JP4008362B2 - 表面電位測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の表面電位を測定する表面電位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式による画像形成は、光半導体層と導電性支持層とを有する電子写真感光体を用い、この感光体の光半導体層をコロナ帯電等により一様に帯電した後、光ビーム走査や原稿からの反射光によって画像露光を行って光半導体層上の露光部分の帯電電荷を逃がして電子写真潜像（以下、静電潜像と記載する）を形成し、この静電潜像とは逆極性に帯電したトナーを接触させて潜像を可視像に変換することにより得ることができる。
【０００３】
このような電子写真方式による画像形成においては、静電潜像の状態、すなわち感光体の表面電位を知ることは感光体及び画像形成プロセスの評価等を行う上で重要である。
【０００４】
近年、表面電位を測定する方法として、電子ビームを用いた方法や、電気光学効果を有する結晶を利用して表面電位を測定する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記文献１に記載の電気光学効果を利用した表面電位計測装置は、ＬｉＮｂＯ3基板上面に形成されたプロトン交換光導波路とＳｉＯ2膜からなるバッファ層と、被測定物に電気的に接触した電極と備え、被測定物の表面電荷に応じた電圧がプローブを通じて電極に印加されると、電気光学効果を有する膜の屈折率が変化し、導波路内を導波する入射光は、光導波路内を導波する方向が印加前と変化する。基板から射出された光を光電変換素子により電圧に変換して表面電位を求めるものである。
【０００６】
一方、金属中で自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じることが知られており、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは表面プラズモンと呼ばれ、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料の物性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特によく知られているものとして、Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばブロック状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属薄膜と、光を発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射条件となり、かつ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００８】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属薄膜に対して臨界角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属薄膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属薄膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射した光の強度が鋭く減衰する。この光強度の減衰は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。したがって、この全反射減衰が生じる入射角である全反射減衰角θＳＰより表面プラズモンの波数が分かる。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。従って、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００９】
表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍ とεｓ をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【００１０】
【数１】
試料の誘電率εｓ が分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料の屈折率が分かるので、結局、上記全反射減衰が生じる全反射減衰角θＳＰを知ることにより、試料の屈折率あるいは屈折率に関連する特性を分析することができる。
【００１１】
また、エバネッセント波を利用した類似のセンサーとして、漏洩モードセンサも知られている（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。
【００１２】
なお、エバネッセント波を利用したセンサにおいて、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、試料の特性を分析する方法としては種々の方法があり、例えば、前述したように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰により発生した暗線の位置（全反射減衰角θＳＰ）を検出することにより全反射減衰の状態を測定して、試料の特性を分析する方法、あるいは、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰波長λＳＰを検出することにより試料の特性を分析する方法を挙げることができる（例えば非特許文献２参照）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平6-258368号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平6-167443号公報
【００１５】
【非特許文献１】
「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）第２１〜２３頁および第２６〜２７頁
【００１６】
【非特許文献２】
D.V.Noort,K.Johansen,C.F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の表面電位測定方法において、電子ビームを用いた方法では、表面電荷を破壊してしまうという問題があり、また、電気光学結晶を用いた非接触な測定方法では、微小な表面電位を測定する場合、被測定物にプローブを近づけたときの被測定物近傍の電界による電気光学効果は非常に僅かであるため、Ｓ／Ｎ比が悪く、表面電位を高感度で測定することが困難である。
【００１８】
また、化学分析用として用いられる表面電位測定装置においては、微小な電位を測定することが要求される。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みて、微小な表面電位まで、高感度および高精度で測定することを可能とする表面電位測定装置を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の表面電位測定装置は、光源と、薄膜層、および被測定物と接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に、該電気光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、誘電体ブロック側から該界面に入射させる入射光学系と、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段によって得られた全反射した光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第２の表面電位測定装置は、光源と、表面に回折格子が設けられた前記光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面付近に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、回折格子で反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段により得られた反射した光の強度変化に基づいて、被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなるものである。
【００２２】
電気光学効果を有する膜は、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯからなることが望ましい。
【００２３】
また、電気光学効果を有する膜と被測定物との間に絶縁膜が設けられていることが望ましい。
【００２４】
