特開 2016-151421 屈折率測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-151421(P2016-151421A)

(43)【公開日】2016年8月22日

(54)【発明の名称】屈折率測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20160725BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20160725BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/41 Z

   G01N27/00 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-27423(P2015-27423)

(22)【出願日】2015年2月16日

(71)【出願人】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(72)【発明者】

【氏名】猪川 洋

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 弘明

(72)【発明者】

【氏名】小野 篤史

【テーマコード（参考）】

2G059

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G059AA02

2G059AA05

2G059AA06

2G059BB08

2G059BB12

2G059GG02

2G059JJ05

2G059KK03

2G059MM01

2G060AA08

2G060AF20

2G060AG10

2G060BA07

2G060DA02

2G060DA07

2G060DA10

2G060DA11

2G060HC10

2G060HC13

(57)【要約】

【課題】装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上させること。
【解決手段】屈折率測定装置１は、測定光Ｌに対応する信号を出力する半導体受光素子部３Ａと、半導体受光素子部３Ａ上に配置され、直線状の溝部６Ａａが所定ピッチで複数形成された回折格子部６Ａと、測定光Ｌに対応する信号を出力する半導体受光素子部３Ｂと、半導体受光素子部３Ｂ上に配置され直線状の溝部６Ｂａが溝部６Ａａと異なるピッチで複数形成された回折格子部６Ｂと、を有するフォトダイオード３と、所定の波長の測定光Ｌを回折格子部６Ａ，６Ｂに向けて出射する光源装置２と、半導体受光素子部３Ａ，３Ｂから出力された信号のそれぞれの強度を対数変換して出力する対数変換回路２１Ａ，２１Ｂと、対数変換回路２１Ａ，２１Ｂから出力されたそれぞれの強度の差分を増幅する差動増幅回路２２とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射した光に対応する信号を出力する第１の半導体受光素子部と、前記第１の半導体受光素子部上の前記光の入射側に配置され、直線状の溝が所定ピッチで複数形成された第１の回折格子部と、前記光に対応する信号を出力する第２の半導体受光素子部と、前記第２の半導体受光素子部上の前記光の入射側に配置され直線状の溝が前記所定ピッチと異なるピッチで複数形成された第２の回折格子部と、を有するフォトダイオードと、
所定の波長の光を前記第１及び第２の回折格子部に向けて出射する光源と、
前記第１の半導体受光素子部から出力された信号と、前記第２の半導体受光素子部から出力された信号とのそれぞれの強度を対数変換して出力する対数変換回路と、
前記対数変換回路から出力されたそれぞれの強度の差分を増幅する差動増幅回路と、
を備える屈折率測定装置。

【請求項2】

前記光源は、所定周波数で前記光を変調して出射し、
前記前記対数変換回路から出力されたそれぞれの強度を、前記所定周波数でロックイン検出する、
請求項１に記載の屈折率測定装置。

【請求項3】

前記第１の回折格子部と前記第２の回折格子部とは、前記溝の形成方向が互いに平行となるように構成され、
前記光源は、前記第１の回折格子部の前記溝の形成方向、及び前記第２の回折格子部の前記溝の形成方向に垂直な平面内で前記第１及び第２の半導体受光素子部表面に垂直な方向に対して傾斜した方向から前記光を出射する、
請求項１又は２に記載の屈折率測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、屈折率測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

屈折率の測定は、農業、化学、生物学及び医学などの様々な分野において応用が期待されている。屈折率を測定する技術として、特許文献１〜３には、導波モード共鳴や表面プラズモン共鳴を利用した屈折率の測定装置及び測定方法が記載されている。

【0003】

特許文献１には、試料の屈折率を容易に且つ高精度で求める屈折率計が記載されている。この屈折率計を用いて屈折率を測定する場合には、導波モード共鳴フィルタの導波層端面に測定光を導入し、このときの導波モード共鳴フィルタの格子で回折した出射光を光検出器により検出する。測定光の出射角度は検出器の位置を移動させることにより所定角度範囲で走査され、屈折率に対応した共鳴出射角度が求められる。

【0004】

特許文献２には、回折格子を有し、小型化に適する表面プラズモン共鳴センサチップが記載されている。回折格子は弾性変形可能な弾性膜上に形成されている。このチップを用いて屈折率を測定する場合には、試料を回折格子面の近傍に配置した状態で、回折格子に向けて光を入射する。従来の表面プラズモン共鳴センサチップでは、入射光の入射角度を走査して、回折光の強度を測定していたが、このチップでは入射光の入射角度の走査に代えて、弾性膜を膨出させて回折格子面の格子ピッチを動的に変化させることにより、屈折率に対応した共鳴ピッチを求める。

