異なる既知の屈折率を有する複数の基準液を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長をそれぞれ測定し、各屈折率に対する共鳴入射角度又は共鳴波長を把握する基準液測定ステップと、
b)該基準液測定ステップで得られた屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との離散的な関係に基づいて校正曲線を作成する校正曲線作成ステップと、
c)未知試料を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長を測定し、前記校正曲線を参照して、その測定結果から未知試料の屈折率を求める試料測定ステップと、
を実行することを特徴としている。
【００１３】
また上記課題を解決するために成された第２発明は、上記第１発明に係る屈折率測定方法を実施するための屈折率測定装置であって、
a)格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、
b)該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、
c)該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射光の波長を変化させたときの波長スペクトルを測定し、共鳴ピークを与える共鳴入射角度又は共鳴波長を求めるスペクトル測定手段と、
d)異なる既知の屈折率を有する複数の基準液を被測定物として、前記スペクトル測定手段によりそれぞれ測定された共鳴入射角度又は共鳴波長と屈折率との離散的な関係に基づいて、校正曲線を作成する校正曲線作成手段と、
e)未知試料を被測定物として前記スペクトル測定手段により測定された共鳴入射角度又は共鳴波長から、前記校正曲線を参照して、未知試料の屈折率を求める演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
第１発明、第２発明、及びそのほかの以下の全ての発明において、基準液はユーザ等が自ら調製したものでもよいが、屈折率が制御された市販の屈折液を用いると便利である。具体的には、株式会社島津製作所が販売している接触液（インターネット<URL : http://www.shimadzu.co.jp/products/opt/products/se.html>参照）や株式会社モリテックスが販売している米国カーギル社製の標準屈折液（インターネット<URL : http://www.shimadzu.co.jp/products/opt/products/se.html>参照）などを利用することができる。前者は、標準的には波長５８７．５６nmでの屈折率が１．４８〜１．７８の範囲で０．０１刻みの製品が入手可能である。後者はより広い屈折率範囲で公差±０．０００２の製品が入手可能である。
【００１５】
なお、上述したような市販の屈折液を基準液として用いる場合、屈折液の屈折率は既知であるものの、高い精度での測定が要求される場合には、例えばプリズムセルを用いた最小偏角法などの手法によって基準液の屈折率を測定することが望ましい。
【００１６】
第１発明に係る屈折率測定方法では、基準液測定ステップにおいて、屈折率が既知である複数の基準液を校正対象である導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定装置でそれぞれ測定し、得られた角度スペクトル又は波長スペクトルに現れるピークの位置から共鳴入射角度又は共鳴波長を求める。これにより、屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との対応点が複数求まるから、校正曲線作成ステップにおいて、周知の手法を用いて、校正曲線又は校正曲線を表す計算式を算出する。ここで周知の手法とは特に限定されないが、例えば直線近似、スプライン関数近似などの様々なカーブフィッティングの手法を用いることができる。
【００１７】
この校正曲線は導波モード共鳴格子の寸法のずれなどが全て反映されたものである。通常、例えば製造上生じる導波モード共鳴格子の個体差などにより、装置毎に異なる校正曲線が作成される。この校正曲線に基づいて、任意の共鳴入射角度又は共鳴波長に対する屈折率が導出可能である。そこで、試料測定ステップでは、校正曲線を参照して、未知試料の測定により得られた共鳴入射角度又は共鳴波長から屈折率を求める。これにより、導波モード共鳴格子の間隔や深さなどのサイズが設計通り、また理想通りに製造されたものでなくても、高い精度で未知試料の屈折率の絶対値を求めることができる。
