(57)【要約】【課題】様々な形態やサイズの試料の複素屈折率（実部及び虚部）を高い精度で測定する。【解決手段】導波モード共鳴格子１の格子層４を覆う媒体層を試料Ｓとし、基板２の下面に光を照射して、分光光学系２３及び検出器２４によりその反射光を検出し、データ処理部２５で反射スペクトルを作成する。反射スペクトル上には高い反射率を示す共鳴ピークが現れるが、その共鳴ピークの波長は試料Ｓの複素透過率の実部に依存し、共鳴ピークの強度は試料Ｓの複素透過率の虚部に依存する。そこで、検出した共鳴ピークの波長及び強度から試料Ｓの複素透過率の実部及び虚部をそれぞれ算出する。格子周期、溝深さなどの導波モード共鳴格子のパラメータを適切に設定し狭帯域化することで、屈折率の測定精度を高めることができる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を基板上に形成し、前記複層構造体又は単層構造体を挟んで前記基板と反対側の面に測定対象の試料を接触するように設けて成る導波モード共鳴格子と、
b)前記導波モード共鳴格子の基板面又は試料面に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格子からの反射光を受けてその波長を変化させたときの波長スペクトル又は照射光の入射角度を変化させたときの角度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ピークの強度から前記試料の複素屈折率の虚部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、前記演算手段は、ピークを与える波長又は角度から複素屈折率の実部を計算することを特徴とする屈折率計。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の屈折率計であって、前記導波モード共鳴格子は、互いに屈折率の相違する第１格子と第２格子とを周期的に配置した単層構造体を有する導波モード共鳴格子であることを特徴とする屈折率計。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の屈折率計であって、前記導波モード共鳴格子は、互いに屈折率の相違する格子層と導波層との二層構造体を有する導波モード共鳴格子であることを特徴とする屈折率計。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の屈折率計であって、前記導波モード共鳴格子は、屈折率が同じ格子層と導波層との二層構造体を有する導波モード共鳴格子であ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、それぞれ共鳴波長の相違する複数の導波モード共鳴格子を用い、それら複数の導波モード共鳴格子による反射光の強度を合成することで波長スペクトルを得ることを特徴とする屈折率計。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の屈折率計であって、共鳴波長が同一の複数の導波モード共鳴格子を二次元アレイ状配置又は空間内に分散配置した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】
本発明は屈折率計に関し、さらに詳しくは、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複素屈折率を測定するための屈折率計に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な物質の内部での光の挙動を表すパラメータの１つである複素屈折率において、その実部は屈折率を表し、虚部は吸収特性を表す。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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。また、複素屈折率の実部、つまり一般的な屈折率しか知ることができず、虚部の測定は行えない。
【０００５】
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。また、臨界角法でも最小偏角法と同様に、複素屈折率の実部しか知ることができない。
【０００６】
一方、エリプソメトリを利用した測定法では、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。しかしながら、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。また、これらは一般に吸収（複素屈折率の虚部）のみを測定するものであり、複素屈折率の実部を測定対象としていない。
【０００７】
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。