【0005】

特許文献３には、表面プラズモン共鳴センサが記載されている。このセンサは、測定用の光を入射する導波路コア層と、金属薄膜と、誘電体膜と、誘電体膜上に形成された測定用の試料を設けるためのサンプル層とを有している。このセンサを用いて屈折率を測定する場合には、サンプル層に試料を設け、導波路コア層に光を入射させて、導波路コア層を透過する光の波長スペクトルあるいは入射角度スペクトルを測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２１０３８４号公報

【特許文献2】特開２００９−１６８４６９号公報

【特許文献3】特開２００４−１７００９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１〜３に記載された屈折率測定装置では、共鳴フィルタから出射された光の強度に基づいて、共鳴ピークを与える共鳴角度、共鳴波長、又は共鳴ピッチを測定し、測定結果から屈折率を算出している。しかし、これらの方法によると、共鳴フィルタから出射された光の強度を検出するために共鳴フィルタとは別体の光検出器が必要であり、装置構成が煩雑化する。また、光検出器が別体であるため共鳴フィルタから出射された反射光の利用効率が低下し、光の強度の検出精度が悪化することで、屈折率の測定精度が悪化する傾向があった。また、これらの屈折率測定装置では、測定光の強度変動に対して測定精度を維持することが困難である。

【0008】

そこで、本発明は、装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上させることを可能にした屈折率測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る屈折率測定装置は、入射した光に対応する信号を出力する第１の半導体受光素子部と、第１の半導体受光素子部上の光の入射側に配置され、直線状の溝が所定ピッチで複数形成された第１の回折格子部と、光に対応する信号を出力する第２の半導体受光素子部と、第２の半導体受光素子部上の光の入射側に配置され直線状の溝が所定ピッチと異なるピッチで複数形成された第２の回折格子部と、を有するフォトダイオードと、所定の波長の光を第１及び第２の回折格子部に向けて出射する光源と、第１の半導体受光素子部から出力された信号と、第２の半導体受光素子部から出力された信号とのそれぞれの強度を対数変換して出力する対数変換回路と、対数変換回路から出力されたそれぞれの強度の差分を増幅する差動増幅回路と、を備える屈折率測定装置。

【0010】

この屈折率測定装置によれば、直線状の溝部が所定ピッチで形成された第１の回折格子部を光入射側に備える第１の半導体受光素子部と、直線状の溝部が第１の回折格子部と異なるピッチで形成された第２の回折格子部を光入射側に備える第２の半導体受光素子部とに対して、光源から光が入射可能とされる。光の入射に応じて、第１及び第２の半導体受光素子部から出力された２つの信号の強度が、対数変換回路によってそれぞれ対数変換された後に、差動増幅回路によってそれらの差分が増幅して出力される。この出力を用いることにより、光源の出力光の強度が変動したり、光源の出力光の強度が弱い場合でも、フォトダイオード上に配置された物質の屈折率を精度よく測定することができる。また、別体の光検出器を用いることなく屈折率を測定できるため、装置構成を簡素化することができる。しかも、フォトダイオードに入射する光の利用効率が向上することで光の強度の検出精度がさらに向上する。その結果、装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上させることができる。

【0011】

ここで、光源は、所定周波数で光を変調して出射し、対数変換回路から出力されたそれぞれの強度を、所定周波数でロックイン検出する、ことでもよい。この場合、フォトダイオードの出力に含まれる、暗電流のような直流成分、及びショット雑音等の広い周波数帯域の雑音の影響を減らすことで、屈折率の検出精度を一層高めることができる。

【0012】

また、第１の回折格子部と第２の回折格子部とは、溝の形成方向が互いに平行となるように構成され、光源は、第１の回折格子部の溝の形成方向、及び第２の回折格子部の溝の形成方向に垂直な平面内で前記第１及び第２の半導体受光素子部表面に垂直な方向に対して傾斜した方向から光を出射する、ことでもよい。この場合、フォトダイオード上に配置された物質の屈折率の変化に対する、第１の半導体受光素子部の出力と第２の半導体受光素子部の出力との差分の変化率が高くなり、屈折率の検出精度をさらに一層高めることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の好適な一実施形態に係る屈折率測定装置を示す斜視図である。

