特許 5900970 表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5900970

(24)【登録日】2016年3月18日

(45)【発行日】2016年4月6日

(54)【発明の名称】表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20160324BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/41 101

【請求項の数】9

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2012-554845(P2012-554845)

(86)(22)【出願日】2012年1月26日

(86)【国際出願番号】JP2012051707

(87)【国際公開番号】WO2012102350

(87)【国際公開日】20120802

【審査請求日】2015年1月23日

(31)【優先権主張番号】特願2011-14067(P2011-14067)

(32)【優先日】2011年1月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(74)【代理人】

【識別番号】100080160

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 憲一郎

(72)【発明者】

【氏名】松田 豊稔

(72)【発明者】

【氏名】小田川 裕之

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２９２４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１０４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 周山大慶、外３名，コニカルマウントされた金属格子における表面プラズモンの共鳴吸収，電気学会研究会資料 電磁界理論研究会 ＥＭＴ−０５−１〜１１・１３，２００５年 １月２１日，第２９頁−第３４頁

【文献】 Bai B，Artificial optical activity in chiral resonant nanogratings，Proceedings of SPIE，２００９年１１月２５日，Vol.7393，pp.73930K-1 - 73930K-11

【文献】 周山大慶、外４名，金属格子における表面プラズモンの励振と屈折率測定への応用，電気学会研究会資料，日本，２００７年 １月２９日，ＥＭＴ−０７−１２，第６１頁−第６６頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周期構造を有する金属層を備え、試料が配置された反射板と、
前記反射板にコニカルマウントでｐ偏光又はｓ偏光の入射光を照射する光源と、
前記反射板で反射した反射光を受光する受光部と、
前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか１つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定する計測部と、を備えることを特徴とする表面プラズモンセンサ。

【請求項2】

前記計測部が入射角又は方位角をパラメータとして変化させながら前記反射板の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を計測する場合において前記計測部が測定した前記楕円率がゼロになるように前記パラメータを変更するように前記反射板を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサ。

【請求項3】

前記光源は、屈折率測定の基準となる基準物質を反射板に配置したときの楕円率がゼロとなる入射角、方位角及び波長を有する前記入射光を前記試料に照射し、
前記計測部は、前記反射光から得た楕円率に基づき前記試料の屈折率を測定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面プラズモンセンサ。

【請求項4】

前記楕円率がゼロとなる前後の前記楕円率の変動量が大きくなるように、前記反射板の方位角を調整して前記入射光に対する相対的な格子の溝の形状を変化させることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の表面プラズモンセンサ。

【請求項5】

入射面に対して前記反射光の平行な成分及び垂直な成分の位相差を略直角、前記反射光の反射率が前記平行な成分と前記垂直な成分とで略等しくなるように、前記反射板の方位角を調整して前記入射光に対する相対的な格子の溝の形状を変化させることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の表面プラズモンセンサ。

【請求項6】

前記光源は、前記反射板の前記金属層が設けられた面と対向する面から入射されるように前記入射光を照射し、
前記金属層は薄膜周期構造を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサ。

【請求項7】

周期構造を有する金属層を備える反射板に配置された試料の屈折率を測定する表面プラズモンセンサを用いた屈折率の測定方法であって、
光源から前記反射板にコニカルマウントでｐ偏光又はｓ偏光の入射光を照射するステップと、
前記試料を透過して前記反射板で反射した反射光を受光部で受光するステップと、
前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか１つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定するステップと、を備えることを特徴とする屈折率の測定方法。

【請求項8】

前記反射板は、光を透過する基板と、当該基板の一方の面の上に積層されて周期構造を有する金属層とを備え、前記金属層の面であって前記基板に当接しない面の上に試料が配置され、
前記光源は、前記基板の他方の面の側から入射光を照射し、
前記受光部は、前記基板の他方の面の側に反射した反射光を受光することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサ。

【請求項9】

光を透過する基板と、当該基板の一方の面の上に積層されて薄膜周期構造を有する金属層とを備え、前記金属層の面であって前記基板に当接しない側の面の上に試料が配置される反射板と、
前記基板の他方の面の側から入射光を照射する光源と、
前記基板の他方の面の側に反射した反射光を受光する受光部と、
前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか１つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定する計測部と、
前記計測部が入射角又は方位角をパラメータとして変化させながら前記反射板の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を計測する場合において前記計測部が測定した前記楕円率がゼロになるように前記パラメータを変更するように前記反射板を制御する制御部と、を備え、
入射面に対して前記反射光の平行な成分及び垂直な成分の位相差を略直角、前記反射光の反射率が前記平行な成分と前記垂直な成分とで略等しくなるように前記反射板の方位角を調整して前記入射光に対する相対的な格子の溝の形状を変化させてあり、
前記計測部は、前記反射板に屈折率が既知の基準物質を前記試料として配置したときに前記反射光の楕円率がゼロになる値に前記入射光の波長、入射角、及び、方位角を固定した状態で前記受光部が受光した反射光の楕円率に応じた値を前記試料の屈折率とすることを特徴とする表面プラズモンセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面プラズモンセンサ、及び該表面プラズモンセンサを用いた屈折率の測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

液体等の屈折率を光学的に測定するセンサとして表面プラズモンセンサが知られている。金属表面に波長λの入射光を照射したときの反射率ρの入射角特性（吸収曲線）を測定すると、特定の入射角（以下、吸収角θ_ｓｐと呼ぶ）で反射率ρが急激に減少する。この現象は、プラズモン共鳴吸収と呼ばれ、入射光と金属表面に存在する表面プラズモンとの電磁波結合によって生じる現象であり、入射光の電力が金属表面に捕捉（共鳴吸収）された結果、反射光強度が減少する。

【0003】

表面プラズモンセンサは、プラズモン共鳴吸収を利用して液体等の試料の屈折率を測定するセンサである。表面プラズモンセンサには、金属表面にプリズムを配置したものや、例えば特許文献１に開示されるように金属表面に等間隔に溝を刻んだ周期構造を有するものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２１６０５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

表面プラズモンセンサでは、予め屈折率ｎ_ｓが既知の基準物質の吸収角θ_ｓｐを求めておき、屈折率ｎを測定した試料の吸収角θ’_ｓｐと基準物質の吸収角θ_ｓｐとの差Δθ_ｓｐ（＝θ_ｓｐ−θ’_ｓｐ）から試料の屈折率ｎ（＝ｎ_ｓ＋Δｎ）を求める。
上述したように吸収角θ_ｓｐは、反射率ρが急激に減少する角度であるため、吸収角θ_ｓｐを測定するには最小点検出を行わなければならず、測定が複雑であるという問題があった。