【０００８】
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。しかしながら、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。
【０００９】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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、測定対象の試料の相の制約、試料の形状やサイズの制約をできるだけ軽減し、且つ屈折率の実部及び虚部の両方を高い分解能で以て測定することができる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】
【００１１】
上述のように、導波モード共鳴格子に光を照射し、その反射光の波長スペクトル又は角度スペクトルを測定したとき、そのスペクトルに現れるピーク（共鳴ピーク）の波長や角度は導波モード共鳴格子の基板の複素屈性率の実部や格子層に接触する空間に存在する物質の複素屈性率の実部に依存することが知られている。本願発明者は、シミュレーション計算等による検討の結果、共鳴ピークの波長や角度が導波モード共鳴格子の基板や上記物質の複素屈性率の実部に依存するのみならず、その共鳴ピークのピーク強度が複素屈折率の虚部に依存することを見い出し、それを利用して本願発明に想到した。
【００１２】
即ち、上記課題を解決するためになされた本発明に係る屈折率計は、
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を基板上に形成し、前記複層構造体又は単層構造体を挟んで前記基板と反対側の面に測定対象の試料を接触するように設けて成る導波モード共鳴格子と、
b)前記導波モード共鳴格子の基板面又は試料面に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格子からの反射光を受けてその波長を変化させたときの波長スペクトル又は照射光の入射角度を変化させたときの角度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ピークの強度から前記試料の複素屈折率の虚部を計算する演算手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１３】
上記スペクトル測定手段は、例えば、反射光を波長分散させて特定の波長光を取り出すとともにその波長を走査可能な分光器と該分光器から取り出された光を検出する検出器、或いは、上記光照射手段による光の入射角と検出器に導入される反射光の出射角とが所定の関係を満たしながら走査されるように光照射手段、導波モード共鳴格子及び検出器の相対位置を変化させる走査機構、を含むものとすることができる。
【００１４】
また本発明に係る屈折率計において、好ましくは、前記演算手段は、共鳴ピークを与える波長又は角度から複素屈折率の実部を計算する構成とするとよい。
【００１５】
導波モード共鳴格子には様々な形態（構造）のものが知られており、本発明に係る屈折率計に用いる導波モード共鳴格子としてもそうした各種の形態を利用することができる。即ち、上記導波モード共鳴格子は、互いに屈折率の相違する第１格子と第２格子とを周期的に配置した単層構造体を有する導波モード共鳴格子であるものとすることができる。また、上記導波モード共鳴格子は、互いに屈折率の相違する、又は屈折率が同じ格子層と導波層との二層構造体を有する導波モード共鳴格子であるものとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る屈折率計では、導波モード共鳴格子の格子層又は導波層との間に界面を形成するように試料を配置できさえすれば、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。したがって、測定対象の試料は、固相、液相、気相のいずれでもよい。また、導波モード共鳴格子に照射された光は格子層又は導波層と試料との間に界面から試料側にごく僅かしみ出す程度であるため、試料の形状や厚さに対する制約が小さく、例えば薄膜試料についても高精度な測定が行える。
【００１７】
また、導波モード共鳴格子では、格子層や導波層などを構成する誘電体材料の屈折率や格子溝のサイズなどの構造を適宜に決めることにより狭帯域化を図ることができ、導波モード共鳴格子が狭帯域であればあるほど、その光学特性は基板や入射空間の複素屈折率（実部、虚部ともに）に対して敏感に依存する。したがって、本発明に係る屈折率はごく僅かな屈折率の変化を検出することが可能であり、高い分解能、精度での測定が行える。
【００１８】
参考として、従来の各種の屈折率測定方法と本発明で用いる屈折率測定方法との特徴を表１にまとめた。
【表１】
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【００１９】