なお、上記「被測定物の表面電位」には、表面電位の絶対値、相対値およびそれらの電位分布を含む。
【００２５】
また、上記測定装置において、上記薄膜層をクラッド層と、クラッド層より屈折率の高い光導波層とから構成し、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して表面電位を測定するように構成されたものとしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の第１の表面電位測定装置は、電気光学効果を有する膜の電界によって屈折率が変化するという特性を利用するものであって、被測定物の表面電荷によって変化する電気光学効果を有する膜の屈折率変化を、誘電体ブロックと薄膜層との界面から進入したエバネッセント光による全反射減衰状態から検知することにより、膜に接触されている被測定物の表面電位を求めるものである。エバネッセント光による全反射減衰を利用したセンサは微小な屈折率変化を容易に測定することが可能であることから、電気光学効果を有する膜の微小な屈折率変化を高感度で検知するので被測定物の微小な表面電位を高感度で測定することが可能である。
【００２７】
また、従来技術のように、被測定物と非接触で測定するのではなく、被測定物に電気光学効果を有する膜を接触させて測定するため、感度高く高精度で表面電位を測定することが可能である。
【００２８】
また、本発明の第２の表面電位測定装置は、被測定物の表面電荷によって変化する電気光学効果を有する膜の屈折率変化を、表面プラズモンあるいは導波モードと、回折格子によって生じた回折波（エバネッセント光）との共鳴による反射光の光強度減衰から検知することにより被測定物の表面電位を求めるものであり、上記本発明の第１の表面電位測定装置と同様に微小な表面電位を測定することができる。
【００２９】
電気光学効果を有する膜に、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯを用いた場合は、電気光学効果が大きいため高感度に表面電位を測定することが可能である。
【００３０】
電気光学効果を有する膜と被測定物との間に絶縁膜を設けた場合は、被測定物と電気光学効果を有する膜との絶縁性を高めることができ、より高感度に表面電位を測定することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３２】
本発明の第１の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面形状を図１に示す。
【００３３】
本実施形態による表面電位測定装置は、図１に示すように、光ビーム16を発生させる例えば半導体レーザ素子からなる光源15と、例えばＴｉＯ2（屈折率ｎ＝2.7）からなる、三角柱の一部が切り取られた形状の光ビーム16を透過させる誘電体ブロック11上に、例えば金、銀、銅、あるいはアルミニウム等からなる金属薄膜12および被測定物14と接触させられた例えばＬｉＮｂＯ3（屈折率ｎ=2.29）からなる電気光学効果を有する膜13（以下、ＥＯ膜と記載する）がこの順に設けられてなる測定部10と、発散光状態で発せられた光ビーム16を、誘電体ブロック11の一面から、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系17と、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面で全反射し発散光の状態で誘電体ブロック11の他の一面から出射された光ビーム16を平行光化するコリメータレンズ18と、該平行光化された光を検出する光検出手段としてのフォトダイオードアレイ19と、フォトダイオードアレイ19によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物14の表面電位を求める信号処理部20と、信号処理部20により求められた表面電位を表示する表示部21とからなるものである。
【００３４】
光ビーム16は、上述のように誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで集光されるので、種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角は、界面11aに対して全反射以上の角度とされる。光ビーム16は、界面で全反射し、この全反射した光ビームには種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００３５】
なお、光ビーム16は、界面に対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予め、レーザ光の向きをその偏光方向になるように配置すればよい。その他、波長板や偏光板で光16の偏光の向きを制御してもよい。
【００３６】
誘電体ブロック11は、金属薄膜12が形成される検出面と、光源からの光が入射される入射面と、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで全反射した光ビーム16を出力する出射面とを有する。
【００３７】
入射光学系17は、光源から発散光状態で発せられた光ビーム16を平行光化するコリメータレンズ17aと、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面に収束させる集光レンズ17bとからなる。
【００３８】
被測定物14は、画像形成装置における感光体などの帯電体からなるものであり、金属薄膜12と短絡させられてグランドレベルに接地されている。
【００３９】
また、ＥＯ膜13は、電界によって屈折率が変化する方向が金属薄膜12に垂直な方向になるように設けられている。本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ3の結晶軸方向が金属薄膜12と垂直な方向になるように設けられている。
【００４０】
ＥＯ膜13の厚さは、薄い方が電界強度が強く屈折率変化が増すため、より高感度に表面電位を測定することができるが、全反射によって生じるエバネッセント光の浸み出し深さ（数１００ｎｍ）よりは厚くすることが望ましい。
【００４１】
次に、上記構成からなる表面電位測定装置の動作について説明する。
【００４２】
光源15から発せられた光ビーム16は、入射光学系17の作用により、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで収束するように、誘電体ブロック11の一面から入射されて、該ブロック11と金属薄膜12との界面11ａに臨界角以上の角度で入射する。
【００４３】
この際、光ビーム16は、界面11aに対して種々の入射角で入射する成分を含むことになる。なお、界面11ａに入射した光16はそこで全反射し、全反射した光ビーム16は誘電体ブロック11から出射し、コリメータレンズ18によって平行光化され、フォトダイオードアレイ19により光強度が検出される。フォトダイオードアレイ19は複数のフォトダイオードが一列に並設されてなり、図１の面内において、光の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。従って、上記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの各成分をそれぞれ異なるフォトダイオードが受光することになる。
【００４４】
界面11aで光ビーム16が全反射するとき、誘電体ブロック11から金属薄膜12側にエバネッセント光が浸み出す。そして、光ビーム16が界面11ａに対してある特定の入射角θspで入射した場合は、このエバネッセント波は金属薄膜12とＥＯ膜13との界面で表面プラズモンを励起するのに利用されるため、この角度の光については反射光強度が鋭く低下する。この時の全反射角が全反射減衰角θspであり、角度θspにおいて、反射光強度は最小値をとる。
【００４５】
信号処理部20は、フォトダイオードアレイ19から得られた全反射減衰による光強度変化に基づいて被測定物の表面電位を求める。
【００４６】
図２（ａ）に示すように、被測定物が載置されていないＥＯ膜の屈折率ｎ0（基準屈折率ｎ0）を、ダイオードアレイにより得られた全反射減衰角θspから求める。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＥＯ膜13上に、被測定物14の帯電した面をＥＯ膜13と接するようにＥＯ膜13上に載置し、被測定物14と金属薄膜12とを短絡させてグランドレベルとする。このとき、被測定物14の表面電位によってＥＯ膜13に電界28が生じるため、ＥＯ膜13の屈折率が変化する。変化後のＥＯ膜13の屈折率ｎ1をダイオードアレイにより得られた全反射減衰角θspから求める。