【0006】

本発明は、上述の点を鑑みてなされたものであり、容易に屈折率を測定できる表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明に係る表面プラズモンセンサは、周期構造を有する金属層を備え、試料が配置された反射板と、前記反射板にコニカルマウントでｐ偏光又はｓ偏光の入射光を照射する光源と、前記反射板で反射した反射光を受光する受光部と、前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか１つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定する計測部と、を備えることを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係る屈折率の測定方法は、周期構造を有する金属層を備える反射板に配置された試料の屈折率を測定する表面プラズモンセンサを用いた屈折率の測定方法であって、光源から前記反射板にコニカルマウントでｐ偏光又はｓ偏光の入射光を照射するステップと、前記反射板で反射した反射光を受光部で受光するステップと、前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか１つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定するステップと前記受光部で受光した反射光に含まれる偏光方向の異なる２種類の波の位相情報に基づいて前記試料の屈折率を測定するステップと、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、容易に屈折率を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図2】本発明の第１実施形態に係る金属層を示す図。

【図3】本発明の第１実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図4】本発明の第１実施形態に係る反射光を説明する図。

【図5】本発明の第１実施形態に係る反射光を説明する図。

【図6】本発明の第１実施形態に係る反射板を示す図。

【図7】本発明の第１実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。

【図8】本発明の第１実施形態に係る反射光の楕円率の変動を示す図。

【図9】本発明の第１実施形態に係る反射光の位相を示す図。

【図10】本発明の第１実施形態に係る反射光の反射率を示す図。

【図11】本発明の第１実施形態に係る楕円率の入射角特性を示す図。

【図12】本発明の第１実施形態に係る反射率の入射角特性を示す図。

【図13】本発明の第２実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図14】本発明の第３実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図15】本発明の第３実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。

【図16】本発明の第３実施形態に係る楕円率の方位角特性を示す図。

【図17】本発明の第４実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図18】本発明の第４実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。

【図19】本発明の第４実施形態に係る楕円率の波長特性を示す図。

【図20】本発明の第５実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図21】本発明の第５実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。

【図22】本発明の第６実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図23】本発明の第６実施形態に係る楕円率の入射角特性を示す図。

【図24】本発明の第７実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図25】本発明の第７実施形態に係る楕円率の入射角特性を示す図。

【図26】本発明の第８実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【図27】本発明の第８実施形態に係る入射角−楕円の傾き角特性を示す図。

【図28】本発明の第８実施形態に係る受光強度特性を示す図。

【図29】本発明の第８実施形態に係る受光強度の測定方法を説明する図。

【図30】本発明の第８実施形態に係る受光強度特性を示す図。

【図31】本発明の第９実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る表面プラズモンセンサ１を説明する。図１は、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１の概略を示す図である。
図１の表面プラズモンセンサ１は、周期構造を有する金属層１０を備える反射板１１と、反射板１１上に入射光を照射する光源１２と、反射板で反射した反射光を受光する受光部１３と、反射光の楕円率の変動から反射板１１上に配置された試料の屈折率ｎを測定する計測部１４と、を備える。

【0012】

各部の詳細を説明する。
反射板１１は、例えばシリコン等の基板１５と、基板１５上に積層された例えばアルミニウム等の金属層１０と、を有する。

【0013】

図２は、金属層１０の一例を示す図である。金属層１０の基板と対向する面には、光の波長程度の間隔ｄで、凹凸形状が周期的に形成されている。金属層１０は、周期ｄの周期構造を有する。この凹凸形状が繰り返し形成される方向を周期方向と称する。

【0014】

図２（ａ）に示すように、金属層１０の基板１５と接していない面に周期構造が形成されており、かつ一方向（図２（ａ）ではｘ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を一次元周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向となる。

【0015】

図２（ｂ）に示すように、金属層１０の基板１５と接していない面に周期構造が形成されており、かつ二方向（図２（ｂ）ではｘ、ｙ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を二次元周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向及びｙ方向となる。

【0016】

図２（ｃ）に示すように、金属層１０が、図２（ａ）、（ｂ）より薄い、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍの金属薄膜で形成されている場合に、金属層１０の基板１５と接する面及びこれに対向する面の両面に周期構造が形成されており、かつ一方向（図２（ｃ）ではｘ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を一次元薄膜周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向となる。

【0017】

図２（ｄ）に示すように、金属層１０が、図２（ａ）、（ｂ）より薄い、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍの金属薄膜で形成されている場合に、金属層１０の基板１５と接する面及びこれに対向する面の両面に周期構造が形成されており、かつ二方向（図２（ｄ）ではｘ、ｙ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を二次元薄膜周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向及びｙ方向となる。

【0018】

なお、図２（ｃ）、（ｄ）では、金属層１０の両面に周期構造を形成しているが、基板１５と対向する片面のみに周期構造を形成してもよい。

【0019】

このように、凹凸形状が繰り返し形成される方向によって、金属層１０の表面には複数の周期構造が形成され得る。本実施形態の金属層１０は、上述したどの周期構造を有していてもよいが、ここではｘ方向を周期方向とする一次元周期構造を有するものとして説明する。

【0020】

図３に示すように、反射板１１は、金属層１０の周期方向（ｘ方向）と、光源１２から出射される入射光が入射する面Ｓ１（以下、入射面Ｓ１と呼ぶ。詳細は後述。）と、が直交しないように斜めに配置される。このように、入射面Ｓ１と周期方向とが直交しないような反射板１１の配置をコニカルマウントと呼ぶ。入射面Ｓ１と周期方向とのなす角を方位角φと呼ぶ。本実施形態の反射板１１は、φ≠０°，９０°となるように配置される。入射光と０次回折光（以下、反射光と呼ぶ）の波数ベクトルは、入射面内に存在する。

【0021】

図１に戻る。
反射板１１の上には屈折率ｎの測定対象となる試料１６や、試料１６の屈折率ｎ測定の基準となる基準物質等が配置される。

【0022】

光源１２は、例えば半導体レーザや発光ダイオードなどの受光素子で構成される。光源１２からはｐ波を有する入射光が照射される。光源１２は、入射光を照射する角度θ（以下、入射角θと呼ぶ。図３を参照。）を変化させながら入射光を照射する。光源１２には、入射角θを変動させるために必要な駆動装置（図示せず）を含む。なお、図示しない駆動装置以外にも、例えばレーザダイオードアレイを用いるなどして光学的に入射角度を変化させてもよい。

【0023】

受光部１３は、例えばフォトダイオードなどで構成される。受光部１３は、ｐ波及びｓ波を有する反射光を受光する。受光部１３は、入射光の入射角θの変動に連動して反射光を受光するための駆動装置を含む。なお、受光部１３もフォトダイオードアレイを用いるなどして光学的に受光部１３の反射光の反射角を変えるようにしてもよい。