また本発明に係る屈折率計の一態様として、それぞれ共鳴波長の相違する複数の導波モード共鳴格子を用い、それら複数の導波モード共鳴格子による反射光の強度を合成する構成とすることができる。この構成によれば、上述したような分光器や走査機構が不要になる。
【００２０】
また本発明に係る屈折率計の別の態様として、共鳴波長が同一の複数の導波モード共鳴格子を二次元アレイ状配置又は空間内に分散配置した構成とすることができる。この構成によれば、それぞれの導波モード共鳴格子から得られる測定結果に基づいて試料の複素屈折率の実部或いは虚部の平均値や空間的な分布を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図１（ｂ）に示す導波モード共鳴格子１Ｂは基本的な構造は図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。
【００２４】
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。
【００２５】
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にすることもできる。
【００２６】
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実部と虚部と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を例に挙げる。
【００２７】
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９３．６ｎｍ、導波層３の厚さｄ２は７５．５ｎｍ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。
【００２８】
ここで、試料で満たされる媒体層５の複素屈折率ｎ0＝１．６−ｉｋであるとする。ｉは虚数単位で、ｋが複素屈折率の虚部であってこれが媒体層５での吸収の度合いを表す。ｋ＝０である場合、波長が５８４．４ｎｍである垂直入射ＴＥ偏光（偏光方位が格子４ａと平行）がこの導波モード共鳴格子１Ａに入射したとき、共鳴効果により反射率が１００％となる。このｋの値を０、１０-4、１０-3、及び１０-2とした場合の反射スペクトルの計算結果を図３に示す。また、波長５８４．４ｎｍでのピーク強度とｋの対数値（−ｌｏｇ（ｋ））との関係をプロットしたものを図４に示す。
【００２９】
図３より、ｋの値が大きくなるほど反射率（共鳴ピークのピーク強度）が下がることが分かる。また、図４より、特にｋが１０-4程度よりも大きくなると反射率が急激に落ちることが分かる。したがって、反射率における共鳴ピークの強度に基づいて、複素屈折率の虚部を算出できることが分かる。
【００３０】
次に、媒体層５の複素屈折率ｎ0が１．７−ｉｋである、つまり複素屈折率の実部が上記の場合と異なる場合について考える。この場合には、導波モード共鳴格子１Ａの共鳴条件が若干異なり、素子構造を決めるパラメータは、格子４ａの溝深さｄ１が１１４．０ｎｍ、導波層３の厚さｄ２が９１．９６ｎｍとなり、そして共鳴波長は６１２．０ｎｍとなる。その他の数値は上記と同じである。
【００３１】
ｋの値を０、１０-9、１０-8、１０-7、１０-6、１０-5、及び１０-4とした場合の反射スペクトルの計算結果を図５に示す。また、波長６１２．０ｎｍでのピーク強度とｋの対数値（−ｌｏｇ（ｋ））との関係をプロットしたものを図６に示す。図５より、ｋの値が大きくなるほど反射率（共鳴ピークのピーク強度）が下がることが分かる。また、図６より、特にｋが１０-8程度より大きくなると反射率が急激に落ちることが分かる。
【００３２】
以上のことから、反射率の共鳴ピークの強度を測定することで、吸収係数に関連した複素屈折率の虚部を推算できることは明らかである。また、検出したいｋの値に合わせて、導波モード共鳴格子の構造（各部の寸法や透過率）を最適化するような設計を行うことによって、複素屈折率の虚部の検出感度を高くすることができる。即ち、試料による吸収が小さいほど（つまりｋの値が小さいほど）、より狭帯域の光学特性、つまり共鳴ピークの波長幅が小さい特性が必要となる。
【００３３】
なお、格子層４及び導波層３の材料の屈折率比や格子４ａのデューティ比ｆを調整することにより、理論的には導波モード共鳴格子の帯域幅に下限はなく、それ故に検出感度にも限界はない。換言すれば、導波層３や格子層４として選択し得る材料の屈折率の制約や格子４ａのデューティ比の精度の限界などにより、検出感度の下限が決まることになる。また、使用する光の波長や入射角に特に制約はなく、任意の入射条件に対して導波モード共鳴格子を設計することが可能である。
【００３４】