【００１８】
また、屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係、換言すれば共鳴入射角度や共鳴波長の屈折率依存性（「分散の度合い」とも言う）は数値計算によっても解析することが可能であるが、この計算には導波モード共鳴格子の寸法のずれなどが反映されない。例えば共鳴格子が目論見通りの構造に近ければ、上記のような製造上のずれがあっても、共鳴入射角度や共鳴波長の屈折率依存性を示すカーブ（直線も含む）の形状、つまり相対的な関係には変化がないとみなせる場合がある。そこで、既知の屈折率を有する基準液を１つだけ測定することで屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との対応関係を確定し、これを利用して共鳴入射角度や共鳴波長の屈折率依存性を示すカーブの絶対値を決めるようにしてもよい。
【００１９】
即ち、上記課題を解決するために成された第３発明は、格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射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スペクトル測定手段と、を具備し、該スペクトル測定手段の測定結果による共鳴入射角度又は共鳴波長に基づいて被測定物の屈折率を計算する屈折率測定装置を用いた屈折率測定方法であって、
a)既知の屈折率を有する基準液を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長を測定し、少なくとも１つの屈折率に対する共鳴入射角度又は共鳴波長を把握する基準液測定ステップと、
b)前記導波モード共鳴格子の設計上の理論値に基づいて計算される屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係を示す分散曲線カーブを、前記基準液測定ステップで得られた屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係に基づいて修正することで校正曲線を取得する校正曲線取得ステップと、
c)未知試料を被測定物として共鳴入射角度又は共鳴波長を測定し、前記校正曲線を参照して、その測定結果から未知試料の屈折率を求める試料測定ステップと、
を実行することを特徴としている。
【００２０】
また上記課題を解決するために成された第４発明は、上記第３発明に係る屈折率測定方法を実施するための屈折率測定装置であって、
a)格子層と導波層との複層構造体又は両者の機能を併せ持つ単層構造体が基板上に形成された導波モード共鳴格子と、
b)該導波モード共鳴格子の複層構造体又は単層構造体を挟んで基板と反対側の面に被測定物が接触された状態で、該導波モード共鳴格子の基板面又は被測定物面に光を照射する光照射手段と、
c)該光照射手段による光照射に対する反射光を受け、照射光の入射角度を変化させたときの角度スペクトル又は照射光の波長を変化させたときの波長スペクトルを測定し、共鳴ピークを与える共鳴入射角度又は共鳴波長を求めるスペクトル測定手段と、
d)既知の屈折率を有する基準液を被測定物として、前記スペクトル測定手段により測定された共鳴入射角度又は共鳴波長と屈折率との関係に基づいて、前記導波モード共鳴格子の設計上の理論値に基づいて計算される屈折率と共鳴入射角度又は共鳴波長との関係を示す分散曲線カーブを修正することで校正曲線を取得する校正曲線取得手段と、
e)未知試料を被測定物として前記スペクトル測定手段により測定された共鳴入射角度又は共鳴波長から、前記校正曲線を参照して、未知試料の屈折率を求める演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【００２１】
この第３発明及び第４発明によっても、第１発明及び第２発明と同様に、未知試料の屈折率の絶対値を高い精度で算出することができる。なお、共鳴入射角度や共鳴波長の屈折率依存性の数値計算は、市販されているソフトウエアを利用して行うことが可能である。、例を挙げると、厳密結合波解析に基づく計算ソフトウエアである米国グレーティング・ソルバー・デベロップメント（Grating Solver Development）社のGSOLVER（インターネット<URL : http://www.gsolve.com/>参照）、FDTD法に基づく解析・シミュレーションソフトウエアである日本アールソフトデザイングループ社のFullWAVE（インターネット<URL : http://www.rsoftdesign.co.jp/pdfs/fullwave_jpn.pdf>参照）、などを用いることができる。