【0024】

計測部１４は、受光部１３が受光した反射光の楕円率を測定し、楕円率の変動を測定する。計測部１４は、測定した楕円率の変動から、楕円率がゼロとなる入射角θ_０（以下、吸収角θ_０と称する。）を測定する。計測部１４は、反射板１１に基準物質が配置された場合の吸収角θ_０と、試料１６が配置された場合の吸収角θ’_０との差Δθ_０（＝θ’_０−θ_０）から試料１６の屈折率ｎを測定する。

【0025】

次に、試料１６の屈折率ｎを測定する方法を説明する。
図４を用いて、受光部１３が受光する反射光について説明する。図４（ａ）に示すように、反射光には入射面Ｓ１に対して平行なｐ波成分と、垂直なｓ波成分とに分けられる。光を進行方向から見るとｐ波とｓ波との位相差δに応じて、光の電界ベクトルは、図４（ｂ）のように楕円状に旋回しているように見える。このとき長軸の長さをａ、短軸の長さをｂとすると楕円率ｔａｎχは、ｔａｎχ＝ｂ／ａで求められる。また、光の電界ベクトルが成す楕円の長軸がｘ方向に対して成す角を楕円の傾き角ψと呼ぶことにする。

【0026】

ｐ波とｓ波との位相差δがゼロより小さい、即ちｐ波に比べｓ波が遅れている場合、図５（ａ）に示すように、光は進行方向から見て楕円状に左旋回している。これを左楕円偏光と呼ぶ。このときの楕円率ｔａｎχはゼロより小さくなる。

【0027】

ｐ波とｓ波との位相差δがゼロ、即ちｐ波及びｓ波の位相が同じ場合、図５（ｂ）に示すように、光は進行方向から見て直線状に振動している。これを直線偏光と呼ぶ。このときの楕円率ｔａｎχはゼロとなる。

【0028】

ｐ波とｓ波との位相差δがゼロより大きい、即ちｐ波に比べｓ波が進んでいる場合、図５（ｃ）に示すように、光は進行方向から見て楕円状に右旋回している。これを右楕円偏光と呼ぶ。このときの楕円率ｔａｎχはゼロより大きくなる。

【0029】

このように反射光の楕円率ｔａｎχは、ｐ波及びｓ波の位相に依存している。従って計測部１４で反射光の楕円率ｔａｎχを測定することでｐ波及びｓ波の位相関係を知ることができる。

【0030】

図６に示すように、反射板１１をコニカルマウントとした場合、ｐ波の入射光を反射板１１に入射すると、ｐ波及びｓ波の反射光が得られる。

【0031】

次に、図７を用いて反射板１１上に試料１６を配置した場合の反射光の楕円率（以下、試料１６の楕円率と呼ぶ）の変動を測定する方法について説明する。本実施形態では、入射光の入射角θを変更した場合の試料１６の楕円率の変動を計測する。

【0032】

反射板１１上に試料１６を配置し（Ｓ１０１）、入射角θ、波長λの入射光を光源１２から照射する（Ｓ１０２）。光源１２は、ｐ波の入射光を照射する。
受光部１３は、入射光が試料１６を介して反射板１１で反射した光（反射光）を受光する（Ｓ１０３）。

【0033】

計測部１４は、反射光から反射光の楕円率を測定する（Ｓ１０４）。
光源１２は照射する入射光の入射角θを変更し、θ＋Δθとする（Ｓ１０５）。

【0034】

楕円率を測定したい範囲の入射角θ全てで楕円率ｔａｎχを測定していない場合（Ｓ１０６のｎｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。一方、測定したい入射角θの範囲全てで楕円率ｔａｎχを測定した場合（Ｓ１０６のｙｅｓ）は、試料１６の楕円率変動測定を終了する。

【0035】

図８に、計測部１４が測定した各入射角θにおける楕円率ｔａｎχの変動のシミュレーション結果を示す。図８は、図７の楕円率変動測定のフローチャートに従って測定した試料１６である空気のｔａｎχ−θ特性曲線を示す図である。ここでは、反射板１１としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをＨ＝７２ｎｍ、格子の周期ｄをｄ＝５５６ｎｍ、方位角φをφ＝３０°、波長λをλ＝６７０ｎｍとし、入射角θを３°＜θ＜１５°の範囲で変化させた。

【0036】

図８に示すように、ｔａｎχ−θ特性曲線は、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ_０の前後で正から負へと変化する。

【0037】

次に、図９に、計測部１４が測定した各入射角θにおける位相δ_ｐ、δ_ｓ及び位相差δ
のシミュレーション結果を示す。ここでは、試料１６として空気を用い、反射板１１としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをＨ＝７２ｎｍ、格子の周期ｄを、ｄ＝５５６ｎｍ、方位角φをφ＝３０°、波長λをλ＝６７０ｎｍとし、入射角
θを１０°＜θ＜１５°の範囲で変化させた。

【0038】

図９の実線で示すグラフがｐ波の位相δ_ｐの変化を示しており、一点破線で示すグラフがｓ波の位相δ_ｓを示している。破線で示すグラフは、ｐ波とｓ波との位相差δ＝δ_ｓ−δ_ｐを示している。

【0039】

反射光のｐ波の位相δ_ｐは、入射角θが１３°から１４°の範囲で急激に変動し、ｓ波の位相δ_ｓは滑らかに変動している。図９のｐ波の位相δ_ｐとｓ波の位相δ_ｓとが交差する入射角θがｐ波とｓ波との位相差δがゼロとなる入射角θであり、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ_０である。反射光の位相差δは、吸収角θ_０の前後で正から負、又は負から正へと変化する。つまり、反射光の楕円率ｔａｎχは、吸収角θ_０の前後で正から負、又は負から正へと変化する。従って、ｔａｎχを測定することで位相差δがゼロとなる吸収角θ_０を測定することができる。

【0040】

図１０は、計測部１４が測定した反射率ρのシミュレーション結果を示す図である。破線で示すグラフがｐ波の反射率ρ_ｐを示しており、一点破線で示すグラフがｓ波の反射率
ρ_ｓを示している。実線で示すグラフは、ｐ波及びｓ波の反射率ρ_ｓ、ρ_ｐを合わせた反射光の反射率ρを示している。

【0041】

図１０に示すように、反射光の反射率ρが最も小さくなる入射角が吸収角θ_ｓｐとなる。一般に反射光の反射率ρを用いて屈折率ｎの測定を行う表面プラズモンセンサは、入射角を変動させながらｐ波の反射率ρの変動を測定し、最小点検出を行うことで吸収角θ_ｓｐを測定する。一方、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１では、反射率ρの変動ではなく楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロになるゼロ点検出を行うことで吸収角θ_０を測定する。楕円率ｔａｎχの吸収角θ_０と反射率ρの吸収角θ_ｓｐは、必ずしも同じ値となるわけではないが、非常に近い値となるため本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１では、反射率ρの吸収角θ_ｓｐではなく楕円率ｔａｎχの吸収角θ_０を用いて試料１６の屈折率ｎを測定する。