【図2】図１のフォトダイオードの要部断面図である。

【図3】測定光と導波路モードとの位相整合条件の関係を示す図である。

【図4】屈折率とピーク波長及びピーク値との関係を示すグラフである。

【図5】図２のフォトダイオードにおける測定光の波長と２つの半導体受光素子部のそれぞれが生成する光電流の大きさとの関係を示すグラフである。

【図6】図２のフォトダイオードにおける屈折率差と光電流差との関係を示すグラフである。

【図7】図１の屈折率算出処理部の構成を示すブロック図である。

【図8】図７の対数変換回路部の詳細構成を示す回路図である。

【図9】図２の半導体受光素子部の出力と図７の対数変換回路部の出力との関係を示すグラフである。

【図10】被測定物Ｍの屈折率に関する屈折率差と、図７の差動増幅回路の出力相当値との関係を示すグラフである。

【図11】本発明の変形例に係る屈折率算出処理部の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0016】

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る屈折率測定装置を示す斜視図、図２は、屈折率測定装置に用いるフォトダイオードの要部断面図である。本実施形態に係る屈折率測定装置１は、図１に示されるように、被測定物Ｍに測定光（光）Ｌを照射することにより被測定物Ｍの屈折率ｎを検出する装置である。屈折率測定装置１は、測定光Ｌの照射により、配置された被測定物Ｍの屈折率ｎ等に応じた電気信号を出力するフォトダイオード３と、測定光Ｌを出射する光源装置（光源）２と、を備えている。さらに、屈折率測定装置１は、フォトダイオード３から出力された電気信号を処理及び検出する屈折率算出処理部５を備えている。

【0017】

光源装置２は、所定の帯域に含まれる特定波長の測定光Ｌを出射するものである。また、光源装置２は、フォトダイオード３に対する測定光Ｌの入射角度が調整可能であり、本実施形態の光源装置２は、測定光Ｌがフォトダイオード３上の回折格子部６Ａ，６Ｂに向けて斜めに入射するように、詳細には、後述する回折格子部６Ａ，６Ｂの溝部の形成方向に対して垂直な平面内でフォトダイオード３表面に垂直な方向に対して傾斜した方向から入射するように配置されている。

【0018】

フォトダイオード３は、測定光Ｌの光強度に対応する２つの電気信号をそれぞれ生成する２つの半導体受光素子部３Ａ，３Ｂと、それぞれの半導体受光素子部３Ａ，３Ｂ上に設けられた２つの回折格子部６Ａ，６Ｂとを備えている。なお、以下の説明においては、フォトダイオード３を構成する各層の積層方向をＺ軸方向とし、後述する回折格子部６Ａ，６Ｂのそれぞれに形成された複数の直線状の溝部６Ａａ，６Ｂａの配列方向をＹ軸方向、及びそれらの溝部６Ａａ，６Ｂａの形成方向をＸ軸方向とし、各軸は互いに直交するものとする。

【0019】

このフォトダイオード３は、シリコン基板（基板）７と、シリコン基板７上に配置された埋め込み絶縁層８と、埋め込み絶縁層８上にＹ軸方向に並んで配置された２つの半導体受光素子部３Ａ，３Ｂと、を有している。半導体受光素子部３Ａは、Ｘ方向に並んで形成された半導体層９，１１Ａ，１２と、半導体層９，１１Ａ，１２上に配置されたゲート絶縁層１３Ａと、によって構成され、半導体受光素子部３Ｂは、Ｘ方向に並んで形成された半導体層９，１１Ｂ，１２と、半導体層９，１１Ｂ，１２上に配置されたゲート絶縁層１３Ｂと、によって構成される。これらの半導体受光素子部３Ａ，３Ｂは、シリコン基板７と埋め込み絶縁層８とともに、いわゆるＭＯＳ構造の横型ｐｎ接合ダイオードを構成する。埋め込み絶縁層８は酸化シリコンからなり、半導体層９，１１Ａ，１１Ｂ，１２は所定の不純物を含むシリコンからなり、ゲート絶縁層１３Ａ，１３Ｂは酸化シリコンからなる。従って、フォトダイオード３は、シリコン基板７を基板（支持体）としたＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を有している。