【００２２】
第１乃至第４発明に係る屈折率測定方法又は屈折率測定装置では、同一の導波モード共鳴格子を用いて基準液の測定と未知試料の測定とを時分割で行うようにしてもよいし、同一の導波モード共鳴格子の異なる部位を用いて、基準液の測定と未知試料の測定とを同時並行的に行うようにしてもよい。前者の場合には、１乃至複数の基準液を導波モード共鳴格子に接触させた測定を行う毎に、該共鳴格子の接触面を洗浄し、次の基準液又は未知試料の測定を実行する。この場合、装置の構成は簡単になる。
【００２３】
一方、後者の場合、基準液の測定と未知試料の測定とをほぼ同じ時刻に同じ環境（主として温度）の下で行うことができる。したがって、例えば基準液の屈折率の温度依存性が大きくても、この影響を殆ど受けずに精度よく未知試料の屈折率を算出することができる。
【００２４】
もちろん、基準液の屈折率の温度依存性が大きい場合には、基準液及び未知試料の測定時に同時にそれぞれの温度を測定し、その温度の相違及び基準液の温度特性とに基づいて、未知試料の屈折率を補正するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
第１乃至第４発明に係る導波モード共鳴格子を用いた屈折率測定方法及び屈折率測定装置によれば、固相、液相、気相など、様々な相の試料の屈折率（複素屈折率の実部）の絶対値を高い精度で以て測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
以下の説明では、導波層３と格子層４とが同一誘電体材料から成る導波モード共鳴格子を考える。この導波モード共鳴格子を用いた測定系の概略構成を図２に示す。被測定物である試料Ｓは格子層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設けられているものとする。この場合、試料Ｓは液体又は気体である。
【００３２】
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）に所定の入射角で以て入射される。この導波モード共鳴格子１からの反射光１２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。いわゆるθ−２θ光学系を使用して鏡面反射の強度スペクトルを得ることになるが、そのためには周知のゴニオメータなどを利用して光源１０と検出器１３とを同期して移動させればよい。
【００３３】
非特許文献４などの記載にもあるように、導波モード共鳴格子１は原理的には限りなく狭帯域なフィルタリングの作用を有する。そのため、入射角を変化させながら反射率を測定した角度スペクトルには、図３に示すように特定の入射角においてピークが現れる。また、このピークの位置は試料Ｓの屈折率（複素屈折率の実部）に応じて左右にシフトする。したがって、原理的には、このピークトップが出現する入射角から、試料Ｓの屈折率を求めることができる。また、測定光１１の入射角の代わりに測定光１１の波長を走査して波長スペクトルを作成した場合でも、試料Ｓの屈折率に応じた波長にピークトップが現れる。したがって、このピークトップが出現する波長から、試料Ｓの屈折率を求めることもできる。
【００３４】
しかしながら、上述のピーク波長やピーク入射角は、導波モード共鳴格子１の溝の深さや間隔などの構造の変動によっても変化する。屈折率の要求精度にも依るが、導波モード共鳴格子の構造を設計通りに製造するのは困難であり、通常、その構造の誤差は屈折率の要求精度を満たせないほど大きい。そこで、次のような特徴的な屈折率測定方法により、導波モード共鳴格子の構造の誤差が大きい場合でも高い精度で試料Ｓの屈折率を算出できるようにしている。図４はこの屈折率測定方法の手順を示すフローチャートである。
【００３５】
まず、測定を実行するに先立って、互いに異なる屈折率を有する複数の、屈折率が制御された基準液を用意する（ステップＳ１）。基準液は例えば上述したような市販の屈折液を用いるとよい。次に、その複数の基準液の屈折率を、既存の屈折率測定法（例えばプリズムセルを用いた最少偏角法やアッベ屈折法など）で必要とされる精度で以て測定する（ステップＳ２）。上述のように屈折率が制御された屈折液を用い、且つその屈折液の屈折率精度（ばらつき）が最終的に得られる校正曲線の要求精度を満たすものであれば、ステップＳ２の実測定は省略できる。なお、基準液の屈折率が温度依存性を持つ場合には、その温度依存性も測定するとよい。