【００４８】
被測定物14の載置前と載置後の屈折率からＥＯ膜13の屈折率変化量Δｎ（ｎ1−ｎ0）を求め、該屈折率変化量ΔｎからＥＯ膜13に生じる電界強度Ｅを算出する。
【００４９】
ＬｉＮｂＯ3からなるＥＯ膜13において、屈折率変化量Δｎと電界との関係は次式で表される。
Δｎ＝−（ｎ0 3／２）・γ33・Ｅ
なお、式中、ｎ0はＬｉＮｂＯ3の変化前の基準屈折率、γ33は電気光学定数｛（γ33＝32×１０-12（ｍ／Ｖ）｝、Ｅは電界強度（Ｖ／ｍ）を示す。
【００５０】
よって、屈折率変化量ΔｎからＥＯ膜13に生じる電界強度を求めることができ、事前にＥＯ膜13の正確な膜厚ｄeを測定しておけば、得られた電界強度Ｅから被測定物14の表面電位を求めることができる。
【００５１】
例えば、屈折率変化量Δｎが1.92×１０-4であれば、上記式から、生じた電界強度は１０6（Ｖ／ｍ）となる。本実施形態では、基準電位を０Ｖとしているため、ＬｉＮｂＯ3膜の厚さが１μｍのとき、表面電位は１（Ｖ）と求めることができる。
【００５２】
被測定物を載置する前に基準屈折率を測定しておくことで、より正確に屈折率変化を測定することができる。また基準電位を０（Ｖ）と設定しておくことにより、被測定物の表面電位の絶対値を容易に求めることができる。
【００５３】
本実施形態では、信号処理部20において、被測定物14をＥＯ膜13上に載置する前と後との屈折率を求めてから屈折率変化量Δｎを求めるようにした場合について説明したが、屈折率変化量Δｎを表面プラズモンの共鳴状態の変化、すなわち全反射減衰状態の変化から直接求め、表面電位を求めるようにしてもよい。
【００５４】
表面プラズモンの共鳴特性は急峻であり、屈折率変化量Δｎが1.92×１０-4程度の屈折率変化は容易に検出することが可能である。このように、本発明によれば、従来の非接触の表面電位測定方法と比較して、より微小な表面電位を高い精度で容易に測定することが可能である。
【００５５】
なお、ＥＯ膜13は、ゾルゲル法、例えば、特許第3188615号公報に記載のように、ＬｉＯ3Ｅｔ（リチウムエトキシド）とＮｂ（ＯＥｔ）5（ニオブエトキシド）を無水エタノール中に混合し、ＬｉＮｂ（ＯＥｔ）6（リチウム・ニオブ複合アルコキシド溶液）を調製し、加水分解した前駆体溶液を金属膜状に塗布してゲル薄膜を形成し、これを加熱することにより、形成可能である。
【００５６】
また、入射光を界面11aで２次元的に走査させることにより、被測定物の表面電位分布を得ることが可能である。
【００５７】
また、図３に示すように、ＥＯ膜13と被測定物14との間に、絶縁性を高めてより精度高い表面電位の測定を可能とするため、酸化膜や窒化膜等の無機誘電体膜あるいは有機誘電体膜等の絶縁膜23を設けることが望ましい。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図４に示す。本実施の形態による装置は、入射光として単色光を平行光化して界面に入射させる構成とした点が上記第１の実施形態と異なる。上記第１の実施形態と同要素には同符号を付し、その説明を省略する（以下、同様）。
【００５９】
本実施形態の表面電位測定装置は、図４に示すように、レーザ光16を発する半導体レーザ素子からなる光源15と、測定部10と、発散光状態で発せられたレーザ光16を平行光化し、誘電体ブロック11の一面から、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに全反射以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ27と、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで全反射し、平行光の状態でブロック11の他の一面から出射された光を２次元に検出する光検出手段としてのＣＣＤエリアセンサ29と、ＣＣＤエリアセンサ29よって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物14の表面電位を求める信号処理部20と、信号処理部20により求められた表面電位を表示する表示部21とからなるものである。また、光源15は、図示されない回転機構を備え、これにより光源15は回転させられ入射角度を変化させることが可能となっている。また、ＣＣＤエリアセンサ29は図示されない回転機構を備え、前記入射されるレーザ光16の角度変化による反射光の角度変化に対応して、位置を変化させることが可能となっている。
【００６０】
本実施形態の装置は、入射光16を、ある一定の断面積のある平行光とし、界面11aからの反射光の断面積の光強度分布を、２次元的に検出可能なＣＣＤエリアセンサにより検出し、反射光の全反射減衰状態に基づいて被測定物の表面電位分布を得ることができる。この場合、基準屈折率および基準電位を設定しておくことにより絶対値の表面電位分布を得ることも可能であるが、相対値で得ることも可能である。
【００６１】
図５に示すように、異なる方向の電界48aおよび48bを有する被測定物14の表面電位分布を測定することも可能である。
【００６２】
上記「ある一定の断面積」とは、界面での所望の領域に対して一度に光を入射させるために必要な断面積である。
【００６３】
大面積の被測定物の表面電位を測定する場合は、本実施形態において、さらにレーザ光を界面11aで２次元走査することにより表面電位分布を得ることができる。
【００６４】
なお、入射光を平行光とした場合、誘電体ブロックの界面に垂直な方向と垂直方向とで非対称な光学系となるため、全反射光による像に歪が生じる。これを補正するための歪補償用光学系を設けることが望ましい。
【００６５】
次に、本発明の第３の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図６に示す。本実施形態の装置は、光源に白色光源を用い、白色光を平行化して入射光とした点が上記第１の実施の形態と異なる。
【００６６】
本実施形態の装置は、図６に示すように、発散光状態で白色光36を発する白熱球からなる光源35と、測定部10と、白色光36を平行光化し、誘電体ブロック11の一面から、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに臨界角以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ37と、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで全反射し平行光状態で誘電体ブロック11の他の一面から出射された平行光を、波長に応じて異なる角度に回折させる回折格子38と、回折光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズ39と、集光レンズ39の集光位置に設置され、回折光からの特定の波長だけを抜き出すスリット40と、スリット40を透過した各波長の光を２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ41と、回折格子の角度を掃引して検出波長を変化させるか、あるいは分光される各波長の集光位置にスリットの位置を移動させる制御部42と、ＣＣＤエリアセンサ41によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物14の表面電位を求める信号処理部20と、信号処理部20により求められた表面電位を表示する表示部21とからなるものである。また、回折格子38には、制御部42によって制御される、光の波長を連続的または離散的に掃引するための回転機構が設けられている。
【００６７】
光源35から発せられた白色光36は、コリメータレンズ37の作用により、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに臨界角以上の角度で入射する。界面11ａに入射した平行白色光は界面11aで全反射し、全反射した光36は誘電体ブロック11から出射し、回折格子38により各波長に分光され、スリット40を透過した特定の波長のみがＣＣＤエリアセンサ41により各波長での光強度が検出される。検出結果から全反射減衰が生じる波長（全反射減衰波長λsp）を特定することにより、被測定物の表面電位を求めることができる。
【００６８】
各波長における全反射減衰状態の検出は、スリット位置を固定して回折格子を回転させて行ってもよいし、回折格子を固定してスリットを移動させて行ってもよい。
【００６９】
なお、本実施形態では、測定装置の簡略化のため誘電体ブロック11の出射側で白色光を分光しているが、入射側で分光して誘電体ブロック11に入射させてもよい。
【００７０】
また、光源35としては、白熱球の代わりに水銀ランプであってもよい。
【００７１】
