CN107179575A - 光检测装置及光检测系统 - Google Patents

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CN107179575A CN201710066011.3A CN201710066011A CN107179575A CN 107179575 A CN107179575 A CN 107179575A CN 201710066011 A CN201710066011 A CN 201710066011A CN 107179575 A CN107179575 A CN 107179575A
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Abstract

有关本申请的一技术方案的光检测装置具备：光检测器，具有第1受光元件及第2受光元件；透光性的第1层，配置在上述第1受光元件及上述第2受光元件的上方，具有第1面及与上述第1面相反一侧的第2面；透光性的第1光耦合元件，配置于从由上述第1面及上述第2面构成的组中选择的至少1个面，与上述第1受光元件对置；以及透光性的第2光耦合元件，配置于上述至少1个面，与上述第2受光元件对置。与上述第1面相比，上述第2面距上述光检测器更近。

Description

光检测装置及光检测系统
技术领域
本申请涉及光检测装置及光检测系统。
背景技术
作为观察对象物并取得其信息的装置，已知有干涉计及相位差显微镜。
干涉计从光源向对象物照射具有相干性的单色光，使透射或反射后的光(信号光)与来自同一光源的光(参照光)干涉而检测。通过将因信号光与参照光的光路差而产生的干涉条纹进行解析，能够取得对象物的表面形状及入射光的波面形状等信息。例如在特开2015－17968号公报中公开了干涉计。
相位差显微镜是将因对象物的各部分的折射率或厚度的差异而在透射光中产生的相位差变换为光的明暗来观察对象物的装置。即使对象物透明，相位差显微镜也能够观察透射了对象物的光的相位分布。例如在特开2015－219280号公报中公开了相位差显微镜。
发明内容
有关本申请的一技术方案的光检测装置具备：光检测器，具有第1受光元件及第2受光元件；透光性的第1层，配置在上述第1受光元件及上述第2受光元件的上方，具有第1面及与上述第1面相反侧的第2面；透光性的第1光耦合元件，配置于从由上述第1面及上述第2面构成的组中选择的至少1个面，与上述第1受光元件对置；以及透光性的第2光耦合元件，配置于上述至少1个面，与上述第2受光元件对置。上述第2面比上述第1面距上述光检测器更近。
有关本申请的一技术方案的光检测系统具备：上述光检测装置；以及运算电路，基于从上述第1受光元件输出的第1电信号及从上述第2受光元件输出的第2电信号，生成与对象物的构造有关的信息。
上述包含性或具体的形态也可以由系统、方法、集成电路、计算机程序或记录介质实现。或者，也可以由系统、装置、方法、集成电路、计算机程序及记录介质的任意的组合实现。
附图说明
图1A是示意地表示本申请的实施方式1的光检测装置的结构的平面图。
图1B是图1A的1B－1B线剖视图。
图2A是在实施方式1的光检测装置中，表示距离常数d＝1的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图2B是在实施方式1的光检测装置中，表示距离常数d＝1.16的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图2C是在实施方式1的光检测装置中，表示距离常数d＝1.16的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图3是表示实施方式1的光检测装置中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
图4A是表示实施方式1的光检测装置的制造工序的第1图。
图4B是表示实施方式1的光检测装置的制造工序的第2图。
图4C是表示实施方式1的光检测装置的制造工序的第3图。
图4D是表示实施方式1的光检测装置的制造工序的第4图。
图5A是示意地表示使用实施方式1的光检测装置的光检测系统的结构例的图。
图5B是表示实施方式1的光检测系统的变形例的图。
图6是表示实施方式1的变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图7是表示实施方式1的其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图8是示意地表示本申请的实施方式2的光检测装置的结构的剖视图。
图9是示意地表示本申请的实施方式3的光检测装置的结构的剖视图。
图10是在实施方式3的光检测装置中，表示距离常数d＝1.02的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图11是表示实施方式3的光检测装置中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
图12是在实施方式3的光检测装置中，表示光栅的透光性部件的周期Λ与适合的波长之间的关系的曲线图。
图13是示意地表示实施方式3的变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图14A是示意地表示本申请的实施方式4的光检测装置的结构的平面图。
图14B是图14A的14B－14B线剖视图。
图15A是表示实施方式4的光检测装置的制造工序的第1图。
图15B是表示实施方式4的光检测装置的制造工序的第2图。
图15C是表示实施方式4的光检测装置的制造工序的第3图。
图15D是表示实施方式4的光检测装置的制造工序的第4图。
图15E是表示实施方式4的光检测装置的制造工序的第5图。
图15F是表示实施方式4的光检测装置的制造工序的第6图。
图16A是示意地表示实施方式4的变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图16B是示意地表示实施方式4的其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图16C是示意地表示实施方式4的另一其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图17是示意地表示本申请的实施方式5的光检测装置的结构的平面图。
图18A是示意地表示本申请的实施方式6的光检测装置的结构的第1图。
图18B是示意地表示本申请的实施方式6的光检测装置的结构的第2图，图18B是图18A的18B－18B线剖视图。
图19A是在实施方式6的光检测装置中，表示两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图19B是在实施方式6的光检测装置中，表示两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图20A是示意地表示使用实施方式6的光检测装置的光检测系统的结构例的图。
图20B是表示实施方式6的光检测系统的变形例的图。
图21A是表示实施方式6的变形例的光检测装置的结构的第1图。
图21B是表示实施方式6的变形例的光检测装置的结构的第2图。
图22是示意地表示本申请的实施方式7的光检测装置的结构的剖视图。
图23A是在实施方式7的光检测装置中，表示两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的功率P1、P2、P3及功率的合计(P1+P2+P3)之间的关系的曲线图。
图23B是在实施方式7的光检测装置中，表示两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的标准化功率P1/(P1+P2+P3)、P2/(P1+P2+P3)及P3/(P1+P2+P3)、以及功率的合计(P1+P2+P3)之间的关系的曲线图。
图24A是示意地表示本申请的实施方式8的光检测装置的结构的第1图。
图24B是示意地表示本申请的实施方式8的光检测装置的结构的第2图。
图25A是示意地表示本申请的实施方式9的光检测装置的结构的平面图。
图25B是图25A的25B－25B线剖视图。
图26A是在实施方式9的光检测装置中，表示距离常数d＝1的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光12、13的功率P1、P2及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图26B是在实施方式9的光检测装置中，表示距离常数d＝1.19的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图26C是在实施方式9的光检测装置中，表示距离常数d＝1.19的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图27是表示实施方式9的光检测装置中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
图28A是表示实施方式9的光检测装置的制造工序的一例的第1图。
图28B是表示实施方式9的光检测装置的制造工序的一例的第2图。
图29A是示意地表示使用实施方式9的光检测装置的光检测系统的结构例的图。
图29B是表示实施方式9的光检测系统的变形例的图。
图30是表示实施方式9的变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图31是表示实施方式9的其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图32是表示实施方式9的另一其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图33是示意地表示本申请的实施方式10的光检测装置的结构的剖视图。
图34是示意地表示本申请的实施方式11的光检测装置的结构的剖视图。
图35是在实施方式11的光检测装置中，表示距离常数d＝1.05的情况下的两个入射光之间的相位差φ与各自的透射光的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。
图36是表示实施方式11的光检测装置中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
图37是在实施方式11的光检测装置中，表示光栅的透光性部件的周期Λ与适合的波长之间的关系的曲线图。
图38是示意地表示实施方式11的变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图39A是示意地表示本申请的实施方式12的光检测装置的结构的平面图。
图39B是图39A的39B－39B线剖视图。
图40A是表示实施方式12的光检测装置的制造工序的第1图。
图40B是表示实施方式12的光检测装置的制造工序的第2图。
图40C是表示实施方式12的光检测装置的制造工序的第3图。
图41A是示意地表示实施方式12的变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图41B是示意地表示实施方式12的其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图41C是示意地表示实施方式12的另一其他变形例的光检测装置的结构的剖视图。
图42是示意地表示本申请的实施方式13的光检测装置的结构的平面图。
标号说明
1 第1光耦合元件
2 第2光耦合元件
3 第1层
4 第2层
5 光检测器
6 第1受光元件
7 第2受光元件
8 第1入射光
9 第2入射光
10 第1波导光
11 第2波导光
12 第1透射光
13 第2透射光
14 检测单位
15 第1电信号
16 第2电信号
17 图像传感器
18 与对象物有关的信息的电信号
19 槽
20 运算电路
21 对象物
22 金属膜图案
23 吸收膜
24 孔
25 光源
26 射出光
27 空间区域
28 布线
29、280 光检测装置
30、50 偏振元件
31 第2传输光
32 第3传输光
33 第4传输光
34 空洞
35 第1光传输路径
36 第2光传输路径
37 第3光传输路径
38 第4光传输路径
39 第3受光部
40 第3透射光
41 第1光传输路径的射出部
42 第2光传输路径的射出部
43 第4光传输路径的射出部
44 第1光传输路径的入射部
45 第2光传输路径的入射部
60 第1传输光
240 第3层
400 基板
具体实施方式
(本申请的概要)
本申请包括以下的项目所记载的光检测装置。
[项目1]
有关本申请的项目1的光检测装置具备：光检测器，具有第1受光元件及第2受光元件；透光性的第1层，配置在上述第1受光元件及上述第2受光元件的上方，具有第1面及与上述第1面相反一侧的第2面；透光性的第1光耦合元件，配置于从由上述第1面及上述第2面构成的组中选择的至少1个面，与上述第1受光元件对置；以及透光性的第2光耦合元件，配置于上述至少1个面，与上述第2受光元件对置。与上述第1面相比，上述第2面距上述光检测器更近。
[项目2]
项目1所记载的光检测装置也可以是，在上述光检测器与上述第1层之间还具备与上述第1层的上述第2面接触、且具有比上述第1层的折射率低的折射率的透光性的第2层；在上述第1层的上述第1面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；上述第1光耦合元件使入射到上述第1光耦合元件中的第1光的一部分在上述第1层内向朝向上述第2光耦合元件的方向传输；上述第2光耦合元件使入射到上述第2光耦合元件中的第2光的一部分在上述第1层内向朝向上述第1光耦合元件的方向传输。
[项目3]
在项目2所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1光耦合元件使上述第1光的另一部分透射上述第1层及上述第2层而向上述第1受光元件入射；上述第2光耦合元件使上述第2光的另一部分透射上述第1层及上述第2层而向上述第2受光元件入射。
[项目4]
项目1所记载的光检测装置也可以是，还具备与上述第1层的上述第1面接触、且具有比上述第1层的折射率低的折射率的透光性的第2层；在上述第1层的上述第2面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件。
[项目5]
在项目1至4的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1受光元件及上述第2受光元件在第1方向上排列；上述第1光耦合元件是包括多个第1透光性部件的第1光栅，该多个第1透光性部件分别具有在与上述第1方向垂直的第2方向上延伸的凸部，且在上述第1方向上排列；上述第2光耦合元件是包括多个第2透光性部件的第2光栅，该多个第2透光性部件分别具有在上述第2方向上延伸的凸部，且在上述第1方向上排列。
[项目6]
在项目5所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1光栅、上述第2光栅及上述第1层是由相同的材料构成的单一构造体。
[项目7]
在项目5或6所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1受光元件及上述第2受光元件检测空气中的波长为λ的光；上述多个第1透光性部件及上述多个第2透光性部件分别以比上述波长λ小的周期Λ配置。
[项目8]
在项目7所记载的光检测装置中，也可以是，如果设上述第1层的折射率为n1、上述第2层的折射率为n2，则上述周期Λ满足λ/n1<Λ<λ/n2。
[项目9]
在项目7或8所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1光栅还包括以与上述周期Λ不同的周期配置的多个第3透光性部件；上述第2光栅还包括以与上述周期Λ不同的周期配置的多个第4透光性部件。
[项目10]
在项目7至9的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述多个第1透光性部件中的距上述多个第2透光性部件最近的第1透光性部件的上述凸部的顶点或中心、与上述多个第2透光性部件中的距上述多个第1透光性部件最近的第2透光性部件的上述凸部的顶点或中心之间的距离比上述周期Λ长。
[项目11]
在项目10所记载的光检测装置中，也可以是，上述光检测器还具有对置于上述第1光栅与上述第2光栅之间的区域的第3受光元件。
[项目12]
项目10或11所记载的光检测装置中，也可以是，在上述光检测器与上述第1层之间还具备与上述第1层接触、且具有比上述第1层的折射率低的折射率的透光性的第2层；在上述第1层的上述第1面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；上述第1光栅及上述第2光栅的各自的上述凸部的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由三角形状、梯形状及正弦波形状构成的组中选择的1个；设0以上的整数为i，关于满足i+1.05≤d≤i+1.26，或i+1.58≤d≤i+1.79的d，上述距离是dΛ。
[项目13]
在项目10或11所记载的光检测装置中，也可以是，还具备与上述第1层的上述第1面接触、且具有比上述第1层的折射率低的折射率的透光性的第2层；在上述第1层的上述第2面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；上述第1光栅及上述第2光栅的各自的上述凸部的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由三角形状、梯形状及正弦波形状构成的组中选择的1个；设0以上的整数为i，关于满足1.08+i≤d≤1.31+i，或1.58+i≤d≤1.83+i的d，上述距离是dΛ。
[项目14]