【００３６】
その後、複数の基準液を順に上記原理を利用した屈折率測定装置で測定し、共鳴入射角（又は共鳴波長）を測定する（ステップＳ３）。つまり、図２中の試料Ｓに代えて基準液を導波モード共鳴格子１に接触させ、これに入射する測定光１１の入射角を変化させつつ検出器１３で得た信号に基づいて角度スペクトルを作成する。そして、その角度スペクトルに現れるピークを抽出し、該ピークのピークトップに対応した入射角を求めればよい。測定終了後には導波モード共鳴格子１を有機溶媒などで洗浄して基準液を取り除く。そして、用意された全ての基準液の測定が終了していなければ（ステップＳ４でNO）、ステップＳ３に戻って未測定である他の基準液の共鳴入射角（又は共鳴波長）を測定する。なお、基準液の屈折率が温度依存性を持つ場合には、共鳴入射角測定時の温度も同時に測定しておく。
【００３７】
各基準液についてそれぞれ屈折率（ステップＳ２で得られた精密な測定値）と共鳴入射角との値のペアが求まるから、その値のペアを利用して、周知の各種のカーブフィッティング手法により、最も確からしい曲線又は直線を描き、これを校正曲線とする（ステップＳ５）。最低２つの屈折率と共鳴入射角との値のペアから直線近似により校正曲線を求めることができるが、一般的には屈折率と共鳴入射角との関係が直線的であるとみなせる範囲は狭く、特にこの範囲を逸脱すると誤差が大きくなる。したがって、好ましくは、スプライン関数などの高次曲線による最適フィッティングを行うほうがよい。こうして求めた校正曲線を例えばフラッシュＲＯＭなどの記憶部に保存しておく（ステップＳ６）。
【００３８】
次いで、導波モード共鳴格子１を有機溶媒などで洗浄して清浄化した後に、測定対象の試料Ｓを導波モード共鳴格子１に接触させ、上記基準液の測定時と同様にして共鳴入射角の測定を行う（ステップＳ７）。そして、校正曲線を参照して、得られた共鳴入射角から屈折率を算出する（ステップＳ８）。基準液の屈折率が温度依存性を持つ場合には、この試料の共鳴入射角測定時にも温度を測定し、基準液の共鳴入射角測定時に測定した温度との差を求め、この温度差と基準液の屈折率の温度依存性の測定値とを用いて試料の屈折率を補正するとよい。そうして得られた屈折率値を出力する（ステップＳ９）。
【００３９】
なお、上記フローチャートにおいて作業の手順は必ずしもステップ番号の順である必要はない。例えば、基準液と試料との測定を済ませた後に、校正曲線を求める演算を実行し、その校正曲線を利用した試料の測定結果から屈折率を算定するようにしてもよい。
【００４０】
上述した測定方法では、屈折率が異なる複数の基準液を利用し、その測定結果をカーブフィッティングなどの演算処理に供することで校正曲線を求めるようにしている。これとは別の方法として、共鳴入射角の屈折率依存性を数値計算により求めることで校正曲線の形状を決定し、屈折率が既知である１つの基準液の測定結果を用いて校正曲線の絶対位置を決めることで、最終的な校正曲線を得るようにしてもよい。共鳴入射角の屈折率依存性を解析するために、上述したような各種の市販のソフトウエアを利用して行うことが可能である。
【００４１】
上記測定方法を実施するための屈折率測定装置の一実施例の概略構成を図５、図６に示す。図５は基準液の測定と試料の測定とを時分割で、つまり順番に実行する場合の構成であり、図６は基準液の測定と試料の測定とを同時並行的に実行可能な構成である。
【００４２】
図５及び図６において、モータを含む光学系駆動部１４は、制御部１５による制御の下に、光源１０と検出器１３とをθ−２θの関係を保つように同期的に移動させるものである。これにより、導波モード共鳴格子１への測定光１１の入射角が走査される。検出器１３の検出信号を受けて処理するデータ処理部２０は、角度スペクトル算出部２１、ピーク抽出部２２、校正曲線作成部２３、校正曲線記憶部２４、及び屈折率算出部２５を含む。角度スペクトル算出部２１は光学系駆動部１４により光源１０及び検出器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、横軸が入射角、縦軸が反射率又は回折効率などである角度スペクトルを作成する。ピーク抽出部２２は角度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入射角、つまり共鳴入射角を算出する。校正曲線作成部２３は外部から設定される基準液の屈折率と測定により得られた共鳴入射角とに基づいて、又は共鳴入射角の屈折率依存性の数値計算をも利用して、校正曲線を作成する。校正曲線記憶部２４は作成された校正曲線を記憶する。屈折率算出部２５は校正曲線記憶部２４に記憶されている校正曲線を参照して、試料の測定結果から屈折率を算出する。