【0042】

次に、図１１、図１２を用いて本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１が高精度に屈折率ｎを測定できる点について説明する。屈折率ｎがそれぞれ「１．０００２」、「１．０００３」、「１．０００４」である試料１６の反射光の楕円率ｔａｎχの入射角特性を図１１に、反射率ρの入射角特性を図１２に示す。図１１、図１２ともにシミュレーション結果を示す図である。なお、図１１、図１２ともに吸収角θ_０、θ_ｓｐ付近の入射角特性を拡大して示している。図１１、図１２の実線が屈折率「１．０００２」、一点破線が
「１．０００３」、破線が「１．０００４」の入射角特性を示している。

【0043】

図１１では、各屈折率ｎの入射角特性が略線形となっている。楕円率ｔａｎχがゼロになる入射角であるため、楕円率ｔａｎχの吸収角θ_０は、各入射角特性のゼロ点検出を行うことで測定できる。ゼロ点検出は容易にかつ高精度に測定できる。図１１の各屈折率ｎにおける吸収角θ_０は、屈折率「１．０００２」で吸収角θ_０＝１１．３４９°、屈折率「１．０００３」で吸収角θ_０＝１１．３４２°、屈折率「１．０００４」で吸収角θ_０＝１１．３３４°となる。

【0044】

一方、図１２では、各屈折率ｎの入射角特性が下に凸の緩やかなカーブを描く非線形となっている。反射率ρの吸収角θ_ｓｐは、反射率ρが最小となる入射角であるため、各入射角特性の最小点検出を行えば反射率ρの吸収角θ_ｓｐは測定できる。しかしながら各屈折率ｎの差が小さく、かつ入射角特性のＱ値が小さい場合、図１２に示すように最小点が重なっているようにみえ、吸収角θ_ｓｐを高精度に測定することが難しい。

【0045】

上述したように楕円率ｔａｎχの入射角特性は吸収角θ_０付近で略線形となるため、各屈折率ｎの差が小さくても、その差を吸収角θ_０の差として検出できる。

【0046】

そこで、本実施形態の表面プラズモンセンサ１では、まず試料１６として屈折率ｎ_ｓが既知である基準物質を反射板１１上に配置し、図７に示す手順に従って反射光の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、吸収角θ_０を測定する。
次に、反射板１１に屈折率ｎを測定したい試料１６を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ’_０を測定する。
測定した吸収角の差Δθ_０（＝θ’_０−θ_０）から基準物質の屈折率ｎ_ｓと、試料１６の屈折率ｎの差Δｎ（＝ｎ−ｎ_ｓ）を測定する。

【0047】

なお、上述した測定方法では、基準物質の吸収角θ_０を測定しているが、基準物質の屈折率ｎ_ｓ及び吸収角θ_０が既知の場合は測定を省略してもよい。

【0048】

計測部１４は、入射角θを反射光の楕円率ｔａｎχを測定する毎に光源１２から取得してもよく、楕円率ｔａｎχがゼロになった時の入射角θを光源１２から取得するようにしてもよい。あるいは、計測部１４は、入射角θの範囲と入射角の変化分（ステップＳ１０５のΔθ）から楕円率ｔａｎχを測定した時の入射角を求めるようにしてもよい。このように、計測部１４が光源１２を制御し上述した屈折率ｎの測定方法を実行するようにしてもよく、図示しない制御部を設け、制御部によって各部を制御するようにしてもよい。

【0049】

以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１は、楕円率ｔａｎχの変動、具体的には楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ_０から試料１６の屈折率ｎを測定する。楕円率ｔａｎχの入射角特性は、吸収角θ_０付近で略線形となるため、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ_０はゼロ点検出を行えば測定できるため、最小点検出のような複雑な検出が不要となり、吸収角θ_０を容易かつ高精度に測定することができる。そのため、例えば気体のように屈折率ｎの差が微小な物質でも屈折率ｎを測定することができる。

【0050】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る表面プラズモンセンサ２を説明する。図１３は表面プラズモンセンサ２の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ２は反射板２１の金属層２０が図２（ｃ）に示す一次元薄膜周期構造を有している点及び基板２５側から入射光を入射している点で図１の表面プラズモンセンサ１と異なる。

【0051】

反射板２１は、シリコン基板のように光を透過する基板２５と、一次元薄膜周期構造を有する金属層２０とを有する。反射板２１は、光源１２に近い方から基板２５、金属層２０との順に積層されており、金属層２０の基板２５と対向する面上に試料１６が配置される。

【0052】

これ以外の構成及び屈折率の測定方法は、第１実施形態に係る表面プラズモンセンサ１と同じであるため説明を省略する。なお、本実施形態の金属層２０は、両面に周期構造を有しているが、試料１６が配置される面のみに周期構造を有するようにしてもよい。

【0053】

以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ２は、光源１２と反射板２１との間に試料１６を配置できない場合であっても、第１実施形態と同様に試料１６の屈折率ｎを測定することができる。

【0054】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る表面プラズモンセンサ３を説明する。図１４は、表面プラズモンセンサ３の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３は、入射角θ及び波長λを一定とし、反射板３１の方位角φを変動させながら楕円率ｔａｎχの変動を測定する点で図１の表面プラズモンセンサ１と異なる。

【0055】

反射板３１は、図示しない駆動装置を有しており、方位角φが変動するよう回転する。
計測部３４は、受光部１３が受光した反射光の楕円率の変動を測定する。計測部３４は、測定した楕円率がゼロとなる方位角φ_０（以下、吸収方位角φ_０と称する。）を測定する。計測部３４は、反射板１１上に基準物質が配置された場合の吸収方位角φ_０と、試料１６が配置された場合の吸収方位角φ’_０との差Δφ_０（＝φ’_０−φ_０）から試料１６と基準物質との屈折率の差Δｎを測定する。
そのほかの構成は図１に示す表面プラズモンセンサ１と同様であるため説明を省略する。

【0056】

図１５を用いて反射板３１の方位角φを変化させる場合の反射光の楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法を説明する。ステップＳ１０４までは図７と同じであるため説明を省略する。

【0057】

反射光から楕円率ｔａｎχを測定すると、反射板３１は方位角φを変更し、φ＋Δφとする（Ｓ３０５）。楕円率の変動を測定する全ての方位角φで楕円率ｔａｎχを測定していない場合（Ｓ３０６のｎｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。一方、全ての方位角φで楕円率ｔａｎχを測定した場合（Ｓ３０６のｙｅｓ）は、試料１６の測定を終了する。