在项目10或11所记载的光检测装置中，也可以是，在上述光检测器与上述第1层之间还具备与上述第1层接触、且具有比上述第1层低的折射率的透光性的第2层；在上述第1层的上述第1面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；上述第1光栅及上述第2光栅的各自的上述凸部的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由矩形状、圆角矩形状及半圆形状构成的组中选择的1个；设0以上的整数为i，关于满足从由1<d≤1.16，i+1.47≤d≤i+1.77，及i+1.92≤d≤i+2.16构成的组中选择的1个的d，上述距离是dΛ。
[项目15]
在项目10或11所记载的光检测装置中，也可以是，还具备与上述第1层的上述第1面接触、且具有比上述第1层的折射率低的折射率的透光性的第2层；在上述第1层的上述第2面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；上述第1光栅及上述第2光栅的各自的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由矩形状、圆角矩形状及半圆形状构成的组中选择的1个；设0以上的整数为i，关于满足1<d≤1.22，或1.46+i≤d≤2.22+i的d，上述距离是dΛ。
[项目16]
项目1至15的任一项所记载的光检测装置也可以是，还具备偏振元件，该偏振元件配置在对象物与上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件之间，使比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分的光向上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件入射。
[项目17]
在项目1至16的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述光检测器具备多个第1受光元件，上述多个第1受光元件分别是上述第1受光元件；上述光检测器具备多个第2受光元件，上述多个第2受光元件分别是上述第2受光元件；上述光检测装置具备多个第1光耦合元件，上述多个第1光耦合元件分别是上述第1光耦合元件；上述光检测装置具备多个第2光耦合元件，上述多个第2光耦合元件分别是上述第2光耦合元件；上述多个第1受光元件、上述多个第2受光元件、上述多个第1光耦合元件及上述多个第2光耦合元件被划分为二维排列的多个检测单位；上述多个检测单位分别包括上述第1层的一部分、上述第1光耦合元件、上述第2光耦合元件、上述第1受光元件及上述第2受光元件。
[项目18]
在项目17所记载的光检测装置中，也可以是，在上述第1层中的上述多个检测单位之间的区域中具有槽。
[项目19]
在项目17所记载的光检测装置中，也可以是，在上述第1层中的上述多个检测单位之间的区域上具有金属膜。
[项目20]
在项目17所记载的光检测装置中，也可以是，在上述第1层中的上述多个检测单位之间的区域上具有被金属膜覆盖的第3光耦合元件。
[项目21]
在项目17至20的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1受光元件及上述第2受光元件在第1方向上排列；上述多个检测单位在从由上述第1方向及与上述第1方向垂直的第2方向构成的组中选择的至少一个方向上排列。
[项目22]
在项目17至20的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述多个检测单位以交错状配置。
[项目23]
有关本申请的项目23的光检测系统具备：项目1至22的任一项所记载的光检测装置；以及运算电路，基于从上述第1受光元件输出的第1电信号及从上述第2受光元件输出的第2电信号，生成与对象物的构造有关的信息。
[项目24]
项目23所记载的光检测系统也可以是，还具备射出空气中的波长为λ的光的光源；上述第1受光元件及上述第2受光元件检测从上述光源射出并从上述对象物到达的上述光。
[项目25]
在项目24所记载的光检测系统中，也可以是，上述光比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分。
[项目26]
有关本申请的项目26的光检测装置具备：光检测器，具有第1受光元件及第2受光元件；基板，配置在上述第1受光元件及上述第2受光元件上，具有使来自对象物的光向第1受光元件的方向传输的第1光传输路径、和使来自上述对象物的光向上述第2受光元件的方向传输的第2光传输路径；以及第3光传输路径，将上述第1光传输路径的一部分与上述第2光传输路径的一部分连结。
[项目27]
在项目26所记载的光检测装置中，也可以是，上述第3光传输路径设在上述基板内。
[项目28]
在项目27所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1受光元件及上述第2受光元件检测空气中的波长为λ的光；上述基板在上述第1光传输路径、上述第2光传输路径及上述第3光传输路径以外的区域中具有将上述波长λ的光阻断的光子晶体的构造。
[项目29]
在项目28所记载的光检测装置中，也可以是，上述第1受光元件及上述第2受光元件沿着上述光检测器的受光面在第1方向上延伸；上述基板包括在与上述受光面平行且与上述第1方向垂直的第2方向上延伸的多个空洞；上述多个空洞在上述第1光传输路径、上述第2光传输路径及上述第3光传输路径以外的区域中周期性地排列。
[项目30]
在项目27至29的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述第3光传输路径在上述第1光传输路径与上述第2光传输路径之间具有弯曲部；上述弯曲部位于比上述第3光传输路径与上述第1光传输路径的合流点及上述第3光传输路径与上述第2光传输路径的合流点更远离上述光检测器的上述受光面的位置。
[项目31]
在项目27至30的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，上述光检测器在上述第1受光元件与上述第2受光元件之间还具有第3受光元件；上述基板具有使光从上述第3光传输路径的中间或其中途的部分朝向上述第3受光元件传输的第4光传输路径。
[项目32]
在项目31所记载的光检测装置中，也可以是，在上述第1光传输路径中传输的光的至少一部分向上述第1受光元件入射；在上述第2光传输路径中传输的光的至少一部分向上述第2受光元件入射；在上述第3光传输路径及上述第4光传输路径中传输的光的至少一部分向上述第3受光元件入射。
[项目33]
在项目26至32的任一项所记载的光检测装置中，也可以是，具有二维地排列的多个检测单位；上述多个检测单位分别包括上述第1光传输路径、上述第2光传输路径、上述第3光传输路径、上述第1受光元件及上述第2受光元件。
在本申请中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分、或者框图的功能块的全部或一部分也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)或LSI(large scaleintegration)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成到一个芯片上，也可以将多个芯片组合而构成。例如，存储元件以外的功能块也可以集成到一个芯片上。这里称作LSI或IC，但根据集成程度而叫法变化，也可以称作系统LSI、VLSI(very large scaleintegration)或ULSI(ultra large scale integration)。在LSI的制造后编程的FieldProgrammable Gate Array(FPGA)或能够进行LSI内部的接合关系的再构成或LSI内部的电路划区的设置的reconfigurable logic device也能够以相同的目的使用。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作可以通过软件处理来执行。在此情况下，软件被记录到一个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等非暂时性记录介质中，当软件被处理装置(processor)执行时，由该软件确定的功能被处理装置(processor)及周边装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件设备例如接口。
以往的干涉计在测定中需要繁杂的操作。另一方面，以往的相位差显微镜难以定量地测定相位差。
本申请提供一种能够不进行繁杂的操作而定量地测定对象物的信息的光检测技术。
以下，一边参照附图一边说明本申请的实施方式。另外，以下说明的实施方式都表示包含性或具体的例子。在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例，不是限定本申请的意思。在本说明书中说明的各种技术方案只要不发生矛盾就能够相互组合。此外，关于以下的实施方式的构成要素中的、在表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。在以下的说明中，有对于具有实质上相同的功能或类似的功能的构成要素赋予共通的标号而省略重复的说明的情况。
(实施方式1)
[光检测装置]
首先，说明本申请的实施方式1的光检测装置。
图1A是示意地表示本申请的实施方式1的光检测装置29的结构的平面图。图1A表示从光入射的一侧观察光检测装置29时的构造。图1B是图1A的1B－1B线剖视图。
在以下的说明中，使用表示相互正交的X、Y、Z方向的XYZ坐标系。在本实施方式中，将与光检测装置29的光检测器5的受光面(也有称作“摄像面”的情况)平行的面设为XY面，将与XY面垂直的方向设为Z方向。图示的坐标系是为了说明的方便而设定的，并不限制本申请的实施方式的装置实际被使用时的配置及朝向。此外，图示的构造物的整体或一部分的形状及大小也并不限制现实的形状及大小。
本实施方式的光检测装置29具备具有第1受光元件6及第2受光元件7的光检测器5、将第1受光元件6及第2受光元件7覆盖的透光性的第1层3、位于光检测器5与第1层3之间的透光性的第2层4、和形成在第1层3的表面上的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2。第2层4与第1层3接触，具有比第1层3的折射率低的折射率。第1光耦合元件1对置于第1受光元件6，第2光耦合元件2对置于第2受光元件7。第1光耦合元件1是使入射光8的一部分与第1层3内的光波导路耦合的透光性的部件。第2光耦合元件2是使入射光9的一部分与第1层3内的光波导路耦合的透光性部件。在本说明书中，所谓“透光性”，是指具有使入射的光的至少一部分透射的性质。
第1受光元件6及第2受光元件7在第1方向(图示的例子中在X方向)上排列。第1光耦合元件1使入射光8的一部分在第1层3内至少向第1方向(X方向)、即朝向第2光耦合元件2的方向传输(波导光10)。第2光耦合元件2使入射光9的一部分在第1层内至少向与第1方向相反的方向(－X方向)、即朝向第1光耦合元件1的方向传输(波导光11)。由此，在第1层3内发生波导光10、11间的干涉。入射到第1光耦合元件1中的光的一部分透射第1层3及第2层4而向第1受光元件6入射。入射到第2光耦合元件2中的光的一部分透射第1层3及第2层4而向第2受光元件7入射。
在以下的说明中，有将从对象物到达的光中的、向第1光耦合元件1入射的光称作“第1入射光8”、将向第2光耦合元件2入射的光称作“第2入射光9”的情况。此外，在第2层4中，有将透射第1受光元件6上的区域的光称作“第1透射光12”、将透射第2受光元件7上的区域的光称作“第2透射光13”的情况。第1受光元件6接受第1透射光12，输出与受光量对应的第1电信号。第2受光元件7接受第2透射光13，输出与受光量对应的第2电信号。由未图示的运算电路对这些电信号进行处理，生成表示第1入射光8与第2入射光9之间的相位差的信息。运算电路还能够基于该相位差信息生成与对象物的构造(例如表面构造或折射率分布等)有关的信息并输出。
如图1B所示，本实施方式的光检测装置29在光检测器5之上依次具备第2层4及第1层3。在第1层3之上，形成有第1光耦合元件1及第2光耦合元件2。通过这样的集成构造，实现构造稳定、对于振动等干扰的承受力较强的光检测装置29。另外，在图1B中，省略了将来自光检测器5的电信号输出的布线等的图示。
本实施方式的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是光栅(diffractiongrating)。在以下的说明中，有将第1光耦合元件1称作“第1光栅1”、将第2光耦合元件2称作“第2光栅2”的情况。本实施方式的第1光栅1及第2光栅2分别具有将具有在Y方向(第2方向)上延伸的凸部的多个透光性部件在X方向(第1方向)上周期性地排列的构造。通过相邻的两个透光性部件划分出了在相邻的两个透光性部件之间沿Y方向延伸的槽。在本实施方式中，多个透光性部件以比入射光8、9的空气中的波长λ短的周期Λ(Λ<λ)配置。本实施方式的透光性部件的截面是三角柱状。构成光栅1、2的多个透光性部件的构造如后述那样可以是多种多样的。第1光栅1、第2光栅2及第1层3也可以是由相同的材料构成的单一构造体。
周期Λ及波长λ根据观察的对象物而不同，例如可以设定为Λ＝0.45μm及λ＝0.85μm。通过使周期Λ比波长λ小，当第1入射光8及第2入射光9分别入射到第1光耦合元件1及第2光耦合元件2中时，在空气中仅产生作为0级衍射光的透射光及反射光。由于±1级以上的高级衍射光不会射出到外部，所以光利用效率较高，能够减少杂散光。
对于λ＝0.85μm的入射光，第1层3被设计成作为光波导路(厚度t1)发挥功能。第2层4被设计成作为缓冲层(厚度t2)发挥功能。第1层3(光波导路)的厚度t1被设计为波导模式能够存在的长度。第1层3(光波导路)的折射率n1比第2层4的折射率n2大(n1>n2)。
在本实施方式的光检测装置29中，第1层3、第1光耦合元件1及第2光耦合元件2例如可以由氧化钽Ta2O5(n1＝2.11)构成。第2层4例如可以由氧化硅SiO2(n2＝1.45)构成。第2层4的厚度例如是t2＝0.7μm。此时，根据周知的波导模式的固有方程式，如果是t1≥0.13μm，则可导出关于TE模式及TM模式这两者存在波导模式。因此，在此情况下，第1层3的膜厚可以设定为比0.13μm足够大的厚度，例如t1＝0.3μm。
在第1层3及光耦合元件1、2中，除了Ta2O5以外还可以使用各种材料。同样，关于第2层4，也除了SiO2以外还可以使用各种材料。也可以使用对于所使用的波长的入射光透明的材料。例如，作为第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料，可以使用从ZrSiO4、(ZrO2)25(SiO2)25(Cr2O3)50、SiCr、TiO2、ZrO2、HfO2、ZnO、Nb2O5、SnO2、Al2O3、Bi2O3、Cr2O3、Ga2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Dy2O3、Yb2O3、CaO、MgO、CeO2、及TeO2等中选择的一种或多种氧化物等无机材料。此外，作为第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料，也可以使用从C－N、Ti－N、Zr－N、Nb－N、Ta－N、Si－N、Ge－N、Cr－N、Al－N、Ge－Si－N及Ge－Cr－N等中选择的一种或多种氮化物。此外，作为第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料，也可以使用ZnS等硫化物、SiC等碳化物、或LaF3、CeF3、MgF2等氟化物。此外，也可以使用从上述材料中选择的一种或多种材料的混合物来形成第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4。
进而，第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料也可以是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)、降冰片烯树脂(例如，由JSR株式会社以注册商标“アートン”(ARTON)销售)、或环烯树脂(例如，由日本ゼオン株式会社以注册商标“ゼオネックス”(ZEONEX)销售)等树脂等的有机材料。只要从这些材料中选择满足折射率n1>n2的材料作为第1层3及第2层4就可以。
另外，在本实施方式中，第1层3、第1光耦合元件1及第2光耦合元件2由相同的材料构成，但它们也可以由不同的材料构成。在光检测器5的表面由折射率比第1层3的折射率低的材料、典型地由SiO2形成有保护层的情况下，该保护层可以兼作为第2层4。在此情况下，不需要将与保护层不同的层设置为第2层4。只要保护层的厚度是0.5μm以上，就能够充分降低波导光的光传输损失。此外，第2层4只要折射率比第1层3的折射率低就可以，所以即使是空气，在原理上也是可能的。但是，通过如本实施方式那样做成集成构造，能够提高构造的稳定性。
在入射光是电场在Y方向上振动的直线偏振光(TE偏振光)的情况下(即，在入射光的电场方向与光栅的槽的延伸方向平行的情况下)，在第1层3中激振出TE模式的波导光。另一方面，在入射光是电场在X方向上振动的直线偏振光(TM偏振光)的情况下(即，光的磁场方向与光栅的槽的延伸方向平行的情况下)，在第1层3中激振出TM模式的波导光。因而，通过使入射光的偏振方向变化，能够使波导光的模式变化。
本实施方式的第1光栅1及第2光栅2的与XZ面平行的截面的形状是等腰三角形状。光耦合元件1、2的槽的深度tg例如可以设定为tg＝0.3μm。光耦合元件1、2的形状及尺寸并不限于该例，也可以是其他的形状及尺寸。
当第1入射光8及第2入射光9向第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别入射时，只要满足以下的式(1)，则在第1层3的内部激励出波导光。
sinθ＝N－mλ/Λ (1)
这里，N表示光波导路(第1层3)内的有效折射率，θ表示以Z方向为基准的光的入射角度，m表示衍射的级数。当光栅1、2的透光性部件的周期Λ被设定为满足式(1)的值时，入射光8、9的一部分与第1层3内的波导路耦合，激励出波导光。例如，当较好地耦合的1级光(m＝1)垂直地入射(θ＝0)时，式(1)被变形为以下的式(2)。