次に、本発明の第４の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図７に示す。
【００７２】
本実施形態の装置は、図７に示すように、レーザ光15を発する半導体レーザからなる光源16と、厚さが均一な、例えばＴｉＯ2からなる基板51上の一方の面51a上に、金属薄膜52および被測定物54と接触させられたＥＯ膜53をこの順に備えてなる測定部50と、レーザ光16を基板51に入射させる入射光学系27と、基板51の前記一方の面51aと対向する他方の面51bの一部の領域に形成された、前記レーザ光16を基板51と金属薄膜52との界面51aで臨界角以上の角度で入射させる光入射手段としての回折格子51cと、前記界面で全反射した光を、基板外に出射させる、前記他方の面51bの前記一部と異なる他の領域に形成された光出射手段である回折格子51dと、回折格子51dから出射されたレーザ光の強度を検出する光検出手段であるＣＣＤエリアセンサ29とを備えるものである。入射光学系27は、レーザ光16を平行光化するコリメータレンズと、種々の角度で回折格子51cに入射させる不図示のゴニオメータとからなる。
【００７３】
基板51に対して入射させられたレーザ光16は、回折格子51cにより、臨界角以上の角度で基板51と金属薄膜52との界面51aに入射する。界面51aで全反射した反射光は、回折格子51dにより、基板51外に出射される。上記実施形態と同様に反射光の全反射減衰の状態から被測定物54の表面電位分布を求めることができる。
【００７４】
なお、回折格子51cおよび51dは、基板51に直接形成することにより得ることができる。
【００７５】
次に、本発明の第５の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略構成図を図８に示す。
【００７６】
上記実施形態は表面プラズモンセンサを利用した装置であるが、本実施形態の表面電位測定装置は、漏洩モードセンサを利用したものである。
【００７７】
本実施形態の測定部は、ＴｉＯ2からなる誘電体ブロック11の上に、クラッド層62、光導波層63および被測定物65に接触させられたＥＯ膜64をこの順に備えてなるものである。
【００７８】
誘電体ブロック11は、ＥＯ膜65より屈折率の高いＴｉＯ2からなり、クラッド層62は、誘電体ブロック11よりも低屈折率の金属、例えば金や、誘電体に例えば石英を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層63は、クラッド層62よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いて薄膜状に形成されている。クラッド層62の膜厚は、金の場合で36.5ｎｍ、光導波層63の膜厚は、ＰＭＭＡで形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００７９】
光源15から出射した光16を、誘電体ブロック11を通してクラッド層62に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光が誘電体ブロック11とクラッド層62との界面11aで全反射するが、クラッド層62を透過して光導波層63に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層63を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層63に取り込まれるので、上記界面11aで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００８０】
光導波層63における導波光の波数は、該光導波層63上のＥＯ膜64の屈折率に依存するので、全反射減衰状態から被測定物65の表面電位を測定することができる。
【００８１】
本実施形態の漏洩モードを利用した表面電位測定装置は、上記の表面プラズモン励起を利用した表面電位測定装置と比較して略同等の感度で表面電位を測定することが可能である。
【００８２】
次に、本発明の第６の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図９に示す。
【００８３】
本実施形態による装置は、図９に示すように、光ビーム15を発生させる半導体レーザ素子からなる光源15と、表面71aに凹凸状の回折格子75が設けられた透明誘電体ブロック71上に金属薄膜72、および被測定物74に接触させられたＬｉＮｂＯ3からなるＥＯ膜73をこの順に設けられてなる測定部70と、光ビーム16を平行光化して、回折格子75に誘電体ブロック71側から入射させるコリメータレンズからなる入射光学系27と、回折格子75により回折し、誘電体ブロック71外に出射された反射光の光強度を検出する光検出手段29と、光検出手段29により得られた光強度変化に基づいて、表面電位を求める信号処理部20と表面電位を表示する表示部21とからなるものである。
【００８４】
誘電体ブロック71の一面から回折格子75が形成された界面71aに入射した光は、回折格子75の効果で回折波（エバネッセント光）を発生させる。回折格子75の凹凸差は通常数十ｎｍ程度が好ましく、ピッチは１μｍ前後が好ましい。
【００８５】
回折波の波数ｋは、回折格子75の凹凸のピッチをＬ、光ビーム26の波長をλ、入射角をθ、基板の屈折率をｎとすると、以下の式で表される。
ｋ＝sinθ・２πｎ／λ±Ｎ２π／Ｌ（Ｎ：整数）
この回折波の波数ｋのいずれかが、金属薄膜72とＥＯ膜73との界面に形成される表面プラズモンモードの波数ｋspに一致すると、表面プラズモン共鳴が起こる。表面プラズモン共鳴が起こると、反射光が減衰する。全反射型の表面プラズモン共鳴を利用した場合と同様に、共鳴の起こる角度から表面電位を求めることができる。
【００８６】
誘電体ブロック71は、全反射を起こすようなＴｉＯ2のような高い屈折率を有する材料を用いる必要がなく、例えば、透明な合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いることが可能である。
【００８７】
本実施形態においても、上記第５の実施形態の漏洩モードを応用してもよい。
【００８８】
実施形態においては、ＥＯ膜として、ＬｉＮｂＯ3を例に説明したが、ＬｉＴａＯ3（屈折率２．１８）、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯであってもよい。また、電気光学効果を有する膜としては、屈折率変化が電界強度に比例するポッケルス効果のある材料、あるいは屈折率変化が電界強度の２乗に比例するカー効果を有する材料のいずれであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図２】表面電位測定方法を示す測定部の断面図
【図３】金属薄膜上に絶縁膜を設けた測定部の断面図
【図４】本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図５】本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置に用いる測定部の断面図
【図６】本発明の第３の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図７】本発明の第４の実施形態による、回折格子を用いた表面電位測定装置を示す概略構成図
【図８】本発明の第５の実施形態による、漏洩モードセンサを利用した表面電位測定装置を示す概略構成図
【図９】本発明の第６の実施形態による、回折格子を用いた表面電位測定装置を示す概略構成図
【符号の説明】
11 誘電体ブロック
12 金属薄膜
13 電気光学効果を有する膜
14 被測定物
15 光源
16 レーザ光
17 入射光学系
18 コリメータレンズ
19 フォトダイオードアレイ
20 信号処理部
21 表示部
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の表面電位を測定する表面電位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式による画像形成は、光半導体層と導電性支持層とを有する電子写真感光体を用い、この感光体の光半導体層をコロナ帯電等により一様に帯電した後、光ビーム走査や原稿からの反射光によって画像露光を行って光半導体層上の露光部分の帯電電荷を逃がして電子写真潜像（以下、静電潜像と記載する）を形成し、この静電潜像とは逆極性に帯電したトナーを接触させて潜像を可視像に変換することにより得ることができる。
【０００３】
このような電子写真方式による画像形成においては、静電潜像の状態、すなわち感光体の表面電位を知ることは感光体及び画像形成プロセスの評価等を行う上で重要である。