【0058】

図１６を用いて本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３が屈折率ｎを測定できる点について説明する。図１６に、屈折率ｎがそれぞれ「１．０００３」、「１．０００３９」
、「１．０００１」である試料１６における反射光の楕円率ｔａｎχの方位角特性を示す。実線が屈折率「１．０００１」、破線が「１．０００３」、一点鎖線が「１．０００３９」の方位角特性を示している。なお、図１６では、入射角θをθ＝１１．３°とし、波長
λをλ＝６７０ｎｍとした場合の空気の楕円率ｔａｎχの変動を計測したシミュレーション結果を示している。

【0059】

図１６では、各屈折率ｎの方位角特性が略線形となっている。そのため、第１実施形態の入射角特性と同様に方位角特性を用いても楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収方位角φ_０を容易にかつ高精度に測定することができる。

【0060】

本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３では、まず、屈折率ｎ_ｓが既知である基準物質を反射板３１上に配置し、図１５に示す手順に従い方位角を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収方位角φ_０を測定する。
次に、反射板３１に屈折率ｎを測定したい試料１６を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収方位角φ’_０を測定する。
測定した吸収方位角の差Δφ_０（＝φ’_０−φ_０）から基準物質の屈折率ｎ_ｓと、試料１６の屈折率ｎの差Δｎ（＝ｎ−ｎ_ｓ）を測定する。

【0061】

なお、上述した測定方法では、基準物質の吸収方位角φ_０を測定しているが、基準物質の屈折率ｎ_ｓ及び吸収方位角φ_０が既知の場合は測定を省略してもよい。

【0062】

計測部３４は、反射板３１の方位角φを、反射光の楕円率ｔａｎχを測定する毎に反射板３１から取得してもよく、楕円率ｔａｎχがゼロになった時の方位角φを反射板３１から取得するようにしてもよい。あるいは、計測部３４は、方位角φの範囲と方位角φの変化分（ステップＳ３０５のΔφ）から楕円率ｔａｎχを測定した時の方位角φを求めるようにしてもよい。このように、計測部３４が反射板３１を制御し上述した屈折率ｎの測定方法を実行するようにしてもよく、図示しない制御部を設け、該制御部によって各部を制御するようにしてもよい。

【0063】

以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３によると、入射角θを一定としても方位角φを変動させると楕円率が変動するため、入射角θを変動させずに試料１６の屈折率ｎを容易にかつ高精度に測定することができる。

【0064】

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る表面プラズモンセンサ４を説明する。図１７は、表面プラズモンセンサ４の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４は、入射角θ及び方位角φを一定とし、入射光の波長λを変動させながら楕円率ｔａｎχの変動を測定する点で図１の表面プラズモンセンサ１と異なる。

【0065】

光源４２は、例えば半導体レーザで構成される。半導体レーザは、図示しない制御部から制御信号が入力されることで、入射光の波長を変更することが可能である。光源４２が該制御部を備える構成としてもよい。光源４２は、入射光の波長λを変化させながら入射光を照射する。

【0066】

計測部４４は、受光部１３が受光した反射光の楕円率の変動を測定する。計測部４４は、測定した楕円率がゼロとなる波長λ_０（以下、吸収波長λ_０と称する。）を測定する。計測部４４は、反射板１１上に基準物質が配置された場合の吸収波長λ_０と、試料１６が配置された場合の吸収波長λ’_０との差Δλ_０（＝λ’_０−λ_０）から試料１６と基準物質との屈折率の差Δｎを測定する。
そのほかの構成は図１に示す表面プラズモンセンサ１と同様であるため説明を省略する。

【0067】

図１８を用いて入射光の波長λを変化させる場合の反射光の楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法を説明する。ステップＳ１０４までは図７と同じであるため説明を省略する。

【0068】

反射光から楕円率ｔａｎχを測定すると、光源４２は照射する波長λを変更し、λ＋Δλとする（Ｓ４０５）。楕円率の変動を測定する全ての波長で楕円率ｔａｎχを測定していない場合（Ｓ４０６のｎｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。一方、全ての波長で楕円率ｔａｎχを測定した場合（Ｓ４０６のｙｅｓ）は、試料１６の測定を終了する。

【0069】

図１９を用いて本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４が屈折率ｎを測定できる点について説明する。図１９に、屈折率ｎがそれぞれ「１．０００３」、「１．０００３９」、「１．０００１」である試料１６における反射光の楕円率ｔａｎχの波長特性を示す。破線が屈折率「１．０００１」、実線が「１．０００３」、一点破線が「１．０００３９」の波長特性を示している。図１９では、入射角θをθ＝１１．１９３°とし、方位角φをφ＝５°とした場合の空気の楕円率ｔａｎχの変動を計測したシミュレーション結果を示している。

【0070】

図１９では、各屈折率ｎの波長特性が略線形となっている。そのため、第１実施形態の入射角特性と同様に波長特性を用いても楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ_０を容易にかつ高精度に測定することができる。

【0071】

本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４では、まず、屈折率ｎ_ｓが既知である基準物質を反射板１１上に配置し、図１８に示す手順に従い波長を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ_０を測定する。
次に、反射板１１に屈折率ｎを測定したい試料１６を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ’_０を測定する。
測定した吸収波長の差Δλ_０（＝λ’_０−λ_０）から基準物質の屈折率ｎ_ｓと、試料１６の屈折率ｎの差Δｎ（＝ｎ−ｎ_ｓ）を測定する。

【0072】

なお、上述した測定方法では、基準物質の吸収波長λ_０を測定しているが、基準物質の屈折率ｎ_ｓ及び吸収波長λ_０が既知の場合は測定を省略してもよい。

【0073】

計測部４４は、入射光の波長λを、反射光の楕円率ｔａｎχを測定する毎に光源４２から取得してもよく、楕円率ｔａｎχがゼロになった時の波長λを光源４２から取得するようにしてもよい。あるいは、計測部４４は、波長λの範囲と波長λの変化分（ステップＳ４０５のΔλ）から楕円率ｔａｎχを測定した時の波長λを求めるようにしてもよい。このように、計測部４４が光源４２を制御し上述した屈折率ｎの測定方法を実行するようにしてもよく、図示しない制御部を設け、該制御部によって各部を制御するようにしてもよい。

【0074】

以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４によると、入射角θを一定としても波長λを変動させると楕円率が変動するため、入射角θを変動させずに試料１６の屈折率ｎを容易にかつ高精度に測定することができる。入射角θを変動させる必要がないため、光源４２に駆動装置が不要となり、表面プラズモンセンサ４を小型化することができる。