Λ＝λ/N (2)
在上述构造中，根据波导模式的固有方程式，计算为Λ≈0.45μm。
另外，如果第1层3的厚度t1变化，则根据波导模式的固有方程式，有效折射率N也变化。当波导模式存在时，N满足以下的不等式(3)。
n2<N<n1 (3)
如果使用式(1)将式(3)进行变形，则可得到以下的式(4)。
mλ/(n1－sinθ)<Λ<mλ/(n2－sinθ) (4)
当θ＝0，m＝1时，Λ满足以下的式(5)。
λ/n1<Λ<λ/n2 (5)
由第1入射光8及第2入射光9分别在第1层3内的光波导路中激励出的波导光向+X方向及－X方向的双方传输。在图1B中例示了这些波导光之中由第1入射光8向+X方向传输的波导光10、和由第2入射光9向－X方向传输的波导光11。两个波导光10、11由于行进方向是相反的，所以在第1层3的内部干涉。
第1入射光8及第2入射光9的一部分这样成为波导光，但大部分成为透射第1层3而进入第2层4的透射光12、13。透射光12、13分别由受光元件6、7检测。受光元件6、7例如包括光敏二极管，输出与受光量对应的电信号(光电变换信号)。
本发明者们发现，通过将激光等的具有相干性的光向对象物照射、并使用本实施方式的光检测装置29检测来自对象物的反射光或透射光，能够定量地测定对象物的构造(例如，厚度的变化或折射率分布等)。本发明者们发现，当将来自对象物的光中的相邻的两个光线分别作为入射光8、9时，根据波导光10、11的干涉的程度而透射光12、13的各自的光量(功率)变化。即，通过使用第1受光元件6及第2受光元件7检测透射光12、13的光量，能够检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)。
透射光或反射光具有的相位信息依赖于对象物的构造(厚度的变化或内部的折射率分布等)而变化。因此，通过检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)，能够定量地测定对象物的厚度的变化或折射率分布等。
在图1A所示的结构中，第1光耦合元件(第1光栅)1及第2光耦合元件(第2光栅)2的最接近的两个凸部的顶点间或中心间的距离比周期Λ大。即，在第1光栅1与第2光栅2之间具有平坦的部分(称作“空间区域27”)，空间区域27的X方向的长度比0大。
这里，设第1光栅1及第2光栅2的最接近的顶点间的距离为对周期Λ乘以常数d而得到的值dΛ。将该常数d称作“距离常数d”。在d＝1的情况下，由于最接近的顶点间的距离为Λ，所以光栅1、2形成得较密，在两者之间不产生空间区域27。另一方面，当如本实施方式那样d>1时，在光栅1、2之间产生空间区域27。
图2A是在光检测装置29中，表示距离常数d＝1的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。图2B是在光检测装置29中，表示距离常数d＝1.16的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。图2C是在光检测装置29中、表示距离常数d＝1.16的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及(P1+P2)之间的关系的曲线图。图2A～图2C表示对电场方向是X方向的TM偏振光进行了通过FDTD法(Finite－difference time－domain method)的电磁场解析的结果的例子。
在本解析中，假设入射光8、9是具有相同的波长λ及相同的功率(进行标准化并设为光功率1)的相干性较高的激光。以第1入射光8的相位为基准，将与第2入射光9的相位的差设为相位差φ[度]。如在图2A中用实线及较长的虚线分别表示那样，第1透射光12的功率P1及第2透射光13的功率P2对应于入射光8、9之间的相位差φ而变化。P1在φ＝140°的附近取最大值，在φ＝－40°的附近取最小值。P2在φ＝－140°的附近取最大值，在φ＝40°的附近取最小值。因而，基于这些曲线可知，能够根据功率P1、P2的大小，将φ在－180°～180°的范围内唯一地定量化。即，通过使用第1受光元件6及第2受光元件7检测功率P1、P2，能够唯一地检测入射光8、9之间的相位差φ。
另外，图2A～图2C表示使用作为TM偏振光的入射光8、9激振出TM模式的波导光的情况下的结果。在如本实施方式那样使用微细的光栅1、2的情况下，发生偏振光依赖性，|P1－P2|的最大值在激振出TE模式的波导光的情况和激振出TM模式的波导光的情况下不同。在本实施方式中，激振出TM模式的波导光的情况下的|P1－P2|的最大值比激振出TE模式的波导光的情况大约4.6倍。
因而，在本实施方式的光检测装置29中，与使用无偏振的入射光相比，使用|P1－P2|的最大值较大的直线偏振光(在本实施方式中是TM偏振光)时能够使SN比变高。因此，通过使用以TM偏振光为主成分(即，TM偏振光成分比TE偏振光成分多)的入射光8、9(直线偏振光或椭圆偏振光)，能够提高检测灵敏度。作为用于此的结构，光检测装置29也可以具有使TM偏振光比TE偏振光更多地入射到第1光栅1及第2光栅2中的偏振元件(例如直线偏振镜或椭圆偏振镜)。这样的偏振元件被配置在光栅1、2与对象物之间、或者光源与对象物之间。或者，例如也可以对射出直线偏振的光的半导体激光源进行旋转调整以射出比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分的光，来进行配置。
本发明者们想到，入射光8、9的实际的功率可以根据从光检测器5得到的信号(P1+P2)来计算。但是，如在图2A中用较短的虚线表示那样，可知(P1+P2)对应于相位差φ而变化。更具体地讲，可知(P1+P2)在φ＝0及180°处发生最小值或最大值。这里，将从φ＝0的情况下的(P1+P2)减去φ＝180°或－180°的情况下的(P1+P2)后的值的绝对值定义为“功率差”。在计算入射光8、9的实际的功率时优选的是功率差为一定。
本发明者们发现，在设距离常数d为d>1的特定的值、例如d＝1.16的情况下，如在图2B中用较短的虚线表示那样，(P1+P2)几乎不依赖于相位差φ(即几乎为一定值)。考虑这是因为，通过设为d>1，波导光10、11干涉的周期(通常根据式(2)，λ/N≈Λ)在中央部的空间区域27中被打乱。通过使距离常数d变化来调整周期的打乱方式，能够控制P1及P2的输出特性。
如在图2B中用实线及较长的虚线表示那样，第1透射光的功率P1及第2透射光的功率P2对应于相位差φ而变化。在d＝1.16的情况下，|P1－P2|的最大值比d＝0的情况大。P1在φ＝85°的附近取最大值，在φ＝－95°的附近取最小值。P2在φ＝－85°的附近取最大值，在φ＝95°的附近取最小值。因而，基于这些曲线，能够根据P1及P2的值将相位差在－180°～180°的范围内唯一地定量化。
在d＝1.16的条件下，入射光8、9的功率不论相位差φ如何，都能够看作与(P1+P2)成比例。在将入射光8、9的功率标准化而分别设为1的情况下，如图2B所示，为(P1+P2)＝1.16。因此，入射光8、9的功率的值不论相位差φ如何，都能够通过(P1+P2)/1.16的运算来计算。
如图2C所示，也可以使用将P1及P2除以(P1+P2)而得到的值P1/(P1+P2)及P2/(P1+P2)作为标准化功率。在此情况下，即使(P1+P2)变化，在φ＝0，±180°下，也为P1/(P1+P2)＝P2/(P1+P2)＝0.5。因此，在将测定值进行定量化方面较好。
本发明者们还发现，除了d＝1.16以外，也周期性地存在(P1+P2)几乎不依赖于相位差φ的d的值。将第1层3(光波导路)内的波导光的波长用λ/N表示。在θ＝0(垂直入射)、m＝1时激振出波导光的条件下，根据式(2)为λ/N＝Λ，所以波导光的波长与Λ一致。因而，关于以接近于垂直的角度入射的光，d的周期能够近似为λ/(NΛ)≈1。
图3是表示本实施方式的光检测装置29中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
设i为0以上的整数，可知：功率差为0的最优的d的值是
d＝1.16+i (6)
或
d＝1.68+i (7)。
例如，当i＝10时，为d＝11.16或d＝11.68。此时的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2的最接近的凸部的顶点间的间隔为dΛ＝5.02μm或d＝5.26μm。
功率差进入－0.5～0.5的范围的d的条件是
1.05+i≤d≤1.26+i (8)
或
1.58+i≤d≤1.79+i (9)。
功率差进入－0.2～0.2的范围的d的条件是
1.12+i≤d≤1.20+i (10)
或
1.64+i≤d≤1.72+i (11)。
功率差进入－0.1～0.1的范围的d的条件是
1.14+i≤d≤1.18+i (12)
或
1.66+i≤d≤1.70+i (13)。
另外，在θ≠0的情况下，根据波导模式的固有方程式计算N，如果代替上述i而使用iλ/(NΛ)，则精度提高。
以上说明的结构中，第1光耦合元件1及第2光耦合元件2是将多个透光性部件以均匀的周期Λ配置的光栅。并不限于这样的光栅，第1光栅1及第2光栅2分别也可以包含将多个透光性部件分别以不同的周期配置的多个部分。根据式(1)可知，适合的周期Λ依赖于入射角θ及光的波长λ。通过使用具有多个周期的光栅，能够扩大入射角θ及波长λ的范围。
在以适合于垂直入射(θ＝0)的条件设计光检测装置29的情况下，如果光的入射角度变化，则作为使相位差变化时的|P1－P2|的最大值的透射光量的变化量下降。其半值全宽比较窄，例如为±4°左右。通过使光栅1、2具有多个周期，能够扩大该角度范围。θ＝±5°下的周期Λ的适合值分别是0.43μm及0.47μm。因此，如果将第1光栅1及第2光栅2用例如周期从Λ＝0.43μm逐渐变化到0.47μm的啁啾光栅(chirp grating)构成，则能够实现斜入射特性良好的光检测装置29。
第1光栅1及第2光栅2分别也可以具有例如Λ＝0.43μm、0.45μm、0.47μm那样的3个或比其多的不同周期的部分。通过这样的结构，也能够期待同样的效果。
用同样的考虑方式，也能够扩大波长特性。在入射波长是具有扩散的多波长的情况下，作为使相位差变化时的|P1－P2|的最大值的透射光量的变化下降，其半值全宽例如可以是±10nm左右。单一波长λ＝0.84，0.86μm下的适合值(其中，θ＝0)分别为Λ＝0.445，0.455μm。因此，如果将第1光栅1及第2光栅2用例如从Λ＝0.445μm逐渐变化到0.455μm的啁啾光栅构成，则能够扩大波长范围。
第1光栅1及第2光栅2分别也可以具有例如Λ＝0.445，0.450，0.455μm那样的3个或比其多的不同周期的部分。通过这样的结构，也能够期待同样的效果。
接着，说明本实施方式的光检测装置29的制造方法的一例。
图4A～图4D是表示本实施方式的光检测装置29的制造工序的一例的剖视图。首先，如图4A所示，准备具有受光元件6、7的光检测器5。接着，如图4B所示，在光检测器5的受光面(摄像面)上使厚度t2的第2层4成膜。接着，如图4C所示，使厚度t1的第1层3成膜到第2层4之上。成膜工艺关于Ta2O5及SiO2膜例如可以使用溅射法或真空蒸镀法。在将第1层3及第2层4用树脂材料形成的情况下，可以使用涂敷工艺。根据涂敷工艺，由于能够采取低温工艺，所以不仅是在光检测器5中使用Si的情况，在使用有机的光电膜的情况下也不用担心带来热伤害。接着，如图4D所示，在第1层3上将第1光耦合元件1及第2光耦合元件2同时形成。在该工序中，例如可以使用光刻与蚀刻工艺的组合(所谓的周知的二元光学制造方法)。由此，能够制作例如截面形状是三角形状的光栅。除此以外，例如也可以使用纳米压印或3D印刷法。特别是，根据纳米压印施工法，能够实现低成本化。
[光检测系统]
本实施方式的光检测装置29通过与光源及运算电路组合，能够得到对象物的构造(例如表面构造或折射率分布等)的信息。以下，说明这样的光检测系统的例子。
图5A是示意地表示使用本实施方式的光检测装置29的光检测系统的结构例的图。该光检测系统具备射出空气中的波长为λ的光的光源25、和基于从第1受光元件6输出的第1电信号及从第2受光元件7输出的第2电信号生成与对象物的构造有关的信息(电信号18)并输出的运算电路20。第1受光元件6及第2受光元件7检测从光源25射出并从对象物21到达的波长λ的光。该光检测系统检测来自对象物21的透射光，但也可以构成为检测反射光。对象物21不受特别限定，例如可以是生物体组织或具备相位阶差的书类的防伪标记。
本实施方式的运算电路20例如可以是DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)或FPGA(Field－Programmable GateArray)等的集成电路。运算电路20通过执行例如保存在存储器中的计算机程序，进行后述的运算，生成与对象物21的构造有关的信息。
光检测系统从光源25向对象物21照射激光等的作为具有相干性的单色光的射出光26，由光检测装置29检测透射了对象物21的光(包括相邻的第1入射光8及第2入射光9)。在图5A所示的例子中，第1入射光8是透射了对象物21的相对较薄的部位的光，第2入射光9是透射了对象物21的相对较厚的部位的光。如果设两者的厚度之差为S、对象物21的折射率为no，则第1入射光8与第2入射光9之间的相位差φ用以下的式(14)表示。
φ＝2π(no－1)S/λ (14)
即，第2入射光9的相位比第1入射光8的相位延迟2π(no－1)S/λ。
受光元件6输出具有与第1透射光12的功率P1成比例的信号值的电信号15。受光元件7输出具有与第2透射光13的功率P2成比例的信号值的电信号16。运算电路20接受电信号15、16，求出入射光8、9的功率及相位差φ。相位差φ可以用参照图2A～图2C说明的方法求出。运算电路20将表示相位差φ的信息作为与对象物21的构造有关的信息(电信号18)输出。根据该相位差φ的信息，能够由式(14)求出厚度的变化量(阶差)S的值。运算电路20也可以基于相位差φ计算S值，将该信息包含在电信号18中而输出。
由于从光源25射出的光的功率是已知的，所以也可以根据入射光8、9的功率的值求出对象物21的透射率或反射率。运算电路20也可以输出表示对象物21的透射率或反射率的信号。像这样，在本说明书的“与对象物的构造有关的信息”中，包含表示第1入射光8与第2入射光9之间的相位差、对象物的厚度的变化量、以及对象物的透射率或反射率的至少1个的信息。
既可以是光检测系统具备例如激光源那样的具有相干性的光源25，也可以是光源25是外部的要素。光源25也可以内置在光检测装置29中。光检测系统也可以具备图5A所示的构成要素以外的要素。例如，也可以在光耦合元件1、2与对象物21之间具备使所使用的特定的波长域的光有选择地透射的带通滤波器。这样的带通滤波器也可以设置在受光元件6的前表面。
图5B是表示本实施方式的光检测系统的变形例的图。如图5B所示，光检测装置29也可以在对象物21与第1光耦合元件1及第2光耦合元件2之间具备使TM偏振光成分比TE偏振光成分更多地透射的偏振元件30。偏振元件30例如可以是直线偏振镜或椭圆偏振镜。由此，比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分的光入射到光耦合元件1、2中，所以如上述那样能够提高检测灵敏度。
[光检测装置的变形例]
图6是表示本实施方式的变形例的光检测装置29a的结构的剖视图。在该例中，第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是具备与XZ面平行的截面的形状是梯形状的透光性部件的光栅。光栅1、2的透光性部件的形状是三角柱状的上部(角)被削掉的形状。各透光性部件的截面的形状例如也可以是正弦波形状。各透光性部件的截面的形状不需要角尖锐，也可以是角较圆的形状。如果各透光性部件的截面的形状是与XZ面平行的截面的面积随着从底部朝向上部而变小的形状(锥形状)，则能够得到与使用具备三角柱状的透光性部件的光栅的情况同样的效果。即，能够基于来自对象物的透射光或反射光的相干性的程度来定量地测定对象物的信息，能够实现构造稳定的小型且薄型的光检测装置。
图7是表示本实施方式的其他变形例的光检测装置29b的结构的剖视图。在该例中，第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’形成在第1层3’的两个表面(上表面及下表面)双方。由与第1层3’相同的材料构成第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’。也可以说第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’形成在第1层3’的内部。这样，第1光耦合元件、第2光耦合元件及第1层也可以是由相同的材料构成的单一构造体。此外，第1光耦合元件及第2光耦合元件例如也可以使用与第1层的折射率不同的材料仅形成在第1层的内部。
图7所示的光检测装置29b例如可以用以下的工序制作。首先，在光检测器5的受光元件6、7所处的面使厚度t2的第2层4’成膜。然后，在第2层4’的表面制作深度tg的光栅形状。在该工序中，例如可以使用光刻和蚀刻工艺。接着，在其上使第1层3’成膜。于是，在第1层3’的表面也形成深度tg的同样的光栅形状。由此，制作出光检测装置29b。根据该例，在对第2层4’的材料的蚀刻特性良好而容易形成光栅1’、2’的情况下，有制造较容易的效果。
(实施方式2)
接着，说明本申请的实施方式2的光检测装置。图8是示意地表示本申请的实施方式2的光检测装置29c的结构的剖视图。
本实施方式的光检测装置29c与实施方式1的光检测装置不同的点是，光检测器5’还具有受光元件6’(第3受光元件)及受光元件7’(第4受光元件)，空间区域27比较大。在实施方式1的光检测装置中，透射空间区域27的入射光成分不进入光检测器5的受光元件。另一方面，在本实施方式的光检测装置29c中，透射中央部的空间区域27的入射光8’、9’成为透射光12’、13’，被光检测器5’的受光元件6’、7’检测到。
第1入射光中的没有进入第1光耦合元件1的入射光8’与波导光的激励无关，透射第1层3而成为透射光12’。同样，第2入射光中的没有进入第2光耦合元件1的入射光9’与波导光的激励无关，透射第1层3而成为透射光13’。因而，通过用受光元件6’、7’检测这些透射光12’、13’，能够检测入射光8’、9’的功率。