図２に示した導波モード共鳴格子１Ａの構造及び入射条件の下で、複素屈折率の実部の値が相違すると反射率の共鳴ピークの波長が相違することを示す。いま、複素屈折率の虚部がゼロである場合の、複素屈折率（つまり複素屈折率の実部）と共鳴波長との関係の計算結果を図７に示す。この図に示すような関係を用いることで、共鳴ピーク波長から複素屈折率の実部を推算できることが分かる。
【００３５】
複素屈折率の虚部がゼロでない場合には、吸収の影響を受けて共鳴波長の値は若干ずれる。但し、その場合でも、複素屈折率の実部に依存して共鳴波長が変化することは同様である。したがって、複素屈折率の虚部がゼロであってもなくても、反射率の共鳴ピークの波長の値を調べ、この値から複素屈折率の実部を推算することができる。さらに、複素屈折率の虚部がゼロでない場合には、上述したように反射スペクトルに現れる共鳴ピークの強度から虚部の値を推算することができる。
【００３６】
上記説明では、反射率と波長との関係を示す反射スペクトルに現れる共鳴ピークの位置（波長）と強度とから、複素屈折率の実部及び虚部が求まることを明らかにしたが、波長の代わりに入射光及び出射光の角度を用いた角度スペクトルの測定によっても同様に複素屈折率の実部及び虚部を求めることができることを示す。この場合、導波モード共鳴格子の構造を決めるパラメータは、格子４ａの周期Λが３６０ｎｍ、格子４ａのデューティ比ｆが０．５、格子４ａの溝深さｄ１が１０９．４ｎｍ、導波層３の厚さｄ２が９６．０ｎｍである。格子層４と導波層３の屈折率ｎ1は共に１．８であり、基板２の屈折率ｎsは１．５２であるとする。
【００３７】
媒体層５の屈折率ｎ0を１．７と１．７±０．０００１としたときの、波長５００ｎｍでＴＥ偏光を入射光とする角度スペクトルを図８に示す。なお、このときの測定光学系は後述する、いわゆるθ−２θ光学系であり、導波モード共鳴格子に入射する光の入射角を変化させるように回転させるに伴い、その反射光を受ける検出器の位置も回転させる。図８に示すように、屈折率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。またこの場合にも、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。
【００３８】
また、上記説明では、媒体層５を測定対象の試料としていたが、前述のように、図１に示したような各種形態の導波モード共鳴格子では、導波層３及び格子層４、又は格子層６を挟んだ上方側からと下方側からとでは相反的な光学特性を示す。したがって、屈折率ｎsを持つ基板２を試料としても、同様の手法で、その試料の複素屈折率の実部及び虚部を精度良く測定することができる。媒体層５を試料とする場合には基板２の下方側から光が入射し、逆に基板２を試料とする場合には媒体層５の上方側から光が入射するものとすれば、光は試料にごく僅かしみ出すのみである。したがって、試料の複素屈折率に関する測定値はその試料の形状に依存せず、薄膜状の試料でもよい。
【００３９】
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９により説明する。図９は本実施例による屈折率計の概略構成図である。導波モード共鳴格子１は図１（ａ）に示した構造のものであり、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。
【００４０】
光源２０から放出された所定の波長範囲の成分を含む測定光２１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２２は上述したように試料Ｓの複素屈折率の実部及び虚部を反映した波長特性を有する。この反射光２２は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２３に導入され、分光光学系２３で波長分散されて特定の波長光が選択されて取り出され検出器２４に導入される。分光光学系２３で選択される波長は所定の波長範囲内で可変となっており、制御部３０により波長走査が達成される。検出器２４による検出信号はデータ処理部２５に入力され、ここで予め定められたデータの演算処理等が実行されて、測定対象の試料の複素屈折率の実部及び虚部がそれぞれ求められる。
【００４１】
より詳しく述べると、制御部３０は定の波長範囲で波長走査を行うように分光光学系２３を制御し、データ処理部２５において反射スペクトル算出部２６はその波長走査に伴って得られる検出信号に基づいて各波長毎の反射率を計算し、反射スペクトルを作成する。このときの波長範囲は、目的とする試料に関する知見や予備的に行われる測定結果などに応じて適宜に決めることが好ましい。次に、ピークパラメータ抽出部２７は、得られた反射スペクトルにおいて共鳴ピークを検出し、そのピークの波長と強度とをパラメータとして抽出する。そして複素屈折率算出部２８は共鳴ピークの波長及び強度から、複素屈折率の実部及び虚部の値を算出する。このために、予め作成された、共鳴ピークの波長と複素屈折率実部との関係、共鳴ピークの強度と複素屈折率虚部との関係、を示す換算式や換算表などを用いることができる。