【００４３】
図５に示した屈折率測定装置において、導波モード共鳴格子１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もできる。それによって、ユーザは  試料と１乃至複数の基準液を用意し、且つ、基準液の測定により得た屈折率値を入力するだけで、自動測定を行って試料の屈折率を出力部２６から得ることができる。
【００４４】
図６の構成では、１つの導波モード共鳴格子１の隔壁１００で隔てられた異なる部位に、基準液Ｓｒと試料Ｓｓとがそれぞれ収容される。この導波モード共鳴格子１は移動部１７により移動可能であり、測定光１１の照射位置が基準液Ｓｒの収容部位と試料Ｓｓの収容部位とに切り替えできるように構成されている。基準液が複数である場合には、基準液毎に収容部位を設けるようにするとよい。この構成では、導波モード共鳴格子１を洗浄することなしに、１乃至複数の基準液と試料とを連続的に測定することができる。したがって、同時測定であるとみなすことができ、特に洗浄作業が間に挟まれないことにより、測定時の温度条件が同一であるとみなせるという利点がある。
【００４５】
なお、導波モード共鳴格子１を移動させる代わりに光源１０、検出器１３、光学系駆動部１４などを移動させてもよいし、光学系の光路の切り替えによって、異なる部位に測定光１１が入射し、その反射光１２が検出器１３に導入されるようにしてもよい。
【００４６】
また、図５、図６に示した構成は、共鳴入射角の屈折率依存性を利用したものであるが、共鳴波長の屈折率依存性を利用する構成に変形することも容易である。その場合には、測定光１１の入射角、反射光１２の出射角を固定し、反射光１２をモノクロメータ或いはポリクロメータなどを含む分光光学系に導入して、分光光学系から取り出した特定の波長光を検出器１３に導入する。その分光光学系から取り出す波長を所定範囲で走査することにより、角度スペクトルの代わりに波長スペクトルを算出することができ、そのスペクトル上でピークを抽出して共鳴波長を求めればよい。
【実施例】
【００４７】
以下、導波モード共鳴格子１の具体的な構造を想定した場合に、上述した測定方法で屈折率が精度良く求まることを、シミュレーションにより明らかにする。
導波モード共鳴格子１の構造を決めるパラメータを図７に示す。即ち、３６００本の格子４ａの周期Λは２７８nm、デューティ比ｆは０．５、溝深さ（格子層４の厚さ）d2は１０nmである。導波層３の厚さd1は９０nmである。格子層４と導波層３はいずれも酸化アルミニウムであり、その屈折率ｎ1は１．６５−１．６８である。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。
【００４８】
測定系としては図２に示したθ−２θ光学系を想定する。この光学系において、ＴＥ偏光を基板２側から入射させ、試料を格子層４と導波層３に接触させる。試料の屈折率ｎが１．５である場合、４８６．１[nm]、５８７．６[nm]及び６５６．３[nm]の波長の測定光に対する共鳴入射角は、それぞれ８．１０５８°、２２．７５５０°及び３３．４７４０°となる。この共鳴入射角は、導波モード共鳴格子１が上記想定通りの寸法で理想的に作製された場合のものである。しかしながら、実際には製造上で生じる寸法誤差が避けられないので、通常、上記数値からずれた入射角で共鳴反射が生じる。また、設計方法によっては、設計に用いた電磁界計算の誤差も無視できない。
【００４９】
そこで、上述したように、屈折率が既知である基準液を用いて校正を行う必要がある。その校正が可能となる条件は、目的とする屈折率よりも多少ずれたところでも共鳴反射の条件が消失しないことである。市販されている上記の屈折液は、０．０１以下の屈折率ステップである。したがって、ここでは１．５±０．０１の屈折率範囲で共鳴条件が存在することを示せばよい。それが示せれば、屈折率が既知である基準液を用いたときの共鳴入射角を測定することが可能であり、試料の屈折率を算定可能な校正曲線を作成することができる。
【００５０】