【0020】

半導体受光素子部３Ａの半導体層９，１１Ａ，１２は、埋め込み絶縁層８上の矩形状の所定領域において、Ｘ軸方向に沿って、この順で隣接して設けられている。光導波路及び光吸収層として機能する半導体層１１Ａは、深さ方向（Ｚ軸方向）の大部分が空乏化し、シリコンに対して低濃度でボロンやリン等のｐ型不純物又はｎ型不純物が添加されている。アノード電極及びカソード電極である半導体層９，１２は、それぞれ、埋め込み絶縁層８上において半導体層１１ＡをＸ軸に沿った方向から挟むように、半導体層１１Ａとほぼ同一の厚さでｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層として形成されている。このｐ^＋型半導体層９及びｎ^＋型半導体層１２は、それぞれ、シリコンに対して高濃度（１０^１９ｃｍ^−３以上）でボロン等のｐ型不純物及びリン等のｎ型不純物が添加されており、半導体層１１Ａに並設されることでアノード電極及びカソード電極として機能する。これらの半導体層９，１１Ａ，１２上には、半導体層９，１１Ａ，１２を覆うようにゲート絶縁層１３Ａが形成されている。また、半導体受光素子部３Ｂも同様な構成を有する。

【0021】

このような半導体受光素子部３Ａ，３Ｂによって同時に測定光Ｌを検出する際には、回折格子部６Ａ，６Ｂにゲート電圧Ｖｇが印加され、シリコン基板７に基板電圧Ｖｓｕｂが印加される。ゲート電圧Ｖｇ及び基板電圧Ｖｓｕｂを調整することで、半導体層１１Ａ，１１Ｂの上下の界面における電子又は正孔の密度を広範囲で制御することができる。特に、ゲート電圧Ｖｇ及び基板電圧Ｖｓｕｂは、ゲート絶縁層１３Ａ，１３Ｂに接する半導体層１１Ａ，１１Ｂの界面と、埋め込み絶縁層８に接する半導体層１１Ａ，１１Ｂの界面における電子又は正孔の密度が半導体層１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの真性キャリア密度よりも十分に大きくなるように設定されることが好ましい。なお、ゲート電圧Ｖｇは、回折格子部６Ａ，６Ｂで共通で印加されてもよいし、回折格子部６Ａ，６Ｂで独立に印加されて、それぞれの電圧を独立に調整可能とされてもよい。

【0022】

光源装置２からの光の入射側のゲート絶縁層１３Ａ上の少なくとも半導体層１１Ａを覆う領域には、回折格子部６Ａが配置されている。従って、回折格子部６Ａは、ゲート絶縁層１３Ａを介して半導体層１１Ａを覆っており、半導体層９，１１Ａ，１２から電気的に絶縁されている。回折格子部６Ａは、平面状の導電部材である金属膜に、半導体層１１Ａを覆う領域に亘ってＸ軸方向に沿ってゲート絶縁層１３Ａの表面まで貫通する複数の直線状の溝部６Ａａ（図２参照）が形成されている。これらの複数の溝部６ＡａはＹ軸方向に一定の格子ピッチ（周期）Ｐ１で並設されている。このような回折格子部６Ａの材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）の付着力強化層上に形成した金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、等の導電性金属、又は、ｎ型もしくはｐ型の不純物を高濃度に添加した多結晶シリコン（ポリＳｉ）等の導電性材料が用いられる。この回折格子部６Ａは、所定波長を有する測定光Ｌを半導体層１１Ａへ導く役割、ゲート電極としての役割、及び被測定物Ｍを配置するための配置部としての役割を有する。

【0023】

光源装置２からの光の入射側のゲート絶縁層１３Ｂ上の少なくとも半導体層１１Ｂを覆う領域には、回折格子部６Ｂが配置されている。回折格子部６Ｂは、ゲート絶縁層１３Ｂを介して半導体層１１Ｂを覆っており、半導体層９，１１Ｂ，１２から電気的に絶縁されている。回折格子部６Ｂは、回折格子部６Ａと同様な構造を有し、回折格子部６Ｂの溝部６Ｂａの形成方向が回折格子部６Ａの溝部６Ａａの形成方向と平行になるように構成され、かつ、複数の溝部６ＢａのＹ軸方向の格子ピッチＰ２が、回折格子部６Ａの格子ピッチＰ１よりも小さくなるように設定されている（図２）。この回折格子部６Ｂは、所定波長を有する測定光Ｌを半導体層１１Ｂへ導く役割、ゲート電極としての役割、及び被測定物Ｍを配置するための配置部としての役割を有する。

【0024】

フォトダイオード３では、回折格子部６Ａ，６Ｂに同時に測定光Ｌが照射されると、半導体層１１Ａ，１１Ｂの導波路モードとの間で位相整合条件を満たす特定波長の測定光Ｌが最も効率よく半導体層１１Ａ，１１Ｂに捉えられる。半導体層１１Ａ，１１Ｂに捉えられた測定光Ｌは、半導体層１１Ａ，１１Ｂ中において吸収されて電子・正孔対を生成する。そして、生成され分離された電子と正孔の量に対応する光電流が、それぞれの半導体受光素子部３Ａ，３Ｂにおいてカソードからアノードへ流れるため、それぞれの半導体受光素子部３Ａ，３Ｂの半導体層１２から電気信号が取り出される。