通过本实施方式的结构，即使是空间区域27较大的情况，通过设置对透射空间区域27的光进行检测的受光元件6’、7’，也能够提高光利用效率。
如图8所示，通过与受光元件6、7分离地设置受光元件6’、7’，光功率分布的检测精度提高。此外，也可以是将受光元件6和受光元件6’一体化、将受光元件7和受光元件7’一体化的结构。与空间区域27对置的受光元件的数量并不限于两个，也可以是1个或3个以上。这样，光检测器也可以具有与第1光栅1与第2光栅2之间的空间区域27对置的至少1个第3受光元件。
(实施方式3)
接着，说明本申请的实施方式3的光检测装置。
图9是示意地表示本实施方式的光检测装置29d的结构的剖视图。
本实施方式的光检测装置29d与实施方式1的光检测装置29a不同的点在于第1光耦合元件1及第2光耦合元件2的形状。本实施方式的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是具备具有在Y方向上延伸的凸部的多个透光性部件、与XZ面平行的透光性部件的截面的形状为矩形形状的光栅。本实施方式的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别具有将多个透光性部件在X方向上周期性地排列的构造。通过相邻的两个透光性部件划分出在相邻的两个透光性部件之间沿Y方向延伸的槽。光栅1、2的透光性部件的形状是不可唯一地决定其顶点的形状，为了方便，如图9所示，以光栅1、2的各凸部的中央部为基准(假想的顶点)，与实施方式1同样地说明。
本实施方式的光栅1、2由与第1层3相同的材料Ta2O5构成。入射光8、9的空气中的波长λ例如是λ＝0.85μm。1个凸部的X方向的尺寸与凸部间的槽(凹部)的X方向的尺寸相同。槽的深度tg例如是tg＝0.1μm。相邻的两个凸部的中心间的距离Λ例如是Λ＝0.45μm。槽较浅的具有矩形的截面形状的光栅与实施方式1的具有三角形状的截面形状的光栅相比有更容易制造的优点。
图10是在本实施方式的光检测装置29d中、表示距离常数d＝1.02的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及(P1+P2)之间的关系的曲线图。图11是表示本实施方式的光检测装置29d中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
在本实施方式的光检测装置29d中，也在d>1下存在(P1+P2)几乎不依赖于相位差φ的d。例如，在d＝1.02的情况下，如由图10的较短的虚线表示那样，(P1+P2)几乎为一定值1.48。该值比实施方式1的光检测装置29中的(P1+P2)的值1.16大。因此，本实施方式的结构可以说光利用效率更好。本实施方式的入射光8、9的功率值不论φ如何，都能够通过(P1+P2)/1.48的运算来计算。
如图11所示，功率差对应于距离常数d而变化。设i为0以上的整数，可知功率差为0的d的值是
d＝1.03+i (15)
或
d＝1.60+i (16)。
例如，在i＝10时，d＝11.03或d＝11.60。此时的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2的最接近的顶点(凸部的中央)间的间隔为dΛ＝4.96μm或d＝5.22μm。
功率差进入到－0.5～0.5的范围中的d的条件是
1≤d≤1.16 (17)
或
1.47+i≤d≤1.77+i (18)
或
1.92+i≤d≤2.16+i (19)。
功率差进入到－0.2～0.2的范围中的d的条件是
1≤d≤1.08 (20)
或
1.55+i≤d≤1.66+i (21)
或
2.02+i≤d≤2.16+i (22)。
功率差进入到－0.1～0.1的范围中的d的条件是
1.01+i≤d≤1.06+i (23)
或
1.57+i≤d≤1.63+i (24)。
另外，图10表示使用具有TM偏振光的入射光8、9激振出TM模式的波导光的情况下的结果。在本实施方式中，激振出TM模式的波导光的情况下的|P1－P2|的最大值比激振出TE模式的波导光的情况大例如约1.5倍。但是，由偏振光带来的该差比使用具有三角形状的截面的透光性部件的光栅的实施方式1的结构小(约4.6倍)。
因而，在本实施方式的光检测装置29d中，也与使用无偏振的入射光相比，使用|P1－P2|的最大值较大的直线偏振光(在本实施方式中是TM偏振光)时能够使SN比变高。即，通过使用以TM偏振光为主成分的入射光8、9(直线偏振光或椭圆偏振光)，SN比提高，能够提高检测灵敏度。
图12是在本实施方式的光检测装置29d中、表示光栅的透光性部件的周期Λ与适合的波长之间的关系的曲线图。该曲线图表示光栅的槽的深度为一定值(tg＝0.1μm)的情况下的结果。可知具有以下关系：适合波长λ相对于Λ的变化线性地变化。根据该曲线图可知，适合波长λ能够用以下的式(25)良好地近似。
λ＝1.6488Λ+0.11211 (25)
根据式(25)，关于蓝色的波长λ＝0.46μm为Λ＝211nm。关于绿色的波长λ＝0.532μm为Λ＝255nm。关于红色的波长λ＝0.632μm为Λ＝315nm。在X方向的长度在凸部和凹部间不变化的典型的负荷比0.5的光栅结构中，线宽(各凸部的宽度)是周期的一半。由此可知，在形成具备具有深度tg＝0.1μm的矩形截面的透光性部件的光栅的情况下，只要能够进行0.1μm的线宽的加工，就能够实现与RGB的各自的波长对应的光检测装置。
图13是示意地表示本实施方式的变形例的光检测装置29e的结构的剖视图。在该变形例中，第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是具有与XZ面平行的截面的形状为半圆形状的透光性部件的光栅。具有截面为半圆形状的透光性部件的光栅1、2实质上可以考虑为具有截面为矩形形状的透光性部件的光栅1、2的上部变圆的形状。不论是具有截面为半圆形状的透光性部件的光栅1、2，还是具有截面为矩形形状的透光性部件的光栅1、2的角变圆的形状，底面附近的侧面都与第1层3大致接近垂直。在使用这些光栅的情况下，也能得到与使用具有截面为矩形状的透光性部件的光栅1、2的情况同样的效果。即，能够基于来自对象物的透射光或反射光的相干性的程度来定量地测定对象物的信息，能够实现构造稳定的小型且薄型的光检测装置。
(实施方式4)
接着，说明本申请的实施方式4的光检测装置。
图14A是示意地表示本实施方式的光检测装置29f的结构的平面图。图14B是图14A的14B－14B线剖视图。在以下的说明中，将图中所示的第1光耦合元件1a、1b、1c、1d等一起表述为第1光耦合元件1等。关于其他的构成要素也是同样的。
本实施方式的光检测装置29f与实施方式3的光检测装置29d不同的点在于，光检测装置29f具有多个检测单位14、14’。多个检测单位14平行于XY面而二维地排列。多个检测单位14’在Y方向上排列。多个检测单位14、14’分别包括第1层3的一部分、第2层4的一部分、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第1受光元件6及第2受光元件7。第1层3及第2层4在多个检测单位14、14’间是共通的。本实施方式的光检测器是图像传感器17。在第1层3中，在多个检测单位14中的相邻的两个间的区域中，在Y方向上形成有槽19(宽度wb、深度tb)。在第1层3中，在多个检测单位14’中的相邻的两个之间的区域中，在X方向上形成有槽19’(宽度wb，深度tb)。另外，在图14B中，将输出来自图像传感器17的电信号的布线的图示省略。在图14B中仅表示了在X方向上排列的4个检测单位14，但同样的结构在Y方向上排列有5组。
本实施方式的光检测装置29f具备分别具有实施方式3的光检测装置29d的结构的多个检测单位。多个检测单位包括检测第1方向(在该例中是X方向)的信息的多个第1检测单位14、和检测与第1方向垂直的第2方向(在该例中是Y方向)的信息的多个第2检测单位14’。在第1检测单位14中，第1受光元件6及第2受光元件7在第1方向(X方向)上排列。在第2检测单位14’中，第1受光元件6及第2受光元件7在第2方向(Y方向)上排列。
在图14A中，表示了在X方向上配置有4个、在Y方向上配置有5个的共计20个(4×5排列)检测单位14、和在X方向上配置有1个、在Y方向上配置有两个的共计两个(1×2排列)检测单位14’的例子。这是一例，检测单位14及检测单位14’的数量及配置的形态并不限定于该例。只要设有至少1个第1检测单位14和至少1个第2检测单位14’，就能够取得对象物的X方向(第1方向)及Y方向(第2方向)的信息。
本实施方式的光检测装置29f使来自对象物的透射光或反射光中的相邻的入射光8、9向各自的检测单位14、14’入射而进行检测。由此，能够定量地测定对象物的二维信息。
在图14A所示的结构中，检测单位14、14＇以条状排列。图示的左侧的5行4列的20个检测单位14二维地检测X方向的信息。右侧的2行1列的两个检测单位14’一维地检测Y方向的信息。由于由各检测单位14得到的对象物的信息分别是关于X方向的信息，所以通过与由右侧的检测单位14＇得到的关于Y方向的信息合并，能够得到对象物的二维信息。
本实施方式的光检测装置29f具备槽的方向与Y方向(第2方向)平行的光栅1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d、和槽的方向与X方向(第1方向)平行的光栅1A、1B、2A、2B。因此，对于检测单位14而言的TE偏振光对于检测单位14’而言成为TM偏振光，对于检测单位14而言的TM偏振光对于检测单位14’而言成为TE偏振光。检测单位14、14’的检测性能也可以不依赖于偏振方向。如上述那样，与使用实施方式1那样的具有截面为三角形状的透光性部件的光栅相比，使用具有截面为矩形状或半圆形状的透光性部件的光栅时，因入射光8、9的偏振方向的差异带来的|P1－P2|的最大值的差较小。因此，在本实施方式中，如图14B所示，使用具有截面为矩形状的透光性部件的光栅。但是，并不限定于此，也可以使用实施方式1那样的光栅。
在本实施方式中，在第1层3中的多个检测单位14、14’之间的区域中形成有槽19a、19b、19c、19d、19e、19’a、19’b、19’c。因此，能够减少从各检测单位14、14’向相邻的检测单位的波导光的泄漏，结果，能够减少串扰。各槽19、19’的宽度wb典型地可以设定为比光栅的多个透光性部件的周期Λ长的值、例如Λ～5Λ。各槽19、19’的深度tb可以设定为在其下方不发生波导模式的厚度(成为所谓的截止的厚度)以上、例如tb≥0.26μm。通过设置这样的槽19、19’，能够将向相邻的检测单位漏出的波导光的功率例如降低到1/3～1/15。另外，也可以设为tb＝t1，也可以将第1层3穿透而将槽形成至其下方的第2层4。
接着，说明本实施方式的光检测装置29f的制造工序的一例。
图15A～图15F是表示本实施方式的光检测装置29f的制造工序的一例的剖视图。本实施方式的光检测装置29f的制造工序与实施方式1的光检测装置29的制造工序几乎相同，不同的是将多个检测单位14、14＇二维地排列而形成，以及进行槽19、19’及布线取出用的孔24a、24b的形成。
首先，如图15A所示，准备具有二维排列的多个受光元件6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d的图像传感器17。另外，在图15A的剖视图中，仅图示了8个受光元件6、7，但实际上在进深方向(Y方向)上也形成有多个受光元件6、7。接着，如图15B所示，在图像传感器17的受光面(摄像面)上使厚度t2的第2层4成膜。接着，如图15C所示，在第2层4之上使厚度t1的第1层3成膜。然后，如图15D所示，在第1层3之上，将多个第1光耦合元件1及多个第2光耦合元件2二维地同时形成。由此，形成多个检测单位14、14’。另外，在图15D中仅图示了4个检测单位。然后，如图15E所示，在第1层3中的多个检测单位14、14＇之间的区域形成多个槽19、19’。进而，形成将第1层3及第2层4贯通而到达处于图像传感器17的表面上的电极的金属焊盘(未图示)的多个孔24(在图15E中仅图示了孔24a、24b)。然后，如图15F所示，将多个布线28a、28b穿过孔24a、24b连接到金属焊盘。由此，光检测装置29f完成。
在图15A～图15F的例子中，图像传感器17是1个，但也可以使用多个图像传感器17。实际上典型的是将在直径300mm左右的较大的Si晶片上二维地形成了多个的图像传感器利用为基底。因此，也可以在图15E的工序之后，进行作为包括1个图像传感器17的光检测装置29f而进行芯片切割的工序，然后，如图15F所示进行布线。
在本实施方式中，全部的检测单位14、14’具备具有以相同的周期配置的多个透光性部件的光栅1、2。即，本实施方式的光检测装置29f具有适合于特定的波长的结构。但是，如参照图12说明的那样，通过使用具有以多个周期配置的多个透光性部件的光栅，能够对应于各种波长。例如，也可以按每个检测单位改变透光性部件的配置的周期Λ。此外，也可以在1个检测单位中使用具有以多个周期配置的多个透光性部件的光栅。由此，能够期待光检测装置的斜向入射特性或波长特性改善的效果。
图16A是示意地表示本实施方式的变形例的光检测装置29g的结构的剖视图。在该例中，在第1层3中的多个检测单位14之间的区域形成有槽，在该槽中堆积有吸收膜23a、23b、23c、23d、23e、23’b。通过设置吸收膜23a、23b、23c、23d、23e、23’b，能够减少在槽中产生的反射散射光，减少光检测装置29g的杂散光而使SN比提高。吸收膜23a、23b、23c、23d、23e、23’b可以使用例如添加了碳的树脂。在其以外，只要是消光系数较大的材料则同样能够使用。
图16B是示意地表示本实施方式的其他变形例的光检测装置29h的结构的剖视图。在该例中，在第1层3中的多个检测单位14之间的区域形成有金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案(宽度wm，厚度tm)。通过形成金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案(即金属制的凸部)，在该区域中光的封入条件破坏，成为不能存在波导模式的状态。由此，能够降低向相邻的检测单位漏出的波导光的功率。在金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b中使用的金属例如可以是Au、Ag、Cu、Al、W、Ti等。根据本发明者们的验证，确认了与Au、Ag、Cu相比Al、W、Ti等的降低效果较大。设光栅的透光性部件的周期为Λ时，金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的X方向上的尺寸wm例如可以设定为wm＝Λ～5Λ。金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的厚度(Z方向上的尺寸)tm例如可以设定为tm＝20～100nm。通过这样的结构，能够将向相邻的检测单位漏出的波导光的功率降低到例如1/5～3/100左右。
在该变形例中，通过在第1层3上形成金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案，不需要设置槽。由于没有槽，所以能够减少波导光的反射。如果波导光的反射较大，则对检测单位14中的波导光10、11的干涉带来影响，相位差检测的精度下降。根据本变形例，能够减少波导光的反射，提高相位差检测的精度。
图16C是示意地表示本实施方式的另一其他变形例的光检测装置29i的结构的剖视图。在该例中，在多个检测单位14之间的区域中也连续地形成有光耦合元件(光栅)。在光栅之上形成有金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案。换言之，本实施方式的光检测装置29i在第1层3中的多个检测单位14之间的区域上具有被金属膜覆盖的第3光耦合元件。根据本变形例，与图16B所示的光检测装置29h相比，能够进一步降低向相邻的检测单位漏出的波导光的功率。因此，本变形例的结构的串扰特性良好。
(实施方式5)
接着，说明本申请的实施方式5的光检测装置。
图17是示意地表示本实施方式的光检测装置29j的结构的平面图。本实施方式的光检测装置29j具有将实施方式4的光检测装置29f的多个检测单位14、14’的排列(称作条状的排列)变更为交错状(staggered)的排列的结构。以下，将本实施方式的光检测装置29j以与实施方式4的光检测装置29f不同的点为中心进行说明。
在本实施方式中，某个行的检测单位14的X方向的位置与相邻的其他行的检测单位14的X方向的位置错开半周期。同样，某个列的检测单位14’的Y方向的位置与相邻的其他列的检测单位14’的Y方向的位置错开半周期。将这样的排列称作“交错状的排列”。通过这样的排列，关于X方向及Y方向都能够使分辨率实质上提高。
(实施方式6)
[光检测装置]
首先，说明本申请的实施方式6的光检测装置。
图18A及图18B是示意地表示本申请的实施方式6的光检测装置280的结构的图。图18A表示图18B的18A－18A线截面，图18B表示图18A的18B－18B线截面。
在以下的说明中，使用表示相互正交的X、Y、Z方向的XYZ坐标系。在本实施方式中，设光检测装置280的与光检测器5的受光面平行的面为XY面，与XY面垂直的方向为Z方向。图示的坐标系是为了说明的方便而设定的，并不限制本申请的实施方式的装置实际被使用时的配置及朝向。此外，图示的构造物的整体或一部分的形状及大小也并不限制现实的形状及大小。
本实施方式的光检测装置280具备光检测器5和配置在光检测器5上的透光性的基板400。光检测器5具有在第1方向(在本实施方式中在X方向)上排列的第1受光元件6及第2受光元件7。基板400在其内部具有在Z方向上延伸的第1光传输路径35及第2光传输路径36。第1光传输路径35是使来自对象物的入射光8从基板400的上表面侧的光入射部44传输到下表面侧的光射出部41的路径。第1光传输路径35的光射出部41对置于第1受光元件6。第2光传输路径36是使来自对象物的入射光9从基板400的上表面侧的光入射部45传输到下表面侧的光射出部42的路径。第2光传输路径36的光射出部42对置于第2受光元件7。光检测装置280还具备将第1光传输路径35的一部分与第2光传输路径36的一部分之间连结的第3光传输路径37。在本实施方式中，第3光传输路径37设置在基板400的内部。如后述那样，在其他实施方式中，可以在基板400的外部设置第3传输路径。第3光传输路径37使在第1光传输路径35中传输的光的一部分朝向第2光传输路径36传输，使在第2光传输路径36中传输的光的一部分朝向第1光传输路径35传输。由此，在第3光传输路径37内发生光的干涉。