図８は、波長が４８６．１[nm]であるＴＥ偏光に対し、試料（基準液）の屈折率が１．５及び１．５±０．０１である場合の反射スペクトルを示す図である。図９は、波長が５８７．６[nm]であるＴＥ偏光に対し、試料（基準液）の屈折率が１．５及び１．５±０．０１である場合の反射スペクトルを示す図である。図１０は、波長が６５６．３[nm]であるＴＥ偏光に対し、試料（基準液）の屈折率が１．５及び１．５±０．０１である場合の反射スペクトルを示す図である。全ての場合において、明瞭なピークが現れていることから共鳴条件が存在するとが分かる。またピークトップの反射率はほぼ１００％となっている。つまり試料の屈折率が１．５近傍である場合、この値に近い屈折率を持つ屈折液を用いて共鳴入射角を測定することができ、これが基準液として適合していることが分かる。
【００５１】
また屈折率が１．５付近における共鳴入射角からの偏差を図１１に示す。Ｒ、Ｇ、Ｂは図８〜図１０に示した各波長である。Ｒ、Ｇ、Ｂいずれの波長においても負の分散特性（ここでは屈折率が大きくなると共鳴入射角度が小さくなること）を持つが、例えば不連続な分散や極を有する分散などといった異常な分散ではなく、線形に近い分散を示していることが分かる。これにより、校正曲線を作成し、試料の共鳴入射角に対する屈折率を求めることができる。
【００５２】
図８〜図１０の結果を図１２にまとめた。このように、本発明に係る屈折率測定方法では、
（１）屈折液の屈折率制御可能範囲で共鳴条件が保持されること、
（２）その屈折率範囲で分散が正常である（上記のような異常分散が見られない）こと、
という２つの条件を満足するような入射条件（入射角範囲）及び導波モード共鳴格子構造を設定することにより、市販の屈折液を基準とする屈折率の絶対測定が可能であると言える。また、屈折液の屈折率に温度依存性がある場合には、その特性を予め定量化しておくことで、容易に補正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る屈折率測定装置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】図１（ａ）に示した導波モード共鳴格子を用いた測定系の概略構成図。
【図３】図２の測定系で測定光の入射角を走査したときに得られる角度スペクトルの一例を示す図。
【図４】本発明に係る屈折率測定方法の手順を示すフローチャート。
【図５】本発明に係る屈折率測定方法を実施するための屈折率測定装置の一実施例の概略構成図。
【図６】本発明に係る屈折率測定方法を実施するための屈折率測定装置の他の実施例の概略構成図。
【図７】シミュレーションのために想定した導波モード共鳴格子の構造を決めるパラメータを示す図。
【図８】波長が４８６．１[nm]であるＴＥ偏光に対し、試料の屈折率が１．５及び１．５±０．０１である場合の反射スペクトルを示す図。
【図９】波長が５８７．６[nm]であるＴＥ偏光に対し、試料の屈折率が１．５及び１．５±０．０１である場合の反射スペクトルを示す図。
【図１０】波長が６５６．３[nm]であるＴＥ偏光に対し、試料の屈折率が１．５及び１．５±０．０１である場合の反射スペクトルを示す図。
【図１１】１．５付近の屈折率における共鳴入射角からの偏差を示す図。
【図１２】図８〜図１０の結果をまとめた図。
【符号の説明】
【００５４】
１、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…格子
５…媒体層
６ａ…第１格子
６ｂ…第２格子
Ｓｒ…基準液
Ｓ、Ｓｓ…試料
１００…隔壁
１０…光源
１１…測定光
１２…反射光
１３…検出器
１４…光学系駆動部
１５…制御部
１７…移動部
２０…データ処理部
２１…角度スペクトル算出部
２２…ピーク抽出部
２３…校正曲線作成部
２４…校正曲線記憶部
２５…屈折率算出部
２６…出力部
【図１】
0005256808.tif 000002
【図２】
0005256808.tif 000003
【図３】
0005256808.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005256808.tif 000006
【図６】
0005256808.tif 000007
【図７】
0005256808.tif 000008
【図８】
0005256808.tif 000009
【図９】
0005256808.tif 000010
【図１０】
0005256808.tif 000011
【図１１】
0005256808.tif 000012
【図１２】
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