【0025】

この半導体層１１Ａにおける導波路モードの伝搬波長λ_ｇは、式（１）により示される。ここで、λは測定光Ｌの波長であり、ｎ_ｓは半導体層１１Ａの屈折率であり、ｔ_ｓは半導体層１１Ａの厚さであり、ｎ_ｉは埋め込み絶縁層８及びゲート絶縁層１３Ａの屈折率である。ＴＥモードとは、導波路（すなわち、半導体層１１Ａ）を伝搬する光の電界方向が伝搬方向に垂直で導波路平面内にあるモードであり、ＴＭモードとは同じく磁界方向が伝搬方向に垂直で導波路平面内にあるモードであり、各モードに対応して式（１）が異なる。

【数1】

【0026】

位相整合条件について説明する。図３は測定光と導波路モードとの位相整合条件の関係を示す図である。図３（ａ）に示されるように、回折格子部６Ａに対して測定光Ｌが入射角度αで斜めに入射したとき、回折格子部６Ａにおける１ピッチＰ（＝Ｐ１）あたりに生じる光路長（Ｐ×ｓｉｎα）と屈折率ｎと波長λとに起因して、位相差Δ（＝Ｐ（２πｎ／λ）ｓｉｎα）が生じる。そして、位相整合条件は、位相差Δを波数ｋ_ｇ（＝２π／λ_ｇ）で除した値（Δ／ｋ_ｇ）を半導体層１１Ａの伝搬波長λ_ｇに対して加算又は減算した値（＝λ_ｇ±Δ／ｋ_ｇ）が、格子ピッチＰと等しいとして示される。図３（ｂ）は加算される場合を示しており、半導体層１１Ａには前進波が伝搬する。減算される場合は、後進波が伝搬する。従って、式（２−１）及び式（２−２）が得られる。ここで、λは測定光Ｌの波長であり、ｎは被測定物Ｍの屈折率であり、Ｐは格子ピッチであり、αは測定光Ｌの入射角度である。また、λ_ｇｆは半導体層１１Ａにおける前進波の伝搬波長であり、λ_ｇｂは半導体層１１Ａにおける後進波の伝搬波長である。位相整合条件が満たされる場合とは、式（２−１）及び式（２−２）を満足する場合である。式（２−１）及び式（２−２）によれば、位相整合条件を満たす場合とは、格子ピッチＰ、屈折率ｎ、測定光Ｌの波長λ、入射角度αにより規定される値が、導波路モードの伝搬波長λ_ｇｆ，λ_ｇｂと一致する場合であるともいえる。

【数2】

【0027】

式（２−１）及び式（２−２）によれば、測定光Ｌの入射角度αが０度以外、換言すると測定光Ｌが回折格子部６Ａに対して斜めに照射された状態で、屈折率ｎの変化が生じると位相整合条件を満たすために測定光Ｌの波長λのシフトが必要になることがわかる。同様に、半導体層１１Ｂにおける位相整合条件も同様の式によって表される。

【0028】

光電流の分光特性について説明する。図４は屈折率とピーク波長及びピーク値との関係を示すグラフである。図４に示されるように、光電流の分光特性は、測定光Ｌの波長λと、その測定光Ｌを照射したときにフォトダイオード３から出力される電気信号の大きさとの関係であり、波長λごとの電気信号の大きさを示すものである。図４において、横軸は測定光Ｌの波長λであり、縦軸は電気信号の大きさを示す光電流である。式（２−１）及び式（２−２）の右辺の値が左辺の伝搬波長λ_ｇｆ，λ_ｇｂに近づくほど、電気信号の値が大きくなり、右辺の値と左辺の値が一致したとき（位相整合条件を満たすとき）に電気信号は最大値（ピーク）になる。