【０００４】
近年、表面電位を測定する方法として、電子ビームを用いた方法や、電気光学効果を有する結晶を利用して表面電位を測定する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記文献１に記載の電気光学効果を利用した表面電位計測装置は、ＬｉＮｂＯ3基板上面に形成されたプロトン交換光導波路とＳｉＯ2膜からなるバッファ層と、被測定物に電気的に接触した電極と備え、被測定物の表面電荷に応じた電圧がプローブを通じて電極に印加されると、電気光学効果を有する膜の屈折率が変化し、導波路内を導波する入射光は、光導波路内を導波する方向が印加前と変化する。基板から射出された光を光電変換素子により電圧に変換して表面電位を求めるものである。
【０００６】
一方、金属中で自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じることが知られており、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは表面プラズモンと呼ばれ、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料の物性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特によく知られているものとして、Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばブロック状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属薄膜と、光を発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射条件となり、かつ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００８】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属薄膜に対して臨界角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属薄膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属薄膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射した光の強度が鋭く減衰する。この光強度の減衰は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。したがって、この全反射減衰が生じる入射角である全反射減衰角θＳＰより表面プラズモンの波数が分かる。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。従って、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００９】
表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍ とεｓ をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【００１０】
【数１】
【００１１】
また、エバネッセント波を利用した類似のセンサーとして、漏洩モードセンサも知られている（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。
【００１２】
なお、エバネッセント波を利用したセンサにおいて、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、試料の特性を分析する方法としては種々の方法があり、例えば、前述したように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰により発生した暗線の位置（全反射減衰角θＳＰ）を検出することにより全反射減衰の状態を測定して、試料の特性を分析する方法、あるいは、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰波長λＳＰを検出することにより試料の特性を分析する方法を挙げることができる（例えば非特許文献２参照）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平6-258368号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平6-167443号公報
【００１５】
【非特許文献１】
「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）第２１〜２３頁および第２６〜２７頁
【００１６】
【非特許文献２】
D.V.Noort,K.Johansen,C.F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の表面電位測定方法において、電子ビームを用いた方法では、表面電荷を破壊してしまうという問題があり、また、電気光学結晶を用いた非接触な測定方法では、微小な表面電位を測定する場合、被測定物にプローブを近づけたときの被測定物近傍の電界による電気光学効果は非常に僅かであるため、Ｓ／Ｎ比が悪く、表面電位を高感度で測定することが困難である。
【００１８】
また、化学分析用として用いられる表面電位測定装置においては、微小な電位を測定することが要求される。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みて、微小な表面電位まで、高感度および高精度で測定することを可能とする表面電位測定装置を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の表面電位測定装置は、光源と、薄膜層、および被測定物と接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に、該電気光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、誘電体ブロック側から該界面に入射させる入射光学系と、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段によって得られた全反射した光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第２の表面電位測定装置は、光源と、表面に回折格子が設けられた前記光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面付近に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、回折格子で反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段により得られた反射した光の強度変化に基づいて、被測定物の表面電位を求める信号処理部とからなるものである。
【００２２】
電気光学効果を有する膜は、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯからなることが望ましい。
【００２３】
また、電気光学効果を有する膜と被測定物との間に絶縁膜が設けられていることが望ましい。
【００２４】
なお、上記「被測定物の表面電位」には、表面電位の絶対値、相対値およびそれらの電位分布を含む。
【００２５】
また、上記測定装置において、上記薄膜層をクラッド層と、クラッド層より屈折率の高い光導波層とから構成し、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して表面電位を測定するように構成されたものとしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の第１の表面電位測定装置は、電気光学効果を有する膜の電界によって屈折率が変化するという特性を利用するものであって、被測定物の表面電荷によって変化する電気光学効果を有する膜の屈折率変化を、誘電体ブロックと薄膜層との界面から進入したエバネッセント光による全反射減衰状態から検知することにより、膜に接触されている被測定物の表面電位を求めるものである。エバネッセント光による全反射減衰を利用したセンサは微小な屈折率変化を容易に測定することが可能であることから、電気光学効果を有する膜の微小な屈折率変化を高感度で検知するので被測定物の微小な表面電位を高感度で測定することが可能である。
【００２７】
また、従来技術のように、被測定物と非接触で測定するのではなく、被測定物に電気光学効果を有する膜を接触させて測定するため、感度高く高精度で表面電位を測定することが可能である。