另外，在图18B中，省略了将来自光检测器5的电信号输出的布线的图示。图18B表示基板400与光检测器5分离的结构，但例如也可以使用树脂等粘接剂将基板400与光检测器5一体化。通过做成这样的集成构造，对于振动等的承受力变强，耐环境性提高。
如果第1入射光8从对象物向第1光传输路径35的入射部44入射，则作为第1传输光60A在第1光传输路径35内传输。第1传输光60A如果越过第1光传输路径35与第3光传输路径37的合流点，则作为第1传输光60B朝向射出部41。第1传输光60B如果穿过射出部41，则作为第1透射光12向第1受光元件6入射。这样，第1入射光8的至少一部分向第1受光元件6入射。
同样，如果第2入射光9向第2光传输路径36的入射部45入射，则作为第2传输光31A在第2光传输路径36内传输。第2传输光31A如果越过第2光传输路径36与第3光传输路径37的合流点，则作为第2传输光31B朝向射出部42。第2传输光31B如果穿过射出部42，则作为第2透射光13向第2受光元件7入射。这样，第2入射光9的至少一部分向第2受光元件7入射。
第1受光元件6及第2受光元件7例如包括光敏二极管，输出与受光量对应的电信号(光电变换信号)。第1受光元件6接受第1透射光12，输出与受光量对应的第1电信号。第2受光元件7接受第2透射光13，输出与受光量对应的第2电信号。由未图示的运算电路对这些电信号进行处理，生成表示第1入射光8与第2入射光9之间的相位差的信息。运算电路还能够基于该相位差信息生成与对象物的构造(例如表面构造或折射率分布等)有关的信息并输出。
在本实施方式中，第1受光元件6及第2受光元件7检测空气中的波长为λ的光。基板400在第1光传输路径35、第2光传输路径36及第3光传输路径37以外的区域中具有将波长λ的光切断的光子晶体的构造。
在本实施方式中，在透光性的基板400的内部，具有在与光检测器5的受光面5a平行且与第1方向(在本实施方式中是X方向)垂直的第2方向(在本实施方式中是Y方向)上延伸的多个空洞34。多个空洞34周期性地排列在第1光传输路径35、第2光传输路径36及第3光传输路径37以外的区域中。在周期性地密集地排列有多个空洞34的区域中，不能传输包含在光检测装置280中使用的波长λ的特定的波长域的光，能够仅在没有设置空洞34的区域传输该波长域的光。通过这样的构造形成的光传输路径35、36、37可以说是由周知的光子晶体形成的光波导路。因而，第1传输光60A、60B，第2传输光31A、31B及第3传输光32A、32B可以说是在光波导路中传输的波导光。
如图18B所示，本实施方式的多个空洞34从Y方向观察排列为六方格状。多个空洞34的排列并不限于此，例如也可以排列为正方格状。在本实施方式中各空洞34是圆柱状，但也可以具有例如方柱形状等的其他的棒形状。此外，在本实施方式中各空洞34的内部是空气，但也可以设置填充有空气以外的电介质的空洞。各空洞34的内部只要用与基板400不同的折射率的电介质充满就可以。只要是折射率在空间上周期性地变化的构造，则作为光子晶体发挥功能。
各空洞34的直径依赖于入射光的波长，但典型的是从亚微米(小于1μm)到微米(μm)量级。光传输路径35、36、37的各自的宽度也典型地是亚微米到微米量级。另外，在以下的说明中，当将第1传输光60A、60B等不区分而表现时，简单表述为“第1传输光60”等。关于其他的标号也是同样的。
在图18A及图18B中，为了使得将3个光传输路径35、36、37容易理解，用虚线表示它们的区域，但在现实中在虚线的部位并没有边界。例如，在图18A中，将光传输路径35、36分别表现为圆柱状的区域，但实际上并不具有这样的形状。在图18A所示的基板400中，由于在X坐标与光传输路径35、36共通的平板状的区域中不存在空洞34，所以能够传输光。在本实施方式中，将在图18A、18B中用虚线表示的圆柱状的区域与其他区域区分而考虑为是光传输路径35、36。
如上述那样，为使第1光传输路径35和第2光传输路径36成为在Z方向上延伸的直线状的构造，在其周围形成有多个空洞34。此外，为使第3光传输路径37将第1光传输路径35的中间的部分与第2光传输路径36的中间的部分连结(或横截)，在其周围形成有多个空洞34。在本实施方式中，第3光传输路径37在第1光传输路径35与第2光传输路径36之间具有弯曲部37a。弯曲部37a位于比第3光传输路径37与第1光传输路径35的合流点、以及第3光传输路径37与第2光传输路径36的合流点远离光检测器5的受光面5a的位置。换言之，形成有多个空洞34，以使第3光传输路径37的形状成为向－Z方向凸的形状。因而，第1光传输路径35中的供第1传输光60A传输的部分与第3光传输路径37以锐角交叉，第2光传输路径35中的供第2传输光31A传输的部分与第3光传输路径37以锐角交叉。通过这样的构造可知，在第1光传输路径35与第3光传输路径37的耦合区域、以及第2光传输路径36与第3光传输路径37的耦合区域的附近，散射损失减少，能得到光利用效率变高的效果。
本发明者们发现，通过将激光等的具有相干性的光向对象物照射、使用本实施方式的光检测装置280检测来自对象物的透射光或反射光，能够定量地测定对象物的构造(例如，厚度或内部的折射率的分布等)。本发明者们发现，当将来自对象物的光中的相邻的两个光线分别设为入射光8、9时，在第3光传输路径37中，行进方向相反的第3传输光32A、32B被激励而相互干涉，对应于其干涉的程度，第1传输光60B及第2传输光31B的光量(功率)变化。随着第1传输光60B及第2传输光31B的功率的变化，第1透射光12及第2透射光13的功率变化。即，通过使用第1受光元件6及第2受光元件7检测透射光12、13的光量，能够检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)。
透射光或反射光具有的相位信息依赖于对象物的构造(厚度的空间分布或内部的折射率的空间分布等)而变化。因此，通过检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)，能够定量地测定对象物的厚度的变化或折射率分布等。
图19A是在光检测装置280中、表示入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。图19B是在光检测装置280中表示入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。图19A及图19B表示假设电场方向为X方向的直线偏振光的入射光8、9入射、进行通过FDTD法(Finite－difference time－domain method)的电磁场解析的结果的例子。另外，在图19A及图19B的曲线图中，表示假定为在光传输路径35、36的入射部44、45中没有入射损失(即，入射光8、9分别被100％变换为传输光60A、31A)、在射出部41、42中没有射出损失(即，传输光60B、31B分别被100％变换为透射光12、13)而得到的值。
在本解析中，假设入射光8、9是具有相同波长λ及相同功率(标准化而设为光功率1)的相干性较高的激光。以第1入射光8的相位为基准，设与第2入射光9的相位的差为相位差φ[度]。如在图19A中用实线及较长的虚线分别表示那样，第1透射光12的功率P1及第2透射光13的功率P2对应于入射光8、9之间的相位差φ而变化。P1在φ＝－150°的附近取最大值，在φ＝30°的附近取最小值。P2在φ＝150°的附近取最大值，在φ＝－30°的附近取最小值。因而，基于这些曲线可知，根据功率P1、P2的大小能够将φ在－180°～180°的范围内唯一地定量化。即，通过使用第1受光元件6及第2受光元件7来检测功率P1、P2，能够唯一地检测入射光8、9之间的相位差φ。
另外，在|φ|较小的区域、例如－90°<φ<90°中，如在图19A中用较短的虚线表示那样，由光检测器5检测的透射光12、13的功率的合计(P1+P2)变低。可知这起因于从光传输路径35、36的各自的入射部44、45向－Z方向射出的反射光的成分变多。
如图19B所示，也可以将P1及P2除以(P1+P2)而得到的值P1/(P1+P2)及P2/(P1+P2)作为标准化功率，代替P1及P2使用。在此情况下，即使(P1+P2)变化，在φ＝0，±180°时也为P1/(P1+P2)＝P2/(P1+P2)＝0.5。因此，在将测定值进行定量化方面较为方便。
图19A及图19B表示使用电场方向是X方向的直线偏振光的入射光8、9在第1光传输路径35及第2光传输路径36中激振出TE模式的波导光的情况下的结果。在本实施方式中，由于作为光传输路径35、36、37而使用光子晶体的光波导路，所以发生偏振光依赖性。与使用无偏振的入射光的情况相比，使用使相位差变化时的|P1－P2|的最大值较大的偏振光(直线偏振光或椭圆偏振光)时更能够提高SN比。
[光检测系统]
本实施方式的光检测装置280通过与光源及运算电路组合，能够得到对象物的构造(例如表面构造或折射率分布等)的信息。以下，说明这样的光检测系统的例子。
图20A是示意地表示使用本实施方式的光检测装置280的光检测系统的结构例的图。该光检测系统具备射出空气中的波长为λ的光的光源25、和基于从第1受光元件6输出的第1电信号及从第2受光元件7输出的第2电信号而生成与对象物的构造有关的信息(电信号18)并输出的运算电路20。第1受光元件6及第2受光元件7检测从光源25射出并从对象物21到达的波长λ的光。该光检测系统检测来自对象物21的透射光，但也可以构成为检测反射光。对象物21没有被特别限定，但例如可以是具备生物体组织或相位阶差的书类的防伪标记。
本实施方式的运算电路20例如可以是DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)或FPGA(Field－Programmable GateArray)等集成电路。运算电路20通过执行例如保存在存储器中的计算机程序，进行后述的运算，生成与对象物21的构造有关的信息。
光检测系统从光源25向对象物21照射激光等的作为具有相干性的单色光的射出光26，通过光检测装置29检测透射了对象物21的光(包括相邻的第1入射光8及第2入射光9)。在图20A所示的例子中，第1入射光8是透射了对象物21的相对较薄的部位的光，第2入射光9是透射了对象物21的相对较厚的部位的光。如果设两者的厚度之差为S、对象物21的折射率为n0，则第1入射光8与第2入射光9之间的位相差φ用以下的式(26)表示。
φ＝2π(no－1)S/λ (26)
即，第2入射光9的相位与第1入射光8的相位相比延迟2π(no－1)S/λ。
第1受光元件6输出具有与第1透射光12的功率P1成比例的信号值的第1电信号15。第2受光元件7输出具有与第2透射光13的功率P2成比例的信号值的第2电信号16。运算电路20接受电信号15、16，求出入射光8、9的功率P1、P2和相位差φ。相位差φ可以通过参照图19A、19B说明的方法求出。运算电路20将表示相位差φ的信息作为与对象物21的构造有关的信息(电信号18)输出。根据该相位差φ的信息，能够由式(1)求出厚度的变化量(阶差)S的值。运算电路20也可以基于相位差φ计算S的值，将该信息包含在电信号18中而输出。
由于从光源25射出的光26的功率是已知的，所以也可以根据入射光8、9的功率的值求出对象物21的透射率或反射率。运算电路20也可以输出表示这样求出的对象物21的透射率或反射率的信号。这样，在本说明书中的“与对象物的构造有关的信息”中，可以包含表示第1入射光8与第2入射光9之间的相位差、对象物的厚度的空间上的变化量、以及对象物的透射率或反射率的至少1个的信息。
既可以是光检测系统具备例如激光源那样的具有相干性的光源25，也可以是光源25是外部的要素。光源25也可以内置在光检测装置29中。光检测系统也可以具备图20A所示的构成要素以外的要素。例如，光检测系统也可以在对象物21与基板400之间具备具有多个微透镜的微透镜阵列。这样的微透镜阵列将来自对象物21的入射光8、9分别向入射部44、45聚光。通过这样的结构，向光传输路径35、36的光耦合效率提高。
光检测系统也可以在基板400与对象物21之间具备使使用的特定的波长域的光有选择地透射的带通滤波器。这样的带通滤波器也可以设置在受光元件6、7的前表面。
图20B是表示本实施方式的光检测系统的变形例的图。如图20B所示，光检测装置280也可以在对象物21与基板400之间具备使入射光的特定的偏振光成分较多地透射的偏振元件50。偏振元件50例如是直线偏振镜或椭圆偏振镜。由此，能够使例如较多地包含TE偏振光成分及TM偏振光成分中的|P1－P2|的最大值较大的偏振光成分的光向基板400入射。结果，能够提高检测灵敏度。
[光检测装置的变形例]
接着，说明本实施方式的光检测装置的变形例。
图21A及图21B是表示本实施方式的变形例的光检测装置280a的结构的图。图21A表示图21B的21A－21A线截面，图21B表示图21A的21B－21B线截面。
该变形例的光检测装置280a具有将在Y方向上延伸的多个圆柱状的空洞34从Y方向观察以正方格状周期性地排列的构造。本变形例的第3光传输路径37’在X方向上直线地延伸，将第1光传输路径35的中间或中途的部分与第2光传输路径36的中间或中途的部分相连。如果是这样的结构，也与上述的光检测装置280同样，不用进行烦杂的操作就能够定量地测定对象物的信息。
(实施方式7)
接着，说明本申请的实施方式7的光检测装置。
图22是示意地表示本实施方式的光检测装置280b的结构的剖视图。以下，以本实施方式的光检测装置280b与实施方式6的光检测装置280不同的点为中心进行说明。在本实施方式中，光检测器5’在第1受光元件6与第2受光元件7之间具有第3受光元件39。进而，基板400具有从第3光传输路径37的中间或其中途的部分在朝向第3受光元件39的方向上延伸的第4光传输路径38。第4光传输路径38的射出部43对置于第3受光元件39。
透射了第1光传输路径35的第1入射光8的至少一部分作为第1透射光12向第1受光元件6入射。在第2光传输路径36中传输的第2入射光9的至少一部分作为第2透射光13向第2受光元件7入射。在第3光传输路径37及第4光传输路径38中传输的第1入射光8及第2入射光9的至少一部分作为第3透射光40向第3受光元件39入射。
在本实施方式中，也将激光等的具有相干性的光向对象物照射，来自对象物的透射光或反射光(包括相邻的入射光8、9)向基板400入射。此时，在第3光传输路径37中，激励出行进方向相反的第3传输光32A、32B，在它们之间发生干涉。本发明者们发现，传输光60B、31B、32A、32B、33的光量(功率)对应于第3传输光32A、32B的干涉的程度而变化，结果透射光12、13、40的各自的功率也变化。因此，通过用第1受光元件6、第2受光元件7及第3受光元件39检测透射光12、13、40的功率，能够检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)。
图23A是在本实施方式的光检测装置280b中、表示入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13、40的功率P1、P2、P3，及功率的合计(P1+P2+P3)之间的关系的曲线图。图23B是在光检测装置280b中、表示入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13、40的标准化功率P1/(P1+P2+P3)、P2/(P1+P2+P3)及P3/(P1+P2+P3)、以及功率的合计(P1+P2+P3)之间的关系的曲线图。图23A、23B也与图19A、19B同样，表示对电场方向是X方向的直线偏振光进行了通过FDTD法的电磁场解析的结果的例子。假设入射光8、9是具有相同波长λ及相同功率(标准化而设为光功率1)的相干性较高的激光。如在图23A中用实线、较长的虚线及单点划线分别表示那样，第1透射光12的功率P1、第2透射光13的功率P2及第3透射光40的功率P3对应于入射光8、9之间的相位差φ而变化。P1在φ＝－170°的附近取最大值，在φ＝10°的附近取最小值。P2在φ＝170°的附近取最大值，在φ＝－10°的附近取最小值。P3在φ＝0°的附近取最大值，在φ＝±180°的附近取最小值。因而，基于这些曲线，能够根据功率P1、P2、P3的大小将φ在－180°～180°的范围内唯一地定量化。即，通过使用第1受光元件6、第2受光元件7及第3受光元件39检测功率P1、P2、P3，能够唯一地检测入射光8、9之间的相位差φ。
如图23B所示，也可以将P1、P2、P3除以(P1+P2+P3)而得到的值P1/(P1+P2+P3)、P2/(P1+P2+P3)、P3/(P1+P2+P3)作为标准化功率，代替P1、P2、P3而使用。即使(P1+P2+P3)变化，在φ＝±180°时，也为P1/(P1+P2+P3)＝P2/(P1+P2+P3)＝0.5，所以在将测定值进行定量化方面较好。
根据本实施方式的光检测装置280b，与实施方式6的光检测装置280相比，光检测器5’能够检测的功率的合计值(P1+P2+P3)在|φ|较小的区域(例如－90°<φ<90°)中被大幅改善(参照图23A及图23B中的较短的虚线)。即，根据本实施方式，有光利用效率比实施方式6提高的效果。在实施方式6的光检测装置280中，在|φ|较小的情况下，较多地发生从光传输路径35、36的入射部44、45向－Z方向射出的反射光成分。相对于此，在本实施方式的光检测装置280b中，通过设置第4光传输路径38，激励出在其中传输的第4传输光33，可以想到从入射部44、45射出的反射光成分相应地减少。
(实施方式8)
接着，说明本申请的实施方式8的光检测装置。
图24A及图24B是示意地表示本实施方式的光检测装置280c的结构的图。图24A表示图24B的24A－24A线截面。图24B表示图24A的24B－24B线截面。在以下的说明中，将图中所示的检测单位14Aa、14Ab、14Ba、14Bb等一起表述为“检测单位14”等。关于其他标号也是同样的。