【0029】

屈折率ｎの変化に伴うピーク波長λｐのシフトについて更に説明する。図４（ａ）は、回折格子部６Ａに対する測定光ＬのＹ−Ｚ平面内で傾けた入射角度αが１０度であるときの光電流の分光特性を示す。図４（ｂ）は、回折格子部６Ａに対する測定光Ｌの入射角度αが２０度であるときの光電流の分光特性を示す。更に、図４（ａ）のグラフＧ１及び図４（ｂ）のグラフＧ３は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１である場合の光電流の分光特性を示している。グラフＧ１は２個のピークｐｋ１，ｐｋ２を有し、グラフＧ３はピークｐｋ５，ｐｋ６を有している。２個のピークのうち、長波長のピーク（すなわち、ｐｋ１、ｐｋ３）が後進波に対応し、短波長のピーク（すなわち、ｐｋ２、ｐｋ４）が前進波に対応する。図４（ａ）のグラフＧ２及び図４（ｂ）のグラフＧ４は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１．４９３３である場合の光電流の分光特性を示している。グラフＧ２は２個のピークｐｋ３，ｐｋ４を有し、グラフＧ４はピークｐｋ７，ｐｋ８を有している。同じく、長波長のピーク（すなわち、ｐｋ５、ｐｋ７）が後進波に対応し、短波長のピーク（すなわち、ｐｋ６、ｐｋ８）が前進波に対応する。

【0030】

ここで、図４（ａ）の後進波のピークｐｋ１，ｐｋ３を比較すると、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ１に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ３は、ピーク波長λｐが長波長側へシフトしていることがわかる。また、前進波のピークに関しては、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ２に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ４は、ピーク波長λｐが短波長側へシフトしていることがわかる。また、図４（ａ）のピークｐｋ１，ｐｋ３を比較すると、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ１に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ３は、ピーク値が減少していることがわかる。また、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ２に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ４も、ピーク値が減少していることがわかる。

【0031】

このように、ピーク波長λｐのシフト量と屈折率ｎとの間には所定の関係があり、ピーク値の減少量と屈折率ｎとの間にも所定の関係があることがわかる。そこで、本実施形態の屈折率測定装置１では、ピーク波長λｐが屈折率ｎの変化に応じてシフトするという性質を利用して屈折率ｎを検出する。この検出メカニズムについて、図５及び図６を参照しながらさらに説明する。

【0032】

図５は、フォトダイオード３における測定光Ｌの波長と半導体受光素子部３Ａ，３Ｂのそれぞれが生成する光電流Ｉ_１，Ｉ_２の大きさとの関係を示すグラフである。同図中において、各光電流Ｉ_１，Ｉ_２の実線の特性は、ある基準屈折率ｎ_０を有する被測定物Ｍが配置された場合の特性を示し、各光電流Ｉ_１，Ｉ_２の点線の特性は、基準屈折率ｎ_０とは異なる屈折率ｎを有する被測定物Ｍが配置された場合の特性を示している。本実施形態の屈折率測定装置１では、実線の特性が示すように、光源装置２から入射角度αで出射された測定光Ｌの波長λ_Ｌに対して、基準屈折率ｎ_０を有する被測定物Ｍが配置された場合の光電流Ｉ_１，Ｉ_２の値が互いに等しくなるように、回折格子部６Ａの格子ピッチＰ１及び回折格子部６Ｂの格子ピッチＰ２が設計されている。これに対して、点線の特性に示すように、屈折率測定装置１では、光源装置２から入射角度αで出射された測定光Ｌの波長λ_Ｌに対して、屈折率ｎを有する被測定物Ｍが配置された場合の２つの光電流Ｉ_１，Ｉ_２の差が、屈折率ｎのｎ_０からの変化量に応じた大きさで生じる。この性質を利用して、屈折率測定装置１では、２つの光電流Ｉ_１，Ｉ_２の差を基にして被測定物Ｍの屈折率ｎを検出する。

【0033】

図６は、フォトダイオード３における被測定物Ｍの屈折率ｎの基準屈折率ｎ_０に対する差と２つの光電流Ｉ_１，Ｉ_２の差との関係を示すグラフである。同図において、特性Ｇ５は、屈折率測定装置１における所定の発光強度の測定光Ｌに対する屈折率差ｎ−ｎ_０と光電流差Ｉ_１−Ｉ_２との関係を示し、特性Ｇ６は、測定光Ｌの発光強度を５０％に減少させた場合の屈折率差ｎ−ｎ_０と光電流差Ｉ_１−Ｉ_２との関係を示し、特性Ｇ７は、測定光Ｌの発光強度を１０％に減少させた場合の屈折率差ｎ−ｎ_０と光電流差Ｉ_１−Ｉ_２との関係を示す。こられの特性Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７に示すように、それぞれの特性では屈折率差ｎ−ｎ_０に対して光電流差Ｉ_１−Ｉ_２はほぼ線形に変化しているが、測定光Ｌの発光強度を減少させるに従って、光電流差Ｉ_１−Ｉ_２の屈折率差ｎ−ｎ_０に対する変化率（傾き）が小さくなる。従って、光源装置２の発光強度が弱くなると、屈折率ｎの検出感度が低下することが想定される。