【００２８】
また、本発明の第２の表面電位測定装置は、被測定物の表面電荷によって変化する電気光学効果を有する膜の屈折率変化を、表面プラズモンあるいは導波モードと、回折格子によって生じた回折波（エバネッセント光）との共鳴による反射光の光強度減衰から検知することにより被測定物の表面電位を求めるものであり、上記本発明の第１の表面電位測定装置と同様に微小な表面電位を測定することができる。
【００２９】
電気光学効果を有する膜に、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯを用いた場合は、電気光学効果が大きいため高感度に表面電位を測定することが可能である。
【００３０】
電気光学効果を有する膜と被測定物との間に絶縁膜を設けた場合は、被測定物と電気光学効果を有する膜との絶縁性を高めることができ、より高感度に表面電位を測定することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３２】
本発明の第１の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面形状を図１に示す。
【００３３】
本実施形態による表面電位測定装置は、図１に示すように、光ビーム16を発生させる例えば半導体レーザ素子からなる光源15と、例えばＴｉＯ2（屈折率ｎ＝2.7）からなる、三角柱の一部が切り取られた形状の光ビーム16を透過させる誘電体ブロック11上に、例えば金、銀、銅、あるいはアルミニウム等からなる金属薄膜12および被測定物14と接触させられた例えばＬｉＮｂＯ3（屈折率ｎ=2.29）からなる電気光学効果を有する膜13（以下、ＥＯ膜と記載する）がこの順に設けられてなる測定部10と、発散光状態で発せられた光ビーム16を、誘電体ブロック11の一面から、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系17と、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面で全反射し発散光の状態で誘電体ブロック11の他の一面から出射された光ビーム16を平行光化するコリメータレンズ18と、該平行光化された光を検出する光検出手段としてのフォトダイオードアレイ19と、フォトダイオードアレイ19によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物14の表面電位を求める信号処理部20と、信号処理部20により求められた表面電位を表示する表示部21とからなるものである。
【００３４】
光ビーム16は、上述のように誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで集光されるので、種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角は、界面11aに対して全反射以上の角度とされる。光ビーム16は、界面で全反射し、この全反射した光ビームには種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００３５】
なお、光ビーム16は、界面に対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予め、レーザ光の向きをその偏光方向になるように配置すればよい。その他、波長板や偏光板で光16の偏光の向きを制御してもよい。
【００３６】
誘電体ブロック11は、金属薄膜12が形成される検出面と、光源からの光が入射される入射面と、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで全反射した光ビーム16を出力する出射面とを有する。
【００３７】
入射光学系17は、光源から発散光状態で発せられた光ビーム16を平行光化するコリメータレンズ17aと、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面に収束させる集光レンズ17bとからなる。
【００３８】
被測定物14は、画像形成装置における感光体などの帯電体からなるものであり、金属薄膜12と短絡させられてグランドレベルに接地されている。
【００３９】
また、ＥＯ膜13は、電界によって屈折率が変化する方向が金属薄膜12に垂直な方向になるように設けられている。本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ3の結晶軸方向が金属薄膜12と垂直な方向になるように設けられている。
【００４０】
ＥＯ膜13の厚さは、薄い方が電界強度が強く屈折率変化が増すため、より高感度に表面電位を測定することができるが、全反射によって生じるエバネッセント光の浸み出し深さ（数１００ｎｍ）よりは厚くすることが望ましい。
【００４１】
次に、上記構成からなる表面電位測定装置の動作について説明する。
【００４２】
光源15から発せられた光ビーム16は、入射光学系17の作用により、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで収束するように、誘電体ブロック11の一面から入射されて、該ブロック11と金属薄膜12との界面11ａに臨界角以上の角度で入射する。
【００４３】
この際、光ビーム16は、界面11aに対して種々の入射角で入射する成分を含むことになる。なお、界面11ａに入射した光16はそこで全反射し、全反射した光ビーム16は誘電体ブロック11から出射し、コリメータレンズ18によって平行光化され、フォトダイオードアレイ19により光強度が検出される。フォトダイオードアレイ19は複数のフォトダイオードが一列に並設されてなり、図１の面内において、光の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。従って、上記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの各成分をそれぞれ異なるフォトダイオードが受光することになる。
【００４４】
界面11aで光ビーム16が全反射するとき、誘電体ブロック11から金属薄膜12側にエバネッセント光が浸み出す。そして、光ビーム16が界面11ａに対してある特定の入射角θspで入射した場合は、このエバネッセント波は金属薄膜12とＥＯ膜13との界面で表面プラズモンを励起するのに利用されるため、この角度の光については反射光強度が鋭く低下する。この時の全反射角が全反射減衰角θspであり、角度θspにおいて、反射光強度は最小値をとる。
【００４５】
信号処理部20は、フォトダイオードアレイ19から得られた全反射減衰による光強度変化に基づいて被測定物の表面電位を求める。
【００４６】
図２（ａ）に示すように、被測定物が載置されていないＥＯ膜の屈折率ｎ0（基準屈折率ｎ0）を、ダイオードアレイにより得られた全反射減衰角θspから求める。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＥＯ膜13上に、被測定物14の帯電した面をＥＯ膜13と接するようにＥＯ膜13上に載置し、被測定物14と金属薄膜12とを短絡させてグランドレベルとする。このとき、被測定物14の表面電位によってＥＯ膜13に電界28が生じるため、ＥＯ膜13の屈折率が変化する。変化後のＥＯ膜13の屈折率ｎ1をダイオードアレイにより得られた全反射減衰角θspから求める。
【００４８】
被測定物14の載置前と載置後の屈折率からＥＯ膜13の屈折率変化量Δｎ（ｎ1−ｎ0）を求め、該屈折率変化量ΔｎからＥＯ膜13に生じる電界強度Ｅを算出する。
【００４９】
ＬｉＮｂＯ3からなるＥＯ膜13において、屈折率変化量Δｎと電界との関係は次式で表される。
Δｎ＝−（ｎ0 3／２）・γ33・Ｅ
なお、式中、ｎ0はＬｉＮｂＯ3の変化前の基準屈折率、γ33は電気光学定数｛（γ33＝32×１０-12（ｍ／Ｖ）｝、Ｅは電界強度（Ｖ／ｍ）を示す。
【００５０】
よって、屈折率変化量ΔｎからＥＯ膜13に生じる電界強度を求めることができ、事前にＥＯ膜13の正確な膜厚ｄeを測定しておけば、得られた電界強度Ｅから被測定物14の表面電位を求めることができる。
【００５１】
例えば、屈折率変化量Δｎが1.92×１０-4であれば、上記式から、生じた電界強度は１０6（Ｖ／ｍ）となる。本実施形態では、基準電位を０Ｖとしているため、ＬｉＮｂＯ3膜の厚さが１μｍのとき、表面電位は１（Ｖ）と求めることができる。
【００５２】
被測定物を載置する前に基準屈折率を測定しておくことで、より正確に屈折率変化を測定することができる。また基準電位を０（Ｖ）と設定しておくことにより、被測定物の表面電位の絶対値を容易に求めることができる。
【００５３】