【0075】

（第５実施形態）
図２０を用いて第５実施形態に係る表面プラズモンセンサ５を説明する。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ５は、計測部５４が計測する楕円率ｔａｎχに基づいて光源５２が照射する入射光の波長λを制御する制御部５７を備える。

【0076】

光源５２は、制御部５７から入力される制御信号に基づき、半導体レーザ（図示せず）を制御し、波長λの入射光を照射する。計測部５４は、受光部１３が受光した反射光から楕円率ｔａｎχを測定する。計測部５４は、楕円率ｔａｎχを制御部５７に出力する。

【0077】

制御部５７は、計測部５４から入力された楕円率ｔａｎχに基づき、光源５２から楕円率ｔａｎχがゼロとなる波長λの入射光が照射されるように制御信号を生成する。制御部５７は、制御信号を光源５２に出力する。なお計測部５４から制御部５７に入力される情報は、楕円率ｔａｎχそのものでなくとも、制御部５７が楕円率ｔａｎχがゼロか否かを識別することができる情報であればよい。計測部５４から制御部５７に対しては、例えばｐ波とｓ波との位相差δやどちらの位相が進んでいるのかといった情報を入力してもよい。

【0078】

図２１を用いて本実施形態における楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法を説明する。ステップＳ１０４までは図７と同じであるため説明を省略する。

【0079】

計測部５４は、楕円率ｔａｎχを測定（ステップＳ１０４）し、制御部５７に測定した楕円率ｔａｎχを出力する。
制御部５７は、楕円率ｔａｎχがゼロでない場合（ステップＳ５０６のｎｏ）、波長λを変更しλ＋Δλとなるよう制御信号を生成する（ステップＳ５０７）。制御部５７は、制御信号を光源５２に渡すとステップＳ１０２に戻る。一方、楕円率がゼロの場合（ステップＳ５０６のｙｅｓ）、楕円率変動測定を終了する。

【0080】

図１９に示すように、吸収波長λ_０付近の楕円率ｔａｎχの波長特性が、正の傾きを持つ略線形となっている場合に、ステップＳ５０７で波長λを変更するときは、楕円率ｔａｎχが正の場合は波長λを短くするように、負の場合は長くするように変更してもよい。なお、楕円率ｔａｎχの波長特性は、吸収波長λ_０付近で負の傾きを持つ略線形となる場合もある。この場合は、楕円率ｔａｎχが負の場合は波長λを短くするように、正の場合は長くするように変更すればよい。

【0081】

このように楕円率ｔａｎχに応じて波長λを変更することで楕円率変動測定の繰り返しステップ数を短くすることができる。

【0082】

本実施形態に係る表面プラズモンセンサ５では、まず、屈折率ｎ_ｓが既知である基準物質を反射板１１上に配置し、図２１に示す手順に従い波長を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ_０を測定する。
次に、反射板１１に屈折率ｎを測定したい試料１６を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ’_０を測定する。吸収波長λ_０、λ’_０から第４実施形態と同様に試料１６の屈折率ｎを測定する。

【0083】

なお、屈折率ｎの測定は、第４実施形態と同様に計測部５４が行ってもよく、また制御部５７が行ってもよい。制御部５７が計測部５４の機能を備えるように構成し、計測部５４を省略してもよい。

【0084】

以上のように、第５実施形態に係る表面プラズモンセンサ５によれば、計測部５４が楕円率ｔａｎχをフィードバックすることにより、測定した楕円率ｔａｎχに応じて光源５２の波長λを変更できるようになる。これにより、吸収波長λ_０の測定を短時間で行うことができるようになり、試料１６の屈折率測定時間を短縮することができる。

【0085】

なお、ここでは測定した楕円率ｔａｎχに応じて光源５２の波長λを変更しているが、波長λの代わりに入射角θを変更し、吸収角θ_０を測定するようにしてもよく、方位角φを変更し、吸収方位角φ_０を測定するようにしてもよい。なお、方位角φを変更する場合、制御部５７は、光源５２ではなく反射板１１を制御する。

【0086】

（第６実施形態）
図２２を用いて第６実施形態に係る表面プラズモンセンサ６を説明する。
本実施形態に係る表面プラズモンセンサ６は、計測部６４での屈折率ｎの測定方法が第４実施形態に係る表面プラズモンセンサ５と異なる。それ以外の構成は同じであるため説明は省略する。

【0087】

まず、基準物質の吸収波長λ_０を測定する。これは第５実施形態と同様に測定するので説明を省略する。次に、屈折率ｎを測定したい試料１６を反射板１１上に配置し、光源５２から波長λが基準物質の吸収波長λ_０である入射光を照射する。計測部６４は、受光部１３が受光した反射光の楕円率ｔａｎχを測定する。

【0088】

図２３に示すように、反射板１１上に配置した試料１６の屈折率がｎ_ｓからｎ_ｓ＋Δｎに変化すると、楕円率ｔａｎχの入射角特性もθ＋Δθ変化する。第１実施形態のように、楕円率ｔａｎχがゼロになる吸収角θ_０の変化Δθを測定することで、屈折率ｎ_ｓの変化Δｎを計測してもよいが、一定の波長λ_０及び入射角θ_０における楕円率ｔａｎχの変化（図２３中の矢印）を測定することで、屈折率ｎ_ｓの変化Δｎを計測してもよい。ただし、試料１６の楕円率ｔａｎχは、楕円率ｔａｎχの入射角特性の直線部分であるｔａｎΧ⁻からｔａｎΧ^＋の範囲にあるものとする。

【0089】

そこで、本実施形態では、計測部６４は、一定の入射角θで基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる波長λ_０を測定し、該入射角θ及び波長λ_０で試料１６の楕円率ｔａｎΧを測定する。計測部６４は、測定した試料１６の楕円率ｔａｎΧから試料１６の屈折率ｎの変化Δｎを測定する。

【0090】

なお、ここでは入射角を一定とし、波長λを変化させることで基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる波長λ_０を測定したが、波長を一定とし、入射角θを変化させることで、基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる入射角θ_０及び波長λで試料１６の楕円率ｔａｎχを測定してもよい。また、波長λ、入射角θを一定とし、方位角φを変化させることで基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる入射角θ及び方位角φ_０で試料１６の楕円率ｔａｎχを測定してもよい。

【0091】

以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ６では、試料１６の屈折率変化に伴う楕円率ｔａｎχの入射角特性の直線部分の変化を利用して試料１６の屈折率ｎを測定するため、試料１６の楕円率測定回数が１回で済む。これにより、計測時間を大幅に短縮することができる。また、図２３に示すように、楕円率ｔａｎχの入射角特性は楕円率ｔａｎχがゼロとなる付近で急峻となるため、屈折率のわずかな差が楕円率ｔａｎχの大きな変化となって現れやすい。従って、例えば気体のような屈折率ｎの差が小さい物質であってもより高精度に屈折率ｎを測定することができる。