【0034】

屈折率測定装置１は、このような屈折率の検出感度の低下を防止するために、下記のような構成の屈折率算出処理部５を備える。すなわち、屈折率算出処理部５は、図７に示すように、フォトダイオード３の半導体受光素子部３Ａ，３Ｂの出力にそれぞれ接続された対数変換回路２１Ａ，２１Ｂによって構成された対数変換回路部２１と、対数変換回路２１Ａ，２１Ｂの出力を差動増幅する差動増幅回路２２とを含んでいる。この屈折率算出処理部５は、フォトダイオード３と同一のＳＯＩ基板上にオンチップで作製されている。

【0035】

対数変換回路部２１は、半導体受光素子部３Ａ，３Ｂのそれぞれから出力される電気信号を対数変換する回路部である。図８は、対数変換回路部２１の詳細構成を示す回路図、図９は、半導体受光素子部３Ａ，３Ｂの出力と対数変換回路部２１の出力との関係を示すグラフである。

【0036】

対数変換回路部２１の対数変換回路２１Ａは、第１ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）Ｍ_１１と、第２ＭＯＳＦＥＴＭ_１２と、抵抗素子Ｒ_Ｌ１とを含んで構成されている。この対数変換回路２１Ａにおいては、半導体受光素子部３Ａの出力であるカソードが第１ＭＯＳＦＥＴＭ_１１のソース（電流端子）に接続され、第１ＭＯＳＦＥＴＭ_１１のソースは第２ＭＯＳＦＥＴＭ_１２のゲート（制御端子）にさらに接続されると共に、第１ＭＯＳＦＥＴＭ_１１のドレイン（電流端子）及びゲートが電源に接続されてバイアス電圧が印加されている。さらに、対数変換回路２１Ａにおいて、第２ＭＯＳＦＥＴＭ_１２のソースが、差動増幅回路２２の反転入力端子に接続されると共に抵抗Ｒ_Ｌ１を介してグランドに接続され、第２ＭＯＳＦＥＴＭ_１２のドレインが電源に接続されてバイアス電圧が印加されている。上記構成の対数変換回路２１Ａは、半導体受光素子部３Ａから出力された光電流Ｉ_１の電気信号の強度を対数変換して出力する回路である。

【0037】

同様に、対数変換回路部２１の対数変換回路２１Ｂは、第１ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）Ｍ_２１と、第２ＭＯＳＦＥＴＭ_２２と、抵抗素子Ｒ_Ｌ２とを含んで構成され、対数変換回路２１Ａと同様な構成を有し、その入力端子が半導体受光素子部３Ｂの出力に接続され、その出力端子は差動増幅回路２２の非反転入力端子に接続される。この対数変換回路２１Ｂは、半導体受光素子部３Ｂから出力された光電流Ｉ_２の電気信号の強度を対数変換して出力する回路である。

【0038】

図９は、対数変換回路２１Ａ，２１Ｂに入力される光電流Ｉ_１，Ｉ_２の対数値と対数変換回路２１Ａ，２１Ｂ出力電圧Ｖ_Ｏ１，Ｖ_Ｏ２との関係を示すグラフである。このように、対数変換回路２１Ａ，２１Ｂによれば、光電流Ｉ_１，Ｉ_２の対数値ｌｏｇＩ_１，ｌｏｇＩ_２の所定範囲Ｗにおいては、それぞれの出力電圧Ｖ_Ｏ１，Ｖ_Ｏ２として、それぞれの対数値ｌｏｇＩ_１，ｌｏｇＩ_２に比例する電圧値が得られる。

【0039】

差動増幅回路２２は、対数変換回路２１Ａの出力電圧Ｖ_Ｏ１の強度と、対数変換回路２１Ｂの出力電圧Ｖ_Ｏ２の強度との差分を増幅して出力する。図１０は、被測定物Ｍの屈折率ｎに関する屈折率差ｎ−ｎ_０と、差動増幅回路２２の出力相当値｛ｌｏｇＩ_１−ｌｏｇＩ_２｝との関係を示すグラフである。このように差動増幅回路２２の出力は、屈折率差ｎ−ｎ_０に対して線形変化する特性を有し、この特性は、単に光電流の差Ｉ_１−Ｉ_２を検出する場合と同様の特性となる。一方で、差動増幅回路２２の出力は、実質的に光電流の比Ｉ_１／Ｉ_２を対数変換したものを表しているので、光源装置２の強度には依存せず、その強度が低下しても屈折率に対する感度（傾き）が一定となる点で光電流の差Ｉ_１−Ｉ_２を検出する場合とは異なる性質を有している。