本实施方式的光检测装置280c与实施方式6的光检测装置280不同的点在于，光检测装置280c具有多个检测单位14。多个检测单位14分别具有与实施方式6的光检测装置280同样的结构。即，各检测单位14具有第1光传输路径35、第2光传输路径36、第3光传输路径37、第1受光元件6及第2受光元件7。基板400在多个检测单位14间是共通的，跨各检测单位14的受光元件6、7而配置。本实施方式的光检测器是图像传感器17。多个检测单位14在X方向及Y方向上二维地排列。在图24A中例示了4个检测单位14Aa、14Ab、14Ba、14Bb，但检测单位14的数量也可以是5个以上或3个以下。另外，在图24B中，省略了将来自图像传感器17的电信号输出的布线的图示。
本实施方式的光检测装置280c将来自对象物的透射光或反射光中的相邻的入射光8、9作为1个入射单位，向各自的检测单位14入射而检测。由此，能够定量地测定对象物的二维信息。更具体地讲，在实施方式6中说明的方法中，能够按每个检测单位14测定对象物的表面的阶差、厚度的空间上的变化或折射率分布等。由此，能够取得与对象物的构造有关的二维信息。
在图24A所示的结构中，多个检测单位14沿着X方向及Y方向分别二维地排列。在本说明书中，有将这样的排列称作条状的排列的情况。多个检测单位14也可以以与此不同的形态排列。例如，多个检测单位14也可以以交错状(staggered)排列。在本说明书中所谓的“交错状的排列”，是指某行的检测单位14的X方向的位置与相邻的其他行的检测单位14的X方向的位置错开了半周期的排列、或者某列的检测单位14的Y方向的位置与相邻的其他列的检测单位14的Y方向的位置错开了半周期的排列。通过这样的排列，能够使检测的分辨率实质地提高。
多个检测单位14也可以包括检测一方向(例如X方向)的信息的第1检测单位、和检测与其正交的方向(例如Y方向)的信息的第2检测单位。在图24A、24B所示的各检测单位14中，由于第1受光元件6及第2受光元件7在X方向上排列，所以能够检测关于X方向的信息(例如，对象物的厚度或折射率的空间分布)。除了这些以外，通过设置将第1受光元件6及第2受光元件7在Y方向上排列而成的检测单位14，还能够检测关于Y方向的信息。由此，能够使对象物的定量测定的精度提高。
(实施方式9)
接着，说明本申请的实施方式9的光检测装置。
图25A是示意地表示本实施方式的光检测装置29的结构的平面图。图25A表示将光检测装置29从光入射的一侧观察时的构造。图25B是图25A的25B－25B线剖视图。
本实施方式的光检测装置29在第2层4与光检测器5之间具备透光性的第1层3、在第1层3的表面上与第1受光元件6对置的透光性的第1光耦合元件1、和在第1层3的表面上与第2受光元件7对置的透光性的第2光耦合元件2。第1层3具有比第2层4的折射率高的折射率。第1光耦合元件1是使入射光8的一部分与第1层3内的波导路耦合的透光性的部件。第2光耦合元件2是使入射光9的一部分与第1层3内的波导路耦合的透光性的部件。在本说明书中，所谓“透光性”，是指具有使入射的光的至少一部分透射的性质。
光耦合元件1、2在第1层3的内部形成光波导路。在本实施方式中，第1光传输路径35是在第2层4中供第1入射光8传输的区域。第1光传输路径35的射出部41夹着第1层3而与第1光耦合元件1对置。第2光传输路径36是在第2层4中供第2入射光9传输的区域。第2光传输路径36的射出部42夹着第1层3而与第2光耦合元件2对置。第3光传输路径37是由光耦合元件1、2形成在第1层3的内部的光波导路。
在实施方式6中，由基板400上的多个空洞34形成光传输路径35、36、37。相对于此，在本实施方式中，使用作为具有透光性的大致均质的介质的第2层4及第1层3、和设置在第1层3的表面的光耦合元件1、2形成光传输路径35、36、37。如果第1入射光8及第2入射光9向第2层4的上表面(入射部44、45)入射，则分别作为第1传输光60及第2传输光31传输。在本实施方式中，将第1传输光60及第2传输光31在第2层4内传输时的光路假想地考虑为第1光传输路径35及第2光传输路径36。第3光传输路径37将第1光传输路径35的末端与第2光传输路径36的末端连结。在图25B中，为了容易理解，将第1光传输路径35、第2光传输路径36、第3光传输路径37的区域用虚线表示，但并不是有明确的边界。
第1光耦合元件1使入射光8的一部分在第1层3内至少向第1方向(X方向)、即朝向第2光耦合元件2的方向传输(波导光10)。第2光耦合元件2使入射光9的一部分在第1层内至少向与第1方向相反的方向(－X方向)、即朝向第1光耦合元件1的方向传输(波导光11)。由此，在第1层3内的第3光传输路径37中发生波导光10、11间的干涉。透射了第1光传输路径35、第1层3及第1光耦合元件1的第1入射光8的至少一部分作为第1透射光12向第1受光元件6入射。透射了第2光传输路径36、第1层3及第2光耦合元件2的第2入射光9的至少一部分作为第2透射光13向第2受光元件7入射。
第1光传输路径35及第2光传输路径36不需要做成使用的波长左右的尺寸的光波导路。第1光传输路径35及第2光传输路径36只要将传输光60、31在第2层4内传输，也可以具有任意的尺寸。第1光传输路径35及第2光传输路径36例如可以是毫米量级尺寸的光传输路径。
本实施方式的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是光栅(diffractiongrating)。在以下的说明中，有将第1光耦合元件1称作“第1光栅1”、将第2光耦合元件2称作“第2光栅2”的情况。本实施方式的第1光栅1及第2光栅2分别具备具有沿着第1层3的表面在Y方向(第2方向)上延伸的凸部的多个透光性部件在X方向(第1方向)上周期性地排列的构造。通过相邻的两个透光性部件，划分出在相邻的两个透光性部件之间沿Y方向延伸的槽。在本实施方式中，多个透光性部件以比入射光8、9的空气中的波长λ短的周期Λ(Λ<λ)配置。本实施方式的透光性部件的截面是三角柱状。构成光栅1、2的多个透光性部件的构造如后述那样可以是多种多样的。第1光栅1、第2光栅2及第1层3也可以是由相同的材料构成的单一构造体。
周期Λ及波长λ根据观察的对象物而不同，例如可以设定为Λ＝0.45μm及λ＝0.85μm。通过使周期Λ比波长λ小，当第1入射光8及第2入射光9分别入射到第1光耦合元件1及第2光耦合元件2中时，在空气中仅产生作为0级衍射光的透射光及反射光。由于不向外部射出±1级以上的高级衍射光，所以光利用效率较高，能够减少杂散光。
对于λ＝0.85μm的入射光，第1层3被设计为作为光波导路(厚度t1)发挥功能。第2层4被设计为作为缓冲层发挥功能。第1层3(光波导路)的厚度t1被设计为能够存在波导模式的长度。第1层3(光波导路)的折射率n1比第2层4的折射率n2大(n1>n2)。
在本实施方式的光检测装置29中，第1层3、第1光耦合元件1及第2光耦合元件2例如可以由氧化钽Ta2O5(n1＝2.11)构成。第2层4例如可以是由氧化硅SiO2(n2＝1.45)构成的石英基板、或BK7等玻璃基板。此时，根据周知的波导模式的固有方程式可以导出，如果是t1≥0.13μm，则关于TE模式及TM模式双方存在波导模式。因此，在此情况下，第1层3的膜厚可以被设定为相比0.13μm足够大的厚度、例如t1＝0.3μm。
在第1层3及光耦合元件1、2中，除了Ta2O5以外还能够使用各种材料。同样，关于第2层4，也除了SiO2以外还能够使用各种材料。也可以使用对于使用的波长的入射光透明的材料。例如，作为第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料，可以使用从ZrSiO4、(ZrO2)25(SiO2)25(Cr2O3)50、SiCr、TiO2、ZrO2、HfO2、ZnO、Nb2O5、SnO2、Al2O3、Bi2O3、Cr2O3、Ga2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Dy2O3、Yb2O3、CaO、MgO、CeO2及TeO2等中选择的一种或多种氧化物等的无机材料。此外，作为第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料，也可以使用从C－N、Ti－N、Zr－N、Nb－N、Ta－N、Si－N、Ge－N、Cr－N、Al－N、Ge－Si－N及Ge－Cr－N等中选择的一种或多种氮化物。此外，作为第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料，也可以使用ZnS等硫化物、SiC等碳化物或LaF3、CeF3、MgF2等氟化物。此外，也可以使用从上述材料中选择的一种或多种材料的混合物来形成第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4。
进而，第1层3、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第2层4的材料也可以是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)、降冰片烯树脂(例如，由JSR株式会社以注册商标“アートン”(ARTON)销售)、或环烯树脂(例如，由日本ゼオン株式会社以注册商标“ゼオネックス”(ZEONEX)销售)等树脂等的有机材料。只要从这些材料中选择满足折射率n1>n2的材料作为第1层3及第2层4就可以。
另外，在本实施方式中，第1层3、第1光耦合元件1及第2光耦合元件2由相同的材料构成，但它们也可以由不同的材料构成。
在入射光是电场在Y方向上振动的直线偏振光(TE偏振光)的情况下(即，在入射光的电场方向与光栅的槽的延伸方向平行的情况下)，在第1层3中激振出TE模式的波导光。另一方面，在入射光是电场在X方向上振动的直线偏振光(TM偏振光)的情况下(即，光的磁场方向与光栅的槽的延伸方向平行的情况下)，在第1层3中激振出TM模式的波导光。因而，通过使入射光的偏振方向变化，能够使波导光的模式变化。
本实施方式的第1光栅1及第2光栅2的与XZ面平行的截面的形状是等腰三角形状。光耦合元件1、2的槽的深度tg例如可以设定为tg＝0.3μm。光耦合元件1、2的形状及尺寸并不限定于该例，也可以是其他的形状及尺寸。
当第1入射光8及第2入射光9向第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别入射时，只要满足以下的式(27)，就在第1层3的内部中激励出波导光。
sinθ＝N－mλ/Λ (27)
这里，N表示光波导路(第1层3)内的有效折射率，θ表示以Z方向为基准的光的入射角度，m表示衍射的级数。当光栅1、2的透光性部件的周期Λ被设定为满足式(27)的值时，入射光8、9的一部分与第1层3内的光波导路耦合，被激励出波导光。例如，当较好地耦合的1级光(m＝1)垂直地入射(θ＝0)时，式(27)变形为以下的式(28)。
Λ＝λ/N (28)
在上述构造中，根据波导模式的固有方程式计算为Λ≈0.45μm。
另外，如果第1层3的厚度t1变化，则根据波导模式的固有方程式，有效折射率N也变化。当存在波导模式时，N满足以下的不等式(29)。
n2<N<n1 (29)
如果使用式(2)将式(29)变形，则可得到以下的式(30)。
mλ/(n1－sinθ)<Λ<mλ/(n2－sinθ) (30)
当θ＝0，m＝1时，Λ满足以下的式(31)。
λ/n1<Λ<λ/n2 (31)
如果来自对象物的第1入射光8及第2入射光9入射到第2层4中，则分别成为第1传输光60及第2传输光31。第1传输光60及第2传输光31透射第1层3，分别向第1光耦合元件1及第2光耦合元件2入射。
由第1光耦合元件1及第2光耦合元件2在第1层3内的光波导路(第3光传输路径37)中激励的波导光向+X方向及－X方向双方传输。在这些波导光中，图25B中例示了由第1入射光8向+X方向传输的波导光10、和由第2入射光9向－X方向传输的波导光11。两个波导光10、11由于行进方向相反，所以在第1层3的内部干涉。
第1传输光60及第2传输光31的一部分这样成为波导光，但大部分透射第1层3，分别成为透射光12、13。透射光12、13分别被受光元件6、7检测到。
本发明者们发现，通过将激光等的具有相干性的光向对象物照射，并使用本实施方式的光检测装置29检测来自对象物的反射光或透射光，也能够定量地测定对象物的构造(例如，厚度的变化或折射率分布等)。本发明者们发现，当设来自对象物的光中的相邻的两个光线分别为入射光8、9时，根据波导光10、11的干涉的程度而透射光12、13的各自的光量(功率)变化。即，通过使用第1受光元件6及第2受光元件7来检测透射光12、13的光量，能够检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)。
透射光或反射光具有的相位信息依赖于对象物的构造(厚度的变化或内部的折射率分布等)而变化。因此，通过检测入射光8、9之间的相干性差(或相位差)，能够定量地测定对象物的厚度的变化或折射率分布等。
在图25A所示的结构中，第1光耦合元件(第1光栅)1及第2光耦合元件(第2光栅)2的最接近的两个凸部的顶点间或中心间的距离比周期Λ大。即，在第1光栅1与第2光栅2之间具有平坦的部分(称作“空间区域27”)，空间区域27的X方向的长度比0大。
这里，设第1光栅1及第2光栅2的最接近的顶点间的距离为对周期Λ乘以常数d而得到的值dΛ。将该常数称作“距离常数d”。在d＝1的情况下，由于最接近的顶点间的距离为Λ，所以光栅1、2形成得较密，在两者之间不产生空间区域27。另一方面，当如本实施方式那样为d>1时，在光栅1、2之间产生空间区域27。
另外，在本实施方式中，由于第1光栅1及第2光栅的各凸部的截面的形状是对称形状，所以顶点间的距离与中心间的距离一致。另一方面，在各凸部的截面的形状是非对称形状(例如非对称的三角形)的情况下，顶点间的距离与中心间的距离不一致。在使用具有非对称的截面形状的光栅的情况下，也只要将第1光栅1及第2光栅2的最接近的两个凸部的顶点间的距离设为dΛ就可以。
图26A是在光检测装置29中表示距离常数d＝1的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的功率P1、P2及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。图26B是在光检测装置29中、表示距离常数d＝1.19的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的功率P1、P2及(P1+P2)之间的关系的曲线图。图26C是在光检测装置29中、表示距离常数d＝1.19的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。图26A～图26C表示对电场方向是X方向的TM偏振光进行通过FDTD法(Finite－difference time－domainmethod)的电磁场解析的结果的例子。
在本解析中，假设入射光8、9是具有相同波长λ及相同功率(标准化而设为光功率1)的相干性较高的激光。以第1入射光8的相位为基准，设与第2入射光9的相位的差为相位差φ[度]。如在图26A中用实线及较长的虚线分别表示那样，第1透射光12的功率P1及第2透射光13的功率P2对应于入射光8、9之间的相位差φ而变化。P1在φ＝160°的附近取最大值，在φ＝－20°的附近取最小值。P2在φ＝－160°的附近取最大值，在φ＝20°的附近取最小值。因而，基于这些曲线可知，能够根据功率P1、P2的大小将φ在－180°～180°的范围内唯一地定量化。即，通过使用第1受光元件6及第2受光元件7来检测功率P1、P2，能够唯一地检测入射光8、9之间的相位差φ。
另外，图26A～图26C表示使用作为TM偏振光的入射光8、9激振出TM模式的波导光的情况下的结果。在如本实施方式那样使用微细的光栅1、2的情况下，产生偏振光依赖性，使相位差变化时的|P1－P2|的最大值在激振出TE模式的波导光的情况和激振出TM模式的波导光的情况下不同。在本实施方式中，激振出TM模式的波导光的情况下的|P1－P2|的最大值比激振出TE模式的波导光的情况大约5.5倍。
因而，在本实施方式的光检测装置29中，与使用无偏振的入射光相比，使用|P1－P2|的最大值较大的直线偏振光(在本实施方式中是TM偏振光)时更能够使SN比变高。因此，通过使用以TM偏振光为主成分(即，TM偏振光成分比TE偏振光成分多)的入射光8、9(直线偏振光或椭圆偏振光)，能够提高检测灵敏度。作为用于此的结构，光检测装置29也可以具有使TM偏振光比TE偏振光更多地入射到第1光栅1及第2光栅2中的偏振元件(例如直线偏振镜或椭圆偏振镜)。将这样的偏振元件配置在光栅1、2与对象物之间、或光源与对象物之间。或者，例如也可以将射出直线偏振的光的半导体激光源进行旋转调整以射出比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分的光，来进行配置。
本发明者们认为入射光8、9的实际的功率可以根据从光检测器5得到的信号(P1+P2)计算。但是，如在图26A中用较短的虚线表示那样，可知(P1+P2)对应于相位差φ而变化。更具体地讲，可知(P1+P2)在φ＝0及180°下发生最小值或最大值。这里，将从φ＝0的情况下的(P1+P2)减去φ＝180°或－180°的情况下的(P1+P2)而得到的值的绝对值定义为“功率差”。在计算入射光8、9的实际的功率时，功率差优选的是一定。
本发明者们发现，在将距离常数d设为d>1的特定的值、例如d＝1.19的情况下，如在图26B中用较短的虚线表示那样，(P1+P2)几乎不依赖于相位差φ(即大致为一定值)。考虑这是因为，通过设为d>1，波导光10、11干涉的周期(通常根据式(3)为λ/N≈Λ)在中央部的空间区域27中被打乱。通过使距离常数d变化而对周期的打乱方式进行调整，能够控制P1及P2的输出特性。
如在图26B中用实线及较长的虚线表示那样，第1透射光的功率P1及第2透射光的功率P2对应于相位差φ而变化。在d＝1.19的情况下，|P1－P2|的最大值比d＝0的情况大。P1在φ＝85°的附近取最大值，在φ＝－95°的附近取最小值。P2在φ＝－85°的附近取最大值，在φ＝95°的附近取最小值。因而，基于这些曲线，能够根据P1及P2的值将相位差在－180°～180°的范围内唯一地定量化。