本実施形態では、信号処理部20において、被測定物14をＥＯ膜13上に載置する前と後との屈折率を求めてから屈折率変化量Δｎを求めるようにした場合について説明したが、屈折率変化量Δｎを表面プラズモンの共鳴状態の変化、すなわち全反射減衰状態の変化から直接求め、表面電位を求めるようにしてもよい。
【００５４】
表面プラズモンの共鳴特性は急峻であり、屈折率変化量Δｎが1.92×１０-4程度の屈折率変化は容易に検出することが可能である。このように、本発明によれば、従来の非接触の表面電位測定方法と比較して、より微小な表面電位を高い精度で容易に測定することが可能である。
【００５５】
なお、ＥＯ膜13は、ゾルゲル法、例えば、特許第3188615号公報に記載のように、ＬｉＯ3Ｅｔ（リチウムエトキシド）とＮｂ（ＯＥｔ）5（ニオブエトキシド）を無水エタノール中に混合し、ＬｉＮｂ（ＯＥｔ）6（リチウム・ニオブ複合アルコキシド溶液）を調製し、加水分解した前駆体溶液を金属膜状に塗布してゲル薄膜を形成し、これを加熱することにより、形成可能である。
【００５６】
また、入射光を界面11aで２次元的に走査させることにより、被測定物の表面電位分布を得ることが可能である。
【００５７】
また、図３に示すように、ＥＯ膜13と被測定物14との間に、絶縁性を高めてより精度高い表面電位の測定を可能とするため、酸化膜や窒化膜等の無機誘電体膜あるいは有機誘電体膜等の絶縁膜23を設けることが望ましい。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図４に示す。本実施の形態による装置は、入射光として単色光を平行光化して界面に入射させる構成とした点が上記第１の実施形態と異なる。上記第１の実施形態と同要素には同符号を付し、その説明を省略する（以下、同様）。
【００５９】
本実施形態の表面電位測定装置は、図４に示すように、レーザ光16を発する半導体レーザ素子からなる光源15と、測定部10と、発散光状態で発せられたレーザ光16を平行光化し、誘電体ブロック11の一面から、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに全反射以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ27と、誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで全反射し、平行光の状態でブロック11の他の一面から出射された光を２次元に検出する光検出手段としてのＣＣＤエリアセンサ29と、ＣＣＤエリアセンサ29よって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物14の表面電位を求める信号処理部20と、信号処理部20により求められた表面電位を表示する表示部21とからなるものである。また、光源15は、図示されない回転機構を備え、これにより光源15は回転させられ入射角度を変化させることが可能となっている。また、ＣＣＤエリアセンサ29は図示されない回転機構を備え、前記入射されるレーザ光16の角度変化による反射光の角度変化に対応して、位置を変化させることが可能となっている。
【００６０】
本実施形態の装置は、入射光16を、ある一定の断面積のある平行光とし、界面11aからの反射光の断面積の光強度分布を、２次元的に検出可能なＣＣＤエリアセンサにより検出し、反射光の全反射減衰状態に基づいて被測定物の表面電位分布を得ることができる。この場合、基準屈折率および基準電位を設定しておくことにより絶対値の表面電位分布を得ることも可能であるが、相対値で得ることも可能である。
【００６１】
図５に示すように、異なる方向の電界48aおよび48bを有する被測定物14の表面電位分布を測定することも可能である。
【００６２】
上記「ある一定の断面積」とは、界面での所望の領域に対して一度に光を入射させるために必要な断面積である。
【００６３】
大面積の被測定物の表面電位を測定する場合は、本実施形態において、さらにレーザ光を界面11aで２次元走査することにより表面電位分布を得ることができる。
【００６４】
なお、入射光を平行光とした場合、誘電体ブロックの界面に垂直な方向と垂直方向とで非対称な光学系となるため、全反射光による像に歪が生じる。これを補正するための歪補償用光学系を設けることが望ましい。
【００６５】
次に、本発明の第３の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図６に示す。本実施形態の装置は、光源に白色光源を用い、白色光を平行化して入射光とした点が上記第１の実施の形態と異なる。
【００６６】
本実施形態の装置は、図６に示すように、発散光状態で白色光36を発する白熱球からなる光源35と、測定部10と、白色光36を平行光化し、誘電体ブロック11の一面から、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに臨界角以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ37と、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aで全反射し平行光状態で誘電体ブロック11の他の一面から出射された平行光を、波長に応じて異なる角度に回折させる回折格子38と、回折光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズ39と、集光レンズ39の集光位置に設置され、回折光からの特定の波長だけを抜き出すスリット40と、スリット40を透過した各波長の光を２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ41と、回折格子の角度を掃引して検出波長を変化させるか、あるいは分光される各波長の集光位置にスリットの位置を移動させる制御部42と、ＣＣＤエリアセンサ41によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物14の表面電位を求める信号処理部20と、信号処理部20により求められた表面電位を表示する表示部21とからなるものである。また、回折格子38には、制御部42によって制御される、光の波長を連続的または離散的に掃引するための回転機構が設けられている。
【００６７】
光源35から発せられた白色光36は、コリメータレンズ37の作用により、透明誘電体ブロック11と金属薄膜12との界面11aに臨界角以上の角度で入射する。界面11ａに入射した平行白色光は界面11aで全反射し、全反射した光36は誘電体ブロック11から出射し、回折格子38により各波長に分光され、スリット40を透過した特定の波長のみがＣＣＤエリアセンサ41により各波長での光強度が検出される。検出結果から全反射減衰が生じる波長（全反射減衰波長λsp）を特定することにより、被測定物の表面電位を求めることができる。
【００６８】
各波長における全反射減衰状態の検出は、スリット位置を固定して回折格子を回転させて行ってもよいし、回折格子を固定してスリットを移動させて行ってもよい。
【００６９】
なお、本実施形態では、測定装置の簡略化のため誘電体ブロック11の出射側で白色光を分光しているが、入射側で分光して誘電体ブロック11に入射させてもよい。
【００７０】
また、光源35としては、白熱球の代わりに水銀ランプであってもよい。
【００７１】
次に、本発明の第４の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図７に示す。
【００７２】
本実施形態の装置は、図７に示すように、レーザ光15を発する半導体レーザからなる光源16と、厚さが均一な、例えばＴｉＯ2からなる基板51上の一方の面51a上に、金属薄膜52および被測定物54と接触させられたＥＯ膜53をこの順に備えてなる測定部50と、レーザ光16を基板51に入射させる入射光学系27と、基板51の前記一方の面51aと対向する他方の面51bの一部の領域に形成された、前記レーザ光16を基板51と金属薄膜52との界面51aで臨界角以上の角度で入射させる光入射手段としての回折格子51cと、前記界面で全反射した光を、基板外に出射させる、前記他方の面51bの前記一部と異なる他の領域に形成された光出射手段である回折格子51dと、回折格子51dから出射されたレーザ光の強度を検出する光検出手段であるＣＣＤエリアセンサ29とを備えるものである。入射光学系27は、レーザ光16を平行光化するコリメータレンズと、種々の角度で回折格子51cに入射させる不図示のゴニオメータとからなる。
【００７３】
基板51に対して入射させられたレーザ光16は、回折格子51cにより、臨界角以上の角度で基板51と金属薄膜52との界面51aに入射する。界面51aで全反射した反射光は、回折格子51dにより、基板51外に出射される。上記実施形態と同様に反射光の全反射減衰の状態から被測定物54の表面電位分布を求めることができる。