【0040】

以上説明した屈折率測定装置１によれば、直線状の溝部６Ａａが所定ピッチＰ１で形成された回折格子部６Ａを光入射側に備える半導体受光素子部３Ａと、直線状の溝部６Ｂａが回折格子部６Ａと異なるピッチで形成された回折格子部６Ｂを光入射側に備える半導体受光素子部３Ｂとに対して、光源装置２から光が入射可能とされる。光の入射に応じて、半導体受光素子部３Ａ，３Ｂから出力された２つの信号の強度が、対数変換回路２１Ａ，２１Ｂによってそれぞれ対数変換された後に、差動増幅回路２２によってそれらの差分が増幅して出力される。この出力を用いることにより、光源装置２の出力強度が変動したり、光源装置２の出力強度が弱い場合でも、フォトダイオード３上に配置された被測定物Ｍの屈折率を精度よく測定することができる。すなわち、光源の出力強度の変動に起因する屈折率の検出誤差や、検出信号におけるＳＮ比の低下に起因する検出誤差を低減できる。

【0041】

また、別体の光検出器を用いることなく屈折率を測定できるため、装置構成を簡素化することができる。しかも、フォトダイオード３に入射する光の利用効率が向上することで光の強度の検出精度がさらに向上する。その結果、装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上させることができる。例えば、屈折率測定装置１を応用することで、アレイ化した多数のセンサを含み、簡素な光学系で実現できる光学式バイオセンサチップが実現できる。これにより、蛍光標識を用いない簡便な方法で、高感度で高スループットな生物医学検査が可能となる。

【0042】

また、回折格子部６Ａと回折格子部６Ｂとは、溝部６Ａａ，６Ｂａの形成方向が互いに平行となるように構成され、光源装置２は、回折格子部６Ａの溝部６Ａａの形成方向、及び回折格子部６Ｂの溝部６Ｂａの形成方向に垂直な平面内で半導体受光素子部３Ａ及び３Ｂの表面に垂直な方向に対して傾斜した方向から光を出射する構成とされている。このような構成により、フォトダイオード３上に配置された被測定物Ｍの屈折率の変化に対する、半導体受光素子部３Ａの出力と半導体受光素子部３Ｂの出力との差分の変化率が高くなり、屈折率の検出精度をさらに一層高めることができる。

【0043】

なお、本発明に係る屈折率測定装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、図１１に示すような構成の屈折率算出処理部１０５を採用してもよい。同図に示す屈折率算出処理部１０５の屈折率算出処理部５との相違点は、対数変換回路２１Ａと差動増幅回路２２の非反転入力との間に接続されたロックイン検出回路２３Ａと、対数変換回路２１Ｂと差動増幅回路２２の反転入力との間に接続されたロックイン検出回路２３Ｂとを備える点である。

【0044】

同図に示す変形例では、光源装置２は、発光強度が所定の周波数ｆで変調された光を出射するように構成されている。そして、ロックイン検出回路２３Ａは、対数変換回路２１Ａから出力された電気信号を受けて、その強度を周波数ｆでロックイン検出することによって、電気信号の周波数ｆの成分だけを抽出して差動増幅回路２２に出力する。同様に、ロックイン検出回路２３Ｂは、対数変換回路２１Ｂから出力された電気信号の強度を周波数ｆでロックイン検出することによって、電気信号の周波数ｆの成分だけを抽出して差動増幅回路２２に出力する。

【0045】

このような構成により、フォトダイオード３の出力に含まれる、暗電流のような直流成分、及びショット雑音等の広い周波数帯域の雑音の影響を減らすことで、屈折率の検出精度を一層高めることができる。

【符号の説明】

【0046】

１…屈折率測定装置、２…光源装置、３…フォトダイオード、３Ａ，３Ｂ…半導体受光素子部、５，１０５…屈折率算出処理部、６Ａ，６Ｂ…回折格子部、６Ａａ，６Ｂａ…溝部、２１…対数変換回路部、２１Ａ，２１Ｂ…対数変換回路、２２…差動増幅回路、２３Ａ，２３Ｂ…ロックイン検出回路、Ｌ…測定光、Ｍ…被測定物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図5】