在d＝1.19的条件下，入射光8、9的功率不论相位差φ如何，都能够看作与(P1+P2)成比例。在将入射光8、9的功率进行标准化而分别设为1的情况下，如图26B所示，为(P1+P2)＝1.0。因此，入射光8、9的功率的值不论相位差φ如何，都能够通过(P1+P2)/1.0的运算来算出。
如图26C所示，也可以使用将P1及P2除以(P1+P2)而得到的值P1/(P1+P2)及P2/(P1+P2)作为标准化功率。在此情况下，即使(P1+P2)变化，在φ＝0，±180°下，也为P1/(P1+P2)＝P2/(P1+P2)＝0.5。因此，在将测定值定量化方面较好。
本发明者们还发现，在d＝1.19以外，还周期性地存在(P1+P2)几乎不依赖于相位差φ的d的值。将第1层3(光波导路)内的波导光的波长用λ/N表示。在以θ＝0(垂直入射)，m＝1将波导光激振的条件下，根据式(3)为λ/N＝Λ，所以波导光的波长与Λ一致。因而，关于以接近于垂直的角度入射的光，d的周期可以近似为λ/(NΛ)≈1。
图27是表示本实施方式的光检测装置29中的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
设i为0以上的整数，可知功率差为0的最优的d的值是
d＝1.19+i (32)
或
d＝1.71+i (33)。
例如，当i＝10时，为d＝11.19或d＝11.71。此时的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2的最接近的顶点间的间隔为dΛ＝5.03μm或d＝5.27μm。
功率差进入－0.5～0.5的范围中的d的条件是
1.08+i≤d≤1.31+i (34)
或
1.58+i≤d≤1.83+i (35)。
功率差进入－0.2～0.2的范围中的d的条件是
1.15+i≤d≤1.24+i (36)
或
1.66+i≤d≤1.76+i (37)。
功率差进入－0.1～0.1的范围中的d的条件是
1.17+i≤d≤1.21+i (38)
或
1.68+i≤d≤1.73+i (39)。
另外，在θ≠0的情况下，根据波导模式的固有方程式计算N，如果代替上述i而使用iλ/(NΛ)，则精度提高。
在以上说明的结构中，第1光耦合元件1及第2光耦合元件2是多个透光性部件以均匀的周期Λ配置的光栅。并不限于这样的光栅，也可以是第1光栅1及第2光栅2分别包含多个透光性部件分别以不同的周期配置的多个部分。根据式(27)可知，适合的周期Λ依赖于入射角θ及光的波长λ。通过使用具有多个周期的光栅，能够扩大入射角θ及波长λ的范围。
在以适合于垂直入射(θ＝0)的条件设计光检测装置29的情况下，如果光的入射角度变化，则作为使相位差变化时的|P1－P2|的最大值的透射光量的变化下降。其半值全宽例如比较窄为±4°左右。通过使光栅1、2具有多个周期，能够扩大该角度范围。θ＝±5°下的周期Λ的适合值分别是0.43μm及0.47μm。因此，如果将第1光栅1及第2光栅2用周期例如从Λ＝0.43μm逐渐变化到0.47μm的啁啾光栅构成，则能够实现斜入射特性良好的光检测装置29。
第1光栅1及第2光栅2分别也可以具有例如Λ＝0.43μm，0.45μm，0.47μm那样的3个或比其多的不同的周期的部分。通过这样的结构，也能够期待同样的效果。
以同样的考虑方式，也可以扩大波长特性。在入射波长是具有扩散的多波长的情况下，作为使相位差变化时的|P1－P2|的最大值的透射光量的变化下降，其半值全宽例如可以是±10nm左右。单一波长λ＝0.84μm，0.86μm下的适合值(其中，θ＝0)分别为Λ＝0.445μm，0.455μm。因此，如果将第1光栅1及第2光栅2用例如从Λ＝0.445μm逐渐变化到0.455μm的啁啾光栅构成，则能够扩大波长范围。
第1光栅1及第2光栅2分别也可以具有例如Λ＝0.445μm，0.450μm，0.455μm那样的3个或比其多的不同的周期的部分。通过这样的结构也能够期待同样的效果。
接着，说明本实施方式的光检测装置29的制造方法的一例。
图28A、图28B是表示本实施方式的光检测装置29的制造工序的一例的剖视图。首先，如图28A所示，在第2层4上使厚度t1的第1层3成膜。成膜工艺例如可以使用溅射法或真空蒸镀法。在第1层3中使用树脂材料的情况下，如果使用涂敷工艺，则能够实施低温工艺。然后，如图28B所示，在第1层3上同时形成第1光耦合元件1及第2光耦合元件1、2。在该工序中，可以使用例如光刻与蚀刻工艺的组合(所谓的周知的二元光学制造方法)。由此，能够制作出例如截面形状是三角形状的光栅。在其以外，例如也可以使用纳米压印或3D印刷法。特别是，根据纳米压印施工法，能够实现低成本化。通过将这样制作出的元件与具有第1受光元件6及第2受光元件7的光检测器5组合，制作出光检测装置29。
[光检测系统]
本实施方式的光检测装置29也通过与光源及运算电路组合而能够得到对象物的构造(例如表面构造或折射率分布等)的信息。以下，说明这样的光检测系统的例子。
图29A是示意地表示使用本实施方式的光检测装置29的光检测系统的结构例的图。该光检测系统具备射出空气中的波长为λ的光的光源25、和基于从第1受光元件6输出的第1电信号及从第2受光元件7输出的第2电信号生成与对象物的构造有关的信息(电信号18)并输出的运算电路20。第1受光元件6及第2受光元件7检测从光源25射出并从对象物21到达的波长λ的光。该光检测系统检测来自对象物21的透射光，但也可以构成为检测反射光。对象物21没有被特别限定，例如可以是生物体组织、或具备相位阶差的书类的防伪标记。
本实施方式的运算电路20例如可以是DSP、ASIC或FPGA等集成电路。运算电路20通过执行例如保存在存储器中的计算机程序而进行后述的运算，生成与对象物21的构造有关的信息。
光检测系统从光源25向对象物21照射激光等的作为具有相干性的单色光的射出光26，由光检测装置29检测透射了对象物21的光(包括相邻的第1入射光8及第2入射光9)。在图29A所示的例子中，第1入射光8是透射了对象物21的相对较薄的部位的光，第2入射光9是透射了对象物21的相对较厚的部位的光。如果设两者的厚度的差为S、对象物21的折射率为no，则第1入射光8与第2入射光9之间的相位差φ用以下的式(40)表示。
φ＝2π(no－1)S/λ (40)
即，第2入射光9的相位比第1入射光8的相位延迟2π(no－1)S/λ。
受光元件6输出具有与第1透射光12的功率P1成比例的信号值的电信号15。受光元件7输出具有与第2透射光13的功率P2成比例的信号值的电信号16。运算电路20接受电信号15、16，求出入射光8、9的功率和相位差φ。相位差φ可以用参照图26A～图26C说明的方法求出。运算电路20将表示相位差φ的信息作为与对象物21的构造有关的信息(电信号18)输出。根据该相位差φ的信息，由式(40)能够求出厚度的变化量(阶差)S的值。运算电路20也可以基于相位差φ计算S值，将该信息包含在电信号18中而输出。
由于从光源25射出的光的功率是已知的，所以也可以根据入射光8、9的功率的值求出对象物21的透射率或反射率。运算电路20也可以输出表示对象物21的透射率或反射率的信号。
既可以是光检测系统具备例如激光源那样的具有相干性的光源25，也可以为光源25是外部的要素。光源25也可以内置在光检测装置29中。光检测系统也可以具备图29A所示的构成要素以外的要素。例如，也可以在光耦合元件1、2与对象物21之间具备使使用的特定的波长域的光有选择地透射的带通滤波器。这样的带通滤波器也可以设置在受光元件6的前表面。
图29B是表示本实施方式的光检测系统的变形例的图。如图29B所示，光检测装置29也可以在对象物21与第1光耦合元件1及第2光耦合元件2之间具备使TM偏振光成分比TE偏振光成分更多地透射的偏振元件50。偏振元件50例如可以是直线偏振镜或椭圆偏振镜。由此，比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分的光入射到光耦合元件1、2中，所以如上述那样能够提高检测灵敏度。
[光检测装置的变形例]
图30是表示本实施方式的变形例的光检测装置29a的结构的剖视图。在该例中，第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别具备与XZ面平行的截面的形状为梯形状的透光性部件的光栅。光栅1、2的透光性部件的形状是三角柱状的上部(角)被削掉的形状。各透光性部件的截面的形状例如也可以是正弦波形状。各透光性部件的截面的形状不需要角为尖锐的，也可以是角较圆的形状。只要是与XZ面平行的截面的面积随着从底部朝向上部变小的形状(锥形状)，就能够得到与使用具备三角柱状的透光性部件的光栅的情况同样的效果。即，能够基于来自对象物的透射光或反射光的相干性的程度，定量地测定对象物的信息，能够实现构造稳定的小型且薄型的光检测装置。
图31是表示本实施方式的其他变形例的光检测装置29b的结构的剖视图。在该例中，第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’形成在第1层3’的两个表面(上表面及下表面)双方。由与第1层3’相同的材料构成第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’。也可以说第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’形成在第1层3’的内部。这样，第1光耦合元件、第2光耦合元件及第1层也可以是由相同的材料构成的单一构造体。在该形态下，第1光传输路径35的射出部41及第2光传输路径36的射出部42与第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’接触。
此外，第1光耦合元件1’及第2光耦合元件2’例如也可以使用与第1层3’的折射率不同的材料仅形成在第1层3’的内部。
图31所示的光检测装置29b例如可以用以下的工序制作。首先，在第2层4’的表面，例如使用光刻及蚀刻工序制作深度tg的光栅形状。在其之上使第1层3’成膜。于是，在第1层3’的表面(下表面)也形成深度tg的同等的光栅形状。通过将这样制作出的元件与光检测器5组合，制作光检测装置29b。根据该例，在对第2层4’的材料的蚀刻特性良好而容易形成光栅1’、2’的情况下，有制造较容易的效果。
图32是表示本实施方式的另一其他变形例的光检测装置29c的结构的剖视图。该光检测装置29c具有将上述的光检测装置29的光检测器5与第1光耦合元件1及第2光耦合元件2之间的空气层替换为透光性的第3层240的构造。第3层240的折射率比第1层3及耦合元件1、2的折射率小。如果这样，则能够实现构造稳定、对于振动等干扰的耐受力较强的光检测装置29c。
本变形例的光检测装置29c通过在图28B所示的工序之后，使光耦合元件1、2与光检测器5的受光元件6、7对置，使例如透光性的UV固化树脂或粘接剂等流入到它们之间、使其固化而形成第3层240来制作。
(实施方式10)
接着，说明本申请的实施方式10的光检测装置。
图33是示意地表示本实施方式的光检测装置29d的结构的剖视图。本实施方式的光检测装置29d的光检测器5’还具有受光元件6’(第3受光元件)及受光元件7’(第4受光元件)、且空间区域27比较大这一点上与实施方式9的光检测装置29不同。在实施方式9的光检测装置29中，透射空间区域27的入射光成分不进入光检测器5的受光元件。另一方面，在本实施方式的光检测装置29d中，透射中央部的空间区域27的入射光8’、9’成为透射光12’、13’，被光检测器5’的受光元件6’、7’检测。
第1入射光中的没有进入第1光耦合元件1的入射光8’与波导光的激励无关，透射第2层4及第1层3，成为透射光12’。同样，第2入射光中的没有进入第2光耦合元件2的入射光9’与波导光的激励无关，透射第2层4及第1层3，成为透射光13’。因而，通过用受光元件6’、7’检测这些透射光12’、13’，能够检测入射光8’、9’的功率。
通过本实施方式的结构，在空间区域27较大的情况下，通过设置对透射空间区域27的光进行检测的受光元件6’、7’，也能够使光利用效率提高。
如图33那样，通过与受光元件6、7分离地设置受光元件6’、7’，光功率分布的检测精度提高。此外，也可以是使受光元件6和受光元件6’一体化、使受光元件7和受光元件7’一体化的结构。对置于空间区域27的受光元件的数量并不限于两个，也可以是1个或3个以上。这样，光检测器也可以具有与第1光栅1和第2光栅2之间的空间区域27对置的至少1个第3受光元件。
(实施方式11)
接着，说明本申请的实施方式11的光检测装置。
图34是示意地表示本实施方式的光检测装置29e的结构的剖视图。
本实施方式的光检测装置29e与实施方式9的光检测装置29不同的点在于第1光耦合元件1及第2光耦合元件2的形状。本实施方式的第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是具备具有在Y方向上延伸的凸部的多个透光性部件、与XZ面平行的透光性部件的截面的形状是矩形形状的光栅。光栅1、2的透光性部件的形状是其顶点被唯一地决定的形状，但为了方便，如图34所示，以光栅1、2的各凸部的中央部为基准(假想的顶点)，与实施方式6同样进行说明。
本实施方式的光栅1、2由与第1层3相同的材料Ta2O5构成。入射光8、9的空气中的波长λ例如是λ＝0.85μm。1个凸部的X方向的尺寸与凸部间的槽(凹部)的X方向的尺寸相同。槽的深度tg例如是tg＝0.1μm。相邻的两个凸部的中心间的距离Λ例如是Λ＝0.45μm。具有槽较浅的矩形的截面形状的光栅与实施方式6的具有三角形状的截面形状的光栅相比，有更容易制造的优点。
图35是在本实施方式的光检测装置29e中、表示距离常数d＝1.05的情况下的入射光8、9之间的相位差φ与各自的透射光12、13的标准化功率P1/(P1+P2)、P2/(P1+P2)及功率的合计(P1+P2)之间的关系的曲线图。图36是表示本实施方式的光检测装置29e的距离常数d与功率差之间的关系的曲线图。
在本实施方式的光检测装置29e中，也在d>1中存在(P1+P2)几乎不依赖于相位差φ的d。例如在d＝1.05的情况下，如在图35中用较短的虚线表示那样，(P1+P2)为大致一定值1.4。该值比实施方式9的光检测装置29中的(P1+P2)的值1.0大。因此，可以说本实施方式的结构的光利用效率更好。本实施方式的入射光8、9的功率值不论φ如何，都能够通过(P1+P2)/1.4的运算来算出。
如图36所示，功率差对应于距离常数d而变化。设i为0以上的整数，可知功率差为0的d的值是
d＝1.05+i (41)
或
d＝1.61+i (42)。
例如，当i＝10时，为d＝11.05或d＝11.61。此时的第1光耦合元件1”及第2光耦合元件2＂的最接近的顶点(凸部的中央)间的间隔为dΛ＝4.97μm或d＝5.22μm。
功率差进入－0.5～0.5的范围中的d的条件是
1≤d≤1.22 (43)
或
1.46+i≤d≤2.22+i (44)。
功率差进入－0.2～0.2的范围中的d的条件是
1≤d≤1.10 (45)
或
1.56+i≤d≤1.68+i (46)
或
2.04+i≤d≤2.18+i (47)。
功率差进入－0.1～0.1的范围中的d的条件是
1.02+i≤d≤1.07+i (48)
或
1.58+i≤d≤1.64+i (49)。
另外，图35表示使用具有TM偏振光的入射光8、9激振出TM模式的波导光的情况下的结果。在本实施方式中，激振出TM模式的波导光的情况下的|P1－P2|的最大值比激振出TE模式的波导光的情况大例如约1.6倍。但是，由偏振光带来的该差比使用具有三角形状的截面的透光性部件的光栅的实施方式9的结构(约5.5倍)小。
因而，在本实施方式的光检测装置29e中，也与使用无偏振的入射光的情况相比，使用|P1－P2|的最大值较大的直线偏振光(在本实施方式中是TM偏振光)时能够使SN比更高。即，通过使用以TM偏振光为主成分的入射光8、9(直线偏振光或椭圆偏振光)，SN比提高，能够提高检测灵敏度。
图37是在本实施方式的光检测装置29e中、表示光栅的透光性部件的周期Λ与适合的波长之间的关系的曲线图。该曲线图表示光栅的槽的深度为一定值(tg＝0.1μm)的情况下的结果。可知适合波长λ具有相对于Λ的变化而线性地变化的关系。根据该曲线图可知，适合波长λ能够用以下的式(50)良好地近似。
λ＝1.6488Λ+0.11211 (50)
根据式(50)，关于蓝色的波长λ＝0.46μm为Λ＝211nm。关于绿色的波长λ＝0.532μm为Λ＝255nm。关于红色的波长λ＝0.632μm为Λ＝315nm。在X方向的长度在凸部和凹部间不变化的典型的负荷比0.5的光栅结构中，线宽(各凸部的宽度)是周期的一半。由此可知，在形成具备具有深度tg＝0.1μm的矩形截面的透光性部件的光栅的情况下，只要能够进行0.1μm的线宽的加工，就能够实现与RGB的各自的波长对应的光检测装置。
图38是示意地表示本实施方式的变形例的光检测装置29f的结构的剖视图。在该变形例中，第1光耦合元件1及第2光耦合元件2分别是具备与XZ面平行的截面的形状为半圆形状的透光性部件的光栅。具备截面为半圆形状的透光性部件的光栅1、2实质上可以考虑为具备矩形形状的透光性部件的光栅1、2的上部变圆的形状。在具备截面为半圆形状的透光性部件的光栅1、2中，即使是具备矩形形状的透光性部件的光栅1、2的角变圆的形状，底面附近的侧面也接近于与第1层3大致垂直。在使用这些光栅的情况下，也能得到与使用具备截面为矩形状的透光性部件的光栅1、2的情况同样的效果。即，能够基于来自对象物的透射光或反射光的相干性的程度而定量地测定对象物的信息，能够实现构造稳定的小型且薄型的光检测装置。
(实施方式12)
接着，说明本申请的实施方式12的光检测装置。
图39A是示意地表示本实施方式的光检测装置29g的结构的平面图。图39B是图39A的39B－39B线剖视图。在以下的说明中，将图中所示的第1光耦合元件1a、1b、1c、1d等一起表述为第1光耦合元件1等。关于其他的构成要素也是同样的。