【００７４】
なお、回折格子51cおよび51dは、基板51に直接形成することにより得ることができる。
【００７５】
次に、本発明の第５の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略構成図を図８に示す。
【００７６】
上記実施形態は表面プラズモンセンサを利用した装置であるが、本実施形態の表面電位測定装置は、漏洩モードセンサを利用したものである。
【００７７】
本実施形態の測定部は、ＴｉＯ2からなる誘電体ブロック11の上に、クラッド層62、光導波層63および被測定物65に接触させられたＥＯ膜64をこの順に備えてなるものである。
【００７８】
誘電体ブロック11は、ＥＯ膜65より屈折率の高いＴｉＯ2からなり、クラッド層62は、誘電体ブロック11よりも低屈折率の金属、例えば金や、誘電体に例えば石英を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層63は、クラッド層62よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いて薄膜状に形成されている。クラッド層62の膜厚は、金の場合で36.5ｎｍ、光導波層63の膜厚は、ＰＭＭＡで形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００７９】
光源15から出射した光16を、誘電体ブロック11を通してクラッド層62に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光が誘電体ブロック11とクラッド層62との界面11aで全反射するが、クラッド層62を透過して光導波層63に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層63を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層63に取り込まれるので、上記界面11aで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００８０】
光導波層63における導波光の波数は、該光導波層63上のＥＯ膜64の屈折率に依存するので、全反射減衰状態から被測定物65の表面電位を測定することができる。
【００８１】
本実施形態の漏洩モードを利用した表面電位測定装置は、上記の表面プラズモン励起を利用した表面電位測定装置と比較して略同等の感度で表面電位を測定することが可能である。
【００８２】
次に、本発明の第６の実施形態による表面電位測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図９に示す。
【００８３】
本実施形態による装置は、図９に示すように、光ビーム15を発生させる半導体レーザ素子からなる光源15と、表面71aに凹凸状の回折格子75が設けられた透明誘電体ブロック71上に金属薄膜72、および被測定物74に接触させられたＬｉＮｂＯ3からなるＥＯ膜73をこの順に設けられてなる測定部70と、光ビーム16を平行光化して、回折格子75に誘電体ブロック71側から入射させるコリメータレンズからなる入射光学系27と、回折格子75により回折し、誘電体ブロック71外に出射された反射光の光強度を検出する光検出手段29と、光検出手段29により得られた光強度変化に基づいて、表面電位を求める信号処理部20と表面電位を表示する表示部21とからなるものである。
【００８４】
誘電体ブロック71の一面から回折格子75が形成された界面71aに入射した光は、回折格子75の効果で回折波（エバネッセント光）を発生させる。回折格子75の凹凸差は通常数十ｎｍ程度が好ましく、ピッチは１μｍ前後が好ましい。
【００８５】
回折波の波数ｋは、回折格子75の凹凸のピッチをＬ、光ビーム26の波長をλ、入射角をθ、基板の屈折率をｎとすると、以下の式で表される。
ｋ＝sinθ・２πｎ／λ±Ｎ２π／Ｌ（Ｎ：整数）
この回折波の波数ｋのいずれかが、金属薄膜72とＥＯ膜73との界面に形成される表面プラズモンモードの波数ｋspに一致すると、表面プラズモン共鳴が起こる。表面プラズモン共鳴が起こると、反射光が減衰する。全反射型の表面プラズモン共鳴を利用した場合と同様に、共鳴の起こる角度から表面電位を求めることができる。
【００８６】
誘電体ブロック71は、全反射を起こすようなＴｉＯ2のような高い屈折率を有する材料を用いる必要がなく、例えば、透明な合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いることが可能である。
【００８７】
本実施形態においても、上記第５の実施形態の漏洩モードを応用してもよい。
【００８８】
実施形態においては、ＥＯ膜として、ＬｉＮｂＯ3を例に説明したが、ＬｉＴａＯ3（屈折率２．１８）、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯであってもよい。また、電気光学効果を有する膜としては、屈折率変化が電界強度に比例するポッケルス効果のある材料、あるいは屈折率変化が電界強度の２乗に比例するカー効果を有する材料のいずれであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図２】表面電位測定方法を示す測定部の断面図
【図３】金属薄膜上に絶縁膜を設けた測定部の断面図
【図４】本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図５】本発明の第２の実施形態による表面電位測定装置に用いる測定部の断面図
【図６】本発明の第３の実施形態による表面電位測定装置を示す概略構成図
【図７】本発明の第４の実施形態による、回折格子を用いた表面電位測定装置を示す概略構成図
【図８】本発明の第５の実施形態による、漏洩モードセンサを利用した表面電位測定装置を示す概略構成図
【図９】本発明の第６の実施形態による、回折格子を用いた表面電位測定装置を示す概略構成図
【符号の説明】
11 誘電体ブロック
12 金属薄膜
13 電気光学効果を有する膜
14 被測定物
15 光源
16 レーザ光
17 入射光学系
18 コリメータレンズ
19 フォトダイオードアレイ
20 信号処理部
21 表示部
Claims (4)
- 光源と、
薄膜層、および被測定物と接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に、該電気光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、
前記光源からの光を平行光化するとともに、該平行光を前記誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、前記誘電体ブロック側から該界面に入射させる入射光学系と、
前記誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した平行光の二次元強度分布を検出する光検出手段と、
該光検出手段によって得られた前記全反射した平行光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、前記被測定物の表面電位分布を求める信号処理部とからなることを特徴とする表面電位測定装置。 - 光源と、
表面に回折格子が設けられた前記光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に接触させられる電気光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、
前記光源からの光を平行光化するとともに、該平行光を前記回折格子に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射した平行光の二次元強度分布を検出する光検出手段と、
該光検出手段により得られた前記反射した平行光の強度変化に基づいて、前記被測定物の表面電位分布を求める信号処理部とからなることを特徴とする表面電位測定装置。 - 前記電気光学効果を有する膜が、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4またはＺｎＯからなることを特徴とする請求項１または２記載の表面電位測定装置。
- 前記電気光学効果を有する膜と前記被測定物との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１、２または３記載の表面電位測定装置。
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