【００４２】
上述したように、複素屈折率の算出精度は共鳴ピークの鋭さ、つまり半値幅に依存し、これは導波モード共鳴格子の各部のサイズ（例えば格子の周期、デューティ比、溝深さ、導波層の厚みなど）や、基板、格子層、導波層を構成する材料の屈折率に依存するので、これらを適切に設計することにより測定精度を高めることができる。
【００４３】
なお、上述のような反射スペクトルを求めるために、機械的な波長走査を行う代わりに例えばフォトダイオードアレイ検出器のような多波長同時検出型の検出器を用い、分光器で波長分散された所定波長範囲の光を一斉に検出する構成としてもよい。
【００４４】
また、上記実施例による屈折率計は波長スペクトル上で共鳴ピークを検出するものであったが、上述したように、角度スペクトル上で共鳴ピークを検出する構成に変形することもできる。この場合、図１０に示すように、導波モード共鳴格子の基板２の下面に照射する測定光２１の入射角θを所定角度範囲で走査するとともに、検出器２４で受ける反射光２２の出射角も入射角と同一になるように検出器２４の位置も移動させる。例えば、入射角をθ→θ＋Δθに変化させるように光源２０の位置を符号２０’の位置に移動させたとき、検出器２４の位置も符号２４’の位置に移動させる。即ち、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２０と検出器２４とを同期して移動させればよい。
【００４５】
上記屈折率計では、多波長同時検出型の検出器を用いる場合以外は何らかの機械的な走査機構が必要になる。こうした走査機構を不要とするために、図１１に示したように、それぞれ共鳴波長が異なる複数の導波モード共鳴格子４１〜４ｎを同一平面上に二次元アレイ状配置（図１１において紙面に直交する方向にも導波モード共鳴格子が配列されている）とした構成としてもよい。この場合、白色光源から放射される光が回折格子５０で波長分散されて波長λ１、λ２、…、λｎを持つ単色光になり、それぞれの波長と入射角に合わせて目的試料の屈折率で共鳴するように設計された導波モード共鳴格子４１〜４ｎに入射する。この入射光に対する反射光の反射強度を合成することで、離散的な反射スペクトルを作成することができるから、この反射スペクトルから上述のようにして試料の屈折率を求めることができる。
【００４６】
また、上記屈折率計のように単一の導波モード共鳴格子を用いた構成では、数ミリ四方程度の狭い領域についての試料の複素屈折率を測定することができる。これに対し、場合によっては試料の広い範囲における平均的な屈折率を測定したいことがある。そうした場合には、共鳴波長が同一である複数の導波モード共鳴格子を図１１に示したように二次元アレイ状に配置し、各導波モード共鳴格子について試料の屈折率を求めて、その平均値を計算すればよい。また、平均値でなく、試料の屈折率の空間的な（二次元的な）分布を求めることもできる。
【００４７】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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】吸収係数の値を変化させた場合の反射スペクトルの計算結果の一例を示す図。
【図４】図３の場合における波長５８４．４ｎｍでのピーク強度とｋの対数値との関係を示す図。
【図５】吸収係数の値を変化させた場合の反射スペクトルの計算結果の他の例を示す図。
【図６】図５の場合における波長６１２．０ｎｍでのピーク強度とｋの対数値との関係を示す図。
【図７】複素屈折率の虚部がゼロである場合の複素屈折率と共鳴波長との関係の計算結果の一例を示す図。
【図８】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９】本発明の一実施例である屈折率計の概略構成図。
【図１０】本発明の他の実施例である屈折率計の要部の構成図。
【図１１】本発明の他の実施例である屈折率計の要部の構成図。
【符号の説明】
【００４９】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、４１、４２〜４ｎ…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）
６…格子層
２０…光源
２１…測定光
２２…反射光
２３…分光光学系
２４…検出器
２５…データ処理部
２６…反射スペクトル算出部
２７…ピークパラメータ抽出部
２８…複素屈折率算出部
３０…制御部
４１…導波モード共鳴格子
５０…回折格子
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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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