【0092】

また、屈折率ｎを測定したい試料１６の楕円率ｔａｎχの測定回数が１回で済むため、実験の再現性が良くなり、試料気体の違いによりｔａｎχの値が変わるため、さらに高精度に屈折率ｎを測定することができる。

【0093】

（第７実施形態）
図２４を用いて第７実施形態に係る表面プラズモンセンサ７を説明する。
本実施形態に係る表面プラズモンセンサ７は、反射板７１を調整することで屈折率ｎの測定感度を向上させている点で表面プラズモンセンサ１と異なる。それ以外の構成は同じであるため説明を省略する。

【0094】

図２５に、反射板７１の方位角φ及び格子の溝の形状（ここでは、溝の深さＨ）を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの入射角特性を示す。図２５は、試料１６として空気を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法は、図７と同じである。

【0095】

図２５に示すように、反射板７１の方位角φ及び溝の形状（ここでは溝の深さＨ）を変化させることで、吸収角θ_０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが変化していることがわかる。吸収角θ_０は楕円率ｔａｎχの傾きが大きい方が高精度に求まる。そこで、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ７では、反射板７１の方位角φ及び溝の形状（例えば溝の深さＨ）を調整することで、吸収角θ_０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが最も大きくなるようにして楕円率ｔａｎχの変動を測定する。

【0096】

反射板７１の調整方法としては、反射板７１の方位角φ及び溝の形状を変化させながら楕円率ｔａｎχの入射角特性を測定し、吸収角θ_０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが最も大きくなる反射板７１の方位角φ及び溝の形状を決定してもよい。

【0097】

また、吸収角θ_０の前後で反射光のp波とｓ波の位相差δを±９０°，反射率を同じ（ρ_ｓ＝ρ_ｐ）になるように溝の形状と方位角φを選べば、楕円率ｔａｎχが±１に近づき、楕円率ｔａｎχの吸収角θ_０の前後の傾きが大きくなる。従って、溝の形状と方位角φを変化させながら、反射光のp波とｓ波の位相差δや反射率を測定し、吸収角θ_０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが最も大きくなる反射板７１の方位角φ及び溝の形状を決定してもよい。なお、反射板７１の調整は、屈折率ｎを測定する前に１度行えば十分である。

【0098】

以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ７は、屈折率ｎを測定する前に反射板７１を調整することで、吸収角θ_０付近の楕円率ｔａｎχの傾きを大きくすることができる。これにより、吸収角θ_０を高精度に測定することができ、屈折率ｎの測定感度を向上させることができる。

【0099】

ここでは、表面プラズモンセンサ１の反射板を調整するようにしているが、表面プラズモンセンサ２、４〜６の反射板を同様に調整することで屈折率ｎの測定感度を向上させるようにしてもよい。また、表面プラズモンセンサ３の反射板の溝の形状を調整し吸収角θ_０付近の楕円率ｔａｎχの傾きを大きくし、吸収角θ_０の測定感度を向上させるようにしてもよい。

【0100】

（第８実施形態）：
本発明の第８実施形態に係る表面プラズモンセンサ８を説明する。図２６は、表面プラズモンセンサ８の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ８は、上述した楕円率ｔａｎχ算出の元となる位相情報に基づいて屈折率を測定する点で上述した各実施形態に係る表面プラズモンセンサと異なる。

【0101】

上述した図９を参照して説明したように、反射光のｐ波の位相δ_ｐ及びｓ波の位相δ_ｓは、吸収角θ_０の前後で正から負、又は負から正へと変化し、反射光の位相差δも、吸収角θ_０の前後で正から負、又は負から正へと変化する。上述した例では、この特性を利用して吸収角θ_０を測定するにあたり、楕円率ｔａｎχを測定することで位相差δがゼロとなる入射角を吸収角θ_０に特定していた。

【0102】

これに対し、本第８実施形態では、偏光板を用いることで反射光のｐ波とｓ波の位相差δに相当する値を測定し、位相差δがゼロとなる入射角（吸収角θ_０）を測定することができる。これにより、楕円率ｔａｎχの測定を行わずに吸収角θ_０を特定し、ひいては屈折率ｎを特定することができる。すなわち、楕円率ｔａｎχを測定するポラリメータ等の機器が不要となる。

【0103】

図２６において、表面プラズモンセンサ８は、スプリッタ８７と、偏光板８８ａ，８８ｂと、２つの受光部８３ａ，８３ｂを備えている。なお、その他の構成は図１に示す表面プラズモンセンサ１と同様であるため説明を省略する。
スプリッタ８７は、反射板１１が反射する反射光の経路上に配置されており、反射光の光束を２つに分割し、一方の光束を受光部８３ａへ入射させ、他方の光束を受光部８３ｂへ入射させる。

【0104】

偏光板８８ａは、スプリッタ８７にて分割された一方の光束の経路上に配置されており、この光束の中の特定方向に偏光した成分を選択的に通過させる。偏光板８８ｂは、スプリッタ８７にて分割された他方の光束の経路上に配置されており、この光束の中の特定方向に偏光した成分を選択的に通過させる。これにより、受光部８３ａ，８３ｂは、特定方向に偏光した反射光をそれぞれ受光する。

【0105】

偏光板８８ａと偏光板８８ｂは、異なる方向に偏光した成分を通過させるように透過軸の方向を調整されている。例えば、後述の図２８や図３０に示す例では、偏光板８８ａは、反射光の楕円の傾き角ψと同じ向きに偏光した光を選択的に通過させるように調整し、偏光板８８ｂは、反射光の楕円の傾き角ψと直交する向きに偏光した光を選択的に通過させるように調整する。このように、楕円の傾き角が９０°異なる光を各偏光板が選択的に通過することで、反射光の位相差δの増減を測定することができる。

【0106】

換言すると、偏光板８８ａ，８８ｂの少なくとも一方が、反射光の楕円の傾き角ψの向きと直交する方向に偏光した光の一部を通過可能に調整されていればよい。これにより、少なくとも一方の受光部が反射光の位相差δの増減傾向を測定することとなり、計測部８４は、位相差δが０になる吸収角θ_０を測定することができる。

【0107】

計測部８４は、偏光板８８ａ，８８ｂを介して受光部８３ａ，８３ｂが受光した反射光の強度変動を測定する。そして、計測部８４は、反射光の強度変動に基づいて吸収角θ_０を測定することができる。