本实施方式的光检测装置29g与实施方式11的光检测装置29e不同的点在于，本实施方式的光检测装置29g具有多个检测单位14、14’。多个检测单位14与XY面平行地二维排列。多个检测单位14’在Y方向上排列。各检测单位14、14’包括第1层3的一部分、第2层4的一部分、第1光耦合元件1、第2光耦合元件2、第1受光元件6及第2受光元件7。第1层3及第2层4在多个检测单位14、14’间是共通的。本实施方式的光检测器是图像传感器17。在第1层3中，在多个检测单位14中的相邻的两个之间的区域中，在Y方向上形成有槽19(宽度wb、深度tb)。在第1层3中，在多个检测单位14’中的相邻的两个之间的区域中，在X方向上形成有槽19’(宽度wb、深度tb)。另外，在图39B中，省略了将来自图像传感器17的电信号输出的布线的图示。在图39B中仅表示在X方向上排列的4个检测单位14，但同样的结构在Y方向上排列有5组。
本实施方式的光检测装置29g具备分别具有实施方式11的光检测装置29e的结构的多个检测单位。多个检测单位包括检测第1方向(在该例中是X方向)的信息的多个第1检测单位14、和检测与第1方向垂直的第2方向(在该例中是Y方向)的信息的多个第2检测单位14’。在第1检测单位14中，在第1方向(X方向)上排列有第1受光元件6及第2受光元件7。在第2检测单位14’中，在第2方向(Y方向)上排列有第1受光元件6及第2受光元件7。
在图39A中，表示在X方向上配置有4个、在Y方向上配置有5个的共计20个(4×5排列)检测单位14、和在X方向上配置有1个、在Y方向上配置有两个的共计2个(1×2排列)检测单位14’的例子。这是一例，检测单位14及检测单位14’的数量及配置的形态并不限定于该例。只要设有至少1个第1检测单位14和至少1个第2检测单位14’，则能够取得对象物的X方向(第1方向)及Y方向(第2方向)的信息。
本实施方式的光检测装置29g使来自对象物的透射光或反射光中的相邻的入射光8、9入射到各自的检测单位14、14’中而检测。由此，能够定量地测定对象物的二维信息。
在图39A所示的结构中，检测单位14、14＇排列为条状。图示的左侧的5行4列的20个检测单位14二维地检测X方向的信息。右侧的2行1列的两个检测单位14’一维地检测Y方向的信息。由于由各检测单位14得到的对象物的信息分别是关于X方向的信息，所以通过与由右侧的检测单位14＇得到的关于Y方向的信息合并，能够得到对象物的二维信息。
本实施方式的光检测装置29g具备槽的方向与Y方向(第2方向)平行的光栅1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d、和槽的方向与X方向(第1方向)平行的光栅1A、1B、2A、2B。因此，对于检测单位14而言的TE偏振光对于检测单位14’而言为TM偏振光，对于检测单位14而言的TM偏振光对于检测单位14’而言为TE偏振光。检测单位14、14’的检测性能也可以不依赖于偏振方向。如上述那样，与使用实施方式9那样的具备截面为三角形状的透光性部件的光栅相比，使用具备截面为矩形状或半圆形状的透光性部件的光栅时，由入射光8、9的偏振方向的差异带来的|P1－P2|的最大值的差较小。因此，在本实施方式中，如图39B所示，使用具备截面为矩形状的透光性部件的光栅。但是，并不限定于此，也可以使用实施方式9那样的光栅。
在本实施方式中，在第1层3中的多个检测单位14、14’之间的区域中形成有槽19a、19b、19c、19d、19e、19’a、19’b、19’c。因此，能够减少从各检测单位14、14’向相邻的检测单位的波导光的泄漏，结果，能够减少串扰。各槽19、19’的宽度wb典型的是设定为比光栅的多个透光性部件的周期Λ长的值、例如Λ～5Λ。各槽19、19’的深度tb可以设定为在其下方不发生波导模式的厚度(成为所谓的截止的厚度)以上、例如tb≥0.26μm。通过设置这样的槽19、19’，能够将向相邻的检测单位漏出的波导光的功率降低到例如1/3～1/15。另外，也可以设为tb＝t1，也可以将第1层3穿透而将槽形成至其里侧的第2层4。
接着，说明本实施方式的光检测装置29g的制造工序的一例。
图40A～图40C是表示本实施方式的光检测装置29f的制造工序的一例的剖视图。本实施方式的光检测装置29g的制造工序与实施方式9的光检测装置29的制造工序几乎相同，不同的是将多个检测单位14、14＇二维地排列形成、以及进行槽19、19’的形成。
首先，如图40A所示，在第2层4上使厚度t1的第1层3成膜。然后，如图40B所示，在第1层3上，二维地同时形成多个第1光耦合元件1及多个第2光耦合元件2。另外，在图40B中仅图示了4个检测单位。然后，如图40C所示，在第1层3中的多个检测单位14、14＇之间的区域中形成多个槽19、19’。通过将这样制作的元件与图像传感器17组合，光检测装置29g完成。
在本实施方式中，全部的检测单位14、14’具备具有以相同的周期配置的多个透光性部件的光栅1、2。即，本实施方式的光检测装置29g具有适合于特定的波长及特定的入射角度的结构。但是，如参照图37说明那样，通过使用具有以多个周期配置的多个透光性部件的光栅，能够对应于各种波长。例如，也可以按每个检测单位改变透光性部件的配置的周期Λ。此外，也可以使用在1个检测单位中具有以多个周期配置的多个透光性部件的光栅。由此，能够期待光检测装置的斜向入射特性或波长特性改善的效果。
图41A是示意地表示本实施方式的变形例的光检测装置29h的结构的剖视图。在该例中，在第1层3中的多个检测单位14之间的区域中形成有槽，在该槽中堆积有吸收膜23a、23b、23c、23d、23e、23’b。通过设置吸收膜23a、23b、23c、23d、23e、23’b，能够减少由槽产生的反射散射光，减少光检测装置29h的杂散光而使SN比提高。吸收膜23a、23b、23c、23d、23e、23’b例如可以使用添加了碳的树脂。除此以外，只要是消光系数较大的材料则也同样能够使用。
图41B是示意地表示本实施方式的其他变形例的光检测装置29i的结构的剖视图。在该例中，在第1层3中的多个检测单位14之间的区域中形成有金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案(宽度wm，厚度tm)。通过形成金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案(即金属制的凸部)，在该区域中光的封入条件破坏而成为不能存在波导模式的状态。由此，能够降低向相邻的检测单位漏出的波导光的功率。在金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b中使用的金属例如可以是Au、Ag、Cu、Al、W、Ti等。根据本发明者们的验证，与Au、Ag、Cu相比Al、W、Ti等的降低效果较大。设光栅的透光性部件的周期为Λ时，金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的X方向上的尺寸wm例如可以设定为wm＝Λ～5Λ。金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的厚度(Z方向上的尺寸)tm可以设定为例如tm＝20nm～100nm。通过这样的结构，能够将向相邻的检测单位漏出的波导光的功率例如降低到1/5～3/100左右。
在该变形例中，通过在第1层3上形成金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案，不需要设置槽。由于没有槽，所以能够减少波导光的反射。如果波导光的反射较大，则对检测单位14中的波导光10、11的干涉带来影响，相位差检测的精度下降。根据本变形例，能够减少波导光的反射，使相位差检测的精度提高。
图41C是示意地表示本实施方式的另一其他变形例的光检测装置29j的结构的剖视图。在该例中，在多个检测单位14之间的区域中也连续地形成有光耦合元件(光栅)。在光栅之上也形成有金属膜22a、22b、22c、22d、22e、22’b的图案。换言之，本实施方式的光检测装置29j在第1层3中的多个检测单位14之间的区域上，具有被金属膜覆盖的其他光耦合元件。根据本变形例，与图41B所示的光检测装置29i相比，能够进一步降低向相邻的检测单位漏出的波导光的功率。因此，本变形例的结构的串扰特性良好。
(实施方式13)
接着，说明本申请的实施方式13的光检测装置。
图42是示意地表示本实施方式的光检测装置29k的结构的平面图。本实施方式的光检测装置29k具有将实施方式12的光检测装置29g的多个检测单位14、14’的排列(条状的排列)变更为交错状(staggered)的排列的结构。
在本实施方式中，某行的检测单位14的X方向的位置与相邻的其他行的检测单位14的X方向的位置错开半周期。同样，某列的检测单位14’的Y方向的位置与相邻的其他列的检测单位14’的Y方向的位置错开半周期。通过这样的交错状的排列，关于X方向及Y方向都能够使分辨率实质地提高。
以上，作为本申请的技术的例示，说明了实施方式1～13的光检测装置及光检测系统。本申请的技术并不限定于这些，对于适当进行了变更、替换、附加、省略等的实施方式也能够应用。也可以将上述实施方式的构成要素组合而构成其他的实施方式。

Claims (25)

1.一种光检测装置，其特征在于，具备：
光检测器，具有第1受光元件及第2受光元件；
透光性的第1层，配置在上述第1受光元件及上述第2受光元件的上方，具有第1面及与上述第1面相反一侧的第2面；
透光性的第1光耦合元件，配置于从由上述第1面及上述第2面构成的组中选择的至少1个面，与上述第1受光元件对置；以及
透光性的第2光耦合元件，配置于上述至少1个面，与上述第2受光元件对置；
与上述第1面相比，上述第2面距上述光检测器更近。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
在上述光检测器与上述第1层之间还具备透光性的第2层，该第2层与上述第1层的上述第2面接触，且具有比上述第1层的折射率低的折射率；
在上述第1层的上述第1面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；
上述第1光耦合元件使入射到上述第1光耦合元件中的第1光的一部分在上述第1层内向朝向上述第2光耦合元件的方向传输；
上述第2光耦合元件使入射到上述第2光耦合元件中的第2光的一部分在上述第1层内向朝向上述第1光耦合元件的方向传输。
3.如权利要求2所述的光检测装置，其特征在于，
上述第1光耦合元件使上述第1光的另一部分透射上述第1层及上述第2层而向上述第1受光元件入射；
上述第2光耦合元件使上述第2光的另一部分透射上述第1层及上述第2层向上述第2受光元件入射。
4.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
还具备透光性的第2层，该第2层与上述第1层的上述第1面接触，且具有比上述第1层的折射率低的折射率；
在上述第1层的上述第2面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件。
5.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
上述第1受光元件及上述第2受光元件在第1方向上排列；
上述第1光耦合元件是包括多个第1透光性部件的第1光栅，该多个第1透光性部件分别具有在与上述第1方向垂直的第2方向上延伸的凸部，且在上述第1方向上排列；
上述第2光耦合元件是包括多个第2透光性部件的第2光栅，该多个第2透光性部件分别具有在上述第2方向上延伸的凸部，且在上述第1方向上排列。
6.如权利要求5所述的光检测装置，其特征在于，
上述第1光栅、上述第2光栅及上述第1层是由相同的材料构成的单一构造体。
7.如权利要求5所述的光检测装置，其特征在于，
上述第1受光元件及上述第2受光元件检测空气中的波长为λ的光；
上述多个第1透光性部件及上述多个第2透光性部件分别以比上述波长λ小的周期Λ配置。
8.如权利要求7所述的光检测装置，其特征在于，
在设上述第1层的折射率为n1、上述第2层的折射率为n2时，上述周期Λ满足λ/n1<Λ<λ/n2。
9.如权利要求7所述的光检测装置，其特征在于，
上述第1光栅还包括以与上述周期Λ不同的周期配置的多个第3透光性部件；
上述第2光栅还包括以与上述周期Λ不同的周期配置的多个第4透光性部件。
10.如权利要求7所述的光检测装置，其特征在于，
上述多个第1透光性部件中的距上述多个第2透光性部件最近的第1透光性部件的上述凸部的顶点或中心、与上述多个第2透光性部件中的距上述多个第1透光性部件最近的第2透光性部件的上述凸部的顶点或中心之间的距离比上述周期Λ长。
11.如权利要求10所述的光检测装置，其特征在于，
上述光检测器还具有对置于上述第1光栅与上述第2光栅之间的区域的第3受光元件。
12.如权利要求10所述的光检测装置，其特征在于，
在上述光检测器与上述第1层之间还具备透光性的第2层，该第2层与上述第1层接触，且具有比上述第1层的折射率低的折射率；
在上述第1层的上述第1面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；
上述第1光栅及上述第2光栅的各自的上述凸部的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由三角形状、梯形状及正弦波形状构成的组中选择的1个；
设0以上的整数为i，
关于满足i+1.05≤d≤i+1.26或i+1.58≤d≤i+1.79的d，上述距离是dΛ。
13.如权利要求10所述的光检测装置，其特征在于，
还具备透光性的第2层，该第2层与上述第1层的上述第1面接触，且具有比上述第1层的折射率低的折射率；
在上述第1层的上述第2面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；
上述第1光栅及上述第2光栅的各自的上述凸部的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由三角形状、梯形状及正弦波形状构成的组中选择的1个；
设0以上的整数为i，
关于满足1.08+i≤d≤1.31+i或1.58+i≤d≤1.83+i的d，上述距离是dΛ。
14.如权利要求10所述的光检测装置，其特征在于，
在上述光检测器与上述第1层之间还具备透光性的第2层，该第2层与上述第1层接触，且具有比上述第1层的折射率低的折射率；
在上述第1层的上述第1面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；
上述第1光栅及上述第2光栅的各自的上述凸部的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由矩形状、圆角矩形状及半圆形状构成的组中选择的1个；
设0以上的整数为i，
关于满足从由
1<d≤1.16，
i+1.47≤d≤i+1.77，以及
i+1.92≤d≤i+2.16
构成的组中选择的1个的d，上述距离是dΛ。
15.如权利要求10所述的光检测装置，其特征在于，
还具备透光性的第2层，该第2层与上述第1层的上述第1面接触，且具有比上述第1层的折射率低的折射率；
在上述第1层的上述第2面，配置有上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件；
上述第1光栅及上述第2光栅的各自的与上述第2方向垂直的截面的形状是从由矩形状、圆角矩形状及半圆形状构成的组中选择的1个；
设0以上的整数为i，
关于满足1<d≤1.22或1.46+i≤d≤2.22+i的d，上述距离是dΛ。
16.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
还具备偏振元件，该偏振元件配置在对象物与上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件之间，使比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分的光向上述第1光耦合元件及上述第2光耦合元件入射。
17.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
上述光检测器具备多个第1受光元件，上述多个第1受光元件分别是上述第1受光元件；
上述光检测器具备多个第2受光元件，上述多个第2受光元件分别是上述第2受光元件；
上述光检测装置具备多个第1光耦合元件，上述多个第1光耦合元件分别是上述第1光耦合元件；
上述光检测装置具备多个第2光耦合元件，上述多个第2光耦合元件分别是上述第2光耦合元件；
上述多个第1受光元件、上述多个第2受光元件、上述多个第1光耦合元件及上述多个第2光耦合元件被划分为以二维排列的多个检测单位；
上述多个检测单位分别包括上述第1层的一部分、上述第1光耦合元件、上述第2光耦合元件、上述第1受光元件及上述第2受光元件。
18.如权利要求17所述的光检测装置，其特征在于，
在上述第1层中的上述多个检测单位之间的区域中具有槽。
19.如权利要求17所述的光检测装置，其特征在于，
在上述第1层中的上述多个检测单位之间的区域上具有金属膜。
20.如权利要求17所述的光检测装置，其特征在于，
在上述第1层中的上述多个检测单位之间的区域上具有被金属膜覆盖的第3光耦合元件。
21.如权利要求17所述的光检测装置，其特征在于，
上述第1受光元件及上述第2受光元件在第1方向上排列；
上述多个检测单位在从由上述第1方向及与上述第1方向垂直的第2方向构成的组中选择的至少一个方向上排列。
22.如权利要求17所述的光检测装置，其特征在于，
上述多个检测单位以交错状配置。
23.一种光检测系统，其特征在于，
具备光检测装置和运算电路；
上述光检测装置具备：
光检测器，具有第1受光元件及第2受光元件；
透光性的第1层，配置在上述第1受光元件及上述第2受光元件的上方，具有第1面及与上述第1面相反一侧的第2面；
透光性的第1光耦合元件，配置于从由上述第1面及上述第2面构成的组中选择的至少1个面，与上述第1受光元件对置；以及
透光性的第2光耦合元件，配置于上述至少1个面，与上述第2受光元件对置；
与上述第1面相比，上述第2面距上述光检测器更近；
上述运算电路基于从上述第1受光元件输出的第1电信号及从上述第2受光元件输出的第2电信号，生成与对象物的构造有关的信息。
24.如权利要求23所述的光检测系统，其特征在于，
还具备射出空气中的波长为λ的光的光源；
上述第1受光元件及上述第2受光元件检测从上述光源射出并从上述对象物到达的上述光。
25.如权利要求24所述的光检测系统，其特征在于，
上述光中，比TE偏振光成分更多地包含TM偏振光成分。
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