【0108】

ここで、本実施形態における吸収角θ_０の測定方法について説明する。
図２７は、入射角θと楕円の傾き角ψの関係を示す図である。同図には、各入射角θにおける楕円の傾き角ψの変動をシミュレーションした結果を示してある。ここでは、反射板１１としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをＨ＝７２ｎｍ、格子の周期ｄをｄ＝５５６ｎｍ、方位角φをφ＝３０°、波長λをλ＝６７０ｎｍとし、入射角θを３°＜θ＜１５°の範囲で変化させた。同図に示すように、楕円の傾き角ψは吸収角θ_０を中心とするピークを有している。

【0109】

同図において、θ_１は楕円の傾き角ψ＝３０°における入射角を表し、θ_２は楕円の傾き角ψ＝７０°における入射角を表す。入射角θ_１，θ_２は吸収角θ_０からずれているが、吸収角θ_０から数°の範囲内にある。

【0110】

図２８は、入射光の楕円の傾き角ψを３０°として計測部８４が測定した受光強度を示すシミュレーション結果を示す図である。ここでは、反射板１１としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをＨ＝７２ｎｍ、格子の周期ｄをｄ＝５５６ｎｍ、方位角φをφ＝３０°、波長λをλ＝６７０ｎｍとし、入射角θを３°＜θ＜１５°の範囲で変化させた。同図において、受光部８３ａの受光強度Ｅａを一点鎖線で示し、受光部８３ｂの受光強度Ｅｂを二点鎖線で示し、受光強度の差分Ｅａ−Ｅｂを点線で示してある。

【0111】

受光強度Ｅａ，Ｅｂや差分Ｅａ−Ｅｂは、入射角θ_１を略中心とする所定範囲において線形的に変化している。そこで、この所定範囲における線形的な変化を基準試料にて測定、又はシミュレーションし、その測定結果又はシミュレーション結果を校正データとして用いることにより、屈折率ｎの変動に伴う入射角θ_１の変動を測定することができる。

【0112】

図２９は、本実施形態に係る屈折率ｎの測定手順を示すフローチャートである。同図に示す測定方法においては、反射板１１上に試料１６を配置した場合の試料１６からの反射光の強度（以下、反射光強度Ｉと呼ぶ。）の変動を測定する。

【0113】

まず、反射板１１上に試料１６を配置し（Ｓ２０１）、入射角θ、波長λの入射光を光源１２から照射する（Ｓ２０２）。ここでは、光源１２は、ｐ波の入射光を照射する。この入射光の入射角θは、上述した入射角θ_１を略中心とする所定範囲内の角度である。
受光部８３ａ，８３ｂは、入射光が試料１６を介して反射板１１にて反射された反射光を受光する（Ｓ２０３）。

【0114】

計測部８４は、反射光から反射光強度Ｉを測定する（Ｓ２０４）。
このようにして測定された反射光強度Ｉに基づいて、計測部８４は、上述した校正データを参照しつつ反射光強度Ｉの校正データからの変動量ΔＩを特定する。そして、計測部８４は、変動量ΔＩに基づいて基準物質の屈折率ｎ_ｓと試料１６の屈折率の差Δｎ（＝ｎ−ｎ_ｓ）を測定する。

【0115】

なお、入射光の楕円の傾き角ψは３０°に限るものではなく、楕円の傾き角ψの取り得る角度の範囲内であれば様々に設定することができる。例えば、図３０は、入射光の楕円の傾き角ψを７０°として計測部８４が測定した受光強度を示すシミュレーション結果を示す図である。ここでは、反射板１１としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをＨ＝７２ｎｍ、格子の周期ｄをｄ＝５５６ｎｍ、方位角φをφ＝３０°、波長λをλ＝６７０ｎｍとし、入射角θを３°＜θ＜１５°の範囲で変化させた。

【0116】

図３０において、受光部８３ａの受光強度Ｅａを一点鎖線で示し、受光部８３ｂの受光強度Ｅｂを二点鎖線で示し、受光強度の差分Ｅａ−Ｅｂを点線で示してある。同図においても、受光強度Ｅａ，Ｅｂや差分Ｅａ−Ｅｂは、入射角θ_２を略中心とする所定範囲において線形的に変化しているため、この所定範囲の校正データを用いることにより入射角θ_２の変動を測定することができる。

【0117】

以上のように、第８実施形態に係る表面プラズモンセンサ８は、偏光板を用いて得られる位相差δに相当する値を用いて屈折率ｎを測定することができる。すなわち、楕円率ｔａｎχの測定が不要であるため、ポラリメータ等のように楕円率ｔａｎχを測定する高価且つ複雑な機器を用いること無く、屈折率ｎを測定することができる。

【0118】

（第９実施形態）
本発明の第９実施形態に係る表面プラズモンセンサ９を説明する。図３１は、表面プラズモンセンサ９の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ９は、スプリッタを備えず、偏光板と受光部を１つずつ備える点で、上述した第８実施形態に係る表面プラズモンセンサ８と異なる。

【0119】

図３１において、表面プラズモンセンサ９は、偏光板９８と受光部９３を備える。偏光板９８は、反射光の経路上に配置されており、この反射光の中の特定方向に偏光した成分を選択的に通過させる。偏光板９８は、これにより、受光部９３は、特定方向に偏光した反射光を受光する。

【0120】

計測部９４は、偏光板９８を介して受光部９３が受光した反射光の強度変動を測定することができる。そして、計測部９４は、反射光の強度変動に基づいて入射角（吸収角θ_０）を測定することができる。そのほかの構成は図２６に示す表面プラズモンセンサ８と同様であるため説明を省略する。また、屈折率ｎの測定方法も、第８実施形態における受光強度Ｅａ，Ｅｂに基づく屈折率の測定方法と同様であるため、説明を省略する。

【0121】

以上のように、第９実施形態に係る表面プラズモンセンサ９は、１組の偏光板と受光部を用いて位相差δに相当する値を取得して屈折率ｎを測定することができる。

【0122】

なお、第３〜第９実施形態に係る表面プラズモンセンサ３〜９の反射板を、第２実施形態と同様に基板２５側から入射光が入射されるように構成するようにしてもよい。

【0123】

また、第１〜第７実施形態において、楕円率ｔａｎχの代わりに第８，９実施形態のように偏光板を用いて反射光の位相差δに相当する値を測定することにより測定した吸収角θ_０や吸収方位角φ_０、吸収波長λ_０を用いて屈折率ｎを測定することもできる。

【0124】

最後に、上述した各実施形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0125】

１１，２１，３１，７１…反射板、１２，４２，５２…光源、１３，８３ａ，８３ｂ…受光部、１４，３４，４４，５４，６４，８４，９４…計測部、５７…制御部、８７…スプリッタ、偏光板…８８ａ，８８ｂ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】